WO2024029004A1

WO2024029004A1 - クーラント監視システム

Info

Publication number: WO2024029004A1
Application number: PCT/JP2022/029789
Authority: WO
Inventors: 伊藤昌治; 井納繁幸; 野々口哲輝
Original assignee: 株式会社Fuji
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2024-02-08

Abstract

ノズルごとにクーラントの流量を監視するクーラント監視システムであり、刃物台に取り付けられた複数の工具にクーラントを吹き付けるため、前記工具ごとに設けられたノズルにクーラントを供給するクーラント流路が形成されたタレット装置と、クーラントポンプによってクーラントタンク内のクーラントを前記クーラント流路に供給するクーラント供給流路に設けられた流量センサと、前記流量センサによって測定された測定値を送信する中継装置と、前記中継装置から送信された測定値と前記複数のノズルの各々に設定された閾値のうち該当するノズルの閾値とを比較し、クーラント流量について判定を行う制御装置と、を有する。

Description

クーラント監視システム

　本発明は、工作機械において加工部に噴出するクーラントの流量を監視するクーラント監視システムに関する。

　工作機械には、切粉や切屑の洗い流しや工具およびワークの冷却のためクーラントが使用される。なかでも工具がワークに当てられて切削加工などが行われる加工部には十分な流量のクーラントが吹き付けられなければ、熱による影響で加工精度の低下につながってしまう。そのため、供給されるクーラントの流量を監視して、十分な量のクーラントが工具やワークに吹き付けられているか否かの確認が必要である。下記特許文献１には、潤滑油、切削油、および作動油の油量を検知するため夫々のタンク内にセンサを設けた自動管理システムが開示されている。センサからは設定値に達することにより信号（接点信号）が送られ、それに基づき警報を発信あるいは機械の自動停止判断が行われるものである。

特開昭５５－０５８９５０号公報

　工作機械は、タレット装置のように複数の工具を有する場合、それぞれの工具についてノズルが設けられ、そこからクーラントを噴出するための流路が構成されている。そうしたタレット装置にもノズルから噴出する流量を確認するため流量センサを設けることが必要である。しかし、タレット装置内の流路ごとに流量センサを設けることはできないことから、タレット装置への供給流路に一つの流量センサが設けられている。そして、ノズルごとに噴出流量が異なっていても、流量センサに対して設定された閾値に従って全てのノズルについて流量判定が行われていた。そのため、大きな流量を噴出するノズルに不具合が生じたとしても、少量ノズルに合わせて設定された閾値を超える流量であれば正常と判断されてしまっていた。

　そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、ノズルごとにクーラントの流量を監視するクーラント監視システムを提供することを目的とする。

　本発明の一態様におけるクーラント監視システムは、刃物台に取り付けられた複数の工具にクーラントを吹き付けるため、前記工具ごとに設けられたノズルにクーラントを供給するクーラント流路が形成されたタレット装置と、クーラントポンプによってクーラントタンク内のクーラントを前記クーラント流路に供給するクーラント供給流路に設けられた流量センサと、前記流量センサによって測定された測定値を送信する中継装置と、前記中継装置から送信された測定値と前記複数のノズルの各々に設定された閾値のうち該当するノズルの閾値とを比較し、クーラント流量について判定を行う制御装置と、を有する。

　前記構成によれば、刃物台に取り付けられた複数の工具から旋回割出しされた工具によってワーク加工が行われる際、工具ごとに設けられたノズルにクーラント流路を介して供給されたクーラントが工具に吹き付けられる。そのクーラント流路にはクーラント供給流路を介してクーラントタンク内のクーラントがクーラントポンプによって供給され、そのクーラント供給流路に設けられた流量センサによってクーラント流量が測定され、その測定値が中継装置を介して制御装置に送信される。そして、制御装置では、中継装置から送信された測定値と複数のノズルの各々に設定された閾値のうち該当するノズルの閾値とが比較され、クーラント流量について判定が行われる。

クーラント監視システムを備えた工作機械の内部構造を示した斜視図である。タレット装置を示した後方側の斜視図である。刃物台に対する流体回路において構成されたクーラント監視システムを簡易的に示したイメージ図である。異なる工具のノズルにおけるクーラント流量の違いをグラフに示した図である。流量判定プログラムにおけるフローチャートを示した図である。

　本発明に係るクーラント監視システムの一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態のクーラント監視システムを備えた工作機械であり、機体カバーを取り外した内部構造を示した斜視図である。工作機械１は、左右それぞれに配置された第１主軸装置３および第２主軸装置４と、第１タレット装置５および第２タレット装置６とを有する正面２軸旋盤である。機体カバーによって覆われた機内には第１主軸装置３および第１タレット装置５によってワーク加工が行われる第１加工室と、第２主軸装置４および第２タレット装置６によってワーク加工が行われる第２加工室とが設けられている。

　工作機械１は、正面から見て左側に複数の加工前ワークを搭載したワークストッカが配置され、右側には加工済みワークを受け取る回収ストッカが配置される。工作機械１は、こうした不図示のストッカと機内との間でワークを自動搬送するためのワーク自動搬送機２が設けられている。ワーク自動搬送機２は、ガントリ式のワーク搬送機であり、工作機械１の機体上部に組付けられている。ワーク自動搬送機２は、ワークの把持および解放が可能なロボットハンド１５を、機体幅方向であるＸ軸方向、機体上下方向であるＹ軸方向、そして機体前後方向であるＺ軸方向へと移動可能な構造を有している。

　工作機械１は、第１主軸装置３と第１タレット装置５が第１ベッド１１上に組付けられ、第２主軸装置４と第２タレット装置６が第２ベッド１２上に組み付けられている。第１および第２主軸装置３，４は、前方側にワークを把持する主軸チャックが設けられ、Ｚ軸に平行な主軸を中心に回転可能な構成を有している。すなわち、第１および第２主軸装置３，４は、主軸チャックがスピンドルによって主軸本体に回転自在に組付けられ、駆動モータの回転を受けて把持したワークに回転が与えられるよう構成されている。

　次に、図２は、第１および第２タレット装置５，６を示した後方側の斜視図である。なお、第１および第２タレット装置５，６は、同じ構成であるため、共通の内容に関しては単にタレット装置５として以下に説明する。そのタレット装置５は、多角形（正１０角形）の刃物台１７に対して複数の工具Ｔ（Ｔ１，Ｔ２・・・Ｔ１０）の着脱が可能であり、サーボモータの回転制御によって工具Ｔの旋回割出しを行う装置本体１８が設けられている。そして、刃物台１７を支持する装置本体１８は駆動機構に組付けられ、旋回割出しされた工具ＴがＺ軸方向およびＸ軸方向に移動するよう構成されている。

　工作機械１では、例えばバイトのような切削用の工具Ｔが旋回割出しされ、それが駆動機構によって加工部に配置されることにより、主軸チャックに把持され回転するワークに当てられて旋削加工などが行われる。その際、刃先が当てられたワークの加工点には熱が発生するので、そこへ冷却のためのクーラントが吹き付けられる。ここで、図２の丸枠内には、加工時の工具Ｔ１にクーラントＣＬが吹き付けられている状態が示されている。工具Ｔ１は工具ホルダ２１と一体になり（他の工具Ｔも同じ）、その工具ホルダ２１を介して刃物台１７に対して着脱可能になっている。クーラントＣＬは、その工具ホルダ２１に取り付けられたノズル２２から噴出し、工具Ｔ１の刃先が位置する加工点に向けて吹き付けられる。

　工作機械１は、機体下部にクーラントタンクが設けられ、そこに溜められたクーラントがクーラントポンプによって第１および第２加工室へと送り込まれるよう流体回路が構成されている。その流体回路は流路が分岐してクーラントタンク内のクーラントが様々な箇所へと供給され、刃先部分（加工点）への吹き付けによって冷却や潤滑として使用されるほか、ワーク加工によって発生した切粉や切屑などを洗い流すためにも使用される。こうしたクーラントは、加工室内を流れ落ちて再びクーラントタンクへと戻され、フィルタなどによって切粉などが除去され繰り返し使用される。

　クーラントポンプによって汲み上げられ各所に供給されるクーラントは、それぞれにおいて役割を果たすためのノズルが使用される。刃物台１７では工具Ｔの加工に合わせた形状のノズルが使用されるためクーラントの噴出量が異なることになる。例えば、工具Ｔの刃先が位置する加工点においては、一定以上の流量が吹き付けられなければ冷却効果を得ることができなくなってしまう。その場合、熱を持った工具Ｔやワークによって加工精度を低下させてしまうことになる。そこで、本実施形態にはクーラントの流量を監視するクーラント監視システムが設けられている。

　図３は、刃物台１７にクーラントを供給する流体回路において構成されたクーラント監視システムを簡易的に示したイメージ図である。特に、刃物台１７にバイトを取り付けた図２に示す工具Ｔ１をイメージした図である。タレット装置５は、駆動機構に装置本体１８が固定され、その装置本体１８に対して刃物台１７が割出し機構を介して組み付けられている。タレット装置５には装置本体１８にクーラント流路２３が形成され、刃物台１７にはクーラント流路２３に接続可能なクーラント流路２４が形成されている。

　クーラント流路２４は、刃物台１７の取付け面２８に開口するように複数形成されている。刃物台１７には１０箇所の取付け面２８が存在するが、例えばその半数の箇所にクーラント流路２４が形成されている。一方、ドリルなどの回転工具の場合には回転伝達機構が存在するため、加工点へのクーラントは他からのノズルによって吹き付けられるようになっている。一方、バイトなどを保持する工具ホルダ２１にはクーラント流路２５が形成され、刃物台１７の取り付けによってクーラント流路２４，２５が接続される。

　タレット装置５は、刃物台１７に工具Ｔ１と同様な切削用の工具Ｔ３，Ｔ５などが複数取り付けられ、その各々にクーラント流路２４，２５が形成されている。そこで、タレット装置５は、回転軸Ｏを中心に刃物台１７が回転して旋削用の工具Ｔ１などの旋回割出しが行われると、該当する工具Ｔのクーラント流路２４，２５が装置本体１８のクーラント流路２３に接続されるようになっている。そして、クーラント流路２３にはクーラント供給管２７が接続され、クーラントタンク３１内のクーラントがクーラントポンプ３２の駆動によって供給されるようになっている。

　クーラントタンク３１内のクーラントはクーラントポンプ３２によって工作機械１内の各所へと供給されるが、その一つがクーラント供給管２７による流路であり、そこには電磁開閉弁３３が設けられている。従って、ワーク加工時には、クーラントタンク３１内のクーラントは、電磁開閉弁３３の開動作によってクーラント供給管２７へと流れ、クーラント流路２３，２４，２５を通って工具Ｔ１の刃先部分へ吹き付けられるようになっている。

　クーラント供給管２７にはタレット装置５の手前に、管内を流れるクーラントの流量を測定する流量センサ３５が配管されている。クーラント監視システムでは、この流量センサ３５による測定値が工作機械１の制御装置７へと送信され、予め設定されている閾値Ｓとの比較が行われる。流量センサ３５は、例えばカルマン渦式流量計であり、カルマン渦に作用する受圧部から圧電素子に伝達される振動に応じてアナログ信号を出力し、それをセンサ基板がデジタル信号に変換し、当該デジタル信号の周波数を検出して流量を数値化することを可能にしたものである。

　流量センサ３５の測定値を取り込む通信手段としては、例えばＩＯ－Ｌｉｎｋ（登録商標）が利用され、ＩＯ－Ｌｉｎｋデバイスとポイントツーポイント通信を行うＩＯ－Ｌｉｎｋマスタである中継装置３７を介して制御装置７が接続されている。また、工作機械１は、作業情報や操作画面などの表示のほか、作業者による設定値の入力などが可能なタッチパネル式の操作表示装置８が機体前面に取り付けられている。流量センサ３５の測定値が制御装置７を介して操作表示装置８に表示され、加えてその操作表示装置８から閾値Ｓの設定入力が行えるようになっている。

　ところで、図２に示すタレット装置５は、工具Ｔの取付けによって刃物台１７にドリルなどの工具Ｔ２，Ｔ４のほか、バイトなどの旋削用の工具Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５などを有している。そうしたなか工具Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５などは、旋回割出しによっていずれもクーラントの流れる流路が図３に示す同じ連通状態になる。クーラント流路２３までの流路は共通であり、クーラント流路２４，２５の流路設計も同じである。しかし、工具Ｔごとにノズル２２の形状や大きさが異なるため、クーラントが噴出する際の抵抗の違いによって流量センサ３５の測定値にも違いが生じることになる。

　図４は、異なる工具Ｔ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３）のノズルにおけるクーラント流量の違いをグラフに示した図であり、縦軸は流量であり、横軸は時間である。このグラフは一つのワークに対して工具Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５による加工が連続して順番に行われた場合であって、各々の加工中に供給されるクーラントの流量が示されている。このグラフから分かるように、単位時間当たりに流れる流量（Ｌ/ｍｉｎ）は異なっている。これはクーラントポンプ３２の出力は一定であっても工具Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３におけるノズル２２からの噴出量が異なるためである。

　クーラント監視システムでは、予め各工具Ｔについて必要とする流量に閾値Ｓが設定される。すなわち、流量センサ３５では測定値がデジタル信号に変換されてその流量が数値化されるため、工具Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の各ノズル２２におけるクーラント流量に対応した閾値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が設定される。流量センサ３５の測定値は中継装置３７を介して制御装置７へと送られ、機体前面に取り付けられた操作表示装置８に表示される。また、閾値Ｓは操作表示装置８から刃物台１７の取り付け番号に従って設定入力が可能であり、作業者によってその取り付け番号と対応した工具Ｔの閾値Ｓが入力される。

　本実施形態のクーラント監視システムでは、工作機械１における加工時に閾値Ｓとの比較によってクーラント流量の監視が行われる。制御装置７にはワーク加工プログラムのほかに流量判定プログラムが格納され、流量センサ３５から得られるクーラント流量の適否が工具Ｔごとの閾値Ｓに従って判定される。図５は、その流量判定プログラムにおけるフローチャートを示した図である。

　ワーク加工時には、加工指令信号に従いタレット装置５の旋回割出しが行われ、例えば工具Ｔ１が選択される。このとき流量判定プログラムでは、該当する工具Ｔ１の閾値が読み込まれる（Ｓ１０１）。次に、電磁開閉弁３３に対する開信号の有無が確認され（Ｓ１０２）、その開信号に従ってクーラントの流量監視が開始される（Ｓ１０３）。電磁開閉弁３３が開動作することにより、クーラントタンク３１内のクーラントがクーラント供給管２７へと流れ、更にクーラント流路２３，２４，２５を通ってノズル２２から噴出する。

　クーラント供給管２７を流れるクーラント流量は流量センサ３５によって測定され、中継装置３７を介して制御装置７へと送られる。制御装置７に取り込まれた測定値（クーラント流量）は、操作表示装置８のモニタに対して例えば図４に示すグラフにして表示されるとともに第１流量判定が行われる（Ｓ１０４）。第１流量判定は、電磁開閉弁３３が開状態になってクーラントが流れ始めてからの第１判定時間ｍ（例えば３秒）内にクーラント流量が閾値Ｓ（例えば工具Ｔ１の閾値Ｓ１）に達するか否かについて確認が行われる。

　そこで、第１判定時間のｍ内に閾値Ｓ１を超えない場合には（Ｓ１０４：ＮＯ）、警告状態と判定して操作表示装置８に警告通知が行われ（Ｓ１０５）、続く第２流量判定が行われる（Ｓ１０６）。第２流量判定では、電磁開閉弁３３が開状態になってクーラントが流れ始めてから第１判定時間を超える第２判定時間ｎ（例えば５秒）内にクーラント流量が閾値Ｓ１に達するか否かについて確認が行われる。そして、第２判定時間のｎ内でも閾値Ｓ１を超えない場合には（Ｓ１０６：ＮＯ）、異常状態と判定して操作表示装置８に異常通知が行われる（Ｓ１０７）。

　一方で、第１判定時間ｍ内に閾値Ｓ１を超えた場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、あるいは第２判定時間ｎ内に閾値Ｓ１を超えた場合には（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、次にワーク加工が終了したか否かの確認が行われる（Ｓ１０８）。流量判定プログラムでは、クーラントの流量に関して正常のときはもちろん、警告または異常の判定が出たとしても（Ｓ１０５，Ｓ１０７）、加工実行中の工具Ｔ１についてワーク加工は継続する。更に、工具Ｔ１に替えて工具Ｔ３，Ｔ５などによる連続した加工が行われる場合には（Ｓ１０８：ＮＯ）、続く工具Ｔ３，Ｔ３を使用した第２および第３加工に関して同じくクーラント流量の監視が繰り返される（Ｓ１０１－Ｓ１０７）。

　従って、第２加工の流量監視でも、タレット装置５において工具Ｔ１に替えて工具Ｔ３の旋回割出しが行われることにより、工具Ｔ３の閾値が読み込まれる（Ｓ１０１）。そして、一旦閉状態になった電磁開閉弁３３に対する開信号の有無が確認され、開信号に従ってクーラントの流量監視が再開される（Ｓ１０３）。クーラントの流量監視は、工具Ｔ１の場合と同様に流量センサ３５の測定値に従ってモニタ表示とともに第１流量判定と第２流量判定とが閾値Ｓ２に対して同じ条件で行われる（Ｓ１０４，Ｓ１０６）。よって、第１判定時間ｍ内に閾値Ｓ２を超えない場合は（Ｓ１０４：ＮＯ）、警告通知が行われ（Ｓ１０５）、第２判定時間ｎ内にクーラント流量が閾値Ｓ２を超えない場合には（Ｓ１０６：ＮＯ）、異常通知が行われる（Ｓ１０７）。

　そして、ワーク加工が終了したか否かの確認が行われ（Ｓ１０８）、工具Ｔ５について加工が行われる場合には（Ｓ１０８：ＮＯ）、同じ流量監視が繰り返される（Ｓ１０１－Ｓ１０７）。その後、ワークに対する加工が終了した場合には（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、判定評価処理が実行される（Ｓ１０９）。判定評価処理では、先ず警告通知（Ｓ０１５）および異常通知（Ｓ１０７）が無ければ流量判定プログラムは終了する。

　しかし、警告通知が行われた場合には、該当する工具Ｔについて警告通知の回数が加算され、その合計回数が操作表示装置８のモニタに表示されるが、工作機械１における加工サイクルはそのまま継続する。従って、警告通知の回数加算はその後のワーク加工でも継続して行われ、その合計回数は、例えば作業者が工作機械１に対して行う点検の重要項目の判断情報などに使用される。

　一方で、異常通知の場合には操作表示装置８のモニタに流量異常が表示され、その異常状態が出たワークの加工終了後に、当該ワークを主軸チャックに把持させたまま工作機械１において加工サイクルが停止する。主軸チャックに残された当該ワークは作業者によって取り外されて検査が行われる。また、モニタには刃物台１７の取り付け番号が表示され、その位置に取り付けられた工具Ｔが特定される。クーラント流量の異常は、一般的にノズル２２に物が当たって変形することなどして生じるため、その際にはノズル２２の交換が行われる。

　そのほか流量異常が工具Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３の全てについて発生した場合は、その原因としては工具Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のノズル２２全てに問題が生じていることも考えられるが、それ以外の可能性も考えられる。そのため、連続した異なる工具Ｔによる加工時のクーラント流量に異常通知がなされた場合には、操作表示装置８のモニタに広範囲異常の表示が行われる。ノズル２２以外の問題発生の可能性を検討するためであり、例えば流量センサ３５の故障、クーラント供給管２７またはクーラント流路２３，２４，２５における詰まりなどが起こり得るからである。

　よって、本実施形態によれば、流量センサ３５により測定されたクーラント流量を数値化して制御装置７へと送るようにしたので、例えば工具Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３によって行われる加工時の各クーラント流量を把握することができ、設定した閾値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３との各々の比較が可能になる。そのため、図４に示すように閾値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に差があったとしても、クーラント流量の適否が工具Ｔごとに正しく判定できる。

　本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
　例えば、前記タレット装置５は工作機械１を構成する一例であって、他の工作機械における異なる構造のタレット装置であってもよい。

１…工作機械　５…タレット装置　７…制御装置　８…操作表示装置　１０…クーラント　２１…工具ホルダ　２２…ノズル　２３，２４，２５…クーラント流路　２７…クーラント供給管　３１…クーラントタンク　３２…クーラントポンプ　３３…電磁開閉弁　３５…流量センサ　３７…中継装置　ＣＬ…クーラント　Ｔ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・・）…工具

Claims

　刃物台に取り付けられた複数の工具にクーラントを吹き付けるため、前記工具ごとに設けられたノズルにクーラントを供給するクーラント流路が形成されたタレット装置と、
　クーラントポンプによってクーラントタンク内のクーラントを前記クーラント流路に供給するクーラント供給流路に設けられた流量センサと、
　前記流量センサによって測定された測定値を送信する中継装置と、
　前記中継装置から送信された測定値と前記複数のノズルの各々に設定された閾値のうち該当するノズルの閾値とを比較し、クーラント流量について判定を行う制御装置と、
を有するクーラント監視システム。
　前記制御装置は、前記クーラント流路に対するクーラントの供給開始から所定の第１判定時間内にクーラント流量が閾値を超えない場合には警告判定を行う請求項１に記載のクーラント監視システム。
　前記制御装置は、前記クーラント流路に対するクーラントの供給開始から、前記第１判定時間を超える所定の第２判定時間内にクーラント流量が閾値を超えない場合には異常判定を行う請求項２に記載のクーラント監視システム。
　前記制御装置は、前記刃物台に取り付けられた複数の工具によってワークに対して連続した加工が行われる場合には、各加工時のクーラント流量について判定を行い、前記異常判定に対しては当該ワークの加工終了後にサイクル停止を行う請求項３に記載のクーラント監視システム。
　前記タレット装置は、
　前記各工具が工具ホルダを介して前記刃物台に取り付けられ、前記ノズルを備える前記工具ホルダには前記クーラント流路の一部を構成するホルダ流路が形成され、
　前記刃物台には前記ホルダ部流路に接続されて前記前記クーラント流路の一部を構成する複数の刃物台流路が形成され、
　前記刃物台の旋回割出しによって、前記刃物台流路の一つが前記クーラント流路の一部を構成する装置本体に形成された本体流路に接続されるようにした、
請求項１に記載のクーラント監視システム。