JP2007030158A - 工具の座またはアンバランスを検査するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工具スピンドルの中で同一直線上に位置決めされた工具（４０）の座、またはアンバランスを検査するための方法において、単純且つ迅速な方法を提供する。
【解決手段】工具スピンドル（２２）が回転され、光線（３３）を用いて工具（４０）がふらつき運動をしているか否か検査される。光線（３３）がふらつき運動によって検出された領域に達し、光線（３３）により発生された受信信号が最初に間欠的な信号経過を有するまで、工具スピンドル（２２）と光線（３３）を互いに相対的に移動させる。次に、工具スピンドル（２２）と光線（２２）の間に存在する相対位置が座のミスアライアメントあるいは工具のアンバランスに関して評価される。
【選択図】図５

Description

本発明は中央縦軸線の周りに回転駆動可能に支承された工具スピンドルに交換可能に収容された工具の座またはアンバランス（不平衡）を検出するための方法に関するものである。

この種の工具スピンドルは工作機械において使用されている。高い加工精度を実現するため、装着された工具は出来るだけ真円に回転するのが望ましい。円周軌道からの逸脱は、夾雑物に起因する工具スピンドル中の工具の座のミスアラインメント（同一線上にないこと）により、或いは種々の工具のアンバランスにより生じる可能性がある。この様な不均一性（状態）は識別され、排除されなくてはならない。

特許文献１から、工具を装着する際に当接面（位置決め面）を圧縮空気または工作機械の冷却剤でクリーニングすることが公知である。更に、装着後に圧縮空気の噴射を用いて、またその結果として生じる圧力の低下を用いて工具の正しい座、換言すれば同一直線上にある座が検査される。しかしながらこのためには、別に圧力測定装置が必要である。その上、分析されるべき圧力の低下は通常ゆっくりとしか起こらないので、検査にはかなりの時間を要する。

更に特許文献２から、送信機と受信機を備えたライトバリアを用いて、熱に起因する工具の位置の変化を防止するための方法が公知である。この方法では座またはアンバランスの検査は行われない。

ＥＰ０８８１０３２Ａ２（ＵＳ６、０５９、７０２Ａに対応する） ＷＯ９７／３１７５１Ａ１

本発明の課題は、座またはアンバランスの検査のための単純且つ迅速な方法を提供することにある。

この課題は本発明に従う方法において、請求項１の特徴部分により解決される。発明の本質的な理解は、間欠的（断続的）な信号経過（Signalverlauf）が不均一性（状態）、つまり座のミスアライアメントまたは工具のアンバランスを表示するということにある。更に、間欠的な信号経過が最初に現われる、検出可能な最初の相対位置を手掛かりに、不均一な状態の種類やボリュームに関する更なる命題が導き出される。本発明に従う方法は、実際のところ特別な構成要素を必要としない。特に工具スピンドルの三次元的位置取りのために元々存在する手段、並びに熱に起因する工具の位置変更を防止するための、既知のライトバリアが利用される。これにより、本発明に従う座またはアンバランス検査のための方法のために、装置に関して追加される余分な経費は実質上無視して良い。加えて、本発明に従う方法の全作業ステップは迅速に実施される。とりわけ光線の計測は比較的短い時間内で可能である。

請求項２に従う実施形態は不均一な状態の正確な判定を可能にする。検出された２つの相対位置に基づき、不均一な状態を原因とする工具のふらつき運動（Taumelbewegung）の最小の、また最大の振れが算出される。請求項３に従う別の実施形態により、単純な方法でふらつき運動の二重振れに関する命題に行き当たる（判断される）。そうして検出された二重振れを考慮に入れながら、より単純でより良好な評価が可能である。

請求項４に従う、予定された比較により、既知の不均一性タイプを備えたリストを手掛かりとして、単純な方法で現在の不均一状態をより詳細に特定することが出来る。

請求項５に従う実施形態では、工具スピンドルの位置取りのために元々ある手段を用いて相対運動が行われる。

請求項６に従う変形実施例によれば、２つの主要な変位方向のために備えられたモータのうちの１つは駆動されないままで良いので、とりわけ簡単に相対運動を行うことが出来る。

請求項７および８に従う、工具スピンドルと光線の初期（開始時の）位置取りとそれに続く相対運動のための２つの変形実施例では、予め決められた初期条件と測定条件が保証されている。

請求項９に従う変形実施形態は、とりわけ小さな光線直径を特徴としており、その結果高い測定精度を実現する。

本発明の更なる特徴部分、長所、詳細は図面を用いた以下の実施例の説明により明らかである。

図１に図示された工作機械は１つの−水平なｚ方向で見ると−矩形、つまりほぼ正方形の枠（フレーム）で構成されたスタンド１を備える。このスタンドはｙ方向に延在する垂直方向の側面支柱２，３、および夫々１つの、これらと連結したｘ方向に延在する水平方向の上横木４、下横木５により構成されている。側面支柱２，３と横木４，５は中空部材より成り、ｚ方向で見ると両サイドがオープンな、つまり特にワークスペース７に向かって開放された内部空間６を取り巻いている。スタンド１は下支持枠８を介して、土台あるいは土台プレート９上で支持されている。

ワークスペース７に面したスタンド１の正面側には同様に、枠の様な構造のｘキャリッジ１０がｘ方向に変位（スライド）可能に配設されている。加えて、横木４，５には夫々ｘガイドレール１１が設けられていて、この上にｘキャリッジ１０がガイドされている。ｘキャリッジ１０はｘモータ１２を用いて、スタンド１の側面支柱２，３に支承され、ｘ方向に延在するｘボールスクリュードライヴ（Kugelrollspindel）１３を介して駆動される。

ワークスペース７に面したｘキャリッジ１０の正面上でｙ方向に、つまり垂直方向にスライド可能なｙキャリッジ１４がスライド可能にガイドされている。加えて、枠の様な構造のｘキャリッジ１０の側面側には夫々ｙガイドレール１５が設けられていて、この上にｙキャリッジ１４がスライド可能にガイドされている。ｙキャリッジ１４の駆動はｘキャリッジ１０の上に配設されたｙモータ１６を用いて、ｙボールスクリュードライヴ１７を介して行われる。

ｙキャリッジ１４上にｚキャリッジ１８として形成された工具スピンドルユニットが位置している。該ユニットはケーシングの様なクイル１９を備え、ｙキャリッジ１４に設けられたｚガイドレール２０上にスライド可能にガイドされている。ｚ方向での変位は通常、モータ（図示せず）を用いて行われる。クイル１９の中に、基本的に円形の断面を有する工具ケーシング２１が回転不能に、且つｘ方向で変位不能に配設されている。ケーシングの中に本来の工具スピンドル２２がｚ方向に延びる中央縦軸線２３の周りに回転駆動可能に支承されている。

ワークスペース７においてスタンド１の手前、土台プレート９の上に工作物担持ベッド２４が位置している。この上で橋梁風に形成された工作物担持体２５が支持されている。工作物担持体２５上にＢ回転テーブル２６が配設されている。このＢ回転テーブルは工作物担持体２５に設けられたＢ回転モータ２７を用いて、垂直方向周り、即ちｙ方向と平行に延びるＢ回転軸線２８周りを回転駆動可能である。被加工物３０を収容することの出来る工作物担持体２９がＢ回転テーブル２６上に配設されている。

ここまで述べてきた工作機械は基本的に公知であり、実際に普通に実施されている。

スタンド１の手前、ワークスペース７の領域においてレーザー送信機３１が側面支柱３の前に配置され、これに合わせてレーザー受信機３２が向かい側の側面支柱２の前、下支持枠８上で支持されている。レーザー送信機３１からレーザー信号、つまりレーザー光線３３をレーザー受信機３２に向けて送ることが出来る。レーザー送信機３１とレーザー受信機３２は工作機械の中に固定されている。両者がライトバリアを形成する。詳細については続いて以下に述べることとする。

図２が示すように、工具スピンドル２２は中空シャフトとして形成され、ころ軸受３４を用いて、工具スピンドル・ケーシング２１の中で回転可能に支承されている。図２右側にスピンドル駆動モータ３５の一部、つまり工具スピンドル２２と回転不能に連結されたロータ・パッケージ３６および工具スピンドル・ケーシング２１の中に回転不能に位置するステーター・コイル巻き線ヘッド（Stator-Wickelkoepfe）３７が認められる。

工具スピンドル２２はそのワークスペース７に面した自由端に、外側から内側へ円錐状に先細りになった受容部３８を有する。この中に装備されるべき工具４０の中空ステムの円錐部３９が差し込まれる。更に工具は、中央縦軸線２３に対して半径方向に延在する当接面（位置決め面：Anlage-Flaeche）４１を備える。この面は工具スピンドル２２の中で工具４０の座が同一直線上にある（位置合わせされている）場合、軸２３に対して半径方向に延在する工具スピンドル２２の端面４２に当接する。

中空シャフトとして形成された工具スピンドル２２中にチャックロッド（Spann-Stange）４３が配設されている。これを用いて中空ステムの円錐部３９に係合するチャッククランプ（Spann-Zange）４４が操作される。チャッククランプ４４は独自のチャック要素４５を有し、チャックロッド４３が工具スピンドル２２の中へと動く時、このチャック要素は拡張コーン（Spreiz-Konus）４６を用いて外側に押し出され、中空ステムの円錐部３９で対応する突出部４７を把持する。これにより工具４０は工具スピンドル２２により固定される。工具スピンドル２２のそのような形態はチャックロッド４３用の操作ユニットも含めて公知であり、実際に広く一般に実施されている。

図２には、工具４０が工具スピンドル２２の中に的確に嵌め込まれ、工具４０の中央縦軸線４８が工具スピンドル２２の中央縦軸線２３と同一線上に並んでいる様が図示されている。しかしながら軸線４８が軸線２３と同一線上にないこと（ミスアライアメント）もあり得る。例えば当接面４１と端面４２の間に、金くずやそれに類する形状の夾雑物４９がある場合がこれに該当する。そのような場合、工具４０は工具スピンドル２２に対してふらついた動きをする。図３には図２に従う、工具スピンドル２２のふらつき運動が示されている。図４では、同一線上にある（位置合わせされた）、実線で示されたポジションに対し、工具４０の同一線上にない（位置合わせされていない）取り付けが破線で表わされている。図５では、実線で示された、位置合わせされた工具４０と対比させて、工具４０のいびつな（真円でない）回転運動が破線で示されている。夾雑物４９以外にも工具４０内の不平衡（アンバランス）がこの種のふらつき運動を誘発し得る。２つの原因は不均一性（状態）という概念の下で以下のように要約される。

以下に図６ａから図６ｄに従うグラフに関連して、工具４０のいびつな回転を検出し、判定して、工具４０が工具スピンドル２２中で位置合わせされているか否か、および／または図面上はっきりと示されないアンバランスを有しているか否かを検査する方法を述べる。

嵌め込まれた工具４０を備えた工具スピンドル２２は、工具４０の円形の断面を有する測定部片５０が、レーザー送信機３１とレーザー受信機３２の間に位置するように、ｚ方向に配置されている。測定部片５０はｘキャリッジ１０および／またはｙキャリッジ１４を用いて、レーザー光線３３に対してｘ−ｙ面中を変位される。この時、中央縦軸線２３とレーザー光線３３の間の距離は変化する。

工具スピンドル２２は回転され、ｘ−ｙ面の初期位置に配置される。この位置ではレーザー光線３３は測定部片５５を通過し、レーザー受信機３２上に現われ、そこで受信信号Ｓを生じさせる。図５に示された工具４０のふらつき運動は、この初期位置においてはレーザー光線３３により検出されない。従って受信信号Ｓは図６ａのグラフに示され時間ｔに対しプロットされた連続した信号経過５１を有する。

ｙモータ１６を用いて、図５において矢印で暗示されたｙ方向への変位が行われることにより、工具スピンドル２２はレーザー光線２２に対して動かされる。位置合わせ（アライメント）されずに挿入された工具４０のふらつき運動が及ぶ領域にレーザー光線３３が最初に到達するまで、この移動は実施される。ふらつき運動によって検出された領域の外側縁部５２において、受信信号Ｓは図６ｂのグラフに示された間欠的な信号経過（Signal-Verlauf）５３を有する。工作スピンドル２２の付属する位置は、更なる評価のために制御・評価ユニット５４で検出され、記憶される。制御・評価ユニット５４はレーザー送信機３１、レーザー受信機３２、およびｘモータ１２とｙモータ１６に接続されているので、制御・評価ユニット５４においてｘ−ｙ面での工具スピンドル２２の夫々の現在位置が明らかである。レーザー光線３３により縁部５２が検出された場合、信号経過５２の中に極短い期間の中断という結果になって現われる。

レーザー光線３３がふらつき運動によって検出された領域にある間は、工具スピンドル２２が一回転する毎にある一定期間、即ち中断期間、レーザー光線はふらついている工具によりレーザー受信機３２から隔絶される。これに対して、残りの回転期間中はレーザー光線３３はレーザー受信機３２に到達する。

レーザー光線３３がふらつき運動によって検出された領域の内側縁部５５に到達するまでは、工具スピンドル２２のｙ方向への変位が増すのに伴い、中断期間が増加する。そして受信信号Ｓは最後に、図６ｃのグラフに再現された、非常に長い中断のある間欠的な信号経過５６を有する。工具スピンドル２２のこの位置もまた制御・評価ユニットにおいて更なる評価のために検出され、記憶される。

工具スピンドル２２がｙ方向に更に変位されると、レーザー光線３３は測定部片５０により完全に隔絶され、受信信号Ｓは検出されない。図６ｄのグラフに示されたこの受信信号Ｓの欠如は、ここでは連続した信号経過と理解される。

図５にはふらつき運動によって検出された領域の外側縁部５２および内側端部５５に到達した際のレーザー光線３３が示されている。この２つの境界ケース（Grenzfaelle）に対する記憶された位置から、差異形成（Differenzbildung）を用いて、および場合によっては別の信号処理を用いて、ふらつき運動の大きさ、特にその二重振れ（doppelter Ausschlag）Ｄが導き出される。比較し得る方法でふらつき運動に起因する種々の不均一状態のために算出され且つエラー参照値（Fehler-Referenzwerte）として記録済みの既知のデータとの比較を手掛かりとして、現在のふらつき運動の原因、例えば即ち夾雑物４９がより詳細に特定される。続いて不均一がまだ許容可能であるか、それとも工具４０を改めて挿入すべきか、或いは別の物と交換すべきかが決断される。

ふらつき運動によって検出された領域の２つの縁部５２，５５の少なくとも１つが変位運動が行われている間、レーザー光線３３に横切られ、特徴的な最初のまたは最後の間欠的な信号経過の出現が見られる限り、工具スピンドル２２は基本的にｘ−ｙ面内で任意の他の方向へも変位され得る。但しレーザー光線３３のビーム方向に対して平行な変位に限っては適当でない。

更に、レーザー光線３を始めは中央縦軸線に向け、ふらつき運動によって検出された領域と対立する方向に通過させることも可能である。その結果、受信信号Ｓは図６ａから６ｄに示された信号の経過とは時系列的には逆の経過を生じる。更に、ふらつき運動によって検出された領域の内側縁部５５および外側縁部５２を、順次実施される２度の測定を用いて割り出すことも可能である。

工具スピンドル２２の位置だけを基にして評価を行うことも可能である。この場合、位置はふらつき運動によって検出された領域の内側縁部５５、或いは外側縁部５２のために決定され、また記憶されていれば良い。ふらつき運動の最大振れあるいは最小振れを算出するためにはこの情報で十分である。場合によっては次に、不均一性をより詳細に特定するために、別の評価の際に既知の工具４０の形状データーを併せて考慮しても良い。

レーザー光線３３はその極細い光線径に基づき、とりわけ厳密な結果を出すが、他の光線または別の種類の光線（Strahlenart）も基本的には適している。

工具を収容するための、三次元で位置取り可能で、回転駆動可能な工具スピンドルとライトバリアを備えた工作機械の正面図である。 嵌め込まれた工具の座が同一直線上にある、図１に従う工作機械の部分断面図である。 嵌め込まれた工具の座が同一直線上にない、図１に従う工作機械の部分断面図である。 回転していない工具の同一直線上にある座と夾雑物が原因で同一直線上にない座を略図的に対比した図である。 座が同一直線上にある場合とない場合の工具の回転を略図的に対比した図である。 図１に従うライトバリアにおける連続的な信号経過と間欠的な信号経過を有する受信信号を示すグラフである。 図１に従うライトバリアにおける連続的な信号経過と間欠的な信号経過を有する受信信号を示すグラフである。 図１に従うライトバリアにおける連続的な信号経過と間欠的な信号経過を有する受信信号を示すグラフである。 図１に従うライトバリアにおける連続的な信号経過と間欠的な信号経過を有する受信信号を示すグラフである。

符号の説明

２２ 工具スピンドル
２３ 中央縦軸線
３１ 送信機
３２ 受信機
３３ （レーザー）光線
４０ 工具
４８ 工具の中央縦軸線
５０ 測定部片

Claims (9)

1. 中央縦軸線（２３）の周りに回転駆動可能に支承された工具スピンドル（２２）に交換可能に収容されており且つ円形の断面を備えた測定部片（５０）をする工具（４０）の座またはアンバランス／不平衡を検出するための方法であって、以下の作業ステップ、即ち、：
   −工具スピンドル（２２）が中央縦軸線（２３）周りを回転させられ、
   −レーザー光線（３３）は送信機（３１）により受信機（３２）に向けて且つ中央縦軸線（２３）に対して垂直なビーム方向をもって持続的に送信され、その際、
   −−測定部片（５０）が送信機（３１）と受信機（３２）の間に配置され、
   −−到達する光線（３３）から受信機（３２）が受信信号を生成し、
   −回転する工具スピンドル（２２）と光線（３３）が中央縦軸線（２３）とビーム方向間の距離を単調に変化させながら互いに相対的に動かされ、
   −工具スピンドル（２２）と光線（３３）間の、受信信号が最初に間欠的な信号経過を有する第１の相対位置が検出され、工具スピンドル（２２）内の工具（４０）の座のミスアライアメントに関して、または工具のアンバランスに関して評価が行われる
   の各作業ステップを備える方法。
2. 工具スピンドル（２２）と光線（３３）間の、受信信号が最後に間欠的な信号経過を有する第２の相対位置が検出され、評価されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第１と第２の相対位置から差異値が形成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 差異値が、予め決定され記憶されたエラー参照値と比較されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 回転する工具スピンドル（２２）と光線（３３）の間の相対運動のために、回転する工具スピンドル（２２）が変位させられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 中央縦軸線（２３）に対し垂直な、２つの主要な変位方向を有し、回転する工具スピンドル（２２）が２つの主要な変位方向のうちの一方に沿って変位されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 相対運動が開始される前に、中央縦軸線（２３）とビーム方向が交差するように、回転する工具スピンドル（２２）と光線（３３）が互いに配置され、相対運動中に中央縦軸線（２３）とビーム方向の間の距離がより拡大されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 相対運動が開始される前に、光線（３３）が測定部片（５０）の傍らを通過するように、回転する工具スピンドル（２２）と光線（３３）が互いに配置され、相対運動中に中央縦軸線（２３）とビーム方向の間の距離がより縮小されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 光線がレーザー光線（３３）であることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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