JPH07102481B2 - 工作機械の主軸駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工作機械の主軸駆動
装置に関する。更に詳しくは、工作機械の工作物又は工
具を取り付けて回転させる主軸を高速及び低速で駆動す
るための工作機械の主軸駆動装置に関する。

【０００２】

【従来技術】例えば、マシニングセンタなどの工作物又
は工具駆動用の主軸の回転は、近年高速化されている。
これは、アルミなどの軽金属の加工は切削性が良いため
に高速で加工がなされること、切削効率の向上のための
改善、研削加工を行うなどの理由からである。

【０００３】一方、鋼などの比較的硬い金属材料を効率
良く切削するには、低速でかつ大きな切込みで加工が行
われる。この低速領域での主軸回転は、高トルクが要求
される。こうした背景から従来、主軸の回転を低速又は
高速駆動を別々のモータで駆動する方法が知られてい
る。例えば、高速駆動をビルトインモータで駆動するも
のである。モータステータを主軸ヘッド本体に組み込み
固定し、モータステータの部分を主軸に組み込んだ構造
のものである。一方、低速側モータは、ヘッド本体に設
けて減速伝動歯車機構を介して主軸を駆動するものであ
る。加工内容に応じて高速又は低速モータに切り替えて
主軸を駆動する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の主軸は、高速又
は低速駆動時に同一の主軸を使用する。したがって、主
軸の構造は、その回転速度に応じた構造ではない。すな
わち、高速用には、鋼性が低くても軽く作る必要があ
り、低速回転用は重くなっても鋼性が高いものが要求さ
れる。すなわち、主軸の高速用、低速用は、基本的には
仕様が異なる。

【０００５】この発明は、以上のような背景で発明され
たものであり、以下の目的を達成するものである。

【０００６】この発明の目的は、主軸の高速、低速の回
転を円滑にするための工作機械の主軸駆動装置を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に次のような手段を採る。

【０００８】複数の工具を保持する工具タレットの工具
又は工作物をつかむ工作物チャックを回転駆動させるた
めの工作機械用主軸であって次の要件からなるもの、 ａ．前記工作物又は前記工具タレット（２９）の工具を
駆動するための複数の主軸（５７，６３）が設けられた
主軸台（８）と、 ｂ．前記主軸台（８）に設けられ、前記工作物チャック
（１１）又は前記工具タレット（２９）のいずれも取り
付け可能で高速で回転駆動される高速主軸（６３）と、 ｃ．前記高速主軸（６３）を駆動するために前記主軸台
（８）にステータ（６７）が組み込まれ、かつ前記高速
主軸（６３）にロータ（６６）が組み込まれた第１駆動
手段（６６，６７）と、 ｄ．前記高速主軸（６３）に設けられ前記工作物チャッ
ク（１１）又は前記工具タレット（２９）の工具を回転
駆動時に係合するための第１係合手段（６５）と、 ｅ．前記高速主軸（６３）と同軸に設けられ主に前記高
速主軸（６３）より低速の回転速度で駆動される低速主
軸（５７）と、 ｆ．前記低速主軸（５７）を回転駆動し、かつ任意の角
度位置に固定するための第２駆動手段（１０，５９，７
２）と、 ｇ．前記低速主軸（５７）の前面に設けられ前記工具タ
レット（２９）に形成されたカービックカップリング
（９７）と噛み合う環状のカービックカップリング（６
２）とからなる工作機械の主軸駆動装置である。

【０００９】前記低速主軸（５７）の前端面に工作物を
把持するための磁気チャック（７０）が設けると良い。

【００１０】

【作 用】第１主軸は、比較的高速の速度領域で回転さ
せて使う。第２主軸は、第１主軸より低速の速度領域で
使用する。第１主軸は、ビルトインモータで駆動され
る。第２主軸は、第１主軸の外周に配置されている。第
１，２主軸は任意の角度位置で停止できる。第１，２の
主軸は、工作物把持用の爪チャック又は工具タレットを
装着できる。また、第２主軸には、工作物把持用の磁気
チャックも設けられている。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面にしたがって
説明する。図１は、複数の加工要素を持つ加工システム
の外観を示す図である。ベッド１は、機械の本体を構成
する台であり、平面がほぼ矩形である。ベッド１の両サ
イドには、加工液、切粉などを排除するときの樋２が一
体に形成されている。ベッド１上には、２本の直線のガ
イドレールには第１案内面３，３が形成されている。第
１案内面３の側面には、ラック４が固定されている。

【００１２】第１案内面３，３上には、送り台５が移動
自在に設けられている。送り台５の下面には、ナットが
固定されておりこのナットに送りねじ６がねじ込まれて
いる。送りねじ６の一端には、Ｘ１サーボモータ（図示
せず）の出力軸が連結されている。Ｘ１サーボモータの
回転駆動により、送り台５は第１案内面３，３上を移動
される。送り台５の上部には、主軸台８が設けられてい
る。主軸台８はＸ１方向と直角な方向、すなわちＹ１軸
線の回りに回転および割出位置決めができる。この回転
及び割出し位置決めのための駆動は、ウォーム及びウォ
ームホイールを介してＹ１サーボモータ９により行う
（図３参照）。

【００１３】主軸台８には、主軸が軸受により回転自在
に支持されている。主軸の前面側の端面部には、チャッ
ク１１が取り付けられている。チャック１１は工作物を
把持するためのものである。ただし、主軸前端面には、
工作物把持用のチャック１１だけでなく、後述する工具
タレット２９も装着できる。主軸は、主軸台８内に埋め
込んだビルトインモータにより高速及び低速に回転駆動
される。

【００１４】一方、前記ベッド１上には、第１案内面
３，３と平行なＸ２方向に２本の第２案内面２０，２０
が形成されている。第２案内面２０，２０上には、第２
送り台２１が移動自在に設けられている。第２案内面２
０，２０に沿ってＸ２送りねじ１９が配置されている。
Ｘ２送りねじ１９は、第２送り台２１の下面に設けたナ
ット１７にねじ込まれている。Ｘ２送りねじ１９の一端
は、Ｘ２サーボモータ１８の出力軸に連結されている。
結局、Ｘ２サーボモータ１８を回転させることにより、
第２送り台２１は第２案内面２０上を移動する。

【００１５】第２送り台２１には、２本の第３案内面２
２，２２を有する案内レールが第２案内面２０，２０と
直角な方向に取り付けられている。第３案内面２２，２
２上には、第３送り台２３が移動自在に設けられてい
る。第３送り台２３は、送りねじを介してＺ２サーボモ
ータ２４により移動される。更に、第３送り台２３上に
は、コラム２５が一体に設けられている。コラム２５の
前面には、第４案内面２６，２６が形成されている。

【００１６】第４案内面２６，２６には、主軸頭２７が
上下動自在に設けられている。主軸頭２７は、Ｙ２サー
ボモータ２８により上下動自在に駆動される。主軸頭２
７内には、主軸が回転自在に支持され設けられている。
主軸の前面側の主軸端には、工具タレット２９が取り付
けられている。工具タレット２９の外周には、複数の工
具Ｔが取り付けられている。この主軸前端の構造は、後
述する主軸台８の構造と同一であり、ここでは説明しな
い。この工具タレット２９は、後記するように主軸より
回転動力を取り出して、工具タレット２９に取り付けた
回転工具を回転させるものである。また、工具タレット
２９の本体は、カービックカップリング構造により主軸
受の前端面に位置決め固定できるものである。

【００１７】タレット２９に取り付けられた工具Ｔは、
チャック１１に把持した工作物を加工する。ベッド１に
は、更に高さの違う２本の案内面３１ａ，３１ｂが形成
されている（図２参照）。この両案内面３１ａ，３１ｂ
上にテイルストック３２が移動自在に設けられている。
テイルストック３２は、センタを使用して工作物の一端
を支える台である。更に、心押軸を回転駆動および回転
割出用のサーボモータ３３を備えている。したがって、
心押軸の前端面３４に工作物把持用のチャック１１、工
具タレット２９も取り付けることができる。

【００１８】工作物及び工具タレット・マガジン４０ 第１案内面３，３上には、第４移動台４１が移動自在
に設けられている。第４移動台４１上には、サーボモー
タ４２が搭載されているとおり、その出力軸に設けたピ
ニオンが案内レールのラック４に噛み合っている。第４
移動台４１は、第１案内面３，３上をサーボモータ４２
により駆動されて移動する。したがって、サーボモータ
４２を回すことで第４移動台４１は、案内面３，３上を
移動される。

【００１９】第４移動台４１上には、工作物及び工具タ
レット・マガジン４０が搭載されている。第４移動台４
１には、工作物及び工具タレット・マガジン４０を割出
しするためのサーボモータ４４が取り付けられている。
第４移動台４１上のタレット台４３上には、マガジン本
体４６が割出し可能に設けられている。マガジン本体４
６は、８角形であり、その外周面に工具タレット２９を
取り付けるためのタレットソケット４７が外周の４か所
に設けられている。マガジン本体４６の上部には、工作
物を把持し、搭載するための工作物把持台（図示せず）
が設けられている。したがって、工作物及び工具タレッ
ト・マガジン４０は、工具タレット２９の搬送と共に工
作物の搬送も行う。

【００２０】図６は、図２のVI-VI 線で切断した第４移
動台４１の断面図である。割出用サーボモータ４４の出
力軸には、ウォーム８０が設けられている。ウォーム・
ホイール８１に噛み合っている。ウォーム・ホイール８
１は、マガジン本体４６に固定されている。したがっ
て、割出用サーボモータ４４を回転させることによって
ウォーム８０は回転され、ウォーム・ホイール８１は割
出し回転させられる。ウォーム・ホイール８１の回転に
よりマガジン本体４６は、所望の角度に割出しされる。
この割出しにより、工具タレット２９を必要な角度位置
に割出す。第４移動台４１上には、サーボモータ４２が
搭載されこの出力軸には、ピニオン８２が連結されてい
る。ピニオン８２は、ラック４に噛み合っている。

【００２１】ベッド１の隣には、レーザ加工機５０が設
置されている。レーザ加工機４９は、焼入れ、切断、溶
接などを行うためのものである。このレーザ加工機４９
の構造は周知である。レーザ発振ヘッド５０は、サーボ
モータにより３軸線方向に移動される。この駆動機構
は、周知であり、ここでは詳記しない。

【００２２】主軸台８ 図３は、主軸台４及び第１送り台３の切断断面図であ
り、図４は図３のIV−IV線の切断断面図である。主軸台
本体５１は、立方体状の形をしたものである。主軸台本
体５１の下面には、割出軸５２が一体に取り付けられて
いる。割出軸５２は軸受５３により回転自在に第１送り
台５に支持されている。割出軸５２には、ウォームホイ
ール５４が固定されている。ウォームホイール５４は、
ウォーム５５に噛み合っている。ウォーム５５は、軸５
６を介してサーボモータ９により割出し回転される。

【００２３】主軸台本体５１内には、低速回転のための
低速主軸５７が軸受５８に支持されている。低速主軸５
７の外周には、ウォームホイール５９が固定されてい
る。ウォームホイール５９は、ウォーム７２に噛み合っ
ている。ウォームホイール５９は、軸６０を介して低速
用モータ６１により回転駆動される。低速主軸５７の前
端面には、環状のカービックカップリング６２が形成さ
れている。カービックカップリング６２は、工具タレッ
ト２９（図７，８参照）又は工作物チャック等を取り付
けるためのものである。

【００２４】低速主軸５７でかつカービックカップリン
グ６２の外周には、環状の磁気チャック７０が設けられ
ている。磁気チャック７０は、角形の工作物又は異形の
工作物固定用の治具を吸着固定するためのものである。

【００２５】低速主軸５７と同軸で中心には、高速回転
のための高速主軸６３が軸受６４により回転自在に支持
されている。高速主軸６３の前面には、テーパ穴６５が
形成されている。高速主軸６３の後端には、ＡＣモータ
のモータロータ６６が一体固定されている。更に高速主
軸６３には、回転円盤７１が取り付けられている。回転
円盤７１は、エンコーダを更正する部品であり、高速主
軸６３の回転数、回転方向、回転角を検出するものであ
る。このエンコーダの詳細な構造は周知であり、その説
明は省略する。

【００２６】モータロータ６６の外周でかつ主軸台本体
５１には、モータ・ステータ６７が一体に固定されてい
る。モータロータ６６とモータ・ステータ６７は、ＡＣ
モータを構成する。モータロータ６６は、希望の角度位
置に割出しするための割出用モータ（図示せず）を備え
ている。

【００２７】モータ・ステータ６７内のコイルはその内
部抵抗により発熱する。このためモータ・ステータの外
周の外周の主軸台本体５１には、螺旋状の溝であるオイ
ルジャケット６８が形成されている。オイルジャケット
６８には、冷凍装置で冷却された冷却油が流されてお
り、モータ・ステータ６７を冷却する。高速主軸６３の
最後部には、アンクランプシリンダ６９が設けられてい
る。アンクランプシリンダ６９は、低速主軸６３のテー
パ穴６５内に把持された工具をアンクランプするための
ものである。なお、テーパ穴６５への工具の固定は、周
知の構造であるローレット、ドローバ、皿バネによって
行う（図示せず）。

【００２８】一方、低速主軸５７への工具タレットの取
付は、次のように行う。低速主軸５７の前端面には、環
状にカービックカップリング６２が形成されている。カ
ービックカップリング６２は、工具タレット２９に形成
されたカービックカップリング９３（図８）に噛み合っ
て工具タレット２９を低速主軸５７に固定するためのも
のである。

【００２９】工具タレット 図７に示すものは、工具タレット２９の一部破断平面
図である。図８は図７のVIII-VIII 線の断面図である。
工具タレット２９は、放射状に複数のタップ９０、ドリ
ル９１など回転工具と、旋削工具９２等種々の工具を備
えているタレット刃物台である。例えば、回転工具であ
るタップ９０は、タップチャック９３で把持されてい
る。タップチャップ９３は、タップ軸９４の一端に設け
られており、タップ軸９４の他端には、かさ歯車９５が
キー止めされている。工具タレット本体８９は、平面６
角形状であり高さを持った本体である。

【００３０】６角の各辺には、タップ９０、ドリル９１
等の回転工具、旋削工具９２、工作物把持用のサブチャ
ック９６が取り付けられている。工具タレット２９は加
工時には、主軸頭２７又は主軸台８の前面に固定され
る。工具タレット本体８９の側面には、環状にカービッ
クカップリング９７が形成されている。このカービック
カップリング９７は、低速主軸５７の前端面に形成され
たカービックカップリング６２に噛み合って工具タレッ
ト２９を低速主軸５７に固定する。

【００３１】工具タレット本体８９の側面中央には、テ
ーパシャンク９８が回転自在に支持されている。テーパ
シシャンク９８の一端には、かさ歯車９９がキー固定さ
れている。かさ歯車９９はかさ歯車９５と噛み合ってい
る。テーパシャンク９８は、高速主軸６３のテーパ穴６
５に噛み合って工具タレット２９を固定する。工具タレ
ット本体８９の前面には、把持部８８が形成されてい
る。把持部８８は、工具タレット２９をタレットソケッ
ト４７に挿入して把持するためのものである。

【００３２】作 動 以上のような構造の複数の加工要素を持つ加工システ
ムは、次のように作動する。ＮＣ装置１００は、これか
ら加工しようとする工作物に合わせて工具タレット２９
を選択する。工具タレット２９は、工作物の加工内容に
応じてあらかじめ装着する工具が決められている。例え
ば、加工内容がドリル、外径、ネジ切り、外周研削加工
であれば、それらの加工ができるように、ドリル、外径
バイト、ネジ切りバイト、砥石が装着された工具タレッ
ト２９を選択する。

【００３３】工具タレット２９は、工作物及び工具タレ
ット・マガジン４０に複数個貯蔵されている。この工具
タレット２９の交換は、ＮＣ装置１００の指令により、
割出用サーボモータ４４を起動し、ウォーム８０、ウォ
ームホイール８１を回転させて、工具マガジン本体４６
を所望の角度に割出す（図１，２の状態）。この割出し
の状態は、工具マガジン本体４６の空いているタレット
ソケット４７側をコラム２５側に向けた状態である。こ
の割出しと同時に又は平行してＸ２サーボモータ１８、
Ｚ２サーボモータ２４、Ｙ２サーボモータ２８を起動さ
せて主軸頭２７を工具タレット２９の交換位置に移動さ
せる。すなわち、工作物及び工具タレット・マガジン４
０と主軸２７を対向させ、マガジン本体４６のタレット
ソケット４７と工具タレット２９の把持部９６の中心線
を一致させる。

【００３４】この中心線が一致し対向した状態で、Ｚ２
サーボモータ２４を駆動させて、主軸頭２７を更にマガ
ジン本体４６に近づけ、工具タレット２９の把持部８８
をタレットソケット４７に挿入する。マガジン本体４６
内のクランプ装置は、把持部９６を把持する。この把持
後、主軸頭２７内の工具クランプ装置は工具タレット２
９のクランプを解除する。この後、Ｚ２サーボモータ２
４を起動させて、主軸頭２７を再びマガジン本体４６か
ら引き離す。

【００３５】第４移動台４１上の割出し用サーボモータ
４４を起動させて、マガジン本体４６を所望の角度に割
り出す。目的の工具タレット２９がコラム２５側に位置
すると、再びＺ２サーボモータ２４を移動させて主軸頭
２７をマガジン本体４６に近づける。主軸頭２７内のク
ランプ装置は、工具タレット２９のテーパシャンク９８
を把持する。この把持後、マガジン本体４６内のクラン
プ装置は工具タレット２９を解放する。以上の動作で工
具タレット２９の交換動作は終了する。

【００３６】一方、この工具タレット２９の交換後又は
前にチャック１１に工作物Ｗを保持させる。工作物及び
工具タレット・マガジン４０にベッド１の側面に配置し
た工作物及び工具タレット２９のストッカー（図示せ
ず）から工作物を供給し搭載する。工作物及び工具タレ
ット・マガジン４０は、工作物を搭載し室内面３，３上
を移動しチャック１１に工作物を供給する。なお、この
移動をしないで、主軸台８を移動させても工作物を把持
しても良い。

【００３７】次に、Ｘ２サーボモータ１８、Ｚ２サーボ
モータ２４、Ｙ２サーボモータ２８を駆動し、主軸頭２
７を所定の加工位置に移動させる。高速主軸６３を回転
させてチャック１１を回転させて、主軸頭２７の工具タ
レット２９内の工具により旋削、ミーリング、穴あけ、
研削加工を行う。このとき加工は、Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２軸
により行う。

【００３８】更に、必要があれば、モータロータ６６を
電磁的に固定し高速主軸６３を固定し、Ｙ１サーボモー
タ９を駆動させて主軸台８をＹ１の軸線の回りに割出し
回転させて同時５軸で必要な加工を行う。長尺の工作物
Ｗの場合には、テイルストック３２とチャック１１との
間に工作物Ｗを保持し通常の旋削、円筒研削、ミーリン
グ加工等の同様の加工を行う。更に、焼入れの必要があ
る工作物Ｗは、レーザ発振ヘッド５０からしレーザを発
振させて焼入れ溶接などを行う。

【００３９】加工が終了した工具Ｗは、工作物及び工具
タレット・マガジン４０に搭載して排出する。

【００４０】

【その他の実施例】前記した主軸は、中心が高速軸で外
周が低速軸であったが、この逆の配置でも良い。その駆
動手段もビルトインモータに限らず、公知の他の手段で
も良い。前記したテイルストック３２には、工作物用の
チャックは装備していないが、テイルストック３２は回
転駆動及び割出用のサーボモータ３３を有しているので
ここで工作物用のチャックを設けても良い。前記工作物
Ｗの供給は、ベット１の近くに配置したロボット（図示
せず）又は上部に設けた工作物供給・排出装置（図示せ
ず）により供給又は排除しても良い。

【００４１】

【発明の効果】以上詳記したように、この発明の主軸駆
動装置は、高速低速自由に回転速度を選択できる。ま
た、加工の軸数を増加させることができる。更に、工作
物、工具タレットなどいずれも任意に装着できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は複数の加工要素を持つ加工システムの外
観を示す立体配置図である。

【図２】図２は図１のII矢視図である。

【図３】図３は主軸台の断面図である。

【図４】図４は図３のVI-VI 線で切断した断面図であ
る。

【図５】図５は主軸台の正面図である。

【図６】図６は図１のVI-VI 線で切断した断面図であ
る。

【図７】図７は工具タレットの正面である。

【図８】図８は図７VIII-VIII 線で切断した断面図であ
る。

【符号の説明】

１…ベッド、２…樋、３…案内面、４…ラック、５…送
り台、８…主軸台、９…Ｙ１サーボモータ、１０…ＣＩ
サーボモータ、１１…チャック、２０…第２案内面、２
２…第３案内面、２３…第３送り台、２４…Ｚ２サーボ
モータ、２５…コラム、２７…主軸頭、２９…工具タレ
ット、３２…テイルストック、４０…工作物及び工具タ
レット・マガジン、４９…レーザ加工機、５０…レーザ
発振ヘッド、５７…低速主軸、６３…高速主軸、６５…
テーパ穴

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の工具を保持する工具タレットの工具
   又は工作物をつかむ工作物チャックを回転駆動させるた
   めの工作機械用主軸であって次の要件からなるもの、 ａ．前記工作物又は前記工具タレット（２９）の工具を
   駆動するための複数の主軸（５７，６３）が設けられた
   主軸台（８）と、 ｂ．前記主軸台（８）に設けられ、前記工作物チャック
   （１１）又は前記工具タレット（２９）のいずれも取り
   付け可能で高速で回転駆動される高速主軸（６３）と、 ｃ．前記高速主軸（６３）を駆動するために前記主軸台
   （８）にステータ（６７）が組み込まれ、かつ前記高速
   主軸（６３）にロータ（６６）が組み込まれた第１駆動
   手段（６６，６７）と、 ｄ．前記高速主軸（６３）に設けられ前記工作物チャッ
   ク（１１）又は前記工具タレット（２９）の工具を回転
   駆動時に係合するための第１係合手段（６５）と、 ｅ．前記高速主軸（６３）と同軸に設けられ主に前記高
   速主軸（６３）より低速の回転速度で駆動される低速主
   軸（５７）と、 ｆ．前記低速主軸（５７）を回転駆動し、かつ任意の角
   度位置に固定するための第２駆動手段（１０，５９，７
   ２）と、 ｇ．前記低速主軸（５７）の前面に設けられ前記工具タ
   レット（２９）に形成されたカービックカップリング
   （９７）と噛み合う環状のカービックカップリング（６
   ２）と からなる工作機械の主軸駆動装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記低速主軸（５７）の前端面に工作物を把持するため
   の磁気チャック（７０）が設けられていることを特徴と
   する工作機械の主軸駆動装置。