JPH05138481A

JPH05138481A - 軸力検出手段付き直線案内装置

Info

Publication number: JPH05138481A
Application number: JP32701791A
Authority: JP
Inventors: Yotaro Hatamura; 村洋太郎畑
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-11-15
Filing date: 1991-11-15
Publication date: 1993-06-01

Abstract

(57)【要約】【目的】工作機械等に実際に加わる力、特に軸方向の
力を高精度に検出し得る軸力検出手段付き直線案内装置
を提供する。【構成】送りねじ軸１と、送りねじ軸１の軸受５１，
６１と、送りねじ軸１に螺合され送りねじ軸１の回転に
よって直線運動するナット３と、ナット３に取付けられ
る被送り部材４と、から成る直線案内装置において、当
該直線案内装置の軸力作用部Ｔに軸力検出手段１０を設
けたことを特徴とする。軸力検出手段１０が、軸方向に
弾性変形可能な弾性部材１１と、弾性部材１１の軸方向
荷重に応じて変化する変位または歪みを電気信号に変換
して検出する変位または歪み検出手段１２と、を具備し
てなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば工作機械の送
りねじ等に用いられる直線案内装置に関し、特に軸力検
出手段付きの直線案内装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体技術に代表されるように微
細加工の高精度化の要求が高まっている。ＮＣ（数値制
御）が開発されて以来、位置制御により加工精度は飛躍
的に向上した。このような位置制御を高精度にするため
に、従来は工作機械の剛性を上げることに力がそそがれ
てきた。

【０００３】たとえば、工作機械の直線案内装置に用い
られるボールねじにあっては、ナットとねじ軸間に介在
されるボールに適切な予圧を付与してその剛性を高め、
軸方向隙間をゼロにし、軸方向荷重に対する弾性変形量
を小さくして位置決め精度を向上させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし工作機械の剛性
を高めるといってもおのずと限界があり、近年の微細加
工に要求される加工精度を得るのが困難になってきてい
る。

【０００５】一方、機械加工においては、力を測って機
械，工具，ワークの変形量等を知り、それによってワー
クの加工精度のみならず、ツールの形状変化や異常検
出、外乱への対処、さらには過大な力がワークあるいは
ツールにかかることの回避、加工能率等を考慮すること
も必要になる。力をモニタすると加工の状態を的確に把
握できる。

【０００６】自動化の技術が進んだ今日では、工作機械
や加工システムの無人化や省力化はかなり進んでいるも
のの、２４時間完全無人化運転を実際に行っているシス
テムはなかなか見当たらない。

【０００７】その原因は、実際の加工での予期せぬ工具
の折損、あるいは周囲環境の変化により設定した条件と
は異なったことが起きた時に、それを検出する有効な手
段がないために対処できないからである。また、熟練加
工者が、経験から加工時のワークに与えている力を判断
し、微妙に調整して、安全にそして精密に加工する技術
が現行の工作機械に用いられる直線案内装置には欠落し
ているためである。

【０００８】そこで、従来の位置制御に欠けていた加工
の重要な要素である力を検出し、力情報をフィードバッ
クして工作機械を制御する必要性が生じてきており、高
精度に軸力を検出する軸力検出センサを組み合わせた直
線案内装置の開発が要請されている。

【０００９】本発明は上記した従来技術の課題を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、工
作機械に実際に加わる力、特に軸方向の力を高精度に検
出して軸力の情報をモニタし得る軸力検出手段付きの直
線案内装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明にあっては、送りねじ軸と、送りねじ軸の軸
受と、送りねじ軸に螺合され送りねじ軸の回転によって
直線運動するナットと、ナットに取付けられる被送り部
材と、から成る直線案内装置において、当該直線案内装
置の軸力作用部に軸力検出手段を設けたことを特徴とす
る。

【００１１】また、軸力検出手段は、軸方向に弾性変形
可能な弾性部材と、該弾性部材の軸方向荷重に応じて変
化する変位または歪みを電気信号に変換して検出する変
位または歪み検出手段と、を具備してなることを特徴と
する。

【００１２】軸力検出手段は、ナットと被送り部材との
間に設けてもよいし、ナットを二つのナット本体とナッ
ト本体の間に介在される予圧付与用の間座とから構成
し、該間座に軸力検出手段を設けるようにしてもよい
し、また送りねじ軸に設けてもよいし、さらに、送りね
じ軸の軸受部位に設けてもよい。

【００１３】弾性部材は、軸方向に弾性変形可能でかつ
回転方向に剛な構造とすることが好適であり、また、軸
方向に変位可能な薄肉部を備えていることが好ましい。

【００１４】そして、薄肉部に歪みゲージを貼着するこ
とが好適である。

【００１５】

【作用】上記構成の軸力検出手段付き直線案内装置にあ
っては、ナットと被送り部材間等の直線案内装置の軸力
作用部に設けた軸力検出手段によって、直線案内装置に
実際に作用している軸力の変化を直接検出することがで
きる。

【００１６】また、軸力の変化に応じて弾性変形する弾
性部材の変位または歪みを検出することによって、軸力
を精密に検出することができる。

【００１７】さらに、弾性部材を軸方向に弾性変形可能
でかつ回転方向の剛な構造としておくことによって、弾
性部材を回り止めとして機能させることができる。

【００１８】薄肉部に歪みゲージを貼着する構成とする
ことにより、軸力をより感度よく検出することができ
る。

【００１９】

【実施例】以下に本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。

【００２０】図１，図２，図３，図４，図５は、それぞ
れ本発明の第１，第２，第３，第４実施例に係る軸力検
出センサ付き直線案内装置の概念的な構成を示してい
る。

【００２１】これら第１，第２，第３，第４実施例は、
いずれも直線案内装置の基本的な構成が同一である。す
なわち、送りねじ軸１と、この送りねじ軸１に多数のボ
ール２を介して装着されるナット３と、このナット３に
取り付けられる被送り部材としての可動テーブル４と、
を備えている。送りねじ軸１の両端は第１，第２軸受台
５，６に軸受としてのサポートベアリング５１，６１を
介して回転自在にかつ軸方向に固定状態に支持されてお
り、送りねじ軸１の一端、この実施例では第２軸受部６
側の端部が、継ぎ手部７を介してモータ８が作動連結さ
れている。

【００２２】そして、この直線案内装置の軸力作用部Ｔ
に軸力検出手段１０が設けられている。軸力は、可動テ
ーブル４からナット３を介して送りねじ軸に１に伝達さ
れ、送りねじ軸１を支持する左右のサポートベアリング
５１，６１を介して第１，第２軸受台５，６に伝達され
る。この軸力が作用する軸力作用部Ｔの適宜箇所に軸力
検出手段が設けられる。

【００２３】図１の第１実施例では、軸力検出手段１０
がナット３と可動テーブル４の間に介在されている。

【００２４】また、図２の第２実施例では、ナット３が
二つのナット本体３１，３２と、ナット本体３１，３２
の間に介在される予圧付与用の間座３３とから構成し、
この間座３３に軸力検出手段１０を設けたものである。

【００２５】図３に示す第３実施例では、軸力検出手段
１０を、送りねじ軸１自体に設けたものである。

【００２６】さらに、図４および図５に示す第４実施例
では、軸力検出手段１０を送りねじ軸３の左右のサポー
トベアリング部５１，６１に設けたもので、図５は、第
１軸受部５のサポートベアリング部５１に、図４は第２
サポートベアリング６１に設けたものである。

【００２７】そして、上記第１，第２，第３及び第４実
施例共に、各軸力検出手段１０により検出された電気信
号は、ストレインアンプ１０１によって増幅され、さら
にＡ／Ｄ変換器１０２によってディジタル信号に変換さ
れ、軸力情報としてコントロール部１０３で処理判断さ
れる。そして、コントロール部１０３にコンピュータ等
を用いて軸力情報を記憶し、加工に関する経験的知識を
活用することで、加工状態をモデル化できると共に、予
測，予知が可能になり、補正をかけることが可能とな
る。

【００２８】すなわち、送りねじ軸１の軸方向の力を検
出することにより、ツールの形状変化と異常検出及びワ
ークの形状認識、さらに予め設定した値以上の力がワー
クやツールにかかった時の対処が可能となる。たとえば
マシニングセンタのＺ軸に、この軸力検出手段付きの直
線案内装置を使った場合、ドリル等にかかる加工反力を
検出することによりドリルの折損防止が可能になる。

【００２９】また、ワークに与える力を情報とすること
により、加工力によるワークの変形のモデル化が可能に
なる。

【００３０】図６は、軸力検出手段の基本的な構成を示
す模式図である。すなわち、この軸力検出手段１０は、
軸方向に弾性変形可能な弾性部材１１と、この弾性部材
１１の軸方向変位または歪みを電気信号に変換して検出
する検出手段１２と、を具備しており、弾性部材１１は
互いに同軸的に配置される固定環１３と可動環１４の間
に介在され、固定環１３と可動環１４を連結するように
なっている。そして、軸力の変化に応じて弾性部材１１
が弾性変形し、この弾性部材１１の歪みや変位が検出手
段１２によって電気信号に変換されて軸力が検出され
る。

【００３１】図７(a) 〜(e) には、上記軸力検出手段１
０の検出手段１２の各種変形例が示されている。

【００３２】図７(a) に示すものは、検出手段として歪
みゲージ等の抵抗式センサ１２ａを用いて弾性部材１１
の歪みを検出するようにしたものである。

【００３３】図７(b) に示すものは、検出手段として圧
電素子や電歪素子等を用いて変位を電圧変化として検出
する電圧式センサ１２ｂを用いて弾性部材１１の変位を
検出するようにしたものである。

【００３４】図７(c) に示すものは、検出手段として差
動トランスやうず電流センサ等の電磁誘導式センサ１２
ｃを利用して弾性部材１１の変位を検出するようにした
ものである。

【００３５】図７(d) に示すものは、検出手段として静
電容量式ギャップセンサ１２ｄを用い弾性部材１１の変
位を電気容量に変換して検出するようにしたものであ
る。

【００３６】図７(e) に示すものは、検出手段として光
り干渉方式の光ファイバ式センサ１２ｅを利用して弾性
部材１１の変位を検出するようにしたものである。

【００３７】この他、図示例のものに限られず、弾性部
材１１の変位を検出するための各種センサを用いること
ができる。

【００３８】図８には、本発明の軸力検出手段１０の弾
性部材１１の各種変形例を示している。

【００３９】図８(a) に示す例では、弾性部材１１Ａは
軸方向に対して直交する環状平板形状の薄肉部によって
構成されう板ばねであり、形状的に軸方向に弾性変形可
能で回転方向に剛な構造となっている。そして、変位検
出手段としては抵抗式センサ１２ａが用いられ、この抵
抗式センサ１２ａはもっとも歪みの大きい固定環１３あ
るいは可動環１４との接合部近傍に貼着されている。

【００４０】図８(b) 〜(f) には、この弾性部材１１Ａ
の平面形状を示すもので、同図(b)に示すように環状平
板形状としてもよく、同図(c) 〜(f) に示すように各種
形状の穴１１Ｂを開けた形成としてもよい。

【００４１】また、弾性部材１１Ａの形状としては、図
８(a) に示すような軸方向に直交する環状平板形状であ
る必要はなく、たとえば、同図 (g)に示すように軸方向
と平行な薄肉円筒状としてもよく、また同図(h) に示す
ように軸方向に対して円錐状に傾斜する構造としてもよ
く、要するに軸方向に弾性変形可能であればよい。

【００４２】図９は、図１に示されるモデル構成をより
具体化した直線案内装置を示すものである。この直線案
内装置は基本的には図１に示す装置と同様の構成で、軸
力検出手段１０の弾性部材１１Ａの構成として図８(a)
に示す薄肉の環状平板形状のものを用い、ナット３と一
体構造としたものである。

【００４３】しかして、図９(b) ，(c) に示すように、
軸方向荷重に応じて弾性部材１１Ａがたわみ、このたわ
み量に応じて抵抗式センサ１２ａの抵抗値が変化し、こ
の抵抗値変化によって軸力を検出するようになってい
る。

【００４４】この実施例では軸力検出手段１０をナット
３と一体構造としているが、図１０に示すように、軸力
検出手段１０を別体構造とすることもできる。

【００４５】図示例では、ナット３を可動テーブル４の
固定ハウジング４１の装着穴４１ａ内周に挿入し、取付
けフランジ３４と固定ハウジング４１端面との間に軸力
検出手段１０を介在させたものである。

【００４６】そして、軸力検出手段１０は、固定環１３
と、この固定環１３と同軸的に配置される可動環１４
と、固定環１３と可動環１４を連結する軸方向に弾性変
形可能な弾性部材１１Ａと、この弾性部材１１Ａに取り
付けられる検出手段としての抵抗式センサ１２ａと、か
ら構成されている。

【００４７】図１１は、軸力検出手段１０をナット３の
間座１６と組み合わせた図２に記載のタイプのより具体
的な構成例である。

【００４８】すなわち、ナット３は、ナット本体部３
１，３２と、このナット本体部３１，３２の間に介在さ
れ間座１６と、を備えており、一方のナット本体部３１
が固定ハウジング４１に固定されている。間座１６は、
一方のナット本体部３２に固定される固定環１３と、他
方のナット本体部３１に固定される可動環１４と、固定
環１３と可動環１４を互いに連結する薄肉の弾性部材１
１Ａと、弾性部材１１Ａの軸方向変位または歪みを検出
する上記した歪みゲージ等の抵抗式センサ１２ａとから
構成されている。

【００４９】このようにすると、送りねじ軸１に作用す
る軸方向荷重はボール２を介してナット本体部３１，３
２に伝達される。一方のナット本体部３１は固定ハウジ
ング４１に固定されているので、可動側のナット本体部
３２が軸方向に変位し、弾性部材１１Ａが弾性変形す
る。この弾性部材１１Ａの軸方向の歪みを抵抗式センサ
１２ａにて検出することにより、送りねじ軸１に作用す
る軸力を検出することができる。図１２は図４の軸力検
出手段を送りねじ軸を回転自在に保持するサポートベア
リング５１に組み合わせた例を示している。

【００５０】このサポートベアリング５１はアンギュラ
コンタクトタイプのベアリングで、軸力検出手段１０を
介して軸受台５に取り付けられている。この軸力検出手
段１０は、サポートベアリング５１外周に嵌合するベア
リングハウジング５２と軸受台５とを連結する軸方向に
弾性変形可能でかつ円周方向に剛な板ばね状の弾性部材
１１Ａと、この弾性部材１１Ａに貼着された抵抗式セン
サ１２ａとから構成される。

【００５１】

【発明の効果】本発明は以上の構成および作用を有する
もので、軸力作用部に軸力検出手段を設けることによっ
て、直線案内装置に実際に作用する軸力を直接検出する
ことができる。

【００５２】また、軸力の変化に応じて弾性変形する弾
性部材の変位または歪みを検出することによって、軸力
を高精度に検出することができる。

【００５３】さらに、送りねじ軸のように軸力と共にト
ルクが作用する場合には回り止め手段が必ず必要であ
り、弾性部材を回転方向に剛な形状にして回り止め手段
を兼ねることが有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１実施例に係る軸力検出手段
付き直線案内装置の概念構成を示す図である。

【図２】図２は本発明の第２実施例に係る軸力検出手段
付き直線案内装置の概念構成を示す図である。

【図３】図３は本発明の第３実施例に係る軸力検出手段
付き直線案内装置の概念構成を示す図である。

【図４】図４は本発明の第４実施例に係る軸力検出手段
付き直線案内装置の概念構成を示す図である。

【図５】図５は本発明の第４実施例に係る軸力検出手段
付き直線案内装置の他の概念構成を示す図である。

【図６】図６は本発明の直線案内装置の軸力検出手段の
基本的な構成を模式的に示す断面図である。

【図７】図７(a) 〜(e) は、図１の軸力検出手段の各種
変形例を示す概略断面図である。

【図８】図８(a) は軸力検出手段の弾性部材の一例を示
す縦断面図、同図(b) 〜(f) は弾性部材を構成する薄肉
円環の各種変形例の平面図、同図 (g)，(h) は弾性部材
のさらに他の形状を示す断面図である。

【図９】図９(a) は図１に示す第１実施例をより具体化
した断面図、図９(b) ，(c) は軸力検出手段の拡大断面
図である。

【図１０】図１０は図９の分割構成タイプの断面図であ
る。

【図１１】図１１は図２に示す第２実施例をより具体化
した断面図である。

【図１２】図１２は図４に示す第４実施例をより具体化
した断面図である。

【符号の説明】

１送りねじ軸３ナット４可動テーブル（被送り部材）５，６第１，第２軸受台５１，６１第１，第２サポートベアリング（軸受）１０軸力検出手段１１弾性部材１２変位検出手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】送りねじ軸と、該送りねじ軸の軸受と、
前記送りねじ軸に螺合され送りねじ軸の回転によって直
線運動するナットと、該ナットに取付けられる被送り部
材と、から成る直線案内装置において、当該直線案内装置の軸力作用部に軸力検出手段を設けた
ことを特徴とする軸力検出手段付き直線案内装置。
【請求項２】軸力検出手段が、軸方向に弾性変形可能
な弾性部材と、該弾性部材の軸方向荷重に応じて変化す
る変位または歪みを電気信号に変換して検出する変位ま
たは歪み検出手段と、を具備してなることを特徴とする
請求項１に記載の軸力検出手段付き直線案内装置。
【請求項３】軸力検出手段を、ナットと被送り部材と
の間に設けた請求項１または２に記載の軸力検出手段付
き直線案内装置。
【請求項４】ナットは、二つのナット本体と、該ナッ
ト本体の間に介在される予圧付与用の間座とから構成さ
れ、該間座に軸力検出手段を設けた請求項１または２に
記載の軸力検出手段付き直線案内装置。
【請求項５】軸力検出手段を、送りねじ軸に設けた請
求項１または２に記載の軸力検出手段付き直線案内装
置。
【請求項６】軸力検出手段を、送りねじ軸の軸受部位
に設けた請求項１または２に記載の軸力検出手段付き直
線案内装置。
【請求項７】弾性部材を軸方向に弾性変形可能でかつ
回転方向に剛な構造とした請求項２，３，４，５または
６に記載の軸力検出手段付き直線案内装置。
【請求項８】弾性部材は、軸方向に変位可能な薄肉部
を備えている請求項７に記載の軸力検出手段付き直線案
内装置。
【請求項９】薄肉部に歪みゲージを貼着してなる請求項
８に記載の軸力検出手段付き直線案内装置。