机床用心轴驱动机构 【技术领域】
本发明涉及一种机床用心轴驱动机构，涉及心轴驱动机构的改良，该心轴驱动机构用于例如具有将配设在台座上的主轴支承为能够移动的主轴头的机床。
背景技术
以往已知有如下的机床，具有：台座；工作台，配设在该台座上且载置工件；主轴，轴线沿着水平方向配置且设置为以该轴线为中心旋转自如，保持工具；进给机构，使上述工作台和主轴沿正交三轴方向相对移动(例如，参照下述专利文献1)。
例如下述专利文献1所记载的以往的机床的具体的构成为，包括：台座，具有基部及分别被立设在该基部的左右两侧的两个侧壁；第一进给台，由纵边部沿铅直方向设置、横边部沿左右方向设置的矩形状且框状的部件构成，左右方向的两端部被分别支承在各侧壁的后面，沿铅直方向(Y轴方向)移动自如地设置；第二进给台，配设在第一进给台的框内且沿左右方向(X轴方向)移动自如地设置，具有沿前后方向贯通的贯通孔；主轴头，配设在第二进给台的贯通孔内，沿前后方向(Z轴方向)移动自如地设置；主轴，轴线与前后方向平行且以轴线为中心旋转自如地被主轴头支承，保持工具；工作台，被配设在台座上且载置工件。
专利文献1：日本特开2002-137128号公报
但是，在这种机床的技术领域中，存在使沿前后方向(Z轴方向)移动自如地设置的主轴头的动作精度进一步提高的要求。但是，如上所述，作为以往的机床，因为主轴头在贯通孔内滑动接触而移动，所以在存在这样的滑动接触部的以往的机床中，对于提高动作精度方面在结构上存在限制。
此外，在以往的机床中，因为沿着前后方向(Z轴方向)移动的主轴头的重量大，所以在该主轴头向前方方向突出时沿着挠曲方向施加力，存在所谓难以确保直行度的构造上的问题。但是，在以往的机床中，没有提出用于使直行度提高的技术。
进而，从上述的使动作精度和直行度提高的观点出发，存在期望获得更紧凑的、轻量化的主轴头的要求。
【发明内容】
本发明是鉴于上述的课题而完成的，其目的在于提供一种能够使作为进行前后方向(Z轴方向)的动作的主轴头的机床用心轴驱动机构的动作精度和直行度提高的技术。
本发明的机床用心轴驱动机构的特征为，具有：螺纹轴，在外周面形成螺旋状的螺纹槽且被固定设置为不能旋转；圆头螺栓螺母，在内周面具有与上述螺纹槽对应的螺旋状的螺母槽，且具有被滚动行进自如地设置在由上述螺纹槽和上述螺母槽构成的负荷滚动体滚动行进通路内的多个滚动体，从而构成为随着绕上述螺纹轴的轴心的旋转运动而在上述螺纹轴的轴线方向中自如地往复运动；中空马达，包括被固定设置在上述圆头螺栓螺母的外周面且作为场磁束发生源的圆筒形的内转子、从上述内转子的外周面隔着既定的空隙而对置配置且发生用于将旋转驱动力提供至上述内转子的旋转磁场的圆筒形的外定子；壳体，在一端侧固定设置上述外定子且在另一端侧固定设置机床用的心轴；外筒，经由被滚动行进自如地设置在形成于上述壳体的外周面地直线状的滚动体滚动行进槽内的多个滚动体而设置在该壳体上，从而引导上述壳体的在轴线方向中的往复运动。
在本发明的机床用心轴驱动机构中，优选构成为，在设想通过上述螺纹轴的轴中心的假想的轴中心线、和通过上述心轴所具有的旋转轴的轴中心的假想的轴中心线时，上述螺纹轴的轴中心线和上述心轴所具有的旋转轴的轴中心线重叠。
此外，在本发明的机床用心轴驱动机构中，可以相对于上述壳体设置多个上述外筒。
进而，在本发明的机床用心轴驱动机构中，可以构成为，上述外筒相对于上述壳体至少设置两个，被配置在上述壳体的心轴固定设置侧的第一外筒的轴方向长度与被配置在上述壳体的外定子固定设置侧的第二外筒的轴方向长度相同或比其大。
此外，在本发明的机床用心轴驱动机构中，可以在上述壳体与上述外筒之间设置密封部件。
根据本发明，能够提供一种技术，在例如被用于具有将配设在台座上的主轴支承为能够移动的主轴头的机床的心轴驱动机构中，能够使进行前后方向(Z轴方向)的动作的主轴头的动作精度和直行度提高。此外，根据本发明，能够获得一种实现比以往技术更紧凑、更轻量化的机床用的主轴头的心轴驱动机构。
【附图说明】
图1是表示本实施方式的机床用心轴驱动机构的局部纵剖侧视图。
图2是用于说明本实施方式的螺纹轴和圆头螺栓螺母的具体的构造的纵剖侧视图。
图3是用于说明本实施方式的引导机构部的构成的图，特别是图中(a)表示引导机构部的纵剖主视图，图中(b)表示引导机构部的局部纵剖侧视图。
图4是表示本发明的其他实施方式的机床用心轴驱动机构的要部的侧视图。
图5是表示将图4所示的其他实施方式的机床用心轴驱动机构设置在机床上的状态的概略立体图。
附图标记说明
5 机床用心轴驱动机构
11 螺纹轴
11a 螺纹槽
11b 负荷滚动体滚动行进通路
12 圆头螺栓螺母
12a 螺母槽
12b 返回通路
12c 无限循环路
13 滚珠
14 固定臂
15 圆头螺栓机构部
21 中空马达
22 内转子
23 外定子
31 壳体
31a 滚动体滚动行进槽
32 滚珠
35 引导机构部
41 外筒
41a 负荷滚动体滚动行进槽
41b 滚动体返回通路
51 心轴
61 第一外筒
62 第二外筒
101 台座
103 导架
α 通过螺纹轴的轴中心的假想的轴中心线
β 通过心轴所具有的旋转轴的轴中心的假想的轴中心线
【具体实施方式】
以下，参照附图说明用于实施本发明的优选的实施方式。另外，以下的实施方式并不用于限定各技术方案所述的发明，此外，在实施方式中说明的特征的组合的全部并不限定于是发明的解决方式所必须的。
图1是表示本发明的机床用心轴驱动机构5的局部纵剖侧视图。另外，本实施方式中的机床用心轴驱动机构5提供了在以往技术中说明了的主轴头，为了说明的方便而省略对于构成机床的其他部件的详细的说明。
本实施方式的机床用心轴驱动机构5具有：圆头螺栓机构部15，由螺纹轴11和圆头螺栓螺母12构成；作为该机构的驱动源的中空马达21；由壳体31和外筒41构成的引导机构部35；相对于外部进行工作的心轴51。
螺纹轴11是被固定设置在设置于导架103上的固定臂14上的部件，以不能旋转的状态构成。在螺纹轴11的外周面，形成螺旋状的螺纹槽11a，与圆头螺栓螺母12协同动作而构成圆头螺栓机构部15。
在此，参照图2说明构成圆头螺栓机构部15的螺纹轴11和圆头螺栓螺母12的具体的构造。另外，图2是用于说明本实施方式的螺纹轴11和圆头螺栓螺母12的具体的构造的纵剖侧视图，是例示端部端帽型的圆头螺栓机构部15的图。
如上所述，螺纹轴11在其外周面具有螺旋状的螺纹槽11a。另一万面，圆头螺栓螺母12在内周面具有与螺纹轴11的螺纹槽11a对应的螺旋状的螺母槽12a。并且，通过螺纹槽11a和螺母槽12a对置配置而形成螺旋状地包围螺纹轴11的周围的负荷滚动体滚动行进通路11b。进而，螺旋状地包围螺纹轴11的周围的负荷滚动体滚动行进通路11b为，其两终端部分别被设置在圆头螺栓螺母12内的返回通路12b连接，由这些负荷滚动体滚动行进通路11b和返回通路12b形成无限循环路12c。
在无限循环路12c内，在滚动行进自如的状态下设置有多个作为滚动体的滚珠13，实现圆头螺栓螺母12的经由滚珠13的与螺纹轴11的螺纹接合。螺纹轴11在不动状态下被固定设置在设置在导架103上的固定臂14上，因此圆头螺栓螺母12通过绕螺纹轴11的轴心旋转运动而能够进行在圆头螺栓螺母12的轴线方向上的往复直线运动。
作为本机构的驱动源的中空马达包括：圆筒形的内转子22，被固定设置在圆头螺栓螺母12的外周面而作为场磁束发生源；圆筒形的外定子23，从该内转子22的外周面隔着既定的空隙对置配置且产生用于将旋转驱动力提供至内转子22的旋转磁场。
在图1中将图示简略化，本实施方式的内转子22包括：转子磁体，以圆周状交互地磁化了N极、S极；圆筒状的内框，固装该转子磁体；轴承，旋转自如地支承该内框。另一方面，本实施方式的外定子23具有：多个扁平的定子线圈，从上述转子磁体隔着既定的空隙对置配置；柔性印刷基板，对该定子线圈配线；圆筒状的外框，固定上述定子线圈和上述柔性印刷基板和上述轴承。
并且，内转子22的内框被固定在圆头螺栓螺母12的外周面上，外定子23的外框被固定在后述的壳体31上，因此若使中空马达21驱动则随着内转子22的旋转驱动而圆头螺栓螺母12旋转，实现壳体31沿着螺纹轴11的轴线方向的往复直线运动。
壳体31是形成为大致圆筒形的部件，如上所述，在一端侧固定设置外定子23，另一方面，在另一端侧固定设置机床用的心轴51。壳体31的内部中，除了设置外定子23及心轴51之外为空洞，能够同时实现螺纹轴11的行程确保和轻量化。另外，对于构成壳体31的材质及形状(长度及壁厚等)等，可以与机床的用途及规格等对应地进行适当的选择。
此外，在壳体31的外周侧设置外筒41，由壳体31和外筒41构成引导机构部35。借助该外筒41实现壳体31沿着螺纹轴11的轴线方向的稳定的往复直线运动。
在此，参照图3说明由壳体31和外套41构成的引导机构部35的详细的构成。另外，图3是用于说明本实施方式的引导机构部35的构成的图，特别是图中(a)表示引导机构部35的纵剖主视图，图中(b)表示引导机构部35的局部纵剖侧视图。另外，在图3中，为了说明的方便而省略了引导机构部35之外的部件的图示。
构成引导机构部35的轨道部件的壳体31，在其外周面具有直线状的滚动体滚动行进槽31a。该滚动体滚动行进槽31a作为滚珠32的轨道而承受在壳体31的轴方向中的旋转力矩，且规定壳体31自身的移动方向。
安装在该壳体31上的外筒41作为引导机构部35的引导部件而发挥功能，在其内周面形成与滚动体滚动行进槽31a对应的负荷滚动体滚动行进槽41a。并且，由形成于外筒41的负荷滚动体滚动行进槽41a和形成于壳体31的滚动体滚动行进槽31a形成负荷滚动体滚动行进通路。进而，在外筒41的内部，形成有滚动体返回通路41b，其与负荷滚动体滚动行进通路的两端部分分别连接，用于捞起在负荷滚动体滚动行进通路内由于负荷被释放的滚珠32而使其循环而再次返回负荷滚动体滚动行进通路内。即，多个滚珠32…被滚动行进自如地设置在外筒41的负荷滚动体滚动行进槽41a和壳体31的滚动体滚动行进槽31a之间，且设置为通过滚动体返回通路41b而无限循环。
本实施方式的引导机构部35因为具备上述的构成，所以壳体31不在周方向上旋转，能够实现壳体31沿着螺纹轴11的轴线方向的稳定的往复直线运动。
另外，对于设置在壳体31的另一端侧的心轴51，能够采用能够发挥高速旋转、高输出的空气静压心轴等已知的所有形式的心轴。特别是空气静压心轴采用以下构成：作为适于高速旋转的节流孔而使用自成节流孔，与高速旋转、高输出对应而搭载感应马达，所以具有能够适当地对应于高速铣削加工等的优点。
以上，说明了本实施方式的机床用心轴驱动机构5的具体的构成。本实施方式的机床用心轴驱动机构5因为具有圆头螺栓机构部15和引导机构部35的使用滚动体而能够紧凑地获得稳定的引导精度的机构，所以能够实现即能够具有与以往技术同等以上的刚性又能够进行紧凑的前后方向(Z轴方向)的动作的主轴头。
此外，借助圆头螺栓机构部1 5和引导机构部35的作用，主轴头的引导精度能够实现飞跃地提高。特别是对于被称为波动(weaving)的微小的脉动，例如能够抑制为1.6μm以下的变动，能够实现在以往的伴随有滑动运动的主轴头中不可能实现的引导精度。该波动现象的改善，对主轴头的直行度的改善也有效。
进而，在本实施方式的机床用心轴驱动机构5中，通过令壳体31为中空的筒形状而能够紧凑地收纳螺纹轴11，并且由于中空部分的存在而实现轻量化。此外，由于壳体31的中空部分，实现机构自身的合理的紧凑化。具体而言，在假想通过螺纹轴11的轴中心的假想的轴中心线α、和通过心轴51所具有的旋转轴的轴中心的假想的轴中心线β时，螺纹轴11的轴中心线α和心轴51所具有的旋转轴的轴中心线β重叠。该构成对于将圆头螺栓机构部15和引导机构部35这两个复杂的机构紧凑地一体化而言有效，通过如此地采用没有浪费的装置构成，可以同时地满足轻量化和高刚性这看似矛盾的课题。
另外，优选在壳体31与外筒41之间、及螺纹轴11与圆头螺栓螺母12之间，以除去从外部侵入的异物及保持内部的润滑剂为目的而设置密封部件(未图示)。借助密封部件能够获得稳定且长寿命的机床用心轴驱动机构5。即，本实施方式的壳体31外形形状采用圆筒形，所以在设置了密封部件时能够发挥出众的密封性能。但是，壳体31的形状只要为具有中空部分的筒状且能够设置外筒41a即可，除了本实施方式这样的圆筒形之外，可以采用多棱筒形及椭圆筒形、长圆筒形等。
以上，说明了本发明的优选实施方式，但是本发明的技术并不被限定于上述实施方式所记载的范围内。可以对上述实施方式进行多种多样的变更或改良。
例如，在上述实施方式中，说明了相对于壳体31配置一个外筒41的构成。但是设置在壳体31上的外筒41的个数并不限定于一个，可以设置多个。
因此，参照图4及图5进行说明相对于壳体31配置两个外筒时的实施方式。在此，图4是表示本发明的其他实施方式的机床用心轴驱动机构的要部的侧视图。此外，图5是表示将图4所示的其他实施方式的机床用心轴驱动机构设置在机床上的状态的概略立体图。另外，在图4以及图5中，为了说明的简略化而省略螺纹轴11等，与已经说明的部件相同或类似的部件标注同一符号而省略说明。
如图4及图5所示的其他的实施方式的机床用心轴驱动机构5中，例示了相对于壳体31设置两个外筒61、62的情况。另外，在以下说明中，将配置在壳体31的心轴51固定设置侧一方的外筒称为第一外筒61，将配置在壳体31的外定子固定设置侧一方的外筒称为第二外筒62。
设置称为第一外筒61和第二外筒62的两个外筒的优点在于能够容易地进行壳体31的相对的位置调节。即，在壳体31突出时，由于其重量而作用挠曲力，因此主轴头的直行度受到不良影响。因此，通过使用分割为两个的外筒61、62调节壳体31的设置角度，能够简单地使直行度提高。具体地，例如通过在第一外筒61的安装面、即第一外筒61与支承第一外筒61的导架103的接触面间插入填隙片等的高度调节部件，能够调节壳体31的安装角度。
此外，对于第一外筒61和第二外筒62，能够简单地使用相同尺寸，而如图4及图5所示，优选第一外筒61构成为具有比第二外筒62大的轴方向长度。如果这样地构成，则能够主要借助轴方向长度大的第一外筒61承受扭转刚性及自重、加工反力等的负荷，借助轴方向长度短的第二外筒62进行直行度等的精度调节。通过实现两个外筒61、62所发挥的功能的分担，能够实现更高效率的装置构成，因此实现作为机构整体的紧凑化。
另外，作为两个外筒61、62的构成条件，在令第一外筒61的轴方向长度为X、第二外筒62的轴方向长度为Y时，可以是X＝Y，也可以是X＞Y的数式成立。
进而，由于发明者的专心努力，确认优选构成为例如X≥1.5×Y。此时，优选构成为，对于设置在各个外筒上的多个滚珠32的数量，在第一外筒61中在空间所容许的范围内设置尽量多的滚珠32，在第二外筒62内数量比第一外筒61少。在第一外筒61内增加滚珠数是用于承接更高的负荷的措施，在第二外筒内减少滚珠数是用于将负荷的承接交给第一外筒61实现且令主要目标为动作精度和直行度的提高的措施。通过采用这样的构成，能够实现在两个外筒61、62之间的更高效率的功能分担。
当然，优选对于两个外筒61、62也在与壳体31之间设置密封部件，借助密封部件的作用实现机构的稳定度和寿命的提高。
进而，在上述的实施方式中，例示说明了端帽型的圆头螺栓机构部1 5，但是能够使用于本发明的圆头螺栓机构部并不限于端帽型，可以采用使用返回管的管型的圆头螺栓机构部及使用偏转器的偏转器型的圆头螺栓机构部。
此外，在上述实施方式中，例示说明了滚珠32无限循环的形式的引导机构部35，但是也可以与心轴51上所需要的运转范围对应而采用有限循环形式的引导机构部。
此外，在本发明的机床用心轴驱动机构中，对于上述实施方式所例示的圆头螺栓机构部15及引导机构部35，可以与使用环境及使用条件对应而任意地变更其截面形状及无限循环路的条数等。
此外，在上述实施方式中，例示说明了沿前后方向设定Z轴的所谓的横型的机床用心轴驱动机构5，但是也可以用于沿上下方向设定Z轴的纵型的机床。
进而，上述实施方式的机床用心轴驱动机构5中，为了说明的简略化而例示说明了机床用心轴驱动机构5只被设置在机床的导架103上的情况。但是，本发明的机床用心轴驱动机构也能够设置在具有进行铅直方向(Y轴方向)以及左右方向(X轴方向)的动作的第一进给台及第二进给台的机床、及具有三轴以上的主轴的多轴驱动的机床上。此外，机床用心轴驱动机构的安装部件，并不仅仅限定于上述的导架103，只要是能够发挥本发明的机床用心轴驱动机构的作用的位置，能够设置在任意的部件上。
进行了以上的种种变更或改良的方式也包含于本发明的技术的范围内，由技术方案的范围的记载加以明确。