JPH07121499B2 - 旋削加工機械の力検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、バイトを備えた旋削加工機械において、旋削
加工中バイトに作用する主分力、背分力および送力分の
３つの分力のうち少なくとも背分力を検出する旋削加工
機械の力検出器に関する。

〔従来の技術〕

旋削加工中、バイトには主分力、背分力および送分力が
作用する。これらの各分力、特に背分力を知ることは、
単に切削現象の研究に必要なばかりでなく、旋削加工の
自動化、最適切削条件の維持、バイト切削部の摩耗，損
傷の検出等に欠くことのできない要件となる。

従来、上記３分力の検出には種々の検出器が用いられて
いるが、その中でも、本発明者が特願昭59−163473号に
より提案した平行平板構造より成る検出器を用いるのが
好適である。この場合、当該検出器は上記出願の図面の
第２図およびその説明に示されるように、バイトを取付
ける刃物台に設置される（ただし背分力を検出する検出
器は省略されている）。なお、平行平板構造については
上記出願の明細書中に詳述されているので、説明は省略
する。ところで、旋削加工においては、一台の旋盤で種
々の加工を行うのが通常であり、その際には、実施され
る加工に適したバイトを選択して刃物台に取付け、加工
が行われる。したがつて、発生する分力は各加工毎にそ
の大きさの範囲が異るのが通常である。しかしながら、
上記のように検出器を刃物台に取付ける手段では、検出
器の定格は一定であるので、加工の種類によつては検出
器がその加工の分力の検出に適さなくなる場合が生じ好
ましくない。又、検出器を刃物台に取付けると刃物台の
質量が含まれるので検出器に必要な高い固有振動数をと
るのが困難である。

本発明者はこれらの点を、考慮して、バイトの発生分力
に適合した定格を有する検出器をそのバイト自体に設け
ること、即ち、各バイトそれぞれをセンサ化することに
想到し、これを昭和60年10月精機学会において発表し
た。この考えに沿つた構造を次図により説明する。

第３図（ａ）は検出器を備えたバイトの斜視図、第３図
（ｂ），（ｃ）は第１図（ａ）に示すバイトにカバーを
取付けた場合の平面図および側面図である。各図で、１
はバイトを示す。２はバイト１を刃物台（図示されてい
ない）に固定するための固定部、３はバイト１に作用す
る力（主分力，背分力，送分力）を検出する検出器が構
成されている検出部、４はバイト１の先端部である。５
は先端部４に取付けられたチツプ、６はチツプ５を固定
するクツシヨン、７はチツプ５を押圧する爪である。８
は固定部２にねじ９により取付けられたカバーであり、
切削屑が検出部に侵入するのを防止する。なお、図示さ
れていないが、カバー８の先端部４側の検出部との間に
ゴム状のパツキングを挿入して切削屑の侵入の防止をよ
り完全に行う場合が多い。

検出部３には、矢印F₁方向の主分力を検出するための平
行平板構造3F₁、矢印F₂方向の背分力を検出するための
平行平板構造3F₂および矢印F₃方向の送分力を検出する
ための平行平板構造3F₃がそれぞれ複数の貫通孔を形成
することにより構成されている。3S₁,3S₂,3S₃はそれぞ
れ平行平板構造3F₁,3F₂,3F₃の変形を検出するひずみケ
ージである。

次に、上記バイト１を用いた検出動作について説明す
る。バイト１は固定部２を用いて刃物台に固定される。
一方、被削物は、第３図（ｃ）において紙面に垂直な軸
に取付けられ、同図で時計方向に回転せしめられ、チツ
プ５と接触することにより切削が行われる。この場合、
チップ５のすくい面の方向はほぼ主分力の方向と同じで
あり、向きは反対となる。なお、バイト１の中心軸はす
くい面又はチツプ５の取付面に対して垂直方向となつて
いる。この切削加工中、バイト１には第３図（ｂ），
（ｃ）に示す矢印F₁向きの主分力、矢印F₂向きの背分
力、および矢印F₃向きの送分力が作用する。各分力はチ
ツプ５から先端部４、検出部３、固定部２を経て刃物台
に伝達される。この伝達過程において、主分力は平行平
板構造3F₁に対してこれに比例した曲げ変形を発生せし
めるが、他の平行平板構造3F₂,3F₃は平行平板構造の特
性により当該主分力に対して極めて高い剛性を示し、ほ
とんど変形しない。同様に、背分力および送分力はそれ
ぞれ平行平板構造3F₂,3F₃に対してこれに比例した曲げ
変形を発生せしめるが、他の平行平板構造にはほとんど
影響を与えない。

これら各平行平板構造3F₁,3F₂,3F₃の曲げ変形の大きさ
はひずみゲージ3S₁,3S₂,3S₃を用いて電気信号としてと
り出され、これにより、主分力，背分力および送分力を
それぞれ独立して検出することができる。

このように、上記バイト１はそれ自体に検出部３を有す
るので、加工に応じてバイトを交換しても、当該加工に
対して最適の定格をもつた検出器を用いることができる
ので、精度のよい検出を行うことができ、さらに検出器
の固有振動数を高くすることができる。又、自動工具交
換装置に対して直ちに適用することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記バイト１を用いて実際に各分力を検出し
てみると、検出部３による主分力および送分力の検出性
能は充分に満足し得る結果が得られるのに反し、背分力
の検出性能は不充分であるという問題点があつた。

本発明の第１の目的は、上記従来技術の問題点を解決
し、背分力の検出性能を良好なものとすることができる
旋削加工機械の力検出器を提供するにある。

さらに本発明の第２の目的は、上記のように背分力の検
出性能を向上せしめるとともに、刃物台から突出するバ
イトの突出量を短縮することができ、かつ、３分力の検
出精度を向上せしめることができる旋削加工機械の力検
出器を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記第１の目的を達成するため、本発明は、棒状のバイ
トの中心軸に沿つて当該バイトの切削部より後方部分
に、少なくとも背分力を検出する力検出部を設け、この
背分力を検出する検出部として、バイトの中心軸方向を
力検出軸方向とする平行平板構造を前記中心軸の両側に
設けた貫通孔により構成したことを特徴とする。

又、上記第２の目的を達成するため、本発明は、上記第
１の目的を達成するための構成に加えて、力検出部を覆
うカバーをバイトと一体に構成したことを特徴とする。

〔作 用〕 旋削加工中、バイトに作用する主分力，背分力および送
分力のうち少なくとも背分力は、バイトに設けられた平
行平板構造より成る力検出部により検出される。又、バ
イトの切削部で発生する熱は切削部と力検出部との間で
ほぼ均一に拡散されて力検出部に伝わつてゆく。

〔実施例〕

ここで、本発明を実施例にしたがつて説明する前に、当
該実施例を完成するに至つた過程について説明する。本
発明者は、第３図（ａ）〜（ｃ）に示す構造において、
何故背分力の検出性能が不充分となるのか、その理由は
種々探究した結果、これが背分力を検出する平行平板構
造3F₂における局部的，時間的熱変形に起因することを
見出した。即ち、第３図（ａ）〜（ｃ）に示す構造にお
いては平行平板構造3F₂は、チツプ５と平行平板構造3F₁
との間に中心軸に沿つて介在し、しかもチツプ５に近接
して設けられている。ところで、切削加工においてはチ
ツプ５に高温の熱が発生し、この熱は上記構造において
は大部分平行平板構造3F₂を通るが、その際、平行平板
構造3F₂の複数貫通孔のため熱の流れが阻止され、この
ため複数貫通孔により形成されている薄肉の各平行平板
のチツプ５側の温度は反対側の温度に比較して極めて高
温となり、平行平板のチツプ側部分に延び変形を生じ反
対側部分に縮み変形を生じ、この変形は温度の時間的変
化によつて変化することが判明した。

このようなチップの発熱による平行平板構造3F₂の各平
行平板の変形は背分力とは無関係に生じるので、背分力
の正確な検出を不可能とし、当然ながらその検出性能を
著しく低下せしめるものである。

そこで、本発明者はこのような熱変形の問題を解決する
ため種々の対策を考案し、これらについて実験を行つ
た。そして、それらのうち熱変形に対して最も効果のあ
る手段は、チツプ５に生じた熱が検出部に伝達されるま
での間に、これをできるだけ拡散させるようにすること
であり、そのためには両者の間にある程度の間隔を設け
ることが必要であること判つた。このため、本発明者は
背分力検出用の平行平板構造3F₂をそのまま送分力検出
用の平行平板構造3F₃の後方に配置する構成を考えた。
第４図はこの構成の概略の平面図である。第４図で第３
図（ａ）に示す部分と同一部分には同一部分には同一符
号が付してある。このように、平行平板構造3F₂を後方
に移動配置したことにより先端部４に可成りの大きさの
中間部4aを存在せしめることができる。この中間部4aの
存在せしめることができる。この中間部4aの存在のた
め、チツプ５で発生した熱は中間部4aで拡散され、か
つ、放熱されることになり、局部的，時間的熱変形は大
幅に緩和され、前記の問題点は解消される。

しかしながら、平行平板構造3F₂を後方に配置するため
には、バイト１に切込み10a,10bを形成しなければなら
ず、この結果バイト１にくびれ部分11a,11bを生じるこ
とになる。ここで切込10aの深さは平行平板構造3F₂がバ
イトの中心部に配置されるため、バイトの幅の半分以上
になり、従つてくびれ部11aはバイトの幅の半分以下と
細くなる。これと同じように、11bのくびれ部も細くな
り、バイトのチツプ５から固定部２までの力の流れの中
に、バイト中心軸に非対称なくびれ部が２ケ所も存在す
ることになる。この構成により旋削加工を行うと、くび
れ部分11a、11bの存在のため、チツプ５はその主分力に
よりバイト１の中心軸まわりにねじり変形を生じ、結果
的に主分力方向のバイト１の剛性を低下せしめると同時
に送分力F₃により紙面内の曲げ変形を生じ、送分力方向
のバイトの剛性を低下せしめ、加工の寸法精度を低下せ
しめるおそれが生じる。

さらに、バイトの中心軸に関し非対称な細いくびれ部11
a,11bが存在するため、バイト１の中心軸方向の剛性、
即ち背分力に対する剛性も低下する。ところで、熱変形
に対する前述の種々の対策中には、各検出部の配置を種
々変更する方法（各検出部を主分力方向に配置する方法
等）が含まれ、その配置の仕方によつては背分力に対す
る剛性が低下するものも含まれていた。そして、その場
合の実験結果および検討から、このように背分力に対す
る剛性が低下すると、バイトにびびり振動が発生して切
削面が荒れ、到底加工の寸法精度を確保することができ
ず、結局、背分力に対する剛性は主分力および送分力に
対する剛性より加工の寸法精度に与える影響を遥かに大
であることが判明した。したがつて、背分力に対する剛
性の点からも第４図に示す構成は採用し得ないことは明
白となつた。

以上のような検討を経た後到達したのが第１図に示す実
施例の構成である。以下本発明をこの実施例に基づいて
説明する。

第１図（ａ）は本発明の実施例に係る力検出器を備えた
バイトの斜視図、第１図（ｂ），（ｃ）はそれぞれ第１
図（ａ）に示すバイトにカバーを取付けた場合の平面図
および側面図である。各図で、第３図に示す部分と同一
部分には同一符号を付して説明を省略する。３′は検出
部であり、主分力を検出するための平行平板構造3F₁お
よびひずみケージ3S₁、背分力を検出するための平行平
板構造3F₃およびひずみゲージ3S₃、ならびに、背分力を
検出するための平行平板構造3F₂′およびひずみゲージ3
S₂′で構成されている。4aは先端部４におけるチツプ５
と検出部３′との間の中間部分を示す。１′は本実施例
のバイトを示す。

本実施例と第３図（ａ）〜（ｃ）に示す構成とは、検出
部における平行平板構造の配置および背分力を検出する
平行平板構造の構成が異なる。即ち、第３図（ａ）〜
（ｃ）の構成においては、背分力を検出する平行平板構
造3F₂が先端部４に配置されているのに対し、本実施例
では送分力を検出する平行平板構造3F₃の後に配置され
ている。そして、平行平板構造3F₂′の後方への配置に
よりチツプ５と最初の平行平板構造3F₁との間にチツプ
５に発生した熱をほぼ均一に拡散する中間部分4aが存在
せしめられる。この中間部分4aの大きさは適宜定めるこ
とができる。又、平行平板構造3F₂′は中心軸に対称に
配列された複数の方形貫通孔により構成され、かつこれ
ら方形貫通孔はバイオ１′の中心軸に対して所定の傾き
をもつＶ字形に配列されている。このような平行平板構
造3F₂′の検出原理は特願昭59−163473号に示されてい
るので、その説明は省略する。

なお、図中l₁はバイト１′を刃物台に取付ける取付長
さ、l₂はバイト１′の固定部２の先端からチツプ５の先
端までの長さ、l₃はカバー８を固定部に取付けるために
要する取付長さを示す。又、平行平板構造3F₁,3F₃の貫
通孔は円形でなく方形となつているが、両者は等価であ
り、いずれであつても差支えない。

本実施例においては、チツプ５に作用した主分力，送分
力，背分力はそれぞれ平行平板構造3F₁,3F₃,3F₂′によ
り検出される。又、チツプ５に発生した熱は中間部分4a
でほぼ均一に拡散されて平行平板構造3F₁に伝達され、
以後それぞれ均一の拡散状態で平行平板構造3F₃,3F₂′
に伝達される。

このように、本実施例では、背分力検出用の平行平板構
造を後方に移し、バイト先端部においてチツプと検出部
との間に中間部分を設けたので、チツプに発生した熱を
当該中間部分において拡散することができ、検出部にお
ける平行平板の熱変形を大幅に緩和することができる。
又、背分力検出用の平行平板構造にも、熱は当然拡散さ
れて伝達されるので、背分力を精度よく検出することが
できる。

さらに、背分力検出用の平行平板構造を中心軸に対称に
その両側に配列された複数の方形貫通孔により構成した
ので、背分力の伝達は中心軸に沿つて行われることにな
り、背分力に対する剛性を高めることができ、加工精度
を向上せしめることができるとともに、貫通孔の数、平
行平板の厚み等を適宜選択することにより、背分力検出
部の中心軸方向の長さを短くすることができ、これによ
り後述する突出し量を短くすることができる。又、くび
れ部が存在してもこのくびれ部はバイトの中心軸を中心
として存在するので、主分力によるねじり変形も小さく
なり、また、背分力検出用の方形穴を中心軸に対称にＶ
字形に配置することにより、切込部を小さく、またはな
くすことができ、その結果、くびれ部の太さが増すた
め、送分力方向の剛性をほとんど低下させないので、加
工精度に影響を与えることはない。

第２図（ａ），（ｂ）は本発明の他の実施例に係る力検
出器を備えたバイトの一部破断平面図および側面図であ
る。各図で、第１図（ａ）〜（ｃ）に示す部分と同一部
分には同一符号を付して説明を省略する。12はカバーで
ある。さきの実施例におけるカバー８は固定部２にねじ
９で取付けられていたが、本実施例のカバー12はバイト
１′と一体構成となつている。このような一体構成は、
例えば、最初から精密鋳造で構成する方法、１つのブロ
ツクから放電加工を用いて構成する方法、溶接又はろう
付けする方法等が用いられる。

ところで、一般に旋削加工機械においては、（１）バイ
トの剛性を増加してより精度の高い加工を可能とするた
め、および（２）旋削加工機械の種類や被旋削物の種類
によつては刃物台と被旋削物との間隔に制限があるた
め、刃物台から突出するバイトの長さ（突出し量）をで
きるだけ短かくすることが要望されている。本実施例で
は、カバー12をバイト１′を一体構成としたので、さき
の実施例を示すようなカバーを固定部２に取付ける取付
け長さl₃が不要となり、その分突出し量を短かくするこ
とができる。即ち、さきの実施例においては、突出し量
は（l₂＋l₃）であるが、本実施例においては、突出し量
はl₂であり、長さl₃だけ短縮することができる。

このように、バイト１′と一体構成されたカバー12は突
出し量を短縮できるという効果を有するが、これ以外に
次のような効果もある。即ち、さきの実施例のように、
カバー12をねじ９等で取付けた場合、この取付部をミク
ロ的にみると、バイト１′の固定部２とカバー８との間
には多数の凹凸が存在し、したがつて多数の接触点が存
在する。これらの接触点は力の伝達中に変形を生じ、こ
のため平行平板構造による検出特性（線形性や非履歴
性）に影響を与えこれらを低下させる。特に、カバー８
の開口端をゴム状のパツキングで封じたときこの傾向が
顕著に現れる。ところが、本実施例のカバー12はバイト
１′と一体構成とされているので、上記のような接触点
が生じることはなく、したがつて検出部の検出特性の悪
化を防止することができる。

このように、本実施例では、背分力検出用の平行平板構
造を後方に移し、チツプと検出部との間に間隔を設け、
又、背分力検出用の平行平板構造を中心軸両側に配列さ
れた方形貫通孔により構成したので、さきの実施例と同
じ効果を奏する。加えて、カバーをバイトと一体構成と
したので、突出し量を短くすることができるとともに力
の検出特性の悪化を防止することができる。

なお、上記実施例の説明では、平行平板構造の配置順と
して、前部に主分力検出用、中間に送分力検出用、後部
に背分力検出用を配置した例について説明したが、これ
に限ることはなく、それらの配置順は任意に選択するこ
とができる。

又、上記実施例の説明では、３つの平行平板構造を構成
する貫通孔として複数の方形貫通孔を例示したが、円形
その他平行平板を構成し得る形状のものであればよい。
さらに、貫通孔は複数でなく１つ構成することも可能で
ある。さらに又、背分力検出用の平行平板構造としてＶ
字形に傾斜した方形貫通孔の配列による構成を例示した
が、逆にΛ形の傾斜でもよく、又、傾斜させず中心軸に
沿う直線状の配列により構成してもよい。ただし、傾斜
した配列により構成する場合の貫通孔としては、各平行
平板に中心軸に対する垂直性を保持させて検出精度を向
上させるため、方形貫通孔を用いるのが望ましい。又、
上記、Ｖ字形、直線、Λ形の貫通孔配列に代えて、２つ
の方形貫通孔（例えば細長い平行四辺形又はこれに近似
する形状の貫通孔）を対称配置してもよい。

又、上記各実施例の説明では、検出部で主分力、背分力
および送分力を検出する構成について説明した。しかし
ながら、これら３つの分力のうち、切削加工の研究、自
動化等においてほとんどの場合に不可欠とされるのは主
分力と背分力の値である。そして、送分力については必
要とされない場合があり、他の２つの分力に比べてその
重要度が劣る。一方、三つの分力のうち通常は主分力の
値が最も大きく、背分力の値がそれにつぎ、送分力の値
は最も小さい。このため、主分力の検出は他の分力の検
出に比べて外乱や他分力による干渉の影響が小さいので
比較的容易であり、各実施例により示したような平行平
板構造による検出と他にも、たとえば角柱の上下表面に
単にひずみゲージを貼り付ける等の構造によつても検出
できる。またひずみゲージを用いず、他の適宜な検出方
法によつても検出することができる。しかし、背分力の
検出は外乱や他分力による干渉の影響を受け易く、正確
な検出が困難であり、本発明の構成により、はじめて充
分な精度で検出できる。したがつて、検出部において、
主分力および送分力のうちいずれか一方又は両方を検す
る平行平板構造は必ずしも必要ではない。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明の１つは、少なくとも背分力
を検出する検出部をバイトの切削部より後方に設けたの
で、平行平板構造における熱変形を緩和することがで
き、これにより背分力の検出精度を向上せしめることが
できる。又、背分力検出用の平行平板構造を、中心軸の
両側に設けた貫通孔で構成したので、バイトの剛性の低
下を防止することができ、精度の良い旋削加工を行うこ
とができる。

又、本発明の他の１つは、上記第１の発明の構成に加
え、検出部を保護するカバーをバイトと一体構成とした
ので、第１の発明と同じ効果を奏するとともに、バイト
の突出し量を短くすることができ、これによりバイトの
剛性を高め、又、バイトの旋削機械への適用範囲を拡大
することができる。さらに、カバーの一体構成により接
触点をなくすことができ、これにより検出部の検出精度
を向上せしめることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の実施例に係る
力検出器を備えたバイトの斜視図、平面図および側面
図、第２図（ａ），（ｂ）は本発明の他の実施例に係る
力検出器を備えたバイトの一部破断平面図および側面
図、第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）は従来の力検出器を
備えたバイトの斜視図，平面図および側面図、第４図は
第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す構成を説明するた
めのバイトの平面図である。 １′……バイト、３′……検出部、3F₁,3F₂′,3F₃……
平行平板構造、５……チツプ、8,12……カバー。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端に切削部を有する棒状のバイトを用い
   た旋削加工機械において、前記バイトにおける前記切削
   部より後方部分に前記バイトの中心軸方向を力検出軸方
   向とする平行平板構造を前記中心軸の両側に設けた貫通
   孔により構成したことを特徴とする旋削加工機械の力検
   出器
2. 【請求項２】特許請求の範囲第（１）項において、前記
   貫通孔は、複数貫通孔の配列より成ることを特徴とする
   切削加工機械の力検出器
3. 【請求項３】特許請求の範囲第（２）項において、前記
   配列は、前記中心軸に対して傾きを有することを特徴と
   する旋削加工機械の力検出器
4. 【請求項４】先端に切削部を有する棒状のバイトを用い
   た旋削加工機械において、前記バイトにおける前記切削
   部より後方部分に前記バイトの中心軸方向を力検出軸方
   向とする平行平板構造を前記中心軸の両側に設けた貫通
   孔により構成し、力検出部を覆うカバーを前記バイトと
   一体に設けたことを特徴とする旋削加工機械の力検出器