JPH02116454A - 荷重検出器付き工具取り付けアダプタ - 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、切削工具に加わる切削荷重を検出する検出器
を備えた工作機械の工具ホルダー装置に関する。

［従来の技術］ 近年、ＦＭＣや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ＮＣｈｌ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【プる異常監
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
や水晶撮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、切削工具に加わる荷重を直接且つ正確に測定でき
るようにした工作機械の工具ホルダー装置を提供するこ
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
主軸に着脱自在な工具ホルダーに、ドリルやタップ等の
切削工具を固着するアダプタを装着し、該アダプタに軸
方向の切削荷重を受けるフィルムシート状の圧電センサ
でなる検出器を設けるようにしたものである。

このアダプタへの検出器の装着は、アダプタに形成した
軸受は部に、軸方向の荷重を受ける一対のスラストベア
リングの間に前記検出器を挾み込んで装着し、更にスラ
ストベアリングの検出器挟着側のリング回転を止める回
転係止部材を設けるようにしたものである。

更に検出器を軸周方向で４分割し、軸中心に対称な分割
検出部の検出信号の差から軸に直交する直交座標のＸ、
Ｙ軸方向の荷重を検出する。

［作用］ このような本発明の工作機械の工具ホルダー装置にあっ
ては、検出器としてフィルムシート状の圧電センサを用
いていることから、厚さが０．２ｍｍ程度と薄く且つ軽
量であるため、アダプタに検出器を組込んで切削工具に
加わる切削荷重を直接的に検出することができる。

またフィルムシート状の圧電センサは外部回路の切換え
によって１Ｋｇｆから１００１００Ｏを越える広い範囲
でスラスト荷重を検出することができ、且つ分解能力も
１００ｇｆ程度と高く、小径ドリルやタップであっても
工具に加わる切削荷重を正確に検出することができる。

更にフィルムシート状の圧電センサは、膜厚が薄いため
に切削荷重を受けても変形＠（圧縮歪）はごく僅かであ
り、加工精度に影響を及ぼすことはない。

更にまた、圧電センサの感度を決める圧電定数（単位力
当りの電荷発生量）は荷重を受ける面積の大小ににかか
わらず一定であるため、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高い剛性を得ることができる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示した説明図である。

第１図において、１は工具ホルダーであり、主軸装着側
にテーパ軸部２が形成され、先端側にフランジ溝３を備
えたフランジ４が形成されており、フランジ４の下端面
中央より軸方向に破線で示す工具取付穴５が形成されて
いる。この工具ホルダー１は例えばＭＡＳ規格等に従っ
た寸法と形状をもち、全ての工作機械の主軸に対し標準
品として着脱することができる。

工具ホルダー１に続いては切削荷重を検出するだめの検
出器を設けるアダプタ６が設けられる。

アダプタ６は上部に工具ホルダー１の工具取付穴５に装
着する取何軸７を一体に有し、また下部には切削工具と
して例えばドリル８を取付けるためのチャック９を固着
している。アダプタ６はチャック９と一体に形成しても
良いが、アダプタ６を全ての切削工具に対し標準品とし
て使用できるようにするため、アダプタ６に対しチャッ
ク９等の工具取付部材を着脱自在に設けることが望まし
い。

勿論、アダプタ６に対してはチャック９を設けずに、直
接ドリル８等の切削工具を取付けることもできる。

工具ホルダー１の工具取付穴５に取付軸７をもって装着
したアダプタ６は、フランジ１０とフランジ１０に対し
て小径の軸部１１を有し、フランジ１０、軸部１１、更
に工具ホルダー１のフランジ４によって軸受部を形成し
ている。

このアダプタ６の工具ホルダー１に対する装着で形成さ
れた軸受部、即ち工具ホルダー１のフランジ４とアダプ
タ６のフランジ１０の間の軸部１１には、軸方向に一対
のスラストベアリング１２゜１３が組込まれ、スラスト
ベアリング１２と１３の間にスペーサリング１４．’１
５、更にスワラシャリング１６を介してフィルムシート
状の圧電センサを用いた検出器１８を挟み込み状態で装
着している。

更に、スラストベアリング１２と１３の間にスワラシャ
リング１６を介して検出器１８を挟み込み固定するスペ
ーサリング１４．１５の外周には回転係止部材２０が装
着されている。但し、回転係止部材２０はスペーサリン
グ’１４．１５の回転方向の動きは規制するが、軸方向
については変位自在となるように連結されている。

第２図は第１図のアダプタ６における検出器１８の取付
は構造の拡大説明図である。

第２図から明らかなように、工具ホルダー１に対するア
ダプタ６の装着でフランジ４，１０の間に形成された軸
部１１には、スラストベアリング１２１３の間にスペー
サリング１４と１５を組込み、スペーサリング１４と１
５の間にスワラシャリング１６を介して検出器１８を挟
み込み状態で組込んでいる。スペーサリング１４と１５
の間にスワラシャリング１６を介して挟み込まれた検出
器１８の両側にはＯリング１９．２０が設けられ、検出
器１８をシールしている。

このようなアダプタ６に対する検出器１８の組込み構造
にあっては、工作機械の主軸によって工具ホルダー１及
びアダプタ６が回転されても、検出器１８．を挟み込ん
だスペーサリング１４．１５は第１図に示したように回
転係止部材２０によって回転が止められており、検出器
１８が回転することはない。

一方、アダプタ６の先端に装着したドリル８等による切
削加工時の切削荷重はアダプタ６の軸方向に加わり、こ
の切削荷重はアダプタ６のフランジ１０と工具ホルダー
１のフランジ４との間にスラストベアリング”１２，１
３、更にスペーサリング１４．１５及びスワラシャリン
グ１６を介して挟み込んでいる検出器１８に加わること
になる。

第３図は第１，２図に示したアダプタ６に組込よれる検
出器１８を示した断面図であり、第４図にその平面図を
一部破断して示す。

第３図において、検出器１８は中央に圧電材料層２１を
もち、この圧電材料層２１の両側に電極層２２ａ、２２
ｂを形成し、更に電極層２２ａ。

２２ｂの外側に絶縁シート２３ａ、２３ｂを接着剤等に
より固着しており、電極層２２ａ、２２ｂからはそれぞ
れリード１ｊ１２４ａ、２４ｂが引き田されている。

このような構造をもつ検出器１８は、圧電材料層２１と
両側に形成した電極層２２ａ、２２ｂとによってフィル
ムシート状の圧電センサ（圧電フィルム）を構成してお
り、両面側から荷重を受けると信号電荷を荷重に応じて
発生する。

この圧電材料層２１と電極層２２ａ、２２ｂで成るフィ
ルムシート状の圧電センサの厚さは０゜２１１１１１１
程度であり、検出感度を決める圧電定数（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
となる。このため圧電センサの面積を大きくすることに
より単位面積当たりに加わる荷重を低減し、感度を低下
させることなく圧電センサの剛性を大きくすることがで
きる。更に、Ｑ、２ｍｍ程度の厚さをもつ圧電センサは
ヤング率が小さくとも力による変形量はごく僅かであり
、第１図に示したように工具ホルダー１のフランジ４と
アダプタ６のフランジ１０との間にスラストベアリング
１２．１３を介して挟み込んでも、圧電センサの変形歪
による加工精度への影響は問題とならない。

更に、圧電センサを用いた検出器１８からの荷重検出信
号の取出しは電荷増幅回路（ヂャージア゛ンプ）を使用
して行なう。電荷検出回路は周知のように入力容量とし
て圧電センサが接続されることから、圧電センサにおけ
る荷重に応じた発生電荷量に応じた信号電圧を出力する
。また、検出器１８は第１図のようにアダプタ６に組込
んだ状態で所定の初期荷重を受けていることから、切削
加工時の荷重検出に先立って電荷検出回路に設けた帰還
コンデンサを放電リセットすることで、零点調整を行な
った後に荷重検出を行なう。

このような圧電センサを用いた検出器１８によれば、電
荷増幅回路（チャージアンプ）に設けた帰還コンデンサ
の容量を切換えることにより、１Ｋｇｆから１００１０
０Ｏまでの広い範囲に亘って荷重を検出することができ
、且つ１００ｃ＋ｆ程度の高い分解能が得られる。

次に、上記の実施例の作用を説明する。

第１図に示す本発明の工具ホルダー装置を工作機械の主
軸に装着してアダプタ６を介してチャック９に装着した
ドリル８によりワークの切削加工を開始すると、主軸ヘ
ッドもしくはワークテーブルが一定速度で加工送りされ
る。

このときドリル８には切削抵抗に応じた軸方向の切削荷
重が加わり、このドリル８の切削荷重はアダプタ６のフ
ランジ１０と工具ホルダー１のフランジ４との間にスラ
ストベアリング１２，１３、スペーサリング１４，１５
、更にスワラシャリング１６を介して挟み込んだ検出器
１８に作用し、検出器１８のリード線２４ａ、２４ｂを
入力接続している電荷増幅回路（チャージアンプ）から
は軸方向の切削荷重に応じた信号電圧が得られる。

このためドリル８の刃の摩耗により切削抵抗が増加した
り、ドリル８が折れたような場合には、異常な切削荷重
の検出信号が得られるため、この検出信号に基づいてプ
ロセッサ等により適切な対応処置をとることができる。

更に、検出器１８による切削荷重の検出出力は充分な分
解能をもっでいることから、加工進行状況に応じて所定
の切削荷重の基準パターンを決め、この基準パターンに
実際の切削荷重が追従するようにフィードバック制弧を
行なうこともできる。

第５図は第１図のアダプタ６に装着される検出器の他の
実施例を示した説明図であり、この実施例にあっては、
スペーサリング１４と１５の間にスペーサリング１６を
介して挾み込む検出器を、軸周回りに４分割して検出器
１８ａ、１８ｂ、　１８ｃ、１８ｄとしたことを特徴と
する。

ここで軸方向に直交するＸ、Ｙ座標を図示のにうに設定
したとすると、検出器１８ａと１８ｂが中心対しＹ軸方
向に配列され、検出器１８ｃと１８ｄが中心に対しＸ軸
方向に配列される。

このように検出器を検出器１８ａ〜１８ｄに４分割する
ことにより、軸方向、即らＸ軸方向の荷重に加え、Ｙ軸
方向及びＸ！［１１方向の荷重も検出することができる
。

即ち、検出器１８ａ〜１８ｄの検出信号の合計又は平均
を求めることでＸ軸方向の荷重を検出でき、また検出器
１８ａと１８ｂの検出信号の差を取ることで軸方向の荷
重を検出でき、更に検出器１８ｃと１８ｄの検出信号の
差を取ることでＸ軸方向の荷重を検出することができる
。

［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、工具に加わる
切削荷重（スラスト荷重）を検出する検出器としてフィ
ルムシート状の圧電センサを用いていることから、圧電
センサは極めて薄く且つ軽量であるため、アダプタに検
出器を組込んで切削工具に加わる切削荷重を直接検出す
ることができる。

また、フィルムシート状の圧電センサは外部回路の追加
によって１ＫＯｆから１００１００Ｏを越える広い範囲
で荷重を検出することができ、且つ分解能も１００ｇｆ
と高いため、重切削は勿論のこと小径ドリルやタップで
あっても工具に加わる切削荷重を正確に検出することが
できる。

また、フィルムシート状の圧電センサは膜厚が薄いため
に切削荷重を受けても変形量（圧縮歪）はごく僅かであ
り、主軸に工具を装着する工具ホルダー装置に圧電セン
サを設けていても加工精度に影響を及ぼすことはない。

更に、圧電センサの感度を決める圧電定数（単位力当た
りの電荷発生量）は荷重を受ける面積の大小に係わらず
一定であるため、センサ面積を大きくすることで端子面
積当たりの荷重を低減して切削荷重に対し高い剛性を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した説明図；第２図は第
１図の検出器装着部分を取り出して示した拡大説明図： 第３図は本発明で用いる検出器の断面図；第４図は第３
図の検出器を一部破断して示した平面図： 第５図は本発明で用いる検出器の他の実施例を示した説
明図である。 １：工具ホルダー ２：テーパ軸部 ３：フランジ溝 ４．１０：フランジ ５：取イ」穴 ６：アダプタ ７：取付軸 ８ニトリル ９：チャック １に軸部 １２．１３ニスラストベアリング １４．１５ニスペーサリンク １６：スワラシャリング １８：検出器（フィルムシート状圧電センサ）１９ａ、
１９ｂ：Ｏリング ２０：回転係止部材 ２１：圧電材料層 ２２ａ、２２ｂ：電極層 ２３ａ、２３ｂ：絶縁シート ２４ａ、２４ｂ：リード線 第３図 第５図 手続補正言動式） １．事件の表示 昭和６３年特許願第５９８２４号 ２、発明の名称 工作機械の工具ホルダー ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　富山県富山市上赤江町１丁目６番４３号名称　エ
ルコー株式会社　　（他１名）４、代理人　〒１０５ 住所　東京都港区西新橋三丁目１５番８号西新橋中央ビ
ル４階 電話０３　（４３２）１００７ ７、補正の内容 明細書の発明の名称を −」と補正する。 ［工作機械の工具ホルダ 平成１年９月１１日（発送日平成１年９月２６日）６、
補正の対象

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、工作機械の主軸に着脱自在な工具ホルダーにドリル
   、タップ等の切削工具を固着するアダプタを装着し、該
   アダプタに軸方向の切削荷重を受けるフィルムシート状
   の圧電センサでなる検出器を装着したことを特徴とする
   工作機械の工具ホルダー装置。 ２、前記アダプタに形成した軸受部に、軸方向の荷重を
   受ける一対のスラストベアリングの間に前記検出器を挾
   み込んで装着し、前記スラストベアリングの検出器挟着
   側のリング回転を止める回転係止部材を設けたことを特
   徴とする前記特徴とする請求項１記載の工作機械の工具
   ホルダー装置。 ３、前記検出器を軸周回りに４分割し、軸中心に対し対
   称に位置する分割検出部の検出信号の差から軸に直交す
   る直交座標のＸ、Ｙ軸方向の荷重を検出することを特徴
   とする請求項１記載の工作機械の工具ホルダー装置。