JP7357349B2 - 回転支持装置、工作機械、および工具状態監視方法 - Google Patents

Description

本明細書は、回転支持装置、工作機械、および工具状態監視方法に関する。

回転支持装置は、たとえばマシニングセンタなどの工作機械に搭載され、加工対象物であるワークを保持する。一般的な回転支持装置は、動力源、ウォームギヤ等の動力伝達機構、ワークを保持するテーブル（ワーク保持部）、および、ワーク加工時にテーブルの位置を固定するブレーキ等を備える。テーブルの回転時には、負荷を小さくするためにブレーキを解除した後にテーブルを回転させる。ワークを位置決めした後、ブレーキを作動させることによってテーブルおよびワークの位置が固定される。この状態でワークに対して切削、研削や穴開けなどの各種加工が行なわれる。

特開平０８－３２３５８４号公報

冒頭で述べたようなウォームギアとブレーキ機構とを採用した場合、ワークを位置決めして加工するという一連の動作中にブレーキのＯＮ／ＯＦＦ動作が行われるため、加工に要する時間が長くなる。ワークを載置しているテーブル（ワーク保持部）をブレーキによって固定した状態では、停止しているワークに対して工具が移動しながら加工が行われる。この場合、ブレーキによりテーブルが固定されているため、ワークを回転させながらワークに切削加工等を施すことはできない。また、ブレーキを解除してワークを回転させながらワークに切削加工等を施すこともできるが、ウォームギアの場合にはバックラッシによる位置ずれの影響が少なくないため、ワークを高い位置精度で保持したり移動させたりすることが難しく（特に、回転方向が逆転する際にバックラッシが発生しやすい）、ワークを高精度に加工するという点でウォームギアには改善の余地が存在している。

また、サーボ制御時の負荷電流を監視し、負荷電流に基づき所定の演算を行ない（たとえば、工具摩耗の進行度合いを推定し）、演算結果に応じた所定の処理を実施することができる（上記の特許文献１参照）。しかし、冒頭で述べたようなウォームギアとブレーキ機構とを採用した場合、テーブル（ワーク保持部）およびワークの位置決めされた状態をブレーキによって保持することが可能になるが、ブレーキによって固定されたテーブルに対してサーボ制御を実施することはできなくなり、サーボ制御時の負荷電流に関する情報を取得するといったこともできなくなる。

本明細書は、ワーク保持部をサーボ制御によって目標とする位置に回転させるための電流を、ブレーキを備えないことにより取得可能とする構成を備えた回転支持装置を開示することを目的の１つとする。

本明細書に基づく回転支持装置は、サーボモータと、外周にカム面が形成され、上記サーボモータにより回転駆動される入力軸と、上記カム面に係合する複数のカムフォロアが周方向に並んで設けられ、上記入力軸の回転動力が上記カム面および複数の上記カムフォロアを介して伝達されて上記入力軸よりも低い回転数で回転する出力軸と、上記出力軸に接続され、ワークを保持し、上記出力軸と共に回転可能なワーク保持部と、上記ワークへの加工によって上記ワーク保持部が回転方向の外力を受けている状態で、上記ワーク保持部を回転方向において目標とする位置に回転させるための電流を上記サーボモータに供給する制御部と、上記ワークの加工時の上記電流に関する値を取得して所定の演算を行う演算部と、を備える。

上記回転支持装置においては、上記制御部は、上記ワークへの加工によって上記ワーク保持部が回転方向の外力を受けている状態で上記ワーク保持部が回転方向における一定の位置に近づくように、上記電流を上記サーボモータに供給してもよい。

上記回転支持装置においては、上記演算部は、予め記憶している値と上記ワークの加工時の上記電流とを比較し、比較結果を、上記ワークを加工している工具の状態に関する情報として出力してもよい。

本明細書に基づく工作機械は、ワークを加工するための工具と、本明細書に基づく上記の回転支持装置と、を備える。

本明細書に基づく工具状態監視方法は、ワーク保持部に保持されたワークを加工する工具の状態を監視する、工具状態監視方法であって、上記ワーク保持部は、出力軸と共に回転可能であり、上記出力軸においては、サーボモータにより回転駆動される入力軸の外周に形成されたカム面に係合する複数のカムフォロアが周方向に並んで設けられており、上記出力軸は、上記入力軸の回転動力が上記カム面および複数の上記カムフォロアを介して伝達されて上記入力軸よりも低い回転数で回転するものであり、上記ワークへの加工によって上記ワーク保持部が回転方向の外力を受けている状態で、上記ワーク保持部を回転方向において目標とする位置に回転させるための電流が上記サーボモータに供給され、上記工具状態監視方法は、所定の値と上記ワークの加工時の上記電流とを比較し、比較結果を、上記工具の状態に関する情報として出力する工程を備える。

上記手段によれば、ワーク保持部をサーボ制御によって目標とする位置に回転させるための電流を、ブレーキを備えないことにより取得可能とする構成を備えた回転支持装置を得ることができる。

マシニングセンタ１（工作機械）の構成を示す図である。 回転支持装置１０、主軸４および工具６を示す図である。 インデックステーブル２０の内部構造を示す図である。 回転支持装置１０の機能ブロックを示す図である。 ワーク保持部４０の取付部４１が重力方向における下方に配置されている状態を示す図である。 ワーク保持部４０が図５に示す状態から時計回り方向に９０°回転した状態を示す図である。 加工時のＡ軸周りのトルクの時間的変化を表すグラフである。

発明を実施するための形態について、以下、図面を参照しながら説明する。以下の説明において同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

（マシニングセンタ１）
図１は、マシニングセンタ１（工作機械）の構成を示す図である。マシニングセンタ１は、本体部２、表示部３、主軸４、マガジン５、工具６および回転支持装置１０を含む。回転支持装置１０は、インデクサ装置とも呼称できるものであり、ワークＷ（加工対象物）を支持する。主軸４は、工具６や、マガジン５に保持された不図示の工具を保持可能である。工具６は、回転支持装置１０に支持されたワークＷに切削加工などを施す。

（回転支持装置１０）
図２は、回転支持装置１０、主軸４および工具６を示す図である。回転支持装置１０は、インデックステーブル２０、サポートテーブル３０、および、ワーク保持部４０を含む。インデックステーブル２０およびサポートテーブル３０はベース１２上に設けられる。ワーク保持部４０は、インデックステーブル２０とサポートテーブル３０との間に配置され、これらのテーブルによってＡ軸周りに回転可能に支持される。

ワーク保持部４０に、ワークＷが固定される。ワーク保持部４０は、取付部４１およびアーム４２，４３を含み、全体として略ゆりかご状の形状を有している。取付部４１に、ワークＷが固定される。アーム４２は、取付部４１から見てインデックステーブル２０の側に設けられる。アーム４３は、取付部４１から見てサポートテーブル３０の側に設けられる。インデックステーブル２０によって回転させられるアーム４２の回転中心軸Ａと、サポートテーブル３０によって保持されるアーム４３の回転中心軸Ａとは、略同一直線上に位置する。

ワークＷは、取付部４１に設けられた複数のクランプ装置４４，４５により取付部４１に固定される。クランプ装置４４，４５には、インデックステーブル２０およびサポートテーブル３０の各々に設けられたロータリジョイントを介して油圧が供給され、油圧によってクランプ装置４４，４５はワークＷを取付部４１に固定する。ワーク保持部４０が回転されることで、ワークＷはワーク保持部４０を介してインデックステーブル２０およびサポートテーブル３０によってＡ軸周りに回転可能に支持されることになる。

（インデックステーブル２０）
図３は、インデックステーブル２０の内部構造を示す図である。図４は、インデックステーブル２０を含む、回転支持装置１０の機能ブロックを示す図である。図２～図４に示すように、インデックステーブル２０は、サーボモータ２１、位置検出器２２、歯車２３，２４、入力軸２５、出力軸２７およびロータリジョイント２９などを備える。

インデックステーブル２０は、軸受けによって、ワーク保持部４０（アーム４２）をＡ軸周りに回転可能に支持する。サポートテーブル３０にもこれらと同様なロータリジョイントおよび軸受けが設けられており、ワーク保持部４０（アーム４３）をＡ軸周りに回転可能に支持する。

より具体的には、サーボモータ２１からの動力は歯車２３，２４を介して入力軸２５に伝達される。歯車２４は歯車２３よりも低い回転数で入力軸２５と一体的に回転する。入力軸２５は、歯車２３，２４を介してサーボモータ２１によって間接的に回転駆動される。入力軸２５の外面には螺旋状に延在するカム面２６が形成されている。

出力軸２７にはカム面２６に係合する複数のカムフォロア２８が周方向に並んで設けられている。入力軸２５の回転動力がカム面２６および複数のカムフォロア２８を介して出力軸２７に伝達されて、出力軸２７は入力軸２５よりも低い回転数でワーク保持部４０（アーム４２）と一体的に回転する。歯車２３，２４により１つの減速機構が構成され、入力軸２５と出力軸２７とにより別の１つの減速機構が構成される。サーボモータ２１からのトルクはこれらの減速機構によって増大されて出力軸２７およびワーク保持部４０に伝達され、ワーク保持部４０は出力軸２７と共に回転する。

サーボモータ２１の動力が出力軸２７に伝達される際、複数のうちのいくつかのカムフォロア２８がカム面２６に接触している。たとえば、これらいくつかのカムフォロア２８のうち、周方向において一端側に位置するカムフォロア２８と、周方向において他端側に位置するカムフォロア２８とは、矢印ＡＲ１，ＡＲ２（図３）に示すように、カム面２６を押圧する。カム面２６は複数（ここでは２つ）のカムフォロア２８からの予圧を受け、これによって、入力軸２５と出力軸２７との間にガタが生じることや、バックラッシなどが生じることが抑制されている。

インデックステーブル２０には摩擦ブレーキ等の、アーム４２の回転を止めるためのブレーキ手段が設けられていない。インデックステーブル２０として、摩擦ブレーキを用いずにサーボモータ２１のみでワーク保持部４０を回転支持することが可能なローラギア型のインデックステーブルを用いることにより、ブレーキ時間を削減して生産性の向上にも寄与し得る。

複数のカムフォロア２８の各々は回転可能に設けられており、回転しながら入力軸２５からの動力を出力軸２７に伝達する。これによりカム面２６と複数のカムフォロア２８との間の摩擦が低減されている。カム面２６と複数のカムフォロア２８とを含むローラカム機構は、入力軸２５からの動力を高精度に出力軸２７に伝達することができ、ワーク保持部４０の位置決めを高精度に行なうことができる。

図４に示すように、回転支持装置１０は、制御部５０、演算部５１およびアンプ５２を機能ブロックとして備える。制御部５０にアンプ５２が接続されており、アンプ５２は、動力ケーブルおよび信号ケーブルを介してサーボモータ２１および位置検出器２２にそれぞれ接続されている。制御部５０は、アンプ５２を通して、サーボモータ２１の電流値や位置検出器２２からの位置情報を採取できる。制御部５０および演算部５１は、サーボモータ２１の採取した電流値から、モータトルク値や外部負荷データ、位置や速度情報を演算する。演算部５１は、制御部５０から出力されて受け取ったモータトルク値などの情報を演算または比較し、所定の処理を行う。

たとえば制御部５０は、ワークＷへの加工によってワーク保持部４０が回転方向の外力を受けている状態で、ワーク保持部４０を回転方向において目標とする位置に回転させるための電流をサーボモータ２１に供給する。たとえば、ワーク保持部４０が回転方向における一定の位置に近づく（停止する）ようにサーボ制御が行われ、これによって必要な電流がサーボモータ２１に供給される。より具体的には、たとえばある所定の停止位置からずれないように制御部５０およびサーボモータ２１がワーク保持部４０に対する位置制御または姿勢制御を行なう。位置検出器２２などからの信号と制御部５０が有している目標値とが比較され、これらの間にずれが生じていると判断された場合に、停止位置（目標位置）に戻そうとするための指令が制御部５０（サーボドライバ等）から電流値としてサーボモータ２１に供給され、トルクが発生する。停止した位置からずれて初めて負荷としてのトルクが発生することになる。制御部５０に接続されたアンプ５３、主軸４（送り軸）用のサーボモータ５４、および位置検出器５５においても、適宜同様な処理が行われる。

ワーク保持部４０が回転方向における一定の位置に近づくように（換言すると、一定の位置で実質的に停止した状態を保持する）ようにサーボ制御している状態でワークＷに加工を施す際には、カムフォロア２８とカム面２６との間にガタがほとんど発生しないため、ワーク保持部４０に不要な微細な変位が生じることを抑制することができ、ワーク保持部４０の回転方向における位置が目標位置からずれることを抑制することができる。ワーク保持部４０を連続してＡ軸周りに回転させながら（ワークＷを送りながら）ワークＷを加工する場合においても、カムフォロア２８とカム面２６との間にガタがほとんど発生しないため、ワーク保持部４０の回転方向における移動が目標の移動経路からずれることを抑制できる。

図５に示すように、ワーク保持部４０の取付部４１が重力方向における下方に配置されている状態では、回転中心軸Ａの水平方向における位置と、ワーク保持部４０の水平方向における重心位置とは略一致している。ワーク保持部４０は安定した姿勢を形成しているといえる。

一方で必要に応じて、図６に示すように、ワーク保持部４０が図５に示す状態から時計回り方向に９０°回転する。この状態では、回転中心軸Ａの位置と、ワーク保持部４０の重心位置とは、水平方向において互いにずれており、回転中心軸Ａの周りにはワーク保持部４０を回転させようとするモーメントが作用している。

上述のローラギア機構を備えた回転支持装置１０によれば、ワーク保持部４０の回転位置を保持するための摩擦ブレーキ機構を備えていなくても、サーボ制御のみでこのモーメントに対して十分に対抗することが可能であり、たとえばワーク保持部４０が回転方向における一定の位置または所定の加工経路に近づくようにサーボ制御している状態でワークＷに容易に加工を施すことが可能である。

（演算部５１）
図４を再び参照して、本実施の形態においては、演算部５１が、ワークＷの加工時の電流に関する値を取得して所定の演算を行う。たとえば、工具６がワークＷを加工していることによって、ワーク保持部４０がＡ軸周りの回転方向の外力を受ける。制御部５０は、ワーク保持部４０が当該外力を受けている状態で、ワーク保持部４０がＡ軸周りの回転方向における一定の位置または所定の加工経路に近づくように、必要な電流をサーボモータ２１に供給する。演算部５１は、サーボモータ２１に供給される電流に関する値を取得する。

図７に示すように、サーボモータ２１に供給される電流に関する値を、Ａ軸周りのトルクに換算して時間軸との関係を測定したとすると、その結果は図７に示すグラフのように表される。工具６によって切削加工が実施されるたびに、Ａ軸周りに発生するトルクが瞬間的に増大していることがわかる。図７には、摩耗が発生した工具６（摩耗ありの工具）を用いる場合のトルクの時間的変化を点線（破線）で記載し、摩耗が発生していない工具６（摩耗なしの工具）を用いる場合のトルクの時間的変化を実線（連続線）で記載している。

図７から読み取れるように、摩耗ありの工具６を用いる場合の方が、摩耗なしの工具６を用いる場合に比べて、Ａ軸周りに発生するトルクが大きくなる。たとえばワークＷの加工時において、ワーク保持部４０の姿勢制御のためにサーボモータ２１に供給される電流を監視することによって、たとえばその電流値が所定範囲から外れた場合には、摩耗の進行度が閾値を超えたと推定することが可能である。

加工時において、ワーク保持部４０がＡ軸周りの回転方向における一定の位置に近づく（同一の位置を保つ）ようにサーボモータ２１に供給される電流を第１の電流とする。加工時において、ワーク保持部４０のＡ軸周りの回転方向における移動が目標の移動経路になるように（ワークＷが所定経路に沿って送られるように）サーボモータ２１に供給される電流を第２の電流とする。この場合、ワークＷの送り動作に必要となる第２の電流に比べて、ワークＷを定位置に保持させるのに必要となる第１の電流は十分に小さい。

加工時においてワークＷの送り動作に必要となる第２の電流も、摩耗の影響により増大するため、その増大量（通常値からの変化度）に基づいて工具６の摩耗状態などを推定してもよい。一方、加工時において、ワーク保持部４０がＡ軸周りの回転方向における一定の位置に近づく（同一の位置を保つ）ようにサーボモータ２１に供給される第１の電流を監視することによって、摩耗の進行度を高い精度で推定することができ、たとえば摩耗の進行度が閾値を超えたことをもってユーザーに交換を促すといったことも高い精度で実施することが可能である。演算部５１は、このような監視動作に限られず、予め記憶している値とワークＷの加工時の上記電流とを比較し、比較結果を、ワークＷを加工している工具の状態に関する任意の情報（たとえば経済性切削条件を判断または決定、考案するための情報）として出力してよい。

なお上述の実施の形態は、いわゆるローラギア機構に着目して説明を行ったが、上述の実施の形態の記載は、本明細書による発明の開示範囲からウォームギアの利用を積極的に排除することを意図していない。たとえば、摩擦ブレーキが設けられいなくてもガタやバックラッシュが発生しない（またはほとんど発生しない）機構がローラギア以外の手段で実現可能であれば、そのような構成に上記思想を適用することが可能である。装置大型化などが必要となる可能性があるが、ウォームギアやいわゆるＤＤ（ダイレクトドライブ）モータの構造にも、上記のようなブレーキレス構成でサーボ制御に必要な電流値を監視するという思想はなじみやすいものである。

また、上述の実施の形態では、カム面２６に係合する複数のカムフォロア２８が、出力軸２７の外周において周方向に並んで設けられている。複数のカムフォロア２８が設けられている周方向における範囲は、図面上では３６０°（全周）にわたっているが、複数のカムフォロア２８が設けられている周方向における範囲は、９０°や１８０°など、出力軸２７の外周における一部分であってもよい。

また、上述の実施の形態では、複数のカムフォロア２８は出力軸２７の回転半径方向に沿って放射状に延びるように設けられている。複数のカムフォロア２８の回転中心軸は、出力軸２７の回転中心軸に対して直交する方向に延びている。このような構成に限られず、複数のカムフォロア２８は、出力軸２７における他の位置に設けられてもよい。たとえば（特開２００８－０４５６６２号公報）に開示されているような、バレルカム形式を構成するように、複数のカムフォロア２８が出力軸２７に設けられていてもよい。この場合、複数のカムフォロア２８の回転中心軸は、出力軸２７の回転中心軸に対して平行に延びる。また、同公報に開示されているような、ローラギア形式とバレルカム形式との間の形式を構成するように、複数のカムフォロア２８が出力軸２７に設けられていてもよい。この場合、複数のカムフォロア２８の回転中心軸は、出力軸２７の回転中心軸に対して、たとえば約４５°の角度で交差するように延びる。４５°に限られず、４５°以外の任意の傾斜角度を取り得るものである。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ マシニングセンタ、２ 本体部、３ 表示部、４ 主軸、５ マガジン、６ 工具、１０ 回転支持装置、１２ ベース、２０ インデックステーブル、２１，５４ サーボモータ、２２，５５ 位置検出器、２３，２４ 歯車、２５ 入力軸、２６ カム面、２７ 出力軸、２８ カムフォロア、２９ ロータリジョイント、３０ サポートテーブル、４０ ワーク保持部、４１ 取付部、４２，４３ アーム、４４，４５ クランプ装置、５０ 制御部、５１ 演算部、５２，５３ アンプ、Ａ 回転中心軸、ＡＲ１，ＡＲ２ 矢印、Ｗ ワーク。

Claims (4)

1. サーボモータと、
   外周にカム面が形成され、前記サーボモータにより回転駆動される入力軸と、
   前記カム面に係合する複数のカムフォロアが周方向に並んで設けられ、前記入力軸の回転動力が前記カム面および複数の前記カムフォロアを介して伝達されて前記入力軸よりも低い回転数で回転する出力軸と、
   前記出力軸に接続され、ワークを保持し、前記出力軸と共に回転可能なワーク保持部と、
   前記ワークへの加工によって前記ワーク保持部が回転方向の外力を受けている状態で、前記ワーク保持部を回転方向において目標とする位置に回転させるための電流を前記サーボモータに供給する制御部と、
   前記ワークの加工時の前記電流に関する値を取得して所定の演算を行う演算部と、を備え、
   前記演算部は、予め記憶している値と前記ワークの加工時の前記電流とを比較し、比較結果を、前記ワークを加工している工具の状態に関する情報として出力する、
   回転支持装置。
2. 前記制御部は、前記ワークへの加工によって前記ワーク保持部が回転方向の外力を受けている状態で前記ワーク保持部が回転方向における一定の位置に近づくように、前記電流を前記サーボモータに供給する、
   請求項１に記載の回転支持装置。
3. ワークを加工するための工具と、
   請求項１または２に記載の回転支持装置と、を備える、
   工作機械。
4. ワーク保持部に保持されたワークを加工する工具の状態を監視する、工具状態監視方法であって、
   前記ワーク保持部は、出力軸と共に回転可能であり、前記出力軸においては、サーボモータにより回転駆動される入力軸の外周に形成されたカム面に係合する複数のカムフォロアが周方向に並んで設けられており、前記出力軸は、前記入力軸の回転動力が前記カム面および複数の前記カムフォロアを介して伝達されて前記入力軸よりも低い回転数で回転するものであり、
   前記ワークへの加工によって前記ワーク保持部が回転方向の外力を受けている状態で、前記ワーク保持部を回転方向において目標とする位置に回転させるための電流が前記サーボモータに供給され、
   前記工具状態監視方法は、所定の値と前記ワークの加工時の前記電流とを比較し、比較結果を、前記工具の状態に関する情報として出力する工程を備える、
   工具状態監視方法。

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