JP2017140688A - Smart tool holder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ドリルやエンドミルなどの工具を把持し、工作機械の主軸に嵌合して加工を行うものであって、加工時に切り屑生成に際して加工点で発生する負荷すなわち加工力の検出機能をもったツールホルダに関する。 The present invention grips a tool such as a drill or an end mill and fits it to the spindle of a machine tool to perform machining, and has a function of detecting a load generated at a machining point at the time of machining, that is, a machining force, when generating chips during machining. It relates to a tool holder.
機械加工時には、加工の継続とともに工具切れ刃が摩耗していき、加工精度が劣化していく。このため、1個の工具切れ刃で加工できる切削距離や加工個数にある閾値を設けて、加工精度が加工公差を超える前に、工具切れ刃の交換を行っているのが一般的である。切削距離に伴って工具切れ刃の摩耗が定常的に進行していく場合には、このような工具寿命を加工力や加工個数の閾値管理で対応可能である。しかし、現実には工具切れ刃の異常摩耗や欠損といった予測しがたい非定常な切れ刃損傷がたびたび起こっている。このような非定常な切れ刃損傷に対しては、上記の経験則に基づく閾値から工具寿命を管理することはできない。このため、工具切れ刃が異常摩耗や欠損をした後も継続して使用し、不良品続出といった歩留まりの低下を来すことが多い。また、このようなトラブルを回避する安全策として、工具切れ刃の交換までの切削距離を短めに設定して工具費の増大を来したり、加工条件を低めに設定して加工能率の低下を惹起する、などの問題を抱えている。 At the time of machining, the cutting edge of the tool is worn with the continuation of machining, and the machining accuracy deteriorates. For this reason, it is common to provide thresholds for the cutting distance and the number of pieces that can be machined with one tool cutting edge, and to replace the tool cutting edge before the machining accuracy exceeds the machining tolerance. When the wear of the cutting edge of the tool progresses constantly with the cutting distance, such tool life can be dealt with by threshold management of the processing force and the number of processing. However, in reality, unpredictable unsteady cutting edge damage such as abnormal wear or chipping of the tool cutting edge frequently occurs. For such unsteady cutting edge damage, the tool life cannot be managed from the threshold based on the above rule of thumb. For this reason, it continues to be used even after the tool cutting edge is abnormally worn or chipped, often resulting in a decrease in yield such as successive defective products. In addition, as a safety measure to avoid such troubles, the cutting distance until the replacement of the tool cutting edge is set short to increase the tool cost, or the processing conditions are set low to reduce the machining efficiency. I have problems such as inducing.
これらの課題に対し、これまで、工作機械の主軸モータの回転駆動に消費される駆動動力の測定や、主軸頭や工作物の振動測定等により加工力を測定し、加工中の加工異常や工具の非定常な切れ刃損傷を、測定された加工力に基づきインプロセス検知する試みがなされている。 In response to these issues, machining forces have been measured by measuring the driving power consumed to rotate the spindle motor of machine tools and measuring the vibration of spindle heads and workpieces. Attempts have been made to detect the unsteady cutting edge damage in-process based on the measured machining force.
このうち前者の加工中の主軸モータの駆動動力を測定する方法は、駆動動力の検出が比較的簡便なことから、機械加工現場への適用事例が増えつつある。しかし主軸モータが無負荷回転する場合であっても、主軸モータの電気的なロスやモータ軸受の摩擦などのメカニカルロスのため、多くの駆動動力を消費する。これに対し仕上げ加工工程などでは、切り屑生成に要する消費動力が小さく、検知すべき加工にかかる消費動力が主軸駆動モータの駆動動力の中に埋没してしまうこと、また主軸駆動モータの回転慣性が大きく、切れ刃欠損のような瞬時の小さな消費動力変動を忠実に測定できないこと、などの問題がある。 Of these methods, the former method of measuring the driving power of the spindle motor during machining is being applied to machining sites because the detection of driving power is relatively simple. However, even when the spindle motor rotates without load, a lot of driving power is consumed due to mechanical loss such as electrical loss of the spindle motor and friction of the motor bearing. On the other hand, in the finishing process, etc., the power consumption required for chip generation is small, and the power consumed for machining to be detected is buried in the drive power of the spindle drive motor, and the rotational inertia of the spindle drive motor However, there is a problem that it is not possible to faithfully measure a small fluctuation in instantaneous power consumption such as a cutting edge defect.
切れ刃の欠損挙動などを瞬時に検知するためには、高い周波数帯域までの加工力の測定を可能にする必要があるが、そのためには加工力の発生個所すなわち加工点と、加工力の検出端との距離を可能な限り近づけ、加工点から検出端に至る間の回転慣性や往復慣性を最小にすることが肝要である。このため、文献1や文献2では、主軸の工具側に副軸を設けて回転慣性を低減し、加工トルクの測定帯域の上限を高めている。しかし、この検出方式では、主軸内に検出機能を搭載しているため、検出系のみが故障しても、検出系を修理している間は主軸が使用できなくなり、工作機械本体の稼働率が大幅に低下する。 In order to instantly detect the chipping behavior of the cutting edge, it is necessary to be able to measure the machining force up to a high frequency band. For that purpose, the location of the machining force, that is, the machining point and the detection of the machining force are detected. It is important to make the distance from the end as close as possible and to minimize the rotation inertia and reciprocation inertia from the processing point to the detection end. For this reason, in
一方で、工作機械の主軸に嵌合して工具を保持するツールホルダにて工具の加工力をインプロセスで検知しようとした場合、工具とツールホルダとは常に対をなして使用されるものであるので、工具毎に用意されるツールホルダの夫々に検知機能を持たせなくてはならない。 On the other hand, when trying to detect the processing force of a tool in-process with a tool holder that holds the tool by fitting it to the spindle of the machine tool, the tool and the tool holder are always used in pairs. Therefore, each tool holder prepared for each tool must have a detection function.
そのほか文献3では、主軸に働く加工力を、静圧軸受の軸と軸受間の相対変位を測定することにより加工力の検出を可能にしている。しかし、ビルトインタイプのローター軸の慣性が大きく、この慣性の検出信号への配慮がなされておらず、測定帯域が著しく低く制限されている。また、流体軸受の筐体には配管類がつながれていることから、回転を前提としておらず、回転する工具への適用は想定されていない。 In addition, in
文献4においても、工具刃先にはたらく加工力を、この加工力により工具にはたらく曲げモーメントに置き換えて、軸方向の磁歪フィルムにより検出可能にしている例が示されているが、外輪の取り付け部材は本体に固定され、工具交換に必須な着脱が容易にできない。また主軸側の転がり軸受は軸方向が固定され、刃先側の転がり軸受が軸方向にフリーな軸受配置となっている。これに対し、加工精度は刃先位置で決定されることを勘案すると、可能な限り刃先に近い位置にあるべき固定支点が、当該公知例では主軸側に配置されており実用性に乏しい。
一方、文献5〜10には、加工負荷の限界値を検知可能な機構を内蔵し、工具を把持できるツールユニットが示されている。しかし、いずれも、過負荷トルクや過負荷スラストのリミッターとしての機能をもたせているだけで、加工の負荷トルクや負荷スラストの時間的に連続した変化を検出することはできない。とくに、円周方向に等配されたステップに対応して間欠的に検出される円周方向や軸方向の偏位からは、時々刻々変化する連続した負荷変動を測定することはできず、切れ刃のチッピングや工具折損、切り屑の絡まりといった瞬時に起きる挙動を検知できず、工具折損予知につなげる加工力を把握ができない。 On the other hand,
また、文献11で示されている実施例では、検出子として「ひずみゲージ」を用いている。ひずみゲージを用いた検出方式については、測定対象である負荷により生ずる部材のひずみ、いわゆる負荷ひずみと、測定箇所の温度変化に伴う宿命的な熱ひずみの分別が必須であり、ひずみゲージを貼り付ける部材の熱膨張係数に合わせた抵抗変化を補償するひずみゲージを用いたり、負荷に対する対称箇所にひずみゲージを貼りブリッジ回路を組んで温度影響を補償するなどの対策を講じても、10−6オーダーあるいはそれ以内のミクロなひずみを高精度に測定することは至難である。In the example shown in
このため一般的には、ひずみゲージの貼り付け箇所の剛性をあえて低くし、大きなひずみを生じるようにしている。これらのことを考慮すると、当該文献の例において、検出感度を確保する手法は、剛性低下によるびびり振動発生や加工寸法精度劣化などの加工系への悪影響が危惧される。 For this reason, generally, the rigidity of the place where the strain gauge is applied is intentionally lowered to cause a large strain. In consideration of these matters, in the example of this document, there is a concern that the method of ensuring detection sensitivity may adversely affect the machining system, such as chatter vibration due to a decrease in rigidity and degradation of machining dimensional accuracy.
なお、文献11には、回転する検出系への電源供給の手段として、自動巻き腕時計に類似した回転に伴う自家発電により、回転するツールホルダに電源を供給している。しかしこの発電手法では、主軸が回転していない作業前の動作チェックや、機外での検出精度校正などができない。これらの作業を可能にするには、新たな電源供給手段が必要になるという課題がある。 In
一方、工具を把持する副軸の支持方法についてであるが、転がり軸受の内輪と外輪との間に荷重が付加されると、内輪と外輪の間に介在する転動体と両輪の転動面との接触箇所において、局部的な弾性変形を生じ、主軸剛性を低下させることは広く知られ、重切削する工作機械の主軸では主軸の支持剛性の向上が重要な課題となっている。一方でこの弾性変形を積極的に活用する例として、この弾性変形量を検知することで、軸に働く負荷を評価することが行われている。 On the other hand, regarding the method of supporting the countershaft that grips the tool, when a load is applied between the inner ring and the outer ring of the rolling bearing, the rolling elements interposed between the inner ring and the outer ring and the rolling surfaces of both wheels It is widely known that local elastic deformation is caused at the contact point and the spindle rigidity is lowered, and improvement of the support rigidity of the spindle is an important issue for a spindle of a machine tool that performs heavy cutting. On the other hand, as an example of positively utilizing this elastic deformation, evaluating the load acting on the shaft by detecting the elastic deformation amount is performed.
文献12に示された公知例では、主軸が一定速度で回転していることを前提に、凹溝を通過する時間間隔の変化を検出してアキシャル荷重を測定している。しかし、回転していない停止状態では、アキシャル荷重の測定も測定精度校正も全くできない。また回転角度間隔で間欠的にねじれ変形量を測定しており、この角度間隔内で生じるアキシャル荷重の急速な変化を検出することはできない。このように、測定可能な周波数帯域はきわめて低く制限され、例えば、切れ刃刃先にチッピングが発生しても、その急激な荷重の変化挙動を検出することができない。文献12の図6の例では、回転角90°ごとに凹溝が配置されているように読み取れ、この角度間隔でしか荷重変化を測定していないため、これよりも小さい回転角度内に発生する加工力変化を検出することはできない。 In the known example shown in
なお、複数のセンサを用いた検出信号の位相差についても触れているが、検出角度位置の測定精度が上がるだけで、アキシャル荷重の急激な時間変化を測定することはできない。 In addition, although the phase difference of the detection signal using a plurality of sensors is mentioned, it is not possible to measure a rapid time change of the axial load only by increasing the measurement accuracy of the detection angle position.
文献13および文献14には、車のタイヤから受ける荷重を、1対のアンギュラーコンタクト軸受を背面組み合わせした軸受ボックスで受けているときの、路面からの負荷を計測する適用例である。これら2つの公知例では、回転体に磁石を等配置したエンコーダを取り付け、軸受ボックスに固定した磁気検知素子にて軸の弾性変位により、タイヤから受ける荷重を検知している。しかし、文献14の公知例では回転体が回転していることが前提であり静止中には検出感度の校正ができない。また文献14では、1対のアンギュラーコンタクト軸受を背面組み合わせした軸受間の中央付近に半径方向の弾性変位を測定するようにしているが、タイヤからの曲げモーメントを考慮すると、弾性変位が最小に近い位置で測定している。これに対し文献13では、検出センサを車体側に移動して検出感度を高めているものの、センサおよび被検出端の取り付け箇所の動剛性低下が危惧される。
上述したように、機械加工ラインにおいて、高い周波数帯域までの加工力のインプロセス測定を可能にし、急激な加工力変化に対して敏感に検知できる測定手段を実現することが課題である。そのためには、加工点から測定箇所までの回転慣性および往復慣性を小さく抑制し、高周波数帯域までの加工力の測定を可能とすること、また機械加工ラインへの適用を可能にするべく、構成や構造を単純にしてコストパフォーマンスを高めることが課題である。 As described above, in the machining line, it is an object to realize a measuring means that enables in-process measurement of a machining force up to a high frequency band and can detect sensitively to a rapid machining force change. To that end, the rotational inertia and reciprocating inertia from the machining point to the measurement point are suppressed to a small level, making it possible to measure the machining force up to the high frequency band, and to make it applicable to machining lines. The challenge is to improve cost performance by simplifying the structure.
上記課題を解決するため、本発明にかかるツールホルダは、検出部を構成する弾性支持系を直列的に接続するのではなく、単純な構造にして、測定性能を向上させるとともに廉価可能にしている。 In order to solve the above problems, the tool holder according to the present invention does not connect the elastic support system constituting the detection unit in series, but has a simple structure to improve measurement performance and to be inexpensive. .
このため、請求項1記載のツールホルダは、工作機械の主軸との嵌合が可能なテーパー部と、先端に工具を把持するチャックを有し、前記テーパー部と同軸心に配置される副軸と、前記テーパー部と前記副軸との間に介在し、該副軸を支持する二種類の支持部と、前記副軸に装着され、前記テーパー部に対する副軸の弾性変位または弾性歪を検出する検出センサと、前記検出センサによる検出信号を処理する信号処理手段および処理された信号を送信する送信手段と、前記検出センサ、信号処理手段および送信手段に対する電源を供給する電源供給手段とを備えるツールホルダであって、前記支持部は、前記副軸の先端側に配置されるラジアルベアリングと、後端側に配置されるスプラインベアリングとの二種類であり、前記検出センサは、前記主軸の軸心方向、該軸心に直角の断面内において直交する二方向、および軸心回りのねじり方向からなる4方向のうち、少なくとも1つの方向における前記テーパー部に対する前記副軸の弾性変位を検出するものである。 For this reason, the tool holder according to
請求項2記載のツールホルダは、請求項1に記載のツールホルダにおいて、前記テーパー部は、該テーパー部に固着される外筒と、該外筒に固着される内筒とを備え、前記副軸は、前記内筒の内部に貫挿され、前記検出センサは、前記二種類の支持部、前記外筒または前記内筒のいずれかに装着されている。 The tool holder according to
請求項3記載のツールホルダは、請求項1または2に記載のツールホルダにおいて、前記ラジアルベアリングおよび前記スプラインベアリングは、それぞれの外輪が前記内筒に固着され、副軸は、軸線方向に平行な複数のスプライン溝を有し、このスプライン溝が前記スプラインベアリングの鋼球を嵌入しつつ該スプラインベアリングに装着されるとともに、前記ラジアルベアリングの内輪に固着されるものである。 The tool holder according to
請求項4記載のツールホルダは、請求項1ないし3のいずれかに記載のツールホルダにおいて、前記ラジアルベアリングまたは前記スプラインベアリングは、弾性変形を許容する鋼球を有するものであり、前記弾性変形による副軸の弾性変位が所望の範囲となるように、それぞれのベアリングにおける鋼球の接触面の曲率に対する該鋼球の径を決定しているものである。 The tool holder according to
請求項5記載のツールホルダは、請求項1ないし4のいずれかに記載のツールホルダにおいて、前記ラジアルベアリングはラジアル玉軸受によって構成され、前記スプラインベアリングは、ボールスプライン軸受によって構成されている。 The tool holder according to
請求項6記載のツールホルダは、請求項1ないし5のいずれかに記載のツールホルダにおいて、前記ラジアルベアリングの近傍には、前記主軸の軸心に直角の断面内において直交する二方向における前記副軸の弾性変位を検出するための検出センサが配置されている。 A tool holder according to a sixth aspect is the tool holder according to any one of the first to fifth aspects, wherein the auxiliary bearing in two directions orthogonal to each other in a cross section perpendicular to the axis of the main shaft is in the vicinity of the radial bearing. A detection sensor for detecting the elastic displacement of the shaft is arranged.
請求項7記載のツールホルダは、請求項1ないし6のいずれかに記載のツールホルダにおいて、前記スプラインベアリングの近傍には、前記主軸の軸心方向および軸心回りのねじり方向からなる2方向のうち、少なくとも1つの方向を検出するための検出センサが配置されている。 A tool holder according to a seventh aspect is the tool holder according to any one of the first to sixth aspects, wherein the spline bearing is provided in two directions including an axial direction of the main shaft and a torsion direction around the axial center. Among them, a detection sensor for detecting at least one direction is arranged.
請求項8記載のツールホルダは、請求項1ないし7いずれかに記載のツールホルダにおいて、前記二種類の支持部の少なくとも一方は、前記主軸の軸心方向、該軸心に直角の断面内において直交する二方向、および軸心回りのねじり方向からなる4方向のうち、少なくとも1つの方向に対し、ダンピング機能を有するものである。 The tool holder according to
請求項9記載のツールホルダは、請求項8に記載のツールホルダにおいて、前記二種類の支持部の少なくとも一方は、前記副軸との間に微小な間隙を形成しつつ該支持体に固着されるリング部材を備え、前記ダンピング機能は、前記間隙に流体を充填することによって生じるスクィーズ効果によって発揮されるものである。 A tool holder according to a ninth aspect is the tool holder according to the eighth aspect, wherein at least one of the two types of support portions is fixed to the support body while forming a minute gap with the auxiliary shaft. The damping function is exhibited by a squeeze effect generated by filling the gap with a fluid.
請求項10記載のツールホルダは、請求項9に記載のツールホルダにおいて、前記流体は、磁性流体であり、前記リング部材は、磁力を有する磁性体によって構成され、該磁性体は前記間隙に対し磁界ループを生じさせることにより前記磁性流体の漏洩抑制機能を発揮させるものである。 The tool holder according to
本発明のツールホルダは、工具と一体化された副軸が、お互いに離れた2支持部で軸心を同じくするテーパー部に弾性支持されているので、テーパー部に対する副軸の弾性変位量を検出センサを用いて測定することにより、加工点から伝達される加工力を検知することができる。ここで、検出センサを加工点に近づけるほど、加工点から検出センサに至るまでの往復慣性および回転慣性をより一層抑制することができ、加工力や加工トルクの減衰が抑制され、慣性体の固有振動数を高めることができ、より高い周波数帯域までの加工力を信頼性高く検出することができる。故に、工具切れ刃の微小な欠損や折損を実時間にて迅速に検出可能となる。 In the tool holder of the present invention, the auxiliary shaft integrated with the tool is elastically supported by the tapered portion having the same axial center at the two supporting portions separated from each other. By measuring using the detection sensor, the machining force transmitted from the machining point can be detected. Here, the closer the detection sensor is to the processing point, the more the reciprocal inertia and rotational inertia from the processing point to the detection sensor can be further suppressed, and the attenuation of the processing force and processing torque is suppressed. The frequency can be increased, and the processing force up to a higher frequency band can be detected with high reliability. Therefore, it is possible to quickly detect a minute chipping or breakage of the tool cutting edge in real time.
本発明のツールホルダは、加工力検知機能を有するものであり、加工力の検出センサを、可能な限り加工点に近い位置に配置して、加工点から検出センサまでの加工力の伝達経路を大幅に短縮し、この力伝達経路がもつ往復慣性および回転慣性を十分に抑制するとともに、加工力による振動の発生を抑制する減衰機能を備え、加工力の測定可能な周波数帯域を高めたものである。 The tool holder of the present invention has a machining force detection function, and a machining force detection sensor is disposed as close to the machining point as possible, and a machining force transmission path from the machining point to the detection sensor is provided. It has been greatly shortened to sufficiently suppress the reciprocating inertia and rotational inertia of this force transmission path, and has a damping function that suppresses the generation of vibration due to machining force, and has increased the frequency band in which machining force can be measured. is there.
最初に、本発明に至った測定系の構成について、図1に示す測定系のモデル図を用いて説明する。図1(a)は、従来技術による一般的な加工力の測定モデル、図1(b)は本発明の加工力の測定モデルを示す。図1(c)は、図1(a)および図1(b)における座標軸系を示しており、加工点Oを原点として、主軸軸心方向にZ軸、該主軸軸心に垂直な面内におけるお互いに直交する方向にX軸及びY軸を、またZ軸周りのねじり方向にθ軸をとっている。工具切れ刃にかかる加工力のうち、X軸、Y軸およびZ軸の3軸方向にはたらく分力をそれぞれPx、Py、Pz、また該主軸軸心周りに働くねじりモーメントをMtとし、ここではMtも含めて加工力の4分力と呼ぶことにする。ここでは、この4分力の全てないしその一部を、加工力の測定対象としている。 First, the configuration of the measurement system leading to the present invention will be described using the model diagram of the measurement system shown in FIG. FIG. 1A shows a general machining force measurement model according to the prior art, and FIG. 1B shows a machining force measurement model according to the present invention. FIG. 1C shows the coordinate axis system in FIGS. 1A and 1B, with the machining point O as the origin, the Z axis in the direction of the main axis, and the in-plane perpendicular to the main axis. The X axis and the Y axis are taken in the direction orthogonal to each other, and the θ axis is taken in the torsion direction around the Z axis. Among the processing forces applied to the tool cutting edge, the component forces acting in the three axes of the X, Y and Z axes are Px, Py and Pz, respectively, and the torsional moment acting around the spindle axis is Mt. Including Mt, it is called the four component force of the processing force. Here, all or a part of the four component forces is set as a measurement target of the machining force.
工具切れ刃の加工点Oにはたらく加工力の4分力を、直接に測定することができないので、加工点から離れた測定位置(図1(a)では測定点A,B,C)に伝達してくる力ないしはそれに伴う弾性歪を測定することになるが、この力の伝達経路が加工力の測定特性に大きく影響する。すなわち、準静的ないし、ごく低周波数帯域の加工力であれば、Px、Py、Pz、Mtの4分力を、それぞれに対応する測定値Fx、Fy、Fz、Qtから、幾何学的な換算をするだけで求めることができる。これらの記号の対応関係を、図2に示す。 Since the four component forces of the working force acting on the machining point O of the tool cutting edge cannot be measured directly, it is transmitted to the measurement position (measurement points A, B, C in FIG. 1 (a)) away from the machining point. The incoming force or the accompanying elastic strain is measured, but the transmission path of this force greatly affects the measurement characteristics of the machining force. That is, if the machining force is quasi-static or in a very low frequency band, the four component forces of Px, Py, Pz, and Mt are calculated from the corresponding measured values Fx, Fy, Fz, and Qt, respectively. It can be obtained simply by converting. FIG. 2 shows the correspondence between these symbols.
これに対し、加工点Oに変動する加工力のPx、Py、Pz、Mtがはたらくとき、加工点Oから測定点A、B、Cに至るまで力は直列的に伝達されていくが、加工点Oから遠ざかるにつれて、力の伝達経路上にある往復慣性や回転慣性が増えていき、それに伴って検出センサで検出できる周波数帯域の上限が低下していく。 On the other hand, when Px, Py, Pz, and Mt of the machining force varying at the machining point O work, the force is transmitted in series from the machining point O to the measurement points A, B, and C. As the distance from the point O increases, the reciprocal inertia and rotational inertia on the force transmission path increase, and accordingly, the upper limit of the frequency band that can be detected by the detection sensor decreases.
そこで本発明では、加工力を、上述したPxとPy、Pz、Mtといったそれぞれの測定点A、B、Cへの直列的な力の伝達経路ではなく、図1(b)に示すように、測定点A’、B’、C’がともに剛体とみなせる副軸上にあって、疑似的に同一箇所とみなせる一体検出方式を採ることにより、往復慣性や回転慣性を抑制しており、また鋼球の接触剛性に起因した弾性変位を検出する方式を採ることにより、加工力の測定系を単純構造にしている。 Therefore, in the present invention, the processing force is not a serial force transmission path to the respective measurement points A, B, and C such as Px and Py, Pz, and Mt described above, but as shown in FIG. The measurement points A ′, B ′, and C ′ are all on a secondary shaft that can be regarded as a rigid body, and a reciprocal inertia and a rotational inertia are suppressed by adopting an integrated detection method that can be regarded as a pseudo same location. By adopting a method of detecting elastic displacement caused by the contact stiffness of the sphere, the machining force measurement system has a simple structure.
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。以下の図において、同一部材には同一符号を付し、説明を省略または簡略化する。図面は発明の構成を模式的に示すものであり、構成の一部を省略または簡略化しており、寸法も実際の装置とは必ずしも同一ではない。まず、図3から図15を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。図3は、第1実施形態のツールホルダ1の断面図を示し、図4は該ツールホルダを含む加工力検出のシステム構成概要を示す。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, the same members are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified. The drawings schematically show the configuration of the invention, a part of the configuration is omitted or simplified, and the dimensions are not necessarily the same as the actual apparatus. First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows a sectional view of the
工具4を把持できるようにしたチャック5を一端にもつ副軸6は、内筒7および該内筒とネジ固定され一体化された外筒16に対して、図1のモデル図にて示した支持点A’に該当する箇所では回転自在なラジアルベアリング11、図1のモデル図にて示した支持点B’に該当する箇所では往復動自在なスプラインベアリング12を介して、鋼球とレース面との間の接触剛性により弾性支持されており、外筒16は、工具4、チャック5、副軸6、内筒7およびテーパー部3と主軸軸心を共有し、テーパー部3にネジ固定されている。 The
図5には、図3におけるB−B矢視図を示す。ラジアルベアリング11は、鋼球11aと内輪11bおよび外輪11cのレース面との間で金属接触しており、半径方向(すなわち軸直角方向)あるいは主軸軸心方向に負荷がかかると、負荷方向にサブミクロンからミクロンレベルの弾性変形を生じる。 In FIG. 5, the BB arrow line view in FIG. 3 is shown. The
図6には、ラジアルベアリング11周りの部組みの様子を示している。また図7には、図6における主軸軸心を通る断面のD−D矢視の断面図を示し、副軸6の挿入状況を図7中に想像線で示している。なお、図6における内筒7および外筒16は、理解を助けるために、1/2にカットした断面を描いている。まずスペースリング31の外周には、厚さ方向に磁界をもった等厚の磁石円板34が嵌まり、スペースリング31と磁石円板34の両側面には、軟磁性材からなる側板A(32)および側板B(33)が、サンドイッチ状に接着され一体化されたあと、内径が副軸6の外径よりもわずかに大きく追加工され、組み立て時に直径で30μmから80μmの微小間隙を形成されるようにしている。この微小間隙には、真空吸引により磁性流体60が充てんされ、次いで、ラジアルベアリング11の内輪11bが圧入され、ベアリングナット35により該内輪を副軸6の軸方向に固定する。 FIG. 6 shows the state of the assembly around the
この副軸と部組み状態にあるサンドイッチ構造の磁石円板34およびラジアルベアリングの外輪11cの外径を内筒7に嵌合し、内周にOリング58を組み込んだエンドプレート17により、外輪11cをセットビス36により主軸軸心方向に磁石円板34および外輪11cを固定する。 The
なお、側板A(32)および側板B(33)の側面の内周側にはヌスミが設けられており、側板B(33)、磁石円板34、側板A(32)、外輪11cの4者を内筒7に嵌合し固定したとき、内輪11bの軸方向の弾性変位が拘束されないようになっている。 The side plate A (32) and the side plate B (33) are provided with nuisance on the inner peripheral side, and the four members of the side plate B (33), the
ここで、側板A(32)、スペースリング31および側板B(33)の内径と副軸6との間に充てんされた磁性流体により、加工力により誘起される該副軸の半径方向の振動は、磁性流体のスクィーズ効果によりダンピングされ制振される。 Here, the vibration in the radial direction of the auxiliary shaft induced by the machining force is caused by the magnetic fluid filled between the inner diameter of the side plate A (32), the
図8は、スプラインベアリング12周りの構成部品、およびそれらの部組み手順を示す。なお、理解を助けるために、スペースリング37、側板C(38)、側板D(39)および磁石円板40の軸心を通る1/2カット断面を示すとともに、スプラインベアリング12およびトルクベース43の一部も破断して示している。 FIG. 8 shows the components around the
副軸6の外周には主軸軸心方向に平行な4本のスプライン溝6aが形成されており、一方のスプラインベアリング12の外輪12dの対向する角度位置4か所にも、同様に主軸軸心方向に平行な4本のスプライン溝12cが形成されており、両スプライン溝の間にわずかの予荷重を与えるように、直径を選別した鋼球4個を各スプライン溝に組み込んでいる。これら4個の鋼球を2個のスペーサリング12aで挟みこんで、鋼球の主軸軸心方向の移動をすきま嵌め程度に制限している。 Four
また磁石円板40の内周には非磁性のスペースリング37が挿入されており、その両側を、軟磁性の側板C(38)および側板D(39)で挟み込んだ状態で接着されている。また側板Cおよびスペースリングの内径と副軸6との間には、直径で30μmから80μmの微小間隙が形成され、この間隙に磁性流体41が充てんされている。またスペースリング37の端面と側板D(39)の右側面は、組み立て後に面一に仕上げられており、トルクベース43が副軸6に組み立てられた時に、スペースリング37および側板D(39)とトルクベース43との間には15μmから40μmの微小間隙が形成されており、しかもスペーサリング37の内周には面取りを、トルクベース43には同心円状の逃げ溝45を設けており、これらをスプラインベアリング12およびトルクベース43と一緒に、副軸6に組み立てられ、ナット7にて副軸ねじ部6cに締結されたとき、トルクベース43とスペースリング37との間には、リング状の空隙46が形成されている。 Further, a
これら円筒方向およびスラスト方向の微小間隙には、磁性流体41が充てんされている。この磁性流体により、副軸の半径方向の振動および主軸軸心方向の振動を制振できる。なお、スプラインベアリング12の面取り部と逃げ溝45とで構成される空隙46には、完全には磁性流体が満たさず、一部が空気だまりとして残っており、この圧縮性に富んだ空気だまりが存在することで、磁性流体の非圧縮性が解放され、副軸6の軸方向の振動と軸直角方向の振動との相互干渉が無視できるレベルに緩和される。また副軸6の2ヶ所、すなわち図1(b)における支持点A’にはラジアルベアリング11を、支持点B’にはスプラインベアリング12を配置し、ともに微小間隙に磁性流体を充てんしたダンパーを並列に配置したことにより、並進方向の振動モードだけでなく、主軸軸心に対するピッチング方向の振動モードに対してもダンピング効果を発揮できるようにしている。 A
なお、ナット47の材質を銅合金として、トルクベース43を副軸6にねじ締結することで、このねじ締結の緩み止め効果を高めている。 Note that the
図9に、図3におけるC−C矢視図を、また図10には図9におけるA−A矢視図を示す。 FIG. 9 shows a CC arrow view in FIG. 3, and FIG. 10 shows an AA arrow view in FIG.
トルクベース43は、銅合金製のナット47により副軸6にネジ締め固定されている。一方、回転軸対称に配置された1対のTセンサ49は、センサ基板50を介してTセンサ台48にネジ締め固定されており、該Tセンサ台は、内筒7にボルト53により固定されている。ここで、Tセンサ49は、表面に測定端子69(69’)を備えており、回転方向の変位を検出できるように測定端子69(69’)は対面するトルクドグ44に押し当てられる。該トルクドグのTセンサとは反対の面は、間隙15μmから40μmの微小間隙を隔てて、ランド51および該ランドを取り巻く角リング磁石52と対向し、この微小間隙には磁性流体57が充填されている。 The
なお、通し穴56を介して、外筒16から内筒7を軸方向に吊りボルトで固定している。 In addition, the
図11は、図3におけるE−E矢視の断面図である。ラジアルベアリング11に隣接する軸直角断面の図である。内筒7の互いに直交するX軸およびY軸の2方向に、対を成すX軸センサ13およびY軸センサ13’を取り付け、内筒7に対する副軸6の軸直角方向の相対的な弾性変位を測定しており、対向する2個のX軸センサ13の差分、およびこれらに直交する2個のY軸センサ13’の差分から、工具切れ刃にかかる加工力のX方向分力FxおよびY方向分力Fyを、図2に示した換算式を用いて換算している。なお、X軸センサおよびY軸センサの検出信号の微調整には、シムの厚さを種々変えることで調整している。 11 is a cross-sectional view taken along line EE in FIG. 3 is a cross-sectional view perpendicular to the axis adjacent to the
なお、加工力のZ方向分力Pzに対しては、外筒16にネジ固定されたZセンサベース上に設置されたZ軸センサ14により、副軸6の後端面と該外筒との間の軸方向の弾性変位を測定し、この弾性変位とPzが比例するとして換算している。X軸センサ13、Y軸センサ13’、Tセンサ49、Z軸センサ14には、公知のセンサを用いることができ、例えば、過電流変位センサや電気容量変位センサ、光変位センサなどを用いることができる。更には、X軸センサ13、Y軸センサ13’は、前部支持体11、後部支持体12、外筒16に設置して副軸との相対変位を測定しても良い。 For the Z-direction component force Pz of the machining force, the Z-
従来例では、加工力検出への温度変化による熱ひずみの影響が課題であったが、ここでは問題となる熱ひずみに対して直交する方向の弾性ひずみを測定することで、その影響を最小にしている。 In the conventional example, the effect of thermal strain due to temperature change on the processing force detection was an issue, but here we measured the elastic strain in the direction perpendicular to the thermal strain in question, thereby minimizing the impact. ing.
ここで、図12に、本実施形態におけるラジアルベアリング11およびスプラインベアリング12における鋼球に働く負荷と副軸にかかる分力との相関、および働く力を変位検出するときの検出感度の計算例を示す。また当該図中に用いた記号の説明を、図20に示す。図12の縦軸の弾性変位が検出感度に比例する。図12の(a)列はX方向分力およびY方向分力について、図12(b)列はZ方向分力について、図12(c)列は回転モーメントについての説明と、負荷および検出感度の計算式について記しており、いずれも予荷重0の例である。 Here, FIG. 12 shows a correlation between the load acting on the steel ball and the component force acting on the countershaft in the
ここでは、鋼球とレース面との接触点での弾性変位が、両者に働く負荷の2/3乗に比例し、負荷が増すほど検出感度が低下していくハードスプリング状の挙動を示す一般則に基づいて導いている。また図中に示されたPx、Py、Pz、Mtの検出感度の比例定数α、β、γは、鋼球の直径やレース面の曲率半径に依存し、また接する材質によっても異なってくるほか、組み立て時の予荷重によっても異なってくる。 Here, the elastic displacement at the contact point between the steel ball and the race surface is proportional to the 2/3 power of the load acting on both, and the detection sensitivity decreases as the load increases. Guided by the law. The proportional constants α, β, and γ for the detection sensitivity of Px, Py, Pz, and Mt shown in the figure depend on the diameter of the steel ball and the radius of curvature of the race surface, and also vary depending on the material in contact. It depends on the preload at the time of assembly.
なお、信号処理送信部8は、検出センサからの検出信号増幅部、増幅された検出信号のA/D変換部、アンテナを持った送信部からなり、該送信部とパーソナルコンピュータ(以下、「PC」と称す)間は、廉価で汎用性に富んだWi−Fi方式により無線通信を行い、PCにて受信された加工力のデータは、PCの画面上でグラフ表示されるほか、工作機械への制御指令として用いられる。 The signal
また信号処理送信部8は、防水カバー10で覆われ、加工液などの湿気から保護されている。本実施例では、該信号処理送信部に信号送信モジュールが組み込まれており、検出信号が内部より送信されるので、無線信号の透過性に富んだナイロン樹脂製の防水カバーを採用している。 The signal
なお、この回転するツールホルダへの電源供給手段としては、図4あるいは図4中のF−F矢視図を示した図13、および図13におけるG−G矢視図である図14に示すように、冷却機能をもった固定間座21を介して工作機械のクイル20に固定された、外周溝を持つ扇状の軟磁性材製のセクタヨーク22と、同じく軟磁性材でできた該セクタヨークの外周溝に巻線された固定コイル23と、該セクタヨークに対して微小ギャップを隔ててこれに対向する外周位置に同心溝を持つ軟磁性円板9と、該同心溝に被覆銅線を巻線された回転コイル18とで非接触トランスを構成し、固定コイル23に発振増幅部27から交流電源を供給することにより、回転する回転コイル18には、同じ周波数の交流が誘起される。この誘起された交流を、整流回路と電圧レギュレータを介して直流電源を得ている。 In addition, as a power supply means to this rotating tool holder, it shows in FIG. 13 which showed the FF arrow line view in FIG. 4 or FIG. 4, and FIG. 14 which is the GG arrow line view in FIG. As described above, the
ここで、固定側のセクタヨーク22を、全周ではなくセクタ状にした理由は、ツールホルダ交換時に、ATC(Automatic Tool Change)のフォークとの干渉を回避するためである。このため、回転コイル18に対する固定コイルの包含角度に逆比例した高い電圧を発振増幅部27から固定コイル23にしている。これは、固定コイルに対して回転コイルの巻き数を、包含角度に逆比例する巻き数としても、同様の効果が得られる。 Here, the reason why the fixed-
また固定コイル23に通電すると、セクタヨークが温度上昇を来すので、固定間座21には通液穴を設けており、運転時には加工液を通して冷却し、セクタヨーク22の温度上昇を抑制している。 Further, when the fixed
稼働時間の短い作業にあっては、必ずしも上述のような非接触給電方法を採る必要はなく、ツールホルダに蓄電池を内蔵しておき、ATCストッカーに収納された状態など、稼働していない静止位置において、該蓄電池に充電しておき、主軸に搭載された計測時にはこの蓄電池を電源として使用しても、同様の効果が得られることは、自明である。 For work with a short operating time, it is not always necessary to use the non-contact power feeding method as described above. A stationary position where the battery is built in the tool holder and stored in the ATC stocker, etc. However, it is obvious that the same effect can be obtained even if the storage battery is charged and this storage battery is used as a power source during measurement mounted on the spindle.
また、本実施例では、固定コイルと回転コイルを対向させて、非接触トランスを構成して、電源を回転体に供給しているが、給電する固定コイル側、受電する回転コイル側ともに、コイルのほかにコンデンサと抵抗とを組み合わせたLCR共振回路を構成して、非接触で回転する信号処理・送信部に電源を供給することもできる。この場合には、固定コイルと回転コイルとを対向させることなく、より大きく離れていても非接触で電源供給ができる。 Further, in this embodiment, the stationary coil and the rotating coil are opposed to each other to form a non-contact transformer, and the power is supplied to the rotating body. In addition to this, an LCR resonance circuit in which a capacitor and a resistor are combined can be configured to supply power to a signal processing / transmission unit that rotates in a non-contact manner. In this case, power can be supplied in a non-contact manner even when the fixed coil and the rotating coil are not far away from each other, even if they are further apart.
本実施形態において、工具切れ刃すなわち加工点から、チャックに近い支持点であるラジアルベアリングの鋼球位置までの距離をa、該ラジアルベアリングの鋼球位置からチャックから遠い方の支持点であるスプラインベアリング12の鋼球位置までの距離をL、加工点に軸直角方向にかかる荷重をPとすると、軸直角方向には
ラジアルベアリングにかかる負荷 : (1+a/L)P
スプラインベアリングにかかる負荷: (a/L)P
となり、ラジアルベアリング付近の軸直角方向の弾性変位で検出できるようにすることで、該弾性変位から換算して得られる支持点の負荷に対して、おおよそ(1+a/L)倍の高い感度の荷重Pの検出信号が得られる。In this embodiment, the distance from the tool cutting edge, that is, the processing point, to the steel ball position of the radial bearing that is the support point close to the chuck is a, and the spline that is the support point far from the chuck from the steel ball position of the radial bearing. If the distance to the ball position of the
Load on spline bearing: (a / L) P
By making it possible to detect the elastic displacement in the direction perpendicular to the axis in the vicinity of the radial bearing, a load with high sensitivity approximately (1 + a / L) times the load of the support point obtained by conversion from the elastic displacement. A P detection signal is obtained.
つまり、ラジアルベアリングにかかる軸直角方向の負荷は、スプラインベアリングにかかる軸直角方向の負荷よりもPだけ大きいので、大きな負荷のかかるチャックに近い支持点であるラジアルベアリングの支持剛性の方を高める構造とすることが望ましい。これにより、工具刃先の剛性を高めることができるので、より安定な加工を行うことができ、加工負荷の大きな加工においても高感度で加工力を検出することができる。 That is, since the load in the direction perpendicular to the axis applied to the radial bearing is larger by P than the load in the direction perpendicular to the axis applied to the spline bearing, the structure that increases the support rigidity of the radial bearing, which is a support point close to the chuck to which a large load is applied. Is desirable. Thereby, since the rigidity of a tool blade edge can be improved, more stable processing can be performed and processing force can be detected with high sensitivity even in processing with a large processing load.
ここで、図15を参照して支持剛性の設計手法について説明する。図15は、凹球面とΦ1.5mmの鋼球を接触させたときの接触点変位の試算例(軸受鋼製の鋼球を軌道面に負荷1Nで押し付けた時の垂直荷重による負荷方向の弾性変位の計算例)を示す図である。このように、鋼球の直径や、凹球面の曲率を変えることで、支持剛性を自在に設計できる。また、負荷をあらかじめ与える、いわゆる予荷重をかけておくことによって、図中の凹球面の実質的な曲率半径R2を大きくでき、〔弾性変位/2R2〕の勾配を小さくでき、剛性を高めることができる。以上の説明は、1個の鋼球と凹球面について記しているが、鋼球の個数が増える場合にも、それに応じた比例係数を掛けるだけで、同じ説明が有効である。また、検出感度すなわち弾性変位と負荷との関係は、図12からも明らかなように、おおむね負荷の1/3乗に逆比例する関係にあり、あらかじめ両者の相関を求め、両者が比例関係になるようにゲイン補正することで、さらに加工負荷検出の利便性が高まる。なお上記した支持剛性と加工力の検出感度は、当然のことながらトレードオフの関係にあり、加工の負荷に応じた支持剛性と検出感度が選択される。Here, a design method of the support rigidity will be described with reference to FIG. FIG. 15 shows an example of trial calculation of displacement at the contact point when a concave spherical surface is contacted with a Φ1.5 mm steel ball (elasticity in the load direction due to a vertical load when a steel ball made of bearing steel is pressed against the raceway surface with a load of 1N. It is a figure which shows the calculation example of a displacement. Thus, the support rigidity can be designed freely by changing the diameter of the steel ball and the curvature of the concave spherical surface. In addition, by applying a so-called preload in advance, a substantial radius of curvature R 2 of the concave spherical surface in the drawing can be increased, the gradient of [elastic displacement / 2R 2 ] can be decreased, and rigidity can be increased. be able to. The above description is given for one steel ball and a concave spherical surface. However, when the number of steel balls increases, the same description is effective only by multiplying the proportional coefficient accordingly. Further, as apparent from FIG. 12, the relationship between the detection sensitivity, that is, the elastic displacement and the load is generally inversely proportional to the 1/3 power of the load. By performing the gain correction so as to become more convenient, the convenience of processing load detection is further enhanced. It should be noted that the above-described support rigidity and processing force detection sensitivity are naturally in a trade-off relationship, and the support rigidity and detection sensitivity corresponding to the processing load are selected.
例えば、太径の穴明けの場合には、Fx,Fyに比べて相対的に軸方向のFzが大きいので、ラジアルベアリングの鋼球に対する軌道面の曲率半径を小さくし、この方向の剛性を高めることで、より安定した加工状態で加工力の測定ができる。同様に、微小径のエンドミル加工では、FxおよびFyの感度を高めた支持点の剛性設計ができるなど、種々の加工用途に応じたラジアルベアリングおよびスプラインベアリングの剛性設計が可能である。 For example, in the case of a large-diameter hole, since the axial Fz is relatively larger than Fx and Fy, the radius of curvature of the raceway surface with respect to the steel ball of the radial bearing is reduced, and the rigidity in this direction is increased. Thus, the processing force can be measured in a more stable processing state. Similarly, in the end mill machining with a small diameter, the rigidity design of the radial bearing and the spline bearing according to various machining applications is possible, such as the rigidity design of the support point with the increased sensitivity of Fx and Fy.
このように、本実施形態のツールホルダ1によれば、チャックに近い支持点に配置したラジアルベアリングの内外輪のレース面と鋼球との間のX軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の弾性変形量からFx,Fy,Fzを検知し、またチャックから遠い支持点に配置したスプラインベアリングのスプライン溝と鋼球との間の回転方向の弾性変形からMtを検知するように構成した。つまり、検出センサを加工点に可能な限り近づけ、加工点から検出センサに至るまでの往復慣性および回転慣性をより小さくした構成としているので、より高い周波数帯域までの加工力検出を可能にし、工具切れ刃の微小な欠損や折損を瞬時に検出可能としているのである。 As described above, according to the
なお、通常は、前段支持体と後段支持体からなる工具の弾性支持系では、加工力により振動が誘起されることが危惧されるが、本実施形態においては、ラジアルベアリング11とスプラインベアリング12からなる両支持体と内筒ないし外筒との間にスクィーズ効果を利用したダンピング機能を付加することで、加工の安定化を図るとともに、より高い周波数帯域までの加工力を精密に検出可能にしている。 Normally, in the elastic support system of the tool composed of the front stage support body and the rear stage support body, there is a concern that vibration is induced by the processing force, but in the present embodiment, the
さらに、本実施形態では、回転するツールホルダ1への非接触給電が可能となるように構成されているので、定期的に繰り返さなければならなかった充電作業の煩雑さから解放される。 Furthermore, in this embodiment, since it is comprised so that non-contact electric power feeding to the
また通信手段として、汎用性の高いWi−Fi方式を採用しており、市販のWi−Fi用汎用モジュールを流用することで、測定データの無線通信を可能としており、加工力の検出機能を持つツールホルダを廉価に構築することができる。 In addition, a highly versatile Wi-Fi system is adopted as a communication means, and by using a commercially available general-purpose Wi-Fi module, measurement data can be wirelessly communicated and a processing force detection function is provided. Tool holders can be constructed at low cost.
またこの種の測定系では、一般に測定値が温度影響を受けやすいが、本実施形態では温度による熱膨張方向に直交する方向の変位の変化により加工力を検知するようにしており、測定系の温度上昇による熱膨張に対して、加工力の検出信号が極めて鈍感なことが特長である。即ち、検出信号への温度影響を抑制し、測定値の信頼性を向上させることができる。 In this type of measurement system, the measurement value is generally easily affected by temperature, but in this embodiment, the processing force is detected by a change in displacement in a direction perpendicular to the thermal expansion direction due to temperature. The feature is that the processing force detection signal is extremely insensitive to thermal expansion due to temperature rise. That is, the temperature influence on the detection signal can be suppressed and the reliability of the measurement value can be improved.
次に、図16〜図18を参照して本発明の第2実施形態について説明する。図16は、第2実施形態のツールホルダ1の断面図であり、図17は、図16におけるI−I矢視図、図18は、図17におけるH−H矢視の断面図である。上記第1実施形態では、扇様のセクタヨーク22の外周に巻かれた固定コイル23が、回転する軟磁性円板9の外周に巻かれた回転コイル18とは、軟磁性円板9の半径方向に微小間隙を隔てた外周の対向する位置に配置されていた。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 16 is a cross-sectional view of the
これに対し第2実施形態では、軟磁性円板9’の外周付近の端面に同心状の溝を設け、被覆銅線を巻線した回転コイル18’をこの溝に埋設している。一方、軟磁性円板の端面に対して、わずかの間隙を隔てて軟磁性材製のセクタヨーク22’を配置している。該セクタヨークの上下面には、回転コイル18’と半径を同じくする円弧状の溝が設けられ、被覆銅線を巻線した固定コイル23’が埋設されている。固定コイル23’と回転コイル18’の両者はサブミリオーダーの間隙を隔てて対向するように、セクタヨーク22’は固定間座21’を介してクイル20に固定されている。このように、固定コイル23’と回転コイル18’を端面方向に配置しても、同様の非接触給電が可能である。 On the other hand, in the second embodiment, a concentric groove is provided on the end surface near the outer periphery of the soft magnetic disk 9 ', and a rotating coil 18' wound with a coated copper wire is embedded in this groove. On the other hand, a sector yoke 22 'made of a soft magnetic material is arranged with a slight gap with respect to the end face of the soft magnetic disk. Arc-shaped grooves having the same radius as the rotating coil 18 'are provided on the upper and lower surfaces of the sector yoke, and a fixed coil 23' wound with a coated copper wire is embedded. The sector yoke 22 'is fixed to the
なお、第2実施形態では、固定コイル円弧は、回転コイルのほぼ1/3の範囲で対向させているが、これは自動工具交換の際に、障害にならないように配慮したものである。工具交換の際に障害にならない場合、あるいは工具交換の際の着脱ストロークをわずかに増大させることが可能な場合には、一部を対向させる円弧状の固定コイルに替わって、リング状の固定コイルとし、全周にわたって回転コイルと固定コイルを対向させることによっても、同様の非接触給電が可能である。 In the second embodiment, the fixed coil arcs are opposed to each other in the range of about 1/3 of the rotating coil. However, this is considered so as not to become an obstacle when the automatic tool change is performed. If it does not become an obstacle when changing tools, or if it is possible to slightly increase the attachment / detachment stroke when changing tools, a ring-shaped fixed coil is used instead of the arc-shaped fixed coil facing partly. In addition, the same non-contact power feeding is possible by making the rotating coil and the stationary coil face each other over the entire circumference.
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能であることは容易に推察できるものである。 Although the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. Can be inferred.
例えば、上記各実施形態では、被覆銅線が巻線された回転コイル18,18’を用いたが、これに代えて、図19に示すように、被覆銅線で巻線された回転コイルの外周に、高抗張力樹脂ファイバーを整列巻きして補強した回転コイルを用いてもよい。昨今の毎分数万回転といった高速回転要求に対して、被覆銅線の巻線だけでは、銅線自身の遠心力で破断してしまう。そのため本変形例では、巻線された回転コイルの外周を、ポリアミド系の樹脂ファイバーで巻線し、巻線の隙間を接着剤で固めて補強し、より高い回転数での使用を可能にしている。 For example, in each of the above embodiments, the rotating
また、上記第1実施形態では、微小間隙に磁性流体を充填して振動の抑制を行っているが、微小間隙に機械油などの汎用の流体を充填するだけでも、毛細管現象により微小間隙に流体が浸透し、充填状態が維持されるので、上述したのと同様のダンピング効果が得られることを確認している。なおこの場合には、磁石円板34、40や角リング磁石52に磁性を持たせる必要はなく、所定の微小間隙が形成できる硬質のものであれば、その材質を問わない。 In the first embodiment, the magnetic fluid is filled in the minute gap to suppress the vibration. However, even if the minute gap is filled with a general-purpose fluid such as machine oil, the fluid in the minute gap is caused by the capillary phenomenon. It is confirmed that the damping effect similar to that described above can be obtained. In this case, the
更に、上記第1実施形態では、防水カバー10にはナイロン樹脂製の防水カバー10を用いた。然しながら、樹脂製の防水カバー10も、内部の信号処理・送信部8からの無線発信に対し透過性に富んだナイロン樹脂製の材質を採用しているが、上述のような高速回転では、遠心力がナイロン樹脂の破断強度を超えてしまい、損壊してしまう。このため、このような高速回転に対しては、ガラス繊維で強化した樹脂でモールドしたGFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)製の防水カバーとすることで、高速回転を可能にしている。なお信号処理・送信部8からの検出信号を、防水カバーの外部に設けたアンテナにより発信する場合にはこの限りではなく、防水カバーには電磁波に配慮した材質選択をする必要はなくなる。 Furthermore, in the first embodiment, the
本発明は、上述した通り、加工力の検知機能を持ったツールホルダを提供することによって、加工時の加工データの常時収集が可能になり、加工挙動の常時監視システムを構築することができる。とくに強度や耐熱性の高いステンレス鋼やニッケル合金、チタン合金などの機械加工で頻発する工具切れ刃の欠損や異常摩耗を、軽微な損傷の初期段階で予知し、加工品の不良損失を抑制できる。 As described above, according to the present invention, by providing a tool holder having a function of detecting a machining force, machining data during machining can be constantly collected, and a constantly monitoring system for machining behavior can be constructed. In particular, tool cutting edge defects and abnormal wear that frequently occur during machining of stainless steel, nickel alloy, titanium alloy, etc., which have high strength and heat resistance, can be predicted at the initial stage of minor damage, and defective defects in the processed product can be suppressed. .
1 ツールホルダ
2 主軸
3 テーパー部
4 工具
5 チャック
6 副軸
6a スプライン溝
6b 支承部
6c 副軸ねじ部
7 内筒
8 信号処理・送信部
9,9’ 軟磁性円板
10 防水カバー
11 ラジアルベアリング
11a 鋼球
11b 内輪
11c 外輪
12 スプラインベアリング
12a スペーサリング
12b 鋼球
12c スプライン溝
12d 外輪
13 X軸センサ
13’ Y軸センサ
14 Z軸センサ
15 Tセンサベース
16 外筒
17 エンドプレート
18、18’ 回転コイル
19 Zセンサベース
20 クイル
21、21’ 固定間座
22、22’ セクタヨーク
23、23’ 固定コイル
24 端子台
25 端子箱
26 防水コネクタ
27 発振増幅器
28 リード線
29 受信部
30 パーソナルコンピュータ、PC
31 スペースリング
32 側板A
33 側板B
34 磁石円板
35 ベアリングナット
36 セットビス
37 スペースリング
38 側板C
39 側板D
40 磁石円板
41 磁性流体
42 固定穴
43 トルクベース
44 トルクドグ
45 逃げ溝
46 空隙
47 ナット
48 Tセンサ台
49 Tセンサ
50 センサ基板
51 ランド
52 角リング磁石
53 ボルト
54 センサ基板
55 止めビス
56 通し穴
57 磁性流体
58 Oリング
59 Oリング
60 磁性流体
61 補強コイル
67 ヨーク固定ボルト
68 リード線
69,69’ 測定端子
70 主軸軸心DESCRIPTION OF
31
33 Side plate B
34
39 Side plate D
40
Claims (10)
先端に工具を把持するチャックを有し、前記テーパー部と同軸心に配置される副軸と、
前記テーパー部と前記副軸との間に介在し、該副軸を支持する二種類の支持部と、
前記副軸に装着され、前記テーパー部に対する副軸の弾性変位または弾性歪を検出する検出センサと、
前記検出センサによる検出信号を処理する信号処理手段および処理された信号を送信する送信手段と、
前記検出センサ、信号処理手段および送信手段に対する電源を供給する電源供給手段とを備えるツールホルダであって、
前記支持部は、前記副軸の先端側に配置されるラジアルベアリングと、後端側に配置されるスプラインベアリングとの二種類であり、
前記検出センサは、前記主軸の軸心方向、該軸心に直角の断面内において直交する二方向、および軸心回りのねじり方向からなる4方向のうち、少なくとも1つの方向における前記テーパー部に対する前記副軸の弾性変位を検出するものである
ことを特徴とするツールホルダ。A tapered portion capable of fitting with the spindle of the machine tool;
A countershaft having a chuck for gripping a tool at the tip, and arranged coaxially with the tapered portion;
Two types of support portions that are interposed between the tapered portion and the auxiliary shaft and support the auxiliary shaft;
A detection sensor mounted on the countershaft to detect elastic displacement or elastic strain of the countershaft with respect to the tapered portion;
Signal processing means for processing a detection signal from the detection sensor and transmission means for transmitting the processed signal;
A tool holder comprising a power supply means for supplying power to the detection sensor, signal processing means and transmission means,
The support portion is of two types, a radial bearing disposed on the front end side of the counter shaft and a spline bearing disposed on the rear end side,
The detection sensor has the taper portion in at least one direction out of four directions including an axial direction of the main shaft, two directions orthogonal to each other in a cross section perpendicular to the axial center, and a torsional direction around the axial center. A tool holder for detecting elastic displacement of a counter shaft.
前記副軸は、前記内筒の内部に貫挿され、
前記検出センサは、前記二種類の支持部、前記外筒または前記内筒のいずれかに装着されていることを特徴とする請求項1に記載のツールホルダ。The tapered portion includes an outer cylinder fixed to the tapered portion and an inner cylinder fixed to the outer cylinder,
The countershaft is inserted into the inner cylinder,
2. The tool holder according to claim 1, wherein the detection sensor is mounted on one of the two types of support portions, the outer cylinder, or the inner cylinder.
副軸は、軸線方向に平行な複数のスプライン溝を有し、このスプライン溝が前記スプラインベアリングの鋼球を嵌入しつつ該スプラインベアリングに装着されるとともに、前記ラジアルベアリングの内輪に固着されるものであることを特徴とする請求項1または2に記載のツールホルダ。In the radial bearing and the spline bearing, each outer ring is fixed to the inner cylinder,
The countershaft has a plurality of spline grooves parallel to the axial direction, and the spline grooves are attached to the spline bearing while inserting the steel balls of the spline bearing and are fixed to the inner ring of the radial bearing. The tool holder according to claim 1, wherein the tool holder is a tool holder.
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