JPH0794106B2 - 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、この発明ではテーパシャンク
を有するホルダ本体に、コレットチャックを先端に有す
る工具保持筒をトルク伝達用の弾性部材を介して円周方
向に所定の遊びを許容するように連絡し、過負荷トルク
発生時にホルダ本体と工具保持筒間の回転ずれを生じる
工具ホルダにおいて、前記工具保持筒をホルダ本体に軸
方向摺動可能に支持し、工具保持筒とホルダ本体間にス
ラスト荷重設定ばねを介装し、ホルダ本体外周に円周方
向に所定間隔あけて設けた複数の基準検出子と、工具保
持筒に設けた複数の変位検出子とを互いに間に臨ませ
て、両者間に、過負荷トルク発生時に基準長さに対して
円周方向長さが変化し、その回動軌跡と対向して設けた
円周方向長さ変化の検出手段により検出される回転ずれ
の検出域を形成し、更に前記変位検出子には、過負荷ス
ラストが発生して工具保持筒が軸方向移動したときに、
前記基準検出子と円周方向が対向して、基準検出子との
間で、前記基準長さと異なる円周方向長さとなり、その
回動軌跡が前記検出手段と対向するスラスト検出域を形
成するスラスト検知用の検出表示部を備えたことを特徴
とする。

作用 前記によれば、工具に過負荷トルクが発生すると工具保
持筒とホルダ本体間に回転ずれを生じ、円周方向で対向
している変位検出子と基準検出子の間の回転ずれの検出
域の円周方向長さが変化し、これを、近傍スイッチ等
の、検出域の円周方向長さ変化の検出手段で検出し、ま
た、工具に過負荷スラストが発生すると工具保持筒がホ
ルダ本体に対して軸方向へ後退移動し、変位検出子のス
ラスト検出用の検出表示部が基準検出子と円周方向で対
向して、両者間で基準長さと異なるスラスト検出域が形
成され、その回動軌跡が前記検出手段と対向するので、
前記検出手段でそのスラスト検出域も検出できる。こう
して、トルク、スラストのいずれにより過負荷となって
も、１つの検出手段で検出できる。

実施例 第１図に示すように、ホルダ本体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。

支承軸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、ばね他端は前記本体２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を有する係止リング28が本体２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。検出表示部33は、凹部30から階段
状に形成され、工具保持筒20に過負荷スラスト荷重がか
からない時に後述の基準検出子34の中央突出部35と円周
方向で対向する第１の検出表示部33aと、過負荷スラス
ト荷重によって工具保持筒20が軸方向へ後退した時に基
準検出子34の中央突出部35と対向するスラスト検知用
の、第２の検出表示部33bとから成る。第２の検出表示
部33bは第１の検出表示部33aより回転方向逆側に基準検
出子34と変位検出子31間の円周方向の遊び（第４図の
ａ）の２倍だけ突出しており、過負荷スラスト荷重で軸
方向後方へ移動した時、第４図（ｂ）のように基準検出
子34との間にスラスト検出域38aを形成するようになっ
ている。

ホルダ本体２には保持部３から３つの凹部の30内に向か
って３つの基準検出子34が突設され、各基準検出子34と
変位検出子31とが互いに間に臨み合うようになってい
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、前記ねじりコイルばね25のねじり力で
低段部40の一側面40aと前記検出表示部32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33aと
の間には僅かな円周方向の遊び（第４図の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る。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36、37
と対応する１対の検出表示部32、33a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3
8、39が円周方向一周の間に三対設けてある。過負荷ト
ルクが作用していない時に前記１対の検出域38,39と中
央突出部35の円周方向長さ及び変位検出子31の検出表示
部32と33aとの円周方向長さは全て同一の基準長さＬ（3
0度）に設定してある。

主軸ヘッド15の前面に固着したブラケット16を介して前
記検出域38,39の軸方向前部を検出する位置に近接スイ
ッチ45が検出域38,39の回動軌跡と対向して配置され、
この近接スイッチ45は、検出域38,39の円周方向長さの
変化をとらえる検出手段として機能している。この近接
スイッチ45は過大スラスト荷重が生じた時のスラスト検
出域38aも検出する。各検出域38,38a,39を検出した時、
近接スイッチ45はOFF信号を出力するようにしてある。
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Ps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Ｃ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
38、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
パルスPs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Ps
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とな
り、この間にゲート回路54が開き加算、減算切換回路56
の加算指令のもとにカウンター55内にスピンドル角度パ
ルスPsが加算され、近接スイッチ45が中央突出部35を検
出してONとなるとゲート回路54が閉じ減算に切換わり、
再び近接スイッチ45が検出域39を検出してOFFとなると
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Psを減じ、近接スイッチ45が変位検
出子31を検出してONとなると、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の検出表示部32と低段部40の一側
面40a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
より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33a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、検出域39で減算した結果
は−2a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から過負荷トルクに起因する出力信号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、検出域38で減算することもあり、この場合でも比較
結果（差）の絶対値は2aとなるので設定値ｔとの比較に
よりトルクによる過負荷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。

このようにトルクによる過負荷の判別において、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のみが工具13
に生じた場合について第４図（ｂ）を基に説明する。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（ａ）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の第２の検出表示部33bが基準検
出34の検出表示部36と円周方向で対向して、両者間にス
ラスト検出域38aが形成され、その回動軌跡は近接スイ
ッチ45と対向する。このスラスト検出域38aの円周方向
長さは基準長さＬに対して、これと異なる値（Ｌ−2a）
なので、このスラスト検出域38aでスピンドル角度パル
スPSを加算し、検出域39で減算すれば（あるいは逆でも
よい）、その他の絶対値は2aとなり、トルクによる過負
荷検知の場合と同様に、設定値ｔとの比較により、スラ
ストに起因する過負荷の検出が行われる。

発明の効果 以上のようにこの発明の工具ホルダによれば、過大なト
ルクが発生したときには、基準検出子と変位検出子の間
で形成されている、回転ずれの検出域の円周方向長さが
変化するので、これをその検出域の回動軌跡と対向して
配置した検出域の円周方向長さ変化をとらえる検出手段
で検出することができ、また、過大なスラストが発生し
たときには、工具保持筒がホルダ本体に対して後退し、
変位検出子のスラスト検出用の検出表示部が基準検出子
と円周方向に対向して、両者間に、基準長さと異なるス
ラスト検出域を形成し、このスラスト検出域の回動軌跡
が前記検出手段と対向するので、１つの検出手段によ
り、トルク、スラストの何れに起因した過負荷が生じて
も検出でき、構成を簡単にして工具折損防止を行うこと
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図は基準検出子と変位検出子の円周方向
全周の展開図と作用図、第５図は判別手段のブロック図
である。 １……ホルダ本体、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、38,39……検出域、 38a……スラスト検出域、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】テーパシャンクを有するホルダ本体に、コ
   レットチャックを先端に有する工具保持筒をトルク伝達
   用の弾性部材を介して円周方向に所定の遊びを許容する
   ように連絡し、過負荷トルク発生時にホルダ本体と工具
   保持筒間に回転ずれを生じる工具ホルダにおいて、前記
   工具保持筒をホルダ本体に軸方向摺動可能に支持し、工
   具保持筒とホルダ本体間にスラスト荷重設定ばねを介装
   し、ホルダ本体外周に円周方向に所定間隔あけて設けた
   複数の基準検出子と、工具保持筒に設けた複数の変位検
   出子とを互いに間に臨ませて、両者間に、過負荷トルク
   発生時に基準長さに対して円周方向長さが変化し、その
   回動軌跡と対向して設けた円周方向長さ変化の検出手段
   により検出される回転ずれの検出域を形成し、更に前記
   変位検出子には、過負荷スラストが発生して工具保持筒
   が軸方向移動したときに、前記基準検出子と円周方向で
   対向して、基準検出子との間で、前記基準長さと異なる
   円周方向長さとなり、その回動軌跡が前記検出手段と対
   向するスラスト検出域を形成するスラスト検知用の検出
   表示部を備え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。