(57)【要約】  工作機械の送り軸装置が、互いに回転可能に配置される内周要素（６２、８２）、外周要素（６４、８４）および両者間に配設された中間要素（６６、６８、８６、８８、９０）から成り、該３つの要素の１つを固定部とし、残り２つの要素の一方が入力部、他方が出力部となるように直列に組み合わせた第１と第２の遊星型の減速機（６０、８０）を具備しており、第１の減速機（６０）の入力部とした要素と第２の減速機（８０）の入力部とした要素とを１つの駆動源（Ｍa）に連結し、第１の減速機（６０）の出力部とした要素と第２の減速機（８０）の出力部とした要素とを連結して１つの出力部とし、第１の減速機（６０）の固定部と第２の減速機（８０）の固定部の少なくとも一方の固定部に可変に回転トルクを付与するアクチュエータ（Ｍ）を設けた。
2015037139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の送り軸装置において、
互いに回転可能に配置される内周要素、外周要素および両者間に配設された中間要素から成り、該３つの要素の１つを固定部とし、残り２つの要素の一方が入力部、他方が出力部となるように組み合わせた第１と第２の遊星型の減速機を具備し、
前記第１の減速機の入力部とした要素と前記第２の減速機の入力部とした要素とを１つの駆動源に連結し、
前記第１の減速機の出力部とした要素と前記第２の減速機の出力部とした要素とを連結して１つの出力部とし、
前記第１の減速機の固定部と前記第２の減速機の固定部の少なくとも一方の固定部に可変に回転トルクを付与するアクチュエータを設けたことを特徴とした工作機械の送り軸装置。
【請求項２】
前記第１と第２の遊星型の減速機の各々は遊星歯車を具備しており、
前記内周要素が前記駆動源に連結された太陽歯車を具備し、前記中間要素が前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車と、該複数の遊星歯車を保持する遊星キャリアとを具備し、前記外周要素が前記遊星歯車に噛合する内歯を有した外周リングを具備している請求項１に記載の工作機械の送り軸装置。
【請求項３】
前記アクチュエータは回転出力部を有し、該回転出力部にピニオンが取り付けられており、前記２つの遊星歯車の一方の外周リングの外周面に前記ピニオンに噛合する外歯が設けられている請求項２に記載の工作機械の送り軸装置。
【請求項４】
前記アクチュエータは直動出力部を有し、該直動出力部にラックが取り付けられており、前記２つの遊星歯車の一方の外周リングの外周面に前記ラックに噛合する外歯が設けられている請求項２に記載の工作機械の送り軸装置。
【請求項５】
前記送り軸装置は、工作機械の回転送り軸装置である請求項１に記載の送り軸装置。
【請求項６】
前記遊星歯車の外周リングには、冷却液が流通する冷却通路が形成されている請求項２に記載の工作機械の送り軸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の送り軸装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転工具によってワークを加工する工作機械では、加工、つまり回転工具の刃先がワークを削り取るプロセスによってびびり振動が発生することがある。一般的に難削材の加工では、このびびり振動の発生頻度が高い。びびり振動はワークの加工精度を悪化させる。びびり振動は、工作機械の送り装置に用いられている減速機の歯車のバックラッシによる伝達系の剛性の不足に起因するものがある。【０００３】
びびり振動を抑制するために、工具の回転速度や送り速度等の切削条件を変更しなければならないこともある。この方法は通常、加工効率の低下を伴う。そのために、加工条件を変更することなく、びびり振動を防止するために、特許文献１には、２つのサーボモータの駆動力を２系統の歯車列にて並列的に１つの送り軸を駆動するようにした回転送り軸装置が開示されている。特許文献１の発明では、ワーク加工中の工作機械の振動を検出する検出手段によって振動が検出されたときに、回転送り軸装置の２系統の歯車列の各々の噛合する歯部表面間の圧力を増大するように２つのサーボモータを制御するようになっている。【０００４】
また、特許文献２には、バックラッシの除去技術として、２つの減速機によって支持されたロボットアームを有した産業用ロボットの駆動装置が開示されている。特許文献２の発明では、２つの減速機の一方の入力軸を他方の減速機の入力軸に連結して駆動装置のバックラッシを除去している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−５１０８３号公報
【特許文献２】特開平８−０１１０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の回転送り軸装置は、２つのサーボモータと、２系統の歯車列とが並列的に設けられており、回転送り軸装置が複雑になり、またその制御も複雑になる。【０００７】
特許文献２の駆動装置では、バックラッシを除去するために、２つの減速機の噛合する歯部表面間の圧力を増大し、調節することができない。これを工作機械の送り装置に応用すると、重切削時や大径工具による加工時の動力伝達系の剛性は上がるが、発熱が大きくなるという問題が生じる。軽切削時や送り軸の早送り時は、歯部表面間の圧力を低減させて発熱を小さくしたいが、その調節をすることはできない。また、びびり振動が発生し難い条件に対応する場合、発熱を抑えるために送り速度を下げて加工することになるため、工作機械が本来持っている性能を落とすことになる。【０００８】
本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、加工状況に応じて減速機の剛性を可変にした工作機械の送り軸装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するために、本発明によれば、互いに回転可能に配置される外周要素、内周要素および中間要素から成り、該３つの要素の１つを固定部とし、残り２つの要素の一方を入力部、他方を出力部とする第１と第２の減速機を組み合せ、送り軸装置に介在させた工作機械の送り軸装置において、
前記第１の減速機の入力部とした要素と前記第２の減速機の入力部とした要素とを１つの駆動源に連結し、
前記第１の減速機の出力部とした要素と前記第２の減速機の出力部とした要素とを連結して１つの出力部とし、
前記第１の減速機の固定部と前記第２の減速機の固定部の少なくとも一方の固定部に可変に回転トルクを付与するアクチュエータを設けた工作機械の送り軸装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、アクチュエータから第１と第２の減速機の固定部の少なくとも一方の固定部に可変に回転トルクを付与するようにしたので、重切削時は回転トルクを増大することによって、第１と第２の減速機の剛性を高め、また、２つの減速機の噛合する歯部表面間の摩擦による振動減衰能を高め、びびり振動を抑制可能となる。軽切削時や早送り時は、前記一方の固定部に付与する回転トルクを低減することによって、２つの減速機の噛合する歯部表面間の摩擦を低減させ、発熱を小さくする。更に、減速機の外周リングに冷却液を流通させて、減速機の焼付きを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の送り軸装置を工作機械の主軸頭を傾動させるＡ軸送り装置に適用した例を示す断面図である。
【図２】図２に示した工作機械の送り軸装置の要部拡大断面図である。
【図３】本発明の送り軸装置を有した工作機械の一例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図１〜図３を参照して本発明による送り軸の制御装置および工作機械の実施の形態について説明する。
まず、図３を参照して、本発明の送り軸装置を有した工作機械の一例を説明する。
図３において、工作機械１００は、主軸頭傾斜型の５軸制御工作機械であって、工場の床面に固定される基台となるベッド１０２を具備し、該ベッド１０２上には、コラム１０４が、Ｚ軸方向（図３において左右方向）に水平移動可能に取り付けられている。ベッド１０２の上面においてコラム１０４の前方には、テーブル１０６がＸ軸方向（図３において紙面に垂直な方向）に水平移動可能に取り付けられており、テーブル１０６上にはイケール１０８を介してワークＷが取り付けられる。
【００１３】
コラム１０４の前面には、主軸台１１０がＹ軸方向（鉛直方向）に移動可能に取り付けられている。該主軸台１１０の前面には、旋回台１１２が、Ｚ軸回りのＣ軸方向に回転送り可能に取り付けられている。旋回台１１２には、本発明による送り軸装置の一例としてのＡ軸送り装置を構成する主軸頭支持台１０が取り付けられている。主軸頭支持台１０には、主軸頭１１４が、Ｘ軸と平行な傾動軸線Ｏa回りのＡ軸方向に回転送り可能に支持されている。主軸頭１１４には、主軸１１６が、その中心軸線Ｏs回りに回転可能に支持されている。主軸頭１１４には、びびり振動検知手段として加速度センサＳが取り付けられている。振動検知手段Ｓは、変位センサ、速度センサ等他のセンサによって構成してもよい。
【００１４】
テーブル１０６は、ベッド１０２の上面においてＸ軸方向に延設された一対のＸ軸案内レール（図示せず）に沿って往復動可能に設けられている。ベッド１０２には、テーブル１０６をＸ軸案内レールに沿って往復駆動するＸ軸送り装置として、Ｘ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＸ軸サーボモータＭxが設けられており、テーブル１０６には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。
【００１５】
主軸台１１０は、コラム１０４の前面においてＹ軸方向（図３では上下方向）に延設された一対のＹ軸案内レールに沿って往復動可能に設けられている。コラム１０４には、主軸台１１０をＹ軸案内レールに沿って往復駆動するＹ軸送り装置として、Ｙ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＹ軸サーボモータＭyが設けられており、主軸台１１０には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。
【００１６】
コラム１０４は、ベッド１０２の上面おいてＺ軸方向に延設された一対のＺ軸案内レール（図示せず）に沿って往復動可能に設けられている。ベッド１０２には、コラム１０４をＺ軸案内レールに沿って往復駆動するＺ軸送り装置として、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＺ軸サーボモータＭzが設けられており、コラム１０４には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。
【００１７】
主軸台１１０には、また、旋回台１１２、主軸頭支持台１０および主軸頭１１４をＣ軸方向に回転送りするためのＣ軸サーボモータＭcが設けられている。主軸頭支持台１０には、主軸頭１１４を傾動軸線Ｏaを中心としてＡ軸方向に回転送りするための駆動源としてのＡ軸サーボモータＭaが設けられている。主軸頭支持台１０には、更に、後述する減速装置５０の動力伝達系の剛性を調節するためのアクチュエータとしての予圧サーボモータＭが配設されている。
【００１８】
Ｘ軸サーボモータＭx、Ｙ軸サーボモータＭy、Ｚ軸サーボモータＭz、Ａ軸サーボモータＭa、Ｃ軸サーボモータＭcおよび予圧サーボモータＭは、工作機械１００を制御するＮＣ装置１３０に接続されている。加速度センサＳもまたＮＣ装置１３０に接続されている。ＮＣ装置１３０によって、Ｘ軸サーボモータＭx、Ｙ軸サーボモータＭy、Ｚ軸サーボモータＭz、Ａ軸サーボモータＭa、Ｃ軸サーボモータＭcおよび予圧サーボモータＭへ供給される電力（電流値）が制御される。
【００１９】
こうして、工作機械１００は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｃ軸を夫々ＮＣプログラムに従って送ることによって、主軸１１６先端部に取り付けられた工具Ｔと、テーブル１０６上に取り付けられたワークＷとを相対移動させ、工具ＴによってワークＷを加工する。
【００２０】
次に、図１、２を参照して、本発明による送り軸装置の一例としてのＡ軸送り装置を構成する主軸頭支持台１０を説明する。
主軸頭支持台１０は、減速装置５０およびＡ軸を回転駆動するためのＡ軸駆動モータＭaを収納するためのハウジング１２を具備している。より詳細には、ハウジング１２は、その後方部分に減速装置５０を収納するための歯車室１４と、Ａ軸駆動モータＭaを収納するための凹所１６が形成され、反対側の前方部分に互いに離間した一対の側壁１２ａ、１２ｂが形成されている。Ａ軸サーボモータＭaは、傾動軸線Ｏaと平行に延びる軸線Ｏに沿って延び、ハウジング１２に回転可能に支持された出力軸５２を有している。
【００２１】
ハウジング１２の一対の側壁１２ａ、１２ｂの間に主軸頭１１４が配設される。主軸頭１１４はその側面から反対方向に同一直線上に延びる傾動軸１１８、１２０を有しており、該傾動軸１１８、１２０は、側壁１２ａ、１２ｂに設けられた軸受１１ａ、１１ｂによって回転可能に支持される。このように、傾動軸１１８、１２０および軸受１１ａ、１１ｂを介して、主軸頭１１４を主軸頭支持台１０に取り付けたとき、傾動軸１１８、１２０は、Ｚ軸に対して垂直に延びる傾動軸線Ｏaを規定する。
【００２２】
減速装置５０は、第１の遊星型減速機としての入力側遊星歯車組立体６０と、第２の遊星型減速機としての出力側遊星歯車組立体８０とを具備している。入力側遊星歯車組立体６０は、内周要素としての太陽歯車６２と、太陽歯車６２と噛合する中間要素としての複数の遊星歯車６６および遊星歯車６６を保持する遊星キャリア６８と、遊星歯車６６と噛合する内歯６４ａを有した外周要素としての外周リング６４とを具備する。太陽歯車６２はＡ軸サーボモータＭaの出力軸５２に結合されている。
【００２３】
外周リング６４は、外歯６４ｃを有しており、該外歯６４ｃはピニオン７２に噛合する。ピニオン７２は、外周リング６４に可変の回転トルクを与えるアクチュエータとしての予圧サーボモータＭの出力軸７４に固定されている。本実施形態では、外周リング６４は、軸受７０によって歯車室１４の内周面に回転可能に支持されているが、その外歯６４ｃとピニオン７２との噛合を通じて、予圧サーボモータＭによって外周リング６４に予圧としてのトルクを与え続けることにより、外周リング６４は歯車室１４の内周面に対して回転しないように保持される。なお、予圧サーボモータＭは電動モータ、油圧モータまたは空圧モータとすることができる。また、予圧サーボモータＭを流体圧シリンダ等の直動アクチュエータとして、ピニオン７２に代えてラックギアを用いてもよい。
【００２４】
出力側遊星歯車組立体８０は、内周要素としての太陽歯車８２と、太陽歯車８２と噛合する中間要素としての複数の遊星歯車８６および遊星歯車８６を保持する第１と第２の遊星キャリア８８、９０と、遊星歯車８６と噛合する内歯８４ａを有した外周要素としての外周リング８４とを具備する。太陽歯車８２はＡ軸サーボモータＭaの出力軸５２に結合されている。外周リング８４は主軸頭支持台１０の静止部としての歯車室１４の内周面に固定されている。外周リング８４は、キーと溝、スプライン、締まり嵌めのような適当な手段によって、特に周方向に移動しないように固定される。出力側遊星歯車組立体８０の第１の遊星キャリア８８は、結合部７３によって入力側遊星歯車組立体６０の遊星キャリア６８と一体的に回転するように結合されている。出力側遊星歯車組立体８０の第２の遊星キャリア９０は、減速装置５０の出力軸９２に結合されている。
【００２５】
出力軸９２には駆動歯車１２２が固定されている。駆動歯車１２２は軸線Ｏm回りに回転支持された中間歯車１２４に噛合し、中間歯車１２４は、一方の傾動軸１２０に固定された被駆動歯車１２６に噛合している。こうして、Ａ軸サーボモータＭaの回転は、減速装置５０、駆動歯車１２２、中間歯車１２４、被駆動歯車１２６、傾動軸１２０を介して主軸頭１１４に伝達される。これによって、主軸頭１１４は傾動軸線Ｏa回りのＡ軸方向に回転送りされる。
【００２６】
本実施形態では、太陽歯車６２、８２が駆動源としてのＡ軸サーボモータＭaに連結された入力部を形成し、遊星歯車６６、８６と遊星キャリア６８、８８、９０が出力軸９２に連結された出力部を形成し、外周リング６４、８４が固定部を形成している。
【００２７】
なお、外周リング６４、８４には、周方向に螺旋状に延設された冷却通路６４ｂ、８４ｂが形成されている。冷却通路６４ｂ、８４ｂは冷却管路７８ａ、７８ｂ、７８ｃを介して、クーラ７６に対して直列に接続されている。こうして冷却液が、クーラ７６から冷却管路７８ａを介して冷却通路８４ｂへ供給され、該冷却通路８４ｂから冷却管路７８ｂを介して冷却通路６４ｂへ供給され、該冷却通路６４ｂから冷却管路７８ｃを介して再びクーラ７６へ戻るように循環する。冷却液の温度が工作機械１００のベッド１０２の機体温度に同調するようにクーラ７６の運転を制御し、減速装置５０の発熱を除去する。
【００２８】
予圧サーボモータＭは、工作機械１００が作動している間、ピニオン７２を介して入力側遊星歯車組立体６０の固定部としての外周リング６４に可変にトルクを付与する。これによって、入力側遊星歯車組立体６０および出力側遊星歯車組立体８０の各々の噛合する歯部表面間に作用する圧力が調節され、動力伝達系の剛性が調節される。
【００２９】
びびり振動が発生していない通常の加工状態では、Ｘ軸サーボモータＭx、Ｙ軸サーボモータＭy、Ｚ軸サーボモータＭz、Ａ軸サーボモータＭaおよびＣ軸サーボモータＭcへ供給される電力（電流値）がＮＣ装置１３０によって制御され、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸およびＣ軸の各送り軸を加工プログラムに従って制御することによって加工プロセスが実行される。その間、バックラッシを除去する目的から、入力側遊星歯車組立体６０と出力側遊星歯車組立体８０の各々の噛合する歯部の接触面に圧力を与えるように、予圧サーボモータＭへ供給される電力（電流値）がＮＣ装置１３０によって制御される。例えば、重切削や大径工具による加工時は、予圧サーボモータＭへ供給される電力（電流値）を高くして、入力側遊星歯車組立体６０と出力側遊星歯車組立体８０の各々の噛合する歯部の接触面の圧力を高くする。反対に軽切削時やＡ軸の早送り時には、予圧サーボモータＭへ供給される電力（電流値）を低くして、上記圧力を低減する。このような加工条件に基づく予圧サーボモータＭへ供給される電力（電流値）の制御は、例えば、加工プログラム中にＭコードで記述することができる。また、ＮＣ装置１３０は、大径工具が主軸１１６に装着されたことを自動工具交換の工具番号指令から判定したり、主軸駆動モータの負荷から重切削、軽切削の別を判定したり、Ａ軸の早送り指令から次の動作が早送りであることを判定したりして、予圧サーボモータＭの制御を行ってもよい。予圧サーボモータＭへは、常に少なくとも零よりも大きな値の電力を供給するようにしてもよいし、或いは、ＯＮ−ＯＦＦ制御によって電力を供給するようにしてもよい。ＯＦＦの場合には、予圧サーボモータＭの出力軸７４はメカニカルブレーキがかけられる。
【００３０】
更には、工作機械１００の作動中に、加速度センサＳがびびり振動を感知したときに、ＮＣ装置１３０は、予圧サーボモータＭへ供給される電力（電流値）を高め、ピニオン７２を介して外周リング６４に与える回転トルクを増大し、入力側遊星歯車組立体６０および出力側遊星歯車組立体８０の各々の噛合する歯部表面間に作用する圧力を高めるようにしてもよい。これによって、歯部表面間の摩擦減衰能が大きくなる。すなわち、減速機内部の歯面間で大きな摩擦を発生させ、びびり振動を熱に変換させる。すると、びびり振動が収まる。例えば、加工中の加速度センサＳが検知した振動の振幅Ｖが所定のしきい値Ｖ0を超えた状態が所定時間続いたときにびびり振動が発生したと判断するようにできる。そのとき、ＮＣ装置１３０は予圧サーボモータＭへ供給する電流値を、加速度センサＳが検知した振動の現在の振幅Ｖとしきい値Ｖ0との差分ΔＶに比例するように制御することができる。
【００３１】
既述の実施形態では、太陽歯車６２、８２が入力部を形成し、遊星歯車６６、８６と遊星キャリア６８、８８、９０が出力部を形成し、外周リング６４、８４が固定部を形成している。然しながら、本発明は、これに限定されず、太陽歯車６２、８２が入力部を形成し、遊星歯車６６、８６と遊星キャリア６８、８８、９０が固定部を形成し、外周リング６４、８４が出力部を形成するようにしてもよい。或いは、太陽歯車６２、８２が固定部を形成し、遊星歯車６６、８６と遊星キャリア６８、８８、９０が出力部を形成し、外周リング６４、８４が入力部を形成するようにしてもよい。或いは、太陽歯車６２、８２が固定部を形成し、遊星歯車６６、８６と遊星キャリア６８、８８、９０が入力部を形成し、外周リング６４、８４が出力部を形成するようにしてもよい。或いは太陽歯車６２、８２が出力部を形成し、遊星歯車６６、８６と遊星キャリア６８、８８、９０が入力部を形成し、外周リング６４、８４が固定部を形成するようにしてもよい。更には、太陽歯車６２、８２が出力部を形成し、遊星歯車６６、８６と遊星キャリア６８、８８、９０が固定部を形成し、外周リング６４、８４が入力部を形成するようにしてもよい。
【００３２】
既述の実施形態では、固定部としての入力側遊星歯車組立体６０の外周リング６４にアクチュエータとしての予圧モータによって回転トルクを付与するようになっているが、出力側遊星歯車組立体８０の外周リング８４に回転トルクを付与してもよい。また、入力側および出力側遊星歯車組立体６０、８０の双方の外周リング６４、８４に互いに逆方向の回転トルクを付与するようにしてもよい。
【００３３】
また、既述の実施形態では、遊星型減速機としての減速装置５０は、一般的な遊星歯車機構によって構成されているが、本発明はこれに限定されず、減速装置５０は、日本国東京所在のナブテスコ株式会社から市販されているＲＶ減速機（登録商標）や、日本国東京所在の株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズから市販されているハーモニックドライブ（登録商標）を用いてもよい。また、既述の実施形態では、Ａ軸の動力伝達系に減速装置５０を設けたが、他の回転送り軸であるＢ軸やＣ軸の動力伝達系に設けてもよいし、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸等の直動送り軸の動力伝達系に設けてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１０    主軸頭支持台
１２    ハウジング
５０    減速装置
５２    出力軸
６０    入力側遊星歯車組立体
６２    太陽歯車
６４    外周リング
６６    遊星歯車
６８    遊星キャリア
７２    ピニオン
７３    結合部
７４    出力軸
７６    クーラ
８０    出力側遊星歯車組立体
８２    太陽歯車
８４    外周リング
８６    遊星歯車
８８    第１の遊星キャリア
９０    第２の遊星キャリア
９２    出力軸
１００    工作機械
１０２    ベッド
１０４    コラム
１０４    テーブル
１０６    テーブル
１１０    主軸台
１１２    旋回台
１１４    主軸頭
１１６    主軸
１３０    ＮＣ装置
【図１】
2015037139.tif 000003
【図２】
2015037139.tif 000004
【図３】
2015037139.tif 000005
【国際調査報告】
2015037139.tif 000006
2015037139.tif 000007
2015037139.tif 000008
2015037139.tif 000009