JPH01234138A - 工作機械用検出器の取り付け構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ワーク加工時の切削力又は切削抵抗を検出す
る工作機械用検出器及び検出器取付構造に関する。

［従来の技術］ 近年、ＦＭＣヤＦＭＳ等の生産システムの実用化に伴な
い、マシニングセンタやＮＣ旋盤等の工作機械は無人運
転されるようになり、ワーク加工中における異常監視を
行なうための切削状態のインプロセス計測が強く望まれ
、特に工具の異常と大きな関りをもつ切削力及び切削抵
抗の測定が大きな課題となっている。

従来、切削力や切削抵抗の測定には、ストレインゲージ
や水晶振動子を治具等に組込んで行なう歪測定や主軸モ
ータの負荷電流の測定が試みられている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、歪測定にあっては、検出器が高価である
と共に検出器自体の剛性が低いために過大な力が加わる
と破損し易い。また歪測定及びモータ負荷電流の測定の
いずれにあっても、小径ドリルやタップ等の小さい切削
力又は切削抵抗を測定する場合には、検出感度が低いた
めにノイズ等の影響を受け、的確に切削力や切削抵抗を
測定することが困難であり、工作機械の無人運転を妨げ
る大きな要因となっていた。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、大きな切削力及び切削抵抗に耐える剛性をもち、
また高い検出感度によって小さな切削力及び切削機゛Ｗ
であっても正確に検出することができ、無人化運転のた
めのインナプロセス計測を適切に行なうことのできる工
作機械用検出器及び検出器取付構造を提供することを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため本発明にあっては、工作機械の
切削力又は切削抵抗を検出する工作機械用検出器として
、圧電材料１０両面に電極層を形成したフィルムシート
状の圧電センサを有し、該圧電センサの中央に工作機械
の送りネジシャフト等を貫通する通し穴を設けるように
したものである。

このような圧電センサを用いた本発明の検出器は、工作
機械においてワークテーブル又は工具台を移動させる送
りネジシャフトのナツト部分又は送りネジシャフトの軸
受部分に装着され、切削加工時の切削力及び切削抵抗を
測定する。

即ち、送りネジシャブトに螺合されたナツトに対する検
出器の取付構造は、ナツトの一端に押え金（より検出器
を締め付け固定される。

また送りネジシャフトの軸受部に対する検出器の取付構
造は、軸受ベアリングのベアリング外環の端面と固定側
との間に検出器が締め付け固定される。

［作用］ このような本発明の工作機械用検出器にあっては、検出
器がフィルムシート状の圧電センサであることから、大
きな切削力又は切削抵抗を受けても検出器の剛性が高い
ために破損することはな（、また膜厚が薄いために切削
力や切削抵抗を受けても□検出器の変形はごく僅かであ
り、加工精度に影響を及ぼさない。

更に、検出器の感度は圧電センサの面積を太きくするこ
とによって容易に高めることができ、更に面積を大きく
することで単位面積当りの荷重を低減して剛性を更に高
めることができる。

また検出感度が高いことからＩＫＯｆから１，０００Ｋ
Ｏｆを越えるまでの広い測定レンジをもち、切削力及び
切削抵抗の小さい小径ドリルやタップであっても正確に
切削力や切削抵抗を測定することができる。

［実施例］ 第１図は本発明の工作機械用検出器の一実施例を示した
断面図であり、第２図にその平面図を一部破断して示す
。

第１図において、切削力又は切削抵抗による力を検出す
るトランスナユーサとしての検出器１は、中央に圧電材
料を用いた圧電材料層２を有し、圧電材料層２の両面に
電極層３ａ、３ｂを形成しており、電極層３ａ、３ｂの
外側に絶縁シート４ａ。

４ｂを接着等により固着し、圧電材料層２と電極層３ａ
、３ｂによってフィルムシート状の圧電センサが形成さ
れている。具体的には圧電フィルムとして知られたＰＺ
Ｔに代表される圧電素子を使用することができ、この圧
電素子はフィルム状で厚さがＱ、２ｍｍ程度である。ま
たヤング率が小さくても荷重を受けたときの変形は微小
であることから、後の説明で明らかにするように、工作
機械の送りネジ機構に直接組込んでも圧電素子の変形に
よる加工精度は問題とならない。更に、圧電素子の圧電
定数（単位力当たりの発生電荷量）は力を受ける面積の
大小に係わらず一定であるため、面積を大きくすること
により感度を低下させることなく単位面積当たりの荷重
を減らして剛性を大きくすることができる。

第１図の実施例において、更に検出器１は中央に工作機
械の送りネジシャフト等を貫通するための通し穴５を形
成しており、更に第２図に想像線で示すように検出器１
を取付け固定するためのボルト通し穴６を設けるように
してもよい。

この第１．２図に示した本発明の検出器１によれば、検
出器１の検出出力を取出す電荷増幅回路（ヂャージアン
プ）のコンデンサ８吊を切換えることにより１ｋｇｆか
ら１０００ｋｌＪｆまでの広い範囲に亘って測定するこ
とができ、且っ１００（Ｊｆ程度の分解能を実現するこ
とができる。

次に、第１，２図に示した本発明の検出器１の工作機械
に対する取付構造を説明する。

まず、本発明の検出器を設けるＮＣ工作機械には種々の
形態のものがあるが、第３図に示すＮＣ旋盤及び第４図
に示す立形マシニングセンタがその代表的なものである
。

第３図のＮＣ旋盤において、ワークの切削を行なうため
の運動は矢印に示すようにＸ、Ｙ軸の２方向であり、ま
た第４図のマシニングセンタにおいてはＸ、Ｙ、Ｚｌｌ
ｌｌの３方向である。

ここで、第４図のマシニングセンタを例にとると、ワー
ク切削のためのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の運動はいずれもパル
スモータの回転をボールネジ機構によって直線運動に変
換することによって得られる。

即ち、第５図において、ベツド７上にＹ軸方向に移動自
在に設けられるサドル１２のＹ軸方向の運動は、ベツド
７に設けたパルスモータ９ａで送りネジシャフト１０ａ
を回転し、送りネジシャフト１０ａに螺合した送りナツ
ト１１ａの直線運動をサドル１２に伝える。また、サド
ル１２上に設置されるワークテーブル（図示せず）のＸ
軸方向への運動は、サドル１２に設けたパルスモータ９
ｂで送りネジシャフト１０ｂを回転し、送りネジシャフ
ト１０ｂに螺合した送りナツト１１ｂの直線運動をワー
クテーブルに伝える。

更に、コラム１３による主軸ヘッド１４のＺ軸方向の運
動は、コラム１３に設けたパルスモータ９Ｃによって送
りネジシャフト１０ｃを回転し、送りネジシャフト１０
ｃに螺合した送りナツト１１Ｃの直線運動を主軸ヘッド
１４に伝えてＺ軸方向に移動する。

この第５図に示したボールネジ機構による直線運動への
変換から明らかなように、送りネジシャフト１０８〜Ｉ
ＯＣに加わるワーク加工時の軸方向の分力Ｆａは、それ
ぞれの方向の切削力ＦＣとスライド面における摩擦抵抗
Ｆｆの和として与えられる。

Ｆａ＝ＦＣ十Ｆｆ　　　・・・（１） そこで、第１，２図に示した本発明の検出器１にあって
は、前記第（１）式における送りネジシャフトの軸方向
の分力Ｆａを測定するように工作機械に取付ける。

尚、前記第（１）式に示す切削力ＦＣを分離して測定す
ることは実験的には可能であるが、実際の機械に検出器
１を組込んで測定する場合には大きな問題があり、本発
明にあっては検出器１によって切削力ＦＣに摩擦抵抗Ｆ
ｆを加えた力Ｆａを測定する。このように摩擦抵抗Ｆｆ
を加えて切削力ＦＣを測定することは、摩擦抵抗Ｆｆも
切削力ＦＣに比例して増減するものであることから、摩
擦抵抗Ｆｆを含んでも両者の和を実質的切削力として測
定することに問題はない。更に、摩擦抵抗が切削力に比
べかなり小さいということからも実、　用土は問題にな
らない。

第６図は本発明の検出器取付１造の第１実施例を示した
説明図である。

第６図において、１０はパルスモータにより回転される
送りネジシャフトであり、送りネジシャフト１０の左側
はラジアル荷重とスラスト荷重を同時に受けることので
きる一対のサポートベアリング１５ａ、１５ｂを備えた
ボールねじサポート用軸受により回転自在に支持され、
サポートベアリング１５ａ、１５ｂの外側のシャフト端
部にはパルスモータの出力軸が連結される。また、送り
ネジシャフト１０の右側の軸端はボールベアリング１５
Ｇにより回転自在に支持されている。　送りネジシャフ
ト１０には送りナツト１１が螺合される。

第１．２図に示した本発明の検出器１は送りネジシャフ
ト１０に螺合した送りナツト１１に装着される。即ち、
送りネジナツト１１の左端面に第１．２図に示したドー
ナツ状の検出器１を装着し、その外側にワークテーブル
又は加工台に連結される連結部１６を嵌め入れて中心線
で示すようにボルト締めで送りナツト１１に対し締付け
固定する。

次に、第６図の実施例の作用を説明する。送りナツト１
１に対する連結部１６による検出器１の締付け固定状態
で検出器１には締付け固定による固定的な荷重が加わっ
て検出出力を生じていることから、検出器１の検出出力
を取出す電荷増幅回路（チャージアンプ）の帰還回路に
設けたコンデンサを放電リセットし、電荷増幅回路の出
力を初期状態とする。

この状態で切削加工を開始してパルスモータにより送り
ネジシャフト１０を回転して送りナツト１１を所定方向
に移動することによって送りナツト１１に検出器１を介
して装着している連結部１６を介してワークテーブル又
は工具台を移動したとすると、送りネジシャフト１０の
回転による送りナツト１１の左右方向の移動によりワー
クテーブルからの切削抵抗又は工具台からの切削力が連
結部１６と送りナツト１１の間に設けた検出器１に作用
する。

第６図の実施例の場合、検出器１を送りナツト１１の左
側に固着していることから、ワークテーブル又は工具台
を送りナツト１１により右方向・に移動させるように送
りネジシャフト１０を回転し□たときには、連結部１６
カ）ら検出器１に加わる圧縮力は低減する。逆に送りナ
ツト１１を左方向に移動するように送りネジシャフト１
０を回転したときには、連結部１６から検出器１に加わ
る圧縮力は逆に増大する。このときの検出器１に加わる
圧縮力の低下又は増加が切削力又は切削抵抗に比例して
おり、検出器１に加わる圧縮力に比例した帯電量の増減
を電荷増幅回路（チャージアンプ）で電圧信号に変換し
、送りネジ１１の移動方向に応じて極性が異なり且つ切
削力又は切削抵抗に比　−倒した電圧信号を得ることが
できる。

第７図は本発明の検出器取付構造の第２実施例を示した
説明図であり、この実施例にあっては送りネジシャフト
のボールねじサポート用軸受に検出器を設けるようにし
たことを特徴とする。

第７１！ｌにおいて、ワークテーブル又は工具台に連結
される送りナツト１１を螺合した送りネジシャフト１０
は、左側の軸端を軸受部１７に組込んだ一対のサポート
ベアリング１５ａ、１５ｂにより回転自在に支持される
と共に、右側の軸端をボールベアリング１５Ｇにより回
転自在に支持されており、サポートベアリング１５ａ、
１５ｂを組込んだボールねじサポート用の軸受部１７に
第１゜２図に示した本発明の検出器１を装着している。

軸受部１７に対する検出器１の取付構造は第８図に取出
して示すようになる。

即ち、検出器１は内側に位置するサポートベアリング１
５ｂと固定側となる軸受穴１８の端面１８ａとの間に組
込まれる。具体的にはサポートベアリング１５ｂの外環
（アウターリング）１９と軸受穴１８の端面１８ａとの
間に一対のスペーサリング２０ａ、２０ｂに挟み込まれ
た状態で検出器１が組込まれ、軸受穴１８の外側に組込
んだサポートベアリング１５ａの外環２１の端面に対す
る外側からの押え金２２のボルト締め固定で検出器１が
締付け固定される。また、検出器１を両側から挟み付け
たスペーサリング２０ａ、２０ｂは１字形の断面形状を
もっており、内側及び外側の摺接面には内部に組込んだ
検出器１をシールするだめの０リング２３を介在してい
る。

このような第７，８図に示した送りネジシャフト１０の
軸受部１７に検出器１を組込んだ取付構造にあっては、
切削加工時におけるワークテーブルからの切削抵抗又は
工具台からの切削力は送りネジシャフト１０の回転によ
る送りナツト１１の左右方向の移動で送りネジシャフト
１０の軸方向に作用し、軸受部１７に設けたサポートベ
アリング１５ｂの外環１９を介してスペーサリング２０
ａと２０ｂの中に挟み込んだ検出器１に加わる。

具体的には送りネジシャフト１０に左方向の切削力又は
切削抵抗に応じた荷重が加わると、検出器１の圧縮力が
低減され、送りネジシャフトに右方向の切削力又は切削
抵抗に応じた力が加わると検出器１の圧縮力は逆に増大
する。勿論、切削加工を開始する際に検出器１の検出出
力を取出す電荷増幅回路の帰還回路に設けたコンデンサ
は放電リセットされてその電圧出力が初期状態とされて
いることから、送りナツト１１の移動方向に応じ、て極
性が異なり且つ送りネジシャフト１０の受ける切削力又
は切削抵抗に比例した出力電圧を取出すことができる。

第９図は第７，８図に示した送りネジシャフト１０の軸
受部１７に検出器１を組込むための他の組込み構造を示
した断面図である。

即ち、第７．８図の実施例にあっては、検出器１を組込
むためのスペースをサポートベアリング１５ａ、１５ｂ
を組込む軸受穴１８に新たに追加しなければならず、そ
の分だけ設計変更を伴う。

そこで、第９図の構造にあっては、軸受穴１８を変更す
ることなく検出器１を取付けるようにしている。即ち、
第９図の実施例にあっては、サポートベアリング１５ｂ
の外環１９の右端を切欠いて検出器収納部２４を形成し
、検出器収納部２４の中に検出器１を組込んで外側から
１字形のスペーサリング２５を固着し、スペーサリング
２５の内側と外側の接触面には検出器１をシールするた
めの０リング２３を設ける。

このような第９図の取付構造にあっては、サポートベア
リング１５ｂと一体に検出器１を組込むことができるた
め、第８図に示すように軸受穴１８に検出器の設置スペ
ースを別途確保する必要がなく、より実用的である。

尚、上記の実施例にあっては、ワークテーブル又は工具
台の送りねじ機構に検出器を組込む場合を例にとるもの
であったが、同様に、主軸系の送りネジ機構に設けた送
りナツト又はサポート軸受に検出器を組込むようにして
もよい。

［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、工作機械の切
削力又は切削抵抗を検出する検出器にフィルムシート状
の圧電センサを使用していることから、荷重変化に対す
る検出感度が高く、例えば検出器の検出出力を取出す電
荷増幅回路のコンテンザ容但を切換えることで１　ｋｏ
ｆ程度の小さな切削力又は切削抵抗から１０００ｋｃ＋
ｆを越える大きな切削力又は切削抵抗を高い分解能をも
って測定することができ、その結果、工具異常は勿論の
こと、切削力又は切削抵抗の検出出力に基づいて一定の
切削力又は切削抵抗を得るためのフィードバック制御も
可能となる。

また、検出器はフィルムシート状の圧電センサを用いて
いることから、膜圧が薄いために切削力や切削抵抗に応
じた力を受けても検出器の厚み方向の変形はごく僅かで
あり、送りナツトや送りネジシャフトの軸受は部分に組
込んでも工作機械の加工精度に影響を及ぼすことはない
。

更に、検出器の感度は圧電センサの面積を変えても一定
であることから、圧電セン゛す゛の面積を大きくするこ
とによって単位面積当たりの荷重を低減させ、これによ
って検出器の剛性を高めることができる。

更に、フィルムシート状の圧電センサを用いた検出器で
あることから、厚さがＱ、２ｍｍ以下と極めて薄く小型
で且つ軽量であることから容易に工作機械における切削
力又は切削抵抗の検出部分に直接組込むことができる。

更にまた、フィルムシート状の圧電センサを用いた検出
器であることから。量産化が容易であり、検出器のコス
トを大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の検出器の一実施例を示した断面図： 第２図は第１図の検出器を一部破断して示した平面図： 第３図はＮＣｌｌ１盤の説明図： 第４図は立形マシニングセンタの説明図：第５図はマシ
ニングセンタのボールネジ機構を示した分解組立図： 第６図は本発明の検出器取付構造の第１実施例を示した
説明図： 第７図は本発明の検出器取付構造の第２実施例を示した
説明図： 第８図は第７図の軸受部分を取出して示した説明図： 第９図は検出器をサポートベアリングに一体に組む取付
構造を示した説明図である。 １：検出器 ２：圧電材料層 ３ａ、３ｂ：電極層 ４ａ、４ｂ：絶縁シート ５：通し穴 ６：ボルト穴 ７：ベツド ９ａ〜９Ｃ：パルスモータ １０．１０ａ〜１０Ｃ：送りネジシャフト１１．１１ａ
〜１１Ｃ：送りナツト １２：サドル １３：コラム １４：主軸ヘッド １５ａ、１５ｂ：サポートベアリング １５Ｃ：ボールベアリング １６：連結部 １７：軸受部 １８二軸受穴 １９．２１：外環（アウターリング） ２０ａ、２０ｂ、２５　：スペー＋）Ｉ）ン’ｊ２２：
押え金 ２３：０リング ２４：検出器収納部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、工作機械の切削力又は切削抵抗を検出する工作機械
   用検出器に於いて、 圧電材料層の両面に電極層を形成したフィルムシート状
   の圧電センサを有し、該圧電センサの中央に工作機械の
   送りネジシャフト等を貫通する通し穴を備えたことを特
   徴とする工作機械用検出器。 ２、前記検出器は、工作機械におけるワークテーブル又
   は工具台の送りネジシャフトに螺合しているナットに装
   着されたことを特徴とする請求項１項の工作機械用検出
   器の取付構造。 ３、前記検出器は、前記送りネジシャフトに螺合された
   前記ナットの一端に押え金によるボルト締めで狭着固定
   したことを特徴とする請求項２記載の工作機械用検出器
   の取付構造。 ４、前記検出器は、工作機械におけるワークテーブル又
   は工具台の送りネジシャフトの軸受部に装着されたこと
   を特徴とする請求項１記載の工作機械用検出器の取付構
   造。 ５、前記検出器は、送りネジシャフトを回転自在に支持
   し、スライト力を受けるベアリング外環の端面と固定側
   との間に狭着状態で締め付け固定したことを特徴とする
   請求項４記載の工作機械用の検出器取付構造。