JP2019529142A - 切削機械をオペレーティングするためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本明細書に係る技術は、関連する作業性能を最適化するだけでなく、関連する切削工具の耐用年数を増大させるために、切削機械における深穴穿孔プロセス、穿孔プロセス、およびフライス加工プロセス全体を監視し、自動化する必要性から開発された。前記切削機械に配置されたセンサからのデータの収集およびリアルタイム分析によって、切削パラメータ（例えば、掘削送りおよび冷却調整など）の制御に直接かつ自動的に作用し、深穴穿孔プロセス、穿孔プロセス、およびフライス加工プロセス全体の制御を可能にするオペレーティングシステムおよび方法が開示される。

Description

本出願は、切削機械をオペレーティングするためのシステム及び方法に関する。

本出願は、深穴穿孔プロセス、穿孔プロセス、及びフライス加工プロセスを制御することを可能にする、切削機械の動作を制御するためのオペレーティングシステム及び方法を説明する。

切削機械のための制御オペレーションシステムであって、以下：
−処理容量と内部記憶メモリとが設けられた中央制御ユニットであり、前記中央制御ユニットは、切削機械との間で制御情報を転送し、感覚ブロックから感覚データを受信するための通信を確立するように特別に構成された通信モジュールをさらに備える中央制御ユニットと；
−前記切削機械に結合された一組のセンサを含むセンサブロックと、
−初期パラメータ化を入力するため、または制御情報を表示するために、オペレータとの双方向通信を確立するように適合された、中央制御ユニットに直接接続されたインターフェース装置と；
−アラーム機構と；
−手動制御ボタンと；を備えることを特徴とするシステムが開示される。

システムの特定の実施形態では、少なくとも２つの電力センサは、それぞれ、切削機械モータの回転軸および直線軸に結合される。

システムの特定の実施形態では、少なくとも１つの流量センサおよび少なくとも１つの圧力センサは、切削機械に関連する冷却回路に結合される。

システムの特定の実施形態では、少なくとも１つの振動センサは、切削機械モータの回転軸に結合される。

システムの特定の実施形態では、インターフェース装置は、触覚技術（tactile technology）を備えた画面を含む。

システムの特定の実施形態では、手動制御ボタンはポテンショメータタイプである。

また、切削機械をオペレーティングするための方法が開示されている。この方法は、中央制御ユニット中で実行され、以下の点を特徴とする。中央制御ユニットは、切削機械のオペレーションを自動的かつリアルタイム(real-time)に監視および制御するように適合されており、オペレータによって入力される初期パラメータ化から開始し、交差(intersection)を検出し、パラメータを調整するために、センサブロックから送られるデータを処理および分析することによって穿孔する予定の材料のタイプを考慮に入れ、切削パラメータ：
−回転軸及び直線軸に供給される電力(power)を調整する切削機械モータに直接作用する穿孔送り(drilling feed)と；
−切削機械の冷却回路に直接作用する切削工具の冷却と；
−切削機械の回転軸の振動と；を調整し、
ここで、穿孔送りの検出及び交差検出、冷却制御、並びに振動制御は、それぞれ、電力センサ、圧力センサ又は流量センサ、並びに振動センサによって収集された値を、オペレータによって実行された初期パラメータ化においてプログラムされた切削パラメータの値と比較することによって実行される。

本方法の特定の実施形態では、穿孔送り調整工程は、回転軸および直線軸によって消費される総電力量が、オペレータによって最初にプログラムされた値よりも大きいときにトリガされる。

本方法の特定の実施形態では、交差の検出は、回転モータの電力曲線内のある点における接線の傾きを得るために、その点における微分係数を計算することによって、回転モータの出力曲線を連続的に監視することを含む。

本方法の特定の実施形態では、交差は、初期パラメータ化においてオペレータによって事前に定義された時間および振幅定数の間、接線の傾きが負であるときに検出される。

本方法の特定の実施形態では、制御ユニットは、オペレータによって実行される初期パラメータ化と、切削プロセス全体にわたる前記切削パラメータの更新と、切削を予定する材料のタイプにインデックス付けされた、過去の作業に関連する特定のパラメータ化とをメモリに記憶する。

本方法の特定の実施形態では、制御ユニットは、交差が検出されると、特定の切削パラメータを自動的にロードする。

本方法の特定の実施形態では、オペレータは、手動ボタンを作動させることによって切削機械の制御を行うことができる。

本出願は、深穴穿孔プロセス、穿孔プロセス、およびフライス加工プロセスを制御することを可能にする、切削機械をオペレーティングするためのオペレーティングシステムおよび方法を記載する。

開発された方法は、前記切削機械のオペレーションを調整する中央制御ユニットにおいて実行され、中央制御ユニットは、機械自体の内部モジュールであっても、外部モジュールであってもよい。前記中央制御ユニットは、処理および記憶容量を備え、外部との通信モジュールをさらに備え、この通信モジュールは、センサ通信のために特別に構成される。実際、本明細書に提示される方法は、深穴穿孔プロセス、穿孔プロセス、およびフライス加工プロセスに介入する特定の変数(variable)を監視する特定のセンサのセットによって収集された情報を使用し、適切な場合には、例えば、オペレータの介入なしに、穿孔送りまたは冷却調整などの切削パラメータの自動調整を可能にして、プロセス全体にわたって最適な切削条件を維持する。

この自動的かつリアルタイムの制御は、直接、切削工具の耐用年数を増大させるだけでなく、将来の切削プロセスの最適化を可能にし、切削を予定した材料のタイプにインデックス付けされた切削パラメータを記憶することを可能にする。この教示は、プロセスをトリガするために機械に入力されなければならない初期設定を除いて、プロセス全体にわたってオペレータの介入なしに行われる。

さらに、本明細書に係る開発された制御方法によって実行される連続的な監視は、材料に沿った交差の検出を可能にし、交差の前、最中、および後の制御された案内を可能にする。ただし、このプロセスにおけるオペレータのいかなる行動をも再び除く。

本出願をより完全に理解するために、以下の図面を添付する。添付の図面は好ましい実施形態を表すが、本明細書に開示される技術を限定することを意図するものではない。
図１は、切削機械のオペレーティングシステム、すなわち中央制御ユニットの一部を形成するすべての構造ブロックを示す。図１で、参照番号は以下を表す： １−処理ユニット； ２−通信モジュール； ３−内部メモリユニット； ４−センサブロック； ５−インターフェース装置； ６−アラーム機構； ７−手動制御ボタン； ８−中央制御装置；および ９−切削機械 図２は、中央制御ユニットにおいて実行される制御アルゴリズムに従った、切削機械のオペレーティング方法に関するフローチャートを示す。図２で、参照番号は以下を表す： ２．１−初期パラメータ化； ２．２−穿孔プロセスの開始； ２．３−センサブロックからのデータの読み取り及び処理； ２．４−交差(intersection)の検出； ２．５−切削機械の切削パラメータに作用する；および ９ − 切削機械；を表す。 図３は、交差検出を実行するときに中央制御ユニットの処理ユニットで実行される制御方法のインターフェースを示す。

本明細書に係るオペレーティングシステムおよび方法は、関連する作業性能を最適化するだけでなく、関連する切削穿孔（cutting drilling）工具の耐用年数を増大させるために、切削機械（９）内の深穴穿孔（deep hole drilling）プロセス、穿孔（drilling）プロセス、およびフライス加工プロセス全体を監視（monitor）し、自動化する必要性から開発された。

このようにして開発された技術は、前記切削機械（９）に設置されたセンサ（４）からのデータの収集およびリアルタイム分析によって、切削パラメータ（例えば、穿孔送りおよび冷却調整など）の制御に直接かつ自動的に作用し、深穴穿孔プロセス、穿孔プロセス、およびフライス加工プロセス全体の制御を可能にする。

制御方法が実行される中央制御ユニット（８）は、切削機械（９）自体の内部にあっても、切削機械（９）の外部にあってもよく、外部にある場合、切削機械（９）は、有線または無線の汎用通信プロトコルを介して接続される。中央制御ユニット（８）は、データ入力インタフェース（５）を備え、これにより、オペレータは、機械をプログラム(program)するのに必要な初期切削設定を入力することができる。さらに、切削プロセス全体にわたって、切削パラメータおよびそれぞれの変数の監視に関連するグラフィックスをリアルタイムで表示するモニタ（５）も設けられる。

中央制御ユニット（８）は、制御アルゴリズムの実行に適合した容量の処理容量（１）を備え、さらに、切削機械に結合され、制御プロセスに介在する１組のセンサ（４）に接続するように特別に構成された通信モジュール（２）を備える。さらに、オペレータによって実行される初期パラメータ化（２．１）、プロセス全体にわたる前記パラメータの更新、および材料のタイプにインデックス付けされた過去の作業に関連する特定のパラメータ化が格納される内部メモリユニット（３）も備える。

中央制御ユニット（８）は、さらに、音響または発光アラーム機構（６）と、オペレータがプロセスの任意の段階で切削機械（９）の手動制御を行うことを可能にするボタン（７）とを備える。

切削プロセス（２．２）に沿って監視される変数（２．３）は、シャフト電力（回転軸）、軸Ｗの電力（直線軸）、流量（リットル／分）、圧力(pressure)（バール(bar)）および振動(vibration)（Ｇ）である。

切削機械（９）の軸動力の測定に関連する変数は、穿孔送りパラメータの制御に関連する。実際、鋼、鉄、またはアルミニウムなどの原料自体は、（特に前記材料の硬度に関して）異なる物理的特性を有し、これは、切削作業（２．２）を実行するために各機械軸で使用される強度に直接関係する。この強度の変化は、両方の軸によって消費される電力量に反映され、これは、適用される強度に比例する。

したがって、これらのパラメータの連続監視（２．３）は、消費される電力量が常に適切な範囲内にあること（以下では、言葉を簡単にするために緑色基準と呼ぶ）を保証するように、シャフト軸およびＷ軸のモータの個々の動作または共同動作を制御することを可能にする。前記範囲のプログラムは、最初にオペレータによって実行され（２．１）、次いで、切削プロセス全体にわたって自動的に連続的に更新される（２．２）。理想的には、電力指数は、深穴穿孔プロセス全体を通して緑色範囲内にあることが望ましい。しかし、同じ材料でも、それを画定するブロックに沿ったその硬度に関して不連続性を示すことがあり、それは、消費される電力量の増加に反映されることがあり、この消費される電力量が配置される範囲は、黄色範囲と呼ばれ、穿孔送りの制御をトリガすることにつながる。この制御は、シャフト軸及びＷ軸のモータに直接作用し、穿孔送りを調整（電力量の増加が検出された場合には、減少）し、これにより、消費される電力量を再び緑色範囲に回復させる。

何らかの理由で、消費電力量が過剰な値、すなわち赤色基準に達した場合、制御方法は、発光または音響の方法でアラーム信号を発することによって、切削プロセスを自動的に停止する。閾値電力値は、最初にオペレータによって定義され、その後、材料の特性に従ってプロセスに沿って自動的に更新されることができることに留意されたい。この状況で、自動制御が終了してから、オペレータは、所望であれば、ポテンショメータ―中央制御ユニット（８）のボタン（７）―によるプロセスの手動制御を再開することができ、これによって穿孔送りを調整することができる。

消費される電力を監視することは、穿孔が実行されている材料内の交差の存在を識別するために重要である。これらは、シャフトモータの電力消費の急激な―急速な―低下によって識別される。実際、穿孔プロセスでは、交差に到達すると、切削工具の先端（tip）は案内されないままである。この状況では、工具先端が再び材料に接触し、プログラムされたパラメータに従って作業を続けるまで、交差ゾーンを横切るように穿孔送りを低減することが必要である。穿孔調整（２．５）が行われない場合、切削工具先端が再び材料に接触するときに大きな衝撃が生じ、工具先端の切れ刃（cutting edge）を損傷し、その結果、プログラムされた穴あけにずれが生じる。

次いで、交差制御（２．４）は、電力の減少のために曲線内の点における微分係数を計算することによって、シャフトモータの電力曲線（power curve）を監視することによって実行される。実際、数学的には、このような電力減少は、前記点で接する線の負の傾きとして反映される。しかし、「誤った」検出を回避することによって前記交差制御をロバスト（robust）にするために、線の傾きの計算に関連する振幅および時定数に関連する２つの制御パラメータが導入され、関連する時間期間における電力減少を解釈することを可能にし、したがって、各材料の物理的特異性―硬度―から生じる電力消費の不連続性、または不十分なパラメータ化からの初期誤差を検出することを可能にする。

交差が検出されると、交差距離を定義することが重要であり、これは３つの異なる方法でプログラムすることができる。

１．オペレータによって定義される。

２．工具半径に依存する。

３．ガンドリルヘッド（gun drill head）の長さに依存する。

選択肢１は、オペレータが交差の存在およびその長さについて事前に知っていて、オペレータが交差距離に予定された（intended）ミリメートル値を直接入力できる場合に理想的である。

一方、選択肢２は、切削工具の半径から乗算係数Ｎを適用して、自動的に適用される交差の距離を計算することを可能にする。切削工具の半径と乗数係数Ｎとの両方のパラメータは、オペレータによって最初に定義される。

選択肢３の場合、交差の距離は、オペレータが工具を構成したときに定義されるガンドリルヘッドの長さに対応する。

交差の始まりを検出した後、コントローラは、提示された３つの選択肢のいずれかによって定義される距離を、この距離の後の交差の終わりを考慮して、調べる（go through）。この期間中、特定の切削パラメータ（例えば、穿孔送り又は振動指数についての異なる設定）をロード（load）することができ、これにより、切削機械は、それに応じてそのオペレーションを調整及び最適化することができる。

ドリル穿孔送り調整と共に、別の監視された切削パラメータは、切削工具の冷却制御に関連する。深穴穿孔では、切削工具―ガンドリル―の冷却は、工具の内部で行われる。ガンドリルは、材料を切削することによって生じる切屑（chip）を排出するためにＶ字形を有する。実施された冷却制御は、工具内の多かれ少なかれ（more and less）冷却剤(coolant)の出力を調整するモータポンプの動作に、直接かつ自動的に作用する。動作制御は、モータポンプ回転、したがって前記冷却剤の出力周波数を規定する可変速駆動装置の端末に、あるアナログ電圧をプログラムすることによって行われる。この値は、最初にオペレータによってプログラムされ、材料の特異性に適合するようにプロセスに沿って自動的に変更することができる。

冷却制御は、この目的のためにアナログセンサを使用して、流量または圧力パラメータを監視することによって実行することができる。各工具について、製造業者は、流量または圧力パラメータを使用することを推奨するが、オペレータは、その選択をコマンド(command)に入力する。１つのパラメータを別のパラメータよりも選択することは、所望の穿孔の特性とのみ関係し、すなわち、大きめの切削直径に対しては流量制御が所望されるが、小さめの直径に対しては、圧力冷却制御が最も適切であることが分かる。目標は、閉ループ制御戦略で動作しながら、常に、実際にプログラムされた差の範囲内で可能な最低値を維持することである。

振動はまた、穿孔プロセスにおいて監視されるパラメータであり、最終作業の完成に重要な影響を及ぼす。前記パラメータを監視するために、アナログセンサがシャフト軸に結合され、機械構造の振動を測定し、解釈することを可能にする。また、この場合、振動閾値が最初にプログラムされ、これは超過すると、アラーム機構をトリガする。

本説明は、もちろん、本明細書に提示される実施形態に決して限定されず、当業者は、請求項の範囲に定義される一般的な概念から逸脱することなく、それを修正する多くの可能性を提供することができる。上述の好ましい実施形態は、明らかに、互いに組み合わせ可能である。以下の特許請求の範囲は、好ましい実施形態をさらに規定する。

１−処理ユニット；
２−通信モジュール；
３−内部メモリユニット；
４−センサブロック；
５−インターフェース装置；
６−アラーム機構；
７−手動制御ボタン；
８−中央制御装置；および
９−切削機械
２．１−初期パラメータ化；
２．２−穿孔プロセスの開始；
２．３−センサブロックからのデータの読み取り及び処理；
２．４−交差(intersection)の検出；
２．５−切削機械の切削パラメータに作用する；および
９ − 切削機械；を表す。

Claims (14)

1. 切削機械の制御オペレーションシステムをオペレーティングするための方法であって、中央制御ユニットが、以下のステップ：
   ・前記制御オペレーションシステムのインターフェース装置における、穿孔を予定された材料の種類に応じて、オペレータによる初期パラメータ化をプログラムする工程と；
   ・穿孔プロセスを開始する工程と；
   ・前記制御オペレーションシステムのセンサブロックから送られたデータを読み取り、処理し、切削工具の先端が案内されないままである場合、交差が検出され、以下の切削パラメータ：
   ‐回転軸及び直線軸に供給される電力を調整する、切削機械に、特にそのモータに直接作用する穿孔送りと；
   ‐前記切削機械の冷却回路に直接作用する切削工具の冷却と；
   ‐前記切削機械の回転軸の振動と；を調整する工程と；
   を介して、前記切削機械のオペレーションを自動的かつリアルタイムで監視および制御するように構成されており、
   前記穿孔送りの調整及び交差の検出、前記冷却の制御、並びに前記振動の制御とは、それぞれ、前記センサブロックの電力センサ、圧力センサまたは流量センサ、並びに振動センサによって収集された値を、前記オペレータによって実行される前記初期パラメータ化においてプログラムされた切削パラメータの値と比較することによって実行されることを特徴とする方法。
2. 前記穿孔送りを調整するステップは、前記回転軸および前記直線軸によって消費される総電力量が、前記オペレータによって最初にプログラムされた値よりも高いときにトリガされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記交差の検出は、回転式の前記モータの電力曲線内のある点における接線の傾きを得るために、前記電力曲線内の該点における微分係数を計算することによって、前記回転モータの前記電力曲線を連続的に監視することを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記初期パラメータ化において前記オペレータによって事前に定義された時間および振幅定数の間に、前記接線の傾きが負であるとき、前記交差は検出されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記中央制御ユニットは、前記オペレータによって実行される前記初期パラメータ化と、切削プロセス全体にわたる前記切削パラメータの更新と、切削を予定された材料のタイプにインデックス付けされた過去の作業に関連する特定のパラメータ化とをメモリに記憶することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記中央制御ユニットは、交差が検出されると、特定の切削パラメータを自動的にロードすることを特徴とする、請求項３および５に記載の方法。
7. 前記オペレータが、前記制御オペレーションシステムの手動ボタンを作動させることによって、前記切削機械の制御を行うことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 切削機械のための制御オペレーションシステムであって、
   請求項１〜７に記載の方法に従ってオペレートするように構成された中央制御ユニットであり、処理容量と内部記憶メモリとが設けられ、前記切削機械との間で制御情報を転送し、センサブロックからセンサデータを受信するための通信を確立するように特別に構成された通信モジュールをさらに備えた中央制御ユニットと；
   前記切削機械に結合された一組のセンサを含むセンサブロックと；
   初期パラメータ化を入力するため、または制御情報を表示するために、オペレータとの双方向通信を確立するように適合された、前記中央制御ユニットに直接接続されたインターフェース装置と；
   アラーム機構と；
   手動制御ボタンと；
   を含むことを特徴とする制御オペレーションシステム。
9. 前記センサブロックは、少なくとも２つの電力センサと、少なくとも１つの流量センサと、少なくとも１つの圧力センサと、少なくとも１つの振動センサとを備えることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
10. 前記少なくとも２つの電力センサが、切削機械モータの回転軸および直線軸にそれぞれ結合されることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
11. 前記少なくとも１つの流量センサおよび前記少なくとも１つの圧力センサは、前記切削機械に関連する冷却回路に結合されることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
12. 前記少なくとも１つの振動センサが、切削機械モータの回転軸に結合されることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
13. 前記インターフェース装置は、触覚技術を備えた画面を含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
14. 前記手動制御ボタンは、ポテンショメータタイプであることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
    
    

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