JP5324187B2

JP5324187B2 - ミスト状切削液の吐出確認方法

Info

Publication number: JP5324187B2
Application number: JP2008278570A
Authority: JP
Inventors: 靖宏稲増; 守弘秀田
Original assignee: DMG Mori Co Ltd; Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: JP2010105113A; DE102009045985A1

Description

本発明は、ミスト状の切削液をその先端から吐出させた工具を用いてワークを機械加工する前に、このミスト状の切削液が前記工具先端から吐出しているか否かを確認するミスト状切削液の吐出確認方法に関する。

近年、機械加工の分野では、例えば、ドリルやエンドミルといった回転工具でワークを加工するに当たり、切削液使用量の低減などを目的として、切削液をミスト状にし、このミスト状にした切削液を前記回転工具の先端に開口した吐出孔から吐出しつつワークを加工するといったことが行われている。

そして、このような加工を行う際には、その加工前にミスト状切削液の吐出不良を生じていないか否かを確認する必要があり、このような確認に用いられるものとして、例えば、特開２００８−２３２７２３号公報に開示された測定装置がある。

この測定装置は、内部が中空に形成された箱形のハウジングと、箱の天井部に設けられ、可視光線を照射する発光ダイオードと、箱の内面に設けられたフォトトランジスタなどを備え、フォトトランジスタから得られる電気信号を基に、回転工具の先端から吐出されるミスト状切削液の吐出量を測定する。尚、前記ハウジングには、側面に開口し、回転工具の先端が挿入される挿入口と、側面に設けられた透明な窓とが形成されている。

この測定装置では、回転工具が挿入口からハウジング内に挿入されると、発光ダイオードから照射された光がこの回転工具の先端から吐出されるミスト状切削液により散乱し、この散乱光がフォトトランジスタにより受光され、これにより、ミスト状切削液の吐出量が測定される。また、オペレータによってハウジングの窓から前記散乱光が視認されることにより、回転工具の先端からミスト状切削液が吐出されているか否かが確認される。

特開２００８−２３２７２３号公報

しかしながら、回転工具の先端から吐出されたミスト状切削液によって発光ダイオードからの光を散乱させる上記従来の測定装置では、ハウジング内にミスト状切削液をある程度充満させる必要があるため、ミスト状切削液の吐出量を測定したり、オペレータが目視でミスト状切削液の吐出を確認するのに時間がかかり過ぎるという問題があった。このような問題は、ミスト状切削液の吐出量が少ない場合により顕著に現れる。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、工具先端からミスト状切削液が吐出しているか否かを短時間で確認することができるミスト状切削液の吐出確認方法の提供をその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
ミスト状の切削液をその先端から吐出させた工具を用いてワークを機械加工する前に、このミスト状の切削液が前記工具先端から吐出しているか否かを確認する方法であって、
レーザ光を照射する投光手段と、前記投光手段と間隔を隔てて対峙し、前記投光手段から照射されたレーザ光を受光して受光量に応じた電気信号を生成する受光手段とを用い、
前記投光手段からレーザ光を照射するとともに、この照射されたレーザ光を横切るように前記工具先端から前記ミスト状切削液を吐出し、
前記投光手段から照射されたレーザ光が前記工具先端から吐出されたミスト状切削液によって遮られる割合たる遮光率が予め設定された値以上となったか否かを、前記受光手段により生成される電気信号を基に確認し、前記遮光率が予め設定された値以上となったときに、前記工具先端から前記ミスト状切削液が吐出していると判定するようにしたことを特徴とするミスト状切削液の吐出確認方法に係る。

この発明では、投光手段からレーザ光を照射するとともに、この照射されたレーザ光を横切るように工具先端からミスト状切削液を吐出し、そのときに生成される受光手段の電気信号から遮光率が所定の値以上となったか否かを随時確認して、遮光率が所定の値以上となったときに工具先端からミスト状切削液が吐出していると判定する。

ここで、前記遮光率とは、投光手段から照射されたレーザ光が工具先端から吐出されたミスト状切削液によって遮られる割合のことである、即ち、レーザ光の横断面領域の内、レーザ光の光軸方向にあるミストの複数の粒と重なって遮られる領域の割合のことである。したがって、レーザ光の横断面領域の内、ミスト状切削液によって遮られなかった領域の光が受光手段に到達して受光される。また、前記所定の値は、例えば、経験的に設定される。

このように、本発明では、レーザ光を横切るように工具先端からミスト状切削液を吐出させることによりミスト状切削液が吐出しているか否かを確認することができるので、上記従来の測定装置のように、ミスト状切削液がハウジング内に充満するのを待つ必要がなく、短時間で吐出確認を行うことができる。

そして、本発明において、前記レーザ光の光束径は、前記ミストの平均粒径の０．５倍〜１．０倍に設定される。これは、レーザ光の光束径がミストの平均粒径の０．５倍より小さいと、加工領域内にある塵や埃でレーザ光が遮られたときに前記遮光率が影響を受け易く、正確な吐出判定を行うことができなくなるからであり、一方、レーザ光の光束径がミストの平均粒径の１．０倍より大きいと、ミスト（特に粒径の小さなミスト）によってレーザ光が遮られてもレーザ光の横断面積に占めるミストの面積割合が小さいために前記遮光率の変化が鈍く、応答性の低下を招いたり、正確な吐出判定を行うことができなくなるからである。このため、上記範囲内であれば、応答性が良く、また、誤検知も少ない。

このような意味で、前記ミストの粒径が１μｍ〜５０μｍで平均粒径が２０μｍである場合には、前記レーザ光の光束径は２０μｍに設定することが好ましい。

また、光束径が一定のレーザ光を照射する場合に、レーザ光の光束径を、ミストの平均粒径の０．５倍〜１．０倍にしたり、２０μｍにすることが困難であるときには、前記投光手段と受光手段との間に設定されたレーザ光の焦点位置で光束径が最小（即ち、ミストの平均粒径の０．５倍〜１．０倍や２０μｍ）となるように前記投光手段からレーザ光を照射するとともに、前記工具先端から吐出されたミスト状切削液が前記焦点位置で前記レーザ光を横切るようにしても良い。このようにすれば、レーザ光の光束径を一定で、且つミストの平均粒径の０．５倍〜１．０倍にしたり、２０μｍにすることが困難なときであっても、光束径が極微細な径に絞られたレーザ光によりミスト状切削液の吐出確認を行うことができる。

以上のように、本発明に係るミスト状切削液の吐出確認方法によれば、工具先端からミスト状切削液が吐出しているか否かを短時間で正確に確認することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態に係るミスト状切削液の吐出確認方法について添付図面に基づき説明する。尚、図１は、本実施形態に係る吐出確認方法を実施するための工作機械及び検知装置の概略構成を一部ブロック図で示した斜視図であり、図２は、図１に示した検知装置の正面図である。

まず、図１に示した工作機械１０及び検知装置３０について説明する。工作機械１０は、ベッド１１と、ベッド１１上に配設され、水平面内で前後方向（Ｙ軸方向）に移動自在となった第１サドル１２と、第１サドル１２上に配設され、水平面内で左右方向（Ｘ軸方向）に移動自在となった第２サドル１３と、第２サドル１３に支持され、鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動自在となった主軸頭１４と、軸線がＺ軸と平行且つ軸線中心に回転自在に主軸頭１４によって支持され、下端部に工具Ｔが装着される主軸１５と、主軸１５を軸線中心に回転させる回転駆動機構（図示せず）と、ベッド１１に配設され、上面にワークＷが載置されるテーブル１６と、第１サドル１２，第２サドル１３及び主軸頭１４を各移動方向にそれぞれ移動させるＹ軸送り機構部（図示せず），Ｘ軸送り機構部（図示せず）及びＺ軸送り機構部（図示せず）と、主軸１５に装着された工具Ｔを新たな工具Ｔと交換する工具交換装置１７と、切削液を供給する切削液供給装置１８と、ＮＣプログラムなどに基づいて回転駆動機構，各送り機構部，工具交換装置１７及び切削液供給装置１８の作動を制御する制御装置１９とを備える。

前記ベッド１１は、その左右両側及び奥側に側壁が設けられた構造を備え、左右両側の側壁上部に前記第１サドル１２が、奥側の側壁に前記テーブル１６が配設される。前記切削液供給装置１９は、主軸１５に装着された工具Ｔが、例えば、ドリルやエンドミルといった回転工具である場合、この回転工具Ｔの先端に開口するように形成された吐出孔内にミスト状にした切削液を供給してこの吐出孔の先端開口部から吐出させる。尚、このミスト状切削液は、ミストの粒径が１μｍ〜５０μｍで平均粒径が２０μｍとなっている。

前記検知装置３０は、工作機械１０に付設され、回転工具Ｔの吐出孔の先端開口部からミスト状切削液が吐出しているかを検知するためのものであり、図２に示すように、レーザ光を照射するレーザ発振器３１と、レーザ発振器３１と対向するようにこれと間隔を隔てて配置され、レーザ発振器３１から照射されたレーザ光を受光して受光量に応じた電圧信号を生成する光検出器３２と、これらレーザ発振器３１及び光検出器３２を支持する支持部材３３と、光検出器３２で生成される電圧信号を処理する電圧信号処理部（図示せず）とからなる。

前記支持部材３３は、レーザ発振器３１から照射されるレーザ光の光軸がＸ軸と平行となるようにベッド１１の奥側の側壁に取り付けられる。前記レーザ発振器３１は、レーザダイオードを備え、このレーザダイオードからのレーザ光を、レーザ発振器３１と光検出器３２との間の中間に設定されたレーザ光の焦点Ｆ位置で光束径が最小且つ２０μｍとなるように照射する。

前記光検出器３２は、フォトダイオードを備え、前記電圧信号処理部は、レーザ発振器３１から照射されたレーザ光がミスト状切削液や回転工具Ｔによって遮られる割合、即ち、レーザ光の横断面領域の内、レーザ光の光軸方向にあるミストの複数の粒と重なって遮られたり、回転工具Ｔと重なって遮られる領域の割合たる遮光率が予め設定された値（本例では８５％）以上となったか否かを、フォトダイオードから得られる電圧信号を基に随時確認し、前記遮光率が８５％以上となったときに検知信号を制御装置１９に送信する。尚、前記遮光率が８５％以上となったかどうかは、図３に示すように、フォトダイオードから得られる電圧レベルが、前記遮光率が８５％のときにフォトダイオードから得られる電圧レベルＶ１以下となったか否かを確認することで行われる。また、前記８５％という値は、例えば、経験的に設定されるものであり、この値のときに繰り返し精度が最も高くなる。

次に、以上のように工作機械１０及び検知装置３０が構成されている場合において、回転工具Ｔの先端の吐出孔開口部からミスト状切削液が吐出しているか否かを確認する方法について説明する。

工具交換装置１７によって回転工具Ｔが主軸１５に装着されると、回転駆動機構により主軸１５を軸線中心に回転させるとともに、切削液供給装置１９により粒径が１μｍ〜５０μｍで平均粒径が２０μｍであるミスト状切削液を回転工具Ｔの先端から吐出させた後、図４に示すように、回転工具Ｔの先端から吐出されるミスト状切削液がレーザ発振器３１から照射されるレーザ光をその焦点Ｆの位置で横切るようなＸ軸−Ｙ軸平面内における位置であり且つ回転工具Ｔの先端が前記焦点Ｆよりも一定距離だけ隔てた上方位置に、Ｙ軸送り機構部，Ｘ軸送り機構部及びＺ軸送り機構部により回転工具Ｔを移動させる。尚、主軸１５（回転工具Ｔ）を回転させているのは、ミスト状切削液が周囲に広がるように吐出されるのを防止し、回転工具Ｔの中心側に向けて吐出するためである。また、図４及び図５、図７では、回転工具Ｔの一例としてドリルを図示している。また、図４，図５，図７及び図８において、符号Ｔａは前記吐出孔の工具先端側開口部を示している。

この後、図５に示すように、レーザ発振器３１から、これと光検出器３２との間の中間の焦点Ｆ位置で光束径が最小且つ２０μｍとなるようにレーザ光を照射するとともに、Ｚ軸送り機構部により回転工具Ｔを所定の移動位置に向けて下方に移動させる。この移動により、レーザ発振器３１から照射されたレーザ光を回転工具Ｔの先端から吐出されたミスト状切削液が前記焦点Ｆの位置で横切り、このミスト状切削液によってレーザ光が遮光されるので、レーザ光の横断面領域の内、ミスト状切削液によって遮られなかった領域の光が光検出器３２に到達して受光される。尚、図６（ａ）に、ミスト状切削液がレーザ光Ｒを横切ってないときの状態を、図６（ｂ）に、ミスト状切削液Ｍがレーザ光Ｒを横切っているときの状態を示す。

そして、このとき、電圧信号処理部により、光検出器３２で生成される電圧信号を基に、前記遮光率が８５％以上となったかどうか（光検出器３２で生成される電圧レベルが前記電圧レベルＶ１以下となったかどうか）が随時確認され、前記遮光率が８５％以上となったとき（光検出器３２で生成される電圧レベルが前記電圧レベルＶ１以下となったとき）に検知信号が制御装置１９に送信される。

制御装置１９は、検知信号を受信すると、回転工具Ｔの移動を停止させる。また、検知信号を受信しなくても回転工具Ｔが前記所定の移動位置まで移動すると、その移動を停止させる。この後、制御装置１９により、回転工具Ｔの移動位置が確認され、確認された移動位置が前記所定の移動位置でないときには、回転工具Ｔの先端からミスト状切削液が吐出された状態でテーブル１６上のワークＷが加工される。一方、確認された移動位置が前記所定の移動位置であるときにはアラームが出力される。このようにして、回転工具Ｔの先端からミスト状切削液が吐出しているか否かが確認される。

尚、確認された移動位置が前記所定の移動位置であるときに、すぐにアラームを出力するのではなく、工具交換装置１７によりテスト工具を主軸１５に装着し、上記と同様にしてミスト状切削液の吐出確認を行い、ミスト状切削液の吐出が確認された場合には、前記回転工具Ｔが詰まっていると判断して、工具交換装置１７により当該回転工具Ｔについての予備工具を主軸１５に装着して加工を行う一方、ミスト状切削液の吐出が確認されなかった場合には、回転工具Ｔの吐出孔に連通する、主軸１５に形成された供給孔が詰まっていると判断してアラームを出力するようにしても良い。

また、上記のように、ミスト状切削液の吐出確認後、直ちに加工を開始するのではなく、ミスト状切削液の吐出確認に引き続いて、回転工具Ｔが折損していないか否かを確認するようにしても良く、この場合、以下のようにして折損確認を行うことができる。

即ち、ミスト状切削液を吐出させずに、上記とほぼ同様にして回転工具Ｔを移動させる。具体的には、図４に示すように、回転駆動機構により主軸１５を軸線中心に回転させた状態或いは非回転の状態で、回転工具Ｔの軸線がレーザ発振器３１から照射されるレーザ光の焦点Ｆを通るようなＸ軸−Ｙ軸平面内における位置であり且つ回転工具Ｔの先端が前記焦点Ｆよりも一定距離だけ隔てた上方位置に、Ｙ軸送り機構部，Ｘ軸送り機構部及びＺ軸送り機構部により回転工具Ｔを移動させる。尚、図４では、ミスト状切削液が吐出されているが、この移動時においてミスト状切削液は吐出されていない。

この後、図７に示すように、レーザ発振器３１から、これと光検出器３２との間の中間の焦点Ｆ位置で光束径が最小且つ２０μｍとなるようにレーザ光を照射するとともに、Ｚ軸送り機構部により回転工具Ｔを下方に移動させる。この移動により、レーザ発振器３１から照射されたレーザ光を回転工具Ｔの先端が前記焦点Ｆの位置で横切り、この回転工具Ｔによってレーザ光が遮光されるので、レーザ光の横断面領域の内、回転工具Ｔによって遮られなかった領域の光が光検出器３２に到達して受光される。尚、図８に、回転工具Ｔがレーザ光Ｒを横切っているときの状態を示す。

制御装置１９は、検知信号を受信すると、回転工具Ｔの移動を停止させ、このときの移動位置（移動量）から回転工具Ｔの長さを検出した後、検出した回転工具Ｔの長さと当該回転工具Ｔについての基準長さとを比較して両者の差が許容範囲内にあるか否かを確認する。許容範囲内にあるときには工具折損はないと判断され、ワークＷの加工が行われる。一方、許容範囲内にないときには工具折損があると判断されてアラームが出力される。このようにして、回転工具Ｔが折損していないか否かが確認される。

以上詳述したように、本例のミスト状切削液の吐出確認方法によれば、レーザ光を横切るように回転工具Ｔの先端からミスト状切削液を吐出させることによりミスト状切削液が吐出しているか否かを確認することができるので、上記従来の測定装置のように、ミスト状切削液がハウジング内に充満するのを待つ必要がなく、短時間で吐出確認を行うことができる。

また、レーザ発振器３１から光束径が焦点Ｆの位置で最小且つ２０μｍとなるレーザ光を照射しているが、これは、レーザ光の光束径（最小径）がミストの平均粒径の１．０倍よりも大きいと、ミスト（特に粒径の小さなミスト）によってレーザ光が遮られてもレーザ光の横断面積に占めるミストの面積割合が小さいために遮光率の変化が鈍く、応答性の低下を招いたり、正確な吐出判定を行うことができなくなるからである。

また、レーザ発振器３１から光束径が焦点Ｆの位置で最小且つ２０μｍとなるレーザ光を照射しているので、レーザ光の光束径を２０μｍで一定にすることが困難な場合であっても、光束径が極微細な径に絞られたレーザ光によりミスト状切削液の吐出確認や回転工具Ｔの折損確認を行うことができ、これによって、短時間で正確に確認することができる。また、前記検知装置３０により、ミスト状切削液の吐出確認と回転工具Ｔの折損確認の両方を行うことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

上例では、レーザ発振器３１から光束径が焦点Ｆの位置で最小且つ２０μｍとなるレーザ光を照射するようにしたが、この光束径は、焦点Ｆの位置で最小且つミストの平均粒径の０．５倍〜１．０倍であれば良い。これは、レーザ光の光束径がミストの平均粒径の０．５倍より小さいと、工作機械１０の加工領域内にある塵や埃によりレーザ光が遮られて遮光率が変動し、正確な吐出判定を行うことができなくなるからであり、一方、レーザ光の光束径がミストの平均粒径の１．０倍より大きいと、上述のように、ミストによってレーザ光が遮られてもレーザ光の横断面積に占めるミストの面積割合が小さいために遮光率の変化が鈍く、応答性の低下を招いたり、正確な吐出判定を行うことができなくなるからである。したがって、上記範囲内であれば、応答性が良く、また、誤検知も少ない。

また、レーザ発振器３１から光束径が一定のレーザ光を照射するようにしても良い。また、レーザ発振器３１からレーザ光を照射するタイミングと、回転工具Ｔの先端からミスト状切削液を吐出するタイミングは特に限定されるものではなく、先にレーザ光を照射してからミスト状切削液を吐出しても、先にミスト状切削液を吐出してからレーザ光を照射しても良い。

また、上例では、回転工具Ｔを回転させながらミスト状切削液を吐出して吐出確認を行うようにしたが、これに限られるものではなく、回転工具Ｔを回転させずにミスト状切削液を吐出して吐出確認を行うようにしても良い。この場合、回転工具Ｔの先端の吐出孔開口部とレーザ光の焦点Ｆの位置との位置関係を調整して、前記吐出孔開口部から吐出されたミスト状切削液が前記レーザ光の焦点Ｆの位置でレーザ光を横切るようにミスト状切削液を吐出させることが好ましい。

本発明の一実施形態に係るミスト状切削液の吐出確認方法を実施するための工作機械及び検知装置の概略構成を一部ブロック図で示した斜視図である。図１に示した検知装置の正面図である。遮光率と出力電圧との関係を示したグラフである。ミスト状切削液の吐出確認方法を説明するための説明図である。ミスト状切削液の吐出確認方法を説明するための説明図である。レーザ光がミスト状切削液によって遮られている状態を示す模式図である。回転工具の折損確認方法を説明するための説明図である。レーザ光が回転工具によって遮られている状態を示す模式図である。

符号の説明

１０工作機械
１９制御装置
３０検知装置
３１レーザ発振器
３２光検出器
Ｔ工具（回転工具）
Ｒレーザ光
Ｍミスト状切削液

Claims

ミスト状の切削液をその先端から吐出させた工具を用いてワークを機械加工する前に、このミスト状の切削液が前記工具先端から吐出しているか否かを確認する方法であって、
レーザ光を照射する投光手段と、前記投光手段と間隔を隔てて対峙し、前記投光手段から照射されたレーザ光を受光して受光量に応じた電気信号を生成する受光手段とを用い、
前記投光手段からレーザ光を照射し、この照射されたレーザ光を横切るように前記工具先端から前記ミスト状切削液を吐出するとともに、
前記レーザ光の光束径を、前記ミストの平均粒径の０．５倍〜１．０倍に設定し、
前記投光手段から照射されたレーザ光が前記工具先端から吐出されたミスト状切削液によって遮られる割合たる遮光率が予め設定された値以上となったか否かを、前記受光手段により生成される電気信号を基に確認し、
前記遮光率が予め設定された値以上となったとき、前記工具先端から前記ミスト状切削液が吐出していると判定するようにしたことを特徴とするミスト状切削液の吐出確認方法。
前記投光手段は、その照射するレーザ光の光束径が、前記投光手段と受光手段との間に設定した焦点位置で最小径となるように設定されるとともに、該焦点位置において前記ミストの平均粒径の０．５倍〜１．０倍となるように設定され、
前記工具を、その先端から吐出されるミストが前記焦点位置を横切るように位置させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のミスト状切削液の吐出確認方法。
前記ミストが、その粒径が１μｍ〜５０μｍであり且つ平均粒径が２０μｍである場合において、前記レーザ光の光束径を２０μｍに設定するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載のミスト状切削液の吐出確認方法。