JPH0775816B2

JPH0775816B2 - 軸力測定装置

Info

Publication number: JPH0775816B2
Application number: JP1012716A
Authority: JP
Inventors: 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: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: DE4000948A1; JPH02198746A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、工作機械における直線運動体としてのテーブ
ルや主軸ヘッド等の直線運動方向の力（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
信号か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力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、上記以外の軸力測定手段として、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考えら
れるが、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測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、工作機械における
直線運動体を駆動するボールスクリューのナット部に薄
肉部を形成すると共に薄肉部に力センサを固着してロー
ドセルを構成し、ボールスクリューの軸方向に沿って移
動する直線運動体からの力を、薄肉部に発生する歪に基
づいて前記力センサが検出するものである。

（作用）本発明によれば、ボールスクリューの軸方向に沿って直
線運動する運動体からの力（反力）が、この運動体に対
して相対的にほぼ静止しているナット部の薄肉部に加わ
って歪を生じさせる。この歪は、薄肉部に固着された力
センサにより軸力に比例し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実施例を説明する。

まず、第１図及び第２図は、マシニングセンタのX,Y,Z
各軸のボールスクリューの取り付けられたナット部に本
発明を適用した場合の実施例である。

例えば、第１図は、直線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のナッ
ト部20に本発明を適用した例である。この場合、テーブ
ル30はナット部20と一体的に直線運動するため、ナット
部20はテーブル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。

同図において、ボールスクリュー40に螺着されたナット
部20は、テーブル30から突出されたアーム31にナット21
によって一体的に固着されている。

ナット部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
力センサとしての歪ゲージ24がそれぞれ固着されてい
る。更に、第１図のｂ部を拡大した第２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２図において、例えば薄肉部25の肉圧ｄは0.5m
m、溝23の幅L₂は1mmであり、また、溝23のコーナー部23
aは半径0.2mmのアール状に形成されている。

このように、本実施例ではナット部20がロードセルを構
成しており、このロードセルは以下のようにしてテーブ
ルのＸ軸方向の軸力（ボールスクリュー40の軸方向に沿
った力）を測定する。

すなわち、第１図において、ボールスクリュー40の回転
力によりナット部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
向に移動することとなるが、このとき、ナット部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軸方向の力はナット部20の薄肉部25に直接加わ
り、これを歪ませて歪ゲージ24から電気信号を発生させ
る。

つまり、ナット部20が受けるテーブル30のアーム31から
の力（反力）によって第２図に示したナット部20の薄肉
部25が歪むことにより、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、ほ
ぼ静止系側から直線運動体の軸力を測定することができ
る。

次に、第３図から第７図は、本発明の原理をマシニング
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
適用したものである。

第３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1A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の上端部に締め付け可能となっ
ている。

一方、最上段のベアリング２の外輪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４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４図におけるａ部を拡大して示したものが第
５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ー10
の直径Ｄ（第４図参照）が80mmであるとき、溝12の幅L₁
は４〜5mm、溝13の幅L₂は1mmであり、また、これらの溝
12,13の間の薄肉部15の肉厚ｄは0.5mmとなっている。

なお、上記軸力センサカラー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３図に示した主軸１及びベアリング２の関
係は、第６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３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６図に示すように
ばね201,202（ばね定数をそれぞれk₁,k₂とする）によっ
て置き換えることができる。一方、第６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2
01,202）を軸方向両側から押えている第３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f₀が
加わっており、この状態で第６図の矢印ｂ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７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k₁による変位特性線x₁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k₂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、軸力fex、ばね定数k₁,k₂及び変位Δｘの間に
は、 fex＝Δf₁＋Δf₂＝k₁Δｘ＋k₂Δｘ＝（k₁＋k₂）Δｘという関係がある。

ここで、ばね定数k₁,k₂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６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３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３図における略静止系である軸力センサカラー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３図において、前述した如く軸力センサカ
ラー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、動力の一部は次段
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→外輪カラー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ー10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から得
ることができるものである。

なお、軸力センサカラー10を外輪押え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、軸力セ
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３図の外輪
カラー4,5等の位置でもよい。

次いで、第８図及び第９図は、本発明の原理をフェイル
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、発明者が特開平２−5779
5号として既に提案したものであり、その概略を以下に
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、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、58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に螺着されたナット
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とナット
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のナット部61との間
に、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NC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100kgf、500kgf、10
00kgf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とナット部20A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6
4,65によって第８図におけるナット部20A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30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64,65との間には
図示する如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40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
１図及び第２図のナット部20とほぼ同様の位置に、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73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、本発明は前記実施例に限らず、ボールスクリュー
及びナット部により駆動されて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、運動体に対し相対的に見てほぼ静止系を構成
するナット部の薄肉部及び力センサからなるロードセル
によって検出するものであるから、運動体側に存在する
モータ等の駆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、工作機械のボールスクリュー
のナット部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分力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、高精度の加工システムを実現することが
できる。

加えて、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NC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図は本発明の実施例の要部説明図、第２図は第１図
のｂ部拡大説明図、第３図は本発明の応用例の要部説明
図、第４図は軸力センサカラーの説明図、第５図は第４
図におけるａ部拡大説明図、第６図は第３図と等価的な
ばね系のモデル図、第７図は第６図の力−変位特性図、
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。１……主軸、７……ハウジング 10……軸力センサカラー、12,13,22,23,72,73……溝 14,24,74……歪ゲージ、15,25,75……薄肉部 20,20A……ナット部、30……テーブル 40……ボールスクリュー、59……アクチュエータ 64,65……シリンダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工作機械における直線運動体を駆動するボ
ールスクリューのナット部に薄肉部を形成すると共に薄
肉部に力センサを固着してロードセルを構成し、ボール
スクリューの軸方向に沿って移動する直線運動体からの
反力を、薄肉部に発生する歪に基づいて前記力センサが
検出することを特徴とする軸力測定装置。