JP2019123021A

JP2019123021A - 工作機械のノズル制御装置

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Publication number: JP2019123021A
Application number: JP2018003080A
Authority: JP
Inventors: 足立　秀昭; Hideaki Adachi; 秀昭足立
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-01-12
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2038-01-12
Also published as: CN110026813A; US20190217434A1; DE102019200053B4; JP6661674B2; US10710204B2; DE102019200053A1; CN110026813B

Abstract

【課題】常に工作機械の工具を冷却することができるノズル制御装置を提供すること。【解決手段】工作機械のノズル制御装置１０は、工作機械の主軸１８に把持される工具１２と、工具１２に対する角度および／または位置が可変であり、工具１２に対して流体を噴射するノズル１４と、ノズル１４の角度および／または位置を駆動するノズル駆動部と、工具１２とワークとの接触を取得する接触取得部と、ノズル駆動部を制御する制御部とを備える。制御部は、接触取得部が接触を取得したときに、工具１２の長さおよび主軸方向への送り軸の移動量に基づいて、ノズル１４から噴射される流体が工具１２の側面に当たるようにノズル１４の角度および／または位置を算出し、算出結果に基づいてノズル駆動部を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械のノズル制御装置に関する。

従来、工作機械による切削加工において、加工の過程で加熱した工具を冷却する装置が知られている。工具が冷却されることによって、熱による工具の膨張や劣化が防止され、安定した切削加工が行われる。

工作機械の工具を効果的に冷却する装置として、工具の先端にクーラントなどの流体を噴射する装置が知られている（特許文献１）。この構成では、工具の周辺に取り付けられたノズルから工具へクーラントが供給される。工具の先端にクーラントを供給するために、ノズルの先端を工具の先端に向けるノズル制御装置が備えられている。

特開平８−２５１７１号公報

しかし、特許文献１の構成では、穴加工のように工具の先端がワークの内部に進入するとき、工具先端にクーラントが噴射されない。すなわち、工具の先端方向に向けてクーラントが噴射されたとしても、クーラントはワークに阻まれて工具先端に達しない。このように、加工の種類によっては、工具の先端が冷却されないという問題があった。

本発明は、常に工作機械の工具を冷却することができるノズル制御装置を提供することを目的とする。

（１）本願発明の工作機械（例えば、後述の工作機械６０）のノズル制御装置（例えば、後述のノズル制御装置１０）は、工作機械の主軸（例えば、後述の主軸１８）に把持される工具（例えば、後述の工具１２）と、前記工具に対する角度および／または位置が可変であり、前記工具に対して流体を噴射するノズル（例えば、後述のノズル１４）と、前記ノズルの角度および／または位置を駆動するノズル駆動部（例えば、後述のノズル駆動部６４）と、前記工具とワーク（例えば、後述のワーク３０）との接触を取得する接触取得部と、前記ノズル駆動部を制御する制御部（例えば、後述の制御部６６）と、を備える工作機械のノズル制御装置であって、前記制御部は、前記接触取得部が前記接触を取得したときに、前記工具の長さおよび前記主軸方向への送り軸の移動量に基づいて、前記ノズルから噴射される前記流体が前記工具の側面に当たるように前記ノズルの角度および／または位置を算出し、前記算出結果に基づいて前記ノズル駆動部を制御する。

（２）（１）の工作機械のノズル制御装置において、前記接触取得部は、前記主軸および／または前記送り軸の負荷、または３次元加工シミュレーションの結果に基づいて、前記工具とワークとの接触を取得し、前記制御部は、前記接触が検出されたときの前記主軸方向の座標を、前記ワークの表面座標として記憶し、前記ノズル駆動部は、前記表面座標に基づいて、前記ノズルの噴射口が前記表面座標に向かうように、前記ノズルの角度および／または位置を駆動してもよい。

（３）（１）の工作機械のノズル制御装置において、前記接触取得部は、前記工具とワークとの接触を取得し、前記制御部は、前記接触が検出されたときの前記主軸方向の座標を、前記ワークの表面座標として記憶し、前記制御部は、前記接触を検出したのちに前記主軸方向への送り軸の移動量が増減したときであって、かつ、前記主軸方向と直交する方向への移動量が生じないとき、前記工具が昇降状態にあると判定し、前記ノズル駆動部は、前記ノズルの噴射口が前記表面座標に向かうように保持してもよい。

（４）（３）の工作機械のノズル制御装置において、前記制御部は、前記工具が昇降状態にあると判定したときであって、かつ、前記工具の先端部が前記ワークの表面より上方の位置にあるとき、前記制御部は、前記流体が前記工具の側面に当たるような、主軸方向における前記ノズルの角度範囲および／または位置範囲を算出し、前記ノズル駆動部は前記角度範囲および／または位置範囲に応じて、前記ノズルを駆動してもよい。

（５）（１）〜（４）のいずれかの工作機械のノズル制御装置において、前記制御部は、前記工具の径に基づいて、算出した前記ノズルの角度および／または位置を補正してもよい。

（６）（１）〜（５）のいずれかの工作機械のノズル制御装置において、前記制御部は、前記工作機械の加工プログラムを作成する加工プログラム作成装置および／または前記工作機械の数値制御装置（例えば、後述のＣＮＣ６２）から独立して設けられてもよい。

（７）（１）〜（６）のいずれかの工作機械のノズル制御装置において、前記制御部は、前記工作機械から独立して設けられ、複数の前記工作機械の前記ノズル駆動部を制御してもよい。

本発明によれば、常に工作機械の工具を冷却することが可能なノズル制御装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るノズル制御装置の外観図である。本発明の第１の実施形態に係るノズル制御装置の機能ブロック図である。本発明の第１の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第１の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第１の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第２の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第２の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第２の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第３の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第３の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第３の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第４の実施形態に係るノズル先端部および工具の模式図である。本発明の第５の実施形態に係るノズル制御装置の機能ブロック図である。本発明の第６の実施形態に係るノズル制御装置の機能ブロック図である。本発明の第７の実施形態に係るノズル制御装置の機能ブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態にかかるノズル制御装置１０の外観図である。ノズル制御装置１０は、後述の制御部、ノズル駆動部、工具１２、および工具１２の周辺に取り付けられたノズル１４を備える。

工具１２は、工具ホルダ１６に把持される。工具ホルダ１６は、主軸１８を介して主軸頭２０に固定される。主軸方向をＺ軸として、主軸頭２０の初期位置のＺ軸座標値を０とする。主軸頭２０は送り軸の移動に伴って繰り出される。すなわち、主軸頭２０に対して固定された工具１２は、送り軸の移動量に応じて下方へ繰り出される。主軸頭２０が繰り出され、工具１２が下方へ進むにつれてＺ軸の座標値は減少する。Ｚ軸方向の座標値は、送り軸の移動量に応じて増減する。工具１２の工具先端部１３の下方にはワーク（図示せず）が載置される。

ノズル１４は、工具１２に対して流体を噴射する。ノズル１４は、ノズル基部２２を介してノズル支持部２４に取り付けられる。ノズル１４は、工具１２に対する角度が可変である。ノズル１４は、後述のノズル駆動部によって、ノズル基部２２のノズル取り付け端２６を支点に揺動する。揺動に伴って、ノズル１４の噴射口は、ノズル取り付け端２６を中心とする円弧を描くように動く。ノズル１４の噴射口の向きは、照準角度αによって定まる。照準角度αは、ノズル支持部２４の水平面とノズル１４の長手方向の面とのなす角である。照準角度αは、後述の制御部において決定される。

ノズル支持部２４は、主軸頭２０と一体的に形成されている。ノズル１４のノズル取り付け端２６の位置は、ノズル支持部２４に相対的に固定される。すなわち、主軸頭２０とノズル取り付け端２６のＺ軸座標とは連動する。

図２は、第１の実施形態に係るノズル制御装置１０の機能ブロック図である。制御部６６は、ＣＮＣ（数値制御装置）６２から独立して設けられる。ＣＮＣ６２は、Ｚ軸方向への送り軸の移動量の情報を制御部６６に送信する。制御部６６は、移動量、およびオフセットデータとして保持している工具長の情報に基づいて照準角度を算出する。

照準角度は、以下に詳述するように、クーラントが工具１２（図１参照）の側面または先端へ適切に噴射される角度である。制御部６６は、照準角度に応じた指令をノズル駆動部６４へ送る。ノズル駆動部６４は、指令に応じてノズル１４を駆動し、照準角度を補正する。

図３は、第１の実施形態におけるノズル先端部２８および工具１２の模式図である。第１の実施形態では、工具先端部１３とワーク３０との接触の検出が行われる。接触の有無に応じて照準角度は補正される。

図３Ａは、加工開始前の状態を示す。加工開始前、工具先端部１３はワーク３０に達していない。ノズル先端部２８の噴射口は工具先端部１３に向けられる。このときの照準角度はβである。矢印は、ノズル先端部２８の噴射口からのクーラントの噴射方向を示す。

図３Ｂは、加工開始時の状態を示す。加工開始時、工具先端部１３はワーク３０に達する。制御部６６（図２参照）は、工具１２の長さ、およびＺ軸方向への送り軸の移動量に応じて、接触が検出されたときのＺ軸座標を、ワーク３０の表面座標として記憶する。接触検出は、主軸および／または送り軸のモータの負荷、または３次元加工シミュレーションの結果に基づいて行われる。３次元加工シミュレーションは、例えばＣＮＣ６２（図２参照）において実行される。

図３Ｃは、加工中の状態を示す。加工中、工具先端部１３はワーク３０の内部に進入する。このとき、ノズル先端部２８の噴射口が工具先端部１３に向かうような、照準角度がβで維持されると、クーラントは工具先端部１３ではなくワーク３０に噴射されてしまう（破線参照）。

そこで、制御部６６（図２参照）は、記憶された表面座標に基づいて、ノズル先端部２８の噴射口がＺ軸方向において工具１２の側面に向かうような、補正角度β´を算出する。ノズル駆動部６４は、算出された補正角度β´に応じてノズル先端部２８の角度を補正する。補正角度β´は、例えば、図示されるように、クーラントが表面座標に噴射されるような角度であってもよい。

このように、第１の実施形態では、接触が検出されたとき、照準角度が補正されることによって、加工中においても、工具１２の側面にクーラントが噴射される。側面に噴射されたクーラントは、側面をつたって工具先端部１３に達する。これにより、常に工具１２を冷却することができる。また、クーラントが無駄なく工具１２に噴射されるため、クーラントの使用量が削減される。さらには、工具寿命および加工面品位が向上する。

図４は、第２実施形態に係るノズル先端部２８および工具１２の模式図である。第２の実施形態では、第１の実施形態に加えて、工具１２の昇降動作が判定される。昇降動作の有無に応じて照準角度が補正される。

図４Ａは、加工中の状態を示す。加工中の動作は、上述の図１Ｃの説明のとおりである。ここでは、ノズル先端部２８の噴射口がワーク３０の表面座標に向けられているものとする。このときの照準角度はγである。工具１２の側面にはクーラントが噴射されている。

図４Ｂは、加工が終了して工具１２が上昇している状態を示す。制御部６６（図２参照）は、接触を検出したあとにＺ軸方向への送り軸の移動量が増減したとき、工具１２が穿孔４０の底部４２に達してから上昇したことを検知する。次に、制御部６６は、記憶された表面座標に基づいて、工具先端部１３がワーク３０の表面より上方に上昇したと判定すると、ノズル先端部２８の噴射口が工具先端部１３に向かうように、照準角度をβに補正する指令を送る。指令を受けたノズル駆動部６４は、照準角度がγからβになるようにノズルを駆動すると、工具先端部１３にはクーラントが噴射される。

図４Ｃは、工具１２が再び同じ穿孔４０に進入している状態を示す。制御部６６（図２参照）は、接触を検出したあとにＺ軸方向への送り軸の移動量が増減したときであって、かつ、Ｚ軸方向と直交する方向への移動量が生じないとき、工具１２が昇降状態にあると判定する。このとき、ノズル駆動部６４（図２参照）は、ノズル先端部２８の噴射口が表面座標に向かうような照準角度に保持される。図示される照準角度γ´は、工具１２が下降中の一通過点を例示するものである。これにより、工具１２の側面にはクーラントが噴射される。

このように、第２の実施形態では、第１の実施形態による効果に加えて、工具１２が上昇および下降するとき、例えば切りくず排出が行われるときにも、常に工具１２が冷却される。

図５は、第３実施形態にかかるノズル先端部２８および工具１２の模式図である。第２の実施形態との違いは、ノズル先端部２８の揺動によって工具１２が洗浄される点である。

図５Ａ〜Ｂに示される動作は、図４Ａ〜Ｂに示される動作と同一である。図５Ｃは、洗浄の動作を説明する図である。洗浄動作は、制御部６６（図２参照）が、工具１２が昇降状態にあり、かつ、工具先端部１３がワーク３０の表面より上方の位置にあると判定したときに行われる。制御部６６は、揺動の角度範囲を算出する。角度範囲は、工具１２の長さに応じて定められてもよい。ここでは、角度範囲は、βからδの間である。ノズル駆動部６４は、ノズル先端部２８を照準角度がβからδとなる間で揺動駆動させる。これにより、工具１２に付着した切りくずが除去される。

このように、第３の実施形態では、工具１２に付着した切りくずが除去される。これにより、第２の実施形態の効果に加えて、常に加工精度を維持できる効果が得られる。

図６は、第４の実施形態における、ノズル先端部および工具の模式図である。図６は、いわゆるヘリカル加工を示す図である。第１〜３の実施形態との違いは、工具１２が工具３２に交換されることである。

工具３２は、例えば先端が平坦な、フラットエンドミルと呼ばれる工具である。工具３２は、Ｚ軸に直交するＸＹ平面上を旋回しながら、ワーク３０のＺ軸方向へ進入する。先端面３４がワーク３０の表面を切削しつつ、工具３２の側面３６がワーク３０の内部を切削することにより、穿孔５０は形成される。

ノズル先端部２８は、工具３２の動きに追従する。第４の実施形態では、第１〜第３の実施形態における制御部６６が、工具先端部１３のＺ軸座標を、工具３２の先端面３４のＺ軸座標に置き換えて、照準角度εを算出する。すなわち、第１〜第３の実施形態と同様に、工具３２の接触検出、昇降動作の判定、および洗浄動作が行われる。したがって、第４の実施形態においても、加工前から加工終了までの間、工具３２の先端面３４または側面３６に対して、クーラントが噴射されるので、工具３２は常に冷却される。

図７は、第５の実施形態に係るノズル制御装置の機能ブロック図である。制御部６６（図２参照）は、工作機械のＣＮＣ６２に組み込まれる。ＣＮＣ６２は、Ｚ軸方向への送り軸の移動量を制御する。ＣＮＣ６２は、Ｚ軸方向への移動量、およびオフセットデータとして保持している工具１２（図１参照）の工具長の情報に基づいて、照準角度を決定し、ノズル駆動部６４へ照準角度に応じた指令を送る。指令を受けたノズル駆動部６４はノズル１４を駆動して照準角度を補正する。第５の実施形態によれば、接触検出において、ＣＮＣ６２において実行された、３次元加工シミュレーションの結果が適用されうる。

図８は、第６の実施形態に係るノズル制御装置の機能ブロック図である。第６の実施形態では、ＣＮＣ（数値制御装置）６２、および／または、工作機械の加工プログラムを作成する加工プログラム作成装置（図示せず）と、制御部６６とが独立している。制御部６６は、オフセットデータとして保持している工具１２（図１参照）の工具長、および送り軸に取り付けられたサーボモータ等からなる位置センサ６８から、Ｚ軸方向への送り軸の移動量を取得する。制御部６６は移動量に基づいて、照準角度を決定し、照準角度に基づいた指令をノズル駆動部６４へ送る。ノズル駆動部６４は、指令に応じて照準角度を補正する。この構成によれば、既存のＣＮＣ６２を有する工作機械６０に対して、ノズル制御装置が後付けされうる。

図９は、第７の実施形態に係るノズル制御装置の機能ブロック図である。第７の実施形態では、制御部６６が、個々の工作機械６０から独立して設けられる。制御部６６は、個々の工作機械６０に設けられた位置センサ６８から、Ｚ軸方向への送り軸の移動量を取得する。制御部６６は、各々の工作機械６０の移動量および工具長に基づいて決定した、照準角度に応じて、工作機械６０毎のノズル駆動部６４へ指令を送る。ノズル駆動部６４は、指令に応じて、照準角度を補正する。

このように、第７の実施形態では、一つの制御部６６によって、複数の工作機械６０の照準角度を制御することができる。これにより、制御部６６の数が減り、工作機械６０の製造コストが下げられる。

なお、上述の接触検出は、主軸近傍の音圧変化や工作機械６０の振動に基づいて検出されても良い。また、上記実施形態では、工具径を理想的に０として照準角度が決定されるが、この場合、クーラントは、実際の径を考慮した場合の位置よりも上に噴射されることになる。制御部６６は、より正確な照準角度を決定するために、さらに工具１２（図１参照）の径の情報を用いても良い。

上記実施形態において、図１に示される、主軸頭２０とノズル支持部２４とは一体的に形成されているが、主軸頭２０とノズル支持部２４との相対位置は固定されなくてもよい。換言すれば、工具１２とノズル１４とは連動して昇降しなくてもよい。この場合、主軸頭２０のＺ軸座標とノズル取り付け端２６のＺ軸座標とは連動しない。したがって、制御部６６（図２参照）は、ノズル先端部２８の照準角度およびＺ軸上の位置または位置範囲を、工具の長さおよびＺ軸方向への送り軸の移動量に基づいて決定する。

１０ノズル制御装置
１２工具
１４ノズル
１８主軸
６４ノズル駆動部
６６制御部

Claims

工作機械の主軸に把持される工具と、
前記工具に対する角度および／または位置が可変であり、前記工具に対して流体を噴射するノズルと、
前記ノズルの角度および／または位置を駆動するノズル駆動部と、
前記工具とワークとの接触を取得する接触取得部と、
前記ノズル駆動部を制御する制御部と、を備える工作機械のノズル制御装置であって、
前記制御部は、
前記接触取得部が前記接触を取得したときに、前記工具の長さおよび主軸方向への送り軸の移動量に基づいて、前記ノズルから噴射される前記流体が前記工具の側面に当たるように前記ノズルの角度および／または位置を算出し、前記算出した結果に基づいて前記ノズル駆動部を制御する、工作機械のノズル制御装置。
前記接触取得部は、前記主軸および／または前記送り軸の負荷、または３次元加工シミュレーションの結果に基づいて、前記工具とワークとの接触を取得し、
前記制御部は、前記接触が検出されたときの前記主軸方向の座標を、前記ワークの表面座標として記憶し、
前記ノズル駆動部は、前記表面座標に基づいて、前記ノズルの噴射口が前記表面座標に向かうように、前記ノズルの角度および／または位置を駆動する、請求項１に記載の工作機械のノズル制御装置。
前記接触取得部は、前記工具とワークとの接触を取得し、
前記制御部は、前記接触が検出されたときの前記主軸方向の座標を、前記ワークの表面座標として記憶し、
前記制御部は、前記接触を検出したのちに前記主軸方向への送り軸の移動量が増減したときであって、かつ、前記主軸方向と直交する方向への移動量が生じないとき、前記工具が昇降状態にあると判定し、
前記ノズル駆動部は、前記ノズルの噴射口が前記表面座標に向かうように保持する、請求項１に記載の工作機械のノズル制御装置。
前記制御部は、前記工具が昇降状態にあると判定したときであって、かつ、前記工具の先端部が前記ワークの表面より上方の位置にあるとき、
前記制御部は、前記流体が前記工具の側面に当たるような、主軸方向における前記ノズルの角度範囲および／または位置範囲を算出し、
前記ノズル駆動部は前記角度範囲および／または位置範囲に応じて、前記ノズルを駆動する、請求項３に記載の工作機械のノズル制御装置。
前記制御部は、前記工具の径に基づいて、算出した前記ノズルの角度および／または位置を補正する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の工作機械のノズル制御装置。
前記制御部は、前記工作機械の加工プログラムを作成する加工プログラム作成装置および／または前記工作機械の数値制御装置から独立して設けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の工作機械のノズル制御装置。
前記制御部は、前記工作機械から独立して設けられ、複数の前記工作機械の前記ノズル駆動部を制御する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の工作機械のノズル制御装置。