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8/12/2019 Us 8365642
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1 2 ) United S t a t e s PatentTravez e t a ] .
US008365642B2
US 8 , 3 6 5 , 6 4 2 B2F e b . 5 , 2 0 1 3
( 1 0 ) Patent N 0 . :( 4 5 ) Date o f P a t e n t :
( 5 4 )
( 7 5 )
( 7 3 )* )
( 2 1 )( 2 2 )( 6 5 )
( 6 3 )
( 5 1 )( 5 2 )( 5 8 )
CLOSED-LOOP CNC MACHINE SYSTEMANDMETHODI n v e n t o r s : J o e V . T r a v e z , F a l l s C h u r c h , VA U S ) ;John B i n e t t e , A l e x a n d r i a , VA U S ) ; J o s eM. T r a v e z , N o r t h P o t o m ac , MD U S ) ;Ben F e l d m a n , R e s t o n , VA U S ) ; D o nM c L a u g h l i n , A s h b u m , VA U S ) ; I t a l o
D . T r a v e z , A r l i n g t o n , VA U S )A s s i g n e e : P r o t o t y p e P r o d u c t i o n s , I n c . , A s h b u r n ,VA U S )N o t i c e : S u b j e c t t o a n y d i s c l a i m e r , t h e t e r m o f h i s
p a t e n t i s e x t e n d e d o r a d j u s t e d u n d e r 3 5USC 5 4 b ) b y 0 d a y s .A p p l . N 0 . : 1 3 / 3 7 2 , 2 6 6F i l e d : F e b . 1 3 , 2012
Prior P u b l i c a t i o n DataUS 012/0143368 A1 J u n . 7 , 2012
R e l a t e d US. p p l i c a t i o n DataC o n t i n u a t i o n o f a p p l i c a t i o n N o . 1 3 / 0 5 1 , 3 6 2 , ? l e d onM a r . 1 8 , 2 0 1 1 , noW P a t . No. 8 , 1 3 6 , 4 3 2 , Which i s ac o n t i n u a t i o n o f a p p l i c a t i o n N o . 1 1 / 4 5 0 , 4 4 4 , ? l e d onJ u n . 1 2 , 2 0 0 6 , noW a t . No. 7 , 9 3 0 , 9 5 7 .I n t . C l .B23Q 1 5 / 0 0 2 0 0 6 . 0 1 )B23Q 1 5 / 0 8 ( 2 0 0 6 . 0 1 )US. l. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82/ 1.11; 82/118Field of Classi?cation Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82/ 1.11,8 2 / 1 1 8 ; 7 0 0 / 1 5 9 , 1 6 0 ; 7 0 2 / 1 7 9 ; 4 8 3 / 1 1 ;4 5 1 / 9S e e a p p l i c a t i o n ? l e f o r c o m p l e t e s e a r c h h i s t o r y .
5 6 ) R e f e r e n c e s C i t e dU . S . PATENTDOCUMENTS
3 , 6 4 6 , 8 3 9 A 3 / 1 9 7 2 S h i l l a m4 , 2 1 2 , 1 3 5 A 7 / 1 9 8 0 Mirsch t a l .4,817,007 A * 3/1989 New . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700/1595,442,565 A * 8/1995 Galel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700/1605 , 6 6 6 , 2 0 2 A 9 / 1 9 9 7 K y r a Z i s5,816,122 A * 10/1998 Benning e t a l . . . . . . . . . . . . . . . . . 82/1.116,004,017 A * 12/1999 Madhavan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 0 /716 , 3 5 2 , 4 9 6 B1 3 / 2 0 0 2 O l d a n i6 , 5 1 9 , 8 6 0 B1 2 / 2 0 0 3 B i e g e t a l .6 , 8 0 4 , 5 7 5 B2 1 0 / 2 0 0 4 Sagawa t a 1 .6 , 8 4 5 , 3 4 0 B2 1 / 2 0 0 5 E d i e e t a 1 .6 , 9 6 1 , 6 3 7 B2 1 1 / 2 0 0 5 S c h e r e r7 , 0 5 6 , 0 7 2 B2 6 / 2 0 0 6 M i Z u t a n i e t a 1 .7 , 0 9 6 , 0 8 7 B2 8 / 2 0 0 6 Sagawa t a 1 .7 , 1 4 8 , 6 4 7 B2 1 2 / 2 0 0 6 Aoyama t a l .2003/0023341 A1 1 / 2 0 0 3 SagaWa t a l .
2008/0105094 A1 5 / 2 0 0 8 McMurtry t a l .OTHER PUBLICATIONS
I n t h e US a t e n t a n d Trademark Of?ce U . S . A p p l . N o . 1 1 / 4 5 0 , 4 4 4 ,N o n - F i n a l Of?ce A c t i o n d a te d A p r . 1 6 , 2 0 1 0 , 4 p a g e s ; and c o r r es p o n d i n g r e s p o n s e d a t e d O c t . 1 5 , 2 0 1 0 , 8 p a g e s .B a r t o W , Matthew e t a l . ; F i b e r Bragg r a t i n g S e n s o r s f o r DynamicM a c h i n i n g A p p l i c a t i o n s ; P r o c e e d i n g s o f h e S P I E , 2 0 0 3 ; 5 2 7 8 : 2 13 .I n t e r n a t i o n a l S e a r c h R e p o r t i n c o r r e s p o n d i n g a p p l i c a t i o n d a t e d D e c .4 , 2 0 0 7 , 1 1 p a g e s .* c i t e d by e x a m i n e rPrimary Examiner i l l F r i d i e , J r .7 4 ) A t t o r n e y , A g e n t , o r Firm* a t t o n Boggs LLP
( 5 7 ) ABSTRACTA l o s e d - l o o p f e e d b a c k s y s t e m a n d method f o r p e r f o r m i n g am a c h i n i n g o p e r a t i o n .A o o l s o p e r a t i o n a l p r o p e r t i e s a r e meas u r e d n r e a l - t i m e . The p e r a t i n g p a r a m e t e r s o f h e m a c h i n i n gp r o c e s s a r e a d j u s t e d i n r e a l - t i m e based o n h e measured prope r t i e s .
8 C l a i m s , 4 Drawing S h e e t s
W O R K P I E C E
/CUTTER
COMPUTER N U M E R I C A L L Y C O N T R O L L E D C N C ) M A C H I N E T O O L
MACHINE CONTROLC O M P U T E R . I N C L U D I N GUSER I N T E R F A C E ANDPROGRAM STORAGE
P O R T A B L E D I S P L A YD E V I C E , C E L L PHONE P D A ,T A B L E T P C
tA C T I V E TOOL CONTROLE L E C T R O N I C S FEEDBACKLOOP
MOTI ON CONTROLE L E C T R O N I C S , I N C L U D I N GA M P L I F I E R S A N D S E R V O S
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US. P a tent F e b . 5 , 2 0 1 3 S h e e t 1 o f 4 US , 3 6 5 , 6 4 2 B2
F I G . 1PRIORART
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US. P a tent F e b . 5 , 2 0 1 3 S h e e t 3 o f 4 US , 3 6 5 , 6 4 2 B2
FLC Bus Machine l / OFLC Functions
VCNC CNC D a t aBusM a z a t r o l < > l n t e r f a c e : CNC BUSl V l - 3 2 B o a r d
V vX - A x i s Y - A x i s Z - A x l s S p i n d l e
C o n t r o l l e r C o n t r o l l e r C o n t r o l l e r C o n t r o l l e r[1PC 4 8 6 A T - D I O - 9 6
F I G . 4PRIORART
F I G . 5PRIOR ART
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US. P a tent F e b . 5 , 2 0 1 3 S h e e t 4 o f 4 US , 3 6 5 , 6 4 2 B2
V
m m t o
V
m o w x m o
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US 8 , 3 6 5 , 6 4 2 B21
CLOSED-LOOP CNC MACHINE SYSTEMANDMETHOD
CROSS-REFERENCETO RELATEDAPPLICATIONS
T h i s A p p l i c a t i o n i s a C o n t i n u a t i o n o f US. a t e n t a p p l i c at i o n S e r . No. 1 3 / 0 5 1 , 3 6 2 , ? l e d o n M a r . 1 8 , 2 0 1 1 , Which s aC o n t i n u a t i o n o f US. a t e n t a p p l i c a t i o n S e r . N o . 1 1 / 4 5 0 , 4 4 4? l e d o n J u n . 1 2 , 2 0 0 6 .
BACKGROUNDOFTHEINVENTIONCNC r Computer Numerical C o n t r o l h a s been used i n
m a c h i n i n g o p e r a t i o n s f o r d e c a d e s t o a u t o m a t e m a c h i n i n go p e r a t i o n s t h a t p r e v i o u s l y W e r e p e r f o r m e d by a m a n u a lo p e r a t o r . Such p e r a t i o n s i n c l u d e moving t o o l o r W o r k p i e c ei n r e l a t i o n t o e a c h o t h e r i n t h r e e d i m e n s i o n a l s p a c e i n o r d e r t op e r f o r m a n o p e r a t i o n on t h e W o r k p i e c e . CNC rogrammingc o n s i s t s o f g e n e r a t i n g c o m p u t e r commands h a t a r e p a s s e d toa machine t o o l t h a t h a s a CNC c o n t r o l . T h e c o mman dsi n s t r u c t t h e c o n t r o l on What o o l p a t h s t h e machine o o l s h o u l dt a k e and e t s v a r i o u s machining c o n d i t i o n s s u c h a s t h e f e e d ,o r s p e e d t h e t o o l c u t s i n t o t h e W o r k p i e c e , a n d s p i n d l e s p e e d ,o r t h e s p e e d W i t h Which t h e t o o l r o t a t e s When c u t t i n g t h eW o r k p i e c e .ACNC achine s a c o m p u t e r - c o n t r o l l e d m a c h i n e , Whichemploys a s i m p l e s o f t W a r e l a n g u a g e t o c o n t r o l a mechanic a l l y c o m p l e x m a c h i n e u s i n g o p e n - a n d c l o s e d - l o o p c o n t r o lm e c h a n i s m s . CNC a c h i n i n g i s d i v i d e d i n t o tWo main t y p e so f m a c h i n i n g p r o c e s s e s : m i l l i n g a n d t u r n i n g . M i l l i n g i s p e rf o r m e d by a m i l l i n g m a c h i n e , a n d i n v o l v e s p o s i t i o n i n g an o n - r o t a t i n g W o r k p i e c e u n d e r n e a t h a s p i n d l e , Which e m o v e sm a t e r i a l u s i n g a s h a r p , r o t a t i n g c u t t e r , c a l l e d a n end m i l l .T u r n i n g i s p e r f o r m e d b y a l a t h e , a n d i n v o l v e s s p i n n i n g ar o u n d W o r k - p i e c e i n a m a c h i n e s p i n d l e a n d c u t t i n g t h e Workp i e c e u s i n g a n o n - r o t a t i n g t o o l b i t . A i c t u r e o f a t y p i c a l CNCL a t h e i s shoWn n F I G . 1 .
T h e p r i m a r y g o a l s o f a n y CNC u r n i n g o p e r a t i o n a r e q u a li t y a n d s p e e d . F i v e m a i n f a c t o r s i n ? u e n c e t h e q u a l i t y a n ds p e e d o f a t u r n i n g o p e r a t i o n : 1 ) R i g i d i t y o f c u t t i n g t o o l , 2 )S h a r p n e s s o f c u t t i n g t o o l , 3 ) H a r d n e s s o f W o r k - p i e c e , 4 )S p e e d o f W o r k - p i e c e r o t a t i o n ( s p i n d l e s p e e d ) , a n d 5 )Amount o f m a t e r i a l r e m o v e d f e e d r a t e ) .
T u r n i n g o p e r a t i o n s a r e d i v i d e d i n t o tWo b a s i c t y p e s : i n s i d et u r n i n g ( a l s o c a l l e d b o r i n g ) a n d o u t s i d e t u r n i n g . O u t s i d et u r n i n g c a n b e p e r f o r m e d u s i n g a v e r y r i g i d c u t t e r , b e c a u s et h e s i Z e o f t h e t o o l i s n o t r e s t r i c t e d by t h e d i a m e t e r o f t h eW o r k p i e c e . A i c t u r e o f o u t si d e t u r n i n g i s shoWn n F I G . 2 .I n s i d e t u r n i n g , on h e o t h e r h a n d , r e s t r i c t s t o o l g e o m e t r y , andt h e r e f o r e s t i f f n e s s , b e c a u s e t h e c u t t e r must be b l e t o ? t i n s i d et h e W o r k - p i e c e . A i c t u r e o f n s i d e t u r n i n g i s shoWn n F I G . 3 .
I n s i d e t u r n i n g c a n b e c h a l l e n g i n g t o o p t i m i Z e , b e c a u s e t h e?ve main f a c t o r s l i s t e d above a r e i n t e r - r e l a t e d and a c h i e v i n ga p r o d u c t i v e b a l a n c e o f t e n i n v o l v e s t r i a l and r r o r . A achini s t t y p i c a l l y a p p r o a c h e s a n i n s i d e t u r n i n g o p e r a t i o n W i t h 3 o u to f t h e 5 f a c t o r s d e ? n e d i n a d v a n c e . S h a r p n e s s o f c u t t i n g t o o l ,r i g i d i t y o f u t t i n g t o o l , a n d h a r d n e s s o f W o r k - p i e c e m a t e r i a la r e t y p i c a l l y de?ned d u r i n g t h e i n i t i a l s e t u p o f a t u r n i n go p e r a t i o n . T h e m a c h i n i s t o p t i m i Z e s t h e r e m a i n i n g 2 f a c t o r s ,s p e e d o f u t a n d f e e d a t e o f u t , by h a n g i n g s o f t W a r e parame t e r s i n t h e CNC r o g r a m . T h i s o p t i m i Z a t i o n i s o f t e n t h er e s u l t o f r i a l and r r o r : t h e m a c h i n i s t l o a d s a W o r k - p i e c e i n t ot h e machine and commands t h e machine t o e x e c u t e t h e CNCp r o g r a m . The m a c h i n i s t t h en removes t h e W o r k - p i e c e ande x a m i n e s i t s q u a l i t y . I f t h e q u a l i t y i s u n s a t i s f a c t o r y , t h e
20
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2machinist W i l l m a k e one o r more changes t o t h e CNC rog r a m , a n d r e p e a t t h e p r o c e s s u n t i l a q u a l i t y p a r t i s p r o d u c e d .CNC achines a r e a combination of echanical h a r d W a r e ,
c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m s , a n d c o m p u t e r s o f t W a r e . CNCm a c h i n e s a r e m e c h an i c a l l y c o m p l e x , a n d t h e v a r i e t y a n dr o b u s t n e s s o f p r o d u c t o f f e r i n g s r e p r e s e n t some o f t h e b e s tAmerican m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g . E v o l u t i o n o f m e c h a n i c a ld e s i g n h a s c o n t i n u e d s i n c e t h e i n d u s t r i a l r e v o l u t i o n . F o r t h emost a r t , t h e c o n t r o l s y s t e m s and s o f t W a r e e n g i n e e r i n g a r er e l a t i v e l y s i m p l i s t i c b y c o m p a r i s o n . W h i l e s o f t W a r e e n g in e e r i n g a n d c o m p u t e r s h a v e groWn e x p o n e n t i a l l y i n c o nsumer and s c i e n t i ? c m a r k e t s , i n d u s t r i a l c o n t r o l s f o r manufact u r i n g h a v e f a l l e n b e h i n d a n d s t i l l employ t h e same b a s i ca l g o r i t h m s d e v e l o p e d i n t h e 1 9 5 0 s a n d 6 0 s . A c c o r d i n g l yt h e r e r e m a i n s a need d r i v e t h e s t a t e - o f - t h e - a r t i f t h e UnitedS t a t e s i s t o r e m a i n c o m p e t i t i v e i n t h e W o r l d m a r k e t f o r i n d u st r i a l m a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o n . T h e r e f u r t h e r r e m a i n s a needf o r t h e e v o l u t i o n o f l o s e d - l o o p c o n t r o l s y s t e m s f o r m a n u f a ct u r i n g a u t o m a t i o n f o r i m p r o v e d p r o d u c t i v i t y . T h e p r e s e n ti n v e n t i o n ? l l s t h i s n e e d by p r o v i d i n g a method a n d s y s t e mt h a t p r o v i d e s r e a l - t i m e c o n t r o l o f h e m a c h i n i n g o p e r a t i o n b ym e a s u r i n g p r o p e r t i e s o f h e o o l i n r e a l - t i m e a n d a d j u s t i n g t h em a c h i n i n g p a r a m e t e r s i n r e a l - t i m e .
SUMMARYOFTHE INVENTIONO ne embodiment o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s a method f o r
p e r f o r m i n g a m a c h i n i n g o p e r a t i o n on a W o r k p i e c e . Themethod i n c l u d e s p r o v i d i n g a t o o l f o r p h y s i c a l l y r e m o v i n gm a t e r i a l f r o m h e W o r k p i e c e . An l g o r i t h m s p r o v i d e d e t t i n gt h e i n i t i a l o p e r a t i n g p a r a m e t e r s f o r t h e m a c h i n i n g o p e r a t i o n .At l e a s t o n e p h y s i c a l p r o p e r t y o f t h e t o o l i s m e a s u r e d i nr e a l - t i m e . The a l g o r i t h m i s a d j u s t e d i n r e a l - t i m e b a s e d on t h ea t l e a s t one measured h y s i c a l p r o p e r t y .
Another embodiment of h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s a c l o s e dl o o p f e e d b a c k CNC o n t r o l l e d i n s i d e t u r n i n g p r o c e s s p e rformed o n a W o r k p i e c e . The method i n c l u d e s p r o v i d i n g ab o r i n g a r . n n i t i a l CNC o d e s p r o v i d e d t h a t s e t s t h e i n i t i a ls p i n d l e s p e e d a n d f e e d r a t e f o r t h e t u r n i n g p r o c e s s . At l e a s to n e o f h e f o r c e on h e b o r i n g a r , t h e d e ? e c t i o n o f t h e b o r i n gb a r , a n d t h e v i b r a t i o n o f t h e b o r i n g b a r i s m e a s u r e d i n r e a lt i m e d u r i n g t h e i n s i d e t u r n i n g p r o c e s s . The CNC o d e i sa d j u s t e d i n r e a l - t i m e t o s e t a neW s p i n d l e s p e e d and f e e d r a t ebased o n t h e r e a l - t i m e measurement.
Another embodiment of h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s a c l o s e dl o o p f e e d b a c k c o n t r o l m a c h i n i n g s y s t e m . T h e s y s t e mi n c l u d e s a machine, a t o o l , a t l e a s t o ne s e n s o r , a t l e a s t o nes i g n a l a n a l y Z e r , and a t l e a s t o n e c o n t r o l l e r . The machinei n c l u d e s a W o r k p i e c e h o l d e r , a t o o l h o l d e r , a s p i n d l e d r i v es y s t e m a n d a f e e d d r i v e s y s t e m . The s p i n d l e d r i v e s y s t e mp r o v i d e s r e l a t i v e r o t a t i o n betWeen a W o r k p i e c e and t h e t o o l .The f e e d d r i v e s y s t e m p r o v i d e s r e l a t i v e t r a n s l a t i o n a l movement betWeen a Workpiece and t h e t o o l . The a t l e a s t ones e n s o r i s o p e r a t i v e l y a s s o c i a t e d With h e t o o l . The t l e a s t ones i g n a l c o n v e r t e r s o p e r a t i v e l y a s s o c i a t e d W i t h t h e a t l e a s t ones e n s o r . The t l e a s t o n e s i g n a l a n a l y Z e r i s o p e r a t i v e l y a s s o c ia t e d With t h e a t l e a s t one s i g n a l c o n v e r t e r . T h e at l e a s t onec o n t r o l l e r s o p e r a t i v e l y a s s o c i a t e d W i t h t h e a t l e a s t o n e s i g n a la n a l y Z e r a n d o p e r a t i v e l y a s s o c i a t e d W i t h t h e s p i n d l e d r i v esystem and t h e f e e d d r i v e s y s t e m . The a t l e a s t one s e n s o rr e c e i v e s a s i g n a l from t h e t o o l and t r a n s m i t s t h e s i g n a l t o t h ea t l e a s t one s i g n a l c o n v e r t e r . The a t l e a s t one s i g n a l c o n v e r t e rc o n v e r t s t h e r e c e i v e d s i g n a l t o a s e t o f i g i t a l p a r a m e t e r s andt r a n s m i t s t h e d i g i t a l p a r a m e t e r s t o t h e a t l e a s t o n e s i g n a la n a l y Z e r . The t l e a s t o n e s i g n a l a n a l y Z e r d e t e r m i n e s i n r e a lt i m e a t l e a s t one of h e f o r c e o n t h e t o o l , t h e d e ? e c t i o n of h et o o l , and t h e v i b r a t i o n of h e t o o l . The t l e a s t one c o n t r o l l e r
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a d j u s t s t h e power e x e r t e d by t l e a s t o n e o f t h e s p i n d l e d r i v es y s t e m and t h e f e e d d r i v e s y s t e m i n r e a l - t i m e b a s e d on t h er e a l - t i m e d e t e r m i n a t i o n s .
BRIEF DESCRIPTIONOF THEDRAWINGSF I G . 1 shows a p i c t u r e o f a t y p i c a l CNC a t h e .F I G . 2 shoWs a p i c t u r e o f a t y p i c a l o u t s i d e t u r n i n g p r o c e s s .F I G . 3 shoWs a p i c t u r e o f a t y p i c a l i n s i d e t u r n i n g p r o c e s s .F I G . 4 shoWs a b l o c k diagram o f a t y p i c a l CNC a c h i n e .F I G . 5 s h o W s a p i c t u r e o f a t y p i c a l b o r i n g b a r p e r f o r m i n g
an i n s i d e t u r n i n g p r o c e s s .F I G . 6 shoWs a b l o c k diagram o f a c l o s e d - l o o p f e e d b a c kCNC o n t r o l l e d m a c h i n i n g o p e r a t i o n o f o n e embodiment o f
t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .DETAILEDDESCRIPTIONOFTHEINVENTION
F o r s i m p l i c i t y a n d i l l u s t r a t i v e p u r p o s e s , t h e p r i n c i p l e s o ft h e p r e s e n t i n v e n t i o n a r e d e s c r i b e d by r e f e r r i n g to v a r i o u se x e m p l a r y e m b o d i m e n t s t h e r e o f . A l t h o u g h t h e p r e f e r r e dembodiments o f t h e i n v e n t i o n a r e p a r t i c u l a r l y d i s c l o s e dh e r e i n , o n e o f o r d i n a r y s k i l l i n t h e a r t W i l l r e a d i l y r e c o g n i Z et h a t t h e same r i n c i p l e s ar e e q u a l l y a p p l i c a b l e t o , and c a n bei m p l i c a t e d i n o t h e r c o m p o s i t i o n s a n d m e t h o d s , a n d t h a t a n ys u c h v a r i a t i o n Would be i t h i n s u c h m o d i ? c a t i o n s t h a t do n o tp a r t f r o m t h e s c o p e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n . B e f o r e e x p l a i ni n g t h e d i s c l o s e d e m b o d i m e n t s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i nd e t a i l , i t i s t o be n d e r s t o o d t h a t t h e i n v e n t i o n s n o t l i m i t e d i ni t s a p p l i c a t i o n t o t h e d e t a i l s o f a n y p a r t i c u l a r embodiments h o W n , s i n c e o f c o u r s e t h e i n v e n t i o n i s c a p a b l e o f o t h e re m b o d i m e n t s . The t e r m i n o l o g y u s e d h e r e i n s f o r t h e p u r p o s eo f e s c r i p t i o n a n d n o t o f i m i t a t i o n . F u r t h e r , a l t h o u g h c e r t a i nmethods a r e d e s c r i b e d With e f e r e n c e t o c e r t a i n s t e p s t h a t a r ep r e s e n t e d h e r e i n i n c e r t a i n o r d e r , i n many i n s t a n c e s , t h e s es t e p s may e p e r f o r m e d i n a n y o r d e r s may e a p p r e c i a t e d byone s k i l l e d i n t h e a r t , and t h e methods a r e n o t l i m i t e d t o t h ep a r t i c u l a r a r r a n g e m e n t o f s t e p s d i s c l o s e d h e r e i n . F u r t h e r ,a l t h o u g h c e r t a i n embodiments a r e shoWn i n t h e ? g u r e s , t h ep r e s e n t i n v e n t i o n i s c e r t a i n l y n o t i n t e n d e d t o b e l i m i t e d t ot h e s e p o r t r a y e d e m b o d i m e n t s .CNC machines u t i l i Z e a c o m b i n a t i o n o f o p e n - l o o p and
c l o s e d - l o o p c o n t r o l s y s t e m s . A l o s e d - l o o p c o n t r o l s y s t e mc o n s i s t s o f an o u t p u t c o u p l e d t o a n i n p u t v i a a c o n t r o l a l g or i t h m , a n d , i t p r o v i d e s t h e b e s t a c c u r a c y s i n c e o u t p u t i s comp a r e d o i n p u t a n d a p p r o p r i a t e c o m p e n s a t i o n s a d d e d o maket h e tWo a t c h . A l o c k diagram o r a t y p i c a l CNC achine sshoWn n F I G . 4 . P h y s i c a l measurements o f d i m e n s i o n s s u c ha s t o o l l e n g t h a n d p a r t d i a m e t e r a r e e x a m p l e s o f c l o s e d - l o o pc o n t r o l i n t y p i c a l machine o o l s . T h e s e m a c h i n e s a r e c a p a b l eo f r o d u c i n g a a r t , m e a s u r i n g t h e p h y s i c a l d i m e n s i o n s o f h ep a r t , a n d m a k i n g p a r a m e t e r a d j u s tm e n t s t o c o r r e c t i n a c c u r ac i e s . H o W e v e r , t y p i c a l l y a human o p e r a t o r i s r e s p o n s i b l e f o rmaking a d j u s t m e n t s t o CNC machine c o d e t o a c c o u n t f o rpoor s u r f a c e ? n i s h a n d / o r a c c e l e r a t e d t o o l W e a r . The h um ano p e r a t o r i s l i k e l y t o make a s i n g l e o p t i m i z a t i o n , d u r i n g t h ei n i t i a l s e t u p o f a p a r t r o u t i n e . T h i s o p t i m i z a t i o n W i l l a t t e m p tto a c c o u n t f o r t o o l Wear t h r o u g h o u t t h e p r o d u c t i o n r u n , h o We v e r t W i l l be a o n e - t i m e compromise With minimal e a l - t i m ec o m p e n s a t i o n f o r c h a n g e . T y p i c a l CNC q u i p m e n t h a s n op r o v i s i o n f o r a u t o n o m o u s l y c o r r e c t i n g q u a l i t a t i v e p a r a me t e r s , s u c h a s p o o r s u r f a c e ? n i s h c a u s e d by t o o l v i b r a t i o n o r c h a t t e r . I n o r d e r t o make s t r i d e s i n c l o s e d - l o o p c o n t r o ls y s t e m s , t h e CNC a c h i n e n e e d s a d d i t i o n a l p r o c e s s i n p u t s .
As u s e d h e r e i n , m a c h i n i n g o p e r a t i o n r e f e r s t o a n y p r oc e s s Where a mac h ine holds a t o o l and t h e t o o l c o n t a c t s aW o r k p i e c e . T y p i c a l m a c h i n i n g o p e r a t i o n s i n c l u d e m i l l i n g a n d
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4t u r n i n g . T y p i c a l l y , m i l l i n g m a c h i n e s a r e u s e d f o r m i l l i n g a n dl a t h e s a r e u s e d f o r t u r n i n g . Each machine t y p i c a l l y a l s oi n c l u d e s a t o o l h o l d e r . As used h e r e i n , t o o l r e f e r s t o t h ea c t u a l d e v i c e t h a t c o n t a c t s a Workpiece and n o t t h e e n t i r em a c h i n e t s e l f . T y p i c a l t o o l s i n c l u d e e n d m i l l s u s e d i n m i l l i n gm a c h i n e s a n d b o r i n g b a r s u s e d i n l a t h e s . As u s e d h e r e i n , m e a s u r i n g a t l e a s t o n e p h y s i c a l p r o p e r t y r e f e r s t o b o t hm e a s u r i n g t h e a b s o l u t e v a l u e o f t h e p h y s i c a l p r o p e r t y a n dm e a s u r i n g t h e r a t e o f c h a n g e o f t h e p r o p e r t y W i t h r e s p e c t t ot i m e .
One embodiment o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s a c l o s e d - l o o pc o n t r o l method f o r p e r f o r m i n g a machining o p e r a t i o n o n aW o r k p i e c e W i t h a o o l . The method o m p r i s e s p r o v i d i n g a t o o lf o r p e r f o r m i n g a m a c h i n i n g o p e r a t i o n . The o o l a n d t h e Workp i e c e a r e p r o v i d e d W i t h i n i t i a l o p e r a t i o n a l p a r a m e t e r s . P h y s ic a l p r o p e r t i e s of h e t o o l a r e measured n r e a l - t i m e . Based o nt h e s e m e a s u r e m e n t s , t h e o p e r a t i o n a l p a r a m e t e r s a r e a d j u s t e dt o o p t i m i Z e t h e m a c h i n i n g o p e r a t i o n .P r e f e r a b l y , t h e m a c h i n i n g o p e r a t i o n i s a n i n s i d e t u r n i n gp r o c e s s . P r e f e r a b l y t h e t u r n i n g p r o c e s s i s p e r f o r m e d b y al a t h e and h e t o o l i s a b o r i n g a r . I n h i s embodiment, t h e t o o li s s t a t i o n a r y a n d t h e W o r k p i e c e i s r o t a t e d . T h e W o r k p i e c e i sa l s o moved o W a r d s t h e t o o l i n a d i r e c t i o n t h a t i s p a r a l l e l t o t h ea x i s o f o t a t i o n o f t h e o o l . The o r k p i e c e i s t u r n e d t a s p e e dknoWn s t h e s p i n d l e s p e e d . T h e W o r k p i e c e i s p r o v i d e d W i t ha n i n i t i a l s p i n d l e s p e e d . The W o r k p i e c e i s a l s o moved t r a n sl a t i o n a l l y W i t h r e s p e c t t o t h e t o o l a t a s p e e d k n o Wn s t h e f e e dr a t e . The Workpiece s p r o v i d e d W i t h a n i n i t i a l f e e d a t e . F I G .5 shoWs a p i c t u r e o f a b o r i n g b a r p e r f o r m i n g a n i n s i d e t u r n i n gp r o c e s s .The m e a s u r e d t o o l p r o p e r t i e s may i n c l u d e a n y p r o p e r t i e st h a t c a n b e u s e d t o d e t e r m i n e t h e q u a l i t y o f t h e m a c h i n i n go p e r a t i o n i n r e a l - t i m e . P r e f e r a b l y , t h e m e a s u r e d p r o p e r t i e si n c l u d e t h e d e ? e c t i o n o f h e o o l , t h e f o r c e s e x e r t e d on h e t o o la n d t h e v i b r a t i o n s o f t h e t o o l . The d e ? e c t i o n , f o r c e s a n dv i b r a t i o n s o f t h e t o o l W h i l e p e r f o r m i n g t h e m a c h i n i n g o p e r at i o n o n h e Workpiece may be e t e r m i n e d by h e u s e of t l e a s tone s e n s o r . Any s e n s o r may be used t h a t i s rugged eno ugh oW i t h s t a n d t h e h a r s h n e s s o f t h e m a c h i n i n g e n v i r o n m e n t a n dp r o v i d e a c c u r a t e measurement o f t h e d e ? e c t i o n , f o r c e s andv i b r a t i o n s . Exemplary s e n so r s i n c l u d e magnetic s e n s o r s , a n al o g s t r a i n s e n s o r s and ? b e r o p t i c s e n s o r s . Analog s t r a i n s e ns o r s W i l l p r o v i d e measurement o f t h e a c t u a l d e ? e c t i o n , f o r c eo r v i b r a t i o n W h i l e m a g n e t i c and ? b e r o p t i c s e n s o r s W i l l p r ov i d e a measurement f h e c h a n g e o f h e p r o p e r t y W i t h e s p e c tt o t i m e . The a c t u a l v a l u e o f t h e p r o p e r t y i s n o t a n e c e s s i t ybecause t h e measurement i s t a k e n t o p r e d i c t a d e s i r a b l ec h a n g e i n t h e o p e r a t i n g p a r a m e t e r s o f m a c h i n i n g p r o c e s s t oi m p r o v e p a r t q u a l i t y . The s e n s o r may b e l o c a t e d i n t h e t o o li t s e l f , o n t h e t o ol h o l d e r , o r someWhere i n s i d e t h e m a c h i n e .
I n t h e embodiment u s i n g ? b e r o p t i c s e n s o r s , p r e f e r a b l y a tl e a s t one s e n s o r i s embedded n t h e t o o l . T h e sensor may eembedded n a n y p a r t o f o o l . P r e f e r a b l y , t h e s e n s o r s embedded i n t h e f a r most end from t h e t o o l h o l d e r s u c h t h a t t h eg r e a t e s t d e ? e c t i o n , f o r c e and v i b r a t i o n c a n be m e a s u r e d . I nt h i s embodiment, a l i g h t may e s h i n e d o n t h e s e n s o r i n t h et o o l . T h e embedded s e n s o r may e t u r n t h e l i g h t bac k to ane l e c t r o n i c c o n t r o l i n t e r f a c e Which c o n v e r t s t h e o p t i c a l s i g n a li n t o d i g i t a l p a r a m e t e r s t h a t c a n b e r e a d by a s i g n a l a n a l y Z e r .The i n t e r f a c e may t h e n s e n d t h e c o n v e r t e d s i g n a l t o a s i g n a la n a l y Z e r . T h e s i g n a l a n a l y Z e r may h e n a n a l y Z e h e s i g n a l a n dd e t e r m i n e t h e d e ? e c t i o n , f o r c e s and v i b r a t i o n s o n t h e t o o l .T h i s d e t er m i n a t i o n s b a s e d on h e c h a n g e i n t h e s e p a r a m e t e r sc a u s i n g a c h a n g e i n t h e o p t i c a l s i g n a l r e c e i v e d b y t h e e x t e r n a ls e n s o r . The s i g n a l a n a l y Z e r may h e n f e e d h i s i n f o r m a t i o n t om i c r o p r o c e s s o r n s t i t u t i n g a n A c t i v e T o o l C o n t r o l E l e c t r o n i c sF e e d b a c k L o o p . The F e e d b a c k Loop may t h e n d e t e r m i n e i f
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t h e s p i n d l e s p e e d o r f e e d r a t e s h o u l d be a d j u s t e d b a s e d on h ed e t e r m i n e d t o o l p r o p e r t i e s . The F e e d b a c k Loop may t h e nc r e a t e neW l g o r i t h m s f o r t h e s p i n d l e s p e e d a n d f e e d a t e . TheFeedback Loop may t h e n p r o v i d e t h e s e neW a l g o r i t h m s to amachine c o n t r o l l e r , p r e f e r a b l y a CNC machine c o n t r o l l e r .The o n t r o l l e r may t h e n a d j u s t t h e s p i n d l e s p e e d a n d / o r f e e dr a t e o f t h e W o r k p i e c e . T h i s p r o c e s s may be p e r f o r m e d cont i n u o u sl y d u r i n g t h e e n t i r e d u r a t i o n o f t h e m a c h i n i n g o p e r at i o n .
F I G . 6 shoWs a b a s i c b l o c k diagram o f t h e method o f t h ep r e s e n t i n v e n t i o n used With a CNC achine t o o l . A e n s o rs e n s e s p h y s i c a l p r o p e r t i e s of t o o l o r c u t t e r t h a t performs ano p e r a t i o n on a Workpiece. T h e s e n s o r communicates With anA c t i v e T o o l C o n t r o l E l e c t r o n i c s F e e d b a c k L o o p . The Feedb a c k L o o p a n a l y Z e s t h e s e n s e d p h y s i c a l p r o p e r t i e s a n d e t e rmines neW o p e r a t i o n a l p a r a m e t e r s f o r t h e p r o c e s s based o nt h e a n a l y s i s . The F e e d b a c k Loop c o m m u n i c a t e s W i t h m o t i o nc o n t r o l e l e c t r o n i c s s u c h a s a m p l i ? e r s and s e r v o s . The a m p l i? e r s a n d s e r v o s c h a n g e t h e o p e r a t i o n a l p a r a m e t e r s o f t h em a c h i n i n g p r o c e s s b e t W e e n t h e c u t t e r a n d W o r k p i e c e . TheFeedback Loop a l s o communicates W i t h a machine c o n t r o lc o m p u t e r . The machine c o n t r o l computer i n c l u d e s a u s e ri n t e r f a c e and program s t o r a g e . The s e r i n t e r f a c e d i s p l a y s t h em e a s u r e d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c u t t e r a n d t h e c h a n g e smade i n t h e o p e r a t i o n a l p a r a m e t e r s . The p r o g r a m s t o r a g es t o r e s t h i s i n f o r m a t i o n f o r f u t u r e r e f e r e n c e . The machinec o n t r o l c o m p u t e r a l s o c o m m u n i c a t e s W i t h a p o r t a b l e d i s p l a yd e v i c e such a s a c e l l u l a r phone, PDA, o r t a b l e t PC. T h i sp r o v i d e s r e m o t e c o m m u n i c a t i o n o f h e i n f o r m a t i o n d i s p l a y e do n t h e user n t e r f a c e t o a remote machine o p e r a t o r . A l l of h es t e p s shoWn i n F I G . 6 a r e p e r f o r m e d i n r e a l - t i m e d u r i n g t h em a c h i n i n g o p e r a t i o n .
I n t h e embodiment s i n g a ?ber p t i c s e n s o r , a l i g h t s o u r c et h r o W s l i g h t t o a t y p e of i g h t manager h a t can both s e n s e andt r a n s m i t l i g h t s i g n a l s . The i g h t m a n a g e r t h e n t h r o W s a l i g h ts i g n a l t o a ? b e r o p t i c s e n s o r embedded n s i d e t h e t o o l b e i n gused i n t h e machining o p e r a t i o n . The s e n s or t h e n t h r o W s al i g h t s i g n a l b a c k t o t h e l i g h t m a n a g e r . T h i s s i g n a l W i l l v a r ydepending o n h e f o r c e s o n h e t o o l , t h e d e ? e c t i o n o n h e t o o la n d t h e v i b r a t i o n o f t h e t o o l . The i g h t manager t h e n t h r o W st h e l i g h t s i g n a l t o a s e c o n d l i g h t m a n a g e r . The s e c o n d l i g h tmanager e c e i v e s t h e s i g n a l a n d t h r o W s a n a p p r o p r i a t e s i g n a lto b o t h a t u n a b l e ? l t e r and a h i g h s p e e d d e t e c t o r . The ? l t e r? l t e r s t h e l i g h t a n d s e n d s a n a p p r o p r i a t e s i g n a l t o t h e h i g hs p e e d d e t e c t o r . The d e t e c t o r t h e n d e t e c t s t h e s i g n a l a n d c o nv e r t s i t to a s i g n a l t h a t c a n be r e a d by a s i g n al a n a l y Z e r . Thed e t e c t o r t h e n s e n d s t h e c o n v e r t e d s i g n a l t o t h e s i g n a l a n a l y Z e r .T h e s i g n a l a n a l y Z e r may t h e n a n a l y Z e t h e s i g n a l a n d d e t e rmine t h e v a l u e s o f t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e t o o l . Thes i g n a l a n a l y Z e r may t h e n p r o v i d e t h e s e v a l u e s t o a n A c t i v eT o o l C o n t r o l E l e c t r o n i c s F e e d b a c k Loop a n d t h e F e e d b a c kLoop u s e s t h e v a l u e s a s d e s c r i b e d a b o v e . T h i s p r o c e s s may ep e r f o r m e d c o n t i n u o u s l y d u r i n g t h e e n t i r e d u r a t i o n o f t h em a c h i n i n g o p e r a t i o n . The a b o v e d e s c r i p t i o n i s n o t m e a n t t ob e a c o m p r e h e n s i v e d e s c r i p t i o n o f t h e o p e r a t i o n o f a ? b e ro p t i c s e n s o r . Those o f o r d i n a r y s k i l l i n t h e a r t u n d e r s t a n d t h eo p e r a t i o n o f s u c h a s e n s o r and h e r e f o r e h i s d e t a i l e d d e s c r i pt i o n i s o m i t t e d . BartoW t a l . i n F i b e r Bragg g r a t i n g s e n s o r sf o r d y n a m i c m a c h i n i n g a p p l i c a t i o n s P r o c e e d i n g s o f t h eS P I E , Volume 2 7 8 , p p . 2 1 3 1 2 0 0 3 ) , W h i c h s h e r e b y i n c o rp o r a t e d by r e f e r e n c e i n i t s e n t i r e t y , d e s c r i b e u s e o f a ? b e ro p t i c s e n s o r embedded n a t o o l t o measure i b r a t i o n s i n t h et o o l .
I n t h e embodiment u s i n g m a g n e t i c s e n s o r s , a s e n s i n g e l ement may o t need o be embedded n t h e t o o l . I n t h i s embodim e n t , a m a g n e t i c ? e l d may e g e n e r a t e d i n t h e v i c i n i t y o f t h et o o l W h i l e t h e t o o l i s i n o p e r a t i o n . The o o l W i l l t h e n c r e a t e i t s
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6oWn a g n e t i c ? e l d . The o o l - c r e a t e d m a g n e t i c ? e l d W i l l v a r yW i t h t h e f o r c e s on t h e t o o l , t h e d e ? e c t i o n o f t h e t o o l and t h ev i b r a t i o n o f t h e t o o l . A e n s o r may t h e n r e c e i v e t h e t o o lc r e a t e d m a g n e t i c ? e l d and s e n d i t t o a s i g n a l c o n v e r t e r t h a tmay o n v e r t t h e s i g n a l t o a s i g n a l t h a t canbe e a d by h e s i g n a la n a l y Z e r . T h e s i g n a l a n a l y Z e r c o u l d d e t e r m i n e t h e d e ? e c t i o n ,f o r c e s and v i b r a t i o n o f t h e t o o l b a s e d on t h e change i n t h es i g n a l r e c e i v e d . The p r o c e s s Would t h e n c o n t i n u e a s i n t h eembodiment u s i n g t h e ? b e r o p t i c s e n s o r .Of ourse any y p e of e n s o r o r s e n s i n g d e v i c e s can be used
t h a t h a s r u g g e d n e s s t o W i t h s t a n d h a r s h i n d u s t r i a l e n v i r o nments and e l i v e r s t h e r e q u i r e d a c c u r a c y i n t e r m s o f i b r a t i o nand e ? e c t i o n measurements. O t h e r p o s s i b l e s e n s o r s i n c l u d ea n a l o g e l e c t r o n i c s t r a i n g a u g e s . H o W e v e r , ? b e r o p t i c s e n s o r sa r e p r e f e r r e d b e c a u s e o p t i c a l measurement h a s b e t t e r n o i s eimmunity a n d b e t t e r f r e q u e n c y r e s p o n s e t h a n t r a d i t i o n a l a n al o g e l e c t r o n i c s t r a i n g a u g e s .
I n a p r e f e r r e d embodiment, t l e a s t one o f t h e s i g n a l t r a n sf e r s o c c u r s W i r e l e s s l y . I n a more p r e f e r r e d embodiment, atl e a s t t h e s i g n a l from t h e embedded s e n s o r t o t h e s i g n a l conv e r t e r a n d t h e s i g n a l f r o m t h e s i g n a l c o n v e r t e r t o t h e s i g n a la n a l y Z e r a r e communicated W i r e l e s s l y . T h i s Would a l l o Wm a c h i n e s t o b e r e t r o ? t t e d W i t h c l o s e d - l o o p c o n t r o l methodo l o g y o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i n a s i m p l e a n d i n e x p e n s i v emanner.
The measured p a r a m e t e r s can a l s o be used t o d e t e r m i n et h a t a t o o l i s Worn and s h o u l d b e r e p l a c e d . F o r e x a m p l e ,q u a l i t y a n d s p e e d o f t h e m a c h i n i n g o p e r a t i o n d e p e n d o n o o lp r o p e r t i e s i n c l u d i n g t h e t o o l s r i g i d i t y a n d s h a r p n e s s . T h el e s s s h a r p t h e t o o l i s t h e s l o W e r t h e m a c h i n e o p e r a t i o n W i l lneed o b e performed o a c h i e v e t h e same u a l i t y . T h u s , a s t h et o o l W e a r s , t h e A c t i v e T o o l C o n t r o l E l e c t r o n i c s FeedbackLoop W o u l d d e t e r m i n e t h a t t h e sp i n d l e s p e e d a n d / o r t h e f e e dr a t e s h o u l d be d e c r e a s ed . I n one embodiment o f t h e p r e s e n ti n v e n t i o n , i f t h e a d j u s t e d s p i n d l e s p e e d o r f e e d a t e f a l l s b e l o Wa c e r t a i n v a l u e a machine o p e r a t o r c o u l d be n o t i ? e d t h a t t h et o o l s h o u l d b e r e p l a c e d . The c o n t r o l l e r c o u l d a l s o c a u s e t h emachine t o s h u t o f f i f t h e speed o r f e e d r a t e f a l l s beloW ac e r t a i n v a l u e .
The m e a s u r e m e n t s o f t h e t o o l p r o p e r t i e s , t h e a d j u s t m e n t smade o t h e m a c h i n i n g o p e r a t i o n p a r a m e t e r s , a n d t o o l Weara l e r t s can be communicated t o a machine o p e r a t o r . P r e f e ra b l y , c o m m u n i c a t i o n i s p e r f o r m e d W i r e l e s s l y t o a p o r t a b l ed i s p l a y d e v i c e s u c h s c e l l u l a r p h o n e , a p e r s o n a l d i g i t a l a s s i st a n t PDA) o r a t a b l e t o r l a p t o p PC. Such methods of i r e l e s scommunication a r e W e l l k n o W n i n t h e a r t and d e t a i l e dd e s c r i p t i o n i s o m i t t e d h e r e . The m a c h i n e o p e r a t o r mayc h o o s e to o v e r r i d e t h e c o n t r o l l e r s a d j u s t m e n t s .
Another embodiment o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s a s y s t e mf o r p e r f o r m i n g a m a c h i n i n g o p e r a t i o n . The s y s t e m i n c l u d e s amachine, a t o o l , at l e a s t one s e n s o r , an e l e c t r o n i c c o n t r o lhardWare i n t e r f a c e ; machine c o n t r o l s o f t W a r e and a c o n t r o ll e r .
The machine may e any y p e ofmachine Which s e s a t o o lt o p e r f o r m a n o p e r a t i o n on W o r k p i e c e . Exemplary mach inesi n c l u d e m i l l i n g m a c h i n e s a n d l a t h e s . P r e f e r a b l y , t h e m a c h i n ei s a l a t h e . The t o o l may i n c l u d e a n y t o o l t h a t i s commonlyu s e d n m a c h i n i n g . P r e f e r a b l y , t h e t o o l i s a b o r i n g b a r u s e d f o ri n s i d e t u r n i n g o r b o r i n g . T h e t l e a s t one s e n s o r may be anyt y p e o f s e n s o r c a p a b l e o f W i t h s t a n d i n g h a r s h o p e r a t i n g c o nd i t i o n s a n d a c c u r a t e l y m e a s u r i n g t o o l p a r a m e t e r s s u c h v i b r at i o n , d e ? e c t i o n a n d f o r c e , a s d e s c r i b e d a b o v e . E x e m p l a r ys e n s o r s i n c l u d e a n a l o g e l e c t r o n i c s t r a i n g a u g e s , ? b e r o p t i cs e n s o r s and magnetic s e n so r s . P r e f e r a b l y , t h e a t l e a s t ones e n s o r i s a ?ber o p t i c s e n so r . The hardWare i n t e r f a c e i s notl i m i t e d t o a n y p a r t i c u l a r d e s i g n b u t must b e c a p a b l e o f i n c o rp o r a t i n g t h e i n p u t measurement from t h e s e n s o r i n t o t h e
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c o n t r o l l e r . The machine c o n t r o l s o f t w a r e must b e c a p a b l e o fi n c o r p o r a t i n g t h e i n p u t m e a s u r e m e n t i n t o t h e a l g o r i t h m u s e dby t h e c o n t r o l l e r . P r e f e r a b l y , t h e c o n t r o l l e r i s a CNC e v i c e .
I n one embodiment, t h e system may e r e t r o ? t t e d o n t o amachine W i t h an e x i s t i n g CNC o n t r o l l e r . I n t h i s embodim e n t , t h e s y s t e m may n c l u d e a r u g g e d o p t i c a l s e n s o r embedded W i t h i n a t o o l s u c h a s a b o r i n g b a r , a m i n i a t u r e , r u g g e d ,c o n t r o l e l e c t r o n i c s s u i t e , i n t e g r a t e d i n t o t h e e x i s t i n g CNCc o n t r o l , a n d a s o f t w a r e s u i t e Which i n c o r p o r a t e s f e e d b a c kfrom o p t i c a l s e n s o r i n t o t h e C NC.
T h e p r e s e n t i n v e n t i o n W i l l i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o fC o m p u t e r - N u m e r i c a l l y - C o n t r o l l e d C N C ) e q u i p m e n t b yi n c o r p o r a t i n g a c l o s e d - l o o p c o n t r o l s y s t e m to v a r y c u t parame t e r s such a s speeds and f e e d s based o n i n p u t from a s e n s o rsuch a s a ? b e r - o p t i c s e n s o r Which measures t o o l f o r c e s ,d e ? e c t i o n s a n d v i b r a t i o n s . The r e s e n t i n v e n t i o n W i l l p e r m i tCNC q u i p m e n t t o p e r f o r m a t a h i g h e r l e v e l o f r o d u c t i v i t y ,managing an i n c r e a s e d number o f p r o c e s s p a r a m e t e r s u n d e rautonomous machine c o n t r o l . The i n c r e a s e d autonomy W i l ly i e l d h i g h e r u a l i t y p r o d u c t , a n d i l l f r e e t h e m a c h i n e o p e r at o r t o focus o n t a s k s t h a t a r e b e t t e r s u i t e d t o human e c h n ic i a n s , s u c h a s o v e r a l l s y s t e m o p t i m i z a t i o n s , a n d o t h e r q u a l it a t i v e i m p r o v e m e n t s . T h e p r e s e n t i n v e n t i o n b y p r o v i d i n gc l o s e d - l o o p f e e d b a c k t o a m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s a t t h ee q u i p m e n t l e v e l W i l l e n s u r e p r o d u c t i o n o f a h i g h e r q u a l i t yp a r t a u t o m a t i c a l l y i n s t e a d o f e l y i n g on a machine o p e r a t o r a d j u s t m e n t o f t h e p r o c e s s p a r a m e t e r s a f t e r e x a m i n i n g t h eq u a l i t y o f a ? n i s h e d a r t . T h u s , t h e p r e s e n t i n v e n t i o n p r o v i d e sr e a l - t i m e q u a l i t y c o n t r o l f o r a m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s . Thei m p o r t a n c e o f p r o v i d i n g r e a l - t i m e c o n t r o l f o r t h e m a c h i n i n go p e r a t i o n i n c r e a s e s W i t h d e p t h o f h e p r o c e s s . F o r e x a m p l e , i na b o r i n g p r o c e s s , t h e d e e p e r t h e b o r e i n t o t h e W o r k p i e c e , t h eg r e a t e r amount o f c h a t t e r t h a t W i l l b e e x p e c t e d d u r i n g t h eo p e r a t i o n . T h u s , W i t h o u t p r o v i d i n g c l o s e d - l o o p f e e d b a c kc o n t r o l f o r s u c h a p r o c e s s , t h e p a r t q u a l i t y Would e e x p e c t e dto be l o W .
A l t h o u g h t h e p r e s e n t d i s c l o s u r e h a s f o c u se d m a i n l y ont u r n i n g machine p e r a t i o n s , t h e i n v e n t i o n s n o t l i m i t e d o a n yp a r t i c u l a r m a c h i n i n g o p e r a t i o n . T h e p r e s e n t i n v e n t i o n c o u l db e a p p l i e d t o o p t i m i Z e m i l l i n g o p e r a t i o n s a n d o t h e r m a c h i n eo p e r a t i o n s knoWn o t h o s e s k i l l e d i n t h e a r t . A l s o a l t h o u g h t h ed e s c r i p t i o n h a s f o c u s e d on h e measurement of h e d e ? e c t i o na n d v i b r a t i o n o f t h e t o o l , a n y measurement t h a t p r o v i d e si n f o r m a t i o n a s t o t h e p e r f o r m a n c e o f t h e t o o l i n t h e c u t t i n go p e r a t i o n c a n b e u s e d . A l t h o u g h t h e p r e s e n t d i s c l o s u r e h a sf o c u s e d on c l o s e d - l o o p c o n t r o l f o r CNC m a c h i n e s , t h ep r e s e n t i n v e n t i o n i s n o t s o l i m i t e d . The p r e s e n t i n v e n t i o n ofm e a s u r i n g p r o p e r t i e s o f a t o o l i n r e a l - t i m e a n d a d j u s t i n g t h ep a r a m e t e r s o f a m a c h i n i n g o p e r a t i o n i n r e a l - t i m e b a s e d on h em e a s u r e m e n t o p r o v i d e h i g h er q u a l i t y p a r t s c a n b e a p p l i e d oa n y m a c h i n i n g p r o c e s s . Although c e r t a i n e l e m e n t s o f a s y stem h a v e been d e s c r i b e d a s p e r f o r m i n g c e r t a i n s t e p s , t h ei n v e n t i o n i s n o t s o l i m i t e d . A a r t i c u l a r e l e m e n t c o u l d p e rform s e v e r a l s t ep s o r t h e d i f f e r e n t s t e p s c o u l d b e p e r f o r m e db y s e v e r a l e l e m e n t s .
A l t h o u g h c e r t a i n embodiments o f t h e i n v e n t i o n h a v e b e e nd e s c r i b e d , t h e i n v e n t i o n i s n o t meant o be i m i t e d i n any Wayt o j u s t t h e s e e m b o d i m e n t s . The i n v e n t i o n i s o n l y meant o b el i m i t e d b y t h e a p p e n d e d c l a i m s .
What i s c l a i m e d a s neW and d e s i r e d t o be p r o t e c t e d byL e t t e r s P a t e n t o f t h e U n i t e d S t a t e s i s :
1 . A ethod f o r p e r f o r m i n g a machining o p e r a t i o n o n aW o r k p i e c e , t h e m e t h o d c o m p r i s i n g :
p h y s i c a l l y r e m o v i n g m a t e r i a l f r o m a W o r k p i e c e t h a t i smounted n a computer u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d machineb y p r o v i d i n g p h y s i c a l c o n t a c t a n d r e l a t i v e r o t a t i o n
1 5
20
25
30
35
40
45
50
55
60
6 5
8betWeen t h e W o r k p i e c e and a t o o l t h a t i s i n s t a l l e d i n t h ec o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n e ;
p r o v i d i n g a n a l g o r i t h m t o s e t t h e o p e r a t i n g p a r a m e t e r s f o ra m a c h i n i n g o p e r a t i o n p e r f o r m e d b y t h e c o m p u t e rn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n e ;
a c t i v a t i n g a feed r i v e t o cause e l a t i v e t r a n s l a t i o n a l movement b e t W e e n t h e W o r k p i e c e a n d t h e t o o l ;
m e a s u r i n g a t l e a s t o n e p h y s i c a l p r o p e r t y o f t h e t o o l i n r e a lt i m e , c o m p r i s i n g :r e c e i v i n g a s i g n a l from a s e n s o r a s s o c i a t e d With h e t o o l
i n d i c a t i v e o f t l e a s t one measured h y s i c a l p r o p e r t ys e l e c t e d from t h e g r o u p c o n s i s t i n g o f : d e ? e c t i o n o ft h e t o o l , v i b r a t i o n o f t h e t o o l , a n d f o r c e on t h e t o o l ,and
a n a l y Z i n g t h e c h a n g e o f h e a t l e a s t o n e m e a s u r e d p h y s ic a l p r o p e r t y W i t h r e s p e c t t o t i m e ;a d j u s t i n g t h e a l g o r i t h m t o r e s e t t h e o p e r a t i n g p a r a m e t e r s
f o r t h e m a c h i n i n g o p e r a t i o n i n r e a l t i m e b a s e d on t h e a tl e a s t one measured h y s i c a l p r o p e r t y , W h e r e i n t h e o p e ra t i n g p a r a m e t e r s i n c l u d e a t l e a s t o n e o f t h e p a r a m e t e r ss e l e c t e d from t h e g r o u p c o n s i s t i n g o f : r e l a t i v e r a t e o fr o t a t i o n b e t W e e n t h e t o o l a n d W o r k p i e c e , a n d r e l a t i v er a t e of t r a n s l a t i o n a l movement betWeen t h e t o o l andW o r k p i e c e i n t h e d i r e c t i o n a l o n g t h e t o o l s a x i s o f r o t at i o n ; a n d
n o t i f y i n g a machine o p e r a t o r t h a t t h e t o o l s h o u l d b echanged f t h e measured e l a t i v e r a t e o f o t a t i o n betWeent h e t o o l a n d W o r k p i e c e i s l e s s t h a n a p r e - d e t e r m i n e dr e l a t i v e r a t e o f o t a t i o n betWeen t h e t o o l and W o r k p i e c ev a l u e , o r i f t h e measured r e l a t i v e r a t e o f t r a n s l a t i o n a lmovement betWeen t h e t o o l and o r k p i e c e i n t h e d i r e ct i o n a l o n g t h e t o o l s a x i s o f r o t a t i o n i s l e s s t h a n a p r edetermined r e l a t i v e r a t e of t r a n s l a t i o n a l movementb e t W e e n t h e t o o l a n d W o r k p i e c e i n t h e d i r e c t i o n a l o n gt h e t o o l s a x i s v a l u e .
2 . A ethod f o r p e r f o r m i n g a machining o p e r a t i o n o n aW o r k p i e c e , t h e m e t h o d c o m p r i s i n g :
p h y s i c a l l y r e m o v i n g m a t e r i a l f r o m a W o r k p i e c e t h a t i smounted n a c o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d machineb y p r o v i d i n g p h y s i c a l c o n t a c t a n d r e l a t i v e r o t a t i o nbetWeen t h e W o r k p i e c e and a t o o l t h a t i s i n s t a l l e d i n t h ec o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n e ;
p r o v i d i n g a n a l g o r i t h m t o s e t t h e o p e r a t i n g p a r a m e t e r s f o ra m a c h i n i n g o p e r a t i o n p e r f o r m e d b y t h e c o m p u t e rn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n e ;
a c t i v a t i n g a feed r i v e t o cause e l a t i v e t r a n s l a t i o n a l movement b e t W e e n t h e W o r k p i e c e a n d t h e t o o l ;
m e a s u r i n g a t l e a s t o n e p h y s i c a l p r o p e r t y o f t h e t o o l i n r e a lt i m e , c o m p r i s i n g :r e c e i v i n g a s i g n a l from a s e n s o r a s s o c i a t e d With h e t o o l
i n d i c a t i v e o f t l e a s t one measured h y s i c a l p r o p e r t ys e l e c t e d from t h e g r o u p c o n s i s t i n g o f : d e ? e c t i o n o ft h e t o o l , v i b r a t i o n o f t h e t o o l , a n d f o r c e on t h e t o o l ,and
a n a l y Z i n g t h e c h a n g e o f h e a t l e a s t o n e m e a s u r e d p h y s ic a l p r o p e r t y W i t h r e s p e c t t o t i m e ;a d j u s t i n g t h e a l g o r i t h m t o r e s e t t h e o p e r a t i n g p a r a m e t e r s
f o r t h e m a c h i n i n g o p e r a t i o n i n r e a l t i m e b a s e d on t h e a tl e a s t one measured h y s i c a l p r o p e r t y , W h e r e i n t h e o p e ra t i n g p a r a m e t e r s i n c l u d e a t l e a s t o n e o f t h e p a r a m e t e r ss e l e c t e d from t h e g r o u p c o n s i s t i n g o f : r e l a t i v e r a t e o fr o t a t i o n b e t W e e n t h e t o o l a n d W o r k p i e c e , a n d r e l a t i v er a t e of t r a n s l a t i o n a l movement betWeen t h e t o o l andW o r k p i e c e i n t h e d i r e c t i o n a l o n g t h e t o o l s a x i s o f r o t at i o n ; a n d
a u t o m a t i c a l l y s t o p p i n g t h e t u r n i n g p r o c e s s i f t h e m e a s u r e dr e l a t i v e r a t e o f o t a t i o n betWeen t h e t o o l and W o r k p i e c e
8/12/2019 Us 8365642
10/10
US 8 , 3 6 5 , 6 4 2 B2i s l e s s t h a n a p r e - d e t e r m i n e d r e l a t i v e r a t e of r o t a t i o nbetween h e t o o l and o r k p i e c e v a l u e , o r i f t h e measuredr e l a t i v e r a t e of r a n s l a t i o n a l movement between t h e t o o la n d w o r k p i e c e i n t h e d i r e c t i o n a l o n g t h e t o o l s a x i s o fr o t a t i o n i s l e s s t h a n a p r e - d e t e r m i n e d r e l a t i v e r a t e oft r a n s l a t i o n a l movement between h e t o o l a n d w o r k p i e c ei n t h e d i r e c t i o n a l o n g t h e t o o l s a x i s v a l u e .
3 . The method o f c l a i m 1 w h e r e i n t h e s t e p o f m e a s u r i n gi n c l u d e s u s i n g a t l e a s t one s e n s o r s e l e c t e d from t h e groupc o n s i s t i n g o f : ? b e r o p t i c s e n s o r s , m a g n e t i c s e n s o r s , and a n al o g e l e c t r o n i c s t r a i n g a u g e s .4 . A l o s e d - l o o p f e e d b a c k s y s t e m f o r c o n t r o l l i n g a t u r n i n gp r o c e s s p e r f o r m e d on w o r k p i e c e by a c o m p u t e r n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d m a c h i n e , t h e m e t h o d c o m p r i s i n g :
p h y s i c a l l y r e m o v i n g m a t e r i a l f r o m a w o r k p i e c e t h a t i smounted n a computer u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d machineb y p r o v i d i n g p h y s i c a l c o n t a c t a n d r e l a t i v e r o t a t i o nbetween t h e w o r k p i e c e and a b o r i n g b a r t h a t i s i n s t a l l e di n t h e c o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n e ;
p r o v i d i n g a n i n i t i a l c o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dmachine c o d e which e t s t h e s p i n d l e s p e e d and f e e d r a t ef o r t h e tu r n i n g p r o c e s s ;
m e a s u r i n g i n r e a l t i m e d u r i n g t h e t u r n i n g p r o c e s s a t l e a s tone o f t h e e l e m e n t s s e l e c t e d from t h e g r o u p c o n s i s t i n go f : t h e f o r c e on t h e b o r i n g b a r , t h e d e ? e c t i o n o f t h eb o r i n g b a r , a n d t h e v i b r a t i o n o f t h e b o r i n g b a r ;a d j u s t i n g t h e c o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n ecode n r e a l time o s e t a new t l e a s t one of p i n d l e speedand f e e d r a t e based o n t h e r e a l t i m e measurement; and
n o t i f y i n g a machine o p e r a t o r t h a t t h e t o o l s h o u l d b ec h a n g e d i f t h e m e a s u r e d s p i n d l e s p e e d i s l e s s t h a n ap r e - d e t e r m i n e d s p i n d l e s p e e d v a l u e , o r i f t h e m e a s u r e df e e d r a t e i s l e s s t h a n a p r e - d e t e r m i n e d f e e d r a t e v a l u e .5 . A l o s e d - l o o p f e e d b a c k s y s t e m f o r c o n t r o l l i n g a t u r n i n g
p r o c e s s p e r f o r m e d on w o r k p i e c e by a c o m p u t e r n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d m a c h i n e , t h e m e t h o d c o m p r i s i n g :
20
25
30
1 0p h y s i c a l l y r e m o v i n g m a t e r i a l f r o m a w o r k p i e c e t h a t i s
mounted n a c o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d machineb y p r o v i d i n g p h y s i c a l c o n t a c t a n d r e l a t i v e r o t a t i o nbetween t h e w o r k p i e c e a n d a b o r i n g b a r t h a t i s i n s t a l l e di n t h e c o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n e ;
p r o v i d i n g a n i n i t i a l c o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dmachine c o d e which e t s t h e s p i n d l e s p e e d and e e d r a t ef o r t h e t u r n i n g p r o c e s s ;
m e a s u r i n g i n r e a l t i m e d u r i n g t h e t u r n i n g p r o c e s s a t l e a s tone o f t h e e l e m e n t s s e l e c t e d from t h e g r o u p c o n s i s t i n go f : t h e f o r c e on t h e b o r i n g b a r , t h e d e ? e c t i o n o f t h eb o r i n g b a r , a n d t h e v i b r a t i o n o f t h e b o r i n g b a r ;
a d j u s t i n g t h e c o m p u t e r n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n ecode n r e a l time o s e t a new t l e a s t one of p i n d l e speedand f e e d r a t e based o n t h e r e a l t i m e measurement; and
a u t o ma t i c a l l y s t o p p i n g t h e t u r n i n g p r o c e s s i f t h e m e a s u r e ds p i n d l e s p e e d s l e s s t h a n p r e - d e t e r m i n e d s p i n d l e s p e e dv a l u e , o r i f t h e measured f e e d r a t e i s l e s s t h a n a p r edetermined f e e d r a t e v a l u e .
6 . The method o f c l a i m 4 w h e r e i n t h e s t e p o f m e a s u r i n gc o m p r i s e s :u s i n g a t l e a s t one s e n s o r s e l e c t e d from h e g r o u p c o n s i s t i n g
o f : ? b e r o p t i c s e n s o r s , m a g n e t i c s e n s o r s , a n d a n a l o ge l e c t r o n i c s t r a i n g a u g e s .7 . The method o f c l a i m 2 w h e r e i n t h e s t e p o f m ea s u r i n gi n c l u d e s u s i n g a t l e a s t one s e n s o r s e l e c t e d from t h e groupc o n s i s t i n g o f : ? b e r o p t i c s e n s o r s , m a g n e t i c s e n s o r s , and a n al o g e l e c t r o n i c s t r a i n g a u g e s .8 . The method o f c l a i m 5 w h e r e i n t h e s t e p o f m ea s u r i n gc o m p r i s e s :
u s i n g a t l e a s t one s e n s o r s e l e c t e d from h e g r o u p c o n s i s t i n go f : ? b e r o p t i c s e n s o r s , m a g n e t i c s e n s o r s , a n d a n a l o ge l e c t r o n i c s t r a i n g a u g e s .
