JP7319062B2 - 工作機械および装着状態判定方法 - Google Patents

Description

本開示は、工作機械および装着状態判定方法に関するものである。

工作機械の主軸に工具を装着する際に、主軸に設けられたテーパ孔に対して工具ホルダに設けられたテーパシャンクが異常状態で装着されているか否かを検出する工具ホルダの密着状態検出装置が知られている。（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００－７９５３７号公報

特許文献１の検出装置は、主軸の工具側端面の表面に周方向に間隔をあけて３以上の歪ゲージを取り付けている。そして、これらの歪ゲージとの間で閉回路をそれぞれ構成しているコイルに対応するコイルによりブリッジ回路を形成し、ブリッジ回路のバランスが崩れることにより、装着状態が異常であることを検出している。

特許文献１の検出装置は、細かい切粉がテーパ孔とテーパシャンクとの間に挟まるなどして、テーパシャンクの軸がテーパ孔の軸に対して微小に傾いた場合にのみ異常判定することができる。すなわち、工具ホルダの端面が主軸の工具側端面に不均一に接触した場合にのみ、異常判定することができるに過ぎない。

したがって、テーパシャンクに締結されるプルスタッドボルトの締め付け異常の場合等、工具ホルダの端面が主軸の工具側端面から完全に浮いた状態で装着された場合であっても、これを異常として検出することができることが望ましい。

本開示の一態様は、工具を取り付けた工具ホルダのテーパシャンクを着脱可能に嵌合するテーパ孔を備える主軸と、該主軸への前記工具ホルダの装着状態を判定する装着状態判定部とを備え、該装着状態判定部が、前記工具ホルダと前記主軸との間の電気抵抗または静電容量に基づいて前記装着状態を判定する工作機械である。

本開示の一実施形態に係る工作機械を示す構成図である。 図１の工作機械を用いた装着状態判定方法を説明するフローチャートである。 プルスタッドボルトをテーパシャンクの先端に過大な締め付けトルクで締結した場合の装着状態の一例を示す縦断面図である。 プルスタッドボルトをテーパシャンクの先端に締結し忘れた場合の装着状態の一例を示す縦断面図である。 図１の工作機械の第２電極の配置の変形例を示す縦断面図である。 図１の工作機械の第２電極の配置の他の変形例を示す構成図である。

本開示の一実施形態に係る工作機械１および装着状態判定方法について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る工作機械１は、図１に示されるように、工具１０を取り付けた工具ホルダ１１によって工具１０を装着して回転させる主軸２と、主軸２への工具１０の装着状態を判定する装着状態判定部３と、装着状態判定部３による判定結果を報知する報知部４とを備えている。

工具ホルダ１１は、工具１０の軸線に沿って工具１０とは反対側に先細になるテーパシャンク１２を備えている。テーパシャンク１２の先端には、工具ホルダ１１を主軸２側に引き込むためのプルスタッドボルト１３が締結されている。また、テーパシャンク１２の工具１０側の端部には、工具１０の軸線に直交する突き当て面（端面）１２ａが設けられている。

主軸２は、テーパシャンク１２を挿入するテーパ孔２１と、プルスタッドボルト１３を牽引または解放して、テーパ孔２１内にテーパシャンク１２をクランプまたはアンクランプするドローバ２２と、テーパ孔２１の開口端に配置され主軸２の軸線に直交する端面２３とを備えている。図中、符号２４は、ドローバ２２を構成するボール、符号２５はボール保持部材である。

また、工作機械１は、主軸２の端面２３と工具ホルダ１１の突き当て面１２ａとの間の電気抵抗を検出する端面密着検出部５を備えている。端面密着検出部５は、導電性材料からなるドローバ２２により構成された第１電極６と、主軸２の端面２３に設けられた第２電極７とを備えている。

主軸２の軸線回りに回転させられるドローバ２２により構成された第１電極６は、図示しないブラシによって、静止している外部配線に中継されている。
第２電極７は、主軸２の軸線回りの周方向に間隔をあけて複数設けられている。図１には１つの第２電極７のみを表示している。各第２電極７も、静止している外部配線との間に配置される図示しないブラシによって個別に中継されている。

プルスタッドボルト１３および工具ホルダ１１は導電性材料により構成されている。したがって、ドローバ２２がプルスタッドボルト１３を把持することにより、ドローバ２２により構成された第１電極６は、プルスタッドボルト１３および工具ホルダ１１を経由して、工具ホルダ１１の突き当て面１２ａまで電気的に導通する。そして、装着状態判定部３は、第１電極６および各第２電極７に接続する外部配線に接続され、第１電極６と各第２電極７との間の電気抵抗を個別に検出する。

装着状態判定部３は、検出された第１電極６と各第２電極７との間の電気抵抗をそれぞれ所定の閾値と比較することにより、装着状態が良好であるか否かを判定する。
すなわち、装着状態判定部３は、検出された全ての電気抵抗が、所定の閾値以下である場合には、主軸２の端面２３と工具ホルダ１１の突き当て面１２ａとは良好に密着していると判定することができる。一方、装着状態判定部３は、検出されたいずれかの電気抵抗が所定の閾値よりも大きい場合には、主軸２の端面２３と工具ホルダ１１の突き当て面１２ａとは装着状態は不良であると判定することができる。

このように構成された本実施形態に係る工作機械１における主軸２への工具１０の装着状態判定方法について、以下に説明する。
装着状態判定方法は、工具１０を取り付けている工具ホルダ１１のテーパシャンク１２を主軸２のテーパ孔２１内に挿入し、テーパシャンク１２の先端に締結されているプルスタッドボルト１３をドローバ２２によって把持して主軸２の軸線方向に牽引する。この状態で、図２に示されるように、いずれかの第２電極７を選択し（ステップＳ１）、選択された第２電極７と第１電極６との間の電気抵抗を算出し（ステップＳ２）、算出された電気抵抗に基づいて装着状態判定部３による装着状態の判定を行う。

装着状態は、算出された電気抵抗が所定の閾値以下であるか否かにより判定される（ステップＳ３）。電気抵抗が所定の閾値以下である場合には、全ての第２電極７について電気抵抗が判定されたか否かを判定し（ステップＳ４）、終了していない場合には、次の第２電極７についてステップＳ１からの工程を繰り返す。

ステップＳ４において、選択された全ての第２電極７と第１電極６との間の電気抵抗が所定の閾値以下である場合には、装着状態は正常であると判定し（ステップＳ５）、その旨を報知部４により報知する（ステップＳ６）。一方、いずれかの第２電極７と第１電極６との間の電気抵抗が所定の閾値より大きい場合には、装着不良であると判定し（ステップＳ７）、その旨を報知部４により報知する（ステップＳ６）。

例えば、テーパシャンク１２の先端にプルスタッドボルト１３が正常な締め付けトルクで締結された工具ホルダ１１が主軸２に正常に装着される場合には、図１に示されるように、テーパシャンク１２のテーパ外面とテーパ孔２１のテーパ内面とが密着する。同時に、工具ホルダ１１の突き当て面１２ａが主軸２の端面２３に密着する。
したがって、この場合には、第１電極６とすべての第２電極７との間の電気抵抗は所定の閾値以下となる。これにより、装着状態判定部３は、良好な装着状態であると判定することができる。

一方、プルスタッドボルト１３がテーパシャンク１２の先端に過度の締め付け力によって締結された（締め過ぎの）場合には、プルスタッドボルト１３の軸力によってテーパシャンク１２のテーパ外面が、図３に示されるように、径方向外方に向かって部分的に膨らむことがある。このような場合には、主軸２のテーパ孔２１に工具ホルダ１１のテーパシャンク１２を嵌合させると、テーパ外面の膨らんだ部分のみがテーパ孔２１のテーパ内面に接触させられる。

このため、それ以外の部分のテーパシャンク１２のテーパ外面とテーパ孔２１のテーパ内面との間、および主軸２の端面２３と工具ホルダ１１の突き当て面１２ａとの間は密着せず、隙間が空いた状態となって、接触抵抗が増大する。したがって、この場合には、第１電極６とすべての第２電極７との間の電気抵抗は閾値より大きくなる。これにより、装着状態判定部３は、装着状態が不良であると判定することができる。

さらに、プルスタッドボルト１３のテーパシャンク１２の先端への締結が不十分である（締め忘れの）場合には、図４に示されるように、ドローバ２２によってプルスタッドボルト１３が所定の位置まで牽引されても、テーパシャンク１２のテーパ外面とテーパ孔２１のテーパ内面との間、および主軸２の端面２３と工具ホルダ１１の突き当て面１２ａとの間は密着しない。この場合にも、第１電極６とすべての第２電極７との間の電気抵抗は閾値より大きくなるため、装着状態判定部３は、装着状態が不良であると判定することができる。

このように、本実施形態に係る工作機械１および装着状態判定方法によれば、主軸２の端面２３と工具ホルダ１１の突き当て面１２ａとの間の電気抵抗に基づいて、主軸２への工具ホルダ１１の装着状態を判定する。これにより、複数の歪ゲージの歪のバランスにより判定していた従来の判定方法と比較して、プルスタッドボルト１３の締め過ぎ、あるいは、締め忘れのいずれの場合においても装着不良であることを精度よく判定することができるという利点がある。

また、切り屑をかみこむことによる装着不良についても精度よく判定することができる。また、工具ホルダ１１の軸線が主軸２の軸線に対して傾いて装着された場合においても、周方向に複数の第２電極７を配置し、個別に電気抵抗を判定することにより、装着不良を精度よく判定することができる。

そして、装着状態判定部３による判定結果を報知部４によってユーザに報知することにより、ユーザに主軸２への工具ホルダ１１の装着状態を認識させることができる。これにより装着不良である場合に、ユーザが早期に装着状態を修正することができる。

なお、本実施形態においては、主軸２の端面２３に第２電極７を配置して、端面２３と工具ホルダ１１の突き当て面１２ａとの間の電気抵抗を検出することとしたが、これに代えて、図５に示されるように、テーパ孔２１のテーパ内面に第２電極（テーパ面密着検出部）７を配置してテーパシャンク１２のテーパ外面との間の電気抵抗を検出することにしてもよい。これによっても、プルスタッドボルト１３の締め付けあるいは締め忘れのいずれの装着不良も判定することができる。

ただし、テーパ内面に第２電極７を配置する場合には、図５に示されるように、テーパ内面の軸線方向長さの中央位置よりも大径側、すなわち、テーパ孔２１の開口側に近接する位置に配置することが好ましい。図５に示されるように、プルスタッドボルト１３の締め過ぎによるテーパシャンク１２の膨らみはテーパシャンク１２の先端に近接する位置で発生するので、テーパ孔２１の開口側に第２電極７を配置することにより、テーパ孔２１のテーパ内面とテーパシャンク１２のテーパ外面との隙間を良好に検出することができる。

また、図６に示されるように、第２電極７を主軸２の端面２３およびテーパ孔２１のテーパ内面の両方に設け、個別に電気抵抗を検出することにしてもよい。主軸２およびテーパシャンク１２には複数の仕様が存在し、主軸２とテーパシャンク１２の仕様が異なる場合には、図６に示されるように、テーパ孔２１のテーパ内面とテーパシャンク１２のテーパ外面のみが密着し、端面２３と突き当て面１２ａとの間に隙間が形成される場合がある。

このような場合に、主軸２の端面２３のみに第２電極７を配置しておくと、装着不良であると判定されることになる一方、テーパ孔２１のテーパ内面のみに第２電極７を配置しておくと、装着良好であると判定されることになる。第２電極７を主軸２の端面２３およびテーパ孔２１のテーパ内面の両方に設けておくことにより、以下のように判定できる。

すなわち、装着不良の場合には全ての第２電極７と第１電極６との間の電気抵抗が閾値よりも大きくなる。また、主軸２と同一の仕様の工具ホルダ１１が正常に装着されている場合には、全ての第２電極７と第１電極６との間の電気抵抗が閾値以下となる。

そして、主軸２とは仕様が異なる工具ホルダ１１が正常に装着されている場合には、テーパ孔２１のテーパ内面に設けられた第２電極７と第１電極６との間の電気抵抗が閾値以下となり、端面２３に設けられた第２電極７と第１電極６との間の電気抵抗が閾値よりも大きくなる。
したがって、テーパシャンク１２の仕様が主軸２の仕様と異なることを、正常な装着状態および装着不良から区別して判定することができる。

例えば、使用するテーパシャンク１２の仕様が主軸２の仕様とは異なる場合であっても、そのまま使用することを許容する場合には、図６に示されるように、使用するテーパシャンク１２の仕様を記憶する記憶部８を設けておいてもよい。そして、主軸２の仕様とは異なるテーパシャンク１２の仕様が記憶部８に記憶されている場合には、テーパシャンク１２のテーパ外面とテーパ孔２１のテーパ内面とが密着状態であり、端面２３と突き当て面１２ａとが離間していることが検出された場合であっても、正常な装着状態であると判定すればよい。

また、本実施形態においては第１電極６と第２電極７との間の電気抵抗を検出して装着状態を判定したが、第１電極６をなくし、第２電極７の位置に静電容量センサを配置して、主軸２と工具ホルダ１１との間の静電容量を検出することにしてもよい。静電容量は距離に反比例するので、静電容量が所定の閾値より大きい場合には、正常な装着状態であると判定し、静電容量が閾値以下の場合には、離間していると判定すればよい。

１ 工作機械
２ 主軸
３ 装着状態判定部
５ 端面密着検出部
７ 第２電極（テーパ面密着検出部）
８ 記憶部
１０ 工具
１１ 工具ホルダ
１２ テーパシャンク
１２ａ 突き当て面（端面）
２１ テーパ孔
２３ 端面

Claims (6)

1. 工具を取り付けた工具ホルダのテーパシャンクを着脱可能に嵌合するテーパ孔を備える主軸と、
   該主軸への前記工具ホルダの装着状態を判定する装着状態判定部と、
   前記テーパシャンクのテーパ外面と前記テーパ孔のテーパ内面との間の電気抵抗または静電容量を検出するテーパ面密着検出部とを備え、
   前記装着状態判定部が、前記工具ホルダと前記主軸との間の前記電気抵抗または前記静電容量に基づいて前記装着状態を判定し、
   前記テーパ面密着検出部が、前記テーパ外面および前記テーパ内面の前記主軸の軸線方向の中央よりも大径側に配置されている工作機械。
2. 工具を取り付けた工具ホルダのテーパシャンクを着脱可能に嵌合するテーパ孔を備える主軸と、
   該主軸への前記工具ホルダの装着状態を判定する装着状態判定部と、
   前記工具ホルダが前記主軸に正常に装着されたときに、前記主軸の軸線方向に突き当たる前記工具ホルダおよび前記主軸の端面間の電気抵抗または静電容量を検出する端面密着検出部と、
   前記テーパシャンクのテーパ外面と前記テーパ孔のテーパ内面との間の電気抵抗または静電容量を検出するテーパ面密着検出部とを備え、
   前記装着状態判定部が、前記工具ホルダと前記主軸との間の前記電気抵抗または前記静電容量に基づいて前記装着状態を判定し、
   前記テーパ面密着検出部が、前記テーパ外面および前記テーパ内面の前記主軸の軸線方向の中央よりも大径側に配置されている工作機械。
3. 工具を取り付けた工具ホルダのテーパシャンクを着脱可能に嵌合するテーパ孔を備える主軸と、
   該主軸への前記工具ホルダの装着状態を判定する装着状態判定部と、
   前記工具ホルダが前記主軸に正常に装着されたときに、前記主軸の軸線方向に突き当たる前記工具ホルダおよび前記主軸の端面間の電気抵抗または静電容量を検出する端面密着検出部と、
   前記テーパシャンクのテーパ外面と前記テーパ孔のテーパ内面との間の電気抵抗または静電容量を検出するテーパ面密着検出部と、
   前記主軸に装着する前記工具ホルダの種類を記憶する記憶部とを備え、
   前記装着状態判定部が、記憶されている前記工具ホルダの種類、および前記工具ホルダと前記主軸との間の前記電気抵抗または前記静電容量に基づいて前記装着状態を判定する工作機械。
4. 工具を取り付けた工具ホルダと、該工具ホルダのテーパシャンクを着脱可能に嵌合するテーパ孔を備える主軸との間の装着状態を、前記テーパシャンクのテーパ外面と、前記テーパ孔のテーパ内面との間の電気抵抗または静電容量に基づいて判定し、
   前記テーパ外面および前記テーパ内面の前記主軸の軸線方向の中央よりも大径側における前記電気抵抗または前記静電容量とに基づいて前記装着状態を判定する装着状態判定方法。
5. 工具を取り付けた工具ホルダと、該工具ホルダのテーパシャンクを着脱可能に嵌合するテーパ孔を備える主軸との間の装着状態を、前記工具ホルダが前記主軸に正常に装着されたときに、前記主軸の軸線方向に突き当たる前記工具ホルダおよび前記主軸の端面間の電気抵抗または静電容量と、前記テーパシャンクのテーパ外面と前記テーパ孔のテーパ内面との間の電気抵抗または静電容量とに基づいて判定し、
   前記テーパ外面および前記テーパ内面の前記主軸の軸線方向の中央よりも大径側における前記電気抵抗または前記静電容量とに基づいて前記装着状態を判定する装着状態判定方法。
6. 工具を取り付けた工具ホルダと、該工具ホルダのテーパシャンクを着脱可能に嵌合するテーパ孔を備える主軸との間の装着状態を、前記工具ホルダが前記主軸に正常に装着されたときに、前記主軸の軸線方向に突き当たる前記工具ホルダおよび前記主軸の端面間の電気抵抗または静電容量と、前記テーパシャンクのテーパ外面と前記テーパ孔のテーパ内面との間の電気抵抗または静電容量と、前記主軸に装着する前記工具ホルダの種類とに基づいて判定する装着状態判定方法。
   

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