JP6847632B2 - 工具径可変主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械用の工具径可変主軸装置に関するものである。

工作機械用の工具径可変主軸装置には、先端に工具を有する偏心軸を所定量偏心させて主軸内に設け、主軸に対して偏心軸を回転させることにより、工具が主軸廻りに描く工具径（加工径）を適宜変更可能にしたものがある（特許文献１〜３）。

特許文献１の工具径可変主軸装置は、主軸を回転自在に支持する可動台側に、主軸と平行に配置された偏心軸用モータを備え、この偏心軸用モータの駆動により偏心軸を回転させるねじ式の伝達機構と、偏心軸を任意の回転位置で主軸に固定するクランプ手段とを備え、偏心軸用モータの駆動により伝達機構を介して偏心軸を回転させて工具径を変更し、所定の工具径に変更した後にクランプ手段により偏心軸を主軸に対して固定するようになっている。

また特許文献２の工具径可変主軸装置は、主軸の軸芯上に配置された主軸用モータと、主軸と平行に配置された偏心軸用モータとを可動台側に備え、偏心軸用モータの駆動により工具径可変機構を介して偏心軸を回転させて工具径を変更するようになっている。

更に特許文献３の工具径可変主軸装置は、主軸及び偏心軸を軸芯方向に偏平状に構成し、その主軸内に、偏心軸の外周に噛合するウォームギヤ機構を備え、主軸の軸芯上の他端側に配置された偏心軸用モータにより、ウォームギヤ機構を介して偏心軸を回転させて工具径を変更するようになっている。

特開平７−２０４９１０号公報 特開２０１４−６９２９０号公報 特開２００９−１９０１５７号公報

従来の特許文献１及び２の工具径可変主軸装置は、偏心軸用モータを主軸と平行に可動台側に配置しているため、偏心軸用モータを含む装置全体が大型化するという問題があり、また主軸の回転中に工具径を変更するということはできない。

一方、従来の特許文献３の工具径可変主軸装置は、主軸及び偏心軸を軸芯方向に偏平状に構成し、その主軸側に偏心軸、ウォームギヤ機構及び偏心軸用モータを備えているため、主軸の回転中に工具径を変更することができるが、主軸を含む全体の外径が非常に大型化するという問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、工具の主軸廻りの工具径を変更でき、しかも装置全体を小型化できる工具径可変主軸装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、主軸と、工具を有し且つ前記主軸内に偏心して配置された偏心軸と、前記偏心軸に対して前記工具と反対側に配置され且つ前記偏心軸を前記主軸に対して回転させる偏心軸用モータとを備え、前記偏心軸を回転させて前記工具の前記主軸廻りの工具径を変更可能にした工具径可変主軸装置において、前記偏心軸と前記偏心軸用モータとの間に配置され且つ前記偏心軸用モータの回転を減速して前記偏心軸に伝達する内歯ギヤ式の減速手段を備え、前記主軸は、軸方向に着脱可能に接合された第１主軸部と第２主軸部とを備え、前記偏心軸用モータは、前記第２主軸部と一体回転可能に前記第２主軸部内で前記偏心軸の軸芯上に配置され、前記減速手段は前記第１主軸部内に配置され、且つ前記第１主軸部に固定された前記内歯ギヤを備えたものである。

前記偏心軸用モータは前記減速手段の入力軸に連結される回転軸を備え、前記回転軸及び前記入力軸は前記偏心軸の軸芯上に配置されたものでもよい。前記減速手段は波動ギヤ装置であってもよい。前記偏心軸用モータ側で前記主軸を回転自在に支持する支持部材を設け、前記主軸と前記支持部材との間に前記偏心軸用モータの給電用のスリップリングを設けたものでもよい。

本発明によれば、主軸と、工具を有し且つ主軸内に偏心して配置された偏心軸と、偏心軸に対して工具と反対側に配置され且つ偏心軸を主軸に対して回転させる偏心軸用モータとを備え、偏心軸を回転させて工具の主軸廻りの工具径を変更可能にした工具径可変主軸装置において、偏心軸と偏心軸用モータとの間に配置され且つ偏心軸用モータの回転を減速して偏心軸に伝達する内歯ギヤ式の減速手段を備え、主軸は、軸方向に着脱可能に接合された第１主軸部と第２主軸部とを備え、偏心軸用モータは、第２主軸部と一体回転可能に第２主軸部内で偏心軸の軸芯上に配置され、減速手段は第１主軸部内に配置され、且つ第１主軸部に固定された内歯ギヤを備えているので、主軸の回転中に工具径を変更でき、しかも装置全体を小型化できる利点がある。

本発明の第１の実施形態を示す工具径可変主軸装置の断面図である。 同要部の拡大断面図である。 同主軸、偏心軸、工具の偏心量の説明図である。 同波動ギヤ装置の一部破断側面図である。 同工具の工具径の説明図である。 本発明の第２の実施形態を示す主軸、偏心軸、工具の偏心量の説明図である。 同工具の工具径の説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳述する。

図１〜図５は本発明に係る工作機械用の工具径可変主軸装置の第１の実施形態を例示する。図１は工具径可変主軸装置の概略を示し、その要部を図２に示す。

この工具径可変主軸装置は、図１、図２に示すように、前後方向に往復移動可能に配置された可動台１と、この可動台１に前後方向に固定された軸受ケース２と、この軸受ケース２内に回転自在に配置され且つ前後方向の軸芯３ｂを有する主軸３と、主軸３内に回転自在に配置され且つ主軸３の軸芯３ｂから所定の偏心量ａだけ偏心する軸芯４ｂを有する偏心軸４と、偏心軸４の前端側に着脱自在に固定された工具５と、主軸３の後端側に一体回転可能に配置され且つ偏心軸４をその軸芯４ｂ廻りに駆動する偏心軸用モータ６と、偏心軸４と偏心軸用モータ６との間に配置された減速手段７と、偏心軸用モータ６と減速手段７との間に配置された連結軸８とを備えている。

軸受ケース２は工具５に近い前端側で可動台１に固定されている。主軸３は円筒状であって、軸受ケース２内にその前後両側の軸受９を介して回転自在に支持された第１主軸部１０と、この第１主軸部１０の後端側に同心状に接合された第２主軸部１１とを備え、第１主軸部１０の後端側に配置された伝動機構１２を介して主軸用モータ（図示省略）の駆動により軸芯３ｂ廻りに回転自在である。伝動機構１２は第１主軸部１０に固定されたプーリ１３と、このプーリ１３に巻き掛けられたベルト１４とを有する。主軸用モータは主軸３と平行に配置され、可動台１に固定されている。

偏心軸４は主軸３と平行であって、図３に示すように、偏心軸中心４ａが主軸３の主軸中心３ａから所定の偏心量ａだけ偏心しており、第１主軸部１０内に軸受１６を介してその軸芯４ｂ廻りに回転自在に支持されている。そして、この偏心軸４は、偏心軸用モータ６の駆動により軸芯４ｂ廻りに回転可能である。

偏心軸４の前端には工具ホルダ１７を介して工具５が着脱自在に取り付けられている。工具５は工具ホルダ１７に前側から着脱自在に固定された取り付け軸１８と、この取り付け軸１８の前端側に設けられた刃部１９とを有し、図３に示すように偏心軸４が原点位置ｐ１のときに取り付け軸１８が主軸３の主軸中心３ａ（＝軸芯３ｂ）上に位置するように構成されている。つまり、偏心軸４の偏心軸中心４ａに対する取り付け軸１８の偏心量は、主軸３と偏心軸４との間の偏心量ａと同じ量になっている。

第１主軸部１０及び第２主軸部１１内には、偏心軸用モータ６、減速手段７、連結軸８が収容されている。偏心軸用モータ６には位置決め・停止位置保持が可能なステッピングモータが採用されている。そして、この偏心軸用モータ６は偏心軸４の後方の後端側で主軸３の第２主軸部１１内に固定され、前側に突出する回転軸２０が偏心軸４の軸芯４ｂ上に配置されている。

減速手段７には小型で減速比の大きい波動ギヤ装置２１が採用されている。この波動ギヤ装置２１は、図２、図４に示すように、偏心軸４の軸芯４ｂ上で第１主軸部１０内に固定された内歯ギヤ２２と、内歯ギヤ２２に内側から噛合し且つ弾性変形可能な薄肉平ギヤ２３と、偏心軸４の軸芯４ｂ上に配置された入力軸２４と、この入力軸２４の外周に固定され且つ外周側に套嵌された薄肉軸受２５を介して薄肉平ギヤ２３の内周側に摺接する楕円形状の偏心カム２６とを備えている。

そして、この波動ギヤ装置２１は、入力軸２４の回転に連動して楕円形状の偏心カム２６が回転したときに、その偏心カム２６の外周に追随して弾性変形する薄肉平ギヤ２３と、この薄肉平ギヤ２３が噛合する真円状の内歯ギヤ２２との差動を利用して、偏心軸用モータ６の回転を減速するようになっている。

入力軸２４は連結軸８、軸継ぎ手２７を介して偏心軸用モータ６の回転軸２０に連結されている。連結軸８、軸継ぎ手２７は偏心軸４の軸芯４ｂ上に前後に配置されている。連結軸８は前後方向の中間部が第１主軸部１０と第２主軸部１１との間の軸受ケース２８により軸受２９を介して支持されている。薄肉平ギヤ２３の連結部３０は偏心軸４の端面に着脱自在に固定されている。

主軸３は第１主軸部１０側が軸受ケース２により支持されると共に、第２主軸部１１の後端部側が軸受３１を介して支持部材３２により回転自在に支持されている。支持部材３２は周方向に複数の取り付け部材３３を介して軸受ケース２の後端側に着脱自在に固定されている。

主軸３の第２主軸部１１の後端には、第２主軸部１１と一体回転可能な回転軸部３５が配置され、その回転軸部３５にクーラント導入口３６が、また回転軸部３５と支持部材３２との間に偏心軸用モータ６に給電用のスリップリング３７が夫々設けられている。

クーラント導入口３６は回転管継ぎ手（図示省略）を介してクーラント供給系統（図示省略）のクーラントを受け入れて、回転軸部３５内のクーラント通路３８から第２主軸部１１及び第１主軸部１０のクーラント通路３９、偏心軸４の軸芯４ｂ上のクーラント通路４０、工具ホルダ１７を経て工具５側の加工部位へと供給するようになっている。なお、主軸３と偏心軸４との間には、両者のクーラント通路３９，４０を連通させる２個のオイルシール４１が所定の間隔で設けられている。

スリップリング３７は回転軸部３５の外周に固定されたロータ４２と、支持部材３２側に固定されたステータ４３とを備えている。ステータ４３は軸受３１を押える軸受押えカバー４４に固定され、また軸受押えカバー４４は支持部材３２に固定されている。なお、ステータ４３は回転しない程度に支持部材３２側に取り付けられておればよく、支持部材３２に対して固定である必要はない。

この工具径可変主軸装置において、図３に示すように、偏心軸４が原点位置ｐ１にある場合には、工具５の中心が主軸３の軸芯３ｂと一致した状態にある。従って、偏心軸４を原点位置ｐ１に配置すれば、ボーリング加工用の工具５を装着してボーリング加工を行えるのは勿論のこと、ドリル加工用の工具５を装着してドリル加工を行ったり、エンドミル用の工具５を装着してエンドミル加工を行ったりすることも可能である。

工具径を変更する場合には、偏心軸用モータ６により連結軸８、波動ギヤ装置２１を介して偏心軸４を偏心軸中心４ａ廻りに回転させる。すると偏心軸４が原点位置ｐ１から１８０°回転位置ｐ５へと回転する間に、偏心軸４の回転角に応じて工具５が主軸３の軸芯３ｂ廻りに描く工具径を図５（Ａ）〜（Ｅ）に示すように任意に変更することができる。

即ち、偏心軸４が原点位置ｐ１にある場合には、図５（Ａ）に示すように工具５の軸芯が主軸３の軸芯３ｂと一致するため、工具５の主軸３廻りの工具径が、工具５の取り付け位置の中心から刃先までの長さｂ（図３参照）に対応する最小径ｄ１となる。また偏心軸４が原点位置ｐ１から１８０°回転した１８０°回転位置ｐ５では、図５（Ｅ）に示すように工具５が逆向きになり、工具５の工具径が長さｂに偏心量ａの２倍の２ａを加算した寸法の２倍となり最大径ｄ５＝（２ａ＋ｂ）×２となる。

また原点位置ｐ１と１８０°回転位置ｐ５との間で偏心軸４が４５°、９０°、１３５°の各回転位置ｐ２〜ｐ４まで回転すると、工具５の工具径が図５（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、最小径ｄ１と最大径ｄ５との間の中間径ｄ２〜ｄ４となる。

従って、ボーリング加工等に際しても１種類の工具５で工具径の異なる加工が可能であって工具径毎に工具５を準備する必要がなくなり、準備すべき工具５の種類数を少なくすることもできる。

特にこの工具径可変主軸装置では、偏心軸用モータ６と偏心軸４との間に波動ギヤ装置２１を介在しており、小型で減速比の大きい波動ギヤ装置２１を設けて、偏心軸用モータ６の回転を波動ギヤ装置２１で十分に減速して偏心軸４に伝達することができる。そのため単位偏心量辺りの偏心軸用モータ６の回転角を大きく取ることができ、工具径を変更する際の工具５の偏心量の分解能を上げることができ、偏心量の微調整、工具径の微調整を容易且つ高精度で行うことができる。

また波動ギヤ装置２１の減速比が大きいので、負荷トルクが大きくなり、加工時に掛かる切削負荷により偏心軸４が回転して工具５の偏心量がズレるようなことがなく、高い寸法精度を維持することができる。しかも偏心軸４を固定するクランプ手段が不要であるため、構造的に簡素化することができる。

更に減速比の大きい波動ギヤ装置２１を使用しているため、偏心軸用モータ６として減速機付きモータ等のような大型のものを採用する必要がなく、偏心軸用モータ６から波動ギヤ装置２１を含む駆動伝達系統を小型化することが可能である。従って、主軸３を構成する第１主軸部１０と第２主軸部１１内に偏心軸用モータ６、波動ギヤ装置２１を組み込んでいるにも拘わらず、主軸３の大径化を防止でき、装置全体の小型軽量化に伴う機械的剛性を容易に促進することができる。

即ち、工具５によるボーリング加工等を行う場合には、主軸用モータにより伝動機構１２を介して主軸３をその軸芯３ｂ廻りに回転させる。このとき偏心軸用モータ６、波動ギヤ装置２１、偏心軸４は、主軸３の軸芯３ｂ廻りに一体に回転するが、偏心軸用モータ６、波動ギヤ装置２１を小型化できるので、主軸３側の負担を軽減することができ、機械的剛性が向上する利点がある。

また波動ギヤ装置２１を第１主軸部１０内に配置し、この第１主軸部１０に着脱自在に接合された第２主軸部１１内に偏心軸用モータ６を配置しているので、偏心軸用モータ６、波動ギヤ装置２１等の組立てを容易に行うことができる。しかも、第２主軸部１１は、その端部を軸受３１を介して軸受ケース２側の支持部材３２により支持しているので、第２主軸部１１側の軸振れ等も防止することができる。

また偏心軸用モータ６、波動ギヤ装置２１が主軸３内にあり、しかも偏心軸４の軸芯４ｂ上に偏心軸用モータ６、波動ギヤ装置２１があるため、主軸３の回転中に偏心軸用モータ６により偏心軸４を回転させて工具径を変更することも可能である。従って、加工中に工具径を変更することにより、連続異径の鼓状加工やテーパ加工が可能であり、用途の向上を図ることができる。

因みに加工する穴径が判れば、余弦定理を用いて次の計算式から偏心軸用モータ６の回転角を求めることができる。但し、工具５の刃先は偏心軸４の半径方向の外側を向いているものとする。
Θ＝ａｒｃｃｏｓ（（ａ² ＋（ａ＋ｂ）² −ｒ² ）／２ａ（ａ＋ｂ））×減速比
Θ： 偏心軸用モータ６の回転角（原点からの角度）
ａ： 主軸中心と偏心軸中心との距離（偏心量）
ｂ： 工具の取り付け位置の中心から刃先までの長さ
ｒ： 加工する穴の半径

このような計算式に従って偏心軸用モータ６の回転角を変更して行けば、原点位置ｐ１では取り付けた工具５の最小径ｄ１で穴加工ができ、原点位置ｐ１から１８０°では最大径ｄ５で穴加工ができる。但し、実際の加工での偏心量は、回転角の変更で被削材に対する工具５の刃先角度が変化するため、その刃先角度の変化を考慮して偏心軸用モータ６の回転角を計算する必要がある。

図６、図７は本発明の第２の実施形態を例示する。この工具径可変主軸装置では、図６に示すように、工具５はその軸芯が主軸３の主軸中心３ａから外れて偏心軸４の偏心軸中心４ａ上に配置されている。他の構成は第１の実施形態と同様である。

このように工具５を偏心軸４の偏心軸中心４ａ上に配置した場合にも、偏心軸４が図７（Ａ）に示す原点位置ｐ１のときに最小径ｄ１となり、偏心軸４が図７（Ｅ）に示す１８０°回転位置ｐ５のときに最大径ｄ５となる。そして、偏心軸４が図７（Ｂ）〜（Ｄ）に示す４５°回転位置ｐ２、９０°回転位置ｐ３、１３５°回転位置ｐ４のときに、工具５の工具径が偏心軸４の各回転角に対応する中間径ｄ２〜ｄ４となる。

従って、工具５は偏心軸４の軸芯４ｂ上に配置することも可能である。但し、この場合には、最小径ｄ１、最大径ｄ５が第１の実施形態の場合に比較して小さくなるため、小径のボーリング加工に適したものとなる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、実施形態では減速手段７として波動ギヤ装置２１を採用しているが、波動ギヤ装置２１以外の減速手段７、例えば遊星ギヤ式、差動式等の減速機を用いることも可能である。

また偏心軸用モータ６はステッピングモータが一般的であるが、サーボモータ等を用いることも可能である。更に偏心軸用モータ６にステッピングモータを使用する場合には、その回転角をパルス数により管理できるので、回転角の制御を容易に行うことができる。しかし、偏心軸用モータ６に他の一般的なモータを使用する場合には、その回転軸２０にパルスエンコーダ等の回転角検出手段を設けて、その回転角検出手段を介して偏心軸用モータ６の回転軸２０の回転角を監視しながら、工具５の偏心量を制御することも可能である。

偏心軸用モータ６は回転軸２０を偏心軸４の偏心軸中心４ａ上に配置するが、全体の重心は極力主軸３の主軸中心３ａ上にあることが望ましい。また実施形態では、偏心軸用モータ６の回転軸２０と減速手段７との間に連結軸８を介在しているが、偏心軸用モータ６の回転軸２０を減速手段７に連結して、連結軸８を省略することも可能である。

また第１の実施形態では、偏心軸４が原点位置ｐ１のときに主軸３の軸芯３ｂ上に位置するように工具５を設けており、第２の実施形態では、偏心軸４の軸芯４ｂ上に位置するように工具５を設けているが、この工具５は原点位置ｐ１の主軸３の軸芯３ｂ上、及び偏心軸４の軸芯４ｂ上以外の位置、例えば主軸３の軸芯３ｂと偏心軸４の軸芯４ｂとの中間に配置することも可能である。

更に実施形態では、偏心軸４、減速手段７を第１主軸部１０内に配置し、偏心軸用モータ６を第１主軸部１０に連結された第２主軸部１１に配置しているが、主軸３は偏心軸４側から偏心軸用モータ６側までを一体として、その主軸３内に偏心軸４、減速手段７及び偏心軸用モータ６を前後方向に配置してもよい。

３ 主軸
３ａ 主軸中心
３ｂ 軸芯
４ 偏心軸
４ａ 偏心軸中心
４ｂ 軸芯
５ 工具
６ 偏心軸用モータ
７ 減速手段
８ 連結軸
２１ 波動ギヤ装置
３２ 支持部材
３７ スリップリング

Claims (4)

1. 主軸と、
   工具を有し且つ前記主軸内に偏心して配置された偏心軸と、
   前記偏心軸に対して前記工具と反対側に配置され且つ前記偏心軸を前記主軸に対して回転させる偏心軸用モータとを備え、
   前記偏心軸を回転させて前記工具の前記主軸廻りの工具径を変更可能にした工具径可変主軸装置において、
   前記偏心軸と前記偏心軸用モータとの間に配置され且つ前記偏心軸用モータの回転を減速して前記偏心軸に伝達する内歯ギヤ式の減速手段を備え、
   前記主軸は、軸方向に着脱可能に接合された第１主軸部と第２主軸部とを備え、
   前記偏心軸用モータは、前記第２主軸部と一体回転可能に前記第２主軸部内で前記偏心軸の軸芯上に配置され、
   前記減速手段は前記第１主軸部内に配置され、且つ前記第１主軸部に固定された前記内歯ギヤを備える
   ことを特徴とする工具径可変主軸装置。
2. 前記偏心軸用モータは前記減速手段の入力軸に連結される回転軸を備え、
   前記回転軸及び前記入力軸は前記偏心軸の軸芯上に配置された
   ことを特徴とする請求項１に記載の工具径可変主軸装置。
3. 前記減速手段は波動ギヤ装置である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の工具径可変主軸装置。
4. 前記偏心軸用モータ側で前記主軸を回転自在に支持する支持部材を設け、
   前記主軸と前記支持部材との間に前記偏心軸用モータの給電用のスリップリングを設けた
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の工具径可変主軸装置。

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