特開 2024-115249 工作機械

(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】P2024115249

(43)【公開日】2024-08-26

(54)【発明の名称】工作機械

(51)【国際特許分類】

   B23Q 17/00 20060101AFI20240819BHJP

【ＦＩ】

B23Q17/00 B

【審査請求】有

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023020858

(22)【出願日】2023-02-14

(71)【出願人】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000102865

【氏名又は名称】エヌティーエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107423

【弁理士】

【氏名又は名称】城村 邦彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120949

【弁理士】

【氏名又は名称】熊野 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100155457

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 祐輔

(72)【発明者】

【氏名】置塩 空史

(72)【発明者】

【氏名】山本 昌利

(72)【発明者】

【氏名】大谷 光明

【テーマコード（参考）】

3C029

【Ｆターム（参考）】

3C029EE01

(57)【要約】

【課題】主軸に対する工具の取付状態の異常を、低コストな手法で確実に検出する。
【解決手段】工作機械は、工具１が取り付けられ、回転軸心Ｏ１周りに回転する主軸２と、主軸２を、ワークＷに対してＸ方向及びＹ方向で位置決めする送り手段１１、１２と、送り手段１１、１２のモータ１４の電流値を検出する電流検出部１７と、電流検出部１７により検出された電流値に基づいて異常の有無を判定する異常判定手段２６とを備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具が取り付けられ、回転軸心周りに回転する主軸と、
前記主軸を、ワークに対して前記回転軸心と直交する方向で位置決めする位置決め手段と、
前記位置決め手段に加わる負荷を検出する負荷検出手段と、
前記負荷検出手段により検出された検出値に基づいて異常の有無を判定する異常判定手段とを備えた工作機械。

【請求項2】

前記位置決め手段が、内部に流れる電流値を検出する電流検出部と、検出した電流値に基づいて出力を制御する制御部とが内蔵されたサーボモータであり、
前記負荷検出手段が、前記サーボモータに内蔵された電流検出部である請求項１に記載の工作機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、機械加工は、自動工具交換装置（Auto Tool Changer）を備えたマシニングセンタで行うことが主流となっている。マシニングセンタは、主軸に取り付けられた工具を自動で交換することができるが、その背反として、工具交換する際に、主軸と工具との取付部に異物（切粉）の噛み込みが発生することがある。主軸と工具との間に異物が噛み込んで、主軸の回転軸心と工具の軸心とがずれると、加工時に工具の先端が振れて、ワークに形成される穴径が大きくなる等の不具合が生じる。そのため、現状では、ワークの加工品質を保証するために、機械加工後の検査工程で、ワークの全数に対して、特に加工精度が厳しい加工部の寸法を測定することが行われている。

【0003】

しかし、ワークの加工部の寸法を測定装置により自動で測定すると、設備コストが増大する。一方、ワークの加工部の寸法を作業者が手動で測定すると、工数がかかるため生産コストが増大する。

【0004】

例えば下記の特許文献１には、工具と主軸との間に異物が噛み込まれているか否かを検出する方法が示されている。この方法は、工具を回転駆動させるときの駆動部の消費電力と、工具と主軸との間に異物が噛み込んでいないときの基準消費電力とを比較することで、異物の噛み込みの有無を判定するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７－２８３４６１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、工具と主軸との間に異物が噛み込んでいないときの基準消費電力と、工具と主軸との間に異物が噛み込んだときの消費電力との差は極僅かであるため、上記の方法では異物の噛み込みを確実に検出できるとは言えない。

【0007】

そこで、本発明は、主軸に対する工具の取付状態の異常を、低コストな手法で確実に検出することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

図４は、主軸１０１及びこれに取り付けられた工具１０２を軸方向から見た図であり、加工中に工具１０２に加わる負荷を概念的に示している。工具１０２は、位相が１８０°異なる二枚の刃１０３、１０４を有する。尚、図４～６では、工具１０２の刃１０３の位相を０°、刃１０４の位相を１８０°とする。工具１０２を回転させながらワークを加工すると、各刃１０３、１０４に回転方向の負荷Ｆ１、Ｆ２が加わる。図４では、工具１０２が主軸１０１に正常な状態、すなわち、主軸１０１の回転軸心Ｏ１と工具１０２の軸心Ｏ２とが一致した状態で取り付けられている。この場合、加工中の工具１０２には、回転軸心Ｏ１周りの回転方向の負荷（回転を妨げようとする負荷）のみが加わり、回転軸心Ｏ１と直交する方向に工具１０２を平行移動させる負荷は生じない。

【0009】

一方、図５は、工具１０２の外周面と主軸１０１の内周面との間のうち、位相が１８０°の位置に異物１０５が噛み込んで、工具１０２の軸心Ｏ２が主軸１０１の回転軸心Ｏ１に対して０°の方向（図中左側）にずれた状態を示す。尚、図５では、主軸１０１と工具１０２とのずれ量を誇張して示している（後述の図６においても同様）。この状態の工具１０２を主軸１０１の回転軸心Ｏ１周りに回転させながら加工を行うと、一方の刃１０３に加わる負荷Ｆ１が、他方の刃１０４に加わる負荷Ｆ２よりも大きくなるため、これらの負荷Ｆ１、Ｆ２の合力により、工具１０２を、回転軸心Ｏ１と直交する方向（図中下向き）に平行移動させようとする負荷Ｆ３が加わる。

【0010】

また、図６は、工具１０２の外周面と主軸１０１の内周面との間のうち、位相が２７０°の位置に異物１０５が噛み込んで、工具１０２の軸心Ｏ２が主軸１０１の回転軸心Ｏ１に対して９０°の方向（図中上側）にずれた状態を示す。この状態の工具１０２を主軸１０１の回転軸心Ｏ１周りに回転させながら加工を行うと、一方の刃１０３に加わる負荷Ｆ１の方向と、他方の刃１０４に加わる負荷Ｆ２の方向が平行ではなく、互いに若干傾斜するため、これらの負荷Ｆ１、Ｆ２の合力により、工具１０２を、回転軸心Ｏ１と直交する方向（図中左向き）に平行移動させようとする負荷Ｆ４が加わる。

【0011】

ところで、工作機械は、通常、主軸１０１を直交３方向（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向）で位置決めする位置決め手段（例えば、サーボモータ）を有する。図４のように、工具１０２が主軸１０１に正常に取り付けられた状態で加工を行うと、工具１０２に回転軸心Ｏ１と直交する方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の負荷は加わらないため、この方向で主軸１０１を位置決めする位置決め手段に負荷は加わらない。一方、図５や図６のように、工具１０２が主軸１０１に正常に取り付けられていない状態で加工を行うと、工具１０２に回転軸心Ｏ１と直交する方向の負荷Ｆ３、Ｆ４が加わるため、この負荷Ｆ３、Ｆ４が、回転軸心Ｏ１と直交する方向で主軸１０１を位置決めする位置決め手段に加わる。従って、逆に言えば、主軸１０１を回転軸心Ｏ１と直交する方向で位置決めする位置決め手段に加わる負荷から、主軸１０１の回転軸心Ｏ１と工具１０２の軸心Ｏ２とが一致しているか否か、すなわち、工具１０２が主軸１０１に正常に取り付けられているか否かを判定することができる。

【0012】

尚、上記のように１８０°位相が異なる２つの刃１０３、１０４を有する工具１０２で加工する場合に限らず、周方向一箇所に刃を有する工具や、周方向で等配された３つ以上の刃を有する工具で加工する場合でも、主軸１０２と工具との取付状態の良否によって、回転軸心Ｏ１と直交する方向で位置決めする位置決め手段に加わる負荷が異なる。従って、これらの工具を使用する場合でも、上記と同様に、回転軸心Ｏ１と直交する方向で位置決めする位置決め手段に加わる負荷から、工具が主軸１０１に正常に取り付けられているか否かを判定することができる。

【0013】

以上のような知見から、本発明は、工具が取り付けられ、回転軸心周りに回転する主軸と、前記主軸を、ワークに対して前記回転軸心と直交する方向で位置決めする位置決め手段と、前記位置決め手段に加わる負荷を検出する負荷検出手段と、前記負荷検出手段により検出された検出値に基づいて異常の有無を判定する異常判定手段とを備えた工作機械を提供する。

【0014】

位置決め手段としては、例えばサーボモータを使用することができる。サーボモータには、内部に流れる電流値を検出する電流検出部と、検出した電流値に基づいてモータの出力を制御する制御部とが内蔵されている。このサーボモータの電流検出部を負荷検出手段とすれば、負荷検出手段を別途設ける必要が無いため、低コスト化が図られる。

【発明の効果】

【0015】

以上のように、本発明によれば、主軸に対する工具の取付状態の異常を、低コストな手法で確実に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る工作機械の模式的に示す斜視図である。

【図2】上記工作機械の送り手段の模式図である。

【図3】Ｘ方向送り手段のモータの電流値の時間変化を示すグラフである。

【図4】正常に取り付けられた主軸及び工具を軸方向から見た模式図である。

【図5】異物が噛み込んだ状態で取り付けられた主軸及び工具を軸方向から見た模式図である。

【図6】異物が噛み込んだ状態で取り付けられた主軸及び工具を軸方向から見た模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

【0018】

本発明の一実施形態に係る工作機械は、ワークＷに対してフライス、穴あけ、中ぐり等の切削加工を自動で行うものである。工作機械は、図１に示すように、工具１が取り付けられた主軸２と、主軸２を回転軸心Ｏ１周りに回転駆動する主軸モータ３と、ワークＷがセットされるワークセット部４と、これらを収容するハウジング（図示省略）とを有する。本実施形態の工作機械は、主軸２に取り付けられた工具１を、他の工具に自動で交換する自動工具交換装置５を有する、いわゆるマシニングセンタである。工具１としては、複数の刃が周方向等間隔に配されたもの（例えば図４に示す工具１０２）や、周方向一箇所に刃が配されたものを使用できる。尚、本実施形態では、主軸２の回転軸心Ｏ１と平行な方向をＺ方向と言い、Ｚ方向と直交し、且つ互いに直交する２方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向と言う。

【0019】

工作機械は、主軸２を、ワークセット部４にセットされたワークＷに対してＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向で位置決めする位置決め手段を有する。図示例では、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置決め手段として、主軸２を各方向に直線往復動させるＸ方向送り手段１１、Ｙ方向送り手段１２、Ｚ方向送り手段１３が設けられる。

【0020】

各送り手段１１、１２、１３は、図２に示すように、モータ１４と、モータ１４の回転運動を直線運動に変換する運動変換機構１５（例えば、ラックピニオン機構）とを有する。モータ１４としては、例えば、指示通りに位置、回転数、トルク等を制御可能なサーボモータを使用できる。具体的に、モータ１４は、自身の状態を検出する検出部と、検出部で検出した値に基づいてモータ１４の出力（電流）を制御する制御部１６とが内蔵される。検出部としては、例えば、モータ１４の内部に流れる電流値を検出する電流検出部１７が設けられる。本実施形態では、さらに、モータ１４内の電圧を検出する電圧検出部１８と、モータ１４の回転数（回転位相）を検出する回転数検出部１９とが設けられる。尚、モータ１４として、検出部及び制御部が内蔵されていない汎用モータを使用し、検出部及び制御部をモータ１４の外部に設けてもよい。

【0021】

本実施形態では、ワークセット部４がハウジングに固定され、主軸２が、ハウジングに対してＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に移動可能とされる。工具１が取り付けられた主軸２を送り手段１１、１２、１３でＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向で位置決めすることで、工具１を任意の３次元位置に配置することができる。この他、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｘ方向の何れか１つあるいは複数において、主軸２をハウジングに固定する一方で、ワークセット部４をハウジングに対して移動可能としてもよい。

【0022】

主軸モータ３、自動工具交換装置５、Ｘ方向送り手段１１、Ｙ方向送り手段１２、及びＺ方向送り手段１３は、制御装置２０に接続される（図１参照）。制御装置２０は、例えばコンピュータであり、入力部２１、出力部２２、記憶部２３、演算部２４、指令部２５及び異常判定手段２６を有する。入力部２１から入力された情報や記憶部２３に記憶された情報に基づいて演算部２４が演算し、その結果を、指令部２５が出力部２２を介して主軸モータ３、送り手段１１、１２、１３及び自動工具交換装置５に指令することにより、工具１による加工や工具１の交換が自動で行われる。

【0023】

例えば、加工中の工具１が所定位置からＸ方向にずれた場合、Ｘ方向送り手段１１のモータ１４の検出部で検出された値（例えば回転数検出部１９で検出された回転数）が、予め設定された所定の値から外れる。この信号がモータ１４の制御部１６に伝達されると、制御部１６が、工具１を所定位置に戻すために必要な電流値を演算し、その電流値をＸ方向送り手段１１のモータ１４に供給する。上記のようなフィードバック制御を行うことにより、工具１を常に所定位置に配することができる。Ｙ方向送り手段１２及びＺ方向送り手段１３でも、上記と同様の位置決め制御が行われる。

【0024】

例えば、工具１が主軸２に正常な状態で取り付けられた状態、すなわち、工具１の軸心と主軸２の回転軸心とが一致した状態でワークＷに加工を施した場合、工具１には回転軸心周りの負荷のみが加わり、工具１をＸＹ平面内で平行移動させようとする負荷は加わらない（図４参照）。この場合、加工中の工具１はＸ方向及びＹ方向で所定位置に配されるため、工具１の位置を、Ｘ方向送り手段１１及びＹ方向送り手段１２で修正する必要がない。そのため、Ｘ方向送り手段１１及びＹ方向送り手段１２のモータ１４の電流値は比較的小さい値となる。

【0025】

一方、工具の軸心と主軸２の回転軸心とが一致していない状態でワークＷに加工を施した場合、工具１をＸＹ平面内で平行移動させようとする負荷が生じる（図５の負荷Ｆ３、図６の負荷Ｆ４参照）。この場合、加工中の工具１はＸ方向及びＹ方向で所定位置からずれるため、工具１を所定位置に戻すために、Ｘ方向送り手段１１のモータ１４、及び、Ｙ方向送り手段１２のモータ１４に電流が供給される。そのため、Ｘ方向送り手段１１及び及びＹ方向送り手段１２のモータ１４の電流値は比較的大きくなる。

【0026】

そこで、本実施形態では、工具１でワークＷに対して加工を行っている間（すなわち、工具１とワークＷとが接触している間）、Ｘ方向送り手段１１のモータ１４の電流値及びＹ方向送り手段１２のモータ１４の電流値の一方又は双方を、負荷検出手段としての電流検出部１７で連続的あるいは所定期間ごと（例えば、１／１０００秒ごと）に検出し、検出した電流値が制御装置２０に伝達される。こうして制御装置２０に伝達されたＸ方向送り手段１１及び／又はＹ方向送り手段１２のモータ１４の電流値に基づいて、異常判定手段２６が、工具１と主軸２との取付状態の異常の有無を判定する。

【0027】

図３に、工具１の軸心と主軸２の回転軸心が一致した状態で加工したときのＸ方向送り手段１１のモータ１４の電流値（「異常なし」で示す黒色線）の時間変化と、工具１の軸心と主軸２の回転軸心が一致していない状態で加工したときのＸ方向送り手段１１のモータ１４の電流検出部１７で検出された電流値（「異常あり」で示す灰色線）とを重ねて示している。この図から分かるように、工具１と主軸２との取付状態に異常がない場合とある場合とで、Ｘ方向送り手段１１のモータ１４の電流値（図示例の場合、振幅の大きさ）が大きく異なる。従って、Ｘ方向送り手段１１のモータ１４及びＹ方向送り手段１２のモータ１４の何れか一方又は双方の電流値に基づいて、工具１と主軸２の取付状態の異常の有無を判定することができる。

【0028】

例えば、Ｘ方向送り手段１１のモータ１４の電流値の閾値を設定することで、工具１と主軸２の取付状態の異常の有無を判定することができる。具体的には、加工開始から加工終了までの期間におけるモータ１４の電流値の平均値をＡとし、各時刻における電流の測定値と平均値Ａとの差の絶対値を振幅としたとき、振幅の閾値Ｂを設定する。そして、モータ１４の電流値の振幅が閾値Ｂを超えたら、異常判定手段２６が、工具１と主軸２との取付状態に異常が生じていると判定する。例えば、図３に示す例では、加工開始から加工終了までの期間において、黒色線で示す電流値の振幅は常に閾値Ｂ以下であるため「異常なし」と判定され、灰色線で示す電流値の振幅は閾値Ｂを超えているため「異常あり」と判定される。

【0029】

ところで、工具１と主軸２との取付状態が正常である場合でも、ワークＷの形状や加工条件等によって、加工初期や加工終期に、Ｘ方向あるいはＹ方向の負荷が瞬間的に工具１に加わり、Ｘ方向送り手段１１あるいはＹ方向送り手段１２のモータ１４の電流値が瞬間的に跳ね上がることがある（図３の鎖線Ｃ、Ｄ参照）。この場合、上記のような閾値Ｂによる判定では、鎖線Ｃ、Ｄで示すような電流値を検出したときに異常判定手段２６が「異常あり」と誤判定する恐れがある。

【0030】

そこで、Ｘ方向送り手段１１及びＹ方向送り手段１２の少なくとも一方のモータ１４の電流値の、加工開始から加工終了までの期間における積算値に基づいて、工具１と主軸２との取付状態の異常の有無を判定してもよい。具体的には、所定期間ごと（例えば１／１０００秒ごと）に測定したモータ１４の電流値の振幅の、加工開始から加工終了までの間の積算値（すなわち、図３における黒色線あるいは灰色線の面積）の閾値を設定する。そして、モータ１４の電流値の振幅の積算値が、予め設定した閾値を超えたら、異常判定手段２６が「異常あり」と判定する。これにより、図３に鎖線Ｃ、Ｄで示すように瞬間的に電流値の振幅Ｂが大きくなる場合でも、加工期間全体での振幅の積算値が閾値以下であれば「異常なし」と判定されるため、誤判定を回避できる。

【0031】

上記のようにモータ１４の電流値の振幅を積算する場合、振幅を単純に積算する他、振幅のべき乗（例えば２乗）の値を積算してもよい。これにより、振幅が大きくなった場合の影響が積算値に現れやすくなるため、判定の信頼性が向上する。

【0032】

本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については重複説明を省略する。

【0033】

例えば、Ｘ方向送り手段１１及びＹ方向送り手段１２の一方又は双方のモータ１４の電圧検出部１８を負荷検出手段として機能させ、異常判定手段２６が、電圧検出部１８で検出したモータ１４の電圧に基づいて工具１と主軸２との取付状態の異常の有無を判定してもよい。あるいは、Ｘ方向送り手段１１及びＹ方向送り手段１２の一方又は双方のモータ１４の回転数検出部１９を負荷検出手段として機能させ、異常判定手段２６が、回転数検出部１９で検出したモータ１４の回転数に基づいて工具１と主軸２との取付状態の異常の有無を判定してもよい。

【0034】

本発明は、マシニングセンタに限らず、自動工具交換装置を有しない工作機械にも適用可能である。

【符号の説明】

【0035】

１ 工具
２ 主軸
３ 主軸モータ
４ ワークセット部
５ 自動工具交換装置
１１ Ｘ方向送り手段（位置決め手段）
１２ Ｙ方向送り手段（位置決め手段）
１３ Ｚ方向送り手段
１４ モータ
１５ 運動変換機構
１６ 制御部
１７ 電流検出部（負荷検出手段）
１８ 電圧検出部
１９ 回転数検出部
２０ 制御装置
２６ 異常判定手段
Ｏ１ 主軸の回転軸心
Ｏ２ 工具の軸心
Ｗ ワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】