JP4232017B2 - 工作機械のドローバー位置検出機構 - Google Patents

Description

この発明は、マシニングセンタなどの工作機械において、主軸先端への工具のクランプ、アンクランプを行うドローバーの位置を検出するドローバー位置検出機構に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、主軸の工具が取り付けられる側、すなわち図１の左側を前、これと反対側を後というものとする。

マシニングセンタなどの工作機械は、先端に工具が取り付けられる中空状主軸と、主軸内に主軸に対して軸方向移動可能に配置され、かつ軸方向の移動により主軸前端への工具のクランプ、アンクランプを行うドローバーと、ドローバーをクランプ方向に付勢する付勢手段と、ドローバーの後方に配置され、かつドローバーをアンクランプ方向に移動させるドローバー駆動手段とが設けられた主軸ユニットを備えている。

このような工作機械においては、工具が主軸に正しく装着されてクランプされているか否かを確認する必要があり、ドローバーの位置を検出することによって工具の装着の有無を確認する機構が考えられている。

従来のドローバー位置検出機構は、ドローバー駆動手段よりも前方の位置において、ドローバーにおける主軸よりも後方に突出した部分に固定された円板部材と、主軸ユニットの固定部に配置されて円板部材の外周面の一部と対面する第１の近接スイッチと、第１近接スイッチの後方において主軸ユニットの固定部に配置されて円板部材の外周面の一部と対面する第２の近接スイッチとを備えたものが知られている（たとえば特許文献１参照）。

しかしながら、従来のドローバー位置検出機構では、ドローバー駆動手段よりも前方の位置において、ドローバーの後端部における主軸よりも後方に突出した部分に円板部材を固定するとともに、前後方向に離隔した位置に２つの近接スイッチを配置するために、ドローバーの後端部の主軸からの突出長さを比較的長くする必要があり、その結果主軸ユニットが比較的長くなるという問題がある。また、ドローバーの後端部が比較的長く主軸よりも突出しているので、主軸回転時にドローバーが振動して主軸回転数変化時に回転バランスが変化し、主軸の高速化および加工の高精度化の妨げになる。
特開平１０−８０８４１号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、主軸ユニットの短小化、主軸の高速化および加工の高精度化が可能な工作機械のドローバー位置検出機構を提供することにある。

請求項１の発明による工作機械のドローバー位置検出機構は、先端に工具が取り付けられる中空状主軸と、主軸内に主軸に対して軸方向移動可能に配置され、かつ軸方向の移動により主軸先端への工具のクランプ、アンクランプを行うドローバーと、主軸内に設けられかつドローバーをクランプ方向に付勢する付勢手段と、ドローバーをアンクランプ方向に移動させるドローバー駆動手段とを備えた工作機械において、ドローバーの位置を検出する機構であって、ドローバー駆動手段が、ドローバーを付勢手段の付勢力に抗してアンクランプ方向に押圧する中空状押圧部材を備えており、押圧部材内に、ドローバーのクランプ方向およびアンクランプ方向の移動により押圧部材に対して移動するドローバー移動検知部分と、ドローバー移動検知部分の移動位置を検出する変位センサとが設けられているものである。

請求項２の発明による工作機械のドローバー位置検出機構は、請求項１の発明において、ドローバーの後端部に、ドローバーに形成されたクーラント通路に通じるクーラント導入穴を有するクーラント導入部材が固定され、ドローバー移動検知部分に、クーラント導入部材のクーラント導入穴に通じるとともに、クーラント供給源に通じるクーラント供給穴が形成され、ドローバー移動検知部分が付勢部材により前方に付勢されることにより、ドローバー移動検知部分の前端が常にクーラント導入部材の後端に当接してクーラント供給穴とクーラント導入穴とが通じるようになされていることが好ましい。

請求項１の発明のドローバー位置検出機構によれば、ドローバー駆動手段が、ドローバーを付勢手段の付勢力に抗してアンクランプ方向に押圧する中空状押圧部材を備えており、押圧部材内に、ドローバーのクランプ方向およびアンクランプ方向の移動により押圧部材に対して移動するドローバー移動検知部分と、ドローバー移動検知部分の移動位置を検出する変位センサとが設けられているので、ドローバーの後端部の主軸からの突出長さを、従来のものに比較して短くすることができ、主軸ユニットの短小化が可能になる。また、ドローバーの後端部の主軸からの突出長さが、従来のものに比較して短くなるので、主軸回転時のドローバーの振動が抑制されて主軸回転数変化時の回転バランスの変化が少なくなり、主軸の高速化および加工の高精度化が可能になる。

請求項２の発明のドローバー位置検出機構によれば、ドローバーに形成されたクーラント通路にクーラントを供給する装置を利用してドローバーの位置を検出することができるので、部品点数を少なくすることができる。また、ドローバーの後端部の主軸からの突出長さが、従来のものに比較して短くなるので、ドローバーの振動が抑制されてクーラント導入部材の振動も抑制され、その結果ドローバー移動検知部分とクーラント導入部材との間からのクーラントの漏れを抑止することができる。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は主軸前端に工具がクランプされた状態の主軸ユニットの全体構成を示す。また、図２〜図４は異なる状態の主軸ユニットの要部を示し、図２は主軸前端に工具がクランプされた状態、図３は工具がアンクランプされている状態、図４は工具が存在せずにドローバーがクランプ方向に移動した状態を示す。

図１に示すように、主軸ユニット(1)は、マシニングセンタなどの主軸頭（図示略）に固定される固定ハウジング(2)と、固定ハウジング(2)内に配された中空状主軸(3)とを備えている。主軸(3)の前部および後部はそれぞれ転がり軸受(4)(5)により、固定ハウジング(2)に対して回転自在に支持されている。ここでは、主軸(3)の前部を支持する転がり軸受(4)は複数であり、同じく後部を支持する転がり軸受(5)は１つである。主軸(3)の前部を支持する転がり軸受(4)としては、たとえばアンギュラ玉軸受のようなラジアル荷重と少なくとも一方のスラスト荷重を受けるものが用いられる。主軸(3)の後部を支持する転がり軸受(5)としては、たとえばラジアル荷重を受ける円筒ころ軸受が用いられる。

固定ハウジング(2)内の前側の軸受(4)と後側の軸受(5)との間の部分に、主軸(3)を回転させるためのビルトイン型の電動機(6)が設けられている。電動機(6)は、主軸(3)の外周に設けられたロータ(7)と、その周囲のハウジング(2)の内周に設けられたステータ(8)とから構成されている。

主軸(3)の前端には、工具（図示略）を保持した工具ホルダ(9)のテーパシャンク(9a)をはめ入れるテーパ穴(3a)が形成され、テーパ穴(3a)の後端と主軸(3)の後端開口との間に、テーパ穴(3a)の小端径とほぼ等しい内径を有する第１穴部(11)、第１穴部(11)よりも小径の第２穴部(12)および第１穴部(11)よりも大径の第３穴部(13)が前から順に形成されている。テーパ穴(3a)と第１穴部(11)との境界部に、第１穴部(11)よりも大径のコレット逃がし部(14)が形成されている。第１穴部(11)と第２穴部(12)との境界部に前向きの段部(15)が形成され、第２穴部(12)と第３穴部(13)との境界部に後向きの段部(16)が形成されている。

工具ホルダ(9)のテーパシャンク(9a)の後端部にはプルスタッド(9b)が設けられており、工具ホルダ(9)にこれを前後方向に貫通したクーラント通路（図示略）が形成されている。

主軸(3)の穴部(11)(12)(13)内に、前後方向に伸びるドローバー(17)が、主軸(3)に対して回転しないが軸方向に移動しうるように同軸上に配置されている。ドローバー(17)の後端部は、主軸(3)よりも若干後方に突出している。ドローバー(17)の前端および前端よりも若干後方の部分に、それぞれコレット保持用の第１フランジ(17a)および案内用の第２フランジ(17b)が形成されている。第１フランジ(17a)は第１穴部(11)内の前部に、第２フランジ(17b)は第１穴部(11)内の後部に位置している。ドローバー(17)の後端部に案内用の大径部(17c)が形成され、大径部(17c)が第３穴部(13)内の後端部に、一部分が主軸(3)よりも後方に突出するように配置されている。ドローバー(17)の中心部には、ドローバー(17)を軸方向に貫通したクーラント通路(18)が形成されている。クーラント通路(18)の前端部には大径部が形成され、この大径部内にクーラント通過部材(20)が前後方向移動自在に挿入され、図示しないばねにより常に前方に付勢されている。クーラント通過部材(20)には、クーラント通路(18)と連通するクーラント通路（図示略）が前後方向に貫通状に形成されている。

ドローバー(17)のクーラント通路(18)の後端部内にクーラント導入部材(19)の前端部がねじ込まれ、これによりクーラント導入部材(19)がドローバー(17)の後端部に固定されている。クーラント導入部材(19)の後端面には対摩耗性を有するセラミックスからなる密着部材(21)が固定されている。クーラント導入部材(19)には、これを前後方向に貫通しかつドローバー(17)のクーラント通路(18)に通じるクーラント導入穴(22)が形成されている。また、クーラント導入部材(19)の前後方向の中間部に外向きフランジ(19a)（図２参照）が一体に形成されている。

ドローバー(17)の第１フランジ(17a)と第２フランジ(17b)との間の部分に、工具ホルダ(9)のプルスタッド(9b)を保持するコレット(23)の後端の小径部が係合させられており、ドローバー(17)の前後動によりコレット(23)も前後動するようになされている。コレット(23)の前端部には、工具保持部(23a)が形成されている。工具保持部(23a)の内径はその後側部分より小さく、工具保持部(23a)の外径はその後側部分よりも大きい。ドローバー(17)が後方のクランプ位置に移動した状態では、コレット(23)の工具保持部(23a)が第１穴部(11)内に入ってその内径が小さくなった状態で保持されるため、工具保持部(23a)によって工具ホルダ(9)の後端のプルスタッド(9b)がつかまれる。ドローバー(17)が前方のアンクランプ位置に移動すると、コレット(23)の工具保持部(23a)がコレット逃がし部(14)と合致し、工具保持部(23a)を広げることができるようになるため、工具ホルダ(9)のプルスタッド(9b)が解放される。

ドローバー(17)における大径部(17c)よりも前方でかつ第３穴部(13)内に位置する部分の前後両端部に、それぞればね受け用のカラー(24)が前後摺動自在にはめられ、両カラー(24)間にドローバー(17)を後方（クランプ方向）に付勢する付勢手段としての複数の皿ばね(25)がはめられている。皿ばね(25)は、前側のカラー(24)を後向き段部(16)に、後側のカラー(24)を大径部(17c)の前端面にそれぞれ押しつけ、ドローバー(17)を後方に付勢する。

固定ハウジング(2)の後端部はドローバー(17)の後端よりも後方まで延ばされており、固定ハウジング(2)の後端部に、ドローバー(17)を前方（アンクランプ方向）に移動させるドローバー駆動手段であるドローバー駆動装置(26)が設けられている。

ドローバー駆動装置(26)は、固定ハウジング(2)の後端部に後方に突出するように固定されたシリンダチューブ(27)と、シリンダチューブ(27)内を前後方向に移動自在に貫通しかつドローバー(17)を前方に押圧する円筒状の押圧部材(28)とを備えている。シリンダチューブ(27)の前後両端にはそれぞれ内向きフランジ(27a)（図２参照）が形成されており、内向きフランジ(27a)の内周面が、シール部材を介して押圧部材(28)の外周面に密に摺接するようになっている。押圧部材(28)におけるシリンダチューブ(27)内に存在する部分の外周面に、環状のピストン部(28a)（図２参照）が一体に形成されている。ピストン部(28a)の外周面は、シール部材を介してシリンダチューブ(27)の内周面に密に摺接するようになっている。また、ピストン部(28a)の前後方向の厚さはシリンダチューブ(27)の前後両端の内向きフランジ(27a)間の間隔よりも小さくてシリンダチューブ(27)内の前後方向に移動しうるようになっており、ピストン部(28a)の前後両側に圧力油室(29)(31)が形成されている。両圧力油室(29)(31)は切換弁(32)を介して圧力油源(33)に接続されている。

図２〜図４に示すように、押圧部材(28)の前端には内向きに突出した環状の押圧部(28b)が一体に形成されている。押圧部(28b)の内径は、クーラント導入部材(19)の外向きフランジ(19a)の外径よりも大きくなっている。押圧部材(28)内の後部に円柱状体(34)が密にはめ止められている。円柱状体(34)の中心部には、クーラント供給穴(35)が前後方向に貫通状に形成されている。円柱状体(34)のクーラント供給穴(35)の前部は後部に比較して大径となされている。クーラント供給穴(35)の大径部(35a)内に挿入された状態で、円柱状体(34)にスリーブ(36)が固定されている。スリーブ(36)の前端部における円柱状体(34)から前方に突出した部分には外向きフランジ(36a)が一体に形成されており、外向きフランジ(36a)が円柱状体(34)の前端面に接している。円柱状体(34)とスリーブ(36)とにより固定部分が構成されている。円柱状体(34)におけるクーラント供給穴(35)よりも径方向外側の部分およびスリーブ(36)の外向きフランジ(36a)に、それぞれ前後方向に伸びる貫通穴(37)(38)が同一直線上に位置するように形成されており、これらの貫通穴(37)(38)に変位センサ(39)が後方から挿入されている。変位センサ(39)の可動接触子(39a)はスリーブ(36)の外向きフランジ(36a)の貫通穴(38)よりも前方に突出している。なお、変位センサ(39)は、図示しないＮＣ制御装置に接続されている。

スリーブ(36)内に、ドローバー移動検知部分である検知部材(42)の後部が前後方向移動自在に挿入されている。検知部材(42)にはクーラント供給穴(43)が前後方向に貫通状に形成されている。検知部材(42)の前端面には、クーラント導入部材(19)の密着部材(21)と密着しうる対摩耗性を有するセラミックスからなる密着部材(44)が固定されている。そして、クーラント導入部材(19)、円柱状体(34)、スリーブ(36)および検知部材(42)により、図示しないクーラント供給源から供給されたクーラントをドローバー(17)のクーラント通路(18)に供給するクーラント供給装置が構成されている。

検知部材(42)におけるスリーブ(36)よりも前方に突出した部分に外向きフランジ(42a)が一体に形成されている。外向きフランジ(42a)の外径は、変位センサ(39)の接触子(39a)が外向きフランジ(42a)の後面に当接するような大きさとなされている。変位センサ(39)と周方向にずれた位置に置いて、外向きフランジ(42a)に前方からおねじ部材(45)が貫通させられ、おねじ部材(45)の先端部がスリーブ(36)の外向きフランジ(36a)前面に形成されためねじ穴(46)にねじはめられている。おねじ部材(45)における両外向きフランジ(36a)(42a)間に位置する部分の周囲に圧縮コイルばね(47)（付勢部材）が装着されており、検知部材(42)は常に前方に付勢されてその密着部材(44)がクーラント導入部材(19)の密着部材(21)と密着し、その結果検知部材(42)のクーラント供給穴(43)がクーラント導入部材(19)のクーラント導入穴(22)に通じるようになっている。

図２は、自動工具交換装置により主軸(3)の前端に装着された工具がクランプされた状態を示す。

この場合、工具ホルダ(9)のテーパシャンク(9a)が主軸(3)のテーパ穴(3a)内にはまり、ドローバー(17)が皿ばね(25)により後方に付勢されることによってプルスタッド(9b)がコレット(23)によりつかまれている。なお、プルスタッド(9b)の後端面にドローバー(17)のクーラント通過部材(20)の前端面が当接し、工具ホルダ(9)のクーラント通路とドローバー(17)のクーラント通路(18)とがクーラント通過部材(20)を介して連通している。切換弁(32)はクランプ位置に切り換えられ、ドローバー駆動装置(26)のシリンダチューブ(27)の前部油室(29)に圧力油が供給されることにより、押圧部材(28)は押圧部(28b)がドローバー(17)から後方に離隔した後退位置にある。検知部材(42)はばね(47)により付勢されて前方に移動し、その密着部材(44)がクーラント導入部材(19)の密着部材(21)に密着している。また、変位センサ(39)の接触子(39a)は最も前方の正常クランプ位置まで進出し、これによりドローバー(17)がクランプ位置にあることが検出され、その信号がＮＣ制御装置に出力される。そして、ＮＣ制御装置は、これにより加工可能状態であると判断し、主軸ユニット(1)を加工位置に移動させて加工を開始する。なお、クーラント供給源から供給されたクーラントは、円柱状体(34)のクーラント供給穴(35)、スリーブ(36)内、検知部材(42)のクーラント供給穴(43)、クーラント導入部材(19)のクーラント導入穴(22)、およびドローバー(17)のクーラント通路(18)を通ってプルスタッド(9b)および工具ホルダ(9)のクーラント通路に送り込まれ、工具に供給されるようになっている。

図３は、工具がアンクランプされた状態を示す。

この場合、切換弁(32)がアンクランプ位置に切り換えられ、ドローバー駆動装置(26)のシリンダチューブ(27)の後部油室(31)に圧力油が供給されることにより押圧部材(28)が前進し、押圧部(28b)によりドローバー(17)が皿ばね(25)の付勢力に抗して前方（アンクランプ方向）に押され、これによりコレット(23)が前端のアンクランプ位置まで移動し、工具ホルダ(9)のプルスタッド(9b)をアンクランプする。このとき、検知部材(42)は、クーラント導入部材(19)により後方に押され、ばね(47)の付勢力に抗して後方へ移動し、その結果変位センサ(39)の接触子(39a)は最も後方のアンクランプ位置まで退入し、これによりドローバー(17)がアンクランプ位置にあることが検出され、その信号がＮＣ制御装置に出力される。そして、ＮＣ制御装置は、これにより工具交換可能状態であると判断し、自動工具交換装置により使用済み工具を主軸(3)前端から取り外すとともに、次工具を主軸(3)前端に装着する。

図４は、自動工具交換装置により工具が主軸(3)の前端に装着されない状態で、ドローバー(17)がクランプ方向に移動した状態を示す。

この場合、切換弁(32)はクランプ位置に切り換えられ、ドローバー駆動装置(26)のシリンダチューブ(27)の前部油室(29)に圧力油が供給されることにより、押圧部材(28)は押圧部(28b)がドローバー(17)から後方に離隔した後退位置にある。また、ドローバー(17)は、第２フランジ(17b)が主軸(3)の前向き段部(15)に当接する位置まで、皿ばね(25)により後方へ移動させられている。検知部材(42)はクーラント導入部材(19)によりばね(47)の付勢力に抗して正常クランプ位置よりも後方に移動し、その結果変位センサ(39)の接触子(39a)は正常クランプ位置から、正常クランプ位置とアンクランプ位置との間の異常クランプ位置まで退入し、これによりドローバー(17)が異常クランプ位置にあることが検出され、その信号がＮＣ制御装置に出力される。そして、ＮＣ制御装置は、これにより主軸(3)の前端に工具がクランプされていない異常状態であると判断し、警報を発する。

ドローバーがクランプ方向に移動して主軸前端に工具がクランプされた状態の主軸ユニットの全体構成を示す縦断面図である。 ドローバーがクランプ方向に移動して主軸前端に工具がクランプされた状態の主軸ユニットの要部を示す縦断面図である。 工具がアンクランプされている状態を示す図２相当の図である。 工具が存在せずにドローバーがクランプ方向に移動した状態を示す図２相当の図である。

符号の説明

(3)：主軸
(17)：ドローバー
(18)：クーラント通路
(19)：クーラント導入部材
(22)：クーラント導入穴
(25)：皿ばね（付勢手段）
(26)：ドローバー駆動装置（ドローバー駆動手段）
(28)：押圧部材
(42)：検知部材（ドローバー移動検知部分）
(43)：クーラント供給穴
(47)：圧縮コイルばね（付勢部材）

Claims (2)

1. 先端に工具が取り付けられる中空状主軸と、主軸内に主軸に対して軸方向移動可能に配置され、かつ軸方向の移動により主軸先端への工具のクランプ、アンクランプを行うドローバーと、主軸内に設けられかつドローバーをクランプ方向に付勢する付勢手段と、ドローバーをアンクランプ方向に移動させるドローバー駆動手段とを備えた工作機械において、ドローバーの位置を検出する機構であって、
   ドローバー駆動手段が、ドローバーを付勢手段の付勢力に抗してアンクランプ方向に押圧する中空状押圧部材を備えており、押圧部材内に、ドローバーのクランプ方向およびアンクランプ方向の移動により押圧部材に対して移動するドローバー移動検知部分と、ドローバー移動検知部分の移動位置を検出する変位センサとが設けられている工作機械のドローバー位置検出機構。
2. ドローバーの後端部に、ドローバーに形成されたクーラント通路に通じるクーラント導入穴を有するクーラント導入部材が固定され、ドローバー移動検知部分に、クーラント導入部材のクーラント導入穴に通じるとともに、クーラント供給源に通じるクーラント供給穴が形成され、ドローバー移動検知部分が付勢部材により前方に付勢されることにより、ドローバー移動検知部分の前端が常にクーラント導入部材の後端に当接してクーラント供給穴とクーラント導入穴とが通じるようになされている請求項１の工作機械のドローバー位置検出機構。

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