JP4528406B2

JP4528406B2 - 回転切削刃の破損検出装置

Info

Publication number: JP4528406B2
Application number: JP2000066802A
Authority: JP
Inventors: 厚水野
Original assignee: Kyocera Corp; Hioki EE Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Hioki EE Corp
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2001252850A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転切削刃の破損検出装置に関し、さらに詳しく言えば、装置を停止させることなく、旋削加工中（インプロセス）において回転切削刃の破損を検出することができる回転切削刃の破損検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転切削刃は種々の機械加工に用いられているが、その破損は加工製品の不良発生の直接的な原因となるため、早期かつ確実な検出方法が求められている。しかしながら、旋削加工中の回転切削刃は高速で回転しており、近づくと危険でもあるため、その刃体（刃先）の状態を直接に監視することはきわめて難しいとされていた。
【０００３】
そこで、従来においては、もっぱら間接的に刃体の破損を監視するようにしており、本発明にとって直近の２例について説明する。まず、第１の従来例においては、図１０に示されているように、被加工物Ｗを回転切削刃１で旋削するにあたって、その被加工物Ｗの固定治具２に、振動もしくは音響をピックアップするセンサ３を取り付け、その検出信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）や音響解析器によって監視し、ピックアップされた振動や音が正常時とは異なる場合に、異常ありとして切削加工を停止させる。
【０００４】
また、図１１に示されている第２の従来例では、被加工物Ｗの旋削加工中の回転切削刃１を赤外線放射温度計４によって監視する。異常時には回転切削刃１の温度が上昇するため、これをコンパレータ５で判断して、所定の温度以上となった場合に異常ありとして切削加工を停止させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来技術によれば、確かに回転切削刃１の異常を検出できるが、まず、第１の課題としては、ＦＦＴや音響解析器などの解析手段によるにしても、また、赤外線放射温度計４によるにしても、高価な機器であるため、結局のところそのコストが被加工物Ｗに反映されることになる。
【０００６】
また、第２の課題としては、比較基準パターンをや比較基準値（しきい値）を設定する必要があるが、これらの比較基準パターンをや比較基準値は被加工物Ｗによって異なるため、その都度設定作業を行なわなければならない。また、その設定が適正でないと、検出精度が不確かになってしまうため、かなりの時間と労力などを要する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するためになされもので、その目的は、構成が簡単かつ安価でありながら、旋削加工中の回転切削刃の破損を直接的に監視することができるようにした回転切削刃の破損検出装置を提供することにある。
【０００８】
上記目的を達成するため、本願の第１の発明は、回転駆動軸に固定された電気絶縁材からなる刃体を含む回転切削刃の破損検出装置において、上記回転駆動軸とともに回転するように上記回転駆動軸側に同軸的に保持された回転側の第１ループコイルと、上記第１ループコイルに対して同心的に配置された固定側の第２ループコイルとを備え、上記第１ループコイルには、上記刃体の切れ刃稜線に沿って形成された金属薄膜からなる破損検出スイッチと、水晶振動子を含むクロック信号発生手段とが接続されており、上記第２ループコイルには、上記クロック信号発生手段の共振周波数とほぼ同一の発振周波数を有する発振回路と、エコーバック検出手段とがスイッチ手段を介して交代的に接続されることを特徴としている。
【０００９】
この第１の発明において、スイッチ手段を発振回路側に切り替えて第２ループコイルからクロック信号発生手段の共振周波数と同じ電波を送出すると、その電波が第１ループコイルにて受信され、クロック信号発生手段が共振する。クロック信号発生手段はその固有の特性から発振回路を第２ループコイルから切り離してもしばらくの間は振動を持続する。
【００１０】
したがって、この持続振動を第２ループコイルからエコーバックとして検出することにより、刃体の破損の有無を検出することができる。ちなみに、刃体が破損した場合には、その金属薄膜も破壊され破損検出スイッチがオフとなり、第１ループコイルがオープンとなるため、エコーバックは検出されない。
【００１１】
通常、この種の回転切削刃は複数個の刃体を備えている。したがって、その各々に設けられている破損検出スイッチを第１ループコイルに対して直列に接続することにより、刃体のいずれか一つにでも破損があれば、それを検出することができる。
【００１２】
また、各刃体に設けられている破損検出スイッチを第１ループコイルに対して並列的に接続してもよい。この場合には、その各破損検出スイッチに互いに共振周波数が異なるクロック信号発生手段を直列に接続するとともに、発振回路の発振周波数を上記スイッチ手段が切り替えられるごとに、各クロック信号発生手段の共振周波数に順次切り替えるようにする。これによれば、どの刃体に破損が生じたかも検出することができる。
【００１３】
本願の第２の発明は、回転駆動軸に固定された電気絶縁材からなる刃体を含む回転切削刃の破損検出装置において、上記回転駆動軸とともに回転するように上記回転駆動軸側に取り付けられた回転側の第１および第２コイルと、これらの各回転側コイルと対向するように固定側の支持手段に支持された交流信号源を有する駆動コイルおよび信号検出手段に接続された検出コイルとを含み、上記第１および第２コイルは、上記刃体の切れ刃稜線に沿って形成された金属薄膜からなる破損検出スイッチを介して互いに接続されていることを特徴としており、これによっても上記目的が達成される。
【００１４】
この第２の発明によると、駆動コイルによりいずれか一方のコイル（受信コイル）に電流が誘起され、他方のコイルが発振コイルとなる。したがって、刃体に破損がない場合には、検出コイルから回転切削刃の回転に応じたパルス状の波形が検出される。刃体が破損した場合には、その金属薄膜も破壊され破損検出スイッチがオフとなるため、各コイルが電気的に切り離される。したがって、検出コイルからの出力が途絶え、これにより刃体の破損が検出される。
【００１５】
この場合、第１および第２コイルは上記回転駆動軸を中心として対称的に配置され、駆動コイルおよび検出コイルも同じく上記回転駆動軸を中心として対称的に配置されていてもよいし、これに対して、第１および第２コイルは互いに重なる位置に配置され、駆動コイルおよび検出コイルも同じく互いに重なる位置に配置されていてもよい。
【００１６】
また、本願の第３の発明は、回転駆動軸に固定された電気絶縁材からなる刃体を含む回転切削刃の破損検出装置において、上記回転駆動軸とともに回転するように上記回転駆動軸側に取り付けられた発電コイルおよび同発電コイルにより駆動される信号発生手段と、固定側の支持手段に上記発電コイルを囲むように支持された磁石および固定側の信号受信手段とを含み、上記発電コイルと上記信号発生手段との間には、上記刃体の切れ刃稜線に沿って形成された金属薄膜からなる破損検出スイッチが接続されていることを特徴としており、これによっても上記目的が達成される。
【００１７】
すなわち、刃体に破損がない場合には、発電コイルにて生起された電力にて信号受信手段が駆動されるが、刃体が破損した場合には、その金属薄膜も破壊され破損検出スイッチがオフとなるため、発電コイルと信号受信手段が電気的に切り離され、これにより刃体の破損が検出される。
【００１８】
この第３の発明において、信号発生手段が発光素子で、信号受信手段が受光素子であってよい。すなわち、フォトカプラであってよい。また、信号発生手段が無線信号発信回路で、信号受信手段が無線信号受信回路であってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のいくつかの好ましい実施例について説明する。図１には第１実施例の模式的な斜視図が示されている。この第１実施例の破損検出装置１Ａにおいて、破損検出対象の回転切削刃１０は、回転駆動軸１１に取り付けられた基板１２を有し、この基板１２には複数、この例では４つの刃体１３ａ〜１３ｄが９０度の間隔をもって固定されている。なお、回転駆動軸１１は図示しないモータに連結されている。
【００２０】
各刃体１３ａ〜１３ｄは、セラミックなどの電気絶縁材から形成されている。この実施例ではアルミナ系母材が用いられている。各刃体１３ａ〜１３ｄは同一構成であるため、特に個別的に説明する必要がない場合には、刃体の総称として参照符号１３を用いる。
【００２１】
図２に示されているように、刃体１３は例えば三角形状を呈しており、その切れ刃稜線に沿って金属薄膜１４が形成されている。この実施例において、金属薄膜１４はＴｉＮ被膜よりなる。この金属薄膜１４は刃体１３の破損に伴なって切れ刃稜線から除去もしくは剥離するように形成されており、刃体１３の破損検出スイッチとして機能する。なお、各刃体１３ａ〜１３ｄの金属薄膜１４を個別的指すときには、金属薄膜１４に同じサフィックスを付して金属薄膜１４ａ〜１４ｄとする。
【００２２】
回転駆動軸１１には円板体１５が同軸的に固定されている。図３の回路図を併せて参照すると、円板体１５には第１ループコイル（ループアンテナ）１６が回転駆動軸１１に対して同心的に設けられている。この第１ループコイル１６の端子間には、所定の配線を介して水晶振動子を含むクロック信号発生器１７と、刃体１３の破損検出スイッチ１８とが直列的に接続されている。
【００２３】
この場合、破損検出スイッチ１８は金属薄膜１４ａ〜１４ｄよりなるが、図３の回路図では、これらを破損検出スイッチ１８ａ〜１８ｄとしている。この第１実施例において、各破損検出スイッチ１８ａ〜１８ｄは直列に接続されている。
【００２４】
上記回転切削刃１０側の構成を回転側とすると、この破損検出装置１Ａは、固定側の構成要素として第２ループコイル２１を備えている。この第２ループコイル２１は、上記第１ループコイル１６に対して同心となるように支持アーム２２に支持されている。この実施例において、第２ループコイル２１は第１ループコイル１６を囲むように配置されているが、第１ループコイル１６と位置的に重なるように、その上方もしくは下方に配置されてもよい。
【００２５】
第２ループコイル２１には、発振回路２４とエコーバック検出手段２５とがスイッチ２３を介して交代的に接続される。発振回路２４は、クロック信号発生器１７の共振周波数とほぼ同一周波数の信号を出力する。エコーバック検出手段２５は、増幅器２５ａ、Ａ／Ｄ変換器２５ｂおよび検出器本体としてのＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔ）２５ｃを備えている。
【００２６】
次に、この第１実施例の動作について説明する。回転切削刃１０がモータにより駆動され被加工物を旋削しているものとして、まず、スイッチ２３を発振回路２４側に切り替えて、第２ループコイル２１からクロック信号発生器１７の共振周波数と同じ電磁波を放出させる。
【００２７】
その電磁波が第１ループコイル１６にて受信されると、クロック信号発生器１７は共振を始める。次に、スイッチ２３を発振回路２４からエコーバック検出手段２５側に切り替える。このように、発振回路２４を第２ループコイル２１から切り離しても、クロック信号発生器１７はその固有の特性により所定時間の間は振動を持続する。
【００２８】
この持続振動は、エコーバックとして第２ループコイル２１に現れる。このエコーバック信号は増幅器２５ａにて所定に増幅され、Ａ／Ｄ変換器２５ｂでディジタル信号に変換されてＣＰＵ２５ｃに与えられる。ＣＰＵ２５ｃは、エコーバック信号の有無により刃体１３を監視する。
【００２９】
すなわち、スイッチ２３の切り替えごとにエコーバック信号が得られれば、刃体１３に破損がないと判断する。これに対して、エコーバック信号が検出されない場合には、破損検出スイッチ１８ａ〜１８ｄのいずれかがオフで、刃体１３に破損ありと判断する。
【００３０】
そして、再度スイッチ２３をエコーバック検出手段２５から発振回路２４に切り替えることになるが、その切り替えタイミングは、エコーバック信号が消失する前の時点であることが好ましい。
【００３１】
なお、図４の回路図に示されているように、第１実施例の変形例として、４つの破損検出スイッチ１８ａ〜１８ｄを第１ループコイル１６に対して並列に接続してもよい。この場合には、各破損検出スイッチ１８ａ〜１８ｄに対してそれぞれ共振周波数が異なるクロック信号発生器１７ａ〜１７ｄを直列に接続する。
【００３２】
また、発振回路２４については可変周波数型とし、各クロック信号発生器１７ａ〜１７ｄの共振周波数とほぼ同一の周波数信号が出力させるようにする。そして、この変形例では、スイッチ２３の切り替えごとに発振回路２４の発振周波数を順次変更する。
【００３３】
例えば、クロック信号発生器１７ａの共振周波数→クロック信号発生器１７ｂの共振周波数→クロック信号発生器１７ｃの共振周波数→クロック信号発生器１７ｄの共振周波数…のように、発振回路２４の発振周波数を順次切り替える。これによれば、エコーバック信号がないクロック信号発生器１７を調べることにより、どの刃体１３に破損（異常）が生じたかまでも検出することができる。
【００３４】
次に、図５ないし図７により、本発明の第２実施例の破損検出装置１Ｂについて説明する。なお、この第２実施例において、上記第１実施例と同一もしくは同一と見なされてよい構成要素には、同じ参照符号が用いられている。
【００３５】
この第２実施例によると、回転駆動軸１１に固定されている円板体１５に、一対のコイル３１，３２が設けられている。その配置は、回転駆動軸１１を中心として対称的である。図６の回路図に示されているように、コイル３１とコイル３２との間には、破損検出スイッチ１８が接続されている。破損検出スイッチ１８は、上記第１実施例と同じく、金属薄膜１４ａ〜１４ｄよりなり、互いに直列に接続された４つの破損検出スイッチ１８ａ〜１８ｄを備えている。
【００３６】
固定側の支持アーム２２には、駆動コイル４１と検出コイル４２とが設けられている。この場合、駆動コイル４１と検出コイル４２は、コイル３１，３２と対向するように配置されており、その配置はコイル３１，３２と同じく、回転駆動軸１１を中心として対称的である。駆動コイル４１には、交流信号源４３が接続されている。検出コイル４２には、整流回路４４ａおよびその整流出力を所定に増幅する増幅器４４ｂを含む信号検出手段４４が接続されている。
【００３７】
回転切削刃１０の回転に伴なって、コイル３１とコイル３２は交代的に駆動コイル４１と検出コイル４２に対向し、駆動コイル４１と対向する側の一方のコイルが受信コイルとなり、反対側の他方のコイルが送信コイルとなる。
【００３８】
すなわち、交流信号源４３より駆動コイル４１に交流信号を流した状態で、回転切削刃１０を回転させ、図６の回路図のように、一方のコイル３１が駆動コイル４１と対向し、他方のコイル３２が検出コイル４２と対向した時点を捉えると、一方のコイル３１には駆動コイル４１からの磁束により電流が誘起される。すなわち、一方のコイル３１は受信コイルとして動作する。
【００３９】
この電流は破損検出スイッチ１８を経て他方のコイル３２へと流れ、これにより他方のコイル３２に磁束が発生する。すなわち、他方のコイル３２は発振コイルとして動作する。したがって、このコイル３２と対向する検出コイル４２に電流が誘導され、この誘導電流が整流回路４４ａおよび増幅器４４ｂを介して検出される。
【００４０】
刃体１３が正常であれば、回転切削刃１０の回転に伴なって、信号検出手段４４にはパルス状の出力が現れる。これに対して、刃体１３の破損により破損検出スイッチ１８ａ〜１８ｄの少なくとも一つがオフとなると、コイル３１とコイル３２は電気的に切り離されるため、信号検出手段４４からパルス状の出力が消失する。
【００４１】
このようにして、第２実施例においても、上記第１実施例と同様に刃体１３を直接的に監視することができる。なお、図７に示されているように、コイル３１とコイル３２を位置的に重なるように配置し、これに対応して、駆動コイル４１と検出コイル４２を同様に位置的に重なるように配置してもよい。図示されていないが、駆動コイル４１と検出コイル４２との間には磁気シールド手段が設けられる。
【００４２】
次に、図８および図９により、本発明の第３実施例の破損検出装置１Ｃについて説明する。なお、この第３実施例においても、上記第１実施例と同一もしくは同一と見なされてよい構成要素には、同じ参照符号が用いられている。
【００４３】
この第３実施例によると、回転駆動軸１１に固定されている円板体１５に、図９の回路図に示されている発電コイル５１が設けられている。この発電コイル５１には、整流平滑回路５２および破損検出スイッチ１８を介して信号発生手段５３が接続されている。
【００４４】
この第３実施例においても、破損検出スイッチ１８は、上記各実施例と同じく、金属薄膜１４ａ〜１４ｄよりなり、互いに直列に接続された４つの破損検出スイッチ１８ａ〜１８ｄを備えている。信号発生手段５３には、発光ダイオードが用いられている。
【００４５】
固定側の支持アーム２２には、回転側の発電コイル５１を囲むように一対の永久磁石６１ａ，６１ｂが支持されている。永久磁石に代えて、電磁石を用いてもよい。また、支持アーム２２には信号発生手段５３の相手方としての信号受信手段６２が設けられている。この例では、信号受信手段６２はフォトトランジスタよりなる。すなわち、信号発生手段５３と信号受信手段６２は、一種のフォトカプラを構成している。
【００４６】
この第３実施例によれば、回転切削刃１０の回転に伴なって、発電コイル５１より交流電力が発生される。この交流電力は、整流平滑回路５２にて直流に変換され、破損検出スイッチ１８を介して信号発生手段である発光ダイオード５３に供給される。これにより、発光ダイオード５３が回転切削刃１０の回転に同期して点灯する。
【００４７】
固定側において、この点灯信号が信号受信手段であるフォトトランジスタ６２にて受光され、このフォトトランジスタ６２から回転切削刃１０の回転に同期したパルス出力が得られる。
【００４８】
したがって、フォトトランジスタ６２から定期的にパルス出力が得られている場合には、刃体１３が正常であると判断される。これに対して、刃体１３の破損により破損検出スイッチ１８ａ〜１８ｄの少なくとも一つがオフとなると、発電コイル５１と発光ダイオード５３とが電気的に切り離されるため、フォトトランジスタ６２の出力が消失することになる。
【００４９】
このようにして、第３実施例においても、上記第１および第２実施例と同様にして刃体１３を直接的に監視することができる。なお、回転側の信号発生手段５３と、固定側の信号受信手段６２を無線による送受信手段に置き換えることは容易にでき、このような態様も本発明に含まれる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、刃体の切れ刃稜線に沿って形成された金属薄膜を破損検出スイッチとして利用したことにより、ＦＦＴや音響解析器などの解析手段や赤外線放射温度計などの高価な機器を用いることなく、旋削加工中の回転切削刃の破損を直接的に監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を模式的に示した斜視図。
【図２】本発明に用いられる刃体の一つを示した拡大斜視図。
【図３】上記第１実施例の回路図。
【図４】上記第１実施例の変形例を示した回路図。
【図５】本発明の第２実施例を模式的に示した斜視図。
【図６】上記第２実施例の回路図。
【図７】上記第２実施例の変形例を模式的に示した斜視図。
【図８】本発明の第３実施例を模式的に示した斜視図。
【図９】上記第３実施例の回路図。
【図１０】第１従来例を模式的に示した斜視図。
【図１１】第２従来例を模式的に示した斜視図。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ破損検出装置
１０回転切削刃
１１回転駆動軸
１２基板
１３刃体
１４金属薄膜
１５円板体
１６第１ループコイル
１７クロック信号発生器
１８破損検出スイッチ
２１第２ループコイル
２２支持アーム
２３スイッチ
２４発振回路
２５エコーバック検出手段
３１，３２コイル
４１駆動コイル
４２検出コイル
４３交流信号源
４４信号検出手段
５１発電コイル
５３発信回路
６１ａ，６１ｂ磁石
６２受信回路

Claims

回転駆動軸に固定された電気絶縁材からなる刃体を含む回転切削刃の破損検出装置において、
上記回転駆動軸とともに回転するように上記回転駆動軸側に同軸的に保持された回転側の第１ループコイルと、上記第１ループコイルに対して同心的に配置された固定側の第２ループコイルとを備え、上記第１ループコイルには、上記刃体の切れ刃稜線に沿って形成された金属薄膜からなる破損検出スイッチと、水晶振動子を含むクロック信号発生手段とが接続されており、上記第２ループコイルには、上記クロック信号発生手段の共振周波数とほぼ同一の発振周波数を有する発振回路と、エコーバック検出手段とがスイッチ手段を介して交代的に接続されることを特徴とする回転切削刃の破損検出装置。
上記刃体が複数個である場合において、その各々に設けられている上記破損検出スイッチが上記第１ループコイルに対して直列に接続されている請求項１に記載の回転切削刃の破損検出装置。
上記刃体が複数個である場合において、その各々に設けられている上記破損検出スイッチが上記第１ループコイルに対して並列的に接続されているとともに、上記各破損検出スイッチには互いに共振周波数が異なる上記クロック信号発生手段が直列に接続されており、上記発振回路の発振周波数が上記スイッチ手段が切り替えられるごとに、上記各クロック信号発生手段の共振周波数に順次切り替えられる請求項１に記載の回転切削刃の破損検出装置。
回転駆動軸に固定された電気絶縁材からなる刃体を含む回転切削刃の破損検出装置において、
上記回転駆動軸とともに回転するように上記回転駆動軸側に取り付けられた回転側の第１および第２コイルと、これらの各回転側コイルと対向するように固定側の支持手段に支持された交流信号源を有する駆動コイルおよび信号検出手段に接続された検出コイルとを含み、上記第１および第２コイルは、上記刃体の切れ刃稜線に沿って形成された金属薄膜からなる破損検出スイッチを介して互いに接続されていることを特徴とする回転切削刃の破損検出装置。
上記第１および第２コイルは上記回転駆動軸を中心として対称的に配置されているとともに、上記駆動コイルおよび上記検出コイルも同じく上記回転駆動軸を中心として対称的に配置されている請求項４に記載の回転切削刃の破損検出装置。
上記第１および第２コイルは互いに重なる位置に配置されているとともに、上記駆動コイルおよび上記検出コイルも同じく互いに重なる位置に配置されている請求項４に記載の回転切削刃の破損検出装置。
回転駆動軸に固定された電気絶縁材からなる刃体を含む回転切削刃の破損検出装置において、
上記回転駆動軸とともに回転するように上記回転駆動軸側に取り付けられた発電コイルおよび同発電コイルにより駆動される信号発生手段と、固定側の支持手段に上記発電コイルを囲むように支持された磁石および固定側の信号受信手段とを含み、上記発電コイルと上記信号発生手段との間には、上記刃体の切れ刃稜線に沿って形成された金属薄膜からなる破損検出スイッチが接続されていることを特徴とする回転切削刃の破損検出装置。
上記信号発生手段が発光素子で、上記信号受信手段が受光素子からなる請求項７に記載の回転切削刃の破損検出装置。
上記信号発生手段が無線信号発信回路で、上記信号受信手段が無線信号受信回路からなる請求項７に記載の回転切削刃の破損検出装置。