JP2007229863A - 工作機械用の接触検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転する測定子に給電する場合、浮遊容量による火花が発生して測定子が損傷したり、インダクタンスによる検出遅れによって検出の精度が低下する。
【解決手段】接触検出装置の測定子２６はホルダ２１に取り付けられるが、測定子２６は、ホルダ２１の本体と絶縁スリーブ２５によって絶縁されて保持され、、また、測定子２６に通電する導電性のカラー２２は、絶縁カラー２３によって嵌合する本体２１と絶縁される。通電ブラシ３５は、導電性カラー２２に対して進退し、通電ブラシ３３をカラー２２に摺動接離させて回転する測定子２６に給電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸に工具と交換して装着される測定ヘッドの測定子と被加工物との接触を、測定子を主軸により回転させると共に相互に絶縁した状態で電気的に検出することができる工作機械用の接触検出装置に関する。

回転する工具を用いて切削加工や研削加工を行なう工作機械において、主軸に測定子を装着して、測定子と被加工物とを相対移動させて測定子の接触位置を検出し、接触位置に基づいて主軸の被加工物に対する相対位置を決定することが広く行なわれている。そして、検出された複数の相対位置に基づいて被加工物の形状、寸法、ピッチ、穴内径などを測定し、あるいは被加工物の座標系を設定している。

測定子と被加工物との接触位置を検出する方式としていくつかあげられる。具体的には、例えば、被加工物と絶縁された測定子に所定の電圧を印加した状態で両者を近接接離させることによる、電圧や電流の変動を検出することによって測定子と被加工物との接触を検出し、そのときの位置座標値から主軸の被加工物に対する相対位置を得る方式がある。また、例えば、特許文献１に示されるように、検出子の変位と現在位置とから接触位置を検出する方式がある。種々の測定子と被加工物との接触位置を検出する方式には、それぞれ一長一短があるが、その詳細な説明は省略する。

ところで、上記特許文献１に示されるように、近年、自動工具交換装置（ＡＴＣ）を利用して、被加工物の加工に供した工作機械の主軸に自動的に測定子を有する測定ヘッドを取り付ける方式が行なわれるようになってきている。このように自動工具交換装置で測定子を取り付ける場合、接触検出方式の違いに関わらず、主軸と測定子先端の検出部位の水平各軸方向（Ｘ軸およびＹ軸）の位置に誤差が生じる可能性が高い。そのため、１回の測定毎に被加工物と同じ台上に取付固定された基準球を用いて主軸と測定子先端の検出部位との各軸方向の位置の誤差を測定しておく、いわゆるキャリブレーションを行なう必要がある。また、キャリブレーションを行なって位置の誤差を測定した場合は、キャリブレーションを行なった方向と同じ方向から測定子を相対移動させて被加工物と接触させるようにする必要がある。したがって、位置出しに時間と手間を要する。また、その結果、被加工物の形状などの測定や座標系の設定に相当の時間が要求され、作業性を低下させている。

そこで、本出願人は、測定子と被加工物との接触を電気的に検出する方式の場合、測定子を回転させながら被加工物に接触させる方法を提案した。測定子を回転させながら被加工物とを接触させて接触位置を得ることができると、測定子の先端部位がどの方向に傾いていても主軸から等距離離れた位置で測定子の先端部位と被加工物とが接触する。したがって、測定子を被加工物に接触させる方向を考慮することがない。そのため、位置出しのたびにキャリブレーションを行なう必要がなくなり、位置出しにかかる時間を短縮することができる。

測定子を回転させる場合は、回転する測定子に電圧を印加する構成が要求される。しかしながら、主軸を回転させ測定子を回転させながら測定子と被加工物との接触を検出するという提案が見受けられないことから、給電子に給電する適切な構成が示されていない。そこで、広く知られている工具にかかる負荷を検出するなどの目的で工具と被加工物との間に電圧を印加する給電方式を利用することが考えられる。

上記特許文献１に記載の測定方式とは異なり、一般的な給電方式の構成として、例えば、特許文献２に開示されるような通電ブラシを設けて主軸の外側から主軸を通して工具に給電する構成が知られている。また、特許文献３に示されるように、主軸の後端部位の回転軸中心で接触する通電ブラシから給電する構成がある。

特開平７−２０４９９０号公報 実開平５−７２３５５号公報 実開平５−７４７４７号公報

しかしながら、このような特許文献２及び３に記載の構成の通電方式では、電流は通電ブラシから導電性の主軸を通って工具まで流れる。したがって、浮遊インダクタンスと浮遊容量が大きくなる。そのため、構成の給電システムを被加工物との接触を電気的に検出する測定システムに採用した場合、測定子の先端部位が被加工物に接触したときに浮遊容量が大きいために火花が発生して精密に製作されている測定子を損傷するおそれがある。また、インダクタンスが大きいために検出遅れが生じて高精度に接触位置を検出することができない。

本発明は、主軸を回転させ測定子を回転させながら測定子と被加工物との接触を検出する方式に適する工作機械用の接触検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、ホルダと、ホルダに取り付けられる測定子と、ホルダの本体と測定子とを絶縁する絶縁体と、ホルダの本体と絶縁され測定子に通電する導電性のカラーと、カラーに接触する通電ブラシと、を含んでなる。好ましくは、測定子は、所定の長さの範囲で軸（Ｚ軸）方向に変位するようにホルダに取り付けられる。

また、本発明は、回転する測定子と被加工物とを接触させ測定子と被加工物との接触を電気的に検出する工作機械用の接触検出装置において、自動工具交換装置によって主軸に着脱可能かつ測定子を絶縁して取り付けるホルダと、ホルダの本体と絶縁され測定子に通電する導電性のカラーと、カラーに接触する進退可能な通電ブラシと、を含んでなる。好ましくは、通電ブラシはエアシリンダで進退する。

また、本発明は、ＮＣ工作機械の主軸に測定ヘッドを装着し、前記主軸を回転させた状態で測定ヘッドの接触子と被測定体の被加工物との間に電圧を印加し、両者の相対移動による接離を検知して、被加工物の形状精度や寸法を測定する工作機械用の接触検出装置において、
軸方向先端側に軸状の測定接触子を同軸状に取り付ける穴を有し、後端側に工作機械の主軸への着脱部を有するコレットホルダと、
該コレットホルダの胴部に絶縁性のカラーを介設させると共に先端側に被せて嵌着される漏斗状の導電性の接触子カラーと、
前記コレットホルダの先端側取り付け穴に挿設される測定接触子は、前記取り付け穴に嵌入固設される絶縁性で筒状のスリーブを介して挿設される筒状で導電性の接触子スライダに、後端部に衝撃干渉スプリングを介設させて同軸状に摺動するように、かつ、先端部接触子をスライダ先端から突出させて挿設されて測定ヘッドが形成され、
さらに、前記測定接触子への通電は、前記測定ヘッドが工作機械の主軸に工具交換手段によって取り付けられた状態の主軸の先端側の部位に、絶縁して設けた接触ブラシを取り付けたブラシアームの軸方向進退駆動手段から成り、前記接触ブラシが前記進退により前記接触子カラー外周面摺接接離する構成である。

本発明は、測定子がホルダに絶縁されて取り付けられ、そのホルダの本体と絶縁され測定子に通電する導電性のカラーに通電ブラシを接触させて給電する構成であるから、測定子と主軸とが絶縁される。そのため、被加工物側を絶縁する必要がなく、被加工物の取付けが極めて容易になる。その結果、作業性が向上する効果を有する。また、通電ブラシと測定子までの通電距離が可能な限り短くされるので、浮遊インダクタンスが小さく検出遅れが極めて小さい。その結果、接触位置の検出精度が低下しない。また、主軸側に導通していないので測定子の周辺の浮遊容量が小さくなり、測定子が被加工物に接触して導通したときに火花が発生せず、測定子を傷つけにくくする。

測定子が所定の長さの範囲で軸（Ｚ軸）方向に変位するようにホルダに取り付けられるときは、測定子が被加工物と接触したときに測定子を傷つけにくくする。このとき、測定子と被加工物との接触を電気的に検出しかつ検出遅れが小さくされているから、測定子の変位によって検出遅れが小さいので、測定子の変位による検出精度への影響がない。

また、本発明は、自動工具交換装置によって主軸に着脱可能なホルダに測定子が取り付けられ、絶縁され測定子に通電する導電性のカラーに接触する進退可能な通電ブラシで測定子に給電するので、自動的に位置出し作業を行える。また、回転する測定子に給電できる構成であるから、位置出し時に測定子の方向を考慮する必要がなく短時間に位置出し作業を行える。そして、測定子がホルダに絶縁されて取り付けられ、そのホルダと絶縁され測定子に通電する導電性のカラーに通電ブラシを接触させて給電する構成であるから、測定子と主軸とが絶縁される。そのため、被加工物側を絶縁する必要がなく、被加工物の取付けが極めて容易になる。その結果、作業性と作業効率が向上する効果を有する。

また、測定子と絶縁されたホルダを主軸に装着するので、通電ブラシと測定子までの通電距離が可能な限り短くされ、浮遊インダクタンスが小さく検出遅れが極めて小さい。その結果、接触位置の検出精度が低下しない。また、ホルダと絶縁されたカラーを通して測定子に給電し主軸側に導通していないので測定子の周辺の浮遊容量が小さくなり、測定子が被加工物に接触して導通したときに火花が発生せず、測定子を傷つけにくくする。

図１は、本発明の工作機械用の接触検出装置の接触子を有する測定ヘッド部分と測定ヘッド部分への通電手段とを、主軸先端部分に配置して取り付けた実施例を、一部を断面として示した正面または側面図で、図２の（Ａ）乃至（Ｇ）には前記測定ヘッド部分の構成部品図を、また図３の（Ａ）乃至（Ｅ）には前記通電手段部分の主要構成部品図を夫々示したので、この図１、２、及び３を参照しつつ本発明を説明する。

ＮＣ工作機械の主軸１に接触子２６を測定子として有する測定ヘッド１０を装着し、前記主軸１を所望に回転させた状態で、前記接触子２６と被加工物（図示せず）間に電圧（通常比較的低電圧の交流電圧）を印加し、両者の相対移動（ｘｙ２軸、または、Ｚ軸を加えた３軸に相対移動）させて接離を検出し、被加工物の形状精度や寸法などを測定するものである。

円柱台状の一端、先端側に円錐台状部を有するコレットホルダ２１は、前記先端側に後述する軸状の測定接触子２６を同軸状に取り付ける穴２１Ａを有すると共に、後端側に工作機械のＡＴＣ装置により工具及び測定ヘッド１０を交換取り付ける主軸への着脱機構部を備えている。また、前記コレットホルダ２１の先端側には、後述通電ブラシが摺接して前記回転状態で通電されるように、前記円錐台部に被せて嵌設される漏斗状の導電体から成る接触子カラー２２が設けられるが、コレットホルダ２１を前記接触子カラー２２から絶縁するために、コレットホルダ２１の胴部と接触子カラー２２との隙間には両者を連結固定するように絶縁体のカラー２３が介設されている。

前記測定接触子２６のコレットホルダ２１の穴２１Ａの取り付けは、前記穴２１Ａに絶縁体から成る接触子スリーブ２４を挿入嵌着する一方で、測定接触子２６を導電材から成る筒状の接触子スライダ２５に同軸状で摺接、摺動するように挿入した状態で、前記接触子スリーブ２４の穴２１Ａ底部端にスプリング圧調整ボルト２８を有する衝撃干渉スプリング２７が挿設してある接触子スリーブ２４の穴に挿設し、前記接触子スライダ25の先端から突出している測定接触子２６が被加工物と接触したとき、該接触子２６の軸方向後退による退避と衝撃吸収とを計るものである。

前述の場合、前記接触子スライダ２５は、接触子カラー２２の漏斗状先端直線部において、しっかりと嵌着して相互間の通電を確保しており、また、接触子スライダ２５と測定接触子２６間の通電も、前者内周面に対する後者外周面の摺接状態での軸方向移動により十分に保たれているものである。また、コレットホルダ２１の先端側における接触子カラー２２の絶縁は、絶縁体から成る接触子スリーブ２４の先端が、図示のように、コレットホルダ２１の穴２１Ａの先端縁から所定長さ突出する寸法構成とすることにより確実に保持されるものである。なお、また、接触子スライダ２５及び接触子２６とスプリング２８及び調整ボルト２７を介するコレットホルダ２１間の通電は適宜の絶縁手段により絶縁されていること当然である。

そして、前記測定接触子２６がコレットホルダ２１により工作機械の主軸に工具交換手段によって取り付けられた態様においての接触子カラー２２及び接触子スライダ２５を介しての一方の電源端子からの通電は、主軸１の先端側の部位、例えば、先端側面に、取り付け手段３１を介し、絶縁体３２により絶縁して設けられた軸方向進退手段３３、例えば、エアシリンダ進退手段が設けられ、該進退手段の先端部に、前記接触子カラー２２のテーパ面２２Ａにほぼ並行乃至は微小傾斜して摺接する接触ブラシ３５が、その摺接状態の調整を湾曲変更などにより可能とするブラシアーム３４を介設させて取り付け保持されている。

実施の形態の工作機械用の接触検出装置を用いて位置出しを行なうときは、自動工具交換装置によって工具マガジンに収納されている測定接触子２６を取り付けた位置出し用のコレットホルダ２１を取り出して図示しない着脱手段により主軸１に取り付ける。次に主軸１を、例えば２０００ｍｉｎ^−１で回転させて測定接触子２６を回転させ、テーブルに取付固定された芯振れ測定器で測定接触子２６の振れ幅を測定する。

一度、主軸１の回転を止めてエアシリンダ３３を作動させ、通電ブラシ３５を接触カラー２２の側面、テーパ面２２に摺接するように押し当てる。そして、通電ブラシ３５からカラー２２を通して所定の交流電圧を印加する。このとき、本体２１とカラー２２が絶縁リング２３で絶縁され、接触子２６と本体２１が絶縁スリーブ２４で絶縁されているので、被加工物側を絶縁する必要がなく、また、浮遊容量や浮遊インダクタンスを小さくすることができる。

その後、主軸１を回転させ接触子２６を回転させながら比較的高速（２０ｍｍ／ｍｉｍ）で接触子２６と被加工物とを水平方向に相対移動させて接触させる。接触子２６と被加工物とが接触したことを電圧または電流の変化をみて電気的に検出したら移動を直ちに停止する。その後、接触させた方向と反対の方向に数ｍｍ移動させて戻す。このとき、現在位置を取得して数値制御装置の記憶装置に取り込んでおく。

同様に、主軸１を回転させ測定接触子２６を回転させながら比較的中速（５ｍｍ／ｍｉｎ）で接触子２６と被加工物とを水平方向に移動させて接触させる。そして、接触子２６と被加工物との接触を電気的に検出してその接触位置を記憶装置に記憶させる。また、同様に、主軸１を回転させ接触子２６を回転させながら比較的低速（２ｍｍ／ｍｉｎ）で接触子２６と被加工物とを水平方向に移動させて接触させる。そして、接触子２６と被加工物との接触を電気的に検出してその接触位置データを記憶装置に記憶させる。このようにして取得した接触位置のデータを平均して得られた接触位置のデータに芯振れ測定で得られたオフセットデータを減算して相対位置を決定する。

本発明は、切削機械や研削機械のような工作機械に適用される。本発明は、接触子を回転させながら測定子と被加工物との接触を電気的に検出できるようにして、位置出しなどの時間を短縮し、作業効率を向上させることに役立つ。

本発明の実施の形態の測定ヘッド部分と通電手段との主要な構成を部分的に断面で示す側面図である。 （Ａ）乃至（Ｇ）は、図１の測定ヘッド部分を構成する各部品図。 （Ａ）乃至（Ｅ）は、図１の通電手段部分を構成する主要部品図。

符号の説明

１ 主軸
２１ コレットホルダ
２２ 導電体カラー
２３ 絶縁体カラー
２４ 絶縁体接触子スリーブ
２５ 導電体接触子スライダ
２６ 測定接触子
２７ 衝撃干渉スプリング
２８ スプリング圧調整ボルト
３１ 取付手段
３２ 絶縁体
３３ エアスライダ
３４ ブラシアーム
３５ 通電接触ブラシ

Claims (4)

1. ホルダと、前記ホルダに取り付けられる測定子と、前記ホルダの本体と前記測定子とを絶縁する絶縁体と、前記ホルダの本体と絶縁され前記測定子に通電する導電性のカラーと、前記カラーに接触する通電ブラシと、を含んでなる工作機械用の接触検出装置。
2. 前記測定子は、所定の長さの範囲で主軸方向に変位するように前記ホルダに取り付けられる請求項１に記載の工作機械用の接触検出装置。
3. 回転する測定子と被加工物とを接触させ測定子と被加工物との接触を電気的に検出する工作機械用の接触検出装置において、自動工具交換装置によって主軸に着脱可能かつ前記測定子を絶縁して取り付けルホルダと、前記ホルダの本体と絶縁され測定子に通電する導電性のカラーと、前記カラーに接触する進退可能な通電ブラシと、を含んでなる工作機械用の接触検出装置。
4. ＮＣ工作機械の主軸に測定ヘッドを装着し、前記主軸を回転させた状態で測定ヘッドの接触子と被測定体の被加工物との間に電圧を印加し、両者の相対移動による接離を検知して、被加工物の形状精度や寸法を測定する工作機械用の接触検出装置において、
   軸方向先端側に軸状の測定接触子を同軸状に取り付ける穴を有し、後端側に工作機械の主軸への着脱部を有するコレットホルダと、
   該コレットホルダの胴部に絶縁性のカラーを介設させると共に先端側に被せて嵌着される漏斗状の導電性の接触子カラーと、
   前記コレットホルダの先端側取り付け穴に挿設される測定接触子は、前記取り付け穴に嵌入固設される絶縁性で筒状のスリーブを介して挿設される筒状で導電性の接触子スライダに、後端部に衝撃干渉スプリングを介設させて同軸状に摺動するように、かつ、先端部接触子をスライダ先端から突出させて挿設されて測定ヘッドが形成され、
   さらに、前記測定接触子への通電は、前記測定ヘッドが工作機械の主軸に工具交換手段によって取り付けられた状態の主軸の先端側の部位に、絶縁して設けた接触ブラシを取り付けたブラシアームの軸方向進退駆動手段から成り、前記接触ブラシが前記進退により前記接触子カラー外周面に摺接接離する構成であることを特徴とする工作機械用の接触検出装置。

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