特表 2025-500195 ワークピースを切削加工する装置および工作機械を制御する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-09

(54)【発明の名称】ワークピースを切削加工する装置および工作機械を制御する方法

(51)【国際特許分類】

   G06N 20/00 20190101AFI20241226BHJP

   B23G 1/02 20060101ALI20241226BHJP

   B23Q 17/24 20060101ALI20241226BHJP

   B23Q 17/12 20060101ALI20241226BHJP

   B23Q 17/09 20060101ALI20241226BHJP

   B23Q 17/20 20060101ALI20241226BHJP

   G05B 19/4155 20060101ALI20241226BHJP

【ＦＩ】

G06N20/00

B23G1/02 A

B23Q17/24 C

B23Q17/12

B23Q17/09 H

B23Q17/20 A

G05B19/4155 V

【審査請求】有

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2024535442

(86)(22)【出願日】2022-12-07

(85)【翻訳文提出日】2024-06-13

(86)【国際出願番号】 EP2022084769

(87)【国際公開番号】W WO2023110576

(87)【国際公開日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】102021214320.2

(32)【優先日】2021-12-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390035426

【氏名又は名称】エス・エム・エス・グループ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ヘルゲ デーンデル

(72)【発明者】

【氏名】ヨヘン シュミッツ

(72)【発明者】

【氏名】ティム キュパース

【テーマコード（参考）】

3C029

3C269

【Ｆターム（参考）】

3C029AA01

3C029AA40

3C029BB03

3C029BB10

3C029CC03

3C029CC05

3C029CC07

3C029CC10

3C269AB06

3C269BB11

3C269JJ20

3C269MN29

3C269MN40

3C269MN44

3C269MN47

(57)【要約】

本発明は、ワークピースを切削加工する装置、特に、金属管（３）の端部にねじ山を製造するねじ山切削装置（１）であって、ワークピースを切削加工する少なくとも１つの工作機械（２）と、工作機械（２）への制御命令を変換する少なくとも１つの制御装置（６）と、少なくとも１つの上位のプロセス制御部（５）と、加工されたワークピースを光学的にもしくは触覚的に測定する少なくとも１つの装置と、加工プロセスデータを検出および記憶する手段と、ワークピースを測定する際に検出されたワークピースの幾何学形状データを検出および記憶する手段とを備え、上位のプロセス制御部（５）が、幾何学形状データとプロセスデータとの相関を記憶する少なくとも１つの相関データベースと、工作機械（２）のための開ループ制御措置および／または閉ループ制御介入を導出する予測モジュール（１５）とを含み、予測モジュール（１５）は、機械学習法および／またはエキスパートシステムをベースとしており、かつ工作機械（２）の制御装置に結合されている、装置（１）に関する。本発明はさらに、工作機械を制御する方法に関する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークピースを切削加工する装置、特に、金属管（３）の端部にねじ山を製造するねじ山切削装置（１）であって、
前記ワークピースを切削加工する少なくとも１つの工作機械（２）と、
前記工作機械（２）への制御命令を変換する少なくとも１つの制御装置（６）と、
少なくとも１つの上位のプロセス制御部（５）と、
加工された前記ワークピースを光学的にもしくは触覚的に測定する少なくとも１つの装置と、
加工プロセスデータを検出および記憶する手段と、
前記ワークピースを測定する際に検出された前記ワークピースの幾何学形状データを検出および記憶する手段と
を備え、
前記上位のプロセス制御部（５）が、前記幾何学形状データと前記プロセスデータとの相関を記憶する少なくとも１つの相関データベースと、前記工作機械（２）のための開ループ制御措置および／または閉ループ制御介入を導出する予測モジュール（１５）とを含み、
前記予測モジュール（１５）は、機械学習法および／またはエキスパートシステムをベースとしており、かつ前記工作機械（２）の前記制御装置に結合されている、
装置（１）。

【請求項2】

前記工作機械（２）は、前記ワークピースを加工する際のプロセスデータを検出する複数のセンサ（１４）を含み、
前記センサ（１４）は、
前記工作機械（２）の駆動部のモータデータを検出するセンサ、
前記工作機械（２）の機械フレームでの振動を測定するセンサ、
前記工作機械（２）のワークピース収容部および／または工具収容部における振動および／または力を測定するセンサ、
前記工作機械（２）の主スピンドルおよび／または送りスピンドルおよび／または工具スピンドルの送り速度および／または送り力を測定するセンサ、
を含むセンサ群から選択されている、請求項１記載の装置。

【請求項3】

前記装置（１）が、少なくとも、プロセスラインに相前後して配置された加工ステーションおよび測定ステーション（７）を含んでおり、ここで、
前記加工ステーションは前記工作機械（２）を備え、前記測定ステーション（７）は、金属管（３）として形成された前記ワークピースに切削されたねじ山を光学測定する少なくとも１つの装置を備えている、
請求項１または２記載の装置。

【請求項4】

光学測定手段として、少なくとも１つの光学測定区間を有する少なくとも１つの測定ヘッド（１０）が設けられており、前記測定ヘッド（１０）はマニピュレータに配置されており、前記マニピュレータは、前記ワークピースの測定のために前記測定ヘッド（１０）を前記ワークピースに対して相対的に運動させるように構成されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。

【請求項5】

特定の切削幾何学形状を有する少なくとも１つの工具を用いてワークピースを切削加工する工作機械（２）を制御する方法、特に、金属管（３）にねじ山を製造する工作機械（２）を制御する方法であって、
・加工プロセスデータを上位のプロセス制御部（５）において検出および記憶することと、
・加工過程に続いて、ワークピースの幾何学形状データを光学的にかつ／または触覚的に検出および記憶することと、
・前記工作機械のプロセスデータと前記ワークピースの幾何学形状データとを相関させ、相関データを前記プロセス制御部（５）の相関データベースに記憶することと、
・前記工作機械（２）を制御するための開ループ制御命令および／または閉ループ制御介入を導出すべく、予測モデルに前記相関データを供給することと
を含む、方法。

【請求項6】

前記工作機械のプロセスデータが、それぞれワークピースおよび工具の相互の位置データに関して、前記工作機械（２）の動作中に連続的にまたは不連続的に検出される、請求項５記載の方法。

【請求項7】

前記予測モデルは、機械学習法および／またはエキスパートシステムをベースとしており、特に、人工ニューラルネットワーク、人工ディープニューラルネットワーク、決定木、決定木に基づくアンサンブル法、正則化を伴うもしくは伴わない線形のもしくは非線形の回帰モデル、線形のもしくは多項式のもしくは他のカーネル機能を有するサポートベクターマシンなどをベースとしている、請求項５または６記載の方法。

【請求項8】

前記プロセスデータが、前記加工の際に、前記工作機械（２）に設けられた複数のセンサ（１４）を使用して検出される、請求項５から７までのいずれか１項記載の方法。

【請求項9】

前記プロセスデータは、
前記工作機械（２）の駆動部のモータデータ、
前記工作機械（２）の機械フレームにおいて測定された振動、
前記工作機械（２）のワークピース収容部および／または工具収容部において測定された力および／または振動、
前記工作機械（２）の主スピンドルおよび／または送りスピンドルおよび／または工具スピンドルの送り速度および／または送り力、
を含むプロセスデータ群から選択される、請求項５から８までのいずれか１項記載の方法。

【請求項10】

前記ワークピースの実際幾何学形状データが測定されて、前記ワークピースの目標幾何学形状データと比較され、該比較から導出されたデータが測定されたプロセスデータと相関される、請求項５から９までのいずれか１項記載の方法。

【請求項11】

前記工作機械（２）の少なくとも幾つかの制御命令が、前記予測モデルによって生成された予測に依存して、前記プロセス制御部の予め定められた措置テーブルから導出される、請求項５から９までのいずれか１項記載の方法。

【請求項12】

少なくとも１つのＣＮＣ制御される工作機械（２）において金属管を切削加工することにより、少なくとも１つの金属管（３）の少なくとも一方の端部にねじ山を製造する方法であって、
該方法が、ねじ山切削過程中にねじ山の光学測定を行うことを含み、さらに、請求項５から１１までのいずれか１項記載の方法に従って前記工作機械（２）を制御することを含む、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ワークピースを切削加工する装置、特に金属管の端部にねじ山を製造するねじ山切削装置に関する。

【0002】

本発明はさらに、特定の切削幾何学形状を有する少なくとも１つの工具を用いてワークピースを切削加工する工作機械を制御する方法に関する。本発明は特に、金属管にねじ山を製造する工作機械を制御する方法に関する。

【0003】

本発明はさらに、少なくとも１つのＣＮＣ制御される工作機械において金属管を切削加工することにより、少なくとも１つの金属管の少なくとも一方の端部にねじ山を製造する方法に関する。

【0004】

圧力下にある流体、例えば天然ガスまたは石油を搬送するために用いられ、耐圧性を有し、気密かつ液密に相互にねじ締結される管のねじ山には、シール性への高い要求が課されている。このようなＯＣＴＧ管（ＯＣＴＧ＝Oil Country Tubular Goods）では、天然ガス探査ボーリング用もしくは石油探査ボーリング用のフィードパイプもしくはライザーパイプとして、または天然ガス用もしくは石油用の搬送管として、通常、アンダーカットされたねじ山フランジを備えた円錐状のねじ山が使用されている。こうしたねじ山には、通常、管の端面側でシールリップが接続している。ねじ山とシールリップとは双方とも最高度の精密性要求を満たさなければならない。従来技術においては、管の品質検査のためにねじ山を光学測定することが基本的に知られている。

【0005】

管の雄ねじ山プロフィルを光学測定する方法および装置は、例えば国際公開第２０１９／０９３７１号から公知である。ここでの装置は、測定すべき管の載置部と、光源およびその光路内に配置された雄ねじ山プロフィルの影像を撮影するカメラを含む少なくとも１つの測定装置を備えた光学測定ユニットとを含んでおり、ここで、光学測定ユニットは、３つの空間軸線を中心として旋回可能に保持された支持エレメント上に不動に配置されており、さらに、相互に交差する光路を有する少なくとも２つの測定装置を有している。ここでの方法は、空間軸線が測定ユニットの測定平面に対して横方向に延在しかつ雄ねじ山が光源と対応付けられたカメラとの間のビーム路内に配置されるように、測定すべき管を載置部上に配置することと、測定平面が空間軸線と直角を成すように測定ユニットを配向することと、少なくとも１つの測定装置のカメラを用いて雄ねじ山の影像を撮影することと、影像を評価することとを含んでいる。

【0006】

ねじ山を測定する別の装置は、例えば欧州特許第３４６５０７９号明細書から公知である。ここでの装置は、端部にねじ山が成形された管を取り外し可能に収容するホルダと、第１の光学センサを有する第１の光学測定区間とを含んでおり、ここで、第１の光学測定区間は、この第１の光学測定区間を管に対して相対的に運動させるように構成された装置のマニピュレータに取り付けられており、かつ第１の調整軸線を中心として、ねじ山のねじ山軸線に対して相対的に調整可能であり、マニピュレータには、第２の光学センサを有する装置の第２の光学測定区間が配置されており、これら第１の光学測定区間および第２の光学測定区間は、全体として、ねじ山の反対側から同時に測定を行うための測定チャネルを形成している。ここでの装置は特に、マニピュレータを用いて、少なくとも１つの第２の調整軸線を中心としてねじ山軸線に対して相対的に測定チャネルを傾倒させることができ、これにより、測定チャネルが所定の空間角度インターバル内で自由に配向可能であることを特徴としている。

【0007】

公知の装置および方法によって得られた測定データは、通常、ランダムサンプリングによって検出され、ここから、ねじ山を切削する工具の摩耗に関する知識を導出することができる。また、測定結果は、品質保証データを記録するためにも使用される。

【0008】

欧州特許出願公開第３３０６４２４号明細書からは、機械につき横断的にデータを利用する方法が公知であり、この方法では、複数のセンサによりそれぞれ異なる第１のデータフォーマットを有する複数の機械の動作データが検出され、ここで、データフォーマットはそれぞれ各センサに依存しており、少なくとも１つの抽象化モジュールによって、動作データが、統一された第２のデータフォーマットを有する抽象化データへと変換されて中央記憶装置に記憶され、この抽象化データにつき、少なくとも２つの機械の動作データに基づく分析が行われ、この分析に基づいて機械のうち一方の動作状態が評価され、抽象化データの分析が出力される。

【0009】

本発明の基礎とする課題は、品質検査からの測定データのフィードバックに関して改善された、ワークピースを切削加工する装置、特に、金属管の端部にねじ山を製造するねじ山切削装置を提供することである。

【0010】

本発明の基礎とする課題はさらに、加工されたワークピースの品質を完全に文書化および管理することのできる、ワークピースを切削加工する工作機械を制御する方法を提供することである。ここでの管理は特に間断なく行われることが望ましい。

【0011】

上記の本発明の基礎とする課題は、請求項１記載の特徴を有する装置を提供することによって、また請求項５記載の特徴を有する方法を提供することによって、解決される。本発明の有利な構成は各従属請求項から得られる。

【0012】

本発明の観点は、ワークピースを切削加工する装置、特に、金属管の端部にねじ山を製造するねじ山切削装置であって、ワークピースを切削加工する少なくとも１つの工作機械と、工作機械への制御命令を変換する少なくとも１つの制御装置と、少なくとも１つの上位のプロセス制御部と、加工されたワークピースを光学的にもしくは触覚的に測定する少なくとも１つの装置と、加工プロセスデータを検出および記憶する手段と、ワークピースを測定する際に検出されたワークピースの幾何学形状データを検出および記憶する手段とを備え、プロセス制御部が、幾何学形状データとプロセスデータとの相関を連続的に記憶する少なくとも１つの相関データベースと、工作機械のための開ループ制御措置および／または閉ループ制御介入を導出する予測モジュールとを含み、予測モジュールは、機械学習法および／またはエキスパートシステムをベースとしており、かつ工作機械の制御装置に結合されている、装置に関する。

【0013】

好適には、本発明による工作機械は、ＣＮＣ制御される工作機械として構成されている。加工されたワークピースを測定する装置は、好適には、ワークピースの光学測定装置として構成されている。本発明による装置は、好適には、自動での部品測定またはねじ山測定の結果が工作機械の予調整に使用されるように構成されている。予測モジュールを用いて、例えば工具の摩耗の進行を早期に識別することができ、これにより、例えば工具交換が早期に行われるように工作機械を制御するための制御命令の導出を行うことができる。

【0014】

本発明による装置の好ましい一変形形態では、工作機械は、ワークピースを加工する際のプロセスデータを検出する複数のセンサを含み、これらのセンサは、工作機械の駆動部のモータデータを検出するセンサ、工作機械の機械フレームでの振動を測定するセンサ、工作機械のワークピース収容部および／または工具収容部における振動および／または力を測定するセンサ、工作機械の主スピンドルおよび／または送りスピンドルおよび／または工具スピンドルの送り速度および／または送り力を測定するセンサ、を含むセンサ群から選択される。

【0015】

切削プロセス中に種々のセンサによってプロセスデータを完全に検出することで、連続した測定値変化および不連続な測定値変化の双方を検出することができ、これらの測定値変化を、例えば工具の摩耗、工具の破損もしくは部品における材料欠陥に関して評価することができる。本発明により設けられる、機械学習法をベースとした予測モジュールを用いて、装置の調整された動作状態をプロセス中に適時に識別することができ、よって相応に早期の介入が可能となる。これにより、特に、本発明を適用しない場合にプロセス中のランダムサンプリングによる管理に際して生じる材料の重大な欠陥が低減される。

【0016】

ワークピース収容部における力を測定するセンサは、例えばピエゾセンサまたはストレインゲージの形態で設けることができる。振動は、例えば超音波センサを用いて検出することができ、例えば早期に開始する工具摩耗を検出することができる。このようにして、例えば、工具の緊締面および解放面に生じる切削構造を識別することができる。当該切削構造がワークピースの幾何学形状データの変化を生じさせ、こうした幾何学形状データの変化を、本発明による装置を用いたプロセス中にオンラインで識別することができる。

【0017】

好適には、本発明による装置は、プロセスラインに相前後して配置された加工ステーションおよび測定ステーションを含んでおり、ここで、加工ステーションは工作機械を備え、測定ステーションは、金属管として形成されたワークピースに切削されたねじ山を光学測定する少なくとも１つの装置を備えている。

【0018】

装置は、好適には特にＯＣＴＧ管の雌ねじ山および雄ねじ山を切削するように構成されている。

【0019】

光学測定手段として、少なくとも１つの光学測定区間を有する少なくとも１つの測定ヘッドを設けることができ、測定ヘッドはマニピュレータに配置されており、マニピュレータは、ワークピースの測定のために測定ヘッドをワークピースに対して相対的に運動させるように構成されている。

【0020】

マニピュレータは、例えば、複数の自由度を有するジョイントアームを備えた産業用ロボットとして構成可能である。マニピュレータの自由端部には、測定ヘッドが、少なくとも３つの空間軸線において空間内で自由に配向可能であるように配置することができる。測定ヘッドは、支持体に配置され、支持体の箇所でこれに対して相対的に複数の自由度において調整可能であるようにガイドすることができる。測定ヘッドは、例えば支持体の線に対して相対的に移動可能であるように、かつ／または少なくとも１つの空間軸線を中心として傾動可能であるように構成することができる。

【0021】

本発明の意味における光学測定区間は、対象物を光学測定することのできる光学センサを備えた光学検出システムとすることができる。光学測定区間は、少なくとも１つの光源と、カメラおよび／または光スキャナセンサとを含むことができる。光学測定区間は、例えば、対物側の平行ビーム路を光学センサへと結像させるテレセントリック光学系を含むことができる。本方法の好ましい一変形形態では、アンダーカットされたねじ山フランジを備えた円錐状のねじ山を測定するように構成された少なくとも１つの測定ヘッドが使用される。このような測定ヘッドは、例えば、ねじ山を相互に反対の側から同時に測定するための測定チャネルを全体として形成する第１の光学測定区間および第２の光学測定区間を含むことができる。このような測定ヘッドは、例えば欧州特許第３４６５０７９号明細書に記載されている。

【0022】

本発明の別の本質的な観点は、特定の切削幾何学形状を有する少なくとも１つの工具を用いてワークピースを切削加工する工作機械を制御する方法、特に、金属管にねじ山を製造する工作機械を制御する方法であって、当該方法が、次の方法ステップ、すなわち、
・加工プロセスデータを上位のプロセス制御部において検出および記憶するステップと、
・加工過程に続いて、ワークピースの幾何学形状データを光学的にかつ／または触覚的に検出および記憶するステップと、
・工作機械のプロセスデータと工具の幾何学形状データとを相関させ、相関データをプロセス制御部の相関データベースに記憶するステップと、
・工作機械のプロセス制御のための開ループ制御命令および／または閉ループ制御介入を導出すべく、予測モデルまたは予測アルゴリズムに相関データを供給するステップと
を含む、方法に関する。

【0023】

ワークピースの幾何学形状データの位置に依存する評価、ならびに当該幾何学形状データと先行の切削プロセスもしくは加工プロセスにおいて位置に依存して測定されたプロセスデータとの相関により、本発明では相関データベースが構築され、この場合、当該相関データベースは、好適にはエキスパートシステム、人工知能またはファジーロジックを用いて、位置に依存して記録されたプロセスデータと部品における局所的特徴もしくは局所的欠陥を有する時間的に連続した変化もしくは不連続な変化との相関が評価される。予測モデルまたは予測アルゴリズムの学習フェーズの後、加工プロセス中に記録されたデータを直接に評価することによってワークピースもしくは切削されるねじ山の品質の予測を行うために、算定された相関を利用することができる。

【0024】

好ましくは、工作機械のプロセスデータが、それぞれワークピースおよび工具の相互の位置データに関して、工作機械の動作中に連続的にまたは不連続的に検出され、これにより、ワークピースの幾何学形状データと工作機械のプロセスデータとを相関させることができる。

【0025】

このようにすることで、ワークピースの品質の完全な文書化および管理が保証される。本方法は、加工されるワークピースの品質に関する直接の記述を予測し、エラーを回避するためまたは可能な限り後からの補正を行うために、オペレータへの操作要求および／または装置もしくは工作機械のための制御命令の導出を可能にする。これにより特に、状況に応じて生じるワークピースでの欠陥が低減または回避される。

【0026】

本方法の好ましい一変形形態では、予測モデルは機械学習法をベースとしており、特に、人工ニューラルネットワーク、人工ディープニューラルネットワーク、決定木、決定木に基づくアンサンブル法、正則化を伴うもしくは伴わない線形もしくは非線形の回帰モデル、線形のもしくは多項式のもしくは他のカーネル機能を有するサポートベクターマシンなどをベースとしている。

【0027】

本方法の一変形形態は、プロセスデータが、加工の際に、工作機械に設けられた複数のセンサを使用して検出されることを特徴とする。

【0028】

プロセスデータは、好適には、工作機械の駆動部のモータデータ、工作機械の機械フレームにおいて測定された振動、工作機械のワークピース収容部および／または工具収容部において測定された力および／または振動、工作機械の主スピンドルおよび／または送りスピンドルおよび／または工具スピンドルの送り速度および／または送り力、を含むプロセスデータ群から選択される。

【0029】

好適には、ワークピースの実際幾何学形状データが測定されて、ワークピースの目標幾何学形状データと比較され、この比較から導出されたデータが測定されたプロセスデータと相関される。

【0030】

工作機械の少なくとも幾つかの制御命令が、予測モデルによって生成された予測に依存して、上位のプロセス制御部に格納された予め定められた措置テーブルから導出されるように構成することができる。

【0031】

さらに、本発明は、少なくとも１つのＣＮＣ制御される工作機械において金属管を切削加工することにより、金属管の少なくとも一方の端部にねじ山を製造する方法であって、ねじ山切削過程中にねじ山の光学測定を行うことを含み、さらに、上述した方法に従って工作機械を制御することを含む、方法に関する。

【0032】

装置の工作機械または制御されるべき工作機械は、旋盤、旋削フライスセンタ、ねじ山切削機またはスリーブ切削機として構成可能である。

【0033】

工作機械は、金属管を締め付けるための回転可能な少なくとも１つのクランプチャックと、このクランプチャックに対して相対的に固定可能かつ位置決め可能な、少なくとも１つの工具を含む工具ホルダとを含むことができる。例えば、工作機械は、種々異なる多数の工具を備えた少なくとも１つの工具ホルダ、好適にはタレットヘッドとして形成された複数の工具ホルダを含むことができる。

【0034】

以下に、本発明を、実施例に基づいて、添付の図面を参照しながら説明する。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明によるねじ山切削装置のレイアウトを示す概略図である。

【図2】本発明によるねじ山切削装置の測定ステーションを概略的に示す斜視図である。

【図3】ねじ山測定の際の本発明による測定ヘッドを示す斜視図である。

【図4】ねじ山切削装置の閉ループ制御を示す概略図である。

【図5】本発明による方法を説明するフローチャートである。

【0036】

図１には、本発明によるねじ山切削装置１のレイアウトが示されている。ねじ山切削装置１は、例えば天然ガス生産ボーリング用もしくは石油生産ボーリング用のフィードパイプまたはライザーパイプとして形成可能な金属管３の一方の端部を切削加工する工作機械２を含む。このような金属管３は、相互にねじ締結されて、耐圧性を有する液密かつ気密の結合を、雄ねじ山４を有する差し込み端部と雌ねじ山を有するスリーブ端部との間に形成する。本方法は、このような金属管の雄ねじ山４および雌ねじ山の双方の製造に関する。なお、当該実施例は、雄ねじ山のためのねじ山切削過程に限定して説明する。

【0037】

金属管３には、工作機械２において、円錐状の雄ねじ山４が設けられる。このために、加工すべき金属管３は、まず、工作機械２の回転可能なクランプチャックにクランプされる。工作機械２は、ねじ山を製造するために、工具を備えた好適には２つの工具タレットを備えており、当該工具タレットはそれぞれ、クランプチャックによって回転される金属管３または所定の加工速度で回転される金属管３に対して相対的に配置され、この場合、工具はそれぞれ切削が可能となるように金属管の端部と係合されてガイドされる。ここで示すねじ山プロフィルとは、工作機械２の上位のプロセス制御部５に格納されている目標プロフィルである。

【0038】

本発明による方法は、プロセスラインにおける複数の金属管３の切削加工と、プロセスラインにおいて行われる金属管３の雄ねじ山４の光学測定とを含む。図１に示されている装置レイアウトから明らかなように、ＣＮＣ制御される工作機械２として形成された工作機械２の下流のプロセスラインには、測定ステーション７が配置されている。

【0039】

測定ステーション７は図２に概略的に示されている。当該測定ステーション７は、回転可能かつ旋回可能な、好適には５つの自由度を有するロボットアーム９を備え、このロボットアーム９の自由端部に測定ヘッド１０が配置された、ロボット８を含む。測定ヘッド１０は、雄ねじ山４を光学測定する光学測定手段が設けられた支持体１１を含む。金属管３は、ねじ山切削過程の後、ロールベッド１２を介して測定ステーション７へ供給され、定義された測定位置に置かれる。当該測定位置は、例えば図３に概略的に示されているように、中央に狭窄部を有するポジショニングローラ（ディアボロローラ）１３により定めることができ、このポジショニングローラ（ディアボロローラ）１３の狭窄部により、金属管３の位置が定められる。代替的に、測定すべき金属管３の位置を定める側方ストッパを設けることもできる。金属管３の測定位置において、測定ヘッド１０の支持体１１は、場合により金属管３の直径較正が行われた後に、測定ヘッド１０が金属管３に対して相対的に配向される測定位置へと走行される。

【0040】

測定ヘッド１０の直径較正は、金属管３が測定手段間に配置され、測定ヘッド１０が予配向の際に金属管３と衝突しないよう、測定ヘッド１０の測定手段を支持体１１に対して相対的に位置決めするために用いられる。このために、測定ステーション７には、基準部品として限界ゲージ１８が配置されており、この限界ゲージ１８に基づいて、測定ヘッド１０を測定過程の実行前に較正することができる。測定ヘッド１０を位置決めするまたは予配向するために、少なくとも１つの位置センサを例えばレーザースキャナセンサとして設けることができ、この位置センサにより、測定位置に置かれた金属管３に対して相対的な測定ヘッド１０の位置を検査し、場合により補正することができる。本方法は、ロボットアーム９を相応に駆動制御することによる測定ヘッド１０の予配向と、支持体１１に対して相対的な測定ヘッド１０の移動による測定ヘッド１０の配向微調整との双方を含むことができる。配向微調整は、金属管３の管軸線に対しての少なくとも１つの測定区間の配向を含む。

【0041】

既に上述したように、測定ヘッド１０は、支持体に対して相対的に直線状に走行可能であり、好適には少なくとも１つの軸線を中心として旋回可能である。直線状の移動は、例えば駆動される少なくとも１つのボールスピンドルによって、または少なくとも１つのラックアンドピニオンによって行うことができる。測定手段は、それぞれ測定ヘッド１０の脚部１９に配置されている。測定ヘッド１０の脚部１９は、相互に間隔を置いて直線状に移動可能である。測定ヘッド１０の脚部１９は、金属管３のＵ字状の包囲部を形成している。２つの脚部１９は、相互に独立して相互に相対的に移動可能に構成することができる。説明している実施例では、測定ヘッド１０の一方の脚部１９が位置固定されて配置されており、これに対して測定ヘッド１０の他方の脚部１９は測定ヘッド１０の対向する脚部１９に対して相対的に移動可能であるように設けられている。

【0042】

上位のプロセス制御部５では、測定ステーションからの実際測定データと構造からの目標幾何学形状データとの比較によって、雄ねじ山プロフィルの測定データの評価が行われ、さらに、特に目標プロフィルと測定データによって得られた実際プロフィルとの間に偏差が生じた場合に、工作機械２を制御するための制御命令が導出される。各目標プロフィルは、例えばプロセス制御部５のユーザインタフェース（ＨＭＩ）において、種々のねじ山タイプのカタログから任意に選択可能であってよい。

【0043】

制御命令は、例えば、工具位置の後調整、工具の選択、回転速度、工作機械２のクランプチャックおよび金属管３にもたらされるトルク、工具交換の実行、工作機械２のサイクル時間の変更などでありうる。

【0044】

既に上述したように、工作機械の閉ループ制御は、自己学習閉ループ制御（ＡＩ）および／またはエキスパートシステムによって支援される閉ループ制御として実行可能である。プロセス制御部５は、コンピュータ実装される予測モジュール１５を含み、当該予測モジュール１５は、雄ねじ山４の測定時に検出された幾何学形状データと工作機械２のセンサ１４によって検出された複数のプロセスデータとの相関が相互に相関される、相関データベースにアクセスする。ここでのセンサは、例えば、工作機械２の駆動部の電流消費量Ｉ（ｔ）、工作機械２のスピンドルおよび／または工具収容部の送り力Ｆ（ｔ）、工作機械２のスピンドルおよび／または工具収容部の送り速度ｖ（ｔ）、ならびに工作機械２のスピンドルの回転数ｎ（ｔ）を含む。ここでのプロセスデータは例として挙げているのみであり、本発明の枠組みにおいて他の多くのプロセスデータを検出することができる。

【0045】

工作機械２のプロセスデータは、それぞれ、雄ねじ山４および工具の相互の位置データに関して、工作機械２の動作中に連続的に検出される。測定された雄ねじ山の幾何学形状データと工作機械２の対応するプロセスデータとが相関される。プロセスデータの恒常的な変化または不連続な変化が、エキスパートシステムおよび／または自己学習閉ループ制御部により、検出された相関を考慮して評価される。設定されたアルゴリズムおよび／または学習されたアルゴリズムを用いて、予測モジュール１５から対応する制御命令および／または措置が導出され、これらの制御命令および／または措置がプロセス制御部５から制御装置６へ伝送される。

【0046】

管に関して算定された測定データは、本発明によれば、工作機械２へのフィードバック結合およびその制御のためだけでなく、品質データの保証および追跡のためにも使用される。

【0047】

本発明による方法では、好適には、プロセスラインにおける雄ねじ山４の光学測定を、ねじ山切削過程後の約３～４サイクルの時点で実行するように設定されている。

【符号の説明】

【0048】

１ ねじ山切削装置
２ 工作機械
３ 金属管
４ 雄ねじ山
５ プロセス制御部
６ 制御装置
７ 測定ステーション
８ ロボット
９ ロボットアーム
１０ 測定ヘッド
１１ 支持体
１２ ロールベッド
１３ ポジショニングローラ
１４ センサ
１５ 予測モジュール
１６ 設定なし
１７ 設定なし
１８ 限界ゲージ
１９ 脚部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-13

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークピースを切削加工する装置、特に、金属管（３）の端部にねじ山を製造するねじ山切削装置（１）であって、
前記ワークピースを切削加工する少なくとも１つの工作機械（２）と、
前記工作機械（２）への制御命令を変換する少なくとも１つの制御装置（６）と、
少なくとも１つの上位のプロセス制御部（５）と、
加工された前記ワークピースを光学的にもしくは触覚的に測定する少なくとも１つの装置と、
加工プロセスデータを検出および記憶する手段と、
前記ワークピースを測定する際に検出された前記ワークピースの幾何学形状データを検出および記憶する手段と
を備え、
前記上位のプロセス制御部（５）が、前記幾何学形状データと前記プロセスデータとの相関を記憶する少なくとも１つの相関データベースと、前記工作機械（２）のための開ループ制御措置および／または閉ループ制御介入を導出する予測モジュール（１５）とを含み、
前記予測モジュール（１５）は、機械学習法および／またはエキスパートシステムをベースとしており、かつ前記工作機械（２）の前記制御装置に結合されている、
装置（１）。

【請求項2】

前記工作機械（２）は、前記ワークピースを加工する際のプロセスデータを検出する複数のセンサ（１４）を含み、
前記センサ（１４）は、
前記工作機械（２）の駆動部のモータデータを検出するセンサ、
前記工作機械（２）の機械フレームでの振動を測定するセンサ、
前記工作機械（２）のワークピース収容部および／または工具収容部における振動および／または力を測定するセンサ、
前記工作機械（２）の主スピンドルおよび／または送りスピンドルおよび／または工具スピンドルの送り速度および／または送り力を測定するセンサ、
を含むセンサ群から選択されている、請求項１記載の装置。

【請求項3】

前記装置（１）が、少なくとも、プロセスラインに相前後して配置された加工ステーションおよび測定ステーション（７）を含んでおり、ここで、
前記加工ステーションは前記工作機械（２）を備え、前記測定ステーション（７）は、金属管（３）として形成された前記ワークピースに切削されたねじ山を光学測定する少なくとも１つの装置を備えている、
請求項１または２記載の装置。

【請求項4】

光学測定手段として、少なくとも１つの光学測定区間を有する少なくとも１つの測定ヘッド（１０）が設けられており、前記測定ヘッド（１０）はマニピュレータに配置されており、前記マニピュレータは、前記ワークピースの測定のために前記測定ヘッド（１０）を前記ワークピースに対して相対的に運動させるように構成されている、
請求項１または２記載の装置。

【請求項5】

特定の切削幾何学形状を有する少なくとも１つの工具を用いてワークピースを切削加工する工作機械（２）を制御する方法、特に、金属管（３）にねじ山を製造する工作機械（２）を制御する方法であって、
・加工プロセスデータを上位のプロセス制御部（５）において検出および記憶することと、
・加工過程に続いて、ワークピースの幾何学形状データを光学的にかつ／または触覚的に検出および記憶することと、
・前記工作機械のプロセスデータと前記ワークピースの幾何学形状データとを相関させ、相関データを前記プロセス制御部（５）の相関データベースに記憶することと、
・前記工作機械（２）を制御するための開ループ制御命令および／または閉ループ制御介入を導出すべく、予測モデルに前記相関データを供給することと
を含む、方法。

【請求項6】

前記工作機械のプロセスデータが、それぞれワークピースおよび工具の相互の位置データに関して、前記工作機械（２）の動作中に連続的にまたは不連続的に検出される、請求項５記載の方法。

【請求項7】

前記予測モデルは、機械学習法および／またはエキスパートシステムをベースとしており、特に、人工ニューラルネットワーク、人工ディープニューラルネットワーク、決定木、決定木に基づくアンサンブル法、正則化を伴うもしくは伴わない線形のもしくは非線形の回帰モデル、線形のもしくは多項式のもしくは他のカーネル機能を有するサポートベクターマシンなどをベースとしている、請求項５または６記載の方法。

【請求項8】

前記プロセスデータが、前記加工の際に、前記工作機械（２）に設けられた複数のセンサ（１４）を使用して検出される、請求項５または６記載の方法。

【請求項9】

前記プロセスデータは、
前記工作機械（２）の駆動部のモータデータ、
前記工作機械（２）の機械フレームにおいて測定された振動、
前記工作機械（２）のワークピース収容部および／または工具収容部において測定された力および／または振動、
前記工作機械（２）の主スピンドルおよび／または送りスピンドルおよび／または工具スピンドルの送り速度および／または送り力、
を含むプロセスデータ群から選択される、請求項５または６記載の方法。

【請求項10】

前記ワークピースの実際幾何学形状データが測定されて、前記ワークピースの目標幾何学形状データと比較され、該比較から導出されたデータが測定されたプロセスデータと相関される、請求項５または６記載の方法。

【請求項11】

前記工作機械（２）の少なくとも幾つかの制御命令が、前記予測モデルによって生成された予測に依存して、前記プロセス制御部の予め定められた措置テーブルから導出される、請求項５または６記載の方法。

【請求項12】

少なくとも１つのＣＮＣ制御される工作機械（２）において金属管を切削加工することにより、少なくとも１つの金属管（３）の少なくとも一方の端部にねじ山を製造する方法であって、
該方法が、ねじ山切削過程中にねじ山の光学測定を行うことを含み、さらに、請求項５または６記載の方法に従って前記工作機械（２）を制御することを含む、
方法。

【国際調査報告】