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公開番号2024055168
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-04-18
出願番号2022161877
出願日2022-10-06
発明の名称センサシステム及び工作機械
出願人株式会社東芝
代理人弁理士法人酒井国際特許事務所
主分類B23Q 17/09 20060101AFI20240411BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【課題】高精度の力覚検出システムを実現するセンサシステムを提供し、高品位な生産を実現することが可能な工作機械を提供する。
【解決手段】実施形態のセンサシステムは、工具または加工物を回転させるシャフトと、前記シャフトを回転可能に支持するハウジングと、を有するスピンドルを備えた工作機械の前記スピンドルに設置されるセンサシステムであって、ワイヤ状の圧電センサ及び圧電センサの一部を保持する案内溝が形成された当接面を有する測定部をそれぞれ保持する複数のセンサ本体と、案内溝に保持された圧電センサにそれぞれ当接して当接面に対向する加圧面を有する複数の加圧部材と、を備え、複数のセンサ本体及び加圧部材を一体として、工具または加工物を取り付ける軸端側のハウジングの端部においてハウジングの周方向に沿って所定距離離間して配置した。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
工具または加工物を回転させるシャフトと、前記シャフトを回転可能に支持するハウジングと、を有するスピンドルを備えた工作機械の前記スピンドルに設置されるセンサシステムであって、
ワイヤ状の圧電センサ及び圧電センサの一部を保持する案内溝が形成された当接面を有する測定部をそれぞれ保持する複数のセンサ本体と、
前記案内溝に保持された前記圧電センサにそれぞれ当接して前記当接面に対向する加圧面を有する複数の加圧部材と、を備え、
複数の前記センサ本体及び前記加圧部材を一体として、前記工具または前記加工物を取り付ける軸端側の前記ハウジングの端部において前記ハウジングの周方向に沿って所定距離離間して配置した、
センサシステム。
続きを表示（約 800 文字）【請求項２】
前記当接面を含む仮想平面は、前記シャフトの回転軸と所定角度をなして交差するようにされている、
請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項３】
前記センサ本体及び加圧部材は、側面から見た場合に、直角三角形の形状を有し、
前記当接面及び前記加圧面は、前記直角三角形の斜辺に相当する位置に形成されている、
請求項２に記載のセンサシステム。
【請求項４】
前記センサ本体及び前記加圧部材は、一体となった場合に、前記側面から見た場合に長方形状を有し、
前記ハウジングは、前記軸端側及び周面側が開放された断面長方形状であって、前記センサ本体及び前記加圧部材を一体として収納する収納溝を有している、
請求項３に記載のセンサシステム。
【請求項５】
前記軸端側の前記ハウジングの端面には、前記シャフトの周縁に沿って、フロントカバーが設けられ、
前記加圧部材は、前記フロントカバーと当接可能に配置されている、
請求項４に記載のセンサシステム。
【請求項６】
工具または加工物が取り付けられ、前記工具または前記加工物を回転させるシャフト及び前記シャフトを回転可能に支持するハウジングを有するスピンドルと、
ワイヤ状の圧電センサ及び圧電センサの一部を保持する案内溝が形成された当接面を有する測定部をそれぞれ保持する複数のセンサ本体と、前記案内溝に保持された前記圧電センサにそれぞれ当接して前記当接面に対向する加圧面を有する複数の加圧部材と、を備え、複数の前記センサ本体及び前記加圧部材を一体として、前記工具または前記加工物を取り付ける軸端側の前記ハウジングの端部において前記ハウジングの周方向に沿って所定距離離間して配置したセンサシステムと、
を備えた工作機械。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、センサシステム及び工作機械に関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、加工プロセスに関わる状態診断において、力覚検知システムを用いることが提案されている。
このような力覚検知システムとしては、加工物に取り付けるテーブル型切削力センサのほか、回転工具のツールホルダに統合されたひずみセンサ、工作機械スピンドルの非回転部に組み込まれた加速度・ひずみセンサ等による方式が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第６９３５０３０号公報
特開２００２－１４４１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、テーブル型切削力センサは高価なセラミック圧電素子で構成されるため、普及が阻害されていた。
また、工具等を取り付ける工作機械スピンドルでの測定においては、加速度・ひずみセンサでは感度を可変させる等が難しく、用途が限定されていた。
一方、近年のセンサの低コスト化・高感度化に関し、圧電ポリマーセンサおよび圧電ケーブルセンサの開発が行われており、ピッキングロボットの力覚検知、機械要素における故障診断、身体運動などの精密測定などの幅広い活用が期待されている。
しかしながら生産現場で利用できる水準の精密な力覚計測の仕組みは確立されていなかった。
特に、切削等の機械加工プロセスでは、切削力が１Ｎ以下の精密切削から数百Ｎ以上の汎用・大型切削に到るまで、高いダイナミックレンジでの計測が必要とされるが、設置形状等の制約が多く、加工負荷レベルに応じた専用設計のユニットが必要であり、高コストとなってしまい、普及の妨げとなっていた。
上記課題に鑑み、高精度の力覚検出システムを実現するセンサシステムを提供し、高品位な生産を実現することが可能な工作機械を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態のセンサシステムは、工具または加工物を回転させるシャフトと、前記シャフトを回転可能に支持するハウジングと、を有するスピンドルを備えた工作機械の前記スピンドルに設置されるセンサシステムであって、ワイヤ状の圧電センサ及び圧電センサの一部を保持する案内溝が形成された当接面を有する測定部をそれぞれ保持する複数のセンサ本体と、案内溝に保持された圧電センサにそれぞれ当接して当接面に対向する加圧面を有する複数の加圧部材と、を備え、複数のセンサ本体及び加圧部材を一体として、工具または加工物を取り付ける軸端側のハウジングの端部においてハウジングの周方向に沿って所定距離離間して配置した。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、実施形態の工作機械の概要構成ブロック図である。
図２は、ワイヤセンサの正面図である。
図３は、図２のワイヤセンサのＡ－Ａ断端面及び接続状態を説明する図である。
図４は、図２のワイヤセンサの概観斜視図である。
図５は、図２のワイヤセンサのＢ－Ｂ断端面図である。
図６は、工具スピンドルの概観斜視図である。
図７は、フロントカバー６３を除いた状態の工具スピンドルの概観斜視図である。
図８は、工具スピンドルの断面図である。
図９は、工作機械の処理フローチャートである。
図１０は、実施形態における工作機械の工作中のＹ軸方向データ（切削力）の一例を説明する図である。
図１１は、工作機械の工作中のテーブル型測定ユニットの出力信号の説明図である。
図１２は、比較例としての従来技術である加速度センサの工作機械の工作中の出力信号（切削力）の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
次に実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の工作機械の概要構成ブロック図である。
この工作機械１０においては、力覚として工具スピンドルにおける工作時の工具あるいは加工対象物の切削時の切削力を測定する切削力測定システムとして構築されている。
【０００８】
工作機械１０は、工具スピンドル２０Ｂにおいて第１測定位置において切削力を検出する第１ワイヤセンサ１１と、工具スピンドル２０Ｂにおいて第２測定位置において切削力を検出する第２ワイヤセンサ１２と、工具スピンドル２０Ｂにおいて第３測定位置において切削力を検出する第３ワイヤセンサ１３と、を備えている。
【０００９】
この場合において、例えば、第１測定位置は、工具スピンドル２０Ｂにおいて、工具または加工物を取り付ける軸端側のハウジングの端部においてハウジングの周面の第１位置とされ、第２測定位置は、ハウジングの周面方向に沿って所定距離に相当する所定角度（例えば、１２０°）離間して配置し、第３測定位置は、ハウジングの周面方向に沿って所定距離に相当する所定角度（例えば、１２０°）離間して配置する。すなわち、ハウジングの周面に沿って、１２０°毎に、第１ワイヤセンサ１１、第２ワイヤセンサ１２及び第３ワイヤセンサ１３を配置する。
なお、図１の例では、３つのワイヤセンサ１１～１３を示しているが、例えば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の各方向の切削力の推定に必要な数のワイヤセンサを設定することが可能である。
【００１０】
工作機械１０は、第１ワイヤセンサ１１の出力信号を増幅して出力する第１ワイヤセンサアンプ１４と、第２ワイヤセンサ１２の出力信号を増幅して出力する第２ワイヤセンサアンプ１５と、第３ワイヤセンサ１３の出力信号を増幅して出力する第３ワイヤセンサアンプ１６と、を備えている。
（【００１１】以降は省略されています）

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