工具保持架的非接触供电装置的制作方法

1.本发明涉及用于以非接触的方式向内置于与主轴连结而旋转的更换自如的工具保持架的致动器提供能量的非接触供电装置。


背景技术：

2.通常，使用经由安装于工具保持架的道具，例如加工工具对工件实施加工处理的各种机床。此时，机床通常组装于具有与所述机床的动作联动地进行作业的功能和机构的作业机械。
3.通常，在加工中心中，有时具有通过atc(自动工具更换装置)来更换的工具保持架，并且所述工具保持架内置有马达和电子电路等致动器。例如，在钻孔加工中，采用能够随着钻孔工具的刀尖磨损的进展，沿径向以微米单位对所述钻孔工具的刀尖的位置进行校正的致动器。
4.在该情况下，已知有为了向致动器提供动力能量(电能)而在工具保持架内搭载电池的结构。然而，电池的容量是有限的，需要进行使用后的所述电池的更换作业或充电作业，因此存在无法实现加工作业整体的效率化的问题。
5.因此，为了以非接触的方式对致动器提供电力，使用电磁感应方式。在该电磁感应方式中，送电线圈(供电线圈)固定于主轴侧的固定部，而受电线圈设置于工具保持架侧。而且，在工具保持架和受电线圈旋转时，从送电线圈向所述受电线圈以非接触的方式提供电力。作为这种技术，例如在专利文献1中有记载。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特许第3252996号公报


技术实现要素：

9.发明要解决的课题
10.在上述专利文献1中，作为伺服马达的动力和控制信号的传送方式，在主轴的前端附近设置有第1传送部，并且在钻孔加工装置的把持部设置有第2传送部32。然而，仅记载了第1传送部和第2传送部能够由非接触方式的短路器构成，而具体的结构并不清楚。
11.而且，在加工中心中，在通过atc更换工具保持架时，尤其是主轴侧的送电线圈(第1传送部)可能会与atc臂发生干涉。然而，在上述专利文献1中，无法避免与atc臂的干涉，从而存在不实用的问题。
12.本发明解决了这种问题，其目的在于，尤其是在加工中心等中，提供能够以非接触的方式有效地提供能量，并且容易实现小型化的工具保持架的非接触供电装置。
13.用于解决课题的手段
14.本发明的工具保持架的非接触供电装置在机床中以非接触的方式向致动器提供能量，该机床具有与主轴连结而旋转并且内置有所述致动器的更换自如的工具保持架和将
所述主轴支承为旋转自如的固定部。非接触供电装置具有：送电线圈单元，其安装于固定部；以及受电线圈单元，其配设于工具保持架的外周面，与所述工具保持架一体地旋转。
15.送电线圈单元设置有一次线圈，该一次线圈具有圆弧状并且与工具保持架的外周面对置地配置。受电线圈单元设置有被分割为2个以上的多个二次线圈，该多个二次线圈整体上环绕工具保持架的外周面，并且配置在与一次线圈同心的圆上。一次线圈的内周面侧和二次线圈的外周面侧以与主轴的旋转轴线平行且相互对置的方式进行非接触供电。
16.发明效果
17.在本发明的非接触供电装置中，一次线圈具有圆弧状，例如能够阻止所述一次线圈对利用atc的工具保持架的更换作业进行干涉。而且，与圆弧状的一次线圈对置的二次线圈被分割为2个以上，整体上环绕工具保持架的外周面。
18.在这里，例如，在使用具有圆周形状的单个的二次线圈的情况下，在所述二次线圈中，因在未与一次线圈结合(对置)的非结合部位整体中流动的电流而产生电力损耗。因此，在非结合部位整体中产生电力的放电作用，从而电力传送效率可能会降低。与此相对，在本技术发明中，二次线圈被分割为2个以上，有效地减少供电流流动的非结合部位，从而能够有效地提供能量。
19.并且，在本技术发明中，一次线圈的内周面侧和二次线圈的外周面侧与主轴的旋转轴线平行且相互对置。由此，构成要素不会在工具保持架的径向上扩大，从而能够容易地实现所述工具保持架整体的小型化。
附图说明
20.图1是应用了本发明的实施方式的非接触供电装置的立式加工中心的概略立体说明图。
21.图2是构成所述加工中心的工具保持架的主要部分剖视说明图。
22.图3是构成所述非接触供电装置的送电线圈单元的主要部分立体图。
23.图4是atc臂的作业区域的说明图。
24.图5是所述送电线圈单元和受电线圈单元的结构说明图。
25.图6是示出所述送电线圈单元的内部结构的立体说明图。
26.图7是比较说明用的非接触供电装置的概略结构图。
27.图8是使用分割为2份的二次线圈时的效率的说明图。
28.图9是使用分割为3份的二次线圈时的效率的说明图。
29.图10是使用分割为4份的二次线圈时的效率的说明图。
30.图11是作为比较例的立式加工中心的说明图。
具体实施方式
31.如图1所示，本发明的实施方式的非接触供电装置10应用于立式加工中心(机床)12。另外，本技术发明的非接触供电装置10除了立式加工中心12之外，也能够在传送机(transfer machine)等各种机床中采用，并且这些机床组装于未图示的作业机械。
32.立式加工中心12具有载置有加工用工件(未图示)的加工台14，所述加工台14能够沿x轴方向和y轴方向移动。在构成立式加工中心12的立柱16上以沿z轴方向进退(升降)自
如的方式设置有主轴滑动件18，在所述主轴滑动件18上配设有主轴壳体(固定部)20。
33.如图2所示，与未图示的驱动源连结的主轴22经由前后两组轴承24而以能够旋转的方式安装于主轴壳体20内。工具保持架26经由未图示的atc而以能够脱离的方式安装于主轴22的前端部(下端部)。
34.工具保持架26具有嵌装于主轴22的前端部的柄部28，在所述柄部28的前端部侧同轴地设置有圆筒部30和主体部32。在圆筒部30内安装有圆形状的电子基板34，冷却液管35嵌合于所述电子基板34的中央。电子基板34具有从后述的非接触供电装置10稳定地取出电力(电能)的整流电路、稳压电路以及安全机构，并且具有控制向致动器36提供的电力功率的控制回路。
35.致动器36内置于主体部32，该致动器36具有马达38。在马达38的旋转轴38a轴安装有滑轮40，在所述滑轮40和滑轮42一体地架设有同步带44。滑轮42轴安装于滚珠丝杠46的一端，并且所述滚珠丝杠46在主体部32内被支承为旋转自如。
36.滚珠丝杠46与滑动台48的端部螺合，所述滑动台48能够在所述滚珠丝杠46的旋转作用下，在与主轴22的旋转轴线方向(箭头l方向)交叉的加工径向(箭头s方向)上进行位置校正。在滑动台48的前端部固定有镗杆50，并且在所述镗杆50的前端设置有刀尖52。
37.在主体部32的外周安装有天线54。天线54用于进行基于设置在工具保持架26内的蓝牙(bluetooth)或wi-fi等设备(未图示)的无线通信，与通信控制回路连结而通过来自外部的无线对致动器36进行控制。另外，天线54能够用于向外部传递通过马达38等的动作而控制完成。
38.如图1和图2所示，非接触供电装置10具有：送电线圈单元56，其安装于主轴壳体20；以及受电线圈单元58，其配设于工具保持架26的外周面，与所述工具保持架26一体地旋转。如图2和图3所示，送电线圈单元56设置有安装于主轴壳体20的前端面的圆弧状的安装板60。在安装板60上固定有臂部件62的一端(上端)，并且在所述臂部件62的另一端(下端)固定有圆弧状的一次壳体64。
39.如图1所示，在主轴22的前端侧配置有atc臂66，在进行自动工具更换作业时，所述atc臂66进行上下动作和回转动作。如图4所示，不与利用atc臂66进行的作业发生干涉的非干涉区域为130度以内，在本实施方式中，将一次壳体64设定为中心角为90度的圆弧形状。
40.如图2、图5以及图6所示，在一次壳体64内配设有圆弧状的一次线圈68。一次线圈68沿着第1磁性体芯70的内周面和外周面以单列或多列单层卷绕的方式环绕圆弧状的该第1磁性体芯70，由此所述一次线圈68设定为中心角为90度的圆弧形状。一次线圈68由具有极细形状的多个铜线捻合在一起而得到的电线构成，即由利兹线构成。这是为了在使用的频率较高的情况下，防止线圈的电阻成分增加。
41.第1磁性体芯70具有多张铁氧体平板70f。如图6所示，铁氧体平板70f具有长方形(或正方形)等矩形状，所述铁氧体平板70f的平面沿着圆弧状排列。各铁氧体平板70f以不使作为厚度方向的面的侧面彼此对置并且彼此重合的方式配置。各铁氧体平板70f的例如短边侧沿圆周方向配置，并且长边侧沿径向配置。如图5所示，在一次线圈68上连接有电容器72而构成谐振电路，并且所述一次线圈68与未图示的交流电源(高频产生电源)连接。
42.如图2和图5所示，受电线圈单元58具有安装于构成工具保持架26的圆筒部30的外周面的被分割的、例如分割为2份的第2壳体74a、74b。第2壳体74a、74b分别具有半圆形状，
整体上配置为环形状，该半圆形状具有180度的中心角。另外，也可以使用分割为3份或分割为4份的第2壳体。
43.如图5所示，在第2壳体74a内配设有圆弧状的二次线圈76a，在第2壳体74b内配设有圆弧状的二次线圈76b。二次线圈76a、76b整体上环绕工具保持架26的外周面，并且将环形状例如分割为2份。另外，如后所述，除了分割为2份的二次线圈76a、76b，也可以使用分割为3份或分割为4份的二次线圈。
44.二次线圈76a沿着第2磁性体芯78a的内周面和外周面以单列或多列单层卷绕的方式环绕圆弧状的该第2磁性体芯78a，由此所述二次线圈76a设定为中心角为180度的圆弧形状。二次线圈76b沿着第2磁性体芯78b的内周面和外周面以单列或多列单层卷绕的方式环绕圆弧状的该第2磁性体芯78b，由此所述二次线圈76b设定为中心角为180度的圆弧形状。二次线圈76a、76b由具有极细形状的多个铜线捻合在一起而得到的电线构成，即由利兹线构成。这是为了在使用的频率较高的情况下，防止线圈的电阻成分增加。
45.第2磁性体芯78a、78b分别具有多张铁氧体平板78f。铁氧体平板78f具有长方形或正方形等矩形状，所述铁氧体平板78f的平面沿着圆弧状排列，同时，例如短边侧沿圆周方向配置，并且长边侧沿径向配置。各铁氧体平板78f以使作为厚度方向的短边侧的侧面彼此对置的方式配置。在二次线圈76a、76b上分别连接有电容器72而构成谐振电路。在二次线圈76a、76b中，各自的多个线圈绕组与电子基板34连接。
46.如图5所示，送电线圈单元56与受电线圈单元58的气隙(一次壳体64的端面与第2壳体74a的端面的空间距离)设定为最低1mm。内周侧的一次线圈68的内周面位置与一次壳体64的端面的距离设定为最低1mm，并且外周侧的二次线圈76a(76b)的外周面位置与二次壳体74a的端面的距离设定为最低1mm。如图2和图5所示，一次线圈68的内周面侧和二次线圈76a(76b)的外周面侧与主轴22的旋转轴线(箭头l方向)平行且相互对置地配置。
47.以下，对这样构成的加工中心12的动作进行说明。
48.如图1和图2所示，在主轴22的旋转作用下，在工具保持架26旋转的同时主轴滑动件18向z轴方向下方移动。在主轴滑动件18的下方配置有加工用工件(未图示)，利用刀尖52进行所述加工用工件的加工。当加工结束时，主轴滑动件18向z轴方向上方移动，工具保持架26从加工用工件脱离。
49.接着，在工具保持架26旋转的状态下，或停止的状态下，在沿加工径向(箭头s方向)对刀尖52进行位置校正时，经由非接触供电装置10向致动器36提供电力。具体而言，在构成非接触供电装置10的送电线圈单元56中，从未图示的交流电源向一次线圈68施加高频。因此，在与一次线圈68对置的二次线圈76a(76b)产生感应电动势，从而向与所述二次线圈76a(76b)电连接的电子基板34输出电力。
50.并且，如图2所示，向构成致动器36的马达38提供电力，从而所述马达38被旋转驱动。滚珠丝杠46经由滑轮40、同步带44以及滑轮42与马达38的旋转轴38a连结，从而所述滚珠丝杠46沿规定的方向旋转。因此，螺合有滚珠丝杠46的滑动台48向加工径向(箭头s方向)外方(或内方)移动，从而进行刀尖52的位置校正。上述致动器36的控制能够从外部经由天线54通过蓝牙(bluetooth)或wi-fi等而利用无线通信来进行。
51.在该情况下，在本实施方式中，如图5所示，构成送电线圈单元56的一次壳体64(一次线圈68)设定为中心角为90度的圆弧形状。因此，在利用atc臂66对工具保持架26进行自
动更换时，一次壳体64不会与利用所述atc臂66进行的作业发生干涉(参照图4)。而且，能够确保一次线圈68与二次线圈76a、76b的结合面积，从而能够保持期望的送电能力。
52.并且，如图5所示，构成受电线圈单元58的第2壳体74a、74b(二次线圈76a、76b)分别具有半圆形状，整体上配置为环形状，该半圆形状具有180度的中心角。在这里，图7示出了比较说明用的非接触供电装置1的概略结构。非接触供电装置1具有送电线圈单元56和受电线圈单元2，所述受电线圈单元2使用非分割(环状)的二次线圈3和第2磁性体芯4。
53.然而，在受电线圈单元2中，无法沿着环状的第2磁性体芯4的内周面卷绕二次线圈3，从而存在产生的磁力减半而送电力降低的问题。而且，二次线圈3的仅与圆弧形状的一次线圈68对置的范围(90度)成为电磁结合部位，因此，产生由在遍及剩余的270度的范围的非电磁结合部位流动的电流引起的电力损耗，从而导致电力被放电而效率降低。
54.与此相对，在本实施方式中，如图5所示，二次线圈76a、76b具有半圆形状，整体上配置为环形状。因此，一次线圈68与二次线圈76a对置，从而在向所述二次线圈76a进行送电时，不会向其他二次线圈76b送电，从而能够良好地抑制电力损耗的产生。
55.并且，被分割的二次线圈76a、76b彼此并联电结合，因此即使与一次线圈68的相对面发生变更，也能够维持送电状态。如图8所示，在工具保持架26旋转1周时，在一次线圈68跨越二次线圈76a、76b之间的角度区域(90度和270度)出现了略微的效率降低，但在其他角度区域中，所述一次线圈68与所述二次线圈76a、76b可靠地对置，从而能够维持最大效率。
56.图9示出了二次线圈被分割为3份的构造(未图示)下的效率。各二次线圈设定为中心角为120度的圆弧形状。在分割为3份的情况下，出现了3次略微的效率降低，但整体上能够维持期望的效率。另外，图10示出了二次线圈分割为4份的构造(未图示)下的效率。各二次线圈设定为中心角为90度的圆弧形状。在分割为4份的情况下，出现了4次略微的效率降低，但整体上能够维持效率。
57.并且，在本实施方式中，如图5所示，送电线圈单元56与受电线圈单元58的气隙设定为1mm。因此，阻止了加工中的切削金属屑或粉末夹在一次壳体64与二次壳体74a、74b之间，并且不会出现气隙变大而导致电磁结合的效率降低的情况。
58.另外，内周侧的一次线圈68的内周面位置与一次壳体64的端面的距离设定为1mm，并且外周侧的二次线圈76a(76b)的外周面位置与二次壳体74a的端面的距离设定为1mm。由此，能够保护被施加了高电压的一次线圈68和二次线圈76a、76b免受加工中心12内的冷却液或切削金属屑等的影响。
59.而且，在本实施方式中，如图2所示，一次线圈68的内周面侧和二次线圈76a(76b)的外周面侧以与主轴22的旋转轴线(箭头l方向)平行且相互对置的方式配置。因此，在想要扩大一次线圈68与二次线圈76a、76b的结合部位的对置面积时，或想要充分确保第1磁性体芯70和第2磁性体芯78a、78b的面积时，仅在工具保持架26的轴向上扩大尺寸。因此，受电线圈单元58的外径不会相对于工具保持架26的外周部变大，从而得到容易实现所述工具保持架26整体的小型化的效果。
60.例如，如图11所示，应用于作为比较例的立式加工中心5的非接触供电装置6具有：送电线圈单元7，其安装于主轴壳体5a；以及受电线圈单元8，其配设于工具保持架9的外周面。构成送电线圈单元7的一次线圈7a的送电面和构成受电线圈单元8的二次线圈8a的受电面以与交叉于主轴旋转轴线(箭头l方向)的加工径向(箭头s方向)平行且相互对置的方式
配置。
61.在这样的结构中，在想要扩大电磁结合的线圈对置面积(送电面与受电面的对置面积)时，或想要充分确保磁性体的面积时，配设于工具保持架9的外周面的受电线圈单元8的外径d会相当地大径化。由此，送电线圈单元7也大径化，从而atc动作范围存在障碍，工具保持架9向库部的收纳空间会产生不良情况，从而存在不实用的问题。而且，随着冷却液而飞散的微细的切削粉容易附着于二次线圈8a的受电面，从而存在送电线圈单元7和受电线圈单元8会产生损伤的问题。
62.并且，在本实施方式中，如图5所示，第1磁性体芯70具有多张铁氧体平板70f。因此，第1磁性体芯70能够使各铁氧体平板70f彼此没有间隙地排列，并且沿着工具保持架26的外径尺寸和形状(r形状)容易并且准确地构成为弯曲状。另一方面，第2磁性体芯78a、78b同样地分别具有多张铁氧体平板78f。因此，第2磁性体芯78a、78b能够沿着构成工具保持架26的圆筒部30的外周面容易且准确地弯曲构成。
63.标号说明
64.10：非接触供电装置；12：加工中心；18：主轴滑动件；22：主轴；26：工具保持架；32：主体部；34：电子基板；36：致动器；38：马达；46：滚珠丝杠；48：滑动台；50：镗杆；52：刀尖；54：天线；56：送电线圈单元；58：受电线圈单元；64：一次壳体；66：atc臂；68：一次线圈；70：第1磁性体芯；70f、78f：铁氧体平板；72：电容器；74a、74b：第2壳体；76a、76b：二次线圈；78a、78b：第2磁性体芯。

技术特征：
1.一种工具保持架的非接触供电装置，该非接触供电装置在机床中以非接触的方式向致动器提供能量，该机床具有与主轴连结而旋转并且内置有所述致动器的更换自如的工具保持架和将所述主轴支承为旋转自如的固定部，其特征在于，该工具保持架的非接触供电装置具有：送电线圈单元，其安装于所述固定部；以及受电线圈单元，其配设于所述工具保持架的外周面，与所述工具保持架一体地旋转，所述送电线圈单元设置有一次线圈，该一次线圈具有圆弧状并且与所述工具保持架的所述外周面对置地配置，所述受电线圈单元设置有被分割为2个以上的多个二次线圈，该多个二次线圈整体上环绕所述工具保持架的所述外周面，并且配置在与所述一次线圈同心的圆上，所述一次线圈的内周面侧和所述二次线圈的外周面侧以与所述主轴的旋转轴线平行且相互对置的方式进行非接触供电。2.根据权利要求1所述的工具保持架的非接触供电装置，其特征在于，所述二次线圈按照每180度的方式被分割为2个。3.根据权利要求1或2所述的工具保持架的非接触供电装置，其特征在于，所述一次线圈设定为中心角为90度的圆弧形状。4.根据权利要求1所述的工具保持架的非接触供电装置，其特征在于，所述送电线圈单元具有圆弧状的第1磁性体芯，所述一次线圈沿着该第1磁性体芯的内周面和外周面环绕，并且收纳于第1壳体，所述受电线圈单元具有圆弧状的第2磁性体芯，所述二次线圈沿着该第2磁性体芯的内周面和外周面环绕，并且收纳于第2壳体。5.根据权利要求4所述的工具保持架的非接触供电装置，其特征在于，所述第1磁性体芯和所述第2磁性体芯分别具有多张铁氧体平板，所述铁氧体平板各自的平面沿着所述圆弧状排列。6.根据权利要求1所述的工具保持架的非接触供电装置，其特征在于，在所述一次线圈和所述二次线圈上分别连接有电容器而构成谐振电路。7.根据权利要求1所述的工具保持架的非接触供电装置，其特征在于，所述一次线圈和所述二次线圈分别由利兹线构成。

技术总结
非接触供电装置(10)具有：送电线圈单元(56)，其安装于主轴壳体(20)；以及受电线圈单元(58)，其配设于工具保持架(26)的外周面，该非接触供电装置(10)以非接触的方式向内置于构成所述工具保持架(26)的主体部(32)的致动器(36)提供能量。器(36)提供能量。器(36)提供能量。


技术研发人员：藤原吏志
受保护的技术使用者：日本NT工程技术株式会社
技术研发日：2021.10.11
技术公布日：2023/9/26