(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物を超音波機械加工するための工具（９０）内で超音波振動を発生させ、前記工具（９０）の前記超音波振動の超音波振動パラメータを測定するためのデバイスであって、
前記工具（９０）を受け取るためのツールホルダ（１０）と、
前記工具（９０）内で前記超音波振動を発生させるための、前記ツールホルダ（１０）内の超音波トランスデューサ（２０）と、
前記工具（９０）の前記超音波振動に基づいてセンサ信号を生成するための、前記ツールホルダ（１０）内のセンサ機構（４０）と、
前記センサ信号を解析するためのセンサ信号評価デバイス（１１０）と
を備えるデバイスであって、
前記センサ機構（４０）は、圧電材料製の一個片の素子（４１）と、前記工具（９０）の軸方向の超音波振動部分、および前記工具（９０）の前記超音波振動の曲げ振動部分を検出するために複数の電極セグメント（４２ａ）とを有する、デバイス。
【請求項２】
前記センサ機構（４０）が、圧電センサ素子として設計され、
前記センサ信号が、前記工具（９０）の前記超音波振動によって引き起こされる電圧である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ツールホルダ（１０）が回転可能であり、
前記デバイスが、送信器素子（６０）から受信器素子（８０）へ前記センサ信号を非接触送信するために、前記ツールホルダ（１０）内で前記センサ機構（４０）に接続された前記送信器素子（６０）と、前記送信器素子（６０）から離隔された前記受信器素子（８０）とを有する、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記センサ機構（４０）が、前記超音波トランスデューサ（２０）の電気絶縁のための絶縁素子（４３）を有し、
前記デバイスが、前記超音波トランスデューサ（２０）に電力を供給するために前記ツールホルダ（１０）内に電力を伝送するための電力伝送デバイス（３０）を有し、前記電力伝送デバイス（３０）が、送信器素子（６０）および受信器素子（８０）から電気的に絶縁される、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記センサ機構（４０）は、前記超音波トランスデューサ（２０）による前記工具（９０）の前記超音波振動の発生と、前記センサ機構（４０）による前記工具（９０）の前記超音波振動の検出とが実質的に同じ方向で行われるように、前記超音波トランスデューサ（２０）に対してツールホルダ（１０）内に配置される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記超音波トランスデューサ（２０）が、いくつかの第１のピエゾ素子（２１）でできた層状の構造を有し、
前記センサ機構（４０）が、第２のピエゾ素子（４１，４２；４１ａ、４２ａ）でできた層状の構造、および複数の絶縁素子（４３）を有し、
前記超音波トランスデューサ（２０）および前記センサ機構（４０）が、互いに機械的に結合される、請求項４または５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記センサ機構（４０）に結合されるいくつかの送信器素子（６０）が、前記ツールホルダ（１０）の周縁に沿って配置される、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記送信器素子（６０）および前記受信器素子（８０）が、前記センサ信号を前記送信器素子（６０）から前記受信器素子（８０）へ誘導により送信するように構成される、
請求項３ないし７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記送信器素子（６０）が、前記受信器素子（８０）と第１のトランス（６１、６２、８１、８２）を形成し、
前記送信器素子（６０）が、第１のフェライトコア（６１）および前記第１のトランス（６１、６２、８１、８２）の１次巻線（６２）を有し、前記受信器素子（８０）が、第２のフェライトコア（８１）および前記第１のトランス（６１、６２、８１、８２）の２次巻線（８２）を有し、
電力伝送デバイス（３０）が、第２のトランス（３１〜３４）の１次巻線（３２）および前記第２のトランス（３１〜３４）の２次巻線（３４）を有する前記第２のトランス（３１〜３４）として設計され、
前記第１のトランス（６１、６２、８１、８２）および前記第２のトランス（３１〜３４）は、前記第２のトランス（３１〜３４）の前記１次巻線（３２）から前記第２のトランス（３１〜３４）の前記２次巻線（３４）への前記超音波トランスデューサ（２０）に電力を供給するための前記電力の電送方向に対して実質的に直交方向で前記第１のトランス（６１、６２、８１、８２）の前記１次巻線（６２）から前記第１のトランス（６１、６２、８１、８２）の前記２次巻線（８２）に前記センサ信号が送信されるように配置される、請求項３ないし８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記送信器素子（６０）および前記受信器素子（８０）が、前記センサ信号を前記送信器素子（６０）から前記受信器素子８０）へ光学的に送信するように構成される、請求項３ないし７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記送信器素子（６０）は、前記ツールホルダ（１０）の外側の孔（７０）内に配置される、請求項３ないし１０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１２】
発生器（１２０）と前記ツールホルダ（１０）の間に流れる無効電力を補償するための補償回路を備える、請求項９ないし１１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１３】
加工物を機械加工するための工作機械であって、
請求項３ないし１２のいずれか１項に記載のデバイスと、
前記第２のトランス（３１〜３４）の前記１次巻線（３２）および前記第２のトランス（３１〜３４）の第１のポットコア（３１）を含む前記電力伝送デバイス（３０）の定置の部分ならびに前記受信器素子（８０）を共に収容するハウジングと、を備える工作機械。
【請求項１４】
加工物を超音波機械加工するための工具（９０）の超音波振動パラメータを測定するための方法であって、
ツールホルダ（１０）内に受け取られた工具（９０）を超音波振動状態に設定するステップと、
前記ツールホルダ（１０）内のセンサ機構（４０）により前記工具（９０）の前記超音波振動に基づいてセンサ信号を生成するステップと、
前記ツールホルダ（１０）内で前記センサ機構（４０）から前記センサ機構（４０）に接続されている送信器素子（６０）に前記センサ信号を送るステップと、
前記送信器素子（６０）から離隔された受信器素子（８０）に前記送信器素子（６０）から前記センサ信号を送信するステップと、
前記受信器素子（８０）からセンサ信号評価デバイス（１１０）に前記センサ信号を送るステップと、
前記工具（９０）の前記超音波振動パラメータを決定するために前記センサ信号評価デバイス（１１０）内で前記センサ信号を評価するステップと
を含む方法であって、
前記センサ機構（４０）は、圧電材料製の一個片の素子（４１）と、前記工具（９０）の軸方向の超音波振動部分、および前記工具（９０）の前記超音波振動の曲げ振動部分を検出するために複数の電極セグメント（４２ａ）とを有する、方法。
【請求項１５】
前記センサ信号は、前記工具（９０）の前記超音波振動によって引き起こされる電圧である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記センサ信号の評価中、前記工具（９０）の前記超音波振動の周波数が、前記センサ信号の周波数から決定され、かつ／または前記工具（９０）の前記超音波振動の振幅が、前記センサ信号の振幅から決定される、請求項１４または１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工物を超音波機械加工するための工具の超音波振動を発生させ、工具の超音波振動の超音波振動パラメータを測定するためのデバイスであって、工具を受け取るためのツールホルダと、工具の超音波振動を発生させるための、ツールホルダ内の超音波トランスデューサとを有するデバイス、および加工物を超音波機械加工するための工具の超音波振動パラメータを測定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術は、加工物を機械加工するための工作機械を開示しており、この工作機械は、ツールホルダ内に信号処理ユニットと、送信器ダイオードおよび受信器ダイオードとを有し、それらにより、信号を送受信ステーションに送信することができる。
【０００３】
これに関連して、ＥＰ０２２９３９９Ａ２は、半径方向平面内に外周間距離（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）で配置された、いくつかの送信器ダイオードおよび受信器ダイオードと、チャック内に設置され増幅器部材を有する信号処理ユニットとを有するチャックについて記載している。定置の送受信ステーションが、前記半径方向平面内に配置される。チャック内に設置されたセンサがそれぞれの動作状態を検出し、これらの動作状態は、信号処理ユニットによって処理され、送受信ステーションによって取り出され、チャックの送信器ダイオードを介してその組み合わされた送受信ステーションに送信される。
【０００４】
ＤＥ２０  ２００６  ０２０  ５２６Ｕ１は、それぞれがステータ側コア区間とロータ側コア区間とを有するステータ部とロータ部とを有する回転送信器であって、ステータ側コア区間とロータ側コア区間は、互いに面する端部で空隙によって互いに分離されており、各コア区間は、トランスの原理に従って電力伝送のためにステータ側コア区間およびロータ側コア区間で巻かれた少なくとも１つの電力巻線を有し、かつ、対で互いに関連付けられ誘導データ送信のために働くステータ側およびロータ側結合ターンを有し、前記結合ターンは、送信および／または受信電子ユニットに接続され、ステータ部は、送受信電子ユニットを接続ケーブルと共に受け取るように働く基礎ハウジングと、基礎ハウジング上に脱着可能に配置され、電力巻線および少なくとも１つの結合ターンを受け取るように働く相互交換可能なハウジングとから構成されるハウジング内に配置され、電気接続を生み出すための脱着可能なプラグ接点が、基礎ハウジングと相互交換可能なハウジングとの間に配置される、回転送信器について記載している。
【０００５】
また、従来技術は、ツールヘッド内の電力消費体のために誘導電力伝送を可能にするツールヘッドをも開示している。
【０００６】
これに関連して、ＥＰ０７１９１９９Ｂ１は、工作機械内で使用するためのツールヘッドであって、ベース体と、ベース体を越えて軸方向に突出し機械側のステータ内で回転する機械スピンドルに結合され得る工具シャフトとを備え、ベース体および／または測定電子ユニット内に配置されたスライダ用の調整モータとなるように設計される少なくとも１つの電力消費体を備え、電力消費体のための外部電源デバイスを備え、電源デバイスは、機械側のコイルハウジング内に配置された１次コイルと、ツールヘッドの側に配置され工具シャフトを環状に取り巻くコイルハウジング内に配置された２次コイルとを有する誘導電力伝送経路を有し、これら２つのコイルハウジングは、工具シャフトが機械スピンドルに結合されているとき空隙によって互いに分離される、ツールヘッドについて記載している。
【０００７】
さらに、加工物が工具により機械加工されるとき、工具の回転運動に工具の超音波振動を重畳することができる工作機械が知られている。
【０００８】
これに関連して、ＥＰ１７６３４１６Ｂ１は、第１の端部に回転スピンドルノーズに適合させるためのツールホルダ支持物を有し第１の端部の反対側の第２の端部に工具支持物を有するツールホルダを有し、工具支持物内に挿入することができるツールヘッドを有する工具であって、ツールホルダが振動モータを備える工具について記載している。
【０００９】
そのような工作機械では、工具の超音波振動を生み出すツールホルダ内の超音波トランスデューサ、振動体、およびツールホルダ内に挿入された工具が、電気信号によって刺激され機械振動を生み出す振動システムを形成し、この振動システムがその共振周波数で刺激されたとき可能な最大の機械振動振幅が得られる。
【００１０】
これは、共振周波数が加工作業の途中で変化し得るという問題を引き起こす。これには、本質的に３つの理由がある。一方では、振動システムまたはその一部は、加工中、熱くなる可能性がある。これは、材料の特性を変化させ、共振周波数の温度ドリフトに通じる。
【００１１】
他方では、振動は、加工されることになる加工物と工具の接触により減衰し、振動が減衰された場合、システムの共振周波数は、システムの自由共振周波数より低くなる。
【００１２】
さらに、振動システムを加工物に結合することによって、新しい結合型振動システムが形成され、この振動システムの共振周波数は、通常、自由共振周波数より高い。これらの３つの効果は、実際には組合せで生じ、どの効果が優位を占めるかという特定の加工状況に左右される。
【００１３】
共振周波数のシフトに加えて、加工物と工具の相互作用により同じパワーを達成するためにより高い出力電圧が必要となり得るので、パワーの変化もまた関与することに留意されたい。
【００１４】
自由共振周波数が刺激のために使用されるが、加工中、システムの実際の共振周波数がそれと異なる場合、工具の振動は、より小さい振幅を有し、したがって加工作業は、効率が低くなる。
【００１５】
そのため、振動システムの共振周波数の変化に応じて可能な最高の振動振幅を再び達成するために振動パラメータを適合させることができるように、その変化を検出することが重要である。
【００１６】
超音波溶接応用例から、この目的のために、ツールホルダ内のピエゾドライブに機械振動のための電気信号を供給する発生器の初期値に基づいてシステムの自由共振周波数および共振周波数の変化を共に決定することが知られている。発生器は、誘導伝送経路を介して接続された振動システムから、周波数依存性であり、機械共振周波数で最小を有する電気インピーダンスを認識または判別する。それに応じて、発生器は、共振周波数のシフトがある場合、再びインピーダンス最小に達するまでその周波数を再調整する。インピーダンス最小の周波数に加えて、インピーダンス値もまた加工作業の結果として変化する。すなわち、同じパワーを駆動するために、より高い出力電圧が必要である。
【００１７】
しかし、この方法は、機械加工作業に適していない。なぜなら、超音波溶接とは異なり、工具が挿入されて使用されるソノトロードのインピーダンス曲線がはるかに複雑であるからである。すなわち、一方では、複雑な形態を有する工具の多数の異なる振動モードにより、著しく多くのインピーダンス最小がある。他方では、共振周波数のシフトに影響を及ぼす変数は、より極端な効果を有する。すなわち、周波数シフトは、他のインピーダンス最小がスキップされるほど大きくなり得る。ソノトロードは、溶接工程全体の間に、ほぼ同じ圧力を加工物にかける。これは、繰り返される工程内で同じであり、インピーダンス最小を常に明確に識別することができる単一の周波数シフトをもたらす。対照的に、機械加工中、周波数シフトは材料内への工具の様々な係合状態により絶えず変化し、上記のように、インピーダンス測定だけによる割当ては、もはや可能でないことが多い。
【００１８】
これは、異なる形態を有する非常に多数の工具、たとえば異なる寸法を有するドリルおよびフライス、ならびに異なる切刃幾何形状を有する切削工具が使用され、それが超音波溶接に比べて高いインピーダンス曲線の形状の分散に通じるからである。さらに、振動システムに作用する力は、一般に機械加工作業において著しく高くなり、したがってインピーダンス曲線の変化は、はるかに際だつ。
【００１９】
さらに、溶接中の繰り返される加工ステップにより、優位を占める周波数シフト効果を十分に予測することができ、これはシステムの起こり得る反応を制限する。対照的に、機械加工作業においてはすべての効果を考慮しなければならず、そのため、予測可能性および／または調整パラメータを制限する可能性は不十分である。
【００２０】
さらに、インピーダンス測定だけに基づいて軸振動モードから曲げ振動などを区別することは可能でない。また、振動をまったく生み出さない純粋に電気的な共振もある。これらの寄生効果は、知られている方法によって検出することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
したがって、本発明の目的は、上記の問題が回避される、加工物を超音波機械加工するための工具の超音波振動を発生させ、工具の超音波振動の超音波振動パラメータを測定するためのデバイスを提供することである。
【００２２】
特に、本発明の目的は、加工物の超音波機械加工において、より高い加工精度を達成することができるデバイスを提供することである。
【００２３】
さらに、本発明の目的は、加工物の超音波機械加工における加工精度を高めることができる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
これらの目的は、請求項１に従うデバイス、および請求項１５に従う方法によって達成される。従属請求項は、それぞれ本発明に従うデバイスおよび本発明に従う方法の有利な実施形態に関する。
【００２５】
加工物を超音波機械加工するための工具の超音波振動を発生させ、工具の超音波振動の超音波振動パラメータを測定するための本発明に従うデバイスは、工具を収容するためのツールホルダと、工具の超音波振動を発生させるための、ツールホルダ内の超音波トランスデューサと、工具の超音波振動に基づいてセンサ信号を生成するための、ツールホルダ内のセンサ機構と、センサ信号を評価するためのセンサ信号評価デバイスとを備える。
【００２６】
たとえば、超音波トランスデューサは、センサ機構としても働く１つまたは複数のピエゾ素子の形態にすることができる。ここで、ピエゾ素子のための刺激信号は、短時間の間、中断され、ピエゾ素子の薄れる信号が電圧信号として検出される。刺激および振動測定のために、同じ伝送経路または異なる伝送経路を、機械側の対応する配線によって使用することができ、伝送経路が１つだけ使用される場合、それを振動刺激のために発生器に結合することができ、振動測定のために電子ユニットに結合することができる。
【００２７】
別法として、超音波トランスデューサおよびセンサ機構は、互いに異なるデバイス素子として設計することができ、振動刺激と振動測定のために異なる伝送経路を使用することも可能である。センサ機構は、たとえば圧電センサとして設計することができる。センサ機構は、センサ信号を生成するために、ツールホルダ内の電子回路を有するひずみゲージとして設計することもできる。
【００２８】
したがって、工具の超音波振動を生み出すことができ、振動する工具の超音波振動パラメータの直接測定を同時に実施することができるデバイスが提供される。したがって、機械振動に対する直接的な結論を引き出すことを可能にする電気センサ信号を生成することが可能である。センサ信号は、加工中、一時点もしくはそれ以上の時点、またはある期間にわたって生成することができ、したがっていつでも更新することができる。このため、振動を監視すること、および／または振動振幅の減少もしくは共振周波数の変化など振動パラメータの変化を検出することが可能である。
【００２９】
センサ機構は、好ましくは圧電センサ素子として設計され、センサ信号は、工具の超音波振動によって引き起こされる電圧である。
【００３０】
利点は、ツールホルダ内でセンサ信号を生成し送信するために、ツールホルダ内に追加の回路を設けなくてもよいことである。
【００３１】
ツールホルダは、好ましくは回転させることができ、デバイスは、送信器素子から受信器素子へセンサ信号を非接触送信するために、ツールホルダ内でセンサ機構に結合された送信器素子と、送信器素子から離隔された受信器素子とを有する。
【００３２】
これに関連して、受信器素子は、たとえば、ツールホルダの外で、本発明に従うデバイスを有する工作機械の定置の部分内に配置することができる。送信器素子から離隔された機械側の受信器素子により、センサ信号を、評価するために回転可能なツールホルダから送り出すことができる。
【００３３】
センサ機構は、好ましくは圧電材料製の一個片の素子を有し、工具の軸方向の超音波振動部分、および工具の超音波振動の曲げ振動部分を検出するために複数の電極セグメントを有する。
【００３４】
たとえば、センサ機構は、ピエゾ素子プレートレットとして設計することができ、このピエゾ素子プレートレットは、互いに反対側の２つの側に電極を備える。電極のセグメント化には、工具の（工具軸に沿った）軸方向振動成分だけでなく、工具の横荷重の場合に生じ得る曲げ振動または傾斜振動部分をも検出することができるという利点がある。利点は、センサ信号が機械振動についてより正確な情報を含むことである。
【００３５】
センサ機構は、好ましくは超音波トランスデューサの電気絶縁のための絶縁素子を有し、デバイスは、超音波トランスデューサに電力を与えるためにツールホルダ内に電力を伝送するための電力伝送デバイスを有し、電力伝送デバイスは、送信器素子および受信器素子から電気的に絶縁される。
【００３６】
ツールホルダ内のセンサ機構およびセンサ信号経路が超音波振動ドライブおよびその電源から電気的にデカップリングされることにより、工具振動は、工具振動の発生から完全に独立して検出され、これは、センサ信号の誤りを防止する。
【００３７】
超音波トランスデューサに関して、センサ機構は、実質的に同じ方向で工具の超音波振動が超音波トランスデューサによって生み出され、工具の超音波振動がセンサ機構によって検出されるようにツールホルダ内に配置されることが好ましい。
【００３８】
利点は、工具の曲げ振動など加工作業に有利な工具の超音波振動と一致しない振動システムの固有振動数モードが測定されず、関連の振動形態だけがセンサ素子によって検出されることである。センサ素子および超音波トランスデューサは、たとえば軸方向振動を生み出す、および／または検出するためにツールホルダ内で工具軸に沿って、連続的に配置することができる。
【００３９】
超音波トランスデューサは、好ましくは複数の第１のピエゾ素子を備える層状の構造を有し、センサ機構は、第２のピエゾ素子および複数の絶縁素子を有し、超音波トランスデューサおよびセンサ機構は、共に機械的に結合される。
【００４０】
これに関連して、第２のピエゾ素子が超音波トランスデューサの端部に配置されることが有利である。なぜなら、測定されることになる振動振幅がそこで最大になるからである。たとえば、６つの第１のピエゾ素子および圧電センサ素子を、工具軸に沿って連続的に配置することができる。したがって、超音波トランスデューサおよびセンサ素子は、ツールホルダ内に空間を節約するようにして収容することができる。第１のピエゾ素子の数を２倍にすることの結果として、２倍の力を工具に印加することができる。換言すれば、２つの第１のピエゾ素子に比べて、６つの第１のピエゾ素子で３倍の力を工具に伝達することができる。
【００４１】
センサ機構に接続された複数の送信器素子は、好ましくは、ツールホルダの周縁に沿って配置される。
【００４２】
たとえば、４つの送信器素子を、それぞれ９０°の距離でツールホルダの周縁に沿って配置することができる。利点は、センサ信号がツールホルダから機械側部内に送信されるとき、特にツールホルダが回転するとき、信号損失が最小限で保たれることである。
【００４３】
送信器素子および受信器素子は、好ましくは、センサ信号を送信器素子から受信器素子へ誘導により送信するように構成される。
【００４４】
この形態の非接触伝送には、誘導伝送がさらなる電力を必要としないので、センサ信号をツールホルダから送り出すために追加の回路またはツールホルダ内の電源もしくはパワーアダプタを設ける必要がないという利点がある。
【００４５】
送信器素子および受信器素子は、好ましくは第１のトランスを形成し、送信器素子は、第１のトランスの第１のフェライトコアおよび１次巻線を有し、受信器素子は、第１のトランスの第２のフェライトコアおよび２次巻線を有し、電力伝送デバイスは、第２のトランスの１次巻線および第２のトランスの２次巻線を有する第２のトランスとされ、第１のトランスおよび第２のトランスは、第２のトランスの１次巻線から第２のトランスの２次巻線への超音波トランスデューサの電源のための電力の伝送方向に対して実質的に直交方向で、センサ信号が第１のトランスの１次巻線から第１のトランスの２次巻線へ送信されるように配置される。
【００４６】
利点は、電源と信号送信が互いに小さい程度でしか影響を及ぼさないように、２つのトランスのそれぞれの磁界が互いに直交して位置合わせされることである。
【００４７】
別法として、送信器素子および受信器素子は、センサ信号を送信器素子から受信器素子へ光学的に送信するように構成される。
【００４８】
送信器素子は、好ましくは、ツールホルダの外側の孔内に配置される。
【００４９】
したがって、たとえばデータを記憶するためのチップを受け取るためにツールホルダ内ですでに使用可能な孔が、送信器素子を受け取るようにさらに働くことができる。
【００５０】
デバイスは、好ましくは、発生器とツールホルダの間に流れる無効電力を補償するための補償回路を有する。
【００５１】
補償回路は、１つまたは複数のキャパシタンスおよび／または１つまたは複数のインダクタンスからの並列回路、直列回路、または組合せ回路として設計することができる。たとえば、補償回路は、第２のトランスに並列にスイッチングされるキャパシタンスとして設計することができる。利点は、無効電力によるシステムの加熱を低減することができることである。さらに、デバイスは、発生器とツールホルダの間に流れる無効電力の補償を適合するためのリレーを有することができる。利点は、補償回路のキャパシタンスおよび／またはインダクタンスの値をこのようにして容易に変更することができることである。
【００５２】
加工物を機械加工するための本発明に従う工作機械は、本発明に従うデバイスと、第２のトランスの１次巻線および第２のトランスの第１のポットコアを含む電力伝送装置の定置の部分ならびに受信器素子を共に収容するハウジングとを備える。
【００５３】
したがって、センサ信号を、センサ信号が評価される工作機械の定置の部分内に渡すことができる。
【００５４】
加工物を超音波機械加工するために加工物の超音波振動パラメータを測定するための本発明に従う方法は、ツールホルダ内に受け取られた工具を超音波振動状態に設定するステップと、ツールホルダ内のセンサ機構により工具の超音波振動に基づいてセンサ信号を生成するステップと、ツールホルダ内でセンサ機構からセンサ機構に接続されている送信器素子にセンサ信号を送るステップと、送信器素子から離隔された受信器素子に送信器素子からセンサ信号を送信するステップと、受信器素子からセンサ信号評価デバイスにセンサ信号を送るステップと、工具の超音波振動パラメータを決定するためにセンサ信号評価デバイス内でセンサ信号を評価するステップとを含む。
【００５５】
したがって、機械振動に対する直接的な結論を引き出すことを可能にする電気センサ信号が生成される。センサ信号は、加工中、一時点もしくはそれ以上の時点、またはある期間にわたって生成することができる。したがって、超音波振動パラメータを絶えず更新することができ、振動の変化を連続的に検出することができる。
【００５６】
センサ信号は、好ましくは、工具の超音波振動によって引き起こされる電圧である。
【００５７】
利点は、機械振動パラメータを、そのようなセンサ信号から容易に決定することができることである。
【００５８】
センサ信号が評価されるとき、工具の超音波振動の周波数は、好ましくはセンサ信号の周波数から決定され、かつ／または工具の超音波振動の振幅は、好ましくはセンサ信号の振幅から決定される。
【００５９】
したがって、振動システムの共振周波数変化および／または振幅の減少を、センサ信号から容易に決定することができる。したがって、振動システムの共振を、それが加工作業に有利である場合、放射周波数と現在の共振周波数の比較に基づいて調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に従うデバイスの一実施形態のツールホルダの断面図である。
【図２】本発明に従うデバイスの一実施形態のツールホルダの図である。
【図３】本発明に従うデバイスの一実施形態の圧電センサ素子の断面図である。
【図４Ａ】本発明に従うデバイスの一実施形態の電極の図である。
【図４Ｂ】本発明に従うデバイスの他の実施形態の電極の図である。
【図５Ａ】加工中の本発明に従うデバイスの一実施形態の図である。
【図５Ｂ】加工中の本発明に従うデバイスの一実施形態の図である。
【図６】本発明に従うデバイスの一実施形態を有する本発明に従う工作機械の一部の図である。
【図７】本発明に従うデバイスの他の実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
以下、本発明について、実施形態および例示的な図面を用いて詳細に述べ、説明する。
【００６２】
図１は、本発明に従うデバイスのツールホルダ１０を示す。工具９０（図示せず）を受け取るための工具支持部１１が、ツールホルダ１０の一端に配置される。複数、たとえば６つの有孔のディスク形状の第１のピエゾ素子２１が、ツールホルダ１０内で積み重ねられた配置される。前記ピエゾ素子は、伝送部１２を介して工具支持部１１に接続され、電圧を機械振動に変換するための超音波トランスデューサ２０を形成する。第１のピエゾ素子２１の機械振動は、伝送部１２を介して工具９０に伝達される。第１のピエゾ素子２１は、たとえば電極が間に装着されたピエゾセラミックディスクとして設計することができる。電力は、トランス（第２のトランス）を介して超音波トランスデューサ２０に供給され、このトランスは、機械側では、第１のポットコア３１および１次巻線３２（図示せず）からなり、工具側では、第２のポットコア３３および２次コイル３４からなり、２次コイル３４は、ツールホルダ１０の外側でリング素子として配置される。
【００６３】
工具支持部１１とは反対側を向き、第１のピエゾ素子２１でできた積重ねの側には、有孔のディスク形状圧電センサ素子がセンサ機構４０として配置され、第１のピエゾ素子２１に機械的に結合されるが、セラミック有孔ディスクからなることができる絶縁素子３４によって第１のピエゾ素子２１から電気的に絶縁される。圧電センサ素子４０は、他の絶縁素子４３によって取付け要素１３、たとえば取付けナットから電気的に絶縁される。取付け要素１３は、圧電センサ素子４０を超音波トランスデューサ２０上に取り付け、第１のピエゾ素子２１が動的に加重されるためそれらの予荷重を与えるように働く。以下、圧電センサ素子４０の設計について、図３を用いてより詳細に述べる。第１のピエゾ素子２１および圧電センサ素子４０は、同じ向きを有し、その結果、一方では、同じ方向の振動の生成および検出が可能になり、他方では、ツールホルダ１０内で、素子の空間節約的な配置が達成される。圧電センサ素子４０は、工具９０、伝送部１２、超音波トランスデューサ２０、および圧電センサ素子４０からなる振動システムの機械振動をセンサ信号に変化させ、センサ信号は、配線接続５０を介して、圧電センサ素子４０からツールホルダ１０を通って、ツールホルダ１０の外側の送信器素子６０に電圧として送信される。センサ信号は、送信器素子６０から機械側の受信器素子８０（図示せず）に非接触で送信される。送信器素子６０は、他のトランス（第１のトランス）の一部であり、第１のフェライトコア６１および１次巻線６２からなる。受信器素子８０もまた第１のトランスの一部であり、第２のフェライトコア８１および２次巻線８２からなる。したがって、センサ信号は、ツールホルダ１０から機械側のセンサ信号評価デバイス１１０（図示せず）に誘導により送信することができる。別法では、光学的送信も可能であり、この場合、送信器素子６０はＬＥＤとして、受信器素子８０はフォトダイオードとして設計される。送信器素子６０は、ＤＩＮ６９８９３標準による工具データ用のデータチップのための孔７０内に嵌合するようにして寸法設定および位置決めすることができる。以下、電力伝送デバイス３０と、送信器素子６０および受信器素子８０からなる信号送信デバイスとの配置について、図６を用いてより詳細に説明する。ツールホルダ１０は、工作機械（図示せず）の定置の部分に対して回転可能とすることができる。
【００６４】
図２では、ツールホルダ１０は、側部から示されている。送信器素子６０が配置される孔７０は、ツールホルダ１０の外側に配置される。図の下部には、ツールホルダ１０内の超音波トランスデューサ２０に電力を供給する電力伝送デバイス３０のポットコア３３（第２のポットコア）が示されている。この図では、工具９０（図示せず）は、工具支持部１１（図示せず）内で下向きに受け取られ得る。
【００６５】
図３は、圧電センサ素子４０の設計を断面図で示す。圧電センサ素子４０は、円形の中央穴を有する円形ディスクの形状を有する圧電セラミック材料など圧電材料４１製の一個片の素子からなる。電極４２は、機械振動によって引き起こされる電界によって電極４２上に電圧が生成されるように、一個片の素子４１の２つの側に装着される。電極４２は、圧電材料４１から作られた一個片の素子と同様の、しかしこの素子に対してそれほど厚くない円形の中央穴を有する円形ディスクとして一個片で（図４Ａ参照）、またはディスクセグメント４２ａ、たとえばディスクの四半分として（図４Ｂ参照）作ることができる。振動システムの軸方向振動成分を、一個片の電極ディスク４２により工具軸に沿って検出することができ、したがって電極セグメント４２ａは、２つの軸でシステムの振動部分を検出することが可能であるという利点を有する。以下、これについて、図５Ａおよび図５Ｂを用いてより詳細に説明する。さらに、複数の電極セグメント４２ａと、一個片の素子４１として適切に分極されたピエゾセラミック材料とによって、工具９０のねじり振動をも検出することができる。やはり中央穴を有する円形ディスクとすることができ、セラミック材料からなることができる１つの絶縁素子４３はそれぞれ、圧電材料４１から作られた一個片の素子上で境界を画さないそれぞれの他の電極表面上で境界を画する。圧電センサ素子４０は、圧電センサ素子４０によって生成されたセンサ信号が乱されず、配線接続５０を介してのみ送信されるように、隣接する超音波トランスデューサ２０から、またツールホルダ１０の他の部分から、特に取付け要素１３から絶縁素子４３によって電気的に絶縁される。
【００６６】
図５Ａおよび図５Ｂは、振動システムの様々な振動形状を示す。図５Ａでは、ツールホルダ１０内の工具９０は、軸方向、すなわち垂直矢印によって表されているように、上下に、工具軸に沿った方向で振動する。図５Ｂもまた、工具９０の軸方向振動を示すが、これはそれに直交する方向の振動によって重畳される。そのような重畳振動は、たとえば工具９０を曲げる機械加工中の工具の横方向圧縮加重によってトリガされ得る。図４Ａに示されている一個片の電極４２は、軸方向の振動部分を検出するのに十分なものである。他の方向の曲げ振動部分をも検出される場合、図４Ｂに示されているセグメント化された電極４２ａが必要である。なぜなら、その場合、電極セグメント４２ａは、圧電材料４１から作られた一個片の素子の表面上で異なるように振動することができるからである。
【００６７】
図６は、超音波トランスデューサ２０のための電力をツールホルダ１０内に伝送するための電力伝送デバイス３０の構成と、ツールホルダ１０からセンサ信号を送信するための送信器素子６０および受信器素子８０の構成とを断面図で示す。
【００６８】
電力伝送デバイス３０は、第１のポットコア３１を有するトランス（第２のトランス）、１次巻線３２、第２のポットコア３３、および２次巻線３４として設計され、ポットコア３１、３３の開口同士は互いに面し、巻線３２、３４は、それぞれのポットコア３１、３３内に配置される。第２のポットコア３３は、ここではツールホルダ周辺部で環状に配置され、第１のポットコア３１は、機械側のハウジング１００内に離隔されるようにして第２のポットコアに対して軸方向に位置決めされ、ツールホルダ１０周りでリングセグメントまたは完全なリングとして配置される。したがって、電力は、図６では軸方向に上から下へ、１次巻線３２から２次巻線３４に誘導により伝送される。
【００６９】
受信器素子８０もまた、ハウジング１００内に位置する。送信器素子６０は、ツールホルダ１０の孔７０内で、ある距離で受信器素子８０に対向して配置される。したがって、センサ信号は、図６における半径方向で左から右に、送信器素子６０から受信器素子８０に非接触で送信される。また、ツールホルダ１０の回転中にセンサ信号が送信されるとき信号損失を低減するために、複数の送信器素子６０をツールホルダ１０上に周方向に配置することも可能である。同様に、複数の受信器素子８０を、１つまたは複数の送信器素子６０に対向して配置することができる。
【００７０】
ツールホルダ１０の回転中、電力伝送デバイス３０の第２のポットコア３３および２次巻線３４と送信器素子６０とは、ツールホルダ１０と共に回転し、一方、ハウジング１００は、たとえば工具スピンドル（図示せず）上に、電力伝送デバイス３０の第１のポットコア３１および１次巻線３２ならびに受信器素子８０により装着され、回転しない。
【００７１】
図７は、例示的な補償回路を有する上記の構成要素の配線図を示す。この図は、ツールホルダ１０内のピエゾドライブ、左側の１次巻線３２および右側の２次巻線３４を有する第２のトランス３１〜３４、ならびにピエゾドライブを刺激するための超音波発生器１２０の置換え配線図を示す。トランス３１〜３４に対して並列で、キャパシタンス１８０が機械側でスイッチングされ、その値は、リレー１９０（図示せず）を介して変更することができる。
【００７２】
電圧と電流の間の位相シフトに応じて、無効電力が発生器１２０とツールホルダ１０の間に往復するように流れ、機械的な仕事をせず、単にシステムを加熱する一因となる。この無効電力は、キャパシタンス１８０によって補償することができる。しかし、補償された電気インピーダンスもまた周波数応答を有するので、この補償は、ピエゾドライブのための励振周波数の変化が小さい場合、キャパシタンス１８０の一定値で十分な精度で機能するにすぎない。変化が大きい場合、それに応じてキャパシタンス１８０の値がリレー１９０によってスイッチングされる。
【００７３】
補償回路は、キャパシタンスおよび／またはインダクタンスからの並列回路、直列回路、または組合せ回路として設計することができ、リレー１９０によってスイッチングすることができる。
【００７４】
本発明は、上記の実施形態に限定されず、むしろ上記の実施形態の個々の態様および／または個々の特徴は、本発明のさらなる実施形態をもたらすために組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０  ツールホルダ
１１  工具支持部
１２  伝送部
１３  取付け要素
２０  超音波トランスデューサ
２１  第１のピエゾ素子
３０  電力伝送デバイス
３１  第１のポットコア
３２  第２のトランスの１次巻線
３３  第２のポットコア
３４  第２のトランスの２次巻線
４０  センサ機構としての圧電センサ素子
４１  圧電材料製の一個片の素子
４２  電極
４２ａ  電極セグメント
４３  絶縁素子
５０  配線接続
６０  送信器素子
６１  第１のフェライトコア
６２  第１のトランスの１次巻線
７０  孔
８０  受信器素子
８１  第２のフェライトコア
８２  第１のトランスの２次巻線
９０  工具
１００  ハウジング
１１０  センサ信号評価デバイス
１８０  キャパシタンス
１９０  リレー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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