JP2021531992A - 工作機械を監視するための方法、監視デバイス、工作機械およびコンピュータプログラム製品 - Google Patents

Abstract

工具の運動が制御コンピュータの支援によって数値制御される工作機械を監視するための方法。手順は、−基準目標値曲線（３７）によって制御される工具の基準運動中に、工具の運動に関連する監視測定量の基準測定曲線（３８）を取り込む処理ステップと、−加工目標値曲線（２２）によって制御される工具（３）の加工運動中の監視測定量の加工測定曲線（３２）を取り込む処理ステップであって、加工運動が工具によって被加工物を加工している、記録する処理ステップと、−基準目標値曲線（３７）および加工目標値曲線（２２）に基づいて、基準測定曲線（３８）および加工測定曲線（３２）を時間的に関係付ける処理ステップと、−基準測定曲線（３８）および加工測定曲線（３２）の差分曲線（３９）を形成し、差分曲線（３９）を監視して、所定の限界値が超過されているかどうかをチェックする処理ステップと、を含む。方法は、相応にセットアップされた監視装置または工作機械の支援によって実施され得、コンピュータプログラム製品として実装され得る。【選択図】図４

Description

本発明は、工具の運動が制御コンピュータの支援によって数値制御される工作機械を監視するための方法に関する。

本発明はまた、工作機械を監視するためのデバイス、工作機械、および方法を実行するためのコンピュータプログラム製品に関する。

構成要素にねじ山を生成するための方法は、ＤＥ １０ ２０１６ １１４ ６３１ Ａ１から公知である。公知の方法では、ねじ山形成工具が使用され、その端に構成要素に面する溝生成エリアを有し、溝生成エリアは、工具がコア穴内に導入されたときにコア穴の壁に少なくとも１つの螺旋溝の形成を容易にする。溝生成エリアの後ろには、工具軸を中心としてねじれた複数のねじ山生成エリアが工具上に形成され、溝が形成されるとき、すなわち、溝生成運動中に、ねじ山生成エリアが溝内に導入される。工具がコア穴に挿入された後、工具は、溝生成運動と反対方向に回転され、同時にゆっくりと戻される。このねじ切削運動中、ねじ山生成エリアは、溝を離れ、溝の隣のコア穴の壁にねじ山を形成する。ねじ山生成エリアが１つの溝または次の溝に到達したとき、ねじ切削運動が停止され得る。その後の剪断運動では、ねじ山が切削されて溝に突き出たときに発生した可能性のある任意の切り屑を剪断するために、工具が再び溝を横断してコア穴に入る。次いで、工具は、リセット運動で再び戻され、生成されたねじ山は、再切削運動で再切削される。再切削運動は、ねじ切削運動とは逆方向に行われる。したがって、再切削運動は、ねじ切削運動とは反対の回転方向で、同時の低速前方運動を伴って行われる。工具のねじ切削エリアが再びその溝または別の溝に到達したとき、再切削運動が終了し得、工具は、後退運動によってコア穴から引き出され得る。溝切削エリアおよびねじ切削エリアは、溝を通じて外側にガイドされる。

公知の方法の１つの利点は、ねじ山切削におけるかなりの時間が節約され得ることである。しかしながら、工具品質、したがって、切削ねじ山の品質が確実に監視され得る方法は、まだ見出されていない。

同様の問題はまた、数値制御されたフライス加工、ドリル加工、旋削および研削機械などの、他の数値制御された工作機械でも発生する。

しかしながら、自動化された生産では、加工プロセスを確実に監視することができることが特に重要である。

したがって、この先行技術から進んで、本発明は、工具の運動が制御コンピュータの支援によって数値制御される工作機械を監視するための確実な方法を創出するという目的に基づいている。本発明はまた、工作機械を監視するためのデバイス、工作機械、および方法を実行するためのコンピュータプログラム製品を創出するという目的に基づいている。

この目的は、独立項の特徴を有する方法、監視デバイス、工作機械、およびコンピュータプログラム製品によって達成される。従属項では、有利な構成および発展形が指定されている。

工作機械を監視するための方法では、工具の運動に関する監視測定量の基準測定曲線が、基準目標値曲線によって制御される工具の基準運動中に記録される。さらに、監視測定量の加工測定曲線が、工具の加工運動中に記録され、被加工物が、加工運動を伴う工具によって加工される。基準測定曲線および加工測定曲線は、基準目標値曲線および加工目標値曲線に基づいて、時間的に関係付けられる。次いで、差分曲線が、基準測定曲線および加工測定曲線から形成され、差分曲線は、所定の限界値の超過について監視される。差分曲線は、工具に作用する力によって本質的に決定されるため、工具の機能は、差分曲線を使用して確実に監視され得る。

方法の一実施形態では、差分曲線は、工具の異なる機能エリアが使用される機能区分に分割され、異なる限界値が、異なる機能区分に対して確立される。このようにして、工具のさまざまな機能エリアが確実に監視され得る。

基準測定曲線および加工測定曲線は、割り当てられた基準目標値曲線および加工目標値曲線を調整の対象とすることによって時間的に関係付け得、適合において、基準目標値曲線と加工目標値曲線との間の相対時間距離が、決定されるべき自由パラメータとして使用され、基準目標値曲線と加工目標値曲線との間の偏差を説明するエラーノルムが最小化される。目標値曲線は、通常、同じ手法で実行されるため、時間的関係は、目標値曲線を使用して確実に決定され得る。

原則として、基準目標値曲線と加工目標値曲線との間の偏差平方和が、エラーノルムとして使用される。

目標値曲線からの加工プログラムの処理の時間遅延を考慮するために、基準目標値曲線および加工目標値曲線の対応する区分は、基準目標値曲線および加工目標値曲線の調整前に決定され、区分間の少なくとも１つの遷移区分が、基準目標値曲線にておよび割り当てられた基準測定曲線にて除去され、ならびに／または少なくとも１つの遷移区分が、加工目標値曲線にておよび関連付けられた加工測定曲線にて除去され、異なる遅延が調整を損なわないようにする。

基準運動は、被加工物の外側で実行され得る。この場合、差分曲線は、工具に作用する力のみによって決定され、工具の機能は、簡単かつ確実に監視され得る。

加えて、基準運動はまた、新しい工具を用いて被加工物上で実施され得る。この場合、差分曲線は、工具に作用する力の変化を示す。

多数の加工運動が実施された後、基準運動、したがって、基準目標値曲線の記録が繰り返され得、そのため、工作機械の段階的な変化は、監視に影響を与えず、差分曲線が、工具に作用する現在の力の指標であることが確保される。

工作機械に応じて、基準運動および加工運動は、工具の回転運動および／または並進運動を含み得る。

したがって、監視測定量は、トルクまたは並進力とすることができる。

加工目標値曲線および基準目標値曲線の目標値は、所定経路に沿った工具の位置を各々示し、所定経路に沿って、工具が加工運動および基準運動中に動かされる。これは、工具によって実施される運動が精密に画定された経路に従うためである。経路に沿って動くとき、工具は、外力によって特定の手法で負荷される。したがって、工具のそれぞれの位置は、基準測定曲線および加工測定曲線を時間的に関係付けるために特に好適である。

特に、駆動モータによって生成された回転運動は、工作機械によって工具の並進運動に変換され得、駆動モータのトルクは、監視測定量として使用され得る。次いで、差分曲線が、並進方向に工具に作用する力を監視するために使用され得る。これは、工具の機能を監視するために特に好適な指標である。

差分曲線の値の物理的意味をユーザがより容易に理解するために、差分曲線の値は、トルク値から力値に変換され得、監視は、力値に基づいて実施され得る。

方法では、事前設定された限界値が超過されたとき、ユーザが認識可能なアラームがトリガーされ得る、および／または工具の運動が影響を受け得る。例えば、工具の運動は、停止または反転され得る。加えて、工具の運動、例えば、工具の回転運動または所定の経路に沿った工具の運動は、低速化され得、工具による加工によって引き起こされる被加工物に入力されるエネルギーは、所定の限界値を下回って保たれ得る。

方法は、異なる工具を用いて幅広い様々な加工プロセスを監視するために好適である。例えば、工具は、ドリル加工、ねじ切削、フライス加工、旋削または研削用に設計され得る。

監視デバイスが、監視方法を実施するために提供され得、監視デバイスは、
−監視測定量を取り込むことと、
−制御コンピュータによって生成された目標値を取り込むことであって、目標値によって工具の運動が制御される、取り込むことと、
−取り込まれた監視測定量および目標値に基づいて監視プロセスを実行することと、を行うように配置されている。

既存の工作機械は、そのような監視デバイスを後付けすることができる。

さらに、工作機械は、監視方法を実行するように配置された制御コンピュータを有し得る。

コンピュータプログラム製品の形態で方法を実装することも可能である。コンピュータプログラム製品は、その場合には、コンピュータ上で実行されると、コンピュータに監視方法を実行させるコマンドを含有する。

本発明のさらなる利点および特性は、本発明の例示的な実施形態が図面を参照して詳細に説明される以下の説明から明らかになる。以下に示される：

スピンドル駆動装置によって回転させられ得るスピンドルの支援によって工具が工具軸方向に動かされる、ねじ切削用の数値制御機械の表現である。 工具軸方向の目標位置および被加工物の加工中のスピンドル駆動装置のトルクの時間特性をプロットした図である。 従来の監視方法を例示する図である。 目標位置、被加工物の加工時のスピンドル駆動装置のトルク、基準プロセス中のトルク、差分曲線の時間特性を示す図である。 差分曲線の拡大された表現である。 加工プロセスおよび基準プロセスの目標値曲線の調整の表現である。 調整前の目標値曲線の作成の表現である。 ギヤのローリング研削プロセスの表現である。 目標位置、ギヤの研削時のトルク、基準プロセス中のトルク、および差分曲線の時間特性を示す図である。 例えば、シャフトの外部円筒研削プロセスの表現である。 目標位置、被加工物の研削時のトルク、基準プロセス中のトルク、および差分曲線の時間特性を示す図である。 表面研削プロセスの表現である。 目標位置、被加工物の研削時のトルク、基準プロセス中のトルク、および差分曲線の時間特性を示す図である。

図１は、数値制御された工作機械１を示す。被加工物２は、工作機械１の支援によって加工される。この目的のために、工作機械１は、例えば、被加工物２のねじ山を切削するための工具であり得る工具３を有する。工具３は、工具３を回転させる工具モータ４によって駆動される。工具３はまた、ドリルまたはフライスヘッドであってもよいことに留意されたい。

図１に示される例示的な実施形態では、工具モータ４は、例えば、再循環ボールベアリング６を介して、スピンドル７に取り付けられ、かつ工具３の軸方向に動き得る、スピンドルブロック５に装着される。スピンドル７は、ギヤ８を介してスピンドルモータ９によって駆動され、モータは、スピンドル７を回転させ、このようにして、スピンドル７に沿ったスピンドルブロック５の並進をもたらす。

工具モータ４およびスピンドルモータ９の両方が制御コンピュータ１０に接続されている。制御コンピュータ１０は、典型的には、少なくとも１つのプロセッサ、様々な記憶ユニット、ならびに出力および入力ユニットを含むコンピュータである。工作機械１を制御するためのプログラムは、制御コンピュータ１０上で実行される。特に、制御コンピュータ１０は、工具モータ４およびスピンドルモータ９へ制御信号を送り、工具モータ４およびスピンドルモータ９を監視するためのセンサ信号を評価する。この目的のために、工具モータ４は、例えば、制御ライン１１およびセンサライン１２を介して、制御コンピュータ１０に接続され得る。工具モータ４を制御するために使用される駆動電流は、制御ライン１１を介して伝達され得る。反対方向では、速度センサ１３からの測定信号は、例えば、センサライン１２を介して、制御コンピュータ１０に送信され得る。速度センサ１３は、単位時間あたりに工具モータ４によって実施された回転数を記録し、その結果を回転速度ｎ（回転数／時間）として出力する。回転速度ｎが既知である場合、角速度ω＝２πｎも既知である。工具モータ４によって供給される電力Ｐは、工具モータ４に印加される電圧Ｕおよび工具モータ４によって引き出される電流Ｉから既知であるため、トルクＭは、角速度ωが既知である場合、決定され得る（Ｐ＝ＵＩ＝Ｍω）。

対応する様式で、スピンドルモータ９は、制御ライン１４およびセンサライン１５を介して制御コンピュータ１０に接続される。スピンドルモータ９は、制御ライン１４を介して駆動電流を供給され得る。スピンドルモータ９によって引き出されているスピンドルモータ９の瞬時電力は、スピンドルモータ９によって引き出される電流およびスピンドルモータ９に印加される電圧に基づいて決定され得、回転速度が既知である場合、スピンドルモータ９の瞬時トルクも同様であり得る。

回転数カウンタ１６の測定された値は、センサライン１５を介して制御コンピュータ１０に送信され得る。そのような回転数カウンタ１６によると、スピンドルブロック５の速度および位置の両方は、開始位置から開始する回転数の数を計数することによって決定され得る。

制御コンピュータ１０は、１つ以上のデータライン１７を介して表示ユニット１８に接続され得る。データライン１７を介して、データは、データ交換プロトコル、例えば、イーサネット、プロフィバス、またはいわゆるマルチポイントインターフェース（＝ＭＰＩ）バスのための一般的なプロトコルのうちの１つを使用して交換され得る。

監視コンピュータ１９はまた、データライン１７を介して制御コンピュータ１０に接続され得、監視コンピュータもまた、制御コンピュータ１０と同様に、典型的には、少なくとも１つのプロセッサ、様々な記憶ユニット、ならびに出力および入力ユニットを含む。工作機械１を監視するためのプログラムは、監視コンピュータ１９上で実行される。このプログラムは、原則として、制御コンピュータ１０によっても実行され得る。この点では、監視コンピュータ１９は、絶対に必要というわけではない。

ＤＥ １０ ２０１６ １１４ ６３１ Ａ１から公知の加工方法によると、工作機械１は、工具３の支援によってコア穴２０にねじ山を形成するために使用され得る。工具３に作用する有効力２１は、ここでは、工具３の機能を監視するために使用される。この有効力２１は、工具３の長手方向軸に沿って、すなわち、図１に示されるｚ軸に沿って作用する。有効力２１を監視するために監視コンピュータ１９によって実施される監視方法が以下に詳細に説明される。

しかしながら、監視方法のより良好な理解のために、工作機械１を監視するときに遭遇する困難が、図２を参照してより詳細に最初に説明されるべきである。図２は、工具３の位置についての加工目標値曲線２２が経時的にプロットされた図を示す。工具３の位置は、ここでは、スピンドル７に沿った工具３の位置として理解されることになる。工具３の位置はまた、スピンドルブロック５、したがって、工具３をゼロ位置から特定の位置に動かすためにスピンドルモータ９が実施しなければならない回転数の数によって表され得る。当然ながら、位置はまた、ゼロ位置と特定の位置との間の直線の長さの距離として表され得る。単純化のために、以下ではｚ位置のみが言及される。

ｚ位置の目標値は、制御コンピュータ１０によって指定され、制御コンピュータ１０に実装された制御デバイスの支援によって実行される。これは、通常、当業者にそれ自体が知られているカスケードコントローラであり、位置偏差は、外部制御ループによって制御され、スピンドルモータ４の速度は、中間制御ループによって制御され、スピンドルモータ４のトルクは、内部制御ループによって制御される。

一連の時間ｔ_１〜ｔ_９もまた、破線によって図２にマークされる。工具３がコア穴２０内に挿入される挿入運動２３は、時間ｔ_１〜ｔ_３に実施される。時間ｔ_１は、開始時間であり、時間ｔ_３は、工具が最大深さに到達する時間である。挿入運動２３の間、工具３は、時間ｔ_２において被加工物２に衝突する。したがって、挿入運動２３は、時間ｔ_１〜時間ｔ_２の接近運動２４と、時間ｔ_２〜時間ｔ_３の溝切削運動２５とに細分化され得る。溝切削運動２５の間、工具３の溝生成領域の支援によって、少なくとも１つの螺旋溝がコア穴２０の壁に形成される。

溝切削運動２５は、その後、工具が幾らか戻される後退運動２６に続く。時間ｔ_３〜ｔ_４の後退運動２６は、その後、ねじ切削運動２７に続き、工具３のねじ山生成エリアが、それぞれの溝を離れ、コア穴２０の壁にねじ山を切削する。この目的のために、工具は、溝切削運動２５とは反対方向に回転され、形成されることになるねじ山のピッチに従ってわずかに引き抜かれる。ねじ切削運動２７は、ねじ山生成領域が１つの溝または次の溝に到達するとすぐに終了する。これは、時間ｔ_５における場合である。

後続する時間ｔ_５〜ｔ_６の剪断運動２８では、工具３は、ねじ山を切削し、溝に突出する間に発生した可能性のある任意の切り屑を削ぎ取るために、再び溝を横断してコア穴２０に入る。次いで、工具３は、時間ｔ_６〜ｔ_７のリセット運動２９で再び戻され、生成されたねじ山は、後続する時間ｔ_７〜ｔ_８の再切削運動３０で再切削される。再切削運動３０は、ねじ切削運動２７とは反対方向に行われる。したがって、再切削運動３０は、ねじ切削運動２７とは反対の回転方向で、同時のわずかな前方運動を伴って行われる。工具３のねじ切削エリアが再びその溝または別の溝に到達したとき、再切削運動３０が、時間ｔ_８において終了し得、工具３は、後退運動３１によってコア穴２０から引き出され得る。そのプロセスでは、工具３の溝切削エリアおよびねじ切削エリアは、溝を通って外側にガイドされる。

図２に示される図はまた、目標値曲線２２によって制御される加工方法が実施されたときに、制御コンピュータ１０によって記録され、監視コンピュータ１９によって読み出される加工トルク曲線３２を示す。

加工トルク曲線３２の負の値は、ｚ方向における被加工物２に向かう工具３の加速、またはｚ方向に対向する後方運動の減速を示す。加工トルク曲線３２の正の値は、ｚ方向の運動が制動されるか、またはｚ方向に対向する運動が加速されることを意味する。挿入運動２３の間、工具３は、例えば、時間ｔ_１から、ｚ方向に強く加速される。加工トルク曲線３２の最小値、すなわち、トルクの最大値は、工具３が時間ｔ_２において被加工物２に当たった直後に到達する。溝切削運動２５の間、加工トルク曲線３２は、正の値に向かって急激に上昇する。加工トルク曲線３２の符号がゼロ交差において変化するとすぐに、工具３のｚ方向の運動が制動され、時間ｔ_３から、後退運動２６を実行するためにｚ方向に対向して加速される。

実際には、加工トルク曲線３２を監視することでは不十分であることが見出されている。したがって、図３に示されるように、加工トルク曲線３２を記録した後、加工トルク曲線３２が間に入らなければならない下限曲線３３および上限曲線３４を定義することが考えられる。しかしながら、加工トルク曲線３２の急勾配のエリアでは、下限曲線３３と上限曲線３４との間の距離は、下限曲線３３および上限曲線３４が加工トルク曲線３２の周囲に一定の厚さのバンドを形成するように、下限曲線３３および上限曲線３４が配置される場合、過大である。この場合、急勾配のエリアの偏差は、確実に検出されない。または、加工トルク曲線３２までの距離は、縦座標に沿って一定になるように選択される。加工トルク曲線３２の大きい勾配のエリアでは、加工トルク曲線３２の小さいシフトが下限曲線３３および上限曲線３４の超過につながるため、不正確なエラーメッセージが頻繁に発生する。

割り当てられた下限値３５および上限値３６を使用した加工トルク曲線３２の極値の監視もまた、工具３の品質を監視するための信頼性が不十分であることが証明されている。これは、いくつかの変数が、加工トルク曲線３２に影響するためである。工作機械１では、大きい質量が動かされるため、ギヤおよびベアリングの摩擦力に加えて、慣性力もまた、重要な役割を果たす。これらの変数の変動は、工具３に作用する力の変化を重ね合わせ、それに基づいて工具３の機能が基本的に監視され得る。これは、工作機械１が加工目標値曲線２２に従って工具３を動かすため、工具３が摩耗すると、工具３に作用する力が変化するためである。したがって、工具３が摩耗すると、新しい工具３よりも大きい力が必要になる。しかしながら、工具３に作用する力は、慣性力および摩擦力よりも著しく小さく、それゆえに、スピンドルモータ９に記録された加工トルク曲線３２に基づいて容易に決定することができない。

ここで図４は、図２および３に既に示されている加工トルク曲線３２に加えて、基準目標値曲線３７に基づいて記録された基準トルク曲線３８が示されている、さらなる図を示す。この基準トルク曲線３８は、好ましくは、被加工物２を機械加工せずに制御コンピュータ１０によって空気（エア）トルク曲線として記録され、監視コンピュータ１９によって読み出される。例えば、工具３は、被加工物２から十分に離れた距離まで動かされ得、そこで、基準目標値曲線３７に対応する空中での基準運動を実行する。基準目標値曲線３７は、加工目標値曲線２２に対応し、実際には、以下により詳細に説明される偏差が可能である。基準トルク曲線３８の記録は、周期的な間隔で繰り返され得る。

基準トルク曲線３８および加工トルク曲線３２は、以下により詳細に説明される方法を使用して互いに減算され、差分曲線３９が、そうして計算される。

加工トルク曲線３２は、被加工物２の加工中に記録され、基準トルク曲線３８は、被加工物２なしで記録されたため、差分曲線３９は、工具３に作用し、かつ被加工物２における工具３の運動を阻害する力のみに依存する。それに対応して、差分曲線３９は、工具３が時間ｔ_２で被加工物２に入った後のみ、ゼロから逸脱する。加工トルク曲線３２および基準トルク曲線３８は、スピンドルモータ９のトルクを各々示し、かつスピンドル７の回転は、再循環ボールベアリング６によって並進運動に変換されるため、材料における工具３の運動を阻害する阻害力は、有効力２１である。有効力２１は、スピンドルモータ９によって及ぼされるトルクＭから式Ｆ＝２πＭ／ｓに従って計算され得、式中、ｓは、スピンドルモータ９の１回転中にスピンドル７に沿ってスピンドルブロック５によってカバーされる経路である。

図５では、差分曲線３９が、再び拡大されて示されている。図５から、基準トルク曲線３８が顕著な局所極値を有しており、そのサイズは、下限値４０および上限値４１を設定することによって監視され得ることが分かる。差分曲線３９が下限値４０のうちの１つを下回るか、上限値４１の１つを超過する場合、監視コンピュータ１９は、エラーを認識し、少なくともそれをエラーログに書き込む。必要に応じて、監視コンピュータ１９は、表示ユニット１８上にエラー表示を引き起こすか、または監視コンピュータ１９から制御コンピュータ１０に対応する制御コマンドを送信することによって工具３の運動に影響を与える。これらの制御コマンドは、表示ユニット１８の支援によって生成され、かつ制御コンピュータ１０に送信される、制御コマンド、例えば、工作機械１を停止するための制御コマンドに対応し得る。

限界値４０および４１は、差分曲線３９の異なる機能区分がカバーされるように、差分曲線３９に沿って分布され得る。溝切削運動２５の間、決定要因は、工具３の溝切削領域の機能である。ねじ切削運動２７に関して、工具３のねじ切削エリアもまた、重要である。このようにして、工具３の異なる機能エリアが監視され得る。

限界値４０および４１の監視は、加工トルク曲線３２および基準トルク曲線３８が時間において互いに対してシフトされていないことを前提としており、そうでなければ、差分曲線３９は、不正確である。それゆえに、開始時間ｔ_１は、一致させなければならない。

加工トルク曲線３２および基準トルク曲線３８を時間の観点で互いに関連付けるために、加工目標値曲線２２および基準目標値曲線３７が使用され得る。特に、加工目標値曲線２２および基準目標値曲線３７は、最小二乗偏差の方法を使用して、監視コンピュータ１９によって一致させられ得る。これに必要な時間シフトΔＴは、加工目標値曲線２２と基準目標値曲線３７との間の相対時間間隔の指標である。したがって、監視コンピュータ１９はまた、関連付けられた加工トルク曲線３２と基準トルク曲線３８との間の相対時間間隔を決定し得る。図６は、対応する方法を例示する。

加工目標値曲線２２および基準目標値曲線３７は、それらのコースがほぼ同一であるため、特に好適である。制御コンピュータ１０は、典型的には、工作機械１の運動プロセスをリアルタイムで制御することができるコンピュータである。実行されることになる運動は、制御コンピュータ１０によって処理されることになる運動コマンドのリストによって指定され、制御コンピュータ１０は、コマンドを次々に処理する。例えば、第１の運動コマンドは、挿入運動２３の実行を開始し得る。後続の第２の運動コマンドは、後退運動２６を開始し得る。運動コマンドは、常に同じ手法で実行される：したがって、個々の運動コマンドに基づいて生成された目標値曲線の部分的な区分は、常に同じである。挿入運動２３、後退運動２６、ねじ切削運動２７、剪断運動２８、リセット運動２９、再切削運動３０、および後退運動３１の目標値曲線の小区分は、様々な目標値曲線に関して常に同じである。しかしながら、制御コンピュータ１０は、運動コマンドの実行の間に他のタスクを実施しなければならず、運動コマンドの実行の間に異なる長さの遅延Δｔ_ｎが発生する可能性がある。

加工目標値曲線２２と基準目標値曲線３７との間の時間間隔の決定を改善するために、加工目標値曲線２２および基準目標値曲線３７の遅延Δｔ_ｎは、図７に例示されるように、図６に示される調整プロセスの前に、加工目標値曲線２２および基準目標値曲線３７から除去され得る。これは、遷移区分４２が、目標値曲線の区分間で指定され、かつ目標値曲線および関連付けられたトルク曲線において除去されることで達成され得る。遷移区分４２は、運動コマンドに対応するそれぞれの目標値曲線の区分を決定することによって指定される。次いで、遷移区分４２は、それらの間の目標値曲線区分として結果的に生じる。

目標値曲線２２および３７からのランダム制御偏差は、差分曲線３９からの許容偏差よりも大きい差分曲線３９の値をもたらすべきではないことに留意されたい。この点で、下限値４０および上限値４１は、可能である場合に不正確なエラーメッセージがランダムに生成されないように、最大制御偏差の関数として設定されるべきである。しかしながら、正常な状況下では、有意なランダム制御偏差は、発生しない。目標値曲線２２および３７からの制御偏差が発生する場合、これは、差分曲線３９に反映される追加の力の発生に起因し、このことは、所望される効果である。

本明細書では、基準トルク曲線３８が空気（エア）トルク曲線である監視方法が説明されてきた。加えて、例えば、工具３の新しい複製を使用して、代替的な基準トルク曲線を記録することも可能である。しかしながら、この場合、工具３に作用する力もまた、基準トルク曲線に含まれるため、監視は、より困難である。加工トルク曲線３２と代替的な基準トルク曲線との間の差分曲線もまた、差分曲線３９の場合のように有効力２１を示さず、むしろ有効力２１の変化を示す。しかしながら、代替的な基準トルク曲線は、基準トルク曲線３８の代わりのみならず、それに加えて使用され得ることに留意されたい。この場合、有効力２１のみならず、経時的な有効力の変化もまた、記録および監視される。

本明細書では、被加工物３のコア穴２０にねじ山が形成され得る加工方法に関連して、監視方法が説明された。しかしながら、本明細書に説明される監視方法はまた、原則として、工具が並進および／または回転様式で動かされる他の加工方法にも適用され得る。例えば、監視方法はまた、ドリル加工、旋削またはフライス加工プロセスを監視するためにも使用され得る。これらの方法によると、それぞれの工作機械の並進軸に沿った有効力および／または回転軸の周囲の有効トルク、ならびに有効力または有効トルクの組み合わせが決定され、必要に応じて監視され得る。

ドリル加工方法の場合、例えば、ドリル加工工具の縦軸に沿って作用する有効力および／またはドリル加工工具に作用する有効トルクが決定および監視され得る。

フライス加工プロセスでは、フライス加工ヘッドの長手方向軸に沿って作用する有効力がｚ方向に決定され得るのみならず、フライス加工機械のフライス加工ヘッドにｘまたはｙ方向に横方向に作用する有効力もまた、決定され得る。運動方向に応じて、フライス加工ヘッドに横方向に作用する力は、常に変化する異なる方向からフライス加工ヘッドに作用し得る。したがって、この力の量がフライス加工ヘッドに横方向に作用する力のｘおよびｙ軸に沿って作用する力成分から計算される場合、および特定の限界値が超過されるか、または到達されないかを、横方向に作用する力の量が監視される場合、有利であり得る。特定の場合、例えば、特定の方向のみフライス加工するとき、１つの力成分のみを監視することも有用であり得る。

クランプ工具によって保持された被加工物がｚ軸を中心に回転し、旋削工具の助けによって旋削される旋削プロセスでは、送り方向、すなわち、ｚ方向の旋削工具に対する有効力、ならびに／もしくはｘおよびｙ方向の有効力、またはこれらの力成分から構成される総力が、決定および監視され得る。

本明細書に説明される監視方法はまた、研削プロセスにも使用され得る。

図８は、ローリング研削プロセス中の被加工物２および工具３の配置を示す。図８では、被加工物２は、工作機械１のギヤシャフト４４に締結される、螺旋歯付きギヤ４３である。ギヤシャフト４４は、Ｂ軸とも呼ばれる回転軸４５を中心に回転され得る。

工具３は、Ｃ軸とも呼ばれる回転軸４７を中心に回転する輪郭形成された研削ホイール４６によって形成される。研削プロセス中、研削ホイールは、ｚ軸に沿って直線運動４８を実施する。図１に示される工作機械の場合のように、直線運動４８は、スピンドルドライブの支援によって行われ得る。ギヤ４３の歯面は、研削プロセスによって切断される。

図９は、加工目標値曲線２２、基準目標値曲線３７、加工トルク曲線３２、基準トルク曲線３８、および差分曲線３９がプロットされた図を示す。加工目標値曲線２２および基準目標値曲線３７について、研削ホイール４６の位置、特にｚ軸に沿った回転軸４７（Ｃ軸）の位置が、研削プロセス中に選択され得る。加工トルク曲線３２および基準トルク曲線３８について、回転軸４７（Ｃ軸）を中心に研削ホイール４６の回転を引き起こすトルクが使用されてもよく、またはｚ軸に沿って研削ホイール４６の回転軸４７（Ｃ軸）を直線的に動かすために使用されるスピンドル（図８に図示せず）に作用するトルクが使用されてもよい。

加工目標値曲線２２および基準目標値曲線３７は、３つの区分に分割される。時間ｔ_１〜ｔ_２の始動段階４９の間、研削ホイール４６は、ｚ軸に沿った大きい送り距離にわたって高送り速度で動かされる。始動段階４９の間、研削ホイール４６とギヤ４３との間の最初の接触が、時間ｔ_１において行われる。材料除去は、初期には少なく、研削ホイール４６がギヤ４３に近づくにつれて連続的に増加する。研削ホイール４６が駆動されなければならないトルク、または回転軸４７（Ｃ軸）の直線運動が周囲にもたらされるトルクもまた、それに応じて増加する。時間ｔ_２〜ｔ_３の通過段階５０では、ｚ軸に沿った直線運動の送り速度が低下する。通過段階５０の間、回転軸４７（Ｃ軸）は、ギヤ４３のほぼ上方中央にある。通過段階５０の間、研削ホイール４６とギヤ４３との間の接触面積は、最大である。それに対応して、加工トルク曲線３２および基準トルク曲線３８は、各々、最大値を通過し、これはまた、差分曲線３９の最大値の量に関して反映される。これは、通過段階５０の間にギヤ４３に対して実施される研削力もまた、最大を想定することを意味する。出口段階５１が、時間ｔ_３〜ｔ_４に続く。出口段階５１の間、研削ホイール４６による材料除去がますます減少するため、送り速度は、再び増加する。時間ｔ_４後、研削ホイール４６とギヤ４３との間には、いかなる接触も、もはや存在しない。

図１０は、外部円筒研削のプロセスを示す。この場合、被加工物２は、丸シャフト５２であり、丸シャフト５２は、例えば、丸シャフト５２がシャフト軸５３（Ｂ軸）を中心に回転することを可能にするホルダーにクランプされる。丸シャフト５２を研削するために、丸シャフト５２は、シャフト軸５３を中心に回転し、回転軸４７（Ｃ軸）を中心に回転する研削ホイール４６に向かってｚ軸に沿って行われる直線運動５４によって動かされる。

図１１は、加工目標値曲線２２、基準目標値曲線３７、加工トルク曲線３２、基準トルク曲線３８、および差分曲線３９を示す図である。加工目標値曲線２２および基準目標値曲線３７について、研削ホイール４６の回転軸４７（Ｃ軸）と丸シャフト５２のシャフト軸５３（Ｂ軸）との間のｚ軸に沿った相対距離が使用され得る。加工トルク曲線３２および基準トルク曲線３８について、回転軸４７（Ｃ軸）を中心とした研削ホイール４６の回転を引き起こすトルクが使用され得るか、またはシャフト軸５３を中心とした丸シャフト５２の回転をもたらすトルク、もしくは図１０に示されない、直線運動５４が実施されるスピンドルのトルクが使用され得る。

ここで、加工プロセスは、再び、異なる段階に分割される。時間ｔ_１〜ｔ_２の接近段階では、丸シャフト５２は、研削ホイール４６に向かって運ばれる。時間ｔ_２において、研削ホイール４６と丸シャフト５２との間に接触が存在する。時間ｔ_２〜ｔ_３の後続の段階は、丸シャフト５２が比較的大きい距離にわたって、かつ比較的高速で、研削ホイール４６に向かって動かされる粗加工５６を伴う。粗加工５６によって、丸シャフト５２から多くの材料が除去される。

仕上げ５７が、時間ｔ_３〜ｔ_４に、研削ホイール４６の方向への短い送り距離および低速の送り速度で実施される。仕上げ５７の間、少しの材料のみが、丸シャフト５２から除去される。

図１２は、被加工物２を平坦に研削するために研削ホイール４６が使用される表面研削のプロセスを示す。被加工物２は、研削ホイール４６に対して直線運動５８を実行する。

図１３は、加工目標値曲線２２、基準目標値曲線３７、加工トルク曲線３２、基準トルク曲線３８、および差分曲線３９を有する関連図を示す。研削ホイール４６に作用するトルク、または被加工物２が直線運動５８で変位されるスピンドル（図示せず）に作用するトルクのいずれかが、加工トルク曲線３２および基準トルク曲線３８を記録するために使用され得る。

繰り返しになるが、加工プロセスは、異なる段階に分割される。時間ｔ_１〜ｔ_２の始動段階５９では、研削ホイール４６は、被加工物２と接触し始め、被加工物２から材料をますます除去する。通過段階６０の間、被加工物２は、研削ホイール４６が時間ｔ_３で被加工物２を離れ始めるまで横断される。出口段階６１の間、時間ｔ_４で研削ホイール４６と被加工物２との間にいかなる接触も存在しなくなるまで、研削ホイール４６は、依然として被加工物２から残りの材料を除去する。始動段階５９および出口段階６１では、送り速度は、通過段階６０の間の送り速度と比較して高速である。通過段階６０の間、始動段階５９および出口段階６１の間よりも著しく大きい距離がカバーされることにも留意されたい。

図８〜１３に示される研削プロセスの場合、油が、典型的には、研削ホイール４６を冷却するために使用され、油が、研削ホイール４６の細孔に注入されるという特別な特徴が存在する。この油は、研削プロセス中に被加工物２から除去される。これは、有効摩擦力を生成する。この有効摩擦力は、材料を除去せずに、被加工物２に対するそれぞれの基準トルク曲線３８を記録することによって排除され得る。次いで、有効摩擦力は、加工トルク曲線３２を記録するとき、および基準トルク曲線３８を記録するときの両方で発生し、それゆえに、差分曲線３９には、含まれない。

差分曲線３９の決定は、差分曲線３９が被加工物上の研削ホイール４６の摩擦によってもたらされるエネルギー入力の指標である限り、有利である。Ｍが、それぞれのトルクであり、ωが、関連角速度である場合、単位長さあたりのエネルギー入力は、ΔＥ／Δｚ＝Ｍ・ω／ｖ_ｚであり、式中、ｖ_ｚは、ｚ軸に沿った送り速度である。局所的に伝達されるエネルギーを決定するために、研削ホイール４６と被加工物２との間の接触面積のサイズもまた、考慮しなければならない場合がある。

このようにして、被加工物２の研削焼けを防止することが可能であると考えられる。被加工物は、いわゆる研削焼けによって熱的に損傷される。研削焼けは、被加工物２の特定のエリアの再硬化もしくは軟化、または微細構造の変化につながり得る。研削焼けは、全ての場合に肉眼で見ることができるわけではなく、完成した被加工物２のそれぞれの機能の耐用年数を著しく損なう可能性がある。

研削中に差分曲線３９の値が特定の限界値を超過した場合、加工プロセスは、停止され得る。原則として、特定の限界値が超過されるか、または接近された場合、ｚ方向に沿った運動を低速化するか、ハブ４６の回転速度を低下させて、エネルギー入力を低減し、研削焼けを防止することも考えられる。基準目標値曲線および基準トルク曲線も利用可能である動作モードに切り替えることが有利である。

修正された実施形態では、異なる駆動装置のいくつかの加工トルク曲線３２および基準トルク曲線３８が並行して記録および監視され得、例えば、図８〜１３に示される研削プロセスでは、ｚ軸に沿った運動のためのそれぞれのスピンドル駆動装置のトルク、および研削ホイール４６を駆動するためのトルクが並行して記録され、所定の限界値を超過することに関して監視されることに留意されたい。

また、一般的に、駆動装置は、通常、常にトルクを伴う電動駆動装置であることにも留意されたい。リニア駆動装置の場合、トルクの代わりに線形に作用する力が考慮される必要がある。

本明細書に説明される例示的な実施形態では、制御コンピュータ１０および監視コンピュータ１９は、別個の物理的ユニットである。これは、既存の工作機械１が監視コンピュータ１９を後付けすることができる利点を提案する。しかしながら、制御コンピュータ１０および監視コンピュータ１９を単一の物理的コンピューティングユニット、例えば、コンピュータとして設計された表示ユニットに組み合わせることも可能である。

本明細書に説明される方法はまた、例えば、制御コンピュータ１０にインストールされ、そこで実行される、コンピュータプログラム製品にも実装され得る。次いで、プロセッサがコンピュータプログラム製品のコードを処理すると、本明細書に説明された監視方法が実施される。例示的な一実施形態では、コードは、フロッピーディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）またはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）などのコンピュータによって読み出され得るデータ媒体上に記憶され得る。他の例示的な実施形態では、コンピュータプログラム製品は、サーバまたはサーバのグループのデータメモリ上に記憶されるコードをさらに含み得る。さらなる例示的な実施形態では、媒体はまた、コードをコンピュータにダウンロードすることによってサーバからコードを送信するために使用される、電気キャリア信号であり得る。

最後に、特定の例示的な実施形態に関連して説明された特徴および特性は、互換性の理由で除外されない限り、別の例示的な実施形態と組み合わせることができることも指摘されるべきである。

最後に、特許請求の範囲および説明において、文脈が別途指示をしない限り、単数形が複数形を含むことに留意されたい。特に、不定冠詞が使用されるとき、単数形および複数形の両方を意味する。

Claims (19)

1. 工具（３）の運動が制御コンピュータ（１０）の支援によって数値制御される工作機械（１）を監視するための方法であって、前記方法は、
   −前記工具（３）の前記運動に関連する監視測定量の基準測定曲線（３８）を記録する方法ステップであって、前記記録が、基準目標値曲線（３７）によって制御される前記工具（３）の基準運動中に実施される、記録する方法ステップと、
   −加工目標値曲線（２２）によって制御される前記工具（３）の加工運動中の監視測定量の加工測定曲線（３２）を記録する方法ステップであって、被加工物（２）が、前記加工運動を使用して前記工具（３）によって加工される、記録する方法ステップと、
   −前記基準目標値曲線（３７）および前記加工目標値曲線（２２）に基づいて、前記基準測定曲線（３８）および前記加工測定曲線（３２）を時間的に関係付ける方法ステップと、
   −前記基準測定曲線（３８）および前記加工測定曲線（３２）の差分曲線（３９）を形成し、前記差分曲線（３９）を監視して、所定の限界値（４０、４１）が超過されているかどうかをチェックする方法ステップと、を含む、方法。
2. 前記差分曲線（３９）は、前記工具（３）の異なる機能エリアが使用される機能区分に分割され、異なる限界値（４０、４１）が、異なる機能区分に対して確立される、請求項１に記載の方法。
3. 前記基準測定曲線（３８）および前記加工測定曲線（３２）は、割り当てられた前記基準目標値曲線（３７）および前記加工設定値曲線（２２）を調整に供することにより時間的に関係付けられ、前記調整において、前記基準目標値曲線（３７）と前記加工目標値曲線（２２）との間の相対時間間隔が、決定されるべき自由パラメータとして使用され、前記基準目標値曲線（３７）と加工目標値曲線（２２）との間の偏差を説明するエラーノルムが、最小化される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記基準目標値曲線（３７）と前記加工目標値曲線（２２）との間の偏差平方和が、エラーノルムとして使用される、請求項３に記載の方法。
5. 前記基準目標値曲線（３７）および前記加工目標値曲線（２２）の調整の前に、前記基準目標値曲線（３７）および前記加工目標値曲線（２２）の対応する区分が決定され、前記区分間にある少なくとも１つの遷移区分（４２）が、前記基準目標値曲線（３７）にておよび前記割り当てられた基準測定曲線（３８）にて除去され、ならびに／または少なくとも１つの遷移区分（４２）が、前記加工目標値曲線（２２）にておよび前記割り当てられた加工測定曲線（３２）にて除去される、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記基準運動が、前記被加工物（２）と接触せずに実施される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記基準運動が、前記被加工物と接触するが、材料除去なしで実施される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記基準運動が、前記被加工物（２）上で新しい工具（３）を用いて実施される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記基準運動が、多数の加工運動が実施された後に繰り返される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記基準運動および前記加工運動が、前記工具（３）の回転運動および／または並進運動を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記監視測定量が、トルクまたは並進力である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記加工目標値曲線（２２）および前記基準目標値曲線（３７）の目標値は、前記工具（３）の所定経路に沿った前記工具（３）の位置であり、前記所定経路に沿って、前記工具（３）が前記加工運動および前記基準運動中に動かされる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 駆動モータ（９）によって生成された回転運動が、前記工作機械（１）によって前記工具（３）の並進運動に変換され、前記駆動モータ（９）のトルクが、監視測定量として使用され、前記差分曲線（３９）が、並進方向に前記工具（３）に作用する力を監視するために使用される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記差分曲線（３９）の値が、トルク値から力値に変換され、前記監視が、前記力値を使用して実施される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記事前設定された限界値（４０、４１）が超過されたとき、ユーザが認識可能なアラームがトリガーされる、および／または工具（３）の運動が影響を受ける、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記工具（３）が、ドリル加工、ねじ切削、フライス加工、旋削または研削用に設計されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記工具（３）に作用する駆動装置（９）がセンサ（１６）および制御コンピュータ（１０）の支援によって数値制御される前記工作機械（１）を監視するための監視デバイスであって、前記監視デバイスは、
    −監視測定量を取り込むことと、
    −前記制御コンピュータ（１０）によって生成された目標値を取り込むことであって、前記目標値によって前記工具（３）の前記運動が制御される、取り込むことと、
    −前記取り込まれた監視測定量および目標値に基づいて、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法を実施することと、を行うように配置されている、監視デバイス。
18. 前記被加工物（２）を加工するための前記工具（３）を有する工作機械であって、前記工具（３）に作用する前記駆動装置（９）が、前記センサ（１６）および前記制御コンピュータ（１０）を使用して数値制御され、前記工作機械の前記制御コンピュータ（１０）が、
    −監視測定量を取り込むことと、
    −前記制御コンピュータ（１０）によって生成された目標値を取り込むことであって、前記目標値によって前記工具（３）の前記運動が制御される、取り込むことと、
    −前記取り込まれた監視測定量および目標値に基づいて、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法を実施することと、を行うように配置されている、工作機械。
19. 前記工作機械（１）を監視するためのコンピュータプログラム製品であって、コンピュータ（１９）上で実行されると、前記コンピュータに、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法を実施させる命令を含有する、コンピュータプログラム製品。

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