JP5022695B2

JP5022695B2 - 主軸装置

Info

Publication number: JP5022695B2
Application number: JP2006346017A
Authority: JP
Inventors: 和雄山崎; 誠藤嶋; 洋一岡本
Original assignee: DMG Mori Co Ltd; Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: JP2008155313A; US7488147B2; US20080152451A1; DE102007061274A1

Description

本発明は、軸線中心に回転自在に設けられ、工具が装着される主軸と、この主軸を軸線中心に回転させる駆動モータとを備えた主軸装置に関する。

前記主軸装置として、従来、例えば、実公平６−３０３２５号公報に開示されたものが知られている。この主軸装置は、軸線中心に回転自在に設けられ、先端部に工具が装着される主軸と、主軸を軸線中心に回転自在に支持する支持部材と、主軸を軸線中心に回転させる駆動モータであって、主軸の後端部側外周面に回転自在に設けられるロータと、支持部材に固設されるステータとからなる駆動モータと、駆動モータの回転力を主軸に直接又は減速歯車を介して伝達する変速機構などから構成される。

前記変速機構は、ロータの主軸先端側端面に固設される環状の駆動歯車と、駆動歯車と対向するように主軸の外周面に設けられ、主軸軸線方向に移動自在に且つ主軸とともに回転可能となった環状のクラッチ部材と、主軸と平行に配置され、軸線方向に移動自在に設けられる変速軸と、クラッチ部材と変速軸とを連結する連結部材であって、クラッチ部材及び変速軸が軸線中心に回転自在となるようにこれらに接続した連結部材と、変速軸を軸線方向に移動させる駆動シリンダと、変速軸にその軸線方向に間隔を隔てて固設される第１減速歯車及び第２減速歯車と、駆動歯車との間にクラッチ部材を挟むように主軸の外周面に固設される従動歯車とからなる。

前記駆動歯車は、その外周面及び内周面の両方に歯が形成され、前記クラッチ部材は、その駆動歯車側の外周面に、駆動歯車の内周面に形成された歯と噛合可能な歯が形成される。前記第１減速歯車は、第２減速歯車よりも大径に形成されており、駆動歯車の外周面に形成された歯と噛合可能に構成され、前記第２減速歯車は、従動歯車と噛合可能に構成される。

そして、この変速機構では、駆動シリンダにより変速軸が軸線方向に移動せしめられて、変速軸，クラッチ部材，連結部材，第１減速歯車及び第２減速歯車が一体的に主軸後端側に向けて移動すると、クラッチ部材の歯と駆動歯車の内周面の歯とが噛合し、駆動歯車の外周面の歯と第１減速歯車とが噛合していない状態であり且つ第２減速歯車と従動歯車とが噛合していない状態となる。したがって、このときに、駆動モータが駆動されると、ロータの回転力が駆動歯車及びクラッチ部材を介して主軸に伝達され、当該主軸は高速で回転する。

一方、駆動シリンダにより変速軸が軸線方向に移動せしめられて、変速軸，クラッチ部材，連結部材，第１減速歯車及び第２減速歯車が一体的に主軸先端側に向けて移動すると、駆動歯車の外周面の歯と第１減速歯車とが噛合するとともに、第２減速歯車と従動歯車とが噛合し、クラッチ部材の歯と駆動歯車の内周面の歯とが噛合していない状態となる。したがって、このときに、駆動モータが駆動されると、ロータの回転力が駆動歯車，第１減速歯車，変速軸，第２減速歯車及び従動歯車を介して主軸に伝達され、当該主軸は低速で回転する。

このように、この主軸装置によれば、変速機構により主軸の回転を高速のときと低速のときとに切り換えて主軸を回転させることができるので、高速軽切削と低速重切削の両方に対応させることができる。

実公平６−３０３２５号公報

しかしながら、上記従来の主軸装置では、駆動モータのロータと主軸とが、駆動歯車及びクラッチ部材、又は駆動歯車，第１減速歯車，変速軸，第２減速歯車及び従動歯車を介して常に連結された状態にあり、駆動モータの駆動力（ロータの回転力）が常に主軸に伝達されるようになっているため、例えば、工具とワークとが干渉すると、その衝撃が大きく、大事故につながる恐れがあった。また、工具とワークとが干渉したときや、何らかの拍子に主軸の回転が止められると、駆動モータに過大な負荷が作用してこれが破損する恐れもある。

また、主軸には、駆動モータの駆動力に応じたトルクがかかり、主軸にかかるトルクが大きくなると、当該主軸を回転自在に支持する軸受にかかる力も大きくなるが、軸受にかかる力が大きくなると、軸受の寿命が短くなるなどの問題を生じる。

また、駆動シリンダにより変速軸を軸線方向に移動させて、変速軸，クラッチ部材，連結部材，第１減速歯車及び第２減速歯車を一体的に主軸軸線方向に移動させることで、主軸を高速で回転させるときと低速で回転させるときとを切り換えるようになっているので、構造が複雑になったり、装置構成が大きくなるという問題もある。

また、更に、主軸の回転速度を予め設定された回転速度まで上げたり、主軸の回転を停止させるのに要する時間は、駆動モータの性能などにより左右されるものであるが、これを短縮することができれば好ましい。

また、ねじ締結により工具が直接又は適宜工具装着部材などを介して主軸に装着されるように構成された主軸装置では、工具又は工具装着部材が主軸にきつく締め付けられていると、工具を主軸から取り外すときに当該工具又は工具装着部材を緩め難く、工具の取り外しが容易でないという問題があった。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、工具とワークとが衝突したときの衝撃を緩和したり、駆動モータに過大な負荷が作用するのを防止したり、主軸にかかるトルクの最大値を一定値以下に抑えたり、簡単且つコンパクトな装置構成にしたり、主軸の回転速度を予め設定された回転速度まで上げるときや主軸の回転を停止させるときに要する時間を短くしたり、工具の着脱を容易に行うことが可能な主軸装置の提供をその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
支持穴が形成されたハウジングと、このハウジングの支持穴内に軸線中心に回転自在に支持され、工具が装着される主軸と、この主軸を軸線中心に回転させる第１駆動モータと、この第１駆動モータの作動を制御する制御手段とを備え、前記第１駆動モータは、前記主軸の外周面に回転自在に設けられる第１ロータと、この第１ロータの外周面から径方向外方に間隔を隔てるように前記ハウジングの支持穴の内周面に固設される第１ステータとから構成された主軸装置であって、
前記第１駆動モータによって前記主軸を回転させることができるように、前記主軸と第１ロータとを連結した状態にする連結動作と、前記第１駆動モータによって前記主軸を回転させることができないように、前記主軸と第１ロータとの連結を解除した状態にする解除動作とを行うように構成された連結手段を備えており、
前記制御手段は、前記連結手段の前記動作を制御するとともに、前記主軸と第１ロータとが連結された状態及び解除された状態の各状態において、前記第１駆動モータの作動を制御するように構成されてなることを特徴とする主軸装置に係る。

この発明によれば、制御手段により第１駆動モータが駆動されると、その第１ロータが回転するが、この第１ロータの回転力は、連結手段の連結動作により主軸と第１ロータとが連結されているときには、この連結手段を介して主軸に伝達され、連結手段の解除動作により主軸と第１ロータとの連結が解除されているときには、主軸に伝達されない。

このため、第１駆動モータの作動制御と、連結手段の連結動作及び解除動作の制御とをそれぞれ個別に行うことで、例えば、連結手段に連結動作を行わせた状態で第１駆動モータの作動を制御し、主軸の回転を制御したり、連結手段に解除動作を行わせた状態で第１駆動モータの作動を制御し、第１ロータの回転のみを制御したり、連結手段に解除動作を行わせた状態且つ第１駆動モータを駆動して第１ロータを回転させた状態で連結手段の連結動作を制御し、主軸の回転を制御したり、連結手段に連結動作を行わせた状態且つ第１駆動モータを駆動して主軸を回転させた状態で連結手段の解除動作を制御し、主軸の回転を制御するといったことができる。

このように、本発明に係る主軸装置では、制御手段により第１駆動モータを制御することによってだけではなく、連結手段を制御することによっても、主軸の回転制御を行うことができる。尚、前記連結手段は、前記制御手段から得られる、例えば、連結動作や解除動作に係る指令信号を基に前記連結動作や解除動作を実行するように構成される。

そして、このような主軸装置は、例えば、以下に説明するような構成を備えたものとすることができ、このようにすることで、それぞれ以下のような効果を得ることができる。

即ち、前記制御手段は、前記連結手段に前記連結動作を行わせた状態で前記第１ロータ又は第１ステータに電流を供給して前記第１ロータを回転させるとともに、前記第１ロータ又は第１ステータに供給する電流が予め設定された値よりも大きくなると、前記連結手段に前記解除動作を行わせるように構成されていても良い。

このようにすれば、第１駆動モータにより主軸を回転させてワークを加工しているときに、例えば、工具とワークとが衝突することなどによって第１駆動モータの負荷が大きくなると、第１ロータ又は第１ステータに供給される電流が予め設定された値よりも大きくなることから、制御手段によって、工具とワークとが衝突したと判断され、当該制御手段による制御の下、連結手段により解除動作が行われる。これにより、衝突後、直ちに第１ロータの回転力が主軸に伝達されなくなるので、この衝突の衝撃を緩和して大事故になるのを防止することができる。また、第１駆動モータに過大な負荷が作用してこれが破損するのを防止することもできる。

また、前記連結手段は、摩擦クラッチから構成され、前記摩擦クラッチは、相互に当接可能に構成された第１部材及び第２部材であって、前記第１ロータに接続された第１部材及び前記主軸の外周面に接続された第２部材と、前記連結動作時には、前記第１部材と第２部材とを予め設定された力で当接させ、前記解除動作時には、前記第１部材と第２部材との間にかかる前記当接力をなくすように構成された当接機構とを備えて構成されていても良い。

このようにすれば、第１駆動モータにより主軸を回転させているとき、この主軸には、第１ロータの回転力に応じたトルクがかかるが、主軸にかかるトルクが大きくなり、第１部材と第２部材との間に作用する摩擦力によって伝達可能なトルクを超えると、第１部材と第２部材との間に滑りが生じるため、主軸にかかるトルクの最大値を一定値以下に抑えることができる。そして、主軸にかかるトルクの最大値を一定値以下に抑えることで、この主軸を回転自在に支持する軸受にかかる力も一定値以下とすることができ、当該軸受の寿命が短くなるなどの問題が生じるのを有効に防止することができる。

この場合において、前記摩擦クラッチの当接機構は、前記第１部材と第２部材とを当接させる力を可変に構成され、前記制御手段は、前記摩擦クラッチの当接機構を制御して、前記第１部材と第２部材とが当接する力を変化させるように構成されていても良い。

このようにすれば、制御手段により、摩擦クラッチの当接機構を制御して、第１部材と第２部材とが当接する力を変化させることで、当該当接力を大きくしたときには、第１部材と第２部材との間に作用する摩擦力が大きくなり、当該摩擦クラッチによって伝達可能なトルクの最大値を大きくすることができ、当該当接力を小さくしたときには、第１部材と第２部材との間に作用する摩擦力が小さくなり、当該摩擦クラッチによって伝達可能なトルクの最大値を小さくすることができる。このようにして、伝達可能なトルクの最大値を調整することで、主軸にかかるトルクの最大値及び軸受にかかる力の最大値を簡単に調整することができる。

また、前記主軸は、ねじ締結によって前記工具が装着されるように構成され、前記制御手段は、前記連結手段に前記解除動作を行わせた状態で前記第１駆動モータを駆動した後、前記連結手段に前記連結動作を行わせるように構成されていても良い。

このようにすれば、制御手段により、第１駆動モータを駆動して第１ロータのみを回転させた後、連結手段に連結動作を行わせて第１ロータと主軸とを連結することで、非回転の主軸を急激に回転させるとともに、非回転の主軸に急激な回転に伴う衝撃力を与えることができる。これにより、工具が主軸にきつく締め付けられている場合であっても簡単に緩めることができるとともに、工具を主軸に簡単に装着することができ、工具の着脱を容易に行うことができる。

また、前記主軸装置は、前記主軸を軸線中心に回転させる第２駆動モータを更に備えて構成され、前記第２駆動モータは、前記主軸の外周面に前記第１ロータの配設位置から前記主軸の軸線方向に間隔を隔てて設けられるロータであって、前記第１ロータよりも質量の小さい第２ロータと、この第２ロータの外周面から径方向外方に間隔を隔てるように前記ハウジングの支持穴の内周面に固設される第２ステータとから構成され、前記制御手段は、更に、前記第２駆動モータの作動を制御するように構成されていても良い。

このようにすれば、第１駆動モータの作動制御と、連結手段の連結動作及び解除動作の制御と、第２駆動モータの作動制御とをそれぞれ個別に行うことで、例えば、連結手段に連結動作を行わせた状態で第１駆動モータ又は第１駆動モータ及び第２駆動モータの作動を制御し、主軸の回転を制御したり、連結手段に解除動作を行わせた状態で第２駆動モータの作動のみを制御し、主軸の回転を制御したり、連結手段に連結動作を行わせた状態且つ第１駆動モータ又は第１駆動モータ及び第２駆動モータを駆動して主軸を回転させた状態で連結手段の解除動作を制御し、解除動作実行後、第２駆動モータの作動（主軸の回転）及び第１駆動モータの作動をそれぞれ制御したり、連結手段に解除動作を行わせた状態且つ第１駆動モータを駆動して第１ロータを回転させるとともに、第２駆動モータを駆動して主軸を回転させた状態で連結手段の連結動作を制御し、連結動作実行後、主軸の回転を、第１駆動モータ又は第１駆動モータ及び第２駆動モータにより制御するといったことができる。

また、連結手段により、第１駆動モータ又は第１駆動モータ及び第２駆動モータにより主軸に回転力が与えられる状態と、第２駆動モータにより主軸に回転力が与えられる状態とを切り換えることで、このような切り換えを簡単且つコンパクトな構造で実現することができる。

また、前記制御手段は、前記連結手段に前記連結動作を行わせた状態で少なくとも前記第１駆動モータを駆動するときと、前記連結手段に前記解除動作を行わせた状態で前記第２駆動モータのみを駆動するときとを切り換えて前記主軸を軸線中心に回転させるように構成されていても良い。

このようにすれば、連結手段に連結動作を行わせた状態で少なくとも第１駆動モータを駆動するときには、第１駆動モータの第１ロータが第２駆動モータの第２ロータの質量よりも大きいことから、加工時の断続切削による負荷の変動や衝撃に対して主軸回転速度が安定するなど、低速重切削に適した加工を行うことができ、一方、連結手段に解除動作を行わせた状態で第２駆動モータのみを駆動するときには、第２駆動モータの第２ロータが第１駆動モータの第１ロータの質量よりも小さいことから、主軸回転の加速や減速が速いなど、高速軽切削に適した加工を行うことができる。したがって、高速軽切削と低速重切削の両方に対応させることができる。また、高速軽切削時には、質量の大きい第１駆動モータの第１ロータが主軸から切り離されているので、当該主軸を回転自在に支持する軸受にかかる力を小さくして当該軸受の寿命を長くすることもできる。

また、前記制御手段は、前記連結手段に前記解除動作を行わせた後、前記第２駆動モータを制御して前記主軸の回転を停止させるように構成されていても良い。

このようにすれば、例えば、工具交換を行うべく主軸の回転を停止させる場合において、少なくとも第１駆動モータにより主軸を回転させているときには、制御手段により連結手段に解除動作を行わせた後、第２駆動モータを制御して主軸の回転を停止させることで、主軸を速やかに停止させることができ、工具交換に要する時間を短縮することができる。これは、質量の大きい第１ロータを主軸から切り離すことで、第２ロータ（主軸）の回転を、第１ロータが連結手段を介して主軸に連結されているときよりも速やかに停止させることができるからである。

また、前記制御手段は、前記連結手段に前記解除動作を行わせた状態で前記第１駆動モータ及び第２駆動モータをそれぞれ個別に制御し、前記第１ロータ及び第２ロータの回転速度をそれぞれ予め設定された回転速度にした後、前記連結手段に前記連結動作を行わせるように構成されていても良い。

このようにすれば、例えば、工具交換後、少なくとも第１駆動モータにより主軸を回転させるときには、制御手段により連結手段に解除動作を行わせた状態で第１駆動モータ及び第２駆動モータをそれぞれ個別に制御し、第１ロータ及び第２ロータ（主軸）の回転速度をそれぞれ予め設定された回転速度にした後、連結手段に連結動作を行わせることで、工具交換後、少なくとも第１駆動モータにより駆動される主軸の回転速度が所定の回転速度にまで上がる時間を短くし、工具交換後、加工開始までの時間を短縮することができる。これは、第１ロータ及び第２ロータ（主軸）をそれぞれ個別に回転させることで、これら第１ロータ及び第２ロータ（主軸）の回転速度を、第１ロータが連結手段を介して主軸に連結されているときよりも速やかに所定の回転速度にまで上げることができるからである。尚、制御手段は、工具交換の際に、連結手段に解除動作を行わせた後、第１駆動モータについては、第１ロータの回転速度が予め設定された速度となるように制御する一方、第２駆動モータについては、第２ロータ（主軸）の回転を一旦停止させた後、第２ロータ（主軸）の回転速度が予め設定された速度となるように制御し、この後、連結手段に連結動作を行わせるように構成されていても良い。

以上のように、本発明に係る主軸装置によれば、工具とワークとが衝突したときの衝撃を緩和して大事故になるのを防止したり、駆動モータに過大な負荷が作用してこれが破損するのを防止したり、主軸にかかるトルクの最大値を一定値以下に抑えて軸受にかかる力を一定値以下とし、この軸受の寿命が短くなるのを防止したり、主軸にかかるトルクの最大値及び軸受にかかる力の最大値を簡単に調整したり、工具着脱の容易化を図ったり、簡単且つコンパクトな装置構成にしたり、高速軽切削と低速重切削の両方に対応させたり、主軸の回転速度を予め設定された回転速度まで上げるときや主軸の回転を停止させるときに要する時間を短くして、工具交換に要する時間や、工具交換後、加工開始までの時間を短縮することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。尚、図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図であり、図３は、図１における矢示Ａ−Ａ方向の断面図であり、図４は、図１における矢示Ｂ−Ｂ方向の断面図であり、図５は、本実施形態に係る主軸装置などの概略構成を示したブロック図である。

図１乃至図５に示すように、本例の主軸装置１は、支持穴１０ａが形成されたハウジング１０と、ハウジング１０の支持穴１０ａ内に軸受１１を介して軸線中心に回転自在に支持され、先端部に工具Ｔが装着される主軸１２と、主軸１２を軸線中心に回転させる２つのモータ２０，２５であって、主軸１２の先端側に配設された第１駆動モータ２０及び主軸１２の後端側に配設された第２駆動モータ２５と、第１駆動モータ２０と第２駆動モータ２５との間に配設され、第１駆動モータ２０の駆動力を断続して主軸１２に伝達する電磁クラッチ３０と、第１駆動モータ２０，第２駆動モータ２５及び電磁クラッチ３０などの作動を制御する制御装置４０などを備えて構成されており、例えば、ワーク（図示せず）が載置されるテーブル（図示せず）と、当該主軸装置１とテーブルとを直交３軸方向に相対移動させる送り機構１８と、当該主軸装置１の主軸１２に装着された工具Ｔを新たな工具に交換する工具交換装置１９などからなる工作機械（図示せず）に設けられる。

前記主軸１２は、その先端面に開口するテーパ穴１２ａを備えており、このテーパ穴１２ａ内には、当該テーパ穴１２ａに挿入された工具Ｔを保持，固定するためのコレット１３及びドローバ１４などが配設されている。尚、前記コレット１３は、その先端部により工具Ｔの後端部を把持可能に構成され、前記ドローバ１４は、コレット１３に係合するように設けられる。そして、適宜駆動機構（図示せず）によりコレット１３及びドローバ１４が主軸１２の後端側に移動せしめられると、コレット１３の先端部が閉じ、工具Ｔの後端部が当該コレット１３により把持されてテーパ穴１２ａの内部側に引き込まれ、これにより、工具Ｔが主軸１２に装着される。一方、適宜駆動機構（図示せず）によりコレット１３及びドローバ１４が主軸１２の先端側に移動せしめられると、コレット１３の先端部が開いて、主軸１２から工具Ｔを抜き取ることが可能となる。

前記第１駆動モータ２０は、主軸１２の先端側外周面に軸受２１を介して回転自在に設けられた第１ロータ２２と、第１ロータ２２の外周面から径方向外方に一定間隔を隔ててこれを取り囲むようにハウジング１０の支持穴１０ａの内周面に固設された第１ステータ２３とからなり、第１ステータ２３に電流が供給されることによって第１ロータ２２が回転するように構成される。尚、第１ロータ２２には、適宜錘が取り付けられてその質量が大きくなるように構成されている。また、前記第１ロータ２２の回転速度は、第１ロータリエンコーダ２４によって検出されるようになっている。

前記第２駆動モータ２５は、前記第１ロータ２２の質量よりも小さく構成され、主軸１２の後端側外周面に固設された第２ロータ２６と、第２ロータ２６の外周面から径方向外方に一定間隔を隔ててこれを取り囲むようにハウジング１０の支持穴１０ａの内周面に固設された第２ステータ２７とからなり、第２ステータ２７に電流が供給されることによって第２ロータ２６が回転するように構成される。尚、前記第２ロータ２６（即ち、主軸１２）の回転速度は、第２ロータリエンコーダ２８によって検出されるようになっている。

前記電磁クラッチ３０は、前記第１ロータ２２の第２駆動モータ２５側の端面に固設された環状のスパイダ３１と、環状に形成され、スパイダ３１によって保持される複数のアウタディスク３２と、主軸１２の外周面に固設され、主軸１２と一体的に回転可能となったロータ３３と、ロータ３３によって保持される環状のアマチュア３４と、環状に形成され、ロータ３３によって保持される複数のインナディスク３５と、電流が供給されたときにアマチュア３４を所定の吸引力で吸引するコイル３６ａが内蔵された環状のステータ３６とからなり、スパイダ３１，アウタディスク３２，アマチュア３４，インナディスク３５及びステータ３６は、主軸１２と同軸に配置される。

前記スパイダ３１は、第２駆動モータ２５側に突出した複数の係合部３１ａを外周側に備える。前記アウタディスク３２は、外周側から内周側に凹み、スパイダ３１の係合部３１ａとそれぞれ係合する複数の係合部３２ａを備え、主軸１２の軸線方向に移動自在に設けられる。前記ロータ３３は、第１駆動モータ２０側に小径部３３ａを、第２駆動モータ２５側に大径部３３ｂを備え、径方向において小径部３３ａとスパイダ３１の係合部３１ａとが対峙するように配置される。また、小径部３３ａの外周面には、複数の歯３３ｃが形成され、大径部３３ｂは、アウタディスク３２の内径よりも大きく形成される。

前記アマチュア３４及びインナディスク３５は、ロータ３３の小径部３３ａの歯３３ｃと噛合する複数の歯３４ａ，３５ａを内周面にそれぞれ備え、主軸１２の軸線方向に移動自在に設けられる。また、アマチュア３４は、最もスパイダ３１側の位置にアウタディスク３２と対向して配置され、アウタディスク３２とインナディスク３５とは相互に対向して交互に配置される。また、最もロータ３３の大径部３３ｂ側に配置されたアウタディスク３２は、その内周側の端面が大径部３３ｂの端面と当接することによって、その主軸１２の軸線方向への移動が規制されるようになっている。

前記ステータ３６は、最もロータ３３の大径部３３ｂ側に配置されたアウタディスク３２と一定間隔を隔てて対向するように配置され、主軸１２の回転を許容すべく、主軸１２の外周面に軸受３７を介して回転自在に支持される。また、ステータ３６は、これに取り付けられた回り止めアーム３８と、ハウジング１０の支持穴１０ａの内周面に取り付けられた回り止めピン３９との係合関係によって非回転に構成されている。

この電磁クラッチ３０では、ステータ３６のコイル３６ａに電流が供給されると、アマチュア３４がステータ３６側に所定の吸引力で吸引されて主軸１２の軸線方向に移動し、これによって、アマチュア３４及びインナディスク３５とアウタディスク３２とが所定の当接力で当接せしめられ、第１駆動モータ２０の第１ロータ２２と主軸１２とが連結される（図２参照）。一方、コイル３６ａへの通電が解除されると、アマチュア３４がステータ３６側に吸引されなくなって、アマチュア３４及びインナディスク３５とアウタディスク３２との間に作用する前記当接力がなくなり、第１ロータ２２と主軸１２との連結が解除される（図１参照）。このようにして、第１ロータ２２と主軸１２とを連結する連結動作と、第１ロータ２２と主軸１２との連結を解除する解除動作とが行われる。

そして、連結動作が行われた状態では、第１ロータ２２の回転力は、アマチュア３４及びインナディスク３５とアウタディスク３２との間に作用する摩擦力により、スパイダ３１，アウタディスク３２，アマチュア３４及びインナディスク３５，ロータ３３を介して主軸１２に伝達され、解除動作が行われた状態では、第１ロータ２２の回転力は、主軸１２に伝達されない。

前記制御装置４０は、第１駆動モータ２０，第２駆動モータ２５及び電磁クラッチ３０の他、前記送り機構１８及び工具交換装置１９の作動を制御するように構成されており、プログラム記憶部４１，プログラム解析部４２，駆動制御部４３及び供給電流監視部４４を備える。

前記プログラム記憶部４１には、予め適宜作成されたＮＣプログラムが格納される。前記プログラム解析部４２は、プログラム記憶部４１に格納されたＮＣプログラムを解析して、テーブルの移動位置や送り速度、当該主軸装置１の移動位置や送り速度、主軸１２の回転、第１駆動モータ２０の回転、電磁クラッチ３０の前記動作、工具交換などに関する動作指令を抽出する。

前記駆動制御部４３は、プログラム解析部４２によって抽出された動作指令を基に、第１駆動モータ２０，第２駆動モータ２５，電磁クラッチ３０，送り機構１８及び工具交換装置１９の作動を制御する。

具体的には、主軸１２の回転については、第１ロータリエンコーダ２４によって検出された回転速度及び動作指令を基に第１駆動モータ２０を制御したり、第２ロータリエンコーダ２８によって検出された回転速度及び動作指令を基に第２駆動モータ２５を制御したり、第２ロータリエンコーダ２８によって検出された回転速度及び動作指令を基に第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５を同期させて制御する。また、第１駆動モータ２０の回転（主軸１２と第１ロータ２２とが連結されていないときで、当該第１ロータ２２のみ回転させるとき）については、第１ロータリエンコーダ２４によって検出された回転速度及び動作指令を基に第１駆動モータ２０を制御する。また、電磁クラッチ３０の前記動作については、連結動作及び解除動作に係る動作指令を基にステータ３６のコイル３６ａへの通電を制御して、コイル３６ａに電流を供給したときに前記連結動作を行わせ、コイル３６ａへの通電を解除したときに前記解除動作を行わせる。また、工具交換については、動作指令を基に工具交換装置１９を制御して、主軸１２に装着された工具Ｔを交換する。

そして、動作指令に基づく制御の具体例としては、例えば、次のような態様が挙げられる。即ち、駆動制御部４３は、電磁クラッチ３０に前記連結動作を行わせた状態で第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５を駆動するときと、電磁クラッチ３０に前記解除動作を行わせた状態で第２駆動モータ２５のみを駆動するときとを切り換えて主軸１２を軸線中心に回転させたり、工具交換を行うべく主軸１２の回転を停止させる場合において、第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５により主軸１２を回転させているときには、電磁クラッチ３０に前記解除動作を行わせた後、第２駆動モータ２５を制御して主軸１２の回転を停止させたり、工具交換後、第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５により主軸１２を回転させるときには、工具交換の際に、電磁クラッチ３０に前記解除動作を行わせた後、第１駆動モータ２０については、第１ロータ２２の回転速度が所定の速度となるように制御する一方、第２駆動モータ２５については、第２ロータ２６（主軸１２）の回転を一旦停止させ、工具Ｔが交換された後、第２ロータ２６（主軸１２）の回転速度が所定の速度となるように制御し、この後、電磁クラッチ３０に前記連結動作を行わせる。

尚、駆動制御部４３は、第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５については、第１ステータ２３や第２ステータ２７に供給する電流をそれぞれ制御することで、第１駆動モータ２０や第２駆動モータ２５を制御する、即ち、第１ロータ２２の回転や第２ロータ２６の回転を制御する。また、第１ロータ２２及び第２ロータ２６が回転した状態で電磁クラッチ３０に連結動作を行わせる場合、第１ロータリエンコーダ２４によって検出される回転速度と第２ロータリエンコーダ２８によって検出される回転速度との差がある一定の範囲内にあれば、何ら不都合を生じることはない。

また、駆動制御部４３は、入力部４５から入力された入力信号によっても、上記具体例と同様の制御を行うことが可能に構成される。また、駆動制御部４３は、入力部４５から入力された吸引力設定信号を基に、前記吸引力が前記吸引力設定信号に対応した吸引力となるようにステータ３６のコイル３６ａに供給する電流を調整し、これによって、前記当接力を調整する。また、駆動制御部４３は、供給電流監視部４４から解除信号を受信すると、電磁クラッチ３０に前記解除動作を行わせる。

前記供給電流監視部４４は、駆動制御部４３によって第１ステータ２３に供給される電流を監視し、供給される電流が予め設定された値よりも大きくなると、解除信号を駆動制御部４３に送信する。第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５により主軸１２を回転させてワークを加工しているときに、例えば、工具Ｔとワークとが衝突することなどによって第１駆動モータ２０の負荷が大きくなると、第１ステータ２３に供給される電流が予め設定された値よりも大きくなることから、供給電流監視部４は、第１ステータ２３に供給される電流を監視することで、工具Ｔとワークとの衝突を検出する。

以上詳述したように、本例の主軸装置１によれば、制御装置４０による制御の下、電磁クラッチ３０に連結動作を行わせた状態で第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５を駆動するときと、電磁クラッチ３０に解除動作を行わせた状態で第２駆動モータ２５のみを駆動するときとを切り換えて主軸１２を軸線中心に回転させるようにしたので、電磁クラッチ３０に連結動作を行わせた状態で第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５を駆動するときには、第１駆動モータ２０の第１ロータ２２が第２駆動モータ２５の第２ロータ２６の質量よりも大きいことから、加工時の断続切削による負荷の変動や衝撃に対して主軸回転速度が安定するなど、低速重切削に適した加工を行うことができ、一方、電磁クラッチ３０に解除動作を行わせた状態で第２駆動モータ２５のみを駆動するときには、第２駆動モータ２５の第２ロータ２６が第１駆動モータ２０の第１ロータ２２の質量よりも小さいことから、主軸回転の加速や減速が速いなど、高速軽切削に適した加工を行うことができる。したがって、高速軽切削と低速重切削の両方に対応させることができる。また、高速軽切削時には、質量の大きい第１ロータ２２が主軸１２から切り離されているので、軸受１１にかかる力を小さくして当該軸受１１の寿命を長くすることもできる。

また、工具交換を行うべく主軸１２を停止させる場合において、第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５により主軸１２を回転させているときには、電磁クラッチ３０に解除動作を行わせた後、第２駆動モータ２５を制御して主軸１２の回転を停止させるようにしたので、主軸１２を速やかに停止させることができ、工具交換に要する時間を短縮することができる。これは、質量の大きい第１ロータ２２を主軸１２から切り離すことで、第２ロータ２６（主軸１２）の回転を、第１ロータ２２が電磁クラッチ３０を介して主軸１２に連結されているときよりも速やかに停止させることができるからである。

また、工具交換後、第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５により主軸１２を回転させるときには、工具交換の際に、電磁クラッチ３０に解除動作を行わせた後、第１駆動モータ２０については、第１ロータ２２の回転速度が所定の速度となるように制御する一方、第２駆動モータ２５については、第２ロータ２６（主軸１２）の回転を一旦停止させ、工具Ｔが交換された後、第２ロータ２６（主軸１２）の回転速度が所定の速度となるように制御し、この後、電磁クラッチ３０に連結動作を行わせるようにしたので、工具交換後、第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５により駆動される主軸１２の回転速度が所定の回転速度にまで上がる時間を短くし、工具交換後、加工開始までの時間を短縮することができる。これは、第１ロータ２２及び第２ロータ２６（主軸１２）をそれぞれ個別に回転させることで、これら第１ロータ２２及び第２ロータ２６（主軸１２）の回転速度を、第１ロータ２２が電磁クラッチ３０を介して主軸１２に連結されているときよりも速やかに所定の回転速度にまで上げることができるからである。

また、供給電流監視部４４により、駆動制御部４３によって第１ロータ２２に供給される電流を監視し、供給される電流が予め設定された値よりも大きくなると、解除信号を駆動制御部４３に送信して、これを受信した駆動制御部４３により、電磁クラッチ３０に解除動作を行わせるようにしたので、例えば、工具Ｔとワークとの衝突後、直ちに第１ロータ２２の回転力が主軸１２に伝達されないようにすることができ、この衝突の衝撃を緩和して大事故になるのを防止することができる。また、第１駆動モータ２０に過大な負荷が作用してこれが破損するのを防止することができる。

また、アマチュア３４及びインナディスク３５とアウタディスク３２とを所定の当接力で当接させることによって第１ロータ２２の回転力を主軸１２に伝達するようにしたので、主軸１２にかかるトルクの最大値を一定値以下に抑えることができる。これは、第１駆動モータ２０により主軸１２を回転させているとき、この主軸１２には、第１ロータ２２の回転力に応じたトルクがかかるが、主軸１２にかかるトルクが大きくなり、アマチュア３４及びインナディスク３５とアウタディスク３２との間に作用する摩擦力によって伝達可能なトルクを超えると、アマチュア３４及びインナディスク３５とアウタディスク３２との間に滑りが生じるからである。そして、主軸１２にかかるトルクの最大値を一定値以下に抑えることで、軸受１１にかかる力も一定値以下とすることができ、当該軸受１１の寿命が短くなるなどを問題が生じるのを有効に防止することができる。

また、入力部４５から吸引力設定信号を入力することによって、ステータ３６のコイル３６ａがアマチュア３４を吸引する吸引力、即ち、アマチュア３４及びインナディスク３５とアウタディスク３２との間に作用する当接力を調整することができるので、当該当接力を大きくしたときには、アマチュア３４及びインナディスク３５とアウタディスク３２との間に作用する摩擦力が大きくなり、電磁クラッチ３０によって伝達可能なトルクの最大値を大きくすることができ、当該当接力を小さくしたときには、アマチュア３４及びインナディスク３５とアウタディスク３２との間に作用する摩擦力が小さくなり、電磁クラッチ３０によって伝達可能なトルクの最大値を小さくすることができる。このようにして、伝達可能なトルクの最大値を調整することで、主軸１２にかかるトルクの最大値及び軸受１１にかかる力の最大値を簡単に調整することができる。

また、電磁クラッチ３０により、第１駆動モータ２０又は第１駆動モータ２０及び第２駆動モータ２５により主軸１２に回転力が与えられる状態と、第２駆動モータ２５により主軸１２に回転力が与えられる状態とを切り換えるようにしたので、このような切り換えを簡単且つコンパクトな構造で実現することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

例えば、前記電磁クラッチ３０に代えて、図６及び図７に示した連結機構５０により、第１駆動モータ２０の駆動力を断続して主軸１２に伝達するようにしても良い。同図６及び図７に示すように、この連結機構５０は、第１駆動モータ２０の第１ロータ２２の第２駆動モータ２５側の端面に固設された環状の部材からなり、その内周面に複数の歯５１ａが形成された第１連結部材５１と、第１駆動モータ２０と第２駆動モータ２５との間の主軸１２の外周面に、主軸１２と一体的に回転可能に且つ主軸１２の軸線方向に移動自在に設けられ、第１連結部材５１の歯５１ａと噛合可能な複数の歯５２ａを主軸１２の先端側外周面に備えた第２連結部材５２と、軸受５３を介して第２連結部材５２を回転自在に支持する支持部材５４と、ブラケット５５を介してハウジング１０の支持穴１０ａの内周面に取り付けられ、支持部材５４を主軸１２の軸線方向に移動させて第２連結部材５２を同方向に移動させる駆動シリンダ５６とからなる。尚、前記第２連結部材５２は、キー５７によって主軸１２とともに回転するように構成されている。

このように構成された連結機構５０では、駆動シリンダ５６により支持部材５４が主軸１２の先端側に向け移動せしめられて第２連結部材５２が同方向に移動せしめられると、図７に示すように、第２連結部材５２の歯５２ａと第１連結部材５１の歯５１ａとが噛合し、第１駆動モータ２０の第１ロータ２２と主軸１２とが連結される。一方、駆動シリンダ５６により支持部材５４が主軸１２の後端側に向け移動せしめられて第２連結部材５２が同方向に移動せしめられると、図６に示すように、第２連結部材５２の歯５２ａと第１連結部材５１の歯５１ａとの噛み合いが解除され、第１ロータ２２と主軸１２との連結が解除される。このようにして、第１ロータ２２と主軸１２とを連結する連結動作と、第１ロータ２２と主軸１２との連結を解除する解除動作とが行われる。

そして、連結動作が行われた状態では、第１ロータ２２の回転力が第１連結部材５１及び第２連結部材５２を介して主軸１２に伝達され、解除動作が行われた状態では、第１ロータ２２の回転力が主軸１２に伝達されないようになっている。

尚、前記駆動制御部４３は、連結動作及び解除動作に係る動作指令を基に前記駆動シリンダ５６の作動を制御することで、前記連結動作及び解除動作を制御する。また、駆動制御部４３は、第１ロータリエンコーダ２４によって検出される第１ロータ２２の回転速度及び回転角度位置、並びに第２ロータリエンコーダ２８によって検出される第２ロータ２６の回転速度及び回転角度位置を基に前記連結動作及び解除動作を制御する。

また、前記主軸装置１は、例えば、図８に示すように、ねじ締結により工具Ｔが装着される主軸６０を備えた主軸装置２とすることができる。同図８に示すように、この主軸６０には、その先端部にねじ溝６０ａ及びテーパ面６０ｂが形成されており、前記ねじ溝６０ａには、内周面にねじ溝６１ａを備えるとともに、下端内周部に工具Ｔの後端部外周面と係合する係合部６１ｂを備えた環状の工具装着部材６１が螺合し、前記テーパ面６０ｂには、工具Ｔの後端部が当接するようになっている。そして、前記工具Ｔは、工具装着部材６１が主軸６０の先端部のねじ溝６０ａに螺合することにより主軸６０に装着される。尚、主軸６０は、図８に示した態様に限られるものではなく、工具装着部材６１を介さずに、ねじ締結によって工具Ｔが直接装着されるように構成されていても良い。

この場合、前記駆動制御部４３は、ＮＣプログラム中の動作指令や、入力部４５から入力された入力信号を基に、電磁クラッチ３０に解除動作を行わせた状態で第１駆動モータ２０を駆動して第１ロータ２２のみを回転させた後、電磁クラッチ３０に連結動作を行わせるように構成される。

このように、第１駆動モータ２０を駆動して第１ロータ２２のみを回転させた後、電磁クラッチ３０に連結動作を行わせて第１ロータ２２と主軸６０とを連結することで、非回転の主軸６０を急激に回転させるとともに、非回転の主軸６０に急激な回転に伴う衝撃力を与えることができる。これにより、工具Ｔが主軸６０にきつく締め付けられている場合であっても簡単に緩めることができるとともに、工具Ｔを主軸６０に簡単に装着することができ、工具Ｔの着脱を容易に行うことができる。尚、主軸６０を回転させる際、前記工具装着部材６１は、その外周面に形成された凹部６１ｃに適宜ピン（図示せず）が挿入されることなどによって非回転に維持されるようになっている。

また、前記主軸装置１は、図９に示すように、前記第２駆動モータ２５を省略した主軸装置３とすることもできる。このような主軸装置３によっても、例えば、工具Ｔとワークとの衝突後、直ちに第１ロータ２２の回転力が主軸１２に伝達されないようにしたり、第１駆動モータ２０に過大な負荷が作用してこれが破損するのを防止したり、主軸１２にかかるトルクの最大値を一定値以下に抑えて、軸受１１にかかる力を一定値以下としたり、電磁クラッチ３０によって伝達可能なトルクの最大値を調整して、主軸１２にかかるトルクの最大値及び軸受１１にかかる力の最大値を簡単に調整したり、工具Ｔの着脱を容易に行うといったことができる。

また、上例では、質量の大きい第１ロータ２２を備えた第１駆動モータ２０を主軸１２の先端側に、質量の小さい第２ロータ２６を備えた第２駆動モータ２５を主軸１２の後端側に配置したが、当該第１駆動モータ２０を主軸１２の後端側に、当該第２駆動モータ２５を主軸１２の先端側に配置するようにしても良い。但し、加工精度の観点からは、第１駆動モータ２０を主軸１２の先端側に、第２駆動モータ２５を主軸１２の後端側に配置した方が好ましい。

また、前記駆動制御部４３による具体的な制御例は、上述した態様に限定されるものではない。また、上例では、主軸１２の回転、第１駆動モータ２０の回転、電磁クラッチ３０の連結動作及び解除動作を、駆動制御部４３がＮＣプログラム中の動作指令を基に制御するように構成したが、これに限られるものではない。

本発明の一実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。本発明の一実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。図１における矢示Ａ−Ａ方向の断面図である。図１における矢示Ｂ−Ｂ方向の断面図である。本実施形態に係る主軸装置などの概略構成を示したブロック図である。本発明の他の実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。本発明の他の実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。本発明の他の実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。本発明の他の実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。

符号の説明

１主軸装置
１０ハウジング
１１軸受
１２主軸
２０第１駆動モータ
２１軸受
２２第１ロータ
２３第１ステータ
２５第２駆動モータ
２６第２ロータ
２７第２ステータ
３０電磁クラッチ
３１スパイダ
３２アウタディスク
３３ロータ
３４アマチュア
３５インナディスク
３６ステータ
３６ａコイル
３７軸受
４０制御装置
４１プログラム記憶部
４２プログラム解析部
４３駆動制御部
４４供給電流監視部

Claims

支持穴が形成されたハウジングと、このハウジングの支持穴内に軸線中心に回転自在に支持され、工具が装着される主軸と、この主軸を軸線中心に回転させる第１駆動モータと、この第１駆動モータの作動を制御する制御手段とを備え、前記第１駆動モータは、前記主軸の外周面に回転自在に設けられる第１ロータと、この第１ロータの外周面から径方向外方に間隔を隔てるように前記ハウジングの支持穴の内周面に固設される第１ステータとから構成された主軸装置であって、
前記第１駆動モータによって前記主軸を回転させることができるように、前記主軸と第１ロータとを連結した状態にする連結動作と、前記第１駆動モータによって前記主軸を回転させることができないように、前記主軸と第１ロータとの連結を解除した状態にする解除動作とを行うように構成された連結手段を備えており、
前記制御手段は、前記連結手段の前記動作を制御するとともに、前記主軸と第１ロータとが連結された状態及び解除された状態の各状態において、前記第１駆動モータの作動を制御するように構成されてなることを特徴とする主軸装置。
前記制御手段は、前記連結手段に前記連結動作を行わせた状態で前記第１ロータ又は第１ステータに電流を供給して前記第１ロータを回転させるとともに、前記第１ロータ又は第１ステータに供給する電流が予め設定された値よりも大きくなると、前記連結手段に前記解除動作を行わせるように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の主軸装置。
前記連結手段は、摩擦クラッチから構成され、
前記摩擦クラッチは、相互に当接可能に構成された第１部材及び第２部材であって、前記第１ロータに接続された第１部材及び前記主軸の外周面に接続された第２部材と、前記連結動作時には、前記第１部材と第２部材とを予め設定された力で当接させ、前記解除動作時には、前記第１部材と第２部材との間にかかる前記当接力をなくすように構成された当接機構とを備えてなることを特徴とする請求項１又は２記載の主軸装置。
前記摩擦クラッチの当接機構は、前記第１部材と第２部材とを当接させる力を可変に構成され、
前記制御手段は、前記摩擦クラッチの当接機構を制御して、前記第１部材と第２部材とが当接する力を変化させるように構成されてなることを特徴とする請求項３記載の主軸装置。
前記主軸は、ねじ締結によって前記工具が装着されるように構成され、
前記制御手段は、前記連結手段に前記解除動作を行わせた状態で前記第１駆動モータを駆動した後、前記連結手段に前記連結動作を行わせるように構成されてなることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの主軸装置。
前記主軸を軸線中心に回転させる第２駆動モータを更に備え、
前記第２駆動モータは、前記主軸の外周面に前記第１ロータの配設位置から前記主軸の軸線方向に間隔を隔てて設けられるロータであって、前記第１ロータよりも質量の小さい第２ロータと、この第２ロータの外周面から径方向外方に間隔を隔てるように前記ハウジングの支持穴の内周面に固設される第２ステータとから構成され、
前記制御手段は、更に、前記第２駆動モータの作動を制御するように構成されてなることを特徴とする請求項１乃至５記載のいずれかの主軸装置。
前記制御手段は、前記連結手段に前記連結動作を行わせた状態で少なくとも前記第１駆動モータを駆動するときと、前記連結手段に前記解除動作を行わせた状態で前記第２駆動モータのみを駆動するときとを切り換えて前記主軸を軸線中心に回転させるように構成されてなることを特徴とする請求項６記載の主軸装置。
前記制御手段は、前記連結手段に前記解除動作を行わせた後、前記第２駆動モータを制御して前記主軸の回転を停止させるように構成されてなることを特徴とする請求項６又は７記載の主軸装置。
前記制御手段は、前記連結手段に前記解除動作を行わせた状態で前記第１駆動モータ及び第２駆動モータをそれぞれ個別に制御し、前記第１ロータ及び第２ロータの回転速度をそれぞれ予め設定された回転速度にした後、前記連結手段に前記連結動作を行わせるように構成されてなることを特徴とする請求項６乃至８記載のいずれかの主軸装置。