JP2018167377A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】カム機構の劣化を検知して破損を防止できる工作機械を提供すること。【解決手段】工作機械１は、コラム２と、コラム２に支持される主軸ヘッド３と、主軸ヘッド３に設けられる主軸４と、主軸４内で上方に移動して工具を主軸４の下端部にクランプし、下方に移動して工具１０１を下端部から解放するドローバー５と、ドローバー５を上方に付勢する付勢部６と、コラム２に設けられるカム７０及び主軸ヘッド３に回動可能に支持され、一端がカム７０のカム面を摺動すると他端がドローバー５を下方に押し下げるアーム７を有するカム機構と、を備え、主軸ヘッド３に設けられた距離センサ８により、ドローバー５の位置を測定する測定部９１と、正常時の主軸ヘッド３とドローバー５の位置関係を記憶する記憶部９２と、測定部９１により測定されたドローバー５の位置と記憶部９２に記憶された関係とに基づき、カム機構の異常を判定する異常判定部９３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械に関する。

従来、所定位置に配置した工具をクランプし、必要に応じてクランプした工具を解放して他の工具に交換する工作機械が知られている。詳細には、工作機械は、主軸の内部に配置され、下方に移動して工具をクランプするドローバーと、ドローバーを押し下げるアームと、カムによりアームを押し下げるカム機構とを備えている（例えば、特許文献１参照）。ドローバーは、主軸内でばねにより上方に付勢されており、カムを用いてアームを押し下げるとばねが伸長し、工具のクランプ又はアンクランプを行うように構成されている。

ドローバーが工具をクランプする機構に不具合があると、工具が落下する恐れがある。そこで、工具をクランプするドローバーの内部のばね力を監視して、ばねの劣化を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。

特開昭６０−９６２９号公報 特開２００９−１６０６９０号公報 特開２００１−３２２０１３号公報

しかしながら、劣化が生じるのは内部のばねに限らない。ばねを伸長させてドローバーを押し下げると、カム機構の構成部品に負荷がかかるため、カム機構の構成部品が破損する恐れがある。カム機構が破損すると、正常にクランプ解除が行われず工具が落下する恐れがあるため、このようなカム機構の破損を防止する必要がある。

本発明は、カム機構の異常を検知して破損を防止することのできる工作機械を提供することを目的とする。

（１） 本発明は、上下方向に延びる送り軸（例えば、後述の送り軸２１）を有するコラム（例えば、後述のコラム２）と、前記コラムにより上下方向に移動可能に支持される主軸ヘッド（例えば、後述の主軸ヘッド３）と、前記主軸ヘッドに設けられ、上下方向に延びる主軸（例えば、後述の主軸４）と、前記主軸内に上下方向に移動可能に設けられ、前記主軸に対して相対的に上方へ移動することにより前記主軸と協働して工具（例えば、後述の工具１０１）を前記主軸の下端部にクランプするとともに、前記主軸に対して相対的に下方へ移動することにより前記工具を前記下端部から解放するドローバー（例えば、後述のドローバー５）と、前記ドローバーを上方に付勢する付勢部（例えば、後述の付勢部６）と、前記コラムに設けられるカム（例えば、後述のカム７０）と、前記主軸ヘッドに回動可能に支持され一端が前記カムのカム面を摺動することにより他端が前記ドローバーを下方に押し下げるアーム（例えば、後述のアーム７）と、を有するカム機構と、を備える工作機械（例えば、後述の工作機械１）であって、前記主軸ヘッドに設けられた距離センサ（例えば、後述の距離センサ８）により、前記ドローバーの上下方向の位置を測定する測定部（例えば、後述の測定部９１）と、前記ドローバーが正常な場合における前記主軸ヘッドの位置と前記ドローバーの位置との関係を記憶する記憶部（例えば、後述の記憶部９２）と、前記測定部により測定された前記ドローバーの位置と前記記憶部に記憶された前記関係とに基づいて、前記カム機構の異常を判定する異常判定部（例えば、後述の異常判定部９３）と、を備える工作機械に関する。

（２） 前記カムは、下方から順に、上方に向かうに従い前記主軸ヘッドの先端側に傾斜する傾斜面（例えば、後述の傾斜面７０１）と、上下方向に延びる平面（例えば、後述の平面７０２）と、が連続して形成されたカム面を有し、前記測定部は、前記アームの一端が前記カム面の平面に達した後に、前記ドローバーの上下方向の位置を測定することが好ましい。

本発明によれば、カム機構の異常を検知して破損を防止することのできる工作機械を提供することができる。

本実施形態の工作機械の部分側面図である。 本実施形態の工作機械の部分断面図であり、ドローバーが上方に位置している状態を示す。 本実施形態の工作機械の部分断面図であり、ドローバーが下方に位置している状態を示す。 本実施形態の工作機械を制御する制御部の機能ブロック図である。 本実施形態の異常判定処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の工作機械１の部分側面図である。工作機械１は、具体的にはマシニングセンタであり、タレット１０と、コラム２と、主軸ヘッド３と、主軸４と、ドローバー５と、付勢部６と、カム機構を構成するカム７０及びアーム７と、距離センサ８と、制御部９（図４参照）と、を有する。

タレット１０は、複数の工具１０１を保持する円盤状の部分であり、作業に応じて所望の工具１０１に交換できるように、工作機械１に回転可能に取り付けられる。

コラム２は、ワークテーブル（図示せず）に対して略垂直方向に延びる支柱部分である。コラム２は、内部に配置される送り軸２１を有する。送り軸２１は、コラム２の内部で上下に延び、コラム２の上端に設けられたサーボモータ２２（図４参照）により駆動される。

主軸ヘッド３は、コラム２により上下方向に移動可能に支持され、主軸ヘッド３の基端側がコラム２の送り軸２１に接続されている。主軸ヘッド３は、コラム２側からコラム２の延びる方向に略直交する方向へ、タレット１０側に向かって延び、後述する主軸４及びアーム７等を支持する部分である。

主軸４は、主軸ヘッド３の先端側に上下方向に延びるように設けられる。主軸４は内部が中空で回転自在に設けられる。主軸４は、略円筒状の中空部分が下端部へ向かって拡径する工具収容部４１を有する。

図２は図１の部分断面図である。図２では、タレット１０は省略している。図３は、図１及び２の状態よりさらに主軸ヘッド３が上昇した状態を示す部分断面図である。
図２及び３に示すように、ドローバー５は、中空の主軸４の内部に配置され、主軸４内に上下に移動可能に設けられる。ドローバー５は、ドローバー本体５１と、ボール５２と、クランプカム５３と、を有する。

ドローバー本体５１は、略円筒形の部材である。
ボール５２は、ドローバー本体５１の先端側に配置され、ドローバー本体５１が主軸４に対して上方に移動したときに、工具収容部４１の内面に作用して工具の先端の外周に沿って設けられた溝部（図示せず）に係合する。また、ボール５２は、ドローバー本体５１が主軸４に対して下方に移動したときに、溝部の外周から離脱して工具１０１を解放するように構成されている。
クランプカム５３は、ドローバー本体５１の上端に配置され、クランプした工具１０１をアンクランプするためにドローバー５を下方に押し出す。

付勢部６は、ドローバー本体５１の外周面と主軸４の内周面との間に配置され、ドローバー５を主軸４に対し上方に付勢している。付勢部６は、コイルばねである。

カム７０は、コラム２における主軸４側の面に、コラム２から主軸４寄りに突出した位置に設けられる。カム７０は、略鉛直方向に延びる板状の部材で構成される。図１に示すように、カム７０は、側断面視で下方から順に、上方に向かうに従い主軸ヘッド３の先端側に傾斜する傾斜面７０１と、傾斜面７０１の上端から上下方向に直線状に延びる平面７０２と、を有する。傾斜面７０１及び平面７０２は、互いに連続してカム７０のカム面を構成する。

アーム７は、主軸ヘッド３に回動可能に支持されるとともに、一端がカム７０のカム面を摺動し、他端がドローバー５に接続される。アーム７は、アーム本体７１と、回動支点７２と、カムフォロア７３と、押し出し部７４と、を有する。

アーム本体７１は、カム７０と主軸ヘッド３の先端側の間に配置される。
回動支点７２は、アーム本体７１に設けられる。回動支点７２は、内部を主軸ヘッド３に設けられた水平軸が挿通することで、アーム本体７１をコラム２側及びドローバー５側に回動可能に支持する。

カムフォロア７３は、アーム本体７１の一端に設けられた円柱体である。カムフォロア７３の軸は、回動支点７２の水平軸と同一方向に延びる。カムフォロア７３の軸の周囲を回転する円柱体の表面が、カム７０上を摺動する。

押し出し部７４は、回動支点７２からアーム本体７１の他端まで延び、ドローバー５の上端のクランプカム５３に接続されている。

距離センサ８は、主軸ヘッド３の先端側に設けられ、ドローバー５の上端近傍に配置される非接触の近接センサである。距離センサ８は、主軸ヘッド３の先端と、ドローバー５の上端との間の距離Ｄを測定する。

図４は、工作機械１を制御する制御部９の機能ブロック図である。
図４に示すように、制御部９は、測定部９１と、記憶部９２と、異常判定部９３と、を含む。この制御部９は、工作機械１に設けられていてもよく、工作機械１の動作を制御する図示しない数値制御装置に設けられていてもよい。

測定部９１は、距離センサ８が測定した距離Ｄの情報を取得する。測定部９１は、距離Ｄにより、ドローバー５が工具１０１をクランプしていないときの、ドローバー５の上下方向の位置を測定する。

記憶部９２は、カム機構に異常がなく、ドローバー５が正常に動作する状態で、ドローバー５が工具１０１をクランプしていないときの主軸ヘッド３の位置とドローバー５の位置との関係を、正常位置として予め記憶している。また、記憶部９２は、ドローバー５が工具１０１をクランプしているときの主軸ヘッド３の位置とドローバー５の位置との関係を記憶している。

異常判定部９３は、測定部９１で測定されたドローバー５の位置を参照するとともに、サーボモータ２２より主軸ヘッド３の位置を取得する。そして、異常判定時におけるドローバー５の位置と、サーボモータ２２から取得した主軸ヘッド３の位置を、予め記憶部９２に規則されている主軸ヘッド３及びドローバー５の正常位置と比較して、ドローバー５の位置が正常位置にあるか否かを判定する。ドローバー５の位置が正常位置にない場合、異常判定部９３は、カム７０及びアーム７を有するカム機構のいずれかの箇所に異常があると判定する。

なお、異常判定部９３が、ドローバー５の位置が正常位置にないと判定した場合、不図示の通知手段等により、点灯又は警告音等で通知するように構成される。

図５は、本実施形態の異常判定処理を示すフローチャートである。図１〜５を参照して、工作機械１の動作について説明する。
図１では、工具１０１が主軸４内のドローバー５にクランプされた状態が示されている。また、複数の工具１０１がタレット１０により保持されている。
この状態で、付勢部６は、ドローバー５を上方へ向かって付勢している。ドローバー５は、主軸４に対して相対的に上方へ移動することにより、ドローバー５のボール５２が工具１０１の外周の溝部に嵌まり、主軸４と共同して工具１０１を主軸４の下端部側の工具収容部４１内でクランプする。

距離センサ８は、継続的にドローバー５と主軸ヘッド３との間の距離Ｄを測定し、監視することにより、ドローバー５が工具１０１をクランプしているか否かを判断している。

ドローバー５の位置は、工具１０１をクランプしているときと、クランプしていないときとで位置が異なる。ドローバー５は、工具１０１をクランプしているときは、クランプしていないときよりも下方に位置している。工作機械１における制御部９の記憶部９２は、正常位置として、工具１０１をクランプしていないときのドローバー５と主軸ヘッド３との間の距離の適切な閾値Ｔ１を予め記憶している。また、記憶部９２は、工具１０１をクランプしているときのドローバー５と主軸ヘッド３との間の距離の適切な閾値Ｔ２を予め記憶している。閾値Ｔ１は、閾値Ｔ２よりも小さい範囲である。なお、距離Ｄが閾値となるのは、上述の通り、主軸ヘッド３が下降後に一端上昇することもあるため、一定の範囲が必要となるからである。

距離センサ８から測定部９１が取得した値が閾値Ｔ１内であれば、異常判定部９３は、ドローバー５は正常位置にあり、かつ、ドローバー５が工具１０１をクランプしていないと判定する。ドローバー５がクランプしていないと判定された場合は、主軸４は回転しない。

距離センサ８から測定部９１が取得した値が閾値Ｔ１外で、閾値Ｔ２の範囲内（すなわち、ドローバー５が、主軸ヘッド３と距離Ｄ離れた位置よりも下方に離間している）であれば、ドローバー５は正常に動作しており、かつ、ドローバー５が工具１０１をクランプしていると判定する。

使用者の操作により、制御部９から工具交換指令を受けると、主軸ヘッド３は、図１の位置から上昇する（図５のＳＴ１参照）。主軸ヘッド３の上昇に伴い、タレット１０がスイングしながらドローバー５にクランプされている工具１０１をグリップする。

図３に示すように、図２の状態から主軸ヘッド３が上昇すると、アーム７の一端に設けられているカムフォロア７３が、カム７０に当接し、傾斜面７０１を上方へ摺動する。傾斜面７０１はコラム２側から主軸ヘッド３の先端側へ向かって上り傾斜しているので、カムフォロア７３は、主軸ヘッド３の先端側（図３右側）へ移動する。

制御部９は、カムフォロア７３が傾斜面７０１の上端から平面７０２に達したかどうか感知し、カムフォロア７３が平面７０２に達した後に（図５のＳＴ２参照）、測定部９１に、距離センサ８によりドローバー５の上下方向の位置を取得して、ドローバー５の位置を測定させる。また、制御部９は、異常判定部９３に、サーボモータ２２から主軸ヘッド３の位置を取得させる（図５のＳＴ３参照）。

次に、異常判定部９３は、測定部９１が測定したドローバー５の位置と、サーボモータ２２から取得した主軸ヘッド３の位置との間の距離Ｄが、閾値Ｔ１の範囲よりも小さいか否かを判定する。上述の通り、異常判定部９３は、ドローバー５が工具１０１をクランプしていないときに、適切な閾値Ｔ１の範囲内にある場合、ドローバー５が正常位置にあると判定する。

異常判定部９３は、ドローバー５と主軸ヘッド３との間の距離Ｄが、閾値Ｔ１の範囲を下回る短い距離であった場合、カム機構に異常があると判定する。すなわち、ドローバー５が、閾値Ｔ１以下の距離しか下がらない場合、ドローバー５を押し下げる機構のいずれかに不具合があることを検知し、異常であると判定する（図５のＳＴ４参照）。

もし、カム機構に不具合があると、すなわち、カム面の摩耗や位置ずれ、アーム７の位置ずれ、カムフォロア７３の円柱の変形や外輪の摩耗、円柱の中心軸の位置ずれ、回動支点７２の軸の位置ずれ、アーム７の他端に接続されるドローバー５のクランプカム５３の位置ずれ等によって、アーム７の回動支点７２の回転角度が小さくなると、アーム７の他端が下がらず、ドローバー５を十分に押し下げることが難しくなる。ドローバー５が十分に下降しないと、ボール５２が離脱せずに、工具１０１のクランプが解除されない。正常に工具１０１のクランプが解除されない状態で、工具１０１の交換を行おうとすると、工具１０１が落下する可能性がある。このため、主軸ヘッド３の先端とドローバー５の上端との位置が、正常位置よりも上方にあった場合、（距離Ｄが正常位置の閾値Ｔ１よりも小さい閾値内にあった場合）、アーム７の下降が十分でないこと、よってカム機構のいずれかの部品に不具合が生じているということがわかる。

異常判定部９３により異常と判断された場合には、不図示の通知手段により異常が通知され、使用者が点検又は修理等を行うことができる。

カム機構に異常がない場合、カムフォロア７３が傾斜面７０１を上方へ摺動するのに伴い、アーム７は回動支点７２を支点として回転し、押し出し部７４が下方に移動する。押し出し部７４の移動により、押し出し部７４に接続されているドローバー５の上端がクランプカム５３に沿って移動し、アーム７の他端がドローバー５を下方に押し下げる。ドローバー５は、付勢部６の付勢力に抗って下降する。

ドローバー５が下降すると、工具１０１の溝部に係合していたボール５２が半径方向外側へ離脱し、工具１０１の把持が解除される。このように、ドローバー５は、主軸４に対して相対的に下方に移動することにより、工具１０１を主軸４の下端部から解放する。そして、タレット１０にグリップされていた工具１０１が引き抜かれる。
その後、主軸４が一端上昇するとともにタレット１０が回転し、交換すべき工具１０１が、引き抜かれた工具１０１の代わりに割り当てられて、ドローバー５にクランプされる。

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態によれば、工作機械１を、上下方向に延びる送り軸２１を有するコラム２と、コラム２により上下方向に移動可能に支持される主軸ヘッド３と、主軸ヘッド３に設けられ、上下方向に延びる主軸４と、主軸４内に上下方向に移動可能に設けられ、主軸４に対して相対的に上方へ移動することにより主軸４と協働して工具を主軸４の下端部にクランプするとともに、主軸４に対して相対的に下方へ移動することにより工具１０１を下端部から解放するドローバー５と、ドローバー５を上方に付勢する付勢部６と、コラム２に設けられるカム７０と、主軸ヘッド３に回動可能に支持され一端がカム７０のカム面を摺動することにより他端がドローバー５を下方に押し下げるアーム７と、を有するカム機構と、を備含んで構成した。また、工作機械１を、主軸ヘッド３に設けられた距離センサ８により、ドローバー５の上下方向の位置を測定する測定部９１と、ドローバー５が正常な場合における主軸ヘッド３の位置とドローバー５の位置との関係を記憶する記憶部９２と、測定部９１により測定されたドローバー５の位置と記憶部９２に記憶された関係とに基づいて、カム機構の異常を判定する異常判定部８３と、を含んで構成した。

本実施形態によれば、距離センサ８を用いてドローバー５の位置を測定し、予め記憶した正常な場合における主軸ヘッド３の位置とドローバー５の位置との関係に基づいて、カム機構の劣化を検知することができる。このため、早期にカム機構の異常を発見し、対応することで、工具の落下やカム機構の破損を防止することが可能になる。
また、本実施形態によれば、ドローバー５が工具１０１をクランプしているか否かを検知するために用いていた距離センサを、カム機構の異常発見に用いることができるため、新たな機構を追加することなくカム機構の異常を発見することができる。

また、本実施形態によれば、カム７０を、下方から順に、上方に向かうに従い主軸ヘッド３の先端側に傾斜する傾斜面７０１と、上下方向に延びる平面７０２と、を連続して形成したカム面を含んで構成し、測定部９１に、アーム７の一端がカム面の平面７０２に達した後に、ドローバー５の上下方向の位置を測定させた。これにより、ドローバー５下降した状態での位置を測定することができ、正常な範囲よりも短い距離しか下降せず、十分に下がり切っていないか、又は正常に下降したか否かによって、カム機構の状態を判定することが可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の目的を達成できる範囲での変形や改良も当然に本発明に含まれる。

例えば、上記実施形態の変形例として、距離センサ８に追加して、温度センサ工作機械に取り付けることができる。具体的には、温度センサをカム７０のカム面に取り付けることで、カムの摩擦熱により温度の上昇を検知する。

測定部９１は、温度センサからカム面の温度を取得する。
記憶部９２は、予め正常な使用状態で、カムフォロア７３がカム７０表面を摺動した際の摩擦熱の正常な温度範囲を、それぞれ閾値として記憶している。
異常判定部９３は、測定部９１が、カムフォロア７３がカム７０表面を摺動した際の摩擦熱を新たに測定した値を、予め記憶した正常な温度範囲と比較して、カム７０表面の温度が正常かどうかを判定する。摩擦熱が正常な温度範囲を超えている場合、カム７０又はカムフォロア７３の状態が異常であると判定する。

温度センサを取り付けることで、ドローバー５の位置によってのみ異常を検知するよりも、より確実にカム機構の異常を検知することができる。

１ 工作機械
２ コラム
３ 主軸ヘッド
４ 主軸
５ ドローバー
６ 付勢部
７ アーム
８ 距離センサ
７０ カム
９１ 測定部
９２ 記憶部
９３ 異常判定部

Claims (2)

1. 上下方向に延びる送り軸を有するコラムと、
   前記コラムにより上下方向に移動可能に支持される主軸ヘッドと、
   前記主軸ヘッドに設けられ、上下方向に延びる主軸と、
   前記主軸内に上下方向に移動可能に設けられ、前記主軸に対して相対的に上方へ移動することにより前記主軸と協働して工具を前記主軸の下端部にクランプするとともに、前記主軸に対して相対的に下方へ移動することにより前記工具を前記下端部から解放するドローバーと、
   前記ドローバーを上方に付勢する付勢部と、
   前記コラムに設けられるカムと、前記主軸ヘッドに回動可能に支持され一端が前記カムのカム面を摺動することにより他端が前記ドローバーを下方に押し下げるアームと、を有するカム機構と、を備える工作機械であって、
   前記主軸ヘッドに設けられた距離センサにより、前記ドローバーの上下方向の位置を測定する測定部と、
   前記ドローバーが正常な場合における前記主軸ヘッドの位置と前記ドローバーの位置との関係を記憶する記憶部と、
   前記測定部により測定された前記ドローバーの位置と前記記憶部に記憶された前記関係とに基づいて、前記カム機構の異常を判定する異常判定部と、を備える工作機械。
2. 前記カムは、下方から順に、上方に向かうに従い前記主軸ヘッドの先端側に傾斜する傾斜面と、上下方向に延びる平面と、が連続して形成されたカム面を有し、
   前記測定部は、前記アームの一端が前記カム面の平面に達した後に、前記ドローバーの上下方向の位置を測定する請求項１に記載の工作機械。
   

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