JP5523847B2 - ツールまたは機械部材の位置監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、ツールまたは機械部材の位置を監視するための装置に関する。

工作機械においては、ツール載置面における汚れ（この汚れは、とりわけ、加工物の加工時に必然的に生じる材料の削りくずからなりうる）により、好ましくないツール締め付けが引き起こされる可能性がある。その結果、ツールが斜めに位置付けられ、ないし、ツールの軸がずれることにより、加工が不備になる可能性がある。この影響は、長いツールを用いたときにより大きくなる。製造品質を改良し、欠陥部品を低減するために、誤ったツール締め付けが発生したことを、加工開始前にすでに認識できることが望ましい。したがって、工作機械において、ツールの平坦設置を監視することによりツール締め付けの品質を検査することが、すでに提案されている。

さらに、工作機械においては、様々な機械部材の位置を監視する必要性が存在する。この一例は、ツールクランプ装置を操作するための駆動部である。この駆動部のある部材における位置測定は、ツールの解放ないし締め付けのための機械制御部の調整コマンドが実施されたか否かに関する情報を出すのに適している。

特許文献１は、工作機械のクランプ装置において生じる力を、圧力、締め付けまたは力を感知するセンサーシステムを用いて監視することを記載している。ここで追求された目的は、加工時のプロセスパラメータを最適化するために、正しいツール締め付けと、加工時に生じる力とを同時に監視することである。このために、クランプ装置内で加工時に生じる力を取り入れることができるように、センサーはクランプ装置内に統合されていなければならない。

特許文献２は、締め付け状態と、ツール収納部のスピンドルへの平坦設置とを同時に制御するための寸法測定センサーシステムを用いた遠隔測定システムの使用について教示している。しかし、このセンサーシステムおよび遠隔測定ユニットの形態については、この文献には詳細な記載がなされていない。

特許文献３は、センサーとして形成されたアンテナと、一方の側が開いた導波管とを備え、その開いた側が減衰部材で終了している高周波寸法測定装置を記載している。位置が決められるべき反射を行う物体は、この減衰部材の近くにある。発振器の送信周波数は、この配置が共振状態となるように調整されている。共振周波数は、減衰部材から反射を行う物体までの距離の寸法である。様々な応用が提案されているが、ここで、距離センサーは常に機械装置の内部に組み込まれ、寸法測定は、この装置の構成要素のうちの１つにおいて行われるべきである。

独国特許出願公開第１０３ ５１ ３４７ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９９ ５９ ７７８ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９９ ０３ １８３ Ａ１号明細書

本発明の目的は、とりわけ加工機械中で、ワークスピンドルまたはツールクランプ装置に接する位置、またはこの中にあるツールまたは機械部材の位置を監視するための、新規の目的に適う解決方法であって、かつ単純でコスト効率の良い解決方法を提供することである。

この目的は、本発明の請求項１の特徴を備えた装置により達成される。より有利な形態は、従属請求項中で示される。

本発明では、ワークスピンドルまたはツールクランプ装置中に設けられた少なくとも１つの伝送路中に電磁波を照射し、この伝送路から反射した信号を評価することにより、ツールまたは機械部材の位置を検出する。ツールまたは機械部材の位置により反射特性に影響を与えるのは、この伝送路が、ワークスピンドルまたはツールクランプ装置の外側表面から、ツールまたは機械部材までの波の伝播路を規定することによって行われ、その結果、このツールまたは機械部材の少なくとも１つの可能な位置で、その表面の一部分が反射表面として作用する。送信アンテナからこの反射表面までの距離は、レーダー原理により測定できる。

公知の様式のトランスポンダシステムと比較して、本発明は、回転するワークスピンドル中ないしツールクランプ装置の内部へ電子回路要素を配置するのを完全に放棄することが可能になる。この回転するワークスピンドルないしツールクランプ装置内部では、この目的のための空間はほぼ存在しないし、アクセスの可能性が厳しく限定されている。ワークスピンドルまたはツールクランプ装置において本発明を実現するために必ず行わねばならない唯一の修正は、照射されるおよび反射される電磁波のために導波管として作用する伝送路を作るために少なくとも１つの孔を設けるという点である。

さらなる利点は、寸法測定用のレーダーシステムの構成部品（２４ＧＨｚ、６１〜６１ＧＨｚ、７６〜７７ＧＨｚ）は、自動車分野で業務用としてコスト効率よく入手可能であるという点である。これにより、実証済みの完成した構成部品を、トータルシステムのモジュールとして得ることができ、開発労力を低減することができる。

ツールまたはツール担体をワークスピンドル（これは、本発明の特に重要な実施形態である）に平坦設置するのを制御するために、多数の伝送路が必要であり、この多数の伝送路は、それぞれ、作動状態にあるワークスピンドルが通常ツールまたはツール担体と接触する平面で終了し、その結果、ツールまたはツール担体の正確な位置からのずれにより、結果として、反射面の変位および／または傾斜が生じる。この場合、ツールまたはツール担体の位置の絶対的な値の測定は必要ではなく、位置の正確さを識別するには、様々な伝送路の反射特性が一致するのを検査するので十分であるので、信号処理は単純化される。

最も目的に適っているのは、この１つまたは複数の伝送路を誘電体で充填することであり、これは、実施されている導波管の機能が、汚れまたは削りくずの侵入により妨害されるのを妨げるために行われる。この場合、センサーシステムの回転部分において生じうる唯一の損傷は、削りくずが誘電体の中に入り込むことである。このような損傷の修理は、しかし、ワークスピンドルに統合された電子センサー回路の修理に比べると、より容易で、よりコスト効率が良い。流体圧または空気圧機械部材での位置測定の場合で、興味のある部材が、少なくとも一時的に超過圧がかけられている空間中にある時には、このような充填自体必須ではない。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

ワークスピンドルの正面図である。 欠陥のあるツール締め付けの概略部分縦断面図である。 本発明の第１実施形態の縦断面図である。 本発明の第２実施形態の縦断面図である。 第１の本発明による評価回路の電気ブロック図である。 本発明の第３実施形態の一部分の拡大縦断面図である。 第２の本発明による評価回路の電気ブロック図である。 本発明の第４実施形態の縦断面図である。

図１は、不図示の加工機械とりわけ工作機械の構成要素であるワークスピンドル１の正面図である。ワークスピンドル１は、その正面に、１つまたは複数の平坦な載置面２を有し、この載置面２に接する位置に、ツールまたはツール担体が締め付け状態で平坦に載置される。別体の複数の載置面２がある場合は、これらは、互いに単一の平面内で厳密に同一平面上にある。ワークスピンドル１で用いるために、所定のツールまたはツール担体（ツール担体は、ツール担体側で様々なツールを収容することができる）は、その背面にも、対応する端面側に載置面を有する。ツール側ないしツール担体側の載置面を、スピンドル側の載置面２に対して平坦に設置している際には、ツールまたはツール担体の縦軸が、ワークスピンドル１の縦軸に対して厳密に平行に伸張している。ツールまたはツール担体の、ワークスピンドル１に対する心出しは、ワークスピンドル１内部の円錐形状の載置面により行われる。

載置面２が汚れている場合、ツールまたはツール担体をワークスピンドル１に平坦に載置することができなくなる。このような汚れは、とりわけ、加工物を加工している際に落ちる削りくずにより生じうる。このような状況を、図２中に概略図示した。載置面２の右側部分の上には、削りくず３があり、この削りくず３は、ツール４をワークスピンドル１に締め付ける際に、ワークスピンドル１とツール４との間に挟まり、このために、この間に楔状の隙間が生じてしまう。このような斜めに傾いたツール４で加工品を加工すると、正確なサイズとならず、欠陥品となることが予想されうる。

本発明によれば、図１に示したように、載置面２に、ワークスピンドル１の軸上方向に伸張する孔５を、複数個、図示した例では３つ設ける。図１には、この孔５のワークスピンドル１からの正面側の出口のみがそれぞれ見えている。これに関連する縦断面図である図３では、この軸上方向の孔５の上部が、ワークスピンドル１の内部で、ワークスピンドル１の放射方向に伸張している孔６に当っているのが認識できる。同様に、図３では不図示の軸上方向の孔５の他の２つのそれぞれも、ワークスピンドル１中で関連付けられた放射方向の孔６に当たる。ワークスピンドル１の図示された角度位置では、ワークスピンドル１中の放射方向の孔６は、固定子９（ワークスピンドル１はこの中に軸支されている）の閉鎖リング８中の放射方向の孔７と一列に並んでいる。放射方向の孔６と放射方向の孔７との間には、狭い空気間隙１０があり、これが、回転するワークスピンドル１を固定子９から分離している。

固定子９の閉鎖リング８中に外側から伸張している中空空間には、レーダーシステム１１が配置されており、これは、送信器と、受信器と、アンテナとを有する。アンテナは、レーダー信号を孔７に照射し、また、レーダー信号を孔７から受信できるように、閉鎖リング８中の孔７に対して合わせられている。この孔７は、孔５・６と同様、孔中に照射された電磁波のための導波管としても機能する。このことは、レーダー技術では十分公知である。

導波管は、所定の形状の境界条件下で電磁波を伝導することができる。金属体の内部の単純な孔は、導かれる電磁波の波長がこの孔の直径の２倍よりも少し小さい場合に、導波管として作用する。正確には、直径がＤである丸い導波管の限界波長λ_cは、λ_c＝（π・Ｄ）／１．８４１と算出される。導波管の中に、誘電率ε_rの誘電体が存在すると、限界波長λ_cは、√ε_rの係数分大きくなる。その結果、直径５ｍｍの丸い導波管で誘電体として空気を用いた場合の限界周波数は、約３５．２ＧＨｚであり、誘電率ε_R＝４の誘電体を充填すると、この限界周波数は、約１７．５ＧＨｚになる。ワークスピンドル１中では、ツール設置領域において、機構的な境界条件により、５ｍｍの大きさまでの直径の孔を実現することができる。これにより、導波管の限界周波数は、それ自体公知の周波数変調連続波レーダー（ＦＭＣＷ−レーダー）技術で網羅される領域中にある。

図３に示された角度位置では、全体で導波管として有効である伝送路５・６・７が、レーダーシステム１１と、ツール４の背面側の設置面との間にあり、これの伝送路により、ツール４は、ワークスピンドル１の載置面２に当接している。レーダーシステム１１から孔７に照射されたレーダー信号は、孔７と、一列に並んだ孔６と、孔５とを介して、ツール４の背面載置面にまで伝播し、ここで孔６から孔５への移行部において９０°方向転換する。この際、伝送路５・６・７は、この中を伝播する電磁波を、導波管の意味合いで導く。レーダー信号は、ツール４の背面載置面で反射され、伝送路５・６・７中を反対方向でレーダーシステム１１まで戻り、ここで受信され、さらなる処理のために電気信号として出力される。

伝送路５・６・７が、誘電体で充填されている場合、上述のように、限界周波数（この周波数から伝送路５・６・７が導波管として有効となる）のみが変わる。波の伝播を明らかに妨害する汚れおよび削りくずの侵入を防ぐために、伝送路５・６・７を少なくともツール側の孔５の領域で、誘電体で充填するのは非常に目的に適っている。均一な伝播特性を得るために、好ましくは、伝送路５・６・７全体を誘電体で充填する。このために適しているのは、例えば、ポリウレタンベースの流し込み材料である。

本発明のワークスピンドル１の代替実施形態を図４に示す。図３に記載した実施形態とは異なり、この場合、ワークスピンドル１の軸上方向の孔５が設けられず、放射方向に伸張する孔６が、ワークスピンドル１中の端面側の中空円錐状の中空空間にまで伸張する。この中空空間中には、締め付け状態では、ツール４（または、必要な場合ツール保持部）の円錐台形状の部分が、整合し噛合する。この点が、第１の図３に示した実施形態との唯一の差異である。したがって、図３および図４で、同じ構成要素は同じ参照符号を用いて記している。

ワークスピンドル１の軸上方向に対するツール４の円錐外被面の傾斜は、通常非常にわずかであるので、図４ではほぼ認識できない。反射面として作用するツール４の表面部分がこのように非常にわずかに傾斜して位置付けられるのは、したがって、入射波の反射に作用を及ぼすことはない。このように反射面が傾斜して位置付けられるのを回避するために、ワークスピンドル１中に噛合するツール４の部分を、孔６の高さで短い区間分だけ円筒状に形成することができ、または、孔６・７を、ワークスピンドル１の放射方向に対して相応する傾斜角度で伸張させることができ、その結果、孔６が、ツール４の円錐外被面に対して垂直となる。後者の変形例は、ツール４に修正を行う必要がないという利点がある。必要な場合は、レーダーシステム１１のアンテナを、孔７が斜めに伸張するのに合わせ、すなわち、これを少し斜めに合わせることができる。

図４に示した第２実施形態の利点は、軸上孔５を省略したことにより、単純に製造できることにあり、波の伝播を９０°方向転換する必要がないという点にある。波の伝播を９０°方向転換することにより、方向転換位置において入射波の不都合な部分反射が生じうる。また、方向転換箇所の形状は自由に選択することができず、孔５・６を製造するために用いられるドリルの先端形状により予め決められてしまうので、部分反射を最低限に抑えるために方向転換箇所を最適化することができない。

ツールの平坦設置を監視するために、複数の箇所、すなわち好ましくはワークスピンドル１の端面ないし周囲から均等に分かれて配された少なくとも３つの箇所において、寸法測定をし、この測定値を互いに比較せねばならないが、これはツール４（またはツール保持部）がまっすぐに締め付けられているか、あるいは、図２で示すように傾いているのかを決定するために行われる。傾いている場合、第１実施形態では孔５、また、第２実施形態では孔６のツール側の端部から反射面までの距離が異なる結果になる。

様々な箇所で測定を同時に行うために、多数のレーダーシステム１１、すなわち、少なくとも３つのレーダーシステム１１が必要である。この場合、ワークスピンドル１中に、それぞれ複数の孔５および／または孔６のみを設けなければならないのではなく、固定子９の閉鎖リング８中にも、これに応じて、孔６と一列に並んでいる孔７を多数と、レーダーシステム１１を配置するための中空空間を多数とを設けねばならない。ツール４の個々の測定位置における距離を表す寸法は、この場合同時に現れ、ツールの平坦設置を決定するために、即時に互いに比較することができる。

原理的には、１つのレーダーシステム１１のみを用いることも可能である。この場合、固定子９の閉鎖リング８中に、１つの孔７のみを設けるので十分であり、この孔７が、ワークスピンドル１中に存在する孔６のうちの１つと、ワークスピンドル１の様々な所定の角度位置でそれぞれ一列に並ぶ。この場合、様々な寸法測定は、順次行われなければならず、各距離の大きさはバッファに格納され、これにより、全ての個々の測定位置での測定後に、ツールの平坦設置を決めるための比較が行われることができる。レーダーシステム１１を１つのみ用いる利点は、複数の同種のレーダーシステム１１の特性が統計的に変動することによる測定誤差が、引き起こされないという点にある。

ツールの加工時にもツールの平坦設置を監視できるように、所定の角度位置において（すなわち、まさに放射方向の孔６が固定子９の閉鎖リング８中の放射方向の孔５とほぼ一列にならんでいる際、ないし、レーダーシステム１１を１つのみ用いる場合には、ワークスピンドル１中の放射方向の孔６のうちの１つが、固定子９の閉鎖リング８中の１つのみの放射方向の孔５とほぼ一列にならんでいる際に）短時間で寸法測定を行うために、ワークスピンドル１の角度位置を検出するのが目的に適っている。ワークスピンドル１の回転速度が速ければ速いほど、測定のために利用可能な時間枠が短くなると理解される。

ワークスピンドル１の回転速度が非常に速い場合には、利用可能な時間枠が非常に短くなるので、寸法測定は不可能でありうる。この場合、平坦設置の監視は、ワークスピンドル１の運転開始前のツール交換後の時点で行われ、これは、設置制御部により、ワークスピンドル１が、まず測定に必要な角度位置に動かされ、この位置で測定のために停止することにより行われる。レーダーシステム１１が１つのみ使用される場合には、ワークスピンドル１は、複数の角度位置に順次動かされ、これらの位置で、それぞれ寸法測定が１度ずつおこなわれる。このようにワークスピンドルが静止している場合の平坦設置監視では、ワークスピンドル１の角度位置の絶対的な値の測定が必須であると理解される。

平坦設置監視のために測定信号を電気的に評価する際には、様々な測定位置において測定されたツール４またはツール担体の、孔５ないし孔６のツール側の端部からの距離が等しいか否かのみが問題となる。結果として、距離の絶対値の正確な決定が必要なのではない。ここで興味のある様式の比較測定の実現の可能性を、図５にブロック図形式で示すが、この変形例は、３つの様々なレーダーシステム１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃを用いた同時寸法測定に基づいている。

レーダーシステム１１Ａは、送受信併用アンテナ１２を有するが、このアンテナは、サーキュレーター１３に接続されている。サーキュレーター１３は、ミキサー１４の入力に接続されている。このミキサー１４の出力は、設定可能な遅延部材１５の入力に接続されている。これの出力は、低域通過フィルター１６の入力に接続されている。低域通過フィルター１６の出力信号は、同時にレーダーシステム１１Ａの出力信号となる。サーキュレーター１３の第３の端子およびミキサー１４の第２の入力は、共に、電圧制御発振器（ＶＣＯ＝Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１７の出力と接続され、これには、周波数を変えるために、のこぎり歯状の制御電圧Ｖ_Cが供給される。３つのレーダーシステム１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃは、同等に構成され、したがって、これらの構成要素について、ここではシステム１１Ａについてのみ説明を行う。ＶＣＯ１７には、システム１１Ａのサーキュレーター１３と、ミキサー１４と並列して、他の２つのシステム１１Ｂ・１１Ｃのサーキュレーターと、ミキサーとにも接続されている。

ＶＣＯ１７から出力された信号は、サーキュレーター１３を通って、送信信号としてアンテナ１２に供給され、このアンテナから受信された反射信号はミキサー１４に供給される。ここで、ＶＣＯ１７の送信信号と乗算され、低域通過フィルター１６を通ってフィルタリングされることにより、受信された反射信号は復調され、アンテナ１２から反射面への興味のある距離の情報が、復調信号の位相中に含まれる。これは、各アンテナから３つ全ての反射面への距離が同じ場合には、３つのレーダーシステム１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃの全てが、その出力に等しい信号を供給することを意味する。

システム１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃ間、および同様に、３つの同種であるが別個の導波管伝送路５・６・７ないし導波管伝送路６・７間にある不可避のずれ、とりわけ所要時間の差により、３つのシステム１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃの出力信号の位相は、ツール４がワークスピンドル１に完全に平坦に設置されている場合でも、実際には、全く等しくなることはない。このずれを補うために、システム１１Ａにおいて、遅延時間を設定できる遅延部材１５が設けられている。全体で、３つの設定可能な遅延部材、すなわち、図５に示すようにシステム１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃのそれぞれにおいて、システム１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃ間の所要時間の差異を補償するのに必要である以上の自由度を提供している。したがって、３つの遅延部材のうちの２つに対して、遅延時間を設定すれば十分である。３つめの遅延時間は、０と選択することができ、ないし、システム１１Ａ・１１Ｂ・１１Ｃのうちの１つでは、遅延部材を放棄することもできる。

得られた３つの距離測定信号を比較するための信号処理は、図５に記載したように、これらの各信号を各Ｄフリップフロップ１８によりデジタル化し、このようにデジタル化された信号をＥＸＯＲゲート１９中で関連付け、最後に、このＥＸＯＲゲート１９の出力電圧を比較回路２０中の設定可能な電圧閾値Ｖ_Rと比較することにより行われる。比較回路２０の出力信号は、最終的に、ワークスピンドル１へツール４が正確に平坦に設置されているか否かを示す。遅延部材の設定は、開かれた状態、すなわち、ツール４が締め付けられていない状態でも可能である一方で、閾値電圧Ｖ_Rは、いずれの場合も、締め付けられたツール４がワークスピンドル１に完全に平坦に設置された場合に設定される。

本発明の別の実施形態は、反射されたレーダー信号の位相を介するのとは異なる寸法測定方法を利用するが、これを図６に示す。図６の図示は、図３の左上方の一部分に相当する。したがって、図６中の等しい構成要素は、図３中と同じ参照符号を用いて記している。図３に示した第１実施形態とは異なり、この場合、レーダーシステム１１による、導波管として有効である伝送路５・６・７中への電力出力、ないし、反射係数が、反射面への距離を表す寸法として、考慮される。

感度を大きくするために、この場合、可能な限り顕著な共振が生じるように、孔５を形成するのが目的に適っている。これは、図６中、ツール側の端部における孔５を室５Ａへ拡大することが、概略図示されている。これにより、高品質の共振回路を実現することができ、その共振周波数を、ワークスピンドル１に対するツール４の背面載置面の位置に依存させることができる。この共振回路を孔５・６・７および室５Ａの外側に設計した場合には、固定子の閉鎖リング８と、回転するワークスピンドル１との間に存在する空気間隙１０（ここで、孔６・７が互いに一列に並んで終了している）の影響も考慮せねばならないと理解される。このような共振回路では、ツール４の位置がワークスピンドル１の載置面２に完全に平坦設置されている場合とわずかでもずれていると離調し、これは容易に検出可能である。

これに適した回路配置を図７に示す。反射係数を決定するために、反射信号の電力と、発信信号の電力との割合が形成されねばならない。発振器２１から出力された信号の規定の一部分は、第１方向性結合器２２により分離され、第１検出器２３に供給される。発振器から発せられた信号の残りの部分Ａは、図７には不図示のアンテナを介して、導波管として有効な伝送路５・６・７中に照射され、その端部、すなわち、孔５の終端を形成する室５Ａの端部において、ツール４により反射される。反射信号Ｂの規定された部分は、第２方向性結合器２４により分離され、第２検出器２５に供給される。

検出器２３・２５は、伝送路５・６・７に照射される信号の電力の寸法、および、伝送路５・６・７から反射される信号の電力の寸法を表すをそれぞれ示す測定信号を出力する。評価ユニット２６中では、２つの測定信号の割合が形成され、この割合は共振時に極大値を採る。図５に基づき上述した回路のように、この場合も、較正が行われねばならない。この場合、発振器２１の周波数は、ワークスピンドル１の載置面２にツール４が完全に平坦に設置されている場合、共振するように設定される。ツール４の位置がずれる場合には、双方の測定信号の割合が大幅に変わる。この割合は、評価ユニット２６中に含まれる比較器により、設定可能な閾値と比較される。この閾値を上回るか、あるいは下回るか否かが、ツール４がワークスピンドル１に正確に平坦に設置されているか否かを最終的に示す。

この場合、ツール４の絶対的な位置が目標位置と一致していることが測定され、したがって、唯一の測定位置がすでにツールの位置の正確であると示していても、信頼性を高めるために、複数の測定位置を設けることができる。これは、図７中に示された完全な回路をこれに応じて複製すること、および、共通の評価ユニットを追加的に設けること（これが、個々の評価ユニット２６の出力信号を受信し、これを共に評価する）を意味する。

本発明の応用は、決して、ツールの平坦設置の監視に限定されるのではない。むしろ、本発明により、加工機械の様々な機械部材の機能に関連する位置を測定し、監視することができる。この例を図８に示す。この図中、ツールまたはツール担体を、工作機械の締め付け位置にあるワークスピンドルに接した位置またはこの中において締め付けるためのツールクランプ装置２７の一部を示す。この位置で、不図示の皿バネパケットが、力Ｆを、移動可能に軸支されたドローバー２８（これは、図８中では、同様に不図示のツール収納部とは逆方向の後端部のみが見えている）にかけ、ドローバー２８を図８に示された位置に保持している。ドローバー２８と、ツール収納部のコレットチャック部分との間の機械的な連結が、この位置で、ツール収納部中でツールまたはツール担体を締め付けるのに役立っている。

ドローバー２８の端部に対して軸上で隣接する位置に、リング状の内側空間を有する流体圧シリンダー２９が配置されているが、この内側空間中で、リング状のピストン３０（いわゆるツール解放ピストン３０）が変位可能に軸支されている。このツール解放ピストン３０は、図８では、締め付け位置にあり、その移動領域の後端にあり、その後方端面で、ストッパー３１に当接している。この場合、流体圧シリンダー２９中の前方室３２は加圧流体で充填され、ツール解放ピストン３０をストッパー３１に対して押圧している。ツール解放ピストン３０は、ドローバー２８の方向に伸張する中空円筒形状の部分３３を有し、この部分は、ツール解放ピストン３０がこの位置にある際には、ドローバー２８の後端からある距離を保っている。

ツールまたはツール担体を解放するために、流体圧シリンダー２９の後方室３４に加圧流体を充填することにより、ツール解放ピストン３０が、図８の締め付け位置から、軸上方向にドローバー２８に対して移動し、その結果、ツール解放ピストン３０の中空円筒状の部分３３の前端がドローバー２８の後端と接触し、皿バネパケットの力Ｆに対向する方向の反作用力をドローバー２８にかける。このような中空円筒形状の部分３３の移動は、図８中点線で示唆されている。ドローバー２８は、これにより、図８の締め付け位置に対して、軸上方向かつ図８の図示では左側のツール収納部の方向へと移動し、これにより、ツールまたはツール担体のコレットチャック部分を解放し、ツールの交換が可能となる。

ドローバー２８はワークスピンドルの作動中に回転するが、ツール解放ピストン３０は静止しているので、ツール解放ピストン３０の位置を監視し、とりわけ、これが図８に示す端部位置にあり、したがって、ドローバー２８から距離をおいているか否かを決定することが重要である。ツール解放ピストン３０が上述の終端位置に達しているということは、ツール交換された後にワークスピンドルが再び運転開始可能となる締め付け状態にあることの確かな指標である。

本発明によれば、流体圧シリンダー２９には、軸上方向に伸張する孔３５と、放射方向に伸張する孔３６とからなる伝送路が設けられている。孔３６は、流体圧シリンダー２９の外側に形成された中空空間中で終了する。孔３５・３６は、機能的には、図３および図４で図示された実施形態の孔５・６に相当し、すなわち、中空空間中で流体圧シリンダー２９の外側に組み込まれたレーダーシステム３７から照射されツール解放ピストン３０の背面で反射されるレーダー信号用の導波管として機能する。室３４中で圧力を発生させることができるように、伝送路３５・３６は、少なくとも孔３５の領域において、しかし好ましくは全体が、誘電体で充填されている。

反射面を、孔３５の終端にできる限り近づけて作るために、ツール解放ピストン３０の背面から孔３５に対向する領域で、孔３５の方向に突起部３８が伸張する。この突起部３８は、孔３５の軸に対して垂直である表面で孔３５を覆い、この表面はツール解放ピストン３０の図示した位置においては、孔３５の終端部からわずかな距離のみ隔てており、あるいは、流体圧シリンダーに直接当接している。後者の場合、突起部３８と流体圧シリンダー２９とが接触することにより、ツール解放ピストン３０の後方への移動が限定され、これがストッパー３１と置き換えられ、ストッパー３１はもはや必要ではない。この突起部３８は、ツール解放ピストン３０の背面で支持において、放射状で対称的な力の配分を保証することができるために、ツール解放ピストン３０の軸に対して放射状で対称形状を有すべきである。

レーダー信号を伝送路３５・３６に照射することにより、および、突起部３８において反射された信号を測定することにより、ツール解放ピストン３０の位置を測定することができ、とりわけ、この突起部３８が、ツールクランプ装置の締め付け位置に相当する図８に示された後方終端位置にあるか否かを決定することができる。本発明のこの応用においては、ツール解放ピストン３０の両終端位置、すなわち、図８に示した後方終端位置と、ツールクランプ装置の解放位置に相当する前方終端位置とにおける反射面の位置の差異は、上述したツールの平坦設置の監視の場合（この場合は、ツールの最低限の傾斜も識別されねばならない）よりも実質的に大きい。したがって、レーダー寸法測定における正確性の必要性は、この応用例においては実質的により小さい。

測定方法として、この場合も図５の回路が基礎としている位相測定も、図７の回路による反射係数の測定も考慮されうる。しかしながら、図５の回路とは異なり、複数の測定位置の信号間での比較は省略される。反射係数の測定に対しては、この場合図６の実施形態に類似して、孔３５の端部は適切な形状の室に拡大することができ、これは導波管共振器を形成し、かつ、共振で作動する共振回路（これは、ツール解放ピストン３０がその後端位置から離れた場合には離調する）を作るために行われる。

上述の説明から、当業者には、本発明の変更には様々な可能性があることがわかる。したがって、ツール解放ピストン３０のみが、ワークスピンドル１またはツールクランプ装置２７の分野で、その位置が本発明の応用により監視可能である唯一の機械部材ではない。例えば、締め付けバー２８の位置も監視可能であり、このためには、導波管として有効である伝送路およびレーダーシステムを、適切な別の位置に設けることができる。また、孔のうちの１つを必ずしも、ワークスピンドル１ないしツールクランプ装置２７の軸に対して放射方向に伸張させる必要はなく、機械的機能により与えられた、レーダー信号がその中を通って伝わらねばならない部材の形状に応じて状況に応じて、場合によっては、純粋に軸上方向のみの孔を１つだけ設けるのでも十分でありうる。ツールの平坦設置の監視のために本発明を応用するのには、その位置が測定される物体がツールそのものであるか、または、ツール側でツールを収納するために規定されたツール保持部であるか否かは重要ではない。同様に、ツールの締め付け状態の監視のために本発明を応用するのには、締め付けバー２８の移動が、図８に示すように流体圧、もしくは例えば空気圧または電気モータで駆動されるか否かは重要ではない。このような本発明の比肩する修正は、請求項の保護範囲に含まれるべきである。

１ ワークスピンドル
２ 載置面
３ 削りくず
４ ツール
５、６、７ 穴
５Ａ 室
８ 閉鎖リング
９ 固定子
１０ 空気間隙
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ レーダーシステム
１２ 送受信併用アンテナ
１３ サーキュレーター
１４ ミキサー
１５ 遅延部材
１６ 低域通過フィルター
１７ 電圧制御発振器
１８ フリップフロップ
１９ ＥＸＯＲゲート
２０ 比較回路
２１ 発振器
２２ 第１方向性結合器
２３ 第１検出器
Ａ 残り部分
Ｂ 反射信号
２４ 第２方向性結合器
２５ 第２検出器
２６ 評価ユニット
２７ ツールクランプ装置
Ｆ 力
２８ ドローバー
２９ 流体圧シリンダー
３０ ツール開放ピストン
３１ ストッパー
３２ 前方室
３３ 中空円筒形状の部分
３４ 後方室
３５、３６ 孔（伝送路）
３７ レーダーシステム
３８ 突起部

Claims (15)

1. 加工機械を構成しているツール（４）のワークスピンドル（１）に接する位置かこの中での位置、または、加工機械を構成している機械部材（３０）のツールクランプ装置（２７）に接する位置かこの中での位置を監視するための装置において、
   前記ワークスピンドル（１）またはツールクランプ装置（２７）が、少なくとも１つの伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）を有し、この伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）は、ワークスピンドル（１）またはツールクランプ装置（２７）の外側表面から、前記ツール（４）または機械部材（３０）まで続きかつ電磁波を伝播するのに適した導波管を規定するように配置され、
   少なくとも１つのレーダーシステム（１１あるいは３７）が設けられ、これが、前記ワークスピンドル（１）またはツールクランプ装置（２７）の外側で、前記外側表面から前記伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）中へレーダー信号を照射し、かつ、前記伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）から反射し戻されたレーダー信号を受信する位置にあるように配置されており、
   前記レーダーシステム（１１あるいは３７）は、信号処理装置（１８、１９、２０、あるいは２６）と接続され、
   この信号処理装置（１８、１９、２０、あるいは２６）は、前記伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）中へ照射されかつこの伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）から反射された少なくとも１つのレーダー信号に基づき、前記ワークスピンドル（１）またはツールクランプ装置（２７）に対する前記ツール（４）または機械部材（３０）の位置を表す寸法を算出することを特徴とする装置。
2. 前記レーダーシステム(１１)は、前記ワークスピンドル（１）が少なくとも１つの所定の角度位置にある際に、レーダー信号を照射しかつ反射されたレーダー信号を受信するための前記位置にあることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ワークスピンドル（１）は、多数の伝送路（５、６、７）を有し、正しいツール締め付けが行われている場合には、前記伝送路（５、６、７）はそれぞれ、前記ワークスピンドル（１）が前記ツール（４）またはツール担体と接触する平面（２）で終了し、
   前記信号処理装置（１８，１９，２０、あるいは２６）は、前記表面（２）に対する前記ツール（４）またはツール担体の位置を表す寸法を、前記様々な伝送路（５、６、７）から反射されたレーダー信号またはこれから導き出された信号を比較することにより算出することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 少なくとも３つの伝送路（５、６、７）が、前記ワークスピンドル（１）の正面および／または周囲を越えた位置で空間的に分散して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 複数の同種のレーダーシステム（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ）が設けられ、これらが、ワークスピンドル（１）が少なくとも１つの所定の角度位置にある際、複数の伝送路（５、６、７）に接する位置で、同時にレーダー信号を照射可能で、かつ反射されたレーダー信号を受信可能であるように配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
6. ワークスピンドル（１）の様々な所定の角度位置において、様々な伝送路（５、６、７）に、順次レーダー信号を照射可能で反射されたレーダー信号を受信可能であるように１つのみのレーダーシステム（１１）が配置され、前記信号処理装置（１８、１９、２０、あるいは２６）はメモリを有し、前記メモリ中に、受信された反射レーダー信号またはこれから導き出された信号が記憶され、前記様々な伝送路（５、６、７）から反射されたレーダー信号またはこれから導き出された前記信号の比較は、前記メモリ中に記憶された信号を用いて行われることを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
7. 前記信号処理装置（１８、１９、２０、あるいは２６）は測定装置と接続され、前記測定装置は前記ワークスピンドル（１）の角度位置を示す信号を出力し、前記信号が前記所定の角度位置にあることを示す際に、前記信号処理装置（１８、１９、２０、あるいは２６）は、前記ワークスピンドル（１）に対するツール（４）の位置を表す寸法を算出することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記伝送路（６、７）は、少なくともその一部分（７）を固定された機械部材（８）中に有し、少なくともその他の部分（６）を回転するワークスピンドル（１）中に有し、前記ワークスピンドル（１）の所定の角度位置では、これらの部分は互いに一列に並んでいることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）の少なくとも１つは、前記反射されたレーダー信号が前記伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）中で伝播する端部から始まり少なくともその長さの一部分に沿って、誘電体で充填されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）の少なくとも１つは、異なる方向の少なくとも２つの孔からなり、このうちの少なくとも１つの孔は、前記ワークスピンドル（１）またはツール収納部（２７）の軸に対して放射方向の構成要素を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つのレーダーシステム（１１）の出力信号の位相は、前記レーダーシステム（１１）のアンテナ（１２）から、ツール（４）または機械部材（３０）の表面までの距離に依存することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 複数の同種のレーダーシステム（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）が設けられ、その出力は、それぞれ１つのＤ−フリップフロップ（１８）の入力と接続され、前記Ｄ−フリップフロップ（１８）の出力は、ＥＸＯＲゲート（１９）の入力と接続され、前記ＥＸＯＲゲート（１９）の出力は、比較回路（２０）の入力と接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）は、導波管共振器として設計され、その共振周波数は、前記ツール（４）または機械部材（３０）の終端から表面までの距離に依存していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
14. レーダー信号を前記伝送路（５、６、７、３５、あるいは３６）中に照射する際に生じる反射係数を算出し、評価するための装置が設けられ、この装置は、照射されたレーダー信号と反射されたレーダー信号とのそれぞれ規定の部分を分離するための２つの方向性結合器（２２、２４）と、この方向性結合器（２２、２４）のうちのそれぞれと接続されかつ２つの分離された信号成分の電力を測定するための２つの検出器（２３、２５）と、この２つの検出器（２３、２５）の出力と接続された信号処理装置（２６）とを有し、この信号処理装置（２６）は、前記２つの検出器（２３、２５）の出力信号からの反射係数を決め、前記反射係数を閾値と比較することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記機械部材（３０）は、操作部材であり、その移動が、ツール収納部中で、前記ツール（４）またはツール保持部を解放または締め付けることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。

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