JP7486408B2 - 工作機械におけるワーククランプ用適正トルクの同定方法、ワークのクランプ方法、工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械がクランプ装置を用いてワークを自動的にクランプする段取り作業を行う際の適正トルクを同定する方法と、ワークのクランプ方法と、工作機械とに関する。

工作機械でワークの加工を行う際、ワークをテーブル等にクランプ装置を用いて固定する段取り作業が必要となる。例えば特許文献１には、ワークをクランプするクランプジグを用意し、クランプジグのクランプ／アンクランプ動作を、加工軸に取り付けたクランプツールを利用して自動的に行わせる発明が記載されている。また、特許文献２には、ワークの種類変更に伴うチャックの把握力設定を自動化及び容易化するために、各種ワークについての把握力情報を記憶したデータ処理手段を備え、特定ワークについての把握力決定要素の入力により、データ処理手段から特定把握力情報を出力し、その出力を受けてチャックの把握力を目標把握力になるように制御する制御手段とを備えた油圧チャックの制御装置の発明が記載されている。
一方、作業者の手作業による段取りも行われている。例えば粗加工から仕上げ加工までを一貫して行う場合、作業者は、粗加工時はクランプ力が大きくなるように治具固定ボルトを強く締め付け、仕上げ加工前には治具固定ボルトを緩めて、締め付けによるワークの変形を緩和して仕上げ加工の精度を確保する、といった経験や感覚に依存した段取り作業も行われている。

特開昭６２－１４８１３１号公報 特開平９－２９５２０８号公報

特許文献１，２のように機械によって設定したトルクで自動的にワークのクランプ／アンクランプを行うと、作業者が行うような経験や感覚に基づく段取り作業ごとの締付トルクの細かい設定ができない。かといって作業者に依存した段取り作業では、経験差や感覚の違いによって締付トルクがばらつき、加工精度に影響を与える問題がある。

そこで、本発明は、工作機械によって自動的に段取り作業を行う場合でも、作業者の経験や感覚を生かした段取り作業ごとの締付トルクの細かい設定が可能となり、加工精度を確保することができる工作機械におけるワーククランプ用の適正トルクの同定方法と、ワークのクランプ方法と、工作機械とを提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち、第１の発明は、締め／緩め動作によってワークをクランプ／アンクランプ可能なクランプ装置を有する工作機械において、前記工作機械に装着した締付ツールを用いて前記クランプ装置でワークを自動的にクランプする際の適正トルクを同定する方法であって、
前記クランプ装置において前記ワークを手作業による締め動作でクランプした後、前記締付ツールを用いた緩め動作で前記ワークをアンクランプし、当該アンクランプ時の第１の緩めトルクを計測する第１の緩めトルク計測ステップと、
前記第１の緩めトルク計測ステップでアンクランプした後の前記締付ツールによる緩め動作時の第１の無負荷トルクを算出する第１の無負荷トルク算出ステップと、
前記第１の緩めトルクと前記第１の無負荷トルクとの差を有効緩めトルクとして算出して記憶する有効緩めトルク算出ステップと、
前記締付ツールを用いた締め動作で前記ワークを所定の締付トルクでクランプする締付ステップと、
前記締付ツールを用いた緩め動作で前記ワークをアンクランプし、当該アンクランプ時の第２の緩めトルクを計測する第２の緩めトルク計測ステップと、
前記第２の緩めトルク計測ステップでアンクランプした後の前記締付ツールによる緩め動作時の第２の無負荷トルクを算出する第２の無負荷トルク算出ステップと、
前記第２の緩めトルクと前記第２の無負荷トルクとの差を比較緩めトルクとして算出する比較緩めトルク算出ステップと、
前記有効緩めトルクと前記比較緩めトルクとの差を算出し、そのトルク差を所定の閾値と比較するトルク差比較ステップと、
前記トルク差が前記閾値より小さい場合、前記締付ステップでの前記所定の締付トルクを前記締付ツールによる適正トルクとして同定する適正トルク同定ステップと、を実行することを特徴とする。
第１の発明の別の態様は、上記構成において、前記トルク差比較ステップで前記トルク差が前記閾値以上であった場合、前記締付ステップでの前記所定の締付トルクを他の値に変更して前記締付ステップ以降の処理を再実行することを特徴とする。
第１の発明の別の態様は、上記構成において、各前記ステップを、前記ワークを前記クランプ装置にクランプする複数の段取り作業ごとに実行し、各前記段取り作業ごとに同定した各前記適正トルクを記憶する記憶ステップをさらに実行することを特徴とする。
第１の発明の別の態様は、上記構成において、前記手作業による締め動作でクランプされた前記ワークの位置から、前記第１の緩めトルク計測ステップでアンクランプされた前記ワークの位置までの第１の変位量を計測して記憶すると共に、
前記締付ステップでクランプされた前記ワークの位置から、前記第２の緩めトルク計測ステップでアンクランプされた前記ワークの位置までの第２の変位量を計測して記憶する参照変位算出ステップをさらに実行し、
前記適正トルク同定ステップでは、前記トルク差が前記閾値より小さい場合で、且つ前記第１の変位量と前記第２の変位量との差が所定の第２の閾値より小さい場合に、前記締付ステップでの前記所定の締付トルクを前記締付ツールによる適正トルクとして同定することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明のうち、第２の発明は、ワークのクランプ方法であって、
第１の発明の何れかに記載の工作機械におけるワーククランプ用適正トルクの同定方法を実行して適正トルクを同定した後、
前記クランプ装置において前記締付ツールを用いて同じワークをクランプする段取り作業を行う際には、同定した前記適正トルクで前記締付ツールによる締め動作を行うことを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明のうち、第３の発明は、工作機械であって、
第１の発明の何れかに記載の工作機械におけるワーククランプ用適正トルクの同定方法を実行して適正トルクを同定した後、
前記クランプ装置において前記締付ツールを用いて同じワークをクランプする段取り作業を行う際には、同定した前記適正トルクで前記締付ツールによる締め動作を行うことを特徴とする。

本発明によれば、工作機械によって自動的に段取り作業を行う場合でも、作業者の経験や感覚を生かした段取り作業ごとの締付トルク（適正トルク）の細かい設定が可能となり、加工精度を確保することができる。

工作機械の説明図で、（Ａ）は平面、（Ｂ）は側面をそれぞれ示す。 有効緩めトルク演算制御のフローチャートである。 記憶装置における有効緩めトルクに係る記憶内容を示す説明図である。 適正トルク同定制御のフローチャートである。 記憶装置における適正トルクに係る記憶内容を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械１において、テーブル３に平面視円形状のワークＷを固定した状態を示す。平面視円形状のテーブル３上には、ワークＷのクランプ装置４が設けられている。クランプ装置４は、テーブル３の周方向へ等間隔に配置された４つの爪５，５・・と、各爪５をテーブル３の半径方向へ直線移動可能に案内する４つのベース６，６・・とからなる。各ベース６の径方向外側の端面には、爪送り孔７がそれぞれ形成されて、爪送り孔７にネジロッド８を差し込んで回転させることで、爪５をベース６上でねじ送り可能となっている。４つの爪５の上にワークＷをセットしてネジロッド８を締め動作すれば、各爪５がテーブル３の中心側へねじ送りされてワークＷがクランプされる。クランプ状態からネジロッド８を緩め動作すれば、各爪５がテーブル３の径方向外側へねじ送りされてワークＷがアンクランプされる。
ネジロッド８は、締付ツール９に設けられる。締付ツール９は、工作機械１の主軸２に装着されている。よって、主軸２を移動させると共に、ネジロッド８の正逆回転を制御することで、ワークＷのクランプ／アンクランプは自動的に行われる。

工作機械１の図示しない制御装置は、記憶装置に記憶された加工プログラムによる加工制御の他、作業者が手動で行った段取り作業でワークＷをクランプした後、締付ツール９でアンクランプさせて有効緩めトルクを算出する有効緩めトルク演算制御を実行する。
また、制御装置は、有効緩めトルク演算制御の実行後、締付ツール９によるワークＷのクランプとアンクランプとを行って比較緩めトルクを算出し、有効緩めトルクと比較緩めトルクとに基づいて、締付ツール９による段取り作業に適した適正トルクを同定する適正トルク同定制御を実行する。まず、有効緩めトルク演算制御について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
作業者の手作業によりクランプ装置４でワークＷをクランプする段取り作業ｉ（ｉは整数で、段取り作業の順番を特定する）が終了すると、Ｓ１で、ワークＷのポイントＰの位置を計測する（参照変位算出ステップ）。この計測は、タッチプローブを用いた接触式或いはレーザーを用いた非接触式のセンサ等を用いて行う。
次に、Ｓ２で、主軸２を移動制御して締付ツール９のネジロッド８を爪送り孔７にねじ込み、緩め動作させて爪５によるクランプを解除する。このとき、爪５をアンクランプさせるのにネジロッド８に必要となったトルク（第１の緩めトルク）を、例えば主軸モータの電流値に基づいて計測する（第１の緩めトルク計測ステップ）。

次に、Ｓ３で、アンクランプ後のポイントＰの位置を計測し、Ｓ１で計測したポイントＰの位置との差を演算して、参照変位δｉを得る（参照変位算出ステップ）。
次に、Ｓ４で、アンクランプした後のネジロッド８のトルク（第１の無負荷トルク）を算出する（第１の無負荷トルク算出ステップ）。この第１の無負荷トルクは、例えばトルクが所定値より下回った際の平均値を算出したり、アンクランプから所定時間後のトルク値としたりすればよい。
次に、Ｓ５で、Ｓ２で計測した第１の緩めトルクと、Ｓ４で算出した第１の無負荷トルクとの差を演算して、アンクランプに有効に働いている緩めトルク（有効緩めトルクＴｉ）を得る（有効緩めトルク算出ステップ）。
次に、Ｓ６で、Ｓ５で得た有効緩めトルクＴｉとＳ３で得た参照変位δｉとを記憶装置に書き込む。
これらの処理を各段取り作業ｉごとに行う。すると、記憶装置には、図３に示すように、各段取り作業１，２・・ごとに有効緩めトルクＴ１，Ｔ２・・と、参照変位δ１，δ２・・とが記憶される。

そして、有効トルク演算制御で記憶された各段取り作業ｉでの有効緩めトルクＴｉと参照変位δｉとに基づいて、締付ツール９による適正トルクが同定される。以下、この適正トルク同定制御について、図４のフローチャートに基づいて説明する。
まず、Ｓ１１で、締付ツール９を用いて爪５によるワークＷのクランプを、締付トルクＴｓｉによって実行する（締付ステップ）。
次に、Ｓ１２で、クランプ後のワークＷのポイントＰの位置を計測する（参照変位算出ステップ）。
次に、Ｓ１３で、締付ツール９を用いてワークＷをアンクランプさせ、ネジロッド８の第２の緩めトルクを計測する（第２の緩めトルク計測ステップ）。
次に、Ｓ１４で、アンクランプ後のポイントＰの位置を計測し、Ｓ１２で計測した位置との差を演算して、参照変位δｓｉを得る（参照変位算出ステップ）。
次に、Ｓ１５で、アンクランプした後のネジロッド８の第２の無負荷トルクを算出する（第２の無負荷トルク算出ステップ）。
次に、Ｓ１６で、Ｓ１３で得た第２の緩めトルクとＳ１５で得た第２の無負荷トルクとの差を演算して、比較緩めトルクＴｅｉを得る（比較緩めトルク算出ステップ）。

次に、Ｓ１７で、有効トルク演算制御で記憶された有効緩めトルクＴｉと、Ｓ１６で演算された比較緩めトルクＴｅｉとの差を演算し、そのトルク差が、予め設定された閾値Ａを下回るか否かを判別する（トルク差比較ステップ）。同時に、有効トルク演算制御で記憶された参照変位δｉと、Ｓ１４で演算された参照変位δｓｉとの差を演算し、その参照変位差が、予め設定された閾値Ｂを下回るか否かを判別する。
そして、Ｓ１７でＹＥＳ、すなわち、トルク差が閾値Ａを下回り、且つ参照変位差が閾値Ｂを下回っている場合は、Ｓ１８で、Ｓ１１の締付トルクＴｓｉを適正トルクＴｓ１に同定してＳ１４の参照変位δｓｉ（δｓ１）と共に記憶装置に書き込む（適正トルク同定ステップ及び記憶ステップ）。
一方、Ｓ１７でＮＯ、すなわち、トルク差が閾値Ａ以上或いは参照変位差が閾値Ｂ以上であった場合は、Ｓ１９で、締付トルクＴｓｉを高い値へ変更してＳ１１へ戻る。よって、Ｓ１１では、変更した締付トルクＴｓｉで再びクランプを行って以降の処理を実行し、適正トルクを同定する。
これらの処理を段取り作業ｉごとに行う。すると、記憶装置には、図５に示すように、段取り作業１，２・・ごとに同定された適正トルクＴｓ１，Ｔｓ２・・と、参照変位δｓ１，δｓ２・・とが記憶される。

上記方法で適正トルクを同定した後、工作機械１がワークＷの加工を行うに当たり、締付ツール９を用いてクランプ装置４の各爪５をねじ送りさせてワークＷをクランプする段取り作業を行う際、制御装置は、当該段取り作業に対応して記憶装置に記憶されている適正トルクとなるようにネジロッド８を締め動作させて、ワークＷのクランプを行うことになる。
よって、例えば粗加工から仕上げ加工までを一貫して行う場合、締付ツール９は、粗加工時にはクランプ力が大きくなるようにネジロッド８を強く締め付け、仕上げ加工前にはネジロッド８をやや弱く締め付けて、締め付けによるワークＷの変形を緩和して仕上げ加工の精度を確保する、といった作業者と同様の段取り作業が可能となる。

このように、上記形態のワーククランプ用適正トルクの同定方法、ワークＷのクランプ方法、工作機械１においては、クランプ装置４においてワークＷを手作業による締め動作でクランプした後、締付ツール９を用いた緩め動作でワークＷをアンクランプし、当該アンクランプ時の第１の緩めトルクを計測する第１の緩めトルク計測ステップＳ２と、
第１の緩めトルク計測ステップでアンクランプした後の締付ツール９による緩め動作時の第１の無負荷トルクを算出する第１の無負荷トルク算出ステップＳ４と、
第１の緩めトルクと第１の無負荷トルクとの差を有効緩めトルクＴｉとして算出して記憶する有効緩めトルク算出ステップＳ５と、
締付ツール９を用いた締め動作でワークＷを所定の締付トルクＴｓｉでクランプする締付ステップＳ１１と、
締付ツール９を用いた緩め動作でワークＷをアンクランプし、当該アンクランプ時の第２の緩めトルクを計測する第２の緩めトルク計測ステップＳ１３と、
第２の緩めトルク計測ステップでアンクランプした後の締付ツール９による緩め動作時の第２の無負荷トルクを算出する第２の無負荷トルク算出ステップＳ１５と、
第２の緩めトルクと第２の無負荷トルクとの差を比較緩めトルクＴｅｉとして算出する比較緩めトルク算出ステップＳ１６と、
有効緩めトルクと比較緩めトルクとの差を算出し、そのトルク差を所定の閾値Ａと比較するトルク差比較ステップＳ１７と、
トルク差が閾値Ａより小さい場合、締付ステップＳ１１での所定の締付トルクＴｓｉを締付ツール９による適正トルクとして同定する適正トルク同定ステップＳ１８と、を実行する。

この構成により、工作機械１によって自動的に段取り作業を行う場合でも、作業者の経験や感覚を生かした段取り作業ごとの締付トルク（適正トルク）の細かい設定が可能となり、加工精度を確保することができる。

特に、トルク差比較ステップＳ１７でトルク差が閾値Ａ以上であった場合、締付ステップＳ１１での所定の締付トルクＴｓｉを他の値に変更して（Ｓ１９）、締付ステップＳ１１以降の処理を再実行する。よって、リトライによって適正トルクが同定可能となる。
また、各ステップを、ワークＷをクランプ装置４にクランプする複数の段取り作業ｉごとに実行し、各段取り作業ｉごとに同定した各適正トルクを記憶する記憶ステップＳ１８をさらに実行する。よって、複数の段取り作業ｉを行う場合でも各段取り作業ｉに適した適正トルクでワークＷをクランプすることができる。

さらに、手作業による締め動作でクランプされたワークＷの位置から、第１の緩めトルク計測ステップでアンクランプされたワークＷの位置までの参照変位δｉ（第１の変位量）を計測して記憶する（Ｓ１，Ｓ３）と共に、締付ステップＳ１１でクランプされたワークＷの位置から、第２の緩めトルク計測ステップＳ１３でアンクランプされたワークＷの位置までの参照変位δｓｉ（第２の変位量）を計測して記憶する参照変位算出ステップ（Ｓ１２，Ｓ１４）をさらに実行し、適正トルク同定ステップＳ１８では、トルク差が閾値Ａより小さい場合で、且つ参照変位差（第１の変位量と第２の変位量との差）が所定の閾値Ｂ（第２の閾値）より小さい場合に、締付ステップＳ１１での所定の締付トルクを締付ツール９による適正トルクとして同定する。
よって、トルク差が適正であっても参照変位差が大きいと適正トルクが同定されないため、クランプ／アンクランプ時のワークＷの変位も考慮した適正トルクの同定が可能となり、加工精度の向上に繋がる。

なお、上記形態では、トルク差比較ステップでトルク差と閾値Ａとの比較と共に、参照変位差と閾値Ｂとの比較も行っているが、参照変位差と閾値Ｂとの比較を省略して、トルク差と閾値Ａとの比較のみを行ってもよい。
クランプ装置の構造も上記形態に限らない。締め／緩め動作によってワークをクランプ／アンクランプ可能なクランプ装置であれば、爪の数や形状等は適宜変更可能である。テーブルの形状も変更して差し支えない。クランプ装置の設置対象はテーブルに限らない。
締付ツールの形態も上記形態に限定されない。

１・・工作機械、２・・主軸、３・・テーブル、４・・クランプ装置、５・・爪、６・・ベース、７・・爪送り孔、８・・ネジロッド、９・・締付ツール。

Claims (6)

1. 締め／緩め動作によってワークをクランプ／アンクランプ可能なクランプ装置を有する工作機械において、前記工作機械に装着した締付ツールを用いて前記クランプ装置でワークを自動的にクランプする際の適正トルクを同定する方法であって、
   前記クランプ装置において前記ワークを手作業による締め動作でクランプした後、前記締付ツールを用いた緩め動作で前記ワークをアンクランプし、当該アンクランプ時の第１の緩めトルクを計測する第１の緩めトルク計測ステップと、
   前記第１の緩めトルク計測ステップでアンクランプした後の前記締付ツールによる緩め動作時の第１の無負荷トルクを算出する第１の無負荷トルク算出ステップと、
   前記第１の緩めトルクと前記第１の無負荷トルクとの差を有効緩めトルクとして算出して記憶する有効緩めトルク算出ステップと、
   前記締付ツールを用いた締め動作で前記ワークを所定の締付トルクでクランプする締付ステップと、
   前記締付ツールを用いた緩め動作で前記ワークをアンクランプし、当該アンクランプ時の第２の緩めトルクを計測する第２の緩めトルク計測ステップと、
   前記第２の緩めトルク計測ステップでアンクランプした後の前記締付ツールによる緩め動作時の第２の無負荷トルクを算出する第２の無負荷トルク算出ステップと、
   前記第２の緩めトルクと前記第２の無負荷トルクとの差を比較緩めトルクとして算出する比較緩めトルク算出ステップと、
   前記有効緩めトルクと前記比較緩めトルクとの差を算出し、そのトルク差を所定の閾値と比較するトルク差比較ステップと、
   前記トルク差が前記閾値より小さい場合、前記締付ステップでの前記所定の締付トルクを前記締付ツールによる適正トルクとして同定する適正トルク同定ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械におけるワーククランプ用適正トルクの同定方法。
2. 前記トルク差比較ステップで前記トルク差が前記閾値以上であった場合、前記締付ステップでの前記所定の締付トルクを他の値に変更して前記締付ステップ以降の処理を再実行することを特徴とする請求項１に記載の工作機械におけるワーククランプ用適正トルクの同定方法。
3. 各前記ステップを、前記ワークを前記クランプ装置にクランプする複数の段取り作業ごとに実行し、各前記段取り作業ごとに同定した各前記適正トルクを記憶する記憶ステップをさらに実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械におけるワーククランプ用適正トルクの同定方法。
4. 前記手作業による締め動作でクランプされた前記ワークの位置から、前記第１の緩めトルク計測ステップでアンクランプされた前記ワークの位置までの第１の変位量を計測して記憶すると共に、
   前記締付ステップでクランプされた前記ワークの位置から、前記第２の緩めトルク計測ステップでアンクランプされた前記ワークの位置までの第２の変位量を計測して記憶する参照変位算出ステップをさらに実行し、
   前記適正トルク同定ステップでは、前記トルク差が前記閾値より小さい場合で、且つ前記第１の変位量と前記第２の変位量との差が所定の第２の閾値より小さい場合に、前記締付ステップでの前記所定の締付トルクを前記締付ツールによる適正トルクとして同定することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械におけるワーククランプ用適正トルクの同定方法。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の工作機械におけるワーククランプ用適正トルクの同定方法を実行して適正トルクを同定した後、
   前記クランプ装置において前記締付ツールを用いて同じワークをクランプする段取り作業を行う際には、同定した前記適正トルクで前記締付ツールによる締め動作を行うことを特徴とするワークのクランプ方法。
6. 請求項１乃至４の何れかに記載の工作機械におけるワーククランプ用適正トルクの同定方法を実行して適正トルクを同定した後、
   前記クランプ装置において前記締付ツールを用いて同じワークをクランプする段取り作業を行う際には、同定した前記適正トルクで前記締付ツールによる締め動作を行うことを特徴とする工作機械。

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