JPH0741520B2 - 過負荷トルク、スラスト検出用工具ホルダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ドリル、タップ等の折損予知を行なう工具
ホルダに関する。

従来の技術 ドリル等による切削加工中に切粉の排出が不良であると
切削トルクが増えてドリルがねじ切れたり、あるいはド
リルが摩耗した状態で一定送りで加工すると過大なスラ
スト力を生じ、これによってドリルが座屈することがあ
った。

過大なスラスト荷重の検出装置は、例えば特公昭63−28
742号に示される。これは先端にコレットチャックを備
えた弁体を工具ホルダ内に軸方向に摺動可能に嵌装し、
工具ホルダ内の３つの圧力通路とで切換弁を形成し、切
換弁の切換動作で圧力通路につないだ圧力スイッチを作
動させてスラスト荷重を検出するものである。

また、過大なトルクの検出装置は例えば特開昭59−1420
49号に示される。これは主軸と一体回転する基準歯車
と、この基準歯車に対して切削トルクに対してねじれを
生じる弾性変位部を介して連結した変位歯車間の位相ず
れを位相検出器で検出するものである。

発明が解決しようとする課題 前述のようにドリル等の折損は過負荷トルク、スラスト
の両方から生じるため、これらの両方を検出する必要が
ある。前記した２つの従来技術を組合せることでこの目
的は一応達せられるが、過負荷トルク、過負荷スラスト
の検出のために別々の検出器を必要とし、かつ構造が複
雑となる。

課題を解決するための手段 前記課題を解決するため、この発明ではホルダ軸に対し
て回動自在かつ軸方向摺動可能に支持した工具保持筒、
工具保持筒を前方へ付勢するスラスト荷重設定ばね、工
具保持筒の検出子と円周方向に所定の遊びを有して噛み
合うホルダ軸の突起部、検出子と突起部とを円周方向で
当接させるトルク伝達用のねじりコイルばね、検出子と
突起部の当接部に形成され、工具保持筒の軸方向移動で
検出子を円周方向に回転させる斜面を備えている。

作用 前記によれば、過負荷トルクの発生により工具保持筒の
検出子が円周方向に前記遊びだけ回動遅れを生じるの
で、これを検出することにより過負荷トルクが生じたこ
とを検出する。一方過負荷スラスト荷重が生じたときに
は、検出子と突起部間の斜面の作用で過負荷トルク発生
時と同様な検出子の回転遅れが生じ、これを検出する。

実施例 第１図に示すように、ホルダ軸１はテーパシャンク2aを
有する本体２、本体２と一体の把持部３、本体２の中心
に軸方向摺動可能に挿通した支持軸４及び支持軸４を前
方（第１図左方）へ付勢するスラスト荷重設定ばね５を
備えている。このばね５は後述の工具保持筒のドリル等
の工具13に生ずるスラスト荷重を受けるもので、一定の
設定スラスト荷重を越えるまでは軸方向後方にたわまな
い。支持軸４の前端面は円錐面６に形成されると共に、
支持軸４にはスリーブ７が遊嵌され、スリーブ７の後端
面は円錐面８に形成してある。これらの円錐面６、８を
支承する大、小のピボット玉軸受９、10が工具保持筒20
の支承筒21に嵌着してある。支持軸４に軸方向前方へ移
動不能に装着したスペーサ11とスリーブ７の鍔部7aとの
間にはスプリング12が介装され、このスプリング12のば
ね力で、２つの円錐面６、８を介してピボット玉軸受
９、10に予圧が付与される。このばね力は、ピボット玉
軸受９、10による摩擦トルクを必要最小とする予圧とな
るように設定してある。支承筒21の前端には工具13を保
持するコレットチャック23が取付けてある。なお、ピボ
ット玉軸受に代えて深みぞ玉軸受を使用しても良い。

支承筒21には連結筒24が外周に一体螺合され、この連結
筒24にはトルク伝達用のねじりコイルばね25の一端が接
続され、ばね他端は前記把持部３に連結してある。この
連結筒24には第２図に示すように、上下２本の位置決め
ピン26が植設され、この位置決めピン26と係脱する多数
の係止孔27を有する検出リング28が把持部３との間に介
装したばね29により前方へ付勢してある。従ってねじり
コイルばね25のねじり強さは、検出リング28をばね力に
抗して後方（第１図右方）へ動かして係止孔27と位置決
めピン26の係合を外し、その状態で支承筒21と連結筒24
を円周方向へ回動した後、検出リング28の係止孔27と位
置決めピン26を係合させることにより調整される。検出
リング28の外周には第３図に示すように、複数個の凹部
30（本図では３個）が削設されてその間が円周方向に等
角度間隔（第４図に示す角度θ（120度）おき）の３つ
の変位検出子31に形成されている。第４図に示すように
変位検出子31は工具ホルダの回転方向両縁が後述の近接
スイッチ45による検出開始又は検出終了を示す検出表示
部32、33となっている。

３つの凹部30内へ向かって、保持部３から３つの基準検
出子（突起部）34が突設されている。各基準検出子34は
第４図に示すように中央が突出した階段状を成し、中央
突出部35の回転方向両縁が後述の近接スイッチ45による
検出開始又は検出終了を示す一対の検出表示部36、37と
なっており、回転方向120度の間に一対の検出表示部3
6、37と対応する１対の検出表示部32,33との間で一対の
回転ずれの検出域38、39が形成され、このような検出域
38、39が円周方向一周の間に三対設けてある。これらの
検出域38、39を検出した時近接スイッチ45はOFFとな
る。基準検出子34の低段部40の一側面と変位検出子31の
検出表示部32とが、前記ねじりコイルバネ25のバネ力で
互いに当接しており、この当接部には変位検出子31側に
斜面31aが、基準検出子34側に斜面40aが形成してあり、
前記ねじりコイルばね25のねじり力で両斜面31a、40aが
当接している時、低段部40の他側面40bと対向する検出
表示部33との間には僅かな円周方向の遊び（第４のａ、
絶対値2aに対応するパルスカウント値が後述の設定値ｔ
より大となるようにしてある）があるようにしてあり、
前記一対の検出域38、39と中央突出部35及び変位検出子
31の円周方向長さＬは全て同じ（30度）に設定してあ
る。前記斜面31a、40aは過負荷スラスト過重で変位検出
子31が軸方向後方へ移動するとこれを、変位検出子31の
回動としてとらえるためのものである。

尚、検出子31,34間には、夫々斜面31a,40aが設けられて
いるが、一方の検出子の斜面のかわりに他方の斜面上を
転動するカムフォロアのような転動体を設け、過負荷ス
ラスト過重で検出子の軸方向移動を検出子の円周方向回
動に変換させても良い。

前記検出域38、39を検出する近接スイッチ45は、第１図
に示すように主軸ヘッド15の前面に固着したブラケット
16に１個取付けてある。この近接スイッチ45からの信号
は第５図に示す過負荷トルク（又はスラスト荷重）の判
別手段50へ送られるようにしてある。

判別手段50において、51は周波数−電圧変換器52と電圧
−周波数変換器53により近接スイッチ45からの信号パル
スを平均し、所定倍数逓倍してスピンドル17の１回転で
所定数の基準パルスを発生するようにしたスピンドル角
度パルス発生器、54は近接スイッチ45の信号の立下りで
立上り、立上りで立下がる（近接スイッチ45がOFFの間
開く）ゲート回路、55はゲート回路54が開いている間に
入力されてくるスピンドル角度パルスP_Sを加算又は減算
するカウンター、56は近接スイッチ45のON、OFF信号の
１周期でカウンター55に対する加算又は減算指令を切換
えると共に、立上りで判定指令信号を比較回路57へ出力
する加算、減算切換回路、57は判定指令があった時にカ
ウンター55内のカウント値が設定回路58で予め設定され
る設定値ｔを越えたかを判定する比較回路、59は比較回
路57で判定後に前記カウンター55をリセットするリセッ
ト回路、60は比較回路57での比較結果が設定値ｔを越え
たときに過負荷トルク（又はスラスト）検出信号を出力
信号として出力する出力回路である。前記設定値ｔは切
削前の無負荷時に近接スイッチ45が前記一対の検出域3
8、39を検出した時のカウンター55のパルスカウント値
の差に許容値を加えたものが設定される。製作誤差がな
いとすると、この実施例では一対の検出域38、39でのパ
ルスカウント値の差はゼロとなる。尚、スピンドル角度
パルP_Sは他にスピンドル17の駆動用モータのエンコーダ
出力を用いても良い。また、スピンドル角度パルスP_Sに
代えて一定周波数で時間パルスを出力するようにし、こ
れをカウンターでカウントして前記一対の検出域38、39
のカウント値の差が設定値ｔを越えたら過負荷の出力信
号を出力しても良い。この場合、設定値はスピンドル17
の回転速度に依存するので、回転速度に対する補正が必
要である。

さて、前記のような構成によれば、正常切削時ホルダ軸
１の回転はねじりコイルばね25を介して工具保持筒20へ
伝えられ加工が行なわれる。近接スイッチ45からはON、
OFF信号が繰り返し出力される。検出域38ではOFF（第６
図A1）となり、この間にゲート回路54が開き（第６図A
2）加算、減算切換回路56の加算指令（第６図A3）のも
とにカウンター55内にスピンドル角度パルスP_Sが加算さ
れ（第６図A4）、近接スイッチ45が中央突出部35を検出
してONとなると（第６図A5）ゲート回路54が閉じ（第６
図A6）減算に切換わり（第６図A7）、再び近接スイッチ
45が検出域39を検出してOFFとなると（第６図A8）カウ
ンター55内に先程加算したパルスカウント値からスピン
ドル角度パルスP_Sを減じ（第６図A9）、近接スイッチ45
が変位検出子31を検出してONとなると（第６図A10）、
判定指令信号が出力されてカウンター55内のカウント値
が設定値ｔと比較される。正常加工の場合、ねじりコイ
ルばね25により変位検出子31と基準検出子34の斜面31
a、34aが当接した状態なので検出域38、39の長さは同一
であるからカウンター55内のカウント値はゼロとなり、
過負荷トルクの出力信号は出されない。

工具13の切れ味が悪くなるか、もしくは切粉づまり等に
よるトルクがねじりコイルばね25で設定した伝達トルク
を越えると、変位検出子31が基準検出子34に対して回転
遅れを生じ、相対的に基準検出子34が第４図に示す遊び
ａだけ回転して低段部40の側面40bが検出表示部33に当
接する。この相対回動により検出域38の円周方向長さは
Ｌ−ａに、また検出域39の円周方向長さはＬ＋ａとな
る。従って検出域38で加算し（第６図B1）、検出域39で
減算（第６図B2）した結果は−2a（第６図B3）となり、
その絶対値は設定値ｔより大となるので出力回路60から
過負荷トルクの出力信号Ｃが出力される。この過負荷ト
ルクの出力信号Ｃによって、スピンドル駆動モータに停
止指令を出力したり、あるいは、ステップバック動作を
指令したり、更にはこの出力信号を計数する寿命カウン
タを設けておき、寿命カウンタ内の計数値が所定回数を
越えたときに、加工途中でもその工具と同一の新しい工
具に工具交換を行なう。近接スイッチ45の検出タイミン
グによっては検出域39で加算し（第６図B4）、検出域38
で減算する（第６図B5）こともあり、この場合でも比較
結果（差）の絶対値は2a（第６図B6）となるので設定値
ｔとの比較により過負荷トルクの検出が行なわれること
になる。尚、上記した判別手段50はコンピュータによっ
てソフトウェア的に処理しても良い。

このように過負荷トルクの判別において、変位検出子31
と基準検出子34の相対回動量（遊び）の２倍の値が比較
結果として出力されてくるため、相対回動量の値を極め
て小さくしても過負荷トルクの検出が行なわれることに
なる。従ってねじりコイルばね25で設定した伝達トルク
を僅かに越えた場合でも、瞬時にこれを検出してその後
の対応動作に移ることができる。

次に工具摩耗により、過負荷スラスト荷重が工具13に生
じた場合について説明する。ばね５による設定スラスト
荷重を越える過負荷スラスト荷重が工具13に生じるまで
はばね５は後方へたわまず、変位検出子31と基準検出子
34とは第４図に示す関係にある。工具13に過負荷スラス
ト荷重が生じると、工具保持筒20と共に支持軸４が本体
２に対して後退する。これにより変位検出子31が基準検
出子34に対して後退し、斜面31aと斜面34aとの係合によ
り変位検出子31が基準検出子34に対して回転方向と逆方
向へ所定角度（本実施例の場合遊びａ）だけ回動する。
この回動によって前記したと同様に検出域38、39間でカ
ウントされるパルス数に差が生じるので、これにより過
負荷トルク荷重の検出信号が出力信号として出力され
る。

他の実施例 第７図において変位検出子31の他の実施例を示す。この
例では把持部３から前方に全周を２等分する位置に夫々
突起部150が突設してある。他方、検出リング28には全
周を４等分する位置に夫々変位検出子31が後方に向けて
突設してある。隣合う変位検出子31の間には近接スイッ
チ45がOFFとなる凹部30になっている。変位検出子31と
突起部150とは互いに円周方向に前記遊びａを許すよう
に噛み合わされ、前記実施例と同様に、ねじりコイルば
ねのねじり力で、変位検出子31と突起部150の当接部に
設けられた対向する斜面31a、150aが当接している。前
記変位検出子31の回転方向縁は近接スイッチ45の信号が
立上がる（ONになる）検出点32で、この実施例ではホル
ダ軸１が嵌合される主軸に設けた円周方向における検出
開始の原点Ａから各変位検出子31の検出点32までの円周
方向長さの変化により変位検出子31の突起部150に対す
る回転遅れが検出される。

過負荷スラスト荷重が工具に生じると変位検出子31が軸
方向に後退し、斜面31a、150aの作用で変位検出子31が
回転方向Ｒと逆方向に回動し（第７図２点鎖線）、原点
Ａから検出点32までの距離ＬがＬ＋ａとなるので、原点
Ａから検出点32までに計数される基準パルス数が無負荷
時に設定した設定値を越え、過負荷検出信号が出力され
る。過負荷トルクが生じたときは、変位検出子31が軸方
向移動を伴わずに遊びａだけの回転遅れを生じるので、
過負荷スラスト荷重検出の場合と全く同様に過負荷検出
信号が出力される。なお、本実施例の場合、４つの変位
検出子31の検出点32までの原点Ａからの距離は異なるた
め、各検出点32に対応した設定値を予め準備しておく必
要がある。

発明の効果 以上のようにこの発明の装置によれば、過負荷トルクの
検出も、過負荷スラスト荷重の検出も、工具保持筒の検
出子のホルダ軸の突起部に対する相対回動として外部へ
取出すようにしたので、この相対回動を検知する１つの
検出器を設けるだけで過負荷トルクと過負荷スラスト荷
重の両方の検出を行なうことができ、構成を簡単にして
工具折損防止を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明装置に用いる工具ホルダの断面図、第
２図は第１図のII−II断面図、第３図は第１図のIII−I
II断面図、第４図は突起部（基準検出子）と変位検出子
の円周方向全周の展開図、第５図は判別手段のブロック
図、第６図は信号関係図、第７図は突起部と変位検出子
の他の実施例である。 １……ホルダ軸、20……工具保持筒、25……ねじりコイ
ルばね、31……変位検出子、32、33、36、37……検出表
示部、34……基準検出子（突起部）、38、39……検出
域、45……近接スイッチ、50……判別手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工具保持筒に設けた検出子のホルダ軸に対
   する回転ずれを検出するようにした工具ホルダにおい
   て、工具保持筒をホルダ軸に回動自在、かつ軸方向摺動
   可能に支持すると共に、この工具保持筒をスラスト荷重
   設定ばねで前方へ付勢し、前記検出子とホルダ軸に設け
   た突起部とを回転ずれ検出のために円周方向に所定の遊
   びを許すように噛み合わせると共に、ホルダ軸と工具保
   持筒を連結するトルク伝達用のねじりコイルばねにより
   前記検出子と突起部とを当接させ、この当接部には工具
   保持筒の軸方向移動で前記検出子を円周方向へ回転させ
   る斜面を形成したことを特徴とする過負荷トルク、スラ
   スト検出用工具ホルダ。