JPH02303752A - 工作機械用トルク検出器 - 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】 １“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により工
具に加わるりトルクを検出する工作機械用トルク検出器
に関する。

Ｅ従来の技術］ 近年、Ｆ　Ｍ　ＣやＦ　Ｍ　Ｓ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。

［発明か解決しようとするＢ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。家な歪測定及びモータ負荷電流の測定の
いずれにあっても、小径ト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、検出感度が低いな
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
け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抵抗で
あっても正確に検出することかでき、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
機械用トルク検出器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に応じてドリル等の工具に加わるト
ルクを検出する工作機械用）・ルク検出器として、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、該圧電センサを介してドリル等の工具
を回転させるモータを固定し、該一対の圧電センサの検
出出力に基づいて前記工具の駆動■・ルクを検出するよ
うにしたものである。

［作用−１ このような本発明の工１ヤ機様用トルク検出器にあって
は、検出器かフィルムシー　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による駆動トルクを
受けても検出器の剛性が高いなめに破損することはなく
、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大きくするこ
とによって容易に高めることができ、更に面積を大きく
することで中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１ＫＫｆから１−．０００
Ｋｇｆを越えるまでの広いトルク荷重の測定レンツをも
ち、切削力及び切削抵抗の小さい小径ドリルやタップで
あっても正確に駆動トルクを測定することができる。

ｌ−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、２はモータであり、工作機械本体５に
ポル）３ａ、３ｂにより固定されており、その回転軸４
は図示しない工作機械のドリル等の工具を回転駆動する
。

モータ２は工作機本体５に対し間に一対のトルク検出器
１ａ、ｌｂを介してボルト３ａ、３ｂにより締付は固定
されている。

第２図は第１図に示したトルク検出器１　ａ、の一実施
例を示した断面図であり、第３図にその平面図を一部破
断して示す。

第２図において、モータ駆動時の切削力又は切削抵抗に
よる１〜ルク荷重を検出するトランスデユーサとし７、
てのトルク検出器１：３．は、中央に圧電材ｆＥＪを用
いた圧電材料層７を有し、圧電材料層７の両面に電極層
８ａ、８ｂを形成しており、電極層８ａ、８ｂの外側に
絶縁シート９ａ、９ｂを接着等により固着シフ１、圧電
材［７と電極層９ａ、９ｂによってフィルムシー１−状
の圧ニセンヅが形成されている。具体的には圧電フィル
ムとして知られたＰＶＤＦ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０
゜２１ＴＩ　ｍ以下である、またヤング率か小さくても
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、モータ固定部に直接組込んで
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かか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
学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。

更にトルク検出器１は第１図に示したようにボルトを貫
通するための通し六６を形成している。

この第２，３図に示した本発明のトルク検出器１によれ
ば、トルク検出器１ａ、ｌｈ比出力取出す電荷増幅回路
（チャー　ジアンプ）の帰還コンデンサ容量を切換える
ことにより１ｋｇｆから１００１００Ｏまでの広い範囲
に亘つ′ζトルク荷重を測定することかでき、１１つ１
００ｇｆ程度の分解能を実現することができる。

次に第１図の実施例の動作を説明する。

モータ２の回転軸４によりドリル等の工具を回転させる
と、回転トルクに比例した荷重Ｆかトルり検出器１ａ、
ｌｂのそれぞれに逆向きに印加される。トルク検出器１
ａ、ｌｂは圧電センサを構成することから、印加された
トルク荷重に応じた量の電荷を発生する。従って、トル
ク検出器ｌａ。

１ｂから発生したで電荷量をチャージアンプにより検知
することで回転トルクを検出することができる。

第４図は本発明で用いるチャージアンプ゛を示したもの
で、オペアンプ１７の帰還回路にコンデンサＣを接続し
５ており、トルク検出器１ａ又は１ｂと−しての圧電セ
ンサ１は荷重に応じて発生電荷量ｑｘか変化することか
ら１４変容量ＣＸと見做すことかできる。

ここでオペアンプ１７の増幅率Ａを無限大とすると、オ
ペアンプ１７のイマジナリショート作用によって圧電セ
ンサ１の発生電荷ｑｘはそのまま帰還コンデンサＣに転
送され、理想的には圧電センサ１の発生電荷量ｑｘに比
例した出力電圧Ｅ。

を得ることができる。しかし実際にはオペアンプ１７の
増幅率は無限大にならないため、出力電圧上〕　０　は
、 Ｆ、　　ｏ　　千τ　−−ｑ　　ｘ　／　Ｃとなる− 更に、オペアンプ１７の帰還回路にはコンデンサＣと並
列にリセットスイッチ１８か接続される。

即ち、初期状態で圧電センサ１には所定の組付は荷重が
加わっているため、トルク検出に先立ってコンデンサＣ
を放電リセットして出力電圧を零とする。

更にチャージアンプの応用例とし、て、第１図に設けた
トルク検出器１ａ、ｌｂに加わるトルク荷重が同じ大き
さで逆方向、即らトルク検出器１ａに縮ませる方向の力
が加わるとトルク検出器１ｂには逆に伸びる方向の力が
加わる点に着目し、２つのチャージアンプ出力の加算に
よりドリフト分を相殺させ、ドリフト分による出力変動
をないようにする。

このためのチャージアンプを第５図に示す。

第５図において、ｌａ、ｌｂは圧電センサとしてのトル
ク検出器であり、各々、オペＴンブ１７ａ、１７ｂに入
力される。オペアンプ１７ａ、１７ｂは帰還回路にコン
デンサＣ１，Ｃ２とリセットスイッチ１８ａ、１８ｂを
並列接続している。

オペアンプ１８ａの出力は加算アンプ１つに与えられ、
反転アンプ２０で反転されたオペアンプ１７ｂの出力と
加算され、この加算によりドリフト分が除去される。

第６図は第５図のチャージアンプの動作波形を示す。

第６図の時刻ｔ、ｏでリセットスイッチ１８ａ。

１８ｂを一時的にオンしてコンデンサＣ１，Ｃ２を放電
リセッＩ〜することで測定を開始すると、その時の締付
は荷重により発生する電荷量によるドリフト分が時間の
経過と共に増加する。

時刻ｆ、　１でドリル等の工具による切削を開始したと
すると、切削力や切削抵抗に応じたトルク荷重を受けて
オペアンプ１７ａ、１７ｂの出力がドリフト分に」−乗
ぜする形で変化する。このときオペアンプ１７ｂの出力
を反転した反転アンプ２０の出力を加算アンプ１９で゛
オペアンプ１７ａの出力と加算することでドリフト分が
相殺され、２倍の出力電圧が得られる。

第７図は本発明の他の実施例を示した説明図であり、第
８図に示す構造の取付フランジ１４を備えたモータ２を
対象としてトルク検出を行なうことを特徴とし、第９図
に示す補助金具１０ａ、１０ｂを使用する。

第７図において、モータ２の取付フランジ１４には補助
金具１０ａがボルト締めにより固着され、補助金具１０
ａは別の補助金具１０１〕を介゛して工作機械本体５に
ボルト１３ａ〜１３（１により固定される。

即ち、補助金具１０ａ、ｌＯｂは第９図に示したように
、ボルト穴１６を貫通した端面の４箇所に突起１１を備
えており、突起１１には円周方向く接線方向）にボルト
穴１５が貫通されており。

２つの補助金具１０ａ、１０ｂの突起１１を軸方向に噛
み合わせてボルト穴１５を位置合わせた状態でボルト１
２ａ〜・１２ｄにより締付は固定する。

このボルト１２ａ〜１２（１により補助金具１０ａ、１
０ｂの突起１１を締付は固定する際に、間にトルク検出
器１ｃ〜１ｆを介在させており、トルク検出器１ｃｍ１
ｆのチャージアンプによる出力電圧から１〜ルクを検出
することかて゛きる。

尚、本発明のトルク検出器のモータ取付は構造は前記の
実施例に限定されず、モータと工作機械本体との間のト
ルク荷重がトルク検出器に対して垂直に加わる位置であ
れば、適宜の位置に直接又は補助金具を用いて装ネイす
ることができる。

Ｌ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
削力又は切削抵抗に応じた工具に加わるトルクを検出す
るトルク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チャージアンプのコン
デンサ容量を切換えることでＬ　ｋｇｆ程度の小さな切
削力又は切削抵抗から１００１００Ｏを越える大きなト
ルク荷重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、トルク検出出力に基づ
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、トルク検出器はフィル
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１−
ルク検出器の厚み方向の変形はごく僅かであり、モータ
取付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５ことはない。

更に、トルク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、圧電センサの面積を大きくする
ことによって（ｎ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ており、
厚さが０．２ｍｒｎ以下と極めて薄く小型でＩ−１つ軽
量であることから容易に工作機械におけるモータ取付は
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トル
ク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図は本発明の一実施例を示した説明図；第２図は本
発明のトルク検出器の一実施例を示した断面図； 第３図は第２図の検出器を一部破断して示した平面図； 第４図はヂャージアンの回路図； 第５図はドリフト分を相殺するチャージアンプの回路図
； 第６図は第５図の動作波形図； 第７図は本発明の他の実施例を示した説明図；第８図は
第７図のモータを示した説明図；第９図は第７図で使用
する補助金具の説明図である。 １ａ、１ｂ：）−ルク検出器 ２：モ・−タ ３ａ、　３ｂ、ｌｌａ　〜ＩＩｄ、　１２ａ　〜１２ｄ
、　１３ａ１３ｄ　：ボルト４・回転軸 ５：工作ａ械本体 ６：ボルト穴 ７：圧電材料層 ８ａ、８ｂ：電極層 ９ａ、、９ｂ：絶縁シート・ １０ａ、１０ｂ：補助金具 １１：突起 １４：取付フランジ １５．１６：ポルｌ−穴 １７．１７ａ、１７ｈ：オベアンフ。 １８．１８ａ、１８ｂ：リセットスイッチ１９：加算ア
ンプ ２０：反転アンプ゛

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に応じてドリル等の
   工具に加わる駆動トルクを検出する工作機械用トルク検
   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、該圧電センサを介して前記工具を
   回転させるモータを固定し、該一対の圧電センサの検出
   出力に基づいて前記工具の駆動トルクを検出することを
   特徴とする工作機械用検出器。