JP3753304B2 - 工作機械及び変速装置 - Google Patents
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Description
本発明は、工作機械及び変速装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
たとえば、マシニングセンタ等の工具を回転させる主軸を備えた工作機械では、主軸の最大回転速度は主軸を回転自在に保持するメインベアリングの構造や潤滑方式によって決定されるため、この最大回転速度より増速した回転速度で工具を回転させたい場合には、たとえば、増速装置を用いている。
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。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような歯車機構による増速装置によって工具を主軸の回転速度よりも増速する場合に、数万回転〜数十万回転の超高速回転させると、増速装置の発熱が増大し、加工精度に影響することがある。また、数万回転〜数十万回転の超高速回転では、増速装置からの騒音も増大する。さらに、増速装置は、たとえば、数万回転〜数十万回転の回転に耐えうる信頼性を必要とするため、比較的製造コストが上昇するという不利益も存在した。
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。
【0004】
本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであって、発熱や製造コストを抑制しつつ主軸によって駆動される工具等の作業ユニットの回転速度を主軸の回転速度に対して変速することができる工作機械、変速装置および作業ユニットの駆動方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の観点の工作機械は、主軸と、前記主軸に装着又は脱着可能な変速装置と、前記変速装置に装着又は脱着可能であり、前記変速装置によって回転される作業ユニットとを有する工作機械であって、前記変速装置は、前記主軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記主軸の回転によって発電する発電機本体とを有する同期発電機と、前記発電機本体から前記主軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する誘導電動機と、前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、前記作業ユニットが装着される回転軸と、前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、を有し、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順に配置され、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のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記発電機の入力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記主軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記主軸の長手方向に同軸状に配置され、前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する。
【0010】
好適には、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。
【0011】
好適には、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。
【0013】
好適には、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。
【0015】
本発明の第2の観点の工作機械は、主軸と、前記主軸に装着又は脱着可能な変速装置と、前記変速装置に装着又は脱着可能であり、前記変速装置によって回転される作業ユニットとを有する工作機械であって、前記変速装置は、前記主軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記主軸の回転によって発電する発電機本体とを有する直流発電機と、前記発電機本体から前記主軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する直流電動機と、前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、前記作業ユニットが装着される回転軸と、前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、を有し、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順に配置され、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のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記発電機の入力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記主軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記主軸の長手方向に同軸状に配置され、前記変速装置に設けられた制御回路により前記発電機で発生した電力の前記電動機への供給を制御することにより、前記主軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する。
【0016】
本発明の第3の観点の変速装置は、工作機械の主軸に装着又は脱着可能な変速装置であって、前記主軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記主軸の回転によって発電する発電機本体とを有する同期発電機と、前記発電機本体から前記主軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する誘導電動機と、前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、作業ユニットが装着される回転軸と、前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、を有し、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順に配置され、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のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記発電機の入力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記主軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記主軸の長手方向に同軸状に配置され、前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する。
【0021】
好適には、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。
【0023】
本発明の第4の観点の変速装置は、第1の回転軸に装着又は脱着可能な変速装置であって、前記第1の回転軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記第1の回転軸の回転によって発電する発電機本体とを有する同期発電機と、前記発電機本体から前記第1の回転軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する誘導電動機と、前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、作業ユニットが装着される第2の回転軸と、前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記第2の回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、を有し、前記装着部、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、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のケース部材は、前記第1の回転軸の長手方向に沿って順に配置され、前記発電機の入力軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記第1の回転軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記第2の回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記第1の回転軸の長手方向に同軸状に配置され、前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記第1の回転軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する。
【0024】
本発明の第5の観点の変速装置は、工作機械の主軸に装着又は脱着可能な変速装置であって、前記主軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記主軸の回転によって発電する発電機本体とを有する直流発電機と、前記発電機本体から前記主軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する直流電動機と、前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、作業ユニットが装着される回転軸と、前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、を有し、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順に配置され、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のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、前記発電機の入力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記主軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記主軸の長手方向に同軸状に配置され、前記変速装置に設けられた制御回路により前記発電機で発生した電力の前記電動機への供給を制御することにより、前記主軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する。
【0025】
本発明の第6の観点の変速装置は、第1の回転軸に装着又は脱着可能な変速装置であって、前記第1の回転軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記第1の回転軸の回転によって発電する発電機本体とを有する直流発電機と、前記発電機本体から前記第1の回転軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する直流電動機と、前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、工具が装着される第2の回転軸と、前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記第2の回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、を有し、前記装着部、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、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のケース部材は、前記第1の回転軸の長手方向に沿って順に配置され、前記発電機の入力軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記第1の回転軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記第2の回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記第1の回転軸の長手方向に同軸状に配置され、前記変速装置に設けられた制御回路により前記発電機で発生した電力の前記電動機への供給を制御することにより、前記第1の回転軸の回転を増速して前記工具に伝達する。
【0027】
本発明では、主軸を回転すると、発電機が発電する。発電機の発電した電力は、電動機に供給され、この電動機によって工具が駆動される。この発電機と電動機の特性に応じて工具の回転速度は主軸の回転速度に対して変速する。
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、主軸に対する工具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、主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主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工具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。
【0028】
【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。
【0029】
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。
【0030】
さらに、サドル44には、鉛直方向に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。
【0031】
ラム45内には、主軸モータ31が内蔵され、この主軸モータ31はラム45に回転自在に保持された主軸46を回転駆動する。
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。
【0032】
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。
【0033】
自動工具交換装置(ATC)39は、主軸46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。
【0034】
NC装置51は、上記のサーボモータ18,19,20、クロスレール昇降用モータ32および主軸モータ31の駆動制御を行う。
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。
【0035】
図2は、本発明の工具の変速装置の一実施形態の構成を示す断面図である。
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。
【0036】
装着部62は、把持される把持部62aと、上記の主軸46の先端部に形成されたテーパスリーブ46aに装着されるテーパシャンク部62bと、このテーパシャンク部62bの先端部に形成されたクランプ部62cと、ケース部材66に回転自在に保持される軸部62dとを備えている。
【0037】
この装着部62の把持部62aは、上記した自動工具交換装置39の工具交換アームによって、自動工具交換装置39のマガジンから主軸46に装着される際および主軸46から自動工具交換装置39のマガジンへ搬送される際に把持される。
【0038】
装着部62のテーパシャンク部62bは、主軸46のテーパスリーブ46aに装着されることによって、中心軸が主軸46の中心軸と同心になる。
【0039】
装着部62のクランプ部62cは、装着部62が主軸46のテーパスリーブ46aに装着されると、主軸46に内蔵された図示しないクランプ機構によってクランプされる。なお、主軸46に内蔵されたクランプ機構は周知技術であるので詳細については省略する。
【0040】
装着部62の軸部62dは、ケース部材66の内周に複数の転がり軸受72を介して回転自在に保持されている。
【0041】
ケース部材67の内周には、保持部材73を介して三相同期発電機70および三相誘導電動機80が保持されている。
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。
【0042】
三相誘導電動機80は、図示しない3本の導電ケーブルによって、三相同期発電機70で発電された三相交流が供給される。三相誘導電動機80は、三相同期発電機70から供給される電力によって駆動する。
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90に連結されている。
【0043】
回転軸90は、ケース部材68の内周に複数の転がり軸受92を介して回転自在に保持されている。
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。
【0044】
一方、ケース部材66、67および68は、たとえば、ボルト等の締結手段によって連結されており、これらケース部材66、67および68がケース65を構成している。
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。
【0045】
ここで、上記構成の変速装置61の動作の一例について説明する。
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。
【0046】
この状態から、主軸46を回転速度N0で回転させると、変速装置61の装着部62が回転し、主軸46の回転力が三相同期発電機70に伝達される。
これにより、三相同期発電機70は三相交流を発電する。
【0047】
三相同期発電機70の発生する三相交流の周波数fは、三相同期発電機70の極数をP1とし、主軸46の回転速度をN0〔rpm〕とすると、次式(1)によって表される。
【0048】
【数1】
f=P1×N0/120〔Hz〕 …(1)
【0049】
したがって、主軸46を回転速度N0で回転すると、上記(1)式で表される周波数fの三相交流電力が三相誘導電動機80に供給される。
【0050】
ここで、三相誘導電動機80の極数がP2とすると、三相誘導電動機80は3相交流の1サイクルで2/P2回転することから、三相誘導電動機80の同期速度N1は、次式(2)で表される。
【0051】
【数2】
N1=120×f/P2〔rpm〕 …(2)
【0052】
したがって、主軸46の回転速度N0に対する工具の回転速度N1は次式(3)によって表される。
【0053】
【数3】
N1=N0×P1/P2〔rpm〕 …(3)
【0054】
(3)式からわかるように、主軸46の回転速度N0は、上記(3)式で表される回転速度N1に変速される。
(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。
【0055】
次に、上記変速装置61を用いた工具の駆動方法について説明する。
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。
【0056】
自動工具交換装置39によって、主軸46に通常の工具と同様に変速装置61を自動装着する。
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。
【0057】
主軸46を3000rpmで回転させると、三相同期発電機70は主軸46の回転速度および極数P1に応じた周波数の三相交流を発生する。
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。
【0058】
以上のように、本実施形態によれば、通常の工具と同様にユニット化された変速装置61に三相同期発電機70および三相誘導電動機80を内蔵し、三相同期発電機70で発生した電力で三相誘導電動機80を駆動することで、主軸46に対する工具の回転速度を増速させるため、主軸46を高速回転させても歯車装置のように発熱が増大せず、加工精度の低下が抑制される。
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。
【0059】
また、本実施形態によれば、主軸46の回転速度を増速させる変速装置61を主軸46に対して着脱自在とし、かつ、自動工具交換装置39によって通常の工具と同様に交換可能となっているため、工具によって通常の回転速度の範囲の加工を行いながら、工具を高速回転させる要求に対して即座に対応することができる。
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。
【0060】
さらに、本実施形態では、発電機として三相同期発電機70を用い、電動機として三相誘導電動機80を用いる構成としているため、変速装置61に保持される工具の回転速度を主軸46の回転速度によって容易に制御可能となる。すなわち、三相同期発電機70は主軸46の回転速度に正確に比例した周波数の電圧を発生し、三相誘導電動機80はこの周波数に比例した回転速度で工具を駆動することから、主軸46の回転速度および三相同期発電機70と三相誘導電動機80との極数比により工具の回転速度を容易にかつ正確に制御できる。
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。
【0061】
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、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。
【0062】
また、上述した実施形態では、発電機として三相同期発電機70を用い、電動機として三相誘導電動機80を用いる場合について説明したが、たとえば、直流発電機と直流電動機との組合せによって主軸46の回転速度を変速する構成を採用することも可能である。すなわち、直流電動機の回転速度は、直流発電機から供給される電圧や負荷によって決定されるため、主軸46の回転速度から工具の回転数を直接的に制御するのは難しいが、予め直流電動機および直流発電機の出力特性や負荷特性について測定しておくことにより、直流発電機と直流電動機との組合せによって主軸46の回転速度を一定の増速比または減速比で変速することは可能である。また、他の種類の発電機および電動機を使用することも可能である。
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。
【0063】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱を抑制しつつ主軸によって駆動される工具の回転速度を主軸の回転速度に対して変速することができる。この結果、工具を超高速回転しても、加工精度の低下を防ぐことができる。
また、本発明によれば、主軸の回転力によって発電する発電機と、この発電機で発電された電力によって工具を駆動する電動機とによって工具の変速を行うので、歯車機構等の増速装置と比較して低コスト化でき、また、構成を簡略化することができる。
また、本発明によれば、変速装置をユニット化することにより、通常の工具と同様に自動交換が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 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2】 本発明の変速装置の一実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
1…マシニングセンタ
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 (10)
- 主軸と、
前記主軸に装着又は脱着可能な変速装置と、
前記変速装置に装着又は脱着可能であり、前記変速装置によって回転される作業ユニットと
を有する工作機械であって、
前記変速装置は、
前記主軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、
前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記主軸の回転によって発電する発電機本体とを有する同期発電機と、
前記発電機本体から前記主軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する誘導電動機と、
前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、前記作業ユニットが装着される回転軸と、
前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、
前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、
前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、
を有し、
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順に配置され、
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のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、
前記発電機の入力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記主軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記主軸の長手方向に同軸状に配置され、
前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する
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2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1〜3のいずれか1項に記載の工作機械。 - 主軸と、
前記主軸に装着又は脱着可能な変速装置と、
前記変速装置に装着又は脱着可能であり、前記変速装置によって回転される作業ユニットと
を有する工作機械であって、
前記変速装置は、
前記主軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、
前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記主軸の回転によって発電する発電機本体とを有する直流発電機と、
前記発電機本体から前記主軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する直流電動機と、
前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、前記作業ユニットが装着される回転軸と、
前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、
前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、
前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、
を有し、
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順に配置され、
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のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、
前記発電機の入力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記主軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記主軸の長手方向に同軸状に配置され、
前記変速装置に設けられた制御回路により前記発電機で発生した電力の前記電動機への供給を制御することにより、前記主軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する
工作機械。 - 工作機械の主軸に装着又は脱着可能な変速装置であって、
前記主軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、
前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記主軸の回転によって発電する発電機本体とを有する同期発電機と、
前記発電機本体から前記主軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する誘導電動機と、
前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、作業ユニットが装着される回転軸と、
前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、
前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、
前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、
を有し、
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順 に配置され、
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のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、
前記発電機の入力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記主軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記主軸の長手方向に同軸状に配置され、
前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記主軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する
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6に記載の変速装置。 - 第1の回転軸に装着又は脱着可能な変速装置であって、
前記第1の回転軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、
前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記第1の回転軸の回転によって発電する発電機本体とを有する同期発電機と、
前記発電機本体から前記第1の回転軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する誘導電動機と、
前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、作業ユニットが装着される第2の回転軸と、
前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、
前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、
前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記第2の回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、
を有し、
前記装着部、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、
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のケース部材は、前記第1の回転軸の長手方向に沿って順に配置され、
前記発電機の入力軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記第1の回転軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記第2の回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記第1の回転軸の長手方向に同軸状に配置され、
前記発電機の極数と前記電動機の極数との比により設定される増速比により、前記第1の回転軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する
変速装置。 - 工作機械の主軸に装着又は脱着可能な変速装置であって、
前記主軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、
前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記主軸の回転によって発電する発電機本体とを有する直流発電機と、
前記発電機本体から前記主軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機 本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する直流電動機と、
前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、作業ユニットが装着される回転軸と、
前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、
前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、
前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、
を有し、
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順に配置され、
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のケース部材は、前記主軸の長手方向に沿って順に配置され、
前記発電機の入力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記主軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記主軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記主軸の長手方向に同軸状に配置され、
前記変速装置に設けられた制御回路により前記発電機で発生した電力の前記電動機への供給を制御することにより、前記主軸の回転を増速して前記作業ユニットに伝達する
変速装置。 - 第1の回転軸に装着又は脱着可能な変速装置であって、
前記第1の回転軸に装着又は脱着可能であり、回転可能な装着部と、
前記装着部の中心穴に挿入された入力軸と、前記装着部及び前記入力軸を介して伝達される前記第1の回転軸の回転によって発電する発電機本体とを有する直流発電機と、
前記発電機本体から前記第1の回転軸の長手方向へ離間して配置され、ケーブルを介して前記発電機本体と電気的に接続され、前記発電機の発電する電力によって回転駆動される電動機本体と、前記電動機本体の回転に応じて回転する出力軸とを有する直流電動機と、
前記電動機の出力軸にカップリングを介して連結され、工具が装着される第2の回転軸と、
前記装着部を第1のベアリングを介して回転自在に保持する第1のケース部材と、
前記第1のケース部材に締結手段により連結され、前記発電機本体及び前記電動機本体を、前記発電機本体及び前記電動機本体の外周に当接する保持部材を介して回転不可能に保持する第2のケース部材と、
前記第2のケース部材に締結手段により連結され、前記第2の回転軸を第2のベアリングを介して回転自在に保持する第3のケース部材と、
を有し、
前記装着部、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、
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のケース部材は、前記第1の回転軸の長手方向に沿って順に配置され、
前記発電機の入力軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って前記発電機本体から前記第1の回転軸側へ突出し、前記電動機の出力軸は前記第1の回転軸の長手方向に沿って前記電動機本体から前記第2の回転軸側へ突出し、前記発電機の入力軸と前記電動機の出力軸とは前記第1の回転軸の長手方向に同軸状に配置され、
前記変速装置に設けられた制御回路により前記発電機で発生した電力の前記電動機への供給を制御することにより、前記第1の回転軸の回転を増速して前記工具に伝達する
変速装置。
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