Способ и устройство для обработки детали на металлорежущем станке с числовым программным управлением
Изобретение относится к способу механической обработки детали на металлорежущем станке с числовым программным управлением посредством инструмента , металлорежущему станку и считываемому компьютером носителю информации. Управляют относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали для выполнения обработки детали, создают ультразвуковую вибрацию инструмента посредством ультразвукового генератора, обнаруживают по меньшей мере один сигнал датчика, выданный ультразвуковым генератором, и идентифицируют изменение в материале обрабатываемой детали. В то же время осуществляют управление относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали на основе по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
ОПИСАНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу обработки детали с помощью инструмента на металлорежущем станке с числовым программным управлением. Настоящее изобретение также относится к устройству и к металлорежущему станку, на котором упомянутый выше способ может быть выполнен. Дополнительно, настоящее изобретение относится к компьютерному программному продукту, посредством которого упомянутый выше способ может быть выполнен.
Уровень техники изобретения
В предшествующем уровне техники хорошо известны металлорежущие станки, в которых вращательное движение инструмента может накладываться на ультразвуковую вибрацию инструмента, например, при обработке детали инструментом.
Документ EP 1 763 416 B1 в этой связи описывает инструмент с держателем инструмента, который на одном конце имеет опору держателя инструмента для установки в концевик вращающегося шпинделя, а на втором конце, противоположном первому, имеет опору инструмента и инструментальную головку, которая может вставляться в опору инструмента, причем держатель инструмента содержит вибрационный мотор.
В случае такого металлорежущего станка, ультразвуковой генератор, установленный в держателе инструмента, который создает ультразвуковую вибрацию инструмента, вибрирующий корпус и инструмент, вставленный в держатель инструмента, обеспечивают вибрационную систему, возбуждаемую посредством электрического сигнала для создания механических колебаний, при которых максимально возможная амплитуда механической вибрации получается при возбуждении вибрационной системы на ее резонансной частоте.
По мере продвижении инструмента в обрабатываемую деталь вибрационная система демпфируется материалом детали и трением между деталью и инструментом и резонансная частота смещается в направлении несколько более низкой резонансной частоты. Также известно, что резонансная частота при увеличении демпфирования дополнительно смещается.
При этом очень часто возникает проблема, что во время обработки существуют заметные флюктуации резонансной частоты. Однако, это одновременно означает, что способность демпфирования обрабатываемого материала изменилась.
Это может иметь место благодаря изменениям в материале внутри детали, поскольку, несмотря на явно однородный материал детали, может возникать неоднородность (такая как границы зерен или включения постороннего материала и т. д.). Из-за таких изменений в материале может возникнуть необходимость регулировать заданные параметры обработки, используемые инструментом для обработки детали, учитывая соответствующий материал и его свойства.
Однако, изменения геометрии детали, такие как отверстия и углубления, также являются своего рода неоднородностью материала обрабатываемой детали, которые, как вариант, влияют на заданные параметры обработки.
Чтобы определить, когда происходит изменение материала в то время, когда деталь обрабатывается, существуют уже известные измерительные системы, использующие принцип звука, порождаемого корпусом. Здесь соответствующий датчик звука корпуса крепится к раме станка, обычно на значительном расстоянии от обрабатываемой детали, причем упомянутый датчик измеряет возникающие вибрации и их них формирует измеренный сигнал. Блок управления оценивает эти измеренные сигналы и может изменять заданные параметры обработки в процессе обработки, если, соответственно, обнаруживаются отклонения измеренного сигнала.
Однако, недостаток состоит в том, что за счет измерительного датчика, который располагается достаточно далеко, возникновение вибрации происходит не исключительно за счет изменения в материала внутри детали. Эти вибрации могут быть вызваны или накладываться благодаря вибрациям окружающей среды. Это может приводить к ошибочным оценкам результатов измерений и, как следствие, к неправильному регулированию параметров обработки.
По этой причине, важно во время обработки детали обнаруживать изменения в материале как можно ближе к самой детали, чтобы, насколько возможно, избежать наложения внешних вибраций.
Раскрытие изобретения
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в обеспечении способа обработки детали на металлорежущем станке с числовым программным управлением, посредством которого можно избежать упомянутых выше проблем.
Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в обеспечении устройства, металлорежущего станка и компьютерного программного продукта, посредством которых может выполняться способ согласно изобретению.
Эти задачи решаются способом по п. 1 формулы изобретения, устройством по п. 16 формулы изобретения, металлорежущим станком по п. 17 формулы изобретения и компьютерным программным продуктом по п. 18 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к предпочтительным вариантам осуществления способа согласно изобретению.
Способ согласно изобретению для обработки детали на металлорежущем станке с числовым программным управлением с помощью инструмента содержит этапы, на которых: управляют относительным перемещением относительно детали для обработки детали; создают ультразвуковую вибрацию инструмента посредством ультразвукового генератора; обнаруживают по меньшей мере один сигнал датчика, выданного ультразвуковым генератором, и идентифицируют изменение в материале детали при относительном перемещении инструмента, управляемом относительно детали, основываясь по меньшей мере на одном сигнале датчика, выданного ультразвуковым генератором.
Ультразвуковой генератор служит для возбуждения вибрации инструмента, а также в качестве датчика для обнаружения резонансной частоты вибрационной системы. Преимущество этого способа заключается в том, что ультразвуковой генератор располагается в непосредственной близости от инструмента и на прямой линии с инструментом и обрабатываемой деталью. Поэтому резонансная частота и, таким образом, способность демпфирования соответственно имеющегося в наличии материала могут обнаруживаться в непосредственной близости от обрабатываемой детали, что, в свою очередь, в значительной степени снижает влияние внешних источников вибрации.
Кроме того, изменение в материале обрабатываемой детали может с высокой точностью распознаваться на переходе от одного материала к следующему материалу и эта информация может соответственно передаваться на контроллер инструмента.
Перспективное развитие способа состоит в том, что управление относительным перемещением инструмента относительно обрабатываемой детали выполняется на основе заданных параметров обработки, причем способ дополнительно предпочтительно содержит следующие этапы, на которых: регулируют заданные параметры обработки, когда распознают изменение в материале обрабатываемой детали на основе по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором, и/или управляют относительным перемещением инструмента относительно обрабатываемой детали, основываясь на отрегулированных параметрах обработки.
Заданные параметры обработки могут управляться в зависимости от сигналов датчика ультразвукового генератора, чтобы должным образом обрабатывать соответствующие материалы с параметрами, необходимыми для этой цели.
Дополнительное преимущество основано на том факте, что некоторого рода характерный признак (например, определенная демпфированная резонансная частота и/или определенная способность демпфирования материала) может быть сформирован и быть сохранен за счет максимального возможного снижения влияний внешних источников вибрации для каждого материала.
Это может быть большим преимуществом, например, в случае композитных материалов, поскольку в этом случае в обрабатываемой детали часто объединяются друг с другом очень разные материалы (пластмасса, армированная углеродным волокном с титаном/алюминием). Это приводит в результате к желанию или необходимости регулирования параметров обработки для каждого материала. На предварительном этапе обработки соответствующие толщины слоя материала часто программировались на основе зажима с точным значением силы, учитывая которые параметры обработки затем регулировались во время обработки.
Однако, поскольку автоматически присутствуют флюктуации толщины слоя и нерегулярности при зажиме заготовки обрабатываемой детали, некоторые материалы всегда обрабатывались с неподходящими для обработки параметрами. Посредством упомянутого способа теперь можно точно идентифицировать изменение в материале обрабатываемой детали и затем регулировать параметры обработки для соответствующего материала.
Дополнительным предпочтительным развитием способа является то, что обрабатываемая деталь содержит по меньшей мере две различные области материалов, причем на этапе, на котором "идентифицируют изменение материала обрабатываемой детали" идентифицируется переход инструмента из одной области материала в другую область материала обрабатываемой детали.
Описанный выше способ здесь не ограничивается определенным количеством изменений в материале, а может идентифицировать множество изменений материала, с учетом которых могут регулироваться параметры обработки инструмента.
Кроме того, способ может предпочтительно развиваться таким образом, что обрабатываемая деталь содержит композитный материал, в частности, композитный материал, армированный углеродным волокном, и/или стеклянный и/или керамический материал.
Ограничения способа определенными материалами не существует. Композитные материалы, такие как стекло и керамика, также предпочтительно оставляют свой характерный признак (характеристические резонансные частоты и/или возможности демпфирования), который может быть сохранен и использоваться для регулирования задаваемых параметров обработки.
Способ предпочтительно разрабатывается таким образом, что области материалов являются слоями различных материалов или характеристиками материалов или области материалов являются включениями материалов в обрабатываемую деталь или областями материалов являются отверстия и/или углубления в обрабатываемой детали.
Изменения в материале и/или в областях материала могут распознаваться по разным свойствам материалов, а также могут характеризоваться геометрическими изменениями обрабатываемой детали.
Например, возможно, что во время обработки инструмент работает таким образом, что он извлекается из материала обрабатываемой детали, присутствующего в отверстии обрабатываемой детали (возможно также только частично). Это также приводит к изменению резонансной частоты и/или способности демпфирования обрабатываемой детали в этом месте и, таким образом, к некоторому виду изменения в материале. В этом случае, также, может быть желательным отрегулировать заданные параметры обработки.
Способ предпочтительно может быть разработан таким образом, что на этапе, на котором "идентифицируют изменение в материале обрабатываемой детали" идентифицируют контакт инструмента с поверхностью заготовки (то есть, например, изменение в материале из-за воздуха, поступающего на поверхность обрабатываемой детали, в отличие от изменения в материале в заготовке детали).
В частности, большим преимуществом является то, что может обеспечиваться очень быстрый подход к обрабатываемой детали и, тем самым, время обработки может быть уменьшено. Это является преимуществом, в частности, в случае материалов, обладающих высокой хрупкостью, таких как стекло или керамика.
До сегодняшнего дня подход к обрабатываемым деталям, изготовленным из таких материалов, осуществлялся с высокой скоростью, подводя инструмент только на заданное безопасное расстояние, после чего обработка продолжалась с заданными параметрами обработки, которые сравнительно медленны. Если безопасное расстояние слишком велико, время обработки растрачивается непроизводительно.
Благодаря идентификации изменения в материале (например, за счет воздуха на поверхности обрабатываемой детали), инструмент может перемещаться к фактической границе от воздуха к обрабатываемой детали с высокой скоростью, прежде чем выполняется регулировка заданных параметров обработки для соответствующего материала.
Кроме того, способ предпочтительно может быть разработан таким образом, что на этапе, на котором "идентифицируют изменение в материале обрабатываемой детали" также обнаруживают временное изменение и, в то же самое время, изменение значения одного или более параметров сигнала датчика ультразвукового генератора.
Преимущество этой разработки заключается в том, что изменение резонансной частоты вибрационной системы может также иметь причины, отличные от изменения в материале. Процесс обработки создает большие количества тепла, которое до некоторой степени сильно нагревает инструмент, а также обрабатываемую деталь.
Это также значительно влияет на резонансную частоту вибрационной системы. Однако, возможно отличать эти влияния от влияний, вызываемых измерением в материале.
Резонансная частота вибрационной системы непрерывно изменяется и изменяется в течение сравнительно длительного периода, учитывающего нагревание инструмента и/или обрабатываемой детали. Это несовместимо с возникновением изменения в материале, которое проявляет себя как неожиданное изменение резонансной частоты.
Здесь предпочтительно обнаруживать как временное изменение одного или более параметров сигнала датчика, так и изменение значения соответствующего параметра(-ов) сигнала датчика. Каждый сигнал датчика может иметь шум, который, помимо прочего, проявляется в неожиданные моменты времени, но с очень малыми изменениями параметра.
Следовательно, существует не только временное изменение, которое обнаруживается, но предпочтительно также изменение в значении соответствующих параметров. Такая комбинация образует основу предпочтительного и надежного утверждения о существовании изменения в материале.
Способ может также предпочтительно дополнительно иметь следующий этап, на котором определяют, происходит ли временное изменение и изменение значения по меньшей мере одного сигнала датчика ультразвукового генератора, и, соответственно, падает ли оно ниже заданного времени модификации и одновременно превышается ли заданное значение модификации.
В дополнение к обнаружению временного изменения и изменения значения параметров сигнала датчика, необходимо определять предельные значения соответствующих изменений сигнала датчика.
На этой основе возникновение изменения в материале может значительно отличаться от других факторов (таких как изменение температуры заготовки/инструмента), давая возможность определять превышение или падение ниже пороговых значений.
Дополнительно, способ может предпочтительно быть разработан таким образом, что заданные параметры обработки регулируются, когда временное изменение и изменение значения по меньшей мере одного сигнала датчика ультразвукового генератора, соответственно, падает ниже заданного времени модификации и одновременно превышает заданное значение модификации.
Благодаря дополнительной проверке временного изменения и изменения значения по меньшей мере одного параметра сигнала датчика, можно более надежно определить присутствие изменения в материале. Посредством этой дополнительной проверки риск обнаружения предположительно существующего изменения в материале за счет изменений температуры инструмента и обрабатываемой детали может быть заметно минимизирован.
Дополнительное предпочтительное развитие этого способа заключается в том, что регулировка параметров обработки содержит по меньшей мере регулировку скорости или скорости резания и/или подачи относительного перемещения инструмента. Заданными параметрами обработки предпочтительно являются один или более из следующих: скорость подачи инструмента во время обработки детали, скорость резания режущих кромок или частей металлорежущего инструмента и скорость инструмента (например, скорость рабочего шпинделя металлоорежущего станка, приводящего в движение инструмент).
Следовательно, определенные заданные параметры обработки могут регулироваться за счет обнаруженного изменения в материале, например, регулировать основной привод (например, привод шпинделя) для вращения инструмента и/или привода для подачи инструмента.
Также предпочтительным развитием способа является регулирование частоты и/или мощности ультразвукового генератора.
Под соответствующее изменение в материале могут регулироваться не только приводы для вращения инструмента и подачи инструмента, но также и сам ультразвуковой генератор может регулироваться под требования материала. Это могут быть, например, частота, амплитуда и мощность ультразвукового генератора.
Способ предпочтительно может быть разработан таким образом, что ультразвуковой генератор может быть системой с пьезоприводом.
Преимущество системы с пьезоприводом состоит в том, что за счет высокодинамичного поведения пьезопривода могут быть получены предельно высокие частоты, причем сами пьезоэлементы являются очень прочными и обладают высокой линейностью управления.
Способ предпочтительно может быть разработан таким образом, что инструмент имеет по меньшей мере одну геометрически определенную режущую грань или по меньшей мере одну геометрически не определенную режущую грань.
Способ не ограничивается ни конкретными материалами/подложками, ни определенными инструментами и может, следовательно, использоваться в очень широком диапазоне применений.
Устройство согласно изобретению для использования на металлорежущем станке для обработки деталей посредством инструмента содержит следующее: блок управления для управления относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали для ведения обработки обрабатываемой детали, ультразвуковой генератор для формирования ультразвуковой вибрации инструмента и блок обнаружения для обнаружения по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором, причем устройство имеет блок оценки для идентификации изменения в материале заготовки во время управления относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали на основе по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором.
Металлорежущий станок согласно изобретению для обработки детали с помощью инструмента содержит следующее: блок управления для управления относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали для обработки обрабатываемой детали, ультразвуковой генератор для создания ультразвуковой вибрации инструмента и блок обнаружения для обнаружения по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором.
Таким образом, возможно реализовать описанный выше способ в устройстве управления и/или на металлорежущем станке и, таким образом, позволить использовать способ на уже существующих металлорежущих станках. Это может объединяться с ранее описанными предпочтительными вариантами способа.
Компьютерный программный продукт согласно изобретению здесь содержит следующее: компьютерная программа, хранящаяся на считываемом компьютером носителе для хранения данных, которая может работать на блоке с числовым управлением металлорежущего станка с числовым управлением или на компьютере, соединенном с блоком управления металлорежущего станка с числовым управлением и выполнена с возможностью осуществления описанного выше способа.
В результате способ может быть реализован и выполняться существующим программным обеспечением управления металлорежущего станка. Этот способ может объединяться с ранее описанными предпочтительными вариантами способа.
Дополнительные варианты описываются ниже и предпочтительно могут быть пригодны для применения способа согласно изобретению или примерных его конструкций.
Устройство для создания ультразвуковой вибрации инструмента для ультразвуковой машинной обработки детали и для измерения параметров ультразвуковой вибрации инструмента, в частности, предпочтительно, для идентификации изменения в материале и/или в заготовке во время обработки, может содержать: держатель инструмента для установки инструмента, ультразвуковой преобразователь (ультразвуковой генератор) в держателе инструмента для создания ультразвуковой вибрации инструмента, устройство датчика в держателе инструмента для формирования сигнала датчика на основе ультразвуковой вибрации инструмента и устройство оценки сигнала датчика для оценки сигнала датчика. Устройство оценки может быть выполнено с возможностью осуществления изменения в материале обрабатываемой детали во время обработки в соответствии с любым из описанных выше вариантов на основе оценки сигнала датчика.
Например, ультразвуковой преобразователь (ультразвуковой генератор) может быть выполнен в виде одного или более пьезоэлементов, также действующих в качестве устройства датчика.
Таким образом, обеспечивается устройство, посредством которого может создаваться ультразвуковая вибрация инструмента и параллельно этому может выполняться прямое измерение параметров ультразвуковой вибрации вибрационного инструмента, в частности, предпочтительно, для идентификации изменения в материале и/или обрабатываемой детали во время обработки. Может быть сформирован электрический сигнал датчика в один или более моментов времени, позволяющий получить прямой результат в отношении механической вибрации. Сигнал датчика может формироваться в один или более моментов времени или в пределах периода времени в процессе обработки и может, таким образом, обновляться в любое время. Благодаря этому, можно контролировать вибрацию и/или обнаруживать изменения в параметрах вибрации, такие как снижение амплитуды вибрации или изменение резонансной частоты, что, в частности, предпочтительно для идентификации изменения в материале и/или в обрабатываемой детали во время обработки.
Устройство датчика предпочтительно содержит один или более элементов пьезоэлектрических датчиков и сигнал датчика, предпочтительно, является электрическим напряжением, вызванным ультразвуковой вибрацией инструмента.
Предпочтительно, чтобы держатель инструмента мог вращаться и устройство имело передающий элемент, соединенный с устройством датчика в держателе инструмента, и приемный элемент, расположенный на удалении от передающего элемента для бесконтактной передачи сигнала датчика от передающего элемента к приемному элементу.
Приемный элемент здесь может быть расположен, например, снаружи держателя инструмента в неподвижной части металлорежущего станка с устройством согласно изобретению. Сигнал датчика может выводиться из держателя вращающегося инструмента с целью оценки приемным элементом на стороне станка, который находится на удалении от передающего элемента.
Предпочтительно, устройство датчика имеет изолирующий элемент для электрической изоляции от ультразвукового преобразователя и устройство имеет устройство преобразования энергии для передачи энергии держателю инструмента, чтобы снабжать ультразвуковой преобразователь энергией, причем устройство преобразования энергии электрически изолируется от передающего элемента и от приемного элемента.
Благодаря электрической развязке между устройством датчика и путем прохождения сигнала датчика в держателе инструмента и приводом ультразвуковой вибрации и его источником энергии, вибрация инструмента обнаруживается таким образом, что она полностью независима от формирования вибрации инструмента, с тем, чтобы предотвратить ложное срабатывание сигнала датчика.
Передающий элемент и приемный элемент предпочтительно выполнены с возможностью индуктивной передачи сигнала датчика от передающего элемента к приемному элементу.
Эта форма бесконтактной передачи обладает тем преимуществом, что не требует ни дополнительной схемы, ни дополнительного источника энергии или адаптера электропитания для вывода сигнала датчика из держателя инструмента, поскольку индуктивная передача не требует никакой дополнительной энергии.
Передающий элемент и приемный элемент предпочтительно образуют первый преобразователь, в котором передающий элемент имеет первый ферритовый сердечник и первичную обмотку первого трансформатора, а приемный элемент имеет второй ферритовый сердечник и вторичную обмотку первого трансформатора и устройство передачи энергии изготавливается как второй трансформатор с первичной обмоткой второго трансформатора и вторичной обмоткой второго трансформатора, причем первый трансформатор и второй трансформатор расположены таким образом, что сигнал датчика передается от первичной обмотки первого трансформатора во вторичную обмотку первого трансформатора, по существу, в вертикальном направлении относительно направления передачи энергии для подачи энергии для питания ультразвукового преобразователя от первичной обмотки второго трансформатора ко вторичной обмотке второго трансформатора.
Преимущество заключается в том, что соответствующие магнитные поля двух трансформаторов выравниваются по вертикали относительно друг друга, так, чтобы подача питания и передача сигнала мало влияли друг на друга.
Альтернативно, передающий элемент и приемный элемент выполнены с возможностью оптической передачи сигнала датчика от передающего элемента к приемному элементу.
Металлорежущий станок согласно изобретению, для машинной обработки детали содержит устройство согласно изобретению, и корпус, в котором расположены как стационарная часть устройства передачи энергии, которое содержит первичную обмотку второго трансформатора и первый броневой сердечник второго трансформатора, так и приемный элемент.
Следовательно, сигнал датчика может направляться в стационарную часть металлорежущего станка, где он может быть оценен.
Способ измерения параметров ультразвуковой вибрации инструмента для ультразвуковой машинной обработки детали, в частности, предпочтительно, для идентификации изменения в материале и/или в обрабатываемой детали во время обработки предпочтительно содержит этапы, на которых: устанавливают инструмент, помещенный в держатель инструмента с ультразвуковой вибрацией; формируют сигнал датчика на основе ультразвуковой вибрации инструмента посредством устройства датчика, расположенного в держателе инструмента; передают сигнал датчика от устройства датчика к передающему элементу, соединенному с устройством датчика, расположенным в держателе инструмента; передают сигнал датчика от передающего элемента к приемному элементу, пространственно удаленному от передающего элемента; передают сигнал датчика от приемного элемента к устройству оценки сигнала датчика; оценивают сигнал датчика в устройстве оценки сигнала датчика для определения параметра ультразвуковой вибрации инструмента, в частности, предпочтительно, для идентификации изменения в материале и/или обрабатываемой заготовке во время обработки.
Таким образом, формируется электрический сигнал датчика, позволяющий получать прямой результат в отношении механической вибрации, в частности, предпочтительно, для идентификации изменения в материале и/или заготовки во время обработки. Сигнал датчика может формироваться в один или более моментов времени или в периоде времени во время обработки. Параметры ультразвуковой вибрации могут постоянно обновляться и изменения в вибрации могут обнаруживаться непрерывно, в частности, предпочтительно, для идентификации изменения в материале и/или в обрабатываемой детали во время обработки.
Когда сигнал датчика оценен, частота ультразвуковой вибрации инструмента предпочтительно определяется по частоте сигнала датчика и/или амплитуда ультразвуковой вибрации инструмента оценивается по амплитуде сигнала датчика.
Таким образом, изменения резонансной частоты в вибрационной системе и/или уменьшение амплитуды могут быть определены простым способом, исходя из сигнала датчика, в частности, предпочтительно, для идентификации изменения в материале и/или обрабатываемой детали во время обработки. На основе сравнения между частотой излучения и текущей резонансной частотой вибрационная система может, таким образом, настраиваться в резонанс, если это предпочтительно для операции обработки.
Дополнительные варианты и преимущества, а также преимущества и более конкретные конструктивные возможности представленных выше вариантов и признаков описываются в последующих описаниях и объяснениях со ссылкой на приложенные чертежи, которые, однако, никоим образом не должны рассматриваться как ограничение.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид в разрезе держателя инструмента, который может использоваться в вариантах осуществления способа согласно изобретению;
Фиг. 2A - схематичное представление обработки многослойной детали согласно изобретению с соответствующими сигналами датчика ультразвукового генератора, причем инструмент обрабатывает деталь в области материала A;
Фиг. 2B - схематичное представление обработки многослойной детали согласно изобретению с соответствующими сигналами датчика ультразвукового генератора, где инструмент обрабатывает деталь в области материала B;
Фиг. 3 - блок-схема последовательности выполнения операций варианта осуществления способа согласно изобретению; и
Фиг. 4 - схематичное представление варианта осуществления металлорежущего станка согласно изобретению.
Подробное описание чертежей и предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения
Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения ниже описываются подробно со ссылкой на приложенные чертежи. Одни и те же или схожие элементы могут обозначаться на чертежах одной и той же ссылочной позицией, но иногда и разными ссылочными позициями.
Следует заметить, что настоящее изобретения, однако, никоим образом не лимитируется и не ограничивается описанными ниже вариантами осуществления и их конструктивными признаками, а дополнительно содержит модификации вариантов осуществления, в частности, те, которые образуются модификациями признаков описанных примеров или комбинацией одного или нескольких признаков описанных примеров в рамках объема защиты независимых пунктов формулы изобретения.
На фиг. 1 показана примерная структура держателя 10 инструмента, которая может использоваться в способе согласно изобретению.
Участок 11 установки инструмента для установки инструмента 90 (не показан на фиг. 1; см. фиг. 4) расположен на одном конце держателя 10 инструмента. Множество, например, шесть, перфорированных дискообразных первых пьезоэлементов 21 располагаются в держателе 10 инструмента, например, в виде штабелей, соединяются с участком 11 приема инструмента, например, через участок 12 передачи, и образуют, например, ультразвуковой преобразователь 20 (ультразвуковой генератор) для преобразования электрического напряжения в механическую вибрацию (например, на частоте, лежащей в ультразвуковом диапазоне).
В качестве примера, механическая вибрация первых пьезоэлементов 21 передается на инструмент через участок 12 передачи. Первые пьезоэлементы 21 могут быть изготовлены в виде пьезокерамических дисков, установленных между электродами.
Энергия ультразвукового преобразователя 20 подается, например, через трансформатор (первый трансформатор), который находится на стороне станка, состоящий, например, из первого броневого сердечника 31 и первичной обмотки 32 (не показаны на фиг. 1; смотрите фиг. 4), на сторону инструмента, состоящую, например, из второго броневого сердечника 33 и вторичной обмотки 34, которые располагаются, например, в виде угловых элементов по окружности внешней стороны держателя 10 инструмента.
Например, перфорированный дискообразный пьезоэлектрический элемент 40 датчика располагается на стороне штабеля, содержащей первые пьезоэлементы 21, причем упомянутая сторона обращена от участка 11 установки инструмента. Элемент датчика содержит, например, пьезоэлемент 41 и два контакта 42 и связывается, например, механически, с первыми пьезоэлементами 21, но изолируется электрически от первых пьезоэлементов 21 посредством изолирующего элемента 43, который может состоять из керамического диска с перфорированными отверстиями. Посредством другого изолирующего элемента 43, пьезоэлектрический датчик 40, например, электрически изолируется от крепежного элемента 13, например, крепежной гайки.
Крепежный элемент 13 служит для крепления элемента 40 пьезоэлектрического датчика к ультразвуковому преобразователю 20 и для создания смещения первых пьезоэлементов 21 за счет динамической нагрузки.
Первые пьезоэлементы 21 и элемент 40 пьезоэлектрического датчика имеют одну и ту же ориентацию, чтобы, с одной стороны, позволить формирование и обнаружение вибрации в одном и том же направлении, а с другой стороны, чтобы добиться пространственно экономичного расположения элементов в держателе 10 инструмента.
Элемент 40 пьезоэлектрического датчика преобразует механические вибрации вибрационной системы, содержащей инструмент 90, участок 12 передачи, ультразвуковой генератор 20 и элемент 40 пьезоэлектрического датчика, в сигнал датчика, который, например, передается в виде электрического напряжения через проводное соединение 50 от элемента 40 пьезоэлектрического датчика через держатель 10 инструмента к передающему элементу 61 и 62, расположенному на внешней стороне держателя 10 инструмента.
Сигнал датчика передается, например, бесконтактным способом, от передающего элемента 61 и 62 к приемному элементу 81 и 82 (не показан на фиг. 1; смотрите фиг. 4) на стороне станка.
Передающий элемент 61 и 62 является частью дополнительного трансформатора (второго трансформатора) и состоит, например, из первого ферритового стержня 61 и первичной обмотки 62; приемный элемент 81 и 82 также является частью второго трансформатора и состоит из второго ферритового стержня 81 и вторичной обмотки 82.
Поэтому, сигнал датчика может передаваться индуктивно от держателя 10 инструмента к устройству оценки сигнала датчика на стороне станка.
Альтернативно, возможна также оптическая передача, при которой передающий элемент 61 и 62 является светодиодом (LED) и приемный элемент 81 и 82 является фотодиодом. Передающему элементу 61 и 62 могут быть приданы нужные размеры и он может располагаться таким образом, чтобы устанавливаться в канал 70 для чипа данных, передавая данные в соответствии со стандартом DIN 69893. Держатель 10 инструмента может вращаться относительно неподвижной части металлорежущего станка 1000 (не показан на фиг. 1; смотрите фиг. 4).
На фиг. 2A схематично показана операция обработки машинного инструмента 90 для ультразвуковой обработки детали WS, состоящей из множества слоев различных материалов (материал A и материал B).
Диаграмма рядом с ним показывает соответствующие сигналы датчика (амплитуда, частота, мощность) пьезоэлементов 21, причем на диаграмме показана разница между системой, которая может вибрировать свободно (то есть, без демпфирования), и демпфируемой вибрационной системой, при вхождении в материал A.
При вхождении в материал А, вибрационная система должна снабжаться большей мощностью, чтобы создавать постоянную амплитуду. Однако, в то же время, резонансная частота вибрационной системы меняется в направлении более низкой частоты, поскольку она демпфируется материалом A.
На фиг. 2B схематично показан процесс обработки после продвижения обрабатывающего инструмента 90 во второй материал B для ультразвуковой обработки. В этом процессе сигналы датчика пьезоэлементов 21 изменяются, как показано на диаграмме рядом.
На основе измененных сигналов датчика, можно, для начала, идентифицировать изменение в материале обрабатываемой детали, а также предпочтительно возможно регулировать соответствующие параметры обработки, такие как скорость, скорость резания и/или подача, а также параметры вибрации, такие как параметры возбуждающих сигналов, подаваемых на пьезоэлементы 21, основываясь на обнаруженных сигналах датчика и/или на идентификации изменения материала.
На фиг. 3 показана блок-схема последовательности выполнения операций варианта осуществления способа согласно изобретению. Здесь, инструмент 90 управляется на основе параметров обработки, заданных на начальном этапе S2. На следующем этапе (S3) ультразвуковая вибрация инструмента 90 формируется пьезоэлементами 21, причем сигналы элементов 40 пьезоэлектрического датчика, такие как амплитуда, частота и мощность, обнаруживаются одновременно (этап S4).
На следующем этапе S5 обнаруженные сигналы датчика оцениваются первый раз. Здесь проверяется, например, являются ли обнаруженные сигналы, по существу, постоянными (в области сигнального шума). Если это не так, то временное изменение t соответствующего сигнала датчика обнаруживается на этапе S6, то есть, насколько быстро изменяется сигнал и одновременно обнаруживается изменение y значения соответствующего сигнала датчика, то есть, насколько сильно или в какой степени изменяется соответствующий сигнал.
Эти обнаруженные значения затем сравниваются на последующих двух этапах S7 и S8 с заданными предельными значениями tgrenz и ygrenz, чтобы посредством этого сравнения иметь возможность определить, существует ли изменение в материале.
На этапе S7 для этой цели временное изменение t первоначально сравнивается с заданным пороговым значением tgrenz.
Если определенное временное изменение t лежит ниже заданного предельного значения tgenz, сравнение проводится на следующем этапе S8 в отношении того, насколько сильно изменилось значение y. С этой целью, обнаруженное изменение y значения сравнивается с заданным предельным значением ygrenz. Если желаемое изменение y значения превышает заданное пороговое значение ygrenz, обнаруженные сигналы датчика указывают на изменение в материале обрабатываемой детали WS.
Приведенное выше описание может относиться, например, к тому факту, что обнаруженные значения содержат частоту вибрации, сформированной на держателе инструмента, и/или обнаруженную мощность ультразвукового преобразователя 20.
На этой основе, заданные параметры обработки регулируются на этапе S9. Это может содержать в себе регулировку или изменение скорости подачи инструмента и/или регулировку или изменение скорости резания или скорости вращения инструмента во время обработки детали.
Параметры могут здесь регулироваться следующим образом: обнаружив сигналы датчика элементов 40 пьезоэлектрического датчика, они сравниваются, например, с наборами данных, содержащими уже обнаруженные сигналы датчиков соответственно известных материалов.
Эти наборы данных могут содержать резонансные частоты, например, комбинации "инструмент-материал", демпфирующую способность материала и являются характеристикой каждого известного материала (своего рода характерным признаком). Если совпадение определено, текущий материал идентифицируется и параметры обработки на этой основе могут регулироваться под соответствующий материал.
Однако, если существует неизвестный материал, тип соответствующего материала и/или степень твердости и способность демпфирования этого материала могут оцениваться на основе обнаруженных сигналов датчика и параметры обработки могут регулироваться на этой основе. Поэтому, например, имеется возможность классификации материалов.
В случае обрабатываемых деталей, имеющих известные составы материалов, также возможно, что различные параметры обработки или наборы параметров обработки уже заранее определены для различных материалов или слоев материалов обрабатываемой заготовки и когда в положении острого конца инструмента идентифицируется изменение материала обрабатываемой детали, параметры обработки регулируются согласно операции обработки, соответствующей заданным другим параметрам обработки или наборам параметров обработки.
Однако, если на этапе S8 определено, что изменение y значения соответствующего сигнала датчика не превысило заданное предельное значение ygrenz, способ продолжается с не измененными параметрами обработки.
На фиг. 4 схематично показано устройство согласно изобретению посредством которого может выполняться способ согласно изобретению.
Устройство может быть частью металлорежущего станка 1000. На чертеже показаны держатель 10 инструмента, имеющий элемент 40 пьезоэлектрического датчика, причем конструкция держателя соответствует, например, держателю 10 инструмента, показанному на фиг. 1. Инструмент 90 устанавливается в держатель 10 инструмента для ультразвуковой механической обработки детали.
Выходной рабочий сигнал А1 генератора 120 подается в качестве возбуждающего сигнала пьезоэлементов в держатель 10 инструмента. Рабочий сигнал А1 имеет рабочую частоту f1 и передается на вращающийся держатель 10 инструмента бесконтактным способом с мощностью P1 через устройство 30 генерации энергии, изготовленное в виде трансформатора, состоящего из первичной обмотки 32 плюс первый броневой сердечник 31 и вторичной обмотки 34 плюс второй броневой сердечник 33. Дополнительно, на выходе генератора 120 присутствует выходной тестовый сигнал At с мощностью Pt<P1, который накладывается на рабочий сигнал A1, частота которого варьируется в диапазоне f1.
За счет сигналов A1 и At вибрационная система в держателе 10 инструмента возбуждается для вибрации, причем спектр частот упомянутой вибрации, по существу, имеет две частоты.
За счет вибрации вибрационной системы элемент 40 пьезоэлектрического датчика также вибрирует таким же образом и, тем самым, создает сигнал А2 электрического датчика, содержащий информацию о спектре частот вибрации.
Сигнал А2 датчика считывается бесконтактным способом, например, посредством другого трансформатора, который состоит из первичной обмотки 62 плюс первый ферритовый стержень 61 и вторичной обмотки 82 плюс второй ферритовый стержень 81, из устройства 130 считывания вращающегося держателя 10 инструмента и передается на устройство 140а анализа.
Устройство 140а анализа идентифицирует частоты, содержащиеся в частотном спектре А2, и в связи с этим, частота максимального пика спектра (основная частота) может ассоциироваться с рабочей частотой f1 в устройстве 140b для определения резонансной частоты, которое может быть реализовано как часть устройства 140а анализа, а частота меньшего пика в спектре (дополнительная частота) может ассоциироваться с резонансной частотой f2. Устройство 130 считывания, устройство 140а анализа и устройство 140b для определения резонансной частоты могут также объединяться в два устройства или реализовываться как единое устройство.
Значение определенной резонансной частоты f2 передается первому устройству 150 управления, которое управляет генератором 120 таким образом, что частота f1 рабочего сигнала А1 настраивается на значение резонансной частоты f2.
Альтернативно или дополнительно, значение определенной резонансной частоты f2 может передаваться на второе устройство 160 управления, которое управляет генератором 120 таким образом, что мощность P1, с которой излучается рабочий сигнал А1 на держатель 10 инструмента, увеличивается до мощности P1', с тем, чтобы амплитуда механической вибрации была достигнута даже в случае, когда f1≠f2, причем упомянутая амплитуда должна достигаться в качестве максимальной амплитуды при возбуждении на резонансной частоте f2.
Таким способом возможно стабилизировать амплитуду механической вибрации острого конца инструмента на определенном значении, что оказывает положительное воздействие на точность при машинной обработке с помощью инструмента 90. Когда амплитуда вибрации стабилизирована на значении, которое является возможным максимумом в случае определенной мощности, эффективность обработки детали также возрастает.
Пользователь устройства может управлять первым устройством 150 управления и/или вторым устройством 160 управления через интерфейс 170 пользователя таким образом, что рабочий сигнал А1 регулируется только по команде пользователя или когда присутствует заданное условие. Пользователь может также определить, что рабочий сигнал А1 регулируется автоматически с регулярными или нерегулярными интервалами на основе последней определенной резонансной частоты f2.
Генератор 120, устройство 130 считывания (или устройство обнаружения), устройство 140а анализа и первое устройство 150 управления могут объединяться в устройство 200 для вывода выходных сигналов и приема входных сигналов, причем первый выходной сигнал этого устройства 200 соответствует рабочему сигналу А1, второй выходной сигнал соответствует тестовому сигналу At и входной сигнал соответствует сигналу А2 датчика.
В приведенном выше примере вибрация инструмента может управляться соответствующей резонансной частотой вибрационной системы. Если управляемая резонансная частота или результирующая мощность меняется, когда инструмент или острый конец инструмента располагается на границе двух материалов, в соответствии с вариантами осуществления изобретения это может использоваться, чтобы обнаруживать изменение в материале.
С другой стороны, это может быть идентификацией границы межу двумя слоями материалов в обрабатываемой детали. Однако, это может также быть границей между материалом обрабатываемой детали и неоднородностями, например, в случае вкраплений воздуха, полостей, каналов и т. д., в обрабатываемой детали или также и поверхностью обрабатываемой детали (граница воздуха с поверхностью обрабатываемой детали), что может использоваться, например, для обнаружения первого контакта с обрабатываемой деталью.
Примеры и варианты осуществления настоящего изобретения и их преимущества описаны подробно со ссылкой на приложенные чертежи.
Однако, снова следует заметить, что настоящее изобретение никоим образом не лимитируется или не ограничивается описанными выше вариантами осуществления и их конструктивными признаками, а только содержит модификации конструктивных признаков, в частности, тех, которые образуются модификациями признаков описанных примеров или комбинацией одного или нескольких признаков описанных примеров в рамках объема защиты независимых пунктов формулы изобретения.
1. Способ механической обработки обрабатываемой детали на металлорежущем станке с числовым программным управлением с помощью инструмента, содержащий этапы, на которых:
- управляют относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали для выполнения обработки детали,
- создают ультразвуковую вибрацию инструмента посредством ультразвукового генератора,
- обнаруживают по меньшей мере один сигнал датчика, выданный ультразвуковым генератором, и
- идентифицируют изменение в материале обрабатываемой детали во время управления относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали на основе по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором,
причем управление относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали выполняют на основе заданных параметров обработки, при этом
дополнительно осуществляют этапы, на которых:
- регулируют заданные параметры обработки, когда идентифицируют изменение в материале обрабатываемой детали на основе по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором, и
- управляют относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали на основе отрегулированных параметров обработки,
причем регулировка параметров обработки содержит по меньшей мере регулировку частоты и/или мощности ультразвукового генератора.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что
обрабатываемая деталь содержит по меньшей мере две области различных материалов, и
при этом переход в обрабатываемой детали от одной области материала к другой области материала обрабатываемой детали идентифицируют на этапе "идентификации изменения в материале обрабатываемой детали".
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что
обрабатываемая деталь содержит композитный материал, в частности, композитный материал, армированный углеродным волокном, и/или стекло, и/или керамический материал.
4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что
области материала являются слоями различных материалов или с различными характеристиками материалов.
5. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что области материала являются вкраплениями материала в обрабатываемую деталь.
6. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что области материала являются каналами и/или углублениями в обрабатываемой детали.
7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что контакт инструмента с поверхностью обрабатываемой детали идентифицируют на этапе "идентификации изменения в материале обрабатываемой детали".
8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что
временное изменение и изменение значения по меньшей мере одного параметра сигнала датчика ультразвукового генератора дополнительно обнаруживают одновременно на этапе "идентификации изменения в материале обрабатываемой детали".
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит этап, на котором:
- определяют, снижается ли временное изменение и изменение значения по меньшей мере одного сигнала датчика ультразвукового генератора соответственно ниже заданного времени модификации и одновременно превышает ли заданное значение модификации.
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что
заданные параметры обработки регулируют, когда временное изменение и изменение значения по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором, соответственно снижается ниже заданного времени модификации и одновременно превышает заданное значение модификации.
11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что
регулировка параметров обработки содержит по меньшей мере регулировку скорости и/или подачи относительного движения инструмента.
12. Способ по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что ультразвуковой генератор является системой с пьезоприводом.
13. Способ по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что
инструмент имеет по меньшей мере одну геометрически определенную режущую кромку или по меньшей мере одну геометрически не определенную режущую кромку.
14. Металлорежущий станок для механической обработки обрабатываемой детали посредством инструмента способом по любому из пп. 1-13, содержащий:
- блок управления для управления относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали для выполнения обработки детали,
- ультразвуковой генератор для формирования ультразвуковой вибрации инструмента и
- блок обнаружения для обнаружения по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором,и
- устройство, выполненное с возможностью использования на металлорежущем станке, которое содержит блок оценки для идентификации изменения в материале обрабатываемой детали во время управления относительным движением инструмента относительно обрабатываемой детали на основе по меньшей мере одного сигнала датчика, выданного ультразвуковым генератором.
15. Считываемый компьютером носитель хранения данных, содержащий сохраненную на нем компьютерную программу для побуждения блока управления металлорежущего станка с числовым программным управлением или компьютера, соединенного с блоком управления металлорежущего станка с числовым программным управлением, осуществлять способ по любому из пп. 1-13 на металлорежущем станке.
