JP3793107B2 - 回転工具の径方向切込み駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マシニングセンタのように、ボーリングバイト、ドリル、エンドミルなどの工具を有する工具ユニットを、先端に保持して回転する主軸を備えた工作機械に関し、特に、回転中心軸線（主軸軸線）に直交する方向即ち径方向に工具を切込み送り可能な構成の工具ユニットを使用可能な工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の工作機械において、主軸先端に取り付ける工具ユニットとして、主軸の回転中においても、工具を回転中心軸線（主軸軸線）に直交する径方向（ｕ軸方向という）に切込み送り可能な構成のもの（ｕ軸工具ユニットという）が知られている（例えば、特公昭６２−４２７２６号公報参照）。この種のｕ軸工具ユニットは、主軸に嵌合させて取り付ける工具保持具の中心軸線上に、工具を切込み送りするための回転を取り込むためのｕ軸駆動軸を配置した構造となっており、一方、主軸内には、ｕ軸工具ユニットを主軸先端に嵌合、保持させた時にｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸に連結され、それを回転させるための連結軸が設けられている。そして、連結軸を回転駆動するための機構として、連結軸を主軸に連結する差動歯車機構とその差動歯車機構を制御するサーボモータが設けられており、工具の径方向切込みを行わない時にはサーボモータを停止させることで連結軸を主軸と同一速度で回転させ、工具の径方向切込みを行う時にはサーボモータを回転させることで連結軸を主軸に対して相対的に回転させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる従来の構造では、主軸と連結軸との間に差動歯車機構を設けているため、駆動機構が複雑となり、コスト高となるという問題があった。また、主軸と連結軸とが同一速度で回転する場合にも、差動歯車機構内のギヤは、主軸の回転を連結軸に１：１の関係で伝達するため回転を続けており、このため主軸回転数の高速化が困難であるいう問題もあった。すなわち、主軸にｕ軸工具ユニットを取り付けて内面切削等を行う場合は、主軸の回転数は２０００ｒｐｍ程度と比較的低くて良いが、主軸先端にドリル、エンドミル等のフライス系の工具を取り付けて加工を行う場合には、５０００ｒｐｍ以上の高速回転が望まれるが、主軸をそのような高速で回転させると、差動歯車機構内のギヤも噛み合った状態で高速回転せざるを得ず、騒音や振動の発生源となり、且つ寿命が短くなるといった問題を生じる。これを避けるには、差動歯車機構内のギヤの歯を精密に研磨する必要があり、きわめて高価となる。
【０００４】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、主軸先端に取り付けたｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸に対して簡単な機構によって主軸に対する相対回転を与えることができ、また、ｕ軸工具ユニットを用いない場合には主軸を高速で回転させても支障を生じない、回転工具の径方向切込み駆動装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る回転工具の径方向切込み駆動装置は、主軸先端に取り付けたｕ軸工具ユニットに設けているｕ軸駆動軸に対して回転を伝達するため、主軸内に、同心状に連結軸を配置し、その先端と前記連結軸の後端に、連結軸を前記ｕ軸駆動軸に向かって前進させることで回転を伝達する形態で係合し、前記連結軸を後退させることで係合を解除できる係合手段を設けると共に、連結軸の後端に、前記連結軸を、前記ｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸に係合した前進位置と前記ｕ軸駆動軸から外れた後退位置に移動させる連結軸移動装置を連結し、更に、ｕ軸駆動用サーボモータと、前記連結軸が前進位置となった時にその連結軸をｕ軸駆動用サーボモータに駆動連結し、前記連結軸が後退位置となった時にその連結軸とｕ軸駆動用サーボモータの駆動連結を解除する駆動断続機構と、前記連結軸が後退位置となった時に該連結軸を前記主軸に一緒に回転するように連結し、前記連結軸が前進位置にある時にはその連結を解除する連結機構とを設けるという構成としたものである。この構成により、ｕ軸工具ユニットを使用して径方向の切込み送りする場合には、連結軸移動装置によって連結軸を前進させておくことにより、連結軸がｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸に連結されると共にｕ軸駆動用サーボモータに駆動連結されることとなり、ｕ軸駆動用サーボモータを主軸用のサーボモータに対して所望の速度比となるように制御することでｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸が主軸に対して所望の速度比で回転し、所望の径方向切込み送りすることができ、また、ｕ軸駆動用サーボモータを主軸用のサーボモータに対して同期回転させることで、ｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸が主軸と同一速度で回転し、工具の径方向の位置が固定された状態となり、その状態での切削加工を行うことができる。一方、ｕ軸工具ユニットを使用せず、ドリルやエンドミルなどの高速回転が望まれる工具を保持した工具ユニットを使用する場合には、連結軸移動装置によって連結軸を後退させておくことにより、連結軸がｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸から外れると共にｕ軸駆動用サーボモータからも駆動連結が解除され、一方、連結機構によって主軸と一緒に回転するように連結される。このため、主軸と連結軸はｕ軸駆動用サーボモータとは切り離されて、一緒に回転することとなり、高速回転させても支障はない。かくして、高速での切削加工を行うことができる。
【０００６】
ここで、前記係合手段を、前記連結軸とｕ軸駆動軸の一方に形成された溝と他方に形成された突起とを有する構成とし、且つその溝と突起とをバックラッシュがないように嵌合可能なテーパ形状とするという構成としておくことが好ましい。この構成とすると、単に連結軸を前進、後退させるという簡単な操作で、連結軸とｕ軸駆動軸との嵌合並びに解除を行うことができ、しかもバックラッシュのない形態で嵌合できるので、高速回転させても振動等の問題が生じないという利点が得られる。
【０００７】
また、前記駆動断続機構を、前記ｕ軸駆動用サーボモータに駆動連結され且つ固定した位置に設けられた第一ギヤと、前記連結軸に固定され、前記第一ギヤに噛み合い可能な第二ギヤを備え、その第一ギヤと第二ギヤとを、前記連結軸が前進位置にある時に互いに噛み合い、前記連結軸が後退位置に移動した時には噛み合いが外れるように配置するという構成としておくことが好ましい。この構成とすると、簡単な構造で且つ単に連結軸を前進、後退させるという簡単な操作で、連結軸とｕ軸駆動用サーボモータとを駆動連結並びに連結解除することができるという利点が得られる。
【０００８】
更に、前記連結機構を、前記連結軸と主軸の一方に軸線方向に設けられた溝と、他方にその溝に嵌合可能に設けられたピンを備え、その溝とピンとを、前記連結軸が後退位置にある時に互いに嵌合し、前記連結軸が前進位置に移動した時には嵌合が外れるように配置するという構成としておくことが好ましい。この構成とすると、簡単な構造で且つ単に連結軸を前進、後退させるという簡単な操作で、連結軸と主軸とを連結並びに連結解除することができるという効果が得られる。ここで、連結軸と主軸の一方に設けられた溝及び他方に設けられたピンとは、連結軸や主軸に直接形成した溝や直接取り付けたピンのみに限らず、連結軸や主軸と一体に回転する部材に形成した溝や取り付けたピンをも含むものである。
【０００９】
前記連結軸とｕ軸駆動軸の連結を行う際には、前記連結軸とｕ軸駆動軸をそれぞれ回転方向の所定位置に停止させた状態で行う構成とすることが好ましい。この構成とすることで、連結軸を単にｕ軸駆動軸に向かって前進させるのみで、且つ単純な形状の溝と突起の組み合わせを利用して連結軸とｕ軸駆動軸の連結を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す本発明の好適な実施の形態を参照して本発明を更に詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る径方向切込み駆動装置を備えた、マシニングセンタ等の数値制御工作機械を示す概略断面図であり、主軸の先端にはｕ軸工具ユニットを取り付けた状態で示している。図２、図３はそれぞれ、図１に示す工作機械の前半部分と後半部分を示す概略断面図である。１は工作機械全体、２は工作機械本体、３はその工作機械本体２内に回転自在に保持された主軸、４はその主軸３を回転駆動するビルトインタイプの主軸用サーボモータ、５は主軸３の先端に着脱可能なｕ軸工具ユニットである。主軸３は、その先端部分にｕ軸工具ユニット５などの工具ユニットを着脱可能に取り付けるためのテーパ状の受け面３ａを備えると共に内部に、工具ユニットを把持するチャック機構７を備えている。なお、チャック機構７は公知のものであるので、詳細な説明は省略する。
【００１１】
ｕ軸工具ユニット５は、主軸３の受け面３ａに嵌合可能なテーパ状の外周面９ａを備えた工具保持体９と、その内部に回転中心軸線に対して直交する方向に配置されたねじ軸１０と、そのねじ軸１０に噛み合う関係で保持された移動台１１と、その移動台１１に固定された工具１２と、工具保持体９の中心軸線上に回転自在に配置されたｕ軸駆動軸１３と、そのｕ軸駆動軸１３の回転をねじ軸１０に伝達するギア列１４等を備えており、そのｕ軸駆動軸１３を工具保持体９に対して回転させることで、工具１２を回転中心軸線に直交する方向に移動させることができる。
【００１２】
このｕ軸工具ユニット５のｕ軸駆動軸１３を主軸３に対して相対回転させるための、本発明の実施の形態に係る径方向切込み駆動装置２０は、主軸３内に同心状に回転自在に且つ軸線方向に移動可能に配置された連結軸２２と、その連結軸２２の先端とｕ軸工具ユニット５のｕ軸駆動軸１３の後端に設けられ、連結軸２２をｕ軸駆動軸１３に向かって前進させることで回転を伝達する形態で係合し、連結軸２２を後退させることで係合を解除できる係合手段２４と、連結軸２２の後端に、その連結軸２２を、ｕ軸工具ユニット５のｕ軸駆動軸１３に係合した前進位置とｕ軸駆動軸１３から外れた後退位置に移動させる連結軸移動装置２６と、連結軸２２及びｕ軸駆動軸１３を介してｕ軸工具ユニット５の工具１２を移動させるｕ軸駆動用サーボモータ２８と、連結軸２２が前進位置となった時にその連結軸２２をｕ軸駆動用サーボモータ２８に駆動連結し、連結軸２２が後退位置となった時にその連結軸２２とｕ軸駆動用サーボモータ２８の駆動連結を解除する駆動断続機構３０と、連結軸２２が後退位置となった時にその連結軸２２を主軸３に一緒に回転するように連結し、連結軸２２が前進位置にある時にはその連結を解除する連結機構３２を備えている。
【００１３】
連結軸２２の先端とｕ軸駆動軸１３の後端に設けられる係合手段２４は、図４（ｂ）に拡大して示すように、連結軸２２の先端に形成されたテーパ状の溝３５と、ｕ軸駆動軸１３の後端に設けられたテーパ状の突起３６を有しており、この連結軸２２を前進させることで、図４（ａ）に示すように、突起３６を溝３５に嵌合させてバックラッシュの無い形態で両者を連結でき、また、この連結軸２２を後退させることで、図４（ｂ）に示すように、突起３６を溝３５から外して両者の駆動連結を解除できる。
【００１４】
図１、図３において、連結軸２２の後端に連結して設けられる連結軸移動装置２６は、連結軸２２の後端に嵌合、固定されるギヤ軸４０と、そのギヤ軸４０を軸受４１を介して回転自在な形態で保持した筒体４２と、工作機械本体２に固定して設けられ、筒体４２を回転しないように且つ軸線方向に移動可能に保持するガイドスリーブ４３と、筒体４２に連結され、それを軸線方向に往復動させるエアシリンダ等のシリンダ機構４４を備えており、そのシリンダ機構４４によって連結軸２２を軸線方向に往復動させることができる。
【００１５】
ｕ軸駆動用サーボモータ２８の回転を連結軸２２に断続可能な形態て駆動連結する駆動断続機構３０は、ｕ軸駆動用サーボモータ２８の回転軸２８ａに取り付けられた駆動ギヤ５１と、その駆動ギヤ５１に噛み合うように且つ固定した位置に設けられた第一ギヤ５２と、その第一ギヤ５２に噛み合う第二ギヤ５３とを備えており、この第二ギヤ５３は前記したギヤ軸４０に形成されている。かくして、第二ギヤ５３は連結軸２２と一緒に軸線方向に移動可能である。ここで、第一ギヤ５２及び第二ギヤ５３の取り付け位置は、連結軸２２が前進位置にある時には、図３及び図５（ａ）に示すように、互いに噛み合うが、その連結軸２２が後退位置に移動した時には、図５（ｂ）に示すように噛み合いが外れるように配置している。
【００１６】
連結軸２２を主軸３に対して断続可能な形態で連結する連結機構３２は、図６（ａ）、（ｂ）に拡大して示すように、主軸と一体に回転する部材５５に形成されている円筒状の穴内を摺動可能な且つ連結軸２２に固定された円筒状のスライダ５６の外周面に軸線方向に形成された溝５７と、主軸と一体に回転する部材５５の内面から突出するように且つその溝５７に嵌合可能なピン５８を有している。この溝５７とピン５８とは、図６（ｂ）に示すように、連結軸２２が後退位置にある時に互いに嵌合し、連結軸２２が前進位置に移動した時には図６（ａ）に示すように、嵌合が外れるように配置している。
【００１７】
図１において、ｕ軸駆動用サーボモータ２８は、主軸３の先端にｕ軸工具ユニット５を取り付けて使用する場合にのみ使用するものである。ｕ軸工具ユニット５によって穴内面などの切削加工を行う場合には、主軸３の回転数は２０００ｒｐｍ程度と低速であるので、ｕ軸駆動用サーボモータ２８は、その時の主軸３の回転数より少し高い回転数での駆動が可能なものであればよく、このため、低コストのものを使用できる。主軸用サーボモータ４及びｕ軸駆動用サーボモータ２８はそれぞれ数値制御装置（図示せず）に連結され、同期回転するように、或いは所望の速度比で回転するように制御される構成となっている。また、その数値制御装置は、主軸３及び連結軸２２を所定の回転位置で停止させるように停止位置制御機能も備えている。このため、連結軸２２を前進或いは後退させてｕ軸駆動軸１３に連結或いは連結解除する際に、主軸３、連結軸２２、及びｕ軸駆動用サーボモータ２８に駆動連結された第一ギヤ５２をそれぞれ回転方向の所定位置に停止させておくことができ、これによって、第一ギヤ５２と第二ギヤ５３の噛み合いは同一箇所で行われることとなり、数値制御装置のバックラッシュ補正を利用すれば、高精度の位置決め精度を実現できる。
【００１８】
上記構成の工作機械１において、主軸３の先端にｕ軸工具ユニット５を取り付けて加工を行う場合には、連結軸移動装置２６によって連結軸２２を前進させ、図４（ａ）に示すように前端の溝３５にｕ軸駆動軸１３の後端の突起３６を嵌合させて、両者を回転伝達可能な形態に連結し、同時に、図６（ａ）に示すように、ピン５８を溝５７から外して回転自在とし、更に、図５（ａ）に示すように、第一ギヤ５２と第二ギヤ５３を噛み合わせる。これにより、連結軸２２はｕ軸駆動用サーボモータ２８によって回転駆動される状態となり、先端に連結したｕ軸駆動軸１３を回転させることができる。なお、これらの操作の際、主軸３、ｕ軸駆動軸１３、連結軸２２（及びそれに連結された第二ギヤ５３）、及びｕ軸駆動用サーボモータ２８に駆動連結された第一ギヤ５２はそれぞれ回転方向の所定位置に停止させているので、これらの係合を支障なく行うことができる。
【００１９】
この状態で、ｕ軸工具ユニット５を用いた加工を行う。すなわち、工具１２を径方向に切込み送りしながら内面加工を行う場合には、主軸駆動用サーボモータ４とｕ軸駆動用サーボモータ２８の回転速度をそれぞれ制御することで、両者間に所定の速度差が生じるように回転駆動することができ、工具１２を径方向に切込み送りしながら切削加工を行うことができる。また、工具１２の切込み送りが不要な場合には、主軸駆動用サーボモータ４とｕ軸駆動用サーボモータ２８を同期回転させることで、両者は一体となって回転し、工具１２の径方向切込みを行うことなく、切削加工を行うことができる。かくして、従来のように差動歯車機構を用いることなく、簡単な駆動機構によって工具１２を径方向に切込み送りしたり、止めたりすることができる。
【００２０】
次に、主軸３の先端に、ドリル、リーマ、タップ、エンドミル等のフライス系工具を取り付けて使用する場合には、連結軸移動装置２６によって連結軸２２を後退させ、図５（ｂ）に示すように、第一ギヤ５２と第二ギヤ５３の噛み合いを外し、更に図６（ｂ）に示すように、ピン５８を溝５７に嵌合させる。この際、主軸３及び駆動軸２２はそれぞれ回転方向の所定位置に停止しているので、ピン５８を溝５７に支障なく嵌合させることができる。これにより、連結軸２２は、ｕ軸駆動用サーボモータ２８から切り離され、主軸３と一緒に回転可能となる。この状態で主軸先端にフライス系の工具を有する工具ユニットを取り付け、主軸を高速回転させて所望の加工を行う。この際、主軸３を、例えば、６０００〜１００００ｒｐｍといった高速回転させても、ギヤの噛み合いが無い状態で回転するため、ガタ、振動等のトラブルを生じることがなく、これによって高速加工が可能となる。
【００２１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の回転工具の径方向切込み駆動装置は、ｕ軸工具ユニットを使用する場合にはｕ軸駆動用サーボモータをｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸に連結して回転駆動することができ、これによって所望の径方向切込み送りをすることができ、また、ｕ軸工具ユニットを使用しない場合には、連結軸を後退させることで、連結軸をｕ軸駆動用サーボモータから切り離し、主軸と一緒に回転させることができ、主軸を高速で回転させて、高速での切削加工を行うことができると言った効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る径方向切込み駆動装置を備えた数値制御工作機械の概略断面図
【図２】 図１に示す工作機械の前半部分を示す概略断面図
【図３】 図１に示す工作機械の後半部分を示す概略断面図
【図４】 （ａ）は係合手段２４を係合させた状態で示す概略側面図
（ｂ）は係合手段２４を、係合解除した状態で示す概略側面図
【図５】 （ａ）は駆動断続機構３０を駆動連結した状態で示す概略断面図
（ｂ）は駆動断続機構３０を、駆動連結を解除した状態で示す概略断面図
【図６】 （ａ）は連結機構３２を、連結を解除した状態で示す概略断面図
（ｂ）は連結機構３２を、連結状態で示す概略断面図
【符号の説明】
１ 工作機械
２ 工作機械本体
３ 主軸
４ 主軸用サーボモータ
５ ｕ軸工具ユニット
９ 工具保持体
１０ ねじ軸
１１ 移動台
１２ 工具
１３ ｕ軸駆動軸
２０ 径方向切込み駆動装置
２２ 連結軸
２４ 係合手段
２８ ｕ軸駆動用サーボモータ
３０ 駆動断続機構
３２ 連結機構
４０ ギヤ軸
５２ 第一ギヤ
５３ 第二ギヤ
５７ 溝
５８ ピン

Claims (5)

1. 回転中心軸線に直交する方向に工具を切込み送り可能な構成のｕ軸工具ユニットを、着脱可能な形態で保持する主軸を備えた工作機械において、前記主軸内に同心状に挿入され、主軸に対して軸線方向移動可能且つ回転可能な連結軸と、前記連結軸の前端と前記ｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸の後端に設けられ、前記連結軸を前記ｕ軸駆動軸に向かって前進させることで回転を伝達する形態で係合し、前記連結軸を後退させることで係合を解除できる係合手段と、前記連結軸を、前記ｕ軸工具ユニットのｕ軸駆動軸に係合した前進位置と前記ｕ軸駆動軸から外れた後退位置に移動させる連結軸移動装置と、前記連結軸及びｕ軸駆動軸を介して前記ｕ軸工具ユニットの工具を移動させるｕ軸駆動用サーボモータと、前記連結軸が前進位置となった時にその連結軸をｕ軸駆動用サーボモータに駆動連結し、前記連結軸が後退位置となった時にその連結軸とｕ軸駆動用サーボモータの駆動連結を解除する駆動断続機構と、前記連結軸が後退位置となった時に該連結軸を前記主軸に、該主軸と一緒に回転するように連結し、前記連結軸が前進位置にある時にはその連結を解除する連結機構とを有する回転工具の径方向切込み駆動装置。
2. 前記係合手段が、前記連結軸とｕ軸駆動軸の一方に形成された溝と他方に形成された突起を有しており、その溝と突起とがバックラッシュがないように嵌合可能なテーパ形状に作られていることを特徴とする請求項１記載の回転工具の径方向切込み駆動装置。
3. 前記駆動断続機構が、前記ｕ軸駆動用サーボモータに駆動連結され且つ固定した位置に設けられた第一ギヤと、前記連結軸に固定され、前記第一ギヤに噛み合い可能な第二ギヤを備えており、前記第一ギヤと第二ギヤとは、前記連結軸が前進位置にある時に互いに噛み合い、前記連結軸が後退位置に移動した時には噛み合いが外れるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の回転工具の径方向切込み駆動装置。
4. 前記連結機構が、前記連結軸と主軸の一方に軸線方向に設けられた溝と、他方にその溝に嵌合可能に設けられたピンを備えており、前記スリットとピンとは、前記連結軸が後退位置にある時に互いに嵌合し、前記連結軸が前進位置に移動した時には嵌合が外れるように配置されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の回転工具の径方向切込み駆動装置。
5. 前記連結軸とｕ軸駆動軸の連結を、前記連結軸とｕ軸駆動軸をそれぞれ回転方向の所定位置に停止させた状態で行う構成としたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の回転工具の径方向切込み駆動装置。

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