JP3232133B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工作機械の主軸装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、工作機械の主軸装置においては、
主軸ヘッドに主軸が回転可能に支持され、主軸の先端の
保持穴には工具ホルダが着脱可能に装着され、主軸内に
はクランプロッドが進退移動可能に挿通支持されてい
る。そして、主軸内には重ね皿バネが設けられ、通常は
この皿バネによりクランプロッドがクランプ方向に移動
付勢されて、工具ホルダがクランプされる。また、クラ
ンプロッドが皿バネの付勢力に抗して移動されたとき、
工具ホルダがアンクランプされるようになっている。

【０００３】ところが、近年では軸受や潤滑手段の改良
により、主軸の回転速度が高速化されているが、前記の
ように主軸内にアンバランス状態を生じやすい重ね皿バ
ネが設けられていると、皿バネのアンバランス状態によ
り、主軸の高速回転時に振動が発生しやすくなる。この
ため、主軸の回転速度の上限が振動を発生しない範囲に
制限されるという問題があった。

【０００４】このような問題点を解消するため、前記重
ね皿バネに代えて、主軸の基端部にシリンダを設け、こ
のシリンダ内のピストンによりクランプロッドを進退移
動させて、工具ホルダをクランプ及びアンクランプする
ことが考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成した場合、シリンダに対する圧力流体の供給が
停止したり、圧力流体の圧力が低下したりすると、工具
ホルダのクランプに必要なクランプ力をシリンダによっ
て確保できなくなる。このため、工具ホルダが主軸の保
持穴から外れてしまい、特に高速回転時には、この工具
ホルダの脱落が重大な事故に繋がるという問題があっ
た。

【０００６】また、従来の主軸装置においては、駆動用
モータのモータ軸が軸継手を介して主軸の基端に連結さ
れていた。このため、前記のように重ね皿バネを省略し
て、そのアンバランス状態による振動の発生を抑制して
も、駆動用モータの高速回転時の振動が、モータ軸から
軸継手を介して主軸に直接伝達され、高い回転精度を得
ることができないという問題があった。

【０００７】この発明は、このような従来の技術に存在
する問題点に着目してなされたものであって、その目的
とするところは、主軸の高速回転時の振動を抑制して、
高い回転精度を確保することができると共に、工具ホル
ダを主軸にクランプするためのシリンダの圧力が低下あ
るいはゼロになった場合でも、工具ホルダが主軸から外
れることがなく、工具ホルダの脱落で重大な事故を招く
おそれを未然に防止することができる主軸装置を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明では、主軸ヘッドに主軸を
回転可能に支持すると共に、駆動用モータのモータ軸を
主軸の基端に連結し、主軸の先端の保持穴には工具ホル
ダを着脱可能に装着し、主軸内には工具ホルダをクラン
プ及びアンクランプするためのクランプロッドを進退移
動可能に挿通してなる主軸装置において、前記主軸の基
端には工具ホルダをクランプするクランプ用シリンダを
設け、クランプロッドの基端にはクランプ用シリンダ内
に収容されるピストンを設け、クランプ用シリンダとピ
ストンとの間には主軸の回転時の遠心力によって変位移
動する係止体を備えることで前記クランプロッドがアン
クランプ方向へ移動するのを防止するアンクランプ防止
機構を設け、前記主軸とモータ軸とは圧力流体を介して
回転力を伝達する静圧カップリングを介して連結された
ものである。

【０００９】また、請求項２に記載の発明では、前記主
軸ヘッド内にはシリンダ及び静圧カップリングに圧力流
体を分岐供給するための流体供給路を設けたものであ
る。

【００１０】

【作用】上記のように構成された主軸装置において、主
軸の保持穴に工具ホルダが装着された状態で、シリンダ
内に圧力流体が供給されると、クランプロッドがクラン
プ方向に移動されて、工具ホルダが主軸にクランプされ
る。この状態で駆動用モータが回転されると、静圧カッ
プリングを介して主軸が回転駆動され、工具ホルダが高
速回転される。このとき、アンクランプ防止機構の例え
ば係止体が遠心力によりピストンとシリンダとの間に位
置される。

【００１１】このため、圧力流体の供給装置が停止した
り、圧力流体の配管系で漏れが発生したりして、シリン
ダの圧力が低下あるいはゼロになった場合でも、工具ホ
ルダが主軸から外れることはなく、工具ホルダの脱落で
重大な事故を招くおそれを未然に防止することができ
る。

【００１２】

【実施例】以下、この発明を具体化した主軸装置の一実
施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

【００１３】図２に示すように、主軸ヘッド１は中空筒
状に形成され、その内部には円筒状の主軸２が複数の軸
受３を介して回転可能に支持されている。テーパ状の保
持穴４は主軸２の先端に形成され、この保持穴４には工
具ホルダ５が着脱可能に装着される。駆動用モータ６は
主軸ヘッド１上に装設され、モータケーシング７、ステ
ータ８、ロータ９及びモータ軸１０から構成されてる。
静圧カップリング１１はモータ軸１０と主軸２との対向
端部間に設けられ、モータ軸１０の回転がこの静圧カッ
プリング１１を介して主軸２に伝達される。

【００１４】クランプロッド１２は主軸２内に進退移動
可能に挿通支持され、その先端と工具ホルダ５との間に
はプルスタッド式のクランプ機構１３が設けられてい
る。このクランプ機構１３は、クランプロッド１２の支
持孔に収容された複数のクランプボール１４と、そのク
ランプボール１４と係合するように工具ホルダ５の基端
に設けられたプルスタッド１５を有している。

【００１５】そして、このクランプ機構１３のクランプ
ボール１４がプルスタッド１５に係合した状態で、クラ
ンプロッド１２がクランプ方向の図示上方へ引かれるこ
とにより、工具ホルダ５が主軸２の保持穴４に装着され
た状態でクランプされる。又、クランプロッド１２がア
ンクランプ方向の図示下方へ移動されることにより、ク
ランプボール１４がプルスタッド１５から離脱して、工
具ホルダ５がクランプ状態から解除される。

【００１６】図１〜図５に示すように、クランプ用シリ
ンダ１６は前記主軸２の基端に一体に形成され、その上
面が開口されている。クランプ用ピストン１７はシリン
ダ１６内に収容されるようにクランプロッド１２の基端
に一体に形成され、その中心にはガイド孔１８が形成さ
れている。ガイドロッド１９はモータ軸１０の下端に突
設され、クランプロッド１２のガイド孔１８内に相対移
動可能に嵌挿されている。

【００１７】図１〜図３に示すように、流体供給路２０
は前記モータ軸１０及びガイドロッド１９の中心に貫通
形成されている。分岐供給路２１はクランプロッド１２
に形成され、流体供給路２０に連通されている。流体供
給口体２２はモータケーシング７の上部に取り付けら
れ、その一端がモータ軸１０の流体供給路２０に連結さ
れている。そして、図示しない圧力流体の供給装置か
ら、この流体供給口体２２を介して流体供給路２０にエ
アまたはオイル等の圧力流体が供給されたとき、その圧
力流体が分岐供給路２１を通してクランプ用シリンダ１
６内の圧力室２３に導入される。これにより、クランプ
用ピストン１７が押し上げられて、クランプロッド１２
がクランプ方向に移動付勢される。

【００１８】図１及び図４に示すように、一対の縦溝２
４は前記クランプ用シリンダ１６の内周面に等間隔をお
いて形成され、軸線方向へ平行に延びるとともに、底面
が斜状をなしている。一対の横溝２５はクランプ用ピス
トン１７の外周面に等間隔をおいて斜状に形成され、そ
の外端が縦溝２４に連結されている。一対の球体よりな
る係止体２６は両溝２４，２５内に半径方向へ移動可能
に収容され、駆動用モータ６により主軸２が高速回転さ
れるとき、この係止体２６が溝２４，２５に沿って半径
方向の外方に変位移動される。この両溝２４，２５及び
係止体２６によりアンクランプ防止機構が構成されてい
る。

【００１９】一対のストップネジ２７は前記クランプロ
ッド１２に調節可能に螺合され、その先端が縦溝２４内
に突出係合することにより、ピストン１７がシリンダ１
６に対して回り止めされている。そして、前記のように
主軸２の回転に伴い、係止体２６が溝２４，２５の外端
に移動されたとき、このストップネジ２７の先端が調節
設定された所定間隙をおいて係止体２６に近接対応する
ようになっている。そのため、圧力流体の供給装置が停
止したり、圧力流体の配管系で漏れが発生したりして、
シリンダ１６の内部圧力が低下あるいはゼロになった場
合でも、この係止体２６とストップネジ２７との係合に
より、クランプロッド１２のアンクランプ方向への移動
が規制される。

【００２０】図１〜図５に示すように、前記静圧カップ
リング１１の凹部２８は主軸２の基端においてクランプ
用ピストン１７の端面に形成され、縦溝２４と直交する
位置で半径方向に延びている。凸部２９は半径方向へ延
びるようにナット３０によりモータ軸１０の下端に取り
付けられ、凹部２８内に所定間隙をおいて嵌合されてい
る。静圧軸受３１は凹部２８と凸部２９との対向する４
つの合わせ面に設けられ、この静圧軸受３１と連通する
ように凸部２９内には分岐供給路３２が形成されてい
る。そして、前記流体供給路２０から分岐供給路３２を
介して静圧軸受３１に圧力流体が供給され、静圧軸受３
１部分の圧力流体の層を介してモータ軸１０から主軸２
に回転力が伝達される。

【００２１】前記凸部２９を嵌合するためにクランプ用
ピストン１７の端面に形成された凹所３３の両側におい
てピストン１７の端面には一対のほぼ半月状の被押圧部
３４が形成されている。アンクランプ用シリンダ３５は
クランプ用シリンダ１６の外側に位置するように、区画
体３６により主軸ヘッド１内に形成されている。アンク
ランプ用ピストン３７はアンクランプ用シリンダ３５内
に移動可能に収容され、その上端にはクランプ用ピスト
ン１７の被押圧部３４に係合可能に対応する一対の押圧
片３８が設けられている。

【００２２】第１供給口３９は前記主軸ヘッド１及び区
画体３６に形成され、アンクランプ用シリンダ３５内の
下部圧力室４０に連通されている。そして、この第１供
給口３９から下部圧力室４０に圧力流体が供給されるこ
とにより、通常はアンクランプ用ピストン３７が押し上
げられて、押圧片３８が被押圧部３４から離間した位置
に保持されている。第２供給口４１はモータケーシング
７に形成され、アンクランプ用シリンダ３５内の上部圧
力室４２に連通されている。そして、主軸２が停止され
た状態で、この第２供給口４１から上部圧力室４２に圧
力流体が供給されることにより、アンクランプ用ピスト
ン３７が押し下げられる。これにより、押圧片３８が被
押圧部３４に係合して、クランプロッド１２がアンクラ
ンプ方向に移動される。

【００２３】図２及び図３に示すように、磁石よりなる
一対の被検出体４３は前記モータ軸１０の下端外周に等
間隔をおいて取り付けられている。磁気センサ４４はモ
ータケーシング７内に配設され、被検出体４３に近接対
応している。そして、駆動用モータ６が停止されると
き、この磁気センサ４４による被検出体４３の検出に基
づいて、クランプ用ピストン１７上の被押圧部３４が押
圧片３８と対応した位置で、主軸２の回転が停止される
ようになっている。

【００２４】次に、前記のように構成された主軸装置に
ついて動作を説明する。さて、主軸２の保持穴４に工具
ホルダ５が装着された状態で、図示しない供給装置から
流体供給口体２２を通して流体供給路２０に圧力流体が
供給されると、その圧力流体は分岐供給路２１を介して
クランプ用シリンダ１６の圧力室２３に導入される。そ
れにより、クランプ用ピストン１７が押し上げられて、
クランプロッド１２がクランプ方向の上方に移動され、
クランプ機構１３により工具ホルダ５が主軸２にクラン
プされる。また、前記流体供給路２０内の圧力流体は分
岐供給路３２を介して静圧カップリング１１の静圧軸受
３１にも導入される。加えて、アンクランプ用シリンダ
３５の下部圧力室４０に圧力流体が供給されて、アンク
ランプ用ピストン３７はその押圧片３８が被押圧部材３
４から離間する方向に移動される。

【００２５】この状態で駆動用モータ６が回転される
と、静圧カップリング１１の静圧軸受３１を介して主軸
２が回転駆動され、工具ホルダ５が高速回転される。こ
のとき、係止体２６が遠心力によりクランプ用ピストン
１７とシリンダ１６との間で、溝２４，２５に沿って半
径方向の外方に変位移動され、ストップネジ２７の先端
に所定間隙をおいて近接対応する。そのため、圧力流体
の供給装置が停止したり、圧力流体の配管系で漏れが発
生したりして、シリンダ１６の内部圧力が低下あるいは
ゼロになった場合でも、この係止体２６とストップネジ
２７との係合により、クランプロッド１２のアンクラン
プ方向への移動が規制される。従って、工具ホルダ５が
主軸２の保持穴４から外れることはなく、工具ホルダ５
の脱落で重大な事故を招くおそれを未然に防止すること
ができる。

【００２６】また、工具ホルダ５の回転により所定の加
工が行われた後、工具ホルダ５を交換する場合には、駆
動用モータ６の回転が停止されると共に、流体供給路２
０への圧力流体の供給が停止される。このとき、磁気セ
ンサ４４による被検出体４３の検出に基づいて、クラン
プ用ピストン１７上の被押圧部３４が押圧片３８と対応
した位置で、主軸２の回転が停止される。そして、この
状態で第２供給口４１からアンクランプ用シリンダ３５
の上部圧力室４２に圧力流体が供給されて、アンクラン
プ用ピストン３７が押し下げられる。これにより、押圧
片３８が被押圧部３４に係合して、クランプロッド１２
がアンクランプ方向の下方に移動され、工具ホルダ５が
クランプ機構１３によるクランプ状態から解除される。

【００２７】また、この実施例の主軸装置においては、
クランプロッド１２をクランプ方向に移動させるための
手段として、重ね皿バネを使用することなく、クランプ
用シリンダ１６及びピストン１７を設けている。そのた
め、主軸２の高速回転時に、皿バネのアンバランス状態
により、振動が発生するおそれはない。さらに、この実
施例の主軸装置では、静圧カップリング１１の静圧軸受
３１を介して、駆動用モータ６のモータ軸１０から主軸
２に回転力が伝達されるようになっている。そのため、
駆動用モータ６の高速回転時の振動が、モータ軸１０か
ら主軸２に直接伝達されることはなく、前記の振動抑制
効果と相俟って、高い回転精度を得ることができる。

【００２８】しかも、この実施例の主軸装置において
は、モータ軸１０及びガイドロッド１９の中心に１つの
流体供給路２０が設けられ、その流体供給路２０に供給
される圧力流体が、分岐供給路２１，３２を通してクラ
ンプ用シリンダ１６及び静圧軸受３１へ導入されるよう
になっている。従って、このシリンダ１６及び静圧軸受
３１への圧力流体の供給構成を簡素化することができ
る。

【００２９】なお、この発明は前記実施例の構成に限定
されるものではなく、この発明の趣旨から逸脱しない範
囲で、次のように変更して具体化することも可能であ
る。 （１）クランプ用シリンダ１６を主軸２と一体に形成す
ることなく別体に形成して、主軸２の基端に固定するこ
と。 （２）クランプ用ピストン１７をクランプロッド１２と
一体に形成することなく別体に形成して、クランプロッ
ド１２の基端に固定すること。 （３）前記実施例とは逆に、静圧カップリング１１の凹
部２８をモータ軸１０側に設け、凸部２９を主軸２側に
設けること。 （４）工具ホルダ５のクランプ機構１３として、前記実
施例のプルスタッド式に代えてコレットチャック式を使
用すること。 （５）この発明を前記実施例の縦型（垂直型）主軸装置
のほかに、横型（水平型）主軸装置に具体化すること。

【００３０】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているため、次のような優れた効果を奏する。

【００３１】請求項１に記載の発明では、主軸の高速回
転時の振動を抑制して、高い回転精度を確保することが
できると共に、工具ホルダを主軸にクランプするための
シリンダの圧力が低下あるいはゼロになった場合でも、
工具ホルダが主軸から外れることがなく、工具ホルダの
脱落で重大な事故を招くおそれを未然に防止することが
できる。

【００３２】また、請求項２に記載の発明では、シリン
ダ及び静圧軸受への圧力流体の供給構成を簡素化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を具体化した主軸装置の一実施例を示
すもので、図３のＡ−Ａ線における部分断面図である。

【図２】その主軸装置の全体を示す縦断面図である。

【図３】同じく主軸装置の一部を拡大して示す部分断面
図である。

【図４】図３のＢ−Ｂ線における部分断面図である。

【図５】シリンダやピストン等の主要構成部分を分解し
て示す斜視図である。

【符号の説明】

１…主軸ヘッド、２…主軸、４…保持穴、５…工具ホル
ダ、６…駆動用モータ、１０…モータ軸、１１…静圧カ
ップリング、１２…クランプロッド、１３…クランプ機
構、１６…クランプ用シリンダ、１７…クランプ用ピス
トン、２０…流体供給路、２１…分岐供給路、２４…縦
溝、２５…横溝、２６…係止体、２７…ストップネジ、
２８…凹部、２９…凸部、３１…静圧軸受、３２…分岐
供給路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸ヘッドに主軸を回転可能に支持する
   と共に、駆動用モータのモータ軸を主軸の基端に連結
   し、主軸の先端の保持穴には工具ホルダを着脱可能に装
   着し、主軸内には工具ホルダをクランプ及びアンクラン
   プするためのクランプロッドを進退移動可能に挿通して
   なる主軸装置において、 前記主軸の基端には工具ホルダをクランプするクランプ
   用シリンダを設け、クランプロッドの基端にはクランプ
   用シリンダ内に収容されるピストンを設け、クランプ用
   シリンダとピストンとの間には主軸の回転時の遠心力に
   よって変位移動する係止体を備えることで前記クランプ
   ロッドがアンクランプ方向へ移動するのを防止するアン
   クランプ防止機構を設け、前記主軸とモータ軸とは圧力
   流体を介して回転力を伝達する静圧カップリングを介し
   て連結されたことを特徴とする主軸装置。
2. 【請求項２】 前記主軸ヘッド内にはシリンダ及び静圧
   カップリングに圧力流体を分岐供給するための流体供給
   路を設けたことを特徴とする請求項１の主軸装置。