JP7366386B2 - ワーク挙動検出機能を備えたクランプシステム - Google Patents

Description

本発明は、ワーク加工中におけるワークの挙動を検出するワーク挙動検出機能を備えたクランプシステムに関する。

マシニングセンタでは、テーブルやパレット等の基準部材にワークを固定するクランプ装置が設けられている。クランプ装置としては、例えば特許文献１に示すような流体圧シリンダを用いたクランプ装置が知られている。流体圧シリンダのピストンのストローク移動により、ワークを把握し、開放する。流体圧により駆動されるクランプ装置には、ストローク端を検出するために、位置検出器が設けられており、ストローク端にピストンが移動したときに、ストローク端の位置を検出して圧力流体の供給を停止する。特許文献１の位置検出器では、ピストンに磁石が配置され、シリンダチューブの外側には磁力を感知する磁気センサがピストンのストローク両端に夫々配置され、ピストンがストローク端に到ったときに、磁石の磁力を当該場所に配置された磁気センサが検出する。

また、特許文献２の位置検出器によれば、磁性体からなるピストンを中空として、その中空にコイルを挿入して、ピストンのストローク移動によってコイルとの重合距離が変化するように配置したクランプ装置が開示されている。固定周波数パルス発振器からのパルスをコイルに接続して、重合距離の変化をインダクタンスの変化として検出することにより、ピストンの位置を検出する。特許文献１の技術と比較して、取付場所を要する磁気センサをシリンダチューブに対して取り付ける必要がなく、また、磁石を内蔵する取り付けスペースを必要としないとう効果がある。

また、クランプ装置によっては、ストローク端の一方のみの位置を検出するように構成されているクランプ装置もある。このような装置は、圧力流体をストローク端の一方に向けて移動するときに用い、他方のストローク端に復帰するときにはバネの弾発力を利用する。

特許第３２８０３４５号公報 特開２００３－１５６３０４号公報

クランプ装置では、ストローク端の一方でワークを把握し、他方でワークを開放する。このような従来技術によれば、位置検出器は、ストローク端にピストンが到ったことを検出してストローク動作の切替えに利用されている。特許文献２では、位置検出器によりインダクタンス変化を検出している。このインダクタンス変化は時間若しくは電圧に変換されて所定の閾値と比較されることにより、所定位置に到達した時点でストローク端に到ったとしてスイッチ出力を発生させる。

本発明は、ピストンが所定位置に到達したことを検出することに利用されていたストローク端の位置検出器を用いて、把持される箇所の厚さがばらつくクランプ対象物であっても、把持された後の加工中にワークの挙動を検出することを可能としたクランプシステムを提供することにある。

本発明は、出力部材によって基準部材の上にクランプされたクランプ対象物を加工するマシニングセンタに設けられ、前記クランプ対象物の把持される箇所の厚さがばらつくクランプシステムにおいて、
磁性体からなる前記出力部材のストローク移動により、コイルと前記出力部材の重複する距離が変化するクランプ装置と、
前記コイルのインダクタンスの測定値を出力する変換器と、
加工を行う対象として前記基準部材に置かれたクランプ対象物に対してアンクランプ状態から前記出力部材をクランプ状態へ移動させ、移動していく過程で前記クランプ対象物が出力部材にクランプされたときの前記コイルのインダクタンスの測定値を表すデータを前記出力部材の位置とし、当該位置に対して許容する変動範囲を示すクランプエリアが設定されるメモリと、
前記メモリに前記クランプエリアと前記出力部材の位置の設定した後に前記マシニングセンタにクランプの実施を報告するとともに、前記マシニングセンタによるクランプ対象物の加工中においても、前記コイルのインダクタンスを測定し、前記メモリに記憶されたクランプエリアの範囲であるかどうかを判定し、範囲を超えたときに前記マシニングセンタに対して異常を発する制御部とを有する。

本発明によれば、ピストンが所定位置に到達したことを検出することに用いられていたストローク端の位置検出器を利用して、クランプポイントに対する加工時の変動に対して異常監視をすることができる。また、クランプの位置がランプ対象物によりバラ付くものであるが、クランプする過程においてクランプシステム側で実際の計測した値により、クランプの位置を取得し、マシニングセンタによる加工対象物の加工が始まり、その加工中においても、継続して測定して、クランプエリアの範囲であるかを判定し、範囲を超えたときにマシニングセンタに対して異常を発する。このため、クランプ対象物のクランプ位置を個別に設定することが可能になる。

ワーク挙動検出機能を備えたクランプシステムとマシニングセンタを示す図である。 クランプシステムにおいて利用されるクランプ装置の例を示す図であり、図２Ａ、２Ｂは、旋回アームを備えたタイプのクランプ装置を示し、図２Ｃ、２Ｄはリンク機構を備えたタイプのクランプ装置を示している。 制御部の処理を説明する図であり、図３Ａは制御部２の初期設定プログラムを示し、図３Ｂはワーク加工状態における処理プログラムを示し、図３Ｃは表示部の画面を拡大して示している

図１は、ワーク挙動検出機能を備えたクランプシステムとマシニングセンタを示している。ワーク挙動検出機能を備えたクランプシステムは、クランプ装置１（図では４台）と、制御部２と、入出力機能を備えた表示部３と、油圧ユニット４とを有している。クランプ装置１はパレットＰに設置されており、パレットＰに設けられた台座ＰＺの上に対してワークＷを固定する。ワークＷは、刃具Ｔにより加工される。図示されたクランプ装置１は、旋回アームを備えたタイプである。このタイプのクランプ装置１では、出力部材が下降する初期の段階で、出力部材の旋回アームが旋回し、その後直線的に下降することにより、ワークＷのフランジ部ＷＦを台座ＰＺに押し付ける。クランプシステムは、さらに、クランプ時にクランプ装置１に圧油を送るロック側系統４１とアンクランプ時に圧油を送るリリース側系統４２との２系統が設けられた油圧ユニット４を備えており、制御部２により制御される。制御部は、マシニングセンタのコントローラ（図示せず）と接続されている。

図２において、クランプシステムにおいて利用されるクランプ装置１の例を示している。図２Ａ、２Ｂは、旋回アームを備えたタイプのクランプ装置１であり、図１に示したものである。また、図２Ｃ、２Ｄはリンク機構を備えたタイプのクランプ装置１である。

図２Ａ、２Ｂに示したクランプ装置１において、ハウジング１０の内側にシリンダ孔１１が形成されており、図面において上下を軸方向とした出力部材１２が挿入されている。図２Ａはアンクランプ状態、図２Ｂはクランプ状態の断面を示している。出力部材１２は、アーム１２ｄと、軸方向上側から順に形成されたロッド本体１２ａとそのロッド本体１２ａよりも大径となっているピストン部１２ｂと下ロッド１２ｃとを有する。ピストン部１２ｂの上側に位置するシリンダ孔１１ａに対して圧力流体を供給する通路１８と、ピストン部１２ｂの下側に位置するシリンダ孔１１ｂに対して圧力流体を供給する通路１９がそれぞれハウジング１０に穿孔されている。

下ロッド１２ｃには、アーム１２ｄを旋回する旋回機構１７が設けられている。旋回機構１７は、ガイド溝１７ａとボール１７ｂとを備えている。ガイド溝１７ａは、螺旋状の旋回溝とこれに続く直進溝とにより構成され（図では直進溝のみ示した）、ハウジング１０に対して相対位置が固定されたボール１７ｂがガイド溝１７ａを転動することにより、出力部材１２を旋回させる。

出力部材１２には、くりぬき状に軸方向下側に向けて開放された有底孔１４が設けられており、その中に空心とされたコイル１５が挿入されている。コイル１５は、シリンダ孔１１の下底壁１０ａに設置され、軸方向に対して直角な半径方向に有底孔１４内に隙間をあけて挿入されている。出力部材１２のストローク移動に従って、コイル１５の長さ方向において、コイル１５が有底孔１４に挿入された距離（若しくは、出力部材１２と重複する距離）がＬ１（図２Ａ）とＬ２（図２Ｂ）の間で変化するようになっている。出力部材１２は、磁性体から形成されており、挿入距離が変化することで、コイル１５により発生する磁束が通る磁気回路の磁気抵抗が変化する。

図２Ｃ、２Ｄに示したクランプ装置１においては、図２Ａ、２Ｂに示したクランプ装置１と同様の機能を有するものは同じ番号を付してある。図２Ｃ、２Ｄのクランプ装置１では、先に述べた旋回機構１７は具備されておらず、出力部材１２は、アーム１２ｄの代わりにリンク機構１２ｅを備えている点が異なる。また、図２Ｃはアンクランプ状態、図２Ｄはクランプ状態の断面を示しているが、ロッド本体１２ａがアンクランプ状態のときに下降し、クランプ状態のときに上昇している点も異なる。すなわち、挿入距離の長さが、それぞれ状態で逆転している。

いずれのクランプ装置１においても、挿入距離により、コイル１５により発生する磁束が通る磁気回路の磁気抵抗が決まり、コイル１５のインダクタンスとして現れる。インダクタンスは、公知の手法により電気的に測定することができる。例えば、コイル１５に、抵抗、コンデンサを直列に接続し、コンデンサに蓄えた電荷を、コイル１５と抵抗を介して放電してゆく過程で、コンデンサの電圧と閾値電圧と比較し、放電開始から閾値電圧を下回ったときまでの時間間隔を測定することにより求めることができる。

図１に戻り、制御部２は、処理ユニット２１と、コイル１５のインダクタンスを求めて、出力部材１２の位置を表す情報として出力する変換器２３と、処理ユニット２１と変換器２３とを接続するマルチプレクサ２４と、メモリ２２とを有している。表示部３は、例えばＬＣＤタッチパネル等の入出力機能を備えた表示部を用いれば、様々な形式のキートップを表示できるので望ましい。

表示部３には、様々なキートップが表示されている。キー３２、キー３３は、数値の入力キーである。キー３２を押す毎に表示窓３１に表示された数値が所定単位数だけ増加され、キー３３を押す度に所定単位数だけ減少される。キー３４は、運転モードを選択するキーである。キー３４が押されると、マシニングセンタはワーク加工状態に入る。キー３５、キー３６、キー３７はクランプポイント（空クランプポイント、ワーククランプポイント、アンクランプポイント）を決定するキーであり、図３において説明する。

図３は、制御部２の処理を説明する図である。図３Ａは初期設定プログラムを示し、図３Ｂはワーク加工状態における処理プログラムを示し、図３Ｃは表示部の画面を拡大して示している。キー３５は空クランプポイント（ＣＬＰＭと称する）に対応する。ＣＬＰＭは、空クランプ状態での出力部材の位置を示す。キー３７はアンクランプポイント（ＵＰＣＬＭと称する）に対応する。ＵＰＣＬＭは、アンクランプ状態での出力部材の位置を示す。従って、出力部材はＣＬＰＭとＵＰＣＬＭとの間でストロークし、ＣＬＰＭとＵＰＣＬＭが夫々ストローク端である。また、キー３６はワーククランプポイント（ＷＣＰＭと称する)に対応する。ＷＣＰＭは、ワークＷ（具体的にはワークＷのフランジ部ＷＦ）を押さえる出力部材の位置を示す。ＵＰＣＬＭ、ＣＬＰＭには、夫々所定のマージン設定をすることができる。マージン設定で設定された範囲に出力部材１２が到達したら、目的とするＵＰＣＬＭ、ＣＬＰＭに到達したとみなす。

図３Ａにおいて、クランプ装置１の初期設定を行う。まず、ステップＳ１においてクランプ領域の設定を行う。この処理は、ＷＣＰＭに対するクランプエリア設定の処理である。クランプエリアとは、ワークＷの加工中に、出力部材１２がこの範囲を超えて動いた場合に異常判定をする変動の許容範囲である。図３Ｃに示す表示部３の表示の中で、ＷＣＰＭに対応するキー３６が変色して、ＷＣＰＭに対するクランプエリアの設定をするように促す。キー３６の位置はデフォルトの位置である。キー３２、キー３３を用いて、表示窓３１に数値を入力する。クランプエリアＥ２は、ＷＣＰＭの上、下それぞれを設定し、数値が決まったらキー３８を押す。上下併せて、例えば０－５ｍｍの範囲内で設定する。

次に、ステップＳ２において、ＵＰＣＬＭとＣＬＰＭに対するマージン設定を行う。ＵＰＣＬＭとＣＬＰＭに対応するキー３７、キー３５が順に変色して入力を促す。キー３２、キー３３を用いて、表示窓に数値を入力する。それぞれのマージン範囲Ｅ１、Ｅ３は、ＵＰＣＬＭとＣＬＰＭのそれぞれを起点として例えば０－１ｍｍの範囲で設定する。数値が決まったらキー３８を押す。

ステップＳ３において、空クランプ状態で空クランプポイントを決定する。キー３５が変色する。ワークＷをパレットＰ上に設定していない状態で、キー３３を押すと出力部材がクランプ状態へ移動し行く。空クランプポイントとして設定すべき位置で、キー３５を押すと、当該位置におけるコイルのインダクタンスが、出力部材１２の位置を表す情報として制御部２に取り込まれ、空クランプ状態での出力部材の位置として決定される。

ステップＳ４において、アンクランプ状態でアンクランプポイントを決定する。キー３７が変色する。キー３２を押すと出力部材がアンクランプ状態へ移動して行く。アンクランプポイントとして設定すべき位置でキー３７を押すと、当該位置におけるコイルのインダクタンスが出力部材１２の位置を表す情報として制御部２に取り込まれ、空クランプ状態での出力部材の位置として決定される。

ステップＳ５の処理の前に、ワークＷをパレットＰに搭載する。ステップＳ５において、キー３６が変色する。キー３３を押すと出力部材がクランプ状態へ移動して行く。クランプ装置１がワークＷをクランプした位置で、キー３６を押すと当該位置がクランプ状態でのワーククランプポイントとして決定される。ワークＷの被把持部であるフランジ部ＷＦの厚さは、ワークＷによりばらつくことがあるが、従来はこれをクランプ状態のマージンとして、許容していた。具体的には、スイッチ出力を得るための閾値にマージンを持たせていた。しかしながら、本実施例によれば、ワークＷのフランジ部ＷＦの厚さに対して個別に設定することが可能になる。

ステップＳ６において、クランプエリア、マージン、空クランプポイント、クランプポイント、アンクランプポイントがメモリ２２の、クランプエリアメモリ２２ａ、マージンメモリ２２ｂ、２２ｃ、空クランプポイントメモリ２２ｄ、クランプポイントメモリ２２ｅ、アンクランプポイントメモリ２２ｆにそれぞれ設定され、初期設定が完了する。

図３Ｂにおいて、ステップＳ８においてキー３４が押され「運転モード」を選択されると、制御部２はマシニングセンタのコントローラに対してクランプが実施されたことを報告し、マシニングセンタは刃具Ｔによるワーク加工状態に入る。ステップＳ９において、出力部材の位置が設定されたクランプエリアＥ２の範囲内かどうか、コイルのインダクタンスについて常時監視を行う。監視されたインダクタンスが、出力部材の位置を表す情報としてクランプエリアＥ２の範囲を超えた場合、ステップＳ１０において異常な状態であることをマシニングセンタのコントローラに対して報告する。マシニングセンタのコントローラでは、この報告に基づき、非常事態への対応（例えば、非常停止等）の処置を開始する。

上記実施例において、メモリ２２に、ログメモリ２２ｇの領域を確保しておき、ステップＳ９における常時監視により得られた情報を、ログメモリ２２ｇにログデータとして保存しておくことにより、非常停止にならなくても、加工されたワークＷに対して不具合が発見された場合に、加工時におけるクランプ装置１のログデータによるデータ解析が可能になる。例えば、パレットＰに４つあるクランプ装置１の一つについてクランプポイントの変動が見られた場合、刃具Ｔによる局所的な圧力が加わったと推察でき、対策に役立てることができる

本実施例によれば、ストローク動作の切替えに用いられていたストローク端の位置検出器を利用して、クランプポイントに対する加工時の変動に対して異常監視をすることができる。また、ワークごとに被把持部の厚さがばらつく場合においても、クランプポイントを個別に設定できるので、きめの細かい異常検出が可能になる。

１ クランプ装置
２ 制御部
３ 表示部
４ 油圧ユニット
１０ ハウジング
１０ａ 下底壁
１１ シリンダ孔
１２ 出力部材
１２ａ ロッド本体
１２ｂ ピストン部
１２ｃ 下ロッド
１２ｄ アーム
１２ｅ リンク機構
１４ 有底孔
１５ コイル
１７ 旋回機構
１７ａ ガイド溝
１７ｂ ボール
２１ 処理ユニット
２２ メモリ
２３ 変換器
２４ マルチプレクサ
３１ 表示窓
３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８ キー
Ｅ１、Ｅ３ マージン範囲
Ｅ２ クランプエリア
Ｐ パレット
ＰＺ 台座
Ｔ 刃具
Ｗ ワーク
ＷＦ フランジ部

Claims (3)

1. 出力部材によって基準部材の上にクランプされたクランプ対象物を加工するマシニングセンタに設けられ、前記クランプ対象物の把持される箇所の厚さがばらつくクランプシステムにおいて、
   磁性体からなる前記出力部材のストローク移動により、コイルと前記出力部材の重複する距離が変化するクランプ装置と、
   前記コイルのインダクタンスの測定値を出力する変換器と、
   加工を行う対象として前記基準部材に置かれたクランプ対象物に対してアンクランプ状態から前記出力部材をクランプ状態へ移動させ、移動していく過程で前記クランプ対象物が出力部材にクランプされたときの前記コイルのインダクタンスの測定値を表すデータを前記出力部材の位置とし、当該位置に対して許容する変動範囲を示すクランプエリアが設定されるメモリと、
   前記メモリに前記クランプエリアと前記出力部材の位置の設定した後に前記マシニングセンタにクランプの実施を報告するとともに、前記マシニングセンタによるクランプ対象物の加工中においても、前記コイルのインダクタンスを測定し、前記メモリに記憶されたクランプエリアの範囲であるかどうかを判定し、範囲を超えたときに前記マシニングセンタに対して異常を発する制御部とを有することを特徴とするクランプ対象物の挙動検出機能を備えたクランプシステム。
   
2. 請求項１のクランプ対象物の挙動検出機能を備えたクランプシステムにおいて、前記コイルが前記出力部材に設けられた有底孔に挿入されることを特徴とするクランプ対象物の挙動検出機能を備えたクランプシステム。
   
3. 請求項１のクランプ対象物の挙動検出機能を備えたクランプシステムにおいて、加工中の前記コイルのインダクタンスの測定値をログとして記憶するログメモリを有することを特徴とするクランプ対象物の挙動検出機能を備えたクランプシステム。