JP4254198B2

JP4254198B2 - ワーク支持装置及び同装置のための着座機構

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Publication number: JP4254198B2
Application number: JP2002311308A
Authority: JP
Inventors: 義博荒井; 充美谷口; 康生新野; 清隆木下; 邦道中嶋
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: DE60310011D1; EP1413391A3; JP2004142058A; DE60310011T2; US20050087919A1; US7048268B2; EP1413391B1; EP1413391A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械上で加工されるワークを支持するワーク支持装置及びこれに使用される被クランプ部材の着座機構に関し、特に、被クランプ部材に作用する締め付け力や加工負荷などを高精度に検出できるセンサを着座機構が備えたワーク支持装置及び着座機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のワーク支持装置には、ワークに対する締付機構或いは押圧機構が設けられ、この機構中にワークに作用する締付力或いは押圧力を検出するロードセルのような荷重検出器が介装される。このような公知のワーク支持装置が特開平７−４０２００号公報、特開平８−２２９７６２号公報、特開平９−１８３０３３号公報、特開平１０−１５１５３７号公報及び特開平１１−３２０３０５号公報に記述されている。
また、押圧機構を構成する押圧軸に歪ゲージを貼付し、押圧軸に作用する変形歪を検出してワークに対する押圧力を検出するようにしたワーク支持装置が特開平７−２４６８０号公報に記述されている。
【０００３】
さらに、この種のワーク支持装置には、ベース部材に３箇所或いはそれ以上の数の着座シート面部材を取り付け、上記公開特許公報に記述されたワーク締付装置或いは押圧装置がこれらシート面部材にワークの基準面を当接するようにワークをクランプする構成となっている。加工の基準はシート面部材のシート面であり、高い加工精度を達成するためには、加工中の間ワークの基準面がシート面部材に所定の力で押圧維持されることが必要である。このようなシート面部材に対するワーク基準面の着座を検出するため、シート面部材の頂面に開口する流体噴出口からの流体の洩れを流体回路中の圧力センサにて検出する方式の着座検出手段が、例えば、特開平７−４０１６９号公報及び特開平９−２０１７４２号公報に記述されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したワーク支持装置においては、着座検出手段はシート面部材とワーク基準面との間の流体の洩れの有無に基づくので、シート面部材の頂面への切粉の付着や偏磨耗等が検出精度の確実さに大きな影響を与え、このような阻害要因に対する付加的な対策が施されなければならない。
それ以上に、シート面部材の頂面に開口する流体噴出口からの流体の洩れを流体回路中の圧力センサにて検出する方式の着座検出手段では、着座状態に在るか否かの検出は可能であるが、着座状態を維持する加圧力が適正か否かは検出できない。
加えて、加工動作中にワークがシート面部材に所定の加圧力にて押圧されていることを保証するためには、上述した荷重検出機能付きの締付機構或いは押圧機構が着座検出手段と共に併用されなければならない。
【０００５】
シート面部材に荷重検出センサを組み込めば、押圧機構に設ける荷重検出手段と着座検出手段を１つの手段として構成できるが、押圧機構で使用されるロードセルや歪ゲージは押圧力が付与されたときの検出部の弾性変形を利用するものであり、このような着想による場合では、着座基準がワークに作用される締付力或いは押圧力により変位し、加工精度の低下を招くと云った問題を生じる。
さらに、工作機械のテーブル上にクランプされるワークパレットが適正なクランプ力にてテーブル上に着座しているかどうか検出することも高い加工精度を実現する上で必要となっている。
従って、本発明の主たる目的は、ワークやパレット等の被クランプ部材の着座検出、被クランプ部材に付与される締付力或いは押圧力の検出、加工動作中に被クランプ部材に対する加工負荷の検出を行うことができる着座機構及びこの着座機構を備えたワーク支持装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段とその作用】
上述した課題を解決するために、請求項１に記載のワーク支持装置は、例えばワークパレットのようなワーク支持体をテーブルに対しクランプするワーク支持装置において、ワーク支持体とテーブルとの間に複数の着座機構を設け、前記複数の着座機構にワーク支持体をクランプ手段によりクランプ力で押し付けることにより、ワーク支持体をテーブル上に着脱可能にクランプするようにすると共に、前記着座機構の各々を、前記テーブルに設けられたガイド穴を有する本体と、ガイド穴に挿入され一端部において前記ワーク支持体と当接され前記ワーク支持体を支持するプランジャと、前記プランジャに作用する前記クランプ力が直接作用するように前記ガイド穴の前記プランジャの他端部と前記ガイド穴の底面との間に介在されると共に負荷荷重に対する弾性変形量が前記ワークに対する要求加工精度よりも小さい特性の荷重センサ素子とから構成した。
【０００７】
複数の着座機構に内蔵した荷重センサ素子を負荷荷重に対する弾性変形量がワークに対する要求加工精度よりも小さい特性のものとして、ワーク支持体に作用するクランプ力を直接受けるように配置したので、複数の荷重センサ素子の出力に基づいて、支持体のテーブルに対するクランプ異常のみならず、加工動作中の過負荷作用による異常も検出される。この場合、例えば、ワーク支持体の下面に定義される基準面を三角形頂点配置の少なくとも３つの着座機構で支持するか、或いは基準面の大略４隅部を４つの着座機構で支持することが好ましい。これらの全ての着座機構の荷重センサ素子の出力を検出することにより、各着座機構に対するクランプ力が適正か否か検出され、切屑の噛み込み等の原因により生じる一部の着座機構に対するクランプ異常も検出される。
【０００８】
好適には、請求項２に記載されるように、前記ワーク支持体をなすワークパレット上に治具ユニットを取り付け、この治具ユニットにはワークの下面を支持する別の複数の着座機構を設け、ワークを前記別の複数の着座機構に別のクランプ力で押圧するアクチュエータが設けられ、前記別の複数の着座機構の各々を、前記治具ユニットに設けられたガイド穴を有する本体と、ガイド穴に挿入され一端部において前記ワークの基準面と当接され前記ワークを支持するプランジャと、前記プランジャに作用する前記別のクランプ力が直接作用するように前記ガイド穴の前記プランジャの他端部と前記ガイド穴の底面との間に介在されると共に負荷荷重に対する弾性変形量が前記ワークに対する要求加工精度よりも小さい特性の荷重センサ素子とから構成した。
これら複数の着座機構は、それらに内蔵した荷重に対する弾性変形量が前記ワークに対する要求加工精度よりも小さい特性の荷重センサ素子が直接ワークのクランプ力を検出するので、治具ユニットに設けたクランプ用のアクチエータの動作不良や、複数の着座機構に対するクランプ力の過度なアンバランスや、加工動作中に過負荷が作用する異常が検出可能とされる。ここで、例えば方形のワークの場合、ワークの１つの平面が基準面として定義され、この１つの基準面に対し請求項１の発明について述べたように少なくとも３つの着座機構、好適には４つ或いはそれ以上の数の着座機構が適切に配置されて使用される。
【０００９】
別の観点では、請求項３に記載されるワーク支持装置が提供され、この支持装置においては、請求項２に記載の治具ユニットを工具に対し相対移動されるテーブル上に設けた。
これにより、回転テーブルやワークパレットを具備しない構成の工作機械においても、前記治具ユニットを工具に対し相対移動するテーブル上に直接設けて、パレット上に搭載される前記治具ユニットと同等の機能を実現することが可能となる。
【００１０】
好適には、請求項４或いは請求項５に記載されるように、前記荷重センサ素子をセラミックス材料にて構成し、これにより負荷荷重を直接受ける荷重センサ素子が弾性変形しないか、その弾性変形量が加工精度上問題とならない量のものとした。特に、電気絶縁性セラミックス材料のマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料を分散した複合材料により荷重センサ素子の感圧部を構成した。
セラミックス材料により構成される荷重センサ素子は、弾性変形量は１，０００ｋｇｆに対し１．７μｍと非常に小さく、目標加工寸法に対する許容値が５〜７μｍを持つ加工において障害とならない。特に、荷重検出がセンサ素子の弾性変形に依存するものではなくて、セラミックス材料のマトリックス中に分散された圧力抵抗効果材料或いは磁気抵抗効果材料の圧力或いは磁気抵抗効果を利用するものであるので、支持位置をクランプ負荷に対し実質的に変位させずに負荷値が正確に検出される。
【００１１】
好適には、請求項６或いは請求項７に記載されるように、実質的に複数の着座機構に内蔵した荷重センサ素子の出力変化を比較してクランプ異常を検出し、或いは加工動作中の過負荷の有無を検出するようにした。
クランプ異常の検出の場合、最低クランプ力を定義する所定の閾値以下に検出値が低下するときクランプ異常と判定される。クランプ異常を検出する方法としては、複数の着座機構の荷重センサ素子の個々の出力を最低クランプ力を定義する閾値と順次比較し、この閾値以下の検出値を出力する着座機構が１つでも存在すればクランプ異常する方法や、全ての着座機構の荷重センサ素子の出力の平均値を算出し、この平均値が所定の閾値と比較されてこの閾値以下になるときクランプ異常とする方法等を採用できる。これらの方法は、個々の荷重センサ素子の出力を判定するか或いは全荷重センサ素子の出力を総合的に判定するかと言った点に差異はあるものの、複数の荷重センサ素子の出力を判別してクランプ異常を検出すると言う点において共通している。
【００１２】
一方、過負荷異常を検出する方法としては、複数の着座機構の荷重センサ素子出力間の最小値と最大値との間の最大荷重偏差を求め、これが所定の許容偏差閾値を超えるときに過負荷異常と判定する方法や、個々の着座機構の荷重センサ素子の出力が適正荷重範囲を定義する最小閾値及び最大閾値の範囲内に存在するか否かを判定して過負荷異常を検出する方法等を採用できる。このような検出方法を採用することにより、複数の着座機構に作用する偏差荷重の大きさ、つまりクランク力のアンバランスが認識され、この偏差過重により過負荷異常が検出される。
【００１３】
さらに好ましくは、請求項８に記載されるように、複数の着座機構には前記荷重センサ素子の近辺に同一特性の温度補償用の別の荷重センサ素子を設け、前記荷重センサ素子の出力をこの別の荷重センサ素子の出力で補正し、温度ドリフトによる検出誤差を補償する。この場合、全ての荷重検出用の荷重センサと対をなして温度補償用荷重センサ素子を設けることが対応する着座機構の温度変化を正確に補償する上で好ましい。全ての着座機構に温度補償用荷重センサ素子を設けない場合は、お互いの距離がなるべく離れた２つ或いはそれ以上の着座機構に温度補償用荷重センサ素子を設け、これら素子の出力の平均値で各荷重検出用の荷重センサ素子の出力を補償する態様を採用できる。
【００１４】
本発明の別の観点では着座機構が設けられ、この着座機構は請求項９或いは１０に記載されるように構成される。この着座機構は、機構本体のガイド穴にプランジャと荷重センサ素子を収容し、荷重が作用するプランジャにより荷重センサが直接押圧される配置構造とするか、プランジャ自体を荷重センサ素子材料で形成した荷重センサ素子に荷重が被支持物から直接作用する構造する。何れの構造態様においても、荷重センサ素子の感圧部は、電気絶縁性セラミックス材料のマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料を分散した複合材料により構成する。
このようなセラミックス複合材料により荷重センサ素子の感圧部を構成することにより、請求項５の発明について上述したような作用と同一の作用が奏せられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工具交換装置付横形マシニンングセンタのワークパレット支持機構の要部縦断面を示す。この図において、符号１０は図略のベッド上で後述する工具主軸１６の軸線と直角なＸ軸方向に水平移動可能に案内されたワークテーブルを示す。このワークテーブル１０上に回転テーブル１１が水平回転割り出し可能に支持されている。この回転テーブル１１上には、ワークパレット２０が着脱可能にクランプされ、このワークパレット２０上に例えば松葉クランプ金やＴボルトのような周知の適宜固定手段(図示省略)によりワークＷが固定されるようになっている。回転テーブル１１上には、パレットクランプ板１２が回転テーブル１１に内臓した一対のシリンダ装置１５により上下動可能に支持されている。
【００１６】
回転テーブル１１の中心には、回転中心軸及び回転デストリビュータを構成する軸芯機構１３が設けられている。軸芯機構１３は、回転テーブル１１の旋回割り出し動作を案内し、かつワークテーブル１０と回転テーブル１１との間の油気圧流体経路及び電気ケーブルの中継手段として機能する。この軸芯機構１３は周知の構成であり、説明を簡単にするために、その詳細を省略する。前記一対のシリンダ装置１５は、図１の紙面と垂直方向における前記軸芯機構１２の両側に配置され、それらシリンダ装置１５の可動ピストンのロッドがパレットクランプ板１２の下面に固着されている。
このパレットクランプ板１２は、上面から見たとき矩形をなし、対向する一対の端部がパレット２０の下面に形成されたＴ字状溝２０aに嵌合されてパレット２０の上下方向運動を一体的に拘束している。
【００１７】
パレット２０の下面には、前記Ｔ字状溝２０aがこのパレットの下面を貫通して形成され、前記Ｔ字状溝２０aの両側に一対の基端部２０ｂ（一方は図略）が平行に延びている。クランプ板１２の前記一対の端部下面には、各端部の端面に沿って複数のガイドローラ１４を回転支持しており、これらガイドローラ１４は、図１の紙面と垂直方向においてワークテーブル１０及び回転テーブル１１とパレット２０とが相対的に移動されるとき、パレット２０の前記基端部２０bの内側端面２０ｃを案内するようになっている。
【００１８】
パレット２０を回転テーブル１１に対し水平方向及び上下方向に位置決めするため、水平位置決め用のピン機構３０と上下位置決め用の着座機構４０がパレット２０の一対の基端部２０bと回転テーブル１１上のこれら基端部２０ｂに対向する部分との間に配置されている。ピン機構３０は、一対の基端部２０ｂと対面しかつの回転テーブル１０の回転中心を通って水平方向に対向する部位に２箇所配置されている。各ピン機構３０は、回転テーブル１０に立設して設けた固定の位置決めピン３１と、この位置決めピン３１の先端部を受け入れるピン穴を有しパレット２０の下面に固着されたスリーブ３２とからなる。
【００１９】
一方、着座機構４０は、パレット２０の各基端部２０ｂの長手方向の両端部と対面する回転テーブル１０上の計４箇所に設けられ、パレット２０の４隅の下面と当接してパレット２０を上下方向に支持する。図２は、着座機構４０の詳細を示し、着座機構４０の本体４１は、ボルト４２により回転テーブル１１上に固着されている。本体４１には垂直穴４１ａが形成され、この穴４１ａにシート部材としてのプランジャ４３が上下動可能に嵌挿されている。プランジャ４３の下端面により区画される垂直穴４１ａの下部室４１ｂは、配線通路４１ｃを介して回転テーブル１０の配線通路１１ａと接続している。下部室４１ｂには、その下面の球面座にて垂直穴４１ａの底面に着座する受承部材４４が設けられ、この受承部材４４の平坦な頂面とプランジャ４３の下面との間に荷重センサ素子４５が介在されている。温度補償用の別の荷重センサ素子４６が適宜接着材により受承部材４４の側面に接着保持されている。センサ素子４５、４６の各々の両極は一対のリード線と結合され、これらリードは、配線通路４１ｃ及び１１ａを経て回転テーブル１１内へ入り、かつこの回転テーブル１１から軸芯機構１３を経て固定部に設けた図略の増幅ユニットに接続されている。
【００２０】
荷重センサ素子４５、４６は、図３に示すように構成され、方形の感圧部４７の側面に一対の電極４８、４８が一体形成され、これら電極４８、４８にリード線４９、４９が例えば半田付けにより結合されている。感圧部４７の上下面４７ａ、４７ｂは受圧面として平坦に形成され、この受圧面がプランジャ４３の下面及び受承部材４４の頂面に当接するように配置される。荷重センサ素子４５、４６は、本願出願人が共同出願人として先に提出した特許出願（特許願２００１−１１１７４２号）に記載されたセラミックス複合材料からなるもので、付与される荷重に対して実質的に無視できる程度の小さな変形しかしないが内部組成の歪を電気的出力とし検出できる特性をもつ素子である。
【００２１】
本願発明の理解を容易にするためにこの素子について簡単に説明すると、上記感圧部４７を構成する材料は、電気絶縁性セラミックス材料よりなるマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料（以下，適宜，単に圧力抵抗効果材料という）を分散してなる複合材料よりなる。そして、上記マトリックスを構成する電気絶縁性セラミックス材料は、高い圧縮強度を有しているので、センサ素子全体の強度を高めることができ、複合材料自体が直接高い荷重を受ける構造となっている。
図４は、模式的に感圧部４７の構造を示したものであり、実際の感圧部４７の複合材料は、電気絶縁性セラミックス材料７０の各粒子と圧力抵抗効果材料７１の各粒子がそれぞれ焼結された状態で存在する。上記マトリックス中には、上記圧力抵抗効果材料７１を分散してあり、この圧力抵抗効果材料７１が連なって導電パスが形成され、圧力の付与によって圧力抵抗効果あるいは磁気抵抗効果を得ることができる。
【００２２】
上記感圧部４７の少なくとも一方の上記受圧面には、電気絶縁性を有する絶縁部が配設されていることが好ましく、この絶縁部を上記感圧部と共に一体的に焼成してもよいし、別々に形成して接着剤等により接着してもよい。
上記感圧部を構成する電気絶縁性セラミックスはジルコニアであることが好ましい。ここでいうジルコニアは，ZｒＯ２に各種の添加物を添加したものも含む。例えば３Y−ZｒＯ２、１２Ｃｅ−ZｒＯ２等がある。ジルコニアは、強度が高く、かつ電気絶縁性を有し、上記マトリックスとして有効に利用することができる。なお，上記マトリックス用のセラミックスとしては、ジルコニア以外にも、 A1２Ｏ３、， MgA1２Ｏ４、ＳｉＯ２、３A1２Ｏ３・２ＳｉＯ２、 Y２Ｏ３、， CｅＯ２、Lａ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミックスを適用することも可能である。
【００２３】
また、上記感圧体を構成する圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料は、ペロブスカイト構造の（Lｎ１−ｘMａｘ）１−ｙMｂＯ３−Z、層状ペロブスカイト構造の（Lｎ２−ｕMａ１＋ｕ）1−VMｂ２Ｏ７−Ｗ、S i及びこれらに微量の添加元素を加えた物質のいずれか1種以上よりなること（ここに０＜ｘ≦０．５、0≦y≦0．2、０≦ｚ≦０．６，０＜ｕ≦1．０、０≦ｖ≦０．2、０≦w≦1．０、Ln；希土類元素、Ma；1種類またはそれ以上のアルカリ土類元素、Mb；1種類またはそれ以上の遷移金属元素）が好ましい。
【００２４】
このような複合材料よりなる感圧部４７は、次のようにして作製される。上記電気絶縁性のセラミックス材料７０としては、１２ｍｏｌ％のCｅＯ２を添加したＺｒＯ２，圧力抵抗効果材料７１としてはLａｏ．７５Ｓｒ０．２５ＭｎＯ３を適用する。
まず、Ｌａ２Ｏ３粉末、ＳｒＣＯ３粉末、MｎＣＯ３粉末をＬａ：Ｓｒ：Ｍｎの組成比で０．８：０．２：１となるように秤量した。それらの粉末を、混合用ＺｒＯ２ボール、混合溶媒エタノールと一緒にポリポットに投入して、２０時間混合した。混合粉末を、乾燥、解砕して、大気中で１３００℃で４時間仮焼し，圧力抵抗効果を有するペロブスカイト型複合酸化物粉末をLａｏ．７５Ｓｒ０．２５ＭｎＯ３合成した。
【００２５】
引き続いて、市販のＣｅＯ２を添加してなるＺｒＯ２粉末（住友大阪セメント（株）、OZC−１２CEB）と、合成したLａｏ．７５Ｓｒ０．２５ＭｎＯ３粉末とを全重量に対するLａｏ．７５Ｓｒ０．２５ＭｎＯ３の重量割合が２６重量％となるように秤量した。それらの粉末を、混合用ＺｒＯ２ボール、混合溶媒エタノールと一緒にポリポットに投入して4時間混合し、さらに乾燥及び解砕した。解砕した混合粉末を金型で直径１８mmの円盤形状にプレス成形し、その後３０００k g／cm²の圧力でCＩＰ処理した。そして成形体を１４００℃で４時間焼結した。
【００２６】
得られた焼結体の密度は理論密度の９８％に繊密化しており、導電性を有している。また、焼結体の比抵抗は約２５Ωcmであった。この焼結体を直方体形状に切り出したものが，上記感圧部４７である。この感圧部４７においては、上記のごとく対向する一対の面が受圧面４７ａ、４７ｂとなる。そして、これら受圧面４７ａ、４７ｂに直交する一対の側面には，上記のごとく電極４８、４８を配置した。電極４８としては、Agペースト（昭栄化学工業（株）、H−5 9 9 7）を用い、温度８５０℃に１０分間保持して焼き付けた。さらに、電極４８、４８には、リード線４９、４９を半田付けにより配設した。このようにして、荷重センサ素子４５及び４６が製造される。
【００２７】
図５は、パレット２０下面の４隅と対応する位置に配置した４つの着座機構４０の４対の荷重センサ素子４５、４６の出力を受けてマシニングセンタのＣＮＣ装置１８が実行する応用制御例を示すフローチャートである。以下、上記構成のワーク支持装置の動作をこのフローチャートを参照しながら説明する。
ワークＷを搭載したパレット２０は、スリーブ３２が位置決めピン３１から離脱するアンクランプ位置へパレットクランプ板１２が上昇した状態で、周知のパレット交換装置により回転テーブル２０上に搬入される。この場合、パレットクランプ板１２は、複数のローラ１４によりパレット２０の前記基端部２０ｂの内側端面２０ｃを案内しながらパレット２０を導き入れ、パレット２０のＴ字状溝２０ａに挿入される。パレット２０がパレットクランプ板１１に対し所定の位置まで挿入された後、一対のシリンダ装置１５の下降動作によりパレットクランプ板１２が下降される。このとき、スリーブ３２が位置決めピン３１に嵌挿され、基端部２０ｂの下面がこの下面の４隅と対応するように配置された着座機構４０のプランジャ４３の頂面に当接し、これにより回転テーブル１１上にクランプされる。
【００２８】
この場合、４本のプランジャ４３の各々には１,０００ｋｇｆ程度の圧縮力が作用し、この圧縮力がプランジャ４３と受承部材４４との間に挟持された荷重センサ素子４５に直接作用する。荷重サンサ素子４５は、１,０００ｋｇｆの圧縮力を受けて１．７μｍ（ミクロン・メートル）程、圧縮変形される。この変形量は、この種のマシニングセンタの要求加工精度が５μｍ程度であるので、この要求加工精度よりも十分に小さく、実用上無視できる程度の小さな変形量である。従って、パレット２０、即ちワークＷの取り付け基準面は、従来のように固定の着座シート部材上にクランプされる場合に比較して、回転テーブル１０に対し１．７μｍ程下降されることになるが、この程度の下降量は下降精度の許容範囲内であって、実用に耐えうるものである。
【００２９】
パレット２０はこのようにしてクランプされ、そのクランプ状態はワークＷの加工中維持される。加工動作中においては、主軸ヘッド１７を上下Ｙ軸方向に移動可能に案内する図略のコラムがワークテーブル１０に対し相対的にＺ軸方向に前進送りされると共にワークテーブル１０がＹ軸及びＺ軸と直交する水平のＸ軸方向に移動され、回転する工具主軸１６の先端にクランプされた切削或いは研削工具ＴがワークＷに対し切り込まれて切削加工が行われる。この加工動作中において、マシニングセンタを制御するＣＮＣ装置１８は、図５に示す制御ルーチンを例えば10ミリ秒と云った所定の時間インターバルにて実行し、パレットのクランプ異常及び過負荷異常を検出する。
【００３０】
すなわち、４つの着座機構４０を選択的に指定するカウンタＮを初期値“１”にセットし、一番目の着座機構４０を指定する（ステップＳ１）。次に、指定された着座機構４０の荷重センサ素子４５及び温度補償用の荷重センサ素子４６の出力を読み取り（ステップＳ２）、荷重センサ素子４５の出力を温度補償用の荷重センサ素子４６により補正して両出力の偏差Ｅｎを実荷重として演算し、所定の記憶領域に更新登録する（ステップＳ３）。この処理は、４つの着座機構４０を順次指定するように繰り返し実行され（ステップＳ４及びＳ５）、そして全ての着座機構４０に作用しているクランプ実荷重が記憶領域に更新記憶されたかどうか判定される（ステップＳ４）。この判定が「ＹＥＳ」となると、次に、４つの着座機構４０に作用している実荷重E1〜E4の平均値である平均実荷重Ｅave及びこれら実荷重E1〜E4の最大値と最小値との偏差である最大実荷重偏差Ｅdifが算出される（ステップＳ６）。平均実荷重Ｅaveは、必要最低クランプ力を定義する第1閾値Ｔ１と比較され（ステップＳ７）、この第1閾値Ｔ１以下になるとき、パレットクランプ異常を警告する（ステップＳ８）。
【００３１】
次に、最大実荷重偏差Ｅdifが４つの着座機構４０間のクランプ力偏差の許容値を定義する第2閾値Ｔ２と比較され（ステップＳ９）、最大実荷重偏差Ｅdifがこの第2閾値Ｔ２を超えるとき、過負荷警告が出力される（ステップＳ１０）。加工負荷が過大になるとき、４つの着座機構４０の幾つかは非加工時に比べて大きな荷重を受け、他の幾つかは非加工時に比べて小さな荷重を受ける。つまり、パレット２０の４隅に対してアンバランスとなる偏荷重が作用し、この偏荷重の大きさに基づいて過大な加工負荷を検出するようにしている。このような過負荷異常や上記クランプ異常が検出されるとき、ＣＮＣ装置１８は、主軸ヘッド１７とワークテーブル１０との相対送り速度の減速或いは停止処理及び異常ランプの点灯のような異常報知処理等の必要な処理を実行して、これら異常警告に対処する。
このような制御態様は、着座機構４０からの検出出力を利用する制御形態の一例を示すもので、これ以外にこの検出出力を利用する各種の制御形態を採用することができる。
【００３２】
図６は本発明の第2の実施の形態を示すもので、この実施の形態においては、パレット２０上に搭載固着された自動クランプ機構付きのワーク支持治具ユニット６０に図２に示す構成の着座機構４０が適用される。具体的には、コの字状の治具本体或いはフレーム６１の水平基礎部６１ａにワークＷの下面の４隅を支持する４つ或いはそれ以上の数の着座機構４０がプランジャ４３の頂面を上方に向けて配置される。また、工具Ｔと反対側に位置されるワークＷの側面を支持する治具フレーム６１の垂直部６１ｂに図６の紙面と垂直方向に離間した２つ或いはそれ以上の数の着座機構４０がプランジャ４３の頂面をワーク２の垂直な側面に向けるように横向けにして配置される。
【００３３】
治具フレーム６１の天井板部６１ｃには、クランプアクチエータとしてのシリンダ装置６２が装着され、このシリンダ装置６２は、ピストンロッド６３下端に固着したクランプ部材６４を流体圧で下降動作し、ワークＷを水平基礎部６１ａに設けた着座機構４０のプランジャ４３の頂面に押圧クランプする。
治具フレーム６１の水平基礎部６１ａには、リード線ガイド箱６５が取り付けられ、このガイド箱６５及びこれに結合された逆U字状のフレキシブルパイプ６６を介して、固定部の中継箱６７に荷重センサ素子のリード線を導くようにしている。
【００３４】
この第2の実施の態様においては、マシニングセンタを制御するＣＮＣ装置１８が図５に示す上述の制御フローチャートを所定の時間インターバルで実行し、複数の着座機構４０の検出出力に基づいて、加工動作中におけるシリンダ装置６２のクランプ力の緩み及び過負荷の発生を上述したような形態で検出するように動作する。なお、図５のフローチャートにおけるN数は治具フレーム６１に配置される着座機構４０の数に応じて設定される。
この第２の実施の態様においては、加工動作中における過負荷異常を検出できることは勿論のこと、治具フレーム６１に対するワークＷの着座異常及びシリンダ装置６２のクランプ異常を着座機構４０に内蔵した荷重センサ４５の出力に基づいて、ワークの取り付け時及び加工動作中に検出でき、従来のように着座検出手段とクランプ力検出手段とを併用する必要がなくなる。
【００３５】
（その他の実施の態様）
本発明は、マシニングセンタのパレットクランプ機構及びワーククランプ治具ユニットに適用する実施の形態として説明したが、ワークを取り付けたテーブル或いはこのテーブル上に搭載されたワーク取り付け治具を備える各種の工作機械、例えば、研削盤、プレス機械、型削り盤などに適用可能である。
上述した第2の実施の形態においてはワーク治具ユニット６０をワークパレット２０上に設けたが、このワーク治具ユニット６０は回転テーブル１１（ワークパレットを使用しない場合）やワークテーブル１０（ワークパレット及び回転テーブルを使用しない場合）に直接取り付けてもよい。
【００３６】
上述した実施の形態においては、着座機構４０はプランジャ４３と受承部材４４との間に荷重センサ素子４５を挟む構成としたが、図７に示すように、プランジャ自体を荷重センサ素子材料により構成し、荷重センサ素子４５の頂面によりワークＷやパレット２０のような被支持体を直接当接して支持するようにしてもよい。図７は、荷重センサ素子４５を矩形断面の縦長形状とし、本体４１の方形穴に荷重センサ素子４５を挿入した態様を示す。
また、クランプ異常は、全ての着座機構４０に作用する負荷の平均値Ｅaveを求め（図５のステップＳ６）、この平均値Ｅaveを必要最低クランプ力を定義する第1閾値Ｔ１と比較する（ステップＳ７）ようにしているが、図８に示すように、、全ての着座機構４０に作用する個々の負荷を前記第1閾値Ｔ１と順次比較する（ステップＳ４）ようにしてもよい。
【００３７】
さらに、過負荷異常は、全ての着座機構４０に作用する負荷間の最大実荷重偏差Ｅdifを求め（図５ステップＳ６）、この最大実荷重偏差Ｅdifを着座機構４０間のクランプ力偏差の許容値を定義する第2閾値Ｔ２と比較する（ステップＳ９）ようにしているが、図８に示すように、着座機構４０に作用する個々の荷重が最小閾値Ｔ３と最大閾値Ｔ４との範囲に入るか否か判定し（ステップＳ６）この範囲を逸脱するときに過負荷警告を出力するようにしてもよい。この処理は、最終番目“ｆ”の座着機構４０についての実行が確認されるまで（ステップＳ８）、繰り返し実行される。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１〜３に記載の発明によれば、着座機構に設けた負荷荷重に対する弾性変形量がワークに対する要求加工精度よりも小さい特性の荷重センサ素子により、例えばワークパレットやワークのような被クランプ体が着座される着座機構に対する被クランプ体の着座状態におけるクランプ力及びこの着座部材に対して被クランプ体を押圧するクランプ手段のクランプ力を検出することができる。特に、負荷荷重に対する弾性変形量がワークに対する要求加工精度よりも小さい特性のものを使用したので、被クランプ体の着座異常や加工中の過負荷異常を検出できるのみならず、加工精度へ悪影響しないと云った実用上有益な効果が発揮される。
【００３９】
また、請求項４及び５に記載の発明によれば、荷重センサ素子をセラミックス材料にて形成し、特にセラミックスのマトリックス中に圧力抵抗効果材料或いは磁気抵抗効果を有する材料を分散した複合材料を用いたので、負荷荷重に対する弾性変形量がワークに対する要求加工精度よりも十分小さくなり、かつ環境温度変化に対して安定した精度で前記被クランプ体に対するクランプ力を検出できる。
また、請求項６〜８に記載の発明によれば、複数の着座機構に作用するクランプ力を同機構に内蔵の荷重センサ素子からの出力により個々の着座機構に対する変動或いは複数の着座機構に対する総合的な変動として検出することにより、クランプ異常や加工動作中の過負荷異常を検出できる。
さらに、請求項９及び１０に記載の発明によれば、クランプ荷重を荷重センサ素子が直接支持するように荷重センサ素子を配置すると共に、この素子の感圧部を上述したセラミックス複合材料で形成したので、請求項４及び５の発明と同一の効果が発揮される。
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるワーク支持装置を適用したマシニングセンタの要部縦断面図。
【図２】前記ワーク支持装置を構成する着座機構の拡大縦断面図。
【図３】前記着座機構に内蔵される荷重センサ素子の外観を拡大して示す斜視図。
【図４】前記荷重センサ素子の構成を模式的に示す説明図。
【図５】前記荷重センサ素子の出力に基づいてマシニングセンタのＣＮＣ装置がクランプ異常及び加工動作中の過負荷異常を検出する処理ルーチンを示すフローチャート。
【図６】本発明によるワーク支持装置の第2の実施の形態を示す要部縦断面図。
【図７】前記着座機構の別の実施の形態を示す拡大縦断面図。
【図８】前記荷重センサ素子の出力に基づいてＣＮＣ装置がクランプ異常及び加工動作中の過負荷異常を検出する処理ルーチンの別の実施の形態を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０：ワークテーブル、１１：回転テーブル、１２：クランプ板、１５：クランプシリンダ２０：ワークパレット、Ｗ：ワーク、Ｔ：工具、１６：工具主軸、１８：ＣＮＣ装置、３０：位置決めピン機構、４０：着座機構、４１：着座機構本体、４３：プランジャ、４４：受承部材、４５：荷重センサ素子、４６：温度補償用荷重センサ素子、６０：ワーク治具ユニット、６２：クランプシリンダ、４５ａ：荷重センサ素子

Claims

工具に対し相対的に移動されるテーブルと、ワークを取り付けたワーク支持体と、このワーク支持体を前記テーブル上に押し付けクランプするクランプ手段を備えた工作機械のワーク支持装置において、
前記ワーク支持体と前記テーブルとの間に複数の着座機構を設け、
前記複数の着座機構に前記ワーク支持体を前記クランプ手段によりクランプ力で押し付けることにより、前記ワーク支持体を前記テーブル上に着脱可能にクランプできるようにし、
前記着座機構の各々を、前記テーブルに設けられたガイド穴を有する本体と、ガイド穴に挿入され一端部において前記ワーク支持体と当接され前記ワーク支持体を支持するプランジャと、前記プランジャに作用する前記クランプ力が直接作用するように前記ガイド穴の前記プランジャの他端部と前記ガイド穴の底面との間に介在されると共に負荷荷重に対する弾性変形量が前記ワークに対する要求加工精度よりも小さい特性の荷重センサ素子とから構成したことを特徴とするワーク支持装置。
請求項１に記載のワーク支持装置において、
前記ワーク支持体はワークパレットであり、
このワークパレット上にワーク取り付け治具ユニットが固着され、
この治具ユニットにはワークの下面を支持する別の複数の着座機構が設けられると共に、
前記ワークを前記別の複数の着座機構に別のクランプ力で押圧するアクチュエータが設けられ、
前記別の複数の着座機構の各々を、前記治具ユニットに設けられたガイド穴を有する本体と、ガイド穴に挿入され一端部において前記ワークの基準面と当接され前記ワークを支持するプランジャと、前記プランジャに作用する前記別のクランプ力が直接作用するように前記ガイド穴の前記プランジャの他端部と前記ガイド穴の底面との間に介在されると共に負荷荷重に対する弾性変形量が前記ワークに対する要求加工精度よりも小さい特性の荷重センサ素子とから構成したことを特徴とするワーク支持装置。
工具に対し相対的に移動されるテーブルと、このテーブル上に搭載されてワークを取り付ける治具ユニットとを備え、この治具ユニットにワークを押圧クランプするアクチエータが設けられている工作機械のワーク支持装置において、
前記アクチエータにより前記治具ユニットに押し付けられるワークの面とこの治具ユニットとの間に複数の着座機構を設け、
前記着座機構の各々に前記ワークを前記アクチュエータによりクランプ力で押圧することにより、前記ワークを前記治具ユニットに着脱可能にクランプできるようにし、
前記着座機構の各々を、前記治具ユニットに設けられたガイド穴を有する本体と、ガイド穴に挿入され一端部において前記ワークの基準面と当接され前記ワークを支持するプランジャと、前記プランジャに作用する前記クランプ力が直接作用するように前記ガイド穴の前記プランジャの他端部と前記ガイド穴の底面との間に介在されると共に負荷荷重に対する弾性変形量が前記ワークに対する要求加工精度よりも小さい特性の荷重センサ素子とから構成したことを特徴とするワーク支持装置。
前記荷重センサ素子がセラミックス材料によりなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のワーク支持装置。
前記荷重センサ素子の感圧部が電気絶縁性セラミックス材料によりなるマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料を分散してなる複合材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のワーク支持装置。
請求項１〜５の何れかに記載のワーク支持装置において、クランプ異常を検出して制御信号を出力する制御手段がさらに設けられ、この制御手段は、前記複数の着座機構に内蔵した前記荷重サンサ素子の出力を読み取り、これら出力の個々の値或いはこれら出力の平均値を所定の閾値と比較してクランプ異常を検出することを特徴とするワーク支持装置。
請求項１〜６の何れかに記載のワーク支持装置において、加工動作中の過負荷を検出して制御信号を出力する制御手段がさらに設けられ、この制御手段は、前記複数の着座機構に内蔵した前記荷重センサ素子の出力を読み取り、これら出力の個々の値或いはこれら出力間の最大偏差値を所定の別の閾値と比較して加工動作中における過負荷の有無を検出することを特徴とするワーク支持装置。
請求項６又は７に記載のワーク支持装置において、前記複数の着座機構の内の少なくとも２つ以上の着座機構の前記ガイド穴には前記荷重センサ素子と検出特性が同じ温度補償用の別の荷重センサ素子が内蔵され、前記荷重センサ素子の出力は同一着座機構内に設けた別の荷重センサ素子の出力により補正された値とされることを特徴とするワーク支持装置。
工具により加工されるワークの基準面と当接してこのワークを支持する工作機械用の着座機構において、
ガイド穴を有する本体と、ガイド穴に挿入され一端部において前記ワークの基準面と当接され前記ワークを支持するプランジャと、前記ガイド穴に収容されこのプランジャの他端部と前記ガイド穴の底面との間に介在されこのプランジャに作用する負荷荷重が直接作用する荷重センサ素子からなり、
前記荷重センサ素子は、電気絶縁性セラミックス材料によりなるマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料を分散してなる複合材料により構成された感圧部を有することにより、前記負荷荷重に対する弾性変形量が前記ワークに対する要求加工精度よりも小さい特性を備えることを特徴とする着座機構。
工具により加工されるワークの基準面と当接してこのワークを支持する工作機械用の着座機構において、
ガイド穴を有する本体と、このガイド穴に挿入され一端部において前記ワークの基準面と当接され他端部において前記ガイド穴の底面に当接して前記ワークを支持するプランジャとからなり、
電気絶縁性セラミックス材料によりなるマトリックスに圧力抵抗効果もしくは磁気抵抗効果を有する材料を分散してなる複合材料により前記プランジャを形成して該プランジャを負荷荷重が直接作用する荷重センサ素子として機能させることにより、前記負荷荷重に対する弾性変形量が前記ワークに対する要求加工精度よりも小さい特性を備える前記荷重センサ素子を構成することを特徴とする着座機構。