DE102020203471B4

DE102020203471B4 - Werkzeugmaschine und bearbeitungssystem

Info

Publication number: DE102020203471B4
Application number: DE102020203471.0A
Authority: DE
Inventors: Kei Mutobe; Noboru Kurokami
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2025-07-03
Anticipated expiration: 2040-03-19
Also published as: CN111716149A; DE102020203471A1; US10888966B2; US20200298361A1; CN111716149B

Abstract

Werkzeugmaschine (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks, wobei die Werkzeugmaschine umfasst:
eine Spindel (111), die so konfiguriert ist, dass sie einen Halter dreht, der mit einem für die Bearbeitung verwendeten Werkzeug montiert ist;
eine oder mehrere bewegliche Wellen (116), die so konfiguriert sind, dass sie den Halter (11) und/oder eine Arbeitsunterlage, auf der das Werkstück angeordnet ist, bewegen;
eine Drehmoment-Messeinheit (151), die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment der Spindel (111) und/oder der einen oder mehreren beweglichen Wellen (116) misst;
eine Referenzwert-Berechnungseinheit (152), die so konfiguriert ist, dass sie als einen Referenzwert das Antriebsdrehmoment verwendet, das durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel (111) in einem normalen Zustand gemessen wird;
eine Drehmoment-Vergleichseinheit (153), die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment, das durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel (111) vor der eigentlichen Bearbeitung gemessen wird, mit dem Referenzwert vergleicht; und
eine Alarmeinheit (154), die so konfiguriert ist, dass sie auf Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs bestimmt, ob ein Alarm ausgegeben werden soll.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine.
Verwandte Technik
In einer Werkzeugmaschine können sich Fremdkörper wie Späne im Werkzeughalter verklemmen, wenn beispielsweise das Werkzeug ausgetauscht wird. Bearbeitungsfehler wie Werkstückversatz, Mittenversatz und ungleichmäßige Bearbeitungsoberflächen können auftreten, wenn sich Späne in der Werkzeugmaschine verklemmen, und diese Fehler führen zum Nachlaufen der Spindel.
1 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Einklemmens von Fremdmaterial 54 in einem verjüngten Abschnitt 53 eines Werkzeughalters 52, der ein Schneidwerkzeug 51 hält. Wie in 1 dargestellt, bewirkt das Einklemmen des Fremdmaterials 54 eine exzentrische Verschiebung des Werkzeugs 51, wenn sich die Spindel dreht.
Neben dem Einklemmen von Fremdmaterial im Werkzeughalter 52 kann das Nachlaufen des vom Werkzeughalter 52 gehaltenen Schneidwerkzeugs 51 auch durch eine falsche Montage des Schneidwerkzeugs 51 verursacht werden, beispielsweise durch Verschleiß am konischen Abschnitt, durch eine defekte Werkzeugaufnahme und durch Brüche oder Verbiegungen des Schneidwerkzeugs 51.
Eine bekannte Technologie für die Erkennung von Schneidwerkzeug-Nachlauf in einer Werkzeugmaschine besteht darin, einen Sensor an der Stelle zu installieren, wo das Schneidwerkzeug im Halter gehalten wird, und den Sensor zur direkten Erkennung von Schneidwerkzeug-Nachlauf zu verwenden (siehe beispielsweise Patentdokumente 1 und 2).
Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. JP 2017 - 7 030 A.
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. JP H08 - 197 384 A.
Die DE 10 2017 005 349 A1 offenbart eine Maschinenlernvorrichtung, numerische Steuervorrichtung und Maschinenlernverfahren zum Lernen eines Schwellenwerts zum Erkennen einer anomalen Last. Ein Maschinenlernverfahren zum Lernen eines Schwellenwerts zum Erkennen einer anomalen Last in einer Werkzeugmaschine umfasst eine Statusbeobachtungseinheit und eine Lerneinheit. Die Statusbeobachtungseinheit beobachtet eine Statusvariable, die auf Basis zumindest eines aus einer Information zu einem Werkzeug, einer Hauptspindelumdrehungsrate und einer Menge an Kühlmittel der Werkzeugmaschine, Material eines Werkstücks und Bewegungsrichtung, Schneidgeschwindigkeit und Schneidtiefe des Werkzeugs; und die Lerneinheit lernt den Schwellenwert zum Erkennen einer anomalen Last auf Basis von Schulungsdaten, die anhand einer Ausgabe der Statusbeobachtungseinheit und von Daten erstellt werden, die mit dem Erkennen einer anomalen Last in der Werkzeugmaschine in Zusammenhang stehen, und auf Basis von Lerndaten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Nachrüstung eines Sensors zur Erkennung des Nachlaufens eines Schneidwerkzeugs bringt jedoch zahlreiche Probleme mit sich, wie beispielsweise die hohen Kosten für jeden installierten Sensor, die Verkabelung für die Installation des Sensors und die durch die Schneidflüssigkeit verursachte Verschlechterung des Sensors. Daher besteht Bedarf an einer Werkzeugmaschine, die in der Lage ist, den Nachlauf eines Schneidwerkzeugs zu erkennen, ohne dass ein Sensor zur Erkennung des Nachlaufs des Schneidwerkzeugs hinzugefügt werden muss.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 sowie durch ein Bearbeitungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Werkzeugmaschine für die Bearbeitung eines Werkstücks, wobei die Werkzeugmaschine eine Spindel umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie einen Halter dreht, der mit einem für die Bearbeitung verwendeten Werkzeug montiert ist, eine oder mehrere bewegliche Wellen, die so konfiguriert sind, dass sie den Halter und/oder eine Arbeitsunterlage, auf der das Werkstück angeordnet ist, bewegen, eine Drehmoment-Messeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment der Spindel und/oder der beweglichen Welle misst, eine Referenzwert-Berechnungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie verwendet werden kann, als Referenzwert das Antriebsdrehmoment, das durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel in einem normalen Zustand gemessen wurde, eine Drehmoment-Vergleichseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment, das durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel vor der eigentlichen Bearbeitung gemessen wurde, mit dem Referenzwert vergleicht, und eine Alarmeinheit, die so konfiguriert ist, dass sie auf Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs bestimmt, ob ein Alarm ausgegeben werden soll.
Gemäß einem Aspekt ist eine Werkzeugmaschine in der Lage, den Nachlauf von Schneidwerkzeugen zu erkennen, ohne dass ein Sensor zur Erkennung des Nachlaufs von Schneidwerkzeugen hinzugefügt werden muss.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Einklemmens von Fremdmaterial in einem verjüngten Abschnitt eines Werkzeughalters. 2 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Werkzeugmaschine und einer Arbeitsunterlage, auf der ein Werkstück gemäß einer Ausführungsform platziert wird. 3 ist ein Schema zur Veranschaulichung eines Bewegungsmechanismus für eine Spindel in einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform. 4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der zeitlichen Änderung des Antriebsdrehmoments während des Normalbetriebs. 5 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der zeitlichen Änderung des Antriebsdrehmoments während eines unregelmäßigen Betriebs. 6 ist ein Funktionsblockschaltbild einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform. 7 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform zeigt. 8 ist ein Funktionsblockschaltbild einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform. 9 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform darstellt. 10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Drehzahl der Spindel während eines Leerlaufs und dem Reaktionsmoment gemäß einer Ausführungsform zeigt. 11 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Drehzahl der Spindel im Leerlauf und dem Reaktionsmoment gemäß einer Ausführungsform zeigt. 12 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der gesamten Konfiguration eines Bearbeitungssystems gemäß einer Ausführungsform. 13 ist ein funktionales Blockdiagramm einer Maschinenlernvorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform in ein Bearbeitungssystem eingebunden ist. 14 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer Maschinenlernvorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform in einem Bearbeitungssystem enthalten ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
<1. erste Ausführungsform>
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 2 bis 7 beschrieben. 2 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Werkzeugmaschine und einer Arbeitsunterlage, auf der ein Werkstück gemäß einer Ausführungsform angeordnet ist. 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Bewegungsmechanismus zum Bewegen einer Spindel in der in 2 dargestellten Werkzeugmaschine in Richtung der Z-Achse. 4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der zeitlichen Änderung des Antriebsdrehmoments während des Normalbetriebs. 5 ist ein Diagramm, das die zeitliche Änderung des Antriebsdrehmoments während des unregelmäßigen Betriebs zeigt. 6 ist ein Funktionsblockschaltbild der Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 7 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
<1.1. Übersicht über die Erfindung>
Zunächst wird ein Überblick über die Erfindung gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 2 bis 5 beschrieben. In 2 umfasst eine Werkzeugmaschine 10 eine Spindel und X-, Y- und Z-Achsen als Bewegungsachsen zur Lagerung der Spindel. Ein Schneidwerkzeug 12 ist auf einem Halter 11 montiert, der die Spindel dreht. Das Schneidewerkzeug 12 dreht sich, um ein Werkstück 22 zu schneiden, das auf einer Spannvorrichtung („jig“) 21 befestigt und auf einer Arbeitsunterlage 20 platziert ist.
In 3 umfassen der Halter 11 und das Schneidewerkzeug 12 der Werkzeugmaschine 10 einen sich drehenden Antriebsmotor 13 für die Bewegungsachse, und diese Drehung wird über einen Zahnriemen 14 auf eine Kugelumlaufspindel 15 übertragen, um die Kugelumlaufspindel 15 zu drehen. Die Kugelumlaufspindel 15 dient der linearen Bewegung entlang der Z-Achse. Wenn sich die Kugelumlaufspindel 15 dreht, bewegt sich eine Mutter 16, die in die Kugelumlaufspindel 15 eingreift, in axialer Richtung der Kugelumlaufspindel 15 und bewirkt, dass sich der an der Mutter 16 befestigte Halter 11 in Richtung der Z-Achse entlang der entlang der Z-Achsenrichtung vorgesehenen Linearführungslager 16A und 16B bewegt. Infolgedessen bewegen sich die Spindel und das Schneidwerkzeug 12, das sich um die Spindel dreht, in Richtung der Z-Achse.
Wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben, tritt, wenn sich das Schneidwerkzeug 12 exzentrisch bewegt, weil Fremdmaterial im kegelförmigen Abschnitt des Halters 11 eingeklemmt wird, wie in 2 dargestellt, Exzentrizität auf, wenn sich die Spindel dreht und eine Reaktionskraft in den X-, Y- und Z-Achsen, den Bewegungsachsen, die die Spindel tragen, erzeugt wird. Diese Reaktionskraft synchronisiert sich mit der Drehung der Spindel und wird zum Reaktionsmoment des Antriebsmotors 13 der Bewegungsachse, wie in 3 dargestellt. Genauer gesagt, wenn in 3 eine mit der Rotation der Spindel synchronisierte Reaktionskraft erzeugt wird, wird diese Reaktionskraft über den Halter 11, der das Schneidewerkzeug 12 trägt, das sich um die Spindel dreht, auf die Kugelumlaufspindel 15 übertragen und wird weiter über den Zahnriemen 14 zum Reaktionsdrehmoment des Antriebsmotors 13 der Bewegungsachse.
Wie in 4 dargestellt, schwankt das Antriebsdrehmoment während des Normalbetriebs bei winzigen Breiten, hält aber im Allgemeinen einen vorgeschriebenen Wert ein. Wenn jedoch, wie oben beschrieben, Wirbel als Ergebnis einer mit der Spindeldrehung synchronisierten Exzentrizität auftreten, wird ein Reaktionsdrehmoment erzeugt, wie in 5 dargestellt, und das Antriebsdrehmoment hat eine periodische Wellenform, die mit einer Spindeldrehung synchronisiert ist. Wirbel aufgrund von Exzentrizität tritt auf, wenn sich Späne im kegelförmigen Abschnitt verklemmen, sich das Schneidwerkzeug aufgrund von Verschleiß am kegelförmigen Abschnitt exzentrisch bewegt, das Spannfutter defekt ist oder das Schneidwerkzeug gebrochen oder verbogen ist.
Die Komponente des Reaktionsmoments, die das Antriebsdrehmoment des Antriebsmotors 13 der beweglichen Achse umfasst, ist schwer zu messen, da diese Komponente im Antriebsdrehmoment verborgen ist. Dies geschieht, weil eine große Kraft durch die Reaktionskraft der Bearbeitung selbst erzeugt wird.
So wird das Antriebsdrehmoment des Antriebsmotors 13 der beweglichen Achse gemessen, indem die Spindel im Leerlauf mit konstanter Drehzahl gedreht wird, bevor die Bearbeitung gestartet wird, d.h. wenn das Schneidewerkzeug 12 nicht in Kontakt mit dem Werkstück 22 ist und keine Bearbeitung durchgeführt wird.
Im Normalbetrieb wird aufgrund der durch die Exzentrizität verursachten Verwirbelung kein Reaktionsmoment erzeugt. Daher wird das Antriebsdrehmoment an den Bewegungsachsen zu diesem Zeitpunkt als normale Referenz genommen. Nach der Einstellung der Normalreferenz wird die Spindel im Leerlauf mit konstanter Drehzahl gedreht, bevor die eigentliche Bearbeitung gestartet wird, und das Antriebsdrehmoment des Antriebsmotors 13 der Bewegungsachse wird gemessen. Dann wird dieses Antriebsdrehmoment mit der normalen Referenz verglichen, um eine Anomalie im Zusammenhang mit dem Nachlauf des Schneidwerkzeugs 12 zu erkennen und bei einer Anomalie einen Alarm auszugeben.
Die Spindel der Werkzeugmaschine 10 wird oft so konstruiert und montiert, dass sie sich reibungslos dreht, um die Bearbeitungsgenauigkeit zu gewährleisten. Daher geht man davon aus, dass eine Störkomponente kleiner ist als eine Varianzkomponente des Antriebsdrehmoments im Normalbetrieb, d.h. eine periodische Komponente, die beim Auftreten einer Exzentrizität mit dem Wirbel verbunden ist.
In der vorliegenden Ausführungsform kann unter der Annahme, dass die oben beschriebene Fluktuationsbreite (a₁ in 5) des Antriebsdrehmoments, das während eines Leerlaufs vor der eigentlichen Bearbeitung bei konstanter Spindeldrehzahl erzeugt wird, mit einem Referenzwert verglichen werden, der ein normaler Schwankungsbereich ist. Alternativ kann der Maximalwert (a₂ in 5) des Antriebsdrehmoments mit einem Referenzwert verglichen werden, bei dem es sich um einen Maximalwert während des normalen Betriebs handelt.
Als Verfahren zum Vergleich kann die Differenz zwischen einem Referenzwert als Schwankungsbereich des Antriebsdrehmoments, das während eines normalen Leerlaufs erzeugt wird, und einem Schwankungsbereich des Antriebsdrehmoments, das während eines Leerlaufs vor der eigentlichen Bearbeitung erzeugt wird, bestimmt werden, und der Absolutwert dieser Differenz kann mit einem Schwellenwert verglichen werden, der etwa 20% des Referenzwerts entspricht. Alternativ kann die Differenz zwischen einem Referenzwert als Maximalwert des Antriebsdrehmoments, das während eines normalen Leerlaufs erzeugt wird, und dem Maximalwert des Antriebsdrehmoments, das während eines Leerlaufs vor der eigentlichen Bearbeitung erzeugt wird, bestimmt werden, und der Absolutwert dieser Differenz kann mit einem Schwellenwert verglichen werden, der etwa 20% des Referenzwerts entspricht. Die Festlegung einer Spanne für die durch die Störung verursachte Schwankungskomponente ermöglicht es, die fehlerhafte Erkennung von Anomalien zu reduzieren.
<1.2. Konfiguration der Erfindung>
6 ist ein funktionales Blockschaltbild der Werkzeugmaschine 10. Wie in 6 dargestellt, führt die Werkzeugmaschine 10 die Bearbeitung mit einer Spindel 111 aus, die mit einem Schneidwerkzeug bestückt ist und von einem Spindelmotor 112 gedreht wird, sowie mit einer beweglichen Welle 116, die die Spindel 111 herausführt. Mit anderen Worten, der Spindelmotor 112, der so konfiguriert ist, dass er die Spindel 111 antreibt, dreht das Schneidewerkzeug, und das Schneidewerkzeug wird von einem Motor mit beweglicher Welle 117 herausgeführt, der die bewegliche Welle 116 antreibt. In Arbeitsbeispielen wird die Werkzeugmaschine 10 als Schneidemaschine beschrieben, aber die Werkzeugmaschine 10 ist nicht darauf beschränkt.
Die Werkzeugmaschine 10 umfasst neben der Spindel 111, dem Spindelmotor 112, der beweglichen Welle 116 und dem oben beschriebenen Motor mit beweglicher Welle 117, eine Motorsteuerschaltung 130, motorbetriebene Verstärker 131A und 131B und eine Steuereinheit 150. Die Motorsteuerschaltung 130 berechnet Betriebsbefehle für den Antrieb des Spindelmotors 112 und des Motors mit beweglicher Welle 117. Der motorgetriebene Verstärker 131A verstärkt die Betriebsbefehle und gibt die Betriebsbefehle an den Spindelmotor 112 aus. Der motorgetriebene Verstärker 131B verstärkt die Betriebsbefehle und gibt die Betriebsbefehle an den Motor mit beweglicher Welle 117 aus.
Die Steuereinheit 150 ist eine Komponente, die die Werkzeugmaschine 10 vollständig steuert. Die Steuereinheit 150 liest aus einem Speicherbereich, beispielsweise einem ROM, einem RAM, einem Flash-Speicher oder einem Festplattenlaufwerk (HDD), verschiedene Programme aus und führt sie aus, um die verschiedenen Funktionen der vorliegenden Ausführungsform zu realisieren. Die Steuereinheit 150 kann eine CPU sein. Die Steuereinheit 150 umfasst eine Drehmoment-Messeinheit 151, eine Referenzwert-Berechnungseinheit 152, eine Drehmoment-Vergleichseinheit 153 und eine Alarmeinheit 154.
Die Drehmoment-Messeinheit 151 misst das Antriebsdrehmoment der Spindel 111 und der beweglichen Welle 116. Die Drehmoment-Messeinheit 151 kann das Antriebsdrehmoment beispielsweise auf Grundlage des Laststroms berechnen, der für den Antrieb des Spindelmotors 112 und des Motors mit beweglicher Welle 117 verwendet wird. Alternativ kann die Drehmoment-Messeinheit 151 das Antriebsdrehmoment mit Hilfe magnetostriktiver Drehmomentsensoren messen, die an der Spindel 111 und der beweglichen Welle 116 angebracht sind.
Die Referenzwert-Berechnungseinheit 152 verwendet als Referenzwert das Antriebsdrehmoment, das von der Drehmoment-Messeinheit 151 gemessen wird, wenn die Werkzeugmaschine 10 einen Leerlauf durch Drehen der Spindel in einem normalen Zustand durchführt. Wie oben beschrieben, kann die Referenzwert-Berechnungseinheit 152 den Maximalwert des normalen Antriebsdrehmoments oder die Nachlauflänge des Antriebsdrehmoments als Referenzwert verwenden.
Die Drehmoment-Vergleichseinheit 153 vergleicht das Antriebsdrehmoment, das durch einen Leerlauf durch Drehen der Spindel mit der Werkzeugmaschine 10 vor der eigentlichen Bearbeitung gemessen wurde, mit dem Referenzwert. Genauer gesagt kann die Drehmoment-Vergleichseinheit 153 das Antriebsdrehmoment vor der eigentlichen Bearbeitung mit dem Referenzwert vergleichen, indem sie feststellt, ob der Absolutwert der Differenz zwischen dem vor der eigentlichen Bearbeitung gemessenen Antriebsdrehmoment und dem Referenzwert einen Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert kann ein vorbestimmter Prozentsatz des Referenzwertes sein, beispielsweise 20% des Referenzwertes.
Die Alarmeinheit 154 bestimmt auf Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs durch die Drehmoment-Vergleichseinheit 153, ob ein Alarm ausgegeben werden soll. Genauer gesagt kann die Alarmeinheit 154 einen Alarm ausgeben und alarmieren, wenn die Drehmoment-Vergleichseinheit 153 feststellt, dass der absolute Wert der Differenz zwischen dem Antriebsdrehmoment vor der eigentlichen Bearbeitung und dem Referenzwert den Schwellenwert überschritten hat.
<1.3. Betrieb der Erfindung>
7 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Werkzeugmaschine 10 veranschaulicht. Im Schritt S11 führt die Werkzeugmaschine 10 einen Leerlauf aus, indem sie die Spindel während des normalen Betriebs auf Grundlage der Steuerung durch die Motorsteuerschaltung 130 dreht.
Im Schritt S12 misst die Drehmoment-Messeinheit 151 das Antriebsdrehmoment und die Referenzwert-Berechnungseinheit 152 verwendet den gemessenen Wert des Antriebsdrehmoments als Referenzwert.
In Schritt S13 führt die Werkzeugmaschine 10 einen Leerlauf durch, indem sie die Spindel vor der eigentlichen Bearbeitung auf Grundlage der Steuerung durch die Motorsteuerschaltung 130 dreht.
Im Schritt S14 misst die Drehmoment-Messeinheit 151 das Antriebsdrehmoment.
Wenn in Schritt S15 der Absolutwert der Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Referenzwert einen Schwellenwert überschreitet (S15: JA), geht die Verarbeitung zu Schritt S16 über. Wenn der Absolutwert der Differenz zwischen dem Messwert und dem Referenzwert gleich oder kleiner als der Schwellenwert ist (S15: NEIN), wird die Verarbeitung beendet.
In Schritt S16 gibt die Alarmeinheit 154 einen Alarm aus.
<1.4. Effekte der Erfindung>
Die Werkzeugmaschine 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks, die Werkzeugmaschine 10 umfasst die Spindel 111, die so konfiguriert ist, dass sie den Halter 11 dreht, der mit einem für die Bearbeitung verwendeten Werkzeug montiert ist, eine oder mehrere bewegliche Wellen 116, die so konfiguriert sind, dass sie den Halter 11 und/oder die Arbeitsunterlage, auf der das Werkstück 22 angeordnet ist, bewegen, die Drehmoment-Messeinheit 151, die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment der Spindel 111 und/oder der beweglichen Welle 116 misst, eine Referenzwert-Berechnungseinheit 152, die so konfiguriert ist, dass sie als Referenzwert das Antriebsdrehmoment verwendet, das durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel in einem normalen Zustand gemessen wurde, eine Drehmoment-Vergleichseinheit 153, die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment, das durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel vor der eigentlichen Bearbeitung gemessen wurde, mit dem Referenzwert vergleicht, und eine Alarmeinheit 154, die so konfiguriert ist, dass sie auf Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs bestimmt, ob ein Alarm ausgegeben werden soll.
Mit dieser Konfiguration ist die Werkzeugmaschine in der Lage, den Werkzeug-Nachlauf zu erkennen, ohne dass ein Sensor zur Erkennung des Werkzeug-Nachlaufs hinzugefügt werden muss.
Des Weiteren kann die Drehzahl der Spindel 111 während des Leerlaufs ein konstanter Wert sein, die Referenzwert-Berechnungseinheit 152 kann den Maximalwert oder die Nachlauflänge des normalen Antriebsdrehmoments als Referenzwert verwenden, und die Drehmoment-Vergleichseinheit 153 kann den Maximalwert des Antriebsdrehmoments vor der Bearbeitung oder die Nachlauflänge mit dem Referenzwert vergleichen.
Mit dieser Konfiguration kann die Drehmoment-Vergleichseinheit 153 auf einfache Weise das Antriebsdrehmoment und den Referenzwert vergleichen.
<2. zweite Ausführungsform>
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 8 und 9 beschrieben. 8 ist ein Funktionsblockschaltbild einer Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 9 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
<2.1. Skizze der Erfindung>
Zunächst wird eine Skizze der Erfindung gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben.
In der ersten Ausführungsform wird die Fluktuationsbreite des Antriebsdrehmoments bzw. der Maximalwert des Antriebsdrehmoments mit einem normalen Referenzwert unter der Annahme verglichen, dass bei Auftreten einer Exzentrizität eine Störkomponente kleiner ist als eine wirbelnde periodische Komponente.
Daher wird eine Frequenzanalyse des an der beweglichen Welle erzeugten Drehmoments durchgeführt, um nur eine bestimmte Frequenzkomponente zu extrahieren, die mit der Spindeldrehzahl synchronisiert ist, und der Wert dieser Frequenzkomponente wird mit dem normalen Referenzwert verglichen. Infolgedessen ist es möglich, eine Stördrehmomentkomponente im Antriebsdrehmoment, das von einem Element, wie beispielsweise einem Lager im Antriebssystem, erzeugt wird, zu trennen, und daher muss nicht angenommen werden, dass die Störkomponente kleiner ist als die wirbelnde periodische Komponente, wenn Exzentrizität auftritt
Der Wert der Frequenzkomponente kann beispielsweise ein Amplitudenwert sein. Als Amplitudenwert kann die Spitzenamplitude, die Effektivwertamplitude (RMS), die Leistung oder die spektrale Leistungsdichte (PSD) verwendet werden. Wenn der gemessene Wert vor Beginn der eigentlichen Bearbeitung mit dem normalen Referenzwert verglichen und der Amplitudenwert als Wert der Frequenzkomponente verwendet wird, ist es möglich, die durch den Nachlauf der Werkzeugmaschine verursachte Exzentrizität während der Spindeldrehung zu erkennen.
<2.2. Konfiguration der Erfindung>
8 ist ein funktionales Blockschaltbild einer Werkzeugmaschine 10A. In der folgenden Beschreibung werden in erster Linie nur die Unterschiede zwischen der Werkzeugmaschine 10A und der Werkzeugmaschine 10 beschrieben und Beschreibungen von gemeinsamen Komponenten im Allgemeinen weggelassen.
Die Werkzeugmaschine 10A unterscheidet sich von der Werkzeugmaschine 10 dadurch, dass die Werkzeugmaschine 10A anstelle der Steuereinheit 150A eine Steuereinheit 150A umfasst. Die Steuereinheit 150A unterscheidet sich von der Steuereinheit 150A dadurch, dass die Steuereinheit 150A die Drehmoment-Vergleichseinheit 153 nicht umfasst und stattdessen eine Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit 155 und eine Frequenzkomponenten-Vergleichseinheit 156 umfasst. Die Steuereinheit 150A umfasst auch eine Referenzwert-Berechnungseinheit 152A anstelle der Referenzwert-Berechnungseinheit 152 und eine Alarmeinheit 154A anstelle der Alarmeinheit 154.
Die Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit 155 führt eine Analyse mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) des von der Drehmoment-Messeinheit 151 gemessenen Antriebsdrehmoments durch, um dadurch eine mit der Drehzahl der Spindel 111 synchronisierte Frequenzkomponente zu extrahieren. Genauer gesagt führt die Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit 155 eine FFT-Berechnung des von der Drehmoment-Messeinheit 151 gemessenen Antriebsdrehmoments der Spindel 111 und/oder der beweglichen Welle 116 durch, um das Leistungsspektrum des Antriebsdrehmoments zu erhalten, und gibt den Wert der mit der Drehzahl der Spindel 111 synchronisierten Frequenzkomponente an die Referenzwert-Berechnungseinheit 152A und die Frequenzkomponenten-Vergleichseinheit 156 aus, die später beschrieben werden. Wie oben beschrieben, kann der Wert der Frequenzkomponente beispielsweise ein Amplitudenwert sein, und der Amplitudenwert kann Spitzenamplitude, Effektivwert (RMS), Leistung oder spektrale Leistungsdichte (PSD) sein.
Die Referenzwert-Berechnungseinheit 152A verwendet den Wert der Frequenzkomponente, die von der Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit 155 extrahiert wird, wenn die Werkzeugmaschine 10A einen Leerlauf durch Drehen der Spindel in einem normalen Zustand durchführt, als Referenzwert.
Die Frequenzkomponenten-Vergleichseinheit 156 vergleicht den Referenzwert und den Wert der Frequenzkomponente, die von der Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit 155 durch die Werkzeugmaschine 10A extrahiert wird, wobei vor der eigentlichen Bearbeitung ein Leerlauf durch Drehen der Spindel durchgeführt wird. Genauer gesagt kann die Frequenzkomponenten-Vergleichseinheit 156 den Referenzwert und den Wert der Frequenzkomponente vor der eigentlichen Bearbeitung vergleichen, indem sie feststellt, ob der Absolutwert der Differenz zwischen dem Referenzwert und dem Wert der vor der eigentlichen Bearbeitung extrahierten Frequenzkomponente einen Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert kann in diesem Fall ein vorbestimmter Prozentsatz des Referenzwertes sein, beispielsweise 20% des Referenzwertes.
Die Alarmeinheit 154A bestimmt auf Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs durch die Frequenzkomponenten-Vergleichseinheit 156, ob ein Alarm ausgegeben werden soll. Genauer gesagt kann die Alarmeinheit 154A einen Alarm ausgeben, wenn die Frequenzkomponenten-Vergleichseinheit 156 feststellt, dass der Absolutwert der Differenz zwischen dem Bezugswert und dem Wert der Frequenzkomponente vor der eigentlichen Bearbeitung den Schwellenwert überschreitet.
<2.3. Betrieb der Erfindung>
9 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Werkzeugmaschine 10A veranschaulicht. In Schritt S21 führt die Werkzeugmaschine 10A einen Leerlauf aus, indem sie die Spindel während des normalen Betriebs auf Grundlage der Steuerung durch die Motorsteuerschaltung 130 dreht.
Im Schritt S22 misst die Drehmoment-Messeinheit 151 das Antriebsdrehmoment. Im Schritt S23 extrahiert die Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit 155 die Frequenzkomponente aus dem gemessenen Antriebsdrehmoment, und die Referenzwert-Berechnungseinheit 152A verwendet den Wert der extrahierten Frequenzkomponente als Referenzwert.
In Schritt S24 führt die Werkzeugmaschine 10A einen Leerlauf durch, indem sie die Spindel vor der eigentlichen Bearbeitung auf Grundlage der Steuerung durch die Motorsteuerschaltung 130 dreht.
Im Schritt S25 misst die Drehmoment-Messeinheit 151 das Antriebsdrehmoment.
In Schritt S26 extrahiert die Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit 155 die Frequenzkomponente aus dem gemessenen Antriebsdrehmoment und verwendet den Wert der extrahierten Frequenzkomponente als Messwert.
Wenn in Schritt S27 der absolute Wert der Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Referenzwert den Schwellenwert überschreitet (S27: JA), geht die Verarbeitung zu Schritt S28 über. Wenn der Absolutwert der Differenz zwischen dem Messwert und dem Referenzwert gleich oder kleiner als der Schwellenwert ist (S27: NEIN), wird die Verarbeitung beendet.
In Schritt S28 gibt die Alarmeinheit 154A einen Alarm aus.
<2.4. Effekte der Erfindung>
Die Werkzeugmaschine 10A gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Werkzeugmaschine für die Bearbeitung eines Werkstücks, wobei die Werkzeugmaschine die Spindel 111 umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie den Halter 11 dreht, der mit einem für die Bearbeitung verwendeten Werkzeug montiert ist, eine oder mehrere bewegliche Wellen 116, die so konfiguriert sind, dass sie den Halter 11 und/oder eine Arbeitsunterlage, auf der das Werkstück 22 angeordnet ist, bewegen, die Drehmoment-Messeinheit 151, die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment der Spindel 111 und/oder der beweglichen Welle 116 misst, die Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit 155, die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment mittels FFT analysiert und eine mit der Drehzahl der Spindel 111 synchronisierte Frequenzkomponente extrahiert, die Referenzwert-Berechnungseinheit 152A konfiguriert ist, um als Referenzwert einen Wert der Frequenzkomponente zu verwenden, die durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel in einem normalen Zustand extrahiert wurde, die Frequenzkomponenten-Vergleichseinheit 156 konfiguriert ist, um den Wert der Frequenzkomponente, die durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel vor der eigentlichen Bearbeitung extrahiert wurde, mit dem Referenzwert zu vergleichen, und die Alarmeinheit 154A konfiguriert ist, um zu bestimmen, ob auf Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs ein Alarm ausgegeben werden soll.
Selbst wenn bei dieser Konfiguration nicht davon ausgegangen wird, dass die Störkomponente kleiner ist als die wirbelnde periodische Komponente beim Auftreten der Exzentrizität, kann mit dieser Konfiguration der Werkzeug-Nachlauf erkannt werden, ohne dass ein Sensor zur Erkennung des Werkzeug-Nachlaufs hinzugefügt werden muss.
<3. Dritte Ausführungsform>
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. 10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Wert des Reaktionsdrehmoments und der Drehzahl der Spindel 111 während eines Leerlaufs gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
<3.1. Skizze der Erfindung>
Zunächst wird eine Skizze der Erfindung gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben. Es kann auch der Fall eintreten, dass die Bearbeitung beeinträchtigt wird, weil die Exzentrizität und das Reaktionsmoment klein sind, aber es ist schwierig, das Reaktionsmoment zu erkennen, weil die Reaktionskraft durch die Störung verdeckt wird. In einem solchen Fall kann das Reaktionsdrehmoment bei kleiner Exzentrizität hervorgehoben werden, indem ein Resonanzpunkt verwendet wird, der auf der Steifigkeit im mechanischen System basiert, das die Spindel 111 trägt, und ein Resonanzphänomen, das die Rotation der Exzentrizität als Anregung nutzt.
Genauer gesagt, in 10, wenn die Spindeldrehzahl während eines Leerlaufs mit dem Resonanzpunkt mit dem Maschinensystem in Übereinstimmung gebracht wird, erreicht der Wert einer drehzahlperiodischen Komponente im Reaktionsmoment einen Spitzenwert. Dieser Wert kann zur Hervorhebung des Reaktionsdrehmoments verwendet werden, indem die Spindeldrehzahl während eines Leerlaufs als Resonanzpunkt verwendet wird, an dem die Resonanz auftritt.
<3.2. Konfiguration und Betrieb der Erfindung>
Die Konfiguration selbst der Werkzeugmaschine gemäß der dritten Ausführungsform ist im Allgemeinen die gleiche wie die Werkzeugmaschine 10 gemäß der ersten Ausführungsform und die Werkzeugmaschine 10A gemäß der zweiten Ausführungsform, und daher wird eine Beschreibung derselben weggelassen.
In der ersten und zweiten Ausführungsform ist die von der Motorsteuerschaltung 130 gesteuerte Drehzahl des Spindelmotors 112 und/oder des Motors mit beweglicher Welle 117 ein konstanter Wert, in der dritten Ausführungsform ist die Drehzahl ein Resonanzpunkt, an dem Resonanz auftritt.
Bei Verwendung der Spindeldrehzahl als Resonanzpunkt kann der Resonanzpunkt im Voraus gefunden und die Spindeldrehzahl während eines Leerlaufs mit dem Resonanzpunkt in Übereinstimmung gebracht werden. Außerdem kann die Drehzahl zwischen einer niedrigen und einer hohen Drehzahl, die den Resonanzpunkt umfassen soll, schwanken, und der in diesem Abschnitt gemessene Wert kann mit einem Schwellenwert auf Grundlage von a₃ in 10 verglichen werden, um mit dem Resonanzpunkt übereinzustimmen.
<3.3. Auswirkungen der Erfindung>
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Drehzahl der Spindel 111 während eines Leerlaufs die Drehzahl, bei der in der Werkzeugmaschine 10 oder 10A Resonanz auftritt.
Mit dieser Konfiguration kann selbst dann, wenn die Reaktionskraft durch Störungen verdeckt ist und das Reaktionsmoment schwer zu erkennen ist, ein Werkzeug-Nachlauf erkannt werden, ohne dass ein Sensor zur Erkennung des Werkzeug-Nachlaufs hinzugefügt werden muss.
<4.1. Skizze der Erfindung>
Zunächst wird eine Skizze der Erfindung gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben. In der dritten Ausführungsform wird grundsätzlich ein Resonanzpunkt vorab erfasst und dann eine Spindeldrehzahl während eines Leerlaufs mit dem Resonanzpunkt in Übereinstimmung gebracht. Andererseits kann ein Resonanzpunkt durch einen Steifigkeitsunterschied zwischen Maschinensystemen oder durch einen an ein Maschinensystem angeschlossenen Werkzeugtyp verändert werden. In einem solchen Fall kann es schwierig werden, einen Resonanzpunkt im Voraus zu erfassen.
In diesem Zusammenhang wird, wie in 11 dargestellt, während eine Spindeldrehzahl während eines Leerlaufs von einer niedrigen Drehzahl auf eine hohe Drehzahl erhöht wird, der Wert einer drehzahlperiodischen Komponente im Reaktionsdrehmoment mit einem Schwellenwert verglichen, der größer ist als der Wert einer drehzahlperiodischen Komponente im Normalzustand, und ein Punkt, an dem der Schwellenwert überschritten wird, wird als Spitzenwert geschätzt. Dann werden ein Referenzwert und ein Antriebsdrehmoment bei einer Drehzahl zu dem Zeitpunkt, an dem der Wert der periodischen Komponente der Drehzahl im Reaktionsdrehmoment den Spitzenwert erreicht hat, verglichen, und auf Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs wird bestimmt, ob ein Alarm ausgegeben werden soll.
<4.2. Konfiguration und Betrieb der Erfindung>
Die Konfiguration selbst einer Werkzeugmaschine gemäß der vierten Ausführungsform ist im Allgemeinen die gleiche wie die Werkzeugmaschine 10 gemäß der ersten Ausführungsform und die Werkzeugmaschine 10A gemäß der zweiten Ausführungsform, und daher wird auf eine Beschreibung derselben verzichtet.
In der ersten und zweiten Ausführungsform ist die Drehzahl des Spindelmotors 112 und/oder des Motors mit beweglicher Welle 117, die von der Motorsteuerschaltung 130 gesteuert wird, ein konstanter Wert. In der dritten Ausführungsform ist diese Drehzahl ein Resonanzpunkt, an dem Resonanz auftritt. In der vierten Ausführungsform wird die Drehzahl des Spindelmotors 112 und/oder des Motors mit beweglicher Welle 117, die von der Motorsteuerschaltung 130 gesteuert werden, von einer niedrigen Drehzahl zu einer hohen Drehzahl schwanken gelassen, und ein Referenzwert und ein Antriebsdrehmoment bei einer Drehzahl zu dem Zeitpunkt, an dem der Wert einer periodischen Komponente der Drehzahl im Reaktionsdrehmoment schätzungsweise einen Spitzenwert erreicht hat, werden verglichen.
Wenn es zwei oder mehr Punkte gibt, die jeweils als Spitze geschätzt werden, wird ein Punkt mit dem höchsten Wert der periodischen Komponente der Drehzahl im Reaktionsdrehmoment als Spitze geschätzt.
Nachdem eine Drehzahl zu dem Zeitpunkt ermittelt wurde, an dem der Wert der periodischen Komponente der Drehzahl schätzungsweise einen Spitzenwert erreicht hat, kann die ermittelte Drehzahl für jeden Werkzeugtyp in einer Speichereinheit (nicht abgebildet) gespeichert werden. Auf diese Weise können bei einer zweiten Messung und ihren nachfolgenden Messungen ein Referenzwert und ein Antriebsdrehmoment gemessen werden, wobei eine von der ersten bis zu einer mit einem Werkzeug verknüpften Drehzahl festgelegte Spindeldrehzahl verwendet wird.
<4.3. Effekte der Erfindung>
In der vorliegenden Ausführungsform wird zwar die Drehzahl der Spindel 111 während eines Leerlaufs von einer niedrigen Drehzahl auf eine hohe Drehzahl erhöht, jedoch wird eine Drehzahl geschätzt, bei der Resonanz auftritt.
Mit dieser Konfiguration kann selbst dann, wenn ein Resonanzpunkt im Voraus nicht bekannt ist, ein Werkzeug-Nachlauf erkannt werden, ohne dass ein Sensor zur Erkennung des Werkzeug-Nachlaufs hinzugefügt werden muss.
<5. Fünfte Ausführungsform>
Eine fünfte Ausführungsform der gegenwärtigen Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 12 bis 14 beschrieben. 12 ist ein Diagramm, das die gesamte Konfiguration eines Bearbeitungssystems 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. 13 ist in erster Linie ein funktionales Blockschaltbild einer Maschinenlernvorrichtung 70, die das Bearbeitungssystem 1 umfasst. 14 ist ein Flussdiagramm, das die Funktionsweise der Maschinenlernvorrichtung 70 veranschaulicht.
<5.1. Skizze der Erfindung>
In der ersten bis vierten Ausführungsform werden die Daten selbst über das Antriebsdrehmoment oder den Wert der aus den Antriebsdrehmomentdaten extrahierten Frequenzkomponente zwischen Normalbetrieb und unregelmäßigem Betrieb verglichen und bei unregelmäßigem Betrieb ein Alarm ausgegeben. In der fünften Ausführungsform wird das maschinelle Lernen mit Hilfe von Lerndaten eingesetzt. Diese Lerndaten setzen sich zusammen aus Daten, bei denen das Antriebsdrehmoment im Normalbetrieb und ein Label, das anzeigt, dass das Schneidwerkzeug 12 in der Werkzeugmaschine 10 korrekt montiert ist, ein Paar bilden, und Daten, bei denen das Antriebsdrehmoment, wenn absichtlich eine Anomalie erzeugt wird, und ein Label, das anzeigt, dass das Schneidwerkzeug 12 in der Werkzeugmaschine 10 falsch montiert ist, ein Paar bilden. Das heißt, es wird „überwachtes Lernen“ durchgeführt. Durch überwachtes Lernen wird ein Lernmodell erstellt, und dieses Lernmodell wird verwendet, um den Montagezustand des Schneidwerkzeugs 12 zu bestimmen und auf Grundlage der Ergebnisse der Bestimmung zu entscheiden, ob ein Alarm ausgegeben werden soll.
<5.2. Konfiguration der Erfindung>
Wie in 12 dargestellt, umfasst das Bearbeitungssystem 1 eine Maschinenlernvorrichtung 70 und eine Anzahl von n Werkzeugmaschinen 10 (wobei n eine natürliche Zahl ist).
Die Maschinenlernvorrichtung 70 und die Werkzeugmaschinen 10 sind kommunikativ miteinander verbunden. Die Maschinenlernvorrichtung 70 und die Werkzeugmaschinen 10 können über eine Verbindungsschnittstelle direkt oder über ein Netzwerk 40 miteinander verbunden sein. Das Netzwerk 40 kann ein in einer Fabrik installiertes lokales Netzwerk (LAN), das Internet, ein öffentliches Telefonnetz oder eine Kombination dieser Netzwerke sein. Das spezifische Kommunikationsverfahren im Netzwerk 40 kann drahtgebundene Kommunikation oder drahtlose Kommunikation sein und ist nicht besonders beschränkt.
Die Maschinenlernvorrichtung 70 verwendet überwachtes maschinelles Lernen, um ein Lernmodell zur Erkennung eines anormalen Einbauzustands des Schneidwerkzeugs 12 in der Werkzeugmaschine 10 zu erstellen. Um dies zu erreichen, umfasst die Maschinenlernvorrichtung 70, wie in 12 dargestellt, eine Eingabeeinheit 71, eine Label-Erfassungseinheit 72, eine Lerneinheit 73 und eine Lernmodell-Speichereinheit 74.
Die Eingabeeinheit 71 erfasst Daten in Bezug auf das Antriebsdrehmoment als Merkmalswert von der Werkzeugmaschine 10. Die Label-Erfassungseinheit 72 erfasst Labels, die anzeigen, dass das Schneidwerkzeug 12 in der Werkzeugmaschine 10 richtig oder falsch montiert ist.
Die Lerneinheit 73 führt überwachtes Lernen durch, indem sie Paare von Merkmalswerten und Labels als Lerndaten verwendet, um ein Lernmodell zu erstellen, mit dem festgestellt werden kann, ob das Schneidwerkzeug 12 in der Werkzeugmaschine 10 richtig oder falsch montiert ist, und das erstellte Lernmodell wird an die Steuereinheit 150 der Werkzeugmaschine 10 gesendet. Die Lernmodell-Speichereinheit 74 speichert das von der Lerneinheit 73 erstellte Lernmodell.
Die Lerneinheit 73 kann als Beispiel eine Support-Vektor-Maschine (im Folgenden als „SVM“ bezeichnet) verwenden. Eine SVM ist eine bekannte Technologie und wird hier nicht im Detail beschrieben. SVM ist eine Identifizierungstechnik, die überwachtes Lernen verwendet (Lernen, bei dem ein Computer korrekte Daten und falsche Daten als Lerndaten erhält) und als Lernmodell mit hoher Identifizierungsgenauigkeit bekannt ist. Beispielsweise ist bekannt, dass eine SVM eine hohe Identifikationsgenauigkeit (hohe Generalisierungsfähigkeit) mit nicht gelernten Daten erreicht.
Die Lerneinheit 73 verwendet für die oben beschriebenen Labels binarisierte Labels, die sich auf den montierten Zustand des Schneidwerkzeugs 12 beziehen, und berechnet eine Hyperebene, die den Raum einschließlich des oben beschriebenen Merkmalswerts so trennt, dass die Ränder ein Maximum in Bezug darauf aufweisen, ob das Schneidwerkzeug 12 richtig oder falsch montiert ist. Des Weiteren kann die Lerneinheit 73 einen Koeffizienten der Hyperebene als Parameter des Lernmodells verwenden, das von der Werkzeugmaschine 10 verwendet wird, um den montierten Zustand des Schneidwerkzeugs 12 zu bestimmen.
Wie oben beschrieben, speichert die Lernmodell-Speichereinheit 74 das von der Lerneinheit 73 erstellte Lernmodell.
<5.3. Betrieb der Erfindung>
14 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Maschinenlernvorrichtung 70 bei der Durchführung des maschinellen Lernens veranschaulicht. In Schritt S31 erfasst die Eingabeeinheit 71 der Maschinenlernvorrichtung 70 die Merkmalswerte von der Werkzeugmaschine 10. Genauer gesagt erfasst die Eingabeeinheit 71 der Maschinenlernvorrichtung 70 Antriebsdrehmomentdaten, wenn das Schneidwerkzeug korrekt montiert ist, und Antriebsdrehmomentdaten, wenn das Schneidwerkzeug falsch montiert ist.
In Schritt S32 erfasst die Label-Erfassungseinheit 72 der Maschinenlernvorrichtung 70 Labels, die angeben, ob das Schneidewerkzeug richtig oder falsch montiert ist.
In Schritt S33 erhält die Lerneinheit 73 der Maschinenlernvorrichtung 70 ein Paar aus einem Merkmalswert und einem Label als Lerndaten.
In Schritt S34 führt die Lerneinheit 73 der Maschinenlernvorrichtung 70 maschinelles Lernen unter Verwendung der Lerndaten durch.
In Schritt S35 bestimmt die Lerneinheit 73 der Maschinenlernvorrichtung 70, ob das maschinelle Lernen beendet oder wiederholt werden soll. Die Bedingung für das Beenden des maschinellen Lernens kann willkürlich festgelegt werden. Beispielsweise kann das maschinelle Lernen beendet werden, wenn das maschinelle Lernen eine vorgegebene Anzahl von Malen durchgeführt wurde.
Wenn das maschinelle Lernen wiederholt werden soll, kehrt die Verarbeitung zu Schritt S31 zurück und die Maschinenlernvorrichtung 70 führt die gleiche Operation durch. Soll das maschinelle Lernen beendet werden, sendet die Maschinenlernvorrichtung 70 in Schritt S36 das bis dahin durch maschinelles Lernen erstellte Lernmodell über das Netzwerk 40 an jede Werkzeugmaschine 10.
Die Lernmodell-Speichereinheit 74 der Maschinenlernvorrichtung 70 speichert das Lernmodell. Wenn mit dieser Konfiguration eine neu installierte Werkzeugmaschine 10 das Lernmodell anfordert, kann das Lernmodell an diese Werkzeugmaschine 10 gesendet werden. Wenn neue Lerndaten erfasst werden, kann auf dem Lernmodell zusätzlich maschinelles Lernen durchgeführt werden.
<5.4. Effekte der Erfindung>
In der vorliegenden Ausführungsform kann das durch maschinelles Lernen erstellte Lernmodell von einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen 10 gemeinsam genutzt werden.
<6. andere Ausführungsformen>
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsformen sind jedoch nicht dazu bestimmt, den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung einzuschränken, und die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Weise umgesetzt werden, ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
<6.1. Modifikationsbeispiel 1>
Das Bearbeitungssystem gemäß der vierten Ausführungsform umfasst die Maschinenlernvorrichtung 70 und die Anzahl von n Werkzeugmaschinen 10 gemäß der ersten Ausführungsform, aber das Bearbeitungssystem ist nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann das Bearbeitungssystem anstelle der Anzahl von n Werkzeugmaschinen 10 die Werkzeugmaschine 10A gemäß der zweiten Ausführungsform oder die Werkzeugmaschine 10 oder 10A gemäß der dritten Ausführungsform umfassen.
Bei Verwendung der Werkzeugmaschine 10A erfasst die Eingabeeinheit 71 der Maschinenlernvorrichtung 70 den Wert der Frequenzkomponente anstelle der Daten zum Antriebsdrehmoment als Merkmalswert von der Werkzeugmaschine 10.
Des Weiteren kann die Maschinenlernvorrichtung 70 in die Werkzeugmaschine 10 oder 10A integriert werden, um die Werkzeugmaschine 10 oder 10A und die Maschinenlernvorrichtung 70 zu integrieren.
<6.2. Modifikationsbeispiel 2>
In der ersten Ausführungsform misst die Drehmoment-Messeinheit 151 das Antriebsdrehmoment der beweglichen Welle 116, aber die Drehmoment-Messeinheit 151 ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die Drehmoment-Messeinheit 151 das Haltedrehmoment anstelle der beweglichen Welle 16 messen, wenn sich jede Welle in einem stationären Zustand befindet. Das Haltedrehmoment wird durch Addition des Wirbeldrehmoments zum Haftreibungsmoment erhalten.
<6.3. Modifikationsbeispiel 3>
In Modifikationsbeispiel 2 kann es einen Fall geben, in dem die Reaktionskraft gemessen wird, während die bewegliche Welle stillsteht, aber die Reaktionskraft kann aufgrund einer Haftreibungsmomentkomponente im Antriebssystem der beweglichen Welle schwierig zu messen sein. Infolgedessen kann in Modifikationsbeispiel 3 die Drehmoment-Messeinheit 151 das Antriebsdrehmoment während einer Bewegung bei niedriger Geschwindigkeit mit beispielsweise 100 mm/s anstelle des Antriebsdrehmoments der beweglichen Welle 116 oder das Haltedrehmoment verwenden, wenn die Wellen stillstehen. Das Antriebsdrehmoment wird in diesem Fall durch Addition des Wirbeldrehmoments zum Gleitreibungsmoment anstelle des Haftreibungsmoments erhalten. In einigen Fällen ist es einfacher, die Reaktionskraftkomponente zu erkennen, wenn die Gleitreibungskomponente durch langsames Bewegen der sich bewegenden Welle dominant wird.
BEZUGSZEICHEN

1: Bearbeitungssystem
10, 10A: Werkzeugmaschine
40: Netzwerk
70: Maschinenlernvorrichtung
71: Eingabeeinheit
72: Label-Erfassungseinheit
73: Lerneinheit
74: Lernmodell-Speichereinheit
111: Spindel
113: Spindelmotor
116: Bewegliche Welle
117: Motor mit beweglicher Welle
130: Motorsteuerschaltung
131A, 131B: Motor-Antriebsverstärker
150, 150A: Steuereinheit
151: Drehmoment-Messeinheit
152, 152A: Referenzwert-Berechnungseinheit
153: Drehmoment-Vergleichseinheit
154, 154A: Alarmeinheit
155: Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit
156: Frequenzkomponenten-Vergleichseinheit

Claims

Werkzeugmaschine (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks, wobei die Werkzeugmaschine umfasst: eine Spindel (111), die so konfiguriert ist, dass sie einen Halter dreht, der mit einem für die Bearbeitung verwendeten Werkzeug montiert ist; eine oder mehrere bewegliche Wellen (116), die so konfiguriert sind, dass sie den Halter (11) und/oder eine Arbeitsunterlage, auf der das Werkstück angeordnet ist, bewegen; eine Drehmoment-Messeinheit (151), die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment der Spindel (111) und/oder der einen oder mehreren beweglichen Wellen (116) misst; eine Referenzwert-Berechnungseinheit (152), die so konfiguriert ist, dass sie als einen Referenzwert das Antriebsdrehmoment verwendet, das durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel (111) in einem normalen Zustand gemessen wird; eine Drehmoment-Vergleichseinheit (153), die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment, das durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel (111) vor der eigentlichen Bearbeitung gemessen wird, mit dem Referenzwert vergleicht; und eine Alarmeinheit (154), die so konfiguriert ist, dass sie auf Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs bestimmt, ob ein Alarm ausgegeben werden soll.
Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei: die Drehzahl der Spindel (111) während des Leerlaufs ein konstanter Wert ist; die Referenzwert-Berechnungseinheit (152) einen Maximalwert oder eine Nachlauflänge des Antriebsdrehmoments während des Normalbetriebs als Referenzwert verwendet; und die Drehmoment-Vergleichseinheit (153) den Maximalwert des Antriebsdrehmoments oder der Nachlauflänge vor der Bearbeitung mit dem Referenzwert vergleicht.
Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei: die Drehzahl der Spindel (111) während des Leerlaufs ein konstanter Wert ist; und die Drehmoment-Messeinheit (151) das Haltedrehmoment misst, wenn sich jede bewegliche Welle (116) in einem stationären Zustand befindet, oder das Antriebsdrehmoment, wenn sich jede bewegliche Welle (116) mit einer Geschwindigkeit gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Geschwindigkeit bewegt.
Werkzeugmaschine (10A) zum Bearbeiten eines Werkstücks, wobei die Werkzeugmaschine umfasst: eine Spindel (111), die so konfiguriert ist, dass sie einen Halter dreht, der mit einem für die Bearbeitung verwendeten Werkzeug montiert ist; eine oder mehrere bewegliche Wellen (116), die so konfiguriert sind, dass sie den Halter und/oder eine Arbeitsunterlage, auf der das Werkstück angeordnet ist, bewegen; eine Drehmoment-Messeinheit (151), die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment der Spindel (111) und/oder der einen oder mehreren beweglichen Wellen (116) misst; eine Frequenzkomponenten-Extraktionseinheit (155), die so konfiguriert ist, dass sie das Antriebsdrehmoment mittels FFT analysiert und eine Frequenzkomponente extrahiert, die mit der Drehzahl der Spindel (111) synchronisiert ist; eine Referenzwert-Berechnungseinheit (152A), die so konfiguriert ist, dass sie als einen Referenzwert einen Wert der Frequenzkomponente verwendet, die durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel (111) in einem normalen Zustand extrahiert wird; eine Frequenzkomponenten-Vergleichseinheit (156), die so konfiguriert ist, dass sie den Wert der Frequenzkomponente, die durch Ausführen eines Leerlaufs durch Drehen der Spindel (111) vor der eigentlichen Bearbeitung extrahiert wird, mit dem Referenzwert vergleicht; und eine Alarmeinheit (154A), die so konfiguriert ist, dass sie auf Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs bestimmt, ob ein Alarm ausgegeben werden soll.
Werkzeugmaschine (10A) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Drehzahl der Spindel (111)während des Leerlaufs eine Drehzahl ist, bei der in der Werkzeugmaschine (10A) Resonanz auftritt.
Werkzeugmaschine (10A) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Drehzahl der Spindel (111)während des Leerlaufs eine Drehzahl zu dem Zeitpunkt ist, zu dem der Wert einer periodischen Drehzahlkomponente im Reaktionsdrehmoment der Spindel (111) als ein Spitzenwert geschätzt wird, während die Drehzahl der Spindel (111) von einer niedrigen Drehzahl zu einer hohen Drehzahl schwankt.
Werkzeugmaschine (10A) nach Anspruch 6, die des Weiteren eine Speichereinheit umfasst, die die Drehzahl zu dem Zeitpunkt speichert, zu dem der Wert der periodischen Komponente der Drehzahl im Reaktionsdrehmoment der Spindel (111) schätzungsweise zum Spitzenwert für jeden Typ des Werkzeugs geworden ist, wobei die Drehzahl der Spindel (111) während des Leerlaufs die in der Speichereinheit gespeicherte Drehzahl ist.
Bearbeitungssystem (1), umfassend: eine oder mehrere der Werkzeugmaschinen (10, 10A) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und eine Maschinenlernvorrichtung (70), die umfasst: eine Label-Erfassungseinheit (72), die so konfiguriert ist, dass sie Daten erfasst, die anzeigen, ob das Werkzeug in der Werkzeugmaschine (10, 10A) korrekt oder falsch angebracht ist als Labels; und eine Lerneinheit (73), die so konfiguriert ist, dass sie ein Lernmodell zum Identifizieren eines montierten Zustands des Werkzeugs durch Ausführen eines überwachten Lernens erstellt, wobei als Lerndaten das Antriebsdrehmoment, das gemessen wird, wenn das Werkzeug korrekt montiert ist, und ein Label, das anzeigt, dass das Werkzeug korrekt als Paar montiert ist, und das Antriebsdrehmoment, das gemessen wird, wenn das Werkzeug falsch montiert ist, und ein Label, das anzeigt, dass das Werkzeug falsch als Paar montiert ist, verwendet werden.
Bearbeitungssystem (1) nach Anspruch 8, wobei die Maschinenlernvorrichtung (70) in die Werkzeugmaschine (10) eingebaut ist, um die Maschinenlernvorrichtung (70) und die Werkzeugmaschine (10) zu integrieren.