JP3944374B2 - 工具、工具ホルダおよび工作機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸に装着されるワークを加工する工具、エンドミル等の加工具を保持する工具ホルダ、この工具または工具ホルダが主軸に着脱される工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、マシニングセンタ等の主軸を備えた工作機械では、主軸の最大回転数（単位時間当たり）は主軸を回転自在に保持するメインベアリングの構造や潤滑方式によって決定されるため、この最大回転数より増速した回転数で工具を回転させたい場合には、たとえば、増速装置を用いている。
増速装置としては、たとえば、工具を保持し主軸に着脱可能となっており、主軸の回転力を遊星歯車機構等の歯車機構によって増速して工具の回転数を増速させるものが知られている。
たとえば、マシニングセンタにおいて、一時的に主軸の最大回転数よりも工具の回転数を増速させたい場合には、上記のような増速装置を主軸に対して通常の工具と同様に装着し、工具を高い回転数で回転させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような歯車機構による増速装置によって工具を主軸の回転数よりも増速する場合に、数万回転〜数十万回転の超高速回転させると、増速装置の発熱が増大し、工具の熱膨張のために加工精度に影響することがある。また、数万回転〜数十万回転の超高速回転では、増速装置からの騒音も増大する。さらに、増速装置は、たとえば、数万回転〜数十万回転の回転に耐えうる信頼性の高い構造にするため、比較的製造コストが高騰するという不利益も存在した。
また、歯車機構による増速装置の場合、歯車や軸受の潤滑が必要であり、潤滑油の供給経路および排出経路を増速装置内に設けるため、装置が大型化し、自動工具交換装置による自動交換が難しいという不利益も存在した。
また、他の増速方法として、工具を駆動するモータに高周波モータを使用し、この高周波モータに特別に用意された制御装置から駆動電流を供給し、工具を高速回転させる方法が採られる場合がある。しかしながら、この方法では、電力を外部から供給するケーブルが存在するため、工具の自動交換を通常の工具と同様に行うことが難しく、また、設備コストが比較的高いという不利益が存在する。
【０００４】
本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであって、その目的は、通常の工具と同様に工作機械の主軸に着脱自在に装着され、外部の電源等と結線することなく駆動可能で、外部から電力を供給することなく工作機械の主軸よりも高い回転数を得ることができ、自動工具交換が可能な工具、工具ホルダおよびこれらを備えた工作機械を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の工具は、工作機械の主軸に着脱される工具であって、 前記加工具を保持する回転軸と、前記回転軸を回転させる電動機と、前記工作機械の主軸から回転力が伝達され、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記主軸に着脱可能に装着され、当該主軸の回転力を前記発電機に伝達する装着部と、前記電動機および前記発電機を保持し、かつ前記装着部を回転自在に保持し、前記工作機械の非回転部分に係合し、回転が規制されるケースと、前記発電機から前記電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断する遮断手段とを有し、前記回転軸、前記電動機、前記発電機及び前記装着部は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記ケースは、前記回転軸を回転自在に保持する第１のケース部材と、前記電動機及び前記発電機を保持する第２のケース部材と、前記装着部を保持する第３のケース部材と、を備え、前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、締結手段により互いに連結され、前記遮断手段は、前記供給路を遮断後に、当該供給路を再び接続可能な遮断器であり、前記遮断器は、前記第２のケース部材の外部から接続状態を視認可能にかつ操作可能に設けられている。
【０００８】
さらに好適には、前記発電機は、前記主軸の回転数に応じた周波数の電圧を電動機に供給する交流発電機であり、前記電動機は、前記周波数に応じた回転数で回転する誘導電動機である。
【０００９】
本発明の工具ホルダは、前記加工具を保持する回転軸と、前記回転軸を回転させる電動機と、前記工作機械の主軸から回転力が伝達され、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記主軸に着脱可能に装着され、当該主軸の回転力を前記発電機に伝達する装着部と、前記電動機および前記発電機を保持し、かつ前記装着部を回転自在に保持し、前記工作機械の非回転部分に係合し、回転が規制されるケースと、前記発電機から前記電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断する遮断手段とを有し、前記回転軸、前記電動機、前記発電機及び前記装着部は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記ケースは、前記回転軸を回転自在に保持する第１のケース部材と、前記電動機及び前記発電機を保持する第２のケース部材と、前記装着部を保持する第３のケース部材と、を備え、前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、締結手段により互いに連結され、前記遮断手段は、前記供給路を遮断後に、当該供給路を再び接続可能な遮断器であり、前記遮断器は、前記第２のケース部材の外部から接続状態を視認可能にかつ操作可能に設けられている。
【００１０】
本発明の工作機械は、主軸と、前記主軸を駆動する駆動手段と、前記主軸とワークとの相対位置を変更する少なくとも一の制御軸とを備える工作機械本体と、ワークを加工する加工具と、前記加工具を保持する回転軸と、前記回転軸を駆動する電動機と、前記主軸から回転力が伝達され、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記主軸に着脱可能に装着され、当該主軸の回転力を前記発電機に伝達する装着部と、前記電動機および前記発電機を保持し、かつ前記装着部を回転自在に保持し、前記工作機械の非回転部分に係合し、回転が規制されるケースとを備え、前記主軸に着脱される工具と、前記駆動手段および前記制御軸を加工プログラムにしたがって駆動制御する制御装置とを有する工作機械であって、前記工具は、前記発電機から前記電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断する遮断手段を備え、前記回転軸、前記電動機、前記発電機及び前記装着部は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記ケースは、前記回転軸を回転自在に保持する第１のケース部材と、前記電動機及び前記発電機を保持する第２のケース部材と、前記装着部を保持する第３のケース部材と、を備え、前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、締結手段により互いに連結され、前記遮断手段は、前記供給路を遮断後に、当該供給路を再び接続可能な遮断器であり、前記遮断器は、前記第２のケース部材の外部から接続状態を視認可能にかつ操作可能に設けられている。
【００１１】
本発明では、主軸に着脱される工具に発電機および電動機を備え、主軸の回転力を利用して発電し、発電した電力で電動機を駆動して加工具を回転させる。これにより、外部の電源等と結線することなく工具の駆動が可能となり、自動工具交換も可能となる。
また、本発明の工具は、主軸の回転力を利用して発電しているため、加工中に加工具に過負荷が印加された場合であっても、主軸はそのまま駆動されるため、発電機や電動機に過電流が流れる可能性がある。このため、本発明では遮断手段を設けて、発電機から電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断することにより、発電機および電動機を保護している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。なお、マシニングセンタはいわゆる複合加工の可能な数値制御工作機械である。
マシニングセンタ１は、工作機械本体２と、数値制御装置（ＮＣ装置）２５０と、プログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）１５０とを備えている。
図１において、工作機械本体２は、門型のコラム３８の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール３７を備えており、このクロスレール３７上を移動可能に支持されたサドル４４を介してラム４５が鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。
【００１３】
サドル４４には、水平方向にクロスレール３７内を通じて図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４１が螺合している。
送り軸４１の一端部には、サーボモータ１９が接続されており、送り軸４１はサーボモータ１９によって回転駆動される。
送り軸４１の回転駆動によって、サドル４４はＹ軸方向に移動可能となり、これによってラム４５のＹ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１４】
さらに、サドル４４には、鉛直方向に図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４２がねじ込まれている。送り軸４２の端部には、サーボモータ２０が接続されている。
サーボモータ２０によって送り軸４２が回転駆動され、これによりサドル４４に移動可能に設けられたラム４５のＺ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１５】
ラム４５内には、主軸モータ３１が内蔵され、この主軸モータ３１はラム４５に回転自在に保持された主軸４６を回転駆動する。
主軸４６の先端には、エンドミルなどの加工具とこの加工具を保持する工具ホルダからなる工具Ｔが装着され、主軸４６の回転によって工具Ｔが駆動される。
ラム４５の下方には、加工すべきワークが固定されるテーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けられている。テーブル３５には、図示しないねじ部が形成されており、これにＸ軸方向に沿って設けられた図示しない送り軸が螺合しており、この図示しない送り軸にサーボモータ１８が接続されている。
テーブル３５は、サーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１６】
また、２本の門型コラム３８には、図示しないねじ部がそれぞれ形成されており、これに螺合する送り軸３２ａをクロスレール昇降用サーボモータ３２によって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降する。
自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９は、主軸４６に対して各種工具Ｔを自動交換する。
この自動工具交換装置３９は、たとえば、図示しないマガジンにエンドミル、ドリル等の各種加工具を工具ホルダによって保持した工具Ｔを収納しており、主軸４６に装着された工具Ｔを図示しない工具交換アームによってマガジンに収納し、必要な工具Ｔを主軸４６に工具交換アームによって装着する。
【００１７】
ＮＣ装置２５０は、上記のサーボモータ１８，１９，２０およびクロスレール昇降用サーボモータ３２の駆動制御を行う。
ＮＣ装置２５０は、具体的には、予め加工プログラムで規定されたワークの加工手順に従って、サーボモータ１８，１９，２０および３２による工具Ｔとワークとの間の位置および速度制御を行う。また、ＮＣ装置２５０は、加工プログラムにおいて、たとえば、Ｓコードで規定された主軸モータ３１の回転数（単位時間当りの回転数）を解読することにより主軸４６の回転数の制御を行う。
さらに、ＮＣ装置２５０は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｍコードで規定された工具Ｔの交換動作を解読することにより、各種工具Ｔの自動交換を実行する。
【００１８】
ＰＬＣ１５０は、ＮＣ装置２５０および操作パネル２００と接続されている。このＰＬＣ１５０は、予め決められたシーケンスプログラムに従って、マシニングセンタ１の起動、停止を行ったり、操作パネル２００の表示部を点灯、消灯する信号を出力する等の各種シーケンス制御を行う。
また、ＰＬＣ１５０は、主軸モータ３１を駆動制御する主軸モータドライバ１５７と接続されている。ＰＬＣ１５０は、主軸モータ３１の起動、停止および速度制御を行うための制御指令を主軸モータドライバ１５７に出力する。なお、ＰＬＣ１５０は各種シーケンス制御を行う。
【００１９】
図２は、本発明の工具の一実施形態の構成を示す断面図である。
図２において、工具６０は、刃具１００と、この刃具１００を保持する工具ホルダ６１とから構成される。なお、刃具１００は本発明の加工具の一実施態様である。また、本実施形態に係る工具６０は、上記した通常の工具Ｔと同様に自動工具交換装置３９によって主軸４６に着脱される。
【００２０】
工具ホルダ６１は、装着部６２と、ケース部材６６，６７および６８からなるケース６５と、発電機７０と、電動機８０と、工具保持部９０と、回り止め部材８５とを備えている。
【００２１】
装着部６２は、把持される把持部６２ａと、上記の主軸４６の先端部に形成されたテーパスリーブ４６ａに装着されるテーパシャンク部６２ｂと、このテーパシャンク部６２ｂの先端部に形成されたプルスタッド６２ｃと、ケース部材６６に回転自在に保持される軸部６２ｄとを備えている。
【００２２】
装着部６２の把持部６２ａは、上記した自動工具交換装置３９の工具交換アームによって、自動工具交換装置３９のマガジンから主軸４６に装着される際および主軸４６から自動工具交換装置３９のマガジンへ搬送される際に把持される。
【００２３】
装着部６２のテーパシャンク部６２ｂは、主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることによって、中心軸が主軸４６の中心軸と同心になる。
【００２４】
装着部６２のプルスタッド６２ｃは、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されると、主軸４６に内蔵された図示しないクランプ機構のコレットによってクランプされる。なお、主軸４６に内蔵されたクランプ機構は周知技術であるので詳細については省略する。
【００２５】
装着部６２の軸部６２ｄは、ケース部材６６の内周に複数の軸受７２を介して回転自在に保持されている。軸受７２には、密封玉軸受が用いられる。
密封玉軸受は、ＪＩＳやＩＳＯにおいてキャップ軸受と呼ばれるものであり、シールドタイプ、非接触シールタイプ、接触シールタイプのものが知られている。
密封玉軸受は、たとえば、内輪と外輪の両側面側にシール部材を設け、このシール部材によって密封された空間内に、グリースが封入されたものである。このような密封玉軸受を用いることにより、潤滑剤の供給、排出のための管路を工具６０内に形成する必要がなく、工具６０の小型化を図ることができる。
【００２６】
ケース部材６７の内周には、保持部材７３を介して発電機７０および電動機８０が保持されている。
発電機７０は、入力軸７１が装着部６２の軸部６２ｄと同心に連結されており、この発電機７０には主軸４６の回転力が装着部６２を介して伝達される。
発電機７０には、たとえば、三相同期発電機が用いられる。
【００２７】
電動機８０は、図３に示すように、３本の導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷによって発電機７０に接続されており、発電機７０で発電された電力が供給される。
この電動機８０は、発電機７０から供給される電力によって駆動される。
電動機８０には、たとえば、三相誘導電動機を用いることができる。
【００２８】
上記の導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷの途中には、それぞれヒューズＦＵ，ＦＶ，ＦＷが設けられている。
ヒューズＦＵ，ＦＶ，ＦＷは、上記したケース６０内の所定箇所に配置されている。
これらヒューズＦＵ，ＦＶ，ＦＷは、導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに所定値以上の電流が流れたときに、たとえば、溶断することにより電動機８０と発電機７０との間の回路を遮断する。これにより、発電機７０および電動機８０に過電流が流れて焼損するのを防ぐことができる。ヒューズＦＵ，ＦＶ，ＦＷとしては、たとえば、アルミニウム、亜鉛、銅等の材料からなる部材をガラスやファイバの筒に収納したものを使用することができる。
【００２９】
図２に戻って説明すると、工具保持部９０は、回転軸９１と、この回転軸９１と電動機８０の回転軸８１とを連結するカップリング９３と、回転軸９１の先端部に固定された工具装着部材９５とを有する。なお、回転軸９１および回転軸８１が本発明の駆動軸の一実施態様である。
電動機８０の回転軸８１は、図示しない軸受によって回転自在に保持されている。この軸受には密封玉軸受が用いられる。
【００３０】
回転軸９１は、ケース部材６８の内周に複数の軸受９２を介して回転自在に保持されている。軸受９２には、密封玉軸受が用いられる。
回転軸９１の先端側は、ケース部材６８に抜け止め部材９４によって抜け止めされている。
【００３１】
刃具１００は、工具装着部９５に保持されており、この刃具１００はワークを加工する。なお、工具装着部９５は本発明の工具保持部の一実施態様である。刃具１００は、具体的には、ドリル、エンドミル等の各種の刃具である。
【００３２】
ケース部材６６，６７および６８は、たとえば、ボルト等の締結手段によって連結されており、これらケース部材６６，６７および６８がケース６５を構成している。
ケース部材６６の外周には、回り止め部材８５が設けられている。
回り止め部材８５は、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることにより、主軸４６側の、たとえば、ラム４５等の非回転部４７に形成された嵌合穴４７ａに先端８５ａが挿入される。
これにより、ケース部材６６、すなわち、ケース６５は、主軸４６が回転しても回転が規制される。
【００３３】
次に、本実施形態に係る工具６０の動作の一例について説明する。
まず、自動工具交換装置３９によって、工具装着部９５に刃具１００を保持した工具６０を工作機械本体２の主軸４６に装着する。
工具６０は、回り止め部材８５の先端部８５ａが非回転部４７の嵌合穴４７ａに嵌合挿入され、ケース６５の回転が規制される。
【００３４】
この状態から、主軸４６を回転数Ｎ0 で回転させると、工具６０の装着部６２が回転し、主軸４６の回転力が発電機７０に伝達される。
これにより、発電機７０は、たとえば、三相同期発電機を用いた場合には、三相交流電力を発電する。
【００３５】
三相同期発電機の発生する三相交流電力の周波数ｆは、三相同期発電機の極数をＰ1 とし、主軸４６の回転数をＮ0 〔ｍｉｎ-1〕とすると、次式（１）によって表される。
【００３６】
【数１】
ｆ＝Ｐ1 ×Ｎ0 ／１２０〔Ｈｚ〕 …（１）
【００３７】
従って、主軸４６を回転数Ｎ0 で回転させると、上記（１）式で表される周波数ｆの三相交流電力が電動機８０に供給される。
【００３８】
ここで、電動機８０に三相誘導電動機を用いたとすると、この三相誘導電動機の極数がＰ2 とすると、三相誘導電動機は三相交流の１サイクルで２／Ｐ2 回転することから、滑りがない時の三相誘導電動機の同期速度Ｎ1 は、次式（２）で表される。
【００３９】
【数２】
Ｎ1 ＝１２０×ｆ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（２）
【００４０】
従って、主軸４６の回転数Ｎ0 に対する工具６０の回転数Ｎ1 は次式（３）によって表される。
【００４１】
【数３】
Ｎ1 ＝Ｎ0 ×Ｐ1 ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（３）
【００４２】
（３）式からわかるように、主軸４６の回転数Ｎ0 は、上記（３）式で表される回転数Ｎ1 に変速される。
（３）式で示すように、三相同期発電機の極数Ｐ1 と三相誘導電動機の極数Ｐ2 との比を適宜設定することにより、主軸４６の回転数Ｎ0 に対する工具６０の回転数Ｎ1 の変速比を任意に設定できることが分かる。
すなわち、主軸４６の回転数Ｎ0 を増速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ2 を１より大きくし、減速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ2 を１より小さくなるように、三相同期発電機の極数Ｐ1 および三相誘導電動機の極数Ｐ2 を予め選択すればよい。
【００４３】
たとえば、主軸４６の最大回転数Ｎmax が３０００ｍｉｎ-1であるとすると、通常の工具を用いたワークの加工では、主軸４６の回転数は上記の最大回転数Ｎmax の範囲で十分である場合が多い。
一方、主軸４６の最大回転数Ｎmax が３０００ｍｉｎ-1のマシニングセンタ１を使用し、たとえば、ワークにアルミニウム合金材を用いてこれを高速加工したい場合には、工具６０の回転数を、たとえば、３００００ｍｉｎ-1に増速させたいような場合がある。
このような場合のために、マシニングセンタ１の自動工具交換装置３９のマガジンに工具６０を予め収容しておく。なお、工具６０は、増速比が１０となるように、上記の極数比Ｐ1 ／Ｐ2 が１０である三相同期発電機および三相誘導電動機を内蔵させる。
【００４４】
自動工具交換装置３９によって、主軸４６に通常の工具と同様に工具６０を自動装着する。
主軸４６を主軸モータ３１を駆動して回転させるが、工具６０に保持された刃具１００の回転数は、主軸４６の回転数によって制御する。すなわち、ＮＣ装置２５０にダウンロードするＮＣプログラムにおいて、主軸４６の回転数をＳコードで指定することにより、工具６０の刃具１００の回転数を規定しておく。すなわち、ＮＣ装置２５０は、主軸４６の回転数を制御することにより、工具６０の刃具１００の回転数を制御する。
たとえば、工具６０の刃具１００を３００００ｍｉｎ-1で回転させたい場合には、ＮＣプログラムにおいてＳコードで主軸４６の回転数を３０００ｍｉｎ-1に指定しておく。
【００４５】
主軸４６を３０００ｍｉｎ-1で回転させると、発電機７０は主軸４６の回転数および極数Ｐ1 に応じた周波数の三相交流を発生する。
電動機８０は、発電機７０から供給される三相交流によって駆動され、工具６０の刃具１００は、略３００００ｍｉｎ-1の回転数で回転する。
【００４６】
上記のように刃具１００が増速された状態で、テーブル３５に固定されたワークと刃具１００（主軸４６）とを加工プログラムに従って相対移動させることにより、ワークの切削加工が行われる。
【００４７】
これにより、たとえば、主軸４６の最大回転数が制限されるマシニングセンタ１を使用した場合に、主軸４６の最大回転数を越える回転数で刃具１００を回転させてワークの高速加工が可能となる。
【００４８】
以上のように、本実施形態によれば、通常の工具と同様にユニット化された工具ホルダ６１に発電機７０および電動機８０を内蔵し、発電機７０で発生した電力で電動機８０を駆動することで、主軸４６に対する工具６０の回転速度を増速させるため、主軸４６を高速回転させても歯車装置のように発熱が増大せず、工具６０の熱膨張が抑えられ加工精度の低下が抑制される。
【００４９】
さらに、本実施形態によれば、電動機８０のイナーシャを主軸４６のイナーシャよりも小さくできるため、主軸４６を直接に高速回転させる場合に比べて、刃具１００の応答性を向上できる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、主軸４６の回転速度を増速させる工具６０を主軸４６に対して着脱自在とし、かつ、自動工具交換装置３９によって通常の工具と同様に交換可能となっているため、通常の回転速度の範囲での加工を行いながら、高速加工の要求に対して即座に対応することができる。
また、本実施形態によれば、主軸４６の回転によって発電した電力によって刃具１００を駆動するため、外部から駆動電流を供給する必要がなく、この結果、電源供給のための配線が必要ない。
また、本実施形態によれば、加工中に過負荷が刃具１００に印加されたような場合に、発電機７０および電動機８０に過電流が流れるのを防ぐことができ、発電機７０および電動機８０が焼損するのを確実に回避できる。
【００５１】
第２実施形態
図４は、本発明の第２の実施形態に係る工具における発電機と電動機の接続状態を説明するための図である。なお、本実施形態に係る工具の他の構成部分については上述した第１の実施形態と同様である。
図４に示すように、本実施形態では、発電機７０と電動機８０とを結線する導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷの途中に、操作部ＯＳを備えたサーキットブレーカＣＢが設けられている。
【００５２】
サーキットブレーカＣＢは、導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに所定値以上の電流が流れたときに、電動機８０と発電機７０との間の回路を遮断する。
サーキットブレーカＣＢに備わる操作部ＯＳは、回路を接続する接続位置Ｐａと回路を遮断する遮断位置Ｐｂで移動可能となっており、サーキットブレーカＣＢが遮断されると、接続位置Ｐａにあった操作部ＯＳは遮断位置Ｐｂに自動的に移動するようになっている。
遮断位置Ｐｂに移動した操作部ＯＳを操作して、接続位置Ｐａに再び移動させることによって、電動機８０と発電機７０との間の回路は再び接続される。
【００５３】
図５は、上記のサーキットブレーカＣＢの工具における配置の一例を示す図である。
図５に示すように、サーキットブレーカＣＢの操作部ＯＳはケース６５に形成された窓部Ｗｄを通じて外部から視認可能にかつ操作可能に設けられている。
【００５４】
たとえば、加工中にサーキットブレーカＣＢが過電流を検出して操作部ＯＳが遮断位置Ｐｂに移動すると、オペレータは過電流が発生して電動機８０と発電機７０との間の回路が遮断されたことを視覚的に確認することができる。
さらに、オペレータは遮断位置Ｐｂに移動した操作部ＯＳを操作して接続位置Ｐａに移動させることにより、電動機８０と発電機７０との間の回路を再び確立させることができる。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、電動機８０と発電機７０を過電流から保護できることに加えて、操作性を向上させることができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、外部から電力を供給することなく工作機械の主軸よりも高い回転数で加工具を回転させることができる工具、工具ホルダおよびこれらを備えた工作機械が得られる。
また、本発明によれば、通常の工具と同様に工作機械の主軸に着脱自在に装着され、外部の電源等と結線することなく駆動可能で、自動工具交換が可能な工具、工具ホルダおよびこれらを備えた工作機械が得られる。
また、本発明によれば、過電流から電動機および発電機を保護することができる工具、工具ホルダおよびこれらを備えた工作機械が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
【図２】本発明の工具の一実施形態の構成を示す断面図である。
【図３】発電機と電動機の接続関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る工具における発電機と電動機との接続関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る工具の外観図である。
【符号の説明】
１…マシニングセンタ
２…工作機械本体
３１…主軸モータ
３９…自動工具交換装置
４６…主軸
６０…工具
６２…装着部
６５…ケース
６６，６７，６８…ケース部材
７０…発電機
８０…電動機
９０…工具保持部
９５…工具装着部
１００…刃具
２５０…ＮＣ装置
ＣＢ…サーキットブレーカ
ＯＳ…操作部
ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ…ヒューズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸に装着されるワークを加工する工具、エンドミル等の加工具を保持する工具ホルダ、この工具または工具ホルダが主軸に着脱される工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、マシニングセンタ等の主軸を備えた工作機械では、主軸の最大回転数（単位時間当たり）は主軸を回転自在に保持するメインベアリングの構造や潤滑方式によって決定されるため、この最大回転数より増速した回転数で工具を回転させたい場合には、たとえば、増速装置を用いている。
増速装置としては、たとえば、工具を保持し主軸に着脱可能となっており、主軸の回転力を遊星歯車機構等の歯車機構によって増速して工具の回転数を増速させるものが知られている。
たとえば、マシニングセンタにおいて、一時的に主軸の最大回転数よりも工具の回転数を増速させたい場合には、上記のような増速装置を主軸に対して通常の工具と同様に装着し、工具を高い回転数で回転させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような歯車機構による増速装置によって工具を主軸の回転数よりも増速する場合に、数万回転〜数十万回転の超高速回転させると、増速装置の発熱が増大し、工具の熱膨張のために加工精度に影響することがある。また、数万回転〜数十万回転の超高速回転では、増速装置からの騒音も増大する。さらに、増速装置は、たとえば、数万回転〜数十万回転の回転に耐えうる信頼性の高い構造にするため、比較的製造コストが高騰するという不利益も存在した。
また、歯車機構による増速装置の場合、歯車や軸受の潤滑が必要であり、潤滑油の供給経路および排出経路を増速装置内に設けるため、装置が大型化し、自動工具交換装置による自動交換が難しいという不利益も存在した。
また、他の増速方法として、工具を駆動するモータに高周波モータを使用し、この高周波モータに特別に用意された制御装置から駆動電流を供給し、工具を高速回転させる方法が採られる場合がある。しかしながら、この方法では、電力を外部から供給するケーブルが存在するため、工具の自動交換を通常の工具と同様に行うことが難しく、また、設備コストが比較的高いという不利益が存在する。
【０００４】
本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであって、その目的は、通常の工具と同様に工作機械の主軸に着脱自在に装着され、外部の電源等と結線することなく駆動可能で、外部から電力を供給することなく工作機械の主軸よりも高い回転数を得ることができ、自動工具交換が可能な工具、工具ホルダおよびこれらを備えた工作機械を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の工具は、工作機械の主軸に着脱される工具であって、 前記加工具を保持する回転軸と、前記回転軸を回転させる電動機と、前記工作機械の主軸から回転力が伝達され、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記主軸に着脱可能に装着され、当該主軸の回転力を前記発電機に伝達する装着部と、前記電動機および前記発電機を保持し、かつ前記装着部を回転自在に保持し、前記工作機械の非回転部分に係合し、回転が規制されるケースと、前記発電機から前記電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断する遮断手段とを有し、前記回転軸、前記電動機、前記発電機及び前記装着部は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記ケースは、前記回転軸を回転自在に保持する第１のケース部材と、前記電動機及び前記発電機を保持する第２のケース部材と、前記装着部を保持する第３のケース部材と、を備え、前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、締結手段により互いに連結され、前記遮断手段は、前記供給路を遮断後に、当該供給路を再び接続可能な遮断器であり、前記遮断器は、前記第２のケース部材の外部から接続状態を視認可能にかつ操作可能に設けられている。
【０００８】
さらに好適には、前記発電機は、前記主軸の回転数に応じた周波数の電圧を電動機に供給する交流発電機であり、前記電動機は、前記周波数に応じた回転数で回転する誘導電動機である。
【０００９】
本発明の工具ホルダは、前記加工具を保持する回転軸と、前記回転軸を回転させる電動機と、前記工作機械の主軸から回転力が伝達され、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記主軸に着脱可能に装着され、当該主軸の回転力を前記発電機に伝達する装着部と、前記電動機および前記発電機を保持し、かつ前記装着部を回転自在に保持し、前記工作機械の非回転部分に係合し、回転が規制されるケースと、前記発電機から前記電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断する遮断手段とを有し、前記回転軸、前記電動機、前記発電機及び前記装着部は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記ケースは、前記回転軸を回転自在に保持する第１のケース部材と、前記電動機及び前記発電機を保持する第２のケース部材と、前記装着部を保持する第３のケース部材と、を備え、前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、締結手段により互いに連結され、前記遮断手段は、前記供給路を遮断後に、当該供給路を再び接続可能な遮断器であり、前記遮断器は、前記第２のケース部材の外部から接続状態を視認可能にかつ操作可能に設けられている。
【００１０】
本発明の工作機械は、主軸と、前記主軸を駆動する駆動手段と、前記主軸とワークとの相対位置を変更する少なくとも一の制御軸とを備える工作機械本体と、ワークを加工する加工具と、前記加工具を保持する回転軸と、前記回転軸を駆動する電動機と、前記主軸から回転力が伝達され、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記主軸に着脱可能に装着され、当該主軸の回転力を前記発電機に伝達する装着部と、前記電動機および前記発電機を保持し、かつ前記装着部を回転自在に保持し、前記工作機械の非回転部分に係合し、回転が規制されるケースとを備え、前記主軸に着脱される工具と、前記駆動手段および前記制御軸を加工プログラムにしたがって駆動制御する制御装置とを有する工作機械であって、前記工具は、前記発電機から前記電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断する遮断手段を備え、前記回転軸、前記電動機、前記発電機及び前記装着部は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記ケースは、前記回転軸を回転自在に保持する第１のケース部材と、前記電動機及び前記発電機を保持する第２のケース部材と、前記装着部を保持する第３のケース部材と、を備え、前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、締結手段により互いに連結され、前記遮断手段は、前記供給路を遮断後に、当該供給路を再び接続可能な遮断器であり、前記遮断器は、前記第２のケース部材の外部から接続状態を視認可能にかつ操作可能に設けられている。
【００１１】
本発明では、主軸に着脱される工具に発電機および電動機を備え、主軸の回転力を利用して発電し、発電した電力で電動機を駆動して加工具を回転させる。これにより、外部の電源等と結線することなく工具の駆動が可能となり、自動工具交換も可能となる。
また、本発明の工具は、主軸の回転力を利用して発電しているため、加工中に加工具に過負荷が印加された場合であっても、主軸はそのまま駆動されるため、発電機や電動機に過電流が流れる可能性がある。このため、本発明では遮断手段を設けて、発電機から電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断することにより、発電機および電動機を保護している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。なお、マシニングセンタはいわゆる複合加工の可能な数値制御工作機械である。
マシニングセンタ１は、工作機械本体２と、数値制御装置（ＮＣ装置）２５０と、プログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）１５０とを備えている。
図１において、工作機械本体２は、門型のコラム３８の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール３７を備えており、このクロスレール３７上を移動可能に支持されたサドル４４を介してラム４５が鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。
【００１３】
サドル４４には、水平方向にクロスレール３７内を通じて図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４１が螺合している。
送り軸４１の一端部には、サーボモータ１９が接続されており、送り軸４１はサーボモータ１９によって回転駆動される。
送り軸４１の回転駆動によって、サドル４４はＹ軸方向に移動可能となり、これによってラム４５のＹ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１４】
さらに、サドル４４には、鉛直方向に図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４２がねじ込まれている。送り軸４２の端部には、サーボモータ２０が接続されている。
サーボモータ２０によって送り軸４２が回転駆動され、これによりサドル４４に移動可能に設けられたラム４５のＺ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１５】
ラム４５内には、主軸モータ３１が内蔵され、この主軸モータ３１はラム４５に回転自在に保持された主軸４６を回転駆動する。
主軸４６の先端には、エンドミルなどの加工具とこの加工具を保持する工具ホルダからなる工具Ｔが装着され、主軸４６の回転によって工具Ｔが駆動される。
ラム４５の下方には、加工すべきワークが固定されるテーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けられている。テーブル３５には、図示しないねじ部が形成されており、これにＸ軸方向に沿って設けられた図示しない送り軸が螺合しており、この図示しない送り軸にサーボモータ１８が接続されている。
テーブル３５は、サーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１６】
また、２本の門型コラム３８には、図示しないねじ部がそれぞれ形成されており、これに螺合する送り軸３２ａをクロスレール昇降用サーボモータ３２によって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降する。
自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９は、主軸４６に対して各種工具Ｔを自動交換する。
この自動工具交換装置３９は、たとえば、図示しないマガジンにエンドミル、ドリル等の各種加工具を工具ホルダによって保持した工具Ｔを収納しており、主軸４６に装着された工具Ｔを図示しない工具交換アームによってマガジンに収納し、必要な工具Ｔを主軸４６に工具交換アームによって装着する。
【００１７】
ＮＣ装置２５０は、上記のサーボモータ１８，１９，２０およびクロスレール昇降用サーボモータ３２の駆動制御を行う。
ＮＣ装置２５０は、具体的には、予め加工プログラムで規定されたワークの加工手順に従って、サーボモータ１８，１９，２０および３２による工具Ｔとワークとの間の位置および速度制御を行う。また、ＮＣ装置２５０は、加工プログラムにおいて、たとえば、Ｓコードで規定された主軸モータ３１の回転数（単位時間当りの回転数）を解読することにより主軸４６の回転数の制御を行う。
さらに、ＮＣ装置２５０は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｍコードで規定された工具Ｔの交換動作を解読することにより、各種工具Ｔの自動交換を実行する。
【００１８】
ＰＬＣ１５０は、ＮＣ装置２５０および操作パネル２００と接続されている。このＰＬＣ１５０は、予め決められたシーケンスプログラムに従って、マシニングセンタ１の起動、停止を行ったり、操作パネル２００の表示部を点灯、消灯する信号を出力する等の各種シーケンス制御を行う。
また、ＰＬＣ１５０は、主軸モータ３１を駆動制御する主軸モータドライバ１５７と接続されている。ＰＬＣ１５０は、主軸モータ３１の起動、停止および速度制御を行うための制御指令を主軸モータドライバ１５７に出力する。なお、ＰＬＣ１５０は各種シーケンス制御を行う。
【００１９】
図２は、本発明の工具の一実施形態の構成を示す断面図である。
図２において、工具６０は、刃具１００と、この刃具１００を保持する工具ホルダ６１とから構成される。なお、刃具１００は本発明の加工具の一実施態様である。また、本実施形態に係る工具６０は、上記した通常の工具Ｔと同様に自動工具交換装置３９によって主軸４６に着脱される。
【００２０】
工具ホルダ６１は、装着部６２と、ケース部材６６，６７および６８からなるケース６５と、発電機７０と、電動機８０と、工具保持部９０と、回り止め部材８５とを備えている。
【００２１】
装着部６２は、把持される把持部６２ａと、上記の主軸４６の先端部に形成されたテーパスリーブ４６ａに装着されるテーパシャンク部６２ｂと、このテーパシャンク部６２ｂの先端部に形成されたプルスタッド６２ｃと、ケース部材６６に回転自在に保持される軸部６２ｄとを備えている。
【００２２】
装着部６２の把持部６２ａは、上記した自動工具交換装置３９の工具交換アームによって、自動工具交換装置３９のマガジンから主軸４６に装着される際および主軸４６から自動工具交換装置３９のマガジンへ搬送される際に把持される。
【００２３】
装着部６２のテーパシャンク部６２ｂは、主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることによって、中心軸が主軸４６の中心軸と同心になる。
【００２４】
装着部６２のプルスタッド６２ｃは、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されると、主軸４６に内蔵された図示しないクランプ機構のコレットによってクランプされる。なお、主軸４６に内蔵されたクランプ機構は周知技術であるので詳細については省略する。
【００２５】
装着部６２の軸部６２ｄは、ケース部材６６の内周に複数の軸受７２を介して回転自在に保持されている。軸受７２には、密封玉軸受が用いられる。
密封玉軸受は、ＪＩＳやＩＳＯにおいてキャップ軸受と呼ばれるものであり、シールドタイプ、非接触シールタイプ、接触シールタイプのものが知られている。
密封玉軸受は、たとえば、内輪と外輪の両側面側にシール部材を設け、このシール部材によって密封された空間内に、グリースが封入されたものである。このような密封玉軸受を用いることにより、潤滑剤の供給、排出のための管路を工具６０内に形成する必要がなく、工具６０の小型化を図ることができる。
【００２６】
ケース部材６７の内周には、保持部材７３を介して発電機７０および電動機８０が保持されている。
発電機７０は、入力軸７１が装着部６２の軸部６２ｄと同心に連結されており、この発電機７０には主軸４６の回転力が装着部６２を介して伝達される。
発電機７０には、たとえば、三相同期発電機が用いられる。
【００２７】
電動機８０は、図３に示すように、３本の導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷによって発電機７０に接続されており、発電機７０で発電された電力が供給される。
この電動機８０は、発電機７０から供給される電力によって駆動される。
電動機８０には、たとえば、三相誘導電動機を用いることができる。
【００２８】
上記の導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷの途中には、それぞれヒューズＦＵ，ＦＶ，ＦＷが設けられている。
ヒューズＦＵ，ＦＶ，ＦＷは、上記したケース６０内の所定箇所に配置されている。
これらヒューズＦＵ，ＦＶ，ＦＷは、導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに所定値以上の電流が流れたときに、たとえば、溶断することにより電動機８０と発電機７０との間の回路を遮断する。これにより、発電機７０および電動機８０に過電流が流れて焼損するのを防ぐことができる。ヒューズＦＵ，ＦＶ，ＦＷとしては、たとえば、アルミニウム、亜鉛、銅等の材料からなる部材をガラスやファイバの筒に収納したものを使用することができる。
【００２９】
図２に戻って説明すると、工具保持部９０は、回転軸９１と、この回転軸９１と電動機８０の回転軸８１とを連結するカップリング９３と、回転軸９１の先端部に固定された工具装着部材９５とを有する。なお、回転軸９１および回転軸８１が本発明の駆動軸の一実施態様である。
電動機８０の回転軸８１は、図示しない軸受によって回転自在に保持されている。この軸受には密封玉軸受が用いられる。
【００３０】
回転軸９１は、ケース部材６８の内周に複数の軸受９２を介して回転自在に保持されている。軸受９２には、密封玉軸受が用いられる。
回転軸９１の先端側は、ケース部材６８に抜け止め部材９４によって抜け止めされている。
【００３１】
刃具１００は、工具装着部９５に保持されており、この刃具１００はワークを加工する。なお、工具装着部９５は本発明の工具保持部の一実施態様である。刃具１００は、具体的には、ドリル、エンドミル等の各種の刃具である。
【００３２】
ケース部材６６，６７および６８は、たとえば、ボルト等の締結手段によって連結されており、これらケース部材６６，６７および６８がケース６５を構成している。
ケース部材６６の外周には、回り止め部材８５が設けられている。
回り止め部材８５は、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることにより、主軸４６側の、たとえば、ラム４５等の非回転部４７に形成された嵌合穴４７ａに先端８５ａが挿入される。
これにより、ケース部材６６、すなわち、ケース６５は、主軸４６が回転しても回転が規制される。
【００３３】
次に、本実施形態に係る工具６０の動作の一例について説明する。
まず、自動工具交換装置３９によって、工具装着部９５に刃具１００を保持した工具６０を工作機械本体２の主軸４６に装着する。
工具６０は、回り止め部材８５の先端部８５ａが非回転部４７の嵌合穴４７ａに嵌合挿入され、ケース６５の回転が規制される。
【００３４】
この状態から、主軸４６を回転数Ｎ0 で回転させると、工具６０の装着部６２が回転し、主軸４６の回転力が発電機７０に伝達される。
これにより、発電機７０は、たとえば、三相同期発電機を用いた場合には、三相交流電力を発電する。
【００３５】
三相同期発電機の発生する三相交流電力の周波数ｆは、三相同期発電機の極数をＰ1 とし、主軸４６の回転数をＮ0 〔ｍｉｎ-1〕とすると、次式（１）によって表される。
【００３６】
【数１】
ｆ＝Ｐ1 ×Ｎ0 ／１２０〔Ｈｚ〕 …（１）
【００３７】
従って、主軸４６を回転数Ｎ0 で回転させると、上記（１）式で表される周波数ｆの三相交流電力が電動機８０に供給される。
【００３８】
ここで、電動機８０に三相誘導電動機を用いたとすると、この三相誘導電動機の極数がＰ2 とすると、三相誘導電動機は三相交流の１サイクルで２／Ｐ2 回転することから、滑りがない時の三相誘導電動機の同期速度Ｎ1 は、次式（２）で表される。
【００３９】
【数２】
Ｎ1 ＝１２０×ｆ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（２）
【００４０】
従って、主軸４６の回転数Ｎ0 に対する工具６０の回転数Ｎ1 は次式（３）によって表される。
【００４１】
【数３】
Ｎ1 ＝Ｎ0 ×Ｐ1 ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（３）
【００４２】
（３）式からわかるように、主軸４６の回転数Ｎ0 は、上記（３）式で表される回転数Ｎ1 に変速される。
（３）式で示すように、三相同期発電機の極数Ｐ1 と三相誘導電動機の極数Ｐ2 との比を適宜設定することにより、主軸４６の回転数Ｎ0 に対する工具６０の回転数Ｎ1 の変速比を任意に設定できることが分かる。
すなわち、主軸４６の回転数Ｎ0 を増速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ2 を１より大きくし、減速したい場合には、極数比Ｐ1 ／Ｐ2 を１より小さくなるように、三相同期発電機の極数Ｐ1 および三相誘導電動機の極数Ｐ2 を予め選択すればよい。
【００４３】
たとえば、主軸４６の最大回転数Ｎmax が３０００ｍｉｎ-1であるとすると、通常の工具を用いたワークの加工では、主軸４６の回転数は上記の最大回転数Ｎmax の範囲で十分である場合が多い。
一方、主軸４６の最大回転数Ｎmax が３０００ｍｉｎ-1のマシニングセンタ１を使用し、たとえば、ワークにアルミニウム合金材を用いてこれを高速加工したい場合には、工具６０の回転数を、たとえば、３００００ｍｉｎ-1に増速させたいような場合がある。
このような場合のために、マシニングセンタ１の自動工具交換装置３９のマガジンに工具６０を予め収容しておく。なお、工具６０は、増速比が１０となるように、上記の極数比Ｐ1 ／Ｐ2 が１０である三相同期発電機および三相誘導電動機を内蔵させる。
【００４４】
自動工具交換装置３９によって、主軸４６に通常の工具と同様に工具６０を自動装着する。
主軸４６を主軸モータ３１を駆動して回転させるが、工具６０に保持された刃具１００の回転数は、主軸４６の回転数によって制御する。すなわち、ＮＣ装置２５０にダウンロードするＮＣプログラムにおいて、主軸４６の回転数をＳコードで指定することにより、工具６０の刃具１００の回転数を規定しておく。すなわち、ＮＣ装置２５０は、主軸４６の回転数を制御することにより、工具６０の刃具１００の回転数を制御する。
たとえば、工具６０の刃具１００を３００００ｍｉｎ-1で回転させたい場合には、ＮＣプログラムにおいてＳコードで主軸４６の回転数を３０００ｍｉｎ-1に指定しておく。
【００４５】
主軸４６を３０００ｍｉｎ-1で回転させると、発電機７０は主軸４６の回転数および極数Ｐ1 に応じた周波数の三相交流を発生する。
電動機８０は、発電機７０から供給される三相交流によって駆動され、工具６０の刃具１００は、略３００００ｍｉｎ-1の回転数で回転する。
【００４６】
上記のように刃具１００が増速された状態で、テーブル３５に固定されたワークと刃具１００（主軸４６）とを加工プログラムに従って相対移動させることにより、ワークの切削加工が行われる。
【００４７】
これにより、たとえば、主軸４６の最大回転数が制限されるマシニングセンタ１を使用した場合に、主軸４６の最大回転数を越える回転数で刃具１００を回転させてワークの高速加工が可能となる。
【００４８】
以上のように、本実施形態によれば、通常の工具と同様にユニット化された工具ホルダ６１に発電機７０および電動機８０を内蔵し、発電機７０で発生した電力で電動機８０を駆動することで、主軸４６に対する工具６０の回転速度を増速させるため、主軸４６を高速回転させても歯車装置のように発熱が増大せず、工具６０の熱膨張が抑えられ加工精度の低下が抑制される。
【００４９】
さらに、本実施形態によれば、電動機８０のイナーシャを主軸４６のイナーシャよりも小さくできるため、主軸４６を直接に高速回転させる場合に比べて、刃具１００の応答性を向上できる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、主軸４６の回転速度を増速させる工具６０を主軸４６に対して着脱自在とし、かつ、自動工具交換装置３９によって通常の工具と同様に交換可能となっているため、通常の回転速度の範囲での加工を行いながら、高速加工の要求に対して即座に対応することができる。
また、本実施形態によれば、主軸４６の回転によって発電した電力によって刃具１００を駆動するため、外部から駆動電流を供給する必要がなく、この結果、電源供給のための配線が必要ない。
また、本実施形態によれば、加工中に過負荷が刃具１００に印加されたような場合に、発電機７０および電動機８０に過電流が流れるのを防ぐことができ、発電機７０および電動機８０が焼損するのを確実に回避できる。
【００５１】
第２実施形態
図４は、本発明の第２の実施形態に係る工具における発電機と電動機の接続状態を説明するための図である。なお、本実施形態に係る工具の他の構成部分については上述した第１の実施形態と同様である。
図４に示すように、本実施形態では、発電機７０と電動機８０とを結線する導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷの途中に、操作部ＯＳを備えたサーキットブレーカＣＢが設けられている。
【００５２】
サーキットブレーカＣＢは、導電ケーブルＣＵ，ＣＶ，ＣＷに所定値以上の電流が流れたときに、電動機８０と発電機７０との間の回路を遮断する。
サーキットブレーカＣＢに備わる操作部ＯＳは、回路を接続する接続位置Ｐａと回路を遮断する遮断位置Ｐｂで移動可能となっており、サーキットブレーカＣＢが遮断されると、接続位置Ｐａにあった操作部ＯＳは遮断位置Ｐｂに自動的に移動するようになっている。
遮断位置Ｐｂに移動した操作部ＯＳを操作して、接続位置Ｐａに再び移動させることによって、電動機８０と発電機７０との間の回路は再び接続される。
【００５３】
図５は、上記のサーキットブレーカＣＢの工具における配置の一例を示す図である。
図５に示すように、サーキットブレーカＣＢの操作部ＯＳはケース６５に形成された窓部Ｗｄを通じて外部から視認可能にかつ操作可能に設けられている。
【００５４】
たとえば、加工中にサーキットブレーカＣＢが過電流を検出して操作部ＯＳが遮断位置Ｐｂに移動すると、オペレータは過電流が発生して電動機８０と発電機７０との間の回路が遮断されたことを視覚的に確認することができる。
さらに、オペレータは遮断位置Ｐｂに移動した操作部ＯＳを操作して接続位置Ｐａに移動させることにより、電動機８０と発電機７０との間の回路を再び確立させることができる。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、電動機８０と発電機７０を過電流から保護できることに加えて、操作性を向上させることができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、外部から電力を供給することなく工作機械の主軸よりも高い回転数で加工具を回転させることができる工具、工具ホルダおよびこれらを備えた工作機械が得られる。
また、本発明によれば、通常の工具と同様に工作機械の主軸に着脱自在に装着され、外部の電源等と結線することなく駆動可能で、自動工具交換が可能な工具、工具ホルダおよびこれらを備えた工作機械が得られる。
また、本発明によれば、過電流から電動機および発電機を保護することができる工具、工具ホルダおよびこれらを備えた工作機械が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
【図２】本発明の工具の一実施形態の構成を示す断面図である。
【図３】発電機と電動機の接続関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る工具における発電機と電動機との接続関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る工具の外観図である。
【符号の説明】
１…マシニングセンタ
２…工作機械本体
３１…主軸モータ
３９…自動工具交換装置
４６…主軸
６０…工具
６２…装着部
６５…ケース
６６，６７，６８…ケース部材
７０…発電機
８０…電動機
９０…工具保持部
９５…工具装着部
１００…刃具
２５０…ＮＣ装置
ＣＢ…サーキットブレーカ
ＯＳ…操作部
ＦＵ，ＦＶ，ＦＷ…ヒューズ
Claims (4)
- 工作機械の主軸に着脱される工具であって、
ワークを加工する加工具と、
前記加工具を保持する回転軸と、
前記回転軸を駆動する電動機と、
前記工作機械の主軸から回転力が伝達され、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記主軸に着脱可能に装着され、当該主軸の回転力を前記発電機に伝達する装着部と、
前記電動機および前記発電機を保持し、かつ前記装着部を回転自在に保持し、前記工作機械の非回転部分に係合し、回転が規制されるケースと、
前記発電機から前記電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断する遮断手段と
を有し、
前記回転軸、前記電動機、前記発電機及び前記装着部は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、
前記ケースは、
前記回転軸を回転自在に保持する第１のケース部材と、
前記電動機及び前記発電機を保持する第２のケース部材と、
前記装着部を保持する第３のケース部材と、
を備え、
前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、締結手段により互いに連結され、
前記遮断手段は、前記供給路を遮断後に、当該供給路を再び接続可能な遮断器であり、
前記遮断器は、前記第２のケース部材の外部から接続状態を視認可能にかつ操作可能に設けられている
工具。 - 前記発電機は、前記主軸の回転数に応じた周波数の電圧を電動機に供給する交流発電機であり、
前記電動機は、前記周波数に応じた回転数で回転する誘導電動機である
請求項１に記載の工具。 - ワークを加工する加工具を保持可能で、工作機械本体の主軸に着脱される工具ホルダであって、
前記加工具を保持する回転軸と、
前記回転軸を回転させる電動機と、
前記工作機械の主軸から回転力が伝達され、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、
前記主軸に着脱可能に装着され、当該主軸の回転力を前記発電機に伝達する装着部と、
前記電動機および前記発電機を保持し、かつ前記装着部を回転自在に保持し、前記工作機械の非回転部分に係合し、回転が規制されるケースと、
前記発電機から前記電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断する遮断手段と
を有し、
前記回転軸、前記電動機、前記発電機及び前記装着部は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、
前記ケースは、
前記回転軸を回転自在に保持する第１のケース部材と、
前記電動機及び前記発電機を保持する第２のケース部材と、
前記装着部を保持する第３のケース部材と、
を備え、
前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、締結手段により互いに連結され、
前記遮断手段は、前記供給路を遮断後に、当該供給路を再び接続可能な遮断器であり、
前記遮断器は、前記第２のケース部材の外部から接続状態を視認可能にかつ操作可能に設けられている
工具ホルダ。 - 主軸と、前記主軸を駆動する駆動手段と、前記主軸とワークとの相対位置を変更する少なくとも一の制御軸とを備える工作機械本体と、
ワークを加工する加工具と、前記加工具を保持する回転軸と、前記回転軸を駆動する電動機と、前記主軸から回転力が伝達され、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記主軸に着脱可能に装着され、当該主軸の回転力を前記発電機に伝達する装着部と、前記電動機および前記発電機を保持し、かつ前記装着部を回転自在に保持し、前記工作機械の非回転部分に係合し、回転が規制されるケースとを備え、前記主軸に着脱される工具と、
前記駆動手段および前記制御軸を加工プログラムにしたがって駆動制御する制御装置とを有する工作機械であって、
前記工具は、前記発電機から前記電動機への電流の供給路に所定以上の電流が流れた場合には、当該供給路を遮断する遮断手段を備え、
前記回転軸、前記電動機、前記発電機及び前記装着部は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、
前記ケースは、
前記回転軸を回転自在に保持する第１のケース部材と、
前記電動機及び前記発電機を保持する第２のケース部材と、
前記装着部を保持する第３のケース部材と、
を備え、
前記第１のケース部材、前記第２のケース部材及び前記第３のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、締結手段により互いに連結され、
前記遮断手段は、前記供給路を遮断後に、当該供給路を再び接続可能な遮断器であり、
前記遮断器は、前記第２のケース部材の外部から接続状態を視認可能にかつ操作可能に設けられている
工作機械。
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