(57)【要約】【課題】コンタリング加工などの機械加工の能率を向上させることができる機械加工方法を提供する。【解決手段】公転軸８の内部に中心軸線に対して偏心した軸線を中心にして自転する偏心軸１０が配置され、その偏心軸１０の中心軸線に対して偏心した位置に主軸４が自転自在に保持されており、偏心軸１０を公転軸８と一体となって回転させるとともに公転軸８に対して相対回転させる公転半径変更機構が設けられている機械加工装置Ａにおいて、公転軸８と偏心軸１０との間に中心軸線方向に移動自在な２重壁構造の中間材６０を介在させる。中間材６０は外円筒部材６１と内円筒部材６２とからなる２重壁構造であり、外円筒部材６１の内面と公転軸８の外表面とは対向するストレートスプラインとその間に介装されるボールとで構成される第１のボールカップリングを介して接続させ、内円筒部材６２の内面と偏心軸１０の外表面とは対向する多条ねじ溝とその間に介装されるボールとで構成される第２のボールカップリングを介して接続させる。【選択図】  図４
2004299028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材と工具とを相対回転させて被加工材の加工をおこなう機械加工装置において、中心軸線と平行な軸線を中心に自転するように保持された公転軸と、その公転軸の中心軸線に対して偏心しかつその公転軸の中心軸線に対して平行な軸線を中心に自転し、さらに先端部に前記被加工材と工具とのいずれか一方が装着される主軸と、これら公転軸と主軸とをそれぞれ異なる回転数で回転させる回転駆動機構とを備えており、
前記公転軸の内部に該公転軸の中心軸線に対して偏心した軸線を中心にして自転する偏心軸が配置され、その偏心軸の中心軸線に対して偏心した位置に前記主軸が自転自在に保持されており、前記偏心軸を、前記公転軸と一体となって回転させるとともに公転軸に対して相対回転させる公転半径変更機構が設けられている機械加工装置であって、
前記公転半径変更機構は、前記公転軸と前記偏心軸との間に介在した中心軸線方向に移動自在な中間材と、中間材を中心軸線方向に移動させる手段とからなり、前記中間材は公転軸とは一体回転し、偏心軸とは対向する多条ねじ溝とその間に介装されるボールとで構成されるボールカップリングを介して接続していることを特徴とする機械加工装置。
【請求項２】
前記中間材は外円筒部材と内円筒部材とからなる２重壁構造であり、外円筒部材の内面と公転軸の外表面とは対向するストレートスプラインとその間に介装されるボールとで構成される第１のボールカップリングを介して接続しており、内円筒部材の内面と偏心軸の外表面とは対向する多条ねじ溝とその間に介装されるボールとで構成される第２のボールカップリングを介して接続していることを特徴とする請求項１に記載の機械加工装置。
【請求項３】
前記回転駆動機構が、基台部に固定された公転用モータと、その公転用モータから前記公転軸に動力を伝達する公転用伝動機構と、前記基台部に固定された主軸用モータと、その主軸用モータから前記主軸に動力を伝達する主軸用伝動機構を備えており、さらに、前記公転半径変更機構の前記中間材を駆動する、前記基台部に固定された半径変更モータを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の機械加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工具と被加工材との相対回転によって加工をおこなう機械加工装置に関し、特に工具もしくは被加工材を自転かつ公転させると共に、その公転軸に対する偏心量を調製することを可能とした機械加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械加工方法の一種であるコンタリング加工と称される加工方法は、切刃を備えた切削工具を自転させると同時に、その切削工具を被削材（被加工材）を中心に公転させる加工方法であり、その典型的な例はエンドミル加工である。特許文献１には、改良されたコンタリング加工のための機械加工装置が記載されており、この装置は、図５に示すように、中心軸線と平行な軸線を中心に自転するように保持された公転軸８と、その公転軸８の中心軸線に対して偏心しかつその公転軸８の中心軸線に対して平行な軸線を中心に自転し、さらに先端部に工具１が装着される主軸４と、これら公転軸８と主軸４とをそれぞれ異なる回転数で回転させる回転駆動機構とを備えている。
【０００３】
主軸４を回転駆動する機構は、公転軸８の後端側に軸心を中心として形成した貫通孔の内部に軸受１５を介して回転自在に保持されている入力軸１４と、入力軸１４を回転駆動する主軸用モータＭ１と、入力軸１４のトルクを主軸４側に伝えるトルク伝達機構とからなる。トルク伝達機構は、入力軸１４の端部と主軸４の対向する端部にわたって配置された円筒体１８と、入力軸１４および主軸４の外周面と前記円筒体１８の内周面との間に圧入された外径の異なる複数のローラ１６、１９とからなり、主軸用モータＭ１によって入力軸１４を回転させると入力軸１４のトルクがローラ１６の自転により円筒体１８に伝達され、円筒体１８のトルクがローラ１９の自転によって主軸４に伝達され、それにより主軸４が自転する。
【０００４】
公転軸８を回転駆動する機構は、入力軸１４の外周側に位置する公転軸８の外周部に固定された公転軸歯車２７と、公転軸歯車２７にトルクを伝達する入力歯車３０と、入力歯車３０に歯車３７を介して回転を伝える公転用モータＭ３を備えており、公転用モータＭ３を回転駆動すると、その回転数に応じて公転軸８が自転する。主軸４は公転軸８に対して偏心しており、基台部に固定してモータＭ１およびＭ３を回転駆動すると、主軸４はモータＭ１の回転数に応じて自転すると共に、モータＭ３による公転軸８の自転により、主軸４は同時に公転する。それにより、主軸４の先端部に取り付けた工具１を自転かつ公転させることができ、加工速度における公転による速度割合すなわち工具と被加工材との相対送り速度や送り量を大きくすることができる。さらに、運転中にモータＭ１，Ｍ３は基台部に固定してあり、主軸４を公転させるのに伴って旋回運動させるときの質量が小さくなる。そのために、主軸の公転速度を高速化することができるメリットがある。
【０００５】
上記特許文献１に記載の機械加工装置は、さらに、前記公転軸８の内部に該公転軸８の中心軸線に対して偏心した軸線を中心にして自転する偏心軸１０が配置され、前記主軸４は該偏心軸１０の中心軸線に対して偏心した位置に自転自在に保持されている。そして、前記偏心軸１０を前記公転軸８と一体となって回転させると共に公転軸８に対して相対回転させる公転半径変更機構が設けられており、該公転半径変更機構を操作することにより、主軸４に取り付けた工具１を自転かつ公転させつつ、その公転半径を変更できるようになっている。そのため、テーパ加工やリセス加工などの加工対象形状の径が変化する加工を容易におこなうことができるメリットがある。
【０００６】
公転半径変更機構は、基本的に従来、Ｓ（太陽歯車）−Ｃ（キャリア）−Ｐ（遊星歯車）型と呼ばれる遊星歯車機構の一形態を差動機構２９として利用している。すなわち、Ｓ−Ｃ−Ｐ形は、太陽歯車、遊星歯車、キャリアの軸を基本構成としており、図６に示すよう、ウェーブジェネレータ１０４によって、弾性歯車１０３を押し付けた部分で内歯車１０１とかみ合いが行われ、その際に、弾性歯車１０３と内歯車１０１の歯数に差があれば、その歯数差だけ相対的な移動が生じる。ここでは、ウェーブジェネレータ１０４の軸がキャリア軸、弾性歯車１０３が遊星歯車の役割をしている。
【０００７】
すなわち、図５で、３２，３３は内歯車１０１に相当する一対のサーキュラースプライン、３４はこれらに噛合する弾性歯車１０３に相当するフレクスプライン、３５はその内周側に嵌合させられたウェーブジェネレータであり、一方のサーキュラースプライン３２が前記入力歯車３０の内周側に嵌合固定され、他方のサーキュラースプライン３３が出力歯車３１の内周側に嵌合固定されている。そしてそのウェーブジェネレータ３５に調整軸（キャリア軸）３６が嵌合固定され、かつその調整軸３６が半径変更モータＭ２に連結されている。
【０００８】
前記円筒体１８は、主軸４の後端部の外周を覆っており、その主軸４の外周面と円筒体１８の内周面との間に、前記ローラ１９が圧入されている。そのローラ１９を回転自在に取り付けてある支持ピン２０が、前記主軸４の外周側に軸受を介して回転自在に配置したリング状歯車２１に連結され、このリング状歯車２１が偏心軸１０の後端部にピンによって連結されている。そして、公転軸８の前記リング状歯車２１の外周側の部分には、内外周面に貫通した複数の切欠き部が形成され、前記リング状歯車２１に噛合した中間歯車２２が各切欠き部に配置されている。これらの中間歯車２２はその最も外周側の部分を結んだ円が、公転軸８の軸心を中心とした円となるように構成されている。また各中間歯車２２が、内歯歯車である公転半径変更歯車２４に噛合している。
【０００９】
前記のように、入力軸１４の外周側に位置する公転軸８の外周部に公転軸歯車２７が固定され、またこの公転軸歯車２７に隣接して配置された中間軸歯車２８が前記公転半径変更歯車２４に円筒軸２５を介して一体化している。その公転軸歯車２７が、差動機構２９における入力歯車３０に噛合し、また中間軸歯車２８が差動機構２９における出力歯車３１に噛合している。
【００１０】
従って、上記の差動機構２９では、ウェーブジェネレータ３５すなわち調整軸３６を固定した状態で入力歯車３０を回転させると、入力歯車３０と出力歯車３１とに回転数の差が生じるが、入力歯車３０と公転軸歯車２７との歯数比および出力歯車３１と中間軸歯車２８との歯数比を適宜設定することにより、公転軸８の回転数と円筒軸２５との回転数とを等しくすることができ、これにより、円筒軸２５に形成した公転半径変更歯車２４とこれに噛合している中間歯車２２とこれに噛合しているリング状歯車２１とが一体となって回転するので、各ローラ１６，１９の公転方向の位相が一定に維持される。一方、調整軸３６と共にフレクスプライン３４を回転させると、入力歯車３０と出力歯車３１との相対回転運動を生じさせることができる。この相対回転は、公転軸８とリング状歯車２１との相対回転すなわち各ローラ１６，１９の相対的な公転速度として現れ、各ローラ１６，１９の相対的な公転によって主軸４の入力軸１４に対する偏心量すなわち公転半径が変化する。それにより、公転半径変更モータＭ２を駆動して調整軸３６を適宜回転することにより、主軸４の公転半径の微調整を容易におこなうことができる。
【特許文献１】
特開２０００−３０８９３８号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記した構成の機械加工装置は、いわゆるコンタリング加工を行うに際しての多くの利点を備えている。特に、偏心軸を自転させることにより、工具の公転軸に対する偏心量を変化させることができるので、工具の送り量や加工半径を任意に変化させることができるうえに、加工途中で偏心軸を自転させることにより、テーパ形状の加工やリセス加工などをおこなうことが可能になる。さらに、主軸を回転させるための機構と、主軸を公転させるための機構と、その公転半径を変更する機構とが互いに独立した構成となり、またモータなどの重量の大きい部材を円運動させることがないので、主軸の公転速度を高速化することができ、それに伴って主軸の自転速度と公転速度との比率を自由に設定でき、さらには主軸の公転中にその公転半径を任意に変更することができるなど、多くの利点を備える。しかし、動力伝達系をすべて歯車伝導によっていることから、部品数が多くなり構成がやや複雑化している。
【００１２】
本発明はそのような事情に鑑みてなされたものであり、上記の機械加工装置における動力伝達系のうち、主軸の公転半径を変更する機構における動力伝達系を歯車伝導ではなくボールとスプラインによる動力伝達系とすることによって、機械加工装置としての機能は上記した装置と同様に奏しながら、部品数を低減して構成をより簡素化した改良された機械加工装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明による機械加工装置は、前記図５に基づき説明した機械加工装置における主軸の公転半径を変更する機構における動力伝達系、すなわち、公転半径変更機構が、前記公転軸と前記偏心軸との間に介在した中心軸線方向に移動自在な中間材と、中間材を中心軸線方向に移動させる手段とからなり、前記中間材は公転軸とは一体回転し、偏心軸とは対向する多条ねじ溝とその間に介装されるボールとで構成されるボールカップリングを介して接続していることを特徴とする。
【００１４】
好ましくは、前記中間材は外円筒部材と内円筒部材とからなる２重壁構造であり、外円筒部材の内面と公転軸の外表面とは対向するストレートスプラインとその間に介装されるボールとで構成される第１のボールカップリングを介して接続しており、内円筒部材の内面と偏心軸の外表面とは対向する多条ねじ溝とその間に介装されるボールとで構成される第２のボールカップリングを介して接続するようにされる。
【００１５】
本発明による機械加工装置では、公転軸に対する偏心軸の相対回転移動は、いわゆるボールネジによる動力伝達で行われるので、歯車伝導の場合に回避することが困難なバックラッシュによる微細な作動誤差を回避できる利点がある。さらに、歯車伝導機構と比較して、部品数も少なくなり構造的にも簡素化される。また、このような相対回転はボールネジとそこに嵌合したハウジングとを介して生じるので、公転半径の微調整を容易におこなうことができる利点もある。
【００１６】
好ましい態様において、前記回転駆動機構は、基台部に固定された公転用モータと、その公転用モータから前記公転軸に動力を伝達する公転用伝動機構と、前記基台部に固定された主軸用モータと、その主軸用モータから前記主軸に動力を伝達する主軸用伝動機構とを備えており、さらに、前記公転半径変更機構の前記中間材を駆動するための、前記基台部に固定された半径変更モータを備えている。この態様では、駆動に必要な各モータは基台部に固定してあり、主軸を公転させるのに伴って旋回運動させるときの質量が小さくなる。そのために、主軸の公転速度を高速化することができるメリットがある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して具体的に説明する。なお、以下に説明する装置は、図５に基づき説明した切削加工装置と実質的に同じ機能を奏する切削加工装置Ａであり、以下の説明では、図５に基づき説明した装置における各部材と同じ機能を奏する部材に対しては同じ符号を付している。
【００１８】
図１に示すように、本発明による機械加工装置でも、工具１を先端部に装着する主軸４が保持軸５の内部に配置されている。この保持軸５は切削加工装置Ａ全体のハウジング（すなわち基台部）７に一体化されている。さらに、保持軸５の内部には、公転軸８が軸受９によって自転自在に保持されている。
【００１９】
この公転軸８にはその軸心に対して偏心しかつ軸線方向に延びた孔が形成され、該孔の内部に偏心軸１０が軸受１１によって自転自在に保持されている。したがってこの偏心軸１０は、公転軸８が自転することにより、公転軸８の軸心を中心にして公転する。この偏心軸１０は、前記主軸４の公転半径を変更するためのものであって、その軸心に対して偏心しかつ軸線方向に貫通した貫通孔が形成され、その貫通孔の内部に前記主軸４が軸受１２によって自転自在に保持されている。
【００２０】
図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った要部の断面図である図３、および本発明による機械加工装置の動力伝達系を説明するための概念図である図４にも示すように、公転軸８には内外周面に貫通した複数（図示の例では４個）の切欠き部８ａが軸線方向に形成され、さらに外周面には複数本（図示の例では３×４個）のストレートスプライン５２が形成されている。一方、偏心軸１０の外周面における、前記公転軸８の外周面に形成されたストレートスプライン５２に対向する領域に、複数条のネジ溝５３が形成されている。これらストレートスプライン５２およびネジ溝５３は、後記する２重壁構造の中間材６０とともに、公転軸８に対して偏心軸１０に相対的な回転を生じさせる機能を果たす。
【００２１】
図２は、上述した各軸の半径方向での相対位置を模式的に示しており、保持軸５に対して公転軸８が同軸上に配置されている。この公転軸８の軸心Ｏ８に対して偏心した位置に軸心Ｏ１０を持つ偏心軸１０が、公転軸８の内部に配置されている。この偏心軸１０の内部に自転自在に配置された主軸４は、偏心軸１０の軸心Ｏ１０に対して偏心している。
【００２２】
したがって偏心軸１０を自転させると、図５に示した装置と同様に、その軸心Ｏ１０から外れた位置にある主軸４が、その軸心Ｏ１０を中心とした円周Ｃ１０上を移動する。その公転軸８に対する偏心軸１０の偏心量と、偏心軸１０に対する主軸４の偏心量とが等しい場合には、主軸４の軸心Ｏ４が公転軸８の軸心Ｏ８に一致して公転軸８に対する主軸４の偏心量がゼロとなることがある。すなわち、偏心軸１０を自転させることにより、その内部に配置した主軸４の公転軸８に対する偏心量が変化する。そして、公転軸８に対する偏心軸１０の偏心量と、偏心軸１０に対する主軸４の偏心量とが等しい場合には、その偏心量の２倍を限度として、公転軸８に対する主軸４の偏心量が、ゼロからそれ以上に変化する。そして、主軸４に取り付けられた工具１は、主軸４と共に自転する一方、主軸４が公転軸８の内部に保持されているので、公転軸８が自転することにより、主軸４すなわち工具１が、公転軸８の軸心Ｏ８を中心に公転する。その場合の公転半径が、前記偏心軸１０を回転させて設定される公転軸８に対する主軸４の偏心量となる。
【００２３】
公転軸８の図１における右側の端部は、ハウジング７の後端部側まで延びており、その外周に嵌合させた軸受１３を介してハウジング７によって回転自在に支持されている。この公転軸８における後端側の部分には、軸心を中心とした貫通孔が形成されており、その貫通孔の内部に入力軸１４が軸受１５を介して回転自在に保持されている。この入力軸１４は前記主軸４を自転させるためのものであって、主軸用モータＭ１に連結されている。なお、この主軸用モータＭ１は、基台部であるハウジング７に固定されている。この入力軸１４における図１での左側端部と主軸４の右側端部との間には、偏心した軸心間でのトルク伝達可能な従来知られた適宜のカップリング５１により接続されており、主軸用モータＭ１により入力軸１４が回転すると、カップリング５１を介して主軸４にトルクが伝達され、主軸４が自転する。
【００２４】
公転軸８を回転駆動する機構は、入力軸１４の外周側に位置する公転軸８の外周部に固定された公転軸歯車２７と、基台部７に固定された公転用モータＭ３と、モータＭ３の主軸に取り付けた歯車３７と、公転軸歯車２７と歯車３７との間に卷装したタイミングベルト３０Ａとからなり、公転用モータＭ３を回転駆動すると、その回転数に応じて公転軸８が自転する。
【００２５】
次に、前記した２重壁構造の中間材６０を説明する。２重壁中間材６０は、公転軸８に外嵌合する外円筒部材６１と、偏心軸１０に外嵌合する内円筒部材６２とを備え、両者は公転軸８に形成した切欠き部８ａ内を通過する連結プレート６３により一体化されている。そして、外円筒部材６１の内周面には公転軸８の外周面に形成したストレートスプライン５２に対向するようにして第２のストレートスプライン６４が形成されており、ストレートスプライン５２と第２のストレートスプライン６４の間には複数個のボール６５が遊びのない状態で配置されている。また、内円筒部材６２の内周面には偏心軸１０の外周面に形成した複数条のネジ溝５３に対向するようにして第２の複数条のネジ溝６６が形成されており、ネジ溝５３と第２のネジ溝６６の間には複数個のボール６７が遊びのない状態で配置されている。なお、それぞれのボール６５、６７は、外円筒部材６１及び内円筒部材６２内部を通り無限循環するため、中間材６０が軸方向のどの位置にあってもボール６５、６７が抜けることなく、常にボール６５、６７が配置される状態にある。
【００２６】
従って、２重壁中間材６０は、ストレートスプライン５２と第２のストレートスプライン６４とその間に介装したボール６５とからなる第１のボールカップリングを介して、公転軸８の外表面に沿って軸心線方向に（図１で左右方向に）自由に移動することができる。一方、２重壁中間材６０が公転軸８の外表面に沿って移動すると、その内円筒部材６２の内周面に形成した第２のネジ溝６６と偏心軸１０の外周面に形成したネジ溝５３とその間に介装したボール６７からなる第２のボールカップリングを介して、偏心軸１０には公転軸８に対して相対的に回転が与えられる。その量は２重壁中間材６０の移動量に比例する。従って、２重壁中間材６０が、図１での右側端である実線の位置から仮想線で示す左側端にまで移動するときに、偏心軸１０が１８０度回転するできるように、第２のボールカップリングを構成するネジ溝５３、６６の巻き角度を設定しておくことにより、公転軸８に対する偏心軸１０の偏心量、すなわち、公転軸８に対する主軸４の偏心量をゼロから最大値までの間で変化させることができる。
【００２７】
２重壁中間材６０の外円筒部材６１はベアリング９と同じ中心軸を持つベアリング６８により保持されており、該ベアリング６８を保持しているハウジング６９は装置の軸心線と平行方向に配置されたボールネジ７０と螺号している。そして、該ボールネジ７０は半径変更モータＭ２に接続している。従って、半径変更モータＭ２を駆動するとボールネジ７０が回転し、その回転量に比例してハウジング６９と共に２重壁中間材６０が軸心線方向に、すなわち、公転軸８の外表面に沿って軸心線方向に移動する。その移動により、前記した公転軸８に対する偏心軸１０の相対回転がもたらされる。
【００２８】
上記の装置では、公転軸８に対する偏心軸１０の相対回転移動を歯車伝導による動力伝達ではなく、いわゆるボールネジによる動力伝達で行われるので、歯車伝導の場合に回避することが困難なバックラッシュによる微細な作動誤差を回避できる利点がある。さらに、歯車伝導機構と比較して、部品数も少なくなり構造的にも簡素化される。また、このような相対回転はボールネジ７０とそこに嵌合したハウジング６９とを介して生じるので、公転半径の微調整を容易におこなうことができる。
【００２９】
また、上記の例では、偏心軸１０の自転によって主軸４の公転軸８に対する偏心量を変更できるので、図５に基づき説明した装置と同様に、公転中にその半径を変更することができる。さらに、詳細な説明は省略するが、必要な場合に、主軸４、公転軸８および偏心軸１０を自転あるいは公転させた場合の振動を防止するために、動的バランス調整を行うことが望ましいことも、前記特開２０００−３０８９３８号公報に示される機械加工装置の場合と同様である。また、工具の自転回転数と公転回転数との最適な比率Ｋを設定する手法なども前記公報に記載される従来装置の場合と同様である。さらに、本発明は、工具を回転させる代わりに、被加工材を回転させる機械加工装置にも適用することができることも当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による機械加工装置の一例を示す断面図。
【図２】その主軸、偏心軸、公転軸ならびに保持軸の半径方向での相対位置を説明するための図。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩに沿う断面であり、要部のみを示している。
【図４】本発明による加工装置の動力伝達系を説明するための概念図。
【図５】本発明による機械加工装置のベースとなる従来の機械加工装置を示す断面図。
【図６】従来の機械加工装置で使用されているＳ−Ｃ−Ｐ型遊星歯車機構である差動機構を説明するための図。
【符号の説明】
Ａ…切削加工装置、１…工具、４…主軸、６…、７…ハウジング、８…公転軸、８ａ…公転軸に形成した切り欠き部、１０…偏心軸、１４…入力軸、６０…２重壁構造の中間材、６１…外円筒部材、６２…内円筒部材、６３…連結プレート、５２…ストレートスプライン、６４…第２のストレートスプライン、６５…ボール、５３…ネジ溝、６６…第２の複数条のネジ溝、６７…ボール
【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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