(57)【要約】  本発明は、閉ループフィードバックシステムおよび機械加工作業を実施するための方法である。工具の動作特性がリアルタイムで測定される。機械加工工程の動作パラメータは、測定された特性に基づいてリアルタイムで調整される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に機械加工作業を施すための方法であって、その方法は、
前記被加工物から材料を物理的に除去するための工具を設け、
前記機械加工作業のための作動パラメータを設定するアルゴリズムを設け、
前記工具の少なくとも１つの物理的特性をリアルタイムで測定し、
測定された前記少なくとも１つの物理的特性に基づいてリアルタイムで前記アルゴリズムを調整すること、
を含む方法。
【請求項２】
前記機械加工作業は、旋盤加工である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記作業パラメータは、前記工具と被加工物との間の相対回転速度、前記工具の回転軸線に沿った方向での前記工具と被加工物との間の相対移動速度からなる群から選択される少なくとも１つのパラメータを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
測定された前記少なくとも１つの物理的特性は、前記工具の偏向、前記工具の振動、そして前記工具にかかる力からなる群から選択される少なくとも１つの特性を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記測定のステップは、光ファイバセンサ、磁気センサおよびアナログ電子ひずみゲージからなる群から選択される少なくとも１つのセンサを用いる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記測定のステップは、
前記工具に埋め込まれた光ファイバセンサに光線を照射し、
前記埋め込まれたセンサから光学信号を受け取り、
前記光学信号をデジタルパラメータに変換し、
時間に関する物理的特性の変化を決定するために、時間に関する前記デジタルパラメータの変化を分析する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記調整のステップは、ＣＮＣプログラムのコードを修正することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
閉ループフィードバックＣＮＣ制御による、被加工物への内部旋盤加工作業方法であって、その方法は、
ボーリングバーを設け、
前記作業のためのスピンドル速度と送り速度を設定する初期ＣＮＣコードを提供し、
前記内部旋盤加工の間に、前記ボーリングバーにかかる力、前記ボーリングバーの偏向及びボーリングバーの振動からなる群から選択される少なくとも１つの要素をリアルタイムで測定し、
前記リアルタイムでの測定に基づいて新しい前記スピンドル速度と送り速度を設定するために、リアルタイムで前記ＣＮＣコードを調整することを含む、方法。
【請求項９】
前記測定のステップは、光ファイバセンサ、磁気センサおよびアナログ電子ひずみゲージからなる群から選択される少なくとも１つのセンサを用いる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記測定のステップは、
前記工具に埋め込まれた光ファイバセンサに光線を照射し、
前記埋め込まれたセンサから光学信号を受け取り、
前記光学信号をデジタルパラメータに変換し、
時間に関する物理的特性の変化を決定するために、時間に関する前記デジタルパラメータの変化を分析する、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記方法は、前記新しいスピンドル速度が予め定められたスピンドル速度値よりも小さい場合、またはは前記新しい送り速度が予め定められた送り速度値よりも小さい場合、機械の操作者に工具を取り替えるべきであることを通知するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、前記新しいスピンドル速度が予め定められたスピンドル速度値よりも小さい場合、または前記新しい送り速度が予め定められた送り速度値よりも小さい場合、旋盤加工作業を自動的に停止するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
閉ループフィードバック制御機械加工システムであって、そのシステムは、
機械であって、被加工物ホルダと、工具ホルダと、前記被加工物と工具との間に相対回転を与えるためのスピンドル駆動システムと、前記被加工物と工具との間に相対移動を与えるための送り駆動システムと、を備える機械と、
工具と、
前記工具に作動的に付随する少なくとも１つのセンサと、
前記少なくとも１つのセンサに作動的に付随する少なくとも１つの信号変換器と、
前記少なくとも１つの信号変換器と作動的に付随する少なくとも１つの信号アナライザと、
前記少なくとも１つの信号アナライザと作動的に付随し、且つ前記スピンドル駆動システムと送り駆動システムと作動的に付随している少なくとも１つのコントローラとを備え、
前記少なくとも１つのセンサは前記工具からの信号を受け取り、その信号を前記少なくとも１つの信号変換器に送信し、前記少なくとも１つの信号変換器は受け取った前記信号を１組のデジタルパラメータに変換し、そのデジタルパラメータを前記少なくとも１つの信号アナライザに送信し、前記少なくとも１つの信号アナライザは、工具へかかる力、工具の偏向および工具の振動からなる群から選択される少なくとも１つの要素をリアルタイムで決定し、前記少なくとも１つのコントローラは前記少なくとも１つのスピンドル駆動システムおよび送り駆動システムによって印加される動力をリアルタイムで決定された前記要素に基づいて調整する、システム。
【請求項１４】
前記機械は旋盤である、請求項１１に記載の閉ループフィードバック制御システム。
【請求項１５】
前記工具はボーリングバーである、請求項１２に記載の閉ループフィードバック制御システム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのセンサは、光ファイバセンサ、磁気センサおよびアナログ電子ひずみゲージからなる群から選択される少なくとも１つのセンサである、請求項１１に記載の閉ループフィードバック制御システム。
【請求項１７】
前記工具から受け取った信号は光学信号である、請求項１４に記載の閉ループフィードバック制御システム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのコントローラはＣＮＣコントローラである、請求項１１に記載の閉ループフィードバック制御システム。
【請求項１９】
携帯型表示装置が前記コントローラによってなされる調整を使用者に知らせることができるように、前記少なくとも１つのコントローラと作動的に付随している携帯型の表示装置を更に備えている、請求項１１に記載の閉ループフィードバック制御システム。
【請求項２０】
前記携帯型表示装置は、携帯電話、ＰＤＡおよびタブレットコンピュータからなる群から選択される、請求項１９に記載の閉ループフィードバック制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、閉ループＣＮＣ機械加工システムおよびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＮＣ、すなわちコンピュータ数値制御自動加工機(computer numerical control)は、従来手作業によって行われていた機械加工作業を自動化するために、数十年にわたり機械加工工程で使用されている。そのような加工工程には、被加工物に対する作業を行うために、工具や被加工物を三次元空間内でお互いに対して移動させることを含む。ＣＮＣプログラミングは、ＣＮＣ制御を有する機械加工工具に与えられるコンピュータコマンドを生成することからなる。それらのコマンドは、機械加工工具が取るべき工具の経路に対する制御を指示し、あるいは送り量すなわち被加工物に対する工具の切削速度、スピンドル速度すなわち被加工物を切削しているときの工具が回転する際の速度のような、様々な加工条件を設定する。
【０００３】
ＣＮＣ加工機械は、コンピュータ制御の機械であり、開ループ及び閉ループ制御機構を用いる、機械的に複雑な加工機械を制御するために、簡便なソフトウェア言語を用いる。ＣＮＣ機械加工は、２つの主要な機械加工プロセスの形式に分けられ、それらはフライス加工(milling)及び旋盤加工(turning)である。フライス加工はフライス盤で行われ、エンドミルと呼ばれる鋭利な回転する切削刃を用いて、材料が切除されるスピンドルの下の回転しない被加工物の位置決めを伴う。旋盤加工は旋盤によって行われ、加工機械のスピンドルで丸い被加工物を回転させ、回転しない工具ビットを用いて被加工物を切削することを伴う。典型的なＣＮＣ旋盤の写真が図１に示されている。
【０００４】
ＣＮＣ旋盤加工作業の第１の目的は、何れも加工品質と加工速度である。旋盤加工作業の品質と速度に影響を及ぼす５つの主要な要素は、１）切削工具の剛性、２）切削工具の鋭利さ、３）被加工物の硬さ、４）被加工物の回転速度（スピンドル速度）そして５）切除される材料の量（送り量）である。
【０００５】
旋盤加工作業は２つの基本的な形式に分類され、それは内部旋盤加工（ボーリングと呼ばれる）と外部旋盤加工である。外部旋盤加工は大変剛性のある切削刃を用いて行われる。なぜなら、被加工物の直径によって工具の寸法が制限されないからである。外部旋盤加工の写真が図２に示されている。一方、内部旋盤加工は工具の寸法そして硬さを制限する。なぜなら、切削刃は被加工物の内部に嵌らなければならないからである。内部旋盤加工の写真が図３に示されている。
【０００６】
内部旋盤加工は最適化への挑戦がなされている。なぜなら、上記した５つの主要な要素が相互関連し、しばしば試行錯誤を伴う生産性のバランスを成し遂げなければならないからである。機械加工者は一般的に、すでに定義された５つの要素のうちの３つの要素を伴う内部旋盤加工作業を持ち出す。切削工具の鋭利さ、切削工具の剛性、そして被加工物の材料の硬さは、一般的に旋盤加工作業の初期設定の間に定義される。機械加工者は、ＣＮＣプログラム内のソフトウェアパラメータを変更することにより、切削速度と切削の際の送り量である残りの２つの要素を最適化する。この最適化はしばしば試行錯誤、すなわち機械加工者が被加工物を機械へ載せ、ＣＮＣプログラムを実行するために機械に指令することを招来する。そして機械加工者は被加工物を取外し、その加工品質を確かめる。仮に品質が満足できないものであれば、機械加工者はＣＮＣプログラムに対して１回あるいはそれ以上の変更をなし、品質の高い部品が製造されるまでその工程を繰り返す。
【０００７】
ＣＮＣ機械は、機械的ハードウェアと、コンピュータ制御システムと、コンピュータソフトウェアの組み合わせである。ＣＮＣ機械は、機械的に複雑で、様々な種類があり、製品が提供する質実さは、最高のアメリカ機械工業のいくらかを示す。機械設計の革命は、産業革命以来継続されている。多くの部分で、制御システムおよびソフトウェア工学は、比較によって相対的に簡略化される。ソフトウェア工学とコンピュータは一般消費者および科学分野市場において急成長したが、産業的な製造のための制御は遅れており、いまだ１９５０年から６０年代に開発された基本的アルゴリズムと同じものを使用している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、アメリカが産業的製造の自動化に対する世界市場での競争力を保てば、最新技術を進展させる望みが残される。さらに、生産性の改善のための、製造の自動化のための閉ループ制御システムの革新に対するニーズが残されている。本発明は、リアルタイムで工具の特性を測定し、加工パラメータをリアルタイムで調整することによって機械加工作業のリアルタイム制御を提供する方法とシステムを提供することによってこのニーズを満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態は、被加工物への機械加工作業を行うための方法である。この方法は被加工物から材料を物理的に除去するための工具を提供することを含む。アルゴリズムは、機械加工作業のための初期動作パラメータを設定するために提供される。工具の少なくとも１つの物理的特性値がリアルタイムで測定される。そして、アルゴリズムは測定された少なくとも１つの物理的特性値に基づいてリアルタイムで調整される。
【００１０】
本発明の他の実施形態は、被加工物に対して行われる旋盤加工工程の中で制御される閉ループフィードバックＣＮＣである。その方法は、ボーリングバー(boring bar)を提供することを含む。最初に提供されるＣＮＣコードは、旋盤加工のための初期スピンドル速度と、送り速度を設定する。ボーリングバーに加わる力と、ボーリングバーの偏向と、ボーリングバーの振動の少なくとも１つは、旋盤加工工程中にリアルタイムで測定される。ＣＮＣコードは、リアルタイムの測定値に基づいて新しいスピンドル速度と送り速度をリアルタイムで設定するために調整される。
【００１１】
本発明の他の実施形態は、閉ループフィードバック制御機械加工システムである。そのシステムは、機械、工具、少なくとも１つのセンサ、少なくとも１つの信号アナライザ、そして少なくとも１つのコントローラとを備えている。機械は、被加工物ホルダと、工具ホルダと、スピンドル駆動システムと、そして送り駆動システムを備えている。スピンドル駆動システムは、被加工物と工具との間に相対回転を与える。送り駆動システムは、被加工物と工具との間に相対的並進移動を与える。少なくとも１つのセンサは、工具と動作的に関連（付随）している。少なくとも１つの信号変換器は、少なくとも１つのセンサに動作的に関連（付随）している。少なくとも１つの信号アナライザは、少なくとも１つの信号変換器と動作的に関連（付随）している。少なくとも１つのコントローラは、少なくとも１つの信号アナライザと、スピンドル駆動システムと、送り駆動システムと動作的に関連（付随）している。少なくとも１つのセンサは工具から信号を受け取り、その信号を少なくとも１つの信号変換器に送信する。少なくとも１つの信号変換器は、受け取った信号を１組のデジタルパラメータに変換し、そのデジタルパラメータを少なくとも１つの信号アナライザに送信する。少なくとも１つの信号アナライザは、工具に加わる力、工具の偏向および工具の振動の少なくとも１つをリアルタイムで決定する。少なくとも１つのコントローラは、少なくとも１つのスピンドル駆動システムおよび送り駆動システムによって加えられる力を、リアルタイムで決定された情報に基づいてリアルタイムで調整する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
簡潔さ及び例示の目的のために、本発明の本質がその様々な例示的実施形態を参照することによって説明される。本発明の好適な実施形態はここで詳しく説明されるが、当業者であれば同じ原理が他の構成や方法に同様に適用可能であり、そして同様にかかわることができ、そのような変形例も本発明の範囲から逸脱しないそのような改変内に含まれることは、容易に認識されるであろう。本発明の開示された実施形態を詳しく説明する前に、本発明は図示された特定の実施形態の詳細な応用に制限される訳ではなく、本発明はもちろん他の実施形態も可能であることは理解されるべきである。ここで使用される用語は、説明の目的に過ぎず、なんら限定するためのものではない。更に、特定の順番でここに示されている特定の行程を含む特定の方法が記載されているが、多くの例においてこれらの行程は当業者によって理解されるいかなる順番かで実行され、そしてその方法はここに開示されている行程の特定の組み立てに制限されない。更に、特定の実施形態が図面に示されているが、本発明は特別にこれらの示された実施形態に制限しようとするものではない。
【００１３】
ＣＮＣ機械は、開ループ及び閉ループ制御システムの組み合わせを利用する。閉ループ制御システムは、制御アルゴリズムを通して入力に接続された出力からなり、それは出力が入力と比較されて２つが合致するように適切な補正が加えられるので、最高の正確性を提供する。典型的なＣＮＣ機械のためのブロック図が図４に示されている。工具の長さおよび部品の直径のような寸法の物理的測定が、典型的な機械加工工具における閉ループ制御の例である。これらの機械は、部品を製造し、部品の物理的寸法を測定し、不正確性を正すためにパラメータを調整することができる。しかし、一般的に作業者は、低品質な表面処理および／または早まる工具の磨耗を考慮するために、ＣＮＣ機械コードを調整することに対して責任を有している。作業者は、部分的なルーチン初期設定の間、単一の最適化をする傾向にある。この最適化は、製造過程を通して工具の磨耗を考慮しようとするものであるが、変更のための最低のリアルタイム補正との１回の妥協となるであろう。一般的なＣＮＣ装置は、工具の振動（すなわち、チャター(chatter)）によって引き起こされる低品質な表面処理のような、品質に影響を与えるパラメータを自立的に修正するための設備を持っていない。閉ループ制御システムを一歩進めるためには、ＣＮＣ機械は追加の工程入力を必要とする。
【００１４】
ここで使用される「機械加工動作」は、機械が工具を保持して工具が被加工物に接触するいかなる工程をも意味する。一般的な機械加工動作は、フライス加工と旋盤加工である。一般的に、フライス加工機械はフライス加工に用いられ、旋盤は旋盤加工に用いられる。一般的にそれぞれの機械は工具ホルダを備えている。ここで使用される「工具」は、被加工物に接触する実際の装置であり、全体的に機械自体を示すものではない。一般的な工具は、フライス加工機械で用いられるエンドミルや、旋盤で用いられるボーリングバーを含む。ここで使用される「少なくとも１つの物理的特性の測定」は、物理的特性の絶対値の測定と、時間に関する特性の変化速度の測定の両方を意味する。
【００１５】
本発明の一実施形態は、工具を用いて被加工物に機械加工作業を行うための閉ループ制御方法である。その方法は、機械加工作業を行うための工具を設けることを含む。工具と被加工物は、初期動作パラメータで配設される。工具の物理的特性は、リアルタイムで測定される。これらの測定値に基づいて、機械加工作業を最適化するために動作パラメータが調整される。
【００１６】
機械加工作業は、内部旋盤加工工程であることが望ましい。旋盤加工工程は旋盤によって行われ、工具はボーリングバーであることが望ましい。この実施形態において、工具が静止しており被加工物が回転する。被加工物は、工具の回転軸線と平行な方向で工具に向かって移動する。被加工物はスピンドル速度として知られる速度で回転する。被加工物は初期スピンドル速度で提供される。被加工物はまた、送り速度として知られる速度で工具に関して並進移動する。被加工物は、初期送り速度で提供される。図５は、内部旋盤加工工程を実施しているボーリングバーの図を示す。
【００１７】
測定された工具の特性には、リアルタイムで機械加工作業の品質を決定するために使用される特性を含む。測定される特性には、工具の偏向、工具にかかる力および工具の振動を含んでいることが望ましい。被加工物に対する機械加工作業を行っている間の工具の偏向、力そして振動は、少なくとも１つの使用によって決定される。不適切な機械加工環境に耐えるのに十分な耐環境性を有し、且つ偏向、力及び振動の正確な測定を実現できるいずれかのセンサが用いられる。センサの一例としては、磁気センサ、アナログひずみセンサそして光ファイバセンサなどが含まれる。アナログひずみセンサは、実際の偏向、力または振動の測定値を提供するが、磁気センサや光ファイバセンサは時間に関する特性値の変化の測定値を提供する。測定は、部品の品質を高めるために、機械加工作業の動作パラメータの所望の変化を予想するものであるので、特性の実際の値は必要ではない。センサは、工具自体、工具ホルダあるいは機械内部のどこかに取り付けられる。
【００１８】
光ファイバセンサを用いる実施形態においては、少なくとも１つのセンサが工具に埋め込まれていることが望ましい。センサは工具のいずれかの部分に埋め込まれる。もっとも大きな偏向、力そして振動が測定できるように、センサは工具ホルダから離れた端部に埋め込まれることが望ましい。この実施形態において、工具内のセンサに光が照射される。埋め込まれたセンサは、光学信号を信号アナライザで読むことができるデジタルパラメータに変換する電子制御インターフェースに光を逆戻りさせる。そしてそのインターフェースは、変換された信号を信号アナライザに送信する。そして信号アナライザは信号を分析し、工具の偏向、力及び振動を決定する。この決定は、外部センサによって受け取る光学信号の変化を引き起こすこれらのパラメータの変化に基づいている。そして信号アナライザは、この情報を能動工具制御電子フィードバックループ(Active Tool Control Electronic Feedback Loop)を確立するマイクロプロセッサに供給する。そして、フィードバックループは、スピンドル速度または送り速度が、決定された工具特性に基づいて調整されるべきかどうかについて決定する。そしてフィードバックループは、スピンドル速度と送り速度に対する新しいアルゴリズムを生成する。そして、フィードバックループはこれらの新しいアルゴリズムを機械コントローラ、望ましくはＣＮＣ機械コントローラに提供する。そして、コントローラは被加工物のスピンドル速度と送り速度を調節する。この工程は、機械加工作業の全体期間の間にわたって継続的に実施される。
【００１９】
図６は、ＣＮＣ機械工具と共に使用される本発明の方法の基本的なブロック図を示す。センサは、被加工物に対する作業を行う工具すなわち切削工具の物理的特性を検出する。センサは、能動工具制御電子フィードバックループと通信を行う。フィードバックループは、検出された物理的特性を分析し、その分析結果に基づいて工程に対する新しい動作パラメータを決定する。フィードバックループは、増幅器およびサーボのような動作制御電子機器と通信する。増幅器とサーボは、切削工具と被加工物との間の機械加工工程の動作パラメータを変化させる。またフィードバックループは、機械制御コンピュータと通信する。機械制御コンピュータは、ユーザインターフェースとプログラム格納部とを備えている。ユーザインターフェースは、測定された切削工具の物理的特性と動作パラメータに生じた変化を表示する。プログラム格納部は、将来の参照のためにこの情報を保存する。また機械制御コンピュータは、携帯電話、ＰＤＡ，或いは携帯ＰＣのような携帯性の表示装置と通信する。これにより、ユーザインターフェースに表示された情報を、遠隔機械オペレータに対して遠隔通信する。図６に示されるすべてのステップは、機械加工工程の間中、リアルタイムで実行される。
【００２０】
光ファイバセンサを用いる実施形態において、光源は光学信号を検出し、そして伝達もできるある形式の光制御器に光を照射する。そしてこの光制御器は、機械加工作業に用いられる工具内部に埋め込まれた光ファイバセンサに光信号を送る。そして、光学センサは光信号を光制御器に逆送信する。この信号は工具へかかる力、工具に生じる偏向そして工具の振動に依存して変化するものである。そして、光制御器は、光信号を第２の光制御器へ送る。第２の光制御器は信号を受け取り、適切な信号を回転可能なフィルタと高速検出器の両方に送る。フィルタは光をフィルタリングし、適切な信号を高速検出器に送る。そして検出器は信号を検出し、それを信号アナライザで読むことができる信号に変換する。そして検出器は、変換された信号を信号アナライザへ送信する。そして信号アナライザは信号を分析し、工具の物理的特性値を決定する。そして信号アナライザはこれらの値を能動工具制御電子フィードバックループに提供し、フィードバックループは上記値を用いる。このプロセスは機械加工作業の全体の期間の間にわたって継続的に行われる。上記説明は、光ファイバセンサの動作の包括的な説明を意味するものではない。当業者は、そのようなセンサの動作を理解するので、この詳細な説明は省略される。Ｂａｒｔｏｗ氏らは、参考としてその全体がここに組み入れられるＳＰＩＥの会報  ５２７８号  第２２〜３１項（２００３）の「Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」において、工具内の振動を測定するために工具に埋め込まれる光ファイバの使用について説明している。
【００２１】
磁気センサを使用する実施形態において、検出素子は工具に埋め込まれる必要は無い。この実施形態において、工具が作動状態にあるときには、工具の近傍で磁界が発生している。そして、工具はそれ自身の磁界を生成する。工具が生成した磁界は、工具にかかる力、工具の偏向そして工具の振動に伴って変化する。そして、センサは工具が生成した磁界を受け取り、それを信号変換器へ送信し、信号変換器はその信号を信号アナライザが読むことができる信号に変換する。信号アナライザは、受け取った信号の変化に基づいて工具の偏向、力及び振動を決定する。そしてこのプロセスは、光ファイバセンサを用いる実施形態と同様に継続する。
【００２２】
もちろん、どのような形式のセンサや検出素子をも用いることができ、それは有害な産業的環境に耐える丈夫さを有し、振動と偏向の測定によって要求される精密さを提供する。他の可能性のあるセンサとしては、アナログ式の電子ひずみゲージである。しかし、光ファイバセンサの方が望ましい。なぜなら、光学的測定は従来のアナログ式の電子ひずみゲージよりも、よりよい耐ノイズ性と、よりよい周波数応答性を有するからである。
【００２３】
望ましい実施形態において、少なくとも１つの信号送信は、無線によって行われる。より望ましい実施形態においては、すくなくとも埋め込まれたセンサから信号変換器への信号と、信号変換器から信号アナライザへの信号は、無線によって通信される。これは、本発明の閉ループ制御の方法論で、簡単にかつ経済的な方法で機械を改良することを可能とする。
【００２４】
測定されたパラメータは、工具が磨耗して交換するべきかどうかを決定するためにも使用される。例えば、機械加工作業の品質と速度は、工具の剛性や鋭利さを含む工具の特性に依存する。工具が鋭利でなくなると、同じ品質を実現するのにゆっくりとした機械動作が行われる必要がある。したがって、工具が磨耗した場合、能動工具制御電子フィードバックループが、低下されるべきスピンドル速度および／または送り速度を決定する。本発明の一実施形態において、調節されたスピンドル速度と送り速度が特定の値より低く低下したばあい、機械の操作者は工具が交換されるべきであることを知らされる。コントローラはまた、スピンドル速度または送り速度が特定の値よりも低く低下した場合、機械を停止させる。
【００２５】
工具の特性の測定、機械加工動作パラメータになされる調整、および工具の磨耗の警報が、機械操作者に通信される。通信は携帯電話、ＰＤＡ(personal digital assistant)やタブレット叉はラップトップコンピュータのような携帯型の表示装置に対して無線で行われることが望ましい。そのような無線通信の方法は従来技術で周知であるので、詳細な説明はここでは省略される。機械の操作者は、コントローラの調整を重ね処理することを選択する。
【００２６】
本発明の他の実施形態は、機械加工作業を実行するためのシステムである。システムは、機械と、工具と、少なくとも１つのセンサと、電子制御ハードウェアインターフェースと、機械制御ソフトウェアと、コントローラを備えている。
【００２７】
機械は、被加工物に加工を施すための工具を使用するあらゆる形式の機械であってもよい。例示的な機械では、フライス盤および旋盤を含む。機械は旋盤であることが望ましい。工具は、機械加工で共通に使用されるいずれの工具であってもよい。工具は、内部旋盤加工すなわちボーリングのために使用されるボーリングバーであることが望ましい。少なくとも１つのセンサは、有害な動作条件に耐えられて、上記した振動、偏向および力のような工具のパラメータを正確に測定できる、いずれの形式のセンサでもよい。例示的センサとしては、アナログ電子ひずみゲージ、光ファイバセンサそして磁気センサを含む。少なくとも１つのセンサは光ファイバセンサであることが望ましい。ハードウェアインターフェースは、何らかの特定の設計に限定されるものではないが、センサから入力された測定値をコントローラへ取り込むことができることが必要である。機械制御ソフトウェアは、入力された測定値をコントローラによって使用されるアルゴリズムに取り込むことができることが必要である。コントローラはＣＮＣ装置であることが望ましい。
【００２８】
一実施形態において、システムは既存のＣＮＣコントローラを有する機械に改良を施す。この実施形態において、システムは、ボーリングバー、既存のＣＮＣ制御に組み込まれる精密で丈夫な制御電子スイート(suite)のような工具に埋め込まれる光学センサと、光学センサからＣＮＣへのフィードバックを組み入れるソフトウェアスイートを含んでいる。
【００２９】
本発明は、工具の力や偏向および振動を測定する光ファイバセンサのようなセンサからの入力に基づいてスピンドル速度や送り速度のような切削パラメータを変化させるために、閉ループ制御システムを組み込むことによって、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）装置の性能を改善する。本発明は、ＣＮＣ装置を高度な水準の生産性を実現し、自立した機械制御の下で多数の作業パラメータを管理する。高度にされた自立性は、さらに高い品質の製品を造りだし、システム全体の最適化や他の品質改善のような、職人技術者により適した仕事へ集中させるために、機械操作者を自由にする。装置のレベルで製造工程に閉ループフィードバックを与えることで、本発明は、完成部品の品質を試した後の機械操作者の工程パラメータの調整に頼る代わりに、高い品質の部品を自動的に製造することを確実にする。したがって、本発明は製造工程にリアルタイム品質管理を提供する。機械加工作業に対してリアルタイム制御を与える重要性は、工程の複雑さと共に増大する。例えば、中ぐり工程において、被加工物により深い穴を形成する場合、作業の間中大きな騒音が発生する。したがって、そのような作業に閉ループフィードバック制御を用いないと、部品の品質は低くなると考えられる。
【００３０】
上記開示では主に旋盤加工作業に焦点を当てているが、本発明は特定の機械加工作業に限定されるものではない。本発明は、当業者によって知られるフライス加工作業や他の機械加工作業を最適化するのに適用できる。また、本説明では工具の偏向や振動の測定に焦点を当てているが、切削作業における工具の性能についての情報を提供するあらゆる測定も利用できる。本開示ではＣＮＣ機械に対する閉ループ制御に焦点を当てているが、本発明はこれに限定されるものではない。高い品質の部品を提供するために、工具の特性をリアルタイムで測定し、また測定に基づいてリアルタイムで機械加工作業のパラメータを調節する本発明は、いかなる機械加工作業に適用できる。システムの特定の要素は特定のステップの実行として記述されるが、本発明はあまり限定されるものではない。特定の要素は様々な工程を実行でき、すなわち異なる工程を様々な要素で実行できる。
【００３１】
本発明の特定の実施形態が説明されたが、本発明は単にこれらの実施形態に何らかの態様で限定されることを意味するものではない。本発明は、唯一添付された特許請求の範囲によって規定されることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】典型的なＣＮＣ旋盤の図である。
【図２】典型的な外部旋盤加工工程の図である。
【図３】典型的な内部旋盤加工工程の図である。
【図４】典型的なＣＮＣ加工機のブロック図である。
【図５】内部旋盤加工を実施している典型的なボーリングバーの図である。
【図６】本発明の一実施形態の閉ループフィードバックＣＮＣ制御機械加工動作のブロック図である。
【図４】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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