(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の機械加工中に超音波振動状態に設定された工具（９０）の共振周波数を測定するための方法であって、
ａ）工具（９０）の前記超音波振動を生み出すために発生器（１２０）により前記工具（９０）を含むツールホルダ（１０）内に作用周波数（ｆ１）を有する作用信号（Ｓ１）を放射するステップと、
ｂ）前記加工物の機械加工の開始後、前記発生器（１２０）によって、前記作用信号（Ｓ１）に重畳された、前記テスト信号（Ｓｔ）を前記ツールホルダ（１０）内に放射するステップと、前記テスト信号（Ｓｔ）は前記作用周波数（ｆ１）周りの範囲で変わるテスト周波数を有し、および前記作用信号（Ｐ１）の電力より低い電力（Ｐｔ）を有し、
ｃ）前記ツールホルダ（１０）内に配置されたセンサ装置（４０）によって前記工具（９０）の前記超音波振動からセンサ信号（Ｓ２）を発生させるステップと、
ｄ）読出し装置（１３０）によって前記センサ信号（Ｓ２）を読み出すステップと、
ｅ）解析装置（１４０ａ）により前記センサ信号（Ｓ２）を主周波数および補助周波数を含む周波数スペクトルに分割するステップと、
ｆ）前記作用周波数（ｆ１）から前記主周波数を、また前記共振周波数（ｆ２）から前記補助周波数を決定するステップと
を含む方法。
【請求項２】
ｇ１）前記工具（９０）の前記超音波振動の振動振幅を増大するために、第１の制御デバイス（１５０）によって、前記作用周波数（ｆ１）を測定された共振周波数（ｆ２）に合わせて適合させるステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ｈ）加工中、パワーを安定させるために前記発生器（１２０）の出力電圧を適合させるステップ
をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ｇ２）前記工具（９０）の前記超音波振動の振動振幅を増大するために、前記作用周波数（ｆ１）での前記周波数スペクトルにおけるピークの高さに基づいて、第２の制御デバイス（１６０）によって前記作用信号（Ｐ１）の前記電力を増大するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ｇ３）前記工具（９０）の前記超音波振動の振動振幅を増大するために、前記作用周波数（ｆ１）と測定された共振周波数（ｆ２）との差に基づいて、第２の制御デバイス（１６０）によって前記作用信号（Ｓ１）の振動振幅を増大するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ステップｄ）からｇ１）、ステップｄ）からｇ２）、またはステップｄ）からｇ３）が、前記加工物の加工中、前記テスト信号（Ｓｔ）の連続的または準連続的な放射および前記テスト周波数の連続的または準連続的な変動がある間、複数回繰り返され、
ステップｇ１）では、前記作用周波数（ｆ１）が、最後に測定された共振周波数（ｆ２）に合わせて自動的に適合され、またはステップｇ２）では、前記作用信号（Ｐ１）の前記電力が、前記作用周波数（ｆ１）での前記周波数スペクトルにおける前記ピークの最後に測定された高さに基づいて自動的に増大され、またはステップｇ３）では、前記作用信号（Ｓ１）の振動振幅が、最後に測定された共振周波数（ｆ２）に基づいて自動的に増大される、請求項２から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
ステップａ）では、前記作用信号（Ｓ１）は、第１の伝送経路を介して前記ツールホルダ（１０）内に放射され、
ステップｄ）では、前記センサ信号（Ｓ２）が前記センサ装置（４０）から第２の伝送経路を介して前記読出し装置（１３０）内に送信され、前記第２の伝送経路は、前記第１の伝送経路から電気的に絶縁される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
ステップｂ）からｆ）は、前記共振周波数（ｆ２）を連続的に監視するために、前記加工物が機械加工されている間、繰り返される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記工具（９０）は、前記加工物の機械加工の開始前に回転状態に設定される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記発生器（１２０）と前記ツールホルダ（１０）の間に流れる無効電力を補償回路によって補償するステップと、
前記作用周波数（ｆ１）と測定された共振周波数（ｆ２）との差に基づいて無効電力補償を適合させるステップと
をさらに含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記無効電力補償が、リレー（１９０）をスイッチングすることによって適合される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
加工物の機械加工中、超音波振動状態に設定された工具（９０）の共振周波数を測定するためのデバイスであって、
前記加工物を機械加工するための前記工具（９０）を有するツールホルダ（１０）と、  前記工具の前記超音波振動を生み出すために作用周波数（ｆ１）を有する作用信号（Ｓ１）を前記ツールホルダ（１０）内に放射するため、そして、前記作用信号（Ｓ１）に重畳されたテスト信号（Ｓｔ）を放射するための発生器（１２０）と、前記テスト信号（Ｓｔ）は前記作用周波数（ｆ１）周りの範囲で変わるテスト周波数を有し、および前記作用信号（Ｐ１）の電力より低い電力（Ｐｔ）を有し、
前記工具（９０）の前記超音波振動からセンサ信号（Ｓ２）を生成するための、前記ツールホルダ（１０）内に配置されたセンサ装置（４０）と、
前記センサ信号（Ｓ２）を読み出すための読出し装置（１３０）と、
前記センサ信号（Ｓ２）を主周波数および補助周波数を含む周波数スペクトルに分割するための解析装置（１４０ａ）と、
前記作用周波数（ｆ１）から前記主周波数を、また前記共振周波数（ｆ２）から前記補助周波数を決定するための装置（１４０ｂ）と
を備えるデバイス。
【請求項１３】
前記工具（９０）の前記超音波振動の振動振幅を増大するために、前記作用周波数（ｆ１）を測定された共振周波数（ｆ２）に合わせて適合させるための第１の制御デバイス（１５０）
を備える、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記工具（９０）の前記超音波振動の振動振幅を増大するために、前記作用周波数（ｆ１）での前記周波数スペクトルにおけるピークの高さに基づいて、または前記作用周波数（ｆ１）と測定された共振周波数（ｆ２）との差に基づいて、前記作用信号の前記電力（Ｐ１）を増大するための第２の制御デバイス（１６０）
を備える、請求項１２または１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記デバイスのユーザによって、前記作用周波数（ｆ１）を適合させるために、または前記作用信号の前記電力（Ｐ１）を増大するために、前記第１の制御デバイス（１５０）および／または前記第２の制御デバイス（１６０）に接続されたユーザインターフェース（１７０）
を備える、請求項１３または１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
第１の伝送経路が、前記発生器（１２０）と前記ツールホルダ（１０）の間で前記作用信号（Ｓ１）を非接触送信するための第１のトランス（３１〜３４）として設計され、
第２の伝送経路が、前記ツールホルダ（１０）と前記読出し装置（１３０）の間で前記センサ信号（Ｓ２）を非接触送信するための第２のトランス（６１、６２、８１、８２）として設計される、請求項１２から１５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記発生器（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１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記発生器（１２０）と前記ツールホルダ（１０）の間に流れる前記無効電力の補償の適合のためのリレー（１９０）
を備える、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
加工物を機械加工するための工作機械であって、
請求項１２から１８のいずれか一項に記載のデバイスを備え、
加工物の機械加工中、超音波振動状態に設定された工具（９０）の共振周波数を測定するように構成された工作機械。
【請求項２０】
出力信号（Ｓ１、Ｓｔ）を出力し入力信号（Ｓ２）を受信するためのデバイス（２００）であって、
第１の周波数（ｆ１）および第１の電力（Ｐ１）を有する第１の出力信号（Ｓ１）と、
前記第１の出力信号（Ｓ１）に重畳され、前記第１の周波数（ｆ１）周りで変化する第２の周波数および前記第1の電力（Ｐ１）より低い第２の電力（Ｐｔ）を有する第２の出力信号（Ｓｔ）と、を同時に生成するための発生器（１２０）と、
センサからの入力信号（Ｓ２）を検出するための検出装置（１３０）と、
前記入力信号（Ｓ２）を主周波数および補助周波数を含む周波数スペクトルに分割するための解析装置（１４０ａ）と、
前記第１の出力信号（Ｓ１）の前記第１の周波数（ｆ１）を前記補助周波数に合わせて適合させるための第１の制御デバイス（１５０）と
を備えるデバイス。
【請求項２１】
前記主周波数での前記周波数スペクトルにおけるピークの高さに基づいて、または前記主周波数と前記補助周波数との差に基づいて、前記第１の出力信号（Ｓ１）の前記第１の電力（Ｐ１）を増大するための第２の制御デバイス（１６０）
を備える、請求項２０に記載のデバイス（２００）。
【請求項２２】
前記装置のユーザによって、前記第１の周波数（ｆ１）を適合させるために、または前記第１の電力（Ｐ１）を増大するために、前記第１の制御デバイス（１５０）および／または前記第２の制御デバイス（１６０）に接続されたユーザインターフェース（１７０）
を備える、請求項２０または２１に記載のデバイス（２００）。
【請求項２３】
超音波振動状態に設定された工具（９０）により加工物を機械加工するための工作機械であって、
請求項２０から２２のいずれか一項に記載のデバイスを備え、
超音波振動状態に設定された前記工具（９０）の測定された共振周波数に基づいて前記工具（９０）の前記超音波振動の周波数を適合させるように構成された工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工物を機械加工するために超音波振動状態に設定された工具の共振周波数を測定するための方法に関し、工具の超音波振動を生み出すために、作用周波数を有する作用信号が、発生器によって、工具を有するツールホルダ内に放射される。
【背景技術】
【０００２】
従来技術は、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を開示している。
【０００３】
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含み、工具支持物内に挿入することができるツールヘッドを含む工具であって、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。
【０００４】
そのような工作機械では、工具の超音波振動を発生させる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、電気信号によって機械的に振動させられる振動システムを構成し、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。
【０００５】
それを行う際に、共振周波数が加工作業の途中で変化し得るという問題が生じる。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、熱くなり、したがって材料の特性を変化させる可能性がある。これは、共振周波数の温度ドリフトに通じる。
【０００６】
他方では、振動は、加工されることになる加工物と工具が接触したとき、加工力により減衰し、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。
【０００７】
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、前記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。実際には、これらの３つの効果は組合せで生じ、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。
【０００８】
共振周波数の変位に加えて、工具と加工物との間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。
【０００９】
自由共振周波数が刺激のために使用され、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することになり、したがって加工は、効率が低くなる。
【００１０】
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大の振動振幅が再び得られるよう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。
【００１１】
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から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が、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有することを認識する。したがって、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それ自体として加工作業により変化する。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。
【００１２】
しかし、この方法は、機械加工に適していない。なぜなら、超音波溶接とは異なり、使用されるソノトロードのインピーダンス曲線が、工具が挿入された状態ではるかに複雑であるからである。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を引き起こす影響力ある変数は、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前進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。
【００１３】
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、ならびに異なる切削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、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。
【００１４】
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／または制御パラメータを制限する可能性は不十分である。
【００１５】
さらに、インピーダンス測定に基づくだけでは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。
【００１６】
発生器出力に基づいて振動を監視するとき生じるさらなる問題は、電力のどの部分が実際に振動発生に組み込まれ、どの部分が含まれている構成要素の加熱など他の工程に行くかわからないことである。したがって、発生器によってもたらされ振動発生に使用される電力の部分が変化を受けているにもかかわらず、発生器によってもたらされる電力全体が変化しないので、振動の変化が検出されない可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
したがって、本発明の目的は、上記の問題が回避される、超音波振動状態に設定された工具の共振周波数を測定するための方法を提供することである。
【００１８】
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方法を提供することである。
【００１９】
さらに、本発明の目的は、本発明に従う方法を実施することができるデバイスおよび工作機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
これらの目的は、請求項１に従う方法、請求項１１に従うデバイス、及び、請求項１９に従うデバイス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方法および本発明に従うデバイスの有利な実施形態に関する。
【００２１】
加工物の機械加工中に超音波振動状態に設定された工具の共振周波数を測定するための本発明に従う方法は、ａ）工具の超音波振動を生み出すために発生器により工具を含むツールホルダ内に作用周波数を有する作用信号を放射するステップと、ｂ）加工物の機械加工の開始後、発生器によって、作用周波数によって変わるテスト周波数および作用信号の電力より低い電力を有するテスト信号をツールホルダ内に放射するステップと、ｃ）ツールホルダ内に配置されたセンサ装置によって工具の超音波振動からセンサ信号を発生させるステップと、ｄ）読出し装置によってセンサ信号を読み出すステップと、ｅ）解析装置によりセンサ信号を主周波数および補助周波数を有する周波数スペクトルに分割するステップと、ｆ）作用周波数から主周波数を、また共振周波数から補助周波数を決定するステップとを含む。
【００２２】
センサ装置は、たとえば、圧電センサ素子として、または、電子回路を有するひずみゲージとして設計することができる。したがって、工具の共振周波数は、この目的のために不正確となり得る発生器の電気的に等価な変数を考慮する必要なしに機械振動から直接決定することができる。さらに、共振周波数の測定は、超音波加工中に可能であり、その結果、共振周波数の決定された値を、工具が振動する任意の所望の時点で更新することができる。これは、以下の状況において大きな利点である。すなわち、工具が入る前に、発生器が認識する電気インピーダンスにより、または発生器の出口における電流と電圧の間の移送シフトにより、振動の共振周波数を決定することができる。しかし、この共振周波数は、通常、工具が加工物内に前進するとき変化する。この変化を、本発明に従う方法によって測定することができる。
【００２３】
可変の周波数を有する追加のテスト信号を放射することの利点は、共振周波数の潜在的なシフトを、振動発生から完全に独立して決定することができることである。これは、普通ならその結果として放射のための電力が完全に低減されることになるシフトされた共振周波数を見出すために作用周波数を変化させる必要がないことを意味する。テスト周波数は、たとえばスウィープ法により変えることができる。
【００２４】
本発明に従う方法は、好ましくは、さらなるステップ、すなわち、ｇ１）工具の超音波振動の振動振幅を増大するために、第１の制御装置によって、作用周波数を測定された共振周波数に合わせて適合させるステップを含む。
【００２５】
本発明に従う方法は、好ましくは、さらなるステップ、すなわち、ｈ）加工中、パワーを安定させるために発生器の出力電圧を適合させるステップを含む。
【００２６】
周波数軸上の共振の位置に加えて、工具と加工物との相互作用もまた、インピーダンス曲線のｙ軸上のインピーダンス値を変化させる。したがって、作用周波数を制御するだけでなく、さらに加工中、一定のパワーが達成されるように発生器の出力電圧を制御することも有利である。
【００２７】
したがって、工具の超音波振動の周波数は、実際の共振周波数と異なる場合、実際の共振周波数に合わせて調整し、加工効率を高めることができる。さらに、機械振動を、工具先端にて安定させることもでき、機械振動の振幅の変動を補償することができ、これは加工物の加工の精度にとって有利である。現在の共振周波数を正確に知ることなく作用周波数が適合されるとき、変化した作用周波数は、ねじり振動または曲げ振動など、システムの不適当なモード固有の振動に通じる危険性がある。この問題は、センサ信号に基づく周波数適合では生じない。
【００２８】
本発明に従う方法は、好ましくは、ｇ２）工具の超音波振動の振動振幅を増大するために、作用周波数での周波数スペクトルにおけるピークの高さに基づいて、第２の制御装置によって作用信号の電力を増大するステップを含む。
【００２９】
したがって、ピークの幅（いわゆる質）に関する情報を使用することなしに機械振動を推測することが可能である。
【００３０】
本発明に従う方法は、好ましくは、ｇ３）工具の超音波振動の振動振幅を増大するために、作用周波数と測定された共振周波数との差に基づいて、第２の制御装置によって作用信号の振動振幅を増大するステップを含む。
【００３１】
したがって、振動周波数を変化させることなしに機械振動の振幅を増大および／または安定させ、このようにして加工作業の効率および精度を高めることが可能である。
【００３２】
ステップｄ）からｇ１）、ステップｄ）からｇ２）、またはステップｄ）からｇ３）は、好ましくは加工物の加工中、テスト信号の連続的または準連続的な放射およびテスト周波数の連続的または準連続的な放射がある間、複数回繰り返され、ステップｇ１）では、作用周波数が、最後に測定された共振周波数に合わせて自動的に適合され、またはステップｇ２）では、作用信号の電力が、作用周波数での周波数スペクトルにおけるピークの最後に測定された高さに基づいて自動的に増大され、またはステップｇ３）では、作用信号の振動振幅が、最後に測定された共振周波数に基づいて自動的に増大される。
【００３３】
利点は、変化する共振周波数と共に共振周波数を手動で適合させなくてもよく、ユーザのために加工作業を単純化することである。
【００３４】
ステップａ）では、作用信号は、好ましくは第１の伝送経路を介して放射され、ステップｄ）では、センサ装置のセンサ信号が第２の伝送経路を介して読出し装置内に送信され、第２の伝送経路は、第１の伝送経路から電気的に絶縁される。
【００３５】
ここで、テスト信号は、やはり第１の伝送経路を介して放射する、すなわち作用信号に重畳させることができ、またはテスト信号は、第２の伝送経路から電気的に絶縁された他の伝送経路を介して放射することができる。利点は、それぞれの場合において、センサ信号が作用信号またはテスト信号による影響を受けず、したがって共振周波数の検出は、振動発生と平行に進行することができることである。
【００３６】
ステップｂ）からｆ）は、共振周波数を連続的に監視するために、加工物が機械加工されている間、繰り返されることが好ましい。
【００３７】
したがって、実際の共振周波数は、作用周波数を適合させることなしに、特定の加工タスクについてのみ記録することもできる。
【００３８】
工具は、好ましくは、加工物の機械加工の前に回転状態に設定される。
【００３９】
特に硬質のもろい材料を、その回転が超音波振動によって重畳される回転工具で良好に加工することができる。
【００４０】
本発明に従う方法は、好ましくは、さらなるステップ、すなわち、発生器とツールホルダの間に流れる無効電力を補償回路によって補償するステップと、作用周波数と測定された共振周波数との差に基づいて無効電力補償を適合させるステップとを含む。
【００４１】
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１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、複雑な電気インピーダンスに依存し、したがって周波数に依存する無効電力の補償を、キャパシタンスおよび／またはインダクタンスを変化させることによって適合させることができることである。
【００４２】
無効電力補償は、リレーをスイッチングすることによって適合させることができることが好ましい。
【００４３】
利点は、キャパシタンスの値および／またはインダクタンスの値をこのように容易に変化させることができることである。
【００４４】
加工物の機械加工中、超音波振動状態に設定された工具の共振周波数を測定するための本発明に従うデバイスは、加工物を機械加工するための工具を有するツールホルダと、工具の超音波振動を発生させるために作用周波数を有する作用信号をツールホルダ内に放射するための、また作用周波数によって変わるテスト周波数および作用信号の電力より低い電力を有するテスト信号をツールホルダ内に放射するための発生器と、工具の超音波振動からセンサ信号を発生させるための、ツールホルダ内に配置されたセンサ装置と、センサ信号を読み出すための読出し装置と、センサ信号を主周波数および補助周波数を有する周波数スペクトルに分割するための解析装置と、作用周波数から主周波数を、また共振周波数から補助周波数を決定するための装置とを含む。
【００４５】
センサ装置は、たとえば、圧電センサ素子として、または、電子回路を有するひずみゲージとして設計することができる。ここで、主周波数は、周波数スペクトルが最大ピークを有する周波数であり、補助周波数は、周波数スペクトルが２番目に高いピークを有する周波数である。周波数スペクトルがピークを１つだけ有する場合、主周波数と補助周波数は、少なくともほぼ等しく、振動システムは、共振周波数近くで刺激されていることになる。したがって、工具の共振周波数は、発生器の電気的に等価な量を考慮する必要なしに機械振動から直接決定することができる。さらに、共振周波数の測定は、超音波加工中に可能であり、その結果、共振周波数の決定された値を、工具が振動する任意の時点で更新することができる。
【００４６】
デバイスは、工具の超音波振動の振動振幅を増大するために、作用周波数を測定された共振周波数に合わせて適合させるための第１の制御装置を有することが好ましい。
【００４７】
したがって、工具の超音波振動の周波数は、実際の共振周波数と異なる場合、実際の共振周波数に合わせて調整し、加工作業の精度および効率を増すことができる。
【００４８】
デバイスは、好ましくは、工具の超音波振動の振動振幅を増大するために、作用周波数での周波数スペクトルにおけるピークの高さに基づいて、または作用周波数と測定された共振周波数との差に基づいて、作用信号の電力を増大するための第２の制御装置を有する。
【００４９】
したがって、振動周波数を変化させることなしに機械振動の振幅を増大させ、したがって精度および加工効率を増すことが可能である。
【００５０】
デバイスは、好ましくは、デバイスのユーザによって、作用周波数を適合させるために、または作用信号の電力を増大するために、第１の制御装置および／または第２の制御装置に接続されたユーザインターフェースを有する。
【００５１】
利点は、作用周波数を変化させるべきであるかどうか、いつ、どの条件下で変化させるか（たとえば、ある間隔で、または測定された共振周波数の作用周波数からのある偏差に達したとき）、または周波数を自動で制御するべきかどうかユーザが判断することができることである。これは、たとえば様々な加工モードの場合に、高い柔軟性および必要ベースの適合を確保する。
【００５２】
発生器とツールホルダの間で作用信号を非接触送信するための第１の伝送経路は、好ましくは、第１のトランスとして設計され、ツールホルダと読出し装置の間でセンサ信号を非接触送信するための第２の伝送経路は、好ましくは、第２のトランスとして設計される。
【００５３】
ここで、テスト信号は、作用信号に重畳させることができ、また第１の伝送経路を介して放射することができ、またはテスト信号は、第２の伝送経路から電気的に絶縁された他の伝送経路を介して放射することができる。どちらの可能性も、いずれの場合でも、センサ信号が作用信号またはテスト信号による影響を受けず、したがって共振周波数の検出は、振動発生と平行に進行することができるという利点を有する。トランスの使用は、送信を非接触で実施することができ、また送信のためにさらなるエネルギー供給が必要とされず、これはとりわけ回転工具の場合に有利であるという利点を有する。
【００５４】
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を補償するための補償回路を有することが好ましい。
【００５５】
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１のトランスに並列のキャパシタンス切替型とすることができる。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。
【００５６】
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の補償の適合のためにリレーを有する。
【００５７】
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。
【００５８】
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を含み、工作機械は、加工物を機械加工している間、超音波振動状態に設定された工具の共振周波数を測定するように構成される。
【００５９】
出力信号を出力し入力信号を受信するための本発明に従うさらなるデバイスは、第１の周波数および第１の電力を有する第１の出力信号と可変の第２の周波数および第２の電力を有する第２の出力信号とを同時に生成するための発生器と、入力信号を検出するための検出装置と、入力信号を主周波数および補助周波数を有する周波数スペクトルに分割するための解析装置と、第１の出力信号の第１の周波数を補助周波数に合わせて適合させるための第１の制御装置とを含む。
【００６０】
したがって、出て行く信号と、入来信号に基づくその周波数適合とを、同じデバイス内でコンパクトに発生させることができる。
【００６１】
本発明に従うさらなるデバイスは、主周波数での周波数スペクトルにおけるピークの高さに基づいて、または主周波数と測定された補助周波数との差に基づいて、第１の出力信号の第１の電力を増大するための第２の制御装置を有することが好ましい。
【００６２】
したがって、第１の出力信号の他のパラメータを、その周波数の代わりに、またはその周波数に加えて変化させることが可能である。
【００６３】
本発明に従うさらなるデバイスは、装置のユーザによって、第１の周波数を適合させるために、または第１の電力を増大するために、第１の制御装置および／または第２の制御装置に接続されたユーザインターフェースを有することが好ましい。
【００６４】
利点は、第１の周波数を変化させるべきであるかどうか、いつ変化させるか、または周波数を自動で制御するべきかどうかユーザが判断することができることである。
【００６５】
超音波振動状態に設定された工具によって加工物を機械加工するための本発明に従う工作機械は、本発明に従うさらなるデバイスを有し、工作機械は、超音波振動状態に設定された工具の測定された共振周波数に基づいて工具の超音波振動の周波数を適合させるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に従う方法において使用することができるツールホルダの断面図である。
【図２】本発明に従う方法を実施することができる工作機械の一部の図である。
【図３】電気インピーダンス曲線の図である。
【図４】本発明に従うデバイスの一実施形態の図である。
【図５】周波数スペクトルの図である。
【図６】本発明に従うデバイスの一実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
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。
【００６８】
図１は、本発明に従う方法において使用することができるツールホルダ１０の例示的な設計を示す。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。ツールホルダ１０は、複数、たとえば６つの有孔ディスク形状の第１のピエゾ素子２１を積み重ねて収容し、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を構成する。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。エネルギーは、トランス（第１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。
【００６９】
工具支持部１１とは反対側を向く、第１のピエゾ素子２１の積重ねの側には、有孔のディスク形状圧電センサ素子４０が配置され、第１のピエゾ素子２１に機械的に結合され、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４３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によって締結要素１３、たとえば締結ナットから電気的に絶縁される。締結要素１３は、圧電センサ素子４０を超音波トランスデューサ２０に取り付け、動荷重により第１のピエゾ素子２１を偏倚するように働く。第１のピエゾ素子２１と圧電センサ素子４０は同じ向きを有し、一方では、これは同じ方向で振動の発生および検出を可能にし、他方では、ツールホルダ１０内の素子の空間節約的な配置をもたらす。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Ｓ２に変換し、センサ信号Ｓ２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Ｓ２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２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からなり、受信器素子８０もまた第２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Ｓ２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として設計され、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。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。
【００７０】
図２は、例として、超音波トランスデューサ２０のためのエネルギーを作用信号Ｓ１の形態でツールホルダ内に伝達するためのエネルギー伝達デバイス３０の構成と、センサ信号Ｓ２をツールホルダ１０から送信するための送信器素子６０および受信器素子８０の構成との断面図を示す。
【００７１】
エネルギー伝達デバイス３０は、第１のポットコア３１を有するトランス（第１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に沿って環状に配置され、第１のポットコア３１は、機械側でハウジング１００内に、軸方向に第２のポットコア３３から離隔されるように位置決めされ、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、作用信号Ｓ１は、軸方向に（図２では上から下へ）１次巻線３２から２次巻線３４に誘導により送信される。
【００７２】
ハウジング１００は、受信器素子８０をも収容する。送信器素子６０は、ツールホルダ１０上の孔７０内で、受信器素子８０に対向して受信器素子８０からある距離で配置される。したがって、センサ信号Ｓ２は、半径方向で（図２では左から右に）、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、センサ信号Ｓ２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。
【００７３】
ツールホルダ１０の回転中、エネルギー伝達デバイス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、エネルギー伝達デバイス３０の第１のポットコア３１および１次巻線３２を有し受信器素子８０を有するハウジング１００は、たとえば工具スピンドル（図示せず）上に装着され、回転しない。
【００７４】
以下では、加工作業中の振動システムの挙動について、図３を用いて述べる。本発明の一実施形態では、ピエゾドライブとしての超音波トランスデューサ２０、伝送部１２、工具支持部１１内に挿入された工具９０、ならびにセンサ信号Ｓ２を発生させるための圧電センサ素子４０および圧電センサ素子４０のための締結要素１３を含む振動システムは、発生器１２０によって生成されエネルギー伝達デバイス３０を介して超音波トランスデューサ２０に送信される作用信号Ｓ１によって機械的に振動するように刺激される。この場合、作用信号Ｓ１の作用周波数ｆ１は、機械振動の周波数を決定し、発生器１２０によって供給される電力Ｐ１は、振動振幅を決定する。所与の電力Ｐ１について、振動振幅は、振動システムの共振周波数ｆ２で最大になり、システムの自由振動の共振周波数ｆ２１は、通常、加工中、システムの共振周波数ｆ２２と異なる。
【００７５】
図３は、発生器１２０が、誘導伝送経路として第１のトランス３１〜３４を介して接続された振動システムから認識する電気インピーダンス曲線を示す。自由振動のインピーダンス曲線は、より低い周波数でインピーダンス最大（直列共振）、より高い周波数でインピーダンス最小（並列共振）を有する。インピーダンス最小の位置は、自由振動の共振周波数ｆ２１に対応する。
【００７６】
機械加工中、発生器１２０は、あまり際だっていない極値を有する、変化したインピーダンス曲線を認識する。さらに、この最小は、自由振動の最小に対してシフトされる。図３では、この最小は、加工中、より高い周波数に向かってシフトされる。すなわち、図の例では、加工中の共振周波数ｆ２２は、自由振動の共振周波数ｆ２１より高い。しかし、加工中、共振周波数ｆ２２は、自由振動の共振周波数ｆ２１より小さくなる可能性もある。どの場合が生じることになり、共振周波数がどれほど強く変化することになるかは、加工力による減衰、加工中のシステムの加熱、および含まれる結合された振動システムの共振挙動の影響に依存する。
【００７７】
自由共振周波数ｆ２１は、工具９０が加工物内に前進する前に、ピエゾドライブのための作用信号Ｓ１を供給する発生器１２０の初期値に基づいて、または図４を用いて下記でより詳細に説明する本発明に従う方法により決定することができ、可能な最高の振動振幅が達成される作用周波数ｆ１のための推定値として使用することができる。本発明に従う方法は、加工中、共振周波数ｆ２の変化を検出するために使用され、次いで、その値を、作用周波数ｆ１を実際の共振周波数ｆ２に近づけるために、または元の振幅に再び達するように作用信号Ｓ１の電力を増大するために使用することができる。
【００７８】
図４は、図により、本発明に従う方法を実施することができる本発明に従うデバイスを示す。このデバイスは、工作機械の一部とすることができる。この図は、圧電センサ素子４０を有するツールホルダ１０を示し、その設計は、図１に示されているツールホルダ１０に対応する。加工物を超音波機械加工するための工作９０がツールホルダ１０内に収容される。
【００７９】
発生器１２０は、作用信号Ｓ１をツールホルダ１０内のピエゾドライブのための駆動信号として放つ。作用信号Ｓ１は、作用周波数ｆ１を有し、電力Ｐ１で、１次巻線３２および第１のポットコア３１と２次巻線３４および第２のポットコア３３とからなるトランスとして設計されるエネルギー伝達デバイス３０を介して、回転ツールホルダ１０内に非接触で送信される。さらに、発生器１２０は、作用信号Ｓ１に重畳され、その周波数がｆ１周りの範囲で変わる電力Ｐｔ＜Ｐ１のテスト信号Ｓｔを放つ。
【００８０】
信号Ｓ１および信号Ｓｔにより、ツールホルダ１０内の振動システムは、振動するように刺激され、この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。例示的な周波数スペクトルが図５に示されている。周波数スペクトル内の高い方のピークは、比較的高い電力Ｐ１で作用周波数ｆ１によって刺激されるシステムの強制振動に由来する。低い方のピークは、ｆ１によって変わる周波数で、しかしこの振動が減衰によりシステムの現在の共振周波数ｆ２を除くすべての周波数で非常に素早く弱まるような低い電力Ｐｔで刺激されるシステムの強制振動に由来する。
【００８１】
振動システムの振動により、圧電センサ素子４０もまた同じように振動し、したがって振動の周波数スペクトルに関する情報を含む電気センサ信号Ｓ２を発生させる。センサ信号Ｓ２は、読出し装置１３０によって、１次巻線６２および第１のフェライトコア６１と２次巻線８２および第２のフェライトコア８１とからなるさらなるトランスを介して、非接触で回転ツールホルダ１０から読み出され、解析装置１４０ａに送信される。解析装置１４０ａは、解析装置１４０ａの一部として実現することができる共振周波数を決定するためのデバイス１４０ｂにおいて、スペクトル内の最も高いピークの周波数（主周波数）を作用周波数ｆ１に割り当て、スペクトル内のより小さいピークの周波数（補助周波数）を共振周波数ｆ２に関連付けることができるように、Ｓ２の周波数スペクトル内に含まれる周波数を決定する。また、読出し装置１３０、解析装置１４０ａ、および共振周波数を決定するための装置１４０ｂは、２つの装置に組み合わせることも、単一の装置として実現することもできる。
【００８２】
決定された共振周波数ｆ２の値は、作用信号Ｓ１の周波数ｆ１が共振周波数ｆ２の値に合わせて適合されるように発生器１２０を制御する第１の制御デバイス１５０に送信される。
【００８３】
代替として、または追加として、決定された共振周波数ｆ２の値を、第２の制御デバイス１６０に送信することができ、第２の制御デバイス１６０は、共振周波数ｆ２で刺激された場合に最大振幅として達成されることになる機械振動振幅がｆ１≠ｆ２の刺激の場合でさえ到達されるように、作用信号Ｓ１がツールホルダ１０内に放射される電力Ｐ１が電力Ｐ１’に増大されるように発生器１２０を制御する。
【００８４】
このようにして、工具先端の機械振動振幅をある値で安定させることができ、これは、機械加工作業が工具９０で実施されるとき精度に対して好ましい効果を有する。振動振幅がある電力で可能な最大値で安定化されたとき、加工物加工の効率もまた増大される。
【００８５】
デバイスのユーザは、作用信号Ｓ１がユーザの指令したときのみ適合されるか、または決定された条件が生じたとき適合されるように、ユーザインターフェース１７０を介して第１の制御装置１５０および／または第２の制御装置１６０を制御することができる。また、ユーザは、最後に決定された共振周波数ｆ２に基づいて、作用信号Ｓ１が規則的な間隔または不規則な間隔で自動的に適合されると決定することができる。
【００８６】
発生器１２０、読出し装置（または検出装置）１３０、解析装置１４０ａ、および第１の制御装置１５０は、出力信号を出力し入力信号を受信するための装置２００に組み合わせることができ、このデバイス２００の第１の出力信号は作用信号Ｓ１に対応し、第２の出力信号はテスト信号Ｓｔに対応し、入力信号はセンサ信号Ｓ２に対応する。
【００８７】
図６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。これは、ツールホルダ１０内のピエゾドライブ、左側の１次巻線３２を有する第１のトランス３１〜３４、ならびに右側の２次巻線３４および超音波発生器１２０の置換え配線図を示す。キャパシタンス１８０が、トランス３１〜３４に対して並列に機械側でスイッチングされ、キャパシタンスの値は、リレー１９０（図示せず）を介して変更することができる。
【００８８】
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の間で往復し、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、作用周波数ｆ１の変化が小さいとき、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。作用周波数ｆ１からの共振周波数ｆ２の変化が大きい、および／または偏差が大きい場合、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。
【００８９】
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し、リレー１９０によってスイッチングすることができる。
【００９０】
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】
【００９１】
１０  ツールホルダ
１１  工具支持部
１２  伝送部
１３  締結要素
２０  超音波トランスデューサ
２１  第１のピエゾ素子
３０  エネルギー伝達デバイス
３１  第１のポットコア
３２  第１のトランスの１次巻線
３３  第２のポットコア
３４  第１のトランスの２次巻線
４０  センサ装置としての圧電センサ素子
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２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２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
１２０  発生器
１３０  読出し装置／検出装置
１４０ａ  解析装置
１４０ｂ  共振周波数を決定するための装置
１５０  第１の制御装置
１６０  第２の制御装置
１７０  ユーザインターフェース
１８０  キャパシタンス
１９０  リレー
２００  出力信号を出力し入力信号を受信するための装置
Ｓ１  作用信号／第１の出力信号
ｆ１  作用周波数／第１の周波数
Ｐ１、Ｐ１’  作用信号の電力／第１の電力
Ｓｔ  テスト信号／第２の出力信号
Ｐｔ  テスト信号の電力／第２の電力
Ｓ２  センサ信号／入力信号
ｆ２  共振周波数
ｆ２１  自由振動の共振周波数
ｆ２２  加工中の共振周波数
【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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