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

回転工具の径方向切込み駆動装置 Download PDF

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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3u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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