JP2006110720A - 工作機械及び変速装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】変速装置61は、主軸46の回転によって発電する同期発電機70と、同期発電機70の発電する電力によって回転駆動される誘導電動機80と、電動機80の出力軸81に連結され、工具が装着される回転軸90と、発電機70、電動機80及び回転軸90を保持するケース65と、を有し、発電機70、電動機80及び回転軸90は主軸46の長手方向に沿って順に配置され、入力軸71と出力軸81とが同軸状に配置されている。
【選択図】図2
Description
増速装置としては、たとえば、工具を保持し主軸に着脱可能となっており、主軸の回転力を遊星歯車機構等の歯車機構によって増速して工具の回転速度を増速させるものが知られている。
たとえば、マシニングセンタにおいて、一時的に主軸の最大回転速度よりも工具の回転速度を増速させたい場合には、上記のような増速装置を主軸に対して自動工具交換装置によって通常の工具と同様に装着し、工具を高い回転速度で回転させている。
また、他の増速方法として、主軸を駆動するモータに高周波モータを使用し、この高周波モータに特別に用意された制御装置から駆動電流を供給し、主軸を高速回転させる方法が採られる場合がある、しかしながら、この方法では、工具交換を通常の工具と同様に行うことが難しく、また、設備コストが比較的高いという不利益が存在する。
このように、本発明では、歯車機構等の機械的な伝達要素を使用せず、第1の回転軸に対する作業ユニットの回転速度を変速するため、発熱が少なく、また、低コスト化が可能になる。
たとえば、発電機に三相同期発電機を用いると、第1の回転軸の回転によりこの三相同期発電機の発生する誘起電圧の周波数は第1の回転軸の回転速度に比例する。一方、電動機に三相誘導電動機を用いると、この三相誘導電動機の回転速度は供給される電圧の周波数に略比例する。このため、発電機に三相同期発電機、電動機に三相誘導電動機を用いることで、主軸の回転速度に対する作業ユニットの回転速度の変速比を容易に制御することができる。
さらに、三相同期発電機および三相同期発電機の極数を適宜選択することで、主軸の回転速度に対する工具の回転速度の増速比または減速比を任意に設定することができる。
図1は、本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
図1においてマシニングセンタ1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。
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。
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。
主軸46の先端には、エンドミルなどの工具Tが装着され主軸46の回転によって工具Tが駆動される。
ラム45の下方には、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。
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工具ホルダによって保持された各種工具Tを収納しており、主軸46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を主軸46に工具交換アームによって装着する。
NC装置51は、具体的には、予めNCプログラムで規定されたワークの加工手順にしたがって、サーボモータ18,19,20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51は、NCプログラムにおいて、たとえば、Sコードで規定された主軸31の回転速度を解読することにより主軸46の回転速度の制御を行う。
さらに、NC装置51は、NCプログラムにおいて、たとえば、Mコードで規定れた工具Tの交換を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。
図2に示す工具の変速装置61は、上記の主軸46の先端に装着されることにより本発明の変速手段を構成する。
変速装置61は、装着部62と、ケース部材66,67および68からなるケース65と、三相同期発電機70と、三相誘導電動機80とを備えている。
ここで、装着部62は本発明の装着部の一具体例に対応しており、ケース65は本発明のケースの一具体例に対応しており、三相同期発電機70は本発明の発電機の一具体例に対応しており、三相誘導電動機80は本発明の電動機に一具体例に対応している。
三相同期発電機70は、入力軸71が装着部62の軸部62dと同心に連結されており、この三相同期発電機70には主軸46の回転力が装着部62を介して入力される。
この三相誘導電動機80の出力軸81は、カップリング87によって回転軸(第2の回転軸)90に連結されている。
なお、入力軸71と出力軸81とは同軸状(同軸的)に設けられている。同軸状は、軸方向に沿って順に配置されている状態、換言すれば、同心状でない状態であり、同軸上に配置された状態を含む。
回転軸90の先端側は、ケース部材68に抜け止め部材94によって抜け止めされている。
また、回転軸90の先端部には、上記した工具が装着される工具装着部95が設けられている。この工具装着部95に、たとえば、ドリル等の工具が保持されている。
ケース部材66の外周には、回り止め部材85が設けられている。この回り止め部材85は本発明の回転規制部材の一具体例に対応している。
回り止め部材85は、装着部62が主軸46のテーパスリーブ46aに装着されることにより、主軸46側の、たとえば、ラム45等の非回転部47に形成された嵌合穴47aに先端85aが挿入される。
これにより、ケース部材66、すなわち、ケース66は、主軸46が回転しても回転が規制される。
自動工具交換装置39によって、工具装着部95に工具を保持した変速装置61をマシニングセンタ1の主軸46に装着すると、変速装置61は、回り止め部材85の先端部85aが非回転部47の嵌合穴47aに嵌合挿入され、ケース65の回転が規制される。
これにより、三相同期発電機70は三相交流を発電する。
f=P1×N0/120〔Hz〕 …(1)
N1=120×f/P2〔rpm〕 …(2)
N1=N0×P1/P2〔rpm〕 …(3)
(3)式で示すように、三相同期発電機70の極数P1と三相誘導電動機80の極数P2との比を適宜設定することにより、主軸46の回転速度N0に対する工具の回転速度N1の変速比を任意に設定することが分かる。
すなわち、主軸46の回転速度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70の極数P1および三相誘導電動機80の極数P2を予め選択すればよい。
たとえば、上記のマシニングセンタ1の主軸46の最大回転速度Nmax が3000rpmであるとすると、通常の工具を用いたワークの加工では、主軸46の回転速度は上記の最大回転速度Nmax の範囲で十分である場合が多い。
一方、主軸46の最大回転速度Nmax が3000rpmのマシニングセンタ1を使用し、たとえば、ワークにアルミニウム合金材を用いてこれを高速加工したい場合には、工具の回転速度を、たとえば、30000rpmに増速させたいような場合がある。
このような場合のために、マシニングセンタ1の自動工具交換装置39のマガジンに工具装着部95に保持した変速装置61を予め収容しておく。なお、変速装置61は、増速比が10となるように、上記の極数比P1/P2が10である三相同期発電機70および三相誘導電動機80を内蔵させる。
主軸46を主軸モータ31を駆動して回転させるが、変速装置61に保持された工具の回転速度は、主軸46の回転速度によって制御する。すなわち、NC装置51にダウンロードするNCプログラムにおいて、主軸46の回転速度をSコードで指定することにより、変速装置61に保持された工具の回転速度を規定しておく。
たとえば、変速装置61に保持された工具を30000rpmで回転させたい場合には、NCプログラムにおいてSコードで主軸46の回転速度を3000rpmに指定しておく。
三相誘導電動機80は、三相同期発電機70から供給される三相交流によって駆動され、変速装置61に保持された工具は、略30000rpmの回転速度で回転する。
これにより、主軸の最大回転速度Nmax が制限されるマシニングセンタ1を使用し、ワークにアルミニウム合金材を用いても、高速加工が可能となる。
また、本実施形態では、三相同期発電機70および三相誘導電動機80を用いて変速するため、歯車装置等の伝達機構を用いるよりも低コスト化が可能である。
また、本実施形態によれば、主軸46の回転によって発電した電力によって工具を駆動するため、外部から駆動電流を供給する必要がなく、この結果、電源供給のための結線が必要ない。
また、三相誘導電動機80にはロータの回転位置を検出するための位置検出素子が必要ないため、NC装置51から変速装置61に対して配線が必要なく、変速装置61を完全に独立化することができ、通常の工具と全く同様に取り扱うことが可能になる。
上述した実施形態では、アルミニウム合金材の高速加工への適用の場合について説明したが、本発明は主軸46の回転速度を増速させる必要がある加工であればいずれにも適用可能である。
また、上述した実施形態では、主軸46の回転速度を増速させる場合について説明したが、主軸46の回転速度を減速させる場合にも適用可能である。この場合には、主軸46よりも大きなトルクを工具に作用させることができる。
なお、上述した実施形態では、発電機で発生した電力で直接電動機を駆動する構成としたが、例えば、電動機の回転速度を可変速制御するように、発電機で発生した電力の電動機への供給を制御する制御回路を変速装置に備える構成とすることも可能である。
31…主軸モータ
39…自動工具交換装置
46…主軸
51…NC装置
61…変速装置
62…装着部
65…ケース
66,67,68…ケース部材
70…三相同期発電機
71…入力軸
80…三相誘導電動機
81…出力軸
95…工具装着部
Claims (21)
- 主軸と、
前記主軸に装着される変速装置と、
前記変速装置によって保持され、回転される作業ユニットと
を有し、
前記変速装置は、
前記主軸の回転によって発電する同期発電機と、
前記発電機の発電する電力によって回転駆動される誘導電動機と、
前記電動機の出力軸に連結され、前記作業ユニットが装着される回転軸と、
前記発電機、前記電動機及び前記回転軸を保持するケースと、
を有し、
前記発電機、前記電動機及び前記回転軸は前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、かつ、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とが前記主軸の長手方向に同軸状に配置されている
工作機械。 - 前記変速装置は、前記主軸に装着され、前記発電機の入力軸に連結される装着部を更に備え、
前記装着部、前記発電機、前記電動機及び前記回転軸は前記主軸の長手方向に沿って配置されている
請求項1に記載の工作機械。 - 前記ケースは、
前記装着部を回転自在に保持する第1のケース部材と、
前記発電機及び前記電動機を回転不可能に保持する第2のケース部材と、
前記回転軸を回転自在に保持する第3のケース部材と、
前記第1のケース部材、前記第2のケース部材及び前記第3のケース部材を連結する締結手段と、
を有する
請求項2に記載の工作機械。 - 前記変速装置は、前記主軸の回転速度に対して前記作業ユニットの回転速度を増速させる
請求項1〜3のいずれか1項に記載の工作機械。 - 前記変速装置は、前記主軸に着脱可能に装着されている
請求項1〜4のいずれか1項に記載の工作機械。 - 前記作業ユニットを保持する変速装置を通常の作業ユニットと同様に前記主軸に対して着脱する自動作業ユニット交換装置をさらに有する
請求項1〜5のいずれか1項に記載の工作機械。 - 前記主軸を軸支し、前記主軸の回転によって回転しない非回転部を更に備え、
前記ケースは、前記非回転部に設けられた穴部に挿入されて、当該ケースの回転を規制する回転規制部材を備え、
前記自動作業ユニット交換装置により前記主軸に前記変速装置が装着されると、前記回転規制部材が前記穴部に挿入される
請求項6に記載の工作機械。 - 前記発電機は、前記主軸の回転速度に応じた周波数の電圧を前記電動機に供給し、
前記電動機は、前記周波数に応じた回転速度で回転する
請求項1〜7のいずれか1項に記載の工作機械。 - 前記発電機は、三相同期発電機であり、
前記電動機は、三相誘導電動機である
請求項1〜8のいずれか1項に記載の工作機械。 - 前記主軸の回転速度と前記作業ユニットの回転速度との変速比は、前記三相同期発電機と前記三相誘導電動機の極数に基づいて決定されている
請求項8に記載の工作機械。 - 主軸と、
前記主軸に装着される変速装置と、
前記変速装置によって保持され、回転される作業ユニットと
を有し、
前記変速装置は、
前記主軸の回転によって発電する直流発電機と、
前記発電機の発電する電力によって回転駆動される直流電動機と、
前記電動機の出力軸に連結され、前記作業ユニットが装着される回転軸と、
前記発電機、前記電動機及び前記回転軸を保持するケースと、
を有し、
前記発電機、前記電動機及び前記回転軸は前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、かつ、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とが前記主軸の長手方向に同軸状に配置されている
工作機械。 - 工作機械の主軸に装着される変速装置であって、
前記主軸の回転によって発電する同期発電機と、
前記同期発電機の発電する電力によって回転駆動される誘導電動機と、
前記電動機の出力軸に連結され、作業ユニットが装着される回転軸と、
前記発電機、前記電動機及び前記回転軸を保持するケースと、
を有し、
前記発電機、前記電動機及び前記回転軸は前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、かつ、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とが前記主軸の長手方向に同軸状に配置されている
変速装置。 - 前記主軸に装着され、前記発電機の入力軸に連結される装着部を更に備え、
前記装着部、前記発電機、前記電動機及び前記回転軸は前記主軸の長手方向に沿って配置されている
請求項12に記載の変速装置。 - 前記ケースは、
前記装着部を回転自在に保持する第1のケース部材と、
前記発電機及び前記電動機を回転不可能に保持する第2のケース部材と、
前記回転軸を回転自在に保持する第3のケース部材と、
前記第1のケース部材、前記第2のケース部材及び前記第3のケース部材を連結する締結手段と、
を有する請求項13に記載の変速装置。 - 前記装着部は、前記主軸に着脱自在となっている
請求項12〜14のいずれか1項に記載の変速装置。 - 前記発電機は、前記主軸の回転速度に応じた周波数の電圧を前記電動機に供給し、
前記電動機は、前記周波数に応じた回転速度で回転する
請求項12〜15のいずれか1項に記載の変速装置。 - 前記発電機は、三相同期発電機であり、
前記電動機は、三相誘導電動機である
請求項12〜16のいずれか1項に記載の変速装置。 - 前記主軸の回転速度と前記作業ユニットの回転速度との変速比は、前記三相同期発電機と前記三相誘導電動機の極数に基づいて決定されている
請求項17に記載の変速装置。 - 第1の回転軸の回転によって発電する同期発電機と、
前記同期発電機の発電する電力によって回転駆動される誘導電動機と、
前記電動機の出力軸に連結され、作業ユニットが装着される第2の回転軸と、
前記発電機、前記電動機及び前記第2の回転軸を保持するケースと、
を有し、
前記発電機、前記電動機及び前記第2の回転軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って順に配置され、かつ、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とが前記第1の回転軸の長手方向に同軸状に配置されている
変速装置。 - 工作機械の主軸に装着される変速装置であって、
前記主軸の回転によって発電する直流発電機と、
前記直流発電機の発電する電力によって回転駆動される直流電動機と、
前記電動機の出力軸に連結され、作業ユニットが装着される回転軸と、
前記発電機、前記電動機及び前記回転軸を保持するケースと、
を有し、
前記発電機、前記電動機及び前記回転軸は前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、かつ、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とが前記主軸の長手方向に同軸状に配置されている
変速装置。 - 第1の回転軸の回転によって発電する直流発電機と、
前記直流発電機の発電する電力によって回転駆動される直流電動機と、
前記電動機の出力軸に連結され、工具が装着される第2の回転軸と、
前記発電機、前記電動機及び前記第2の回転軸を保持するケースと、
を有し、
前記発電機、前記電動機及び前記第2の回転軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って順に配置され、かつ、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とが前記第1の回転軸の長手方向に同軸状に配置されている
変速装置。
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2005
- 2005-10-26 JP JP2005311592A patent/JP4652208B2/ja not_active Expired - Fee Related
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