(57)【要約】  切削工具（１００）、切削工具を含むターニングマシン（２００）、および、関連の方法（４００）が提供される。切削工具は、工具バー（１１０）と、切削ヘッド（１２０）と、歪みゲージ（１３０）と、加速度計（１４０）とを含む。切削ヘッドは、工具バーに位置付けされており、切れ刃（１２１）を有している。歪みゲージは、工具バーにおける歪みを測定する。加速度計は、工具バーまたは切削ヘッドにおける加速度を測定する。切れ刃の撓みは、歪みゲージおよび加速度計からの出力に基づいて推定される。いくつかの実施形態では、加速度計は、切れ刃の近くに配置されており、一方、歪みゲージは、工具バーが最大の歪みを受けやすい場所に配置されている。いくつかの実施形態では、切れ刃の低周波数振動は、測定された歪みに基づいて推定され、高周波数振動は、測定された加速度に基づいて推定され、中間周波数振動は、両方のセンサータイプからの出力に基づいて推定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターニングにおいて使用するための切削工具（１００）であって、前記切削工具は、
工具バー（１１０）と、
切削ヘッド（１２０）と、
歪みゲージ（１３０、１３１、１３２、１３３）と、
加速度計（１４０）と
を含み、
前記切削ヘッドは、前記工具バーに位置付けされており、切れ刃（１２１）を有しており、前記歪みゲージは、前記工具バーにおける歪みを測定するように配置されており、前記加速度計は、前記工具バーまたは前記切削ヘッドにおける加速度を測定するように配置されており、前記加速度計は、前記歪みゲージよりも前記切れ刃の近くに配置されている、切削工具（１００）。
【請求項２】
前記工具バーの軸線方向に沿った前記工具バーの特定の部分（１１２、１１３）は、最大の歪みを受けやすく、前記歪みゲージは、前記特定の部分に配置されている、請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
前記切削工具は、ターニングマシン（２００）に前記切削工具を装着するためのマシンインターフェース（１５０）をさらに含み、前記歪みゲージ（１３０）から前記切れ刃への距離（Ｄ１）が、前記歪みゲージから前記マシンインターフェースへの距離（Ｄ２）よりも大きくなっている、請求項１または２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記工具バーは、前記工具バーに沿った特定の場所（１１４）において、より低い値とより高い値との間で移行する剛性を有しており、前記歪みゲージ（１３１）から前記切れ刃への距離（Ｄ３）が、前記歪みゲージから前記特定の場所への距離（Ｄ４）よりも大きくなっている、請求項１または２に記載の切削工具。
【請求項５】
前記切削工具は、ターニングマシン（２００）に前記切削工具を装着するためのマシンインターフェース（１５０）を含み、前記加速度計から前記マシンインターフェースへの距離（Ｄ５）が、前記加速度計から前記切れ刃への距離（Ｄ６）よりも大きくなっている、請求項１から４のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項６】
前記加速度計から前記マシンインターフェースへの前記距離は、前記加速度計から前記切れ刃への前記距離の少なくとも４倍の長さになっており、前記歪みゲージ（１３０）から前記切れ刃への距離（Ｄ１）は、前記歪みゲージから前記マシンインターフェースへの距離（Ｄ２）の少なくとも４倍の大きさになっている、請求項５に記載の切削工具。
【請求項７】
前記歪みゲージは、ワークピースに対する半径方向の前記工具バーの曲げを示す歪みを測定するように適合されており、または、前記ワークピースに対する接線方向の前記工具バーの曲げを示す歪みを測定するように適合されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項８】
前記切削工具は、
それぞれの方向の前記工具バーの曲げを示す、前記工具バーにおける歪みを測定するように配置されている歪みゲージ（１３０、１３２）と、
それぞれの方向（１４１、１４２）の前記工具バーまたは前記切削ヘッドにおける加速度を測定するように配置されている加速度計（１４０）であって、前記加速度計は、前記歪みゲージよりも前記切れ刃の近くに配置されている、加速度計（１４０）と
を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の切削工具。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の切削工具を含むターニングマシン（２００）。
【請求項１０】
前記歪みゲージおよび前記加速度計からの出力に基づいて、前記切れ刃の撓みを推定するように構成されている処理セクション（２１０）を含む、請求項９に記載のターニングマシン。
【請求項１１】
切削ヘッド（１２０）の切れ刃（１２１）の撓みを推定するための方法（４００）であって、前記方法は、
切削工具（１００）を含むターニングマシン（２００）を提供すること（４１０）であって、前記切削工具は、工具バー（１１０）および前記切削ヘッド（１２０）を含み、前記切削ヘッドは、前記工具バーに位置付けされている、提供すること（４１０）と、
ターニングの間に、前記工具バーにおける歪みを測定すること（４２０）と、
ターニングの間に、前記工具バーまたは前記切削ヘッドにおける加速度を測定すること（４３０）と、
測定された前記歪みおよび測定された前記加速度に基づいて、前記切れ刃の撓みを推定すること（４４０）と
を含む、方法。
【請求項１２】
前記切れ刃から前記歪みが測定される位置への距離（Ｄ１）は、前記切れ刃から前記加速度が測定される位置への距離（Ｄ６）よりも長くなっている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記撓みを推定することは、
測定された前記歪みに基づいて、第１の周波数範囲における前記切れ刃の撓みを推定することであって、前記第１の周波数範囲は、静的な撓み、および、第１の周波数（ｆ１）までの周波数を有する振動を含む、推定することと、
測定された前記加速度に基づいて、第２の周波数範囲における前記切れ刃の撓みを推定することであって、前記第２の周波数範囲は、前記第１の周波数と少なくとも同程度の高さの第２の周波数（ｆ２）を上回る周波数を有する振動を含む、推定することと
を含む、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記撓みを推定することは、
測定された前記歪みおよび測定された前記加速度に基づいて、第３の周波数範囲における撓みを推定することであって、前記第３の周波数範囲は、前記第１の周波数と前記第２の周波数との間の周波数を有する振動を含む、推定すること
を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法は、
ターニングの前に前記切削工具における加速度を測定することと、
ターニングの前に測定された前記加速度に基づいて、前記切削工具の配向を推定することと
をさらに含み、
少なくとも１つの加速度計（１４０）は、ターニングの前およびターニングの間の両方における加速度を測定するために用いられる、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、ターニングにおいて使用するための切削工具に関し、とりわけ、そのような切削工具の切れ刃の撓みの推定に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属切削のためのマシン、たとえば、工作機械など、特に、旋盤などのような、ターニングマシンにおいて、典型的に、ワークピースを回転させることによって、ならびに、接線方向および／または半径方向にワークピースに向けて切削工具を移動させることによって、材料が、ワークピースの外部表面または内部表面から除去される（または、切削される）。切削工具の切れ刃によって提供される切削作用が、ワークピースの内部表面の上に（すなわち、ワークピースの孔部の内側から）実施されるケースは、ボーリングと称される場合がある。切削工具の切れ刃の位置および配向の知識は、高精度の機械加工を提供するために重要である。いくつかのケースでは、切れ刃の位置または配向における小さい偏差でも、機械加工精度を許容可能なレベルの下へ低減させることが可能である。機械加工の間に、切れ刃は、撓ませられ得る。したがって、機械加工が開始される前に切れ刃の位置が既知である場合でも、機械加工の間の切れ刃の現実の位置は、未知である可能性がある。これは、ターニングマシンの精度を低減させる可能性がある。切れ刃の撓みは、静的な（または、ゆっくりと変化する）成分および振動成分の両方を含む可能性がある。切れ刃とワークピースとの相互作用は、切れ刃が振動することを引き起こす可能性がある。これらの振動の振幅および／または周波数に応じて、切れ刃の耐久性または性能が影響を与えられる可能性がある。たとえば、振動は、ワークピースにおいて提供される表面品質を低減させる可能性がある。少なくとも上に説明されている理由のために、ターニングマシンの動作の間に切れ刃の撓みを推定することが望ましいこととなる。
【発明の概要】
【０００３】
上述の問題のうちの少なくとも１つをより良好に対処するために、独立請求項に定義されている特徴を有する切削工具および方法が提供される。好ましい実施形態が、従属請求項に定義されている。
【０００４】
したがって、第１の態様によれば、ターニングにおいて使用するための切削工具が提供される。切削工具は、工具バーと、切削ヘッドと、歪みゲージと、加速度計とを含む。切削ヘッドは、工具バーに位置付けされており（または、位置決めされている）、切れ刃を有している。歪みゲージは、工具バーにおける歪みを測定するように配置されている。加速度計は、工具バーまたは切削ヘッドにおける加速度を測定するように配置されている。加速度計は、歪みゲージよりも切れ刃の近くに配置されている。
【０００５】
歪みゲージは、切削工具における歪みを測定するために用いられ得、測定された歪みは、切れ刃の撓みを推定するために用いられ得る。切れ刃の撓みは、たとえば、歪みが相対的に大きい、工具バーに沿った位置において（マシンインターフェースの近くにおいて、または、下で説明されているように、工具バーの剛性が変化する、工具バーに沿った位置の近くなどにおいて）測定される歪みに基づいて推定され得る。時間の経過とともに周期的に戻る歪みは、たとえば、工具バーが往復してスイングしているということ、および、したがって、切れ刃が振動しているということを示すことが可能である。しかし、切れ刃の素早い運動、または、高周波数振動は、歪みゲージを介して正確に検出することが困難である可能性がある。切削工具の動力学および多くの振動モードの存在に起因して、撓みと歪みとの間に簡単な関係は存在していない可能性がある。そのうえ、歪み測定の感度は、より高い周波数において存在し得る小さい振動を検出する（または、区別する）には低過ぎる可能性がある。信号対雑音比は、高い周波数に関して、単に低過ぎる可能性がある。したがって、歪みゲージのみに基づいて切れ刃の合計撓みを推定することは困難である可能性がある。
【０００６】
加速度計は、切れ刃の高周波数振動を推定するために用いられ得る。加速度計が切れ刃に近ければ近いほど（たとえば、歪みゲージよりも切れ刃に近いなど）、推定が正確になる可能性がある。しかし、静的な撓み、または、相対的に遅い加速度（たとえば、低周波数振動など）によって引き起こされる撓みは、加速度計を介してモニタリングすることが困難である可能性がある。したがって、加速度計のみに基づいて切れ刃の合計撓みを推定することが困難である可能性がある。
【０００７】
歪みゲージによって測定される歪み、および、加速度計によって測定される加速度は、互いに補完し、切れ刃の撓みのより正確なまたは完全な推定を提供するために一緒に用いられ得るということを、本発明者は認識した。
【０００８】
歪みゲージおよび加速度計からの出力は、たとえば、ターニングマシンの動作の間に切れ刃が移動するときに、切れ刃の位置を推定するために用いられ得、または、切れ刃の振動のスペクトルを推定するために用いられ得る。そのような振動のスペクトルは、切れ刃がワークピースにおける所望の表面構造（または、精度）を提供することができるかどうかということを示すことが可能である。
【０００９】
本開示の全体を通して、「ターニング」という語句は、ワークピースが回転させられる機械加工プロセスを表しており、その機械加工プロセスでは、回転しない切れ刃によってワークピースから材料が切削される。そのような機械加工プロセスの間に、切れ刃は、たとえば、回転しているワークピースに向けて並進させられ、切削作用を実施することが可能であり、または、回転しているワークピースが、切れ刃に向けて並進させられ得る。
【００１０】
ターニングは、たとえば、切れ刃とワークピースの外部表面との相互作用を介して実施され得、または、切れ刃とワークピースの内部表面との相互作用を介して実施され得る（ボーリングと称される場合もある）ということが認識されることとなる。
【００１１】
切削工具（または、ターニング工具）は、たとえば、ターニングマシンにおいて使用するのに適切であり得る。
【００１２】
切削ヘッドは、たとえば、工具バーに装着され得、または、工具バーの一体化されたパーツであることが可能である。
【００１３】
切れ刃は、たとえば、切削ヘッドに装着される切削インサートの切れ刃であることが可能である。
【００１４】
歪みゲージは、たとえば、工具バーに沿って配置され得る。歪みゲージは、たとえば、工具バーの内部の中に配置され得（または、工具バーの中に一体化され得る）、機械加工の間にワークピースから切除される材料の切屑から保護されるようになっている。歪みゲージは、たとえば、工具バーの外部表面に配置され得る。
【００１５】
加速度計は、たとえば、工具バーまたは切削ヘッドに配置され得る。加速度計は、たとえば、工具バーまたは切削ヘッドの中に一体化され得る。加速度計は、たとえば、工具バーまたは切削ヘッドの内部に配置され得、機械加工の間にワークピースから切除される材料の切屑から保護されるようになっている。
【００１６】
歪みゲージから切れ刃への距離は、たとえば、加速度計から切れ刃への距離の少なくとも２倍、３倍、４倍、５倍、１０倍、２０倍、または１００倍の長さであることが可能である。
【００１７】
いくつかの実施形態によれば、工具バーの軸線方向に沿った工具バーの特定の部分は、最大の歪みを受けやすくなっていることが可能である。歪みゲージは、特定の部分に配置され得る。
【００１８】
切削工具がターニングの間に用いられているときに、工具バーは歪みを受ける。特定の部分は、工具バーの他の部分よりも大きい歪みを受ける。したがって、歪みは、特定の領域においてより容易に検出され、および／または、切れ刃がどれくらい撓ませられているかということをより明確に示す。たとえば、信号対雑音比は、歪みゲージが特定の位置に配置されている場合には、歪みゲージに関してより高くなることが可能である。所与の歪みに関して切れ刃がどれくらい撓ませられているかということは、たとえば、切削工具が製造される工場において、または、切削工具がターニングマシンの中に装着されたときに、測定され得る（または、決定され得る）。切れ刃の撓みの推定は、たとえば、ターニングの前に実施されるそのような測定からのデータに基づくことが可能である。
【００１９】
いくつかの実施形態によれば、切削工具は、ターニングマシンに切削工具を装着するためのマシンインターフェースを含むことが可能である。歪みゲージから切れ刃への距離は、歪みゲージからマシンインターフェースへの距離よりも大きくなっていることが可能である。換言すれば、歪みゲージは、切れ刃の近くよりも、マシンインターフェースの近くにあることが可能である。
【００２０】
歪みは、通常、切削工具に沿った他の位置においてよりも、マシンインターフェースの近くで大きくなっている。したがって、切れ刃の撓みは、マシンインターフェースの近くで測定される歪みに基づいて、より容易に正確に推定することが可能である。
【００２１】
歪みゲージから切れ刃への距離は、たとえば、歪みゲージからマシンインターフェースへの距離の少なくとも２倍、３倍、４倍、または５倍の大きさであることが可能である。
【００２２】
いくつかの実施形態によれば、工具バーは、工具バーに沿った特定の場所において、より低い値とより高い値との間で移行する剛性を有することが可能である。歪みゲージから切れ刃への距離は、歪みゲージから特定の場所への距離よりも大きくなっていることが可能である。
【００２３】
歪みは、通常、切削工具に沿った他の位置においてよりも、工具バーの剛性が変化する場所（たとえば、工具バーの直径が変化する場所、または、工具バーの材料が変化する場所など）の近くにおいて大きくなっている。したがって、切れ刃の撓みは、そのような場所において測定される歪みに基づいて、より容易に正確に推定することが可能である。
【００２４】
歪みゲージから切れ刃への距離は、たとえば、歪みゲージから特定の場所への距離の少なくとも２倍、３倍、４倍、または５倍の長さであることが可能である。
【００２５】
いくつかの実施形態によれば、切削工具は、ターニングマシンに切削工具を装着するためのマシンインターフェースを含むことが可能である。加速度計からマシンインターフェースへの距離は、加速度計から切れ刃への距離よりも大きくなっていることが可能である。換言すれば、加速度計は、マシンインターフェースの近くよりも、切れ刃の近くにあることが可能である。
【００２６】
切れ刃の近くにおいて加速度を測定することは、切れ刃の運動（および、それによって、撓みの少なくともいくらかの成分）が、切れ刃からより遠く離れた加速度を測定することと比較して、より正確に推定されることを可能にする。
【００２７】
加速度計からマシンインターフェースへの距離は、たとえば、加速度計から切れ刃への距離の少なくとも２倍、３倍、４倍、５倍、１０倍、２０倍、または１００倍の長さであることが可能である。
【００２８】
いくつかの実施形態によれば、加速度計からマシンインターフェースへの距離は、加速度計から切れ刃への距離の少なくとも４倍の長さであることが可能である。歪みゲージから切れ刃への距離は、歪みゲージからマシンインターフェースへの距離の少なくとも４倍の大きさであることが可能である。
【００２９】
歪みゲージは、たとえば、工具バーの後方端部に（または、その近くに）配置され得る。切削ヘッドは、たとえば、工具バーの前方端部に位置付けされ得る。加速度計は、たとえば、切削ヘッドに、または、工具バーの前方端部に（もしくは、その近くに）配置され得る。
【００３０】
いくつかの実施形態によれば、歪みゲージは、ワークピースに対する半径方向の工具バーの曲げを示す歪みを測定するように適合されており、または、ワークピースに対する接線方向の工具バーの曲げを示す歪みを測定するように適合され得る。
【００３１】
ワークピースに対する半径方向は、切削工具が内部ターニングに関して用いられるかまたは外部ターニングに関して用いられるかに応じて、ワークピースの中心に向けての方向であるか、または、ワークピースの中心から離れる方向であることが可能である。ワークピースに対する接線方向は、切れ刃と接触しているときに、切れ刃と相互作用するワークピースの表面がターニングの間に移動している方向であることが可能である（すなわち、ターニングの間のワークピースの回転運動に対して接線方向の方向）。切削工具がまだターニングマシンの中に装着されていない場合には、ワークピースに対する半径方向および接線方向は、たとえば、どこに切れ刃が配置されるかということ、および、どのように切れ刃が配向されるかということをチェックすることによって、識別され得る。たとえば、切れ刃は、ターニングの間に、特定の方向（または、ワークピースに対する配向）に、ワークピースと相互作用するように適合され得る。
【００３２】
特定の方向の工具バーの曲げは、工具バーがそこから離れるように曲がっている、工具バーの側部（または、表面）において、歪みを引き起こすことが可能である。歪みゲージは、たとえば、その側部（または、表面）に配置され得る。
【００３３】
歪みゲージは、たとえば、ターニングの間に工具バーが曲がることとなる半径方向の反対側の工具バーの側部に配置され得る。歪みゲージは、たとえば、ターニングの間に工具バーが曲がることとなる接線方向の反対側の工具バーの側部に配置され得る。
【００３４】
半径方向の曲げを示す歪みは、たとえば、（たとえば、半径方向の加速度と組み合わせて）半径方向の切れ刃の撓みを推定するために用いられ得る。接線方向の工具バーの曲げを示す歪みは、たとえば、（たとえば、接線方向の加速度と組み合わせて）接線方向の切れ刃の撓みを推定するために用いられ得る。
【００３５】
いくつかの実施形態によれば、切削工具は、それぞれの方向の工具バーの曲げを示す、工具バーにおける歪みを測定するように配置されている歪みゲージを含むことが可能である。切削工具は、それぞれの方向の工具バーまたは切削ヘッドにおける加速度を測定するように配置されている加速度計を含むことが可能である。加速度計は、歪みゲージよりも切れ刃の近くに配置され得る。
【００３６】
加速度が測定される方向は、たとえば、歪みゲージによって測定される歪みを介してモニタリングされる工具バーの曲げ方向と一致することが可能である。それぞれの方向の切れ刃の撓みは、たとえば、互いに独立して推定され得る。
【００３７】
加速度計および歪みゲージによってモニタリングされる方向が一致しないケースでは、測定される加速度は、たとえば、（たとえば、三角法の計算を介して）歪みゲージによってモニタリングされる工具バーの曲げ方向の加速度に変換され得る。
【００３８】
第２の態様によれば、ターニングマシンが提供される。ターニングマシンは、第１の態様の実施形態のいずれかに定義されているような切削工具を含む。
【００３９】
ターニングマシンは、たとえば、旋盤であることが可能である。
【００４０】
ターニングマシンは、たとえば、ワークピースを回転させるように配置され得る。ターニングマシンは、たとえば、ワークピースを回転させるためのスピンドルを含むことが可能である。
【００４１】
いくつかの実施形態によれば、ターニングマシンは、歪みゲージおよび加速度計からの出力に基づいて、切れ刃の撓みを推定するように構成されている処理セクション（または、プロセッサー）を含むことが可能である。
【００４２】
処理セクションは、たとえば、１つもしくは複数の方向の撓み、および／または、撓みの全体的なサイズ／大きさを推定することが可能である。
【００４３】
処理セクションは、たとえば、時間間隔の間の平均撓み（それは、たとえば、撓みの静的な成分と称され得る）、および／または、時間間隔の間の最大撓みを推定することが可能である。
【００４４】
処理セクションによって推定された撓みは、たとえば、振動成分を含むことが可能である。
【００４５】
処理セクションは、たとえば、切れ刃の振動のスペクトルを推定することが可能である。
【００４６】
処理セクションは、たとえば、切れ刃の位置（すなわち、切れ刃が撓ませられているときの現実の位置）を推定することが可能である。
【００４７】
処理セクションは、たとえば、切削工具の中に一体化され得、または、切削工具から遠隔の場所に配置され得る。
【００４８】
第３の態様によれば、切削ヘッドの切れ刃の撓みを推定するための方法が提供される。方法は、切削工具を含むターニングマシンを提供することを含む。切削工具は、工具バーおよび切削ヘッドを含む。切削ヘッドは、工具バーに位置付けされている。方法は、ターニングの間に、工具バーにおける歪みを測定することを含む。方法は、ターニングの間に、工具バーおよび／または切削ヘッドにおける加速度を測定することを含む。方法は、測定された歪みおよび測定された加速度に基づいて、切れ刃の撓みを推定することを含む。
【００４９】
第１の態様による切削工具の特徴および、第２の態様によるターニングマシンの特徴に関して上で提示されている利点は、全体的に、第３の態様による方法の対応する特徴に関して有効であり得る。
【００５０】
撓みの推定は、たとえば、リアルタイムで（すなわち、ターニングの間に）実施され得、または、いくらか後の時点において実施され得る。
【００５１】
いくつかの実施形態によれば、切れ刃から歪みが測定される位置への距離は、切れ刃から加速度が測定される位置への距離よりも長くなっていることが可能である。
【００５２】
いくつかの実施形態によれば、撓みを推定することは、測定された歪みに基づいて、第１の周波数範囲における切れ刃の撓みを推定することを含むことが可能である。第１の周波数範囲は、静的な撓み、および、第１の周波数までの周波数を有する振動を含むことが可能である。撓みを推定することは、測定された加速度に基づいて、第２の周波数範囲における切れ刃の撓みを推定することを含むことが可能である。第２の周波数範囲は、第１の周波数と少なくとも同程度の高さの第２の周波数を上回る周波数を有する振動を含むことが可能である。
【００５３】
上に説明されているように、歪みゲージからの出力は、静的な撓みおよび低周波数振動（すなわち、第１の周波数範囲）を推定するのにより良好に適しており、一方、加速度計からの出力は、高周波数振動（すなわち、第２の周波数範囲）を推定するのにより良好に適している。一緒になって、第１および第２の周波数範囲における切れ刃の推定された撓み成分は、切れ刃の全体的な撓みのより完全な像を提供する。そのような全体的な撓みは、たとえば、ターニングの間にモニタリングされ、機械加工プロセスのパラメーターをいつ修正する（たとえば、切削の深さを補償し、回転の速度を調節し、および／または、送り速度を調節する）べきかということを検出することが可能であり、または、ターニングが完了した後に分析され、（たとえば、マシンコントローラーの上でプログラムされるような）所望の直径と実現された直径との間の偏差を検出することが可能であり、および／または、（たとえば、高過ぎる振幅を有する特定の周波数範囲の振動に起因して）欠陥またはより低い表面品質の領域が位置付けされる可能性が最も高いワークピースの部分を検出することが可能である。
【００５４】
加速度および歪みが、たとえば、同時に測定され得るということ、および、これらの測定から収集されたデータが、次いで、上に説明されているように、それぞれの推定を実施するために用いられ得るということが認識されることとなる。
【００５５】
いくつかの実施形態によれば、撓みを推定することは、測定された歪みおよび測定された加速度に基づいて、第３の周波数範囲における撓みを推定することを含むことが可能である。第３の周波数範囲は、第１の周波数と第２の周波数との間の周波数を有する振動を含むことが可能である。
【００５６】
測定された歪みおよび測定された加速度の両方が、第１の周波数と第２の周波数との間の周波数を有する振動についてのいくらかの情報を提供するが、そのような振動は、これらの２つのタイプの測定のうちの１つのみに基づいて正確に推定することが困難である可能性がある。測定される歪みおよび測定される加速度は、第３の周波数範囲において互いに補完し、その周波数範囲における撓みが、より正確におよび／またはよりロバストに推定され得るようになっている。測定ノイズの影響が、たとえば低減され得る。
【００５７】
いくつかの実施形態によれば、方法は、ターニングの前に切削工具における加速度を測定することを含むことが可能である。方法は、ターニングの前に測定された加速度に基づいて、切削工具の配向を推定することを含むことが可能である。少なくとも１つの加速度計は、ターニングの前およびターニングの間の両方における加速度を測定するために用いられ得る。換言すれば、同じ加速度計が、２つの異なるタイプの推定、すなわち、配向の推定および撓みの推定のために用いられ得る。
【００５８】
切れ刃の配向における小さい偏差でも、機械加工精度を許容可能なレベルの下へ低減させることが可能である。切れ刃の配向は、たとえば、切削工具の配向の知識を介して決定され得る。いくつかの切削工具は、平面的な表面を有しており、切削工具が正しい配向に装着されたことをチェックするために、水準器がその上に設置され得る。ターニングの間の切れ刃の撓みを推定するために用いられるものと同じ加速度計の使用は、適正な配向に切削工具を装着または配向させることを促進させる。
【００５９】
加速度計は、たとえば、工具バーまたは切削ヘッドの中に一体化され得、ターニングの間の切れ刃とワークピースとの相互作用の間に生成される切屑から保護されるようになっている。
【００６０】
ターニングの前に、工具バーが撓ませられていないときに、工具バーは、たとえば、軸線に沿って延在することが可能である。工具バーが真っ直ぐになっていない可能性がある場合でも、工具バーのメイン部分は、たとえば、軸線に沿って少なくとも実質的に延在することが可能である。処理セクションは、たとえば、ターニングの前に測定された加速度に基づいて、軸線に関する切削工具の回転配向を推定するように配置され得る。軸線は、たとえば、水平方向になっていることが可能である。軸線は、たとえば、ターニングマシンによって回転させられることとなるワークピースの回転の軸線に対して平行になっている（または、直交している）ことが可能である。
【００６１】
本開示の実施形態は、特許請求の範囲に記載されている特徴のすべての可能な組み合わせに関するということが留意される。さらに、第１の態様による切削工具、または、第２の態様によるターニングマシンに関して説明されているさまざまな実施形態は、第３の態様による方法の実施形態とすべて組み合わせ可能であるということが認識されることとなる。
【００６２】
以下では、例示的な実施形態が、より詳細に添付の図面を参照して説明されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】実施形態による切削工具の斜視図である。
【図２】実施形態による、図１に示されている切削工具を含むターニングマシンの斜視図である。
【図３】図１に示されている切削工具が受け得る歪みを示す図である。
【図４】実施形態による、切れ刃の撓みを推定する方法のフローチャートである。
【図５】切れ刃の撓みを推定するために用いられる処理ステップの概観である。
【図６】異なるセンサータイプが切れ刃の撓みを推定するために用いられ得る周波数範囲を示す図である。
【図７】図１に示されている切削工具の線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
すべての図は、概略的なものであり、一般的に、それぞれの実施形態を解明するために必要なパーツのみを示しており、一方、他のパーツは、省略されているかまたは単に示唆されている可能性がある。
【００６５】
図１は、実施形態による切削工具１００の斜視図である。切削工具１００は、ターニングと呼ばれる周知の機械加工プロセスに適合された切削工具である。切削工具１００は、工具バー１１０（それは、ターニングバー１１０とも称され得る）、切削ヘッド１２０、歪みゲージ１３０、および加速度計１４０を含む。切削ヘッド１２０は、工具バー１１０に位置付けされており、切れ刃１２１を有している。歪みゲージ１３０は、工具バー１１０における歪みを測定するように配置されている。加速度計１４０は、工具バー１１０における加速度、または、切削ヘッド１２０における加速度を測定するように配置されている。加速度計１４０は、歪みゲージ１３０よりも切れ刃１２１の近くに配置されている。下に説明されることとなるように、切削工具１００は、たとえば、複数の歪みゲージ１３０〜１３３および複数の加速度計１４０を含むことが可能である。
【００６６】
工具バー１１０は、細長いエレメントまたは細長い部材である。本実施形態では、工具バー１１０は、（工具バー１１０が切削力に起因して曲げられていないときには）軸線１１１に沿って延在する円筒形状のエレメントである。切削ヘッド１２０は、工具バー１１０の一方の端部に配置または装着されている。また、切削ヘッド１２０が、工具バー１１０の端部の近く、たとえば、ダンパー（図１には示されていない）の後ろに配置されているという実施形態も想定され得る。また、工具バー１１０のメイン部分（または、メインパーツ）が、軸線１１１に沿って延在しているが、一方、工具バー１１０の他の部分（またはパーツ）が、湾曲しているか、または、軸線に対して所定の角度に配置されているという実施形態も想定され得る。
【００６７】
本実施形態では、マシンインターフェース１５０は、切削ヘッド１２０の反対側にある工具バー１１０の端部に配置されており、ターニングマシンの中に切削工具１００を装着するように適合されている。切れ刃１２１は、切削ヘッド１２０に装着されているインサート（または、切削インサート）の中に位置付けされている。切れ刃１２１は、ワークピースから材料（たとえば、金属）を切除するように適合されている。
【００６８】
切削工具１００は、外部ターニングのために用いられ得、外部ターニングでは、ワークピースの外部表面から材料が除去される。切削ヘッド１２０は工具バー１１０の端部に位置付けされているので、切削工具１００は、内部ターニングのために用いられることも可能であり、内部ターニングでは、ワークピースの内部表面（たとえば、ワークピースの孔部の中）から、材料が除去される。内部ターニングは、ボーリングと呼ばれる場合もある。また、工具バー１１０が両端部にマシンインターフェース１５０を有しており、切削ヘッド１２０が、工具バー１１０に沿って、たとえば、工具バー１１０の中間に位置付けされているという実施形態も想定され得る。しかし、切削ヘッド１２０が工具バー１１０の端部の近くに設置されていないというそのような実施形態は、図１を参照して説明されている実施形態ほど、内部ターニングに関して適切でない可能性がある。いくつかの実施形態では、切削ヘッド１２０は、工具バー１１０に装着されている（または、取り付けられている）というよりもむしろ、工具バー１１０と一体化され得る。換言すれば、切削ヘッド１２０は、工具バー１１０の一体化されたパーツであることが可能である。
【００６９】
工具バー１１０は、たとえば、スチールなどのような金属、炭素繊維、および／または超硬合金を含むことが可能である。切削ヘッド１２０は、たとえば、スチール、チタン、および／またはアルミニウムなどのような、金属を含むことが可能である。切れ刃１２１は、たとえば、超硬合金を含むことが可能である。切削工具１００、工具バー１１０、切削ヘッド１２０、および／または切れ刃１２１は、たとえば、金属切削に適合され得る。
【００７０】
本実施形態では、工具バー１１０は、比較的に長く、ワークピースの比較的に深い孔部の中のターニングを実施することができるようになっている。工具バー１１０は、たとえば、長さＬを有することが可能であり、長さＬは、工具バー１１０の直径Ｄの少なくとも５倍、１０倍、１５倍、または２０倍になっている。工具バー１１０がそのように長いので、工具バー１１０は、より短い工具バーよりもターニングの間に容易に曲がる。工具バー１１０が曲がるときには、切れ刃１２１がその静止位置から撓ませられる。したがって、高精度のターニングを提供するために、切れ刃１２１の撓みを推定することが望ましい可能性がある。下に説明されることとなるように、歪みゲージ１３０および加速度計１４０は、この撓みを推定するために用いられ得る。
【００７１】
歪みゲージ１３０は、たとえば、歪みゲージ抵抗器、圧電センサー、または力変換器に基づくことが可能である。歪みゲージ１３０は、たとえば、光学的な歪みゲージ、または弾性表面波（ＳＡＷ）歪みセンサーであることが可能である。
【００７２】
加速度計１４０は、たとえば、アナログまたはデジタル加速度計であることが可能である。運動を推定するために用いられ得る他のタイプのセンサーと比較して、切削工具１００の中での使用に適切なサイズおよび耐久性を備えた加速度計は、比較的に製造しやすい可能性がある。
【００７３】
本実施形態では、加速度計１４０は、工具バー１１０の内部に位置付けされている。したがって、加速度計１４０は、機械加工の間に生成される金属切屑から保護されている。また、加速度計１４０が、工具バー１１０の外部表面に沿って、または、切削ヘッド１２０の内部に位置付けされているという実施形態も想定され得る。
【００７４】
本実施形態では、歪みゲージ１３０は、工具バー１１０の外部表面の上に位置付けされている。また、歪みゲージ１３０が工具バー１１０の内部に位置付けされているという実施形態も想定され得る。工具バー１１０は、たとえば、超硬合金のリングによって取り囲まれている中心に位置付けされた金属ロッド（たとえば、スチールを含む）を含むことが可能である。超硬合金は、比較的に低い引張強度を有することが可能であるので、金属ロッドは、超硬合金のリングを軸線方向１１１に圧縮するために用いられ得る。歪みゲージ１３０は、たとえば、リングの内部表面もしくは外部表面に、または、金属ロッドの外部表面に配置され得る。
【００７５】
加速度計１４０からの出力は、たとえば、ワイヤレスに、または、ワイヤー１６０を介して、処理セクション１７０へ送信され得る。処理セクション１７０は、たとえば、（たとえば、マシンインターフェース１５０において、または、加速度計１４０の近くに）切削工具１００自身の中に位置付けされ得るか、または、切削工具１００の外側のどこかの場所に位置付けされ得る。同様に、歪みゲージ１３０からの出力は、たとえば、ワイヤレスに、または、ワイヤー１８０を介して、処理セクション１７０へ送信され得る。
【００７６】
切削工具１００は、たとえば、加速度計１４０、歪みゲージ１３０、および処理セクション１７０に給電するためのバッテリー（図示せず）または何らかの他の内部電源を含むことが可能である。切削工具１００は、たとえば、加速度計１４０、歪みゲージ１３０、および処理セクション１７０に給電するための外部電源に接続されるように適合され得る。
【００７７】
図２は、実施形態による、図１を参照して説明されている切削工具１００を含むターニングマシン２００の斜視図である。切削工具１００は、軸線１１１が水平方向になるように装着されている。ターニングマシン２００は、歪みゲージ１３０および加速度計１４０によって提供される出力に基づいて、切れ刃１２１の撓みを推定するように適合されている。ターニングマシン２００は、たとえば、処理セクション２１０を含むことが可能であり、処理セクション２１０は、歪みゲージ１３０および加速度計１４０によって提供される出力に基づいて、切れ刃１２１の撓みを推定するように構成されている。処理セクション２１０は、たとえば、切削工具１００の中に位置付けされ得るか（処理セクション２１０は、たとえば、図１を参照して説明されている処理セクション１７０と一致することが可能である）、または、ターニングマシン２００の何らかの他のパーツの中に位置付けされ得る。
【００７８】
ターニングマシン２００は、ワークピース２３０を回転させるためのスピンドル２２０を含む。切削工具１００は、マシンインターフェース１５０を介して装着されており、ワークピース２３０が回転するときにワークピース２３０から材料を切除するために、切削工具１００がワークピース２３０に向けて移動させられ得る（または、並進させられる）ようになっている。工具バー１１０および切れ刃１２１は、ターニングマシン２００の動作の間に回転しない。本実施形態では、ワークピース２３０は、孔部２３１を有しており、切削工具１００は、孔部２３１を拡張するために材料を切除することが可能である。
【００７９】
ターニングマシン２００は、通信インターフェース２４０を含むことが可能であり、通信インターフェース２４０は、推定された撓みを示す信号伝達を提供するように構成されている。通信インターフェース２４０によって提供される信号伝達は、ワイヤード信号またはワイヤレス信号を介して（たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈを介して）、遠隔に位置付けされているデバイス２５０へ提供され得、デバイス２５０は、推定された撓みをユーザーに示すためのユーザーインターフェースを有している。推定された撓みは、たとえば、リアルタイムでスクリーンの上に示され得る。デバイス２５０は、たとえば、機械加工の間の撓みを処理または分析することが可能であり、また、機械加工の後に、機械加工の間に起こった撓みの概観を提示することが可能である。たとえば、デバイス２５０は、機械加工された表面が通常よりも低い品質または低い精度のものとなることが、振動によって引き起こされた可能性のある、ワークピース２３０の領域を示すことが可能である。デバイス２５０は、たとえば、パーソナルコンピューターまたはハンドヘルド式デバイス、たとえば、モバイルフォンまたはタブレットコンピューターなどであることが可能である。
【００８０】
通信インターフェース２４０は、ワイヤレスに、または、ワイヤード接続を介して、処理セクション２１０と通信することが可能である。いくつかの実施形態では、処理セクション２１０および／または通信インターフェース２４０は、切削工具１００の中に位置付けされ得る（または、一体化され得る）。
【００８１】
ターニングマシン２２０は、ユーザーインターフェース２６０を含むことが可能であり、ユーザーインターフェース２６０は、推定された撓みをユーザーに示すように構成されている。ユーザーインターフェース２６０は、たとえば、推定された撓みをユーザーに視覚的に伝えるように配置されたスクリーンであるか、または、撓みが高過ぎる（たとえば、許容レベルよりも高い）ときに音を介して信号伝達するためのオーディオインターフェースであることが可能である。ユーザーインターフェース２６０は、たとえば、切削工具１００の振動（または、びびり）が高過ぎる振幅を有しているときをユーザーに示し、また、切削工具１００の送り速度またはワークピース２３０の回転速度が修正されるべきであるということをユーザーに示すことが可能である。
【００８２】
ターニングマシン２００は、たとえば、歪みゲージ１３０および／または加速度計１４０からの出力、および／または、推定された撓みを記憶するためのメモリーまたはデータストレージ（図示せず）を含むことが可能であり、このデータのその後の分析を可能にするようになっている。そのようなデータは、代替的に、クラウドストレージなどのようなリモートデータストレージの中に記憶され得る。
【００８３】
また、歪みゲージ１３０および加速度計１４０からの出力が、通信インターフェース２４０によって外部デバイス２５０へ提供されるという実施形態も想定され得る。外部デバイス２５０は、たとえば、受信されたセンサー出力に基づいて、切れ刃１２１の撓みを推定することが可能である。そのような実施形態では、ターニングマシン２００が歪みゲージ１３０および加速度計１４０によって提供される出力を処理する必要がなく、または、切れ刃１２１の撓みを推定する必要がない可能性がある。
【００８４】
図３は、図１を参照して説明されている切削工具１００が機械加工の間に受け得る接線方向の歪み（すなわち、１つの方向のみの歪み）を示している。簡単にするために、切削工具１００の工具バー１１０における歪みのみが、図３に示されている。図３では、より濃い色は、より高い歪みを意味している。歪みは、工具バー１１０の一方の側において引っ張りの形態であり、工具バー１１０の反対側において圧縮の形態であることとなる。
【００８５】
本実施形態では、ワークピース２３０は、ターニングマシン２００の中で時計回りに回転させられる。切れ刃１２１が、回転しているワークピース２３０と相互作用するときに、切れ刃１２１は、接線方向に下向きに方向付けられた力、および、ワークピース２３０の回転の中心に向けて半径方向に方向付けられた力を受ける。接線方向の力は、工具バー１１０がわずかに下向きに曲がることを引き起こし、切れ刃１２１が下向きに撓ませられるようになっている。この下向きの曲げによって引き起こされる歪みが、図３に示されている。切削力の半径方向の成分は、バーが半径方向に曲がることを引き起こす。切削力は、接線方向の撓みおよび半径方向の撓みの両方を発生させる。
【００８６】
工具バー１１０の異なる部分は、他の部分よりも多く曲がる。したがって、歪みは、そのような部分において、より大きくなっている。歪みが大きい部分は、より少ない歪みを受ける部分よりも、切れ刃１２１の撓みの推定に適切である。その理由は、そこでは、信号対雑音比がより高いからである。換言すれば、歪みゲージ１３０は、最大の歪みを受けやすい工具バー１１０の特定の部分に位置付けされ得る。どのように切れ刃１２１の撓みが歪みに依存するかということは、それぞれの切削工具１００に関して、および、工具バー１１０に沿ったそれぞれの位置に関して、特有である可能性がある。下に説明されているように、この依存性は、切削工具１００がターニングマシン２００の中に装着されたときに決定され得る。
【００８７】
マシンインターフェース１５０の近くに位置付けされている工具バー１１０の部分１１２は、とりわけ高い歪みを受ける。したがって、歪みゲージ１３０は、その部分１１２に設置され得る。換言すれば、歪みゲージ１３０は、マシンインターフェース１５０の近くの工具バー１１０の後端部に設置され得る。歪みゲージ１３０のこの設置によって、歪みゲージ１３０から切れ刃１２１への距離Ｄ１は、歪みゲージ１３０からマシンインターフェース１５０への距離Ｄ２よりも大きくなっている。実際に、歪みゲージ１３０から切れ刃１２１への距離Ｄ１は、歪みゲージ１３０からマシンインターフェース１５０への距離Ｄ２よりも、２倍、３倍、４倍、５倍、または１０倍長くなっていることが可能である。
【００８８】
工具バー１１０は、均質である必要はない。工具バー１１０の半径、および／または、工具バー１１０の材料は、工具バー１１０に沿って変化することが可能である。これは、工具バー１１０の剛性が変化することを引き起こすことが可能である。本実施形態では、ダンパー（図示せず）が、振動を緩和するために、マシンインターフェース１５０の最も近くに位置付けされている工具バー１１０の半分の位置に配置されている。工具バー１１０に沿って特定の場所１１４（または、境界１１４）が存在しており、そこで、ダンパーが終了し、工具バー１１０のより硬い部分が開始する。換言すれば、その場所１１４において、より低い剛性とより高い剛性との間の移行が存在している。（剛性がより低い側における）境界１１４の近くの領域１１３は、比較的に高い歪みを受けている。したがって、歪みゲージ１３１が、歪みゲージ１３０を補足するものとして、または、歪みゲージ１３０の代わりに、その領域１１３に設置され得る。領域１１３における歪みゲージ１３１のこの設置によって、歪みゲージ１３１から切れ刃１２１への距離Ｄ３は、歪みゲージ１３１から境界１１４への距離Ｄ４よりも長くなっており、境界１１４において、工具バー１００の剛性は、より低い値からより高い値へ移行している。実際に、歪みゲージ１３１から切れ刃１２１への距離Ｄ３は、歪みゲージ１３１から境界１１４への距離Ｄ４の２倍、３倍、４倍、５倍、または１０倍の長さであることが可能である。
【００８９】
本実施形態では、加速度計１４０は、切れ刃１２１の近くの工具バー１１０の前方端部に配置されている。加速度計１４０のこの設置によって、加速度計１４０からマシンインターフェース１５０への距離Ｄ５は、加速度計１４０から切れ刃１２１への距離Ｄ６よりも長くなっている。実際に、加速度計１４０からマシンインターフェース１５０への距離Ｄ５は、加速度計１４０から切れ刃１２１への距離Ｄ６の２倍、３倍、４倍、５倍、１０倍、２０倍、または１００倍の大きさであることが可能である。また、推定された撓みの正確性を改善するために、加速度は切れ刃の近くで測定されることが好ましいが、加速度計１４０が切れ刃１２１からさらに離れるように位置付けされるという実施形態も想定され得る。
【００９０】
本実施形態では、加速度計１４０は、切削ヘッド１２０の近くの位置において、工具バー１１０の中に一体化されている。また、加速度計が切削ヘッド１２０の中に（たとえば、切れ刃１２１が提供されているインサートの中に）一体化されているという実施形態も想定され得る。
【００９１】
下向きの（すなわち、ワークピース２３０に対して接線方向の）切れ刃１２１の撓みを推定するために、歪みゲージ１３０および１３１は、工具バー１１０の上部に配置されており、そこでの表面における歪みを測定するようになっている。換言すれば、歪みゲージ１３０および１３１は、ワークピース２３０に対する接線方向の工具バー１１０の曲げを示す歪みを測定するように適合されている。そのような歪みゲージ１３０および１３１からの測定は、接線方向の、すなわち、下向きの切れ刃の撓みを推定するために、接線方向に測定される加速度とともに用いられ得る。
【００９２】
同様に、歪みゲージ１３２および１３３は、工具バー１１０の側部に配置され得、ワークピース２３０の半径方向（このケースでは、水平方向である）の切れ刃の撓みを推定するようになっている。換言すれば、歪みゲージ１３２および１３３は、ワークピース２３０に対する半径方向の工具バー１１０の曲げを示す歪みを測定するように適合されている。そのような歪みゲージ１３２および１３３からの測定は、半径方向の、すなわち、水平方向の切れ刃の撓みを推定するために、同じ半径方向に測定される加速度とともに用いられ得る。
【００９３】
また、工具バー１１０が曲がるときに伸ばされる工具バー１１０の表面の上の歪み、および、工具バー１１０が曲がるときに圧縮される表面の上の歪みの両方を測定するために、歪みゲージが工具バー１１０の４つの側部に配置されているという実施形態も想定され得る。
【００９４】
図７を参照して下に説明されることとなるように、加速度は、必ずしも、半径方向および接線方向に測定されることが必要であるわけではない。加速度が２つの異なる方向に測定される限りにおいて（２つの方向が、互いからおよび軸線１１１から線形に独立している必要があり、２つの方向の間の角度が、既知である必要がある）、半径方向および接線方向の加速度は、三角法を介してコンピューター計算され得る。
【００９５】
撓みが半径方向および接線方向の両方に推定されるべきである場合には、加速度および歪みの両方が、少なくとも２つの方向に測定される必要がある。
【００９６】
図４は、実施形態による、切れ刃１２１の撓みを推定するための方法４００のフローチャートである。方法４００は、ターニングマシン２００を提供すること４１０と、ターニングの間の工具バー１１０における歪みを測定すること４２０と、ターニングの間の工具バー１１０における加速度または切削ヘッド１２０における加速度を測定すること４３０とを含むことが可能である。また、方法４００は、測定された歪みおよび測定された加速度に基づいて、切れ刃１２１の撓みを推定すること４４０を含む。どのように撓みが推定されるかということが、ここで、図５および図６を参照して下に説明されることとなる。
【００９７】
ターニングマシン２００の動作の間に、切削力は、工具バー１１０（および、それによって、切れ刃１２１）が半径方向および接線方向に撓むことを引き起こす。切削力は、ワークピース２３０の材料の変形、および、材料の切屑の形成によって引き起こされる、大きい準定常の（または、ゆっくりと変化する）パーツを有している。これは、工具バー１１０（および、したがって、切れ刃１２１も）が半径方向および接線方向（ｘ方向およびｙ方向とも称される）に撓むことを引き起こす。長い工具バー１１０は、長手方向の中心軸線１１１（ｚ軸とも称される）から離れるように数ミリメートル撓むことが可能である。それに加えて、切削力は、切屑分断、材料の不均質性などに起因して、時間とともに変化するが、この変化は、主切削力と比較して小さい。時間的に変化する小さい切削力は、工具バー１１０（および、それによって、切れ刃１２１）が、定常の撓みと比較して小さい振幅を伴って振動することを引き起こすこととなる。定常の（または、ゆっくりと変化する）撓みは、機械加工される孔部２３１の中に形態誤差を引き起こす可能性があり、一方、振動は、表面品質およびテクスチャーに影響を与える可能性がある。
【００９８】
切れ刃１２１の合計撓み（または、切れ刃１２１の位置）を推定するために、小さい振動が、大きい定常の撓みに加えて測定される。これを行うために、２つの異なるタイプの測定が用いられ、そのそれぞれは、異なる利点および測定レジメを有している。測定タイプは、両方とも不利点を有しており、それは、測定のタイプのうちの１つのみによって、必要とされる情報を取り出すことを困難にする。
【００９９】
第１のタイプの測定は、大きい撓みおよびゆっくりと変化する切削力をターゲットにしており、歪みゲージ１３０〜１３３を使用し、工具バー１１０における撓みにより誘発される歪みを測定する。第２のタイプの測定は、切削工具１００の前方端部に装着されている加速度計１４０を用い、加速度を測定する。次いで、撓ませられた中央位置からの時間的に変化する偏差が、測定された加速度に基づいて計算される。
【０１００】
切削力に起因する工具バー１１０の応答は、その周波数応答によって説明され得る。周波数応答は、工具バー１１０の動的特性（すなわち、どのように、工具バー１１０が異なる周波数の切削力に応答するかということ）を説明し、剛性、質量分布、内部ダンピングなどに依存する。静的な力に関して、および、ゆっくりと変化する力に関して、工具バー１１０の撓みδおよび工具バー１１０の表面の歪みε（たとえば、歪みゲージ１３０が配置されている場所における歪み）の両方は、印加される力に直接的に比例しており、したがって、また、以下の関係にしたがって互いに比例している。
δ＝ｋδε
比例定数ｋδは、工具バー１１０に力を印加することによって、および、結果として生じる撓みδを歪みゲージ１３０からの信号と比較することによって決定され得る。比例定数ｋδは、たとえば、切削工具１００がターニングマシン２００に装着された後に決定され得る。その理由は、定数ｋδが、どのように切削工具１００が特定のターニングマシン２００に装着されているかということに依存し得るからである。
【０１０１】
歪み信号εは、通常、非常に小さく、歪み信号εは、典型的に、電子機器からのノイズおよび熱影響などを含有することとなり、ノイズおよび熱影響などは、最小の検出可能な歪み、または、歪み感度を制限する。したがって、ローパスフィルタリングが、意図される用途に関して所望の正確性を取得するために（すなわち、切れ刃１２１の撓みを推定するために）必要である。
【０１０２】
より高い周波数において、歪み信号εは、あまり有用ではなく、これに関して、少なくとも２つの理由が存在する。１つの理由は、切削工具１００の動力学、および、多くの振動モードの存在に起因して、撓みと歪みとの間に簡単な関係が存在しないからである。別の理由は、歪み測定の感度があまりに低いため、より高い周波数において存在している小さい振動を検出する（または、区別する）ことができないということである。信号対雑音比は、高い周波数に関して、単に低過ぎる。その代わりに、切削工具１００の前方パーツの加速度が測定され、これから、振動（たとえば、振動振幅）が、より高い周波数において推定され得る。加速度を使用して変位を推定することは、フィルタリングおよび積分の両方を伴う。低周波数ノイズおよびドリフトが信号を支配し、分解能を制限することとなるので、ハイパスフィルタリングが必要である。したがって、加速度計１４０からの出力のみに基づいて、切れ刃１２１の静的でゆっくりと変化する撓みを見出すことは困難であることとなる。
【０１０３】
図５は、切れ刃１２１の撓みを推定するために、どのように２つのタイプの測定が組み合わせられ得るかということの概観を示している。加速度計１４０からの出力５０１は、２つの積分５０２および５０３を受け、ハイパスフィルタリング５０４がそれに続く。歪みゲージ１３０からの出力５０５は、比例定数ｋδを掛けられ５０６、ローパスフィルタリング５０７を受ける。ローパスフィルタリング５０７は、比例定数ｋδによる乗算５０６の前または後に実施され得るということが認識されることとなる。同様に、ハイパスフィルタリング５０４は、たとえば、積分５０２および５０３の前もしくは後に実施され得、または、２つの段階に分割され、それぞれの積分５０２および５０３の後に１つが実施され得る。次いで、２つのフィルタリングされた信号５０８および５０９が、組み合わせられ５１０、全体的な撓みの推定５１１を提供する。フィルタリングされた信号５０８および５０９は、たとえば、加算によって、すなわち、信号を合計することによって、組み合わせられ得る５１０。ハイパスフィルタリング５０４およびローパスフィルタリング５０７は、たとえば、加算５１０の前に、信号の重み付けを提供するために用いられ得る。
【０１０４】
ハイパスフィルター５０４およびローパスフィルター５０７のカットオフ周波数および周波数ロールオフ性質は、推定される撓みの正確性が可能な限り良くなるように選ばれる。とりわけ、多くの内部ターニング動作において（すなわち、切れ刃１２１がワークピース２３０の内部表面から材料を切削することを、ターニングマシン２００が引き起こすとき）魅力的な選択は、フィルター５０４および５０７に関するカットオフ周波数をワークピース３２０の回転速度と同期させるということである。このケースでは、中央撓み（または、定常の撓み）、ワークピース３２０コニシティー（ｃｏｎｉｃｉｔｙ）および楕円率が、歪み信号５０５から推定され、一方、びびり、切屑の詰まりからの衝撃、および、他の工具振動が、加速度計信号５０１から推定される。
【０１０５】
センサー出力が異なる周波数範囲において重み付けされることを、どのようにハイパスフィルタリング５０４およびローパスフィルタリング５０７が引き起こすことができるかということの例が、図６に示されている。図６では、垂直軸は、重みＷを示しており、水平軸は、周波数をＨｚで示している。
【０１０６】
第１の周波数範囲における切れ刃１２１の撓みは、測定された歪み５０５に基づいて推定され得る。第１の周波数範囲は、静的な（または、中央の）撓み、および、第１の周波数ｆ１までの周波数を有する振動を含む。歪みデータのローパスフィルタリング５０７は、曲線６０１によって図６に図示されている。
【０１０７】
第２の周波数範囲における切れ刃の撓みは、測定された加速度５０１に基づいて推定され得る。第２の周波数範囲は、第１の周波数ｆ１と少なくとも同程度の高さの第２の周波数ｆ２を上回る周波数を有する振動を含む。加速度計データ５０１を使用して取得されるデータのハイパスフィルタリング５０４は、曲線６０２によって図６に図示されている。
【０１０８】
第３の周波数範囲における切れ刃１２１の撓みは、測定された歪み５０５および測定された加速度５０１の両方に基づいて推定され得る。第３の周波数範囲は、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との間の周波数を有する振動を含む。曲線６０１および６０２によって示されているように、ハイパスフィルター５０４およびローパスフィルター５０７は、この領域において重なり合い、この第３の周波数範囲における推定された撓みが、２つのフィルタリングされた信号５０８および５０９の総和の形態の重み付けされた組み合わせとなるようになっている。
【０１０９】
本例では、第１の周波数ｆ１は７Ｈｚであり、一方、第２の周波数ｆ２は３０Ｈｚである。第１および第２の周波数ｆ１およびｆ２は、たとえば、ワークピース３２０の回転の速度に基づいて選ばれ得る。たとえば、ワークピースが毎秒１０回転の速度（すなわち、１０Ｈｚ）で回転する場合には、第１の周波数ｆ１が、１０Ｈｚの上方に選ばれ得、ワークピース３２０の回転と同じ周波数範囲における撓み成分が、加速度計１４０からの出力の代わりに、歪みゲージ１３０からの出力に基づいて推定されるようになっている。
【０１１０】
歪みゲージ１３０〜１３３によって測定される歪みは、たとえば、範囲０〜２０Ｈｚにおける撓みの推定に関して用いられ得、一方、加速度計１４０によって測定される加速度は、たとえば、範囲１０〜１００Ｈｚにおける撓みの推定に関して用いられ得る。両方のタイプの測定が、たとえば、重なり合う周波数領域において用いられ、測定誤差の影響を低減させることが可能である。
【０１１１】
加速度計１４０は、たとえば、１６００Ｈｚ程度の速さでサンプリングされ得る。歪みゲージ１３０〜１３３のサンプルレートは、より低くてもよいが、たとえば、ワークピース３２０の回転の周波数の２倍にあることが可能であり、ワークピース３２０における楕円率偏差を検出することができるようになっている。
【０１１２】
推定された全体的な撓みは、たとえば、異なる周波数における振動の振幅および平均撓みを含む、撓みスペクトルの形態で提供され得る。特定の時点における切れ刃１２１の位置は、推定するのが困難であり得るとしても、全体的な撓みは、切れ刃１２１の中央撓みを示すことが可能であり、また、振動によって、切れ刃１２１が中央撓みからどれくらい遠くに移動させられるかということを示すことが可能である。
【０１１３】
特定のレベルを上回る振動振幅が検出されるか、または、特定の周波数バンドにある振動エネルギー／影響が検出される場合には、これは、たとえば、ワークピース３２０の表面品質が通常よりも低くなっている可能性があるということ、または、切れ刃１２１がその推奨される動作条件のウィンドウの外側で用いられているということを示している可能性がある。撓みがリアルタイムで推定される場合には、切削工具１００の送り速度、または、ワークピース３２０の回転の速度が、次いで、振動を低減させるように修正され得る。
【０１１４】
切れ刃１２１の撓みがリアルタイムでモニタリングされる場合には、切削工具１００の位置は、（たとえば、ＣＮＣインターフェースへのフィードバックを介して）マシン２００によって調節され、静的な（または、平均）撓みを補償することが可能である。
【０１１５】
切削プロセスは、ワークピース３２０の孔部２３１の内側で実施される場合には、視界から隠される可能性がある。したがって、オペレーターが切れ刃１２１の上で起こっていることを見分けることは困難である可能性がある。推定された撓みは、たとえば、いつ切削プロセスが実際に起こるかということ、すなわち、いつ切れ刃１２１がワークピース３２０に接触しており、材料を切除することができるかということを検出するために用いられ得る。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、撓みは、機械加工プロセスが完了した後に推定され得る。推定された撓みは、ワークピース３２０の異なる領域において取得された表面品質を推定するために用いられ得る。
【０１１７】
図１を参照して説明されている実施形態では、加速度計１４０は、アクセラレーターチップ１４０の形態で提供される。加速度計チップ１４０は、それぞれの方向の加速度を測定するために、１つまたは複数の加速度計（または、アクセラレーター回路）を含むことが可能である。
【０１１８】
加速度計チップ１４０は、切削工具１００（または、インサート１２１）から配向が偏位している可能性があるので、方法４００は、ターニングの前に加速度計チップ１４０をキャリブレートするためのステップを含むことが可能である。キャリブレーションステップは、たとえば、切削工具１００の製造または組み立ての間に実施され得る。キャリブレーションステップは、図７を参照して説明されることとなり、図７は、図１に示されている切削工具の線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。
【０１１９】
キャリブレーションの初期ステップとして、方法４００は、軸線１１１に関して基準回転配向φｒｅｆに切削工具１００を配置することを含むことが可能である。換言すれば、切削工具１００は、重力場ｇに関して、十分に定義された既知の配向φｒｅｆに設置されており、好ましくは、インサート１２１が水平方向の状態になっており、切削工具１００のマイナスのｘ方向に（すなわち、半径方向１３６において、φｒｅｆ＝０に）向いている。
【０１２０】
本実施形態では、加速度計チップ１４０は、２つの方向１４１および１４２の加速度を測定し、２つの方向１４１および１４２は、互いに対して、および、軸線１１１に対して垂直になっている。方向１４１および１４２は、それぞれ、チップ１４０のｙ軸１４１およびｘ軸１４２と称され得る。チップ１４０が切削工具１００の中に装着されているので、２つの方向１４１および１４２は、切削工具１００に対して固定されている。加速度計チップ１４０は、好ましくは、図７に示されているように、ｘ軸１４２が切削工具１００のｘ軸１４４に近い状態で、および、ｙ軸１４１が切削工具１００のｙ軸１４３に近い状態で、切削工具１００の中に配置され得る。
【０１２１】
方法４００は、チップ１４０によって提供される２つの方向１４１および１４２に基準加速度を測定することによって継続することが可能である。測定される加速度ＡｘｒｅｆおよびＡｙｒｅｆは、
Ａｘｒｅｆ＝ｇ  ｓｉｎ（φｒｅｆ−φ０）
Ａｙｒｅｆ＝ｇ  ｃｏｓ（φｒｅｆ−φ０）
として表現され得、ここで、φ０は、切削工具１００の中のチップ１４０の装着角度である。換言すれば、φ０は、加速度計ｘ軸１４２と工具ｘ軸１４４との間の角度である。これらの定義によって、工具軸線１１１は、マシン軸線と一致し、一方、半径方向１４６は、ここで、マイナスのｘ方向になっている。使用するときには、インサート１２１は、水平方向に関して方向φｒａｄに向いている。フラットベッド旋盤などのようなターニングマシンにおいて、φｒａｄ＝０を有することが望ましいことが多いが、一方、他のターニングマシンでは、φｒａｄ＝２４０度（または、４ｐ／３ラジアン）を有することが望ましい可能性もある。
【０１２２】
方法４００は、測定される基準加速度に基づいて、切削工具１００に対する加速度計チップ１４０の装着角度φ０を示すパラメーター値をコンピューター計算することによって継続することが可能である。たとえば、装着角度φ０自身は、次いで、以下を介して取得され得る。
2019534795.tif 000003
方法４００は、軸線１１１に関して新しい回転配向に切削工具１００を配置することによって継続することが可能である。これは、ターニングマシン２００を提供するステップ４１０に対応している。
【０１２３】
切れ刃１２１の撓みを推定４４０する上に説明されているステップは、また、パラメーター値φ０に基づくことが可能である。より正確には、半径方向１３６（水平方向）の加速度Ａｒａｄ、および、接線方向（垂直方向）の加速度Ａｔａｎが、以下の式を介してコンピューター計算される。
Ａｒａｄ＝−Ａｘｃｏｓφ０＋Ａｙｓｉｎφ０
Ａｔａｎ＝−Ａｘｓｉｎφ０−Ａｙｃｏｓφ０
ここで、Ａｘは、チップ１４０のｘ軸に沿った加速度であり（方向１４２に対応している）、Ａｙは、チップ１４０のｙ軸に沿った加速度である（方向１４１に対応している）。装着角度φ０が、キャリブレーション手順において決定されているので、式
2019534795.tif 000004
が、切削工具１００の回転配向φｒａｄを見出すために使用され得る。半径方向の切れ刃１２１の撓みは、対応する加速度Ａｒａｄ、および、その方向に測定された歪みに基づいて推定され得る。同様に、接線方向の切削ヘッド１２１の撓みは、対応する加速度Ａｔａｎ、および、その方向に測定された歪みに基づいて推定され得る。
【０１２４】
切削工具１００の据え付けの間に、切削工具１００の所望の配向が、切削工具１００に関する現在の配向の角度φｒａｄと所望の配向の角度との間の差をプロットすることによって取得され得る。切削工具１００は、所望の配向が取得されるまで回転させられ得る。
【０１２５】
歪みゲージ１３０〜１３３は、接線方向および半径方向の歪みを測定するために、切削工具１００の製造の間に配置されていてもよい。歪みゲージ１３０〜１３３の適正な位置決めおよび配向は、たとえば、切削工具１００が顧客に送達される前に、手動でキャリブレートされていてもよい。歪みゲージ１３０〜１３３が、半径方向および接線方向とそれほど整合させられていない場合には、このミスアライメントは、たとえば、どのように歪みゲージ１３０〜１３３からの出力が解釈されるかということのキャリブレーションを介して、補償され得る。
【０１２６】
図７を参照して説明されている実施形態では、方向１４１および１４２は、互いに対して垂直になっている。また、方向１４１および１４２が、互いに横断方向（または、非平行）になっているが、互いに対して垂直になっていないという実施形態も想定され得る。当業者は良く知っているように、互いに対して垂直になっていない２つの方向に測定される加速度は、２つの元の方向の間の角度が既知である限りにおいて、標準的な三角法の関係を使用して、互いに対して垂直の２つの方向の加速度に変換され得る。したがって、上に説明されているものと同様の計算が、そのような設定においても使用され得る。
【０１２７】
また、方向１４１および１４２が、軸線１１１に対して横断方向（または、非平行）になっているが、必ずしも、軸線１１１に対して垂直になっているわけではないという実施形態も想定され得る。方向１４１および１４２が軸線１１１に対して垂直でない場合には、加速度は、半径方向および接線方向の加速度を推定するために、１つまたは複数の追加的な方向にも測定され得る。チップ１４０は、たとえば、互いに対して垂直になっている３つの方向に加速度を測定することが可能である。
【０１２８】
本発明は、決して、上に説明されている好適な実施形態に限定されないということを当業者は認識する。対照的に、多くの修正および変形が、添付の特許請求の範囲の中で可能である。たとえば、切削工具１００は、複数の加速度計１４０を含むことが可能であり、複数の加速度計１４０は、たとえば、複数の加速度計チップの形態で提供され得る。切削工具１００の上（および／または、内側）に分配されている複数の加速度計１４０および歪みゲージ１３０が、たとえば、切れ刃１２１の撓みを推定するために用いられ得るということが認識されることとなる。
【０１２９】
追加的に、開示されている実施形態に対する変形例が、図面、本開示、および添付の特許請求の範囲を検討することから、特許請求されている発明を実践する際に、当業者によって理解および実現され得る。特許請求の範囲において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語句は、他のエレメントまたはステップを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を除外しない。特定の対策が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの対策の組み合わせが利益をもたらすように使用されることができないということを示しているのではない。特許請求の範囲の中の任意の参照記号は、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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