JP2004534664A - 工作機械の加工プロセスの検査装置と検査方法 - Google Patents

Abstract

工作機械の加工プロセスの検査装置と検査方法
工作機械、例えばといし車（９）の除去された素材量と摩耗条件についての情報を得るために検査する装置および方法。前記装置は、といし車と加工される部品（１３）との間の接触によって発生される音響を検出するように成された音響センサ（１９）と加工中にといし車と部品との間に加えられる力を検出するように成された力検出センサ（２１）とを含む。この方法は両方のセンサによって発生された信号を処理し、音響信号（ＳＡ）に基づいて時間間隔（ｔｉ−ｔｆ）を決定し、この時間間隔中の力検出センサの信号（ＳＦ）をモニタリングするにある。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、基盤および工具担持スライダを備え基盤に対して可動であり工具を担持した工作機械の加工プロセスの検査装置において、前記装置は検査される部品を支承し照合するための支承照合システムと、工具と前記被検査部品の間に発生する力を検知し第１出力信号を発生するように成された第１センサと、前記第１センサに接続され前記第１出力信号を処理するように成された処理制御ユニットとを含み、前記装置は工具と被検査部品との間に発生する接触を検出して第２出力信号を発生するための第２センサを含み、前記処理制御ユニットは前記第２センサに接続されて第１出力信号と前記第２出力信号とを処理して工作機械の加工処理に関する情報を提供するように成された装置に関するものである。
【０００２】
また本発明は工作機械の加工プロセスを検査する方法に関するものである。
【０００３】
先行技術
工作機械の生産性を増進しこれらの工作機械の製造する機械部品の品質を公差の面から改良しまた製造コストを低減させるというますます緊急な要求から、工作機械のデッド時間を最小限度になしまた製造された部品の品質の下落を防止して部品のスクラップ化および再加工から生じるコストを避けるための保守作業を必要に応じて同時的に実施する事が求められる。旋盤、研削盤、フライス削りなどのコンピュータ・デジタル制御（”ＣＮＣ”）工作機械を検査するため、検査されるべきプロセスに関する物理的フィーチャの大きさを検出しまた保守作業または修正作業を実施する必要性を工作機械の数値制御装置または直接にオペレータに指示するためのセンサを備えた各種装置が使用される。
【０００４】
類似の装置は、例えば工作機械の摩耗または破断を検出してその交換または先鋭化の必要性を信号する装置である。
【０００５】
米国特許第US-A-5070655号は特にといし車の先鋭度、冷媒の損失または過度の振動を検出するために、工作機械の特殊の作動条件をモニタリングするための装置を開示している。
【０００６】
この装置は力検出センサによって与えられるエネルギー消費を示す信号、および加速度計によって与えられる機械的振動を表示する信号を処理し、オペレータに対して制御下のプロセスの状態を示すための可視信号（緑色光、黄色光または赤色光の形の信号）放出する。
【０００７】
米国特許第US-A-5718617号はコンピュータデジタル制御（”ＣＮＣ”）といし車の加工中にといし車と部品との間に存在する力を工具担持キャリヤスライダと工作機械基盤との間に搭載された力検出センサによって測定するシステムを開示している。さらに工作機械の中に、信号に依存する前記信号の成分を除去する事によって力検出センサからの信号を補正するための加速度計を搭載する事ができる。
【０００８】
米国特許第US-A-5044125号は、といし車と部品との間に発生する力の大きさを測定するためにホイールヘッドに隣接搭載された圧電センサを含む力トランスデューサを備えた工作機械、特に研削盤を開示している。力トランスデューサによって出力された信号がデジタル制御装置に転送されてといし車修正サイクルをいつ実施すべきかを決定する。
【０００９】
力トランスデューサによって出力された信号が適当に処理されて機械加工に関する情報またはといし車先鋭度に関する顕著な情報を与えるがといし車が実際に部品と接触する時間間隔を正確に識別させる事はできない。実際に、下記において説明するように、といし車と部品との接触が生じる時に力トランスデューサによって出力される信号の大きさはゆっくりと増大し、またこの大きさはといし車が部品の表面から離れている時にゆっくりと減少する。さらにといし車が部品から離間した直後に、工作機械の各部品の移動の故に力トランスデューサの出力信号は疑似的な成分を有し、この成分は加工中の信号の振幅に匹敵する振幅を有するがこの成分は処理中に考慮されてはならない。
【発明の開示】
【００１０】
本発明の目的は公知装置の問題点を解決するにある。
【００１１】
この目的は請求項１による工作機械の加工プロセスの検査装置および請求項１０による対応の検査方法によって達成される。
【発明を実施する最良の方法】
【００１２】
図１と図２は基盤２と工具担持スライダ３とを含む数値制御（”ＣＮＣ”）研削磐１を最も簡単な形状において示し、さらに詳しくは前記工具担持スライダ３は、軸線Ｙにそって基盤に対して可動のスライダ４に連結されまた軸線Ｘにそって基盤２に対して可動のスライダ５に連結され、従って工具担持スライダ３は基盤２に対してＸＹ面において移動自在である。スピンドル７が工具担持スライダ３上に装着されまたフランジ１１によってといし車９に対して連結されている。スピンドル７は図示されないモータに連結されてといし車９を縦方向軸線Ｍ回りに回転させる。
【００１３】
研削盤１は回転対称を有する機械部品１３を加工するために使用され、例えば縦方向軸線Ｍに対して平行な縦方向軸線Ｐ回りに、例えば回転センターと止まりセンター１７から成る公知の型の支承・基準システムによって支承され配置され回転駆動される軸の機械加工のために使用される。
【００１４】
研削盤１の加工工程を検査する装置は、第１センサ、すなわち工具担持スライダ３に連結された第１部分２２およびスライダ４に連結された第２部分２５を有する公知の型の力検出センサ２１と、第２センサ、すなわちフランジ１１に連結された同じく公知の型の音響センサ（またはＡＥセンサ）１９と、前記のセンサ１９、センサ２１およびといし車１の数値制御２４に対して図示されないようにして電気的に接続された処理・制御ユニット２３とを含む。力電圧センサ２１は、加工片１３に対してといし車９によって加えられる力によって生じるキャリヤスライダ３のスライダ４に対する図１の矢印Ｆ方向の変形度を検出し、第１出力信号ＳＦを発生する。音響センサ１９は機械加工中にといし車９の表面と部品１３の表面との接触によって発生される音響信号を検出し、第２出力信号ＳＡを発生する。
【００１５】
図３ａと図３ｂは部品１３の機械加工の連続二段階を示し、これらの段階においてといし車９と部品１３との接触面が相違している。図３ａに図示の状態において、といし車９と部品の間の最大接触面が存在し、これに対して図３ｂに示す状態においては、といし車９の一部のみが部品１３と接触している。図４ａと図４ｂはそれぞれ図３ａと図３ｂに図示の２継起段階において音響センサ１９から出力された信号ＳＡと力検出センサ２１によって出力された信号ＳＦのトレンドを示す。
【００１６】
瞬間ｔｉａ、ｔｆａ、ｔｉｂ、ｔｆｂはそれぞれ図３ａと図３ｂにおける加工段階中にといし車９と部品１３との接触の開始の瞬間（ｔｉａ、ｔｆａ）および終端の瞬間（ｔｉｂ、ｔｆｂ）を示す。
【００１７】
図４ａに図示のように、音響センサ１９によって出力される信号ＳＡの振幅は、といし車９との相互接触の結果として変動し（ｔｉａ、ｔｆａ）またといし車９が部品１３から離脱する結果として生じるが、といし車９と部品１３の間の接触面の面積には実質的に依存しない。
【００１８】
実際に、信号が高い論理値を取る時間フレームはといし車９と部品１３との間の接触時間に依存するが（時間ずれ ｔｉａ−ｔｆａ、ｔｉｂ−ｔｆｂ）、といし車９と部品１３の間の接触面積が相違する図３ａと図３ｂに図示の２つの相異なる加工段階中に顕著な変化を受けない。
【００１９】
これに反して、力検出センサによって出力される信号ＳＦは、といし車９と部品１３が相互に接触した（瞬間 ｔｉａ、ｔｉｂ）後にゆっくり変動しまた相互に離間するが（瞬間 ｔｆａ、ｔｆｂ）、その振幅はといし車９と部品１３との接触面積の大きさに正比例し、さらに詳しくは接触面積が大きいほど信号ＳＦの振幅が大になる。
【００２０】
図５ａと図５ｂは、それぞれ瞬間ｔｉ１、ｔｉ２に開始しまたそれぞれ瞬間ｔｆ１とｔｆ２に終了しまたといし車９が相異なる能力を有する２つの相異なる機械加工中の音響センサ１９の出力信号ＳＡと力検出センサ２１の出力信号ＳＦとを示す。瞬間ｔｉｌとｔｆｌはそれぞれといし車９が低い切削能力を有する状態でのといし車９と部品１３の間の接触開始瞬間と接触終了瞬間とを示す。瞬間ｔｉ２とｔｆ２は、それぞれ（例えばといし車と部品との間の接触面積の大きさに関して前述の場合と同様の条件で）といし車が（例えば修正を受けた後に）高い切削能力を有する状態でのといし車９と部品１３との接触の開始の瞬間と終了の瞬間とを示す。
【００２１】
これらの図に示すように、音響センサ１９の出力信号ＳＡはといし車９が多少とも先鋭であれば顕著に変動しないが、そのトレンドはといし車９と部品１３との接触時間に正確に依存する。これに反して、力検出センサ２１の出力信号ＳＦはといし車と部品との接触が生じた後にゆっくり増大し、といし車が部品から離脱した時にゆっくり減少し、またといし車９の切削能力に依存する振幅を有する。さらに詳しくはといし車９の切削能力が減少するに従って信号ＳＦの振幅が増大する。
【００２２】
図６ａと６ｂは、それぞれ瞬間ｔｉ３とｔｉ４に開始しまたそれぞれ瞬間ｔｆ３とｔｆ４に終了しまたといし車９の近接速度に関して相違する２つの相異なる加工中の音響センサ１９の出力信号と力検出センサ２１の出力信号を示す。瞬間ｔｉ４とｔｆ４は近接速度が比較的低い状態におけるといし車９と部品１３との間の接触開始瞬間と接触終了瞬間であるが、瞬間ｔｉ３とｔｆ３はといし車９がより急速な近接速度を有する状態におけるといし車９と部品１３との接触の開始瞬間と接触終了瞬間である。
【００２３】
これらの図から明かなように、といし車９の近接速度が変動するならば音響センサ１９の出力信号ＳＡは実質的に変動しないが、そのトレンドはといし車９と部品１３との接触時間の大きさ（時間間隔 ｔｉ３−ｔｆ３，ｔｉ４−ｔｆ４）にのみ依存する。これに反して力検出センサ２１の出力信号ＳＦはといし車９と部品１３との接触が生じた瞬間（瞬間ｔｉ３，ｔｉ４）後にゆっくり増大し、といし車９と部品１３との接触の終端においてゆっくり減少し、またといし車９の近接速度に正比例する振幅を有する。より高い近接速度はより大きな振幅の信号ＳＦを生じる。
【００２４】
要約すれば、といし車９が部品１３と接触する時に音響センサ１９の出力信号ＳＡが急速に増大し、といし車９が部品１３から離間する時に急速に減少し、またその振幅は、といし車９と部品１３との接触面積の大きさ、といし車９の切削能力および近接速度に実質的に依存しない。
【００２５】
このような信号の分析は、機械加工条件のいかんに関わらず、加工の生じる時間フレーム（といし車と部品の接触時間フレーム）に関する情報を与える。これに対して力検出センサ２１の生じる信号ＳＦは、といし車９が部品１３に接触する時にゆっくり増大し、これらの部品が相互に離間するに従ってゆっくり減少するが、その振幅はといし車９と部品１３との接触面積の大きさと、といし車９の先鋭状態と、といし車９の近接速度とに依存する。力検出センサ２１の前記出力信号ＳＦは加工の生じる時間間隔を正確に決定する事ができないが、加工プロセス、特に部品１３とといし車９との接触面積、といし車９の切削能力およびといし車９の近接速度に関する情報を得る事を可能とする。
【００２６】
本発明による方法は、音響センサ１９と力検出センサ２１によって与えられた情報を競合的に使用する。さらに詳しくは、音響センサ１９の出力信号ＳＡは、といし車９と部品１３との接触に際して生じるその急速応答特性の故に、また接触力に実質的に関連しない振幅の故に、力検出センサ２１の出力信号ＳＦが加工プロセスを検査するための有効情報を提供する時間間隔、すなわちといし車９が実際に部品１３と接触している時間間隔を決定するために使用される。前記時間間隔中の力検出センサ２１の出力信号ＳＦのトレンドは、（といし車９の近接速度およびといし車９と部品１３との間の接触面積の大きさに基づいて）加工中に除去された素材量およびといし車９の先鋭度状態に関して顕著な情報を与える。
【００２７】
下記において本発明による装置の動作を付図７のフローチャートを参照して説明する。
【００２８】
第１段階において、実施される検査の型、例えばといし車９の摩損状態をデジタル制御装置２４が自動的に選択しまたはオペレータが手動的に選択する（ブロック４０）。
次に、処理制御ユニット２３が音響センサ１９の出力信号ＳＡの論理値をチェックする（ブロック５０）。信号ＳＡが高論理値に変換するやいなや、といし車９と部品１３との実際の接触の生じる瞬間に対する実質的に無視可能の遅れをもって始動瞬間が検出される。次に処理制御ユニット２３が力検出センサ２１の出力信号ＳＦをモニタし始める（ブロック６０）。処理制御ユニット２３が出力信号ＳＡの論地値をチェックする（ブロック７０）。力電圧センサ２１の出力信号ＳＦのモニタリングは音響センサ１９の出力信号ＳＡが高い論理値を保持するまで次にといし車９が部品１３と接触している間、継続する（ブロック６０）。音響センサ１９の出力信号ＳＡが低論理値に変換する時、といし車９が部品１３から実際に移動する瞬間に対して実質的に無視可能の遅れをもって終端の瞬間が検出され、処理制御ユニット２３による信号ＳＦのモニタリングが終了する。力検出センサ２１の回収（および貯蔵）された出力信号ＳＦがモニタリングされるフィーチャ、この場合にはといし車９の切断能力に関する情報を得るために適当な処理を受け、このような処理は例えば実質的に時間間隔ｔｉ−ｔｆに相当する時間間隔中の信号ＳＦの積分を含む（ブロック８０）。次に前記処理によって得られた値が装置の先行設定または「学習」段階において検出され記憶された値と比較される（ブロック９０）。この比較の結果がモニタリングされたフィーチャ、この場合にはといし車９の摩耗率が許容限界内にある事を示すならば、ブロック（１００）に移動し、必要な場合には他の型のチェック（ブロック４０）を実施する。これに対してモニタリングされたフィーチャが許容限度を超えていれば、デジタル制御装置は例えばメッセージを表示する事によりオペレータに対してといし車９の修正サイクルを実施する必要性を指示し、または部品の加工が終了するやいなや、オペレータの介入なしで直接に工具の修正サイクルを命令する（ブロック（１１０）。所要のチェックが完了された時にこの手順が終了する（ブロック１２０）。
【００２９】
コンピュータ１上にセンサ１９と２１を設定する段階に続く初期設定段階または「学習」段階中に、処理制御ユニット２３は他の作動条件、すなわちといし車９と部品１３との間の接触面積の相異なる大きさ、といし車９の相異なる摩耗条件、およびといし車９の相異なる近接速度におけるセンサ１９と２１の出力信号を検索し、また前述の信号を処理して、検査中に得られる値と比較される参照値を得てこれを記憶する。
【００３０】
前述以外の方法として、実施されるチェックの型を選択した後に、処理制御ユニット２３はセンサ１９と２１の両方の出力信号ＳＡおよびＳＦを同時的に取得する事ができ、信号ＳＡのトレンドに基づいて、加工の生じる時間間隔を決定する接触開始の瞬間および接触終端の瞬間を決定し、その後、前述のようにして前記時間間隔のみの信号ＳＦを処理する。
【００３１】
各センサは、信号を正確に検出する事ができる限り、研削盤上に前記と異なる位置に配置する事ができる。さらに詳しくは、音響センサは２つのセンサの一方に対して連結する事ができ、または研削盤上に使用されるならばといし車の平衡装置に取付ける事ができる。さもなければ、力検出センサは部品の中間支持体、またはもし存在するなら強固なレストと研削盤の基盤との間に配置する事ができる。
【００３２】
前述の構造と異なる実施態様も可能であって、さらに詳しくは力検出センサ２１の代わりに、といし車９のモータによって吸収される電力を検出するための力検出センサを備え、または高感度の歪み計、例えばシリコーン・フィルム上の歪み計を備えて、加工中のといし車スライダの変形度を特定し、従ってといし車９によって部品１３に加えられる力を特定する事ができる。力検出センサおよび歪み計によって出力される信号のトレンドは力検出センサ２１によって出力される前記の信号のトレンドと類似し、従って加工プロセスに関して類似の情報を生じる。音響センサ１９の代わりにといし車９が部品１３と接触している時間間隔を適当な精度をもって検出する事のできる他の型のセンサを使用する事ができる。この目的から、例えばといし車９と部品１３の相対位置を測定するために光学センサまたは近接誘導センサを使用する事ができる。
【００３３】
さらにまた、本発明による装置は、多数のプロセスをチェックするために前述と類似または相異なる型の多数のセンサ（図８においてＳ１．．．ＳＮで示されたセンサ）を含む事ができる。図８のブロックダイヤグラムはＮ個のセンサＳ１．．．ＳＮを示し、これらのセンサは対応の電子部品Ｅ１．．．ＥＮに接続され、これらの電子部品の出力はユニット２９に接続された処理ユニット２７に対応し、ユニット２９は装置１のデジタル制御２４およびＰＬＣ（プログラマブル論理コントローラ）３１に接続されている。
【００３４】
センサＳ１．．．ＳＮによって出力された信号は条件付け電子部品Ｅ１．．．ＥＮによって増幅され適当に処理された後に、処理ユニット２７に転送される。制御手順を決定するユニット２９はデジタル制御装置２４またはＰＬＣによって受けられたリクェストに基づいて、処理ユニット２７に信号を送り、そこでこの処理ユニットは単一センサＳ１．．．ＳＮの出力信号の必要な処理を実施しまたはこれらのセンサＳ１．．．ＳＮの出力信号を競業的に利用し、その処理結果をデジタル制御２４および／またはＰＬＣおよび／またはその他のディスプレーユニット、例えばパーソナル・コンピュータ３３に送る。
【００３５】
多くの型の検査をこの型の装置によって実施する事ができ、またこれらの検査は種々の加工段階の検査、工具条件の検査、工具の先鋭化の監視、さらに工具の衝突の検査、および予防的保守のための診断を含む。
【００３６】
本発明の装置および方法は明かに他の型の加工用具、例えば旋盤またはフライス加工の加工プロセスの検査のために使用する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】機械部品の加工中の本発明によるといし車および加工装置の概略断面図。
【図２】図１の研削盤および装置の平面図。
【図３ａ】部品の第１加工段階中の図２の研削盤の細部の拡大図。
【図３ｂ】部品の第２加工段階中の図２の研削盤の細部の拡大図。
【図４ａ】逐次実施された図３ａと図３ｂの２加工段階中の音響センサの出力信号のトレンドを示す図。
【図４ｂ】逐次実施された図３ａと図３ｂの２加工段階中の力検出センサの出力信号のトレンドを示す図。
【図５ａ】といし車が相異なる切削能力を有する２つの機械加工中の音響センサによる出力信号のトレンドを示す図。
【図５ｂ】といし車が相異なる切削能力を有する２つの機械加工中の力検出センサによる出力信号のトレンドを示す図。
【図６ａ】相異なるといし車近接速度で実施される２つの機械加工中の音響センサにより出力信号のトレンドを示す図。
【図６ｂ】相異なるといし車近接速度で実施される２つの機械加工中の力検出センサにより出力信号のトレンドを示す図。
【図７】本発明による装置の動作を示すフローチャート。
【図８】本発明の好ましい実施態様による装置を形成する各要素の論理的相関関係を示すブロックダイヤグラム。
【符号の説明】
【００３８】
１ 工作機械（研削盤）
２ 基盤
３ スライダ
４ スライダ
５ スライダ
７ スピンドル
９ といし車
１３ 機械部品
１５ 回転センター
１７ 止まりセンター
１９ 音響センサ
２１ 力検出センサＳＦ
２２，２５ センサ
２３ 処理制御ユニットＳＡ
２４ ＣＮＣ
ＳＡ 音響信号
ＳＦ 出力信号
ｔｉａ、ｔｆａ といし車９と部品１３との接触開始の瞬間
ｔｉｂ、ｔｆｂ といし車９と部品１３との接触終端の瞬間

Claims (13)

1. 基盤（２）および工具担持スライダ（３）を備え基盤（２）に対して可動であり工具（９）を担持した工作機械（１）の加工プロセスの検査装置において、前記装置は、
   ・検査される部品（１３）を支承し照合するための支承照合システム（１５，１７）と、
   ・工具（９）と前記被検査部品（１３）の間に発生する力を検知し第１出力信号（ＳＦ）を発生するように成された第１センサ（２１）と、
   ・前記第１センサ（２１）に接続され前記第１出力信号（ＳＦ）を処理するように成された処理制御ユニット（２３）とを含み、
   前記装置は工具（９）と被検査部品（１３）との間に発生する接触を検出して第２出力信号（ＳＡ）を発生するための第２センサ（１９）を含み、前記処理制御ユニット（２３）は前記第２センサ（１９）に接続されて第１出力信号（ＳＦ）と前記第２出力信号（ＳＡ）とを処理して工作機械（１）の加工処理に関する情報を提供するように成された事を特徴とする装置。
2. 前記第２出力信号（ＳＡ）は工具（９）と被検査部品（１３）との間の接触の存在する時間間隔（ｔｉ−ｔｆ）を示し、前記処理制御ユニット（２３）は前記第２出力信号（ＳＡ）に基づいて前記時間間隔（ｔｉ−ｔｆ）を決定し前記時間間隔（ｔｉ−ｔｆ）において前記第１出力信号（ＳＦ）を処理する事を特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第２センサ（１９）は音響センサ（１９）である事を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の装置。
4. 前記工具（９）は前記工具担持スライダ（３）に連結されてこれに対して回転自在のといし車（９）であり、前記音響センサ（１９）は前記といし車（９）に連結されている事を特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記第１センサ（２１）は力検出センサ（２１）である事を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 前記工具担持スライダ（３）はスライダ（４）に連結されて横方向（Ｙ）に可動であり、前記力検出センサ（２１）は前記工具担持スライダ（３）と前記スライダ（４）に連結される事を特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記第１センサ（２１）は力検出センサである事を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
8. 前記第１センサは歪み計である事を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
9. 前記工作機械は前記処理制御ユニット（２３）に接続されたデジタル制御ユニット（２４）を含む事を特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
10. 前記請求項１乃至９のいずれかに記載の装置によって工作機械（１）の加工プロセスを検査する方法において、
    ・第２出力（ＳＡ）の論理値を検査し、また工具（９）と部品（１３）との接触の生じる瞬間（ｔｉ）に実質的に対応する出発の瞬間を検出する段階と、
    ・前記出発瞬間から第１出力信号（ＳＦ）をモニタリングする段階と、、
    ・第２出力信号（ＳＡ）の論理値を検査（７０）し、また工具（９）と部品（１３）との相互離脱の生じる瞬間（ｔｆ）に実質的に対応する端末瞬間を検出する段階と、
    ・前記終端瞬間において前記第１出力信号（ＳＦ）のモニタリングを終結する段階と、
    ・前記第１出力信号（ＳＦ）を処理する段階（８０）と、
    ・前記処理の結果と前記基準値との比較（９０）を実施する段階と、
    ・前記比較の結果に基づいて、実施されるべき必要走査（１００，４０；１１０）を決定する段階とを含む方法。
11. 前記第１出力信号（ＳＦ）の処理の結果が部品（１３）の加工中に除去された物質量を示す事を特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１出力信号（ＳＦ）の処理の結果が工具（９）の先鋭度状態を示す事を特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 研削盤（１）の機械加工を検査するための請求項１１または請求項１２のいずれかに記載の方法。