(57)【要約】      （修正有）【課題】工作機械のスピンドルと共に幾何的プローブを使用する方法と、かかる方法を実施するように構成された工作機械と、を提供する。【解決手段】工作機械１のスピンドル３と共に幾何的プローブ５を使用する方法に関し、前記方法では、工作機械１のプローブ搬入待機状態においてスピンドル３の少なくとも１つの温度値を測定することによって、前記工作機械１の前記スピンドル３の温度に関連する少なくとも１つの温度パラメータを求め、少なくとも１つの温度パラメータに依存して、幾何的プローブ５を搬入する時期を求める。【選択図】図１
2019038104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械（１）のスピンドル（３）と共に幾何的プローブ（５）を使用する方法であって、
前記工作機械（１）のプローブ搬入待機状態において、前記スピンドル（３）の少なくとも１つの温度値を測定することによって、前記工作機械（１）の前記スピンドル（３）の温度に関連する少なくとも１つの温度パラメータを求め、
前記少なくとも１つの温度パラメータに依存して、前記幾何的プローブ（５）を搬入する時期を求める、
方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの温度パラメータは、前記少なくとも１つの温度値と、測定されたスピンドル温度の時間微分と、から成る群から選択される、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの温度値として、前記スピンドル（３）の開始温度値を測定し、
前記工作機械（１）が前記幾何的プローブ（５）を搬入する前に待機する待機期間（Δｔｗ）を、前記開始温度値に依存して求める、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記スピンドル（３）の温度値（Ｔ）の時系列を測定し、
ａ）前記温度値（Ｔ）が既定の期間にわたって既定の相対的温度範囲内に一定に留まっている場合、かつ／または、
ｂ）前記温度値（Ｔ）が既定のプローブ搬入温度限界（Ｔ１）に達するか、もしくは既定のプローブ搬入温度限界（Ｔ１）を下回る場合、かつ／または、
ｃ）前記温度値（Ｔ）の時系列の時間微分（ＤＴ）が、既定のプローブ搬入微分限界（ＤＴ１）に達するか、もしくは既定のプローブ搬入微分限界（ＤＴ１）を上回る場合、かつ／または、
ｄ）前記条件ａ）〜ｃ）のいずれも成立しない場合において、既定の最大待機時間の経過後、
前記幾何的プローブ（５）を搬入するための信号を生成する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
既定の最大待機時間が経過した後に、前記幾何的プローブ（５）を搬入するための信号を生成する場合、警告信号を生成する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
待機期間（Δｔｗ）、既定の相対的温度範囲、既定の期間、既定のプローブ搬入温度限界（Ｔ１）および／または既定のプローブ搬入微分限界（ＤＴ１）のうち少なくとも１つを求めるために、前記スピンドル（３）の温度モデルを使用する、
請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
工具を交換またはピックアップするためのピックアップ信号について、前記ピックアップ信号がプローブ搬入要求信号であるか否かを検査し、
前記ピックアップ信号がプローブ搬入要求信号である場合、前記工作機械（１）を前記プローブ搬入待機状態にする、
請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記プローブ搬入待機状態の際に、スピンドル温度調整ツール（１５）を前記スピンドル（３）に取り付け、
前記スピンドル温度調整ツール（１５）は、好適には、受動的な冷却ツールおよび能動的な温度調整ツールのうち少なくとも１つである、
請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記幾何的プローブ（５）を搬入するための信号に基づいて前記幾何的プローブ（５）を搬入し、
前記幾何的プローブ（５）の搬入から前記幾何的プローブ（５）を最初に使用するまでの間、既定のプローブ待機時間にわたって待機する、
請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
ａ）前記工作機械（１）は、フライス盤であり、かつ／または、
ｂ）前記幾何的プローブ（５）は、接触プローブである、
請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記幾何的プローブ（５）を搬入する時期を、さらに少なくとも１つの既定の機械ユーザパラメータに依存して求める、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの機械ユーザパラメータは、既定の加工精度と、既定の加工速度と、ワークの表面の既定の表面品質であって、前記工作機械によって前記ワークの表面を加工することによって達成される表面品質と、から成る群から選択される、
請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの機械ユーザパラメータに依存して少なくとも１つの搬入時期パラメータを求め、
前記少なくとも１つの搬入時期パラメータは、可変の時間閾値および／または可変の温度閾値と、可変の遅延時間と、待機期間（Δｔｗ）と、既定の相対的温度範囲と、既定の期間と、既定のプローブ搬入温度限界（Ｔ１）と、既定のプローブ搬入微分限界（ＤＴ１）と、既定の最大待機時間と、既定のプローブ待機時間と、から成る群から選択される、
請求項１１または１２記載の方法。
【請求項１４】
スピンドル（３）と、
前記スピンドル（３）に結合されるように構成された幾何的プローブ（５）と、
スピンドル温度値を測定するように構成および配置された少なくとも１つの温度センサ（１１）と、
請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法を実施するように構成された制御装置（１３）と、
を備えた工作機械（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械のスピンドルと共に幾何的プローブを使用する方法と、かかる方法を実施するように構成された工作機械と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械、特にたとえばフライス盤では、典型的には、たとえば接触プローブ等の幾何的プローブを用いて、機械加工対象の部品の正確な参照位置を測定する。幾何的プローブは工作機械のスピンドルに取り付けられ、スピンドルが非回転状態にある間に機械工作対象の部品に対する少なくとも１つの位置を測定するために使用される。幾何的プローブは、たとえばフライス工具、ドリルビット、リーマ、またはワークすなわち機械加工対象の部品を機械工作するように構成された他の適切な全ての工具等の工具と交換することができる。ワークを加工するためには、かかる工具をスピンドルに取り付けて、スピンドル軸まわりにスピンドルを回転させる。スピンドルの回転中には、スピンドル軸受および／またはスピンドルモータによって発生した熱がスピンドルシャフトへ拡散し、また、スピンドルに接続された工作機械の他の残りの部分にも拡散する。この熱移動は主に、スピンドルシャフト長の膨張と機械構造の変形との双方を生じさせ、これにより、スピンドルに取り付けられた工具の先端が少なくとも一方向に、典型的には全方向に変位する可能性が生じる。製造の非生産時間を短縮するためには、工作機械ユーザは加工作業後に可能な限り迅速に幾何的プローブを使用する必要がある。しかし、スピンドルの回転直後に接触プローブをピックアップすると、高温のスピンドルシャフトと幾何的プローブとの間の温度差によって熱移動が生じる。これによって、スピンドル‐プローブ構成体の過渡的な熱挙動が幾何的プローブの位置を、特に幾何的プローブのプローブ端部先端の位置を変化させることとなり、この変化がワークの参照値に誤差を生じさせる原因となり得る。かかる問題を回避する一手段は、幾何的プローブを取り付ける前または取り付けた後に十分に長い待機時間を設けることであり得る。しかし、あらゆる実用目的のために十分に長いこのような保守的な待機時間を規定すると、大半の事例において過度に長くなる可能性が十分にあり、これによって、コストがかかる不要な非生産的ダウン時間が生じることとなる。特定の熱的条件について幾何的プローブを較正することも可能ではあるが、スピンドルの熱的条件が、幾何的プローブの較正を行った熱的条件と常に一致し得るとは限らない。実際、このことは大半の事例において保証できるものではない。スピンドルの動きおよび／またはスピンドルシャフトの履歴を考慮した熱モデリングは扱い難く、不正確な結果となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって本発明の課題は、上記問題が生じない、工作機械のスピンドルと共に幾何的プローブを使用する方法と、かかる方法を実施するように構成された工作機械と、を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記課題は、独立請求項の主題を実施することによって解決される。従属請求項に他の有利な実施形態が記載されている。
【０００５】
とりわけ、工作機械のスピンドルと共に幾何的プローブを使用する方法であって、プローブ搬入待機状態においてスピンドルの少なくとも１つの温度値を測定することによって、工作機械のスピンドルの温度に関連する少なくとも１つの温度パラメータを求め、当該少なくとも１つの温度パラメータに依存して、幾何的プローブを搬入する時期を求める方法を開示する。このようにして、温度測定を通じてスピンドルの熱的状態を取得することができ、スピンドルの熱的状態に関する正確な情報が得られる。かかる熱的状態から、幾何的プローブを安全に搬入できる時期を正確、再現可能、高精度、かつ簡便に求めることができる。幾何的プローブを搬入する時期は、スピンドルにおいて測定された実温度に基づいて求められるので、幾何的プローブを高精度で使用するために必要とされる以上に長い待機時間を選択する必要がなくなる。よって、工作機械のコストのかかるダウンタイムが回避される。幾何的プローブを搬入する時期は、幾何的プローブのいかなる較正データ点またはスピンドルと幾何的プローブとの構成体のいかなる較正データ点にも依存せずに、スピンドルのどのような温度でも、スピンドルによってなされたどのような動きまたは作業の後にも求めることができる。かかる方法は、複雑または扱い難い熱モデリングを必要とせず、またはかかる熱モデリングを使用する場合に少なくとも正確かつ高精度の結果が得られる。というのも、かかるモデリングはスピンドル実温度に基づくものであり、先の加工の動きに基づくスピンドルの熱的状態についての推定に基づくものではないからである。
【０００６】
幾何的プローブはとりわけ、工作機械によって加工されるワークおよび／または工作機械の幾何学的特性を測定するように構成されたプローブであり、これは、たとえば接触プローブ等との物理的接触方式であっても、どの非接触または無接触測定方式であってもよい。
【０００７】
工作機械は好適には工具マガジンを備えており、この工具マガジンには幾何的プローブが保管されており、好適には他の道具と共に保管され、とりわけ、たとえばフライス工具、ドリルビット、リーマ、または他の任意の適切な工具等の工具と共に保管される。これらの複数の異なる道具はスピンドルによって自動的に搬入されることができ、または工具交換装置によってスピンドルに引き取られて取り付けられることができ、この工具交換装置はたとえば、ロボットアーム、または工作機械において工具を交換するように構成された他の適切な任意の装置等である。
【０００８】
「幾何的プローブおよび／または工具を搬入する」とは特に、幾何的プローブおよび／または工具とスピンドルとを結合することを意味する。
【０００９】
とりわけ、幾何的プローブは当該幾何的プローブを搬入する時期に搬入される。この時期は「プローブ搬入時期」とも称される。
【００１０】
測定されるスピンドルの少なくとも１つの温度値とは特に、当該スピンドルの少なくとも１つの位置および／または当該スピンドルを収容するステータの少なくとも１つの位置において温度値または温度値の時系列が測定されることを意味し、この少なくとも１つの位置は好適にはスピンドル軸受、特にスピンドル前軸受を含む。好適には、スピンドルの１つより多くの位置において、特に１つより多くの軸受において、温度値を測定する。温度測定の他の位置も可能である。少なくとも１つのスピンドル軸受は、その設計および機能に依存して異なる量の熱を生じ得る。少なくとも１つの軸受は好適には、たとえばローラベアリングもしくはボールベアリング等の機械的軸受として、または空気軸受として、または磁気軸受として、または磁性オイルドレンを備えた軸受として構成することができる。ロータ部品とステータ部品との間の機械的接触を回避する軸受、たとえば空気軸受または磁気軸受等が生じさせる熱は、機械的軸受が生じさせる熱よりかなり少ない。よって、特にこれらの軸受については、温度測定の少なくとも１つの位置を当該軸受から距離をおいて配置することができ、好適には、ここで主な熱源と考えられるスピンドルモータの付近に配置することができる。
【００１１】
追加的または代替的に、スピンドルの少なくとも１つの温度値を適時に測定する。これは、一実施形態では具体的には、１つまたは複数の温度値を１つの指定された時点で測定し、かつ複数の温度値はスピンドルのそれぞれ異なる位置で測定される、ということである。他の一実施形態では、時間の経過と共にすなわち複数の異なる時点で温度値列を測定する。ここで、温度値はスピンドルの１つの位置で測定することができ、または（好適には温度を測定する時点ごとに）スピンドルの複数の異なる位置において複数の温度値を測定することができる。
【００１２】
本発明の一実施形態では、前記少なくとも１つの温度パラメータは、少なくとも１つの温度値自体と測定されたスピンドル温度の時間微分とから成る群から選択され、当該時間微分はとりわけ、時間の経過と共に１つのスピンドル位置において測定された、または複数のスピンドル位置において測定された複数の温度値または温度値列の時間微分である。よってプローブ搬入時期は、少なくとも１つの温度値自体に基づいて、または時間微分に基づいて求めることができる。少なくとも１つの温度値自体に基づいてプローブ搬入時期を求めることにより、本方法が非常に簡素化して高速処理が可能になる一方、微分を考慮することにより、プローブ搬入時期をより高精度かつ正確に求めることができる。
【００１３】
本発明の一実施形態では、スピンドルの開始温度値を少なくとも１つの温度値として測定し、工作機械が幾何的プローブを搬入する前に待機する待機期間（開始温度値を測定する開始時を起点とする）を、開始温度値に依存して求める。これによって、開始温度値と、好適には、測定された当該開始温度値に基づいて待機期間を求めることができる温度モデルまたはルックアップテーブルとにのみ基づいて求められる、プローブ搬入時期の非常に簡単な計算が可能になる。好適には、プローブ搬入時期が、開始温度値を測定した時期＋待機期間となるように、待機期間が経過した後に幾何的プローブを搬入するための信号を生成する。
【００１４】
本発明の一実施形態では、少なくとも１つの温度値としてスピンドルの温度値の時系列を測定し、当該温度値が既定の期間にわたって既定の相対的温度範囲内で一定に留まっている場合、幾何的プローブを搬入するための信号を生成する。これによりスピンドルの熱的状態は常時監視され、スピンドルが熱平衡状態に達してスピンドル温度が少なくとも既定の期間にわたって既定の相対的温度範囲内で一定であるときに、幾何的プローブを搬入することができる。「相対的温度範囲」とは特に、実質的に一定の温度値を基準として百分率で与えられる温度範囲を意味する。温度値が既定の期間にわたって一定に留まっているか否かを観測することにより、高度な確かさで実際に熱平衡状態に達することを保証することができる。
【００１５】
追加的または代替的に、スピンドルの温度値の時系列を測定し、当該温度値が既定のプローブ搬入温度限界に達した場合、または既定のプローブ搬入温度限界を下回る場合、幾何的プローブを搬入するための信号を生成する。温度値のうち第１の温度値が既定のプローブ搬入温度限界に達した場合、もしくはこれを下回る場合、または代替的に、既定数の連続した温度値が既定のプローブ搬入温度限界に達した場合、またはこれを下回る場合に、幾何的プローブを搬入するための信号を生成することができる。この既定のプローブ搬入温度限界は好適には、スピンドル温度が当該既定のプローブ搬入温度限界になり、またはこれを下回る場合に、スピンドルの熱的安定性、好適には熱平衡状態を保証できるように、または少なくともこれに近似的に達するように選択される。
【００１６】
追加的または代替的に、少なくとも１つの温度値としてスピンドルの温度値の時系列を測定し、当該温度値の時系列の時間微分が既定のプローブ搬入微分限界に達した場合、または既定のプローブ搬入微分限界を上回る場合、幾何的プローブを搬入するための信号を生成する。この時間微分は通常は負になる。というのも、スピンドル温度は第１の温度測定とプローブ搬入時期との間で低下していくからである。温度が高い速度で低下していく際には、この（負の）時間微分は小さくなり、温度値がスピンドルの熱平衡状態に近づいていく際には、微分は大きくなって０に近くなることが、容易に想到できる。よって、時間微分が既定のプローブ搬入微分限界に達したか否か、またはこれを上回るか否かを観測することは、スピンドルが安定的な熱的状態に達したか否か、特に熱平衡状態に達したか否かを特定するために非常に適した手段である。
【００１７】
追加的または代替的に、少なくとも１つの温度値としてスピンドルの温度値の時系列を測定し、上記の条件のうちいずれも成立しない場合、具体的には温度値が一定に留まっていない場合、温度値が既定のプローブ搬入温度限界に達していない場合、もしくはこれを下回らない場合、かつ／または当該温度値の時系列の時間微分が既定のプローブ搬入微分限界に達していない場合、もしくは既定のプローブ搬入微分限界を上回っていない場合、既定の最大待機時間が経過した後、幾何的プローブを搬入するための信号を生成する。かかる場合、過度に長い待機時間を回避することができ、このことは、たとえば少なくとも１つの温度センサに不具合があることによって温度測定または温度計算に誤差が生じる場合に大きな意義を有し、かつ実際的である。しかし、かかる場合において、既定の最大待機時間の経過後にスピンドルが熱平衡状態または安定的な熱的状態に達しないことが、十分にあり得る。
【００１８】
よって本発明の一実施形態では、既定の最大待機時間が経過した後、特に、既定の最大待機時間が経過したとの理由で、プローブ搬入信号すなわち幾何的プローブを搬入するための信号が生成された場合、警告信号を生成する。この警報信号は、工作機械のユーザに対して、温度測定および／または温度測定の後続処理によって合理的な結果が得られなかったので、スピンドルが安定的な熱的状態または熱平衡状態に達しなかったおそれがある旨を通知するものである。よって、幾何的プローブを使用した測定によって、不正確な結果が得られることがあり得る。
【００１９】
本発明の一実施形態では、上述の待機期間と、既定の相対的温度範囲と、既定の期間と、既定のプローブ搬入温度限界と、既定のプローブ搬入微分限界とのうち少なくとも１つを求めるために、スピンドルの温度モデルを使用する。かかる温度モデルは容易に調達可能であり、本願にて開示している方法では、どのポイントでスピンドルと幾何的プローブとの温度勾配が当該幾何的プローブを使用して十分な精度のプロービングを達成するために十分に有意でなくなるかを判断するためにのみ使用される。よって、温度モデルは実温度測定に基づくものであり、有意義な結果が得られる。
【００２０】
本発明の一実施形態では、工具を交換またはピックアップするためのピックアップ信号について、当該ピックアップ信号がプローブ搬入要求信号であるか否かを検査し、当該ピックアップ信号がプローブ搬入要求信号である場合、工作機械をプローブ搬入待機状態にする。よって、上記のいずれかの実施形態の方法のステップ、特に、少なくとも１つの温度パラメータを求めるステップと、当該少なくとも１つの温度パラメータに依存してプローブ搬入時期を求めるステップは、スピンドルの工具を交換またはピックアップすべき旨を示すピックアップ信号がプローブ搬入要求信号であると同定された場合、すなわち、幾何的プローブを搬入すべき旨を示す信号であると同定された場合に開始される。これによって、幾何的プローブを搬入する前に上述の方法のステップが適用されることが保証され、なおかつ、幾何的プローブでない他の工具を搬入すべき場合、すなわち、ピックアップ信号がプローブ搬入要求信号でない場合に、上記方法のステップが実施されないことを保証することができる。これによって、工作機械のコストのかかるダウンタイムが回避され、なおかつ、幾何的プローブを搬入する前にスピンドルが十分に熱平衡状態になることが保証される。
【００２１】
本発明の一実施形態では、プローブ搬入待機状態においてスピンドルにスピンドル温度調整ツールを取り付ける。スピンドル温度調整ツールはとりわけ、スピンドルの温度を調整するように構成されたツール、特にスピンドルを冷却するように構成されたツールであり、これは特に、スピンドルに取り付けられた当該スピンドル温度調整ツールによって、とりわけ、温度調整ツールがスピンドルに取り付けられていない場合のスピンドルの冷却速度と比較してスピンドルの冷却速度を上昇させ、または特定の温度に調整または維持することができること、を意味する。スピンドル温度調整ツールは好適には、少なくとも１つの温度パラメータに依存してスピンドルに取り付けられる。とりわけ、スピンドル温度が既定の調整ツール温度限界を上回る場合、またはスピンドル温度の時間微分が既定の調整ツール微分限界を下回る場合に、スピンドル温度を迅速に低下させるため、またはスピンドル温度の低下を加速させるために、スピンドル温度調整ツールをスピンドルに取り付けることができる。
【００２２】
スピンドル温度調整ツールは、受動的な冷却ツールおよび能動的なスピンドル温度調整ツールのうち少なくとも１つとすることができ、受動的な冷却ツールはとりわけ、とりわけ３００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）を上回る高い比熱容量、および／またはとりわけ３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を上回る高い熱伝導率を有する本体を備えたツールである。とりわけ、冷却ツールの本体は銅を含むことができ、または銅から成ることができる。
【００２３】
能動的なスピンドル温度調整ツールはとりわけ、スピンドルを内部から温度調整または冷却するように構成され、これを可能にするツールであり、当該スピンドル温度調整ツールはとりわけ、冷媒を、特に冷却液をスピンドルの内部空間へ供給するためのフィードスルー部を有する。好適には、スピンドル温度調整ツールはスピンドル全体の温度調整を可能にするツールホルダとして構成されている。とりわけ、スピンドルが回転していない状態でスピンドル全体の温度調整を用いることにより、スピンドル温度をより迅速に低下させることができる。
【００２４】
好適には、調整ツール温度限界はプローブ搬入温度限界より高い。
【００２５】
本発明の一実施形態では、幾何的プローブを搬入するための信号に基づいて幾何的プローブを搬入し、幾何的プローブの搬入から幾何的プローブを最初に使用するまでの間、既定のプローブ待機時間にわたって待機する。この既定のプローブ待機時間は好適には、幾何的プローブを用いたいずれかの測定がなされる前にスピンドルと幾何的プローブとの構成体の熱化に達するか、またはほぼ達するように選択される。このようにして、幾何的プローブを用いて正確な測定を行うために適した熱的安定性を保証することができる。
【００２６】
本発明の一実施形態では、工作機械はフライス盤である。追加的または代替的に、幾何的プローブは好適には接触プローブである。特にかかる場合には、本願にて開示している方法によって奏される利点が達成される。
【００２７】
本発明の一実施形態では、幾何的プローブを搬入する時期は、これを特に少なくとも１つの温度パラメータに依存して求める他にさらに−少なくとも１つの既定の機械ユーザパラメータにも依存して求められる。よって、工作機械を使用するユーザは好適には、当該ユーザの好みに応じて少なくとも１つの機械ユーザパラメータを設定することによって、幾何的プローブを搬入する時期を操作することができる。とりわけ、少なくとも１つの既定の機械ユーザパラメータを選択することにより、ユーザは待機期間および／または既定のプローブ待機時間を延長または短縮することができる。
【００２８】
幾何的プローブを搬入する時期は好適には、少なくとも１つの既定の機械ユーザパラメータに依存して自動的に求められる。よって、ユーザがすべきことは、少なくとも１つの機械ユーザパラメータを選択または設定することのみとなり、その後、幾何的プローブを搬入する時期はこれ以上のユーザインタラクションなしで自動的に求められる。
【００２９】
本発明の一実施形態では、少なくとも１つの機械ユーザパラメータは、既定の加工精度と、既定の加工速度と、ワークの表面の既定の表面品質であって、工作機械によってワークの表面を加工することによって達成される表面品質と、から成る群から選択される。その場合、これらの異なる機械ユーザパラメータは少なくともある程度は両立しないものである。たとえば、加工速度を高くすると高い加工精度が阻害され、その逆もあり得る。さらに、たとえば加工速度を高くして加工精度を低下したい場合には、待機期間または既定のプローブ待機時間を短縮することができる。また、加工精度および／または表面品質を高くしたい場合は、待機期間ならびに／もしくはプローブ待機時間を長く選択すること、または幾何的プローブを搬入する時期をより遅い時期に選択することができる。
【００３０】
本発明の一実施形態では、幾何的プローブを搬入する時期は少なくとも１つの搬入時期パラメータを求めることによって求められ、この少なくとも１つの搬入時期パラメータは、少なくとも１つの機械ユーザパラメータに依存して求められる。本発明の一実施形態では少なくとも１つの搬入時期パラメータは、可変の時間閾値および／または可変の温度閾値と、可変の遅延時間と、上述の待機期間と、既定の相対的温度範囲と、既定の期間と、既定のプローブ搬入温度限界と、既定のプローブ搬入微分限界と、既定の最大待機時間と、既定のプローブ待機時間と、から成る群から選択される。これらの搬入時期パラメータは全て、幾何的プローブを搬入する時期に影響を及ぼすものである。よって、幾何的プローブを搬入する時期を求めるための搬入時期パラメータとして、これらの各パラメータを使用することができる。
【００３１】
本発明の前記課題はまた、スピンドルと、スピンドルに（特に自動的に）結合されるように構成された幾何的プローブと、スピンドルのスピンドル温度値を測定するように構成および配置された少なくとも１つの温度センサと、上述の実施形態のうちいずれか１つの方法を実施するように構成された制御装置とを備えた工作機械を実現することによっても解決される。とりわけ当該工作機械は、方法に関して既に記載した利点を奏する。
【００３２】
既に述べたように、工作機械は好適には、工具マガジンと、複数の異なる工具と、とりわけ、後でスピンドルに結合されるために工具マガジンに保管されている幾何的プローブとを備えている。
【００３３】
工作機械は好適にはフライス盤である。追加的または代替的に、幾何的プローブは接触プローブである。
【００３４】
工作機械は好適には、工具を自動的に交換するための工具交換装置を備えており、この工具交換装置はとりわけ、複数の異なる工具をスピンドルに結合するためのものである。
【００３５】
図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】スピンドルに結合された幾何的プローブを備えている、一実施形態の工作機械の概略図である。
【図２】スピンドルに結合されたスピンドル温度調整ツールを備えている、図１の実施形態の工作機械の概略図である。
【図３】工作機械のスピンドルと共に幾何的プローブを使用する方法の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、一実施形態の工作機械１の概略図であり、工作機械１は、スピンドル３と幾何的プローブ５とを備えており、幾何的プローブ５は、特に工作機械１によって加工されるワークの表面において位置測定を行うために（好適には自動的に）スピンドル３に結合されるように構成されている。幾何的プローブ５は好適には、図１に概略的に示されているように接触プローブとして構成されており、よって、ワーク表面とプローブ端部先端７とを接触させることによってワークにおける位置を測定するような構成になっている。追加的または代替的に、工作機械１は、好適にはフライス盤として構成されている。
【００３８】
典型的には、幾何的プローブ５がスピンドル３に取り付けられて、ワークにおける位置測定を行うために使用される際には、スピンドル３は非回転状態になっている。工作機械１は好適には、ワークを加工するための少なくとも１つの工具または複数の工具を有する工具マガジンを備えており、この少なくとも１つの工具と幾何的プローブ５とは、（好適には自動的に）互いに交換可能となっている。スピンドル３が、たとえばフライス工具、ドリルビット、リーマ、または他の適切な工具等の工具と共にワークを加工するために使用される際には、スピンドル３は回転状態となる。加工動作中、とりわけ、図１には示されていないスピンドルモータおよび／または少なくとも１つのスピンドル軸受９において発生した熱に起因して、またさらに、工具とワークとの接触領域において発生した熱により、スピンドル３が加熱する。この発生した熱は少なくとも、スピンドル３の長軸Ｌに沿って測定されるスピンドルシャフト長の伸長を引き起こし、典型的には、一方向より多くの方向におけるスピンドル３全体の変形、典型的には全方向におけるスピンドル３全体の変形を引き起こし、これはその後、当該加工動作直後に幾何的プローブ５をスピンドル３に取り付けたときに、少なくとも一方向において、典型的には全方向において、プローブ端部先端７の変位を生じさせる。この問題を回避するためには、幾何的プローブ５を搬入する前、とりわけ、位置測定のために幾何的プローブ５を使用する前に、スピンドル３を熱的に安定した状態に冷却できるようにしなければならない。これによって、工作機械１のユーザにとって非生産的なダウンタイムが生じてしまうので、幾何的プローブ５を搬入する前の待機時間を可能な限り短縮することが望ましい。
【００３９】
かかる課題を解決するため、工作機械１は少なくとも１つの温度センサ１１を備えており、これは、スピンドル温度値を測定するように構成および配置されている。図１に概略的に示されている実施形態では、温度センサ１１は、スピンドル軸受９の領域に配置されており、このスピンドル軸受９は特にスピンドル前軸受であり、これは、特に機械的軸受である場合、とりわけローラベアリングまたはボールベアリングである場合、特にスピンドル３のホットスポットに相当するものとなる。温度センサ１１は、軸受９から距離をおいて配置することができ、とりわけ、軸受９がたとえば磁気軸受または空気軸受等の非接触軸受である場合にはスピンドルモータの付近に配置することができる。図示の実施形態では、温度センサ１１は、スピンドル３を収容するステータ内に配置されている。さらに、温度センサ１１または他の温度センサを好適にはスピンドル３自体に配置すること、とりわけスピンドルシャフトに配置することができる。温度センサ１１は、制御装置１３に動作可能に接続されており、制御装置１３は、下記にて詳細に説明する方法を実施するように構成されている。
【００４０】
とりわけ制御装置１３は、プローブ搬入待機状態において、少なくとも１つの温度センサ１１を使用してスピンドル３の少なくとも１つの温度値を測定することによって、当該スピンドル３の温度に関連する少なくとも１つの温度パラメータを求め、さらに、このようにして求められた少なくとも１つの温度パラメータに依存して、幾何的プローブ５を搬入する時期を求めるように構成されている。工作機械１と、特に制御装置１３と、はさらに、上述のように求められたプローブ搬入時期において幾何的プローブ５を搬入するように構成されている。
【００４１】
とりわけ、工具を交換またはピックアップしてスピンドル３に取り付けるべき旨を示すピックアップ信号について、制御装置１３は、ピックアップ信号が、幾何的プローブ５をスピンドル３に取り付けるべき旨を示すプローブ搬入要求信号であるか否かを検査する。さらに、ピックアップ信号が実際にプローブ搬入要求信号である場合、制御装置１３は、工作機械１をプローブ搬入待機状態にして、少なくとも１つの温度パラメータを求めるステップと、さらに、当該少なくとも１つの温度パラメータに依存してプローブ搬入時期を求めるステップと、さらに、このようにして求められたプローブ搬入時期においてのみ幾何的プローブ５を搬入するステップと、を実施するように構成されている。
【００４２】
好適には、幾何的プローブ５を搬入すべき旨を示すプローブ搬入信号に基づいて幾何的プローブ５を搬入する場合には、制御装置１３は、幾何的プローブ５がスピンドル３に取り付けられたちょうどその瞬間から、幾何的プローブ５を最初に使用するまでの既定のプローブ待機時間にわたって待機するように構成されている。これによって、幾何的プローブ５を用いた位置測定の正確、精密かつ高精度の測定結果を保証するために、その前に、スピンドル３の好適には熱的に安定した状態においてスピンドル３と幾何的プローブ５とが適切に熱化することが保証される。
【００４３】
前記少なくとも１つの温度パラメータは好適には、少なくとも１つの温度値自体と、測定されたスピンドル温度の時間微分、すなわち時間の経過と共に測定された複数の温度値の時間微分と、から成る群から選択される。
【００４４】
図２は、スピンドル３に取り付けられたスピンドル温度調整ツール１５を備えている、図１の実施形態の工作機械１の概略図である。よって、スピンドル温度調整ツール１５は、幾何的プローブ５と交換されるものである。同一要素または機能的に等価の要素には同一の符号を付しているので、これらについては上記の説明を参照されたい。スピンドル温度調整ツール１５は好適には、少なくとも１つの温度パラメータに依存してプローブ搬入待機状態においてスピンドル３に取り付けられる。とりわけ、温度センサ１１によって測定された温度値、とりわけ第１の初期の温度値が、既定の調整ツール温度限界を上回る場合、かつ／または温度センサ１１によって測定された温度値列の時間微分が既定の調整ツール微分限界を下回る場合には、スピンドル温度調整ツール１５をスピンドル３に取り付けることができる。スピンドル温度調整ツール１５をスピンドル３に取り付けることによって、スピンドル３が冷却するために必要な時間を削減することができ、またはスピンドル温度調整ツール１５によってスピンドル３を熱化すること、すなわち特定の温度にし、ならびに／もしくは特定の温度に維持することができる。
【００４５】
図２に示されているスピンドル温度調整ツール１５は、スピンドル全体の温度調整、とりわけスピンドル全体の冷却を行える、能動的な温度調整ツールである。これを実現するためには、スピンドル温度調整ツール１５は、内部空間１９に流体連通された貫通孔１７を備えることにより、スピンドル３の冷却および／または熱化を加速化すべくスピンドル温度調整ツール１５によって貫通孔１７からスピンドル３の内部空間１９へ冷却液を導入できるようにされている。
【００４６】
追加的または代替的に、スピンドル温度調整ツール１５は、受動的な冷却ツールとして構成されており、これは好適には、特に３００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）を上回る比熱容量および／または３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超える熱伝導率を有する中実部品として構成されている。スピンドル温度調整ツール１５は、銅を含むことができ、または好適には銅から成ることができる。とりわけスピンドル温度調整ツール１５は、銅から成る中実の本体、または適切な比熱容量ならびに／もしくは適切な熱伝導率の観点で適切な他の材料から成る中実の本体を有することができる。
【００４７】
スピンドル温度調整ツール１５は、能動的な温度調整ツールの特性と受動的な冷却ツールの特性とを組み合わせることにより、高い比熱容量と高い熱伝導率との双方を兼ね備え、さらに、とりわけスピンドル３の内部空間１９に流体連通できる各対応する貫通孔１７を備えることによってスピンドル全体の温度調整を行えるように構成することができる。
【００４８】
好適には、スピンドル温度調整ツール１５がスピンドル３に結合されているときには、スピンドル３は非回転状態である。
【００４９】
図３は、工作機械１のスピンドル３と共に幾何的プローブ５を使用する方法の複数の異なる実施形態の概略図である。ａ）の第１のグラフは、時間ｔに対するスピンドル動き信号Ｓを示しており、同グラフにおいて、第１の時点ｔ１でスピンドル３は、ワークを加工するために、たとえばフライス工具、ドリルビット、リーマまたは他の適切な工具等の工具を用いる加工動作を開始する。ｂ）およびｃ）には、加工動作中に、スピンドル３の回転加工状態において生成された熱に起因して、好適には温度センサ１１によって測定されるスピンドル３の温度Ｔが上昇して、スピンドル３が加熱するのが示されている。ｂ）では、好適には温度センサ１１によって測定されるスピンドル３の温度Ｔを、時間ｔに対して示している。ｃ）では、ｂ）に示されている測定されたスピンドル温度の時間微分ＤＴが、時間ｔに対して示されている。
【００５０】
第２の時点ｔ２において、加工動作中に、スピンドル３に取り付けられている工具を幾何的プローブ５に交換してスピンドル３に取り付ける許可を要求するプローブ搬入要求信号であるピックアップ信号を生成する。このプローブ搬入要求信号に基づいてスピンドル３は回転を停止し、工具をスピンドル３から取り外してスピンドル３を空にする。すなわち、スピンドル３に取り付けられた工具がないようにする。さらに、工作機械１は、プローブ搬入待機状態にされ、このプローブ搬入待機状態において、少なくとも１つの温度パラメータを求めて当該少なくとも１つの温度パラメータに依存してプローブ搬入時期を求める。
【００５１】
本方法の特殊な一実施形態では、第２の時点ｔ２においてスピンドル３の開始温度値を測定し、工作機械１が幾何的プローブ５を搬入する前に待機する時間である待機期間Δｔｗを、開始温度値に依存して求める。好適には、第３の時点ｔ３において、幾何的プローブ５を搬入するための信号すなわちプローブ搬入信号を生成する。この第３の時点ｔ３において幾何的プローブ５は搬入される。
【００５２】
本発明の他の一実施形態では、スピンドル３の温度値の時系列を測定し、当該温度値が既定の期間にわたって既定の相対的温度範囲内で一定に留まっている場合、プローブ搬入信号を生成する。
【００５３】
図３ｂ）を参照して詳細に説明する本発明の一実施形態では、スピンドル３の温度値の時系列を測定し、当該温度値が既定のプローブ搬入温度限界Ｔ１に達するか、またはこれを下回る場合、プローブ搬入信号を生成する。これは、同図では第３の時点ｔ３に該当する。
【００５４】
本発明の他の一実施形態では、スピンドル３の温度値の時系列を測定し、当該温度値の時系列の時間微分ＤＴが既定のプローブ搬入微分限界ＤＴ１に達する場合、またはこれを上回る場合、プローブ搬入信号を生成する。この既定のプローブ搬入微分限界ＤＴ１は好適には、０付近かつ負である。というのも、温度値の時間微分はスピンドル３の冷却中には負になるからである。本実施形態は図３ｃ）にさらに詳細に示されており、同図では、時間微分ＤＴが既定のプローブ搬入微分限界ＤＴ１に達する時期、またはこれを上回る時期も、第３の時点ｔ３であり、その限りにおいて、これはプローブ搬入時期である。
【００５５】
とりわけ、図３ｂ）およびｃ）に詳細に示されている方法の実施形態により、幾何的プローブ５を搬入する前にスピンドル３が熱平衡状態に達することが保証される。
【００５６】
しかし、上記にて詳述した条件のいずれも成立しない場合でも、図示されていない既定の最大待機時間の経過後には、プローブ搬入信号は生成される。この既定の最大待機時間は好適には、スピンドル３の熱的状態を求めることができないほど温度測定または温度値の評価に温度測定誤差または何らかの欠陥がある可能性が高くなるように選択される。かかる場合、既定の最大待機時間の経過後にプローブ搬入信号を生成することにより、かかる場合において工作機械１の過度に長時間の非生産的なダウンタイムを回避することができる。
【００５７】
しかし、既定の最大待機時間が経過した後、特に、既定の最大待機時間が経過したとの理由により、プローブ搬入信号が生成された場合、スピンドル３の温度測定および熱的状態の特定に問題が存在する旨と、幾何的プローブ５を用いた次の測定においてスピンドル３の十分に明確でない熱的状態が求められるおそれがある旨と、を示す警告信号が、工作機械１のユーザに対して出力される。
【００５８】
好適には、上述の待機期間Δｔｗ、既定の相対的温度範囲、既定の期間、既定のプローブ搬入温度限界Ｔ１および／または既定のプローブ搬入微分限界ＤＴ１のうち少なくとも１つを求めるために、スピンドル３の温度モデルを使用する。
【００５９】
幾何的プローブ５を搬入する時期は好適には、さらに少なくとも１つの既定の機械ユーザパラメータに依存して求められる。この少なくとも１つの機械ユーザパラメータは好適には、既定の加工精度と、既定の加工速度と、ワークの表面の既定の表面品質であって、工作機械によってワークの表面を加工することによって達成すべき表面品質と、から成る群から選択される。
【００６０】
好適には、少なくとも１つの機械ユーザパラメータに依存して少なくとも１つの搬入時期パラメータが求められ、少なくとも１つの搬入時期パラメータは、可変の時間閾値および／または可変の温度閾値と、可変の遅延時間と、上述の待機期間Δｔｗと、既定の相対的温度範囲と、既定の期間と、既定のプローブ搬入温度限界Ｔ１と、既定のプローブ搬入微分限界ＤＴ１と、既定の最大待機時間と、既定のプローブ待機時間と、から成る群から選択される。その際に好適なのは、幾何的プローブを搬入する時期が少なくとも１つの搬入時期パラメータによって定まることである。とりわけ、幾何的プローブを搬入する時期は、少なくとも１つの搬入時期パラメータから自動的に求められることができ、またはこれと同一とすることができる。
【００６１】
上記の方法は、幾何的プローブ５のプローブ搬入時期を求める他の方法と組み合わせることができ、特に幾何的プローブ５の較正と組み合わせることができる。かかる場合には、熱平衡状態にあるときのスピンドル３と幾何的プローブ５との構成体の温度を求めることができ、幾何的プローブ５を用いて実施された位置測定結果の評価のために、この温度の補償のためのデータを使用することができる。
【００６２】
また、幾何的プローブ５の温度値も観測できるように、幾何的プローブ５自体が少なくとも１つのセンサを備えることも可能である。
【００６３】
また、幾何的プローブ５の搬入を安全に行えるプローブ搬入時期の精度を高精度化するため、欧州特許出願公開第１６８８２１５号明細書（EP 1 688 215 A1）に詳細に記載されているスピンドル温度を求める方法と上記の方法とを組み合わせることもできる。欧州特許出願公開第１６８８２１５号明細書に詳細に記載されている温度モデルは、スピンドル３の温度を効果的に予測することができる。
【００６４】
本願にて開示した方法および工作機械１によって、時間を要する較正手順を使用する必要なく、また追加／専用のハードウェアも、明示的な熱モデリングも必要とすることなく、正確な部品測定を保証するための、幾何的プローブをピックアップする前の待機時間を削減することができる。上記の方策は簡単、効果的であり、かつ工作機械１の全方向に適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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