JP2009297833A

JP2009297833A - 工作機械の主軸構造及び工作機械

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Publication number: JP2009297833A
Application number: JP2008154950A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Iguchi; 潔井口
Original assignee: Citizen Machinery Co Ltd
Current assignee: Citizen Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-12-24

Abstract

【課題】主軸を軸方向に変位可能として工具の状態を検出することができるとともに、精度良く高速回転可能であり、高回転や高負荷でも耐久性を備えた工作機械の主軸構造を提供すること。
【解決手段】主軸１２０が、ハウジング１１０に軸方向に固定的され駆動力が入力される駆動軸１２０Ｂと、駆動軸１２０Ｂと軸方向に変位可能、かつ、連結手段１４０により一体回転するように連結され加工工具またはワークを保持する保持軸１２０Ａとからなり、それらが同一軸心上に配置されていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工工具又はワークを保持する主軸の変位を検知する検知手段を備えた工作機械の主軸構造及び工作機械に関するものである。

従来、図７に示すように、工作機械の主軸構造５００として、ハウジング５１０に回転駆動自在に支持され、加工工具５６０をハウジング５１０に対して軸方向に変位可能に装着する主軸５２０と、該主軸５２０に装着された加工工具５６０のハウジング５１０に対する変位を検出する変位検出手段５３０と、該変位検出手段５３０により検出される変位に基づき加工工具５６０がワークに当接した状態を検知するものが知られている（例えば、特許文献１等参照。）。

主軸５２０は、加工工具５６０を前端部に着脱自在に保持し、ハウジング５１０の主軸孔５１４に回転駆動自在、かつ、軸方向に変位可能に支持され、スラスト軸受５１２を介して検知部材５３１を遊嵌している。

検知部材５３１はハウジング５１０の前面側に突出し、さらに主軸５２０の半径方向に向けて曲った形状をなしており、検知部材５３１によって動作するリミットスイッチ５３３がハウジング５１０の下側に配置され、ブラケット５３４に検知部材５３１とリミットスイッチ５３３とに当接するほぼ直角に折れ曲った形状の回動部材５３２が回動自在に取付けられて、変位検出手段５３０が構成されている。

加工工具５６０がワーク（図示せず）に当接して主軸５２０が図中右方向に変位した際にリミットスイッチ５３３がＯＮ動作することで主軸５２０のハウジング５１０に対する変位が検出され、加工開始の状態が検知される。

検知部材５３１の背面側には、主軸５２０の所定寸法以上の動きを阻止するためのストッパ５１１がプシュ５１３を介して主軸５２０の後端部に取付けられ、かつ、主軸５２０をワーク側に付勢するためのスプリング５５０がストッパ５１１と検知部材５３１との間に装着されている。

また、主軸５２０は、後端部にギヤ５２６を有し駆動源（図示せず）によって駆動されるインタナルギヤ５８０と噛合うことにより回転駆動されるとともに、ギヤ５２６とインタナルギヤ５８０が噛合ったまま主軸５２０の軸方向に相対移動可能とすることで、主軸５２０の軸方向に変位を許容するように構成されている。
実公昭６３−１０９１０号公報（第２頁、図２）

このような従来の工作機械の主軸構造は、主軸全体が軸方向に変位可能に支持されているため、主軸を回転駆動する伝動機構自体を、軸方向変位を許容する構造とする必要があり、駆動力の伝動の安定性が低下するとともに、回転駆動時に生じる軸の撓み方向への力を受けつつ軸方向への変位を許容する軸受構造とする必要があり、高回転や高負荷での使用の際の精度や耐久性が低くなるという問題があった。

本請求項１に係る発明は、ハウジングに回転駆動自在に支持され、加工工具又はワークを装着し、該加工工具又はワークのハウジングに対する軸方向変位を許容する主軸と、前記加工工具又はワークの変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段により検出される変位に基づき加工工具又はワークの状態を検知する状態検知手段を備えた工作機械の主軸構造において、前記主軸が、駆動力が入力される駆動軸と加工工具又はワークを保持する保持軸とからなり、該駆動軸と保持軸は同一軸心上に配置され、前記駆動軸が、ハウジングに軸方向に固定的、かつ、回転駆動自在に支持され、前記保持軸が、前記駆動軸に、軸方向に弾性的に変位可能、かつ、一体回転するように連結されることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項２に係る発明は、請求項１に記載された工作機械の主軸構造の構成に加えて、前記駆動軸と保持軸が、連結手段により連結され、該連結手段が、軸心と交差する方向に設けられた連結ピンと、軸方向に伸び前記連結ピンと係合する溝部と、前記保持軸を前記駆動軸から離れる方向に付勢する付勢手段からなることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された工作機械の主軸構造の構成に加えて、前記ハウジングが、軸方向に固定的、かつ、回転自在に支持される案内筒を有し、前記保持軸が、該案内筒に軸方向に変位可能、かつ、一体回転するように挿入されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された工作機械の主軸構造の構成に加えて、前記変位検出手段が、前記保持軸に一体的に装着される検知部材と、前記ハウジングの前記検知部材に対向する位置に設けられた非接触センサからなることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項５に係る発明は、請求項４に記載された工作機械の主軸構造の構成に加えて、前記検知部材が、前記非接触センサに対向する位置に磁石片を有し、前記非接触センサが、前記磁石片の軸方向の両端部近辺に対向するように設けられた１対のホール素子からなることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項６に係る発明は、請求項５に記載された工作機械の主軸構造の構成に加えて、前記磁石片が、周方向に等間隔で複数配置されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載された工作機械の主軸構造の構成に加えて、前記状態検知手段が、前記主軸に装着された加工工具によるワークの加工時、又は前記主軸に装着されたワークの加工工具による加工時に、前記主軸に装着された加工工具又はワークの加工開始位置での前記変位検出手段からの変位情報に基づいて加工工具の異常を判定することにより、前記課題を解決するものである。

本請求項８に係る発明は、主軸を有する工作機械において、請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の主軸構造を備えたことにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１に係る発明の工作機械の主軸構造は、主軸が駆動軸と保持軸に分離され、保持軸が駆動力による撓み方向の力を受けないため、精度良く高速回転可能であり、駆動軸が軸方向に変位しないため外部から駆動力を安定して伝動できるとともに、高回転や高負荷でも耐久性を備えた軸受構造とすることができる。

本請求項２に係る発明の工作機械の主軸構造は、請求項１に係る工作機械の主軸構造が奏する効果に加えて、連結手段の構成が簡単であり、かつ、駆動軸から保持軸に回転を安定して伝えつつ、撓みや振動等の伝達を最小限に抑えることができ、保持軸がさらに精度良く高速回転することができるとともに、付勢手段により非加工時には加工工具又はワークが突出した状態となり、加工開始時の加工工具とワークの接触を変位として安定的に検知することができる。

本請求項３に係る発明の工作機械の主軸構造は、請求項１または請求項２に係る工作機械の主軸構造が奏する効果に加えて、ハウジングと保持軸の間に案内筒を設けることで、保持軸が、案内筒と一体的に回転支持され、案内筒によって軸方向摺動支持されるため、保持軸を高回転や高負荷でも精度良く安定的に支持することができる。

本請求項４に係る発明の工作機械の主軸構造は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに係る工作機械の主軸構造が奏する効果に加えて、主軸と検知部材が一体固定され、変位検出手段が非接触で検知されるため、構造が簡単で、かつ、検出精度を高くすることができる。

本請求項５に係る発明の工作機械の主軸構造は、請求項４に係る工作機械の主軸構造が奏する効果に加えて、変位検出手段をホール素子とすることにより簡単に形成することができる。

本請求項６に係る発明の工作機械の主軸構造は、請求項５に係る工作機械の主軸構造が奏する効果に加えて、検知手段により回転状態に応じて変化する周期的信号を検知することができるため、主軸の回転むらや回転異常の状態も併せて検出することができる。

本請求項７に係る発明の工作機械の主軸構造は、請求項１乃至請求項５のいずれかに係る工作機械の主軸構造が奏する効果に加えて、加工工具の異常を精度良く検出することができ、異常な工具で加工動作を行うことによるワークや主軸あるいは工作機械の送り装置等の障害や破損を未然に防止することができる。

本請求項８に係る発明の工作機械は、請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の主軸構造を備えることにより、簡単な構造で精度が高く異常等の状態検出の容易な工作機械とすることができる。

まず、図１に示すように、本発明の一実施例である工作機械の主軸構造１００は、ハウジング１１０に対して回転駆動自在、かつ、軸方向に変位可能に支持される保持軸１２０Ａと、同じく回転駆動自在に支持される駆動軸１２０Ｂが連結手段１４０により同一軸心上に連結されてなる主軸１２０と、保持軸１２０Ａのハウジング１１０に対する軸方向の変位を検出する変位検出手段１３０を有している。

ハウジング１１０は、ハウジング前部１１０Ａとハウジング後部１１０Ｂがハウジング締結ボルト１１３により締結されている。ハウジング１１０には、図３に示すように、固定用孔１１５が設けられており、該固定孔１１５に固定用ボルト１１４を挿入してハウジング１１０を工作機械の刃物台等（図示せず）に固定する。

ハウジング前部１１０Ａは、保持軸軸受１１２を介して案内筒１１６を回転可能に支持しており、案内筒１１６は案内筒固定ナット１１７により、保持軸軸受１１２に軸方向移動不可能に位置決めされている。
保持軸１２０Ａは、軸方向に伸びるように設けられたキー溝１２９を有し、案内筒１１６に設けられたキー１１８が嵌合することで、案内筒１１６に対して軸方向変位可能に一体回転するように遊嵌される。また、ハウジング１１０外に突出する一端に工具保持部１２１（図１の実施例ではコレットチャック）を有し、ハウジング１１０内の他端に駆動軸１２０Ｂとの連結手段１４０を有している。

ハウジング後部１１０Ｂは、駆動軸軸受１１１を介して駆動軸１２０Ｂを回転可能にかつ軸方向移動不可能に支持している。
駆動軸１２０Ｂは、ハウジング１１０外に突出する一端にギヤ固定ナット１２５により外部の駆動源（図示せず）から駆動力を伝達されるギヤ１２６が固定され、該ギヤ１２６の端面によって駆動軸１２０Ｂが軸心方向に位置決めされる。また、駆動軸１２０Ｂは、ハウジング１１０内の他端に保持軸１２０Ａとの連結手段１４０を有している。

連結手段１４０は、図１及び図２に示すように、保持軸１２０Ａの端部が挿入されるよう駆動軸１２０Ｂのハウジング１１０内の端部に設けられた筒状部１４３と、該筒状部１４３に設けられ軸心と直交する方向に貫通するように設けられたピン保持孔１４４と、保持軸１２０Ａのハウジング１１０内の端部に軸方向に伸びるように設けられた溝部１４２と、該溝部１４２とピン保持孔１４４を貫通して挿入される連結ピン１４１からなり、保持軸１２０Ｂの軸方向の変位を許容しつつ、保持軸１２０Ａと駆動軸１２０Ｂが一体回転するように構成されている。

付勢手段１５０は、筒状部１４３内に設けられたコイルスプリング１５１が、筒状部１４３の底部に対して、ワッシャ１５３、バネ座１５２を介して保持軸１２０Ａをハウジング１１０から突出する方向に常時付勢することで構成されている。ワッシャ１５３の枚数を増減することで付勢力の調節が可能である。

一方、変位検出手段１３０は、図１及び図３に示すように、保持軸１２０Ａと軸方向一体に変位し一体回転するように外嵌固定された検知部材１３１と、検知部材１３１のハウジング１１０と対向する位置に周方向等間隔の４個所に設けられた磁石片１３２と、ハウジング１１０の該磁石片１３２と対向する位置に設けられた非接触センサ１３３から構成されている。

保持軸１２０Ａの変位は、突出側は検知部材１３１と案内筒固定ナット１１７の端面の間に設けられたスペーサ１２２によって規定され、突入側は保持軸１２０Ａの端面と案内筒１１６の端面によって規定される。また、加工時は保持軸１２０Ａの端面と案内筒１１６の端面が密着する。

非接触センサ１３３は、図４に示すように、磁石片１３３の軸方向（図面の左右方向）の両端部近辺に対向するように設けられた１対のホール素子１３４、１３５からなる。
変位検出手段１３０の検出信号は、工作機械の制御装置等（図示せず）に設けられた状態検知手段に伝達される。

このように構成された工作機械の主軸構造１００における動作について説明する。
加工開始前は加工工具（図示せず）が保持軸１２０Ａの工具保持部１２１に取り付けられた状態で付勢手段１５０によりハウジング１１０内でワーク方向（図１の左方向）にスペーサ１２２と案内筒固定ナット１１７の端面とが密着する位置まで付勢されている。この時、磁石片１３３とホール素子１３４、１３５の軸方向の位置関係は、図４に示すように、磁石片１３３の軸方向両端部の周りの磁界が一対のホール素子１３４、１３５の両方で検出される位置にあり、主軸１２０の回転に伴い周方向等間隔の４個所の磁石片１３３が周期的にホール素子１３４、１３５と接近、離脱することにより、それぞれのホール素子１３４、１３５の出力として図５に示すような波形の信号が得られる。

ハウジング１１０を固定した刃物台がワーク方向に送られ加工工具がワークと接触すると、保持軸１２０Ａは付勢手段１５０の付勢力に抗してハウジング１１０に対して軸方向に変位する。

付勢手段１５０の付勢力のみでは保持軸１２０Ａを押すのみで加工は開始されない程度に調整され、保持軸１２０Ａの端面と案内筒１１６の端面が密着する位置まで達すると保持軸１２０Ａが位置決めされ、加工が開始される。この時、磁石片１３３とホール素子１３４、１３５の軸方向の位置関係が変化し、軸方向ワーク側のホール素子１３４には磁界の影響が及ばない位置関係となり、それぞれのホール素子１３４、１３５の出力として図６に示すような波形の信号が得られる。

保持軸１２０Ａは案内筒１１６と一体的に回転しつつ軸方向変位を行い、案内筒１１６が保持軸軸受１１２を介してハウジング１１０に支持されおり、駆動軸１２０Ｂはギヤ１２６を介して駆動力を受けるため撓み方向の力も加わることとなるが、保持軸１２０Ａとは連結手段１４０で回転のみ伝達するように構成されているため、保持軸１２０Ａに保持された工具は撓みや軸方向の変位の影響を受けず精度良く高速回転可能である。

また、駆動軸１２０Ｂは、ハウジング１１０に対して回転のみ可能に軸受支持されているため、前述の保持軸１２０Ａの変位の影響を一切受けず、ギヤ１２６から安定して駆動力が伝達される。

そして、変位検出手段１３０は、それぞれのホール素子１３４、１３５の図５の波形から図６の波形への変化を監視して加工工具とワークの接触、すなわち、加工の開始を検出する。状態検知手段は変位検出手段１３０の出力を基に加工開始時点を正確に特定することができるとともに、加工開始が予定される位置まで刃物台を送った時点で変位検出手段１３０が加工の開始を検出しない場合、すなわち保持軸１２０Ａが変位しない場合は、工具の折損等異常状態と判断する。

また、それぞれのホール素子１３４、１３５の出力は図５、図６に示すように回転数に応じた周期の波形であるため、状態検知手段は工具の回転むらや回転異常の監視を行うことも可能である。

なお、上記実施例の変位検出手段は、磁石片とホール素子による磁気検出手段を採用しているが、静電的検出手段、光学的検出手段、物理的検出手段等、保持軸の高精度の回転に影響を与えないものであれば、接触式の検出手段も含めていかなる検出手段であっても良い。また、保持軸はワークを保持するものであっても良い。
さらに、上記主軸構造を着脱式の主軸ユニットに適用した場合、ハウジング１１０に対してギヤ１２６の位置が変化しないため装着が容易であり、規格化も容易となるため効率の良い工作機械の稼働が可能となる。
本実施形態では、本主軸構造を以上のように加工工具を装着する主軸に対して採用しているが、ワークを回転自在に保持する主軸に適用することもできる。この場合ワーク又は加工工具が加工開始位置に移動された際に、ワークと加工工具との当接による主軸の軸方向変位の検出によって、前記実施形態と同様に、工具の折損等の異常の有無を検出することができる。

本発明の一実施例である工作機械の主軸構造の断面図。図１のＡ方向から見た一部断面図。図１のＢ−Ｂ線の断面図。本発明の変位検出手段の説明図。本発明の変位検出手段の加工開始前の波形図。本発明の変位検出手段の加工時の波形図。従来の工作機械の主軸構造の断面図。

符号の説明

１００、５００・・・主軸構造
１１０、５１０・・・ハウジング
１１０Ａ・・・ハウジング前部
１１０Ｂ・・・ハウジング後部
１１１・・・駆動軸軸受
１１２・・・保持軸軸受
１１３・・・ハウジング締結ボルト
１１４・・・固定ボルト
１１５・・・固定用孔
１１６・・・案内筒
１１７・・・案内筒固定ナット
１１８・・・キー
５１１・・・ストッパ
５１２・・・スラスト軸受
５１３・・・ブシュ
５１４・・・主軸孔
１２０、５２０・・・主軸
１２０Ａ・・・保持軸
１２０Ｂ・・・駆動軸
１２１・・・工具保持部
１２２・・・スペーサ
１２３・・・キー溝
１２６、５２６・・・ギヤ
１３０、５３０・・・変位検出手段
１３１、５３１・・・検知部材
１３２・・・磁石片
１３３・・・非接触センサ
１３４・・・ホール素子
１３５・・・ホール素子
５３２・・・回動部材
５３３・・・リミットスイッチ
５３４・・・ブラケット
１４０・・・連結手段
１４１・・・連結ピン
１４２・・・溝部
１４３・・・筒状部
１４４・・・ピン保持孔
１５０・・・付勢手段
１５１・・・コイルスプリング
１５２・・・バネ座
１５３・・・ワッシャ
５５１・・・スプリング
５６０・・・加工工具
５８０・・・インタナルギヤ

Claims

ハウジングに回転駆動自在に支持され、加工工具又はワークを装着し、該加工工具又はワークのハウジングに対する軸方向変位を許容する主軸と、前記加工工具又はワークの変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段により検出される変位に基づき加工工具又はワークの状態を検知する状態検知手段を備えた工作機械の主軸構造において、
前記主軸が、駆動力が入力される駆動軸と加工工具又はワークを保持する保持軸とからなり、該駆動軸と保持軸は同一軸心上に配置され、
前記駆動軸が、ハウジングに軸方向に固定的、かつ、回転駆動自在に支持され、
前記保持軸が、前記駆動軸に、軸方向に弾性的に変位可能、かつ、一体回転するように連結されることを特徴とする工作機械の主軸構造。
前記駆動軸と保持軸が、連結手段により連結され、
該連結手段が、軸心と交差する方向に設けられた連結ピンと、軸方向に伸び前記連結ピンと係合する溝部と、前記保持軸を前記駆動軸から離れる方向に付勢する付勢手段からなることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の主軸構造。
前記ハウジングが、軸方向に固定的、かつ、回転自在に支持される案内筒を有し、
前記保持軸が、該案内筒に軸方向に変位可能、かつ、一体回転するように挿入されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の工作機械の主軸構造。
前記変位検出手段が、前記保持軸に一体的に装着される検知部材と、前記ハウジングの前記検知部材に対向する位置に設けられた非接触センサからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の工作機械の主軸構造。
前記検知部材が、前記非接触センサに対向する位置に磁石片を有し、
前記非接触センサが、前記磁石片の軸方向の両端部近辺に対向するように設けられた１対のホール素子からなることを特徴とする請求項４に記載の工作機械の主軸構造。
前記磁石片が、周方向に等間隔で複数配置されていることを特徴とする請求項５に記載の工作機械の主軸構造。
前記状態検知手段が、前記主軸に装着された加工工具によるワークの加工時、又は前記主軸に装着されたワークの加工工具による加工時に、前記主軸に装着された加工工具又はワークの加工開始位置での前記変位検出手段からの変位情報に基づいて加工工具の異常を判定することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の工作機械の主軸構造。
主軸を有する工作機械において、請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の主軸構造を備えたことを特徴とする工作機械。