(57)【要約】【解決手段】マシンツールプラットホーム(8)で用いられるスマートツールホルダー(10)である。スマートツールホルダー(10)は、第１端部(14)及びその反対側に第２端部(16)を有する本体(12)と、該本体(12)に配置されたプロセッサ(20)と、本体(12)に配置され、プロセッサ(20)と通信可能な送受信装置(22)とを具えている。送受信装置(22)は、外部受信装置(28)と通信可能に構成される。本体(12)の第１端部(14)は、マシンツールプラットホーム(8)に選択的に連結可能に構成され、本体(12)の第２端部(16)は幾つかのセンサー(26)を有する切削アッセンブリ(18)に選択的に連結可能に構成される。プロセッサ(20)は、切削アッセンブリ(26)が本体(12)に連結されたとき、前記幾つかのセンサー(26)と通信可能となるように構成される。プロセッサ(20)は、モデルベースのデータ分析、デジタルフィルタリング及びその他技術を用いて、データの分析タスクを実行することができる。スマートツールホルダー(10)は、受信装置又はインターフェース装置を通じて、マシンツールコントローラとの双方向通信に基づいて、機械加工プロセスの変化を告知することができる。【選択図】図２
2011518048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マシンツールプラットホーム(8)で用いられるスマートツールホルダー(10)であって、
第１端部(14)及びその反対側に第２端部(16)を有する本体(12)と、
該本体(12)に配置されたプロセッサ(20)と、
本体(12)に配置され、プロセッサ(20)と通信可能な送受信装置(22)とを具え、
送受信装置(22)は、外部受信装置(28)と通信可能に構成され、
本体(12)の第１端部(14)は、マシンツールプラットホーム(8)に選択的に連結可能に構成され、本体(12)の第２端部(16)は幾つかのセンサー(26)を有する切削アッセンブリ(18)に選択的に連結可能に構成され、プロセッサ(20)は、切削アッセンブリ(26)が本体(12)に連結されたとき、前記幾つかのセンサー(26)と通信可能となるように構成される、スマートツールホルダー。
【請求項２】
本体(12)は、第２端部(16)又はその近傍に配置された第１電気コネクター(30)を含み、該第１電気コネクター(30)はプロセッサ(20)と電気的に接続されており、
切削アッセンブリ(18)は、本体(12)の第２端部(16)に選択的に連結された第１端部(54)と、その反対側にワークピース(50)と係合可能に構成された第２端部(56)とを有する回転切削ツール(52)を具えており、第１端部(54)は切削アッセンブリ(18)の幾つかのセンサー(26)と電気的に接続された第２電気コネクター(42)を含んでおり、
第１電気コネクター(30)は、切削アッセンブリ(18)が本体(12)に連結されたとき、第２電気コネクター(42)と電気的に接続可能となるように構成される、請求項１のスマートツールホルダー。
【請求項３】
送受信装置(22)は、ワイヤレス送受信装置である、請求項１のスマートツールホルダー。
【請求項４】
プロセッサ(20)は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又はデジタル信号プロセッサユニットを含んでいる、請求項１のスマートツールホルダー。
【請求項５】
プロセッサ(20)は、幾つかのデータ処理アルゴリズム(24)及びモデルをさらに含んでいる、請求項１のスマートツールホルダー。
【請求項６】
本体(12)は、電源(23)をさらに含んでいる請求項１のスマートツールホルダー。
【請求項７】
電源(23)は、再充電可能であって、取外し可能なカバー(29)を有する充電アパーチャ(27)を含んでおり、該充電アパーチャ(27)は外部充電装置に接続可能に構成される、請求項６のスマートツールホルダー。
【請求項８】
電源(23)は、誘導電荷により再充電可能である、請求項６のスマートツールホルダー。
【請求項９】
マシンツールプラットホーム(8)で使用されるスマートツールアッセンブリ(6)であって、スマートツールホルダー(10)と切削アッセンブリ(18)を具えており、
スマートツールホルダー(10)は、
マシンツールプラットホーム(8)に連結可能に構成された第１端部(14)及びその反対側に第２端部(16)を有する本体(12)と、
本体(12)に配置されたプロセッサ(20)と、
本体(12)に配置され、プロセッサ(20)と通信可能、外部受信装置(28)と通信可能に構成された送受信装置(22)とを具えており、
切削アッセンブリ(18)は、
第１端部(36)と第２端部(38)を有し、第１端部(36)は、スマートツールホルダー(10)の本体(12)の第２端部(16)に選択的に連結され、第２端部(38)はワークピース(50)と係合可能に構成されており、
切削アッセンブリ(18)がスマートツールホルダー(10)に連結されたとき、プロセッサ(20)と通信可能になる幾つかのセンサー(26)を有している、スマートツールアッセンブリ。
【請求項１０】
ツールホルダー(10)の本体(12)の第２端部(16)は、第１電気コネクター(30)を含んでおり、切削アッセンブリ(18)の第１端部(36)は第２電気コネクター(42)を含んでおり、第１電気コネクター(30)及び第２電気コネクター(42)は、切削アッセンブリ(18)がツールホルダー(10)に連結されたとき、協同作用により電気的及び機械的に係合可能となるように配置されており、これにより、幾つかのセンサー(26)とプロセッサ(20)との間で通信可能となる、請求項９のスマートツールアッセンブリ。
【請求項１１】
切削アッセンブリ(18)は、ツールホルダー(10)の本体(12)の第２端部(16)に連結された第１端部(54)と、該第１端部と反対側に、ワークピース(50)と係合可能に構成された第２端部(56)とを含んでいる、請求項１０のスマートツールアッセンブリ。
【請求項１２】
回転切削ツール(52)は、エンドミル、シェルミル、フェイスミル、ドリル穴あけツール、中ぐりツール及び他の金属切削ツールの１つを含んでいる、請求項１１のスマートツールアッセンブリ。
【請求項１３】
切削アッセンブリ(18)は、選択的に連結された幾つかの切削インサート(40)を有するインサートホルダー(34)を含んでいる、請求項１０のスマートツールアッセンブリ。
【請求項１４】
幾つかのセンサー(26)は、温度、加速度、力及びトルクのうち少なくとも一つを検知するよう構成される、請求項１０のスマートツールアッセンブリ。
【請求項１５】
送受信装置(22)は、ワイヤレス送受信装置である、請求項９のスマートツールアッセンブリ。
【請求項１６】
プロセッサ(20)は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又はデジタル信号プロセッサユニットを含んでいる、請求項９のスマートツールアッセンブリ。
【請求項１７】
スマートツールホルダー(10)は、電源(23)をさらに含んでいる請求項９のスマートツールアッセンブリ。
【請求項１８】
電源(23)は、再充電可能であって、取外し可能なカバー(29)を有する充電アパーチャ(27)を含んでおり、該充電アパーチャ(27)は外部充電装置に接続可能に構成される、請求項１７のスマートツールアッセンブリ。
【請求項１９】
電源(23)は、誘導電荷により再充電可能である、請求項１７のスマートツールアッセンブリ。
【請求項２０】
マシンツールプラットホーム(8)で用いられるスマートツールホルダー(10")であって、
第１端部(14)及びその反対側に第２端部(16)を有する本体(12)と、
本体(12)に配置されたプロセッサ(20)と、
本体(12)に配置され、プロセッサ(20)と通信可能な幾つかのセンサー(26)と、
本体(12)に配置され、プロセッサ(20)と通信可能、外部受信装置(28)と通信可能に構成された送受信装置(22)と、を具えており、
本体(12)の第１端部(14)は、マシンツールプラットホーム(8)へ選択的に連結可能に構成され、本体(12)の第２端部(16)は切削アッセンブリ(18)に選択的に連結可能に構成される、スマートツールホルダー。
【請求項２１】
送受信装置(22)は、ワイヤレス送受信装置である、請求項２０のスマートツールホルダー。
【請求項２２】
プロセッサ(20)は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又はデジタル信号処理ユニットを含んでいる、請求項２０のスマートツールホルダー。
【請求項２３】
プロセッサ(28)は、幾つかのデータ処理アルゴリズム(24)及びモデルを内蔵している、請求項２０のスマートツールホルダー。
【請求項２４】
本体(12)はさらに、電源(23)をさらに含んでいる、請求項２０のスマートツールホルダー。
【請求項２５】
電源(23)は、再充電可能であって、取外し可能なカバー(29)を有し、外部充電装置に接続可能に構成された充電アパーチャ(27)を含んでいる、請求項２４のスマートツールホルダー。
【請求項２６】
電源(23)は、誘導電荷により再充電可能である、請求項２４のスマートツールホルダー。
【請求項２７】
幾つかのセンサー(26)は、温度、加速度、力、トルクのうち少なくとも一つを感知するよう構成される、請求項２０のスマートツールホルダー。
【請求項２８】
ワークピースを機械加工するために用いられるスマートマシニングシステム(50)であって、
マシンツールプラットホーム(8)と、
マシンツールプラットホーム(8)に選択的に連結可能な第１端部(14)及びその反対側に第２端部(16)を有する本体(12)と、本体(12)に配置されたプロセッサ(20)と、本体(12)に配置され、プロセッサ(20)と通信可能な送受信装置(22)とを具えるスマートツールホルダー(10)と、
第１端部(36)及び第２端部(38)を有する切削アッセンブリ(18)であって、第１端部(36)はスマートツールホルダー(10)本体(12)の第２端部(16)に選択的に連結され、第２端部はワークピース(50)に係合可能に構成されており、切削アッセンブリ(18)がスマートツールホルダー(10)に連結されたとき、プロセッサ(20)と通信可能になる幾つかのセンサーを有している切削アッセンブリ(18)と、
送受信装置(22)と通信可能な外部受信装置(28)とを具えている、スマートマシニングシステム。
【請求項２９】
マシンツールプラットホーム(8)は、マシンツールコントローラを含んでおり、外部受信装置(28)は、マシンツールコントローラへ信号を供給する、請求項２８のスマートマシニングシステム。
【請求項３０】
送受信装置(22)及び外部受信装置(28)は、無線で通信が行われる、請求項２８のスマートマシニングシステム。
【請求項３１】
スマートツールホルダー(10)は、送受信装置(22)を通じて通信を停止することができ、後で検索及び分析を行なうための情報を記録する、請求項２８のスマートマシニングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の記載＞
本願は、2008年3月17日に出願された米国仮特許出願第61／037,033号の優先権を主張し、その開示は引用を以て本願に組み込まれるものとする。
【０００２】
＜発明の分野＞
本発明は、一般的には、ツールホルダーアッセンブリに関し、より具体的には、マシンツールプラットフォームで用いられるスマートツールホルダーに関する。本発明はまた、マシンツールプラットフォームで用いられるスマートツールアッセンブリに関する。本発明はさらに、スマートツールホルダーを使用するスマートマシニングシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
＜背景情報＞
機械加工に関する米国での年間費用は2,000億USドルを上回ると推定される。それゆえ、そのような費用を最小限に抑えることができるように、切削ツール及び機械加工方法の改良に対して非常に大きな要請がある。2007年12月、国立標準技術研究所(ＮＩＳＴ)により、統合製造技術イニシアティブ(ＩＭＴI)アソシエーションが組織した「スマートマシンツール」に関するワークショップが開催され、材料除去用マシンツールの知能を向上させることを目的としたニーズ、機会及び要件の評価が行われた。参加者によるアンケートの集計結果では、スマートマシンツールの試験用プラットフォームに対する物理的ベースの処理モデルを構築することと、機械の状態を決定するのに必要な情報を取得し理解することの２つが最優先事項であった。
【０００４】
例えばエンドミル状態監視システムのような機械加工監視システムを産業界で広く受け入れられるようにするには、ショップフロアの機械設備への配置が、低コストで行われ、機械加工エンベロープに非侵襲性(noninvasive)で機械加工エンベロープを阻害してはならない。しかしながら、監視システムは、一般的には、データ収集用センサーを機械に又は機械の中に配置しなければならない。また、センサーの多くのタイプはコストが高く、機械加工エンベロープに侵襲性であり、及び／又は配置が困難である。
【０００５】
歴史的に、ツールチップの応答についてインプロセスデータを記録する能力は、切削プロセスから物理的に離れた位置にあるセンサーから収集されるデータに限定されていた。これらのセンサーは、材料ワークピースや機械スピンドルに搭載されることもある。しかしながら、エンドミリングシステムは複雑であるため、ツールチップと従来取り付けられた固定センサーとの間で振動の騒音伝達が生じる。このため、ツールチップの動的運動の分析を行なうことがより困難になり、対象の微妙な現象に対する分解力が低下する。
僅かな現象の影響力解像を低下させる。ツールのビビリ振動(chatter)、摩耗、振れ(run out)のようなエンドミリングの動的問題を十分に理解するには、切削プロセスにそれらの発生源でツールチップ応答特性を観察する必要がある。
【０００６】
非侵襲性センサーの公知例として、マシンツールプラットフォームのスピンドル駆動モータに配置されたパワーモニターがある。パワーモニターのようなセンサーは非侵襲性でコスト効率も良いが、機械加工プロセスの多くの重要な詳細を獲得するのに十分な帯域幅を具えていない。また、公知の状態監視技術は多くのものが、ベッド型のダイナモメータのようなセンサーを必要とするため、あまり実用的でない。今後の課題として、そのようなセンサータイプは、ロバストなシステムモデルの開発及び多様化のために必要である。しかしながら、現実の適用に際しては、コスト、セットアップの容易性及び性能に適合させる必要がある。
【０００７】
それゆえ、マシニングシステムの監視、特に、切削ツール及びそれが用いられる設備の監視について改良の余地がある。
【発明の概要】
【０００８】
＜発明の要旨＞
本発明の実施例は、これらの必要性等を満足させるもので、マシンツールプラットホームで使用されるスマートツールホルダー、マシンツールプラットホームで使用されるスマートツールアッセンブリ及びスマートツールホルダーを用いたスマートマシニングシステムに関する。
【０００９】
本発明の一態様として、スマートツールホルダーはマシンツールプラットホームで使用される。スマートツールホルダーは、第１端部及びその反対側に第２端部を有する本体と、該本体に配置されたプロセッサと、本体に配置され、プロセッサと通信可能な送受信装置とを具えている。送受信装置は、外部受信装置と通信可能に構成される。 本体の第１端部は、マシンツールプラットホームに選択的に連結可能に構成され、反対側の第２端部は幾つかのセンサーを有する切削アッセンブリに選択的に連結可能に構成される。プロセッサは、切削アッセンブリが本体に連結されたとき、前記幾つかのセンサーと通信可能に構成される。
【００１０】
本体は、反対側の第２端部又はその近傍に配置された第１電気コネクターを含むことができ、該第１電気コネクターはプロセッサに電気的に接続される。切削アッセンブリは、本体の第２端部に選択的に連結された第１端部と、その反対側にワークピースを係合可能に構成された第２端部と、を有する回転切削ツールを含むことができる。第１端部は切削アッセンブリの幾つかのセンサーに電気的に接続された第２電気コネクターを含むことができる。第１電気コネクターは、切削アッセンブリが本体に連結されたとき、第２電気コネクターに電気的に接続されることができる。
【００１１】
送受信装置は、例えばワイヤレス送受信装置である。
【００１２】
プロセッサは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又はデジタル信号プロセッサユニットを含むことができる。プロセッサは、幾つかのデータ処理アルゴリズム及びデータ処理モデルを内蔵することができる。
【００１３】
本体は、電源をさらに含むことができる。電源は、再充電可能であって、取外し可能なカバーを有し、外部充電装置に接続可能に構成された充電アパーチャを含むことができる。電源は、誘導電荷により再充電可能である。
【００１４】
本発明の他の一態様として、スマートツールアッセンブリは、マシンツールプラットホームで使用される。スマートツールアッセンブリは、スマートツールホルダーと切削アッセンブリを具えている。スマートツールホルダーは、マシンツールプラットホームに連結可能に構成された第１端部及びその反対側に第２端部を有する本体と、本体に配置されたプロセッサと、本体に配置され、プロセッサと通信可能な送受信装置とを具えている。送受信装置は、外部受信装置と通信可能に構成される。切削アッセンブリは、第１端部と第２端部を有し、第１端部は、スマートツールホルダーの本体の第２端部に選択的に連結され、第２端部はワークピースを係合可能に構成される。切削アッセンブリは、スマートツールホルダーに連結されると、プロセッサと通信可能な幾つかのセンサーを有している。
【００１５】
ツールホルダー本体の反対側の第２端部は第１電気コネクターを含むことができ、切削アッセンブリの第１端部は第２電気コネクターを含むことができる。第１電気コネクターと第２電気コネクターは、切削アッセンブリがツールホルダーに連結されたとき、協同作用により電気的及び機械的に係合可能に配置されており、これにより、幾つかのセンサーとプロセッサとの間で通信可能となる。
【００１６】
切削アッセンブリは、ツールホルダーの本体の第２端部に連結された第１端部と、ワークピースを係合可能に構成された第２端部とを含むことができる。回転切削ツールは、エンドミル、シェルミル、フェイスミル、ドリル穴あけツール、中ぐりツール、その他の金属切削ツールの１つを含むことができる。
【００１７】
切削アッセンブリは、選択的に連結された幾つかの切削インサートを有するインサートホルダーを含むことができる。幾つかのセンサーは、温度、加速度、力及びトルクのうち少なくとも一つを検知するよう構成されることが出来る。
【００１８】
スマートツールホルダーは、電源をさらに含むことが出来る。
【００１９】
本発明のさらなる態様において、スマートツールホルダーは、マシンツールプラットホームで使用される。スマートツールホルダーは、第１端部及びその反対側に第２端部を有する本体と、本体に配置された幾つかのプロセッサと、本体に配置され、プロセッサと通信可能な幾つかのセンサーと、本体に配置され、プロセッサと通信可能な送受信装置とを具えている。プロセッサは、外部受信装置と通信可能に構成される。本体の第１端部はマシンツールプラットホームへ選択的に連結可能に構成され、本体の第２端部は切削アッセンブリに選択的に連結可能に構成される。
【００２０】
送受信装置は、例えばワイヤレス送受信装置である。
【００２１】
プロセッサは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ又はデジタル信号処理ユニットを含むことが出来る。プロセッサには、幾つかのデータ処理アルゴリズム及びモデルを内蔵することが出来る。
【００２２】
本体はさらに、電源をさらに含むことが出来る。電源は、再充電可能であって、取外し可能なカバーを有し、外部充電装置に接続可能に構成された充電アパーチャを含むことができる。充電アパーチャは、外部充電装置に接続可能に構成されることができる。電源は、誘導電荷により再充電可能とすることができる。
【００２３】
幾つかのセンサーは、温度、加速度、力、トルクのうち少なくとも一つを感知するよう構成される。
【００２４】
本発明のさらに他の態様において、スマートマシニングシステムは、ワークピースを機械加工するために用いられる。スマートマシニングシステムは、マシンツールプラットホームと、スマートツールホルダーと、切削アッセンブリと、外部受信装置とを具えている。スマートツールホルダーは、マシンツールプラットホームに選択的に連結可能な第１端部及びその反対側に第２端部を有する本体と、本体に配置されたプロセッサと、本体に配置され、プロセッサと通信可能な送受信装置とを具えている。送受信装置は、外部受信装置と通信可能に構成される。切削アッセンブリは第１端部及び第２端部を有し、第１端部はツールホルダー本体の第２端部に選択的に連結され、切削アッセンブリの第２端部はワークピースを係合可能に構成される。切削アッセンブリはスマートツールホルダーに連結されたとき、プロセッサと通信可能な幾つかのセンサーを有している。
【００２５】
マシンツールプラットホームは、マシンツールコントローラを含むことができ、マシンツールコントローラへは外部受信装置から信号が提供される。送受信装置及び外部受信装置は、無線で通信することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
添付の図面と共に好ましい実施例の以下の説明を読むことで、本発明の十分な理解を得ることが出来るであろう。
【００２７】
図１は本発明の一実施例に係るスマートツールホルダーアッセンブリの等角図である。
【００２８】
図２は、図１のスマートツールアッセンブリの分解等角図である。
【００２９】
図３は、本発明の他の実施例に係る他のスマートツールアッセンブリの等角図である。
【００３０】
図４は、図３のスマートツールアッセンブリに分解等角図である。
【００３１】
図５は、本発明のさらなる実施例に係るさらに他のスマートツールアッセンブリの等角図である。
【００３２】
図６は、本発明の一実施例に係る他のスマートマシニングシステムのブロック図である。
【００３３】
図７は、本発明の他の実施例に係る他のスマートマシニングシステムのブロック図である。
【００３４】
図８は、本発明のさらなる実施例に係るさらなるスマートマシニングシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
ここで使用される用語「数（num3ber）」は１或いは１より大きい（すなわち、複数）整数を意味する。
【００３６】
ここで使用される用語「プロセッサ（proc3es3sor）」は、データを格納し、検索し、処理することが出来るプログラム可能なアナログ及び／又はデジタル装置；コンピュータ；ワークステーション；パーソナルコンピュータ；マイクロプロセッサ；マイクロコントローラ；中央処理装置；メインフレームコンピュータ；ミニコンピュータ；サーバ；ネットワークプロセッサ；適当なあらゆる処理デバイス又は装置、を意味する。実施形態では、内部ＤＳＰ（デジタル信号処理）コマンドを有する８ビット及び３２ビットのマイクロプロセッサで構成される。これらの処理ユニットは、高帯域幅デジタル−アナログコンバータが追加される。前記処理ユニットにはまた、デジタル無線伝送、通信エラーチェック、受信装置との同期化、及び通信チャネル操作を制御するための特殊なコプロセッサが追加される。
【００３７】
ここで使用される用語「センサー（sen3sor）」は、物理的刺激（例えば、限定するものではないが、温度、振動、加速度、力、トルク、音、フープ応力、赤外線放射、動的光刺激（干渉計）に反応し、得られる衝撃又は信号（例えば、限定するものではないが、監視、測定及び／又は制御用のもの）を出力するデバイス又は装置を意味する。その中でも、ねじりひずみ、曲げひずみ、軸ひずみ及び温度を測定するための半導体ベースのセンサーに関連している。例えば、Ｐ型（正ドープ処理された）又はＮ型(負ドープ処理された)シリコン材料から構成されるセンサーである。一実施例において、Ｐ型シリコンから構成されるセンサーは、チョクラルスキー法を用いて製造される。別の実施例において、Ｎ型シリコンセンサーは、センサーの抵抗温度係数がツールホルダーの線膨張係数に一致するように配置され、ねじりひずみ信号における温度関連ひずみを最小にする。半導体センサーの例として、限定するものではないが、ミクロンインスツルメンツの“SSGH”及びキョウワの“KSN”製品を挙げることができる。
【００３８】
ここで使用される用語「スマート（smart）」は自動による操作を意味し、幾つかのプロセッサ、データプロセッシングアルゴリズム、モデルベースの決定、及び／又はセンサーを含んだり使用する。用語「スマート（smart）」はまた、マシンコントローラ又は受信デバイスとの２方向通信を構築し維持することができるツールホルダーの能力を意味する。
【００３９】
ここで使用される用語「と共に(with)」は、関連対象について、上（on）、部分的に上（par3tial3ly on）、部分的に内部(par3tial3ly with3in)、又は内部（with3in）を意味する。
【００４０】
ここで使用される方向に関する用語、例えば、左、右、前、後ろ、頂部(top)、底部、及びそれらの派生語は、図で示される要素の方向に関するものであるが、特許請求の範囲の中で特に言及しない限り、特許請求の範囲の内容に制限と加えるものではない。同じ部品については、全ての図面中で同じ引用符号を付している。
【００４１】
この中で記載するスマートツールホルダーは、ロバストなリアルタイムセンサーインターフェイスシステムを提供することによりこれまでの技術の欠点を解消するものであり、該リアルタイムセンサーインターフェイスは、加速度及び／又は力データを、エンドルツールチップから又は個々の切削用インサートから直接送信することにより、金属切削中の処理状態の監視を行なうツールチップセンサーデータを提供することが出来る。そのような能力は、エンドミルシステムの物理的モデリング及び状態監視技術を発展させることができる利点がある。さらに、スマートツールホルダーは、オンボードデータ分析及びモデルベースの決定を実行することにより、これまでのセンサー技術を向上させるもので、CNC(コンピュータ数値制御)マシンツールによる２方向通信を通じて、機械加工状況における変化を提示することができる。
【００４２】
状況監視には、ツールの摩耗、振れ及び安定性評価が含まれる。ここに記載した実施例のスマートツールホルダーは、CNC金属切削システム動力学の正確な決定を可能にするもので、処理中に、切削力、最終的には部品品質の評価を行なうことができる。動的効果により、ツール力がもたらされ、偏位は静的偏位よりも一桁大きなものとなる。それゆえ、スマートツールホルダーは、マシンツール動力学のオンライン特性化データを提供し、部品精度、使用者の安全及び処理評価に対する効果を定量化することが出来る。
【００４３】
図１−図５に示され、以下に記載する実施例のツールホルダー(10)(10")は、ペンシルバニア州ラトローブのKennametal Inc. により製造された高性能ミリングチャンクで製造されたものである。しかしながら、本発明は、いかなる場合にも、そのようなツールホルダーに限定されることを意図するものではない。他の適切なツールホルダーとして、例えば、限定するものでないが、締まり嵌めツールホルダー，ウェルドンシャンクセットスクリューツールホルダー，コレットツールホルダー，ＩＳＯキャプトツールホルダー，振動減衰ツールホルダー，フェイスミリングアダプタ，スレッドミリングツールホルダー，固体炭化物／ＨＳＳミリングツール，精密穴ツールホルダー，ツーリング長さ拡張ユニット，旋回及び旋盤ツールなどがあるが、これらは、本発明の範囲から逸脱することなく改変し、使用することができる。
【００４４】
図１に示されるスマートツールホルダーアッセンブリ(6)は、本発明の限定されない一実施例に係るもので、ワークピース(図示せず)の機械加工を実行する際に、マシンツールプラットホーム(8)(仮想線で示されている)で用いられる。スマートツールホルダーアッセンブリ(6)は、スマートツールホルダー(10)及び取外し可能な切削アッセンブリ(18)を含んでいる。
【００４５】
図２に示されるように、スマートツールホルダー(10)は、第１端部(14)と反対側の第２端部(16)を有する本体(12)を含んでいる。本体(12)の第１端部(14)は、マシンツールプラットフォーム(8)に選択的に連結されるように構成されている。スマートツールホルダー(10)の第１端部(14)をマシンツールプラットフォーム(8)に連結するには、現代のマシンツールで利用されている他の産業標準のスピンドル形状の中でも、例えば、限定するものではないが、標準のスピンドルテーパ(例えば、図示のＣＶ50、ＣＶ40，HSK、BT40，BT30，ISO Capto等)によって容易に行なうことができる。
【００４６】
本体(12)の反対側の第２端部(16)は、可能性のある様々な切削アッセンブリ(18)の一つを選択的に連結できるように構成される。スマートツールホルダー(10)の第２端部(16)をマシンツールプラットフォーム(8)に連結するには、産業界で利用可能な様々なツール保持用インターフェイス形状の中でも、例えば、限定するものではないが、締まり嵌め、精密チャック、コレット、ウエルドンシャンクによって容易に行なうことができる。
【００４７】
スマートツールホルダー(10)の本体(12)は、例えば図６−図８に示されるように、数多くの電気部品を含んでいる。より具体的には、本体(12)は、プロセッサ(20)，送受信装置(22)、及び本体(12)の上又は部分的に上又は内部又は部分的内部に配置された電源(23)を含んでいる。幾つかの実施例において、本体(12)は、幾つかのセンサー（図１には図示されていない）を含むことができるが、これについては後でさらに説明する。プロセッサ(20)は、１又は複数の内部メモリ及び外部メモリ(図示されていない)を含んでいる。プロセッサ(20)は、例えば、限定するものではないが、メモリとインターフェイスをとることができるマイクロプロセッサ（μP）又はスタンドアロン型ＤＳＰ（デジタル信号処理）ユニットである。メモリは、様々な種類の内部及び／又は外部記憶媒体の何れか１つ又は２つ以上であり、例えば、限定するものではないが、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ＥＰＲＯＭ(ｓ)，ＥＥＰＲＯＭ(ｓ)，ＦＬＡＳＨであり、その他にも、コンピュータの内部メモリストレージと同じようにデータを保存するストレージレジスタ(即ち機械可読な媒体)などがあり、メモリは揮発性でも不揮発性でもよい。メモリには、プロセッサ(20)によって実行可能な数多くのルーティン(24)が格納されている。１又は複数のルーティン(24)は、ソフトウエアベースの分析システムを実行し、１又は複数のセンサー(26)(以下で説明する)から入力を受信し、出力を送受信装置(22)に供給し、スマートツールホルダーー(10)の本体(12)の外部へさらなる送信が行われる。図６−図８に示されるルーティン(24)は、例示目的として示すものであって、本発明の範囲を限定するものでないことは理解されるべきである。ルーティン(24)は、例えば、限定するものではないが、データ処理／分析技術(例えば、ビビリ振動数の推定と予測、安定なスピンドル速度の示唆、摩耗の監視、切削送りオーバーライドの示唆)を実行する。このような技術として、例えば、カルマンフィルター、フォルマント周波数追跡／ＬＰＣ(線形予測コーディング)、自己回帰モデル、機械的切削力モデル、ＦＩＲ(有限インパルス応答)デジタルフィルター、ＩＩＲ(無限インパルス応答)デジタルフィルター、フーリエスペクトル分析及び統計的データ分析がある。
【００４８】
送受信装置(22)は、好ましくは、デジタル無線送受信装置を含んでおり、例えば、限定するものではないが、ＦＨＳＳ(周波数ホッピングスペクトラム拡散)送受信装置、周波数アジリティ送受信装置、又はデジタル赤外線送受信装置であり、例えば、限定するものではないが、自動再送、エラー補正、ＩＳＭ(産業、科学、医療)帯域周波数を使用する。送受信装置(22)は、スマートツールホルダー(10)の外部に位置する受信装置／送受信装置装置(28)から信号を送受信するよう構成される。受信装置／送受信装置装置(28)は、アナログ又はデジタル出力とインターフェイスされ、ＰＣ、マイクロプロセッサ、又はＤＳＰ(デジタル信号処理)ハードウェアからなるデータ分析処理ユニットと一体化された送受信装置モジュールを含むこともできる。
【００４９】
一般的に、システム送受信装置(22)は、ストリーミング方式(高帯域幅)で全てのデータを送信するか、又は圧縮された形式(低帯域幅)で分析結果を送信する。システムの使用者は、どちらかを要求するオプションを有している。高帯域幅データは、16ビットの解像度で約10〜20 kHzオーダの割合(rate)で送られる。低帯域幅の分析結果は、約1kHzのオーダの割合で送信される。第３のオプションは、データロギングモードでツールをセットするために送受信装置をオフにすることができ、前記ツールは、情報を収集して格納し、後で検索(retrieval)を行なう。この場合、このようなデータの格納及び後での検索は、送受信装置(22)の追加又は代替として含まれる取外し可能なメモリデバイス(図示せず)を用いて行なうこともできる。スマートツールホルダー(10)との通信は双方向が望ましいが、それは、処理パラメータ(例えば、限定するものではないが、切削送り速度、スピンドル速度、位置、ツール係合(tool engagements)が、スマートツールホルダー(10)に送信され得るからである。
【００５０】
電源(23)は、電力をプロセッサ(20)に供給し、必要に応じて、スマートツールホルダーの他の電気部品にも電力を供給する。電源(23)は、交換可能なバッテリ又は外部の充電ステーション(図示せず)を使用して充電可能な交換可能バッテリを含んでいる。また、電源(23)は、充電可能な内部バッテリ又は内部スーパーキャパシタを含むこともできる。そのような内部電源として使用可能な充電源の例として、限定するものではないが、誘導充電、近接場磁気共鳴結合(例えば、WiTricity)、物理的充電ジャック、太陽光発電（ソーラパネル）、振動エネルギーハーベスティング(圧電型寄生発電機など)、慣性エネルギーハーベスティング(ダイナモ又は他の発電機を通じて)、スルークーラントの流れから電力を収穫できるよう設計された発電機及び回転ツールホルダーの周りの動的空気移動で作動する発電機を挙げることができる。指向性無線周波数放射又はレーザを通じた電力送信を使用することもできる。図１−図４で示された実施例において、電源(23)は、スマートツールホルダー(10)の本体(12)に設けられた充電アパーチャ(27)に結合された外部充電ジャック(図示せず)を通じて充電可能である。機械加工中、充電アパーチャ(27)は保護カバー又はキャップ(29)で覆われている。なお、保護カバー又はキャップは、充電作業の実行中、例えば、スマートツールホルダーアッセンブリ(6)が機械加工中でないときは、容易に取り外し可能である。
【００５１】
本体(12)は、プロセッサ(20)に電気的に接続され、反対側の第２端部(16)又はその近傍に配置された電気コネクター(30)を含んでいる。スマートツールホルダー(10″)(図５に示される)の別の実施例では、本体(12)に配置されたセンサーを含むが、ツールへの電気的インターフェイスを含まない。図５に示されるそのような実施例は、スルークーラントの使用を妨げるものではなく、標準(センサー統合型でない)の切削ツールであればどれからもデータを検知することができる。図１−図４で示された実施例において、プロセッサ(20)及び送受信装置(22)は、本体(12)の密閉ハウジング(32)の中に収容される。プロセッサ(20)と送受信装置(22)は電気的に接続されており、プロセッサ(20)は送受信装置(22)から情報を送受信することができる。
【００５２】
本体(12)は、スマートツールホルダー(10)について１又は２以上の状態を視覚表示する幾つかのランプ又は他の指示体(番号が付されていない)をさらに含むことができる。そのような指示体を用いるのは、ツールホルダー回転の周波数で照射することにより、例えば、限定するものではないが、センサー出力の存在、ツール状態、電力状況などの状態、ツール係合のアーク長さ表示、及びツールホルダー上の“静止”画像又はテキスト表示を、操作者に対して告知するためである。
【００５３】
図１及び図２に示されるスマートツールホルダーアッセンブリ(6)の実施例では、切削アッセンブリ(18)は、全体が長い形状で、第１端部(36)のほぼ反対側に第２端部(38)を有するインサートホルダー(34)を具えており、第１端部(36)は（図１に示される）スマートツールホルダー(10)の本体(12)の反対側の第２端部(16)に選択的に結合するよう構成される。インサートホルダー(34)は、反対側の第２端部(38)又はその近傍で選択的に結合された幾つかの切削用インサート(26)と、該インサートホルダー(34)の上又は部分的内部又は内部に選択的に配備された幾つかのセンサー(26)と、及び第１端部又はその近傍に好適に配置された電気コネクター(42)とを含んでいる。電気コネクター(42)は、前記センサー(26)の各々に電気的に接続されており、切削アッセンブリ(18)がスマートツールホルダー(10)に接続されたとき(図１参照)、スマートツールホルダー(10)の電気コネクター(30)と協同作用による機械的及び電気的な係合が可能となるよう構成される。切削インサート(40)の各々は、切削加工中、ワークピース(50)(図６−図８)を係合するよう構成される。
【００５４】
図２に示されるように、センサー(26)は、インサートホルダー(34)の中に組み込まれたツールチップ加速度計(44)と、インサートホルダー(34)の表面又はその近傍に配置された力又はトルクセンサー(46)とを含んでいる。そのようなセンサー(26)及びその配置は例示目的でのみ示すもので、発明の範囲を限定することを企図するものでないことは理解されるべきである。加速度計の場合、センサーをできるだけツールチップの近くに配置して、ＲＣＳＡ(レセプタンス結合下部構造解析)法を用いなくてもツールチップの動作力学を観察できるようにすることが重要である。
【００５５】
図３及び図４に示されるスマートツールホルダーアッセンブリ(6')の一実施例では、切削アッセンブリ(18')は、全体が長い形状で、第１端部(54)のほぼ反対側に第２端部(56)を有する回転端部ミル切削ツール(52)(図４参照)を具えており、第１端部(54)は(図３に示される)スマートツールホルダー(10)の本体(12)の反対側の第２端部(16)に選択的に結合するよう構成され、第２端部は、切削加工中、ワークピース(50)(図６−図８)を係合できるように構成される。切削ツール(52)は、該切削ツール(52)又はその内部の選択された位置に配置された幾つかのセンサー(26)と、第１端部(54)又はその近傍に好適に配置された電気コネクター(42)とを含んでいる。電気コネクター(42)は、前記センサー(26)の各々に電気的に接続されており、切削アッセンブリ(18')がスマートツールホルダー(10)に接続されたとき(図３参照)、スマートツールホルダー(10)の電気コネクター(30)と協同作用による機械的及び電気的な係合が可能となるよう構成される。
【００５６】
図４に示されるように、センサー(26)は、切削ツール(52)の中に組み込まれたツールチップ加速度計(58)と、切削ツール(52)の表面又はその近傍に配置された力又はトルクセンサー(60)とを含んでいる。そのようなセンサー(26)及びその配置は例示目的でのみ示すもので、発明の範囲を限定することを企図するものでないことは理解されるべきである。
【００５７】
図５に示されるスマートツールホルダーアッセンブリ(6")のさらなる実施例では、スマートツールホルダー(10")自体が幾つかのセンサー(26)を含んでいる。センサー(26)として、例えば、限定するものではないが、トルク、曲げ力、軸力、フープ応力及び加速度を検知するセンサーを挙げることができる。この実施例において、切削アッセンブリ(18")は公知の回転エンドミル切削ツールとして示される。しかしながら、切削アッセンブリ(18")として、他の切削ツール(例えば、限定するものではないが、エンドミル、シェルミル、フェイスミル、ドリル穴あけツール、中ぐりツール、その他の金属切削ツール)を用いることもできることは理解されるべきである。
【００５８】
また、そのようなセンサー(26)及びその配置は例示目的でのみ示すもので、発明の範囲を限定することを企図するものでないことは理解されるべきである。
【００５９】
ツールホルダーアッセンブリ(6)(6')(6")の幾つかの例を説明したが、次に、ツールホルダーアッセンブリ(6)を使用するスマートマシニングシステムの例について説明する。図６に示すスマートマシニングシステムは、図１及び図２に示したようにワークピース(50)を切削する幾つかの切削インサート(40)を有するインサートホルダー(34)を用いたスマートツールアッセンブリ(６)を使用する。機械加工中、センサー(26)は、プロセッサ(20)へデータを提供し、プロセッサ(20)は１又は２以上のルーティン(24)を使用してデータを分析する。プロセッサ(20)による分析から得られたデータは、次に、送受信装置(22)により、スマートツールホルダー(10)の外部の受信／送信装置(28)へ送信され、観察が行われ、さらなる分析も可能である。送受信装置(22)は、スマートツールホルダー(10)からデータ送信すること以外にも、外部受信／送信装置(28)により又は他の通信装置(図示せず)によりスマートツールホルダー(10)へ送信されたデータを受信するのに使用することができる。スマートツールホルダー(10)へ送信されたそのデータは、機械加工前又機械加工中又は機械加工後に送られたデータを含むことができる(例えば、限定するものではないが、切削送り速度、スピンドル速度、位置決め、及びツール係合等)。
【００６０】
図７に示すスマートマシニングシステムは、例えば図３及び図４に示すスマートツールアッセンブリ(6")を使用しており、図６に関して先に説明したシステムとほぼ同じ作用を有する。同じ様に、図８に示すスマートマシンは、図５に示されるスマートツールアッセンブリ(6")を使用しており、図６に関して先に説明したシステムとほぼ同じ作用を有する。従って、図７及び図８についての詳細な説明はここでは省略する。
【００６１】
発明の具体的実施例を詳細に説明したが、当業者であれば、開示の教唆全体に基づいて、発明の詳細に対する様々な変形及び代替を成し得るであろう。それゆえ、開示された具体的態様は、単なる例示であって、発明の範囲を限定するものではなく、発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の全ての範囲及びその均等物にまで及ぶものである。
【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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【図８】
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【国際調査報告】
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