(57)【要約】  本発明は、工作機械におけるポジションに依存する可撓性を補償する方法および装置に関する。工作機械により被加工物を処理する際にできるかぎり僅かな処理時間またはできるかぎり高い輪郭忠実度を実現するため、本発明によれば、工作機械（１）における工具の１つのポジションのところで、記憶装置に格納されている機械データ（３）から、工作機械（１）の可撓性（２）が導出されるステップと、処理プロセス中に工具に作用を及ぼす処理力（４）が上述のポジションのところで求められるステップと、このポジションに関して処理プロセスに作用を及ぼす少なくとも１つの処理パラメータ（５）が、導出された可撓性（２）と処理力（４）に依存して、工作機械（１）の可撓性（２）と処理力（４）により引き起こされる目標ポジションに対する工具の変位（６）に対し反対に作用が及ぼされるよう変更されるステップが設けられている。
2009545040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械（１）のポジションに依存する可撓性を補償する方法において、
工作機械（１）における工具の１つのポジションのところで、記憶装置に格納されている機械データ（３）から、該工作機械（１）の可撓性（２）が導出されるステップと、
処理プロセス中に前記工具に作用を及ぼす処理力（４）が前記ポジションのところで求められるステップと、
該ポジションに関して前記処理プロセスに作用を及ぼす少なくとも１つの処理パラメータ（５）が、導出された前記可撓性（２）と前記処理力（４）に依存して、前記工作機械（１）の可撓性（２）と前記処理力（４）により引き起こされる目標ポジションに対する前記工具の変位（６）に対し反対に作用が及ぼされるよう変更されるステップ
を有することを特徴とする、可撓性を補償する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記工作機械（１）はカッティング処理のために設けられていることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、
前記処理パラメータ（５）は、制御プログラム（７）たとえばＮＣプログラムにより設定される工具ポジション目標値であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１または２記載の方法において、
前記処理パラメータ（５）は、シフト値またはカット深さまたはスピンドル回転数であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の方法において、
前記機械データ（３）は、前記工作機械（１）の剛性特性のシミュレーションにより得られることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項記載の方法において、
前記機械データ（３）は測定技術的に求められることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載の方法において、
前記機械データ（３）には、前記工作機械（１）の作業空間内の離散的なポイントにおける離散的な可撓性値が含まれていることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法において、
前記ポジションにおける前記工作機械（１）の可撓性（２）は、前記可撓性値の補間により導出されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項記載の方法において、
前記処理力（４）は力センサにより測定されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項記載の方法において、
前記処理力（４）は、前記工作機械（１）の駆動電流（８）を測定し測定された駆動電流（８）から該処理力（４）を計算することにより求められることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項記載の方法において、
前記処理力（４）は処理プロセスのプロセスシミュレーションにより求められることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項記載の方法において、
前記処理パラメータ（５）の変更は被加工物の処理前に実行されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項記載の方法において、
前記処理パラメータ（５）の変更は被加工物の処理中に実行されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
工作機械（１）のポジションに依存する可撓性を補償する装置において、
機械データ（３）のための記憶装置と、
工作機械（１）における工具の１つのポジションのところで、該工作機械（１）の可撓性（２）を前記機械データ（３）から導出する導出手段と、
処理プロセス中に前記工具に作用を及ぼす処理力（４）を前記ポジションのところで求める手段と、
該ポジションに関して前記処理プロセスに作用を及ぼす少なくとも１つの処理パラメータ（５）を、導出された前記可撓性（２）と前記処理力（４）に依存して、前記工作機械（１）の可撓性（２）と前記処理力（４）により引き起こされる目標ポジションに対する前記工具の変位（６）に対し反対に作用が及ぼされるよう変更する変更手段
が設けられていることを特徴とする、可撓性を補償する装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の装置において、
前記工作機械（１）はカッティング処理のために設けられていることを特徴とする装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５記載の装置において、
前記処理パラメータ（５）は、制御プログラム（７）たとえばＮＣプログラムにより設定される工具ポジション目標値であることを特徴とする装置。
【請求項１７】
請求項１４または１５記載の装置において、
前記処理パラメータ（５）は、シフト値またはカット深さまたはスピンドル回転数であることを特徴とする装置。
【請求項１８】
請求項１４から１７のいずれか１項記載の装置において、
前記機械データ（３）は、前記工作機械（１）の剛性特性のシミュレーションにより得られることを特徴とする装置。
【請求項１９】
請求項１４から１８のいずれか１項記載の装置において、
前記機械データ（３）は測定技術的に求められることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１４から１９のいずれか１項記載の装置において、
前記機械データ（３）には、前記工作機械（１）の作業空間内の離散的なポイントにおける離散的な可撓性値が含まれていることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項１４から２０のいずれか１項記載の装置において、
前記導出手段は、前記ポジションにおける前記工作機械（１）の可撓性（２）を前記可撓性値の補間により導出することを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項１４から２１のいずれか１項記載の装置において、
前記処理力（４）を求める手段は、該処理力（４）を測定するための力センサを有することを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項１４から２２のいずれか１項記載の装置において、
前記処理力（４）求める手段は、前記工作機械（１）の駆動電流（８）を測定するための電流センサと、測定された駆動電流（８）から前記処理力（４）を計算するための計算ユニットを有することを特徴とする装置。
【請求項２４】
請求項１４から２３のいずれか１項記載の装置において、
前記処理力（４）を求める手段は、処理プロセスのプロセスシミュレーションを用いて該処理力（４）を求めることを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項１４から２４のいずれか１項記載の装置において、
前記変更手段は、被加工物の処理前に前記処理パラメータ（５）を変更することを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項１４から２４のいずれか１項記載の装置において、
前記変更手段は、被加工物の処理中に前記処理パラメータ（５）を変更することを特徴とする装置。
【請求項２７】
請求項１４から２６のいずれか１項記載の装置を備えた工作機械（１）。
【請求項２８】
請求項１から１３のいずれか１項記載の方法を実施するためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械のポジションに依存する可撓性ないしはコンプライアンスを補償する方法および装置に関する。この場合、工作機械にはこの種の装置ならびに上述の形式の方法を実行するコンピュータプログラムが含まれている。
【０００２】
工作機械を用いて被加工物を処理する際、たとえばカッティング処理を行う場合、できるかぎり僅かな処理時間とできるかぎり高い製造精度との間で妥協をしなければならないことが多い。基本的に製造プロセスは、処理すべき被加工物における各々の個所および各々の処理時点で必要最小限の製造精度が遵守されるように設計される。できるかぎり経済的な製造を保証できるようにするために、これらの境界条件のもとで最大限に可能な工作機械のシフトおよびカット値が得られるようにしなければならない。
【０００３】
最大限に可能なこの値は、利用される工作機械に著しく左右される。たとえば工作機械の剛性に依存して、シフト、カット深さ、使用される工具といったパラメータならびにそれにより生じるプロセス力が、達成される輪郭忠実性に対し大きな作用を及ぼす。
【０００４】
工作機械の剛性は通常、工作機械における軸の目下のポジショニングに依存し、換言すれば、工作機械における作業空間内の目下の工具ポジションに依存する。したがって作業空間内のいわゆるツールセンタポイント（Tool Center Point TCP）が移動する処理プロセス中、剛性もしくはその逆数により可撓性が変化する。このことに起因して、シフト、カット深さならびにスピンドル回転数について一定の値で処理を行う場合、被加工物の処理により著しく目立つ輪郭の偏差が発生してしまう可能性がある。しかしながら、上述の処理パラメータを工作機械の最大可撓性を考慮して選定すれば、まえもって定められた輪郭忠実性を達成することができる。
【０００５】
本発明の課題は、工作機械を用いた被加工物の処理にあたり、できるかぎり僅かな処理時間あるいはできるかぎり高度な輪郭忠実性を実現することである。
【０００６】
上記の課題は、以下のステップを有する工作機械のポジションに依存する可撓性を補償する方法により解決される。すなわちこの方法は、
工作機械における工具の１つのポジションのところで、記憶装置に格納されている機械データから、該工作機械の可撓性が導出されるステップと、
処理プロセス中に前記工具に作用を及ぼす処理力が前記ポジションのところで求められるステップと、
該ポジションに関して前記処理プロセスに作用を及ぼす少なくとも１つの処理パラメータが、導出された前記可撓性と前記処理力に依存して、前記工作機械の可撓性と前記処理力により引き起こされる目標ポジションに対する前記工具の変位に対し対抗措置がとられるよう、すなわち変位に対し反対に作用が及ぼされるよう変更されるステップを有している。
【０００７】
さらに上記の課題は、上述の方法を実行するコンピュータプログラムにより解決される。
【０００８】
さらに上記の課題は、以下の特徴を備えた工作機械のポジションに依存する可撓性を補償する装置によって解決される。すなわちこの装置には、
機械データのための記憶装置と、
工作機械における工具の１つのポジションのところで、該工作機械の可撓性を前記機械データから導出する導出手段と、
処理プロセス中に前記工具に作用を及ぼす処理力を前記ポジションのところで求める手段と、
該ポジションに関して前記処理プロセスに作用を及ぼす少なくとも１つの処理パラメータを、導出された前記可撓性と前記処理力に依存して、前記工作機械の可撓性と前記処理力により引き起こされる目標ポジションに対する前記工具の変位に対し反対に作用が及ぼされるよう変更する変更手段
が設けられている。
【０００９】
さらに上記の課題は、上述の特徴を有する装置を備えた工作機械により解決される。
【００１０】
本発明が基礎とする着想は、処理プロセスを定める処理パラメータを、工具の特定のポジションにおける工作機械の可撓性に依存して処理プロセス中に変更すれば、まえもって決められた輪郭忠実性を維持しながら工作機械の処理時間を著しく低減させることができる、という点にある。処理プロセス中に工作機械のポジションに依存する可撓性を考慮することにより、工具のツールセンタポイントのずれないしは変位つまりはまえもって定められた輪郭からの偏差を、工作機械の可撓性に関するポジション依存性が考慮されない現在の工作機械よりも著しく低減することができる。
【００１１】
これらの処理パラメータのうちの少なくとも１つを所期のように変更ないしは修正できるようにする目的で、最初に工具の特定のポジションについて機械データに基づき工作機械の可撓性が導出される。ここで機械データをたとえば３次元の機械モデルとすることができ、この機械モデルからポジションに依存する工作機械の剛性または可撓性をダイレクトに得ることができるし、あるいはそこから導出することができる。既述のポジションにおける可撓性が既知であれば、さらにそのポジションにおいて工具に作用を及ぼす処理力が求められる。処理力の確定は、事前にシミュレーションおよび／または計算により実行することができるし、あるいは択一的に測定技術的に求めることができる。
【００１２】
既述のポジションにおける力および可撓性が既知であれば、工具の目標ポジションに対する工具の仮想ないしは仮定の変位を求めることができ、作用を及ぼす処理パラメータのうち少なくとも１つの処理パラメータを適切に変更することにより、このずれに対抗する措置をとることができる。仮想の変位は、処理パラメータにいかなる変更も加えないときに生じるであろうものである。
【００１３】
本発明の１つの有利な実施形態によれば、工作機械はカッティング処理を行うために設けられている。カッティング処理においては、輪郭忠実度に対する最小要求を遵守しなければならず、工作機械における可撓性のポジション依存性によって処理パラメータに作用を及ぼすようにしなければ、最小要求の遵守は工作機械の作業領域における大きな可撓性変動によって著しく困難になり、作業時間がかさむことになる。本発明による方法によれば、処理パラメータが可撓性に依存して処理プロセス中に変更され、その結果、処理時間が減少することになる。
【００１４】
ポジションに依存するつまりは可撓性に依存する変更すべき処理パラメータに関して、種々の値が考慮の対象となる。本発明の有利な実施形態によれば、処理パラメータは制御プログラムたとえばＮＣプログラムにより設定される工具ポジション目標値である。工具ポジション目標値を変更することにより、工作機械の可撓性の変化に起因する変位に対し効果的に対抗措置をとることができ、すなわち変位に対し反対に作用させることができる。
【００１５】
これに対する代案として本発明の１つの有利な実施形態によれば、処理パラメータはシフト値またはカット深さまたはスピンドル回転数である。
【００１６】
当然ながら、それぞれ異なる複数の処理パラメータをポジションに依存しておよび可撓性に依存して処理プロセス中に変更するのも有利であり、これも本発明に含まれるものである。
【００１７】
工作機械の作業空間における個々の可撓性値を導出するためのベースとして用いられる機械データを取得する点に関しても、複数のオプションがある。本発明の１つの有利な実施形態は、機械データが工作機械の剛性特性のシミュレーションにより得られることを特徴としている。通常、工作機械の構築時にすでに作成される３次元機械モデルが工作機械のために存在しており、それらのモデルから上述の剛性値を求めることができる。典型的にはこのために、有限要素シミュレーションが実行される。
【００１８】
本発明のさらに別の有利な実施形態は、機械データが測定技術的に求められることを特徴としている。精度を高めるために考えられるのは、測定技術的にもシミュレーション技術的にも機械データを求めることである。
【００１９】
本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、機械データには工作機械作業空間の離散的なポイントにおける離散的な可撓性値が含まれている。
【００２０】
この種の実施形態に関するさらに別の有利な実施形態によれば、既述のポジションにおける工作機械の可撓性がそれらの可撓性値の補間により導出される。たとえば線形の補間ないしは外挿により、工作機械作業空間内の複数のポジションについて記憶装置に格納された機械データには含まれていない可撓性値も求めることができる。
【００２１】
処理力を求めることについても様々なオプションがある。たとえば本発明の１つの有利な実施形態によれば、力センサにより処理力が測定される。
【００２２】
これに対する代案として、あるいはこれに加えて、工作機械の駆動電流を測定し、測定された駆動電流から処理力を計算することにより、処理力を求めるようにした本発明の実施形態が有利である。
【００２３】
本発明のさらに別の有利な実施形態によれば、処理プロセスのプロセスシミュレーションを用いて処理力が求められる。
【００２４】
本発明の有利な実施形態によれば、処理パラメータの変更ないしは修正を被加工物の処理前に実行することができる。この場合、たとえば処理プロセス制御のために設けられたＮＣプログラムを事前に相応に変更できるようにする目的で、工作機械の可撓性に関するポジションに依存する値および処理力がまえもって求められる。したがってたとえば輪郭経過を決定する目標値を、ポジションに依存する可撓性を考慮しながら処理プロセスの前に整合させることができる。
【００２５】
これに対する代案として、またはこれに加えて、処理パラメータの変更が被加工物の処理中に実行されるようにした本発明の実施形態が有利である。好適にはこの場合も、最初に工作機械作業空間における可撓性がまえもってシミュレーションまたは測定により求められる。ただし被加工物処理中に工具に作用を及ぼす処理力はオンラインで求められるので、処理プロセス中にその結果として生じたツールセンタポイントの変位を計算することができ、このような変位に対しやはりオンラインで処理パラメータの相応の変更により対抗措置がとられ、つまり変位に対し反対に作用が及ぼされる。
【００２６】
次に、図示の実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】工作機械におけるポジション依存性の可撓性を補償する方法を示す概略図
【図２】測定された駆動電流から処理力を計算することにより工作機械のポジションに依存する可撓性を補償する方法を示す図
【００２８】
図１には、工作機械１におけるポジション依存性の可撓性ないしはコンプライアンス２を補償する方法が図示されている。工作機械１の作業空間内における工具に依存したコンプライアンス２の補償は、処理プロセス中にカットしていくべきないしは辿るべき輪郭に対し作用を及ぼす処理パラメータ５のオンライン整合により行われる。処理プロセス中に工具が辿るポイントＰごとに、記憶装置に格納されている工作機械データ３に基づきコンプライアンスマトリックス２が求められる。コンプライアンスマトリックス２を処理プロセス中にオンラインで求めることもできるし、あるいは処理プロセス前に求めて被加工物を処理する際にはすでに値が利用できるようにしておくこともできる。
【００２９】
さらに、工具がとるべきポジションＰ各々について処理力４が処理ベクトルＦとして定められる。着目時点である目下のポイントＰに関するコンプライアンスマトリックスＧと処理ベクトルＦとから、最終的に加工物ないしは加工物のツールセンタポイントTool Center Pointの変位６を、既述の量の乗算により求めることができる。補償の目標は、この変位６をできるかぎり僅かに抑えることである。この目的で適切な変更関数ないしは修正関数１０を介して、変位６をできるかぎり僅かに抑えるために、あるいは変位６がまえもって定められた最大値を超えないようにするために、１つまたは複数の処理パラメータ５をどのように変更すべきかが求められる。処理パラメータ５をたとえばＮＣプログラム７により設定される工具ポジション目標値、目下のカット深さ、工作機械１のシフトまたはスピンドル回転数に関する実際値などである。
【００３０】
ここで示した方法の特別な点は、処理パラメータ５が工作機械１の可撓性および工具に作用する力４に依存して、オンラインで追従制御されることである。これにより、まえもって定められた輪郭忠実性で最小の処理時間を達成することができ、もしくは一定の時間で輪郭忠実度性を向上させることができる。
【００３１】
図２には、測定された駆動電流８から処理力４を計算することにより工作機械１のポジションに依存する可撓性２を補償する方法が示されている。ポジションに依存するこの種の統合型可撓性補償を利用するためのシナリオは以下のとおりである：
工作機械１の作業空間におけるまえもって１回求められた剛性モデルとして存在する工作機械データ３から、ポジションＰごとに可撓性２を可撓性マトリックスとして処理プロセス中にオンラインで求めることができる。これに対し、ポジションに依存する可撓性２を求めるためのモデルは、該当する工作機械固有の以降の処理ならびにそのコンフィギュレーションとは無関係に、たとえば作業空間全体のシミュレーションまたは測定に基づき、１回だけ求められる。
【００３２】
加工物を処理するために、作業者は望ましい制御プログラムをＮＣプログラムの形態でロードする。さらに作業者は工作機械１の制御において、ポジションに依存する可撓性補償をアクティブにする命令をトリガする。これに対する代案として、ポジションに依存する可撓性補償がＮＣプログラムのスタート時に自動的に呼び出される。
【００３３】
制御装置は、機械の可撓性を考慮しながらＮＣプログラムを処理する。これは工具が辿る種々のポイントＰについて以下のように経過する：
工具が辿るポイントＰについて、ポジションに依存する可撓性２を求めるためのモデルを用いながら、最初に可撓性マトリックス２が求められる。さらにこの作業ポイントＰにおいて、３つの軸電流とスピンドル電流から成る駆動電流が電流測定により求められる。測定された駆動電流８に基づき目下のポジションＰにおいて工具１に作用を及ぼす力４を、プロセス力モデル９から求めることができる。３つの次元に対し３つの力成分Ｆx，Ｆy，Ｆzが生じる。ついで、これにより得られた力ベクトルＦと求められた可撓性マトリックス２とから、３つの次元すべてに関する工具の変位が求められる。
【００３４】
ついで、絶対量ないしは総計に関してあるいは３つの次元のうち１つの次元に関して、変位６がまえもって定められた最大値を超えているか否かが調べられる。超えているならば修正関数１０がアクティブにされ、これによって工具もしくはツールセンタポイント Tool Center Pointの変位６に対し逆に作用を及ぼすことができるよう、少なくとも１つの処理パラメータ５が修正される。このような修正ないしは変更を、たとえば制御に必要とされるＮＣプログラムの変更により行うことができる。択一的に、駆動目標値をダイレクトに変更することも可能である。変更すべき処理パラメータ５はたとえば工作機械１のシフト、カット深さ、スピンドル回転数、あるいはＮＣプログラムにおいて最初に設定されていた工具が辿るべき輪郭に対する目標値などである。
【００３５】
これまで述べてきたように駆動電流８から処理力４を計算することに対する代案として、処理力４を測定技術的にダイレクトに求めることも考えられ、このことも本発明に含まれるものである。このようにすることで、可撓性補償を実施するための全計算時間をいくらか低減することができ、場合によっては力の値の精度を向上させることができる。
【図１】
2009545040.tif 000003
【図２】
2009545040.tif 000004
【国際調査報告】
2009545040.tif 000005
2009545040.tif 000006
2009545040.tif 000007
2009545040.tif 000008
2009545040.tif 000009
2009545040.tif 000010