JP2018054612A

JP2018054612A - 温度測定装置

Info

Publication number: JP2018054612A
Application number: JP2017187058A
Authority: JP
Inventors: 憲吾山本; Kengo Yamamoto; 山本　泰三; Taizo Yamamoto; 泰三山本; 貴行山内; Takayuki Yamauchi; 光平米谷; Kohei Yonetani
Original assignee: Yamamoto Kinzoku Seisakusho KK
Current assignee: Yamamoto Kinzoku Seisakusho KK
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: JP6931150B2

Abstract

【課題】本発明は、旋盤装置の刃先チップの温度測定装置の提供を目的としている。【解決手段】本温度測定装置は、軸方向に摺動可能な旋盤装置において旋廻するタレットの径方向に摺動するバイト先端に設けた交換可能な刃先チップの温度測定装置であって、刃先チップは、その略先端に外径バイト側の面が開口する厚み方向に半貫通の温度計測用孔が設けられ、前記外径バイトには、刃先チップを外形バイトに装着する際に前記温度計測用孔に対向する位置に予め熱電対が配設され、前記刃先チップが装着されると熱電対の先端が該刃先チップの温度計測用孔内に挿入・位置決めされて熱電対からの温度情報を受信し、該温度情報を外部に無線送信する温度情報送信手段を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、旋盤装置の加工中にリアルタイムで、その工具刃先温度を計測することができる無線通信式の温度測定装置に関する。

一般に、旋盤装置ではタレットに設けた外径バイト先端の刃先温度の過上昇や、刃先摩耗等が発生すると、被加工物（ワーク）に対する加工精度の低下を招くおそれがある。これに対して実際の加工現場では、刃先温度の測定あるいは、刃先の摩耗度合いの確認のためにその都度、加工を停止する、又は、確実に温度が過上昇しない加工条件を設定するか、定期的な刃先交換を行う、などの対策を講じていた。また、切削時の工具温度の上昇防止には冷却剤を用いることが多いが、冷却剤を用いても加工プロセス中の工具温度の維持保証までは難しいという問題もあった。

この問題を解決すべく工具に熱電対等の温度センサを設ける方法も考え得るが、旋盤装置では工具交換の際にタレットが回転すると温度センサと接続された導線が断線するため、工具の温度計測が難しかった。

一方，近年、出願人により切削装置に用いるドリル等の回転工具や摩擦攪拌接合における回転ツールに半貫通孔を設け、これに熱電対を挿入して温度惜報を無線で外部送信するユニットが開発され（特許文献1、特許文献2参照）、これを旋盤装置の工具に活用することが考えられた。

しかしながら、旋盤装置の工具として外径バイトの先端に交換可能な刃先チップを取り付ける場合、薄板で小さい刃先チップの形状を考慮すると上記回転工具の例をそのまま活用することは困難であり、旋盤装置の刃先チップ特有の温度測定方法を開発する必要があった。

国際公開公報ＷО2015-022967 国際公開公報ＷО2016-111336

本発明は、このような事情に鑑みて創作されたものであり、旋盤装置の加工中にリアルタイムで工具刃先チップの温度を測定し得る具体的な構成を提供することを目的としている。

上述した課題を解決すべく提供される本発明の温度測定装置は、軸方向に摺動可能な旋盤装置において旋廻するタレットの径方向に摺動するバイト先端に設けた交換可能な刃先チップの温度測定装置であって、刃先チップには、その略先端に外径バイト側の面が開口する厚み方向に半貫通の温度計測用孔が設けられ、前記外径バイトに刃先チップを装着する際に前記温度計測用孔に対向する位置に予め熱電対が配設され、前記刃先チップが装着されると熱電対の先端が該刃先チップの温度計測用孔内に挿入・位置決めされて熱電対からの温度情報を受信し、該温度情報を外部に無線送信する温度情報送信手段を備える。

本発明の温度測定装置によれば、交換可能な刃先チップ（加工用チップ）の先端近傍の加工中のリアルタイムに温度を計測できるため、旋盤装置をその都度停止して工具温度を計測する必要がなく、加工プロセスでの温度計測をプロセス動作中に実行できる。したがって、工具の加工プロセス中の温度、刃先の摩耗、破損等を詳細に検出することができ、加工精度の向上、工具交換のタイミングをコントロールすることによる製品歩留まりの向上、製造工程の無駄の排除が可能である，また、刃先チップ交換の際に、外径バイトを交換することなく、チップ先端近傍の温度測定が可能である点でも有利である。

具体的には、前記熱電対の先端は、前記外径バイトの前記刃先チップの装着側から突出し、該熱電対の他端の接続端子は、前記刃先チップが装着される側とは反対側に設けられた端子台に連結され、前記温度情報送信手段は、前記端子台と補償導線を介して電気的に接続される例が挙げられる。

また、タレット上に装着する複数の外径バイトに対して、温度測定装置を設けることで、タレットを回転させ工具交換をした場合においても、無線接続により温度情報を取得するため断線の懸念がなく、維続して温度計測が可能である。

また、深さの異なる温度測定用孔を有する同形状の刃先チップを複数準備し、同一加工条件でそれぞれの熱電対からの経時的温度変化を測定し、測定結果から刃先チップと被加工物との接触位置の温度を推定する、ことを採用しても良い。

また、外径バイトの代わりに内径バイトに温度測定装置を設けてもよい。

また、前記熱電対と前記刃先チップの温度計測用孔との隙間に高熱伝導性接着剤を充填する、ことが好ましい。

さらに、本温度計測装置では、前記タレット上に装着する複数の前記外径バイトそれぞれに対して、前記温度計測装置を配設し、複数の外径バイトを含む工具を用いた前記タレットの旋廻動を有する速続加工中においてそれぞれの外径バイトの温度計測結果を取得することができる。

本温度計測装置は、タレットに複数の外径バイト（及び/又は内径バイト）等の工具を装着し、タレットを旋廻させて工具交換しながら連続加工を行う場合にも、使用することができる。具体的には、連続加工中には工具交換のためにタレットを旋廻させることとなるが、本計測装置では各外径バイトからの温度情報を外部に無線送信するため有線の場合のような配線が絡まる問題も発生しない点で有利となる。したがって、工具交換ごとに旋盤装置を停止することなく、連続加工しなから各外径バイトの先端温度を計測することができる。

さらに、本温度計測装置は、前記熱電対からの温度情報が予め設定した閾値又は変化量を超えることを検出したときに、旋盤装置の動作停止又は旋盤装置の加工条件を緩和する制御を行うことが好ましい。

刃先チップの摩耗や破損を防止するため、刃先チップの温度が異常に上昇する兆候を検知した場合には、自動的に加工条件を緩和あるいは加工作業を停止することで、被切削物へのダメージを未然に防止することも可能となる。なお、この場合、より正確な兆候検知には、事前に異常となる温度の閾値あるいは兆候の変化様式を加工装置に覚えこませておくことが特に有効である。

本発明の温度測定装置によれば、旋盤装置の交換可能な刃先チップの先端近傍の加工中のリアルタイム温度が測定できるため、旋盤装置をその都度停止して工具温度を計測する必要がなく加工プロセスでの温度計測をプロセス動作中に実行できる。また、刃先チップ交換の際にも、外径バイトを交換することなく、刃先チップ先端近傍の温度測定が可能である。

（a)は加工用チップの写真図、（b)は（a)の加工用チップに熱電対を装着する外径バイトの写真図である。加工用チップが装着された外径バイトから加工用チップでの温度データを外部送信する装置構成を示している。加工用チップで測定された温度が熱電対から収容ボックスを介して外部ユニットに送信されるまでの電気信号のブロック図である。加工用チップに挿入する熱電対の深さ位置例の略模式断面図である。各深さ位置における加工時間における刃先チップの温度の測定結果と、被加工部材への接触位置での加工時間における刃先チップの推定温度とを示すグラフ図である。タレットに複数の外径バイトが装着されている様子を示す斜視図である。

《加エ用チップの技術構成》
図1(a)は加工用チップ10の写真図、図1(b)は図1(a)の加工用チップ10に熱電対14を装着する外径バイト16を示す写真図である。加工用チップ10は概ね略平行四辺形の薄板形状であり、その略中心に外径バイト16の先端に取り付けるための貫通孔13が設けられている。また、加工用チップ10にはその刃先となる角部分に対して位置決めされた所定位置に半貫通の熱電対挿入用の孔（温度測定孔）12が設けられている。

外径バイト16は、その刃先側先端に加工用チップ10を担持可能な加工用チップ装着部16aを設け、加工用チップ10の温度測定孔12と対峙する位置に熱電対14を予め固定しておく（図1(b)参照）。この状態で図1(a)の熱電対挿入孔12が設けられる面（熱電対側面10a)を加工用チップ装着部16aに対向させて加工用チップ10を装着する。したがって、熱電対14は外径バイト16に固定されているため加工用チップ10の交換の際、熱電対14の交換作業は不要となる。

また、外径バイト16にも熱電対14を挿入する孔が開けられ、加工用チップ装着部16 aの反対面（図1(b)の紙面裏側）に熱電対用端子台（図示せず）が設けられ、後述の補償導線と接続される。

《本発明の旋盤装置の温度測定装置の全体構成》
図2は前述する加工用チップ10が装着された外径バイト16から加工用チップ10での温度データを外部送信する装置構成を示している。
前述する加工用チップ装着部16 aの反対面には熱電対の端子と補償導線とを接統するための熱電対用端子台が設けられ、補償導線との接続を保護する端子台カバー18が外径バイト16に取り付けられている。なお、図2では熱電対用端子台側は表側に現れており、加工用チップ10及び加工用チップ装着部16 a側は紙面裏面側に位置している。
端子台カバー18内で熱電対端子と接続された補償導線は、外径バイト16から外部に導かれて無線送信用電子回路を内蔵した収容ボックス19と接続される。補償導線は，金属製のフレキシブルチューブ20で被覆することで可撓性を有しつつ、旋削クズや冷却液から保護されている。フレキシブルチューブ20の一端は端子台カバー18と、ボルト21で締結されて補償導線は、端子カバー18内部の熱電対端子台と電気的に接続されている。また、フレキシブルチューブ20の他端は、収容ボックス19に、分離可能なボルト21で締結され、補償導線が内部部品と電気的に接続されている。

なお、タレット29 (図6参照）には外径バイト16を固定するためのホルダー30があり（図6参照）、収容ボックス19は、このホルダー上に固定される。ホルダー30はタレット29や外径バイト16と協働して回転するため、外径バイト16や収容ボックス19との相対位置関係は変化せず、タレット29の回転の影響を受けない。

《電気信号フローについて》
次に、図3のブロック図を用いて、加工用チップ10で測定された温度が熱電対14から収容ボックス19を介して外部ユニット28に送信されるまでの電気信号のフローを例示説明する。図3中の各矢印は、熱電対14で測定された加工用チップ10の温度を示す電気信号の流れであって、信号伝送路の形式によって有線方式を実線で示し、無線方式を破線で示している。熱電対14で測定された温度データは温度受信部24で受信される。温度受信部24は、熱電対14からの温度データを伝達する補償導線が接続される収容ポックス19内に設けられている。温度受信部24は、例えば、零接点補償回路24a、電位差増幅器24b、及び、A/D (アナログ/デジタル）変換器24ｃを有している。また、収容ボックス19内には送信部26が設けられ、温度受信部24からのデータを送受信するコントローラ26aにより無線通信デバイスで26bを制御し、無線通信デバイスで26bから収容ボックス19の外部にデータ送信する。

また、無線受信・記録出力装置で外部ユニット28は構成されており、無線受信・記録出力装置28は、電気信号の流れに沿って上流側から下流側に、無線受信デバイス28a、シリアルUSB (Universal Serial Bus)変換器28b、パーソナルコンピュータ等の記録・演算装置28c、及び、ディスプレイやプリンタ等の出力装置28dを備えている。また、図3中の破線で示す無線通信デバイス26bと無線受信デバイス28a間の無線通信規格は、Wi-Fi (Wireless Fidelity)、Bluetooth (ブルートゥース〉、無線LAN (Local Area Network)、及び、ZigBee (ジグビー）等を使用することが可能である。このような無線通信機器の使用によって加工用チップ10の先端近傍で測定した温度情報を外部ユニット28に送信することとなる。

《熱電対の先端位置について》
実際の加工用チップ10の刃先（先端）は被加工部材と接触し、最も摩耗、欠損等しやすい箇所であり、本温度測定装置では、この刃先の温度の測定・評価が所望される。その一方、加工用チップ10の摩耗等により熱電対14が露出することも回避する必要がある。したがって、加工用チップ10の温度測定孔12の深さを変えた複数の測定結果から刃先先端部温度を推定することが好ましい。

図4は、加工用チップ10に挿入する熱電対14の深さ位置例の略模式断面図を示している。また、図4 (a)〜(c)の順に、被加工部材17と加工用チップ10との接触位置から熱電対14の先端位置の距離tが近づいていく例を示している（具体的には、図4 (a)〜(c)の順にそれぞれ距離t=ｔ1、t=ｔ2、t =ｔ3)。また、図5では、その加工時間における測定結果と、刃先すなわち加工部材17との接触位置での推定温度とをグラフ化している。なお、図5の結果は、図4 (a)〜(c)のすべての温度測定を同一加工条件で行っている。図5の結果に示すようt = t1〜t3の測定結果から刃先の温度を推定することができることが理解されよう。

熱電対14を温度測定用孔12に挿入して固定するには、両者14、12の隙間に高熱伝導性接着剤（例えば、ドータイト（藤倉化成株式会社製））を充填させることで行っている。加工用チップ10の温度測定用孔12の深さ（図4 (a)〜（c)におけるｔ1、t2、t 3)は孔開け作業により微妙な誤差が生じるものである。特に旋盤に使用する本加工用チップ10はマシニング工具に比して深さ距離が短いため、孔の深さ公差が小さく精度が要求される。したがって、熱電対14の温度測定用孔12への挿入時に生じる熱電対14と温度測定用孔12との隙間を高熱伝導性接着剤で埋めることにより、温度測定時のバラつきを低減することができる。

図6を参照するとタレット29に複数の外径バイト16が装着されている様子が示されている（図中の矢印はタレット29の回転方向である）。上述したようにタレット29には複数（図6で3個）の外径バイト16がそれぞれに対応するホルダー30に固定されている。このホルダー30に、図3の無線通信デバイス26 b等の送信部26を内蔵する収容ボックス19が固定されている。収容ボックス19は、各ホルダー30上に固定される。ホルダー30はタレット29や外径バイト16と協働して回転することとなる。

したがって、所謂、連続加工中の工具交換の際にタレット29が旋廻しても、各外径バイト16それぞれと相対位置関係が変化しないホルダー30に各外径バイト16に対応する無線式の通信デバイス26bが内蔵されているため、熱電対14からの配線が絡まる問題も発生しない。したがって、工具交換ごとに旋盤装置を停止させることなく、連続加工しなから複数の外径バイトの加工用チップ10の温度を計測することができる。

10 加工用チップ
10 熱電対側面
12 温度測定孔
13 貫通孔
14 熱電対
16 外径バイト
16 a 加工用チップ装着部
17 被加工部材
18 端子台カバー
19 収容ボックス
20 フレキシブルチューブ
21 ボルト
24 温度受信部
24a 零接点補償回路
24b 電位差増幅器
24c A/D変換器
26 送信部
26a コントローラ
26b 無線通信デバイス
28 外部ユニット
28a 無線受信デバイス
28b シリアル・USB変換器
28c パーソナルコンピュータ等の記録・演算装置
28d ディスプレイやプリンタ等の出力装置
29 タレット
30 ホルダー

Claims

軸方向に摺動可能な旋盤装置において旋廻するタレットの径方向に摺動するバイト先端に設けた交換可能な刃先チップの温度測定装置であって、刃先チップは、その略先端に外径バイト側の面が開口する厚み方向に半貫
通の温度計測用孔が設けられ、前記外径バイトには、刃先チップを外形バイトに装着する際に前記温度計測用孔に対向する位置に予め熱電対が配設され、前記刃先チップが装着されると熱電対の先端が該刃先チップの温度計測用孔内に挿入・位置決めされて熱電対からの温度情報を受信し、該温度情報を外部に無線送信する温度情報送信手段を備える、温度測定装置。
前記熱電対の先端は、前記外径バイトの前記刃先チップの装着側から突出し、該熱電対の他端の接続端子は、前記刃先チップが装着される側とは反対側に設けられた端子台に連結され、前記温度情報送信手段は、前記端子台と補償導線を介して電気的に接続される、ことを特徴とする請求項1に記載の温度測定装置。
深さの異なる温度測定用孔を有する同一の刃先チップを複数準備し、同一加工条件でそれぞれの熱電対からの経時的温度変化を測定し、測定結果から刃先チップと被加工物との接触位置の温度を推定する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度測定装置。
前記熱電対と前記刃先チップの温度計測用孔との隙間に高熱伝導性接着剤を充填する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度計測装置。
前記タレット上に装着する複数の前記外径バイトそれぞれに対して、請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度計測装置を配設し、前記複数の外径バイトを含む工具を用いた前記タレットの旋廻動を含む連続加工中において、それぞれの外径バイトの温度計測結果を取得することを特徴とする、温度計測装置。
前記熱電対からの温度情報が予め設定した閾値又は変化量を超えることを検出したときに、旋盤装置の動作停止又は旋盤装置の加工条件を緩和する制御を行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度計測装置。