JP4912120B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板穴明機等の工作機械における主軸装置に係り、詳しくはスリットを備えるコレットチャックに工具を保持させるようにした主軸装置に関する。

図６は、プリント基板穴明機における従来の主軸装置を示す正面断面図である。同図において、ケース１０の中心部には、主軸１が配置されている。主軸１の軸方向の中心部には、底付き穴７と、この底付き穴７の底面の中心部分に接続し先端側（図の下端側）に拡径する雌形のテーパ面１ｔと、が形成されている。

コレットチャック２の外周はテーパ面１ｔと同一の角度を有する雄形のテーパ面２ｔが形成されており、中心部分にはドリル（工具）３を係合させる穴４が軸方向に延びるように穿設されている。また、コレットチャック２は、テーパ面２ｔから穴４に達するように、かつ円周方向に等角度間隔となるように形成された複数の切り込み溝（スリット）（図示せず）を有している。なお、プリント基板加工機において使用される工具３のシャンク部（コレットチャック２に保持される部分）の直径は工具３の呼び径に拘らず同一径に形成されている。

コレットチャック２の後端側（図の上側）には、ロッド５が固定され、ロッド５の外周にはガイドブッシュ６が固定されている。底付き穴７の底面とガイドブッシュ６との間には、コレットチャック２を図の上方に向けて付勢するように皿ばね８が縮設されている。そして、テーパ面２ｔがテーパ面１ｔに密着することにより、コレットチャック２が内径方向に弾性変形して閉じ、穴４内面とドリル３表面との間の摩擦力によりドリル３が強固に保持される。

ケース１０には、摺動及び回転自在に主軸１が嵌合する穴１１が形成されている。この穴１１の軸方向略中央部のロータ９と対向する位置には、コイル（固定子）１２が配置されている。コイル１２は、図示を省略するインバータ電源に接続されている。

ケース１０の穴１１に面する部分には、オリフィス絞り形のジャーナル気体軸受を構成する複数の給気孔１３が、径方向に向くように、かつ軸線Ｏ方向に所定の間隔をあけるようにして設けられている。給気孔１３が気体（ここでは、圧縮空気）を吐出する方向は軸線Ｏと直交する方向であり、図示の場合、コイル１２の上下にそれぞれ２列ずつ配置されている。給気孔１３はそれぞれ図示を省略する（第１の）供給口に接続（連通）されている。

穴１１の後端側（図の上側）には、主軸１の後端側に配置されたフランジ１ｆを収容可能に形成された環状凹部１１ｄが設けられている。この環状凹部１１ｄにおけるフランジ１ｆと対向する上下二面には、円周方向に複数の給気孔１５が形成されている。これら複数の給気孔１５は、給気方向がそれぞれ軸線Ｏ方向を向き、図示を省略する（第２の）供給口に接続された形でスラスト気体軸受を構成している。

ケース１０の上部にはシリンダ２５が固定されている。プッシュロッド２０の一端（図の上端）は、ピストン２２に固定されている。ピストン２２は、シリンダ２５のチャンバ２５ａ内に配置されており、これらピストン及びシリンダにより空気圧アクチュエータが構成される。ピストン２２の上側のチャンバ２５ａはシリンダ２５に形成された供給口２３および供給口２３に接続された管路４０により３ポート電磁弁３０のシリンダポート３０Ａに接続されている。ピストン２２の下側のチャンバ２５ａはシリンダ２５の下部に形成された貫通穴２４および穴２５ｂにより穴１１に連通している。チャンバ２５ａ内に配置されたばね２６はピストン２２を図の上方に付勢している。

３ポート電磁弁３０の供給ポート３０Ｐは管路４１により圧縮空気源９０に接続され、排出ポート３０Ｒは開放されている。３ポート電磁弁３０のコイル３０Ｃはプリント基板加工機全体を制御するＮＣ装置１００に接続されている。

次に、上記構成を有する従来の主軸装置の動作を説明する。

ドリル３を交換する場合には、３ポート電磁弁３０をオン、すなわちコイル３０Ｃに電力を供給する。すると、供給ポート３０Ｐとシリンダポート３０Ａとが連通し、圧縮空気源９０からの圧縮空気が供給口２３からチャンバ２５ａ内に供給され、ばね２６に抗してピストン２２を下降させる。ピストン２２の下降に追従してプッシュロッド２０が図の下方に移動してロッド５を押し、皿ばね８の付勢力に抗してコレットチャック２を図の下方に移動させる。

コレットチャック２のテーパ面２ｔがテーパ面１ｔから離れると、コレットチャック２の内径方向に働いていた力が無くなるので、ドリル３をコレットチャック２から容易に取り外すことができる。次に、他のドリル３をコレットチャック２に挿入した後、３ポート電磁弁３０をオフすると、シリンダポート３０Ａと排出ポート３０Ｒが連通し、上記チャンバ２５ａ内の圧縮空気を開放し、ピストン２２はばね２６の付勢力（復元力）により上昇する。これに追従してプッシュロッド２０が図の上方に移動し、皿ばね８の付勢力によりテーパ面２ｔがテーパ面１ｔに圧接されてコレットチャック２が閉じ、これによりドリル３が主軸１に強く保持される。

次に、図示を省略する供給口から圧縮空気を供給する。すると、主軸１は、ジャーナル気体軸受の機能により、その軸線を穴１１の軸線Ｏと一致させるようにして径方向に支持されると共に、スラスト気体軸受の機能により軸線Ｏ方向に支持される。この状態で、コイル１２に電流を供給すると、コイル１２に発生する磁界によりロータ９に回転トルクが発生し、主軸１が回転する。

以下、ＮＣ装置１００は、図示を省略する手段によりケース１０を軸線Ｏ方向に移動させ、ドリル３によりワークを加工する。

ところで、工具保持手段であるコレットチャック２の内面にごみが付着したり、ばね８が寿命になった場合には、コレットチャック２が工具１を保持する力（以下、「工具保持力」という。）が低下する。工具保持力が低下すると、加工時にドリル３がコレットチャック２に対して径方向および／または軸方向にスリップしてしまい、加工不良が発生する。

そこで、ワークを支持するテーブル上に工具保持力を検査する工具保持力検査装置を配置し、工具保持力を検査してから加工を行うようにした加工装置がある（特許文献１）。

この技術に依れば、作業者が工具保持力を検査する必要がないため、保守管理が容易で、かつ、加工品質および作業能率を向上させることができる。

特開２００４−１３０５０２号公報

しかし、上記加工装置は、工具保持力検査装置をテーブル上に配置しなければならないため、装置が大型になった。また、ばねが寿命になった場合、工具保持力の低下がばねの寿命に起因することを特定するのに時間を要した。

本発明の目的は、上記課題を解決し、装置を小型にすることができると共に、ばね寿命を容易に特定することができる主軸装置を提供するにある。

本発明者は、工具保持力の低下の原因を調査した結果、ばねが寿命に達した場合の原因究明に時間を要していることに着目し、上記課題を解決するため、所定加圧力におけるばね（付勢手段）の変位量あるいはばねの反力に基づきばね寿命を特定することを想到した。

そして、本発明は、軸方向の外周面の一部がテーパ面に形成され、このテーパ面に軸方向のスリットを備えるコレットチャックと、前記テーパ面に係合するテーパ面を備える主軸と、前記コレットチャックが工具を係止するように、前記コレットチャックを前記主軸に対して付勢する付勢手段と、前記コレットチャックを前記付勢手段に抗して押圧して、前記コレットチャックの工具の係止を解放する棒状部材と、を備える主軸装置において、前記棒状部材を予め定める力で付勢し得る所定圧付与手段と、前記所定圧付与手段の付勢により前記棒状部材を、前記付勢力に抗して移動して、該移動量が予め定める値を超えるかを測定する測定手段と、前記所定圧付与手段により前記棒状部材を押圧した際の前記棒状部材の移動量が予め定める値を超える場合、前記付勢手段が寿命であると判断する判定手段と、を備えることを特徴とする。

前記棒状部材は、空気圧アクチュエータにより移動して、前記コレットチャックを前記付勢手段に抗して解放してなり、前記所定圧付与手段は、前記空気圧アクチュエータの空気圧供給路に介在した減圧弁である。

また、本発明の参考例としての形態は、軸方向の外周面の一部がテーパ面に形成され、このテーパ面に軸方向のスリットを備えるコレットチャックと、前記テーパ面に係合するテーパ面を備える主軸と、前記コレットチャックが工具を係止するように、前記コレットチャックを前記主軸に対して付勢する付勢手段と、前記コレットチャックを前記付勢手段に抗して押圧して、前記コレットチャックの工具の係止を解放する棒状部材と、を備える主軸装置において、前記棒状部材に前記付勢手段から作用する圧力を測定する測定手段と、測定された前記圧力が予め定める値に満たない場合、前記付勢手段が寿命であると判断する判定手段と、を備える。

前記測定手段は、前記棒状部材の先端に設けられた圧電素子であり、前記付勢手段を支持しかつ該付勢手段の変形と共に移動するロッドに当接して該付勢手段からの圧力を測定してなる。

前記棒状部材は、空気圧アクチュエータにより移動して、前記コレットチャックを前記付勢手段に抗して解放してなり、前記測定手段は、前記空気圧アクチュエータによる前記棒状部材の移動により測定されてなる。

テーブル上に工具保持力検査装置を配置する必要がないため、装置を小型にすることができると共に、ばねの寿命を直ちに判定することができるので、作業能率を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る主軸装置の正面断面図であり、図６と同じもの又は同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

圧縮空気源９０の出口に接続された管路４１には３ポート２位置切換え電磁弁３１と減圧弁３２が配置されている。３ポート電磁弁３１の供給ポート３１Ｐは圧縮空気源９０と減圧弁３２の入口に接続されている。３ポート電磁弁３１のシリンダポート３１Ａは管路４２を介して３ポート電磁弁３０の供給ポート３０Ｐに接続されている。３ポート電磁弁３１の排出ポート３１Ｒは減圧弁３２の出口に接続されている。３ポート電磁弁３１のコイル３１Ｃは、電磁弁３０のコイル３０ｃと共にＮＣ装置１００に接続されている。減圧弁３２は、その入口側を空気源に連通し、その出口側の圧力が、入口側圧力に関係なく予め定められた所定設定圧を出力するものであって、所定圧付与手段を構成する。

ケース１０の上端にはセンサ７２が配置されている。センサ７２は、プッシュロッド（棒状部材）２０に設けられたドッグ７１と対向したときにオンになり、棒状部材（ロッド）の移動量を測定する測定手段を構成する。センサ７２は判定装置９５に接続されている。判定装置９５は、センサ７２がオンした場合はセンサが動作中である旨の信号をＮＣ装置１００に出力し、センサ７２がオフである場合はセンサ７２がオフである旨の信号をＮＣ装置１００に出力する。プッシュロッド２０にはドッグ７１が固定されている。なお、ドッグ７１は以下のようにして位置決めされている。

すなわち、ピストン２２の加圧力が仕様を満たす最小の加圧力となるように減圧弁３２を調整する。この状態で、３ポート電磁弁３０と３ポート電磁弁３１をオンし、ピストン２２を下降させる。そして、ドッグ７１をピストン２２が停止した位置、すなわちピストン２２の加圧力とばね８の反発力が釣り合った位置においてセンサ７２がオンし、センサ７２よりも下方に移動した場合はセンサ７２がオンしない位置に位置を定めて、プッシュロッド２０に固定する。

次に、この実施形態の動作を説明する。

加工に先立ち、あるいは予め定める時間が経過する毎に、３ポート電磁弁３０と３ポート電磁弁３１をオンする。すると、チャンバ２５ａには減圧弁３２で定められる圧力の圧縮空気が供給され、ピストン２２を下降させる。予め定める時間が経過すると、判定装置９５はセンサ７２の出力をチェックする。

ばね８が寿命に達していない場合、ピストン２２が停止した位置においてドッグ７１がセンサ７２と対向し、センサ７２がオンする。センサ７２がオンしたことを確認した判定装置９５は加工可能信号をＮＣ装置１００に出力する。加工可能信号、すなわちばね８が寿命に達していないことを確認したＮＣ装置１００は３ポート電磁弁３０と３ポート電磁弁３１をオフし、次の作業開始指令を待つ。

また、ばね８が寿命に達していた場合、プッシュロッド２０はさらに下降するので、ドッグ７１はセンサ７２と対向する位置から外れ、検出信号は出力されない。そこで、判定装置９５は加工不能の信号をＮＣ装置１００に出力すると共に、例えば図示を省略する警報装置を作動させる。また、加工不能の信号を受けたＮＣ装置１００は、ばね８が交換されるまで以後の作業を行わない。

ところで、この実施形態の場合、主軸１はケース１０の移動に伴って、軸線方向（上下方向）に移動するので、主軸１を移動させる移動手段の能力を大きくする必要があるが、ケース１０に対して主軸１を移動可能に構成すると、主軸１の応答速度を高速化することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態を示す図であり、図１及び図６と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

主軸ホルダ５０の下部に設けられたフランジ部５０ｆの内部には主軸１のフランジ１ｆを収容可能な環状凹部５０ｄが設けられている。この環状凹部５０ｄにおけるフランジ１ｆと対向する上下二面には、円周方向に複数の給気孔１５が形成されている。これら複数の給気孔１５は、給気方向がそれぞれ軸線Ｏ方向を向き、図示を省略する（第２の）供給口に接続された形でスラスト気体軸受を構成している。

フランジ部５０ｆはケース１０に形成された空間１０ｋの内部に配置され、軸線Ｏ方向移動自在である。空間１０ｋの軸線Ｏ方向の長さはフランジ部５０ｆの長さよりもＧだけ長い。主軸ホルダのセンサ７２と対向する位置には、主軸ホルダ５０を軸線方向に切欠いた切り欠き５０ａが設けられている。

主軸ホルダ５０は軸受け５１に支持され軸線Ｏ方向に移動自在である。軸受け５１はケース１０に保持されている。主軸ホルダ５０の上端は図示を省略するボルトにより可動子５２の下端に固定されている。

可動子５２の側面にはコイル５３ａと共にリニアモータ５３を形成するマグネット５３ｂが配置されている。コイル５３ａはマグネット５３ｂと対向するベース５４に配置されている。そして、コイル５３ａに電流を供給すると、可動子５２は軸線Ｏに沿って移動する。マグネット５３ｂとベース５４との間には、ばね５５が配置されている。ばね５５は、マグネット５３ｂを介して可動子５２を図の上方に付勢している。この結果、リニアモータ５３がオフの場合、フランジ部５０ｆの下端と空間１０ｋの底部との間には高さＧの隙間が形成されている。

ベース５４はプレート５６に固定されている。なお、この実施形態の場合ケース１０は図示を省略するプレート５６の支持部材に固定されている。シリンダ２５はベース５４の上部に固定されている。ピストン２２に固定されたプッシュロッド２０は可動子５２および主軸ホルダ５０を貫通し、下端がロッド５の上端に対向している。センサ７２はケース１０の上部に配置されている。

ドッグ７１のプッシュロッド２０に対する取り付け位置は、主軸１を移動の上端側（図示の場合）に位置決めした状態で、上記第１の実施形態の場合と同様にして定める。なお、主軸１を移動の下端側に位置決めした状態で、ドッグ７１のプッシュロッド２０に対する取り付け位置を定めてもよい。

本実施形態にあっては、リニアモータ５３により可動子５２及びそれと一体の主軸ホルダ５０を上下方向に移動することにより、フランジ部５０ｆ及びフランジ１ｆを介して主軸１が上下方向に移動する。

そして、３ポート電磁弁３０をオンして、チャンバ２５ａに、減圧弁３２で定められた所定圧力の圧縮空気を供給することにより、ピストン２２及びプッシュロッド２０を下方に移動する。プッシュロッド２０の先端がロッド５１に当接して、ばね８を変形しつつ移動し、ドック７１がセンサ７２と対向する位置から外れる位置まで移動すると、判定装置９５は、ばね８が寿命に達していると判定する。

ところで、この第２の実施形態の場合、プッシュロッド２０が可動子５２および主軸ホルダ５０を貫通する構造であるため、構造が複雑になる。

図３は本発明の第３の実施形態を示す図であり、図１、図２及び図６と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

シリンダ６０はプレート５６上にベース５４と並列に固定されている。シリンダ６０のピストンロッド６０ａの先端にはガイド６１が固定されている。ガイド６１には軸６２が固定されている。レバ６３の一端には長穴６３ａが形成されている。この長穴６３ａは軸６２に係合している。レバ６３は軸６４の回りに回転自在である。軸６４はプレート５６に支持されたブロック６５に支持されている。レバ６３の他端はプッシュロッド２０に対向している。

プッシュロッド２０にはストッパ６６が固定されている。ストッパ６６と主軸ホルダ５０との間にはばね６７が配置されている。ばね６７によりプッシュロッド２０の先端（下端）とロッド５の上端との間には隙間が形成されている。

この実施形態では、図２における３ポート電磁弁３０に代えて５ポート電磁弁３３が使用される。５ポート電磁弁３３がオフの場合、圧縮空気はシリンダ６０の上側に供給されており、このときレバ６３の先端はプッシュロッド２０から離れている。５ポート電磁弁３３のコイル３３ｃに電流を供給すると、ピストン６０ｐが上昇し、レバ６３が反時計回り回転してプッシュロッド２０を押し下げる。

この実施形態では、プッシュロッド２０をピストンにより直接移動させることに代えてレバ６３を介して移動させるようにしたものであり、動作は実質的に第２の実施形態と同じであるため、詳細な説明は省略する。

ところで、通常、ピストン２２の上側のチャンバ２５ａに供給される空気圧を変更することはない。以下、所定圧付与手段を設けない場合について説明する。

図４は、参考例を示すものであり、便宜的に第４の実施形態と称する。図１及び図６と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

プッシュロッド２０の先端部には凹部２０ａが配置されている。凹部２０ａにはピエゾ素子（圧電素子）からなる圧カセンサ８１が配置されている。圧力センサ８１の先端（図における下端）はプッシュロッド２０の先端から０．５〜１ｍｍ突出している。プッシュロッドに形成されたＬ字形の穴２０ｂは一端が凹部２０ａに開口し、他端はシリンダケース２５に形成された穴２５ｂ内に開口している。圧力センサ８１の信号線８４は、穴２０ｂを通り、ケース２５に設けられた貫通穴８３を介して判定装置９５に接続されている。判定装置９５には、後述する出力電圧値Ｅ１が予め入力されている。

図５は、プッシュロッド２０の動作回数Ｎ（すなわち、皿ばね８の動作回数。）と圧カセンサ８１に設けられた圧電素子から出力される出力電圧Ｅ（皿ばね８の反力であり、工具保持力である。）との関係を示す図である。同図に示されるように、プッシュロッド２０の動作回数がある回数に達すると、徐々に出力電圧Ｅが低下し、出力電圧Ｅが図で点線で示す所定値Ｅ１以下では工具３を強固に保持することができない。そこで、出力電圧値Ｅ１を電圧の最小値として判定装置９５に入力しておく。即ち、圧力センサは、プッシュロッド２０にばね８から作用する圧力を測定し、チャンバ２５ａに作用する空気圧が一定である以上、ばね８から反力（応力）を検出することによりばね８のヘタリ度を検出することになり、出力電力Ｅが所定値Ｅ１以下になると、寿命に達したことを判定する。

次に、この実施形態の動作を説明する。

コレットチャック２を開くためにプッシュロッド２０を下降させると、圧力センサ８１がロッド５に押しつけられる結果、プッシュロッド２０の下降に伴って皿ばね８の反力が圧力センサ８１に加わる。そこで、プッシュロッド２０を動作させる時には、圧力センサ８１の出力電圧Ｅを監視する。そして、プッシュロッド２０を所望量（通常、プッシュロッド２０の全移動量は３ｍｍ程度である。）移動させたときの出力電圧Ｅの値がＥ１未満になった場合は、皿ばね８が寿命になったと判定し、判定装置９５は加工不能の信号をＮＣ装置１００に出力すると共に、例えば図示を省略する警報装置を作動させる。また、加工不能の信号を受けたＮＣ装置１００は、ばね８が交換されるまで以後の作業を行わない。

この実施形態の場合、上記第１〜３の実施形態の場合に必要とされる所定圧付与手段を、コレットチャック２を交換する際のプッシュロッド２０の移動手段が代用するので、上記第１〜３の実施形態で必要とされた所定圧付与手段が、実質的に不要となり、構造が簡単である。また、プッシュロッド２０を動作させる度に工具保持力をチェックするので、工具保持力が低下した場合には直ちに保守ができる。したがって、上記第１〜３の実施形態の場合に比べてさらに作業効率を向上させることができる。

なお、判定装置９５の機能をＮＣ装置１００に持たせるように構成する場合には、専用の判定装置９５を特に設けなくてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る主軸装置の正面断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る主軸装置の正面断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る主軸装置の正面断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る主軸装置の正面断面図である。 プッシュロッドの動作回数と圧力センサの出力電圧の関係を示す図である。 プリント基板穴明機における従来の主軸装置の正面断面図である。

符号の説明

１ 主軸
１ｔ テーパ面
２ コレットチャック
２ｔ テーパ面
８ ばね（付勢手段）
２０ プッシュロッド（棒状部材）
２２ ピストン（空気圧アクチュエータ）
３０ ３ポート電磁弁
３１ ３ポート電磁弁
３２ 減圧弁（所定圧付与手段）
３０Ａ，３０Ｐ，４２，９０ 空気圧供給路
７１ ドッグ
７２ センサ（測定手段）
８１ 圧電センサ（測定手段）
９５ 判定装置（判定手段）

Claims (2)

1. 軸方向の外周面の一部がテーパ面に形成され、このテーパ面に軸方向のスリットを備えるコレットチャックと、
   前記テーパ面に係合するテーパ面を備える主軸と、
   前記コレットチャックが工具を係止するように、前記コレットチャックを前記主軸に対して付勢する付勢手段と、
   前記コレットチャックを前記付勢手段に抗して押圧して、前記コレットチャックの工具の係止を解放する棒状部材と、を備える主軸装置において、
   前記棒状部材を予め定める力で付勢し得る所定圧付与手段と、
   前記所定圧付与手段の付勢により前記棒状部材を、前記付勢手段の付勢力に抗して移動して、該移動量が予め定める値を超えるか否かを測定する測定手段と、
   前記所定圧付与手段により前記棒状部材を押圧した際の前記棒状部材の移動量が予め定める値を超える場合、前記付勢手段が寿命であると判断する判定手段と、
   を備えることを特徴とする主軸装置。
2. 前記棒状部材は、空気圧アクチュエータにより移動して、前記コレットチャックを前記付勢手段に抗して解放してなり、
   前記所定圧付与手段は、前記空気圧アクチュエータの空気圧供給路に介在した減圧弁である、
   請求項１記載の主軸装置。

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