JP2017202547A

JP2017202547A - 工作機械

Info

Publication number: JP2017202547A
Application number: JP2016095531A
Authority: JP
Inventors: 章一森村; Shoichi Morimura
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2036-05-11
Also published as: DE102017110029A1; KR102477934B1; JP6735148B2; KR20170127361A; US20170326701A1; CN107363543A; TWI722180B; US10603752B2; TW201742722A; CN107363543B

Abstract

【課題】様々な位置・姿勢で、ワークや工具等にアクセスできる、より小型のロボットを備えた工作機械を提供する。【解決手段】回転工具１００によりワーク１１０を切削する工作機械１０は、回転工具１００を規定の工具回転軸Ｒｔを中心として自転可能に保持する工具主軸装置１６と、１以上の機内ロボット２０と、当該機内ロボット２０が、前記工具回転軸Ｒｔを中心として前記工具主軸装置１６の周囲を、回転工具１００とは独立して移動するべく、機内ロボット２０を前記工具主軸装置１６に取り付ける連結機構４０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ワークを切削加工、または、エネルギまたは材料を放射してワークを造形する工作機械に関する。

近年、工作機械の自動化や高性能化に対する要求は、ますます高くなっている。自動化を実現するために、工具を自動的に交換するためのオートツールチェンジャ（ＡＴＣ）や、ワークが搭載されたパレットを自動的に交換するオートパレットチェンジャ（ＡＰＣ）などといった自動交換装置が提案されている。また、ローダやバーフィーダなどといったワーク供給装置などの周辺装置も広く知られている。また、高性能化を実現するために、センサを用いての機内計測や知能化などが行われている。

さらに、工作機械の自動化や高性能化を図るために、一部では、ロボットを利用することが提案されている。例えば、特許文献１には、工作機械の外に設置されたロボットを用いて、工作機械へのワークの着脱を行う技術が開示されている。また、特許文献２には、工作機械の上部に取り付けられたガントリレール上に走行する多関節ロボットを設け、当該多関節ロボットで、複数の工作機械間のワークの搬送等を行う技術が開示されている。さらに、特許文献３，４には、把持器の開閉動作によりワークの搬送を行う、ワークの搬送具が開示されている。この搬送具は、アーム状であり、本体機能箱に取り付けられている。また、当該本体機能箱は、主軸を支持する主軸頭の右側部に設けられている。搬送具は、主軸の長軸と略直交する軸回りに旋回可能となっている。そして、搬送具は、旋回することで、そのアームが略水平となる状態と、略垂直となる状態と、に変化できるようになっている。

特開２０１０−３６２８５号公報特開２０１０−６４１５８号公報特開平５−３０１１４１号公報特開平５−３０１１４２号公報

しかしながら、従来の技術では、様々な位置・姿勢でワークや工具などにアクセスできるロボットは、得られなかった。すなわち、通常、工作機械の本体部は、安全性や環境性などへの対応から、カバーで覆われる。したがって、特許文献１，２のように、工作機械の本体部以外の箇所に設けられたロボットを用いて、加工室の内部へアクセスしようとすると、加工室のドアを開く必要がある。そのため、特許文献１，２のロボットでは、ワークを加工していないときに、ワークの着脱等を行うことはできる。しかし、加工中、すなわち、加工室のドアを閉めた状態においては、ロボットが、ワークや工具にアクセスすることができない。その結果、特許文献１，２の技術では、ロボットの用途が限られていた。

特許文献３，４のように、搬送具等のロボットを主軸頭に固定する技術もある。かかる技術によれば、加工室のドアを閉めた状態でも、ロボットがワークや工具にアクセスできる。しかし、この場合、主軸頭に対するロボットの位置が固定されるため、主軸頭を挟んでロボットの反対側にアクセスするためには、ロボットを大型にする必要がある。例えば、ロボットが、複数のアームを関節を介して接続した多関節型ロボットの場合、各アームの長さを長くする必要がある。しかし、アームを長くすると、その分、他部材への干渉が生じやすくなり、また、関節を動かすために必要なトルクも大きくなる。

そこで、本発明では、様々な位置・姿勢で、ワークや工具等にアクセスできる、より小型のロボットを備えた工作機械を提供することを目的とする。

本発明の工作機械は、工具によりワークを切削する工作機械であって、前記工具を規定の工具回転軸を中心として自転可能に保持する工具主軸装置と、１以上のロボットと、前記1以上のロボットが前記工具回転軸を中心として前記工具主軸装置の周囲を前記工具とは独立して移動するべく、前記１以上のロボットを前記工具主軸装置に取り付ける連結機構と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記ロボットは、前記工具による前記ワークの加工の実行中に、前記工具および前記ワークの少なくとも一方にアクセス可能である。

他の好適な態様では、前記ロボットは、前記工具による前記ワークの加工の補助、前記加工中における前記工具または前記ワークに関するセンシング、および、付加的な加工の少なくとも一つを行う。

他の好適な態様では、前記ロボットは、対象物に働きかける１以上のエンドエフェクタと、前記１以上のエンドエフェクタを支持する１以上のアームと、前記１以上のアームの端部に設けられる１以上の関節と、を備えたアーム型ロボットである。

他の好適な態様では、前記工具主軸装置は、前記工具回転軸に直交する軸を中心として揺動可能である。

他の好適な態様では、前記ロボットが、前記工具またはワークを把持可能な把持部を備える。

他の好適な態様では、前記工作機械が、前記ワークを旋削する旋盤機能を備えた複合加工機であり、前記ワークを自転可能に保持するワーク主軸装置と、前記自転するワークを旋削する旋削工具を保持する刃物台と、を有する。この場合、前記ロボットは、前記旋削工具による旋削加工中に、前記ワークおよび旋削工具の少なくとも一方にアクセス可能である、ことが望ましい。

他の本発明である工作機械は、規定の放射軸方向に、エネルギまたは材料を放射して、ワークを造形する工作機械であって、前記エネルギまたは材料を前記放射軸方向に放射する放射ヘッドと、１以上のロボットと、前記1以上のロボットが前記放射軸を中心として前記放射ヘッドの周囲を移動するべく、前記１以上のロボットを前記放射ヘッドに取り付ける連結機構と、を備える。

本発明によれば、ロボットが、工具主軸装置、または、放射ヘッドに、回転可能に取り付けられている。そのため、ロボットを小型化しても、ロボットの位置および姿勢を大きく変化させることができる。結果として、ロボットが、様々な位置・姿勢で、ワークや工具等にアクセスできる。

本発明の実施形態である工作機械の構成を示す図である。機内ロボット周辺の斜視図である。機内ロボット周辺の斜視図である。機内ロボット周辺の斜視図である。機内ロボット周辺の斜視図である。他の機内ロボットの一例を示す斜視図である。他の機内ロボットの一例を示す斜視図である。工具主軸装置に固着された機内ロボットを示す図である。工具主軸装置に固着された機内ロボットを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である工作機械１０の概略構成を示す図である。以下の説明では、ワーク主軸３２の回転軸方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する鉛直方向をＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸に直交する方向をＹ軸と呼ぶ。また、Ｚ軸においては、ワーク主軸３２から刃物台１８に近づく方向をプラス方向、Ｘ軸においては、ワーク主軸３２から工具主軸３８に近づく方向をプラス方向、Ｙ軸においては、工具主軸３８から中台２８に近づく方向をプラス方向とする。

この工作機械１０は、ワーク１１０を回転させながら旋削工具１０２を当ててワーク１１０を切削する旋削機能と、回転工具１００でワーク１１０を切削する転削機能と、を有した複合加工機である。工作機械１０の本体部１２の周囲は、カバー（図示せず）で覆われている。このカバーで区画される空間が、ワーク１１０の加工が行われる加工室となる。カバーには、少なくとも一つの開口部と、当該開口部を開閉するドア（いずれも図示せず）と、が設けられている。オペレータは、この開口部を介して、工作機械１０の本体部１２やワーク１１０等にアクセスする。加工中、開口部に設けられたドアは、閉鎖される。これは、安全性や環境性等を担保するためである。

本体部１２は、ワーク１１０を自転可能に保持するワーク主軸装置１４と、回転工具１００を自転可能に保持する工具主軸装置１６と、旋削工具１０２を保持する刃物台１８と、を備えている。ワーク主軸装置１４は、基台２２に設置された主軸台３０と、当該主軸台３０に取り付けられたワーク主軸３２と、を備えている。ワーク主軸３２は、ワーク１１０を着脱自在に保持するチャック３３やコレットを備えており、保持するワーク１１０を適宜、交換できる。また、ワーク主軸３２は、水平方向（図１におけるＺ軸方向）に延びるワーク回転軸Ｒｗを中心として自転する。

工具主軸装置１６は、転削用の工具（回転工具１００）、例えば、フライスやエンドミルと呼ばれる工具を自転可能に保持するもので、その内部に駆動モータ等を内蔵した主軸ヘッド３６と、当該主軸ヘッド３６に取り付けられた工具主軸３８と、を備えている。工具主軸３８は、回転工具１００を着脱自在に保持するクランパを備えており、必要に応じて保持する回転工具１００を交換できる。また、工具主軸３８は、垂直方向（図１におけるＸ軸方向）に延びる工具回転軸Ｒｔを中心として自転する。

また、主軸ヘッド３６には、連結機構４０を介して機内ロボット２０が取り付けられている。この機内ロボット２０は、加工の補助や、各種センシング、補助的作業等に用いられる。この機内ロボット２０の構成や機能については、後に詳説する。

さらに、主軸ヘッド３６は、当該主軸ヘッド３６を通るとともにＹ軸方向に延びる揺動軸Ｓｔ（図２参照）回りに揺動可能となっている。そして、主軸ヘッド３６が、揺動軸Ｓｔ回りに揺動することで、回転工具１００や、機内ロボット２０の姿勢が変化する。

主軸ヘッド３６は、中台２８に取り付けられている。この中台２８は、Ｘ軸ガイドレール（図示せず）を介してコラム２６に取り付けられており、コラム２６に対して昇降自在（Ｘ方向に移動可能）となっている。また、コラム２６は、Ｙ軸ガイドレールを介してサドル２４に取り付けられており、サドル２４に対してＹ軸方向に移動可能となっている。さらに、サドル２４は、Ｚ軸ガイドレールを介して基台２２に取り付けられており、基台２２に対してＺ軸方向に移動可能となっている。そして、このサドル２４、コラム２６、中台２８を適宜、移動させることで、工具主軸装置１６、ひいては、工具主軸装置１６に取り付けられた回転工具１００や機内ロボット２０が、所望の位置に直線移動する。

刃物台１８は、旋削工具１０２、例えば、バイトと呼ばれる工具を保持する。この刃物台１８は、Ｘ軸ガイドレールを介して下サドル１９に取り付けられ、下サドル１９に対して昇降自在（Ｘ方向に移動可能）になっている。下サドル１９は、Ｚ軸ガイドレールを介して、基台２２に取り付けられており、Ｚ軸方向に移動可能となっている。結果として、旋削工具１０２は、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に移動可能となっている。

制御装置３４は、オペレータからの指示に応じて、工作機械１０の各部の駆動を制御する。この制御装置３４は、例えば、各種演算を行うＣＰＵと、各種制御プログラムや制御パラメータを記憶するメモリと、で構成される。また、制御装置３４は、通信機能を有しており、他の装置との間で各種データ、例えば、ＮＣプログラムデータ等を授受できる。この制御装置３４は、例えば、工具１００，１０２やワーク１１０の位置を随時演算する数値制御装置を含んでもよい。また、制御装置３４は、単一の装置でもよいし、複数の演算装置を組み合わせて構成されてもよい。

次に、工具主軸装置１６に取り付けられた機内ロボット２０について図２〜図５を参照して説明する。図２〜図５は、機内ロボット２０周辺の斜視図である。図２に示す通り、機内ロボット２０は、複数のアーム４２ａ〜４２ｃと、複数の関節４４ａ〜４４ｃを有した多関節ロボットである。この機内ロボット２０は、既述した通り、連結機構４０を介して主軸ヘッド３６に取り付けられている。本実施形態の主軸ヘッド３６は、略円筒形をしており、その中心軸は、工具回転軸Ｒｔと一致している。この主軸ヘッド３６は、既述した通り、サドル２４、コラム２６、中台２８の移動に伴い、直線移動できる。さらに、主軸ヘッド３６は、中台２８に回転可能に取り付けられており、Ｙ軸（水平）方向に延びる揺動軸Ｓｔを中心として揺動可能となっている。

連結機構４０は、ベアリング（図示せず）を介して主軸ヘッド３６に取り付けられており、主軸ヘッド３６に対して回転可能となっている。この連結機構４０の回転軸は、工具回転軸Ｒｔと一致している。連結機構４０には、モータ等のアクチュエータが取り付けられており、このアクチュエータの駆動は、制御装置３４により制御される。

機内ロボット２０は、第一〜第三アーム４２ａ〜４２ｃ（以下、第一〜第三を区別しない場合は、添字のアルファベットを省略して「アーム」とのみ言う。他部材においても同じ）と、これらの端部に設けられた第一〜第三関節４４ａ〜４４ｃと、エンドエフェクタ４６と、を備えている。第一アーム４２ａの基端は、第一関節４４ａを介して連結機構４０に、第二アーム４２ｂの基端は、第二関節４４ｂを介して第一アーム４２ａの先端に、第三アーム４２ｃの基端は、第三関節４４ｃを介して第二アーム４２ｂの先端に、それぞれ接続されている。第一〜第三関節４４ａ〜４４ｃは、いずれも、Ｙ軸方向（工具回転軸Ｒｔに直交する方向）の揺動軸を有しており、各アーム４２は、当該揺動軸を中心として揺動する。第一〜第三関節４４ａ〜４４ｃには、モータ等のアクチュエータが取り付けられており、このアクチュエータの駆動は、制御装置３４により制御される。制御装置３４は、連結機構４０および各関節４４ａ〜４４ｃに設けられたアクチュエータの駆動量から、後述するエンドエフェクタ４６の位置を算出する。

第三アーム４２ｃの先端には、対象物に働きかけるエンドエフェクタ４６が設けられている。エンドエフェクタ４６は、何らかの効果を発揮するものであれば、特に限定されない。したがって、エンドエフェクタ４６は、例えば、対象物や対象物の周辺環境に関する情報をセンシングするセンサとすることができる。この場合、エンドエフェクタ４６は、例えば、対象物への接触の有無を検知する接触センサや、対象物までの距離を検知する距離センサ、対象物の振動を検知する振動センサ、対象物から付加される圧力を検知する圧力センサ、対象物の温度を検知するセンサ等とすることができる。これらセンサでの検知結果は、連結機構４０および関節４４ａ〜４４ｃの駆動量から算出されるエンドエフェクタ４６の位置情報と関連付けて記憶され、解析される。例えば、エンドエフェクタ４６が、接触センサの場合、制御装置３４は、対象物への接触を検知したタイミングと、そのときの位置情報と、に基づいて、対象物の位置や形状、動きを解析する。

また、別の形態として、エンドエフェクタ４６は、対象物を保持する保持機構とすることもできる。保持の形式は、一対の部材で対象物を把持するハンド形式でもよいし、対象物を吸引保持する形式でもよいし、磁力等を利用して保持する形式等でもよい。

また、別の形態として、エンドエフェクタ４６は、加工を補助するための流体を出力する装置でもよい。具体的には、エンドエフェクタ４６は、切粉を吹き飛ばすためのエアや、工具１００，１０２またはワーク１１０を冷却するための冷却用流体（切削油や切削水等）を放出する装置でもよい。また、エンドエフェクタ４６は、ワーク造形のためエネルギまたは材料を放出する装置でもよい。したがって、エンドエフェクタ４６は、例えば、レーザやアークを放出する装置でもよいし、積層造形のために材料を放出する装置でもよい。さらに別の形態として、エンドエフェクタ４６は、対象物を撮影するカメラでもよい。この場合、カメラで得た映像を操作パネル等に表示してもよい。

また、エンドエフェクタ４６が働きかける対象物は、加工室内にあるものであれば、特に限定されない。したがって、対象物は、工具主軸３８に保持される回転工具１００でもよいし、ワーク主軸装置１４に保持されているワーク１１０でもよい。また、対象物は、刃物台１８に保持されている旋削工具１０２でもよい。さらに、対象物は、工具１００，１０２およびワーク１１０以外のもの、例えば、加工室内に飛散した切粉や、ワーク１１０に組み付けられる部品、工作機械１０の構成部品（ワーク主軸３２のチャック３３や、工具主軸３８のコレット等）でもよい。

また、本実施形態では、エンドエフェクタ４６の個数を一つとしているが、エンドエフェクタ４６の個数は、一つに限らず、複数でもよい。また、エンドエフェクタ４６は、少なくとも、機内ロボット２０に設けられていればよく、その設置位置は、多関節アームの先端に限らず、多関節アームの途中に設けられていてもよい。

次に、上述したような機内ロボット２０の動きについて説明する。主軸ヘッド３６は、加工の状況に応じて、適宜、移動および揺動する。この主軸ヘッド３６に取り付けられた機内ロボット２０は、必要に応じて、加工の補助や、センシング、補助的作業等を行う。このとき、機内ロボット２０は、必要に応じて、各関節４４を動かして、エンドエフェクタ４６の位置および姿勢を変化させる。特に、本実施形態では、エンドエフェクタ４６が対象物にアクセスするときの位置や向きに応じて、機内ロボット２０を、工具回転軸Ｒｔを中心として回転させることができる。別の言い方をすれば、機内ロボット２０は、工具回転軸Ｒｔを中心として、主軸ヘッド３６の周囲を移動できる。なお、以下の説明において、「アクセスする」とは、機内ロボット２０が、機内ロボット２０の動作の目的を達成できる位置まで対象物に接近することを意味する。したがって、機内ロボット２０のエンドエフェクタ４６が、接触して温度を検知する温度センサである場合、「アクセスする」とは、当該エンドエフェクタ４６が対象物に接触する位置まで接近することである。また、エンドエフェクタ４６が、非接触で温度を検知する温度センサである場合、「アクセスする」とは、当該エンドエフェクタ４６が対象物の温度が検知できる位置まで対象物に接近することである。

本実施形態では、エンドエフェクタ４６を、回転工具１００近傍に位置する対象物（例えばワーク１１０）に、Ｚ軸方向プラス側から、アクセスさせたい場合、図２に示すように、第二アーム４２ｂが主軸ヘッド３６よりもＺ軸方向プラス側に位置するように、連結機構４０を回転させる。一方、エンドエフェクタ４６を、回転工具１００近傍に位置する対象物に、Ｙ軸方向プラス側からアクセスさせたい場合、図３に示すように、第二アーム４２ｂが主軸ヘッド３６よりもＹ軸方向プラス側に位置するように、連結機構を回転させる。また、エンドエフェクタ４６を使用しない場合には、図４、図５に示すように、第一〜第三関節４４ａ〜４４ｃを駆動し、エンドエフェクタ４６を、ワーク１１０や工具１００，１０２と干渉しない位置に移動させる。

こうした機内ロボット２０は、種々の用途に用いることができる。例えば、機内ロボット２０は、ワーク１１０を加工している間、当該加工を補助してもよい。具体的には、例えば、機内ロボット２０は、加工中、ワーク１１０および工具１００，１０２の少なくとも一方を、支持する。これにより、低剛性のワーク１１０／工具１００，１０２の振動等を抑制できる。また、別の形態として、機内ロボット２０は、加工中、ワーク主軸装置１４に替わって、ワーク１１０を保持してもよい。これにより、加工中、ワーク１１０の姿勢を自由に変化させることができ、複雑な形状の加工が可能になる。また、別の形態として、機内ロボット２０は、加工中、ワーク１１０や工具１００，１０２に振動を付与するようにしてもよい。これにより、振動を付与しながら切削を行う特殊な加工が可能となる。さらに、別の形態として、機内ロボット２０は、加工中、冷却用の流体（切削油、切削水）や、切粉除去のためのエアを放出してもよい。その位置や姿勢を自由に変更できる機内ロボット２０で冷却用流体またはエアを放出すれば、ワーク１１０および工具１００，１０２の切削性や温度を、より自由にコントロールできる。

また、機内ロボット２０は、例えば、ワーク１１０を加工している間、または、加工の前後において、各種センシングを行ってもよい。具体的には、例えば、機内ロボット２０で、切削状態（加工面精度や切粉の状態）を監視してもよい。また、別の形態として、機内ロボット２０は、加工中に、ワーク１１０や、工具１００，１０２の状態、例えば、温度や振動、ひずみ等をセンシングし、制御装置３４に出力してもよい。この場合、制御装置３４は、機内ロボット２０で検知された情報に基づいて、必要であれば、各種加工条件（送り速度や回転速度等）を変更することが望ましい。また、機内ロボット２０は、加工の開始前、または、終了後に、ワーク１１０の形状を計測する構成としてもよい。加工開始前にワーク１１０の形状を計測することで、ワーク１１０の取付間違いを確実に防止できる。また、加工開始後にワーク１１０の形状を計測することで、加工結果の良否を判定することができる。また、別の形態として、機内ロボット２０は、例えば、加工の開始前、または、終了後に、工具１００，１０２の状態（摩耗量や突き出し量等）を計測してもよい。

さらに、機内ロボット２０は、例えば、加工に直接関係ない作業を行ってもよい。具体的には、機内ロボット２０は、加工中、または加工の完了後に、加工室内に飛散した切粉を回収する清掃作業を行ってもよい。また、別の形態として、機内ロボット２０は、加工を行っていない期間中に、工具の点検（摩耗の有無や突き出し量の確認等）や、工作機械１０の可動部の点検を行ってもよい。

さらに、機内ロボット２０は、従来、機外ロボットが行っていた作業を、加工中または加工の完了後に、行うようにしてもよい。例えば、機内ロボット２０は、ワーク１１０に対して付加的な加工（バリ取り加工や金型の磨き加工のような除去加工、表面改質、付加加工等）を行ってもよい。また、機内ロボット２０は、ワーク１１０や工具１００，１０２の搬送や、交換、段取等を行ってもよい。また、機内ロボット２０は、各種部品の検査や組み立て等を行ってもよい。

以上の通り、機内ロボット２０は、種々の用途に用いることができる。機内ロボット２０に設けるエンドエフェクタ４６の種類は、機内ロボット２０に要求される用途に応じて選定されればよい。ところで、こうした機内ロボット２０を使用する場合、機内ロボット２０は、少なくとも、加工に用いられるワーク１１０および回転工具１００にアクセスできることが望ましく、加工室内の大部分にアクセスできれば、より望ましい。また、工作機械が、転削機能と旋削機能とを備えた複合加工機の場合、機内ロボット２０は、旋削工具１０２にもアクセスできることが望ましい。機内ロボット２０のアクセス範囲を広げるために、機内ロボット２０そのものの可動範囲（すなわち、連結機構４０に対するエンドエフェクタ４６の可動範囲）を広げようとした場合、機内ロボット２０の可動機構が大きくなる。その結果、機内ロボット２０の大型化を招き、他部材との干渉等の問題を招く。また、機内ロボット２０が大型化することで、これを駆動するためのモータ等のアクチュエータも大型化し、機内ロボット２０全体としての大重量化、コストアップ等の問題も招く。

本実施形態では、既述した通り、機内ロボット２０を工具主軸装置１６に取り付けている。工具主軸装置１６は、周知の通り、ワーク１１０を加工するための回転工具１００を保持している。そして、通常、回転工具１００によるワーク１１０の加工を実現するために、工具主軸装置１６は、回転工具１００が、適宜、ワーク１１０にアクセスできるように、ワーク主軸装置１４に対して相対移動できる。したがって、この工具主軸装置１６に機内ロボット２０を取り付ければ、機内ロボット２０そのものの可動範囲が小さくても、機内ロボット２０を、回転工具１００およびワーク１１０の近傍に、位置させることができる。その結果、可動範囲の小さい、比較的小型の機内ロボット２０でも、加工中の回転工具１００およびワーク１１０に確実にアクセスさせることができる。また、機内ロボット２０を工具主軸装置１６に取り付けることで、機内ロボット２０そのものの可動範囲が小さくても、機内ロボット２０のワーク１１０に対する可動範囲を大きくすることができる。

さらに、本実施形態では、工具主軸装置１６は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向への直線移動と、Ｙ軸方向の軸回りの揺動とが可能となっている。このように、加工室内で移動可能な工具主軸装置１６に機内ロボット２０を取り付けることで、機内ロボット２０を、ワーク１１０や工具１００，１０２だけでなく、加工室内の広い範囲にアクセスさせることができる。その結果、機内ロボット２０で、加工室の清掃や、ワーク１１０の搬入出等、様々な作業を行うことができる。さらに、加工室の端部等、加工の邪魔にならない位置に、機内ロボット２０の点検や清掃のための装置を設けておけば、必要に応じて、工具主軸装置１６ごと機内ロボット２０を移動させて、当該機内ロボット２０の点検や清掃を行うこともできる。

また、本実施形態では、機内ロボット２０が工具回転軸Ｒｔを中心として、主軸ヘッド３６の周囲を移動できるように、機内ロボット２０を主軸ヘッド３６に取り付けている。そのため、機内ロボット２０の可動範囲を小さくしても、機内ロボット２０のアクセス方向や位置を大きく変更できる。これについて図８、図９を参照して説明する。図８、図９は、多関節型の機内ロボット２０を、主軸ヘッド３６のＺ軸方向プラス側の側面に固着した場合、すなわち、機内ロボット２０が、工具回転軸Ｒｔ回りに回転移動できない場合を示す図である。主軸ヘッド３６のＺ軸方向プラス側の側面に固着された機内ロボット２０で、Ｚ軸方向マイナス側から回転工具１００にアクセスする場合を考える。この場合、図８に示すように、機内ロボット２０は、主軸ヘッド３６の前方を横断して、主軸ヘッド３６よりもＺ方向マイナス側位置まで延びる必要がある。そのため、この機内ロボット２０は、本実施形態の機内ロボット２０に比して、各アーム４２の長さ、ひいては、機内ロボット２０全体のサイズが大幅にアップしている。

この機内ロボット２０で、Ｚ軸方向プラス側から回転工具１００にアクセスする場合を考える。この場合、図９に示すように、機内ロボット２０の第一、第二アーム４２ａ，４２ｂを折り畳む必要があるが、第一、第二アーム４２ａ，４２ｂが比較的長い。そのため、これら第一、第二アーム４２ａ，４２ｂを折り畳んでも、Ｚ方向プラス側への突出量が大きくなる。このように機内ロボット２０の突出量が大きくと、その分、他部材への干渉が生じやすくなる。また、大きく突出した機内ロボット２０と、他部材との干渉を避けるために、工具主軸装置１６の可動範囲を大幅に制限する必要も生じる。さらに、大型で重量のあるアーム４２を駆動するためのトルクが増加するため、各関節４４に設けるモータ等のアクチュエータを大型にする必要がある。

一方、本実施形態の機内ロボット２０は、繰り返し述べたように、工具回転軸Ｒｔ回りに回転できる。そのため、図２〜図５に示すように、比較的小型の機内ロボット２０でも、そのアクセスの向きやエンドエフェクタ４６の位置を自由に変更でき、機内ロボット２０の突出量を小さく抑えることができる。結果として、機内ロボット２０と他部材との干渉を効果的に防止し、さらに、工具主軸装置１６の可動範囲も広げることができる。また、アーム４２を小型化できるため、各アーム４２を駆動するためのトルクも低減でき、各関節４４に設けるモータ等のアクチュエータの小型化も可能となる。

なお、これまで説明した機内ロボット２０の構成は、一例である。機内ロボット２０は、工具回転軸Ｒｔを中心として、工具主軸装置１６の周囲を移動できる状態で、工具主軸装置１６に取り付けられているのであれば、その他の構成は、限定されない。したがって、機内ロボット２０の関節４４やアーム４２の数、揺動の方向等は、適宜、変更されてもよい。

例えば、機内ロボット２０でワーク１１０搬送を行う場合には、図６、図７に示すように、第一アーム４２ａと、ハンド形式のエンドエフェクタ４６と、第一関節４４ａと、を備えた構成としてもよい。ワーク１１０を搬送する場合、機内ロボット２０は、工具主軸３８や回転工具１００に対して、様々な姿勢を取る必要がないため、機内ロボット２０の関節４４の数を少なくすることが可能となる。特に、主軸ヘッド３６が、揺動可能である場合には、主軸ヘッド３６そのものの自由度が高くなるため、機内ロボット２０の関節４４の数が少なくても、エンドエフェクタ４６の自由度を高くすることができる。また、旋削においては、加工の途中でワーク１１０を反転させたい場合も多い。かかる旋削機能を備えた複合加工機の場合において、ハンド形式のエンドエフェクタ４６を有した機内ロボット２０を設けると、機内ロボット２０の公転移動を利用して、ワーク１１０の反転を容易に行うことができる。

また、機内ロボット２０は、１以上のアーム、１以上の関節を備えたアーム型ロボットであることが望ましいが、他の形式のロボットでもよい。したがって、機内ロボット２０は、例えば、２軸または３軸の直交するスライド軸により構成される直交ロボットや、パラレルメカニズムを用いたパラレルリンクロボット等でもよい。また、機内ロボット２０の移動（公転）の中心軸は、工具回転軸Ｒｔと厳密に一致している必要はなく、若干のズレがあってもよい。また、連結機構４０は、機内ロボット２０が工具回転軸Ｒｔを中心として工具主軸装置１６の周囲を移動できるように、機内ロボット２０を工具主軸装置１６に取り付けるのであれば、他の構成でもよい。例えば、連結機構４０は、ベアリングに替えて、主軸ヘッド３６の周囲に配された略環状または略矩形状のレールを備えた構成でもよい。この場合、機内ロボット２０は、レールに沿って移動可能に構成される。また、連結機構４０は、機内ロボット２０と別体でもよいし、機内ロボット２０と一体化されていてもよい。機内ロボット２０の主要な部分が、工具回転軸Ｒｔを中心として、工具主軸装置１６の周囲を移動できる構成であればよい。

また、これまでの説明では、回転工具１００を保持する工具主軸装置１６を有する複合加工機を例に挙げて説明したが、本実施形態の技術は、他の工作機械に適用されてもよい。本実施形態の機内ロボットは、刃物台やワーク主軸装置を有さない、マシニングセンタやフライス盤に搭載されてもよい。また、別の形態として、本実施形態の機内ロボットは、規定の放射軸方向に、エネルギまたは材料を放射して、ワークを造形する工作機械に設けられてもよい。エネルギを放射する工作機械としては、例えば、ウォータジェット加工機、レーザ加工機、放電加工機等が挙げられる。材料を放射する工作機械としては、３Ｄプリンタに代表される積層造形機が挙げられる。こうした工作機械は、エネルギまたは材料を規定の放射軸向に放射する放射ヘッドが設けられている。この場合、連結機構は、放射軸を中心として、機内ロボットが放射ヘッドの周囲を移動できるように、機内ロボットを放射ヘッドに取り付ける。また、工具主軸装置や放射ヘッドに取り付けられる機内ロボットは、一つに限らず、複数でもよい。

１０工作機械、１２本体部、１４ワーク主軸装置、１６工具主軸装置、１８刃物台、２０機内ロボット、２２基台、２４サドル、２６コラム、２８中台、３０主軸台、３２ワーク主軸、３３チャック、３４制御装置、３６主軸ヘッド、３８工具主軸、４０連結機構、４２アーム、４４関節、４６エンドエフェクタ、１００回転工具、１０２旋削工具、１１０ワーク。

Claims

工具によりワークを切削する工作機械であって、
前記工具を規定の工具回転軸を中心として自転可能に保持する工具主軸装置と、
１以上のロボットと、
前記1以上のロボットが前記工具回転軸を中心として前記工具主軸装置の周囲を前記工具とは独立して移動するべく、前記１以上のロボットを前記工具主軸装置に取り付ける連結機構と、
を備えることを特徴とする工作機械。
請求項１に記載の工作機械であって、
前記ロボットは、前記工具による前記ワークの加工の実行中に、前記工具および前記ワークの少なくとも一方にアクセス可能である、ことを特徴とする工作機械。
請求項１または２に記載の工作機械であって、
前記ロボットは、前記工具による前記ワークの加工の補助、前記加工中における前記工具または前記ワークに関するセンシング、および、付加的な加工の少なくとも一つを行う、ことを特徴とする工作機械。
請求項１から３のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記ロボットは、
対象物に働きかける１以上のエンドエフェクタと、
前記１以上のエンドエフェクタを支持する１以上のアームと、
前記１以上のアームの端部に設けられる１以上の関節と、
を備えたアーム型ロボットである、
ことを特徴とする工作機械。
請求項１から４のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記工具主軸装置は、前記工具回転軸に直交する軸を中心として揺動可能である、ことを特徴とする工作機械。
請求項１から５のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記ロボットが、前記工具またはワークを把持可能な把持部を備える、ことを特徴とする工作機械。
請求項１から６のいずれか１項に記載の工作機械であって、
前記工作機械が、前記ワークを旋削する旋盤機能を備えた複合加工機であり、
前記ワークを自転可能に保持するワーク主軸装置と、
前記自転するワークを旋削する旋削工具を保持する刃物台と、
を有する、ことを特徴とする工作機械。
請求項７に記載の工作機械であって、
前記ロボットは、前記旋削工具による旋削加工中に、前記ワークおよび旋削工具の少なくとも一方にアクセス可能である、ことを特徴とする工作機械。
規定の放射軸方向に、エネルギまたは材料を放射して、ワークを造形する工作機械であって、
前記エネルギまたは材料を前記放射軸方向に放射する放射ヘッドと、
１以上のロボットと、
前記1以上のロボットが前記放射軸を中心として前記放射ヘッドの周囲を移動するべく、前記１以上のロボットを前記放射ヘッドに取り付ける連結機構と、
を備えることを特徴とする工作機械。