JP2005335057A

JP2005335057A - 変速装置

Info

Publication number: JP2005335057A
Application number: JP2005143014A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kato; 孝一加藤; Yasunari Kato; 康徳加藤
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: JP4036871B2

Abstract

【課題】発熱や製造コストを抑制しつつ変速できる変速装置を提供する。
【解決手段】変速装置６１は、主軸４６の回転によって発電する同期発電機７０と、同期発電機７０の発電する電力によって回転駆動される誘導電動機８０と、電動機８０の出力軸８１に連結され、工具が装着される回転軸９０と、発電機７０、電動機８０及び回転軸９０を保持するケース６５と、を有し、発電機７０、電動機８０及び回転軸９０は主軸４６の長手方向に沿って配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は変速装置に関する。

たとえば、マシニングセンタ等の工具を回転させる主軸を備えた工作機械では、主軸の最大回転速度は主軸を回転自在に保持するメインベアリングの構造や潤滑方式によって決定されるため、この最大回転速度より増速した回転速度で工具を回転させたい場合には、たとえば、増速装置を用いている。
増速装置としては、たとえば、工具を保持し主軸に着脱可能となっており、主軸の回転力を遊星歯車機構等の歯車機構によって増速して工具の回転速度を増速させるものが知られている。
たとえば、マシニングセンタにおいて、一時的に主軸の最大回転速度よりも工具の回転速度を増速させたい場合には、上記のような増速装置を主軸に対して自動工具交換装置によって通常の工具と同様に装着し、工具を高い回転速度で回転させている。

ところで、上記のような歯車機構による増速装置によって工具を主軸の回転速度よりも増速する場合に、数万回転〜数十万回転の超高速回転させると、増速装置の発熱が増大し、加工精度に影響することがある。また、数万回転〜数十万回転の超高速回転では、増速装置からの騒音も増大する。さらに、増速装置は、たとえば、数万回転〜数十万回転の回転に耐えうる信頼性を必要とするため、比較的製造コストが上昇するという不利益も存在した。
また、他の増速方法として、主軸を駆動するモータに高周波モータを使用し、この高周波モータに特別に用意された制御装置から駆動電流を供給し、主軸を高速回転させる方法が採られる場合がある、しかしながら、この方法では、工具交換を通常の工具と同様に行うことが難しく、また、設備コストが比較的高いという不利益が存在する。

本発明の目的は、発熱や製造コストを抑制しつつ変速できる変速装置を提供することにある。

本発明の第１の観点の変速装置は、第１の回転軸の回転によって発電する同期発電機と、前記同期発電機の発電する電力によって回転駆動される誘導電動機と、前記電動機の出力軸に連結され、作業ユニットが装着される第２の回転軸と、前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸を保持するケースと、を有し、前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸は前記第１の回転軸の長手方向に沿って配置されている。

好適には、前記第１の回転軸に装着され、前記発電機の入力軸に連結される装着部を更に備え、前記装着部、前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸は前記第１の回転軸の長手方向に沿って配置されている。

好適には、前記ケースは、前記装着部を回転自在に保持する第１のケース部材と、前記発電機及び前記電動機を回転不可能に保持する第２のケース部材と、前記第２の回転軸を回転自在に保持する第３のケース部材と、前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材を連結する締結手段と、を有する。

好適には、前記発電機は、三相同期発電機であり、前記電動機は、三相誘導電動機である。

本発明の第２の観点の変速装置は、第１の回転軸の回転によって発電する直流発電機と、前記直流発電機の発電する電力によって回転駆動される直流電動機と、前記電動機の出力軸に連結され、作業ユニットが装着される第２の回転軸と、前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸を保持するケースと、を有し、前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸は前記第１の回転軸の長手方向に沿って配置されている。

本発明では、第１の回転軸を回転すると、発電機が発電する。発電機の発電した電力は、電動機に供給され、この電動機によって工具等の作業ユニットが駆動される。この発電機と電動機の特性に応じて作業ユニットの回転速度は第１の回転軸の回転速度に対して変速する。
このように、本発明では、歯車機構等の機械的な伝達要素を使用せず、第１の回転軸に対する作業ユニットの回転速度を変速するため、発熱が少なく、また、低コスト化が可能になる。
たとえば、発電機に三相同期発電機を用いると、第１の回転軸の回転によりこの三相同期発電機の発生する誘起電圧の周波数は第１の回転軸の回転速度に比例する。一方、電動機に三相誘導電動機を用いると、この三相誘導電動機の回転速度は供給される電圧の周波数に略比例する。このため、発電機に三相同期発電機、電動機に三相誘導電動機を用いることで、主軸の回転速度に対する作業ユニットの回転速度の変速比を容易に制御することができる。
さらに、三相同期発電機および三相同期発電機の極数を適宜選択することで、主軸の回転速度に対する工具の回転速度の増速比または減速比を任意に設定することができる。

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、本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
図１においてマシニングセンタ１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。

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４５のＹ軸方向の移動および位置決めが行われる。

さらに、サドル４４には、鉛直方向に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。

ラム４５内には、主軸モータ３１が内蔵され、この主軸モータ３１はラム４５に回転自在に保持された主軸（第１の回転軸）４６を回転駆動する。
主軸４６の先端には、エンドミルなどの工具Ｔが装着され主軸４６の回転によって工具Ｔが駆動される。
ラム４５の下方には、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。

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、主軸４６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工具ホルダによって保持された各種工具Ｔを収納しており、主軸４６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を主軸４６に工具交換アームによって装着する。

ＮＣ装置５１は、上記のサーボモータ１８，１９，２０、クロスレール昇降用モータ３２および主軸モータ３１の駆動制御を行う。
ＮＣ装置５１は、具体的には、予めＮＣプログラムで規定されたワークの加工手順にしたがって、サーボモータ１８，１９，２０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５１は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｓコードで規定された主軸３１の回転速度を解読することにより主軸４６の回転速度の制御を行う。
さらに、ＮＣ装置５１は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｍコードで規定れた工具Ｔの交換を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。

図２は、本発明の工具の変速装置の一実施形態の構成を示す断面図である。
図２に示す工具の変速装置６１は、上記の主軸４６の先端に装着されることにより本発明の変速手段を構成する。
変速装置６１は、装着部６２と、ケース部材６６，６７および６８からなるケース６５と、三相同期発電機７０と、三相誘導電動機８０とを備えている。
ここで、装着部６２は本発明の装着部の一具体例に対応しており、ケース６５は本発明のケースの一具体例に対応しており、三相同期発電機７０は本発明の発電機の一具体例に対応しており、三相誘導電動機８０は本発明の電動機に一具体例に対応している。

装着部６２は、把持される把持部６２ａと、上記の主軸４６の先端部に形成されたテーパスリーブ４６ａに装着されるテーパシャンク部６２ｂと、このテーパシャンク部６２ｂの先端部に形成されたクランプ部６２ｃと、ケース部材６６に回転自在に保持される軸部６２ｄとを備えている。

この装着部６２の把持部６２ａは、上記した自動工具交換装置３９の工具交換アームによって、自動工具交換装置３９のマガジンから主軸４６に装着される際および主軸４６から自動工具交換装置３９のマガジンへ搬送される際に把持される。

装着部６２のテーパシャンク部６２ｂは、主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることによって、中心軸が主軸４６の中心軸と同心になる。

装着部６２のクランプ部６２ｃは、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されると、主軸４６に内蔵された図示しないクランプ機構によってクランプされる。なお、主軸４６に内蔵されたクランプ機構は周知技術であるので詳細については省略する。

装着部６２の軸部６２ｄは、ケース部材６６の内周に複数の転がり軸受７２を介して回転自在に保持されている。

ケース部材６７の内周には、保持部材７３を介して三相同期発電機７０および三相誘導電動機８０が保持されている。
三相同期発電機７０は、入力軸７１が装着部６２の軸部６２ｄと同心に連結されており、この三相同期発電機７０には主軸４６の回転力が装着部６２を介して入力される。

三相誘導電動機８０は、図示しない３本の導電ケーブルによって、三相同期発電機７０で発電された三相交流が供給される。三相誘導電動機８０は、三相同期発電機７０から供給される電力によって駆動する。
この三相誘導電動機８０の出力軸８１は、カップリング８７によって回転軸（第２の回転軸）９０に連結されている。

回転軸９０は、ケース部材６８の内周に複数の転がり軸受９２を介して回転自在に保持されている。
回転軸９０の先端側は、ケース部材６８に抜け止め部材９４によって抜け止めされている。
また、回転軸９０の先端部には、上記した工具が装着される工具装着部９５が設けられている。この工具装着部９５に、たとえば、ドリル等の工具が保持されている。

一方、ケース部材６６、６７および６８は、たとえば、ボルト等の締結手段によって連結されており、これらケース部材６６、６７および６８がケース６５を構成している。
ケース部材６６の外周には、回り止め部材８５が設けられている。この回り止め部材８５は本発明の回転規制部材の一具体例に対応している。
回り止め部材８５は、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることにより、主軸４６側の、たとえば、ラム４５等の非回転部４７に形成された嵌合穴４７ａに先端８５ａが挿入される。
これにより、ケース部材６６、すなわち、ケース６６は、主軸４６が回転しても回転が規制される。

ここで、上記構成の変速装置６１の動作の一例について説明する。
自動工具交換装置３９によって、工具装着部９５に工具を保持した変速装置６１をマシニングセンタ１の主軸４６に装着すると、変速装置６１は、回り止め部材８５の先端部８５ａが非回転部４７の嵌合穴４７ａに嵌合挿入され、ケース６５の回転が規制される。

この状態から、主軸４６を回転速度Ｎ_０で回転させると、変速装置６１の装着部６２が回転し、主軸４６の回転力が三相同期発電機７０に伝達される。
これにより、三相同期発電機７０は三相交流を発電する。

三相同期発電機７０の発生する三相交流の周波数ｆは、三相同期発電機７０の極数をＰ_１とし、主軸４６の回転速度をＮ_０〔ｒｐｍ〕とすると、次式（１）によって表される。

〔数１〕
ｆ＝Ｐ_１×Ｎ_０／１２０〔Ｈｚ〕 …（１）

したがって、主軸４６を回転速度Ｎ_０で回転すると、上記（１）式で表される周波数ｆの三相交流電力が三相誘導電動機８０に供給される。

ここで、三相誘導電動機８０の極数がＰ_２とすると、三相誘導電動機８０は３相交流の１サイクルで２／Ｐ_２回転することから、三相誘導電動機８０の同期速度Ｎ_１は、次式（２）で表される。

〔数２〕
Ｎ_１＝１２０×ｆ／Ｐ_２〔ｒｐｍ〕 …（２）

したがって、主軸４６の回転速度Ｎ_０に対する工具の回転速度Ｎ_１は次式（３）によって表される。

〔数３〕
Ｎ_１＝Ｎ_０×Ｐ_１／Ｐ_２〔ｒｐｍ〕 …（３）

（３）式からわかるように、主軸４６の回転速度Ｎ_０は、上記（３）式で表される回転速度Ｎ_１に変速される。
（３）式で示すように、三相同期発電機７０の極数Ｐ_１と三相誘導電動機８０の極数Ｐ_２との比を適宜設定することにより、主軸４６の回転速度Ｎ_０に対する工具の回転速度Ｎ_１の変速比を任意に設定することが分かる。
すなわち、主軸４６の回転速度Ｎ_０を増速したい場合には、極数比Ｐ_１／Ｐ_２を１より大きくし、減速したい場合には、極数比Ｐ_１／Ｐ_２を１より小さくなるように、三相同期発電機７０の極数Ｐ_１および三相誘導電動機８０の極数Ｐ_２を予め選択すればよい。

次に、上記変速装置６１を用いた工具の駆動方法について説明する。
たとえば、上記のマシニングセンタ１の主軸４６の最大回転速度Ｎmax が３０００ｒｐｍであるとすると、通常の工具を用いたワークの加工では、主軸４６の回転速度は上記の最大回転速度Ｎmax の範囲で十分である場合が多い。
一方、主軸４６の最大回転速度Ｎmax が３０００ｒｐｍのマシニングセンタ１を使用し、たとえば、ワークにアルミニウム合金材を用いてこれを高速加工したい場合には、工具の回転速度を、たとえば、３００００ｒｐｍに増速させたいような場合がある。
このような場合のために、マシニングセンタ１の自動工具交換装置３９のマガジンに工具装着部９５に保持した変速装置６１を予め収容しておく。なお、変速装置６１は、増速比が１０となるように、上記の極数比Ｐ_１／Ｐ_２が１０である三相同期発電機７０および三相誘導電動機８０を内蔵させる。

自動工具交換装置３９によって、主軸４６に通常の工具と同様に変速装置６１を自動装着する。
主軸４６を主軸モータ３１を駆動して回転させるが、変速装置６１に保持された工具の回転速度は、主軸４６の回転速度によって制御する。すなわち、ＮＣ装置５１にダウンロードするＮＣプログラムにおいて、主軸４６の回転速度をＳコードで指定することにより、変速装置６１に保持された工具の回転速度を規定しておく。
たとえば、変速装置６１に保持された工具を３００００ｒｐｍで回転させたい場合には、ＮＣプログラムにおいてＳコードで主軸４６の回転速度を３０００ｒｐｍに指定しておく。

主軸４６を３０００ｒｐｍで回転させると、三相同期発電機７０は主軸４６の回転速度および極数Ｐ_１に応じた周波数の三相交流を発生する。
三相誘導電動機８０は、三相同期発電機７０から供給される三相交流によって駆動され、変速装置６１に保持された工具は、略３００００ｒｐｍの回転速度で回転する。
これにより、主軸の最大回転速度Ｎmax が制限されるマシニングセンタ１を使用し、ワークにアルミニウム合金材を用いても、高速加工が可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、通常の工具と同様にユニット化された変速装置６１に三相同期発電機７０および三相誘導電動機８０を内蔵し、三相同期発電機７０で発生した電力で三相誘導電動機８０を駆動することで、主軸４６に対する工具の回転速度を増速させるため、主軸４６を高速回転させても歯車装置のように発熱が増大せず、加工精度の低下が抑制される。
また、本実施形態では、三相同期発電機７０および三相誘導電動機８０を用いて変速するため、歯車装置等の伝達機構を用いるよりも低コスト化が可能である。

また、本実施形態によれば、主軸４６の回転速度を増速させる変速装置６１を主軸４６に対して着脱自在とし、かつ、自動工具交換装置３９によって通常の工具と同様に交換可能となっているため、工具によって通常の回転速度の範囲の加工を行いながら、工具を高速回転させる要求に対して即座に対応することができる。
また、本実施形態によれば、主軸４６の回転によって発電した電力によって工具を駆動するため、外部から駆動電流を供給する必要がなく、この結果、電源供給のための結線が必要ない。

さらに、本実施形態では、発電機として三相同期発電機７０を用い、電動機として三相誘導電動機８０を用いる構成としているため、変速装置６１に保持される工具の回転速度を主軸４６の回転速度によって容易に制御可能となる。すなわち、三相同期発電機７０は主軸４６の回転速度に正確に比例した周波数の電圧を発生し、三相誘導電動機８０はこの周波数に比例した回転速度で工具を駆動することから、主軸４６の回転速度および三相同期発電機７０と三相誘導電動機８０との極数比により工具の回転速度を容易にかつ正確に制御できる。
また、三相誘導電動機８０にはロータの回転位置を検出するための位置検出素子が必要ないため、ＮＣ装置５１から変速装置６１に対して配線が必要なく、変速装置６１を完全に独立化することができ、通常の工具と全く同様に取り扱うことが可能になる。

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、アルミニウム合金材の高速加工への適用の場合について説明したが、本発明は主軸４６の回転速度を増速させる必要がある加工であればいずれにも適用可能である。
また、上述した実施形態では、主軸４６の回転速度を増速させる場合について説明したが、主軸４６の回転速度を減速させる場合にも適用可能である。この場合には、主軸４６よりも大きなトルクを工具に作用させることができる。

また、上述した実施形態では、発電機として三相同期発電機７０を用い、電動機として三相誘導電動機８０を用いる場合について説明したが、たとえば、直流発電機と直流電動機との組合せによって主軸４６の回転速度を変速する構成を採用することも可能である。すなわち、直流電動機の回転速度は、直流発電機から供給される電圧や負荷によって決定されるため、主軸４６の回転速度から工具の回転数を直接的に制御するのは難しいが、予め直流電動機および直流発電機の出力特性や負荷特性について測定しておくことにより、直流発電機と直流電動機との組合せによって主軸４６の回転速度を一定の増速比または減速比で変速することは可能である。また、他の種類の発電機および電動機を使用することも可能である。
なお、上述した実施形態では、発電機で発生した電力で直接電動機を駆動する構成としたが、例えば、電動機の回転速度を可変速制御するように、発電機で発生した電力の電動機への供給を制御する制御回路を変速装置に備える構成とすることも可能である。

本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。本発明の変速装置の一実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１…マシニングセンタ
３１…主軸モータ
３９…自動工具交換装置
４６…主軸
５１…ＮＣ装置
６１…変速装置
６２…装着部
６５…ケース
６６，６７，６８…ケース部材
７０…三相同期発電機
７１…入力軸
８０…三相誘導電動機
８１…出力軸
９５…工具装着部

Claims

第１の回転軸の回転によって発電する同期発電機と、
前記同期発電機の発電する電力によって回転駆動される誘導電動機と、
前記電動機の出力軸に連結され、作業ユニットが装着される第２の回転軸と、
前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸を保持するケースと、
を有し、
前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸は前記第１の回転軸の長手方向に沿って配置されている
変速装置。
前記第１の回転軸に装着され、前記発電機の入力軸に連結される装着部を更に備え、
前記装着部、前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸は前記第１の回転軸の長手方向に沿って配置されている
請求項１に記載の変速装置。
前記ケースは、
前記装着部を回転自在に保持する第１のケース部材と、
前記発電機及び前記電動機を回転不可能に保持する第２のケース部材と、
前記第２の回転軸を回転自在に保持する第３のケース部材と、
前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材を連結する締結手段と、
を有する請求項２に記載の変速装置。
前記発電機は、三相同期発電機であり、
前記電動機は、三相誘導電動機である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の変速装置。
第１の回転軸の回転によって発電する直流発電機と、
前記直流発電機の発電する電力によって回転駆動される直流電動機と、
前記電動機の出力軸に連結され、作業ユニットが装着される第２の回転軸と、
前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸を保持するケースと、
を有し、
前記発電機、前記電動機及び前記第２の回転軸は前記第１の回転軸の長手方向に沿って配置されている
変速装置。