JPH0645283Y2 - 工作機械の主軸におけるクランプ保持力測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、マシニングセンタ等の工作機械の主軸におい
て工具をクランプ保持する力を測定する装置に関するも
のである。

（従来の技術） 一回のワーク取付けでその数個の面に種々の作業（例え
ばフライス削り、穴あけ、中ぐり、リーマ加工、ねじ切
り、旋削など）のできる自動工具交換装置（オートマチ
ック・ツール・チェンジャ）を備えた数値制御工作機
械、所謂マシニングセンタでは、自動工具交換を頻繁に
繰返すため、工具のクランプ機構に使用している皿ばね
が破損したり弱くなったりし、クランプ保持力が低下す
ると、加工精度不良、加工面のビビリ等の加工不良が発
生し、問題となっている。

従来、このクランプ保持力を測定する測定器は、実開昭
60-48935号公報に示されるように、テーパシャンクを貫
通して設けられたロッドにかかる引張力をスプリングに
より変位量に変換し、その変位量をダイヤルゲージによ
り読取るものがあるが、このように引張力をスプリング
により変位量に変換して読取るものでは、その変換の段
階で誤差が生じやすく、信頼性に欠けるとともに、ダイ
ヤルゲージの針の回転量を読取って変位置を引張力へ再
変換する必要があり、非常に不便である。

一方、ロードセルを用いてクランプ保持力を直接測定し
ようとする試みもなされている。例えば、実開昭60-316
40号公報に示されるように、主軸の内部に嵌入されるテ
ーパ状胴部の先端にプルスタッドがねじ込み方式により
一体に固着され、また、前記テーパ状胴部は薄肉円筒状
に旋削され、その旋削部に金属製シール・カバーで被覆
されたロードセル（歪みゲージ）が取付けられ、このロ
ードセルからテーパ状胴部内の半径方向及び軸方向の孔
を経て外部の測定値表示用回路にケーブルが配線されて
いる。

（考案が解決しようとする課題） しかし、上記のようなロードセルの取付構造は、正確な
クランプ保持力を測定する上で問題がある。すなわち、
上記公報の測定器では、ロードセルの取付部を薄肉円筒
状に旋削し、ここに引張力を集中させるため、この薄肉
円筒状旋削部が伸びやすく、実際の工具ホルダを使用し
た場合より歪が大きくなり、正確な工具締付け力を測定
することが困難である。さらに、主軸のテーパ孔と接触
するテーパ状胴部の接触面積が実際の工具ホルダを著し
く異なり、この点も正確なデータを得る上で好ましくな
い。また、この従来の測定器では、切粉等が侵入しやす
い主軸のテーパ孔内に嵌入されるテーパ状胴部を加工し
てロードセルを取付けたから、完全な防塵構造（シール
・カバー、Ｏリング等）が必要であるとともに、テーパ
状胴部内の半径方向及び軸方向の孔内にケーブルを配線
する必要があり、構造的に複雑で製作に手間がかかる問
題もある。

以上のように、ロードセル自体は、引張力等の荷重を検
出する上で優れた検出器として知られているが、そのロ
ードセルを用いてプルスタッド部にかかる引張荷重を正
確に電気量に変換できるものはなく、特にその変換素子
である歪みゲージを取付けるロードセル本体の構造は、
この種の測定器の性能を決定する重要な要素である。前
記プルスタッドにかかる引張力を歪みゲージへ正確に伝
えて高精度の電気量変換を行うことは容易でないし、そ
の構造も複雑になりやすい。

本考案は、マシニングセンタ等の工作機械において、主
軸スピンドルの先端開口テーパ面に嵌入された工具をこ
のテーパ面にクランプ保持する引張力を、実際の工具ホ
ルダと同一の条件で、かつその引張力を歪みゲージに正
しく伝え得る構造により正確に測定できるとともに、シ
ンプルな構造であって容易に製作可能のクランプ保持力
測定装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本考案は、工作機械の主軸スピンドル15の先端開口テー
パ面16に嵌入された工具ホルダをこのテーパ面16にクラ
ンプ保持する力を測定する工作機械の主軸におけるクラ
ンプ保持力測定装置において、工具ホルダを同一形状の
テーパシャンク11と、このテーパシャンク11の軸方向外
端面に取付板締着ボルト39により固定された取付板34
と、この取付板34に前記取付板締着ボルト39とは別体の
ロードセル本体取付ボルト40により装着され、軸方向内
端面側に径方向外周部を除き空間部35が設けられた剛性
を有するロードセル本体33と、前記テーパシャンク11の
軸方向内端部に係合された別体のプルスタッド17と、こ
のプルスタッド17と一体的に設けられ前記テーパシャン
ク11およびロードセル本体33の中心孔を貫通してロード
セル本体33の軸方向外端面から外部に突出されたロッド
31と、このロッド31の突出部に螺合されプルスタッド17
にかかる引張力をロードセル本体33の軸方向外端面に伝
えるナット32と、このナット32からロードセル本体33の
軸方向外端面の中央部へ印加された力により歪みの発生
するロードセル本体33の歪み発生面に一体的に設けられ
た歪みゲージ37と、前記ロードセル本体33の径方向周面
側に配置され歪みゲージ37により検出された引張力を表
示するバッテリ内蔵形の引張力表示器38とを具備したも
のである。

（作用） 本考案は、テーパシャンク11を主軸スピンドル15のテー
パ面16に嵌着し、プルスタッド17を主軸13に組込まれた
ばね部材22により引張ることにより、その引張力がロッ
ド31およびナット32を介してロードセル本体33の軸方向
外端面に圧縮力に変換されて伝わり、その力により剛性
を有するロードセル本体33にも歪みが発生するので、そ
の歪みをロードセル本体33の歪み発生面に一体化された
歪みゲージ37により検出し、引張力として表示器38にて
表示する。この表示を見て、前記ばね部材22の良否を直
ちに判別できる。また、前記ロッド31の突出部に螺合さ
れたナット32を回すことにより、このナット32からロー
ドセル本体33に作用する予圧を調整する。

（実施例） 以下、本考案は図面に示される実施例を参照して詳細に
説明する。

第１図に示されるように、工具ホルダのテーパシャンク
と同一形状に成形されたテーパシャンク11の先端に、工
具の代りにロードセル体12が取付けられている。そし
て、マニシングセンタの主軸13の構成部品のひとつであ
るスピンドル15の先端開口テーパ面16に前記テーパシャ
ンク11が嵌合される。このとき、テーパシャンク11の軸
方向内端部に別体に設けられたプルスタッド17が複数の
クランプ爪18の中央部に挿入されるから、このプルスタ
ッド17をクランプ爪18を介して引張バー19で引張るよう
にする。

前記クランプ爪18は引張バー19の先端部に回動自在に嵌
着され、このクランプ爪18の外周部にクランプカム筒21
が設けられている。このカム筒21は引張バー19に組込ま
れた多数の皿ばね22の固定側受け部材として主軸スピン
ドル15に一体に嵌着されている。皿ばね22の押圧力は可
動側受け部材23を介して引張バー19に与えられ、矢印方
向の引張力が生じ、第１図に示されるようにクランプ爪
18がクランプカム筒21の内側に引込まれて閉じる。前記
可動側受け部材23は、スピンドル15の後端に螺合された
ストッパ24によって係止されている。

前記主軸13は、符号15,18,19,21,22,23,24で表わされる
各部材によって構成され、スピンドル15の外周部に設け
られた軸受25を介し、機械本体側に固定される筒体26に
よって回動自在に保持され、スピンドル15の外周面に一
体的に嵌着されたギヤ（図示せず）を経てこの主軸13に
回転が付与される。

クランプ保持を解放するときは、可動側受け部材23の軸
方向外端面と対向する油圧シリンダ（図示せず）によっ
て引張バー19を第１図右方へ押圧し、皿ばね22を圧縮し
ながら、クランプ爪18をカム筒21内から解放する。

第２図に示されるように、前記プルスタッド17にフラン
ジ部30を介してロッド31が一体に形成され、このロッド
31が前記テーパシャンク11およびロードセル12の中心孔
を貫通してロードセル12から突出され、このロッド31の
突出部分にナット32が螺合され、このナット32が十分な
剛性を有するロードセル本体33の軸方向外端面の中央部
に係合されている。このロードセル本体33は取付板34を
介して前記テーパシャンク11の軸方向外端部に取付けら
れている。

ロードセル本体33の軸方向内端面側のうち、取付板34に
空間部としての間隙35を介し対向する中央部分には凸部
36が形成され、この凸部36の平面に歪みゲージ（以下、
ストレンゲージという）37が接着されている。ロードセ
ル本体33の径方向外周面にはバッテリ内蔵形の引張力表
示器38が取付けられている。なお、前記取付板34は取付
板締着ボルト39によってテーパシャンク11の軸方向外端
面に固定され、前記ロードセル本体33はロードセル本体
取付ボルト40によって径方向外周部の軸方向内端面のみ
が取付板34に固定されている。

この第２図のように、ロードセル本体33の軸方向内端面
側に径方向外周部を除き空間部が設けられているから、
ナット32からロードセル本体33の軸方向外端面の中央部
へ押圧力が印加されると、ロードセル本体33に歪みが発
生する。前記凸部36の平面はそのロードセル本体33の歪
みが発生面の一つであるから、この凸部36の平面に一体
的に設けられたストレンゲージ37により歪み量を測定す
る。

前記取付板締着ボルト39は、強力な締付によりテーパシ
ャンク11と取付板34との密着性を高め、中心軸に対する
取付板34の直角精度ひいてはロードセル本体33の直角精
度を保証する。これはナット32とロードセル本体33との
接触面における接触圧の均一性につながり、ナット32の
接触面全周からロードセル本体33に対し作用する荷重の
均一性を確保できるので、中心軸の周囲に偏荷重が作用
した場合に生ずる測定値の狂いを防止できる。

一方、この取付板締着ボルト39とは別個に設けられた前
記ロードセル本体取付ボルト40は、荷重検出手段の一部
として機能するロードセル本体33に締着ボルトによる過
度の締付荷重をかけずにすみ、その悪影響を防止でき
る。つまり、この取付ボルト40の締結力は、ナット32の
回転によるロードセル本体33締結時に当該ロードセル本
体33がナット32の回転力に伴って共に回転するのを防止
する回り止めに供する程度で良い。すなわち、ロードセ
ル本体取付ボルト40のみの強力な締着力によりロードセ
ル本体33をテーパシャンク11の端面に直接固定する場合
は、ロッド31からの荷重を検出するためのロードセル本
体33に本来の検出すべき歪みと異なる締着歪みを発生さ
せるおそれがあるので、確実な締付固定に必要な取付板
締着ボルト39と、第２図に示されるようにスプリングワ
ッシャを併用するなどして過度な締付けを行わないロー
ドセル本体取付ボルト40との分離構造により高精度の測
定が可能となっている。

第３図に示されるように、前記引張力表示器38は、バッ
テリ収納部41の前面にスイッチ42および液晶式デジタル
表示部43が設けられたもので、スイッチ42がオンされた
とき、前記収納部41内に内蔵されたバッテリを電源とし
て、ストレンゲージ37から引張力に基づく歪み量に応じ
た電気量が発信され、前記デジタル表示部43で皿ばね22
の引張力（トン単位）が表示される。

なお、前記公知例（実開昭60-31640号公報）の測定器で
は、工具締付力のデジタル表示を電圧（mV）表示で行う
ので、この電圧から力の単位に換算する作業が必要であ
るが、本考案に係るデジタル表示部43では、デジタル表
示が力の直接表示（トン単位）であるから、読みやす
く、換算作業の必要もなく、クランプ保持力測定の判断
に間違いが生じない。

次に、この実施例の作用を説明する。

前記プルスタッド17に作用する皿ばね22の引張力は、ロ
ッド31を介しナット32に伝わり、このナット32がロード
セル本体33の軸方向外端面の中央部を押圧し、このロー
ドセル本体33の凸部36が取付板34との間隙35に膨出する
ように弾性変形し、この凸部36は接着されたストレンゲ
ージ37に引張力に応じた歪みが発生する。このストレン
ゲージ37で得られた歪み量が電気量に変換されて、バッ
テリ内蔵形の引張力表示器38に皿ばね22の引張力がデジ
タル数値で表示される。

もし、皿ばね22が破損したり弱くなっていると、引張バ
ー19からプルスタッド17に作用する引張力も弱くなり、
十分なクランプ保持力が得られず、加工不良の原因とな
るが、本測定装置は、その引張力の値がストレンゲージ
37によって検出され、デジタル表示器38で数値によって
明確に表示されるから、クランプ保持力の良否を客観的
に判別できる。

なお、前記プルスタッド17は、前記フランジ部30に対し
分割形成されたものを螺合等により一体化してもよい。

（考案の効果） 本考案によれば、実際の工具ホルダと同一形状のテーパ
シャンクに対しロードセル本体を分離構成し、プルスタ
ッドにかかる引張力（クランプ保持力）を、テーパシャ
ンクおよびロードセル本体の中心孔を貫通するロッドお
よびナットによりロードセル本体の軸方向外端面の中央
部にそのまま伝え、剛性を有するが軸方向内端面側に径
方向外周部を除き空間部が設けられたロードセル本体に
歪みを発生させ、その歪み発生面に一体化された歪みゲ
ージにより歪み量を検出するようにしたから、実際の工
具ホルダと同一の条件でプルスタッドにかかる引張力を
上記のような剛性を有するロードセル本体と一体化され
た歪みゲージに正しく伝え、強力な引張力をその絶対値
にて正確に測定できる。さらに、前記分離されたテーパ
シャンクおよびロードセル本体は共にシンプルかつコン
パクトに構成でき、製作、組立およびメンテナンスが容
易である。例えば、ロードセル本体の軸方向外端面にあ
るナットおよびボルトを外すのみでロードセル本体を簡
単に取外すことができ、歪みゲージや引張力表示器のメ
ンテナンスを容易に行える。また、ロードセル本体の径
方向周面側に引張力表示器を配置するとともに、ロード
セル本体を貫通してロードセル本体の軸方向外端面から
外部に突出されたロッドの突出部にナットを螺合したか
ら、このナットを回すことによりナットからロードセル
本体に作用する予圧を外部から簡単に調整することがで
き、この予圧調整により歪みゲージによる高精度の測定
が可能となる。また、取付板締着ボルト、取付板および
ロードセル本体取付ボルトの取付構造としたので、取付
板締着ボルトによる強力な締付によりテーパシャンクと
取付板との密着性を高め、中心軸に対する取付板の直角
精度ひいてはロードセル本体の直角精度を確保でき、こ
れによりナットからロードセル本体への偏荷重を防止で
きるとともに、前記取付板締着ボルトと別体のロードセ
ル本体取付ボルトにより、荷重検出手段の一部として機
能するロードセル本体に過度の締着荷重をかけずにす
み、共に高精度の測定に役立つものである。また、本考
案は、ロードセル本体に取付けられた引張力表示器によ
って引張力を直接表示するので、換算作業をすることな
く直ちに良否判定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案のクランプ保持力測定装置が嵌入された
工作機械の主軸の断面図、第２図はそのクランプ保持力
測定装置の一実施例を示す断面図、第３図はその斜視図
である。 11……テーパシャンク、13……主軸、15……スピンド
ル、16……テーパ面、17……プルスタッド、31……ロッ
ド、32……ナット、33……ロードセル本体、34……取付
板、35……空間部としての間隙、37……歪みゲージ、38
……引張力表示器、39……取付板締着ボルト、40……ロ
ードセル本体取付ボルト。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】工作機械の主軸スピンドルの先端開口テー
   パ面に嵌入された工具ホルダをこのテーパ面にクランプ
   保持する力を測定する工作機械の主軸におけるクランプ
   保持力測定装置において、 工具ホルダと同一形状のテーパシャンクと、 このテーパシャンク軸方向外端面に取付板締着ボルトに
   より固定された取付板と、 この取付板に前記取付板締着ボルトとは別体のロードセ
   ル本体取付ボルトにより装着され、軸方向内端面側に径
   方向外周部を除き空間部が設けられた剛性を有するロー
   ドセル本体と、 前記テーパシャンクの軸方向内端部に係合された別体の
   プルスタッドと、 このプルスタッドと一体的に設けられ前記テーパシャン
   クおよびロードセル本体の中心孔を貫通してロードセル
   本体の軸方向外端面から外部に突出されたロッドと、 このロッドの突出部に螺合されプルスタッドにかかる引
   張力をロードセル本体の軸方向外端面に伝えるナット
   と、 このナットからロードセル本体の軸方向外端面の中央部
   へ印加された力により歪みの発生するロードセル本体の
   歪み発生面に一体的に設けられた歪みゲージと、 前記ロードセル本体の径方向周面側に配置され歪みゲー
   ジにより検出された引張力を表示するバッテリ内蔵形の
   引張力表示器と を具備したことを特徴とする工作機械の主軸におけるク
   ランプ保持力測定装置。