(57)【要約】【課題】工具と主軸との固着を解消し、工具を主軸から容易に抜き取ることができる工作機械のツールロック装置及びツールロック方法を提供する。【解決手段】回転可能に支持されその先端部内周面に工具１１を着脱可能に保持する主軸１４と、主軸１４の中空部１４ｂに当該主軸１４と同軸上で摺動可能に支持されるロッド１８と、ロッド１８に支持され主軸１４に装着された工具１１をクランプまたはアンクランプするコレット１９と、ロッド１８を主軸基端側へ付勢する皿ばね２１と、皿ばね２１の付勢力に抗してロッド１８を主軸先端側へ押圧するピストン２７と、主軸１４の先端部内周面の周方向に設けられるピエゾ素子部材１７と、ピストン２７の主軸先端側への作動時にピエゾ素子部材１７に電流を供給して振動させるＮＣ装置３３とを備えるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に支持され、その先端部内周面に工具を着脱可能に保持する主軸と、
前記主軸の中空部に当該主軸と同軸上で摺動可能に支持されるロッドと、
前記ロッドに支持され、前記主軸の先端部内周面に装着された工具をクランプまたはアンクランプするクランプ機構と、
前記ロッドを主軸基端側へ付勢する付勢手段と、
前記付勢手段の付勢力に抗して前記ロッドを主軸先端側へ押圧する押圧手段と、
前記主軸の先端部内周面の周方向に設けられる振動素子と、
前記押圧手段の主軸先端側への作動時に前記振動素子を振動させる制御手段とを備える
ことを特徴とする工作機械のツールロック装置。
【請求項２】
請求項１に記載の工作機械のツールロック装置において、
前記押圧手段により変位した前記ロッドの変位量を検出する変位量検出手段を備え、
前記制御手段は、前記押圧手段の押圧力が発生して、所定時間までに前記変位量検出手段が検出した前記ロッドの変位量が所定量まで達していない場合には、前記押圧手段の押圧力を大きくするように制御する
ことを特徴とする工作機械のツールロック装置。
【請求項３】
主軸の先端部内周面に着脱可能に装着された工具を、前記主軸内に挿入されたロッドの押し引きでクランプまたはアンクランプする工作機械のツールロック方法であって、
前記ロッドをその基端側へ付勢することにより前記工具をクランプする一方、前記ロッドをその先端側に押圧することにより前記工具をアンクランプし、
前記ロッドのその先端側への作動時に前記主軸の先端内周面を振動させるようにした
ことを特徴とする工作機械のツールロック方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸先端部に配置された工具をクランプまたはアンクランプする工作機械のツールロック装置及びツールロック方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、工作機械には、工具を主軸にクランプまたはアンクランプするツールロック装置が設けられている。ツールロック装置においては、クランプ機構を備えたロッドを主軸内に貫通させ、このロッドの押し引きにより、主軸に対し工具のクランプまたはアンクランプを行うようにしている。
【０００３】
即ち、ロッドを引くことにより、工具のシャンク部がロッドのクランプ機構にクランプされ、該工具のテーパ部が主軸の先端部に形成されるテーパ孔に嵌合し、主軸に対し工具が装着される。一方、ロッドを押すことにより、工具のシャンク部がロッドのクランプ機構にアンクランプされ、該工具のテーパ部が主軸のテーパ孔から離間し、主軸に対し工具が離脱される。
【０００４】
このような従来の工作機械のツールロック装置は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−９０７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来のツールロック装置においては、クランプ機構にボールを使用することで、高いクランプ力を発生させ、工具を主軸に装着するようにしている。しかしながら、このように高いクランプ力で工具をクランプすると、工具のテーパ部が主軸のテーパ孔に固着してしまい、アンクランプ時に工具を主軸から抜き取れないおそれがある。
【０００７】
また、主軸のテーパ孔は先端開口部が拡開した形状をなしているので、主軸が高速回転切削する場合には、その径は先端に向かうに従い拡径する傾向にある。これにより、工具に切削反力がかかると、該テーパ部は主軸のテーパ孔の基端開口部側へと入り込もうとし、更に、工具のテーパ部は主軸のテーパ孔に固着されてしまうことになる。
【０００８】
このように、工具が主軸から抜き取れなくなると、例えば、各種工具を主軸との間で自動交換しながら加工を行うマシニング等の工作機械においては、作業効率が低下してしまい、生産性の低下を招くおそれがある。
【０００９】
従って、本発明は上記課題を解決するものであって、工具と主軸との固着を解消し、工具を主軸から容易に抜き取ることができる工作機械のツールロック装置及びツールロック方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する第１の発明に係る工作機械のツールロック装置は、
回転可能に支持され、その先端部内周面に工具を着脱可能に保持する主軸と、
前記主軸の中空部に当該主軸と同軸上で摺動可能に支持されるロッドと、
前記ロッドに支持され、前記主軸の先端部内周面に装着された工具をクランプまたはアンクランプするクランプ機構と、
前記ロッドを主軸基端側へ付勢する付勢手段と、
前記付勢手段の付勢力に抗して前記ロッドを主軸先端側へ押圧する押圧手段と、
前記主軸の先端部内周面の周方向に設けられる振動素子と、
前記押圧手段の主軸先端側への作動時に前記振動素子を振動させる制御手段とを備える
ことを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する第２の発明に係る工作機械のツールロック装置は、
第１の発明に係る工作機械のツールロック装置において、
前記押圧手段により変位した前記ロッドの変位量を検出する変位量検出手段を備え、
前記制御手段は、前記押圧手段の押圧力が発生して、所定時間までに前記変位量検出手段が検出した前記ロッドの変位量が所定量まで達していない場合には、前記押圧手段の押圧力を大きくするように制御する
ことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第３の発明に係る工作機械のツールロック方法は、
主軸の先端部内周面に着脱可能に装着された工具を、前記主軸内に挿入されたロッドの押し引きでクランプまたはアンクランプする工作機械のツールロック方法であって、
前記ロッドをその基端側へ付勢することにより前記工具をクランプする一方、前記ロッドをその先端側に押圧することにより前記工具をアンクランプし、
前記ロッドのその先端側への作動時に前記主軸の先端内周面を振動させるようにした
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る工作機械のツールロック装置及びツールロック方法によれば、主軸に設けた振動素子を振動させることにより、工具と主軸との固着を解消することができるので、工具を主軸から容易に抜き取ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る工作機械のツールロック装置及びツールロック方法を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る工作機械のツールロック装置の断面図、図２は工具抜き取り正常時におけるロッドの変位量とピストンの押圧力との関係を示したタイムチャート図、図３は工具抜き取り異常時におけるロッドの変位量とピストンの押圧力との関係を示したタイムチャート図、図４はピエゾ素子部材における周波数と振幅との関係を示した図である。
【００１５】
なお、図１においては、主軸の軸線の上側が工具のクランプ状態を示し、下側が工具のアンクランプ状態を示している。また、図２及び図３においては、実線がロッドの変位量を示し、１点鎖線及び点線がピストンの押圧力を示している。
【００１６】
図１に示すように、図示しないマシニングセンタ等の工作機械には、筒状のハウジング１２が設けられている。ハウジング１２内には軸受１３ａ，１３ｂ，１３ｃを介して円筒状の主軸１４が回転可能に支持されており、この主軸１４の先端部には工具１１が装着されている。
【００１７】
主軸１４は、その先端部において先端方向に円錐状に拡開するテーパ孔１４ａと、このテーパ孔１４ａの基端部と連通して主軸１４の軸方向に延設する中空部１４ｂとを有している。そして、テーパ孔１４ａの軸方向略中間部における主軸１４内には、ピエゾ素子からなる４個のピエゾ素子部材（振動素子）１７が埋設されている。ピエゾ素子部材１７は、主軸１４（テーパ孔１４ａ）の周方向略等間隔で、且つ、テーパ孔１４ａの傾斜面に面するように配置されている。
【００１８】
主軸１４のテーパ孔１４ａには、工具１１の基端側において円錐状に形成されるテーパ部１１ａが装着される一方、その中空部１４ｂには、円筒状のロッド１８がその軸方向に摺動可能に挿入されている。そして、ロッド１８の先端部にはコレット（クランプ機構）１９が回動可能に設けられており、このコレット１９を回動することにより、当該コレット１９は工具１１のテーパ部１１ａの基端部に形成されるシャンク部１１ｂと係合可能となっている。
【００１９】
ロッド１８の外側には皿ばね（付勢手段）２１が配置されている。また、主軸１４の中空部１４ａにおける先端部内周面には、環状の案内部材２３及びスリーブ２４が隣接して固定されており、ロッド１８の基端部外周面には、スリーブ２５が固定されている。そして、皿ばね２１の先端はスリーブ２４に接続される一方、その基端はスリーブ２５に接続されている。
【００２０】
従って、ロッド１８の先端部及びコレット１９は、案内部材２３内に挿入されて摺動可能に案内されている。また、皿ばね２１はスリーブ２４，２５間において圧縮状態で配置されており、この皿ばね２１の付勢力により、ロッド１８は主軸１４内においてその軸方向基端側に向けて付勢されている。
【００２１】
主軸１４の基端側には、ハウジング１２に支持されるシリンダ２６が設けられている。シリンダ２６内には円筒状のピストン２７が摺動可能に支持されており、このピストン２７の先端部はその摺動によりロッド１８及びスリーブ２５の基端部に当接可能となっている。そして、シリンダ２６内には、ピストン２７によりその軸方向に分離された２つの油圧室２６ａ，２６ｂが形成されている。油圧室２６ａ，２６ｂは油圧源２８と接続されており、この油圧源２８を作動させることにより、油圧室２６ａ，２６ｂに対し油圧の供排が行われる。なお、シリンダ２６及びピストン２７等は押圧手段を構成するものである。
【００２２】
即ち、シリンダ２６の油圧室２６ａに油圧が供給されることにより、ピストン２７がロッド１８及びスリーブ２５の基端部から後退するので、皿ばね２１の付勢力によりロッド１８も後退する。これにより、コレット１９が閉じて工具１１のシャンク部１１ｂをクランプする（クランプ状態）。一方、シリンダ２６の油圧室２６ｂに油圧が供給されることにより、ピストン２７が前進してロッド１８及びスリーブ２５の基端部に当接するので、皿ばね２１の付勢力に抗してロッド１８も前進する。これにより、コレット１９が開いて工具１１のシャンク部１１ｂをアンクランプする（アンクランプ状態）。
【００２３】
ここで、ピエゾ素子部材１７は電源３０と接続されており、当該電源３０から電流が供給されることで、１０ＫＨｚ以上の周波数で２〜３μｍの振幅（微振動）を発生する。具体的には、図４に示すように、電流が供給されると、１０ＫＨｚから３０ＫＨｚに周波数が変化し、周波数が２０ＫＨｚになると、振幅が最大の３μｍとなるようになっている。即ち、最大振幅となる２０ＫＨｚを跨ぐようにしてその前後の間で周波数領域が設定されている。そして、電源３０からピエゾ素子部材１７への電流供給は、主軸１４内にリード線を配線して通電させるようにしている。
【００２４】
また、ハウジング１２の内周面には変位センサ（変位量検出手段）３１が設けられており、スリーブ２５の基端部にはリング状のリング部材３２が設けられている。そして、変位センサ３１によりリング部材３２との間のギャップが測定されることにより、ロッド１８のその軸方向への変位量が検出されるようになっている。
【００２５】
工作機械には当該工作機械全体を制御するためのＮＣ装置（制御手段）３３が設けられている。ＮＣ装置３３は、その内部に時間を計測するタイマを備えると共に、油圧源２８、電源３０、及び変位センサ３１等と接続されており、油圧源２８及び電源３０に信号を入力する一方、変位センサ３１からの信号が入力される。即ち、ピエゾ素子１７への電流の供給、シリンダ２６の油圧室２６ａ，２６ｂへの油圧の供排、ロッド１８の変位量の検出は、ＮＣ装置３１により制御されている。
【００２６】
次に、図２及び図３を用いてＮＣ装置３３による工具交換動作について説明する。
【００２７】
工作機械により図示しないワークを加工するときには、シリンダ２６の油圧室２６ａに油圧が供給されている。これにより、ピストン２７がロッド１８及びスリーブ２５の基端部から後退し、皿ばね２１の付勢力によりロッド１８も後退する。この結果、コレット１９が閉じて工具１１のシャンク部１１ｂをクランプし、当該工具１１のテーパ部１１ａは主軸１４のテーパ孔１４ａに引き込まれて嵌合している。
【００２８】
図２に示すように、ワークの加工が終了すると、主軸１４は工具交換位置へと移動する（０秒）。このようなクランプ状態（図１の上側のクランプ状態）においては、上述したように、シリンダ２６の油圧室２６ａに油圧が供給されているので、ピストン２７は後退してロッド１８への押圧力は０ｔとなり、これによりロッド１８の前方への変位量も０ｍｍとなっている。
【００２９】
そして、１.０秒経過すると、工具離脱動作が開始される。即ち、シリンダ２６の油圧室２６ｂに所定量の油圧を供給し、ピストン２７を徐々に前進させ、最終的に１．３秒において、ピストン２７の押圧力を１．５ｔとし、ロッド１８を前進させてその変位量を５ｍｍとする。これにより、ロッド１８の先端が工具１１のシャンク部１１ｂの端面に当接すると共に、コレット１９が開いて当該シャンク部１１ｂをアンクランプする（図１の下側のアンクランプ状態）。
【００３０】
次いで、１．９秒経過すると、更に、シリンダ２６の油圧室２６ｂに所定量の油圧を供給し、ピストン２７を徐々に前進させ、最終的に２．０秒において、ピストン２７の押圧力を２．０ｔとし、この状態で４．０秒まで押圧することにより、ロッド１８を前進させてその変位量を７ｍｍとする。このように、１．９〜２．０秒の間でロッド１８が２ｍｍ前進することで、ロッド１８の先端が工具のシャンク部１１ｂの端面を押圧することになり、当該工具１１のテーパ部１１ａは主軸１４のテーパ孔１４ａから離間する。即ち、工具１１が主軸１４に対し離脱する。
【００３１】
ここで、上述した１．０〜２．０秒の間においてコレット１９が全開にアンクランプするまで（回動時）のアンクランプ準備状態では、コレット１９が工具１１のシャンク部１１ｂをアンクランプしているものの、当該工具１１のテーパ部１１ａが主軸１４のテーパ１４ａに固着している場合がある。このような場合においては、更に、油圧を供給してピストン２７の押圧力を２．０ｔにして、ロッド１８により工具１１を押圧しても、工具１１が離脱しないおそれがある。
【００３２】
そこで、本発明に係る工作機械のツールロック装置では、アンクランプ準備状態における１．３〜２．０秒の間（微振動発生期間）、即ち、最大押圧力発生前において、ピエゾ素子部材１７を微振動させている。つまり、１．３秒において、ピストン２７が１．５ｔの押圧力を発生し、ロッド１８が５ｍｍ前進して工具１１に当接した（このとき工具１１には押圧力は付加されていない）ことを検出すると同時に、ピエゾ素子部材１７の微振動を開始し、２．０秒において、ピストン２７が２．０ｔの押圧力を発生し、ロッド１８が更に２ｍｍ前進して工具１１を押圧したことを検出すると同時にピエゾ素子部材１７の微振動を停止するようにしている。この結果、工具１１のテーパ部１１ａと主軸１４のテーパ孔１４ａとの固着を解消し、主軸１４からの工具１１の離脱を容易にしている。
【００３３】
また、２．０〜４．０秒の間においては、主軸１４から離脱した工具１１と、次の加工を行う工具１１との工具交換が行われ、次の加工を行う工具１１のテーパ部１１ａは主軸１４のテーパ孔１４ａに嵌合した状態（図１の下側のアンクランプ状態）となっている。
【００３４】
そして、４．０秒経過すると、次の加工を行う工具１１の工具装着動作が開始される。即ち、シリンダ２６の油圧室２６ａに所定量の油圧を供給し、ピストン２７を徐々に後退させ、最終的に４．３秒において、ピストン２７の押圧力を０ｔとし、皿ばね２１の付勢力によりロッド１８を後退させてその変位量を０ｍｍとする。従って、４．０〜４．３秒の間においてコレット１９が全閉にクランプするまで（回動時）のクランプ準備状態においては、ロッド１８の先端が工具１１のシャンク部１１ｂの端面から後退すると共に、コレット１９が閉じて当該シャンク部１１ｂをクランプする（図１の上側のクランプ状態）。即ち、工具１１が主軸１４に対し装着される。
【００３５】
ここで、仮に、２．０〜４．０秒において、ピストン２７の押圧力を２．０ｔにしても、工具１１が固着して主軸１４から離脱しない場合には、図３に示すように、２．０秒から所定時間（例えば、ｔ＝３．０）経過までの間に、ロッド１８の変位量から工具１１が離脱しているか否かを判定し、ロッド１８の変位量が７ｍｍに達していないと判定したときには、また更に、判定後直ちに３．０秒において、シリンダ２６の油圧室２６ｂに所定量の油圧を供給し、ピストン２７の押圧力を２．０ｔから３．０ｔに大きくするようにしてもよい。
【００３６】
また、ピストン２７の押圧力を３．０ｔで一定に発生させるのではなく、図３の点線に示すように、ロッド１８の変位量が７ｍｍに達するまで押圧力を徐々に大きくするように油圧を供給することも可能である。
【００３７】
このようにピストン２７の押圧力を調整することにより、図３に示すような工具１１の抜き取りに異常が発生した場合であっても、図２に示すような工具１１を正常に抜き取りした場合における、次の加工を行う工具１１の工具装着動作が開始される時間（４．０秒）は変わらない。
【００３８】
なお、シリンダ２６の油圧室２６ｂに油圧を供給すると同時、即ち、シリンダ２６の主軸先端側への作動が行われると同時（１秒経過時）に、ピエゾ素子部材１７の微振動を開始したり、ロッド１８の変位量が７ｍｍに達すると同時にピエゾ素子部材の微振動を停止したりしてもよい。
【００３９】
従って、本発明に係る工作機械のツールロック装置によれば、ピストン２７の押圧力によりロッドを介して工具１１を押圧し、このピストン２７の作動時にピエゾ素子部材１７に電流を供給して微振動させることにより、工具１１のテーパ部１１ａと主軸１４のテーパ孔１４ａとの固着を解消することができるので、工具１１を主軸１４から容易に抜き取ることができる。また、振動素子としてコンパクトなピエゾ素子部材１７を用いることで、主軸１４内に設けることができ、装置全体の大型化を防止することができる。
【００４０】
更に、ピストン２７の押圧力が発生して、所定時間までにロッド１８の変位量が所定量まで達していない場合には、ピストン２７の押圧力を大きくするようにしたことにより、確実に工具１１を抜き取ることができるだけでなく、必要以上に押圧力を発生させることがないので、省力化を図ることができる。また、このような、工具１１が固着してロッド１８が変位しない異常事態が発生しても、工具抜き取り時間を正常時と同じにすることができるので、次加工の作業開始時間の遅延を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
工具が主軸に正しく装着されているか否かを検出できる工作機械のツールロック装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る工作機械のツールロック装置の断面図である。
【図２】工具抜き取り正常時におけるロッドの変位量とピストンの押圧力との関係を示したタイムチャート図である。
【図３】工具抜き取り異常時におけるロッドの変位量とピストンの押圧力との関係を示したタイムチャート図である。
【図４】ピエゾ素子部材における周波数と振幅との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１      工具
１１ａ      テーパ部
１１ｂ      シャンク部
１２      ハウジング
１３ａ〜１３ｃ      軸受
１４      主軸
１４ａ      テーパ孔
１４ｂ      中空部
１７      ピエゾ素子部材
１８      ロッド
１９      コレット
２１      皿ばね
２３      案内部材
２４，２５      スリーブ
２６      シリンダ
２６ａ，２６ｂ      油圧室
２７      ピストン
２８      油圧源
３０      電源
３１      変位センサ
３２      リング部材
３３      ＮＣ装置
【図１】
2008188748.tif 000003
【図２】
2008188748.tif 000004
【図３】
2008188748.tif 000005
【図４】
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