JP4242883B2 - 工作機械、工具および工具ホルダ - Google Patents
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Description
しかしながら、上記のように傾斜機構や伝達機構が主軸とカッターとの間に存在すると、傾斜機構や伝達機構の機械的誤差が、ワークの加工精度に影響を及ぼしやすいという不利益が存在する。また、主軸とカッターとの間に歯車機構等が存在すると、振動や熱が発生しやすく、これらがワークの加工精度に影響を及ぼしやすい。さらに、歯車機構等の伝達機構を用いると、寿命が比較的短い。また、傾斜機構や伝達機構を限られたスペースのアタッチメントに内蔵するため、構造が複雑化しやすく、製造コストも嵩む。
さらに本発明の他の目的は、上記の工具および工具ホルダを備えた工作機械を提供することにある。
また、本発明では、加工具の主軸に対する姿勢を変更できる、すなわち、ワークに対する加工具の姿勢を変更できるので種々の加工に対応できる。さらに、加工具の姿勢を変更したとき、電動機も姿勢が変わるため、加工具へ回転力を伝達させる伝達機構が必要ない。
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。
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。
さらに、サドル44には、鉛直方向に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。
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。
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。
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工具ホルダによって保持された各種工具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。
数値制御装置51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したがって、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、数値制御装置51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31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。
図2に示すように、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。
装着部62のテーパシャンク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。
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。
装着部62の軸部62dは、図4に示すように、第2保持部85に設けられた複数の転がり軸受BRによって回転自在に保持されている。
保持部材66は、両側部66aにそれぞれ設けられた支持軸98によって支持されており、支持軸98を中心に旋回可能なっている。
チャッキング部材70は、たとえば、ドリルやエンドミル等からなる刃具100をチャックする。
第1部材95は、円板状部95bと、円板状部95bの上面側に環状に形成された嵌合部95cと、円板状部95bの下面側に平行に伸びる支持部95aとを有する。
各支持部95aは、保持部材66の両側部66a間の幅に略等しい間隔となるように設けられており、両側部66aを外側から挟み込んでいる。
これら各支持部95aには、上記した支持軸98がそれぞれ設けられている。
この発電機170は、入力軸171が装着部62の軸部62dに連結されている。
第3部材90の内周は、複数のベアリングBRを介して装着部62の軸部62dを回転自在に保持している。複数のベアリングBRは、第3部材90の下端側に固定された抜け止め部材88によって抜け止めされている。
第3部材90のフランジ部90bは、第2部材85のフランジ部85aと複数のボルト121によって連結されている。
これにより、第3部材90、すなわち、第2保持部85および第1保持部65は、主軸46が回転しても回転が規制される。
上記した第1保持部65は、第2保持部85に対して姿勢を変更可能に連結されている。
図5は、第1保持部65の保持部材66の両側部66aの構造を示す側面図である。
図5に示すように、保持部材66の両側部66aには、支持軸98を中心とする円周方向に等間隔で位置決め用のねじ孔67が複数形成されている。このねじ孔67は、たとえば、支持軸98を中心に30度間隔で配列されている。このねじ孔67の間隔が第1保持部65の第2保持部85に対する姿勢を調整する際の最小調整角度であり、ねじ孔67の間隔を狭くするほど姿勢の微調整が可能になる。
ねじ孔67には、図2および図4に示した複数(4本)のボルト99が螺合し、これにより第1保持部65と第2保持部85とが連結される。ボルト99を取り外し、第1保持部65の第2保持部85に対する傾斜角度を調整したのち、ボルト99を再び締結することにより、図2において矢印Sで示す方向の第1保持部65の姿勢調整を行うことができる。
上記した第2保持部85の第2部材86と第3部材90とは、第1保持部65の主軸46の軸線回りの回転位置を変更可能に連結されている。
図6は、第3部材90のフランジ部90bの構成を示す側面図である。
図6に示すように、フランジ部90bには、円周方向に等間隔で位置決め用のねじ孔90hが複数形成されている。このねじ孔67は、たとえば、支持軸98を中心に30度間隔で配列されている。このねじ孔90hの間隔が第1保持部65の主軸46の軸心回りの回転位置を調整する際の最小調整角度である。
ねじ孔90hには、図2〜図4に示したように、複数(4本)のボルト121が螺合しており、これにより第2部材86と第3部材90とは連結されている。
ボルト121を取り外し、第3部材90に対して第2部材86を回転させて第3部材90と第2部材86との相対回転位置を決め、再びボルト121を締結することにより、図2において矢印Rで示す第1保持部65の主軸46の軸心回りの回転位置を調整することができる。
図7に示すように、3本の導電ケーブルWx,Wy,Wzによって電動機180と発電機170とが接続される。電動機180には、発電機170で発電された三相交流が供給される。
刃具100を保持した工具ホルダ61がマシニングセンタ1の主軸46に装着された状態において、主軸46を回転数N0 で回転させると、工具ホルダ61の装着部62が回転し、主軸46の回転力が発電機170に伝達される。
このとき、回り止めピン91はラム45等の非回転部47に形成された嵌合穴47aに挿入されているため、工具ホルダ61の装着部62のみが回転する。
ここで、電動機180に三相誘導電動機を用いた場合、電動機180の極数がP2 とすると、電動機180は3相交流の1サイクルで2/P2 回転することから、電動機180の同期速度N1 は、次式(2)で表される。
(3)式で示すように、発電機170の極数P1 と電動機180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 に対する工具の回転数N1 の変速比を任意に設定することが分かる。
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、発電機170の極数P1 および電動機180の極数P2 を予め選択すればよい。
たとえば、金型等のワークを切削加工する際には、刃具100のワークに対する姿勢を変えて切削することが必要な場合が多々ある。
一方、マシニングセンタ1のもつ制御軸は限られており、ワークに対する刃具100の姿勢を、制御軸の制御のみによっては変更できない場合もある。
すなわち、ワークの加工条件に応じて姿勢や回転位置を適宜調整した工具60をマシニングセンタ1の自動工具交換装置39のマガジンに予め収容しておく。
このような場合のために、工具60の増速比が、たとえば、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たものをマシニングセンタ1の自動工具交換装置39のマガジンに予め収容しておく。
主軸46を主軸モータ31を駆動して回転させるが、工具ホルダ61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、数値制御装置51にダウンロードする加工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、工具ホルダ61に保持された刃具100の回転数を規定しておく。
主軸46を3000rpmで回転させると、発電機170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180は、発電機170から供給される三相交流によって駆動され、工具ホルダ61に保持された刃具100は、略30000rpmの回転数で回転する。
これにより、主軸の最大回転数Nmax が制限されるマシニングセンタ1を使用した場合であっても、アルミニウム合金材等の難削材からなるワークの高速加工が可能となる。
これにより、たとえば、ワークの被加工面が複雑な形状を有していても、工具60を適宜選択することにより、容易に対応することができる。
すなわち、本実施形態によれば、制御軸の数が限られたマシニングセンタ1において、刃具100の姿勢を任意に調整できる工具60をを用いることにより、マシニングセンタ1を何ら改造することなくマシニングセンタ1の加工可能な範囲を大幅に拡大させることができる。
さらに、本実施形態では、発電機170として三相同期発電機を用い、電動機180として三相誘導電動機を用いる構成としているため、工具ホルダ61に保持される刃具100の回転数を主軸46の回転数によって容易に制御可能となる。すなわち、三相同期発電機は主軸46の回転数に正確に比例した周波数の電圧を発生し、三相誘導電動機はこの周波数に比例した回転数で工具を駆動することから、主軸46の回転数および三相同期発電機と三相誘導電動機との極数比により刃具100の回転数を容易にかつ正確に制御できる。
また、上述した実施形態では、主軸46の回転数を増速させる場合について説明したが、主軸46の回転数を減速させることも可能である。この場合には、主軸46よりも大きなトルクを刃具100に作用させることができる。
31…主軸モータ
39…自動工具交換装置
46…主軸
51…NC装置
60…工具
61…工具ホルダ
62…装着部
65…第1保持部
66…保持部材
70…チャッキング部材
85…第2保持部
95…第1部材
86…第2部材(第3の保持部)
90…第3部材(第4の保持部)
95…工具装着部
100…刃具
170…発電機
171…入力軸
180…電動機
181…出力軸
Claims (5)
- 工作機械の主軸に着脱可能に装着される工具であって、
前記主軸に同軸に装着される装着部と、
前記装着部に同軸に連結される入力軸を有し、前記装着部を介して前記主軸から回転力が伝達されて発電する発電機と、
前記発電機の発電した電力がケーブルを介して供給されて回転する電動機と、
前記電動機の出力軸に同軸に連結される加工具と、
前記装着部を回転可能に保持し、前記工作機械の非回転部に係合する第1保持部材と、
前記第1保持部材の前記主軸とは反対側に連結されており、前記主軸の軸線方向において前記第1保持部材と重ならない位置に前記発電機の本体を収容する中空部、及び、当該中空部から前記第1保持部材とは反対側へ延出する支持部を有する第2保持部材と、
前記支持部に連結され、前記電動機及び前記加工具を保持する第3保持部材と、
前記第3保持部材の前記第2保持部材に対する前記主軸の軸線に直交する軸回りの回転により前記加工具の前記主軸の軸線に対する傾斜角を調整可能な姿勢調整機構と、
前記第2保持部材の前記第1保持部材に対する前記主軸の軸線回りの回転位置を調整可能な回転位置調整機構と
を有する工具。 - 前記姿勢調整機構は、
前記主軸の軸線に直交する軸回りに前記第3保持部材及び前記第2保持部材を互いに回転可能に軸支する支持軸と、
前記第3保持部材に前記支持軸を中心とする円周に沿って設けられた複数の第1のねじ孔と、
前記第2保持部材に前記複数の第1のねじ孔と同一円周上に沿って設けられた第1の孔部と、
前記第1の孔部に嵌合し、前記第1のねじ孔に螺合する第1のボルトと
を有する請求項1に記載の工具。 - 前記回転位置調整機構は、
前記第1保持部材に前記軸線を中心とする円周に沿って設けられた複数の第2のねじ孔と、
前記第2保持部材に前記複数の第2のねじ孔と同一円周上に沿って設けられた第2の孔部と、
前記第2の孔部に嵌合し、前記第2のねじ孔に螺合する第2のボルトと
を有する請求項2に記載の工具。 - ワークを加工する加工具を回転自在に保持し、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、
前記主軸に同軸に装着される装着部と、
前記装着部に同軸に連結される入力軸を有し、前記装着部を介して前記主軸から回転力が伝達されて発電する発電機と、
前記発電機の発電した電力がケーブルを介して供給されて回転する電動機と、
前記電動機の出力軸に前記加工具を同軸に連結する回転軸及びチャッキング部材と、
前記装着部を回転可能に保持し、前記工作機械の非回転部に係合する第1保持部材と、
前記第1保持部材の前記主軸とは反対側に連結されており、前記主軸の軸線方向において前記第1保持部材と重ならない位置に前記発電機の本体を収容する中空部、及び、当該中空部から前記第1保持部材とは反対側へ延出する支持部を有する第2保持部材と、
前記支持部に連結され、前記電動機、前記回転軸及び前記チャッキング部材を保持する第3保持部材と、
前記第3保持部材の前記第2保持部材に対する前記主軸の軸線に直交する軸回りの回転により前記加工具の前記主軸の軸線に対する傾斜角を調整可能な姿勢調整機構と、
前記第2保持部材の前記第1保持部材に対する前記主軸の軸線回りの回転位置を調整可能な回転位置調整機構と
を有する工具ホルダ。 - 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、
前記駆動手段および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、
前記工作機械本体の主軸に着脱可能に装着される工具と、を有し、
前記工具は、
前記主軸に同軸に装着される装着部と、
前記装着部に同軸に連結される入力軸を有し、前記装着部を介して前記主軸から回転力が伝達されて発電する発電機と、
前記発電機の発電した電力がケーブルを介して供給されて回転する電動機と、
前記電動機の出力軸に同軸に連結される加工具と、
前記装着部を回転可能に保持し、前記工作機械の非回転部に係合する第1保持部材と、
前記第1保持部材の前記主軸とは反対側に連結されており、前記主軸の軸線方向において前記第1保持部材と重ならない位置に前記発電機の本体を収容する中空部、及び、当該中空部から前記第1保持部材とは反対側へ延出する支持部を有する第2保持部材と、
前記支持部に連結され、前記電動機及び前記加工具を保持する第3保持部材と、
前記第3保持部材の前記第2保持部材に対する前記主軸の軸線に直交する軸回りの回転により前記加工具の前記主軸の軸線に対する傾斜角を調整可能な姿勢調整機構と、
前記第2保持部材の前記第1保持部材に対する前記主軸の軸線回りの回転位置を調整可能な回転位置調整機構と
を有する工作機械。
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