JP6569075B2 - 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、エア吹き出し孔の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４及び図５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、圧力エアの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４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５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第１の流路１０１に合わせた位置で、ホルダ部２と繋がって圧力エア測定部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エア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。

圧力エア測定装置のフランジ端面２ｄは、工作機械の主軸１００の装着面１０２と当接して、圧力エア測定装置は堅く装着される。工作機械の主軸１００のおかれている環境はクーラントミストや切削の金属粉などが飛び交うものであり、頻繁な工具の交換があって装着面１０２にバリが生じていたり、傷が付いて凹みができていたりする。このような状態の主軸１００に圧力エア測定装置が装着されると、装着面１０２とフランジ端面２ｄとの間に隙間が生じ、エア漏れが生じて誤検出となってしまう。また圧力エア測定装置側のフランジ端２ｃのフランジ端面２ｄにも傷が付いてしまうことも発生し、エア漏れの流路がフランジ端面２ｄに形成されるため、恒久的にも圧力エア測定の誤検出を起こす原因となっていた。

本発明は、上記の欠点を補って、工作機械の主軸の加工用工具装着面にバリや凹みが発生している時に圧力エア測定装置が装着されて圧力エアの状態の測定を行う際にも、エア漏れによる誤検出を防止できる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、工作機械の主軸に設けられた第１の流路から、主軸に着脱可能な加工用工具の着脱部へ吹き出された圧力エアの状態を測定する圧力エア測定装置において
圧力エア測定装置は、
主軸に着脱可能に当接するフランジ端及び、第１の流路に繋がる第２の流路を有するホルダ部と、
ホルダ部と繋がって第２の流路から導かれた圧力エアの圧力及び流量の少なくとも１つを測定する手段が設けられた圧力エア測定部と、
を有し、
フランジ端が、第２の流路の一部を形成する交換可能な弾性部材を含んで構成され、
フランジ端の弾性部材は、主軸に拘束される面を有して配置され、ホルダ部が主軸に拘束された時には圧力エアの漏れを防止するように主軸と圧力エア測定装置との密着を保って変形するように構成されている。

また弾性部材の全部若しくは一部が、ニトリルゴム、水素添加ニトリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、クロロプレンゴムのいずれかで構成されていることが好ましい。

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、工作機械の主軸の加工用工具装着面にバリや凹みが発生している時でも、弾性部材が変形して主軸と圧力エアを測定する部分との密着性を確保することができるので、圧力エア測定装置が装着されて圧力エアの状態の測定を行う際にエア漏れによる誤検出を防止できる。また弾性部材は容易に交換できるため、定期的な交換により常に良好な主軸と圧力エア測定装置との密着性を保つことが可能となる。

本発明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 本発明の実施形態を示した圧力エア測定装置の断面図 本発明の実施形態を示した工作機械システムの斜視構成図 従来の圧力エア測定装置と主軸の構成斜視図 従来の圧力エア測定装置と主軸の構成斜視図

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は本発明の実施形態を示した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１〜図２を参照して本発明の圧力エア測定装置１の実施形態を説明する。なお本発明の圧力エア測定装置１は、図４及び図５に示した従来実施形態のメカニカルな部分を電気的なものに置き換えたものであるが、これに限定されるものでは無い。

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、従来例の図４及び図５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。弾性部材２ｅの材質はこれに限るものでは無いが、クーラント等が飛散する環境であるため、ニトリルゴム、水素添加ニトリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、クロロプレンゴムのような耐油性があって気密が保たれるものが好ましい。また弾性部材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の第１の流路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。

カバーケース３は円盤状の形状を成して、圧力エア測定部４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、Ｏリング８によってその気密が保たれている。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ための気密性を保つことが必要である。

圧力エア測定部４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。圧力エア測定部４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、カップ状の圧力エア測定部４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系統の第１の流路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と圧力エア測定部４は、中間にある接続部材１３を介してボルトで固定されている。境界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と圧力エア測定部４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。

測定空間２０５は第３の流路２０３と交差及び分岐して圧力エア測定部４の軸方向へ向かって設けたものであり、圧力センサ５がそれぞれ測定空間２０５内に配置されていて圧力センサ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。

圧力センサ５は、圧力エア測定部４に設けられた測定空間２０５内に不図示のシール材と共に挿入されて、この空間内の圧力を測定する。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。そして圧力エア測定部４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圧力センサ５が計８個設けられている。

配線基板６は８個の圧力センサ５の入出力配線を行う基板であって、個々に圧力エア測定部４の内部にて固定されている。圧力センサ５がこの基板上に実装されていて、圧力センサ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。また配線基板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、圧力センサ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、圧力センサ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、圧力センサ５へ駆動のための電力を供給すると共に、圧力センサ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。

図３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第１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の加工エリア内にあって主軸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、圧力エア測定装置１が使用される環境は、クーラントのミスト若しくは加工の際に生ずる被加工物の切粉等が飛散しており、主軸１００の装着面１０２にバリが生じていたり、傷が付いて凹みが生じていたりする場合がある。この状況においても、主軸１００の装着面１０２に当接する圧力エア測定装置１のフランジ端２ｃが弾性部材２ｅで構成されており、弾性部材２ｅが変形してバリや凹みを吸収するため、これらの影響を受けずに圧力エアの状態の測定が可能となる。また弾性部材２ｅは容易に交換可能であるため、弾性部材２ｅに傷が付くなどの損傷が起こっても即座に交換して再測定することができる。

さらにまた本発明による工作機械システムは、主軸と圧力エア測定装置間でのエア漏れを防止できるため、圧力エア測定の誤検出が低減でき、メンテナンス時間が短縮されるので加工に要する時間以外のロス時間を低減することができる。

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
３ カバーケース
４ 圧力エア測定部
５ 圧力センサ
６ 配線基板
７ 電源
８ Ｏリング
９ 制御回路基板
１０ ネジ
１３ 接続部材
４１ 圧力エア測定部
４２ シリンダ
４３ ピストン
１００ 主軸
１０１ 第１の流路
１０２ 装着面
２０２ 第２の流路
２０３ 第３の流路
２０４ 第４の流路
２０５ 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 (3)

1. 工作機械の主軸に設けられた第１の流路から、前記主軸に着脱可能な加工用工具の着脱部へ吹き出された圧力エアの状態を測定する圧力エア測定装置において
   前記圧力エア測定装置は、
   前記主軸に着脱可能に当接するフランジ端及び、前記第１の流路に繋がる第２の流路を有するホルダ部と、
   前記ホルダ部と繋がって前記第２の流路から導かれた前記圧力エアの圧力及び流量の少なくとも１つを測定する手段が設けられた圧力エア測定部と、
   を有し、
   前記フランジ端が、前記第２の流路の一部を形成する交換可能な弾性部材を含んで構成され、
   前記フランジ端の前記弾性部材は、前記主軸に拘束される面を有して配置され、前記ホルダ部が前記主軸に拘束された時には前記圧力エアの漏れを防止するように前記主軸と前記圧力エア測定装置との密着を保って変形することを特徴とする圧力エア測定装置。
2. 前記弾性部材の全部若しくは一部が、ニトリルゴム、水素添加ニトリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、クロロプレンゴムのいずれかで構成されてい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. 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第１の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２のいずれかに記載の圧力エア測定装置と、
   を有したことを特徴とする工作機械システム。