JP3901680B2

JP3901680B2 - 主軸装置

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Publication number: JP3901680B2
Application number: JP2003384703A
Authority: JP
Inventors: 満穂青木; 康司森田; 好史稲垣; 澄雄杉田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: JP2006007328A

Description

本発明は、工作機械等の主軸装置に関する。

従来の主軸装置の一例としては、主軸頭のハウジングを前部ハウジングと後部ハウジングとに分割し、両者をボルトで締結しているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような主軸装置では、前部ハウジングには前部軸受を介して主軸を取り付け、主軸にはビルトインモータのロータと、後軸受を介して軸受ケースと、工具をクランプするためのドローバを備えて、前部ハウジングユニットを構成する。主軸および軸受の交換は、前部ハウジングユニットごとに行う。
２００３−１５９６２２号公報（第４−５頁、図１）

ところで、故障や寿命の到達により、主軸装置を交換する場合、軸受やステータを個別に主軸頭に組込む構成のものでは、交換作業に時間がかかり、機械のダウンタイムが増大する。そこで、主軸装置をカートリッジとして主軸頭に対して一体的に分割、組付可能な構造とすることにより、交換時間を短縮できることが知られている。
主軸および軸受の交換に際し、主軸カートリッジ全体が抜ける構造を有するものもあるが、この構造では、ビルトインモータ方式の場合に、油空圧管や電線を引き離す必要があり、作業に時間がかかる。
これに対し、上記特許文献１では、カートリッジ全体ではなく、ビルトインモータのステータと、外筒を主軸に残し、軸、前部軸受、前部軸受ハウジング、ビルトインモータのロータ、後部軸受、後部軸受ハウジング、を主軸サブカートリッジとして、一体的に取り出せるようになっている。しかしながら、油空圧菅や電線を切り離す必要はないが、サブカートリッジとして取り出すことができる部品を除いて一体的に取り出すことができない。そのため、ステータやアンクランプシリンダ等の故障時に有効に機能しないので、分解に係る機能性に乏しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、内部のあらゆる構成部品の交換作業を容易にできるようにしてメンテナンス性の向上を図ることができる主軸装置を提供することにある。

１）前述した目的を達成するために、本発明は、ステータを有する外筒と、前記外筒が内嵌された主軸頭と、前記ステータの内側に配されたロータを有する回転自在な回転軸と、内輪に前記回転軸の一端が内嵌された前側軸受と、内輪に前記回転軸の他端が内嵌された後側軸受と、前記前側軸受の外輪が内嵌され、前記外筒の一端に装着された前側ハウジングと、前記後側軸受の外輪が内嵌され、前記外筒の他端に内嵌された後側ハウジングと、前記外筒の一端に固定されたツールアンクランプシリンダと、を備えた主軸装置であって、前記ロータを有する前記回転軸と、前記前側軸受と、前記後側軸受と、前記前側ハウジングと、前記後側ハウジングと、が一体的に組み付けられて主軸サブカートリッジをなして、当該主軸サブカートリッジと、前記外筒と、前記ツールアンクランプシリンダと、が三分割で構成され、前記主軸サブカートリッジが、前記外筒から抜き取り可能であることを特徴としている。

ここで、主軸装置としては、多種類の工具を交換可能に把持して高速で回転する装置を例示できる。このような主軸装置では、ワークの加工中に大きな切削抵抗を受け、主軸の工具装着孔が摩耗したり、工具をクランプするコレットや皿ばねが破損したり、軸受が摩耗・損傷したりする。そのため、使用現場でこのような故障や障害の修理を行う場合、潤滑、冷却、清掃のための油空圧の配管、ビルトインモータやリミットスイッチへの電気配線を取外し、主軸装置全体を分解し、主軸、主軸内の部品、或いは軸受を交換してから、再組立を行うのが一般的である。この修理作業は大掛かりとなり、高度な専門技術と技能を要求され、また多大な時間を要する。

本発明のように構成された主軸装置においては、ロータを有する回転軸と、前側軸受と、後側軸受と、前側ハウジングと、後側ハウジングと、が一体的に組み付けられて主軸サブカートリッジをなし、主軸サブカートリッジと、外筒と、ツールアンクランプシリンダと、が三分割で構成され、主軸サブカートリッジを、外筒から抜き取ることができる。
従って、主軸サブカートリッジを構成する、ロータを有する回転軸、前側軸受、後側軸受、前側ハウジング、後側ハウジングを外筒から一体的に抜き取れるために、主軸装置全体を分解することなく、点検・修理・交換が必要な、回転軸、前側軸受、後側軸受のみを簡単に取り外すことができる。これにより、配線や配管を取り外すことなく、主軸カートリッジを構成するいずれかの部品の管理が可能となる。

２）さらに、本発明は、１）に記載した主軸装置において、前記ツールアンクランプシリンダが、前記外筒から抜き取り可能であることを特徴としている。

このようにすると、主軸装置全体を分解することなく、ツールアンクランプシリンダのみを簡単に取り外すことができるので、ツールアンクランプシリンダを構成するいずれの部品も点検・修理・交換が簡単にできる。

３）また、本発明は、１）または２）に記載した主軸装置において、前記主軸サブカートリッジが抜き取られた前記外筒と、前記ツールアンクランプシリンダと、の組体が、前記主軸頭から抜き取り可能であることを特徴としている。

このようにすると、主軸装置全体を分解することなく、主軸サブカートリッジに加えて、外筒と、ツールアンクランプシリンダと、の組体を主軸頭から簡単に取り外すことができるので、外筒またはツールアンクランプシリンダを構成するいずれの部品も点検・修理・交換が簡単にできる。

４）また、本発明は、１）〜３）のいずれかに記載した主軸装置において、前記主軸サブカートリッジと、前記外筒と、前記ツールアンクランプシリンダと、の組体が、前記主軸頭から抜き取り可能であることを特徴としている。

このようにすると、主軸装置全体を分解することなく、主軸サブカートリッジと、外筒と、ツールアンクランプシリンダと、の組体を主軸頭から簡単に取り外すことができるので、主軸装置全体を構成するいずれの部品も点検・修理・交換が簡単にできる。

５）また、本発明は、１）〜４）のいずれかに記載した主軸装置において、前記ツールアンクランプシリンダまたは前記外筒に、各種流体配管、電源カプラを有するカプラが着脱自在に取付けられていることを特徴としている。

このようにすると、カプラに各種流体配管の開閉弁や電源カプラを配することにより、点検・修理・交換時に、各種流体配管を閉塞し、電源カプラを取り外してから作業を行えば、流体の漏洩や電源配線の絡まり、等を防止して作業を行うことができる。

６）また、本発明は、１）〜５）のいずれかに記載した主軸装置において、前記回転軸の回転を検出するセンサを、前記回転軸と、前記外筒と、の間に配していることを特徴としている。

このようにすると、ツールアンクランプシリンダを取り外すだけで、センサの点検・修理・交換が可能となる。

本発明によれば、従来のような、ステータやアンクランプシリンダ等の故障時に有効に機能せずに分解に係る機能性に乏しい、という問題を解消でき、これにより、内部のあらゆる構成部品の交換作業を容易にできるようにしてメンテナンス性の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る複数の好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る主軸装置の第１実施形態を示す断面図、図２は図１に示す主軸装置における主軸サブカートリッジを外筒から抜き取った状態の断面図、図３は図１に示す主軸装置におけるツールアンクランプシリンダを外筒から抜き取った状態の断面図、図４は図１に示す主軸装置における主軸サブカートリッジが抜き取られた外筒とツールアンクランプシリンダとの組体を主軸頭から抜き取った状態の断面図、図５は図１に示す主軸装置における主軸サブカートリッジと外筒とツールアンクランプシリンダとの組体を主軸頭から抜き取った状態の断面図、図６は本発明に係る主軸装置の第２実施形態を示す断面図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態である主軸装置１０は、ステータ１２を有する外筒１１と、外筒１１が内嵌された主軸頭１３と、ステータ１２の内側に配されたロータ１５を有する回転自在な回転軸１４と、内輪１７，１７に回転軸１４の一端が内嵌された前側軸受１６，１６と、内輪１９に回転軸１４の他端が内嵌された後側軸受１８と、前側軸受１６，１６の外輪２０，２０が内嵌され、外筒１１の一端に装着された前側ハウジング２１と、後側軸受１８の外輪２２が内嵌され、外筒１１の他端に内嵌された後側ハウジング２３と、外筒１１の一端に固定されたツールアンクランプシリンダ２４と、を備え、ロータ１５を有する回転軸１４と、前側軸受１６と、後側軸受１８と、前側ハウジング２１と、後側ハウジング２３と、が一体的に組み付けられて主軸サブカートリッジ２５をなして、当該主軸サブカートリッジ２５と、外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、が三分割で構成され、主軸サブカートリッジ２５が、外筒１１から抜き取り可能である。

また、ツールアンクランプシリンダ２４が、外筒１１から抜き取り可能であり、主軸サブカートリッジ２５が抜き取られた外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、の組体（第１組体）（図４に示す）２６が、主軸頭１３から抜き取り可能である。

また、主軸サブカートリッジ２５と、外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、の組体（第２組体）（図５に示す）２７が、主軸頭１３から抜き取り可能であり、回転軸１４の回転を検出するセンサ（回転センサ）２８を、回転軸１４と、外筒１１と、の間に配している。

外筒１１は、円筒形状に形成されており、図１中下方である一端部が前側ハウジング固定部２９になっている。また、外筒１１は、図１中上方である他端部に後側ハウジング固定部３０が形成されている。後側ハウジング固定部３０には、電線挿通部３１が形成されている。外筒１１の内周面には、ステータ１２が固定されている。ステータ１２は、電源配線３２から与えられた電流により、内周側に回転磁界を発生する。

主軸頭１３は、外筒１１を着脱可能に把持しており、例えば横形マシンニングセンタの場合、ベッドに立設固定されたコラムのＹ軸案内レールに沿って上下移動する。

回転軸１４は、ステータ１２の内周部に非接触にしてロータ１５を有する。ロータ１５は、ステータ１２が発生した回転磁界により、回転軸１４を回転させる。回転軸１４は、内装されたドローバ３３を介して工具ホルダ（不図示）に連結される。

前側軸受１６，１６は、複列のアンギュラ玉軸受であって、内輪１７，１７に回転軸１４の一端部がそれぞれ内嵌されており、外輪２０，２０が前側ハウジング２１にそれぞれ内嵌されている。

前側ハウジング２１は、円筒形状に形成されており、外筒１１の端部に外筒内嵌部３４が形成されている。また、前側ハウジング２１は、外周部に外周部材３５が外嵌されており、この外周部材３５との間に、円周方向に凹溝状をなす流体流路３６が複数形成されている。流体流路３６は、ツールアンクランプシリンダ２４に装着された冷却油供給ホース３７に連通接続される。

後側軸受１８は、単列のアンギュラ玉軸受であって、内輪１９に回転軸１４の他端部が内嵌されており、外輪２２が後側ハウジング２３に内嵌されている。

後側ハウジング２３は、円筒形状に形成されており、外筒１１の後側ハウジング固定部３０に内嵌されている。

そして、回転軸１４の他端部に回転センサ２８が配されている。回転センサ２８は、回転軸１４の他端部に固定された回転体３８と、この回転体３８の外周に近接して外筒１１に固定された電気信号発生器３９と、からなる。電気信号発生器３９は、回転軸１４とともに回転体３８が回転することにより、回転体３８から与えられた磁気を電気的に変換して、例えばパルス状の回転信号を発生する。発生した回転信号は、センサ信号線（不図示）や送信機（不図示）により制御装置（不図示）に転送されて監視される。

ツールアンクランプシリンダ２４は、外筒１１の一端部に着脱可能に固定されており、ドローバ３３を押圧するために進退移動するピストン４０ａを内装している。また、ツーラアンクランプシリンダ２４には、電源配線３２がプラグ４１を介して装着されているとともに、冷却油供給ホース３７がねじ固定されている。冷却油供給ホース３７は、このツールアンクランプシリンダ２４内と、外筒１１内と、を通じて前側ハウジング２１の流体流路３６に連通接続されている。

このような主軸装置１０では、ロータ１５を有する回転軸１４と、前側軸受１６と、後側軸受１８と、前側ハウジング２１と、後側ハウジング２３と、回転センサ２８の回転体３８とが、一体的に組み付けられて主軸サブカートリッジ２５をなしており、主軸サブカートリッジ２５と、外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、が三分割で構成されている。

図２に示すように、主軸装置１０は、ロータ１５の外径Ｄ１、後側ハウジング２３の外径Ｄ２、回転センサ２８の回転体３８の外径Ｄ３のいずれもが、ステータ１２の内径Ｄ４よりも小さく設定されている。そのため、前側ハウジング２１を先にして、主軸サブカートリッジ２５を外筒１１から引き抜くことができる。これにより、主軸サブカートリッジ２５を構成する、ロータ１５を有する回転軸１４と、前側軸受１６と、後側軸受１８と、前側ハウジング２１と、後側ハウジング２３と、回転センサ２８の回転体３８と、に点検、修理、交換等のメンテナンスが必要になった時に、主軸サブカートリッジ２５へのメンテナンス作業を簡単に行うことができる。

図３に示すように、主軸装置１０は、ツールアンクランプシリンダ２４が、外筒１１の端部に着脱可能に固定されている。そのため、ツールアンクランプシリンダ２４のみを外筒１１から簡単に抜き取ることができるので、ツールアンクランプシリンダ２４に配されている、ロータリージョイント４０、電源配線３２のプラグ４１、冷却油供給ホース３７に、点検、修理、交換等のメンテナンスが必要になった時に、それらに対するメンテナンス作業を簡単に行うことができる。更に、ツールアンクランプシリンダ２４を取り外すことにより、回転センサ２８の電気信号発生器３９における点検、修理、交換等のメンテナンス作業も簡単に行うことができる。

図４に示すように、主軸装置１０は、外筒１１が、主軸頭１３に着脱可能に把持されているために、主軸サブカートリッジ２５が抜き取られた外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、からなる第１組体２６を主軸頭１３から抜き取ることができる。それにより、外筒１１に、点検、修理、交換等のメンテナンスが必要になった時に、外筒１１に対するメンテナンス作業を簡単に行うことができる。

図５に示すように、主軸装置１０は、外筒１１が、主軸頭１３に着脱可能に把持されているために、主軸サブカートリッジ２５と、外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、からなる第２組体２７を主軸頭１３から抜き取ることができる。それにより、主軸サブカートリッジ２５と、外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、からなる第２組体２７に、点検、修理、交換等のメンテナンスが必要になった時に、第２組体２７に対するメンテナンス作業を簡単に行うことができる。

第１実施形態の主軸装置１０によれば、ロータ１５を有する回転軸１４と、前側軸受１６と、後側軸受１８と、前側ハウジング２１と、後側ハウジング２３と、が一体的に組み付けられて主軸サブカートリッジ２５をなし、主軸サブカートリッジ２５と、外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、が三分割で構成され、主軸サブカートリッジ２５を、外筒１１から抜き取ることができる。従って、主軸サブカートリッジ２５を構成する、ロータ１５を有する回転軸１４、前側軸受１６、後側軸受１８、前側ハウジング２１、後側ハウジング２３を外筒１１から一体的に抜き取れるために、主軸装置１０全体を分解することなく、点検・修理・交換が必要な、回転軸１４、前側軸受１６、後側軸受１８のみを簡単に取り外すことができる。

また、第１実施形態の主軸装置１０によれば、ツールアンクランプシリンダ２４が、外筒１１から抜き取り可能である。これにより、主軸装置１０全体を分解することなく、点検・修理・交換が必要な、ツールアンクランプシリンダ２４のみを簡単に取り外すことができる。

また、第１実施形態の主軸装置１０によれば、主軸サブカートリッジ２５が抜き取られた外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、の第１組体２６が、主軸頭１３から抜き取り可能である。これにより、主軸装置１０全体を分解することなく、点検・修理・交換が必要な、主軸サブカートリッジ２５に加えて、外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、の第１組体２６を主軸頭１３から簡単に取り外すことができる。

また、第１実施形態の主軸装置１０によれば、主軸サブカートリッジ２５と、外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、の第２組体２７が、主軸頭１３から抜き取り可能である。これにより、主軸装置１０全体を分解することなく、点検・修理・交換が必要な、主軸サブカートリッジ２５と、外筒１１と、ツールアンクランプシリンダ２４と、の第２組体２７を主軸頭１３から簡単に取り外すことができる。

次に、図６を参照して、本発明に係る主軸装置の第２実施形態を説明する。なお、第２実施形態において、既に説明した部材等と同様な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号または相当符号を付することにより、説明を簡略化或いは省略する。

第２実施形態の主軸装置５０は、主軸カートリッジ方式を採用しており、ツールアンクランプシリンダ２４に、各種流体配管、各種電源ケーブルを配したカプラ５１が着脱自在に取付けられている。

ここで、主軸カートリッジ６０に必要な油空圧管としては、冷却油供給管路、油圧供給管路、切削液供給管路、エアパージ供給管路、テーパクリーニングエア供給管路などがある。また、主軸カートリッジ６０に必要な電線としては、モータ動力ケーブル、モータ回転センサケーブル、検出スイッチケーブル等がある。そして、主軸カートリッジ６０を主軸頭１３から分解、または組み付けるときは、これら多くの流体配管と電源ケーブルを切り離す必要があり、作業時間がかかる。そこで、主軸装置５０では、各種流体配管および各種電源ケーブルの、主軸カートリッジ６０と接続される部分を一体にしたカプラ５１を用いている。

カプラ５１は、外筒１１の外周部に形成された流体流路５２および前側ハウジング２１の流体流路３６に冷却油を供給する冷却油供給ホース３７、ツールアンクランプシリンダ２４に油圧を供給する油圧供給ホース５３、電源配線３２が、プラグ５４に接続されている。そして、外筒１１の他端部に結合されていて後側軸受１８の外輪２２が内嵌された後側ハウジング５５にソケット５６が固定されている。プラグ５４とソケット５６とは、爪５７により固定されており、爪５７は、押し付けるだけで互いに締結される。外すときは引っ掛かりを開放して引き抜くようになっている。

また、プラグ５４とソケット５６との油空圧管路にはシール５８が配されており、油や空気が漏れ出すことはない。このとき、カプラ５１の油圧管路に着脱動作により開閉するバルブを内蔵すれば、カプラ５１を外すときに油漏れがなく作業性がよい。また、カプラ５１には電線カプラ５９が配されており、電線カプラ５９はカプラ５１の着脱動作と同時に着脱される。このような構造は、切削液供給管路、エアパージ供給管路、テーパクリーニングエア供給管路、モータ回転センサケーブル、検出スイッチケーブルなどに適用しても良い。

このようにすることにより、主軸カートリッジ６０を主軸頭１３から分解、または組み付けるときに、冷却油供給ホース３７や油圧供給ホース５３等の多くの油空圧管と、電源配線３２と、を工具無しに一度で切り離すことができ、作業時間が短縮できる。また、カプラ５１に各種流体配管３７，５３の開閉弁や電源カプラ５９を配することにより、点検・修理・交換時に、各種流体配管３７，５３を閉塞し、電源配線３２を取外してから作業を行えば、流体の漏洩や電源配線の絡まり、等を防止して作業を行うことができる。このとき、カプラ５１の代わりに、例えば２〜３本のボトル締結としても良く、そうすることにより、作業性を大きく損なうことなく、構造をシンプルにできる。更に、このようなカプラ５１を有する構造を主軸サブカートリッジ方式に適用すると、前側軸受１６または後側軸受１８の交換のときには、主軸サブカートリッジ２５を取り出すことで交換時間を短縮でき、ステータ１２の交換のときには、カプラ５１を外して主軸カートリッジ全体を短時間で交換することができる。

なお、本発明に係る主軸装置は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。
例えば、マシンニングセンタに適用される他に、ＮＣ工作機械や、手動で送り動作を行う汎用工作機械等に適用しても良い。

また、前側・後側軸受は、アンギュラ玉軸受に限らず、深溝玉軸受や各種ころ軸受、等の転がり軸受であっても良い。

本発明に係る主軸装置の第１実施形態を示す断面図である。図１に示した主軸装置における主軸サブカートリッジを外筒から抜き取った状態の断面図である。図１に示した主軸装置におけるツールアンクランプシリンダを外筒から抜き取った状態の断面図である。図１に示した主軸装置における主軸サブカートリッジが抜き取られた外筒とツールアンクランプシリンダとの組体を主軸頭から抜き取った状態の断面図である。図１に示した主軸装置における主軸サブカートリッジと外筒とツールアンクランプシリンダとの組体を主軸頭から抜き取った状態の断面図である。本発明に係る主軸装置の第２実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１０，５０主軸装置
１１外筒
１２ステータ
１３主軸頭
１４回転軸
１５ロータ
１６前側軸受
１７内輪
１８後側軸受
１９内輪
２０外輪
２１前側ハウジング
２２外輪
２３後側ハウジング
２４ツールアンクランプシリンダ
２５主軸サブカートリッジ
２６第１組体（組体）
２７第２組体（組体）
２８回転センサ（センサ）
３７冷却油供給ホース（各種流体配管）
５１カプラ
５３油圧供給ホース（各種流体配管）
５９電源カプラ
６０主軸カートリッジ

Claims

ステータを有する外筒と、
前記外筒が内嵌された主軸頭と、
前記ステータの内側に配されたロータを有する回転自在な回転軸と、
内輪に前記回転軸の一端が内嵌された前側軸受と、
内輪に前記回転軸の他端が内嵌された後側軸受と、
前記前側軸受の外輪が内嵌され、前記外筒の一端に装着された前側ハウジングと、
前記後側軸受の外輪が内嵌され、前記外筒の他端に内嵌された後側ハウジングと、
前記外筒の一端に固定されたツールアンクランプシリンダと、
を備えた主軸装置であって、
前記ロータを有する前記回転軸と、前記前側軸受と、前記後側軸受と、前記前側ハウジングと、前記後側ハウジングと、が一体的に組み付けられて主軸サブカートリッジをなして、当該主軸サブカートリッジと、前記外筒と、前記ツールアンクランプシリンダと、が三分割で構成され、前記主軸サブカートリッジが、前記外筒から抜き取り可能であることを特徴とする主軸装置。
前記ツールアンクランプシリンダが、前記外筒から抜き取り可能であることを特徴とする請求項１に記載した主軸装置。
前記主軸サブカートリッジが抜き取られた前記外筒と、前記ツールアンクランプシリンダと、の組体が、前記主軸頭から抜き取り可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載した主軸装置。
前記主軸サブカートリッジと、前記外筒と、前記ツールアンクランプシリンダと、の組体が、前記主軸頭から抜き取り可能であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載した主軸装置。
前記ツールアンクランプシリンダまたは前記外筒に、各種流体配管、電源カプラを有するカプラが着脱自在に取付けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載した主軸装置。
前記回転軸の回転を検出するセンサを、前記回転軸と、前記外筒と、の間に配していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載した主軸装置。