JP5771212B2 - ツール補償方法およびデバイス - Google Patents

Description

本明細書において開示される主題の実施形態は、一般には、ワークピースを製造するために使用されるツールの経路を補償するための方法およびシステムに関し、より詳細には、ワークピースを製造するために使用されるツールの経路を補償するための機構および技法に関する。

現代の遠心圧縮機には、支持ロータに沿って軸方向に取り付けられた複数の段のインペラーが含まれている。遠心圧縮機段（インペラー）は多くのブレードを含むことができる。個々の段すなわち列のブレードは互いに全く同じであり、一般的には段毎にサイズおよび形状が変化している。図１は、圧縮機の二次元（２Ｄ）インペラー１０を示したもので、インペラーはブレード１２を有している。図２は、カバー１３で覆われたブレード１２を有する他の二次元インペラー１０を示したものである。図３および４は、ブレード１６を有する三次元（３Ｄ）インペラー１４を示したものである。図４のインペラーは、ブレードを覆っているシュラウド１８を有している。ブレードの形状によってインペラーが２Ｄであるかあるいは３Ｄであるかどうかが決まる。

この点に関し、図１および２に示されている２Ｄインペラーの場合、ブレードを形成する機械加工ツールは、ブレードを形成することができるようにするためには、ブレードに対して上下に（Ｚに沿って）、かつ、Ｚ方向に対して直角の平面（ＸＹ平面）内でのみ移動させなければならないことに留意されたい。このタイプの運動は３軸方向機械加工と呼ばれている。

しかしながら、図３および４に示されている３Ｄインペラーのようにもっと複雑な設計の場合、機械加工ツールは、追って説明するようにもっと多くの方向に移動させなければならない。これは、シュラウド１８がインペラー１４に取り付けられるのではなく、シュラウド１８がインペラー１４の一体部分である場合がそうである。言い換えると、インペラー１４、ブレード１６およびシュラウド１８は、最初は、大きい単一の金属片の一部である。様々な技法を使用して単一の金属片の複数の部分が徐々に除去され、ブレードおよびシュラウドが形成される。

インペラーおよびタービンブレードは、様々な製造プロセスを利用して製造することができるが、それにもかかわらず多くのこのようなブレードには依然としてかなりの資源および時間の消費が必要であり、生産速度および最終機械加工のコストに影響を及ぼしている。このような方法の１つは放電加工（ＥＤＭ）である。ＥＤＭは、放電（スパーク）を使用して、ワークピースと呼ばれる対象の所望の形状が得られる製造プロセスである。ワークピースからの材料の除去は、誘電体液によって分離され、かつ、電圧が印加される２つの電極間に繰り返し発生する一連の急激な電流放電によって生じる。一方の電極はツール電極と呼ばれ、単純に「ツール」または「電極」と呼ばれることもあり、また、もう一方の電極はワークピース電極と呼ばれ、一般的には「ワークピース」で略称されている。ツール電極は、３つの軸方向運動に基づいて、機械によってワークピースの周りを移動する。

２つの電極間の距離が短くなると、これらの電極間の体積内の電界の強度が絶縁耐力より強くなることが期待され（少なくともいくつかのポイントで）、したがって絶縁破壊によってこれらの２つの電極間に若干の電流が流れる。この現象はコンデンサの破壊と同じである。この電流の流れによる付随効果は、両方の電極から材料が除去されることである。

電流の流れが停止すると、除去された電極材料固体粒子（デブリス）を運び去ることができ、かつ、誘電体の絶縁特性を回復することができる新しい液体誘電体を電極間の体積内に輸送しなければならない。電極間の体積内への新しい液体誘電体のこの追加は、一般にフラッシングと呼ばれている。また、電流が流れた後、新しい液体絶縁破壊を生じさせることができるよう、破壊する前のこれらの２つの電極間の電位差が回復される。

第２の方法は、電気化学プロセスによって金属を除去する方法である電解加工（ＥＣＭ）である。ＥＣＭは、通常、大量生産のために使用され、また、硬い材料を機械加工するために、あるいは従来の方法を使用して機械加工することが困難である材料を機械加工するために使用される。この第２の方法の使用は導電性材料に限定されるが、これにはあらゆる金属が含まれている。ＥＣＭの場合、チタン、ハステロイ、コバール、インコネルおよびカーバイドなどの超硬鋼およびエキゾチック金属中に小さい複雑な輪郭または空洞を刻むことができる。

ＥＣＭの場合、負に帯電した電極（陰極）、導電性流体（電解液）および導電性ワークピース（陽極）を有する電解液材料除去プロセスを介して、電極とワークピースの間に大電流が流れる。ＥＣＭ切断ツールは、ワークに極めて近いがピースには接触しない所望の経路に沿って案内される。しかしながらＥＤＭとは異なり、スパークは生成されない。ＥＣＭの場合、高速金属除去が可能であり、その上、部品に熱または機械的応力が伝達されることもなく、また、鏡面仕上げが可能である。

陰極（ツール）が陽極（ワークピース）中へ進行する、というのがプロセスの概要である。加圧された電解液が一定の設定温度で被切断領域に注入される。供給速度は、材料が液化する速度と全く同じである。ツールとワークピースの間の領域は、０．００３インチないし０．０３０インチの範囲内で変化する。ＥＤＭおよびＥＣＭは、従来、タービンおよび圧縮機内のブレードを製造するために使用されている。ブレードは、ブレードを有していない固体金属片である元のワークピースから過剰材料を除去することによって形成される。ＥＤＭまたはＥＣＭ電極によって、ブレードを形成するための固体金属片から所望のブレードが刻まれる。これらのブレードは、タービンまたは圧縮機内部の極端な条件に耐えるために超合金でできており、したがって一般的には固体である。しかしながら、ＥＤＭ方法およびＥＣＭ方法のうちの一方または両方に影響している限界は、過剰の材料を除去するために使用される電極の摩耗である。上で説明したように、ツールの電極と、機械加工されることが望ましいワークピースとの間に電流が印加されている間、電気放電によって材料が除去されるのはワークピースからのみではなく、ツールの電極からも同じく除去される。したがってブレードを生成するために電極がワークピースから除去する材料が多ければ多いほど、電極の長さが短くなる。より短い電極は、ブレードを生成するために所望の量の材料をワークピースから除去することができない。

図５は、理論的なポケット２０すなわちワークピースから除去すべき所望の体積、および上で言及した方法によって除去される実際のポケット２２を示したものであるが、この図５には、電極の摩耗または他の要因に起因するＥＤＭ方法およびＥＣＭ方法のこの欠点が示されている。単一のブレードを形成するためには、ブレードの周りのいくつかのポケットを除去しなければならない。ポケットとは、ツールの１回の通過で除去すべき材料の体積である。

しかしながら正確なブレードを得るためには、電極のサイズの減少を補償しなければならない。既存の方法の１つは、動作電極をブレードから固定位置へ移動させ（つまり機械上における探り）、かつ、その固定位置で電極の長さを測定することである。長さが測定され、かつ、電極が予測された長さより短いことが決定されると、オペレータは、電極の長さを調整し、ブレードの処理を再開することができる。この方法によれば、電極の適切な長さを保証することはできるが、電極を固定位置へ移動させ、電極を測定し、かつ、調整するためにはかなりの時間が必要であり、場合によってはサイクルタイムの最大４０％に及ぶことがあり、望ましいことではない。他の手法は、経験に基づいて残りの電極の長さを予測することである。しかしながら、この手法は、ブレードの幾何構造が複雑および／または新しい場合、うまくいかないことがある。

参照によりそのすべての内容が本明細書に組み込まれているＣｈｅｎらの米国特許出願公開第２００６／０１３８０９２号に、もう１つの手法が記載されている。Ｃｈｅｎらは、平らな２Ｄ経路をポケット毎に選択し（Ｃｈｅｎの図３参照）、また、Ｃｈｅｎの図６に示され、かつ、段落[００２８]ないし[００３６]で説明されているように、同じ量Ｒを使用して個々のポケットを補償することを開示している。しかしながらＣｈｅｎらの方法は、２〜３の理由により３Ｄインペラー（図３および４に示されている）に対しては適切ではない。

第１に、上で説明した方法は、電極の３つの軸方向運動によって制限されており、図３および４に示されているような複雑な幾何構造を有するブレードは、この種の運動によっては達成することはできない。

第２に、図３および４に示されている複雑なブレードには、必要な平面ではないポケットが必要であり、それは既存の方法によっては取り扱うことができない。第３に、既存の方法には、すべてのポケットに対して同じ補償ステップが使用されており、ポケット間における条件の変化は無視され、また、他のパラメータの変化も同じく無視されている。

欧州特許第０４０６９１８号公報

したがって、上で説明した問題および欠点、ならびに以下で開示されている主題を考察することによって当業者に理解される他の問題および欠点が回避されるシステムおよび方法が提供されることが望ましい。

一例示的実施形態によれば、ワークピースを機械加工する電極の摩耗を補償するための方法が提供される。この方法には、ワークピースの複数のポケットから現在のポケットを選択するステップと、現在のポケットと隣接している先行ポケットの摩耗補償に基づいて、現在のポケットのために電極に適用すべき摩耗補償を更新するステップと、現在のポケットを機械加工するために、更新された摩耗補償を電極に適用するステップとが含まれている。

他の例示的実施形態によれば、ワークピースを機械加工する電極の摩耗を補償するためのシステムが提供される。このシステムには、軸の周りに回転し、かつ、電極を受け取るように構成されたスピンドルと、スピンドルの運動を制御するように構成され、また、ワークピースの複数のポケットから現在のポケットを選択し、現在のポケットと隣接している先行ポケットの摩耗補償に基づいて、現在のポケットのために電極に適用すべき摩耗補償を更新し、かつ、現在のポケットを機械加工するために、更新された摩耗補償を電極に適用するように構成されたプロセッサとが含まれている。

さらに他の例示的実施形態によれば、コンピュータ実行可能命令を含んだコンピュータ可読媒体が提供され、これらの命令が実行されると、ワークピースを機械加工する電極の摩耗を補償するための方法が実施され、この方法には、複数の全く異なるソフトウェアモジュールを備えたシステムを提供するステップが含まれており、これらの全く異なるソフトウェアモジュールには、摩耗補償モジュールを更新するソフトウェアモジュールと、ワークピースの複数のポケットから現在のポケットを選択するソフトウェアモジュールと、現在のポケットと隣接している先行ポケットの摩耗補償に基づいて、現在のポケットのために電極に適用すべき摩耗補償を更新するソフトウェアモジュールと、現在のポケットを機械加工するために、更新された摩耗補償を電極に適用するソフトウェアモジュールとが含まれている。

本明細書に組み込まれ、かつ、本明細書の一部をなしている添付の図面は、１つまたは複数の実施形態を示したもので、以下の説明と相俟ってこれらの実施形態を説明している。

２Ｄブレードを有する開インペラーの略線図である。 ２Ｄブレードを有する閉インペラーの略線図である。 ３Ｄブレードを有する開インペラーの略線図である。 ３Ｄブレードを有する閉インペラーの略線図である。 実際のポケットと理想ポケットの間の相違を示す略線図である。 一例示的実施形態による工作機械の略線図である。 電極を使用した材料除去を示す略線図である。 一例示的実施形態による、電極の摩耗補償を決定するためのモジュールの略線図である。 一例示的実施形態によるツール摩耗モデルモジュールの略線図である。 一例示的実施形態による、実際のツール経路と理想ツール経路の間の相違の減少を示す略線図である。 一例示的実施形態による、ワークピースから材料を除去するための工作機械によって実行されるステップを示す流れ図である。 ３Ｄ幾何構造を有する閉インペラーの略線図である。 図１２の閉インペラーの断面図である。 一例示的実施形態による、制御経路を決定し、かつ、工作機械を制御する略回路図である。 一例示的実施形態による、工作機械によって実行されるステップを示す流れ図である。

例示的実施形態についての以下の説明には添付の図面が参照されている。異なる図面における同じ参照番号は、同じ構成要素または類似の構成要素を識別している。以下の詳細な説明は、本発明を制限するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義されている。以下の実施形態は、簡潔にするために、タービンブレードの専門用語および構造に関して説明されている。しかしながら、以下で説明されている実施形態は、タービンブレードのシステムに限定されず、所望のサイズを有する所望の形状を形成するために様々な角度および位置で材料を除去する必要がある他のシステムにも適用することができる。

本明細書全体を通して参照されている「一実施形態」または「実施形態」は、ある実施形態に関連して記述されている特定の特徴、構造または特性が、開示されている主題の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味している。したがって本明細書全体を通して様々な場所で出現する「一実施形態では」または「実施形態では」という表現は、必ずしも同じ実施形態を意味しているわけではない。さらに、これらの特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態の中で任意の適切な方法で組み合わせることができる。

電気化学放電機械加工（ＥＣＤＭ）は、高度な混成機械加工プロセスであり、これにはＥＣＭおよびＥＤＭの技法が含まれている。このプロセスは、様々な導電性材料を除去することができ、とりわけ超合金を除去することができる。

参照により本明細書に組み込まれている米国特許第６５６２２２７号および第６７８７７２８号に、ＥＣＤＭの２つの例が見出される。図６に示されているように、このようなＥＣＤＭシステム３０には、電極３６を保持しているスピンドル３４を回転させるように構成される機械３２が含まれている。機械３２とスピンドル３４の間のリンク３７は、リンク３７および／または機械３２が電極３６を３つの異なる軸に沿って移動させることができ、かつ、電極３６を２つの異なる軸の周りに回転させることができる限り、当分野における任意の知られている機構を含むことができる。ある用途では、スピンドルは、１つの軸、２つの軸、等々に沿ってのみ移動するように構成される。電極３６は、所望の形状を製造するためにワークピース３８に向かって移動させることができる。ワークピース３８は、テーブル４０によって支持することができる。テーブル４０は、ワークピースを回転させるか、あるいは変位させるように構成することができる。ワークピース３８の振動を吸収するための絶縁界面４２をワークピース３８とテーブル４０の間に提供することができる。スピンドル３４とリンク３７の間にもう１つの絶縁界面４４を提供することができる。機械３２は、所望の経路に沿って電極３６を導くために数値コントローラ４６によって制御することができる。電源４８は、必要な電力を数値コントローラ４６、スピンドル３４および機械３２に提供している。当分野で知られている他のコンポーネント、例えば除去された材料をフラッシングするためのデバイス、高圧ポンプ、ベンチレータ、サクションシステム、電池、電解液、他の電極、等々を存在させることも可能である。電極３６は、Ｘ、ＹおよびＺ方向に移動させることができるだけではなく、２つの異なる軸（例えばＸおよびＹ）に沿ってそれぞれ角度θおよびπだけ回転させることができる。

この方法によれば、電極３６は、最大５つの軸方向運動を提供することができ、それがこの機械を、ターボ機械のブレードを形成するためにワークピースを手のこんだ複雑な幾何構造にするのに適した機械にしている。電源４８は、電極３６の先端で放電が生じるよう、十分な電力を提供している。電極３６に電圧が印加されると、電極の先端で放電が生じる。機械加工は、放電が生じる電極３６の先端の近傍に維持されるワークピース３８の表面で生じる。ポケット（機械が通過している間にワークピースから除去される金属の量）は、ＥＣＭ方法およびＥＤＭ方法では、機械の先端が１回通過することによって除去される微小平面として定義されているが、ＥＣＤＭの場合、ポケットは、１本の線、微小平面または他の３Ｄ形状であってもよく、所望のブレードの幾何構造に応じて機械のオペレータが選択することができる。

図７は、３Ｄポケット７０の一例を示したもので、ポケット７０を除去するための実際の開始点７２は、望ましい開始点である理論上の開始点７４から一定の距離を隔てた位置に示されている。したがって電極３６の先端は、所望のポケット７６の代わりにポケット７０から材料の除去を開始し、この所望のポケット７６は、機械のプログラマによって除去されることが想定されているため、理論上のポケットと呼ばれている。しかしながらツールの摩耗が補償されないため、ポケット７６の代わりにポケット７０が除去される。一例示的実施形態によれば、ポケットは、１本の線または３Ｄ表面として定義することができ、つまり２Ｄ平面のみではない。

一例示的実施形態によれば、ツール摩耗補償プロセス８０は、オフラインモジュールおよびオンラインモジュールの２つのモジュールとして実施することができる。図８は、大まかな補償に対応するオフラインモジュール８２、および細かい補償に対応するオンラインモジュール８４を示したものである。オフラインモジュール８２は、所望のブレード設計のためのツール経路（理論上のツール経路）をソフトウェア（例えばＣＡＤ／ＣＡＭ）が生成するツール経路発生モジュール８６を含むことができる。ツール経路は、ワークピースから材料を除去し、それにより所望の最終製品、例えばブレードを形成するために工作機械が追従すべき座標を提供する。ツール経路は、ブレードの最終形状、ブレードを達成するために使用すべきポケットの数、ブレードを製造することになる電極および／またはツールの正確な位置、等々に関連する情報を含むことができる。このツール経路情報は、次に、後続するプロセス、例えばツール経路発生モジュール８６の出力を機械言語に翻訳するプロセスに適用するために、適切なインタフェース８８を介して処理エレメント９０に送信される。エレメント８６によって計算されるツール経路には電極の摩耗の補償は含まれていないこと、つまり、ツール経路は、全く摩耗しない理想電極に対して計算されることに留意されたい。

ツール摩耗モデルモジュール９２は、追って説明するツール摩耗モデルに基づいて、様々な情報から、モジュール８６によって生成されるツール経路に沿ったツール摩耗分布の決定を開始する。この情報は、モジュール８６によって決定されるツール経路に適用され、この段階で実際のツール経路が計算される。ステップ９４で、補償された（実際の）ツール経路がオンラインモジュール８４に提供される。しかしながら、一例示的実施形態によれば、ツール３０は、オフラインモジュール８２のみを有することも、あるいはオフラインモジュール８２とオンラインモジュール８４の両方を有することも可能である。

一例示的実施形態によれば、オンラインモジュール８４は、対応する回路の中で実施することができ、あるいはオフラインモジュール８２と同じ回路の中で実施することができる。オンラインモジュール８４は、数値によって制御される（ＮＣ）システム９６に補償済みのツール経路を送り、ＮＣシステム９６は、そのツール経路を工作機械３０に適用する。工作機械３０は、ＮＣシステム９６から受け取ったツール経路を実施し、繰り返しポケットを除去する。ポケットの除去が終了すると、オンライン検出システム９８を使用して工作機械３０の電極の長さを決定することができる。ＮＣシステム９６は、さらに、オンライン検出システム９８によって実施される測定に基づいてツール経路または工作機械３０のスピンドル３４の位置を調整し、電極の摩耗を補償することができる。ツール経路を再計算する代わりにスピンドル３４の位置を調整することにより、ブレードを得るために使用されるソフトウェアを、異なる幾何構造を有する異なる機械に容易に分配することができる、つまりソフトウェアは携帯型であることに留意されたい。

オンライン検出システム９８は、例えば電極の長さを決定するためのレーザ較正システムまたは物理接触較正システムを含むことができ、あるいは当業者に認識される他のデバイスを含むことができる。ある用途では、電極の長さだけではなく、電極の直径が決定される。

ツール摩耗モデルモジュール９２に関して、図９は、ツール補償データを決定するために含まれる可能モジュールを示したものである。より具体的には、図９は、ツール摩耗モデルモジュール９２には、材料除去計算モジュール１１０、プロセスパラメータセットモジュール１１２および他のパラメータモジュール１１４が含まれていることを示している。

これらのモジュールは、専用回路、ソフトウェアまたはそれらの組合せとして実施することができる。材料除去計算モジュール１１０は、５個ないし１５個のパラメータ、例えば電極形状、電極材料、ワークピース材料、ポケット形状を含むことができ、これらは、工作機械によってワークピースから除去される材料の体積を計算するためにモジュールの記憶装置に記憶するか、あるいはシステムによって能動的に決定／測定することができる。

プロセスパラメータセットモジュール１１２は、工作機械に関連するパラメータ、例えば切断の深さ、切断速度、毎分回転数、等々を記憶し、また、他のパラメータモジュール１１４は、機械加工プロセスの他の面に関連するパラメータ、例えばフラッシング流量および圧力、電圧およびアンペア数、電流波形、パルス、等々を記憶している。

伝達関数モジュール１１６は、モジュール１１０、１１２および１１４から受け取るパラメータおよび他のデータに基づいて、特定の軸、例えばＺ軸に沿ったツール摩耗Ｄを計算する。ツール摩耗は、Ｄ＝ｆ（Ｖｍｍ、Ｐ＿ｏｎ、Ｐ＿ｏｆｆ、Ｉｐｅａｋ、Ｐｆｌｕｓｈｉｎｇ、・・・）で表すことができる伝達関数ｆによって与えられ、Ｖｍｍは除去された材料の体積、Ｐ＿ｏｎは電流が流れている時間の単位の分数、Ｐ＿ｏｆｆは電流が流れていない時間の単位の分数、Ｉｐｅａｋは電極３６に印加されるピーク電流、Ｐｆｌｕｓｈｉｎｇはフラッシング圧力および流量、等々である。モジュール１１２および１１４から利用することができるパラメータのうちの１つまたは複数をこの伝達関数に使用することができる。モジュール１１６によって計算された伝達関数ｆの結果Ｄは、伝達関数の結果をツール経路に適用するためにＮＣ９６に情報を直接提供することができるツール補償データモジュール１１８に提供される。一例示的実施形態によれば、伝達関数の結果をツール経路に沿って均等に分配することができる。さらに他の例示的実施形態によれば、追って説明するように、ポケット毎に異なる摩耗補償を適用することができる。

他の例示的実施形態によれば、ツール機械がブレードまたは他のエレメントを処理する際に、ポケット毎に電極の摩耗補償が計算／更新される。現在のポケットに対する摩耗補償を計算／更新するための方法は、現在のポケットの機械加工に先立って、（ｉ）１つまたは複数の先行ポケットに適用された摩耗補償、および／または（ｉｉ）電極の測定／決定されたパラメータを考慮することができる。測定／決定されるパラメータには、それには限定されないが電極の幾何構造（つまり長さ、直径、等々）が含まれている。

一例示的実施形態によれば、プロセスは、所定の摩耗補償を最初のポケットに適用するステップで開始される。所定の摩耗はツール摩耗モデルによって生成される。この所定の摩耗補償は、経験に基づいて決定される量であってもよい。上で言及したパラメータ（電極の幾何構造）は、最初のポケットを除去している間、および／または最初のポケットの終了時に測定／決定することができ、また、最初のポケットの終了時に、次のポケットに適用される新しい（実際の）摩耗補償が評価される。個々のポケットの条件は、そのポケットに対するフラッシング状態、ポケットの幾何構造、電極の幾何構造、ツールの摩耗、等々のために異なっていてもよい。オンライン検出システム９８を使用してプロセスの条件が更新され、新しい摩耗補償が次のポケットに再適用される。

現在のポケットに対する摩耗補償が、（１つまたは複数の）先行ポケットにこのように依存している結果、図１０に示されているように、工作機械の進行につれて実際の経路１３０と理論上の経路１３２の間の相違が改善される。一例示的実施形態によれば、現在のポケット毎の摩耗補償の計算に考慮されるのは、先行ポケットに関連するパラメータのみである。

上で説明した、工作機械の摩耗補償を計算／決定するための方法のステップについて、図１１に関連して例示する。ステップ１１００で、オフラインモジュール８２から受け取ったデータに基づいて、最初のポケットであってもよい現在のポケットに対する摩耗補償が選択される。言い換えると、工作機械は、機械の記憶装置に記憶されているデータに基づいて摩耗補償を選択する。このデータには、とりわけ、材料パラメータ（ブレードを形成するために除去すべき材料を特性化するパラメータ）、サイズ、化学組成、等々などの電極パラメータ、除去すべき材料、電極および電解液の電気パラメータ、ブレードの３Ｄ幾何構造、等々を含むことができる。

ステップ１１１０で、このデータが入力として伝達関数に提供され、伝達関数モジュール１１６は、現在のポケットに適用すべき摩耗補償を決定する。現在のポケットが除去されると、ステップ１１２０で工作機械の電極が較正される。この較正は、オンラインまたはオフラインで実施することができ、あるいは全く実施しなくてもよい。ステップ１１３０で、次のポケットに対する摩耗補償を計算／更新するために、現在のポケットからのデータが収集され、かつ、伝達関数モジュール１１６に提供される。

ある用途では、電極から消費された材料の体積を決定するために、先行ポケットの開始時の電極の長さと、先行ポケットの終了時の電極の長さが比較される。また、機械は、先行ポケットに対するツール経路の長さを計算することができ、また、機械は、次に、消費された電極材料（例えばミリメートルの黒鉛）を先行ポケットのツール経路の実際の長さで割ることにより、現在のポケットに適用すべきツール摩耗補償を評価することもできる。この例示的実施形態によれば、機械は、すべてのポケットに対して、電極の製造者から入手することができる電極の一定の摩耗速度を使用せず、その代わりに現在のポケット毎に摩耗補償の量を計算する。この方法によれば、電極の新しい摩耗補償を計算する際に、機械毎の局部要因特質、例えば電極の摩耗速度にも影響を及ぼすフラッシング速度、フラッシング圧力、周囲温度、等々が考慮される。言い換えると、消費される材料および経路の長さを現在のポケットに対して計算することにより、ＥＣＤＭプロセスに影響を及ぼすパラメータのほとんどが考慮される。ＥＣＤＭプロセスの間にこれらのパラメータのうちの１つまたは複数が変化すると、その変化は、現在のポケットの間に除去される材料に反映される。これらの変化は、上で説明した計算によって次のポケットに適用される。したがって、一例示的実施形態によれば、機械３２は、周囲を常に監視し、かつ、次のポケットの摩耗補償を調整することにより、次のポケットの製造のあらゆる変化を反映するように構成されている。

例えば従来の機械は、電極の摩耗速度が一定であるため、すべてのポケットに対して同じ摩耗補償を使用しているが、この例示的実施形態によれば、有利には同じ電極の摩耗速度がポケット毎に計算され、したがって、プロセスの１つまたは複数のパラメータ（例えば温度）が変化していると仮定して、同じ電極に対してポケット毎に異なる摩耗補償が適用される。次のポケットの摩耗補償を計算／更新するために伝達関数モジュール１１６に他のデータを提供することができ、例えば周囲の圧力、等々を提供することができる。ある用途では、現在のポケットの摩耗補償が次のポケットの摩耗補償と一定の閾値を超えて異なっている場合、２つの連続するポケット間の摩耗補償の差がその閾値未満を維持するよう、次のポケットのサイズを小さくするように機械を構成することができる。この閾値は、使用される機械、電極、ワークピースから除去すべき材料、等々で決まる。

ステップ１１３０で摩耗補償データが計算／決定されると、ステップ１１４０で、次のポケットを機械加工する際にこのデータが工作機械３０に適用される。次のポケットが終了すると、機械は、ステップ１１５０で、他のポケットを処理しなければならないかどうかを決定する。決定の結果が否定である場合、プロセスは終了する。決定の結果が肯定である場合、プロセスはステップ１１２０に進行し、次のポケットを処理し、また、上で説明したように、摩耗補償を更新するためにすべてのポケットが処理されるまで先行ポケットからのデータが現在のポケットに適用される。

この方法の利点の１つは、個々のポケットが異なる摩耗補償を有することができ、したがって材料の特性および／または環境の変化が考慮されることである。また、プロセスの進行につれて実際のツール経路と理論上のツール経路の間の相違が小さくなる。

１つまたは複数の実施形態のさらに他の利点は、例えば図１２および１３に示されているような複雑な構造を製造する可能性である。図１２は、シュラウド１６０と、ブレード１６４をはさんでいるルート１６２とを有するインペラー１５０を示したものである。図１３は図１２のインペラー１５０の横断面図であり、ブレード１６４間に形成される空洞１６６を示している。従来の３軸工作機械は、図１３に示されている空洞１６６を形成するために材料を除去することはできないことに留意されたい。

上で説明した方法のもう１つの利点は、機械の動作条件が変化すると、それに応じてプロセスが変化し、また、適合可能摩耗補償を提供することによって新しい条件に適合することである。実際の環境条件に速やかに適合するためにポケットのサイズを小さくすることは、その一例である。従来の機械には電極の固定摩耗速度が使用されており、また、ＥＣＤＭプロセスに対する周囲の影響が考慮されていないため、これらの利点は、従来の機械によっては達成することはできない。

図に示されている様々なモジュールは、例えば図１４に示されている回路１４０の中で実施することができる。回路１４０は、機械３２の一部であっても、ＮＣシステム４６の一部であっても、あるいはそれらの両方に分散させることも可能である。回路１４０は、プロセッサ１４２、記憶装置１４４、入力／出力インタフェース１４６、および／または例えばネットワークに接続するためのインタフェース１４８を含むことができる。これらのエレメントは、すべて、バス１５０に接続することができる。回路１４０は、工作機械の上に提供することができ、また、様々なセンサに結合することができ、例えば対応するパラメータを測定するために圧力センサ、温度センサ、等々に結合することができる。図１５に示されている一例示的実施形態によれば、ワークピースを機械加工する電極の摩耗を補償するための方法が提供される。この方法には、ワークピースの複数のポケットから現在のポケットを選択するステップ１５００と、先行ポケットの摩耗補償および／または他のデータに基づいて、現在のポケットのために電極に適用すべき摩耗補償を更新するステップ１５１０であって、先行ポケットと現在のポケットが隣接しているステップ１５１０と、現在のポケットを機械加工するために、更新された摩耗補償を電極に適用するステップ１５２０が含まれている。

上で説明した方法に基づいて、ワークピースを機械加工する電極の摩耗を補償するためのシステムは、軸の周りに回転し、かつ、電極を受け取るように構成されたスピンドル、およびプロセッサを含むことができる。プロセッサは、スピンドルの運動を制御するように構成され、また、ワークピースの複数のポケットから現在のポケットを選択し、現在のポケットと隣接している先行ポケットの摩耗補償に基づいて、現在のポケットのために電極に適用すべき摩耗補償を更新し、かつ、現在のポケットを機械加工するために、更新された摩耗補償を電極に適用するように同じく構成される。

プロセッサは、先行ポケットを機械加工するための電極のツール経路の長さを決定し、先行ポケットを機械加工した後に電極から消費された材料の量を決定し、かつ、現在のポケットのための更新済み摩耗補償を決定するために、先行ポケットを機械加工した後に消費された材料の量を、先行ポケットを機械加工するためのツール経路の長さで割るように構成することも可能である。さらに、プロセッサは、更新された摩耗補償が所定の閾値より大きい場合、現在のポケットのサイズを調整するように構成することができ、もしくはプロセスの様々なパラメータに応じて第２の隣接するポケットとは異なる摩耗補償を第１のポケットに適用するように構成することができ、または所定の摩耗補償を複数のポケットのうちの最初のポケットに適用するように構成することも可能である。システムは、所定の摩耗補償の基礎をなしているパラメータを記憶するように構成された記憶装置を含むことができる。システムのスピンドルは、電極が単一の金属片からインペラーのブレードを刻むよう、１つの軸から５つの軸まで動き回るように構成することができ、あるいは５軸方向機械を得るために電極を３つの軸に沿って移動させ、かつ、電極を２つの軸の周りに回転させるように構成することができる。プロセッサは、複数のポケットの個々のポケットを連続的に更新するように構成することができる。更新された摩耗補償には、周囲温度、フラッシング圧力または電極に印加される電流の大きさのうちの１つまたは複数が考慮されている。

開示された例示的実施形態によれば、ワークピースを機械加工する電極の摩耗補償を決定するためのシステムおよび方法が提供される。以上の説明には本発明を制限することは意図されていないことを理解されたい。それどころか、これらの例示的実施形態には、特許請求の範囲で定義されている本発明の精神および範囲に含まれる代替、変更態様および等価物を包含することが意図されている。さらに、例示的実施形態についての詳細な説明には、特許請求される本発明についての包括的な理解を提供するために多くの特定の詳細が示されている。しかしながら様々な実施形態は、このような特定の詳細がなくても実践することができることは当業者には理解されよう。

本発明の例示的実施形態の特徴および構成要素は、特定の組合せの実施形態の中で説明されているが、個々の特徴または構成要素は、これらの実施形態の他の特徴および構成要素なしに単独で使用することができ、あるいは本明細書において開示されている他の特徴および構成要素との様々な組合せで使用することも、これらの他の特徴および構成要素なしに使用することも可能である。

この成文説明には、最良モードを含む本発明を開示するために、また、すべての当業者による、任意のデバイスまたはシステムの構築および使用、ならびに組み込まれている任意の方法の実行を含む本発明の実践を可能にするために、いくつかの例が使用されている。

本発明の特許請求可能範囲は、特許請求の範囲によって定義されており、当業者に思い浮ぶ他の例を包含することができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文字言語とは異ならない構造構成要素をそれらが有している場合であれば、あるいは特許請求の範囲の文字言語内の等価構造構成要素をそれらが含んでいる場合であれば、特許請求の範囲内であることが意図されている。

１０、１４、１５０ インペラー
１２、１６、１６４ ブレード
１３ カバー
１８、１６０ シュラウド
２０ 理論的なポケット
２２ 除去される実際のポケット
３０ ＥＣＤＭシステム（ツール、工作機械）
３２ 機械
３４ スピンドル
３６ 電極
３７ リンク
３８ ワークピース
４０ テーブル
４２、４４ 絶縁界面
４６ 数値コントローラ（ＮＣシステム）
４８ 電源
７０ ３Ｄポケット
７２ ポケット７０を除去するための実際の開始点
７４ 理論上の開始点
７６ ポケット
８０ ツール摩耗補償プロセス
８２ オフラインモジュール
８４ オンラインモジュール
８６ ツール経路発生モジュール
８８ インタフェース
９０ 処理エレメント
９２ ツール摩耗モデルモジュール
９４ 補償された（実際の）ツール経路をオンラインモジュール８４に提供するステップ
９６ 数値によって制御される（ＮＣ）システム
９８ オンライン検出システム
１１０ 材料除去計算モジュール
１１２ プロセスパラメータセットモジュール
１１４ パラメータモジュール
１１６ 伝達関数モジュール
１１８ ツール補償データモジュール
１３０ 実際の経路
１３２ 理論上の経路
１４０ 回路
１４２ プロセッサ
１４４ 記憶装置
１４６ 入力／出力インタフェース
１４８ インタフェース
１５０ バス
１６２ ルート
１６６ 空洞

Claims (10)

1. 電気化学放電機械加工（ＥＣＤＭ）、放電加工（ＥＤＭ）または電解加工（ＥＣＭ）により、ワークピースを機械加工する電極の摩耗を補償するための方法であって、
   前記ワークピースの複数のポケットから、加工する現在のポケットを選択するステップと、
   前記現在のポケットと隣接している先行ポケットの摩耗補償に基づいてツール摩耗モデルが生成した、前記現在のポケットのために前記電極に適用すべき摩耗補償を更新するステップと、
   前記現在のポケットを機械加工するために、前記電極の幾何構造の消耗を補償する前記更新された摩耗補償を前記電極に適用するステップと、
   を含む方法。
2. 更新する前記ステップが、
   前記先行ポケットを機械加工するための前記電極のツール経路の長さを決定するステップと、
   前記先行ポケットを機械加工した後に前記電極から消費された材料の量を決定するステップと、
   前記現在のポケットのための更新済み摩耗補償を決定するために、前記先行ポケットを機械加工した後に消費された材料の量を、前記先行ポケットを機械加工するためのツール経路の長さで割るステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記更新された摩耗補償が所定の閾値より大きい場合、前記現在のポケットのサイズを調整するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. プロセスの様々なパラメータに応じて第２の隣接するポケットとは異なる摩耗補償を第１のポケットに適用するステップをさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 所定の摩耗補償を前記複数のポケットのうちの最初のポケットに適用するステップをさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記所定の摩耗補償が記憶装置に記憶されているパラメータに基づく、請求項５に記載の方法。
7. 前記電極を１つの軸から５つの軸まで動き回らせることによって単一の金属片からインペラーのブレードを刻むステップをさらに含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 更新する前記ステップが、前記複数のポケットの個々のポケットを連続的に更新するステップをさらに含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記更新された摩耗補償には、周囲温度、フラッシング圧力または前記電極に印加される電流の量のうちの１つまたは複数が考慮されている、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 電気化学放電機械加工（ＥＣＤＭ）、放電加工（ＥＤＭ）または電解加工（ＥＣＭ）により、ワークピースを機械加工する電極の摩耗を補償するためのシステムであって、
    軸の周りに回転し、かつ、電極を受け取るように構成されたスピンドルと、
    前記スピンドルの運動を制御するように構成され、さらに、
    前記ワークピースの複数のポケットから、加工する現在のポケットを選択し、
    前記現在のポケットと隣接している先行ポケットの摩耗補償に基づいてツール摩耗モデルが生成した、前記現在のポケットのために前記電極に適用すべき摩耗補償を更新し、
    前記現在のポケットを機械加工するために、前記電極の幾何構造の消耗を補償する前記更新された摩耗補償を前記電極に適用する、
    ように構成されたプロセッサと、
    を備える、システム。

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