JPH0550359A

JPH0550359A - 工作機械の主軸装置

Info

Publication number: JPH0550359A
Application number: JP21237691A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Nakamura; 澄中村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-08-23
Filing date: 1991-08-23
Publication date: 1993-03-02

Abstract

(57)【要約】【目的】工具の主軸への把持状態を検出して、工作機
械等の破損を未然に防止する。【構成】主軸２内に移動自在に設置されたロッド３の
後端部に円板状のドッグ１４を取付ける。主軸２の後部
に位置してロッド３を移動するシリンダ１０に変位セン
サ１３を設置する。この変位センサ１３でロッド３の位
置を検出して、ロッド３前端側のコレット４に正常に工
具８がクランプされているかの判断を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工具の抜け落ちや緩み
等による工作機械の破損を防止し得る工作機械の主軸装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、フライス盤及びマニシングセ
ンタ等の工作機械の主軸に工具を強固に締結する為の工
具クランプ装置が採用されている。

【０００３】このような工具クランプ装置の一例を図７
に示し、この図に基づき従来技術を説明する。

【０００４】図７に示すように、従来はアンクランプ用
のシリンダ１０の後端に位置する近接スイッチ１２によ
り、シリンダ１０のピストン１１が後退した時のみを検
出し、この検出に基づいて工具８がクランプされたと判
断して、次の機械シーケンス動作（通常は、自動工具交
換装置であるＡＴＣの動作となる）に移行していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術のアンクラン
プ用のシリンダ１０の動作を近接スイッチ１２で検出す
る間接的検出方法では、主軸２が工具８を正常に把持し
ているかどうか分からなかった。例えば、ＡＴＣの動作
途中において、何らかの故障により図示しないＡＴＣの
交換アーム（以下「ＡＴＣアーム」という）から工具８
を落下させても、工作機械は工具８を把持したものとし
て、動作を続行し切削加工を実際には行わないのに加工
完了としたり、又それが下穴加工であれば、次の仕上げ
加工で、工具８に異常な負荷がかかり特にタップ加工の
場合には、工作機械を損傷させるなどの虞れを有してい
た。

【０００６】また、ＡＴＣの動作と主軸工具アンクラン
プの動作との間のタイミング不良により、コレット４が
工具８のプルスタッド９を完全に把持しない場合もあり
うるが、この場合もそのまま正常に工具８をクランプし
ているとして、加工を続行し、工具８や主軸テーパ面の
損傷を引き起こす虞れを有していた。

【０００７】一方、上記不具合とは別に、工作機械の運
転中において、誤って工具８を主軸２より引抜いたり、
工具８と主軸２との間の密着が不十分となる虞をも有し
ていた。

【０００８】例えば、ドリル加工の場合、特に切れ味が
悪くなったり、切削油の供給が不十分の場合、穴底付近
でドリルがワークに溶着し、ワークから工具８の引き抜
き動作時、逆に主軸２から工具８を引き抜き、次の動作
で、ワークに残った工具８と工作機械とが衝突し、工作
機械、ワーク及び工具８を損傷させることとなる。ま
た、ヘリカルエンドミルでの加工の場合、ヘリカルリー
ドを有している為、加工に際してエンドミルに引抜力が
働き、特に切削条件が厳しいと、工具８の主軸テーパ２
ａへの密着が不十分となって、いわゆるびびりである微
細振動を発生し、ワークの加工面不良や主軸テーパ２ａ
の表面の損傷を引起こすこととなる。

【０００９】以上のような不具合は、工作機械の停止時
間であるダウンタイムの増加や、加工品質の劣化につな
がる為、大きな課題となっていた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による工作機械の
主軸装置は、主軸頭に回転自在に支持された主軸と、工
具のプルスタッドと係止されて該工具を該主軸に着脱可
能に保持するコレットと、前記主軸と同軸上に位置し且
つ前端部が該コレットと係合するロッドと、該ロッドに
巻装され且つ該ロッドを後端側に押圧することを介して
前記コレットで前記工具を前記主軸側に引込む皿ばね
と、前記ロッドの後端側に位置し且つ該皿ばねの引込み
力に抗して前記ロッドを前記主軸の前端側に押圧して移
動するシリンダとを有した工作機械の主軸装置におい
て、前記ロッドの後端部に位置し且つ前記ロッドの移動
を検出して変位信号を発生する変位センサと、該変位セ
ンサの変位信号に基づき前記主軸への工具のクランプ状
態及びアンクランプ状態の判断を行うと共に該変位セン
サの変位信号に基づき前記工具の保持状態の異常を検知
し工作機械の動作制御により破損を防止する制御手段と
を設けたことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】工具がコレットとプルスタッドとの間の係合を
介して主軸に保持され、主軸と共に主軸頭に対して回転
する。この時、コレットと係合するロッドが皿ばねの押
圧により、工具を主軸に引込む。また、シリンダが作動
すると、皿ばねの引込み力に抗してロッドが移動し、工
具に対するコレットの把持が解除される。

【００１２】以上のような動作に際して、変位センサが
ロッドの位置を検出して、変位信号を発生する。この変
位信号から、制御手段が主軸への工具のクランプ状態及
びアンクランプ状態を判断すると共に、この制御手段が
工具の保持状態の異常を検知して工作機械の動作制御を
行う。

【００１３】

【実施例】本発明の工作機械の主軸装置に係る一実施例
を図１から図３に示し、これらの図に基づき本実施例を
説明する。尚、従来の技術等で説明した部材と同一の部
材には同一の符号を付す。

【００１４】図１に示すように、図上、左右方向に伸び
るように工作機械の主軸頭１が位置しており、主軸頭１
内に回転自在に主軸２が支持されている。また、主軸２
内の左右方向に伸びる貫通穴１５に、ロッド３が挿入さ
れており、ロッド３の先端部である左端部にコレット４
が係合されている。そして、コレット４の先端部には、
工具８のプルスタッド９が係止されていて、工具８を主
軸２に支持するように、保持している。

【００１５】一方、ロッド３の中央部の外周には多数の
皿ばね５が巻装されており、また、貫通穴１５の前端側
の位置であって主軸２の内壁にスリーブ６が固定される
と共に、貫通穴１５の後端側の位置であるロッド３上に
ナット７が締結され固定されている。従って、皿ばね５
がこれらスリーブ６とナット７との間で圧縮状態とな
り、ナット７を介してロッド３を後端側に押圧してい
る。

【００１６】この為、主軸２に挿入された工具８のプル
スタッド９を主軸２の後端側に引込む引張力がコレット
４により与えられ、主軸テーパ２ａ内に強固に工具８が
保持されることとなる。

【００１７】他方、主軸頭１の後端部である図上、右端
部には、シリンダ１０が配設され、ロッド３の後端部に
対向してシリンダ１０のピストン１１が位置している。
従って、シリンダ１０内の空間に作動油を供給すること
により、ピストン１１が図上、左右方向に移動する。ま
た、シリンダ１０の後部には、近接スイッチ１２が配置
されていて、このピストン１１が後退しているかの確認
信号を発生している。

【００１８】さらに、ロッド３の後端部にはリング状の
ドッグ１４が固定されていると共に、シリンダ１０の前
部にはこのドッグ１４との間の距離であるギャップを検
出できる変位センサ１３が配置されている。この変位セ
ンサ１２は、例えば渦電流式のものを用いれば、±０．
１mm程度の精度で、ギャップを測定することが可能とな
る。

【００１９】そして、これら近接スイッチ１２及び変位
センサ１３は、制御手段である図示しない工作機械の数
値制御装置（以下「ＮＣ装置」という）に接続されてい
て、近接スイッチ１２及び変位センサ１３の信号がＮＣ
装置に入力されることとなる。

【００２０】つまり、ＮＣ装置は、近接スイッチ１２に
よるロッド３の間接的な位置検出だけでなく、変位セン
サ１３によるロッド３の直接的な位置検出が可能とな
る。従って、この検出結果に基づいて、工具のクランプ
状態及びアンクランプ状態を確認すると共に、クランプ
状態の異常の有無をも検知可能となる。この結果、加工
を続行するか、加工を停止するかをＮＣ装置内で判断
し、工具のクランプ状態にあって異常のない場合は、Ｎ
Ｃ装置が続行指令を出し、工具のアンクランプ状態か、
あるいは異常のある場合は、ＮＣ装置がアラームを出す
と共に停止指令を出す。

【００２１】尚、図１は工具８を正常にクランプしたク
ランプ状態を示し、この時の変位センサ１３とドッグ１
４のギャップｘを距離ｂで示す。また、この時、コレッ
ト４とスリーブ６の間には、小さい隙間量ｙが確保され
ている。

【００２２】次に、工具８の主軸２からの取り出しを図
２に基づき説明する。図２は、工具８をアンクランプし
て取出した状態を示す。

【００２３】工具８のシリンダ１０に作動油が導入され
て油圧が加わると、ピストン１１が前進してロッド３を
前方側に押し出す。この結果、コレット４の爪が開放さ
れ、工具８を図２で示すアンクランプ状態とする。尚、
この時の変位センサ１３とドッグ１４との間のギャップ
ｘは距離ｂより大きい距離ａとなる（例えば、５０番テ
ーパの場合、距離ａと距離ｂとの差は約７mmとなる）。

【００２４】また、主軸２に工具８がない状態を図３に
基づき説明する。図３は、工具８を把持していない状態
であってロッド３が後退した場合を示す。

【００２５】図３に示す状態では、工具８がない為、図
１の隙間量ｙだけコレット４が皿ばね５の力により更に
後端側に移動する。この時、変位センサ１３とドッグ１
４との間のギャップｘは、距離ｂより小さい距離ｃとな
る（例えば、５０番テーパの場合、距離ｂと距離ｃとの
差は約２mmとなる）。

【００２６】以上より、ギャップｘは、図１から図３に
示すように、工具８の有無などより、少なくとも距離
ａ，ｂ，ｃの３段階の値をとることとなる。

【００２７】以下、変位センサ１３とドッグ１４との間
のギャップｘの検出信号を監視することにより、工作機
械の制御を行う動作の流れを、図４から図６に基づき説
明する。

【００２８】図４はＡＴＣの動作と、ギャップｘとの間
の信号の関係を示す。まずステップ（２１）によりＡＴ
Ｃ指令が出ると、ステップ（２２）でＡＴＣアーム（図
示せず）が９０°旋回し、図１の状態で主軸２に装着さ
れた工具８のＶ溝部８ａを把持すると共に、ステップ
（２３）でシリンダ１０のピストン１１が前進してアン
クランプシリンダ前進となり、図２の状態となって、ロ
ッド３の先端のコレット４が開放され、主軸工具弛めの
状態となる。

【００２９】この時、ステップ（２４）でギャップｘの
検出結果を判断し、ギャップｘ＝ａであれば、ツールア
ンクランプ動作は正常に実行されたことになり、次の動
作（ＡＴＣアーム前進→ＡＴＣアーム１８０°旋回…加
工開始までの動作）を続行する。ギャップｘ＝ａでなけ
れば、ピストン１１が正常に動作しなかったか、ロッド
３が正常にストロークしなかったことを意味し、コレッ
ト４が開放されないこととなる。この結果、工具８がク
ランプできないことより、ステップ（２５）に移行し
て、ＮＣ装置がアラームを出すと共に停止指定を出すア
ラーム停止とする。

【００３０】正常時における動作としては、ＡＴＣアー
ム前進（ステップ（２６））→ＡＴＣアーム１８０°旋
回（ステップ２７））→ＡＴＣアーム後退（ステップ
（２８））→アンクランプシリンダ後退（ステップ（２
９））まで、それぞれのステップを実行し、ステップ
（３０）でギャップｘ＝ｂかの判断をする。ここでギャ
ップｘ＝ｂであれば、正常に工具８のクランプが実行さ
れたことになり、更に次の動作であるステップ（３２）
のＡＴＣアーム９０°旋回を行った後、ステップ（３
３）のＡＴＣ終了とし、ステップ（３４）の加工開始に
移行して、加工を行う。

【００３１】ギャップｘ＝ｂでなければ、工具８を途中
で落としたか、工具８のプルスタッド９が弛んだ状態で
クランプしたかなど、異常が発生したことを意味し、工
作機械をステップ（３１）のアラーム停止とする。

【００３２】次に、加工中の工具抜け監視への制御応用
例の動作の流れを、図５に基づき説明する。図５は加工
中の工具抜け監視の実行の流れを示すフロー図である。

【００３３】これは、ヘリカルエンドミル、バークギー
リングなどある特定の工具で働かせれば良いものであ
る。ステップ（４１）の加工中における監視ＯＮの信号
により開始され、加工中（ステップ（４２））におい
て、ステップ（４３）でギャップｘの値が判断される。
ギャップｘ＝ｂ＋α即ちギャップｘが所定の距離ｂの上
限値（ｂ＋α）より大きくなると、ステップ（４４）で
切削送り速度Ｆを係数βを乗じた速度、例えば、係数β
を０．９とすれば０．９を乗じて（即ち１０％低下とな
る）、送り適応制御を行い、工具の抜けを防止しながら
加工を行うことができる。そして、これらのステップを
ステップ（４５）で加工終了と判断されるまで続けられ
る。

【００３４】次に、加工終了後における工具抜け監視へ
の制御応用例の動作の流れを、図６に基づき説明する。
図６は加工終了後の工具抜け監視の実行の流れを示すフ
ロー図である。

【００３５】これは、主軸２自身の後退となるＺ軸後退
により、工具抜けが心配される工具の場合に用いられる
もので、ステップ（５１）の加工後工具抜け監視ＯＮと
されると、ステップ（５２）でＺ軸後退とされる。この
後、ステップ（５３）でギャップｘ＝ｂかの判断が行わ
れる。そして、工具８が主軸２から少量でも抜けていれ
ば、ギャップｘ≠ｂとなり、条件制御により、次の加工
の続行は、危険であるとしてステップ（５４）に移り、
アラーム停止させるものである。また、ギャップｘ＝ｂ
であれば、ステップ（５５）に移り、次の移動指令実行
となる。

【００３６】さらに、ギャップｘ＝ｃである場合におい
ても、加工中に工具８が脱落したと判断され、ステップ
（５４）のアラーム停止とされる。

【００３７】

【発明の効果】本発明の工作機械の主軸装置は、工具の
クランプ及びアンクランプを操作するロッドの動き量を
変位センサにより直接読み取って検知し、制御手段で工
具のクランプ状態及びアンクランプ状態を判断すると共
に、工作機械の動作を制御することとした。この結果、
以下の効果を有する。

【００３８】（１）ＡＴＣの動作中に工具のクランプ・
アンクランプ動作が正常に実行されたかの判断ができ、
異常発生後の不測のトラブルを未然に防止できる。（２）ヘリカルエンドミルなど、加工中に工具引抜力が
発生する工具において、加工代の不同等による過大負荷
で、工具が抜け出す結果、びびりが発生したり、ついに
は脱落することを、送りオーバライドをかけることによ
り防止し、正常な切削が続行可能となる。（３）工具のワークへの溶着による工具の主軸からの脱
落が検知でき、工作機械の損傷につながる次の動作を未
然に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る主軸頭の断面図であっ
て工具のクランプ状態を表す図である。

【図２】本発明の一実施例に係る主軸頭の断面図であっ
て工具のアンクランプ状態を表す図である。

【図３】本発明の一実施例に係る主軸頭の断面図であっ
て工具を把持しないときのクランプ状態を表す図であ
る。

【図４】本発明の一実施例による工具変換動作時の動作
の流れを表すフロー図である。

【図５】本発明の一実施例による加工中の工具抜け監視
の実行を表すフロー図である。

【図６】本発明の一実施例による加工後の工具抜け監視
の実行を表すフロー図である。

【図７】従来の主軸頭の断面図であって工具のクランプ
状態を表す図である。

【符号の説明】

１主軸頭２主軸３ロッド４コレット５皿ばね６スリーブ７ナット８工具９プルスタッド１０シリンダ１１ピストン１２近接スイッチ１３変位センサ１４ドッグ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主軸頭に回転自在に支持された主軸と、
工具のプルスタッドと係止されて該工具を該主軸に着脱
可能に保持するコレットと、前記主軸と同軸上に位置し
且つ前端部が該コレットと係合するロッドと、該ロッド
に巻装され且つ該ロッドを後端側に押圧することを介し
て前記コレットで前記工具を前記主軸側に引込む皿ばね
と、前記ロッドの後端側に位置し且つ該皿ばねの引込み
力に抗して前記ロッドを前記主軸の前端側に押圧して移
動するシリンダとを有した工作機械の主軸装置におい
て、前記ロッドの後端部に位置し且つ前記ロッドの移動を検
出して変位信号を発生する変位センサと、該変位センサ
の変位信号に基づき前記主軸への工具のクランプ状態及
びアンクランプ状態の判断を行うと共に該変位センサの
変位信号に基づき前記工具の保持状態の異常を検知し工
作機械の動作制御により破損を防止する制御手段とを設
けたことを特徴とする工作機械の主軸装置。