JP4167007B2

JP4167007B2 - 工具状態検知装置

Info

Publication number: JP4167007B2
Application number: JP2002142921A
Authority: JP
Inventors: 忍清水; 厳一佐藤; 肇水谷
Original assignee: Toyota Motor Corp; Fuji Bellows Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Fuji Bellows Co Ltd
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JP2003334744A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具または被加工物の何れか一方を回転部に装着した状態で回転させることにより被加工物の加工を行なう工作機械装置について使用される、工具状態検知装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
被加工物を加工する所謂マシニングセンタなどの工作機械は、無人の状態で運転されることが多い。従って、加工に使用される工具に例えば折損が発生した場合には、その状態を自動的に検出して工具を交換する必要がある。
【０００３】
従来、工具の状態として折損を検知する方式には様々なものがある。例えば、加工が終了した後、工具がツールマガジンに収納された状態で、スイングバー式のリミットスイッチを用いて検知する機械検知型や、工具の折損によりスピンドル（主軸）が無負荷となることで、消費電力が変化することに基づいて検知する電力検知型などがある。
【０００４】
しかしながら、機械検知型のものでは加工の全工程が終了した後に検知を行うため、加工の途中で工具が折損した場合は、その状態で被加工物の加工が行なわれてしまう可能性がある。すると、工具の折損状態が悪化したり、被加工物の加工不良が発生するおそれがある。加えて、上記の検出機構は比較的大掛かりなものとなるため、設置スペースの確保が問題となる。
【０００５】
また、電力検知型では、加工時におけるスピンドルの負荷が小さく消費電力量も小さい場合には、工具が折損した場合の電力変化量も小さいため、検知を行なうことができない。例えば、定格１２ｋＷのスピンドルでφ２のドリル穴加工を行った場合には、工具の折損による電力変化の差が現れない。
【０００６】
更に、工具と被加工物との間に直流電圧を印加しておき、両者の接触、非接触状態をスイッチとみなした閉回路を構成し、前記スイッチの開閉状態によって検出を行なう方式もあるが、主軸のベアリング部分に電蝕現象などが発生するため、装置の信頼性を低下させるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工の途中であっても、また、負荷が小さい場合でも、工具の状態を確実に検出することができる工具状態検知装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の工具状態検知装置は、工具または被加工物の何れか一方を回転部に装着した状態で回転させることにより前記被加工物の加工を行なう工作機械装置について使用されるものであり、
出力端子の一端が前記回転部を支承する固定部に接続された状態で、前記回転部側に高周波信号を輻射する高周波信号出力手段と、
この高周波信号出力手段によって輻射される高周波信号を、前記回転部を指向した状態で受信する受信手段と、
前記受信手段による受信電界強度を測定する電界強度測定手段とを備え、
前記高周波信号出力手段と、前記受信手段とは、前記回転部の回転中心を介して径方向にほぼ１８０度の位置関係となるように配置され、
前記工具と前記被加工物との間の相対的な変位状態と、前記受信手段による前記高周波信号の受信状態とに基づいて、前記工具の状態を検知することを特徴とする。
【０００９】
即ち、高周波信号出力手段によって出力される高周波信号は、工作機械装置の回転部と固定部との間に輻射・印加される。そして、回転部の回転が停止している場合、回転部と固定部との間はベアリング（軸受）などを介して電気的に導通接触している。よって、両者間のインピーダンスは、回転部が有するインダクタンス→ベアリング部の抵抗→固定部が有するインダクタンス、の総和となる。また、回転部が回転する場合は、ベアリングのボール若しくはローラは油膜に覆われるため、その油膜がキャパシタンスをなす。
【００１０】
そして、上記構成の工作機械装置においては、工具、被加工物の何れか一方は固定部側に電気的に接続されているので、工具と被加工物とが接触すると、回転部と固定部とが直接接続されることになり、高周波信号の伝送路におけるインピーダンスは大きく変化する。
【００１１】
するとその時、回転部を指向した状態で高周波信号を受信している受信手段の受信状態も大きく変化するので、工具と被加工物との間の相対的な変位状態と受信手段の受信状態とを参照すれば、工具の状態を検知することができる。そして、工具による被加工物の加工が行われている途中であっても状態の検知が可能であり、また、工具にかかる負荷が小さい場合でも検知することができる。更に、広いスペースを要せずとも状態検知を行なうことができ、従来のように直流電圧を用いないので、電蝕等が発生することもない。
【００１２】
また、高周波信号は回転部に対して輻射されるため、その信号の一部が受信手段に直接受信されてしまう、所謂「回り込み」が発生するおそれがある。従って、前記高周波信号出力手段と、前記受信手段とを、前記回転部の回転中心を介して径方向にほぼ１８０度の位置関係となるように配置すれば、高周波信号が受信手段に直接受信されることを極力防止できる。
加えて、前記受信手段による受信電界強度を測定する電界強度測定手段を備えるので、受信手段による受信状態の変化を、受信電界強度の変化によって簡単に観測することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載したように、前記高周波信号出力手段と、前記受信手段とを、軸方向について異なる位置に配置すると良く、この場合も、軸方向における位置をずらすことで、高周波信号の回り込みを防止することができる。
【００１４】
更に、請求項３に記載したように、前記工具の状態として、工具の折損を検知することが好適である。即ち、工具が折損した状態で被加工物の加工が行われると、加工不良が発生する可能性が高いので、本発明によれば工具の折損を速やかに検知して対応することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）
以下、本発明を主軸装置を有してなる工作機械に適用した場合の第１実施例について図１乃至図４を参照して説明する。図１は、工作機械の構成を概略的に示すと共に、本発明の工具状態検知装置の構成を示すものである。工作機械（工作機械装置）５０の主軸装置１は、例えば、中空円筒状のヘッド（ハウジング，固定部）２内に、スピンドル（主軸，回転部）３とそのスピンドル３を回転駆動させる図示しない誘導モータとを内蔵するビルトインタイプとして構成されている。スピンドル３の先端部分（及び図示しない後端部分）は玉軸受４によりヘッド２に対して回転自在に支承されている。尚、ヘッド２及びスピンドル３は、いずれも鉄系材料で構成されている。
【００１７】
スピンドル３の先端には、図示しないチャック機構によって把持されるツールホルダ５が把持されており、ツールホルダ５には切削加工用の工具６が取付けられている。
【００１８】
工作機械５０は、ベッド５１上にサドル５２及びテーブル５３が配置されており、テーブル５３上に導電性材料よりなる被加工物５４が載置される。また、ベッド５１上には、コラム５５が立設されており、そのコラム５５は、主軸装置１を支持するようになっている。
【００１９】
また、コラム５５と主軸装置１との間には、図示しない駆動機構が存在しており、主軸装置１を上下方向に変位させて工具６により被加工物５４の加工を行なうようになっている。尚、ベッド５１、サドル５２、テーブル５３及びコラム５５も、鉄系材料によって構成されている。
【００２０】
高周波信号出力装置７の出力端子の一端は、同軸ケーブル８の中心導体８ａを介して送信用電極９に接続され、他端は同軸ケーブル８の外部導体８ｂを介して主軸装置１のハウジング（機械側アース）２に接続されている。送信用電極９は、円弧状を成して例えばヘッド２に固定支持されており、スピンドル３がヘッド２の下端面より若干下方に突出している部分３ａと所定の間隔（０．５ｍｍ）を有するように配置されている。
【００２１】
高周波信号出力装置７は、例えば１００ＭＨｚの高周波信号を出力する。即ち、周波数を１００ＭＨｚにすることで、送信用電極９のサイズを小型にすることができる。また、高周波信号の波長の１／４が工具６の長さ以下になると共振が発生し、誤動作の原因となるおそれがある。従って、工具６の長さが例えば７００ｍｍであれば、周波数は１００ＭＨｚ程度が適当となる。加えて、１００ＭＨｚの高周波信号は、ＦＭ帯でも使用されていないためノイズが少なく、測定を行なうのに有利である。
【００２２】
また、送電用電極９のサイズは、スピンドル３の突出部３ａの長さと外径に応じて適切となるように設定すれば良いが、本実施例では、５ｍｍ×１００ｍｍの面積を有している。尚、高周波信号出力装置７、同軸ケーブル８及び送信用電極９は、高周波信号出力手段を構成している。
【００２３】
圧縮空気送出装置（圧縮空気送出手段）１０は、送信用電極９側から当該電極９と突出部３ａとの間に乾燥圧縮空気を送出するものである。即ち、工具６によって被加工物５４の加工を行なう際には、切削屑が生じたり、或いは冷却用のクーラント液が図示しない供給手段によって供給される。これらが電極９とスピンドル３の突出部３ａとの間に入ると両者が短絡する可能性があることから、その防止のために乾燥圧縮空気を送出するようになっている。
【００２４】
即ち、図３に示すように、送信用電極９は、例えば樹脂製の電極部１１に取り付けられている。電極部１１は、径方向に厚みを有する円弧状に形成されており、突出部３ａと対向する面側には、例えば深さ１ｍｍ程度の溝１２が形成されている。そして、送信用電極９は、溝１２に貼り付けられている。
【００２５】
また、電極部１１の図３（ｂ）中左方側には貫通孔１３が設けられており、圧縮空気送出装置１０より送出された圧縮空気は、この貫通孔１３を介して送信用電極９と突出部３ａとの間に供給される。また、溝１２及び貫通孔１３も圧縮空気送出手段を構成している。
【００２６】
そして、送信用電極９とスピンドル３の回転中心を介して径方向にほぼ１８０度となる位置には、電界強度計（電界強度測定手段）１４を構成する受信コイル（受信手段）１５が配置されている。電界強度計１４は、高周波信号出力装置７によって出力された高周波信号を受信コイル１５により受信して、その受信電界強度を測定するように構成されている。電界強度計１４の出力信号は、検出装置１６に与えられている。
尚、送信用電極９と電界強度計１４との位置関係は、図１に示すように側面から見ると、軸方向において異なる位置に配置されている。また、電界強度計１４も、送信用電極９と同様にヘッド２に取り付けられて支持されている。
【００２７】
図４は、測定系の構成を、電気的接続関係を中心として等価回路的に示すものである。即ち、スピンドル３とヘッド２（アース）−同軸ケーブル８の外部導体８ｂとの間におけるインピーダンスは、スピンドル３のインダクタンスＬ１，軸受４部の抵抗Ｒ１（停止時）及びキャパシタンスＣ１（回転時）の並列回路，ヘッド２のインダクタンスＬ２が直列に接続されている。
【００２８】
尚、抵抗Ｒ１は、スピンドル３の回転が停止している場合における、玉軸受４部の抵抗分であり、キャパシタンスＣ１は、スピンドル３が回転している場合において、玉軸受４のベアリングが油膜に覆われた状態となることで生成されるスピンドル３とヘッド２との間の容量分である。
【００２９】
また、上記の回路と並列に、スイッチＳＷとインダクタンスＬ３との直列回路が接続されている。スイッチＳＷは、工具６と被加工物５４との間の接触、非接触状態に対応するものであり、インダクタンスＬ３は、ベッド５１、サドル５２、テーブル５３及びコラム５５などが有するインダクタンスである。
【００３０】
一方、受信側は、電界強度計１４及び検出装置１６の電気的構成を示している。即ち、受信コイル１５の両端にはコンデンサ（受信手段）１７が接続されており、ＬＣ共振回路を構成している。その共振周波数は１００ＭＨｚとなるように回路定数が設定されている。また、受信コイル１５の両端は、一端側にダイオード１８を介して検出装置１６を構成する増幅器１９の入力端子に接続されており、増幅器１９の出力端子は判別器（例えばコンパレータ）２０の入力端子に接続されている。
【００３１】
即ち、電界強度計１４は、受信コイル１５が受信した高周波信号をダイオード１８で直流に整流して検出装置１６に出力し、検出装置１６は、入力信号を増幅器１９により増幅して判別器２０に出力するようになっている。
【００３２】
このように、受信した高周波信号を直流信号に整流するのは、高周波信号が電界強度計１４と検出装置１６との間の接続線にも回り込むおそれがあるため、直流成分のみを検出装置１６に入力させることで動作を安定させる（Ｓ／Ｎ比を向上させる）ためである。
【００３３】
次に、本実施例の作用について説明する。図１に示すように、工具６と被加工物５４との間が非接触状態でスイッチＳＷが開いており、且つ、スピンドル３の回転が停止している場合、高周波信号出力装置７により出力される高周波信号は、図４において送信用電極９，インダクタンスＬ１，抵抗Ｒ１，インダクタンスＬ２，外部導体８ｂの実線で示す経路で流れ、スピンドル３が回転すると、上記経路における抵抗Ｒ１がキャパシタンスＣ１に置き換わる。
【００３４】
そして、その状態から、図２に示すように、工具６と被加工物５４との間が接触状態となってスイッチＳＷが閉じると、高周波信号はスイッチＳＷ，インダクタンスＬ３の破線で示す経路でも流れる。
【００３５】
このように、工具６と被加工物５４との間が非接触状態から接触状態に変化すると、電界強度計１４によって受信される電界強度レベルは大きく減衰する。本発明の発明者らが行なった実験では、電界強度レベルは１／１０００以下まで減衰しほぼ０となった。即ち、判別器２０に入力される信号レベルが大である場合は工具６と被加工物５４との間が非接触状態にあり、前記信号レベルがほぼ０である場合、両者は接触状態にあると判定できる。
【００３６】
従って、主軸１を所定位置まで下降させ、工具６により被加工物５４の加工を行っている状態にあれば判別器２０の入力信号レベルは大であり、その状態において入力信号レベルがほぼ０に変化した場合は、工具６が折損することで被加工物５４との電気的接触が断たれたものと判定することが可能である。
【００３７】
以上のように本実施例によれば、高周波信号出力装置７の出力端子の一端を送信側電極９に接続し、他端を主軸装置１のヘッド２に接続することで工具部１５に高周波信号を輻射し、その高周波信号を、電界強度計１４の受信コイル１５で受信して、工具６と被加工物５４との間の相対的な変位状態と、電界強度計１４が示す受信電界強度とに基づいて工具６の折損を検知するようにした。
【００３８】
即ち、工具６が折損した場合は、工具６が被加工物に接触する位置に変位しても両者が接触しなくなり測定系のインピーダンスが変化するので、その変化の影響を受けて受信電界強度が変化する。従って、その変化状態により工具６の折損を簡単に検知することができる。そして、被加工物５４の加工が行われている途中であっても折損の速やかな検知が可能であり、また、工具６にかかる負荷が小さい場合でも折損を検知することができる。
【００３９】
更に、高周波信号を用いることで、広いスペースを要することなく工具状態検知装置を配置することができる。加えて、従来のように直流信号を主軸装置１に対して直流電圧を印加しないので、軸受４等に電蝕等が発生することがなく、主軸装置１の信頼性を向上させることができる。
【００４０】
また、本実施例によれば、送信用電極９と、電界強度計１４の受信コイル１５とを、スピンドル３の回転中心を介して径方向にほぼ１８０度の位置関係となるように、且つ、軸方向について異なる位置となるように配置した。従って、送信用電極９より輻射された高周波信号が受信コイル１５に直接受信されることを極力防止できる。
【００４１】
加えて、送信用電極９とスピンドル３の突出部３ａとの間に圧縮空気を送出するための圧縮空気送出装置１０を設けたので、両者の隙間にクーラント液や加工により発生する切削屑などが入って短絡が発生することを防止できる。
【００４２】
（第２実施例）
図５は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。第２実施例は、本発明を旋盤（工作機械装置）２１に適用した場合であり、図５は、旋盤２１の構成を本発明の要旨にかかる部分のみ概略的に示すものである。
【００４３】
旋盤２１は、基本的には、工具と被加工物との間の回転側、低側の関係が逆転したものであり、ヘッド（固定部）２２及びスピンドル（回転部）２３を有し、スピンドル２３の先端部に配置されたチャック機構２４により被加工物２５を把持固定した状態でスピンドル２３を回転させ、固定側となる工具２６により被加工物２５を切削加工する。そして、工具２６と被加工物２５との間は、図示しない機構部を介すことで所定のインピーダンスを有して交流的に接続されている。
【００４４】
この旋盤２１に対して、高周波信号出力装置７の出力端子の一端を送信用電極９に接続してチャック機構２４の外周部に配置し、他端をヘッド２２に接続することで高周波信号を輻射する。そして、その高周波信号を、電界強度計１４の受信コイル１５で受信して、工具２６と被加工物２５との間の相対的な変位状態と、電界強度計１４が示す受信電界強度とに基づく検出装置１６の出力に応じて工具２６の折損を検知する。
【００４５】
尚、圧縮空気送出装置１０などは図示を省略している。また、旋盤２１においては、主軸装置１のように軸方向にスペースの余裕がないため、送信用電極９と電界強度計１４とが同一平面内となる位置で対向配置されている。
以上のように構成された第２実施例によれば、被加工物２５側が回転する旋盤２１に対しても、本発明を適用することができる。
【００４６】
本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
他の対策などによって、送信用電極９と突出部３ａとの間にクーラント液や切削屑などが入るおそれがない場合は、圧縮空気送出装置１０等を設けなくても良い。
【００４７】
送信用電極９と受信コイル１５との配置関係は、スピンドル３の回転中心を介してほぼ１８０度となるものに限らず、また、第２実施例で示したように、必ずしも軸方向について異なる位置に配置しなくても良い。これらは、各個別の状態における回り込みの許容レベルに応じて適宜設定すれば良い。
ビルトインタイプの主軸装置１に限らず、主軸装置の外部にモータが配置されるものであっても良い。
電界強度計１４の出力信号を光電変換素子を用いて光信号に変換し、その光信号を光ファイバを用いて検出装置１６に伝送し、検出装置１６においても光電変換素子を用いて信号処理しても良い。斯様に構成すれば、電界強度計１４と検出装置１６との間に高周波信号が回り込むことをより確実に防止できる。
【００４８】
工具の状態としては、折損を検知するものに限ることなく、その他、例えば以下のようにして、工具の長さや幅、或いは工具の振れなどを検出することも可能である。工具の長さは、その先端が被加工物に接触した時点における主軸装置の変位量で検知することができ、工具の幅は、工具が幅方向に変位する場合に同様にして検知できる。また、工具の振れは、振れ幅の許容範囲に対応する位置に被加工物側に電気的に接続される導体板を配置しておけば、その導体板に工具が接触することで振れ幅が許容範囲一杯になったことが検知できる。
更に、被加工物の状態、例えば加工後の寸法を測定することに適用しても良い。即ち、これについても、工具が被加工物に接触した時点における主軸装置の変位量で検知することが可能である。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は以上説明した通りであり、以下の効果を奏する。
請求項１記載の工具状態検知装置によれば、高周波信号出力手段によって工作機械装置の回転部側に高周波信号を輻射し、その高周波信号を、受信手段が回転部を指向した状態で受信する。そして、工具と被加工物との間の相対的な変位状態と、受信手段による高周波信号の受信状態とに基づいて工具の状態を検知するようにした。従って、工具による被加工物の加工が行われている途中であっても状態の検知が可能であり、また、工具にかかる負荷が小さい場合でも検知することができる。更に、広いスペースを要せずとも状態検知を行なうことができ、従来のように直流電圧を用いないので、電蝕等が発生することもないので、工作機械装置の信頼性を向上させることができる。
【００５０】
また、高周波信号出力手段と受信手段とを、回転部の回転中心を介して径方向にほぼ１８０度の位置関係となるように配置するので、高周波信号が受信手段に直接受信されてしまう回り込みを極力防止することができる。
そして、電界強度測定手段によって受信手段による受信電界強度を測定するので、受信手段による受信状態の変化を、受信電界強度の変化によって簡単に観測することができる。
【００５１】
請求項２記載の工具状態検知装置によれば、高周波信号出力手段と受信手段とを、軸方向について異なる位置に配置することで、この場合も高周波信号の回り込みを防止することができる。
請求項３記載の工具状態検知装置によれば、工具の状態として折損を検知するので、本発明により工具の折損を速やかに検知して対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を、主軸装置を有してなる工作機械に適用した場合の第１実施例であり、工作機械の構成を概略的に示すと共に、本発明の工具状態検知装置の構成を示す図
【図２】工具と被加工物とが接触した状態を示す図１相当図
【図３】（ａ）は、電極部の構成を示す斜視図、（ｂ）は電極部の一部を透視して示す平面図
【図４】測定系の構成を、電気的接続関係を中心として等価回路的に示す図
【図５】本発明を旋盤に適用した場合の第２実施例を示す図１相当図
【符号の説明】
１は主軸装置、２はヘッド（固定部）、３はスピンドル（回転部）、１２は工具、７は高周波信号出力装置（高周波信号出力手段）、８は同軸ケーブル（高周波信号出力手段）、９は送信用電極（高周波信号出力手段）、１０は圧縮空気送出装置（圧縮空気送出手段）、１２は溝（圧縮空気送出手段）、１３は貫通孔（圧縮空気送出手段）、１４は電界強度計（電界強度測定手段）、１５は受信コイル（受信手段）、２１は旋盤（工作機械装置）、２２はヘッド（固定部）、２３はスピンドル（回転部）、２５は被加工物、２６は工具、５０は工作機械（工作機械装置）、５４は被加工物を示す。

Claims

工具または被加工物の何れか一方を回転部に装着した状態で回転させることにより前記被加工物の加工を行なう工作機械装置について使用されるものであり、
出力端子の一端が前記回転部を支承する固定部に接続された状態で、前記回転部側に高周波信号を輻射する高周波信号出力手段と、
この高周波信号出力手段によって輻射される高周波信号を、前記回転部を指向した状態で受信する受信手段と、
前記受信手段による受信電界強度を測定する電界強度測定手段とを備え、
前記高周波信号出力手段と、前記受信手段とは、前記回転部の回転中心を介して径方向にほぼ１８０度の位置関係となるように配置され、
前記工具と前記被加工物との間の相対的な変位状態と、前記受信手段による前記高周波信号の受信状態とに基づいて、前記工具の状態を検知することを特徴とする工具状態検知装置。
前記高周波信号出力手段と、前記受信手段とは、軸方向について異なる位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の工具状態検知装置。
前記工具の状態として、工具の折損を検知することを特徴とする請求項１または２記載の工具状態検知装置。