JP2021023999A - 工具装着状態推定システムおよび工作機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】主軸への工具の装着状態の悪化を早期に検出する。【解決手段】工具１５０と共通のテーパ外面１４１を有する本体部１４３と、本体部１４３に装着され振動を発生する振動源１４４とを備える測定用ツール１４０と、測定用ツール１４０のテーパ外面１４１をテーパ内面１１２ａ内に引き込んで密着させる主軸１１２に設けられ、振動源１４３において発生し、テーパ外面１４１およびテーパ内面１１２ａを経由して主軸１１２側に伝播してきた振動を検出するセンサ２と、センサ２により検出された振動に基づいて工具１５０の装着状態を推定する推定部とを備える工具装着状態推定システム１。【選択図】図１

Description

本開示は、工具装着状態推定システムおよび工作機械に関するものである。
工作機械の主軸に備えられたドローバの作動により、主軸のテーパ内面に、工具のテーパ外面を密着させることによって、工具を主軸に固定する方式の工作機械が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０１５−９２８３号公報
主軸のテーパ内面は、切粉の付着および加工中の振動等により経時的に劣化する。テーパ内面が劣化した場合には、工具を保持したときに、工具のテーパ外面との密着度が低下して、加工中の工具に振動が発生し、加工不良に至る可能性がある。したがって、テーパ内面の劣化等による主軸への工具の装着状態の悪化を早期に検出することが好ましい。
本開示の一態様は、工具と共通のテーパ外面を有する本体部と、該本体部に装着され振動を発生する振動源とを備える測定用ツールと、該測定用ツールの前記テーパ外面をテーパ内面内に引き込んで密着させる主軸に設けられ、前記振動源において発生し、前記テーパ外面および前記テーパ内面を経由して前記主軸側に伝播してきた振動を検出するセンサと、該センサにより検出された前記振動に基づいて前記工具の装着状態を推定する推定部とを備える工具装着状態推定システムである。
本開示の一実施形態に係る工具装着状態推定システムおよび工作機械を示す全体構成図である。 図１の工作機械における主軸に測定用ツールを装着した状態を示す縦断面図である。 図１の工作機械においてタレットの測定用ツールを主軸に装着する前の状態を示す全体構成図である。 図１の工作機械においてタレットの測定用ツールを主軸に装着した後の状態を示す全体構成図である。 図１の工具装着状態推定システムの演算部を示すブロック図である。
本開示の一実施形態に係る工具装着状態推定システム１および工作機械１００について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る工作機械１００は、図１に示されるように、工作機械本体１１０と、本実施形態に係る工具装着状態推定システム１とを備えている。
工作機械本体１１０は、複数の工具１５０および後述する測定用ツール１４０を収容するツールマガジン１１１と、ツールマガジン１１１内の工具１５０または測定用ツール１４０の内の１つを装着して加工または測定を行う主軸１１２と、主軸１１２とツールマガジン１１１との間で工具１５０または測定用ツール１４０を交換する工具交換装置１１３とを備えている。
ツールマガジン１１１は、周方向に間隔をあけて配置された複数のグリップ１１４を有する円板状のタレット１１５を備えている。タレット１１５は中心軸線Ａ回りに旋回可能であり、各グリップ１１４は工具１５０を着脱可能に保持する。測定用ツール１４０は他の工具１５０と同様にして、いずれかのグリップ１１４に保持されている。
主軸１１２は、図１に示されるように、直動機構１１６によって鉛直方向に移動可能に支持された主軸ヘッド１１７に支持されている。直動機構１１６は、鉛直方向に延びて床面に固定されたベース１１８と、ベース１１８に対して鉛直方向に移動可能なスライダ１１９とを備え、主軸ヘッド１１７はスライダ１１９に固定されている。
主軸１１２には、その下部に、図２に示されるように、工具１５０または測定用ツール１４０に設けられたテーパ外面１４１，１５１を密着させるテーパ内面１１２ａが設けられているとともに、工具１５０または測定用ツール１４０に設けられたプルスタッド１４２を着脱可能に把持して上方に牽引するドローバ１２０が設けられている。主軸１１２は、ドローバ１２０によってテーパ外面１５１をテーパ内面１１２ａに密着させた状態の工具１５０を、モータによって鉛直軸線回りに回転駆動することにより加工を行う。
工具交換装置１１３は、タレット１１５および直動機構１１６を制御する。タレット１１５は、直動機構１１６のベース１１８から延びる支持部材１２１によって支持されるとともに、水平な揺動軸線Ｂ回りに揺動可能に支持されている。主軸ヘッド１１７の側面にはカム１２２が設けられており、タレット１１５にはカム１２２に倣って動作するカムフォロワ１２３が設けられている。
工具交換装置１１３は、図３に示されるように、タレット１１５を回転させて主軸１１２に装着したい工具１５０または測定用ツール１４０を最下位に配置した状態で、直動機構１１６の作動により主軸ヘッド１１７を最上位まで上昇させる。これにより、タレット１１５が揺動軸線Ｂ回りに揺動して、装着したい工具１５０または測定用ツール１４０が、主軸１１２の鉛直下方に配置される。
この状態から主軸ヘッド１１７を下降させることにより、主軸１１２のテーパ内面１１２ａ内に工具１５０または測定用ツール１４０のテーパ外面１４１，１５１を挿入し、ドローバ１２０の作動によって工具１５０または測定用ツール１４０を主軸１１２に装着する。そして、主軸ヘッド１１７をさらに下降させることにより、図４に示されるように、カムフォロワ１２３がカム１２２に倣って移動してタレット１１５が揺動させられ、工具１５０または測定用ツール１４０がグリップ１１４から主軸１１２に引き渡される。
本実施形態に係る工具装着状態推定システム１は、図１に示されるように、工作機械本体１１０の主軸１１２に備えられるセンサ２と、主軸１１２に着脱可能に装着される測定用ツール１４０と、センサ２に接続された演算部３と、演算部３に接続された報知部４とを備えている。センサ２は、例えば、加速度センサである。
測定用ツール１４０は、図２に示されるように、他の工具１５０と共通するテーパ外面１４１およびプルスタッド１４２を備える本体部１４３と、本体部１４３に装着されたピエゾ素子（振動源）１４４とを備えている。ピエゾ素子１４４は、図示しないバッテリからの電力供給を受けて、例えば、所定周波数の正弦波からなる振動を発生する。
センサ２は、測定用ツール１４０を主軸１１２に装着した状態で、測定用ツール１４０のピエゾ素子１４４により発生し、テーパ外面１４１およびテーパ内面１１２ａを経由して主軸１１２側に伝播してきた振動を検出する。
演算部３は、プロセッサおよびメモリによって構成され、図５に示されるように、推定部５と判定部６とを備えている。
推定部５は、センサ２により検出された振動に基づいて測定用ツール１４０の装着状態を推定する。
具体的には、推定部５は、センサ２により検出された振動を周波数分析し、ピエゾ素子１４４により発生した入力振動と同じ周波数の振動の振幅の入力振動に対する比率をテーパ外面１４１とテーパ内面１１２ａとの密着度として算出する。
また、推定部５は、周波数分析の結果得られる共振周波数を算出する。
判定部６は、プロセッサおよびメモリにより構成され、算出された密着度が所定の許容値以下となっているか否かを判定する。
また、判定部６は、算出された共振周波数が所定の共振周波数に対して閾値よりも低下しているか否かを判定する。所定の共振周波数は、ドローバ１２０およびテーパ内面１１２ａが劣化していない状態で測定用ツール１４０を装着した状態で測定しておけばよい。
算出された密着度が許容値以下である場合には、測定用ツール１４０のテーパ外面１４１と主軸１１２のテーパ内面１１２ａとが十分に密着していないため、測定用ツール１４０に代えて工具１５０を装着した場合にも十分な密着度が得られないことが予想される。
そして、共振周波数が閾値よりも低下しているか否かを判定することにより、密着度が低下している原因を推定することができる。
すなわち、密着度が低下しかつ共振周波数が低下している場合には、ドローバ１２０の劣化による引き込み力の低下の可能性が高いと推定できる。一方、密着度は低下しているが共振周波数は低下していない場合には、主軸１１２のテーパ内面１１２ａの摩耗または切粉の噛み込みの可能性が高いと推定できる。
報知部４は、判定部６により許容値以下であると判定された場合にその旨を報知する。報知部４は、モニタ、スピーカあるいはライト等の任意のものでよい。
そして、報知部４により、判定部６による判定結果を報知することによって、作業者がテーパ外面１４１，１５１とテーパ内面１１２ａとの密着度の低下とその大まかな原因を確認することができ、装着状態が悪化したままで加工が継続されることを防止することができる。
すなわち、本実施形態に係る工具装着状態推定システム１および工作機械１００によれば、タレット１１５に装着しておいた測定用ツール１４０を、必要に応じて、または定期的に、主軸１１２に装着して測定を行うことができる。これにより、主軸１１２への工具１５０の装着状態の悪化を簡易かつ早期に検出することができる。また、センサ２により検出された振動を分析することにより、その装着状態の悪化が、主軸１１２に備えられたテーパ内面１１２ａの摩耗あるいは切粉の噛み込みによるものであるのか、ドローバ１２０の劣化によるものであるのかを判別することができるという利点がある。
なお、本実施形態においては、振動源として、ピエゾ素子１４４を例示したが、これに代えて、ハンマリング装置を採用してもよい。
また、本実施形態においては、推定部５により算出された密着度が、判定部６により所定の許容値以下となったと判定された場合に、これを報知することとした。これに代えて、推定部５により算出された密着度を、算出される都度に記憶しておき、記憶された密着度の時間変化に基づいて、密着度が許容値以下となる時期を推定する時期推定部（図示略）を備えてもよい。
時期推定部によれば、密着度が現実に許容値以下となって加工精度が低下する前に、その時期を推定することができ、より早期に装着状態を改善する対策を施すことができるという利点がある。
また、許容値および閾値は任意に設定してよい。
１ 工具装着状態推定システム
２ センサ
４ 報知部
５ 推定部
６ 判定部
１００ 工作機械
１１２ 主軸
１１２ａ テーパ内面
１４０ 測定用ツール
１４１，１５１ テーパ外面
１４３ 本体部
１４４ ピエゾ素子（振動源）
１５０ 工具

Claims (8)

  1. 工具と共通のテーパ外面を有する本体部と、該本体部に装着され振動を発生する振動源とを備える測定用ツールと、
    該測定用ツールの前記テーパ外面をテーパ内面内に引き込んで密着させる主軸に設けられ、前記振動源において発生し、前記テーパ外面および前記テーパ内面を経由して前記主軸側に伝播してきた振動を検出するセンサと、
    該センサにより検出された前記振動に基づいて前記工具の装着状態を推定する推定部とを備える工具装着状態推定システム。
  2. 前記推定部が、前記振動源において発生した前記振動の振幅と、前記センサにより検出された前記振動の振幅との比率に基づいて、前記テーパ外面と前記テーパ内面との密着度を装着状態として推定する請求項１に記載の工具装着状態推定システム。
  3. 前記推定部が、検出された前記振動の共振周波数成分に基づいて、前記テーパ外面の前記テーパ内面内への引き込み力の低下を装着状態として推定する請求項１に記載の工具装着状態推定システム。
  4. 前記振動源がピエゾ素子である請求項１から請求項３のいずれかに記載の工具装着状態推定システム。
  5. 前記推定部により推定された前記密着度が許容値以下であるか否かを判定する判定部と、
    該判定部により、前記許容値以下であると判定された場合にその旨を報知する報知部とを備える請求項２に記載の工具装着状態推定システム。
  6. 時間間隔をあけて推定された前記密着度を記憶する記憶部と、
    該記憶部に記憶された前記密着度の時間変化に基づいて、該密着度が許容値以下となる時期を推定する時期推定部とを備える請求項２に記載の工具装着状態推定システム。
  7. 前記時期推定部により推定された前記時期を報知する報知部を備える請求項６に記載の工具装着状態推定システム。
  8. センサと、
    該センサにより検出された振動に基づいて工具の装着状態を推定する推定部とを備え、
    前記センサが、前記工具と共通のテーパ外面を有する本体部に装着され振動を発生する振動源を備える測定用ツールの前記テーパ外面を、テーパ内面内に引き込んで密着させる主軸に設けられ、前記測定用ツールが装着された状態で前記振動源において発生し、前記テーパ外面および前記テーパ内面を経由して前記主軸側に伝播してきた前記振動を検出する工作機械。
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