JPS641267B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ドリル、タツプなどの回転工具によ
る切削加工中に工具の損傷、折損の危険性等の異
常状態が予見されたとき、これを検出して、工具
寿命の判定、工具の交換、あるいは工具の折損を
防止するための適切な工具保護動作を行なうのに
利用できる回転工具の折損予防装置に関するもの
である。

回転工具の折損予防装置としてトルクリミツタ
を用いて折損を予防することはよく知られている
けれども、単にトルクリミツタを使用するだけで
は、作業者がいない場合にはトルクリミツタの耐
久試験を行なつているのと同じ状態となつてトル
クリミツタの破壊につながり、自動加工に適用で
きないという問題があつた。

自動加工に適用できる回転工具の折損予防装置
として、工具を回転駆動する電動機の負荷電流の
変化を利用して折損を予知する方法、工具ホルダ
又は機械主軸に取り付けたひずみゲージにより切
削抵抗あるいはその分比を検出し、これらの変化
によつて工具の折損を予知する方法、更に工具の
損傷あるいは折損に伴い自然に発生するアコース
テイツク・エミツシヨン（Acoustic Emission）
やトルクリミツタの動作時に発生する弾性振動を
外部で検出して工具の損傷、折損を予知する方法
などである。しかしこれらの方法のうちトルクリ
ミツタを使用していないものはいずれも、検出信
号が工具にかかる切削トリクの大小に関係するの
で、折損予防が特に必要とされる小径工具（φ9
mm以下）の場合、切削トルクが小さいため検出信
号も小さくなり、したがつて信頼度が低下し自動
運転に適用することが困難であつた。

また、トルクリミツタを使つた方法には、トル
クリミツタの動作時に発生する弾性振動を工具ホ
ルダから直接検出する接触式と、工具ホルダから
離れた位置に検出器を設置して検出する非接触式
とがある。しかし前者では、工具ホルダの回転部
分と非回転部分との間における弾性振動の伝達に
難点があり、信号伝達手段に特別な工夫が必要と
され、また後者では、信号のＳ／Ｎ比が悪く、確
実性の点で劣るなどの問題があつた。

本発明は、このような現状に鑑みなされたもの
であり、工具ホルダに組み付けたトルクリミツタ
が動作すると、工具にかかる切削トルクの大小に
関係なく大きなレベルの検出信号を安定して発生
し、小径工具の自動運転にも適用できる回転工具
の折損予防装置を提供するものである。

すなわち、本発明の折損予防装置は、機械主軸
に装着して回転せしめられる工具ホルダ本体と、
該工具ホルダ本体に回転可能に嵌装された工具把
持軸と、該工具把持軸に前記工具ホルダ本体の回
転力を伝達する伝動部材と、該伝動部材に組み付
けたトルクリミツタと、前記工具ホルダ本体に取
り付けられた圧電体と、前記トルクリミツタの動
作時に生じる前記工具ホルダ本体と前記伝動部材
との相対的運動に連動して前記圧電体を加圧し高
電圧を生ぜしめる加圧手段と、前記圧電体の高電
圧を導き電磁波を発生させる放電端子と、該放電
端子からの電磁波を検出信号としてアンテナで受
信し、増巾、検波してパルス信号に変換すると共
に、該パルス信号がトルクリミツタの動作時に生
じたものであることを確認する検出部とによつて
構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、前記トルクリミツタの動作時
に生じる前記工具ホルダ本体と前記伝動部材との
相対的運動に連動して前記圧電体を加圧し、加工
された圧電体に生じる高電圧を放電して電磁波を
発生させ、該電磁波を検出信号とするので、工具
にかかる切削トルクの大小に関係なく常に一定し
た信号が得られる。したがつて小径工具の損傷及
び折損予防にも適用できる。特に、前記検出部
を、前記電磁波をパルス信号に変換し、一定時間
内における該パルス信号の発生回数が主軸回転数
とトルクリミツタの構造から決るパルス信号の発
生回数に一致するかどうかを判別し、工場内部に
おける電動機、電磁開閉器、高周波発生器、溶接
器その他の機器からのノズルと検出信号とを確実
に区別するように構成すれば、信頼度がきわめて
高くなる。

また、検出信号である電磁波は工具ホルダの外
部において非接触状態で検出することができるか
ら、工具ホルダ本体には圧電体と、該圧電体の加
圧手段及び放電端子だけを組み付ければよく、装
置が簡単かつ軽量で、取扱いにも有利である。

以下、本発明の実施態様を図面に基づいて説明
する。１は工具ホルダ本体で、ドリル、タツプな
どの回転工具を保持する円筒部２と、その後端に
一体的に連設したテーパシヤンク部３及び鍔部４
とを有しており、テーパシヤンク部３を工作機械
の主軸６のテーパ孔７に嵌合して取り付けられ、
主軸６に突設したドライブキー８を鍔部４に設け
たキー溝５に係合して主軸６と一緒に回転する。
９は機械固定部を示す。

１０は伝動筒軸で、キー１１を介して工具ホル
ダ本体１の円筒部２に嵌着され、その前部外周に
刻設したねじ部１２に調整ナツト１３を螺着し
て、円筒部２からの突出長さが調整できる構造と
なつている。

１４は工具把持軸で、伝動筒軸１０に回転自在
に嵌装され、かつ図示の実施例では回転工具とし
てタツプ１５を用い、そのフローテイング機構１
６が組み込まれているので、一定の範囲で軸方向
へも摺動可能となつている。回転工具（タツプ）
１５は工具把持軸１４の先端部に嵌着して保持さ
れる。また、工具把持軸１４の後半部分は後述す
る伝動部材を係合するため、中空軸に形成される
と共に、後壁部１７に角孔１８が設けられてい
る。

２０は伝動部材で、主体をなす円盤２１と、そ
の片側に突設された角軸２２と、反対側に突設さ
れたねじ軸２３とから成り、角軸２２は角孔１８
に摺動自在に係合され、ねじ軸２３には後述する
トルクリミツタが組み付けられる。また、円盤２
３側の面にはトルクリミツタのクラツチ溝２４が
３箇所に設けられ、外周部に取付用環状溝２５が
形成されている（第３図参照）。上記伝動部材２
０は、円盤２１を伝動筒軸１０の後端部に嵌合
し、 環状溝２５に係合する鋼球２６を介して伝動筒
軸１０に回転自在に嵌装される。

トルクリミツタ３０は、各クラツチ溝２４に係
合する鋼球３１と、ねじ軸２３に回転自在に嵌合
され鋼球３１を保持するリテーナ３２と、該リテ
ーナ３２内に嵌装され鋼球３１に押装するバツク
リング３３と、ねじ軸２３に嵌装されバツクリン
グ３３を介して鋼球３１をクラツチ溝２４に押圧
する皿ばね３４と、ねじ軸２３に螺着され皿ばね
３４のばね圧を加減するトルク設定ナツト３５と
によつて構成されている。そして、第４図に明示
されているように、リテーナ３２の前端面に直径
方向に相対して設けられた一対の突出部３６，３
６が伝動筒軸１０の後端部に形成した切欠部３
７，３７に係合して、伝動筒軸１０からリテーナ
３２に回転力が伝達され、更に、リテーナ３２か
ら鋼球３１、円盤２１、角軸２２を経て工具把持
軸１４に伝達される。

４０は圧電体で、第１図及び第２図に示すよう
に、工具ホルダ本体１の円筒部２後端に側部から
嵌着して取り付けられている。４１は圧電体４０
に圧力を付与する撃鉄で、円筒部２の内側部に取
付片４３を介して片持ち構造に取り付けられた板
ばね４２の先端部に装着されている。４４は板ば
ね４２に係合するカム突起で、トルク設定ナツト
３５の後端部外周に等間隔をおいて設定され、ト
ルクリミツタ３０の動作時に、一定の時間間隔を
おいて、板ばね４２と係合し該板ばね４２を弾く
作用をなす。４５，４６は放電端子で、一方の放
電端子４５は圧電体４０のプラス側に接続され、
他方の放電端子４６は工具ホルダ本体１を介して
圧電体４０のマイナス側に接続されていて、円筒
部２の内側に相対向して配設されている。４７は
両放電端子４５，４６間で発生する検出信号とし
ての電磁波を外部に放出するための透孔で、絶縁
スリーブ４８が嵌着されている。４９は透孔４７
を通じて放出する電磁波を受信するアンテナで、
機械固定部９に付設した取付台９′に設置されて
いる。

次に、上記装置の作用を説明する。先ず、トル
ク設定ナツト３５を調整して、切削加工中に回転
工具１５にかかるトルクが一定の閾値（寿命トル
ク５を越えるとトルクリミツタ３０が作動するよ
うに設定しておく。

而して、切削加工中に回転工具１５の刃先が摩
耗して寿命が近づいたり、切粉が詰つたりして切
削トルクが著しく増大し、工具１５が損傷又は折
損する危険性があると、トルクリミツタ３０が作
動し、伝動部材２０と、リテーナ３２したがつて
伝動筒軸１０との間にスリツプが生じ、回転工具
１５、工具把持軸１４、伝動部材２０及びトルク
設定ナツト３５したがつてカム突起４４が停止す
る。一方、工具ホルダ本体１は回転を続けるの
で、停止状態になつているカム突起４４の周囲を
板ばね４２が回動運動し、この相対運動によつて
板ばね４２はカム突起４４と間欠的に係合して弾
かれ、その弾撥力によつて該板ばね４２に装着さ
れている撃鉄４１が圧電体４０に圧力を付与し、
高電圧が間欠的に発生する。このようにして圧電
体４０に生じた高電圧は両放電端子４５，４６間
で火花放電又はコロナ放電して電磁波を発生す
る。該電磁波を検出信号として透孔４７を通じて
アンテナ４９で受信する。

アンテナ４９により受信した電磁波を、第５図
に示す検出部１００に送り、増巾器５０により増
巾し、バンドパスフイルタ５１により適当な周波
数成分のみを取り出し、検波器５２により検波す
る。次に振巾弁別器５３において予め設定した閾
値よりも大きい電圧が検出された場合には、パル
ス発振器５４に発振の指令を与える。なお、前記
閾値よりも小さい電圧の場合には、トルクリミツ
タ３０は作動しておらず、工具１５により正常な
切削加工が行なわれているものと判断する。

しかし、上述のように放電端子４５，４６から
アンテナ４９への信号の伝達には、非接触で行な
えるように、電磁波を用いているので、上記の伝
達過程で工場内に多いノイズがまぎれ込んでくる
可能性があり、トルクリミツタ３０が作動した時
の信号のみを確実に検出するのに障害となる。そ
こで、主軸６がある角度位置に来た時に信号を出
す角度検出器１０１を設け、該角度検出器１０１
から発信される２つの信号の間、すなわち主軸６
の１回転中にパルス発信器５４から送られてくる
パルス数をカウンタ１０２でカウントする。この
カウント数を比較器１０３に入力し、このカウン
ト数が、主軸６が１回転する間に撃鉄４１が圧電
体４０を叩く回数（打撃回数）に一致するかどう
かを比べる。打撃回数はトルクリミツタ３０の構
造によつて予め設定されている。

而して、上記カウント数と打撃回数とが一致し
た場合には、トルクリミツタ３０が作動したもの
と判断して、警報信号発生器１０４により異常警
報を発信してコントローラへ送り、工具１５の折
損を防止するための保護動作を予め設定した命令
手順に従つて行なわれる。両者が一致しない場合
にはトルクリミツタ３０は作動していないものと
判断し、引き続き加工と監視を続ける。

上記の保護動作が何回も繰り返えされ、予め定
めた判定基準を越えたとき、工具１５が摩耗など
により寿命に達したが、切削条件が不適正（例え
ば、工作物の硬さの過大、送りの過大など）であ
ると判断して警報を発し、機械を停止させて工具
の交換を行なうなど適切な処置をとる。

第５図に示した検出部においては、角度検出器
１０１を用いているが、角度検出器の代わりに
NC工作機械のコントローラより主軸回転数を出
力し、この出力から主軸６の１回転に要する時間
を算出し、この時間間隔で信号を発生させ、かつ
この時間間隔内にパルス発振器５４から送られて
くるパルス数をカウンタ１０２でカウントするよ
うにしてもよい。

またノズルがあまりひどくない場合には、パル
ス発振器５４から送られてくるパルス信号の時間
間隔が一定であるかどうかを判断することによつ
て、トルクリミツタ３０が作動しているかどうか
を判断することもできる。すなわち、各パルス信
号の発生時刻ti、ti_-1、ti_-2、…を測定し、各パル
ス信号間の時間間隔△ti＝ti−ti_-1を算出する。更
に、時間間隔（△ti）の差、すなわち△ti〜△ti_-1
を算出する。このようにして求めた△ti〜△ti_-1
は、トルクリミツタ３０が作動する設定トルクの
大小に関係なくほぼ一定値になるので、これをノ
イズとの比較基準とする。例えば、△ti〜△ti_-1
≦0.1△ti_-1の条件を満足していれば、パルス信号
は規則的に発生しているとみることができるの
で、トルクリミツタ３０が作動しているものと判
断する。一方、△ti〜△ti_-1＞0.1△ti_-1であれば、
パルス信号は不規則で、これはトルクリミツタ３
０が作動したものではなく、ノイズによるパルス
信号であると判断する。

上述のように本発明装置によれば、加工作業中
に回転工具に過負荷がかかり、該工具が折損する
おそれがある場合や、刃先の摩耗により工具寿命
が近づいた場合などに、これらの異常状態をトル
クリミツタの設定トルク値の大小に関係なく確実
に検出できるから、特に切削トルクの小さい小径
工具の異常状態をインプロセス検出するのに有効
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る回転工具の折損予防装置
の一実施例を示す縦断正面図、第２図は第１図の
２−２′線に沿う断面図、第３図は伝動部材の斜
視図、第４図はリテーナと伝動筒軸の後端部分の
斜視図、第５図は検出部の系統図である。 １……工具ホルダ本体、２……円筒部、１０…
…伝動筒軸、１４……工具把持軸、２０……伝動
部材、３０……トルクリミツタ、４０……圧電
体、４１……撃鉄、４２……板ばね、４４……カ
ム突起、４５，４６……放電端子、４７……透
孔、４９……アンテナ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 機械主軸に装着して回転せしめられる工具ホ
   ルダ本体と、該工具ホルダ本体に回転可能に嵌装
   された工具把持軸と、該工具把持軸に前記工具ホ
   ルダ本体の回転力を伝達する伝動部材と、該伝動
   部材に組み付けたトルクリミツタと、前記工具ホ
   ルダ本体に取り付けられた圧電体と、前記トルク
   リミツタの動作時に生じる前記工具ホルダ本体と
   前記伝動部材との相対的運動に連動して前記圧電
   体を加圧し高電圧を生ぜしめる加圧手段と、前記
   圧電体の高電圧を導き電磁波を発生させる放電端
   子と、該放電端子からの電磁波を検出信号として
   アンテナで受信し、増巾、検波してパルス信号に
   変換すると共に、該パルス信号がトルクリミツタ
   の動作時に生じたものであることを確認する検出
   部とによつて構成されている回転工具の折損予防
   装置。 ２ 前記加圧手段が、前記工具ホルダ本体に片持
   ち構造に取り付けられた板ばねと、該板ばねに装
   着された撃鉄と、前記伝動部材に付設され、前記
   トルクリミツタの動作時に生じる前記工具ホルダ
   本体と前記伝動部材の相対的運動に連動して前記
   板ばねと間欠的に係合して該板ばねを弾くように
   作用するカムとから成り、弾かれた板ばねの前記
   撃鉄により前記圧電体を加圧するように構成され
   ている特許請求の範囲第１項記載の回転工具の折
   損予防装置。