JP2006075908A

JP2006075908A - 工具位置検出装置

Info

Publication number: JP2006075908A
Application number: JP2004259261A
Authority: JP
Inventors: Yuzuru Tanaka; 譲田中; Yasuhiko Uchida; 安彦内田
Original assignee: Daishowa Seiki Co Ltd
Current assignee: Daishowa Seiki Co Ltd
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】極細の加工工具を使用する場合でも折損等の発生を回避でき、また、誤動作発生や接点寿命等の問題を起こすことがなく、加工工具の基準位置を常に精度良くかつ簡単な構成でもって検出することができる工具位置検出装置を提供する。
【解決手段】工作機械等の基台３上に設置される本体６に対して、摺動体７が摺動自在かつ本体外方に向けて付勢された状態で突出保持されている。本体６には発光素子１２と受光素子１３とが所定の間隔を存して対向配置され、摺動体７には両素子１２，１３の間に介在されて光を透過／遮断するブレード２６が固定されて摺動体７への加工工具２の当接を検出する光電スイッチ２８が構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、マシニングセンタ等のＮＣ工作機械に装着されるドリルやエンドミルなどの各種の加工工具の基準位置を精度良く検出するために使用される工具位置検出装置に関する。

一般に、マシニングセンタ等のＮＣ工作機械においては、マガジンに収納されているドリルやエンドミルなどの各種の加工工具をロボットアームを用いて主軸ヘッドに装着した後、コントローラによって加工工具に与えるべき送り量を決定してワークの加工を行う。

この場合、主軸ヘッドに装着された加工工具に与えるべき送り量を決定する上で、加工工具の基準位置を予め精度良く検出しておくことが必要となる。このため、従来より加工工具の基準位置を検出すための工具位置検出装置が提供されている（例えば、特許文献１，２等参照）。

すなわち、例えば、図７に示すような構成のＮＣ工作機械の場合、ワーク載置用のＸＹテーブルＦの上に工具位置検出装置Ｉが取り付けられている。この工具位置検出装置Ｉは、ＸＹテーブル上に設置固定された本体Ｊと、この本体Ｊに対して上下方向に摺動自在で、かつ上方に付勢された状態で本体Ｊから突出している摺動体Ｋとを備えている。

摺動体Ｋは、図８に示すように、加工工具Ｔが当接される受圧部Ｋ１と、この受圧部Ｋ１から下方に延びるロッド部Ｋ２とを有する。そして、ロッド部Ｋ２は、バネＳで上方に向けて付勢されるとともに、その下端部には導電性の接触片Ｑが固定されている。また、本体Ｊ側にはこの接触片Ｑと接触する端子片Ｒが設けられており、接触片Ｑと端子片Ｒとで一種の機械的な接触式スイッチが構成されている。

そして、ＮＣ工作機械を用いてワークＷを加工するにあたっては、図７（ａ）に示す主軸ヘッドＭの初期位置から、主軸ヘッドＭを次第に下降して主軸ヘッドＭに装着された加工工具Ｔの先端を摺動体Ｋの受圧部Ｋ１上面に接触させる。

摺動体Ｋに加工工具Ｔが未だ当接していないときには接触片Ｑと端子片Ｒとが互いに接触していて電気的に導通しているが、加工工具Ｔが摺動体Ｋの受圧部Ｋ１上面に当接すると、摺動体Ｋが下方に僅かに移動して接触片Ｑと端子片Ｒとの電気的な導通が遮断されるので、そのときのオフ信号がＮＣ工作機械の図示しないコントローラに入力される。コントローラは、このオフ信号入力に応じて主軸ヘッドＭの下降を停止するとともに、主軸ヘッドＭの下降開始時点から停止時点までの移動量ｃを測定する。

主軸ヘッドＭの初期位置とＸＹテーブルＦ間の距離ａ、および工具位置検出装置Ｉの高さｂは既知で予めコントローラにデータ登録されているので、主軸ヘッドＭから加工工具Ｔの先端までの距離ｄは、次式
ｄ＝ａ−（ｂ＋ｃ）（１）
により算出される。

このようにして距離ｄが求まると、主軸ヘッドＭは初期位置まで復帰されるので、次に、図７（ｂ）に示すように、主軸ヘッドＭの直下にワークＷが位置するようにＸＹテーブルＦを移動した後、再び主軸ヘッドＭを下降してワークＷの加工を開始する。

その際、ワークＷの高さｅは既知で予めデータ登録されているので、加工工具Ｔの先端がワークＷに到達するまでの送り込み量ｆは、次式
ｆ＝ａ−（ｄ＋ｅ）（２）
により決定することができる。

このように、ワークＷを加工するに当たって加工工具Ｔの基準位置となる刃先位置（主軸ヘッドＭから加工工具Ｔの先端までの距離ｄ）を予め検出しておけば、ワークＷに対する加工工具の送り込み量ｆを精度良く決定することができる。

しかも、ワークＷを加工する際には、その都度、事前に加工工具Ｔの先端を工具位置検出装置Ｉの摺動体Ｋに接触させて基準位置を確定するようにすれば、加工工具Ｔの刃先が摩耗して刃先位置が変化したような場合や、加工工具Ｔの交換等によって取り付け位置にばらつきが生じたような場合でも、これらの変動要因に影響されることなくワークＷに対する加工工具Ｔの送り込み量ｆを常に精度良く決定することができ、加工誤差の発生を確実に防止することができる。

なお、工具位置検出装置Ｉに設けられる接触式スイッチとしては、図８に示した構成の外に、例えば図９に示すように、摺動体Ｋの下端部に導電性の接触片Ｑを設けるとともに、本体Ｊに一対の端子片Ｒ１，Ｒ２を設けた構成のものも提供されている。この構成の場合にも、摺動体Ｋに加工工具Ｔが未だ当接していないときには接触片Ｑと両端子片Ｒ１，Ｒ２とが互いに接触していて両端子片Ｒ１，Ｒ２間が接触片Ｑを介して電気的に導通しているが、加工工具Ｔが摺動体Ｋに当接すると、接触片Ｑと端子片Ｒ１，Ｒ２とが離間して両端子片Ｒ１，Ｒ２間の電気的な導通が遮断される。
特開昭６１−３０３６１号公報特開平３−４３１３４号公報

ところで、従来の工具位置検出装置Ｉは、図８あるいは図９に示したように、加工工具Ｔが摺動体Ｋの上面に当接したのを検出するために、接触片Ｑと端子片Ｒ（またはＲ１，Ｒ２）間に常に所定の電圧を印加して、接触片Ｑと端子片Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）との機械的なスイッチ動作によってオン／オフ信号を発生させる接触式スイッチを用いている。このため、次の課題が残されている。

すなわち、工具位置検出装置Ｉは、ＮＣ工作機械のＸＹテーブルＦ上に常時取り付けられているので、ワークＷの加工時に振動が加わる。

ここで、加工工具Ｔの刃先位置を検出しないときには、通常、接触片Ｑと端子片Ｒ（またはＲ１，Ｒ２）との間に所定の電圧が印加された状態の下で両者Ｑ，Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）間は接触状態を保っているが、摺動体Ｋを本体上方に向けて付勢するバネＳの力が弱く、しかも、上記のようなワークＷの加工時の振動が加わったときには、両者Ｑ，Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）間の接触／離間が繰り返されることが起こる。その結果、両者Ｑ，Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）間に電蝕が発生して接点寿命が短くなったり、電蝕によって両者Ｑ，Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）間に接触不良が生じて誤動作を起こすなどの問題を生じる。

このような不具合発生を防止するには、例えば摺動体Ｋを上方に向けて付勢するバネＳの力を大きして接触片Ｑと端子片Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）との接触圧を上げてワークＷ加工時の振動の影響を除くことが考えられる。

しかしながら、近年、半導体製品等の微細加工を行うような場合、例えば直径が０．１ｍｍ以下の極細の加工工具Ｔが使用されることがある。しかるに、接触片Ｑと端子片Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）との接触圧を上げるためにバネＳの力を強化すると、このような極細の加工工具Ｔが摺動体Ｋの上面に当接した際に、加工工具Ｔが容易に折損してしまう。したがって、単純にバネ力を上げることで工具位置検出装置の誤動作発生防止に対処することができない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、極細の加工工具を使用する場合でも折損等の発生を回避でき、また、誤動作発生や接点寿命等の問題を起こすことがなく、加工工具の基準位置を常に精度良く検出することができる工具位置検出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、次の構成を採用している。
すなわち、請求項１記載に係る工具位置検出装置は、工作機械等の基台上に設置される本体と、この本体に対して摺動自在かつ本体外方に向けて付勢された状態で突出保持されている摺動体とを備え、前記本体には発光素子と受光素子とが所定の間隔を存して対向配置される一方、前記摺動体には前記発光素子と受光素子との間に介在されて光を透過／遮断するブレードが固定されており、前記発光素子、受光素子およびブレードにより、前記摺動体への加工工具の当接を検出する光電スイッチが構成されていることを特徴としている。

請求項２記載の発明に係る工具位置検出装置は、請求項１に記載の発明の構成において、前記本体には、前記摺動体のオーバートラベル防止用のリミットスイッチが設けられていることを特徴としている。

請求項３記載の発明に係る工具位置検出装置は、請求項１または請求項２に記載の発明の構成において、前記光電スイッチのオン／オフを電気信号として取り出す検出回路部を備え、この検出回路部にはアイソレーション用のフォトカプラが設けられていることを特徴としている。

請求項１記載の発明によれば、ブレード、発光素子および受光素子で構成される光電スイッチによって加工工具の摺動体への当接を検出できるので、従来のように、接触片と端子片との間に常に所定の電圧を印加した状態に保って両者間の機械的なスイッチ動作によってオン／オフ信号を発生させる必要がない。つまり、光電スイッチは非接触式であるので、従来のような電蝕に起因した誤動作発生や接点寿命等の問題は生じない。しかも、摺動体を付勢するバネ力は小さく設定することができるので、例えば、直径が０．１ｍｍ以下といった極細の加工工具を使用する場合でも折損等の発生を回避することができる。これにより、各種の加工工具の基準位置を常に精度良く検出することが可能になる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、本体には摺動体のオーバートラベル防止用のリミットスイッチを設けているので、光電スイッチが故障した場合でも摺動体が加工工具により所定の距離以上に押圧移動されて摺動体が損傷したり、加工工具が折損するなどの危険性を確実に防止することができる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、検出回路部にはアイソレーション用のフォトカプラを設けているので、光電スイッチのオン／オフ信号以外の不要な外来ノイズが混入するのを防ぐことができる。このため、コントローラが不要なノイズ混入によって誤動作を引き起こすなどの不具合発生を確実に防止することができる。

図１は発明の実施の形態において、ＮＣ工作機械に本発明の工具位置検出装置が設置されている状態を示す斜視図、図２はＮＣ工作機械に工具位置検出装置が設置されている状態を示す縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は本発明の工具位置検出装置が備える光電スイッチの詳細を示す斜視図である。

これらの図において、１はＮＣ工作機械の主軸ヘッド、２はこの主軸ヘッド１に取り付けられた加工工具（この例ではドリル）、３はＮＣ工作機械の基台となるワーク載置用のＸＹテーブル、５は本発明に係る工具位置検出装置である。

この実施の形態における工具位置検出装置５は、ＸＹテーブル３上に設置固定された本体６と、この本体６に対して摺動自在かつ本体６の上外方に向けて付勢保持されている摺動体７とを備えている。

本体６は、ケーシング８を備え、このケーシング８には、凹所９が形成されるとともに、この凹所９とケーシング８外方とを上下に貫通するシリンダ部１０が形成されている。そして、凹所９内には、ホルダ１１がネジ等で固定され、このホルダ１１には、図４に示すように、後述の光電スイッチ２８を構成する赤外発光ダイオードなどからなる発光素子１２とフォトダイオードなどからなる受光素子１３とが所定間隔を存して互いに対向するように取り付けられている。また、ホルダ１１には、光電スイッチ２８のオン／オフを電気信号として取り出す後述の検出回路部２９（図５）が形成された回路基板３０が取り付けられている。さらに、この凹所９内には、摺動体７のオーバートラベル防止用のリミットスイッチ１４が設けられている。なお、１５は配線挿通孔、１６は凹所９の側面を覆うカバー、１７は配線ケーブルである。

一方、摺動体７は、加工工具２が当接する受圧部１８と、この受圧部１８から下方に延びるロッド部１９とを有し、ロッド部１９はケーシング８のシリンダ部１０内に挿通されてその上端がケーシング８よりも上方に突出し、また、その下端は凹所９内に突出している。

そして、受圧部１８下面とケーシング８の上端面との間にはバネ２１が介在され、また、ロッド部１９の凹所９内の突出部分には摺動体７の抜け止め用のストッパ２２が設けられている。これによって、摺動体７はケーシング８のシリンダ部１０に沿って摺動自在に設けられるとともに、バネ２１によってケーシング８の上外方に向けて付勢された状態で突出保持されている。なお、２３はバネ２１を覆うカバー部材である。

さらに、ロッド部１９のストッパ２２よりも上方位置には一部を切り欠いて回り止め溝２４が形成され、この回り止め溝２４には、ケーシング８に螺合されたピン２５が係合しており、これによって摺動体７の周方向の回転が規制されている。また、ロッド部１９のストッパ２２よりも下方位置には、前述の発光素子１２と受光素子１３との間に介在されて光を透過／遮断する逆Ｌ形状のブレード２６がネジ等で固定されている。

そして、発光素子１２、受光素子１３、およびブレード２６により、摺動体７への加工工具２の当接を検出する光電スイッチ２８が構成されている。すなわち、この光電スイッチ２８は、摺動体７の移動により発光素子１２からの光がブレード２６で遮断されると受光素子１３の信号出力がなくなるので、これによって摺動体７への加工工具２の当接を検出するようになっている。

図５は光電スイッチ２８、ならびにこの光電スイッチ２８のオン／オフを電気信号として取り出す検出回路部２９の構成を示す回路図である。

同図において、２８は光電スイッチ、１２は発光素子、１３は受光素子、２６はブレードであり、これらの構成は図４に示した通りである。

３１は受光素子１３による受光信号を増幅する増幅器、３２は増幅器３１から出力される受光信号が遮断されたときにこれに応じてトリガされてローレベルの信号を出力するトリガ回路、３３はトリガ回路３２からの出力により導通するＰＮＰ型のトランジスタなどのスイッチ素子、３４はスイッチ素子３３のオンにより通電されるフォトカプラ、３５はフォトカプラ３４の出力に基づいて摺動体７に対する加工工具２の当接を検出する信号を図外のコントローラに出力する検出端子、３６は電源端子、３７は電圧安定化用のコンデンサ、３８は接地端子である。

上記構成を備えた工具位置検出装置を用いて加工工具２の基準位置を検出するには、ＮＣ工作機械の主軸ヘッド１を下降して主軸ヘッド１に装着された加工工具２の先端を摺動体７の受圧部１８上面に接触させる。

摺動体７の受圧部１８に加工工具２が未だ当接していないときには、光電スイッチ２８のブレード２６は発光素子１２と受光素子１３との対向位置から外れた位置にあるので、発光素子１２からの光はブレード２６で遮断されることなく受光素子１３に受光されている。

加工工具２の先端が摺動体７の受圧部１８上面に当接して摺動体７が僅かに下降されると、発光素子１２からの光がブレード２６で遮断されて受光素子１３に受光されなくるので、受光素子１３からの信号出力が停止する。すると、増幅器３１の出力が低下してトリガ回路３２が起動されてトリガ信号が出力される。このため、スイッチ素子３３がオンとなり、これに伴ってフォトカプラ３４もオンして検出端子３５を通じて図外のコントローラに検出信号が入力される。これに応じてコントローラは、摺動体７への加工工具２の当接を検出するとともに、主軸ヘッド１の下降動作を停止する。さらに、コントローラは、主軸ヘッド１の下降開始時点から停止時点までの移動量ｃを前述の（１）式に基づいて算出し、その測定データをメモリ等に登録する。

このように、この実施の形態では、発光素子１２、受光素子１３、およびブレード２６で構成される光電スイッチ２８によって加工工具２の摺動体７への当接を検出しているので、従来のような電蝕に起因した誤動作発生や接点寿命等の問題は生じない。しかも、摺動体７を上方に向けて付勢するバネ２１の力を小さく設定（例えば、３０Ｎ以下に設定）することができるので、例えば、直径が０．１ｍｍ以下といった極細の加工工具２を使用する場合でも折損等の発生を回避することができる。また、摺動体７の僅かな移動でも光電スイッチ２８で検出することができる。これにより、各種の加工工具２の基準位置を常に精度良く検出することが可能になる。

また、この実施の形態では、光電スイッチ２８が何らかの原因で故障した場合でも、摺動体７が加工工具２により押圧されて所定距離を越えて下降したときには、リミットスイッチ１４が作動して主軸ヘッド１の下降が強制的に停止されるため、摺動体７が損傷したり、加工工具２が折損するなどの危険性を確実に防止することができる。

さらに、この実施の形態では、検出回路部２９にアイソレーション用のフォトカプラ３４を設けているので、光電スイッチ２８のオン／オフ信号以外の不要な外来ノイズがコントローラに混入するのを防ぐことができる。このため、コントローラが不要なノイズ混入によって誤動作を引き起こすなどの不具合発生を確実に防止することが可能になる。

なお、上記の実施の形態においては、光電スイッチ２８のオフ動作によって加工工具２の摺動体７への当接を検出しているが、これとは逆に、光電スイッチのオン動作によって加工工具２の摺動体７への当接を検出することも可能である。

これを実現するには、例えば、図６に示すように、摺動体７のロッド部１９に取り付けられたブレード２６の一部を切り欠いてスリット２７を形成し、摺動体７に加工工具２が未だ当接していないときには発光素子１内からの光がブレード２６で遮光されて受光素子１３に受光されないようにしておく。これにより、摺動体７の移動によって発光素子１２からの光がスリット２７を透過して受光素子１３に受光されて光電スイッチ２８がオン動作したことによって加工工具２の摺動体７への当接を検出することができる。

また、ブレード２６の形状も、図４，図６に示したものに限定されるものではなく、摺動体７の移動に応じて光電スイッチがオン／オフ動作するものであれば、傾斜状や半円状のもの、また、スリットの形状も円形、方形、楕円形などの各種形状のものを使用することができる。

また、上記の実施の形態では、ドリルやエンドミルなどの主として切削用の加工工具２を装着するＮＣ工作機械において工具位置検出装置５を使用した場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の各種の加工工具を装着したＮＣ工作機械において、加工工具の基準位置を精度良く検出する場合にも本発明の工具位置検出装置を適用することが可能である。

本発明の実施の形態において、ＮＣ工作機械に工具位置検出装置が設置されている状態を示す斜視図である。本発明の実施の形態において、ＮＣ工作機械に工具位置検出装置が設置されている状態を示す縦断面図である。図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明の工具位置検出装置が備える光電スイッチの詳細を示す斜視図である。光電スイッチ、ならびにこの光電スイッチのオン／オフを電気信号として取り出す検出回路部の構成を示す回路図である。本発明の工具位置検出装置を構成する光電スイッチの変形例を示す斜視図である。ＮＣ工作機械において工具位置検出装置を用いて加工工具の基準位置を設定してワークを加工する場合の動作を示す説明図である。従来の工具位置検出装置において、加工工具が摺動体の上面に当接したことを検出する機械的な接触式スイッチの要部を示す斜視図である。従来の工具位置検出装置における他の機械的な接触式スイッチの要部を示す斜視図である。

符号の説明

１主軸ヘッド
２加工工具
３ＸＹテーブル（基台）
５工具位置検出装置
６本体
７摺動体
１２発光素子
１３受光素子
１４リミットスイッチ
２６ブレード
２８光電スイッチ
２９検出回路部
３４フォトカプラ

Claims

工作機械等の基台上に設置される本体と、この本体に対して摺動自在かつ本体外方に向けて付勢された状態で突出保持されている摺動体とを備え、前記本体には発光素子と受光素子とが所定の間隔を存して対向配置される一方、前記摺動体には前記発光素子と受光素子との間に介在されて光を透過／遮断するブレードが固定されており、前記発光素子、受光素子およびブレードにより、前記摺動体への加工工具の当接を検出する光電スイッチが構成されていることを特徴とする工具位置検出装置。
前記本体には、前記摺動体のオーバートラベル防止用のリミットスイッチが設けられていることを特徴とする請求項１記載の工具位置検出装置。
前記光電スイッチのオン／オフを電気信号として取り出す検出回路部を備え、この検出回路部にはアイソレーション用のフォトカプラが設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の工具位置検出装置。