TWI391195B - 工作機械用心軸驅動機構 - Google Patents

Description

工作機械用心軸驅動機構

本發明係關於一種工作機械用心軸驅動機構，例如關於一種用於具備可移動地支撐配設於底座(bed)上之主軸的主軸頭之工作機械中的心軸驅動機構之改良。

以往有一種工作機械為人所周知，該工作機械係具備：機台(table)，其係配設於該底座，且載置有工件；及主軸，其係將其軸線配置於水平方向並旋轉自如地設置於該軸線中心，用以保持工具；以及進給機構，其係使前述機台與主軸相對移動於正交三軸方向(例如，參照下述專利文獻1)。

例如，下述專利文獻1所記載的習知工作機械之具體構成，係由底座、第1進給台、第2進給台、主軸頭、主軸及機台所構成，其中該底座係具備基部以及分別豎設於該基部之左右兩側的二個側壁，該第1進給台係由縱邊部設置於鉛垂方向、橫邊部設置於左右方向之呈矩形狀且框架狀的構件所構成，且左右方向之兩端部分別由各側壁之後面所支撐，且移動自如地設置於鉛垂方向(Y軸方向)，該第2進給台係配設於第1進給台之框架內並移動自如地設置於左右方向(X軸方向)，且具有貫穿於前後方向的貫穿孔，該主軸頭係配設於第2進給台之貫穿孔內，且移動自如地設置於前後方向(Z軸方向)，該主軸係將軸線設為 與前後方向平行且在軸線中心旋轉自如地藉由主軸頭來支撐用以保持工具，該機台係配設於底座且載置有工件。

[專利文獻1]日本特開2002－137128號公報

然而，在此種工作機械之技術領域中，存在有欲更提高移動自如地設置於前後方向(Z軸方向)的主軸頭之動作精度的要求。然而，如上面所述，在以往的工作機械中，由於主軸頭係滑動接觸於貫穿孔內而移動，所以存在此種滑動接觸部的習知工作機械，在提高動作精度方向尚存在著構造界限。

又，以往的工作機械，由於會增大移動於前後方向(Z軸方向)的主軸頭之重量，所以當此主軸頭突出於前方方向時會施力於彎曲方向，亦有難以確保直進度(直行前進程度)的構造上之問題。然而，以往的工作機械，並未提案用以使直進度提高的技術。

更且，從提高上述之動作精度與直進度的觀點來看，亦有欲獲得更小型且輕量化的主軸頭之要求。

本發明係有鑒於上述課題之存在而開發完成者，其目的在於提供一種可提高進行前後方向(Z軸方向)之動作之作為主軸頭的工作機械用心軸驅動機構之動作精度與直進度的技術。

本發明的工作機械用心軸驅動機構，係具備：螺桿軸，其於外周面形成有螺旋狀之螺紋槽，並且被固定設置成不能旋轉；及滾珠螺桿螺帽，其將對應前述螺紋槽的螺旋狀之螺帽槽備置於內周面，且具備轉動行走自如地設置於由前述螺紋槽與前述螺帽槽所構成的負載轉動體轉動行走路徑的複數個轉動體，藉此可隨著前述螺桿軸之在軸心周圍中的旋轉運動自如地構成前述螺桿軸之在軸線方向的往復運動；及中空馬達；其由呈圓筒形之內轉子及呈圓筒形之外定子所構成，其中該內轉子係固定設置於前述滾珠螺桿螺帽之外周面成為磁通量產生源，而該外定子係從前述內轉子之外周面夾介預定的空隙而相對向配置，並且產生用以對前述內轉子提供旋轉驅動力的旋轉磁場；及呈筒形之罩殼，其於其中一端側固定設置有前述外定子，並且於其中另一端側固定設置有工作機械用之心軸；以及外筒，其夾介旋轉自如地設置於前述罩殼之外周面所形成的直線狀之轉動體轉動行走槽的複數個轉動體而設置於該罩殼，藉此來導引前述罩殼之在軸線方向的往復運動。

本發明的工作機械用心軸驅動機構，其中，較佳為當假想具有：通過前述螺桿軸之軸中心的虛擬軸中心線；以及通過前述心軸所具有的旋轉軸之軸中心的虛擬軸中心線時，以前述螺桿軸之軸中心線與前述心軸所具有的旋轉軸之軸中心線相重疊的方式所構成。

又，本發明的工作機械用心軸驅動機構，其中，前述 外筒係可對前述罩殼設置有複數個。

更且，本發明的工作機械用心軸驅動機構，其中，前述外筒，係對前述罩殼設置至少二個，配置於前述罩殼之心軸固定設置側的第1外筒之軸方向長度，係可構成與配置於前述罩殼之外定子固定設置側的第2外筒之軸方向長度為相同或還大。

再者，本發明的工作機械用心軸驅動機構，其中，在前述罩殼與前述外筒之間可設置有密封構件。

依據本發明，則可提供一種在例如用於具備可移動地支撐配設於底座上之主軸的主軸頭之工作機械的心軸驅動機構中，可提高進行前後方向(Z軸方向)之動作的主軸頭之動作精度與直進度的技術。又，依據本發明，則可獲得一種實現比先前技術更小型且輕量化的工作機械用之主軸頭的心軸驅動機構。

以下，係就實施本發明用的較佳實施形態，使用圖式加以說明。另外，以下的實施形態，並非限定各請求項之發明，又，實施形態中所說明的特徵之組合的全部並不限於發明之解決手段所需。

第1圖係顯示本實施形態的工作機械用心軸驅動機構5之局部縱剖面側視圖。另外，本實施形態的工作機械用 心軸驅動機構5，係提供先前技術中所說明的主軸頭，且為了方便說明起見，有關構成工作機械的其他構件省略了詳細說明。

本實施形態的工作機械用心軸驅動機構5，係具備：藉由螺桿軸11、及滾珠螺桿螺帽12所構成的滾珠螺桿機構部15；及成為本機構之驅動源的中空馬達21；及藉由罩殼31及外筒41所構成的導引機構部35；以及對外部進行工作的心軸。

螺桿軸11，係為被固定設置在設置於鞍台103之固定臂14的構件，且以無法旋轉之狀態構成。螺桿軸11之外周面，形成有螺旋狀之螺紋槽11a，且與滾珠螺桿螺帽12一起動作而構成滾珠螺桿機構部15。

在此，有關構成滾珠螺桿機構部15的螺桿軸11與滾珠螺桿螺帽12的具體構造，係使用第2圖加以說明。另外，第2圖係說明本實施形態的螺桿軸11與滾珠螺桿螺帽12之具體構造用的縱剖面側視圖，且例示端蓋(end cap)型之滾珠螺桿機構部15。

如上所述，螺桿軸11，係於其外周面具備螺旋狀的螺紋槽11a。另一方面，滾珠螺桿螺帽12，係於內周面具備對應螺桿軸11之螺紋槽11a的螺旋狀之螺帽槽12a。然後，藉由使螺紋槽11a與螺帽槽12a相對向配置，即可形成將螺桿軸11之周圍圍繞成螺旋狀的負載轉動體轉動行走路徑11b。更且，將螺桿軸11之周圍圍繞成螺旋狀的負載轉動體轉動行走路徑11b，係使其兩終端部藉由設置於滾 珠螺桿螺帽12內的返回路12b而分別連接，且藉由此等負載轉動體轉動行走路徑11b與返回路12b，即可形成無限循環路12c。

在無限循環路12c內，以轉動行走自如的狀態設置有作為複數個轉動體的鋼珠13，可經由滾珠螺桿螺帽12對螺桿軸11之鋼珠13而實現螺合。螺桿軸11，由於係以不動狀態固定設置在設置於鞍台103之固定臂14，所以藉由滾珠螺桿螺帽12在螺桿軸11之軸心周圍旋轉運動，即可進行滾珠螺桿螺帽12之在軸線方向的往復直線運動。

成為本機構之驅動源的中空馬達21，係由呈圓筒形之內轉子22及呈圓筒形之外定子23所構成，其中內轉子22係被固定設置於滾珠螺桿螺帽12之外周面成為磁通量產生源，外定子23係從此內轉子22之外周面夾介預定的空隙相對向配置，並且產生用以對內轉子22提供旋轉驅動力的旋轉磁場。

第1圖中雖然已簡化圖示，但是本實施形態的內轉子22，係由以圓周狀使N極、S極交互地磁化的轉子磁鐵；及固接該轉子磁鐵之呈圓筒形的內框架；以及旋轉自如地支撐該內框架的軸承所構成。另一方面，本發明的外定子23，係具備：從前述轉子磁鐵夾介預定的空隙相對向配置的複數個扁平之定子鐵心；及對該定子鐵心配線的軟性印刷基板；以及固定前述定子鐵心、前述軟性印刷基板及前述軸承之呈圓筒形的外框架所構成。

然後，由於內轉子22之內框架係被固定於滾珠螺桿 螺帽12，外定子23之外框架係被固定於後述的罩殼31，所以一旦使中空馬達21驅動，滾珠螺桿螺帽12就會隨著內轉子22之旋轉驅動而旋轉，而實現順沿著螺桿軸11之在軸線方向的罩殼31之往復直線運動。

罩殼31，係為形成概略圓筒形的構件，如上所述般地在其中一端側固定設置有外定子23，另一方面，在另一端側固定設置有工作機械用之心軸51。罩殼31之內部，除了設置有外定子23及心軸51以外其餘成為空洞，可同時實現螺桿軸11之行程(stroke)確保與輕量化。另外，有關構成罩殼31的材質或形狀(長度或殼厚等)，只要按照工作機械之用途或規格等而適當地選擇最適者即可。

又，在罩殼31之外周側設置有外筒41，藉由罩殼31與外筒41可構成導引機構部35。藉由此外筒41之存在，可實現順沿著螺桿軸11之在軸線方向的罩殼31之穩定的往復直線運動。

在此，使用第3圖說明藉由罩殼31與外筒41所構成的導引機構部35之詳細構造。另外，第3圖係說明本實施形態的導引機構部35之構成的示意圖，尤其是圖中(a)係顯示導引機構部35之縱剖面正面，圖中(b)係顯示導引機構部35之局部縱剖面側面。另外，第3圖中為了方便說明起見，省略了導引機構部35以外的構件。

構成導引機構部35之軌道構件的罩殼31，係於其外周面具備呈直線狀的轉動體轉動行走槽31a。此轉動體轉動行走槽31a，係成為鋼珠32的軌道且接受罩殼31之周 方向的旋轉力矩，並規定罩殼31本身的移動方向。

安裝於此罩殼31的外筒41，係具有作為導引機構部35之導引構件的功能，且於其內周面形成有對應轉動體轉動行走槽31a的負載轉動體轉動行走槽41a。然後，藉由形成於外筒41的負載轉動體轉動行走槽41a與形成於罩殼31的轉動體轉動行走槽31a，即可形成負載轉動體轉動行走路徑。更且，在外筒41之內部形成有轉動體返回通路41b，此轉動體返回通路41b係分別連接於負載轉動體轉動行走路徑之兩端部分，且用以使從負載轉動體轉動行走路徑內之荷重解放的鋼珠32往上抄起而循環，且再次返回至負載轉動體轉動行走路徑內。換句話說，複數個鋼珠32…，係轉動行走自如地設置於外筒41的負載轉動體轉動行走槽41a與外殼31的轉動體轉動行走槽31a之間，且通過轉動體返回通路41b以無限循環的方式設置。

本實施形態的導引機構部35，由於係具備上述的構成，所以罩殼31不會在周方向旋轉，而可實現順沿著螺桿軸11之在軸線方向的罩殼31之穩定的往復直線運動。

另外，有關設置於罩殼31之另一端側的心軸51，係可採用可發揮高速旋轉及高輸出之空氣靜壓心軸等公知所有型式的心軸。尤其是，空氣靜壓心軸，由於係可採用使用自成調整作為適於高速旋轉的調整，且對應高速旋轉及高輸出而搭載有感應電動機(induction motor)的構造，所以具有可較佳地對應高速銑削(milling)加工等的優點。

以上，已說明本實施形態的工作機械用心軸驅動機構 5之具體構成。本實施形態的工作機械用心軸驅動機構5，由於係具備使用滾珠螺桿機構部15與導引機構部35之轉動體而可獲得既小型且穩定之導引精度的機構，所以可實現一邊具有與先前技術同等以上的剛性，一邊可進行小型之前後方向(Z軸方向)之動作的主軸頭。

又，藉由滾珠螺桿機構部15與導引機構部35之作用，即可達成主軸頭之導引精度的飛躍性提高。尤其是，有關被稱為水波紋(waving)的微小脈動，例如可抑制為1.6μm以下之變動，且可實現在伴隨習知滑動運動之主軸頭所無法實現的導引精度。此水波紋現象的改善，係發揮亦可改善主軸頭之直進度的效果。

更且，本實施形態的工作機械用心軸驅動機構5，係可藉由將罩殼31形成中空之筒形狀而將螺桿軸11收納成小型化，並且亦可藉由中空部分之存在而實現輕量化。又，罩殼31的中空部分之存在，亦可實現機構本身之合理的小型化。具體而言，當假想具有：通過螺桿軸11之軸中心的虛擬軸中心線α、及通過心軸51所具有的旋轉軸之軸中心的虛擬軸中心線β時，使螺桿軸11之軸中心線α與心軸51所具有的旋轉軸之軸中心線β，以重疊的方式來構成。此構成，係在將滾珠螺桿機構部15與導引機構部35之二個複雜的機構一體化成小型之方面發揮效果，如此藉由採用毫無浪費的裝置構成，可同時滿足輕量化與高剛性化之乍看相反的課題乃為首創者。

另外，有關罩殼31與外筒41之間、及螺桿軸11與 滾珠螺桿螺帽12之間，在去除將要從外部侵入的異物或保持內部之潤滑劑之目的下，較佳為設置密封構件(未圖示)。藉由密封構件之設置，可獲得既穩定且壽命長的工作機械用心軸驅動機構5。順便一提，本實施形態的罩殼31，由於係對其外形形狀採用圓筒形，所以在設置密封構件時可發揮極為優異的密封性能。但是，有關罩殼31之形狀，係為具備中空部分的筒狀，且只要可設置外筒41即可，除了如本實施形態之圓筒形以外，亦可採用多角筒形或橢圓筒形、長圓筒形等。

以上，雖已就本發明之較佳的實施形態加以說明，但是本發明的技術範圍並未被限定於上述實施形態所記載的範圍。上述實施形態中，可施加多樣的變更或改良。

例如，上述實施形態中，已就對罩殼31配置一個外筒41的構成進行說明。然而，設置於罩殼31的外筒41之個數並不被限定於一個，亦可設置複數個。

因此，有關對罩殼31配置二個外筒時的實施形態，係使用第4圖及第5圖進行說明。在此，第4圖係顯示本發明之另一實施形態的工作機械用心軸驅動機構之主要部分的側視圖。又，第5圖係顯示將第4圖所示之另一實施形態的工作機械用心軸驅動機構設置於工作機械的狀態之概略立體圖。另外，第4圖及第5圖中，為了簡略說明，省略了螺桿軸11等，有關與已說明的構件相同或類似之構件係附記相同元件符號並省略了說明。

第4圖及第5圖所示之另一實施形態的工作機械用心 軸驅動機構5，係例示對罩殼31設置有二個外筒61、62的情況。另外，以下之說明中，將配置於罩殼31之心軸51固定設置側之一方的外筒稱為第1外筒61，將配置於罩殼31之外定子固定設置側之一方的外筒稱為第2外筒62。

藉由設置第1外筒61與第2外筒62之二個外筒所得的優點，係在於可容易地進行罩殼31之相對的位置調整之點。亦即，在罩殼31突出時，由於彎曲力依其重量而產生，所以會對主軸頭之直進度帶來不良影響。因此，藉由使用經二分割後的外筒61、62來調整罩殼31之設置角度，即可簡單地提高直進度。具體而言，藉由在例如第1外筒61之安裝面、即第1外筒61與支撐此第1外筒61的鞍台103之接觸面間插入填隙片(shim)等的高度調整構件，即可調整罩殼31之安裝角度。

又，有關第1外筒61與第2外筒62，雖然亦可單純地適用相同尺寸，但是如第4圖及第5圖所示，較佳者亦可以具有第1外筒61比第2外筒62還大之軸方向長度的方式所構成。若如此地構成，則主要可藉由軸方向長度較大之第1外筒61而接受扭轉剛性或本身重量、加工反作用力等的負載，且藉由軸方向長度較短之第2外筒62進行直進度等的精度調整。藉由謀求二個外筒61、62所發揮的功能之分擔，由於可構成更有效率的裝置，所以可實現機構整體的小型化。

另外，作為二個外筒61、62之構成條件，雖然亦可 在將第1外筒61之軸方向長度設為X，將第2外筒62之軸方向長度設為Y時，設為例如X＝Y，但是亦可以X>Y之數式成立的方式來構成。

更且，藉由發明人的精心努力，可確認以成為例如X≧1.5×Y的方式較佳。此情況，有關設置於各自之外筒的複數個鋼珠32之數量，較佳為在第1外筒61方面只要空間允許可設置較多個，而在第2外筒62方面以比第1外筒61還少的數量來構成。在第1外筒61方面增加鋼珠數量，係為了承受較高負載的措施，而在第2外筒62方面減少鋼珠數量，係為了負載之承受可委由第1外筒61，且重點著眼於動作精度與直進度之提高的措施。藉由採用此種的構成，即可謀求二個外筒61、62間之更有效率的功能分擔。

當然，有關二個外筒61、62，較佳為亦可在與罩殼31之間設置密封構件，且藉由密封構件之作用，可謀求機構之穩定性與壽命之提高。

更且，上述之實施形態中，雖然已例示說明端蓋型之滾珠螺桿機構部15，但是可適用於本發明的滾珠螺桿機構部並非被限定於端蓋型，亦可採用使用回流管(return pipe)的管型之滾珠螺桿機構部、或使用轉向裝置(deflector)的轉向型之滾珠螺桿機構部。

再者，上述的實施形態中，雖然已例示說明鋼珠32進行無限循環之形式的導引機構部35，但是亦可按照心軸51所要求的活動範圍而採用有限循環形式之導引機構部。

甚而，本發明的工作機械用心軸驅動機構中，有關上述實施形態所例示的滾珠螺桿機構部15或導引機構部35，係可按照使用環境或使用條件等任意地變更其剖面形狀或無限循環路之條數等。

又，上述的本實施形態中，雖然已例示說明Z軸設定於前後方向之所謂的橫型之工作機械用心軸驅動機構5，但是亦可用於Z軸設定於上下方向的縱型之工作機械。

更且，上述之本實施形態的工作機械用心軸驅動機構5，為了簡略說明，已例示說明在工作機械之鞍台103只設置有工作機械用心軸驅動機構5的情況。然而，本發明的工作機械用心軸驅動機構，亦可設置於具備進行鉛垂方向(Y軸方向)及左右方向(X軸方向)之動作的第1進給台及第2進給台的工作機械、或具備三軸以上之主軸的多軸驅動之工作機械。又，工作機械用心軸驅動機構之安裝構件，並不只被限定於上述的鞍台103，只要是可發揮本發明的工作機械用心軸驅動機構之作用的場所，亦可設置於任何的構件上。

經施加如以上之變更或改良的形態亦可為本發明之技術範圍所涵蓋，且從申請專利範圍之記載中即可明白。

5‧‧‧工作機械用心軸驅動機構

11‧‧‧螺桿軸

11a‧‧‧螺紋槽

11b‧‧‧負載轉動體轉動行走路徑

12‧‧‧滾珠螺桿螺帽

12a‧‧‧螺帽槽

12b‧‧‧返回路

12c‧‧‧無限循環路

13‧‧‧鋼珠

14‧‧‧固定臂

15‧‧‧滾珠螺桿機構部

21‧‧‧中空馬達

22‧‧‧內轉子

23‧‧‧外定子

31‧‧‧罩殼

31a‧‧‧轉動體轉動行走槽

32‧‧‧鋼珠

35‧‧‧導引機構部

41‧‧‧外筒

41a‧‧‧負載轉動體轉動行走槽

41b‧‧‧轉動體返回通路

51‧‧‧心軸

61‧‧‧第1外筒

62‧‧‧第2外筒

101‧‧‧底座

103‧‧‧鞍台

α‧‧‧通過螺桿軸之軸中心的虛擬軸中心線

β‧‧‧通過心軸所具有的旋轉軸之軸中心的虛擬軸中心線

第1圖係顯示本實施形態的工作機械用心軸驅動機構之局部縱剖面側視圖。

第2圖係說明本實施形態的螺桿軸與滾珠螺桿螺帽之 具體構造用的縱剖面側視圖。

第3圖係說明本實施形態的導引機構部之構成的示意圖，尤其是圖中(a)係顯示導引機構部之縱剖面正面，圖中(b)係顯示導引機構部之局部縱剖面側面。

第4圖係顯示本發明之另一實施形態的工作機械用心軸驅動機構之主要部分的側視圖。

第5圖係顯示將第4圖所示之另一實施形態的工作機械用心軸驅動機構設置於工作機械的狀態之概略立體圖。

5‧‧‧工作機械用心軸驅動機構

11‧‧‧螺桿軸

11a‧‧‧螺紋槽

12‧‧‧滾珠螺桿螺帽

14‧‧‧固定臂

15‧‧‧滾珠螺桿機構部

21‧‧‧中空馬達

22‧‧‧內轉子

23‧‧‧外定子

31‧‧‧罩殼

15‧‧‧導引機構部

41‧‧‧外筒

51‧‧‧心軸

103‧‧‧鞍台

α‧‧‧通過螺桿軸之軸中心的虛擬軸中心線

β‧‧‧通過心軸所具有的旋轉軸之軸中心的虛擬軸中心線

Claims (7)

1. 一種工作機械用心軸驅動機構，其特徵係具備：螺桿軸，其於外周面形成有螺旋狀之螺紋槽，並且被固定設置成不能旋轉；及滾珠螺桿螺帽，其將對應前述螺紋槽的螺旋狀之螺帽槽備置於內周面，且具備轉動行走自如地設置於由前述螺紋槽與前述螺帽槽所構成的負載轉動體轉動行走路徑的複數個轉動體，藉此可隨著前述螺桿軸之在軸心周圍中的旋轉運動自如地構成前述螺桿軸之在軸線方向的往復運動；及中空馬達；其由呈圓筒形之內轉子及呈圓筒形之外定子所構成，其中該內轉子係固定設置於前述滾珠螺桿螺帽之外周面成為磁通量產生源，而該外定子係從前述內轉子之外周面夾介預定的空隙而相對向配置，並且產生用以對前述內轉子提供旋轉驅動力的旋轉磁場；及呈筒形之罩殼，其於其中一端側固定設置有前述外定子，並且於其中另一端側固定設置有工作機械用之心軸；以及外筒，其夾介轉動行走自如地設置於前述罩殼之外周面所形成的直線狀之轉動體轉動行走槽的複數個轉動體而設置於該罩殼，藉此來導引前述罩殼之在軸線方向的往復運動。
2. 如申請專利範圍第1項所記載的工作機械用心軸驅動機構，其中，當假想具有：通過前述螺桿軸之軸中心的虛擬軸中心線；以及通過前述心軸所具有的旋轉軸之軸中心的虛擬軸中心線時，以前述螺桿軸之軸中心線與前述心軸所具有的旋轉軸之軸中心線相重疊的方式所構成。
3. 如申請專利範圍第1或2項所記載的工作機械用心軸驅動機構，其中，前述外筒係對前述罩殼設置有複數個。
4. 如申請專利範圍第1或2項所記載的工作機械用心軸驅動機構，其中，前述外筒，係對前述罩殼設置至少二個，配置於前述罩殼之心軸固定設置側的第1外筒之軸方向長度，係構成與配置於前述罩殼之外定子固定設置側的第2外筒之軸方向長度為相同或還大。
5. 如申請專利範圍第1或2項所記載的工作機械用心軸驅動機構，其中，在前述罩殼與前述外筒之間設置有密封構件。
6. 如申請專利範圍第3項所記載的工作機械用心軸驅動機構，其中，在前述罩殼與前述外筒之間設置有密封構件。
7. 如申請專利範圍第4項所記載的工作機械用心軸驅動機構，其中，在前述罩殼與前述外筒之間設置有密封構件。