JP2004276145A - 工作機械及び回転軸を有する装置におけるツールホルダの装着状態異常判定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単かつ確実にチャックエラーを検出でき、これにより不良品の発生をなくすことができる工作機械を提供する。
【解決手段】工具が取り付けられたツールホルダを主軸１に装着し、主軸を回転駆動してワークを加工する工作機。主軸１に装着したツールホルダ２のフランジ２Ｂ外周面の変位を測定するセンサ１２と、センサ１２で得られた測定データからツールホルダ２の主軸１への装着状態の異常を判定するデータ処理装置１４からなるチャックエラー検出装置１０を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】工具が取り付けられたツールホルダを主軸１に装着し、主軸を回転駆動してワークを加工する工作機。主軸１に装着したツールホルダ２のフランジ２Ｂ外周面の変位を測定するセンサ１２と、センサ１２で得られた測定データからツールホルダ２の主軸１への装着状態の異常を判定するデータ処理装置１４からなるチャックエラー検出装置１０を備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械及び回転軸を有する装置におけるツールホルダの装着状態異常判定方法に係り、特に、マシニングセンタ（以下、「ＭＣ」と略称でいう）等のツールホルダを使用する工作機械において、ツールホルダの主軸への装着状態の異常を自動で検出できる工作機械及び回転軸を有する装置におけるツールホルダの装着状態異常判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＣは、加工工程に従って各種工具を自動的に選択し、主軸に自動で装着して多種類の加工を行う装置である。このＭＣにおいて、工具の交換は自動工具交換（ＡＴＣ：オートツールホルダチェンジ）装置で行われる。このＡＴＣ装置は、工具が取り付けられたツールホルダを、工具マガジンから自動で取り出し、主軸に自動で装着する装置である。
【０００３】
図１４は、主軸１へツールホルダ２を装着した状態を示す断面図である。同図に示されるように、ツールホルダ２は、円錐状の嵌合部２Ａを有しており、この嵌合部２Ａを主軸１に形成された円錐状の被嵌合部１Ａに嵌合させて装着される。
【０００４】
この手順は、以下のようになる。軸杆３を右方に引張ることにより、これに伴ってボール保持体４及びボール５が移動する。ボール５の移動により、プルスタッド（ドローイングボルト）６が引張られ、これによって、ツールホルダ２の円錐状の嵌合部２Ａが主軸１の円錐状の被嵌合部１Ａに押し付けられる。この押し付けられた圧力により、嵌合部２Ａが被嵌合部１Ａと密着して高精度の装着（チャッキング）がなされる。
【０００５】
図１５は、工具Ｔを把持するツールホルダ２の装着状態を示す説明図である。通常は、ツールホルダ２の装着が適正になされ、同図（ａ）に示されるような状態となる。ところが、同図（ｂ）に示されるように、この嵌合部分に切り屑７などが付着すると、軸が曲がって装着される。そして、この状態で加工を行うと、工具Ｔに振れが発生し、ワークの加工精度が著しく低下するという欠点がある。このようなツールホルダのチャックミスの有無を自動で検出する技術として、本願出願人による提案がなされている（以上、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２００５４２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなチャックミス以外にも、ツールホルダの主軸への装着状態に異常を生じる現象が散見される。この現象は、新品のＭＣが納入されてから２年前後の稼働の後に見られることが多い。そして、その頻度は、月に１回程度である。
【０００８】
現象としては、通常は２トン前後のプルスタッド（ドローイングボルト）の引張り力が、何らかの原因により０．８トン前後まで低下し、ツールホルダの装着状態の異常となることが確認されている。この原因としては、ツールホルダ２の主軸１への装着部分における皿ばね（図示せず）のへたり、グリップ力の低下等、装着機構の劣化と推定されているが、詳細のところは不詳であるというのが現状である。
【０００９】
すなわち、現状では、ワークの加工精度が低下した際に、この原因がツールホルダのクランプ力低下と断定するのも、その頻度から見て困難である。
【００１０】
そのため、このような装着状態の異常に対処する方法としては、主軸１の周辺の部品を新品に交換することしかなかった。また、このような装着状態の異常が発生しないように、事前にトータルの稼働時間、ワークの加工精度の推移等を見て、早めに主軸１の周辺の部品を新品に交換することも行われていた。このような諸不具合より、ツールホルダのクランプ力不良に対する改善が強く求められていた。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡単かつ確実にチャックエラーを検出でき、これにより不良品の発生をなくすことができる工作機械を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、工具が取り付けられたツールホルダを主軸に装着し、該主軸を回転駆動してワークを加工する工作機械において、前記主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定する測定手段と、前記測定手段で得られた測定データから前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定する装着状態判定手段と、を備えたことを特徴とする工作機械を提供する。
【００１３】
本発明によれば、主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定し、その測定データから装着状態の異常を判定する。これにより、確実にツールホルダのチャックエラーを検出でき、不良品の発生をなくすことができる。
【００１４】
すなわち、本発明者は、ツールホルダのクランプ力不良によるチャックエラーとツールホルダの外周面の変位とに相関があることを見出し、このツールホルダ外周面の変位を測定することにより、ツールホルダのチャックエラーを検出する手段を導入した。この検出は、加工サイクルの中でリアルタイムに行え、かつ、ワークの加工前に行えるので、ワークの不良品を生じさせることも避けられる。
【００１５】
なお、本明細書においては、前記特許文献１に記載の課題を「チャックミス」と称し、本発明における課題を「チャックエラー」（装着状態異常）と称し、区別して使用している。
【００１６】
本発明において、前記工作機械が、前記ツールホルダを工具マガジンから自動で取り出して主軸に装着できることが好ましい。このように、ツールホルダと工具マガジンとを組み合わせれば、生産性が向上するからである。
【００１７】
また、本発明において、前記主軸に装着されたツールホルダのフランジ外周面の変位の測定データを基本データとして記憶する基本データ記憶手段と、前記基本データと前記測定手段で測定された測定データとを比較して真の測定データを演算する真の測定データ演算手段と、を備え、前記装着状態判定手段は、前記真の測定データ演算手段で算出された真の測定データから前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定することが好ましい。
【００１８】
このように、基本データと測定データとを比較して真の測定データを得る構成であれば、ツールホルダの主軸への装着状態の異常を判定する精度が向上するからである。
【００１９】
また、本発明において、前記測定手段は、所定の測定点から前記ツールホルダのフランジ外周面までの距離を測定する測距手段と、前記ツールホルダの回転角度に対応させて前記測距手段の測定データを記憶する測定データ記憶手段と、からなることが好ましい。
【００２０】
また、本発明において、測定データに対してフーリエ解析を実行し、基本波周波数成分を抽出する演算手段を備えたことが好ましい。このような演算手段を用いることにより、測定精度が向上するからである。
【００２１】
また、本発明において、前記測定データに対してフーリエ解析を実行し、解析結果のパワースペクトル形状より前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定する判定手段を備えたことが好ましい。このような判定手段を用いることによっても、測定精度が向上するからである。
【００２２】
また、本発明において、前記ツールホルダのフランジ外周面に切欠きが形成されている場合において、測定データの切欠き部分のデータを補完することが好ましい。フランジ外周面に切欠きが形成されているツールホルダは、一般的に使用されており、切欠き部分のデータが補完できれば、測定精度が向上するからである。
【００２３】
また、本発明において、前記測距手段は、渦電流センサであることが好ましい。このような測距手段であれば、クーラント（切削液）等が飛散する環境においても精度のよい測定結果が得られるからである。
【００２４】
また、本発明において、前記装着状態判定手段は、前記ツールホルダの回転開始直後の偏心量と所定時間経過後の偏心量とを比較することにより装着状態の適否を判定することが好ましい。本願の発明者は、ツールホルダの装着状態が不良の際には、ツールホルダの回転開始直後は偏心量が大きく、その後、所定時間経過後の偏心量は正常に戻ることを発見した。したがって、このような判定をすることにより、ツールホルダの装着状態の適否を確実に判定できる。
【００２５】
また、本発明は、ツールホルダを軸に装着し、該軸を回転駆動する装置において、前記ツールホルダのフランジ外周面の変位を測定し、これにより前記ツールホルダの偏心量を求め、前記ツールホルダの回転開始直後の偏心量と所定時間経過後の偏心量とを比較することにより前記ツールホルダの前記軸への装着状態の異常を判定することを特徴とする回転軸を有する装置におけるツールホルダの装着状態異常判定方法を提供する。
【００２６】
本発明の上記の各構成を適用すれば、工作機械以外の回転軸を有する各種装置においても、ツールホルダの装着状態の異常判定が行える。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って、本発明に係る工作機械の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２８】
図１は、本発明に係る工作機械に組み込まれたチャックエラー検出装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。このチャックエラー検出装置１０は、ＡＴＣ装置で主軸１に装着されたツールホルダ２のチャックエラー（装着状態異常）を自動で検出する装置であり、主として測定手段であるセンサ１２と装着状態判定手段であるデータ処理装置１４とで構成されている。
【００２９】
センサ１２は、主軸１が取り付けられたヘッド５にブラケット６を介して取り付けられている。このセンサ１２は渦電流センサであり、主軸１に装着されたツールホルダ２のフランジ部２Ｂの外周面までの距離ｄを電気信号として検出する。
【００３０】
データ処理装置１４は、センサ１２で測定された測定データに基づき、ツールホルダ２のチャックエラーを検出するもので、Ａ／Ｄコンバータ１６、ＣＰＵ１８、メモリ２０、入出力回路２２等を備えている。
【００３１】
Ａ／Ｄコンバータ１６は、センサ１２から出力された距離ｄを示す電気信号を、ディジタル信号に変換してＣＰＵ１８に出力する。ＣＰＵ１８は、このディジタル信号に変換されたセンサ１２の測定データに基づいて、ツールホルダ２の偏心量を算出する。そして、その算出した偏心量と予めメモリ２０に記憶された閾値とを比較する。偏心量の変化が閾値を超えている場合にチャックエラーと判定する。そして、その結果を、入出力回路２２を介してＭＣを制御するＭＣ制御装置２４に出力する。この詳細については、後述する。
【００３２】
上記のようにＣＰＵ１８は、センサ１２で測定された距離ｄの測定データに基づき、ツールホルダ２の偏心量を算出するが、この演算処理及びツールホルダ２の装着状態判定は次のように行われる。
【００３３】
先ず、ＣＰＵ１８は、入出力回路２２を介してＭＣ制御装置２４から測定開始の指令を受ける。そして、センサ１２から出力される距離ｄの測定データをツールホルダ２の回転角度θに対応させてメモリ２０に記憶する。この測定は、回転開始直後の、ツールホルダ２周分に対して行う。このうち、ツールホルダの最初の１周分の距離ｄの測定データは、グラフ表示すると、たとえば図２に示されるようになる。
【００３４】
次に、ＣＰＵ１８は、メモリ２０に記憶された、ツールホルダの最初の１周分の距離ｄの測定データをＦＦＴ解析する。すなわち、ツールホルダ１周分の測定データをフーリエ解析し、各周波数の成分に分解する。
【００３５】
なお、ＦＦＴ解析は、測定と同時に実行してもよい。ＦＦＴ解析の結果をパワースペクトル表示すると、たとえば図３に示されるようになる。
【００３６】
ここで、上記のようにＦＦＴ解析された各周波数成分のうち、基本波周波数成分（１山成分）の振幅値がツールホルダ２の偏心量の２倍と見なせるので、ＣＰＵ１８は上記ＦＦＴ解析の結果から基本波周波数成分を抽出し、その振幅値を算出してツールホルダ２の１周目の偏心量Ｔ１ を取得する。
【００３７】
以上と同様の測定を、回転開始直後の、ツールホルダの２周目に対しても行う。これにより、ツールホルダ２の２周目の偏心量Ｔ２ を取得する。
【００３８】
そして、この得られた偏心量Ｔ１ 及びＴ２ に基づいてチャックエラーの判定を行う。具体的には、偏心量Ｔ１ と偏心量Ｔ２ との差が所定の閾値以上であるか否かでチャックエラーの有無を判定する。そして、差が閾値以上である場合はチャックエラーと判定し、差が閾値未満である場合は正常と判定する。この所定の閾値は、ＭＣの仕様等により決定される。この判定は、本願発明者が、以下に述べる現象を発見したことに起因して導入されたものである。
【００３９】
すなわち、ツールホルダ２のチャックエラーの有無に拘らず、ツールホルダ２の回転開始直後の最初の１周目の偏心量Ｔ１ は大きい。これに対し、チャックエラーのないツールホルダ２の２周目の偏心量Ｔ２ は小さな値となる。一方、チャックエラーを生じているツールホルダ２の２周目の偏心量Ｔ２ は１周目の偏心量Ｔ１ と比べて小さいものの、チャックエラーのない状態の値より充分大きい。
【００４０】
この現象を特定のＭＣを使用して測定した偏心量を示して説明する。図１６は、ＭＣの各状態におけるツールホルダの偏心量を示す表である。同表において、「正常」とは、チャックエラーのない状態、「異常」とは、チャックエラーを生じる場合、「ＮＧ」とは、主軸周辺のメカニズムが要交換状態にある場合をそれぞれ意味する。また、Ｔｍ とは、ワーク加工時の偏心量を示す。なお、同表における偏心量の数字は、およそのオーダーを示すもので、細かい値は丸めて表示してある。
【００４１】
正常な状態の場合、偏心量Ｔ１ は１０μｍ、Ｔ２ は２μｍ、Ｔｍ は１μｍのレベルにある。これに対し、異常な状態の場合、偏心量Ｔ１ は１００μｍ、Ｔ２ は１０μｍといずれも大きく、Ｔｍ は正常な状態と同様に１μｍのレベルにある。ＮＧ状態の場合、偏心量Ｔ１ は１００μｍ、Ｔ２ は５０μｍ、Ｔｍ は３０μｍのレベルといずれも大きい。
【００４２】
このように、偏心量Ｔ１ と偏心量Ｔ２ との差がどの程度であるかを見れば、チャックエラーの有無を判定できる。同様に、偏心量Ｔ１ と偏心量Ｔ２ との比であるＴ１ ／Ｔ２ がどの程度であるかを見ても、チャックエラーの有無を判定できる。
【００４３】
なお、上記の例では、ツールホルダ２の１周目の偏心量Ｔ１ と２周目の偏心量Ｔ２ とを比較したが、装置によっては、Ｔ２ に代えてツールホルダ２の３周目の偏心量Ｔ３ 又は４周目の偏心量Ｔ４ を使用した方がチャックエラーの有無を容易に判定できる場合もある。したがって、装置特性に合わせて、ツールホルダの回転開始直後の偏心量と所定時間経過後の偏心量とを比較することにより装着状態の適否を判定すればよい。
【００４４】
また、ツールホルダ２の数周分の偏心量の標準偏差を算出する等の統計的処理を行ない、この結果より装着状態の適否を判定する手法をも採用できる。
【００４５】
次に、前記のごとく構成された、本実施の形態のチャックエラー検出装置１０によるツールホルダ２のチャックエラー検出方法を、図４に示されるフローチャートに従って説明する。
【００４６】
チャックエラー検出装置１０は、ＭＣの運転始動とともに起動される（ステップＳ１）。ＡＴＣ装置により工具の交換（ＡＴＣ）が行われると（ステップＳ２）、ＭＣ制御装置２４は、主軸を予め設定済みの回転数で回転させる（ステップＳ３）。
【００４７】
センサ１２は、この回転するツールホルダ２のフランジ部２Ｂの外周面までの距離ｄを測定する。ＣＰＵ１８は、このセンサ１２で測定された距離ｄの測定データをツールホルダ２の回転角度θに対応させてメモリ２０に記憶する。
【００４８】
測定はツールホルダ２の回転開始直後の２周分に対して行われ（ステップＳ４、Ｓ７）、この測定データが得られる。
【００４９】
ＣＰＵ１８は、メモリ２０に記憶された測定データをＦＦＴ解析し、１山成分を抽出して、その振幅値を算出する。この１山成分の振幅値は、ツールホルダ２の偏心量Ｔの２倍と等しいので、これにより、ツールホルダ２の偏心量Ｔ１ 、Ｔ２ が取得される（ステップＳ６、Ｓ８）。ＣＰＵ１８は、得られた偏心量Ｔ１ とＴ２ との差と所定の閾値とを比較し、チャックエラーの有無を判定する（ステップＳ９）。
【００５０】
なお、ＦＦＴ解析は測定と同時に実行するようにしてもよい。また、所定の閾値は、ＭＣの運転始動に先立ち、オペレータが入力装置（不図示）から入力しておく。入力された所定の閾値はメモリ２０に記憶される。また、この所定の閾値は、ユーザーの必要とする加工精度に基づいて適宜最適なものを選択して設定する。
【００５１】
判定結果はＭＣ制御装置２４に出力され、ＭＣ制御装置２４は、チャックエラーのない正常な状態であると判定された場合（偏心量Ｔ１ とＴ２ との差＜閾値）には（ステップＳ１０）、そのまま加工を開始する（ステップＳ１１）。一方、チャックエラーと判定された場合（偏心量Ｔ１ とＴ２ との差≧閾値）には（ステップＳ１２）、ＭＣ制御装置２４の図示しない表示部にその旨の表示をする（又は、アラームを鳴らしたり、パトライトを点滅させたりする）ように指令する（ステップＳ１３）。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態のチャックエラー検出装置１０によれば、ツールホルダ２の偏心量を測定し、その偏心量に基づいてツールホルダ２のチャックエラーを検出するので、正確にツールホルダ２のチャックエラーを検出することができる。また、装置構成も極めてシンプルであり、複雑な制御を必要としないので簡単に検出を行うことができる。
【００５３】
次に、本発明に係る工作機械の第２の実施の形態について説明する。なお、使用する装置は、上述した第１の実施の形態と同じものである。
【００５４】
上記第１の実施の形態は、センサ１２の測定点であるツールホルダ２のフランジ部２Ｂが円形の場合であるが、一般的に、ツールホルダ２のフランジ部２Ｂには、図５に示されるようにチャックのための切欠き２Ｃ、２Ｃが形成されていることが多い。第２の実施の形態のチャックエラー検出方法は、測定点であるツールホルダ２のフランジ部２Ｂに切欠き２Ｃ、２Ｃが形成されている場合の検出方法である。
【００５５】
ツールホルダ２のフランジ部２Ｂに切欠き２Ｃ、２Ｃが２箇所ある場合、ツールホルダ１周分の測定データは、グラフ表示すると、たとえば図６（ａ）に示されるようになる。同図に示されるように、測定データは２つの切欠き２Ｃ、２Ｃの部分で急激に変化する。この切欠き２Ｃ、２Ｃの部分の測定データを、たとえば直線補完により補正する。図６（ｂ）は、切欠き２Ｃ、２Ｃの部分を直線補完した後の測定データをグラフ表示したものである。
【００５６】
このように、センサ１２の測定点であるツールホルダ２のフランジ部２Ｂに切欠き２Ｃ、２Ｃがある場合には、切欠き２Ｃ、２Ｃの部分の測定データを補完し、この補完された測定データに対してＦＦＴ解析を行い（図６（ｃ））、１山成分を抽出して偏心量（振幅値）を算出する。そして、その算出結果に基づき、チャックエラーの判定を行う。これにより、フランジ部に切欠きを有するツールホルダに対しても有効にチャックエラーの検出を行うことができる。
【００５７】
次に、本発明に係る工作機械の第３の実施の形態について説明する。なお、使用する装置は、第１の実施の形態の装置と同じものである。
【００５８】
センサとして渦電流センサを使用した場合、磁化の影響やツールホルダの測定部分の肉厚（面積）の変化の影響などにより、渦電流センサからの電気信号がツールホルダの形状とならない場合がある。この状態で偏心量を算出すると誤差が含まれてしまい、検出精度を低下させるおそれがある。
【００５９】
そこで、より高い精度で検出を行うために、次の方法でチャックエラーを検出する。すなわち、図７に示されるように、チャックエラーがない状態で装着されたツールホルダ２の偏心量を予め測定しておき、これをツールホルダ固有の基本偏心量とみなして記憶しておく。そして、この基本偏心量とＡＴＣ時に測定した測定偏心量とを比較して真の偏心量を算出し、その算出した真の偏心量に基づいてチャックエラーの判定を行う。
【００６０】
以下、この第３の実施の形態のチャックエラー検出方法を図８及び図９に示されるフローチャートに従って説明する。先ず、基本偏心量を検出するためにセットアップを行う（ステップＳ２０）。セットアップは、図８に示されるフローチャートに従ってＭＣの運転開始前に行われる。
【００６１】
先ず、ツールホルダ２を主軸１に装着する。運転開始前であることから切り粉を挟み込むようなことはなく、ツールホルダ２は主軸１に適正に装着される。この状態でツールホルダ２を回転させ、充分に回転が安定した状態で、センサ１２によりツールホルダ１周分の距離ｄの変化を測定する（ステップＳ２１）。切欠きを有するツールホルダ１周分の距離ｄの測定データはグラフ表示するとたとえば図１０（ａ）のようになる。
【００６２】
次に、ツールホルダ２に切欠きがある場合には、図１０（ｂ）に示されるように、２つある切欠き２Ｃ、２Ｃのうちいずれか一方の切欠き２Ｃの中央が０°になるように測定データを位相補正する（ステップＳ２２）。そして、図１０（ｃ）に示されるように、２つある切欠き２Ｃ、２Ｃの部分の測定データを補正する（ステップＳ２３）。ここでは、直線補完により測定データを補正する。
【００６３】
なお、ツールホルダ２に切欠きがない場合は、上記の位相補正（ステップＳ２２）と切欠き補正（ステップＳ２３）の処理は行わず、次の処理（ステップＳ２４）に移行する。
【００６４】
次に、測定データをＦＦＴ解析し、１山成分の振幅と位相（角度）を算出する。そして、図１２（ａ）に示されるように、この振幅から算出した偏心量と位相をそれぞれ基本偏心量ｕ、基本偏心方向α（以下『基本偏心ベクトルＵ』という。）としてメモリ２０に記憶する（ステップＳ２４）。
【００６５】
次に、図１０（ｄ）に示されるように、算出した１山成分の振幅と位相とから正弦波を復元する。そして、図１０（ｃ）に示される切欠き補正後の測定データ（元データ）から復元した正弦波データを引いた波形を算出する（図１０（ｅ）の波形）。この算出した波形を測定した点列データの磁気的凹凸のパターンとみなし、メモリ２０に記憶する（ステップＳ２５）。
【００６６】
以上によりセットアップ作業が完了する（ステップＳ２６）。なお、このセットアップ作業は工具マガジンにセットされているツールホルダのうちユーザーが必要とするすべてのツールホルダに対して行い、各ツールホルダの固有のデータとしてメモリ２０に記憶する。
【００６７】
ＭＣの運転が開始されると、図９に示されるフローチャートに従ってツールホルダのチャックエラーの検出が行われる（ステップＳ３０）。
【００６８】
ＡＴＣ装置により工具の交換が行われると（ステップＳ３１）、主軸１に装着されたツールホルダ２が規定の回転数で回転し始め（ステップＳ３２）、ツールホルダ１周分のデータがセンサ１２によって測定される（ステップＳ３３）。そして、ツールホルダ２に切欠きがある場合には、その測定データに対して切欠き補正が行われ（ステップＳ３４）、その後、磁気的凹凸パターンが求められる（ステップＳ３５）。なお、ツールホルダ２に切欠きがない場合は切欠き補正の処理（ステップＳ３４）は不要である。
【００６９】
なお、測定データを取得する方法、及び、ツールホルダ２に切欠きがある場合における切欠き補正の方法は、上記第１、第２の実施の形態の場合と同じであり、また、磁気的凹凸パターンを求める方法は上述したセットアップ時と同じである。
【００７０】
次に、図１１に示されるように、算出した磁気的凹凸パターン（加工時磁気的パターン）と、メモリ２０に記憶されたセットアップ時の磁気的凹凸パターン（セットアップ時磁気的パターン）とを比較し、算出した磁気的凹凸パターンのうち、どの位置が０°に位置するかを決定する（ステップＳ３６）。
【００７１】
なお、ツールホルダ２に切欠きがある場合は、ここで、２つある切欠き２Ｃ、２Ｃのうち何れが０°に位置するかを決定する。そして、その決定した位置が０°となるように、切欠き補正した測定データの位相補正を行う（ステップＳ３７）。
【００７２】
次に、位相補正した測定データをＦＦＴ解析し、１山成分の振幅と位相を算出する。そして、図１２（ｂ）に示されるように、この振幅から算出した偏心量と位相をそれぞれ測定偏心量ｖ、測定偏心方向β（以下、『測定偏心ベクトルＶ』という。）としてメモリ２０に記憶する（ステップＳ３８）。
【００７３】
次に、図１２（ｃ）に示されるように、算出した測定偏心ベクトルＶと、メモリ２０に記憶されている基本偏心ベクトルＵとの差をベクトル演算により算出する（ステップＳ３９）。そして、その算出したベクトルを真の偏心ベクトルＲとし、真の偏心ベクトルＲの大きさｒを求め、これを真の偏心量ｒ１ とする（ステップＳ４０）。
【００７４】
同様の測定（ステップＳ３３〜Ｓ４０）をツールホルダ２の２周目（又は３周目、４周目等）に対して行い、２周目（又は３周目、４周目等）の真の偏心量ｒ２ を得る（ステップＳ４１）。ＣＰＵ１８は、得られた真の偏心量ｒ１ とｒ２ との差と所定の閾値とを比較し、チャックエラーの有無を判定する（ステップＳ４２）。
【００７５】
判定結果はＭＣ制御装置２４に出力され、ＭＣ制御装置２４は、チャックエラーのない正常な状態であると判定された場合（真の偏心量ｒ１ とｒ２ との差＜閾値）には（ステップＳ４３）、そのまま加工を開始する（ステップＳ４４）。一方、チャックエラーと判定された場合（真の偏心量ｒ１ とｒ２ との差≧閾値）には（ステップＳ４５）、ＭＣ制御装置２４の図示しない表示部にその旨の表示をする（又は、アラームを鳴らしたり、パトライトを点滅させたりする）ように指令する（ステップＳ４６）。
【００７６】
このように、本実施の形態のチャックエラー検出方法では、ツールホルダ固有の偏心量を取り除いた真の偏心量ｒに基づいてチャックエラーの判定を行うようにしているので、より正確なチャックエラーの検出を行うことができる。なお、本実施の形態では、真の偏心ベクトルＲから、偏心方向が特定できるので、装置上の異常箇所を特定するのに便宜である。
【００７７】
以上、本発明に係る工作機械の実施形態の例について説明したが、本発明は上記実施形態の例に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。たとえば、上記一連の実施の形態では、センサ１２として渦電流センサを用いているが、ある特定の測定点からツールホルダ２の外周面までの距離を測定できるセンサであれば渦電流センサに限らず、他のセンサを用いてもよい。この場合、渦電流センサのように非接触式のセンサに限らず、接触式のセンサを用いてもよい。
【００７８】
また、上記一連の実施の形態では、ＣＰＵ１８がチャックエラーと判定した場合は、ＭＣの表示部へエラー表示を指令しているが、既述の図１５（ｂ）に示されるように、この嵌合部分に切り屑７などが付着したことによるツールホルダのチャックミスと区別ができるような形態とすることもできる。
【００７９】
すなわち、ＣＰＵ１８は、チャックエラーと判定されるべき場合（偏心量Ｔ１ とＴ２ との差≧閾値）にも、先ず、ＡＴＣをしなおして、再度同様の測定を行う。その結果により、装置原因によるチャックエラーであるか、嵌合部分に切り屑７などが付着したことによるチャックミスであるかが判定でき、以降の対処に誤りが生じにくい。
【００８０】
また、本実施の形態では、ツールホルダの外周の変位を測定し、その測定データをＦＦＴ解析して１山成分を抽出し、その振幅値を求めることにより、偏心量を取得するようにしているが、偏心量を取得する方法は、この方法に限定されるものではない。
【００８１】
さらに、本実施の形態では、測定データをＦＦＴ解析して１山成分を抽出し、その振幅値を求めることにより、偏心量を取得するようにしているが、測定データの最大値と最小値を求め、その差から偏心量を算出してツールホルダの偏心量を取得するようにしてもよい。
【００８２】
同様に、ＦＦＴ解析して得た１山成分以外の他の山成分の振幅値の異常を検出してチャックエラーの有無を判定することもできる。また、ＦＦＴ解析して得た複数の山成分の振幅値を総合的に判断してチャックエラーの有無を判定することもできる。
【００８３】
また、本実施の形態では、センサ１２の測定点としてツールホルダ２のフランジ部２Ｂを使用しているが、センサ１２の測定点は、これに限定されるものではなく、測定状況等に応じて適宜変更してもよい。たとえば、図１３に示されるように、工具Ｔの刃先（被加工物を切削する個所）を測定点とするようにしてもよい。このように、工具Ｔの刃先を測定点とすることにより、直接加工を行う部分の偏心量を測定できるので、より確実にチャックエラーを検出することができる。
【００８４】
また、本実施の形態では、センサ１２をヘッド５に取り付けているが、センサ１２の設置場所は、これに限定されるものではなく、ヘッド５以外の個所に取り付けてもよい。たとえば、センサ１２をヘッド５以外の所定の位置に固定しておき、このセンサ１２の測定位置にヘッド５が移動してチャックエラーの検出を実施するようにしてもよい。ヘッド以外のセンサ１２の設置位置としては、たとえばＭＣの第１原点（機械加工時にヘッド５が必ず位置する座標上の基準点（始動点））に設置したり、その他任意の位置に設置することができる。この場合、より安定した高精度な測定を確保するために、センサ１２がクーラントの影響を受けない位置（クーラントがかからない位置）に設置することが好ましい。
【００８５】
また、本実施の形態では、本発明をＭＣに適用した例で説明したが、本発明はＭＣに限らず、ＡＴＣ装置を用いる工作機械であれば、いかなる工作機械にも適用することができる。
【００８６】
なお、上述した一連の実施の形態では、主軸に装着したツールホルダの偏心量を測定し、この偏心量に基づいてチャックエラーを検出するようにしているが、ここでいう「偏心量」は工具の「振れ」と同義であり、ツールホルダの偏心量の測定により、工具の振れが測定される。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定し、その測定データから装着状態の異常を判定する。これにより、確実にツールホルダのチャックエラー（装着状態異常）を検出でき、不良品の発生をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】チャックエラー検出装置の第１の実施の形態を示すブロック図
【図２】ツールホルダ１周分の測定データのグラフ
【図３】ＦＦＴ解析の結果をパワースペクトル表示したグラフ
【図４】第１の実施の形態のチャックエラー検出方法の処理手順を示すフローチャート
【図５】フランジ部に切欠きを有するツールホルダの平面図
【図６】（ａ）はフランジ部に切欠きを有するツールホルダの測定データのグラフ、（ｂ）は補正した測定データのグラフ、（ｃ）はＦＦＴ解析の結果をパワースペクトル表示したグラフ
【図７】第３の実施の形態のチャックエラー検出方法の概念図
【図８】セットアップ時のフローチャート
【図９】検出時のフローチャート
【図１０】（ａ）はチャックエラーがない状態で装着されたツールホルダ１周分の測定データのグラフ、（ｂ）は位相補正した測定データのグラフ、（ｃ）は切欠き補正した測定データのグラフ、（ｄ）は復元した正弦波を表すグラフ、（ｅ）は磁気的凹凸パターンを表すグラフ
【図１１】位相補正時の概念図
【図１２】ベクトル演算の概念図
【図１３】チャックエラー検出装置の他の実施の形態を示すブロック図
【図１４】ツールホルダの装着状態を示す断面図
【図１５】ツールホルダの装着状態を示す説明図
【図１６】ＭＣの各状態におけるツールホルダの偏心量を示す表
【符号の説明】
１…主軸、１Ａ…被嵌合部、２…ツールホルダ、２Ａ…嵌合部、２Ｂ…フランジ部、２Ｃ…切欠き、７…切り粉、１０…チャックエラー検出装置、１２…センサ、１４…データ処理装置、１６…Ａ／Ｄコンバータ、１８…ＣＰＵ、２０…メモリ、２２…入出力回路、２４…ＭＣ制御装置、ｄ…距離、θ…回転角度、Ｕ…基本偏心ベクトル、ｕ…基本偏心量、α…基本偏心方向、Ｖ…測定偏心ベクトル、ｖ…測定偏心量、β…測定偏心方向β、Ｒ…真の偏心ベクトル、ｒ…真の偏心量、Ｔ…工具
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械及び回転軸を有する装置におけるツールホルダの装着状態異常判定方法に係り、特に、マシニングセンタ（以下、「ＭＣ」と略称でいう）等のツールホルダを使用する工作機械において、ツールホルダの主軸への装着状態の異常を自動で検出できる工作機械及び回転軸を有する装置におけるツールホルダの装着状態異常判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＣは、加工工程に従って各種工具を自動的に選択し、主軸に自動で装着して多種類の加工を行う装置である。このＭＣにおいて、工具の交換は自動工具交換（ＡＴＣ：オートツールホルダチェンジ）装置で行われる。このＡＴＣ装置は、工具が取り付けられたツールホルダを、工具マガジンから自動で取り出し、主軸に自動で装着する装置である。
【０００３】
図１４は、主軸１へツールホルダ２を装着した状態を示す断面図である。同図に示されるように、ツールホルダ２は、円錐状の嵌合部２Ａを有しており、この嵌合部２Ａを主軸１に形成された円錐状の被嵌合部１Ａに嵌合させて装着される。
【０００４】
この手順は、以下のようになる。軸杆３を右方に引張ることにより、これに伴ってボール保持体４及びボール５が移動する。ボール５の移動により、プルスタッド（ドローイングボルト）６が引張られ、これによって、ツールホルダ２の円錐状の嵌合部２Ａが主軸１の円錐状の被嵌合部１Ａに押し付けられる。この押し付けられた圧力により、嵌合部２Ａが被嵌合部１Ａと密着して高精度の装着（チャッキング）がなされる。
【０００５】
図１５は、工具Ｔを把持するツールホルダ２の装着状態を示す説明図である。通常は、ツールホルダ２の装着が適正になされ、同図（ａ）に示されるような状態となる。ところが、同図（ｂ）に示されるように、この嵌合部分に切り屑７などが付着すると、軸が曲がって装着される。そして、この状態で加工を行うと、工具Ｔに振れが発生し、ワークの加工精度が著しく低下するという欠点がある。このようなツールホルダのチャックミスの有無を自動で検出する技術として、本願出願人による提案がなされている（以上、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２００５４２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなチャックミス以外にも、ツールホルダの主軸への装着状態に異常を生じる現象が散見される。この現象は、新品のＭＣが納入されてから２年前後の稼働の後に見られることが多い。そして、その頻度は、月に１回程度である。
【０００８】
現象としては、通常は２トン前後のプルスタッド（ドローイングボルト）の引張り力が、何らかの原因により０．８トン前後まで低下し、ツールホルダの装着状態の異常となることが確認されている。この原因としては、ツールホルダ２の主軸１への装着部分における皿ばね（図示せず）のへたり、グリップ力の低下等、装着機構の劣化と推定されているが、詳細のところは不詳であるというのが現状である。
【０００９】
すなわち、現状では、ワークの加工精度が低下した際に、この原因がツールホルダのクランプ力低下と断定するのも、その頻度から見て困難である。
【００１０】
そのため、このような装着状態の異常に対処する方法としては、主軸１の周辺の部品を新品に交換することしかなかった。また、このような装着状態の異常が発生しないように、事前にトータルの稼働時間、ワークの加工精度の推移等を見て、早めに主軸１の周辺の部品を新品に交換することも行われていた。このような諸不具合より、ツールホルダのクランプ力不良に対する改善が強く求められていた。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡単かつ確実にチャックエラーを検出でき、これにより不良品の発生をなくすことができる工作機械を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、工具が取り付けられたツールホルダを主軸に装着し、該主軸を回転駆動してワークを加工する工作機械において、前記主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定する測定手段と、前記測定手段で得られた測定データから前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定する装着状態判定手段と、を備えたことを特徴とする工作機械を提供する。
【００１３】
本発明によれば、主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定し、その測定データから装着状態の異常を判定する。これにより、確実にツールホルダのチャックエラーを検出でき、不良品の発生をなくすことができる。
【００１４】
すなわち、本発明者は、ツールホルダのクランプ力不良によるチャックエラーとツールホルダの外周面の変位とに相関があることを見出し、このツールホルダ外周面の変位を測定することにより、ツールホルダのチャックエラーを検出する手段を導入した。この検出は、加工サイクルの中でリアルタイムに行え、かつ、ワークの加工前に行えるので、ワークの不良品を生じさせることも避けられる。
【００１５】
なお、本明細書においては、前記特許文献１に記載の課題を「チャックミス」と称し、本発明における課題を「チャックエラー」（装着状態異常）と称し、区別して使用している。
【００１６】
本発明において、前記工作機械が、前記ツールホルダを工具マガジンから自動で取り出して主軸に装着できることが好ましい。このように、ツールホルダと工具マガジンとを組み合わせれば、生産性が向上するからである。
【００１７】
また、本発明において、前記主軸に装着されたツールホルダのフランジ外周面の変位の測定データを基本データとして記憶する基本データ記憶手段と、前記基本データと前記測定手段で測定された測定データとを比較して真の測定データを演算する真の測定データ演算手段と、を備え、前記装着状態判定手段は、前記真の測定データ演算手段で算出された真の測定データから前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定することが好ましい。
【００１８】
このように、基本データと測定データとを比較して真の測定データを得る構成であれば、ツールホルダの主軸への装着状態の異常を判定する精度が向上するからである。
【００１９】
また、本発明において、前記測定手段は、所定の測定点から前記ツールホルダのフランジ外周面までの距離を測定する測距手段と、前記ツールホルダの回転角度に対応させて前記測距手段の測定データを記憶する測定データ記憶手段と、からなることが好ましい。
【００２０】
また、本発明において、測定データに対してフーリエ解析を実行し、基本波周波数成分を抽出する演算手段を備えたことが好ましい。このような演算手段を用いることにより、測定精度が向上するからである。
【００２１】
また、本発明において、前記測定データに対してフーリエ解析を実行し、解析結果のパワースペクトル形状より前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定する判定手段を備えたことが好ましい。このような判定手段を用いることによっても、測定精度が向上するからである。
【００２２】
また、本発明において、前記ツールホルダのフランジ外周面に切欠きが形成されている場合において、測定データの切欠き部分のデータを補完することが好ましい。フランジ外周面に切欠きが形成されているツールホルダは、一般的に使用されており、切欠き部分のデータが補完できれば、測定精度が向上するからである。
【００２３】
また、本発明において、前記測距手段は、渦電流センサであることが好ましい。このような測距手段であれば、クーラント（切削液）等が飛散する環境においても精度のよい測定結果が得られるからである。
【００２４】
また、本発明において、前記装着状態判定手段は、前記ツールホルダの回転開始直後の偏心量と所定時間経過後の偏心量とを比較することにより装着状態の適否を判定することが好ましい。本願の発明者は、ツールホルダの装着状態が不良の際には、ツールホルダの回転開始直後は偏心量が大きく、その後、所定時間経過後の偏心量は正常に戻ることを発見した。したがって、このような判定をすることにより、ツールホルダの装着状態の適否を確実に判定できる。
【００２５】
また、本発明は、ツールホルダを軸に装着し、該軸を回転駆動する装置において、前記ツールホルダのフランジ外周面の変位を測定し、これにより前記ツールホルダの偏心量を求め、前記ツールホルダの回転開始直後の偏心量と所定時間経過後の偏心量とを比較することにより前記ツールホルダの前記軸への装着状態の異常を判定することを特徴とする回転軸を有する装置におけるツールホルダの装着状態異常判定方法を提供する。
【００２６】
本発明の上記の各構成を適用すれば、工作機械以外の回転軸を有する各種装置においても、ツールホルダの装着状態の異常判定が行える。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って、本発明に係る工作機械の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２８】
図１は、本発明に係る工作機械に組み込まれたチャックエラー検出装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。このチャックエラー検出装置１０は、ＡＴＣ装置で主軸１に装着されたツールホルダ２のチャックエラー（装着状態異常）を自動で検出する装置であり、主として測定手段であるセンサ１２と装着状態判定手段であるデータ処理装置１４とで構成されている。
【００２９】
センサ１２は、主軸１が取り付けられたヘッド５にブラケット６を介して取り付けられている。このセンサ１２は渦電流センサであり、主軸１に装着されたツールホルダ２のフランジ部２Ｂの外周面までの距離ｄを電気信号として検出する。
【００３０】
データ処理装置１４は、センサ１２で測定された測定データに基づき、ツールホルダ２のチャックエラーを検出するもので、Ａ／Ｄコンバータ１６、ＣＰＵ１８、メモリ２０、入出力回路２２等を備えている。
【００３１】
Ａ／Ｄコンバータ１６は、センサ１２から出力された距離ｄを示す電気信号を、ディジタル信号に変換してＣＰＵ１８に出力する。ＣＰＵ１８は、このディジタル信号に変換されたセンサ１２の測定データに基づいて、ツールホルダ２の偏心量を算出する。そして、その算出した偏心量と予めメモリ２０に記憶された閾値とを比較する。偏心量の変化が閾値を超えている場合にチャックエラーと判定する。そして、その結果を、入出力回路２２を介してＭＣを制御するＭＣ制御装置２４に出力する。この詳細については、後述する。
【００３２】
上記のようにＣＰＵ１８は、センサ１２で測定された距離ｄの測定データに基づき、ツールホルダ２の偏心量を算出するが、この演算処理及びツールホルダ２の装着状態判定は次のように行われる。
【００３３】
先ず、ＣＰＵ１８は、入出力回路２２を介してＭＣ制御装置２４から測定開始の指令を受ける。そして、センサ１２から出力される距離ｄの測定データをツールホルダ２の回転角度θに対応させてメモリ２０に記憶する。この測定は、回転開始直後の、ツールホルダ２周分に対して行う。このうち、ツールホルダの最初の１周分の距離ｄの測定データは、グラフ表示すると、たとえば図２に示されるようになる。
【００３４】
次に、ＣＰＵ１８は、メモリ２０に記憶された、ツールホルダの最初の１周分の距離ｄの測定データをＦＦＴ解析する。すなわち、ツールホルダ１周分の測定データをフーリエ解析し、各周波数の成分に分解する。
【００３５】
なお、ＦＦＴ解析は、測定と同時に実行してもよい。ＦＦＴ解析の結果をパワースペクトル表示すると、たとえば図３に示されるようになる。
【００３６】
ここで、上記のようにＦＦＴ解析された各周波数成分のうち、基本波周波数成分（１山成分）の振幅値がツールホルダ２の偏心量の２倍と見なせるので、ＣＰＵ１８は上記ＦＦＴ解析の結果から基本波周波数成分を抽出し、その振幅値を算出してツールホルダ２の１周目の偏心量Ｔ１ を取得する。
【００３７】
以上と同様の測定を、回転開始直後の、ツールホルダの２周目に対しても行う。これにより、ツールホルダ２の２周目の偏心量Ｔ２ を取得する。
【００３８】
そして、この得られた偏心量Ｔ１ 及びＴ２ に基づいてチャックエラーの判定を行う。具体的には、偏心量Ｔ１ と偏心量Ｔ２ との差が所定の閾値以上であるか否かでチャックエラーの有無を判定する。そして、差が閾値以上である場合はチャックエラーと判定し、差が閾値未満である場合は正常と判定する。この所定の閾値は、ＭＣの仕様等により決定される。この判定は、本願発明者が、以下に述べる現象を発見したことに起因して導入されたものである。
【００３９】
すなわち、ツールホルダ２のチャックエラーの有無に拘らず、ツールホルダ２の回転開始直後の最初の１周目の偏心量Ｔ１ は大きい。これに対し、チャックエラーのないツールホルダ２の２周目の偏心量Ｔ２ は小さな値となる。一方、チャックエラーを生じているツールホルダ２の２周目の偏心量Ｔ２ は１周目の偏心量Ｔ１ と比べて小さいものの、チャックエラーのない状態の値より充分大きい。
【００４０】
この現象を特定のＭＣを使用して測定した偏心量を示して説明する。図１６は、ＭＣの各状態におけるツールホルダの偏心量を示す表である。同表において、「正常」とは、チャックエラーのない状態、「異常」とは、チャックエラーを生じる場合、「ＮＧ」とは、主軸周辺のメカニズムが要交換状態にある場合をそれぞれ意味する。また、Ｔｍ とは、ワーク加工時の偏心量を示す。なお、同表における偏心量の数字は、およそのオーダーを示すもので、細かい値は丸めて表示してある。
【００４１】
正常な状態の場合、偏心量Ｔ１ は１０μｍ、Ｔ２ は２μｍ、Ｔｍ は１μｍのレベルにある。これに対し、異常な状態の場合、偏心量Ｔ１ は１００μｍ、Ｔ２ は１０μｍといずれも大きく、Ｔｍ は正常な状態と同様に１μｍのレベルにある。ＮＧ状態の場合、偏心量Ｔ１ は１００μｍ、Ｔ２ は５０μｍ、Ｔｍ は３０μｍのレベルといずれも大きい。
【００４２】
このように、偏心量Ｔ１ と偏心量Ｔ２ との差がどの程度であるかを見れば、チャックエラーの有無を判定できる。同様に、偏心量Ｔ１ と偏心量Ｔ２ との比であるＴ１ ／Ｔ２ がどの程度であるかを見ても、チャックエラーの有無を判定できる。
【００４３】
なお、上記の例では、ツールホルダ２の１周目の偏心量Ｔ１ と２周目の偏心量Ｔ２ とを比較したが、装置によっては、Ｔ２ に代えてツールホルダ２の３周目の偏心量Ｔ３ 又は４周目の偏心量Ｔ４ を使用した方がチャックエラーの有無を容易に判定できる場合もある。したがって、装置特性に合わせて、ツールホルダの回転開始直後の偏心量と所定時間経過後の偏心量とを比較することにより装着状態の適否を判定すればよい。
【００４４】
また、ツールホルダ２の数周分の偏心量の標準偏差を算出する等の統計的処理を行ない、この結果より装着状態の適否を判定する手法をも採用できる。
【００４５】
次に、前記のごとく構成された、本実施の形態のチャックエラー検出装置１０によるツールホルダ２のチャックエラー検出方法を、図４に示されるフローチャートに従って説明する。
【００４６】
チャックエラー検出装置１０は、ＭＣの運転始動とともに起動される（ステップＳ１）。ＡＴＣ装置により工具の交換（ＡＴＣ）が行われると（ステップＳ２）、ＭＣ制御装置２４は、主軸を予め設定済みの回転数で回転させる（ステップＳ３）。
【００４７】
センサ１２は、この回転するツールホルダ２のフランジ部２Ｂの外周面までの距離ｄを測定する。ＣＰＵ１８は、このセンサ１２で測定された距離ｄの測定データをツールホルダ２の回転角度θに対応させてメモリ２０に記憶する。
【００４８】
測定はツールホルダ２の回転開始直後の２周分に対して行われ（ステップＳ４、Ｓ７）、この測定データが得られる。
【００４９】
ＣＰＵ１８は、メモリ２０に記憶された測定データをＦＦＴ解析し、１山成分を抽出して、その振幅値を算出する。この１山成分の振幅値は、ツールホルダ２の偏心量Ｔの２倍と等しいので、これにより、ツールホルダ２の偏心量Ｔ１ 、Ｔ２ が取得される（ステップＳ６、Ｓ８）。ＣＰＵ１８は、得られた偏心量Ｔ１ とＴ２ との差と所定の閾値とを比較し、チャックエラーの有無を判定する（ステップＳ９）。
【００５０】
なお、ＦＦＴ解析は測定と同時に実行するようにしてもよい。また、所定の閾値は、ＭＣの運転始動に先立ち、オペレータが入力装置（不図示）から入力しておく。入力された所定の閾値はメモリ２０に記憶される。また、この所定の閾値は、ユーザーの必要とする加工精度に基づいて適宜最適なものを選択して設定する。
【００５１】
判定結果はＭＣ制御装置２４に出力され、ＭＣ制御装置２４は、チャックエラーのない正常な状態であると判定された場合（偏心量Ｔ１ とＴ２ との差＜閾値）には（ステップＳ１０）、そのまま加工を開始する（ステップＳ１１）。一方、チャックエラーと判定された場合（偏心量Ｔ１ とＴ２ との差≧閾値）には（ステップＳ１２）、ＭＣ制御装置２４の図示しない表示部にその旨の表示をする（又は、アラームを鳴らしたり、パトライトを点滅させたりする）ように指令する（ステップＳ１３）。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態のチャックエラー検出装置１０によれば、ツールホルダ２の偏心量を測定し、その偏心量に基づいてツールホルダ２のチャックエラーを検出するので、正確にツールホルダ２のチャックエラーを検出することができる。また、装置構成も極めてシンプルであり、複雑な制御を必要としないので簡単に検出を行うことができる。
【００５３】
次に、本発明に係る工作機械の第２の実施の形態について説明する。なお、使用する装置は、上述した第１の実施の形態と同じものである。
【００５４】
上記第１の実施の形態は、センサ１２の測定点であるツールホルダ２のフランジ部２Ｂが円形の場合であるが、一般的に、ツールホルダ２のフランジ部２Ｂには、図５に示されるようにチャックのための切欠き２Ｃ、２Ｃが形成されていることが多い。第２の実施の形態のチャックエラー検出方法は、測定点であるツールホルダ２のフランジ部２Ｂに切欠き２Ｃ、２Ｃが形成されている場合の検出方法である。
【００５５】
ツールホルダ２のフランジ部２Ｂに切欠き２Ｃ、２Ｃが２箇所ある場合、ツールホルダ１周分の測定データは、グラフ表示すると、たとえば図６（ａ）に示されるようになる。同図に示されるように、測定データは２つの切欠き２Ｃ、２Ｃの部分で急激に変化する。この切欠き２Ｃ、２Ｃの部分の測定データを、たとえば直線補完により補正する。図６（ｂ）は、切欠き２Ｃ、２Ｃの部分を直線補完した後の測定データをグラフ表示したものである。
【００５６】
このように、センサ１２の測定点であるツールホルダ２のフランジ部２Ｂに切欠き２Ｃ、２Ｃがある場合には、切欠き２Ｃ、２Ｃの部分の測定データを補完し、この補完された測定データに対してＦＦＴ解析を行い（図６（ｃ））、１山成分を抽出して偏心量（振幅値）を算出する。そして、その算出結果に基づき、チャックエラーの判定を行う。これにより、フランジ部に切欠きを有するツールホルダに対しても有効にチャックエラーの検出を行うことができる。
【００５７】
次に、本発明に係る工作機械の第３の実施の形態について説明する。なお、使用する装置は、第１の実施の形態の装置と同じものである。
【００５８】
センサとして渦電流センサを使用した場合、磁化の影響やツールホルダの測定部分の肉厚（面積）の変化の影響などにより、渦電流センサからの電気信号がツールホルダの形状とならない場合がある。この状態で偏心量を算出すると誤差が含まれてしまい、検出精度を低下させるおそれがある。
【００５９】
そこで、より高い精度で検出を行うために、次の方法でチャックエラーを検出する。すなわち、図７に示されるように、チャックエラーがない状態で装着されたツールホルダ２の偏心量を予め測定しておき、これをツールホルダ固有の基本偏心量とみなして記憶しておく。そして、この基本偏心量とＡＴＣ時に測定した測定偏心量とを比較して真の偏心量を算出し、その算出した真の偏心量に基づいてチャックエラーの判定を行う。
【００６０】
以下、この第３の実施の形態のチャックエラー検出方法を図８及び図９に示されるフローチャートに従って説明する。先ず、基本偏心量を検出するためにセットアップを行う（ステップＳ２０）。セットアップは、図８に示されるフローチャートに従ってＭＣの運転開始前に行われる。
【００６１】
先ず、ツールホルダ２を主軸１に装着する。運転開始前であることから切り粉を挟み込むようなことはなく、ツールホルダ２は主軸１に適正に装着される。この状態でツールホルダ２を回転させ、充分に回転が安定した状態で、センサ１２によりツールホルダ１周分の距離ｄの変化を測定する（ステップＳ２１）。切欠きを有するツールホルダ１周分の距離ｄの測定データはグラフ表示するとたとえば図１０（ａ）のようになる。
【００６２】
次に、ツールホルダ２に切欠きがある場合には、図１０（ｂ）に示されるように、２つある切欠き２Ｃ、２Ｃのうちいずれか一方の切欠き２Ｃの中央が０°になるように測定データを位相補正する（ステップＳ２２）。そして、図１０（ｃ）に示されるように、２つある切欠き２Ｃ、２Ｃの部分の測定データを補正する（ステップＳ２３）。ここでは、直線補完により測定データを補正する。
【００６３】
なお、ツールホルダ２に切欠きがない場合は、上記の位相補正（ステップＳ２２）と切欠き補正（ステップＳ２３）の処理は行わず、次の処理（ステップＳ２４）に移行する。
【００６４】
次に、測定データをＦＦＴ解析し、１山成分の振幅と位相（角度）を算出する。そして、図１２（ａ）に示されるように、この振幅から算出した偏心量と位相をそれぞれ基本偏心量ｕ、基本偏心方向α（以下『基本偏心ベクトルＵ』という。）としてメモリ２０に記憶する（ステップＳ２４）。
【００６５】
次に、図１０（ｄ）に示されるように、算出した１山成分の振幅と位相とから正弦波を復元する。そして、図１０（ｃ）に示される切欠き補正後の測定データ（元データ）から復元した正弦波データを引いた波形を算出する（図１０（ｅ）の波形）。この算出した波形を測定した点列データの磁気的凹凸のパターンとみなし、メモリ２０に記憶する（ステップＳ２５）。
【００６６】
以上によりセットアップ作業が完了する（ステップＳ２６）。なお、このセットアップ作業は工具マガジンにセットされているツールホルダのうちユーザーが必要とするすべてのツールホルダに対して行い、各ツールホルダの固有のデータとしてメモリ２０に記憶する。
【００６７】
ＭＣの運転が開始されると、図９に示されるフローチャートに従ってツールホルダのチャックエラーの検出が行われる（ステップＳ３０）。
【００６８】
ＡＴＣ装置により工具の交換が行われると（ステップＳ３１）、主軸１に装着されたツールホルダ２が規定の回転数で回転し始め（ステップＳ３２）、ツールホルダ１周分のデータがセンサ１２によって測定される（ステップＳ３３）。そして、ツールホルダ２に切欠きがある場合には、その測定データに対して切欠き補正が行われ（ステップＳ３４）、その後、磁気的凹凸パターンが求められる（ステップＳ３５）。なお、ツールホルダ２に切欠きがない場合は切欠き補正の処理（ステップＳ３４）は不要である。
【００６９】
なお、測定データを取得する方法、及び、ツールホルダ２に切欠きがある場合における切欠き補正の方法は、上記第１、第２の実施の形態の場合と同じであり、また、磁気的凹凸パターンを求める方法は上述したセットアップ時と同じである。
【００７０】
次に、図１１に示されるように、算出した磁気的凹凸パターン（加工時磁気的パターン）と、メモリ２０に記憶されたセットアップ時の磁気的凹凸パターン（セットアップ時磁気的パターン）とを比較し、算出した磁気的凹凸パターンのうち、どの位置が０°に位置するかを決定する（ステップＳ３６）。
【００７１】
なお、ツールホルダ２に切欠きがある場合は、ここで、２つある切欠き２Ｃ、２Ｃのうち何れが０°に位置するかを決定する。そして、その決定した位置が０°となるように、切欠き補正した測定データの位相補正を行う（ステップＳ３７）。
【００７２】
次に、位相補正した測定データをＦＦＴ解析し、１山成分の振幅と位相を算出する。そして、図１２（ｂ）に示されるように、この振幅から算出した偏心量と位相をそれぞれ測定偏心量ｖ、測定偏心方向β（以下、『測定偏心ベクトルＶ』という。）としてメモリ２０に記憶する（ステップＳ３８）。
【００７３】
次に、図１２（ｃ）に示されるように、算出した測定偏心ベクトルＶと、メモリ２０に記憶されている基本偏心ベクトルＵとの差をベクトル演算により算出する（ステップＳ３９）。そして、その算出したベクトルを真の偏心ベクトルＲとし、真の偏心ベクトルＲの大きさｒを求め、これを真の偏心量ｒ１ とする（ステップＳ４０）。
【００７４】
同様の測定（ステップＳ３３〜Ｓ４０）をツールホルダ２の２周目（又は３周目、４周目等）に対して行い、２周目（又は３周目、４周目等）の真の偏心量ｒ２ を得る（ステップＳ４１）。ＣＰＵ１８は、得られた真の偏心量ｒ１ とｒ２ との差と所定の閾値とを比較し、チャックエラーの有無を判定する（ステップＳ４２）。
【００７５】
判定結果はＭＣ制御装置２４に出力され、ＭＣ制御装置２４は、チャックエラーのない正常な状態であると判定された場合（真の偏心量ｒ１ とｒ２ との差＜閾値）には（ステップＳ４３）、そのまま加工を開始する（ステップＳ４４）。一方、チャックエラーと判定された場合（真の偏心量ｒ１ とｒ２ との差≧閾値）には（ステップＳ４５）、ＭＣ制御装置２４の図示しない表示部にその旨の表示をする（又は、アラームを鳴らしたり、パトライトを点滅させたりする）ように指令する（ステップＳ４６）。
【００７６】
このように、本実施の形態のチャックエラー検出方法では、ツールホルダ固有の偏心量を取り除いた真の偏心量ｒに基づいてチャックエラーの判定を行うようにしているので、より正確なチャックエラーの検出を行うことができる。なお、本実施の形態では、真の偏心ベクトルＲから、偏心方向が特定できるので、装置上の異常箇所を特定するのに便宜である。
【００７７】
以上、本発明に係る工作機械の実施形態の例について説明したが、本発明は上記実施形態の例に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。たとえば、上記一連の実施の形態では、センサ１２として渦電流センサを用いているが、ある特定の測定点からツールホルダ２の外周面までの距離を測定できるセンサであれば渦電流センサに限らず、他のセンサを用いてもよい。この場合、渦電流センサのように非接触式のセンサに限らず、接触式のセンサを用いてもよい。
【００７８】
また、上記一連の実施の形態では、ＣＰＵ１８がチャックエラーと判定した場合は、ＭＣの表示部へエラー表示を指令しているが、既述の図１５（ｂ）に示されるように、この嵌合部分に切り屑７などが付着したことによるツールホルダのチャックミスと区別ができるような形態とすることもできる。
【００７９】
すなわち、ＣＰＵ１８は、チャックエラーと判定されるべき場合（偏心量Ｔ１ とＴ２ との差≧閾値）にも、先ず、ＡＴＣをしなおして、再度同様の測定を行う。その結果により、装置原因によるチャックエラーであるか、嵌合部分に切り屑７などが付着したことによるチャックミスであるかが判定でき、以降の対処に誤りが生じにくい。
【００８０】
また、本実施の形態では、ツールホルダの外周の変位を測定し、その測定データをＦＦＴ解析して１山成分を抽出し、その振幅値を求めることにより、偏心量を取得するようにしているが、偏心量を取得する方法は、この方法に限定されるものではない。
【００８１】
さらに、本実施の形態では、測定データをＦＦＴ解析して１山成分を抽出し、その振幅値を求めることにより、偏心量を取得するようにしているが、測定データの最大値と最小値を求め、その差から偏心量を算出してツールホルダの偏心量を取得するようにしてもよい。
【００８２】
同様に、ＦＦＴ解析して得た１山成分以外の他の山成分の振幅値の異常を検出してチャックエラーの有無を判定することもできる。また、ＦＦＴ解析して得た複数の山成分の振幅値を総合的に判断してチャックエラーの有無を判定することもできる。
【００８３】
また、本実施の形態では、センサ１２の測定点としてツールホルダ２のフランジ部２Ｂを使用しているが、センサ１２の測定点は、これに限定されるものではなく、測定状況等に応じて適宜変更してもよい。たとえば、図１３に示されるように、工具Ｔの刃先（被加工物を切削する個所）を測定点とするようにしてもよい。このように、工具Ｔの刃先を測定点とすることにより、直接加工を行う部分の偏心量を測定できるので、より確実にチャックエラーを検出することができる。
【００８４】
また、本実施の形態では、センサ１２をヘッド５に取り付けているが、センサ１２の設置場所は、これに限定されるものではなく、ヘッド５以外の個所に取り付けてもよい。たとえば、センサ１２をヘッド５以外の所定の位置に固定しておき、このセンサ１２の測定位置にヘッド５が移動してチャックエラーの検出を実施するようにしてもよい。ヘッド以外のセンサ１２の設置位置としては、たとえばＭＣの第１原点（機械加工時にヘッド５が必ず位置する座標上の基準点（始動点））に設置したり、その他任意の位置に設置することができる。この場合、より安定した高精度な測定を確保するために、センサ１２がクーラントの影響を受けない位置（クーラントがかからない位置）に設置することが好ましい。
【００８５】
また、本実施の形態では、本発明をＭＣに適用した例で説明したが、本発明はＭＣに限らず、ＡＴＣ装置を用いる工作機械であれば、いかなる工作機械にも適用することができる。
【００８６】
なお、上述した一連の実施の形態では、主軸に装着したツールホルダの偏心量を測定し、この偏心量に基づいてチャックエラーを検出するようにしているが、ここでいう「偏心量」は工具の「振れ」と同義であり、ツールホルダの偏心量の測定により、工具の振れが測定される。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定し、その測定データから装着状態の異常を判定する。これにより、確実にツールホルダのチャックエラー（装着状態異常）を検出でき、不良品の発生をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】チャックエラー検出装置の第１の実施の形態を示すブロック図
【図２】ツールホルダ１周分の測定データのグラフ
【図３】ＦＦＴ解析の結果をパワースペクトル表示したグラフ
【図４】第１の実施の形態のチャックエラー検出方法の処理手順を示すフローチャート
【図５】フランジ部に切欠きを有するツールホルダの平面図
【図６】（ａ）はフランジ部に切欠きを有するツールホルダの測定データのグラフ、（ｂ）は補正した測定データのグラフ、（ｃ）はＦＦＴ解析の結果をパワースペクトル表示したグラフ
【図７】第３の実施の形態のチャックエラー検出方法の概念図
【図８】セットアップ時のフローチャート
【図９】検出時のフローチャート
【図１０】（ａ）はチャックエラーがない状態で装着されたツールホルダ１周分の測定データのグラフ、（ｂ）は位相補正した測定データのグラフ、（ｃ）は切欠き補正した測定データのグラフ、（ｄ）は復元した正弦波を表すグラフ、（ｅ）は磁気的凹凸パターンを表すグラフ
【図１１】位相補正時の概念図
【図１２】ベクトル演算の概念図
【図１３】チャックエラー検出装置の他の実施の形態を示すブロック図
【図１４】ツールホルダの装着状態を示す断面図
【図１５】ツールホルダの装着状態を示す説明図
【図１６】ＭＣの各状態におけるツールホルダの偏心量を示す表
【符号の説明】
１…主軸、１Ａ…被嵌合部、２…ツールホルダ、２Ａ…嵌合部、２Ｂ…フランジ部、２Ｃ…切欠き、７…切り粉、１０…チャックエラー検出装置、１２…センサ、１４…データ処理装置、１６…Ａ／Ｄコンバータ、１８…ＣＰＵ、２０…メモリ、２２…入出力回路、２４…ＭＣ制御装置、ｄ…距離、θ…回転角度、Ｕ…基本偏心ベクトル、ｕ…基本偏心量、α…基本偏心方向、Ｖ…測定偏心ベクトル、ｖ…測定偏心量、β…測定偏心方向β、Ｒ…真の偏心ベクトル、ｒ…真の偏心量、Ｔ…工具
Claims (9)
- 工具が取り付けられたツールホルダを主軸に装着し、該主軸を回転駆動してワークを加工する工作機械において、
前記主軸に装着したツールホルダのフランジ外周面の変位を測定する測定手段と、
前記測定手段で得られた測定データから前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定する装着状態判定手段と、
を備えたことを特徴とする工作機械。 - 前記主軸に装着されたツールホルダのフランジ外周面の変位の測定データを基本データとして記憶する基本データ記憶手段と、
前記基本データと前記測定手段で測定された測定データとを比較して真の測定データを演算する真の測定データ演算手段と、
を備え、
前記装着状態判定手段は、前記真の測定データ演算手段で算出された真の測定データから前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。 - 前記測定手段は、
所定の測定点から前記ツールホルダのフランジ外周面までの距離を測定する測距手段と、
前記ツールホルダの回転角度に対応させて前記測距手段の測定データを記憶する測定データ記憶手段と、
からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。 - 前記測定データに対してフーリエ解析を実行し、基本波周波数成分を抽出する演算手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械。
- 前記測定データに対してフーリエ解析を実行し、解析結果のパワースペクトル形状より前記ツールホルダの前記主軸への装着状態の異常を判定する判定手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械。
- 前記ツールホルダのフランジ外周面に切欠きが形成されている場合において、測定データの切欠き部分のデータを補完することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の工作機械。
- 前記測距手段は、渦電流センサであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の工作機械。
- 前記装着状態判定手段は、前記ツールホルダの回転開始直後の偏心量と所定時間経過後の偏心量とを比較することにより装着状態の適否を判定することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の工作機械。
- ツールホルダを軸に装着し、該軸を回転駆動する装置において、
前記ツールホルダのフランジ外周面の変位を測定し、これにより前記ツールホルダの偏心量を求め、
前記ツールホルダの回転開始直後の偏心量と所定時間経過後の偏心量とを比較することにより前記ツールホルダの前記軸への装着状態の異常を判定することを特徴とする回転軸を有する装置におけるツールホルダの装着状態異常判定方法。
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