JP6732608B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は工作機械に関し、とくに高回転のもとで高精度切削を行うための工作機械に関する。

従来、マシニングセンタなどの工作機械では、主軸ヘッドに支持された主軸の先端に各種の切削工具を装着し、主軸を回転させることでワークの切削加工を行っている。
切削工具は、ワークに対する加工内容に応じて、多様なものが選択される。多様な形状の工具を同じ主軸の先端に装着するために、ＢＴ規格などの共通化されたホルダが使用される。

近年、主軸回転の高速化および高精度化の要求に応えるべく、ホルダを用いずに工具を主軸に装着する工作機械が用いられるようになっている。
例えば、一部の工作機械では、主軸の支持にエアベアリング（空気静圧軸受）が用いられ、毎分数万ないし数十万回転に及ぶ高回転化が図られている（特許文献１参照）。
前述のような高速回転型の工作機械では、ホルダを介して工具を装着する構造が不都合となる。例えば、ホルダに工具を固定する際に軸芯精度が十分でないと、高速回転時の振れが大きくなり、エアベアリングでの回転支持に適さない。また、ホルダを用いることで機械的な小型化が難しく、高速回転型の工作機械が多用される微細形状の高精度加工に適さないことになる。

このような背景から、主軸の支持にエアベアリングを用いる工作機械において、工具を主軸に直接固定できるとともに、主軸部分の構造が簡素な工作機械が求められていた。
このような要求に対し、本願発明者らは、鋭意研究の結果、上述した要望を満足する技術を開発するに至り、これを特許出願している（特許文献２参照）。

特許文献２は、主軸ヘッドに回転自在に支持された主軸と、主軸の先端に設置されたチャック装置と、チャック装置にチャックされる工具と、を有する工作機械であって、チャック装置は、工具を挿入可能な円筒状のコレット部材と、主軸の端面に開口しかつコレット部材を収容可能なチャック孔と、コレット部材の外周と前記チャック孔の内周との間に形成されかつ前記チャック孔の開口から奥側に向かって主軸の中心軸線に近接するテーパ面を有する絞り機構と、コレット部材を前記チャック孔の開口から奥側へと引き込む引込機構と、を有するものとされる。

このような工作機械では、コレット部材、チャック孔、絞り機構および引込機構により、工具を主軸の軸線方向に引き込みつつ全周から締め付けてクランプすることができ、工具を主軸に直接固定できるとともに、主軸の先端側に突出する機構などはなく、主軸部分の構造が簡素なものとすることができる。

特開平０９−２５７０３７号公報 特開２０１６−１０７３６２号公報

ところで、主軸の支持にエアベアリングを用いない一般的な工作機械においては、工具移動をＸＹＺの３軸で制御するだけでなく、各軸まわりのＡＢＣ軸を含む４軸ないし６軸で制御する工作機械が利用されている。
しかし、主軸の支持にエアベアリングを用いる工作機械においては、ＸＹＺの３軸制御されるだけであり、主軸は専ら鉛直方向（Ｚ軸方向）に配置されていた。
そこで、エアベアリングで主軸が支持されるとともに、主軸の軸線方向を変更できる工作機械が求められていた。

本発明の目的は、エアベアリングで主軸が支持されるとともに、主軸の軸線方向を変更できる工作機械を提供することにある。

本発明は、主軸の支持にエアベアリングを用いる工作機械では、高精度かつ微小な加工を行うために、主軸ヘッドまわりの構造の小型化が要求され、主軸ヘッドの支持構造に追加的な機構を設置しにくく、このためにＡＢＣ軸の回動機構が適用できなかったのであり、主軸ヘッドの支持構造の大型化が避けられればＡＢＣ軸の回動機構の追加は可能である、との知見に基づく。

本発明の工作機械は、工具が装着される主軸と、前記主軸を回転自在に支持するエアベアリングおよび前記主軸を回転駆動するモータを有する主軸ヘッドと、ワークが固定されるテーブルと、前記テーブルに対して前記主軸ヘッドを相対移動可能に支持する支持構造と、を有し、前記支持構造は、前記主軸ヘッドを互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の少なくともいずれかに沿って平行移動させる移動機構と、前記主軸ヘッドを前記Ｘ軸、前記Ｙ軸、前記Ｚ軸の少なくともいずれかを中心に回動させる回動機構と、を有し、前記回動機構の回動軸線は、前記主軸ヘッドの重心から所定半径の領域を通るように配置されていることを特徴とする。

本発明において、移動機構としては、既存のＸ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構、Ｚ軸駆動機構を利用することができる。工作機械は、例えばベースにテーブルおよびコラムを設置し、コラムのクロスバーにサドルを支持し、サドルで主軸ヘッドを支持する構成とすることができる。このような工作機械では、コラムまたはテーブルをベースに対して移動させる機構をＸ軸駆動機構とし、サドルをクロスバーに対して移動させる機構をＹ軸駆動機構とし、主軸ヘッドをサドルに対して昇降させる機構をＺ軸駆動機構とすることができる。
本発明において、回動機構としては、Ｘ軸を中心に主軸ヘッドを回動させるＡ軸駆動機構、Ｙ軸を中心に主軸ヘッドを回動させるＢ軸駆動機構、Ｚ軸を中心に主軸ヘッドを回動させるＣ軸駆動機構のいずれか、およびこれらの組み合わせとすることができる。これらのＡ軸〜Ｃ軸の各軸駆動機構は、前述したＸ軸〜Ｚ軸の各軸駆動機構の一部に介在させることができる。例えば、Ａ軸駆動機構は、Ｚ軸駆動機構を介してサドルに主軸ヘッドを支持する部分に介在させることができ、サドルに対して主軸をＸ軸まわりに回動させることができる。この際、本発明では、Ａ軸駆動機構の回動軸線を、主軸ヘッドの重心位置ないし所定半径内を通るように設置する。
本発明において、回動機構の回動軸線が通る主軸ヘッドの重心から所定半径の領域としては、主軸ヘッドの重心から半径１０ｍｍの範囲内が好ましい。

本発明では、回動機構の回動軸線が、主軸ヘッドの重心から所定半径の領域を通る。このため、回動機構により主軸ヘッドを回動させても、回動に伴って主軸ヘッドの重心が変位しない、または変位が僅少である。
従って、回動に伴う主軸ヘッドの重心位置の変動に対応するべく、主軸ヘッドの支持構造を補強する必要がなく、かつ慣性モーメントが最小となるため回動機構の駆動性能も最小限で済む。その結果、本発明によれば、回動機構を追加しても、主軸ヘッドの支持構造の大型化を避けることができ、ＸＹＺの３軸制御に加えてＡＢＣ軸の回動機構を追加することが可能となる。
これにより、エアベアリングで主軸が支持されるとともに、主軸の軸線方向を変更できる工作機械を実現することができる。

本発明の工作機械において、前記主軸ヘッドには、前記エアベアリングにエアを供給するエア配管が接続され、前記エア配管の前記主軸ヘッドに接続される端部は、その連続方向軸線が前記主軸ヘッドの前記回動軸線と平行かつ前記回動軸線から所定半径の領域に配置されていることが好ましい。

本発明では、主軸ヘッドに接続されるエア配管の端部の連続方向軸線が、主軸ヘッドの回動軸線に沿っているため、主軸ヘッドが回動してもエア配管の変位を僅少ないし無くすことができる。
ここで、主軸ヘッドの回動に伴ってエア配管の位置が大きく変動する場合、周辺装置などとの干渉を避けるために、主軸ヘッドの周囲にエア配管の変位に応じた空間を確保する必要がある。このような空間の確保は、主軸ヘッド周辺の小型化要求に逆行し、回動機構の追加を阻害する可能性が生じる。
これに対し、本発明では、回動によるエア配管の変位が僅少ないし解消できるため、主軸ヘッドの周囲に余分な空間を確保する必要がなく、回動機構の追加を容易にすることができる。
なお、主軸ヘッドの回動に伴ってエア配管に捻れが生じることがあるが、エア配管を可撓性材料とすること、あるいはエア配管の端部ないし中間に相対回転自在なカプラ等を用いることで、捻れを解消すればよい。

本発明の工作機械において、前記主軸ヘッドは、前記エアベアリングを含む前記主軸ヘッドの機構部分を囲うカバーを有し、前記エア配管は、前記カバーの内部に収容されていることが好ましい。

本発明では、カバーでエアベアリングを含む主軸ヘッドの機構部分を囲むことでこれらを外部から遮蔽して保護等することができる。また、エア配管がカバーに収容されることで、エア配管と周辺装置との干渉を防止することができる。
本発明では、前提として、主軸ヘッドが回動してもエア配管の変位を最小限にできる構成であるため、カバーへの収容が容易であるとともに、エア配管を収容するカバーのサイズも最小限にすることができる。

本発明の工作機械において、前記回動機構の回動軸線は、前記モータを通るように配置されていることが好ましい。
本発明では、回動機構の回動軸線がモータを通るため、切削負荷の変動や回転反力の変動などがあっても、回動軸線まわりの反力を生じることを防止でき、高い加工精度を確保することができる。

本発明の工作機械において、前記エアベアリングは、前記主軸の軸線方向に少なくとも２つ配列され、前記モータは、２つの前記エアベアリングの間に設置されていることが好ましい。
本発明では、主軸の軸線方向に沿って、一対のエアベアリングでモータが挟まれる両持ち配置となるため、主軸の振れを効果的に抑制することができる。

本発明によれば、エアベアリングで主軸が支持されるとともに、主軸の軸線方向を変更できる工作機械を提供することができる。

本発明の一実施形態の工作機械の全体を示す斜視図。 前記実施形態のＺ軸移動機構を示す斜視図。 前記実施形態のＡ軸移動機構を示す側面図。 前記実施形態の主軸ヘッドの内部構造を示す断面図。 前記実施形態の主軸チャック部分を示す拡大断面図。 前記実施形態のエア配管を示す側面図。 前記実施形態の主軸カバーを装着した主軸ヘッドを示す斜視図。 前記実施形態の配管カバーを装着した主軸ヘッドを示す斜視図。 前記実施形態のエア配管の引き出し状態を示す拡大斜視図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
図１において、本実施形態の工作機械１は、ストレートシャンク等の工具２を高速回転させることで、ワーク３に対する高精度の切削加工を行うものである。

工作機械１は、工具２が装着される主軸１１と、主軸１１を回転自在に支持する主軸ヘッド１０と、ワーク３が固定されるテーブル２１と、テーブル２１に対して主軸ヘッド１０を相対移動可能に支持する支持構造２０と、を有する。

工作機械１は、基礎床面上に設置されたベッド２２を有し、ベッド２２の上面に前述したテーブル２１および支持構造２０が設置されている。
支持構造２０は、ベッド２２の両側を跨ぐように設置された門型のコラム２３を有する。コラム２３の上にはクロスバー２４が設置され、クロスバー２４にはサドル２５が設置されている。サドル２５には昇降ガイド２６が設置され、昇降ガイド２６には昇降部材２７が支持されている。

主軸ヘッド１０は昇降部材２７に支持されている。主軸１１は主軸ヘッド１０から下向きに延びており、先端の工具２でテーブル２１上のワーク３を切削可能である。
工具２を用いてワーク３に任意の立体形状を切削加工するために、主軸１１および工具２はワークに対して三次元の相対移動可能とされる。
このような三次元移動を行うために、支持構造２０にはＸＹＺ３軸の移動機構（３１〜３３）が設置されている。

さらに、本実施形態では、主軸ヘッド１０をＡ軸つまりＸ軸まわりに回動させるＡ軸移動機構３４が設置されている。
なお、ベッド２２には、テーブル２１をＣ軸つまりＺ軸まわりに回転させるＣ軸移動機構３５が設置されることがある。

Ｘ軸移動機構３１は、テーブル２１とベッド２２との間に設置され、テーブル２１をベッド２２に対してＸ軸方向に移動可能である。
Ｙ軸移動機構３２は、クロスバー２４とサドル２５との間に設置され、クロスバー２４をサドル２５に対してＹ軸方向に移動可能である。
Ｚ軸移動機構３３は、昇降ガイド２６と昇降部材２７との間に設置され、主軸ヘッド１０をサドル２５に対してＺ軸方向に移動（昇降）可能である。
Ａ軸移動機構３４は、昇降部材２７の下側に設置され、主軸ヘッド１０を昇降部材２７に対してＸ軸まわりに回動（Ａ軸移動）可能である。

本実施形態において、主軸ヘッド１０、Ｚ軸移動機構３３およびＡ軸移動機構３４には、これらを覆うカバー４０が設置されている。
カバー４０は、Ｚ軸移動機構３３を覆うヘッドカバー４１と、主軸ヘッド１０を覆う配管カバー４２および主軸カバー４３と、Ａ軸移動機構３４を覆うＡ軸カバー４４を備えている。これらについては後に詳述する。

図２に示すように、Ｚ軸移動機構３３は、昇降ガイド２６に形成された一対のレール２６１を有し、昇降部材２７はこのレール２６１に沿って昇降可能である。一対のレール２６１の間にはボールねじ等の駆動機構３３１が設置され、昇降部材２７は昇降ガイド２６に対して昇降（Ｚ軸移動）可能である。

図３に示すように、Ａ軸移動機構３４は、主軸ヘッド１０に接続された回動軸部材３４１と、回動軸部材３４１を回転自在に支持する軸受３４２と、回動軸部材３４１を回転駆動するモータ３４３と、回動軸部材３４１の角度位置を検出するエンコーダ３４４とを備えている。軸受３４２、モータ３４３、エンコーダ３４４は、昇降部材２７の下面側に固定されるとともに、Ａ軸カバー４４で覆われている。

Ａ軸移動機構３４は、軸受３４２およびモータ３４３により、回動軸部材３４１で支持する主軸ヘッド１０をＸ軸方向の回動軸線ＡＡまわりに回動させるとともに、エンコーダ３４４を参照して任意の角度位置で停止させることができる。
従って、Ａ軸移動機構３４により、主軸１１の向きをＡ軸方向（Ｘ軸まわり）の任意の向きに調整することができる。

本実施形態において、回動軸部材３４１の主軸ヘッド１０に対する接続位置は、回動軸線ＡＡが主軸ヘッド１０の重心Ｇ（主軸１１に標準的な工具２を装着した状態での重心位置）を通るように設定されている。
ここで、回動軸線ＡＡが通る位置は、主軸ヘッド１０の重心Ｇから所定半径（例えば１０ｍｍ）の範囲内であればよい。

〔主軸ヘッド１０〕
図４において、主軸ヘッド１０は、側面に回動軸部材３４１が接続された略円筒状のケース１０１を有する。ケース１０１の内部には、主軸１１を中心軸線Ｃまわりに回転自在に支持するエアベアリング１２と、エアベアリング１２に加圧エアを供給するエア供給経路１３と、主軸１１を中心軸線Ｃまわりに回転駆動する主軸モータ１４とが設置されている。

主軸１１は、主軸本体１１１を有し、主軸本体１１１の芯部には、主軸１１の中心軸線Ｃに沿って主軸本体１１１を貫通する中心孔１１２が形成されている。
主軸１１の先端には、工具２を装着するためのチャック装置１５（後述）を有する。
主軸ヘッド１０は、基端側（工具２が装着される主軸１１の先端とは反対側）に、プッシュシリンダ１６を備えている。プッシュシリンダ１６にはプッシュロッド１６１が接続され、プッシュロッド１６１は主軸１１の中心孔１１２に挿通され、その先端はチャック装置１５まで到達している。

〔チャック装置１５〕
図５に示すように、チャック装置１５は、主軸１１の先端に固定されるスリーブ部材１５１を有する。スリーブ部材１５１には、先端側から基端側へ向けてチャック孔１５２が形成されている。チャック孔１５２にはコレット部材１５３が収容されている。
コレット部材１５３は、筒状とされ、先端側から工具２を挿入可能である。コレット部材１５３には、先端側から途中位置まですり割り１５４が複数形成されている。このすり割り１５４により、コレット部材１５３の先端側（工具２が挿入される部分）は、弾性変形して拡径または縮径することができる。

コレット部材１５３の先端側の外周面は、先端に向けて外径が漸増するように形成され、これにより先端に向けて拡径する外側円錐面１５９が形成されている。
スリーブ部材１５１の先端側では、チャック孔１５２の内周面が先端に向けて内径が漸増するように形成され、これにより先端に向けて拡径する内側円錐面１５０が形成されている。
これらの外側円錐面１５９と内側円錐面１５０とは、コレット部材１５３をチャック孔１５２の内部に挿入することで密着可能である。そして、密着した状態から更にチャック孔１５２の奥側へとコレット部材１５３を押し込むことで、内側円錐面１５０により外側円錐面１５９が絞られ、コレット部材１５３の先端側は縮径するように変形される。

これらの外側円錐面１５９および内側円錐面１５０により絞り機構１５５が形成され、この絞り機構１５５でコレット部材１５３の先端側を縮径させることで、コレット部材１５３の先端から挿入された工具２のストレートシャンク部分を締め付け固定することができる。
前述したコレット部材１５３の基端側は、スリーブ部材１５１から露出されており、端部にはコレットナット１５６が螺合されている。コレット部材１５３のスリーブ部材１５１から露出された部分には、多数の皿ばね１５７が積層状態で挿通されている。
これらの皿ばね１５７は、スリーブ部材１５１とコレットナット１５６との間に挟み込まれ、その弾性反発力により、スリーブ部材１５１に対してコレットナット１５６およびコレット部材１５３を基端側へ付勢している。

これらの皿ばね１５７およびコレットナット１５６により引込機構１５８が形成され、この引込機構１５８によりコレット部材１５３は常時チャック孔１５２の奥側へ向けて引き込まれ、コレット部材１５３の先端は常時縮径する状態に維持される。
従って、コレット部材１５３の先端から工具２のストレートシャンク部分が挿入されていれば、引込機構１５８により工具２の締め付け固定状態が維持される。

図４に戻って、チャック装置１５は、主軸本体１１１の先端側から中心孔１１２の内部に挿入され、スリーブ部材１５１のフランジ部分を主軸本体１１１の端面に固定されている。チャック装置１５の基端側は、コレット部材１５３の端部が、プッシュロッド１６１の先端に僅かな間隔で対向配置されている。

チャック装置１５において、プッシュシリンダ１６でプッシュロッド１６１を先端側へ進出させることで、プッシュロッド１６１でコレット部材１５３が押され、コレット部材１５３は引込機構１５８の引込力に抗して先端側へ移動する。このような移動により、コレット部材１５３の外側円錐面１５９は、チャック孔１５２の内側円錐面１５０から離れ、絞り機構１５５によるコレット部材１５３の先端側の絞りが解除される。その結果、コレット部材１５３の先端側での工具２の締め付け固定が解除され、工具２はチャック装置１５から抜き出し可能となる。

このように、チャック装置１５においては、プッシュシリンダ１６でプッシュロッド１６１を先端側へ進出させることで、工具２の締め付け固定が解除され、プッシュロッド１６１を戻すことで、引込機構１５８および絞り機構１５５が再び有効化され、工具２を締め付け固定することができる。

〔エア配管１７〕
図４において、前述したエアベアリング１２で使用するエアをエア供給経路１３に連続的に供給するため、および、前述したプッシュシリンダ１６への制御用のエアを適宜供給するために、主軸ヘッド１０には複数のエア配管１７が接続されている。
エア配管１７はケース１０１の側面に接続されている。ケース１０１の側面には、エア配管１７を囲むような円形枠状の配管ガイド１８が設置され、エア配管１７の接続部分に無理な曲げ変形などが生じないように、エア配管１７が保護されている。

本実施形態において、主軸ヘッド１０に対してエア配管１７が接続される位置は、Ａ軸移動機構３４の回動軸線ＡＡの延長線上とされ、主軸ヘッド１０に接続される部分でのエア配管１７の連続方向は、回動軸線ＡＡに沿った方向とされている。
そして、回動軸線ＡＡは、主軸ヘッド１０の主軸モータ１４が形成された領域（主軸モータ１４を挟んで配置された一対のエアベアリング１２の間）を通っており、前述したように、主軸ヘッド１０の重心Ｇもこの回動軸線ＡＡ上となるように配置されている。

図６にも示すように、エア配管１７は、一端が主軸ヘッド１０に接続され、回動軸線ＡＡに沿って引き出された後、上向きに曲げられ、カバー４０の内部を通って昇降部材２７の配管受け部材２７１まで引き上げられている。
図２にも示すように、配管受け部材２７１は昇降ガイド２６の側面を通ってサドル２５へと引き出されている。エア配管１７は、配管受け部材２７１に沿ってサドル２５に至り、外部のエア供給源に接続されている。

本実施形態においては、エア配管１７を可撓性材料とすること、あるいはエア配管１７の端部ないし中間に相対回転自在なカプラ等を用いることで、主軸ヘッド１０が回動した際にも、エア配管１７に捻れが生じないように構成されている。

〔カバー４０〕
前述したように、主軸ヘッド１０、Ｚ軸移動機構３３およびＡ軸移動機構３４には、これらを覆うカバー４０が設置されている。
図１および図６に示すように、カバー４０は、ヘッドカバー４１、配管カバー４２、主軸カバー４３およびＡ軸カバー４４で構成されている。
そして、エアベアリング１２およびプッシュシリンダ１６へのエアを供給する複数のエア配管１７は、カバー４０（主軸カバー４３、配管カバー４２ないしヘッドカバー４１）の内部を通して外部に引き出されている。

図６および図７に示すように、Ａ軸カバー４４は、Ａ軸移動機構３４を囲うように配置され、昇降部材２７の下面側に固定されている。Ａ軸カバー４４からは、回動軸線ＡＡに沿って回動軸部材３４１が突出しており、この回動軸部材３４１により主軸ヘッド１０が支持されている。

図６および図７に示すように、主軸カバー４３は、主軸ヘッド１０を囲うように配置され、主軸ヘッド１０に固定されており、主軸ヘッド１０とともに回動軸線ＡＡまわりに回動可能である。
主軸カバー４３の下面側には開口４３１が形成され、この開口４３１から主軸１１の先端および工具２が露出されている。
主軸カバー４３の表面には配管用開口４３２が形成され、この配管用開口４３２には主軸ヘッド１０の配管ガイド１８およびエア配管１７が挿通されている。

図６、図８および図９にも示すように、配管カバー４２は、基部が昇降部材２７に固定され、基部から下方に延びる部分が主軸カバー４３の表面を覆うように配置されている。
配管カバー４２のうち、主軸カバー４３に対向する面には配管用開口４２１が形成されている。配管用開口４２１は、主軸カバー４３の配管用開口４３２に対応した位置および大きさとされ、配管用開口４３２から引き出されたエア配管１７は配管カバー４２の内側を通って上方へ引き出される。
配管カバー４２の上面側は開口４２２とされており、配管用開口４３２から配管カバー４２の内側へ導かれたエア配管１７は、開口４２２を経て上方へ送られる。

図６および図８に示すように、ヘッドカバー４１は、昇降ガイド２６、昇降部材２７およびＺ軸移動機構３３を一括して囲う配置とされ、昇降ガイド２６に固定されている。
ヘッドカバー４１の下面側には開口４１１が形成され、昇降部材２７に支持されたＡ軸移動機構３４および主軸ヘッド１０は、一部が開口４１１からヘッドカバー４１の内部に収容可能である。
Ｚ軸移動機構３３を下降させた際には、Ａ軸移動機構３４および主軸ヘッド１０はヘッドカバー４１から大きく露出する。Ｚ軸移動機構３３を上昇させた際には、Ａ軸移動機構３４および主軸ヘッド１０は大部分がヘッドカバー４１の内部に収容される。
ヘッドカバー４１の開口４１１の内側には、主軸ヘッド１０が最大限上昇した状態でも、主軸ヘッド１０の回動に干渉しないように、十分な大きさのキャビティ４１２が確保されている。

〔本実施形態の効果〕
以上に説明した本実施形態によれば、下記に示すような効果が得られる。
本実施形態では、回動機構であるＡ軸移動機構３４の回動軸線ＡＡが、主軸ヘッド１０の重心Ｇ（重心Ｇから半径１０ｍｍの範囲内の領域）を通る。このため、Ａ軸移動機構３４により主軸ヘッド１０を回動させても、回動に伴って主軸ヘッド１０の重心Ｇが工作機械１の基礎に対して変位しない、または変位が僅少である。

従って、回動に伴う主軸ヘッド１０の重心位置の変動に対応するべく、主軸ヘッド１０の支持構造（支持構造２０）を補強する必要がなく、かつ慣性モーメントが最小となるためＡ軸移動機構３４の駆動性能も最小限で済む。
その結果、本実施形態によれば、ＸＹＺの３軸移動に対してＡ軸移動機構３４を追加しても、主軸ヘッド１０の支持構造２０の大型化を避けることができる。
これにより、エアベアリング１２で主軸１１が支持されるとともに、主軸１１の中心軸線Ｃの方向を変更できる工作機械１を実現することができる。

本実施形態では、主軸ヘッド１０に接続されるエア配管１７の端部の連続方向軸線が、主軸ヘッド１０の回動軸線ＡＡに沿っているため、主軸ヘッド１０が回動してもエア配管１７の変位を僅少ないし無くすことができる。
ここで、主軸ヘッド１０の回動に伴ってエア配管１７の位置が大きく変動する場合、周辺装置などとの干渉を避けるために、主軸ヘッド１０の周囲にエア配管１７の変位に応じた空間を確保する必要がある。このような空間の確保は、主軸ヘッド１０周辺の小型化要求に逆行し、Ａ軸移動機構３４の追加を阻害する可能性が生じる。
これに対し、本実施形態では、主軸ヘッド１０の回動によるエア配管１７の変位が僅少ないし解消できるため、主軸ヘッド１０の周囲に余分な空間を確保する必要がなく、Ａ軸移動機構３４の追加を容易にすることができる。

本実施形態では、カバー４０を設けて主軸ヘッド１０、Ｚ軸移動機構３３およびＡ軸移動機構３４の各部を囲うようにしたので、これらを外部から遮蔽して保護等することができる。また、エア配管１７がカバーに収容されることで、エア配管１７と周辺装置との干渉を防止することができる。
さらに、本実施形態では、前述のように、エア配管１７を回動軸線ＡＡに沿って配置し、主軸ヘッド１０の回動によるエア配管１７の変位を最小限にできる構成としたため、カバー４０への収容が容易であるとともに、エア配管１７を収容するカバー４０のサイズも最小限にすることができる。

さらに、本実施形態では、ヘッドカバー４１、配管カバー４２、主軸カバー４３およびＡ軸カバー４４によってカバー４０を構成した。
すなわち、ヘッドカバー４１でＺ軸移動機構３３を覆い、Ａ軸カバー４４でＡ軸移動機構３４を覆い、主軸カバー４３で主軸ヘッド１０を覆う構成としたため、相対移動する各部の動作を妨げることがない。
さらに、配管カバー４２を用いることで、主軸カバー４３からヘッドカバー４１に至るエア配管１７の取り回しに適した経路を確保することができる。

本実施形態では、回動機構であるＡ軸移動機構３４の回動軸線ＡＡが、主軸ヘッド１０の主軸モータ１４を通るように配置した。このため、主軸ヘッド１０の主軸モータ１４において、切削負荷の変動や回転反力の変動などがあっても、回動軸線ＡＡまわりの反力を生じることを防止でき、高い加工精度を確保することができる。

本実施形態では、主軸ヘッド１０において、主軸モータ１４を挟んで２つのエアベアリング１２が配列されている。このため、主軸１１の軸線方向に沿って、一対のエアベアリング１２で主軸モータ１４が挟まれる両持ち配置となるため、主軸１１の振れを効果的に抑制することができる。

本実施形態では、主軸１１の先端に設置されたチャック装置１５により、工具２と主軸１１とを直接固定することができる。
とくに、工具２のクランプがコレット部材１５３による締め付け固定であるため、工具２のシャンク部分がストレートであっても確実に固定することができる。
また、コレット部材１５３によるクランプの際には、引込機構１５８によりコレット部材１５３を主軸１１の中心軸線Ｃに沿って引き込み、絞り機構１５５で絞ることで、工具２を締め付ける。従って、回転式の外筒によるコレット部材１５３の締め付け等のように、コレット部材１５３に回転方向の変形や軸心方向の偏りを生じることがなく、高精度の固定を行うことができる。
一方、プッシュシリンダ１６により、引込機構１５８の引込力に抗してコレット部材１５３を主軸１１の先端側へ引き出し、絞り機構１５５による絞りからコレット部材１５３を解放することで、コレット部材１５３による工具２のクランプを解除し、主軸１１から工具を取り外すことができる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、回動機構としてＡ軸移動機構３４を設けたが、これに代えて、主軸ヘッド１０をＢ軸つまりＹ軸まわりに回動させるＢ軸移動機構を設けてもよい。あるいは、昇降部材２７の下部に、Ａ軸移動機構３４とＢ軸移動機構とを併せて設置してもよい。ただし、前述したように、テーブル２１にＣ軸移動機構３５を設ける場合、Ａ軸移動機構３４またはＢ軸移動機構のいずれかで十分である。

前記実施形態のカバー４０としては、ヘッドカバー４１、配管カバー４２、主軸カバー４３およびＡ軸カバー４４からなる構成に限らず、他の補助的なカバーを追加してもよく、ヘッドカバー４１と配管カバー４２とを一体化する等の変形なども可能である。
一方、各部とくにサイズが大きなヘッドカバー４１などは、複数の部材から組み立てられるものとしてもよい。
カバー４０を構成する各部の材質は、例えば合成樹脂、なかでも繊維強化されたもの、金属ほかの材料を適宜選択すればよい。

前記実施形態のチャック装置１５において、工具２のクランプの解除にあたっては、引込機構１５８の引込力を解除する別の機構を用いてもよいし、引込機構１５８の引込力に抗してコレット部材１５３を移動させる別の駆動機構を用いてもよい。例えば、主軸１１の中心孔１１２に通されたクーラント孔を通して加圧エアを供給する等により、コレット部材１５３を駆動することができる。
なお、コレット部材１５３の内面に切削屑が付着していると、工具２の取付精度を低下させることがある。このため、工具２の装着に先立って、コレット部材１５３の内面に加圧エアの吹付を行って、切削屑の除去を行うようにしてもよい。

絞り機構１５５としては、円錐面に限らず、コレット部材１５３の外周面あるいはチャック孔１５２の内側面に、周方向に均等配置されかつ主軸１１の中心軸線Ｃ方向に延びる複数の突条を形成し、その表面をチャック孔１５２の奥側ほど中心軸線Ｃに近接する傾斜面とし、これらの傾斜面を絞り機構としてもよい。
引込機構１５８としては、引込用弾性部材は複数の皿ばね１５７に限らず、コイルばねその他の弾性部材であってもよく、体積圧縮する素材などであってもよい。

本発明は、高回転のもとで高精度切削を行うための工作機械として利用できる。

１…工作機械、２…工具、３…ワーク、１０…主軸ヘッド、１１…主軸、１２…エアベアリング、１３…エア供給経路、１４…主軸モータ、１５…チャック装置、１６…プッシュシリンダ、１７…エア配管、１８…配管ガイド、２０…支持構造、２１…テーブル、２２…ベッド、２３…コラム、２４…クロスバー、２５…サドル、２６…昇降ガイド、２７…昇降部材、３１…Ｘ軸移動機構、３２…Ｙ軸移動機構、３３…Ｚ軸移動機構、３４…Ａ軸移動機構（回動機構）、３５…Ｃ軸移動機構、４０…カバー、４１…ヘッドカバー、４２…配管カバー、４３…主軸カバー、４４…Ａ軸カバー、１０１…ケース、１１１…主軸本体、１１２…中心孔、１５０…内側円錐面、１５１…スリーブ部材、１５２…チャック孔、１５３…コレット部材、１５４…すり割り、１５５…絞り機構、１５６…コレットナット、１５７…皿ばね、１５８…引込機構、１５９…外側円錐面、１６１…プッシュロッド、２６１…レール、２７１…配管受け部材、３３１…駆動機構、３４１…回動軸部材、３４２…軸受、３４３…モータ、３４４…エンコーダ、４１１，４２２，４３１…開口、４１２…キャビティ、４２１，４３２…配管用開口、ＡＡ…回動軸線、Ｃ…中心軸線、Ｇ…重心。

Claims (4)

1. 工具が装着される主軸と、前記主軸を回転自在に支持するエアベアリングおよび前記主軸を回転駆動するモータを有する主軸ヘッドと、ワークが固定されるテーブルと、前記テーブルに対して前記主軸ヘッドを相対移動可能に支持する支持構造と、前記エアベアリングを含む前記主軸ヘッドの機構部分を囲うカバーと、前記カバーの内部に収容されて前記エアベアリングにエアを供給するエア配管と、を有し、
   前記支持構造は、前記主軸ヘッドを支持する昇降部材をＺ軸方向の昇降ガイドに沿って昇降させるＺ軸移動機構と、前記Ｚ軸移動機構を支持するサドルをＸ軸方向およびＹ軸方向へ移動させるＸ軸移動機構およびＹ軸移動機構の少なくともいずれかと、前記主軸ヘッドを前記Ｘ軸まわりに回動させる回動機構と、を有し、
   前記回動機構の回動軸線は、前記主軸ヘッドの重心から所定半径の領域を通るように配置されており、
   前記カバーは、前記主軸ヘッドを囲うように配置されかつ前記主軸ヘッドに固定された主軸カバーと、前記昇降部材に基部が固定され、前記基部から下方に延びる部分が前記主軸カバーの表面を覆うように配置された配管カバーと、前記昇降ガイドに固定され、前記昇降部材および前記Ｚ軸移動機構を一括して囲う配置とされたヘッドカバーと、を有し、
   前記エア配管は、一端が前記主軸ヘッドに接続され、前記回動機構の回動軸線に沿って引き出された後、上向きに曲げられ、前記カバーの内部を通って前記昇降部材の配管受け部材まで引き上げられ、前記昇降ガイドの側面を通って前記サドルへと引き出されており、
   前記配管受け部材は、前記昇降部材の両側を経て前記サドルに至る二股状に形成されていることを特徴とする工作機械。
2. 請求項１に記載した工作機械において、
   前記エア配管の前記主軸ヘッドに接続される端部は、その連続方向軸線が前記主軸ヘッドの前記回動軸線と平行かつ前記回動軸線から所定半径の領域に配置されていることを特徴とする工作機械。
3. 請求項１または請求項２に記載した工作機械において、
   前記回動機構の回動軸線は、前記モータを通るように配置されていることを特徴とする工作機械。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載した工作機械において、
   前記エアベアリングは、前記主軸の軸線方向に少なくとも２つ配列され、
   前記モータは、２つの前記エアベアリングの間に設置されていること
   を特徴とする工作機械。

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