JP4025864B2

JP4025864B2 - Contact detection method and apparatus for machine tool

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Publication number: JP4025864B2
Application number: JP2001026472A
Authority: JP
Inventors: 八洲男山根
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: JP2002233933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械において、工具と被加工物との接触状態を検出する方法および装置は、工具の磨耗や浮き上がり等による基準点変動を補正して加工精度を確保する用途に用いられる。また、加工中の工具の折損検出による自動警報などの用途にも用いられている。さらに、工具と被加工物との接触前の近接状態が検出できれば、空送り時間の短縮により加工能率の向上が可能となる。
【０００３】
このような用途のために、従来、LCタッチセンサと呼ばれる装置が使われている。この技術の一例（以下、「従来例１」と呼ぶ。）は、特公昭 60-8178号公報に開示されており、図７を用いて説明する。図７は工作機械用接触検出装置の従来例１の概略図である。従来例１は、工具Ｔと被加工物Ｗとが接触したときに、工作機械本体０１を通した電気的ループ０２が構成されることを利用したものである。このループ０２の開閉状態は、ループ０２が貫通するリングセンサ０３に流れる電流値の変化に現れるので、抵抗０Ｒの両端電圧の増減で検出される。
従来例１は、ループ０２と、リングセンサ０３の回路とが電気的に絶縁されており、外来電気ノイズによるループ０２の回路全体の電位変化に対しては、リングセンサ０３の検出回路が動作せず、ループ０２内を流れる電流変化のみに基づく検出方式であるために、外来電気ノイズに強く、工具Ｔと被加工物Ｗとの接触の検出の確実性が高い特徴がある。
【０００４】
しかしながら、最近の工作機械には、高速回転による加工能率の向上のため、主軸が空気式軸受けやセラミック製軸受けなどの絶縁性の軸受けで支持されているものがある。そして、この様な絶縁された主軸を持つ工作機械が増大している。図７に図示するタッチセンサは、鋼製軸受けによる主軸と工作機械本体の電気的な導通を前提としているので、絶縁された主軸を持つ上記のような工作機械に適用することができない。
【０００５】
また、絶縁された主軸を持つ機械について、専用の接点式センサを用いた従来の技術として、特開平10-94946号公報に開示された技術がある（従来例２）。この従来例２は、被加工物の基準となる位置の検出が可能である。しかし、加工用の工具の接触検出については適用することができず、また、ブラシの接触抵抗が増大するので、高速回転中の状態には適用することができない。
【０００６】
さらに、工具が回転中で、かつ、軸受けが絶縁性である場合にも、工具と被加工物との接触を検出できる従来の技術（従来例３）が、特開平10-217069 号公報に開示されており、図８を用いて説明する。図８は工作機械用接触検出装置の従来例３の概略図である。従来例３は、交流電源０１１、抵抗器０１２、主軸０１３および給電電極０１４によって、工作機械本体０１６を通した電気的ループを構成し、被加工物Ｗと工具Ｔとの接触によるループ開閉時のインピーダンス変化を抵抗器０１２の両端の電圧値の増減で検出する技術である。この抵抗器０１２の電圧は、電圧検出器０１７が検出している。なお、主軸０１３は軸受け０１８で工作機械本体０１６に対して絶縁されている。また、給電電極０１４は、主軸０１３に対して容量結合している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来例３は、工作機械本体０１６と検出回路（交流電源０１１、抵抗器０１２および給電電極０１４など）が容量結合（コンデンサ結合）されているので、工具Ｔと被加工物Ｗとの接近により容量変化があった場合には、接触検出のみならず、同一回路で接近検出も可能となる利点がある。しかし、前述したように、工作機械の周辺には、多数の電気的ノイズ源があり、工作機械本体０１６の電位は、たとえ確実に接地されていてもノイズの影響をうける。このため、従来例３は、外来ノイズによる誤検出の可能性が大きいという問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、絶縁された主軸を持つ工作機械においても、外来ノイズに影響されることを極力防止して、工具と被加工物との接触を確実に検出できる工作機械用接触検出方法およびその装置を提供することを目的とする。また、工具が回転中の状態であっても、工具と被加工物との接触を確実に検出できる工作機械用接触検出方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続し、前記主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路を構成し、この環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルを配置し、前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに交流電流を流し、前記環状回路に流れる交流電流によって検出コイルに発生した電圧を検出することを特徴とする工作機械用接触検出方法であり、
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出装置において、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続し、前記主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路を構成し、この環状回路が貫通するように励起コイルを配置し、前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに交流電流を流し、前記励起コイルに流れる電流の大きさを検出することを特徴とする工作機械用接触検出方法であり、
前記閉じた状態での前記環状回路における共振周波数の値、および、励起コイルに供給する交流電流の周波数の値を、周辺で発生するノイズの固有周波数の値から避けた値に設定することを特徴とする工作機械用接触検出方法であり、
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出装置において、対向電極が前記主軸に容量結合する様に配置されるとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続され、前記主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路が構成され、この環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルが配置され、前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに交流電流を流す交流電流発生手段が設けられ、かつ、前記環状回路に流れる交流電流によって検出コイルに発生した電圧を検出する電圧検出手段が設けられていることを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記電圧検出手段は、前記交流電流発生手段の発生する交流電流と略同じ周波数の電流を通過させるバンドパスフィルターを介して、電圧を検出することを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出装置において、対向電極が前記主軸に容量結合する様に配置されるとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続され、前記主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路が構成され、この環状回路が貫通するように励起コイルが配置され、前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに交流電流を流す交流電流発生手段が設けられ、かつ、前記励起コイルに流れる電流の大きさを検出する電流検出手段が設けられていることを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記電流検出手段は、前記交流電流発生手段の発生する交流電流と略同じ周波数の電流を通過させるバンドパスフィルターを介して、電流を検出することを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記交流電流発生手段の供給する交流電流の周波数が、閉じた状態での前記環状回路における共振周波数を超え、かつ、その共振周波数の近傍の周波数であることを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記工具が被加工物に接触したと判定するための接触用設定値が設定され、前記検出手段の検出値が接触用設定値に達した場合に、工具が被加工物に接触したと判定する判定手段が設けられていることを特徴とする工作機械用接触検出装置であり、
前記工具が被加工物に近接したと判定するための近接用設定値、および、前記工具が被加工物に接触したと判定するための接触用設定値が設定され、前記検出手段の検出値が近接用設定値に達した場合に、工具が被加工物に近接したと判定し、かつ、前記検出手段の検出値が接触用設定値に達した場合に、工具が被加工物に接触したと判定する判定手段が設けられていることを特徴とする工作機械用接触検出装置である。
【００１０】
【実施の形態】
次に、本発明における工作機械用接触検出方法およびその装置の実施の一形態を図１ないし図６を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の工作機械用接触検出装置の概略図である。図２はリングコイルの説明図で、（ａ）がリングコイルの斜視図、（ｂ）が励起コイルと検出コイルとが兼用される場合のリングコイルへの配線図である。図３は工具と被加工物とのギャップをスイッチとして図示した場合の工作機械用接触検出装置の工具周辺部の等価回路である。図４は工具が被加工物に接触した時の工具周辺部の等価回路である。図５は工具が被加工物に非接触の時の工具周辺部の等価回路である。図６は検出感度のグラフである。
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１において、Ｔは工具、Ｗは被加工物、１は工作機械の本体、２は主軸、３は工作機械本体１のうち主軸２を保持する主軸頭、６は対向電極、７は環状回路用コイル、８は励起コイル、９は検出コイル、１０は発信器、１１は電圧検出手段としての検出回路、１２〜１４は検出回路１１の構成要素であって、１２は増幅器、１３は比較回路、１４は警報回路、１５はNC装置、１６はモータ部、１７は軸受け、Ｆはバンドパスフィルターである。
【００１２】
主軸２は、工作機械本体１の主軸頭３に、軸受け１７で回転可能に支持されている。この軸受け１７は、空気式軸受けやセラミック製軸受けなどの絶縁性の軸受けであり、工作機械本体１と主軸２とは電気的に絶縁されている。また、主軸２は、駆動手段であるモータ部１６で回転駆動される。このモータ部１６はNC装置１５で制御されている。工具Ｔは導電性で、主軸２の先端に取り付けられており、工具Ｔと主軸２とは電気的に導通している。また、主軸頭３が上下動することにより、工具Ｔは被加工物Ｗに対して離接することができる。
対向電極６は、主軸頭３の一部に機械的に保持され、電気的には主軸頭３と絶縁されている。この対向電極６は、たとえばリング状の導電体であって、主軸２の対応する部分の外径よりわずかに大きい内径を持ち、主軸２の外面と対向電極６の内面とが空気コンデンサを構成して容量結合する。対向電極６は、その中心が主軸２の軸心と合致させて保持されており、結合の容量は、主軸２が静止状態でも、また、回転状態でもほぼ一定である。
【００１３】
対向電極６と環状回路用コイル７とは、配線７ａで接続され電気的に導通している。また、環状回路用コイル７と工作機械本体１とは別な配線７ｂで接続されており、対向電極６は環状回路用コイル７を介して工作機械本体１に接続されている。工作機械本体１と被加工物Ｗとは共に導電体なので、機械的接触により電気的に導通している。
【００１４】
前記主軸２、対向電極６、環状回路用コイル７、工作機械本体１、被加工物Ｗおよび工具Ｔなどで、工具Ｔと被加工物Ｗとが接触状態の時に閉じ、工具Ｔと被加工物Ｗとが非接触状態の時に開く環状回路を構成する。
【００１５】
次に、この実施の形態の工作機械用接触検出装置の電気的な等価回路を図３〜５によって説明する。
図３は、工具Ｔと被加工物Ｗとのギャップをスイッチ２０とした、図１の工作機械用接触検出装置の工具周辺部の等価回路である。主軸２と対向電極６との間の空気コンデンサの容量をC1とし、主軸２と主軸頭３とは電気的に絶縁されているが、接近しているので、両者の間の分布容量を合計した値をC2とし、主軸頭３と対向電極６との間の機械的保持部分の容量をC3とし、環状回路用コイル７のインダクタンスをL とするとき、図１の工作機械用接触検出装置の工具周辺部は、図３の回路で表すことができる。なお、スイッチ２０が開いている時の容量（工具Ｔと被加工物Ｗとが離れている時のギャップの容量）はCsとする。
スイッチ２０に並列に容量C1および容量C2が接続され、この容量C2に直列に容量C3が接続されている。そして、容量C1の他端と容量C3の他端とが合流して接続され、これに環状回路用コイル７およびスイッチ２０が順次直列に接続されている。また、容量C2と容量C3との間から分岐して、スイッチ２０に接続されている。
【００１６】
次に、工具Ｔと被加工物Ｗとが接触している時（ギャップであるスイッチ２０が閉）の場合の等価回路を図４に示す。図３でスイッチ２０が閉じ、容量C2の両端がショートされるので、容量C2が無効となる。このときの回路の合成容量CcはCc＝C1＋C3となる。
また、工具Ｔと被加工物Ｗとが非接触時（スイッチ２０が開）の場合の等価回路を図５に示す。なお、工具Ｔと被加工物Ｗとが大きく離れており、容量Csは略０とし無視する。このときの容量C1、容量C2および容量C3による合成容量CoはCo＝C1・C2／（C1＋C2）＋C3となる。
【００１７】
スイッチ２０の開における合成容量Coは、スイッチ２０の閉の合成容量Ccとの比較において、容量C3は共通で、C1＞ C1 ・C2／（C1＋C2）なので、Cc＞Coであり、C1≠０だから、ギャップであるスイッチ２０の開閉の状態に応じて合成容量が異なる。これは、閉状態の合成容量Ccと開状態の合成容量Coとの間の任意の開閉判断用容量Chの値で、ギャップ開閉の状態判別が可能となることになり、設計の自由度が大きい点で好ましい。すなわち、合成容量が開閉判断用容量Chよりも大きい場合には、ギャップが閉じていると判断し、逆に、合成容量が開閉判断用容量Chよりも小さい場合には、ギャップが開いていると判断する。ただし、C1<<C2ならばCo≒C1＋C3となってスイッチ２０の開閉時の合成容量が類似の値となり、開閉の判別が困難となるので好ましくない。すなわち容量C1の値は容量C2に比べて極端に小さくしてはならない条件がある。
【００１８】
図４、５の等価回路は、いずれの場合も、環状回路用コイル７と合成容量（CoまたはCc）とが直列になった環状回路（以下「ループ」という）を構成している。一般にLCR の直列ループのインピーダンスZ は、 Z=R＋ｉ( ωL −１／ωC)であらわされる。ここでＲはコイルや配線の直流抵抗の合計値である。ω＝１／(L・C)^1/2のとき、直列共振が可能であり、このときのループのインピーダンスの絶対値は最小値(R) となる。
ループに加える起電力の角周波数ωを共振角周波数ω＝１／(L・C)^1/2付近としておけば、ループのインピーダンスが小さくなるので、ループを流れる電流が増大して、励起コイル８および検出コイル９によるインピーダンス状態の検出が確実にできる。
【００１９】
実際に適用する角周波数ω0 の選定は、接触状態における合成容量Ccによって、直列共振が起きる角周波数ωc ＝１／(L・Cc)^1/2よりわずかに大きい角周波数としておく。このように角周波数を一定とした場合、図６によって検出感度の状態を説明する。後述するように検出回路の出力電圧は、インピーダンスの大きさに反比例するので、図６の縦軸は検出感度を１／Z²で示している。前述したようにCc＞Coであり、ギャップであるスイッチ２０が開から閉になるにしたがって、ｉ／ωC の絶対値は減少して、インピーダンスが減少するから、回路の検出感度が増大する。さらに、工具Ｔと被加工物Ｗとが接近したとき、等価回路でスイッチ２０の部分に発生する容量結合Csを考えると、図５の（ギャップであるスイッチ２０の開）において、CoとCsは並列結合となるので、Cc＞Co+Cs ＞Coとなり、工具Ｔが離れた状態から、接近・接触の方向に移動があったとき、ループの検出感度が、途中で増減の変化をすることなく、一様に増大することになる。これは、検出側で閾値を設けた検出回路が単調に増加する設定値を使うことができ、回路が簡単になるので好ましい。
【００２０】
次に、励起コイル８および検出コイル９を用いたループのインピーダンス検出について説明する。
励起コイル８は、図２（ａ）で示したような、トロイダルコア２６にコイル巻線２７を施したトロイダルコイルであるリングコイル２８であり、ループの配線７ａが貫通している。励起コイル８の巻線に、交流電流発生手段としての発信器１０から定電流回路による角周波数ω0 の交流電流I1(t) を流した場合、励起コイル８のコアに生じる磁束密度B1(t) は、２πR1・B1(t) ＝μ1 ・N1・I1(t) となり、コア中にΦ1(t)＝ B1(t)・S1＝S1・μ1 ・N1・I1(t) ／２πR1なる磁束が発生する。ここでN1は励起コイル８の巻数、μ1 はコアの透磁率、S1は励起コイル８の断面積、R1はコアの半径、である。
励起コイル８の電流が時間変化する時、励起コイル８を貫通する環状配線には、ｅ1(t)＝−ｄΦ1(t)／ｄｔなる起電力が発生する。
ループのインピーダンスZ は、Z=R ＋ｉ( ωL −１／ωC)であらわされ、ループに流れる電流I7は、I7(t) ＝ｅ1(t)／Z となる。
【００２１】
検出コイル９は、励起コイル８と同様に、図２（ａ）のトロイダルコア２６にコイル巻線２７を施したリングコイル２８であり、ループの配線７ａが貫通している。
ループに流れる電流I7(t) によって、ループの配線７ａの周りの検出コイル９のコアに生じる磁束密度B2(t) は、２πR2・B2(t) ＝μ2 ・I7(t) となり、コイルの磁束Φ2(t)は、Φ2(t)＝B2(t) ・ S2 となる。ここでR2はトロイダルコアの半径、μ2 はコアの透磁率、S2は検出コイル９の断面積である。変化する磁束Φ2(t)によって、検出コイル９の巻線にはV ＝−N2ｄΦ2(t)／ｄt なる電圧が発生する。ここでN2は検出コイル９の巻数である。
これらをまとめて、位相分を除いて検出される信号の大きさ（絶対値）のみを正弦波で考えると、
V ＝N2・Φ2(t) → V(t)＝N2・B2(t) ・S2 → V ＝N2・μ2 ・S2・ｅ1(t)／（Ｚ・２πR2）→ V ＝N1・N2・μ1 ・μ2 ・S1・S2・I1(t) ／（Z ・２πR2・２πR1）
すなわち、励起コイル８の電流I1(t) が一定ならば、ループのインピーダンスZ に反比例した電圧V が検出コイル９に発生することになる。
【００２２】
検出コイル９に発生した電圧V は、バンドパスフィルターＦを介して検出回路１１に入力される。すなわち、検出回路１１の入力側にバンドパスフィルターＦが接続されている。バンドパスフィルターＦは発信器１０の発生する交流電流の周波数と略同じ周波数の電流を通過させ、一方、発信器１０の交流電流の周波数を含む帯域から外れた周波数の電流を阻止する。そして、検出回路１１のうち、増幅器１２で電圧を増幅し、判定手段としての比較器１３であらかじめ設定した接近電圧（すなわち、近接用設定値）、接触電圧（すなわち、接触用設定値）と比較する。なお、接近電圧は接触電圧よりも低く設定されている。そして、検出した電圧が接近電圧よりも低い場合には、離れていると判定する。また、検出した電圧が接近電圧以上で、かつ、接触電圧よりも低い場合には、接近していると判定する。さらに、検出した電圧が接触電圧以上の場合には、接触していると判定する。このそれぞれの大小判定によって接近警報・接触警報の信号を警報回路１４で作成して、NC装置１５に送って工作機の工具Ｔの接近速度や加工指令を制御する。また、工具Ｔの破損などの加工異常の検知や、加工開始時点の検知などを行うことができる。そして、加工開始時点の検知をすることにより、非加工時間を短縮することができる。さらに、外来電気ノイズによるループの回路全体の電位変化に対しては、検出コイル９などの検出回路が動作せず、ループ内を流れる電流変化のみに基づく検出方式であるために、外来電気ノイズに強く、工具Ｔと被加工物Ｗとの接触の検出の確実度が向上する。環状回路用コイル７のインダクタンスL や容量C1，C3などを変更することにより、接触状態におけるループの共振角周波数を選択することができる。したがって、回路定数・電源（発信器）を設定することで、共振周波数を数十KHz から数百KHz の高周波域から、周辺で発生するノイズの固有周波数を避けた周波数を選択することができる。たとえば、１５０KHz を選択することができる。そのため、より外来電気ノイズに強くすることができる。そして、バンドパスフィルターＦが設けられているので、発信器１０の発生する交流電流を含む帯域以外の交流電流は阻止され、外来電気ノイズにさらに強くなる。
【００２３】
次に、励起コイルと検出コイルを兼用する場合のループのインピーダンス検出について説明する。
このときのリングコイルは、前記励起コイル８と同じものを用い、図２（ｂ）にあるように定電圧の交流発信器１０から抵抗Rdを介して励起コイル８の巻線に角周波数ωの電圧E1(t) を供給する。なお、検出コイル９は、励起コイル８と兼用しており、設けられていない。そして、抵抗Rdに流れる電流I1(t) を電圧で検出するように、抵抗Rdの両端に検出回路１１を接続する。この様にして、抵抗Rdと検出回路１１とで電流検出手段が構成されている。励起コイル８に流れる電流I1(t) は、E1(t) と上記の式で発生する起電力V(t)との位相を考慮したI1(t) ＝（E1(t) −V(t)）／Rdで表される。ループのインピーダンスが最小のときは最大のV(t)となる。このときのインピーダンスは、R のみの純抵抗分であり、ループのインピーダンスによる位相の差を生じない。しかし、励起・検出コイル８，９を共用しているので、E1(t) とV(t)との位相が逆となりこのとき最大の電流が流れる。抵抗RdにはI1(t) に比例した電圧が現れるので、検出電圧が最大となる。
【００２４】
ループのインピーダンスの大きさが最小値の２^1/2倍になるとき、位相角は最大値から±45度ずれている。V の絶対値は１／２^1/2となるが、E1(t) とV(t)との位相が逆方向から±45度ずれているので、電流の絶対値は最大値から比べて１／２^1/2よりも低い低下率となる。即ちこの方式では、コイルを別々に設けた場合に比べて容量変化による検出電圧の変化率が小さくなり、検出感度が落ちることになる。しかし、コイルが共用できるので、スペース的に制約がある場合や、十分な検出感度があって装置を小型化したい場合に有効である。
【００２５】
この様にして、励起コイルと検出コイルとを兼用した場合には、抵抗Rdに発生した電圧V は、図１に図示する検出回路１１と同様にして、検出回路１１のうち、増幅器１２で電圧を増幅し、比較器１３であらかじめ設定した接近電圧（すなわち、近接用設定値）、接触電圧（すなわち、接触用設定値）と比較する。それぞれの大小判定によって接近警報・接触警報の信号を警報回路１４で作成して、NC装置１５に送って工作機の工具Ｔの接近速度や加工指令を制御する。なお、抵抗Rdと発信器１０との間や抵抗Rdと検出回路１１との間など（すなわち検出回路１１の入力側）にバンドパスフィルターＦを設けることも可能である。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内で種々の形態を実施することが可能である。
たとえば、（１）主軸２に工具Ｔを取り付ける代わりに、被加工物Ｗを取り付けることも可能である。
（２）工作機械は、切削や研磨など種々の用途に使用可能である。
（３）接触状態におけるループの共振周波数は、適宜選択可能である。ただし、１０KHz から５００KHz が好ましい。
（４）励起コイル８および検出コイル９は、その形式は適宜選択可能であるが、トロイダルコイルであることが好ましい。
（５）発信器１０の周波数は、適宜選択可能であるが、接触状態の環状回路において直列共振を引き起こさせる値に設定する。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明によれば、対向電極を主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械本体に接続し、主軸、対向電極、環状回路用コイル、工作機械本体、被加工物および工具で、前記工具と被加工物とが接触状態の時に閉じ、前記工具と被加工物とが非接触状態の時に開く環状回路を構成し、環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルを配置し、環状回路に誘導起電力を発生すべく励起コイルに交流電流を流しているので、絶縁された主軸を持つ工作機械においても、工具と被加工物との接触を検出することが可能である。また、外来ノイズの影響が少なく、工具と被加工物の接触を確実に検出できる。主軸が回転中の状態であっても、また、静止状態でも、検出可能である。さらに、被加工物と工具の接近時に容量が発生するときは、被加工物と工具との接近も検出可能となる。加工中に検出電圧が低下したときは、工具の折損を検出できる。そして、接触状態における環状回路の共振角周波数を選択することができるので、外来電気ノイズの固有周波数を避けることで、より外来電気ノイズに強くすることができる。また、励起コイルと検出コイルとを兼用している場合には、コイルが共用できるので、部品点数を削減することができるとともに、コンパクトにすることができる。さらに、バンドパスフィルターを設けた場合には、さらに外来電気ノイズに強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の工作機械用接触検出装置の概略図である。
【図２】リングコイルの説明図で、（ａ）がリングコイルの斜視図、（ｂ）が励起コイルと検出コイルとが兼用される場合のリングコイルへの配線図である。
【図３】工具と被加工物とのギャップをスイッチとして図示した場合の工作機械用接触検出装置の工具周辺部の等価回路である。
【図４】工具が被加工物に接触した時の工具周辺部の等価回路である。
【図５】工具が被加工物に非接触の時の工具周辺部の等価回路である。
【図６】検出感度のグラフである。
【図７】工作機械用接触検出装置の従来例１の概略図である。
【図８】工作機械用接触検出装置の従来例３の概略図である。
【符号の説明】
Ｆバンドパスフィルター
Ｔ工具
Ｗ被加工物
１工作機械本体
２主軸
６対向電極
７環状回路用コイル
８励起コイル
９検出コイル
１０発信器（交流電流発生手段）
１１検出回路（電圧検出手段）
１３比較器（判定手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a machine tool contact detection method and apparatus for detecting contact between a tool and a workpiece.
[0002]
[Prior art]
In a machine tool, a method and an apparatus for detecting a contact state between a tool and a workpiece are used for applications in which machining accuracy is ensured by correcting a reference point variation due to wear or lifting of the tool. It is also used for applications such as automatic alarms by detecting tool breakage during machining. Furthermore, if the proximity state before the contact between the tool and the workpiece can be detected, the machining efficiency can be improved by shortening the idle feed time.
[0003]
Conventionally, an apparatus called an LC touch sensor has been used for such applications. An example of this technique (hereinafter referred to as “conventional example 1”) is disclosed in Japanese Patent Publication No. 60-8178 and will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic diagram of Conventional Example 1 of a contact detection device for machine tools. Conventional Example 1 utilizes the fact that an electrical loop 02 is formed through the machine tool body 01 when the tool T and the workpiece W come into contact with each other. Since the open / closed state of the loop 02 appears in a change in the value of the current flowing through the ring sensor 03 penetrating the loop 02, the open / closed state of the loop 02 is detected by an increase / decrease in the voltage across the resistor 0R.
In Conventional Example 1, the loop 02 and the circuit of the ring sensor 03 are electrically insulated, and the detection circuit of the ring sensor 03 is operated in response to a potential change in the entire circuit of the loop 02 due to external electrical noise. In addition, since the detection method is based only on a change in the current flowing in the loop 02, the detection method is strong against external electrical noise and has high reliability in detecting contact between the tool T and the workpiece W.
[0004]
However, some recent machine tools have a main shaft supported by an insulating bearing such as a pneumatic bearing or a ceramic bearing in order to improve machining efficiency by high-speed rotation. And machine tools having such insulated spindles are increasing. The touch sensor shown in FIG. 7 is premised on electrical connection between the main shaft and the machine tool body by a steel bearing, and therefore cannot be applied to the above-described machine tool having an insulated main shaft.
[0005]
As a conventional technique using a dedicated contact sensor for a machine having an insulated main shaft, there is a technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-94946 (Conventional Example 2). This conventional example 2 can detect a position serving as a reference of a workpiece. However, it cannot be applied to contact detection of a machining tool, and it cannot be applied to a state during high-speed rotation because the contact resistance of the brush increases.
[0006]
Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 10-217069 discloses a conventional technique (conventional example 3) that can detect contact between a tool and a workpiece even when the tool is rotating and the bearing is insulative. This will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic diagram of Conventional Example 3 of a contact detection device for machine tools. In the conventional example 3, an electrical loop passing through the machine tool body 016 is constituted by the AC power source 011, the resistor 012, the main shaft 013, and the power supply electrode 014, and when the loop is opened and closed by the contact between the workpiece W and the tool T. This is a technique for detecting an impedance change by increasing or decreasing the voltage value across the resistor 012. The voltage of the resistor 012 is detected by the voltage detector 017. The main shaft 013 is insulated from the machine tool main body 016 by a bearing 018. The feeding electrode 014 is capacitively coupled to the main shaft 013.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in this conventional example 3, since the machine tool main body 016 and the detection circuit (the AC power supply 011, the resistor 012, the feeding electrode 014, etc.) are capacitively coupled (capacitor coupled), the tool T and the workpiece W are When there is a capacity change due to the approach, there is an advantage that not only the contact detection but also the approach detection can be performed by the same circuit. However, as described above, there are a number of electrical noise sources around the machine tool, and the electric potential of the machine tool body 016 is affected by noise even if it is reliably grounded. For this reason, Conventional Example 3 has a problem that there is a high possibility of erroneous detection due to external noise.
[0008]
Therefore, the present invention provides a machine tool contact detection method capable of reliably detecting contact between a tool and a workpiece, and preventing the influence of external noise as much as possible even in a machine tool having an insulated main spindle. An object is to provide an apparatus. It is another object of the present invention to provide a machine tool contact detection method and apparatus capable of reliably detecting contact between a tool and a workpiece even when the tool is rotating.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the problem solving means adopted by the present invention is:
Contact detection for machine tools that detects the contact between the tool and the workpiece in a machine tool that attaches a tool or workpiece to the spindle and drives the spindle to rotate and makes the tool contact the workpiece. In the method, the counter electrode is disposed so as to be capacitively coupled to the main shaft, and is connected to the machine tool main body via an annular circuit coil, and the main shaft, the counter electrode, the annular circuit coil, the machine tool main body, and the workpiece And a tool that forms an annular circuit that closes when the tool and the workpiece are in contact with each other and opens when the tool and the workpiece are not in contact with each other. A coil is arranged, an alternating current is passed through the excitation coil to generate an induced electromotive force in the annular circuit, and a voltage generated in the detection coil is detected by the alternating current flowing through the annular circuit. A machine tool for contact detection method comprising Rukoto,
Contact detection for machine tools that detects the contact between the tool and the workpiece in a machine tool that attaches a tool or workpiece to the spindle and drives the spindle to rotate and makes the tool contact the workpiece. In the apparatus, the counter electrode is disposed so as to be capacitively coupled to the main shaft, and is connected to the machine tool main body via an annular circuit coil, and the main shaft, the counter electrode, the annular circuit coil, the machine tool main body, and the workpiece And a tool that forms an annular circuit that closes when the tool and the workpiece are in contact with each other and opens when the tool and the workpiece are not in contact with each other. A contact detection method for a machine tool, wherein an alternating current is passed through the excitation coil to generate an induced electromotive force in the annular circuit, and the magnitude of the current flowing through the excitation coil is detected. Yes,
The value of the resonance frequency in the annular circuit in the closed state and the value of the frequency of the alternating current supplied to the excitation coil are set to values that are avoided from the value of the natural frequency of noise generated in the vicinity. A contact detection method for machine tools,
Contact detection for machine tools that detects the contact between the tool and the workpiece in a machine tool that attaches a tool or workpiece to the spindle and drives the spindle to rotate and makes the tool contact the workpiece. In the apparatus, the counter electrode is disposed so as to be capacitively coupled to the main shaft, and is connected to the machine tool main body via an annular circuit coil, and the main shaft, the counter electrode, the annular circuit coil, the machine tool main body, and the workpiece An annular circuit is formed by an object and a tool that is closed when the tool and the workpiece are in contact with each other and opened when the tool and the workpiece are not in contact with each other. The detection coil is disposed, AC current generating means for supplying an AC current to the excitation coil is provided to generate an induced electromotive force in the annular circuit, and an AC current flowing in the annular circuit is provided. Voltage detecting means for detecting a voltage generated in the detection coil by a machine tool contact detecting apparatus characterized by is provided,
The voltage detection means is a contact detection device for a machine tool that detects a voltage through a band-pass filter that passes current having substantially the same frequency as the alternating current generated by the alternating current generation means,
Contact detection for machine tools that detects the contact between the tool and the workpiece in a machine tool that attaches a tool or workpiece to the spindle and drives the spindle to rotate and makes the tool contact the workpiece. In the apparatus, the counter electrode is disposed so as to be capacitively coupled to the main shaft, and is connected to the machine tool main body via an annular circuit coil, and the main shaft, the counter electrode, the annular circuit coil, the machine tool main body, and the workpiece An annular circuit is formed by an object and a tool that closes when the tool and the workpiece are in contact with each other and opens when the tool and the workpiece are not in contact with each other. And an AC current generating means for supplying an AC current to the excitation coil so as to generate an induced electromotive force in the annular circuit, and detecting the magnitude of the current flowing to the excitation coil. A machine tool contact detecting apparatus characterized by current detecting means is provided,
The current detection means is a contact detection device for a machine tool that detects current through a band-pass filter that passes current having substantially the same frequency as the alternating current generated by the alternating current generation means,
The contact detection device for a machine tool, wherein the frequency of the alternating current supplied by the alternating current generating means exceeds the resonance frequency in the annular circuit in the closed state and is in the vicinity of the resonance frequency. And
A contact set value for determining that the tool has contacted the workpiece is set, and when the detection value of the detection means reaches the contact set value, it is determined that the tool has contacted the workpiece. A contact detection device for machine tools, characterized in that a determination means is provided,
A proximity setting value for determining that the tool has approached the workpiece and a contact setting value for determining that the tool has contacted the workpiece are set, and the detection value of the detection means is When the set value for proximity is reached, it is determined that the tool has approached the workpiece, and the tool has contacted the workpiece when the detection value of the detection means has reached the set value for contact. A contact detection device for machine tools, characterized in that determination means for determining is provided.
[0010]
[Embodiment]
Next, an embodiment of a machine tool contact detection method and apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram of a machine tool contact detection apparatus according to an embodiment of the present invention. 2A and 2B are explanatory diagrams of the ring coil. FIG. 2A is a perspective view of the ring coil, and FIG. 2B is a wiring diagram for the ring coil when the excitation coil and the detection coil are used in common. FIG. 3 is an equivalent circuit of the tool peripheral portion of the machine tool contact detection device when the gap between the tool and the workpiece is illustrated as a switch. FIG. 4 is an equivalent circuit around the tool when the tool contacts the workpiece. FIG. 5 is an equivalent circuit around the tool when the tool is not in contact with the workpiece. FIG. 6 is a graph of detection sensitivity.
[0011]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, T is a tool, W is a workpiece, 1 is a main body of a machine tool, 2 is a main spindle, 3 is a main spindle head that holds the main spindle 2 of the machine tool main body 1, 6 is a counter electrode, and 7 is an annular circuit. Coil, 8 is an excitation coil, 9 is a detection coil, 10 is a transmitter, 11 is a detection circuit as voltage detection means, 12 to 14 are components of the detection circuit 11, 12 is an amplifier, 13 is a comparison circuit , 14 is an alarm circuit, 15 is an NC device, 16 is a motor unit, 17 is a bearing, and F is a band-pass filter.
[0012]
The main shaft 2 is rotatably supported by a bearing 17 on the main shaft head 3 of the machine tool main body 1. The bearing 17 is an insulating bearing such as a pneumatic bearing or a ceramic bearing, and the machine tool body 1 and the main shaft 2 are electrically insulated. The main shaft 2 is rotationally driven by a motor unit 16 that is a driving means. The motor unit 16 is controlled by the NC device 15. The tool T is conductive and is attached to the tip of the main shaft 2, and the tool T and the main shaft 2 are electrically connected. In addition, the tool T can be moved away from the workpiece W by moving the spindle head 3 up and down.
The counter electrode 6 is mechanically held by a part of the spindle head 3 and is electrically insulated from the spindle head 3. The counter electrode 6 is, for example, a ring-shaped conductor, and has an inner diameter slightly larger than the outer diameter of the corresponding portion of the main shaft 2. The outer surface of the main shaft 2 and the inner surface of the counter electrode 6 constitute an air capacitor. And capacitively couple. The counter electrode 6 is held with its center aligned with the axis of the main shaft 2, and the coupling capacity is substantially constant even when the main shaft 2 is stationary or rotating.
[0013]
The counter electrode 6 and the annular circuit coil 7 are connected by a wiring 7a and are electrically connected. Further, the annular circuit coil 7 and the machine tool body 1 are connected by a separate wire 7 b, and the counter electrode 6 is connected to the machine tool body 1 via the annular circuit coil 7. Since the machine tool body 1 and the workpiece W are both conductors, they are electrically connected by mechanical contact.
[0014]
The main shaft 2, the counter electrode 6, the annular circuit coil 7, the machine tool main body 1, the workpiece W and the tool T are closed when the tool T and the workpiece W are in contact with each other. An annular circuit that opens when W is in a non-contact state is formed.
[0015]
Next, an electrical equivalent circuit of the machine tool contact detection device of this embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is an equivalent circuit of the tool peripheral portion of the machine tool contact detection apparatus of FIG. 1, in which the gap between the tool T and the workpiece W is the switch 20. The capacity of the air capacitor between the main shaft 2 and the counter electrode 6 is C1, and the main shaft 2 and the main shaft head 3 are electrically insulated, but since they are close to each other, the distributed capacities between them are totaled. When the value is C2, the capacity of the mechanical holding portion between the spindle head 3 and the counter electrode 6 is C3, and the inductance of the annular circuit coil 7 is L, the tool of the contact detection device for machine tools in FIG. The peripheral portion can be represented by the circuit of FIG. Note that the capacity when the switch 20 is open (the capacity of the gap when the tool T and the workpiece W are separated) is Cs.
A capacitor C1 and a capacitor C2 are connected in parallel to the switch 20, and a capacitor C3 is connected in series to the capacitor C2. The other end of the capacitor C1 and the other end of the capacitor C3 are joined together and connected, and the annular circuit coil 7 and the switch 20 are sequentially connected in series. Further, it branches from between the capacitors C2 and C3 and is connected to the switch 20.
[0016]
Next, FIG. 4 shows an equivalent circuit when the tool T and the workpiece W are in contact with each other (the switch 20 that is a gap is closed). In FIG. 3, since the switch 20 is closed and both ends of the capacitor C2 are short-circuited, the capacitor C2 becomes invalid. The combined capacitance Cc of the circuit at this time is Cc = C1 + C3.
FIG. 5 shows an equivalent circuit when the tool T and the workpiece W are not in contact with each other (the switch 20 is open). Note that the tool T and the workpiece W are greatly separated from each other, and the capacity Cs is substantially zero and ignored. At this time, the combined capacitance Co by the capacitors C1, C2, and C3 is Co = C1 · C2 / (C1 + C2) + C3.
[0017]
The combined capacitance Co when the switch 20 is open is the same as the combined capacitance Cc when the switch 20 is closed. Since C1> C1 · C2 / (C1 + C2), Cc> Co and C1 ≠ 0. The combined capacity varies depending on the open / close state of the switch 20 that is a gap. This is an arbitrary open / close determination capacitance Ch between the closed-state composite capacitance Cc and the open-state composite capacitance Co, and it becomes possible to determine the open / close state of the gap, thus providing a high degree of design freedom. This is preferable. That is, when the combined capacity is larger than the opening / closing determination capacity Ch, it is determined that the gap is closed. Conversely, when the combined capacity is smaller than the opening / closing determination capacity Ch, the gap is open. to decide. However, C1 < If <C2, Co≈C1 + C3, and the combined capacity when the switch 20 is opened and closed becomes a similar value, which makes it difficult to determine whether the switch is open or closed. That is, there is a condition that the value of the capacitor C1 should not be extremely small compared to the capacitor C2.
[0018]
4 and 5 constitutes an annular circuit (hereinafter referred to as “loop”) in which the annular circuit coil 7 and the combined capacitance (Co or Cc) are connected in series. In general, the impedance Z of the LCR series loop is expressed as Z = R + i (ωL−1 / ωC). Here, R is the total value of the DC resistance of the coil and wiring. ω = 1 / (L ・ C) ^1/2 In this case, series resonance is possible, and the absolute value of the impedance of the loop at this time becomes the minimum value (R).
The angular frequency ω of the electromotive force applied to the loop is the resonance angular frequency ω = 1 / (L · C) ^1/2 If it is in the vicinity, the impedance of the loop becomes small, so that the current flowing through the loop increases, and the excitation coil 8 and the detection coil 9 can reliably detect the impedance state.
[0019]
The actual selection of the angular frequency ω0 is the angular frequency ωc at which series resonance occurs due to the combined capacitance Cc in the contact state = 1 / (L · Cc) ^1/2 A slightly larger angular frequency is set. When the angular frequency is thus constant, the state of detection sensitivity will be described with reference to FIG. As will be described later, since the output voltage of the detection circuit is inversely proportional to the magnitude of the impedance, the vertical axis in FIG. ² Is shown. As described above, Cc> Co, and as the switch 20 that is the gap is closed from the open state, the absolute value of i / ωC decreases and the impedance decreases, so that the detection sensitivity of the circuit increases. Further, considering the capacitive coupling Cs generated in the switch 20 portion in the equivalent circuit when the tool T and the workpiece W approach each other, Co and Cs in FIG. 5 (opening of the switch 20 as a gap) are as follows. Since it is a parallel connection, Cc> Co + Cs> Co, and when the tool T moves away from the state in the approach / contact direction, the loop detection sensitivity does not change in the middle. Will increase uniformly. This is preferable because a detection value provided with a threshold value on the detection side can use a setting value that monotonously increases, and the circuit becomes simple.
[0020]
Next, loop impedance detection using the excitation coil 8 and the detection coil 9 will be described.
The excitation coil 8 is a ring coil 28 which is a toroidal coil in which a coil winding 27 is applied to a toroidal core 26 as shown in FIG. 2A, and a loop wiring 7a passes therethrough. When an alternating current I1 (t) having an angular frequency ω0 by a constant current circuit is passed through the winding of the excitation coil 8 from the transmitter 10 as an alternating current generating means, the magnetic flux density B1 (t) generated in the core of the excitation coil 8 Is 2πR1 ・ B1 (t) = μ1 ・ N1 ・ I1 (t), and a magnetic flux of Φ1 (t) = B1 (t) ・ S1 = S1 ・ μ1 ・ N1 ・ I1 (t) / 2πR1 is generated in the core To do. Here, N1 is the number of turns of the excitation coil 8, μ1 is the permeability of the core, S1 is the cross-sectional area of the excitation coil 8, and R1 is the radius of the core.
When the current of the excitation coil 8 changes with time, an electromotive force of e1 (t) = − dΦ1 (t) / dt is generated in the annular wiring passing through the excitation coil 8.
The impedance Z of the loop is expressed as Z = R + i (ωL−1 / ωC), and the current I7 flowing through the loop is I7 (t) = e1 (t) / Z.
[0021]
Similarly to the excitation coil 8, the detection coil 9 is a ring coil 28 obtained by applying a coil winding 27 to the toroidal core 26 of FIG. 2A, and the loop wiring 7a passes therethrough.
The magnetic flux density B2 (t) generated in the core of the detection coil 9 around the wire 7a of the loop due to the current I7 (t) flowing in the loop is 2πR2 · B2 (t) = μ2 · I7 (t), and the magnetic flux of the coil Φ2 (t) becomes Φ2 (t) = B2 (t) · S2. Here, R2 is the radius of the toroidal core, μ2 is the magnetic permeability of the core, and S2 is the cross-sectional area of the detection coil 9. Due to the changing magnetic flux Φ2 (t), a voltage V = −N2dΦ2 (t) / dt is generated in the winding of the detection coil 9. Here, N2 is the number of turns of the detection coil 9.
When these are put together and only the magnitude (absolute value) of the signal detected without the phase component is considered as a sine wave,
V = N2 · Φ2 (t) → V (t) = N2 · B2 (t) · S2 → V = N2 · µ2 · S2 · e1 (t) / (Z · 2πR2) → V = N1 · N2 · µ1 · μ2 ・ S1 ・ S2 ・ I1 (t) / (Z ・ 2πR2 ・ 2πR1)
That is, if the current I1 (t) of the excitation coil 8 is constant, the voltage V inversely proportional to the loop impedance Z is generated in the detection coil 9.
[0022]
The voltage V generated in the detection coil 9 is input to the detection circuit 11 via the band pass filter F. That is, the band pass filter F is connected to the input side of the detection circuit 11. The band pass filter F allows a current having a frequency substantially the same as the frequency of the alternating current generated by the transmitter 10 to pass therethrough, while blocking a current having a frequency outside the band including the frequency of the alternating current of the transmitter 10. In the detection circuit 11, the voltage is amplified by the amplifier 12 and compared with the approach voltage (that is, the set value for proximity) and the contact voltage (that is, the set value for contact) set in advance by the comparator 13 as a determination unit. To do. Note that the approach voltage is set lower than the contact voltage. And when the detected voltage is lower than an approach voltage, it determines with having separated. If the detected voltage is equal to or higher than the approach voltage and lower than the contact voltage, it is determined that the vehicle is approaching. Further, when the detected voltage is equal to or higher than the contact voltage, it is determined that the contact is made. Based on the respective size determinations, an approach alarm / contact alarm signal is created by the alarm circuit 14 and sent to the NC device 15 to control the approach speed of the tool T of the machine tool and the machining command. In addition, it is possible to detect a processing abnormality such as breakage of the tool T, or to detect a processing start time. And the non-processing time can be shortened by detecting the processing start time. Furthermore, since the detection circuit such as the detection coil 9 does not operate with respect to the potential change in the entire circuit of the loop due to the external electric noise, the detection method is based only on the change of the current flowing in the loop. Strongly, the certainty of detection of contact between the tool T and the workpiece W is improved. The resonance angular frequency of the loop in the contact state can be selected by changing the inductance L and the capacitances C1 and C3 of the annular circuit coil 7. Therefore, by setting the circuit constant and power supply (transmitter), it is possible to select a frequency that avoids the natural frequency of noise generated in the vicinity from a high frequency range of several tens KHz to several hundred KHz. For example, 150 KHz can be selected. Therefore, it can be made more resistant to external electric noise. And since the band pass filter F is provided, the alternating currents other than the band including the alternating current generated by the transmitter 10 are blocked, and it becomes stronger against the external electric noise.
[0023]
Next, loop impedance detection when the excitation coil and the detection coil are used together will be described.
The ring coil at this time is the same as that of the excitation coil 8, and an angular frequency ω is applied to the winding of the excitation coil 8 from the constant voltage AC transmitter 10 via the resistor Rd as shown in FIG. Supply voltage E1 (t). The detection coil 9 is also used as the excitation coil 8 and is not provided. The detection circuit 11 is connected to both ends of the resistor Rd so that the current I1 (t) flowing through the resistor Rd is detected by voltage. In this way, the resistor Rd and the detection circuit 11 constitute current detection means. The current I1 (t) flowing through the excitation coil 8 is I1 (t) = (E1 (t) −V (t) considering the phase between E1 (t) and the electromotive force V (t) generated by the above equation. ) / Rd. When the loop impedance is minimum, the maximum V (t) is obtained. The impedance at this time is a pure resistance component of R only and does not cause a phase difference due to the impedance of the loop. However, since the excitation / detection coils 8 and 9 are shared, the phases of E1 (t) and V (t) are reversed and a maximum current flows at this time. Since a voltage proportional to I1 (t) appears in the resistor Rd, the detection voltage becomes maximum.
[0024]
The minimum loop impedance is 2. ^1/2 When doubling, the phase angle deviates ± 45 degrees from the maximum value. The absolute value of V is 1/2 ^1/2 However, since the phase of E1 (t) and V (t) is shifted ± 45 degrees from the opposite direction, the absolute value of the current is 1/2 of the maximum value. ^1/2 Lower than that. That is, in this method, the change rate of the detection voltage due to the capacitance change becomes smaller than in the case where the coils are separately provided, and the detection sensitivity is lowered. However, since the coil can be shared, it is effective when space is limited, or when there is sufficient detection sensitivity and it is desired to downsize the apparatus.
[0025]
When the excitation coil and the detection coil are used in this way, the voltage V generated in the resistor Rd is the voltage of the amplifier 12 in the detection circuit 11 in the same manner as the detection circuit 11 shown in FIG. Is compared with an approach voltage (that is, a set value for proximity) and a contact voltage (that is, a set value for contact) set in advance by the comparator 13. An approach warning / contact warning signal is created by the warning circuit 14 according to each size determination and sent to the NC device 15 to control the approach speed and machining command of the tool T of the machine tool. It is also possible to provide a band pass filter F between the resistor Rd and the transmitter 10 or between the resistor Rd and the detection circuit 11 (that is, the input side of the detection circuit 11).
[0026]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, it is possible to implement various forms within the range of the meaning of this invention.
For example, (1) Instead of attaching the tool T to the main spindle 2, it is also possible to attach the workpiece W.
(2) The machine tool can be used for various applications such as cutting and polishing.
(3) The resonance frequency of the loop in the contact state can be selected as appropriate. However, 10 KHz to 500 KHz is preferable.
(4) The excitation coil 8 and the detection coil 9 can be selected as appropriate, but are preferably toroidal coils.
(5) The frequency of the transmitter 10 can be selected as appropriate, but is set to a value that causes series resonance in the annular circuit in the contact state.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the counter electrode is disposed so as to be capacitively coupled to the main shaft, and is connected to the machine tool main body via the ring circuit coil, so that the main shaft, the counter electrode, the ring circuit coil, the machine tool is connected. The machine body, workpiece and tool constitute an annular circuit that closes when the tool and workpiece are in contact and opens when the tool and workpiece are not in contact, so that the annular circuit penetrates An excitation coil and a detection coil are arranged in the circuit, and an alternating current is passed through the excitation coil to generate an induced electromotive force in the annular circuit. Therefore, even in a machine tool having an insulated main shaft, contact between the tool and the workpiece Can be detected. Further, the influence of external noise is small, and the contact between the tool and the workpiece can be reliably detected. It can be detected even when the spindle is rotating or at rest. Further, when a capacity is generated when the workpiece and the tool are approached, the approach between the workpiece and the tool can also be detected. When the detection voltage drops during machining, tool breakage can be detected. Since the resonance angular frequency of the annular circuit in the contact state can be selected, the external electrical noise can be made stronger by avoiding the natural frequency of the external electrical noise. Further, when the excitation coil and the detection coil are used in common, the coil can be shared, so that the number of parts can be reduced and the size can be reduced. Furthermore, when a band-pass filter is provided, it can be made stronger against external electrical noise.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a machine tool contact detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are explanatory diagrams of the ring coil, in which FIG. 2A is a perspective view of the ring coil, and FIG. 2B is a wiring diagram for the ring coil when the excitation coil and the detection coil are used in common.
FIG. 3 is an equivalent circuit of a tool peripheral portion of a machine tool contact detection device when a gap between a tool and a workpiece is illustrated as a switch.
FIG. 4 is an equivalent circuit around the tool when the tool contacts the workpiece.
FIG. 5 is an equivalent circuit around the tool when the tool is not in contact with the workpiece.
FIG. 6 is a graph of detection sensitivity.
FIG. 7 is a schematic view of Conventional Example 1 of a contact detection device for a machine tool.
FIG. 8 is a schematic view of Conventional Example 3 of a contact detection device for machine tools.
[Explanation of symbols]
F Band pass filter
T tool
W Workpiece
1 Machine tool body
2 Spindle
6 Counter electrode
7 Coil for annular circuit
8 Excitation coil
9 Detection coil
10 Transmitter (AC current generating means)
11 Detection circuit (voltage detection means)
13 comparator (determination means)

Claims

工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、
この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、
前記主軸を主軸頭に電気的に絶縁して回転可能に支持し、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械に接続し、
前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサ、前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサ、主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサ、環状回路用コイル、工作機械本体および前記主軸の先端に設けられ前記工具と被加工物とが非接触のときオフし、接触するとオンするスイッチで環状回路を構成し、
この環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルを配置し、
前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた周波数の交流電流を流し、
前記工具と被加工物との非接触状態では環状回路の合成容量は前記第１、第２及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態では前記スイッチが閉じることにより第２のコンデンサを短絡し環状回路の合成容量を第１及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態での前記合成容量値が前記工具と被加工物との非接触状態での容量値に比して十分に大となるようにし、
前記工具と被加工物が接触した状態での前記第１及び第３のコンデンサおよび環状回路用コイルで構成する前記環状回路の共振周波数の値を前記周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた前記交流電流の周波数の値に同じにし、
前記工具と被加工物とが接近するとき、検出コイルに検出感度が途中で増減することなく、一様に増大する電圧を発生させ、前記工具と被加工物が接触したとき、検出コイルに発生した電圧が予め定めた接触用設定値を急峻に超えるようにしたことを特徴とする工作機械用接触検出方法。Attach a tool or workpiece to the spindle,
In the contact detection method for a machine tool that detects the contact between the tool and the workpiece in a machine tool that drives the spindle to rotate and processes the tool in contact with the workpiece.
The spindle is electrically insulated from the spindle head and rotatably supported, and the counter electrode is disposed so as to be capacitively coupled to the spindle, and connected to the machine tool via an annular circuit coil,
A first capacitor formed between the counter electrode and the main shaft, a second capacitor formed between the main shaft and the main shaft head, a third capacitor formed between the main shaft head and the counter electrode, an annular circuit coil, A ring circuit is configured with a switch that is provided at the tip of the machine tool main body and the spindle and is turned off when the tool and the workpiece are not in contact with each other, and turned on when contacted ,
Place the excitation coil and the detection coil so that this annular circuit penetrates,
In order to generate an induced electromotive force in the annular circuit, an alternating current having a frequency of the natural frequency of the noise generated in the vicinity of the excitation coil and an avoided frequency is passed,
In the non-contact state between the tool and the workpiece, the combined capacity of the annular circuit is a combined capacitance value by the first, second and third capacitors, and the switch is closed in the contact state between the tool and the workpiece. Thus, the second capacitor is short-circuited, and the combined capacity of the annular circuit is set to the combined capacity value of the first and third capacitors, and the combined capacity value in the contact state between the tool and the workpiece is the tool and the workpiece. To be sufficiently larger than the capacity value in a non-contact state with an object,
The resonance frequency value of the annular circuit formed by the first and third capacitors and the coil for the annular circuit in a state where the tool and the workpiece are in contact with each other and the natural frequency value of noise generated in the periphery are avoided. And the same frequency value as the alternating current ,
When the tool approaches the workpiece, the detection coil generates a voltage that increases uniformly without increasing or decreasing the detection sensitivity in the middle, and when the tool contacts the workpiece, the detection coil generates A contact detection method for machine tools, characterized in that the applied voltage steeply exceeds a predetermined set value for contact.

工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、
この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、
前記主軸を主軸頭に電気的に絶縁して回転可能に支持し、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械に接続し、
前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサ、前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサ、主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサ、環状回路用コイル、工作機械本体および前記主軸の先端に設けられ前記工具と被加工物とが非接触のときオフし、接触するとオンするスイッチで環状回路を構成し、
この環状回路が貫通するように励起コイルを配置し、
前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた周波数の交流電流を流し、
前記工具と被加工物との非接触状態では環状回路の合成容量は前記第１、第２及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態では前記スイッチが閉じることにより第２のコンデンサを短絡し環状回路の合成容量を第１及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態での前記合成容量値が前記工具と被加工物との非接触状態での容量値に比して十分に大となるようにし、
前記工具と被加工物が非接触した状態での前記第１及び第３のコンデンサおよび環状回路用コイルで構成する前記環状回路の共振周波数の値を前記周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた前記交流電流の周波数の値に同じにし、
前記工具と被加工物とが接近するとき、励起コイルに検出感度が途中で増減することなく、一様に増大する電圧を発生させ、前記工具と被加工物が接触したとき、検出コイルに発生した電圧が予め定めた接触用設定値を急峻に超えるようにしたことを特徴とする工作機械用接触検出方法。Attach a tool or workpiece to the spindle,
In the contact detection method for a machine tool that detects the contact between the tool and the workpiece in a machine tool that drives the spindle to rotate and processes the tool in contact with the workpiece.
The spindle is electrically insulated from the spindle head and rotatably supported, and the counter electrode is disposed so as to be capacitively coupled to the spindle, and connected to the machine tool via an annular circuit coil,
A first capacitor formed between the counter electrode and the main shaft, a second capacitor formed between the main shaft and the main shaft head, a third capacitor formed between the main shaft head and the counter electrode, an annular circuit coil, A ring circuit is configured with a switch that is provided at the tip of the machine tool main body and the spindle and is turned off when the tool and the workpiece are not in contact with each other, and turned on when contacted ,
Place the excitation coil so that this circular circuit penetrates,
In order to generate an induced electromotive force in the annular circuit, an alternating current having a frequency of the natural frequency of the noise generated in the vicinity of the excitation coil and an avoided frequency is passed,
In the non-contact state between the tool and the workpiece, the combined capacity of the annular circuit is a combined capacitance value by the first, second and third capacitors, and the switch is closed in the contact state between the tool and the workpiece. Thus, the second capacitor is short-circuited, and the combined capacity of the annular circuit is set to the combined capacity value of the first and third capacitors, and the combined capacity value in the contact state between the tool and the workpiece is the tool and the workpiece. To be sufficiently larger than the capacity value in a non-contact state with an object,
The resonance frequency value of the annular circuit formed by the first and third capacitors and the annular circuit coil in a state where the tool and the workpiece are not in contact with each other is a natural frequency value of noise generated in the periphery. The same frequency value of the alternating current that was avoided ,
When the tool and the workpiece are approaching, the excitation coil generates a voltage that increases uniformly without increasing or decreasing the detection sensitivity in the middle, and when the tool and the workpiece are in contact, generated in the detection coil A contact detection method for machine tools, characterized in that the applied voltage steeply exceeds a predetermined set value for contact.

前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサと前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサを並列に接続し、第２のコンデンサに主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサを直列に接続し、前記第１のコンデンサの他端と第３のコンデンサの他端に環状回路用コイルを接続することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の工作機械用接触検出方法。 A first capacitor formed between the counter electrode and the spindle and a second capacitor formed between the spindle and the spindle head are connected in parallel, and the second capacitor is formed between the spindle head and the counter electrode. 3. A machine tool according to claim 1, wherein a third capacitor is connected in series, and an annular circuit coil is connected to the other end of the first capacitor and the other end of the third capacitor. 4. Contact detection method for machinery.

工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、
この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、
前記主軸を主軸頭に電気的に絶縁して回転可能に支持し、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械に接続し、
前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサ、前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサ、主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサ、環状回路用コイル、工作機械本体および前記主軸の先端に設けられ前記工具と被加工物とが非接触のときオフし、接触するとオンするスイッチで環状回路を構成し、
この環状回路が貫通するように励起コイルおよび検出コイルを配置し、
前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた周波数の交流電流を流し、
前記工具と被加工物との非接触状態では環状回路の合成容量は前記第１、第２及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態では前記スイッチが閉じることにより第２のコンデンサを短絡し環状回路の合成容量を第１及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態での前記合成容量値が前記工具と被加工物との非接触状態での容量値に比して十分に大となるようにし、
前記工具と被加工物が接触した状態での前記第１及び第３のコンデンサおよび環状回路用コイルで構成する前記環状回路の共振周波数の値を前記周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた前記交流電流の周波数の値に同じにし、
前記工具と被加工物とが接近するとき、前記検出コイルに検出感度が途中で増減することなく、一様に増大する電圧を発生させ、
前記工具と被加工物が接触したとき前記検出コイルに発生した電圧が予め定めた接触用設定値を急峻に超えるように検出する電圧検出手段が設けられたことを特徴とする工作機械用接触検出装置。Attach a tool or workpiece to the spindle,
In the contact detection method for a machine tool that detects the contact between the tool and the workpiece in a machine tool that drives the spindle to rotate and processes the tool in contact with the workpiece.
The spindle is electrically insulated from the spindle head and rotatably supported, and the counter electrode is disposed so as to be capacitively coupled to the spindle, and connected to the machine tool via an annular circuit coil,
A first capacitor formed between the counter electrode and the main shaft, a second capacitor formed between the main shaft and the main shaft head, a third capacitor formed between the main shaft head and the counter electrode, an annular circuit coil, A ring circuit is configured with a switch that is provided at the tip of the machine tool main body and the spindle and is turned off when the tool and the workpiece are not in contact with each other, and turned on when contacted ,
Place the excitation coil and the detection coil so that this annular circuit penetrates,
In order to generate an induced electromotive force in the annular circuit, an alternating current having a frequency of the natural frequency of the noise generated in the vicinity of the excitation coil and an avoided frequency is passed,
In the non-contact state between the tool and the workpiece, the combined capacity of the annular circuit is a combined capacitance value by the first, second and third capacitors, and the switch is closed in the contact state between the tool and the workpiece. Thus, the second capacitor is short-circuited, and the combined capacity of the annular circuit is set to the combined capacity value of the first and third capacitors, and the combined capacity value in the contact state between the tool and the workpiece is the tool and the workpiece. To be sufficiently larger than the capacity value in a non-contact state with an object,
The resonance frequency value of the annular circuit formed by the first and third capacitors and the coil for the annular circuit in a state where the tool and the workpiece are in contact with each other and the natural frequency value of noise generated in the periphery are avoided. And the same frequency value as the alternating current ,
When the tool and the work piece approach, the detection sensitivity is not increased or decreased in the middle of the detection coil, and a voltage that increases uniformly is generated.
Contact detection for machine tools, characterized in that voltage detection means is provided for detecting that the voltage generated in the detection coil steeply exceeds a predetermined set value for contact when the tool and workpiece are in contact with each other. apparatus.

前記電圧検出手段は、前記交流電流発生手段の発生する交流電流と略同じ周波数の電流を通過させるバンドパスフィルターを介して、電圧を検出することを特徴とする請求項４に記載の工作機械用接触検出装置。 5. The machine tool according to claim 4, wherein the voltage detection unit detects a voltage through a band-pass filter that allows a current having substantially the same frequency as the AC current generated by the AC current generation unit to pass therethrough. Contact detection device.

工具あるいは被加工物を主軸に取り付け、
この主軸を回転駆動するとともに、前記工具を被加工物に接触させて加工する工作機械における前記工具と被加工物との接触を検出する工作機械用接触検出方法において、
前記主軸を主軸頭に電気的に絶縁して回転可能に支持し、対向電極を前記主軸に容量結合する様に配置するとともに、環状回路用コイルを介して工作機械に接続し、
前記対向電極と主軸間に形成された第１のコンデンサ、前記主軸と主軸頭間に形成された第２のコンデンサ、主軸頭と対向電極間に形成された第３のコンデンサ、環状回路用コイル、工作機械本体および前記主軸の先端に設けられ前記工具と被加工物とが非接触のときオフし、接触するとオンするスイッチで環状回路を構成し、
この環状回路が貫通するように励起コイルを配置し、
前記環状回路に誘導起電力を発生すべく前記励起コイルに周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた周波数の交流電流を流し、
前記工具と被加工物との非接触状態では環状回路の合成容量は前記第１、第２及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態では前記スイッチが閉じることにより第２のコンデンサを短絡し環状回路の合成容量を第１及び第３のコンデンサによる合成容量値とし、前記工具と被加工物との接触状態での前記合成容量値が前記工具と被加工物との非接触状態での容量値に比して十分に大となるようにし、
前記工具と被加工物が接触した状態での前記第１及び第３のコンデンサおよび環状回路用コイルで構成する前記環状回路の共振周波数の値を前記周辺で発生するノイズの固有周波数の値と避けた前記交流電流の周波数の急峻に値と同じにし、
前記工具と被加工物とが接近するとき、前記検出コイルに検出感度が途中で増減することなく、一様に増大する電圧を発生させ、
前記工具と被加工物が接触したとき前記励起コイルに発生した電圧が予め定めた接触用設定値を急峻に超えるように検出する電圧検出手段が設けられたことを特徴とする工作機械用接触検出装置。Attach a tool or workpiece to the spindle,
In the contact detection method for a machine tool that detects the contact between the tool and the workpiece in a machine tool that drives the spindle to rotate and processes the tool in contact with the workpiece.
The spindle is electrically insulated from the spindle head and rotatably supported, and the counter electrode is disposed so as to be capacitively coupled to the spindle, and connected to the machine tool via an annular circuit coil,
A first capacitor formed between the counter electrode and the main shaft, a second capacitor formed between the main shaft and the main shaft head, a third capacitor formed between the main shaft head and the counter electrode, an annular circuit coil, A ring circuit is configured with a switch that is provided at the tip of the machine tool main body and the spindle and is turned off when the tool and the workpiece are not in contact with each other, and turned on when contacted ,
Place the excitation coil so that this circular circuit penetrates,
In order to generate an induced electromotive force in the annular circuit, an alternating current having a frequency of the natural frequency of the noise generated in the vicinity of the excitation coil and an avoided frequency is passed,
In the non-contact state between the tool and the workpiece, the combined capacity of the annular circuit is a combined capacitance value by the first, second and third capacitors, and the switch is closed in the contact state between the tool and the workpiece. Thus, the second capacitor is short-circuited, and the combined capacity of the annular circuit is set to the combined capacity value of the first and third capacitors, and the combined capacity value in the contact state between the tool and the workpiece is the tool and the workpiece. To be sufficiently larger than the capacity value in a non-contact state with an object,
The resonance frequency value of the annular circuit formed by the first and third capacitors and the coil for the annular circuit in a state where the tool and the workpiece are in contact with each other and the natural frequency value of noise generated in the periphery are avoided. The frequency of the alternating current is steeply the same as the value ,
When the tool and the work piece approach, the detection sensitivity is not increased or decreased in the middle of the detection coil, and a voltage that increases uniformly is generated.
Contact detection for machine tools, characterized in that voltage detection means is provided for detecting that the voltage generated in the excitation coil abruptly exceeds a predetermined contact set value when the tool and workpiece are in contact with each other. apparatus.

前記電圧検出手段は、前記交流電流発生手段の発生する交流電流と略同じ周波数の電流を通過させるバンドパスフィルターを介して、電流を検出することを特徴とする請求項６に記載の工作機械用接触検出装置。 7. The machine tool according to claim 6, wherein the voltage detection means detects a current through a band-pass filter that passes a current having substantially the same frequency as the alternating current generated by the alternating current generation means. Contact detection device.

前記工具が被加工物に接触したと判定するための接触用設定値が設定され、前記検出手段の検出値が接触用設定値に達した場合に、工具が被加工物に接触したと判定する判定手段が設けられていることを特徴とする請求項４ないし７の何れか１項に記載の工作機械用接触検出装置。 A contact set value for determining that the tool has contacted the workpiece is set, and when the detection value of the detection means reaches the contact set value, it is determined that the tool has contacted the workpiece. The contact detection device for a machine tool according to any one of claims 4 to 7, further comprising a determination unit.