JP4153189B2 - 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自動工具交換装置によって着脱され、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とは異なる回転数で工具を回転可能な工具、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可能に装着される工具であって、ワークを加工する加工具と、前記加工具と連結され当該加工具を回転させる誘導電動機と、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同期発電機と、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するとともに、前記装着部を回転自在に保持し、かつ、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有し、前記装着部は、前記主軸の先端部に形成されたテーパスリーブに装着又は脱着可能なテーパシャンク部と、前記工作機械の自動工具交換装置により把持可能な把持部と、前記主軸の軸心に沿う一断面において前記把持部よりも径が小さい軸部とを、前記主軸の軸心方向に前記主軸側から前記加工具側へ順に有し、前記発電機は、入力軸と、前記入力軸の回転によって発電する発電機本体とを有し、前記入力軸は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向に前記軸部側へ突出して前記軸部の中心穴に挿入され、前記電動機は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体から供給される電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体から前記主軸の軸心方向とは異なる方向に突出し、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有し、当該出力軸には当該出力軸に同軸状に前記加工具を保持する工具装着部材が設けられ、前記ケースは、前記軸部を軸受を介して回転自在に保持する第１の部材と、前記発電機本体及び前記電動機本体を保持する第２の部材とを有し、前記主軸の軸心方向に対する前記出力軸の傾斜角度が一定の向きでのみ前記電動機本体を保持可能であり、前記発電機本体全体を内蔵し、前記電動機本体をケース外部に露出させて保持し、前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記加工具に伝達する。
【０００６】
本発明の工具は、前記電動機および前記加工具を複数備えている構成とすることも可能である。
【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可能に装着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誘導電動機と、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同期発電機と、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するとともに、前記装着部を回転自在に保持し、かつ、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有し、前記装着部は、前記主軸の先端部に形成されたテーパスリーブに装着又は脱着可能なテーパシャンク部と、前記工作機械の自動工具交換装置により把持可能な把持部と、前記主軸の軸心に沿う一断面において前記把持部よりも径が小さい軸部とを、前記主軸の軸心方向に前記主軸側から前記加工具側へ順に有し、前記発電機は、入力軸と、前記入力軸の回転によって発電する発電機本体とを有し、前記入力軸は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向に前記軸部側へ突出して前記軸部の中心穴に挿入され、前記電動機は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体から供給される電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体から前記主軸の軸心方向とは異なる方向に突出し、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有し、前記工具保持部は、前記出力軸に設けられ、前記出力軸に同軸状に前記加工具を保持する工具装着部材を有し、前記ケースは、前記軸部を軸受を介して回転自在に保持する第１の部材と、前記発電機本体及び前記電動機本体を保持する第２の部材とを有し、前記主軸の軸心方向に対する前記出力軸の傾斜角度が一定の向きでのみ前記電動機本体を保持可能であり、前記発電機本体全体を内蔵し、前記電動機本体をケース外部に露出させて保持し、前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記加工具に伝達する。
【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、複数種の工具を備え、前記主軸に対して当該工具を着脱する自動工具交換装置とを有し、前記複数種の工具には、ワークを加工する加工具と、前記加工具と連結され当該加工具を回転させる誘導電動機と、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同期発電機と、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するとともに、前記装着部を回転自在に保持し、かつ、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た特定の種類の工具が含まれ、前記装着部は、前記主軸の先端部に形成されたテーパスリーブに装着又は脱着可能なテーパシャンク部と、前記工作機械の自動工具交換装置により把持可能な把持部と、前記主軸の軸心に沿う一断面において前記把持部よりも径が小さい軸部とを、前記主軸の軸心方向に前記主軸側から前記加工具側へ順に有し、前記発電機は、入力軸と、前記入力軸の回転によって発電する発電機本体とを有し、前記入力軸は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向に前記軸部側へ突出して前記軸部の中心穴に挿入され、前記電動機は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体から供給される電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体から前記主軸の軸心方向とは異なる方向に突出し、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有し、当該出力軸には当該出力軸に同軸状に前記加工具を保持する工具装着部材が設けられ、前記ケースは、前記軸部を軸受を介して回転自在に保持する第１の部材と、前記発電機本体及び前記電動機本体を保持する第２の部材とを有し、前記主軸の軸心方向に対する前記出力軸の傾斜角度が一定の向きでのみ前記電動機本体を保持可能であり、前記発電機本体全体を内蔵し、前記電動機本体をケース外部に露出させて保持し、前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記加工具に伝達する。
【０００９】
好適には、前記複数種の工具には、複数の前記特定の種類の工具が含まれる。
【００１０】
さらに好適には、前記複数の特定の種類の工具には、前記電動機および前記加工具を複数備えている前記特定の種類の工具が含まれる。
【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。
さらに、電動機の姿勢や数が異なる種々の工具をあらかじめ自動工具交換装置に用意しておくことにより、様々な加工に対応することが可能となる。
【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、プログラマブルロジックコントローラ（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、本発明の一実施形態に係る工具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。
【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には、たとえば、三相誘導電動機を用いることができる。この電動機８０は、図３に示すように、導電ケーブルＷｘ，Ｗｙ，Ｗｚによって、発電機７０と接続されており、発電機７０で発電された電力が導電ケーブルＷｘ，Ｗｙ，Ｗｚを通じて供給され、駆動される。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
刃具１００は、工具装着部材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、工具装着部材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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
【数１】
ｆ＝Ｐ1 ×Ｎ0 ／１２０〔Ｈｚ〕 …（１）
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
【数２】
Ｎ1 ＝１２０×ｆ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（２）
【００３９】
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。
【００４０】
【数３】
Ｎ1 ＝Ｎ0 ×Ｐ1 ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（３）
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
第２実施形態
上述した第１の実施形態に係る工具６０は、刃具１００が主軸４６の軸心方向に配置、すなわち、電動機８０の回転軸が主軸４６の軸心方向に配置されている構成とした。
一方、マシニングセンタ１においては、様々な形態の複合加工を行う必要があり、刃具１００の向きが主軸４６の軸心方向にある工具６０だけでは、複合加工に対応できない。
本実施形態では、マシニングセンタ１の複合加工に対応可能な工具について説明する。
【００５１】
図４〜図６は、本発明の他の実施形態に係る工具の概略構成図である。なお、図４〜図６において、上述した第１の実施形態と同一構成部分については同一の符号を使用している。また、図４〜図６に示す工具は、上述した第１の実施形態に係る工具６０と基本的な動作は同じである。
【００５２】
図４に示す工具１６０は、上述した第１の実施形態に係る工具６０と同様に、装着部６２と、ケース６５と、発電機７０と、電動機８０と、工具装着部材９５、回り止め部材８５と、刃具１００とを備えている。
【００５３】
この工具１６０は、電動機８０の回転軸に連結された刃具１００の向きが主軸４６の軸心に直交するように、電動機８０がケース６５に固定されている。
工具１６０を用いれば、たとえば、ワークの側面加工を効率良く行うことができる。
【００５４】
図５に示す工具２６０は、上述した第１の実施形態に係る工具６０と同様に、装着部６２と、ケース６５と、発電機７０と、電動機８０と、工具装着部材９５、回り止め部材８５と、刃具１００とを備えている。
この工具２６０は、電動機８０の回転軸に連結された刃具１００の向きが、主軸４６の軸心に対して角度θで傾斜している。
角度θは、たとえば、３０°、４５°、６０°のような角度に設定される。
工具２６０は、たとえば、ワークの斜面の加工に用いられる。
【００５５】
図６に示す工具３６０は、上述した第１の実施形態に係る工具６０と同様に、装着部６２と、ケース６５と、発電機７０と、回り止め部材８５とを備えているとともに、複数（２台）の電動機８０と、これらの電動機８０の回転軸に連結された工具装着部材９５および刃具１００を備えている。
この工具３６０は、各電動機８０の回転軸に連結された刃具１００の向きが主軸４６の軸心に直交し、かつ、各刃具１００が同一直線上に位置するように、２つの電動機８０がそれぞれケース６５に固定されている。
また、発電機７０において発電された電力は、２台の電動機８０に分配されるように、発電機７０および２台の電動機８０は結線されている。
【００５６】
上記した各種工具１６０，２６０，３６０を、通常の工具（発電機や電動機を内蔵しないもの）および第１の実施形態に係る工具６０に加えて、マシニングセンタ１の自動工具交換装置３９の図示しないマガジン内に収容しておく。
【００５７】
マガジン内に収容された工具の中から必要な工具を選択し、自動工具交換装置３９によって主軸４６に自動装着することにより、上記した各種工具１６０，２６０，３６０によりワークの加工が行われる。
【００５８】
本実施形態に係る工具１６０，２６０，３６０のように、刃具１００の姿勢が主軸４６の軸心とは異なる場合に、従来においては、たとえば、主軸４６の回転を刃具１００に伝達するための傘歯車等からなる伝達機構が必要であったが、本実施形態によれば、発電機７０および電動機８０を備えることにより、伝達機構が不要となる。
すなわち、本実施形態に係る工具１６０，２６０，３６０は、主軸４６の回転力を刃具１００に機械的に直接伝達するのではなく、主軸４６の回転力を電気エネルギーに変換したのちに、この電気エネルギーによって回転力を発生させて刃具１００を回転させるため、傘歯車等からなる伝達機構においては避けることができない機械的誤差、振動、熱変位等が発生しにくい。
また、本実施形態に係る工具１６０，２６０，３６０では、電動機８０がケース６５に固定されているため、加工時の剛性を確保できる。
この結果、本実施形態によれば、ワークの加工精度を向上させることが可能となる。
さらに、本実施形態によれば、上記した各種の工具をマシニングセンタ１の自動工具交換装置３９に備えておき、必要に応じて主軸４６に装着することにより、マシニングセンタ１の加工性能を大幅に向上させることができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、図４〜図６を参照して発電機および電動機を内蔵する３つのタイプの工具について説明したが、これら以外にも様々な変形が可能である。
【００６０】
【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とは異なる回転数で加工具を回転数させることができる工具および工具ホルダが得られる。また、本発明の工具を工作機械の自動工具交換装置に備えておき、必要に応じて主軸に装着することにより、工作機械の加工性能を大幅に向上させることができる。
【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説明するための図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る工具の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る工具の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る工具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、１６０、２６０、３６０…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
【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自動工具交換装置によって着脱され、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とは異なる回転数で工具を回転可能な工具、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可能に装着される工具であって、ワークを加工する加工具と、前記加工具と連結され当該加工具を回転させる誘導電動機と、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同期発電機と、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するとともに、前記装着部を回転自在に保持し、かつ、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有し、前記装着部は、前記主軸の先端部に形成されたテーパスリーブに装着又は脱着可能なテーパシャンク部と、前記工作機械の自動工具交換装置により把持可能な把持部と、前記主軸の軸心に沿う一断面において前記把持部よりも径が小さい軸部とを、前記主軸の軸心方向に前記主軸側から前記加工具側へ順に有し、前記発電機は、入力軸と、前記入力軸の回転によって発電する発電機本体とを有し、前記入力軸は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向に前記軸部側へ突出して前記軸部の中心穴に挿入され、前記電動機は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体から供給される電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体から前記主軸の軸心方向とは異なる方向に突出し、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有し、当該出力軸には当該出力軸に同軸状に前記加工具を保持する工具装着部材が設けられ、前記ケースは、前記軸部を軸受を介して回転自在に保持する第１の部材と、前記発電機本体及び前記電動機本体を保持する第２の部材とを有し、前記主軸の軸心方向に対する前記出力軸の傾斜角度が一定の向きでのみ前記電動機本体を保持可能であり、前記発電機本体全体を内蔵し、前記電動機本体をケース外部に露出させて保持し、前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記加工具に伝達する。
【０００６】
本発明の工具は、前記電動機および前記加工具を複数備えている構成とすることも可能である。
【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可能に装着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誘導電動機と、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同期発電機と、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するとともに、前記装着部を回転自在に保持し、かつ、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有し、前記装着部は、前記主軸の先端部に形成されたテーパスリーブに装着又は脱着可能なテーパシャンク部と、前記工作機械の自動工具交換装置により把持可能な把持部と、前記主軸の軸心に沿う一断面において前記把持部よりも径が小さい軸部とを、前記主軸の軸心方向に前記主軸側から前記加工具側へ順に有し、前記発電機は、入力軸と、前記入力軸の回転によって発電する発電機本体とを有し、前記入力軸は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向に前記軸部側へ突出して前記軸部の中心穴に挿入され、前記電動機は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体から供給される電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体から前記主軸の軸心方向とは異なる方向に突出し、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有し、前記工具保持部は、前記出力軸に設けられ、前記出力軸に同軸状に前記加工具を保持する工具装着部材を有し、前記ケースは、前記軸部を軸受を介して回転自在に保持する第１の部材と、前記発電機本体及び前記電動機本体を保持する第２の部材とを有し、前記主軸の軸心方向に対する前記出力軸の傾斜角度が一定の向きでのみ前記電動機本体を保持可能であり、前記発電機本体全体を内蔵し、前記電動機本体をケース外部に露出させて保持し、前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記加工具に伝達する。
【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、複数種の工具を備え、前記主軸に対して当該工具を着脱する自動工具交換装置とを有し、前記複数種の工具には、ワークを加工する加工具と、前記加工具と連結され当該加工具を回転させる誘導電動機と、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同期発電機と、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するとともに、前記装着部を回転自在に保持し、かつ、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た特定の種類の工具が含まれ、前記装着部は、前記主軸の先端部に形成されたテーパスリーブに装着又は脱着可能なテーパシャンク部と、前記工作機械の自動工具交換装置により把持可能な把持部と、前記主軸の軸心に沿う一断面において前記把持部よりも径が小さい軸部とを、前記主軸の軸心方向に前記主軸側から前記加工具側へ順に有し、前記発電機は、入力軸と、前記入力軸の回転によって発電する発電機本体とを有し、前記入力軸は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向に前記軸部側へ突出して前記軸部の中心穴に挿入され、前記電動機は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体から供給される電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体から前記主軸の軸心方向とは異なる方向に突出し、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有し、当該出力軸には当該出力軸に同軸状に前記加工具を保持する工具装着部材が設けられ、前記ケースは、前記軸部を軸受を介して回転自在に保持する第１の部材と、前記発電機本体及び前記電動機本体を保持する第２の部材とを有し、前記主軸の軸心方向に対する前記出力軸の傾斜角度が一定の向きでのみ前記電動機本体を保持可能であり、前記発電機本体全体を内蔵し、前記電動機本体をケース外部に露出させて保持し、前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記加工具に伝達する。
【０００９】
好適には、前記複数種の工具には、複数の前記特定の種類の工具が含まれる。
【００１０】
さらに好適には、前記複数の特定の種類の工具には、前記電動機および前記加工具を複数備えている前記特定の種類の工具が含まれる。
【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。
さらに、電動機の姿勢や数が異なる種々の工具をあらかじめ自動工具交換装置に用意しておくことにより、様々な加工に対応することが可能となる。
【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、プログラマブルロジックコントローラ（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、本発明の一実施形態に係る工具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。
【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には、たとえば、三相誘導電動機を用いることができる。この電動機８０は、図３に示すように、導電ケーブルＷｘ，Ｗｙ，Ｗｚによって、発電機７０と接続されており、発電機７０で発電された電力が導電ケーブルＷｘ，Ｗｙ，Ｗｚを通じて供給され、駆動される。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
刃具１００は、工具装着部材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、工具装着部材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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
【数１】
ｆ＝Ｐ1 ×Ｎ0 ／１２０〔Ｈｚ〕 …（１）
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
【数２】
Ｎ1 ＝１２０×ｆ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（２）
【００３９】
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。
【００４０】
【数３】
Ｎ1 ＝Ｎ0 ×Ｐ1 ／Ｐ2 〔ｍｉｎ-1〕 …（３）
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
第２実施形態
上述した第１の実施形態に係る工具６０は、刃具１００が主軸４６の軸心方向に配置、すなわち、電動機８０の回転軸が主軸４６の軸心方向に配置されている構成とした。
一方、マシニングセンタ１においては、様々な形態の複合加工を行う必要があり、刃具１００の向きが主軸４６の軸心方向にある工具６０だけでは、複合加工に対応できない。
本実施形態では、マシニングセンタ１の複合加工に対応可能な工具について説明する。
【００５１】
図４〜図６は、本発明の他の実施形態に係る工具の概略構成図である。なお、図４〜図６において、上述した第１の実施形態と同一構成部分については同一の符号を使用している。また、図４〜図６に示す工具は、上述した第１の実施形態に係る工具６０と基本的な動作は同じである。
【００５２】
図４に示す工具１６０は、上述した第１の実施形態に係る工具６０と同様に、装着部６２と、ケース６５と、発電機７０と、電動機８０と、工具装着部材９５、回り止め部材８５と、刃具１００とを備えている。
【００５３】
この工具１６０は、電動機８０の回転軸に連結された刃具１００の向きが主軸４６の軸心に直交するように、電動機８０がケース６５に固定されている。
工具１６０を用いれば、たとえば、ワークの側面加工を効率良く行うことができる。
【００５４】
図５に示す工具２６０は、上述した第１の実施形態に係る工具６０と同様に、装着部６２と、ケース６５と、発電機７０と、電動機８０と、工具装着部材９５、回り止め部材８５と、刃具１００とを備えている。
この工具２６０は、電動機８０の回転軸に連結された刃具１００の向きが、主軸４６の軸心に対して角度θで傾斜している。
角度θは、たとえば、３０°、４５°、６０°のような角度に設定される。
工具２６０は、たとえば、ワークの斜面の加工に用いられる。
【００５５】
図６に示す工具３６０は、上述した第１の実施形態に係る工具６０と同様に、装着部６２と、ケース６５と、発電機７０と、回り止め部材８５とを備えているとともに、複数（２台）の電動機８０と、これらの電動機８０の回転軸に連結された工具装着部材９５および刃具１００を備えている。
この工具３６０は、各電動機８０の回転軸に連結された刃具１００の向きが主軸４６の軸心に直交し、かつ、各刃具１００が同一直線上に位置するように、２つの電動機８０がそれぞれケース６５に固定されている。
また、発電機７０において発電された電力は、２台の電動機８０に分配されるように、発電機７０および２台の電動機８０は結線されている。
【００５６】
上記した各種工具１６０，２６０，３６０を、通常の工具（発電機や電動機を内蔵しないもの）および第１の実施形態に係る工具６０に加えて、マシニングセンタ１の自動工具交換装置３９の図示しないマガジン内に収容しておく。
【００５７】
マガジン内に収容された工具の中から必要な工具を選択し、自動工具交換装置３９によって主軸４６に自動装着することにより、上記した各種工具１６０，２６０，３６０によりワークの加工が行われる。
【００５８】
本実施形態に係る工具１６０，２６０，３６０のように、刃具１００の姿勢が主軸４６の軸心とは異なる場合に、従来においては、たとえば、主軸４６の回転を刃具１００に伝達するための傘歯車等からなる伝達機構が必要であったが、本実施形態によれば、発電機７０および電動機８０を備えることにより、伝達機構が不要となる。
すなわち、本実施形態に係る工具１６０，２６０，３６０は、主軸４６の回転力を刃具１００に機械的に直接伝達するのではなく、主軸４６の回転力を電気エネルギーに変換したのちに、この電気エネルギーによって回転力を発生させて刃具１００を回転させるため、傘歯車等からなる伝達機構においては避けることができない機械的誤差、振動、熱変位等が発生しにくい。
また、本実施形態に係る工具１６０，２６０，３６０では、電動機８０がケース６５に固定されているため、加工時の剛性を確保できる。
この結果、本実施形態によれば、ワークの加工精度を向上させることが可能となる。
さらに、本実施形態によれば、上記した各種の工具をマシニングセンタ１の自動工具交換装置３９に備えておき、必要に応じて主軸４６に装着することにより、マシニングセンタ１の加工性能を大幅に向上させることができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、図４〜図６を参照して発電機および電動機を内蔵する３つのタイプの工具について説明したが、これら以外にも様々な変形が可能である。
【００６０】
【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とは異なる回転数で加工具を回転数させることができる工具および工具ホルダが得られる。また、本発明の工具を工作機械の自動工具交換装置に備えておき、必要に応じて主軸に装着することにより、工作機械の加工性能を大幅に向上させることができる。
【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説明するための図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る工具の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る工具の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る工具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、１６０、２６０、３６０…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
Claims (7)
- 工作機械の主軸に着脱可能に装着される工具であって、
ワークを加工する加工具と、
前記加工具と連結され当該加工具を回転させる誘導電動機と、
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同期発電機と、
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するとともに、前記装着部を回転自在に保持し、かつ、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有し、
前記装着部は、前記主軸の先端部に形成されたテーパスリーブに装着又は脱着可能なテーパシャンク部と、前記工作機械の自動工具交換装置により把持可能な把持部と、前記主軸の軸心に沿う一断面において前記把持部よりも径が小さい軸部とを、前記主軸の軸心方向に前記主軸側から前記加工具側へ順に有し、
前記発電機は、入力軸と、前記入力軸の回転によって発電する発電機本体とを有し、前記入力軸は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向に前記軸部側へ突出して前記軸部の中心穴に挿入され、
前記電動機は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体から供給される電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体から前記主軸の軸心方向とは異なる方向に突出し、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有し、当該出力軸には当該出力軸に同軸状に前記加工具を保持する工具装着部材が設けられ、
前記ケースは、前記軸部を軸受を介して回転自在に保持する第１の部材と、前記発電機本体及び前記電動機本体を保持する第２の部材とを有し、前記主軸の軸心方向に対する前記出力軸の傾斜角度が一定の向きでのみ前記電動機本体を保持可能であり、前記発電機本体全体を内蔵し、前記電動機本体をケース外部に露出させて保持し、
前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記加工具に伝達する
工具。 - 前記電動機および前記加工具を複数備えている
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可能に装着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誘導電動機と、
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同期発電機と、
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するとともに、前記装着部を回転自在に保持し、かつ、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有し、
前記装着部は、前記主軸の先端部に形成されたテーパスリーブに装着又は脱着可能なテーパシャンク部と、前記工作機械の自動工具交換装置により把持可能な把持部と、前記主軸の軸心に沿う一断面において前記把持部よりも径が小さい軸部とを、前記主軸の軸心方向に前記主軸側から前記加工具側へ順に有し、
前記発電機は、入力軸と、前記入力軸の回転によって発電する発電機本体とを有し、前記入力軸は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向に前記軸部側へ突出して前記軸部の中心穴に挿入され、
前記電動機は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体から供給される電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体から前記主軸の軸心方向とは異なる方向に突出し、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有し、
前記工具保持部は、前記出力軸に設けられ、前記出力軸に同軸状に前記加工具を保持する工具装着部材を有し、
前記ケースは、前記軸部を軸受を介して回転自在に保持する第１の部材と、前記発電機本体及び前記電動機本体を保持する第２の部材とを有し、前記主軸の軸心方向に対する前記出力軸の傾斜角度が一定の向きでのみ前記電動機本体を保持可能であり、前記発電機本体全体を内蔵し、前記電動機本体をケース外部に露出させて保持し、
前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記加工具に伝達する
工具ホルダ。 - 前記電動機および前記工具保持部を複数備えている
請求項３に記載の工具ホルダ。 - 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、
複数種の工具を備え、前記主軸に対して当該工具を着脱する自動工具交換装置とを有し、
前記複数種の工具には、ワークを加工する加工具と、前記加工具と連結され当該加工具を回転させる誘導電動機と、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同期発電機と、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するとともに、前記装着部を回転自在に保持し、かつ、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た特定の種類の工具が含まれ、
前記装着部は、前記主軸の先端部に形成されたテーパスリーブに装着又は脱着可能なテーパシャンク部と、前記工作機械の自動工具交換装置により把持可能な把持部と、前記主軸の軸心に沿う一断面において前記把持部よりも径が小さい軸部とを、前記主軸の軸心方向に前記主軸側から前記加工具側へ順に有し、
前記発電機は、入力軸と、前記入力軸の回転によって発電する発電機本体とを有し、前記入力軸は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向に前記軸部側へ突出して前記軸部の中心穴に挿入され、
前記電動機は、前記発電機本体から前記主軸の軸心方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体から供給される電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体から前記主軸の軸心方向とは異なる方向に突出し、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有し、当該出力軸には当該出力軸に同軸状に前記加工具を保持する工具装着部材が設けられ、
前記ケースは、前記軸部を軸受を介して回転自在に保持する第１の部材と、前記発電機本体及び前記電動機本体を保持する第２の部材とを有し、前記主軸の軸心方向に対する前記出力軸の傾斜角度が一定の向きでのみ前記電動機本体を保持可能であり、前記発電機本体全体を内蔵し、前記電動機本体をケース外部に露出させて保持し、
前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記加工具に伝達する
工作機械。 - 前記複数種の工具には、複数の前記特定の種類の工具が含まれる
請求項５に記載の工作機械。 - 前記複数の特定の種類の工具には、前記電動機および前記加工具を複数備えている前記特定の種類の工具が含まれる
請求項６に記載の工作機械。
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