JPH11138380A - 衝突時の損傷防止機能を有する工作機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工作機械の各部位を衝突時の損傷から保護す
る。 【解決手段】 送り軸により工具７とワーク１２とを相
対移動させてワークを加工する工作機械において、送り
軸に作用する負荷を検出するとともに、検出した負荷が
予め設定した値を超えたとき送り軸を停止させる送り軸
停止制御手段と、前記相対移動によって衝突する可能性
のある工作機械の部位、例えば主軸６の先端外周部また
はベアリング押え４の外周部に着脱可能に取り付けら
れ、衝突した場合つぶれることによって工作機械本体に
は損傷を与えず、かつ衝突時に送り軸停止制御手段が予
め設定した値を超えた負荷であることを検出可能な抗力
を有する衝撃吸収部材８、９と、を具備し、衝撃吸収部
材８、９の厚み範囲内のオーバーラン量で送り軸を停止
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、送り軸により相対
移動する部材同志の衝突時の損傷防止機能を有する工作
機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】送り軸により工具とワークとを相対移動
させてワークを加工する工作機械において、相対移動中
に何等かの物体、例えば工具やワークが工作機械の各部
位に衝突し工作機械本体を損傷させることがある。具体
例を図を用いて以下に説明する。

【０００３】図４は従来技術の主軸装置１の概略構成図
であり、図５は衝突時における送り軸の送り速度の変化
を示す図である。誤操作やプログラムミスにより図示し
ないワーク等が主軸６に衝突すると、主軸６の工具７の
装着孔であるテーパ部２、ベアリング３、ベアリング押
え４または主軸ハウジング５により先端部を除いて収容
される主軸６の外周部に過大な損傷が生じる。より詳し
くは、ワーク等が工具７を取付けた主軸６に衝突すると
主軸６が変形し始めて主軸６の外周部とベアリング押え
４との間のギャップがなくなり、衝突検出の遅れの間に
主軸６がベアリング押え４に接触し、主軸６の外周部お
よびベアリング押え４の内周部が焼きつき破損してしま
う。その後、この衝突を検出して送り軸（図示せず）を
制動し停止するが機械の慣性力により主軸６は押され続
け、主軸６の曲げ剛性、ベアリング押え４の取付け剛
性、主軸ハウジング５の剛性等による総反発力と釣り合
った位置で送り軸は完全停止に至る。図５に示すよう
に、送り軸を送ることによりワーク等が主軸６に衝突し
てから送り軸が完全に停止するまでには、時刻ｔ₁ にお
ける上記接触から時刻ｔ₂ における衝突検出までの衝突
検出遅れによる流れ量（オーバラン量）と時刻ｔ₂ にお
ける衝突検出から時刻ｔ₃ における完全停止までの停止
時の流れ量とが本来発生するが、これら流れ量を吸収す
るものがないので主軸６は衝突により衝突物体としての
ワークから過大な力を受け、テーパ部２が破損したり主
軸６そのものが主軸ハウジング５により収容される部分
で変形したりして損傷する。機械が高速化するにつれて
この流れ量は大きくなり主軸装置１の受ける損傷は益々
大きくなっている。

【０００４】このような主軸の損傷を防止する技術には
次のようなものが知られている。特開平６−２８９９１
７号公報に開示された推定外乱負荷トルクによるサーボ
モータ制御方法は、送り軸のサーボモータに加わる外乱
負荷トルクを推定し、推定値が工具やワークの材質等で
決まる切削状態に応じて予め設定した基準値を超えた時
を上記衝突の検出時と判断して衝突の早期検出を行い、
検出後は例えば回生制動によりサーボモータの駆動を短
時間に停止するものである。

【０００５】特開昭５５−８３５４５号公報に開示され
た工作機械における駆動系の安全装置は、サーボモータ
とボールスクリューとの間に２つの部材からなる継手を
介在させ、この２つの継手内に窪みを設けてその窪みの
中に取り外し容易に跨がってシャーカラーを装着し、衝
突等の事故が発生した場合にシャー部材が剪断され、サ
ーボモータからボールスクリューへの回転駆動を不能に
するものであり、さらに２つの継手間に回転方向の相対
的位置のずれが生じたときこれを検出して駆動系を停止
し機械を保護するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
６−２８９９１７号公報の方法は、上記衝突を検出して
送り軸を駆動するサーボモータを停止するが、流れ量が
大きいと衝突部の損傷は免れないという問題がある。ま
た、この損傷を修理するためには機械を長時間停止させ
なければならず、修理期間中は機械が使用できないとい
う問題がある。

【０００７】一方、特開昭５５−８３５４５号公報の装
置は、シャーピンが破壊に至らない程度に変形した状態
のままで機械加工を続行することがあり、このような場
合、送り軸の位置精度が出ないまま機械加工を行ってし
まうという問題がある。それゆえ、本発明は上記問題を
解決し、衝突部の損傷を可能な限り最小として修理に時
間を要さないようにするとともに、シャーピンを設けな
いことによりシャーピン変形時の送り軸の位置精度を確
保しつつ機械加工を行うことのできる衝突時の損傷防止
機能を有する工作機械を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決する本発
明による衝突時の損傷防止機能を有する工作機械は、送
り軸により工具とワークとを相対移動させて前記ワーク
を加工する工作機械において、前記相対移動する工作機
械の突出部位に着脱可能に取付けられ、衝突した場合所
定の抗力を発し、衝撃を吸収する衝撃吸収部材と、前記
送り軸の負荷が前記衝撃吸収部材の所定の抗力以上にな
ったことを検出したとき前記送り軸を停止させる送り軸
停止制御手段と、を具備し、前記衝撃吸収部材の厚み範
囲内のオーバーラン量で前記送り軸を停止させることを
特徴とする。

【０００９】本発明による衝突時の損傷防止機能を有す
る工作機械において、前記衝撃吸収部材は、主軸の先端
外周部および主軸ハウジング先端の外周部の少くなくと
も一方に組込まれる。上記構成により、送り軸に作用す
る負荷が設定値（所定の抗力）を超えたことで衝突を検
出して送り軸を停止し、衝突検出までは破壊されず衝突
検出後破壊してもその厚み範囲内のオーバーラン量で送
り軸を停止する衝撃吸収部材を設けたことで、工作機械
の各部位が損傷から保護される。衝突後は衝撃吸収部材
の交換だけで修理ができ修理時間が短縮される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ本発
明の実施の形態について説明する。なお、図面において
同一部分は同一参照符号で示す。図１は本発明の一実施
形態に係る主軸部の構成図である。図１には、主軸装置
１が図全体に示されている。前述した図４に示す従来技
術の主軸部の構成と異なる所は、第１の保護リング８が
主軸６の先端外周部に、第２の保護リング９がベアリン
グ押え４の外周部にそれぞれ組込まれ、これら保護リン
グ８、９が取付けボルト１０によりそれぞれ固定されて
いる点である。本発明の実施形態は、テーブル１１上に
載置されたワーク１２等に衝突して損傷を受けやすい主
軸装置１の各部位に保護リング８、９を配設し、これら
保護リング８、９により、主軸６または主軸ハウジング
５のワーク等との衝突による損傷を防止するものであ
る。第１の保護リング８と第２の保護リング９は取付け
場所が異なるだけで同一機能を有する。次に、ワーク１
２が保護リング９に衝突した場合の主軸装置１の保護に
ついて以下に説明する。

【００１１】図１において、工具７により加工されるワ
ーク１２の加工面をＸ−Ｙ平面、ワーク１２の加工面に
垂直な軸すなわち主軸６の軸線方向をＺ軸とする。図示
しない送り軸を送ることにより、工具７とワーク１２と
がＹ軸方向に相対移動し、ワーク１２が参照符号１２’
で示す位置まで保護リング９に接近し、さらに送り軸が
送られるとワーク１２が保護リング９に衝突する。先
ず、衝突の検出が行われる。

【００１２】この衝突の検出には、次の３つの方法が考
えられる。 １．主軸モータの負荷変動の異常を検出する。 ２．送り軸モータの負荷変動の異常を検出する。 ３．直接主軸へ印加される力の変化を検出する。 上記第１の方法は主軸回転時のみ有効であり汎用性がな
い。第２の方法は検出精度に問題がある。よって第３の
方法が最も有力である。この第３の方法には、（ａ）主
軸６のひずみによる応力を検出可能な箇所にひずみゲー
ジを配設してひずみゲージの電気抵抗の変化を検出する
方法と、（ｂ）送り軸モータの外乱負荷トルクの変化を
検出する方法とがある。本発明の実施形態では第３の
（ｂ）の送り軸モータの外乱負荷トルクの変化を検出す
る方法を採用する。

【００１３】図３は本発明の実施形態に係る送り軸の制
御を示すブロック図である。送り軸の制御はＮＣ制御部
３１とサーボ制御部３２と衝突検出制御部３３とからな
り、ＮＣ制御部３１の移動指令分配制御部３１ａはＮＣ
プログラムに応じて所定サイクル毎に送り軸を送る移動
分配指令をサーボ制御部３２の位置ループ制御部３２ａ
へ送り、サーボ制御部３２はこれを受けてサーボモータ
３４を駆動して送り軸を送る。位置ループ制御部３２ａ
は、サーボモータ３４の駆動により送られる送り軸の位
置検出器３５から位置フィードバック信号を受け、移動
分配指令と位置フィードバック信号との位置偏差εの信
号に比例定数ｋp を掛けた値εｋp を速度指令として速
度ループ制御部３２ｂへ送る。速度ループ制御部３２ｂ
は、サーボモータ３４の軸に取付けられその回転速度を
検出するパルスエンコーダ３６から速度フィードバック
信号を受け、上記速度指令と速度フィードバック信号と
の速度偏差によりＰＩ制御を行いトルク指令（電流指
令）を電流ループ制御部３２ｃへ送る。電流ループ制御
部３２ｃはこの電流指令に応じてサーボモータ３４を駆
動する。

【００１４】次に、衝突検出制御部３３について以下に
説明する。衝突検出制御部３３の送り軸実負荷算出部３
３ａには、サーボ制御部３２の速度ループ制御部３２ｂ
からのサーボモータ３４へのトルク指令と、パルスエン
コーダ３６からのサーボモータ３４の回転速度の検出信
号とが送られる。ところで、送り軸を駆動するサーボモ
ータ３４のトルクには、加減速度のトルクと、送り軸の
自重落下を防止するための重力軸保持トルクと、外乱負
荷トルクとがある。送り軸実負荷算出部３３ａは、この
外乱負荷トルクを、送り軸に作用する負荷として、サー
ボモータ３４へのトルク指令値とサーボモータの回転速
度とから推定して算出する。この算出方法に関しては特
開平６−２８９９１７号公報に詳細に開示されているの
で説明を省略する。

【００１５】このように算出した推定値、すなわち検出
した送り軸に作用する負荷の値を衝突検出部３３ｂへ送
る。衝突検出部３３ｂは、送り軸実負荷算出部３３ａに
より算出された負荷の値が異常負荷レベル設定部３３ｃ
に予め設定した値を超えたとき衝突が生じたと判断して
サーボ制御部３２の位置ループ制御部３２ａへ速度ゼロ
停止指令を送る。この速度ゼロ停止指令が出された、す
なわち衝突検出がされたとき、サーボ制御部３２は例え
ばサーボモータ３４を最大トルクで制動し送り軸の流れ
量が最小となるように送り軸を停止する。

【００１６】次に、保護リング８、９の機能について説
明する。本発明の保護リングは、下記の構成要件を有す
る。 １．接触から衝突検出まで衝突物（本実施形態ではワー
ク１２）からの荷重に耐え得る材料からなること。 ２．ダンパ効果を有すること。すなわち、衝突エネルギ
を消散または緩和させる構造であること。

【００１７】３．衝突後に送り軸が送られて生じる流れ
量を吸収できる構造であること。 上記構成要件を満足する保護リング、すなわち本発明の
衝撃吸収部材の実施例について以下に説明する。図２は
本発明の衝撃吸収部材の実施例を示す図である。図２に
示すように、衝撃吸収部材としての保護リング９は、ベ
アリング押え４にボルト２１により容易に着脱できるよ
うに固定される。保護リング９はまた、ワーク１２が保
護リング９に接触し衝突したとき、前述の外乱負荷トル
クの推定値が予め設定した基準値を超えたことによりそ
の衝突を検出することを可能とする抗力を有する。換言
すれば、保護リング９はワーク１２からの例えば上記基
準値の１トンの荷重に耐えることができ、外乱負荷が１
トンを超えると衝撃を吸収しながらつぶれる材料及び構
造とする必要があり、このため鋼材２２と塑性材２３と
から構成する。塑性材２３は、ダンパ効果と流れ量の吸
収効果とを得るようたとえばハニカム構造が選択され、
送り軸が完全停止するまでの間にワーク１２がＹ軸方向
へ所定の送り量だけ保護リング９に食い込んで送られ
る。この送り量（オーバーラン量）は保護リング９の厚
みの範囲内に設計される。このように、ベアリング押え
４および主軸６は保護リング９により保護される。

【００１８】また、保護リング９は、自動車のバンパの
ように中空の硬質ウレタンゴムで構成されていても良
い。中空の硬質ウレタンゴムは、負荷により比較的大き
な変形を受けても、その負荷を取り除くとほとんど元の
状態に復元される性質を持っている。ワーク１２が保護
リング９に接触し衝突したとき、保護リング９はへこみ
始め、所定の抗力を発すると送り軸停止制御手段が働い
て送り軸は停止する。その間の流れ量は、保護リング９
の更なるへこみ作用で吸収できる。

【００１９】以上説明した実施形態において、ワークが
主軸に衝突した例を用いて説明したが、本発明は一般的
な工作機械の主軸部における衝突時の損傷防止に限定さ
れるものではない。コラム全体がＺ軸方向に移動するコ
ラムトラバース形の工作機械では、ワークがコラム全面
に衝突する可能性があり、５軸のＮＣ送り軸（例えば
Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ軸）を有したマシニングセンタで特
異な形状をしたワークを同時５軸加工をするとき、ワー
クが主軸ハウジング前面に衝突する可能性がある。した
がって、コラムトラバース形の工作機械ではコラム前
面、５軸のＮＣ送り軸を有したマシニングセンタでは主
軸ハウジング前面など、各種工作機械に応じた衝突する
可能性のある各部位に本発明の衝撃吸収部材を取付ける
ことにより工作機械の各部位を衝突時の損傷から保護す
ることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
工作機械の突出部に、衝突した場合所定の抗力を発し、
衝撃を吸収する衝撃吸収部材を設け、送り軸に作用する
負荷が設定値（所定の抗力）を超えたことで衝突を検出
して送り軸を停止し、衝突検出後破壊または変形してそ
の厚み範囲内のオーバーラン量で送り軸を停止する衝撃
吸収部材を設けたことで、工作機械の各部位を損傷から
保護することができる。衝突後は衝撃吸収部材を交換す
るだけで修理ができ修理時間を短縮できる。また、工作
機械の駆動系にシャーピンを設けないことでシャーピン
変形による送り軸の位置精度のずれはなくなり、精度よ
い機械加工が保証される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る主軸部の構成図であ
る。

【図２】本発明の衝撃吸収部材の実施例を示す図であ
る。

【図３】本発明の実施形態に係る送り軸の制御を示すブ
ロック図である。

【図４】従来技術の主軸部の概略構成図である。

【図５】衝突時における送り軸の送り速度の変化を示す
図である。

【符号の説明】

１…主軸装置 ２…テーパ部 ３…ベアリング ４…ベアリング押え ５…主軸ハウジング ６…主軸 ７…工具 ８、９…保護リング １２…ワーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送り軸により工具とワークとを相対移動
   させて前記ワークを加工する工作機械において、 前記相対移動する工作機械の突出部位に着脱可能に取付
   けられ、衝突した場合所定の抗力を発し、衝撃を吸収す
   る衝撃吸収部材と、 前記送り軸の負荷が前記衝撃吸収部材の所定の抗力以上
   になったことを検出したとき前記送り軸を停止させる送
   り軸停止制御手段と、 を具備し、前記衝撃吸収部材の厚み範囲内のオーバーラ
   ン量で前記送り軸を停止させることを特徴とした衝突時
   の損傷防止機能を有する工作機械。
2. 【請求項２】 前記衝撃吸収部材は、主軸の先端外周部
   および主軸ハウジング先端の外周部の少くなくとも一方
   に組込まれる請求項１に記載の衝突時の損傷防止機能を
   有する工作機械。