特開 2015-104760 加工装置およびその主軸の状態を判定する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-104760(P2015-104760A)

(43)【公開日】2015年6月8日

(54)【発明の名称】加工装置およびその主軸の状態を判定する方法

(51)【国際特許分類】

   B23B 31/00 20060101AFI20150512BHJP

【ＦＩ】

   B23B31/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-246664(P2013-246664)

(22)【出願日】2013年11月28日

(71)【出願人】

【識別番号】000104652

【氏名又は名称】キヤノン電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100130409

【弁理士】

【氏名又は名称】下山 治

(74)【代理人】

【識別番号】100134175

【弁理士】

【氏名又は名称】永川 行光

(72)【発明者】

【氏名】藤生 卓

【テーマコード（参考）】

3C032

【Ｆターム（参考）】

3C032GG34

(57)【要約】

【課題】特別なセンサの追加やスペースの確保をせずに、安価な構成で主軸の状態を判定できる技術の実現。
【解決手段】工具が装着される主軸を備えた加工装置であって、前記主軸には、前記工具が着脱自在に装着される工具装着部が設けられ、前記主軸を回転駆動する駆動部にかかる負荷に応じて変化する値に基づいて前記工具装着部が前記工具を把持しているか否かを判定する判定手段を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具が装着される主軸を備えた加工装置であって、
前記主軸には、前記工具が着脱自在に装着される工具装着部が設けられ、
前記主軸を回転駆動する駆動部にかかる負荷に応じて変化する値に基づいて前記工具装着部が前記工具を把持しているか否かを判定する判定手段を有することを特徴とする加工装置。

【請求項2】

前記工具装着部は、前記工具が装着されたホルダと、前記ホルダを把持する把持部と、前記把持部が前記ホルダを把持していない開位置と前記ホルダを把持している閉位置とに切り替えられる開閉部と、を備え、
前記判定手段は、前記駆動部が駆動を開始するよう制御した後に、前記駆動部にかかる負荷に応じて変化する値を測定して、前記測定された値が所定の第１の閾値を超えているか判定し、
前記測定された値が前記所定の第１の閾値を超えていると判定された場合には前記開閉部が開位置にあると判定し、前記測定された値が前記所定の第１の閾値を超えていないと判定された場合には前記開閉部が閉位置にあると判定することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。

【請求項3】

前記判定手段は、前記測定された値が前記所定の第１の閾値を超えていないと判定された場合に、前記測定された値が前記所定の第１の閾値より小さい所定の第２の閾値を超えているか判定し、
前記測定された値が前記所定の第２の閾値を超えていると判定された場合には前記把持部が前記ホルダを把持していると判定し、前記測定された値が前記所定の第２の閾値を超えていないと判定された場合には前記把持部が前記ホルダを把持していないと判定することを特徴とする請求項２に記載の加工装置。

【請求項4】

前記駆動部にかかる負荷に応じて変化する値は、前記駆動部を流れる電流値であり、
前記所定の第１の閾値は、前記開閉部が閉位置にあるときの前記駆動部に流れる電流値よりも大きい値で、かつ、前記開閉部が開位置にあるときに前記駆動部に流れる電流値よりも小さい値に設定されることを特徴とする請求項２または３に記載の加工装置。

【請求項5】

前記所定の第２の閾値は、前記把持部が前記ホルダを把持していない状態において前記駆動部に流れる電流値よりも大きい値で、かつ、前記把持部が前記ホルダを把持している状態において前記駆動部に流れる電流値よりも小さい値に設定されることを特徴とする請求項４に記載の加工装置。

【請求項6】

前記駆動部を流れる電流値には所定の制限値が設けられており、
前記開閉部が開位置にあると判定された場合または前記把持部が前記ホルダを把持しているか否かを判定した場合には、前記駆動部の駆動を停止するよう制御し、前記所定の制限値の設定が解除されることを特徴とする請求項４または５に記載の加工装置。

【請求項7】

工具が装着される主軸を備え、前記主軸に前記工具が着脱自在に装着される工具装着部が設けられた加工装置における主軸の状態を判定する方法であって、
前記主軸を回転駆動する駆動部にかかる負荷に応じて変化する値に基づいて前記工具装着部が前記工具を把持しているか否かを判定することを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工具が装着される主軸を備えた加工装置およびその主軸の状態を判定する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

マシニングセンタなどの工作機械は、例えばドリル、タップ、フライス、ボーリング等の複数の工具を自動的に交換しながら様々な加工を行える工作機械である。工具の交換は、工具が装着された工具ホルダを把持する把持部をアンクランプ状態とし、工具ホルダを主軸から取り外し、別の工具が装着された工具ホルダを主軸に差し込みクランプする自動工具交換（ＡＴＣ）装置により行っている。

【0003】

このような自動の工具交換を正常に行うためには、主軸の構成要素の状態を判定する必要がある。そのため、以下のように工具や工具ホルダのクランプ状態を判定するための技術が提案されている。

【0004】

例えば、特許文献１には、非回転部材であるハウジングに設けた振動センサで、ハウジング内に回転自在に軸受けされる主軸のテーパ孔にクランプされたツールの回転時の振動を測定することでツールクランプの異常を検知する技術が開示されている。また、特許文献２には、工具ホルダのフランジ外周面の変位を測定するセンサを設け、測定データからツールホルダの主軸への装着状態の異常を判定する技術が開示されている。また、特許文献３には、工作機械の主軸に装着される工具を直接掴んで引っ張るロッドの動作位置の差を直接検出する検出器を設け、検出結果により工具のクランプ状態、アンクランプ状態、工具なしの状態を判別できるようした技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１−１１４７０７号公報

【特許文献2】特開２００４−２７６１４５号公報

【特許文献3】実開平０５−０２６２１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記特許文献１、２では、工具や工具ホルダのクランプ状態の良否の判定しかできず、そもそも工具ホルダをクランプしているか否かの判定はできない。上記特許文献１、２でクランプ状態を判定するためにはセンサを追加する必要がある。また、特許文献３では、工具をクランプしているか否かを判定するために、検出距離の異なるセンサを組み合わせて使用している。すなわち、上記特許文献１〜３では、工具ホルダのクランプ状態を判定するために特別なセンサを必要とし、センサが高価であることやセンサを配置するためのスペースが必要となる。

【0007】

また、工作機械の主軸の構成要素の状態は、工具ホルダをクランプしているか否かだけでなく様々な状態がある。例えば、工具ホルダの把持部を開閉するレバーが開位置にあるのか閉位置にあるのかという状態もある。ところが、従来技術では工具や工具ホルダのクランプ状態以外の主軸の構成要素の状態を判定することはできず、判定するためにはセンサの追加が必要になる。

【0008】

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、特別なセンサの追加やスペースの確保をせずに、安価な構成で主軸の状態を判定できる技術を実現するものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、工具が装着される主軸を備えた加工装置であって、前記主軸には、前記工具が着脱自在に装着される工具装着部が設けられ、前記主軸を回転駆動する駆動部にかかる負荷に応じて変化する値に基づいて前記工具装着部が前記工具を把持しているか否かを判定する判定部を有することを特徴とする加工装置を提供する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、特別なセンサの追加やスペースの確保をせずに、安価な構成で主軸の状態を判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係る実施形態の主軸の構成要素の状態判定方法を示すフローチャート。

【図2】工具ホルダを把持した状態の主軸の内部構造を示す図（ａ）と把持していない状態の主軸の内部構造を示す図（ｂ）。

【図3】本実施形態の主軸の構成要素の状態判定方法を実現する加工装置の機能ブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。以下の実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。本実施形態の構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものである。

【0013】

まず、図２を参照して、本発明に係る実施形態の主軸の構成について説明する。

【0014】

図２（ａ）は主軸が工具ホルダを把持している状態の、工作機械の主軸の内部構造を示している。工具ホルダ２は工具１を装着可能であり、把持部３に把持され、主軸に連結される。開閉部７は把持部３の開閉を行うためのレバー部材であり、開閉部７をハウジング８の外周方向に移動させることで、把持部３の把持（クランプ）状態と非把持（アンクランプ）状態を切り替える。図２（ａ）に示す開閉部７の位置は、把持部３が工具ホルダ２を把持したクランプ状態であり、このクランプ状態での開閉部７の位置を閉位置と呼ぶ。開閉部７が閉位置にある場合、回転部４とブレーキ部６との間に隙間部５が生じるため、回転部４は回転可能となる。このクランプ状態で駆動部９の回転を制御することで、駆動部９が回転部４を回転させ、把持部３、工具ホルダ２と共に、工具１が回転駆動される。駆動状態検出部１０は、駆動部９が制御されている間の電流値や出力トルクを測定する。

【0015】

図２（ｂ）は主軸が工具ホルダを把持していない状態の、主軸の内部構造を示している。図２（ｂ）に示す開閉部７の位置は、把持部３が工具ホルダ２を把持していないアンクランプ状態であり、このアンクランプ状態での開閉部７の位置を開位置と呼ぶ。開閉部７が開位置にある場合、ブレーキ部６が前進し、回転部４とブレーキ部６との間には隙間がなくなり、回転部４とブレーキ部６が接触することで摩擦が生じる。そのため、駆動部９が回転部４を回転させようとしても、回転部４は回転できなくなる。駆動状態検出部１０は、この状態での駆動部９の電流値や出力トルクを測定する。

【0016】

なお、工具１を装着可能な工具ホルダ２、工具ホルダ２を着脱自在に把持する把持部３、および把持部３をクランプ状態またはアンクランプ状態に開閉する開閉部７が、本発明の工具装着部を構成する。そして、本発明は、後述するように、主軸を回転駆動する駆動部にかかる負荷に応じて変化する値に基づいて工具装着部が工具を把持しているか否かを判定する。
＜状態判定方法＞
次に、図１および図３を参照して、本実施形態により主軸の構成要素の状態を判定する方法について説明する。

【0017】

図３において、制御部１１は図１の処理を実行するための各種演算を行うＣＰＵ、プログラムやパラメータその他のデータを格納するＲＯＭ、プログラム実行のための作業用領域などに用いられるＲＡＭを備える。駆動制御部１２は、制御部１１からの制御指令に従って駆動部９としてのモータを回転駆動するドライバである。

【0018】

駆動状態検出部１０は、駆動部９にかかる負荷に応じて変化する電流値や出力トルクを測定し、測定結果を制御部１１へ出力する。制御部１１は、判定手段として駆動状態検出部１０による測定結果に応じて、工具ホルダ２や開閉部７などの主軸の構成要素の状態を判定する。駆動状態検出部１０は、例えば電流センサを用いて駆動部９に流れる電流値を測定する。本実施形態では、加工中に工具に加わる負荷を監視するために、駆動部９に流れる電流値を測定する電流センサを設けている。

【0019】

以下に、図１を参照して、主軸の構成要素の状態判定処理について具体的に説明する。

【0020】

図１において、Ｓ１０１では、制御部１１は第１の電流閾値Ａを設定する。この値は、開閉部７が開位置にあるのか閉位置にあるのかを判定するために使用される。すなわち、開閉部７が開位置にある場合は、回転部４が回転できなくなるため、駆動部９に過大な電流が流れる。このときの電流値を駆動状態検出部１０で測定し、制御部１１が第１の電流閾値Ａに基づいて開閉部７の状態を判定する。第１の電流閾値Ａは、開閉部７が閉位置にあるときの駆動部９に流れる電流値よりも大きい値で、かつ、開閉部７が開位置にあるときに駆動部９に流れる電流値よりも小さい値に設定される。

【0021】

Ｓ１０２では、制御部１１は第２の電流閾値Ｂ（＜第１の電流閾値Ａ）を設定する。この値は、開閉部７の状態を判定するために使用されると共に、把持部３が工具ホルダ２を把持している状態か把持していない状態かを判定するために使用される。すなわち、開閉部７が閉位置にある場合は、回転部４が回転可能となるため、駆動部９に過大な電流は流れず、駆動状態検出部１０で測定される電流値は、Ｓ１０１で設定した第１の電流閾値Ａよりも小さい値となる。

【0022】

また、把持部３が工具ホルダ２を把持している状態と、把持していない状態とを比較すると、工具ホルダ２と工具１の質量の分だけ駆動部９にかかる負荷が変化する。つまり、把持していない状態では駆動部９にかかる負荷が小さく、把持している状態では駆動部９にかかる負荷が大きくなる。換言すると、把持部３が工具ホルダ２を把持していない状態よりも、把持部３が工具ホルダ２を把持している状態の方が、駆動部９に流れる電流は大きい値となる。

【0023】

よって、駆動状態検出部１０が駆動部９に流れる電流値を測定し、制御部１１が第２の電流閾値Ｂに基づいて、開閉部７が閉位置にあるが把持部３工具ホルダ２を把持している状態か把持していない状態かを判定する。第２の電流閾値Ｂは、把持部３が工具ホルダ２を把持していない状態での駆動部９に流れる電流値よりも大きい値で、かつ、把持部３が工具ホルダ２を把持している状態での駆動部９に流れる電流値よりも小さい値に設定される。

【0024】

Ｓ１０３では、制御部１１は電流制限値を設定する。この値は、駆動部９に通電させることができる最大電流よりも小さい値とされる。

【0025】

Ｓ１０４では、制御部１１は、Ｓ１０３で設定した電流制限値に応じて駆動制御部１２を制御し、駆動部９に流れる電流を制限する。電流を制限する理由は、主軸の破壊防止のためである。

【0026】

回転部４を回転させるための、駆動部９の始動から所定の回転速度に到達するまでの平均加速トルクＴは、式１で表される。
Ｔ＝（Ｊ／９５５０）×（ω／ｔ）・・・（１）
Ｊ：慣性モーメント
ω：回転速度
ｔ：加速時間
また、慣性モーメントＪは、式２で表される。
Ｊ＝（Ｍ×ｒ２）／２・・・（２）
Ｍ：質量
ｒ：回転体の半径
ここで、把持部３が工具ホルダ２を把持している状態の質量をＭ１、把持部３が工具ホルダ２を把持していない状態の質量をＭ２とすると、Ｍ２＜Ｍ１が成り立つ。
Ｍ１＝回転部４＋把持部３＋工具ホルダ２＋工具１の質量
Ｍ２＝回転部４＋把持部３
把持部３が工具ホルダ２を把持している状態の慣性モーメントをＪ１、把持部３が工具ホルダ２を把持していない状態の慣性モーメントをＪ２とすると、式２から慣性モーメントは質量に比例するので、Ｊ２＜Ｊ１が成り立つ。

【0027】

把持部３が工具ホルダ２を把持している状態の加速トルクをＴ１、把持部３が工具ホルダ２を把持していない状態の加速トルクをＴ２とすると、式１から加速トルクは慣性モーメントに比例するので、Ｔ２＜Ｔ１が成り立つ。

【0028】

加速トルクＴ１、Ｔ２は、駆動部９に流れる電流値に相当する。よって、第１の電流閾値Ａと第２の電流閾値Ｂは、以下に示す範囲から任意の値が選択される。
Ｔ１＜第１の電流閾値Ａ＜電流制限値（Ｓ１０３で設定した値）
Ｔ２＜第２の電流閾値Ｂ＜Ｔ１
なお、第１の電流閾値Ａ、第２の電流閾値Ｂの値は、予め実験などにより値を決定しておくか、経験値などで補正をしても良い。

【0029】

また、回転速度ωと加速時間ｔは、予め実験などにより値を決定しておくが、任意に設定可能としても良い。

【0030】

Ｓ１０５では、制御部１１は駆動制御部１２に駆動開始指令を出力し、これにより駆動部９が駆動されて回転部４を回転させようとする駆動力が作用する。

【0031】

Ｓ１０６では、制御部１１は、駆動状態検出部１０により駆動部９に流れる電流値を測定する。

【0032】

Ｓ１０７では、制御部１１は、Ｓ１０６で測定された電流値が、第１の電流閾値Ａを超えたか否かを判定する。判定の結果、第１の電流閾値Ａを超えた場合にはＳ１０８に進み、超えていない場合にはＳ１０９に進む。

【0033】

Ｓ１０８では、制御部１１は開閉部７が開位置にあると判定し、ステップＳ１１３に進む。

【0034】

Ｓ１０９では、制御部１１は開閉部７が閉位置にあると判定し、ステップＳ１１０に進む。

【0035】

Ｓ１１０では、制御部１１は、Ｓ１０６で測定された電流値が、第２の電流閾値Ｂを超えたか否かを判定する。判定の結果、第２の電流閾値Ｂを超えた場合にはＳ１１１に進み、超えていない場合にはＳ１１２に進む。

【0036】

Ｓ１１１では、制御部１１は把持部３が工具ホルダ２を把持していると判定し、ステップＳ１１３に進む。

【0037】

Ｓ１０９では、制御部１１は把持部３が工具ホルダ２を把持していないと判定し、ステップＳ１１３に進む。

【0038】

Ｓ１１３では、制御部１１は、駆動制御部１２に駆動停止指令を出力し、これにより駆動部９の駆動が停止されて回転部４に駆動力が作用しなくなり、回転部４は停止する。

【0039】

Ｓ１１４では、制御部１１は、駆動制御部１２にＳ１０４で設定した電流制限値の解除指令を出力し、これにより駆動部９に流れる電流値を、通常の加工が行える最大値まで設定できるようになる。

【0040】

以上説明したように、本実施形態によれば、特別なセンサの追加やスペースの確保をせずに、安価な構成で主軸に工具が把持されているか否かを判定することができる。このようにして主軸の状態を判定することで、自動工具交換の失敗による工作機械の破壊や加工失敗を未然に防ぐことができる。

【0041】

なお、本発明は、主軸に工具がクランプされているか否かを判定できれば良いので、開閉部７のない構成であっても良い。つまり、工具１が工具ホルダ２を介さずに直接把持部３にクランプされる構成であっても本発明を適用できる。

【図1】

【図2】

【図3】