(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸ハウジングに回転可能に支持された主軸を有する工作機械の主軸装置において、前記主軸の先端部に前記主軸の回転軸線に沿って延びる工具装着穴を形成し、前記工具装着穴周りにラジアル方向に変形可能な薄肉を隔てて圧力室を形成し、前記主軸内に形成され前記圧力室から延びる作動流体通路に前記主軸の後部においてピストンを挿入し、前記ピストンを押圧して進退させることにより前記作動流体通路を介して前記圧力室内の作動流体の圧力を増減するための押圧ねじを前記主軸に螺合し、前記主軸の外部に、アクチュエータにより前記押圧ねじに係合及び離脱可能なレンチと、前記レンチが前記押圧ねじに係合したとき前記レンチを回転駆動して前記押圧ねじにより前記ピストンを進退させるためのモータとを設け、制御装置により前記アクチュエータ及びモータの動作を制御して前記圧力室内の作動流体の圧力を増減させて前記薄肉を弾性変形させ、前記工具装着穴が縮径、拡径することにより前記工具装着穴に挿入された工具を把持、解放するようにしたことを特徴とする工作機械の主軸装置。
【請求項２】
前記モータは、サーボモータでなり、前記制御装置は、工具を把持するときに前記サーボモータを速度制御及び位置制御を行う第１モードで回転させ、次いでトルク制御を行う第２モードで回転させる請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
【請求項３】
主軸ハウジングに回転可能に支持された主軸を有する工作機械の主軸装置において、前記主軸の先端部に前記主軸の回転軸線に沿って延びる工具装着穴を形成し、前記工具装着穴周りにラジアル方向に変形可能な薄肉を隔てて圧力室を形成し、前記主軸内に形成され前記圧力室から延びる作動流体通路に前記主軸の後部においてピストンを挿入し、前記ピストンを押圧して前記作動流体通路を介して前記圧力室内の作動流体の圧力を高める方向に前記ピストンを付勢するばね手段を前記主軸内に設け、前記主軸の外部に前記ばね手段の付勢力に抗して前記ピストンを移動させて前記圧力室内の作動流体の圧力を低くするアクチュエータを設け、制御装置により前記アクチュエータの動作を制御して前記圧力室内の作動流体の圧力を増減させて前記薄肉を弾性変形させ、前記工具装着穴が縮径、拡径することにより前記工具装着穴に挿入された工具を把持、解放するようにしたことを特徴とする工作機械の主軸装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハウジングに回転可能に支持された主軸を有する工作機械の主軸装置に関し、特に主軸の先端部に流体圧式の工具把持機構を備え工具ホルダを介在させずに工具を把持できる工作機械の主軸装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械には、ハウジングに回転可能に支持された主軸に工具を装着するとき予め工具を把持したホルダを主軸に装着するタイプの主軸装置と、ホルダに予め工具を把持してホルダごと主軸に工具を装着するのではなく、工具単体のまま直接的に主軸に工具を装着する、いわゆるホルダレスタイプの主軸装置とが使用される。後者のホルダレスタイプの主軸装置は特に成型金型のリブ溝等の複雑な形状のワークの加工を比較的細身の工具を用いて行う工作機械で使用されることが多い。
【０００３】
さらに、ホルダレスタイプの主軸装置には、ドローバーの先端部に設けられたコレットなどによって工具のシャンク部分を把持する機械式の工具把持機構を備えたものや、作動油などの圧力媒体（作動流体）により主軸先端部に設けられた工具装着穴を弾性変形させて工具のシャンクを把持する流体圧式の工具把持機構を備えたものが含まれている。なお、本願における「先」又は「前」とは工具を把持しワーク等を加工する側を指し、「後」とはワーク等を加工する側と反対側を指すものとする。
【０００４】
機械式の工具把持機構は例えば特開平８−１７４３６４号公報に記載されており、工具脱着の際に、主軸の内部にその軸線に沿って延びるドローバーの先端部に設けられたコレットにより主軸の先端部に設けられた工具装着穴内に挿入された工具のシャンク部分の把持及び解放を行う。また、流体圧式の工具把持機構は例えば特開昭６２−１５０４３号公報に記載されており、主軸の先端部に設けられた工具装着穴の周囲に圧力室を設けこの圧力室に封入された作動流体の圧力を変化させることにより工具装着穴を拡径又は縮径させ、工具装着穴に挿入された工具の脱着を行う。同様の技術は実開平５−５３８１６号公報にも開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ワークの加工においては、非常に高い加工精度が求められることが多くなってきている。このため、主軸の回転軸線と主軸に取り付けられた際の工具の軸線とのずれや工具の軸線方向の把持位置のずれによる実際上の工具長の変化などに起因する加工精度の悪化も問題となってきている。
【０００６】
ＮＣ工作機械で自動工具交換装置を利用する場合、上記従来技術の工具把持機構は、工具装着時の工具把持位置のずれが原因となる次のような欠点を抱えている。
ドローバーの先端部に設けられたコレットを用いた工具把持機構では、ドローバーによりコレットを主軸後方に引き込んで工具を把持するため、コレットの動きに伴って工具が移動し把持位置が変化してしまうので、実際上の工具長にばらつきが生じるという問題が生じる。
【０００７】
流体圧式の工具把持機構では、例えば特開昭６２−１５０４３号公報に記載されているように、ねじなどの締結具を用いて主軸の先端面に流体圧式のチャックを取り付けている。または、実開平５−５３８１６号公報に記載されているように、流体圧式のチャックを有した工具ホルダのテーパ状のシャンクを主軸先端部の工具装着穴に挿入して、主軸に内蔵された工具クランプ手段で着脱可能に工具を工具ホルダごと把持している。したがって、流体圧式のチャックを主軸に取り付ける際に、または工具ホルダを着脱可能に主軸に装着する際に、主軸の回転軸線とチャックの中心軸線との不一致により工具の偏心回転を起こすことがあり、加工精度に悪影響を及ぼし得るという問題が生じる。
【０００８】
また、特開昭６２−１５０４３号や実開平５−５３８１６号公報に記載のチャックでは、チャックの近傍に作動流体の圧力を調節するためのねじが設けられ、作動流体通路の長さが短かい。よって、封入されている作動流体の体積が少ない。更に、高速で回転すると遠心力で圧力室や作動流体通路の容積が増える方向に変形し、作動流体の体積が少ないこともあり、圧力が下がり、工具の把持力が弱くなる。従って、通常２００００回転／分以下の回転速度で使用するという制限があり、これ以上の回転速度で回転する主軸装置には使えないという問題点もある。
【０００９】
また、主軸の先端部に取り付けられた流体圧式のチャックの流体圧を調節するためには、主軸先端部においてチャックに設けられた流体圧調節ねじをレンチなどにより回転させなければならない。ところが、主軸先端部の周囲にはテーブルやワークなどが配置されており作業スペースが十分とれないので、流体圧の調節を行うことが容易ではなく、作業効率を低下させる問題が存在する。また、従来の流体圧式の工具把持機構では上記のように流体圧調節を主軸先端部で行わなくてはならないので、自動工具交換装置と共に使用する場合には、機械式の工具把持機構と組み合わせて用いられることが多く、流体圧式の工具把持機構を用いる場合には工具交換の完全な自動化が困難であった。
【００１０】
よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解消して、ホルダレスタイプの工具把持機構を備えた工作機械の主軸装置において、工具装着の際に、工具の軸線方向の把持位置に誤差を生じさせず、主軸の回転軸線と工具の中心軸線とが一致するように工具を把持し、しかも工具の脱着が自動で容易に行えるようにすることにある。更に、高速回転しても工具の把持力の低下がないようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的に鑑みて、主軸の先端部に直接的に又はそこにアダプタを固定的に取り付けて間接的に、工具装着穴をその中心軸線が主軸の回転軸線と一致するように形成し、流体圧式の工具把持機構を用いて、工具把持機構の流体圧の調節を広い作業スペースを確保しやすい主軸後方で行えるようにしたものである。
【００１２】
すなわち、本発明によれば、主軸ハウジングに回転可能に支持された主軸を有する工作機械の主軸装置において、前記主軸の先端部に前記主軸の回転軸線に沿って延びる工具装着穴を形成し、前記工具装着穴周りにラジアル方向に変形可能な薄肉を隔てて圧力室を形成し、前記主軸内に形成された作動流体通路を介して前記圧力室を前記主軸の後部に設けた圧力調節装置に連結し、該圧力調節装置により前記圧力室内の作動流体の圧力を増減させて前記薄肉を弾性変形させ、前記工具装着穴が縮径、拡径することにより前記工具装着穴に挿入された工具を把持、解放するようにした工作機械の主軸装置が提供される。
【００１３】
上記工作機械の主軸装置においては、前記圧力調節装置は、前記主軸の後端部に形成された押圧具挿入孔に挿入され、前記作動流体通路内の作動流体を押圧する押圧具と、該押圧具を駆動する押圧具駆動装置とを含むことが可能である。
上記工作機械の主軸装置の一実施態様では、前記押圧具駆動装置は、回転するレンチを有するモータと、該レンチを前記押圧具に係合させ、又は前記押圧具から離脱させるアクチュエータと、アクチュエータ及びモータの動作を制御する制御装置とを備えてもよい。好ましくは、この場合、前記モータは、サーボモータでなり、前記制御装置は、工具を把持するときに前記サーボモータを速度制御及び位置制御を行う第１モードで回転させ、次いでトルク制御を行う第２モードで回転させる。
【００１４】
また、本発明によれば、主軸ハウジングに回転可能に支持された主軸を有する工作機械の主軸装置において、前記主軸の先端部に前記主軸の回転軸線に沿って延びる工具装着穴を形成し、前記工具装着穴周りにラジアル方向に変形可能な薄肉を隔てて圧力室を形成し、前記主軸内に形成された作動流体通路を介して前記圧力室を前記主軸の後方外部に設けた圧力調節装置に連通、遮断可能に連結し、前記圧力室と前記圧力調節装置とが連通したとき前記圧力調節装置により前記圧力室における作動流体の圧力を増減させて前記薄肉を弾性変形させ、前記工具装着穴が縮径、拡径することにより前記工具装着穴に挿入された工具を把持、解放するようにした工作機械の主軸装置が提供される。
【００１５】
上記工作機械の主軸装置においては、前記作動流体通路は、逆止弁を介して前記主軸の後端部に開口しており、前記圧力調節装置は、前記主軸の後端面に着座可動な作動流体流通装置を具備し、前記作動流体流通装置は、前記主軸の後端面に着座したときに前記逆止弁を開弁させて前記作動流体通路を前記圧力調節装置に連通させ、前記圧力室内の作動流体の圧力を制御することが好ましい。
【００１６】
工作機械の主軸自体の先端部に主軸の回転軸線に沿って延びる工具装着穴を形成しその周囲に圧力室を形成すれば、流体圧を変化させることにより主軸の先端部に工具を把持、解放することができるようになる。したがって、コレットを用いた工具把持機構の欠点である工具把持の際の軸線方向の把持位置のずれを生じることがなくなる。この構成に替えて、主軸の先端部に工具装着穴、圧力室、作動流体通路を予め形成したアダプタを主軸と一体になるよう固定的に取付けても良い。
【００１７】
さらに、圧力室内の流体圧の調節は主軸後部に設けた圧力調節装置で行うので、主軸や主軸を支持するハウジング、ワークを支持するテーブル等が妨げとなって作業スペースが十分にとれない主軸の先端部で工具の脱着のための圧力調節を行う必要もなく、主軸への工具の脱着作業が容易になる。
また、主軸の後部に圧力調節装置が設けられるので、主軸への工具着脱の自動化が容易になる。その一例として、主軸後端面に開口した押圧具挿入孔に押圧具を挿入し、この押圧具を押圧具駆動装置によって駆動作動流体通路内の作動流体を押圧することで工具着脱の自動化が達成される。また、逆止弁を介して作動流体通路を主軸の後端面に開口させ、可動な圧力調節装置が主軸後端面に着座することにより逆止弁を開弁させて、圧力調節装置で作動流体通路内の作動流体の圧力を調節することによっても工具の着脱の自動化が達成される。したがって、流体圧式の工具把持機構を用いていながらも工具着脱の自動化が達成され、自動工具交換装置と共に使用することにより工具交換の完全な自動化を実現することができるようになる。
【００１８】
更に、主軸の後部又は主軸の後方外部に圧力調節装置が設けられるので、作動流体通路が長くなり、よって封入されている作動流体の体積が多い。作動流体通路を主軸の中心に形成することもでき、この場合には遠心力の影響をほとんど受けず、作動流体通路の遠心力による拡張はほとんどない。そして、作動流体の体積が多いことから、たとえ遠心力によって作動流体の封入されている圧力室付近の体積が増えたとしても圧力の低下割合は小さい。しかも、主軸が回転すると軸受やモータからの発熱が主軸に伝達され、主軸の温度が上る。すると、主軸内の作動流体の温度も上り、作動流体が膨張し、作動流体圧力は上昇する。従って、主軸の後部又は主軸の後方外部に圧力調節装置を設けることによって、主軸が高速回転しても工具の把持力が低下しなくなる。尚、作動流体通路がチャック近傍にのみ設けられている従来技術の工具ホルダは、外気にふれて回転しているため、温度上昇はなく、作動流体の温度も上ることはない。
【００１９】
主軸の先端部に工具装着穴を形成すれば、工具装着穴が予め形成されたアダプタを主軸に取り付ける必要がなくなり、すなわち主軸自体に工具装着穴が形成されるのでアダプタ取り付けの際の主軸の回転軸線と工具装着穴の中心軸線とのずれの発生が防止され、正確な工具の把持が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施態様を説明する。
図１は本発明による工作機械の主軸装置の断面図、図２は図１に示されている主軸の先端部の拡大断面図、図３は図１に示されている本発明による工作機械を用いた場合の工具交換動作を示しているフローチャート、図４は図３における工具把持動作の詳細を示しているフローチャート、図５は図３における工具解放動作の詳細を示しているフローチャートである。また、図６は本発明による工作機械の主軸装置に適用可能な圧力調節装置の第２の実施態様を示している要部断面図、図７は本発明による工作機械の主軸装置に適用可能な圧力調節装置の第３の実施態様を示している要部断面図、図８は本発明による工作機械の主軸装置に適用可能な圧力調節装置の第４の実施態様を示している要部断面図である。
【００２１】
なお、以下の説明において「先」又は「前」とは工具を把持しワーク等を加工する側を指し、「後」とはワーク等を加工する側と反対側を指すものとする。
図１を参照すると、本発明による工作機械の主軸装置１１は、主軸１３と、主軸１３の前部及び後部にそれぞれ設けられた軸受１５により主軸１３を回転可能に支持しているハウジング１７とを具備している。軸受１５はハウジング１７に設けられた肩部と軸受押え１９及び軸受押えナット２１とにより定位置に固定されている。また、主軸装置１１は、主軸１３の外周面の中央部に固着されたロータＭ１と、ハウジング１７の内周面に同ロータＭ１と半径方向に所定の間隔を隔てて対向して配設されたステータＭ２とを備えており、ロータＭ１とステータＭ２との電磁相互作用により主軸１３をハウジング１７に対して回転させることができるようになっている。
【００２２】
主軸１３の先端部の先端面上には主軸１３の回転軸線２３に沿って延びる円形断面の工具装着穴２５が形成されている。より詳細には、図２に示されているように、工具装着穴２５は、主軸１３の先端面上に形成された円形断面の穴に挿入され溶接などの適宜の接合方法によって穴に固定された同心の円筒状スリーブ２７の内孔によって形成されている。なお、スリーブ２７を主軸１３の先端面上に形成された穴に固定した後、スリーブ２７の内周面に研削加工を施して主軸１３の回転軸線２３と工具装着穴２５（詳細にはその内側に固定されたスリーブ２７の内孔）の中心軸線とが一致するようにすることが好ましい。このように構成することによって、主軸１３への工具（不図示）の取り付けがより正確に行われ、工具回転時に偏心回転が起こることが防止される。
【００２３】
スリーブ２７の外周面上には凹部が形成されており、スリーブ２７を主軸１３の先端面上に設けられた穴に挿入したときにスリーブ２７の凹部が主軸１３の先端部の穴の内周面と協働して、スリーブ２７の内孔すなわち工具装着穴２５の周りにラジアル方向すなわち半径方向に変形可能な薄肉２９を隔てた圧力室３１を形成する。各圧力室３１は、主軸１３内に形成され後方に向かって延びる作動流体通路３３を介して、主軸１３の後部に設けた圧力調節装置３５に連結している。なお、圧力室３１に封入される作動流体が主軸１３の先端部の穴の内周面とスリーブ２７の外周面との境界面を伝って漏出することを防止するために、圧力室３１の前後端部には境界面にシール３７が設置されている。圧力室３１は環状であることが好ましいが周方向に分離し等間隔で配置された室でなってもよい。また、圧力室３１は、図２に示されているように、工具装着穴２５の軸線方向に２列に配置されていることが好ましいが、１列又は３列以上で配置されていてもよい。
【００２４】
図１及び図２に示されているように、工具装着穴２５の内部には、軸受押え１９、主軸１３及びスリーブ２７を主軸装置１１の半径方向に貫通して形成された空気通路３９が開口している。この空気通路３９には主軸装置１１の外部から圧縮空気が供給され、この圧縮空気を工具装着穴２５内の清掃や背圧を監視することによる工具装着確認を行うために使用する。
【００２５】
次に、図１を参照して、主軸１３の後部に設けられた圧力調節装置３５について詳述する。
図１に示されている圧力調節装置３５は、作動流体通路３３内の作動流体を直接又は間接的に押圧する押圧具と、押圧具を駆動する押圧具駆動装置とを含んでいる。
【００２６】
押圧具は、主軸１３の後端部の後端面上に形成され作動流体通路３３と連通している押圧具挿入孔４１内に挿入されており、例えば図１に示されているように、作動流体通路３３内まで挿入されたピストン４３と、ピストン４３に連結されている押圧ねじ４５とから構成される。ピストン４３の先端には作動流体通路３３内から作動流体が漏出するのを防ぐためにシール部材４７が設けられており、押圧具挿入孔４１の内周面には押圧ねじ４５が螺合するねじ溝が形成されている。
【００２７】
押圧具駆動装置は、例えば図１に示されているように、回転軸にレンチ４９（例えば六角レンチ）が取り付けられているレンチモータ５１と、レンチモータ５１を移動させてレンチモータ５１に取り付けられたレンチ４９を押圧具の押圧ねじ４５の後端部に設けられた係合穴（例えば六角穴）に係合させる又はそこから離脱させるアクチュエータ５３と、レンチモータ５１及びアクチュエータ５３の動作を制御する制御装置５５とを備える。主軸装置１１の後部に設けられたブラケット５７に固定されたロッドシリンダなどのアクチュエータ５３により移動可能に支持された可動板５９上にレンチモータ５１を取り付けることにより、押圧具の後端部に設けられた係合穴に対するレンチ４９の係合又は離脱を行うことが可能となる。
【００２８】
押圧具駆動装置はさらにレンチ４９を押圧具の押圧ねじ４５の係合穴に係合させて押圧具を駆動する際に主軸１３の回転を停止させるロック部材６１を備えている。図１に示されている実施態様では、可動板５９の主軸１３に対面する側にロック部材６１が支持されており、アクチュエータ５３により可動板５９が主軸１３へ向かって移動すると、ロック部材６１が主軸１３の後端面上に設けられた切欠き６３に係合して主軸１３をロックし、主軸１３の回転が防止される。ロック部材６１は圧縮ばねなどの弾性体６５を介して可動板５９に支持されることが好ましい。
【００２９】
上記実施態様では、工具装着穴が主軸の先端部に一体的に形成されている場合について説明しているが、従来のように、予め工具装着穴、圧力室、作動流体通路が形成されているアダプタを主軸先端部に一体となるように固定的に取り付けることも可能であることはいうまでもない。
【００３０】
次に、図３を参照して、図１に示されている工作機械の主軸装置１１の工具交換動作を説明する。
工作機械のＮＣ装置から工具交換指令が発せられると（ステップ１５１）、主軸装置１１は、押圧具駆動装置のロック部材６１が主軸１３の後端面上に形成された切欠き６３と係合可能となるように、主軸１３を回転方向において予め定められた角度位置で停止させる（ステップ１５３）。なお、この角度位置においては、レンチ４９が押圧具の係合穴と係合するようになっている。また、この主軸１３の回転方向の位置決めはセンサ（不図示）の使用など周知技術により可能となる。さらに、工具を装着したままの状態で主軸１３をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向に移動して工具マガジン（不図示）の空きスペースに位置決めする（ステップ１５５）。
【００３１】
次いで、押圧具駆動装置のレンチモータ５１を降下（主軸１３の後端面に向かう方向に移動）させ、主軸１３の後端面上の切欠き６３に押圧具駆動装置のロック部材６１を係合させる（ステップ１５７）。これにより、主軸１３はロックされて回転することができなくなる。同時に、レンチモータ５１に取り付けられたレンチ４９が押圧ねじ４５の後端部の係合穴に係合する。
【００３２】
ステップ１５９では、レンチモータ５１が逆回転を行い、押圧具を押圧具挿入孔４１内で主軸１３の後方に押圧具駆動装置へ向かって移動させ、作動流体通路３３内で後方へ向かって押圧具のピストン４３を移動させる。それにより、作動流体通路３３内及びそれに連通している圧力室３１内に封入された作動流体の圧力が下降して、圧力室３１と工具装着穴２５の間の薄肉２９が工具装着穴２５の内部に向かって膨らんだ状態から工具装着穴２５のラジアル方向に外側へ向かって弾性変形し、移動する。その結果、工具装着穴２５が拡径して工具装着穴２５に把持されていた工具を解放し、工具を工具マガジンに収納する。
【００３３】
次いで、工具を把持していない状態で、主軸１３がＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向に移動して所望される工具の収納位置に位置決めされ、工具装着穴２５に新たな工具が挿入される（ステップ１６１）。
ステップ１６３では、押圧具駆動装置のレンチモータ５１が正回転を行い、押圧具を押圧具挿入孔４１内で主軸１３の前方へ向かって移動させ、作動流体通路３３内で前方へ向かって押圧具のピストン４３を移動させる。それにより、作動流体通路３３内及びそれに連通している圧力室３１内に封入された作動流体の圧力が上昇して、圧力室３１と工具装着穴２５の間の薄肉２９が工具装着穴２５のラジアル方向に内側へ向かって弾性変形し、移動する。その結果、工具装着穴２５が縮径して工具装着穴２５内に挿入されている工具を把持する。
【００３４】
工具を工具装着穴２５に把持すると、押圧具駆動装着のレンチモータ５１を上昇（主軸１３の後端面から離れる方向に移動）させ、レンチモータ５１に取り付けられたレンチ４９を押圧ねじ４５の後端部の係合穴から離脱させる（ステップ１６５）。同時に、主軸１３の後端面の切欠き６３に係合している押圧具駆動装置のロック部材６１も切欠き６３から離脱する。
【００３５】
以上のステップを経て工具交換が行われ、工具交換が終了した後に新たな工具での加工が開始される（ステップ１６７）。
ところで、図１に示されている本発明の工作機械の主軸装置１１の実施態様で使用されるレンチモータ５１には、（１）押圧具の押圧ねじ４５を早く回転させすぎて破損させることを防止するための速度制御と、（２）押圧具の押圧ねじ４５を予め定めた範囲の位置に位置決めするための回転方向における角度位置の制御と、（３）作動流体通路３３及び圧力室３１内において予め定められた圧力を発生させることを保証するためのトルク制御との３つの制御が要求される。しかしながら、レンチモータ５１として一般に使用され得るサーボモータは３つの制御を同時に行うことができない。そこで、上記実施態様では、サーボモータが「トルクリミット機能」という予め設定したトルクが発生したときに信号を発生する機能を備えていることを利用して、速度制御と位置制御を同時に行う第１モードと、トルク制御のみを行う第２モードの２つのモードを切り換えて上記の要求される制御を行う。
【００３６】
以下で、図４及び図５を参照して、上記制御を行う場合のレンチモータ５１の正回転及び逆回転の工程をより詳細に説明する。
最初に、図４を参照して、レンチモータ５１の正回転すなわち工具把持の工程を説明する。工具把持の工程は標準締め工程と増し締め工程の２つの工程に分離して実行される。標準締め工程の際の第１設定トルク及び第１設定回転速度と、増し締め工程の際の第２設定トルク及び第２設定回転速度は予め定められるものとする。
【００３７】
工具把持工程の標準締め工程が開始されるにあたって、先ず、第１モードに切り換え、速度制御及び位置制御を有効にし、予め定められた標準締めトルクをトルクリミット値として設定する。次に、第１設定回転速度（例えば押圧ねじ４５を１０００ｍｍ／分で移動させる回転速度）でレンチモータ５１を正方向（ねじを締める方向）に回転させる（ステップ１６９）。トルクが第１設定トルクに達するとレンチモータ５１（サーボモータ）はトルクリミット機能によりトルクリミット信号を発生させ、レンチモータ５１の回転を停止させる（ステップ１７１）。このとき、レンチモータ５１の回転方向の角度位置すなわち押圧ねじ４５の位置が予め定められた範囲あることを確認する（ステップ１７３）。
【００３８】
例えば、レンチモータ５１の回転方向の角度位置が予め定められた範囲の最小値に達していなければ押圧ねじ４５のかじりが考えられ、或いは予め定められた範囲の最大値を超えていれば押圧ねじ４５の係合穴とレンチ４９との係合が不十分で空転が起こった可能性が考えられる。よって、レンチモータ５１の回転角度位置が予め定められた範囲に入っていないときは異常発生信号を発生させることが好ましい。
【００３９】
レンチモータ５１の回転方向の角度位置が予め定められた範囲に入っていることが確認された場合には、レンチモータ５１（サーボモータ）の制御モードを第２モードに切り換え、トルク制御を有効にする。次いで、レンチモータ５１の正方向の回転を再開し、レンチモータ５１のトルクが第１設定トルクを越えてから予め定められた時間（例えば２秒）の経過後にレンチモータ５１の回転を停止させる、すなわち第１設定トルクをかけた状態で予め定められた時間だけレンチモータ５１を正回転させる（ステップ１７５）。
【００４０】
以上の標準締め工程が終了すると、次いで増し締め工程が行われる。増し締め工程は標準締め工程とほぼ同様の工程であり、工程が開始されるにあたって、先ず、第１モードに切り換え、速度制御及び位置制御を有効にし、予め定められた増し締めトルクをトルクリミット値として設定する。次に、第２設定回転速度（例えば押圧ねじ４５を１００ｍｍ／分で移動させる回転速度）でレンチモータ５１を正方向に回転させ（ステップ１７７）、トルクが第２設定トルクに達するとレンチモータ５１（サーボモータ）はトルクリミット機能によりトルクリミット信号を発生させ、レンチモータ５１の回転を停止させる（ステップ１７９）。このとき、レンチモータ５１の回転方向の角度位置すなわち押圧ねじ４５の位置が予め定められた範囲あることを確認する（ステップ１８１）。レンチモータ５１の回転方向の角度位置が予め定められた範囲に入っていることが確認された場合には、レンチモータ５１（サーボモータ）の制御モードを第２モードに切り換え、トルク制御を有効にする。次いで、レンチモータ５１の正方向の回転を再開し、レンチモータ５１のトルクが第２設定トルクを越えてから予め定められた時間（例えば２秒）の経過後にレンチモータ５１の回転を停止させる（ステップ１８３）。以上で増し締め工程が終了する。
【００４１】
増し締め工程終了後、レンチモータ５１を主軸１３から離す方向に移動する前に、次の工具解放工程でレンチ４９を押圧具の押圧ねじ４５の係合穴へ確実に係合させることができるように、レンチモータ５１の回転方向の角度位置を記憶しておく（ステップ１８５）。
次に、図５を参照して、レンチモータ５１の逆回転すなわち工具解放の工程を説明する。なお、工具把持工程において予め定められた第１設定トルク及び第１設定回転速度、第２設定トルク及び第２設定回転速度に加えて、以下で使用される第３設定回転速度が予め定められているものとする。
【００４２】
工具解放工程が開始されるにあたって、先ず、第１モードに切り換え、速度制御及び位置制御を有効にし、工具把持工程において設定された第２設定トルクより大きなトルクをトルクリミット値として設定する。次に、第２設定回転速度でレンチモータ５１を逆方向（ねじを緩める方向）に回転させる（ステップ１８７）。レンチモータ５１が予め定められた回転角度だけ回転し、押圧具の押圧ねじ４５を予め定められた距離だけ主軸１３の後端面に向かって移動させたら、レンチモータ５１の回転を停止させる（ステップ１８９）。次いで、第３設定回転速度（例えば押圧ねじを３０００ｍｍ／分で移動させる回転速度）でレンチモータ５１を逆方向に予め定められた回転角度だけ回転させ（ステップ１９１）、押圧具の押圧ねじ４５をホームポジションまで戻しレンチモータ５１の回転を停止させる（ステップ１９３）。通常は、次の工具把持工程が完了するまでレンチ４９を押圧ねじ４５の係合穴から離脱させることはないが、保全等の場合にはレンチ４９を押圧ねじ４５の係合穴から離脱させることがあるので、回転停止時におけるレンチモータ５１の回転方向の角度位置を記憶しておく（ステップ１９５）。以上で工具解放工程が終了する。
【００４３】
図１及び図２に示されている実施態様では、主軸１３の先端面上に形成された穴に外周面上に凹部が形成された円筒状スリーブ２７を挿入することにより工具装着穴２５が形成されているが、工具装着穴周りにラジアル方向に弾性変形可能な薄肉を隔てた圧力室を備えたアダプタを別個に形成し、このアダプタを主軸と一体となるよう固定的に主軸の先端部に取り付けてもよい。この場合にもアダプタを主軸に取り付けた後に、工具装着穴の中心軸線が主軸の回転軸線と一致するように工具装着穴の内周面を研削することが好ましい。また、主軸と完全に一体成形で工具装着穴及びその周りにラジアル方向に弾性変形可能な薄肉を隔てて形成された圧力室を設けることも可能である。
【００４４】
図６〜図８には図１に示されている実施態様とは異なるタイプの圧力調節装置の実施態様が示されている。
図６に示されている圧力調節装置７１は、主軸１３の後端部の後端面上に形成され作動流体通路３３と連通した押圧具挿入孔４１に挿入された押圧具と、主軸１３の軸線方向に進退可能なロッド７３を有したアクチュエータ７５からなる押圧具駆動装置とを備えている。
【００４５】
押圧具は、ピストン７７と、押圧具挿入孔４１に挿入されこれを封鎖するエンドキャップ７９とを含んでいる。エンドキャップ７９の主軸１３の内部側には穴８１が形成されており、この穴８１の頂部には止め栓８３が螺合されている。エンドキャップ７９の穴８１と止め栓８３とによって規定される空間内にはピストン７７が挿入されており、同空間を２つに分割している。分割された空間のうちのアクチュエータ７５側に位置する空間は接続通路８５を介して作動流体通路３３と連通しており、その内部に作動流体が充満している。
【００４６】
ピストン７７により分割された他方の空間には作動流体の圧力を高める方向にピストン７７を付勢する圧縮ばね８７が設置されており、作動流体通路３３内及び圧力室３１内の作動流体はピストン７７により工具把持を行うように付勢されている。一方、ピストン７７からはエンドキャップ７９の底面を貫通して主軸１３の外部に突出するロッド７７ａが延びており、アクチュエータ７５が圧縮ばね８７の付勢力に逆らってこのロッド７７ａを主軸１３の先端部へ向かって押圧することにより作動流体通路３３を介して圧力室３１内の作動流体の圧力が降下し、工具装着穴２５から工具を解放することが可能となる。
【００４７】
図７に示されている圧力調節装置９１は、図６に示されているものと同様に、主軸１３の後端部の後端面上に形成され作動流体通路３３と連通した押圧具挿入孔４１に挿入された押圧具と、主軸１３の軸線方向に進退可能なロッド９３を有したアクチュエータ９５からなる押圧具駆動装置とを備えている。押圧具はピストン９７からなり、同ピストン９７は主軸１３の後端面に取り付けられ押圧具挿入孔４１を封鎖するエンドキャップ９９を貫通してアクチュエータ９５へ向かって主軸１３の外部に延びるロッド９７ａを有している。
【００４８】
押圧具挿入孔４１においてピストン９７とエンドキャップ９９との間に形成される空間にはピストン９７を主軸１３の前方へ向かって付勢する圧縮ばね１０１が設置されており、ピストン９７により作動流体通路３３を介して圧力室３１内の作動流体の圧力を増加させ工具把持を行うように付勢している。一方、ピストン９７から延びるロッド９７ａとアクチュエータ９５から延びるロッド９３とはそれらの端部において回転可能に係合しており、アクチュエータ９５が圧縮ばね１０１の付勢力に逆らってピストン９７をアクチュエータ９５へ向かって引きつけることにより、作動流体通路３３を介して圧力室３１内の作動流体の圧力が降下し、工具装着穴２５から工具を解放することが可能となる。なお、図６に示されている圧力調節装置７１と同様に、圧縮ばね１０１は工具装着穴２５内に挿入された工具を把持するのに十分な流体圧を圧力室３１内の作動流体に発生させるばね力を有している。
【００４９】
図８を参照すると、作動流体通路３３がばね１０３と鋼球１０５とによって構成された逆止弁１０７を介して主軸１３の後端部の後端面上に開口している。すなわち、主軸１３の後端部に取り付けられ主軸１３の後端面を形成するエンドキャップ１０９に設けられ主軸１３の作動流体通路３３に貫通している開口１１１は、ばね１０３により後方へ向かって付勢された鋼球１０５により通常は閉鎖されている。一方、主軸１３の後方外部には、アクチュエータ１１３によって駆動されて主軸１３の後端面に着座することができる作動流体流通装置１１５を備えた圧力調節装置１１７が設けられている。この作動流体流通装置１１５は主軸１３の後端面に着座したときに逆止弁１０７を開弁させて作動流体通路３３を圧力調節装置１１７と連通させ、圧力調節装置１１７により圧力室３１内の作動流体の圧力を制御することを可能とさせるものである。
【００５０】
図８に示されている作動流体流通装置１１５は、内部に空洞１１９が形成されているハウジング１２１と、このハウジング１２１に保持されている開弁体１２３とを備えている。
ハウジング１２１内の空洞１１９は圧力調節装置１１７と連通しておりその内部に作動流体が充満していると共に、主軸１３の後端面に面するハウジング１２１の壁には貫通孔１２５が設けられており貫通孔１２５を通して空洞１１９内の作動流体がハウジング１２１の外部に流通できるようになっている。
【００５１】
開弁体１２３は、通常、貫通孔１２５を封鎖するように圧縮ばね１２７により付勢されている。また、開弁体１２３はハウジング１２１の貫通孔１２５を通って主軸１３の後端面へ向かって延びる突出部１２３ａを備えており、作動流体流通装置１１５が主軸１３の後端面に着座したときに開弁体１２３の突出部１２３ａがエンドキャップ１０９の開口１１１に挿入され逆止弁１０７の鋼球１０５を押し返して、逆止弁１０７を開弁させると同時に逆止弁１０７のばね１０３の付勢力によって開弁体１２３もハウジング１２１の貫通孔１２５を開通させる方向に移動させられる。この結果、作動流体流通装置１１５のハウジング１２１内の空洞１１９を介して作動流体通路３３と圧力調節装置１１７とが連通する。
【００５２】
こうして、作動流体流通装置１１５が主軸１３の後端面に着座すると作動流体通路３３と圧力調節装置１１７とが連通するので、圧力調節装置１１７により作動流体通路３３を介して圧力室３１内の作動流体の圧力を制御することによって、工具装着穴２５に挿入された工具の把持又は解放を行うことが可能になる。
【００５３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、コレットを用いた工具把持機構の欠点である工具把持の際の軸線方向の把持位置のずれを生じることがなくなり、主軸の回転軸線と工具の中心軸線とのずれによる工具の偏心回転が防止され、工作機械において高精度の加工が可能となる。また、主軸や主軸を支持するハウジング等が妨げとなって作業スペースが十分にとれない主軸の先端部で工具の脱着のための圧力調節を行う必要もなく、主軸への工具の脱着作業が容易になり、主軸への工具着脱の自動化が容易になる。
【００５４】
また、工具を把持する薄肉部を構成する圧力室から主軸後部又は主軸の後方外部に設けた圧力調節装置までの作動流体通路が比較的長く、封入されている作動流体の体積が多いこと、及び作動流体通路が温度上昇のある主軸内を通っているので作動流体が昇温して膨張することから、遠心力による工具把持力の低下がない。よって、主軸装置を高速回転域でも使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による工作機械の主軸装置の断面図である。
【図２】図１に示されている主軸の先端部の拡大断面図である。
【図３】図１に示されている本発明による工作機械を用いた場合の工具交換動作を示しているフローチャートである。
【図４】図３における工具把持動作の詳細を示しているフローチャートである。
【図５】図３における工具解放動作の詳細を示しているフローチャートである。
【図６】本発明による工作機械の主軸装置に適用可能な圧力調節装置の第２の実施態様を示している要部断面図である。
【図７】本発明による工作機械の主軸装置に適用可能な圧力調節装置の第３の実施態様を示している要部断面図である。
【図８】本発明による工作機械の主軸装置に適用可能な圧力調節装置の第４の実施態様を示している要部断面図である。
【符号の説明】
１１…主軸装置
１３…主軸
２３…回転軸線
２５…工具装着穴
２９…薄肉
３１…圧力室
３３…作動流体通路
３５…圧力調節装置
４１…押圧具挿入孔
４３…ピストン
４５…押圧ねじ
４７…シール部材
４９…レンチ
５１…レンチモータ
５３…アクチュエータ
５５…制御装置
７１…圧力調節装置
９１…圧力調節装置
１０７…逆止弁
１１５…作動流体流通装置
１１７…圧力調節装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003701225.tif 000008
【図８】
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