CN101801593A - 工作机械用主轴头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够防止装置全体的大型化，且与现有装置相比，使驱动马达的控制容易化的工作机械用的主轴头。所述工作机械用的主轴头(1)包括将工具(2)被安装于前端的主轴(3)回转驱动的主轴单元(4)、以及具有将支承主轴单元(4)的一对支承轴(6)分别可自由回转地支承的一对叉形臂(7)的叉形的支承头(5)，其中，还包括：驱动轴(8)，在支承头(5)内可自由回转地被支承，与支承轴(6)的轴线方向平行地延伸；驱动马达(9)，回转驱动驱动轴(8)；以及一对驱动传达机构(10)，分别连结驱动轴(8)的两端部和各支承轴(6)，且将驱动马达(9)的回转传达至各支承轴(6)。

Description

工作机械用主轴头
技术领域
本发明有关于工作机械用的主轴头，特别是有关于将主轴单元回转驱动用的构成。
背景技术
在通过被回转驱动的工具进行工件的切削加工等的工作机械中，已知有包含通过应将工具被安装于前端的主轴回转驱动而被内置的驱动马达来将主轴回转驱动的主轴单元、以及将此主轴单元经由支承轴支承且在此支承轴的轴线(A轴)周围回转驱动主轴单元而将角度位置分度的支承头的工作机械用的主轴头系。
作为和所述相同的主轴头，有专利文献1所记载的结构。根据专利文献1的主轴头的话，所述支承头通过支承主轴单元用的一对叉形臂而以叉形被构成，在各叉形臂内，将被连结至主轴单元的各侧部的支承轴可自由回转地支承。
另外，在专利文献1中的主轴头(支承头)中，作为将所述支承轴回转驱动用的驱动马达，由在支承头的壳体内、在支承轴的轴线周围被同心地配置的马达转子和马达定子所构成，采用不经由齿轮等的驱动传达手段而将马达转子连结至所述支承轴并将支承轴回转驱动的直接驱动型马达(DD马达(直接驱动马达)/内建[built-in]马达)。
在通过一对支承轴而支承主轴单元的两侧部的主轴头中，为了防止伴随着轴的扭转变形等的加工精度的降低，优选将主轴单元在两侧回转驱动的形式，即，将两方的支承轴同时回转驱动。因此，在专利文献1中的主轴头(支承头)中，采用将所述DD马达配设于各叉形臂内，将一对支承轴同步而回转驱动的结构。
然而，在配设所述DD马达于各叉形臂内的结构中，在主轴头的A轴方向中的尺寸变大，装置全体大型化。装置全体大型化的话，例如，在形成于工件的孔的内部加工等，由于支承头和工件的干涉产生，在此类加工方面无法对应，加工用途被限制。
另外，为了减少支承头和工件的干涉，主轴单元的前端部从支承头大大地突出的构成，这种情况由于从支承轴的轴心到工具前端为止的距离变长，因此，在施加于工具的负荷的影响的作用下，产生在加工中主轴单元震动，加工精度降低的问题。因此，无法对应于重切削、或一定要降低传送速度，在此情形，加工被限制。
另外，在两个驱动马达(DD马达)的启动、运转、停止之际，由于必须使两方的回转完全同步而驱动，驱动马达(DD马达)控制复杂化。
专利文献1：美国专利第5584621号公报。
发明内容
因此，本发明的课题是，在此种工作机械用的主轴头中，防止装置全体的大型化，且与现有装置相比，使驱动马达的控制容易化。
基于所述课题，本发明在将主轴单元通过一对支承轴和支承头的一对叉形臂可自由回转地支承的工作机械用主轴头中，在从一对支承轴分离的位置，将驱动马达配置于支承头内，将该驱动马达的回转通过一对驱动传达机构传达至各支承轴。
具体记载的话，本发明的第一方面提供了一种工作机械用主轴头(1)，其包括将工具(2)被安装于前端的主轴(3)回转驱动的主轴单元(4)、以及作为支承该主轴单元(4)的支承头(5)且具有将支承所述主轴单元(4)用的一对支承轴(6)分别可自由回转地支承的一对叉形臂(7)的叉形的支承头(5)，所述工作机械用主轴头(1)的特征在于，还包括：驱动轴(8)，作为在所述支承头(5)内可自由回转地被支承的驱动轴(8)，和所述支承轴(6)的轴线方向平行地延伸；驱动马达(9)，回转驱动所述驱动轴(8)；以及一对驱动传达机构(10)，分别连结所述驱动轴(8)的两端部和所述各支承轴(6)，且将所述驱动马达(9)的回转传达至所述各支承轴(6)。
本发明的第二方面的工作机械用主轴头(1)以第一方面为基础，其特征在于，所述驱动马达(9)在所述驱动轴(8)的轴线方向中的所述一对驱动传达机构(10)之间，和所述驱动轴(8)连结。
本发明的第三方面的工作机械用主轴头(1)以第一方面或第二方面为基础，其特征在于，所述驱动马达(9)被配置于所述支承头(5)的壳体(11)内，所述驱动马达(9)的马达定子(12)和马达转子(13)相对于所述驱动轴(8)的轴线被同心地配置。
本发明的第四方面的工作机械用主轴头(1)以第一方面为基础，其特征在于，所述工作机械用主轴头(1)在所述支承头(5)的内部包含保持驱动轴(8)的回转角度位置用的夹紧机构(14)，该夹紧机构(14)分别被设置于所述驱动马达(9)和所述驱动轴(8)的连结位置的两侧。
本发明的第五方面的工作机械用主轴头(1)以第一方面为基础，其特征在于，所述工作机械用主轴头(1)包含在所述各支承轴(6)的主轴单元(4)相反侧的端部被连结的支承构件(17)，其由和所述一对叉形臂(7)相对且在所述主轴单元(4)的轴线方向延伸的一对支承臂(15)、以及将该一对支承臂(15)连结的基部(16)所构成，所述主轴单元(4)在被嵌插于在所述支承构件(17)的所述基部(16)形成的支承孔(18)的状态下，在主轴单元(4)的外周部中，被支承于所述支承构件(17)。
根据第一方面，有将一对支承轴共同回转驱动的两侧驱动的形式，且将此驱动源作为单一的驱动马达，由于在支承头内，在从一对支承轴分离的位置配置，与现有那样配设驱动马达于各叉形臂的构成相比，特别是主轴头从支承轴周边横跨至前端部而可达到小型化。另外，由于成为单一的驱动马达，没有所谓将两个驱动马达的回转完全同步而驱动的繁杂，驱动马达(DD马达)控制可简单化。
根据第二方面，通过在连结驱动轴和各支承轴的一对驱动传达机构之间，即，在驱动轴的轴线方向中的驱动轴的中央部或接近中央部的位置连结驱动轴和驱动马达，由此，与连结驱动马达于驱动轴的端部的情形相比，在驱动轴扭曲等不产生，可保持高加工精度。
根据第三方面，通过将驱动马达配置于支承头的壳体内，更可将支承头小型化。另外，由于通过驱动马达直接地驱动驱动轴，与将驱动轴和驱动马达经由驱动传达机构连结的结构相比，可提高角度位置的分度精度。
根据第四方面，通过将两个夹紧机构设置于驱动马达和驱动轴的连结位置的两侧，可提高驱动轴的保持力，可对应于加工负荷大的加工等。
根据第五方面，在工件的加工时，由于从工具的前端侧飞散的切削粉被支承构件遮蔽，可及时地防止进入主轴单元和支承头之间。
附图说明
图1是有关本发明的工作机械用主轴头1的剖面图，对应于图2的S-S箭头的切断位置。
图2是图1的工作机械用主轴头1的侧面图。
图3是图1的工作机械用主轴头1的夹紧机构14的扩大剖面图。
图4是有关本发明的工作机械用主轴头1的其它实施例的部分剖面的侧面图。
图5是有关本发明的工作机械用主轴头1的其它实施例的剖面图，对应于图6的S-S箭头的切断位置。
图6是图5的工作机械用主轴头1的侧面图。
图7是有关本发明的工作机械用主轴头1被组入的工作机械52的立体图。
【主要组件符号说明】
1～工作机械用主轴头；  2～工具；
3～主轴；              4～主轴单元；
5～支承头；            6～支承轴；
7～叉形臂；            8～驱动轴；
9～驱动马达；          10～驱动传达机构；
11～壳体；             12～马达定子；
13～马达转子；         14～夹紧机构；
15～支承臂；           16～基部；
17～支承构件；         18～支承孔；
19～安装基部；         20～C轴驱动部；
21～C轴部；            22～轴收纳孔；
23～轴承；             24～轴承；
25～轴承套筒；         26～组装孔；
27～收容孔；        28～轴承套筒；
29～轴承套筒；      30～轴承；
31～轴承；          32～编码器；
33～滑轮；          34～滑轮；
35～无端环带；      36～活塞箱；
37～活塞构件；      38～压缩弹簧；
39～圆盘架；        40～夹紧圆盘；
41～口；            42～摩擦构件；
43～马达输出轴；    44～马达托架；
45～马达滑轮；      46～驱动滑轮；
47～无端环带；      48～拉紧滑轮；
49～盖；            50～连结具；
51～凹凸；          52～工作机械；
53～底座；          54～柱；
55～横轨；          56～床鞍；
57～冲柱；          58～台；
59～工件。
具体实施方式
图1至图3是表示有关本发明的代表的实施例的工作机械用主轴头1的构成。在这些图1至图3中，工作机械用主轴头1包含回转驱动主轴3的主轴单元4、以及将支承主轴单元4自由回转地支承的支承头5。
虽然未图示，主轴单元4是在其内部内置主轴马达的内建马达型，通过其主轴马达来回转驱动主轴3。在切削加工时，适合切削加工的工具2被安装于主轴3的前端，主轴3通过工具2的切削回转，对加工对象的工件施加切削加工。
支承头5通过具有左右一对的叉形臂7的叉形的壳体11被构成，壳体11在其安装基部19被定位于C轴驱动部20的C轴部21的状态下被安装。另外，C轴驱动部20与图7的说明一起在后描述，通过工作机械(例如，加工中心)被保持，虽然未图示，将DD马达等的驱动马达内置在内部，通过以C轴(和加工中心的Z轴平行的轴线)为回转中心而回转(旋转)C轴部21，变更支承头5的方向。另外，C轴在主轴3的待机状态下，和主轴3的中心轴一致。
叉形的支承头5将A轴作为回转中心，为了将主轴单元4自由回转地支承，在一对叉形臂7的A轴上的轴收纳孔22的内部，将左右一对的支承轴6分别可自由回转地支承。即，一对支承轴6为了电子系统的配线或流体系统的配管，作为中空的轴而被构成，分别在两端开口型的轴收纳孔22的内部中，在A轴上，在与主轴单元4相对侧的端部，被固定于主轴单元4的侧面。
一对支承轴6在接近主轴单元4的侧面的侧(即，一对叉形臂7的内侧部分)，通过被安装于各叉形臂7的轴承23可自由回转地支承，且在各叉形臂7的外侧部分，通过被安装于各叉形臂7的环状的轴承套筒25以及被固定于轴承套筒25的内部的轴承24可自由回转地支承。另外，A轴在一对支承轴6的中心线上，和C轴正交。
另外，支承头5为了收纳以A轴作为中心而将主轴单元4回转用的驱动马达9等，在其安装基部19的部分，形成在左右的两外侧面开口的组装孔26，且在各叉形臂7的内部，为了分别收容驱动传达机构10，形成从组装孔26连通至轴收纳孔22的收容孔27。
主轴单元4通过被组装于支承头5的驱动轴8、回转此驱动轴8的驱动马达9以及将驱动轴8的回转传达至各支承轴6的一对驱动传达机构10，将A轴作为回转中心而被回转驱动。即，驱动轴8在支承头5的组装孔26的内部，和一对支承轴6的轴线方向平行地延伸，作为与A轴平行的状态而被配设，在驱动轴8的各端部，通过在组装孔26的内侧的段部被安装的轴承套筒28、被固定于其内侧的轴承30、以及被安装于组装孔26的外侧的开口部的轴承套筒29、被固定于其内部的轴承31而可自由回转地被支承。另外，各叉形臂7的外侧通过被安装于各别侧的叉形臂7的适当形状的盖49而被覆盖。
另一方面，作为驱动马达9，DD马达被采用，驱动马达9的马达定子12和马达转子13被配置于壳体11的组装孔26的内部，和驱动轴8的轴线同心地被配置。马达定子12在组装孔26的内部，被固定于左右一对的轴承套筒28之间，另外，马达转子13被嵌入于驱动轴8的大径部，在马达定子12被激磁，和驱动轴8一起回转。另外，驱动轴8的回转角度位置通过被安装于轴承套筒29的外侧且被连结于驱动轴8的一端的编码器(encoder，回转检测器)32，作为电子信号被检测出。
若通过驱动马达9的运转，驱动轴8回转，则其回转在驱动轴8的两端侧，通过一对驱动传达机构10被传达至对应的支承轴6，将A轴作为中心而回转主轴单元4。在此例子中，一对驱动传达机构10通过在轴承套筒28和轴承套筒29之间、固定于驱动轴8的左右端的定时滑轮等的滑轮33、在轴承23和轴承24之间、固定于左右的支承轴6的定时滑轮等的滑轮34、卷挂在滑轮33、34的定时环带的无端环带35所构成。在此，无端环带35通过收容孔27的内部，连结驱动轴8和左右一对的支承轴6。另外，为了环带的张力调整，在无端环带35设置拉紧滑轮48。
在主轴单元4的回转之际，未图标的控制装置将驱动马达9在主轴单元4的回转方向回转，将直接连结至驱动马达9的马达转子13的驱动轴8回转，通过一对驱动传达机构10，以A轴为中心将主轴单元4在目标的方向回转，将一对支承轴6在所定回转角度的位置分度。此时的一对支承轴6的回转角度位置在驱动轴8的侧，通过编码器(回转检测器)32，可作为电子信号确认。
在回转角度位置的分度后，一对支承轴6的回转角度位置通过保持连动于一对支承轴6的驱动轴8的回转角度位置而被维持。为了驱动轴8的回转角度位置的保持，工作机械用主轴头1在支承头5的组装孔26的内部，具有夹紧机构14。夹紧机构14在驱动轴8的两侧中，在驱动马达9和连结位置的滑轮33之间分别被设置。
图3表示两侧的夹紧机构14中、在图1的右侧的对象，但左侧的夹紧机构14也将C轴作为对称轴、成为将右侧的夹紧机构14反转的对称构造。在图3中，夹紧机构14作为一例子，为时常释放(unclamp)式的制动器(brake)类似的构造，通过被安装于根据环状的轴承套筒28的摩擦构件42的侧面的环状的活塞箱36、在此活塞箱36的内部而可在驱动轴8的轴线方向变位的环状的活塞构件37、为了使活塞构件37在释放的方向后退而被收纳于轴承套筒28的孔且位于轴承套筒28和活塞构件37之间的复数个压缩弹簧38、位于活塞构件37和轴承套筒28之间且通过圆盘架39在驱动轴8回转停止的状态下被安装的夹紧圆盘40所构成。另外，由于夹紧机构14的摩擦构件42通过轴承套筒28所构成，因此，轴承套筒28兼用作摩擦构件42。
在一对支承轴6的回转角度位置分度之后，从活塞箱36的后部的口41供给压力空气或压力油等的压力流体至活塞构件37的背面的话，活塞构件37抵抗压缩弹簧38，在图3中，在左方向前进，将夹紧圆盘40压接至与此相对的摩擦构件42的摩擦面。在此按压状态下，通过在回转侧(驱动轴8)的夹紧圆盘40的摩擦面和固定侧(壳体11侧)的摩擦构件42的摩擦面之间发生的摩擦力，分度后的驱动轴8成为夹紧状态回转停止，一边将与此连动的左右一对的支承轴6的回转角度位置回转停止而保持。
这样的话，一对夹紧机构14即使通过作用于主轴单元4的外力或切削时的负荷，将一对支承轴6的分度后的回转角度位置安定地保持。另外，停止压力流体供给的话，活塞构件37被压在压缩弹簧38，在图3的右方向后退，由于解除对于摩擦构件42的夹紧圆盘40的抵接，成为释放状态。通过此释放状态，主轴单元4成为以A轴作为中心可回转至目标方向的状态。
其次，图4表示根据其它实施例的工作机械用主轴头1的构成。在图4中，驱动马达9并非在壳体11的组装孔26的内部，而是通过马达托架44被安装于壳体11的外侧面。另外，驱动马达9的马达输出轴43的回转通过安装于马达输出轴43的马达滑轮45、安装于驱动轴8的中间部的驱动滑轮46、卷绕在马达滑轮45和驱动滑轮46的一对无端环带47而被传达至驱动轴8。在此情形，组装孔26由于横跨无端环带47，在驱动马达9的安装侧也开口。
另外，在图4所示的工作机械用主轴头1中，也和前一实施例相同，安装于驱动轴8的两端部的滑轮(未图示)以及安装于各支承轴6的滑轮34通过无端环带35被连结，驱动轴8的回转被传达至各支承轴6，主轴单元4被回转驱动。
如上述，在根据本发明的工作机械用主轴头1中，驱动马达9的配置不限于支承头5的壳体11的内部，作为壳体11的外部也可。另外，即使在设置于壳体11的内部的情况下，不限于前一实施例的配置，也可在壳体11的适当的内部。
图5和图6更表示根据其它实施例的工作机械用主轴头1的构成。在这些图5和图6中，主轴单元4不被直接支承在一对支承轴6，通过由一对支承轴6支承的支承构件17被可自由回转地支承。因此，主轴单元4的两侧面对于一对支承轴6不被安装，而有间隙。
即，在第5图和第6图所示的工作机械用主轴头1为了支承主轴单元4，包含剖面コ字型的支承构件17。此支承构件17在主轴单元4相反侧(即，在各叉形臂7的外侧的各支承轴6)被连结在各支承轴6，且由和一对叉形臂7面对且在主轴单元4的轴线方向延伸的一对支承臂15、以及连结一对支承臂15之间的基部16所构成。各支承臂15通过被安装于对应的支承轴6的外侧端的连结具50的直径方向的凹凸51等的嵌合，以共同回转的方式被连结至对应的支承轴6。
如上述，支承构件17为了将主轴单元4在A轴上可自由回转地保持，以在主轴单元4的轴线方向中的后端部侧以及主轴单元4的转动方向两侧被开放的剖面大致U字形被形成，支承构件17的基部16在主轴3的中心线上，形成对应于主轴单元4的大小的支承孔18，在将主轴单元4的外周部嵌插于此支承孔18的状态下，支承主轴单元4。其它部分即使是与图1至图3的对象稍微不同形状的对象，也是与图1至图3的实施例的对象功能大致相同的构成。另外，盖49被省略，编码器(回转检测器)32被安装在对于图1以及图2的对象不同侧的驱动轴8。
在图5以及图6的实施例中，一对支承轴6在驱动马达9被驱动而回转的话，由于和一对支承轴6一起，支承构件17以A轴为中心回转，因此，被支承于支承构件17的主轴单元4同样地以A轴作为中心回转。
图5和图6的实施例与图1至图3的实施例相比的话，关于主轴单元4的前端侧的A轴方向的宽度尺寸变大，但由于此增加部分仅是支承构件17中的支承臂15的宽度部分，与将DD马达配置于两叉形臂7内的现有技术相比的话，工作机械用主轴头1被小型化。
另外，在工件的加工时，可及时地防止从工具2的前端侧飞散的切削粉进入主轴单元4和支承头5之间。即，在工件的加工时，从工件和工具2的接触部朝向主轴单元4侧，多的细切削粉飞散，存在这些进入主轴单元4和支承头5(叉形臂7)之间的一点点间隙的情况。另外，此切削粉的量变多的话，这将成为主轴3的驱动抵抗。对此，根据图5和图6的实施例的话，从主轴单元4的前端侧飞散的切削粉在支承构件17的基部的作用下几乎不会朝支承头5侧飞散，上述般的问题难以发生。
有关本发明的工作机械用主轴头1如图7所例示的那样，被组装于纵型的加工中心(复合加工机)等的工作机械52。在图7中，工作机械52包括：左右一对的柱54，被附设于底座53上；水平的横轨55，在一对柱54上移动于上下方向(Z轴方向)；床鞍56，在横轨55上移动于水平的左右方向(Y轴方向)；冲柱57，在床鞍56上移动于Z轴方向；以及台58，在底座53上水平移动于前后方向(X轴方向)。另外，有关本发明的工作机械用主轴头1通过C轴驱动部20在冲柱57的下端部以垂直轴(C轴)为中心可自由旋转地被安装。
工作机械52在被固定于台58上的工件59的加工时，通过基于预先设定的加工程序的数值控制，使上述台58、横轨55、床鞍56以及冲柱57移动。另一方面，工作机械用主轴头1通过工作机械52的未图标的控制装置被分度至所希望的角度姿势，相对于工件59，将被装着的工具2设定于所希望的加工位置。由此，工作机械52相对于工件59的各加工面，将工具在最适当的角度抵接，对工件59进行必要的切削加工。
在本发明中，驱动马达9、驱动传达机构10、夹紧机构14根据组入对象的工作机械52变形而被实施。
驱动马达9可采用中空伺服马达、两轴伺服马达代替上述DD马达。被内置于叉形的支承头5的基部19的DD马达如上述不限于一个，将两个以上的DD马达在驱动轴6的轴线方向串联地排列而配置也可。
另外，不将驱动马达9和驱动轴8的连结位置限制于一对驱动传达机构10之间，将驱动马达9的马达输出轴43连结于驱动轴8的一端那样的构成也可。
驱动传达机构10不限于如上述实施例那样、由滑轮(33、34、45、46)和环带(35、47)构成，通过齿轮列将驱动轴8的回转传达至一对支承轴6也可。
另外，夹紧机构14为一种制动手段，但不限于如上述实施例那样、分别设置于驱动马达9的两侧的各位置、而合计设置两个，根据夹紧能力省略任一方也可。夹紧机构14的构成不限于例示的对象(将夹紧圆盘40由活塞构件37按压，通过活塞构件37和壳体11的摩擦构件42的摩擦面的一起动作，夹持夹紧圆盘40的形式的对象)，通过在流体压力的作用下可变形的夹紧套筒将驱动轴8锁紧而保持驱动轴8的回转位置的对象也可。
另外，C轴驱动部20在本发明中，并非必须而可省略。C轴驱动部20被组装于冲柱57时，工作机械用主轴头1被安装于此冲柱57。
产业上的可利用性
本发明作为对象的工作机械52不限于纵型的加工中心，横型的加工中心、或其它形式的金属加工用的工作机械也可。

Claims (5)

1.一种工作机械用主轴头(1)，其包括将工具(2)被安装于前端的主轴(3)回转驱动的主轴单元(4)、以及作为支承该主轴单元(4)的支承头(5)且具有将支承所述主轴单元(4)用的一对支承轴(6)分别可自由回转地支承的一对叉形臂(7)的叉形的支承头(5)，
所述工作机械用主轴头(1)的特征在于，还包括：
驱动轴(8)，作为在所述支承头(5)内可自由回转地被支承的驱动轴(8)，和所述支承轴(6)的轴线方向平行地延伸；驱动马达(9)，回转驱动所述驱动轴(8)；以及一对驱动传达机构(10)，分别连结所述驱动轴(8)的两端部和所述各支承轴(6)，且将所述驱动马达(9)的回转传达至所述各支承轴(6)。
2.根据权利要求1所述的工作机械用主轴头(1)，其特征在于，
所述驱动马达(9)在所述驱动轴(8)的轴线方向中的所述一对驱动传达机构(10)之间，和所述驱动轴(8)连结。
3.根据权利要求1或2所述的工作机械用主轴头(1)，其特征在于，
所述驱动马达(9)被配置于所述支承头(5)的壳体(11)内，所述驱动马达(9)的马达定子(12)和马达转子(13)相对于所述驱动轴(8)的轴线被同心地配置。
4.根据权利要求1所述的工作机械用主轴头(1)，其特征在于，
所述工作机械用主轴头(1)在所述支承头(5)的内部包含保持驱动轴(8)的回转角度位置用的夹紧机构(14)，该夹紧机构(14)分别被设置于所述驱动马达(9)和所述驱动轴(8)的连结位置的两侧。
5.根据权利要求1所述的工作机械用主轴头(1)，其特征在于，
所述工作机械用主轴头(1)包含在所述各支承轴(6)的主轴单元(4)相反侧的端部被连结的支承构件(17)，其由和所述一对叉形臂(7)相对且在所述主轴单元(4)的轴线方向延伸的一对支承臂(15)、以及将该一对支承臂(15)连结的基部(16)所构成，所述主轴单元(4)在被嵌插于在所述支承构件(17)的所述基部(16)形成的支承孔(18)的状态下，在主轴单元(4)的外周部中，被支承于所述支承构件(17)。
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