JP2009208166A

JP2009208166A - 工作機械の主軸装置

Info

Publication number: JP2009208166A
Application number: JP2008051126A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Tateno; 茂信立野
Original assignee: Komatsu NTC Ltd
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】構造を簡素化して、部品点数を低減し、製造及び組付作業を容易に行うことができるとともに、主軸の回転速度を減速から増速まで無段階に調節することができる工作機械の主軸装置を提供する。
【解決手段】主軸頭１１の内部に筒体１２を収容固定し、該筒体１２の内部に軸受１３を介して主軸１４を回転可能に支持する。前記主軸頭１１の後端部にハウジング１８を膨出形成し、該ハウジング１８の後端面に取付基板１９を介して駆動モータ２０を装着する。該駆動モータ２０の出力軸２１の前端部と、前記主軸１４の後端部との間にトロイダル型無段変速機２２を介装する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸装置に係り、詳しくは主軸の回転速度を調節することができるトロイダル型変速機を備えた主軸装置に関する。

工作機械の主軸装置として、次のようなものが提案されている。この主軸装置は円筒状に形成された主軸頭の内周面に対し軸受を介して主軸を回転可能に支持するとともに、主軸頭の後端部に駆動モータを固着し、該モータの出力軸と、前記主軸の後端部との間に歯車変速機構を介在している。そして、前記歯車変速機構のシフトレバーを切り替え操作することにより主軸の回転速度を段階的に変更するようになっていた。

ところが、上記従来の主軸装置は、駆動モータの出力軸、歯車変速機及び主軸を収容する専用のハウジングが必要になるので、内部構造が複雑になって、部品点数が多くなり、製造及び組付作業を容易に行うことができないという問題があった。又、従来の主軸装置は、駆動モータの出力軸の軸線と、主軸の軸線とをオフセットさせる必要があるので、設計の自由度が低下するという問題があった。さらに、従来の主軸装置は、シフトレバーを操作して主軸の回転速度を段階的に変化させることはできるが、主軸の回転速度を無段階に調節することができないという問題もあった。加えて、従来の主軸装置は、歯車変速機構によって主軸が低速度で回転される場合には、歯車変速機の減速比が大きくなって、主軸の回転トルクが弱くなるという問題もあった。

本発明は、上記従来の技術に存す問題点を解消して、構造を簡素化して、部品点数を低減し、製造及び組付作業を容易に行うことができるとともに、主軸の回転速度を減速から増速まで無段階に調節することができる工作機械の主軸装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、主軸頭の内部に軸受を介して主軸を回転可能に支持し、主軸頭の後端部に前記主軸を回転する駆動モータを固着し、該駆動モータの出力軸の前端部と前記主軸の後端部との間にトロイダル型変速機を介在したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記トロイダル型変速機は、前記主軸の後端部外周面に相対回転可能に嵌合され、前記駆動モータの出力軸により回転される入力ディスクと、同じく主軸の後端寄り外周面に相対回転不能に嵌合固定された出力ディスクと、前記入力ディスク及び出力ディスクの間に介在された一対のパワーローラと、該パワーローラの傾斜角を変更する傾斜角変更機構と、前記出力軸と前記入力ディスクとの間に介在され、かつ入力ディスクを前記パワーローラに押圧する与圧手段とにより構成されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記与圧手段は、前記駆動モータの出力軸の前端部に連結された回転ディスクと、該回転ディスクと、前記入力ディスクとの間に介在された付勢手段とにより構成され、前記回転ディスクと入力ディスクとの間には、該入力ディスクの軸方向の移動を許容し、かつ前記回転ディスクと入力ディスクとを同期回転させる軸方向移動許容機構が設けられていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記付勢手段は、前記回転ディスクと入力ディスクとの間に介在した皿バネであることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記駆動モータの出力軸、トロイダル型変速機及び主軸の軸心には、主軸に装着された工具ホルダに流体を供給するための流体通路が形成されていることを要旨とする。

本発明によれば、該駆動モータの出力軸の前端部と前記主軸の後端部との間にトロイダル型変速機を介在したことにより、構造を簡素化して、部品点数を低減し、製造及び組付作業を容易に行うことができる。又、主軸の回転速度を減速から増速まで無段階に調節することができる。

以下、本発明を具体化した工作機械の主軸装置の一実施形態を図面にしたがって説明する。
主軸装置の円筒状をなす主軸頭１１の内周面には筒体１２が嵌入固定され、該筒体１２の内周面には軸受１３を介して主軸１４が回転可能に支持されている。前記主軸１４の中心穴１４ａの前部には、工具ホルダクランプユニット１５が装着され、該工具ホルダクランプユニット１５のユニット本体１６の先端部には工具ホルダ１７が取り外し可能に装着されるようになっている。

前記主軸頭１１の後端部にはハウジング１８が一体に膨出形成され、該ハウジング１８の後端部には取付基板１９を介して駆動モータ２０が取り付けられている。該駆動モータ２０の出力軸２１の先端部と、前記主軸１４の後端部１４ｂとの間には、ハーフトロイダル型無段変速機２２が介装されている。以下、このハーフトロイダル型無段変速機２２について説明する。

前記出力軸２１の先端部には回転ディスク２３が前記出力軸２１と同期回転可能に嵌合固定されている。前記主軸１４の後端部１４ｂの外周面にはニードルベアリング２４を介してトロイド曲面２５ａを有する入力ディスク２５が主軸１４と相対回転可能に、かつ主軸１４の軸線方向の往復動可能に嵌装されている。該入力ディスク２５の外周面２５ｂには、図３に示すように係合溝２５ｃが複数箇所（この実施形態では４箇所）に形成されている。一方、前記回転ディスク２３の外周部に一体に前方に指向するように形成されたフランジ部２３ａの内周面には、前記係合溝２５ｃに係合される係合突条２３ｂが一体的に、かつ前記主軸１４の軸線と平行に複数箇所に形成されている。そして、前記回転ディスク２３が回転されると、係合突条２３ｂと係合溝２５ｃとの係合により入力ディスク２５が回転されるとともに、前記主軸１４の後端部１４ｂの外周面における前記入力ディスク２５の軸方向の移動が許容されるようになっている。この実施形態では前記回転ディスク２３の係合突条２３ｂと入力ディスク２５の係合溝２５ｃとによって入力ディスク２５の軸方向移動許容機構２６が構成されている。

前記主軸１４の後端部１４ｂの外周面には前記入力ディスク２５と対向するようにトロイド曲面２７ａを有する出力ディスク２７がキー２８によって主軸１４と同期回転可能に、かつ主軸１４の軸線方向の移動不能に嵌合固定されている。前記入力ディスク２５と出力ディスク２７の間には前記両トロイド曲面２５ａ，２７ａに摩擦係合する一対のパワーローラ２９が介在されている。前記入力ディスク２５、出力ディスク２７及びパワーローラ２９等によってトロイダル変速部が構成されている。前記回転ディスク２３の前面と、入力ディスク２５の背面との間には付勢手段としての皿バネ３０が介在され、該皿バネ３０により前記入力ディスク２５が前方に押圧されて、該入力ディスク２５のトロイド曲面２５ａが前記パワーローラ２９の外周面に押圧され、前記トロイダル変速部の摩擦係合力が確保されるようになっている。この実施形態では前記回転ディスク２３、入力ディスク２５及び皿バネ３０によって与圧手段が構成されている。前記パワーローラ２９は自身の回転軸線３１の周りで回転自在となっており、前記回転軸線３１に直交する傾転軸３２の周りで傾転運動可能となっている。

図１に示すハウジング１８の内部には、図示しないが動力伝達用のオイルが貯留されており、前記入力ディスク２５の回転運動がパワーローラ２９を介して出力ディスク２７に円滑に伝達されるようになっている。

次に、図２を中心に前記パワーローラ２９の傾斜角変更機構について説明する。以下に述べる傾斜角変更機構は、例えば特開平９−２６９０４０号公報或いは特開２００２−２６６９６７号公報に開示されたトロイダル無段変速機の傾斜角変更機構の構造と同様のものである。

前記両パワーローラ２９は、トラニオン３３に固定された回転支持軸３４によって回転自在に支持されている。前記回転支持軸３４は両端の軸中心が変心しており、一端３５によりパワーローラ２９が回転自在に支持され、他端３６が前記トラニオン３３に支持されている。前記回転支持軸３４はトラニオン３３に回転可能に支持されているので、パワーローラ２９がトラニオン３３に対して首振り運動をして入力及び出力ディスク２５，２７の弾性変形による軸方向の変位を吸収することが可能である。

前記トラニオン３３は前記ハウジング１８に回動可能に、かつ主軸１４の軸方向に移動可能に支持されている。前記トラニオン３３は傾転軸３２を備え、傾転軸３２の軸方向に移動し、かつ傾転軸３２を中心として回動可能である。前記トラニオン３３の傾転軸３２にはピストン３７が設けられ、該ピストン３７は前記ハウジング１８に形成された油圧シリンダ３８内を摺動可能に設けられている。前記油圧シリンダ３８内には前記ピストン３７によって区画された増速側シリンダ室３９Ｂと減速側シリンダ室３９Ａが形成されている。前記増速側シリンダ室３９Ｂに油圧が供給されると、増速側に変速し、減速側シリンダ室３９Ａに油圧が供給されると、減速側に変速する。

前記二つの減速側シリンダ室３９Ａは、油路４０Ａによって連通され、該油路４０Ａはスプール弁４１のＡポートに連通され、二つの増速側シリンダ室３９Ｂは油路４０Ｂによって連通され、該油路４０Ｂはスプール弁４１のＢポートに連通されている。前記スプール弁４１内にはスプール４２が摺動自在に配設されており、スプール４２は軸方向両端に配置されたスプリング４３によって中立位置に保持されている。スプール弁４１は一端にＳＡポートが形成され、他端にＳＢポートが形成されており、ＳＡポートにはソレノイド弁４４Ａを介してパイロット圧が供給され、ＳＢポートにはソレノイド弁４４Ｂを介してパイロット圧が供給される。又、スプール弁４１はライン圧（油圧源）に連結されるＬＰポート、油路４０Ａを介して前記減速側シリンダ室３９Ａに連結されるＡポート、油路４０Ｂを介して増速側シリンダ室３９Ｂへ連結されるＢポート、タンクへ連結されるＴポートを備えている。ソレノイド弁４４Ａ，４４Ｂはコントローラ４５から出力された制御信号に応じて作動するように構成されており、該制御信号を受けて前記ソレノイド弁４４Ａ，４４Ｂはスプール４２を軸方向に変位させる。

前記トラニオン３３の傾転軸３２の先端にはプリセスカム４６が連結されており、中央部を軸支されたレバー４７の一端がプリセスカム４６に当接され、レバー４７の他端がポテンショメータ４８に接続されている。このポテンショメータ４８はトラニオン３３の傾転軸３２の軸方向変位及び傾転角度を合成変位量として検出し、検出信号をコントローラ４５に入力するものである。前記コントローラ４５には前記主軸１４の回転位相角を検出するための位相角センサ４９からの検出信号が入力されるようになっている。前記コントローラ４５は前記位相角センサ４９からの検出信号に基づいて前記ソレノイド弁４４Ａ，４４Ｂに制御信号を送るようになっている。

次に、前記工具ホルダクランプユニット１５によってクランプされた工具ホルダ１７にワークの加工中にクーラントを供給するためのクーラント供給機構について説明する。
図１及び図５に示すように、前記工具ホルダクランプユニット１５のユニット本体１６の内部にはクランプ機構５１が設けられ、前記工具ホルダクランプユニット１５の後端部には付勢機構５２が設けられ、この付勢機構５２の後端部には、クランプ解除機構５３が設けられている。

前記クランプ機構５１は前記ユニット本体１６の内部に収容された一対のクランプ爪５４と、該クランプ爪５４をクランプ位置とアンクランプ位置に切換可能なスライダ５５と、該スライダ５５の後端部に連結されたドローイングバー５６と、前記ドローイングバー５６の後端部の外周面に嵌合固定されたバネ受部材５７と、前記ユニット本体１６の後端面と前記バネ受部材５７との間に介在された皿バネ５８とを備えている。そして、前記皿バネ５８によって前記スライダ５５及びドローイングバー５６が後方向に移動されると、前記クランプ爪５４によって工具ホルダ１７のテーパシャンク部１７a の先端部に設けたプルスタッド部１７ｂがクランプされ、前記ドローイングバー５６が皿バネ５８の勢力に抗して前方に移動されると、クランプ爪５４によるプルスタッド部１７ｂのクランプ状態が解除されるようになっている。

前記クランプ解除機構５３は、前記主軸１４の中心穴１４ａ内に収容され、かつ前記バネ受部材５７の後端面に接触された作動部材６１と、この作動部材６１及び前記主軸１４の内外を貫通するように半径方向に貫通支持された作動ピン６２と、前記主軸頭１１の内周面に装着され、前記作動ピン６２を前方に移動することにより、作動部材６１を前方に移動し、ドローイングバー５６を前方に移動して、工具ホルダ１７のプルスタッド部１７ｂのクランプを解除することができるピストン６３とを備えている。

前記出力軸２１の中心部にはクーラント通路２１ａが貫通形成され、出力軸２１の後端部は駆動モータ２０のハウジングから後方向に突出され、図示しないクーラント供給装置から配管を介してクーラントがクーラント通路２１ａ内に供給されるようになっている。前記出力軸２１の前端部にはパイプ６４の後半部が挿入固定され、該パイプ６４の前端部は前記主軸１４の後端部に形成された挿入孔１４ｃに対し主軸１４の回転が許容されるように挿入されている。前記主軸１４の後部の中心部にはクーラント通路１４ｄが形成され、このクーラント通路１４ｄの前端部にはパイプ６５の後端部が挿入固定されている。前記作動部材６１及び作動ピン６２の中心部にはパイプ６６が貫通支持され、該パイプ６６の後端部には、前記パイプ６５の前端部が挿入され、前記作動部材６１の軸方向の移動が許容されるようになっている。前記ドローイングバー５６の中心部にはクーラント通路５６ａが形成され、このクーラント通路５６ａの後端部には前記パイプ６６の前端部が挿入されている。前記スライダ５５の中心部にはクーラント通路５５ａが形成され、このクーラント通路５５ａの後端部は前記ドローイングバー５６のクーラント通路５６ａに連通されている。前記スライダ５５のクーラント通路５５ａの内部にはノズル６７が収容され、ノズル６７の先端部が前記工具ホルダ１７のプルスタッド部１７ｂのクーラント通路１７ｃに接離可能に支持されている。

従って、前記駆動モータ２０の出力軸２１のクーラント通路２１ａに図示しないクーラント供給装置からクーラントが供給されると、前記パイプ６４、主軸１４の挿入孔１４ｃ、パイプ６５及びパイプ６６を通して、スライダ５５のクーラント通路５５ａに供給され、さらに、スライダ５５のクーラント通路５５ａ及びノズル６７を通して工具ホルダ１７のクーラント通路１７ｃにクーラントが供給され、工具ホルダ１７に保持された工具によって加工されるワークの加工部にクーラントが供給される。

次に、前記トロイダル型無段変速機２２の動作について説明する。
図１は主軸装置の工具ホルダクランプユニット１５のクランプ機構５１によって工具ホルダ１７がクランプされ、駆動モータ２０が停止された状態にある。この状態において、前記駆動モータ２０が起動されると、出力軸２１が回転され、この回転運動が回転ディスク２３を介して入力ディスク２５に伝達される。この入力ディスク２５の回転運動によって前記パワーローラ２９が回転され、その回転が出力ディスク２７に伝達され、この出力ディスク２７の回転によって主軸１４が回転され、主軸１４の先端部に工具ホルダ１７を介して取り付けられたドリルなどの工具によってワークに例えば穴開け作業などの加工が行われる。

通常、前記トラニオン３３は入力ディスク２５及び出力ディスク２７の回転軸線と、パワーローラ２９の回転中心が交差する位置、即ちトロイダル変速部の変速比が１の中立位置に保持されている。変速はトラニオン３３を中立位置から傾転軸３２の軸方向に変位させることによって行われる。トルク伝達中に、トラニオン３３が傾転軸３２方向に変位すると、それに伴ってトラニオン３３がその変位方向と変位量に応じた向きと速さで傾転軸３２回りに傾転し、入力ディスク２５とパワーローラ２９との摩擦接触点が描く半径と、出力ディスク２７とパワーローラ２９との摩擦接触点が描く半径との比が変化することによって無段変速が行われる。

前記パワーローラ２９の傾転はコントローラ４５によって次のようにして行われる。最初にコントローラ４５はポテンショメータ４８で検出したトラニオン３３の合成変位量から実際の変速比を算出し、目標変速比と変速比との偏差に応じてトラニオン３３の目標変位を設定し、ソレノイド弁４４Ａ，４４Ｂへ制御信号出力する。これによって、ソレノイド弁４４Ａ，４４Ｂからスプール弁４１の両端に油圧ＳＢ，ＳＡが供給される。その際、スプール弁４１に供給される油圧ＳＢと、油圧ＳＡの関係がＳＡ＜ＳＢである場合には、スプール４２は図１において左側へシフトし、油路４０ＢはＰＬポートを介して圧力源へ連通し、油路４０ＡはＴポートを介してタンクへ連通して、油路４０Ｂの圧力が油路４０Ａの圧力よりも大きくなる。その結果、減速及び増速側シリンダ室３９Ａ，３９Ｂの圧力差により図２に示したトロイダル変速部における右側のトラニオン３３は下方へ変位し、左側のトラニオン３３は上方へ変位する。この変位に伴ってトラニオン３３は傾転軸３２を中心とし、その回りに傾転し、増速側へ変速動作が開始される。（図４は前記パワーローラ２９が減速側に傾斜した状態であるが、逆の傾斜になると増速側となる）そして、実際の変速比が目標変速比に近づくように、コントローラ４５によってフィードバック制御が行われる。実際の変速比が目標変速比に近づくにつれて、トラニオン３３の目標変位はゼロに近づき、実際の変速比が目標変速比に一致した時には、トラニオン３３の目標変位はゼロとなって、パワーローラ２９は中立位置に戻り、変速動作が終了する。

上記実施形態の工作機械の主軸装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、前記主軸１４の後端部と駆動モータ２０の出力軸２１との間にトロイダル型無段変速機２２を介在したので、変速機構の構造を簡素化して、部品点数を低減し、製造及び組付作業を容易に行うことができるとともに、主軸１４の回転速度を無段階に調節することができる。

（２）上記実施形態では、主軸１４の軸線、駆動モータ２０の軸線及びトロイダル型無段変速機２２の軸線を同一直線上に配置することができ、設計の自由度を向上することができる。

（３）上記実施形態では、トロイダル型無段変速機２２を用いたので、シフトレバーを備えた歯車変速機構を用いる従来の方式と比べて、主軸の回転速度の切り換える動作をリアルタイムで行うことができる。

（４）上記実施形態では、トロイダル型無段変速機２２を用いたので、主軸１４の低速回転領域における主軸１４の回転トルクの増大を図ることができる。即ち、入力及び出力ディスク２５，２７のトロイド曲面２５ａ，２７ａに対するパワーローラ２９の外周面の摩擦係合力は、パワーローラ２９の傾斜角が変化しても同じに保持されるので、出力ディスク２７が低速回転時における回転トルクの低下を低減することができる。

（５）上記実施形態では、回転ディスク２３と入力ディスク２５との間に皿バネ３０を介在し、該皿バネ３０によって入力ディスク２５を前方に押圧することにより、入力及び出力ディスク２５，２７とパワーローラ２９との摩擦係合力を付与するようにしたので、簡単な構造により前記摩擦係合力を確保することができる。

（６）上記実施形態では、駆動モータ２０の出力軸２１の中心部、トロイダル型無段変速機２２の中心部及び主軸１４の中心部に対し、前記工具ホルダ１７のプルスタッド部１７ｂにクーラントを供給するためのクーラント通路を形成したので、加工中のワークに対するクーラントの供給を容易に行うことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図示しないが、図１において、前記主軸１４を支持する軸受１３をアンギュラベアリングにより形成し、油圧シリンダにより前記軸受１３のアウターレースに与圧を付与するようにしてもよい。そして、主軸１４の回転速度の増速時には前記油圧シリンダにより軸受１３に作用する与圧を低下させ、主軸１４の減速時には軸受１３に作用する与圧を上昇するようにしてもよい。この実施形態においては、主軸１４の回転速度に応じ、軸受１３によって主軸１４を安定して支持することができ、主軸１４の増速時あるいは減速時における振動を抑制することができ、ワークの加工精度を向上することができる。

・前記実施形態では、変速機のハウジングの内部に動力伝達用のオイルを貯留するようにしたが、オイルミスト供給装置を用いてトロイダル変速部にオイルミストを供給するようにするとともに、オイルミストをチラーユニットに回収するようにしてもよい。

・前記実施形態ではハーフトロイダル型無段変速機２２を用いたが、前記入力ディスク２５及び出力ディスク２７のトロイド曲面２５ａ，２７ａを主軸１４の軸線から離隔する方向に延長したフルトロイダル型無段変速機を用いてもよい。前者の変速機は、ディスク間のすべり成分を小さく抑えることができるので、伝達効率を向上することが可能となる。又、後者の変速機は、変速比を大きく設定することができるとともに、パワーローラの制御を容易に行うことができる。

この発明を具体化した工作機械の主軸装置の中央部縦断面図。トロイダル型変速機のパワーローラ及びトラニオンの傾動機構を示す断面図。回転ディスクと入力ディスクの連動機構を示す軸方向から見たら正面図。トロイダル型変速機の拡大断面図。主軸の工具クランプ機構を示す拡大縦断面図。

符号の説明

１１…主軸頭、１３…軸受、１４…主軸、１４ｂ…後端部、１４ｄ，１７ｃ，２１ａ，５５ａ，５６ａ…流体通路、１７…工具ホルダ、２０…駆動モータ、２１…出力軸、２３…回転ディスク、２５…入力ディスク、２５ｂ…外周面、２６…軸方向移動許容機構、２７…出力ディスク、２９…パワーローラ、３０，５８…皿バネ。

Claims

主軸頭の内部に軸受を介して主軸を回転可能に支持し、主軸頭の後端部に前記主軸を回転する駆動モータを固着し、該駆動モータの出力軸の前端部と前記主軸の後端部との間にトロイダル型変速機を介在したことを特徴とする工作機械の主軸装置。
請求項１において、前記トロイダル型変速機は、前記主軸の後端部外周面に相対回転可能に嵌合され、前記駆動モータの出力軸により回転される入力ディスクと、同じく主軸の後端寄り外周面に相対回転不能に嵌合固定された出力ディスクと、前記入力ディスク及び出力ディスクの間に介在された一対のパワーローラと、該パワーローラの傾斜角を変更する傾斜角変更機構と、前記出力軸と前記入力ディスクとの間に介在され、かつ入力ディスクを前記パワーローラに押圧する与圧手段とにより構成されていることを特徴とする工作機械の主軸装置。
請求項２において、前記与圧手段は、前記駆動モータの出力軸の前端部に連結された回転ディスクと、該回転ディスクと、前記入力ディスクとの間に介在された付勢手段とにより構成され、前記回転ディスクと入力ディスクとの間には、該入力ディスクの軸方向の移動を許容し、かつ前記回転ディスクと入力ディスクとを同期回転させる軸方向移動許容機構が設けられていることを特徴とする工作機械の主軸装置。
請求項３において、前記付勢手段は、前記回転ディスクと入力ディスクとの間に介在した皿バネであることを特徴とする工作機械の主軸装置。
請求項１〜４のいずれか一項において、前記駆動モータの出力軸、トロイダル型変速機及び主軸の軸心には、主軸に装着された工具ホルダに流体を供給するための流体通路が形成されていることを特徴とする工作機械の主軸装置。