(57)【要約】      （修正有）【課題】加工ワークの材料の変化を同定する方法を提供する。【解決手段】数値制御工作機械にてワークピースを工具で加工する本発明の方法は、ワークピースの加工のためにワークピースに対する工具の相対移動を制御する工程と、超音波発生器によって工具に超音波振動を発生させる工程と、超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号を検出する工程と、超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号に基づき、ワークピースに対する工具の相対移動を制御しながらワークピースでの材料の変化を同定する工程とを含む。【選択図】図２Ａ
2018039107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
数値制御工作機械にてワークピースを工具で加工する方法であって、
ワークピースの加工のためにワークピースに対する工具の相対移動を制御し、
超音波発生器によって工具に超音波振動を発生させ、
前記超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号を検出し、
前記超音波発生器から出力された前記少なくとも１つのセンサ信号に基づき、ワークピースに対する工具の相対移動を制御しながら、前記ワークピースでの材料の変化を同定する、方法。
【請求項２】
ワークピースに対する工具の相対移動の制御は、所定の加工パラメータに基づいて実施され、
前記方法は更に、
ワークピースでの材料の変化が前記超音波発生器から出力された前記少なくとも１つのセンサ信号に基づいて同定されたとき、前記所定の加工パラメータを調整し、
調整後の前記加工パラメータに基づき、ワークピースに対する工具の相対移動を制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ワークピースは少なくとも２つの異なる材料領域を含み、
ワークピースの１つの材料領域から別の材料領域へのワークピースの変わり目は、「ワークピースにて材料の変化を同定する」工程にて同定される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
ワークピースは、複合材料、特に炭素繊維強化複合材料及び／又はガラス及び／又はセラミック材料を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記材料領域は異なる材料又は材料特性の層である、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記材料領域はワークピース内の材料含有物である、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項７】
前記材料領域は前記ワークピース内のボア及び／又は凹所である、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項８】
ワークピースの表面に対する工具の接触は、「ワークピースにて材料の変化を同定する」工程で同定される、請求項１〜７の何れかに記載の方法。
【請求項９】
「ワークピースにて材料の変化を同定する」工程にて、前記超音波発生器におけるセンサ信号の１つ以上のパラメータの値の一時的な変化及び同時的な変化が付加的に検出される、請求項１〜８の何れかに記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記超音波発生器における少なくとも１つのセンサ信号の値の前記一時的な変化及び前記同時的な変化が相応に所定の変更時間未満内にあり且つ同時に所定の変更値を超えるか否かを決定する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記超音波発生器における少なくとも１つのセンサ信号の値の前記一時的な変化及び前記同時的な変化が相応に所定の変更時間未満内にあり且つ同時に所定の変更値を超えるとき、予め決定された加工パラメータが調整される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
加工パラメータの調整は、少なくとも工具における相対移動速度及び／又は送りの調整を含む、請求項１〜１１の何れかに記載の方法。
【請求項１３】
加工パラメータの調整は、少なくとも前記超音波発生器の周波数及び／又はパワーの調整を含む、請求項１〜１２の何れかに記載の方法。
【請求項１４】
前記超音波発生器はピエゾアクチュエータシステムである、請求項１〜１３の何れかに記載の方法。
【請求項１５】
工具は、少なくとも１つの幾何学的に決定された旋削エッジ又は少なくとも1つの幾何学的に決定されていない切削エッジを有する、請求項1〜１４の何れかに記載の方法。
【請求項１６】
ワークピースを工具で加工するために、特に請求項１〜１５の何れかに記載の方法に従い工作機械にて使用される装置であって、
前記工作機械は、ワークピースを加工するために、ワークピースに対する工具の相対移動を制御する制御ユニットと、工具に超音波振動を発生させる超音波発生器と、該超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号を検出する検出ユニットとを含み、
前記装置は、前記超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号に基づき、ワークピースに対する工具の相対移動を制御しながらワークピースでの材料の変化を同定する評価ユニットを含む、装置。
【請求項１７】
ワークピースを工具で加工する工作機械であって、
ワークピースを加工するためにワークピースに対する工具の相対移動を制御する制御ユニットと、
超音波発生器によって工具に超音波振動を発生させる超音波発生器と、
前記超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号を検出する検出ユニットと
を備えた工作機械において、
請求項１６に記載の装置を具備する、工作機械。
【請求項１８】
コンピュータで読み出し可能なデータ記憶媒体に記憶されたコンピュータプログラムを含み、該コンピュータプログラムが数値制御工作機械の数値制御ユニット又は数値制御工作機械の制御ユニットに接続されたコンピュータで実行可能である、コンピュータプログラム製品であって、
前記コンピュータプログラムが前記工作機械にて請求項１〜１５の何れかに記載の方法を実行すべく構成されている、コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、数値制御工作機械にてワークピースを工具で加工する方法に関する。また、本発明は、上記方法が実施可能な装置及び工作機械に関する。更にまた、本発明は上述の方法を実施可能にするコンピュータプログラム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術にて、例えば、ワークピースが工具で加工されるとき、工具の回転運動に工具の超音波振動を重ね合わせ可能な工作機械がよく知られている。
【０００３】
この点に関し、以下の特許文献１は工具ホルダを備えた工具を記載し、該工具ホルダは第１端に回転スピンドルノーズに適合した工具ホルダサポートと、第１端とは反対側の第２端に工具サポートと、該工具サポートに挿入可能な工具ヘッドとを有し、工具ホルダは振動モータを含む。
【０００４】
このような工作機械の場合、工具に超音波振動を発生させる工具ホルダ内の超音波発生器、振動本体及び工具ホルダに挿入された工具は振動系を提供し、該振動系は機械的に振動すべく電気信号によって励振される。ここで、振動系がその共振周波数で励振されとき、可能な最大の機械振動の振幅が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】EP 1 763 416 B1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
工具がワーク内に前進されるとき、振動系はワークピースの材料や、ワークピースと工具との間の摩擦によって減衰され、共振周波数が幾分低い共振周波数に変移される。ここで、共振周波数が減衰の増加と共に更に変移されることは公知である。
【０００７】
このことは加工中、共振周波数の著しい変動をもたらす不具合を屡々伴う。しかしながら、このことは同時に、加工されている材料の減衰能力が変化したことを意味する。
【０００８】
これは、ワークピースの材料が明らかに均質であるにも拘わらず、（結晶粒界や異物含有等の）不均一性が生じる故のワークピース内での材料変化に起因する。このような材料変化のために、所定の加工パラメータを調整する必要があり、該加工パラメータにより、工具は各々の材料及びその特性に対してワークピースを加工する。
【０００９】
しかしながら、ワークピース内でのボア又は凹所等の幾何学的な変化もまた、ワークピース材料の不均一性の一種であり、該不均一性は所定の加工パラメータに影響する。
【００１０】
ワークピースが加工されている間、材料変化が生じる時点を決定する測定システムが既に公知であり、該測定システムは物体伝播音(body-borne sound)の原理を利用する。機械フレームには通常、対応する物体伝播音センサがワークピースから大きく離れて取り付けられ、該センサは発生する振動を測定し、該振動から測定信号を発生する。これら測定信号は制御ユニットで評価され、該制御ユニットはその評価にて、測定信号の偏差が検出されたなら、加工中、所定の加工パラメータを変化させることができる。
【００１１】
しかしながら、測定センサが遠く離れて置かれているために、発生した信号がワークピース内材料の変化に専ら起因したものでないという不具合がある。発生した信号は環境からの振動に影響されるか又は重畳されている。このことは、測定信号の不適切な評価を導き、この結果、加工パラメータの調整を誤る。
【００１２】
この理由のため、ワークピースが加工されている間、可能な限り、外部の振動の重畳を回避するため、ワークピース自体に対して可能限り近くで材料の変化を検出することが重要である。
【００１３】
それ故、本発明の目的は、上述の不具合を回避可能にし、数値制御工作機械にてワークピースを加工する方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の別の目的は、本発明の方法が実施可能な装置、工作機械及びコンピュータプログラム製品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述の目的は、請求項１の方法、請求項１６の装置、請求項１７の工作機械及び請求項１８のコンピュータプログラム製品によって達成される。従属請求項は本発明の方法の好適な実施形態に係わる。
【００１６】
数値制御工作機械にてワークピースを工具で加工する本発明の方法は、ワークピースを加工するためにワークピースに対する工具の相対移動を制御する工程と、超音波発生器によって工具に超音波振動を発生させる工程と、超音波発生器から出力される少なくとも１つのセンサ信号を検出する工程と、ワークピースに対する工具の相対移動が制御されながら超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号に基づき、ワークピースでの材料の変化を同定する工程とを含む。
【００１７】
超音波発生器は工具に振動を誘起するのに役立ち、また、振動系の共振周波数を検出するセンサとしても役立つ。本方法の利点は、超音波発生器が工具の直近で且つ工具及びワークピースと共に一列に配置されていることである。それ故、入手可能な材料の各自の共振周波数及び減衰能力がワークピースに非常に近接して検出可能となり、外部の振動源の影響が大幅に減少される。
【００１８】
付け加えて、ワークピース内での材料変化が１つの材料から次の材料の変わり目で正確に認識可能となり、この情報は工具のコントローラに適切に伝送可能となる。
【００１９】
発明の有利な進展は、ワークピースに対する工具の相対移動の制御が所定の加工パラメータに基づいて実施されることであり、ここでは、好ましくは、方法は次の工程を更に含む。超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号に基づき、ワークピースでの材料変化が認識されたとき、所定の加工パラメータを調整する工程及び／又は調整された加工パラメータに基づき、ワークピースに対する工具の相対移動を制御する工程。
【００２０】
所定の加工パラメータは、材料各自をその加工に必要なパラメータで適切に加工するために、超音波発生器のセンサ信号に依存して制御可能である。
【００２１】
付加的な利点は、外部の振動源の影響が最大限に減少可能であるために、各材料にとっての一種の「指紋」（例えば、振動系の或る減衰共振周波数及び／又は材料の或る減衰能力）が生成され且つ記憶されることにある。
【００２２】
このことは、１つのワークピースで、広範囲に異なる材料（炭素繊維強化プラスチック材料及びチタニウム／アルミニウム）が屡々互いに組み合わされるので、例えば複合材料の場合に大きな利点となる。これは、全ての材料のための加工パラメータを対応して調整する要求又は必要性をもたらす。加工の予備段階においては材料の各自の層厚が屡々、正確なクランプに基づいてプログラムされ、このため、加工中、加工パラメータが調整される。
【００２３】
しかしながら、ワークピースのクランプでは層厚の変動や不揃いが機械的に存在するので、材料の幾つかは不適切な加工パラメータで常時加工される。今、発明によりワークピース内の材料変化を正確に同定し、そして、材料各自の加工パラメータを調整することが可能となる。
【００２４】
発明における別の好都合な進展は、ワークピースが少なくとも２つの異なる材料領域を含み、ここでは、「ワークピースにて材料の変化を同定する」工程にて、ワークピースでの１つの材料領域から他の材料領域への工具の変わり目が同定されることである。
【００２５】
ここで、上述の方法は、材料変化が制限された数に限定されず、不定数の材料変化を同定でき、このために工具の加工パラメータが調整され得る。
【００２６】
付け加えて、方法は、ワークピースが複合材料、特に炭素繊維強化複合材料及び／又はガラス及び／又はセラミック材料を含むべく好都合に進展され得る。
【００２７】
或る材料に対しての発明の制限は存在しない。また、複合材料、ガラス及びセラミックは好都合に「指紋」（共振周波数特性及び／又は減衰能力）を残し、該「指紋」は記憶され、そして、所定の加工パラメータを調整するのに使用可能である。
【００２８】
発明は、材料領域が異なる材料又は材料特性の層をなし、又は、材料領域がワークピース内の含有材料又は材料領域がワークピース内のボア及び／又は凹所であるように好都合にて進展され得る。
【００２９】
材料及び／又は材料領域の変化は、異なる材料特質によって識別可能で、また、ワークピース内での幾何学的な変化によって特徴付け可能である。
【００３０】
例えば、加工中、工具がワークピースの材料からワークピースのボア内（多分、その一部のみ）で働くことも可能である。また、このことはその位置で、ワークピースの共振周波数及び／又は減衰能力の変化、つまり、材料の或る種の変化を導く。この場合にも同様に、所定の加工パラメータを調整することが望まれる。
【００３１】
発明は、「ワークピースにて材料の変化を同定する」工程にて、ワークピースの表面との工具の接触（即ち、ワークピース内で材料変化に対比して、例えば空気からワークピースの表面への材料変化）が同定されるように好都合に進展され得る。
【００３２】
特に大きな利点は、ワークピースに対する非常に迅速なアプローチが確保され、これにより、加工時間の短縮が可能となる。このことは特に、材料がガラス又はセラミック等の壊れ易い場合に利点となる。
【００３３】
このような材料からなるワークピースに対し、工具はワークピースに出会うためだけに所定の安全距離まで高速でアプローチし、この後、加工が所定の加工パラメータで継続され、ここでの加工パラメータは比較的遅い。選択された安全距離が余りにも長ければ、加工時間が不必要に浪費される。
【００３４】
材料変化(例えば、空気からワークピースの表面)の同定に起因し、対応した材料への所定の加工パラメータの調整が実施される前に、工具は空気からワークピースの実際の境界まで高速で移動可能である。
【００３５】
付け加えて、方法は、「ワークピースにて材料の変化を同定する」工程にて、超音波発生器におけるセンサ信号の１つ以上の一時的な変化及び同時に値の変化が相応して検出されるように好都合に進展され得る。
【００３６】
ここでの進展の利点は、振動系における共振周波数の変化が材料の変化以外の理由を有することである。加工操作は時には多量の熱を発生し、該熱は或る程度、工具又はワークピースを強く加熱する。
【００３７】
また、該加熱は振動系の共振周波数に相当影響する。しかしながら、これらの影響は材料の変化の理由から識別可能である。
【００３８】
振動系の共振周波数は、工具及び／又はワークピースの加熱のために比較的長い期間に亘って連続的に変化する。このことは、共振周波数の急激な変化を示す材料変化の発生とは矛盾する。
【００３９】
ここで、センサ信号の１つ以上の一時的な変化及びセンサ信号の相応のパラメータの値の変化の両方を検出するのが好ましい。各センサ信号はノイズを有し、該ノイズはパラメータにおいて、特に一時的に急であるもの低い変化を示す
【００４０】
それ故、検出されるのは一時的な変化だけでなく、好ましくは、相応のパラメータの値の変化もまた検出される。この組み合わせは、材料変化の存在に関して、好都合且つ確実な供述の根拠を形成する。
【００４１】
また、発明は次の工程によって好都合に進展され得る。超音波発生器における少なくとも１つのセンサ信号の一時的な変化及びその値の変化が所定の変化時間よりも相応して大きく下回り且つ同時に所定の変化値を超えたか決定する工程。
【００４２】
センサ信号におけるパラメータの一時的な変化及びその値の変化を決定することに加えて、センサ信号における各自の変化の制限値を決定することも必要である。
【００４３】
この根拠に基づき、材料における変化の発生は、制限値を超えるか又は下回ることで決定可能となり、（ワークピース／工具の温度変化等の）他の要因から大きく識別可能となる。
【００４４】
更にまた、発明は、超音波発生器における少なくとも１つのセンサ信号の一時的な変化及びその値の変化が所定の変化時間を相当に下回り且つ所定の変化値を超えたとき、所定の加工パラメータが調整されるべく好都合に進展され得る。
【００４５】
センサ信号における少なくとも１つのパラメータの一時的な変化及びその値の変化を付加的に確認することで、材料における変化の存在に関して、より確実な供述をなすことが可能となる。工具及びワークピースの温度変化に起因した材料変化の存在の申立が検出される虞は上述の付加的な確認によって著しく最少化される。
【００４６】
本発明の更に好都合の進展は、加工パラメータの調整が工具における相対移動速度又は切削速度及び／又は送り速度の少なくとも１つの調整を含むことである。好ましくは、所定の加工パラメータは次のパラメータの１つ以上である。ワークピースの加工中の送り速度、工具の機械的な切削エッジ又はその一部の切削速度及び工具速度（例えば、工具を駆動する工作機械のワークスピンドルのスピンドル速度）。
【００４７】
それ故、材料での検出された変化のために、或る所定の加工パラメータ、例えば、工具を回転する主駆動部（例えばスピンドル駆動部）及び／又は工具速度の駆動部のパラメータ）が調整可能である。
【００４８】
また、加工パラメータの調整が少なくとも超音波発生器の周波数及び／又はパワーの調整を含むことも発明の好都合な進展である。
【００４９】
材料の変化に対応して調整可能な工具回転及び工具の送り駆動部のみならず、超音波発生器自体もまた材料の要求に応じて調整可能である。これは例えば、超音波発生器の周波数、振幅及びパワーである。
【００５０】
発明は、超音波発生器がピエゾアクチュエータシステムであるように好都合に進展され得る。
【００５１】
ピエゾアクチュエータシステムの利点は、非常の高い周波数（超音波）が圧電結晶の非常に高い動的挙動によって発生可能であり、ここでは同時に、ピエゾ要素が非常に強健で良好な線形制御挙動を示す。
【００５２】
発明は、工具が少なくとも１つの幾何学的に規定された切削エッジ又は少なくとも１つの幾何学的に規定されない切削エッジを有するべく好都合に進展され得る。
【００５３】
発明は、或る材料／物質又は或る工具に限定されず、それ故、非常に広い適用範囲にて使用可能である。
【００５４】
ワークピースを工具で加工する工作機械にて使用する発明の装置は以下の構成を備える。該構成は、ワークピースを加工するために、ワークピースに対して工具の相対移動を制御する制御ユニットと、工具に超音波振動を発生させる超音波発生器と、超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号を検出する検出ユニットとを含み、装置は、超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号に基づき、ワークピースに対する工具の相対移動を制御しながらワークピースでの材料変化を同定する評価ユニットを有する。
【００５５】
ワークピースを工具で加工する発明の工作機械は以下の構成を備える。該構成は、ワークピースを加工するためにワークピースに対して工具の相対移動を制御する制御ユニットと、工具に超音波振動を発生させる超音波発生器と、該超音波発生器から出力された少なくとも１つのセンサ信号を検出する検出ユニットとを含む。
【００５６】
従って、制御装置及び又は工作機械にて上述の方法を実施し、これにより、既存の工作機械での方法の使用が可能となる。このことは上述した発明の好適な局面と組み合わせ可能である。
【００５７】
ここで、発明に係るコンピュータプログラム製品は以下の構成を備え、該構成はコンピュータ読み取り可能なデータ記憶媒体に記憶されたコンピュータプログラムを有し、該コンピュータプログラムは数値制御工作機械の数値制御ユニット又は数値制御工作機械の制御ユニットに接続されたコンピュータにて実行可能で且つ前述の方法を実施する。
【００５８】
この結果、発明は工作機械の既存の制御ソフトウエア上に実現されて実行可能である。このことは、上述の発明の好適な局面とも組み合わせ可能である。
【００５９】
以下には他の複数の局面が記載され、これら局面は本発明の方法又はその例示的な構成を適用するうえで好都合に使用可能である。
【００６０】
ワークを超音波加工するために工具に超音波振動を発生させ且つ工具における超音波振動の超音波振動パラメータを測定する、特に好ましくは、加工中、材料内及び／又はワークピースでの材料変化を同定する装置は、工具を受け取る工具ホルダと、該工具に超音波振動を発生させる超音波変換器（超音波発生器）と、工具の超音波振動に基づき、センサ信号を発生させる工具ホルダ内のセンサ装置と、センサ信号を評価するセンサ信号評価装置とを含む。評価装置は、センサ信号の評価に基づき、上述の如何なる局面での加工中、ワークピース内の材料変化を検出するように構成されている。
【００６１】
例えば、超音波変換器（超音波発生器）は１つ以上のピエゾ要素からなり、これらピエゾ要素はまたセンサ装置としても機能する。
【００６２】
それ故、工具に超音波振動を発生し、且つ、これと並行して振動工具における超音波振動パラメータを直接的に測定する、特に好ましくは、加工中、材料内及び／又はワークピースでの材料変化を同定する装置が提供される。電気的なセンサ信号が発生され、該センサ信号は機械的な振動に関して、引き出されるべき直接的な結論を許容する。センサ信号は、加工中、1つ以上の時点又は或る期間内で発生され、従って、常時更新可能である。これに起因して、振動振幅の減少又は共振周波数の変化、特に好ましくは加工中、ワークピースでの材料内での変化を同定するものとして、振動の監視及び／又は振動パラメータの変化の検出が可能となる。
【００６３】
センサ装置は好ましくは、１つ以上の圧電センサ要素を含み、好ましくは、センサ信号は工具の超音波振動によって生成される電圧である。
【００６４】
工具ホルダが回転でき、装置が工具ホルダ内のセンサ装置に接続された送信要素及び送信要素から離れた受信要素を有し、送信要素から受信要素へのセンサ信号の非接触な伝達をなすことは好適する。
【００６５】
受信要素は、発明の装置と共に工具ホルダの外部、例えば、工作機械の静止部分に配置可能である。センサ信号は評価目的で、回転工具ホルダから送信要素とは離れた工作機械側の受信要素によって導き出される。
【００６６】
センサ装置が超音波変換器から電気的に絶縁する絶縁要素を有し、該装置が超音波変換器にエネルギを供給するため、工具ホルダ内にエネルギを転送するエネルギ転送装置を有し、該エネルギ転送装置が送信要素及び受信要素から電気的に絶縁されていることは好適する。
【００６７】
超音波振動装置及び該超音波振動装置のエネルギ供給源からの工具ホルダ内のセンサ装置及びセンサ信号経路の電気的な切り離しにより、工具の振動は工具の振動発生とは完全に無関係に検出され、センサ信号の偽造(falsification)を防止する。
【００６８】
好ましくは、送信要素及び受信要素は、送信要素から受信要素にセンサ信号を誘導的に伝送するように構成されている。
【００６９】
このような非接触の伝送形態は、誘導伝送が如何なる別のエネルギを要求しないので、工具ホルダからセンサ信号を導き出すために、工具ホルダ内にエネルギ供給のための付加的な回路やパワーアダプタの何れもが不要となる利点を有する。
【００７０】
好ましくは、送信要素及び受信要素は第1変圧器を形成し、ここで、送信要素は第1変圧器の第1鉄心及び一次巻線を有し、受信要素は第１変圧器の第２鉄心及び二次巻線を有する。エネルギ転送装置は第２変圧器として作られ、第２変圧器の一次巻線及び第２変圧器の二次巻線を有する。ここで、第１変圧器及び第２変圧器は、第２変圧器の一次巻線から第２変圧器の二次巻き線への超音波変換器のエネルギ供給のためのエネルギ伝送方向に対して実質的に垂直な方向に、センサ信号が第１変圧器の一次巻線から第１変圧器の二次巻線に伝送されるように配置されている。
【００７１】
２つの変圧器の各自の磁場が互いに垂直にアライメントされ、エネルギ供給及び信号伝送は殆ど互いに影響しない。
【００７２】
代替的には、送信要素及び受信要素は、送信要素から受信要素にセンサ信号を光学的に伝送するように構成される。
【００７３】
ワークピースを加工する本発明の工作機械は、発明の装置と、第２変圧器の一次巻線及び第２変圧器の第１ポットコアを含むエネルギ転送装置の静止部分と、第２受信要素の両方を収容するハウジングとを備える。
【００７４】
それ故、センサ信号は工作機械の静止部分内に案内され、ここで評価可能である。
【００７５】
ワークピースを超音波加工するために工具の超音波振動パラメータを測定する方法、特に好ましくは、加工中、ワークピース内及び／又はワークピースでの材料変化を同定する方法は、好ましくは、工具ホルダに収容された工具を或る超音波振動の中に置く工程と、工具の超音波振動に基づくセンサ信号を工具ホルダ内のセンサ装置によって生成する工程と、センサ装置から工具ホルダ内のセンサ装置に接続された送信要素にセンサ信号を渡す工程と、送信要素から該送信要素とは離れた受信要素にセンサ信号を伝送する工程と、受信要素からセンサ信号評価装置にセンサ信号を渡す工程と、工具の超音波振動パラメータを決定するため、特に好ましくは加工中、ワークピース内及び／又はワークピースでの材料変化を同定するためにセンサ信号評価装置内でセンサ信号を評価する工程とを含む。
【００７６】
それ故、電気的な信号は、機械的な振動に関して直接的な結論を引き出し可能にするため、特に好ましくは、加工中、ワークピース内及び／又はワークピースでの材料変化を同定するために生成される。センサ信号は、加工中、１つ以上の時点又は或る時間間隔で発生される。それ故、超音波パラメータは絶えず更新され、そして、振動の変化が連続的、特に好ましくは、加工中、ワークピース内及び／又はワークピースでの材料変化を同定するために検出可能である。
【００７７】
好ましくは、センサ信号が評価されたとき、工具における超音波振動の周波数はセンサ信号の周波数及び／又はセンサ信号の振幅又は工具における超音波振動の振幅から決定される。
【００７８】
このようにして、振動系内での共振周波数の変化及び／又は振幅の減少が特に好ましくは加工中、ワークピース内及び／又はワークピースでの材料変化を同定するために、センサ信号から簡単に決定できる。無線周波数(radiated frequency)と共振周波数との間の比較に基づき、加工操作に好都合であるなら、振動系は共振に調整される。
【００７９】
その他の局面及びその利点が上述の局面及び特徴の利点や可能な特定の構成と共に添付図面を参照して以下に記載されるが、これらは決して制約するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明に係る方法の実施形態にて使用可能な工具ホルダの断面図である。
【図２Ａ】本発明に係る多層ワークピースの加工を、超音波発生器の対応したセンサ信号と共に示す概略図であって、ここでは、工具が材料Aの領域でワークピースを加工している、概略図である。
【図２Ｂ】本発明に係る多層ワークピースの加工を、超音波発生器の対応したセンサ信号と共に示す概略図であって、ここでは、工具が材料BAの領域でワークピースを加工している、概略図である。
【図３】本発明に係る方法の一実施形態のフローチャートを示す図である。
【図４】本発明に係る工作機械の概略的な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００８１】
添付図面を参照し、以下に本発明の実施形態を詳細に説明する。同一又は同様な要素には同一の参照符号が付されているが、ときには異なる参照符号も付されている。
【００８２】
しかしながら、本発明は以下の実施形態やその構成的な特徴に限定又は制約されず、実施形態の変形、特に、独立請求項の範囲内で以下の実施形態の特徴の変形や、その個々又は複数の特徴の組み合わせを含むことに留意すべきである。
【００８３】
図１は工具ホルダ１０の例示的な構造を示し、該工具ホルダ１０は本発明の方法で使用可能である。
【００８４】
工具ホルダ１０の一端には、工具９０（図１に示さず、図４を参照）を受け取る工具受け取り部１１が配置されている。工具ホルダ１０内には複数、例えば６つの第１ピエゾ要素２１が積層体として配置され、各第１ピエゾ要素２１はディスク形状をなし、そして、穿孔されている。これら第１ピエゾ要素２１は例えば伝達部１２を介して工具受け取り部１１に接続され、例えば超音波変換器２０（超音波発生器）を形成する。該超音波変換器２０は電圧を機械振動（例えば、超音波の範囲の周波数）に変換する。
【００８５】
一例として、第１ピエゾ要素２１の機械振動は伝達部１２を介して工具９０に伝達される。第１ピエゾ要素２１は例えば、ピエゾセラミックディスクとして構成でき、ディスク間に電極が設けられている。
【００８６】
超音波変換器２０のエネルギは例えば変圧器（第１変圧器）によって供給され、該変圧器は例えば、工作機械側の第１ポットコア３１及び一次巻線３２（図１に示さず、図４参照）と、工具側の第２ポットコア３３及び二次巻線３４とからなり、これら第２ポットコア３３及び二次巻線３４は例えば、工具ホルダ１０の外面に環状要素として配置されている。
【００８７】
例えば、第１ピエゾ要素２１からなる積層体の片側、つまり、工具受け取り部１１とは反対の側にはピエゾ電気センサ要素４０が配置され、該センサ要素４０はディスク形状をなし、そして、穿孔されている。センサ要素４０は例えばピエゾ要素４１と、２つの接点４２とからなる。センサ要素４０は例えば、第１ピエゾ要素２１に機械的に結合されているが、第１ピエゾ要素２１に対しては絶縁要素４３により電気的に絶縁されている。該絶縁要素４３はセラミック製の穿孔ディスクからなる。例えば、ピエゾ電気センサ要素４０は別の絶縁要素４３によって、固定要素１３、例えば固定ナットに対して電気的に絶縁されている。
【００８８】
固定要素１３は超音波変換器２０にピエゾ電気センサ要素４０を固定し、そして、動的な負荷のため、第1ピエゾ要素２１を偏奇させるうえで役立つ。
【００８９】
第１ピエゾ要素２１及びピエゾ電気センサ要素４０は同一方向に向けられ、一方では振動の発生や検出を同一方向で可能にし、他方では工具ホルダ１０内の要素の省スペースな配置を達成する。
【００９０】
ピエゾ電気センサ要素４０は、工具９０、伝達部１２、超音波変換器２０及びピエゾ電気センサ要素４０からなる振動系の機械振動をセンサ信号に変換する。該センサ信号は、ピエゾ電気センサ要素４０からワイヤ接続５０により工具ホルダ１０内を通じて、工具ホルダ１０の外面における送信要素６１，６２に転送される。
【００９１】
センサ信号は、送信要素６１，６２から例えば非接触にして工作機械側の受信要素８１，８２（図１に示さず，図４を参照）に伝送される。
【００９２】
送信要素６１，６２は別の変圧器（例えば、第２変圧器）の一部をなし、例えば、第１鉄心６１及び一次巻線６２からなっている。また、受信要素８１，８２は第２変圧器の一部をなし、第２鉄心８１及び二次巻線８２からなっている。
【００９３】
それ故、センサ信号は工具ホルダ１０から工作機械側のセンサ信号評価装置に誘導的に転送される。
【００９４】
代替的には、光学的な転送もまた可能である。ここでは、送信要素６１，６２がLEDであり、受信要素８１，８２がフォトダイオードである。送信要素６１，６２は、DIN69893（独工業規格）に規定された工具データ用工具チップ用のボア７０に嵌合する寸法をなし、ボア７０内に位置付けられている。工具ホルダ１０は、工作機械1000の静止部分（図１に示さず、図４を参照）に対して回転可能である。
【００９５】
図２Ａは、ワークピースWSを超音波加工する工具９０の加工操作を概略的に示し、ワークピースWSは異なる材料（材料A及び材料B）の複数の層からなっている。
【００９６】
図２Ａの右側部分の図表は、ピエゾ要素２１の対応したセンサ信号（振幅、周波数、強度）を示し、該図表は、自由に振動可能な（即ち、減衰無しの）振動系と材料A内への進入による減衰振動系との間の差異を既に示す。
【００９７】
材料A内に進入するとき、振動系は一定の振幅を発生するために、より大きなパワーを備えていなければならない。しかしながら、振動系が材料Aで減衰されるために同時に、振動系の共振周波数は低周波数に向けて変化する。
【００９８】
図２Ｂは、超音波加工のために第２材料B内に工具９０が進入した後の加工操作を概略的に示す。該加工において、ピエゾ要素２１のセンサ信号は、図２Ｂの右側部分の図表に示されるように変化する。
【００９９】
センサ信号の変化に基づき、第１に、ワークピース内での材料の変化を同定でき、そして、好ましくは、検出されたセンサ信号及び／又は材料変化の同定に基づき、速度、切削速度及び／又は工具の送り等の加工パラメータを、ピエゾ要素２１に対する駆動信号パラメータ等の振動パラメータと共に調整可能にする。
【０１００】
図３は、本発明に係る方法の実施形態の流れ図を示す。ここでは、工程Ｓ２の初期にて、工具９０が所定の加工パラメータに基づき操作される。次の工程（Ｓ３）にて、工具９０の超音波振動がピエゾ要素２１によって発生され、ここで、ピエゾ電気センサ要素４０における振幅、周波数及び強度等のセンサ信号が同時に検出される（工程Ｓ４）。
【０１０１】
次の工程Ｓ５において、検出されたセンサ信号が今、初めて評価される。ここでは、例えば、検出されたセンサ信号が（信号ノイズ領域にて）実質的に一定であるか否かが判別される。ここでの判別結果が否の場合、各センサ信号の一時的な変化tが工程Ｓ６にて検出される。即ち、センサ信号の変化の速さの程度やセンサ信号の値変化y、つまり、対応する信号の変化の程度又は量が同時に検出される。
【０１０２】
これらの検出された値は、次の２つの工程Ｓ７，Ｓ８にて所定の制限値tgrenz，ygrenzと比較されて、ここでの比較により、材料の変化の有無が決定可能となる。
【０１０３】
工程Ｓ７にて、一時的な変化tが先ず、その目的のための所定の制限値tgrenzと比較される。
【０１０４】
検出された一時的な変化tが所定の制限値tgrenzよりも低いならば、次の工程Ｓ８にて、値yの変化量に関して或る比較が実施される。この目的のため、検出された値変化yが所定の制限値ygrenzと比較される。検出された値変化yが所定の制限値ygrenzを超えるなら、検出されたセンサ信号はワークピースWSの材料の変化を示す。
【０１０５】
上述の記載は例えば、検出された値が工具ホルダに発生された振動の周波数及び／又は検出された超音波変換器２０のパワーを含むという事実を参照できる。
【０１０６】
該事実に基づき、工程Ｓ９にて、所定の処理パラメータが調整される。ここでの調整には、工具における送り速度の調整又は変化、及び／又は、ワークピースが加工される際の工具の切削速度又は回転速度を含むことができる。
【０１０７】
ここで、パラメータは次のようにして調整される。ピエゾ電気センサ要素４０のセンサ信号を検出し、センサ信号は例えば、相応の既知の材料に関して、既に検出されたセンサ信号を含むデータセットと比較される。
【０１０８】
これらデータセットは例えば、工具と材料との組み合わせにおける共振周波数又は材料の減衰能力を含むことができ、（「指紋」の一種として）全ての既知の材料の特性である。ここで、適合が決定されたなら、現在の材料が同定されて、これに基づき、加工パラメータは対応の材料に順応可能である。
【０１０９】
しかしながら、既知でない材料があれば、その材料の種類及び／又は材料の硬度の程度及び減衰能力は、検出されたセンサ信号に基づいて評価可能であり、そして、これに基づき、加工パラメータが調整可能である。それ故、一例として、材料の分類も可能となる。
【０１１０】
また、ワークピースが既知の材料組成を有する場合、ワークピースの種々の材料又は材料層のために、種々の加工パラメータ又は加工パラメータセットを予め決定することができ、そして、ワークピースの材料変化が工具の工具尖端位置で同定されたとき、加工パラメータは異なる所定の加工パラメータ又は加工パラメータセットに順応される。
【０１１１】
しかしながら、工程Ｓ８にて、対応のセンサ信号の値変化yが所定の制限値ygrenzを超えないならば、方法は加工パラメータを変更せずに続けられる。
【０１１２】
図４は本発明に係る装置を概略的に示し、該装置によって本発明の方法が実施可能である。
【０１１３】
装置は工作機械1000の一部である。図４は、ピエゾ電気センサ要素４０を有した工具ホルダ１０を示し、該工具ホルダ１０の構成は図１に一例として示された工具ホルダ１０の構成に相当する。工具ホルダ１０にはワークピースを超音波加工する工具９０が受け取られている。
【０１１４】
工具ホルダ１０において、発生器１２０はピエゾ駆動部の駆動信号として、作業信号A1を出力する。作業信号A1は作業周波数f1を有し、回転する工具ホルダ１０に向けて、エネルギ発生装置３０を介してパワーP1と共に非接触に転送され、該エネルギ発生装置３０は、第１ポットコア３１を備えた一次巻線３２及び第２ポットコア３３を備えた二次巻線からなっている。更にまた、発生器１２０は、パワーPt<P1のテスト信号Atを出力し、該テスト信号Atは作業信号A1に重畳され、その周波数はf1の範囲内で変化する。
【０１１５】
信号A1,Atのために、工具ホルダ１０の振動系は振動すべく誘起され、該振動の周波数スペクトルは実質的に２つの周波数を有する。
【０１１６】
振動系の振動のために、ピエゾ電気センサ要素４０もまた同様に振動し、電気的なセンサ信号A2を発生する。該センサ信号A2は振動の周波数スペクトルに関係した情報を含んでいる。
【０１１７】
センサ信号A2は例えば、他の変圧器を介して回転中の工具ホルダ１０から読み出し装置１３０によって非接触にして読み出され、そして、解析装置１４０ａに転送される。他の変圧器は第１鉄心６１を備えた一次巻線６２と第２鉄心８１を備えた二次巻線８２からなっている。
【０１１８】
解析装置１４０ａは、センサ信号A2の周波数スペクトルに含まれる周波数を同定し、それ故、共振周波数を決定する装置１４０ｂにて、スペクトルの最大ピークの周波数（主要周波数）が作業周波数f1と関連付け可能であり、該装置１４０ｂは解析装置１４０ａの一部として実現可能である。スペクトル中のより小さいピークの周波数（補助周波数）は共振周波数f2と関連付け可能である。また、読み出し装置１３０、解析装置１４０ａ及び共振周波数決定用装置１４０ｂは２つの装置に結合されるか、又は単一の装置としても実現可能である。
【０１１９】
決定された共振周波数f2の値は第1制御装置１５０に伝送され、該第１制御装置１５０は作業信号A1の周波数f1が共振周波数f2に調整されるべく発生器１２０を制御する。
【０１２０】
代替的又は付加的には、決定された共振周波数f2の値は第２制御装置１６０に伝送可能であり、該第２制御装置１６０は、工具ホルダ１０に作業信号A1を発生(irradiate)するパワーP1がパワーP1’に増加されるべく発生器１２０を制御し、これにより、f1≠f2の励振(excitation)の場合でさえも、機械的な振動の振幅が得られ、ここでの振幅は共振周波数f2で励振された最大振幅として達成される。
【０１２１】
従って、工具９０での加工中、工具尖端での機械的振動の振幅を精度に関してプラス効果を有した或る値に安定させることが可能となる。或るパワーでの場合に、振動の振幅が可能な最大値に安定されたとき、ワークピースの加工効率もまた増加される。
【０１２２】
装置のユーザはユーザインタフェース１７０を介して第１制御装置１５０及び／又は第２制御装置１６０を制御でき、これより、作業信号A1はユーザの指令又は所定の条件が付与されたときのみに調整される。また、ユーザは、決定された最新の共振周波数f2に基づき、作業信号A1が規則的又は不規則な間隔で自動的に調整されるべく決定可能である。
【０１２３】
発生器１２０、読み出し装置（又は検出装置）１３０、解析装置１４０ａ及び第１制御装置１５０は、１つ装置２００に結合でき、該装置２００は複数の出力信号を出力し且つ複数の入力信号を受け取る。ここで、装置２００の第１出力信号は作業信号A1に相当し、第２出力信号はテスト信号Atに相当し、そして、１つの入力信号はセンサ信号A2に相当する。
【０１２４】
上述の実施形態において、工具の振動は振動系の各自の共振周波数によって制御可能である。工具又は工具尖端が２つの材料の境界に位置付けられたとき、制御された共振周波数又はその結果、パワーが変化するなら、その変化は本発明の実施形態に従い、材料の変化を検出するため使用可能である。
【０１２５】
一方、このことは、ワークピースにおける２つの材料層間の境界が同定できることである。しかしながら、例えばワークピース内又はワークピースの表面に空気、空洞、ボア等が存在する場合、例えばワークピースとの最初の接触を検出するために、前記境界はまたワークピースの材料間（ワークピース表面と空気との間）の境界ともなる。
【０１２６】
本発明の実施形態及びその利点は添付図面を参照して詳細に上述されている。
【０１２７】
しかしながら、本発明が上述の実施形態や構成上の特徴に限定又は制約されるものでなく、独立請求項の範囲内で、構成上の特徴の変形、特に、上述の実施形態の特徴の変形又は上述の実施形態の個々又は複数の特徴の組み合わせを含むことに再度留意すべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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