JP2009241187A - 工作機械の工具密着状態検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高精度に、且つ、安定して、主軸に対して工具または工具が取り付けられた工具ホルダが密着して装着されているか否かを検出することができる工作機械の工具密着状態検出装置を提供する。
【解決手段】主軸13の回転が停止しているときに、油圧供給装置28により油圧をシリンダ部20に供給し、ピストン部材21をOリング22の付勢力に抗して主軸ヘッド11及び主軸13に接触させ、主軸ヘッド11側からピストン部材21を介して主軸13の先端面13aに形成されるエア噴射孔27a,27b,27cにエアを供給すると共に、当該エア噴射孔27a,27b,27cから噴射されるエアの圧力変化をエア圧検出センサ25a,25b,25cによって検出することにより、工具2と主軸13の先端面13aとが密着しているか否かを判定するようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は、主軸に対して工具または工具が取り付けられた工具ホルダが密着して装着されているか否かを検出する工作機械の工具密着状態検出装置に関する。
工具マガジンと主軸との間で自動工具交換を行いながら加工を行う工作機械が広範に利用されている。このような工作機械では、加工により発生した切粉が、工具または工具が取り付けられた工具ホルダのテーパ部や、このテーパ部が着座する主軸の着座面に付着することがある。このように、テーパ部と着座面との間に切粉を噛み込んだ状態で、工具または工具ホルダを主軸に装着して加工を行うと、主軸の着座面にテーパ部が正しく密着していないために、工具の正確な位置決めが行われない。これにより、加工精度に悪影響を及ぼし、場合によっては、工具や主軸に損傷を与えるおそれがある。
そこで、従来の工作機械においては、主軸に対して工具または工具ホルダが密着して装着されているか否かを検出する工具密着状態検出装置が設けられている。このような、工作機械の工具密着状態検出装置は、例えば、特許文献1,2に開示されている。
特開平10−225845号公報 特開2001−259906号公報
上記従来の工具密着状態検出装置では、工具または工具ホルダのテーパ部が主軸の着座面に装着されると、その着座面から密着確認用のエアを噴射し、このエア圧の圧力変化を検出することにより、主軸に対して工具または工具ホルダが密着して装着されているか否かを判定するようにしている。
しかしながら、特許文献1の構成では、密着確認用のエアをロータリジョイントを介して主軸内に供給しているため、固定されたロータリジョイントと回転する主軸との間の摺動部が摩耗して、エア漏れが発生してしまう。これにより、エアを主軸の着座面に安定して供給することが困難となるため、特に、微小な切粉を噛み込んだ場合には、高精度に検出することができないおそれがある。
また、特許文献2の構成では、ハウジング側のエア通路と主軸側のエア通路との間に、スプールを径方向に摺動可能に設け、供給した密着確認用のエアによって、そのスプールをスプリングの付勢力に抗して移動させることにより、両側のエア通路同士が連通するようになっている。これにより、スプールがスプリングの付勢力に抗する程度のエア圧に設定しなくてはならず、必要以上にエア圧を高くする必要がある。
従って、本発明は上記課題を解決するものであって、高精度に、且つ、安定して、主軸に対して工具または工具が取り付けられた工具ホルダが密着して装着されているか否かを検出することができる工作機械の工具密着状態検出装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する第1の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置は、
主軸ヘッドに回転可能に支持され、被加工物に所定の加工を行う工具、または、前記工具が取り付けられた工具ホルダを着座面に着脱可能に装着する主軸と、
前記主軸ヘッドに形成され、ピストン部材を摺動可能に収容するシリンダ部と、
前記ピストン部材を付勢する弾性手段と、
前記主軸の回転が停止しているときに、前記シリンダ部に流体を供給して、前記ピストン部材を前記弾性手段の付勢力に抗して前記主軸ヘッド及び前記主軸に当接させる流体供給手段と、
前記流体供給手段により流体が前記シリンダ部に供給され、前記ピストン部材が前記弾性手段の付勢力に抗して前記主軸ヘッド及び前記主軸に当接したときに、前記主軸ヘッドから前記ピストン部材を介して前記主軸にガスを供給するガス供給手段と、
前記着座面に複数形成され、前記ガス供給手段から供給されたガスを噴射させるガス噴射孔と、
前記工具または前記工具ホルダが前記着座面に装着されたときに前記ガス噴射孔から噴射されるガスのガス圧を検出することにより、前記工具または前記工具ホルダと前記着座面とが密着しているか否かを判定する工具密着状態判定手段とを備える
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第2の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置は、
第1の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置において、
前記主軸を囲むように環状に形成された前記シリンダ部内に、リング状に形成された前記ピストン部材を収納する
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第3の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置は、
第1または第2の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置において、
前記ガス供給手段は、
ガスが供給される主軸ヘッド側ガス通路と、
前記主軸に形成され、前記ガス噴射孔に接続される主軸側ガス通路と、
前記ピストン部材に形成され、前記主軸ヘッド側ガス通路と前記主軸側ガス通路とを連通させるピストン側ガス通路とからなる
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第4の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置は、
第1乃至第3のいずれかの発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置において、
前記流体供給手段は、
前記主軸を囲むように環状に形成され、流体が供給される流体溜まり部と、
前記流体溜まり部と前記シリンダ部との間に接続される流体通路とからなる
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第5の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置は、
第1の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置において、
前記流体供給手段と前記ガス供給手段とは、前記主軸の周方向において同じ位相に設けられる
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第6の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置は、
第1の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置において、
前記流体供給手段は、前記ガス供給手段よりも前記主軸の径方向外側に設けられる
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第7の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置は、
第1の発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置において、
前記ガス噴射孔は、前記主軸の周方向において等角度間隔で形成される
ことを特徴とする。
従って、本発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置によれば、主軸の回転時において、ガス噴射孔にガスを供給するガス供給手段を、主軸ヘッドと主軸との間で非接触することができるので、摩耗を防止することができる。この結果、主軸の回転が停止されて、ガス供給手段がガスを供給しても、ガス漏れを発生させることなく、ガスを安定して供給することができるので、主軸に対して工具または工具ホルダが密着して装着されているか否かを高精度に検出することができる。また、主軸への加工が少なくなるため、主軸の剛性を向上させることができる。更に、ピストン部材が摺動するシリンダ部を主軸ヘッド内に設けているので、主軸ヘッドや主軸の外部への取り付けがなくなり、工具や工具ホルダの設計の自由度を向上させることができる。
以下、本発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置について図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例に係る工具密着状態検出装置を備えた工作機械の主軸装置の先端側断面図、図2は主軸ヘッドの正面図、図3は工具がアンクランプ状態のときの様子を示した図である。
図1に示す工作機械の主軸装置1は、図示しないワーク(被加工物)に対して所定の加工を行う工具2を着脱可能に装着するものである。
図1及び図2に示すように、主軸装置1には、円筒状の主軸ヘッド11が設けられており、この主軸ヘッド11内には、複数の軸受12を介して主軸13が回転可能に支持されている。主軸13には、テーパ孔(着座面)13b及び軸孔13cがその軸心上に連続的に形成されている。テーパ孔13bは、主軸後端側に向かうに従ってその内径が漸次小さくなるように形成されており、その先端は先端面(着座面)13aに開口されると共に、その後端は軸孔13cに連通している。
主軸13の軸孔13cには、ロッド14がその軸心方向に摺動可能に支持されている。このロッド14は、主軸13と連れ回りすると共に、図示しない付勢手段により、主軸後端側に付勢された状態となっており、図示しない油圧シリンダによって、その付勢力に抗して主軸先端側に移動することが可能となっている。
ロッド14の先端には、嵌合部材15が設けられており、この嵌合部材15の先端には、嵌合孔15aが形成されている。更に、ロッド14の外周部には、支持部材16が設けられており、この支持部材16には、押圧部材17が主軸13の軸心方向に摺動可能に支持されている。そして、支持部材16と押圧部材17との間には、ばね部材18が圧縮状態で介装されている。即ち、押圧部材17は、主軸先端側に付勢された状態となっている。
嵌合部材15のその径方向外側には、コレット19が配置されている。コレット19の先端には、係合部19aが形成される一方、その後端には、傾斜面19bが形成されている。コレット19の後端は、主軸13の収容部13d内に収容されており、その傾斜面19bは、押圧部材17の先端に形成される傾斜面17aと摺接可能となっている。即ち、コレット19は、主軸13の径方向に摺動可能となっている。
また、主軸ヘッド11の先端側には、環状のシリンダ部20が形成されている。シリンダ部20内には、リング状のピストン部材21が主軸ヘッド11(主軸12)の軸心方向に摺動可能に収容されている。ピストン部材21には、エア通路(ピストン側ガス通路)21a,21b,21cが形成されており、このエア通路21a,21b,21cは、ピストン部材21の径方向に延在すると共に、その周方向において等角度間隔に設けられている。エア通路21a,21b,21cの両端は、ピストン部材21の主軸後端側外壁に開口されている。そして、シリンダ部20の主軸後端側内壁には、弾性体であるOリング(弾性手段)22がエア通路21a,21b,21cの両端に挟まれるように設けられている。即ち、ピストン部材21は、主軸先端側に付勢された状態となっている。
シリンダ部20におけるOリング22よりも径方向外側の主軸後端側内壁には、エア通路(主軸ヘッド側ガス通路)24a,24b,24cが連通されている。このエア通路24a,24b,24cは、主軸ヘッド11(主軸12)の軸心方向に延在すると共に、その周方向において等角度間隔に設けられており、その一端は、ピストン部材21のエア通路21a,21b,21cの一端と対向するように開口されている。そして、エア通路24a,24b,24cは、エアを供給するエア供給装置23と接続されると共に、その途中にエア圧を検出するエア圧検出センサ25a,25b,25cを有している。
一方、主軸13の先端面13aには、エア噴射孔27a,27b,27cが形成されている。エア噴射孔27a,27b,27cは、主軸13の周方向において等角度間隔で開口されており、このエア噴射孔27a,27b,27cには、主軸13の径方向に延在するエア通路(主軸側ガス通路)26a,26b,26cが接続されている。このエア通路26a,26b,26cは、シリンダ部20におけるOリング22よりも径方向内側の主軸後端側内壁に連通しており、その一端は、ピストン部材21のエア通路21a,21b,21cの他端と対向するように開口されている。
更に、主軸ヘッド11の先端側におけるシリンダ部20のその径方向外側には、環状の油溜まり部(流体溜まり部)29が形成されている。油溜まり部29の主軸先端側には、油圧通路(流体通路)30a,30b,30cが接続される一方、その主軸後端側には、油圧を供給する油圧供給装置28が接続されている。油圧通路30a,30b,30cは、主軸ヘッド11(主軸12)の径方向に延在すると共に、その周方向において等角度間隔で、且つ、エア噴射孔27a,27b,27cと同位相で設けられており、シリンダ部20の主軸先端側内壁に連通している。
従って、主軸13の回転が停止しているときに、油圧を油圧供給装置28から油溜まり部29及び油圧通路30a,30b,30cを介してシリンダ部20に供給することにより、ピストン部材21がOリング22の付勢力に抗して主軸後端側に移動することになるので、エア通路21a,21b,21cがエア通路24a,24b,24c及びエア通路26a,26b,26cと連通することになる(図1参照)。これにより、エア供給装置23により供給されたエアが、エア通路21a,21b,21c、エア通路24a,24b,24c、及び、エア通路26a,26b,26cを介して、エア噴射孔27a,27b,27cから噴射される。
また、主軸13が回転しているときに、油圧供給装置28による油圧の供給を停止することにより、ピストン部材21がOリング22の付勢力により主軸先端側に移動することになるので、エア通路21a,21b,21cがエア通路24a,24b,24c及びエア通路26a,26b,26cから離間することになる(図3参照)。このとき、エア供給装置23は常時駆動しているため、エア通路24a,24b,24cからエアが漏出した状態となっている。
なお、エア通路21a,21b,21c、エア通路24a,24b,24c、エア通路26a,26b,26c、エア供給装置23、及び、エア噴射孔27a,27b,27c等は、ガス供給手段を構成するものであり、油圧供給装置28、油溜まり部29、及び、油圧通路30a,30b,30c等は、流体供給手段を構成するものである。
一方、図1に示すように、工具2は、2面拘束タイプのものであり、密着面となる端面41及びテーパ部42を有している。端面41は、主軸13の先端面13aと密着するものである。また、テーパ部42は、主軸13のテーパ孔13bと密着するものであって、主軸後端側に向かうに従ってその外径が漸次小さくなるように形成されている。テーパ部42の内周面先端には、隆起部42aが形成されており、この隆起部42aはコレット19の係合部aと係合するものである。そして、テーパ部42内の底部には、嵌合軸部43が設けられており、この嵌合軸部43は嵌合部材15の嵌合孔15aと嵌合するものである。
従って、工具交換を行う場合には、ワークの加工が終了すると、主軸13の回転が停止されると共に、油圧シリンダによりロッド14が付勢手段の付勢力に抗して主軸先端側に移動され、嵌合部材15が工具2の嵌合軸部43を押圧する。これに伴って、主軸13の収容部13cの内壁、嵌合部材15の後端、及び、押圧部材17の傾斜面17aの協働により、コレット19が主軸13の径方向内側に移動することになり、その係合部19aとテーパ部42の隆起部42aとの係合が解除される。これにより、図3に示すように、工具2は主軸13に対してアンクランプされた状態となる。そして、このアンクランプ状態の工具2は、図示しない工作機械に付設された自動工具交換装置により、主軸13から離脱され、他の工具2に交換される。
次いで、交換された工具2は、自動工具交換装置により主軸13に搬送される。そして、嵌合軸部43が嵌合部材15の嵌合孔15aに嵌合(装着)され、工具2のテーパ部42が主軸13のテーパ孔13bに嵌入(装着)し始めると、付勢手段の付勢力によりロッド14が主軸後端側に移動される。これに伴って、主軸13の収容部13cの内壁、嵌合部材15の後端、及び、押圧部材17の傾斜面17aの協働により、コレット19が主軸13の径方向外側に移動することになり、その係合部19aがテーパ部42の隆起部42aに係合する。これにより、図1に示すように、工具2は引き込まれながら主軸13に対してクランプされることになる。
ここで、上述した工具交換中においては、油圧供給装置28が駆動されており、油圧が油溜まり部29及び油圧通路30a,30b,30cを介してシリンダ部20に供給されている。これにより、図1に示すように、ピストン部材21がOリング22の付勢力に抗して主軸後端側に移動し、当該Oリング22を弾性変形させて、シリンダ部20の主軸後端側内壁に密着することになり、そのエア通路21a,21b,21cがエア通路24a,24b,24c及びエア通路26a,26b,26cと連通した状態となっている。
このとき、エア供給装置23は常時駆動されているため、エア通路21a,21b,21cがエア通路24a,24b,24c及びエア通路26a,26b,26cと連通すると直ちに、エア供給装置23から供給されたエアは、エア通路21a,21b,21c、エア通路24a,24b,24c、及び、エア通路26a,26b,26cを介して主軸13の先端側に供給され、このエアはエア噴射孔27a,27b,27cから噴射されることになる。
そして、工具2の端面41が主軸13の先端面13aに装着されると、エア噴射孔27a,27b,27cから噴き出していたエアを噴き出すことができなくなるため、エア通路24a,24b,24c内のエア圧が上昇することになる。エア圧検出センサ25a,25b,25cは、そのエア圧を常時検出しており、各エア圧の全てが所定のエア圧に達したことを検出すると、その検出信号を出力する。これにより、工具2の端面41及びテーパ部42と主軸13の先端面13a及びテーパ孔13bとが密着していると判定され(工具密着状態判定手段)、ワークの加工が再開される。
一方、工具交換時において、端面41と先端面13aとの間やテーパ部42とテーパ穴13bとの間に、切粉等の異物が侵入した場合には、エア噴射孔27a,27b,27cから噴射されたエアは、端面41と先端面13aとの間から漏れてしまうため、少なくとも1つ以上のエア圧検出センサ25a,25b,25cは、所定のエア圧を検出することができない。これにより、所定のエア圧を検出できなかったエア圧検出センサ25a,25b,25cからは、検出信号が出力されないので、工具2の端面41及びテーパ部42と主軸13の先端面13a及びテーパ孔13bとが密着していないと判定され(工具密着状態判定手段)、ワークの加工が停止される。
また、上述したように、エア供給装置23は常時駆動されているため、油圧供給装置28が駆動されていないときには、エア通路24a,24b,24cからエアが漏出することになる。これにより、エア供給装置23及びエア通路24a,24b,25cへの異物侵入が防止されるだけでなく、その漏出したエアが主軸ヘッド11と主軸13との間の隙間から主軸先端側に流出するため、主軸13内への異物侵入が防止される。更に、エア供給装置23を常時駆動することにより、エア圧検出時ごとにエア供給装置23を駆動させる必要がないので、エア圧上昇時間が短縮されることになり、エア圧検出センサ25a,25b,25cによるエア圧検出時間の短縮化が図られている。
なお、上述した本実施形態においては、本発明に係る工具密着状態検出装置を、工具2を主軸13に直接装着する主軸装置1に適用しているが、工具が取り付けられた工具ホルダを主軸に装着する主軸装置に適用することも可能である。また、エアが噴射されるエア噴射孔27a,27b,27cを、主軸13の先端面13aに形成するようにしているが、同じく着座面であるテーパ孔13bに形成するようにしても構わない。更に、エア噴射孔を4つ以上設けるようにしても構わない。また更に、エア供給装置23から分岐したエア通路24a,24b,24cにエア圧検出センサ25a,25b,25cを備えるようにしているが、分岐前のエア通路に1つのエア圧検出センサを備えるようにしても構わない。
従って、本発明に係る工作機械の工具密着状態検出装置によれば、主軸13が回転しているときには、Oリング22の付勢力によりピストン部材21が退避するため、当該ピストン部材21は主軸13とは非接触となり摩耗することはない。これにより、主軸13の回転が停止された後のエア供給時において、油圧供給装置28によってピストン部材21が主軸ヘッド11及び主軸13と接触し、エア通路21a,21b,21cがエア通路24a,24b,24c及びエア通路26a,26b,26cと連通しても、エア漏れのおそれがなくなる。この結果、エア噴射孔27a,27b,27cにエアを安定して供給することができるので、主軸13に対して工具2が密着して装着されているか否かを高精度に安定して検出することができる。また、密着状態の検出(判定)を、次の工具2の装着後から工具交換動作完了までの間に行うことができるので、既存の工具交換時間内で検出を行うことができる。更に、装置全体を主軸13の先端側に集約した構成としているため、メンテナンスを容易に行うことができる。
本発明は、工具または工具が取り付けられた工具ホルダの抜け落ちや緩みを防止することができる工作機械の主軸装置に適用可能である。
本発明の一実施例に係る工具密着状態検出装置を備えた工作機械の主軸装置の先端側断面図である。 主軸ヘッドの正面図である。 工具がアンクランプ状態のときの様子を示した図である。
符号の説明
1 主軸装置
2 工具
11 主軸ヘッド
12 軸受
13 主軸
13a 先端面
13b テーパ面
13c 軸孔
13d 収納部
14 ロッド
15 嵌合部材
15a 嵌合孔
16 支持部材
17 押圧部材
17a 傾斜面
18 ばね部材
19 コレット
19a 係合部
19b 傾斜面
20 シリンダ部
21 ピストン部材
21a,21b,21c エア通路
22 Oリング
23 エア供給装置
24a,24b,24c エア通路
25a,25b,25c エア圧検出センサ
26a,26b,26c エア通路
27a,27b,27c エア噴射孔
28 油圧供給装置
29 油溜まり部
30a,30b,30c 油圧通路
41 端面
42 テーパ部
42a 隆起部
43 嵌合軸部

Claims (7)

  1. 主軸ヘッドに回転可能に支持され、被加工物に所定の加工を行う工具、または、前記工具が取り付けられた工具ホルダを着座面に着脱可能に装着する主軸と、
    前記主軸ヘッドに形成され、ピストン部材を摺動可能に収容するシリンダ部と、
    前記ピストン部材を付勢する弾性手段と、
    前記主軸の回転が停止しているときに、前記シリンダ部に流体を供給して、前記ピストン部材を前記弾性手段の付勢力に抗して前記主軸ヘッド及び前記主軸に当接させる流体供給手段と、
    前記流体供給手段により流体が前記シリンダ部に供給され、前記ピストン部材が前記弾性手段の付勢力に抗して前記主軸ヘッド及び前記主軸に当接したときに、前記主軸ヘッドから前記ピストン部材を介して前記主軸にガスを供給するガス供給手段と、
    前記着座面に複数形成され、前記ガス供給手段から供給されたガスを噴射させるガス噴射孔と、
    前記工具または前記工具ホルダが前記着座面に装着されたときに前記ガス噴射孔から噴射されるガスのガス圧を検出することにより、前記工具または前記工具ホルダと前記着座面とが密着しているか否かを判定する工具密着状態判定手段とを備える
    ことを特徴とする工作機械の工具密着状態検出装置。
  2. 請求項1に記載の工作機械の工具密着状態検出装置において、
    前記主軸を囲むように環状に形成された前記シリンダ部内に、リング状に形成された前記ピストン部材を収納する
    ことを特徴とする工作機械の工具密着状態検出装置。
  3. 請求項1または2に記載の工作機械の工具密着状態検出装置において、
    前記ガス供給手段は、
    ガスが供給される主軸ヘッド側ガス通路と、
    前記主軸に形成され、前記ガス噴射孔に接続される主軸側ガス通路と、
    前記ピストン部材に形成され、前記主軸ヘッド側ガス通路と前記主軸側ガス通路とを連通させるピストン側ガス通路とからなる
    ことを特徴とする工作機械の工具密着状態検出装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載の工作機械の工具密着状態検出装置において、
    前記流体供給手段は、
    前記主軸を囲むように環状に形成され、流体が供給される流体溜まり部と、
    前記流体溜まり部と前記シリンダ部との間に接続される流体通路とからなる
    ことを特徴とする工作機械の工具密着状態検出装置。
  5. 請求項1に記載の工作機械の工具密着状態検出装置において、
    前記流体供給手段と前記ガス供給手段とは、前記主軸の周方向において同じ位相に設けられる
    ことを特徴とする工作機械の工具密着状態検出装置。
  6. 請求項1に記載の工作機械の工具密着状態検出装置において、
    前記流体供給手段は、前記ガス供給手段よりも前記主軸の径方向外側に設けられる
    ことを特徴とする工作機械の工具密着状態検出装置。
  7. 請求項1に記載の工作機械の工具密着状態検出装置において、
    前記ガス噴射孔は、前記主軸の周方向において等角度間隔で形成される
    ことを特徴とする工作機械の工具密着状態検出装置。
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