JP5541054B2 - Physical quantity measuring device for rotating members - Google Patents
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Description
この発明は、フライス盤、マシニングセンタ等の各種工作機械の主軸の如く、荷重を受けつつ高速で回転する回転軸等の回転部材に加わる荷重、或いはこの回転部材の変位量等の物理量を測定する為の、回転部材用物理量測定装置の改良に関する。具体的には、通常運転時に於ける測定精度を確保しつつ、非常時に適切な対応を行い易い構造を実現する事を目的としている。 This invention is for measuring a physical quantity such as a load applied to a rotating member such as a rotating shaft rotating at a high speed while receiving a load, or a physical quantity such as a displacement amount of the rotating member, such as a spindle of various machine tools such as a milling machine and a machining center. The present invention relates to an improvement of a physical quantity measuring device for rotating members. Specifically, an object is to realize a structure that facilitates an appropriate response in an emergency while ensuring measurement accuracy during normal operation.
工作機械の主軸は、先端部に刃物等の工具を固定した状態で高速回転し、加工台上に固定した被加工物に、切削等の加工を施す。前記主軸を回転自在に支持したヘッドは、この被加工物の加工の進行に伴って、所定方向に所定量だけ移動し、この被加工物を、所定の寸法及び形状に加工する。この様な加工作業時、前記ヘッドの移動速度を適正にする事が、加工能率を確保しつつ、前記工具の耐久性及び前記被加工物の品質を確保する為に必要である。前記移動速度が速過ぎると、前記工具に無理な力が加わり、この工具の耐久性が著しく損なわれるだけでなく、前記被加工物の表面性状が悪化したり、著しい場合にはこの被加工物に亀裂等の損傷が発生する。逆に、前記移動速度が遅過ぎると、前記被加工物の加工能率が徒に悪化する。 The spindle of the machine tool rotates at a high speed with a tool such as a blade fixed at the tip, and performs processing such as cutting on the workpiece fixed on the processing table. The head that rotatably supports the main shaft moves by a predetermined amount in a predetermined direction as the workpiece is processed, and processes the workpiece into a predetermined size and shape. In such a machining operation, it is necessary to make the moving speed of the head appropriate in order to ensure the durability of the tool and the quality of the workpiece while ensuring the machining efficiency. If the moving speed is too high, an excessive force is applied to the tool, and not only the durability of the tool is remarkably deteriorated, but also the surface property of the workpiece is deteriorated or, in the case of remarkable, the workpiece. Damage such as cracks occurs. On the contrary, when the moving speed is too slow, the processing efficiency of the workpiece is easily deteriorated.
前記ヘッドの移動速度の適正値は一定ではなく、工具の種類(大きさ)、被加工物の材質や形状により大きく変わる為、前記移動速度を一定としたまま、この移動速度を適正値に維持する事は難しい。この為、前記工具を固定した主軸に加わる荷重を測定する事により、前記移動速度を適正値に調節する事が、従来から知られている。即ち、工具により被加工物に切削等の加工を施す際には、加工抵抗により、この工具及びこの工具を固定した主軸に荷重が加わる。この加工抵抗、延いてはこの主軸に加わる荷重は、前記移動速度が速くなる程大きくなり、逆に、この移動速度が遅くなる程小さくなる。そこで、前記荷重が所定範囲に収まる様に、前記移動速度を調節すれば、この移動速度を適正範囲に収める事ができる。 The appropriate value of the moving speed of the head is not constant, but varies greatly depending on the type (size) of the tool and the material and shape of the workpiece. Therefore, the moving speed is kept constant while keeping the moving speed constant. It is difficult to do. For this reason, it is conventionally known that the moving speed is adjusted to an appropriate value by measuring the load applied to the main spindle to which the tool is fixed. That is, when a work such as cutting is performed on a workpiece with a tool, a load is applied to the tool and the main shaft to which the tool is fixed due to processing resistance. The machining resistance, and hence the load applied to the main shaft, increases as the moving speed increases, and conversely decreases as the moving speed decreases. Therefore, if the moving speed is adjusted so that the load falls within a predetermined range, the moving speed can be kept within an appropriate range.
又、この移動速度等、他の条件を同じとした場合に前記荷重は、前記工具の切削性(切れ味)が劣化する程大きくなる。そこで、前記移動速度との関係で前記荷重の大小を観察すれば、前記工具が寿命に達した事を知る事ができて、寿命に達した不良工具で加工を継続する事による、歩留まりの悪化を防止できる。又、前記荷重を、前記移動速度等、他の加工条件と関連付けて継続的に観察する事により、最適な加工条件を見出して、省エネルギ化や工具の長寿命化に繋げる事もできる。更に、継続的観察により、工具破損等の事故発生時に、その原因を特定する事もできる。 In addition, when other conditions such as the moving speed are the same, the load increases as the cutting property (sharpness) of the tool deteriorates. Therefore, by observing the magnitude of the load in relation to the moving speed, it is possible to know that the tool has reached the end of its life, and deterioration in yield due to continuing processing with a defective tool that has reached the end of its life. Can be prevented. In addition, by continuously observing the load in association with other machining conditions such as the moving speed, it is possible to find the optimum machining conditions and lead to energy saving and long tool life. Furthermore, by continuous observation, the cause of an accident such as tool breakage can be identified.
この様な目的で、工作機械の主軸等の回転軸に加わる荷重(切削抵抗)を測定する為の装置として従来から、例えば特許文献1に記載された構造のものが知られている。この特許文献1に記載された荷重測定装置は、水晶圧電式の荷重センサを複数個、荷重の作用方向に対して直列に配置し、これら各荷重センサの測定信号に基づいて、切削工具を支持固定した回転軸に加わる荷重(切削抵抗)を測定する様に構成している。この様な特許文献1に記載された荷重測定装置の場合、高価な水晶圧電式の荷重センサを使用する為、荷重測定装置全体としてのコストが嵩む事が避けられない。
For such a purpose, a device having a structure described in
一方、特許文献2〜4には、水晶圧電式の荷重センサに比べて低コストで調達できる、磁気式の被検出リングとセンサとにより構成する、荷重測定装置付転がり軸受ユニットに関する発明が記載されている。例えば特許文献2の段落[0066]〜[0068]には、図8に示す様な被検出リング(トーンホイール或いはエンコーダ)1を使用して、この被検出リング1を同心に支持した回転部材の軸方向に関する変位量、延いてはこの回転部材に加わるアキシアル荷重を測定する技術が記載されている。後述する本発明の実施の形態の構造は、前記被検出リング1と同様の特性を有する被検出リングを使用して、工作機械の主軸の軸方向変位量、更に必要に応じてこの主軸に加わるアキシアル荷重を測定するものである。そこで、先ず、前記被検出リング1の形状、並びに、この被検出リング1を使用して、軸方向変位量及びアキシアル荷重を測定する原理に就いて説明する。
On the other hand,
前記被検出リング1は、鋼板等の磁性金属板を円筒状に形成して成るもので、それぞれが1対ずつの透孔2a、2bから成る、複数の被検出用特性変化組み合わせ部3、3を、周方向に関して等間隔に配置している。この様な各被検出用特性変化組み合わせ部3、3を構成する前記各透孔2a、2bの、前記被検出リング1の軸方向に対する傾斜方向は、互いに逆向きとしている。従って、前記各被検出用特性変化組み合わせ部3、3を構成する、それぞれ1対ずつの透孔2a、2bの周方向に関するピッチ(間隔)は、前記アキシアル荷重の測定方向に一致する、前記被検出面の幅方向に関して漸次変化している。この為、前記被検出リング1のうち、被検出面である外周面の磁気特性は、前記各透孔2a、2bの存在により、円周方向に関して変化している。又、この円周方向に関して前記磁気特性が変化するパターン(後述するパルス周期比δ/Lに対応する、円周方向に亙る特性変化状況)は、前記測定すべきアキシアル荷重の作用方向に関する位置である、前記被検出リング1の軸方向位置が異なると、互いに異なるものとなる。
The ring to be detected 1 is formed by forming a magnetic metal plate such as a steel plate in a cylindrical shape, and each of the plurality of detected characteristic
上述の様な被検出リング1は、工作機械の主軸の如き回転部材の一部に、この回転部材と同心に(この回転部材の回転中心と共通する回転中心を有する状態で)固定する。又、この回転部材に隣接する部分に設けられた静止部材の一部で前記被検出リング1の外周面に対向する部分にセンサを設けている。これら被検出リング1の外周面とセンサの検出部とは、微小隙間を介して近接対向させており、この被検出リング1の回転に伴って前記センサの出力信号が変化する様にしている。この為に、例えばこのセンサとして、ホール素子、磁気抵抗素子等の磁気検出素子と永久磁石とを組み合わせた、磁気検知式のものを使用する。
The detected
前記回転部材と共に前記被検出リング1が回転すると、前記センサがこの被検出リングの外周面を走査する。この被検出面の磁気特性は、前述の様に、前記各透孔2a、2bの存在により円周方向に変化している為、前記被検出リング1の回転に伴って前記センサの出力信号が変化する。例えば、このセンサの検出部がこの被検出リング1の外周面のうち、図9の(A)の鎖線イ位置を走査すると、このセンサの出力信号が、この図9の(B)に示す様に変化する。この図9の(B)で、円周方向に隣り合う1対の透孔2a、2bに基づいて発生する1対のパルス間の周期を部分周期δ1とする。又、円周方向に隣り合う1対の被検出用特性変化組み合わせ部3、3のうちで、互いに対応する(傾斜方向が同じである)透孔2a、2a(又は2b、2b)に基づいて発生する1対のパルス間の周期を全周期L1とする。前記センサの検出部が前記鎖線イ位置を走査する場合には、前記部分周期δ1と前記全周期L1との比であるパルス周期比δ1/L1は、比較的小さな(0に近い)値となる。これに対して、前記センサの検出部が図9の(A)の鎖線ロ位置を走査すると、このセンサの出力信号が、この図9の(C)に示す様に変化する。そして、部分周期δ2と全周期L2との比(パルス周期比δ2/L2)は、比較的大きな(1に近い)値となる。以上の説明では、走査位置に伴ってパルス周期比の大小が変化する方向が、分子となる部分周期δとして、同じ被検出用特性変化組み合わせ部3を構成する1対の透孔2a、2bに関するパルス間の周期を採用した場合に就いて述べた。分子となる部分周期として、円周方向に隣り合う被検出用特性変化組み合わせ部3、3を構成し、互いに逆方向に傾斜した(円周方向に隣り合う)1対の透孔2a、2bに関するパルスの周期を採用した場合には、前記パルス周期比の大小が変位する方向が、上述した場合とは逆になる。
When the detected
何れにしても、前記センサの出力信号に関するパルス周期比δ/Lは、このセンサの検出部が走査する、前記被検出リング1の外周面の軸方向位置により変化する。そして、この軸方向位置は、被検出リングを固定した回転部材の軸方向変位により変化する。又、この回転部材が、予圧を付与された転がり軸受により回転自在に支持されていた場合、この回転部材の軸方向変位量は、この回転部材に加わるアキシアル荷重の大きさに応じて変化する。言い換えれば、この回転部材に加わるアキシアル荷重と、この回転部材の軸方向変位量との間には、反復・再現性のある相関関係が存在する。そして、この相関関係は、転がり軸受の分野で広く知られている弾性接触理論により計算で求められる他、実験によっても求められる。従って、前記センサの出力信号を処理する為の演算器に、前記相関関係を勘案した、前記アキシアル荷重を算出する為の式を組み込んだソフトウェアをインストールしておけば、前記演算器により、前記パルス周期比δ/Lに基づいて、前記回転部材に加わるアキシアル荷重を算出できる。
In any case, the pulse cycle ratio δ / L related to the output signal of the sensor changes depending on the axial position of the outer peripheral surface of the
例えば、前記回転部材を工作機械の主軸とし、外周面に図8〜9に示す様な被検出用特性変化組み合わせ部3、3を形成した被検出リング1を前記主軸に外嵌固定すると共に、工作機械のハウジング(主軸頭)にセンサを支持固定すれば、この主軸に加わるアキシアル荷重を測定可能になる。そして、この主軸の移動速度を適正範囲に収めたり、この主軸の先端部に支持した工具の寿命を判定したり、最適な加工条件を求めて省エネルギ化や工具の長寿命化に繋げたり、事故発生時にその原因を特定したりできる。
For example, the rotating member is a main shaft of a machine tool, and the detected
ところで、上述の様にして、例えば主軸に加わるアキシアル荷重を測定する為の測定装置を構成した場合でも、信頼性の高い測定を行う場合には、前記センサの出力信号や、この出力信号を処理して軸方向変位を表す信号とした処理信号に、フィルタリング処理を施す必要がある。即ち、この出力信号中には、様々なノイズが混入する為、このノイズを除去してから前記演算器に送り込むか、或いは、この演算器による処理を施した処理信号中のノイズを除去しないと、このノイズに起因して、前記アキシアル荷重等の測定値に、無視できない程の誤差を生じる可能性がある。そこで、前記センサから前記演算器に前記出力信号を送る為の、又は、この演算器による処理を施した処理信号を送る為の信号伝達回路の途中に適宜のフィルタを設け、前記出力信号又はこの処理信号中に混入したノイズを除去する事が望ましい。この様な場合に使用できるフィルタとしては、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、適応フィルタ等が、採用可能である。 By the way, as described above, for example, even when a measuring device for measuring an axial load applied to the spindle is configured, when performing highly reliable measurement, the output signal of the sensor or the output signal is processed. Thus, it is necessary to perform a filtering process on the processed signal that represents the axial displacement. That is, since various noises are mixed in this output signal, this noise must be removed before being sent to the computing unit or the noise in the processed signal processed by this computing unit must be removed. Due to this noise, an error that cannot be ignored may occur in the measured value of the axial load or the like. Therefore, an appropriate filter is provided in the middle of a signal transmission circuit for sending the output signal from the sensor to the computing unit, or for sending a processing signal processed by the computing unit, and the output signal or the It is desirable to remove noise mixed in the processed signal. As a filter that can be used in such a case, a low-pass filter, a band-pass filter, an adaptive filter, or the like can be used.
例えば、ローパスフィルタを使用する事により、前記被検出用特性変化組み合わせ部3、3を形成した被検出リング1の回転によっては出現しない様な高周波成分を、前記出力信号中より除去してから、前記演算器に送り込む。但し、ローパスフィルタは、カットオフ周波数により、検出可能な(通過して前記演算器又はこの演算器よりも後方に設けられる制御器に送り込まれる)出力信号の周波数レンジが変わるだけでなく、応答性も変わる。即ち、カットオフ周波数が低いローパスフィルタの場合には、比較的周波数の低いノイズまで除去できる為、ノイズがアキシアル荷重の測定結果に及ぼす悪影響を、解消乃至僅少に抑えて、信頼性の高い測定を行える代わりに、応答性が悪い。これに対して、カットオフ周波数が高いローパスフィルタの場合には、応答性が良好である代わりに、比較的周波数の低いノイズを通過させる為、ノイズがアキシアル荷重の測定値に悪影響を及ぼし易く、測定結果の信頼性確保が難しくなる。例えば、周波数が10Hzのノイズ成分が存在する場合に、カットオフ周波数が8〜9Hz程度である、カットオフ周波数が低いローパスフィルタを使用すれば、前記ノイズ成分を除去して、測定結果の信頼性確保を図れる。
For example, by using a low-pass filter, high frequency components that do not appear due to rotation of the detected
工作機械の主軸の回転速度は運転状況に伴って変化し、ノイズ成分の周波数に関してもそれに伴って変化する場合がある。この場合でもカットオフ周波数可変式のローパスフィルタを使用し、前記主軸の回転速度に応じてこのカットオフ周波数を変化させれば、通常の運転状態である限り、ノイズ成分を除去して、測定結果の信頼性確保を図れる。又、通常運転時には、測定結果に関して信頼性を確保する事が重要で、特に高い応答性を確保する必要はなく、ローパスフィルタの応答性が悪い事は、特に問題とはならない。以上の事から明らかな通り、主軸の移動速度を適正範囲に収めたり、工具の寿命を判定したり、省エネルギ化や工具の長寿命化に繋げたりする為には、前記ローパスフィルタとして、特に応答性の高いものを使用する必要はない。 The rotational speed of the spindle of the machine tool changes with the operating condition, and the frequency of the noise component may change with it. Even in this case, if the cut-off frequency variable low-pass filter is used and the cut-off frequency is changed in accordance with the rotation speed of the main shaft, the noise component is removed and the measurement result is maintained as long as the normal operation state. Ensuring reliability. Further, during normal operation, it is important to ensure reliability with respect to the measurement result, and it is not necessary to ensure particularly high responsiveness, and the low response of the low-pass filter is not particularly problematic. As apparent from the above, in order to keep the moving speed of the spindle within an appropriate range, to determine the tool life, and to save energy and extend the tool life, the low-pass filter is particularly It is not necessary to use a highly responsive one.
但し、非常時の対応を適切に行わせる為には、前記ローパスフィルタとして応答性が高いものを使用する必要がある。例えば、主軸の移動速度が速過ぎたり、主軸の移動方向が不正であったりした場合には、この主軸の先端部に支持固定した工具が被加工物に衝突する可能性がある。そして、衝突した場合には、前記主軸に、瞬間的に過大な荷重(ピーク荷重)が加わる。前記衝突により工作機械の各部が損傷するのを防止する為には、このピーク荷重を検出して、この衝突の直後に前記主軸を緊急停止させる必要がある。この様な場合には、前記ローパスフィルタの応答性が高い事が必要になる。更に、緊急停止が間に合わない等により工作機械が故障した場合には、この工作機械のユーザーからの要請により、同じくメーカーの技術者が対応する事になる。その際、主軸から工具が取り外されていた上、ユーザー側の作業者からメーカー側の技術者への状況説明が適切に行われないと、メーカー側の技術者が故障の原因を特定できず、適切な修理等を行えなくなる可能性がある。この様な場合にも、前記主軸に加わる荷重の情報がメモリに記録されていれば、メーカー側の技術者が故障の原因を特定して、適切な修理等を行い易くなる。この様な場合にも、前記メモリに前記ピーク荷重を記録する為には、前記ローパスフィルタの応答性が高い事が必要になる。以上の事から明らかな通り、工具が被加工物に衝突する様な、非常時の対応を適切に行わせる為には、前記ローパスフィルタとして応答性が高いものを使用する必要がある。 However, in order to appropriately deal with an emergency, it is necessary to use a low-response filter as the low-pass filter. For example, when the moving speed of the main shaft is too fast or the moving direction of the main shaft is incorrect, there is a possibility that the tool supported and fixed at the tip of the main shaft collides with the workpiece. When a collision occurs, an excessive load (peak load) is momentarily applied to the main shaft. In order to prevent each part of the machine tool from being damaged by the collision, it is necessary to detect the peak load and to stop the spindle immediately after the collision. In such a case, it is necessary that the response of the low-pass filter is high. In addition, when a machine tool breaks down due to an emergency stop, etc., the manufacturer's engineer will respond to the request from the machine tool user. At that time, if the tool was removed from the main spindle and the situation from the user side worker to the manufacturer side engineer was not properly explained, the manufacturer side engineer could not identify the cause of the failure, There is a possibility that proper repair etc. cannot be performed. Even in such a case, if the information on the load applied to the main shaft is recorded in the memory, it becomes easier for the manufacturer's engineer to identify the cause of the failure and perform appropriate repairs. Even in such a case, in order to record the peak load in the memory, it is necessary that the responsiveness of the low-pass filter is high. As is clear from the above, it is necessary to use a filter with high responsiveness as the low-pass filter in order to appropriately deal with an emergency such that the tool collides with the workpiece.
本発明は、上述の様な事情に鑑みて、例えば工作機械の主軸に加わるアキシアル荷重を測定するのに利用した場合に、通常運転時には測定値の信頼性を十分に確保でき、しかも、非常時には迅速且つ適切な対応を可能にできる回転部材用物理量測定装置を実現すべく発明したものである。 In view of the circumstances as described above, the present invention can sufficiently ensure the reliability of measured values during normal operation, for example, when used to measure the axial load applied to the spindle of a machine tool, and in an emergency. The present invention has been invented to realize a physical quantity measuring device for a rotating member that can quickly and appropriately respond.
本発明の回転部材用物理量測定装置は、ハウジングと、回転部材と、被検出リングと、センサと、演算器とを備える。
このうちのハウジングは、例えば工作機械の主軸頭(ヘッド)等であり、回転しない。
又、前記回転部材は、例えば工作機械の主軸であり、それぞれが予圧を付与された複数の転がり軸受により前記ハウジングの内側に、回転自在に支持されている。
又、前記被検出リングは、前記回転部材の一部に支持固定されたもので、この回転部材と同心の被検出面を有する。
又、前記センサは、検出部をこの被検出面に対向させた状態で、前記ハウジングに支持されている。
更に、前記演算器は、前記センサの出力信号を処理するもので、この出力信号の位相に関する情報に基づいて、前記回転部材に関する物理量を求める機能を有する。
The physical quantity measuring device for a rotating member of the present invention includes a housing, a rotating member, a ring to be detected, a sensor, and an arithmetic unit.
Among these, the housing is, for example, a spindle head (head) of a machine tool and does not rotate.
The rotating member is, for example, a main shaft of a machine tool, and is rotatably supported inside the housing by a plurality of rolling bearings each provided with a preload.
The detected ring is supported and fixed to a part of the rotating member, and has a detected surface concentric with the rotating member.
The sensor is supported by the housing in a state where the detection portion faces the detected surface.
Furthermore, the computing unit processes an output signal of the sensor, and has a function of obtaining a physical quantity related to the rotating member based on information related to the phase of the output signal.
特に、本発明の回転部材用物理量測定装置に於いては、前記演算器が前記出力信号を処理した処理信号を取り出す為の処理信号取り出し部分、又は、前記センサから前記演算器に前記出力信号を送る出力信号送信部分に、それぞれが前記処理信号又はこの出力信号を後方に送る機能を備えた複数の信号伝達回路を、互いに並列に設けている。又、これら各信号伝達回路に、これら各信号伝達回路中を送られる前記処理信号又は前記出力信号中に含まれるノイズを除去する為のフィルタを設けている。そして、これら各信号伝達回路中に設けた各フィルタの特性を、互いに異ならせている。 In particular, in the physical quantity measuring device for a rotating member according to the present invention, a processing signal extraction portion for extracting a processing signal obtained by processing the output signal by the arithmetic unit, or the output signal from the sensor to the arithmetic unit. A plurality of signal transmission circuits each having a function of sending the processing signal or the output signal backward are provided in parallel in the output signal transmission portion to be sent. Each of these signal transmission circuits is provided with a filter for removing noise contained in the processing signal or the output signal sent through the signal transmission circuit. The characteristics of the filters provided in the signal transmission circuits are different from each other.
上述の様な本発明の回転部材用物理量測定装置を実施する場合に好ましくは、請求項2に記載した発明の様に、前記処理信号又は前記出力信号に対応する物理量を、前記各信号伝達回路を送られるこの処理信号又はこの出力信号毎に、経過時間と関連付けて記録するメモリを備える。
Preferably, when the physical quantity measuring device for a rotating member of the present invention as described above is implemented, the physical quantity corresponding to the processing signal or the output signal is converted into each signal transmission circuit as in the invention described in
又、上述の様な本発明の回転部材用物理量測定装置を実施する場合に、具体的には、請求項3に記載した発明の様に、前記被検出リングの被検出面に複数の被検出用特性変化組み合わせ部を、周方向に関して等間隔に、それぞれ前記物理量の測定方向に一致する前記被検出面の幅方向に形成する。そして、前記各被検出用特性変化組み合わせ部は、この幅方向に対する傾斜方向が互いに異なる1対の特性変化部を、前記被検出リングの周方向に離隔した状態で設けたものとする。
又、前記センサは、前記各被検出用特性変化組み合わせ部を構成する前記各特性変化部が前記検出部が対向する部分を通過する瞬間に、出力信号を変化させるものとする。
更に、前記演算器は、円周方向に隣り合う1対の特性変化部に基づいて発生する1対のパルス間の周期である部分周期と、円周方向に隣り合う1対の被検出用特性変化組み合わせ部の対応する特性変化部に基づいて発生する、別の1対のパルス間の周期である全周期との比であるパルス周期比に基づいて、前記物理量を求める。
Further, when the physical quantity measuring device for a rotating member of the present invention as described above is implemented, specifically, as in the invention described in
Further, the sensor changes the output signal at the moment when each of the characteristic changing parts constituting each of the detected characteristic changing combination parts passes through a portion where the detecting part faces.
Further, the computing unit includes a partial period which is a period between a pair of pulses generated based on a pair of characteristic changing portions adjacent in the circumferential direction, and a pair of characteristics to be detected adjacent in the circumferential direction. The physical quantity is obtained on the basis of a pulse period ratio that is a ratio with respect to the entire period that is a period between another pair of pulses that is generated based on the corresponding characteristic changing part of the change combination part.
又、本発明の回転部材用物理量測定装置を実施する場合に、具体的には、請求項4に記載した発明の様に、前記被検出面を、前記被検出リングの外周面とする。又、前記物理量を、前記回転部材の軸方向に加わるアキシアル荷重とする。
更には、請求項5に記載した発明の様に、前記各フィルタを、カットオフ周波数が互いに異なる、複数種類のローパスフィルタとする。
Further, when the physical quantity measuring device for a rotating member according to the present invention is implemented, specifically, the detected surface is the outer peripheral surface of the detected ring as in the invention described in
Furthermore, as in the invention described in claim 5, each of the filters is a plurality of types of low-pass filters having different cutoff frequencies.
上述の様に構成する本発明の回転部材用物理量測定装置によれば、例えば工作機械の主軸に加わるアキシアル荷重を測定するのに適用した場合に、通常運転時には測定値の信頼性を十分に確保でき、しかも、非常時には、迅速且つ適切な対応を行える。
例えば、各信号伝達回路に、カットオフ周波数が互いに異なるローパスフィルタを設置し、通常運転時にはカットオフ周波数が低いローパスフィルタを通過した処理信号又は出力信号に基づく測定値により回転部材の運転状態を制御すれば、この測定値に関する信頼性を確保しつつ、この回転部材を安定して運転できる。これに対して、カットオフ周波数が高いローパスフィルタを通過した処理信号又は出力信号に基づく測定値により前記回転部材の運転を制御したり、この測定値を記録しておけば、非常事態が発生した瞬間に、この回転部材の運転を迅速に停止したり、前記測定値を、故障の原因特定等に利用できる。
According to the physical quantity measuring device for a rotating member of the present invention configured as described above, for example, when applied to measure an axial load applied to the spindle of a machine tool, sufficient reliability of measured values is ensured during normal operation. In addition, it is possible to respond quickly and appropriately in an emergency.
For example, low-pass filters with different cut-off frequencies are installed in each signal transmission circuit, and the operating state of the rotating member is controlled by measured values based on processing signals or output signals that have passed through the low-pass filter with low cut-off frequencies during normal operation. Then, the rotating member can be stably operated while ensuring the reliability related to the measured value. On the other hand, if the operation of the rotating member is controlled by a measured value based on a processing signal or an output signal that has passed through a low-pass filter having a high cutoff frequency, or if this measured value is recorded, an emergency has occurred. In an instant, the operation of the rotating member can be quickly stopped, and the measured value can be used for identifying the cause of the failure.
図1〜6により、本発明の実施の形態の1例に就いて説明する。本例の構造は、工作機械の主軸4に加わるアキシアル荷重を測定する構造に本発明を適用した場合に就いて示している。この為に本例の構造では、工作機械のハウジング(主軸頭)5の内径側に前記主軸4を、多列転がり軸受ユニット6により回転自在に支持すると共に、電動モータ7により、前記主軸4を回転駆動自在としている。前記多列転がり軸受ユニット6を構成する複数個の転がり軸受8a〜8dのうち、先端寄りに配置した2個の転がり軸受8a、8bと、基端寄りに配置した2個の転がり軸受8c、8dとには、互いに逆向きの接触角を付与すると共に、これら各転がり軸受8a〜8dに、予圧を付与している。これにより、前記主軸4を前記ハウジング5に対して、ラジアル荷重及び両方向のアキシアル荷重を支承する状態で、がたつきなく、回転自在に支持している。前記工作機械の運転時には、前記主軸4の先端部(図1の左端部)に固定した工具(図示省略)を、高速で回転しつつ被加工物に押し付け、この被加工物に、切削等の加工を施す。この様にして加工を施す際に、前記主軸4には、この被加工物に前記工具を押し付ける事の反作用として、各方向の荷重が加わる。図1に示した本例の構造では、このうち、前記主軸4の軸方向に一致する、前記アキシアル荷重に基づく、この主軸4の軸方向の変位量(更に必要に応じてこのアキシアル荷重)を求められる様にしている。
1 to 6, an example of the embodiment of the present invention will be described. The structure of this example is shown when the present invention is applied to a structure for measuring an axial load applied to the
この為に本例の構造の場合には、前記主軸4の中間部先端寄り部分で、前記多列転がり軸受ユニット6を構成する転がり軸受8b、8c同士の間に、図3に示す様な被検出リング1aを外嵌固定すると共に、前記ハウジング5に、図2、4に示す様なセンサユニット9を支持固定している。このうちの被検出リング1aは、内輪間座を兼ねるもので、鋼等の磁性金属により造り、全体を円筒状としている。そして、被検出面である前記被検出リング1aの外周面に、複数の被検出用特性変化組み合わせ部3a、3aを、周方向に関して等間隔に形成している。これら各被検出用特性変化組み合わせ部3a、3aは、前記被検出リング1aの軸方向に対する傾斜方向が互いに異なる1対の特性変化部である、それぞれが直線状の凹溝13a、13bを、前記被検出リング1aの周方向に離隔した状態で設けている。又、この様な凹溝13a、13bを形成した、この被検出リング1aの外周面に、前記センサユニット9の検出部を近接対向させている。そして、このセンサユニット9の出力信号中に含まれる、パルスの間隔(パルス周期)に関する情報に基づいて、前記主軸4の軸方向に関する変位量を求め、更に必要に応じて、この主軸4に作用するアキシアル荷重を求める様にしている。
For this reason, in the case of the structure of the present example, the portion as shown in FIG. 3 is interposed between the rolling
本例の回転部材用物理量測定装置の場合には、コスト低減及び小型化の面から、単一のセンサ10の出力信号のパルス周期比δ/L(部分周期/全周期)により、前記被検出リング1a(を固定した前記主軸4)に関する物理量(軸方向に関する変位量とアキシアル荷重との一方又は双方)を求める様にしている。この為に使用する前記センサ10は、前記被検出リング1aの外周面に存在する、前記各凹溝13a、13bの存在に基づいて出力信号が変化するもので、ホールIC、磁気抵抗素子等の磁気検出素子である。又、前記センサ10の背面(前記被検出リング1aの外周面と対向する検出部と反対側の面)に、永久磁石11を配置し、これらセンサ10と永久磁石11とを、合成樹脂製のホルダ12の先端部に包埋保持している。この永久磁石11の着磁方向は、前記センサ10が前記被検出リング1aの被検出面に対向している方向とする。以上の構成を採用している為、これらセンサ10と被検出リング1aとの、この被検出リング1aの軸方向に関する相対変位に伴って、前記パルス周期比δ/Lがずれる。このパルス周期比δ/Lに基づいて、前記主軸4に加わるアキシアル荷重を求める原理に就いては、前述の図8〜9で説明した通りである。即ち、前記センサの出力信号を演算器14(図6参照)に送る。すると、この演算器14が、予めインストールされたソフトウェア中の式により、前記パルス周期比δ/Lに基づいて、前記主軸4の軸方向に関する変位量を求め、更に、必要に応じて、この主軸4に加わるアキシアル荷重を求める。
In the case of the physical quantity measuring device for a rotating member of this example, from the viewpoint of cost reduction and miniaturization, the detected object is obtained by the pulse cycle ratio δ / L (partial cycle / full cycle) of the output signal of the
特に、本例の回転部材用物理量測定装置の場合には、図6に示す様に、前記演算器14が前記出力信号を処理した処理信号を取り出す為の処理信号取り出し部分に、1対の信号伝達回路15a、15bを、互いに並列に設けている。これら両信号伝達回路15a、15bは、それぞれが前記処理信号を、前記工作機械の制御器に向けて後方に送る機能を備えている。即ち、本例の場合には、前記演算器14が前記センサ10からの出力信号に基づいて、前記被検出リング1aの、軸方向に関する変位量を算出し、この変位量を表す処理信号を、前記工作機械の制御器に送る様にしている。この処理信号が表す、前記被検出リング1aの軸方向に関する変位量と、前記主軸4に加わるアキシアル荷重との間には相関関係があるので、前記制御器は、この変位量に基づいて直接、或は、この変位量を前記アキシアル荷重に換算してから、前記主軸4の送り速度を調節したり、事故発生時には、この主軸4を緊急停止させる。
In particular, in the case of the physical quantity measuring device for a rotating member of this example, as shown in FIG. 6, a pair of signals is provided in the processing signal extraction portion for extracting the processing signal obtained by processing the output signal by the
又、前記両信号伝達回路15a、15bの途中に、それぞれローパスフィルタ16a、16bを設けている。これら両ローパスフィルタ16a、16bは、何れも、前記処理信号のうち、設定値(カットオフ周波数)よりも低い周波数成分のみを前記制御器に向けて送り出す(前記処理信号中から、設定値以上の周波数成分を除去する)ものであるが、カットオフ周波数が互いに異なる。即ち、一方のローパスフィルタ16aのカットオフ周波数は比較的低い(例えば5Hz程度である)のに対して、他方のローパスフィルタ16bのカットオフ周波数は比較的高い(例えば20Hz程度である)。
Further, low-
上述の様に、カットオフ周波数が互いに異なるローパスフィルタ16a、16bを設けた、前記両信号伝達回路15a、15bを送られる処理信号のうち、カットオフ周波数が低いローパスフィルタ16aを設けた信号伝達回路15aを送られる第一の処理信号は、例えば前記工作機械の主軸4の送り速度を制御したり、この主軸4の先端部に固定した工具の寿命を判定する為に利用する。これに対して、カットオフ周波数が高いローパスフィルタ16bを設けた信号伝達回路15bを送られる第二の処理信号は、例えば、前記工作機械の運転時の事故の有無を見張る為に利用する。この為に、この第二の処理信号を(好ましくは前記第一の処理信号と合わせて)、前記工作機械の制御器に付属させたメモリに、経過時間(運転時刻)と関連付けて記録する。
As described above, the signal transmission circuit provided with the low-
上述の様に構成する本例の構造によれば、工作機械の主軸4に加わるアキシアル荷重に基づく軸方向変位を測定する事に関して、通常運転時には測定値の信頼性を十分に確保でき、しかも、非常時には、迅速且つ適切な対応を行える。先ず、前記軸方向変位の測定値の信頼性確保に関しては、通常運転時に、前記カットオフ周波数が低いローパスフィルタ16aを通過した第一の処理信号に基づいて前記軸方向変位を算出する事により、実現できる。この点に就いて、前記主軸4に、図7の実線αで示す様な軸方向変位が生じた場合に就いて説明する。尚、図7の実線αは、厳密には前記主軸4の実際の軸方向変位そのものを示すものではなく、この実際の軸方向変位を、本例の物理量測定装置とは異なる、高精度ではあるが高価な別のセンサ(小野測器社製/接触式変位計/GS−7710A)により測定した結果を示している。この測定結果には、不可避な誤差が含まれてはいるものの、その誤差の程度は非常に小さい。この為、以下の説明では、前記実線αを、前記主軸4の実際の軸方向変位を示す信号として取り扱う事にする。この主軸4に、この実線αで示す様な軸方向変位が生じた場合に、前記センサ10の出力信号に基づいて前記演算器14が算出した、前記主軸4の軸方向変位を表す信号(図7には図示せず)中に、許容範囲を超える様な大きなノイズが混入している場合には、その信号をそのまま前記主軸4の送り量等の制御に利用しても、適切な制御を行えない。但し、この様な場合でも、前記第一の処理信号は、図7の破線βに示す様に平滑化されたものとなり、混入していたノイズがほぼ除去されたものとなる。従って、前記第一の処理信号を前記主軸4の送り量等の制御に利用すれば、適切な制御を行える。
According to the structure of this example configured as described above, the reliability of the measured value can be sufficiently ensured during normal operation with respect to measuring the axial displacement based on the axial load applied to the
但し、図7の実線αと破線βとの立ち上がり部(横軸で24秒の近傍部分)を比較すれば分かる様に、前記カットオフ周波数が低いローパスフィルタ16aを通過した、前記第一の処理信号は、実際の軸方向変位を示す信号に対する応答遅れが大きくなる(レスポンスが悪い)。この為、この第一の処理信号によっては、非常時に迅速且つ適切な対応を行う事は難しい。即ち、前記主軸4の先端部に設けた工具が被加工物に勢い良く衝突する等によりこの主軸4に衝撃荷重が加わる様な事故が発生すると、この主軸4の軸方向位置が、前記立ち上がり部で表される様に、急激に変化する。故障時にこの主軸4を緊急停止させたり、或いは、修理作業の際に事故の原因を特定したりする為には、前記立ち上がり部で表される急激な変化を検出する必要がある。ところが、この立ち上がり部で前記実線αと前記破線βとのずれが大きくなっている事から分かる様に、前記第一の処理信号では、前記事故の際に適切な対応が難しい場合が考えられる。
However, as can be seen by comparing the rising portion (the vicinity of 24 seconds on the horizontal axis) of the solid line α and the broken line β in FIG. 7, the first processing that has passed through the low-
そこで、本例の構造の場合には、前記第二の処理信号に基づいて、前記事故の際の対応を行う様にしている。カットオフ周波数が高い前記ローパスフィルタ16bを設けた信号伝達回路15bを送られる、前記第二の処理信号は、図7の鎖線γで示す様に変化する。この図7の実線αと鎖線γとの立ち上がり部を比較すれば分かる様に、前記カットオフ周波数が高いローパスフィルタ16bを通過した、前記第二の処理信号は、前記第一の処理信号(破線β)に比べてノイズの除去量が少なくなってはいるものの、ノイズのレベルは許容範囲内に収められており、しかも実際の軸方向変位を示す信号に対する応答遅れが小さい(レスポンスが良い)。この為、この第二の処理信号によって、非常時に、緊急停止等の、迅速且つ適切な対応を行う事が可能になる。又、この第二の処理信号を、前記制御器に付属したメモリに記録しておけば、修理作業の際に事故の原因を特定する事が容易になる。
Therefore, in the case of the structure of the present example, a response in the event of the accident is performed based on the second processing signal. The second processing signal sent through the
図示の例では、互いにカットオフ周波数が異なる1対のローパスフィルタを、演算器と、工作機械の制御器との間に設けている。これに対して、ローパスフィルタ等の、それぞれが信号中に含まれるノイズを除去する為のフィルタを、センサと演算器との間に設ける事もできる。勿論、この場合には、センサと演算器との間に、それぞれがこのセンサの出力信号を演算器に送り込む為の、複数の信号伝達回路を、互いに並列に設ける。更に、各信号伝達回路の途中に設けるフィルタとしては、ローパスフィルタに限らず、バンドパスフィルタ、適応フィルタ等、ノイズ除去用の各種フィルタを採用できる。又、その出力信号或は処理信号がフィルタリングの対象となるセンサ、及び、このセンサの検出部をその被検出面に対向させる被検出リングは、図示の様な構造のものに限らず、前述の特許文献2〜4に記載された様な、各種構造のものを採用できる。更には、測定の対象となる変位や荷重に関しても、軸方向変位やアキシアル荷重に限らず、径方向変位やラジアル荷動とする事もできる。この場合には、被検出リングの被検出面を、軸方向側面とする。 In the illustrated example, a pair of low-pass filters having different cut-off frequencies are provided between the arithmetic unit and the machine tool controller. On the other hand, a filter such as a low-pass filter for removing noise included in each signal can be provided between the sensor and the arithmetic unit. Of course, in this case, a plurality of signal transmission circuits are provided in parallel with each other between the sensor and the computing unit, each for sending the output signal of the sensor to the computing unit. Further, the filter provided in the middle of each signal transmission circuit is not limited to the low-pass filter, and various filters for noise removal such as a band-pass filter and an adaptive filter can be employed. In addition, the sensor whose output signal or processing signal is to be filtered, and the detection ring that makes the detection part of this sensor face the detection surface are not limited to those of the structure shown in the figure. The thing of various structures as described in patent documents 2-4 can be adopted. Further, the displacement and load to be measured are not limited to the axial displacement and the axial load, but can be a radial displacement or a radial load. In this case, the detection surface of the detection ring is an axial side surface.
1、1a 被検出リング
2a、2b 透孔
3、3a 被検出用特性変化組み合わせ部
4 主軸
5 ハウジング
6 多列転がり軸受ユニット
7 電動モータ
8a、8b、8c、8d 転がり軸受
9 センサユニット
10 センサ
11 永久磁石
12 ホルダ
13a、13b 凹溝
14 演算器
15a、15b 信号伝達回路
16a、16b ローパスフィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記演算器が前記出力信号を処理した処理信号を取り出す為の処理信号取り出し部分、又は、前記センサから前記演算器に前記出力信号を送る出力信号送信部分に、それぞれが前記処理信号又はこの出力信号を後方に送る機能を備えた複数の信号伝達回路を、互いに並列に設けると共に、これら各信号伝達回路に、これら各信号伝達回路中を送られる前記処理信号又は前記出力信号中に含まれるノイズを除去する為のフィルタを設けており、これら各信号伝達回路中に設けた各フィルタの特性を互いに異ならせている事を特徴とする回転部材用物理量測定装置。 A rotating member that is rotatably supported inside the housing by a non-rotating housing and a plurality of rolling bearings, each of which is preloaded, and a concentric with the rotating member that is supported and fixed to a part of the rotating member A detection ring having a detection surface, a sensor supported by the housing in a state where the detection portion faces the detection surface, and an arithmetic unit that processes an output signal of the sensor. Is a physical quantity measuring device for a rotating member that has a function of obtaining a physical quantity related to the rotating member based on information on the phase of the output signal.
A processing signal extracting part for extracting a processing signal obtained by processing the output signal by the arithmetic unit, or an output signal transmitting part for transmitting the output signal from the sensor to the arithmetic unit, respectively, the processing signal or the output signal. A plurality of signal transmission circuits having a function of transmitting the signal to the rear are provided in parallel with each other, and the noise included in the processing signal or the output signal sent to each of these signal transmission circuits is provided to each of these signal transmission circuits. A physical quantity measuring device for a rotating member, characterized in that a filter for removal is provided, and the characteristics of the filters provided in the signal transmission circuits are different from each other.
前記センサは、前記各被検出用特性変化組み合わせ部を構成する前記各特性変化部が前記検出部が対向する部分を通過する瞬間に出力信号を変化させるものであり、
前記演算器は、円周方向に隣り合う1対の特性変化部に基づいて発生する1対のパルス間の周期である部分周期と、円周方向に隣り合う1対の被検出用特性変化組み合わせ部の対応する特性変化部に基づいて発生する、別の1対のパルス間の周期である全周期との比であるパルス周期比に基づいて、前記物理量を求めるものである、請求項1〜2のうちの何れか1項に記載した回転部材用物理量測定装置。 The detected surface of the detected ring is formed with a plurality of detected characteristic change combination portions at equal intervals in the circumferential direction, respectively, in the width direction of the detected surface that matches the measurement direction of the physical quantity, Each of the detected characteristic change combination portions is provided with a pair of characteristic change portions whose inclination directions with respect to the width direction are different from each other in a state of being separated in the circumferential direction of the detected ring,
The sensor is configured to change an output signal at a moment when each of the characteristic changing units constituting the detected characteristic changing combination unit passes a portion where the detecting unit faces.
The computing unit includes a combination of a partial period that is a period between a pair of pulses generated based on a pair of characteristic change units adjacent in the circumferential direction, and a pair of characteristic change for detection adjacent in the circumferential direction. The physical quantity is obtained on the basis of a pulse period ratio that is a ratio between a total period that is a period between another pair of pulses that is generated based on a corresponding characteristic change part of the part. The physical quantity measuring device for a rotating member according to any one of 2.
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