JP2006255887A - 工具、変速装置、工作機械および工具管理システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】工具61は、ワークを加工する刃具100と、刃具100を駆動する電動機80と、主軸46から供給される動力によって、電動機80を駆動させる電力を発生する発電機70と、発電機70から供給される電力によって動作し、刃具100によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路150と、発電機70から供給される電力によって動作し、刃具100によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の送信を行う送受信回路140とを有する。
【選択図】図3
Description
増速装置としては、たとえば、工具を保持し主軸に着脱可能となっており、主軸の回転力を遊星歯車機構等の歯車機構によって増速して工具の回転速度を増速させるものが知られている。
たとえば、マシニングセンタにおいて、一時的に主軸の最大回転速度よりも工具の回転速度を増速させたい場合には、上記のような増速装置を主軸に対して自動工具交換装置によって通常の工具と同様に装着し、工具を高い回転速度で回転させている。
また、他の増速方法として、主軸を駆動するモータに高周波モータを使用し、この高周波モータに特別に用意された制御装置から駆動電流を供給し、主軸を高速回転させる方法が採られる場合がある、しかしながら、この方法では、工具交換を通常の工具と同様に行うことが難しく、また、設備コストが比較的高いという不利益が存在する。
図1は、本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
図1においてマシニングセンタ1は、門型のコラム38の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール37を備えており、このクロスレール37上を移動可能に支持されたサドル44を介してラム45が鉛直方向(Z軸方向)に移動可能に設けられている。
送りねじ軸41の一端部には、サーボモータ19が接続されており、送りねじ軸41はサーボモータ19によって回転駆動される。
送りねじ軸41の回転駆動によって、サドル44はY軸方向に移動可能となり、これによってラム45のY軸方向の移動および位置決めが行われる。
サーボモータ20によって送りねじ軸42が回転駆動され、これによりサドル44に移動可能に設けられたラム45のZ軸方向の移動および位置決めが行われる。
主軸46の先端には、エンドミルなどの工具Tが装着され主軸46の回転によって工具Tが駆動される。
ラム45の下方には、テーブル35がX軸方向に移動可能に設けられている。テーブル35には、図示しないねじ部が形成されており、これにX軸方向に沿って設けられた図示しない送りねじ軸が螺合しており、この図示しない送りねじ軸にサーボモータ18が接続されている。
テーブル35は、サーボモータ18の回転駆動によってX軸方向の移動および位置決めが行われる。
この自動工具交換装置39は、たとえば、図示しないマガジンに工具ホルダによって保持された各種工具Tを収納しており、主軸46に装着された工具Tを図示しない工具交換アームによってマガジンに収納し、必要な工具Tを主軸46に工具交換アームによって装着する。
NC装置51は、具体的には、予めNCプログラムで規定されたワークの加工手順にしたがって、サーボモータ18,19,20による工具Tとワークとの間の位置および速度制御を行う。また、NC装置51は、NCプログラムにおいて、たとえば、Sコードで規定された主軸31の回転速度を解読することにより主軸46の回転速度の制御を行う。
さらに、NC装置51は、NCプログラムにおいて、たとえば、Mコードで規定れた工具Tの交換を動作を解読することにより、各種工具Tの自動交換を実行する。
図2において、工具61は、装着部62と、ケース部材66,67および68からなるケース65と、発電機70と、電動機80と、刃具100と、二次電池110とを備えている。
ここで、装着部62は本発明の装着部の実施態様であり、発電機70は本発明の発電機の実施態様であり、電動機80は本発明の電動機の実施態様であり、刃具100は本発明の加工具の実施態様であり、二次電池110は本発明の二次電池の実施態様である。また、工具61が装着される上記の主軸46が本発明の動力供給源の実施態様である。工具61から刃具100を除いた部分は本発明の変速装置の実施態様である。
ケース部材67の外周には、後述する送受信回路140に接続されたアンテナ141が設けられている。
発電機70は、入力軸71が装着部62の軸部62dと同心に連結されており、この発電機70には主軸46の回転力が装着部62を介して入力される。
発電機70には、たとえば、三相同期発電機を用いることができる。
電動機80の出力軸81は、カップリング87によって回転軸90に連結されている。
電動機80には、たとえば、三相誘導電動機を用いることができる。
回転軸90の先端側は、ケース部材68に抜け止め部材94によって抜け止めされている。
また、回転軸90の先端部には、上記した工具が装着される工具装着部95が設けられている。
刃具100は、具体的には、ドリル、エンドミル等の各種の刃具である。
ケース部材66の外周には、回り止め部材85が設けられている。
この回り止め部材85は、装着部62が主軸46のテーパスリーブ46aに装着されることにより、主軸46側の、たとえば、ラム45等の非回転部47に形成された嵌合穴47aに先端85aが挿入される。
これにより、ケース部材66、すなわち、ケース65は、主軸46が回転しても回転が規制される。
図3において、工具61は上記した発電機70、電動機80および二次電池110を備えるとともに、充電回路120と、処理回路150と、送受信回路140とを備える。
また、本実施形態に係る工具管理システムは、工具61とパーソナルコンピュータ(以下、パソコンという)400とから構成される。
二次電池110は、充電回路120によって充電された電力を処理回路150および送信回路140からなる被電力供給部160に電力を供給する。なお、充電回路120の整流回路又は平滑回路から直接的に処理回路150や送信回路140等を含む被電力供給部160に電力を供給してもよい。
ここで、刃具100によるワークの加工に関わる情報には、たとえば、工具を識別するための予めフォーマットの定まった工具情報や、刃具100による加工中の発電機70や電動機80の監視情報等が含まれる。
工具情報は、たとえば、ドリル、エンドミル等の工具の種類、その工具の直径や長さ等の寸法、補正番号等の情報である。
監視情報は、発電機70や電動機80に、たとえば、断線やショートが発生していないか、あるいは、過負荷が掛かっていないか等の情報である。
処理回路150は、上記の予めフォーマットの定まった工具情報をまず生成する。また、処理回路150は、たとえば、発電機70の発生電流70sや電動機80の駆動電流80sを検出し、これら検出情報に基づいて、発電機70や電動機80に異常がないかを監視し、この監視情報も予めフォーマットの定まった工具情報に付加し、送受信回路140に送る。
また、パソコン400は、図1に示すように、NC装置51と接続されており、工具61に故障等の異常が発生した場合等には、NC装置51にこの異常情報を送信する。
自動工具交換装置39によって、工具装着部95に刃具100を保持した工具61をマシニングセンタ1の主軸46に装着すると、工具61は、回り止め部材85の先端部85aが非回転部47の嵌合穴47aに嵌合挿入され、ケース65の回転が規制される。
発電機70に、たとえば、三相同期発電機を用いると、三相交流電力が発電される。
この三相交流電力の一部は、充電回路120により二次電池110に充電される。
f=P1 ×N0 /120〔Hz〕 …(1)
N1 =120×f/P2 〔rpm〕 …(2)
N1 =N0 ×P1 /P2 〔rpm〕 …(3)
(3)式で示すように、三相同期発電機の極数P1 と三相誘導電動機の極数P2 との比を適宜設定することにより、主軸46の回転速度N0 に対する工具の回転速度N1 の変速比を任意に設定することが分かる。
すなわち、主軸46の回転速度N0 を増速したい場合には、極数比P1 /P2
を1より大きくし、減速したい場合には、極数比P1 /P2 を1より小さくなるように、三相同期発電機の極数P1 および三相誘導電動機の極数P2 を予め選択すればよい。
一方、主軸46の最大回転速度Nmax が3000rpmのマシニングセンタ1を使用し、たとえば、ワークにアルミニウム合金材を用いてこれを高速加工したい場合には、工具の回転速度を、たとえば、30000rpmに増速させたいような場合がある。
このような場合のために、マシニングセンタ1の自動工具交換装置39のマガジンに工具61を予め収容しておく。なお、工具61は、増速比が10となるように、上記の極数比P1 /P2 が10である三相同期発電機および三相誘導電動機を内蔵させる。
主軸46を主軸モータ31を駆動して回転させるが、工具61に保持された工具の回転速度は、主軸46の回転速度によって制御する。すなわち、NC装置51にダウンロードするNCプログラムにおいて、主軸46の回転速度をSコードで指定することにより、工具61の刃具100の回転速度を規定しておく。
たとえば、工具61の刃具100を30000rpmで回転させたい場合には、NCプログラムにおいてSコードで主軸46の回転速度を3000rpmに指定しておく。
電動機80は、発電機70から供給される三相交流によって駆動され、工具61の刃具100は、略30000rpmの回転速度で回転する。
これにより、主軸の最大回転速度Nmax が制限されるマシニングセンタ1を使用し、ワークにアルミニウム合金材を用いても、高速加工が可能となる。
処理回路150は、動作可能な状態になると、予めフォーマットの定まった工具情報を生成し、この工具情報を送受信回路140に送信する。
送受信回路140は、予めフォーマットの定まった工具情報をパソコン400に送信する。
また、処理回路150および送受信回路140は、二次電池110が充電されていれば、主軸46の回転が停止したのちであっても、工具情報や異常情報等の各種のデータのパソコン400への送信が可能である。
図4は、本発明の第2の実施形態に係る工具の電気系の構成および工具管理システムの構成を示す図である。
なお、本実施形態に係る工具の機械的構造については、上述した第1の実施形態と同様とする。
上述した第1の実施形態では、工具61の刃具100の回転速度を主軸46の回転速度、すなわち、発電機70の入力回転速度で制御される構成としたが、本実施形態では、発電機70の入力回転速度に関わらず刃具100を独立に駆動制御可能な構成について説明する。
さらに、上述した第1の実施形態では、パソコン400は工具61からデータを受信するのみであったが、本実施形態では、パソコン400と工具との間でデータを互いに送受信可能な構成について説明する。
また、整流回路200、電力逆変換回路210、充電回路120および被電力供給部160は、上記ケース65に内蔵されている。なお、これら整流回路200、電力逆変換回路210、充電回路120および被電力供給部160のうちいずれかまたはすべてを箱に収容し、この箱をケース65の外部の非回転部分に取り付けてもよい。また、ケース65に凹凸を形成して、これら整流回路200、電力逆変換回路210、充電回路120および被電力供給部160を収容する構成としてもよい。
二次電池110は、充電回路120によって充電された電力を被電力供給部160に電力を供給する。なお、充電回路120の整流回路又は平滑回路から直接的に被電力供給部160に電力を供給してもよい。
送受信回路140は、刃具100によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号をパソコン400との間で送受信する。
RAM307は、マイクロプロセッサ305の演算に必要なデータや、送受信回路140から送信されたデータ等を記憶保持する。
カウンタ回路308は、回転位置検出器311の検出した電動機80の回転量に応じたパルス信号をカウントしてマイクロプロセッサ305に出力する。
処理回路部304には、電動機80の回転量および駆動電流がフィードバックされるため、処理回路部304のROM306に予め所要の制御プログラムを用意しておくことにより、電動機80の各種の駆動制御が可能となる。
また、この制御プログラムは、パソコン400から工具61に向けて送信し、これを送受信回路140で受信してRAM307に記憶することも可能である。
また、マイクロプロセッサ305には、電動機80の回転位置情報や駆動電流情報がフィードバックバックされるため、これらの情報を上記の工具情報とともに、逐次パソコン400に送信することも可能である。
パソコン400では、工具500の回転数、トルク等をモニターすることができ、たとえば、これらのモニターした各種のデータから工具の折損等をリアルタイムに検出することが可能となる。また、工具500の使用時間も容易に管理可能となる。
また、パソコン400からプログラムを工具61に送り、工具61から単なる工具情報だけでなく加工中の各種の状態情報をパソコン400に送ることにより、工具61を緻密にかつ高度に管理することが可能となる。
また、上述した実施形態では、加工具として刃具100を挙げたが、他の加工具を適用することも可能である。
上述した各実施形態では、本発明の工具を工作機械の主軸に適用する場合について説明したが、主軸に限らず発電機に動力を供給する動力供給源であれば適用可能である。
さらに、発電機の動力供給源として主軸に限らず、水圧、空圧、油圧、クーラント等の工作器械に備わっている動力供給源を用いて発電する構成としてもよい。
31…主軸モータ
39…自動工具交換装置
46…主軸
51…NC装置
61…工具
62…装着部
65…ケース
66,67,68…ケース部材
70…発電機
71…入力軸
80…電動機
81…出力軸
95…工具装着部
100…刃具
400…パソコン
Claims (9)
- ワークを加工する加工具と、
前記加工具を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路と
を有する工具。 - ワークを加工する加工具と、
前記加工具を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路と
を有する工具。 - 前記発電機は、前記動力供給源の流体の圧力により入力軸を回転させて発電する
請求項1又は2に記載の工具。 - 加工具が装着される回転軸と、
前記回転軸を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路と
を有する変速装置。 - 加工具が装着される回転軸と、
前記回転軸を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路と
を有する変速装置。 - 主軸と、
主軸に着脱可能な変速装置と、
前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源と
を有し、
前記変速装置は、
被回転物を駆動する電動機と、
前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を生成する処理回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路と
を有する工作機械。 - 主軸と、
主軸に着脱可能な変速装置と、
前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源と
を有し、
前記変速装置は、
被回転物を駆動する電動機と、
前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路と
を有する工作機械。 - ワークを加工する加工具、
前記加工具を駆動する電動機、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路、及び、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路
を有する工具と、
前記工具とは独立に設けられ、前記送信回路から送信された前記情報の受信を行い、かつ、当該情報の管理を行う管理装置と
を有する工具管理システム。 - ワークを加工する加工具、
前記加工具を駆動する電動機、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、
前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路、及び、
前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路
を有する工具と、
前記工具とは独立に設けられ、前記受信回路への前記情報の送信を行う管理装置と
を有する工具管理システム。
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