JPH02198746A

JPH02198746A - 軸力測定装置

Info

Publication number: JPH02198746A
Application number: JP1271689A
Authority: JP
Inventors: Yotaro Hatamura; 洋太郎畑村
Original assignee: Hamai Co Ltd
Current assignee: Hamai Co Ltd
Priority date: 1989-01-21
Filing date: 1989-01-21
Publication date: 1990-08-07
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: DE4000948A1; JPH0775816B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は軸力測定装置にかかり、例えば、工作機械にお
ける主軸やテーブル等の運動体による直線方向の力（以
下、軸力という）を測定する軸力測定装置に関する。

（従来の技術）従来、この種の軸力測定は、例えば工作機械において、
ツールやワークその他工作機械の構成要素の破損、折損
等を防止するために必要とされている。そして、従来の
軸力測定装置においては。

例えば工作機械の主軸やテーブル等の運動体側で軸力を
測定するべく、これらの運動体に歪ゲージ等のセンサを
取り付け、このセンサの出力信号がら軸力を測定するこ
とが一般的であった。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら従来の軸力測定装置では、主軸モータ、送
りモータ等の駆動源やギア等の動力伝達機構により、測
定するべき軸力以外のカが外乱として加わるため、所期
の軸力を正確に測定することができないという問題があ
った。また、回転体では、そこからの信号伝達が非常に
難しくなるという欠点があった。

更に、上記以外の軸力８Ｉす定手段として、ピエゾ素子
や歪ゲージを用いた６分力テーブルを使用する方法も、
老木ら、５些るが１周知のように、この６分力テーブル
は一般に中小荷重向きであって大荷重による軸力測定に
は不適当である。更に、６分力テーブルを用いた軸力測
定は、工作機械による加工運転とは切り離して別個独立
に行なう必要があり、この６分力テーブルを工作機械に
据え付ける手間がかかると共に加工中に並行して軸力測
定を行ない、この測定結果を用いて加工条件を変更する
こと等ができないという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するために提案されたもので
、その目的とするところは、直線運動する運動体の軸力
をロードセルによって外乱等の影響を受けることなく正
確に測定し、しかも上記ロードセルを工作機械等に予め
作り込むことによって据え付けの手間をなくし、かつ加
工運転と並行した軸力８＋１１定を可能とした構成簡単
な軸力測定装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明は、工作機械の主軸ヘ
ッドやテーブル等の運動体の直線運動方向に対して相対
的にほぼ静止している系にロードセルを取り付け、前記
運動体が直線運動する際の力を前記ロードセルによって
測定することを特徴とする。

また１本発明にかかる軸力測定装置は主として工作機械
に適用することが予定されており、その場合には、運動
体が工作機械の主軸であってこの主軸に取付けられたベ
アリングを圧接するカラーにロードセルを設け、あるい
は、運動体がテーブルや主軸ヘッド等であってこれらを
１９［動するボールスクリューのナツト部にロードセル
を設けることが好ましい。

更に、テーブルや主軸ヘッド等の運動体に設定値以上の
力が加わった際に、この力の方向に沿つて移動子が一定
の変位だけ移動したことを検出して前記運動体の移動を
停止させて安全側に退避させるように構成された。特願
昭６３−２０６０５４号にかかるフェイルセイフシステ
ムにも本発明は適用可能であり、その場合には、前記移
動子を備えていて運動体からの力に応動するアクチュエ
ータにロードセルを備えることが望ましい。

（作用）本発明によれば、直線運動する運動体の軸力が、この運
動体に対して相対的にほぼ静止している系に加わり、こ
の系に設けられたロードセルに前記軸力に応じた電気信
号を生じさせる。従って、この電気信号を測定すること
により、運動体の軸力を測定することができる。

（実施例）以下、図に沿って本発明の詳細な説明する。

まず、第１図ないし第５図は本発明の第１実施例を示す
ものであり、この実施例は、本発明にかかる軸力測定装
置をマシニングセンタ等の工作機械の主軸ベアリングの
ハウジング内に組み込んだものである。

第１図において、１は直線運動する運動体としての主軸
であり、この主軸１にはその軸方向に沿って複数のベア
リング２が装着されている。これらのベアリング２の間
には、ベアリング２の内輪カラー３及び外輪カラー４．
５が適宜配置されている。また、最上段のベアリング２
の内輪２Ａと主軸１の頭部ＩＡとの間には、軸方向に長
い内輪カラー６が配置されている。

更に、７はベアリング２及び各カラー３〜６を収容する
ハウジングであり、このハウジング７の上端部内側には
外輪押え８が設けられており、かかる外輪押え８はボル
ト９によりハウジング７の上端部に締め付は可能となっ
ている。

一方、最上段のベアリング２の外＠２Ｂと外輪押え８と
の間には、ロードセルを構成するリング状の軸力センサ
カラー１０が取付けられている。この軸力センサカラー
１０は、外輪押え８の締め付けにより、最上段のベアリ
ング２を圧接する方向の予圧が与えられるものであり、
その構成は第２図に示すとおりである。すなわち、リン
グ状の本体１１の外周面中央部に幅広の溝１２が形成さ
れ、また。

本体１１の内周面中央部には幅狭の溝１３が形成されて
いると共に、前記溝１２にはその外周面を四分する位置
に歪ゲージ１４がそれぞれ固着されて構成されている。

そして、歪ゲージ１４が固着された溝１２の内部には、
歪ゲージ１４を保護するためにシリコンゴム１６が充填
されている。

ここで、第２図におけるａ部を拡大して示したものが第
３図である。同図に基づいて各部の寸法関係の一例を述
べると、いま、前記溝１２底面までの軸力センサカラ−
１０の直径Ｄ（第２図参照）が８０ｍであるとき、溝１
２の幅Ｌ８は４〜５ｍｍ、溝１３の幅Ｌ２は１ｍであり
、また、これらの溝１２．１３の間の薄肉部１５の肉厚
ｄは０．５＋＋ｎとなっている。

なお、上記軸力センサカラ−１０は、運動体である主軸
１と共に主軸ヘッドの構成要素として直線運動するもの
であるが、主軸１に対しては、軸方向には相対的にほぼ
静止した系を構成している。

しかして、第１図に示した主軸１及びベアリング２の関
係は、第４図に示すようなばね系のモデルとして考える
ことができる。すなわち、第１図において主軸１にその
軸方向に沿って力が加わった場合、ベアリング２は弾性
変形するため、このベアリング２を第４図に示すように
ばね２０．１．２０２（ばね定数をそれぞれに、、に２
とする）によって置き換えることができる。一方、第４
図における１０１を運動体としての主軸、３０１を前記
ベアリング２（ばね２０１．２０２）を軸方向両側から
押えている第１図の外輪カラー４，５や外輪押え８等の
略静止系とする。

このようなモデルにおいて、始めに主軸１０１には力ｆ
０が加わっており、この状態で第４図の矢印す方向に外
部から軸力ｆｅｘが加わったとする。

この軸力ｆｅｘは、第５図に示す如く互いに逆向きの力
Δｆ１及びΔｆ２としてばね２０１．２０２によりそれ
ぞれ分担され、ばね２０１については、そのばね定数に
１による変位特性線Ｘ、に従って変位ΔＸを生じる。一
方、ばね２０２については、そのばね定数に２による変
位特性線ｘ２に従って同じ大きさの変位ΔＸを生じる。

すなわち５軸力ｆａｘ、ばね定数に０．に、及び変位Δ
Ｘの間には。

ｆａｘ＝Δｆ１＋Δｆ、＝に、Δｘ＋に、ΔＸ＝（ｋ１
＋によ）ΔＸという関係がある。

ここで、ばね定数に、、に、が既知であるとすれば、軸
力ｆｅｘはばね２０１．２０２の変位ΔＸを求めれば算
出可能となる。そしてこの変位ΔＸは、第４図から明ら
かなように略静止系３０１側から検出することができる
。

上記のモデルにおいて変位ΔＸを略静止系３０１側から
測定することは、第１図の実施例においてベアリング２
による歪を略静止系から測定することに相当し、換言す
れば、第１図における略静止系である軸力センサカラ−
１０の位置でベアリング２による歪を検出することで主
軸１の軸力を測定することが可能となる。

すなわち、第１図において、前述した如く軸力センサカ
ラ−１０には外輪押え８によって予圧が加わっている。

この状態で主軸１の軸力は内輪カラー６から最上段のベ
アリング２の内輪２Ａに伝わり、その後、軸力の一部は
次段のベアリング２の内輪２Ａ→内輪カラー３→更に次
段のベアリング２の内輪２Ａ→・・・・・の経路で伝達
される。また。

最上段のベアリング２の内輪２Ａに伝わった軸力の残部
は、ベアリング２のボール−ベアリング２の外輪２Ｂ→
次段のベアリング２の外輪２Ｂ→外軸カラー４→更に次
段のベアリング２の外輪２Ｂ→・・・・・・の経路で伝
達される。

このため、最上段のベアリング２の外輪２Ｂに常時圧接
されている軸力センサカラ−１Ｏには、上記外輪２Ｂに
加わる力の反力が加わり、前述した薄肉部１５が歪むこ
とによって主軸１の軸力に比例した電気信号を歪ゲージ
１４がら得ることができるものである。

なお、軸力センサカラ−１０を上記実施例のように外輪
押え８の直下に配置すれば、歪ゲージ１４の出力電気信
号を内輪カラー６の外側から容易に取り出すことができ
る利点があるが、軸カセンサカラー１０の位置はこれに
何ら限定されるものではなく、電気信号の取り出しに支
障が無ければ第１図の外輪カラー４，５等の位置でもよ
い。

次に、第６図及び第７図は本発明の第２実施例を示して
おり、この実施例は、本発明にかかる軸力測定装置を、
マシニングセンタのｘ、ｙ、ｚ各軸のボールスクリュー
に取付けられたナツト部に設けたものである。例えば第
６図は、直線運動する運動体としてのテーブル３０をＸ
軸に沿って移動させるためのボールスクリュー４０のナ
ツト部に本発明を適用した例である。この場合にも、ナ
ツト部２０はテーブル３０の直線運動方向に対して相対
的にほぼ静止した系を構成している。

すなわち同図において、ボールスクリュー４０に螺着さ
れたナツト部２０は、テーブル３０から突設されたアー
ム３１にナツト２１によって一体的に固着されている。

ナツト部２０には、その外周面中央部に幅広の溝２２が
形成され、また、内周面中央部には幅狭の溝２３が形成
されていると共に、前記溝２２にはその外周面を四分す
る位置に歪ゲージ２４がそれぞれ固着されている。更に
、第６図のｂ部を拡大した第７図から明らかなように、
溝２２と溝２３との間には薄肉部２５が形成されている
。また、歪ゲージ２４が固着された溝２２の内部には、
発泡性または弾性の小さいシリコンゴム２６及び耐油性
シリコンゴム２７が充填されている。なお、第７図にお
いて、例えば、薄肉部２５の肉厚ｄは０．５ｍｍ、溝２
３のｌ１ｌＩＴＬ２は１＋ｗ＋であり、また、溝２３の
コーナ一部２３ａは半径０．２ｍｍのアール状に形成さ
れている。

このように１本実施例ではナツト部２０自体がロードセ
ルを構成しており、かかるロードセルは以下のようにし
てテーブル３０のＸ軸方向の軸力を測定する。すなわち
、第６図において、ボールスクリュー４０の回転により
ナツト部２０がボールスクリュー４０に沿って移動し、
これに伴ってアーム３１を介してテーブル３０がＸ軸方
向に移動することになるが、この時ナツト部２０とアー
ム３１との間に力の損失がないと仮定すると、テーブル
３０のＸ軸方向の力はナツト部２０の前記ロードセルに
よって測定することができる。つまり、ナツト部２０が
受けるテーブル３０のアーム３１からの反力によって第
７図に示したロードセルの薄肉部２５が歪むことにより
。

前記反力、換言すればテーブル３０のＸ軸方向の軸力に
比例した電気信号を歪ゲージ２４から得ることができ、
第１実施例と同様に略静止系からの軸力測定が可能とな
る。

次いで、第８図及び第９図は本発明の第３実施例を示し
ている。この実施例は１本発明にかかる軸力測定装置を
フェイルセイフシステムを組み込んだマシニングセンタ
のアクチュエータに適用したものである。このフェイル
セイフシステム及びアクチュエータは、発明者が特願昭
６３−２０６０５４号として既に提案したものであり、
その概酩を以下に説明する。

このフェイルセイフシステムは、工作機械の主軸やテー
ブルの如き運動体から設定値以上の力が加わった際に、
この力の方向に沿って移動する移動子と、この移動子の
初期位置を設定するストッパーと、移動子を支持して予
め設定された一定の力を移動子に作用させる油圧機構の
ような力作用体とを備えており、前記移動子が運動体か
らの力を受けて一定の変位だけ移動したことを検出して
運動体の移動を停止させ、システムを安全側に退避させ
るものである。

また、前記アクチュエータはこのフェイルセイフシステ
ムの構成要素であって運動体からの力に応動するもので
あり、Ｎ動体から設定値以上の力が加わった際にこの力
の方向に沿って移動する移動子と、この移動子の初期位
置を設定するストッパーとを少なくとも備え、移動子を
内部または外部に設けられた力作用体により支持して予
め設定された一定の力を移動子に作用させるものである
。

例えば、第８図は力作用体として油圧を用いたフェイル
セイフシステムをマシニングセンタに組み込んだもので
あり、図中、５１はコラム、５２は運動体としての主軸
ヘッド、５３はツールホルダ５４に取付けられたツール
５５を回転させるためのモータ、５６はワーク、３０は
前述の如く運動体としてのテーブル、５７はベース、５
８はサドル、４０はテーブル３０をＸ軸方向に移動させ
るためのボールスクリュー２０Ａはこのボールスクリュ
ー４０に螺着されたナツト部である。

また、５９は原理的に油圧シリンダと同様のアクチュエ
ータであり、このアクチュエータ５９はテーブル３０と
ナラ１一部２０Ａとの間、主軸ヘッド５２とこの主軸ヘ
ッド５２をＺ方向に移動させるボールスクリュー６０の
ナツト部６１との間、更には、ベース５７とサドル５８
との間に設けられたボールスクリューにも設けられてい
る。これらのアクチュエータ５９からの油圧はすべて１
つにつながり、外部に設けられたアキュムレータ６２に
接続されている。このアキュムレータ６２には油圧モー
タ６３が付属しており、油圧モータ６３の回転位置をＮ
Ｃプログラムにより変えることでアクチュエータ５９の
動作点、すなわちテーブル３０や主軸ヘッド５２に加わ
る力の設定値を例えばｌｏＯｋｇｆ、　５００ｋｇｆ、
　１００１００Ｏに変えることができるようになってい
る。

次に、アクチュエータ５９の具体的構成の一例を第９図
に示す。なお、第９図では、テーブル３０とナツト部２
０Ａとの間に設けられたアクチュエータ５９が示されて
いるが、他の部分に設けられるアクチュエータについて
も基本的な構成は同一である。

同図において、６４はボールスクリュー４０が螺着され
た中抜き構造のシリンダ、６５はシリンダ６４と同心上
に配置された中抜き構造のシリンダであり、これらのシ
リンダ６４．６５によって第８図におけるナツト部２０
Ａが構成され、シリンダ６５の端部にテーブル３０のア
ーム３１が一体的に連結されている。

ここで、シリンダ６４．６５は運動体であるテーブル３
０に対して、フェイルセイフシステムにおける移動子と
して作用している。

シリンダ６４．６５内には中抜き構造のピストン６６が
設けられており、このピストン６６とシリンダ６４゜６
５との間には図示するごとく油が充填されている。

そしてこの油は、第８図に示した外部のアキュムレータ
６２に達している。また、６７はピストン６６に連結さ
れた磁性体からなる腕であり、シリンダ６４゜６５にそ
れぞれ間接的に固定されたコイル内蔵の誘導式近接スイ
ッチ６８が上記腕６７に対向するように配置されている
。

このアクチュエータ５９において、ボールスクリュー４
０の回転によりシリンダ６５を介してテーブル３０に力
が加わり、その反力がアキュムレータ６２による設定値
以上になると、フェ“イルセイフシステムが動作してピ
ストン６６が相対的に図の左方向に移動する。これによ
り、磁性体からなる腕６７と誘導式近接スイッチ６８と
の間の距離が離れるため。

運動体としてのテーブル３０に設定値以上の力が加わっ
たことを誘導式近接スイッチ６８から電気信号として取
り出すことができる。

上記アクチュエータ５９において、シリンダ６５は直線
運動するテーブル３０に対して相対的にほぼ静止してお
り、第６図及び第７図のナツト部２０とほぼ同様の位置
に１本発明にかかる軸力測定装置のロードセルを作り込
むことが可能である。すなわち、第９図に示すようにシ
リンダ６５の外周面中央部に幅広の溝７２が形成され、
また内周面中央部には幅狭の溝７３が形成されている。

そして、溝７２の底面にはその外周面を四分する位置に
歪ゲージ７４がそれぞれ固着され、溝７２の内部には発
泡性または弾性の小さいシリコンゴム７６及び耐油性シ
リコンゴム７７が充填されている。更に、溝７２と溝７
３との間には薄肉部７５が形成され、上記各構成要素が
全体としてロードセルを構成している。

この実施例においても、直線運動するテーブル３０のＸ
軸方向の力に応じてロードセルの薄肉部７５が歪み、上
記軸力に比例した電気信号を歪ゲージ７４から得ること
ができ、略静止系からのテーブル３０の軸力測定が可能
になる。特にこの実施例では、こうして測定した軸力に
基づき、前述のアキュムレータ６２による力の設定値つ
まりフェイルセイフシステムが動作する力の設定値をリ
アルタイムで変えることができ、常に最適な動作設定値
を有するフェイルセイフシステムを実現することができ
る。

また、この実施例において、ロードセルは第９図におけ
るピストン６６のＣ部や、シリンダ６４のｄ部に設ける
ことも可能である。

なお、本発明は上記各実施例に限らず、直線運動する種
々の運動体の軸力測定に適用することができる。更に本
発明は、工作機械を始めとした機械の軸力を測定し、リ
アルタイムで連動して運動体の送りや回転等を適応制御
するシステムに応用することができる。

（発明の効果）以上述べたように本発明によれば、直線運動する運動体
の軸力を略静止系に設けたロードセルによって検出する
ものであるから、運動体側に存在するモータ等の旺動源
やギアのような動力伝達機構の運動による外乱を受ける
ことなく、運動体の軸力を正確に測定することができる
。

また、ロードセル自体の構造は極めて簡単であるから、
低コストにて本発明にかかる軸力測定装置を提供するこ
とができる。

更に、このロードセルは、工作機械の主軸ベアリングハ
ウジング内やボールスクリューのナツト部等に予め作り
込んでおくことが可能であり、従来のように６分カテー
ブル等を軸力測定のためにその都度据え付ける手間を解
消することができ。

また、大荷重の軸力測定も可能である。同時に。

工作機械による加工運転と並行して軸力測定を行なうこ
とができるから、測定した軸力に応じて迅速に加工条件
等を変更することができ、高効率、高精度の加ニジステ
ムを実現することができる。

加えて１本発明を用いれば、ある加工条件のもとでの運
動体の力のデータを蓄積することができ、これをＮＧコ
ンピュータ等により解析することによってツールの寿命
や破損、折損予測等を行なうことができる。すなわち、
これらの蓄積データを利用することで工作機械自身が最
適の加工条件を自動的に選択、設定することが可能とな
り、工作機械にいわゆる自己学習機能を持たせることが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第１実施例を示すもので
、第１図は要部説明図、第２図は軸力センサカラーの説
明図、第３図は第２図におけるａ部拡大説明図、第４図
はこの実施例と等測的なばね系のモデル図、第５図はそ
のカー変位特性図。第６図及び第７図は本発明の第２実施例を示すもので、
第６図は要部説明図、第７図は第６図におけるｂ部拡大
説明図、第８図及び第９図は本発明の第３実施例を示す
もので、第８図はマシニングセンタの概略構成図、第９
図はアクチュエータの断面図である。ｆｓ６図１・・・主軸１０・・・軸力センサカラ− １２，１３，２２，２３，７２，７３・・・溝１４．２
４．７４・・・歪ゲージ２０　、２ＯＡ・・・ナツト部４０・・・ボールスクリュー６４．６５・・・シリンダ７・・・ハウジング１５．２５．７５・・・薄肉部３０・・・テーブル５９・・・アクチュエータ第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）直線運動する運動体からの力を受け、前記運動体
からの力をロードセルによって測定することを特徴とす
る軸力測定装置。
（２）運動体が工作機械の主軸であり、この主軸に取付
けられたベアリングに圧接されたカラーにロードセルを
設けてなる請求項（１）記載の軸力測定装置。
（３）工作機械における運動体を駆動するためのボール
スクリューのナット部にロードセルを設けてなる請求項
（１）記載の軸力測定装置。
（４）工作機械における運動体に設定値以上の力が加わ
った際に、この力の方向に沿って移動子が一定の変位だ
け移動したことを検出して前記運動体の移動を停止させ
るフェイルセイフシステムにおいて、前記移動子を備え
たアクチュエータにロードセルを設けてなる請求項（１
）記載の軸力測定装置。