JP7036726B2 - 切削工具のためのセンサーモジュール、工具ホルダー、及び切削アッセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、センサーモジュール、工具ホルダー、切削工具、切削アッセンブリ、および、切削工具の変位を測定する方法に関する。

たとえば、マシンの利用および機械加工の生産性を最適化し、プロセスの信頼性を改善し、工具破損を防止するために、機械加工プロセスをモニタリングすることが知られている。

プロセスモニタリングは、工具ホルダーまたは工作機械スピンドルの上に装着されるセンサーの実装を通じて実現される場合があり、センサーは、切削力もしくはトルク、または、他のプロセスパラメーターを獲得する。しかし、そのような測定は、スピンドル、工具ホルダー、および切削工具インターフェースにおけるシステム剛性および慣性の変化に起因して、大規模な較正およびエラーの修正を必要とする。米国特許第８１１３０６６号明細書は、力測定システムを開示しており、そこでは、歪みセンサーを含む測定ハブアッセンブリが、アダプターピースとして工作機械のチャックの中へ挿入され、切削工具が、測定ハブの内部チャックの中へ挿入されている。測定される歪みは切削力と複雑な関数関係になっており、したがって、切削力を決定するためにかなりの分析が必要とされる。

そのうえ、工具ホルダーの上に配置されている歪みセンサーは、工具先端部の変位を正確に測定するためには使用することができない。その代わりに、変位は、数学的モデルを使用することによって、測定された力に基づいて計算されなければならない。

したがって、プロセスパラメーターの正確さ、および、とりわけ、工具ホルダーの上に装着されている歪みセンサーから決定される、工具先端部変位の正確さは不十分であることが多く、または、少なくとも大きな不確かさの影響を受けることが多い。

本発明の目的は、先行技術の欠点を緩和することであり、また、工具先端部変位および切削力などのような、機械加工プロセスに関するプロセスパラメーターの正確な決定を促進させる手段を提供することである。

したがって、本発明は、切削工具のための工具ホルダー用のセンサーモジュールに関する。センサーモジュールが、切削工具が接続されている工具ホルダーに配置されたとき、切削工具の軸方向部分は、センサーモジュールに対して所定の静止位置に位置決め可能である。センサーモジュールは、少なくとも１つの位置センサーを備え、センサーモジュールが、切削工具が接続されている工具ホルダーに配置されたとき、位置センサーは、静止位置に対する切削工具の変位を測定するために、切削工具の軸方向部分から半径方向に間隔を置いて位置付けされている。

したがって、工具ホルダーに対する切削工具の変位に直接的に対応するセンサー信号が、機械加工の間に得られ得る。そのようなセンサー信号は、工具先端部の変位（たとえば、軸方向の変位、半径方向の変位、または捩じり方向の変位）およびそれに対応する切削力の正確な決定のために利用され得る。そのようなプロセスパラメーターは、さまざまな条件、たとえば、切削工具またはワークピースの条件を示すことが可能であり、パラメーターは、工作機械オペレーターに提供され得、および／または、機械加工プロセスを自動的に制御するための制御システムへの入力として使用され得る。

センサーモジュールは、軸方向部分を有する任意の切削工具とともに使用するための多くの異なる種類の工具ホルダーに適用され得る。そのような切削工具は、実質的に円筒形状を有することが多く、たとえば、中実の切削工具、または、交換可能なもしくはインデキサブル式（ｉｎｄｅｘａｂｌｅ）切削インサートもしくは切削先端部を有する切削工具であることが可能であり、フライス工具、ドリリング工具、タッピング工具、および中ぐり工具などのような、回転式切削工具を含む。センサーモジュールがそのような回転式切削工具のための回転式工具ホルダーに適用されるときには、センサーモジュールは、ワークピースの機械加工の間に、工具ホルダーおよび切削工具とともに回転することとなる。

切削工具の軸方向部分は、変位が測定される部分として理解されるべきであり、この部分は、切削工具の中心軸に沿って、切削工具の切削部分とシャンク部分との間に位置付けされている。したがって、軸方向部分は、機械加工の間にワークピースと係合するように意図されている部分と、工具ホルダーに直接的に接続される（たとえば、工具ホルダーの中にクランプされるか、または、他の手段によって工具ホルダーに接続される）部分との間のどこかに位置付けされている、切削工具の一部である。

切削工具に関連して本明細書で使用される「変位」という用語は、任意の種類の変位を表し、軸方向の変位、半径方向の変位、および回転方向の（すなわち、捩じり方向の）変位を含む。

センサーモジュールは、工具ホルダーに取り付け可能な別個のセンサーユニットとして形成されてもよく、または、取り外し不可能な一体化された工具ホルダーのパーツとして形成されてもよい。センサーモジュールは、２つ以上の位置センサー、たとえば、２つの、３つの、または４つの位置センサーを含むことが可能である。センサーモジュールは、複数の個別に配置可能なセンサーユニットを含むことが可能であり、それぞれのセンサーユニットは、それぞれのセンサーユニットに配置されている１つまたは複数の位置センサーを有している。したがって、センサーモジュールは、多くの異なる形態をとることが可能である。すべての実施形態に共通するのは、センサーモジュールが、切削工具が接続されている工具ホルダーに配置されたとき、位置センサーが切削工具の軸方向部分から半径方向に間隔を置いて位置付けされるように、少なくとも１つの位置センサーがセンサーモジュールの中に配置されることである。

位置センサーは、少なくとも１つの方向に切削工具の軸方向部分の位置変化を検出することができる任意の種類のセンサーであることが可能である。

切削工具の静止位置は、機械加工が起こっていないときに、切削工具によって取られる位置に対応することが可能である。この静止位置は、機械加工が起こっていないときに一度に少なくとも１つの位置センサーによって感知される、切削工具の軸方向部分の半径方向の位置、回転方向の位置、および軸方向の位置のうちの１つまたは複数によって規定され得る。したがって、静止位置は、センサーモジュールに対して（ひいては、センサーモジュールが配置されている工具ホルダーにも対して）規定される切削工具の軸方向部分の第１の位置に対応している。切削工具の変位は、結果として、センサーモジュールに対して（ひいては、工具ホルダーに対して）切削工具の軸方向部分の第２の位置を生じさせることとなり、この第２の位置は、１つまたは複数の方向に（たとえば、軸方向に、半径方向に、および／または接線方向に）、第１の位置とは異なっている。

少なくとも１つの位置センサーは、
－ 切削工具の軸方向部分までの半径方向の距離を感知することによる、半径方向の変位、
－ 切削工具の軸方向部分の接線方向の移動を感知することによる、回転方向の変位、および、
－ 切削工具の軸方向部分の軸方向の移動を感知することによる、軸方向の変位、
のうちの１つまたは複数を測定するように配置され得る。

センサーモジュールは、２つ以上の位置センサーを含むことが可能であり、２つ以上の位置センサーは、少なくとも半径方向の変位を測定するように配置されており、センサーは、切削工具の軸方向部分の周囲に関して円周方向に間隔を置いて配置されており、円周方向に隣接しているセンサーは、１８０度未満の角度だけ間隔を置いて配置されている。好ましくは、センサーは、おおよそ９０度だけ円周方向に間隔を置いて配置されている。

したがって、切削工具の軸方向部分までの距離は、少なくとも２つの非平行の半径方向で測定され得る。このようにセンサーを配置するときには、任意の方向への半径方向の変位が、簡単な三角法の関係を用いることによって、２つだけのセンサーを使用して測定され得る。位置センサー同士の間におおよそ９０度の円周方向の間隔を適用する場合には、変位が、任意の半径方向に同じ精度で決定され得る。

センサーモジュールは、位置センサーの第１のペアを含むことが可能であり、位置センサーの第１のペアは、少なくとも回転方向の変位または少なくとも軸方向の変位を測定するように配置されており、第１のペアの位置センサーは、切削工具の軸方向部分の周囲に関して、おおよそ１８０度の角度だけ、円周方向に間隔を置いて配置されている。

この配置によって、回転方向の変位または軸方向の変位が、ペアの両方の位置センサーからの信号を分析することによって、半径方向の変位から分離され得る。回転方向の変位または軸方向の変位を測定するように意図されている単一の位置センサーは、いくつかの状況では、半径方向の変位を検出することが可能であるが、回転方向の変位または軸方向の変位によって引き起こされる信号からそのような信号を分離することはできない。しかし、たとえば、センサー信号の総和または平均値（すなわち、２で割られた総和）を考慮することによって、ペアの両方のセンサーからの信号を分析するときに、回転方向の変位または軸方向の変位が、半径方向の変位から分離され得る。これは、回転方向のまたは軸方向の位置変化が、結果としてペアの両方のセンサーにおいて同様のセンサー信号を生じさせることとなり、一方、半径方向の位置変化は、それに対応するが反対の符号を伴う信号を生み出し、それによって、互いに打ち消し合うこととなるからである。

また、センサーモジュールは、位置センサーの第２のペアを含むことが可能であり、位置センサーの第２のペアは、少なくとも回転方向の変位または少なくとも軸方向の変位を測定するように配置されている。また、第２のペアの位置センサーは、切削工具の軸方向部分の周囲に関して、おおよそ１８０度の角度だけ、円周方向に間隔を置いて配置されているが、第２のペアの位置センサーは、第２のペアのそれぞれの位置センサーが第１のペアのそれぞれの位置センサーからおおよそ９０度の角度だけ円周方向に間隔を置いて配置されるように配置されている。

したがって、第１のペアが回転方向の変位を測定するように配置されており、第２のペアが軸方向の変位を測定するように配置されている場合には（または、その逆も同様）、センサーモジュールは、軸方向の変位および回転方向の変位の両方を測定するために使用され得る。代替的に、第１のペアおよび第２のペアの両方のすべてのセンサーは、回転方向の変位だけ、または、軸方向の変位だけを測定するために配置され得る。第１および第２のペアの位置センサーは、半径方向の変位を測定するようにも配置され得る。これは、第１および第２のペアの位置センサーが回転方向の変位および／または軸方向の変位だけでなく、切削工具までの半径方向の距離も測定することができる場合に、可能となる。代替例として、センサーモジュールは、半径方向の変位を測定するための別個のセンサーを含むことが可能である。

少なくとも１つのセンサーは、たとえば、誘導性センサー、光学センサー、磁気センサー、容量センサー、または超音波センサーであることが可能である。

これらのセンサーのいずれかを使用することによって、切削工具の軸方向部分の位置変化が、非接触式に、かつ高い精度で測定され得る。そのうえ、壊れやすいまたは高価なパーツを工具自体に装着する必要がない。磁気位置センサーは、たとえば、ホール効果センサー、渦電流センサー、または磁気抵抗センサーであることが可能である。

センサーモジュールは、スリーブ形状の部分を含むことが可能であり、センサーモジュールは、工具ホルダーに接続された切削工具の軸方向部分がスリーブ形状の部分を通って延在するように、工具ホルダーに取り付け可能であり得る。少なくとも１つの位置センサーは、スリーブ形状の部分の内側表面に配置され得る。

部分的にスリーブ形状のセンサーモジュールを使用することによって、工具ホルダーに容易にフィットできるロバストなセンサーモジュールが得られる。センサーモジュールが、切削工具が接続されている工具ホルダーに配置されたとき、スリーブ形状の部分の内側表面は切削工具に面している。スリーブ形状の部分は、チューブ状のスリーブの形態を有することが可能であり、そこでは、内側表面が、チューブ状のスリーブの内側周囲に対応している。

別の態様によれば、本発明は、本明細書で説明されるセンサーモジュールを含む、切削工具のための工具ホルダーに関する。また、工具ホルダーは、工具ホルダー本体部を備え、工具ホルダー本体部は、後部カップリング端部分および前部工具端部分、ならびに、後部カップリング端部分と前部工具端部分との間に延在する工具ホルダー中心軸を有し、センサーモジュールは、工具端部分に配置されている。カップリング端部分は、工作機械に取り付け可能である。工具端部分は、切削工具接続部分を含む。

工具ホルダーは、センサーモジュールが配置可能になっている、切削工具のための任意の種類の工具ホルダーであることが可能である。工具ホルダーのカップリング端部分は、工作機械タイプに応じて、たとえば、スピンドル、タレット、または工具ポストを介して、工作機械に取り付け可能である。工具ホルダーのカップリング端部分は、任意の従来のタイプのものであることが可能であり、または、たとえば、Ｃｏｒｏｍａｎｔ Ｃａｐｔｏ（登録商標）もしくはＨＳＫなどのような、モジュール式のクイックチェンジツーリングシステムに適合され得る。

工具端部分は、カップリング端部分の反対側にあり、また、工具ホルダーに接続されているときに、切削工具がそこから延在する部分である。切削工具は、工具端部分から前方方向に延在することが可能である。

工具ホルダーは、工具ホルダーの工具端部分の一体化されたパーツとして、センサーモジュールを含むことが可能である。したがって、センサーモジュールは、すでに工具ホルダーの製造の間に、工具ホルダーの一体パーツとして形成され得る。代替的に、工具ホルダーの工具端部分は、取り外し可能にまたは取り外し不可能にセンサーモジュールを保持するための手段を含むことが可能である。センサーモジュールは、さまざまな異なる方式で、たとえば、スクリュー、ボルト、接着、ろう付け、はんだ付けなどによって、工具ホルダーの工具端部分に配置され得る。

切削工具接続部分は、切削工具が接続されるかまたは接続可能である部分である。したがって、切削工具接続部分は、切削工具が取り外し不可能に接続されるか、もしくは、切削工具がしっかりとクランプされ得る、工具ホルダーの部分に対応するか、または、そのような部分の最も前方のパーツに対応することが可能である。

センサーモジュールは、工具端部分に配置されており、少なくとも１つの位置センサーが、工具ホルダー本体部の軸方向に、切削工具接続部分の前方に位置付けされるようになっている。

工具ホルダーは、変位センサーを含むことが可能であり、変位センサーは、工具ホルダーの切削工具接続部分に接続された切削工具が切削工具接続部分に対してスリップしているかどうかを検出するように配置されている。代替的に、変位センサーは、センサーモジュールの一部として配置され得る。

変位センサーを使用することによって、工具ホルダーの中の工具のスリップが、位置センサーによって測定される変位から分離され得る。たとえば、切削工具の軸方向部分の回転位置変化が、位置センサーによって検出され、同時に、対応する信号が変位センサーから得られる場合には、工具が、たとえば、不十分なクランピングに起因して、工具ホルダーの中で実際に回転しており、また、捩じり方向に偏向していないと結論付けられ得る。変位センサーは、工具ホルダーに接続されている切削工具のスリップを検出できる任意の種類のセンサーであることが可能であり、また、たとえば、誘導性センサー、光学センサー、容量センサー、磁気センサー、超音波センサー、または機械的なセンサーであることが可能である。変位センサーは、変位を検出するために使用されるが、切削工具接続部分のより近くに配置されている、位置センサーと同様の種類のものであることが可能である。

工具ホルダーは、実質的に円筒形状を有することが可能である。

工具ホルダーはチャックであることが可能であり、その場合には、切削工具接続部分は、チャックの軸方向スペースであることが可能であり、この軸方向スペースの中に、切削工具のシャンク端が受け入れられてクランプされ得る。切削工具接続部分は、シャンクがその中にクランプされる軸方向スペースの最も前方のパーツとしてみなされ得る。

工具ホルダーは、ドリリング工具、フライス工具、中ぐり工具、またはタッピング工具などのような、回転式切削工具のための工具ホルダーであることが可能である。

センサーインターフェースは、位置センサーから信号を受信するために、および、オンボード処理手段、たとえば、マイクロプロセッサーに信号を搬送するために配置され得る。処理手段は、測定される変位をハンドリングおよび評価することが可能であり、また、適当なときには、たとえば、センサーデータまたは任意の関連の情報を外部コンピューターおよび／または制御システムへ伝送することなどのような、イベントをトリガーすることが可能である。センサーデータの分析は、オンボード処理手段、または、データが伝送される外部コンピューターのいずれかにおいて行われることが可能である。したがって、センサーデータを伝送するために、センサーモジュールまたは工具ホルダーは、適切な手段を含むことが可能である。例として、ワイヤレス伝送のためのラジオモジュールが用いられ得る。ワイヤレス伝送は、光学的なまたはラジオベースの（たとえば、Ｗｉ－ＦｉまたはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ）伝送技術に基づくことが可能である。したがって、回転可能なパーツと固定型パーツとの間のワイヤーによって信号を伝送する必要なしに、センサーデータが伝送され得る。

１つまたは複数のバッテリーなどのようなオンボード電源が、センサーおよびすべての他の電子部品に電力を供給するために使用され得る。

電源、ラジオモジュール、処理手段、センサーインターフェース、および、任意の他の電子部品が、センサーモジュールの中に一体化され得る。代替的に、部品のうちのすべてまたはいくつかは、工具ホルダーのいくつかの他のパーツに配置され得る。センサー信号を搬送するための導線は、好ましくは、位置センサーからセンサーインターフェースへ配置される。

センサーモジュールにまたは工具ホルダーに配置され得る追加的な電子部品は、たとえば、充電ユニット、および、オンボードバッテリーの充電を可能にするための対応するインターフェースである。

電子デバイスのうちのすべてまたはいくつかは、センサーモジュールまたは工具ホルダーに装着されたプリント回路基板に配置され得る。

保護カバーが、工具ホルダーおよびセンサーモジュールの上および周りに配置され得、位置センサーおよびすべての電子部品が保護されるようになっている。このようにすると、工具ホルダーは、必要とされるロバスト性を有し、また、従来の工具ホルダーに非常によく似ることとなる。

別の態様によれば、本発明は、本明細書で説明される工具ホルダーの中で使用するための切削工具に関する。切削工具は、切削端、シャンク端、および、切削端とシャンク端との間の軸方向部分を含むことが可能である。シャンク端は、工具ホルダーの切削工具接続部分に接続可能であり得る。切削工具は、軸方向部分に配置されている少なくとも１つのピックアップを含むことが可能である。

ピックアップを使用することによって、切削工具の軸方向部分の回転方向の変位および／または軸方向の変位が、非常に高い精度で測定され得る。一般的に、ピックアップは、位置センサーによって読み取り可能なパターンを含む。好ましくは、ピックアップは、工具のバランスに影響を与えないために、切削工具の軸方向部分に対称的に配置される。切削工具は、任意の種類の切削工具、たとえば、中実の切削工具、または、交換可能なもしくはインデキサブル式切削インサートもしくは切削先端部を有する切削工具であることが可能であり、フライス工具、ドリリング工具、タッピング工具、および中ぐり工具を含む。

ピックアップは、たとえば、多極磁石または光学的に読み取り可能なパターンを含むことが可能である。したがって、軸方向部分の回転方向の変位および／または軸方向の変位は、特定の種類の磁気センサーおよび／または光学センサーを使用して測定され得る。センサーモジュールがホール効果センサーなどのような磁気センサーを含むときには、多極磁石を含むピックアップが使用され得る。それに対応して、センサーモジュールが光学センサーを含むときには、光学的に読み取り可能なパターンを含むピックアップが使用され得る。光学センサーによって読み取り可能なパターンは、たとえば、交互に入れ替わる光および闇のストライプの形態の、交互に入れ替わる闇（たとえば、黒色）および光（たとえば、白色）のパッチを含むことが可能である。また、より複雑なパターンが使用され得る。より複雑なパターンは、分解能を改善することが可能であり、したがって、測定される変位の精度を改善することが可能である。位置変化を感知するためにそのようなパターンを読み取ることができるさまざまな種類の光学センサーが存在している。そのような光学センサーは、フォトダイオードアレイ、または、ピックアップから反射される光を検出するための他の手段を含むことが可能である。

ピックアップは、切削工具の軸方向部分に円周方向に配置される、たとえば、軸方向部分の表面に円周方向に取り付けられる、可撓性の材料から形成され得る。したがって、ピックアップは、容易に、切削工具に対称的に配置される。好ましくは、ピックアップは、必要以上に工具の特性に影響を与えないように、可能な限り薄くて軽量である。たとえば、ピックアップは、多極磁石テープもしくはストリップ、または、光学的に読み取り可能なパターンを含むテープもしくはストリップであることが可能である。

また、ピックアップは、切削工具の軸方向部分の一体化されたパーツであることが可能である。たとえば、切削工具の表面の一体化されたパーツになるように、多極磁石が、切削工具の軸方向部分の表面の中に形成された切り欠き部の中に円周方向に配置され得る。そのような配置によって、ピックアップは、ピックアップのない通常の切削工具から視覚的に区別できない可能性さえもある。

ピックアップは、レーザーマーキング、エッチング、またはペインティングによって軸方向部分に提供される、光学的に読み取り可能なパターンを含むことが可能である。これによって、光学的に読み取り可能なパターンは、切削工具の軸方向部分の表面の上に直接的に提供される。したがって、ピックアップは、切削工具の一体化されたパーツとして切削工具に配置されており、別個のテープ、ストリップ、または、パターンの他の担体を切削工具に取り付けられる必要がない。そのようなピックアップは、切削工具の特性に対して最小の影響を有する。用いられ得るレーザーマーキング技法の例は、レーザー彫刻である。

別の態様によれば、本発明は、本明細書で説明される工具ホルダーと、切削端、シャンク端、および、切削端とシャンク端との間の軸方向部分を含む切削工具とを含む、切削アッセンブリに関し、切削工具のシャンク端は、工具ホルダーの切削工具接続部分に接続されている。

そのような切削アッセンブリは、チャックであることが可能であり、センサーモジュールがチャックに配置され、切削工具がチャックの中に取り外し可能に保持されている。代替的に、切削アッセンブリは、センサーモジュールとともに工具ホルダーに取り外し不可能に固定された切削工具を含むことが可能である。そのような切削アッセンブリは、たとえば、一体化された切削工具および工具ホルダーであることが可能であり、そこでは、切削工具が、工具ホルダーに取り外し不可能に接続され得、たとえば、工具ホルダーと一体的に形成され得る。

切削アッセンブリの工具ホルダーのカップリング端部分は、任意の従来のタイプのものであることが可能であり、または、Ｃｏｒｏｍａｎｔ Ｃａｐｔｏ（登録商標）もしくはＨＳＫなどのような、モジュール式のクイックチェンジツーリングシステムに適合され得る。そのようなシステムでは、カップリング端部分は、たとえば、切削アッセンブリが変更されている間にマシンの中に留まることが意図される基本的なホルダーを介して工作機械スピンドルに取り付け可能であり得る。

切削アッセンブリの切削工具は中心軸を有することが可能であり、中心軸は、切削工具が静止位置にあるときに、工具ホルダー中心軸と一致する。

切削アッセンブリの切削工具は、軸方向部分の外側表面に配置されているピックアップを含む、本明細書で説明される切削工具であることが可能である。

別の態様によれば、本発明は、工具ホルダーの中の切削工具の変位を測定する方法に関する。方法は、
－ 機械加工が起こっていない状態で、工具ホルダーの中の切削工具の静止位置を決定するステップと、
－ 切削工具によってワークピースを機械加工するステップと、
－ ワークピースの機械加工の間に切削工具の静止位置に対する変位を測定するステップと
を含む。

静止位置に対する変位を測定するステップは、工具ホルダーに配置されている少なくとも１つの位置センサーによって実施され得る。

切削工具のための工具ホルダーに配置されているセンサーモジュールの例を示す図である。 図１のセンサーモジュールおよび工具ホルダーと、工具ホルダーに接続されている切削工具とを含む、切削アッセンブリの側面図である。 図２の切削アッセンブリの断面図である。 本発明の一実施形態による切削工具を示す図である。 図４に示されている切削工具の側面図である。 切削アッセンブリの代替的な一実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態による方法を図示するフローチャートである。

切削工具のための工具ホルダーの１つの例が、図１に示されている。この例は、切削工具のための回転可能な工具ホルダー、このケースでは、チャック１を示している。工具ホルダーは、前部工具端部分３と後部カップリング端部分４との間に延在する中心軸２を有している。工具ホルダーのカップリング端部分は、このケースでは、Ｃｏｒｏｍａｎｔ Ｃａｐｔｏ（登録商標）カップリングを介して工作機械スピンドル（図示せず）に取り付け可能である。内部軸方向スペースが、工具端部分における開口部からチャック１の中へ延在している。軸方向スペースは、エンドミルまたはドリルなどのような、切削工具（図示せず）のシャンクを受け入れてクランプするように適合されている。工具端部分は、切削工具接続部分５を含み、切削工具接続部分５は、このケースでは、切削工具のシャンクがクランプ可能になる部分である。測定の目的のために、切削工具接続部分５の最前点の軸方向場所は、本明細書の他の場所で説明されるように、切削工具の変位を測定するときに基準とみなされ得る。工具ホルダーは、センサーモジュール６を含み、センサーモジュール６は、工具端部分の、切削工具接続部分の前方に配置されている。センサーモジュール６は、上部パーツ２３および底部パーツ２４を有しており、上部パーツ２３は、実質的にチューブ状のスリーブのような形状であり、底部パーツ２４は、チャックのフィクシングパーツ２５の形状に対応する不規則的な形状を有している。センサーモジュールは、このケースでは、スクリュー貫通穴２６を使用して、工具ホルダー１のフィクシングパーツ２５にしっかりと取り付けられている。４つの位置センサー７（４つの位置センサー７のうちの２つを図に見ることができる）が、センサーモジュール内のキャビティーの中に配置されており、センサーがセンサーモジュールの中の内部スペースに面するようになっている。したがって、位置センサー７は、センサーモジュールの内側円周方向表面の周りに位置付けされており、円周方向に隣接するどの２つのセンサーの間にも９０度の均等な間隔を伴う。

この例示的な実施形態によれば、位置センサー７は、切削工具までの距離、ひいては、半径方向の変位を測定するために使用される誘導性センサーである。図１～図３に示されている誘導性位置センサー７は、単に概略的に図示されており、誘導性センサーの実際のサイズ、延在、および形状は、異なっている可能性がある。

導線（図示せず）が、位置センサーからセンサーインターフェースまで延在しており、センサーインターフェースは、工具ホルダーの上に装着されたプリント回路基板８に配置されている。

工具ホルダーのフィクシングパーツ２５の形状は、位置センサーから回路基板まで延在する導線を収容するように適合されており、また、チャック１およびセンサーモジュール６の上に保護カバー（図示せず）を装着するのを容易にするように適合されている。

回路基板８は、位置センサーからのデータをハンドリングおよび処理するためのマイクロプロセッサーを含む。任意の関連の切削プロセスパラメーターの計算がマイクロプロセッサーで実施され得る。代替的にまたは追加的に、そのような計算は、外部コンピューターで実施され得、位置センサーから生じる任意のデータが、外部コンピューターに送られ得る。この目的のために、回路基板はラジオユニットも含み、ラジオユニットは、処理済みのおよび／または未処理のセンサーデータをワイヤレス伝送するための伝送器を有している。位置センサー、および、プリント回路基板８の上の電子部品は、工具ホルダーの上に配置されている２つのバッテリー９によって給電されている。また、回路基板は、追加的なデバイスを含むことが可能である。たとえば、長時間にわたるセンサー信号を記憶するためのメモリー、または、バッテリーの充電を促進させるための充電デバイスおよびそれに対応するインターフェースが回路基板に配置され得る。

図２は、図１に示されている工具ホルダーおよびセンサーモジュールの側面図であるが、切削工具１０（図の中で概略的に示されている）が工具ホルダーに接続されている。切削工具１０は、センサーモジュールの前方にある切削部分１１と、切削工具接続部分５においてクランプされるシャンク部分１２とを有している。切削工具の軸方向部分１３は、センサーモジュール６を通って延在している。位置センサー７のそれぞれは、切削工具１０の軸方向部分１３から半径方向に距離ｄの間隔を置いて位置付けされている。図２では、切削工具は静止位置で示されている。この位置は、機械加工が起こっていないときに、半径方向、軸方向の両方、および接線方向において、切削工具の軸方向部分が位置センサーに対してとる位置に対応している。この例示的な実施形態では、切削工具が静止位置にあるとき、切削工具１０の中心軸は、工具ホルダー中心軸２と一致する（すなわち、切削工具の半径方向の変位は存在しない）。

図３は、切削工具１０の軸方向部分１３に対応する場所において、工具ホルダー中心軸に対して垂直な平面の中の切削工具１０および位置センサー７、７’、７’’、７’’’の断面を示している。例示目的のために、工具ホルダー、および、センサーモジュールの構造パーツは、図３に示されていない。切削工具１０は静止位置にある。したがって、位置センサーと切削工具の表面との間の距離ｄは、すべてのセンサーに関して同じである（すなわち、半径方向の変位はない）。位置センサーのそれぞれは、切削工具の表面までの距離を検出することができる。結果として、ｘ方向に距離を測定するセンサー７’、７’’’のうちの少なくとも１つからの信号、および、ｙ方向に距離を測定するセンサー７、７’’のうちの少なくとも１つからの信号を分析することによって、切削工具の軸方向部分の任意の方向への半径方向の変位が測定され得る。

図４（等角図）および図５（側面図）は、本発明の別の実施形態の概略図であり、この概略図では、位置センサー１４、１５、１６、１７の場所が、工具ホルダーの中に装着されている切削工具１０に関して図示されている。例示目的のために、工具ホルダー、および、センサーモジュールの構造パーツは、図４および図５には示されていない。しかし、工具ホルダー中心軸２（切削工具の中心軸に対応する）は示されている。位置センサー１４～１７は、切削工具１０の軸方向部分１３の表面の上に配置されている２つのピックアップ１８、１９の移動を感知することによって、回転方向の変位および軸方向の変位を測定するように配置されている磁気センサーである。位置センサー１４、１５は、切削工具の反対側に配置されており（すなわち、切削工具の周りに円周方向に１８０度だけ間隔を置いて配置されている）、軸方向の変位を測定するための第１のセンサーペアに対応している。位置センサー１６、１７は、それに対応する方式で切削工具の周りに配置されており、回転方向の変位を測定するための第２のセンサーペアに対応している。第１および第２のセンサーペアは、センサー１４～１７が切削工具１０の軸方向部分１３の周りに円周方向に９０度だけ間隔を置いて配置されるように、配置されている。軸方向の位置センサー１４、１５は、軸方向のピックアップ１８の移動を検出し、回転位置センサー１６、１７は、接線方向のピックアップ１９の接線方向の移動を検出する。軸方向のピックアップは、切削工具の軸方向に交互に入れ替わる磁極を有する多極磁石を含む。接線方向のピックアップは、切削工具の接線方向に沿って交互に入れ替わる磁極を有する多極磁石を含む。ピックアップ１８、１９は薄く、切削工具の周りに円周方向にピックアップを配置するのを容易にする可撓性の材料から形成されている。ピックアップ１８、１９は薄くて軽く、切削工具の回転軸に対して対称的に配置されているので、ピックアップ１８、１９は、切削工具のバランスまたは他の特性に重大な影響を与えることはない。

位置センサー１４～１７は、ホール効果に基づく磁気位置センサーである。そのようなセンサーは、磁界に応答して変化する出力電圧を有する。軸方向の多極磁石ピックアップ１８が軸方向に移動すると、軸方向の位置センサー１４、１５によって感知される磁界が変化する。それに対応して、回転多極磁石ピックアップが回転すると、回転位置センサー１６、１７によって感知される磁界が変化する。結果的に、位置センサー１４～１７の出力電圧は、ピックアップ１８～１９の移動（すなわち、切削工具の軸方向部分の回転方向の変位または軸方向の変位）を反映することとなる。

それぞれ、軸方向のセンサー１４、１５および回転方向のセンサー１６、１７からの信号の平均値として、軸方向の変位および回転方向の変位を計算することによって、変位は、半径方向の変位から分離され得、半径方向の変位はまた、結果として、センサー１４～１７のいずれかにおいて測定される位置変化を生じさせることが可能である。たとえば、軸方向の位置センサー１４、１５のいずれかに向かう方向への半径方向の変位は、結果として、両方の回転方向のセンサー１６、１７において検出される移動を生じさせる。しかし、これらの信号は同じ大きさを有することになるものの、反対の符号を有し、したがって互いに打ち消し合うこととなる。しかし、真の回転方向の変位を測定するときには、両方の回転方向のセンサー１６、１７において検出される回転は、同じ方向を有することとなる。したがって、センサー信号の平均値（すなわち、（Ｓ_１６＋Ｓ_１７）／２であり、式中、Ｓ_１６は、第１の回転方向のセンサー１６からの信号であり、Ｓ_１７は、第２の回転方向のセンサー１７からの信号である）として回転方向の変位を決定する場合、半径方向の変位が誤って回転方向の変位として特定されることはない。

それに対応する方式で、軸方向のセンサー１４および１５からの信号の平均値が、軸方向の変位の尺度として使用される。

図４～図５に見られるように、軸方向の変位と回転方向の変位とについて異なるピックアップ１８、１９が存在しているので、位置センサーは、工具ホルダー中心軸２に沿ってわずかに異なる位置に位置付けされている。この軸方向の位置の差は、変位を決定するときに考慮されなければならない。これは、工具先端部における特定の変位（軸方向、回転方向、または半径方向）が、センサーの軸方向場所に応じて異なる測定された変位を生じさせることとなるからである。すなわち、位置センサーが位置付けされているのが切削工具の前部端に近いほど、測定される変位が大きくなる。したがって、それぞれの位置センサーから測定のために使用される基準点（たとえば、センサーモジュールに最も近い切削工具接続部分の軸方向場所）までの軸方向の距離が既知でなければならない。

また、ホール効果センサー１４～１７の出力電圧は、切削工具までの距離に依存する。その理由は、センサー１４～１７が露出される磁界が、ピックアップ１８、１９の対応する多極磁石までの距離とともに変化するためである。したがって、接線方向の位置センサー１６、１７および軸方向の位置センサー１４、１５の両方が、切削工具までの距離を測定するために使用され得る。この距離は複数の方向に測定されるので、図３を参照して議論されているように、切削工具の軸方向部分の半径方向の変位が、それに対応する方式で測定され得る。しかし、回転位置センサーおよび軸方向の位置センサーの異なる軸方向場所は、半径方向の変位を計算するときに考慮されなければならない可能性がある。これは、距離が既知である場合には、容易に補償される。

図６を参照すると、代替的な一実施形態が説明されており、ここでは切削アッセンブリ２０が示されている。工具ホルダー１のカップリング端部分４は、ＨＳＫカップリングを介して工作機械スピンドルに取り付け可能である。この実施形態では、工具ホルダー１は、切削工具１０、このケースでは、インデキサブル式切削インサートを備えたフライスカッターと一体化されている。したがって、切削工具は、工具ホルダーに取り外し不可能に接続されており、工具ホルダーの一体パーツとして形成されている。そのような実施形態では、切削工具接続部分５は、切削工具と工具ホルダーとの間のインターフェースであり、このインターフェースで、切削工具が工具ホルダーに取り外し不可能に接続されている（たとえば、一体的に形成されている）。センサーモジュール６は、別個に装着されたセンサーポストを含み、センサーポストは、切削工具１０の軸方向部分１３に面するように配置されている光学的な位置センサー２１を備えている。センサーポストは、スクリューによって工具ホルダーの工具端部分３に取り付けられている。代替的な実施形態では、センサーポストは、接着剤、ろう付け、または他の適切な手段によって取り付けられ得る。図には示されていないが、切削アッセンブリ２０はセンサーインターフェースも含み、導線が、位置センサー２１、マイクロプロセッサー、ラジオユニット、ならびに、センサーおよびすべての他の電子デバイスに給電するための電源からセンサーインターフェースまで延在している。

切削工具１の軸方向部分１３は、交互に入れ替わる光および闇のストライプのレーザー彫刻パターンの形態のピックアップ２２を含む。それぞれの光学的な位置センサー２１は、フォトダイオードアレイ、または、光を検出するための同様の手段を含む。レーザー彫刻パターンから反射されてフォトダイオードアレイに到達する光が検出される。図６に示されているように、切削工具の軸方向に沿って配置されているストライプを備えたピックアップを使用して、ピックアップの接線方向の移動、ひいては、回転方向の変位が測定され得る。

図７は、本発明の一実施形態による方法のステップを図示している。

ステップ７０１において、工具ホルダーの中の切削工具の静止位置が、機械加工が起こっていない状態で決定される。この静止位置は、機械加工が起こっていないときに一度に１つまたは複数の位置センサーによって感知される、切削工具の軸方向部分の半径方向の位置、回転方向の位置、および軸方向の位置のうちの１つまたは複数によって規定され得る。

ステップ７０２において、ワークピースが切削工具によって機械加工される。機械加工は任意の種類の機械加工であることが可能であり、この機械加工では、工具ホルダーに接続されている切削工具が、ワークピースを機械加工するために使用される。

ステップ７０３において、切削工具の静止位置に対する変位が、ワークピースの機械加工の間に測定される。変位は、半径方向の変位、回転方向の変位、および軸方向の変位のうちの１つまたは複数であることが可能である。測定される変位は、切削工具の軸方向部分の変位であることが可能である。

Claims (10)

1. 回転式切削工具（１０）のための工具ホルダー（１）用のセンサーモジュール（６）であって、前記センサーモジュールが、ワークピースの機械加工の間に前記工具ホルダー及び前記切削工具と共に回転するように切削工具（１０）が接続されている前記工具ホルダー（１）に配置されたとき、前記切削工具の軸方向部分（１３）は、前記センサーモジュールに対して所定の静止位置に位置決め可能である、センサーモジュール（６）において、前記センサーモジュールは、少なくとも１つの位置センサー（７、１４、１５、１６、１７、２１）を備え、前記センサーモジュールが、切削工具が接続されている前記工具ホルダーに配置されたとき、前記位置センサーは、前記静止位置に対する前記切削工具の変位を測定するために、前記切削工具の前記軸方向部分から半径方向に間隔を置いて位置付けされており、
   前記少なくとも１つの位置センサーは、
   － 前記切削工具の前記軸方向部分までの前記半径方向の距離を感知することによる、半径方向の変位、
   － 前記切削工具の前記軸方向部分の接線方向の移動を感知することによる、回転方向の変位、および、
   － 前記切削工具の前記軸方向部分の軸方向の移動を感知することによる、軸方向の変位、
   のうちの１つまたは複数を測定するように配置されており、
   ２つ以上の位置センサーが、少なくとも半径方向の変位を測定するように配置されており、前記２つ以上の位置センサーは、前記切削工具の前記軸方向部分の周囲に関して円周方向に間隔を置いて配置されており、円周方向に隣接している位置センサーは、１８０度未満の角度だけ、間隔を置いて配置されており、
   位置センサーの第１のペア（１４、１５）は、少なくとも回転方向の変位または少なくとも軸方向の変位を測定するように配置されており、前記第１のペアの前記位置センサーは、前記切削工具の前記軸方向部分の周囲に関して、おおよそ１８０度の角度だけ、円周方向に間隔を置いて配置されていることを特徴とする、センサーモジュール（６）。
2. 位置センサーの第２のペア（１６、１７）は、少なくとも回転方向の変位または少なくとも軸方向の変位を測定するように配置されており、前記第２のペアの前記位置センサーは、前記切削工具の前記軸方向部分の前記周囲に関して、おおよそ１８０度の角度だけ円周方向に間隔を置いて配置されており、前記第２のペアの前記位置センサーは、前記第２のペアのそれぞれの位置センサーが前記第１のペアのそれぞれの位置センサーからおおよそ９０度の角度だけ円周方向に間隔を置いて配置されるように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサーモジュール。
3. 前記少なくとも１つの位置センサーは、
   － 誘導性センサー、
   － 光学センサー、
   － 磁気センサー、
   － 容量センサー、および
   － 超音波センサー
   のうちのいずれかから選択されることを特徴とする、請求項１から２のいずれか一項に記載のセンサーモジュール。
4. 前記センサーモジュールは、スリーブ形状の部分（２３）を含み、前記センサーモジュールは、前記工具ホルダーに接続された切削工具の前記軸方向部分が前記スリーブ形状の部分を通って延在するように、前記工具ホルダーに取り付け可能であり、前記少なくとも１つの位置センサーは、前記スリーブ形状の部分の内側表面に配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサーモジュール。
5. 回転式切削工具（１０）のための工具ホルダー（１）であって、前記工具ホルダーは、
   － 後部カップリング端部分（４）および前部工具端部分（３）、ならびに、前記後部カップリング端部分（４）と前記前部工具端部分（３）との間に延在する工具ホルダー中心軸（２）を有する、工具ホルダー本体部と、
   － 前記前部工具端部分に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサーモジュール（６）と
   を含み、
   － 前記後部カップリング端部分は、工作機械に取り付け可能であり、
   － 前記前部工具端部分は、切削工具接続部分（５）を含む、工具ホルダー（１）。
6. 前記工具ホルダーは変位センサーを含み、前記変位センサーは、前記工具ホルダーの前記切削工具接続部分に接続された切削工具が前記切削工具接続部分に対してスリップしているかどうかを検出するように配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の工具ホルダー。
7. 実質的に円筒形状を有することを特徴とする、請求項５または６に記載の工具ホルダー。
8. 前記工具ホルダーはチャックであり、前記切削工具接続部分は、前記チャックの軸方向スペースであり、前記軸方向スペースの中に、切削工具のシャンク端（１２）が受け入れられてクランプされ得ることを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の工具ホルダー。
9. 請求項５から８のいずれか一項に記載の工具ホルダー（１）と、切削端（１１）、シャンク端（１２）、および、前記切削端（１１）と前記シャンク端（１２）との間の軸方向部分（１３）を含む切削工具（１０）とを含む、切削アッセンブリ（２０）であって、前記切削工具の前記シャンク端は、前記工具ホルダーの前記切削工具接続部分（５）に接続される、切削アッセンブリ（２０）。
10. 前記切削工具は中心軸を有し、前記中心軸は、前記切削工具が前記静止位置にあるときに、前記工具ホルダー中心軸（２）と一致することを特徴とする、請求項９に記載の切削アッセンブリ。

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