JP6574487B2 - 工作機械における工作物の位置決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械における工作物と工具の位置決定方法に関する。

フライス盤などの回転工具を有する工作機械の精度に関する要件は増え続けている。機械、加工工具、工具ホルダなどの精度によって決定される実際の機械加工の精度とは別に、工作物を設定する際の精度又は機械加工のための零点を設定する際の精度はますます、取得可能な精度の制限要因となってきている。

工作物が機械に挿入されて、機械加工するためにクランプされた（当該クランプがパレットによって、又はまた卓上万力などの従来の手段によるものかを問わず）後、工作物のクランプ位置は通常、適切な補助装置で決定され、機械加工の零点は、特定されたクランプ位置に基づいて決定される。

一般水準技術として知られているのは、自動精査装置を用いた零点の精査である。一方の端部は、後者は、工作物を精査するためのプロービングボールを備えたプローブ先端を有する。他方端は、工具ホルダに取り付けられ、工具ホルダを通して機械加工スピンドルに入れ替えることができる。工作物を精査するために、機械は、スピンドルに保持された自動精査装置を、自動精査装置の底部に位置するトレーサ・ピンが工作物に触れて、精査装置が切り替わるくらいまで工作物を歪ませるまで、工具ホルダを介して工作物まで移動させる。このとき、最新の自動精査装置は、トレーサ・ピンの歪み用の経路が常に正確に同一であるように、かつこれを較正できるように構成される。自動精査装置が切り替わると、自動精査装置から制御装置に信号が送られ、後者は、この精査位置について機械の実際の位置を決定した。このようにして、あらゆるエッジ、穴などを精査することができ、機械におけるこれらの相対的位置を比較的正確に決定することができる。最新の精査装置は高精度である。従って、精査装置の位置は、非常に高い精度でスイッチ点について決定することができる。

それでもなお、本方法の精度は、事前に定義された手続それ自体によって制限される。事前に定義された形状配置部材が自動精査装置によって機械内で精査された後、自動精査装置が取り付けられた工具ホルダは、再びスピンドルから交換されなければならず、機械加工プロセスのために望ましい加工工具がスピンドル内に入れ替えられなければならない。工具ホルダのクランプ位置は、正確には同一であることは決してないため、この交換プロセスの過程において偏差が生じる。さらに、大抵の場合、工具ホルダの敷設面からトレーサ・ピンの先端までの自動精査装置の長さが、工具ホルダの敷設面から工具先端までの加工工具の長さに一致しません。スピンドルをスピンドル軸の方向に位置移動する軸の位置移動方向に対して、スピンドルが正確に平行に位置づけられない場合、追加の偏差が発生する。スピンドルの最小の傾斜でも、精査と機械加工手順の間のオフセットを引起す。この傾斜が精査の正確度により大きい影響をもたらすと、加工工具と自動精査装置との間の長さの差がより大きくなる。

本発明は、工作機械において工作物と工具の位置を決定する方法を開発するという目的に基づいており、当該方法は、単純な構造と共に、簡単かつコスト効率の良い製造可能性によって特徴づけられる一方で、一般水準技術のデメリットを避け、工作物と工具の形状配置の正確な相関関係を促進する。

本発明に従って、上記目的は請求項１の特徴の組み合わせを通して達成され、下位クレームは、本発明のさらに効果的な実施形態を示す。

よって、上記目的の文脈上、機械加工の直前に、回転加工工具で工作物を精査することが望ましい。このようにして、例えば、穴又はエッジなどの零点を決定する形状配置部材の位置を、使用する工具に対して、機械加工する前に直接決定することができる。一般水準技術に従って行われるように加工工具のために自動精査装置を交換した結果、不正確さをもたらし得る、上述の影響は、本発明に従って取り除くことができる。

よって、本発明に従って生み出されるのは、工作機械における工具に対する工作物の位置を決定する方法であり、工作物は工作機械にクランプされ、その後、工具は回転可能なスピンドルシャフトに挿入され、スピンドルシャフトは回転するように設置され、工作物と工具との間に電圧が印可され、工具と工作物は互いに対して位置移動され、工具と工作物との間に接触が生じた場合、印可された電圧の変動又はその結果もたらされる電流の流れの変動が検出され、工作物及び／又は工具のそれぞれの位置が決定され、かつ工作物の機械加工を制御／調整する計算プログラムに記録される。

実際には、機械加工手順の前に、機械において工作物で精査される、零点を決定する形状配置部材は、既に仕上がっていることが多い。従って、精査プロセスの過程において、これらが損傷を受けないことを確保しなければならず、実際のところ、自動精査装置を備える一般水準技術からの既知の方法では、そのような場合がある。トレーサ・ピンのサンプリング圧力は非常に低いため、精査プロセスは何ら形跡を残さない。

しかしながら、回転加工工具を用いてサンプリングが行われることになっている場合、工作物に触れると直ちに、侵入と材料の除去が生じる。これを避けるため又は少なくても最小限に抑えるために、加工工具と工作物との最初の最小接触でさえも確実に検出され、かつ工作機械が直ちに停止され又は引っ込められさえすることが、本発明に従って提供される。

よって、本発明に従い、加工工具と工作物との間に電圧が印可され、かつモニタリングされることが提供される。このことは、高速スピンドルを有する最新の工作機械では何ら問題なく可能である。なぜならば、当該スピンドルのスピンドルシャフトには通常、セラミックボールが取り付けてあるからである。このようにして、スピンドルシャフトは、機械から電気絶縁される。一般水準技術で知られているように、例えばブラシを通した接触によって、電圧をスピンドルシャフトに印可することができる。電圧は、工具ホルダを介して加工工具の中に誘導される。電圧の第二極を、工作物又はこれの下に位置付けられる工作台に接続することができる。

スピンドルハウジングから電気絶縁されていないシャフトを有するスピンドルが、機械に挿入された場合、例えば、スピンドルハウジングと機械の間や、工作物と工作台の間などの工作物の側面などの、他の適切な場所に電気絶縁が提供され得る。スピンドルシャフトと工作物との間に電圧を印可する前提条件は、多くの公知の方法によって容易に作成することができる。

加工工具は、金属工具ホルダ（その内側に保持される）を介して導電性を有するようにスピンドルシャフトに直接接続される。ここで加工工具と工作物との間に接触がなされた場合、電流が流れ出し、変動電圧に基づき単純な回路を用いて容易に電流を検出することができる。また、このような電圧の変化は、工作物と加工工具の間のごく短い接触が生じた場合に、既に検出可能である。加工工具と工作物との接触によってもたらされた電圧の変化の際に、工作機械を直ちに停止するか又は引き込ませるための信号が制御装置に送信された場合、重大な侵入、すなわち工作物への損傷を安全に防ぐことができる。精査速度が適切に選択されると、その結果もたらされる「精査マーク」は１μｍよりもかなり小さくなる。実際には、精査される表面のそのような小さい変化は、工作物の既に仕上げられた形状配置部材については、たとえ繰り返し行われたとしても無視することができ、受容することができる。よって、上記の方法は、機械加工に使用される加工工具を直接用いた、工作物のほぼダメージフリーな精査に適している。自動精査装置などの補助装置を使用することによってもたらされる不正確さの可能性が回避される。

上記方法は、例えばフライス工具などの寸法形状的に画定された切刃や、例えば切削工具などの非寸法形状的に画定された切刃を備えた加工工具のために使用することができる。上記方法のための唯一の前提条件は、加工工具が導電性でもあるということである。

加工工具を直接用いる本発明に従う精査の他の素晴らしい利点は、機械加工中のいずれの時点でも行うことができるという点である。実際には、工作機械は、特により長い機械加工プロセスについて、零点が安定していない場合が多い。すなわち、零点の位置がわずかに変化する。最も多いのが、零点の変化が、工作機械における熱影響（例えば特定の部品が加熱されることによる）又は環境における熱影響（例えば工作機械の周囲の空気の温度変化）のいずれかによってもたらされる。機械加工中の零点の変化は、望ましくない偏差を引起す。この影響を最小限に抑えるために、本発明に係る方法は、機械加工中のいずれの時点でも事前に画定された形状配置部材に精査プロセスを繰り返すことを可能にする。ここでは、加工工具を交換する必要はなく、加工工具を直接用いて精査を行うことができるという素晴らしい利点がある。このようにして、精査は非常に時間効果良く行われる。工作物に付着した削りくずによる測定不良を回避するために、精査する形状配置部材は、例えば工作機械内部に存在する冷却材を用いて、精査する前に洗浄しなければならないことが理解される。この零点補正精査プロセスは、工作機械がいかに零点安定しているか、そしてどの程度の精度が要求されるかに応じて、望ましい時間間隔で行うことができる。

これは特に、電圧が交流電圧で、この交流電圧が容量結合によって電圧源から工具まで伝達される場合に有利である。ここで、電圧源の第一極は工作物に結合され、電圧源の第二極は容量結合を介して工具に結合される。このようにして、回転するように設定された部材と電圧源との間の機械的接触（例えば摺動接触を通して）は回避される。このようにして、かかる機械的接触において知られているデメリット（例えば衰耗の兆候）は防止される。機械的接触の代わりに実現されるのが容量結合であり、回転するように設定される部材（スピンドルシャフト、工具ホルダ又は工具）の少なくとも１つが、コンデンサの側面として機能し、電圧源の側面にある結合部材（例えば、画定された間隙をおいて複数の回転部材のうちの１つの近くに配置された金属板）は、コンデンサの第２側面として機能する。印可された交流電圧の周波数が高いほど、その結果実現されるコンデンサの抵抗がより低くなる。また、対応する配置によって、例えば、十分に大きな金属板と、スピンドルシャフトへの距離が短いものを選択するにことによって、それに応じて容量が確実に高くなるようにすることができるので、それに応じて、選択された交流電圧用に電気抵抗は低くなる。

工作物にて工具を用いた精査が行われる場合、交流電圧が使用されたとしても、機械的接触がもたらされた場合、又は工具と工作物の距離が単に非常に小さい場合、より強い電流の流れが発生する。これは、使用される工具の表面が、工作物への著しい容量結合を形成するために十分に平面ではないという事実によるものである。加工工具では、突出しているものは常に個々の切刃のみであり、ここで精査すべき工作物までの近い距離は、点状又は線状に形成することができるが、但し、スピンドル内かつスピンドルにおける回転部材への電流源の容量結合におけるような、より大きい表面領域としては形成されない。例えば平らな金属板による、回転部材への電流源の容量結合と比べて、たとえ機械的接触から短い距離であっても、工作物への工具の容量結合は非常に小さい。

工具と工作物との接触は、電気接触と同様に物理的接触であり得る。ここで、工具と工作物との間に非常に小さな間隙のみ残る一方で、容量効果により、まだ電流の流れがある場合に、電気接触も存在する。

著しい容量結合がもたらされるためには、工具と工作物の間の間隙は非常に小さいものであるため、その効果は、測定結果にとって下位の重要性であり、機械的接触からの偏差は最小限度となる。

以下では、スピンドルシャフトへの接触の追加の可能性が、ブラシ接触又はコンデンサの原理を用いた既に説明した解決法の代替手段として示される。ここでは、電気絶縁性のセラミックボールの代わりに鋼球で具現化され、よって導電性である別の補助玉軸受が、スピンドルシャフトに載置される。鋼球であるため、鋼球軸受の直径が大幅により小さい場合に、補助玉軸受は、スピンドルシャフトの主軸受と同じ回転速度に達するのみである。従って、これは傾斜位置に、例えば、スピンドルシャフトの端部に載置されなければならない。その唯一の機能は、スピンドルシャフトとの電気接触を生じさせることであり、機械的にスピンドルシャフトをさらに支持する必要はない。従って、例えば、シンプルなデザインの深溝玉軸受であってもよい。軸受の外輪は、例えばプラスチック素材などの電気絶縁性素材で受け止められ、このようにしてスピンドルハウジングから電気絶縁される。同時に、ケーブルが軸受の外輪に電気接続されて、スピンドルから外に誘導される。このケーブルは、電圧源の電極に接続することができる。このようにして、スピンドルシャフトは、本発明に係る方法のために必要とされる通り、導電性の補助玉軸受を用いて電圧源の電極に接続される。この接触の利点は、電気的によりシンプルな直流電圧でも作動可能であることと、常時摩擦がある結果、衰耗しやすいブラシ接触よりも、補助玉軸受は使用可能寿命が長いということである。

上記の通り、本発明に係る方法についてはまず、工具と工作物との間の相関関係が精査によって実現され、この相関関係と接触の正確な場所が、工作物のさらなる機械加工のための機械加工プログラムに記憶されて考慮されるという事実について説明した。

以下では、本発明に係る方法に従う、本発明に係る他の態様について説明する。

例えばフライス削り又は研磨によって機械加工の間に取り除かれる削りくずは、プロセスの結果、作業スペース内に散布される。削りくずの一部は工作物に付着もする。ある適用では、例えば乳剤又は油などの潤滑剤又は冷却潤滑剤で洗い流して、工作物に削りくずが付かないようにする又は削りくずを取り除く試みがなされる。しかしながら、これは決して完全には成功しない。工作物の寸法形状や、機械加工、並びにその結果生じる削りくずの軌跡に応じて、削りくずは繰り返し工作物の上に堆積する。潤滑剤又は冷却潤滑剤が使用された場合、工作物への削りくずの付着がなおもサポートされる。削りくずは工作物に付着する。工作物が鉄鋼材料から製作され、磁気板でクランプされる場合、工作物への削りくずの付着もサポートされる。磁気板の力線は工作物を貫通し、結果として取り除かれた削りくずの磁気結合をもたらす。

本発明に係る方法において、工作物が、検出される電流接触によって回転工具で精査される場合、工作物に付着する削りくずは、何らかの干渉を引起し得る。工作物に付着する削りくずを通して、回転工具が実際の工作物に接触する前に、工作物と工具との接触が既にもたらされ得るものであり、よって、電流接触が成立する。この状況だと、付着した削りくずは、工作物と工具との間に電気接続を提供する導体となる。

その結果は測定不良となる。なぜならば、工作物と工具との間の接触の実際の位置が、まだ達成されていないからである。上記のアプローチによると、接触点について不良位置が決定される可能性もあるかもしれず、その後の機械加工工程が、不正確に決定されたデータに基づくこととなり、これによって、結果的に工作物の破壊さえももたらし得る著しい損傷を引き起こし得る。

残念ながら、実際には、上述の通り工作物への削りくずの付着を完全に回避することはできない。信頼できる接触測定を実施するためには、工作物は手で洗浄し、各測定の前に清浄度のチェックを行わなければならないであろう。特に、自動機械加工プロセスに関しては、これは望ましくない人手の介入を表す。

よって、本発明に従って、工作物と精査する工具との間の接触点を決定するために、繰り返し測定が、少なくとも２回測定が行われることが提供される。接触測定の間、上述の通り工具と工作物との間の導電部材として削りくずが存在する場合、接触の瞬間に、すなわち、工作物と工具に付着した削りくずが互いに接触すると、削りくずは工具の回転による衝撃を受け、その衝撃は、削りくずの位置を大幅に変え、通常、工作物から削りくずを振り落とす。

工作物に対する工具の位置移動方向（互いに向かって移動される）は、工作物への損傷を回避するために、電気接触した瞬間に、直ちに逆転されることが、本発明に従って提供される。工具は、工作物から再び引き離される。よって、工作物から安全な距離の位置まで工具が引き離される際の軌跡は、望ましい態様で事前設定できる。

本発明に従って、工具が工作物からその前に引き離された際と正確に同じ軌跡で、再度接触が成立するまで、もう一度工作物に向かって工具を移動することによって、安全な距離の位置から直ちに追加の（２回目の）接触測定を実施できる。１回目の接触測定で既に工具が工作物を正しく精査していた場合、工作物に対する工具についての同じ接触位置が、測定方法自体の測定許容差の精度で、２回目の接触測定において決定される。

しかしながら、１回目の接触測定で工具と工作物との間に導電体として削りくずが存在していた場合、２回目の接触測定は、工作物に対する工具の接触位置が異なることとなる。なぜならば、１回目の接触測定での回転工具によって、削りくずの位置が変えられたからである。その結果、１回目の接触測定の接触位置と２回目の接触測定の接触位置との差がより大きくなる。このより大きい差に基づいて、接触測定の結果を処理する機械制御装置は、１回目の測定が測定不良であったに違いないと判断することができる。

よって、２回の接触測定の間の差が、事前に定義された許容差値（ユーザによって設定されるか又は制御装置に永久的に記録さている通り）を上回る場合、制御装置内の２回目の接触測定のみ正しいものとして評価し、１回目の接触測定は、付着した削りくずの結果、不良であったために却下する可能性がある。

接触測定の信頼度をさらに高めるために、事前に定義された許容差値を上回った場合、上述の態様で追加の（３回目の）接触測定を実施することも可能である。その後再び、２回目の接触測定と３回目の接触測定の差を、事前に定義された許容差値と比較することができ、かかる比較に基づいて、これら２つの測定が、両方とも工作物と工具との間の望ましい直接的接触の結果であったか否か、又は当該測定が、付着した削りくずによって損なわれたか否かを推測できる。後者の場合、２つの連続した接触測定が、事前に定義された許容差内となるまで、追加の接触測定を実施することができる。

本発明に従い、より大きい削りくずが蓄積している場合も、このようにして工作物と工具との間の信頼できる接触測定を実施することが可能である。

非常に小さい削りくずの場合、事前に定義された許容差内となるべき連続した接触測定の事前に定義された回数を、１箇所の場所で２回の接触測定よりも多い回数に増やすことが有利となり得る。これにより、測定時間を犠牲にすることになったとしても、上記方法をよりさらに信頼できるものとする。

本発明に係るこのアプローチは、あらゆる望ましいサンプリング方向に有効であることが理解される。削りくずは、工作物の傾斜した又は垂直な領域にさえも付着可能である。

さらに、例えば、強力な空気ノズルや潤滑剤又は冷却潤滑剤など、機械内に存在する媒体を用いて、より大きい削りくずの蓄積物を取り除くのが得策かもしれない。このようにして、２回の連続した測定が事前に定義された許容差内となるまで必要とされる接触測定の数が減らされる。すべての削りくずを取り除くのに非常に長い時間はかからない。ここで、媒体を用いた洗浄プロセスは、接触測定のために設けられた場所にて、目的とする態様で実施することができる。

本発明が、研磨に並びにフライス工具に、すなわち、画定されたかつ未画定の切刃に適していることが理解される。

非常に低い画定速度でプロセスを処理することについては、接触測定用の回転速度を若干上げることが有利となり得るものであり、よって、削りくずを介した電気接触（測定不良）の場合、削りくずが振り落とされるように、十分に強い衝撃を受けることを確保する。

さらに、複数の異なる位置で、上述の通り１回又は複数回のいずれかで、工作物を精査することによって、そしてこれらの測定の結果を互いに比較することによって、接触測定の冗長性を生じさせることが可能である。１箇所の位置での工作物の接触測定の測定結果が、他の接触測定と合致しない場合、例えば、当該測定結果が、事前に定義された許容差／偏差を上回った場合、接触測定の測定結果は、この１箇所の位置において無効されるとして却下し、さらなる機械加工について考慮から除外することができる。

最初の段階で測定を実施するために、例えば、工作機械に対する工作物の位置及び配向を決定するために、工作物の異なる位置での複数回の接触測定が最初に必要とされる場合（上述の通り）、このアプローチを使用することもできる。対応して増加された回数の接触測定を通して、冗長性を生じさせることも可能であり、これにより、削りくずによって引き起こされた測定不良が検出され、考慮から除外される。

削りくずによって引き起こされた測定不良の場合、接触が判断されるのは一般的に早過ぎであり、すなわち、工作物と工具との間で求められる接触位置に達する前である。付着した削りくずが、その前に既に接触している。この事実は、削りくずの結果として測定不良を判断するために使用することができる。この場合、回転工具は常に実際の工作物までに距離がある。

工作物において回転工具を用いた精査は、工具の間接的な形状配置測定のために、すなわち、工作物の既に仕上げ済みの、寸法が知られている形状配置部材（例えば、測定機械で事前に測定された高精度の工作物表面又は高精度のパイロッ穴など）を精査することによって、使用することもできる。例えば、対面測定点に基づき工具を備えた自動精査装置で穴を測定する場合のように、同様の方法により、パイロット穴が複数回精査される場合、穴の直径がわかっている場合、決められたサンプリング点を使用して、工具の有効径を計算することができる。工具の長さは、既知の工作物表面を精査することによって決めることができる。

精査は、後続の機械加工のために提供される、設定された回転速度で行われる。工作物の精査の前に、暖気フェーズを実施することが可能であり、この後、工作機械は、機械加工回転速度のために熱的に安定した状態となる。このようにして、一般水準技術に係る静止した自動精査装置を用いた精査と、その後に回転工具を用いた機械加工を行うことによる、熱的に引き起こされる不正確さは回避される。

工作機械の周囲温度の変化又はその他の影響によって引き起こされた、工作物と工具との間の変化（ｓｈｉｆｔｓ）を検出するために、そして精査結果に基づいて、当該変化を補償するために、新たな精査によって、機械加工中のいかなる時点でも制御測定が可能である。この際、自動精査装置の交換は不要である。工具は、回転速度でスピンドル内に残る。工作機械は熱的に安定したままとなる。

寸法がわかっている画定された形状配置部材で工作物において回転工具の精査を繰り返すことによって、機械加工中に工具の衰耗を検出できる。例えば、パイロット穴内部で繰り返し対面測定点が選ばれた場合、工具直径が衰耗によって減少した場合には、衰耗に応じて、より大きな距離をおいて、サンプリング点が位置付けられることになる。測定点が１回目の精査の値と比較されると、工具の衰耗を判断することができる。工具の長さや半径についても同じことが言える。

作業プロセスが完了した後、研削された形状配置を、加工工具で直接調べることができる。この目的のために、既知の寸法を有する工作物の形状配置部材にて、前もって再び工具を参照することができ、すなわち、衰耗を判断することができる。よって、例えば、特により長い工具の長さについては、切断力のせいで機械加工中に工具が押し退けられり、又は望ましくない切刃の形状配置の結果、工作物の中に突っ込まれたりなどして、機械加工において偏差が生じたか否かを検出することができる。

複雑な表面を有する工作物では、異なるサイズの工具を用いて機械加工を実施しなければならない場合が多い。時間の理由により、工作物表面のうちの可能な限り多くの領域を、大きな工具で機械加工する。小さな内径の凹部領域では、大きな工具では機械加工を完了することができないので、一部の材料が残ってしまう。従って、残留材機械加工は、かなり小さい工具で行う。小さな工具での残留材機械加工の位置決めが正しく合致しない場合には、大きな工具で処理された領域と、残留材機械加工のために小さな工具で処理されている領域との間で、製造された工作物表面に望ましくない凹部ができてしまう。本発明によると、小さな工具での残留材機械加工の前に、大きな工具で既に仕上げ済みの工作物表面は、残留材機械加工の直接環境において、小さな回転工具で精査されること、そして、小さな工具での残留材機械加工は、残留材機械加工の直接環境において、大きな工具で仕上げられた工作物表面と、正確に位置合わせされることが可能である。ここでは、並進移動によって位置合わせすることが可能なだけではなく、必要な場合には、空間における追加のねじりを実施することも可能であり、それによって残留材機械加工は、既に製造済みの表面と可能な限り完全に合致される。このような位置合わせプロセスは、一般水準技術ではいわゆる「最良適合法（ｂｅｓｔ ｆｉｔ ｍｅｔｈｏｄｓ）」として知られている。

工作台にしっかりと設置された追加の精査部材（基準部材）（ＤＥ１０２００９０３７５９３Ａ１で知られている）で精査を行うことも可能である。自動精査装置を使用する代わりに、ＤＥ１０２００９０３７５９３Ａ１に記載されている基準部材での精査手順を、本発明に係る回転工具を用いて実施することもできる。工作機械内の、寸法がわかっている当該基準部材を、精査によって回転工具の形状配置を測定するために使用することもできる。本発明に係る精査を、完全に摩耗のない態様で実施することができない場合（例えば、工作機械が十分に素早く反応しないなどの理由で）、しっかりと設置された基準部材は、交換可能であるように提供することもできる。

自動精査装置の較正のために、例えば、既知の寸法を有する高精度の球体を使用することができる。後者は、精査装置を用いて複数回精査され、このようにして精査装置の切り替え特性が判断される。かかる既知の球体は、本発明に係る方法のためにしっかりと設置された精査部材として機械の中で使用することもできる。

本発明のさらなるデザイン異形としては、しばしば非常に長くなる加工時間の間、例えば、個々の列が互いに非常に近い位置になり得る仕上削りにおいて、工具への工作物の接触が、機械加工手順の間継続的にモニタリングされることが提供される。切断手順ごとに、すなわち工具が１回転するごとに複数回、工具と工作物との電気接触が生じるはずである。１回転ごとの接触数は、工具に設けられた切刃の数に応じて左右する。この連続した接触がなくなると、これは、工具が破損したことを示し得る。１回転ごとの接触数が、切刃の数よりも少ない場合、個々の切刃が破損したと推測し得る。機械加工手順用の工具の回転速度と、使用された工具の切刃の数が、制御装置においてわかっている場合、工具のすべての切刃が噛み合っているか否かについて調べることは容易に可能である。本発明に係る工具破損制御は、特に、非常に繊細な極薄の工具を用いた機械加工のために非常に有利である。一般水準技術によると、例えば測定レーザなどの補助装置における機械加工の最後にのみ、工具は測定される。工具が早い時期に断絶した場合、この事実に気づく前に、このようにして何時間もの機械加工時間を失ってしまうかもしれない。本発明に係る電流接触による継続的モニタリングでは、直ちに工具破損をモニタリングすることができる。ここでは、例えば１つの機械加工位置から次の機械加工位置へと、実行されるべきＮＣプログラムにおいて伝送動作もある場合が多いことを留意しなければならない。当然ながら、伝送動作の間には工具と工作物との接触はない。しかしながら、これらの伝送動作は、例えば異なるより高い送込みによって、工作機械のＮＣプログラムにおいて区別することができる。従って、機械制御装置は、実際の機械加工中にのみ、例えば、事前に定義された機械加工送込みで、工作物への接触を期待し、これらプログラム部分の実行中にのみ、工作物への工具の接触を調べることになる。このようにして、プログラムの一部を表す伝送動作中に、工具破損が誤って検出されることが回避される。さらに、ＮＣプログラムにおいて、工具をゆっくり噛み合わせるために、機械加工送込みで既に実行されている工作物への試運転動作が行われることが多い。このような場合、プログラム開始時に、そして各伝送動作の後に、待機期間を設けることができ、この待機時間の後にのみ、本発明に係る接触検査が開始する。ここで、待機期間は、その期間内で試運転動作が安全に完了できるように、十分に長い期間が選ばれる。このアプローチで重要なのが、個々の切刃の噛み合いもモニタリングすることができるということである。

本発明の文脈で、上記説明で用いられる「精査」という用語は、上述の通り工作物と工具との間の接触のことをいう。本発明は、研削工具並びにフライス工具で、すなわち、画定された工具と未画定の切刃を有する工具の両方で使用することができる。

本発明は、図に関連して実施例に基づき以下に説明される。
一般水準技術による精査装置を備えた工作機械の略図を示す。 図１に類似した本発明に係る第１の実施例の図を示す。 フライス主軸の割出精度と、その結果生じるエラーの図を示す。 本発明に係る容量結合についての追加の実施例の図を示す。 図２及び図４に類似する追加の実施例の図を示す。 大きな工具で凸面領域を機械加工した際に生じる残留物の図を示す。 小さな工具で残留材機械加工した後の工作物表面の望ましくない凹部の図を示す。 残留材機械加工が行われる前に、回転工具で精査を行う図を示す。 削りくずがある場合の工作物と工具の接触の図を示す。 削りくずがある場合の工作物と工具の接触の図を示す。 削りくずがある場合の工作物と工具の接触の図を示す。 削りくずがない場合の接触測定のフローチャートを示す。 削りくずがある場合の接触測定のフローチャートを示す。 工具による工作物の機械加工の概略図を示す。

図１は、一般水準技術によるフライス盤として具現化された工作機械１の略側面図を示す。工作物１は工作台５の上に位置付けられ、工作台５はＸ軸上で矢印方向に位置移動できる。フライス主軸６は、２つの軸（ＹとＺ）に位置移動できるＺ軸９内に載置される。一般水準技術から知られている通りの自動精査装置７は、工具ホルダ１０によってフライス主軸６に保持される。トレーサ・ピンは、精査装置７の底部に位置付けられ、その端部に球体が取り付けられる。機械が工作台５を矢印方向Ｘに位置移動すると、トレーサ・ピンの球体がまず工作物１に接触し、その結果トレーサ・ピンは反らされる。画定された反り経路に達すると、自動精査装置７は切り替わり、制御装置に信号を送る。この時点で、制御装置において軸の位置が検出され、このようにして工作台５上の工作物１の位置が決定される。

図２は、第１の実施例に基づく本発明に係る方法を示す。自動精査装置７の代わりに、工具ホルダ１０内に加工工具３（フライス工具）が位置付けられ、工具ホルダ１０、今度はフライス主軸６のスピンドルシャフト４に載置される。工作物１で加工工具３を用いて精査を行うために、工作台５も矢印方向Ｘに位置移動される。精査プロセスの間に工具３は回転するので、工具３の切刃によって画定された境界ボリュームが形成される。例えばブラシなどの適切な手段を通して、電圧源８によってスピンドルシャフト４（図示せず）又は工具ホルダ１０に電圧が印可され、ここに示される電圧源８は、例として直流電圧源として示されている。電圧源の第二極は工作物１に接続される。高速回転フライス主軸６において、セラミックボール軸受を有するフライス主軸６内にスピンドルシャフト４が載置されるため、スピンドルシャフト４は、フライス主軸６のハウジングから電気絶縁される。加工工具３が工作物１に触れない間は、電流回路は閉じないため、電流の流れは一切ない。工作物１と共に工作台５が、矢印方向に加工工具３の方向に位置移動されると、加工工具３と工作物１との間のある時点で機械的接触が生じる。結果として、電流回路は閉じられる。例示的に説明されるこの回路において、抵抗器が追加的に電圧源８と直列接続される。加工工具３と工作物１との間に接触が一切ない限りは、電流回路が閉じていないので、抵抗器で電圧降下は一切ない。工作物１と加工工具３が互いに触れると、電流回路が閉じて、電流は抵抗器を介して流れ、よって同時に電圧降下が生じる。一般水準技術から知られているように、回路によって、接触が生じた瞬間にこの電圧降下を検出することができる。制御装置は、工作物１と共に軸を直ちに停止させて、加工工具３と工作物１が接触する他に、工作物１で材料の除去が生じないようにする。軸を停止する代わりに、工作台５と共に軸を直ちに逆転させるプロセスを開始することも可能であり、このプロセスは、工作物１を加工工具３から引き離す。加工工具３と工作物１の接触により電圧の変化が発生した瞬間に、機械軸の位置が検出され、これによって工作台５の上の工作物１の位置が決定される。

この回路は例示としてのみ示されていることが理解されるべきである。同様に交流電源を使用することができる。

スピンドルシャフト４内で加工工具３を直接クランプすることもできる。

図３は、垂直軸Ｚの位置移動方向についてフライス主軸６の傾斜位置がどのような影響があるかを示している。この影響を明らかにするために、描画が非常に強調されている。

図３の左図に見えるのは、本発明に係る方法に従った工具ホルダ１０と比較的短い加工工具３とを有するフライス主軸６である。フライス主軸６の下方縁に対して傾斜位置であるために工具の先端に偏差がもたらされる。

フライス主軸６の右図では、フライス主軸６の傾斜位置について、すなわちフライス主軸６の同じ割出精度について、工具ホルダ１０によってフライス主軸６に載置されている一般水準技術による自動精査装置７に対して、上記傾斜装置がどのような影響があるかについて示されている。

図３の２つ描画を比較すると、左図における工具先端からフライス主軸６の下方縁までの距離に比べて、右図におけるプロービングボールからフライス主軸６の下方縁までの大幅により大きい距離から、明らかにより大きい偏差がもたらされることが示されている。今度は、フライス主軸６の当該傾斜位置で自動精査装置を用いて、図１で説明された方法で工作物１が精査され、その後に、図３の左図で示されるようにより短い加工工具で処理された場合、示される寸法矢印の間の差の結果としてもたらされるオフセットが生じる。これは、機械加工手順における望ましくない不正確さを引起す。しかしながら、本発明による工作物１が加工工具３を用いて直接に精査できる場合、このオフセットは回避できる。

よって、本発明に係る方法は、完全に自動で実施することができ、工作物と工具との間の接触も機械加工の開始時に実現することができ、又は機械加工中に周期的かつ自動的に実施することができる。ここで、基になる機械加工プログラムのデータは、それぞれ補足され又は較正される。

図４は、追加の実施例に従った電圧源８と工具３の容量結合の実施例を示す。この目的のため、電圧源８は交流電圧源として具現化される。工具３は、工具ホルダ１０を介してスピンドルシャフト４に導電的に接続される。金属板１１が、スピンドルシャフト４の表面に沿って配置され、その表面は、スピンドルシャフト４の表面に沿って、スピンドルシャフト４と金属板１１との間に一定幅の間隙ができるように、配置される。金属板１は、電圧源８の第一極に導電的に接続される。前述の通り、電圧源８の第二極は、工作物１に導電的に接続される。

電圧源８によって交流電圧が提供され、工作物１と工具３との間に接触が生じた場合には、金属板１１はスピンドルシャフト４と共にコンデンサを形成し、よって、電流の流れを容易にする。この電流の流れが、今度は抵抗器での電圧降下を引起し、次にこの電圧降下は、一般水準技術にて知られているように、接触が発生した瞬間に検出することができる。

電圧源８が交流電圧を提供する本発明のこれらの実施形態では、機械が電気接触に非常に素早く反応する場合に、工具３の工作物１への最小限のアプローチが既に検出可能である。なぜならば、工具３による工作物１への当該アプローチで、容量素子も形成されるからであり、よって、機械的接触のすぐ前に電気接触が発生し、電圧の変化に基づいて、当該電気接触を判断することができる。

図５は、スピンドルシャフト４に接触するための追加の実施例を示す。補助玉軸受１３が、スピンドルシャフト４の１つの領域に、好ましくはスピンドルシャフト４の上端域に載置され、この補助玉軸受１３は、内輪１４と外輪１５との間に配置された導電性の鋼球１７を備える。外輪１５は、好ましくはこれもまた輪状の絶縁素子１６によって工作機械２に載置される。図示されているように、外輪１５は電圧源８に接続されており、これは、図２及び／又は図４の構造に類似している。電圧源８の陰極は工作物１（詳細は図示されていない）に繋がっている。電圧源８は直流電圧源として具現化されている。構造は、図２及び図４で示されるのと同様に、検電器８を含む。

図６は、 工具半径が、工作物１の内径よりもかなり大きい場合に、工作物凹面の機械加工の過程で残っている残留物１２を示す。

図７は、工作物１の部分領域において小さな工具３を用いた残留材の機械加工が若干深すぎた場合に、結果として工作物表面に生じた凹部を示す。結果として生じたのは、表面上の望ましくない凹部「Ａ」である。

図８は、大きな工具３によって既に仕上げ済みの工作物表面が、必要とされる残留材機械加工の環境で、小さな回転工具３を用いて本発明に従っていかに精査されるかを示す。このようにして、実行される残留材機械加工の位置は、工作物１と既に作られた表面とに最適に調整される。

図９〜図１１は、工作物１と、回転軸２０を中心に回転する工具３との間に削りくず１９が存在し、削りくず１９は工作物１に付着している、本発明に係る方法に従ったアプローチを示す。図９及び図１０において、工具３と工作物１との接触が、削りくず１９を介して生じ得ることが説明されている。この接触は誤りであり、実際には、工具３は工作物１には接触しておらず、むしろ工作物１までは距離があり、この距離は、削りくず１９の厚さに対応する。よって、機械制御装置は障害信号を受信する。これは測定不良に繋がる。かかる測定不良とエラーを回避するために、本発明に従って、上述の通り、工作物１が工具３によって少なくとも２回接触されることが提供される。当該２回目の接触が、図１１に示されている。この２回目の接触で、工具３は工作物１に正しく接触し、上述の通り電流が流れることができるか又は電圧降下が発生する。削りくず１９による誤接触のように、この影響は機械制御装置によって登録される。上述の通り、機械制御装置は、結果として生じる工具３と工作物１との間の距離の差を考慮し、その後、別の接触測定を行う。その別の接触測定が、図１１に示される状況と同じ結果を示す場合、これらの値は基準とされ、図１０の測定状況からの値は却下される。

図１２は、削りくずによる汚染のない接触測定における本発明に係る方法ステップを示すフローチャートを示す。まず、工具は工作物に対して事前に位置付けられ、その後、工具は工作物に向かう方向に、すなわち定義された小さい送込みで位置移動される。このプロセスにおいて、印可された電圧がモニタリングされる。電流接触の場合、即時の動作が行われる。すなわち、制御装置において工作機械のすべての軸の軸位置が検出され、これらの軸内の工作物に対する工具の位置移動方向の逆転が行われる。ここで、工具は、例えば垂直Ｚ軸である一つの軸のみにおいて工作物に対して位置移動することができるが、工作物に対して工作機械のすべての３つの軸で、つまり、水平のＸ軸とＹ軸で工具を位置移動することもできる。工具が、工作物に対してその当初の開始位置に戻ると、接触測定が完了する。そして、機械制御装置において、作業スペース内のどこに、工具と工作物が互いに対して位置付けられるか、工具及び／又は工作物が正しい位置にあるか否か、又は工具が正しい寸法であるか否かなど、上述の通り判断することができる。このようにして機械加工プログラムの補正又は較正が可能である。

図に示されるように、回転軸２０を中心に回転する工具に、複数の切刃が設けられることが理解される。よって、特に図９〜図１１の円筒形の描画は、工具の回転の結果生じる包絡線を示す。境界ボリュームが結果として３次元の描画をもたらすことが理解される。これは、半径方向に最も外側の位置にある工具の先端によって、特に工具の切刃によって形成される。

図１３は、工作物１が削りくず１９によって汚染された接触測定（図９〜図１１参照）についてのフローチャートを示す。ここでも、工具は工作物に対して事前に開始位置に位置付けられる。その後、工具は工作物に向かう方向に、定義された小さい送込みで位置移動される。電圧がモニタリングされる。電流接触又は電圧降下の場合、即時の動作が行われる。すなわち、工作物を工具から距離をおいて離すように、機械制御装置によるすべての軸の軸位置が検出され、それぞれの軸の工作物に対する工具の位置移動方向の逆転が行われる。工具の最初の位置又は開始位置に達すると、接触測定が完了する。この方法ステップまでは、図１３のフローチャートは、図１２のフローチャートに対応する。図１３によると、その後、工具は工作物に向かう方向で、定義された小さい送込みで再び位置移動される。電流接触の場合、再び即時の動作が行われる。すなわち、上述の通り、軸位置の検出と、工作物に対する工具の位置移動方向の逆転が行われる。工具は再び、工作物に対してその開始位置まで位置移動される。その後、２回の測定の結果が、すなわち、接触中に検出された工作機械の軸の軸位置が比較される。ここで、差があるか否か、また当該軸位置の差が、事前に定義された許容差よりも小さいか否かが判断される。もしも軸位置の差が、事前に定義された許容差よりも小さい場合、接触測定は成功して完了したということであり、例えば、２回の接触手順の間に検出された各軸の２つの軸位置の平均値を、最終的測定値として考慮することができる。２回の接触測定の軸の軸位置の差が、事前に定義された許容差よりも大きい場合、それまでに実行された接触測定の数が最大許容数よりも多いか否かを調べる。もしも実行された接触測定の数が最大許容数よりも多い場合、エラーメッセージと共に接触測定は中止される。実行された接触測定の数が最大許容数よりも少ない場合、プログラムは、新しい２回目の測定に戻る。よって、本発明に係る接触測定は開始から２回行われ、２回目の測定の終了時に、２回の測定の結果が事前に定義された許容差内であるか否かを判定する。その場合には、測定が完了し有効（ＹＥＳ）となる。そうならない場合（ＮＯ）、その場所で既に接触測定が何回行われたかを調べる。その回数が、事前に定義された最大許容数以下である場合、その場所で新しい接触測定が行われる。その場所でそれまでに行われた接触測定の数が、事前に定義された最大許容数よりも既に大きい場合、その場所での接触測定は、エラーとなって中止される。このようにして、おそらくは他の何らかのエラーが存在するという理由により、無限の連続した測定が１つの場所で行われることが、回避される。

図１４は、上述の接触測定（これによって工具破損及び／又は切刃制御が行われる）の文脈において、工作物１の表面に対して列２１に沿って工具３がどのように移動されるかを示している。よって、列２１を通過する際に、すなわち、工具の切刃が侵入するごとに１回の接触となって、結果として工作物１と工具３との連続した一連の接触が生じ、すなわち、工具が１回転するごとに工具が有している切刃の数と同じ回数の接触が生じ、上述の通り本発明に従って継続的に当該接触をチェックしかつモニタリングすることができる。

１ 工作物
２ 工作機械
３ 工具
４ スピンドルシャフト
５ 工作台
６ フライス主軸
７ 精査装置
８ 電圧源
９ Ｚ軸
１０ 工具ホルダ
１１ 金属板
１２ 残留物
１３ 補助玉軸受
１４ 内輪
１５ 外輪
１６ 絶縁素子
１７ 鋼球
１８ 検電器
１９ 削りくず
２０ 回転軸
２１ 列

Claims (19)

1. 工作機械（２）における工作物（１）及び／又は工具（３）の位置決定方法であって、
   前記工作物（１）は工作機械（２）にクランプされ、
   その後、前記工具（３）は工具ホルダ（１０）を用いて又は直接に回転可能なスピンドルシャフト（４）に挿入され、前記スピンドルシャフト（４）は回転するように設置され、
   前記工作物（１）と前記工具（３）との間に電圧が印可され、
   前記工具（３）と前記工作物（１）は互いに対して位置移動され、
   前記工具（３）と前記工作物（１）との間に接触が生じた場合、前記印可された電圧の変化又はその結果もたらされる電流の流れが判断され、前記工作物（１）及び／又は前記工具（３）のそれぞれの位置が決定され、かつ前記工作物（１）の機械加工を制御／調整する計算プログラムに記録され、
   前記工作物（１）を以前に使用された工具で機械加工された表面で接触させることによって前記工具（３）での残留材機械加工を位置合わせするために、前記工作物（１）及び／又は前記工具（３）のそれぞれの位置の決定は、前記工具（３）で行われる残留材機械加工の環境において以前に使用された工具で機械加工された前記工作物（１）の表面でされ、
   前記工具（３）は、前記以前に使用された工具よりも小さい工具であり、
   前記以前に使用された工具で機械加工された表面で前記工具（３）での前記残留材機械加工を位置合わせすることは、並進移動及び／又は空間におけるねじりによって行われることを特徴とする、方法。
2. 前記スピンドルシャフト（４）及び／又は前記工作物（１）は電気絶縁するように取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記工作物（１）と前記工具（３）が接触すると、前記工作物（１）と前記工具（３）との間の相対的移動は停止されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記工作物（１）と前記工具（３）が接触して、前記工作物（１）及び／又は前記工具（３）の位置が決定された後、前記工作物（１）は前記工具（３）から離れるように移動されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
5. 工作物（１）の機械加工の開始時に前記方法が実施されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記方法は、工作物（１）の機械加工中に時間間隔をおいて、又は前記工作物（１）の機械加工の後に実施されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記工作物（１）は、ダメージフリーな態様で前記工具（３）に接触させられることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記工具（３）が接触する前記工作物（１）の領域は、接触の前に洗浄されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記方法は自動的に実施されることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記電圧は交流電圧であり、前記交流電圧は、容量結合によって電圧源から前記工具（３）に伝送されることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 既知の寸法の前記工作物（１）の形状配置部材又は前記機械に取り付けられた基準部材は、前記工具（３）の形状配置及び／又は衰耗を判断するために、前記回転工具（３）で精査されることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記回転工具（３）を用いて前記工作物（１）の前記精査が行われる前に、前記工作機械（２）が熱的に安定するまで、暖気フェーズを経過することが許容されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記工具（３）で形成された表面の寸法制御を行うために、前記工具（３）で形成された前記表面での機械加工プロセスの後に、前記工作物（１）の前記精査が行われることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記工作物（１）は、前記工具（３）によって少なくとも２回接触され、検出された位置値は比較され、当該位置値の差がある場合には、新たに接触が行われることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記差が事前に定義された許容差値と比較され、当該許容差値を上回った場合、前記接触が繰り返されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 接触事象の合計数が決定され、最大数を上回った場合にはエラーメッセージが出力されることを特徴とする、請求項１４又は請求項１５に記載の方法。
17. 前記工具（３）による前記工作物（１）の前記機械加工の過程で、継続した一連の接触事象が調べられかつモニタリングされ、前記一連の接触事象が中断された場合、例えば工具破損によって前記工具（３）がもはや前記工作物（１）とは噛み合っていないと結論付けられ、エラーメッセージが出力されることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記工具（３）による前記工作物（１）の前記機械加工の過程で、継続した一連の接触事象が調べられかつモニタリングされ、接触事象の数は、前記工具（３）の切刃の数に基づく前記工具（３）の回転ごとにもたらされる前記工具（３）の前記切刃の噛み合いの数に正確に一致しなければならず、より少ない接触事象の数が発生した場合には、前記工具（３）の個々の切刃が噛み合っていない、つまり、例えば前記切刃が破損したか又は摩耗してしまったと結論づけられることを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記工作物（１）と前記工具（３）との前記接触は、導電軸受（１３）によって、又は前記スピンドルシャフト（１１）との間に一定幅の間隙を有する金属板（１１）によって、又は摺動接触を介して実現されることを特徴とする、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の方法。

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