JP2014083672A - マシニングセンタの主軸駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな駆動機構によって高出力化が可能となり、低速回転域から高速回転域まで全回転域に渡って最適なトルク／出力特性が得られると共に、高精度・低振動の主軸回転が可能なマシニングセンタの主軸駆動装置を提供する。
【解決手段】主軸１の軸線上に配置され、主軸１を直接駆動する第１駆動モータ２と、主軸１の軸線と平行に配置され、減速ギア機構６を介して主軸１を駆動する第２駆動モータ４と、第１駆動モータ２及び第２駆動モータ４の回転速度を制御して異なる減速比の各駆動モータ２，４の出力を協調させ、第１駆動モータ２と第２駆動モータ４とを同時に駆動する制御装置１０と、を有し、減速ギア機構６は、主軸１に固設されたスピンドルギア８と、シフト機構によってスピンドルギア８に噛合又は離脱するシフトギア７と、を備えたマシニングセンタの主軸駆動装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、２台の駆動モータで主軸を回転駆動するマシニングセンタの主軸駆動装置に関する。

マシニングセンタは、切削工具を把持した主軸が回転することで、テーブル上に固定された被加工物を切削し、所望の形状に加工する。このマシニングセンタに要求される性能は、主に加工精度と切削能力であり、加工精度とは形状精度や加工面粗さであり、切削能力とは単位時間当たりの切削量である。これらの性能を満たすために、マシニングセンタの主要ユニットである主軸には、加工精度という面から高回転精度・低振動が要求され、切削能力という面から高剛性・高速回転・高出力（高トルク）が要求される。

主軸を回転駆動する駆動モータは、一般的に誘導電動機であり、図４及び図５に示すように、ある回転数から低回転になるにつれて出力が低下する。そのため、駆動モータの出力を有効に使うためには、ギアなどによって構成される減速機が必要であった。近年は、モータの技術が向上して低速回転域まで出力が出せるようになってきており、減速機を使用せずに主軸と駆動モータを直接カップリングで締結したり、主軸に直接ロータとステータを組み込んだりする方式が一般的となってきている。このことは、主軸の高回転化にも寄与し、ギアの噛合いによる振動が無いため高精度の回転にも適している。

出願人は、ギアによって構成される減速機を駆動する低速回転用駆動モータと、主軸とカップリングにより直結された高速回転用駆動モータの二つの駆動モータを備え、低速回転用駆動モータと高速回転用駆動モータとを切り換えて主軸を回転駆動するマシニングセンタの主軸駆動装置を開発した（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の主軸駆動装置は、低速回転域での高トルクが必要な粗加工時には、減速機の出力軸と主軸をシフターギアで接続し、低速回転用駆動モータによる高トルク・重切削が可能となる。このとき、高速回転用駆動モータは、主軸の回転を受けて回されている。一方、仕上加工時には、シフターギアを主軸から外し、高速回転用駆動モータで主軸を直接回転駆動することにより、ギアの噛合いによる振動のない高精度な回転と高速回転が得られる。このとき、低速回転用駆動モータは停止している。また、低速回転域においても、シフターギアを主軸から外し、高速回転用駆動モータで主軸を直接回転駆動することにより、仕上加工に必要な高精度・低振動の回転が得られる。

実開平２−６１５４１号公報

近年は、航空機エンジンの関連部品に代表される耐熱合金（難削材）を効率よく切削加工するニーズが高まってきており、従来に比べてさらに高トルクの主軸駆動装置が求められている。この要求に対して、現状は、モータの性能向上の他、減速機の最適化や、高出力モータの採用により対応している。しかし、高出力モータは、モータの大型化を招くために、設置スペースに制約のあるマシニングセンタの主軸駆動装置において、高出力化を困難としている。また、主軸ユニットは、通常コラム内に組み込まれており、高出力化に伴う駆動モータの大型化によって、コラム内の空間を大きく確保する必要が生じ、コラムの剛性低下につながるという課題があった。

そこで、本発明は、コンパクトな駆動機構によって高出力化が可能となり、低速回転域から高速回転域まで全回転域に渡って最適なトルク／出力特性が得られると共に、高精度・低振動の主軸回転が可能なマシニングセンタの主軸駆動装置を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するために、工具が装着される主軸を回転駆動するマシニングセンタの主軸駆動装置であって、前記主軸の軸線上に配置され、前記主軸を直接駆動する第１駆動モータと、前記主軸の軸線と平行に配置され、減速ギア機構を介して前記主軸を駆動する第２駆動モータと、前記第１駆動モータ及び前記第２駆動モータの回転速度を制御して異なる減速比の各駆動モータの出力を協調させ、前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを同時に駆動する制御装置と、を有し、前記減速ギア機構は、前記主軸に固設されたスピンドルギアと、シフト機構によって前記スピンドルギアに噛合又は離脱するシフトギアと、を備えたマシニングセンタの主軸駆動装置を提供するものである。

また、本発明のマシニングセンタの主軸駆動装置は、前記シフトギアが、粗加工時には前記スピンドルギアに噛合し、仕上加工時には前記スピンドルギアから離脱することを特徴とする。

また、本発明のマシニングセンタの主軸駆動装置は、前記第１駆動モータは高速回転域までトルクが大きい高速回転用駆動モータであり、前記第２駆動モータは低速回転域でのトルクが大きい低速回転用駆動モータであることを特徴とする。

本発明は、工具が装着される主軸を回転駆動するマシニングセンタの主軸駆動装置であって、前記主軸の軸線上に配置され、前記主軸を直接駆動する第１駆動モータと、前記主軸の軸線と平行に配置され、減速ギア機構を介して前記主軸を駆動する第２駆動モータと、前記第１駆動モータ及び前記第２駆動モータの回転速度を制御して異なる減速比の各駆動モータの出力を協調させ、前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを同時に駆動する制御装置と、を有し、前記減速ギア機構は、前記主軸に固設されたスピンドルギアと、シフト機構によって前記スピンドルギアに噛合又は離脱するシフトギアと、を備えた構成を有することにより、異なる減速比の各駆動モータの出力を協調させて第１駆動モータと第２駆動モータとを同時に駆動させて高出力化を図ることができ、１台の高出力型モータによって駆動するよりもコンパクトな駆動機構によって高出力化が可能となり、主軸ユニットが組み込まれるコラムも小型化できるから、コラムの剛性を維持しつつ高出力化が可能になる効果がある。

また、低速回転域では、シフトギアをスピンドルギアに噛合させることにより、減速ギア機構を介して主軸を駆動する第２駆動モータによって高トルクが得られると共に、第１駆動モータのトルクも加わって高トルク・重切削が可能となる。一方、高速回転域では、シフトギアをスピンドルギアから離脱させることにより、主軸と減速ギア機構（スピンドルギア以外の部分）とが切り離され、主軸を直接駆動する第１駆動モータによって、ギアの噛合いによる振動のない高精度な回転と高速回転が得られる。このように、本発明のマシニングセンタの主軸駆動装置は、低速回転域から高速回転域まで全回転域に渡って最適なトルク／出力特性が得られると共に、高精度・低振動の主軸回転も可能になる効果がある。

また、本発明のマシニングセンタの主軸駆動装置は、前記シフトギアが、粗加工時には前記スピンドルギアに噛合し、仕上加工時には前記スピンドルギアから離脱することにより、高トルクが必要な粗加工時には、第２駆動モータの駆動力が減速ギア機構を介して主軸に伝達され、主軸を直接駆動する第１駆動モータとこの第２駆動モータの出力を制御装置によって協調させて、高トルク・重切削が可能となる。一方、仕上加工時には、主軸と減速ギア機構（スピンドルギア以外の部分）とが切り離され、主軸は第１駆動モータのみによって直接駆動されるから、ギアの噛合いによる振動のない高精度な回転と高速回転が得られる。よって、本発明のマシニングセンタの主軸駆動装置は、粗加工時の高出力（高トルク）化と、仕上加工時の高回転精度・低振動性を共に向上することができる効果がある。

また、本発明のマシニングセンタの主軸駆動装置は、前記第１駆動モータは高速回転域までトルクが大きい高速回転用駆動モータであり、前記第２駆動モータは低速回転域でのトルクが大きい低速回転用駆動モータであることにより、低速回転域での粗加工時には更に大きなトルクが得られ、耐熱合金（難削材）であっても効率よく切削加工することができる。また、仕上加工時には更に高速回転が可能になり、高精度且つ高速回転によって、加工精度と切削能力を向上させることができる効果がある。

本発明に係るマシニングセンタの主軸駆動装置の一実施例を示す構成図。 その主軸駆動装置の出力特性を示す図。 その主軸駆動装置のトルク特性を示す図。 従来の低速回転用駆動モータのトルク／出力特性を示す図。 従来の高速回転用駆動モータのトルク／出力特性を示す図。

本発明の実施の形態を図示する実施例に基づいて説明する。
本発明に係るマシニングセンタの主軸駆動装置は、工具が装着される主軸１を回転駆動するものであり、前記主軸１の軸線上に配置され、前記主軸１を直接駆動する第１駆動モータ２と、前記主軸１の軸線と平行に配置され、減速ギア機構６を介して前記主軸１を駆動する第２駆動モータ４と、前記第１駆動モータ２及び前記第２駆動モータ４の回転速度を制御して異なる減速比の各駆動モータ２，４の出力を協調させ、前記第１駆動モータ２と前記第２駆動モータ４とを同時に駆動する制御装置１０と、を有し、前記減速ギア機構６は、前記主軸１に固設されたスピンドルギア８と、シフト機構によって前記スピンドルギア８に噛合又は離脱するシフトギア７と、を備えたことを特徴とする。

図１は、本発明に係るマシニングセンタの主軸駆動装置の一実施例を示す構成図である。図１に示す実施例において、主軸（スピンドルシャフト）１は、ボールベアリングなどの軸受２１でスピンドルヘッド（図示しない）に回転自在に支持されている。主軸１の後端部には、カップリング３を介して第１駆動モータ２が直結されている。

また、主軸１には、スピンドルギア８が固設されている。減速ギア機構６は、このスピンドルギア８と、シフト機構（図示しない）によってスピンドルギア８に噛合又は離脱するシフトギア７と、３段に減速する減速ギア群と、を有している。第２駆動モータ４は、カップリング５を介してこの減速ギア機構６に連結されており、第２駆動モータ４の回転は減速ギア機構６を介して減速されて（トルクが増大されて）主軸１に伝達される。なお、図示の減速ギア機構６は、減速ギア群によって第２駆動モータ４の回転を３段に減速しているが、ギア数や減速比は任意である。

減速ギア機構６を構成する減速ギア群は、ボールベアリングなどの軸受２２でギアケーシング（図示しない）に回転自在に支持されている。シフトギア７は、ボールベアリングなどの軸受２３でギアケーシングに回転自在に支持されると共に、シフト機構によって軸方向に移動してスピンドルギア８に噛合又は離脱するように構成してある。シフト機構には、油圧シリンダやエアシリンダの他、ソレノイドなどを用いることができる。

実施例において、第１駆動モータ２は高速回転域までトルクが大きい高速回転用駆動モータであり、第２駆動モータ４は低速回転域でのトルクが大きい低速回転用駆動モータである。第２駆動モータ４の駆動力は、減速ギア機構６を介して更にトルクが増大されて、主軸１に伝達される。

図１において、１０は制御装置であり、第１駆動モータ２及び第２駆動モータ４に信号線１１及び動力線１２を介して接続されている。信号線１１は、第１駆動モータ２及び第２駆動モータ４において検出される回転速度などの検出データを制御装置１０に伝達する。制御装置１０は、第１駆動モータ２及び第２駆動モータ４の回転速度などの検出データを比較して、各駆動モータの回転速度が適正になるように供給電力を制御し、動力線１２を介して第１駆動モータ２及び第２駆動モータ４に電力を供給する。

粗加工時には、図１に示すように、シフトギア７がスピンドルギア８に噛合し、制御装置１０は、第１駆動モータ２及び第２駆動モータ４の回転速度を制御して異なる減速比の各駆動モータの出力を協調させ、第１駆動モータ２と第２駆動モータ４とを同時に駆動する。したがって、粗加工時には、図２及び図３に示すように、減速ギア機構６を介して主軸１を駆動する低速回転用の第２駆動モータ４の出力（図中の破線）に、主軸１を直接駆動する第１駆動モータ２の出力（図中の一点鎖線）が加わって、高出力・高トルクの駆動力（図中の実線）が得られる。

仕上加工時には、シフト機構によってシフトギア７をスピンドルギア８から離脱させることにより、主軸１と減速ギア機構６の減速ギア群とが切り離され、主軸１は高速回転用の第１駆動モータ２のみによって直接駆動されるから、ギアの噛合いによる振動のない高精度な回転と高速回転が得られる。

一般的な駆動モータは、図４及び図５に示すように、ある回転数から低回転になるにつれて出力が低下する。図５に示す高速回転用の駆動モータは、高速回転域（２０００ｒｐｍ以上）では一定の出力を有するが、低速回転域（２０００ｒｐｍ以下）でのトルクが細く、低回転になるにつれて出力が低下する。これに対し、図４に示す低回転用の駆動モータは、低速回転域（１０００ｒｐｍ以下）でのトルクが太く、回転数１０００ｒｐｍで最高出力を得られるが、高速回転域（２０００ｒｐｍ以上）では急速にトルクが細り、高回転になるにつれて出力も低下する。

近年は、従来に比べてさらに高トルクの主軸駆動装置が求められているが、駆動モータの高トルク化を図ると駆動モータが大型になり、このことは高速化を困難としている。また、駆動モータの大型化は、コスト高になると共にコラムの剛性低下につながって加工精度も低下する。

本発明のマシニングセンタの主軸駆動装置は、上述のとおり、第１駆動モータ２及び第２駆動モータ４の回転速度を制御して異なる減速比の各駆動モータの出力を協調させることにより、コンパクトな駆動機構によって飛躍的な高出力化が可能となり、高出力機であっても主軸ユニットが組み込まれるコラムを小型化できる。すなわち、本発明のマシニングセンタの主軸駆動装置は、コラムの剛性を維持しつつ高出力化を図れるから、粗加工時には充分な高トルク・重切削が可能となると共に、仕上加工時には高精度・低振動の主軸回転が可能になった。

１ 主軸
２ 第１駆動モータ
３ カップリング
４ 第２駆動モータ
５ カップリング
６ 減速ギア機構
７ シフトギア
８ スピンドルギア
１０ 制御装置
１１ 信号線
１２ 動力線
２１，２２，２３ 軸受

Claims (3)

1. 工具が装着される主軸を回転駆動するマシニングセンタの主軸駆動装置であって、
   前記主軸の軸線上に配置され、前記主軸を直接駆動する第１駆動モータと、
   前記主軸の軸線と平行に配置され、減速ギア機構を介して前記主軸を駆動する第２駆動モータと、
   前記第１駆動モータ及び前記第２駆動モータの回転速度を制御して異なる減速比の各駆動モータの出力を協調させ、前記第１駆動モータと前記第２駆動モータとを同時に駆動する制御装置と、を有し、
   前記減速ギア機構は、前記主軸に固設されたスピンドルギアと、シフト機構によって前記スピンドルギアに噛合又は離脱するシフトギアと、を備えたマシニングセンタの主軸駆動装置。
2. 前記シフトギアが、粗加工時には前記スピンドルギアに噛合し、仕上加工時には前記スピンドルギアから離脱する請求項１に記載のマシニングセンタの主軸駆動装置。
3. 前記第１駆動モータは高速回転域までトルクが大きい高速回転用駆動モータであり、前記第２駆動モータは低速回転域でのトルクが大きい低速回転用駆動モータである請求項１又は２に記載のマシニングセンタの主軸駆動装置。

Images