JPWO2019116573A1 - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Abstract

圧縮空気を使って工具ホルダ（３０）の着座確認を行う工作機械の主軸装置（１０）であって、工具ホルダ（３０）のフランジ端面が密接する先端面（１８）を有する主軸（１２）と、工具ホルダのフランジ端面によって覆われるように、主軸の先端面（１８）に形成された環状凹部（２５）と、環状凹部に連通し、環状凹部に対して圧縮空気を供給する空気供給流路（２１）と、空気供給流路に空気を供給する圧縮空気源（２３）と、空気供給流路内の圧縮空気の圧力を検出する圧力検出器（２２）とを具備し、環状凹部（２５）が、第１部分（２５ａ）と、第１部分よりも深い第２部分（２５ｂ）とを有し、空気供給流路は、第２部分（２５ｂ）に開口する、工作機械の主軸装置（１０）。

Description

本発明は、工作機械の主軸装置に関する。

マシニングセンタのような工作機械では、工具の自動交換に際して、工具ホルダが主軸に対して正しく装着されたか否かを確認する着座確認が行われる。着座確認は、従来、工具ホルダのフランジの後端面が密接する主軸の先端面に圧縮空気の出口を設け、圧縮空気を主軸内部から空気供給流路を通して供給し、その空気供給流路内の空気の圧力を検知することによって行われている。つまり、工具ホルダのフランジの後端面と主軸の先端面とが密接している場合には、それら二つの面の間から漏れ出る空気量は微小量であるので、空気供給流路の圧力が所定の値まで短時間で高まり、その結果、適正な着座であると判定される。これに対して、工具ホルダのフランジの後端面と主軸の先端面との間に切りくずのような異物が挟まれることによってそれら二つの面が密接しない場合には、漏れ出る空気量が多くなって空気供給流路の圧力が所定の値まで上がらないので、不適正な着座であると判定される。

特許文献１は、上述したような圧縮空気を利用した着座確認を行うことができるクランプ装置を記載している。特許文献１のクランプ装置では、必要十分な空気量を主軸の先端面に供給することをねらって、主軸の着座面に、円弧状あるいは環状の溝が形成されて、その溝に空気供給流路の出口が開口する。

特開２０１７−１５９３８３号公報

特許文献１に示されるような環状の溝の深さを浅くすることによって、薄い異物の検出も比較的短時間で可能になるが、異物による空気供給流路の出口の閉塞という問題が起きやすくなることが本発明の発明者によって見出された。空気供給流路の出口が閉塞されると、空気供給流路内の圧力は、着座が正常な場合とほぼ同等の値にまで高まるので、異物が介在するにも拘らず、制御装置は、着座が適正に行われたと誤判定する可能性がある。これに対して、環状の溝の深さをより深くすることによって、異物によって空気供給流路の出口が塞がれるという問題は起こり難くなる一方で、薄い異物の検出に要する時間が延びることが本発明の発明者によって見出された。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、着座確認に要する時間を延ばすことなく着座確認の信頼度を高めることのできる工作機械の主軸装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、圧縮空気を使って工具ホルダの着座確認を行う工作機械の主軸装置であって、工具ホルダのフランジ端面が密接する先端面を有する主軸と、工具ホルダのフランジ端面によって覆われるように、主軸の先端面に形成された環状凹部と、環状凹部に連通し、環状凹部に対して圧縮空気を供給する空気供給流路と、空気供給流路に空気を供給する圧縮空気源と、空気供給流路内の圧縮空気の圧力を検出する圧力検出器とを具備し、環状凹部は、第１部分と、第１部分よりも深い第２部分とを有し、空気供給流路は、第２部分に開口する、工作機械の主軸装置が提供される。

本発明によると、空気供給流路に圧縮空気を供給することにより工具ホルダの主軸に対する着座確認を行う際に、従来は互いにトレードオフの関係にあった、厚さの薄い異物でも短時間で検知可能になるという効果と、空気供給流路の出口を覆う異物によって出口が塞がれ難くなるという効果を両立させることが可能になる。したがって、本発明によると、着座確認に要する時間を延ばすことなく着座確認の信頼度を高める工作機械の主軸装置を提供することが可能になる。

本発明の実施形態による主軸装置の縦断面図（Ａ）と先端面図（Ｂ）である。 図１の縦断面図（Ａ）の要部の拡大図であるが、この図にはクランプされた工具ホルダが追加されている。 主軸装置の主軸の先端面を模式的に示す先端面図（Ａ）と、（Ａ）における切断線Ｘ〜Ｘに沿う主軸の模式的な縦断面図（Ｂ）である。 工具ホルダの着座確認のフロー図である。 工具ホルダを主軸装置の主軸にクランプしたときの空気供給流路内の空気圧力の時間的な変化を示すグラフである。 本発明の実施形態による主軸装置の第１の変形例の主軸の先端面を模式的に示す先端面図（Ａ）と、（Ａ）における切断線Ｘ〜Ｘに沿う主軸の模式的な縦断面図（Ｂ）である。 本発明の実施形態による主軸装置の第２の変形例の主軸の先端面を模式的に示す先端面図（Ａ）と、（Ａ）における切断線Ｘ〜Ｘに沿う主軸の模式的な縦断面図（Ｂ）である。 本発明の実施形態による主軸装置の第３の変形例の主軸の先端面を模式的に示す先端面図（Ａ）と、（Ａ）における切断線Ｘ〜Ｘに沿う主軸の模式的な縦断面図（Ｂ）である。 本発明の第１の関連技術による主軸装置の主軸に工具ホルダをクランプしたときの空気供給流路内の空気圧力の時間的な変化を示すグラフである。 本発明の第２の関連技術による主軸装置の主軸に工具ホルダをクランプしたときの空気供給流路内の空気圧力の時間的な変化を示すグラフである。

本発明の実施形態による工作機械の主軸装置１０について図１〜図５を参照して以下に説明する。図１の（Ａ）は、本発明の実施形態による工作機械の主軸装置（以下、単に「主軸装置」と呼ぶことがある）１０の主要部の模式的な縦断面図に空気供給回路を付加した図であり、図１の（Ｂ）は主軸装置１０の先端面１８を示す端面図である。以下の説明では、工作機械は立形のマシニングセンタであるが、主軸装置１０が、例えば横形のマシニングセンタ等のその他の工作機械の主軸装置１０であってもよいことは明らかであろう。

主軸装置１０は、工作機械のコラム（図示せず）によってＺ軸方向に移動可能に支持された支持体１１と、Ｚ軸方向に延びる回転軸線Ｒｚを中心に回転する主軸１２と、支持体１１と主軸１２との間に配置されて主軸１２を回転可能に支持する複数の軸受１３と、主軸１２の内部に配置されたドローバー１４と、ドローバー１４と工具ホルダ３０との間に配置されたコレット１５と、ドローバー１４をＺ軸方向上方に付勢する複数の皿バネ１６と、ドローバー１４をＺ軸方向下方に押圧する図示しないアクチュエータ等を具備している。本実施形態における主軸装置１０は、その主軸１２に対して工具ホルダ３０を二面拘束方式によってクランプする。

図２は、図１の（Ａ）を拡大した図と同様の図であるが、そこでは主軸１２に工具ホルダ３０がクランプされている。図２における工具ホルダ３０は、切削加工用の回転工具４０が公知の方法で固定された状態の縦断面図として示されるが、内部の構造は示されず輪郭のみが示される。工具ホルダ３０は、ここでは二面拘束タイプのものであるので、テーパー状のシャンク部３１と、回転軸線Ｒｚに直交する位置決め面を形成するフランジ部３２とを有する。工具ホルダ３０の主軸１２へのクランプは、よく知られているように、工具ホルダ３０のシャンク部３１が主軸１２に設けられた対応するシャンク挿入孔１７に挿入されると、工具ホルダ３０のシャンク部３１の外周面とシャンク挿入孔１７の内周面とが密接して、さらに工具ホルダ３０のフランジ部３２の位置決め面、即ち後端面が主軸１２の先端面１８に密接するまで、工具ホルダ３０がドローバー１４によって上方に引き上げられることによって行われる。また、工具ホルダ３０の交換中には、前述の互いに密接する面に対して、そこに付着している可能性のある切りくず等の異物を洗い流すために、クーラントが、図示されないクーラント噴出口から吹き付けられる。

本実施形態の主軸装置１０は、着座確認を行うために、主軸１２の先端面１８に内部より圧縮空気を供給する空気供給流路２１と、空気供給流路２１の圧力を検出する圧力検出器２２と、圧縮空気源２３と、制御装置２４と、空気供給流路２１を開閉する図示しない電磁弁とをさらに具備している。空気供給流路２１は、圧縮空気源２３から支持体１１までの管路部分２１ａと、支持体１１の内部に形成された支持体内部分２１ｂと、主軸１２の内部に形成された主軸内部分２１ｃとから構成されている。空気供給流路２１の出口２１ｄは主軸内部分２１ｃの出口２１ｄとして形成される。空気供給流路２１の出口２１ｄは、回転軸線Ｒｚを中心として主軸１２の先端面１８に形成された環状凹部２５の中に開口している。環状凹部２５は、図１の（Ｂ）に示され、より詳しくは、模式的な説明図である図３に示される。

本実施形態の主軸装置１０は、主軸１２が停止するときには、空気供給流路２１の支持体内部分２１ｂの出口と主軸内部分２１ｃの入口とが、角度的に位置合わせされるように、主軸１２の回転角度が制御装置２４によって制御される。さらに、図示しないが、主軸１２が静止しているときには、空気供給流路２１の支持体内部分２１ｂの出口と主軸内部分２１ｃの入口とが密接される一方で、主軸１２の回転中には分離されるように構成される実施形態も可能である。その場合には、空気供給流路２１の支持体内部分２１ｂの出口を含んだ流路部分が、回転軸線Ｒｚに直交する方向に進退可能なプランジャ（図示せず）内に形成され、プランジャは、主軸１２の回転中は後退し、主軸１２が停止すると前進して主軸１２に接触するように作動される。

次に、主軸１２の先端面１８に形成される環状凹部２５について図３を参照して説明する。図３の（Ａ）は主軸１２の先端面１８を模式的に示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）において円周方向に延びるＸ〜Ｘ切断線による湾曲した断面を平面に展開した断面図である。環状凹部２５は、工具ホルダ３０が主軸１２に装着されたときに、工具ホルダ３０のフランジ部３２の後端面によって完全に覆われるように形成されている。環状凹部２５は、比較的に浅い第１部分２５ａと、第１部分２５ａよりも深い第２部分２５ｂとを有する。第２部分２５ｂの底面には空気供給流路２１の直径１．５ｍｍの出口２１ｄが開口している。本実施形態では、第１部分２５ａの深さＤ_１が０．３ｍｍであるのに対して、第２部分２５ｂの深さＤ_２は０．５ｍｍである。第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂの幅Ｗは共に１．８ｍｍである。ただし、第１部分２５ａと第２部分２５ｂの幅Ｗが異なる実施形態も可能である。

図３の実施形態では、第１部分２５ａは第２部分２５ｂよりも相当に広い約５倍の平面視の面積を有している。これは、環状凹部２５の深さが深いと、後述するように、特に厚さの薄い異物が介在した場合の検出時間あるいは判定時間が延びることが本発明の発明者によって見出されているからである。換言すると、相対的に深い第２部分２５ｂの面積を減らした方が判定時間の短縮が可能になるからである。

次に、本発明の実施形態による主軸装置１０がどのように着座確認を行うかについて図４のフロー図を参照して説明する。
着座確認の工程は、主軸１２が工具ホルダ３０をクランプすることによって開始される（Ｓ１０）。なお、本実施形態では、圧縮空気は、着座確認の工程が開始される前から供給され続けている。
次に、その状態で所定の待機時間だけ待機する。前記所定の待機時間は、検出目標とする最小の切りくずの厚さ等に応じて定められる（Ｓ２０）。
次に、制御装置２４は、圧力検出器２２によって検出された空気供給流路２１内の空気圧力が所定のしきい値を超えているか否かを判定する（Ｓ３０）。
そして、検出された圧力が所定のしきい値以下であれば、制御装置２４は、着座が不適正であると判定してアラームを発出する（Ｓ４０）。
一方、検出された圧力が所定のしきい値を超えていれば、制御装置２４は、着座が適正に行われたと判定し（Ｓ５０）、着座確認工程及び工具交換工程を終了する（Ｓ６０）。

ここで、本発明の主軸装置１０の作用効果をより詳しく説明する前に、本発明の第１及び第２の関連技術による主軸装置（図示せず）における環状凹部の作用効果について図９及び図１０のグラフを参照して説明する。なお、本発明の第１および第２の関連技術による主軸装置は、その環状凹部の構成だけが本願発明の実施形態による主軸装置１０と異なるものであるので、作図は省略される一方で、その構成要素の参照符号は主軸装置１０のものが援用される。

図９は、本発明の第１の関連技術による主軸装置の主軸１２に工具ホルダ３０を着座させてクランプしたときに検出された空気供給流路２１内の空気圧力の時間的変化を示すグラフである。縦軸の圧力は圧力検出器２２により検出された圧力である。図９の（Ａ）はグラフの全体を示し、（Ｂ）は（Ａ）の相対的に高圧の領域の拡大図である。第１の関連技術による主軸装置は、主軸１２の先端面１８に形成される環状凹部２５に第２部分２５ｂが設けられていない、つまり第１部分のみからなることにおいて本発明の実施形態による主軸装置１０と異なっている。空気供給流路２１の出口２１ｄは環状凹部２５の底面に開口している。また、環状凹部２５の深さは０．５ｍｍで形成されている。

図９中の６本のグラフ線は下記の６種類の条件、すなわち
（ａ）異物を挟まない密着状態のとき
（ｂ）厚さ１０μｍ、幅１２ｍｍの鉄の板を空気供給流路２１の出口２１ｄを覆い且つ環状凹部２５を跨ぐように主軸１２の先端面１８に付着させたとき
（ｃ）厚さ１０μｍ、幅１２ｍｍの鉄の板を空気供給流路２１の出口２１ｄから１８０度反対側で環状凹部２５を跨ぐように主軸１２の先端面１８に付着させたとき
（ｄ）厚さ２０μｍ、幅１２ｍｍの鉄の板を空気供給流路２１の出口２１ｄから１８０度反対側で環状凹部２５を跨いで主軸１２の先端面１８に付着させたとき
（ｅ）厚さ約５０μｍ、幅約３ｍｍのアルミ合金の切りくずを空気供給流路２１の出口２１ｄの近くに、ただし出口２１ｄは覆わないように、環状凹部２５を跨いで主軸１２の先端面１８に付着させたとき
（ｆ）厚さ約５０μｍ、幅約３ｍｍのアルミ合金の切りくずを空気供給流路２１の出口２１ｄを覆うように、環状凹部２５を跨いで主軸１２の先端面１８に付着させたとき、に対応している。なお、本明細書では、切りくずの厚さとは、切りくずの曲がりや反りを含めた厚さを指している。

図９からは、圧力は、工具ホルダ３０が主軸１２に着座してクランプされることによって急激に立ち上がり、約０．３〜０．４秒でほぼ安定することがわかる。圧力は、工具ホルダ３０が主軸１２に適正に着座され、工具ホルダ３０のフランジ後端面と主軸１２の先端面１８とが密着状態にある条件（ａ）の場合が最も高く、前記二つの面の間に介在する異物の厚さが厚い条件（ｅ）の場合が最も低い。異物の厚さが厚く、それが空気供給流路２１の出口２１ｄを覆う条件（ｆ）の場合は、圧力はやや高くなるがしきい値に達しないので、その異物の存在は検出される。

一方、異物の厚さが薄く、それが空気供給流路２１の出口２１ｄから遠く離れた場所で前記二つの面の間に介在する条件（ｃ）の場合は、圧力は、一旦はしきい値を超えて密着状態（ａ）とほぼ等しい値まで高まるものの、約２．６秒後にしきい値以下に低下し、したがって、異物の存在が検出される。しかしながら、このように正しい検出結果が得られるまで約２．６秒を要するので、前述の待機時間はマージンをプラスして、例えば３秒に設定されるかもしれない。この３秒の待機時間は、工具交換頻度の高い工作機械のユーザーにとっては実用的な値ではなく短縮が望まれる値である。なお、条件（ｃ）の場合に一旦圧力が高まるのは、環状凹部２５内に存在するクーラントが影響しているものと考えられる。つまり、環状凹部２５内に存在するクーラントが空気の流れを阻害することによって圧力が一時的に高まるが、クーラントが圧縮空気によって環状凹部２５から押し出されるにつれて圧力が低下するものと考えられる。

次に、第２の関連技術による主軸装置の作用効果について図１０を参照して説明する。第２の関連技術において主軸１２に形成される環状凹部２５もやはり第２部分２５ｂを有さず第１部分からのみなるものである。環状凹部２５の深さは第１の関連技術においては０．５ｍｍであったが、第２の関連技術における環状凹部２５の深さは０．３ｍｍである。それ以外の構成は第１の関連技術に等しい。図１０は図９と類似のグラフであり、条件（ａ）〜（ｆ）も同一である。

図１０においては、図９とは異なって、条件（ｃ）の場合も圧力はしきい値を超えることはない。したがって、薄い１０μｍの異物が介在することを短時間で、例えば、待機時間を約０．５秒まで短縮しても、判定可能になる。その一方で、図１０においては、空気供給流路２１の出口２１ｄを覆うように厚さ約５０μｍのアルミ合金の切りくずを付着させる条件（ｆ）の場合、異物が挟み込まれているにも関わらず圧力はしきい値を超えて安定する。これは、環状凹部２５の深さよりも厚いアルミ合金の切りくずが空気供給流路２１の出口２１ｄに押し付けられてそれを塞ぐためである。その結果、制御装置２４は着座が適正に行われたと誤認するという問題が生じる。

次に、本発明の実施形態による主軸装置１０における圧力の上昇について、図９、図１０と類似の図５を使って説明する。主軸装置１０の主軸１２の先端面１８の環状凹部２５は、前述したとおり、深さＤ_１が０．３ｍｍの第１部分２５ａと、比較的小面積であるが第１部分２５ａよりも深い深さＤ_２が０．５ｍｍの第２部分２５ｂであって、空気供給流路２１の出口２１ｄが開口する第２部分２５ｂとから構成されている。図５によると、第１の関連技術の場合に問題であった条件（ｃ）の場合にも圧力はしきい値を超えることはなく、したがって異物の介在があることが短時間で判定できる。また、第２の関連技術の場合に問題であった条件（ｆ）の場合にも圧力はしきい値を超えることはなく、したがって着座が適正に行われたと誤認されることはない。

このように、本発明の実施形態による主軸装置１０によると、従来互いにトレードオフの関係にあった、厚さの薄い異物でも短時間で検知可能になるという効果と、空気供給流路２１の出口２１ｄを覆う異物によって前記出口２１ｄが塞がれ難くなるという効果を両立させることが可能になる。これは、本発明によると、環状凹部２５に第２部分２５ｂを設けることによって空気供給流路２１の出口２１ｄが塞がれ難くなるので、第１部分２５ａを浅くすることが可能になるためである。

次に、本発明の実施形態による主軸装置１０の複数の変形例について以下に説明する。これら変形例では、主軸１２の環状凹部の第２部分の形態が前述した実施形態におけるものと異なっている。

最初に第１の変形例の環状凹部１２５について図６を参照して説明する。図６の（Ａ）は主軸１２の先端面１８を模式的に示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）において円周方向に延びるＸ〜Ｘ切断線による湾曲した断面を平面に展開した断面図である。ここでは、環状凹部１２５の第２部分１２５ｂの深さは、図６の（Ｂ）に示されるように、空気供給流路２１の出口２１ｄへ近づくにつれて次第に深くなる。

第２の変形例では、環状凹部２２５の第２部分２２５ｂは、図７の（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、空気供給流路２１の出口２１ｄへ近づくにつれて深くなるように階段状に形成される。図７では第２部分２２５ｂに１つの段が形成されているが、そこに複数の段が形成されてもよい。

第３の変形例では、環状凹部３２５の第２部分３２５ｂは、図８の（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、空気供給流路２１の出口２１ｄを取り囲む円形の凹部として形成される。

前述の第１〜第３の変形例が組み合わされた変形例も可能である。例えば、第１の変形例と第３の変形例とを組み合わせ、円形の凹部が、空気供給流路２１の出口２１ｄに近づくにつれて次第に深くなる切頭円錐状の凹部として形成されてもよい。

前述の実施形態の主軸装置１０においては、圧縮された空気が利用されて着座確認が行われたが、空気以外の圧縮された気体、例えば、窒素、アルゴン、二酸化炭素等が利用される実施形態も本発明において可能である。

１０ 主軸装置
１２ 主軸
１８ 主軸先端面
２１ 空気供給流路
２１ｄ 空気供給流路の出口
２２ 圧力検出器
２５ 環状凹部
２５ａ 第１部分
２５ｂ 第２部分
３０ 工具ホルダ
３２ 工具ホルダのフランジ

Claims (6)

1. 圧縮空気を使って工具ホルダの着座確認を行う工作機械の主軸装置において、
   前記工具ホルダのフランジ端面が密接する先端面を有する主軸と、
   前記工具ホルダのフランジ端面によって覆われるように、前記主軸の先端面に形成された環状凹部と、
   前記環状凹部に連通し、前記環状凹部に対して前記圧縮空気を供給する空気供給流路と、
   前記空気供給流路に空気を供給する圧縮空気源と、
   前記空気供給流路内の前記圧縮空気の圧力を検出する圧力検出器と、を具備し、
   前記環状凹部は、第１部分と、前記第１部分よりも深い第２部分とを有し、前記空気供給流路は、前記第２部分に開口することを特徴とした、工作機械の主軸装置。
2. 前記空気供給流路の前記第２部分は、前記第１部分よりも小さい平面視の面積を有する、請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
3. 前記環状凹部の前記第２部分は、前記空気供給流路の前記出口に近づくにつれて次第に深くなるように形成されている、請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
4. 前記環状凹部の前記第２部分は、前記空気供給流路の前記出口へ近づくにつれて深くなるように階段状に形成されている、請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
5. 前記環状凹部の前記第２部分は、前記空気供給流路の前記出口を取り囲む凹部として形成されている、請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
6. 前記空気供給流路の前記出口が前記環状凹部に一つ形成されている、請求項１に記載の工作機械の主軸装置。

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