WO1982002016A1 - Copy cam driving device for machine tool - Google Patents

Description

• 明 細 睿

発明の名称

ェ業機械の'倣いカム駆動装置

技術分野

5 本発明は、 カムを用いて物体に所定の運動を与える装置に関 し、 従動部の運動によって生ずるカ ム と カ ム フ ォ ロアの接触力 の変動を低減し、 高速かつ、 高精度の運動を実現するカ ム驅動 装置を提供する ものである。

背景技術 ， ' i o 従来のカ ム霡動装置と .して、 特に精度を要求される V Τ ϋ シ リ ンダ加工のカ ム装軍.について説明する。

第 1 図は、 一般の V T H のシ 'リ ンダ部を示すもので、， テープ 1 はガイ ドローラ 2 a , 2 bを介して、 テープのエッ ジカ 下部 の固定 ^:ン リ ンダ ³の外'周面に設けられたテープガイ ド用案内部 5 4 (以下、 リ一ドと呼ぶ。 ） に沿う よ うに、 上部回転シリ ンタ' 5 と、 下部固定シ リ ン ダ 3 の外周面に巻きつけられ、 一定速度 で走行する。 磁気へッ' ド ⁶は上部回転シリ ンダ ⁵に取付けられ てお ] 、 テープ 1 を斜めに横断するよ うに走行し、 磁気信号の 記録、 再生を行 う o

0 したがって、 上部シ リ ンダ 5、 下部シ リ ンダ ³の外周面、 及 び下部シ リ ンタ · 3に設けられたリー ド によって構成されるテ ーブガイ ドが正しく製作、 組立され 'ていないと、 テープ¹ と磁 気ヘ ッ ド 6の接鲩状態が不安定に： 、 V T Rの再生画像に厶 ラが穽生することに ¾る。

5 例えぱ、 シ リ ンダ外周面の真円 Sは、 磁気へッ ドとテープの 接触状態を変動せしめ、 又、 リー ドの直線性誤差は、 テープに シヮを発生させ、 いずれも、 再生画像に不都合をもたらす。 一方、 下部シリ ンダの リ一ドは、 通常、 第 2図に示すよ うに 旋盤によって加工される。 つま 1?旋盤主軸マに固定され回転す る下部シリ ンダ 3に対し、 刃物台 Sに固定されたバイ ト ⁹が、 旋盤主軸ァの回転に同期して、 図中矢印の方向に往復運動をす ることによって所定形状が形成される。 したがって、 刃物合 8 の往復連動における位置 推移は、 リード形状と一致したもの でなければ ¾らない。

従来、 この刃物合 sへ所定 pリー ド形状に一致した運動を与 える方法と して、 最も広く行 われているのは、 第 3図に示す 様に、 旋盤の主軸ァにリード形状と稆似 曲線を有する端面力 ム 1 Oを取 ])付け、 該端面カ ムのカ ム曲線を、 カ ム フ ロ ア "I I を介して、 刃物台 Sの運動と して与える方法である。 1 2は刃 物合 8 の往復直線運動のガイ ドであ ]?、 又、. 1 3はカ ム フ ォ ロ ァ 1 1 を端面カ ム面に押しつげるためガイ ド 1 2 と往復口 ッ ド 1 4 ·との間に介在されたパネである。

尚、 第 3図には示していないが、 往復ロ ッ ド 1 4の内部には、 リ一ド加工時の刃物送 1?の機構が設けられている。

上記の様 カ ム装置を用いてリー ドの加工を行な う場合に発 生する現象は、

1 ) 往復ロ ッ ドの位置の変化に泮ないパネのたわみ量が変化し カ ム面とカ ム フ ォ ロ アの接触力が変化する。

2) 往復 π ッ ドの往復違動に伴 う慣性効果によ ]? 、 カ ム面と 力厶 フ ォロアの接鲩力が変動し、 '更に、 高速の; ίΐ動を行な 、-

• う場合にはカ ム ？ ォ ロ アがカ ム面よ 1? ジ ャ ン ブする。

3 ) 往復ロ ッ ドの往復運動に伴なう加工装置全体の振動が発生 する、.

等である。

5 これ等の現象は、 ミ ク ロ ンオーダーの加工精度を要求する リ - ド加工においては、 重大な影眷を及ぼす。 つま 、 カ ム フ ォ ロアのカ ム面からのジヤ ンブ現象は、 言うまでもないが、 カ ム 面とカ ム フ ォロアの接触力、 つま ])、 カムに加わる力の変動は 主軸の回転精度を悪化させ、 シリ ンダの真円変誤差に決定的な

1 0 影簪を及ぼす 0 又、 加工装置の振動は極力避けなければ ¾ら ¾ い o 従来のカ ム駆動装 Sは、 以上の様な欠点を有しているため、 高精度を維持しつつ、 高速化を図るのは極めて困募であった o 発明の開示

J 5

本発明は、 カ ムを用いて物体に所定の運動を与える華置に闋 し、 その従動部の任意の位置に負荷補儐用ァクチユエ一タを配 置し、 従動部の運動に伴なう慣性力、 或は動作点に加わる負荷 の変動等によって誘起されるカムとカ ム フ ォ ロアの間の接触力 の変動を相殺するよ うに、 上記従動部に、 上記ァクチユエータ0

によ ！）、 力、 或は ト ルクを加えるもので、 上記接 ¾力を一定に 保ち、 高速動作時でも安定かつ、 高精率の運動を実現すること が出来るものであ D、 特に、 端面カ ムを用いて行 う V T R下 シ リ ンダの リー ド加工の如く、 高い精度の加工を高速で行 ¾ う ことを可能にするものである。

5

図面の簡単 ¾説明 第 1 図は V T R シ リ ンダのテープガイ ド部の斜視図、 第²図 は V Τ II ·下部シリ ンダリ一ド部の加工装置の断 ¾図、 第³図は 従来のリード加工用カ ム装置の断面図、 第⁴図は本発明の一実 施例におけるリ ー ド加工用カ ム装量の断面図、 第 5'図はカ ム装 置の運動解析の説明図、 第 6図は従来のカム装置におけるカム フ ォロアのカ ムに加わる力の説钥図、 第 7図は本発明の-他の実 施例の断面図、 第 S図は本発钥の他の実旌例..における リ一ド加 ェ用カム恵動装置の断面図、 第 9図は第 S図の実旌例における 負荷補儻装置の制御回路のブロ ック図である。

発 を実施するための最良の形態

以下に本発明の一実施例を第 4図〜第ァ図にも とづき説明す

Ό Ο

第 4図は本発明による リー ド加工用力ム装置の一実施例を示 すものである ₀

往復ロッ ドの後端には、 ブランジャ型電磁石よ ]?るる負荷補 儍装置 1 ァが設けられている ο 1 ⁵はソレノ ィ ド電磁石、 ¹ 6 はブラ ン ジ ャーで、 往復ロッ ド ^{1 4}の後端に直結されている。 ソ レノ ィ ド電磁石 1 sに流す罨流 I は、 主軸の 1 ϋ転に相当す る時間を 1 周期と して、 あらかじめ設定した波形 （図中 1 sで 示す。 ） のも とに供袷される。 電流波形 1 sは、 以下の原理に よつて決定される。

第 5図 a , bは従来の リ，ド加工用カ ム装置の原理を示すも のである。 つま 1?、 質量 mは従動部、 つま ]?往復ロ ッ ド、 刃物 台、 刃物及びカ ム フ ォ π了等、 往復運動する锪体の質量の総和 である。 第 5図 aは、 パネに力を加え い時の自然の状態、 つ '- ま 自由長の場合を示してお D、 この時の力厶 フ ォ ロアの位置 を X - Oとする。 第 5図 bは、 リー ド加工中の状態を示すもの で、 このと きの運動方程式は式 (¹)である o 伹し、 バイ ト„に加わ る切削力 （動作点に加わる負荷） は無視している。

mx + k x = f (t) * (1)

ここで、 f (t)は力 ム フ ォ ロ ワ とカ ム面の接触力であ i?、 (t)、 つま ]? リー ド形状よ 決まる位置曲線を与えることによ 求め られる。 カ ム フ ォロアがカム面に正しく追従して連動するため には ί (t)はつねに正で ¾ければ ¾らない。 一例と して、 リ 一 ド 形状が正弦曲線であると佤定すると、 ∑( は

z(t)= a sin (-^ §§- t ) + x_Q (2)

式 (2)で表わされる ( aは正弦曲線の振巾、 Nは主軸回転数、 x₀ はパネの初期たわみ量） o

式 (1) , (2)よ ]?、 f (t)は、 次式の如く求められる。

f(t)=-a |m(^| -) ²-k isin(^-t ) ₊kx_Q (3) この式の意味を図示すれば第 6図の様になる。 図中 1 2 , 3 の曲線はそれぞれ低速、 中速、 高速の回転数における f (t)の 値を示すものである。 高速回転にるるにつれ、 慣性力の影響に よ 、 f (t)の振巾が大き くな ])、 さらには、 i (t)く Oと る部 分が現われる。 つま 、 回転数を増大するにつれカ ム面に加わ る力の変動の巾が大き くな ]?、 ついに 、 カ ム フ ォ ロァが追従 できな く なってジ ャ ン プ現象を起こすことを示している。 実際 の リ ー ド曲線に いては、 テープが当る部分では リ ード形状は 直線であるこ と ど、 事情は更に複雜であるが、 基本的な傾向 は変ら い o さて、 本発明を原理図で示すと、 第 5図 cの様に る。 つま j？ 、 ブラ ンジャ型電磁石によって往復ロ ッ ドに加える力を P (t) とすると、 系の運動方程式は、 次式で表わされる。

m∑ + k x = p (t) + ί Q (4)

f _Q はカムフ ォロアとカム面の間の最適 接触力で、 これが一 定値とるる様 P (t)を設定する o 、

従って、 ブランジャ型電磁石によって往復ロ ッ ドに加えるベ き力 P (t)は次式によって求められる。

p ( t) = m X + k X — f _n . {5)

更に、 ブランジャ型電磁石に加えるべき電流値 Iはブラ ンジャ 型電磁石の電流一力特性によつて逆算すれば良い o

又、 カム装置の運動が複雜、 或は動作点に加わる負荷変動が 複雑で、 _b.記の如ズ、 理論的に P (t)を求めることが困難な場合 には実験によって を求め、 これよ ]) P (t)を求めても よ 。

要約すれば、 本発明はカム機構を有する装置に いて、 その 従動部の任意の位置に負荷補儐用ァクチユエータを設置し、 従 動部の運動に伴な う慣-性力、 或は動作点に加わる負荷の変動等 によって誘起されるカムとカ ム フォ 口ァの間の接 ¾力の変動が 相殺される様にあらかじめ設定した力、 或はト ルクを上記ァク チユエータによ 、 従動部に加えることによ 、 カムとカ 厶フ ォロア間の接触力を一定に保ち、 安定 動作を可能にするもの である。

尚、 第 5図 cに いて、 カ ムフ ォ ロアをカムに押しつけるた めにパネ要素 kを設けているが、 パネの変形に伴 う押しつけ 力の変動が大である場合には、 変位に 関係に一定の押しつけ " " • 力を発生する要素、 えば、 空圧シ リ ンダをパネ要素の代 i?に 用いればパネ定数 kは零に近く 1? 、 k xの項は無視でき、 効 杲的である。

更に、 これ等、 押しつけ力を発生する要素は、 負荷補償装置 5 のァクチユエータで代用することが可能であ 、 第 5図 dに示 す如く ァクチユエータによる出力 ^( t)は次式の如く になる。

.pノ ( t) - m x - f _Q ·· (6)

従って式 (5)と比較すれば、 パネのたわみ查による力の変動分を 考慮する必要が く、 構成が簡略に るという利点を有,してい 10 る o

尚、 前述の リ ー ド加工用カ ム装 aは、 単純な往復運動のカ ム 機構の場合を示したが、 よ 一殺的な場合と して、 その実施例 を第ァ図に示す。 .

第 7図において、 2 0はカ ム、 2 1 はカ ムフ ォ ロ ア、 2 2は I S レバー、 2 3はロ ッ ド、 2 4は直鎳ガイ ド 2 5によって案内:-さ れる住復ロ ッ ドである。 この場合には、. 炱荷補償用ァクチユエ ー タ と しそ例えば、 図中、 F )或は P^t) で示す如く、従動部に 力を与えたり、 又、 T (t)で示す如ぐ、 レバー 2 2 の回転支点'部 2 6に ト ルクと して与えても良い。 但し、 2 ァはパネ、 2 Sは0 動作点である。 従って力のァクチユエ一タ と しては、 例えば前 述の電磁石によって与える方法、 或は 強大 力が必要な場 合には空圧、 油圧のシリ ンダを使用し、 作動流体の圧力を圧力 制御弁によってコ ン ト ロ ール し、 所定の力を与える方法をとれ ばよい。 又、 ト ルクのァク チユ エー タと しては、 例えばト ルク5 モータを用い、 該 ト ルクモータに加える電圧を制^することに

： 'PI • よって所定の ト ルクを従動部に与える方法をとればよい。

更に、 以上の説明では、 負荷補儐用ァクチユエータによ！）、 従動部に与える負荷は、 あらかじめ計算 ， 或は測定によ 設定 したものと して るが第 S図 ， 9図に示す如く、 カムとカ ムフ 5 ォロアの接触力を時々刻々検出し、 この接触力の変動を相殺す る様、 負荷補儐用ァクチユエータからの負荷出力を制御:する、 フ ィードパック系を構成し、 時々刻々の接触力を一定に保つ構 成としても良い。 うま ！）、 第 8図は本発钥の他の実施例-の リ一 ド加工用力ム厘動装置を示すものであ ]?、 往復口 ッ ドの後端に0 はブランジャ型電磁石よ D る負荷補儍装置 1 7が設けられで

る。 負荷補儍装置 ¹ 7は、 ソ レノ ィ ド電磁石¹ 5 , ブランジ ャ 1 6 とから成る。 1 Sは歪ゲージで往復口 ッ ド¹ 4に直接貼 D付けてあ]?、 往復 α ッ ド 1 4の轅方向の歪を検出し、 往復口 ッ ド 1 ⁴に加わる軸：^向荷重、 つま ])、 カム と力 厶 フ ォ ロ アのS 接敏カも検出するもの ある。 1 9は検出したカム と カム フ ォ ロアの接触力の電気信号を用いて、 上記接触力を一定値にコン ト ロールすべく、 ソ レノ ィ ド電磁石 1 5に与える電流値を演算 し出力する制御回路である ο

つま ]?、 本実施例による リード加工用カム装置は、 往復口 ッ ドの運動に伴なつて発生するカムとカ ム フ ォ ロ了の接触力の変 動を歪ゲージを用いて検出し、 その検出した信号を制御回路で 演算処理し、 往復ロ ッ ドに取 ^けたブランジャ型電磁石に、 上記制御回路の出力信号である j ¾電流を加えることによって カムとカ ム フ ォ ロァの接触力を一定直に制御するものである。 第 9図は、 第 S図の装置の剞 ^系 Oブコ ック線! 2 [を示すもので * ある ο ,

1 8は歪ゲージであ ]?、 カムとカ ム フ ォロアとの間の接触力 つま ]?負荷補儻装 a ¹ ァによる力 p と、 往復ロ ッ ドの：；！動に悴 つて発生する力 ί との和 ί (] ( この場合、 は制御系に対す

5 る外乱力と見なされる。 ） によって往復ロ ッ ドに発生する歪 s を検出する。 検出した歪信号をも とに演算回路 1 9は、 の値 が、 最適なカ ム フ ォ ロア当接力即ち設定力に相当する一定の値 ε ₀ にるるよ う負荷補償装置 1 ァに通電すべき補正電流値 I 'を演算し、 負荷補儻装置 ¹ ァの ソ レノ ィ ド電磁石 ¹ 5に,電流を l O 流す。

又、 カムと力厶 フ ォロアの接触力を検出するのに、 前記実施 例では、 歪ゲージを用いたが、 例えば、 圧電効果を利用した力 検出素子を用いても良い とは明らかである。 更に、 加速度ピ ックアツ ブを用 て従動部の加速度を検出し、 慣性効果よ D、 5 接触方の変動を検出してフィ ー ドバッ ク制御しても良い。

以上、 詳述した如く本発明によるリ ー ド加工用カ ム装置を用 れば、 往復ロ ッ ドの運動に伴なつて発生するカ ム と カ ム フ ォ 口ァの接触力の変動を無くす、 或は、 極めて小さ く抑えること ができ 、 カ ム装置の安定かつ高速な 動が可能にな D、 加工時0 間の飛躍的る短縮と、 精度の向上が実現できる。

産業上の利用可能性 .

以上の様に本発明による負荷補償装置を従動部に設け、 カ ム と カ ム フ ォ ロァの間の接蝕力を一定の値に保つカ ム駆動装置に おいては、 高速かつ高精度の ϋ動を実現することが可能であ ]?、 実施例と して示した V T H ^ シ リ ンダの如き高精度部品の加工 、- 装置に利用すれば、 巾 加工時間の短縮と、 加工精度の向上 という効果が得られるのは勿論、 一般の機械のカ ム駆動装置へ 広く適用することができ、 その効果は大き 。

C

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 所定形状を有し、 回転可能に支持されたカム と、 前記所定 形状に沿って前記カム と当接するカ ム フ ォロアと、 前記カ ム フ 才 ロアと連結した従動部と、 前記従動部を支持する支持台と、

S 前記従動部と前記支持台との間に設けられ、 前記カム フ ォ ロア を前記カムに当接するよ う付勢するパネと、 前記従動部に以下 の計算式によ U求められる力 P

P = m x + k x — f

但し、 · P 従動部に負荷する力 ， m 従動部の質量

x 力ムに追従するカム フ ォ ロアが力ムの形状によ 発生する現時点の位置に ける加速度

k 前記パネのパネ定数

力厶フ ォ ロアの現時点の位置

カム フ ォ ロアが力ムに当接する設定圧力

を負荷する負荷補償装置とから成ることを特徵とするカム恵動 ¾ Κ ο

2 . 所定形状を有し、 回転可能に支持されたカ ム と、 前記所定 形状に沿つて前記カ ム と当接する力 厶 フ ォ ロアと、 前記カム フ ォ ロアと連結した従動部と、 前記従動部を支持する支持台と、 前記カ ムと前記カム フ ォ ロアとの接触力を検出する検出装置と 前記検出装置からの接鲩カをあらかじめ設定された設定力と比 較、 演算する回路と、 前記回路からの信号によ 前記接触力が 前記設定力に一致する様前記カ ム フォ ロアに所定の力を負荷す る負荷補價装置とからなるこ とを特漦とするカ ム ¾動装置。

C '.' PI 、-

• 3 . 前記負荷補儻装 を、 前記従動部と違結したブラ ンジャ ー と、 前 §5プラ ンジャ一の外周に位置し、 磁力によ ブラ ンジ * 一を往 動させるソ レノ ィ ド電磁石とから成 、 前記力を発生 させるのに必要る電流を、 前記ン レノ ィ ド電磁石に流すことを

5 特漦とする特許請求の範囲第 ¹ 項記載のカム恵動装置 o

4 . 所定形状を有する端面カムを旋盤主軲に固定し、 カム フ ォ

• ロアを介して、 前記端面カムの形状に対応する運動を、 前記力 ムフォロアに違結された従動部に固定した工具に与え、 V T R 甩下シリ ンダのテープガイ ド面、 及び、 リ一ドを 削加！:する

10 旋盤のガム懕動装置に て、 前記従動部を支持する支持台と 前記従動部との間に負荷補儻装置、 つま ]?、 以下の記箕式によ

D求められる力 P

P = m x + k x — f

伹し、 P ： 従動部に負荷する力

I S m ： 従動部の質量

：従動部の運動の加速度

k ： カム フ ォ ロァを端面カムに当接する様付勢するバ ネのノくネ定数

X ： 従動部の位置座標

0 f ：端面カ ムと カムフォ ロ アの間と設定接触力

を前記従動部に負荷する装置を有する とを特徵とするカム駆 動装置 ο

5 . 所定形状を有する端面カムを旋釜主 ¾に固定し、 カム フ ォ ロアを介して、 前記端面カムの形状に対応する運 ftを前記 ム 5 フ ォ ロアに ¾結された従動部に固定した工具に与え、 V T I 用

— β'υ Κ ひ、 ' • 下シリ ンダのテープガイ ド面、 及びリ ー ドを旋削加工する旋盤 のカ ム駆動装置において、 前記端面カ ム と前記カム フォロアと . の接触力を検出する検出装置と、 前記検出装置からの接触力を あらかじめ設定された設定力と比較演算する回路と、 前記回路 s からの信号によ i?前記接触力が前記設定力に一致する様前記従 動部に所定の力を負荷する負荷補儍装置とを有することを特徵 とするカム駆動装置。

6 . 前記負荷補儍装置は、 前記従動部と連結したブラ ンジャー と、 前記ブラ ン ジャーの外周に位置し、 磁力によ ]? ブラ.ン ジャ i o —を往復動させるソ レノ ィ ド電磁石とから成 1?、 前記力を発生 させるのに必要 ¾電流を、 前記ン レノ ィ ド電磁石に流すことを 特徵とする特許請求の範囲第 s項も しくは第⁶項記載の力ム, 動装置。

β υ Κし ひ