JP2002192411A - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ホルダレスタイプの工具把持機構を備えた工
作機械の主軸装置において、工具装着の際に、工具の軸
線方向の把持位置に誤差を生じず、主軸の回転軸線と工
具の中心軸線とが一致するように工具を把持し、しかも
工具の脱着が自動で容易に行えるようにする。 【解決手段】 工作機械の回転可能な主軸１３の先端部
に主軸１３の回転軸線２３に沿って延びる工具装着穴２
５を形成すると共に、工具装着穴２５周りに変形可能な
薄肉を隔てて圧力室を形成し、主軸１３内に形成された
作動流体通路３３を介して圧力室を主軸１３の後部に設
けた圧力調節装置３５に連結し、圧力調節装置３５によ
り圧力室内の作動流体の圧力を増減させて、薄肉を弾性
変形させ、工具装着穴２５が縮径、拡径することにより
工具装着穴２５に挿入された工具を把持、解放する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハウジングに回転
可能に支持された主軸を有する工作機械の主軸装置に関
し、特に主軸の先端部に流体圧式の工具把持機構を備え
工具ホルダを介在させずに工具を把持できる工作機械の
主軸装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械には、ハウジングに回転可能に
支持された主軸に工具を装着するとき予め工具を把持し
たホルダを主軸に装着するタイプの主軸装置と、ホルダ
に予め工具を把持してホルダごと主軸に工具を装着する
のではなく、工具単体のまま直接的に主軸に工具を装着
する、いわゆるホルダレスタイプの主軸装置とが使用さ
れる。後者のホルダレスタイプの主軸装置は特に成型金
型のリブ溝等の複雑な形状のワークの加工を比較的細身
の工具を用いて行う工作機械で使用されることが多い。

【０００３】さらに、ホルダレスタイプの主軸装置に
は、ドローバーの先端部に設けられたコレットなどによ
って工具のシャンク部分を把持する機械式の工具把持機
構を備えたものや、作動油などの圧力媒体（作動流体）
により主軸先端部に設けられた工具装着穴を弾性変形さ
せて工具のシャンクを把持する流体圧式の工具把持機構
を備えたものが含まれている。なお、本願における
「先」又は「前」とは工具を把持しワーク等を加工する
側を指し、「後」とはワーク等を加工する側と反対側を
指すものとする。

【０００４】機械式の工具把持機構は例えば特開平８−
１７４３６４号公報に記載されており、工具脱着の際
に、主軸の内部にその軸線に沿って延びるドローバーの
先端部に設けられたコレットにより主軸の先端部に設け
られた工具装着穴内に挿入された工具のシャンク部分の
把持及び解放を行う。また、流体圧式の工具把持機構は
例えば特開昭６２−１５０４３号公報に記載されてお
り、主軸の先端部に設けられた工具装着穴の周囲に圧力
室を設けこの圧力室に封入された作動流体の圧力を変化
させることにより工具装着穴を拡径又は縮径させ、工具
装着穴に挿入された工具の脱着を行う。同様の技術は実
開平５−５３８１６号公報にも開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、ワー
クの加工においては、非常に高い加工精度が求められる
ことが多くなってきている。このため、主軸の回転軸線
と主軸に取り付けられた際の工具の軸線とのずれや工具
の軸線方向の把持位置のずれによる実際上の工具長の変
化などに起因する加工精度の悪化も問題となってきてい
る。

【０００６】ＮＣ工作機械で自動工具交換装置を利用す
る場合、上記従来技術の工具把持機構は、工具装着時の
工具把持位置のずれが原因となる次のような欠点を抱え
ている。ドローバーの先端部に設けられたコレットを用
いた工具把持機構では、ドローバーによりコレットを主
軸後方に引き込んで工具を把持するため、コレットの動
きに伴って工具が移動し把持位置が変化してしまうの
で、実際上の工具長にばらつきが生じるという問題が生
じる。

【０００７】流体圧式の工具把持機構では、例えば特開
昭６２−１５０４３号公報に記載されているように、ね
じなどの締結具を用いて主軸の先端面に流体圧式のチャ
ックを取り付けている。または、実開平５−５３８１６
号公報に記載されているように、流体圧式のチャックを
有した工具ホルダのテーパ状のシャンクを主軸先端部の
工具装着穴に挿入して、主軸に内蔵された工具クランプ
手段で着脱可能に工具を工具ホルダごと把持している。
したがって、流体圧式のチャックを主軸に取り付ける際
に、または工具ホルダを着脱可能に主軸に装着する際
に、主軸の回転軸線とチャックの中心軸線との不一致に
より工具の偏心回転を起こすことがあり、加工精度に悪
影響を及ぼし得るという問題が生じる。

【０００８】また、特開昭６２−１５０４３号や実開平
５−５３８１６号公報に記載のチャックでは、チャック
の近傍に作動流体の圧力を調節するためのねじが設けら
れ、作動流体通路の長さが短かい。よって、封入されて
いる作動流体の体積が少ない。更に、高速で回転すると
遠心力で圧力室や作動流体通路の容積が増える方向に変
形し、作動流体の体積が少ないこともあり、圧力が下が
り、工具の把持力が弱くなる。従って、通常２００００
回転／分以下の回転速度で使用するという制限があり、
これ以上の回転速度で回転する主軸装置には使えないと
いう問題点もある。

【０００９】また、主軸の先端部に取り付けられた流体
圧式のチャックの流体圧を調節するためには、主軸先端
部においてチャックに設けられた流体圧調節ねじをレン
チなどにより回転させなければならない。ところが、主
軸先端部の周囲にはテーブルやワークなどが配置されて
おり作業スペースが十分とれないので、流体圧の調節を
行うことが容易ではなく、作業効率を低下させる問題が
存在する。また、従来の流体圧式の工具把持機構では上
記のように流体圧調節を主軸先端部で行わなくてはなら
ないので、自動工具交換装置と共に使用する場合には、
機械式の工具把持機構と組み合わせて用いられることが
多く、流体圧式の工具把持機構を用いる場合には工具交
換の完全な自動化が困難であった。

【００１０】よって、本発明の目的は、従来技術に存す
る問題を解消して、ホルダレスタイプの工具把持機構を
備えた工作機械の主軸装置において、工具装着の際に、
工具の軸線方向の把持位置に誤差を生じさせず、主軸の
回転軸線と工具の中心軸線とが一致するように工具を把
持し、しかも工具の脱着が自動で容易に行えるようにす
ることにある。更に、高速回転しても工具の把持力の低
下がないようにすることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的に鑑
みて、主軸の先端部に直接的に又はそこにアダプタを固
定的に取り付けて間接的に、工具装着穴をその中心軸線
が主軸の回転軸線と一致するように形成し、流体圧式の
工具把持機構を用いて、工具把持機構の流体圧の調節を
広い作業スペースを確保しやすい主軸後方で行えるよう
にしたものである。

【００１２】すなわち、本発明によれば、主軸ハウジン
グに回転可能に支持された主軸を有する工作機械の主軸
装置において、前記主軸の先端部に前記主軸の回転軸線
に沿って延びる工具装着穴を形成し、前記工具装着穴周
りにラジアル方向に変形可能な薄肉を隔てて圧力室を形
成し、前記主軸内に形成された作動流体通路を介して前
記圧力室を前記主軸の後部に設けた圧力調節装置に連結
し、該圧力調節装置により前記圧力室内の作動流体の圧
力を増減させて前記薄肉を弾性変形させ、前記工具装着
穴が縮径、拡径することにより前記工具装着穴に挿入さ
れた工具を把持、解放するようにした工作機械の主軸装
置が提供される。

【００１３】上記工作機械の主軸装置においては、前記
圧力調節装置は、前記主軸の後端部に形成された押圧具
挿入孔に挿入され、前記作動流体通路内の作動流体を押
圧する押圧具と、該押圧具を駆動する押圧具駆動装置と
を含むことが可能である。上記工作機械の主軸装置の一
実施態様では、前記押圧具駆動装置は、回転するレンチ
を有するモータと、該レンチを前記押圧具に係合させ、
又は前記押圧具から離脱させるアクチュエータと、アク
チュエータ及びモータの動作を制御する制御装置とを備
えてもよい。好ましくは、この場合、前記モータは、サ
ーボモータでなり、前記制御装置は、工具を把持すると
きに前記サーボモータを速度制御及び位置制御を行う第
１モードで回転させ、次いでトルク制御を行う第２モー
ドで回転させる。

【００１４】また、本発明によれば、主軸ハウジングに
回転可能に支持された主軸を有する工作機械の主軸装置
において、前記主軸の先端部に前記主軸の回転軸線に沿
って延びる工具装着穴を形成し、前記工具装着穴周りに
ラジアル方向に変形可能な薄肉を隔てて圧力室を形成
し、前記主軸内に形成された作動流体通路を介して前記
圧力室を前記主軸の後方外部に設けた圧力調節装置に連
通、遮断可能に連結し、前記圧力室と前記圧力調節装置
とが連通したとき前記圧力調節装置により前記圧力室に
おける作動流体の圧力を増減させて前記薄肉を弾性変形
させ、前記工具装着穴が縮径、拡径することにより前記
工具装着穴に挿入された工具を把持、解放するようにし
た工作機械の主軸装置が提供される。

【００１５】上記工作機械の主軸装置においては、前記
作動流体通路は、逆止弁を介して前記主軸の後端部に開
口しており、前記圧力調節装置は、前記主軸の後端面に
着座可動な作動流体流通装置を具備し、前記作動流体流
通装置は、前記主軸の後端面に着座したときに前記逆止
弁を開弁させて前記作動流体通路を前記圧力調節装置に
連通させ、前記圧力室内の作動流体の圧力を制御するこ
とが好ましい。

【００１６】工作機械の主軸自体の先端部に主軸の回転
軸線に沿って延びる工具装着穴を形成しその周囲に圧力
室を形成すれば、流体圧を変化させることにより主軸の
先端部に工具を把持、解放することができるようにな
る。したがって、コレットを用いた工具把持機構の欠点
である工具把持の際の軸線方向の把持位置のずれを生じ
ることがなくなる。この構成に替えて、主軸の先端部に
工具装着穴、圧力室、作動流体通路を予め形成したアダ
プタを主軸と一体になるよう固定的に取付けても良い。

【００１７】さらに、圧力室内の流体圧の調節は主軸後
部に設けた圧力調節装置で行うので、主軸や主軸を支持
するハウジング、ワークを支持するテーブル等が妨げと
なって作業スペースが十分にとれない主軸の先端部で工
具の脱着のための圧力調節を行う必要もなく、主軸への
工具の脱着作業が容易になる。また、主軸の後部に圧力
調節装置が設けられるので、主軸への工具着脱の自動化
が容易になる。その一例として、主軸後端面に開口した
押圧具挿入孔に押圧具を挿入し、この押圧具を押圧具駆
動装置によって駆動作動流体通路内の作動流体を押圧す
ることで工具着脱の自動化が達成される。また、逆止弁
を介して作動流体通路を主軸の後端面に開口させ、可動
な圧力調節装置が主軸後端面に着座することにより逆止
弁を開弁させて、圧力調節装置で作動流体通路内の作動
流体の圧力を調節することによっても工具の着脱の自動
化が達成される。したがって、流体圧式の工具把持機構
を用いていながらも工具着脱の自動化が達成され、自動
工具交換装置と共に使用することにより工具交換の完全
な自動化を実現することができるようになる。

【００１８】更に、主軸の後部又は主軸の後方外部に圧
力調節装置が設けられるので、作動流体通路が長くな
り、よって封入されている作動流体の体積が多い。作動
流体通路を主軸の中心に形成することもでき、この場合
には遠心力の影響をほとんど受けず、作動流体通路の遠
心力による拡張はほとんどない。そして、作動流体の体
積が多いことから、たとえ遠心力によって作動流体の封
入されている圧力室付近の体積が増えたとしても圧力の
低下割合は小さい。しかも、主軸が回転すると軸受やモ
ータからの発熱が主軸に伝達され、主軸の温度が上る。
すると、主軸内の作動流体の温度も上り、作動流体が膨
張し、作動流体圧力は上昇する。従って、主軸の後部又
は主軸の後方外部に圧力調節装置を設けることによっ
て、主軸が高速回転しても工具の把持力が低下しなくな
る。尚、作動流体通路がチャック近傍にのみ設けられて
いる従来技術の工具ホルダは、外気にふれて回転してい
るため、温度上昇はなく、作動流体の温度も上ることは
ない。

【００１９】主軸の先端部に工具装着穴を形成すれば、
工具装着穴が予め形成されたアダプタを主軸に取り付け
る必要がなくなり、すなわち主軸自体に工具装着穴が形
成されるのでアダプタ取り付けの際の主軸の回転軸線と
工具装着穴の中心軸線とのずれの発生が防止され、正確
な工具の把持が可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施態様を説明する。図１は本発明による工作機械の主軸
装置の断面図、図２は図１に示されている主軸の先端部
の拡大断面図、図３は図１に示されている本発明による
工作機械を用いた場合の工具交換動作を示しているフロ
ーチャート、図４は図３における工具把持動作の詳細を
示しているフローチャート、図５は図３における工具解
放動作の詳細を示しているフローチャートである。ま
た、図６は本発明による工作機械の主軸装置に適用可能
な圧力調節装置の第２の実施態様を示している要部断面
図、図７は本発明による工作機械の主軸装置に適用可能
な圧力調節装置の第３の実施態様を示している要部断面
図、図８は本発明による工作機械の主軸装置に適用可能
な圧力調節装置の第４の実施態様を示している要部断面
図である。

【００２１】なお、以下の説明において「先」又は
「前」とは工具を把持しワーク等を加工する側を指し、
「後」とはワーク等を加工する側と反対側を指すものと
する。図１を参照すると、本発明による工作機械の主軸
装置１１は、主軸１３と、主軸１３の前部及び後部にそ
れぞれ設けられた軸受１５により主軸１３を回転可能に
支持しているハウジング１７とを具備している。軸受１
５はハウジング１７に設けられた肩部と軸受押え１９及
び軸受押えナット２１とにより定位置に固定されてい
る。また、主軸装置１１は、主軸１３の外周面の中央部
に固着されたロータＭ１と、ハウジング１７の内周面に
同ロータＭ１と半径方向に所定の間隔を隔てて対向して
配設されたステータＭ２とを備えており、ロータＭ１と
ステータＭ２との電磁相互作用により主軸１３をハウジ
ング１７に対して回転させることができるようになって
いる。

【００２２】主軸１３の先端部の先端面上には主軸１３
の回転軸線２３に沿って延びる円形断面の工具装着穴２
５が形成されている。より詳細には、図２に示されてい
るように、工具装着穴２５は、主軸１３の先端面上に形
成された円形断面の穴に挿入され溶接などの適宜の接合
方法によって穴に固定された同心の円筒状スリーブ２７
の内孔によって形成されている。なお、スリーブ２７を
主軸１３の先端面上に形成された穴に固定した後、スリ
ーブ２７の内周面に研削加工を施して主軸１３の回転軸
線２３と工具装着穴２５（詳細にはその内側に固定され
たスリーブ２７の内孔）の中心軸線とが一致するように
することが好ましい。このように構成することによっ
て、主軸１３への工具（不図示）の取り付けがより正確
に行われ、工具回転時に偏心回転が起こることが防止さ
れる。

【００２３】スリーブ２７の外周面上には凹部が形成さ
れており、スリーブ２７を主軸１３の先端面上に設けら
れた穴に挿入したときにスリーブ２７の凹部が主軸１３
の先端部の穴の内周面と協働して、スリーブ２７の内孔
すなわち工具装着穴２５の周りにラジアル方向すなわち
半径方向に変形可能な薄肉２９を隔てた圧力室３１を形
成する。各圧力室３１は、主軸１３内に形成され後方に
向かって延びる作動流体通路３３を介して、主軸１３の
後部に設けた圧力調節装置３５に連結している。なお、
圧力室３１に封入される作動流体が主軸１３の先端部の
穴の内周面とスリーブ２７の外周面との境界面を伝って
漏出することを防止するために、圧力室３１の前後端部
には境界面にシール３７が設置されている。圧力室３１
は環状であることが好ましいが周方向に分離し等間隔で
配置された室でなってもよい。また、圧力室３１は、図
２に示されているように、工具装着穴２５の軸線方向に
２列に配置されていることが好ましいが、１列又は３列
以上で配置されていてもよい。

【００２４】図１及び図２に示されているように、工具
装着穴２５の内部には、軸受押え１９、主軸１３及びス
リーブ２７を主軸装置１１の半径方向に貫通して形成さ
れた空気通路３９が開口している。この空気通路３９に
は主軸装置１１の外部から圧縮空気が供給され、この圧
縮空気を工具装着穴２５内の清掃や背圧を監視すること
による工具装着確認を行うために使用する。

【００２５】次に、図１を参照して、主軸１３の後部に
設けられた圧力調節装置３５について詳述する。図１に
示されている圧力調節装置３５は、作動流体通路３３内
の作動流体を直接又は間接的に押圧する押圧具と、押圧
具を駆動する押圧具駆動装置とを含んでいる。

【００２６】押圧具は、主軸１３の後端部の後端面上に
形成され作動流体通路３３と連通している押圧具挿入孔
４１内に挿入されており、例えば図１に示されているよ
うに、作動流体通路３３内まで挿入されたピストン４３
と、ピストン４３に連結されている押圧ねじ４５とから
構成される。ピストン４３の先端には作動流体通路３３
内から作動流体が漏出するのを防ぐためにシール部材４
７が設けられており、押圧具挿入孔４１の内周面には押
圧ねじ４５が螺合するねじ溝が形成されている。

【００２７】押圧具駆動装置は、例えば図１に示されて
いるように、回転軸にレンチ４９（例えば六角レンチ）
が取り付けられているレンチモータ５１と、レンチモー
タ５１を移動させてレンチモータ５１に取り付けられた
レンチ４９を押圧具の押圧ねじ４５の後端部に設けられ
た係合穴（例えば六角穴）に係合させる又はそこから離
脱させるアクチュエータ５３と、レンチモータ５１及び
アクチュエータ５３の動作を制御する制御装置５５とを
備える。主軸装置１１の後部に設けられたブラケット５
７に固定されたロッドシリンダなどのアクチュエータ５
３により移動可能に支持された可動板５９上にレンチモ
ータ５１を取り付けることにより、押圧具の後端部に設
けられた係合穴に対するレンチ４９の係合又は離脱を行
うことが可能となる。

【００２８】押圧具駆動装置はさらにレンチ４９を押圧
具の押圧ねじ４５の係合穴に係合させて押圧具を駆動す
る際に主軸１３の回転を停止させるロック部材６１を備
えている。図１に示されている実施態様では、可動板５
９の主軸１３に対面する側にロック部材６１が支持され
ており、アクチュエータ５３により可動板５９が主軸１
３へ向かって移動すると、ロック部材６１が主軸１３の
後端面上に設けられた切欠き６３に係合して主軸１３を
ロックし、主軸１３の回転が防止される。ロック部材６
１は圧縮ばねなどの弾性体６５を介して可動板５９に支
持されることが好ましい。

【００２９】上記実施態様では、工具装着穴が主軸の先
端部に一体的に形成されている場合について説明してい
るが、従来のように、予め工具装着穴、圧力室、作動流
体通路が形成されているアダプタを主軸先端部に一体と
なるように固定的に取り付けることも可能であることは
いうまでもない。

【００３０】次に、図３を参照して、図１に示されてい
る工作機械の主軸装置１１の工具交換動作を説明する。
工作機械のＮＣ装置から工具交換指令が発せられると
（ステップ１５１）、主軸装置１１は、押圧具駆動装置
のロック部材６１が主軸１３の後端面上に形成された切
欠き６３と係合可能となるように、主軸１３を回転方向
において予め定められた角度位置で停止させる（ステッ
プ１５３）。なお、この角度位置においては、レンチ４
９が押圧具の係合穴と係合するようになっている。ま
た、この主軸１３の回転方向の位置決めはセンサ（不図
示）の使用など周知技術により可能となる。さらに、工
具を装着したままの状態で主軸１３をＸ軸、Ｙ軸、及び
Ｚ軸方向に移動して工具マガジン（不図示）の空きスペ
ースに位置決めする（ステップ１５５）。

【００３１】次いで、押圧具駆動装置のレンチモータ５
１を降下（主軸１３の後端面に向かう方向に移動）さ
せ、主軸１３の後端面上の切欠き６３に押圧具駆動装置
のロック部材６１を係合させる（ステップ１５７）。こ
れにより、主軸１３はロックされて回転することができ
なくなる。同時に、レンチモータ５１に取り付けられた
レンチ４９が押圧ねじ４５の後端部の係合穴に係合す
る。

【００３２】ステップ１５９では、レンチモータ５１が
逆回転を行い、押圧具を押圧具挿入孔４１内で主軸１３
の後方に押圧具駆動装置へ向かって移動させ、作動流体
通路３３内で後方へ向かって押圧具のピストン４３を移
動させる。それにより、作動流体通路３３内及びそれに
連通している圧力室３１内に封入された作動流体の圧力
が下降して、圧力室３１と工具装着穴２５の間の薄肉２
９が工具装着穴２５の内部に向かって膨らんだ状態から
工具装着穴２５のラジアル方向に外側へ向かって弾性変
形し、移動する。その結果、工具装着穴２５が拡径して
工具装着穴２５に把持されていた工具を解放し、工具を
工具マガジンに収納する。

【００３３】次いで、工具を把持していない状態で、主
軸１３がＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向に移動して所望され
る工具の収納位置に位置決めされ、工具装着穴２５に新
たな工具が挿入される（ステップ１６１）。ステップ１
６３では、押圧具駆動装置のレンチモータ５１が正回転
を行い、押圧具を押圧具挿入孔４１内で主軸１３の前方
へ向かって移動させ、作動流体通路３３内で前方へ向か
って押圧具のピストン４３を移動させる。それにより、
作動流体通路３３内及びそれに連通している圧力室３１
内に封入された作動流体の圧力が上昇して、圧力室３１
と工具装着穴２５の間の薄肉２９が工具装着穴２５のラ
ジアル方向に内側へ向かって弾性変形し、移動する。そ
の結果、工具装着穴２５が縮径して工具装着穴２５内に
挿入されている工具を把持する。

【００３４】工具を工具装着穴２５に把持すると、押圧
具駆動装着のレンチモータ５１を上昇（主軸１３の後端
面から離れる方向に移動）させ、レンチモータ５１に取
り付けられたレンチ４９を押圧ねじ４５の後端部の係合
穴から離脱させる（ステップ１６５）。同時に、主軸１
３の後端面の切欠き６３に係合している押圧具駆動装置
のロック部材６１も切欠き６３から離脱する。

【００３５】以上のステップを経て工具交換が行われ、
工具交換が終了した後に新たな工具での加工が開始され
る（ステップ１６７）。ところで、図１に示されている
本発明の工作機械の主軸装置１１の実施態様で使用され
るレンチモータ５１には、（１）押圧具の押圧ねじ４５
を早く回転させすぎて破損させることを防止するための
速度制御と、（２）押圧具の押圧ねじ４５を予め定めた
範囲の位置に位置決めするための回転方向における角度
位置の制御と、（３）作動流体通路３３及び圧力室３１
内において予め定められた圧力を発生させることを保証
するためのトルク制御との３つの制御が要求される。し
かしながら、レンチモータ５１として一般に使用され得
るサーボモータは３つの制御を同時に行うことができな
い。そこで、上記実施態様では、サーボモータが「トル
クリミット機能」という予め設定したトルクが発生した
ときに信号を発生する機能を備えていることを利用し
て、速度制御と位置制御を同時に行う第１モードと、ト
ルク制御のみを行う第２モードの２つのモードを切り換
えて上記の要求される制御を行う。

【００３６】以下で、図４及び図５を参照して、上記制
御を行う場合のレンチモータ５１の正回転及び逆回転の
工程をより詳細に説明する。最初に、図４を参照して、
レンチモータ５１の正回転すなわち工具把持の工程を説
明する。工具把持の工程は標準締め工程と増し締め工程
の２つの工程に分離して実行される。標準締め工程の際
の第１設定トルク及び第１設定回転速度と、増し締め工
程の際の第２設定トルク及び第２設定回転速度は予め定
められるものとする。

【００３７】工具把持工程の標準締め工程が開始される
にあたって、先ず、第１モードに切り換え、速度制御及
び位置制御を有効にし、予め定められた標準締めトルク
をトルクリミット値として設定する。次に、第１設定回
転速度（例えば押圧ねじ４５を１０００ｍｍ／分で移動
させる回転速度）でレンチモータ５１を正方向（ねじを
締める方向）に回転させる（ステップ１６９）。トルク
が第１設定トルクに達するとレンチモータ５１（サーボ
モータ）はトルクリミット機能によりトルクリミット信
号を発生させ、レンチモータ５１の回転を停止させる
（ステップ１７１）。このとき、レンチモータ５１の回
転方向の角度位置すなわち押圧ねじ４５の位置が予め定
められた範囲あることを確認する（ステップ１７３）。

【００３８】例えば、レンチモータ５１の回転方向の角
度位置が予め定められた範囲の最小値に達していなけれ
ば押圧ねじ４５のかじりが考えられ、或いは予め定めら
れた範囲の最大値を超えていれば押圧ねじ４５の係合穴
とレンチ４９との係合が不十分で空転が起こった可能性
が考えられる。よって、レンチモータ５１の回転角度位
置が予め定められた範囲に入っていないときは異常発生
信号を発生させることが好ましい。

【００３９】レンチモータ５１の回転方向の角度位置が
予め定められた範囲に入っていることが確認された場合
には、レンチモータ５１（サーボモータ）の制御モード
を第２モードに切り換え、トルク制御を有効にする。次
いで、レンチモータ５１の正方向の回転を再開し、レン
チモータ５１のトルクが第１設定トルクを越えてから予
め定められた時間（例えば２秒）の経過後にレンチモー
タ５１の回転を停止させる、すなわち第１設定トルクを
かけた状態で予め定められた時間だけレンチモータ５１
を正回転させる（ステップ１７５）。

【００４０】以上の標準締め工程が終了すると、次いで
増し締め工程が行われる。増し締め工程は標準締め工程
とほぼ同様の工程であり、工程が開始されるにあたっ
て、先ず、第１モードに切り換え、速度制御及び位置制
御を有効にし、予め定められた増し締めトルクをトルク
リミット値として設定する。次に、第２設定回転速度
（例えば押圧ねじ４５を１００ｍｍ／分で移動させる回
転速度）でレンチモータ５１を正方向に回転させ（ステ
ップ１７７）、トルクが第２設定トルクに達するとレン
チモータ５１（サーボモータ）はトルクリミット機能に
よりトルクリミット信号を発生させ、レンチモータ５１
の回転を停止させる（ステップ１７９）。このとき、レ
ンチモータ５１の回転方向の角度位置すなわち押圧ねじ
４５の位置が予め定められた範囲あることを確認する
（ステップ１８１）。レンチモータ５１の回転方向の角
度位置が予め定められた範囲に入っていることが確認さ
れた場合には、レンチモータ５１（サーボモータ）の制
御モードを第２モードに切り換え、トルク制御を有効に
する。次いで、レンチモータ５１の正方向の回転を再開
し、レンチモータ５１のトルクが第２設定トルクを越え
てから予め定められた時間（例えば２秒）の経過後にレ
ンチモータ５１の回転を停止させる（ステップ１８
３）。以上で増し締め工程が終了する。

【００４１】増し締め工程終了後、レンチモータ５１を
主軸１３から離す方向に移動する前に、次の工具解放工
程でレンチ４９を押圧具の押圧ねじ４５の係合穴へ確実
に係合させることができるように、レンチモータ５１の
回転方向の角度位置を記憶しておく（ステップ１８
５）。次に、図５を参照して、レンチモータ５１の逆回
転すなわち工具解放の工程を説明する。なお、工具把持
工程において予め定められた第１設定トルク及び第１設
定回転速度、第２設定トルク及び第２設定回転速度に加
えて、以下で使用される第３設定回転速度が予め定めら
れているものとする。

【００４２】工具解放工程が開始されるにあたって、先
ず、第１モードに切り換え、速度制御及び位置制御を有
効にし、工具把持工程において設定された第２設定トル
クより大きなトルクをトルクリミット値として設定す
る。次に、第２設定回転速度でレンチモータ５１を逆方
向（ねじを緩める方向）に回転させる（ステップ１８
７）。レンチモータ５１が予め定められた回転角度だけ
回転し、押圧具の押圧ねじ４５を予め定められた距離だ
け主軸１３の後端面に向かって移動させたら、レンチモ
ータ５１の回転を停止させる（ステップ１８９）。次い
で、第３設定回転速度（例えば押圧ねじを３０００ｍｍ
／分で移動させる回転速度）でレンチモータ５１を逆方
向に予め定められた回転角度だけ回転させ（ステップ１
９１）、押圧具の押圧ねじ４５をホームポジションまで
戻しレンチモータ５１の回転を停止させる（ステップ１
９３）。通常は、次の工具把持工程が完了するまでレン
チ４９を押圧ねじ４５の係合穴から離脱させることはな
いが、保全等の場合にはレンチ４９を押圧ねじ４５の係
合穴から離脱させることがあるので、回転停止時におけ
るレンチモータ５１の回転方向の角度位置を記憶してお
く（ステップ１９５）。以上で工具解放工程が終了す
る。

【００４３】図１及び図２に示されている実施態様で
は、主軸１３の先端面上に形成された穴に外周面上に凹
部が形成された円筒状スリーブ２７を挿入することによ
り工具装着穴２５が形成されているが、工具装着穴周り
にラジアル方向に弾性変形可能な薄肉を隔てた圧力室を
備えたアダプタを別個に形成し、このアダプタを主軸と
一体となるよう固定的に主軸の先端部に取り付けてもよ
い。この場合にもアダプタを主軸に取り付けた後に、工
具装着穴の中心軸線が主軸の回転軸線と一致するように
工具装着穴の内周面を研削することが好ましい。また、
主軸と完全に一体成形で工具装着穴及びその周りにラジ
アル方向に弾性変形可能な薄肉を隔てて形成された圧力
室を設けることも可能である。

【００４４】図６〜図８には図１に示されている実施態
様とは異なるタイプの圧力調節装置の実施態様が示され
ている。図６に示されている圧力調節装置７１は、主軸
１３の後端部の後端面上に形成され作動流体通路３３と
連通した押圧具挿入孔４１に挿入された押圧具と、主軸
１３の軸線方向に進退可能なロッド７３を有したアクチ
ュエータ７５からなる押圧具駆動装置とを備えている。

【００４５】押圧具は、ピストン７７と、押圧具挿入孔
４１に挿入されこれを封鎖するエンドキャップ７９とを
含んでいる。エンドキャップ７９の主軸１３の内部側に
は穴８１が形成されており、この穴８１の頂部には止め
栓８３が螺合されている。エンドキャップ７９の穴８１
と止め栓８３とによって規定される空間内にはピストン
７７が挿入されており、同空間を２つに分割している。
分割された空間のうちのアクチュエータ７５側に位置す
る空間は接続通路８５を介して作動流体通路３３と連通
しており、その内部に作動流体が充満している。

【００４６】ピストン７７により分割された他方の空間
には作動流体の圧力を高める方向にピストン７７を付勢
する圧縮ばね８７が設置されており、作動流体通路３３
内及び圧力室３１内の作動流体はピストン７７により工
具把持を行うように付勢されている。一方、ピストン７
７からはエンドキャップ７９の底面を貫通して主軸１３
の外部に突出するロッド７７ａが延びており、アクチュ
エータ７５が圧縮ばね８７の付勢力に逆らってこのロッ
ド７７ａを主軸１３の先端部へ向かって押圧することに
より作動流体通路３３を介して圧力室３１内の作動流体
の圧力が降下し、工具装着穴２５から工具を解放するこ
とが可能となる。

【００４７】図７に示されている圧力調節装置９１は、
図６に示されているものと同様に、主軸１３の後端部の
後端面上に形成され作動流体通路３３と連通した押圧具
挿入孔４１に挿入された押圧具と、主軸１３の軸線方向
に進退可能なロッド９３を有したアクチュエータ９５か
らなる押圧具駆動装置とを備えている。押圧具はピスト
ン９７からなり、同ピストン９７は主軸１３の後端面に
取り付けられ押圧具挿入孔４１を封鎖するエンドキャッ
プ９９を貫通してアクチュエータ９５へ向かって主軸１
３の外部に延びるロッド９７ａを有している。

【００４８】押圧具挿入孔４１においてピストン９７と
エンドキャップ９９との間に形成される空間にはピスト
ン９７を主軸１３の前方へ向かって付勢する圧縮ばね１
０１が設置されており、ピストン９７により作動流体通
路３３を介して圧力室３１内の作動流体の圧力を増加さ
せ工具把持を行うように付勢している。一方、ピストン
９７から延びるロッド９７ａとアクチュエータ９５から
延びるロッド９３とはそれらの端部において回転可能に
係合しており、アクチュエータ９５が圧縮ばね１０１の
付勢力に逆らってピストン９７をアクチュエータ９５へ
向かって引きつけることにより、作動流体通路３３を介
して圧力室３１内の作動流体の圧力が降下し、工具装着
穴２５から工具を解放することが可能となる。なお、図
６に示されている圧力調節装置７１と同様に、圧縮ばね
１０１は工具装着穴２５内に挿入された工具を把持する
のに十分な流体圧を圧力室３１内の作動流体に発生させ
るばね力を有している。

【００４９】図８を参照すると、作動流体通路３３がば
ね１０３と鋼球１０５とによって構成された逆止弁１０
７を介して主軸１３の後端部の後端面上に開口してい
る。すなわち、主軸１３の後端部に取り付けられ主軸１
３の後端面を形成するエンドキャップ１０９に設けられ
主軸１３の作動流体通路３３に貫通している開口１１１
は、ばね１０３により後方へ向かって付勢された鋼球１
０５により通常は閉鎖されている。一方、主軸１３の後
方外部には、アクチュエータ１１３によって駆動されて
主軸１３の後端面に着座することができる作動流体流通
装置１１５を備えた圧力調節装置１１７が設けられてい
る。この作動流体流通装置１１５は主軸１３の後端面に
着座したときに逆止弁１０７を開弁させて作動流体通路
３３を圧力調節装置１１７と連通させ、圧力調節装置１
１７により圧力室３１内の作動流体の圧力を制御するこ
とを可能とさせるものである。

【００５０】図８に示されている作動流体流通装置１１
５は、内部に空洞１１９が形成されているハウジング１
２１と、このハウジング１２１に保持されている開弁体
１２３とを備えている。ハウジング１２１内の空洞１１
９は圧力調節装置１１７と連通しておりその内部に作動
流体が充満していると共に、主軸１３の後端面に面する
ハウジング１２１の壁には貫通孔１２５が設けられてお
り貫通孔１２５を通して空洞１１９内の作動流体がハウ
ジング１２１の外部に流通できるようになっている。

【００５１】開弁体１２３は、通常、貫通孔１２５を封
鎖するように圧縮ばね１２７により付勢されている。ま
た、開弁体１２３はハウジング１２１の貫通孔１２５を
通って主軸１３の後端面へ向かって延びる突出部１２３
ａを備えており、作動流体流通装置１１５が主軸１３の
後端面に着座したときに開弁体１２３の突出部１２３ａ
がエンドキャップ１０９の開口１１１に挿入され逆止弁
１０７の鋼球１０５を押し返して、逆止弁１０７を開弁
させると同時に逆止弁１０７のばね１０３の付勢力によ
って開弁体１２３もハウジング１２１の貫通孔１２５を
開通させる方向に移動させられる。この結果、作動流体
流通装置１１５のハウジング１２１内の空洞１１９を介
して作動流体通路３３と圧力調節装置１１７とが連通す
る。

【００５２】こうして、作動流体流通装置１１５が主軸
１３の後端面に着座すると作動流体通路３３と圧力調節
装置１１７とが連通するので、圧力調節装置１１７によ
り作動流体通路３３を介して圧力室３１内の作動流体の
圧力を制御することによって、工具装着穴２５に挿入さ
れた工具の把持又は解放を行うことが可能になる。

【００５３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、コレットを用いた工具把持機構の欠点である工具把
持の際の軸線方向の把持位置のずれを生じることがなく
なり、主軸の回転軸線と工具の中心軸線とのずれによる
工具の偏心回転が防止され、工作機械において高精度の
加工が可能となる。また、主軸や主軸を支持するハウジ
ング等が妨げとなって作業スペースが十分にとれない主
軸の先端部で工具の脱着のための圧力調節を行う必要も
なく、主軸への工具の脱着作業が容易になり、主軸への
工具着脱の自動化が容易になる。

【００５４】また、工具を把持する薄肉部を構成する圧
力室から主軸後部又は主軸の後方外部に設けた圧力調節
装置までの作動流体通路が比較的長く、封入されている
作動流体の体積が多いこと、及び作動流体通路が温度上
昇のある主軸内を通っているので作動流体が昇温して膨
張することから、遠心力による工具把持力の低下がな
い。よって、主軸装置を高速回転域でも使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による工作機械の主軸装置の断面図であ
る。

【図２】図１に示されている主軸の先端部の拡大断面図
である。

【図３】図１に示されている本発明による工作機械を用
いた場合の工具交換動作を示しているフローチャートで
ある。

【図４】図３における工具把持動作の詳細を示している
フローチャートである。

【図５】図３における工具解放動作の詳細を示している
フローチャートである。

【図６】本発明による工作機械の主軸装置に適用可能な
圧力調節装置の第２の実施態様を示している要部断面図
である。

【図７】本発明による工作機械の主軸装置に適用可能な
圧力調節装置の第３の実施態様を示している要部断面図
である。

【図８】本発明による工作機械の主軸装置に適用可能な
圧力調節装置の第４の実施態様を示している要部断面図
である。

【符号の説明】

１１…主軸装置 １３…主軸 ２３…回転軸線 ２５…工具装着穴 ２９…薄肉 ３１…圧力室 ３３…作動流体通路 ３５…圧力調節装置 ４１…押圧具挿入孔 ４３…ピストン ４５…押圧ねじ ４７…シール部材 ４９…レンチ ５１…レンチモータ ５３…アクチュエータ ５５…制御装置 ７１…圧力調節装置 ９１…圧力調節装置 １０７…逆止弁 １１５…作動流体流通装置 １１７…圧力調節装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸ハウジングに回転可能に支持された
   主軸を有する工作機械の主軸装置において、前記主軸の
   先端部に前記主軸の回転軸線に沿って延びる工具装着穴
   を形成し、前記工具装着穴周りにラジアル方向に変形可
   能な薄肉を隔てて圧力室を形成し、前記主軸内に形成さ
   れた作動流体通路を介して前記圧力室を前記主軸の後部
   に設けた圧力調節装置に連結し、該圧力調節装置により
   前記圧力室内の作動流体の圧力を増減させて前記薄肉を
   弾性変形させ、前記工具装着穴が縮径、拡径することに
   より前記工具装着穴に挿入された工具を把持、解放する
   ようにしたことを特徴とする工作機械の主軸装置。
2. 【請求項２】 前記圧力調節装置は、前記主軸の後端部
   に形成された押圧具挿入孔に挿入され、前記作動流体通
   路内の作動流体を押圧する押圧具と、該押圧具を駆動す
   る押圧具駆動装置とを含む請求項１に記載の工作機械の
   主軸装置。
3. 【請求項３】 前記押圧具駆動装置は、回転するレンチ
   を有するモータと、該レンチを前記押圧具に係合させ、
   又は前記押圧具から離脱させるアクチュエータと、アク
   チュエータ及びモータの動作を制御する制御装置とを備
   える請求項２に記載の工作機械の主軸装置。
4. 【請求項４】 前記モータは、サーボモータでなり、前
   記制御装置は、工具を把持するときに前記サーボモータ
   を速度制御及び位置制御を行う第１モードで回転させ、
   次いでトルク制御を行う第２モードで回転させる請求項
   ３に記載の工作機械の主軸装置。
5. 【請求項５】 主軸ハウジングに回転可能に支持された
   主軸を有する工作機械の主軸装置において、前記主軸の
   先端部に前記主軸の回転軸線に沿って延びる工具装着穴
   を形成し、前記工具装着穴周りにラジアル方向に変形可
   能な薄肉を隔てて圧力室を形成し、前記主軸内に形成さ
   れた作動流体通路を介して前記圧力室を前記主軸の後方
   外部に設けた圧力調節装置に連通、遮断可能に連結し、
   前記圧力室と前記圧力調節装置とが連通したとき前記圧
   力調節装置により前記圧力室における作動流体の圧力を
   増減させて前記薄肉を弾性変形させ、前記工具装着穴が
   縮径、拡径することにより前記工具装着穴に挿入された
   工具を把持、解放するようにしたことを特徴とする工作
   機械の主軸装置。
6. 【請求項６】 前記作動流体通路は、逆止弁を介して前
   記主軸の後端部に開口しており、前記圧力調節装置は、
   前記主軸の後端面に着座可動な作動流体流通装置を具備
   し、前記作動流体流通装置は、前記主軸の後端面に着座
   したときに前記逆止弁を開弁させて前記作動流体通路を
   前記圧力調節装置に連通させ、前記圧力室内の作動流体
   の圧力を制御する請求項５に記載の工作機械の主軸装
   置。