JP3737232B2 - 空気静圧スピンドルの安全装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主軸に空気静圧スピンドルを用いた工作機械に係り、特に、回転中の主軸が加工開始位置を越えて前進しすぎた場合に発生する主軸の破損事故を確実に防止できるようにした空気静圧スピンドルの安全装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度、高速回転が要求される精密工作機械の主軸では、その軸受に空気静圧軸受が採用されているものがある。空気静圧軸受は、非接触であるから他の形式の軸受に較べて滑らかな回転を実現することができ、また、高速回転時の発熱も少ないなど、優れた特性を有している。他方、空気静圧軸受は、軸受隙間に介在する空気膜によって軸を支持するものであるから、起動時の安全性確保に特別の配慮が必要とされる。
【０００３】
この種の空気静圧軸受により支持された主軸では、衝突、クラッシュ等により過大な力が衝撃的に加わると、空気膜で支えきれずに軸受面にメタル接触現象が発生し、重大な事故につながることがある。
【０００４】
図４は、空気静圧スピンドルが採用されている研削盤のワーク軸１の空気静圧スラスト軸受を示す。軸受隙間ｅは、15μｍほどのごく狭い隙間である。したがって、研削盤の場合、この空気静圧スピンドルの先端でワークを保持し、回転しながら加工開始位置まで前進させる場合、スピンドルが砥石に衝突しないようにする必要がある。
【０００５】
従来、ＮＣ制御の研削盤では、加工開始位置の直前の位置でワーク軸、砥石軸の回転が規定の回転数に到達するのを待ってから、加工開始位置まで前進させるというように、位置制御により衝突を防止していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＮＣ位置制御により衝突を防止する場合、ＮＣデータの入力ミスがあった場合や、減耗した砥石を新しい砥石に交換したような時に、加工開始位置を越えてワークを前進させてしまうようなことがしばしば起こり、スピンドルの破損事故にまで発展してしまうことがあった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、回転中のスピンドルに衝撃が加わり、空気静圧軸受にメタル接触によるカジリが生じるのを確実に防止し、破損に対するスピンドルの安全性を高めることを可能とする空気静圧スピンドルの安全装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、空気静圧軸受により支持された主軸を有し、前記主軸に取り付けられた工作物または工具を前記主軸の軸方向に送るようにした工作機械において、前記主軸をスラスト方向の過大荷重から保護する空気静圧スピンドルの安全装置であって、前記工作物が加工開始位置に接近するにしたがって段階的に送り速度を減速させる送り速度切替手段と、前記工作物が、工作物と工具との間にエアカット量を見込んだ加工開始位置に到達したときに前記主軸を起動する回転起動手段と、前記主軸を回転駆動するモータの発生する起動トルクを起動開始から指令回転数に到達する間、無負荷状態の低トルクに制限する起動トルク制限手段と、を具備することを特徴とするものである。
【０００９】
このように構成される本発明によれば、工作物が加工開始位置に近付くにしたがって、工作物の送り速度を大きく段階的に減速することにより、工具との衝突による過大なスラスト荷重を受けないようにすることができる。また、主軸が起動すると、起動トルクが無負荷状態に制限されているため、スラスト荷重が作用していると、実際にワーク軸は回転することができない。空気静圧軸受の場合、非回転状態でスラスト荷重が作用する分には、メタル接触によりかじりのような現象は生じないので、破損を回避することが可能となる。
【００１０】
この安全装置の好適な実施形態によれば、主軸の回転数を検出し、前記主軸起動後の所定時間内に主軸の回転数が指令回転数に到達したか否かを判別する主軸回転数判別手段と、指令回転数に到達しない場合に警報を発する警報手段とを具備し、スラスト荷重が作用した場合には警報が発せられるようになっている。
【００１１】
本発明の安全装置は、ワーク軸に空気静圧スピンドルを採用した研削盤に適用することができ、その場合、加工開始位置に送られた工作物が所定のエアカット量を見込んで砥石軸の砥石に接触するようにするとよい。この研削盤の場合、前記回転起動手段は、ワーク軸が指令回転数に到達した後、砥石軸の回転を起動することが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による空気静圧スピンドルの安全装置の一実施形態について添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明を研削盤に適用した実施形態を示す。１０は空気静圧軸受により主軸を支持した空気静圧スピンドルが採用されているワーク軸、１２は砥石軸を示す。ワークＷは、ワーク軸１０の先端部に真空チャック１３、ワーク治具１４を介して保持されるものである。ワーク軸１０は移動台２７に取り付けられており、この移動台２７はサーボモータ１５により駆動されるボールねじ２５によって軸方向に送られるようになっている。ワークＷの位置は、位置検出器１１からＮＣ制御装置２０にフィードバックされ、ｘ軸を送り軸として数値制御されるようになっている。砥石軸１２では、駆動モータ１６により駆動される回転軸の先端に砥石１７としてダイヤモンド砥石が取り付けられている。
【００１３】
ＮＣ制御装置２０は、ワークＷについての加工プログラム１８に基づいて、ワークＷの送り量、送り速度、ワーク軸１０の回転数および砥石軸１２の回転数を制御し、そのＮＣ指令に基づいて、ワークＷの前進、ワーク軸１０の回転、砥石軸の回転，ワークＷの後退といった一連の動作が自動で行われる。
【００１４】
この実施形態では、ワークＷが加工開始位置まで前進したときに砥石１７に衝突しないように、また、誤って衝突した場合もワーク軸１０に過大なスラスト過重が加わって、ワーク軸１０または砥石軸１２の空気静圧軸受が破損しないように保護するため、ＮＣ制御装置２０は、ワークＷが加工開始位置に接近するにしたがって段階的に送り速度を減速させる送り速度切替手段としての機能と、ワークＷが前記加工開始位置に到達したときにワーク軸１０を起動する回転起動手段としての機能を有している。
【００１５】
また、ワーク軸１０を回転駆動するモータのトルクの上限は、トルク制限装置２２によって設定することができるようになっている。ＮＣ制御装置２０は、加工プログラム１８で指定された設定値に基づき、加工開始位置にワークＷが到達したときの起動トルクを、起動直後の所定時間の間、無負荷状態の低トルクに制限することができる。
【００１６】
また、ＮＣ制御装置２０は、起動した後のワーク軸１０の回転数をエンコーダ２３の出力信号から検出し、ワーク軸１０起動後の所定時間内にワーク軸１０の回転数が指令回転数に到達したか否かを判別する。もし指令回転数に到達していなかったら、警報装置２４に警報信号を出力し、これにより警報が発せられるようになっている。
【００１７】
次に、図２を参照しながら、本実施形態の安全装置の動作について、詳細に説明する。
【００１８】
図２において、ＡはワークＷの加工量であり、この場合、表面の粗さのバラツキ等を考慮し、加工量Ａにエアカット量Ｂを見込んでいる。例えば、加工量Ａが50μmの場合、エアカット量Ｂは6μmに設定されている。
Ｅは加工終了位置であり、ワークＷが加工終了位置Ｅまで削られると、ワークＷの研削が終了するようになっている。
【００１９】
機械原点からＸ軸座標をとると、前進途中のａ点、ｂ点は、ｘ軸の送り速度が切り替わる位置である。この実施形態の場合、ａ点は、加工開始位置ｃから4.06mm手前の位置であり、ワークＷは、ａ点までは1500mm/minの送り速度で送られた後、ａ点で90mm/minに減速される。ｂ点は、加工開始位置ｃの直前の位置で、ａ点からｂ点までは4mmの距離である。このｂ点から送り速度は、さらに0.6mm/minに大きく減速される。加工開始位置ｃに到達すると、ワークＷは砥石１７に接触し、送り速度0.04mm/minで送られながら切削される。
【００２０】
ここで、図３は、加工開始位置ｃに到達した後のワーク軸１０の回転数とそのトルクならびに砥石軸１２の回転数の変化を示すタイムチャートである。
【００２１】
ワークＷが加工開始位置ｃに到達すると、トルク制限装置２２が作動し、図3（ｂ）に示すように、モータの起動トルクは、無負荷状態に近い最低の設定値Ｔ0以上にならないように制限される。そして起動トルクが制限された状態で、ワーク軸１０が起動し、回転を始める。このとき、ワークＷの位置が加工開始位置ｃに正確に位置していれば、砥石１７からワークＷに加わる圧力はほとんど零であるため、図3（ａ）に示すように、ワーク軸１０の回転数は上昇していき、所定時間ｔ1経過後、指令回転数Ｒ1に到達する。ＮＣ制御装置２０は、指令回転数に到達したことを検知してから、砥石軸１２を起動する（図3（ｃ））。その後、砥石軸１２の回転数が指令値Ｒ2に到達したら、ｘ軸の送りを前述した送り速度で開始し、ワークＷの研削が行われる。
【００２２】
これに対して、図２において、ワークＷが加工開始位置ｃよりもさらにΔxだけ前の位置ｄに前進しすぎたような場合には、この位置ｄでは、ワークＷには砥石１７からスラスト荷重を受ける。この状態で、ワーク軸１０が起動すると、起動トルクが無負荷状態Ｔ0に制限されているため、実際にワーク軸１０は回転することができない。他方、ワーク軸１０の空気静圧軸受には非回転状態でスラスト荷重が作用する分には、メタル接触によりかじりのような現象は生じないので、破損を回避することが可能となる。
【００２３】
このようにワーク軸１０は、回転できないため、所定時間経過後も、回転数は指令回転数Ｒ1に到達しない。ＮＣ制御装置２０は、ワーク軸１０が指令回転数Ｒ1に到達しないことを判別して、警報器２４に警報信号を出力する。この警報により、オペレータは、ワーク軸１０の指令位置に誤差があったことが知らされるので、事故に発展する前に機械を停止することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、送り速度を減速しながら工作物が工作物と工具との間にエアカット量を見込んだ加工開始位置に到達後、主軸が起動されるとともに、起動トルクが無負荷状態に制限される。これにより、実際に主軸にスラスト荷重が作用すると主軸は回転することができないため、空気静圧軸受にはメタル接触によるかじりのような現象が発生することがなく、確実に破損を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を研削盤に適用した一実施形態を示す構成説明図。
【図２】研削盤のワーク軸の位置の変化を説明する図。
【図３】ワーク軸の回転数、起動トルクならびに砥石軸の回転数の変化を示すタイムチャート。
【図４】主軸のスラスト荷重を支持する空気静圧軸受を示す模式図。
【符号の説明】
１０ ワーク軸
１２ 砥石軸
１３ 真空チャック
１４ ワーク治具
１７ 砥石
１８ 加工プログラム
２０ ＮＣ制御装置
２２ トルク制限装置
２４ 警報器
２７ 移動台

Claims (4)

1. 空気静圧軸受により支持された主軸を有し、前記主軸に取り付けられた工作物または工具を前記主軸の軸方向に送るようにした工作機械において、前記主軸をスラスト方向の過大荷重から保護する空気静圧スピンドルの安全装置であって、
   前記工作物が、工作物と工具との間にエアカット量を見込んだ加工開始位置に接近するにしたがって段階的に送り速度を減速させる送り速度切替手段と、
   前記工作物が前記加工開始位置に到達したときに前記主軸を起動する回転起動手段と、
   前記主軸を回転駆動するモータの発生する起動トルクを起動開始から指令回転数に到達する間、無負荷状態の低トルクに制限する起動トルク制限手段と、
   を具備することを特徴とする空気静圧スピンドルの安全装置。
2. 主軸の回転数を検出し、前記主軸起動後の所定時間内に主軸の回転数が指令回転数に到達したか否かを判別する主軸回転数判別手段と、
   指令回転数に到達しない場合に警報を発する警報手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の空気静圧スピンドルの安全装置。
3. 前記主軸は研削盤のワーク軸であり、加工開始位置に送られた工作物が所定のエアカット量を見込んで砥石軸の砥石に接触するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の空気静圧スピンドルの安全装置。
4. 前記回転起動手段は、ワーク軸が指令回転数に到達した後、砥石軸の回転を起動することを特徴とする請求項３に記載の空気静圧スピンドルの安全装置。

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