工具、変速装置、工作機械および工具管理システム
【課題】動力供給源とは機械的に独立して加工具を駆動可能で、工具と他の機器との間で情報の送受信が可能な工具を提供する。
【解決手段】工具６１は、ワークを加工する刃具１００と、刃具１００を駆動する電動機８０と、主軸４６から供給される動力によって、電動機８０を駆動させる電力を発生する発電機７０と、発電機７０から供給される電力によって動作し、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路１５０と、発電機７０から供給される電力によって動作し、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の送信を行う送受信回路１４０とを有する。
【解決手段】工具６１は、ワークを加工する刃具１００と、刃具１００を駆動する電動機８０と、主軸４６から供給される動力によって、電動機８０を駆動させる電力を発生する発電機７０と、発電機７０から供給される電力によって動作し、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路１５０と、発電機７０から供給される電力によって動作し、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の送信を行う送受信回路１４０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークを加工する工具、変速装置、工作機械および管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、マシニングセンタ等の主軸を備えた工作機械では、主軸の最大回転速度は主軸を回転自在に保持するメインベアリングの構造や潤滑方式によって決定されるため、この最大回転速度より増速した回転速度で工具を回転させたい場合には、たとえば、増速装置を用いている。
増速装置としては、たとえば、工具を保持し主軸に着脱可能となっており、主軸の回転力を遊星歯車機構等の歯車機構によって増速して工具の回転速度を増速させるものが知られている。
たとえば、マシニングセンタにおいて、一時的に主軸の最大回転速度よりも工具の回転速度を増速させたい場合には、上記のような増速装置を主軸に対して自動工具交換装置によって通常の工具と同様に装着し、工具を高い回転速度で回転させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記のような歯車機構による増速装置によって工具を主軸の回転速度よりも増速する場合に、数万回転〜数十万回転の超高速回転させると、増速装置の発熱が増大し、加工精度に影響することがある。また、数万回転〜数十万回転の超高速回転では、増速装置からの騒音も増大する。さらに、増速装置は、たとえば、数万回転〜数十万回転の回転に耐えうる信頼性の高い構造にするため、比較的製造コストが高騰するという不利益も存在した。
また、他の増速方法として、主軸を駆動するモータに高周波モータを使用し、この高周波モータに特別に用意された制御装置から駆動電流を供給し、主軸を高速回転させる方法が採られる場合がある、しかしながら、この方法では、工具交換を通常の工具と同様に行うことが難しく、また、設備コストが比較的高いという不利益が存在する。
【０００４】
本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであって、工具の加工具を動力供給源とは機械的に独立して駆動することが可能で、工具と他の機器との間で情報の送受信が可能な工具、変速装置、工作機械および工具の管理システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の観点に係る工具は、ワークを加工する加工具と、前記加工具を駆動する電動機と、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路とを有する。
【０００６】
本発明の第２の観点に係る工具は、ワークを加工する加工具と、前記加工具を駆動する電動機と、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路とを有する。
【０００７】
好適には、前記発電機は、前記動力供給源の流体の圧力により入力軸を回転させて発電する。
【０００８】
本発明の第３の観点に係る変速装置は、加工具が装着される回転軸と、前記回転軸を駆動する電動機と、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路とを有する。
【０００９】
本発明の第４の観点に係る変速装置は、加工具が装着される回転軸と、前記回転軸を駆動する電動機と、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路とを有する。
【００１０】
本発明の第５の観点に係る工作機械は、主軸と、主軸に着脱可能な変速装置と、前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源とを有し、前記変速装置は、被回転物を駆動する電動機と、前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を生成する処理回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路とを有する。
【００１１】
本発明の第６の観点に係る工作機械は、主軸と、主軸に着脱可能な変速装置と、前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源とを有し、前記変速装置は、被回転物を駆動する電動機と、前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路とを有する。
【００１２】
本発明の第７の観点に係る工具管理システムは、ワークを加工する加工具、前記加工具を駆動する電動機、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路、及び、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路を有する工具と、前記工具とは独立に設けられ、前記送信回路から送信された前記情報の受信を行い、かつ、当該情報の管理を行う管理装置とを有する。
【００１３】
本発明の第８の観点に係る工具管理システムは、ワークを加工する加工具、前記加工具を駆動する電動機、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路、及び、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路を有する工具と、前記工具とは独立に設けられ、前記受信回路への前記情報の送信を行う管理装置とを有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、工具の加工具を動力供給源とは独立して駆動することが可能で、工具と他の機器との間で情報の送受信ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
図１においてマシニングセンタ１は、門型のコラム３８の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール３７を備えており、このクロスレール３７上を移動可能に支持されたサドル４４を介してラム４５が鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。
【００１６】
サドル４４には、水平方向にクロスレール３７内を通じて図示しないねじ部が形成されており、このねじ部に送りねじ軸４１が螺合している。
送りねじ軸４１の一端部には、サーボモータ１９が接続されており、送りねじ軸４１はサーボモータ１９によって回転駆動される。
送りねじ軸４１の回転駆動によって、サドル４４はＹ軸方向に移動可能となり、これによってラム４５のＹ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１７】
さらに、サドル４４には、鉛直方向に方向に図示しないねじ部が形成されており、このねじ部に送りねじ軸４２がねじ込まれている。送りねじ軸４２の端部には、サーボモータ２０が接続されている。
サーボモータ２０によって送りねじ軸４２が回転駆動され、これによりサドル４４に移動可能に設けられたラム４５のＺ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１８】
ラム４５内には、主軸モータ３１が内蔵され、この主軸モータ３１はラム４５に回転自在に保持された主軸４６を回転駆動する。
主軸４６の先端には、エンドミルなどの工具Ｔが装着され主軸４６の回転によって工具Ｔが駆動される。
ラム４５の下方には、テーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けられている。テーブル３５には、図示しないねじ部が形成されており、これにＸ軸方向に沿って設けられた図示しない送りねじ軸が螺合しており、この図示しない送りねじ軸にサーボモータ１８が接続されている。
テーブル３５は、サーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１９】
また、２本の門型コラム３８には、図示しないねじ部がそれぞれ形成されており、これに螺合する送りねじ軸３２ａをクロスレール昇降用モータ３２によって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降する。
【００２０】
自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９は、主軸４６に対して各種工具Ｔを自動交換する。
この自動工具交換装置３９は、たとえば、図示しないマガジンに工具ホルダによって保持された各種工具Ｔを収納しており、主軸４６に装着された工具Ｔを図示しない工具交換アームによってマガジンに収納し、必要な工具Ｔを主軸４６に工具交換アームによって装着する。
【００２１】
ＮＣ装置５１は、上記のサーボモータ１８，１９，２０、クロスレール昇降用モータ３２および主軸モータ３１の駆動制御を行う。
ＮＣ装置５１は、具体的には、予めＮＣプログラムで規定されたワークの加工手順にしたがって、サーボモータ１８，１９，２０による工具Ｔとワークとの間の位置および速度制御を行う。また、ＮＣ装置５１は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｓコードで規定された主軸３１の回転速度を解読することにより主軸４６の回転速度の制御を行う。
さらに、ＮＣ装置５１は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｍコードで規定れた工具Ｔの交換を動作を解読することにより、各種工具Ｔの自動交換を実行する。
【００２２】
図２は、本発明の工具の一実施形態の構成を示す断面図である。
図２において、工具６１は、装着部６２と、ケース部材６６，６７および６８からなるケース６５と、発電機７０と、電動機８０と、刃具１００と、二次電池１１０とを備えている。
ここで、装着部６２は本発明の装着部の実施態様であり、発電機７０は本発明の発電機の実施態様であり、電動機８０は本発明の電動機の実施態様であり、刃具１００は本発明の加工具の実施態様であり、二次電池１１０は本発明の二次電池の実施態様である。また、工具６１が装着される上記の主軸４６が本発明の動力供給源の実施態様である。工具６１から刃具１００を除いた部分は本発明の変速装置の実施態様である。
【００２３】
装着部６２は、把持される把持部６２ａと、上記の主軸４６の先端部に形成されたテーパスリーブ４６ａに装着されるテーパシャンク部６２ｂと、このテーパシャンク部６２ｂの先端部に形成されたクランプ部６２ｃと、ケース部材６６に回転自在に保持される軸部６２ｄとを備えている。
【００２４】
この装着部６２の把持部６２ａは、上記した自動工具交換装置３９の工具交換アームによって、自動工具交換装置３９のマガジンから主軸４６に装着される際および主軸４６から自動工具交換装置３９のマガジンへ搬送される際に把持される。
【００２５】
装着部６２のテーパシャンク部６２ｂは、主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることによって、中心軸が主軸４６の中心軸と同心になる。
【００２６】
装着部６２のクランプ部６２ｃは、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されると、主軸４６に内蔵された図示しないクランプ機構によってクランプされる。なお、主軸４６に内蔵されたクランプ機構は周知技術であるので詳細については省略する。
【００２７】
装着部６２の軸部６２ｄは、ケース部材６６の内周に複数の転がり軸受７２を介して回転自在に保持されている。
【００２８】
ケース部材６７の内周には、保持部材７３を介して発電機７０および電動機８０が保持されている。
ケース部材６７の外周には、後述する送受信回路１４０に接続されたアンテナ１４１が設けられている。
発電機７０は、入力軸７１が装着部６２の軸部６２ｄと同心に連結されており、この発電機７０には主軸４６の回転力が装着部６２を介して入力される。
発電機７０には、たとえば、三相同期発電機を用いることができる。
【００２９】
電動機８０は、図示しない導電ケーブルによって、発電機７０で発電された電力が供給される。この電動機８０は、発電機７０から供給される電力によって駆動する。
電動機８０の出力軸８１は、カップリング８７によって回転軸９０に連結されている。
電動機８０には、たとえば、三相誘導電動機を用いることができる。
【００３０】
回転軸９０は、ケース部材６８の内周に複数の転がり軸受９２を介して回転自在に保持されている。
回転軸９０の先端側は、ケース部材６８に抜け止め部材９４によって抜け止めされている。
また、回転軸９０の先端部には、上記した工具が装着される工具装着部９５が設けられている。
【００３１】
刃具１００は、工具装着部９５に保持されており、この刃具１００はワークを加工する。
刃具１００は、具体的には、ドリル、エンドミル等の各種の刃具である。
【００３２】
ケース部材６６、６７および６８は、たとえば、ボルト等の締結手段によって連結されており、これらケース部材６６、６７および６８がケース６５を構成している。
ケース部材６６の外周には、回り止め部材８５が設けられている。
この回り止め部材８５は、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることにより、主軸４６側の、たとえば、ラム４５等の非回転部４７に形成された嵌合穴４７ａに先端８５ａが挿入される。
これにより、ケース部材６６、すなわち、ケース６５は、主軸４６が回転しても回転が規制される。
【００３３】
二次電池１１０は、ケース部材６７の内側に固定されている。この二次電池１１０は、発電機７０の発電した電力の一部を充電する。二次電池１１０には、たとえば、ニッケルカドミウム二次電池を用いることができる。この他にも、ニッケル水素系、リチウム系の二次電池や、小型の鉛蓄電池を使用することができる。
【００３４】
図３は、上記の工具６１の電気系の構成と、この工具６１を使用した工具管理システムの構成を示す図である。
図３において、工具６１は上記した発電機７０、電動機８０および二次電池１１０を備えるとともに、充電回路１２０と、処理回路１５０と、送受信回路１４０とを備える。
また、本実施形態に係る工具管理システムは、工具６１とパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）４００とから構成される。
【００３５】
充電回路１２０は、発電機７０の発電した電力の一部を二次電池１１０に充電する。この充電回路１２０は、発電機７０の発電した交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の出力電圧に含まれるリプルを平滑化し二次電池１１０に対して適切な電圧に変換する平滑回路等から構成される。
二次電池１１０は、充電回路１２０によって充電された電力を処理回路１５０および送信回路１４０からなる被電力供給部１６０に電力を供給する。なお、充電回路１２０の整流回路又は平滑回路から直接的に処理回路１５０や送信回路１４０等を含む被電力供給部１６０に電力を供給してもよい。
【００３６】
処理回路１５０は、二次電池１１０から供給される電力によって動作し、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を処理する。
ここで、刃具１００によるワークの加工に関わる情報には、たとえば、工具を識別するための予めフォーマットの定まった工具情報や、刃具１００による加工中の発電機７０や電動機８０の監視情報等が含まれる。
工具情報は、たとえば、ドリル、エンドミル等の工具の種類、その工具の直径や長さ等の寸法、補正番号等の情報である。
監視情報は、発電機７０や電動機８０に、たとえば、断線やショートが発生していないか、あるいは、過負荷が掛かっていないか等の情報である。
処理回路１５０は、上記の予めフォーマットの定まった工具情報をまず生成する。また、処理回路１５０は、たとえば、発電機７０の発生電流７０ｓや電動機８０の駆動電流８０ｓを検出し、これら検出情報に基づいて、発電機７０や電動機８０に異常がないかを監視し、この監視情報も予めフォーマットの定まった工具情報に付加し、送受信回路１４０に送る。
【００３７】
送受信回路１４０は、処理回路１５０からのデータを無線信号としてアンテナ１４１から、パソコン４００に送信する。
【００３８】
上記の充電回路１２０、処理回路１５０および送受信回路１４０は、工具６１のケース６５に内蔵することができる。なお、充電回路１２０、処理回路１５０および送受信回路１４０をボックスに収容し、これをケース６５の外部に外付けすることも可能である。また、ケース６５に凹凸を形成して、これら充電回路１２０、処理回路１５０および送受信回路１４０を収容する構成としてもよい。
【００３９】
パソコン４００は、アンテナ４０１を備えており、アンテナ１４１からのデータを受信する。パソコン４００は、受信したデータから工具６１の監視および管理を行うためのユーティリティプログラムを内蔵している。なお、パソコン４００は本発明の管理装置の実施態様である。
また、パソコン４００は、図１に示すように、ＮＣ装置５１と接続されており、工具６１に故障等の異常が発生した場合等には、ＮＣ装置５１にこの異常情報を送信する。
【００４０】
ここで、上記構成の工具６１の動作の一例について説明する。
自動工具交換装置３９によって、工具装着部９５に刃具１００を保持した工具６１をマシニングセンタ１の主軸４６に装着すると、工具６１は、回り止め部材８５の先端部８５ａが非回転部４７の嵌合穴４７ａに嵌合挿入され、ケース６５の回転が規制される。
【００４１】
この状態から、主軸４６を回転速度Ｎ0 で回転させると、工具６１の装着部６２が回転し、主軸４６の回転力が発電機７０に伝達される。
発電機７０に、たとえば、三相同期発電機を用いると、三相交流電力が発電される。
この三相交流電力の一部は、充電回路１２０により二次電池１１０に充電される。
【００４２】
三相同期発電機の発生する三相交流電力の周波数ｆは、三相同期発電機の極数をＰ1 とし、主軸４６の回転速度をＮ0 〔ｒｐｍ〕とすると、次式（１）によって表される。
【００４３】
［数１］
ｆ＝Ｐ1 ×Ｎ0 ／１２０〔Ｈｚ〕 …（１）
【００４４】
したがって、主軸４６を回転速度Ｎ0 で回転させると、上記（１）式で表される周波数ｆの三相交流電力が電動機８０に供給される。
【００４５】
ここで、電動機８０に三相誘導電動機を用いたとすると、この三相誘導電動機の極数がＰ2 とすると、三相誘導電動機は３相交流の１サイクルで２／Ｐ2 回転することから、すべりがないときの三相誘導電動機の同期速度Ｎ1 は、次式（２）で表される。
【００４６】
［数２］
Ｎ1 ＝１２０×ｆ／Ｐ2 〔ｒｐｍ〕 …（２）
【００４７】
したがって、主軸４６の回転速度Ｎ0 に対する工具の回転速度Ｎ1 は次式（３）によって表される。
【００４８】
［数３］
Ｎ1 ＝Ｎ0 ×Ｐ1 ／Ｐ2 〔ｒｐｍ〕 …（３）
【００４９】
（３）式からわかるように、主軸４６の回転速度Ｎ0 は、上記（３）式で表される回転速度Ｎ1 に変速される。
（３）式で示すように、三相同期発電機の極数Ｐ1 と三相誘導電動機の極数Ｐ2 との比を適宜設定することにより、主軸４６の回転速度Ｎ0 に対する工具の回転速度Ｎ1 の変速比を任意に設定することが分かる。
すなわち、主軸４６の回転速度Ｎ0 を増速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ2
を１より大きくし、減速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ2 を１より小さくなるように、三相同期発電機の極数Ｐ1 および三相誘導電動機の極数Ｐ2 を予め選択すればよい。
【００５０】
たとえば、上記のマシニングセンタ１の主軸４６の最大回転速度Ｎmax が３０００ｒｐｍであるとすると、通常の工具を用いたワークの加工では、主軸４６の回転速度は上記の最大回転速度Ｎmax の範囲で十分である場合が多い。
一方、主軸４６の最大回転速度Ｎmax が３０００ｒｐｍのマシニングセンタ１を使用し、たとえば、ワークにアルミニウム合金材を用いてこれを高速加工したい場合には、工具の回転速度を、たとえば、３００００ｒｐｍに増速させたいような場合がある。
このような場合のために、マシニングセンタ１の自動工具交換装置３９のマガジンに工具６１を予め収容しておく。なお、工具６１は、増速比が１０となるように、上記の極数比Ｐ1 ／Ｐ2 が１０である三相同期発電機および三相誘導電動機を内蔵させる。
【００５１】
自動工具交換装置３９によって、主軸４６に通常の工具と同様に工具６１を自動装着する。
主軸４６を主軸モータ３１を駆動して回転させるが、工具６１に保持された工具の回転速度は、主軸４６の回転速度によって制御する。すなわち、ＮＣ装置５１にダウンロードするＮＣプログラムにおいて、主軸４６の回転速度をＳコードで指定することにより、工具６１の刃具１００の回転速度を規定しておく。
たとえば、工具６１の刃具１００を３００００ｒｐｍで回転させたい場合には、ＮＣプログラムにおいてＳコードで主軸４６の回転速度を３０００ｒｐｍに指定しておく。
【００５２】
主軸４６を３０００ｒｐｍで回転させると、発電機７０は主軸４６の回転速度および極数Ｐ1 に応じた周波数の三相交流を発生する。
電動機８０は、発電機７０から供給される三相交流によって駆動され、工具６１の刃具１００は、略３００００ｒｐｍの回転速度で回転する。
これにより、主軸の最大回転速度Ｎmax が制限されるマシニングセンタ１を使用し、ワークにアルミニウム合金材を用いても、高速加工が可能となる。
【００５３】
一方、処理回路１５０および送受信回路１４０は、二次電池１１０が充電されることにより動作可能となる。
処理回路１５０は、動作可能な状態になると、予めフォーマットの定まった工具情報を生成し、この工具情報を送受信回路１４０に送信する。
送受信回路１４０は、予めフォーマットの定まった工具情報をパソコン４００に送信する。
【００５４】
刃具１００によるワークの加工中に発電機７０や電動機８０に異常が発生した場合には、工具情報に加えて、異常情報がパソコン４００に送信される。
また、処理回路１５０および送受信回路１４０は、二次電池１１０が充電されていれば、主軸４６の回転が停止したのちであっても、工具情報や異常情報等の各種のデータのパソコン４００への送信が可能である。
【００５５】
パソコン４００は、たとえば、送受信回路１４０から異常情報を取得した場合には、ＮＣ装置５１にこの異常情報を送信する。ＮＣ装置５１では、異常情報が送られてくると、マシニングセンタ１の主軸４６から工具６１を取り外すように自動工具交換装置３９を制御する。
【００５６】
以上のように、本実施形態によれば、通常の工具と同様にユニット化された工具６１に発電機７０および電動機８０を内蔵し、発電機７０で発生した電力で電動機８０を駆動することで、主軸４６に対する工具の回転速度を増速させるため、主軸４６を高速回転させても歯車装置のように発熱が増大せず、加工精度の低下が抑制される。
【００５７】
さらに、本実施形態によれば、ユニット化された工具６１に二次電池１１０を内蔵し、この二次電池１１０に蓄えられた電力を電動機８０以外の被電力供給部１６０に使用できるため、工具６１に内蔵または付加された各種の回路を主軸４６の回転によらず動作させることが可能であり、主軸４６の停止中にも、データの送受が可能となる。
【００５８】
さらに、本実施形態によれば、パソコン４００によって、工具６１からの情報を収集することにより、工具６１の工具情報、異常情報を含めた総合的な管理が可能となる。
【００５９】
第２の実施形態
図４は、本発明の第２の実施形態に係る工具の電気系の構成および工具管理システムの構成を示す図である。
なお、本実施形態に係る工具の機械的構造については、上述した第１の実施形態と同様とする。
上述した第１の実施形態では、工具６１の刃具１００の回転速度を主軸４６の回転速度、すなわち、発電機７０の入力回転速度で制御される構成としたが、本実施形態では、発電機７０の入力回転速度に関わらず刃具１００を独立に駆動制御可能な構成について説明する。
さらに、上述した第１の実施形態では、パソコン４００は工具６１からデータを受信するのみであったが、本実施形態では、パソコン４００と工具との間でデータを互いに送受信可能な構成について説明する。
【００６０】
図４に示すように、本実施形態に係る工具は、交流発電機からなる発電機７０および電動機８０を備えるとともに、整流回路２００と、電力逆変換回路２１０と、充電回路１２０と、被電力供給部１６０とを備える。
また、整流回路２００、電力逆変換回路２１０、充電回路１２０および被電力供給部１６０は、上記ケース６５に内蔵されている。なお、これら整流回路２００、電力逆変換回路２１０、充電回路１２０および被電力供給部１６０のうちいずれかまたはすべてを箱に収容し、この箱をケース６５の外部の非回転部分に取り付けてもよい。また、ケース６５に凹凸を形成して、これら整流回路２００、電力逆変換回路２１０、充電回路１２０および被電力供給部１６０を収容する構成としてもよい。
【００６１】
整流回路２００は、発電機７０で発電された交流電流を直流電流に整流して電力逆変換回路２１０に供給する。
【００６２】
電力逆変換回路２１０は、整流回路２００から供給された直流電流を電動機８０を駆動するのに必要な交流電流に変換するインバータであり、たとえば、ＰＷＭインバータで構成される。
【００６３】
充電回路１２０は、発電機７０の発電した電力の一部を二次電池１１０に充電する。この充電回路１２０は、発電機７０の発電した交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の出力電圧に含まれるリプルを平滑化し二次電池１１０に対して適切な電圧に変換する平滑回路等から構成される。
二次電池１１０は、充電回路１２０によって充電された電力を被電力供給部１６０に電力を供給する。なお、充電回路１２０の整流回路又は平滑回路から直接的に被電力供給部１６０に電力を供給してもよい。
【００６４】
被電力供給部１６０は、処理回路部３０４と、送受信回路１４０とから構成され、二次電池１１０から供給される電力によって動作する。
送受信回路１４０は、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号をパソコン４００との間で送受信する。
【００６５】
処理回路部３０４は、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を処理する場所であって、マイクロプロセッサ３０５と、ＲＯＭ(Read Only Memory)３０６と、ＲＡＭ(Random Access Memory)３０７と、カウンタ回路３０８と、Ａ／Ｄ変換回路３１０と、Ｄ／Ａ変換回路３０９とを備えている。
【００６６】
ＲＯＭ３０６は、電動機８０の駆動制御、たとえば、ベクトル制御による電動機８０の可変速制御をするための制御用プログラムを記憶保持している。また、ＲＯＭ３０６は、予め定められたフォーマットの工具情報を生成したり、工具の異常を監視したりするためのプログラムや、各種データを送受信回路１４０との間で送受するためのプログラム等を記憶保持している。
ＲＡＭ３０７は、マイクロプロセッサ３０５の演算に必要なデータや、送受信回路１４０から送信されたデータ等を記憶保持する。
【００６７】
マイクロプロセッサ３０５は、ＲＯＭ３０６に記憶されたプログラムを実行し、たとえば、各種演算を行ってＤ／Ａ変換回路３０９を介して電力逆変換回路３０３に制御信号３０４ｓを出力したり、送受信回路１４０にデータを送信したり、送受信回路１４０からデータを受信する等の処理を行う。なお、制御信号３０４ｓは、たとえば、ＰＷＭ制御信号である。
【００６８】
Ａ／Ｄ変換回路３１０は、電流検出器３１２で検出された電力逆変換回路２１０から電動機８０に供給される電流値をディジタル信号に変化してマイクロプロセッサ３０５に出力する。
【００６９】
電動機８０には、回転位置検出器３１１が設けられており。この回転位置検出器３１１には、たとえば、光学式ロータリエンコーダやレゾルバが使用される。。
カウンタ回路３０８は、回転位置検出器３１１の検出した電動機８０の回転量に応じたパルス信号をカウントしてマイクロプロセッサ３０５に出力する。
【００７０】
工具６１が主軸４６に装着され、主軸４６が回転すると、二次電池１１０には電力が充電回路１２０から充電される。これにより、被電力供給部１６０は二次電池１１０から供給される電力によって動作可能となる。
処理回路部３０４には、電動機８０の回転量および駆動電流がフィードバックされるため、処理回路部３０４のＲＯＭ３０６に予め所要の制御プログラムを用意しておくことにより、電動機８０の各種の駆動制御が可能となる。
また、この制御プログラムは、パソコン４００から工具６１に向けて送信し、これを送受信回路１４０で受信してＲＡＭ３０７に記憶することも可能である。
【００７１】
処理回路部３０４のマイクロプロセッサ３０５は、予め定められたフォーマットの工具情報を生成し、送受信回路１４０を通じてパソコン４００にこの工具情報を送信する。パソコン４００では、この工具情報を管理する。
また、マイクロプロセッサ３０５には、電動機８０の回転位置情報や駆動電流情報がフィードバックバックされるため、これらの情報を上記の工具情報とともに、逐次パソコン４００に送信することも可能である。
パソコン４００では、工具５００の回転数、トルク等をモニターすることができ、たとえば、これらのモニターした各種のデータから工具の折損等をリアルタイムに検出することが可能となる。また、工具５００の使用時間も容易に管理可能となる。
【００７２】
さらに、処理回路部３０４のマイクロプロセッサ３０５は、交流発電機７０や電動機８０の状態を監視することにより、異常が発生した場合にはこの異常情報をパソコン４００に送信する。パソコン４００は、異常情報を取得した場合には、ＮＣ装置５１にこの異常情報を送信する。ＮＣ装置５１では、異常情報が送られてくると、マシニングセンタ１の主軸４６から工具５００を取り外すように自動工具交換装置３９を制御する。
【００７３】
以上のように、本実施形態によれば、工具６１を駆動制御するプログラムを処理回路部３０４に設けることにより、主軸４６と独立に工具６１を駆動制御することが可能となる。
また、パソコン４００からプログラムを工具６１に送り、工具６１から単なる工具情報だけでなく加工中の各種の状態情報をパソコン４００に送ることにより、工具６１を緻密にかつ高度に管理することが可能となる。
【００７４】
上述した実施形態では、回り止め部材８５をケース６５に設けることによって、装着部６２が主軸４６に装着され、かつ、発電機７０に回転力を伝達する構成としたが、回り止め部材８５を設けずに工具６１を主軸側に装着する装着部と、発電機７０に回転力を伝達する伝達部とをそれぞれ工具６１に別個に設ける構成とすることも可能である。
また、上述した実施形態では、加工具として刃具１００を挙げたが、他の加工具を適用することも可能である。
上述した各実施形態では、本発明の工具を工作機械の主軸に適用する場合について説明したが、主軸に限らず発電機に動力を供給する動力供給源であれば適用可能である。
さらに、発電機の動力供給源として主軸に限らず、水圧、空圧、油圧、クーラント等の工作器械に備わっている動力供給源を用いて発電する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
【図２】本発明の工具の一実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る工具の電気系の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る工具の電気系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１…マシニングセンタ
３１…主軸モータ
３９…自動工具交換装置
４６…主軸
５１…ＮＣ装置
６１…工具
６２…装着部
６５…ケース
６６，６７，６８…ケース部材
７０…発電機
７１…入力軸
８０…電動機
８１…出力軸
９５…工具装着部
１００…刃具
４００…パソコン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークを加工する工具、変速装置、工作機械および管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、マシニングセンタ等の主軸を備えた工作機械では、主軸の最大回転速度は主軸を回転自在に保持するメインベアリングの構造や潤滑方式によって決定されるため、この最大回転速度より増速した回転速度で工具を回転させたい場合には、たとえば、増速装置を用いている。
増速装置としては、たとえば、工具を保持し主軸に着脱可能となっており、主軸の回転力を遊星歯車機構等の歯車機構によって増速して工具の回転速度を増速させるものが知られている。
たとえば、マシニングセンタにおいて、一時的に主軸の最大回転速度よりも工具の回転速度を増速させたい場合には、上記のような増速装置を主軸に対して自動工具交換装置によって通常の工具と同様に装着し、工具を高い回転速度で回転させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記のような歯車機構による増速装置によって工具を主軸の回転速度よりも増速する場合に、数万回転〜数十万回転の超高速回転させると、増速装置の発熱が増大し、加工精度に影響することがある。また、数万回転〜数十万回転の超高速回転では、増速装置からの騒音も増大する。さらに、増速装置は、たとえば、数万回転〜数十万回転の回転に耐えうる信頼性の高い構造にするため、比較的製造コストが高騰するという不利益も存在した。
また、他の増速方法として、主軸を駆動するモータに高周波モータを使用し、この高周波モータに特別に用意された制御装置から駆動電流を供給し、主軸を高速回転させる方法が採られる場合がある、しかしながら、この方法では、工具交換を通常の工具と同様に行うことが難しく、また、設備コストが比較的高いという不利益が存在する。
【０００４】
本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであって、工具の加工具を動力供給源とは機械的に独立して駆動することが可能で、工具と他の機器との間で情報の送受信が可能な工具、変速装置、工作機械および工具の管理システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の観点に係る工具は、ワークを加工する加工具と、前記加工具を駆動する電動機と、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路とを有する。
【０００６】
本発明の第２の観点に係る工具は、ワークを加工する加工具と、前記加工具を駆動する電動機と、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路とを有する。
【０００７】
好適には、前記発電機は、前記動力供給源の流体の圧力により入力軸を回転させて発電する。
【０００８】
本発明の第３の観点に係る変速装置は、加工具が装着される回転軸と、前記回転軸を駆動する電動機と、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路とを有する。
【０００９】
本発明の第４の観点に係る変速装置は、加工具が装着される回転軸と、前記回転軸を駆動する電動機と、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路とを有する。
【００１０】
本発明の第５の観点に係る工作機械は、主軸と、主軸に着脱可能な変速装置と、前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源とを有し、前記変速装置は、被回転物を駆動する電動機と、前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を生成する処理回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路とを有する。
【００１１】
本発明の第６の観点に係る工作機械は、主軸と、主軸に着脱可能な変速装置と、前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源とを有し、前記変速装置は、被回転物を駆動する電動機と、前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路とを有する。
【００１２】
本発明の第７の観点に係る工具管理システムは、ワークを加工する加工具、前記加工具を駆動する電動機、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路、及び、前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路を有する工具と、前記工具とは独立に設けられ、前記送信回路から送信された前記情報の受信を行い、かつ、当該情報の管理を行う管理装置とを有する。
【００１３】
本発明の第８の観点に係る工具管理システムは、ワークを加工する加工具、前記加工具を駆動する電動機、動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路、及び、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路を有する工具と、前記工具とは独立に設けられ、前記受信回路への前記情報の送信を行う管理装置とを有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、工具の加工具を動力供給源とは独立して駆動することが可能で、工具と他の機器との間で情報の送受信ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
図１においてマシニングセンタ１は、門型のコラム３８の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール３７を備えており、このクロスレール３７上を移動可能に支持されたサドル４４を介してラム４５が鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。
【００１６】
サドル４４には、水平方向にクロスレール３７内を通じて図示しないねじ部が形成されており、このねじ部に送りねじ軸４１が螺合している。
送りねじ軸４１の一端部には、サーボモータ１９が接続されており、送りねじ軸４１はサーボモータ１９によって回転駆動される。
送りねじ軸４１の回転駆動によって、サドル４４はＹ軸方向に移動可能となり、これによってラム４５のＹ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１７】
さらに、サドル４４には、鉛直方向に方向に図示しないねじ部が形成されており、このねじ部に送りねじ軸４２がねじ込まれている。送りねじ軸４２の端部には、サーボモータ２０が接続されている。
サーボモータ２０によって送りねじ軸４２が回転駆動され、これによりサドル４４に移動可能に設けられたラム４５のＺ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１８】
ラム４５内には、主軸モータ３１が内蔵され、この主軸モータ３１はラム４５に回転自在に保持された主軸４６を回転駆動する。
主軸４６の先端には、エンドミルなどの工具Ｔが装着され主軸４６の回転によって工具Ｔが駆動される。
ラム４５の下方には、テーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けられている。テーブル３５には、図示しないねじ部が形成されており、これにＸ軸方向に沿って設けられた図示しない送りねじ軸が螺合しており、この図示しない送りねじ軸にサーボモータ１８が接続されている。
テーブル３５は、サーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１９】
また、２本の門型コラム３８には、図示しないねじ部がそれぞれ形成されており、これに螺合する送りねじ軸３２ａをクロスレール昇降用モータ３２によって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降する。
【００２０】
自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９は、主軸４６に対して各種工具Ｔを自動交換する。
この自動工具交換装置３９は、たとえば、図示しないマガジンに工具ホルダによって保持された各種工具Ｔを収納しており、主軸４６に装着された工具Ｔを図示しない工具交換アームによってマガジンに収納し、必要な工具Ｔを主軸４６に工具交換アームによって装着する。
【００２１】
ＮＣ装置５１は、上記のサーボモータ１８，１９，２０、クロスレール昇降用モータ３２および主軸モータ３１の駆動制御を行う。
ＮＣ装置５１は、具体的には、予めＮＣプログラムで規定されたワークの加工手順にしたがって、サーボモータ１８，１９，２０による工具Ｔとワークとの間の位置および速度制御を行う。また、ＮＣ装置５１は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｓコードで規定された主軸３１の回転速度を解読することにより主軸４６の回転速度の制御を行う。
さらに、ＮＣ装置５１は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｍコードで規定れた工具Ｔの交換を動作を解読することにより、各種工具Ｔの自動交換を実行する。
【００２２】
図２は、本発明の工具の一実施形態の構成を示す断面図である。
図２において、工具６１は、装着部６２と、ケース部材６６，６７および６８からなるケース６５と、発電機７０と、電動機８０と、刃具１００と、二次電池１１０とを備えている。
ここで、装着部６２は本発明の装着部の実施態様であり、発電機７０は本発明の発電機の実施態様であり、電動機８０は本発明の電動機の実施態様であり、刃具１００は本発明の加工具の実施態様であり、二次電池１１０は本発明の二次電池の実施態様である。また、工具６１が装着される上記の主軸４６が本発明の動力供給源の実施態様である。工具６１から刃具１００を除いた部分は本発明の変速装置の実施態様である。
【００２３】
装着部６２は、把持される把持部６２ａと、上記の主軸４６の先端部に形成されたテーパスリーブ４６ａに装着されるテーパシャンク部６２ｂと、このテーパシャンク部６２ｂの先端部に形成されたクランプ部６２ｃと、ケース部材６６に回転自在に保持される軸部６２ｄとを備えている。
【００２４】
この装着部６２の把持部６２ａは、上記した自動工具交換装置３９の工具交換アームによって、自動工具交換装置３９のマガジンから主軸４６に装着される際および主軸４６から自動工具交換装置３９のマガジンへ搬送される際に把持される。
【００２５】
装着部６２のテーパシャンク部６２ｂは、主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることによって、中心軸が主軸４６の中心軸と同心になる。
【００２６】
装着部６２のクランプ部６２ｃは、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されると、主軸４６に内蔵された図示しないクランプ機構によってクランプされる。なお、主軸４６に内蔵されたクランプ機構は周知技術であるので詳細については省略する。
【００２７】
装着部６２の軸部６２ｄは、ケース部材６６の内周に複数の転がり軸受７２を介して回転自在に保持されている。
【００２８】
ケース部材６７の内周には、保持部材７３を介して発電機７０および電動機８０が保持されている。
ケース部材６７の外周には、後述する送受信回路１４０に接続されたアンテナ１４１が設けられている。
発電機７０は、入力軸７１が装着部６２の軸部６２ｄと同心に連結されており、この発電機７０には主軸４６の回転力が装着部６２を介して入力される。
発電機７０には、たとえば、三相同期発電機を用いることができる。
【００２９】
電動機８０は、図示しない導電ケーブルによって、発電機７０で発電された電力が供給される。この電動機８０は、発電機７０から供給される電力によって駆動する。
電動機８０の出力軸８１は、カップリング８７によって回転軸９０に連結されている。
電動機８０には、たとえば、三相誘導電動機を用いることができる。
【００３０】
回転軸９０は、ケース部材６８の内周に複数の転がり軸受９２を介して回転自在に保持されている。
回転軸９０の先端側は、ケース部材６８に抜け止め部材９４によって抜け止めされている。
また、回転軸９０の先端部には、上記した工具が装着される工具装着部９５が設けられている。
【００３１】
刃具１００は、工具装着部９５に保持されており、この刃具１００はワークを加工する。
刃具１００は、具体的には、ドリル、エンドミル等の各種の刃具である。
【００３２】
ケース部材６６、６７および６８は、たとえば、ボルト等の締結手段によって連結されており、これらケース部材６６、６７および６８がケース６５を構成している。
ケース部材６６の外周には、回り止め部材８５が設けられている。
この回り止め部材８５は、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることにより、主軸４６側の、たとえば、ラム４５等の非回転部４７に形成された嵌合穴４７ａに先端８５ａが挿入される。
これにより、ケース部材６６、すなわち、ケース６５は、主軸４６が回転しても回転が規制される。
【００３３】
二次電池１１０は、ケース部材６７の内側に固定されている。この二次電池１１０は、発電機７０の発電した電力の一部を充電する。二次電池１１０には、たとえば、ニッケルカドミウム二次電池を用いることができる。この他にも、ニッケル水素系、リチウム系の二次電池や、小型の鉛蓄電池を使用することができる。
【００３４】
図３は、上記の工具６１の電気系の構成と、この工具６１を使用した工具管理システムの構成を示す図である。
図３において、工具６１は上記した発電機７０、電動機８０および二次電池１１０を備えるとともに、充電回路１２０と、処理回路１５０と、送受信回路１４０とを備える。
また、本実施形態に係る工具管理システムは、工具６１とパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）４００とから構成される。
【００３５】
充電回路１２０は、発電機７０の発電した電力の一部を二次電池１１０に充電する。この充電回路１２０は、発電機７０の発電した交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の出力電圧に含まれるリプルを平滑化し二次電池１１０に対して適切な電圧に変換する平滑回路等から構成される。
二次電池１１０は、充電回路１２０によって充電された電力を処理回路１５０および送信回路１４０からなる被電力供給部１６０に電力を供給する。なお、充電回路１２０の整流回路又は平滑回路から直接的に処理回路１５０や送信回路１４０等を含む被電力供給部１６０に電力を供給してもよい。
【００３６】
処理回路１５０は、二次電池１１０から供給される電力によって動作し、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を処理する。
ここで、刃具１００によるワークの加工に関わる情報には、たとえば、工具を識別するための予めフォーマットの定まった工具情報や、刃具１００による加工中の発電機７０や電動機８０の監視情報等が含まれる。
工具情報は、たとえば、ドリル、エンドミル等の工具の種類、その工具の直径や長さ等の寸法、補正番号等の情報である。
監視情報は、発電機７０や電動機８０に、たとえば、断線やショートが発生していないか、あるいは、過負荷が掛かっていないか等の情報である。
処理回路１５０は、上記の予めフォーマットの定まった工具情報をまず生成する。また、処理回路１５０は、たとえば、発電機７０の発生電流７０ｓや電動機８０の駆動電流８０ｓを検出し、これら検出情報に基づいて、発電機７０や電動機８０に異常がないかを監視し、この監視情報も予めフォーマットの定まった工具情報に付加し、送受信回路１４０に送る。
【００３７】
送受信回路１４０は、処理回路１５０からのデータを無線信号としてアンテナ１４１から、パソコン４００に送信する。
【００３８】
上記の充電回路１２０、処理回路１５０および送受信回路１４０は、工具６１のケース６５に内蔵することができる。なお、充電回路１２０、処理回路１５０および送受信回路１４０をボックスに収容し、これをケース６５の外部に外付けすることも可能である。また、ケース６５に凹凸を形成して、これら充電回路１２０、処理回路１５０および送受信回路１４０を収容する構成としてもよい。
【００３９】
パソコン４００は、アンテナ４０１を備えており、アンテナ１４１からのデータを受信する。パソコン４００は、受信したデータから工具６１の監視および管理を行うためのユーティリティプログラムを内蔵している。なお、パソコン４００は本発明の管理装置の実施態様である。
また、パソコン４００は、図１に示すように、ＮＣ装置５１と接続されており、工具６１に故障等の異常が発生した場合等には、ＮＣ装置５１にこの異常情報を送信する。
【００４０】
ここで、上記構成の工具６１の動作の一例について説明する。
自動工具交換装置３９によって、工具装着部９５に刃具１００を保持した工具６１をマシニングセンタ１の主軸４６に装着すると、工具６１は、回り止め部材８５の先端部８５ａが非回転部４７の嵌合穴４７ａに嵌合挿入され、ケース６５の回転が規制される。
【００４１】
この状態から、主軸４６を回転速度Ｎ0 で回転させると、工具６１の装着部６２が回転し、主軸４６の回転力が発電機７０に伝達される。
発電機７０に、たとえば、三相同期発電機を用いると、三相交流電力が発電される。
この三相交流電力の一部は、充電回路１２０により二次電池１１０に充電される。
【００４２】
三相同期発電機の発生する三相交流電力の周波数ｆは、三相同期発電機の極数をＰ1 とし、主軸４６の回転速度をＮ0 〔ｒｐｍ〕とすると、次式（１）によって表される。
【００４３】
［数１］
ｆ＝Ｐ1 ×Ｎ0 ／１２０〔Ｈｚ〕 …（１）
【００４４】
したがって、主軸４６を回転速度Ｎ0 で回転させると、上記（１）式で表される周波数ｆの三相交流電力が電動機８０に供給される。
【００４５】
ここで、電動機８０に三相誘導電動機を用いたとすると、この三相誘導電動機の極数がＰ2 とすると、三相誘導電動機は３相交流の１サイクルで２／Ｐ2 回転することから、すべりがないときの三相誘導電動機の同期速度Ｎ1 は、次式（２）で表される。
【００４６】
［数２］
Ｎ1 ＝１２０×ｆ／Ｐ2 〔ｒｐｍ〕 …（２）
【００４７】
したがって、主軸４６の回転速度Ｎ0 に対する工具の回転速度Ｎ1 は次式（３）によって表される。
【００４８】
［数３］
Ｎ1 ＝Ｎ0 ×Ｐ1 ／Ｐ2 〔ｒｐｍ〕 …（３）
【００４９】
（３）式からわかるように、主軸４６の回転速度Ｎ0 は、上記（３）式で表される回転速度Ｎ1 に変速される。
（３）式で示すように、三相同期発電機の極数Ｐ1 と三相誘導電動機の極数Ｐ2 との比を適宜設定することにより、主軸４６の回転速度Ｎ0 に対する工具の回転速度Ｎ1 の変速比を任意に設定することが分かる。
すなわち、主軸４６の回転速度Ｎ0 を増速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ2
を１より大きくし、減速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ2 を１より小さくなるように、三相同期発電機の極数Ｐ1 および三相誘導電動機の極数Ｐ2 を予め選択すればよい。
【００５０】
たとえば、上記のマシニングセンタ１の主軸４６の最大回転速度Ｎmax が３０００ｒｐｍであるとすると、通常の工具を用いたワークの加工では、主軸４６の回転速度は上記の最大回転速度Ｎmax の範囲で十分である場合が多い。
一方、主軸４６の最大回転速度Ｎmax が３０００ｒｐｍのマシニングセンタ１を使用し、たとえば、ワークにアルミニウム合金材を用いてこれを高速加工したい場合には、工具の回転速度を、たとえば、３００００ｒｐｍに増速させたいような場合がある。
このような場合のために、マシニングセンタ１の自動工具交換装置３９のマガジンに工具６１を予め収容しておく。なお、工具６１は、増速比が１０となるように、上記の極数比Ｐ1 ／Ｐ2 が１０である三相同期発電機および三相誘導電動機を内蔵させる。
【００５１】
自動工具交換装置３９によって、主軸４６に通常の工具と同様に工具６１を自動装着する。
主軸４６を主軸モータ３１を駆動して回転させるが、工具６１に保持された工具の回転速度は、主軸４６の回転速度によって制御する。すなわち、ＮＣ装置５１にダウンロードするＮＣプログラムにおいて、主軸４６の回転速度をＳコードで指定することにより、工具６１の刃具１００の回転速度を規定しておく。
たとえば、工具６１の刃具１００を３００００ｒｐｍで回転させたい場合には、ＮＣプログラムにおいてＳコードで主軸４６の回転速度を３０００ｒｐｍに指定しておく。
【００５２】
主軸４６を３０００ｒｐｍで回転させると、発電機７０は主軸４６の回転速度および極数Ｐ1 に応じた周波数の三相交流を発生する。
電動機８０は、発電機７０から供給される三相交流によって駆動され、工具６１の刃具１００は、略３００００ｒｐｍの回転速度で回転する。
これにより、主軸の最大回転速度Ｎmax が制限されるマシニングセンタ１を使用し、ワークにアルミニウム合金材を用いても、高速加工が可能となる。
【００５３】
一方、処理回路１５０および送受信回路１４０は、二次電池１１０が充電されることにより動作可能となる。
処理回路１５０は、動作可能な状態になると、予めフォーマットの定まった工具情報を生成し、この工具情報を送受信回路１４０に送信する。
送受信回路１４０は、予めフォーマットの定まった工具情報をパソコン４００に送信する。
【００５４】
刃具１００によるワークの加工中に発電機７０や電動機８０に異常が発生した場合には、工具情報に加えて、異常情報がパソコン４００に送信される。
また、処理回路１５０および送受信回路１４０は、二次電池１１０が充電されていれば、主軸４６の回転が停止したのちであっても、工具情報や異常情報等の各種のデータのパソコン４００への送信が可能である。
【００５５】
パソコン４００は、たとえば、送受信回路１４０から異常情報を取得した場合には、ＮＣ装置５１にこの異常情報を送信する。ＮＣ装置５１では、異常情報が送られてくると、マシニングセンタ１の主軸４６から工具６１を取り外すように自動工具交換装置３９を制御する。
【００５６】
以上のように、本実施形態によれば、通常の工具と同様にユニット化された工具６１に発電機７０および電動機８０を内蔵し、発電機７０で発生した電力で電動機８０を駆動することで、主軸４６に対する工具の回転速度を増速させるため、主軸４６を高速回転させても歯車装置のように発熱が増大せず、加工精度の低下が抑制される。
【００５７】
さらに、本実施形態によれば、ユニット化された工具６１に二次電池１１０を内蔵し、この二次電池１１０に蓄えられた電力を電動機８０以外の被電力供給部１６０に使用できるため、工具６１に内蔵または付加された各種の回路を主軸４６の回転によらず動作させることが可能であり、主軸４６の停止中にも、データの送受が可能となる。
【００５８】
さらに、本実施形態によれば、パソコン４００によって、工具６１からの情報を収集することにより、工具６１の工具情報、異常情報を含めた総合的な管理が可能となる。
【００５９】
第２の実施形態
図４は、本発明の第２の実施形態に係る工具の電気系の構成および工具管理システムの構成を示す図である。
なお、本実施形態に係る工具の機械的構造については、上述した第１の実施形態と同様とする。
上述した第１の実施形態では、工具６１の刃具１００の回転速度を主軸４６の回転速度、すなわち、発電機７０の入力回転速度で制御される構成としたが、本実施形態では、発電機７０の入力回転速度に関わらず刃具１００を独立に駆動制御可能な構成について説明する。
さらに、上述した第１の実施形態では、パソコン４００は工具６１からデータを受信するのみであったが、本実施形態では、パソコン４００と工具との間でデータを互いに送受信可能な構成について説明する。
【００６０】
図４に示すように、本実施形態に係る工具は、交流発電機からなる発電機７０および電動機８０を備えるとともに、整流回路２００と、電力逆変換回路２１０と、充電回路１２０と、被電力供給部１６０とを備える。
また、整流回路２００、電力逆変換回路２１０、充電回路１２０および被電力供給部１６０は、上記ケース６５に内蔵されている。なお、これら整流回路２００、電力逆変換回路２１０、充電回路１２０および被電力供給部１６０のうちいずれかまたはすべてを箱に収容し、この箱をケース６５の外部の非回転部分に取り付けてもよい。また、ケース６５に凹凸を形成して、これら整流回路２００、電力逆変換回路２１０、充電回路１２０および被電力供給部１６０を収容する構成としてもよい。
【００６１】
整流回路２００は、発電機７０で発電された交流電流を直流電流に整流して電力逆変換回路２１０に供給する。
【００６２】
電力逆変換回路２１０は、整流回路２００から供給された直流電流を電動機８０を駆動するのに必要な交流電流に変換するインバータであり、たとえば、ＰＷＭインバータで構成される。
【００６３】
充電回路１２０は、発電機７０の発電した電力の一部を二次電池１１０に充電する。この充電回路１２０は、発電機７０の発電した交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の出力電圧に含まれるリプルを平滑化し二次電池１１０に対して適切な電圧に変換する平滑回路等から構成される。
二次電池１１０は、充電回路１２０によって充電された電力を被電力供給部１６０に電力を供給する。なお、充電回路１２０の整流回路又は平滑回路から直接的に被電力供給部１６０に電力を供給してもよい。
【００６４】
被電力供給部１６０は、処理回路部３０４と、送受信回路１４０とから構成され、二次電池１１０から供給される電力によって動作する。
送受信回路１４０は、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号をパソコン４００との間で送受信する。
【００６５】
処理回路部３０４は、刃具１００によるワークの加工に関わる情報を処理する場所であって、マイクロプロセッサ３０５と、ＲＯＭ(Read Only Memory)３０６と、ＲＡＭ(Random Access Memory)３０７と、カウンタ回路３０８と、Ａ／Ｄ変換回路３１０と、Ｄ／Ａ変換回路３０９とを備えている。
【００６６】
ＲＯＭ３０６は、電動機８０の駆動制御、たとえば、ベクトル制御による電動機８０の可変速制御をするための制御用プログラムを記憶保持している。また、ＲＯＭ３０６は、予め定められたフォーマットの工具情報を生成したり、工具の異常を監視したりするためのプログラムや、各種データを送受信回路１４０との間で送受するためのプログラム等を記憶保持している。
ＲＡＭ３０７は、マイクロプロセッサ３０５の演算に必要なデータや、送受信回路１４０から送信されたデータ等を記憶保持する。
【００６７】
マイクロプロセッサ３０５は、ＲＯＭ３０６に記憶されたプログラムを実行し、たとえば、各種演算を行ってＤ／Ａ変換回路３０９を介して電力逆変換回路３０３に制御信号３０４ｓを出力したり、送受信回路１４０にデータを送信したり、送受信回路１４０からデータを受信する等の処理を行う。なお、制御信号３０４ｓは、たとえば、ＰＷＭ制御信号である。
【００６８】
Ａ／Ｄ変換回路３１０は、電流検出器３１２で検出された電力逆変換回路２１０から電動機８０に供給される電流値をディジタル信号に変化してマイクロプロセッサ３０５に出力する。
【００６９】
電動機８０には、回転位置検出器３１１が設けられており。この回転位置検出器３１１には、たとえば、光学式ロータリエンコーダやレゾルバが使用される。。
カウンタ回路３０８は、回転位置検出器３１１の検出した電動機８０の回転量に応じたパルス信号をカウントしてマイクロプロセッサ３０５に出力する。
【００７０】
工具６１が主軸４６に装着され、主軸４６が回転すると、二次電池１１０には電力が充電回路１２０から充電される。これにより、被電力供給部１６０は二次電池１１０から供給される電力によって動作可能となる。
処理回路部３０４には、電動機８０の回転量および駆動電流がフィードバックされるため、処理回路部３０４のＲＯＭ３０６に予め所要の制御プログラムを用意しておくことにより、電動機８０の各種の駆動制御が可能となる。
また、この制御プログラムは、パソコン４００から工具６１に向けて送信し、これを送受信回路１４０で受信してＲＡＭ３０７に記憶することも可能である。
【００７１】
処理回路部３０４のマイクロプロセッサ３０５は、予め定められたフォーマットの工具情報を生成し、送受信回路１４０を通じてパソコン４００にこの工具情報を送信する。パソコン４００では、この工具情報を管理する。
また、マイクロプロセッサ３０５には、電動機８０の回転位置情報や駆動電流情報がフィードバックバックされるため、これらの情報を上記の工具情報とともに、逐次パソコン４００に送信することも可能である。
パソコン４００では、工具５００の回転数、トルク等をモニターすることができ、たとえば、これらのモニターした各種のデータから工具の折損等をリアルタイムに検出することが可能となる。また、工具５００の使用時間も容易に管理可能となる。
【００７２】
さらに、処理回路部３０４のマイクロプロセッサ３０５は、交流発電機７０や電動機８０の状態を監視することにより、異常が発生した場合にはこの異常情報をパソコン４００に送信する。パソコン４００は、異常情報を取得した場合には、ＮＣ装置５１にこの異常情報を送信する。ＮＣ装置５１では、異常情報が送られてくると、マシニングセンタ１の主軸４６から工具５００を取り外すように自動工具交換装置３９を制御する。
【００７３】
以上のように、本実施形態によれば、工具６１を駆動制御するプログラムを処理回路部３０４に設けることにより、主軸４６と独立に工具６１を駆動制御することが可能となる。
また、パソコン４００からプログラムを工具６１に送り、工具６１から単なる工具情報だけでなく加工中の各種の状態情報をパソコン４００に送ることにより、工具６１を緻密にかつ高度に管理することが可能となる。
【００７４】
上述した実施形態では、回り止め部材８５をケース６５に設けることによって、装着部６２が主軸４６に装着され、かつ、発電機７０に回転力を伝達する構成としたが、回り止め部材８５を設けずに工具６１を主軸側に装着する装着部と、発電機７０に回転力を伝達する伝達部とをそれぞれ工具６１に別個に設ける構成とすることも可能である。
また、上述した実施形態では、加工具として刃具１００を挙げたが、他の加工具を適用することも可能である。
上述した各実施形態では、本発明の工具を工作機械の主軸に適用する場合について説明したが、主軸に限らず発電機に動力を供給する動力供給源であれば適用可能である。
さらに、発電機の動力供給源として主軸に限らず、水圧、空圧、油圧、クーラント等の工作器械に備わっている動力供給源を用いて発電する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
【図２】本発明の工具の一実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る工具の電気系の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る工具の電気系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１…マシニングセンタ
３１…主軸モータ
３９…自動工具交換装置
４６…主軸
５１…ＮＣ装置
６１…工具
６２…装着部
６５…ケース
６６，６７，６８…ケース部材
７０…発電機
７１…入力軸
８０…電動機
８１…出力軸
９５…工具装着部
１００…刃具
４００…パソコン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを加工する加工具と、
前記加工具を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路と
を有する工具。
【請求項２】
ワークを加工する加工具と、
前記加工具を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路と
を有する工具。
【請求項３】
前記発電機は、前記動力供給源の流体の圧力により入力軸を回転させて発電する
請求項１又は２に記載の工具。
【請求項４】
加工具が装着される回転軸と、
前記回転軸を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路と
を有する変速装置。
【請求項５】
加工具が装着される回転軸と、
前記回転軸を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路と
を有する変速装置。
【請求項６】
主軸と、
主軸に着脱可能な変速装置と、
前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源と
を有し、
前記変速装置は、
被回転物を駆動する電動機と、
前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を生成する処理回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路と
を有する工作機械。
【請求項７】
主軸と、
主軸に着脱可能な変速装置と、
前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源と
を有し、
前記変速装置は、
被回転物を駆動する電動機と、
前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路と
を有する工作機械。
【請求項８】
ワークを加工する加工具、
前記加工具を駆動する電動機、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路、及び、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路
を有する工具と、
前記工具とは独立に設けられ、前記送信回路から送信された前記情報の受信を行い、かつ、当該情報の管理を行う管理装置と
を有する工具管理システム。
【請求項９】
ワークを加工する加工具、
前記加工具を駆動する電動機、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、
前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路、及び、
前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路
を有する工具と、
前記工具とは独立に設けられ、前記受信回路への前記情報の送信を行う管理装置と
を有する工具管理システム。
【請求項１】
ワークを加工する加工具と、
前記加工具を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路と
を有する工具。
【請求項２】
ワークを加工する加工具と、
前記加工具を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路と
を有する工具。
【請求項３】
前記発電機は、前記動力供給源の流体の圧力により入力軸を回転させて発電する
請求項１又は２に記載の工具。
【請求項４】
加工具が装着される回転軸と、
前記回転軸を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路と
を有する変速装置。
【請求項５】
加工具が装着される回転軸と、
前記回転軸を駆動する電動機と、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路と
を有する変速装置。
【請求項６】
主軸と、
主軸に着脱可能な変速装置と、
前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源と
を有し、
前記変速装置は、
被回転物を駆動する電動機と、
前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を生成する処理回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路と
を有する工作機械。
【請求項７】
主軸と、
主軸に着脱可能な変速装置と、
前記変速装置に動力を供給可能な動力供給源と
を有し、
前記変速装置は、
被回転物を駆動する電動機と、
前記動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記被回転物の回転に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路と、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路と
を有する工作機械。
【請求項８】
ワークを加工する加工具、
前記加工具を駆動する電動機、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記加工具によるワークの加工に関わる情報を生成する処理回路、及び、
前記発電機が発電した電力によって動作し、前記処理回路により生成された前記情報を示す無線信号の送信を行う送信回路
を有する工具と、
前記工具とは独立に設けられ、前記送信回路から送信された前記情報の受信を行い、かつ、当該情報の管理を行う管理装置と
を有する工具管理システム。
【請求項９】
ワークを加工する加工具、
前記加工具を駆動する電動機、
動力供給源から供給された動力によって、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機、
前記加工具によるワークの加工に関わる情報を示す無線信号の受信を行う受信回路、及び、
前記受信回路により受信した情報に基づいて前記発電機から前記電動機への電力の供給を制御する処理回路
を有する工具と、
前記工具とは独立に設けられ、前記受信回路への前記情報の送信を行う管理装置と
を有する工具管理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２５５８８７（Ｐ２００６−２５５８８７Ａ）
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１７５０６（Ｐ２００６−１１７５０６）
【出願日】平成１８年４月２１日（２００６．４．２１）
【分割の表示】特願２０００−２５１０９６（Ｐ２０００−２５１０９６）の分割
【原出願日】平成１２年８月２２日（２０００．８．２２）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２１日（２００６．４．２１）
【分割の表示】特願２０００−２５１０９６（Ｐ２０００−２５１０９６）の分割
【原出願日】平成１２年８月２２日（２０００．８．２２）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【Ｆターム（参考）】
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