JP2020504019A - 工作機械、特に研削盤、及び、工作機械の状態を決定する方法 - Google Patents

Abstract

開示の主題は、工作機械（１０）、特に研削盤であり、工作機械（１０）に受容される測定装置（３８）と、前記測定装置（３８）と工具ユニット（２２）とに連結される制御装置（４０）と、を備え、前記測定装置（３８）は、少なくとも一つの固体伝播音センサ（３６）を有し、前記制御装置（４０）は、前記工作機械（１０）により発生する固体伝播音信号を前記測定装置（３８）によって取得し、且つ、広帯域基準スペクトル（５０）と広帯域実スペクトル（５４）とから微分スペクトル（５６）を形成することで、前記工作機械（１０）の状態を示す状態変数を決定するように、構成されている。この開示は、工作機械（１０）の状態を決定するための方法に関する。

Description

発明の詳細な説明

本開示は、工作機械、特に研削盤、に関する。工作機械は、工作機械に配置される測定装置と、測定装置と工具ユニットに連結され得る制御装置とを有する。測定装置は、少なくとも一つの固体伝播音センサを有する。制御装置は、工作機械によって引き起こされる固体伝播音信号を少なくとも一つの測定装置により取得するように、且つ、工作機械の状態を決定するように、構成される。

加工が加工工具によりワークピースに施されるときにガタガタ音を回避することを目的とする工作機械用の振動抑制方法がドイツ特許第１１２０１０００１５５８号にて知られている。この振動抑制方法は、加工工具又はワークピースが回転開始すると発生する振動を取得する工程と、回転開始時から取得した振動が閾値を超えているか否かを決定する工程と、振動が閾値を超えていることが確証されたら、フーリエ級数展開により振動を解析する工程と、工作機械のスピンドル回転速度を調整する工程と、取得した振動と加工工具の切削歯の数を考慮する工程と、スピンドルのアイドリング中に発生する固有振動を閾値として定める工程と、フーリエ級数展開による解析をガタガタ音が実際に発生する一つだけの振動周波数領域に限定する工程と、を有する。

従って、ドイツ特許第１１２０１０００１５５８号においては、工作機械の広帯域の監視がない。主にガタガタ音の確認には着目しているが、広帯域の監視には着目しておらず、様々な操作状態に関する結論を有しない。

例えば研削盤、特に円筒状研削盤など、の工作機械が従来技術で知られている。よって、例えば、円筒状研削盤は、例えば研削盤のような回転対称工具を含んでもよい。後者は、材料を除去する目的に適した方法でワークピースと一緒に作用する。円筒状研削盤は、例えば、外円筒研削、内円筒研削、及び、プランジ研削又は角インフィード研削用に設計されてもよい。原則、研削盤の他にも、研摩ベルトも円筒状研削の際に使用されてもよい。ワークピース取付台と、例えば主軸ヘッドのような工具ユニットとが、適した方法で駆動され、且つ、互いに対して移動し得るのであれば、回転対称ワークピース面の他に、例えば、偏心して実現されたワークピース面も加工することができる。このように、例えば、カムシャフト、クランクシャフト、又は偏心ジオメトリを有する同様なワークピースを加工又は研削することができる。加えて、ワークピースの複合加工、例えば、研削と旋盤の複合加工が可能な工作機械も知られている。

加工されるべきワークピースは、例えば、ワークピース取付台の二つのセンタの間に取り付けられてもよく、又は代わりに、ワークピース取付台の一側に取り付けられてもよい。いわゆる芯無し研削も更に知られており、これは、ワークピースが研削盤のセンタの間（軸方向）に取り付けられない。代わりに、ワークピースは、取り付けられた後、例えば、支持レール、調整車、案内ローラ、台などにより案内されてもよい。

工作機械、特に研削盤は、様々な度合いの自動化を有する。例えば、工具交換、ワークピースの取り換え、及び加工作業の制御が、操作者／作業者により実質手作業で行われる従来の研削盤が知られている。加えて、自動化方式によりワークピースが搭載される研削盤が一般に知られている。加工された（例えば研削された）ワークピースは同様の方式で取り外される。よって、適した処理装置を用いて、操作者の人手を介さずに実質自立運転が達成される。このような工作機械や製造システムは、特に大量生産に適している。工作機械は、通常、単一目的の機械として構成され、特に、加工時間（実際に加工する時間）と非加工時間（例えば、ワークピースを取り換える時間）の比率をできるだけ大きくするのに効率的に利用される。

特に研削盤のような工作機械は、様々な作業モードを有してもよい。例えば、自動化（生産力のある）作業モードでは、その前にプログラムされた加工タスクが略全自動により実行されてもよい。通常、このような作業モードの場合、オペレータによる手作業の介入は必要ない。以前に記憶された加工経路により、送り込み動作、前進動作、及び工具を位置決めするのに必要な作業が、工作機械によって自律的に実行可能となる。

しかしながら、工作機械の構成品を、特に、取り付けられた工具を具備する主軸ヘッドを、少なくとも部分的に手動制御する必要がある作業モードも知られている。これらは、特に、取付作業とセットアップ作業とを含む。手動で測定作業が実施される場合、工作機械の主軸ヘッドが操作者により制御（セットアップを実施）されることも同様に想像できる。例えば、工具（例えば研削盤）を取り換えたり、又は、少なくとも仕上げのときに、セットアップが必要であろう。このため、加工テーブル又は加工台の上に予めセットされる工作機械の決められた基準点への移動が例えば必要であろう。このため、粗動（早送り）により主軸ヘッドを基準点にまずは近づけ、その後、接近を完了させるために微動（クリープトラバース）により主軸ヘッドを基準点に接触させることがしばしば可能である。

加速度センサや固体伝播音センサをこのような工作機械に配置し、且つ、これら加速度センサや固体伝播音センサにより、工作機械の状態に関して推論を下すことが更に知られている。この場合に可能性のある状態とは、既に回転はしているが材料が取り除かれていない工具、特に研削盤を用いて、ワークピースの加工をしないで、特に研削をしないで、工作機械を操作する状態；材料の取り除きを伴って、ワークピースを研削している状態；及び、材料を実質的に取り除かずにワークピースを研削している、又は、研削盤が潤滑剤や冷却剤に接触している状態でワークピースの研削を行っていない、中間の状態である。

固体伝播音は、工作機械の操作中に発生する工作機械の振動を好ましくは意味すると、本明細書において理解される。これは、工作機械の加速度値も含む。本来の音、例えば空気中を伝わる振動も固体伝播音という用語によって包含されると理解される。

所定の周波数帯域での工作機械の固体伝播音信号を評価することが知られている。この場合、工作機械のセットアップ中、工作機械セットアップ作業が、邪魔な二次ノイズを有しておらず、且つ、工作機械の特徴的な操作周波数を有する、ある周波数帯域を選択する。そして、固体伝播音信号の評価がこの帯域の中で行われる。

対応する固体伝播音信号を周波数表現で評価することが更に知られている。この場合、予め決められた閾値を超えることは、例えば、過度に速すぎる送り込みや、欠陥のある又は間違った工具の使用など、機能不全を示す。

周波数表現とは、固体伝播音信号のパワー及び／又は振幅が周波数に応じて決定されることを意味すると、本明細書において理解されるものとする。
よって、工作機械、特に研削盤の監視などのセットアップは、特に、適した周波数帯域を選定するのに、訓練された且つ経験のある人材が必要である。

この背景に反して、本発明の目的は、改良された工作機械、特に改良された研削盤、を提供することであり、且つ、工作機械、特に研削盤、の状態を決定するための改良された方法を提供することである。

本発明によると、この目的は、工作機械に配置される測定装置と、前記測定装置と工具ユニットとに連結される制御装置とを有する工作機械、特に研削盤によって達成される。ここで、この測定装置は、少なくとも一つの固体伝播音センサを有する。この制御装置は、前記工作機械により引き起こされる固体伝播音信号を前記少なくとも一つの固体伝播音測定装置によって取得し、且つ、広帯域基準スペクトルと広帯域実スペクトルとから微分スペクトルを形成することにより前記工作機械の状態を決定するように、構成される。

上記目的は、工作機械、特に研削盤の状態を決定する方法によっても達成される。この方法は、少なくとも一つの固体伝播音測定装置、好ましくは圧電音センサ、を有する測定装置を準備する工程と、前記工作機械の固体伝播音信号を取得する工程と、前記固体伝播音信号によって状態を決定する工程と、を有する。微分スペクトルは、広帯域基準スペクトルと広帯域実スペクトルとから形成され、前記工作機械の状態が前記微分スペクトルに基づいて決定される。

本目的は、このように完全に達成される。
本発明によると、これら広帯域スペクトルを使用することで、訓練を受けた専門職員によるセットアップを回避することができる可能性がある。少なくとも、このための必要な骨折りは減少され得る。言い換えると、工作機械、特に研削盤、は、最初にパワーアップ／スイッチオンされるときに容易にセットアップできる。その結果、工作機械は、確実な方法で状態を自律的に決定することができる。

特に、これら広帯域スペクトルを使用することで、所望の信号がバックグラウンドノイズに対してより大きくなり得るので、様々な状態をより正確に且つ迅速に検出可能となる。

この方法により、信号処理速度をより速くすることが可能となり、取得され得る全周波数領域の評価が可能となる。
この場合、好ましくは、測定装置は、圧電加速度センサか圧電音センサを有する。他の適したセンサタイプも使用できると理解される。また、異なるセンサタイプを互いに組み合わせて使用することも想定される。

また、マイクロフォン型の音響変換器の使用も想定される。これらセンサは、振動が発生する工作機械の部品に固定接続される必要は必ずしもない。固体伝播音センサとしてマイクロフォンを使用することは、費用と機能の点で利点がある。例えば、固体伝播音センサは、隣接した加工領域から幾分か離れて配置することができる。これにより、固体伝播音センサが被る負荷（機械的負荷、冷却潤滑剤による負荷、温度変動による負荷、切屑、磨耗等）が著しく低減される。

音源や振動源に対する位置や領域を方位特性によって決定できるように、複数のマイクロフォンを工作機械に広く分布する方法で設置することが想定される。これに類することをたった一つのマイクロフォンで実現することも可能である。

スペクトルに関して、広帯域とは、特に好適な周波数帯域に限定されることなく、好ましくは、感知できる全周波数領域が、使用され、又は取得されることを意味すると、本明細書において理解される。これにより、手動又は他の演算手段によって事前に選定する必要がある（狭帯域）周波数帯域外にて、信号処理と信号評価が可能となる。

これは、一つの又は複数の固体伝播音センサの論理的には感知可能な周波数帯域の特定の（広い）部分が、他の信号処理、特に感知された信号の周波数領域への変換、の基準として用いられる、例示的な実施形態を有してもよい。例えば、これは、センサによって感知され得る周波数の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％、更に好ましくは少なくとも９０％（固体伝播音センサの周波数帯域又は周波数応答の対数表現における、絶対長さ又は相対長さ単位の軸レンジに対するパーセンテージの列挙）、を含む広帯域が使用される、例示的な実施形態を有してもよい。

例えば、他の処理の基準となる広帯域は、一桁又は二桁のヘルツ（Ｈｚ）から二桁のキロヘルツ（ｋＨｚ）までの領域を有してもよい。一般に、超低周波、音波、及び超音波範囲は、少なくとも部分的にはカバーされる。しかし、これは、限定的であるとは理解されないものとする。

理想的には、処理される周波数帯域に関して、それが何であろうと、プリセレクトの必要はない。よって、固体伝播音センサが感知する信号は、そっくりそのまま、且つ、その周波数に関わらず、処理され得る。

例示的な実施形態において、制御装置は、微分スペクトルのパワーをその時間挙動で評価するように構成される。つまり、制御装置は、各実スペクトルに関して、実スペクトルと基準スペクトルとの差を形成し、且つ、微分スペクトルに含まれるパワーを決定するように、構成される。その結果、微分スペクトルのパワー、つまり付加的な固体伝播音、の時間挙動が得られる。

この時間挙動は、パルス、つまり、時刻点に割り当てられる振幅と好ましくは等しい。パルスパラメータを決定するのに、周知の評価基準と評価方法を使用してもよい。状態の評価が簡素化され、その結果、工作機械の状態を確実に決定するのに、時間依存振幅、つまりパルス高の評価で十分である。

他の例示的な実施形態において、制御装置は、固体伝播音信号の周波数領域への変換、好ましくはフーリエ変換、特に高速フーリエ変換、により、広帯域基準スペクトル及び／又は広帯域実スペクトルを決定するように構成される。

固体伝播音信号は、その全帯域幅で取得され且つ評価され得る。特に、微分スペクトルの総パワーの高いＳＮ比（信号雑音比）が取得される。
利用可能な信号の狭周波数帯域だけでなく全帯域幅が評価のために使用可能である。その結果、所望の信号が雑音に対して著しく増幅され、より正確で改良された評価が達成される。

例えば、ガボール変換、ウェーブレット変換、ガボール−ウィグナー変換、又はラプラス変換など、周波数領域への他の公知の変換も、本発明の範囲から逸脱することなく利用してもよい、と理解される。

高速フーリエ変換（ＦＦＴ）は、本来知られているように、離散フーリエ変換、つまり、一連の離散値を有する測定、を効率的に演算するアルゴリズムである。ＦＦＴは、ある信号をその周波数成分に分解するのに使用される。

ＦＦＴは、いわゆるディバイドアンドルールメソッドに分類され、前に演算された中間結果を再度使用し、算術演算動作がこれにより簡素化される。
他の例示的な実施形態において、制御装置は、工作機械が作動中であるが、ワークピースがまだ加工されていない状況で、固体伝播音信号の変換を基準スペクトルとして記録し、且つ、これを記憶装置に保存するように、構成される。よって、微分スペクトルが簡単且つ速い方法で決定される。更に、工作機械そのものが基準スペクトルを定めてもよい。特に、これにより、工作機械を自動化方式によりセットアップ又は調整できる。訓練された経験のある専門職員による調整は、これによりもはや必要ない。

更に、基準スペクトルを新たに記録する際、新しい基準スペクトルが記憶装置に記憶されていた基準スペクトルと比較される。これにより、磨耗や軸受損傷など、工作機械の変化を見つけることができる。

他の例示的な実施形態において、制御装置は、ワークピースの加工前毎に、新しい基準スペクトルを決定するように構成される。よって、工作機械は、例えば作動中の隣接する機械による短期間の変化、例えばバックグラウンドノイズの増加に極めて敏感に反応することができる。特に、結果として、工作機械は、各ワークピースを取り換える際、且つ、工具を取り換える際に自ら調整することができる。その結果、特に、手動による調整が無いので、ダウンタイムが相対的に短く保たれる。その結果、工具交換の頻度に特に関わらず、比較的高い部品のスループットが達成される。

他の例示的な実施形態によると、工作機械は、出力ユニットを有する。出力ユニットは、例えば、モニタースクリーンや状態表示器などであり、微分スペクトルのパワーの時間挙動から引き出された値を制御装置から受信し出力するように構成された例えば、一組の交通信号、音響スピーカー、又はプリンタの態様である。よって、熟達していない作業者／操作者による単純な工程内の監視が可能である。必要に応じて、工作機械の許容範囲外の操作が、簡単に認められ且つ記録され得る。

この場合、一組の交通信号の方式の状態表示器は、好ましくは、例えば、赤、緑、黄など異なる色を有するランプを含む照明装置である。工作機械の状態が、基準スペクトルに対する実スペクトルの付加的な固体伝播音信号のレベルに応じてランプによって表示できる。例えば、閾値は、微分スペクトルのパワーの時間挙動用に、つまり、上述したパルスの振幅用に、定められる。その結果、第一閾値より小さい場合、緑信号が点灯し、第一閾値と第二閾値との間の場合、黄信号が点灯し、第二閾値より大きい場合、赤信号が点灯する。ライトの赤点灯は、付加的な固体伝播音が規定より大きいことを示し、これは、工作機械が許容範囲外で作動されていることを意味する。

他の固体伝播音信号とは、微分スペクトルに含まれる余分なパワーを意味すると本明細書において理解される。この場合、例えば、これは、工作機械による加工の結果として発生する固体伝播音も伴う。

他の例示的な実施形態によると、制御装置は、固体伝播音信号に基づいて、好ましくは、工具ユニットの送り速度と他のプロセスパラメータ、特に回転速度、に基づいて、工具ユニットを制御するように構成される。よって、工作機械及び／若しくはワークピースへの損傷、及び／又は、操作者／作業者への考えられる危険に、効果的且つ迅速に対処するために、工作機械の自動スイッチオフが実施可能である。

更に、自己学習型工作機械の実現がこれにより可能であり、工作機械の制御装置は、固体伝播音信号に基づいて送り速度とプロセスパラメータを自ら調節する。このように、最適化された工程順序が、特に加工速度に関して達成される。

好ましくは、加工作業中に様々なワークピース品質や工具品質に対応可能である。その結果、必要に応じて、対応する許容交差が拡大され得る。
上述した特徴事項、及び、以下に記載される特徴事項は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ特記された組み合わせのみならず、他の組み合わせ又は単独で適用し得る、と理解される。

本発明の更なる特徴事項と利点は、図面を参照して、複数の例示的な実施形態の以下の記載及び説明から明確である。

図１は、研削盤として配置され、且つ、囲いを有する工作機械の斜視図を示す。 図２ａは、工作機械の斜視上面図を示す。 図２ｂは、測定装置の構成部品の模式的ブロック図を示す。 図３ａは、広帯域な基準スペクトルの一例を示す。 図３ｂは、広帯域な実スペクトルの一例を示す。 図３ｃは、実スペクトルと基準スペクトルとの差から形成される、広帯域な微分スペクトルの一例を示す。 図４は、微分スペクトル又は基準スペクトルでのパワーピークの略図を示す。 図５は、微分スペクトルでのパワー値の時間挙動を模式的に且つ例示的に示す。 図６は、工作機械の状態を決定する例示的な方法の模式的で簡略化したフローチャートを示す。

図１において、工作機械は、斜視図にて表され、参照符号１０にて全体が示される。図２は、例えば図１による工作機械１０の対応する上面図を示す。図２において、様々な構成要素が明瞭化のために示されていない。

本発明の工作機械１０は、研削盤として、特に円筒状研削盤として、一般的には水平研削盤として設置される。工作機械１０は、ハウジングとして機能する囲い１２を有する。囲い１２は、覗き窓１４を備えてもよい。この場合の囲い１２は、処理空間を画成する。処理空間は、好ましくは外側で閉じており、又は、外側に開閉可能である。囲い１２により、特に自動加工操作の際に、工作機械１０の処理空間が安全に区切られる。このように、原則的に、構成要素を動かすことにより発生する危険が最小化され得る。更に、潤滑油、冷却剤、削りくず、又は例えば火花が、周囲に不必要に飛び散ることを回避することができる。工作機械１０の処理空間を利用しやすくするために、囲い１２には、ドア又はフラップを適宜設けてもよい。

オペレータが工作機械の外側から内側に達することができるように、特定の作業モードの際、覗き窓１４を一種の防護扉として配置する必要がある。この目的のために、覗き窓１４は、例えばそれまで閉じていた開口部を開放するために、側方に移動又は旋回されてもよい。参照符号１６により示される矢印は、防護扉の考えられる開移動を示す。

工作機械１０の内部へのアクセスが必要な作業モードは、例えば、工具設置作業、セットアップ作業、調整作業、又は、一般的な工具交換若しくはワークピース交換作業などである。工作機械１０の自動化の度合いによっては、作業モードを変えるには、工作機械１０の内部へ手動アクセスが必要になることもあると理解される。

また図１に示される通り、工作機械１０の内部には、主軸ヘッド１８を含む工具ユニット２２がある。主軸ヘッド１８には工具２０が搭載されている。この工具２０は、特に研削用工具、好ましくは研削盤、であってもよい。

工作機械１０は、ワークピース２４を支持するように構成されるワークピース取付台２６を更に有する。明瞭にする理由のために、図１はワークピース２４を図示しない。ワークピースを加工する目的のために、主軸ヘッド１８は、工具受け部２６に対して軸方向に移動し得る。

工作機械１０、特に研削盤は、作業者インターフェース又は操作者インターフェース２８を通常有し、このインターフェース２８は、工作機械１０の内部の外側に配置される。その結果、操作者は、工作機械１０の内部に接触することなく、プログラムを制御したり、工作機械１０を調整したり、又は、例えば、診断を実行することができる。操作者インターフェース２８は、好ましくは、制御指示を入力するための少なくとも一つの入力装置３０を有する操作ユニットである。操作者インタ―フェース２８は、例えばモニタースクリーンなど、出力ユニット３２を更に有してもよい。更には、いわゆるタッチスクリーン、つまり入出力複合ユニットを使用することも想定される。

加えて、機械の状態を表示するために状態表示器３４が備えられてもよい。状態表示器３４は、例えば、赤色ランプ３４ａと、橙色又は黄色のランプ３４ｂと、緑色ランプ３４ｃとを有する。言い換えると、状態表示器３４は、一組の交通信号の設計と幾分同様の設計であってもよい。他の設計の状態表示器３４も容易に想定され得る。

また、図１には、センサ３６、特に圧電加速度又は固体伝播音センサ、が模式的に図示されている。センサ３６は、好ましくは、工具２０の近くに配置され、且つ、無線又は有線で示されていない測定装置３８に接続される。測定装置３８は、制御装置４０内に好ましくは一体化されてもよく、制御装置４０は、操作者インターフェース２８に好ましくは一体化されてもよい。

選択的に又は追加的に、マイクロフォン又は音響変換器として構成され、且つ、例えば可聴音域（２０Ｈｚから２０ｋＨｚ）又はそれ以上の音域内、及び超低周域及び／又は超音波域内の、広帯域周波数スペクトルをカバーする、複数のセンサ３６が備えられてもよい。このような態様で構成されるセンサ３６は、工具２０又は工作機械１０の他の可動構成要素から離れて配置されてもよい。

明らかには、工作機械１０上に、特に、加工されるワークピース２４の近くに、これら複数のセンサ３６を配置することも想定することができる。
図２ａは、工作機械１０の簡略化した斜視上面図であり、原則的に、図１の工作機械１０に対応するか、又は少なくともそれと同様である。明瞭にする理由のために、図２ａに示される設計は、囲い１２も、操作者インターフェース２８も、一組の交通信号タイプのライト３４も有していない。

図２ａは、簡略した形式でワークピース取付台２６を図示する。ワークピース取付台２６は、ガイド４４に沿って軸方向に移動可能なワークピースキャリア４２に配置される。工具２０を加工する目的のために、ワークピースホルダ２６と２６’との間の位置にワークピース２４を固定するために、ガイド４４のワークピースキャリア４２とは反対側の軸端に、他のワークピースキャリア、つまり、他のワークピースホルダ２６’を有する心押台４２’を備えることも、更に想定される。

この場合、工具２０は、主軸ヘッド１８に配置され、且つ、工具２０を少なくとも部分的に覆う工具筐体４６を有する。加速度又は固体伝播音センサ３６は、主軸ヘッド１８上に模式的に図示される。対応する固体伝播音センサ３６が、特に追加的に、ワークピースキャリア４２又はワークピースキャリア４２’上に配置されてもよい。

図２ｂには、測定装置３８と、一つ以上の固体伝播音センサ３６との電気接続及び／又は無線接続が模式的に図示される。また、図２ｂには、図２ａには図示されていない制御装置４０と操作者インターフェース２８との接続も図示され、且つ、一組の信号ライト３４の形式の状態表示器への接続も破線によって例示的に示されている。

更に、図２ｂには、工作機械１０の（高次）制御システムへの接続４８も図示されている。
ワークピース２４を加工する目的のために、ワークピースは、最初に、ワークピースホルダ２６に挿入されて位置が固定、好ましくは、締結される。その結果、ワークピース２４は、ワークピースホルダ２６によって保持される。工具２０と主軸ヘッド１８は、移動可能に構成され、その結果、ワークピース２４を加工するのに工具２０がワークピース２４の方へ移動する。この場合、ワークピース２４の加工全般を確実にするために、工具２０、特に主軸ヘッド１８全体が、一つ以上の空間方向に移動可能に構成されることが、特に好ましい。

工具２０が既に回転しており、ワークピース２４がまだ加工されていない状況では、制御装置４０が、基準スペクトル５０（又はバックグラウンドスペクトル）の記録を開始できる。この場合、制御装置４０は、少なくとも一つの固体伝播音センサ３６の信号を、直接的に、又は、間接的つまり測定装置３８を介して、読み出し、且つ、時系列で記録された信号を周波数表現に変換する。この目的のために利用可能なアルゴリズムは種々あるが、この場合、高速フーリエ変換アルゴリズム（ＦＦＴ）が好ましくは使われる。この基準スペクトル５０は、図３ａに模式的に表示される。

本明細書においては、工作機械１の振動振幅、つまり固体伝播音が時系列として理解される。
工作機械１０の振動の振幅、つまり固体伝播音を、それ自身の周波数成分に関して感知／演算／表す表現は、周波数領域として理解される。周波数領域は、工作機械１０が振動する振幅と周波数に関する情報を提供する。

ワークピース２４が工具２０によって加工、好ましくは研削又は研磨、されているとき、固体伝播音センサ３６によって感知される信号、つまり工作機械１０の固体伝播音は、変動する。この場合、制御装置４０はいわゆる実スペクトル５４を記録することができる、つまり、固体伝播音センサ３６の信号を読み出すことがき、且つ、それらを周波数領域に変換できる。その後、微分スペクトル５６を取得するために、基準スペクトル５０が、上述のように取得した実スペクトル５４から差し引かれる。対応する実スペクトル５４が図３ｂに例示的に示される。対応する微分スペクトル５６が図３ｃに例示的に示される。

通常、これらスペクトルは、異なる所謂ピーク５２を有する。これらピーク５２は、固体伝播音のどのくらいのパワーが特定の周波数に存在するかを示す。元来、ピーク５２は、例えば工具２０の回転など、周期的な挙動が生じた結果として生成されるものである。ピーク５２は、工作機械１０の操作中に発生し得る卓越した、つまり固有の、固体伝播音周波数を示す。通常、これらピーク５２は、「鋭く」ないが、周波数領域において鮮明度、つまり幅が不十分である。これは、固体伝播音信号が部分的に減衰されるという事実に特に関連し、特に、固体伝播音が固体伝播音のソースから固体伝播音センサ３６へ伝播するにつれ、固体伝播音信号のある拡散が工作機械１０の中で発生するという事実に関連する。

微分スペクトル５６を迅速に演算するために、基準スペクトル５０は、制御装置４０の記憶装置に保存されてもよい、と理解される。
好ましくは、工作機械１０の操作中に、対応する微分スペクトル５６を取得するために、実スペクトル５４が継続的に決定され、且つ、基準スペクトル５０から差し引かれる。

微分スペクトル５６に含まれるパワー、つまり、微分スペクトル５６の曲線の下の領域、が加算される。
この場合、理想特性ピーク５２によって図４に模式的に示されるように、ピーク５２に含まれるパワーは、以下の通り決定され得る。線５８と６０及びピーク５２で定められる領域の領域コンテンツが、それ自体公知の方法で演算される。この場合、線５８と線６０は、ピーク最大値６２を中心に対称的に配置される。そして、この方法で取得された総面積を合計する。

この方法は、例としてのみ言及されると理解される。微分スペクトル５６のそれぞれの離散値を数値積分によって合計することも考えられる。微分スペクトルの値は、微分スペクトルより下のサブ領域を決定するために、この場合、スペクトルの分解能としても参照される対応する間隔幅によって乗算される。このように取得したサブ領域は、その後、スペクトルに含まれる領域、さらにはそのパワーを決定するのに、加算される。

よって、図５に模式的に示すように、微分スペクトル５６に含まれるパワーは、時間をかけてプロットすることができる。図５では、微分スペクトル５６に含まれるパワーが縦座標に沿ってプロットされ、時間が横座標に沿ってプロットされる。このように、一種のパルス６４が決定され、このパルス６４は、バックグラウンドノイズ、つまり基準スペクトル５０、に対する広帯域固体伝播音信号のパワーの大きさに関する情報を提供する。

言い換えると、これは、パルス６４の振幅が小さければ小さいほど、工作機械１０のより小さな別の固体伝播音が取得されていることを、意味する。ワークピース２４が工作機械１０によりまだ加工されていない状況では、付加的な固体伝播音が存在しないことが好ましい。これは、パルス６４が、比較的低い振幅、好ましくは０に近いことを意味する。このような状態は、例えば、図５のパルス６４の場合、リファレンス６６と６８によって示される。

ワークピース２４の加工強度が高まるにつれ、付加的な固体伝播音も増大する。結果、微分スペクトル５６に含まれるパワーが増加し、最終的には、パルス６４の振幅も増加する。このような状態は、図５のパルス６４の場合、例えば、リファレンス７０によって示される。

このパルス６４を評価することで、工作機械１０の状態を簡単な方法で決定することができる。この場合、例えば、取得されたパルス６４用に閾値が定められ、対応する閾値を超えるならば、例えば警報信号が操作者に対して出力されてもよい。

閾値を超えた場合、ワークピース２４若しくは工作機械１０が被る損傷を回避するために、又は、操作者に及ぶ危険を回避するために、自動的に工作機械１０のスイッチを切ることも更に可能である。

更に、工作機械１０の送り込み速度又は加工速度を調節することも可能である。その結果、ワークピース２４の加工が、微分スペクトル５６に含まれるパワーに従って、つまり、付加的な固体伝播音に従って、最終的にはパルス６４に応じて、制御される。

工作機械１０の状態を決定する例示的な方法が、図６にて非常に簡略化した方法で模式的なフローチャートに基づいて図示される。この場合、第一のステップ７２にて、少なくとも一つの固体伝播音センサ３６、好ましくは圧電音センサ３６、を有する測定装置３８を準備する。続くステップ７４にて、工作機械１０の固体伝播音信号が取得される。続くステップ７６にて、取得された固体伝播音信号によって、工作機械１０の状態が決定される。微分スペクトル５６が広帯域基準スペクトル５０と広帯域実スペクトル５４とから形成され、工作機械１０の状態が微分スペクトル５６に基づいて決定される。工作機械１０の状態は、続くステップ７８にて出力される。

好ましくは、微分スペクトル５６のパワーは、ステップ７４での工作機械１０の固体伝播音信号の取得とステップ７６での工作機械１０の状態の決定との間で評価される。これは、以下にてより詳細に記載される。

ステップ８０にて、取得された固体伝播音信号に基づいて、基準スペクトル５０をコンパイルする。この場合、好ましくは、工作機械１０が作動中ではあるがワークピース２４がまだ加工されていない状態で感知された固体伝播音信号を用いる。ステップ８２にて、実スペクトル５４が、工作機械１０がワークピース２４を加工している間に記録されて取得された固体伝播音信号に基づいて決定される。これらスペクトル、つまり実スペクトル５４と基準スペクトル５０を決定する際、固体伝播音信号が、好ましくはＦＦＴによって、周波数領域に変換される。

続くステップ８４にて、基準スペクトル５０が実スペクトル５４から差し引かれ、その結果、微分スペクトル５６が決定され、且つ、微分スペクトル５６に含まれるパワーが加算される。続くステップ８６にて、微分スペクトル５６に含まれるパワーを時間と共に振幅として表現／評価する。その後、ステップ７６にて、工作機械１０の状態がこの振幅に基づいて決定され得る。

各時間点で、微分スペクトル５６を決定するために、特に微分スペクトル５６のパワー、従って付加的な固体伝播音、を決定するために、好ましくは、工作機械１０の固体伝播音を継続的又は略継続的に取得し、基準スペクトル５０を上述したように取得した実スペクトル５４から差し引く。このように時間に渡り取得された微分スペクトル５６のパワーの特徴は、パルス６４に等しい。

工作機械１０の状態は、各時間点で決定されてもよい。一般に、直接、又は僅かな遅れで、工作機械１０の状態を決定することが可能であるので、不具合が早い段階で認められ、且つ、工作機械１０への損傷を確実に回避することができる。

更に、この方法で、予測が可能となる。例えば、パルス６４の瞬間的な立ち上がりを決定した結果、他の特徴も推定できる。よって、工作機械１０が許容範囲から外れて操作される前にも、適宜対処することができる。

工具２０の回転速度やワークピース２４の送り速度などの制御量は、取得した固体伝播音信号、特に、取得したパルス６４の振幅ができるかぎり許容範囲内に留まるように、状態に基づいて調整可能であるので、自己調節式工作機械１０を製造することも、更に想定される。よって、自己調節式工作機械１０は、操作者によってセットアップされる工作機械１０よりも、より迅速且つより高い精度で制御され得る。

Claims (22)

1. 工作機械（１０）特に、研削盤であって、
   工作機械（１０）に配置される測定装置（３８）と、
   前記測定装置（３８）と工具ユニット（２２）とに連結される制御装置（４０）と、を有し、
   前記測定装置（３８）は、少なくとも一つの固体伝播音センサ（３６）を有し、
   前記制御装置（４０）は、前記工作機械（１０）により発生する固体伝播音信号を前記測定装置（３８）によって取得し、且つ、広帯域基準スペクトル（５０）と広帯域実スペクトル（５４）とから微分スペクトル（５６）を形成することで、前記工作機械（１０）の状態を示す状態変数を決定するように、構成される、工作機械（１０）。
2. 前記制御装置（４０）は、前記微分スペクトル（５６）のパワーをその時間挙動で評価するように構成される、
   請求項１に記載の工作機械（１０）。
3. 前記制御装置（４０）は、前記固体伝播音信号の周波数領域への変換により、前記広帯域基準スペクトル（５０）及び／又は前記広帯域実スペクトル（５４）を決定するように構成される、
   請求項１又は２に記載の工作機械（１０）。
4. 前記制御装置（４０）は、前記固体伝播音信号の周波数領域へのフーリエ変換により、前記広帯域基準スペクトル（５０）及び／又は前記広帯域実スペクトル（５４）を決定するように構成される、
   請求項３に記載の工作機械（１０）。
5. 前記制御装置（４０）は、前記固体伝播音信号の周波数領域への高速フーリエ変換により、前記広帯域基準スペクトル（５０）及び／又は前記広帯域実スペクトル（５４）を決定するように構成される、
   請求項３又は４に記載の工作機械（１０）。
6. 前記制御装置（４０）は、前記固体伝播音信号の周波数領域への変換により、前記広帯域基準スペクトル（５０）と前記広帯域実スペクトル（５４）とを決定するように構成される、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の工作機械（１０）。
7. 前記制御装置（４０）は、前記工作機械（１０）が作動中であるが、ワークピース（２４）がまだ加工されていない状態での前記固体伝播音信号の変換を基準スペクトル（５０）として記録するように構成される、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の工作機械（１０）。
8. 前記制御装置（４０）は、ワークピース（２４）の各加工前に、新しい基準スペクトル（５０）を決定するように構成される、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の工作機械（１０）。
9. 前記工作機械（１０）は、前記微分スペクトル（５６）のパワーの時間挙動を前記制御装置（４０）から受信し、且つ、出力するように、構成される出力ユニット（３２、３４）を有する、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の工作機械（１０）。
10. 前記工作機械（１０）は、工具（２０）、特に少なくとも一つの研削盤、を支持し且つ駆動するために、工具主軸（１８）、特に主軸ヘッド、を具備する工具ユニット（２２）を有し、且つ、
    前記制御装置（４０）は、前記固体伝播音信号に基づいて前記工具ユニット（２２）を制御するように構成される、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の工作機械（１０）。
11. 少なくとも一つの固体伝播音センサ（３６）、好ましくは圧電音センサ又はマイクロフォンを有する測定装置（３８）を準備する工程（７２）と、
    工作機械（１０）の固体伝播音信号を取得する工程（７４）と、
    前記固体伝播音信号に基づいて前記工作機械（１０）の状態を決定する工程（７６）と、
    を有し、
    微分スペクトル（５６）は、広帯域基準スペクトル（５０）と広帯域実スペクトル（５４）とから形成され、且つ、前記工作機械（１０）の状態は、前記微分スペクトル（５６）に基づいて決定される、
    工作機械（１０）、特に研削盤、の状態を決定する方法。
12. 前記微分スペクトル（５６）のパワーはその時間挙動で評価される、
    請求項１１に記載の方法。
13. 前記広帯域基準スペクトル（５０）及び／又は前記広帯域実スペクトル（５４）は、前記固体伝播音信号の周波数領域への変換によって決定される、
    請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記広帯域基準スペクトル（５０）及び／又は前記広帯域実スペクトル（５４）は、前記固体伝播音信号の周波数領域へのフーリエ変換によって決定される、
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記広帯域基準スペクトル（５０）及び／又は前記広帯域実スペクトル（５４）は、前記固体伝播音信号の周波数領域への高速フーリエ変換によって決定される、
    請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 前記広帯域基準スペクトル（５０）と前記広帯域実スペクトル（５４）は、前記固体伝播音信号の周波数領域への変換によって決定される、
    請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記基準スペクトル（５０）は、前記工作機械（１０）が作動中であるがワークピース（２４）がまだ加工されていない状態で決定される、
    請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 基準スペクトル（５０）を新たに記録するとき、前記工作機械（１０）の状態の変化を検出するために、前記新しい基準スペクトル（５０）が保存された基準スペクトルと比較される、
    請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記制御装置（４０）は、ワークピースの各加工前に新しい基準スペクトル（５０）を決定するように構成される、
    請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記微分スペクトル（５６）のパワーの時間挙動は、出力ユニット（３２、３４）で出力される、
    請求項１１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 新しい基準スペクトル（５０）は、ワークピース（２４）の各加工前に記録される、
    請求項１１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 加工制御プログラムであって、
    加工制御プログラムが前記制御装置（４０）で実行されるとき、前記制御装置（４０）に請求項１１〜２１のいずれか一項に記載された方法の工程を実行させるように構成されるプログラムコードを含む、
    加工制御プログラム。

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