JP2011062753A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸装置と工作物とを相対移動させて工作物を加工する工作機械における、衝突時の損傷防止機能を提供する。
【解決手段】主軸２を保持する軸受け４を外輪ケース５により保持し、外輪ケース５は、衝突時の軸方向負荷が所定の値を超えたに場合に、転がり軸受け４主軸２と共に後方へ移動する。衝突検知センサ３により衝突を検知すると、所定時間内に主軸送りモータを停止させる。外輪ケース５の後退ストロークは、衝突開始から主軸送りモータが停止までに要する時間より衝突時の外輪ケース５の後退時間が長くなるように、設定されている。このことにより、主軸２と工作物１１の衝突時に所定の値以上の力が転がり軸受け４に負荷されないので転がり軸受け４を損傷することなく工作機械を停止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械に関し、特に主軸と工作物などの衝突による主軸装置の損傷を防止する技術に関するものである。

工具を保持して回転する主軸と工作物とを相対移動させて工作物を加工する工作機械においてデータ設定ミス、工作物取付ミス等の原因により、主軸装置前進中に工作物または工作物保持具と主軸が衝突し、主軸を保持する主軸軸受けが損傷することがあった。
上記損傷を回避するために、工作機械の主軸の突出部に衝撃吸収部材を設置し、衝突時の主軸送り軸の負荷をサーボモータへのトルク指令とサーボモータの回転速度から推定し（例えば、特許文献１参照）、衝突時にその値が衝撃吸収部材の所定の抗力以上になった場合に、衝撃吸収部材の衝撃吸収作用時間内に送り軸を停止させ工作機械の損傷を防止する従来技術があった（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−２８９９１７号公報 特開平１１−１３８３８０号公報

工作機械の衝突時の損傷の多くは、主軸と工作物などが衝突し、この衝突時に主軸装置の主軸軸受けが受ける過大な負荷が原因で主軸軸受けが損傷することである。
主軸の突出部に衝撃吸収部材を設置し衝突時の衝撃を緩和して主軸装置の損傷を防止する上記特許文献２に示すような従来技術があるが、この場合、衝撃吸収部材を主軸前面に設置する余分なスペースが必要で、主軸と工作物の干渉エリアが大きくなり加工範囲が小さくなってしまう。

また、衝突時に主軸軸受けが受ける負荷は、主軸送り軸の負荷と、この主軸送り軸により移動される装置の慣性力から主軸の慣性力を差し引いた慣性力が加算され、送り軸の摩擦力が減算された負荷である。
上記特許文献２の衝突損傷防止装置においては、衝突検知を主軸送り軸の負荷増大を推定して検知している。この推定には特許文献１に記載されるように、主軸送り系の質量、主軸送り軸の摩擦力、モータのトルク定数の推定値が使用されている。

主軸送り系の質量は使用する工具の質量により異なり、摩擦力は主軸送り軸の温度、経年変化などで異なり、結果として主軸送り軸の負荷増大の推定値に誤差が発生し、衝突損傷防止機能が正常に動作せず、軸受けが損傷する恐れがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、主軸と工作物などの衝突による主軸軸受けの損傷を防止できる工作機械を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、工具を保持して回転する主軸と、前記主軸を回転可能に支持する転がり軸受けと、前記転がり軸受けの外輪を保持する外輪ケースと、前記外輪ケースを保持するハウジングとを備え、前記外輪ケースと前記ハウジングとの間に衝撃緩衝手段を設けたことである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項1の工作機械において、前記主軸が衝突したことを前記主軸の状態変化で検知する検知手段を備え、前記検知手段により前記主軸が衝突したことを検知した場合に、前記主軸装置の損傷を防止する主軸装置損傷防止動作を行うことである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項２の工作機械において、前記状態変化は、前記主軸又は前記外輪ケースと前記ハウジングの相対変位が変動することであり、前記検知手段は前記相対変位が所定量以上となった場合に衝突検知することである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項２の工作機械において、前記状態変化は、前記外輪ケースが受ける力の変動することであり、前記検知手段は前記外輪ケースが所定以上の力を受けた場合に検知することである。

請求項５に係る発明の特徴は、請求項1〜４のいずれか1項の工作機械において、前記衝撃緩衝手段は、前記外輪ケースをアキシャル方向に摺動自在に保持する保持手段と、前記ハウジングのアキシャル端面と前記外輪ケースのアキシャル端面の間に設けた液圧保持手段と、前記外輪ケースを押し当てて所定位置で固定するために前記ハウジングに設けられた押し当て固定手段と、前記液圧保持手段へ圧油を供給し、前記液圧保持手段内の圧力を所定圧力に保持する圧油供給手段とを備え、
通常使用時には、前記外輪ケースは前記液圧保持手段が発生する前記工具側方向である前方向への力により、前記押し当て固定手段の端面に押し付けられており、
衝突時に前記主軸が前記工具側から所定以上の力を受けた場合には、前記主軸および前記軸受けおよび前記外輪ケースはアキシャル方向で前記工具側とは反対側である後方向へ移動することである。

請求項６に係る発明の特徴は、請求項５の工作機械において、前記保持手段を静圧軸受け構造としたことである。

請求項７に係る発明の特徴は、請求項1〜４のいずれか1項の工作機械において、前記外輪ケースの外周部をテーパ形状とし、前記ハウジングの内周部にテーパ静圧軸受けを設け、前記衝撃緩衝手段を前記外輪ケースを押し当てるために前記ハウジングに設けられた押し当て部と、前記テーパ静圧軸受けへ圧油を供給し前記テーパ静圧軸受けの圧力を所定圧力に保持する圧油供給手段とにより構成し、
通常使用時には、前記外輪ケースは前記テーパ静圧軸受けが発生する前記工具側方向である前方向への分力により、前記押し当て固定手段の端面に押し付けられており、
衝突時に前記主軸が工具取付側から所定以上の力を受けた場合には、前記主軸および前記軸受けおよび前記外輪ケースはアキシャル方向で前記工具側とは反対側である後方向へ移動することである。

請求項１に係る発明によれば、衝撃緩衝手段を外輪ケースとハウジングの間に設けることにより、従来技術のように主軸前面部に衝撃緩衝手段を付加するための余分なスペースが必要がないので、主軸と工作物の干渉エリアを最小にでき、加工範囲が広くなる。

請求項２に係る発明によれば、検知手段は主軸自身の状態変化で主軸が衝突したことを検知するので、従来技術のように主軸送り系の質量変化や、送り装置の摩擦力変化に影響されないで衝突時の軸受けが受ける負荷を正確に検知できる。従って、正確な衝突検知が可能で検知ミスが防止でき、転がり軸受け損傷や、誤動作による無駄な機械停止を防止できる。

請求項３に係る発明によれば、主軸が衝突したことを、主軸とハウジングの相対変位が所定量以上となった場合に検知するので、検知すべき衝突の程度を相対変位の大きさにより自在に設定でき、使用条件に最適な検知ができる。

請求項４に係る発明によれば、外輪ケースが受ける力は液圧室の軸方向投影面積と液圧室内油圧の積となり、液圧室内圧力を測定することで検知できるので、簡便な油圧測定センサで液圧室の圧力を測定して衝突検知が可能で、安価な検知手段を構成できる。

請求項５に係る発明によれば、衝突時の負荷は液圧室の圧油を介してハウジング部へ伝えられ、所定の圧力に相当する以上の負荷が加わった場合は、液圧室内の油を排出しつつ衝突エネルギを吸収し、アキシャル方向の後方へ移動する。衝突時に衝撃緩衝手段が発生する抗力は、液圧室内圧と、液圧室のアキシャル方向に垂直な投影面積の積であり、その場合の吸収エネルギは前記抗力と後方への移動距離の積となる。
従来の、塑性変形方式の衝撃緩衝手段では一度作動すると破損して部品交換を要し、弾性変形方式の干渉手段では吸収エネルギを大きくするには弾性変形部が大型となり設置スペースが過大となる課題があった。
本発明は、所定の抗力の設定が排出圧力の設定で自在に決定でき適用範囲が広く、作動後も破損せず、設置スペースを小さくできるため主軸装置を小型化できる。

請求項６に係る発明によれば、作動時に保持部の外輪ケース外周とハウジング内周の直接接触がないため、摩擦と磨耗が発生せず衝撃緩衝手段の信頼性が高い。

請求項７に係る発明によれば、外輪ケースは静圧ポケットのテーパ面に作用するアキシャル方向分力により、主軸ハウジングに固定された前カバーに押し付けられるため、液圧室を廃止して前記衝撃緩衝手段を実現でき小型で安価な衝撃緩衝手段を提供できる。

第１実施形態の主軸装置の構成を示す概略図である。 第１実施形態の工作機械の全体構成を示す概略図である。 第１実施形態の損傷防止動作のブロック図である。 第２実施形態の主軸装置の構成を示す概略図である。

以下、本発明の工作機械を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施形態＞
第１実施形態の工作機械について、図１〜図３に基づき説明する。尚、図1、図２において、左右方向がアキシャル方向または主軸送り方向であり、左方を前方とする。図２に示すように、本実施形態による工作機械１はベッド１２上に工作物１１と工具１０を相対移動可能に保持し、工作物１１を加工する。
工具１０は工具ホルダ１４を介して主軸装置２５に装着され、主軸装置２５はねじ保持部８により保持された送りねじ７を介して、ＮＣ制御装置２６により駆動される送りモータ９により前後に送られる。また、工作物１１は図示していないアキシャル方向に直交な送り軸により送られ、工具１０と相対運動する。ＮＣ制御装置２６には衝突判定部２１、ＮＣ制御部２２、サーボアンプ２３が内蔵されており、本発明の主軸装置損傷防止手段３０は、ＮＣ制御装置２６と送りモータ９で構成される。

図１に示すように、主軸装置２５において、主軸２はアキシャル、ラジアル方向ともに保持されるアンギュラコンタクト型の転がり軸受け４と、図示していないラジアル方向には支持しアキシャル方向には摺動自在なリニアガイドに保持された後部ローラ軸受けにより回転可能に支持されており、図示していない駆動モータにより回転する。アンギュラコンタクト軸受け４は外輪ケース５により保持され、外輪ケース５は衝撃緩衝手段２０を介して主軸ハウジング６でアキシャル方向には摺動自在でラジアル方向には固定支持されている。衝撃緩衝手段２０は液圧室１３、給排油口１６、リリーフ弁１７、すべり案内部１８で構成されている。外輪ケース５は、主軸ハウジング６と外輪ケース５の間に構成される液圧室１３に圧油を供給することで、主軸ハウジング６に固定された前カバー１５に押し付けられている。液圧室１３の内圧は給排油口１６に設けられたリリーフ弁１７により一定圧力以下に保持される。
主軸ハウジング６前面には、非接触型の変位センサ３が配置され主軸２のアキシャル方向位置を検知する。

データ設定ミス、工作物取付ミス等の原因により、主軸装置前進中に、工作物１１または図示していない工作物保持具と主軸２が、衝突した場合について以下に説明する。

図１において、主軸２の衝突による衝撃力は転がり軸受け４を介して、外輪ケース５に伝わる。この衝撃力が液圧室１３の給排油口１６に設けられたリリーフ弁１７で設定される上限内圧と液圧室１３のアキシャル方向投影面積の積で決定される抗力を超えた場合に、外輪ケース５は転がり軸受け４と主軸２と共に後方へ移動する油圧式の衝撃緩衝手段である。このことにより、後方への移動中に転がり軸受け４に働く力はリリーフ弁１７で決定される所定の抗力を超えることが無く、この抗力を転がり軸受け４の損傷負荷以下に設定することで転がり軸受け４の損傷は起きない。

この移動にともなう主軸ハウジング６と主軸２の相対変位量ｄは、図３に示すように、変位センサ３により計測され、ＮＣ制御装置２６内の衝突判定部２１に送られる。衝突判定部２１は前記相対変位量ｄが所定の量Ｓを超えた場合に衝突と判定し、損傷防止指令をＮＣ制御部２２に伝える。ＮＣ制御部２２は前記損傷防止指令に基づきモータ停止指令をサーボアンプ２３へ伝える。サーボアンプ２３はモータ停止指令に基づき送りモータ９を停止する。

外輪ケース５の後退ストロークは、衝突開始から送りモータ９が停止までに要する時間より、衝突時の外輪ケース５の後退時間が長くなるように、設定されている。
このことにより、主軸２と工作物１１の衝突時に転がり軸受け４を損傷することなく工作機械１を停止できる。
以上のように本発明によれば、衝撃緩衝手段２０を主軸内に設けたので、従来の衝撃緩衝手段を主軸前面に設置したものに比較して、主軸前面に余分な突起が無く工作物との干渉エリアを最小とでき加工範囲を大きくできる。
本発明では、主軸２と主軸ハウジング６の相対変位量ｄが所定の量Ｓを超えた場合に衝突と判定して衝突検知するので、従来のモータ部での負荷検知方式に比較して、主軸送り系の質量変化や、主軸送り装置の摩擦力変化に影響されない正確な衝突検知が可能で検知ミスが防止でき、軸受け損傷や、誤動作による無駄な機械停止を防止できる。
従来の塑性変形方式の衝撃緩衝手段では一度作動すると破損して部品交換を要するが、本発明によれば、衝撃緩衝手段２０が破損することなく主軸装置２５の損傷を防止できるので、短時間で正常運転に復帰できる。
弾性変形方式の衝撃緩衝手段では吸収エネルギを大きくするには弾性変形部が大型となり設置スペースが過大となるが、本発明は、油圧方式なのでコンパクトに衝撃緩衝手段構成できる。
さらに、本発明では、衝突を検知する抗力の設定を排出圧力の設定で自在に決定でき、使用環境に最適な衝突時の破損防止条件設定ができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の工作機械について、図４に基づき説明する。
本実施形態は第1実施形態における液圧室１３を省略して、外輪ケース５の外周部とハウジング６の内径部を円筒形状からテーパ形状に変更した静圧軸受けとし、衝撃緩衝手段４０はハウジング３６と外輪ケース３５の間に構成される静圧軸受けの静圧ポケット３７、静圧ポケットの排油口３９、排油口３９に接続される上限圧力を静圧ポケット３７への供給元圧以上に設定したリリーフ弁１７から構成され、第1実施形態よりコンパクトな構成が可能である。

外輪ケース３５は静圧ポケット３７に供給される油によりラジアル方向に支持されると共に、テーパ面に作用するアキシャル方向分力により、主軸ハウジング３６に固定された前カバー１５に押し付けられている。前カバー１５への押し付け力はテーパ軸受けのアキシャル方向投影面積とポケット内油圧の積となる。

工作物１１または図示していない工作物保持具と主軸２が、衝突した場合について以下に説明する。
図４において、主軸２の衝突による衝撃力は転がり軸受け４を介して、外輪ケース３５に伝わる。この衝撃力が静圧ポケット３７の排油口３９に設けられたリリーフ弁１７で設定される上限内圧と静圧ポケット３７のアキシャル方向投影面積の積で決定される抗力を超えた場合に、外輪ケース３５は転がり軸受け４と主軸２と共に後方へ移動する。このことにより、後方への移動中に転がり軸受け４に働く力はリリーフ弁１７で決定される所定の抗力を超えることが無く、この抗力を転がり軸受け４の損傷負荷以下に設定することで転がり軸受け４の損傷は起きない。
外輪ケース３５の後退ストロークＬは外輪ケース３５のテーパ角度の半角をθとし、静圧軸受けのランド部のクリアランスをｈとすると、Ｌ＝ｈ/sinθと表される。このＬは衝突開始から送りモータ９が停止までに要する時間より、衝突時の外輪ケース３５の後退時間が長くなるように、設定されている。
このことにより、主軸２と工作物１１の衝突時に転がり軸受け４を損傷することなく工作機械１を停止できる。

以上のように、後退ストロークＬを外輪ケース３５のテーパ角度の半角θと静圧軸受けのランド部のクリアランスｈを適正に選択して設定し、リリーフ弁１７で抗力を設定することにより、液圧室を廃止して衝撃緩衝手段４０を実現でき小型で安価な衝撃緩衝手段を提供できる。

＜第１実施形態の変形態様＞
次に、第１実施形態の変形態様について説明する。上記の第１実施形態のすべり案内部１８を静圧案内もしくは転がり案内で構成してもよい。
また、液圧室１３に代えてばねで外輪ケース５を前カバー１５に押し付けてもよい。

衝突検知を主軸に加わる力が所定以上になったことで検知してもよい、たとえば、液圧室１３の圧力が一定以上になった場合や、主軸回転駆動モータの負荷が一定以上になった場合に衝突を検知する。この場合には、簡便な油圧測定器や、既設の主軸回転駆動モータ電流測定器などで検知可能で安価に実施可能である。

＜第１実施形態および第２実施形態の変形態様＞
次に、第１実施形態および第２実施形態の変形態様について説明する。
損傷防止動作として送りモータを反転して、主軸を後退動作させてもよい。
また、工作物側に送り軸を設けて工具と工作物の相対切り込みを行う場合は、前記損傷防止動作を工作物送り軸で実施してもよい。

２：主軸、３：変位センサ、４：転がり軸受け、５、３５：外輪ケース、６、３６：主軸ハウジング、１０：工具、１１：工作物、１３：液圧室、１５：前カバー、１７：リリーフ弁、２０、４０：衝撃緩衝手段、２５：主軸装置、３０：主軸装置損傷防止手段

Claims (7)

1. 工具を保持して回転する主軸と、前記主軸を回転可能に支持する転がり軸受けと、前記転がり軸受けの外輪を保持する外輪ケースと、前記外輪ケースを保持するハウジングとを備え、前記外輪ケースと前記ハウジングとの間に衝撃緩衝手段を設けることを特徴とする工作機械。
2. 前記主軸が衝突したことを前記主軸の状態変化で検知する検知手段を備え、
   前記検知手段により前記主軸が衝突したことを検知した場合に、前記主軸装置の損傷を防止する主軸装置損傷防止動作を行うことを特徴とする請求項１記載の工作機械。
3. 前記状態変化は、前記主軸又は前記外輪ケースと前記ハウジングの相対位置が変動することであり、前記検知手段は前記相対変位が所定量以上となった場合に衝突と判定することを特徴とする請求項２記載の工作機械。
4. 前記状態変化は、前記外輪ケースの受ける力が変動することであり、前記検知手段は前記外輪ケースが所定以上の力を受けた場合に衝突と判定することを特徴とする請求項２記載の工作機械。
5. 前記衝撃緩衝手段は、前記外輪ケースをアキシャル方向に摺動自在に保持する保持手段と、前記ハウジングのアキシャル端面と前記外輪ケースのアキシャル端面の間に設けた液圧保持手段と、前記外輪ケースを押し当てて所定位置で固定するために前記ハウジングに設けられた押し当て固定手段と、前記液圧保持手段へ圧油を供給し、前記液圧保持手段内の圧力を所定圧力に保持する圧油供給手段とを備え、
   通常使用時には、前記外輪ケースは前記液圧保持手段が発生する前記工具側方向である前方向への力により、前記押し当て固定手段の端面に押し付けられており、
   衝突時に前記主軸が前記工具側から所定以上の力を受けた場合には、前記主軸および前記軸受けおよび前記外輪ケースはアキシャル方向で前記工具側とは反対側である後方向へ移動することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の工作機械。
6. 前記保持手段を静圧軸受け構造としたことを特徴とする請求項５記載の工作機械。
7. 前記外輪ケースの外周部をテーパ形状とし、前記ハウジングの内周部にテーパ静圧軸受けを設け、前記衝撃緩衝手段を前記外輪ケースを押し当てるために前記ハウジングに設けられた押し当て部と、前記テーパ静圧軸受けへ圧油を供給し前記テーパ静圧軸受けの圧力を所定圧力に保持する圧油供給手段とにより構成し、
   通常使用時には、前記外輪ケースは前記テーパ静圧軸受けが発生する前記工具側方向である前方向への分力により、前記押し当て固定手段の端面に押し付けられており、
   衝突時に前記主軸が工具取付側から所定以上の力を受けた場合には、前記主軸および前記軸受けおよび前記外輪ケースはアキシャル方向で前記工具側とは反対側である後方向へ移動することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の工作機械。

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