JP4647611B2 - ワーククランプ装置 - Google Patents

Description

この発明は、数値制御（Numerical Control；以下、ＮＣという）装置等により制御され、エンジンのピストン等のワークを切削加工する加工機のワーククランプ装置に関するものであり、詳細には、ワークを、低クランプ力から高クランプ力まで、広範囲の可変クランプ力でクランプすることができる装置に関するものである。

従来のワーククランプ装置として、流体アクチュエータを含むクランプ手段によりクランパを移動させワークをクランプ・アンクランプするワーククランプ装置において、前記クランパをワーククランプ方向へ移動させ加工抵抗に耐えうる高クランプ力にて前記ワークをクランプする第１クランプ手段と、前記第１クランプ手段の停止状態において、前記クランパをワーククランプ方向へ移動させ前記高クランプ力よりも小さく、前記ワークに衝撃力が作用しない低クランプ力で前記ワークをクランプする第２クランプ手段と、前記第１クランプ手段及び前記第２クランプ手段に直接作用し前記クランパを少なくとも前記ワークと前記クランパとの間に隙間が形成されるまでワークアンクランプ方向へ移動させ前記ワークをアンクランプするアンクランプ手段とを備えたものがある。

このワーククランプ装置では、第１クランプ手段によりクランパをワーククランプ方向へ移動させ加工抵抗に耐えうる高クランプ力にてワークをクランプする工程と、その後前記第１クランプ手段の動作停止状態でアンクランプ手段により前記クランパを少なくとも前記ワークと前記クランパとの間に隙間が形成されるまでワークアンクランプ方向へ移動させて前記ワークをアンクランプする工程と、その後第２クランプ手段により前記クランパをワーククランプ方向へ移動させ前記高クランプ力よりも小さく、前記ワークに衝撃力が作用しない低クランプ力で前記ワークをクランプする工程と、この低クランプ力でのクランプ状態のままで前記第１クランプ手段により前記高クランプ力にて前記ワークをクランプする工程とを含んでワークをクランプする。このようにワークをクランプすることにより、ワークには衝撃力によるクランプ歪みが発生することがない（例えば、特許文献１参照）。

特開平２０００−３５４９２３号公報

しかしながら、上記した文献に記載されたワーククランプ装置及びワーククランプ方法では、ワーク加工時は、予め定められた一つの高クランプ力値でしかワークをクランプできず、剛性の低いワークを加工するときには、クランプによりワークが歪んだ状態で加工が行われてしまい、加工精度が低下するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ワークの種類に応じて、又は一つのワークの加工工程に応じて、所定の閾値以下の低クランプ力から該閾値以上の高クランプ力までの広範囲の可変クランプ力を発生させることができ、剛性の低いワークであっても、加工時のクランプ歪を必要最小限として、高精度の加工を行うことができるワーククランプ装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるワーククランプ装置にあっては、ワークを加工機にクランプするクランパと、撓み変形量に応じて該クランパに可変低クランプ力を付与可能なクランプスプリングと、伝動装置を介して前記クランプスプリング及び前記クランパに接続され、該クランプスプリングを撓み変形させ、かつ、該クランパに可変高クランプ力を付与可能なサーボモータと、加工プログラムにより所定の閾値以下の低クランプ力での前記ワークのクランプが指令されたときには、前記サーボモータを位置制御することにより前記クランプスプリングの撓み変形量を制御して前記クランパに前記低クランプ力を付与し、前記加工プログラムにより前記閾値以上の高クランプ力での前記ワークのクランプが指令されたときには、前記サーボモータを電流制御して前記クランパに前記高クランプ力を付与する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

次の発明にかかるワーククランプ装置にあっては、前記制御手段は、前記加工機を数値制御するＮＣ装置であること特徴とする。

次の発明にかかるワーククランプ装置にあっては、前記サーボモータの電流制御領域を、該サーボモータの電流値と前記伝動装置が出力するクランプ力とが比例する領域としたことを特徴とする。

次の発明にかかるワーククランプ装置にあっては、前記クランクスプリングによるクランプ力の制御可能範囲と前記サーボモータの電流制御によるクランプ力の制御可能範囲とは、前記閾値の近傍でオーバーラップしていることを特徴とする。

次の発明にかかるワーククランプ装置にあっては、前記伝動装置は、ボールナット・スクリュー機構を有し、前記サーボモータの回転力を前記クランパのクランプ力に変換することを特徴とする。

次の発明にかかるワーククランプ装置にあっては、前記伝動装置は、前記クランパを前記ワークの回転軸回りに回転自在に保持することを特徴とする。

次の発明にかかるワーククランプ装置にあっては、前記サーボモータは、リニアサーボモータであることを特徴とする。

この発明にかかるワーククランプ装置によれば、ワークの種類に応じて、又は一つのワークの加工工程に応じて、所定の閾値以下の低クランプ力から該閾値以上の高クランプ力までの広範囲の可変クランプ力を発生させることができ、剛性の低いワークであっても、加工時のクランプ歪を必要最小限として、高精度の加工をすることができるという効果を奏する。

次の発明にかかるワーククランプ装置によれば、ＮＣ加工機のワーククランプ装置として単一のＮＣ装置により制御することができる。

次の発明にかかるワーククランプ装置によれば、サーボモータの電流値とクランプ力との関係が一次関数式で表せるのでサーボモータの制御が容易となる。

次の発明にかかるワーククランプ装置によれば、低クランプ力から高クランプ力まで切れ目のない広範囲の可変クランプ力を得ることができる。

次の発明にかかるワーククランプ装置によれば、ＮＣ加工機に通常用いられている回転式サーボモータをワーククランプ装置に用いることができる。

次の発明にかかるワーククランプ装置によれば、回転軸回りに回転して加工されるワークをクランプすることができる。

次の発明にかかるワーククランプ装置によれば、動力伝達機構及びボールナット・スクリュー機構が不要となる。

図１は、本発明の実施の形態１のワーククランプ装置をピストン加工機に適用した例を示す断面図である。 図２Ａは、ワークの一例としてのエンジンピストンの一部破断正面図である。 図２Ｂは、同側面図である。 図３は、サーボモータ電流と伝動装置が出力するクランプ力の関係を示す特性図である。 図４は、指令クランプ力とクランパのクランプ力の関係を示す特性図である。 図５は、クランプ動作の説明図である。 図６は、クランプ指令プログラムフォーマットを示す図である。 図７は、クランプスキップ指令プログラムフォーマットを示す図である。 図８は、ＮＣメインプログラムの一例を示す図である。 図９は、Ｇ２００マクロプログラムの一例を示す図である。

符号の説明

１ ピストン（ワーク）
２ 回転主軸
３ 縦軸
１０ クランプヘッド
１１ 支持軸
１２ センターピン
１３ スプリング
１４ クランパ
１５ スプリングシート
１６ クランプスプリング
２０ 伝動装置
２１ クランプスライダ
２２ ベアリング
２３ 中空軸
２４ ケース
２５ ボールナット
２６ ベアリング
２７ ボールスクリュー
２８ 動力伝達機構
３０ サーボモータ
４０ ＮＣ装置（制御手段）
１００ ワーククランプ装置

以下に、本発明にかかるワーククランプ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１のワーククランプ装置をピストン加工機に適用した例を示す断面図であり、図２Ａは、ワークの一例としてのエンジンピストンの一部破断正面図であり、図２Ｂは、同側面図である。

ピストン加工機によるワークとしてのピストン１の加工には、リング溝１ａの粗加工、同仕上加工、ピン孔１ｂの粗加工、同仕上加工、スカート部１ｃの外周粗仕上ターニング、同外周仕上ターニング等がある。ピストン１は、軽量化のため材質にアルミ合金が用いられ、スカート部１ｃ等は極限まで薄くされていて剛性が低い。このようなピストン１を加工するとき、加工部位及び加工種類によりピストン１にかかる力は大きく異なる。

例えば、ピン孔１ｂの粗加工時は、大きな切削力がワークにかかるので、ワークを大きな力でクランプする必要がある。一方、スカート部１ｃの外周仕上ターニング時は、薄肉部を高精度に加工するために、剛性の低いスカート部１ｃが歪まないようにクランプ力を小さくし、軽切削力で加工しなければならない。このように、ピストン１の加工においては、加工部位及び加工種類に応じて、クランプ力を必要最小限とするように適正に変更する必要がある。

図１を参照して、ピストン加工機に適用したワーククランプ装置１００の構成を説明する。ワークとしてのピストン１は、図示しないピストン加工機の縦軸３回りに回転する回転主軸２に、クランプ基準面１ｄを載せて載置される。ワーククランプ装置１００は、ピストン１を加工機の回転主軸２にクランプするクランプヘッド１０と、クランプヘッド１０を駆動しクランプ力を制御するサーボモータ３０と、サーボモータ３０を制御するＮＣ装置４０と、クランプヘッド１０に接続してこれを保持しサーボモータ３０の駆動力をクランプヘッド１０に伝達する伝動装置２０とから成っている。サーボモータ３０及びＮＣ装置４０は、通常のＮＣ制御加工機に用いられるものである。

クランプヘッド１０は、伝動装置２０に接続されクランプ軸３上に保持される支持軸１１と、支持軸１１の先端の穴に摺動可能に挿入されたセンターピン１２及び微小なばね力のスプリング１３と、支持軸１１の先端に摺動可能に嵌合されることにより伝動装置２０に接続し、その鍔部１１ａに保持された円形キャップ状のクランパ１４と、支持軸１１の中間部に摺動可能に嵌合されボス部１５ａを有する円板状のスプリングシート１５と、ボス部１５ａに緩く嵌合されクランパ１４とスプリングシート１５とに挟まれることにより伝動装置２０に接続するクランプスプリング１６とから成っている。クランプスプリング１６は、圧縮歪み変形量に比例する反力を生ずる圧縮コイルスプリングから成っている。

円形キャップ状のクランパ１４は、外周縁部１４ａをピストン１の冠面１ｅに当て回転主軸２との間でピストン１をクランプする。クランプ力は、冠面１ｅとクランプ基準面１ｄの間に加えられる。クランパ１４によるピストン１のクランプ時には、先にセンターピン１２をピストン１の冠中心に予め設けられた基準穴１ｆに挿し込み、クランパ１４のクランプ位置をガイドさせる。クランパ１４がピストン１をクランプした状態でスプリングシート１５が押圧されると、クランプスプリング１６が撓み変形し、その撓み変形量に応じてクランパ１４に可変低クランプ力が付与される。

伝動装置２０は、支持軸１１の後端に接続してこれを保持するクランプスライダ２１と、ベアリング２２、２２を介してクランプスライダ２１をクランプ軸３回りに回転自在に保持する中空軸２３と、スライド部２４ａで中空軸２３を上下摺動自在に保持する筒状のケース２４と、中空軸２３の後端に取付けられたボールナット２５と、ケース２４の後端にベアリング２６、２６を介してクランプ軸３回りに回転自在に保持され、ボールナット２５に接続するボールスクリュー２７と、ボールスクリュー２７とサーボモータ３０とを接続してサーボモータ３０の回転をボールスクリュー２７に伝達する動力伝達機構２８とから成っている。動力伝達機構２８は、ベルト伝動機構やギヤ伝動機構を採用することができる。

クランパ１４が支持軸１１の鍔部１１ａに接触し、かつ、クランプスプリング１６が歪み変形量０で一端がクランパ１４に接触し他端がスプリングシート１５に接触している状態で、クランプスライダ２１の先端面がスプリングシート１５の背面に接触するように位置調整して、支持軸１１の後端をクランプスライダ２１に接続する。すなわち、クランパ１４、コイルスプリング１６、スプリングシート１５及びクランプスライダ２１の間には、クランプ軸３方向の隙間を設けていない。従って、クランプスライダ２１を下降させ、クランパ１４がピストン１に当たった後、少しでもクランプスライダ２１を下降させると、ただちにクランプスプリング１６が圧縮されてクランパ１４に可変低クランプ力が付与される。

次に、上述のワーククランプ装置の動作及び動作特性を説明する。中空軸２３は、クランプスライダ２１を介してクランプヘッド１０に接続し、クランプ軸３回りに回転するピストン１をクランプヘッド１０を介してクランプするので、クランプヘッド１０及びピストン１の回転ぶれが発生しないように、ケース２４のスライド部２４ａにより高剛性、高精度に保持されている。従って、スライド部２４ａと中空軸２３との間の嵌合隙間は殆んどなく、両者のスライド時には比較的大きな摩擦力が発生する。

図３は、サーボモータ電流と伝動装置２０が出力するクランプ力の関係を示す特性図であり、図４は、ＮＣ装置の指令クランプ力とクランパ１４のクランプ力の関係を示す特性図である。図３の実線で示す実測特性は、中空軸２３を下方にスライドさせるときのサーボモータ電流と伝動装置２０が出力するクランプ力（有効クランプ力）との関係を示している。サーボモータ電流値は、サーボモータ３０の定格電流のパーセント（％）値を示している。電流値が０％から２０％付近までは、スライド部２４ａと中空軸２３との摩擦力により有効なクランプ力が発生せず、２０％付近から３０数％までは、非線形な特性となっている。

このため、３０数％以下の電流値では、クランプ力を高精度に制御することは、殆んど不可能である。３０数％電流値以上では、電流値とクランプ力とは比例関係にあり、この領域では、摩擦力に相当する電流値を補正（加算）すれば、図３の破線で示すように、電流値とクランプ力のオフセットのない比例特性が得られる。従って、１２０ｋｇ以上のクランプ力は、サーボモータ３０の電流制御により、高精度に制御することができる。このとき、力センサー等を用いてクランプ力をフィードバック制御するような必要はない。

モータ電流の制限値Ｉ_Lとクランプ力Ｆと関係は以下の式で表される。
Ｉ_L＝ｐ／（２πＫ_T）×（Ｆ＋Ｆ_F）・・・・・・・・・・（１）
ここで、
ｐ：ボールスクリュー２７のリード（ｃｍ）
Ｋ_T：サーボモータ３０のトルク定数（ｋｇ・ｃｍ／Ａ）
Ｆ_F：ワーククランプ装置１００の摩擦力（ｋｇ）

また、モータ電流の制限値Ｉ_Lをモータ定格電流Ｉ_Sのパーセント値Ｉ_LPTに置き換えると、
Ｉ_LPT＝ｐ／（２πＫ_T）×（Ｆ＋Ｆ_F）／Ｉ_S×１００
＝ｋ_LP×Ｆ＋Ｉ_LC（％）・・・・・・・・・・・・・（２）
となる。ここで、
ｋ_LP＝ｐ／（２πＫ_T）／Ｉ_s×１００（％／ｋｇ） ・・・（３）
は、クランプ力をモータ電流値（定格電流に対する％表示）に換算する定数であり、また、Ｉ_LCは、摩擦力に相当するモータ電流値を定格電流に対する％で表示したものであり、予め、それぞれ計算又は測定しておく。

以下の説明では、特に断らない限り、サーボモータの定格電流に対する％表示した電流値を単に“電流値”と呼ぶこととする。

ここで、クランプ力と電流値が比例関係にある領域のクランプ力の下限値１２０ｋｇの近傍に一つの閾値、例えば、１３０ｋｇを設定する。そして、ＮＣ装置４０で指令された指令クランプ力Ｆがこの閾値を超える場合は、式（２）により、指令すべき電流制限値Ｉ_LPTを計算し、サーボモータ３０の電流を制限することにより、指令されたクランプ力を発生させることができる。このようにサーボモータ３０の電流制御領域を、サーボモータ３０の電流値と伝動装置２０によるクランプ力とが比例する領域としたので、サーボモータ３０の電流値とクランプ力との関係が一次関数式で表せるのでサーボモータ３０の制御が容易である。

次に、閾値１３０ｋｇ以下の高精度な可変クランプ力を得るために設けたクランプヘッド１０の作用によるクランプ力特性を説明する。クランプスプリング１６の撓み変形量を制御してクランパ１４のクランプ力を制御する場合、クランプスプリング１６のばね定数が小さいほど高精度な制御が可能となるが、反面、クランプスプリング１６で閾値近傍の高クランプ力を得るためには、撓み変形量を大きくしなければならなくなるので、機械構造的な面も考慮し、適度なばね定数を選定する。本実施の形態では、ばね定数ｋを１０ｋｇ／ｍｍ、有効撓み変形量を１４ｍｍとしている。従って、クランプスプリング１６の撓み変形による最大クランプ力は、１４０ｋｇである。

サーボモータ３０を作動させ、スプリングシート１５を押圧するクランプスライダ２１のピストン１に対する位置を制御することによりクランプスプリング１６の撓み変形量を制御する。クランパ１４の外周縁部１４ａの下面がピストン１の冠面１ｅに接し、クランプスプリング１６の撓み変形量が０で、かつ、クランプスライダ２１の下面がスプリングシート１５背面に接している位置を基準として、クランプスライダ２１を下方にＬｍｍ移動させれば、
Ｆ＝ｋ×Ｌ（ｋｇ）・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
のクランプ力を得ることができる。従って、
Ｌ＝Ｃ_M×Ｆ（ｍｍ） ・・・・・・・・・・・・・・・・（５）
により、クランプ力Ｆに対応するクランプスプリング１６の撓み変形量Ｌを求めることができる。ここで、Ｃ_M＝１／ｋ（ｍｍ／ｋｇ）は、クランプスプリング１６のコンプライアンスである。

すなわち、指令されたクランプ力Ｆが、閾値（１３０ｋｇ）以下の場合は、式（５）によりクランプスプリング１６の撓み変形量Ｌを計算し、クランプスライダ２１を下方にＬｍｍ移動させ位置決めすることにより、指令されたクランプ力を得ることができる。サーボモータ３０のＮＣ制御では、マイクロメートル単位の位置制御が可能であり、クランプ力の高い分解能を得ることができ、また、クランプスプリング１６は、単純構造の圧縮コイルスプリングで構成しているので、高精度な直線性が得られる。

本実施の形態では、クランプスプリング１６によるクランプ力の制御は１４０ｋｇまでできるようにし（クランプ力１４０ｋｇのとき、クランプスプリング１６は完全圧縮されるか、又は、スプリングシート１５のボス部１５ａの下面がクランパ１４の背面に当たるようにする。）、サーボモータ３０の電流制御によるクランプ力の制御は１２０ｋｇからできるようにして両者の制御範囲をオーバラップさせ、閾値１３０ｋｇを境にサーボモータ３０の位置制御と電流制御の制御モードを切り換えるようにしている。オーバーラップさせることにより、低クランプ力から高クランプ力まで切れ目のない広範囲の可変クランプ力を得ることができる。

以上に説明したように、ＮＣ装置４０の指令クランプ力に応じて、サーボモータ３０の位置制御によるクランプスプリング１６の撓み変形量制御と、サーボモータ３０の電流制御によるトルク制御とを切り換えて制御することにより、図４に示すように低クランプ力から高クランプ力までの広範囲にわたる可変クランプ力特性が得られる。

図５は、クランプヘッド１０によるピストン１のクランプ動作の説明図である。ピストン１を加工する場合、ＮＣ装置４０に、ピストン１の加工部位及び種類、すなわちリング溝１ａの粗加工、同仕上加工、ピン穴１ｂの粗加工、同仕上加工、スカート部１ｃの外周粗仕上ターニング及び同仕上ターニング等に対応した指令クランプ力が、ＮＣプログラムにより与えられる。ＮＣプログラムの指令により、サーボモータ３０が最高速度で回転し、動力伝達機構２８を介してボールスクリュー２７を回転させ、ボールナット２５を介して中空軸２３及びクランプスライダ２１を下降させ、クランパ１４の外周縁部１４ａの下面を、予め定めたクランパ原点位置５０からピストン１の冠面１ｅの僅か手前のアプローチ点５１まで高速移動させる。

次に、指令クランプ力が閾値１３０ｋｇを超えている場合は、予め設定された送り速度で、冠面１ｅから予め設定されたオーバーラン量（＃５０６：クランプスプリング１６の有効撓み変形量１４ｍｍ以上の距離）だけ下がった位置を制御目標位置としてクランパ１４を下降させ、クランパ１４の下面をピストン１の冠面１ｅに押し当て、さらにクランプスプリング１６を撓み変形量１３ｍｍ以上圧縮する。この状態で、サーボモータ３０の電流が、式（２）で求めた電流指令値に達したことを別途設けられた判定手段によりにより判定し、サーボモータ３０の送り指令を停止し、そのクランプ力を維持する。

指令クランプ力が閾値１３０ｋｇ以下の場合は、サーボモータ３０を位置制御してクランパ１４を下降させ、式（５）から求めたクランプスプリング１６の撓み変形量Ｌをアプローチ点５１から冠面１ｅまでの距離（＃５０１）に加算した距離だけ送り、クランプスプリング１６を撓み変形量Ｌだけ圧縮することにより、ピストン１を指令された低クランプ力で回転主軸２にクランプする。

図６は、クランプ指令プログラムフォーマットを示す図であり、図７は、クランプスキップ指令プログラムフォーマットを示す図であり、図８は、ＮＣメインプログラムの一例を示す図であり、図９は、Ｇ２００マクロプログラムの一例を示す図である。これらの図を参照して、サーボモータ３０のＮＣ制御方法を説明する。

まず、ＮＣ制御を行なうために、図６に示すクランプ指令プログラムフォーマット及び図７に示すクランプスキップ指令プログラムフォーマットを新たに作成し、以下のように定義する。すなわち、図６のクランプ指令プログラムフォーマットおいて、
Ｇ２００：クランプ指令を表す準備語
Ａ ：クランプパ１４を図５に示すアプローチ点５１まで、早送り（ＮＣプログラムにおけるＧ００指令速度）で移動させるための命令アドレス記号で、クランパ１４がピストン１から比較的離れたところにある場合（例えば、クランパ１４が原点位置５０にある場合等）に、移動速度を上げる目的で使用する。この場合、“Ａ１"と指令する。なお、ピストン１をクランプしたまま、そのクランプ力を変更する場合は、このアドレスは指定しない。
Ｑ ：指令クランプ力を表すアドレス記号で、“ｑ１”をｋｇ単位で指令する。
Ｆ ：クランプを行う場合のクランパ１４の速度を表すアドレス記号で、“ｆ１”をｍｍ／ｍｉｎ単位で指令する。
なお、“Ａ１”と指令した場合は、クランパ１４は、Ｆの指令速度にかかわらず、図５に示すアプローチ点５１まで早送りされる。

また、図７のクランプスキップ指令プログラムフォーマットにおいて、
Ｇ１６０：クランプスキップ指令を表す準備語
Ａ ：クランプ軸を表すアドレス記号で、“ａ１”はｍｍ単位で指令する。
Ｑ ：スキップクランプ力を表すアドレス記号で、“ｑ１”はモータ電流をモータ定格電流の％で指令する。
Ｆ ：クランプを行う場合のクランパ１４の速度を表すアドレス記号で、“ｆ１”はｍｍ／ｍｉｎ単位で指令する。
なお、Ｇ１６０はモーダルＧコードであり、クランプ軸の移動指令のＧ００やＧ０１が指令されるまで維持される。

このクランプスキップ指令により、指令速度“ｆ１”で、指令された距離“ａ１”を移動する過程でクランパ１４がピストン１に当接し、“ｑ１”で指令されたモータ電流値に達すると、判定手段によりスキップ信号が発せられ、移動指令を停止すると共に、移動指令の残りをキャンセルする。クランプ力は、溜りパルスｄにより維持される。この溜りパルスｄは、位置ループゲインをＫｐ（１／ｓｅｃ）とすると、ほぼ、
ｄ＝ｆ１／（６０×Ｋｐ）＋Δａ （ｍｍ）・・・・・・・（６）
の大きさとなる。ここで、Δａはスキップ信号が発生してから、移動指令を停止するまでの間に、移動指令が進む距離である。

Ｇ１６０コードを用いたワーククランプが完了し、そのクランプ力で行う加工工程が終了した後、クランプ軸を移動指令（Ｇ００、Ｇ０１等）により駆動する場合、この溜りパルスｄを、クランプ軸がその移動指令で起動する前にキャンセルし、クランプ軸の現在位置（位置フィードバック値）に指令値を合わせる。

図８は、ＮＣメインプログラムの一例を示す図である。この例では、まず、大きな加工反力が発生するピン穴粗加工を行い、次に、比較的大きな加工反力が発生するリング溝粗加工を行い、続いて、それぞれの仕上加工を行い、次に、スカート部１ｃの外周粗仕上ターニング加工を行い、最後に最も小さいクランプ力でスカート部１ｃの外周仕上ターニング加工を行っている。この場合のクランプ動作について説明する。

プログラム運転をする前に、第９図のマクロプログラムに示す変数の内、クランプ送り速度１（＃９）、クランプ送り速度２（＃１０）、ワーク冠面座標値（＃５００）、アプローチ距離（＃５０１）、電流制御と位置制御のクランプ力閾値（＃５０２）、バネ定数（＃５０３）、力・電流変換定数（＃５０４）、電流補正値（＃５０５）およびオーバラン指令距離（＃５０６）を、予め入力しておく。

新たなワーク（ピストン）１が停止している回転主軸２にセットされ、図８に示すメインプログラムの加工工程Ａにおいて、プログラムのブロックＮ０１０で図９のＧ２００マクロプログラムを呼び出し、クランプ動作に入る前の移動モーダルＧコード（＃４００１）、同期／非同期モーダルＧコード（＃４００５）、非同期送り速度Ｆモーダル（＃４１０９）、絶対／増分Ｇコード（＃４００３）を変数アドレス＃２から＃５にそれぞれ記憶する。この記憶動作はクランプ動作が終了した場合に、クランプ動作に入る前の状態に復帰させるために行うものである。

本実施の形態では、クランプ動作を絶対値指令で行うので、次のブロックで絶対値指令ＧコードのＧ９０を指令し、また、クランプ動作は、回転主軸２の回転と非同期で実行するので、次に、非同期送りＧコードのＧ９８を指令している。図８のメインプログラムで命令Ａ１を指定しており、＃１が“空”でないので初回クランプと判別し、クランパ１４が、クランパ原点位置５０からアプローチ点（＃５００＋＃５０１）まで、別途設定された最高速度（ＮＣ指令のＧ００）で移動する。ブロックＮ１００で指令クランプ力３００ｋｇ（＃１７）が別途定めたクランプ力閾値１３０ｋｇ（＃５０２）を超えているので、ブロックＮ２００にジャンプし、電流制御によるクランプ力制御が選択される。

次のブロックで、指令クランプ力（＃１７）から電流値（＃１８）に換算する。続いて、Ｇ１６０コードにおいて、クランプスプリング１６の有効撓み変形量１４ｍｍに数ｍｍを加算したオーバーラン指令距離（＃５０６）だけ、ピストン冠面１ｅより下の位置を制御目標位置として、ピストン１に衝撃を与えない程度のクランプ送り速度１（＃９：例えば１００ｍｍ／ｍｉｎ）で、クランパ１４をピストン１の冠面１ｅに当接させる。式（２）で決まる電流値に達するまでクランパ１４をピストン１に押し付け、その電流値に達すると、別途構成する判定手段によりスキップ信号が発せられ、移動指令を停止すると共に、移動指令の残りをキャンセルする。クランプ力は溜りパルスｄにより維持される。

続いて、＃２から＃５に記憶させた各種モーダル値を元に戻す。これで、３００ｋｇのクランプ工程が完了し、Ｍ９９指令により、図８に示すメインプログラムの加工工程Ａの先頭部分にプログラムが戻り、別途指令される回転主軸２の位置制御により、図２に示すピストン１のピン穴１ｂの位置を、図示しないドリリングユニットのドリルのセンターに位置決めし、ピン穴１ｂの粗加工を行う。

ピン穴１ｂの粗加工終了後、図８に示すメインプログラムの次のブロックＮ０２０で、指令クランプ力を１５０ｋｇ（＃１７）に変更し、リング溝粗加工工程に進む。図９に示すマクロプログラムへジャンプし、各種モーダル値＃４００１、＃４００５、＃４１０９及び＃４００３を＃２から＃５にそれぞれ記憶し、続いてＧ９０及びＧ９８指令を実行する。このクランプ指令では、初回指令Ａを指令していないので、マクロプログラムの最初のＩＦ文により、ブロックＮ１００にジャンプする。

すなわち、３００ｋｇクランプ状態から、アンクランプせずに次のクランプ動作を行う。指令クランプ力が閾値１３０ｋｇ（＃５０２）を超えているので、ブロックＮ２００にジャンプし、電流制御によるクランプ力制御が選択され、新しい指令クランプ力に対し、式（２）で求められたモータ電流値を制限値とし、前述の３００ｋｇクランプと同様なシーケンスによりピストン１は１５０ｋｇでクランプされる。続いて、＃２から＃５に記憶させた各種モーダル値を元にした後、Ｍ９９指令により図８に示すメインプログラムの加工工程Ｂの先頭部分にプログラムが戻り、別途指令される回転主軸２の回転指令によりピストン１を１５０ｋｇでクランプした状態で回転させ、図２に示すピストン１のリング溝１ａを、図示しない工具により粗加工する。

リング溝１ａの粗加工終了後、メインプログラムの次のブロックＮ０３０で指令クランプ力を６０ｋｇに下げ、クランプ力によるピストン１の歪を軽減させ、リング溝１ａ及びピン穴１ｂの仕上加工を軽切削で行う加工工程Ｃ、Ｄに進む。マクロプログラムにジャンプし、各種モーダル値＃４００１、＃４００５、＃４１０９及び＃４００３を、＃２から＃５にそれぞれ記憶し、続いてＧ９０及びＧ９８指令を実行する。このクランプ指令でも、初回指令Ａを指令していないので、マクロプログラムの最初のＩＦ文によりブロックＮ１００にジャンプし、指令クランプ力（＃１７）が閾値１３０ｋｇ（＃５０２）以下であるので、位置制御によるクランプ力制御が選択される。

次のブロックでは、クランプ軸の移動指令Ｇ０１が指定されているので、Ｇ１６０コードの仕様について述べたように、前の工程でＧ１６０コードを用いた１５０ｋｇクランプにおいて生じた溜りパルスをここでキャンセルし、クランプ軸の現在位置（位置フィードバック値）に指令値を一致させる。溜りパルスキャンセル後、式（５）から計算されるクランプスプリング１６の歪み変形量Ｌ（＃５０３×＃１７）だけ、ピストン１の冠面１ｅ座標値（＃５００）より下の位置を目標に、クランプ送り速度ｆ２（＃１０：例えば５０ｍｍ／ｍｉｎ）で位置決めする。

これにより、ピストン１は６０ｋｇの力でクランプされる。ここで、Ｇ１６０モーダルはＧ１コードによりキャンセルされる。続いて、＃２から＃５に記憶させた各種モーダル値を元に戻す。これにより、６０ｋｇのクランプ工程が完了し、Ｍ９９指令により図８に示す加工工程Ｃの先頭部分にプログラムが戻り、別途指令される主軸回転指令によりピストン１を６０ｋｇでクランプした状態で回転させ、ピストン１のリング溝１ａを仕上加工する。

次に、加工工程Ｄに進み、別途指令される主軸位置決め指令により、ピストン１のピン穴１ｂの位置を図示しないドリリングユニットのドリルのセンターに位置決めし、ピン穴１ｂの仕上加工を行う。

リング溝１ａ及びピン穴１ｂの仕上加工終了後、メインプログラムの次のブロックＮ０４０で指令クランプ力（＃１７）を９０ｋｇに変更し、ピストン１のスカート部１ｃの粗加工工程に進む。マクロプログラムにジャンプし、各種モーダル値＃４００１、＃４００５、＃４１０９及び＃４００３を、＃２から＃５にそれぞれ記憶し、続いて、Ｇ９０およびＧ９８指令を実行する。このクランプ指令でも、初回指令Ａを指令していないので、マクロプログラムの最初のＩＦ文によりブロックＮ１００にジャンプし、また、指令クランプ力（＃１７）が閾値（＃５０２）以下であるので、位置制御によるクランプ力制御が選択される。

この場合、前工程の位置制御によるクランプの際、Ｇ１６０モーダルはキャンセルされているので、溜りパルスキャンセルは行われない。次のＧ０１指令により、前述の６０ｋｇクランプと同様なシーケンスによりピストン１は９０ｋｇでクランプされる。続いて、＃２から＃５に記憶させた各種モーダル値を元にした後、Ｍ９９指令により、メインプログラムの加工工程Ｅの先頭部分にプログラムが戻り、別途指令される主軸回転指令によりピストン１を９０ｋｇでクランプした状態で回転させ、図示しない工具によりスカート部１ｃのプロファイルの粗加工を行う。

スカート部１ｃの粗加工終了後、メインプログラムの次のブロックＮ０５０で指令クランプ力（＃１７）を３０ｋｇに下げ、ピストン１の薄肉部であるスカート部１ｃの仕上加工に進む。マクロプログラムにジャンプし、各種モーダル値＃４００１、＃４００５、＃４１０９及び＃４００３を、＃２から＃５にそれぞれ記憶し、続いてＧ９０およびＧ９８指令を実行する。このクランプ指令でも、初回指令Ａを指令していないので、マクロプログラムの最初のＩＦ文によりブロックＮ１００にジャンプし、また、指令クランプ力（＃１７）が閾値（＃５０２）以下であるので、前述の９０ｋｇクランプと同様なシーケンスによりピストン１は、スカート部１ｃの歪を最小限に抑え、かつ仕上加工の軽切削に耐える３０ｋｇにクランプされる。

続いて、＃２から＃５に記憶させた各種モーダル値を元にした後、Ｍ９９指令により、メインプログラムの加工工程Ｆの先頭部分にプログラムが戻り、別途指令される主軸回転指令によりピストン１を３０ｋｇでクランプした状態で回転させ、図示しない工具によりスカート部１ｃのプロファイルの仕上加工を行う。加工終了後、別途指令される主軸停止指令により主軸回転を停止させ、ブロックＮ０７０のクランプ軸原点復帰指令により、早送りでクランパ１４を原点位置まで戻し、一連の工程を終了する。

実施の形態２．
実施の形態１では、回転式サーボモータ３０と、ボールナット２５及びボールスクリュー２７から成るボールナット・スクリュー機構を用いているが、これに代えて、リニアサーボモータを用いてもよい。これによれば、ボールナット・スクリュー機構が不要となる。また、実施の形態１は、ワーク１がクランプ軸３回りに回転する加工機のワーククランプ装置であるが、ワークが回転しない加工機にも本発明のワーククランプ装置を適用することができる。また、サーボモータの制御装置は、ＮＣ装置以外の制御装置を用いてもよい。また、クランプ軸３は縦軸としているが、横軸としてもよい。

以上のように、本発明にかかるワーククランプ装置は、剛性の低いワークを加工する加工機に有用であり、特に、エンジンのピストンの加工等を行なう加工機に適している。

Claims (7)

1. ワークを加工機にクランプするクランパと、
   撓み変形量に応じて該クランパに可変低クランプ力を付与可能なクランプスプリングと、
   伝動装置を介して前記クランプスプリング及び前記クランパに接続され、該クランプスプリングを撓み変形させ、かつ、該クランパに可変高クランプ力を付与可能なサーボモータと、
   加工プログラムにより所定の閾値以下の低クランプ力での前記ワークのクランプが指令されたときには、前記サーボモータを位置制御することにより前記クランプスプリングの撓み変形量を制御して前記クランパに前記低クランプ力を付与し、前記加工プログラムにより前記閾値以上の高クランプ力での前記ワークのクランプが指令されたときには、前記サーボモータを電流制御して前記クランパに前記高クランプ力を付与する制御手段と、
   を備えたワーククランプ装置。
2. 前記制御手段は、前記加工機を数値制御するＮＣ装置であること特徴とする請求項１に記載のワーククランプ装置。
3. 前記サーボモータの電流制御領域を、該サーボモータの電流値と前記伝動装置が出力するクランプ力とが比例する領域としたことを特徴とする請求項１に記載のワーククランプ装置。
4. 前記クランクスプリングによるクランプ力の制御可能範囲と前記サーボモータの電流制御によるクランプ力の制御可能範囲とは、前記閾値の近傍でオーバーラップしていることを特徴とする請求項１に記載のワーククランプ装置。
5. 前記伝動装置は、ボールナット・スクリュー機構を有し、前記サーボモータの回転力を前記クランパのクランプ力に変換することを特徴とする請求項１に記載のワーククランプ装置。
6. 前記伝動装置は、前記クランパを前記ワークの回転軸回りに回転自在に保持することを特徴とする請求項１に記載のワーククランプ装置。
7. 前記サーボモータは、リニアサーボモータであることを特徴とする請求項１に記載のワーククランプ装置。

Images