JP4138302B2

JP4138302B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP4138302B2
Application number: JP2001367403A
Authority: JP
Inventors: 崇純渡辺
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: US20030103826A1; US6746188B2; KR20030044818A; KR100759181B1; JP2003170326A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタ等の工作機械の加工ヘッドとして、工具の加工姿勢の自由度を増加させるために、工具を回転させる主軸の向きを複数の方向に旋回可能に保持した加工ヘッドであるユニバーサルヘッドが知られている。
このユニバーサルヘッドは、たとえば、ヘッドまたはラムに所定の軸を中心に水平面に沿って旋回可能に保持された旋回部と、この旋回部に垂直面に沿って旋回可能に保持されるとともに、工具が先端に着脱される主軸を回転自在に保持し、この主軸を直接駆動するビルトインモータを内蔵する工具装着部とを備えたものが知られている。
上記のユニバーサルヘッドによるワークの加工は、主軸の先端に工具を装着し、この主軸を回転させながら、上記の旋回部および工具装着部の旋回位置を適宜割り出すことにより行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のユニバーサルヘッドにおいては、主軸を駆動するビルトインモータへの電力供給のためのケーブルの経路が煩雑になるという不利益を有する。すなわち、ビルトインモータへの電力供給のためのケーブルは、ラムやヘッド側から旋回部を通じて工具装着部に設けられたビルトインモータに接続される。
このため、旋回部をラムまたはヘッドに対して３６０度以上旋回させることが難しい。旋回部を３６０度以上旋回させることができないと、たとえば、旋回部の旋回動作により工具をワークの全周に当てることができない。
このように、従来においては、ビルトインモータへの電力供給のためのケーブルの存在により、旋回部の動作可能な範囲が制約されるという不利益が存在した。
【０００４】
本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであって、その目的は、主軸を直接駆動するモータへの給電ケーブルの存在によって旋回動作が制約を受けることがなく、可動範囲が拡大されたユニバーサルヘッドを備えた工作機械を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の工作機械は、第１の旋回軸の軸方向においてワークに対向する支持部と、前記支持部に前記第１の旋回軸を中心に旋回可能に保持され、ＮＣ装置により回転位置が制御される旋回用電動機により旋回される旋回部材と、前記旋回部材に前記第１の旋回軸に直交する第２の旋回軸を中心に旋回可能に保持される工具装着部材と、前記工具装着部材に、当該工具装着部材の前記第２の旋回軸回りの旋回により前記第１の旋回軸に対する軸心の傾斜角が変化するように、且つ、軸心回りに回転自在に保持され、先端に前記ワークを加工する工具が着脱される主軸と、前記支持部に設けられ、前記第１の旋回軸と同心の出力軸を有する駆動源用電動機と、前記旋回部材に設けられ、前記駆動源用電動機の出力軸に対して同軸に連結される入力軸を有し、前記駆動源用電動機からの回転により発電する発電機と、前記工具装着部材に設けられ、前記発電機の発電した電力がケーブルを介して供給されて駆動され、前記主軸を回転させる主軸用電動機とを有する。
【０００６】
本発明では、支持部に設けられた駆動源用電動機から旋回部材に設けられた発電機に動力が供給され、発電機は発電する。発電機の発電した電力は、工具装着部材に設けられた主軸用電動機に供給され、主軸が駆動され工具が回転する。このように、支持部とこの支持部に旋回可能に保持された旋回部材との間に給電ケーブルが存在しないため、旋回部材の旋回可能な範囲は制約を受けない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の工作機械の一実施形態に係るマシニングセンタの構成図である。なお、マシニングセンタはいわゆる複合加工の可能な数値制御工作機械である。
【０００８】
マシニングセンタ１は、工作機械本体２と、数値制御装置（ＮＣ装置）２５０とを備えている。
図１において、工作機械本体２は、門型のコラム３８の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール３７を備えており、このクロスレール３７上を移動可能に支持されたサドル４４を介してラム４５が鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。なお、ラム４５は本発明の支持部の一実施態様である。
【０００９】
サドル４４には、水平方向にクロスレール３７内を通じて図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４１が螺合している。
送り軸４１の一端部には、サーボモータ１９が接続されており、送り軸４１はサーボモータ１９によって回転駆動される。
送り軸４１の回転駆動によって、サドル４４はＹ軸方向に移動可能となり、これによってラム４５のＹ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１０】
さらに、サドル４４には、鉛直方向に図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４２がねじ込まれている。送り軸４２の端部には、サーボモータ２０が接続されている。
サーボモータ２０によって送り軸４２が回転駆動され、これによりサドル４４に移動可能に設けられたラム４５のＺ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１１】
ラム４５の下端部には、ラム４５の軸心（以下、ラム４５の軸心を「第１の旋回軸Ｊ」ということがある。符号Ｊは図２参照。）を中心に矢印Ｃで示す向きに旋回可能に保持された旋回部材１１０が設けられている。この旋回部材１１０には、第２の旋回軸１８０を中心に矢印Ｂで示す向きに旋回可能に工具装着部材１３０が保持されている。
この工具装着部材１３０は、先端部に工具Ｔが着脱される。工具Ｔは、たとえば、エンドミルやドリル等である。
なお、旋回部材１１０および工具装着部材１３０を含むラム４５の下端部周辺の構造については後述する。
【００１２】
ラム４５の下方には、加工すべきワークが固定されるテーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けられている。テーブル３５には、図示しないねじ部が形成されており、これにＸ軸方向に沿って設けられた図示しない送り軸が螺合しており、この図示しない送り軸にサーボモータ１８が接続されている。
テーブル３５は、サーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１３】
また、２本の門型コラム３８には、図示しないねじ部がそれぞれ形成されており、これに螺合する送り軸３２ａをクロスレール昇降用サーボモータ３２によって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降する。
自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９は、工具装着部材１３０に対して各種工具Ｔを自動交換する。
この自動工具交換装置３９は、たとえば、図示しないマガジンにエンドミル、ドリル等の各種の工具Ｔを収納しており、工具装着部材１３０に装着された工具Ｔを図示しない工具交換アームによってマガジンに収納し、必要な工具Ｔを工具装着部材１３０に工具交換アームによって装着する。
【００１４】
ＮＣ装置２５０は、上記のサーボモータ１８，１９，２０およびクロスレール昇降用サーボモータ３２の駆動制御を行う。
ＮＣ装置２５０は、具体的には、予め加工プログラムで規定されたワークの加工手順に従って、サーボモータ１８，１９，２０および３２による工具Ｔとワークとの間の位置および速度制御を行う。
また、ＮＣ装置２５０は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｍコードで規定された工具Ｔの交換動作を解読することにより、各種工具Ｔの自動交換を実行する。
さらに、ＮＣ装置２５０は、後述するラム４５内に内蔵されたモータの位置および速度制御を行う。
【００１５】
図２は、旋回部材１１０および工具装着部材１３０を含むラム４５の下端部周辺の構造を示す断面図である。
図２に示すように、ラム４５内の内周４５ｈには、支持部材１５５を介して駆動源用電動機１５０が固定されている。この駆動源用電動機１５０は、出力軸１５０ａがラム４５の第１の旋回軸Ｊと同心になるように配置されている。また、駆動源用電動機１５０は上記したＮＣ装置２５０により速度制御される。
【００１６】
ラム４５の下端部の内周には、複数の軸受ＢＲを介して旋回部材１１０の円筒状の上端部１１０ａが第１の旋回軸Ｊを中心に回転自在に保持されている。
この旋回部材１１０の上端部１１０ａの内周には、複数の軸受ＢＲを介して入力軸７２が回転自在に保持されている。この入力軸７２は、ラム４５の第１の旋回軸Ｊと同心に配置されている。
この入力軸７２は、カップリング１５１によって駆動源用電動機１５０の出力軸１５０ａと連結されている。
【００１７】
入力軸７２には、発電機７０のロータ７０ａが固定されている。旋回部材１１０の上端部１１０ａの内周のロータ７０ａに対向する位置には、ステータ７０ｂが固定されている。
発電機７０には、たとえば、三相同期発電機を用いることができる。
【００１８】
旋回部材１１０の上端部１１０ａの外周には、太陽歯車１２０が固定されている。この太陽歯車１２０は、ラム４５の下端部に固定されたサーボモータ１７０（以下、「旋回用電動機１７０」ということがある。）の駆動軸１７１に固定された歯車１７２に噛合している。
旋回用電動機１７０は、上記のＮＣ装置２５０により回転位置制御が行われる。この旋回用電動機１７０が回転することにより、旋回部材１１０は、ラム４５の第１の旋回軸Ｊを中心に旋回する。旋回用電動機１７０の回転位置を制御することにより、旋回部材１１０の第１の旋回軸Ｊを中心とした割り出しが行われる。
【００１９】
旋回部材１１０の下方側は、工具装着部材１３０の両側面から突出するように設けられた第２の旋回軸１８０，１８０を軸受ＢＲを介して回転自在に保持している。
【００２０】
工具装着部材１３０の内部には主軸９０が複数の軸受ＢＲを介して回転自在に保持されている。この主軸９０の先端部には、工具Ｔが着脱される装着部９０ａが形成されている。
主軸９０の装着部９０ａは、工具Ｔのテーパシャンクが嵌合するテーパスリーブを備え、主軸９０は工具Ｔのプルスタッドをクランプする図示しないクランプ機構を内蔵している。
【００２１】
主軸９０の中途には、主軸用電動機８０のロータ８０ａが固定されている。工具装着部材１３０の内周には、このロータ８０ａに対向する位置に主軸用電動機８０のステータ８０ｂが固定されている。
主軸用電動機８０には、たとえば、三相誘導電動機を用いることができる。
主軸用電動機８０のステータ８０ｂの三相巻線は、工具装着部材１３０の一方側面に設けられた第２の旋回軸１８０の中心部を貫通する通路１８０ｔを通じて工具装着部材１３０の内周に引き込まれた複数の導電ケーブルＫＵ，ＫＶ，ＫＷにそれぞれ電気的に接続されている。
【００２２】
複数の導電ケーブルＫＵ，ＫＶ，ＫＷは、旋回部材１１０に形成された通路１１０ｔを通じて発電機７０のステータ７０ｂの三相巻線にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２３】
工具装着部材１３０の他方側面に設けられた第２の旋回軸１８０の先端部には、歯車１６８が固定されている。この歯車１６８は、旋回部材１１０に回転自在に保持された歯車１６７に噛合している。この歯車１６７は、旋回部材１１０に回転自在に保持された歯車１６６に噛合している。歯車１６６は、回転軸によって傘歯車１６５に連結されている。傘歯車１６５は、歯車１６３と連結された傘歯車１６４に噛合している。
【００２４】
この歯車１６３は、旋回部材１１０の外周に複数の軸受ＢＲを介して回転自在に保持された太陽歯車１６２の内周の歯と噛合している。
太陽歯車１６２の外周の歯は、ラム４５の下端部に固定されたサーボモータ１６０の駆動軸１６０ａに連結された歯車１６１に噛合している。
【００２５】
サーボモータ１６０は、ＮＣ装置２５０により回転位置制御が行われる。サーボモータ１６０の駆動によって歯車１６１が回転すると、この回転が太陽歯車１６２、歯車１６３、傘歯車１６４，１６５および歯車１６６，１６７，１６８を介して第２の旋回軸１８０に伝達される。これにより、工具装着部１３０は、第２の旋回軸１８０を中心に旋回する。サーボモータ１６０の回転位置を制御することにより、工具装着部材１３０の第２の旋回軸１８０を中心とした割り出しが行われる。
【００２６】
次に、上記構成のマシニングセンタの動作の一例について説明する。
まず、自動工具交換装置３９によって、主軸９０の装着部９０ａに所望の工具Ｔを装着する。
【００２７】
この状態から、駆動源用電動機１５０を駆動する。駆動源用電動機１５０を回転数Ｎ₀ で回転させると、入力軸７２が回転し、発電機７０のロータ７０ａがステータ７０ｂに対して回転する。これにより、発電機７０は、たとえば、三相同期発電機を用いた場合には、三相交流電力を発電する。
【００２８】
三相同期発電機の発生する三相交流電力の周波数ｆは、三相同期発電機の極数をＰ₁ とし、駆動源用電動機１５０の回転数をＮ₀ 〔ｍｉｎ^-1〕とすると、次式（１）によって表される。
【００２９】
【数１】
ｆ＝Ｐ₁ ×Ｎ₀ ／１２０〔ｍｉｎ^-1〕 …（１）
【００３０】
したがって、駆動源用電動機１５０を回転数Ｎ₀ で回転させると、上記（１）式で表される周波数ｆの三相交流電力が主軸用電動機８０に供給される。
【００３１】
ここで、主軸用電動機８０に三相誘導電動機を用いたとすると、この三相誘導電動機の極数がＰ₂ とすると、三相誘導電動機は三相交流の１サイクルで２／Ｐ₂ 回転することから、滑りがない時の三相誘導電動機の同期速度Ｎ₁ は、次式（２）で表される。
【００３２】
【数２】
Ｎ₁ ＝１２０×ｆ／Ｐ₂ 〔ｍｉｎ^-1〕 …（２）
【００３３】
したがって、駆動源用電動機１５０の回転数Ｎ₀ に対する主軸用電動機８０の回転数Ｎ₁ は次式（３）によって表される。
【００３４】
【数３】
Ｎ₁ ＝Ｎ₀ ×Ｐ₁ ／Ｐ₂ 〔ｍｉｎ^-1〕 …（３）
【００３５】
（３）式からわかるように、駆動源用電動機１５０の回転数Ｎ₀ は、上記（３）式で表される回転数Ｎ₁ に変速される。
（３）式で示すように、三相同期発電機の極数Ｐ₁ と三相誘導電動機の極数Ｐ₂ との比を適宜設定することにより、駆動源用電動機１５０の回転数Ｎ₀ に対する主軸用電動機８０（工具Ｔ）の回転数Ｎ₁ の変速比を任意に設定できることが分かる。
すなわち、駆動源用電動機１５０の回転数Ｎ₀ を増速したい場合には、極数比Ｐ₁ ／Ｐ₂ を１より大きくし、減速したい場合には、極数比Ｐ₁ ／Ｐ₂ を１より小さくなるように、三相同期発電機の極数Ｐ₁ および三相誘導電動機の極数Ｐ₂ を予め選択すればよい。
【００３６】
上記のように工具Ｔが回転した状態で、テーブル３５に固定されたワークと工具Ｔとを加工プログラムにしたがって相対移動させることにより、ワークの切削加工が行われる。
このとき、旋回部材１１０を第１の旋回軸Ｊの回り、工具装着部材１３０を第２の旋回軸１８０の回りに割り出すことにより、工具Ｔをワークに対して様々な姿勢にすることができ、たとえば、複雑な形状の加工が可能となる。
【００３７】
ところで、旋回部材１１０は、第１の旋回軸Ｊの回りにいずれの向きであっても３６０度以上の回転が可能である。
このため、旋回部材１１０の旋回のみにより、断面が円形のワークの全周の加工が可能となる。
たとえば、図３（ａ）に示すように、ワークＷに対して半径方向から工具Ｔを接近させ、ワークＷの外周の一部に工具Ｔが接触する位置に位置決めし、旋回部材１１０を旋回させて工具ＴをワークＷの外周に沿って時計回りに一周させる。工具ＴがワークＷに最初に接触した位置に到達したのち、工具ＴをワークＷに対して半径方向に離隔させる。
上記のように工具Ｔを移動させることにより、ワークＷの全周面の切削加工を容易に行うことができる。
【００３８】
また、図３（ｂ）に示すように、ワークＷに対して半径方向から工具Ｔを接近させ、ワークＷの外周の一部に工具Ｔが接触する位置に位置決めし、旋回部材１１０を旋回させて工具ＴをワークＷの外周に沿って反時計回りに一周させる。
工具ＴがワークＷに最初に接触した位置に到達したところで、工具Ｔを接線方向にそのまま移動させ当該工具ＴをワークＷに対して離隔させる。
上記のように工具Ｔを移動させても、ワークＷの全周面の切削加工を容易に行うことができる。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、ラム４５と工具装着部材１３０に内蔵された主軸用電動機８０との間に結線がないため、ラム４５に対する旋回部材１１０の旋回可能範囲が何ら制約を受けない。このため、マシニングセンタ１の加工能力を向上させることが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、ラム４５内に設けた駆動源用電動機１５０の最大回転数が制限されるような場合であっても、発電機７０と主軸用電動機８０とを適切に選択すれば、駆動源用電動機１５０の最大回転数を越える回転数で工具Ｔを回転させることが可能となり、ワークの高速加工が可能となる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、発電機７０で発電した電力を用いて直接工具Ｔを駆動するため、駆動源用電動機１５０から工具Ｔまでの間に歯車機構等の伝達機構が必要がなく、歯車装置のように発熱が増大せず、工具Ｔの熱膨張が抑えられて加工精度の低下が抑制される。
【００４２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されない。
上述した実施形態では、本発明の支持部としてラム４５の場合について説明したが、たとえば、ラム４５以外にも、固定されたヘッドであってもよい。
また、上述した実施形態では、工具装着部材１３０も第２の旋回軸１８０を中心に旋回可能な構成としたが、たとえば、工具装着部材１３０が旋回部材１１０に固定されている場合であっても本発明を適用可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、主軸を直接駆動するモータへの給電ケーブルの存在によって旋回動作が制約を受けることがなく、可動範囲が拡大されたユニバーサルヘッドを備えた工作機械が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工作機械の一実施形態に係るマシニングセンタの構成図である。
【図２】旋回部材１１０および工具装着部材１３０を含むラム４５の下端部周辺の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の工作機械における工具Ｔの加工軌跡の例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…マシニングセンタ
２…工作機械本体
３９…自動工具交換装置
４５…ラム
７０…発電機
８０…主軸用電動機
９０…主軸
１１０…旋回部材
１３０…工具装着部材
１５０…駆動源用電動機
１６０，１７０…サーボモータ
２５０…ＮＣ装置

Claims

第１の旋回軸の軸方向においてワークに対向する支持部と、
前記支持部に前記第１の旋回軸を中心に旋回可能に保持され、ＮＣ装置により回転位置が制御される旋回用電動機により旋回される旋回部材と、
前記旋回部材に前記第１の旋回軸に直交する第２の旋回軸を中心に旋回可能に保持される工具装着部材と、
前記工具装着部材に、当該工具装着部材の前記第２の旋回軸回りの旋回により前記第１の旋回軸に対する軸心の傾斜角が変化するように、且つ、軸心回りに回転自在に保持され、先端に前記ワークを加工する工具が着脱される主軸と、
前記支持部に設けられ、前記第１の旋回軸と同心の出力軸を有する駆動源用電動機と、
前記旋回部材に設けられ、前記駆動源用電動機の出力軸に対して同軸に連結される入力軸を有し、前記駆動源用電動機からの回転により発電する発電機と、
前記工具装着部材に設けられ、前記発電機の発電した電力がケーブルを介して供給されて駆動され、前記主軸を回転させる主軸用電動機と
を有する工作機械。