JP4316354B2 - スピンドルユニット - Google Patents

Description

本発明は、スピンドル先端に工具をチャックするスピンドルユニットに関する。

従来、この種のスピンドリユニットは、各種工作機械の主軸端部分をユニット化して交換自在に構成したり、加工ロボットの先端部へ装着して各種加工、例えば研削作業や磨き作業、ラッピング、バリ取り作業などを行ったりするために多用されている。
その一例を図４により説明する。
この装置は、一般的にはグラインダーと呼ばれていて、工具Ｔを把持して電動機またはエア駆動によって工具を回転させ、被工作物を研削、磨き、ラップ、バリ取りを行う精密回転工具装置である。

この装置は、ハウジング１内に装着したコレット主軸２の内側に工具Ｔを把持する方式の主軸端構造になっており、内部の皿ばね４の力によりカラー３が軸線方向にスライドして、スリーブ６内部をコレット主軸２外径部が内方（図で左側）へ引き込まれることにより、コレット主軸２の先端側のテーパコレット部７により工具Ｔ外形を強固に把持する構造になっている。

ハウジング１の後端部には、主軸端８部分への取付け構造として、外側にねじ９が形成してある。ハウジング１は、主軸端８へ螺合装着されるとともに、詳細図示は省略してあるが、内部に回転自在に配置されているコレット主軸２の後端部が、やはり回転自在に主軸端内部に配置され、電動機またはエア駆動装置に軸受を介して連結可能に構成されている。

工具Ｔの取外しには、カラー３を工具Ｔ側へ押し戻すことにより行なう。工具Ｔの取外しには、図示した偏心カム５を用いる方式や、図示していないが他に直接エア駆動により行なう方法などがある。
特開平５−６９２０２公報

しかしながら、従来の装置では、工具Ｔの把持力を皿ばね４の力に頼っているため、工具保持に十分な把持力が得られない。また、把持力が弱いので、回転精度も高速回転すると、手締めコレットに比べて劣っている。さらに、工具交換は、作業者が手動操作により工具Ｔの緩め、締付けを行わなければならず、自動的に工具の交換を行うことができない。さらにまた、工具Ｔの交換時には、テーパコレット部７の内面（工具装着面）の清掃（例えば、付着ゴミなどの除去）が必要であるが、この操作を簡単に行うことができないなどの不具合があった。

なお、工具クランプ軸とモータ軸とを分割構造とした工作機械の主軸ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。この主軸ユニットは、種々のアタッチメント本体を本体に対して交換して工具の多様化に対応できるようにしたもので、加工範囲と加工能力を増大させることができる等の効果がある。
しかしながら、特許文献１では、先端部に装着する工具の大きさ（径）が変化するような場合には十分に対応することができなかった。

本発明は斯かる従来の問題を解決するために為されたもので、その目的は、工具の交換時の操作を自動運転下でも、また手動操作においても行ない得る構造とするとともに、交換時のコレット内面の清掃をもおこなうことが可能なスピンドルユニットを提供することにある。

請求項１に係る発明は、一端側にコレット挿着穴を設け、ハウジング内に回転自在に保持した回転主軸と、コレット装着穴内に挿入されるコレットと、回転主軸の一端側で、ハウジングの前端に回転自在に装着されるとともに、コレットを径方向に押し込んで工具を固着するための工具ホルダ部と、ハウジングの後端側に配置した回転主軸の自動ロック手段と、回転軸の軸線を介して回転主軸の自動ロック手段と対向してハウジングの後端側に配置した回転主軸の手動ロック手段とを備えたことを特徴とするスピンドルユニットである。

請求項２に係る発明は、回転主軸の自動ロック手段が、空気圧シリンダと回転主軸に設けたスリーブとを備え、空気圧シリンダのピストンをスリーブに係止することにより、回転主軸を回転方向に固定することを特徴とする請求項１に記載のスピンドルユニットである。
請求項３に係る発明は、回転主軸が、コレット挿着穴に連通する細孔を軸長方向に設けるとともに、他端側に細孔に連通する孔を径方向に貫通して設け、回転主軸のロック時に、空気圧シリンダ側からハウジング内に流入する空気圧を、孔から細孔を介して工具ホルダ本体内のコレット挿着穴へ導くことを特徴とする請求項２に記載のスピンドルユニットである。

請求項４に係る発明は、工具ホルダが、コレットの自動締付け緩め用操作手段に連絡する自動締付け緩め用操作部を外周に備えていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドルユニットである。

本発明によれば、工具ホルダと、回転主軸の自動ロック手段と手動ロック手段とを合わせて備えたので、予め所定工具をセットして準備することで作業性が向上し、合理化に寄与できる。
また、本発明によれば、自動ロック手段側から清掃用空気をコレット挿着穴へ供給するように構成したので、特別に空気供給手段を設けることなく、回転主軸に連通孔を形成するだけでよく、しかも自動ロック手段に使用される空気の一部を利用して行なえるので、低コストでしかも確実にコレット挿着穴の清掃が可能になった。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るスピンドルユニット１０の正面図断面図である。
本実施形態に係るスピンドルユニット１０は、ハウジング１１内に軸受１８，１９を介して回転自在に回転主軸１２を装着している。この回転主軸１２は、一端側にテーパ状のコレット挿入穴１２ａを備え、その外側が締結部材１７によってハウジング１１に固定されている。ている。また、回転主軸１２は、前端部に工具ホルダ部Ｈを有し、後端部には、モータなおどの回転駆動手段（図示せず）との連結部Ｊを有している。

工具ホルダ部Ｈは、回転主軸１２のテーパ状のコレット挿入穴１２ａに挿入された外周がテーパ状のコレット１３と、回転主軸１２端にねじ結合されたコレット締付け用第一ナット部材１４と、コレット締付け用第二ナット部材１５から成る。コレット締付け用第一ナット部材１４は、コレット１３の端部１３ａと係合する係止部１４ａを備えている。また、コレット締付け用第二ナット部材１５は、コレット締付け用第一ナット部材１４の外側に一体に形成されており、その外周部に歯車１５ａを形成している。工具ホルダ部Ｈは、歯車１５ａを、自動着脱手段（図示せず）と係合して、回転させることで、コレット締付け用第一ナット部材１４を介してコレット１３を回転主軸１２後端側へねじ込みながらコレット１３を半径方向に縮径させ、コレット１３内に挿入されている工具１６を固着し、あるいは、歯車１５ａを逆回転させてコレット締付け用第一ナット部材１４を緩めることで、コレット締付け用第一ナット部材１４を介してコレット１３による工具１６への締付け力を解除して工具１６を着脱させることができる。

回転主軸１２の後端側には、外周２箇所に係合穴２０ａ，２０ｂを穿孔したスリーブ２０が一体に固定してある。一方の係合穴２０ａには、ハウジング１１へ固定された空気圧シリンダ２１のピストン２３のピストンロッド２４先端が係合可能に配置される。他方の係合穴２０ｂには、空気圧シリンダ２１の取付け位置と１８０°離れた回転主軸１２の外周部に形成された手動ロック装置３０のプランジャー３０ａ先端が係合可能に配置される。

また、回転主軸２は、スリーブ２０より後端部に、軸線と直角方向に軸心を通る孔１２ｃを貫通して設けている。この孔１２ｃとコレット挿入穴１２ａの底とが軸長方向に形成した細孔１２ｂによって連通している。
次に、回転主軸１２のロック装置について説明する。
本実施形態では、回転主軸１２の自動ロック装置を、空気圧シリンダ２１により構成している。空気圧シリンダ２１は、ハウジング１１の開口１１ａに固定するシリンダ本体２２と、シリンダ本体２２内を移動するピストン２３と、ピストン２３に連結しシリンダ本体２２の穴部２５内を移動するピストンロッド２４と、穴部２５の段部２６とピストン２３との間に配されたばね２７と、段部２６とハウジング１１の開口１１ａとの間の穴部２５に形成した細い通路２８と、ピストン２３の空気圧供給側に連絡する孔２９とを備えている。

空気圧シリンダ２１は、例えば工具交換の指令信号が制御装置（図示せず）に入力すると、制御バルブが切り換わってこの空気圧シリンダ２１へ空気圧が供給される。すると、ピストン２３が前進し、回転主軸１２に一体のスリーブ２０の係合穴２０ａへピストンロッド２４の先端部が係合し、回転主軸１２を回転方向に固定する。そして、交換機構（図示せず）が動作してコレット締付け用第一ナット部材１４を逆回転させて緩め、工具１６が交換されることになる。工具１６が交換されると、今度は逆にコレット締付け用第一ナット部材１４が先ほどと逆に回転して締め付け、次いでピストン２３を押していた空気圧を解除して排気させれば、内蔵されているバネ２７の力でピストン２３は図で上方へ戻り、回転主軸１２のロックは解除される。

一方、手動ロック装置３０は、通常はアンロック状態にあり、例えばメンテナンスなどの際に使用される。例えば、手動で回転主軸１２をロックして作業をする場合、押圧子３１を押し込んでプランジャー３０ａをスリーブ２０の係合孔２０ｂへ係合させる。そして、このままでは、手を離せば元に戻ってしまうので、例えば押して回すことにより、係合位置を保持するように鍵穴式にロック機構が形成してあることが望ましい。

次に、以上のように構成した本実施形態に係るスピンドルユニット１０の作用を説明する。
先ず、図１に示すように、回転主軸１２のテーパ状のコレット挿入穴１２ａに挿入されたコレット１３に、所定の工具１６を工具ホルダ部Ｈを介して装着する。工具ホルダ部Ｈは、歯車１５ａを、自動着脱手段（図示せず）と係合して、回転させ、コレット締付け用第一ナット部材１４を介してコレット１３を回転主軸１２後端側へねじ込みながらコレット１３を半径方向に縮径させ、コレット１３内に挿入されている工具１６を固着する。

これにより、工具１６の目的に応じた使用が可能となる。
次に、工具交換の指令信号が制御装置（図示せず）に入力すると、制御バルブが切り換わってこの空気圧シリンダ２１へ空気圧が供給される。すると、ピストン２３が前進し、回転主軸１２に一体のスリーブ２０の係合穴２０ａへピストンロッド２４の先端部が係合し、回転主軸１２を回転方向に固定する。

そして、交換機構（図示せず）が動作して、工具ホルダ部Ｈの歯車１５ａを逆回転させてコレット締付け用第一ナット部材１４を緩め、コレット締付け用第一ナット部材１４を介してコレット１３による工具１６への締付け力を解除して工具１６を取り外し、工具１６を交換する。
この間、空気圧シリンダ２１は、ハウジング１１へ固定してあるシリンダ本体２２のピストン２３には供給側から孔２９が反対側室へ連通しており、さらに穴部２５に細い通路２８が形成してあるので、ピストンロッド２４との隙間からスリーブ２０の外形部隙間を介して孔１２ｃと連通している。従って、空気圧シリンダ２１側からの空気は、穴１２ｃから細孔１２ｂを介してコレット装着穴１２ａ側へ噴出され、回転主軸１２のテーパ状のコレット挿入穴１２ａの清掃を行うことができる。

そして、交換が完了すると、空気圧シリンダ２１は、ピストン２３を押していた空気圧を解除して排気し、内蔵されているバネ２７の力でピストン２３は図で上方へ戻り、回転主軸１２のロックを解除する。
一方、例えばメンテナンスなどの際に手動ロック装置３０を操作する場合は、手動で回転主軸１２の押圧子３１を押し込んでプランジャー３０ａをスリーブ２０の係合孔２０ｂへ係合させることによって行う。

以上のように、本実施形態によれば、工具１６の径や大きさに拘わらず工具ホルダ部Ｈによって工具１６を把持することができ、自動運転時においても回転主軸１２の自動ロック手段である空気圧シリンダ２１を操作することにより、回転主軸１２をロックすることができる。しかも、その際に、空気圧シリンダ２１から供給される空気圧を利用して工具１６を把持するコレット挿入穴１２ａの清掃を行うことができる。また、手動ロック装置３０を操作することにより、回転主軸１２をロックすることができる。

なお、本実施形態に係るスピンドルユニット１０では、工具ホルダ部Ｈを構成している締め付けナットが、コレット締付け用第一ナット部材１４と、コレット締付け用第二ナット部材１５とで構成されているが、これは一体に構成してあっても良い。
また、上記実施形態では、動力伝達をするコレット締付け用第二ナット部材１５の外周部分に歯車１５ａを設けたが、本発明は、これに限らず、例えば、図２（ａ）のタイミングベルトプーリ、図２（ｂ）のベルトプーリ、図２（ｃ）の丸ベルトプーリ、図２（ｄ）のウレタンゴムプーリなどとしても良い。

また、上記実施形態では、回転主軸１２の後端側に設けたスリーブ２０は、外周２箇所に係合穴２０ａ，２０ｂを穿孔した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図３に示すように、外周８箇所に係合穴３５ａ，３５ｂを穿孔しても良い。この場合には、係合穴２０ａ，２０ｂにそれぞれ予備を備えたこととなり、各係合穴２０ａ，２０ｂが摩耗しても、それぞれ予備の係合穴２０ａ，２０ｂを用いることにより、スリーブ２０の交換時期を遅らせることができる。

本発明の一実施形態に係るスピンドルユニットの正面図断面図である。 図１に示すスピンドルユニットのコレットナット部の外周部分の形状の変形例を示す図である。 図１に示すスピンドルユニットのスリーブの変形例を示す図である。 従来例を示す図である。

符号の説明

１０ スピンドルユニット
１１ ハウジング
１８，１９ 軸受
１２ 回転主軸
１２ａ コレット挿入穴
Ｈ 工具ホルダ部
Ｊ 連結部
１３ コレット
１４ コレット締付け用第一ナット部材
１５ コレット締付け用第二ナット部材
１６ 工具
２０ スリーブ
２０ａ，２０ｂ 係合穴
２１ 空気圧シリンダ（自動ロック手段）
２２ シリンダ本体
２３ ピストン
２４ ピストンロッド
２５ 穴部
２６ 段部
２７ ばね
２８ 細い通路
３０ 手動ロック装置
３０ａ プランジャー
３１ 押圧子

Claims (4)

1. 一端側にコレット挿着穴を設け、ハウジング内に回転自在に保持した回転主軸と、
   前記コレット装着穴内に挿入されるコレットと、
   前記回転主軸の一端側で、前記ハウジングの前端に回転自在に装着されるとともに、前記コレットを径方向に押し込んで工具を固着するための工具ホルダ部と、
   前記ハウジングの後端側に配置した前記回転主軸の自動ロック手段と、
   前記回転軸の軸線を介して前記回転主軸の自動ロック手段と対向して前記ハウジングの後端側に配置した前記回転主軸の手動ロック手段と
   を備えたことを特徴とするスピンドルユニット。
2. 前記回転主軸の自動ロック手段は、空気圧シリンダと前記回転主軸に設けたスリーブとを備え、前記空気圧シリンダのピストンを前記スリーブに係止することにより、前記回転主軸を回転方向に固定することを特徴とする請求項１に記載のスピンドルユニット。
3. 前記回転主軸は、前記コレット挿着穴に連通する細孔を軸長方向に設けるとともに、他端側に前記細孔に連通する孔を径方向に貫通して設け、前記回転主軸のロック時に、前記空気圧シリンダ側から前記ハウジング内に流入する空気圧を、前記孔から前記細孔を介して前記工具ホルダ本体内のコレット挿着穴へ導くことを特徴とする請求項２に記載のスピンドルユニット。
4. 前記工具ホルダは、前記コレットの自動締付け緩め用操作手段に連絡する自動締付け緩め用操作部を外周に備えていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドルユニット。

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