JP4236796B2

JP4236796B2 - Tools, transmissions and machine tools

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Publication number: JP4236796B2
Application number: JP2000168231A
Authority: JP
Inventors: 孝一加藤; 康徳加藤
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2020-06-05
Also published as: JP2001347435A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークを加工する工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、マシニングセンタ等の主軸を備えた工作機械では、主軸の最大回転速度は主軸を回転自在に保持するメインベアリングの構造や潤滑方式によって決定されるため、この最大回転速度より増速した回転速度で工具を回転させたい場合には、たとえば、増速装置を用いている。
増速装置としては、たとえば、工具を保持し主軸に着脱可能となっており、主軸の回転力を遊星歯車機構等の歯車機構によって増速して工具の回転速度を増速させるものが知られている。
たとえば、マシニングセンタにおいて、一時的に主軸の最大回転速度よりも工具の回転速度を増速させたい場合には、上記のような増速装置を主軸に対して自動工具交換装置によって通常の工具と同様に装着し、工具を高い回転速度で回転させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような歯車機構による増速装置によって工具を主軸の回転速度よりも増速する場合に、数万回転〜数十万回転の超高速回転させると、増速装置の発熱が増大し、加工精度に影響することがある。また、数万回転〜数十万回転の超高速回転では、増速装置からの騒音も増大する。さらに、増速装置は、たとえば、数万回転〜数十万回転の回転に耐えうる信頼性の高い構造にするため、比較的製造コストが高騰するという不利益も存在した。
また、他の増速方法として、主軸を駆動するモータに高周波モータを使用し、この高周波モータに特別に用意された制御装置から駆動電流を供給し、主軸を高速回転させる方法が採られる場合がある、しかしながら、この方法では、工具交換を通常の工具と同様に行うことが難しく、また、設備コストが比較的高いという不利益が存在する。
【０００４】
本発明は、上述の問題に鑑みて成されたものであって、工作機械の主軸等の加工器械の回転軸に装着される工具において、前記回転軸の回転速度を変速した回転速度で加工具を回転させることができる工具を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、工作機械の主軸等の加工器械の回転軸に装着される工具において、前記回転軸の回転速度とは独立に加工具を制御できる工具を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の工具は、ワークを加工する加工具と、前記加工具を駆動する電動機と、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、工作機械の主軸へ着脱自在に装着され、前記主軸の回転力を前記発電機に伝達し、発電のための回転力を前記発電機に入力する装着部と、前記発電機で発電した電力によって動作し、前記発電機で発電した電力の前記電動機への供給を制御して前記加工具を駆動制御する制御手段と、前記発電機、前記電動機および前記制御手段を保持し、前記装着部および前記加工具を回転自在に保持し、前記装着部が前記主軸に装着されたとき、当該ケースの回転を規制する回転規制部材を有するケースと、前記主軸の回転位置および／または回転速度を検出する入力回転検出手段とを備え、前記電動機は、出力軸の回転位置および／または回転速度を検出する出力回転検出手段を備え、前記制御手段は、前記電動機を可変速制御するための速度指令パターンが設定されたプログラムを記憶保持するメモリと、前記プログラムを実行する演算器と、前記演算器からの制御信号に応じて前記発電機からの電力を前記電動機に供給する駆動回路とを有するとともに、前記出力回転検出手段および前記入力回転検出手段の双方の検出した回転位置および／または回転速度に基づいて前記電動機を駆動制御する。
【０００６】
好適には、本発明の工具は、前記制御手段に対して前記電動機の駆動制御に必要な各種データを外部から入力するデータ入力手段をさらに有する。
【０００７】
本発明の変速装置は、工作機械の主軸に装着される変速装置であって、加工具が装着される回転軸と、前記回転軸を駆動する電動機と、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記主軸へ着脱自在に装着され、前記主軸の回転力を前記発電機に伝達し、発電のための回転力を前記発電機に入力する装着部と、前記発電機で発電した電力によって動作し、前記発電機で発電した電力の前記電動機への供給を制御して前記加工具を駆動制御する制御手段と、前記発電機、前記電動機および前記制御手段を保持し、前記装着部および前記回転軸を回転自在に保持し、前記装着部が前記主軸に装着されたとき、当該ケースの回転を規制する回転規制部材を有するケースと、前記主軸の回転位置および／または回転速度を検出する入力回転検出手段とを備え、前記電動機は、出力軸の回転位置および／または回転速度を検出する出力回転検出手段を備え、前記制御手段は、前記電動機を可変速制御するための速度指令パターンが設定されたプログラムを記憶保持するメモリと、前記プログラムを実行する演算器と、前記演算器からの制御信号に応じて前記発電機からの電力を前記電動機に供給する駆動回路とを有するとともに、前記出力回転検出手段および前記入力回転検出手段の双方の検出した回転位置および／または回転速度に基づいて前記電動機を駆動制御する。
【０００８】
本発明の工作機械は、主軸と、前記主軸に着脱可能な変速装置と、を備え、前記変速装置は、被回転物を回転駆動する電動機と、前記電動機を駆動させる電力を発生する発電機と、前記主軸へ着脱自在に装着され、前記主軸の回転力を前記発電機に伝達し、発電のための回転力を前記発電機に入力する装着部と、前記発電機で発電した電力によって動作し、前記発電機で発電した電力の前記電動機への供給を制御して前記被回転物を駆動制御する制御手段と、前記発電機、前記電動機および前記制御手段を保持し、前記装着部および前記被回転物を回転自在に保持し、前記装着部が前記主軸に装着されたとき、当該ケースの回転を規制する回転規制部材を有するケースと、前記主軸の回転位置および／または回転速度を検出する入力回転検出手段とを備え、前記電動機は、出力軸の回転位置および／または回転速度を検出する出力回転検出手段を備え、前記制御手段は、前記電動機を可変速制御するための速度指令パターンが設定されたプログラムを記憶保持するメモリと、前記プログラムを実行する演算器と、前記演算器からの制御信号に応じて前記発電機からの電力を前記電動機に供給する駆動回路とを有するとともに、前記出力回転検出手段および前記入力回転検出手段の双方の検出した回転位置および／または回転速度に基づいて前記電動機を駆動制御する。
【０００９】
本発明では、発電機を駆動して発電すると、発電した電力は、制御手段によって制御されて電動機に供給される。これにより、ワークを加工する加工具が駆動制御される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（マシニングセンタ）
図１は、本発明の工具が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
図１においてマシニングセンタ１は、門型のコラム３８の各軸によって両端部を移動可能に支持されたクロスレール３７を備えており、このクロスレール３７上を移動可能に支持されたサドル４４を介してラム４５が鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。
【００１１】
サドル４４には、水平方向にクロスレール３７内を通じて図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４１が螺合している。
送り軸４１の一端部には、サーボモータ１９が接続されており、送り軸４１はサーボモータ１９によって回転駆動される。
送り軸４１の回転駆動によって、サドル４４はＹ軸方向に移動可能となり、これによってラム４５のＹ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１２】
さらに、サドル４４には、鉛直方向に図示しないねじ部が形成されており、これに外周にねじ部が形成された送り軸４２がねじ込まれている。送り軸４２の端部には、サーボモータ２０が接続されている。
サーボモータ２０によって送り軸４２が回転駆動され、これによりサドル４４に移動可能に設けられたラム４５のＺ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１３】
ラム４５内には、主軸モータ３１が内蔵され、この主軸モータ３１はラム４５に回転自在に保持された主軸４６を回転駆動する。
主軸４６の先端には、エンドミルなどの工具Ｔが装着され主軸４６の回転によって工具Ｔが駆動される。
ラム４５の下方には、テーブル３５がＸ軸方向に移動可能に設けられている。テーブル３５には、図示しないねじ部が形成されており、これにＸ軸方向に沿って設けられた図示しない送り軸が螺合しており、この図示しない送り軸にサーボモータ１８が接続されている。
テーブル３５は、サーボモータ１８の回転駆動によってＸ軸方向の移動および位置決めが行われる。
【００１４】
また、２本の門型コラム３８には、図示しないねじ部がそれぞれ形成されており、これに螺合する送り軸３２ａをクロスレール昇降用モータ３２によって回転駆動することによりクロスレール３７は昇降する。
【００１５】
自動工具交換装置（ＡＴＣ）３９は、主軸４６に対して各種工具Ｔを自動交換する。
この自動工具交換装置３９は、たとえば、図示しないマガジンに工具ホルダによって保持された各種工具Ｔを収納しており、主軸４６に装着された工具Ｔを図示しない工具交換アームによってマガジンに収納し、必要な工具Ｔを主軸４６に工具交換アームによって装着する。
【００１６】
ＮＣ装置５１は、上記のサーボモータ１８，１９，２０、クロスレール昇降用モータ３２および主軸モータ３１の駆動制御を行う。
ＮＣ装置５１は、具体的には、予めＮＣプログラムで規定されたワークの加工手順にしたがって、サーボモータ１８，１９，２０による工具Ｔとワークとの間の位置および速度制御を行う。また、ＮＣ装置５１は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｓコードで規定された主軸３１の回転速度を解読することにより主軸４６の回転速度の制御を行う。
さらに、ＮＣ装置５１は、ＮＣプログラムにおいて、たとえば、Ｍコードで規定された工具Ｔの交換を動作を解読することにより、各種工具Ｔの自動交換を実行する。
【００１７】
（第１の参考例の工具）
図２は、本発明の工具の一実施形態の構成と一部が共通する第１の参考例の工具の構成を示す断面図である。
図２において、工具６１は、装着部６２と、ケース部材６６，６７および６８からなるケース６５と、発電機７０と、電動機８０と、刃具１００とを備えている。
ここで、後述する本発明の実施形態においては、装着部６２は本発明の装着部の実施態様であり、ケース６５は本発明のケースの実施態様であり、発電機７０は本発明の発電機の実施態様であり、電動機８０は本発明の電動機の実施態様であり、刃具１００は本発明の加工具の実施態様である。また、工具６１が装着される上記の主軸４６が本発明の主軸の実施態様である。
【００１８】
装着部６２は、把持される把持部６２ａと、上記の主軸４６の先端部に形成されたテーパスリーブ４６ａに装着されるテーパシャンク部６２ｂと、このテーパシャンク部６２ｂの先端部に形成されたクランプ部６２ｃと、ケース部材６６に回転自在に保持される軸部６２ｄとを備えている。
【００１９】
この装着部６２の把持部６２ａは、上記した自動工具交換装置３９の工具交換アームによって、自動工具交換装置３９のマガジンから主軸４６に装着される際および主軸４６から自動工具交換装置３９のマガジンへ搬送される際に把持される。
【００２０】
装着部６２のテーパシャンク部６２ｂは、主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることによって、中心軸が主軸４６の中心軸と同心になる。
【００２１】
装着部６２のクランプ部６２ｃは、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されると、主軸４６に内蔵された図示しないクランプ機構によってクランプされる。なお、主軸４６に内蔵されたクランプ機構は周知技術であるので詳細については省略する。
【００２２】
装着部６２の軸部６２ｄは、ケース部材６６の内周に複数の転がり軸受７２を介して回転自在に保持されている。
【００２３】
ケース部材６７の内周には、保持部材７３を介して発電機７０および電動機８０が保持されている。
発電機７０は、入力軸７１が装着部６２の軸部６２ｄと同心に連結されており、この発電機７０には主軸４６の回転力が装着部６２を介して入力される。
発電機７０には、たとえば、三相同期発電機を用いることができる。
【００２４】
電動機８０は、図示しない導電ケーブルによって、発電機７０で発電された電力が供給される。この電動機８０は、発電機７０から供給される電力によって駆動する。
電動機８０の出力軸８１は、カップリング８７によって回転軸９０に連結されている。
電動機８０には、たとえば、三相誘導電動機を用いることができる。
【００２５】
回転軸９０は、ケース部材６８の内周に複数の転がり軸受９２を介して回転自在に保持されている。
回転軸９０の先端側は、ケース部材６８に抜け止め部材９４によって抜け止めされている。
また、回転軸９０の先端部には、上記した工具が装着される工具装着部９５が設けられている。
【００２６】
刃具１００は、工具装着部９５に保持されており、この刃具１００はワークを加工する。
刃具１００は、具体的には、ドリル、エンドミル等の各種の刃具である。
【００２７】
ケース部材６６、６７および６８は、たとえば、ボルト等の締結手段によって連結されており、これらケース部材６６、６７および６８がケース６５を構成している。
ケース部材６６の外周には、回り止め部材８５が設けられている。この回り止め部材８５は、後述する本発明の実施形態においては、本発明の回転規制部材の実施態様である。
回り止め部材８５は、装着部６２が主軸４６のテーパスリーブ４６ａに装着されることにより、主軸４６側の、たとえば、ラム４５等の非回転部４７に形成された嵌合穴４７ａに先端８５ａが挿入される。
これにより、ケース部材６６、すなわち、ケース６５は、主軸４６が回転しても回転が規制される。
【００２８】
ここで、上記構成の工具６１の動作の一例について説明する。
自動工具交換装置３９によって、工具装着部９５に刃具１００を保持した工具６１をマシニングセンタ１の主軸４６に装着すると、工具６１は、回り止め部材８５の先端部８５ａが非回転部４７の嵌合穴４７ａに嵌合挿入され、ケース６５の回転が規制される。
【００２９】
この状態から、主軸４６を回転速度Ｎ₀ で回転させると、工具６１の装着部６２が回転し、主軸４６の回転力が発電機７０に伝達される。
これにより、発電機７０は、たとえば、三相同期発電機を用いた場合には、三相交流電力を発電する。
【００３０】
三相同期発電機の発生する三相交流電力の周波数ｆは、三相同期発電機の極数をＰ₁ とし、主軸４６の回転速度をＮ₀ 〔ｒｐｍ〕とすると、次式（１）によって表される。
【００３１】
【数１】
ｆ＝Ｐ₁ ×Ｎ₀ ／１２０〔Ｈｚ〕 …（１）
【００３２】
したがって、主軸４６を回転速度Ｎ₀ で回転させると、上記（１）式で表される周波数ｆの三相交流電力が電動機８０に供給される。
【００３３】
ここで、電動機８０に三相誘導電動機を用いたとすると、この三相誘導電動機の極数がＰ₂ とすると、三相誘導電動機は３相交流の１サイクルで２／Ｐ₂ 回転することから、すべりがないときの三相誘導電動機の同期速度Ｎ₁ は、次式（２）で表される。
【００３４】
【数２】
Ｎ₁ ＝１２０×ｆ／Ｐ₂ 〔ｒｐｍ〕 …（２）
【００３５】
したがって、主軸４６の回転速度Ｎ₀ に対する工具の回転速度Ｎ₁ は次式（３）によって表される。
【００３６】
【数３】
Ｎ₁ ＝Ｎ₀ ×Ｐ₁ ／Ｐ₂ 〔ｒｐｍ〕 …（３）
【００３７】
（３）式からわかるように、主軸４６の回転速度Ｎ₀ は、上記（３）式で表される回転速度Ｎ₁ に変速される。
（３）式で示すように、三相同期発電機の極数Ｐ₁ と三相誘導電動機の極数Ｐ₂ との比を適宜設定することにより、主軸４６の回転速度Ｎ₀ に対する工具の回転速度Ｎ₁ の変速比を任意に設定することが分かる。
すなわち、主軸４６の回転速度Ｎ₀ を増速したい場合には、極数比Ｐ₁ ／Ｐ₂
を１より大きくし、減速したい場合には、極数比Ｐ₁ ／Ｐ₂ を１より小さくなるように、三相同期発電機の極数Ｐ₁ および三相誘導電動機の極数Ｐ₂ を予め選択すればよい。
【００３８】
たとえば、上記のマシニングセンタ１の主軸４６の最大回転速度Ｎmax が３０００ｒｐｍであるとすると、通常の工具を用いたワークの加工では、主軸４６の回転速度は上記の最大回転速度Ｎmax の範囲で十分である場合が多い。
一方、主軸４６の最大回転速度Ｎmax が３０００ｒｐｍのマシニングセンタ１を使用し、たとえば、ワークにアルミニウム合金材を用いてこれを高速加工したい場合には、工具の回転速度を、たとえば、３００００ｒｐｍに増速させたいような場合がある。
このような場合のために、マシニングセンタ１の自動工具交換装置３９のマガジンに工具６１を予め収容しておく。なお、工具６１は、増速比が１０となるように、上記の極数比Ｐ₁ ／Ｐ₂ が１０である三相同期発電機および三相誘導電動機を内蔵させる。
【００３９】
自動工具交換装置３９によって、主軸４６に通常の工具と同様に工具６１を自動装着する。
主軸４６を主軸モータ３１を駆動して回転させるが、工具６１に保持された工具の回転速度は、主軸４６の回転速度によって制御する。すなわち、ＮＣ装置５１にダウンロードするＮＣプログラムにおいて、主軸４６の回転速度をＳコードで指定することにより、工具６１の刃具１００の回転速度を規定しておく。
たとえば、工具６１の刃具１００を３００００ｒｐｍで回転させたい場合には、ＮＣプログラムにおいてＳコードで主軸４６の回転速度を３０００ｒｐｍに指定しておく。
【００４０】
主軸４６を３０００ｒｐｍで回転させると、発電機７０は主軸４６の回転速度および極数Ｐ₁ に応じた周波数の三相交流を発生する。
電動機８０は、発電機７０から供給される三相交流によって駆動され、工具６１の刃具１００は、略３００００ｒｐｍの回転速度で回転する。
これにより、主軸の最大回転速度Ｎmax が制限されるマシニングセンタ１を使用し、ワークにアルミニウム合金材を用いても、高速加工が可能となる。
【００４１】
以上のように、第１の参考例によれば、通常の工具と同様にユニット化された工具６１に発電機７０および電動機８０を内蔵し、発電機７０で発生した電力で電動機８０を駆動することで、主軸４６に対する工具の回転速度を増速させるため、主軸４６を高速回転させても歯車装置のように発熱が増大せず、加工精度の低下が抑制される。
【００４２】
さらに、第１の参考例によれば、電動機８０のイナーシャを主軸４６のイナーシャよりも小さくできるため、主軸４６を直接に高速回転させる場合に比べて、刃具１００の応答性を向上できる。
【００４３】
また、第１の参考例によれば、主軸４６の回転速度を増速させる工具６１を主軸４６に対して着脱自在とし、かつ、自動工具交換装置３９によって通常の工具と同様に交換可能となっているため、通常の回転速度の範囲での加工を行いながら、高速加工の要求に対して即座に対応することができる。
また、第１の参考例によれば、主軸４６の回転によって発電した電力によって刃具１００を駆動するため、外部から駆動電流を供給する必要がなく、この結果、電源供給のための配線が必要ない。
【００４４】
なお、上述した第１の参考例では、アルミニウム合金材の高速加工への適用の場合について説明したが、本発明は主軸４６の回転速度を増速させる必要がある加工であればいずれにも適用可能である。
また、上述した第１の参考例では、主軸４６の回転速度を増速させる場合について説明したが、主軸４６の回転速度を減速させる場合にも適用可能である。この場合には、主軸４６よりも大きなトルクを工具に作用させることができる。
また、上述した第１の参考例では、交流発電機と交流電動機を組み合わせた場合について説明したが、直流発電機と直流電動機との組合せで構成することも可能である。
また、上述した第１の参考例では、加工具として刃具１００を挙げたが、他の加工具を適用することも可能である。
【００４５】
（第２の参考例の工具）
図３は、本発明の実施形態に係る工具と一部が共通する第２の参考例の工具の電気系の構成を示す図である。
なお、第２の参考例に係る工具の機械的構造については、上述した第１の参考例と同様とする。
図３に示すように、第２の参考例に係る工具は、発電機７０として交流発電機を備え、電動機８０として直流電動機を備え、さらに整流回路２０２を備えている。
【００４６】
整流回路２０２は、発電機７０で発電した交流電流を直流電流に整流して電動機８０に供給する。この整流回路２０２は、たとえば、上記のケース６５に内蔵されている。
整流回路２０２から供給される直流電流は、主軸４６の回転速度に応じた大きさとなる。一方、直流電動機は、供給される電流に応じて回転速度の制御が可能である。したがって、主軸４６の回転速度を制御することにより、電動機８０の速度制御が可能となる。
【００４７】
以上のように、第２の参考例によれば、発電機７０として交流発電機を用い、電動機８０として直流電動機を用いた場合であっても、整流回路２０２を工具に内蔵することにより、主軸４６の回転速度に対して刃具１００の回転速度を変速することができる。
なお、上述した第２の参考例では、整流回路２０２をケース６５に内蔵する構成としたが、ケース６５の外部の非回転部分に箱等に収容して取り付けてもよい。
また、ケース６５に凹凸を形成して、これに整流回路２０２を収容する構成としてもよい。
【００４８】
（第３の参考例の工具）
図４は、本発明の実施形態に係る工具と一部が共通する第３の参考例の工具の電気系の構成を示す図である。
なお、第３の参考例に係る工具の機械的構造については、上述した第１の参考例と同様とする。
上述した第１および第２の参考例では、工具６１の刃具１００の回転速度を主軸４６の回転速度、すなわち、発電機７０の入力回転速度で制御される構成としたが、第３の参考例では、発電機７０の入力回転速度に関わらず刃具１００を駆動制御可能な構成について説明する。
【００４９】
図４に示すように、第３の参考例に係る工具は、交流発電機からなる発電機７０および電動機８０を備えるとともに、整流回路３０２と、電力逆変換回路３０３と、制御回路部３０４とを備える。
なお、整流回路３０２、電力逆変換回路３０３および制御回路部３０４は、後述する本発明の実施形態においては、本発明の制御手段を構成しており、整流回路３０２および電力逆変換回路３０３は本発明の駆動回路を構成している。
また、整流回路３０２と、電力逆変換回路３０３と、制御回路部３０４は、上記ケース６５に内蔵されている。なお、これら整流回路３０２、電力逆変換回路３０３および制御回路部３０４のうちいずれかまたはすべてをケース６５の外部の非回転部分に箱等に収容して取り付けてもよい。また、ケース６５に凹凸を形成して、これら整流回路３０２、電力逆変換回路３０３および制御回路部３０４を収容する構成としてもよい。
【００５０】
整流回路３０２は、発電機７０で発電された交流電流を直流電流に整流して電力逆変換回路３０３に供給する。
また、整流回路３０２は、整流した直流電流の一部を制御回路部３０４の電源として供給する。
電力逆変換回路３０３は、整流回路３０２から供給された直流電流を電動機８０を駆動するのに必要な交流電流に変換するインバータであり、たとえば、ＰＷＭインバータで構成される。
【００５１】
制御回路部３０４は、マイクロプロセッサ３０５と、ＲＯＭ(Read Only Memory)３０６と、ＲＡＭ(Random Access Memory)３０７と、カウンタ回路３０８と、Ａ／Ｄ変換回路３１０と、Ｄ／Ａ変換回路３０９とを備えている。なお、後述する本発明の実施形態においては、マイクロプロセッサ３０５は本発明の演算器の実施態様であり、ＲＯＭ３０６、ＲＡＭ３０７は本発明のメモリの実施態様である。
【００５２】
ＲＯＭ３０６は、電動機８０の駆動制御、たとえば、ベクトル制御による電動機８０の可変速制御をするための制御用プログラムを記憶保持している。
ＲＡＭ３０７は、マイクロプロセッサ３０５の演算に必要なデータ等を記憶保持する。
【００５３】
マイクロプロセッサ３０５は、ＲＯＭ３０６に記憶された制御用プログラムを実行し、各種演算を行ってＤ／Ａ変換回路３０９を介して電力逆変換回路３０３に制御信号３０４ｓを出力する。この制御信号３０４ｓは、たとえば、ＰＷＭ制御信号である。
【００５４】
Ａ／Ｄ変換回路３１０は、電流検出器３１２で検出された電力逆変換回路３０３から電動機８０に供給される電流値をディジタル信号に変化してマイクロプロセッサ３０５に出力する。
【００５５】
電動機８０には、回転位置検出器３１１が設けられており。この回転位置検出器３１１には、たとえば、光学式ロータリエンコーダやレゾルバが使用される。なお、後述する本発明の実施形態においては、回転位置検出器３１１は、本発明の出力回転検出手段の一具体例に対応している。
カウンタ回路３０８は、回転位置検出器３１１の検出した電動機８０の回転量に応じたパルス信号をカウントしてマイクロプロセッサ３０５に出力する。
【００５６】
上記構成の制御回路部３０４は、発電機７０が主軸４６の回転によって発電することにより電源が供給され動作可能となる。
制御回路部３０４には、電動機８０の回転量および駆動電流が入力されるため、制御回路部３０４のＲＯＭ３０６に予め所要の制御プログラムを用意しておくことにより、電動機８０の各種の駆動制御が可能となる。
たとえば、電動機８０に同期電動機を用いた場合に、この同期電動機を可変速制御したい場合には、予め、速度指令パターンをＲＯＭ３０６に設定しておき、この速度指令パターンにしたがって速度制御することが可能である。
したがって、第３の参考例によれば、主軸４６の回転速度によらず、刃具１００の位置制御、速度制御およびトルク制御が可能となる。すなわち、本参考例では、工具側で独立に刃具１００の駆動制御が可能となる。
【００５７】
（実施形態の工具）
図５は、本発明の実施形態に係る工具の電気系の構成を示す図である。
なお、本実施形態に係る工具の機械的構造については、上述した第１の参考例と同様とする。
図５に示す本実施形態の構成と第３の参考例において説明した構成との間で異なる点は、発電機７０に回転位置検出器４０２を設け、この回転位置検出器４０２の検出信号をカウンタ回路４０３を通じてマイクロプロセッサ３０５に入力する点であり、他の構成については全く同様である。
なお、回転位置検出器４０２は、本発明の入力回転検出手段の一具体例に対応している。
【００５８】
回転位置検出器４０２は、発電機７０の入力軸７１に対して設けられており、入力軸７１の回転量を検出する。この回転位置検出器４０２には、たとえば、光学式ロータリエンコーダやレゾルバが使用される。
回転位置検出器４０２によって、入力軸７１の回転量を検出することで、主軸４６の回転量および回転速度の情報が制御回路部３０４に入力される。
【００５９】
制御回路部３０４では、カウンタ回路４０３から入力された主軸４６の回転量の単位時間当たりの差分値を算出することにより、主軸４６の回転速度を特定することができる。
したがって、ＲＯＭ３０６に、主軸４６の回転速度に対して一定の変速比となる速度指令を生成するプログラムを用意しておくことで、電動機８０の回転速度を主軸４６の回転速度に対して正確に制御することが可能となる。
すなわち、本実施形態の構成とすることで、歯車装置と同様に、主軸４６の回転速度を正確に変速することが可能となる。
【００６０】
さらに、制御回路部３０４では、主軸４６の回転位置の情報および電動機８０の回転位置の情報の双方が得られるので、主軸４６の回転位置と電動機８０の回転位置とを完全に一致させることも可能となる。
【００６１】
（第４の参考例の工具）
図６は、本発明の実施形態に係る工具と一部が共通する第４の参考例の工具の電気系の構成を示す図である。
なお、第４の参考例に係る工具の機械的構造については、上述した第１の参考例と同様とする。
図６に示す第４の参考例の構成と第３の参考例において説明した構成との間で異なる点は、制御回路部３０４に対してデータ入力部５０１を追加した点であり、他の構成については全く同様である。
このデータ入力部５０１は、上述の実施形態の工具に組み合わされた場合には、本発明のデータ入力手段の一具体例に対応する。
【００６２】
データ入力部５０１は、制御回路部３０４に対して電動機８０の駆動制御に必要な各種データを外部から入力する。
データ入力部５０１は、具体的には、ケース６５の外部から操作可能なスイッチをケース６５に設けることによって構成することができる。
あるいは、データ入力部５０１を無線信号を受信する受信装置とし、これをケース６５の外側に設ける構成としてもよい。このような構成とすれば、工具により加工中にリアルタイムにデータを入力することができる。
データ入力部５０１から入力するデータは、たとえば、電動機８０に対する速度指令や、制御パラメータ等である。
【００６３】
第４の参考例では、上記のような構成とすることにより、電動機８０の駆動制御の内容を任意に変更することが可能であり、加工条件等が変更された場合等に容易に対応することができる。
【００６４】
種々の参考例及び実施形態を挙げて本発明の工具について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されない。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、発熱を抑制しつつ主軸によって駆動される工具の回転速度を主軸の回転速度に対して変速することができる。この結果、工具を超高速回転しても、加工精度の低下を防ぐことができる。
また、本発明によれば、主軸の回転力によって発電する発電機と、この発電機で発電された電力によって工具を駆動する電動機とによって工具の変速を行うので、歯車機構等の増速装置と比較して低コスト化でき、また、構成を簡略化することができる。
また、本発明によれば、主軸の回転速度によらず、工具の駆動制御を独立に行うことができるため、ワークに対する種々の加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される工作機械の一例としてのマシニングセンタの構成図である。
【図２】本発明の実施形態の工具と一部が共通する第１の参考例の工具を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態の工具と一部が共通する第２の参考例の工具の電気系の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の工具と一部が共通する第３の参考例の工具の電気系の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る工具の電気系の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態の工具と一部が共通する第４の参考例の工具の電気系の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…マシニングセンタ
３１…主軸モータ
３９…自動工具交換装置
４６…主軸
５１…ＮＣ装置
６１…工具
６２…装着部
６５…ケース
６６，６７，６８…ケース部材
７０…発電機
７１…入力軸
８０…電動機
８１…出力軸
９５…工具装着部
１００…刃具[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a tool for machining a workpiece.
[0002]
[Prior art]
  For example, in a machine tool equipped with a main shaft such as a machining center, the maximum rotation speed of the main shaft is determined by the structure of the main bearing that holds the main shaft rotatably and the lubrication method. When it is desired to rotate the tool, for example, a speed increasing device is used.
  As the speed increasing device, for example, a device that holds a tool and can be attached to and detached from the main shaft, and increases the rotational speed of the tool by increasing the rotational force of the main shaft by a gear mechanism such as a planetary gear mechanism is known. ing.
  For example, in a machining center, when it is desired to temporarily increase the rotational speed of the tool beyond the maximum rotational speed of the main spindle, the speed increasing device as described above is applied to the main spindle by an automatic tool changer in the same manner as a normal tool. The tool is rotated at a high rotational speed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
  By the way, when the tool is increased from the rotational speed of the main shaft by the speed increasing device using the gear mechanism as described above, if the tool is rotated at an ultra high speed of several tens of thousands to several hundred thousand, the heat generation of the speed increasing device increases. , May affect the processing accuracy. In addition, at ultra high speed rotation of several tens of thousands to several hundred thousand rotations, noise from the speed increasing device also increases. Furthermore, since the speed increasing device has a highly reliable structure that can withstand, for example, tens of thousands to hundreds of thousands of rotations, there is a disadvantage that the manufacturing cost is relatively increased.
  As another speed increasing method, there is a case where a high frequency motor is used as a motor for driving the main shaft, a driving current is supplied from a control device specially prepared for the high frequency motor, and the main shaft is rotated at a high speed. However, this method has the disadvantage that it is difficult to change the tool in the same way as a normal tool, and the equipment cost is relatively high.
[0004]
  The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a tool mounted on a rotating shaft of a processing machine such as a spindle of a machine tool, and a processing tool at a rotating speed obtained by shifting the rotating speed of the rotating shaft. It aims at providing the tool which can rotate.
  Furthermore, an object of the present invention is to provide a tool that can control a processing tool independently of the rotational speed of the rotary shaft in a tool mounted on a rotary shaft of a processing machine such as a spindle of a machine tool.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  The tool of the present invention is detachably mounted on a spindle of a machine tool, a machining tool for machining a workpiece, an electric motor for driving the machining tool, a generator for generating electric power for driving the electric motor, Rotating force is transmitted to the generator, and a mounting portion that inputs the rotating force for power generation to the generator, operates by the power generated by the generator, and the power generated by the generator is supplied to the motor. Control means for controlling the supply to control the drive of the processing tool, the generator, the electric motor, and the control means are held, the mounting portion and the processing tool are rotatably held, and the mounting portion is the main shaft A case having a rotation restricting member that restricts rotation of the case when attached to the case;An input rotation detecting means for detecting the rotational position and / or rotational speed of the main shaft;WithThe electric motor includes output rotation detection means for detecting a rotation position and / or rotation speed of the output shaft,The control means includes a memory that stores and holds a program in which a speed command pattern for variable-speed control of the electric motor is set, an arithmetic unit that executes the program, and the power generation in accordance with a control signal from the arithmetic unit A drive circuit for supplying electric power from the machine to the electric motorAt the same time, the electric motor is driven and controlled based on the rotational position and / or rotational speed detected by both the output rotation detection means and the input rotation detection means.
[0006]
  Preferably, the present inventionThe tool further includes data input means for inputting various data necessary for drive control of the electric motor from the outside to the control means.
[0007]
  The transmission of the present invention isA transmission mounted on a spindle of a machine tool,A rotating shaft on which a processing tool is mounted; an electric motor that drives the rotating shaft; and a generator that generates electric power that drives the electric motor;AboveThe main shaft is detachably mounted, the rotational force of the main shaft is transmitted to the generator, the mounting portion for inputting the rotational force for power generation to the generator, and the power generated by the generator is operated. Control means for controlling the drive of the processing tool by controlling supply of electric power generated by a generator to the electric motor, holding the electric generator, the electric motor and the control means, the mounting portion and theAxis of rotationA case having a rotation restricting member that restricts rotation of the case when the attachment portion is attached to the main shaft.An input rotation detecting means for detecting the rotational position and / or rotational speed of the main shaft;WithThe electric motor includes output rotation detection means for detecting a rotation position and / or rotation speed of the output shaft,The control means includes a memory that stores and holds a program in which a speed command pattern for variable-speed control of the electric motor is set, an arithmetic unit that executes the program, and the power generation in accordance with a control signal from the arithmetic unit A drive circuit for supplying electric power from the machine to the electric motorAnd the output rotation detecting means and And driving control of the electric motor based on the rotational position and / or rotational speed detected by both of the input rotation detecting means..
[0008]
  The machine tool of the present invention includes a spindle,AboveA transmission that is attachable to and detachable from a main shaft, and the transmission is detachably attached to the main shaft, an electric motor that rotationally drives a rotating object, a generator that generates electric power that drives the electric motor, A mounting portion that transmits the rotational force of the main shaft to the generator and inputs the rotational force for power generation to the generator, and the electric motor that is operated by the power generated by the generator and that is generated by the generator Control means for controlling the supply to the driven object by controlling the supply to the rotating object, holding the generator, the electric motor and the control means, the mounting portion and theRotated objectA case having a rotation restricting member that restricts rotation of the case when the attachment portion is attached to the main shaft.An input rotation detecting means for detecting the rotational position and / or rotational speed of the main shaft;WithThe electric motor includes output rotation detection means for detecting a rotation position and / or rotation speed of the output shaft,The control means includes a memory that stores and holds a program in which a speed command pattern for variable-speed control of the electric motor is set, an arithmetic unit that executes the program, and the power generation in accordance with a control signal from the arithmetic unit A drive circuit for supplying electric power from the machine to the electric motorIn addition, the electric motor is driven and controlled based on the rotational position and / or rotational speed detected by both the output rotation detection means and the input rotation detection means..
[0009]
  Main departureIn the lightDrive the generatorDepartWhen electricity is generated, the generated power is controlled by the control means and supplied to the electric motor. Thereby, the drive of the processing tool which processes a workpiece | work is controlled.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
  (Machining center)
  FIG. 1 is a configuration diagram of a machining center as an example of a machine tool to which the tool of the present invention is applied.
  In FIG. 1, the machining center 1 includes a cross rail 37 that is supported movably at both ends by respective shafts of a portal column 38, and a saddle 44 that is movably supported on the cross rail 37. A ram 45 is provided to be movable in the vertical direction (Z-axis direction).
[0011]
  A screw portion (not shown) is formed in the saddle 44 through the inside of the cross rail 37 in the horizontal direction, and a feed shaft 41 having a screw portion formed on the outer periphery thereof is screwed to the saddle 44.
  A servo motor 19 is connected to one end of the feed shaft 41, and the feed shaft 41 is rotationally driven by the servo motor 19.
  By the rotational drive of the feed shaft 41, the saddle 44 can be moved in the Y-axis direction, whereby the ram 45 is moved and positioned in the Y-axis direction.
[0012]
  Further, the saddle 44 has a vertical direction.To the figureA screw portion (not shown) is formed, and a feed shaft 42 having a screw portion formed on the outer periphery is screwed into the screw portion. A servo motor 20 is connected to the end of the feed shaft 42.
  The feed shaft 42 is rotationally driven by the servo motor 20, whereby the ram 45 movably provided on the saddle 44 is moved and positioned in the Z-axis direction.
[0013]
  A main shaft motor 31 is built in the ram 45, and the main shaft motor 31 rotationally drives a main shaft 46 held rotatably by the ram 45.
  A tool T such as an end mill is attached to the tip of the main shaft 46, and the tool T is driven by the rotation of the main shaft 46.
  A table 35 is provided below the ram 45 so as to be movable in the X-axis direction. A screw portion (not shown) is formed on the table 35, and a feed shaft (not shown) provided along the X-axis direction is screwed to the table 35, and the servo motor 18 is connected to the feed shaft (not shown). Yes.
  The table 35 is moved and positioned in the X-axis direction by the rotational drive of the servo motor 18.
[0014]
  The two portal columns 38 are respectively formed with screw portions (not shown), and the cross rail 37 is moved up and down by rotationally driving a feed shaft 32a screwed to the gate column 38 by a cross rail lifting motor 32. .
[0015]
  An automatic tool changer (ATC) 39 automatically changes various tools T with respect to the main shaft 46.
  The automatic tool changer 39 stores, for example, various tools T held by a tool holder in a magazine (not shown), and stores the tool T mounted on the main shaft 46 in a magazine by a tool change arm (not shown). A simple tool T is mounted on the spindle 46 by a tool changing arm.
[0016]
  The NC device 51 performs drive control of the servo motors 18, 19, 20, the cross rail lifting / lowering motor 32, and the spindle motor 31.
  Specifically, the NC device 51 performs position and speed control between the tool T and the workpiece by the servo motors 18, 19, and 20 in accordance with a workpiece machining procedure defined in advance by the NC program. The NC device 51 controls the rotational speed of the main shaft 46 by decoding the rotational speed of the main shaft 31 defined by, for example, the S code in the NC program.
  Further, the NC device 51 is defined by, for example, an M code in the NC program.TheThe automatic exchange of the various tools T is executed by deciphering the operation of the exchange of the tool T.
[0017]
  (Tool of the first reference example)
  FIG. 2 shows the configuration of an embodiment of the tool of the present invention.Of the tool of the first reference example that is partially shared with the toolFIG.
  In FIG. 2, the tool 61 includes a mounting portion 62, a case 65 including case members 66, 67 and 68, a generator 70, an electric motor 80, and a cutting tool 100.
  here,In the embodiments of the present invention described later,The mounting portion 62 is an embodiment of the mounting portion of the present invention, the case 65 is an embodiment of the case of the present invention, the generator 70 is an embodiment of the generator of the present invention, and the motor 80 is an electric motor of the present invention. The cutting tool 100 is an embodiment of the processing tool of the present invention. Further, the main shaft 46 to which the tool 61 is mounted is the same as that of the present invention.SpindleEmbodiment.
[0018]
  The mounting portion 62 includes a gripping portion 62a to be gripped, a taper shank portion 62b to be mounted on the taper sleeve 46a formed at the tip portion of the main shaft 46, and a clamp formed at the tip portion of the taper shank portion 62b. A portion 62c and a shaft portion 62d that is rotatably held by the case member 66 are provided.
[0019]
  The gripping portion 62a of the mounting portion 62 is moved from the magazine of the automatic tool changer 39 to the main shaft 46 by the tool changing arm of the automatic tool changer 39 and from the main shaft 46 to the magazine of the automatic tool changer 39. Grasped when transported.
[0020]
  The taper shank portion 62 b of the mounting portion 62 is mounted on the taper sleeve 46 a of the main shaft 46 so that the central axis is concentric with the central axis of the main shaft 46.
[0021]
  When the mounting portion 62 is mounted on the tapered sleeve 46 a of the main shaft 46, the clamp portion 62 c of the mounting portion 62 is clamped by a clamp mechanism (not shown) built in the main shaft 46. The clamping mechanism built in the main shaft 46 is a well-known technique and will not be described in detail.
[0022]
  The shaft portion 62 d of the mounting portion 62 is rotatably held on the inner periphery of the case member 66 via a plurality of rolling bearings 72.
[0023]
  A generator 70 and an electric motor 80 are held on the inner periphery of the case member 67 via a holding member 73.
  In the generator 70, the input shaft 71 is concentrically connected to the shaft portion 62 d of the mounting portion 62, and the rotational force of the main shaft 46 is input to the generator 70 via the mounting portion 62.
  As the generator 70, for example, a three-phase synchronous generator can be used.
[0024]
  The electric motor 80 is supplied with electric power generated by the electric generator 70 through a conductive cable (not shown). The electric motor 80 is driven by electric power supplied from the generator 70.
  An output shaft 81 of the electric motor 80 is connected to the rotating shaft 90 by a coupling 87.
  As the electric motor 80, for example, a three-phase induction motor can be used.
[0025]
  The rotating shaft 90 is rotatably held on the inner periphery of the case member 68 via a plurality of rolling bearings 92.
  The distal end side of the rotation shaft 90 is prevented from being detached from the case member 68 by a retaining member 94.
  In addition, a tool mounting portion 95 on which the above-described tool is mounted is provided at the distal end portion of the rotating shaft 90.
[0026]
  The cutting tool 100 is held by a tool mounting portion 95, and the cutting tool 100 processes a workpiece.
  The cutting tool 100 is specifically various kinds of cutting tools such as a drill and an end mill.
[0027]
  Case members 66, 67 and 68 are connected by fastening means such as bolts, for example, and these case members 66, 67 and 68 constitute case 65.
  An anti-rotation member 85 is provided on the outer periphery of the case member 66. This detent member 85 isIn the embodiment of the present invention described later,It is an embodiment of the rotation restricting member of the present invention.
  When the mounting portion 62 is mounted on the taper sleeve 46a of the main shaft 46, the anti-rotation member 85 has a tip 85a in the fitting hole 47a formed in the non-rotating portion 47 such as the ram 45 on the main shaft 46 side. Inserted.
  Accordingly, the case member 66, that is, the case65The rotation is restricted even if the main shaft 46 rotates.
[0028]
  Here, an example of operation | movement of the tool 61 of the said structure is demonstrated.
  When the tool 61 holding the cutting tool 100 in the tool mounting portion 95 is mounted on the main shaft 46 of the machining center 1 by the automatic tool changer 39, the tool 61 is inserted into the fitting hole of the non-rotating portion 47 in the tip end portion 85 a of the rotation preventing member 85. The rotation of the case 65 is restricted by being fitted and inserted into 47a.
[0029]
  From this state, the spindle 46 is rotated at the rotational speed N.₀ , The mounting portion 62 of the tool 61 rotates, and the rotational force of the main shaft 46 is transmitted to the generator 70.
  Thereby, the generator 70 produces | generates three-phase alternating current power, when a three-phase synchronous generator is used, for example.
[0030]
  The frequency f of the three-phase AC power generated by the three-phase synchronous generator is the number of poles of the three-phase synchronous generator P₁ And the rotational speed of the spindle 46 is N₀ [Rpm] is expressed by the following equation (1).
[0031]
[Expression 1]
  f = P₁ × N₀ / 120 [Hz] (1)
[0032]
  Therefore, the main shaft 46 is rotated at the rotational speed N.₀ , The three-phase AC power having the frequency f expressed by the above equation (1) is supplied to the motor 80.
[0033]
  Here, if a three-phase induction motor is used for the motor 80, the number of poles of this three-phase induction motor is P.₂ Then, the three-phase induction motor is 2 / P in one cycle of three-phase AC.₂ Since it rotates, the synchronous speed N of the three-phase induction motor when there is no slip₁ Is represented by the following equation (2).
[0034]
[Expression 2]
  N₁ = 120 × f / P₂ [Rpm] (2)
[0035]
  Therefore, the rotational speed N of the main shaft 46₀ Rotational speed N of the tool against₁ Is represented by the following equation (3).
[0036]
[Equation 3]
  N₁ = N₀ × P₁ / P₂ [Rpm] (3)
[0037]
  As can be seen from the equation (3), the rotational speed N of the main shaft 46₀ Is the rotational speed N expressed by the above equation (3)₁ The speed is changed.
  As shown in equation (3), the number of poles P of the three-phase synchronous generator₁ And the number P of the three-phase induction motor₂ The rotation speed N of the main shaft 46 is set appropriately.₀ Rotational speed N of the tool against₁ It can be seen that the transmission ratio is arbitrarily set.
  That is, the rotational speed N of the main shaft 46₀ If you want to increase the speed,₁ / P₂
If you want to decelerate from 1 and decelerate,₁ / P₂ The number of poles P of the three-phase synchronous generator so that is smaller than 1₁ And the number P of the three-phase induction motor₂ May be selected in advance.
[0038]
  For example, assuming that the maximum rotation speed Nmax of the main shaft 46 of the machining center 1 is 3000 rpm, the rotation speed of the main shaft 46 is sufficient in the range of the maximum rotation speed Nmax in machining a workpiece using a normal tool. There are many cases.
  On the other hand, when the machining center 1 having a maximum rotation speed Nmax of the spindle 46 of 3000 rpm is used and, for example, an aluminum alloy material is used for the workpiece and it is desired to perform high speed machining, the rotation speed of the tool is increased to 30000 rpm, for example. Sometimes you want to.
  For such a case, the tool 61 is previously stored in the magazine of the automatic tool changer 39 of the machining center 1. The tool 61 has the pole number ratio P described above so that the speed increase ratio is 10.₁ / P₂ A three-phase synchronous generator and a three-phase induction motor having a 10 is incorporated.
[0039]
  The automatic tool changer 39 automatically attaches the tool 61 to the spindle 46 in the same manner as a normal tool.
  The main shaft 46 is rotated by driving the main shaft motor 31. The rotation speed of the tool held by the tool 61 is controlled by the rotation speed of the main shaft 46. That is, in the NC program downloaded to the NC device 51, the rotational speed of the cutting tool 100 of the tool 61 is defined by designating the rotational speed of the main spindle 46 with an S code.
  For example, when it is desired to rotate the cutting tool 100 of the tool 61 at 30000 rpm, the rotational speed of the main shaft 46 is designated as 3000 rpm by the S code in the NC program.
[0040]
  When the main shaft 46 is rotated at 3000 rpm, the generator 70 rotates the rotation speed of the main shaft 46 and the number of poles P.₁ A three-phase alternating current with a frequency corresponding to
  The electric motor 80 is driven by the three-phase alternating current supplied from the generator 70, and the cutting tool 100 of the tool 61 rotates at a rotational speed of approximately 30000 rpm.
  As a result, even if the machining center 1 in which the maximum rotation speed Nmax of the spindle is limited and an aluminum alloy material is used for the workpiece, high-speed machining can be performed.
[0041]
  As aboveFirst reference exampleAccording to the above, the rotation speed of the tool with respect to the main shaft 46 is obtained by incorporating the generator 70 and the motor 80 in the unitized tool 61 as in a normal tool and driving the motor 80 with the electric power generated by the generator 70. Therefore, even if the main shaft 46 is rotated at a high speed, heat generation does not increase as in the gear device, and a reduction in machining accuracy is suppressed.
[0042]
  further,First reference exampleSince the inertia of the electric motor 80 can be made smaller than the inertia of the main shaft 46, the responsiveness of the cutting tool 100 can be improved compared to the case where the main shaft 46 is directly rotated at a high speed.
[0043]
  Also,First reference exampleAccording to the present invention, the tool 61 for increasing the rotational speed of the main shaft 46 can be attached to and detached from the main shaft 46 and can be replaced by the automatic tool changer 39 in the same manner as a normal tool. While processing within the range of speed, it is possible to immediately respond to the demand for high-speed processing.
  Also,First reference exampleAccordingly, since the blade 100 is driven by the electric power generated by the rotation of the main shaft 46, it is not necessary to supply a driving current from the outside, and as a result, wiring for supplying power is not necessary.
[0044]
  As mentioned aboveFirst reference exampleIn the above description, the case where the aluminum alloy material is applied to high-speed machining has been described. However, the present invention can be applied to any machining that needs to increase the rotational speed of the main shaft 46.
  Also mentioned aboveFirst reference exampleIn the above description, the case where the rotational speed of the main shaft 46 is increased has been described. However, the present invention can also be applied to the case where the rotational speed of the main shaft 46 is reduced. In this case, a torque larger than that of the main shaft 46 can be applied to the tool.
  Also mentioned aboveFirst reference exampleThen, although the case where the alternating current generator and the alternating current motor were combined was demonstrated, it is also possible to comprise by the combination of a direct current generator and a direct current motor..
  MaMentioned aboveFirst reference exampleThen, although the blade 100 was mentioned as a processing tool, it is also possible to apply another processing tool.
[0045]
  (Tool of the second reference example)
  FIG. 3 illustrates the present invention.The fruitTool according to the embodimentTool of the second reference example that is partly in commonIt is a figure which shows the structure of this electrical system.
  In addition,Second reference exampleThe mechanical structure of the tool according toFirst reference exampleThe same shall apply.
  As shown in FIG.Second reference exampleThe tool according to the present invention includes an AC generator as the generator 70, a DC motor as the motor 80, and a rectifier circuit.202It has.
[0046]
  Rectifier circuit202Rectifies the alternating current generated by the generator 70 into a direct current and supplies it to the motor 80. This rectifier circuit202Is built in the case 65, for example.
  Rectifier circuit202The direct current supplied from the motor has a magnitude corresponding to the rotational speed of the main shaft 46. On the other hand, the DC motor can control the rotation speed according to the supplied current. Therefore, the speed control of the electric motor 80 can be performed by controlling the rotation speed of the main shaft 46.
[0047]
  As aboveSecond reference exampleAccording to the present invention, even when an AC generator is used as the generator 70 and a DC motor is used as the motor 80, the rectifier circuit202Is incorporated in the tool, the rotational speed of the cutting tool 100 can be changed with respect to the rotational speed of the main shaft 46.
  As mentioned aboveSecond reference exampleIn the rectifier circuit202However, it may be housed and attached to a non-rotating portion outside the case 65 in a box or the like.
  Further, the case 65 is formed with irregularities, and a rectifier circuit is formed on this202It is good also as a structure which accommodates.
[0048]
  (Tool of the third reference example)
  FIG. 4 shows the present invention.The fruitTool according to the embodimentTool of the third reference example that is partially shared withIt is a figure which shows the structure of this electrical system.
  In addition,Third reference exampleThe mechanical structure of the tool according to the firstReference exampleThe same shall apply.
  The first and second mentioned aboveReference exampleThen, the rotational speed of the cutting tool 100 of the tool 61 is controlled by the rotational speed of the main shaft 46, that is, the input rotational speed of the generator 70.Third reference exampleNow, a configuration capable of driving and controlling the blade 100 regardless of the input rotational speed of the generator 70 will be described.
[0049]
  As shown in FIG.Third reference exampleThe tool according to the above includes a generator 70 and an electric motor 80 made of an AC generator, and also includes a rectifier circuit 302, a power reverse conversion circuit 303, and a control circuit unit 304.
  The rectifier circuit 302, the power reverse conversion circuit 303, and the control circuit unit 304 areIn the embodiments of the present invention described later,The control means of this invention is comprised, and the rectifier circuit 302 and the power reverse conversion circuit 303 comprise the drive circuit of this invention.
  The rectifier circuit 302, the power reverse conversion circuit 303, and the control circuit unit 304 are built in the case 65. Note that any or all of the rectifier circuit 302, the power reverse conversion circuit 303, and the control circuit unit 304 may be housed and attached to a non-rotating portion outside the case 65 in a box or the like. Further, the case 65 may be formed with irregularities to accommodate the rectifier circuit 302, the power reverse conversion circuit 303, and the control circuit unit 304.
[0050]
  The rectifier circuit 302 rectifies the alternating current generated by the generator 70 into a direct current and supplies the direct current to the power reverse conversion circuit 303.
  The rectifier circuit 302 supplies a part of the rectified direct current as a power source for the control circuit unit 304.
  The power reverse conversion circuit 303 is an inverter that converts a direct current supplied from the rectifier circuit 302 into an alternating current necessary for driving the electric motor 80, and is configured by, for example, a PWM inverter.
[0051]
  The control circuit unit 304 includes a microprocessor 305, a ROM (Read Only Memory) 306, a RAM (Random Access Memory) 307, a counter circuit 308, an A / D conversion circuit 310, and a D / A conversion circuit 309. I have. In addition,In the embodiments of the present invention described later,The microprocessor 305 is an embodiment of the arithmetic unit of the present invention, and the ROM 306 and the RAM 307 are embodiments of the memory of the present invention.
[0052]
  The ROM 306 stores and holds a control program for performing drive control of the electric motor 80, for example, variable speed control of the electric motor 80 by vector control.
  The RAM 307 stores and holds data necessary for the calculation of the microprocessor 305.
[0053]
  The microprocessor 305 executes a control program stored in the ROM 306, performs various calculations, and outputs a control signal 304s to the power inverse conversion circuit 303 via the D / A conversion circuit 309. This control signal 304s is, for example, a PWM control signal.
[0054]
  The A / D conversion circuit 310 converts the current value supplied from the power reverse conversion circuit 303 detected by the current detector 312 to the electric motor 80 into a digital signal and outputs the digital signal to the microprocessor 305.
[0055]
  The electric motor 80 is provided with a rotational position detector 311. For this rotational position detector 311, for example, an optical rotary encoder or a resolver is used.. NaOh,In the embodiments of the present invention described later,The rotational position detector 311 corresponds to a specific example of output rotation detection means of the present invention.
  The counter circuit 308 counts a pulse signal corresponding to the rotation amount of the electric motor 80 detected by the rotational position detector 311 and outputs it to the microprocessor 305.
[0056]
  The control circuit unit 304 having the above-described configuration is operable by being supplied with power when the generator 70 generates power by the rotation of the main shaft 46.
  Since the rotation amount and drive current of the motor 80 are input to the control circuit unit 304, various drive controls of the motor 80 can be performed by preparing a required control program in the ROM 306 of the control circuit unit 304 in advance. It becomes.
  For example, when a synchronous motor is used for the electric motor 80, if it is desired to perform variable speed control of the synchronous motor, a speed command pattern can be set in the ROM 306 in advance and the speed can be controlled according to the speed command pattern. It is.
  Therefore,Third reference exampleAccordingly, position control, speed control, and torque control of the blade 100 can be performed regardless of the rotation speed of the main shaft 46. Ie bookReference exampleThen, the drive control of the blade 100 can be performed independently on the tool side.
[0057]
  (ActualFormTool)
  FIG. 5 shows the present invention.The fruitIt is a figure which shows the structure of the electric system of the tool which concerns on embodiment.
  In addition, about the mechanical structure of the tool which concerns on this embodiment, it is the 1st mentioned above.Reference exampleThe same shall apply.
  The configuration of this embodiment shown in FIG.Third reference exampleThe difference from the configuration described in FIG. 4 is that the generator 70 is provided with a rotational position detector 402, and the detection signal of the rotational position detector 402 is input to the microprocessor 305 through the counter circuit 403. The configuration is exactly the same.
  The rotational position detector 402 corresponds to a specific example of the input rotation detection means of the present invention.
[0058]
  The rotational position detector 402 is provided for the input shaft 71 of the generator 70 and detects the amount of rotation of the input shaft 71. For the rotational position detector 402, for example, an optical rotary encoder or a resolver is used.
  By detecting the rotation amount of the input shaft 71 by the rotation position detector 402, information on the rotation amount and rotation speed of the main shaft 46 is input to the control circuit unit 304.
[0059]
  The control circuit unit 304 can specify the rotational speed of the main shaft 46 by calculating the difference value per unit time of the rotation amount of the main shaft 46 input from the counter circuit 403.
  Therefore, the ROM 306 has a program for generating a speed command with a constant gear ratio with respect to the rotational speed of the main shaft 46, thereby accurately controlling the rotational speed of the electric motor 80 with respect to the rotational speed of the main shaft 46. It becomes possible to do.
  That is, with the configuration of the present embodiment, the rotational speed of the main shaft 46 can be accurately changed as in the gear device.
[0060]
  Further, since the control circuit unit 304 can obtain both the rotational position information of the main shaft 46 and the rotational position information of the electric motor 80, the rotational position of the main shaft 46 and the rotational position of the electric motor 80 can be completely matched. It becomes.
[0061]
  (Tool of the fourth reference example)
  FIG. 6 shows the present invention.The fruitTool according to the embodimentTool of the fourth reference example that is partly in commonIt is a figure which shows the structure of this electrical system.
  In addition,Fourth reference exampleThe mechanical structure of the tool according toFirst reference exampleThe same shall apply.
  As shown in FIG.Fourth reference exampleConfiguration andThird reference exampleThe difference from the configuration described in FIG. 3 is that a data input unit 501 is added to the control circuit unit 304, and the other configurations are exactly the same.
  The data input unit 501When combined with the tool of the above embodiment,Corresponds to one specific example of data input means of the present inventionDo.
[0062]
  The data input unit 501 inputs various data necessary for driving control of the electric motor 80 to the control circuit unit 304 from the outside.
  Specifically, the data input unit 501 can be configured by providing the case 65 with a switch that can be operated from the outside of the case 65.
  Alternatively, the data input unit 501 may be a receiving device that receives a radio signal, and this may be provided outside the case 65. With such a configuration, it is possible to input data in real time during machining with a tool.
  Data input from the data input unit 501 is, for example, a speed command for the electric motor 80, a control parameter, or the like.
[0063]
  Fourth reference exampleThen, by adopting the configuration as described above, it is possible to arbitrarily change the content of the drive control of the electric motor 80, and it is possible to easily cope with the case where the processing conditions and the like are changed.
[0064]
  VariousReference examples andAlthough the embodiment of the tool according to the present invention has been described, the present invention is not limited to the above-described embodiment..
[0065]
【The invention's effect】
  According to the present invention, the rotational speed of the tool driven by the main shaft can be changed with respect to the rotational speed of the main shaft while suppressing heat generation. As a result, even if the tool is rotated at a very high speed, it is possible to prevent a decrease in machining accuracy.
  Further, according to the present invention, the speed of the tool is changed by the generator that generates power by the rotational force of the main shaft and the electric motor that drives the tool by the electric power generated by the generator. In comparison, the cost can be reduced and the configuration can be simplified.
  In addition, according to the present invention, since the drive control of the tool can be performed independently regardless of the rotational speed of the main spindle, various types of machining can be performed on the workpiece.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a machining center as an example of a machine tool to which the present invention is applied.
FIG. 2 of the present inventionTool of the first reference example partially shared with the tool of the embodimentFIG.
FIG. 3 of the present inventionThe second reference example, which is partly in common with the tool of the embodimentIt is a figure which shows the structure of the electric system of a tool.
FIG. 4 of the present inventionThe third reference example, which is partly in common with the tool of the embodimentIt is a figure which shows the structure of the electric system of a tool.
FIG. 5 shows the present invention.The fruitIt is a figure which shows the structure of the electric system of the tool which concerns on embodiment.
FIG. 6 of the present inventionThe fourth reference example, which is partly in common with the tool of the embodimentIt is a figure which shows the structure of the electric system of a tool.
[Explanation of symbols]
1 ... Machining center
31 ... Spindle motor
39 ... Automatic tool changer
46 ... Spindle
51 ... NC device
61 ... Tool
62 ... Mounting part
65 ... Case
66, 67, 68 ... case member
70 ... Generator
71 ... Input shaft
80 ... Electric motor
81 ... Output shaft
95 ... Tool mounting part
100 ... Blade

Claims

A processing tool for processing the workpiece;
An electric motor for driving the processing tool;
A generator for generating electric power for driving the electric motor;
A mounting portion that is detachably mounted on a spindle of a machine tool, transmits the rotational force of the spindle to the generator, and inputs the rotational force for power generation to the generator;
Control means that operates by the electric power generated by the generator, controls the supply of the electric power generated by the generator to the electric motor, and drives and controls the processing tool;
A rotation regulating member that holds the generator, the electric motor, and the control unit, holds the mounting portion and the processing tool rotatably, and restricts rotation of the case when the mounting portion is mounted on the main shaft. a case having a,
An input rotation detection means for detecting a rotation position and / or a rotation speed of the main shaft ,
The electric motor includes output rotation detection means for detecting a rotation position and / or rotation speed of the output shaft,
The control means includes
A memory for storing and holding a program in which a speed command pattern for variable speed control of the electric motor is set;
An arithmetic unit for executing the program;
A drive circuit for supplying electric power from the generator to the electric motor in response to a control signal from the computing unit, and a rotational position detected by both the output rotation detection means and the input rotation detection means, and / or A tool for driving and controlling the electric motor based on a rotation speed .

The tool according to claim 1 , further comprising data input means for inputting various data necessary for drive control of the electric motor from the outside to the control means.

A transmission mounted on a spindle of a machine tool,
A rotating shaft on which the processing tool is mounted;
An electric motor for driving the rotating shaft;
A generator for generating electric power for driving the electric motor;
A mounting portion that is detachably mounted on the main shaft, transmits the rotational force of the main shaft to the generator, and inputs the rotational force for power generation to the generator;
Control means for operating the power generated by the generator and controlling the supply of the power generated by the generator to the electric motor to drive and control the processing tool; and holding the generator, the electric motor, and the control means A case having a rotation restricting member that rotatably holds the mounting portion and the rotation shaft and restricts rotation of the case when the mounting portion is mounted on the main shaft ;
An input rotation detection means for detecting a rotation position and / or a rotation speed of the main shaft ,
The electric motor includes output rotation detection means for detecting a rotation position and / or rotation speed of the output shaft,
The control means includes
A memory for storing and holding a program in which a speed command pattern for variable speed control of the electric motor is set;
An arithmetic unit for executing the program;
A drive circuit for supplying electric power from the generator to the electric motor in response to a control signal from the computing unit, and a rotational position detected by both the output rotation detection means and the input rotation detection means, and / or A transmission that controls driving of the electric motor based on a rotational speed .

The spindle,
And a removable transmission to said main axis,
The transmission is
An electric motor that rotationally drives the object to be rotated;
A generator for generating electric power for driving the electric motor;
A mounting portion that is detachably mounted on the main shaft, transmits the rotational force of the main shaft to the generator, and inputs the rotational force for power generation to the generator;
Control means for operating the electric power generated by the generator and controlling the supply of the electric power generated by the generator to the electric motor to drive and control the rotating object; and the electric generator, the electric motor and the control means. A case having a rotation restricting member that holds and rotatably holds the mounting portion and the rotating object , and restricts rotation of the case when the mounting portion is mounted on the main shaft ;
An input rotation detection means for detecting a rotation position and / or a rotation speed of the main shaft ,
The electric motor includes output rotation detection means for detecting a rotation position and / or rotation speed of the output shaft,
The control means includes
A memory for storing and holding a program in which a speed command pattern for variable speed control of the electric motor is set;
An arithmetic unit for executing the program;
A drive circuit for supplying electric power from the generator to the electric motor in response to a control signal from the computing unit, and a rotational position detected by both the output rotation detection means and the input rotation detection means, and / or A machine tool that drives and controls the electric motor based on a rotation speed .