JP5298869B2

JP5298869B2 - 回転軸装置および回転軸装置における工具の保持状態判定方法

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Publication number: JP5298869B2
Application number: JP2009006700A
Authority: JP
Inventors: 茂松永
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: JP2010162647A

Description

本発明は、主軸に取り付けた工具によりワークを加工するための回転軸装置および回転軸装置における工具の保持状態判定方法に関する。

主軸内を軸方向に移動可能なロッドの後端に円板状のドッグを取り付け、ドッグの戻り位置を変位センサによって検出している回転軸装置に関する従来技術があった（例えば、特許文献１参照）。これは、ドッグが取り付けられたロッド部材の戻り位置を検出することにより、ロッド部材が工具を正常にクランプしているか否かを判断している。

通常、主軸に取り付けた工具によりワークを加工する回転軸装置においては、主軸内を移動するロッド部材の先端に設けられたコレットにより工具を掴んでいる。ロッド部材は、複数の皿バネにより主軸内において後方に付勢されており、コレットが工具を掴んだ後、ロッド部材が主軸に対して後退し、工具は主軸の先端のテーパに強固に押圧されることにより保持される。したがって通常の場合は、上述したように、ロッド部材の戻り位置を検出することにより、工具が主軸に対して正常に保持されているかを判断することができる。

特開平５−５０３５９号公報

ここで、ロッド部材を付勢する皿バネに支障が発生し、ロッド部材に対して十分な付勢力を与えることができない場合を想定する。皿バネのロッド部材への付勢力が低下しても、ロッド部材を前方に押圧していたピストンが後退すれば、ロッド部材は後退位置に正常に戻ることができる。したがって、上述したように、ロッド部材の戻り位置を検出する方法のみでは、皿バネの異常まで検出することはできなかった。

皿バネに異常が発生して、ロッド部材を後方に付勢する荷重が低下すると、主軸の先端にある工具をテーパに十分な荷重で押圧することができず、主軸の回転にともなう工具の振れが発生し、ワークの加工精度が低下するという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、工具が主軸に対し正常に保持されているか否かを正確に判定する回転軸装置および回転軸装置における工具の保持状態判定方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る回転軸装置の発明の構成上の特徴は、
内周部に収容空間を有することにより、軸方向に円筒状に延びるハウジングと、
前記収容空間内に配置されることにより、前記ハウジングに対して軸受を介して回転可能に取り付けられた主軸と、
前記主軸内に軸方向に移動可能に設けられたロッド部材と、
前記ロッド部材を、前記主軸に対し後方に付勢する付勢手段と、
前記ロッド部材を前方に移動させるロッド移動手段と、
を備え、
前記ロッド部材は、前端において工具と係合するとともに、前記付勢手段により付勢されて前記主軸内を後退し、前記主軸の先端部に前記工具を保持し、
前記ロッド部材は、前記ロッド移動手段により前方に移動させられることにより、前記工具との係合が解除される回転軸装置において、
前記ロッド部材の後退時の加速度に基づき、前記工具が前記主軸に正常に保持されたか否かを判定する工具保持状態判定手段を備えたことである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１の回転軸装置において、
前記ロッド部材の後部には、軸方向に傾斜したテーパ面が形成され、
前記工具保持状態判定手段は、
前記テーパ面と半径方向に対向し、前記テーパ面との距離を検出する変位センサを有し、
前記変位センサにより検出された前記テーパ面との距離に基づき、前記ロッド部材の後退時の加速度を検出することである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または２の回転軸装置において、
前記工具保持状態判定手段は、
前記ロッド部材の後退時の加速度の最大値が、所定値を越えない場合に、前記工具が前記主軸に正常に保持されていないと判定することである。

請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至３の回転軸装置において、
前記工具保持状態判定手段は、
前記ロッド部材が所定時間内に後退しない場合に、前記工具が前記主軸に正常に保持されていないと判定することである。

請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または２の回転軸装置において、
前記工具保持状態判定手段は、
前記ロッド部材の後退時の加速度の最大値が、所定値を越えない場合、
または、前記ロッド部材が所定時間内に後退しない場合、
もしくは、前記ロッド部材が後方の原位置に戻らない場合に、前記工具が前記主軸に正常に保持されていないと判定することである。

請求項６に係る回転軸装置における工具の保持状態判定方法の発明の構成上の特徴は、
内周部に収容空間を有することにより、軸方向に円筒状に延びるハウジングと、
前記収容空間内に配置されることにより、前記ハウジングに対して軸受を介して回転可能に取り付けられた主軸と、
前記主軸内に軸方向に移動可能に設けられたロッド部材と、
前記ロッド部材を、前記主軸に対し後方に付勢する付勢手段と、
前記ロッド部材を前方に移動させるロッド移動手段と、
を備え、
前記ロッド部材は、前端において工具と係合するとともに、前記付勢手段により付勢されて前記主軸内を後退し、前記主軸の先端部に前記工具を保持し、
前記ロッド部材は、前記ロッド移動手段により前方に移動させられることにより、前記工具との係合が解除される回転軸装置における工具の保持状態判定方法において、
前記ロッド部材の後退時の加速度に基づき、前記工具が前記主軸に正常に保持されたか否かを判定することである。

請求項１に係る回転軸装置によれば、ロッド部材の後退時の加速度に基づき、工具が主軸に正常に保持されたか否かを判定することにより、付勢手段によるロッド部材を後方に付勢する付勢力が低下した場合、あるいはロッド部材の主軸への引っ掛かり等が発生した場合、ロッド部材の後退時の加速度が低下するため、その異常を検出することができる。

請求項２に係る回転軸装置によれば、ロッド部材にテーパ面を形成し、変位センサによって検出されたテーパ面との距離に基づき、ロッド部材の後退時の加速度を検出する。これにより、ロッド部材の全ストロークにわたって、単一の変位センサを用いて、ロッド部材の加速度を検出することができる。また、多数の変位センサを使用する必要がないため、変位センサの回転軸装置への組付けも容易となり、変位センサの検出領域も小さくすることができる。

請求項３に係る回転軸装置によれば、ロッド部材の後退時の加速度の最大値が、所定値を越えない場合に、工具が主軸に正常に保持されていないと判定することにより、ロッド部材を後方に付勢する付勢力の低下を、正確に検出することができる。

請求項４に係る回転軸装置によれば、ロッド部材が所定時間内に後退しない場合に、工具が主軸に正常に保持されていないと判定することにより、ロッド部材を後方に付勢する付勢力の低下を、容易に検出することができる。
また、ロッド部材の後退時の加速度に基づき、工具が主軸に正常に保持されたか否かを判定することに加えて、工具の保持不良を二重に判定することができ、その判定精度を向上させることができる。

請求項５に係る回転軸装置によれば、ロッド部材の後退時の加速度の最大値が、所定値を越えない場合、または、ロッド部材が所定時間内に後退しない場合、もしくは、ロッド部材が後方の原位置に戻らない場合に、工具が主軸に正常に保持されていないと判定することにより、工具の保持異常の誤検出を低減することができる。

請求項６に係る回転軸装置における工具の保持状態判定方法によれば、ロッド部材の後退時の加速度に基づき、工具が主軸に正常に保持されたか否かを判定することにより、ロッド部材を後方に付勢する付勢力が低下した場合、ロッド部材の後退時の加速度が低下するため、その異常を検出することができる。

本発明の一実施形態による回転軸装置の軸方向断面図工具を把持していないときの回転軸装置の軸方向断面図ロッドが工具を把持しているときのテーパ面と変位センサとの関係を示した拡大図ロッドが前進しているときのテーパ面と変位センサとの関係を示した拡大図ロッド後退時の加速度と経過時間との関係を表したグラフを示した図

図１乃至図５に基づき、本発明の一実施形態による回転軸装置１について説明する。尚、図１において、左右方向が回転軸方向または軸方向であり、左方を前方とする。また、図２において、異常判定装置１８を構成しているアンプ１８２、微分器１８３およびコントローラー１８４は省略されている。図１に示すように、本実施形態による回転軸装置１は、回転軸ハウジング１１（本発明のハウジングに該当する）および回転軸ハウジング１１の内方に設けられた主軸１２を備えている。回転軸ハウジング１１は、内周部に収容空間１１１を有しており、回転軸方向に延びる略円筒状を呈している。

回転軸ハウジング１１の収容空間１１１内の前方には、２対の軸受１３１、１３２が軸方向に並ぶように固定されている。また、収容空間１１１内の後方には１つの軸受１３３が形成されている（これらの軸受１３１〜１３３を包括して軸受１３という）。軸受１３の内周部には主軸１２の外周面が圧入されており、これにより主軸１２は、回転軸ハウジング１１に対して、回転可能かつ軸方向に移動不能に取り付けられている。

回転軸ハウジング１１の内周面には、電動モーター１４のステーター１４１が取り付けられている。ステーター１４１の半径方向内方には、主軸１２の外周面に形成されたローター１４２が対向している。ステーター１４１とローター１４２とにより形成された電動モーター１４に電力が供給されることによって、主軸１２はローター１４２とともに回転する。回転軸装置１は、先端に工具Ｔを取り付けた状態で主軸１２を回転させ、図示しないワークに加工を施す。

主軸１２の回転軸中心には、軸方向に延びるロッド孔１２１が形成されている。ロッド孔１２１は、主軸１２を回転軸方向に貫通しており、前端には工具取付用テーパ部１２１ａが形成されている。工具取付用テーパ部１２１ａの後方には、コレット収容部１２１ｂが形成され、コレット収容部１２１ｂのさらに後方には、コレット収容部１２１ｂよりも大径のばね収容孔１２１ｃが設けられている。ばね収容孔１２１ｃの前端部には、スリーブ部材１２２が固定されている。

ロッド孔１２１内には、ロッド１５（本発明のロッド部材に該当する）が軸方向に移動可能に収容されている。ロッド１５は、長尺状の軸部材１５１の後端部に、軸部材１５１よりも大径のストッパ１５２が固着されて形成されている。さらに、ロッド１５の前端には、コレット１５３が形成されている。コレット１５３は、半径方向に拡縮可能に設けられており、工具Ｔを把持可能に形成されている。

ロッド孔１２１内にロッド１５が収容された状態で、ロッド１５の軸部材１５１は、スリーブ部材１２２の内周面と摺動可能であり、ストッパ１５２は、ばね収容孔１２１ｃと摺動可能に形成されている。また、スリーブ部材１２２の後端部と、ロッド１５のストッパ１５２の前端面との間には、複数の皿ばね１６（本発明の付勢手段に該当する）が介装されている。これにより、ロッド１５は主軸１２に対して、常時、後方に付勢されている。

回転軸装置１には、主軸１２の後方に位置するように、油圧シリンダ１７（本発明のロッド移動手段に該当する）が設けられている。油圧シリンダ１７は、回転軸ハウジング１１と一体化されたシリンダハウジング１７１と、シリンダハウジング１７１内に軸方向に移動可能に設けられたピストン１７２とを有している。ピストン１７２はシリンダハウジング１７１内に液密的に収容されており、シリンダハウジング１７１とピストン１７２との間には、一対の液圧室１７３ａ、１７３ｂが形成されている。

前方液圧室１７３ａは、ピストン１７２の外周突部１７２ａの前方に形成されており、油圧が導入されることにより、ピストン１７２を後方に移動させる。一方、後方液圧室１７３ｂは、外周突部１７２ａの後方に形成されており、油圧が導入されることにより、ピストン１７２を前方に移動させることができる。

ピストン１７２が後方に移動されると、ピストン１７２とロッド１５との係合が解除され、皿ばね１６の付勢力によりロッド１５は主軸１２に対し後方に移動する。工具Ｔを把持したロッド１５が後退することにより、工具Ｔは主軸１２の工具取付用テーパ部１２１ａに押圧され、主軸１２に固定される（図１示）。尚、図１はロッド１５が後方の原位置にある状態を示している。
ピストン１７２が前方に移動すると、ロッド１５はピストン１７２と係合することにより、皿ばね１６の付勢力に抗して前進する。ロッド１５が前進すると、コレット１５３は拡径して工具Ｔの把持を解除する（図２示）。

シリンダハウジング１７１には、一対の近接スイッチにより形成されるピストン位置検出装置１７４が取り付けられている。ピストン位置検出装置１７４は、ピストン１７２の半径方向に突出した検出部１７５が、接近あるいは離間することにより、各々の近接スイッチが作動し、ピストン１７２の位置を検出している。

図３に示すように、ロッド１５のストッパ１５２の後端部には、軸方向に傾斜したテーパ面１５２ａが形成されている。したがって、ストッパ１５２の外周面は、後方に行くにつれて小径に形成されている。
回転軸ハウジング１１の後端部には、異常判定装置１８（本発明の工具保持状態判定手段に該当する）を構成する変位センサ１８１が取り付けられている。変位センサ１８１は、回転軸ハウジング１１に接続されたブラケット１１２により、テーパ面１５２ａと半径方向に対向するように取り付けられている。変位センサ１８１はストッパ１５２に対する非接触センサであり、例えば、渦電流センサ等が使用され、テーパ面１５２ａとの距離を検出している。

図３に示すように、ストッパ１５２が後退している場合、変位センサ１８１によりテーパ面１５２ａとの距離はｄと検出される。図４に示すように、ストッパ１５２が前進すると、変位センサ１８１とテーパ面１５２ａとの距離は拡大され、当該距離はＤ（Ｄ＞ｄ）と検出される。したがって、変位センサ１８１により検出されたテーパ面１５２ａとの距離に基づいて、ロッド１５の軸方向位置が検出され、延いては、軸方向位置に基づき、ロッド１５の軸方向の移動ストロークを検出することができる。

変位センサ１８１による検出信号は、図１に示したアンプ１８２により増幅された後、微分器１８３へと送信される。微分器１８３では、増幅された検出信号を２階微分し、ロッド１５の後退時の加速度αを演算している。コントローラー１８４は、微分器１８３からロッド１５の加速度αが入力され、ロッド１５の後退時の加速度αに基づいて、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されているかを判定する。尚、アンプ１８２、微分器１８３およびコントローラー１８４は、変位センサ１８１とともに異常判定装置１８を構成している。

コレット１５３が工具Ｔを把持した後、ピストン１７２を後退させてストッパ１５２との係合を解除すると、皿ばね１６の付勢力によりロッド１５が後退を開始し、ロッド１５の後方への加速度αが上昇する。ロッド１５および皿ばね１６が正常に機能しており、ロッド１５が正常に後退している場合、ロッド１５の加速度αは急激に上昇し、その最大値α₁は所定値α₀を超える（図５において実線により示す）。

一方、皿ばね１６に異常があり、その付勢力が十分でない場合や、ロッド１５に主軸１２との引っ掛かりがあり、ロッド１５が敏捷に戻らない場合等には、ロッド１５の後方への加速度αの立ち上がりが鈍い。この場合、ロッド１５の加速度αの最大値α₂は、上述した所定値α₀を超えることはない（図５において破線により示す）。

コントローラー１８４は、ロッド１５の加速度αの最大値α₂が所定値α₀を超えない場合、ロッド１５あるいは皿ばね１６等に異常があり、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定する。コントローラー１８４は、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定した場合、異常信号を発信し、警告灯を点灯させてオペレーターに対して異常の発生を知らせたり、主軸１２が回転中であれば回転を停止させたり、コレット１５３による工具Ｔの把持状態を検出したりする。

また、ロッド１５および皿ばね１６が正常に機能しており、ロッド１５が正常に後退している場合、ピストン１７２との係合が解除されてからロッド１５が後退を完了するまでの経過時間Ｔ₁は、所定時間Ｔ₀を超えることはない（図５において実線により示す）。
しかしながら、ロッド１５あるいは皿ばね１６等に異常があり、ロッド１５が正常に戻らない場合、ピストン１７２との係合が解除されてからロッド１５が後退を完了するまでの経過時間Ｔ₂は、所定時間Ｔ₀を超えることになる（図５において破線により示す）。
コントローラー１８４は、ロッド１５が後退を完了するまでの経過時間Ｔ₂が、所定時間Ｔ₀を超えた場合、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定し、異常信号を発信する。
さらに、コントローラー１８４は、変位センサ１８１により、ロッド１５が後退を開始しても後方の原位置（図１示）に復帰しないことを検出した場合、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定し、異常信号を発信する。

本実施形態においては、ロッド１５の後退時の加速度に基づき、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されたか否かを判定することにより、皿ばね１６によるロッド１５を後方に付勢する付勢力が低下した場合、あるいはロッド１５の主軸１２への引っ掛かり等が発生した場合、ロッド１５の後退時の加速度が低下するため、その異常を検出することができる。

また、ロッド１５にテーパ面１５２ａを形成し、変位センサ１８１によって検出されたテーパ面１５２ａとの距離に基づき、ロッド１５の後退時の加速度を検出する。これにより、ロッド１５の移動ストロークにかかわらず、単一の変位センサ１８１を用いて、ロッド１５の加速度を検出することができる。また、多数の変位センサ１８１を使用する必要がないため、変位センサ１８１の回転軸装置１への組付けも容易となり、変位センサ１８１の検出領域も小さくすることができる。

また、ロッド１５の後退時の加速度の最大値が、所定値を越えない場合に、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定することにより、ロッド１５を後方に付勢する付勢力の低下を、正確に検出することができる。
また、ロッド１５が所定時間内に後退しない場合に、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定することにより、ロッド１５を後方に付勢する付勢力の低下を、容易に検出することができる。

また、ロッド１５の後退時の加速度に基づき、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されたか否かを判定することに加えて、工具Ｔの保持不良を二重に判定することができ、その判定精度を向上させることができる。
また、ロッド１５の後退時の加速度の最大値が、所定値を越えない場合、または、ロッド１５が所定時間内に後退しない場合、もしくは、ロッド１５が後方の原位置に戻らない場合に、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定することにより、工具Ｔの保持異常の誤検出を低減することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
コントローラー１８４は、ロッド１５の後退時間、およびロッド１５の後方の原位置への復帰を判断せずに、ロッド１５の後退時の加速度の最大値のみを判断し、これが所定値を越えない場合に、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定してもよい。

また、コントローラー１８４は、ロッド１５の後方の原位置への復帰を判断せずに、ロッド１５の後退時の加速度の最大値が所定値を越えない場合、または、ロッド１５が所定時間内に後退しない場合に、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定してもよい。
また、コントローラー１８４は、ロッド１５の後退時の加速度の最大値が所定値を越えない場合、または、ロッド１５が所定時間内に後退しない場合、もしくは、ロッド１５が後方の原位置に戻らない場合に、工具Ｔが主軸１２に正常に保持されていないと判定してもよい。

ロッド１５を前方に移動させるロッド移動手段は、油圧シリンダ１７に限られず、空気圧シリンダまたは電動モーターによるアクチュエータ等であってもよい。
変位センサ１８１は、必ずしも渦電流を利用した非接触センサでなくてもよく、光学式、磁気歪式等、あらゆる種類のものが適用可能である。また、ロッド１５の変位を検出可能なセンサであれば、ロッド１５に対して接触式のセンサであってもよい。

図面中、１は回転軸装置、１１は回転軸ハウジング（ハウジング）、１２は主軸、１３は軸受、１５はロッド（ロッド部材）、１６は皿ばね（付勢手段）、１７は油圧シリンダ（ロッド移動手段）、１８は異常判定装置（工具保持状態判定手段）、１１１は収容空間、１５２ａはテーパ面、１８１は変位センサ、Ｔは工具を示している。

Claims

内周部に収容空間を有することにより、軸方向に円筒状に延びるハウジングと、
前記収容空間内に配置されることにより、前記ハウジングに対して軸受を介して回転可能に取り付けられた主軸と、
前記主軸内に軸方向に移動可能に設けられたロッド部材と、
前記ロッド部材を、前記主軸に対し後方に付勢する付勢手段と、
前記ロッド部材を前方に移動させるロッド移動手段と、
を備え、
前記ロッド部材は、前端において工具と係合するとともに、前記付勢手段により付勢されて前記主軸内を後退し、前記主軸の先端部に前記工具を保持し、
前記ロッド部材は、前記ロッド移動手段により前方に移動させられることにより、前記工具との係合が解除される回転軸装置において、
前記ロッド部材の後退時の加速度に基づき、前記工具が前記主軸に正常に保持されたか否かを判定する工具保持状態判定手段を備えたことを特徴とする回転軸装置。
前記ロッド部材の後部には、軸方向に傾斜したテーパ面が形成され、
前記工具保持状態判定手段は、
前記テーパ面と半径方向に対向し、前記テーパ面との距離を検出する変位センサを有し、
前記変位センサにより検出された前記テーパ面との距離に基づき、前記ロッド部材の後退時の加速度を検出することを特徴とする請求項１記載の回転軸装置。
前記工具保持状態判定手段は、
前記ロッド部材の後退時の加速度の最大値が、所定値を越えない場合に、前記工具が前記主軸に正常に保持されていないと判定することを特徴とする請求項１または２に記載の回転軸装置。
前記工具保持状態判定手段は、
前記ロッド部材が所定時間内に後退しない場合に、前記工具が前記主軸に正常に保持されていないと判定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回転軸装置。
前記工具保持状態判定手段は、
前記ロッド部材の後退時の加速度の最大値が、所定値を越えない場合、
または、前記ロッド部材が所定時間内に後退しない場合、
もしくは、前記ロッド部材が後方の原位置に戻らない場合に、前記工具が前記主軸に正常に保持されていないと判定することを特徴とする請求項１または２に記載の回転軸装置。
内周部に収容空間を有することにより、軸方向に円筒状に延びるハウジングと、
前記収容空間内に配置されることにより、前記ハウジングに対して軸受を介して回転可能に取り付けられた主軸と、
前記主軸内に軸方向に移動可能に設けられたロッド部材と、
前記ロッド部材を、前記主軸に対し後方に付勢する付勢手段と、
前記ロッド部材を前方に移動させるロッド移動手段と、
を備え、
前記ロッド部材は、前端において工具と係合するとともに、前記付勢手段により付勢されて前記主軸内を後退し、前記主軸の先端部に前記工具を保持し、
前記ロッド部材は、前記ロッド移動手段により前方に移動させられることにより、前記工具との係合が解除される回転軸装置における工具の保持状態判定方法において、
前記ロッド部材の後退時の加速度に基づき、前記工具が前記主軸に正常に保持されたか否かを判定することを特徴とする回転軸装置における工具の保持状態判定方法。