JP2003170326A - 工作機械 - Google Patents

工作機械

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JP2003170326A
JP2003170326A JP2001367403A JP2001367403A JP2003170326A JP 2003170326 A JP2003170326 A JP 2003170326A JP 2001367403 A JP2001367403 A JP 2001367403A JP 2001367403 A JP2001367403 A JP 2001367403A JP 2003170326 A JP2003170326 A JP 2003170326A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】主軸を直接駆動するモータへの給電ケーブルの
存在によって旋回動作が制約を受けることがなく、可動
範囲が拡大されたユニバーサルヘッドを備えた工作機械
を提供する。 【解決手段】支持部としてのラム４５と、ラム４５に所
定の旋回軸Ｊを中心に旋回可能に保持された旋回部材１
１０と、旋回部材１１０に保持され、先端に工具Ｔが着
脱される主軸９０を回転自在に保持し、かつ、当該主軸
９０を駆動する電動機８０を備えた工具装着部材１３０
と、旋回部材１１０に設けられ、電動機８０に使用され
る電力を発電する発電機７０と、ラム４５に設けられ発
電機７０に動力を供給する動力源としての電動機１５０
とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】マシニングセンタ等の工作機械の加工ヘ
ッドとして、工具の加工姿勢の自由度を増加させるため
に、工具を回転させる主軸の向きを複数の方向に旋回可
能に保持した加工ヘッドであるユニバーサルヘッドが知
られている。このユニバーサルヘッドは、たとえば、ヘ
ッドまたはラムに所定の軸を中心に水平面に沿って旋回
可能に保持された旋回部と、この旋回部に垂直面に沿っ
て旋回可能に保持されるとともに、工具が先端に着脱さ
れる主軸を回転自在に保持し、この主軸を直接駆動する
ビルトインモータを内蔵する工具装着部とを備えたもの
が知られている。上記のユニバーサルヘッドによるワー
クの加工は、主軸の先端に工具を装着し、この主軸を回
転させながら、上記の旋回部および工具装着部の旋回位
置を適宜割り出すことにより行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のユニ
バーサルヘッドにおいては、主軸を駆動するビルトイン
モータへの電力供給のためのケーブルの経路が煩雑にな
るという不利益を有する。すなわち、ビルトインモータ
への電力供給のためのケーブルは、ラムやヘッド側から
旋回部を通じて工具装着部に設けられたビルトインモー
タに接続される。このため、旋回部をラムまたはヘッド
に対して３６０度以上旋回させることが難しい。旋回部
を３６０度以上旋回させることができないと、たとえ
ば、旋回部の旋回動作により工具をワークの全周に当て
ることができない。このように、従来においては、ビル
トインモータへの電力供給のためのケーブルの存在によ
り、旋回部の動作可能な範囲が制約されるという不利益
が存在した。
【０００４】本発明は、上述の問題に鑑みて成されたも
のであって、その目的は、主軸を直接駆動するモータへ
の給電ケーブルの存在によって旋回動作が制約を受ける
ことがなく、可動範囲が拡大されたユニバーサルヘッド
を備えた工作機械を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の工具は、支持部
と、前記支持部に所定の旋回軸を中心に旋回可能に保持
された旋回部と、前記旋回部に保持され、先端に工具が
着脱される主軸を回転自在に保持し、かつ、当該主軸を
駆動する電動機を備えた工具装着部と、前記旋回部に設
けられ、前記電動機に使用される電力を発電する発電機
と、前記支持部に設けられ、前記発電機に動力を供給す
る動力源とを少なくとも有する。
【０００６】特定的には、前記動力源は、前記支持部に
内蔵された電動機であり、当該電動機の出力軸と前記発
電機の入力軸は連結され、かつ、当該出力軸および入力
軸は、前記旋回部の旋回軸と同心となっている。
【０００７】さらに特定的には、前記工具装着部は、所
定の旋回軸を中心に旋回可能に前記旋回部に保持されて
いる。
【０００８】本発明では、支持部に設けられた動力源か
ら旋回部に設けられた発電機に動力が供給され、発電機
は発電する。発電機の発電した電力は、工具装着部に設
けられた電動機に供給され、主軸が駆動され工具が回転
する。このように、支持部とこの支持部に旋回可能に保
持された旋回部との間に給電ケーブルが存在しないた
め、旋回部の旋回可能な範囲は制約を受けない。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は、本発明の工作機械
の一実施形態に係るマシニングセンタの構成図である。
なお、マシニングセンタはいわゆる複合加工の可能な数
値制御工作機械である。
【００１０】マシニングセンタ１は、工作機械本体２
と、数値制御装置（ＮＣ装置）２５０とを備えている。
図１において、工作機械本体２は、門型のコラム３８の
各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレー
ル３７を備えており、このクロスレール３７上を移動可
能に支持されたサドル４４を介してラム４５が鉛直方向
（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。なお、ラム
４５は本発明の支持部の一実施態様である。
【００１１】サドル４４には、水平方向にクロスレール
３７内を通じて図示しないねじ部が形成されており、こ
れに外周にねじ部が形成された送り軸４１が螺合してい
る。送り軸４１の一端部には、サーボモータ１９が接続
されており、送り軸４１はサーボモータ１９によって回
転駆動される。送り軸４１の回転駆動によって、サドル
４４はＹ軸方向に移動可能となり、これによってラム４
５のＹ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１２】さらに、サドル４４には、鉛直方向に図示
しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が
形成された送り軸４２がねじ込まれている。送り軸４２
の端部には、サーボモータ２０が接続されている。サー
ボモータ２０によって送り軸４２が回転駆動され、これ
によりサドル４４に移動可能に設けられたラム４５のＺ
軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１３】ラム４５の下端部には、ラム４５の軸心を
中心に矢印Ｃで示す向きに旋回可能に保持された旋回部
材１１０が設けられている。この旋回部材１１０には、
軸１８０を中心に矢印Ｂで示す向きに旋回可能に工具装
着部材１３０が保持されている。この工具装着部材１３
０は、先端部に工具Ｔが着脱される。工具Ｔは、たとえ
ば、エンドミルやドリル等である。なお、旋回部材１１
０および工具装着部材１３０を含むラム４５の下端部周
辺の構造については後述する。
【００１４】ラム４５の下方には、加工すべきワークが
固定されるテーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けら
れている。テーブル３５には、図示しないねじ部が形成
されており、これにＸ軸方向に沿って設けられた図示し
ない送り軸が螺合しており、この図示しない送り軸にサ
ーボモータ１８が接続されている。テーブル３５は、サ
ーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動およ
び位置決めが行われる。
【００１５】また、２本の門型コラム３８には、図示し
ないねじ部がそれぞれ形成されており、これに螺合する
送り軸３２ａをクロスレール昇降用サーボモータ３２に
よって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降
する。自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９は、工具装着部
材１３０に対して各種工具Ｔを自動交換する。この自動
工具交換装置３９は、たとえば、図示しないマガジンに
エンドミル、ドリル等の各種の工具Ｔを収納しており、
工具装着部材１３０に装着された工具Ｔを図示しない工
具交換アームによってマガジンに収納し、必要な工具Ｔ
を工具装着部材１３０に工具交換アームによって装着す
る。
【００１６】ＮＣ装置２５０は、上記のサーボモータ１
８，１９，２０およびクロスレール昇降用サーボモータ
３２の駆動制御を行う。ＮＣ装置２５０は、具体的に
は、予め加工プログラムで規定されたワークの加工手順
に従って、サーボモータ１８，１９，２０および３２に
よる工具Ｔとワークとの間の位置および速度制御を行
う。また、ＮＣ装置２５０は、ＮＣプログラムにおい
て、たとえば、Ｍコードで規定された工具Ｔの交換動作
を解読することにより、各種工具Ｔの自動交換を実行す
る。さらに、ＮＣ装置２５０は、後述するラム４５内に
内蔵されたモータの位置および速度制御を行う。
【００１７】図２は、旋回部材１１０および工具装着部
材１３０を含むラム４５の下端部周辺の構造を示す断面
図である。図２に示すように、ラム４５内の内周４５ｈ
には、支持部材１５５を介して電動機１５０が固定され
ている。この電動機１５０は、駆動軸１５０ａがラム４
５の軸心Ｊと同心になるように配置されている。また、
電動機１５０は上記したＮＣ装置２５０により速度制御
される。電動機１５０は本発明の動力源の一実施態様で
ある。
【００１８】ラム４５の下端部の内周には、複数の軸受
ＢＲを介して旋回部材１１０の円筒状の上端部１１０ａ
が軸心Ｊを中心に回転自在に保持されている。この旋回
部材１１０の上端部１１０ａの内周には、複数の軸受Ｂ
Ｒを介して回転軸７２が回転自在に保持されている。こ
の回転軸７２は、ラム４５の軸心と同心に配置されてい
る。この回転軸７２は、カップリング１５１によって電
動機１５０の駆動軸１５０ａと連結されている。
【００１９】回転軸７２には、発電機７０のロータ７０
ａが固定されている。旋回部材１１０の上端部１１０ａ
の内周のロータ７０ａに対向する位置には、ステータ７
０ｂが固定されている。発電機７０には、たとえば、三
相同期発電機を用いることができる。
【００２０】旋回部材１１０の上端部１１０ａの外周に
は、太陽歯車１２０が固定されている。この太陽歯車１
２０は、ラム４５の下端部に固定されたサーボモータ１
７０の駆動軸１７１に固定された歯車１７２に噛合して
いる。サーボモータ１７０は、上記のＮＣ装置２５０に
より回転位置制御が行われる。このサーボモータ１７０
が回転することにより、旋回部材１１０は、ラム４５の
軸心Ｊを中心に旋回する。サーボモータ１７０の回転位
置を制御することにより、旋回部材１１０の軸心Ｊを中
心とした割り出しが行われる。
【００２１】旋回部材１１０の下方側は、工具装着部材
１３０の両側面から突出するように設けられた軸１８
０，１８０を軸受ＢＲを介して回転自在に保持してい
る。
【００２２】工具装着部材１３０の内部には主軸９０が
複数の軸受ＢＲを介して回転自在に保持されている。こ
の主軸９０の先端部には、工具Ｔが着脱される装着部９
０ａが形成されている。主軸９０の装着部９０ａは、工
具Ｔのテーパシャンクが嵌合するテーパスリーブを備
え、主軸９０は工具Ｔのプルスタッドをクランプする図
示しないクランプ機構を内蔵している。
【００２３】主軸９０の中途には、電動機８０のロータ
８０ａが固定されている。工具装着部材１３０の内周に
は、このロータ８０ａに対向する位置に電動機８０のス
テータ８０ｂが固定されている。電動機８０には、たと
えば、三相誘導電動機を用いることができる。電動機８
０のステータ８０ｂの三相巻線は、工具装着部材１３０
の一方側面に設けられた軸１８０の中心部を貫通する通
路１８０ｔを通じて工具装着部材１３０の内周に引き込
まれた複数の導電ケーブルＫＵ，ＫＶ，ＫＷにそれぞれ
電気的に接続されている。
【００２４】複数の導電ケーブルＫＵ，ＫＶ，ＫＷは、
旋回部材１１０に形成された通路１１０ｔを通じて発電
機７０のステータ７０ｂの三相巻線にそれぞれ電気的に
接続されている。
【００２５】工具装着部材１３０の他方側面に設けられ
た軸１８０の先端部には、歯車１６８が固定されてい
る。この歯車１６８は、旋回部材１１０に回転自在に保
持された歯車１６７に噛合している。この歯車１６７
は、旋回部材１１０に回転自在に保持された歯車１６６
に噛合している。歯車１６６は、回転軸によって傘歯車
１６５に連結されている。傘歯車１６５は、歯車１６３
と連結された傘歯車１６４に噛合している。
【００２６】この歯車１６３は、旋回部材１１０の外周
に複数の軸受ＢＲを介して回転自在に保持された太陽歯
車１６２の内周の歯と噛合している。太陽歯車１６２の
外周の歯は、ラム４５の下端部に固定されたサーボモー
タ１６０の駆動軸１６０ａに連結された歯車１６１に噛
合している。
【００２７】サーボモータ１６０は、ＮＣ装置２５０に
より回転位置制御が行われる。サーボモータ１６０の駆
動によって歯車１６１が回転すると、この回転が太陽歯
車１６２、歯車１６３、傘歯車１６４，１６５および歯
車１６６，１６７，１６８を介して軸１８０に伝達され
る。これにより、工具装着部１３０は、軸１８０を中心
に旋回する。サーボモータ１６０の回転位置を制御する
ことにより、工具装着部材１３０の軸１８０を中心とし
た割り出しが行われる。
【００２８】次に、上記構成のマシニングセンタの動作
の一例について説明する。まず、自動工具交換装置３９
によって、主軸９０の装着部９０ａに所望の工具Ｔを装
着する。
【００２９】この状態から、電動機１５０を駆動する。
電動機１５０を回転数Ｎ0 で回転させると、回転軸７２
が回転し、発電機７０のロータ７０ａがステータ７０ｂ
に対して回転する。これにより、発電機７０は、たとえ
ば、三相同期発電機を用いた場合には、三相交流電力を
発電する。
【００３０】三相同期発電機の発生する三相交流電力の
周波数ｆは、三相同期発電機の極数をＰ1 とし、電動機
１５０の回転数をＮ0 〔ｍｉｎ-1〕とすると、次式
（１）によって表される。
【００３１】
【数１】 ｆ＝Ｐ1 ×Ｎ0 ／１２０〔ｍｉｎ-1〕 …（１）
【００３２】したがって、電動機１５０を回転数Ｎ0 で
回転させると、上記（１）式で表される周波数ｆの三相
交流電力が電動機８０に供給される。
【００３３】ここで、電動機８０に三相誘導電動機を用
いたとすると、この三相誘導電動機の極数がＰ2 とする
と、三相誘導電動機は三相交流の１サイクルで２／Ｐ2
回転することから、滑りがない時の三相誘導電動機の同
期速度Ｎ1 は、次式（２）で表される。
【００３４】
【数２】 Ｎ1 ＝１２０×ｆ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（２）
【００３５】したがって、電動機１５０の回転数Ｎ0 に
対する電動機８０の回転数Ｎ1 は次式（３）によって表
される。
【００３６】
【数３】 Ｎ1 ＝Ｎ0 ×Ｐ1 ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（３）
【００３７】（３）式からわかるように、電動機１５０
の回転数Ｎ0 は、上記（３）式で表される回転数Ｎ1 に
変速される。（３）式で示すように、三相同期発電機の
極数Ｐ1 と三相誘導電動機の極数Ｐ 2 との比を適宜設定
することにより、電動機１５０のの回転数Ｎ0 に対する
電動機８０（工具Ｔ）の回転数Ｎ1 の変速比を任意に設
定できることが分かる。すなわち、電動機１５０の回転
数Ｎ0 を増速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ 2 を１よ
り大きくし、減速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ2 を
１より小さくなるように、三相同期発電機の極数Ｐ1 お
よび三相誘導電動機の極数Ｐ2 を予め選択すればよい。
【００３８】上記のように工具Ｔが回転した状態で、テ
ーブル３５に固定されたワークと工具Ｔとを加工プログ
ラムにしたがって相対移動させることにより、ワークの
切削加工が行われる。このとき、旋回部材１１０を軸心
Ｊの回り、工具装着部材１３０を軸１８０の回りに割り
出すことにより、工具Ｔをワークに対して様々な姿勢に
することができ、たとえば、複雑な形状の加工が可能と
なる。
【００３９】ところで、旋回部材１１０は、軸心Ｊの回
りにいずれの向きであっても３６０度以上の回転が可能
である。このため、旋回部材１１０の旋回のみにより、
断面が円形のワークの全周の加工が可能となる。たとえ
ば、図３（ａ）に示すように、ワークＷに対して半径方
向から工具Ｔを接近させ、ワークＷの外周の一部に工具
Ｔが接触する位置に位置決めし、旋回部材１１０を旋回
させて工具ＴをワークＷの外周に沿って時計回りに一周
させる。工具ＴがワークＷに最初に接触した位置に到達
したのち、工具ＴをワークＷに対して半径方向に離隔さ
せる。上記のように工具Ｔを移動させることにより、ワ
ークＷの全周面の切削加工を容易に行うことができる。
【００４０】また、図３（ｂ）に示すように、ワークＷ
に対して半径方向から工具Ｔを接近させ、ワークＷの外
周の一部に工具Ｔが接触する位置に位置決めし、旋回部
材１１０を旋回させて工具ＴをワークＷの外周に沿って
反時計回りに一周させる。工具ＴがワークＷに最初に接
触した位置に到達したところで、工具Ｔを接線方向にそ
のまま移動させ当該工具ＴをワークＷに対して離隔させ
る。上記のように工具Ｔを移動させても、ワークＷの全
周面の切削加工を容易に行うことができる。
【００４１】以上のように、本実施形態によれば、ラム
４５と工具装着部材１３０に内蔵された電動機８０との
間に結線がないため、ラム４５に対する旋回部材１１０
の旋回可能範囲が何ら制約を受けない。このため、マシ
ニングセンタ１の加工能力を向上させることが可能とな
る。
【００４２】また、本実施形態によれば、ラム４５内に
設けた電動機１５０の最大回転数が制限されるような場
合であっても、発電機７０と電動機８０とを適切に選択
すれば、電動機１５０の最大回転数を越える回転数で工
具Ｔを回転させることが可能となり、ワークの高速加工
が可能となる。
【００４３】また、本実施形態によれば、発電機７０で
発電した電力を用いて直接工具Ｔを駆動するため、電動
機１５０から工具Ｔまでの間に歯車機構等の伝達機構が
必要がなく、歯車装置のように発熱が増大せず、工具Ｔ
の熱膨張が抑えられて加工精度の低下が抑制される。
【００４４】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れない。上述した実施形態では、本発明の支持部として
ラム４５の場合について説明したが、たとえば、ラム４
５以外にも、固定されたヘッドであってもよい。また、
上述した実施形態では、本発明の動力源として電動機１
５０の場合について説明したが、たとえば、圧縮空気等
を用いて発電機７０を発電させる構成とすることも可能
である。また、上述した実施形態では、工具装着部材１
３０も軸１８０を中心に旋回可能な構成としたが、たと
えば、工具装着部材１３０が旋回部材１１０に固定され
ている場合であっても本発明を適用可能である。
【００４５】
【発明の効果】本発明によれば、主軸を直接駆動するモ
ータへの給電ケーブルの存在によって旋回動作が制約を
受けることがなく、可動範囲が拡大されたユニバーサル
ヘッドを備えた工作機械が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工作機械の一実施形態に係るマシニン
グセンタの構成図である。
【図２】旋回部材１１０および工具装着部材１３０を含
むラム４５の下端部周辺の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の工作機械における工具Ｔの加工軌跡の
例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…マシニングセンタ ２…工作機械本体 ３９…自動工具交換装置 ４５…ラム ７０…発電機 ８０…電動機 ９０…主軸 １１０…旋回部材 １３０…工具装着部材 １５０…電動機 １６０，１７０…サーボモータ ２５０…ＮＣ装置

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】支持部と、 前記支持部に所定の旋回軸を中心に旋回可能に保持され
    た旋回部と、 前記旋回部に保持され、先端に工具が着脱される主軸を
    回転自在に保持し、かつ、当該主軸を駆動する電動機を
    備えた工具装着部と、 前記旋回部に設けられ、前記電動機に使用される電力を
    発電する発電機と、 前記支持部に設けられ、前記発電機に動力を供給する動
    力源とを少なくとも有する工作機械。
  2. 【請求項２】前記動力源は、前記支持部に内蔵された電
    動機であり、当該電動機の出力軸と前記発電機の入力軸
    は連結され、かつ、当該出力軸および入力軸は、前記旋
    回部の旋回軸と同心となっている請求項１に記載の工作
    機械。
  3. 【請求項３】前記工具装着部は、所定の旋回軸を中心に
    旋回可能に前記旋回部に保持されている請求項１または
    ２に記載の工作機械。
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