JPH02503171A - Intelligent insert with integrated sensor - Google Patents
Intelligent insert with integrated sensorInfo
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- JPH02503171A JPH02503171A JP63502357A JP50235788A JPH02503171A JP H02503171 A JPH02503171 A JP H02503171A JP 63502357 A JP63502357 A JP 63502357A JP 50235788 A JP50235788 A JP 50235788A JP H02503171 A JPH02503171 A JP H02503171A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】 一体型のセンサを有するインテリジェントインサート及選!すし艷 1、発明の分野 本発明は、工具の状態及び作動パラメータを示す信号を発生させるための一体に 取り付けられI;センサを有する切削工具又はインサートに関する。[Detailed description of the invention] Intelligent insert with integrated sensor selected! Sushi Sushi 1. Field of invention The present invention provides an integrated system for generating signals indicative of tool status and operating parameters. Attached I; relates to a cutting tool or insert having a sensor.
2、従来技術の説明 無人のマシニングセンタは工場用として、急速に開発が進んでおり、今日、各種 型式の数値制御式機械が性質上、無人製造に適合したものとなっている。同様に 自動の材料検査システムも開発されているが、四六時中、自動化された無人の運 転を実現する上での主たる困難性はコンピュータ制御下、無人のマシニングセン タの製造システムを監視する効果的でかつ信頼性のあるセンサが存在しないこと である。運転上、切削工具の状態を正確に感知することは重要であるが、これま で実現し得なかった。工具が破断し又は亀裂が生じたとき、それを直ちに認識す るために感知は重要である。又、工具が貯容可能な眼界を以上摩耗したならば、 又は、その他、希望するパラメータの逸脱が生じたならば、工具を迅速に交換し 得るように、その状態を示す信号が必要である。工具が摩耗したり、鈍くなり、 又は破断した場合、規格外れの製品が製造される原因となり、又、製造される部 品が損傷したり、又は工作機械自体が損傷される可能性がある。2. Description of conventional technology The development of unmanned machining centers for factory use is progressing rapidly, and today there are various The nature of this type of numerically controlled machine makes it suitable for unmanned manufacturing. similarly Automated material inspection systems have also been developed; The main difficulty in realizing this is the use of computer-controlled, unmanned machining lack of effective and reliable sensors to monitor data manufacturing systems; It is. Accurately sensing the cutting tool condition is important for operation, but so far could not be achieved. Immediately recognize when a tool breaks or cracks. Sensing is important in order to Also, if the tool wears out more than the storage capacity, or any other deviation of the desired parameters, the tool can be quickly replaced. In order to obtain a signal, a signal is needed to indicate its status. Tools become worn or dull; or if it breaks, it may cause a substandard product to be manufactured or damage to the manufactured parts. This may cause damage to the product or the machine tool itself.
その結果、製造コストが増大しかつ製造能力のロスが生ずる。かくて、本発明の 一つの重要な特徴はかかるロスを防止し、無人のマシニングセンタの満足し得る 運転を確実にすることである。As a result, manufacturing costs increase and manufacturing capacity is lost. Thus, the present invention One important feature prevents such losses and satisfies unattended machining centers. The goal is to ensure safe driving.
従来の技術において、機械加ニジステム内にて実施される間に製造工程を監視し 、機械がより生産的であるように加工状態を変化させる適応制御が開発されてい る。In conventional technology, the manufacturing process is monitored while it is being carried out within the machining system. , adaptive controls have been developed to change machining conditions so that the machine is more productive. Ru.
機械主軸の駆動モータの電流を感知することにより、作動する適応制御システム は既に一般に市販されている。An adaptive control system that operates by sensing the current of the drive motor of the machine spindle. is already commercially available.
又、ある種の力感知及びフィードバック制御システムも市販されているが、一般 的に云って、以下に引用する従来技術において示されるように満足し得るものと は考えられない。このため、本発明は正確でかつ信頼性があり、しかも「オンラ イン」にて使用出来る順応制御に対する現在の要請を満足し得るように設計され たものである。Also, some force sensing and feedback control systems are commercially available, but Generally speaking, it is satisfactory as shown in the prior art cited below. I can't think of it. Therefore, the present invention is accurate, reliable, and Designed to meet current requirements for adaptive control that can be used in It is something that
監視された機械が製造ラインにあるとき、単一の工具の損傷を感知し損なった場 合、全体の製造ラインが影響を受けるため、個々のマシニングセンタにあるとき よりもはるかに大きい損失を被る。故に、本発明はこうした型式の工程に広く適 用可能なものである。If the monitored machine is on the production line and fails to detect damage to a single tool. When on individual machining centers, the entire production line is affected. suffer a much greater loss. Therefore, the present invention is widely applicable to these types of processes. It is available for use.
従来の技術において、機械加工中における切屑の発生の動力学について研究が為 され、機械加工力を測定するための各種の方法が開発されている。In conventional technology, the dynamics of chip generation during machining has not been studied. Various methods have been developed to measure machining forces.
例えば、トルスティ(Tl1st2) D、 J及びアンドリューズ(ムmdr *vs) G、 Cによる「無人の機械加工用センサの臨界的考察」(ムCr1 tical Review al 5ensors for Hamssmed MsckjmtB)と題された論文(C,1,1,Pの年報3z−4,191 υにおいて、幾つかの型式のセンサが無人の機械加工の運転の信頼性に基いて検 討されている。この論文は無人のマシングセンタの完全な可能性を達成するため に解決されなければならない重要な問題点は、機械の作動を監視し、金属の効率 的な除去速度を可能にし、及び事故又は破断のとき、匡正措置がとれるようにす る信頼性がありかつ効果的なセンサを開発することであると云っている。この論 文はその当時に利用可能なセンサを検討しているが、これらの全ては特に、工具 及び工具サポートの干渉により工具上にて信号が物理的にろ波されるため、信頼 性及び直接的な応答性の点で重大な欠点を有している。For example, Tolsti (Tl1st2) D, J and Andrews (Mu mdr *vs) “Critical consideration of sensors for unmanned machining” by G and C (MuCr1 tical Review al 5 sensors for Hamssmed MsckjmtB) (Annual Report of C, 1, 1, P 3z-4, 191 At υ, several types of sensors have been tested for reliability in unattended machining operation. being investigated. This paper aims to achieve the full potential of unmanned machining centers An important problem that must be solved in speed of removal and ensure that corrective action can be taken in the event of an accident or rupture. The aim is to develop reliable and effective sensors that can this theory Although the text considers the sensors available at the time, all of these Reliability due to physical filtering of the signal on the tool due to interference from the tool support It has serious drawbacks in terms of performance and direct responsiveness.
切削工具を取り付ける典型的な動力計センサはクニオウエハラ及びユーイチカン ダによる、「音響的放出物の測定による切屑発生のメカニズムの解明r Hen 1ific&tio++ of Chip For+astiom 訃cTh* n1sa Through Acoustic Emissiam Ntssu rt+a@mts」(C,1,R,?、の年報、33−1.1914)という題 の論文に記載されている。工具ホルダを取り付けるための動力計又はプラットフ ォームはDCレベルの測定値を用いて平均切削力のような平衡した現象を感知す るには満足し得るものである。しかし、AC成分又は高い側波数の力は切削工具 又はインサートとその工具ホルダ間、工具ホルダと動力計間の相互接続面により 、及び計測システム自体の力学によりろ波される。その結果、動力計はI KB s以上にて生ずる現象を感知することはできない。Typical dynamometer sensors that attach cutting tools are Kunio Uehara and Yuichikan. ``Elucidation of the mechanism of chip generation by measuring acoustic emissions'' by Hen. 1ific&tio++ of Chip For+astiom cTh* n1sa Through Acoustic Emissiam Ntsusu rt+a@mts” (Annual Report of C,1,R,?, 33-1.1914) described in the paper. Dynamometer or platform for attaching tool holders The worm uses DC level measurements to sense balanced phenomena such as average cutting force. The results are satisfactory. However, the AC component or high side number force is or by interconnecting surfaces between the insert and its tool holder, or between the tool holder and the dynamometer. , and filtered by the dynamics of the measurement system itself. As a result, the dynamometer is I KB Phenomena occurring above s cannot be detected.
加速度計を工具ホルダに取り付け、及び力センサと共にその組立体を使用するこ とはB、リンドベーグ(Lindbtrs)及びLリントストローム(Limd strom)による「切屑の発生過程における区分化周波数の測定」(「lII ξ5sireaents of the SBm*ntatian FrCq+ uney in th* Chip For+astioIIProctssJ )という題の論文(C,1,R,Pの年報、33−1.1H3)に記載されて いる。加速度計は極めて高い周波数を感知することが出来る一方、切屑工具又は インサートは工具ホルダのポケット内に物理的にクランプ止めされ、工具ホルダ 及びインサとの相互接続面を通って信号を伝送する能力が小さいため、5−10 KH!以上にて工具の切刃部分に生ずる現象を感知する能力は制限されている。Attaching an accelerometer to a tool holder and using the assembly with a force sensor B, Lindbtrs and L Limdström. "Measurement of segmentation frequency in the process of chip generation" ("III ξ5sireants of the SBm*ntatian FrCq+ uney in th* Chip For+astioIIProctssJ ) (Annual report of C, 1, R, P, 33-1.1H3) There is. While accelerometers can sense extremely high frequencies, The insert is physically clamped into the pocket of the tool holder and 5-10 due to the small ability to transmit signals through the interconnect plane with the KH! As described above, the ability to sense phenomena occurring at the cutting edge of the tool is limited.
かくて、工具の丁度切刃部分にて生ずる高周波数の現象は工具ホルダに効率良く 伝達されず、故に、工具ホルダに取り付けられた加速度計は切屑工具又はインサ ートが経験する高周波数の力又は振動を感知することが出来ない。In this way, high-frequency phenomena that occur just at the cutting edge of the tool can be efficiently transferred to the tool holder. Therefore, the accelerometer mounted on the tool holder is cannot sense the high frequency forces or vibrations experienced by the vehicle.
通常の商業的な切削状態において、結晶粒子を通過する周波数はNusの帯域内 にある。この結晶粒子を通過する周波数及び切屑の区分化といつt;その他の力 学的現象テムの力学的挙動はこの騒音の発生を反映し、その結果、その構造体及 び付与される励起周波数に合ったモード及び周波数にて振動する。工具ホルダ及 び工具ポストが動く結果、ワークはこの運動に続いて、その表面に波状の成分を 有することになる。既存のセンサを利用する従来のシステムにおいて、これらの 動きはろ波されるため、工程の監視又は工程の制御の何れのためにも感知するこ とが出来ない。Under normal commercial cutting conditions, the frequencies passing through the crystal grains are within the band of Nus. It is in. Frequency and segmentation of chips passing through this crystal grain and other forces The mechanical behavior of the material reflects this noise generation and, as a result, its structure and It vibrates in a mode and frequency that match the applied excitation frequency. Tool holder and As a result of the movement of the tool post, the workpiece develops a wave-like component on its surface following this movement. will have. In traditional systems that utilize existing sensors, these Movement is filtered and cannot be sensed for either process monitoring or process control. I can't do it.
発明の概要 本発明は工具上に直接、センサを担持し、ろ波することなくインサートに作用す る振動及び力を表示し得る信号を提供する切屑インサート又は切屑工具に関する 。このインサートは標準的な寸法及び形状であるが、その円周内にて本体上にセ ンサを取り付ける手段を備え、このセンサは振動に応答して高い周波数の感知信 号を発生して、全ての関連する振動及び力が確実に判定されるようにするもので ある。Summary of the invention The present invention carries the sensor directly on the tool and acts on the insert without filtering. relating to chip inserts or chip tools that provide signals that can indicate vibrations and forces caused by . This insert is of standard size and shape, but can be set on the body within its circumference. The sensor has a means for attaching a sensor that emits a high frequency sensing signal in response to vibrations. to ensure that all relevant vibrations and forces are determined. be.
本発明の各種の形態において、インサートは加速度計、望ましくは、圧電感知式 センサ、即ち、圧電式又は圧電放出物のセンサを取り付けるために直接使用され る。これらのセンサは力、温度、振動等のような切削工具の現象を感知すること を目的とする。In various forms of the invention, the insert is an accelerometer, preferably a piezoelectric sensor. Directly used for mounting sensors, i.e. piezoelectric or piezoelectric emitter sensors. Ru. These sensors can sense cutting tool phenomena such as force, temperature, vibration etc. With the goal.
本発明の一形態において、圧電体のフィルムがインサートを形成するための材料 の一部分として接合され又は一体に形成されるか、又は、圧電体又は圧電抵抗体 を切削工具の外面に直接付着させることが出来る。圧力感知性接点を切削インサ ート及び圧電性又は圧電抵抗性(圧電感知性)フィルムに使用し、発生された信 号を受は取ることが出来る。In one form of the invention, the piezoelectric film is the material for forming the insert. joined as a part or integrally formed, or piezoelectric or piezoresistive can be attached directly to the outer surface of the cutting tool. Insert cutting pressure sensitive contacts used on piezoelectric or piezoresistive (piezoelectrically sensitive) films to You can receive the number.
切削工具は、特に、付着された圧電性、圧電感知性、又は熱感知性の材料を使用 するならば、比較的値かなコスト増にてセンサを備えることが出来る。現在販売 されている殆どのカーバイド切削工具又はインサートは既に被覆されているため 、必要な層又は圧電感知性を付与するためには、追加の被覆が必要とされるが、 切削工具に対してその後に材料を付着させることは容易に行い得る。Cutting tools, in particular, use deposited piezoelectric, piezo-sensitive, or heat-sensitive materials. If so, the sensor can be provided with a relatively small increase in cost. Currently on sale Most carbide cutting tools or inserts are already coated. , although additional coatings are required to impart the necessary layers or piezosensitivity, Subsequent application of material to the cutting tool can be easily accomplished.
例えば、シルクスクリーン印刷及び厚膜技術を利用することが出来る。For example, silk screen printing and thick film techniques can be used.
低レベルの信号を増幅するための回路は第1段階の増幅用の工具ホルダの内部又 は回転する切削ヘッド上に担持することが出来る。このヘッドには、インサート から外部の回路、例えば、光カプラ−、スリップリング又は無線周波数伝達回路 に伝送するための適当な手段が設は第1図はワークピースに係合する摩耗した切 削工具及び発生される切屑を示す部分略図、 第2図はその上に計測器が直接取り付けられた、本発明による切削工具の斜視図 、 第3図は第1型式のセンサが共に使用された第2図に示した切削工具の断面図、 第4図は本発明により形成した工具インサートと共に使用される加速度センサの さらに別の形態の図、第5図は本発明により形成した切削工具と共に使用される 型式の加速度センサの断面図、 第6図は切削インサートが破断したときに、本発明によるセンサを有する切削イ ンサートから受は取った典型的な応答信号のプロット図、 第7図は振動及び力を感知するために使用される圧電性又は圧電抵抗性材料が付 着された切削工具の斜視図、第8図は圧電性又は圧電抵抗性材料の付着層を示す 第5図の中心を通る部分拡大断面図、 第9図は本発明による工具インサートがその上に取り付けられた回転する工具ヘ ッドのの側面図である。The circuit for amplifying the low level signal is installed inside or inside the tool holder for the first stage amplification. can be carried on a rotating cutting head. This head has an insert to external circuits, e.g. optical couplers, slip rings or radio frequency transfer circuits. Figure 1 shows the worn cutter engaging the workpiece. a partial schematic diagram showing a cutting tool and generated chips; FIG. 2 is a perspective view of a cutting tool according to the invention with a measuring instrument mounted directly thereon; , FIG. 3 is a cross-sectional view of the cutting tool shown in FIG. 2 in which the first type of sensor is used; FIG. 4 shows an acceleration sensor used with a tool insert formed in accordance with the present invention. Yet another configuration, FIG. 5, for use with a cutting tool formed in accordance with the present invention. Cross-sectional view of the model acceleration sensor, FIG. 6 shows a cutting insert having a sensor according to the invention when the cutting insert breaks. A plot of a typical response signal received from the Figure 7 shows piezoelectric or piezoresistive materials used to sense vibrations and forces. A perspective view of the deposited cutting tool, FIG. 8, showing the deposited layer of piezoelectric or piezoresistive material. A partially enlarged sectional view passing through the center of FIG. FIG. 9 shows a rotating tool with a tool insert according to the invention mounted thereon. FIG.
好適な突流例の詳細な説明 第1図において、機械加工に使用される工具の略図が図示されている。全体とし て符号lOで示された切削工具又はインサートは鋭利な切刃部分11を有し、工 具の表面12及び工具の側面13が該切刃部分に隣接している。この側面13は 摩耗した工具の状態を示す。ワークピース14は切刃部分11により係合される 。符号15で示された切屑は工具がワークピース14の表面の下方に動くとき、 該ワークピースから除去される。切屑15は符号16で示したせん断面に沿って 分離し、廃棄される。工具が摩耗すると、工具をワークピースに対して動かすの に必要な力は変化し、機械加工した面14Aの平滑さが変化し、及び切刃部分1 1にて生ずる振動及び同様の現象は工具の状態を表現を示す。切屑の区分化によ り、振動が生じ、工具lOの振動は表面14Aの表面仕上げの波として伝達され る。しかし、殆どの作動システムにおいて、工具の切刃部分の振動は高い周波数 であり、この周波数は工具と該工具を適所に保持するクランプ止の間の相互接続 によりろ波される。Detailed description of suitable rush examples In FIG. 1 a schematic representation of the tools used for machining is shown. as a whole The cutting tool or insert, designated lO, has a sharp cutting edge portion 11 and is A tool surface 12 and a tool side 13 are adjacent to the cutting edge portion. This side 13 is Indicates the condition of worn tools. Workpiece 14 is engaged by cutting portion 11 . As the tool moves below the surface of the workpiece 14, the chip, designated 15, is removed from the workpiece. The chips 15 are disposed along the shear plane indicated by reference numeral 16. Separated and discarded. As the tool wears, it becomes difficult to move the tool relative to the workpiece. The force required for this changes, the smoothness of the machined surface 14A changes, and the cutting edge portion The vibrations occurring in 1 and similar phenomena are indicative of the condition of the tool. By segmentation of chips The vibrations of the tool 10 are transmitted as waves in the surface finish of the surface 14A. Ru. However, in most operating systems, the vibration of the cutting edge of the tool is at a high frequency. , and this frequency is the interconnection between the tool and the clamp that holds it in place. filtered by
従来は、切削工具10は工具ホルダ又は工具ポストをクランプ止めし、通常、凹 所内の少なくとも2つの横方向側部上に保持され、その底面にクランプ止めされ る。Conventionally, the cutting tool 10 is clamped to a tool holder or tool post, typically recessed. held on at least two lateral sides of the chamber and clamped to its bottom surface; Ru.
工具又は切削インサートは略四角であり、その上に1又は2以上の切刃部分を備 えることが出来る。使用される切刃部分の型式はワークピースの材料、ワークピ ースに要求される表面仕上げ及びその他の7アクタにより異なる。The tool or cutting insert is generally square and has one or more cutting edges on it. I can get it. The model of the cutting edge used depends on the material of the workpiece and the work piece. depending on the surface finish required for the surface and other 7 actors.
第2図及び第3図を参照すると、本発明の第1実施例による切削工具又はインサ ートは符号20で示されており、クランプフィンガ18により工具ホルダ17に 保持された適当な材料から成るブロックを備えており、該クランプフィンガ18 はねじ18Aにより保持され、工具ホルダ17の着座面に干渉する支持ブロック 19に対して保持されている。切削インサート又は工具20は希望するならば被 覆することが出来る。インサートの隔部分21は切削用に形成された状態が図示 されている。これは希望によりえぐり、全体として、第1図の典型的な工具10 の形状に適応するようにすることが出来る。切削インサート20は中心に形成さ れに穴22(第3図)を有しており、符号23で示した圧電体スリーブは穴22 の内面に接着されている。このスリーブ23は適当な接着技術により締結され、 圧電体を適所に保持する。望ましくは、この接着材料は導電性があり、スリーブ の外面に対する電気接点を形成するようにする。2 and 3, a cutting tool or insert according to a first embodiment of the present invention is shown. The tool holder 17 is attached to the tool holder 17 by means of the clamp finger 18 and is indicated by the reference numeral 20. a block of suitable material held by the clamping fingers 18; is a support block that is held by the screw 18A and interferes with the seating surface of the tool holder 17. It is held against 19. The cutting insert or tool 20 may be It can be reversed. The spacer portion 21 of the insert is shown in a state where it is formed for cutting. has been done. This is hollowed out as desired, and as a whole, the typical tool 10 in FIG. It can be adapted to the shape of. The cutting insert 20 is formed in the center. The piezoelectric sleeve 23 has a hole 22 (FIG. 3) in the hole 22. is glued to the inner surface of the This sleeve 23 is fastened by a suitable adhesive technique, Holds the piezoelectric body in place. Preferably, this adhesive material is electrically conductive and the sleeve so as to form an electrical contact to the outer surface of the
スリーブ23の内側の穴24は圧電体のスリーブの内面に対する接点を有してい る。−型式のベローズを構成するばね接点25Aは電気接点として使用される。The hole 24 inside the sleeve 23 has a contact point to the inside surface of the piezoelectric sleeve. Ru. - The spring contact 25A constituting the bellows type is used as an electrical contact.
この接点25Aは支持ブロック19に対する接触を実現し、これは、工具ホルダ から適当に絶縁され、導線はブロック19に接続して信号を伝送することが出来 る。This contact 25A realizes contact with the support block 19, which is connected to the tool holder The conductors can be connected to block 19 to transmit signals. Ru.
質量25及び圧電スリーブは共に、加速度計を形成する。質量25はスリーブに 負荷を加えて、スリーブの外面と内面間の電圧を変化させ、この電圧の変化はホ ルダ17及び接点25Aからの導線により感知される。切削インサート20の振 動は質量により拾い上げられ、これにより、せん断力がスリーブに加えられると き、内面と外面間の望ましくは半径方向に成極された圧電体スリーブ23内に電 圧が発生される。切削工具に影響する振動が感知され、それにより、スリーブ内 のせん断力に比例する出力電圧が発生される。以下に説明するように、切削イン サート20が破断したならば、振動の振幅、従って、出力電圧の大きさが著しく 増大し、早期の亀裂を感知し、信号を利用して警報を発生させることが出来る。Together, the mass 25 and the piezoelectric sleeve form an accelerometer. Mass 25 is in the sleeve A load is applied to change the voltage between the outer and inner surfaces of the sleeve, and this change in voltage is It is sensed by the conductor from the router 17 and the contact 25A. Shaking the cutting insert 20 The motion is picked up by the mass, which causes a shear force to be applied to the sleeve. An electric current is placed within the preferably radially polarized piezoelectric sleeve 23 between the inner and outer surfaces. pressure is generated. Vibrations affecting the cutting tool are sensed, thereby causing An output voltage proportional to the shear force is generated. Cut-in as described below. If the circuit 20 were to break, the amplitude of the vibration and therefore the magnitude of the output voltage would be significantly reduced. It is possible to detect early cracks and use the signal to generate an alarm.
第4図には、本発明の変形例が図示されている。スリーブ27は切削インサート 又は工具20の穴22の内面に接着されている。このスリーブ27は任意の適当 な材料にて形成することが出来る。切削工具が高速度鋼又はカーバイド材料にて 形成される場合には、融着し、又は、レーザ又は電子溶接することが出来る。セ ラミック製の切削工具又はインサートの場合、シリコン被覆したステンレス鋼の スリーブを使用することが可能である。窒化珪素及びサイアロン(5IALON )型式のセラミック切削インサートと共に、ジルコニウム又はチタニウム製のス リーブを使用することも出来る。アルミナ製の切削インサート又は工^を使用す る場合、コバール(KOVAR)とし\う商標名で販売されている金属合金から 成るスリーブが適当である。FIG. 4 shows a modification of the invention. Sleeve 27 is a cutting insert Or it is glued to the inner surface of the hole 22 of the tool 20. This sleeve 27 can be any suitable It can be made of any material. The cutting tool is made of high speed steel or carbide material. If formed, it can be fused or laser or electronic welded. Se For lamic cutting tools or inserts, silicone-coated stainless steel It is possible to use a sleeve. Silicon nitride and sialon (5IALON) ) with ceramic cutting inserts made of zirconium or titanium. You can also use leaves. Use an alumina cutting insert or tool. from the metal alloy sold under the trade name KOVAR. A sleeve consisting of:
スリーブ27の内側穴28は符号29で示した雌ねじ及び高帯域の加速度計を備 え、金属インサート内に緊密に螺入されている。よって、この加速度計は切削イ ンサート20の中心軸上に位置決めされ、インサートに直接的かつ緊密に物理的 に接触する。このことは、インサートの内部の振動は全て加速度計により拾い上 げられることを意味する。インサートに影響する外部振動も又感知され、そのた め、切削インサートの振動又は動作は全てが加速度計に伝達される。The inner bore 28 of the sleeve 27 is equipped with internal threads designated 29 and a high-bandwidth accelerometer. It is tightly screwed into a metal insert. Therefore, this accelerometer is suitable for cutting positioned on the central axis of the insert 20 and directly and tightly physically attached to the insert come into contact with. This means that all vibrations inside the insert are picked up by the accelerometer. It means to be given up. External vibrations affecting the insert are also sensed and therefore Therefore, all vibrations or movements of the cutting insert are transmitted to the accelerometer.
加速度計29は加速度計が遭遇する振動を捕捉するために使用することの出来る 適当な回路に接続されて、送り速度、切削インサート又は工具の交換を制御しか つインサートの破断、亀裂又はチッピングに関する情報を提供する。振動の振動 数の関数としての出力を提供する回路が適している。Accelerometer 29 can be used to capture vibrations encountered by the accelerometer. Connected to appropriate circuits to control feed rate, cutting inserts or tool changes. Provides information on insert breaks, cracks or chipping. vibration vibration Circuits that provide an output as a function of number are suitable.
第5図には、本発明の切削インサート及びセンサのさらに変形された実施例が図 示されている。全体として符号30で図示された切削インサートは希望するなら ば、工具鋼又はセラミックのような適当な材料にて形成する。FIG. 5 shows a further modified embodiment of the cutting insert and sensor of the present invention. It is shown. A cutting insert, generally designated 30, may be used if desired. For example, it may be made of a suitable material such as tool steel or ceramic.
本発明のこの形態において、切削工具はそれぞれ反対方向を向いた一対の盲穴又 は凹所31,32を有し、これらの盲穴又は凹所31,32は中心軸上にありか つ工具の対向面から内方向に伸長している。これらの面はそれぞれ符号33.3 4にて図示されている。In this form of the invention, the cutting tool has a pair of blind holes or has recesses 31, 32, and these blind holes or recesses 31, 32 are on the central axis. Extending inwardly from the opposite surface of the tool. These faces each have the code 33.3 4.
材料の中心パー35は穴を分離させ、この中心バー35は穴31.32の底部を 形成する反対方向を向いた表面を有し、該底部に対して別個の圧電センサ36が 支持される。これらの圧電センサ36は加速度センサであり、センサを構成する 圧電体片の各々の外側上に慣性質量37を有している。A central bar 35 of the material separates the holes, and this central bar 35 covers the bottom of the holes 31,32. A separate piezoelectric sensor 36 is attached to the bottom with oppositely facing surfaces forming a Supported. These piezoelectric sensors 36 are acceleration sensors and constitute a sensor. It has an inertial mass 37 on the outside of each piezoelectric piece.
この慣性質量37の各々はそれぞれの圧電センサに接着されかつ該圧電センサに 対する電気接点を構成する金属材料を備えている。質量37の外面には、適当な 接点及び導線39を設けることが出来る。Each of the inertial masses 37 is bonded to and attached to a respective piezoelectric sensor. It is equipped with a metal material that constitutes an electrical contact to the terminal. On the outer surface of the mass 37, a suitable Contacts and conductors 39 can be provided.
それぞれの質量37は全体としてその関係する圧電センサ36に直接接続され、 切削インサートの穴の表面に締結されていないため、質量は軸線38に沿った方 向への振動下、動いてそれぞれのセンサに負荷を与える。圧電体から成るセンサ 36(望ましくは、圧電性セラミック材料)は切削インサート30の穴の表面に 接着されている。センサの側面は通常、金属にて被覆され、切削インサートに対 する電気的接続を実現している。切削インサートと圧電体間の相互の接続面は接 地接続部分を形成する。感知周波数は一般に、切削工具の対象とする状態を表現 するのに十分であるため、適当な抵抗器を圧電センサの感知表面を横断して接続 したときに発生する電圧の降下を測定することにより、必要とされる情報が得ら れる。Each mass 37 as a whole is directly connected to its associated piezoelectric sensor 36; Since it is not fastened to the surface of the hole in the cutting insert, the mass is along the axis 38. It moves under vibration in the direction and applies a load to each sensor. Sensor made of piezoelectric material 36 (preferably a piezoelectric ceramic material) is placed on the surface of the hole in the cutting insert 30. It is glued. The sides of the sensor are usually coated with metal to accommodate the cutting insert. This provides an electrical connection. The mutual connection surfaces between the cutting insert and the piezoelectric body are in contact. Forms a ground connection. The sensing frequency generally represents the state of interest of the cutting tool. Connect a suitable resistor across the sensing surface of the piezoelectric sensor so that The required information can be obtained by measuring the voltage drop that occurs when It will be done.
インサートの破断を示す回路は第3図にブロック図にて示すように極めて簡単な ものとすることが出来る。圧電スリーブ23により構成され、又は第4図及び第 5図に示した型式の加速度計からの電圧信号は導線26A126Bに表れる。こ の出力信号は図示するように電圧信号であり、適当な設計の増幅器43を通じて 増幅される。The circuit that indicates insert rupture is extremely simple as shown in the block diagram in Figure 3. It can be made into something. It is constituted by a piezoelectric sleeve 23, or as shown in FIGS. A voltage signal from an accelerometer of the type shown in FIG. 5 appears on conductor 26A126B. child The output signal of is a voltage signal as shown, and is applied through an appropriately designed amplifier 43. amplified.
増幅器43の出力である線44上の信号は比較器45に提供することが望ましく 、この比較器45はある水準に対して設定された基準点45Aを有する増幅器4 3からの電圧を備え、通常の作動時、該比較器は出力を提供しないが、破断が生 じたとき、加速度計の出力は第6図に示すように急激に増大し、線44の電圧が 基準水準を上回ったとき、該比較器は出力を提供し、この出力を利用して、信号 回路45Aを通じて警報を鳴らすか又はその他の表示を行う。The signal on line 44, which is the output of amplifier 43, is preferably provided to comparator 45. , this comparator 45 is an amplifier 4 with a reference point 45A set to a certain level. During normal operation, the comparator provides no output, but if rupture occurs. When this happens, the output of the accelerometer increases rapidly as shown in Figure 6, and the voltage on line 44 increases. When the reference level is exceeded, the comparator provides an output, which is used to convert the signal An alarm or other indication is provided through circuit 45A.
別の形態として、特に、工具インサート及びセンサが回転するホルダ又はヘッド 上に使用されるとき、圧電体から成るセンサ23又はその他の加速度センサから の出力電圧を使用してLED46(第3図)を点灯させることが出来る。圧電体 から十分な電圧が発生されるか、又は増幅器43を使用することが出来るならば 、このLED 46は圧電センサからの導線に直接接続することが出来る。Alternatively, the tool insert and the sensor rotate in a holder or head, in particular When used above, the sensor 23 made of piezoelectric material or other acceleration sensor The output voltage of can be used to light the LED 46 (FIG. 3). piezoelectric body If sufficient voltage is generated from or if an amplifier 43 can be used. , this LED 46 can be connected directly to the lead from the piezoelectric sensor.
感光性トランジスタ46Aを使用して、LED46からの光レベルを感知し、問 題点の信号を発生させ及びa!能を記録するための出力を提供することが出来る 。LED46及びその関係する回路は回転する工具ホルダに取り付けることが出 来る一方、受信センサ46Aは工作機械のフレームに取り付け、インサート上の センサからの信号を光学的に出力回路に結合させることが出来る。この回路は第 2図に符号17Aで図示するように、工具ホルダ内の容器又は窯内に収納するこ とが出来る。脱着可能なカバーを利用して、室の蓋をすることが出来る。A photosensitive transistor 46A is used to sense the light level from the LED 46 and answer the question. Generate the problem signal and a! can provide output for recording performance. . The LED 46 and its associated circuitry can be mounted on a rotating tool holder. Meanwhile, the receiving sensor 46A is attached to the frame of the machine tool, and the receiving sensor 46A is mounted on the insert. The signal from the sensor can be optically coupled to the output circuit. This circuit is As shown with reference numeral 17A in Fig. 2, it can be stored in a container in a tool holder or in a kiln. I can do that. The chamber can be covered using a removable cover.
第6図には、工具インサート上に設けられた圧電センサスはその他の同様のセン サからの出力の典型的なプロット図が図示されている。第6図は不必要な周波数 を除去するために電子的ろ波を行った後の電圧を垂直軸(y軸)に、及び時間を 水平軸(X軸)に示すものである。通常の振動は線部分47Aにて図示する略一 定の出力電圧を提供する。破断により、線部分47Bで図示するように出力の大 きさが変化する。ピーク振幅が比較器45にて所定の時間、基準値48を上回る と、該比較器45は警報信号を提供するための出力を発生させる。Figure 6 shows that the piezoelectric sensor mounted on the tool insert is similar to other similar sensors. A typical plot of the output from the sensor is shown. Figure 6 shows unnecessary frequencies The voltage is on the vertical axis (y-axis) and time after electronic filtering to remove This is shown on the horizontal axis (X-axis). Normal vibration is about 1 as shown by line 47A. Provides a constant output voltage. Due to the rupture, the magnitude of the output increases as shown by line section 47B. The sharpness changes. The peak amplitude exceeds the reference value 48 for a predetermined time in the comparator 45 , the comparator 45 produces an output for providing an alarm signal.
切削インサート又は工具は既存の米m標準及びISO標準に適合し得るように設 計されているため、正規の振動値及び出力の警報値を現場にて較正することは必 要ないと考えられる。加速度計又はセンサが適所に設置された後、メーカが切削 インサートのセンサ出力をオフラインにて設定することは、現場の作業として十 分正確に行うことが可能である。導線を自動的に設定することの出来る回路を利 用して、作動状態の変化に対応することが出来る。Cutting inserts or tools are designed to comply with existing US and ISO standards. It is necessary to calibrate the regular vibration values and output alarm values on-site. It is considered unnecessary. After the accelerometer or sensor is in place, the manufacturer will cut the Configuring the insert sensor output offline is a sufficient on-site task. It is possible to do this accurately. Utilizes a circuit that can automatically set conductors. can be used to respond to changes in operating conditions.
チタネート及びジルコネート材料、又はキューリ点の高い水晶のようなその他の 材料は、第3図及び第5図に図示した加速度計の構造に適した材料の例である。Titanate and zirconate materials or other materials such as high Curie point quartz The materials are examples of materials suitable for the construction of the accelerometers illustrated in FIGS. 3 and 5.
かかる圧電性セラミック又は圧電性構造体を強力な電界中にて加熱し徐々に冷却 させることにより、冷却相が強磁性点を通過すると、圧電感知性が確実に得られ る。誤って過熱された切削インサート又は工具は加熱し及び徐々j:冷却させる という同一の段階を支流することにより復旧される。加速度計センサを有する切 削インサートは使用中、対流又は伝導手段の何れかによる冷却を必要とし、希望 するならば、工具ホルダ内には冷却通路を形成することが出来る。The piezoelectric ceramic or piezoelectric structure is heated in a strong electric field and gradually cooled. This ensures that piezoelectric sensitivity is obtained when the cooling phase passes through the ferromagnetic point. Ru. Cutting inserts or tools that are accidentally overheated should be allowed to heat up and gradually cool down. It is restored by tributing the same stage. Disconnect with accelerometer sensor Cutting inserts require cooling during use, either by convection or conduction means, depending on the desired If so, cooling passages can be formed within the tool holder.
切削インサートは、比較的簡単な方法にて形成することが出来、個々のセンサも 又パッチ法により形成し、適当に被覆することが出来る。各電圧センサ23又は 26に追加された質量25又は37は希望の感度が得られるように選択すること が出来る。Cutting inserts can be formed in a relatively simple way, and individual sensors can also be It can also be formed by a patch method and coated appropriately. Each voltage sensor 23 or The mass 25 or 37 added to 26 should be selected to obtain the desired sensitivity. I can do it.
適当な力センサは第7図及び第8図に図示すように構成し、この場合、切削イン サート又は工具50は図示するような適当な形状に形成し、希望する形状の切刃 部分又はカバーを備えることが出来る。この場合、切刃本体自体には、一体の力 感知(圧電性又は圧電抵抗性)材料を設ける。例えば、符号51に示した軸方向 に中心法めされた円形の圧電膜を切削インサート50の対向する主要側面に設け 、圧電体は肉厚が1以下から500711以内までとすることが望ましく、切削 インサートの表面上に炭化付着物がある場合には、銅又はニッケル層上に付着さ せ、センサ51に対する電気的接触が得られるようにすることが望ましい。次い で、切削工具自体は接地電極として作用し、電気的接点は第8図に符号53で略 図的に示した適当な外部層に取り付けることが出来る。インサート50の1又は 2以上の横方向側部を利用して、圧電体を付着させることが出来る。例えば、セ ンサ54はインサート又は工具50の少なくとも1つの円周側面に設け、センサ 50はセンサ54I;対して隣接しかつ直角の角度を成す何部に設けることが出 来る。A suitable force sensor may be constructed as shown in FIGS. 7 and 8, in which case the cutting insert The sert or tool 50 is formed into an appropriate shape as shown, and a cutting edge of the desired shape is formed. It can be provided with a part or a cover. In this case, the cutting blade itself has an integral force. A sensing (piezoelectric or piezoresistive) material is provided. For example, the axial direction indicated by reference numeral 51 A circular piezoelectric film centered on the cutting insert 50 is provided on opposing main sides thereof. It is desirable that the thickness of the piezoelectric material is from 1 or less to 500,711 or less, and cutting If there are any carbonized deposits on the surface of the insert, they may be deposited on the copper or nickel layer. It is desirable that electrical contact be made to the sensor 51. next The cutting tool itself acts as a ground electrode, and the electrical contacts are indicated by the reference numeral 53 in FIG. It can be attached to any suitable external layer as shown in the diagram. 1 of 50 inserts or Two or more lateral sides can be utilized to attach the piezoelectric material. For example, A sensor 54 is provided on at least one circumferential side of the insert or tool 50 and a sensor 54 is provided on at least one circumferential side of the insert or tool 50. 50 is a sensor 54I; it can be provided at any part adjacent to and at a right angle to the sensor 54I; come.
これらは又、適当な被覆層56(肉厚6.2乃至0.5pm)を有し、電気的接 点57を取り付けることが出来、切削インサート50は接地接続を提供する一方 、センサ層を横切って電気的な励起信号を印加させ得るようにすることが出来る 。圧電抵抗性材料を従来の架橋回路に接続し、負荷下における抵抗値の変化を感 知することが出来る。They also have a suitable covering layer 56 (6.2 to 0.5 pm thick) and electrical connections. point 57 can be attached, while cutting insert 50 provides a ground connection. , an electrical excitation signal can be applied across the sensor layer. . Connect a piezoresistive material to a conventional cross-linked circuit and sense the change in resistance under load. It is possible to know.
又、希望であれば、工具ホルダ内に組み込まれた接点は電極として機能させるこ とも出来る。第7図及び第8図に示した力センサ内で発生された圧電性又は圧電 抵抗性の電圧、又は圧電抵抗性ブリッジからの出力信号は増幅され、信号は適当 な回路により処理され、信号の大きさは切削インサート上の力と相関付けられる 。Also, if desired, the contacts built into the tool holder can function as electrodes. I can also do it. Piezoelectricity or piezoelectricity generated within the force sensor shown in Figures 7 and 8 The resistive voltage or output signal from the piezoresistive bridge is amplified and the signal is The signal magnitude is then correlated to the force on the cutting insert. .
第7図及び第8図の装置により感知された切削インサートに直接作用する力を利 用して、工具の摩耗を判定し、又は監視し、あるいは破断寸前の状態を検出する ことが出来る。工具の振動は工具の摩耗に伴って変化し、振動の振動数は振動数 検出回路によって検出され、分析される。希望するならば、加速度信号及び力信 号の双方を使用することが出来るように、冗長性を持たせることが出来るが、通 常はその何れか一方の信号のみが機能する。Utilizes the force acting directly on the cutting insert sensed by the devices in Figures 7 and 8. to determine or monitor tool wear or to detect near-breakage conditions. I can do it. The vibration of the tool changes as the tool wears, and the frequency of vibration changes with the frequency of vibration. Detected and analyzed by a detection circuit. Acceleration signal and power signal if desired Redundancy can be provided so that both numbers can be used; Normally, only one of the signals functions.
商業的な適用においては低コストの圧電体を使用することが望ましい。余剰な酸 素の存在下、無線周波数スパッタの二酸化亜鉛を付着させることは、第7図及び 第8図に示すように、圧電層を付着させるための低廉な手段である。再度、カー バイド切削インサート又は工具は一般に被覆されており、これらが使用される場 合、圧電性感知性を付着させる前に銅又はその他の導電体の付着層を必要とする 。It is desirable to use low cost piezoelectric materials in commercial applications. excess acid Depositing radio frequency sputtered zinc dioxide in the presence of As shown in FIG. 8, it is an inexpensive means for depositing a piezoelectric layer. car again Bide cutting inserts or tools are generally coated and requires an adhesive layer of copper or other conductive material before depositing the piezoelectric sensing element. .
第10図には、第3図又は第7図及び第8図に示すようなセンサが回転するカッ タへラグ63上に取り付けられた切削インサートの典型的な適用例が図示されて いる。FIG. 10 shows a cup in which a sensor such as that shown in FIG. 3 or FIGS. 7 and 8 rotates. A typical application of a cutting insert mounted on a tabelug 63 is illustrated. There is.
切削インサート64は適当な方法にて適所に保持され、切削へラド63は各イン サート64上にてセンサに結合された検出回路66用の脱着可能なカバーを有す る容器65を備えている。回路に対する電源も又容器65内に収納することが出 来る。センサに接続するための適当な導線を設けることも出来る。発光ダイオー ドを使用する場合、センサ68は切削インサートの破断、摩耗その他の感知され た状態を表示するであろう光出力を感知し得るようにヘッドに隣接して取り付け ることが出来る。The cutting inserts 64 are held in place in a suitable manner, and the cutting rods 63 are attached to each insert. a removable cover for a detection circuit 66 coupled to the sensor on the seat 64; A container 65 is provided. The power source for the circuit may also be contained within the enclosure 65. come. Appropriate leads may also be provided for connection to the sensor. light emitting diode When using a cutting insert, the sensor 68 detects breaks, wear, or other mounted adjacent to the head so that it can sense the light output that will indicate the Rukoto can.
ここに開示されt;切削インサート又は工具は切削インサートに加えられる振動 の振動数又は力を表示する情報を直接表示し、切削インサートに対する各種の切 削現象に極めて迅速に応答する。センサ及び工具は予め組み込むことが出来、傷 付き易い接触プレートを正確に挿入したり、締め付ける必要がない。さらに、切 削インサートとその支持構造体間には物理的な相互接続によるろ波が一切行われ ない。音響的放出物の信号は高感度の圧電体にて10 KH!乃至3H!Ill !の帯域にて感知することが出来る。Disclosed herein is that the cutting insert or tool is capable of generating vibrations applied to the cutting insert. Directly displays information that displays the frequency or force of the Responds extremely quickly to cutting phenomena. Sensors and tools can be pre-installed and will not cause scratches. There is no need to accurately insert or tighten a contact plate that tends to stick. In addition, There is no physical interconnection filtration between the cutting insert and its supporting structure. do not have. The acoustic emission signal is transmitted by a highly sensitive piezoelectric material at 10 KH! ~3H! Ill ! It can be sensed in the band.
本発明のセンサを利用する切削工具の幾何学的形状又は外形は異なる機械の形態 に合うように図示したものとは別のものとすることが出来る。The geometry or profile of cutting tools that utilize the sensor of the present invention may be different for different machine configurations. It may be different from what is shown to suit the needs of the user.
本発明は好適な実施例について説明したが、当業者は本発明の精神及び範囲から 逸脱することなく、形態及び細部に変形を加え得るものであることが理解されよ う。Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, those skilled in the art will understand that the spirit and scope of the invention can be understood by those skilled in the art. It is understood that changes may be made in form and detail without departing from the scope of the invention. cormorant.
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