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    公开号:WO1992011963A1
    申请号:PCT/JP1991/001791
    申请日:1991-12-27
    公开日:1992-07-23
    发明作者:Kosei Nakamura；Yukio Katsuzawa；Michi Masuya
    申请人:Fanuc Ltd；
    IPC主号:H02K17-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 工作機械の主軸の駆動装置 技術分野
    [0002] 本発明は工作機械の主軸の駆動装置に関し、 特に、 工具を 着脱自在に装着する工作機械の主軸に直結された可変速型の 駆動モータを備え、 主軸を低速域から高速域に亙って回転さ せる こ とが可能な主軸駆動装置に関する。 背景技術
    [0003] 工作機械の主軸は、 加工の種類に対応して低速回転から高 速回転まで広範囲の動作領域を有する こ とが望ま しい。 しか しながら、 一般のモータ単体では、 主軸を直接に駆動するた めに必要な高 トルク及び最高回転数を得る こ とができない。 そこで一般に、 主軸とモータ との間に、 ギヤ機構やベル ト機 構等からなる増減速装置を設けて、 主軸を間接的に駆動して いた。
    [0004] この種の増減速装置において、 ベル ト機構は振動ゃス リ ツ プを生じる課題を有し、 高速回転には適さない。 また、 ギヤ 機構は騒音を生じ易 く 、 やはり高速回転に適さない。 さ らに ギヤ機構においては、 主軸とモータの出力軸との間に変速用 のギヤを支持する中間軸を配置する必要があるため、 装置寸 法が大き く なる と と もに、 中間軸及びギヤの残留ア ンバラ ン スが振動の要因となる。 このような問題点を解決するために、 主軸駆動モータをェ 作機械の主軸に直結した直接駆動構造が考えられる。 しかし ながら、 モータを主軸に直結する場合、 前述の増減速装置が 使用できず、 所望の トルク及び回転数をいかにして得るかが 課題となる。 また、 自動工具交換装置を備えた工作機械が知 られているが、 一般にこの工作機械の主軸内部には、 主軸先 端に工具を着脱自在に把持するため、 先端に把持機構を有し た ドローバーが軸線方向へ移動可能に配置される。 主軸の後 端には、 この ドローバーを直線移動させ、 工具の装着及び離 脱を作動するためのシ リ ンダ装置が配置される。 したがって、 このような主軸に駆動モータを直結する場合には、 ドローバ 一の作動装置の配置が課題となる。
    [0005] 発明の開示
    [0006] したがって本発明の目的は、 装置形状が小さ く 、 かつ振動 及び騒音の発生を抑制でき、 低速回転から高速回転まで広範 囲の動作領域を有する工作機械の主軸の駆動装置を提供する こ とにある。
    [0007] 上記目的を達成するために、 本発明は、 ハウジング手段と、 このハウ ジング手段を介して工作機械の主軸頭に取付けられ、 工具を着脱自在に把持する主軸と、 巻線切換手段によって切 り換えられる低速回転用巻線と高速回転用巻線とを有した速 度切換手段、 及び速度切換手段によ り異なる回転速度で回転 し、 軸線方向の貫通穴をその内部に有する出力軸を備えた可 変速駆動モータ と、 上記主軸と上記可変速駆動モータの出力 軸とを同軸状に直結し、 上記可変速駆動モータの回転出力を 直接、 主軸に伝達可能にする連結手段と、 上記ハウ ジング手 段に保持され、 上記出力軸を軸承するセラ ミ ッ ク軸受とを具 備したこ とを特徴とする工作機械の主軸の駆動装置を提供す
    [0008] 本発明の好適な実施態様によれば、 上記主軸は、 その内部 に軸線方向へ移動可能に設置された工具把持用の ドローバー を具備し、 この ドローバーは、 内部に軸線方向に延びて上記 出力軸の上記貫通穴に連通する第 2 の貫通穴を備え、 かつ、 上記可変速駆動モータの後方に、 上記主軸に連結して上記貫 通穴に加工液を供給する口一タ リ ージ ョ イ ン トを配設したェ 作機械の主軸の駆動装置が提供される。 また、 上記主軸に直 結された上記可変速駆動モータの出力軸の上記貫通穴内に、 上記主軸内部に軸線方向へ移動可能に設置された工具交換用 の ドローバーを延長して貫通配置し、 上記可変速駆動モータ の後方に、 上記 ドローバーの後端に連結してこの ドローバー を軸線方向へ駆動する シ リ ンダ装置を配設した構造と して も よい。
    [0009] 上記の工作機械の主軸の駆動装置によれば、 モータ と工作 機械の主軸とを直結して増減速装置を省略したので、 主軸駆 動時の振動及び騒音が低減される と と もに、 装置寸法が縮小 される。 また、 低速回転域及び高速回転域における主軸の回 転を、 増減速装置を用いずに実現するために、 卷線切換手段 を有した可変速駆動モータを主軸の駆動モータ と して使用す る。 これによ り、 低速回転域においても高出力が得られ、 ま た l OOOOrpmを超える主軸の高速回転にも対応可能となる。 さ らに、 モータの出力軸の軸受にセラ ミ ッ ク製の軸受を採用す る こ とにより、 上記のような高速回転に伴う軸受の焼付きを 防止する。 また、 モータの出力軸に軸線方向へ貫通穴を設け たこ とによ り、 ドロ一バーを延長して賞通穴内に通し、 モ一 夕のさ らに後方に ドローバーの駆動装置を配置する こ とが可 能となる。 あるいは、 ドローバーの駆動装置を別の部位、 例 えば主軸の後端側方位置に配設した場合には、 モータ出力軸 の貫通穴に連通する第 2の貫通穴を ドローバーに設け、 モー 夕の後方に切削液を供耠するためのロータ リ ージョ イ ン トを 配設して、 主軸先端の工具把持部に冷却液を供給する構造と する こ とができる。 この場合、 工具は、 ク一ラ ン トスルー型 のものを使用する。 図面の簡単な説明
    [0010] 本発明の上記及び他の目的、 特徵、 及び利点を、 添付図面 に示す実施例に基づいて説明する。 同添付図面において ； 図 1 は、 本発明に係る駆動装置の第 1 の実施例を示す部分 断面図、
    [0011] 図 2 は、 本発明に係る駆動装置の第 2 の実施例を示す部分 断面図、
    [0012] 図 3 は、 駆動モータのコイル巻設構造の第 1 の巻設例を示 す模式図、
    [0013] 図 4 は、 図 2 のコイル巻設構造のう ち 1 相をスロ ッ ト との 対応において示したコイル巻設構造図、 図 5 は、 駆動モータのコイル巻設構造の第 2 の巻設例を示 す模式図、
    [0014] 図 6 は、 駆動モータのコイル卷設構造の第 3 の卷設例を示 す模式図、
    [0015] 図 7 は、 第 1 及び第 2 の巻設例に示すコイル卷設構造を有 するモータの出力特性グラ フ図である。 発明を実施するための最良の態様
    [0016] 図 1 及び図 2 を参照する と、 本発明の好適な実施例による 主軸の駆動装置を備えた工作機械の主軸頭部分が示されてい る。 本発明の実施例による主軸駆動装置は、 主軸ハウ ジ ン グ 40内に回転可能に支持される主軸 42と、 後述する卷線切換機 構を有し、 軸線方向へ延びる貫通穴 44をその内部に有した出 力軸 46を備える可変速駆動モータ 48と、 主軸 42と出力軸 46と を同軸状に直結する連結部材 50と、 出力軸 46を軸承するセラ ミ ッ ク軸受 52とを具備する。 主軸ハウ ジング 40は、 側方に突 出するフ ラ ンジ部 54を有し、 フ ラ ンジ部 54が工作機械の機体 56に固定され、 主軸頭が構成される。
    [0017] 連結部材 50は、 周知のシュパン リ ング等からなり、 主軸 42 と出力軸 46とを同軸状に直結して、 可変速駆動モータ 48の回 転出力を直接、 主軸 42に伝達する。 また、 セラ ミ ツ ク軸受 52 は、 可変速駆動モータ 48のモータケ一シング 49に保持され、 高速回転において も焼付を生ずる こ とな く 確実に出力軸 46を 軸承する。
    [0018] 可変速駆動モータ 48は、 工作機械主軸の広範囲な動作領域、 すなわち高 トルクの低回転速度領域、 及び l OOOOrpmを超える 高回転逮度領域での作動を可能にするため、 周知の巻線切換 機構を有する。 この巻線切換機構を図 3〜図 7 に基づいて説 明する。
    [0019] 図 3 は、 U， V , Wの 3相交流によ り駆動される 3相交流 モータにおいて、 各相コイルをスター結線した状態を示す模 式図である。 図 4 は、 図 3 の U相のみの巻設構造を、 参照番 号 1 , 2 , 3， ··'， 30によって示されるステ一夕 コアのスロ ッ ト位置との関係において示す。 U相、 V相、 及び W相の各 栢コイルは、 中性点 X Y Zにおいて電気接続されており、 各 相のコイルの巻設構造は互いに同様であるため、 以下 U相の みについて説明する。
    [0020] U相コイル巻線の両端は、 それぞれ中性点 X Y Z と端子 U 1 とに接続される。 こ こでは例と して、 ステ一夕コアに巻線 設置用の 36個のスロ ッ トを有する交流モータを対象と し、 各 スロ ッ トに 1〜36の参照番号を付して説明する。 図 4 に示し たよう に、 端子 U 1 を発したコイルは 1 , 12, 2 , 1 1， 3 , 10の順に各スロ ッ トを揷通してコイル巻線 X I を構成し、 こ れに引き続き 19， 30, 20, 29, 21 , 28の順に各スロ ッ トを挿 通してコイル巻線 X 2 を構成する。 こ こで各スロ ッ トは、 参 照番号の順序に従って円周方向に並んでいる。 スロ ッ ト 28を 通過したコイルは、 中間端子 U 2 を経由 して再びスロ ッ ト 1 に揷通される。 この後、 コイルは上記の第 1 組のコイル巻線 X 1 及び X 2 と同一の順序で各スロ ッ トに揷通され、 第 2組 のコイル巻線 X I ' 及び X 2 ' が構成される。 コイ ル巻線 X 2 ' の最後のスロ ッ ト 28を通過したコイルは、 中性点 X Y Z に終端する。 なお、 図 3及び図 4 に示した巻設例では、 第 1 組のコイル巻線 X I , X 2を各スロ ッ トの奥部すなわち下段 に配設し、 第 2組のコイル巻線 X I ' ， X 2 ' を各スロ ッ ト の開口部に近い方すなわち上段に配設している。
    [0021] このよ う な巻設構造によれば、 中性点 X Y Zと端子 U 1 を 介して電力を供給する と、 全てのコイル巻線 X I , X 2 , X 1 ' ， X 2 ' を使用する こ と となるが、 中性点 X Y Zと中間 端子 U 2を介して電力を供給した場合は、 コイ ル巻線 X I ' 及び X 2 ' のみに通電され、 残りのコイル巻線 X I 及び X 2 には通電されない。 これらの端子の切換装置と しては、 電磁 継電気 （MCC)等を使用する こ とができる。
    [0022] ジュール熱等の損失を無視した条件においては、 U相コィ ルによ り発生する磁場の強さは各スロ ッ トを揷通している コ ィルの揷通回数、 すなわち、 コイ ルの巻数に比例する。 故に モータの出力は、 コイ ル巻数及び回転速度 Nに比例する こ と になる。 したがって、 交流モータを低速回転域で使用する場 合には、 回転速度 Nが小さいためコイル巻数を多 く する こ と によ り高出力を得る こ とができる。 また、 高速回転域で使用 する場合には、 コイル巻数は少な く ても低速回転時と同程度 の出力を得る こ とができる。 この理論に従って、 上記の巻線 切換機構では、 低い回転速度 Nt においては端子 U 1 を介 し て電力を供給し、 同一スロ ッ トの上下段に配置された全ての コイルを使用する。 また高い回転速度 NH においては、 中間 端子 U 2を介して電力を供給し、 同一スロ ッ トの上段に配置 されたコイルのみを使用する。 このとき、 低速回転時の場合 と同程度の出力を得るために、 使用される低回転速度領域及 び高回転速度領域の各ベース回転速度 IN 及び N H (図 7参 照） が決められている場合には、 これらの回転速度の比に対 応したコイルの巻数比が得られるよう に、 中間端子 U 2 の配 置を設定すればよい。
    [0023] 図 7 は、 図 3及び図 4 の巻線切換機構を有する交流モータ の出力特性を示している。 実線 80は、 ベース回転速度 を 有する低回転速度領域で交流モータを使用 した場合の、 回転 速度 Nに対する出力 Pの特性曲線を示し、 も う 1 つの実線 82 は、 ベース回転速度 N H を有する高回転速度領域での出力 P の特性曲線を示す。 両特性曲線 80及び 82の交鎖する回転速度 N s を境と して各相の使用コイル巻線を切換えれば、 使用可 能な最大回転数 N m e x とベース回転速度 N L との間の領域に おいて、 出力変動の小さな、 鎖線 84で示す出力特性が得られ る o
    [0024] 図 5 は、 図 3及び図 4のスター結線における コイルの直列 接続に、 並列接続を組み込んだ形式の巻設例を示す。 鎖線で 図示した S Lは 1 つのスロ ッ トを表わしている。 この巻設構 造において、 端子 _1から電力供給すれば全てのコィル巻線 A 1 , A 2 , A 1 ' ， A 2 ' が使用されるが、 端子 U 2 を使 用する とコイル巻線 A 1 ' 及び A 2 ' のみが使用される こ と となり、 1 つのスロ ッ ト S L内に非通電のコイルが存在する こ と となる。
    [0025] 図 6 は、 デルタ結線における巻設構造例を示す。 U相に関 しては、 図 3の場合と同様に 4つのコイル群 X I ， X 2 , X 1 ' , X 2 ' が直列に接続されており、 鎖線 S Lで示すよ う に、 1 つのスロ ッ トには 2つのコイル巻線 （例えば X 1 と X 1 ' ) のそれぞれの一部分が揷設されている。 この巻設構造 において、 低回転速度領域でモータを使用する場合には、 ス イ ッチ SWを閉じ、 SW' を開放して各相 U, V, Wへの電 力供給を端子 U l , V I , W 1 を介して行なう。 また高回転 速度領域ではスィ ッチ SW' を閉 じ、 S Wを開放して端子 U 2 , V 2 , W 2から電力供給を行なう。 後者の場合 U相に関 してはコイル巻線 X I ' 及び X 2 ' のみに通電が行なわれる こ とになる。
    [0026] このよ う に、 上記の巻線切換機構を有したモータによれば、 コイル卷線の結線を切換える こ とのみで、 低回転速度から高 回転速度までの広い回転速度領域において高出力が保持され る。 したがって、 低回転速度並びに高回転速度の両領域にお いて使用される工作機械の主軸の駆動モータに適用すれば、 主軸に直結して所望の駆動を実施する こ とができ、 安価で省 スペース化の達成された駆動源の提供が可能となる。 なお、 図 1 及び図 2に示したよ う に、 駆動モータ 48の巻線切換は、 各相及びグラ ン ドの端子に接続した外部の巻線切換操作盤 58 によ り操作される。
    [0027] 再び図 1 を参照する と、 主軸 42内に軸線方向へ移動可能に 配設された ドローバー 60は、 主軸 42の先端の工具把持部 43に 加工液を供給するための貫通穴 62を備える。 貫通穴 62は、 主 軸 42の後端の空洞部 64を介して、 駆動モータ 48の出力軸 46に 設けた貫通穴 44に連通する。 駆動モータ 48の後方には、 加工 液を供給するためのロータ リ ージョイ ン ト 66が設置され、 出 力軸 46の後端に連結される。 ロータ リ ージョ イ ン ト 66を介し て供給された加工液は、 上記の各貧通穴 44及び 62を通って主 軸先端の工具把持部 43に放出される。 工具把持部 43にクーラ ン トスルー型の工具を取着すれば、 加工時に工具先端にこの 加工液が供給される。 なお、 図 1 の実施例においては、 ドロ ーバ一 60の駆動装置を、 ドローバー 60の後端に接続して主軸 42の側方へ突出する突出板 68と、 この突出板 68を下方へ押圧 するよう図示しない駆動装置によ り駆動される押圧部材 70と から構成した。
    [0028] 図 2 を参照する と、 本発明の第 2実施例による主軸駆動装 置を備えた工作機械の主軸頭部分が示されている。 図 1 と同 一の構成要素には同一の参照番号を付す。 この実施例では、 主軸 42内に配置された ドローバ一72は、 主軸 42の後端からさ らに延出し、 駆動モータ 48の出力軸 46の貫通穴 44内を貫通し て配置される。 駆動モータ 48の後方には、 ドロ一バー 72を軸 線方向へ駆動するためのシ リ ンダ装置 74が設置され、 ドロ一 バー 72の後端に連結される。 この実施例では、 工具把持部 43 への加工液の供給は行われない。
    [0029] 上述した可変速駆動モータ 48は、 増減速機構を使わずに主 軸 42に直結されており、 主軸 42の要求仕様である高速回転及 び高 トルクを発生し得るよう設計されている。 したがって、 作動時の発熱量が多 く 、 駆動モータ 48を効率的に冷却する必 要がある。 そのため、 例えば本出願人による米国特許第 4 , 6 91， 131号に開示されるよ うな液冷構造を有するモータを、 可 変速駆動モータ 48と して使用する こ とが望ま しい。 この液冷 構造によれば、 駆動モータ 48のモ一タケ一シ ング 49に取着さ れたヘッ ダ一 78を介して、 駆動モータ 48のステ一タ部分に貫 通形成された冷却液流路 79内へ冷却液が注入される。 冷却液 は、 冷却液流路 79内を循環して駆動モータ 48を冷却した後、 へッ ダ一 78から排出される。 このような液冷構造を駆動モ一 夕 48に適用する こ とによ り、 冷却効率が向上し、 セラ ミ ッ ク 軸受 52との併用で、 高速回転時の軸受の焼付け防止効果がさ らに向上する。 また、 駆動モータ 48に直結された主軸 42への 熱伝導及び熱輻射が減少し、 主軸 42の熱変形を防止する こ と ができる。
    [0030] また、 駆動モータ 48の出力軸 46と工作機械の主軸 42とが直 結されているため、 モータ側に回転位置等の検出器 76を設け る こ とによ り、 主軸 42のための検出器が不要となる。
    [0031] 以上の説明から明らかなよ う に、 本発明によれば、 装置寸 法が小さ く 、 かつ振動及び騒音の発生を抑制でき、 低速回転 から高速回転まで広範囲の動作領域を有する工作機械主軸の 駆動装置が提供される。
    权利要求:
    Claims

    請 求 の 範 囲 1. ハウジング手段と、
    前記ハウジング手段を介して工作機械の主軸頭に取付けら れ、 工具を着脱自在に把持する主軸と、
    巻線切換手段によつて切り換えられる低速回転用巻線と高 速回転用巻線とを有した速度切換手段と、 該速度切換手段に よ り異なる回転速度で回転し、 軸線方向の貫通穴をその内部 に有する出力軸とを備えた可変速駆動モータ と、
    前記主軸と前記可変速駆動モータの出力軸とを同軸状に直 結し、 前記可変速駆動モー夕の回転出力を直接、 該主軸に伝 達可能にする連結手段と、
    前記ハウジング手段に保持され、 前記出力軸を軸承するセ ラ ミ ッ ク軸受とを、
    具備したこ とを特徴とする工作機械の主軸の駆動装置。
    2. 前記主軸は、 その内部に軸線方向へ移動可能に設置さ れた工具把持用の ドロ一バーを具備し、 該 ドローバ一は、 内 部に軸線方向に延びて前記出力軸の前記貫通穴に連通する第 2 の貫通穴を備え、 かつ、 前記主軸駆動モータの後方に、 前 記主軸に連結して前記貫通穴に加工液を供給する ロータ リ ー ジョイ ン トを配設した請求項 1 記載の工作機械の主軸の駆動
    3. 前記主軸に直結された前記駆動モータの出力軸の前記 貫通穴内に、 前記主軸内部に軸線方向へ移動可能に設置され た工具把持用の ドローバーを延長して貫通配置し、 前記主軸 駆動モータの後方に、 前記 ドローバーの後端に連結して該 ド ローバーを軸線方向へ駆動するシ リ ンダ装置を配設した請求 項 1 記載の工作機械の主軸の駆動装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    法律状态:
    1992-07-23| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1992-07-23| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): DE IT |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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