JP2008155343A

JP2008155343A - 工具交換方法及びマシニングセンター

Info

Publication number: JP2008155343A
Application number: JP2006349350A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Kitamura; 耕一郎北村
Original assignee: Kitamura Machinery Co Ltd
Current assignee: Kitamura Machinery Co Ltd
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】ツールホルダーの交換を効率良く安定して行う。
【解決手段】主軸と自動工具交換装置との間でツールホルダーを自動交換する工具交換方法において、ツールホルダーと主軸の両方を同期回転させながら、ツールホルダーを主軸に装着する。主軸と自動工具交換装置との間でツールホルダーを自動交換するマシニングセンターにおいて、ツールホルダーと主軸の両方を同期回転させながら、ツールホルダーを主軸に装着する。
【選択図】図２

Description

本発明は、主軸と自動工具交換装置との間でツールホルダーを自動交換する工具交換方法及びマシニングセンターに関する。

従来、マシニングセンターにおいて主軸と自動工具交換装置（ＡＴＣ装置）の間でツールホルダーを交換する際、主軸と主軸に装着されたツールホルダーをともに停止させて交換を行っていた。

特許文献１には、ツールホルダーを強力に把持する構成の工具交換装置が示されている。
特開２００６−１１６６１８号公報

しかしながら、ツールホルダーを交換する際に主軸を停止させると、主軸の停止及び起動に伴うエネルギーロスが発生する。また、主軸の停止及び起動が軸受の負荷変動等を引き起こし、その結果として発生した温度変化により精度が不安定になる場合がある。

そこで本発明は、ツールホルダーの交換を効率良く安定して行うことができる工具交換方法及びマシニングセンターを提供することを目的としている。

本発明の解決手段を例示すると、以下のとおりである。

（１）主軸と自動工具交換装置との間でツールホルダーを自動交換する工具交換方法において、ツールホルダーと主軸を同期回転させながら、ツールホルダーを主軸に装着することを特徴とする方法。

（２）ツールホルダーを回転させるための回転部分が自動工具交換装置に設けられていて、ツールホルダーと回転部分の両方を回転させながら、ツールホルダーを回転部分に係合することを特徴とする先述の方法。

（３）主軸とツールホルダーと回転部分の全てを同期回転させながら工具交換することを特徴とする先述の方法。

（４）工具交換の際に、主軸の回転速度を所定値以上に制御して、主軸の温度変化が所定の範囲内に維持されるようにすることを特徴とする先述の方法。

（５）主軸と自動工具交換装置との間でツールホルダーを自動交換するマシニングセンターにおいて、ツールホルダーと主軸の両方を同期回転させながら、ツールホルダーを主軸に装着可能にしたことを特徴とするマシニングセンター。

（６）主軸に内歯歯車を設け、ツールホルダーにこの内歯歯車と係合する外歯歯車を設けたことを特徴とする先述のマシニングセンター。

（７）ツールホルダーにプルスタッドを設け、プルスタッドがその回転軸心に垂直な多角形断面を有し、主軸にこのプルスタッドと係合するコレットを設けたことを特徴とする先述のマシニングセンター。

（８）主軸に回転軸心に沿って突出するキーを設け、ツールホルダーにこのキーと係合するキー溝を設けたことを特徴とする先述のマシニングセンター。

（９）自動工具交換装置が、ツールホルダーを回転させるためのツールホルダー回転用モーターと、ツールホルダー回転用モーターに固定された第１歯車と、第１歯車に係合する第２歯車を有し、ツールホルダーにツールホルダー回転用歯車が設けられていて、第２歯車とツールホルダー回転用歯車が係合可能であり、ツールホルダー回転用モーターが、第１歯車及び第２歯車を介してツールホルダー回転用歯車を回転させることにより、ツールホルダーを回転させることを特徴とする先述のマシニングセンター。

本発明によれば、ツールホルダーを効率良く安定して主軸に装着できる。たとえば、ツールホルダーと主軸を同期回転させながらツールホルダーを主軸に装着するため、とくに、工具交換の際に、従来のように主軸を停止させず、所定の回転速度以上に維持すると、例えば主軸の停止及び起動に伴うエネルギーロスが発生しない。

さらに、自動工具交換装置がツールホルダーを回転させるための回転部分を有していて、ツールホルダーと回転部分の両方を回転させながら、ツールホルダーを回転部分に係合すれば、主軸を停止させることなくツールホルダーを回転部分に係合できる。

とくに、主軸とツールホルダーと回転部分の全てを工具交換時に同期回転させると、効果が顕著となる。とくにツールホルダーを回転部分により容易に係合できる。

例えば、主軸の回転速度をつねに所定値以上に維持して、主軸の温度変化を所定の範囲内に維持すると、主軸の負荷変動等により精度が不安定になることがない。

さらに、主軸に内歯歯車を設け、ツールホルダーにこの内歯歯車と係合する外歯歯車を設ければ、主軸とツールホルダーが同じ回転数で回転していれば完全に同期していなくても、主軸とツールホルダー間の相対的な回転が防止され得る。この場合、内歯歯車と外歯歯車が主軸とツールホルダー間の相対的な回転の防止に役立ち得る。例えば、主軸の内歯歯車とツールホルダーの外歯歯車が同じ回転数で多少異なる位相で回転していても、主軸とツールホルダーが回転方向に容易かつ強固に固定され得る。

とくに、ツールホルダーにプルスタッドを設け、プルスタッドがその回転軸心に垂直な多角形断面を有し、主軸にこのプルスタッドと係合するコレットを設ければ、主軸とツールホルダー間の相対的な回転がとくに容易に防止され得る。この場合、コレットとプルスタッドが主軸とツールホルダー間の相対的な回転の防止に役立ち得る。例えば、コレットがプルスタッドを緩く挟持した後で適所に固定可能なため、主軸とツールホルダーが回転方向にとくに容易に固定され得る。

とくに、主軸に回転軸心に沿って突出するキーを設け、ツールホルダーにこのキーと係合するキー溝を設ければ、主軸とツールホルダーの回転が好適には完全に同期していることが必要とされるものの、主軸とツールホルダー間の相対的な回転が確実に防止され得る。この場合、主軸とツールホルダーが回転方向にとくに強固に固定され得る。

とくに、自動工具交換装置が、ツールホルダーを回転させるためのツールホルダー回転用モーターと、ツールホルダー回転用モーターに固定された第１歯車と、第１歯車に係合する第２歯車を有し、ツールホルダーがツールホルダー回転用歯車を有し、第２歯車とツールホルダー回転用歯車が係合可能であり、ツールホルダー回転用モーターが、第１歯車及び第２歯車を介してツールホルダー回転用歯車を回転させることにより、ツールホルダーを回転させると、自動工具交換装置がツールホルダー回転用モーターを有することでマシニングセンターのスペースが節約できる。

本発明の最良の形態は、主軸と自動工具交換装置との間でツールホルダーを自動交換する工具交換方法及びマシニングセンターであって、ツールホルダーと主軸の両方を同期回転させながら、ツールホルダーを主軸に装着することを特徴とするものである。

ツールホルダーと主軸の両方を同期回転させる場合、ツールホルダーと主軸の両方を完全に同期させて回転させるのが好ましい。なお、ツールホルダーと主軸の回転の位相は多少ずれていても同一の回転数で回転させることもできる。ツールホルダーと主軸の回転周期を相互に時間的に同時にするのが好ましいが、相互に一定の関係にしてもよい。

好ましくは、ツールホルダーを回転させるための回転部分が自動工具交換装置に設けられていて、ツールホルダーと回転部分の両方を回転させながら、ツールホルダーを回転部分に係合する。

ツールホルダーと回転部分の両方を回転させる場合、好ましくは、ツールホルダーと回転部分の両方を同期回転させる。もっとも、本発明は、同期回転でなくても、ツールホルダーを回転部分に安定して係合できる程度に回転部分を回転させ、又は回転部分に係合されたツールホルダーが安定する程度に回転部分を回転させる構成を含む。

なお、回転部分は好適には歯車であり、この場合自動工具交換装置に歯車を駆動するためのモーターを設け、ツールホルダーにツールホルダー回転用歯車を設けるのが好ましい。この場合、ツールホルダーを回転部分に容易に係合できる。なお、回転部分として、ツールホルダーと共に回転しながらツールホルダーをクランプ及びアンクランプする手段を採用することもできる。

好ましくは、主軸の温度変化を所定の範囲内に維持する。主軸の温度変化は、主軸の構成により異なるため、温度変化の範囲は主軸の構成に応じて適宜設定され得る。

好ましくは、主軸に内歯歯車を設け、ツールホルダーにこの内歯歯車と係合（又は契合）する外歯歯車を設ける。

外歯歯車と内歯歯車は、それぞれ対応するセレーションとすることもできる。この場合、より強固な係合が可能である。

好ましくは、ツールホルダーにプルスタッド（クランプ用突出部）を設け、プルスタッドがその回転軸心に垂直な多角形断面を有し、主軸にこのプルスタッドと係合（又は契合）するコレットを設ける。

多角形は、最も広義に解釈するものとし、数学的な意味で厳密な多角形の他、多角形の頂点が丸みを帯びた形状や多角形の各辺が丸みを帯びた形状等の実質的な多角形を含む。多角形は、実施例に示された四角形の他、六角形や八角形等種々の多角形を含む。

好ましくは、主軸に回転軸心に沿って突出するキーを設け、ツールホルダーにこのキーと係合（又は契合）するキー溝を設ける。

好ましくは、自動工具交換装置が、ツールホルダーを回転させるためのツールホルダー回転用モーターと、ツールホルダー回転用モーターに固定された第１歯車と、第１歯車に係合する第２歯車を有し、ツールホルダーがツールホルダー回転用歯車を有し、第２歯車とツールホルダー回転用歯車が係合可能であり、ツールホルダー回転用モーターが、第１歯車及び第２歯車を介してツールホルダー回転用歯車を回転させることにより、ツールホルダーを回転させる。

こうして、本発明によれば、ツールホルダー(工具)の交換の際に、主軸を停止させず、回転させたまま工具交換を行う事が出来るのである。

以下、図面を参照して本発明の実施例１を説明する。

図１は、本発明の工具交換方法及びマシニングセンターの一例を示す概略部分断面図である。

マシニングセンター１０は、主軸１２と、自動工具交換装置としてのＡＴＣ装置１４と、ツールホルダー１６を有する。マシニングセンター１０は、主軸１２とＡＴＣ装置１４との間でツールホルダー１６を自動交換するようになっている。

主軸１２は、図示省略された工作機械の一部として構成されている。主軸１２は、その下端においてツールホルダー１６を保持する。主軸１２は、その回転軸心Ｘ２の周りでツールホルダー１６を回転可能である。

主軸１２は、その内部にクランプ機構１８を有している。クランプ機構１８は、主軸１２と共に回転しながらツールホルダー１６をクランプ及びアンクランプできる機構である。

ＡＴＣ装置１４は、主軸１２に対してツールホルダー１６を自動交換する。なお、図１にはツールホルダー１６を回転させるための回転部分２１がＡＴＣ装置１４の一部として示されている。

回転部分２１は、ツールホルダー１６を保持して回転軸心Ｘ３を中心に回転させる。なお、回転部分２１は、好ましくは図示省略した歯車を用いてツールホルダー１６を回転させる。この場合、ツールホルダー１６にツールホルダー回転用の歯車を設けるのが好ましい。なお、ツールホルダー１６の側方又は下方をクランプして回転させる部分を回転部分２１とすることもできる。

以下、ツールホルダーを主軸に装着する工程の一例を説明する。

ツールホルダー１６の無い状態で回転する主軸１２を工具交換位置Ｂの上方に位置付ける。ツールホルダー１６と主軸１２を同期回転させる。主軸１２を下方に移動させて、回転するツールホルダー１６を主軸１２内に挿入する。この状態で、クランプ機構１８を用いてツールホルダー１６を主軸１２にクランプする。こうして回転するツールホルダー１６を主軸１２に装着する。主軸１２とツールホルダー１６は同期回転しているので、主軸１２とツールホルダー１６は相対的に停止した状態でクランプされることになる。

以下、ツールホルダーを回転部分に係合する工程の一例を説明する。

ツールホルダー１６の無い状態で回転する回転部分２１を工具交換位置Ｂに位置付ける。ツールホルダー１６を装着して回転する主軸１２を工具交換位置Ｂの上方に位置付ける。ツールホルダー１６と回転部分２１を同期回転させる。主軸１２を下方に移動させて、回転するツールホルダー１６を回転部分２１内に挿入する。この状態で、クランプ機構１８を用いてツールホルダー１６を回転部分２１からアンクランプする。こうして回転するツールホルダー１６を回転部分２１に係合する。ツールホルダー１６と回転部分は両方とも回転しているので、ツールホルダー１６と回転部分２１は相対的に停止した状態でアンクランプされることになる。

この様にして主軸１２を回転させたままツールホルダー１６を交換する事により、ツールホルダー１６の交換を効率良く安定して行うことができるのである。

以下、図面を参照して本発明の実施例２を説明する。

図２は、本発明の工具交換方法及びマシニングセンターの要部の一例を示す概略部分断面図である。

主軸１２は、その内部にクランプ機構１８を有している。クランプ機構１８は、主軸１２と共に回転しながらツールホルダー１６をクランプ及びアンクランプできる機構である。クランプ機構１８は、クランプ爪ともいうコレット１８ａを有している。コレット１８ａは、後述するツールホルダー１６のプルスタッド（クランプ用突出部）１６ａと係合可能である。なおコレット１８ａの一部は見やすくするため図示省略されている。

ＡＴＣ装置１４は、主軸１２に対して自動でツールホルダー１６を交換する。ＡＴＣ装置１４は、マガジンインデックスモーター２０、ＡＴＣマガジン２２、ベアリング２４、ツールホルダー回転用モーターとしてのツール同期回転用モーター２６、第１歯車２８、第２歯車３０、フレーム３２等を有する。

マガジンインデックスモーター２０は、フレーム３２に固定されていて、図示省略された制御装置により制御される。マガジンインデックスモーター２０は、回転軸心Ｘ１を中心にＡＴＣマガジン２２を回転可能である。

図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す。なお、図３においてツールホルダーやフレームは見やすくするため図示省略されている。

ＡＴＣマガジン２２は、矢印Ｒで示された回転方向に回転され得る。ＡＴＣマガジン２２は、複数（図３において１２個）の穴２２ａを有している。各穴２２ａはツールホルダー１６を収容可能である。各穴２２ａにはベアリング２４が設けられている。ベアリング２４は、ベアリング２４の回転軸心Ｘ３を中心にツールホルダー１６を回転可能に支持する。

ツール同期回転用モーター２６は、フレーム３２に固定されていて、制御装置により制御される。ツール同期回転用モーター２６のモーターシャフト（図示省略）には、第１歯車２８が固定されている。第１歯車２８に第２歯車３０が噛み合っている。第２歯車３０は、フレーム３２に回転軸心Ｘ４の周りで回転自在に支持されている。第１歯車２８と第２歯車３０が回転部分を構成している。なお、１つの歯車で回転部分を構成しても良い。

ツールホルダー１６は、その上部にプルスタッド１６ａを有している。プルスタッド１６ａは、クランプ機構１８のコレット１８ａと係合可能である。

ツールホルダー１６の側方部分（すなわちフランジ部分）には、ツールホルダー回転用歯車としてのツール回転駆動ギヤ１６ｂが設けられている。ツール回転駆動ギヤ１６ｂは、第２歯車３０と係合可能である。

ツール同期回転用モーター２６は、第１歯車２８と第２歯車３０を介して、矢印Ｂで示された工具交換位置にあるツールホルダー１６を回転させることが出来る。このとき、ツール同期回転用モーター２６は、主軸１２と同じ回転数及び位相に同期させてツールホルダー１６を回転可能である。図面に示された実施例においては、回転駆動部２５は、ツール同期回転用モーター２６、第１歯車２８、第２歯車３０を有している。

以下、ツールホルダーを交換する手順の一例を説明する。

まず、主軸１２に装着されたツールホルダー１６をＡＴＣマガジン２２に載置する手順の一例を説明する。

回転したツールホルダー１６を把持した主軸１２を工具交換位置Ｂの上方に位置付ける。ツール同期回転用モーター２６を用いて、主軸１２の回転に同期させて、第１歯車２８を介して第２歯車３０を回転させる。ツールホルダー１６の無いＡＴＣマガジン２２の穴２２ａを工具交換位置Ｂに位置付ける。こうして、主軸１２の回転軸心Ｘ２とベアリング２４の回転軸心Ｘ３を一致させる。主軸１２を下方に移動させて、回転するツールホルダー１６をＡＴＣマガジン２２の穴２２ａに挿入する。こうしてツールホルダー１６のツール回転駆動ギヤ１６ｂと第２歯車３０を係合させる。ツールホルダー１６は、主軸１２と第２歯車３０によって回転される状態になる。

この状態で、クランプ機構１８を用いてツールホルダー１６を主軸１２からアンクランプする。ツールホルダー１６と主軸１２を引き離す。この時、主軸１２とツールホルダー１６は同期して回転しているので、主軸１２とツールホルダー１６は相対的に停止した状態で引き離されることになる。

なお、例えばＡＴＣマガジン２２の回転方向Ｒにおいて工具交換位置Ｂよりも前の位置で、回転したツールホルダー１６を穴２２ａに挿入し、ＡＴＣマガジン２２を回転方向Ｒへ回転させるとともに主軸１２を移動させて、ツール回転駆動ギヤ１６ｂと第２歯車３０をそれらの側面で係合させることもできる。

次に、ＡＴＣマガジン２２に載置されたツールホルダー１６を主軸１２に装着する手順の一例を説明する。

ツールホルダー１６の無い状態で回転する主軸１２を工具交換位置Ｂの上方に位置付ける。ツール同期回転用モーター２６を用いて、ツールホルダー１６を主軸１２と同じ回転数及び同じ位相で回転させる。ＡＴＣマガジン２２に載置されたツールホルダー１６を工具交換位置Ｂへ割り出す。主軸１２を下方に移動させて、回転するツールホルダー１６を主軸１２に装着する。

この状態で、クランプ機構１８を用いてツールホルダー１６を主軸１２にクランプする。この時、主軸１２とツールホルダー１６は同期して回転しているので、主軸１２とツールホルダー１６は相対的に停止した状態でクランプされることになる。

図４は、主軸とツールホルダーの間の回転を防止する手段の一例を示す。なお、図２と同一の部材に同一の符号を付してその説明を省略する。

マシニングセンター４０は、主軸４２、ツールホルダー４６等を有する。

主軸４２は、その下端においてツールホルダー４６を保持する。

主軸４２の下端の口元部には、内歯歯車４２ａが設けられている。

ツールホルダー４６は、内歯歯車４２ａと係合する外歯歯車４６ｃを有している。

この場合、主軸４２の内歯歯車４２ａとツールホルダー４６の外歯歯車４６ｃが同じ回転数で回転していれば、主軸とツールホルダーが完全に同期していなくても係合が可能である。例えば、内歯歯車４２ａと外歯歯車４６ｃの歯が互いに噛み合う位置にあれば、内歯歯車４２ａと外歯歯車４６ｃの位相が完全に一致していなくても係合が可能である。こうして、主軸４２とツールホルダー４６の相対的な回転が防止され得る。

図５は、主軸とツールホルダーの間の回転を防止する手段の別の例を示す。なお、図２と同一の部材に同一の符号を付してその説明を省略する。

マシニングセンター５０は、主軸５２、ツールホルダー５６等を有する。

主軸５２は、その下端においてツールホルダー５６を保持する。

主軸５２は、その内部にクランプ機構５８を有している。クランプ機構５８は、主軸５２と共に回転しながらツールホルダー５６をクランプ及びアンクランプできる機構である。クランプ機構５８は、クランプ爪ともいうコレット５８ａを有している。コレット５８ａは、後述するツールホルダー５６のプルスタッド５６ａと係合可能である。なおコレット５８ａの一部は見やすくするため図示省略されている。

図６は、図５のＣ−Ｃ断面の一例を示す。

図６に示されるように、プルスタッド５６ａは、ツールホルダー５６の回転軸心に垂直な四角形断面を有している。また、コレット５２ａも、主軸５２の回転軸心Ｘ２に垂直な四角形断面をその内部に有している。このため、主軸５２とツールホルダー５６の相対的な回転が容易に防止され得るようになっている。

図７は、主軸とツールホルダーの間の回転を防止する手段の更に別の例を示す。なお、図２と同一の部材に同一の符号を付してその説明を省略する。

マシニングセンター６０は、主軸６２、ツールホルダー６６等を有する。

主軸６２は、その下端においてツールホルダー６６を保持する。

主軸６２の下端の口元部には、主軸６２の回転軸心Ｘ２に沿って突出するドライブキー６２ａが設けられている。

ツールホルダー６６には、ドライブキー６２ａと係合するキー溝６６ｃが設けられている。

この場合、主軸６２とツールホルダー６６の回転は好適には完全に同期している事が必要とされるものの、主軸６２とツールホルダー６６の相対的な回転が確実に防止され得る。

なお、本発明は実施例に限定されない。

本発明の工具交換方法及びマシニングセンターの要部の一例を示す概略部分断面図である。本発明の工具交換方法及びマシニングセンターの要部の別の例を示す概略部分断面図である。図２のＡ−Ａ断面を示す。主軸とツールホルダー間の回転を防止する手段の一例を示す。主軸とツールホルダー間の回転を防止する手段の別の例を示す。図５のＣ−Ｃ断面の一例を示す。主軸とツールホルダー間の回転を防止する手段の更に別の例を示す。

符号の説明

１０、４０、５０、６０マシニングセンター
１２、４２、５２、６２主軸
１４ＡＴＣ装置（自動工具交換装置）
１６、４６、５６、６６ツールホルダー
１６ａ、４６ａ、５６ａ、６６ａプルスタッド
１８、５８クランプ機構
１８ａ、５８ａコレット
１８ｂ、４６ｂ、５６ｂ、６６ｂツール回転駆動ギヤ（ツールホルダー回転用歯車）
２０マガジンインデックスモーター
２１保持部
２２ＡＴＣマガジン
２２ａ穴
２４ベアリング
２６ツール同期回転用モーター（ツールホルダー回転用モーター）
２８第１歯車
３０第２歯車
３２フレーム
４２ａ内歯歯車
４６ｃ外歯歯車
６２ａドライブキー（キー）
６６ｃキー溝
Ｂ工具交換位置
Ｒ回転方向
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４回転軸心

Claims

主軸と自動工具交換装置との間でツールホルダーを自動交換する工具交換方法において、ツールホルダーと主軸を同期回転させながら、ツールホルダーを主軸に装着することを特徴とする方法。
ツールホルダーを回転させるための回転部分が自動工具交換装置に設けられていて、ツールホルダーと回転部分の両方を回転させながら、ツールホルダーを回転部分に係合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
主軸とツールホルダーと回転部分の全てを同期回転させながら工具交換することを特徴とする請求項２に記載の方法。
工具交換の際に、主軸の回転速度を所定値以上に制御して、主軸の温度変化が所定の範囲内に維持されるようにすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
主軸と自動工具交換装置との間でツールホルダーを自動交換するマシニングセンターにおいて、ツールホルダーと主軸の両方を同期回転させながら、ツールホルダーを主軸に装着可能にしたことを特徴とするマシニングセンター。
主軸に内歯歯車を設け、ツールホルダーにこの内歯歯車と係合する外歯歯車を設けたことを特徴とする請求項５に記載のマシニングセンター。
ツールホルダーにプルスタッドを設け、プルスタッドがその回転軸心に垂直な多角形断面を有し、主軸にこのプルスタッドと係合するコレットを設けたことを特徴とする請求項５に記載のマシニングセンター。
主軸に回転軸心に沿って突出するキーを設け、ツールホルダーにこのキーと係合するキー溝を設けたことを特徴とする請求項５に記載のマシニングセンター。
自動工具交換装置が、ツールホルダーを回転させるためのツールホルダー回転用モーターと、ツールホルダー回転用モーターに固定された第１歯車と、第１歯車に係合する第２歯車を有し、ツールホルダーにツールホルダー回転用歯車が設けられていて、第２歯車とツールホルダー回転用歯車が係合可能であり、ツールホルダー回転用モーターが、第１歯車及び第２歯車を介してツールホルダー回転用歯車を回転させることにより、ツールホルダーを回転させることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載のマシニングセンター。