JP4395627B2 - ミスト測定装置 - Google Patents
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Description
Lubrication:最小量潤滑)という手法がある。MQLによってミスト状の切削剤を供給すると、使用される切削剤の量が少ないので、環境負荷が低下したり、コストが低減したりするなど、様々な利点がある。したがって、MQLでは、切削剤の供給量はできるだけ少ないほうがよい。
そのためには、刃具近傍の油孔、例えば、ドリル自体に設けられた油孔から噴出するミストの状態や量を自動測定し、工作機械にフィードバックさせ過不足なくミストを噴出させなければならない。
この場合、ミストの量を肉眼で視認し、ミストの噴出状態が一目で確認できると、便利である。
さらに、切削加工設備のオートメーション化の観点からは、ミストの量を自動的に検出し、この検出量に基づいてミストの量が自動的に調整され、噴出不良を防止することが期待される。
また、クーラントに磁性体(磁性粒子)を含有させる必要があるので、作業工程が増えると共に、コストアップとなる。さらに、磁性体を含有させることで、金属加工、とりわけ磁性体を加工する際においては検出精度や切削精度が低下する。例えば、ワークが磁性体であると、クーラントと金属との間に磁力が働くために、切削剤の流れが悪くなったり、留まったりして、この状態で磁気センサを用いて切削剤に含まれる磁性粒子を検出しても、噴出量の時間的な変化を検出することはできない。
測定装置から光センサに向かって気流が流れ、その気流でエアロゾルが運ばれるタイプでは、気流によってエアロゾルが運ばれる途中で、沈殿したり、方向が変わったり、刃具とワークとの接触部分で直接測定ができない。また、重量測定では、沈殿したエアロゾルの量を測定することはできても、噴出状態の時間的な変化は捉えづらい。
特許文献3では、投光器、噴出箇所、受光器は直線状に位置し、噴出箇所の透過光や反射光を測定しているが、ミスト(霧)状の切削剤に光を投射すると、光は一方向に行くわけではない。
ミスト状の切削剤に光が入射すると、光は一方向に反射したり、透過したりせずに、ミストの粒子で多方向に反射し、この反射を粒子間で何度も繰り返すことが多い。すなわち、ミスト状の切削剤に光が入射すると、その光は散乱する。したがって、反射光や透過光を測定するよりも散乱光を測定するほうが、微量な光を検出するのに効果的であり、また、透過光や反射光で、ミストを観察しようとしても、投光器からミストへ向かう光が目に入ってしまい直接視認することが難しい。
本発明に係るミスト測定装置では、ハウジングと、ハウジングに設けられ、ミスト状切削剤に可視光線を出射する光源と、ハウジングに設けられ、ミスト状切削剤からの散乱光を受光する光センサと、ハウジングに設けられ、ミスト状切削剤からの散乱光を観察するための透明な窓からなる観察部とを備え、光センサは、光源からの出射光の光路に対して側方に設けられ、光センサの受光量に基づいてミスト状切削剤の噴出量を測定するミスト測定装置において、ハウジングは、外光を遮断して内部が暗室になるようにミスト状切削剤の噴出部の周囲に設けられており、光源の前方に、出射光が直接観察部および光センサへ至らないようにするための筒状の反射防止器が設けられており、光センサの前方に、出射光の光路側に突出して当該出射光が光センサに入射するのを減少させるための筒状の受光路管が設けられており、散乱光が受光路管を通って光センサで受光される。
すなわち、切削剤がミスト状であるために光源から出射された光は、ミストの粒子間で何度も乱反射を繰り返し、散乱する。したがって、この散乱光を見ると、ミストの噴出状態を目視で観察することができる。
また、散乱光を見ると、光源からの出射光が直接目に入らないので、噴出状態を視認しやすい。
このようにすると、可視光線の中でも、視認性がよい略緑色の波長を利用するので、より明確に視認することができる。
つまり、反射光や透過光でなく、散乱光を検出する。また、ミスト噴出部に設けられたハウジングで、外光を遮断しているので、センサの感度が高い。
なお、この場合、光源の波長を短くすると、光源からの出射光のエネルギーが増大する。したがって、ミストでの散乱光のエネルギーも増大し、光センサでの感度が向上するので、高精度にミスト量を観察することができる。また、視認しやすい波長の光であると、ミストの噴出状態が目視で確認することができる。
このようにすると、光センサで測定された光量、つまりミスト量に基づいて、噴出されるミスト量が調整されるので、MQLのオートメーション化をすることでき、人手がかからず、コストが低減する。
このようにすると、ミストからの検出できる散乱光の光量が大きくなり、ミスト測定装置の精度が向上する。また、多方向から検出するので、刃具に光が遮られて検出される散乱光が小さくなる可能性が低くなるとともに、ミストの状態を多方向からより具体的に測定できる。
このように、集光レンズが設けられていると、ミストからの散乱光が集光されて、光センサに入射するので光センサの感度が向上し、ミストの状態を精度よく検出することができる。
このように波長の異なる光を出射する光源を備え、この2つの光源を併用すると、波長が短いほど、光のエネルギーは高くなるので、波長が490nm未満の光は、エネルギーが強いために、光センサの感度が向上し、光センサにおける電気的な検出精度が向上する。
また、例えば、緑色、黄色などの波長が490nm以上810nm以下の光は、暗室下つまり黒地に対し、視認性がよいので、ミストの視認性が向上する。
このように波長の異なる光を出射する光源を備え、この2つの光源を併用すると、波長が490nm未満の光は、エネルギーが強いので、光センサの感度が向上し、光センサでの電気的な検出精度が向上するとともに、波長が490nm以上550nm以下の光は、特に視認性がよいので、より明確に観察することができる。
以上のように2つの波長の光を併用することで、光センサでの感度がよく、かつ視認性も良いミスト測定装置を得ることができる。
この場合、2つの光源を同時に使用してもよく、必要に応じ光源を切り換えて使用してもよい。
このようにすると、発光ダイオードは、様々な波長の光を出射できるので、前述のような、波長が490nm未満の光と、490nm以上550nm以下の光とを出射することができる。また、発光ダイオードは応答速度も速いので、自動制御の追従も速くできる。さらに、価格も安価で、ミスト全体を照らすのに適度な指向性がある。
図1は、ミスト測定装置の全体図である。
このミスト測定装置100では、切削剤2が透明管3に満たされており、この切削剤2が計量ポンプ4により送出される。計量ポンプ4は空圧駆動のプランジャー式であり、切削剤用ソレノイドバルブ13の動作に従い、切削剤2の吐出を行なう。
ミキシングノズル8の内部では、空気22と切削剤2が混合されて、切削剤2がミスト状にされる(以下、ミスト状の切削剤2を便宜上「ミスト1」という)。
そして、ミスト測定部11の内部に刃具10の先端が挿入され、このミスト測定部11内部で、ミスト1の噴出状態とミスト量とが測定される。この刃具10には、ドリルが使用されており、他の形状の刃具と交換自在に工具ホルダ9に取り付けられている。刃具10の先端には、ミスト1の噴出部10aが設けられている。
図2及び図3に示すように、このミスト測定部11は、箱形であり、その箱内部の上方に光源である発光ダイオード15が設けられている。そして、発光ダイオード15からの光の出射方向と、ミスト1の噴出方向(図3で紙面に垂直な方向)との双方に対して垂直にフォトトランジスタ16が設けられている。
また、ミスト測定部11におけるフォトトランジスタ16の反対面に透明な窓からなる観察部33が設けられている。したがって、観察部33も、フォトトランジスタ16と同様に、発光ダイオード15の出射方向とミスト1の噴出方向の双方に対して垂直である。
そして、この得られた散乱光の光量に基づいて、図1のミスト調整部26で、噴出されるミストの量を調整する。
フォトトランジスタ16からのアナログ電気信号は、図1に示す増幅器17で増幅された後、A/D変換器18を通ることによってデジタル信号に変換され、PLC(Programmable Logic
Controller)19に入力される。なお、検出されたミスト1は、その後、真空ポンプからなる排出装置25を通ってミスト測定部11の外部に放出される。
以上のように、ミスト測定装置100は、ミスト1の噴出状態を自動的に検出し、その検出状態に応じ、ミスト1の噴出量を自動的に調整する。
図3、図4に示すように、ミスト測定部11におけるハウジング30の挿入口から刃具10が挿入され、この刃具10先端の噴出部10aからミスト1が噴射される。このハウジング30には、光源である発光ダイオード15が、発光ダイオード固定部31によって取り付けられ、この発光ダイオード15の前方には、筒状であって、内面が反射面32aとなっている反射防止器32が設けられている。
フォトトランジスタ16への受光路には、筒状の受光路管35と、集光レンズである非球面コンデンサレンズ36が取り付けられている。以上のような、ミスト測定部11でミスト1の測定が行われる。
図5は、ミストでの散乱状態を示す図である。
図5に示すように、発光ダイオード15からの光は、ミスト1の粒子1aに当たると、散乱する。すなわち、一方向に反射したり、透過したりせずに、様々な方向に反射し、この乱反射をミスト1の粒子1a間で何度も繰り返す。
図6は、第1の実施形態での実験条件である。
図6に示すように実験時の発光ダイオード15の波長は520nmであり、視認しやすく、比較的エネルギーも高い光である。
ドリルの回転数は、フォトトランジスタ16で検出する場合が5617rpmであり、その他の場合では0rpmである。
図7〜図11が、ポンプ駆動命令と、出力信号の測定結果である。図7は、空気のみ噴出している状態であり、図8がスモールポンプを使用してポンプ駆動命令をパルス状に変化させた場合、図9がミディアムポンプを使用してポンプ駆動命令をパルス状に変化させた場合、図10がラージポンプを使用してポンプ駆動命令をパルス状に変化させた場合を夫々示す。図8、図9、図10における切削剤2の供給量はいずれも15ml/hである。なお、図7〜図10では、ポンプ駆動命令と、フォトトランジスタ16の出力信号(実際には増幅器17で増幅後の出力信号)を同一の図に記載しているが、図7ではポンプ駆動命令はゼロであり、図8〜図10において、ポンプ駆動命令をパルス状に変化させている場合であっても、ポンプ駆動命令がLOWの場合はゼロを意味する。
この場合、ミディアムポンプによる15ml/hの噴出は、通常のMQLドリル加工で使用される一般的な条件であり、実用性を満たしている。
図11に示すように、切削剤供給量を変化させても、平均出力との関係は、略線形であり、良好な結果が得られた。
以上のように、光散乱方式により、ミスト1の噴出状態が視認でき、かつ光センサで噴出量が検出できることを実験的に確認した。その結果、光散乱方式によるミスト1の検出が、十分実用性を有することが確認できた。
第2の実施形態では、光源である発光ダイオード15を、ミスト1の噴出方向に対して、斜め上方向から光を出射するように配置している。
ミスト1に対して斜め方向に、発光ダイオード15から光を出射すると、出射光が刃具10に遮られることも少なく、ミスト全体に行き渡り、ミスト1での散乱光が大きくなる。
この第2の実施形態においてもミスト1での散乱光を利用することで、ミスト1を視認できるとともに、フォトトランジスタ16で高精度に検出することができる。
第3の実施形態では、ミスト1の噴出方向に対して、2つの発光ダイオード15で、斜め上方向と斜め下方向から光を出射している。そして、フォトトランジスタ16は第2の実施形態と同様に、3つ設けられている。そして、観察部33から、ミスト1の噴出状態を視認することができる。
この場合、一方の発光ダイオード15が出射する光の波長は、490nm未満である。波長が490nm未満であると、エネルギーの高い光であり、フォトトランジスタ16の感度が向上する。
また、他方の発光ダイオード15は、波長が490nm以上810nm以下、望ましくは波長が490nm以上550nm以下の略緑色の光を出射する光源である。このように、略緑色の光を出射することで視認性が向上する。
ハウジング30は、暗室の機能、および光源や光センサの固定部材の機能を果たすものであれば、図示したような形状、配置でなくてもよく、また、暗室としての機能と、固定部材としての機能とが、別の部材で構成されていてもよい。同様に、光源や光センサの位置も変更可能である。
また、発光ダイオード15を1つしか図示していない第1の実施形態や第2の実施形態のミスト測定部11に、視認しやすい光と、エネルギーの高い光との2波長を有する2素子内蔵型の発光ダイオード15を設けてもよく、略同一の位置で近傍に2素子の発光ダイオード15を設けてもよい。以上のように、光源は、可視光線の波長(人により異なるが、波長が360nm程度〜810nm程度)、視認しやすい波長、エネルギーの高い波長(紫外線等の非可視光線を含む比較的短い波長)が区別されて使用されるものであれば、その波長や個数は適宜変更可能である。
そして、発光ダイオード15は、前述のように1素子であっても、2素子が内蔵されたワンパッケージ品であっても、2素子が別々に配置されていてもよく、その他3素子、4素子であってもよい。
また、以上の本実施形態では、刃具10の先端にミスト噴出部10aが設けられているが、刃具10とは、別の場所からミスト1が噴出していてもよい。
2 切削剤
10 刃具
10a 噴出部
11 ミスト測定部
15 発光ダイオード
16 フォトトランジスタ
26 ミスト調整部
30 ハウジング
32 反射防止器
32a 反射面
33 観察部
35 受光路管
36 非球面コンデンサレンズ
100 ミスト測定装置
Claims (6)
- ハウジングと、
前記ハウジングに設けられ、ミスト状切削剤に可視光線を出射する光源と、
前記ハウジングに設けられ、前記ミスト状切削剤からの散乱光を受光する光センサと、
前記ハウジングに設けられ、前記ミスト状切削剤からの散乱光を観察するための透明な窓からなる観察部と、を備え、
前記光センサは、前記光源からの出射光の光路に対して側方に設けられ、前記光センサの受光量に基づいてミスト状切削剤の噴出量を測定するミスト測定装置において、
前記ハウジングは、外光を遮断して内部が暗室になるように前記ミスト状切削剤の噴出部の周囲に設けられており、
前記光源の前方に、前記出射光が直接前記観察部および前記光センサへ至らないようにするための筒状の反射防止器が設けられており、
前記光センサの前方に、前記出射光の光路側に突出して当該出射光が光センサに入射するのを減少させるための筒状の受光路管が設けられており、
前記散乱光が前記受光路管を通って前記光センサで受光されることを特徴とするミスト測定装置。 - 請求項1に記載のミスト測定装置において、
前記光源から出射される光は、波長が490nm以上550nm以下の略緑色の可視光線であることを特徴とするミスト測定装置。 - 請求項1に記載のミスト測定装置において、
前記光センサが、複数設けられていることを特徴とするミスト測定装置。 - 請求項1に記載のミスト測定装置において、
前記光センサと前記受光路管との間に集光レンズが設けられ、
前記散乱光が前記受光路管を通って前記集光レンズで集光された後、前記光センサで受光されることを特徴とするミスト測定装置。 - 請求項1に記載のミスト測定装置において、
波長が490nm未満のエネルギーの高い光を出射する光源と、波長が490nm以上810nm以下の可視光線を出射する光源とを備えていることを特徴とするミスト測定装置。 - 請求項1に記載のミスト測定装置において、
波長が490nm未満のエネルギーの高い光を出射する光源と、波長が490nm以上550nm以下の略緑色の可視光線を出射する光源とを備えていることを特徴とするミスト測定装置。
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