JP4715683B2 - 工作機械及び工作機械の異物挟み込み判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの切削加工に用いられる工作機械、および工作機械の異物挟み込み判定方法に関するものである。

現在、ワークに対して切削加工を施すための切削工具が装着された工具ホルダを保持孔に脱着可能（交換可能）に保持する工作機械がある。

このような工作機械では、予め用意された多種類の切削工具の中から必要な切削工具を選択して、その選択した切削工具を主軸部材の保持孔に装着してワークの加工が行われる。この時、加工精度を良好に維持するため、若しくは加工精度を向上させるために、切削工具が装着された工具ホルダを保持孔に正確に装着することが要求される。そのためには、工具ホルダを保持孔に対して装着するときに、工具ホルダと保持孔との接触面に異物を挟み込まないことが大変重要である。

ところが、上記工作機械は、ワークの加工に伴って発生した切削屑や切粉等の異物が工具ホルダ等に付着し、工具ホルダを保持孔に装着したときに、工具ホルダと保持孔との接触面にこの異物を挟み込むことがある。このような状態で工作機械を稼働すると、工具ホルダ、及び主軸部材の回転軸が本来の正しい回転軸から外れることとなる。工具ホルダ、及び主軸部材の回転軸が正しい回転軸から外れたままワークに加工を施してしまうと、ワークの仕上がり寸法の精度が低下することとなる。

そこで、工具ホルダと保持孔との接触面における異物の挟み込みを検出する機能を備えた工作機械が提案されている。例えば、特許文献１で開示された工作機械では、リニアスケールを設置して、工具ホルダの引き込み位置を当該リニアスケールにより測定するものである。すなわち、工具ホルダと保持孔との接触面に異物を挟み込んだ場合には、工具ホルダの引き込みが規定の位置に達しないことを利用して、接触面に異物を挟み込んだことを検出するものである。

また、特許文献２で開示された工作機械では、ギャップセンサを設置して、工具ホルダ、及び保持孔が回転するときの回転軸の振れ量を当該ギャップセンサにより測定するものである。すなわち、工具ホルダと保持孔との接触面に異物を挟み込んだ場合には、工具ホルダ、及び主軸部材の回転軸が振れることを利用して、接触面に異物を挟み込んだことを検出するものである。
特開平５−３０９５４８号公報 特開２０００−５９０７号公報

ところが、特許文献１で開示された工作機械では、リニアスケールは、駆動モータやコイルバネ等の周辺装置や周辺部材の稼働による発熱に伴う工具ホルダ、保持孔、プルスタッド等の熱膨張を検出してしまい、工具ホルダと保持孔との接触面に異物を挟み込んでいないにも関わらず、異物を挟み込んだと誤判定することがある。

また、特許文献２で開示された工作機械では、ワークの加工に伴って発生する切削屑や切粉等によってギャップセンサが覆われてしまい、ギャップセンサの回転軸の振れ量を検出する精度が低下することがある。

そこで、図６に示すように、エアーによって工具ホルダと保持孔との接触面における異物の挟み込みを検出することも考えられる。図６に示す工作機械は、工具ホルダ１０を保持する保持孔２１を有し電動機などの駆動装置によって回転する主軸部材２２０と、主軸部材２２０との間にベアリング４０を有し主軸部材２０を回転可能に支持する主軸ハウジング３０と、異物の異物挟み込み検出を行うエアー供給装置７０、制御装置８０、圧力センサ９０とを備える。

また、主軸部材２２０及び主軸ハウジング３０は、エアー供給装置７０からエアー供給路７１を介して排出されるエアーを工具ホルダ１０と主軸部材２２０との接触面に供給するためのエアー供給路２３、３１を備える。さらに、エアー供給路２３、３１の周辺における主軸部材２２０と主軸ハウジング３０との間には、エアー漏れを防止するためのＯリング３２を備える。

工具ホルダ１０は、図示しない引張装置（油圧シリンダ、ドローバなど）などによって主軸部材２２０方向（紙面左方向）に引っ張られ、数百キログラム重以上の引張圧力が加えられている。したがって、工具ホルダ１０と主軸部材２２０との間に異物を挟み込んでない場合、工具ホルダ１０は、工具ホルダ１０のテーパ部１１と主軸部材２２０の壁面２１ａ、工具ホルダ１０の突出部１２と主軸部材２２０の側面２２が密着した状態で保持孔２１に保持される。

一方、工具ホルダ１０と主軸部材２２０との間に異物を挟み込んでいる場合、工具ホルダ１０のテーパ部１１と主軸部材２２０の壁面２１ａ、工具ホルダ１０の突出部１２と主軸部材２２０の側面２２との間に隙間が生じる。このように、隙間が生じた場合、エアー供給装置７０から排出されたエアーが隙間から漏れ、エアー供給路２３、３１、７１内におけるエアー圧力が変化することとなる。

そして、異物の挟み込みを判定する場合、このようにエアーが漏れてエアー圧力が変化するか否かによって異物の挟み込みを判定する。すなわち、エアー供給装置７０は、制御装置８０からの指示に基づいてエアーを排出し、圧力センサ９０は、エアー供給路７１内のエアー圧力を検出する。制御装置８０は、圧力センサ９０によって検出されたエアー圧力値（圧力信号）によって工具ホルダ１０と主軸部材２２０との間における異物の挟み込みを判定する。

しかしながら、図６に示す工作機械においては、主軸ハウジング３０は、主軸部材２２０を回転可能に支持しているため、Ｏリング３２や主軸部材２２０と主軸ハウジング３０との接触面が削れたりする。したがって、主軸部材２２０と主軸ハウジング３０との間には隙間が生じ、主軸部材２２０と主軸ハウジング３０との間からエアーが漏れる可能性がある。このように主軸部材２２０と主軸ハウジング３０との間からエアーが漏れた場合、圧力センサ９０によって検出されるエアー圧力値が変化（低下）して、工具ホルダ１０と主軸部材２２０との間に異物を挟み込んでいると誤判定してしまう可能性がある。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、工具ホルダと主軸部材との間における異物の挟み込み判定の誤判定を防止することができる工作機械及び工作機械の異物挟み込み判定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の工作機械は、切削工具が装着された工具ホルダを着脱可能に密着した状態で保持孔に保持し、主軸ハウジングに回転可能に支持された主軸部材を回転駆動手段によって回転させることによって被加工物を加工する工作機械であって、エアーを排出するエアー供給手段と、主軸ハウジングに設けられエアー供給手段から排出されるエアーを主軸部材側に通す第１のエアー供給路と、主軸部材に設けられ第１のエアー供給路から排出されるエアーを保持孔に通す第２のエアー供給路と、第２のエアー供給路に設けられエアーの通過に伴って音波を発生する音波発生源と、音波発生源が発生する音波によって、主軸部材と工具ホルダとの接触面における異物の挟み込みを判定する判定手段とを備えることを特徴とするものである。

このようにすることによって、主軸部材と工具ホルダとの接触面に異物の挟み込んでいた場合は、音波発生源は音波を発生するため、主軸部材と主軸ハウジングとの間などでエアーが漏れた場合であっても誤判定することなく、工具ホルダと主軸部材との間における異物の挟み込み判定を行うことができる。

また、音波発生源は、請求項２及び請求項３に示すように、主軸部材と別体としてもよいし、もしくは、主軸部材に一体に形成してもよい。

また、請求項４に示すように、エアー供給装置は、排出するエアーのエアー流量が音波発生源の作動領域に複数回なるように変化させるようにしてもよい。このようにすることによって、音波発生源の作動領域、すなわち音波発生源が音波を発生するためのエアー流量の範囲が狭い場合であっても、音波の発生回数を増加させることができ、異物の挟み込み判定の精度を向上させることができる。

また、上記目的を達成するために請求項５に記載の工作機械の異物挟み込み判定方法は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の工作機械の異物挟み込み判定方法であって、エアー供給手段にてエアーを工具ホルダと主軸部材との接触面に排出する工程と、判定手段にて、音波発生源が音波を発生したか否かによって主軸部材と工具ホルダとの接触面における異物の挟み込みを判定する工程とを備えることを特徴とするものである。

このようにすることによって、主軸部材と工具ホルダとの接触面に異物の挟み込んでいた場合は、音波発生源は音波を発生するため、主軸部材と主軸ハウジングとの間などでエアーが漏れた場合であっても誤判定することなく、工具ホルダと主軸部材との間における異物の挟み込み判定を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、もしくは、均等である部分には同一の参照番号を付してその説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態における工作機械の概略構成を示す部分的断面図である。図２は、本発明の実施の形態における笛の分解図、側面図、及び平面図である。図３は、本発明の実施の形態における工作機械の挟み込み判定を示すグラフである。

本実施の形態における工作機械は、ワーク（被加工物）に対して切削加工を施すための切削工具が装着された工具ホルダ１０を主軸部材２０（保持孔２１）に脱着可能（交換可能）に保持し、この主軸部材２０を回転させることによって、切削工具が装着された工具ホルダ１０を回転させてワークに対して切削加工を施すものである。

工作機械は、金属からなり切削工具を保持する工具ホルダ１０、この工具ホルダ１０を保持する金属からなる主軸部材２０、主軸部材２０を回転可能に支持する金属からなる主軸ハウジング３０などを備える。また、工作機械は、図示はしないが主軸部材２０を回転させるためのモータ等の駆動機構、工具ホルダ１０を主軸部材２０方向（紙面左方向）に引っ張り主軸部材２０に密着させるための引張装置（油圧シリンダ、ドローバなど）なども備えるものである。

工具ホルダ１０は、先端部に切削工具（図示省略）を保持すると共に、他端部にプルスタッド（図示省略）などを備える。また、工具ホルダ１０は、プルスタッドが形成される側であり、後ほど説明する主軸部材２０の保持孔２１に挿入される部位がテーパ部１１となっている、そのテーパ部１１の端部（切削工具側）にテーパ部１１から外方向に突出する突出部１２が形成される。

なお、本実施の形態においては、工具ホルダ１０における主軸部材２０の保持孔２１に挿入される部位がテーパ部１１となっている例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

主軸部材２０は、筒形状をなすものであり、その筒形状の外周部の一部にロータ（図示省略）が形成され、このロータの外周部に離間してステータ（図示省略）が形成される。そして、主軸部材２０は、ステータが発生する回転磁界によって回転する。なお、主軸部材２０を回転させるための機構としては、上述のものに限定されるものではない。

また、主軸部材２０の先端には、工具ホルダ１０を脱着可能（交換可能）に保持する保持孔２１が形成されている。この保持孔２１は、工具ホルダ１０の外形に対応した形状をなすものであり、本実施の形態においては、テーパ状の壁面２１ａ（内周面）を有するテーパ孔をなすものである。

さらに、主軸部材２０は、内部に上述の引張装置（油圧シリンダ、ドローバなど）なども備える。工具ホルダ１０は、プルスタッドが引張装置によって引っ張られ、数百キログラム重以上の引張圧力が加えられている。この引張圧力は、工具ホルダ１０を保持孔２１に引っ張り込むように作用する。そして、主軸部材２０の壁面２１ａと工具ホルダ１０のテーパ部１１、主軸部材２０の側面２２と工具ホルダ１０の突出部１２とが密着した状態で、工具ホルダ１０が保持孔２１に保持されている（いわゆる、２面拘束型）。

また、主軸部材２０は、後ほど説明する工具ホルダ１０と主軸部材２０との間における異物の挟み込み判定のためのエアー供給装置７０から排出されたエアーを工具ホルダ１０との接触面、すなわち保持孔２１まで供給するための貫通孔であるエアー供給路２３が穿設されている。さらに、主軸部材２０のエアー供給路２３には、工具ホルダ１０と主軸部材２０との間における異物の挟み込み判定のための音波発生源である笛５０が設けられている。この笛５０は、エアーが通過してエアー流量が所定値（笛５０の作動領域）に達すると音波を発生するものである。また、笛５０は、主軸部材２０のエアー供給路２３の開口端部などに笛５０の外形に対応する凹部を設け、その凹部に圧入するなどによって取り付けることが出来る。

ここで、図２を用いて、笛５０に関して説明する。笛５０は、パイプ５１とプレート５２からなるものである。図２（ａ）は、パイプ５１の側面透視図である。図２（ｂ）は、プレート５２の側面透視図である。図２（ｃ）は、パイプ５１とプレート５２とを組み付けた笛５０の側面透視図である。図２（ｄ）は、パイプ５１とプレート５２とを組み付けた笛５０の平面図である。

パイプ５１は、図２（ａ）に示すように、中心部にパイプ貫通穴５１ａを備える。また、プレート５２は、図２（ｂ）に示すように、中心部にパイプ貫通穴５１ａよりも十分小さい細穴であるプレート貫通穴５２ａを備える。そして、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、パイプ５１の表裏からパイプ貫通穴５１ａにプレート５２を圧入する。

主軸部材２０の外周には、ベアリング４０によって主軸部材２０を回転可能に支持する主軸ハウジング３０を備える。この主軸ハウジング３０は、工具ホルダ１０と主軸部材２０との間における異物の挟み込み判定のためのエアー供給装置７０から排出されたエアー供給路２３まで供給するための貫通穴であるエアー供給路３１が穿設されている。また、エアー供給路２３、３１の周辺における主軸部材２０と主軸ハウジング３０との間には、エアー漏れを防止するためのＯリング３２を備える。なお、エアー供給装置７０から排出されたエアーは、エアー供給路７１を介してエアー供給路３１に供給されるものである。

音波検出装置６０は、所定の周波数帯域の音波を検出するものである。本実施の形態においては、音波検出装置６０は、笛５０が発生した音波を検出する。そして、音波検出装置６０は、笛５０が発生した音波を検出すると、その検出信号（音波信号）を制御装置８０に出力する。

エアー供給装置７０は、コンプレッサなどを備え、制御装置８０からの指示（指示信号）に基づいて、圧縮エアーをエアー供給路７１，３１，２３を介して、工具ホルダ１０と保持孔２１との接触面に排出する。また、制御装置８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備え、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って所定の演算処理を実行することによって、エアー供給装置７０を駆動したり、音波検出装置６０からの検出結果（音波信号）を用いて異物の挟み込み判定などを実行したりする。

ここで、異物の挟み込み判定方法について説明する。異物の挟み込みを判定は、笛５０が鳴ったか否か、すなわち、笛５０が音波を発生したか否かによって判定する。

まず、制御装置８０は、エアー供給装置７０に対して圧縮エアーをエアー供給路７１，３１，２３に排出することを示す指示信号を出力する。エアー供給装置７０は、この指示信号に応じて圧縮エアーをエアー供給路７１，３１，２３に排出し、工具ホルダ１０と保持孔２１との接触面に供給する。そして、制御装置８０は、音波検出装置６０からの音波信号に基づいて、異物の挟み込みを判定する。なお、図３に示すように、笛５０の作動領域が狭い場合は、エアー供給装置７０から排出されるエアー流量を笛５０の作動領域を跨いで（エアー流量が音波発生源の作動領域に複数回なるように）変化させて、例えば、エアー供給（ＯＮ）、エアー停止（ＯＦＦ）など繰り返し行うこと好ましい。このようにすることによって、笛５０の作動領域が狭い場合であっても、笛５０が音波を発生する回数が増加するので、異物の挟み込み判定の精度を向上させることができる。

工具ホルダ１０と主軸部材２０との間に異物を挟み込んでない場合、工具ホルダ１０は、工具ホルダ１０のテーパ部１１と主軸部材２０の壁面２１ａ、工具ホルダ１０の突出部１２と主軸部材２０の側面２２が密着した状態で保持孔２１に保持される。したがって、図３の一点鎖線に示すように、エアー供給装置７０から排出されたエアーは、ほとんど笛５０を通過しない。よって、笛５０は鳴らない（音波を発生しない）。

一方、工具ホルダ１０と主軸部材２０との間に異物を挟み込んでいる場合、工具ホルダ１０のテーパ部１１と主軸部材２０の壁面２１ａ、工具ホルダ１０の突出部１２と主軸部材２０の側面２２との間に隙間が生じる。このように隙間が生じた場合、図３の実線に示すように、エアー供給装置７０から排出されたエアーは、笛５０を通過して隙間から漏れて所定の流量に達する。そして、笛５０は、エアー流量が笛５０の作動領域に達すると鳴る（音波を発生する）。なお、このとき、工具ホルダ１０のテーパ部１１と主軸部材２０の壁面２１ａ、工具ホルダ１０の突出部１２と主軸部材２０の側面２２との間に隙間以外の部位からエアーがもれていても、エアーが笛５０を通過すれば異物の挟み込みの判定を行うことが可能である。

そして、音波検出装置６０は、笛５０が発生した音波を検出すると、その検出信号（音波信号）を制御装置８０に出力する。制御装置８０は、音波検出装置６０から音波信号が出力されないと工具ホルダ１０と主軸部材２０との間に異物を挟み込んでいないと判定し、音波検出装置６０から音波信号が出力されると工具ホルダ１０と主軸部材２０との間に異物を挟み込んでいると判定する。

このように、エアー供給路２３に笛５０を備え、その笛５０が発生する音波によって異物の挟み込みを判定することによって、主軸部材２０と主軸ハウジング３０との間などからエアーが漏れた場合であっても誤判定することなく、工具ホルダ１０と主軸部材２０との間における異物の挟み込み判定を行うことができる。

また、上述の実施の形態においては、音波発生源である笛５０は、主軸部材２０と別体である例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、音波発生源である笛は、工具ホルダと主軸部材との間に生じた隙間からエアーが漏れる際の音波と、それ以外の隙間からエアーが漏れる際の音波とを差別化できるものであれば特に限定されるものではなく、本発明の目的は達成できるものである。

例えば、図４に示すように、変形例１として、笛１００を主軸部材２００に作り込んでもよい。図４は、本発明の変形例１における断面図である。この図４は、上述の実施の形態における図１の笛５０付近の拡大図に相当する図面である。笛１００は、図４に示すように、エアー供給路２３の周囲に部分的に設けた略矩形状の空間部である。なお、笛１００の形成方法は特に限定されるものではなく、放電加工などによって形成することができる。このようにすることによっても、工具ホルダ１０と主軸部材２００との間に生じた隙間からエアーが漏れる際の音波と、それ以外の隙間からエアーが漏れる際の音波とを差別化できる。

また、図５に示すように、変形例２として、主軸部材２１０に作り込む笛１１０を波形状にしてもよい。図５は、本発明の変形例２における断面図である。この図５は、上述の実施の形態における図１の笛５０付近の拡大図に相当する図面である。笛１１０は、図５に示すように、エアー供給路２３の周囲に部分的に設けた略波形状の空間部である。なお、笛１１０の形成方法は特に限定されるものではなく、放電加工などによって形成することができる。このようにすることによっても、工具ホルダ１０と主軸部材２１０との間に生じた隙間からエアーが漏れる際の音波と、それ以外の隙間からエアーが漏れる際の音波とを差別化できる。

本発明の実施の形態における工作機械の概略構成を示す部分的断面図である。 本発明の実施の形態における笛の分解図、側面図、及び平面図である。 本発明の実施の形態における工作機械の挟み込み判定を示すグラフである。 本発明の変形例１における断面図である。 本発明の変形例２における断面図である。 従来技術における工作機械の概略構成を示す部分的断面図である。

符号の説明

１０ 工具ホルダ、１１ テーパ部、１２ 突出部、２０，２００，２１０ 主軸部材、２１ 保持孔、２１ａ 壁面、２２ 側面、２３ エアー供給路、３０ 主軸ハウジング、３１ エアー供給路、３２ Ｏリング、４０ ベアリング、５０，１００，１１０ 笛、５１ パイプ、５１ａ パイプ貫通穴、５２ プレート、５２ａ プレート貫通穴、６０ 音波検出装置、７０ エアー供給装置、８０ 制御装置、７１、７１ａ、７１ｂ エアー供給路、８０ 圧力センサ、

Claims (5)

1. 切削工具が装着された工具ホルダを着脱可能に密着した状態で保持孔に保持し、主軸ハウジングに回転可能に支持された主軸部材を回転駆動手段によって回転させることによって被加工物を加工する工作機械であって、
   エアーを排出するエアー供給手段と、
   前記主軸ハウジングに設けられ、前記エアー供給手段から排出されるエアーを前記主軸部材側に通す第１のエアー供給路と、
   前記主軸部材に設けられ、前記第１のエアー供給路から排出されるエアーを前記保持孔に通す第２のエアー供給路と、
   第２のエアー供給路に設けられ、前記エアーの通過に伴って音波を発生する音波発生源と、
   前記音波発生源が発生する音波によって、前記主軸部材と前記工具ホルダとの接触面における異物の挟み込みを判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械。
2. 前記音波発生源は、前記主軸部材と別体であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記音波発生源は、前記主軸部材に一体に形成されることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
4. 前記エアー供給装置は、排出するエアーのエアー流量が前記音波発生源の作動領域に複数回なるように変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の工作機械。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の工作機械の異物挟み込み判定方法であって、
   前記エアー供給手段にてエアーを前記工具ホルダと前記主軸部材との接触面に排出する工程と、
   前記判定手段にて、前記音波発生源が音波を発生したか否かによって、前記主軸部材と前記工具ホルダとの接触面における異物の挟み込みを判定する工程と、
   を備えることを特徴とする工作機械の異物挟み込み判定方法。

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