JP2016107362A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】工具を主軸に直接固定できるとともに主軸部分の構造が簡素な工作機械を提供すること。
【解決手段】主軸ヘッドに回転自在に支持された主軸と、前記主軸の先端に設置されたチャック装置４０と、前記チャック装置４０にチャックされる工具１と、を有する工作機械であって、前記チャック装置４０は、前記主軸の端面に開口するチャック孔４２と、前記チャック孔４２に収容されるコレット部材４３と、前記コレット部材４３の外周と前記チャック孔４２の内周との間に形成され、かつ前記主軸の先端側から反対側へ至るに従って前記主軸の中心軸線Ｃに近接するテーパ面（内側円錐面４２１および外側円錐面４３１）を有する絞り機構４５と、前記コレット部材４３を前記チャック孔４２の開口から奥側へと引き込む引込機構４８と、を有することを特徴とする工作機械。
【選択図】図５

Description

本発明は工作機械に関し、とくに高回転のもとで高精度切削を行うための工作機械に関する。

従来、マシニングセンタなどの工作機械では、主軸ヘッドに支持された主軸の先端に各種の切削工具を装着し、主軸を回転させることでワークの切削加工を行っている。
切削工具は、ワークに対する加工内容に応じて、多様なものが選択される。多様な形状の工具を同じ主軸の先端に装着するために、ＢＴ規格などの共通化されたホルダが使用される。

このような共通化されたホルダに各工具を固定し、一方の主軸にはホルダに対応したチャック装置を設置しておくことで、工具の形状に拘わらず主軸に装着することができる。
さらに、マシニングセンタなどの工作機械では、自動工具交換装置が利用される。これらの自動工具交換装置では、旋回アーム等で工具をハンドリングする際に、共通化されたホルダを把持することで、工具の形状に拘わらず確実な操作を行うことができる（特許文献１参照）。

一方、近年では主軸回転の高速化および高精度化の要求に応えるべく、ホルダを用いずに工具を主軸に装着する工作機械が用いられるようになっている。
例えば、一部の工作機械では、主軸の支持にエアベアリングが用いられ、毎分数万ないし数十万回転に及ぶ高回転化が図られている（特許文献２参照）。

ここで、前述のような高速回転型の工作機械では、ホルダを介して工具を装着する構造が不都合となる。例えば、ホルダに工具を固定する際に軸芯精度が十分でないと、高速回転時の振れが大きくなり、空気静圧軸受での回転支持に適さない。また、高速回転型の工作機械は、微細形状の高精度加工に多用されるが、ホルダを用いることで機械的な小型化に適さない。

このような背景から、工具の装着にホルダを用いず、工具のストレートシャンク部分を主軸に直接固定する構成が用いられている。
例えば、工具を主軸に直接固定する工作機械として、工具を焼き嵌めにより固定するものが開発されている（特許文献３参照）。

一方、工具を主軸に直接固定する構成として、工具の回転支持と、主軸からの回転伝達とを分離することで、主軸と工具との直接的な連結部分では主に回転伝達だけを行うようにした工作機械も提案されている（特許文献４参照）。
この工作機械では、主軸の先端に、主軸ヘッドに連結された空気静圧軸受を増設し、工具のストレートシャンク部分を回転自在に支持する。そして、工具の端部のテーパ形状を、主軸に真空吸着することにより、工具と主軸とを連結している。

特開２００９−３９７９２号公報 特開平０９−２５７０３７号公報 特開２００４−２３７４０８号公報 特開２００９−２４８２２４号公報

前述した特許文献３のような焼き嵌め方式では、工具を主軸に直接固定しつつ、高い軸線精度を確保することができる。しかし、工具の脱着のつど焼き嵌めを行う必要があり、昇温および冷却に時間が必要である。このため、工具の交換のつど、長時間にわたって主軸による加工が停止され、作業効率が低下するという問題がある。

前述した特許文献４のような方式では、追加的な支持構造が必要であり、主軸の先端に大きなスペースを占有してしまい、加工上の制約が増大するほか、設置にあたっても制約を受けるという問題がある。

さらに、ホルダを用いずに、工具を主軸に直接固定する方式の共通の問題として、共通化されたホルダを把持する従来型の自動工具交換装置を利用することができない。このために、例えば主軸を工具ストッカまで移動させて工具をチャックさせるか、あるいは作業者による手動工具交換が必要となり、主軸の稼働停止時間が長くなり、作業の効率化に適さないものであった。

本発明の主な目的は、工具を主軸に直接固定できるとともに主軸部分の構造が簡素な工作機械を提供することにある。
本発明の他の目的は、工具を主軸に直接固定できるとともに工具交換の際の主軸の稼働停止時間を短縮できる工作機械を提供することにある。

本発明の工作機械は、主軸ヘッドに回転自在に支持された主軸と、前記主軸の先端に設置されたチャック装置と、前記チャック装置にチャックされる工具と、を有する工作機械であって、前記チャック装置は、前記工具を挿入可能な円筒状のコレット部材と、前記主軸の端面に開口しかつ前記コレット部材を収容可能なチャック孔と、前記コレット部材の外周と前記チャック孔の内周との間に形成されかつ前記チャック孔の開口から奥側に向かって前記主軸の中心軸線に近接するテーパ面を有する絞り機構と、前記コレット部材を前記チャック孔の開口から奥側へと引き込む引込機構と、を有することを特徴とする。

このような本発明では、主軸の先端に設置されたチャック装置により、工具と主軸とが直接固定される。
チャック装置においては、コレット部材が引込機構によりチャック孔の奥側へ引き込まれることで、絞り機構によりコレット部材が絞られ、コレット部材に挿入されている工具が締め付け固定（クランプ）される。

この際、コレット部材による締め付け固定であるため、工具のシャンク部分がストレートであっても確実に固定することができる。
また、コレット部材によるクランプでは、引込機構によりコレット部材を主軸の中心軸線に沿って引き込み、絞り機構で絞ることで、工具を締め付ける。従って、回転式の外筒によるコレット部材の締め付け等のように、コレット部材に回転方向の変形や軸心方向の偏りを生じることがなく、高精度の固定を行うことができる。

一方、引込機構の引込力に抗してコレット部材を主軸先端側へ引き出し、絞り機構による絞りからコレット部材を解放することで、コレット部材による工具のクランプを解除し、主軸から工具を取り外すことができる。
このようなクランプの解除にあたっては、引込機構の引込力を解除する別の機構を用いてもよいし、引込機構の引込力に抗してコレット部材を移動させる別の駆動機構を用いてもよい。例えば、主軸の中心に通されたクーラント孔を通して加圧エアを供給する等により、コレット部材を駆動することができる。

このように、本発明では、コレット部材、チャック孔、絞り機構および引込機構により、工具を主軸の軸線方向に引き込みつつ全周から締め付けてクランプすることができ、工具を主軸に直接固定できるとともに、主軸の先端側に突出する機構などはなく、主軸部分の構造が簡素なものとすることができる。

なお、チャック装置としては、主軸の先端に直接形成されるもの、つまり主軸自体に直接チャック孔を形成し、このチャック孔にコレット部材を収容する構造としてもよい。一方、チャック孔を有するスリーブ部材を用い、コレット部材をスリーブ部材に収容し、チャック装置としてパッケージ化しておき、このチャック装置を主軸に固定するようにしてもよい。このようなチャック装置のパッケージとしては、絞り機構ないし引込機構までを一括してパッケージ化しておいてもよい。

本発明の工作機械において、前記絞り機構は、前記コレット部材の外周に形成されかつ前記主軸の先端側が拡開した外側円錐面と、前記チャック孔の内周に形成されかつ前記外側円錐面に密接可能な内側円錐面と、を有することが望ましい。

このような本発明では、コレット部材の外側円錐面と、チャック孔の内側円錐面とにより、コレット部材がチャック孔の奥側へ引き込まれた際にコレット部材を絞ることができ、絞り機構として好適な構成とすることができる。
なお、絞り機構としては、円錐面に限らず、コレット部材の外周面あるいはチャック孔の内側面に、周方向に均等配置されかつ主軸軸線方向に延びる複数の突条を形成し、その表面をチャック孔の奥側が主軸中心軸線に近接する傾斜面とし、これらの傾斜面を絞り機構としてもよい。

本発明の工作機械において、前記引込機構は、前記主軸に対して前記コレット部材を前記主軸の先端側とは反対側へ付勢する引込用弾性部材を有することが望ましい。
このような本発明では、引込用弾性部材の弾性を利用して引込力を得ることができ、別途の動力を必要とせず、構造の簡略化にも有効である。

本発明の工作機械において、前記引込用弾性部材は前記主軸の軸線方向へ重ねられた複数の皿ばねであることが望ましい。

このような本発明では、複数の皿ばねにより引込用の弾性力を得ることができ、皿ばねの枚数あるいは皿ばねの種類の選択により引込力の設定も容易である。また、複数の皿ばねは中心軸に挿通させることで整列させることができ、高速回転した際にも振れ等を生じることを防止できる。このため、高速回転する主軸に設置した場合でも不都合を生じることがない。
なお、引込用弾性部材は複数の皿ばねに限らず、コイルばねその他の弾性部材であってもよく、体積圧縮する素材などであってもよい。

本発明の工作機械において、前記主軸は、エアベアリングを介して前記主軸ヘッドに支持されていることが望ましい。

このような本発明では、主軸を主軸ヘッドにエアベアリングで支持する高精度で高速回転する工作機械とすることができ、前述した本発明に基づくチャック装置による有効性を最大限に発揮できる。
ただし、主軸を主軸ヘッドに回転自在に支持する構造としては、エアベアリングに限らず、所期の精度および回転速度が得られれば、他のベアリングであってもよい。

本発明の工作機械において、前記主軸の先端の到達範囲外に設置されかつ前記工具を収納可能な工具ストッカと、前記工具ストッカに収納された前記工具を前記主軸に装着させる工具ハンドラと、を有することが望ましい。

このような本発明では、工具ハンドラにより、工具ストッカに収納された工具を把持し、主軸に装着させることができる。このため、工具ハンドラにより工具の脱着が行われる時間を除いて主軸を拘束することがなく、工具交換の際の主軸の稼働停止時間を短縮することができる。
また、工具ストッカは、主軸の先端の到達範囲外に設置することができ、主軸の動作に干渉することがなく、かつ主軸の動作範囲を狭めることもない。

本発明の工作機械において、前記工具ハンドラは、前記工具を保持可能な工具保持部と、前記工具保持部を前記工具ストッカから前記主軸の到達可能位置まで移動させる保持部移動機構と、を有することが望ましい。

このような本発明では、工具ストッカに収容された工具を工具保持部で保持し、保持部移動機構で工具保持部を主軸近傍へと移動させ、工具を主軸に装着することができる。一方、主軸に装着された工具を工具保持部に回収し、保持部移動機構で工具保持部を工具ストッカへと移動させることで、工具ストッカに工具を戻すことができる。
従って、工具ストッカが主軸の先端の到達範囲外に設置されていても、工具ハンドラにより、主軸への工具の脱着を確実に行うことができる。

本発明の工作機械において、前記工具保持部は、前記工具を挟持する一対の工具挟持部材を有することが望ましい。

このような本発明では、工具を保持する際に、一対の工具挟持部材で挟持するため、工具のシャンクがストレートであっても、さらにシャンクの径寸法が変動しても、確実な保持を行うことができる。

本発明の工作機械において、前記工具保持部は、前記主軸に装着すべき前記工具を保持する供給側保持部と、前記主軸から回収した前記工具を保持する回収側保持部と、を有することが望ましい。

このような本発明では、工具ハンドラの保持部移動機構により、供給側保持部を工具ストッカに近接させ、次に主軸に装着する工具を供給側保持部に保持させる。この状態で、保持部移動機構により回収側保持部を主軸に近接させ、主軸に装着されていた工具を回収側保持部に保持させる。
続いて、主軸の移動または保持部移動機構の移動により、主軸を供給側保持部に近接させ、新たな工具を主軸に装着させる。そして、保持部移動機構を主軸から離隔させ、主軸においては稼働を再開させる。主軸の稼働再開と並行して、保持部移動機構の移動により、回収側保持部を工具ストッカに近接させ、主軸から外した工具を工具ストッカに戻す。
このように、工具ハンドラの工具保持部として、供給側保持部と回収側保持部とを用いることで、工具ストッカと主軸との間の新旧工具の受け渡しを保持部移動機構の一回の移動で行うことができる。

なお、供給側保持部および回収側保持部は、保持部移動機構に移動可能に設置してもよく、回収側保持部を主軸に正対させ、旧工具を回収したのち、供給側保持部が主軸に正対する位置へ移動させ、新工具を装着すること等により、主軸を動かすことなく、工具の脱着を連続して行うことができる。

また、供給側保持部および回収側保持部を、保持部移動機構の移動方向に配列することにより、保持部移動機構を僅かに移動させることで、供給側保持部および回収側保持部が交互に主軸と正対するように構成してもよい。このような構成としても、主軸を動かすことなく、工具の脱着を連続して行うことができる。

本発明の工作機械において、前記保持部移動機構は、前記主軸の先端の到達範囲外に回動中心を有するとともに、先端が前記工具ストッカの位置から前記主軸の到達可能位置まで旋回可能な旋回アームであることが望ましい。

このような本発明では、保持部移動機構が回動を行うため、直線移動に比べて摺動部分を低減でき、摺動部分における切削屑による不都合などを未然に回避できる。
なお、保持部移動機構の移動は、直線移動であってもよい。例えば、主軸を含む工作機械の主要部分を防塵ケースで覆い、工具ストッカおよび工具ハンドラの主要部分を防塵ケースの外部に設置する場合、防塵ケースには保持部移動機構の工具保持部側を出入りさせるドア等が必要になるが、直線移動する構成であればドア等を最小限の大きさとすることができる。

本発明の工作機械において、前記工具ストッカと前記工具保持部との間で前記工具を移載する工具移載機構を有することが望ましい。

このような本発明では、工具ハンドラの工具保持部が工具ストッカとの間で工具を自力で受け渡しできない場合、あるいは工具ハンドラの保持部移動機構がその工具保持部を工具ストッカに十分近接させられない場合でも、工具移載機構により工具の受け渡しを確実に行うことができる。
このような工具移載機構としては、既存のスカラーロボットその他のロボットアームなどを適宜利用することができる。

本発明の工作機械によれば、主軸の先端に設置されたチャック装置により、工具と主軸とを直接固定することができる。そして、チャック装置は、コレット部材がチャック孔の奥側へ引き込まれることで、コレット部材が絞られて工具がクランプされる構成であり、主軸先端の外部に増設される構成がなく、主軸部分の構造が簡素な工作機械を提供することができる。

さらに、工具ハンドラおよび工具ストッカを用いることで、工具ハンドラにより工具の脱着が行われる時間を除いて主軸を拘束することがなく、工具交換の際の主軸の稼働停止時間を短縮することができる。

本発明の第１実施形態の工作機械を示す正面図。 前記第１実施形態の工作機械を示す平面図。 前記第１実施形態の工作機械を示す側面図。 前記第１実施形態の主軸部分を示す断面図。 前記第１実施形態のチャック装置を示す断面図。 前記第１実施形態の工具ストッカおよび工具ハンドラを示す正面図。 前記第１実施形態の工具ストッカおよび工具ハンドラを示す平面図。 前記第１実施形態の工具ストッカおよび工具ハンドラを示す側面図。 前記第１実施形態の工具保持部を示す正面図。 前記第１実施形態の工具保持部を示す平面図。 本発明の第２実施形態の工作機械を示す平面図。 前記第２実施形態の工具ストッカおよび工具ハンドラを示す斜視図。 前記第２実施形態の工具ストッカを示す一部破断した斜視図。

〔第１実施形態〕
図１から図１０の各図には、本発明の第１実施形態が示されている。
図１、図２、図３において、本実施形態の工作機械１０は、主軸２０に装着したストレートシャンクの工具１により、ワークに対する高速・高精度の切削加工を行うものである。

工作機械１０は、基礎床面上に設置されたベッド１１を有し、ベッド１１の上面にはテーブル１２が設置されている。テーブル１２は、上面に加工対象のワークが固定される。
ベッド１１を跨ぐように、門型のコラム１３が設置されている。コラム１３の上にはクロスバー１４が設置され、クロスバー１４にはサドル１５が設置されている。
サドル１５には主軸ヘッド１６が設置され、前述した主軸２０は主軸ヘッド１６から下向きに設置され、テーブル１２に固定されたワークを切削可能である。

ここで、テーブル１２はベッド１１に対してＸ軸方向（図１および図２の左右方向）に移動可能である。また、サドル１５はクロスバー１４に沿ってＹ軸方向（図２の縦方向および図３の左右方向）に移動可能であり、主軸ヘッド１６はサドル１５に対してＺ軸方向（図１および図３の縦方向）に移動可能である。
これらの各軸の移動により、主軸２０および工具１は、ワークに対して三次元の相対移動が可能であり、これによりワークに任意の立体形状を切削加工することができる。

主軸ヘッド１６に設置される主軸２０は、主軸アセンブリ３０としてパッケージ化されている。
図４において、主軸アセンブリ３０は、略円筒状のアセンブリケース３１を有し、その内部に主軸２０、主軸２０を中心軸線Ｃまわりに回転自在に支持するエアベアリング３２、エアベアリング３２に加圧エアを供給するエア供給経路３３、主軸２０を中心軸線Ｃまわりに回転駆動する駆動モータ３４を備えている。

主軸２０は、主軸本体２１を有し、主軸本体２１の芯部には、主軸２０の中心軸線Ｃに沿って主軸本体２１を貫通する中心孔２２が形成されている。
主軸２０の先端には、工具１を装着するためのチャック装置４０を有する。

主軸アセンブリ３０は、主軸２０の先端とは反対側（以下基端側という）に、プッシュシリンダ３５を備えている。プッシュシリンダ３５にはプッシュロッド３６が接続され、プッシュロッド３６は主軸２０の中心孔２２に挿通され、その先端はチャック装置４０まで到達している。

図５において、チャック装置４０は、主軸２０の先端に固定されるスリーブ部材４１を有し、スリーブ部材４１の先端側から基端側へ向けてチャック孔４２が形成されている。チャック孔４２にはコレット部材４３が収容されている。

コレット部材４３は、筒状とされ、先端側から工具１を挿入可能である。コレット部材４３には、先端側から途中位置まですり割り４４が複数形成されている。このすり割り４４により、コレット部材４３の先端側（工具１が挿入される部分）は、弾性変形して拡径または縮径することができる。

コレット部材４３の先端側の外周面は、先端に向けて外径が漸増するように形成され、これにより先端に向けて拡径する外側円錐面４３１が形成されている。
スリーブ部材４１の先端側では、チャック孔４２の内周面が先端に向けて内径が漸増するように形成され、これにより先端に向けて拡径する内側円錐面４２１が形成されている。

これらの外側円錐面４３１と内側円錐面４２１とは、コレット部材４３をチャック孔４２の内部に挿入することで密着可能である。そして、密着した状態から更にチャック孔４２の奥側へとコレット部材４３を押し込むことで、内側円錐面４２１により外側円錐面４３１が絞られ、コレット部材４３の先端側は縮径するように変形される。

これらの外側円錐面４３１および内側円錐面４２１により絞り機構４５が形成され、この絞り機構４５でコレット部材４３の先端側を縮径させることで、コレット部材４３の先端から挿入された工具１のストレートシャンク部分を締め付け固定することができる。

前述したコレット部材４３の基端側は、スリーブ部材４１から露出されており、端部にはコレットナット４６が螺合されている。コレット部材４３のスリーブ部材４１から露出された部分には、多数の皿ばね４７が積層状態で挿通されている。
これらの皿ばね４７は、スリーブ部材４１とコレットナット４６との間に挟み込まれ、その弾性反発力により、スリーブ部材４１に対してコレットナット４６およびコレット部材４３を基端側へ付勢している。

これらの皿ばね４７およびコレットナット４６により引込機構４８が形成され、この引込機構４８によりコレット部材４３は常時チャック孔４２の奥側へ向けて引き込まれ、コレット部材４３の先端は常時縮径する状態に維持される。
従って、コレット部材４３の先端から工具１のストレートシャンク部分が挿入されていれば、引込機構４８により工具１の締め付け固定状態が維持される。

図４に戻って、チャック装置４０は、主軸本体２１の先端側から中心孔２２の内部に挿入され、スリーブ部材４１のフランジ部分を主軸本体２１の端面に固定されている。チャック装置４０の基端側は、コレット部材４３の端部が、プッシュロッド３６の先端に僅かな間隔で対向配置されている。

ここで、プッシュシリンダ３５でプッシュロッド３６を先端側へ進出させることで、プッシュロッド３６でコレット部材４３が押され、コレット部材４３は引込機構４８の引込力に抗して先端側へ移動する。このような移動により、コレット部材４３の外側円錐面４３１は、チャック孔４２の内側円錐面４２１から離れ、絞り機構４５によるコレット部材４３の先端側の絞りが解除される。その結果、コレット部材４３の先端側での工具１の締め付け固定が解除され、工具１はチャック装置４０から抜き出し可能となる。

このように、チャック装置４０においては、プッシュシリンダ３５でプッシュロッド３６を先端側へ進出させることで、工具１の締め付け固定が解除され、プッシュロッド３６を戻すことで、引込機構４８および絞り機構４５が再び有効化され、工具１を締め付け固定することができる。

チャック装置４０が締め付け固定の解除状態にある際に工具１を脱着するために、工作機械１０には自動工具交換装置５０が設置されている。

図１、図２、図３において、自動工具交換装置５０は、基礎床面上にベッド１１に隣接して設置された支持台５１を有し、支持台５１の上面には工具ストッカ５２および工具ハンドラ５３が設置されている。
図６、図７、図８に拡大して示すように、工具ストッカ５２は、矩形板状の本体の上面に多数の工具収容孔５２１を有する。工具収容孔５２１としては、例えば縦１０、横１０の計１００個とされる。

工具ハンドラ５３は、保持部移動機構である旋回アーム６０を有する。
旋回アーム６０は、基端を旋回モータ６３に支持されて旋回可能であり、先端側は円弧状の軌跡（図７参照）に沿って移動可能である。
旋回アーム６０の回動中心、つまり旋回モータ６３の回動軸は、前述した工作機械１０の主軸２０の先端の到達範囲外に設置されている。

旋回アーム６０の先端は、工具ストッカ５２の近傍に配置可能（図７の実線の状態）であるとともに、旋回することで工作機械１０の主軸２０の到達可能位置に配置可能（図７の鎖線の状態、図２も参照）である。

旋回アーム６０の先端には、工具保持部である回収側保持部６１および供給側保持部６２が設置されている。
図９および図１０において、回収側保持部６１および供給側保持部６２は、それぞれ一対のレバー６１１，６１２およびレバー６２１，６２２を有し、これらにより工具１のストレートシャンク部分を挟んで保持可能である。

回収側保持部６１は、主軸２０を近接させ、工具１をレバー６１１，６１２の間に配置した状態で、この工具１を挟持することができる。
この状態で、チャック装置４０の締め付け固定を解除し、主軸２０を上昇させれば、工具１がチャック装置４０から抜き取られ、回収側保持部６１に保持される。
これにより、主軸２０に装着されていた工具１を、回収側保持部６１に回収することができる。

供給側保持部６２は、工具１を保持した状態で主軸２０の下方に配置される。チャック装置４０の締め付け固定を解除した状態で、主軸２０を下降させ、供給側保持部６２に保持された工具１をチャック装置４０に挿入させる。
この状態で、チャック装置４０の締め付け固定を有効にし、主軸２０を上昇させれば、工具１が供給側保持部６２から抜き取られる。
これにより、供給側保持部６２からの新たな工具１を、主軸２０に装着することができる。

図６、図７、図８に戻って、旋回アーム６０は、旋回により回収側保持部６１および供給側保持部６２を工具ストッカ５２に隣接した状態に配置可能である。
隣接して配置された回収側保持部６１からの工具１を工具ストッカ５２に戻し、新たな工具１を工具ストッカ５２から供給側保持部６２へと載せ替えるために、工具移載機構としてスカラーロボット７０が設置されている。

スカラーロボット７０は、水平に旋回可能な第１アーム７１、第２アーム７２、第３アーム７３を逐次連結したものである。第２アーム７２と第３アーム７３とは、回動軸において垂直方向の変位も可能である。
第３アーム７３の先端には、工具１を保持するための移載用保持部７４が設置されている。
移載用保持部７４は、一対のレバー７４１，７４２を有し、これらにより工具１のストレートシャンク部分を挟んで保持可能である。

スカラーロボット７０は、図６のように、第１アーム７１、第２アーム７２、第３アーム７３を作動させて移載用保持部７４を回収側保持部６１の直上に配置し、移載用保持部７４を下降させ、回収側保持部６１で保持されている工具１を移載用保持部７４で保持することができる。そして、移載用保持部７４を工具ストッカ５２へ移動させることで、保持した工具１を工具ストッカ５２に戻すことができる。

一方、スカラーロボット７０は、工具ストッカ５２に収容されている工具１のいずれかを、移載用保持部７４で保持し、各アームを作動させて供給側保持部６２まで移動し、供給側保持部６２に工具１を保持させることができる。
これらにより、スカラーロボット７０は、工具ストッカ５２と回収側保持部６１および供給側保持部６２との間で、工具１の載せ替えを行うことができる。

このような本実施形態の工作機械１０においては、次のような動作を行う。
通常の稼働時において、工作機械１０は、主軸２０に装着された工具１により、テーブル１２に固定されたワークに対する切削加工を行う。
工具１を交換する際には、工具ストッカ５２に収容された工具１のうちいずれかを、スカラーロボット７０で選択し、旋回アーム６０の供給側保持部６２に保持させる。この状態では、主軸２０はワークの加工を続けていてよい。

次に、旋回アーム６０を旋回させてその先端をテーブル１２上に配置する。この状態で、主軸２０による加工を停止し、主軸２０を旋回アーム６０の先端の上方に配置する。そして、チャック装置４０を解除し、現在装着されている工具１を回収側保持部６１に引き渡す。
続いて、主軸２０を変位させて供給側保持部６２の上方へ移動させ、供給側保持部６２から新たな工具１を受け取り、チャック装置４０による締め付け固定を有効にする。

これにより、主軸２０には新たな工具１が装着され、旋回アーム６０がテーブル１２上から退去し次第、ワークの加工を再開することができる。
旋回アーム６０の先端が工具ストッカ５２近傍に戻った後、スカラーロボット７０が回収側保持部６１に保持した工具１を引き取り、工具ストッカ５２に戻す。

このような本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
すなわち、本実施形態では、主軸２０の先端に設置されたチャック装置４０により、工具１と主軸２０とが直接固定される。
チャック装置４０においては、コレット部材４３が引込機構４８によりチャック孔４２の奥側へ引き込まれることで、絞り機構４５によりコレット部材４３が絞られ、コレット部材４３に挿入されている工具１がクランプされる。

このように、工具１のクランプがコレット部材４３による締め付け固定であるため、工具１のシャンク部分がストレートであっても確実に固定することができる。
また、コレット部材４３によるクランプの際には、引込機構４８によりコレット部材４３を主軸２０の中心軸線Ｃに沿って引き込み、絞り機構４５で絞ることで、工具１を締め付ける。従って、回転式の外筒によるコレット部材４３の締め付け等のように、コレット部材４３に回転方向の変形や軸心方向の偏りを生じることがなく、高精度の固定を行うことができる。

一方、引込機構４８の引込力に抗してコレット部材４３を主軸２０の先端側へ引き出し、絞り機構４５による絞りからコレット部材４３を解放することで、コレット部材４３による工具１のクランプを解除し、主軸２０から工具を取り外すことができる。

このように、本実施形態では、コレット部材４３、チャック孔４２、絞り機構４５および引込機構４８により、工具１を主軸２０の軸線方向に引き込みつつ全周から締め付けてクランプすることができ、工具１を主軸２０に直接固定できるとともに、主軸２０の先端側に突出する機構などはなく、主軸部分の構造が簡素なものとすることができる。

本実施形態では、コレット部材４３の外側円錐面４３１と、チャック孔４２の内側円錐面４２１とにより、コレット部材４３がチャック孔４２の奥側へ引き込まれた際にコレット部材４３を絞ることができ、絞り機構４５として好適な構成とすることができる。

本実施形態では、引込機構４８として引込用弾性部材である複数の皿ばね４７を用い、その弾性を利用して引込力を得ることができ、別途の動力を必要とせず、構造の簡略化にも有効である。
また、皿ばね４７の枚数あるいは皿ばねの種類の選択により引込力の設定も容易である。また、複数の皿ばね４７は中心軸に挿通させることで整列させることができ、高速回転した際にも振れ等を生じることを防止できる。このため、高速回転する主軸に設置した場合でも不都合を生じることがない。

本実施形態では、主軸２０を主軸ヘッド１６にエアベアリング３２で支持したため、高精度で高速回転する工作機械１０とすることができ、前述したチャック装置４０による有効性を最大限に発揮できる。

本実施形態では、自動工具交換装置５０を設置するとともに、工具ハンドラ５３により、工具ストッカ５２に収納された工具１を把持し、主軸２０に装着させることができる。このため、工具ハンドラ５３により工具１の脱着が行われる時間を除いて主軸２０を拘束することがなく、工具交換の際の主軸２０の稼働停止時間を短縮することができる。
また、工具ストッカ５２は、テーブル１２の側方など、主軸２０の先端の到達範囲外に設置することができ、主軸２０の動作に干渉することがなく、かつ主軸２０の動作範囲を狭めることもない。

本実施形態では、工具ストッカ５２に収容された工具１を供給側保持部６２で保持し、旋回アーム６０でテーブル１２上の主軸２０近傍へと移動させ、工具１を主軸２０に装着することができる。一方、主軸２０に装着された工具１をテーブル１２上で回収側保持部６１に回収し、旋回アーム６０で移動させることで、工具ストッカ５２に工具を戻すことができる。
従って、工具ストッカ５２が主軸２０の先端の到達範囲外に設置されていても、工具ハンドラ５３により、主軸２０への工具１の脱着を確実に行うことができる。

本実施形態では、工具１を保持する際に、一対の工具挟持部材（レバー６１１〜６２２，７４１，７４２）で挟持するため、工具１のシャンクがストレートであっても、さらにシャンクの径寸法が変動しても、確実な保持を行うことができる。

本実施形態では、保持部移動機構として旋回アーム６０を用い、回動を行う構成であるため、直線移動に比べて摺動部分を低減でき、摺動部分における切削屑による不都合などを未然に回避できる。

〔第２実施形態〕
図１１から図１３には、本発明の第２実施形態が示されている。
本実施形態において、工作機械１０の基本構成、主軸２０およびチャック装置４０は、前述した第１実施形態と同様である。このため、同様な構成については重複する説明を省略し、以下には相違する部分について説明する。

前述した第１実施形態では、矩形板状の工具ストッカ５２を用い、工具ハンドラ５３においては、旋回アーム６０との工具１の受け渡しにスカラーロボット７０を用いていた（図７等参照）。
これに対し、本実施形態の自動工具交換装置５０Ａでは、図１１のように、円板状の工具ストッカ５２Ａが用いられる。
また、工具ハンドラ５３における旋回アーム６０の回収側保持部６１および供給側保持部６２と工具ストッカ５２Ａとの間の工具１の載せ替えには、工具ストッカ５２Ａから工具１を上昇させるリフト機構が採用されている。

工具ストッカ５２Ａは、図１２および図１３にも示すように、円板状に形成され、外周縁に沿って多数の工具収容孔５２１が形成されている。また、工具ストッカ５２Ａは、中央部を回転自在に支持され、図示しないモータにより回転可能である。

工具収容孔５２１には、それぞれ工具ポット５２２が挿入されている。
工具ポット５２２は、外周のフランジ部分を工具収容孔５２１に係止され、下方へ吊り下げられた状態で保持されている。
工具１は、これらの工具ポット５２２を介して、工具収容孔５２１に収容される。

図１２において、工具ストッカ５２Ａは、工具収容孔５２１のいずれかが旋回アーム６０の回収側保持部６１の直下で、他のいずれかが供給側保持部６２の直下となる位置で停止される。これにより、供給側保持部６２の直下にある工具収容孔５２１に収容されていた工具１が供給側保持部６２に渡され、回収側保持部６１に保持されていた工具１は直下の工具収容孔５２１に戻される。

回収側保持部６１および供給側保持部６２に対する工具１の受け渡しを行うために、工具ストッカ５２Ａの下方には、工具ポット５２２を上昇させる回収側リフト機構５２３および供給側リフト機構５２４が設置されている。

回収側リフト機構５２３は、エアシリンダ等で動作し、回収側保持部６１の直下にある工具ポット５２２を押し上げ、回収側保持部６１に保持されている工具１を受け取らせる。
供給側リフト機構５２４は、エアシリンダ等で動作し、供給側保持部６２の直下にある工具ポット５２２を押し上げ、供給側保持部６２まで工具１を持ち上げて保持させる。

従って、これらの回収側リフト機構５２３、供給側リフト機構５２４、工具ポット５２２を有する工具ストッカ５２Ａにより、旋回アーム６０の回収側保持部６１および供給側保持部６２との間の工具１の載せ替えを確実に行うことができる。
これにより、本実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

〔他の実施形態〕
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれるものである。
前記実施形態のチャック装置４０において、工具１のクランプの解除にあたっては、引込機構４８の引込力を解除する別の機構を用いてもよいし、引込機構４８の引込力に抗してコレット部材４３を移動させる別の駆動機構を用いてもよい。例えば、主軸２０の中心孔２２に通されたクーラント孔を通して加圧エアを供給する等により、コレット部材４３を駆動することができる。

絞り機構４５としては、円錐面に限らず、コレット部材４３の外周面あるいはチャック孔４２の内側面に、周方向に均等配置されかつ主軸２０の中心軸線Ｃ方向に延びる複数の突条を形成し、その表面をチャック孔４２の奥側ほど中心軸線Ｃに近接する傾斜面とし、これらの傾斜面を絞り機構としてもよい。

引込機構４８としては、引込用弾性部材は複数の皿ばね４７に限らず、コイルばねその他の弾性部材であってもよく、体積圧縮する素材などであってもよい。
主軸２０を主軸ヘッド１６に回転自在に支持する構造としては、エアベアリング３２に限らず、所期の精度および回転速度が得られれば、他のベアリングであってもよい。

前記実施形態では、チャック装置４０をパッケージ化し、チャック孔４２を有するスリーブ部材４１にコレット部材４３を収容し、さらに絞り機構４５および引込機構４８までを含めるようにした。これに対し、絞り機構４５あるいは引込機構４８は、パッケージから外して主軸アセンブリ３０に構成してもよく、あるいはチャック装置４０をパッケージ化せず、主軸本体２１に直接チャック孔４２を形成し、ここにコレット部材４３を収容する構成としてもよい。

回収側保持部６１および供給側保持部６２は、旋回アーム６０に固定するのではなく、旋回アーム６０上で移動可能に設置してもよい。主軸２０から工具１を外した後、旋回アーム６０上で回収側保持部６１および供給側保持部６２が入れ替わるように移動させることで、主軸２０を移動させることなく新たな工具１の装着を行うことができる。

保持部移動機構としては、旋回アーム６０のような回動に限らず、直線移動であってもよい。
例えば、主軸２０を含む工作機械１０の主要部分を防塵ケースで覆い、工具ストッカ５２，５２Ａおよび工具ハンドラ５３の主要部分を防塵ケースの外部に設置する場合、防塵ケースには保持部移動機構の工具保持部側を出入りさせるドア等が必要になるが、直線移動する構成であればドア等を最小限の大きさとすることができる。

本発明は、高回転のもとで高精度切削を行うための工作機械に利用できる。

１…工具、１０…工作機械、１１…ベッド、１２…テーブル、１３…コラム、１４…クロスバー、１５…サドル、１６…主軸ヘッド、２０…主軸、２１…主軸本体、２２…中心孔、３０…主軸アセンブリ、３１…アセンブリケース、３２…エアベアリング、３３…エア供給経路、３４…駆動モータ、３５…プッシュシリンダ、３６…プッシュロッド、４０…チャック装置、４１…スリーブ部材、４２…チャック孔、４２１…内側円錐面、４３…コレット部材、４３１…外側円錐面、４５…絞り機構、４６…コレットナット、４７…皿ばね、４８…引込機構、５０，５０Ａ…自動工具交換装置、５１…支持台、５２，５２Ａ…工具ストッカ、５２１…工具収容孔、５２２…工具ポット、５２３…回収側リフト機構、５２４…供給側リフト機構、５３…工具ハンドラ、６０…旋回アーム、６１…回収側保持部、６１１…レバー、６２…供給側保持部、６２１…レバー、６３…旋回モータ、７０…スカラーロボット、７１…第１アーム、７２…第２アーム、７３…第３アーム、７４…移載用保持部、７４１…レバー、Ｃ…中心軸線。

Claims (11)

1. 主軸ヘッドに回転自在に支持された主軸と、前記主軸の先端に設置されたチャック装置と、前記チャック装置にチャックされる工具と、を有する工作機械であって、
   前記チャック装置は、前記工具を挿入可能な円筒状のコレット部材と、前記主軸の端面に開口しかつ前記コレット部材を収容可能なチャック孔と、前記コレット部材の外周と前記チャック孔の内周との間に形成されかつ前記チャック孔の開口から奥側に向かって前記主軸の中心軸線に近接するテーパ面を有する絞り機構と、前記コレット部材を前記チャック孔の開口から奥側へと引き込む引込機構と、を有することを特徴とする工作機械。
2. 請求項１に記載された工作機械において、
   前記絞り機構は、前記コレット部材の外周に形成されかつ前記主軸の先端側が拡開した外側円錐面と、前記チャック孔の内周に形成されかつ前記内側円錐面に密接可能な外側円錐面と、を有することを特徴とする工作機械。
3. 請求項１または請求項２に記載された工作機械において、
   前記引込機構は、前記主軸に対して前記コレット部材を前記主軸の先端側とは反対側へ付勢する引込用弾性部材を有することを特徴とする工作機械。
4. 請求項３に記載された工作機械において、
   前記引込用弾性部材は前記主軸の軸線方向へ重ねられた複数の皿ばねであることを特徴とする工作機械。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された工作機械において、
   前記主軸は、エアベアリングを介して前記主軸ヘッドに支持されていることを特徴とする工作機械。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載された工作機械において、
   前記主軸の先端の到達範囲外に設置されかつ前記工具を収納可能な工具ストッカと、前記工具ストッカに収納された前記工具を前記主軸に装着させる工具ハンドラと、を有することを特徴とする工作機械。
7. 請求項６に記載された工作機械において、
   前記工具ハンドラは、前記工具を保持可能な工具保持部と、前記工具保持部を前記工具ストッカから前記主軸の到達可能位置まで移動させる保持部移動機構と、を有することを特徴とする工作機械。
8. 請求項７に記載された工作機械において、
   前記工具保持部は、前記工具を挟持する一対の工具挟持部材を有することを特徴とする工作機械。
9. 請求項７または請求項８に記載された工作機械において、
   前記工具保持部は、前記主軸に装着すべき前記工具を保持する供給側保持部と、前記主軸から回収した前記工具を保持する回収側保持部と、を有することを特徴とする工作機械。
10. 請求項７から請求項９のいずれか一項に記載された工作機械において、
    前記保持部移動機構は、前記主軸の先端の到達範囲外に回動中心を有するとともに、先端が前記工具ストッカの位置から前記主軸の到達可能位置まで旋回可能な旋回アームであることを特徴とする工作機械。
11. 請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載された工作機械において、
    前記工具ストッカと前記工具保持部との間で前記工具を移載する工具移載機構を有することを特徴とする工作機械。

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