JPH0775816B2 - Axial force measuring device - Google Patents

Axial force measuring device

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JPH0775816B2
JPH0775816B2 JP1012716A JP1271689A JPH0775816B2 JP H0775816 B2 JPH0775816 B2 JP H0775816B2 JP 1012716 A JP1012716 A JP 1012716A JP 1271689 A JP1271689 A JP 1271689A JP H0775816 B2 JPH0775816 B2 JP H0775816B2
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axial force
moving body
ball screw
axial
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JP1012716A
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洋太郎 畑村
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Hamai Co Ltd
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Hamai Co Ltd
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    • B23Q5/00Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/16Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation taking regard of the load
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、工作機械における直線運動体としてのテーブ
ルや主軸ヘッド等の直線運動方向の力(以下、軸力とい
う)を測定する軸力測定装置に関する。
The present invention relates to an axial force measurement for measuring a force (hereinafter referred to as an axial force) in a linear movement direction of a table or a spindle head as a linear movement body in a machine tool. Regarding the device.

(従来の技術) 従来、この種の軸力測定は、例えば工作機械において、
ツールやワークその他工作機械の構成要素の破損、折損
等を防止するために必要とされている。そして、従来の
軸力測定装置においては、例えば工作機械の主軸やテー
ブル等の運動体側で軸力を測定するべく、これらの運動
体に歪ゲージ等のセンサを取り付け、このセンサの出力
信号から軸力を測定することが一般的であった。
(Prior Art) Conventionally, this type of axial force measurement is performed, for example, in a machine tool.
It is required to prevent breakage, breakage, etc. of tools, workpieces and other components of machine tools. Then, in the conventional axial force measuring device, in order to measure the axial force on the side of a moving body such as a spindle of a machine tool or a table, a sensor such as a strain gauge is attached to these moving bodies, and the axis of the output signal of this sensor is used to measure the axial force. It was common to measure force.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら従来の軸力測定装置では、主軸モータ、送
りモータ等の駆動源やギア等の動力伝達機構により、測
定するべき軸力以外の力が外乱として加わるため、所期
の軸力を正確に測定することができないという問題があ
った。また、回転体では、そこからの信号伝達が非常に
難しくなるという欠点があった。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in the conventional axial force measuring device, a power source other than the axial force to be measured is applied as a disturbance by a power transmission mechanism such as a drive source such as a spindle motor and a feed motor or a gear. There is a problem that the desired axial force cannot be measured accurately. Further, the rotating body has a drawback that signal transmission from the rotating body becomes very difficult.

更に、上記以外の軸力測定手段として、ピエゾ素子や歪
ゲージを用いた6分力テーブルを使用する方法も考えら
れるが、周知のように、この6分力テーブルは一般に中
小荷重向きであって大荷重による軸力測定には不適当で
ある。更に、6分力テーブルを用いた軸力測定は、工作
機械による加工運転とは切り離して別個独立に行なう必
要があり、この6分力テーブルを工作機械に据え付ける
手間がかかると共に加工中に並行して軸力測定を行い、
この測定結果を用いて加工条件を変更すること等ができ
ないという問題があった。
Further, a method of using a 6-component force table using a piezo element or a strain gauge may be considered as an axial force measuring means other than the above, but as is well known, this 6-component force table is generally suitable for medium and small loads. It is not suitable for measuring axial force due to heavy load. Furthermore, the axial force measurement using the 6-component force table must be performed separately and independently from the machining operation by the machine tool, and it takes time and effort to install the 6-component force table on the machine tool and it is possible to perform parallel processing during machining. Axial force measurement,
There is a problem that the processing conditions cannot be changed using the measurement result.

本発明は上記問題点を解決するために提案されたもの
で、その目的とするところは、直線運動する運動体の軸
力をロードセルによって外乱等の影響を受けることなく
正確に測定し、しかも上記ロードセルを工作機械等に予
め作り込むことによって据え付けの手間をなくし、かつ
加工運転と並行した軸力測定を可能とした構成簡単な軸
力測定装置を提供することにある。
The present invention has been proposed in order to solve the above problems, and an object of the present invention is to accurately measure the axial force of a moving body that moves in a straight line by a load cell without being affected by disturbance or the like. An object of the present invention is to provide an axial force measuring device having a simple structure, which eliminates the trouble of installation by preliminarily incorporating a load cell into a machine tool or the like and enables axial force measurement in parallel with a machining operation.

(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、本発明は、工作機械における
直線運動体を駆動するボールスクリューのナット部に薄
肉部を形成すると共に薄肉部に力センサを固着してロー
ドセルを構成し、ボールスクリューの軸方向に沿って移
動する直線運動体からの力を、薄肉部に発生する歪に基
づいて前記力センサが検出するものである。
(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention forms a thin portion in a nut portion of a ball screw that drives a linear motion body in a machine tool and fixes a force sensor to the thin portion. The force sensor detects a force from a linear moving body that constitutes a load cell and moves along the axial direction of the ball screw, based on the strain generated in the thin portion.

(作用) 本発明によれば、ボールスクリューの軸方向に沿って直
線運動する運動体からの力(反力)が、この運動体に対
して相対的にほぼ静止しているナット部の薄肉部に加わ
って歪を生じさせる。この歪は、薄肉部に固着された力
センサにより軸力に比例した電気信号を生じさせる。従
って、この電気信号を測定することにより、運動体の軸
力を測定することができる。
(Operation) According to the present invention, the force (reaction force) from the moving body that linearly moves along the axial direction of the ball screw is such that the thin-walled portion of the nut portion is relatively stationary with respect to the moving body. Causes distortion. This strain causes an electric signal proportional to the axial force by the force sensor fixed to the thin portion. Therefore, the axial force of the moving body can be measured by measuring this electric signal.

(実施例) 以下、図に沿って本発明の実施例を説明する。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、第1図及び第2図は、マシニングセンタのX,Y,Z
各軸のボールスクリューの取り付けられたナット部に本
発明を適用した場合の実施例である。
First, Fig. 1 and Fig. 2 show X, Y, Z of the machining center.
It is an example in the case where the present invention is applied to a nut portion to which a ball screw of each shaft is attached.

例えば、第1図は、直線運動体としてのテーブル30をX
軸に沿って移動させるためのボールスクリュー40のナッ
ト部20に本発明を適用した例である。この場合、テーブ
ル30はナット部20と一体的に直線運動するため、ナット
部20はテーブルの直線運動方向に対して相対的にほぼ静
止した系を構成している。
For example, FIG. 1 shows a table 30 as a linear moving body,
It is an example in which the present invention is applied to a nut portion 20 of a ball screw 40 for moving along a shaft. In this case, since the table 30 linearly moves integrally with the nut portion 20, the nut portion 20 constitutes a system that is relatively stationary with respect to the linear movement direction of the table.

同図において、ボールスクリュー40に螺着されたナット
部20は、テーブル30から突出されたアーム31にナット21
によって一体的に固着されている。
In the figure, the nut portion 20 screwed to the ball screw 40 is provided with the nut 21 on the arm 31 protruding from the table 30.
Are integrally fixed by.

ナット部20には、その外周面中央部に幅広の溝22が形成
され、また、内周面中央部には幅狭の溝23が形成されて
いると共に、前記溝22にはその外周面を四分する位置に
力センサとしての歪ゲージ24がそれぞれ固着されてい
る。更に、第1図のb部を拡大した第2図から明らかな
ように、溝22と溝23との間には薄肉部25が形成されてい
る。また、歪ゲージ24が固着された溝22の内部には、発
泡性または弾性の小さいシリコンゴム26及び耐油性シリ
コンゴム27が充填されている。
The nut portion 20 is formed with a wide groove 22 in the outer peripheral surface central portion thereof, and a narrow groove 23 is formed in the inner peripheral surface central portion thereof. Strain gauges 24 as force sensors are fixed to the respective quarter positions. Further, as is clear from FIG. 2 which is an enlarged view of the portion b in FIG. 1, a thin portion 25 is formed between the groove 22 and the groove 23. The inside of the groove 22 to which the strain gauge 24 is fixed is filled with a silicone rubber 26 having a low foaming property or a small elasticity and an oil resistant silicone rubber 27.

なお、第2図において、例えば薄肉部25の肉圧dは0.5m
m、溝23の幅L2は1mmであり、また、溝23のコーナー部23
aは半径0.2mmのアール状に形成されている。
In FIG. 2, the wall thickness d of the thin portion 25 is 0.5 m, for example.
m, the width L 2 of the groove 23 is 1 mm, and the corner portion 23 of the groove 23 is
a is formed in a radius with a radius of 0.2 mm.

このように、本実施例ではナット部20がロードセルを構
成しており、このロードセルは以下のようにしてテーブ
ルのX軸方向の軸力(ボールスクリュー40の軸方向に沿
った力)を測定する。
In this way, in this embodiment, the nut portion 20 constitutes a load cell, and this load cell measures the axial force of the table in the X-axis direction (force along the axial direction of the ball screw 40) as follows. .

すなわち、第1図において、ボールスクリュー40の回転
力によりナット部20がボールスクリュー40に沿って移動
し、これに伴ってアーム31を介してテーブル30がX軸方
向に移動することとなるが、このとき、ナット部20とア
ーム31との間に力の損失がないと仮定すると、テーブル
30のX軸方向の力はナット部20の薄肉部25に直接加わ
り、これを歪ませて歪ゲージ24から電気信号を発生させ
る。
That is, in FIG. 1, the nut portion 20 moves along the ball screw 40 by the rotational force of the ball screw 40, and along with this, the table 30 moves in the X-axis direction via the arm 31, At this time, assuming that there is no loss of force between the nut portion 20 and the arm 31, the table
The force of 30 in the X-axis direction is directly applied to the thin portion 25 of the nut portion 20 and distorted to generate an electric signal from the strain gauge 24.

つまり、ナット部20が受けるテーブル30のアーム31から
の力(反力)によって第2図に示したナット部20の薄肉
部25が歪むことにより、テーブル30のX軸方向の軸力に
比例した電気信号を歪ゲージ24から得ることができ、ほ
ぼ静止系側から直線運動体の軸力を測定することができ
る。
In other words, the thin portion 25 of the nut portion 20 shown in FIG. 2 is distorted by the force (reaction force) from the arm 31 of the table 30 that the nut portion 20 receives, which is proportional to the axial force of the table 30 in the X-axis direction. An electric signal can be obtained from the strain gauge 24, and the axial force of the linear moving body can be measured from almost the stationary system side.

次に、第3図から第7図は、本発明の原理をマシニング
センタ等の工作機械の主軸ベアリングのハウジング内に
適用したものである。
Next, FIGS. 3 to 7 show the principle of the present invention applied to the housing of a spindle bearing of a machine tool such as a machining center.

第3図において、1は直線運動する運動体としての主軸
であり、この主軸1にはその軸方向に沿って複数のベア
リング2が装着されている。これらのベアリング2の間
には、ベアリング2の内輪カラー3及び外輪カラー4,5
が適宜配置されている。また、最上段のベアリング2の
内輪2Aと主軸1の頭部1Aとの間には、軸方向に長い内輪
カラー6が配置されている。
In FIG. 3, reference numeral 1 denotes a main shaft as a moving body which moves linearly, and a plurality of bearings 2 are mounted on the main shaft 1 along the axial direction thereof. Between these bearings 2, the inner ring collar 3 and the outer ring collars 4,5 of the bearing 2
Are appropriately arranged. Further, an inner ring collar 6 which is long in the axial direction is arranged between the inner ring 2A of the uppermost bearing 2 and the head 1A of the main shaft 1.

更に、7はベアリング2及び各カラー3〜6を収容する
ハウジングであり、このハウジング7の上端部内側には
外輪押え8が設けられており、かかる外輪押え8はボル
ト9によりハウジング7の上端部に締め付け可能となっ
ている。
Further, 7 is a housing for accommodating the bearing 2 and the collars 3 to 6, and an outer ring retainer 8 is provided inside the upper end of the housing 7, and the outer ring retainer 8 is attached to the upper end of the housing 7 by a bolt 9. It can be tightened to.

一方、最上段のベアリング2の外輪2Bと外輪押え8との
間には、ロードセルを構成するリング状の軸力センサカ
ラー10が取付けられている。この軸力センサカラー10
は、外輪押え8の締め付けにより、最上段のベアリング
2を圧接する方向の予圧が与えられるものであり、その
構成は第4図に示すとおりである。すなわち、リング状
の本体11の外周面中央部に幅広の溝12が形成され、ま
た、本体11の内周面中央部には幅狭の溝13が形成されて
いると共に、前記溝12にはその外周面を四分する位置に
歪ゲージ14がそれぞれ固着されて構成されている。そし
て、歪ゲージ14が固着された溝12の内部には、歪ゲージ
14を保護するためにシリコンゴム16が充填されている。
On the other hand, a ring-shaped axial force sensor collar 10 forming a load cell is mounted between the outer ring 2B of the uppermost bearing 2 and the outer ring retainer 8. This axial force color 10
In the above, the outer ring retainer 8 is tightened to provide a preload in the direction in which the uppermost bearing 2 is brought into pressure contact, and its configuration is as shown in FIG. That is, a wide groove 12 is formed in the central portion of the outer peripheral surface of the ring-shaped main body 11, and a narrow groove 13 is formed in the central portion of the inner peripheral surface of the main body 11, and the groove 12 is formed in the groove 12. Strain gauges 14 are fixedly attached at positions that divide the outer peripheral surface into quarters. Inside the groove 12 to which the strain gauge 14 is fixed, the strain gauge
Silicone rubber 16 is filled to protect 14.

ここで、第4図におけるa部を拡大して示したものが第
5図である。同図に基づいて各部の寸法関係の一例を述
べると、いま、前記溝12底面までの軸力センサカラー10
の直径D(第4図参照)が80mmであるとき、溝12の幅L1
は4〜5mm、溝13の幅L2は1mmであり、また、これらの溝
12,13の間の薄肉部15の肉厚dは0.5mmとなっている。
Here, FIG. 5 is an enlarged view of the portion a in FIG. An example of the dimensional relationship of each part will be described based on the figure. Now, the axial force sensor collar 10 up to the bottom surface of the groove 12 is described.
When the diameter D of the groove (see FIG. 4) is 80 mm, the width L 1 of the groove 12
Is 4 to 5 mm, and the width L 2 of the groove 13 is 1 mm.
The thickness d of the thin portion 15 between 12 and 13 is 0.5 mm.

なお、上記軸力センサカラー10は、運動体である主軸1
と共に主軸ヘッドの構成要素として直線運動するもので
あるが、主軸1に対しては、軸方向には相対的にほぼ静
止した系を構成している。
In addition, the axial force sensor collar 10 is a main body 1 which is a moving body.
Along with this, the spindle head moves linearly as a constituent element of the spindle head, but with respect to the spindle 1, it constitutes a system that is relatively stationary in the axial direction.

しかして、第3図に示した主軸1及びベアリング2の関
係は、第6図に示すようなばね系のモデルとして考える
ことができる。すなわち、第3図において主軸1にその
軸方向に沿って力が加わった場合、ベアリング2は弾性
変形するため、このベアリング2を第6図に示すように
ばね201,202(ばね定数をそれぞれk1,k2とする)によっ
て置き換えることができる。一方、第6図における101
を運動体としての主軸、301を前記ベアリング2(ばね2
01,202)を軸方向両側から押えている第3図の外輪カラ
ー4,5や外輪押え8等の略静止系とする。
Therefore, the relationship between the spindle 1 and the bearing 2 shown in FIG. 3 can be considered as a model of a spring system as shown in FIG. That is, in FIG. 3, when a force is applied to the main shaft 1 along its axial direction, the bearing 2 is elastically deformed. Therefore, as shown in FIG. 6, the bearing 2 is provided with springs 201, 202 (spring constants k 1 , k 2 ). On the other hand, 101 in FIG.
Is a main shaft as a moving body, and 301 is the bearing 2 (spring 2
(01, 202) is a substantially stationary system such as the outer ring collars 4 and 5 and the outer ring retainer 8 shown in FIG.

このようなモデルにおいて、始めに主軸101には力f0
加わっており、この状態で第6図の矢印b方向に外部か
ら軸力fexが加わったとする。この軸力fexは、第7図に
示す如く互いに逆向きの力Δf1及びΔf2としてばね201,
202によりそれぞれ分担され、ばね201については、その
ばね定数k1による変位特性線x1に従って変位Δxを生じ
る。一方、ばね202については、そのばね定数k2による
変位特性線x2に従って同じ大きさの変位Δxを生じる。
In such a model, a force f 0 is first applied to the main shaft 101, and in this state, an axial force fex is applied from the outside in the direction of arrow b in FIG. As shown in FIG. 7, the axial force fex is applied to the springs 201, as forces Δf 1 and Δf 2 which are opposite to each other.
Each of them is shared by 202, and the spring 201 generates a displacement Δx according to a displacement characteristic line x 1 according to its spring constant k 1 . On the other hand, with respect to the spring 202, the displacement Δx having the same magnitude is generated according to the displacement characteristic line x 2 due to the spring constant k 2 .

すなわち、軸力fex、ばね定数k1,k2及び変位Δxの間に
は、 fex=Δf1+Δf2=k1Δx+k2Δx =(k1+k2)Δx という関係がある。
That is, the axial force fex, the spring constants k 1 and k 2 and the displacement Δx have a relationship of fex = Δf 1 + Δf 2 = k 1 Δx + k 2 Δx = (k 1 + k 2 ) Δx.

ここで、ばね定数k1,k2が既知であるとすれば、軸力fex
はばね201,202の変位Δxを求めれば算出可能となる。
そしてこの変位Δxは、第6図から明らかなように略静
止系301側から検出することができる。
If the spring constants k 1 and k 2 are known, the axial force fex
Can be calculated by obtaining the displacement Δx of the springs 201 and 202.
This displacement Δx can be detected from the substantially stationary system 301 side as is clear from FIG.

上記のモデルにおいて変位Δxを略静止系301側から測
定することは、第3図の実施例においてベアリング2に
よる歪を略静止系から測定することに相当し、換言すれ
ば、第3図における略静止系である軸力センサカラー10
の位置でベアリング2による歪を検出することで主軸1
の軸力を測定することが可能となる。
In the above model, measuring the displacement Δx from the substantially stationary system 301 side corresponds to measuring the strain due to the bearing 2 from the substantially stationary system in the embodiment of FIG. Axial force sensor color 10 which is a stationary system
By detecting the distortion caused by the bearing 2 at the position
It is possible to measure the axial force of.

すなわち、第3図において、前述した如く軸力センサカ
ラー10には外輪押え8によって予圧が加わっている。こ
の状態で主軸1の軸力は内輪カラー6から最上段のベア
リング2の内輪2Aに伝わり、その後、動力の一部は次段
のベアリング2の内輪2A→内輪カラー3→更に次段のベ
アリング2の内輪2A→……の経路で伝達される。また、
最上段のベアリング2の内輪2Aに伝わった軸力の残部
は、ベアリング2のボール→ベアリング2の外輪2B→次
段のベアリング2の外輪2B→外輪カラー4→更に次段の
ベアリング2の外輪2B→……の経路で伝達される。
That is, in FIG. 3, as described above, the axial force sensor collar 10 is preloaded by the outer ring retainer 8. In this state, the axial force of the main shaft 1 is transmitted from the inner ring collar 6 to the inner ring 2A of the uppermost bearing 2, and then a part of the power is transferred to the inner ring 2A of the next stage bearing 2 → the inner ring collar 3 → the further stage bearing 2 Inner ring 2A → is transmitted through the route. Also,
The balance of the axial force transmitted to the inner ring 2A of the uppermost bearing 2 is the ball of the bearing 2 → the outer ring 2B of the bearing 2 → the outer ring 2B of the bearing 2 of the next stage → the outer ring collar 4 → the outer ring 2B of the bearing 2 of the next stage → ... is transmitted via the route.

このため、最上段のベアリング2の外輪2Bに常時圧接さ
れている軸力センサカラー10には、上記外輪2Bに加わる
力の反力が加わり、前述した薄肉部15が歪むことによっ
て主軸1の軸力に比例した電気信号を歪ゲージ14から得
ることができるものである。
Therefore, the reaction force of the force applied to the outer ring 2B is applied to the axial force sensor collar 10 that is always in pressure contact with the outer ring 2B of the uppermost bearing 2, and the thin portion 15 is distorted to cause the shaft of the spindle 1 to rotate. An electric signal proportional to the force can be obtained from the strain gauge 14.

なお、軸力センサカラー10を外輪押え8の直下に配置す
れば、歪ゲージ14の出力電気信号を内輪カラー6の外側
から容易に取り出すことができる利点があるが、軸力セ
ンサカラー10の位置はこれに何ら限定されるものではな
く、電気信号の取り出しに支障が無ければ第3図の外輪
カラー4,5等の位置でもよい。
If the axial force sensor collar 10 is arranged immediately below the outer ring retainer 8, there is an advantage that the output electric signal of the strain gauge 14 can be easily taken out from the outer side of the inner ring collar 6, but the position of the axial force sensor collar 10 is increased. Is not limited to this, and may be at positions such as the outer ring collars 4 and 5 in FIG. 3 as long as there is no problem in taking out an electric signal.

次いで、第8図及び第9図は、本発明の原理をフェイル
セイフシステムを組み込んだマシニングセンタのアクチ
ュエータに適用したものである。このフェイルセイフシ
ステム及びアクチュエータは、発明者が特開平2−5779
5号として既に提案したものであり、その概略を以下に
説明する。
Next, FIGS. 8 and 9 show the principle of the present invention applied to an actuator of a machining center incorporating a fail-safe system. The failsafe system and the actuator are disclosed by the inventor in Japanese Patent Laid-Open No. 2-5779.
It was already proposed as No. 5, and its outline is explained below.

このフェイルセイフシステムは、工作機械の主軸やテー
ブルの如き運動体から設定値以上の力が加わった際に、
この力の方向に沿って移動する移動子と、この移動子の
初期位置を設定するストッパーと、移動子を支持して予
め設定された一定の力を移動子に作用させる油圧機構の
ような力作用体とを備えており、前記移動子が運動体か
らの力を受けて一定の変位だけ移動したことを検出して
運動体の移動を停止させ、システムを安全側に退避させ
るものである。
This fail-safe system, when a force over the set value is applied from a moving body such as the spindle of a machine tool or a table,
A mover that moves in the direction of this force, a stopper that sets the initial position of this mover, and a force such as a hydraulic mechanism that supports the mover and applies a predetermined constant force to the mover. And a moving body, which detects that the moving body has received a force from the moving body and has moved by a certain displacement, stops the movement of the moving body, and retracts the system to the safe side.

また、前記アクチュエータはこのフェイルセイフシステ
ムの構成要素であって運動体からの力に応動するもので
あり、運動体から設定値以上の力が加わった際にこの力
の方向に沿って移動する移動子と、この移動子の初期位
置を設定するストッパーとを少なくとも備え、移動子を
内部または外部に設けられた力作用体により支持して予
め設定された一定の力を移動子に作用させるものであ
る。
Further, the actuator is a component of the fail-safe system and responds to a force from the moving body, and when a force exceeding a set value is applied from the moving body, the actuator moves along the direction of the force. At least a child and a stopper for setting an initial position of the moving element are supported, and the moving element is supported by a force acting body provided inside or outside to apply a predetermined constant force to the moving element. is there.

例えば、第8図は力作用体として油圧を用いたフェイル
セイフシステムをマシニングセンタに組み込んだもので
あり、図中、51はコラム、52は運動体としての主軸ヘッ
ド、53はツールホルダ54に取付けられたツール55を回転
させるためのモータ、56はワーク、30は前述の如く運動
体としてのテーブル、57はベース、58はサドル、40はテ
ーブル30をX軸方向に移動させるためのボールスクリュ
ー、20Aはこのボールスクリュー40に螺着されたナット
部である。
For example, FIG. 8 shows a fail-safe system using hydraulic pressure as a force acting body incorporated in a machining center. In the figure, 51 is a column, 52 is a spindle head as a moving body, and 53 is a tool holder 54. A motor for rotating the tool 55, 56 a work, 30 a table as a moving body as described above, 57 a base, 58 a saddle, 40 a ball screw for moving the table 30 in the X-axis direction, 20A Is a nut portion screwed to the ball screw 40.

また、59は原理的に油圧シリンダと同様のアクチュエー
タであり、このアクチュエータ59はテーブル30とナット
部20Aとの間、主軸ヘッド52とこの主軸ヘッド52をZ方
向に移動させるボールスクリュー60のナット部61との間
に、更には、ベース57とサドル58との間に設けられたボ
ールスクリューにも設けられている。これらのアクチュ
エータ59からの油圧はすべて1つにつながり、外部に設
けられたアキュムレータ62に接続されている。このアキ
ュムレータ62には油圧モータ63が付属しており、油圧モ
ータ63の回転位置をNCプログラムにより変えることでア
クチュエータ59の動作点、すなわちテーブル30や主軸ヘ
ッド52に加わる力の設定値を例えば100kgf、500kgf、10
00kgfに変えることができるようになっている。
Further, 59 is an actuator similar to a hydraulic cylinder in principle, and this actuator 59 is between the table 30 and the nut portion 20A, and the main spindle head 52 and the nut portion of the ball screw 60 for moving the main spindle head 52 in the Z direction. It is also provided between the base screw 61 and the ball screw provided between the base 57 and the saddle 58. All the hydraulic pressures from these actuators 59 are connected to one and are connected to an accumulator 62 provided outside. A hydraulic motor 63 is attached to this accumulator 62, and by changing the rotational position of the hydraulic motor 63 by an NC program, the operating point of the actuator 59, that is, the set value of the force applied to the table 30 or the spindle head 52 is 100 kgf, for example. 500kgf, 10
It can be changed to 00kgf.

次に、アクチュエータ59の具体的構成の一例を第9図に
示す。なお、第9図では、テーブル30とナット部20Aと
の間に設けられたアクチュエータ59が示されているが、
他の部分に設けられるアクチュエータについても基本的
な構成は同一である。
Next, an example of a specific configuration of the actuator 59 is shown in FIG. Although the actuator 59 provided between the table 30 and the nut portion 20A is shown in FIG. 9,
The actuators provided in other parts have the same basic configuration.

同図において、64はボールスクリュー40が螺着された中
抜き構造のシリンダ、65はシリンダ64と同心上に配置さ
れた中抜き構造のシリンダであり、これらのシリンダ6
4,65によって第8図におけるナット部20Aが構成され、
シリンダ65の端部にテーブル30のアーム31が一体的に連
結されている。ここで、シリンダ64,65は運動体である
テーブル30に対して、フェイルセイフシステムにおける
移動子として作用している。
In the figure, 64 is a hollow-structured cylinder to which the ball screw 40 is screwed, and 65 is a hollow-structured cylinder arranged concentrically with the cylinder 64.
The nut portion 20A in FIG. 8 is constituted by 4,65,
The arm 31 of the table 30 is integrally connected to the end of the cylinder 65. Here, the cylinders 64 and 65 act as a mover in the fail-safe system with respect to the table 30, which is a moving body.

シリンダ64,65内には中抜き構造のピストン66が設けら
れており、このピストン66とシリンダ64,65との間には
図示する如く油が充填されている。そしてこの油は、第
8図に示した外部のアキュムレータ62に達している。ま
た、67はピストン66に連結された磁性体からなる腕であ
り、シリンダ64,65にそれぞれ間接的に固定されたコイ
ル内蔵の誘導式近接スイッチ68が上記腕67に対向するよ
うに配置されている。
A piston 66 having a hollow structure is provided in each of the cylinders 64 and 65, and oil is filled between the piston 66 and the cylinders 64 and 65 as shown in the drawing. This oil then reaches the external accumulator 62 shown in FIG. Further, 67 is an arm made of a magnetic material connected to the piston 66, and an inductive proximity switch 68 with a built-in coil, which is indirectly fixed to each of the cylinders 64 and 65, is arranged so as to face the arm 67. There is.

このアクチュエータ59において、ボールスクリュー40の
回転によりシリンダ65を介してテーブル30に力が加わ
り、その反力がアキュムレータ62による設定値以上にな
ると、フェイルセイフシステムが動作してピストン66が
相対的に図の左方向に移動する。これにより、磁性体か
らなる腕67と誘導式近接スイッチ68との間の距離が離れ
るため、運動体としてのテーブル30に設定値以上の力が
加わったことを誘導式近接スイッチ68から電気信号とし
て取り出すことができる。
In this actuator 59, the rotation of the ball screw 40 applies a force to the table 30 via the cylinder 65, and when the reaction force exceeds the value set by the accumulator 62, the fail-safe system operates and the piston 66 relatively moves. To the left of. As a result, the distance between the arm 67 made of a magnetic material and the inductive proximity switch 68 is increased, so that the table 30 as a moving body receives an electric signal from the inductive proximity switch 68 that a force larger than the set value is applied. You can take it out.

上記アクチュエータ59において、シリンダ65は直線運動
するテーブル30に対して相対的にほぼ静止しており、第
1図及び第2図のナット部20とほぼ同様の位置に、本発
明にかかる軸力測定装置のロードセルを作り込むことが
可能である。すなわち、第9図に示すようにシリンダ65
の外周面中央部に幅広の溝72が形成され、また内周面中
央部には幅狭の溝73が形成されている。そして、溝72の
底面にはその外周面を四分する位置に歪ゲージ74がそれ
ぞれ固着され、溝72の内部には発泡性または弾性の小さ
いシリコンゴム76及び耐油性シリコンゴム77が充填され
ている。更に、溝72と溝73との間には薄肉部75が形成さ
れ、上記各構成要素が全体としてロードセルを構成して
いる。
In the actuator 59, the cylinder 65 is substantially stationary relative to the table 30 that moves linearly, and the axial force measurement according to the present invention is performed at a position substantially similar to the nut portion 20 of FIGS. 1 and 2. It is possible to build a load cell for the device. That is, as shown in FIG.
A wide groove 72 is formed in the central portion of the outer peripheral surface of the, and a narrow groove 73 is formed in the central portion of the inner peripheral surface. Then, on the bottom surface of the groove 72, strain gauges 74 are fixed respectively at positions that divide the outer peripheral surface thereof, and inside the groove 72, a silicone rubber 76 having a small foaming property or elasticity and an oil resistant silicone rubber 77 are filled. There is. Further, a thin portion 75 is formed between the groove 72 and the groove 73, and each of the above components constitutes a load cell as a whole.

この例においても、直線運動するテーブル30のX軸方向
の力に応じてロードセルの薄肉部75が歪み、上記軸力に
比例した電気信号を歪ゲージ74から得ることができ、略
静止系からのテーブル30の軸力測定が可能になる。特に
この例では、こうして測定した軸力に基づき、前述のア
キュムレータ62による力の設定値つまりフェイルセイフ
システムが動作する力の設定値をリアルタイムで変える
ことができ、常に最適な動作設定値を有するフェイルセ
イフシステムを実現することができる。
Also in this example, the thin portion 75 of the load cell is distorted in response to the force of the table 30 that moves linearly in the X-axis direction, and an electric signal proportional to the axial force can be obtained from the strain gauge 74, and a substantially static system can be used. The axial force of the table 30 can be measured. In particular, in this example, based on the axial force thus measured, the force set value by the accumulator 62, that is, the force set value at which the fail-safe system operates can be changed in real time, and a fail that always has an optimum operation set value. A safe system can be realized.

また、この例において、ロードセルは第9図におけるピ
ストン66のc部や、シリンダ64のd部に設けることも可
能である。
Further, in this example, the load cell may be provided at the c portion of the piston 66 or the d portion of the cylinder 64 in FIG.

なお、本発明は前記実施例に限らず、ボールスクリュー
及びナット部により駆動されて直線運動する種々の運動
体の軸力測定に適用することができる。更に本発明は、
工作機械を始めとした機械の軸力を測定し、リアルタイ
ムで連動して運動体の送りや回転等を適応制御するシス
テムに応用することができる。
The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, but can be applied to the axial force measurement of various moving bodies which are linearly moved by being driven by a ball screw and a nut portion. Further, the present invention is
It can be applied to a system that measures the axial force of machines such as machine tools, and interlocks them in real time to adaptively control the feed and rotation of moving bodies.

(発明の効果) 以上述べたように本発明によれば、直線運動する運動体
の軸力を、運動体に対し相対的に見てほぼ静止系を構成
するナット部の薄肉部及び力センサからなるロードセル
によって検出するものであるから、運動体側に存在する
モータ等の駆動源やギアのような動力伝達機構の運動に
よる外乱を受けることなく、運動体の軸力を正確に測定
することができる。
(Effect of the invention) As described above, according to the present invention, the axial force of a moving body that moves linearly is seen from the thin portion of the nut portion and the force sensor that form a substantially stationary system when viewed relatively to the moving body. Since it is detected by the load cell, it is possible to accurately measure the axial force of the moving body without being disturbed by the movement of the drive source such as the motor or the power transmission mechanism such as the gear existing on the moving body side. .

また、ロードセル自体の構造は極めて簡単であるから、
低コストにて本発明にかかる軸力測定装置を提供するこ
とができる。
Moreover, since the structure of the load cell itself is extremely simple,
The axial force measuring device according to the present invention can be provided at low cost.

更に、このロードセルは、工作機械のボールスクリュー
のナット部に予め作り込んでおくことが可能であり、従
来のように6分力テーブル等を軸力測定のためにその都
度据え付ける手間を解消することができ、また、大荷重
の軸力測定も可能である。同時に、工作機械による加工
運転と並行して軸力測定を行なうことができるから、測
定した軸力に応じて迅速に加工条件等を変更することが
でき、高効率、高精度の加工システムを実現することが
できる。
Furthermore, this load cell can be built in advance in the nut part of the ball screw of the machine tool, eliminating the need to install a 6-minute force table etc. each time for axial force measurement as in the past. It is also possible to measure the axial force of a large load. At the same time, the axial force can be measured in parallel with the machining operation by the machine tool, so the machining conditions etc. can be changed quickly according to the measured axial force, realizing a highly efficient and highly accurate machining system. can do.

加えて、本発明を用いれば、ある加工条件のもとでの運
動体の力のデータを蓄積することができ、これをNCコン
ピュータ等により解析することによってツールの寿命や
破損、折損予測等を行なうことができる。すなわち、こ
れらの蓄積データを利用することで工作機械自身が最適
の加工条件を自動的に選択、設定することが可能とな
り、工作機械にいわゆる自己学習機能を持たせることが
可能となる。
In addition, by using the present invention, it is possible to accumulate the force data of the moving body under a certain machining condition, and analyze it with an NC computer or the like to predict the tool life, damage, breakage, etc. Can be done. That is, by utilizing these accumulated data, the machine tool itself can automatically select and set the optimum machining conditions, and the machine tool can have a so-called self-learning function.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の実施例の要部説明図、第2図は第1図
のb部拡大説明図、第3図は本発明の応用例の要部説明
図、第4図は軸力センサカラーの説明図、第5図は第4
図におけるa部拡大説明図、第6図は第3図と等価的な
ばね系のモデル図、第7図は第6図の力−変位特性図、
第8図はマシニングセンタの概略構成図、第9図はアク
チュエータの断面図である。 1……主軸、7……ハウジング 10……軸力センサカラー、12,13,22,23,72,73……溝 14,24,74……歪ゲージ、15,25,75……薄肉部 20,20A……ナット部、30……テーブル 40……ボールスクリュー、59……アクチュエータ 64,65……シリンダ
FIG. 1 is an explanatory view of essential parts of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged explanatory view of part b of FIG. 1, FIG. 3 is an explanatory view of essential parts of an application example of the present invention, and FIG. Explanatory drawing of sensor color, Fig. 5 is No. 4
FIG. 6 is an enlarged explanatory view of part a, FIG. 6 is a model diagram of a spring system equivalent to FIG. 3, FIG. 7 is a force-displacement characteristic diagram of FIG.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the machining center, and FIG. 9 is a sectional view of the actuator. 1 …… spindle, 7 …… housing 10 …… axial force sensor collar, 12,13,22,23,72,73 …… groove 14,24,74 …… strain gauge, 15,25,75 …… thin-walled part 20,20A …… Nut part, 30 …… Table 40 …… Ball screw, 59 …… Actuator 64,65 …… Cylinder

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】工作機械における直線運動体を駆動するボ
ールスクリューのナット部に薄肉部を形成すると共に薄
肉部に力センサを固着してロードセルを構成し、ボール
スクリューの軸方向に沿って移動する直線運動体からの
反力を、薄肉部に発生する歪に基づいて前記力センサが
検出することを特徴とする軸力測定装置。
1. A load cell is constructed by forming a thin portion on a nut portion of a ball screw that drives a linear motion body in a machine tool and fixing a force sensor to the thin portion to move along the axial direction of the ball screw. An axial force measuring device characterized in that the force sensor detects a reaction force from a linear moving body based on a strain generated in a thin portion.
JP1012716A 1989-01-21 1989-01-21 Axial force measuring device Expired - Lifetime JPH0775816B2 (en)

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Applications Claiming Priority (1)

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