JP2008105146A - 主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転、小型化及びチャッククランプ力の微調整が可能な主軸装置を提供する。
【解決手段】主軸装置は、その一端からその他端に至るまで、その軸線方向に沿って貫通するワーク供給路１３をもつ主軸１と、この主軸１の一端に接続され、ワークＷを把持するチャック部１０と、ワーク供給路１３内に収納され、主軸１の回転に伴って発生するワークＷの振れ回りを防止する振れ止めパイプ７１と、この振れ止めパイプ７１の軸線が主軸１の軸線に一致するように、かつ、当該振れ止めパイプ７１の一端が主軸１の一端から突出してチャック部１０内に位置するように、当該ワーク振れ止めパイプ７１を主軸１の一端において支持するニードルベアリング７２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばコレットを把持するための主軸装置に関する。

従来、主軸装置において、コレットをクランプするための推力を発生させる方式としては、トグルあるいはクランパ等と呼ばれる部材を用いて、コレットを引き込むための機構を構成する方式やコレットを縮径するためにコレットを把持する部材を押し出すための機構を構成する方式（以下、簡単に「トグル式」と呼ぶ。）が提案されている。また、その他にも、皿ばねの付勢力を用いる方式（以下、簡単に「皿ばね式」と呼ぶ。）も提案されている。より具体的には、例えば特許文献１に開示されているようなものが知られている。この特許文献１では、皿ばね式の工作機械の主軸装置が開示されている。
特開２００５−３１９５４０号公報

しかしながら、上述のいずれの方式についても、（１）高速回転が困難、（２）小型化が困難及び（３）チャッククランプ力の微調整が困難という難点がある。

トグル式において、（１）高速回転が困難であるのは、アンクランプ時にトグルがフリーの状態になり、アンバランスになるためである。また（２）小型化が困難であるのは、エアシリンダ等の装置を、主軸のいわば外付けのような形で配置する必要があり、その分、装置を全体的に大型化してしまうためである。さらに、トグル式では、一般に、（３）薄肉のパイプ等を把持すると潰してしまうおそれがあり、チャッククランプ力の微調整が困難とされている。

一方、皿ばね式において、（１）高速回転が困難であるのは、アンクランプ時にピストンの軸受に皿ばねの荷重がかかるためである。また（２）小型化が困難であるのは、十分な推力を得るためには皿ばね自身を比較的長くする必要があるためである。また、ピストン用軸受の存在も小型化にとって問題である。さらに、（３）皿ばねの枚数を減らすなどして、チャッククランプ力を弱めることができるものの、一般に微調整は困難とされている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高速回転、小型化及びチャッククランプ力の微調整が可能な主軸装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る主軸装置は、その一端からその他端に至るまで、その軸線方向に沿って貫通する中空孔をもつ主軸と、前記主軸の一端に接続され、ワークを把持するチャック部と、前記中空孔内に収納され、当該主軸の回転に伴って発生する前記ワークの振れ回りを防止するワーク振れ防止手段と、前記ワーク振れ防止手段の軸線が前記主軸の軸線に一致するように、かつ、当該ワーク振れ防止手段の一端が前記主軸の一端から突出して前記チャック部内に位置するように、当該ワーク振れ防止手段を当該主軸の一端において支持する支持手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の別の観点に係る主軸装置は、その軸線を中心軸として回転する主軸と、前記主軸の一端に接続され、ワークを把持するチャック部と、を備え、前記チャック部は、前記ワークに当接しこれを把持するコレットと、前記主軸の内部を経て供給される所定の加圧流体の圧力を受けて動作するピストンを、その内部に収めるシリンダと、前記コレットに対して、前記ピストンの動作に応じて当該コレットが縮径するための力を与えるコレット把持手段と、を備えることを特徴とする。

また、この本発明の別の観点に係る主軸装置は、前記ピストンは、前記シリンダの内部に少なくとも２つ以上備えられているように構成してもよい。

また、前記の本発明の別の観点に係る主軸装置は、前記主軸の軸線方向に対向するよう臨んだ、前記シリンダ、前記ピストン及び前記コレット把持手段の外形は略円形状の輪郭であり、かつ、該略円形状の輪郭の中心は前記主軸の軸心に一致するように構成してもよい。

また、前記の本発明の別の観点に係る主軸装置は、前記シリンダはアルミニウムを含む材料から構成されているように構成してもよい。

また、前記の本発明の別の観点に係る主軸装置は、前記ピストンへ向けて送り込む前記加圧流体の圧力を調整する加圧流体圧調整手段を備えているように構成してもよい。

以上のように、本発明によれば、第１に、主軸の一端から突出してチャック部内に位置するワーク振れ防止手段があるので、ワークの振れ回りの発生が極力抑制されることになり、高速回転が可能である。第２に、コレットを把持するための各種要素を備えるチャック部が主軸の一端の側にまとめて存在しているため、装置全体の小型化が可能である。第３に、加圧流体圧調整手段が備えられていることから、ピストンの動作を調整することが可能となり、コレットのクランプ力を調整することができる。

以下では、本発明の実施の形態について、図１を参照して説明する。本実施形態に係る主軸装置は、主軸１を中心として、後述する各種要素を備えている。

主軸１は、図１に示すように、略円柱状の形態をもつ。主軸１には、その略円柱形状の内部に、該主軸１の軸線の延びる方向に沿って圧搾空気流路１１及び１２が形成されている。また、主軸１の内部には、同じく、軸線の延びる方向に沿ってワーク供給路１３が形成されている。このワーク供給路１３は特に、その軸線が主軸１の軸線に一致するように配置されている。以上のように、軸線１の内部には、圧搾空気流路１１及び１２、並びにこれらに挟まれるようにして配置されるワーク供給路１３が、それぞれ相互に平行に形成されている。

主軸１は、第１軸受１０２及び第２軸受１０３によって軸支されている。これら第１軸受１０２及び第２軸受１０３は、それぞれ、第１軸受ハウジング１５１及び第２軸受ハウジング１５２によって保持されている。そして、これら第１軸受ハウジング１５１及び第２軸受ハウジング１５２は、主ハウジング１０１に保持されている。
また、主軸１は、電動機１０４のステータが形作る円柱空間に嵌め込められるようにして配置されている。主軸１には前記ステータに対応するようにロータが備えられている。前記の主ハウジング１０１には、この電動機１０４を収納するための空間が形成されている。主軸１には、この電動機１０４によって、その軸線を中心として回転する動力が与えられる。

以下、まず主軸１の図中左端側に位置する構成について説明し、続いて、主軸１の図中右端側に位置する構成について説明する。
主軸１の図中左端側には、該主軸１を収めるための略円柱状の中空部をもつ圧搾空気供給・排出ユニット５０１が備えられている。圧搾空気供給・排出ユニット５０１の内部には、圧搾空気流通管５０２及び５０３が埋め込まれている。圧搾空気流通管５０２及び５０３は、主軸１の外周面に対向する、圧搾空気供給・排出ユニット５０１の前記中空部を形作る内周面と、該ユニット５０１の外周面との間を貫通する。これら圧搾空気流通管５０２及び５０３のうち、一方の圧搾空気流通管５０２には主軸１内の圧搾空気流路１１が、主軸１と一体的な回転継手を介して接続され、他方の圧搾空気流通管５０３には、同様に前記回転継手を介して主軸１内の圧搾空気流路１２が接続される。圧搾空気流通管５０２及び５０３の前記外周面におけるそれぞれの端部開口部５０４及び５０５には、圧搾空気供給装置５２０が接続されている。そして、この圧搾空気供給装置５２０と、端部開口部５０４及び５０５との間には管路が接続されており、該管路にはエア減圧弁５２１及び５２２が備えられている。

また、主軸１の図中左端側には、前記の圧搾空気供給・排出ユニット５０１を図中左側から覆うようにして副ハウジング１０５が備えられている。この副ハウジング１０５の内部には、主軸１内に形成された前記ワーク供給路１３に収められている振れ止めパイプ７１が貫通している。この振れ止めパイプ７１については、後に詳しく説明することにする。なお、本実施形態においては、前述の圧搾空気供給・排出ユニット５０１の図中最左端部の位置は、主軸１の図中最左端部の位置とほぼ一致するようにされている。

続いて、主軸１の図中右端側の構成について説明する。主軸１の図中右端側には、フランジ部２を介して、チャック部１０が接続されている。このチャック部１０は、シリンダ３、ピストン３１１，３２１、円筒部材４、コレット把持部材５及びコレット６等を備えている。

まず、フランジ部２は、図１に示すように、略円板形状をもつ。このフランジ部２は、該フランジ部２の軸線と主軸１の軸線とが一致するように、該主軸１の図中右端部にねじ８１によって接続されている。フランジ部２の内部には、圧搾空気接続路２１及び２２が形成されている。これら圧搾空気接続路２１及び２２は相互に連通していない。このうち圧搾空気接続路２１は、主軸１の内部に形成された前記圧搾空気流路１１に接続されている。また、圧搾空気接続路２２は、圧搾空気流路１２に接続されている（その接続部分は図示されていない。）。

シリンダ３は、図１に示すように前記フランジ部２に接続されており、外形的には略円柱形状をもつ。この略円柱形状の外形をもつシリンダ３は、その内部にピストン３１１及び３２１を収めている。また、このシリンダ３を構成するシリンダ壁の内部には、前述の圧搾空気接続路２２に接続されるシリンダ内空気流路３１及び３２（図中上側参照）、並びに圧搾空気接続路２１に接続されるシリンダ内空気流路３３（図中下側参照）が形成されている。このうちシリンダ内空気流路３１は、ピストン３１１の図中右側の面に接する空間に接続されており、シリンダ内空気流路３２は、ピストン３２１の図中右側の面に接する空間に接続されている。
また、シリンダ内空気流路３３は、ピストン３２１の図中左側の面に接する空間に接続されている。さらに、ピストン３１１の図中左側の面に接する空間には、前述の圧搾空気接続路２１に連通する圧搾空気接続路２３が接続されている。この圧搾空気接続路２３は、他の接続路２１及び２２と同様、フランジ部２の内部に形成されている。
このような構成により、ピストン３１１及び３２１の図中左側又は右側の空間に圧搾空気を送り込むことが可能となっている。いずれの空間に圧搾空気を送り込むかによって、該ピストン３１１及び３２１は、図中左右いずれかの方向に沿った運動を行うことになる。
なお、図１においては、ピストン３１１及び３２１の図中左側の空間に圧搾空気が送り込まれており、これらピストン３１１及び３２１が、図中右側に移動している状態が示されている。

この際、ピストン３１１及びピストン３２１は、図１に示すように相互に接触する部分（ピストン３１１の図中右端面及びピストン３２１の図中左側の段差部分参照）をもっており、一方の運動が他方の運動を助ける場合があり得るようにされている。例えば、ピストン３２１の図中右側の空間に空気が送り込まれれば、該ピストン３２１は図中左側へと移動するが、このピストン３２１の運動に伴って、ピストン３１１には図中左側へと移動する力が加わり得るようになっている。

シリンダ３の図中右端には、略円筒形状をもつ円筒部材４が接続されている。この円筒部材４の中空孔は、前述の主軸１内のワーク供給路１３と連通する。また、この中空孔には略円筒形状をもつコレット把持部材５が嵌装されている。そして、このコレット把持部材５により形作られる空間には、図１に示すようにコレット６が装着される。コレット６は更に、ワークＷを把持する。

前記のコレット把持部材５の動作は、前記のピストン３１１及び３２１の動作に連動している。すなわち、ピストン３１１あるいはピストン３２１が図中右側へと移動する際には、該コレット把持部材５は右側へ動き、閉じる方向に動作する。そして、コレット把持部材５がこのような動作を行うとき、コレット６には該コレット６が縮径する方向へと力が作用することになり、ワークＷは、該コレット６、ないしは、より広く捉えればチャック部１０によって把持されることになる。
また、前記とは逆に、ピストン３１１あるいはピストン３２１が図中左側へと移動する際には、該コレット把持部材５は左側へ動き、開く方向に動作する。そして、コレット把持部材５がこのような動作を行うとき、コレット６は該コレット６自身の弾性力によって自然に拡径する。これにより、ワークＷは、該コレット６、ないしは、より広く捉えればチャック部１０から解放される。

以上、主軸１の図中左端側及び右端側の構成について説明したが、本実施形態では、これら両端にわたって振れ止めパイプ７１が備えられている。この振れ止めパイプ７１は、主軸１内の前記ワーク供給路１３の内部に収められている。

振れ止めパイプ７１の図中最左端の部分７１Ｌ（以下、単に「最左端部分７１Ｌ」という。）は、主軸１の図中最左端から更に図中左側に超えた部分に位置する。つまり、振れ止めパイプ７１は主軸１の最左端部から突出しており、前記副ハウジング１０５に形成された孔部を貫通している。この副ハウジング１０５の孔部が外部と接触する図中左端の開口部は、蓋覆部１１０によって覆われている。これにより、振れ止めパイプ７１の最左端部分７１Ｌも蓋覆部１１０によって覆われ支持されているが、該蓋覆部１１０に形成されたワーク供給口１３Ａが、振れ止めパイプ７１の中空空間に接続されている。ワーク供給口１３Ａの図中左端側には、図示しないバーフィーダが備えられている。バーフィーダは、ワーク供給口１３Ａに向かって、棒状のワークＷを供給する。このようなことから、振れ止めパイプ７１は、ワークＷを供給するための案内孔の役割をももつ。

他方、ワーク供給路１３の図中最右端側（すなわち、主軸１の最右端側）にはニードルベアリング７２が備えられており、振れ止めパイプ７１は、このニードルベアリング７２によって軸支されている。振れ止めパイプ７１の図中最右端の部分７１Ｒ（以下、単に「最右端部分７１Ｒ」という。）は、このニードルベアリング７２の位置する部分から更に図中右側に越えた部分に位置する。この位置は、前記コレット保持部材５の図中最右端の位置に概ね一致する。

次に、上述した構成の主軸装置の動作を説明する。
まず、コレット６を把持するための動作を説明する。この場合、コレット把持部材５を閉じる方向に動作させる必要があるから、ピストン３１１及びピストン３２１を、図中右側へと移動する必要がある。したがって、かかる場合においては、圧搾空気供給・排出ユニット５０１内の圧搾空気流通管５０２に圧搾空気を送り込む。すると、この圧搾空気は、当該圧搾空気流通管５０２以下、圧搾空気流路１１、圧搾空気接続路２１及び２３、シリンダ内空気流路３３を経て、最終的に、ピストン３１１及び３２１の図中左側の空間に至る。これにより、ピストン３１１及び３２１は図中左側の空間から圧力を受けて、図中右側へと移動する。そして、このピストン３１１及び３２１の図中右側への移動に伴って、コレット把持部材５が図中右側の方向へと移動することになる。これにより、コレット６は把持され、これと同時にワークＷもまた把持されることになる。
なお、この際、圧搾空気供給装置５２０から延びる管路においては、エア減圧弁５２１及び５２２が備えられているため、これらエア減圧弁５２１及び５２２によって、送り込まれる圧搾空気の圧力を調整することにより、コレット６、あるいはワークＷをクランプする力を適度に調整することが可能である。

他方、コレット６を解放するための動作は上に述べたのと逆になる。すなわち、かかる場合においては、圧搾空気供給・排出ユニット５０１内の圧搾空気流通管５０３に圧搾空気を送り込む。すると、この圧搾空気は、当該圧搾空気流通管５０３以下、圧搾空気流路１２、圧搾空気接続路２２、シリンダ内空気流路３１及び３２を経て、最終的に、ピストン３１１及び３２１の図中右側の空間に至る。これにより、ピストン３１１及び３２１は図中右側の空間から圧力を受けて、図中左側へと移動する。そして、このピストン３１１及び３２１の図中左側への移動に伴って、コレット把持部材５が図中左側の方向へと移動することになる。これにより、コレット６は解放され、これと同時にワークＷもまた解放されることになる。

以上のような構成をもつ、本実施形態の主軸装置によれば、次のような効果が奏される。
まず、第１に、高速回転が可能である。これは、主軸１の回転に関わる機構が基本的に円柱、円板形状の形態をもつ要素から構成されているからである。この点、トグル式では、トグルそれ自体が、仮に円周方向に等間隔で配置されたとしても、質量配置のアンバランスを主軸周囲に生じさせ、よって高速回転が困難であること、また、アンクランプ状態ではトグルががたつく状態となるためバランスを保つことが困難となり、やはり高速回転が困難であること等と比較すると、本実施形態は極めて有利である。
また、本実施形態によれば、クランプ時、アンクランプ時の双方で軸受に負荷がかからないため、いずれの状態でも高速回転が可能である。この点、皿ばね式では、アンクランプ時にピストンの軸受に皿ばね荷重がかかるため高速回転が困難であることと比較すると、本実施形態は極めて有利である。

第２に、本実施形態に係る主軸装置によれば、コレット６を把持するための機構を構成するシリンダ３並びにピストン３１１及び３２１が、当該コレット６の近傍に存在する（図１に示すように、シリンダ３、ピストン３１１及び３２１、コレット把持部材５、コレット６等は、すべて主軸１の図中右端側にまとめて配置されている。）。そのため、装置全体を小型化することが可能となっている。この効果は特に、トグル式及び皿ばね式の主軸装置と比較すると、より明瞭となる。すなわち、トグル式では、いわば外付けとなる、エアシリンダ、該エアシリンダに接続されるレバー等の部材が必要であることから小型化が困難であり、また皿ばね式では、皿ばね自身の長さが比較的大きくなってしまって小型化が困難である。これらと比較すると、本実施形態は極めて有利である。
なお、コレット６の近傍にシリンダ３並びにピストン３１１及び３２１が存在するということは、力の伝達が効率的に行われることを意味し、この点でも、本実施形態は特有の効果を奏するということができる。

第３に、本実施形態に係る主軸装置によれば、コレット６ないしワークＷのクランプ力の微調整が容易にできる。これは、図１を参照して説明したように、圧搾空気供給装置５２０と、端部開口部５０４及び５０５との間を結ぶ管路にエア減圧弁５２１及び５２２が備えられているためである。この点についても、トグル式では、薄肉ワークの把持が困難であること、また皿ばね式でも、皿ばねの付勢力調整が困難であることと比較すると、本実施形態は極めて有利である。

さらに第４に、本実施形態の主軸装置は、振れ止めパイプ７１を支えるニードルベアリング７２を備えることによって、該振れ止めパイプ７１を比較的長くすることができ、その結果、該振れ止めパイプ７１の先端部分（図１でいえば、図中最右端部分７１Ｒ）を、ワークＷをコレット６が把持する部分に近づけることができる。したがって、ワークＷの振れ回りの発生を極めて効果的に防止することができる。
また、本実施形態においては特に、振れ止めパイプ７１は、図１に示すようにコレット把持部材５の長さ全体を殆どカバーするように存在するから、当該コレット把持部材５、あるいはワークＷの振動を減少することができる。
以上により結局、本実施形態の主軸装置によれば、より精密、正確な加工を実施することができる。また、上述のように、ワークＷの振れ回りの発生を極力防止し、コレット把持部材５の振動を効果的に抑制する、振れ止めパイプ７１の存在は、主軸１の高速回転を実現する上で大きな貢献をもなし得る。

加えて、第５に、コレット６を把持するための機構を構成するシリンダ３の内部には、２つのピストン３１１及び３２１が備えられていることから、仮にピストンが１つしか存在しない場合に比べると、圧搾空気による力を受け止めるピストンの断面積の大きさは明らかに増大している。したがって、本実施形態では、コレット６を把持するための推力の増大が図られている。
また、２つのピストン３１１及び３２１を備えることで、十分な推力を発生させることができるから、シリンダ３の外径は小さくすることができ、チャック部１０全体のイナーシャを小さくすることができる。したがって、主軸１を加速あるいは減速する際の応答速度を速くすることができ、高速回転することができる。これはもちろん、装置全体の小型化にも貢献する。
なお、シリンダ３を、例えばアルミニウム合金等の比重の小さい材料から構成すれば、前述の主軸１の加減速応答速度を更に高めることができ、また高速回転にも大きく資する。

さらに加えて、第６に、本実施形態の主軸装置では、図１を参照して説明したように、主軸１に圧搾空気流路１１及び１２が形成されているとともに、圧搾空気供給・排出ユニット５０１が備えられており、回転継手と主軸１とが一体化されている。したがって、従来用いられている、いわゆるエアーチューブは必要でなくなり、その分装置構成の簡略化、安価化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施形態にかかわらず、種々の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態では、圧搾空気がピストン３１１及び３２１の動力源となっているが、一般に加圧流体であればよい。例えば、ピストン３１１及び３２１を油圧駆動とするが如くである。
また、加圧流体の圧力を適切な値にできれば、ピストンは１つでもよい。

本発明の実施形態に係る主軸装置の断面図である。

符号の説明

１ 主軸
１１，１２ 圧搾空気流路
２ フランジ部
２１，２２，２３ 圧搾空気接続路
３ シリンダ
３１１，３２１ ピストン
３１，３２，３３ シリンダ内空気流路
４ 円筒部材
５ コレット把持部材
６ コレット
１０ チャック部
７１ 振れ止めパイプ
７１Ｒ 振れ止めパイプの最右端部分
７１Ｌ 振れ止めパイプの最左端部分
７２ ニードルベアリング
１０２，１０３ 軸受
１０４ 電動機
１０５ 副ハウジング
５０１ 圧搾空気供給・排出ユニット
５０２，５０３ 圧搾空気流通管
５２０ 圧搾空気供給装置
５２１，５２２ エア減圧弁
Ｗ ワーク

Claims (6)

1. その一端からその他端に至るまで、その軸線方向に沿って貫通する中空孔をもつ主軸と、
   前記主軸の一端に接続され、ワークを把持するチャック部と、
   前記中空孔内に収納され、前記主軸の回転に伴って発生する前記ワークの振れ回りを防止するワーク振れ防止手段と、
   前記ワーク振れ防止手段の軸線が前記主軸の軸線に一致するように、かつ、当該ワーク振れ防止手段の一端が前記主軸の一端から突出して前記チャック部内に位置するように、当該ワーク振れ防止手段を当該主軸の一端において支持する支持手段と、
   を備えることを特徴とする主軸装置。
2. その軸線を中心軸として回転する主軸と、
   前記主軸の一端に接続され、ワークを把持するチャック部と、を備え、
   前記チャック部は、
   前記ワークに当接しこれを把持するコレットと、
   前記主軸の内部を経て供給される所定の加圧流体の圧力を受けて動作するピストンを、その内部に収めるシリンダと、
   前記コレットに対して、前記ピストンの動作に応じて当該コレットが縮径するための力を与えるコレット把持手段と、
   を備えることを特徴とする主軸装置。
3. 前記ピストンは、前記シリンダの内部に少なくとも２つ以上備えられていることを特徴とする請求項２に記載の主軸装置。
4. 前記主軸の軸線方向に対向するよう臨んだ、前記シリンダ、前記ピストン及び前記コレット把持手段の外形は略円形状の輪郭であり、かつ、
   該略円形状の輪郭の中心は前記主軸の軸心に一致することを特徴とする請求項２又は３に記載の主軸装置。
5. 前記シリンダはアルミニウムを含む材料から構成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の主軸装置。
6. 前記ピストンへ向けて送り込む前記加圧流体の圧力を調整する加圧流体圧調整手段を備えていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の主軸装置。

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