JP6554651B2 - 圧力エア測定装置及びこれを用いた工作機械システム - Google Patents

Description

本発明は、ドリルなどを保持する部材を含む加工用工具を工作機械の主軸に装着する際に、主軸と当接する着脱部のフランジ端面部の清掃を圧力エアの吹き出しにて行う主軸側にあるエア経路の詰まりを検出する圧力エア測定装置に関するものである。

一般に、マシニングセンタのような工作機械では、主軸の内周面に保持する部材を介して加工用工具を保持する機構を有すると共に、この加工用工具には着脱可能にする着脱部を設け、所望の加工をするための複数の工具が整列されたマガジンから必要な工具を自動搬送装置で選択して、主軸に装着して加工を行うことができるように構成されている。

マシニングセンタではこのようなオートツールチェンジャ等の自動機器の導入が進み、機械加工の自動化が飛躍的に進展し、主軸部への加工用工具の交換頻度の増加が顕著となった。自動交換に際して主軸に当接する着脱部のフランジ端面部は、加工用工具の交換時には主軸側から吹き出す圧力エアで清掃されて、異物の付着が無く清浄化された状態にあることは非常に重要である。

もしこのような工作機械の主軸内に設けられた圧力エアの主軸流路中に詰まりが生じていたり、圧力エア供給源に障害が生じたりすると、清掃が充分に行われず主軸と加工用工具の間に異物が存在して、加工用工具の保持姿勢寸法に誤差が生じ、加工精度に影響を及ぼす恐れがある。

従来、この圧力エアの主軸流路の詰まりの検出を目的としたものとして、特許文献１が開示されている。そこでは、圧力エア供給源からエア供給流路に供給されたエアの圧力又は流量を測定して加工用工具の装着有無を判定し、さらに着脱のためのテーパシャンクがクランプされた状態において、主軸流路から吹き出される圧力エアの圧力又は流量を測定し、予め測定した良好な装着状態との値を比較して装着不良の有無を判定している。

特許第４８９６５８０号公報

ところが、特許文献１に開示された工作機械の主軸に設けられた圧力エアの流路の詰まりを検出するものでは、エアの圧力や流量の測定を主軸側で行っているため常に状態を監視できるという利点はあるものの、構造が複雑になり、本来の加工の目的では無い付帯装置が付くため、複雑な機構によるコストアップやメンテナンス作業の煩雑化等の課題があった。また目詰まりの有無の判定のため、判定基準値の条件出しが必要であり、エアの圧力や流量の測定のディレイタイミングなど細かな調整を必要としていた。

一方、図９及び図１０に示すような、加工用工具と同様に着脱部を有して、工作機械の主軸１００に取り付けて、主軸流路の詰まりを目視で検出する従来の圧力エア測定装置が公知であって使用されている。図９は従来の圧力エア測定装置と主軸の構成斜視図であって、図１０は従来の圧力エア測定装置が圧力エアの測定を実施した後のものを模式的に表している。従来の圧力エア測定装置は主軸１００に８系統設けられた圧力エアを吹き出す主軸流路１０１に合わせた位置で、ホルダ部２と繋がって筐体４１に流路があり、シリンダ４２とそのシリンダ内部４５で摺動可能なピストン４３に接続されている。主軸側の圧力エア供給源から主軸流路に供給された圧力エアは主軸１００側からシリンダ内部へ到達し、摺動可能なピストン４３を押し出し、その際のピストン４３の動きや移動した距離で圧力エアの状態を検出することができる。

このような機構によって主軸流路の目詰まりを検出する場合、摺動可能なピストンはメカニカル式でありそれも複数存在するため摺動抵抗によるばらつきがあること、シリンダはある程度の長さが必要であり曲がりやすいこと、一度エア噴射を受けたピストンは伸びたまま戻らないこと、流路、ピストン及びシリンダの頻繁な清掃が必要であること等、多くの難点があったため、オートツールチェンジャに組み込んで使うことができなかった。したがって測定の際には工作機械を停止させてピストンの動きと移動ストローク量の確認を人が目視で操作して確認する必要があった。

そこで、本発明者らはこの圧力を測定するメカニカルな部分を電気的な出力が可能なセンサ５に置き換えた圧力測定装置（図１１及び図１２参照）を開発中であるが、以下のような課題が生じる場合があった。

本発明者らが開発中の圧力測定装置で用いているセンサ５はいわゆる気圧センサであって、測定対象とする空間の圧力を検出する第１の測定部５ａと大気圧を検出する第２の測定部５ｂを有し、その差圧を検出して圧力を測定するものである。このセンサ５の第１の測定部５１は筐体４ａに設けられている第１の測定空間２０５に密着して挿入されている一方、大気圧を検出する側すなわち第２の測定部５２は第２の測定空間３０に面して位置している。この圧力測定装置１はクーラントや切粉が散乱している環境下で使用されるため、電子部品や電源が搭載された第２の測定空間３０を密閉してこれらの環境から保護することは重要である。

しかしながら測定する対象が非常に高い圧力のエアであると、第１の測定空間２０５からセンサ５の構造によってはセンサ５を介してエア漏れが僅かではあるが生じる場合があり、これがセンサ５の第２の測定部５２が面している第２の測定空間３０に徐々に蓄積されて、第２の測定空間３０の内圧が上昇してしまうことがあった。さらに圧力エアの吹き出し口（主軸流路１０１）の数が多い主軸の場合、測定するチャンネル数が多くなってセンサ５の数が増えるとこの傾向が顕著となりやすい。

さらに電子部品や電源が搭載された第２の測定空間３０が比較的大きい図１１及び図１２に示した圧力エア測定装置１に対して、図１３及び図１４に示すように圧力エア測定装置１の軸方向を短くすると、電子部品や電源が搭載された第２の測定空間３０が小さくなるため、センサ５のエア漏れのばらつきも相まって第２の測定空間３０の圧力上昇が起こりやすいという傾向が見られた。故にセンサ５の大気圧側の圧力が初期状態から徐々に上昇した場合には測定値がドリフトして正確な値が測定できないという課題があった。

本発明は、上記の欠点を補って、センサの大気圧側部が配置された空間の内圧変化による圧力エアの測定値のドリフトを防止した圧力エア測定装置を得ることが目的である。

本発明に係る圧力エア測定装置は、
加工用工具が着脱可能な工作機械の主軸に設けられた主軸流路から吹き出される圧力エ
アの状態を測定する主軸に着脱可能な圧力エア測定装置であって、
第１の測定部及び第２の測定部を有して圧力エアの圧力及び流量の少なくとも１つを測
定するセンサと、
センサが配置されると共に、一方が主軸の吹き出し流路に繋がり他方が外部に開口する流路に繋がってセンサの第１の測定部が面する第１の測定空間と、センサの第２の測定部が面する閉じた第２の測定空間とを形成する筐体と、
第２の測定空間と外部との気体の出入りを自在にするように筐体に設けられた気体透過
性部材と、で構成されている。

第２の測定空間が略大気圧であって、センサが第１の測定部に加わる圧力と第２の測定部に加わる圧力との差によりこれを圧力エアの圧力値として出力することが好ましい。

第２の測定空間に、センサと電気的に接続される電気電子部品及び配線部材及び電源の少なくとも１つが配置されることが好ましい。

本発明に係る工作機械システムは、主軸に着脱可能な加工用工具を主軸に着脱する際、加工用工具の着脱部へ圧力エアを吹き出すための第１の流路を主軸に設けた工作機械と、主軸に装着される上記圧力エア測定装置とで構成されている。

この構成により、圧力エア測定装置のセンサの一部、配線部材、電源、制御回路基板などの電気電子部品をクーラント及び切粉の飛散から保護する筐体に、センサの一部である大気圧測定側が面する空間と外部との気体の出入りを可能にする気体透過性部材を設けることで、センサの大気圧測定側が配置されている空間の圧力変化による測定値のドリフトを防止した圧力エア測定装置を実現できる。

本発明の第１の実施形態を示した圧力エア測定装置と工作機械の主軸を示した外観斜視図 本発明の第１の実施形態を示す圧力エア測定装置の断面図 本発明の第１の実施形態を示す圧力エア測定装置のセンサ付近拡大詳細断面図 本発明の第２の実施形態を示す圧力エア測定装置の外観斜視図 本発明の第２の実施形態を示す圧力エア測定装置の断面図 本発明の第３の実施形態を示す圧力エア測定装置の外観斜視図 本発明の第３の実施形態を示す圧力エア測定装置の断面図 本発明の実施形態を示す工作機械システムの斜視構成図 従来の圧力測定装置と主軸の構成斜視図 従来の圧力測定装置と主軸の構成斜視図 本発明の第３の実施形態の基となった圧力測定装置の構成斜視図 本発明の第３の実施形態の基となった圧力測定装置の断面図 本発明の第１及び第２の実施形態の基となった圧力測定装置の構成斜視図 本発明の第１及び第２の実施形態の基となった圧力測定装置の断面図

以下、本発明による実施形態について、図面を基に詳細な説明を行う。

図１は本発明の第１の実施形態を示す圧力エア測定装置と工作機械の主軸の略位置関係を示した外観斜視図である。図２は圧力エア測定装置１を中央で切断した断面図である。図３は図２のＡ部の拡大詳細断面図である。図１〜図３を参照して本発明の圧力エア測定装置１の第１の実施形態を説明する。

ホルダ部２はテーパシャンク２ａとフランジ２ｂによって構成されており、圧力エア測定装置１は加工用工具が有している着脱部同様のホルダ部２を介して、工作機械の主軸１００に着脱可能である。

テーパシャンク２ａは、従来の図９及び図１０に示した圧力測定装置と同様に主軸１００の内部に引き込まれ、主軸１００にテーパシャンク２ａのテーパー面とフランジ端２ｃのフランジ端面２ｄの２面拘束で拘束される。本実施形態ではＪＩＳ Ｂ ６０６５−１，２規格による２面拘束形モジュラテーパホルダを用いているが、他の２面拘束形ホルダでも実施は可能である。

フランジ２ｂは、主軸１００の装着面１０２に接するフランジ端２ｃを有すると共に、テーパシャンク２ａと繋がっている。このホルダ部２は、マシニングセンタの所望の加工内容に応じて選択、交換するオートツールチェンジャにて工具マガジンに保管されている加工用工具にあるものと同様なものであって、本発明の圧力エア測定装置１でもこれを有している。

フランジ２ｂの主軸１００に当接する箇所はフランジ端２ｃであって、主軸１００に面するところには弾性部材２ｅが設けられ、主軸１００に接する面はフランジ端面２ｄである。本実施形態における弾性部材２ｅは、２つの円弧状のニトリルゴムの平板を使用している。この弾性部材２ｅは、ネジ１０によって固定されてフランジ端２ｃを構成していると共に、主軸１００の主軸流路１０１に対応した第２の流路２０２の一部が設けられている。なお弾性部材２ｅは、全部若しくは一部が上記のゴムのような弾性を有したものであれば良く、金属板にアウトサート成形若しくは金属板をインサート成形したような構成も可能である。またその形状は圧力エアの流路数等によって適宜変形が可能である。

筐体４ａは、ホルダ部２と後述の接続部材１３を介して繋がって、８系統のエア流路を有すると共に、圧力エアを検出する部材等が収納されている。筐体４ａは例えばカップ状の形状であって、材質はクーラント等による腐食を防止するためアルミ合金Ａ６０６１を用いている。図２では８系統の流路のうち２つの流路断面のみが示されているが、８系統の流路は全て同一形状で、カップ状の筐体４ａの中心軸を中心として放射状に形成されている。

フランジ端面２ｄを起点として、８系統の主軸流路１０１それぞれに対応して、第２の流路２０２が軸方向へ設けられている。第２の流路２０２は直線状であって連通して設けられている。

ホルダ部２と筐体４ａは、中間にある接続部材１３を介してボルトで固定され、接続部の気密がなされている。接続部材１３はゴムなどの弾性体からなる円盤状の板であって、ホルダ部２の第２の流路２０２と筐体４ａの第３の流路２０３を接続する穴が設けられていて、弾性体がパッキンの役割を成して気密が保たれている。なお本実施形態では、弾性部材２ｅを含んでいるフランジ２ｂ及び接続部材１３を連通した一連の流路を第２の流路２０２としている。一方、第３の流路２０３は直線状であって方向を変えて軸方向に対して斜め方向へ向かう流路形状となっている。

第１の測定空間２０５は第３の流路２０３と交差及び分岐して筐体４ａの軸中心方向へ向かって設けたものであり、センサ５の第１の測定部５ａがそれぞれ第１の測定空間２０５内に配置されていて、センサ５によって出力される信号を基に後述の制御回路基板９にて圧力エアの圧力値や流量値を演算して求めている。

第４の流路２０４は第３の流路２０３と繋がって、第３の流路２０３の延長線方向にさらに伸びて、直線状で外部へ開口して設けられている。よって第３の流路２０３と第４の流路２０４は直線状で直列の配置となっている。

筐体４ｂは円盤状の形状を成して、筐体４ａに対向して圧力エア測定装置１の内部の部材を覆うように設けられ、筐体４ａと筐体４ｂとの組合せによって第２の測定空間３０を構成する。圧力エア測定装置１はマシニングセンタなどの工作機械で使用されるため、クーラント及び切粉などが飛散する環境であって、これらから電気回路等を保護することが必要である。そのため、筐体４ａと筐体４ｂの間にＯリング８を挟みネジ止めすることで第２の測定空間３０を密閉している。

センサ５は、第１の測定部５ａと第２の測定部５ｂを有していて、センサ５の第１の測定部５ａは筐体４ａに設けられた第１の測定空間２０５内に不図示のシール材と共に密着挿入され配置されている。センサ５の第１の測定部５１は円柱状であって第１の測定空間２０５の壁面に対して密着挿入されて、この第１の測定空間２０５内の圧力を測定する。一方でセンサ５の第２の測定部５ｂは第２の測定空間３０側にあって第２の測定空間３０の圧力を測定する。したがって、センサ５は第１の測定空間２０５側に第１の測定部５１があって、第２の測定空間３０側に第２の測定部５２があって、センサ５を挟んで第１の測定空間２０５と第２の測定空間３０は対向隔離した状態となっている。

実際の測定に際しては、センサ５の第２の測定部５２は大気圧に面している必要があり、センサ５の第１の測定部５１で測定する圧力と大気圧の差圧により、第１の測定空間２０５内の圧力を測定することができる。本実施形態では、メトロダインマイクロシステム社製のアナログ気圧センサを用いている。そして筐体４ａには８系統のエア流路があるため、それぞれの経路に対してセンサ５が計８個設けられている。

配線部材６は８個のセンサ５の入出力配線を行う基板であって、個々に筐体４ａに固定されている。センサ５がこの基板上に実装されていて、センサ５の駆動用電源と圧力検出の出力電圧の電気配線がなされており、コネクタ及び不図示の電線ケーブルによって後述の制御回路基板９と接続されている。また配線部材６は、リジッドなベース材上に貼られたフレキシブル配線板であっても良く、制御回路基板９との接続配線部がこのフレキシブル配線板の延長部で構成されていても良い。

電源７は、不図示の電線ケーブル若しくは導電性の金属板など電気的に接続する手段により、センサ５及び制御回路基板９へ電力を供給している。本実施形態では充電可能な２次電池であって、ニッケル水素電池を用いている。電源７の種類は、センサ５及び制御回路基板９の消費電力や圧力エア測定装置１に要求される連続使用時間を考慮して適宜選択されるものである。

制御回路基板９は、センサ５へ駆動のための電力を供給すると共に、センサ５にて得られた電圧出力を受けて圧力エアの圧力値とこれを基に流量値を演算し、これを基に圧力エアの状態の測定値情報を生成して、この信号をＡ／Ｄ変換して、無線にて外部へ送信する。無線にて送信された信号は、専用の受信機、受信機を有するパーソナルコンピュータ、受信機を有する工作機械、若しくは工作機械に繋がって受信機を有するパーソナルコンピュータなどで受信及び復調されて、測定値がデータにて保管される。したがってこのような構成であれば予め測定値にしきい値を設けておき、しきい値以下であった場合、警告音を発したり、工作機械を停止させたりすることが可能である。さらに電源７の電圧やインピーダンスを所定の時間間隔でサンプリングして電源７の残量を監視し、電源７の残量が所定の値以下になった際に、残量不足の警告信号を無線にて送信して、充電を促す機能も有している。

気体透過性部材２０は、筐体４ｂに取り付けられていて、センサ５、配線部材６、電源７、制御回路基板９が格納された第２の測定空間３０と外部との空気の出入りを自在にする膜を有した部材である。この膜は通気性があり水や埃を通さない構造のメンブレンフィルタであって、例えば４フッ化エチレン樹脂の多孔質材でできている。したがって第２の測定空間３０を略大気圧に保つことが可能となり、第２の測定空間３０の圧力上昇を防止して測定値のドリフトを防止した圧力エア測定装置が実現できる。なお少なくとも第２の測定空間３０にセンサ５の第２の測定部５２が面していれば良いので、配線部材６、電源７、制御回路基板９などは別の空間に配置しても良いが、これらを第２の測定空間３０に配置することでクーラント及び切粉の飛散から保護すると共に組立て配線も容易にすることができる。

図４は本発明の第２の実施形態を示す圧力エア測定装置の外観斜視図である。図５は本発明の第２の実施形態を示す圧力エア測定装置１を中央で切断した断面図である。本発明の第２の実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同じであるため、相違点のみ記述する。

本発明の第１の実施形態においては、気体透過性部材２０は筐体４ｂに取り付けられていたが、本発明の第２の実施形態では筐体４ａの外周部に取り付けられている。筐体４ａも第２の測定空間３０を形成しているため、気体透過性部材２０は筐体４ａに取り付けることも可能である。

図６は本発明の第３の実施形態を示す圧力エア測定装置の外観斜視図である。図７は本発明の第３の実施形態を示す圧力エア測定装置１を中央で切断した断面図である。本発明の第３の実施形態の基本的な構成は第１及び第２の実施形態と同じであるため、相違点のみ記述する。

第３の実施形態は第１及び第２の実施形態と比較して、筐体４ａ及び筐体４ｂの直径が小さいものであって、その反面軸方向長は長くなり、圧力エア測定装置１に対して要求する機能や使用対象の工作機械の仕様によって適宜選択されるものである。

ホルダ部２の第２の流路２０２と筐体４ａの第３の流路２０３はＯリング１１を介して繋がっていて、筐体４ａの第３の流路２０３から直角に折れ曲がって第１の測定空間２０５がある。最終的には圧力エアは第４の流路２０４によって外部へ放出される。

筐体４ａと筐体４ｃは、双方設けられたネジによってＯリング８を介して締め付けられて第２の測定空間３０を形成し、センサ５、配線部材６、電源７、制御回路基板９等がこの第２の測定空間３０内に収められている。センサ５は円環状の配線部材６に直接実装されていて、配線部材６は不図示のコネクタ若しくは電線ケーブルにて制御回路基板９と接続されている。よってセンサ５の第２の測定部５２は第２の測定空間３０にあって、筐体４ｃに取り付けられた気体透過性部材２０によって気体の出入りは可能であって大気圧が保たれ、液体であるクーラント及び切粉の飛散からは保護される。

図８は、本発明の圧力エア測定装置を用いた工作機械システムの実施形態の斜視構成図である。圧力エア測定装置１は、工作機械５００内のマガジンに装着され、圧力エアの測定を行いたいタイミングでオートツールチェンジャによってマガジンから取り出されて主軸１００に装着され、主軸１００から吹き出される清掃用の圧力エアの測定値情報を無線によって送信している。パーソナルコンピュータ５０３は、圧力エアの測定値情報を受信する受信手段を有すると共に、受信した圧力エアの測定値情報から、工作機械を停止させるか否かを判断する判断手段と、この判断手段によって工作機械５００の制御部５０２へ停止を指令する指令手段を有している。

またパーソナルコンピュータ５０３は電源７の残量情報も同様に受信して、工作機械を停止させるか否かを判断する判断手段と、この判断手段によって工作機械５００の制御部５０２へ停止を指令する指令手段を有している。さらに警告をパーソナルコンピュータ５０３の画面に表示し、さらに警告音を発することもできる。工作機械５００の制御部５０２は、パーソナルコンピュータ５０３から工作機械の停止指令を受け取って実行すると共に、操作画面５０１や警告音にて警告も発することができる。

さらにこの実施形態の変形として、パーソナルコンピュータ５０３の役割を成すものが制御部５０２に組み込まれていても良い。したがって工作機械５００の制御部５０２は直接、圧力エア測定装置１から主軸１００の圧力エアの測定値情報及び電源７の残量情報を受けて工作機械５００の停止判断を行い、この判断によって停止指令を発して実行すると共に、操作画面５０１や警告音にて警告も発することができる。

本発明によれば、センサ、配線部材、電源、制御回路基板などの電気電子部品を液体であるクーラント及び切粉の飛散から保護する空間を形成しつつ、この空間と外部との気体のみの出入りを自在にする気体透過性部材を設けることで、この空間の圧力変動を防止して、精度の高い圧力エア測定装置を実現することができる。

さらにまた本発明による工作機械システムは、圧力エアの測定値のドリフトが低減できることから、精度の高い圧力エアの測定が可能であって、正常な状態にもかかわらず誤測定結果が生じたことによる確認時間の低減を実現できる。

本発明の活用例として、マシニングセンタなどの工作機械の保全ツールとしての適用が可能である。

１ 圧力エア測定装置
２ ホルダ部
２ａ テーパシャンク
２ｂ フランジ
２ｃ フランジ端
２ｄ フランジ端面
２ｅ 弾性部材
４ａ、４ｂ 筐体
５ センサ
５ａ 第１の測定部（センサ）
５ｂ 第２の測定部（センサ）
６ 配線部材
７ 電源
８ Ｏリング
９ 制御回路基板
１３ 接続部材
２０ 気体透過性部材
３０ 第２の測定空間（密閉空間）
４１ 筐体
４２ シリンダ
４３ ピストン
１００ 主軸
１０１ 主軸流路
１０２ 装着面
２０２ 第２の流路
２０３ 第３の流路
２０４ 第４の流路
２０５ 第１の測定空間
５００ 工作機械
５０１ 操作画面
５０２ 制御部
５０３ パーソナルコンピュータ
５０４ 工作機械システム

Claims (4)

1. 加工用工具が着脱可能な工作機械の主軸に設けられた主軸流路から吹き出される圧力エアの状態を測定する前記主軸に着脱可能な圧力エア測定装置であって、
   第１の測定部及び第２の測定部を有して前記圧力エアの圧力及び流量の少なくとも１つを測定するセンサと、
   前記センサが配置されると共に、一方が前記主軸の前記吹き出し流路に繋がり他方が外部に開口する流路に繋がって前記センサの前記第１の測定部が面する第１の測定空間と、前記センサの前記第２の測定部が面する閉じた第２の測定空間とを形成する筐体と、
   前記第２の測定空間と前記外部との気体の出入りを自在にするように前記筐体に設けられた気体透過性部材と、
   を有することを特徴とする圧力エア測定装置。
2. 前記第２の測定空間が略大気圧であって、前記センサが前記第１の測定部に加わる圧力
   と前記第２の測定部に加わる圧力との差によりこれを前記圧力エアの圧力値として出力することを特徴とする請求項１に記載の圧力エア測定装置。
3. 前記第２の測定空間に、前記センサと電気的に接続される電気電子部品及び配線部材及
   び電源の少なくとも１つが配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力エア測定装置。
4. 主軸に着脱可能な加工用工具を前記主軸に着脱する際、前記加工用工具の着脱部へ圧力
   エアを吹き出すための主軸流路を前記主軸に設けた工作機械と、
   前記主軸に装着される請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力エア測定装置と、
   を有することを特徴とする工作機械システム。