(57)【要約】【課題】付勢部材の経時劣化に伴うツールクランプ力の低下を精度よく把握することができるツールクランプ装置を提供する。【解決手段】ツール１７を保持するツールホルダ２０のクランプ・アンクランプ状態を切り替えるドローバー１１と、ドローバー１１をツールホルダ２０のクランプ方向に向けて付勢する付勢部材１２と、付勢部材１２の付勢力に抗して、ドローバー１１をツールホルダ２０のアンクランプ方向に向けて押し込むシリンダ１３と、通常のアンクランプを行う際の油圧である第１の油圧と、前記第１の油圧よりも低圧の第２の油圧を選択的に発生し得る油圧切替機能を有する、シリンダ１３を駆動する油圧機構１４と、を備えたツールクランプ装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツールを保持するツールホルダのクランプ・アンクランプ状態を切り替えるドローバーと、
前記ドローバーを前記ツールホルダのクランプ方向に向けて付勢する付勢部材と、
前記付勢部材の付勢力に抗して、前記ドローバーを前記ツールホルダのアンクランプ方向に向けて押し込むシリンダと、
通常のアンクランプを行う際の油圧である第１の油圧と、前記第１の油圧よりも低圧の第２の油圧を選択的に発生し得る油圧切替機能を有する、前記シリンダを駆動する油圧機構と、
を備えたツールクランプ装置。
【請求項２】
前記第２の油圧は、前記付勢部材の付勢力からツールクランプ力を計測する際の油圧であり、
前記油圧切替機能は、ツールクランプ力を計測する際に前記第２の油圧を前記シリンダに供給する請求項１に記載のツールクランプ装置。
【請求項３】
前記シリンダによる前記ドローバーの軸方向への押し込み量を非接触で計測する変位計
をさらに備えた請求項１または２に記載のツールクランプ装置。
【請求項４】
前記第２の油圧が、前記第１の油圧の１０〜３０％の大きさの範囲内である
請求項１から３のいずれか１項に記載のツールクランプ装置。
【請求項５】
前記ツールホルダがクランプされていない状態で、前記油圧機構が前記第２の油圧を発生する
請求項１から３のいずれか1項に記載のツールクランプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マシニングセンタなどの工作機械のツールクランプ装置に関し、特に、ツールクランプ力の計測機構を備えたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
マシニングセンタなどの工作機械のツールクランプ装置は、例えば、コレットなどのツールホルダにツールを取り付け、このツールホルダに接続された主軸を皿バネなどの付勢部材の付勢力で付勢することによって、ツールホルダによってツールが保持されたクランプ状態とする。その一方で、付勢部材の付勢力に抗して、主軸を軸方向に移動させることにより、ツールをアンクランプ状態とする。
【０００３】
ツールホルダによるツールのクランプ力は、付勢部材の付勢力に基づいて発生する。付勢部材が新品状態のときは、この付勢部材による所定の大きさの付勢力が作用し、ツールを保持するのに十分な大きさのクランプ力を確保することができる。その一方で、付勢部材が経時劣化すると、この付勢部材による所定の大きさの付勢力が発揮できなくなり、所定の大きさのクランプ力を確保することができない。クランプ力が不足すると、ツールホルダでクランプされたツールにブレが生じ、加工精度が低下したり、ツールが損傷したりするなどの問題が生じ得る。
【０００４】
この問題を解決すべく、例えば、特許文献１に係る工作機械の主軸装置においては、ロッド押圧力検出手段で検出したロッドの押圧力と、ロッド変位検出手段で検出したロッドの変位に基づいてコレットによるクランプ力を検出している。そして、工具のクランプ力の経時的変化に基づいて、交換時期判定手段で付勢手段の交換時期を判定している（特許文献１の段落００１９など参照）。
【０００５】
また、特許文献２に係る工具クランプ力測定装置においては、油圧源からの油圧によってピストンロッドを駆動させ、アンクランプ動作させる際にピストンロッドからドローバーに作用する押圧力をロードセルで検出して、皿バネの交換時期を把握している（特許文献２の段落０００７、００１５など参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４６３８４６４号公報
【特許文献２】特開平１０−２９１１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に係る構成においては、油圧制御装置によって油圧を発生させて駆動装置を作動させているが、この油圧の大きさは、工具をアンクランプするときと同等であると考えられる。このアンクランプするときの油圧は、付勢部材の付勢力に抗して速やかに行う必要があるため、この付勢力よりも十分大きな油圧とされるのが通常である。この場合、工具のアンクランプの瞬間における油圧と、実際に測定された油圧の誤差が大きくなってしまい、付勢部材の寿命予測に誤差が生じる虞がある。
【０００８】
また、特許文献２に係る構成においても、ピストンロッドを油圧源からの油圧によって駆動させているが、特許文献１に係る油圧制御装置と同様に、その油圧の大きさは、工具をアンクランプするときと同等の十分大きな油圧であると考えられる。このため、皿バネの交換時期の把握に誤差が生じることが懸念される。また、回転体である主軸側にロードセルを設けると、押圧力の検出の際に、摩擦に伴う発熱や回転ロスなどの問題を生じる虞もある。
【０００９】
そこで、この発明は、付勢部材の経時劣化に伴うツールクランプ力の低下を精度よく把握することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、この発明においては、ツールを保持するツールホルダのクランプ・アンクランプ状態を切り替えるドローバーと、前記ドローバーを前記ツールホルダのクランプ方向に向けて付勢する付勢部材と、前記付勢部材の付勢力に抗して、前記ドローバーを前記ツールホルダのアンクランプ方向に向けて押し込むシリンダと、通常のアンクランプを行う際の油圧である第１の油圧と、前記第１の油圧よりも低圧の第２の油圧を選択的に発生し得る油圧切替機能を有する、前記シリンダを駆動する油圧機構と、を備えたツールクランプ装置を構成した。
【００１１】
前記構成においては、前記第２の油圧は、前記付勢部材の付勢力からツールクランプ力を計測する際の油圧であり、前記油圧切替機能は、ツールクランプ力を計測する際に前記第２の油圧を前記シリンダに供給する構成とするのが好ましい。
【００１２】
前記各構成においては、前記シリンダによる前記ドローバーの軸方向への押し込み量を非接触で計測する変位計を備えた構成とするのが好ましい。
【００１３】
前記各構成においては、前記第２の油圧が、前記第１の油圧の１０〜３０％の大きさの範囲内である構成とするのが好ましい。
【００１４】
前記各構成においては、前記ツールが前記ツールホルダでクランプされていない状態で、前記油圧機構が前記第２の油圧を発生する構成とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
この発明では、油圧機構が、通常のアンクランプを行う際の油圧である第１の油圧と、前記第１の油圧よりも低圧の第２の油圧を選択的に発生し得るようにした。このため、付勢部材の変位量が小さい領域においても、付勢部材の経時劣化に伴うツールクランプ力の低下を精度よく把握することができる。これにより、ツールクランプ装置の管理を容易とし、装置の不具合に伴うトラブルを極力回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明に係るツールクランプ装置のクランプ状態を示す断面図
【図２】クランプ状態における油圧機構のソレノイド切り替え状態を示す図
【図３】この発明に係るツールクランプ装置のアンクランプ状態を示す断面図
【図４】アンクランプ状態における油圧機構のソレノイド切り替え状態を示す図
【図５】この発明に係るツールクランプ装置のクランプ力測定状態を示す断面図
【図６】クランプ力測定状態における油圧機構のソレノイド切り替え状態を示す図
【図７】低油圧領域におけるバネ縮み量とシリンダ油圧力との間の関係を示す図
【図８】図７に示す関係から導出した、バネ縮み量とクランク力との間の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明に係るツールクランプ装置１０のクランプ状態を図１、図２に基づいて説明する。このツールクランプ装置１０は、マシニングセンタなどの工作機械に適用され、ドローバー１１、付勢部材１２、シリンダ１３、および、油圧機構１４を主要な構成要素としている。
【００１８】
ドローバー１１は、中空筒状の主軸１５内に、軸方向に移動可能に設けられている。このドローバー１１のツール取り付け側の端部には、クランピングコーン１６が接続されている。クランピングコーン１６は、ドローバー１１との接続側に形成された小径部１６ａと、小径部１６ａよりもツール１７側に形成された、この小径部１６ａよりも大径の大径部１６ｂと、小径部１６ａと大径部１６ｂとの間に位置し、小径部１６ａの外径から大径部１６ｂの外径まで、その外径が連続的に変化する外径変化部１６ｃとを有している。
【００１９】
このクランピングコーン１６は、ドローバー１１と一体に軸方向に移動可能となっており、かつ、主軸１５に設けられたモータ（図示せず）を駆動することにより、ドローバー１１と一体に軸周りに回転可能となっている。ドローバー１１には、シリンダ１３によるドローバー１１の軸方向への押し込み量（付勢部材１２の縮み量に相当）を非接触で計測する変位計１８が併設されている。
【００２０】
主軸１５の先端には、筒状の保持部材１９が嵌め込まれている。この保持部材１９の内径面には、その先端側に向かうほど拡径するテーパ面１９ａが形成されている。この保持部材１９には、ツール１７を固定したツールホルダ２０が取り付けられる。このツールホルダ２０には、保持部材１９に形成されたテーパ面１９ａと当接可能なテーパ面２０ａが形成されている。
【００２１】
保持部材１９の内径面側には、グリッパ２１が設けられている。このグリッパ２１は、径方向に縮拡径可能な周方向に分割された複数のアーム２１ａから構成される。このアーム２１ａの先端側には、径方向外向きに突出するグリップ部２１ｂが形成されている。
【００２２】
付勢部材１２は、ドローバー１１をクランピングコーン１６のクランプ方向（図１中の白抜き矢印方向）に向けて付勢する機能を有する。グリッパ２１のアーム２１ａは、ツールホルダ２０のアンクランプ状態において、クランピングコーン１６の小径部１６ａに沿うように縮径した状態となっている（図３参照）。
【００２３】
その一方で、付勢部材１２の付勢力によって、ドローバー１１を引き込むと、このドローバー１１とともにクランピングコーン１６が引き込まれる。すると、アーム２１ａの先端が、クランピングコーン１６に形成された外径変化部１６ｃに案内されて、このアーム２１ａが、クランピングコーン１６の大径部１６ｂに沿うようにスムーズに拡径する。そして、この拡径に伴って、グリップ部２１ｂがツールホルダ２０の内径面に強く当接してクランプ力が発揮される（図１参照）。
【００２４】
このクランプ力により、保持部材１９とツールホルダ２０にそれぞれ形成されたテーパ面１９ａ、２０ａ同士が強く当接して、この保持部材１９によってツールホルダ２０（ツール１７）が確実にクランプされる。このように、ドローバー１１の動作に対応して、ツール１７を保持するツールホルダ２０のクランプ・アンクランプ状態を切り替えることができる。この実施形態では、付勢部材１２として、軸方向に配列された複数の皿バネ（以下において、付勢部材１２と同一の符号を付する。）を採用している。
【００２５】
シリンダ１３は、皿バネ１２の付勢力に抗して、ドローバー１１をクランピングコーン１６のアンクランプ方向（後述する図３中の白抜き矢印方向）に押し込む機能を有する。このシリンダ１３には、図２に示すように、その内部空間を仕切る隔壁２２が設けられ、この隔壁２２によってアンクランプ室２３とクランプ室２４が形成されている。
【００２６】
アンクランプ室２４に作動油を供給すると、ドローバー１１がアンクランプ方向に押し込まれて、保持部材１９からツールホルダ２０を取り外し可能なアンクランプ状態とすることができる（図３参照）。その一方で、アンクランプ室２３への作動油の供給を解除すると、皿バネ１２の付勢力によって、ツールホルダ２０が保持部材１９で保持されたクランプ状態とすることができる（図１参照）。
【００２７】
油圧機構１４は、シリンダ１３を駆動するための部材である。この油圧機構１４は、通常のアンクランプを行う際の油圧である第１の油圧（例えば、５ＭＰａ。以下において、第１の油圧のことを通常油圧と称する。）と、皿バネ１２の付勢力からツールクランプ力を計測する際の油圧である、前記通常油圧よりも低圧の第２の油圧（例えば、１ＭＰａ。以下において、第２の油圧のことを計測用油圧と称する。）を選択的に発生し得る油圧切り替え機能を有している。この油圧機構１４からの配管は、シリンダ１３のアンクランプ室２３およびクランプ室２４にそれぞれ接続されている。
【００２８】
この油圧機構１４は、図２に示すように、作動油が貯められたオイルタンク２５、作動油を循環させるオイルポンプ２６、第一ソレノイド２７、第二ソレノイド２８、減圧弁２９、チェック弁３０、および、チェック弁制御用流路３１を備えている。このオイルタンク２５からは、図２に図示したシリンダ１３だけでなく、他のツールクランプ装置のシリンダ（図示せず）にも作動油を供給し得るように配管が設けられている。
【００２９】
第一ソレノイド２７には、アンクランプまたはクランプ状態に伴って、作動油の流れる方向を切り替える３種類の流路が形成されている。第二ソレノイド２８には、ツールクランプ力の計測の際に作動油の流れを切り替える２種類の流路が形成されている。減圧弁２９は第二ソレノイド２８に併設されており、この第二ソレノイド２８を通過する作動油の圧力を、上記の通常圧力から計測用圧力まで減圧している。
【００３０】
チェック弁３０は、アンクランプ室２３への作動油の供給を許容する一方で、アンクランプ室２３からの作動油の流出を阻止するように作用する。チェック弁制御用流路３１は、クランプ室２４への供給側流路とチェック弁３０を接続している。そして、チェック弁３０の閉弁時に、クランプ室２４への供給側流路の油圧をチェック弁３０に作用させることでチェック弁３０を開弁させ、アンクランプ室２３からの作動油の流出を許容する。
【００３１】
図１に示したクランプ状態においては、油圧機構１４の各ソレノイド２７、２８は、図２に示すように切り替えられている。このとき、オイルタンク２５から供給された作動油は、第一ソレノイド２７を経由してクランプ室２４側に供給されている。またチェック弁制御用流路３１の存在により、クランプ室２４への供給側流路を流れる作動油の圧力によってチェック弁３０は開弁し、アンクランプ室２３内の作動油は、アンクランプ室２３からチェック弁３０を経てオイルタンク２５に戻される。そして、皿バネ１２の付勢力によって、アンクランプ室２３とクランプ室２４の間の隔壁２２は、アンクランプ室２３側に移動する。このクランプ状態においては、第二ソレノイド２８を経由する流路は遮断されている。隔壁２２とドローバー１１との間には伝達部材３２が介装されており、この伝達部材３２によって、隔壁２２とドローバー１１は軸方向に一体に移動する。
【００３２】
この発明に係るツールクランプ装置１０のアンクランプ状態を図３、図４に基づいて説明する。アンクランプ状態は、ドローバー１１を皿バネ１２の付勢力に抗してアンクランプ方向（図３中の白抜き矢印参照）に押し込み、グリップ部２１ｂがツールホルダ２０の内径面に強く当接することで生じたクランプ力を解除した状態である。このクランプ力の解除に伴って、保持部材１９とツールホルダ２０にそれぞれ形成されたテーパ面１９ａ、２０ａ同士の当接が解消し、保持部材１９からツールホルダ２０を取り外すことができる（図３参照）。
【００３３】
図３に示したアンクランプ状態においては、油圧機構１４の各ソレノイド２７、２８は図４に示すように切り替えられている。すなわち、オイルタンク２５から供給された作動油は、第一ソレノイド２７を経由してアンクランプ室２３側に供給されている。これにより、アンクランプ室２３とクランプ室２４の間の隔壁２２は、皿バネ１２の付勢力に抗して、クランプ室２４側に移動する。
【００３４】
このとき、クランプ室２４内の作動油は、配管を通ってオイルタンク２５に戻される。アンクランプ室２３側に供給される作動油の油圧は、ツールホルダ２０を速やかにアンクランプ状態とするのに十分な圧力の通常油圧（例えば、５ＭＰａ）とされる。このアンクランプ状態においては、第二ソレノイド２８を経由する流路は遮断されている。
【００３５】
この発明に係るツールクランプ装置１０のクランプ力測定状態を図５、図６に基づいて説明する。クランプ力測定状態は、図３、図４で説明したアンクランプ状態と同様に、ドローバー１１を皿バネ１２の付勢力に抗してアンクランプ方向（図５中の白抜き矢印方向）に押し込む点では同じであるが、その押し込みのための油圧の大きさが、アンクランプ状態とする際に適用される通常油圧（例えば、５ＭＰａ）よりも低圧の計測用油圧（例えば、１ＭＰａ）とした点で異なる。
【００３６】
図５に示したクランプ力測定状態においては、油圧機構１４の各ソレノイド２７、２８は、図６に示すように切り替えられている。すなわち、オイルタンク２５から供給された作動油は、減圧弁２９および第二ソレノイド２８を経由してアンクランプ室２３側に供給されている。このとき、第一ソレノイド２７を経由してチェック弁３０に作用する作動油がないため、チェック弁３０は閉弁している。そのため、減圧弁２９および第二ソレノイド２８を経由した作動油は、チェック弁３０を通過することなく、全量がアンクランプ室２３側に供給される。これにより、アンクランプ室２３とクランプ室２４の間の隔壁２２は、皿バネ１２の付勢力に抗して、クランプ室２４側に移動する。このとき、クランプ室２４内の作動油は、配管を通ってオイルタンク２５に戻される。
【００３７】
このクランプ力測定状態においてアンクランプ室２０に供給される計測用油圧は、通常油圧よりも十分低いため、ドローバー１１の押し込み量および押し込み速度ともに、通常油圧で行うアンクランプ動作における押し込み量および押し込み速度よりも小さい。このため、バネ縮み量が小さい領域（バネ縮み量が最大と最小の中間辺り）において、皿バネ１２の経時劣化の状態を精度よく検出することができる。
【００３８】
この計測用油圧を負荷したときの皿バネ１２の縮み量の再現性試験を行ったところ、アンクランプ時の油圧である通常油圧に対して、計測用油圧の大きさを１０〜３０％の大きさの範囲内としたときに、特に、１５〜２５％の大きさの範囲内（図７中においてＦで示す大きさの範囲内）としたときに、図７に示すように、バネ縮み量ｘとシリンダ油圧Ｆとの間の関係を、再現性良く導出することができた。
【００３９】
なお、計測用油圧が通常油圧の１０％よりも小さいと、装置の遊びなどに起因してバネ縮み量ｘを正確に測定することができなくなる虞があるため好ましくない。また、計測用油圧が通常油圧の３０％よりも大きいと、測定の再現性が低下する虞が高まるため好ましくない。
【００４０】
バネ縮み量ｘとシリンダ油圧Ｆとの関係は、数式（１）で示すバネ力学の基本式を用いた。また、ここでは、数式（２）で示すグリップ部２１ｂがツールホルダ２０の内径面に強く当接することによって生じる楔効果を考慮して、クランプ力ｆとシリンダ油圧Ｆとの間を関連付けた。ここで、ｋはバネ定数、ｅは楔効果に基づく定数である。この定数ｅは１よりも大きい値であり、この楔効果によって、皿バネ１２による付勢力（反発力）よりも大きなクランプ力を発生させることができる。
【００４１】
（数式）
Ｆ＝ｋｘ      （１）
Ｆ＝ｆ／ｅ    （２）
【００４２】
皿バネ１２の経時劣化に伴ってバネ定数ｋが低下すると、同一のシリンダ油圧Ｆに対するバネ縮み量ｘが大きくなる。ここでは、このバネ縮み量ｘを変位計１８で検出することによって、バネ定数ｋを導出した。さらに、図７に示すバネ縮み量ｘとシリンダ油圧Ｆの関係から導出されるバネ定数ｋに基づいて、グリップ部２１ｂとツールホルダ２０の内径面との間の当接状態などを考慮して、図８に示すように、実際のクランプ時におけるクランプ力ｆを算出した。
【００４３】
図８から、ツールホルダ２０のクランプ状態における皿バネ１２の縮み量が例えばａのとき、そのときに発生するクランプ力はｆａとなる。このクランプ力ｆａと、このツールクランプ装置１０のクランプ力の管理基準値とを比較して、管理基準値よりもクランプ力ｆａの方が小さければ、皿バネ１２の交換時期が到来していると判断することができる。
【００４４】
上記のクランプ力の測定は、所定の時間間隔（例えば、各直の作業の開始時点）で定期的に行うのが好ましい。このようにすれば、皿バネ１２の経時劣化を確実に検出することができる。また、クランプ力の測定は、図５に示すように、ツールホルダ２０のアンクランプ状態で行うのが好ましい。このようにすれば、シリンダ１３に計測用油圧を与えた際に、ツールホルダ２０が保持部材１９から脱落する不具合を防止することができる。
【００４５】
上記の実施形態はあくまでも一例であって、付勢部材１２の経時劣化に伴うツールクランプ力の低下を精度よく把握する、というこの発明の課題を解決し得る限りにおいて、ツールクランプ装置１０の構成部材の形状や配置を変更したり、油圧機構１４の配管の構成を変更したりするなど、上記の構成要素に適宜変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  ツールクランプ装置
１１  ドローバー
１２  付勢部材（皿バネ）
１３  シリンダ
１４  油圧機構
１５  主軸
１６  クランピングコーン
１６ａ  小径部
１６ｂ  大径部
１６ｃ  外径変化部
１７  ツール
１８  変位計
１９  保持部材
１９ａ  テーパ面
２０  ツールホルダ
２０ａ  テーパ面
２１  グリッパ
２１ａ  アーム
２１ｂ  グリップ部
２２  隔壁
２３  アンクランプ室
２４  クランプ室
２５  オイルタンク
２６  オイルポンプ
２７  第一ソレノイド
２８  第二ソレノイド
２９  減圧弁
３０  チェック弁
３１  チェック弁制御用流路
３２  伝達部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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