JP2012200858A

JP2012200858A - 工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置及びその方法

Info

Publication number: JP2012200858A
Application number: JP2011110507A
Authority: JP
Inventors: Tzu Hsin Kuo; 子▲きん▼ 郭; Chun-Hung Huang; 俊弘黄; Tsang-Fang Jeng; 滄芳鄭; Dian-Yun Ji; 佃▲ゆん▼ 紀
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-10-22
Also published as: US20120243952A1; CN102689227A; TW201238699A

Abstract

【課題】工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置及びその方法の提供。
【解決手段】この工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置及びその方法は、工作機械が加工過程中に発生する振動を検出し、並びにこの振動信号により加減値を得て、さらに該加減値と現在の主軸回転速度或いは送り速度を相加し、新主軸回転速度或いは送り速度を得て、新主軸回転速度或いは送り速度により工作機械が加工過程中に発生する振動を消去する。
【選択図】図１

Description

本発明は一種の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置及びその方法に係り、それは工作機械が加工過程中に発生する振動を検出し、並びに振動信号により現在の主軸回転速度或いは送り速度を変更し、工作機械が加工過程中に発生する振動を消去し、これによりツールの摩損を減らし、主軸精度の喪失を防止し、加工精度をより良好とする装置及び方法に関する。

工作機械は、動力機械製造装置を広く指し、通常は各種の加工可能な材料を切削して部品を生産するのに用いられる。

工作機械は旋盤、ボール盤、フライス盤、或いは研削盤に大まかに分けられ、工作機械の主要な構造は、機台とされ、機台中にベッドがあり、ベッドの上方或いはその隣り合う位置に主軸が設けられ、該主軸に刃物台が設けられ、刃物台に刃物が設けられる。刃物はフライス、ドリル、リーマー或いは中ぐり盤の刃などがある。刃物台は刃物を往復運動或いは高速回転させて、工作物に対して加工を行う。

業者にとっては、その最大の問題は、工作機械の加工過程中に発生する振動現象であり、その原因は、切削条件が不適当であること、刃物動作のアンバランス、工作物表面に切削により発生する振動或いは工作物の肉厚の変化、或いは機台剛性の引き起こす共振現象であり得て、振動は工作物の表面加工精度不良、刃物摩損の加速、或いは主軸精度喪失を形成し、ゆえに、既存の工作機械は加工時に欠陥を発生する問題を克服できず、ゆえに既存の工作機械は尚も改善の余地がある。

上述の欠点を鑑み、本発明の目的は、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置及びその方法を提供することにあり、それは、工作機械が加工過程中に発生する振動を検出し、並びにこの振動信号に基づき、現在の主軸回転速度或いは送り速度を変更し、工作機械が加工過程中に発生する振動を消去し、これにより加工精度を良好とし、刃物の摩損を減らし、或いは主軸精度の喪失を防止する。

上述の目的を達成するため、本発明の技術手段は、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置を提供し、該工作機械は、主軸、ベッド及びコントローラを包含し、主軸はベッドに隣接して設けられ、コントローラは入出力モジュールを備え、この装置は、少なくとも一つの振動センサーと振動信号プロセッサーを備え、該振動センサーは該主軸或いは該ベッドのいずれかに取り付けられ、該振動信号プロセッサーは電気的に該振動センサーと該入出力モジュールに接続され、該振動信号プロセッサーはマイクロコンピュータプロセッサーを備えている。

本発明はまた、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法を提供し、それは以下のステップ、すなわち、
振動信号検出ステップであって、工作機械が加工過程中に発生する振動を検出し、この振動信号を振動信号プロセッサーのマイクロコンピュータプロセッサーに伝送するステップ、
加減値計算ステップであって、マイクロコンピュータプロセッサーが該振動信号に基づき、振動量の標準差値を計算し、標準差値が設定された許容値を超えれば、主軸回転速度の加減値を計算するステップ、
現在の主軸回転速度の検出ステップであって、マイクロコンピュータプロセッサーが電子入出力モジュールとコントローラの入出力モジュールにより、現在の主軸回転速度を読み出すステップ、
新主軸回転速度を求めるステップであって、振動信号プロセッサーが読み出した現在の主軸回転速度に、上記加減値計算ステップで計算した加減値を加えて、新主軸回転速度となすステップ、
新主軸回転速度を変更するステップであって、該振動信号プロセッサーが新主軸回転速度を入出力モジュールを介してコントローラに伝送し、工作機械にもともとの主軸回転速度を新主軸回転速度に変更させるステップ、
以上を包含する。

本発明はさらに、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法を提供し、それは以下のステップ、すなわち、
振動信号検出ステップであって、工作機械が加工過程中に発生する振動を検出し、この振動信号を振動信号プロセッサーのマイクロコンピュータプロセッサーに伝送するステップ、
加減値計算ステップであって、マイクロコンピュータプロセッサーが該振動信号に基づき、振動量の標準差値を計算し、標準差値が設定された許容値を超えれば、工作機械の送り速度の加減値を計算するステップ、
現在の送り速度の検出ステップであって、マイクロコンピュータプロセッサーが電子入出力モジュールとコントローラの入出力モジュールにより、現在の送り速度を読み出すステップ、
新送り速度を求めるステップであって、振動信号プロセッサーが読み出した現在の送り速度に、上記加減値計算ステップで計算した加減値を加えて、新送り速度となすステップ、
新送り速度を変更するステップであって、該振動信号プロセッサーが新送り速度を入出力モジュールを介してコントローラに伝送し、工作機械にもともとの送り速度を新送り回転速度に変更させるステップ、
以上を包含する。

上述の本発明の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置及びその方法は、振動センサーは工作機械が加工過程中で発生する振動を検出し、並びに振動信号をマイクロコンピュータプロセッサーに伝送し、加減値を計算し、該加減値は現在の主軸回転速度或いは送り速度を変更するのに用い、主軸回転速度或いは送り速度を変更することにより、工作機械が加工過程中に発生する振動を消去し、ひいては刃物の摩擦を減らし、主軸精度の喪失を防止し、加工精度が良好となる。

本発明の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置及びその方法をまとめると、それは少なくとも一つの振動センサーが主軸、ベッド、刃物台或いは工作物クランプシート部分に設けられ、振動センサーは工作機械が加工過程中に発生する振動を検出し、並びにこの振動信号に基づき加減値を計算し、現在の主軸回転速度或いは送り速度に該加減値を加え、主軸回転速度或いは送り速度を変更し、該主軸回転速度或いは送り速度の変更により工作機械が加工過程中に発生する振動を消去し、これにより加工精度を良好とし、刃物の摩損を減らし或いは主軸精度の喪失を防止する。

本発明の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置の表示図である。本発明のコントローラ、振動信号プロセッサー、及び振動センサーの表示図である。本発明の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法のフローチャートである。本発明の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置の別の実施例の表示図である。

本発明の技術内容、構造特徴、達成する目的を詳細に説明するため、以下に実施例を挙げ並びに図面を組み合わせて説明する。

図１及び図２を参照されたい。本発明は工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置であり、工作機械１は主軸１０、ベッド１１とコントローラ１２を包含する。

主軸１０はベッド１１に隣接し、コントローラ１２は入出力モジュール１２０を有し、入出力モジュール１２０はプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）の入出力モジュールとされ、主軸１０は刃物台１００を有し、コントローラ１２は選択的に主軸１０に設けられる。

該オンライン切削知的制御装置は少なくとも一つの振動センサー２０と振動信号プロセッサー２１を包含する。該振動センサー２０はマイクロエレクトロメカニカルセンサーと加速度ゲージのいずれかとされ、加速度ゲージは石英材質で製造される。

振動信号プロセッサー２１は電子入出力モジュール２１０、マイクロコンピュータプロセッサー２１１、及びバンドパスフィルタ２１２を備え、電子入出力モジュール２１０、マイクロコンピュータプロセッサー２１１、及びバンドパスフィルタ２１２は電気的に接続される。電子入出力モジュール２１０は固体電子入出力モジュールとされ、振動信号プロセッサー２１は選択的に主軸１０部分に取り付けられる。電子入出力モジュール２１０は入出力モジュール１２０に電気的に接続される。

図１に示されるように、振動センサー２０はバンドパスフィルタ２１２に電気的に接続され、振動センサー２０は主軸１０或いはベッド１１に設けられる。そのうち、該主軸１０に設けられる振動センサー２０は主軸の刃物台１００部分に設けられ得る。

図３も参照されたい。本発明の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法は、以下のステップを包含する。

振動信号検出ステップ３０：少なくとも一つの振動センサー２０が工作機械１が加工過程中に発生する振動を検出し、該振動センサー２０は検出した振動を、振動信号としてバンドパスフィルタ２１２に伝送し、バンドパスフィルタ２１２は非振動信号の雑音を除去し、並びに振動信号をマイクロコンピュータプロセッサー２１１に伝送する。

加減値計算ステップ３１：マイクロコンピュータプロセッサー２１１が該振動信号に基づき、振動量の標準差値を計算し、標準差値が設定された許容値を超えれば、計算公式で主軸回転速度或いは送り速度の加減値（ＥＳ）を計算する。その計算公式は以下のとおりである。

ＥＳ＝ＫＰ×（ＥＫ−ＥＫ１）＋ＫＩ×ＥＫ；
ＫＰ＝（ＫＰｍａｘ−ＫＰｍｉｎ）×（（１０−ａｂｓ（ＥＫ））／（１０−ＳＴＤＡＹＶ））＋（ＫＰｍａｘ−ＫＰｍｉｎ）×（（８−ａｂｓ（ＥＫ−ＥＫ１））／８）；
ＫＩ＝（ＫＩｍａｘ−ＫＩｍｉｎ）×（（ａｂｓ（ＥＫ）−ＳＴＤＡＹＶ）／（１０−ＳＴＤＡＹＶ））＋（ＫＩｍａｘ−ＫＩｍｉｎ）×（（ａｂｓ（ＥＫ−ＥＩ１）−０）／８）；
そのうち、ＫＰとＫＩは適応制御法則のパラメータとされ、ＥＫは今回の振動信号の標準差値であり、ＥＫ１は前回の振動信号の標準差値である。ＫＰｍａｘ、ＫＰｍｉｎとＫＩｍｉｎは定義定数とされ、それは加工材料に関係する。ＳＴＤＡＹＶは振動信号の標準平均変異値である。

もし上述の振動信号の標準差値が設定された許容値を未超過であれば、ＥＳ等は零となる。

現在の主軸回転速度或いは送り速度３２の検出ステップ：マイクロコンピュータプロセッサー２１１が電子入出力モジュール２１０と入出力モジュール１２０により、現在の主軸回転速度或いは送り速度を読み出す。

新主軸回転速度を求めるステップ３３：振動信号プロセッサー２１が読み出した現在の主軸回転速度に、上記加減値計算ステップで計算した加減値を加えて、新主軸回転速度となす。すなわち、新主軸回転速度或いは送り速度＝現在の主軸回転速度或いは送り速度＋ＥＳである。

新主軸回転速度を変更するステップ３４：該振動信号プロセッサー２１が新主軸回転速度を入出力モジュール１２０を介してコントローラ１２に伝送し、工作機械１にもともとの主軸回転速度を新主軸回転速度に変更させる。

図４を参照されたい。本発明の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置の別の実施例によると、工作機械４は、主軸４０、ベッド４１とコントローラ４２を包含する。コントローラ４２は選択的に主軸４０に設置され、主軸４０はベッド４１に隣接し、ベッド４１は工作物クランプシート４３を備えている。

該オンライン切削知的制御装置は少なくとも一つの振動センサー５０と振動信号プロセッサー５１を包含する。該コントローラ４２、振動センサー５０と振動信号プロセッサー５１は上述の実施例と同じであり、本実施例では僅かに設置位置が異なるため、ここではコントローラ４２、振動センサー５０、及び振動信号プロセッサー５１の構造と用法について重複した説明は行わない。

振動センサー５０は主軸４０、ベッド４１と工作物クランプシート４３にそれぞれ設けられ、振動信号プロセッサー５１はコントローラ４２と振動センサー５０にそれぞれ電気的に接続される。

以上述べたことは、本発明の実施例にすぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲に基づきなし得る同等の変化と修飾は、いずれも本発明の権利のカバーする範囲内に属するものとする。

１工作機械
１０主軸
１００刃物台
１１ベッド
１２コントローラ
１２０入出力モジュール
２０振動センサー
２１振動信号プロセッサー
２１０電子入出力モジュール
２１１マイクロコンピュータプロセッサー
２１２バンドパスフィルタ
３０〜３４ステップ
４工作機械
４０主軸
４１ベッド
４２コントローラ
４３工作物クランプシート
５０振動センサー
５１振動信号プロセッサー

Claims

工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置において、該工作機械は、主軸、ベッド及びコントローラを包含し、該主軸はベッドに隣接して設けられ、該コントローラは入出力モジュールを備え、この装置は、
該主軸或いは該ベッドのいずれかに取り付けられる少なくとも一つの振動センサーと、該振動センサーと該入出力モジュールに電気的に接続され、マイクロコンピュータプロセッサーを備えた振動信号プロセッサーと、
を備えたことを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置。
請求項１記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置において、該振動信号プロセッサーは電子入出力モジュールとバンドパスフィルタをさらに備え、該電子入出力モジュール、該マイクロコンピュータプロセッサー及び該バンドパスフィルタは電気的に接続され、該バンドパスフィルタは該振動センサーに電気的に接続されたことを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置。
請求項２記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置において、該振動センサーはマイクロエレクトロメカニカルセンサーと加速度ゲージのいずれかとされることを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置。
請求項３記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置において、該加速度ゲージは石英材料で製造されることを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置。
請求項３記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置において、該電子入出力モジュールは固体電子入出力モジュールとされることを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置。
請求項３記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置において、該マイクロコンピュータプロセッサーはシングルチップマイクロコンピュータプロセッサーとされることを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置。
請求項１記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置において、該ベッドはさらに工作物クランプシートを備え、該振動センサーは該工作物クランプシート部分に設けられることを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置。
請求項１記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置において、該主軸は刃物台を備え、該振動センサーは該刃物台に設けられることを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置。
請求項１記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置において、該入出力モジュールはプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）の入出力モジュールとされることを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御装置。
工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法において、
振動信号検出ステップであって、工作機械が加工過程中に発生する振動を検出し、この振動信号を振動信号プロセッサーのマイクロコンピュータプロセッサーに伝送するステップ、
加減値計算ステップであって、該マイクロコンピュータプロセッサーが該振動信号に基づき、振動量の標準差値を計算し、標準差値が設定された許容値を超えれば、主軸回転速度の加減値を計算するステップ、
現在の主軸回転速度の検出ステップであって、マイクロコンピュータプロセッサーが電子入出力モジュールとコントローラの入出力モジュールにより、現在の主軸回転速度を読み出すステップ、
新主軸回転速度を求めるステップであって、振動信号プロセッサーが読み出した現在の主軸回転速度に、上記加減値計算ステップで計算した加減値を加えて、新主軸回転速度となすステップ、
新主軸回転速度を変更するステップであって、該振動信号プロセッサーが新主軸回転速度を入出力モジュールを介してコントローラに伝送し、工作機械にもともとの主軸回転速度を新主軸回転速度に変更させるステップ、
以上を包含することを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法。
請求項１０記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法において、該振動信号検出ステップでは、少なくとも一つの振動センサーが該工作機械が発生する振動を検出し、並びにその振動信号をバンドパスフィルタに伝送して非振動信号の雑音を除去し、該バンドパスフィルタは雑音を除去した後の振動信号を該マイクロコンピュータプロセッサーに伝送することを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法。
請求項１１記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法において、該加減値計算ステップでは、該標準差値が該許容値を未超過であれば、該加減値を零とすることを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法。
工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法において、
振動信号検出ステップであって、工作機械が加工過程中に発生する振動を検出し、この振動信号を振動信号プロセッサーのマイクロコンピュータプロセッサーに伝送するステップ、
加減値計算ステップであって、マイクロコンピュータプロセッサーが該振動信号に基づき、振動量の標準差値を計算し、標準差値が設定された許容値を超えれば、工作機械の送り速度の加減値を計算するステップ、
現在の送り速度の検出ステップであって、マイクロコンピュータプロセッサーが電子入出力モジュールとコントローラの入出力モジュールにより、現在の送り速度を読み出すステップ、
新送り速度を求めるステップであって、振動信号プロセッサーが読み出した現在の送り速度に、上記加減値計算ステップで計算した加減値を加えて、新送り速度となすステップ、
新送り速度を変更するステップであって、該振動信号プロセッサーが新送り速度を入出力モジュールを介してコントローラに伝送し、工作機械にもともとの送り速度を新送り回転速度に変更させるステップ、
以上を包含することを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法。
請求項１３記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法において、該振動信号検出ステップでは、少なくとも一つの振動センサーが該工作機械が発生する振動を検出し、並びにその振動信号をバンドパスフィルタに伝送して非振動信号の雑音を除去し、該バンドパスフィルタは雑音を除去した後の振動信号を該マイクロコンピュータプロセッサーに伝送することを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法。
請求項１４記載の工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法において、該加減値計算ステップでは、該標準差値が該許容値を未超過であれば、該加減値を零とすることを特徴とする、工作機械の入出力モジュールと整合されたオンライン切削知的制御方法。