(57)【要約】      （修正有）【課題】停止位置精度がバラツク要因を究明し、有効なメカニズムを築く。【解決手段】先ず揺動腕５を無重力化して操作時の落下によるストッパーへの激突を防止する。さらに位置決めストッパーを可動構造とし回転対称位置に２箇所設ける。これによって停止衝撃は非常に小さく且つ軸受部に衝撃が伝わり難くなり、衝撃が予圧内に収まり軸受の衝撃荷重による回転軌道のズレを防ぐことが出来る。  揺動腕の自重回転力を、位置決めバネ荷重に起因する摺動摩擦とカム面の傾斜分力とによる回転力で拮抗平衡させる。このとき摩擦トルクを自重回転力の半分となるように、バネ荷重とカム形状を設定する。結果揺動腕は無重力化し、位置決め力はＶ溝の傾斜分力プラス自重の１／２となり充分な位置決め力が得られ、摩擦力に打ち勝って揺動腕の微小な動きが可能となる。  以上２つの手段によって、精度の高い位置決め停止が達成された。【選択図】図４
2008155355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筺体１に、間座２を挟んだ一対の傾斜接触軌道面を有する玉軸受３で支承する揺動軸４を嵌入固定し、揺動軸４の一端に揺動腕５を、他端には面盤６を前記玉軸受３にアキシアル予圧を与えるように固定し、揺動腕５の先端には位置検出用のプローブ７を設置する。面盤６の外周面には揺動腕５の収納位置を規制するＶ溝８と測定位置を規制するＶ溝９を刻み、更にこの２つのＶ溝８，９間の外周を揺動腕５が垂直より角γ回動した位置を谷底とする漸増形状の傾斜カム面１０とする。当該Ｖ溝８，９および傾斜カム面１０と摺動係合する摺動子１１をその一端に固定し他端を荷重の足場として筺体１におく位置決めバネ１２は、揺動時は揺動腕５の落下回転力に対する拮抗回転力を、停止時には位置決め力を揺動腕５に付与する。然るのち、測定位置を決めるＶ溝９の停止側斜面ａを削り取り、替りに面盤６上に２つの突起１３，１４を任意の回転対称位置に設け、この突起１３、１４の測定時停止位置それぞれに、内部に緩衝バネ１５により適度な初期荷重と変位量を与えた可動ストッパー１６を収納した停止筺体１７，１８を、突起１３，１４に可動ストッパー１６が接触する位置で筐体１に固定したことを特徴とする工作機械用の刃先位置プローブアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  工作機械の周辺技術
【背景技術】
【０００２】  ＮＣ工作機械の効率的運転の達成において刃先位置情報は不可欠である。この情報を検知する座標位置はスケール誤差や温度変化等を考慮すると作業位置近傍が好ましい。しかしこの位置は作業スペースであってプローブをそこに常時置いておくことが出来ない。そこでプローブは必要以外邪魔にならない場所に収納しておきたい。すなわちプローブの出し入れ装置が必要である。繰り返し位置精度の高いプローブの出し入れ装置が望まれる所以である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  一般に物を収納し出し入れしようとするとき、収納部位は最も場所を採らない壁際の上部にしようと考える。これを実現しようとすると、図１に示すように、壁際と作業位置までの長い揺動腕５と揺動軸４およびそれを支える筺体１とからなる構造になる。そして取り出した刃先位置プローブ７を正確に位置決めしようとするとき、なんら制御することなしに達成するには、固定物（位置決めストッパー）に突き当てるしかない。したがって前記構造の場合、腕の先端で突き当てれば何の問題も無いが、取り出す空間は作業スペースであって固定物を設置する場所でない。すなわち必然的に壁際にある揺動軸４の近傍に固定物を設置するしかない。ここで問題が発生する。固定物への突き当ては必ず衝撃を伴うから、揺動腕５の根元及び軸受に長い腕自身の慣性モーメントによる過大な衝撃荷重が加わってしまう。人為的にそっと近づけたとしても突き当て面は通常カバーされて視えないから普通の作業速度の衝突は避けられず予想外の加速度となってしまう。増してや好ましい収納位置からだと揺動腕５の動きは上下移動を伴うから、高い位置で誤って手を離してしまった場合は重力で加速されて固定物へ激突し破壊的衝撃が発生してしまう。しかも腕は長く根元の僅かな歪みが先端では拡大するから、停止位置は同じでも先端の位置は大きく狂ってしまう。腕の剛性が要求される所以であって、その質量は必然的に大きくせざるを得ない。
同じ理由で軸受構造も難しい。動けるということはスキマがあることである。腕が長ければそれが拡大され先端に多大のアソビが発生する。荷重を加えてアソビを抑えるのが一般的であるが、すべり軸受は摩擦損失が大きいし、摩擦損失の少ない転がり軸受は衝撃荷重に弱いという欠点がある。本発明は以上述べた諸困難を巧妙な構造で一挙に解決して、高精度な工作機械用の刃先位置プローブアームの実現を企図している。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  本発明の骨子は位置決め停止時の衝撃を緩和することにある。衝撃が小さくなれば腕の剛性も下げられ、さらに衝撃も小さくなると云う好循環が得られる。
図２に、揺動軸４の支持機構を示す。筺体１に嵌入した間座２を挟んだ１対のアンギュラー玉軸受のごとき傾斜接触面を有する玉軸受３、これに揺動軸４を挿入し面盤６で挟んで締め付けることで当該玉軸受３にアキシアル予圧を与える。  筺体１から突き出た軸端に揺動腕５が固定されその先端に刃先位置プローブ７が設置される。何の変哲もない回転軸支持機構である。
図３に、収納位置と測定位置を規定する位置決め機構の本発明の基になった構造を示す。
面盤６の外周面に、収納位置を決めるＶ溝８と測定位置を決めるＶ溝９を刻む。このＶ溝に摺動係合して停止位置決め力を与えるバネ要素には、変位部分の結合部にアソビがあってはならない。そこで位置決め用バネは剛性のある厚手の片持ち板状の位置決めバネ１２とし、一端に摺動子１１を取付け、他端を筺体１に固定する。摺動子１１と面盤６の外周面に発生する摩擦力は揺動腕５の落下防止のためのブレーキ力を兼ねる。このようにすればどこにもアソビは無く正確に位置決め出来ると考えた。ところが結果は優れなかった。位置決めバネ１２の荷重を大きくしてもＶ溝９の傾斜角を変えてみても結果は同じであった。
支持機構で支えた長い腕を、制御手段を用いずに定位置に自力で停止させる方法は、単に固定した剛体に大きな力で押し付けることでは達成できなかったのである。そこで、その要因を以下に述べるように推考した。
長い揺動腕５をその根元付近で剛体（ストッパー）に突き当てて停止させるとき、必ず大きな衝撃が発生する。この衝撃が支持機構に伝わり、予圧で保持された玉軸受３の軌道にズレを生じさせる。衝撃荷重が予圧に比し桁違いに大きいことは容易に想像できる。これが停止位置を安定させない要因である。又揺動腕５は衝突後跳ね返され振動しながら停止に至る。振幅の最大位置では一瞬静止状態になる。このとき動摩擦から静止摩擦に変わり次に動き出す時の摩擦力が強まる。位置決め力がこの力を凌駕していなければ、振動が収まるにつれて衝突面に接触するまでの微動がスムースに達成されない。
すなわち、精密な停止位置を達成するには次に掲げる３つの仕掛けが要る。
１．衝撃の発生を極力小さくする。
２．衝撃が支持機構に伝わらないようにする。
３．落下防止に摩擦力を利用する前提で、揺動腕５の「摩擦トルク／自重回転力」の比    率を下げる。
これを実現したのが本発明である。
その具体例を図４に示す。図３に示すストッパーとしてのＶ溝９は剛体であったわけで、これをバネでバイアスされた可動ストッパー１６に置き換える。すなわち、測定側Ｖ溝９の停止側斜面ａを削り取り、替りに突起１３、１４を面盤６の任意の回転対称位置に２ヶ所設け、さらに内部に緩衝バネ１５により適度な初期荷重と変位量を与えた可動ストッパー１６を収納した停止筺体１７，１８を、前記突起１３，１４に可動ストッパー１６がその停止位置で丁度接触するように、それぞれ筺体１に固定する。緩衝バネ１５の設定荷重は突起１３、１４を押し戻すに必要な値（揺動腕５をＶ斜面での静止状態から押し戻せる値）の２倍にする。すなわち順方向と逆方向の位置決め力を等しくする。緩衝バネ１５のバネ常数と更なる撓み量δは揺動腕５のオーバーラン減速度を適度にする働きをする。かくして可動ストッパー１６は必要最小限の予測可能な停止時の衝撃力しか発生させない。可動ストッパー１６を回転対称位置の２箇所に設けることで、衝撃回転力は偶力として受け止められるから打ち消され、衝撃は殆ど支持機構に伝わらない。ゆえに揺動腕５の停止に伴う衝撃の大きさは玉軸受３の予圧を超えない大きさに抑えられるため玉軸受３の回転軌道は変化せず、停止位置精度は軸受本来の精度を維持できる。
以上の説明において、位置決めバネ１２を片持ち板状と説明したが、ストッパーをバネ要素から分離したことで、本発明の機構においては摺動子１１の支持方法にアソビがあっても停止位置精度に影響しないから、バネ要素は片持ち板状に限定されることはない。
揺動腕５が上下に揺動する場合、重力作用で揺動腕５が自然落下するのを防ぐ必要がある。停止ストッパーで衝突して大きな衝撃を発生させないためである。そのためには揺動腕５の自重回転力に見合ったブレーキ回転力を揺動軸４に付与する必要がある。本発明の機構に於いては、摺動子１１と面盤６の外周との間に位置決めバネ１２の荷重に基づく摩擦トルクが発生する。これをブレーキ力として兼用する。
揺動腕５の自重回転力のｍａｘ値（腕の揺動位置によって変化する）をＴｍａｘとすると、位置決めバネ１２の荷重Ｐは、摩擦係数をμ，カム半径をｒとして、ブレーキ力を摩擦力のみで与える場合Ｐ＝（Ｔｍａｘ／ｒ）／μであり、μが小さいからＰはかなり大きくなる。Ｐを１／２にする工夫として、面盤６の２つのＶ溝８，９間の外周面を傾斜カム面１０として回転分力を発生させる。すなわち垂直から３０°（γ）回動した位置で腕の長さは  ｓｉｎ３０°＝１／２  となるから、この位置での自重回転力と摩擦トルクのバランスをとればＰは１／２で済む。残りの１／２は、傾斜カム面１０の傾斜角βで生じるＰの分力によるカム回転力で平衡させる。すなわち「ブレーキ回転力＝摩擦トルク＋カム回転力＝自重回転力」が実現する。βは３０°位置で０°、３０°から垂直位置の範囲で漸増の−β、３０°から水平位置の範囲で漸増の＋βとなる形状が得られる。−β側は揺動腕５の落下方向、＋β側は逆方向のカム回転力となり、摩擦トルクと合算するとすべてのθ（揺動腕５の垂直位置からの回転角）範囲で落下回転力と拮抗させることができ、揺動腕５を無重力化することが出来る。βはθの関数として計算される。このように面盤６の外周である２つのＶ溝８，９間を、揺動腕５が垂直にある位置から３０°回動した位置を谷底とする漸増形状の傾斜カム面１０とすることで、当初に掲げた第３項の仕掛けである「摩擦トルク／自重回転力」の比率は１／２となる。位置決め回転力は「自重回転力／２＋バネ荷重のＶ溝角分力」となり、揺動腕５を無重力化しているにも拘らず大きな位置決め回転力が得られ、正確な停止位置動作を達成できる。カムの谷底位置γ＝３０°は摩擦トルクを半減させると云う意味であって、許される範囲で２０°であっても４０°であってもよく、３０°に限定されない。
また揺動腕５の無重力化によって、本発明による刃先位置プローブアームは慣性負荷だけの極めて軽い手動操作感が得られることが特徴である。
【発明の効果】
【０００５】  極めて高い繰り返し位置決め精度を達成することで、刃先位置情報のより高次な利用方法が期待される。たとえば検査不要なレベルのバラツキのない加工精度を維持するための作業手順を、ソフト上で確保できる等である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】
【０００７】  工作機械における刃先位置検出プローブの最適設置位置と、その出し入れ装置に求められる骨格を示す。
【図２】
【０００８】  本発明による刃先位置プロ−ブアームの軸受構造を示す。
【図３】
【０００９】  位置決め機構の説明上の中間構造を示し、プローブが収納側にある図。
【図４】
【００１０】  本発明による位置決め機構を示し、プローブが測定側にある図。
【符号の説明】
１：筺体        ６：面盤          １１：摺動子          １６：可動ストッパー
２：間座        ７：プローブ      １２：位置決めバネ    １７：停止筺体
３：玉軸受      ８：収納側Ｖ溝    １３：突起            １８：停止筺体
４：揺動軸      ９：測定側Ｖ溝    １４：突起              ａ：停止側傾斜面
５：揺動腕    １０：傾斜カム面    １５：緩衝バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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