JP2009255189A - マシニングセンタの工具交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】工具交換装置を有するマニシングセンタの機能を拡張して高品質の平面が得られるようにする。
【解決手段】マニシングセンタの工具交換装置マガジンに、回転工具と非回転単一刃工具を収納し、回転工具で加工した後に、被加工物の取り付け替えを行なうことなく非回転単一刃工具によってプレーナ加工を行い、回転工具の軌跡痕を平滑にしたり、回転工具では加工困難な溝、角部、刻線、ねじ等をＸＹＺＲの四軸制御により加工する工具交換システムを提供して目的を達する。
【選択図】図１

Description

この発明は、マシニングセンタの工具交換装置に、回転切削工具と非回転切削工具を区別しないで貯蔵し、非回転切削工具によりプレーナ加工することに関する。

マシニングセンタは、ＮＣフライス盤もしくはＮＣ中ぐり盤に工具交換装置を付加したものであるから、回転切削工具を用いる加工が主な対象になっている。回転刃工具による加工は、高能率であるが加工面の品質が充分でなく、高速回転による環境の悪化と動力損失が懸念される。これに対し非回転単一刃工具の使用は、仕上げ加工に適し環境・動力損失の面で優れる。

特許文献：特開平７−２９０３３１号公報および特開２００７−２８３４０９号公報では、ミーリング加工と旋削加工を同じ工作機械で行う技術が公開されているが、これは被加工物を主軸に着脱して旋削加工を行うものであり、プレーナ加工を対象にしていない。

特許文献：特開２００２−１１６３０号公報では半導体ＣＭＰ加工用の樹脂板パットに、同心円状または碁盤目状の溝、孔などを回転工具と非回転工具を用いて加工するガントリ型の装置が公開されているが、工具交換装置は用いられず、クロスレールに装架される刃物台に工具ユニットを取り付ける構成である。

また、特許文献：特許第３０８５３４０号公報、特許第２８４５７１１号公報、および、特許第２８９８１６２号公報には、６軸工作機械で、ボールエンドミルによる加工の後、加工にヘール加工工具を用いる場合に、干渉防止のための工具姿勢制御方法および装置についての技術が述べられている。ここでは姿勢制御をするヘール加工工具の初期方向は機械座標系について正しく取り付けられていることが前提であり、工具交換システムには触れていない。

さらに、特許文献：特許第３９９７０９３号公報には、工具ホルダと工具シャンクが別体であって着脱可能になっている事例が示されている。

本来マシニングセンタは、回転工具を使用して高速回転、高能率な加工を目的とするから、ヘール加工のように大きな捻じり、または、曲げモーメントがかかる切削を想定せず、特別な場合に非回転切削工具を用いて高トルクの重切削を行うときは、太い主軸を用い工具ホルダには、ＪＩＳ−Ｂ６３４０に指定するようなトルクキーを備えて、嵌合テーパの滑りを抑止する。このときトルクキーは非回転単一刃工具の切削方向の角度位置を定めるものでもある。

マシニングセンタは高速回転切削工具が主流となり、この本発明が提起する非回転単一刃工具の使用に適した事例がなく、切刃の切削方向を正しく保つ工具交換システムが必要とされる。

放電加工用電極の加工や、プラスチック成型金型の加工においては、回転工具による高速、高馬力な切削加工面の品質を補うために、手磨き、ラップなどの後工程を必要としているが、取り付け替えをしないで、非回転単一刃工具によるプレーナ加工を採用して高品質で合理的な生産工程が望まれている。

特開平７−２９０３３１号公報 特開２００７−２８３４０９号公報 特開２００２−１１６３０号公報 特許第３０８５３４０号公報 特許第２８４５７１１号公報 特許第２８９８１６２号公報 特許第３９９７０９３号公報

この発明の目的は、マシニングセンタの機能を拡張して高品質の平面が得られるようにし、回転工具では加工困難な溝、角部、刻線、ねじを加工するプレーナ加工の機能を付加し、工具交換システムにより切削方向の補正を可能にし、回転切削工具によりＮＣ指令を実行した後で、被加工体の取り付けを変えずに非回転切削工具により、均一で微小な切り込みでプレーナ加工にすることにある。

また、この発明の目的は、マシニングセンタ主軸に非回転切削工具を取り付ける場合に、切削力の回転モーメントと、工具に負荷される曲げモーメントを軽減するために、切削力が主軸中心に向かうようにすることにある。

この発明の目的は、（１）Ｘ、Ｙ、Ｚ運動軸とＺ軸主軸頭に設けられ、ＸＹＺ座標系の回転主軸角度を計数する手段（エンコーダ）を設けたＲ軸と、マガジンに収容された工具と主軸端にある工具をＮＣ指令により自動交換する工具交換装置とを備えたマシニングセンタにおいて、
前記工具は回転刃工具または非回転単刃工具とにコード区分されてＮＣ加工プログラムの工具コードに明示され、
前記工具は回転刃工具または非回転単刃工具との区別なく共通の工具ホルダが使用されて切刃シャンク部を嵌合締結して保持し、
ＮＣ制御システムにおいては、ＮＣコードに回転工具加工モードと非回転単一刃工具加工モードでＮＣ制御運動を実行させるGコードが用意され、
非回転単刃工具には切削方向指示マークが前記シャンクに付され、また主軸頭には前記切削方向指示マーク検知手段が設けられ、前記Ｒ軸を旋回させて切削方向指示マークが検知されたときのＲ軸角度を、前記エンコーダによって読み取りＲ軸補正角度としてＮＣ装置の一時記憶装置に記憶させるＮＣサブプログラムが備えられ、
ＮＣプログラムの工具交換命令ブロックが非回転単一刃工具であるときは、工具交換終了後前記ＮＣサブプログラムが実行され、プレーナ切削加工が指令された場合にはＸＹＺＲの四軸制御を可能とさせるマシニングセンタの工具交換システムを提供することである。

また、この発明の目的は、前記工具ホルダに嵌合締結して保持される前記切刃シャンク部の旋回中心軸が、切刃の刃先線と一致するかまたは交差する、もしくは刃先先端の特定点を通るように構成されることを特徴とする前記（１）に記載のマシニングセンタの工具交換システムを提供することである。

回転主軸に、非回転単一刃工具を取り付けプレーナ加工をおこなうことを可能にする技術を提供し、マシニングセンタの工具交換装置のマガジンに、回転工具と非回転単一刃工具を収納し、非回転単一刃工具によりプレーナ加工をする一貫加工を可能にして、回転工具だけでは加工困難な平面、溝、角部、刻線、ねじ等をＸＹＺＲの四軸ＮＣ制御により加工することができる。

次に、まず、この発明で使用する切削技術及びその切削技術に使用する工具や機械、器具、装置などについて、一部図面を参照しながら説明する。

＜プレーナ加工＞
この発明で使用するプレーナ加工は、非回転切削工具によるプレーナ（平削り盤）、シェーパ（型削り盤）で見られる切削方式であり、木工鉋の動作と同じように刃先が加工面上を滑るように直線運動をして切削する。プレーナ加工において切れ刃が切削方向に直角である場合は、二次元切削となり主軸にかかる回転モーメントが少なく理想的な状態になる。本発明においては必ずしも上記二次元切削にとらわれず平面、溝、角部、刻線、ねじなどの非回転切削工具による加工を対象にしている。

＜工具交換システムの構成＞
図１と図３はこの発明の工具交換システムの説明図であり、工具交換装置を備えたマシニングセンタであって、加工モードの状態を図示している。マシニングセンタ本体1は、ベッド２の上のサドル３とテーブル４とコラム５に沿って上下する主軸頭７よりなる。主軸頭７は、図４のハウジング８を内臓し、図７のマーク検知センサ５０を装備している。主軸１１は、回転工具を用いて切削加工を行う場合と、非回転単一刃具を用いてプレーナ加工を行う場合があり、図１では非回転単一刃具３０が取り付けられている。非回転単一刃具３０には、図7のように切削方向指示マーク４１が取り付けられ、主軸頭７に設けられた検知手段５０により切れ刃３９の切削方向を検知することが可能である。主軸には図４に示すようにエンコーダ１５が設けられ、非回転単一刃具の切削方向をＮＣ制御する。エンコーダ１５はＸＹＺ機械系に整合する角度原点を持ち、四軸ＮＣ制御を可能にしている。組み込み電動機１４は、ＮＣシステムの準備指令コード（Ｇ）により、切削動力回転とエンコーダ１５に支援されるＲ軸制御運動に切り替えられる。組み込み電動機１４にこのような兼用をなさしめないために、動力電動機とサーボ電動機をそれぞれ設けて設計することは容易に自由である。前記非回転単一刃具３０の切削方向指示マーク４１を、マーク検知手段５０が検知したときのＲ軸角度を前記エンコーダ１５から読み取り、ＮＣ制御装置の一時記憶装置に記憶させる。工具交換装置は、工具マガジン、工具収納方式、工具選択方式、受け渡し方式に各種あるがこの発明はいずれの方式にも適用される。

＜非回転切削工具３０＞
この発明で使用される非回転切削工具３０は、図５のように工具ホルダ２５と切刃シャンク３とにより構成される。

＜工具ホルダ２５＞
工具ホルダ２５は、回転切削工具と非回転切削工具について互換して使用される。
主軸端テーパ孔１１aに嵌合するテーパーシャンク３１が、主軸１１に連結されるための手段である着脱アクチュエータ１６,作動桿１７、及び着脱カム１８とによりテーパ結合する。工具交換装置の種類によっては、主軸とマガジンの間で移動される際の把持部３３が設けられることが本実施例では使用されない。工具シャンク孔３４は、回転切削工具のシャンクまたは非回転切削工具の切れ刃シャンク３７を嵌入させ締結させる。シャンク孔３４の先端は割コレット３５に加工されており、外側のテーパねじ３５aと締め付けねじ（ナット）３６により締めつけられる。回転切削工具と非回転切削工具は、区別されずにランダムに交換装置マガジン２０の工具ポット２１に収納され、ＮＣ装置からの指令により選択されて主軸端１１aに移され交換され、連結手段１６、１７、１８により強固に連結される。収納と主軸端への装着は、回転工具と非回転工具とで全く差異がない。

＜切刃シャンク３７＞
切削刃を含む工具部分は、ＸＹ平面と側面を加工する態様とがあり、図６に例示される。いずれも先端部分に切れ刃材を取り付ける棒状体シャンク３７であって、市販の回転切削工具のストレートシャンクと互換である。

＜切削方向マーク４１とセンサ５０＞
回転工具と異なり非回転単刃工具においては、刃部を常に切削運動する方向に向ける。ランダムな主軸角方向に工具交換された非回転単刃工具刃先の方向をＸＹＺＲ制御系に取り込む手順が、図７のマーク検知操作と、図８の流れ図の（６）（７）（８）の操作である。非回転単刃工具の切刃シャンク３７には、マークリング４０を介して軸方向に長さを有し、三角断面のマーク体４１が取り付けられている。図８の（６）の切削方向検知ルーチン（ＮＣサブプログラム）が実行されると、主軸が低速旋回をはじめる一方で、検知センサ５０は投光部５１からビーム５２を発射する。ビーム５１がマーク４１の稜線に当ると、受光部５３が反射ビーム５４を受光して、図７ｂのＸＹＺ機械座標系の角度∠（ＸＯＭ）が一時記憶される。切削方向（←ＯＤ）とするとき、角度∠ＭＯＤが事前に既知で工具情報に登録してあれば、図８の（１０）ＮＣ加工命令でＸＹＺＲ四軸制御が可能になる。切削方向マーク手段とセンサ方式は、光学・電磁方式に限らず類例の他方式が採用可能である。ＮＣプログラム記述の利便性のために、前記角度∠ＭＯＤが一定値であることがのぞましいが、それぞれのシャンクについて事前に測定し、工具情報に登録し図８−（９）で読み出すこともできる

＜刃先線＞
プレーナ加工は、二次元切削状態が理想であり、刃先は切削方向に向く。詳しくは刃先のレーキ面と逃げ面が交わる線が刃先となり、切削作用をするから、この明細書では、該線を刃先線と記すことにする。図6のように平面を加工する場合と、壁面を加工するときの刃先線は直線であり、円弧やＶ字型の溝を加工する場合は相応する形状になる。

＜ＸＹＺＲ制御＞
加工軌跡が一様な直線であれば、刃先線のＲ軸旋回は不要であるが、切削軌跡が曲がるときは、刃先線が切削軌跡に直角になるように旋回しなければならない。その際旋回中心軸が刃先線と交わっていれば、切削軌跡の連続性が保たれるので好ましい。刃先線が直線分であるときは、線分の中点に旋回軸が立つようにする。特に刃先線がＶ字、円弧であるときは、Ｖ字先端や円弧中央に旋回軸をたてると、プログラムを簡略化でき、またＸＹＺＲの四軸ＮＣ制御によれば、回転工具では加工困難な溝、角部、刻線、ねじ等を加工できる。

＜工具の課題と手段＞
この発明の工具交換システムの特徴を列記すると次のとおりである。
１）回転工具と非回転単一刃具を、同一マガジン内に混在して収納できる。
２）工具ホルダは、回転工具と非回転単一刃具について共通で、工具ホルダと工具部分が別体であり、異種多数の工具に対して少数の工具ホルダで対応可能である。
３）非回転単一刃具には切削方向判別のためのマークが付され、機上において切削方向が検知可能である。このマークは非回転単一刃具にのみ必要なものであり、主軸と工具ホルダの装着関係には影響されない。

図1は、この発明の工具交換システムが備えられたマシニングセンタの加工モードを説明する図である。マシニングセンタ１は、ベッド２、サドル３、テーブル４、コラム５、Ｚ軸ガイド６、主軸頭７、主軸ハウジング８、により構成され、テーブル４の上面に取り付けられる加工物９を加工する。テーブル４は、図示しないＮＣ制御装置１０により、図示の矢印のＸＹ方向に運動する。また主軸頭７は、図示しないＮＣ制御装置１０により、矢印Ｚの方向に運動する。

図４は、主軸頭７に内臓される主軸ハウジング８の断面図であり、主軸１１、軸受け１２、１３、電動機１４、ロータリーエンコーダ１５、工具着脱アクチュエータ１６、および作動桿１７及びカム１８が内臓されている。

図１のベッド２の端部には、工具マガジンベース１９が設置され、マガジン２０を載架して待機している。図１はマガジン２０がマシニングセンタ１と切り離されている状態であり、切削加工がなされる状態であり加工モードと呼ぶ。テーブル４とマガジン２０が結合したままでも切削加工が不可能ではないが、工具数が制限される欠点がある。マガジン２０には工具交換を待つ工具を収容しているポット２１が多数設けられており、そのうち少なくとも１個のポットは使用中工具を収容するために空である。図示しないＮＣ制御装置１０が工具交換指令を発すると、マガジンベース１９が作動し、マガジン２０を図２の（１）のように上昇させ、続いてテーブル４が移動して、図２の（２）のように待機中のマガジン２０の側面に接触し、また続いて図２の（３）のようにマガジン２０を降下させて、ジョイント２２，２３を結合させる。図３はテーブル４とマガジン２０が結合した状態を説明するものであり工具交換モードと呼ぶ。

図３の工具交換モードでは、図示しないＮＣ制御装置１０の工具交換指令により、図８の流れ図の（３）の工具交換が実行される。この実施例では、工具番地指令方式がとられ、工具番号と工具番地が常に対応する方式がとられているから、ＮＣ命令が工具番号を指示すると、テーブル４はまず主軸に装着されている現行工具を取り抜くために、主軸を空のポット２１aの上に位置合わせし、Ｚ軸運動により現行工具を空のポット２１aに収納する。続いて主軸を、指令番号の工具が収納されているポット２１ｂの位置に移動させ、Ｚ軸運動により指令番号の工具を主軸に装着する。

工具交換が終了すると、テーブル４はマガジン２０を積載位置に移動させ、前述の結合動作と逆の順序で切り離し動作を行い、マガジン２０をマガジンベース１９の上に積載させる。以上が流れ図８の（３）のルーチンである。

工具番号には属性として、回転切削工具と非回転切削工具の識別記号が付されおり、回転切削工具を識別した場合には、図８―（４）で分岐して直ちに切削運動を開始する。工具番号属性が非回転切削工具である場合には、単一刃具の切削方向を知るために主軸に遅い旋回運動をなさしめ、刃具方向を検知するべく図８―（６）ルーチンが動作する。

図８は、この発明のシステムを流れ図で説明する図であって、工具交換命令があり非回転単一刃具が選択された場合の動作・作用を説明する。

図５は、、工具ホルダ２５に切刃シャンク３７を取り付けた状態を示し、また図６の説明図は、図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図６ｄが、切削方向から刃先線９２または刃先点９２’を見た図であり、主軸旋回中心軸９１と刃先線９２または刃先点９２の関係を示し、また図６ａ’、図６ｂ’、図６ｃ’、図６d’が、それぞれの加工断面９３を示す。

図７は、刃具方向を検知する手段と作用を説明するものであり、特にマーク４１とセンサ５０の検知原理を説明する。

この実施例では竪型のマシニングセンタを例示したが、他の様式、たとえば横型のマシニングセンタにも同様に適用される。

この発明の実施例で、マシニングセンタと工具交換装置を図示しており、非回転切削工具が装着され、切削方向検知手段が動作中である加工モード状態の説明図である。 工具交換装置のマガジン２０とテーブル４が結合されるときの状態説明図。 工具交換装置のマガジン２０とテーブル４が結合されて工具交換が実行される際の説明図。 マシニングセンタの主軸１１と主軸ハウジング８の断面図。 工具ホルダ２５と切刃シャンク３７とが結合された非回転切削工具の断面図。 刃先線または点と主軸旋回中心軸の関係を説明する図。 切削方向指示マーク４１とマーク検出手段５０の作用説明図。 システムの流れ図。

符号の説明

１・マシニングセンタ
２・ベッド
３・サドル
４・テーブル
５・コラム
６・Ｚスライド
７・主軸頭
８・主軸ハウジング
９・加工物
１０・制御装置
１１・主軸 １１a・主軸端テーパー孔
１２・上軸受け
１３・下軸受け
１４・組み込み電動機
１５・エンコーダ
１６・工具ホルダ着脱アクチュエータ
１７・着脱作動桿
１８・着脱カム
１９・工具マガジンベース
２０・工具マガジン
２１a、２１b・・・・ ・工具ポット
２２・マガジン結合ジョイント
２３・結合子
２５・工具ホルダ
３０・非回転単一刃具
３１・工具ホルダテーパシャンク
３２・スタブねじ
３３・把持溝
３４・工具シャンク孔
３５・コレット部 ３５a・コレットねじ
３６・コレット締め付けねじ
３７・切れ刃シャンク
３８・切れ刃ベース ３８a・ベースねじ
３９・切れ刃
４０・マークリング
４１・マーク体
４２・リング取り付けねじ
５０・マーク検知センサ ５０a・センサアーム
５１・投光部
５２・投光ビーム
５３・受光部
５４・反射ビーム
９１・主軸旋回中心軸
９２・刃先線 ９２’・刃先点
９３・加工断面

Claims (2)

1. Ｘ、Ｙ、Ｚ運動軸とＺ軸主軸頭に設けられ、ＸＹＺ座標系の回転主軸角度を計数する手段を設けたＲ軸と、マガジンに収容された工具と主軸端にある工具をＮＣ指令により自動交換する工具交換装置とを備えたマシニングセンタにおいて、
   前記工具は回転刃工具または非回転単刃工具とにコード区分されてＮＣ加工プログラムの工具コードに明示され、
   前記工具は回転刃工具または非回転単刃工具との区別なく共通の工具ホルダが使用されて切刃シャンク部を嵌合締結して保持し、
   ＮＣ制御システムにおいては、ＮＣコードに回転工具加工モードと非回転単一刃工具加工モードでＮＣ制御運動を実行させるＧコードが用意され、
   非回転単刃工具には切削方向指示マークが前記シャンクに付され、また主軸頭には前記切削方向指示マーク検知手段が設けられ、前記Ｒ軸を旋回させて切削方向指示マークが検知されたときのＲ軸角度を、前記エンコーダによって読み取りＲ軸補正角度としてＮＣ装置の一時記憶装置に記憶させるＮＣサブプログラムが備えられ、
   ＮＣプログラムの工具交換命令ブロックが非回転単一刃工具であるときは、工具交換終了後前記ＮＣサブプログラムが実行され、プレーナ切削加工が指令された場合には、ＸＹＺＲの四軸制御を可能とさせるマシニングセンタの工具交換システム。
2. 前記工具ホルダに嵌合締結して保持される前記切刃シャンク部の旋回中心軸が、切刃の刃先線と一致するかまたは交差する、もしくは刃先先端の特定点を通るように構成されることを特徴とする請求項１記載のマシニングセンタの工具交換システム。

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