JP2005519265A - 工作機械の機械加工プロセスを監視するための音響センサ - Google Patents

Abstract

工作機械、例えば研削盤の機械加工プロセスを監視するための音響センサは、固定ユニットすなわちステータ（２１）と、回転ユニットすなわちロータ（２３）とを有しており、ロータは、例えば砥石車に連結され、砥石車と共に回転する。ロータは、支持体（４５；４５’）と、圧電変換器（３３）とを有している。変換器の位置は、接着剤を使用することなく、スプリング等の弾性部材を有していても良い機械的な部材（４８，５３，５４；６３，６４；７４，７８）によって規定されてロックされる。また、ロータは、圧電変換器の出力信号を増幅するための電荷増幅器（３７）を用いて圧電変換器に接続されたプリント回路基板（５５）を有している。ロータは、変圧器型カップリング（３０，３１）により、ステータに対して電気的に連結される。

Description

本発明は、固定ユニットと、回転ユニットとを備え、回転ユニットが、支持体を有する支持・保護部材と、支持体に連結される振動検知変換器と、変換器の位置を規定してロックするようになっている位置決め・クランプ部材とを有し、また、固定ユニットと回転ユニットとの間の電気的な接続を行なうようになっている少なくとも１つの非接触カップリングを有する電源・処理・送信回路を備えている音響センサに関する。

音響センサは、周知であり、例えばラッチ、研削盤、フライス盤等のコンピュータ数値制御（“ＣＮＣ”）工作機械の機械加工プロセスを監視するための装置において使用されている。そのような装置は、複数のセンサによって、チェックされるプロセスに関連する物理的な特徴の大きさ、例えば工作機械の摩耗を検知することができるとともに、メンテナンスおよび／または補正手続きを行なう必要性を、機械の数値制御装置に対して或いはオペレータに対して直接に知らせることができる。

この種の装置は、本特許出願の出願人によって提出された国際特許ＰＣＴ／ＥＰ０２／０７５１９に開示されている。

研削盤における機械加工プロセスの監視において、音響センサは、一般に、砥石車（図２に簡略的な形態で示されている）または仕上げ加工車（ｄｒｅｓｓｉｎｇ ｗｈｅｅｌ）をスピンドルに対して固定するためのフランジに接続されるとともに、砥石車（または仕上げ加工車）と加工製品（または砥石車）とが接触することによって生じる振動を機械加工中に検知することができる。

更に具体的には、前述した特許出願に記載されているタイプの装置で現在使用されている音響センサは、例えば研削盤の砥石車等の可動部品に連結されたケーシングを有するロータを備えている。また、ロータは、上記ケーシングに接着された圧電変換器と、圧電変換器の出力信号を調整する電気回路とを有している。ロータは、変圧器型カップリングにより、ステータに連結されており、ステータは、例えば研削盤のベッドに対して接続されるとともに、ロータの電気回路から受ける信号を処理して送信するための更なる電気回路を有している。

この種の音響センサは、欧州特許ＥＰ−Ａ−０４４６８４９に開示されている。

上記欧州特許に開示されるような音響センサの構成部品の構造および寸法は、最大で数百ＫＨｚに達する周波数を有する音響信号に応答する性能の良好な基準を与えている。

高い回転速度に達することが望まれる研削盤において、砥石車（および／または仕上げ加工車）は、電気スピンドルに対して連結されている。高速電気スピンドルを使用すると、音響バックグラウンドノイズが発生する。このノイズは、周知の音響センサで使用される周波数範囲（５０〜２５０ＫＨｚ）内で、砥石車と加工製品または仕上げ加工車とが接触することによって生じる音響信号に対して加えられ、それにより、上記接触を検知することが極めて難しくなる。図１のグラフには、砥石車または仕上げ加工車を支持する従来型のスピンドルおよび高速電気スピンドルのそれぞれによって研削盤内で発生されるバックグラウンドノイズのスペクトル密度ＤＳ１，ＤＳ２の傾向が、周波数Ｆの関数として対数尺度で示されている。

また、図１の破線は、砥石車の動作のタイプに依存せず、ある限度内で、砥石車自体の回転速度に依存する、砥石車と加工製品または仕上げ加工車との間で生じる接触によって発生する音響信号のスペクトル密度ＤＳ３の傾向を示している。図１のグラフは、高速（ＤＳ２）において、砥石車と加工製品との接触によって生じる信号とバックグラウンドノイズとの間の比率が周波数範囲５０〜２５０ＫＨｚでどのように重要であるかを示している。結果として、上記周波数範囲で動作する音響センサによって行なわれる機械加工プロセスのチェックは、極めて厄介である。有用な信号とバックグラウンドノイズとの間の比率は、高い周波数（５００ＫＨｚ〜１ＭＨｚの範囲）において許容できる。したがって、砥石車が高速で回転する研削盤において機械加工プロセスのチェックを行なうためには、特許出願ＥＰ−Ａ−０４４６８４９に開示されているような音響センサは、良好な応答が保証される限られた周波数範囲に鑑みて、性能が悪い。

本発明の目的は、前述した問題を解消するために高周波音響信号を変換できる広帯域の音響センサを提供することである。

この目的および他の目的は、請求項１に記載された音響センサによって達成される。

以下、非制限的な単なる一例として与えられた添付図面を参照しながら、本発明について説明する。

図２は、工作機械、より具体的には、ベッド２と工具キャリア３とを有するコンピュータ数値制御（“ＣＮＣ”）研削盤１の非常に簡略化された部分平面図である。工具キャリア３は、より具体的には、ホイールキャリアであり、Ｙ軸に沿ってベッド２に対して移動できるスライド４に連結されている。また、スライド４は、Ｘ軸に沿ってベッド２に対して移動できるスライド５に連結されている。したがって、工具キャリア３は、ベッド２に対してＸＹ平面内で移動することができる。スピンドル、例えば電気スピンドル７が、工具キャリア３によって支持されており、また、砥石車９がフランジ１１によって電気スピンドル７に対して連結されている。電気スピンドル７は、長軸Ｍを中心に砥石車９を回転させる。研削盤１は、回転対称な機械部品１３を機械加工するために使用される。機械部品１３は、例えば、シャフトであり、例えば回りセンタ１５とデッドセンタ１７とから成る周知のタイプの支持・基準システムにより、長軸Ｍと平行な長軸Ｐを中心に回転するように支持されて基準付けられて形成される。

研削盤１は、音響センサ（またはＡＥセンサ）１９によって機械加工プロセスをチェックするための装置を有している。音響センサは、図４に詳細に示されており、固定ユニット２１（すなわち、ステータ）と、移動可能な回転ユニット２３（すなわちロータ）とを有している。ステータ２１は、ここには図示しない周知の方法によってベッド２に連結されており、一方、ロータ２３は、砥石車９を電気スピンドル７に連結するためのフランジ１１に対して連結されている。

図３は、音響センサ１９の基本的な回路図である。

音響センサ１９は、電源装置と、ステータ２１内の正弦電圧発生器２７を有する処理・送信回路と、ロータ２３内の整流器２９を有する電源回路と、第１の非接触カップリング、より具体的には、発生器２７と整流器２９との間を電気的に接続するための変圧器型の電磁（誘導）結合部３０とを有している。ロータ２３内には、振動検知変換器、より具体的には、圧電変換器３３が配置されており、また、ロータ２３は、圧電変換器３３により信号出力を受け且つ整流器２９により給電される第１の増幅器すなわち電荷増幅器３７を収容している。電荷増幅器３７は、第２の非接触カップリングすなわち変圧器型の誘導結合部３１により、固定ユニット２１内の第２の増幅器すなわちライン増幅器３９に対して接続されている。ライン増幅器３９は、センサ１９の外部に設けられ且つ信号を処理して表示するための処理・表示ユニット４０に対して接続されている。

音響センサ１９は、以下のように動作する。例えば砥石車９と部品１３とが接触することによって振動が生じると、圧電変換器３３が電気信号を放出する。この電気信号は、増幅器３７へと送られ、増幅器３７によって増幅されるとともに、変圧器型カップリング３１によりライン増幅器３９へと送られる。ライン増幅器３９は、送られてきた信号を増幅するとともに、それを適合されたライン上で処理・表示ユニット４０へと送信する。

増幅器３７は、変圧器型カップリング３０によって正弦電圧発生器２７に接続された整流器２９を介して、正弦電圧発生器２７により給電される。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る音響センサ１９のロータ２３の断面斜視図である。ロータ２３は、例えばスチールによって形成され且つ座部４７を形成する支持体４５を有する支持・保護部材と、例えばＰＶＣ等のプラスチック材料によって形成される環状のセンタリング部材４８を有する位置決め・クランプ部材とを備えている。また、位置決め・クランプ部材は、導電材料から成る長尺部材５４とボール５３とを有するスラスト装置を備えた機械クランプ装置を含んでおり、ボール５３は、長尺部材５４によって形成された座部４３内に溶着されている。長尺部材５４は、調整可能なネジ結合部により、ロータ２３の支持・保護部材と一体のブシュ５６に連結されている。

圧電変換器３３は、２つの平面を有する円筒形状を成しており、環状部材４８によって形成される穴内に配置されている。環状部材４８は、座部４７内での変換器３３の横方向位置を決定する。

ボール５３は当接面を形成しており、この当接面は、長尺部材５４とブシュ５６との間のネジ結合部により設定できる力によって圧電変換器３３を支持体４５の表面４９に対して付勢してロックすることにより、圧電変換器３３上に作用する。また、支持体４５、長尺部材５４、ボール５３は、変換器の電極５０，５２（圧電変換器３３の上記２つの平面と一致する）とプリント回路基板５５とを電気的に接続する機能を有している。プリント回路基板５５は、ブシュ５６を支持しており、整流器２９と電荷増幅器３７とを有している。より具体的には、下側電極５２は、支持体４５の表面４９と１２０°間隔で取り付けられた３本のネジ５７（図４にはそのうちの１本のみが示されている）とによって、プリント回路基板５５に対して接続されている。また、ネジ５７は、プリント回路基板５５を支持体４５に対して固定するのに役立つ。上側電極５０は、ボール５３と長尺部材５４とによって、プリント回路基板５５に対して電気的に接続されている。この場合、長尺部材５４は、ブシュ５６により、プリント回路基板５５の導電部と接触している。また、プリント回路基板５５は、変圧器型カップリング３０の二次巻線と、変圧器型カップリング３１の一次巻線とを有している。支持体４５は、周知の方法でロータ２３をフランジ１１に対して固定するためのネジ付きのスピゴット５１を有している。また、支持・保護部材は、端部がシールされ且つ例えばプラスチック材料から成る略円筒状の第１のケーシング４６と、例えばスチールから成る略円筒状の第２のケーシング４４とを有している。第１のケーシング４６をプラスチック材料によって製造すると、ロータ２３の巻線とステータ２１の巻線とを電磁的に結合することができる。

本発明に係る音響センサ１９が与える重要な特徴は、高周波音響信号を検知して変換するという点である。これは、小さな寸法を有し、したがって、共振周波数が高い圧電変換器３３によって達成される。圧電変換器３３と電荷増幅器３７とを直接に接続することにより、すなわち、圧電変換器３３の出力信号を増幅することにより、感度および変換周波数範囲を低下させる虞がある寄生的な電気パラメータの影響を最小限に抑えることができる。また、変換器の信号を直接に増幅すると、次の処理回路で形成される電気的なノイズの影響が低減する。より具体的には、振幅および出力が増幅された信号のステータ２１への送信により、外的な電磁妨害に対する音響センサ１９全体の耐性が向上する。

支持体４５に対する変換器３３の接着剤を用いない結合は、図４の実施形態においてはボール５３および長尺部材５４とブシュ５６との間の調整可能な結合を含む強固な機械的結合によって達成され、それにより、圧電変換器３３と支持体４５との間の音響インピーダンスが低減されるとともに、高周波に対する音響センサの応答が良好になる。

また、この機械的結合は、接着剤の使用を予見する周知の解決策よりも有益である。これは、上記機械的結合により、例えば変換器が故障した場合において、簡単な作業により変換器を取り外して交換することができるからである。ライン増幅器３９を使用すると、すなわち、出力インピーダンスがケーブルインピーダンスに等しい増幅器を使用すると、接続ケーブルが長い場合であっても、信号を減衰させたり信号の周波数範囲を制限するといった問題を生じることなく、処理・表示ユニット４０へ信号をアナログ送信することができる。これは、特に、レイアウト寸法および研削盤の設置に起因して音響センサ１９と処理ユニット４０との間の接続ケーブルが数十メートルの長さである場合に有益である。

増幅器３７は、変圧器型カップリング３０を介してステータ２１によってロータ２３に伝えられた電圧により給電される。この種の信号送信によって生じる電磁場の放射を避けるため、変圧器３０の一次巻線に送られる電源装置の周波数は、水晶振動子２７によって安定化される。また、変圧器３０の一次巻線に接続され且つ水晶振動子２７と同じ周波数で回路共振を行なうコンデンサＣにより、調波の放射が更に減少される。

ここで説明したことに関する変形は、実現可能である。研削盤１の利用可能なスペースによって図２に示されるようにステータ２１を装着できる場合には、砥石車９を支持する端部と反対側の電気スピンドル７の端部で、研削盤１のベット２上にステータ２１を装着することができる。この場合、ロータ２３は、砥石車９を電気スピンドル７に対して連結するために、依然として、フランジ１１に連結される。しかし、ロータ２３と一体の変圧器型カップリング３０，３１の巻線は、砥石車９を支持する端部と反対側の端部で、電気スピンドル７に対して連結され、また、ステータ２１は、ロータ２３の巻線と電磁的に結合できる位置で、スライド４上に配置される。これらの巻線と整流器２９と増幅器３７との間の接続は、電機スピンドル７を横切る穴を介してケーブルによって行なうことができ、あるいは、無線接続、例えば電気スピンドルの穴を通じて伝えられる光信号によって行なうことができる。

また、圧電変換器３３と支持体４５とを結合する他のタイプの強固な機械的結合を有する音響センサも、本発明の範囲内に入る。

例えば、スラスト装置は、ボール５３の代わりに、長尺部材５４と電極５０との間に、それ自体周知の弾性部材、例えば“カップ”スプリングを有していても良い。

他の考えられる実施形態において、ボール５３を有する長尺部材５４は、直接的な方法で、あるいは、電極それ自体の表面を保護するための部材を介して、支持体４５の表面４９に対して変換器３３を付勢してロックするために電極５０上で作用するスプリング等の弾性部材に取って代えられる。この場合、上記スプリングは、前述した強固な機械的結合およびプリント回路基板５５の適切な導電部と電極５０との間の電気的な接続の両方を達成しても良い。図５は、これらの特徴を含む本発明の実施形態を示している。この場合、参照符号６４で示されるスプリングは、支持・保護部材と変換器３３との間に配置されている。より具体的には、スプリング６４は、一方側では、プリント回路基板５５に結合されたセンタリング部材６６に対して連結されており、他方側では、変換器３３と当接する導電板６３に対して連結されている。導電板６３は、電極５０と接触する環状の平面を有しており、これにより、スプリング６４の作用により電極５０の表面が劣化することが防止される。

他の考えられる実施形態が図６に示されている。この実施形態において、上記機械クランプ装置は、この場合は環状のリーフスプリング７４である弾性部材を有している。支持体４５’の座部４７’内に収容された改質された環状のセンタリング部材７８は、直径が異なる２つの同軸部と環状の当接面７２とを有する貫通穴を形成している。この貫通穴は、圧電変換器３３と、図５の実施形態の導電板６３との同様の導電保護板７３とを収容する。図６に示されるように、当接リング７０の一部は、支持体４５’の円筒状の内面によって形成される環状の座部７１内に収容されており、また、環状のリーフスプリング７４は、当接リング７０とセンタリング部材７８との間に配置されている。より具体的には、環状のリーフスプリング７４の外側縁部および内側縁部は、当接リング７０およびセンタリング部材７８とそれぞれ協働して、センタリング部材７８を、環状の当接面７２および圧電変換器３３を介して、支持体４５’の表面４９’に対して押圧する。

この場合、リーフスプリング７４は、電気的接続ではなく、変換器３３と支持体４５との間の強固な機械的結合を達成する。軸方向に配置されたブシュ７５は、キャップ７６を介して（例えば、溶着により）、プリント回路基板５５に対して連結されるとともに、保護板７３と接触する突出端部を有する可動ロッド７７を収容して案内する。また、電極５０とプリント回路基板５５の適切な導電部との間の電気的な接続を行なって確保するため、ブシュ７５は、ロッド７７と保護板７３との接触を十分に維持できる軽い力でロッド７７を外側に押し出すスプリング（図示せず）を収容している。

図６の実施形態によれば、プリント回路基板５５等を含む支持・保護部材の弱い部分に過度なスラストを作用させることなく、変換器３３を強い力で所定の位置に安全にロックすることができる。

幾つかの信号のスペクトル密度の傾向を周波数の関数として表わすグラフである。 本発明に係る音響センサを有する研削盤の平面図である。 本発明に係る音響センサの回路図である。 幾つかの部材が切断されていない、本発明の第１の好ましい実施形態に係る音響センサのロータの長手方向斜視断面図である。 幾つかの部材が切断されていない、本発明の第２の好ましい実施形態に係る音響センサのロータの長手方向斜視断面図である。 幾つかの部材が切断されていない、本発明の第３の好ましい実施形態に係る音響センサのロータの長手方向斜視断面図である。

Claims (21)

1. 固定ユニット（２１）と、
   回転ユニット（２３）と、
   を備え、
   前記回転ユニット（２３）は、
   支持体（４５；４５’）を有する支持・保護部材（４４，４５，４６，５５，５６；６６；４５’）と、
   支持体（４５；４５’）に連結される振動検知変換器（３３）と、
   変換器（３３）の位置を規定してロックするようになっている位置決め・クランプ部材（４８，５３，５４；６３，６４；７４；７８）と、
   を有し、また、
   固定ユニット（２１）と回転ユニット（２３）との間の電気的な接続を行なうようになっている少なくとも１つの非接触カップリング（３０，３１）を有する電源・処理・送信回路（２７，２９，３０，３１，３７，３９）を備えている音響センサにおいて、
   前記位置決め・クランプ部材は、変換器（３３）と支持体（４５；４５’）との間で強固な機械的結合を行なうようになっている機械クランプ装置（５３，５４；６３，６４；７４）を有している、音響センサ。
2. 前記機械クランプ装置は、支持体（４５；４５’）の表面（４９；４９’）に対して変換器（３３）を付勢するようになっているスラスト装置（５５，５４；６３；５４；７４）を有している、請求項１に記載の音響センサ。
3. 前記スラスト装置（５３，５４）は、支持・保護部材（４４，４５，４６，５５，５６）に連結された長尺部材（５４）を有するとともに、長尺部材（５４）と一体で且つ変換器（３３）と接触する当接面（５３）を形成している、請求項２に記載の音響センサ。
4. 前記当接面（５３）が略球状を成しており、長尺部材（５４）は、支持・保護部材（４４，４５，４６，５５，５６）に対して調整可能に連結されている、請求項３に記載の音響センサ。
5. 前記スラスト装置は、支持・保護部材（４４，４５，４６，５５；６６；４５’，７０）と変換器（３３）との間に配置された弾性部材（６４；７４）を有している、請求項２に記載の音響センサ。
6. 前記弾性部材がリーフスプリング（７４）である、請求項５に記載の音響センサ。
7. 前記リーフスプリング（７４）が環状を成し、前記支持・保護部材は、支持体（４５’）に対して結合固定され且つリーフスプリング（７４）の一部と協働する当接リング（７０）を有している、請求項６に記載の音響センサ。
8. 前記位置決め・クランプ部材がセンタリング部材（４８；７８）を有し、支持体（４５；４５’）が座部（４７；４７’）を形成し、センタリング部材（４８；７８）および変換器（３３）が前記座部（４７；４７’）内に収容されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の音響センサ。
9. センタリング部材（４８；７８）は、環状を成しているとともに、穴を形成しており、変換器（３３）が前記穴内に配置されている、請求項８に記載の音響センサ。
10. 前記位置決め・クランプ部材は、１つの穴と内側環状当接面（７２）とを備える略環状のセンタリング部材（７８）を有し、変換器（３３）は、環状当接面（７２）と接触した状態で前記穴内に配置され、支持体（４５’）が座部（４７’）を形成し、センタリング部材（７８）が前記座部（４７’）内に配置され、リーフスプリング（７４）の一部がセンタリング部材（７８）と協働して支持体（４５’）の前記表面（４９’）に対して変換器（３３）を付勢する、請求項７に記載の音響センサ。
11. 前記当接リング（７０）がリーフスプリング（７４）の外側縁部と協働し、リーフスプリング（７４）の内側縁部が前記センタリング部材（７８）と協働する、請求項１０に記載の音響センサ。
12. 前記振動検知変換器が圧電変換器（３３）である、請求項２から１１のいずれか一項に記載の音響センサ。
13. 圧電変換器（３３）は、２つの平面を規定する略円筒形状を成しており、前記２つの平面に２つの電極（５０，５２）を有している、請求項１２に記載の音響センサ。
14. 前記電極（５０，５２）の一方は、支持体（４５；４５’）の前記表面（４９；４９’）と接触している、請求項１３に記載の音響センサ。
15. 前記電極（５０，５２）の一方は、スラスト装置（５３，５４；６３，６４）の表面（５３；６３）と接触している、請求項１３または１４に記載の音響センサ。
16. 回転ユニット（２３）の支持・保護部材（４４，４５，４６，５５，５６；６６）は、前記電源・処理・送信回路（２７，２９，３０，３１，３７，３９）の一部を形成し且つ変換器（３３）に対して電気的に接続されるプリント回路基板（５５）を有している、請求項１から１５のいずれか一項に記載の音響センサ。
17. スラスト装置（５３，５４；６３，６４）は、変換器（３３）とプリント回路基板（５５）との間の電気的な接続を行なうようになっている、請求項１６に記載の音響センサ。
18. 電源・処理・送信回路（２７，２９，３０，３１，３７，３９）は、固定ユニット（２１）内に電圧発生器（２７）を有し、回転ユニット（２３）内に電源回路（２９）を有している、請求項１から１７のいずれか一項に記載の音響センサ。
19. 前記少なくとも１つの非接触カップリング（３０）は、電圧発生器（２７）を電源回路（２９）に対して電気的に接続するようになっており、センサは、変換器（３３）の信号を固定ユニット（２１）に送信するための第２の非接触カップリング（３１）を有している、請求項１８に記載の音響センサ。
20. 電源・処理・送信回路（２７，２９，３０，３１，３７，３９）は、振動検知変換器（３３）に連結された第１の増幅器（３７）を回転ユニット（２３）内に有し、第２の増幅器（３９）を固定ユニット（２１）内に有しており、第２の非接触カップリング（３１）により、前記第１の増幅器（３７）と前記第２の増幅器（３９）とを電気的に接続することができる、請求項１９に記載の音響センサ。
21. 前記非接触カップリングが変圧器型電磁結合部（３０，３１）である、請求項１９または２０に記載の音響センサ。

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