JP4917398B2 - 電動式チャック開閉装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の主軸に設けられたチャックを電動式の駆動装置によって開閉する電動式のチャック開閉装置に関するものである。

旋盤等の工作機械として、ワーク（工作物）を把握するためのチャックを主軸の先端に取り付けたチャック開閉式の工作機械が知られている。従来のチャック開閉式の工作機械は、油圧シリンダによってチャックの開閉を行っていたため、油圧シリンダが必要である上、定期的に作動油の交換をしなければならない、という不具合がある。また、加工中には、油圧維持のために常時ポンプを作動させておく必要があるので、エネルギーの消費量が大きい、という問題点もある。加えて、油圧シリンダからの発熱によって温度が上昇することによりワークの加工精度が悪化してしまう、という不具合もある。さらに、薄肉ワークの加工の如く、主軸の回転中にチャックの把握力の変更が必要な加工の場合には、一旦主軸の回転を止めてからチャックの把握力を変更しなければならないため、作業が面倒であり、加工に長時間を要する、という不具合もある。

それゆえ、特許文献１の如く、主軸の回転駆動用のモータとは別個に、チャック開閉用の補助モータが設けられており、その補助モータによって、主軸の回転中にチャックの把握力を調節可能な電動式のチャック開閉機構が考案されている。また、特許文献２の如く、主軸の内部を挿通したドローチューブを介してチャックを開閉するための歯車機構と、歯車機構と補助モータとを連結・解除可能なクラッチとを設けた電動式のチャック開閉機構も考案されている。

特開昭５８−２１７２０４号公報 特開２００１−２４６５１０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された電動式チャック開閉機構は、主軸の回転中においては、常にチャック開閉用の補助モータを同期回転させなければならないため、エネルギーの消費量がきわめて大きい、という不具合がある。一方、上記特許文献２に開示された電動式チャック開閉機構は、チャックの把握力を変更したい場合にのみ補助モータを同期回転させれば良いので、エネルギーの消費量は小さい。しかしながら、主軸の軸線上にクラッチ機構を設ける必要があるため、主軸を長く設計するとともに、主軸の振れ低減の観点から主軸の径も大きくしなければならず、工作機械をコンパクトに設計することができなくなる、という不具合がある。また、主軸等の重量によりイナーシャが大きくなる、という問題点もある。

加えて、特許文献１，２の電動式チャック開閉機構においては、主軸の周速を一定に保ってワークを加工する場合（所謂、周速一定制御）に、主軸の回転数の変動に起因してチャックの爪の遠心力が変化してしまい、ワークの端面の加工精度が悪くなる、という不具合がある。

本発明の目的は、上記従来のチャック開閉装置の問題点を解消し、主軸の回転中でもチャックの把握力を容易に調節することが可能であり、高い加工精度で効率良くワークを加工することができるとともに、エネルギーの消費量が小さい上、工作機械をコンパクトに設計することが可能な電動式チャック開閉装置を提供することにある。

かかる本発明の内、請求項１に記載された発明は、工作機械の主軸の先端に設けられ把持部によりワークを把握するチャックと、主軸軸線上に設けられ回転運動を主軸軸線方向の直線運動に変換するための調節歯車を外周に設けた変換装置と、その変換装置とチャックとの間に設けられ変換装置により直線運動させられることによりチャックの把持部を動作させてワークを保持・開放するドローバーと、主軸の外周に設けられた伝達歯車と、主軸と平行な第二回転軸上に回転可能に設けられており前記調節歯車と噛合する第一歯車と、前記第二回転軸上に回転可能に設けられており前記伝達歯車と噛合する第二歯車と、前記第一歯車を回転駆動可能な補助モータと、 その補助モータと前記第一歯車とを連結・解除可能な第一クラッチと、前記第一歯車と第二歯車とを連結・解除可能な第二クラッチとを有することを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、主軸の回転中に、補助モータを第二回転軸と同期回転させて、第一クラッチを連結するとともに、第二クラッチを解除し、主軸と変換装置の回転運動とに回転差を発生させてチャックの把握力を変化させ、チャックが所定の把握力を得た後に、第二クラッチを連結させるとともに、第一クラッチを解除することにより、主軸の回転中にチャックの把握力を変更することを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１、または請求項２に記載された発明において、変換装置の調節歯車と主軸の伝達歯車との回転速度差を検出するための検出器が設けられていることを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載された発明において、主軸の回転数の変化によるチャックの爪の遠心力の変化量を算出するための演算手段を有しており、主軸が周速一定に制御される場合に、主軸の回転数の変動と同期して、前記演算手段によってチャックの爪の遠心力の変化量を算出し、その変化量を用いてチャックの把握力を補正することにより、チャックの把握力が一定となるように制御することを特徴とするものである。

請求項１，２の電動式チャック開閉装置は、主軸の駆動モータとは別個に設けられた補助モータの回転運動を変換装置によって直線運動に変換し、その直線運動をドローバーを介してチャックに伝達することによって、主軸の回転中にチャックの把握力を変更することができる。したがって、請求項１，２の電動式チャック開閉装置によれば、高価なチャックを使用しなくても、高い精度でワークを加工することが可能となる。

また、請求項１，２の電動式チャック開閉装置は、油圧シリンダを必要としないため常にポンプを作動する必要がない上、補助モータと第一歯車（変換装置の調節歯車と噛合した歯車）とを連結・解除するクラッチ機構（第一クラッチ）を有しており、チャック開閉用の補助モータを常に同期回転させる必要がなく、チャックの把握力の変更時にのみ補助モータに電力を供給すれば良いため、チャックの把握力変更に伴うエネルギーの消費量が小さい。

さらに、請求項１，２の電動式チャック開閉装置は、主軸と平行に設けられた第二回転軸上にクラッチ機構（第一クラッチおよび第二クラッチ）を有しているため、主軸そのものを短くすることができる。したがって、請求項１，２の電動式チャック開閉装置によれば、工作機械をコンパクトに設計することが可能となり、主軸の重量増大に伴ってイナーシャが増加する事態を防止することができる。

請求項３の電動式チャック開閉装置は、変換装置の調節歯車の回転速度と主軸の伝達歯車の回転速度とにずれが生じた場合には、検出器によってその事態を検知することができるので、意図しないタイミングで変換装置が主軸に対して不用意に相対回転することによりチャックが緩んでしまう事態を防止することができる。

請求項４の電動式チャック開閉装置は、主軸の回転速度を一定に保ったまま加工を行う定周速制御の際に、主軸の回転速度が不用意に変動した場合でも、その主軸の回転速度の変動に対応して、チャックが一定の把握力を保つので、ワークが外れたり、チャックの把握力の変化に起因してワークの加工精度が低下したりする事態を効果的に防止することができる。

以下、本発明の電動式チャック開閉装置の一実施形態について、図面にしたがって詳細に説明する。図１は、電動式チャック開閉装置を搭載した工作機械の断面図であり、図２は、工作機械の制御機構を示すブロック図である。工作機械１には、チャック２、調節歯車３を有する変換装置４、ドローバー５、伝達歯車６、第二回転軸７、第一歯車８、第二歯車９、補助モータ１０、第一クラッチ１１、第二クラッチ１２からなる電動式チャック開閉装置２１が搭載されている。

工作機械１は、所謂ビルトインモータ型のものであり、主軸台１４に回転可能に支持された主軸１５を回転駆動するための主軸モータ１３が、ハウジング１６の内部に収納された状態になっている。なお、主軸モータ１３の後方には、主軸１５の回転数を検出するための第一検出器２０が設けられており、当該第一検出器２０は、図２の如く、工作機械１の本体と別個に設けられた制御装置２２に接続されている。加えて、主軸モータ１３も、制御装置２２に接続されている（インターフェイス２６を介して制御装置のＣＰＵ２７に接続されている）。また、主軸１５の先端には、ワークを把握するためのチャック２が取り付けられている。

一方、主軸１５の後方側には、外筒部材１７が固着されており、主軸１５と一体になって回転するようになっている。そして、その外筒部材１７の後端の外周には、伝達歯車６が設けられている。また、外筒部材１７の後方には、回転運動を直線運動に変換するための変換装置（ボールネジ）４が回転可能に組み込まれており、当該変換装置４の後端の外周には、外筒部材１７の伝達歯車６と同じ歯数の調節歯車３が設けられている。

また、主軸１５の内部には、長尺状のドローバー５が貫設されており、そのドローバー５の基端部分が、変換装置４の後方へ突出した状態になっている。当該ドローバー５の基端側の外周には、ネジ溝（図示せず）が螺刻されており、変換部材４の内面に螺刻されたネジ溝（図示せず）と噛合した状態になっている。そして、変換部材４は、調節歯車３の回転運動をドローバー５の直線運動（図１におけるＸ方向への直線運動）に変換することができるようになっている。

また、ドローバー５の先端は、チャック２と係合した状態になっている。そして、チャック２は、ドローバー５のＸ方向に沿った直線運動をワークの把握・開放運動（図示しない爪によるワークの掴持・開放運動）に変換することができるようになっている。なお、かかるチャックの機構としては、公知の機構を好適に採用することができる。一方、変換装置４の後方へ突出したドローバー５の基端には、ドローバー５をチャックがワークを保持する方向へ付勢するための皿ばね１８が連結されている。

一方、上記した主軸本体部分の側方には、主軸１５の回転中に変換装置４を駆動させるための補助駆動装置２３が設けられている。当該補助駆動装置２３の前方側には、第二回転軸７が、主軸１５と平行に配置された回転軸を中心として回転可能に設けられている。そして、その第二回転軸７の周囲には、第二クラッチ１２、第二歯車９、第一歯車８が設けられており、それらの第二歯車９、第一歯車８が、それぞれ、外筒部材１７の伝達歯車６、変換装置４の調節歯車３と噛合した状態になっている。なお、第一歯車８および第二歯車９は、同じ減速比の歯車（同じ歯数の歯車）である。また、第二回転軸７の基端側には、第一クラッチ１１を介して、補助モータ１０が連結されている。

第一歯車８は、第二回転軸７に固着されており、常時、第二回転軸７と一緒に回転するようになっている。また、第一クラッチ１１によって、補助モータ１０と第二回転軸７（第二歯車９）とを連結・解除することができるようになっている。さらに、第二クラッチ１２によって、第二歯車９と第二回転軸７とを連結・解除することができるようになっている。加えて、第二回転軸７の先端には、第二回転軸７の回転数を検知するための第二検出器２４が設けられており、当該第２検出器２４は、図２の如く、制御装置２２に接続されている。また、補助モータ１０も、制御装置２２に接続されている。

上記の如く構成された工作機械１は、主軸１５の回転を停止させている際に、チャック２を開いてワークを把握する場合には、第一クラッチ１１を連結させることにより、補助モータ１０による第一歯車８の回転駆動が可能な状態にする。さらに、第二クラッチ１２の連結を解除させることにより、変換装置４の調節歯車３が主軸１５と別個に回転することを可能にする。そして、その状態で、補助モータ１０を所定の方向（以下、第一方向という）へ回転させ、第一歯車８を回転させることにより、第一歯車８と噛合した調節歯車３を回転させ、ネジ機構によって変換装置４と連結しているドローバー５をＸ軸方向に沿って先端側に移動させることによって、チャック２の爪（図示せず）を開放し、ワークの把握が可能な状態にする。なお、補助モータ１０を回転駆動する際には、補助モータ１０の反力により主軸１５が回転しないように、主軸モータ１３を回転させないようにロックする。また、チャック２の爪を所定の位置まで開放させる方法としては、たとえば、プログラムによって、チャック２の爪を所定の位置まで開放するのに必要な補助モータ１０の回転量を計算し、その計算値に基づいて補助モータ１０を回転制御する方法を採用することができる。

チャック２の爪が所定の位置まで開放した後には、ワークをチャック爪間に挿入し、補助モータ１０を第一方向と逆の第二方向へ回転させ、第一歯車８を回転させることにより、調節歯車３を回転させ、ドローバー５をＸ軸方向に沿って基端側に移動させることによって、チャックを締めて（チャック２の爪を閉じて）ワークを所定の力で把握させる。なお、チャック２の爪によりワークを所定の力で把握させる方法としては、たとえば、予めワークの把握力と補助モータ１０にかかるトルクとの関係を調べておき、プログラムにより、所定のトルクが加わるまで補助モータ１０を回転させることによってワークを所定の力で把握させる方法を採用することができる。

上述の如く、所定の把握力でワークが把握された後には、第二クラッチ１２を連結させるとともに、第一クラッチ１１の連結を解除する。しかる後に、主軸モータ１５を回転させることによって、主軸１５を回転させてワークの加工を行う。なお、工作機械１は、主軸１５に設けられた第一検出器２０と第二回転軸７に設けられた第二検出器２４とによって、第一歯車８と第二歯車９とのずれ、および、調節歯車３と伝達歯車６とのずれを検出することができる。そして、各組の歯車にずれが生じた場合には、主軸が自動的に停止することによって、変換装置４が主軸１５に対して不用意に相対回転することにより、チャック２が緩んでしまう事態を防止する。

また、主軸１５の回転中にチャック２の把握力を変更する場合には、補助モータ１０を、主軸１５の回転に伴って回転している第二回転軸７と同期回転させ、その状態で、第一クラッチ１１を連結させることによって、補助モータ１０による第一歯車８の回転駆動が可能な状態にする。そのように、補助モータ１０を第二回転軸７と同期回転させることによって、第一クラッチ１１を連結させた際の機械的な衝撃を低減することが可能となる。しかる後、第二クラッチ１２の連結を解除することによって、調節歯車３が主軸１５と別個に回転することを可能にする。そして、その状態で、補助モータ１０を減速あるいは増速することによって第一歯車８８と噛合した調節歯車３を主軸１５に対して相対回転させる。かかる調節歯車３の相対回転により、ドローバー５をＸ軸方向に沿って先端側あるいは基端側に移動させることによって、チャック２によるワークの把握力を調節する。

そして、チャック２が所定の把握力に調節された後には、第二クラッチ１２を連結させ、変換装置４が主軸１５に対して相対回転できないようにするとともに、第一クラッチ１１の連結を解除する。しかる後に、補助モータ１０を停止させる。かかる一連の動作によって、主軸１５の回転中においても、チャック２によるワークの把握力を調節することが可能となる。

なお、制御装置２２の内部には、主軸１５の回転数の変化によるチャック２の爪の遠心力の変化量を算出するための演算手段２５が設けられている（制御装置２２のＣＰＵ２７と接続されている）。そして、主軸１５の周速を一定に制御する定周速制御においては、主軸１５の回転数が変動した際に、その主軸１５の回転数の変動に伴う遠心力の変化量を演算手段２５によって算出し、主軸１５の回転数の変動に同期させて、算出された遠心力の変化量に合わせてドローバー５の推力（Ｘ軸方向に沿った推力）を増減させることによって、チャック２の把握力が一定となるように制御する。

電動式チャック開閉装置２１は、上記の如く、ワークを把持するチャック２と、外周に調節歯車３を設けた変換装置４と、変換装置４とチャック２とを連結するドローバー５と、主軸１５に設けられた伝達歯車６と、主軸１５と平行となるように回転可能に軸支された第二回転軸７と、第二回転軸７上に回転可能に設けられた第一歯車８と、第二回転軸７上に回転可能に設けられた第二歯車９と、第一歯車８を駆動する補助モータ１０と、補助モータ１０と第二回転軸７とを連結・解除可能な第一クラッチ１１と、第二回転軸７と第二歯車９とを連結・解除可能な第二クラッチ１２とを有している。そして、主軸１５の回転中に、補助モータ１０を第二回転軸７と同期回転させて、第一クラッチ１１を連結するとともに、第二クラッチ１２を解除し、主軸１５と回転差を発生させてチャック２の把握力を変化させ、チャック２が所定の把握力を得た後に、第二クラッチ１２を連結させるとともに、第一クラッチ１１を解除し、補助モータ１０を停止させることにより、チャック２の把握力を変更することができるようになっている。したがって、電動式チャック開閉装置２１によれば、高価なチャックを使用しなくても、高い精度でワークを加工することが可能となる。

また、電動式チャック開閉装置２１は、油圧シリンダを必要としないため常にポンプを作動する必要がない上、補助モータ１０と第一歯車８（変換装置４の調節歯車３と噛合した歯車）とを連結・解除するクラッチ機構（第一クラッチ１１）を有しており、チャック２の開閉用の補助モータ１０を常に同期回転させる必要がなく、チャック２の把握力の変更時にのみ補助モータ１０に電力を供給すれば良いため、チャック２の把握力変更に伴うエネルギーの消費量が小さい。

さらに、電動式チャック開閉装置２１は、主軸１５と平行に設けられた第二回転軸７上にクラッチ機構（第一クラッチ１１および第二クラッチ１２）を有しているため、主軸１５そのものを短くすることができる。したがって、電動式チャック開閉装置２１によれば、工作機械をコンパクトに設計することが可能となり、主軸１５の重量増大に伴ってイナーシャが増加する事態を防止することができる。

また、電動式チャック開閉装置２１は、主軸１５の回転速度を検出するための第一検出器２０および第二回転軸７の回転速度を検出するための第二検出器２４が設けられているため、変換装置４の調節歯車３の回転速度と主軸１５の伝達歯車６の回転速度とにずれが生じた場合には、第一検出器２０および第二検出器２４によって、その事態を瞬時に検知することができるので、意図しないタイミングで変換装置４が主軸１５に対して不用意に相対回転することによりチャック２が緩んでしまう事態を防止することができる。

加えて、電動式チャック開閉装置２１は、主軸１５の回転数の変化によるチャック２の爪の遠心力の変化量を算出するための演算手段２５を有しており、主軸１５の周速を一定に制御する際に、主軸１５の回転数の変化と同期して、演算手段２５によってチャック２の爪の遠心力の変化量を算出し、その変化量を用いてチャック２の把握力の変化を補正することにより、チャック２の把握力が一定となるように制御する。したがって、周速一定制御の際に、主軸１５の回転速度が不用意に変動した場合でも、その主軸１５の回転速度の変動に対応して、チャック２が一定の把握力を保つので、ワークが外れたり、チャック２の把握力の変化に起因してワークの加工精度が低下したりする事態を効果的に防止することができる。

なお、本発明の電動式チャック開閉装置の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、チャック、変換装置、ドローバー、調節歯車、伝達歯車、第二回転軸、第一歯車、第二歯車、補助モータ、第一クラッチ、第二クラッチ等の形状・構造等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

たとえば、電動式チャック開閉装置は、補助駆動装置を主軸本体の側方に設けたものに限定されず、補助駆動装置を主軸本体の上方や下方に設けたものでも良い。また、電動式チャック開閉装置は、変換装置の歯車と主軸の歯車とが同じ歯数を有するものや、第一歯車と第二歯車とが同じ歯数を有するものに限定されず、第一歯車や第二歯車の減速比等に基づいて補助モータの回転を主軸の回転に正確に同期させることができるものであれば、変換装置の歯車の歯数と主軸の歯車の歯数とが異なるものや、第一歯車の歯数と第二歯車の歯数とが異なるものでも良い。

本発明の電動式チャック開閉装置は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、主軸の先端にチャックを設けた各種の工作機械において、主軸の回転中にチャックの把持力を変更させる機構として、広く適用することができる。

電動式チャック開閉装置を搭載した工作機械の断面図である。 工作機械の制御機構を示すブロック図である。

符号の説明

１・・工作機械、２・・チャック、３・・調節歯車、４・・変換装置、５・・ドローバー、６・・伝達歯車、７・・第二回転軸、８・・第一歯車、９・・第二歯車、１０・・補助モータ、１１・・第一クラッチ、１２・・第二クラッチ、１５・・主軸、２０・・第一検出器、２２・・制御装置、２４・・第二検出器、２５・・演算手段。

Claims (4)

1. 工作機械の主軸の先端に設けられ把持部によりワークを把握するチャックと、
   主軸軸線上に設けられ回転運動を主軸軸線方向の直線運動に変換するための調節歯車を外周に設けた変換装置と、
   その変換装置とチャックとの間に設けられ変換装置により直線運動させられることによりチャックの把持部を動作させてワークを保持・開放するドローバーと、
   主軸の外周に設けられた伝達歯車と、
   主軸と平行な第二回転軸上に回転可能に設けられており前記調節歯車と噛合する第一歯車と、
   前記第二回転軸上に回転可能に設けられており前記伝達歯車と噛合する第二歯車と、
   前記第一歯車を回転駆動可能な補助モータと、
   その補助モータと前記第一歯車とを連結・解除可能な第一クラッチと、
   前記第一歯車と第二歯車とを連結・解除可能な第二クラッチとを有することを特徴とする電動式チャック開閉装置。
2. 主軸の回転中に、補助モータを第二回転軸と同期回転させて、第一クラッチを連結するとともに、第二クラッチを解除し、主軸と変換装置の回転運動とに回転差を発生させてチャックの把握力を変化させ、チャックが所定の把握力を得た後に、第二クラッチを連結させるとともに、第一クラッチを解除することにより、主軸の回転中にチャックの把握力を変更することを特徴とする請求項１に記載の電動式チャック開閉装置。
3. 変換装置の調節歯車と主軸の伝達歯車との回転速度差を検出するための検出器が設けられていることを特徴とする請求項１，または請求項２に記載の電動式チャック開閉装置。
4. 主軸の回転数の変化によるチャックの爪の遠心力の変化量を算出するための演算手段を有しており、
   主軸が周速一定に制御される場合に、主軸の回転数の変動と同期して、前記演算手段によってチャックの爪の遠心力の変化量を算出し、その変化量を用いてチャックの把握力を補正することにより、チャックの把握力が一定となるように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動式チャック開閉装置。

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