(57)【要約】【課題】簡単な構造で、工作物の高精度の切削加工を可能にする。【解決手段】スピンドル装置Ａの回転主軸Ｂと工具１、または工作物６０を超音波振動させて、工具１と工作物６０とが接触したときの電気負荷の変化を検知して、工具１と工作物６０との接触を高精度に検知することができる。また、工具１と工作物６０とが接触したときの電気負荷を検知して、工具１と工作物６０との接触を高精度に判定し、かつ表示することができる。また、工具１と工作物６０との接触を判定する接触判定信号を得て、その信号を工作機械１００の制御装置１０１に送り、工作機械１００のＮＣ加工プログラムと同調して、工具１と工作物６０との接触の検出から工作機械１００のＺ軸送り停止までを自動的に行い、工作物６０の高精度の切削加工が可能である。【選択図】図４
2010207971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物の切削加工に用いるスピンドル装置を用い、
前記スピンドル装置の回転主軸に工具を取り付け、
前記スピンドル装置の回転主軸と工具、または前記工作物を超音波振動させて、
前記工具と前記工作物とが接触したときの電気負荷の変化を検知して、
前記工具と前記工作物との接触を検知することを特徴とする接触検知方法。
【請求項２】
回転主軸および回転主軸に取り付けられた工具が超音波振動して工作物の切削加工を行なうスピンドル装置と、
前記超音波振動を駆動させるための駆動回路と、
前記工具と前記工作物とが接触したときの電気負荷を検知して、前記工具と前記工作物との接触を判定し、かつ表示する制御回路と、
を備えることを特徴とするスピンドル装置システム。
【請求項３】
請求項２に記載のスピンドル装置システムを備え、
前記スピンドル装置システムの制御回路は、工具と工作物との接触を判定する接触判定信号を得て、その信号を工作機械の制御装置に送り、
前記制御装置は、前記工作機械のＮＣ加工プログラムと同調して、前記工具と前記工作物との接触の検出から前記工作機械のＺ軸送り停止までを自動的に行うことを特徴とする工作機械システム。
【請求項４】
先端側に工具を有する回転主軸が超音波振動しながら回転するスピンドル装置であり、
前記回転主軸を超音波振動させる駆動電力が電気負荷によって変化することから前記工具の前記工作物に対する振動の基準点を決定する基準点決定回路と、
前記基準点から前記工作物の切削加工深さを設定する加工深さ設定回路と、
を備えることを特徴とするスピンドル装置。
【請求項５】
前記駆動電力により前記主軸を超音波振動させる加振部を備え、
前記加振部は、圧電素子と、電極板を有し、
前記基準点決定回路は、駆動電力の電流または位相の変化を検知して前記基準点を決定することを特徴とする請求項４に記載のスピンドル装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載のスピンドル装置と、
前記スピンドル装置を移動させる移動手段と、
前記スピンドル装置の移動を予め設定されたプログラムに基づき制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記設定した加工深さになるように前記移動手段を制御し、前記スピンドル装置を移動することを特徴とする工作機械システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工具を有する回転主軸が超音波振動しながら回転して切削加工するときの工具と工作物との接触を検知する接触検知方法、スピンドル装置システム、スピンドル装置および工作機械システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
金型加工などの分野において、高速ミリング加工法が用いられており、例えば１本の工具を用いて粗加工から仕上げ加工まで行なうことができる。あるいは、小径の軸付砥石を使って高硬度脆性材料を加工することができる．
この高速ミリング加工を行う装置として、例えば、工具を有する回転主軸が超音波振動しながら回転する超音波ミリング装置が提案されている（特許文献１）。この超音波ミリング装置は、加工装置に取り付けられ、予め設定されたプログラムに基づき超音波ミリング装置を移動させ、回転主軸が超音波振動しながら回転することで工具により工作物を加工するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４６８１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような高速ミリング加工においては、微細な工具を利用しており、この加工に際しては、工具が振動して加工するため、振動の基準点を決めて工作物の表面からの加工深さを設定して加工する必要があるが、基準点を決めることが難しく、このことが高速ミリング加工の障害になっている。例えば、センサやカメラなどの測定装置を用いて工作物の表面から振動する工具の先端までの距離を測定することは、その分部品点数が嵩み、コストが嵩むと共に、高精度に測定することは困難である。
【０００５】
この発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、工作物の高精度の切削加工を可能にする接触検知方法、スピンドル装置システム、スピンドル装置および工作機械システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。
【０００７】
請求項１に記載の発明は、
工作物の切削加工に用いるスピンドル装置を用い、
前記スピンドル装置の回転主軸に工具を取り付け、
前記スピンドル装置の回転主軸と工具、または前記工作物を超音波振動させて、
前記工具と前記工作物とが接触したときの電気負荷の変化を検知して、
前記工具と前記工作物との接触を検知することを特徴とする接触検知方法である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、
回転主軸および回転主軸に取り付けられた工具が超音波振動して工作物の切削加工を行なうスピンドル装置と、
前記超音波振動を駆動させるための駆動回路と、
前記工具と前記工作物とが接触したときの電気負荷を検知して、前記工具と前記工作物との接触を判定し、かつ表示する制御回路と、
を備えることを特徴とするスピンドル装置システムである。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、
請求項２に記載のスピンドル装置システムを備え、
前記スピンドル装置システムの制御回路は、工具と工作物との接触を判定する接触判定信号を得て、その信号を工作機械の制御装置に送り、
前記制御装置は、前記工作機械のＮＣ加工プログラムと同調して、前記工具と前記工作物との接触の検出から前記工作機械のＺ軸送り停止までを自動的に行うことを特徴とする工作機械システムである。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、
先端側に工具を有する回転主軸が超音波振動しながら回転するスピンドル装置であり、
前記回転主軸を超音波振動させる駆動電力が電気負荷によって変化することから前記工具の前記工作物に対する振動の基準点を決定する基準点決定回路と、
前記基準点から前記工作物の切削加工深さを設定する加工深さ設定回路と、
を備えることを特徴とするスピンドル装置である。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、
前記駆動電力により前記回転主軸を超音波振動させる加振部を備え、
前記加振部は、圧電素子と、電極板を有し、
前記基準点決定回路は、駆動電力の電流または位相の変化を検知して前記基準点を決定することを特徴とする請求項４に記載のスピンドル装置である。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、
請求項４または請求項５に記載のスピンドル装置と、
前記スピンドル装置を移動させる移動手段と、
前記スピンドル装置の移動を予め設定されたプログラムに基づき制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記設定した加工深さになるように前記移動手段を制御し、前記スピンドル装置を移動することを特徴とする工作機械システムである。
【発明の効果】
【００１３】
前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。
【００１４】
請求項１乃至請求項３に記載の発明では、センサやカメラなどの測定装置を用いて工作物の表面から振動する工具の先端までの距離を測定することなく、スピンドル装置の回転主軸と工具、または工作物を超音波振動させて、工具と工作物とが接触したときの電気負荷の変化を検知して、工具と工作物との接触を高精度に検知することができる。また、工具と工作物とが接触したときの電気負荷を検知して、工具と工作物との接触を高精度に判定し、かつ表示することができる。また、工具と工作物との接触を判定する接触判定信号を得て、その信号を工作機械の制御装置に送り、工作機械のＮＣ加工プログラムと同調して、工具と工作物との接触の検出から工作機械のＺ軸送り停止までを自動的に行い、工作物の高精度の切削加工が可能である。
【００１５】
請求項４乃至請求項６に記載の発明では、センサやカメラなどの測定装置を用いて工作物の表面から振動する工具の先端までの距離を測定することなく、駆動電力が電気負荷によって変化することから工具の工作物に対する振動の基準点を決定し、基準点から工作物の加工深さを設定し、設定した加工深さになるように移動して工作物を切削加工することができ、簡単な構造で、工具の振動の基準となる基準点を決め、工作物の高精度の切削加工が可能である。また、簡単な回路構成で駆動電力の変化から工具の工作物に対する基準点を決定することができる。また、センサやカメラなどの測定装置を用いて工作物の表面から振動する工具の先端までの距離を測定することなく、設定した加工深さになるようにスピンドル装置の移動を予め設定されたプログラムに基づき制御し、工作物の高精度の切削加工が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】スピンドル装置の断面図である。
【図２】加振部の断面図である。
【図３】焼きばめチャックの固定を説明する図である。
【図４】超音波発振装置の回路図である。
【図５】駆動電圧の波形図である。
【図６】切削加工状態を説明する図である。
【図７】駆動電流の波形図である。
【図８】工作機械システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の接触検知方法、スピンドル装置システム、スピンドル装置および工作機械システムの実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、発明の最も好ましい形態を示すものであり、この発明はこれに限定されない。
［スピンドル装置の構成］
図１乃至図３はスピンドル装置の実施の形態を示しており、このスピンドル装置Ａは、先端側に工具１を有する回転主軸Ｂが超音波振動しながら回転する装置である。回転主軸Ｂは、軸本体部２、加振部５、締め付けねじ２０などを有している。
【００１８】
軸本体部２は、単一の部材で成形され、材質が例えば軸受鋼、ステンレス鋼やチタン合金である。この軸本体部２は、円柱状であり、外周は研磨加工され、先端側に焼きばめチャック６を固定するための固定穴２ａが形成されている。
【００１９】
工具１及び焼きばめチャック６の取付は、図３に示すように、焼きばめチャック６を軸本体部２の先端の固定穴２ａに圧入により固定するが、ねじ込み、焼きばめなど固定方法は特に限定されない。工具１は、焼きばめチャック６の固定穴６ａに焼きばめにより固定する。このように、工具１を焼きばめチャック６に焼きばめにより固定して取付したから、工具支持剛性が高く、高精度に固定することができバランス性もよいので、超音波振動を効率よく加工物６０に伝えることができるとともに高速ミリング加工時の高速回転及び振動や負荷に耐えることができる。
工具１はエンドミルなどが用いられるが、材質としては、超硬、コーティング超硬、焼結および単結晶ダイヤモンド、ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）、研削砥石などが好適である。
【００２０】
回転主軸Ｂは、軸本体部２の先端側２ｂが軸受１０を介して、駆動側２ｃが軸受１１を介してハウジング４に支持されている。軸受１０と軸受１１は同様に構成され、通常、転がり軸受が用いられ、外輪１０ａ，１１ａと、転動体１０ｂ，１１ｂと、内輪１０ｃ，１１ｃとを備え、ハウジング４とは別体のものとなっている。
【００２１】
軸受１０と軸受１１は、軸本体部２の外周にそれぞれ内輪１０ｃ，１１ｃが圧入されることにより固定される。そして、このように軸受１０と軸受１１を取り付けた回転主軸Ｂを、ハウジング４の筒室１２に挿入し、外輪１０ａ，１１ａを、筒室１２の内壁面に圧入することによりハウジング４に保持固定させている。
【００２２】
この例では、軸受１０と軸受１１の外輪１０ａ，１１ａとの間に間隔保持のためのスリーブ１３を配置しているが、これは必ずしも必要ではない。
【００２３】
また、軸本体部２の外周に環状溝（図示せず）を形成し、軸受１０と軸受１１の転動体１０ｂ，１１ｂを環状溝にそれぞれはめることで、内輪は省略してもよい。
【００２４】
回転主軸Ｂを回転する回転装置３は、回転軸３ａを有する。回転軸３ａは、締め付けねじ２０を介して回転主軸Ｂの軸線上に接続されている。回転軸３ａは、その先端部を締め付けねじ２０の係合穴２０ａに係合して一体回転可能になっている。回転装置３は、高速回転用の装置であれば任意であるが、例えば高周波モータやＡＣサーボモータなどが使用され、ハウジング４の筒室１２に納められている。この実施の形形態では、回転装置３をハウジング４に収納して蓋４０によって取り付けているが、回転装置３は必ずしもハウジング４に収納して設ける必要はなく、回転主軸Ｂの後端をアーバにして別の工作機械につける方式でもよい。
【００２５】
加振部５は、回転主軸Ｂを超音波振動させ、この加振部５は、回転主軸Ｂの駆動側の軸受１１の位置より回転装置側に配置されている。加振部５は、一対の圧電素子５０と、電極板５１を有し、圧電素子５０と電極板５１とを交互にサンドイッチ構造とした複数枚ものからなっており、中心には通孔５０ａ，５１ａが形成されている。
【００２６】
一対の圧電素子５０の間に電極板５１が配置され、締め付けねじ２０の雄ねじ部２０ｂを軸本体部２の雌ねじ穴２ｄに螺着する時に、一対の圧電素子５０の通孔５０ａ、電極板５１の通孔５１ａに貫通して軸本体部２の駆動側２ｃの先端部に共締めされる。
【００２７】
ハウジング４には給電ブラシ５２が取付けられ、この給電ブラシ５２には超音波を発振するための超音波発振装置５３の給電線５４が接続されている。給電ブラシ５２から電極板５１にブラシ給電を行い、圧電素子５０を駆動させて、回転主軸Ｂを超音波振動させる。圧電素子５０への給電は、給電ブラシ５２から電極板５１から行い、導電性の軸本体部２、軸受１０と軸受１１、ハウジング４を介してアースされ、給電系が簡素化されている。
【００２８】
このスピンドル装置Ａは、被削材としての工作物６０の切削加工を行い、この工作物６０の材質は任意であり、炭素鋼、プレハードン鋼、ステンレス鋼、金型用焼入れ鋼などのほか、アルミニウムなどの非鉄金属、さらにガラスやセラミックス、宝石類の非金属、ゴム、プラスチック、木材なども含まれる。
【００２９】
回転装置３の回転軸３ａが締め付けねじ２０に一体回転可能であるため、回転装置３を駆動すれば、軸受１０と軸受１１によりハウジング４に支持されている回転主軸Ｂは高速で回転させられ、併行して超音波発振装置５３からの給電により、電極板５１を介して圧電素子５０は軸方向、ねじれ方向もしくは曲げ方向に振動させられ、工具１により工作物６０がミーリング加工される。この超音波振動により工具１の材質がダイヤモンド、工作物の材質が鉄系材料である場合にも化学反応による化学的摩耗が回避される。
【００３０】
回転主軸Ｂは、軸受１０と軸受１１により、回転が許容されつつ軸方向および半径方向には動かされないようにしっかりと支持されているため、高速回転と振動とが作用しても、回転主軸Ｂは高速回転と横方向の負荷に耐えることができ、円滑に安定して長距離の高速ミーリング加工を行なうことができる。
【００３１】
また、回転主軸Ｂの軸本体部２は、単一の部材で成形し、軸本体部２の先端側２ｂを軸受１０を介して、駆動側２ｃを軸受１１を介してハウジング４に支持し、回転主軸Ｂを超音波振動させる加振部５を、回転主軸Ｂの駆動側の軸受１１の位置より回転装置側に配置しているため、回転主軸Ｂを複数の軸部材を組み付けて切削加工する必要がなく、製作工程を削減し、低コストである。
【００３２】
また、加振部５は、圧電素子５０と、電極板５１を有し、ハウジング４に給電ブラシ５２を取付け、給電ブラシ５２から電極板５１にブラシ給電を行い、圧電素子５０を駆動させるから、回転主軸Ｂに給電系の経路や導線などを設ける必要がなく、給電系の簡素化が可能で、回転バランスがよく、高速化、高精度化を得ることができる。
【００３３】
超音波発振装置５３は、図４に示すように、制御回路５３０と、駆動回路５３１と、基準点決定回路５３２と、加工深さ設定回路５３３を備える。制御回路５３０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどから構成され、操作部５３４からのボタンやスイッチ操作に基づき駆動回路５３１を制御すると共に、加工深さ設定回路５３３からの加工深さ情報を加工機械１００の制御装置１０１へ送る。
【００３４】
駆動回路５３１は、駆動電力により回転主軸Ｂを超音波振動させる回路であり、スイッチング素子制御回路５３１ａと、昇圧回路５３１ｂとからなる。図５に示すように、スイッチング素子制御回路５３１ａで、昇圧回路５３１ｂの出力により加振部５の端子間電圧の駆動に必要な電圧まで充電し、続いて充電した電圧を放電する動作を繰り返して駆動し、回転主軸Ｂを超音波振動させる。
【００３５】
超音波発振装置５３によって回転主軸Ｂは、図６に示すように、超音波振動し、この回転主軸Ｂの工具１により円滑に安定して長距離の高速ミーリング加工を行なうことができるが、工具１を図６（ａ）から図６（ｂ）に示すように移動させ、超音波振動する工具１の先端１ａが工作物６０の表面６０ａに接触すると、基準点決定回路５３２は回転主軸Ｂを超音波振動させる駆動電力が電気負荷によって変化することから、駆動電力の変化から工具１の工作物６０の表面６０ａに対する振動の基準点Ｏを決定する。
【００３６】
すなわち、工具１が図６（ａ）に示すように、超音波振動する工具１の先端１ａが工作物６０の表面６０ａに接触しない状態では、図７（ａ）に示すように、駆動電力の電流または位相の波形は変化しない。図６（ｂ）に示すように、超音波振動する工具１の先端１ａが工作物６０の表面６０ａに接触すると、図７（ｂ）に示すように、駆動電力の電流または位相の波形が変化し、接触時に電流が大きくなり、またＯＮ時間は長くなり位相が変化する。
【００３７】
基準点決定回路５３２は、図７（ｂ）に示す駆動電力の電流または位相の変化を検知し、電流または位相の変化を、図６（ｂ）に示すように、超音波振動する工具１の先端１ａが工作物６０の表面６０ａに接触した点ａを検知すると、振動幅はＷが予め設定されているから、振動幅Ｗの半分を振動の基準点Ｏとして決定する。加工深さ設定回路５３３は、振動幅Ｗの中心の基準点Ｏから工作物６０の加工深さＨを設定し、簡単な回路構成で駆動電力の変化から工具１の工作物６０の表面６０ａに対する基準点Ｏを決定することができる。
【００３８】
このように、センサやカメラなどの測定装置を用いて工作物６０の表面６０ａから振動する工具１の先端１ａまでの距離を測定することなく、駆動電力の変化から工具１の工作物６０の表面６０ａに対する振動の基準点Ｏを決定し、この基準点Ｏから工作物６０の加工深さＨを設定し、図６（ｃ）に示すように、設定した加工深さＨになるように移動して工作物６０を切削加工することができ、簡単な構造で、工具１の振動の基準となる基準点Ｏを決め、工作物６０の高精度の切削加工が可能である。
［工作機械システムの構成］
図８は工作機械システムの実施の形態を示しており、この工作機械システムＳは、工作機械１００と、スピンドル装置システムＰを備えている。このスピンドル装置システムＰは、回転主軸および回転主軸に取り付けられた工具が超音波振動して工作物の切削加工を行なうスピンドル装置Ａと、超音波振動を駆動させるための駆動回路５３１と、工具１と工作物６０とが接触したときの電気負荷を検知して、工具１と工作物６０との接触を判定し、かつ表示する制御回路５３０と、を備える。この駆動回路５３１と、制御回路５３０は、前記した超音波発振装置５３に備えられており、前記したように構成される。また、スピンドル装置Ａも前記したように構成されるから説明を省略する。
【００３９】
加工機械１００は、装置本体１００ａに移動手段１００ｂを有する。移動手段１００ｂは、例えばアームやシリンダなどから構成され、スピンドル装置Ａを移動させる。制御装置１０１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどから構成され、スピンドル装置Ａの移動を予め設定されたプログラムに基づき制御する。
【００４０】
この制御装置１０１は、スピンドル装置Ａの超音波発振装置５３からの情報が入力され、設定した加工深さになるように移動手段１００ｂを制御し、スピンドル装置Ａを移動し、工具１により円滑に安定して長距離の高速ミーリング加工を行なう。
【００４１】
この工作機械システムＳでは、工作物６０の切削加工に用いるスピンドル装置Ａを用い、このスピンドル装置Ａの回転主軸Ｂに工具１を取り付け、スピンドル装置Ａの回転主軸Ｂと工具１、または工作物６０を超音波振動させて、工具１と工作物６０とが接触したときの電気負荷の変化を検知して、工具１と工作物６０との接触を検知する。
【００４２】
そして、スピンドル装置システムＰを備えることで、その制御回路５３０は、工具１と工作物６０との接触を判定する接触判定信号を得て、その信号を工作機械１００の制御装置１０１に送り、この制御装置１０１は、工作機械１００のＮＣ加工プログラムと同調して、移動手段１００ｂを制御し、工具１と工作物６０との接触の検出から工作機械１００のＺ軸送り停止までを自動的に行う。
【００４３】
ＮＣ加工プログラムは、旋削加工する場合の加工プログラムであり、Ｚ軸と同軸である工作物６０であるワークの軸心に向かって工具１をＸ軸に沿って切り込みし、Ｚ軸に沿って移動できるように、工具１の座標位置を、Ｘ−Ｚの二次元座標で表すだけでよく、周知のＮＣ加工プログラムが用いられる。
【００４４】
このように、センサやカメラなどの測定装置を用いて工作物６０の表面６０ａから振動する工具１の先端までの距離を測定することなく、スピンドル装置Ａの回転主軸Ｂと工具１、または工作物６０を超音波振動させて、工具１と工作物６０とが接触したときの電気負荷の変化を検知して、工具１と工作物６０との接触を高精度に検知することができる。また、工具１と工作物６０とが接触したときの電気負荷を検知して、工具１と工作物６０との接触を高精度に判定し、かつ表示することができる。また、工具１と工作物６０との接触を判定する接触判定信号を得て、その信号を工作機械１００の制御装置１０１に送り、工作機械１００のＮＣ加工プログラムと同調して、工具１と工作物６０との接触の検出から工作機械１００のＺ軸送り停止までを自動的に行い、工作物６０の高精度の切削加工が可能である。
【００４５】
そして、スピンドル装置Ａからの工具１を有する回転主軸Ｂが超音波振動する情報に基づき、制御装置１０１が設定した加工深さになるように移動手段１００ｂを制御する。したがって、スピンドル装置Ａを移動するからセンサやカメラなどの測定装置を用いて工作物６０の表面６０ａから振動する工具１の先端１ａまでの距離を測定することなく、設定した加工深さになるようにスピンドル装置Ａの移動を予め設定されたプログラムに基づき制御し、工作物６０の高精度の切削加工が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
この発明は、工具を有する回転主軸が超音波振動しながら回転して切削加工する接触検知方法、スピンドル装置システム、スピンドル装置および工作機械システムに適用可能であり、簡単な構造で、工作物の高精度の切削加工を可能にする。
【符号の説明】
【００４７】
Ａ  スピンドル装置
Ｂ  回転主軸
Ｐ  スピンドル装置システム
Ｓ  工作機械システム
１  工具
３  回転装置
４  ハウジング
５  加振部
６  焼きばめチャック
１０，１１  軸受
５０  圧電素子
５１  電極板
５３  超音波発振装置
６０  工作物
１００  工作機械
１００ａ  装置本体
１００ｂ  移動手段
１０１  制御装置
５３０  制御回路
５３１  駆動回路
５３２  基準点決定回路
５３３  加工深さ設定回路
【図１】
2010207971.tif 000003
【図２】
2010207971.tif 000004
【図３】
2010207971.tif 000005
【図４】
2010207971.tif 000006
【図５】
2010207971.tif 000007
【図６】
2010207971.tif 000008
【図７】
2010207971.tif 000009
【図８】
2010207971.tif 000010