JP4007419B2 - 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】
この発明は、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、主軸の最大回転速度（単位時間当り）は主軸を回転自在に保持する主軸受の構造や潤滑方式によって決定されるため、この最大回転速度より増速した回転速度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速度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速度よりも工具の回転速度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、工具を高い回転速度で回転させている。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】
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速度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、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ている場合がある。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速度を得ることができ、熱膨張が抑えられ加工精度の低下が抑制でき、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、ワークを加工する加工具と、この加工具を駆動する三相誘導電動機と、この電動機を駆動させる電力を発生し、前記主軸の回転が増速されて前記加工具に伝達されるように前記電動機との極数比が設定された三相同期発電機と、この発電機に前記主軸から回転力を伝達し、前記主軸に装着される装着部と、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するケースと、このケースに設けられ、前記主軸の近傍の非回転部に形成された嵌合穴に前記主軸に平行な方向に先端が挿入されて嵌合し、前記ケースの前記主軸回りの回転を規制する回り止めと、前記電動機及び前記発電機を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路と、を備え、前記発電機及び前記電動機は、前記装着部から前記加工具への方向に順に同軸的に配置され、前記ケースは、前記発電機及び電動機の外周に設けられた第１ケース部材と、前記第１ケース部材の外周に設けられ、前記回り止めが前記主軸に平行な方向に摺動可能に挿入された第２ケース部材と、前記第２ケース部材の外周のうち前記回り止めよりも前記加工具側の部分に設けられた第３ケース部材と、を備え、前記冷却流路は、前記回り止めに形成され、当該回り止めの先端から前記主軸の軸心方向に延びる第１流路と、当該第１流路に直交し、当該回り止めの前記第２ケース部材に摺動する外周面に開口し、前記主軸の軸心を通る一断面において前記外周面における前記軸心方向の内径が拡径する第２流路とを有し、前記非回転部から前記冷却媒体が供給される中空穴と、前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成され、前記中空穴の前記第２流路との連通位置から、前記発電機の外周側及び前記電動機の外周側を順に経由して、終端へ至る冷却溝と、前記第２ケース部材と前記第３ケース部材との間に形成され、前記冷却溝のうち前記電動機の外周側に位置する部分の外周側に位置し、前記発電機の外周側には位置せず、前記第２ケース部材に形成された第１排出穴を介して前記冷却溝の前記終端と連通し、前記第３ケース部材に形成された第２排出穴を介して前記第３ケース部材外部に連通し、前記主軸の軸心を通る一断面において、前記装着部から前記加工具への方向に直交する内径が前記冷却溝の内径よりも大きく、前記第１排出穴から前記第２排出穴への方向に直交する内径が前記第１排出穴及び前記第２排出穴の内径よりも大きい冷却空間と、を備え、前記電動機は前記発電機よりも径が小さく、前記第１ケース部材及び第２ケース部材は、前記電動機の外周側に位置する部分が、前記発電機と前記電動機との間に前記冷却溝の段差が形成されるように、前記発電機の外周側に位置する部分よりも径が小さく形成されている。
【０００７】
本発明の工具ホルダは、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、前記加工具を回転自在に保持する工具保持部と、前記工具保持部を回転させる三相誘導電動機と、この電動機を駆動させる電力を発生し、前記主軸の回転が増速されて前記加工具に伝達されるように前記電動機との極数比が設定された三相同期発電機と、この発電機に前記主軸から回転力を伝達し、前記主軸に装着される装着部と、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するケースと、このケースに設けられ、前記主軸の近傍の非回転部に形成された嵌合穴に前記主軸に平行な方向に先端が挿入されて嵌合し、前記ケースの前記主軸回りの回転を規制する回り止めと、前記電動機及び前記発電機を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路と、を備え、前記発電機及び前記電動機は、前記装着部から前記工具保持部への方向に順に同軸的に配置され、前記ケースは、前記発電機及び電動機の外周に設けられた第１ケース部材と、前記第１ケース部材の外周に設けられ、前記回り止めが前記主軸に平行な方向に摺動可能に挿入された第２ケース部材と、前記第２ケース部材の外周のうち前記回り止めよりも前記加工具側の部分に設けられた第３ケース部材と、を備え、前記冷却流路は、前記回り止めに形成され、当該回り止めの先端から前記主軸の軸心方向に延びる第１流路と、当該第１流路に直交し、当該回り止めの前記第２ケース部材に摺動する外周面に開口し、前記主軸の軸心を通る一断面において前記外周面における前記軸心方向の内径が拡径する第２流路とを有し、前記非回転部から前記冷却媒体が供給される中空穴と、前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成され、前記中空穴の前記第２流路との連通位置から、前記発電機の外周側及び前記電動機の外周側を順に経由して、終端へ至る冷却溝と、前記第２ケース部材と前記第３ケース部材との間に形成され、前記冷却溝のうち前記電動機の外周側に位置する部分の外周側に位置し、前記発電機の外周側には位置せず、前記第２ケース部材に形成された第１排出穴を介して前記冷却溝の前記終端と連通し、前記第３ケース部材に形成された第２排出穴を介して前記第３ケース部材外部に連通し、前記主軸の軸心を通る一断面において、前記装着部から前記加工具への方向に直交する内径が前記冷却溝の内径よりも大きく、前記第１排出穴から前記第２排出穴への方向に直交する内径が前記第１排出穴及び前記第２排出穴の内径よりも大きい冷却空間と、を備え、前記電動機は前記発電機よりも径が小さく、前記第１ケース部材及び第２ケース部材は、前記電動機の外周側に位置する部分が、前記発電機と前記電動機との間に前記冷却溝の段差が形成されるように、前記発電機の外周側に位置する部分よりも径が小さく形成されている。
【０００８】
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、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従って駆動制御する制御装置と、を有する工作機械において、前記工具は、ワークを加工する加工具と、この加工具を駆動する三相誘導電動機と、この電動機を駆動させる電力を発生し、前記主軸の回転が増速されて前記加工具に伝達されるように前記電動機との極数比が設定された三相同期発電機と、この発電機に前記主軸から回転力を伝達し、前記主軸に装着される装着部と、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するケースと、このケースに設けられ、前記主軸の近傍の非回転部に形成された嵌合穴に前記主軸に平行な方向に先端が挿入されて嵌合し、前記ケースの前記主軸回りの回転を規制する回り止めと、前記電動機及び前記発電機を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路と、を備え、前記発電機及び前記電動機は、前記装着部から前記加工具への方向に順に同軸的に配置され、前記ケースは、前記発電機及び電動機の外周に設けられた第１ケース部材と、前記第１ケース部材の外周に設けられ、前記回り止めが前記主軸に平行な方向に摺動可能に挿入された第２ケース部材と、前記第２ケース部材の外周のうち前記回り止めよりも前記加工具側の部分に設けられた第３ケース部材と、を備え、前記冷却流路は、前記回り止めに形成され、当該回り止めの先端から前記主軸の軸心方向に延びる第１流路と、当該第１流路に直交し、当該回り止めの前記第２ケース部材に摺動する外周面に開口し、前記主軸の軸心を通る一断面において前記外周面における前記軸心方向の内径が拡径する第２流路とを有し、前記非回転部から前記冷却媒体が供給される中空穴と、前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成され、前記中空穴の前記第２流路との連通位置から、前記発電機の外周側及び前記電動機の外周側を順に経由して、終端へ至る冷却溝と、前記第２ケース部材と前記第３ケース部材との間に形成され、前記冷却溝のうち前記電動機の外周側に位置する部分の外周側に位置し、前記発電機の外周側には位置せず、前記第２ケース部材に形成された第１排出穴を介して前記冷却溝の前記終端と連通し、前記第３ケース部材に形成された第２排出穴を介して前記第３ケース部材外部に連通し、前記主軸の軸心を通る一断面において、前記装着部から前記加工具への方向に直交する内径が前記冷却溝の内径よりも大きく、前記第１排出穴から前記第２排出穴への方向に直交する内径が前記第１排出穴及び前記第２排出穴の内径よりも大きい冷却空間と、を備え、前記電動機は前記発電機よりも径が小さく、前記第１ケース部材及び第２ケース部材は、前記電動機の外周側に位置する部分が、前記発電機と前記電動機との間に前記冷却溝の段差が形成されるように、前記発電機の外周側に位置する部分よりも径が小さく形成されている。
【０００９】
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、工具に設けた冷却溝に冷却媒体を流し、工具自体を冷却するとともに発電機および電動機を冷却するので、熱膨張を抑え、加工精度の低下を抑制している。
【００１０】
【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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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の回転速度（単位時間当りの回転速度）を解読することにより主軸４６の回転速度の制御を行う。
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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形態である。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。
【００１９】
工具ホルダ６１は、装着部６２と、ケース部材６６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８５とを備えている。
【００２０】
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の先端部に取り付けたプルスタッド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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
装着部６２の軸部６２ｄは、ケース部材６８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、アンギュラ玉軸受が用いられている。
【００２５】
ケース部材６８の内周には、発電機７０、電動機８０および工具保持部９０が保持されている。このケース部材６８の外周部、発電機７０および電動機６８のステータ近くには冷却手段としての冷却溝１０７、１０８が形成されており、それぞれの冷却溝１０７、１０８は連続的に接続されている。
冷却溝１０８の先端部には、冷却溝１０８と接続され、カバー１１１の内側に開放される排出穴１０９が明いている。
【００２６】
カバー１１１は、ケース部材６６の先端部に取り付けるよう構成され、排出穴１１０がカバー１１１の内側から大気側に通じるように明けられている。
【００２７】
発電機７０は、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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形態である。
電動機８０の回転軸８１は、軸受１１３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、アンギュラ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形態である。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および６８がケース６５を構成している。
ケース部材６６は、回り止め８５を自由に移動可能に案内するガイド１１５を形成しており、さらに、ケース部材６８を保持するようになっている。
また、ケース部材６６は、回り止め８５に形成された流路１０３と接続可能に、工具６０の中心方向に明けられた流路１０４が形成され、ケース部材６８の冷却溝１０７に接続している。
回り止め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】
回り止め８５の中心部には、軸心方向に流路１０２が開けられており、回り止め８５の突き出し側の流路８５は開放となっており、ガイド１１５側は、軸心方向と直角に明けられた流路１０３と接続されている。そして、この流路１０３は、ケース部材６６側に形成された前記流路１０４と接続されようになている。
【００３４】
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。
【００３５】
この状態から、主軸４６を回転速度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。
【００３６】
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の回転速度をＮ０〔ｍｉｎ−１〕とすると、次式（１）によって表される。
【００３７】
ｆ＝Ｐ１×Ｎ０／１２０〔Ｈｚ〕…（１）
【００３８】
従って、主軸４６を回転速度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。
【００３９】
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、三相誘導発電機は三相交流の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発電機の同期速度Ｎ１は、次式（２）で表される。
【００４０】
Ｎ１＝１２０×ｆ／Ｐ２〔ｍｉｎ−１〕…（２）
【００４１】
従って、主軸４６の回転速度Ｎ０に対する工具６０の回転速度Ｎ１は次式（３）によって表される。
【００４２】
Ｎ１＝Ｎ０×Ｐ１／Ｐ２〔ｍｉｎ−１〕…（３）
【００４３】
（３）式から分かるように、主軸４６の回転速度Ｎ０は、上記（３）式で表される回転速度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と三相誘導発電機の極数Ｐ２との比を適宜設定することにより、主軸４６の回転速度Ｎ０に対する工具６０の回転速度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の回転速度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、三相誘導発電機の極数Ｐ１および三相誘導発電機の極数Ｐ２を予め選択すればよい。
【００４４】
たとえば、主軸４６の最大回転速度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の回転速度は上記の最大回転速度Ｎｍａｘの範囲で充分である場合が多い。
一方、主軸４６の最大回転速度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の回転速度を、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を予め収納しておく。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発電機を内蔵させる。
【００４５】
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は主軸モータ３１を駆動して回転させるが、工具６０に保持された刃具１００の回転速度は、主軸４６の回転速度によって制御する。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の回転速度をＳコードで指定することにより、工具６０の刃具１００の回転速度を規定しておく。すなわち、ＮＣ装置２５０は、主軸４６の回転速度を制御することにより、工具６０の刃具１００の回転速度を制御する。
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の回転速度を３０００ｍｉｎ−１に指定しておく。
【００４６】
主軸４６を３０００ｍｉｎ−１で回転させると、発電機７０は主軸４６の回転速度および極数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の回転速度で回転する。
【００４７】
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）とを加工用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。
【００４８】
これにより、たとえば、主軸４６の最大回転速度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の最大回転速度を越える回転速度で刃具１００を回転させてワークの高速加工が可能となる。
【００４９】
主軸４６が回転すると、発電機７０、発電機８０および軸受７２、９２、１１３が発熱するため、工具６０が熱膨張し加工精度を低下させることになるので、冷却は重要な課題である。従って、非回転部４７から流した冷却媒体１０１は、嵌合した回り止め８５の流路１０２、１０３を流れケース部材６６の流路１０４を通り、ケース部材６８外部に形成された冷却溝１０７に流れ発電機７０の外部を冷却する。
冷却溝１０７を通った冷却媒体１０１は、冷却溝１０８に流れ、電動機８０のステータ側を冷却する。
そして、冷却した後冷却媒体１０１は排出穴１０９を通りカバー１１１に排出され、次に前記排出穴１０９から大気に排出される。
【００５０】
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しないうえ、さらに冷却媒体で冷却するようにしたので工具６０の熱膨張が抑えられ加工精度の低下が抑制される。
【００５１】
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。
【００５２】
また、本実施形態によば、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。
【００５３】
【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速度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、熱膨張が抑えられ加工精度の低下が抑制できる工具、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。
【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
６１ 工具ホルダ
６２ 装着部
６５ ケース
６６、６８ ケース部材
７０ 発電機
８０ 電動機
８５ 回り止め
９０ 工具保持部
９５ 工具装着部
１００ 刃具
１０１ 冷却媒体
１０７、１０８ 冷却溝
２５０ ＮＣ装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、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、主軸の最大回転速度（単位時間当り）は主軸を回転自在に保持する主軸受の構造や潤滑方式によって決定されるため、この最大回転速度より増速した回転速度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速度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速度よりも工具の回転速度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、工具を高い回転速度で回転させている。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】
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速度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、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ている場合がある。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速度を得ることができ、熱膨張が抑えられ加工精度の低下が抑制でき、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、ワークを加工する加工具と、この加工具を駆動する三相誘導電動機と、この電動機を駆動させる電力を発生し、前記主軸の回転が増速されて前記加工具に伝達されるように前記電動機との極数比が設定された三相同期発電機と、この発電機に前記主軸から回転力を伝達し、前記主軸に装着される装着部と、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するケースと、このケースに設けられ、前記主軸の近傍の非回転部に形成された嵌合穴に前記主軸に平行な方向に先端が挿入されて嵌合し、前記ケースの前記主軸回りの回転を規制する回り止めと、前記電動機及び前記発電機を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路と、を備え、前記発電機及び前記電動機は、前記装着部から前記加工具への方向に順に同軸的に配置され、前記ケースは、前記発電機及び電動機の外周に設けられた第１ケース部材と、前記第１ケース部材の外周に設けられ、前記回り止めが前記主軸に平行な方向に摺動可能に挿入された第２ケース部材と、前記第２ケース部材の外周のうち前記回り止めよりも前記加工具側の部分に設けられた第３ケース部材と、を備え、前記冷却流路は、前記回り止めに形成され、当該回り止めの先端から前記主軸の軸心方向に延びる第１流路と、当該第１流路に直交し、当該回り止めの前記第２ケース部材に摺動する外周面に開口し、前記主軸の軸心を通る一断面において前記外周面における前記軸心方向の内径が拡径する第２流路とを有し、前記非回転部から前記冷却媒体が供給される中空穴と、前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成され、前記中空穴の前記第２流路との連通位置から、前記発電機の外周側及び前記電動機の外周側を順に経由して、終端へ至る冷却溝と、前記第２ケース部材と前記第３ケース部材との間に形成され、前記冷却溝のうち前記電動機の外周側に位置する部分の外周側に位置し、前記発電機の外周側には位置せず、前記第２ケース部材に形成された第１排出穴を介して前記冷却溝の前記終端と連通し、前記第３ケース部材に形成された第２排出穴を介して前記第３ケース部材外部に連通し、前記主軸の軸心を通る一断面において、前記装着部から前記加工具への方向に直交する内径が前記冷却溝の内径よりも大きく、前記第１排出穴から前記第２排出穴への方向に直交する内径が前記第１排出穴及び前記第２排出穴の内径よりも大きい冷却空間と、を備え、前記電動機は前記発電機よりも径が小さく、前記第１ケース部材及び第２ケース部材は、前記電動機の外周側に位置する部分が、前記発電機と前記電動機との間に前記冷却溝の段差が形成されるように、前記発電機の外周側に位置する部分よりも径が小さく形成されている。
【０００７】
本発明の工具ホルダは、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、前記加工具を回転自在に保持する工具保持部と、前記工具保持部を回転させる三相誘導電動機と、この電動機を駆動させる電力を発生し、前記主軸の回転が増速されて前記加工具に伝達されるように前記電動機との極数比が設定された三相同期発電機と、この発電機に前記主軸から回転力を伝達し、前記主軸に装着される装着部と、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するケースと、このケースに設けられ、前記主軸の近傍の非回転部に形成された嵌合穴に前記主軸に平行な方向に先端が挿入されて嵌合し、前記ケースの前記主軸回りの回転を規制する回り止めと、前記電動機及び前記発電機を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路と、を備え、前記発電機及び前記電動機は、前記装着部から前記工具保持部への方向に順に同軸的に配置され、前記ケースは、前記発電機及び電動機の外周に設けられた第１ケース部材と、前記第１ケース部材の外周に設けられ、前記回り止めが前記主軸に平行な方向に摺動可能に挿入された第２ケース部材と、前記第２ケース部材の外周のうち前記回り止めよりも前記加工具側の部分に設けられた第３ケース部材と、を備え、前記冷却流路は、前記回り止めに形成され、当該回り止めの先端から前記主軸の軸心方向に延びる第１流路と、当該第１流路に直交し、当該回り止めの前記第２ケース部材に摺動する外周面に開口し、前記主軸の軸心を通る一断面において前記外周面における前記軸心方向の内径が拡径する第２流路とを有し、前記非回転部から前記冷却媒体が供給される中空穴と、前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成され、前記中空穴の前記第２流路との連通位置から、前記発電機の外周側及び前記電動機の外周側を順に経由して、終端へ至る冷却溝と、前記第２ケース部材と前記第３ケース部材との間に形成され、前記冷却溝のうち前記電動機の外周側に位置する部分の外周側に位置し、前記発電機の外周側には位置せず、前記第２ケース部材に形成された第１排出穴を介して前記冷却溝の前記終端と連通し、前記第３ケース部材に形成された第２排出穴を介して前記第３ケース部材外部に連通し、前記主軸の軸心を通る一断面において、前記装着部から前記加工具への方向に直交する内径が前記冷却溝の内径よりも大きく、前記第１排出穴から前記第２排出穴への方向に直交する内径が前記第１排出穴及び前記第２排出穴の内径よりも大きい冷却空間と、を備え、前記電動機は前記発電機よりも径が小さく、前記第１ケース部材及び第２ケース部材は、前記電動機の外周側に位置する部分が、前記発電機と前記電動機との間に前記冷却溝の段差が形成されるように、前記発電機の外周側に位置する部分よりも径が小さく形成されている。
【０００８】
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、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従って駆動制御する制御装置と、を有する工作機械において、前記工具は、ワークを加工する加工具と、この加工具を駆動する三相誘導電動機と、この電動機を駆動させる電力を発生し、前記主軸の回転が増速されて前記加工具に伝達されるように前記電動機との極数比が設定された三相同期発電機と、この発電機に前記主軸から回転力を伝達し、前記主軸に装着される装着部と、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するケースと、このケースに設けられ、前記主軸の近傍の非回転部に形成された嵌合穴に前記主軸に平行な方向に先端が挿入されて嵌合し、前記ケースの前記主軸回りの回転を規制する回り止めと、前記電動機及び前記発電機を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路と、を備え、前記発電機及び前記電動機は、前記装着部から前記加工具への方向に順に同軸的に配置され、前記ケースは、前記発電機及び電動機の外周に設けられた第１ケース部材と、前記第１ケース部材の外周に設けられ、前記回り止めが前記主軸に平行な方向に摺動可能に挿入された第２ケース部材と、前記第２ケース部材の外周のうち前記回り止めよりも前記加工具側の部分に設けられた第３ケース部材と、を備え、前記冷却流路は、前記回り止めに形成され、当該回り止めの先端から前記主軸の軸心方向に延びる第１流路と、当該第１流路に直交し、当該回り止めの前記第２ケース部材に摺動する外周面に開口し、前記主軸の軸心を通る一断面において前記外周面における前記軸心方向の内径が拡径する第２流路とを有し、前記非回転部から前記冷却媒体が供給される中空穴と、前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成され、前記中空穴の前記第２流路との連通位置から、前記発電機の外周側及び前記電動機の外周側を順に経由して、終端へ至る冷却溝と、前記第２ケース部材と前記第３ケース部材との間に形成され、前記冷却溝のうち前記電動機の外周側に位置する部分の外周側に位置し、前記発電機の外周側には位置せず、前記第２ケース部材に形成された第１排出穴を介して前記冷却溝の前記終端と連通し、前記第３ケース部材に形成された第２排出穴を介して前記第３ケース部材外部に連通し、前記主軸の軸心を通る一断面において、前記装着部から前記加工具への方向に直交する内径が前記冷却溝の内径よりも大きく、前記第１排出穴から前記第２排出穴への方向に直交する内径が前記第１排出穴及び前記第２排出穴の内径よりも大きい冷却空間と、を備え、前記電動機は前記発電機よりも径が小さく、前記第１ケース部材及び第２ケース部材は、前記電動機の外周側に位置する部分が、前記発電機と前記電動機との間に前記冷却溝の段差が形成されるように、前記発電機の外周側に位置する部分よりも径が小さく形成されている。
【０００９】
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、工具に設けた冷却溝に冷却媒体を流し、工具自体を冷却するとともに発電機および電動機を冷却するので、熱膨張を抑え、加工精度の低下を抑制している。
【００１０】
【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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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の回転速度（単位時間当りの回転速度）を解読することにより主軸４６の回転速度の制御を行う。
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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形態である。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。
【００１９】
工具ホルダ６１は、装着部６２と、ケース部材６６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８５とを備えている。
【００２０】
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の先端部に取り付けたプルスタッド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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
装着部６２の軸部６２ｄは、ケース部材６８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、アンギュラ玉軸受が用いられている。
【００２５】
ケース部材６８の内周には、発電機７０、電動機８０および工具保持部９０が保持されている。このケース部材６８の外周部、発電機７０および電動機６８のステータ近くには冷却手段としての冷却溝１０７、１０８が形成されており、それぞれの冷却溝１０７、１０８は連続的に接続されている。
冷却溝１０８の先端部には、冷却溝１０８と接続され、カバー１１１の内側に開放される排出穴１０９が明いている。
【００２６】
カバー１１１は、ケース部材６６の先端部に取り付けるよう構成され、排出穴１１０がカバー１１１の内側から大気側に通じるように明けられている。
【００２７】
発電機７０は、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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形態である。
電動機８０の回転軸８１は、軸受１１３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、アンギュラ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形態である。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および６８がケース６５を構成している。
ケース部材６６は、回り止め８５を自由に移動可能に案内するガイド１１５を形成しており、さらに、ケース部材６８を保持するようになっている。
また、ケース部材６６は、回り止め８５に形成された流路１０３と接続可能に、工具６０の中心方向に明けられた流路１０４が形成され、ケース部材６８の冷却溝１０７に接続している。
回り止め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】
回り止め８５の中心部には、軸心方向に流路１０２が開けられており、回り止め８５の突き出し側の流路８５は開放となっており、ガイド１１５側は、軸心方向と直角に明けられた流路１０３と接続されている。そして、この流路１０３は、ケース部材６６側に形成された前記流路１０４と接続されようになている。
【００３４】
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。
【００３５】
この状態から、主軸４６を回転速度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。
【００３６】
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の回転速度をＮ０〔ｍｉｎ−１〕とすると、次式（１）によって表される。
【００３７】
ｆ＝Ｐ１×Ｎ０／１２０〔Ｈｚ〕…（１）
【００３８】
従って、主軸４６を回転速度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。
【００３９】
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、三相誘導発電機は三相交流の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発電機の同期速度Ｎ１は、次式（２）で表される。
【００４０】
Ｎ１＝１２０×ｆ／Ｐ２〔ｍｉｎ−１〕…（２）
【００４１】
従って、主軸４６の回転速度Ｎ０に対する工具６０の回転速度Ｎ１は次式（３）によって表される。
【００４２】
Ｎ１＝Ｎ０×Ｐ１／Ｐ２〔ｍｉｎ−１〕…（３）
【００４３】
（３）式から分かるように、主軸４６の回転速度Ｎ０は、上記（３）式で表される回転速度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と三相誘導発電機の極数Ｐ２との比を適宜設定することにより、主軸４６の回転速度Ｎ０に対する工具６０の回転速度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の回転速度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、三相誘導発電機の極数Ｐ１および三相誘導発電機の極数Ｐ２を予め選択すればよい。
【００４４】
たとえば、主軸４６の最大回転速度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の回転速度は上記の最大回転速度Ｎｍａｘの範囲で充分である場合が多い。
一方、主軸４６の最大回転速度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の回転速度を、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を予め収納しておく。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発電機を内蔵させる。
【００４５】
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は主軸モータ３１を駆動して回転させるが、工具６０に保持された刃具１００の回転速度は、主軸４６の回転速度によって制御する。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の回転速度をＳコードで指定することにより、工具６０の刃具１００の回転速度を規定しておく。すなわち、ＮＣ装置２５０は、主軸４６の回転速度を制御することにより、工具６０の刃具１００の回転速度を制御する。
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の回転速度を３０００ｍｉｎ−１に指定しておく。
【００４６】
主軸４６を３０００ｍｉｎ−１で回転させると、発電機７０は主軸４６の回転速度および極数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の回転速度で回転する。
【００４７】
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）とを加工用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。
【００４８】
これにより、たとえば、主軸４６の最大回転速度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の最大回転速度を越える回転速度で刃具１００を回転させてワークの高速加工が可能となる。
【００４９】
主軸４６が回転すると、発電機７０、発電機８０および軸受７２、９２、１１３が発熱するため、工具６０が熱膨張し加工精度を低下させることになるので、冷却は重要な課題である。従って、非回転部４７から流した冷却媒体１０１は、嵌合した回り止め８５の流路１０２、１０３を流れケース部材６６の流路１０４を通り、ケース部材６８外部に形成された冷却溝１０７に流れ発電機７０の外部を冷却する。
冷却溝１０７を通った冷却媒体１０１は、冷却溝１０８に流れ、電動機８０のステータ側を冷却する。
そして、冷却した後冷却媒体１０１は排出穴１０９を通りカバー１１１に排出され、次に前記排出穴１０９から大気に排出される。
【００５０】
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しないうえ、さらに冷却媒体で冷却するようにしたので工具６０の熱膨張が抑えられ加工精度の低下が抑制される。
【００５１】
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。
【００５２】
また、本実施形態によば、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。
【００５３】
【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速度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、熱膨張が抑えられ加工精度の低下が抑制できる工具、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。
【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
６１ 工具ホルダ
６２ 装着部
６５ ケース
６６、６８ ケース部材
７０ 発電機
８０ 電動機
８５ 回り止め
９０ 工具保持部
９５ 工具装着部
１００ 刃具
１０１ 冷却媒体
１０７、１０８ 冷却溝
２５０ ＮＣ装置
Claims (3)
- 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、
この加工具を駆動する三相誘導電動機と、
この電動機を駆動させる電力を発生し、前記主軸の回転が増速されて前記加工具に伝達されるように前記電動機との極数比が設定された三相同期発電機と、
この発電機に前記主軸から回転力を伝達し、前記主軸に装着される装着部と、
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するケースと、
このケースに設けられ、前記主軸の近傍の非回転部に形成された嵌合穴に前記主軸に平行な方向に先端が挿入されて嵌合し、前記ケースの前記主軸回りの回転を規制する回り止めと、
前記電動機及び前記発電機を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路と、
を備え、
前記発電機及び前記電動機は、前記装着部から前記加工具への方向に順に同軸的に配置され、
前記ケースは、
前記発電機及び電動機の外周に設けられた第１ケース部材と、
前記第１ケース部材の外周に設けられ、前記回り止めが前記主軸に平行な方向に摺動可能に挿入された第２ケース部材と、
前記第２ケース部材の外周のうち前記回り止めよりも前記加工具側の部分に設けられた第３ケース部材と、
を備え、
前記冷却流路は、
前記回り止めに形成され、当該回り止めの先端から前記主軸の軸心方向に延びる第１流路と、当該第１流路に直交し、当該回り止めの前記第２ケース部材に摺動する外周面に開口し、前記主軸の軸心を通る一断面において前記外周面における前記軸心方向の内径が拡径する第２流路とを有し、前記非回転部から前記冷却媒体が供給される中空穴と、
前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成され、前記中空穴の前記第２流路との連通位置から、前記発電機の外周側及び前記電動機の外周側を順に経由して、終端へ至る冷却溝と、
前記第２ケース部材と前記第３ケース部材との間に形成され、前記冷却溝のうち前記電動機の外周側に位置する部分の外周側に位置し、前記発電機の外周側には位置せず、前記第２ケース部材に形成された第１排出穴を介して前記冷却溝の前記終端と連通し、前記第３ケース部材に形成された第２排出穴を介して前記第３ケース部材外部に連通し、前記主軸の軸心を通る一断面において、前記装着部から前記加工具への方向に直交する内径が前記冷却溝の内径よりも大きく、前記第１排出穴から前記第２排出穴への方向に直交する内径が前記第１排出穴及び前記第２排出穴の内径よりも大きい冷却空間と、
を備え、
前記電動機は前記発電機よりも径が小さく、
前記第１ケース部材及び第２ケース部材は、前記電動機の外周側に位置する部分が、前記発電機と前記電動機との間に前記冷却溝の段差が形成されるように、前記発電機の外周側に位置する部分よりも径が小さく形成されている
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、
前記加工具を回転自在に保持する工具保持部と、
前記工具保持部を回転させる三相誘導電動機と、
この電動機を駆動させる電力を発生し、前記主軸の回転が増速されて前記加工具に伝達されるように前記電動機との極数比が設定された三相同期発電機と、
この発電機に前記主軸から回転力を伝達し、前記主軸に装着される装着部と、
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するケースと、
このケースに設けられ、前記主軸の近傍の非回転部に形成された嵌合穴に前記主軸に平行な方向に先端が挿入されて嵌合し、前記ケースの前記主軸回りの回転を規制する回り止めと、
前記電動機及び前記発電機を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路と、
を備え、
前記発電機及び前記電動機は、前記装着部から前記工具保持部への方向に順に同軸的に配置され、
前記ケースは、
前記発電機及び電動機の外周に設けられた第１ケース部材と、
前記第１ケース部材の外周に設けられ、前記回り止めが前記主軸に平行な方向に摺動可能に挿入された第２ケース部材と、
前記第２ケース部材の外周のうち前記回り止めよりも前記加工具側の部分に設けられた第３ケース部材と、
を備え、
前記冷却流路は、
前記回り止めに形成され、当該回り止めの先端から前記主軸の軸心方向に延びる第１流路と、当該第１流路に直交し、当該回り止めの前記第２ケース部材に摺動する外周面に開口し、前記主軸の軸心を通る一断面において前記外周面における前記軸心方向の内径が拡径する第２流路とを有し、前記非回転部から前記冷却媒体が供給される中空穴と、
前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成され、前記中空穴の前記第２流路との連通位置から、前記発電機の外周側及び前記電動機の外周側を順に経由して、終端へ至る冷却溝と、
前記第２ケース部材と前記第３ケース部材との間に形成され、前記冷却溝のうち前記電動機の外周側に位置する部分の外周側に位置し、前記発電機の外周側には位置せず、前記第２ケース部材に形成された第１排出穴を介して前記冷却溝の前記終端と連通し、前記第３ケース部材に形成された第２排出穴を介して前記第３ケース部材外部に連通し、前記主軸の軸心を通る一断面において、前記装着部から前記加工具への方向に直交する内径が前記冷却溝の内径よりも大きく、前記第１排出穴から前記第２排出穴への方向に直交する内径が前記第１排出穴及び前記第２排出穴の内径よりも大きい冷却空間と、
を備え、
前記電動機は前記発電機よりも径が小さく、
前記第１ケース部材及び第２ケース部材は、前記電動機の外周側に位置する部分が、前記発電機と前記電動機との間に前記冷却溝の段差が形成されるように、前記発電機の外周側に位置する部分よりも径が小さく形成されている
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、
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従って駆動制御する制御装置と、を有する工作機械において、
前記工具は、
ワークを加工する加工具と、
この加工具を駆動する三相誘導電動機と、
この電動機を駆動させる電力を発生し、前記主軸の回転が増速されて前記加工具に伝達されるように前記電動機との極数比が設定された三相同期発電機と、
この発電機に前記主軸から回転力を伝達し、前記主軸に装着される装着部と、
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するケースと、
このケースに設けられ、前記主軸の近傍の非回転部に形成された嵌合穴に前記主軸に平行な方向に先端が挿入されて嵌合し、前記ケースの前記主軸回りの回転を規制する回り止めと、
前記電動機及び前記発電機を冷却するための冷却媒体が流れる冷却流路と、
を備え、
前記発電機及び前記電動機は、前記装着部から前記加工具への方向に順に同軸的に配置され、
前記ケースは、
前記発電機及び電動機の外周に設けられた第１ケース部材と、
前記第１ケース部材の外周に設けられ、前記回り止めが前記主軸に平行な方向に摺動可能に挿入された第２ケース部材と、
前記第２ケース部材の外周のうち前記回り止めよりも前記加工具側の部分に設けられた第３ケース部材と、
を備え、
前記冷却流路は、
前記回り止めに形成され、当該回り止めの先端から前記主軸の軸心方向に延びる第１流路と、当該第１流路に直交し、当該回り止めの前記第２ケース部材に摺動する外周面に開口し、前記主軸の軸心を通る一断面において前記外周面における前記軸心方向の内径が拡径する第２流路とを有し、前記非回転部から前記冷却媒体が供給される中空穴と、
前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成され、前記中空穴の前記第２流路との連通位置から、前記発電機の外周側及び前記電動機の外周側を順に経由して、終端へ至る冷却溝と、
前記第２ケース部材と前記第３ケース部材との間に形成され、前記冷却溝のうち前記電動機の外周側に位置する部分の外周側に位置し、前記発電機の外周側には位置せず、前記第２ケース部材に形成された第１排出穴を介して前記冷却溝の前記終端と連通し、前記第３ケース部材に形成された第２排出穴を介して前記第３ケース部材外部に連通し、前記主軸の軸心を通る一断面において、前記装着部から前記加工具への方向に直交する内径が前記冷却溝の内径よりも大きく、前記第１排出穴から前記第２排出穴への方向に直交する内径が前記第１排出穴及び前記第２排出穴の内径よりも大きい冷却空間と、
を備え、
前記電動機は前記発電機よりも径が小さく、
前記第１ケース部材及び第２ケース部材は、前記電動機の外周側に位置する部分が、前記発電機と前記電動機との間に前記冷却溝の段差が形成されるように、前記発電機の外周側に位置する部分よりも径が小さく形成されている
工作機械。
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