JP6062915B2 - 工作機械への切削液供給システム - Google Patents

Description

本発明は、工作機械に関するものであり、特に、工作機械への切削液供給システムに関する。

工作機械における切削加工では、一般に、ワークと刃物間の潤滑、切削で発生する熱の冷却、切削で発生した切粉の切削加工箇所からの除去による、刃物の長寿命化、安定な加工を目的として切削加工でワークと刃物が接触する箇所へ切削液を噴射することが行われている。これを切削液供給と表記する。

切削液供給は、一般には、工作機械のオペレータが、工作機械内のいずれかの部位に固定された切削液供給ノズルの噴射の向きを手動設定して行われている。これは、人間によるものなので、個人差があり、再度同じ加工を行う場合、向きの設定の再現性が乏しい。 このため、複数の同型工作機械で同じ品を加工する場合、または、多品種少量生産の現場で一度他品を加工した後、以前と同じ品を加工する場合において、切削液供給にばらつきが生じ、その結果、加工品の品質がばらつく可能性がある。また、加工を繰り返すうち、噴射の向きの設定がずれていく可能もあるため、量産中に、いつのまにか加工品の品質を落としている場合もある。

また、数値制御装置付き工作機械など、複数の工具を切換えて、また、工具やワークの向きを変化させて切削加工を自動的に進める工作機械が存在するが、適切な切削液供給箇所は、刃物を持つ工具（工具長、工具径、工具種別など）、ワーク形状、加工の進捗などで変化するため、前述のような工作機械では、自動加工の進捗に伴い、適切な切削液供給箇所は変位する。

その一方で、前述のような自動化された数値制御装置付き工作機械であっても、切削液供給は前述の通りオペレータが切削液供給ノズルの向きを手動設定するのが一般的である。また、自動加工中は、事故防止のために、オペレータは切削液供給用のノズルに触れることができないものが一般的である。

特公平５−３０５８１号公報

このため、工作機械で自動加工を行う場合は、自動加工の進捗に従い適切な切削液供給箇所は変位しているにも関わらず、切削液が供給される箇所は固定されていることが多いので、自動加工中は、切削液供給が適切でない状態に陥っている場合があり、その状態では切削液の不足から、加工面の劣化や、工具の短命化を招く場合がある。

このような切削液供給に関する問題を解消するため、切削液供給ノズルの向きをサーボモータなどで駆動するシステムは存在する（特許文献１参照）。しかし、これらは、適切な切削液供給箇所を自動判定するために工具形状データ、加工プログラム、加工の進捗状況（工作機械の位置情報や使用中の工具番号）など、工作機械側の多数の情報を切削液供給ノズルの駆動システムに与える必要がある。もしくは、最初に人間が加工状態を見ながら切削液供給ノズルの動き（向きなど）を教示してやる必要があるなどの手間がかかる。

加えて、現状のように切削液供給用のノズルの位置が固定されていると、例えば、ワークに極度の段差のある場合や、ゆりかご式の５軸工作機械でゆりかご部分が大きく動いた場合、ワーク自体の段差や、４軸または５軸の機構部分などによって、切削液供給の経路が阻害されてしまう場合がある。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、ワークの表面に工具が接する箇所、もしくはワークの表面と工具が交差する箇所を加工点と特定し、該特定した加工点に自動で常に適切な切削液供給を行うことが可能な切削液供給システムを提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、工作機械と、切削液を噴射するノズルと、前記ノズルに切削液を供給する供給装置と、前記ノズルを保持し移動させるための移動手段と、前記工作機械の内部にある工具、ワークおよび切削液供給の影響を受けない前記ワークを載置するテーブルの端部を時系列に撮影する撮像手段と、前記撮像手段により時系列に撮像された画像に基づいて前記工具、前記ワークの位置および形状、前記テーブルの端部の位置を認識する情報処理手段と、前記情報処理手段により認識した前記工具、前記ワークの位置および形状、および前記テーブルの端部の位置の情報に基づいて、前記ワークの表面に前記工具が接触する箇所、もしくは前記ワークの表面と前記工具とが交差する箇所を加工の進捗に従い変化する加工点として特定する加工点特定手段と、を備え、前記移動手段は、前記加工点特定手段により特定した部位に切削液を噴射するように前記ノズルを移動させることを特徴とする切削液供給システムである。
請求項２に係る発明は、前記移動手段は、前記ノズルの位置および方向の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１に記載の切削液供給システムである。
請求項３に係る発明は、前記移動手段は、前記ノズルからの切削液噴射の有無を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の切削液供給システムである。
請求項４に係る発明は、前記移動手段がロボットであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の切削液供給システムである。

本発明により、ワークの表面に工具が接する箇所、もしくはワークの表面と工具が交差する箇所を加工点と特定し、該特定した加工点に自動で常に適切な切削液供給を行うことが可能な切削液供給システムを提供できる。

本発明に係る切削液供給システムを備えた工作機械を示す図である。 本発明に係る切削液供給システムのブロック図を示す図である。 本発明に係る切削液供給システムの動作を示すフロー図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明に係る切削液供給システムを備えた工作機械を示す図である。
工作機械１は、ベッド１１上に、サドル１３を介してテーブル８、コラム１２を備えている。テーブル８にワーク３が載置される。主軸９には工具交換装置１０により交換可能な工具２が装着されている。主軸９に装着された工具２によりテーブル８上のワーク３が加工される。一般に工作機械１はワーク３を加工する加工空間（機械内部）をカバー（図示せず）によって外部から遮蔽し、切削液や加工屑が外部に飛散しないようにされている。ただし、切削液や加工屑が外部に飛散してもかまわない場合、該カバーは不用である。工具２によりワーク３が加工されている箇所（特許請求の範囲の「加工点」に対応する）に、切削液の供給装置７から供給される切削液が供給される。なお、切削液の供給装置７から加工点に供給される媒体は、切削液、オイルミスト、あるいはエアーなどである。また、切削液の供給装置７は、切削液、オイルミスト、あるいはエアーなどを加工点に噴射させるためのポンプである。

本発明に係る切削液供給システムは、工作機械１と、切削液の供給装置７と、切削液の供給装置７から供給される切削液を噴射する切削液供給ノズル６と、該ノズル６を移動するノズル移動装置５と、該ノズル移動装置５に接続される映像センサなどの少なくとも１つ以上の検出装置４と、映像センサなどの検出装置４から出力される情報を処理する情報処理手段（図示せず）とから構成され、映像センサなどの検出装置４により工作機械１の工具２とワーク３のそれぞれの位置および形状を監視し、ワーク３の表面に工具２が接する箇所、もしくはワーク３の表面と工具２が交差する箇所である加工点を認知する機能を有する。

ノズル移動装置５はロボットとしてもよい。ノズル移動装置５がロボットの場合、アームの先端に切削液供給ノズル６が取り付けられている。切削液の供給装置７から供給される切削液は、切削液供給ノズル６から加工点に向かって噴射される。切削液供給ノズル６と、該ノズル６を移動するノズル移動装置５は、工作機械１のカバー（図示せず）の内側に設置、もしくは、工作機械１のカバー（図示せず）を拡張し、その区画内に設置する。ただし、切削液や加工屑が外部に飛散してもかまわない場合は、この限りではない。なおなお、このロボットは、工作機械１が切削液供給を要しないタイミングで、別の用途を兼ねていても良い。例えば、切削加工後のワーク３の取り出しや、加工前のワーク３の取り付けの用途を兼ねていても良い。

図２は本発明に係る切削液供給システムのブロック図を示す図である。本発明に係る切削液供給システムは、映像センサなどの検出装置４により工作機械１内の工具２およびワーク３を撮影する機能を有する。情報処理手段１４から映像センサである検出装置４に撮影指示がなされる。検出装置４は工具２およびワーク３を撮影し、撮影した画像情報を情報処理手段１４に送る。ただし、検出装置４で検出可能な範囲や対象は上記に限定されない。
情報処理手段１４は映像センサなどの検出装置４により検出された情報を処理することで、工具２およびワーク３のそれぞれの形状情報と位置情報を認識する。情報処理手段１４は工具２とワーク３のそれぞれの形状情報と位置情報とを、加工点特定手段１５に送る。
加工点特定手段１５は情報処理手段１４において認識した工具２とワーク３のそれぞれの形状情報と位置情報から、ワーク３の表面に工具２が接する箇所、もしくはワーク３の表面と工具２が交差する箇所を加工点として特定し、特定した加工点の情報（位置の情報）を工具２とワーク３のそれぞれの形状情報と位置情報と共にノズル移動装置の制御装置１６に送る。

ノズル移動装置の制御装置１６は、工具２とワーク３の形状情報と位置情報と加工点の情報に基づいて、工作機械１の内部構造物（検出装置４、テーブル８、主軸９、工具交換装置１０、ベッド１１、コラム１２、サドル１３など。ジグや付加軸（図示せず）も含む。）およびワーク３、工具２との干渉を回避しつつ、切削液供給ノズル６から加工点に向かって切削液が噴射されるようにノズル移動装置５を駆動する。

図３は本発明に係る切削液供給システムの動作を示すフロー図である。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップｓａ０１］初期画像が記録されているか否か確認し、初期画像が無い場合（ＮＯ）はステップｓａ０２へ移行する。初期画像が有る場合（ＹＥＳ）はステップｓａ０３へ移行する。
●［ステップｓａ０２］初期画像を撮影し、記録し、ステップｓａ０３へ移行する。ここで、初期画像とは、工具２を未装着状態の主軸９の頭部の画像や、ワーク３を未装着状態のテーブル８の画像である。
●［ステップｓａ０３］前回画像を消去する。
●［ステップｓａ０４］現在画像を撮影する。ここで、現在画像は、工作機械１でワーク３を加工中の工具２の画像、工作機械１で工具２により加工されているワーク３の画像である。

●［ステップｓａ０５］前回画像が記録されているか否か確認し、前回画像が無い場合（ＮＯ）はステップｓａ０６へ移行し、前回画像が有る場合（ＹＥＳ）はステップｓａ０７へ移行する。
●［ステップｓａ０６］初期画像の記録を前回画像の記録にコピーし、ステップｓａ０７へ移行する。
●［ステップｓａ０７］前回画像の記録と現在画像とから工具２とワーク３のそれぞれの形状と位置の情報を割り出す。
●［ステップｓａ０８］工具２とワーク３のそれぞれの形状情報と位置情報から切削中の箇所（加工点）を推定する。

●［ステップｓａ０９］工具２とワーク３のそれぞれの形状と位置の情報および推定した切削中の箇所（加工点）の情報を、ノズル移動装置５を制御する装置であるノズル移動装置の制御装置１６へ通知する。ノズル移動装置の制御装置１６は、ワーク３を切削中の箇所へ切削液を供給できるように切削液供給ノズル６の位置、姿勢を制御する。ノズル移動装置５による切削液供給ノズル６の動作(位置、姿勢)の決定には、ノズル移動装置５（切削液供給ノズル６も含む）と工作機械１の内部構造物（検出装置４、テーブル８、主軸９、工具交換装置１０、ベッド１１、コラム１２、サドル１３など。ジグや付加軸（図示せず）も含む。）およびワーク３、工具２との干渉の回避、および切削液を噴射するための経路の確保（障害物の回避）を考慮する。切削液供給箇所（加工点）の有無に応じて、切削液の噴射の有無を切換えることを考慮する。
●［ステップｓａ１０］現在画像を前回画像として前回画像記録に格納する。
●［ステップｓａ１１］工作機械１はワーク３を加工中であるか否かを判定し、加工中（Ｙｅｓ）の場合にはステップｓａ０４へ戻り処理を継続し、加工中ではない（Ｎｏ）の場合には処理を終了する。

ここで、映像センサなどの検出装置４で得た情報から加工点を検出する方法を説明する。検出装置４で得た情報からワーク３の表面に工具２が接する箇所、もしくはワーク３の表面と工具２が交差する箇所である加工点を検出する方法例として、以下が考えられる。

一般的なマシニングセンタを例に説明する。予め、工具２が未装着の主軸９の頭部およびワーク３が未装着状態のテーブル８を映像センサなどの検出装置４で撮影し、それぞれ工具検出基準画像、ワーク検出基準画像として記憶しておく。

加工開始前、もしくは工具交換直後に、工具２が装着された主軸９の頭部およびワーク３やジグが付いたテーブル８を撮影する。上記撮影は必要があれば複数の映像センサを使う、もしくは、ノズル移動装置５に取り付けた映像センサで複数の位置から撮影しても良い。

予め記憶しておいた各基準画像と加工開始前、もしくは工具交換直後に撮影する画像の比較を行うことで、工具２およびワーク３の初期形状と位置を検出し、記憶する。以降、撮影と前回撮影時の画像との比較を繰り返すことで、工具２とワーク３の移動およびワーク３の形状を検知する。このようにして、画像から得られる現在の形状と位置の情報および先に検知した工具２およびワーク３の初期の形状と位置の情報を利用して、ワーク３の表面に工具２が接する箇所、もしくはワーク３の表面と工具２が交差する箇所である加工点を検出する。

ただし、検出装置４で得た情報からワーク３の表面に工具２が接する箇所、もしくはワーク３の表面と工具２が交差する箇所を検出する方法は上記に限らないものとする。例えば、前述の方法は、検出装置４が映像センサによるものだが切削液の色や飛沫による画像の変化が考慮されていないため、切削液が透明、もしくは、オイルミストを切削液代わりとしたドライ加工など、切削液供給中も工具２やワーク３の近傍が透明な条件下でなければ正常に機能出来ない可能性がある。このため、上記の方法だけでは、切削液供給を開始すると正常な動作が期待出来ないことも考えられる。

そこで、切削液供給の影響をあまり受けず工具２との相対位置が変化しない主軸９の頭部および切削液供給の影響をあまり受けずワーク３との相対位置が変化しないテーブル８の端部なども同時に撮影しておき、切削液供給中であっても正常に撮影可能な部分から得られる位置の情報と、最初に記憶した工具２とワーク３のそれぞれの形状と位置の情報とを組み合わせて、現在位置などを推定して検出しても良い。また、映像センサを増やして他のアングルからの撮影結果を併用する（工作機械１の動作などで生じる死角をカバーするなど。）してもよい。熱センサ（サーモグラフ）も追加併用して、切削により熱が発生し続ける箇所も考慮して切削液供給箇所（加工点）と判定するなど、別種の検出方法の併用も考えられる。

また、従来のシステム同様に、該システムの情報処理手段１４と工作機械１の制御装置（図示せず）をなんらかのＩ／Ｆ（インタフェース）で接続し、加工時の工具番号や各軸の位置情報を工作機械１から取り込み、該システムの情報処理手段１４が画像で得た結果との併用や比較を行うことで確実性を向上させる、もしくは、加工による工具２やワーク３の変位計算には、工作機械１から得た各軸の位置情報を使うことも考えられる。

ノズル移動装置５を制御する装置であるノズル移動装置の制御装置１６は、情報処理手段１４、加工点特定手段１５で検出した箇所（加工点）を狙って、切削液を供給する機能を有する。上記目的のため、該ノズル移動装置５の制御装置（ノズル移動装置の制御装置１６）は、切削液供給について、ノズル位置、噴射方向、噴射の有無を制御する機能を有する。

ノズル移動装置５は、ある１点を狙う動作だけでなく、工具２や加工に応じた切削液供給を行う機能を有してもよい。例えば、工具２が大口径の工具と判断される場合には、工具外形部近傍の数箇所に周期的に切削液供給を行うとか、工具２が細長いドリルと推測される場合は、穴あけで削り出され、ドリルに絡む切粉の除去を目的として、適時ワーク３から露出している刃物部分にも切削液供給を行うなどが考えられる。

ノズル移動装置５の制御装置（ノズル移動装置の制御装置１６）は、加工点特定手段１５で検出した箇所（加工点）と、現在の切削液供給ノズル６の位置との間に、情報処理手段１４などで検出した干渉物がある場合、それを回避して加工点への切削液の噴射を維持するように切削液供給ノズル６を移動する機能を有する。

ノズル移動装置５の一形態であるロボットは、該ロボット自身および該ロボットが備えた切削液供給ノズル６が、工作機械１の内部構造物（検出装置４、テーブル８、主軸９、工具交換装置１０、ベッド１１、コラム１２、サドル１３など。ジグや付加軸（図示せず）も含む）およびワーク３、工具２に干渉しない領域で動作する機能を有する。前記ロボットは、加工点特定手段１５で検出した箇所（加工点）の有無、すなわち、切削液供給箇所の判定とその箇所への切削液供給を、映像センサなどの検出装置４とノズル移動装置５で自動的に行うので、現状、一般にはオペレータが行っている切削液供給用のノズルの設定作業が不要となり、段取り作業の省力化、オペレータの負担軽減が実現される。

切削液供給用のノズルをオペレータが設定することに起因する問題、すなわち、同一のオペレータによるものでも設定するたびに相違が出るとか、個人毎の癖などにより設定に相違が出るとか、複数台の工作機械に同一の設定を適用することが困難などの問題を排除して、一定の切削液供給が行われるので常に安定した加工が行える。

切削液供給ノズル６の制御をノズル移動装置５が行うので、工作機械１が加工中でも切削液供給ノズル６を制御でき、加工が進捗して適切な切削液供給箇所が変位しても、適切な切削液供給状態を維持できる。このため、加工品の品質向上や、使用工具の長寿命化が期待できる。

上述したように、本発明は、映像センサなどの検出装置で工具２とワーク３それぞれの形状と位置を認知し、認知した情報を使って切削加工でワーク３の表面に工具２が接する箇所、もしくはワーク３の表面と工具２が交差する箇所を加工点として検知または推定し、ロボットなどのノズル移動装置５で移動を可能とした切削液供給ノズル６を使って、検知、または推定した加工点を狙い切削液供給を行うことで、適切な切削液供給を自動化する。これにより、加工品変更時のオペレータによる切削液供給ノズル設定作業（試行時間など）が不要となり、作業の効率化が期待できる。また、切削液供給が適切に保たれることから加工の安定化、加工品の品質向上、使用工具の長寿命化などが期待できる。

また、本発明は、切削液供給ノズル６をロボットなどのノズル移動装置５で移動させるので、切削液供給ノズル６の向きだけでなく位置も高い自由度で変更できる。このため、切削液供給の経路に阻害が生じた場合でも、それを回避した経路で切削液供給を続けることができる。

１ 工作機械
２ 工具
３ ワーク
４ 検出装置
５ ノズル移動装置
６ 切削液供給ノズル
７ 切削液の供給装置
８ テーブル
９ 主軸
１０ 工具交換装置
１１ ベッド
１２ コラム
１３ サドル
１４ 情報処理手段
１５ 加工点特定手段
１６ ノズル移動装置の制御装置

Claims (4)

1. 工作機械と、
   切削液を噴射するノズルと、
   前記ノズルに切削液を供給する供給装置と、
   前記ノズルを保持し移動させるための移動手段と、
   前記工作機械の内部にある工具、ワークおよび切削液供給の影響を受けない前記ワークを載置するテーブルの端部を時系列に撮影する撮像手段と、
   前記撮像手段により時系列に撮像された画像に基づいて前記工具、前記ワークの位置および形状、前記テーブルの端部の位置を認識する情報処理手段と、
   前記情報処理手段により認識した前記工具、前記ワークの位置および形状、および前記テーブルの端部の位置の情報に基づいて、前記ワークの表面に前記工具が接触する箇所、もしくは前記ワークの表面と前記工具とが交差する箇所を加工の進捗に従い変化する加工点として特定する加工点特定手段と、
   を備え、
   前記移動手段は、前記加工点特定手段により特定した部位に切削液を噴射するように前記ノズルを移動させることを特徴とする切削液供給システム。
2. 前記移動手段は、前記ノズルの位置および方向の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１に記載の切削液供給システム。
3. 前記移動手段は、前記ノズルからの切削液噴射の有無を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の切削液供給システム。
4. 前記移動手段がロボットであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の切削液供給システム。

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