JP3810090B2 - 工具状態の自動的モニター方法と装置 - Google Patents

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Description

発明の背景技術
発明の属する技術分野
本発明は一般的にはストックリムービング(stock removing)作業中に工具状態を自動的にモニターする分野に属する。特に、本発明は加工作業中に工作機械により発揮されるトルクの関数としてストックリムーバルカッター(stock removal cutter)の工具状態を自動的にモニターすることに関する。
従来技術の説明
シーエヌシー(CNC)プログラムは工作機械により回転可能に駆動されるフライスカッターを切削経路に沿って加工物を切削するよう命令する。加工物に対する少なくとも該フライスカッターの送り速度を適合制御しないと順次悪化する工具磨耗のために該シーエヌシープログラムに従って該フライスカッターが連続する加工物を切削するためには該工作機械は絶えず増加するトルクを発揮する必要がある。
フライスカッターの工具状態のトルクに応答する自動モニター方法は、例えばチャング(Chung)の米国特許第4、208、718号及びジェペソン(Jeppesson)の米国特許第4、802、095号の従来技術で公知である。
チャングの米国特許第4、208、718号は加工作業に対する全切削時間のパーセンテージで表した増加目標馬力下での切削時間の長さの関数でフライスカッターの工具状態指標が決定される自動モニター方法を説明している。
ジェペソンの米国特許第4、802、095号はフライス削り作業中に接線成分FTと半径方向成分FRを有する合成側方負荷力FRESがそのFT成分と共に直接測定され、それを基礎に工具磨耗の指標を提供するためそのFR成分が数学的に決定される自動的モニター方法を説明している。
米国特許第4、547、847号では、図13Hに図解され、第35欄第64行乃至第38欄第49行で説明されているサブルーチンTLMNTRの基で工具モニター機能を提供する工作機械用適応制御が説明されている。該サブルーチンTLMNTRは基本的に線形の鈍化過程を仮定しており、送り速度やスピンドル速度の様な幾つかの切削パラメーターを該操作エヌシープログラムから得る必要がある。加えて、該サブルーチンは既知の又は一定の切削深さを要し、前者の場合線形の仕方で補償を行っている。この様に、該サブルーチンは比較的真っ直ぐな旋削加工への応用での工具寿命予測用に好適である。
発明の概要
本発明の第1の目的は加工作業中工作機械により発揮される実質的に均一なトルクを維持するよう適応された適応制御システムの制御下で加工作業中にストックリムーバルカッター特にフライスカッターの工具の状態の自動的モニター法を提供することにある。
本発明の第1の側面によれば、同じ型の実質的に新しいストックリムーバルカッターが基準平均工具摩耗係数R0を有する与えられた加工作業に依って同一の加工物を切削するストックリムーバルカッターの瞬時的工具状態指標を提供するように工具状態の自動的モニター用システムが提供されるが、該システムは
(a)連続する第i番の加工物の切削中に切削用主要駆動トルクMを決定する手段と、
(b)前記第i番の加工物の切削中に該ストックリムーバルカッター用の複数の瞬時工具摩耗係数r(j)を計算するための瞬時工具摩耗係数プロセツサーと、
(c)前記複数の瞬時工具摩耗係数r(j)から該ストックリムーバルカッター用の平均工具係数R(i)を計算するための平均工具摩耗係数プロセツサーと、そして
(d)連続する各第i番の加工物切削後該ストックリムーバルカッター用の瞬時的工具状態指標を提供するために前記平均工具摩耗係数R(i)を該基準平均工具摩耗係数R0と比較するための工具摩耗係数比較器とを
具備しており、
前記瞬時工具摩耗係数プロセツサーは一般的関係式:
(j)=A0(j) α(j) βに従って瞬時工具摩耗係数r(j)を計算することを特徴としているが、ここでFは該ストックリムーバルカッターと加工物の間の相対運動の瞬時的送り速度であり、A0,α及びβは該ストックリムーバルカッターと加工物材料の組み合わせに依存する係数である。
出願者の第WO94/14569号では、該フライスカッターを回転可能に駆動する工作機械により発揮されるトルクに応答して一般的な関係式:M=AFyργに従って少なくともフライスカッターの送り速度を適応制御するための適応制御システムが説明されているが、ここでMはフライスカッターを回転可能に駆動する工作機械により発揮される測定されたトルクであり、Fはフライスカッターの瞬時的送り速度であり、ρはフライスカッターにより瞬時的に加工される加工物の断面積でありそしてA、y及びγはフライスカッターと加工物材料とに依存する係数である。
他のものの中で工作機械、その材料を含めた加工物、切削経路、送り速度、スピンドル速度そして特定の種類の冷却剤の使用を含めてそれに関連する全ての要素を規定する当てられた加工作業に対するストックリムーバルカッターの工具状態は同じ型の一般的関係式:M=A0αβから推測出来ることが現在では分かっている。
この関係式でMは工作機械により発揮された該測定トルクであり、Fはストックリムーバルカッターと加工物の間の相対運動の瞬時的送り速度でありそしてA0、αそしてβは特定の加工物材料付ストックリムーバルカッター組み合わせに依存する係数である。加えて、R(i)が連続する第i番の加工物を切削した後のストックリムーバルカッターの工具摩耗を示す係数であり、R0が同じ加工作業を実行する実質的に新しいストックリムーバルカッターの基準平均工具摩耗係数である時、比R(i)/R0は該ストックリムーバルカッターが実質的に鈍化した時に対応する予め決められた上方臨界敷居値εuと等しくなるように3つ組係数(A0、α、β)は決定される。
ストックリムーバルカッターは該比R(i)/R0が該上方臨界敷居値εuを越えるか又はストックリムーバルカッターの破損したことを示す下方臨界敷居値ε1より下に突然低下した時に取り替えられる。便宜のため該上方及び下方両臨界敷居値εuとε1は加工動作で変化せず、それぞれ1.6と0.9に等しい。該下方臨界敷居値ε1は好ましくは1よりも0.9に等しいのが良く、それにより他の何らかの理由、すなわち加工物の破損により該比R(i)/R0が1より低下したのではなくストックリムーバルカッターが本当に破損したことを示すのが良い。
これに対し、該比R(i)/R0が該動作範囲[0.9,1.6]内にある時は、ストックリムーバルカッターの工具摩耗は、100%がストックリムーバルカッターが新しいことを示し、0%が摩耗しており交換されるべきことを示す工具摩耗パーセンテージとして機械操作者に示されるのが好ましい。公称上方臨界敷居値εu=1.6に基づいて、該工具摩耗パーセンテージは下記の関係式から計算される、すなわち
Figure 0003810090
該工作機械は該ストックリムーバル(stock removal)作業に依っており、そして従ってフライス削り作業では、該トルクMはフライスカッターを回転可能に駆動する工作機械により発揮されるトルクであり、一方旋削作業では該トルクMは加工物を回転可能に駆動する工作機械により発揮されるトルクである。フライスカッターの工具状態の瞬時的指標を提供する場合は、該関係式M=A0αβがM=A0FZ αβに適合される時がより精確な指標を得られることが分かっているが、ここでFZはフライスカッターが多数刃式切削工具であることを考慮するためにフライスカッターの毎歯当たり送りとする。
本発明の第2の側面によると、同じ型の実質的に新しいストックリムーバルカッターが基準平均工具摩耗係数R0を有する与えられた加工作業により同一加工物を切削するストックリムーバルカッター用の工具状態の瞬時的指標を提供するために工具状態の自動的モニター方法が提供されるが、該方法は
(a)連続する第i番の加工物の切削中に切削用主要駆動トルクMを測定する過程と、
(b)連続する該第i番の加工物の切削中に該ストックリムーバルカッター用の複数の瞬時工具摩耗係数r(j)を計算する過程と、
(c)前記複数の瞬時工具摩耗係数r(j)から該ストックリムーバルカッターの平均工具摩耗係数R(i)を計算する過程と、そして
(d)連続する各第i番の加工物を切削した後該ストックリムーバルカッター用の瞬時的工具状態指標を提供するために前記平均工具摩耗係数R(i)を該基準平均工具摩耗係数R0と比較する過程とを具備しており、過程(b)は一般的関係式:M(j)=A0(j) α(j) βに従って瞬時工具摩耗係数r(j)を計算する過程を含んでいることを特徴としているが、ここでFは該ストックリムーバルカッターと加工物の間の相対運動の瞬時的送り速度であり、A0,α及びβは該ストックリムーバルカッターと加工物材料の組み合わせに依存する係数である。
【図面の簡単な説明】
本発明を良く理解するためそして同じものが実際に実行出来る方法を示すために、限定しない単なる例示用として付属する図面を参照するが、図1はフライスカッターの瞬時的工具状態指標を提供する自動モニターシステム(エイエムエス)の略図を示し、
図2は図1のエイエムエスの略ブロック図であり、
図3は図1のエイエムエスの動作の流れ図であり、そして
図4は与えられた加工作業について連続する第i番の加工物に対する比Ri/R0の典型的カーブを示すグラフである。
好ましい実施例の詳細な説明
図1が示すものは、接続されたトルクモニター7で測定した工作機械3が発揮するトルクに応答して少なくともフライスカッターの送り速度を適応制御するように適応制御システム(エイシーエス)5により修正されてシーエヌシーユニット4の制御下で工作機械3により回転可能に駆動されるフライスカッター2の瞬時的工具状態指標を提供する自動モニターシステム1である。
この様なエイシーエス5は例えば出願者の第WO94/14569号で説明されているが、それは又フライスカッターのスピンドル速度Sを適応制御することも出来る。
該瞬時的工具状態指標は機械操作者による適切な使用すなわち摩耗フライスカッターの交換用に、工具摩耗パーセンテージとして工具状態指標モニター8上に表示される。代わって該フライスカッターが摩耗したか又は破損した時は”動作可能”又は代わって”動作不可能”の読み出しで該モニター8上に工具状態を示すことも可能である。加えて、該フライスカッター2が摩耗又は破損した時、該エイエムエス1は工具交換割り込み信号(TC)を該シーエヌシーユニット4に発行することが出来る。
又該エイエムエス1には操作者インターフエース9が接続されており、それを経由して操作者はフライスカッターの種類を示すフライスカッター(MC)コード、加工物材料を示す加工物材料(WM)コードそして加工作業を示す加工作業(MO)コードを入力する。
該エイエムエス1はメモリー10を備えており、該メモリーには異なるフライスカッターと加工物材料の組み合わせに対する3つ組係数(A0,α、β)と異なる加工作業に対する基準平均工具摩耗係数R0が記憶されていることが図2に示されている。
4つのらせん型溝を有するソリッドのエンドミルカッター用の典型的3つ組係数(A0,α、β)は次の様で、軟鋼では(A0=148,α=0.75、β=0.83)、鋳鉄では(A0=116,α=0.68、β=0.75)、アルミニウムでは(A0=79,α=0.72、β=0.8)である。異なるフライスカッターと加工物材料の組み合わせに対する該3つ組係数(A0,α、β)は多数の加工作業の基礎の上に立って実験的に決められる。
新しい加工作業用の新しい係数R0は新しいフライスカッターを用いて試行をする間に較正ユニット11により決定されるが、該ユニットはM(j)及びFZ(j)を得て、そして機械操作者から指示される特定のフライスカッターと加工物材料の組み合わせに対する3つ組係数(A0,α、β)を供給されている。
該エイシーエス5、該トルクモニター7そして該メモリー10には関係式M(j)=A0Z(j) α(j) βに従って瞬時工具摩耗係数を計算するために瞬時工具摩耗係数プロセッサー13が接続されているが、ここでFZ(j)は連続する第i番の加工物を切削する間にその切削経路に沿う異なる位置での該フライスカッター2の毎歯当たりの瞬時送りである。もし該毎歯当たり瞬時送りFZ(j)が直接入手出来ない場合は、それは関係式FZ(j)=F’(j)/(S’(j)(j)z)により容易に計算出来るが、ここでF’(j)は該フライスカッター2の加工物に対する瞬時送り速度であり、S’(j)は瞬時スピンドル速度でありそしてzはそのらせん型溝の数である。
連続する第i番の加工物を切削するフライスカッター2用の平均工具摩耗係数R(i)を一般的関係式:
Figure 0003810090
に従って計算するための平均工具摩耗係数プロセッサー14が該プロセッサー13に接続されている。
該モニター8上に工具状態指標を提供しそして適切ならば工具交換割り込み信号TCを発するよう平均工具摩耗係数R(i)を基準平均工具摩耗係数R0と比較するために工具摩耗係数比較器15が該メモリー10と該プロセツサー14に接続されている。
ここで図3を参照することにより該エイエムエス1の動作が説明されるが、図3の図解によると、連続する各第i番の加工物に対する新しい加工動作についての新しいフライスカッター用の未知のR0を決定した後に、該プロセツサー13は典型的には毎秒10サンプルの標本割合で瞬時工具摩耗係数r(j)を計算し、該係数から該プロセツサー14は該フライスカッター用の非加重平均工具摩耗係数R(i)を計算し、該係数が該比較器15により該基準平均工具摩耗係数R0と比較されて該フライスカッターの瞬時工具状態を示す比R(i)/R0が決定される。
上記の様に、該比R(i)/R0が動作範囲[0.9,1.6]にある時該瞬時工具状態は次の関係式に従って工具摩耗パーセンテージとして示されるのである。
Figure 0003810090
図4に示す様に、フライスカッターが摩耗するにつれて、連続する各第i番の加工物用の該比R(i)/R0は該カッターが実質的に鈍化し交換を要する状態に対応する予め決められた上方臨界敷居値1.6に向かって漸近的に増大する。図示の例では該フライスカッターは約45個の加工物で摩耗した。
該エイエムエス1の動作の自動モードでは、破損か摩耗で該比R(i)/R0が該動作範囲[1.9,1.6]外へ出た場合、該エイエムエス1は該シーエヌシーユニット4に工具交換割り込み信号TCを発する。
本発明は限られた数の実施例に関して説明されているが、同業者には本発明の多くの変更、変形と他の応用が可能であることは理解出来よう。例えば、該自動モニターシステムは元のオーイーエム方式品として、又は現在のシーエヌシー機械のレトロフイット用として搭載可能である。

Claims (4)

  1. 同じ型の実質的に新しいストックリムーバルカッターが基準平均工具摩耗係数R0を有する与えられた加工作業に依って同一加工物を切削するストックリムーバルカッターの瞬時工具状態指標を提供するように工具状態を自動的にモニターするシステムに於いて、該システムが
    (a)連続する第i番の加工物の切削中に切削用主駆動トルクMを決定する手段と、
    (b)前記第i番の加工物の切削中に該ストックリムーバルカッター用の複数の瞬時工具摩耗係数r(j)を計算するための瞬時工具摩耗係数プロセツサーと、
    (c)前記複数の瞬時工具摩耗係数r(j)からストックリムーバルカッター用平均工具係数R(i)を計算するための平均工具摩耗係数プロセツサーと、そして
    (d)連続する各第i番の加工物の切削後の該ストックリムーバルカッターの瞬時的工具状態指標を提供するために前記平均工具摩耗係数R(i)を該基準平均工具摩耗係数R0と比較するための工具摩耗係数比較器とを
    具備しており
    前記瞬時工具摩耗係数プロセツサーは一般的関係式:
    (j)=A0(j) α(j) βに従って瞬時工具摩耗係数r(j)を計算することを特徴とするシステムであるが、ここでFは該ストックリムーバルカッターと加工物の間の相対運動の瞬時的送り速度であり、A0,α及びβは該ストックリムーバルカッターと加工物材料の組み合わせに依存する係数である。
  2. 請求項1のシステムに於いて、該ストックリムーバルカッターがフライスカッターでありFzが該フライスカッターの毎歯当たり送りである時には前記瞬時工具摩耗係数プロセツサーは一般的関係式:
    (j)=A0z(j) α(j) βに従って瞬時工具摩耗係数r(j)を計算することを特徴とするシステム。
  3. 同じ型の実質的に新しいストックリムーバブルカッターが基準平均工具摩耗係数R0を有する与えられた加工動作に依って同一加工物を切削するストックリムーバルカッターの工具状態の瞬時的指標を提供するように工具状態を自動的にモニターする方法に於いて、該方法が
    (a)連続する第i番の加工物の切削中に切削用主駆動トルクMを決定する過程と、
    (b)連続する第i番の加工物の切削中に該ストックリムーバルカッター用の複数の瞬時工具摩耗係数r(j)を計算する過程と、
    (c)前記複数の瞬時工具摩耗係数r(j)からストックリムーバルカッター用平均工具摩耗係数R(i)を計算する過程と、そして
    (d)連続する各第i番の加工物の切削後の該ストックリムーバルカッターの瞬時的工具状態指標を提供するために前記平均工具摩耗係数R(i)を該基準平均工具摩耗係数R0と比較する過程とを
    具備しており
    過程(b)は一般的関係式:M(j)=A0(j) α(j) βに従って瞬時工具摩耗係数r(j)を計算する過程を含むことを特徴とする方法であるが、ここでFは該ストックリムーバルカッターと加工物の間の相対運動の瞬時的送り速度であり、A0,α及びβは該ストックリムーバルカッターと加工物材料の組み合わせに依存する係数である。
  4. 請求項3の方法に於いて、該ストックリムーバルカッターがフライスカッターであり、Fzが該フライスカッターの毎歯当たりの送りである時には過程(b)は一般的関係式:M(j)=A0z(j) α(j) βに従って瞬時工具摩耗係数r(j)を計算する過程を含むことを特徴とする方法。
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