JP6177724B2 - 工具把持機構 - Google Patents

Description

本発明は工作機械の工具を把持するための工具把持機構に関する。

一般的に超精密加工機では、工具着脱時の精度や機械システムの大きさなどから、工具自動交換システムが採用されていない。光学部品の金型加工を行う加工機では、１本の工具で加工を行うのが一般的であり、工具交換毎に工具の振れ調整や動バランス調整を行っている。

超精密加工機に備わった流体軸受スピンドルには、回転工具が取り付けられる。流体軸受スピンドルは、エアタービン方式などにより高速回転することから、スピンドル本体は小型である。そのため、複雑な工具交換の構造をスピンドルのシャフトに設けることは困難である。超精密加工機の一部で採用されている方式として、焼嵌め方式がある。しかし、機械内部または周辺に５００℃近くになる熱源を設けることは温度の安定性の点から望ましくない。特に、数ｎｍオーダの精度が要求される超精密加工機では採用が難しい。

また、超精密加工分野では動バランスの調整が加工において重要である。スピンドルを数万回転で回転させて加工する場合、数ｍｇ程度にバランス調整するほど、振れや振動が加工に影響を及ぼす。そのため、軸のずれや工具のアンバランス状態は無視できない。超精密加工でよく使用されるエアタービンスピンドルにおいては、現状では工具とシャフトの位相を自動で合わせることができないため、工具装着後に動バランス調整が必要になる。

そこで本発明の目的は、シャフトに工具ホルダを装着する際、磁石の配置により位相を合わせて装着することが可能な工具把持機構を提供することである。

超精密加工機での加工は、切削力が小さいことに着目し、磁石による工具の着脱方法を採用する。工具を把持する工具ホルダとシャフトの接触面に磁石を設ける。磁石の吸引力により工具ホルダを把持する。磁石の周上に複数配置することで、吸引力を確保すると共に、配置された磁石の１対だけ他と反対の極性に設置することで、工具ホルダの装着する位相を確定させる。また、工具ホルダを切り離す場合は、シャフト内に設けた穴に、空気などの圧力をかけることで、磁力を弱め工具ホルダを切り離す。

超精密加工機に工具自動交換システムを搭載することで、複数の工具を自動で交換できるため、長時間の加工を実現できる。例えば荒加工用の工具、仕上げ加工用の工具を自動で交換し、荒加工から仕上げ加工まで一貫した加工できる。１対だけ他と反対の配置した磁石により、シャフトと工具ホルダの唯一の位相を決めることができるため、予め位相を合わせた工具ホルダとシャフトの組み合わせでバランス調整を行っておくことで、工具ホルダをシャフトに装着後、動バランス調整の必要がないためすぐに加工を行うことができる。

そして、本願の請求項１に係る発明は、工具を取り付け可能な工具ホルダと、該工具ホルダを装着すると共にスピンドル装置の回転軸に固定されるシャフトを有する工具把持機構において、前記工具ホルダおよび前記シャフトが対向する面の一方の面には少なくとも２つの磁石を配置し、該少なくとも２つの磁石の中の少なくとも１つは他の磁石とは異なる方向の磁極の磁石を、前記工具ホルダと前記シャフトとの結合時の位相が唯一となる位置に配置し、他方の面には前記一方の面に配置された前記少なくとも２つの磁石に対して吸引する方向に磁力を発生するように、かつ、該少なくとも２つの磁石に対応するように磁石を配置したことを特徴とする工具把持機構である。

当該発明は、シャフトに工具ホルダを装着する際、磁石の配置により位相を合わせて装着することができる。また、磁石が大きく多いほど吸引力を増すため、より強力に把持することができる。また、工具ホルダとシャフト間に配置する複数個の磁石は、１対のみ他の磁石と反対になる組み合わせ（シャフト端面に１個だけＮ極を上向き、他はＳ極にし、ホルダ側はその逆の配置をする。）を用意することで、唯一の位相となる組み合わせで結合することができる。当該発明の構造により、工具とシャフトの位相を合わせることができるため、工具のアンバランスに対応した工具ホルダを用意することで、スピンドルに工具ホルダを装着後の動バランス調整が不要になる。

請求項２に係る発明は、前記シャフトは流体軸受で支持されることを特徴とする請求項１記載の工具把持機構である。
当該発明の効果は、シャフトが流体軸受（空気軸受など）の回転抵抗の少ない軸受で支持されることにより、磁力によりシャフトが回転する。工具ホルダをシャフトに自動で装着する際、工具ホルダへシャフトが接近した際に、磁力によりシャフトが回転し唯一の組み合わせとなる位相で止まり、工具ホルダとシャフトの位相が合った状態で装着することができる。エアタービンスピンドルでは機構部に磁力が発生する機構がなく、位置決めして固定できないため、磁石による位置決めは有効である。

請求項３に係る発明は、前記工具ホルダおよび前記シャフトは対となるテーパ形状を有し、同軸で前記工具ホルダと前記シャフトを装着することを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の工具把持機構。

当該発明の効果は、工具ホルダとシャフトにテーパ形状を設けることで、その部分がガイドになるため、同軸で装着することができる。

請求項４に係る発明の効果は、前記シャフトは、前記工具ホルダを取り付つける面とは反対の端面に前記工具ホルダに向けて軸方向に貫通する貫通穴を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の工具把持機構である。
当該発明の効果は、工具交換時にシャフト内の貫通穴の後方から空気などの圧力を工具ホルダに向けてかけることにより、工具ホルダとシャフト間の磁力を弱めて切り離しやすくすることができる。

請求項５に係る発明の効果は、前記スピンドル装置に配置される磁石の位置は、シャフトの軸対称であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の工具把持機構である。
当該発明の効果は、磁石がシャフトに対して軸対象であることにより、シャフトのアンバランスの影響が少なくなり、工具ホルダ交換後のバランス調整が不要になる。

本発明により、シャフトに工具ホルダを装着する際、磁石の配置により位相を合わせて装着することが可能な工具把持機構を提供できる。

磁石を配置した工具ホルダとシャフトの構造を示す断面図である。 工具ホルダとシャフトに設置された複数の磁石の内１対が反対の極性に設置されることを示す図である。 同じ形状の磁石を同心円上に等配置した実施形態を説明する図である。 位置決めように反対向きに配置する磁石の大きさが異なる実施形態を説明する図である。 半月状の磁石を配置する実施形態を説明する図である。 シャフトが流体軸受により支持された実施形態を示す図である。 空気軸受けのエアタービンスピンドルの内部構造を示す図である。 工具ホルダとシャフトの接合部にテーパ部を設けた構造を示す図である。 工具ホルダの切り離す構造を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、磁石を配置した工具ホルダとシャフトの構造を示す断面図である。工具１を把持する工具把持機構は、工具ホルダ２とシャフト３から構成される。工具１は工具ホルダ２に装着される。工具ホルダ２は、中心に工具１を挿入する貫通穴を有する締め付け部材２ａと工具ホルダ本体部２ｄとから構成される。締め付け部材２ａに設けられた貫通穴２ｂは工具ホルダ本体部２ｄに向かって内径が拡大する形状を有する。また、締め付け部材２ａには貫通穴２ｂと同軸方向にボルト装着用のボルト穴２ｃが設けられている。工具ホルダ本体部２ｄは爪部２ｅと貫通穴２ｆを備えている。工具ホルダ本体部２ｄはボルト穴２ｃに装着されたボルトを固定するための雌ネジ部（図示せず）が設けられている。貫通穴２ｂと爪部２ｅとで楔構造が形成されている。

工具ホルダ２による工具１の把持について説明する。締め付け部材２ａの貫通穴２ｂに工具ホルダ本体部２ｄの爪部２ｅが嵌め合うように、締め付け部材２ａと工具ホルダ本体部２ｄとを仮結合する。そして、工具１を締め付け部材２ａと工具ホルダ本体部２ｄの貫通穴２ｂ，２ｆに挿入する。締め付け部材２ａのボルト穴２ｃに装着し、ボルト穴２ｃに図示しないボルトを装着し、貫通穴２ｂと爪部２ｅの楔構造により工具１を工具ホルダ２に固定する。シャフト３はボルト穴３ａを備えており、ボルト穴３ａに装着される図示しないボルトによって図示しない回転駆動手段の回転軸に固定される。なお、シャフト３には工具１の端部が挿入されるロート形状部３ｂが設けられている。

工具ホルダ２（工具ホルダ本体部２ｄ）をシャフト３に固定する際に対向する面に磁石４，５が取り付けられている。磁石４，５には工具ホルダ２とシャフト３で対になるように同心円上に配置されている。工具ホルダ２とシャフト３には磁石４，５の吸引力が働くため装着が可能になる。超精密加工機では切削力が小さいため、磁石４，５による結合であっても十分な力であるが、シャフト３の回転数が数万回転になるため、磁力は強力なネオジウム磁石を複数個配置することが望ましい。

図２は工具ホルダとシャフトに設置された複数の磁石の内１対が反対の極性に設置されることを示す図である。図２のように磁石５（５ａ，５ｂ）を、他の対の磁石４（４ａ，４ｂ）とは極性が反対になるように工具ホルダ２に設置する。

しかし、図３に示されるように、同じ形状の磁石を同心円上に等配置で配置してしまうと、１対の反対向きの磁石５（５ａ，５ｂ）が他の位相になった場合に、他の複数の磁石４（４ａ，４ｂ）の磁力に負けてしまうため吸着してしまい、位置決めが不可能になる。磁石を等配置ではなく、ランダムに配置した場合でも、反発より吸着が多い場合は、結合してしまう。

図４は位置決め用に反対向きに配置する磁石の大きさが異なる実施形態を説明する図である。工具ホルダ２に配置される磁石６（６ａ，６ｂ）は、工具ホルダ２に配置される他の複数の磁石７（７ａ，７ｂ）に比べて磁力の強い（磁石の形状が大きい、または、磁力が強い磁石）ものである。

図４に示されるように、位置決め用に反対向きに配置する磁石の大きさが異なる場合は、位置決めする位相から外れた場合、磁石の面積が唯一の位置決め位置以外は反発力が勝るため、他の位相で吸着することはない。この方法は軸対称でないため、スピンドルシャフトがアンバランスの要因になり、また吸着力も弱い。

図５は半月状の磁石を配置する実施形態を説明する図である。図５では、半月状の磁石８（８ａ，８ｂ），９（９ａ，９ｂ）を配置しているが、位置決めの位相が合う位置から磁石の面積が均等になる位置（１８０度回転した位置など）では磁力が等分になり、吸着と反発が均一になる状態が生じてしまうため結合はできていない状態になる。

図６はシャフトが流体軸受により支持された実施形態を示す図である。シャフト３が自由に回転する方法と組み合わせる。工具ホルダ２をシャフト３に接近させ、接合直前で接近を停止などすることで、吸着力が一番強い位置にシャフト３が回転し（回転方向１０）、位置決めされシャフトの回転が止まった状態で結合することにより、位置決めする唯一の位置で結合することができる。

また、軸対象で配置できるため、バランスや磁力としても理想的な構造となる。図４または図５の構造により、自動で工具交換をする場合でも、位相を合わせて工具１を装着したシャフト３を交換することができる。この構造により、加工用の工具１を工具ホルダ２に位相を決めて装着し、粗加工用や仕上げ加工用など複数の工具ホルダ２を用意しておく。工具ホルダ２とスピンドルのシャフト３の位相を合わせ、それぞれについてスピンドルの動バランス調整を行っておく。上記の磁石の作用により工具ホルダ２とシャフト３は結合され、動バランスも調整済みのため、工具ホルダ２を交換した後にすぐに加工を開始することができる。

図６はシャフトが流体軸受により支持された実施形態を示す図である（請求項２に対応）。複数の磁石が配置された工具ホルダ２とシャフト３では、磁石が反発する組み合わせのまま非回転状態で固定された工具ホルダ２とシャフト３が接近すると、吸引力が発生する位置にシャフトが回転する構造である。これは流体軸受の特徴である、軸受の低摩擦を利用した機構である。図５のように、途中に吸着と反発が等分にある場合、結合直前で一時停止するなどして、所定の位置決めの位置にシャフトが回転することを確認し、その後結合すると位置決めができる。

図７は空気軸受けのエアタービンスピンドル（スピンドル装置）の内部構造を示す図である。エアタービンスピンドル２０は回転軸２１が空気軸受２３により回転自在に支持されている。回転軸２１の端面２２にはシャフト３がボルトによって固定される。空気軸受２３から排気される空気（軸受の排気）の流れ２４は、タービン用排気穴２５からエアタービンスピンドル２０の外部に放出される。

図８に示されるように、空気軸受２３を備えたエアタービンスピンドルは、空気軸受けからの空気の流れ２７が、空気軸受２３からの空気がタービンブレード２６を通過して、タービン用排気穴２５を通る構造を有する。駆動用タービン停止時でもタービンに空気が流れる。これによりタービン停止時でもシャフト３が自然回転する状態になる。この自然に回転している状態は、磁力により位相合わせをしやすい状態である。

図９は工具ホルダとシャフトの接合部にテーパ部を設けた構造を示している（請求項３に対応）。テーパ２ｇを設けることで、工具ホルダ２とシャフト３の同軸で連結することが可能になる。また、シャフト３には空気穴３ｃが設けられている。工具ホルダ２をシャフト３から切り離す際には、空気穴３ｃを介して空気をシャフト３内に供給する（空気の流れ３ｄ）。磁力で吸着され、テーパで接合されたチャック部は、簡単に切り離すことはできない。そのため、外部から力をかけることで、チャックを切り離しやすくする。シャフト３内から軸方向に流体の圧力をかける、接合部２ｈに設けられた穴に流体により圧力をかける、または棒で押すなどの方法により、工具ホルダ２を切り離すことができる。

１ 工具
２ 工具ホルダ
２ａ 締め付け部材
２ｂ 貫通穴
２ｃ ボルト穴
２ｄ 工具ホルダ本体部
２ｅ 爪部
２ｆ 貫通穴
２ｇ テーパ
２ｈ 接合部
３ シャフト
３ａ ボルト穴
３ｂ ロート形状部
３ｃ 空気穴
３ｄ 空気の流れ
４，４ａ，４ｂ 磁石
５，５ａ，５ｂ 磁石
６，６ａ，６ｂ 磁石
７，７ａ，７ｂ 磁石
８，８ａ，８ｂ 磁石
９，９ａ，９ｂ 磁石
１０ 回転方向

２０ エアタービンスピンドル
２１ 回転軸
２２ 端面
２３ 空気軸受
２４ 空気（軸受の排気）の流れ
２５ タービン用排気穴
２６ タービンブレード
２７ 空気軸受からの空気の流れ

Claims (5)

1. 工具を取り付け可能な工具ホルダと、該工具ホルダを装着すると共にスピンドル装置の回転軸に固定されるシャフトを有する工具把持機構において、
   前記工具ホルダおよび前記シャフトが対向する面の一方の面には少なくとも２つの磁石を配置し、該少なくとも２つの磁石の中の少なくとも１つは他の磁石とは異なる方向の磁極の磁石を、前記工具ホルダと前記シャフトとの結合時の位相が唯一となる位置に配置し、他方の面には前記一方の面に配置された前記少なくとも２つの磁石に対して吸引する方向に磁力を発生するように、かつ、該少なくとも２つの磁石に対応するように磁石を配置したことを特徴とする工具把持機構。
2. 前記シャフトは流体軸受で支持されることを特徴とする請求項１記載の工具把持機構。
3. 前記工具ホルダおよび前記シャフトは対となるテーパ形状を有し、同軸で前記工具ホルダと前記シャフトを装着することを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の工具把持機構。
4. 前記シャフトは、前記工具ホルダを取り付つける面とは反対の端面に前記工具ホルダに向けて軸方向に貫通する貫通穴を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の工具把持機構。
5. 前記スピンドル装置に配置される磁石の位置は、前記シャフトの軸対称であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の工具把持機構。