JP5085999B2 - 工作機械用の加工用ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、工作機械用の加工用ヘッドに関し、より詳しくは、５軸加工機（同時５軸制御可能な加工機）や多面加工機等の複合加工機（工作機械）で使用される加工用ヘッドに関する。

図６は、上記の複合加工機の一例として、門型工作機械（マシニングセンタ）１を示している。この種の門型工作機械１は、ベッド４上に付設された左右のコラム２、２と、コラム２、２上を上下方向（Ｚ軸方向）に移動するクロスレール６と、クロスレール６上を水平に左右方向（Ｙ軸方向）に移動するサドル７と、サドル７上をＺ軸方向に移動するラム８と、ベッド４上を前後方向（Ｘ軸方向）に移動するテーブル５とを含む。さらに、ラム８には、工具が取り付けられるスピンドルを備えたスピンドルユニット２０を含む加工用ヘッド１０が取り付けられている。

上記門型工作機械１は、ワークの加工時において、予め設定されたプログラムに基づく数値制御により、上記テーブル５、クロスレール６、サドル７及びラム８を移動させると共に、加工用ヘッド１０がスピンドルユニット２０の角度位置の割出しを行う。これにより、上記工作機械では、ワークの各加工面に対して工具を最適な角度で当てて加工を行うことができ、複雑な形状のワークの切削加工等を可能としている。

そのため、上記加工用ヘッドは、スピンドルユニットの角度位置を割り出すための割出し機構を備えている。そして、この割出し機構の駆動手段として、そのモータロータ及びモータステータが加工用ヘッド１０のハウジング内に配置され、モータロータが、スピンドルユニットを支持する支持軸に連結された直接駆動型の駆動モータ（以下、「ＤＤモータ」という）を採用した加工用ヘッドが公知である（例えば、特許文献１）。

この特許文献１に記載の加工用ヘッドは、スピンドルユニット（ヘッド）及びスピンドルユニットを支持する支持ヘッド（ヘッド支持部）で構成され、駆動手段として、モータステータの内周面にモータロータが対向するインナーロータ型のＤＤモータを支持ヘッド内に備えている。

ところで、この特許文献１に記載の加工用ヘッドでは、スピンドルユニットを支持する支持軸（駆動軸）を回転可能に支持するための軸受が、支持軸の軸線方向における上記ＤＤモータの存在範囲の外側に配置されている。その結果、加工用ヘッドの支持軸の軸線方向に関する寸法が大きくなり、加工用ヘッドが大型化してしまう。

加工用ヘッドが大型化すると、例えば上記門型工作機械の場合、加工用ヘッドの移動領域を確保するために工作機械自体の大型化を余儀なくされたり、あるいは、工作機械上での作業スペースが制限されたりしてしまう。また、大型化に伴う重量の増加は、加工用ヘッドの移動がスムースに行えずに作業性に悪影響を及ぼしたり、加工用ヘッドの重量によってクロスビームが撓み、加工精度を低下させたりする原因となる。

なお、回転軸をＤＤモータによって駆動する工作機械用の割出し装置において、回転軸を支持する軸受を、回転軸の軸線方向におけるＤＤモータの存在範囲内に配置した構成を採用したものが特許文献２に記載されている。

この特許文献２に記載の割出し装置では、モータステータの外周面にモータロータが対向するアウターロータ型のＤＤモータを採用している。そして、この割出し装置は、モータロータに外嵌固定した軸受により、回転軸（伝達軸）を本体に対し回転自在に支持する構成となっている。

しかし、この特許文献２に記載の割出し装置の場合、軸受がＤＤモータを囲繞する構成であるため、必然的に大径の軸受を採用しなければならなくなる。この場合、軸受の大径化によって振れ精度が低下し、割出し精度、延ては加工精度が低下してしまう。また、軸受は、径が大きい程高価になるため、支持ヘッドの製造コストが上がってしまう。
特開平２−１１６４３７号公報 特開平４−２４４３号公報

従って、本発明の課題は、割出し機構を備えた工作機械用の加工用ヘッドにおいて、その加工用ヘッド自体が大型化することなく、高い加工精度が得られる構成を提供することにある。

上記課題のもとに、本発明は、工具が取り付けられるスピンドルを含むスピンドルユニットと、該スピンドルユニットを支持する支持ヘッドであって上記スピンドルの回転軸線と直交する軸線を中心にスピンドルユニットを回転させてその角度位置を割り出す割出し機構を含む支持ヘッドと、を備えた工作機械用の加工用ヘッドを前提とする。

そして、本発明では、上記の割出し機構が、スピンドルユニットに固定されると共に支持ヘッドのハウジング内に回転自在に設けられた支持軸と、支持ヘッドのハウジング内で支持軸周りに同軸的に配置されて支持軸に連結されたモータロータ及び該モータロータの外周に対向すべくモータロータを囲繞するように設けられたモータステータから成る駆動モータとを備え、上記支持軸を回転自在に支持するための軸受は、その少なくとも一部が、支持軸の回転軸線方向における駆動モータの存在範囲内で、モータロータの半径方向内側に位置するように配置されている。

その上で、本発明では、前記支持軸を、モータロータが外嵌固定される大径部と軸受によって回転自在に支持される軸部とを有するものとし、また、上記支持ヘッドのハウジングを、上記の大径部と軸部との間に配設される円筒部を有するものとして、前記軸受が、ハウジングの円筒部と支持軸との間に介装されていることを特徴とする。

上記した本発明による工作機械用の加工用ヘッドによれば、割出し機構の駆動手段としてインナーロータ型のＤＤモータが採用され、かつ、上記支持軸を回転自在に支持するための軸受が、上記支持軸の軸線方向における上記ＤＤモータの存在範囲内であって上記ＤＤモータの半径方向内側に配置されているため、加工用ヘッドの上記支持軸の軸線方向における寸法が大きくなって加工用ヘッド自体が大型化することが回避されると共に、より小径の軸受を採用することが可能となり、工作機械の大型化や加工精度の低下を有効に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳述する。

図１〜３に示すのは本発明の一実施形態であって、図示の加工用ヘッド１０は、工具が取り付けられるスピンドル２１を有するスピンドルユニット２０と、スピンドルユニット２０を支持する第１の支持ヘッド３０（本発明の「支持ヘッド」に相当）と、第１の支持ヘッド３０を支持する第２の支持ヘッド５０とを含む（図３）。

スピンドルユニット２０は、駆動モータ内蔵型のスピンドルヘッドであって、内蔵された駆動モータ２５によってスピンドル２１を高速回転駆動するものである。

このスピンドルユニット２０のハウジング２３内には、スピンドル２１が挿通配置されており、このスピンドル２１を囲繞するようにして駆動モータ２５が内蔵されている。駆動モータ２５は、スピンドル２１に外嵌固定されたロータ２５ａと、ロータ２５ａの外周面に対向するように設けられたステータ２５ｂとから成っている。スピンドル２１は、駆動モータ２５の前後（図の上下）に複数列配置された軸受（例えば、アンギュラコンタクトベアリング）２７によって回転自在に支持されている。そして、ステータ２５ｂに励磁電流を供給すると、ロータ２５ａとの間に励磁力が発生し、その励磁力によってロータ２５ａが回転してスピンドル２１が回転駆動される。

第１の支持ヘッド３０は、上記スピンドルユニット２０を支持すると共に、スピンドルユニット２０を、前記スピンドル２１の回転軸線と直交する軸線（以下、「Ａ軸」という）を中心に回転させてその角度位置を割り出すためのものである。

第１の支持ヘッド３０は、支持部３０ｃに一対の脚部３０ａ、３０ｂを組み付けたフォーク形に構成されており、その脚部３０ａ、３０ｂ間で前記のスピンドルユニット２０を支持する。スピンドルユニット２０は、脚部３０ａ、３０ｂのそれぞれの内部に回転自在に組み込まれた支持軸によって支持されている。なお、図示の支持ヘッドは、スピンドルユニット２０を回転駆動するためのＤＤモータ（本発明の「駆動モータ」に相当）が、一対の脚部３０ａ、３０ｂのうちの脚部３０ａ側にのみ設けられた構成となっている。従って、以下では、両脚部３０ａ、３０ｂの各支持軸について、脚部３０ａ側の支持軸を駆動支持軸（本発明の「支持軸」に相当）といい、脚部３０ｂ側の支持軸を従動支持軸という。

以下に、脚部３０ａの構成を詳細に説明する。

脚部３０ａは、ハウジング３１ａを主体とし、その内部に、ＤＤモータ３３を構成するロータ（モータロータ）３３ａ及びステータ（モータステータ）３３ｂ、スピンドルユニット２０を支持する駆動支持軸、この駆動支持軸を回転自在に支持するための軸受（例えば、クロスローラベアリング）３５、及びスピンドルユニット２０へ加工用の流体（以下、単に「流体」という）を供給するためのロータリジョイント３７等が組み込まれている。

ハウジング３１ａは、ＤＤモータ３３及び後述の回転軸を挿入するために、脚部３０ｂ側が大きく開口している。また、ハウジング３１ａには、反脚部３０ｂ側の側面からＡ軸方向に伸びる円筒部３１ａ1が形成されている。そして、円筒部３１ａ1には、Ａ軸方向にロータリジョイント３７が挿入される貫通孔３１ａ2が形成されている。また、ハウジング３１ａの反脚部３０ｂ側の端面には、後述の流体供給用のパイプや電流を供給するためのケーブルが通される凹部３１ａ3が形成されている。さらに、脚部３０ａの反脚部３０ｂ側には、側面カバー１８ａが取り付けられており、凹部３１ａ3がこの側面カバー１８ａによって覆われている。なお、図２は、この側面カバー１８ａを外した状態を示している。

ロータリジョイント３７は、ハウジング３１ａに固定されたディストリビュータ３７ａと、ディストリビュータ３７ａの円筒部３７ａ1の外側に回転可能に嵌装されたシャフト３７ｂとで構成されている。

ディストリビュータ３７ａは、ハウジング３１ａの貫通孔３１ａ2に挿入された状態で、そのフランジ部３７ａ2において、円周方向に配設された複数のネジ部材３７ｃによってハウジング３１ａに取り付けられている。また、ディストリビュータ３７ａの中心には、スピンドルユニット２０に向けてのケーブル等の通過を許容するための貫通孔３７ａ4が形成されている。

また、ディストリビュータ３７ａには、流体を供給又は排出するための複数の流体流路３７ａ3が円周方向に位置をずらして形成されている。一方、シャフト３７ｂには、ディストリビュータ３７ａの各流体流路３７ａ3に対応する複数の流体流路３７ｂ1が形成されている。なお、図１では、複数の流体流路３７ａ3及び流体流路３７ｂ1は、その１つのみが代表的に示されている。

そして、各流体流路３７ａ3とそれに対応する各流体流路３７ｂ1とは、ディストリビュータ３７ａとシャフト３７ｂとの嵌合周面に形成された環状溝を介して連通しており、シャフト３７ｂが回転した場合でもその連通状態が維持されるように構成されている。また、各流体流路３７ｂ1は、スピンドルユニット２０に形成された流体供給用又は排出用のポート２４に連通されている。さらに、ディストリビュータ３７ａとシャフト３７ｂとの間には、各環状溝の間に密封用のシール部材が介装されている。

さらに、ディストリビュータ３７ａには、円周方向に位置をずらして複数の流体供給用又は排出用のポート３７ｄが形成されており、各ポート３７ｄに流体供給用又は排出用のパイプ１２が接続されている。そして、供給用のパイプ１２から供給された流体が、ロータリジョイント３７からポート２４を介してスピンドルユニット２０へ供給される。また、流体を循環させる場合には、スピンドルユニット２０内を循環した流体が、ロータリジョイント３７を介して排出用のパイプ１２へ排出される。因みに、このスピンドルユニット２０へ供給される流体としては、例えば、高速で回転するＤＤモータ２５やスピンドル２１を冷却するための冷却用の油、スピンドルユニット２０（スピンドル２１の回転部分）への切り粉の侵入を防ぐためのシール用のエア、加工時に回転工具等を冷却するための冷却用の水、等がある。

ＤＤモータ３３は、ハウジング３１ａに対し固定配置されたステータ３３ｂと、ステータ３３ｂの内周面に対向するように配設されたロータ３３ａとからなる。すなわち、図示のＤＤモータ３３は、インナーロータ型のモータとして構成されている。

ステータ３３ｂは、ハウジング３１ａに固定されたステータスリーブ３３ｃの内周面に内嵌固定されている。このステータスリーブ３３ｃの外周面には、環状溝３３ｃ1が形成されている。一方、ハウジング３１ａには、この環状溝３３ｃ1に連通する流体供給路３１ａ4及び流体排出路３１ａ5が形成されている。そして、この環状溝３３ｃ1に対し、流体供給路３１ａ4からＤＤモータ３３を冷却するための冷却用の流体（例えば、油）が供給され、ロータ３３ａの回転に伴うＤＤモータ３３の発熱を抑えるようになっている。なお、環状溝３３ｃ1は、流体供給路３１ａ4から供給された流体が、環状溝３３ｃ1を循環して流体排出路３１ａ5から排出されるように、螺旋状に形成されている（図示略）。

ロータ３３ａは、ハウジング３１ａ内に回転可能に設けられた回転軸３２の外周面に外嵌固定されている。この回転軸３２は、前述のロータリジョイント３７のシャフト３７ｂに対しその回転軸線について同心的に配置されており、円周方向に配設された複数のネジ部材によってシャフト３７ｂに固定されている。そして、ロータ３３ａは、その外周面がステータ３３ｂの内周面に対向する配置で、回転軸３２に形成された円筒部３２ａの外周面に外嵌固定され、回転軸３２に対し相対回転不能に設けられている。

また、回転軸３２には、その脚部３０ｂ側の端面３２ｂに対し、円周方向に配設された複数のネジ部材１４によってスピンドルユニット２０が固定される。すなわち、スピンドルユニット２０は、回転軸３２の端面３２ｂに対して固定されることにより、回転軸３２に支持される。従って、脚部３０ａ側では、回転軸３２及びこれと一体的に回転するロータリジョイント３７のシャフト３７ｂが、スピンドルユニット２０のための駆動支持軸を構成している。

回転軸３２の円筒部３２ａは、回転軸３２をロータリジョイント３７のシャフト３７ｂに組み付けた状態で、僅かな隙間を介して前記したハウジング３１ａの円筒部３１ａ1を囲繞するように形成されている。言い換えると、回転軸３２をシャフト３７ｂに組み付けた状態で、円筒部３２ａの内周面の半径方向内側、すなわち、円筒部３２ａに外嵌固定されたＤＤモータ３３のロータ３３ａの半径方向内側には、ハウジング３１ａの円筒部３１ａ1が存在している。

一方、ハウジング３１ａの円筒部３１ａ1と円筒部３１ａ1の貫通孔３１ａ2内に位置するロータリジョイント３７のシャフト３７ｂとの間には、軸受３５が介装されている。そして、この軸受３５によってシャフト３７ｂがハウジング３１ａに対し回転自在に支持された状態となっている。

このように、図示の例では、駆動支持軸（ロータリジョイント３７のシャフト３７ｂ＋シャフト３７ｂに組み付けられた回転軸３２）は、ＤＤモータ３３のロータ３３ａが外嵌固定される大径部（回転軸３２の円筒部３２ａ）と、この大径部の半径方向内側で軸受３５によって回転自在に支持される軸部（ロータリジョイント３７のシャフト３７ｂ）とを有している。そして、この大径部と軸部との間にはハウジング３１ａに形成された円筒部３１ａ1が配設され、この円筒部３１ａ1と支持軸との間に軸受３５が介装される構成となっている。これにより、支持軸が、ハウジング３１ａに対し回転自在に支持される構成となっている。しかも、図示のように、軸受３５のＡ軸方向に関する配置は、Ａ軸方向におけるＤＤモータ３３の存在範囲内となっている。

次に、脚部３０ａと対向する位置でスピンドルユニット２０を支持する脚部３０ｂの構成について、以下で詳細に説明する。

脚部３０ｂは、ハウジング３１ｂを主体とし、その内部に、スピンドルユニット２０の角度位置を保持するクランプ機構３４、スピンドルユニット２０を支持する従動支持軸、この従動支持軸を回転自在に支持するための軸受３６、及びロータリジョイント３８等が組み込まれている。

ハウジング３１ｂは、Ａ軸方向に貫通する貫通孔３１ｂ1が形成されており、その貫通孔３１ｂ1内に上記クランプ機構３４、従動支持軸、軸受３６、及びロータリジョイント３８が組み込まれている。また、ハウジング３１ｂの反脚部３０ａ側の端面には、脚部３０ａと同様に凹部が形成されており（図示略）、これが側面カバー１８ｂによって覆われている。

ロータリジョイント３８は、脚部３０ａ側のロータリジョイント３７と同様のものであって、ハウジング３１ｂに固定された軸受ホルダ７０の円筒部７０ａ1に固定されたディストリビュータ３８ａと、ディストリビュータ３８ａの円筒部３８ａ1の外側に回転可能に嵌装されたシャフト３８ｂとで構成されている。

ディストリビュータ３８ａは、上記の円筒部３８ａ1と、円筒部３８ａ1の反脚部３０ａ側の端部で半径方向に広がるように形成されたフランジ部３８ａ2とからなっている。そして、ディストリビュータ３８ａは、軸受ホルダ７０の貫通孔７０ａ4に挿入された状態で、フランジ部３８ａ2において、円周方向に配設された複数のネジ部材３８ｃによって軸受ホルダ７０に組み付けられている。また、ディストリビュータ３８ａの中心には、Ａ軸方向に貫通する貫通孔３８ａ4が形成されている。

このディストリビュータ３８ａには、円周方向に位置をずらして複数の流体流路３８ａ3が形成されている。一方、シャフト３８ｂには、ディストリビュータ３８ａの各流体流路３８ａ3に対応する複数の流体流路３８ｂ1が形成されている。なお、図１では、この複数の流体流路３８ａ3及び流体流路３８ｂ1について、その１つのみが代表的に示されている。

そして、各流体流路３８ａ3とそれに対応する各流体流路３８ｂ1とは、ディストリビュータ３８ａとシャフト３８ｂとの嵌合周面に形成された環状溝を介して連通しており、シャフト３８ｂが回転した場合でもその連通状態が維持されるように構成されている。また、ディストリビュータ３８ａとシャフト３８ｂとの間には、各環状溝の間に密封用のシール部材が介装されている。さらに、流体流路３８ｂ1は、スピンドルユニット２０に形成された流体供給用又は排出用のポート２４に連通されている。

軸受ホルダ７０は、上記の円筒部７０ａ1と、円筒部７０ａ1の反脚部７０ａ側の端部で半径方向に広がるように形成されたフランジ部７０ａ2とからなっている。そして、軸受ホルダ７０は、このフランジ部７０ａ2において、円周方向に配設された複数のネジ部材７０ｂによってハウジング３１ｂに組み付けられている。また、軸受ホルダ７０の中心には、上記の貫通孔７０ａ4がＡ軸方向に貫通するように形成されている。

脚部３０ｂにおいて、脚部３０ａの回転軸３２に対応する回転軸３９は、フランジ部材３９ｂと、このフランジ部材３９ｂに組み付けられたロータリジョイント３８のシャフト３８ｂとで構成されている。この回転軸３９（ロータリジョイント３８のシャフト３８ｂ＋フランジ部材３９ｂ）は、その回転軸線が、脚部３０ａの回転軸３２の回転軸線（＝Ａ軸）と一致するように配設される。そして、回転軸３９は、軸受３６によって軸受ホルダ７０に回転自在に支持されており、Ａ軸に関し軸受ホルダ７０の円筒部７０ａ1と同心的に配設された状態となっている。

また、フランジ部材３９ｂは、脚部３０ａ側に、脚部３０ａにおける回転軸３２の端面３２ｂと平行な端面３９ｂ1を有しており、この端面３９ｂ1に対し、円周方向に配設された複数のネジ部材１５によってスピンドルユニット２０が固定される。従って、この回転軸３９が、脚部３０ｂにおけるスピンドルユニット２０を支持するための従動支持軸として機能する。なお、回転軸３９には、フランジ部材３９ｂの外周部において、円筒状のブレーキ部材７１が固定されており、このブレーキ部材７１も回転軸３９と一体的に回転する。従って、このブレーキ部材７１も従動支持軸の一部に相当する。

スピンドルユニット２０の回転位置（角度位置）を保持するためのクランプ機構３４は、主としてクランプスリーブ３４ａで構成される。クランプスリーブ３４ａは、圧力室を形成するための環状溝３４ａ1が形成された円筒部３４ａ2と、この円筒部３４ａ2の脚部３０ａ側の端部で半径方向に広がるように形成されたフランジ部３４ａ3とからなっている。また、円筒部３４ａ2は、回転軸３９と一体的に回転するブレーキ部材７１を、その回転を許容する状態で囲繞している。

クランプスリーブ３４ａの円筒部３４ａ2とハウジング３１ｂとの間には、環状の受圧部材３４ｂが介装されている。より詳しくは、ハウジング３１ｂの貫通孔３１ｂ1に受圧部材３４ｂが内嵌固定されており、さらに、この受圧部材３４ｂの内周面にクランプスリーブ３４ａの円筒部３４ａ2が内嵌固定されている。そして、フランジ部３４ａ3に螺挿したネジ部材により、クランプスリーブ３４ａがハウジング３１ｂに固定され、さらに、受圧部材３４ｂがフランジ部３４ａ3に対し固定されている。

また、クランプスリーブ３４ａには、円筒部３４ａ2に対し、受圧部材３４ｂ側に開口する環状溝３４ａ1が形成されており、この環状溝３４ａ1と受圧部材３４ｂの内周面とにより、圧力室が形成される。さらに、この圧力室には、受圧部材３４ｂに形成された流体流路３４ｂ1が連通している。この流体流路３４ｂ1は、クランプスリーブ３４ａのフランジ部３４ａ3に形成された流体流路３4ａ4を介し、ハウジング３１ｂに形成された流体流路３１ｂ2に連通している。

そして、このクランプ機構３４では、これらの流体流路を介して圧力流体（例えば、圧油）が圧力室に供給されることにより、クランプスリーブ３４ａにおいて、円筒部３４ａ2の環状溝３４ａ1に対応する薄肉部が縮径方向に変形する。その結果、ブレーキ部材７１に対し縮径方向の締付け力が作用し、ブレーキ部材７１及びこれに組み付けられた回転軸３９の回転が阻止された状態（クランプ状態）となる。また、圧力室への圧力流体の供給を停止することにより、円筒部３４ａ2の薄肉部の変形状態が解消され、シャフト３８ｂに対する締付け力が消失してクランプ状態が解除される。

また、図示の例では、脚部３０ｂ内に、回転軸３９の回転角度（＝スピンドルユニット２０の角度位置）を検出するための回転検出器４１が設けられている。

回転検出器４１は、軸受ホルダ７０の貫通孔７０ａ4内に設けられ、貫通孔７０ａ4の内周面から半径方向に突出する円盤状の支持部の所定位置に取り付けられた一対の検出ヘッド４１ａ、４１ａと、検出器ヘッド４１ａ、４１ａの内側に対向するよう配置で、回転軸３９の端部に取り付けられた検出リング４１ｂとで構成されている。この回転検出器４１によるスピンドルユニット２０の角度位置の検出信号は、本発明の加工用ヘッド１０が搭載される工作機械の制御装置（図示せず）に送られ、スピンドルユニット２０の回転制御（数値制御）に用いられる。

次に、図示の加工用ヘッド１０における第２の支持ヘッド５０について、その詳細を以下に説明する。

前述のように、本実施例における加工用ヘッド１０は、上記で説明した第１の支持ヘッド３０に加え、この第１の支持ヘッド３０を支持する第２の支持ヘッド５０を備えている。そして、第１の支持ヘッド３０は、第２の支持ヘッド５０を介し、前述の工作機械のラム等に支持される。この第２の支持ヘッド５０は、第１の支持ヘッド３０を鉛直方向の軸線（工作機械のＺ軸と平行な軸線／以下、「Ｃ軸」という）を中心に回転駆動させるために設けられている（図３）。

第２の支持ヘッド５０は、Ｃ軸方向に貫通する貫通孔５１ａを有するハウジング５１を主体としており、軸部５２ａが貫通孔５１ａ内に配設された回転軸５２を備えている。そして、第１の支持ヘッド３０は、この回転軸５２を介して第２の支持ヘッド５０に対し組み付けられている。また、図示の例では、第２の支持ヘッド５０は、そのフランジ部５１ｂに螺挿された複数のネジ部材によって工作機械１のラム８に取り付けられている。

第２の支持ヘッド５０は、ハウジング５１の貫通孔５１ａ内に、回転軸５２を回転駆動するためのＤＤモータ５３、回転軸５２の回転位置を保持するためのクランプスリーブ５４、及び第１の支持ヘッド３０へ流体を供給するためのロータリジョイント５５を備えている。

ＤＤモータ５３は、ステータスリーブ５３ｃを介してハウジング５１に固定されたステータ５３ａと、スタータ５３ａの内周面に対向する配置で、回転軸５２に固定されたロータ５３ｂとで構成されている。また、ＤＤモータ５３を駆動するための励磁電流の供給は、コネクタ１７ａを介してＤＤモータ５３に接続されたケーブル１７によって行われる。

回転軸５２は、ハウジング５１の貫通孔５１ａ内で回転可能に設けられた軸部材５２ａと、軸部材５２ａの第１の支持ヘッド３０側の端部に取り付けられて半径方向（Ｃ軸と直交する方向）へ広がるフランジ部材５２ｂとを含んでいる。また、回転軸５２には、ロータリジョイント５５が挿通される貫通孔５２ｃが形成されている。

なお、図示の例では、回転軸５２の軸部材５２ａとフランジ部材５２ｂとの間に軸受ハウジング５２ｄが形成されている。そして、この軸受ハウジング５２ｄとハウジング５１との間に軸受５６が介装され、この軸受５６により、回転軸５２がハウジング５１に対し回転自在に支持された状態となっている。因みに、図示の例における軸受５６は、複合ころ形式の旋回軸受の１つである３列円筒ころ軸受（３列ローラベアリング／アキシアル・ラジアルローラベアリング）であって、アキシアル方向及びラジアル方向の大きい荷重を受けることができるものである。

軸部材５２ａの外周面には、ＤＤモータ５３のロータ５３ｂが外嵌固定されており、ロータ５３ｂの回転に伴って軸部材５２ａがＣ軸を中心として回転駆動される。また、フランジ部材５２ｂは、円周方向に配設された複数のネジ部材５２ｅによって軸部材５２ａに組み付けられており、軸部材５２ａと一体的に回転する。さらに、フランジ部材５２ｂには、円周方向に複数のネジ部材１９が螺挿されており、このネジ部材１９によって、第１の支持ヘッド３０の支持部３０ｃがフランジ部材５２ｂに組み付けられる。従って、回転軸５２がＤＤモータ５３によって回転駆動されることにより、第１の支持ヘッド３０が回転軸５２と共に回転する。

ロータリジョイント５５は、第１の支持ヘッド３０のロータリジョイント３７、３８と同様のものであって、ハウジング５１に固定されたディストリビュータ５５ａと、ディストリビュータ５５ａに形成された貫通孔５５ａ1に回転可能に嵌装され、Ｃ軸に関しディストリビュータ５５ａと同心的に配設されたシャフト５５ｂとで構成されている。

ディストリビュータ５５ａは、回転軸５２の貫通孔５２ｃ内に配置される円筒部５５ａ2と、円筒部５５ａ2の反第１の支持ヘッド３０側の端部で半径方向に広がるように形成されたフランジ部５５ａ3とからなっており、そのフランジ部５５ａ3において、円周方向に配設された複数のネジ部材により、ハウジング５１に組み付けられている。

また、シャフト５５ｂには、第１の支持ヘッド３０側の端部に、円盤状のフランジ部材５７が組み付けられており、シャフト５５ｂは、このフランジ部材５７を介して回転軸５２のフランジ部材５２ｂに対し組み付けられている。従って、回転軸５２の回転に伴い、シャフト５５ｂも共に回転する。なお、フランジ部材５７は、第１の支持ヘッド３０の支持部３０ｃに形成された円形の凹部３０ｃ1に嵌め込まれる形状となっており、このフランジ部材５７と支持部３０ｃの凹部３０ｃ1とにより、第１の支持ヘッド３０と第２の支持ヘッド５０とを組み付ける際の位置決めが行われる。

ディストリビュータ５５ａには、外部から流体を取り入れるための流体流路５５ａ4が、円周方向に位置をずらして複数形成されている。一方、シャフト５５ｂにも、ディストリビュータ５５ａの各流体流路５５ａ4に対応する複数の流体流路５５ｂ1が、円周方向に位置をずらして形成されている。

そして、各流体流路５５ａ4とそれに対応する各流体流路５５ｂ1とは、ディストリビュータ５５ａとシャフト５５ｂとの嵌合周面に形成された環状溝を介して連通しており、シャフト５５ｂが回転した場合でもその連通状態が維持されるように構成されている。また、シャフト５５ｂに形成された複数の流体流路５５ｂ1は、それぞれ第１の支持ヘッド３０におけるロータリジョイント３７又は３８のディストリビュータ３７ａ、３８ａに形成された対応する流体流路３７ａ3又は３８ａ3に連通されている。従って、外部からロータリジョイント５５のディストリビュータ５５ａに供給された流体は、シャフト５５ｂを介し、第１の支持ヘッド３０のロータリジョイント３７、３８へ供給される。

ハウジング５１に固定されたディストリビュータ５５ａと回転軸５２の軸部材５２ａとの間には、回転軸５２の回転位置を保持するためのクランプスリーブ５４が設けられている。このクランプスリーブ５４は、そのフランジ部５４ａにおいて、複数のネジ部材によってディストリビュータ５５ａに組み付けられると共に、回転軸５２との相対回転が許容されるように設けられている。また、クランプスリーブ５４の円筒部５４ｂには、ディストリビュータ５５ａの円筒部５５ａ2側に開口する環状溝５４ｃが形成されており、この環状溝５４ｃとディストリビュータ５５ａの円筒部５５ａ2の外周面とにより圧力室が形成される。

そして、この圧力室に対し、ディストリビュータ５５ａに形成された流体流路５４ｄを介して圧力流体を供給することにより、円筒部５４ｂの環状溝５４ｃに対応する薄肉部が拡径方向に変形する。その結果、回転軸５２に対し拡径方向の締付け力が作用し、回転軸５２の回転が阻止された状態（クランプ状態）となる。

また、図示の例では、ロータリジョイント５５の上端部に、回転軸５２の回転量、すなわち、第１の支持ヘッド３０の回転量を検出するための回転検出器４４が設けられている。この回転検出器４４は、ディストリビュータ５５ａ上の所定位置に配置された一対の検出器ヘッド４４ａ、４４ａと、この検出ヘッド４４ａ、４４ａに対向する配置で、回転軸５２と共に回転するシャフト５５ｂに取り付けられた検出リング４４ｂとからなっている。この回転検出器４４の検出信号は、第１の支持ヘッド３０における回転検出器４１と同様に、工作機械の制御装置に送られ、第１の支持ヘッド３０の回転制御に用いられる。

以上の構成からなる加工用ヘッド１０では、スピンドルユニット２０を支持する支持ヘッド（第１の支持ヘッド３０）は、スピンドルユニット２０を、一対の脚部３０ａ、３０ｂの各支持軸に挟み込むかたちで、両支持軸に相対回転不能に固定して支持している。そして、脚部３０ａ側の駆動支持軸をＤＤモータ３３によって回転駆動することにより、スピンドルユニット２０を、支持軸の回転軸線（＝スピンドル２１の回転軸線に直交する軸線／Ａ軸）を中心として、所望の角度位置へ向けて回転駆動する。

ＤＤモータ３３の駆動は、予め設定されたプログラムに基づく数値制御に従って行われ、ロータ３３ａの回転制御により、駆動支持軸を介してスピンドルユニット２０の角度位置が制御される。従って、図示の例では、脚部３０ａ内に設けられたＤＤモータ３３及びＤＤモータ３３に連結された駆動支持軸（回転軸３２＋シャフト３７ｂ）が、スピンドルユニット２０のための割出し機構として機能する。なお、ＤＤモータ３３を駆動するための励磁電流は、コネクタ１６ａによってＤＤモータ３３に接続されたケーブル１６によって供給される。

そして、本発明に基づく上記第１の支持ヘッド３０では、前述のように、スピンドルユニット２０を支持する支持軸であってＤＤモータ３３によって回転駆動される支持軸（駆動支持軸）のための軸受３５が、Ａ軸方向におけるＤＤモータ３３の存在範囲内で、インナーロータ型ＤＤモータ３３のロータ３３ａの半径方向内側に配設されているため、軸受３５がＤＤモータ３３の半径方向内側の空間に収容されるかたちとなり、脚部３０ａのＡ軸方向の寸法が大きくなることはない。

また、脚部３０ｂについては、そのＡ軸方向の寸法は、支持軸（従動支持軸）の長さ（Ａ軸方向の寸法）に基づいて定められており、その支持軸の長さは、加工時に掛かる負荷のバランスを考慮して、脚部３０ａの支持軸の長さとより等しくするのが好ましいとされている。従って、脚部３０ｂのＡ軸方向の寸法は、脚部３０ａのそれに左右されるものであり、脚部３０ａのＡ軸方向の寸法をより小さくすることにより、脚部３０ｂのＡ軸方向の寸法もより小さいものとすることができる。その結果、第１の支持ヘッド３０は、全体としてＡ軸方向の寸法が小さいものとなり、加工用ヘッド１０のコンパクト化を図ることができる。

しかも、本発明によれば、軸受３５は、より小径のものを採用することが可能となる。軸受は、径が大きくなる程に振れ精度の低下を招いて加工精度を低下させる要因となってしまうが、この本実施例の構成によれば、このような軸受の大径化に伴う加工精度の低下という問題は発生しない。

なお、以上で説明した第１の支持ヘッド３０では、軸受３５のＡ軸方向に関する配置について、軸受３５がＡ軸方向におけるＤＤモータ３３の存在範囲内に収まる状態で配置されているが、本発明による加工用ヘッドでは、軸受３５は、その少なくとも一部がＡ軸方向におけるＤＤモータ３３の存在範囲内に位置するように配置されるものであればよい。

また、上記の第１の支持ヘッド３０では、脚部３０ａにおける支持軸とハウジング３１ａの円筒部３１ａ1との間の軸受３５の配置について、ロータリジョイント３７のシャフト３７ｂとハウジング３１ａの円筒部３１ａ1との間に軸受３５を設ける構成としているが、これに代えて、回転軸３２の円筒部３２ａとハウジング３１ａの円筒部３１ａ1との間に軸受３５を設けることも可能である（図４(a)）。

また、上記の第１の支持ヘッド３０では、ロータリジョイント３７を最もＡ軸側に配置し、ロータリジョイント３７（シャフト３７ｂ）の外周面に軸受３５を外嵌固定する構成としたが、これに代えて、ロータリジョイント３７を、軸受３５の外周面側に設ける構成とすることも可能である（図４(b)）。

すなわち、上記第１の支持ヘッド３０では、支持軸（ロータリジョイント３７のシャフト３７ｂ＋回転軸３２）は、ＤＤモータ３３のロータ３３ａが外嵌固定される大径部と、この大径部の半径方向内側で軸受３５によって回転自在に支持される軸部とを有しており、上記大径部が回転軸３２の円筒部３２ａによって形成され、軸部がロータリジョイント３７のシャフト３７ｂで形成されているが、これに代えて、上記大径部をロータリジョイント３７のシャフト３７ｂで形成し、その外周面にＤＤモータ３３のロータ３３ａを外嵌固定するようにしてもよい。

次に、本発明の他の実施形態を、図５に基づいて説明する。

上記の実施例では、本発明が適用される加工用ヘッドにおける支持ヘッド（第１の支持ヘッド３０）について、スピンドルユニット２０を支持する一対の脚部のうちの一方の脚部のみが、スピンドルユニット２０を回転駆動するための割出し機構（ＤＤモータ）を備えたものとしたが、これに代えて、図５に示すように、両脚部に割出し機構（ＤＤモータ）を備えた支持ヘッドの両割出し機構に対し本発明を適用してもよい。

図５に示す支持ヘッド６０では、スピンドルユニット２０を支持する一対の脚部６０ａ、６０ｂのそれぞれに対し、ＤＤモータ６３を含む割出し機構が設けられている。なお、図示の例では、脚部６０ａと６０ｂの内部構造はほぼ同じである。従って、以下では、脚部６０ａについてのみ説明し、脚部６０ｂについては、その説明及び図面における符号は省略する。

脚部６０ａは、Ａ軸方向に貫通する貫通孔６１ａが形成されたハウジング６１を主体としてなり、その貫通孔６１ａ内に、ＤＤモータ６３、スピンドルユニット２０を支持する支持軸、支持軸を回転自在に支持するための軸受６５、及びロータリジョイント６７等が組み込まれている。また、脚部６０ａには、前述の実施例と同様の回転検出器６８が設けられている（回転検出器６８は脚部６０ａ側のみ）。

図示の例では、ロータリジョイント６７のディストリビュータは、２つの部材６７ａ（第１のディストリビュータ）及び６７ｂ（第２のディストリビュータ）によって構成されている。そして、第２のディストリビュータ６７ｂが、そのフランジ部６７ｂ2において第１のディストリビュータ６７ａに組み付けられ、第１のディストリビュータ６７ａが、そのフランジ部６７ａ2においてハウジング６１に組み付けられることにより、第１、第２のディストリビュータ６７ａ、６７ｂが、ハウジング６１に対し固定された状態となっている。

また、ロータリジョイント６７のシャフト６７ｃは、第１のディストリビュータ６７ａの円筒部６７ａ1と第２のディストリビュータ６７ｂの円筒部６７ｂ1との間に回転可能に嵌装される大径部６７ｃ1と、軸受６５が外嵌固定される軸部６７ｃ2とからなっている。

そして、このロータリジョイント６７では、第１、第２のディストリビュータ６７ａ、６７ｂのそれぞれに複数形成された流体流路６７ａ3、６７ｂ3と、各流体流路６７ａ3、６７ｂ3に対応してシャフト６７ｃに形成された複数の流体流路６７ｃ３とが、第１、第２のディストリビュータ６７ａ、６７ｂの各円筒部６７ａ1及び６７ｂ1とシャフト６７ｃの大径部６７ｃ1との嵌合周面に形成された環状溝を介して連通されている。

シャフト６７ｃの軸部６７ｃ2には、脚部６０ｂ側に、ハウジング６１に対し回転可能に設けられた回転軸６２が組み付けられている。この回転軸６２は、ロータリジョイント６７における第１のディストリビュータ６７ａの円筒部６７ａ1を囲繞する円筒部６２ａを有している。また、回転軸６２には、ロータリジョイント６７のシャフト６７ｃに形成された各流体流路６７ｃ3のそれぞれにに連通する複数の流体流路６２ｃが形成されており、各流体流路６７ｃ3は、この流体流路６２ｃを介してスピンドルユニット２０のポート２４に連通している。

図示のように、ハウジング６１に固定されたロータリジョイント６７における第１のディストリビュータ６７ａの円筒部６７ａ1とシャフト６７ｃの軸部６７ｃ2との間には、軸受６５が介装されている。そして、この軸受６５により、シャフト６７ｃは、ハウジング６１に対し回転自在に支持された状態となっている。また、回転軸６２は、この軸受６５によって回転自在に支持されたシャフト６７ｃに組み付けられると共に、その脚部６０ｂ側の端面６２ｂにスピンドルユニット２０が取り付けられる。従って、ロータリジョイント６７のシャフト６７ｃ及び回転軸６２が、ハウジング６１に対し回転自在に設けられてスピンドルユニット２０を支持する支持軸に相当する。

ＤＤモータ６３は、ステータスリーブ６３ｃを介してハウジング６１に固定されたステータ６３ａと、ステータ６３ａの内周面に対向する配置で、回転軸６２の円筒部６２ａの外周面に外嵌固定されたロータ６３ｂとで構成されており、インナーロータ型のＤＤモータである。

このように、図示の支持ヘッド６０では、インナーロータ型のＤＤモータ６３のロータ６３ｂは、第１のディストリビュータ６７ａの円筒部６７ａ1を囲繞する回転軸６２の円筒部６２ａに外嵌固定されており、一方で、上記支持軸を回転自在に支持するための軸受６５は、第１のディストリビュータ６７ａの円筒部６７ａ1とこの円筒部６７ａ1よりも半径方向内側に位置するシャフト６７ｃの軸部６７ｃ2との間に介装されている。

すなわち、本実施例においても、支持軸（回転軸６２＋ロータリジョイント６７のシャフト６７ｃ）は、ＤＤモータ６３のロータ６３ｂが外嵌固定される大径部（回転軸６２の円筒部６２ａ）と、この大径部の半径方向内側で軸受６５によって回転自在に支持される軸部（ロータリジョイント６７のシャフト６７ｃ）とを有している。そして、この大径部と軸部との間には、ハウジング６１に固定的に設けられた円筒部材（第１のディストリビュータ６７ａの円筒部６７ａ1／本発明の「円筒部」に相当）が配設されると共に、この円筒部材と支持軸との間に軸受６５が介装され、支持軸がハウジング６１に対し回転自在に支持される構成となっている。

従って、支持軸を回転自在に支持するための軸受６５は、支持軸を回転駆動するためのＤＤモータ６３のロータ６３ｂの半径方向内側に配設される構成となる。しかも、その軸受６５のＡ軸方向の配置は、図示のように、Ａ軸方向におけるＤＤモータ６３の存在範囲内となっている。よって、本実施例によっても、前述の図１等の実施例と同様の効果が得られる。特に、本実施例の支持ヘッド６０のように、一対の脚部６０ａ、６０ｂのそれぞれにＤＤモータ３３を含む割出し機構を設けた場合、図１等の実施例による支持ヘッドに比べ、Ａ軸方向の寸法がより大きなものとなってしまうため、本発明は、このような支持ヘッドの場合により有効である。

なお、本発明は上記のいずれの実施形態にも限定されるものではなく、本発明の請求範囲を逸脱しない限りにおいて種々に変更することが可能である。

本発明の加工用ヘッドにおける支持ヘッドの一実施形態を示す正面部分断面図。 本発明の加工用ヘッドにおける支持ヘッドの一実施形態を示す側面図。 本発明の加工用ヘッドの一実施形態を示す正面部分断面図。 上記実施形態における支持ヘッドの変形例を示す部分断面図。 本発明の加工用ヘッドにおける支持ヘッドの他の実施形態を示す正面部分断面図。 本発明の加工用ヘッドが適用される工作機械の一例を示す斜視図。

符号の説明

１ 工作機械
１０ 加工用ヘッド
２０ スピンドルユニット
２１ スピンドル
２５ 駆動モータ
３０ 支持ヘッド（第１の支持ヘッド）
３０ａ、３０ｂ 脚部
３０ｃ 支持部
３１ａ、３１ｂ ハウジング
３２ 回転軸
３３ ＤＤモータ
３３ａ ロータ
３３ｂ ステータ
３４ クランプ機構
３４ａ クランプスリーブ
３５、３６ 軸受
３７ ロータリジョイント
３７ａ ディストリビュータ
３７ｂ シャフト
３８ ロータリジョイント
３８ａ ディストリビュータ
３８ｂ シャフト
３９ 回転軸
４１、４４ 回転検出器
４１ａ、４４ａ 検出ヘッド
４１ｂ、４４ｂ 検出リング
５０ 第２の支持ヘッド
５１ ハウジング
５２ 回転軸
５３ ＤＤモータ
５３ａ ステータ
５３ｂ ロータ
５４ クランプスリーブ
５５ ディストリビュータ
５６ 軸受（３列円筒ころ軸受）
６０ 支持ヘッド
６１ ハウジング
６２ 回転軸
６３ ＤＤモータ
６３ａ ステータ
６３ｂ ロータ
６５ 軸受
６７ ロータリジョイント
６７ａ、６７ｂ ディストリビュータ
６７ｃ シャフト
６８ 回転検出器
７０ 軸受ホルダ
７１ ブレーキ部材

Claims (1)

1. 工具が取り付けられるスピンドルを含むスピンドルユニットと、該スピンドルユニットを支持する支持ヘッドであって前記スピンドルの回転軸線と直交する軸線を中心に前記スピンドルユニットを回転させてその角度位置を割り出す割出し機構を含む支持ヘッドと、を備えた工作機械用の加工用ヘッドであって、
   前記割出し機構が、前記スピンドルユニットに固定されると共に前記支持ヘッドのハウジング内に回転自在に設けられた支持軸と、前記支持軸を回転駆動するための駆動モータであって前記支持ヘッドのハウジング内で前記支持軸周りに同軸的に配置されて前記支持軸に連結されたモータロータ及び該モータロータの外周に対向すべく前記モータロータを囲繞するように設けられたモータステータからなる駆動モータとを備え、
   前記支持軸は、前記モータロータが外嵌固定される大径部と軸受によって回転自在に支持される軸部とを有し、
   前記ハウジングは、前記大径部と前記軸部との間に配設される円筒部を有し、
   前記支持軸を回転自在に支持するための前記軸受は、前記ハウジングの前記円筒部と前記支持軸との間に介装され、その少なくとも一部が、前記支持軸の回転軸線方向における前記駆動モータの存在範囲内で、前記モータロータの半径方向内側に位置するように配置されている、
   ことを特徴とする工作機械用の加工用ヘッド。

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