JP2002515832A - ワークを切削加工する機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、例えばフライス盤又は旋盤のような、ワークを切削加工する機械に関する。回転するエレメントつまりフライスヘッド（４０）又は加工すべきワーク（１０）のアンバランスを検出するために、アンバランスセンサ（６０）が設けられている。アンバランスセンサ（６０）の信号に関連して、工具（４０）に対するワーク（１０）の送りが修正されて、工具（４０）の場合によっては存在するアンバランス変位を補償することができる。相応に旋盤では工具送りが回転角位置及び検出されたアンバランスに関連して制御されて、加工中又は加工直後にバランスさせることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 ワークを切削加工する機械 本発明は、請求項１の上位概念部に記載の、ワークを切削加工する機械、この ような機械のための補償ユニット及びワークを切削加工する相応な方法に関する 。 このような機械は例えば、回転するフライスヘッドを備えたフライス盤、中ぐ り盤、研削盤及びこれに類したもの、又は旋盤である。 このような機械は今日、数値制御式の（ＣＮＣ）自動製作機の形で極めて高い 精密基準を達成している。 このことは自動製作機の高精密な機械的な構成のみならず、知恵を絞って考え出 された制御兼調整方法にも起因するものであり、このような制御兼調整方法は、 複雑かつ高価な構造物を比較的小さなフライスヘッドを用いてフライス加工する ことを可能にし、その結果工具交換は不要となり、ひいては自動製作機の停止時 間が減じられる。 この場合に必要な高い品質基準を満たすためには、製造プロセスにおいて、製 造結果を損なうすべてのエラー源を十分に回避すること又は除去することが必要 である。製造プロセスにおいて不都合な影響を与えることのあるエラー源として は、例えば、フライスヘッ ドのような回転する工具のアンバランス、又は加工すべき軸又はこれに類したも ののような回転するワークのアンバランスが挙げられる。 例えば回転するフライスヘッドがアンバランスを示すと、これはアンバランス 及び回転数の大きさに関連して、フライスヘッドを周方向において変位させ、こ の場合フライスヘッドは望まれているよりも大きなフライス円周を有することに なる。このようなフライスヘッドのアンバランスひいては変位は、高精密な（バ ランスされた）フライスヘッドの使用及びフライスヘッドの保持体における後調 節によって、ある程度抑制することができるが、しかしながらこのようなアンバ ランスを完全に回避することは不可能である。さらにフライスヘッド又は保持体 におけるアンバランスは、損傷又は摩耗に基づいて生じることがあり、このこと は工具の早期の交換や後調節を必要とし、両者はいずれにせよ比較的コストがか かり、かつ面倒な作業を要する。 回転するワークにおいてもアンバランスは不都合な影響を及ぼす。例えば軸又 はこれに類したもののような高速回転する回転物体がアンバランスを示すと、こ れによって軸受が早期に摩耗してしまうことがある。したがってこのような部材 には通常、バランス作業が施される。 このバランス作業では回転部材がバランス装置に緊 締されて回転させられ、例えば軸受における力センサのようなアンバランスセン サを介して、場合によっては存在するアンバランスが、その大きさ及びポジショ ン（回転位置）に関して検出される。次いで回転部材が制動され、アンバランス に相当する箇所において材料が切削除去されるか又は材料が加えられる。すなわ ちアンバランスを補償するために、ある箇所においては材料を切削除去し、かつ 他の箇所においては材料を付加することも可能である。このような作業は繰り返 される。つまり、生じるアンバランスが許容可能な限界値を下回るまで、回転部 材はアンバランスを検出するために新たに回転させられ、次いでアンバランスの 補償のために制動させられる。このような作業もまた面倒で時間がかかる。 ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の機械及びワークを切削加工する方 法を改良して、回転エレメントにおける場合によっては存在するアンバランスを 簡単な形式で補償することができるようにすることである。 この課題は、請求項１記載の機械、請求項１０記載の方法及び請求項１５記載 の補償ユニットによって解決された。その他の請求項には本発明の別の有利な構 成が示されている。 本発明による機械では、アンバランスセンサを用いて、回転するワーク又は回 転する工具のアンバランス が検出され、工具とワークとの間における相対運動を実現する送り駆動装置は、 アンバランスに関連して制御される。アンバランスは例えば回転エレメントの回 転角位置と一緒に、回転エレメントの保持体におけるアンバランス力に基づいて 検出されるか又は、回転エレメントの変形を生ぜしめるアンバランス力に基づい て検出され、この場合に光学式のセンサ又は誘導センサを使用することができる 。 例えばフライスヘッドのような回転する工具を備えた数値制御式の機械では、 工具とワークとの間における相対運動のプリセットされたポジション制御が、ア ンバランスの検出に基づいて修正され得る。 冒頭に述べたように、摩耗又は損傷に基づく工具におけるアンバランスは、決 して完全には回避することができないので、本発明によれば、フライスヘッドの アンバランス及びそれに関連したフライスヘッドの「仮想の増大」を検出してポ ジション制御の際に考慮することが提案されている。アンバランスを単に工具の 交換又は後調節によって最小にしようとする従来の技術とは異なり、本発明は、 工具の仮想の増大を生ぜしめる「残留アンバランス」がなお工具に存在している ということを意識的に仮定していることによって、さらに一歩進んだものである 。機械の制御は、あたかも幾分大きなフライスヘッドが使用されているかのよう に行われている。 検出されたアンバランスに関連した送り制御の本発明による原理は、旋盤にお いても極めて有効に使用することができる。旋盤では通常旋盤工具が、回転する ワークに対してシフト可能に支承されており、発展した駆動技術において例えば リニアモータを介して、例えば非円形旋盤において、旋盤工具の極めて迅速なシ フトをも実現することができる。本発明によれば、旋盤工具のためのこのような 迅速な送り駆動装置が、アンバランスセンサと連結され、送り駆動装置の制御を 介して、アンバランスの回転位置に関連して、材料がアンバランスに相応してワ ークから切削除去され、その結果ワークは旋盤において等しくバランスされるこ とができる。この場合に注目すべきことは次のことである。すなわちこの場合、 アンバランスを補償するために、ワークを制動することは不要であり、補償はア ンバランスの検出と同じ運動状態において行われる。したがって、ワークを停止 状態で加工する必要がある面倒かつ高価なバランス作業が、省かれる。 もちろんまた、本発明による原理を純然たるバランス装置において使用するこ とも可能である。 本発明による方法の有利な構成では、例えば各工具又は各工具形式のために、 予設定されたつまりプリセットされたアンバランスに関連したアンバランス変位 （「仮想の増大」）を示す参照表が一度作成される。この参照表は、一度だけ検 出されればよく、次いで例 えば数値制御式の機械の作業計算機において記憶されることができる。機械の運 転時に、制御装置によって参照表との関連付けが行われ、アンバランスセンサに よって検出されたアンバランスに対して対応するアンバランス変位が呼び出され て、ポジション制御時に考慮される。 アンバランス変位というのは、比較的小さな変位なので、アンバランス変位は 一次的にアンバランス質量に関連し、かつ二次的に回転数に関連していることが 望ましい。したがって、アンバランス変位のための近似式をこれらのパラメータ に関連して与えることが可能である。もちろん、経験的に得られた参照表と例え ば回転数のような近似アルゴリズムとを組み合わせてパラメータとして使用する ことも可能である。 本発明の有利な構成では、数値制御式の工作機械のための補償ユニットにおい て、アンバランスセンサのための接続部と、回転角発信器及び／又は回転数発信 器のための接続部と、参照表及び／又は近似式のためのアルゴリズムを記憶する メモリとが設けられており、しかも補償計算機が機械におけるポジション制御の ための修正信号を生ぜしめるようになっている。有利にはこの補償ユニットは、 工作機械の作業計算機のための切断箇所カードとして使用されることができ、こ の場合データフォーマット及び信号フォーマットは相応に作業計算機の基準に合 わせられている。 次に図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。 第１図は、数値制御式の自動フライス盤を概略的に示す図である。 第２図は、フライスヘッドにおけるアンバランス変位について説明するための 図である。 第３図は、自動旋盤を概略的に示す図である。 第１図に示されているように数値制御式のフライス盤は、運転計算機１００と データ坦体１１０とから成るＣＮＣ系を有している。運転計算機１００は運転デ ータから、目標制御に相応してポジション制御データを検出し、これらのデータ を切断箇所１２０を介して駆動計算機１３０に送る。駆動計算機１３０は例えば 、ワーク１０をシフトさせるためにフライス盤９０のリニア駆動装置５０を制御 する。別の切断箇所１４０を介してさらに、駆動計算機１３０のためのポジショ ンセンサ（図示せず）のポジションデータがフィードバックされる。これは実質 的にポジションの目標値・実際値調整のために役立ち、このような調整について は周知であるので、ここではこれについて詳説しない。 フライス盤９０はさらに、回転するフライスヘッド４０を有しており、このフ ライスヘッド４０は保持体３０に受容されている。保持体３０もしくはフライス 盤９０の回転駆動装置２０には、アンバランスセンサ ６０が配属されている。 アンバランスセンサ６０は例えば保持体３０において生じるアンバランス力を 測定し、相応な信号を補償計算機１５０に送る。この補償計算機はアンバランス センサ６０からの信号を評価し、相応な制御信号を作業計算機１３０に送り、そ してこの作業計算機自体は送り駆動装置５０のためのポジション制御を相応に修 正する。 第１図では補償ユニット１５０は駆動計算機１３０とは別体に示されている。 しかしながらまたもちろん、補償ユニット１５０を駆動計算機１３０に直接的に 組み込むことも可能である。さらに付言すれば、フライスヘッドもまた、そのそ ばの二重矢印によって示されたように、シフト可能に構成されていることができ る。また送り駆動装置５０は通常、一方向への直線的な運動だけを生ぜしめるの ではなく、一平面における運動をも生ぜしめ、つまり第１図の図平面に対して垂 直な運動もまた、送り方向における運動である。 これらすべての運動は、送り方向における運動と理解するべきであり、これら すべての運動は、センサ６０の信号に基づいて補償計算機１５０によって修正さ れることができる。規定の輪郭にフライス加工するためのフライスヘッドに対す るワーク１０の回転運動もまた、同様に送り運動である。 さらに明瞭にすると、本明細書において「センサ」 という概念は、複数のセンサを備えたセンサ系をも含んでいる。 第２図には、アンバランス変位について説明するためにフライスヘッドが略示 されている。軸受又はこれに類したものを備えた保持体３０に、フライスヘッド ４０が緊締されており、フライスヘッド４０がアンバランスを示していない場合 には、フライスヘッド４０は破線で示されたポジションを占めている。しかしな がらアンバランスが存在していると、フライスヘッドは、実線で示されているよ うに、アンバランス変位Δだけ半径方向に変位させられる（第２図には右方向に おける変位だけが示されているが、もちろんこの変位は、フライスヘッドの回転 時には他のすべての半径方向においても生じる）。フライスヘッド４０のアンバ ランス変位Δは例えばアンバランスの大きさ（アンバランス質量に相当）、工具 材料、工具形状及び回転数に関連している。 有利にはアンバランスは、フライスヘッド４０のための軸受又は保持体３０に おけるアンバランスセンサ６０を用いて測定される。そして補償計算機は、回転 角発信器又は回転数発信器７０によって検出される回転数及びアンバランス力か ら、相応なアンバランス変位Δを検出し、かつ駆動計算機のポジション制御を相 応に補償する。 さらに、フライスヘッド４０の「仮想半径」を増大 するアンバランス変位Δを、例えば光学式のセンサ８０又は誘導センサによって 直接的に測定することも可能である。フライスヘッドにおける制限された空間や 、材料切削屑、オイル、煙等に起因する不都合な周囲条件に基づいて、保持体に おいて力を測定するアンバランスセンサを使用することは、光学式のセンサ又は 誘導センサ８０を使用することよりも有利であると思われる。 アンバランスセンサ６０もしくは回転数発信器及び／又は回転位置発信器７０ の信号に関連してアンバランス変位Δを検出するためには、例えば以下のように することが可能である。 テスト運転において精密工具に、正確に規定されたアンバランスが与えられ、 発生するアンバランス変位が検出される。このアンバランス変位Δは直接的に、 例えば光学的な経路で検出することもできるし、又はマスタワーク（Musterwerk stueck）の加工によって検出することもできる。後者の場合にはマスタワークに おいて、調節された切削除去とアンバランス変位に基づく付加的な切削除去との 間における偏差が検出可能である。この測定は、正確に規定された種々様々なア ンバランスに対して実施され、かつこのようにして参照表（Nachschlagtabelle ）が得られる。上に述べたように、この参照表には回転数等を入れることができ る。アンバランス変位に影響を及ぼす可能性のある別の パラメータは、例えば加工される材料である。すなわちアンバランス変位は比較 的硬い材料では小さく、比較的可撓性の材料では場合によっては大きい。 原則的には、回転数、アンバランス質量、材料等に関連したアンバランス変位 の関数を近似式の形で与える可能性も又は参照表と近似式との組合せを使用する 可能性も存在する。 第３図に略示された旋盤では、保持体３０に加工すべき軸１０が緊締されてい る。軸１０は回転駆動装置２０によって駆動され、回転数及び回転角位置は、単 に略示された回転センサ７０によって検出される。軸を加工するためには旋盤工 具４０が働き、この旋盤工具４０は送り駆動装置５０にシフト可能に支承されて いる（第３図の図平面において）。 アンバランスセンサ６０は保持体３０もしくは旋盤の軸受に配属されていて、 軸によって生ぜしめられるアンバランス力を検出する。アンバランスセンサ及び 回転角発信器もしくは回転数発信器のデータと一緒に、アンバランスの位置もし くは状態が計算機によって自体公知の形式で検出され得る。計算機はさらに、加 工すべき材料の比重とワーク等のサイズ及びセンサ信号から、旋盤工具４０によ って切削除去すべき材料の場所及び量を検出し、これによってアンバランスを補 償することができる。 旋盤工具４０はそのために、ワークが回転位置領域 、すなわち補償すべきアンバランスに相当する回転位置領域、つまり極端な場合 にはワーク１０の回転振動数に相当するような回転位置領域にある場合には、常 にワーク１０に接近移動させられる。このように迅速な送りは今日では例えば、 既に非円形旋盤(Unrunddrehmaschinen)において使用されているリニア駆動装置 を用いて問題なく可能である。 確かに本発明によれば材料の切削除去は実質的にアンバランスの検出と同時に 行われ、これによって軸の制動等の不要な作業工程が回避される。しかしながら ここでさらに述べると、測定と旋盤工具の接近移動とを時間的にずらして行うと 有利であり、このようにすると、旋盤工具４０によって軸に作用する加工力の、 センサに対する影響を、十分に排除することができる。 第３図に示された旋盤のための制御装置構造は、実質的に第１図の構造に相当 しており、この場合センサ７０，６０の信号は、相応に補償計算機１５０に送ら れ、このような関連において補償計算機１５０はアンバランス計算機とも呼ぶこ とができる。そしてこの計算機１５０は、運転計算機１００のプリセット信号及 びセンサ信号等に相応して旋盤の送り装置５０を制御する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジークフリート ケップ ドイツ連邦共和国 ミュールタール ブル クヴェーク 16 (72)発明者 ミヒャエル ジーンツ ドイツ連邦共和国 オーヴェラート タン ネンヴェーク ７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. ワーク（１０）を切削加工する機械であって、回転エレメントつまり工具（ ４０）又はワーク（１０）のための保持体（３０）を備えた回転駆動装置（２０ ）と、工具とワークとの間における相対運動を変える少なくとも１つの送り駆動 装置（５０）とが設けられている形式のものにおいて、回転する回転エレメント のアンバランスを検出する少なくとも１つのアンバランスセンサ（６０）が設け られており、しかも送り駆動装置（５０）が、検出されたアンバランスの大きさ に関連して制御可能であることを特徴とする、ワークを切削加工する機械。 2. アンバランスの検出と送り駆動装置（５０）の制御とが、実質的に同時に行 われる、請求項１記載の機械。 3. 回転エレメントの回転数及び／又はアンバランスの回転角位置を検出する回 転発信器（７０）が設けられている、請求項１又は２記載の機械。 4. アンバランスセンサ（６０）が、回転エレメントの保持体（３０）において アンバランス力を検出する、請求項１から３までのいずれか１項記載の機械。 5. アンバランスセンサ（６０）が、アンバランス力に基づく回転エレメントの 変形もしくは変位（Δ） を検出する、請求項１から４までのいずれか１項記載の機械。 6. アンバランスセンサ（６０）が光学式のセンサ又は誘導センサである、請求 項５記載の機械。 7. 機械が数値制御式のフライス盤、研削盤、中ぐり盤又はこれに類したもので あり、回転エレメントがフライスヘッド、研削ヘッド又はドリルヘッド又はこれ に類したものであり、回転エレメントとワーク（１０）との間における相対運動 のプリセットされたポジション制御が、アンバランスセンサによる検出に基づい て修正可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載の機械。 8. 機械が旋盤又は研削盤であり、回転エレメントが加工すべきワークであり、 回転エレメントと旋盤工具との間における相対運動のプリセットされたポジショ ン制御が、アンバランスセンサによる検出に基づいて修正可能である、請求項１ から６までのいずれか１項記載の機械。 9. 機械がバランス装置であり、回転エレメントがバランスすべき物体であり、 送り駆動装置（５０）は、工具（４０）がアンバランスの検出された大きさ及び 回転位置に相当する材料量を回転エレメントから除去するように、制御可能であ る、請求項１から６までのいずれか１項記載の機械。 10．ワークを切削加工する方法であって、回転エレメ ントつまりワーク又は工具を回転運動させ、さらにワークと工具とを相対運動さ せる形式のものにおいて、回転エレメントのアンバランスを検出し、かつ検出さ れたアンバランスに関連して相対運動を制御することを特徴とする、ワークを切 削加工する方法。 11．相対運動の制御とアンバランスの検出とを、実質的に同時に行う、請求項１ ０記載の方法。 12．回転エレメントとして、バランスすべき物体を回転させ、工具を用いてこの 物体をバランスさせる、請求項１０記載の方法。 13．回転エレメントが工具であり、各工具もしくは各工具形式のためにテスト運 転において、規定のアンバランスにおいて生ぜしめられるアンバランス変位（Δ ）を検出し、この作業を種々異なったアンバランスのために繰り返して、参照表 及び／又は近似式を作成し、加工時に相対運動を、その瞬間のアンバランス及び 近似式もしくは参照表に基づいて修正する、請求項１０記載の方法。 14．工具の回転数を別のパラメータとして、参照表又は近似式に入れる、請求項 １３記載の方法。 15．数値制御式の工作機械又はこれに類したものにおいて回転する工具のアンバ ランス変位を補償する補償ユニットであって、 アンバランスセンサの信号を受信する接続部と、 回転角発信器及び／又は回転数発信器（７０）の信号を受信する接続部と、アン バランスに関連したアンバランス変位のための参照表及び／又はアルゴリズムの 形の近似式が記憶されているメモリと、参照表及び／又は近似式のデータに関連 して工作機械の駆動計算機のための補償データを生ぜしめる補償計算機とが設け られていることを特徴とする、数値制御式の工作機械又はこれに類したものにお いて回転する工具のアンバランス変位を補償する補償ユニット。 16．数値制御式の工作機械又はこれに類したものにおいて回転する工具のアンバ ランス変位を補償する補償ユニットであって、 アンバランスセンサの信号を受信する接続部と、回転角発信器及び／又は回 転数発信器（７０）の信号を受信する接続部と、アンバランス及び回転数に関連 した材料切削除去のための参照表及び／又はアルゴリズムの形の近似式が記憶さ れているメモリと、参照表及び／又は近似式のデータに関連して工作機械の駆動 計算機のための補償データを生ぜしめる補償計算機とが設けられていることを特 徴とする、数値制御式の工作機械又はこれに類したものにおいて回転する工具の アンバランス変位を補償する補償ユニット。 17．補償ユニットが、工作機械の作業計算機のための インターフェースカードの形をしている、請求項１５又は１６記載の補償ユニッ ト。