JP5345376B2

JP5345376B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP5345376B2
Application number: JP2008311375A
Authority: JP
Inventors: 亮高瀬; 康司廣島; 圭輔塩崎
Original assignee: Komatsu NTC Ltd
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2028-12-05
Also published as: JP2010131724A

Description

本発明は、マシニングセンタ等の工作機械に関する。

マシニングセンタの主軸装置に設けられた工具ホルダのクランプ機構において、工具交換時のアンクランプ動作に油圧を利用した従来技術の一例として特許文献１が挙げられる。同文献の図２には、主軸装置の内部に、ピストンを挟んで前部油室と後部油室とが形成される油圧シリンダを設け、油圧ポンプから各油室への圧油の供給を電磁弁を用いて切り替えることでクランプ機構を作動させる技術が記載されている。

また、主軸装置のクランプ機構に関するものではないが、テーブル上のワークに対してのクランプ機構の従来技術が特許文献２に記載されている。同文献には、ワークの加工作業を行う前段階において、主軸装置またはテーブルを移動させて流体圧発生機構を駆動してワークをクランプし、同様にワークの加工作業を終了した段階で主軸装置またはテーブルを移動させて流体圧発生機構を駆動してワークをアンクランプする技術が記載されている。

特開２００２−６６８１４号公報（段落[００２２]〜[００２６]、図２）特開２００７−２６８６８４号公報（段落[００３６]、[００３９]、[００５２]、[００５３]）

特許文献１の技術は、油圧の駆動源として油圧ポンプを用いており、この油圧ポンプを回転させるモータも要することから、油圧ユニット自体のコストが嵩むことは勿論、これらの油圧ユニットはマシニングセンタのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸動作から独立して設けられるため、工具交換時に主軸装置をマガジン寄りで移動停止させる動作とクランプ機構の動作との同期制御が困難になりやすいという問題がある。勿論、両者の動作間に十分な時間をとれれば問題はないが、その分、工具交換のサイクルタイムが長くなる。

また、油圧シリンダ内を前部油室と後部油室とに分けてそれぞれに圧油を供給する構造のため、圧油の供給を切り替えるための電磁弁が主軸装置から離れた場所に配置されており、その分、コスト高になるとともに、前記したように油圧ユニットがマシニングセンタのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸動作から独立して設けられることに加え電磁弁が離れていることによる応答遅れで前記同期制御が一層困難となりやすい。

なお、特許文献２の技術は、主軸装置の回転力またはテーブルの押圧力を利用して油圧ポンプを作動させるものであるが、油圧ポンプを作動させるにあたっては、主軸装置やテーブルに本来のワーク加工に要する動きとは別の動きをさせる必要がある。したがって、仮に同文献の技術を主軸装置のクランプ機構に用いたとしても、特許文献１と同様、工具交換のサイクルタイムが長くなるものと考えられる。

また、以上の油圧を用いてアンクランプさせる構造の他に、例えば主軸装置がマガジン寄りで移動停止したときに、専用の連結部材をクランプ機構に連結させてアンクランプするなど、主軸装置の移動とクランプ機構の動作とを機械的に連動させる技術も存在するが、機械式の連動構造となるために構造が複雑となりやすく、そのレイアウトも制約を受けやすい。

本発明はこのような課題を解決するために創作されたものであり、油圧により工具ホルダをアンクランプするクランプ機構を備え、工具交換位置と加工位置との間を移動可能な主軸装置を有するマシニングセンタ等の工作機械において、クランプ機構のアンクランプ動作に要する油圧ユニットの低コスト化および主軸装置の移動とクランプ機構のアンクランプ動作との同期の簡略化を図ることを目的としている。

前記課題を解決するため、本発明は、油圧により工具ホルダをアンクランプするクランプ機構を備え、工具交換位置と加工位置との間を移動可能な主軸装置を有する工作機械であって、前記主軸装置に連結され該主軸装置の工具交換位置への移動動作に連動して油圧を発生する油圧発生手段を備え、該油圧発生手段からの油圧により前記クランプ機構のアンクランプ動作を行う構成とし、前記油圧発生手段は、前記主軸装置の移動荷重を受けてロッドが縮退する第１油圧シリンダからなり、前記主軸装置は、ドローバーを押圧して前記クランプ機構をアンクランプ状態とする第２油圧シリンダを有し、前記両油圧シリンダの各油室を一つの管路で連通する構成とし、前記第２油圧シリンダは、シリンダの内壁部に摺接する大径部と、この大径部を挟んで形成される一対の小径部とを有したピストンを備え、一方の小径部側に油室が形成されるとともに他方の小径部側にエア室が形成され、前記エア室に外部から常時エア圧をかける構成としたことを特徴とする。

本発明によれば、主軸装置の工具交換位置への移動動作を利用してアンクランプ動作を行うため、主軸装置の移動とクランプ機構の動作とを同期させるための複雑な電気制御を要しない。また、主軸装置の移動動作がそのまま油圧の駆動源となるので省エネルギ化が図れる。主軸装置の工具交換位置への移動動作に連動してアンクランプ動作が行われるため、両者間に同期のずれはほとんど生じず、したがって、工具交換のサイクルタイムの短縮化が可能となる。

そして、本発明によれば、比較的高価な油圧ポンプユニットを利用した従来技術に比して、低コストで簡易な構成の油圧回路を構築できる。さらに、両油圧シリンダ間の圧油の流れは一つの管路で賄えるため、圧油供給の切り替え用電磁弁を要しない。管路の引き回しは容易なため、主軸装置の移動とクランプ機構の動作とを機械的に連動させた技術に比して、レイアウト設計の自由度も大きくなる。

そして、本発明によれば、圧油が第２油圧シリンダから第１油圧シリンダに流入するときの、すなわちクランプ機構がクランプ状態となるときのピストンの移動を素早く行わせることができる。また、第２油圧シリンダのエア室にかかるエア圧によりピストンをクランプ状態の側に位置保持させることができる。

また、本発明は、前記第１油圧シリンダと前記第２油圧シリンダとの間の油圧の閉回路において圧油の流量が不足したときに、前記第２油圧シリンダに圧油を補充する圧油補充手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、常に閉回路内の圧油の流量が一定に保たれ、ピストンの位置決めが正確となる。

図１は本発明を適用した横型のマシニングセンタの構成図である。マシニングセンタ１は、側面視コ字形状を呈した機台フレーム２を有し、この機台フレーム２の上下のフレーム間にわたりモータＭを回転駆動源とするボールねじシャフト３が鉛直状に設けられている。ボールねじシャフト３には、図示しない規制部材によって回転が規制され、ナット４の送りねじ作用によって上下に昇降するＹ軸サドル５が取り付けられている。

Ｙ軸サドル５にはガイドレール６を介してＸ軸方向（主軸装置１０の左右方向）に移動するＸ軸サドル７が取り付けられ、このＸ軸サドル７に一体に設けた取付台８にはガイドレール９を介してＺ軸方向（主軸装置１０の軸方向）に移動する主軸装置１０が搭載置されている。図では主軸装置１０の外郭筐体を二点鎖線にて示している。また、Ｘ軸サドル７、主軸装置１０を移動させる各駆動源は図では省略している。主軸装置１０の上方には、工具ホルダ１１付きの状態で工具Ｔを格納するマガジン１２が位置しており、マガジン１２に近い位置に設定された工具交換位置Ｐ_１において、図示しないＡＴＣ（自動工具交換装置）により主軸装置１０とマガジン１２との間で工具Ｔの自動交換が行われる。

主軸装置１０の内部には図示しない軸受により主軸１３（一部図示せず）が回転可能に保持されている。主軸１３の内部には皿ばね等の付勢部材１４によって常時付勢されたドローバー１５が挿通されており、このドローバー１５の先端にはプルスタッド１１ａを介して工具ホルダ１１を引き込むコレットチャック１６が組み付けられている。

付勢部材１４の付勢力によってドローバー１５が後退すると、コレットチャック１６の先端部が主軸１３の内周面に押圧されて縮径し、プルスタッド１１ａに係止することで工具ホルダ１１を引き込み、主軸１３と工具ホルダ１１の各シャンク面同士を密着させるクランプ状態となる。そして、付勢部材１４の付勢力に抗してドローバー１５が後記する第２油圧シリンダ２４のピストン２５によって押圧されて前進すると、コレットチャック１６の先端部が主軸１３の内周面から解放されて拡径し、プルスタッド１１ａの係止状態を解いたアンクランプ状態となる。以上の付勢部材１４、ドローバー１５、コレットチャック１６、第２油圧シリンダ２４が、油圧により工具ホルダ１１をアンクランプするクランプ機構１７を構成する。

本発明は、主軸装置１０の工具交換位置Ｐ_１への移動動作に連動して油圧を発生する油圧発生手段２１を備え、この油圧発生手段２１からの油圧によりクランプ機構１７のアンクランプ動作を行う構成としたことを主な特徴とする。

本実施形態の油圧発生手段２１は、主軸装置１０のＹ軸方向の移動荷重を受けてロッド２２ａが縮退する第１油圧シリンダ２２からなる。第１油圧シリンダ２２はロッド２２ａ側を下向きにして機台フレーム２に鉛直状に取り付けられる。一方、ナット４には押圧ブラケット２３が取り付けられており、主軸装置１０の上昇に伴い、押圧ブラケット２３が先端部２２ｂを押圧しロッド２２ａを第１油圧シリンダ２２内に縮退させることで、第１油圧シリンダ２２が作動する。「主軸装置１０の移動荷重」とは、勿論、主軸装置１０に取り付けた工具ホルダ１１をマガジン１２との間で交換することを目的とした主軸装置１０の移動に伴う荷重であって、ワーク加工時における主軸装置１０の移動の荷重は含まれない。本実施形態では、主軸装置１０を上方のマガジン１２に近づけるべく上昇させる方向、すなわちＹ軸方向を前記「主軸装置１０の移動荷重」の方向としている。

また、ロッド２２ａを常に伸長方向に付勢する部材として、第１油圧シリンダ２２の筐体と先端部２２ｂとの間に圧縮コイルばね２２ｃが設けられている。本実施形態では、ロッド２２ａが鉛直下向きに延設されているため、圧縮コイルばね２２ｃに代えて、先端部２２ｂに錘機能を付加して重力によりロッド２２ａを常に伸長方向に付勢させることもできる。勿論、両者を併用してもよい。

第１油圧シリンダ２２は、可撓の油圧ホース等からなる管路Ｔ１を介して、主軸装置１０に内蔵された第２油圧シリンダ２４と連通している。第２油圧シリンダ２４のピストン２５は、その摺動方向中央部において第２油圧シリンダ２４の内壁部に摺接する大径部２５ａと、この大径部２５ａを挟んで形成される第１小径部２５ｂ、第２小径部２５ｃとを有した形状からなる。第１小径部２５ｂがドローバー１５寄りに位置する。符号２６はシール材である。

ピストン２５の大径部２５ａを挟み、第２小径部２５ｃ側には、第２油圧シリンダ２４の内壁部と第２小径部２５ｃとによって環状空間の油室２７が形成され、第１小径部２５ｂ側には、第２油圧シリンダ２４の内壁部と第１小径部２５ｂとによって環状空間のエア室２８が形成される。管路Ｔ１はポート２９を介して油室２７に臨む。また、エア室２８には可撓のエアホース等からなる管路Ｔ２を介してポート３０から常時エア圧がかかっている。

第１油圧シリンダ２２、管路Ｔ１および第２油圧シリンダ２４からなる油圧の閉回路において油漏れ等により圧油が満たされなくなると、ピストン２５の正確な位置決めが行えないおそれがある。そこで、本実施形態では、油室２７に圧油を補充し得る圧油補充手段３１を設けてあり、具体的には油室２７にポート３２を形成し、このポート３２と油タンク３３とを連通する可撓の油圧ホース等からなる管路Ｔ３にチェック弁３４を介設した構成としている。また、ポート３２とチェック弁３４との間の管路Ｔ３において、油タンク３３に連通する管路Ｔ４を分岐形成し、この管路Ｔ４にリリーフ弁３５を介設している。

例えば、仮にリリーフ弁３５の設定圧力値を３．５ＭＰａとし、圧油を順方向にチェック弁３４より流すために要する差圧（クラッキング圧力）を０．５ＭＰａとすると、管路Ｔ３の油圧が３．５ＭＰａに達し、第１油圧シリンダ２２の油室３６（図２）の油圧が３．０ＭＰａ以下であるとき、チェック弁３４が開いて油タンク３３からの圧油が第２油圧シリンダ２４に補充される。

図２は本発明の作用説明図であり、（ａ）、（ｂ）はそれぞれクランプ機構１７のクランプ状態、アンクランプ状態を示している。本図および図１を参照して本発明の作用を説明する。ワーク加工時等には主軸装置１０が下方の加工位置Ｐ_２に位置し、押圧ブラケット２３も下方に位置するため、圧縮コイルばね２２ｃの付勢力により、さらに第２油圧シリンダ２４のエア室２８にエアが供給されていることにより、図２（ａ）に示すように、第１油圧シリンダ２２においては、ロッド２２ａが伸張して油室３６が圧油に満たされ、第２油圧シリンダ２４においては、ピストン２５が、その第２小径部２５ｃの端面が第２油圧シリンダ２４に当接することにより図２におけるストローク最右端に位置し、エア室２８内のエア圧によって位置保持されている。

この状態ではドローバー１５とピストン２５とが互いに干渉しない位置となり、前記したように付勢部材１４の付勢力によってドローバー１５が後退し、コレットチャック１６の先端部が主軸１３の内周面に押圧されて縮径し、プルスタッド１１ａに係止して工具ホルダ１１をクランプする。

そして、マガジン１２に工具ホルダ１１を格納するべく主軸装置１０が工具交換位置Ｐ_１へ向かって上昇すると、押圧ブラケット２３が圧縮コイルばね２２ｃの付勢力およびエア室２８のエア圧に抗してロッド２２ａを押圧することにより、圧油が第１油圧シリンダ２２側から第２油圧シリンダ２４側に流入する。主軸装置１０が最上昇位置に達した段階では、図２（ｂ）に示すように、第２油圧シリンダ２４のピストン２５がストローク最左端に位置し、付勢部材１４の付勢力に抗してドローバー１５を押圧する。これにより、前記したようにドローバー１５が前進してコレットチャック１６の先端部が主軸１３の内周面から解放されて拡径し、プルスタッド１１ａの係止状態が解かれ、アンクランプ状態となる。

なお、以上の構成において、第２油圧シリンダ２４の油室２７の油容積は第１油圧シリンダ２２の油室３６の油容積よりも小さく設定されており、その差分はリリーフ弁３５において油抜きおよび油中のエア抜きとして処理している。

以上のように、工具交換位置Ｐ_１へ向かう主軸装置１０の移動動作に連動して油圧を発生する油圧発生手段２１を備え、この油圧発生手段２１からの油圧によりクランプ機構１７のアンクランプ動作を行う構成とすれば、主軸装置１０の移動動作を利用してアンクランプ動作を行うため、主軸装置１０の移動とクランプ機構１７の動作とを同期させるための複雑な電気制御を要しない。また、主軸装置１０の移動動作がそのまま油圧の駆動源となるので省エネルギ化が図れる。主軸装置１０の工具交換位置Ｐ_１への移動動作に連動してアンクランプ動作が行われるため、両者間に同期のずれはほとんど生じず、したがって、ＡＴＣ（自動工具交換装置）における工具交換のサイクルタイムの短縮化が可能となる。

また、油圧発生手段２１を、主軸装置１０の移動荷重を受けてロッド２２ａが縮退する第１油圧シリンダ２２から構成し、一方、主軸装置１０においては、ドローバー１５を押圧してクランプ機構１７をアンクランプ状態とする第２油圧シリンダ２４を設け、第１油圧シリンダ２２、第２油圧シリンダ２４の各油室３６、２７を一つの管路Ｔ１で連通する構成とすれば、比較的高価な油圧ポンプユニットを利用した従来技術に比して、低コストで簡易な構成の油圧回路を構築できる。さらに、両油圧シリンダ間の圧油の流れは一つの管路Ｔ１で賄えるため、特許文献１に記載される圧油供給の切り替え用電磁弁を要しない。管路Ｔ１の引き回しは容易なため、主軸装置の移動とクランプ機構の動作とを機械的に連動させた技術に比して、レイアウト設計の自由度も大きくなる。

また、第２油圧シリンダ２４において、大径部２５ａと、この大径部２５ａを挟んで形成される第１小径部２５ｂ、第２小径部２５ｃとを形成したピストン２５を設け、一方の第２小径部２５ｃ側に油室２７を形成するとともに他方の第１小径部２５ｂ側にエア室２８を形成し、エア室２８に外部から常時エア圧をかける構成とすれば、圧油が油室２７から第１油圧シリンダ２２の油室３６に流入するときの、すなわちクランプ機構１７がクランプ状態となるときのピストン２５の移動を素早く行わせることができる。また、第２油圧シリンダ２４のエア室２８にかかるエア圧によりピストン２５をクランプ状態の側に位置保持させることができる。

また、第１油圧シリンダ２２と第２油圧シリンダ２４との間の油圧の閉回路において圧油の流量が不足したときに、第２油圧シリンダ２４に圧油を補充する圧油補充手段３１を設ければ、常に閉回路内の圧油の流量が一定に保たれ、ピストン２５の位置決めが正確となる。

以上、本発明の最良の形態について説明した。説明した形態では、主軸装置１０の上昇に伴って第２油圧シリンダ２４の油室２７に圧油が随時流入し、ピストン２５が移動する構造である。この構造では、ピストン２５とドローバー１５との位置関係を適宜に設定することにより、主軸装置１０が最上昇位置に達する直前辺りでコレットチャック１６を拡径させアンクランプ状態とすることが可能であるが、場合によっては管路Ｔ１などにタイミング調整用の開閉バルブを介設し、主軸装置１０が最上昇位置に達してから開閉バルブを開いて圧油を第２油圧シリンダ２４に流入させ、アンクランプ状態とする構成にしてもよい。また、油圧発生手段２１を作動させる主軸１０の移動荷重の方向はＹ軸方向に限られず、工作機械の仕様に合わせてＸ軸、Ｚ軸方向にしてもよい。

また、本発明は、ＡＴＣにより主軸装置とマガジンとの間で工具の自動交換を行う機種に限定されることはなく、主軸装置が工具交換位置に達した後に手動で工具ホルダを外す機種の工作機械においても適用可能である。

本発明を適用した横型のマシニングセンタの構成図である。本発明の作用説明図であり、（ａ）、（ｂ）はそれぞれクランプ機構のクランプ状態、アンクランプ状態を示す。

符号の説明

１マシニングセンタ（工作機械）
１０主軸装置
１１工具ホルダ
１２マガジン
１５ドローバー
１７クランプ機構
２１油圧発生手段
２２第１油圧シリンダ
２３押圧ブラケット
２４第２油圧シリンダ
２５ピストン
２７油室（第２油圧シリンダ）
３１圧油補充手段
３３油タンク
３４チェック弁
３５リリーフ弁
３６油室（第１油圧シリンダ）
Ｔ工具
Ｔ１〜Ｔ４管路
Ｐ_１工具交換位置
Ｐ_２加工位置

Claims

油圧により工具ホルダをアンクランプするクランプ機構を備え、工具交換位置と加工位置との間を移動可能な主軸装置を有する工作機械であって、
前記主軸装置に連結され該主軸装置の工具交換位置への移動動作に連動して油圧を発生する油圧発生手段を備え、
該油圧発生手段からの油圧により前記クランプ機構のアンクランプ動作を行う構成とし、
前記油圧発生手段は、前記主軸装置の移動荷重を受けてロッドが縮退する第１油圧シリンダからなり、
前記主軸装置は、ドローバーを押圧して前記クランプ機構をアンクランプ状態とする第２油圧シリンダを有し、
前記両油圧シリンダの各油室を一つの管路で連通する構成とし、
前記第２油圧シリンダは、シリンダの内壁部に摺接する大径部と、この大径部を挟んで形成される一対の小径部とを有したピストンを備え、
一方の小径部側に油室が形成されるとともに他方の小径部側にエア室が形成され、
前記エア室に外部から常時エア圧をかける構成としたことを特徴とする工作機械。
前記第１油圧シリンダと前記第２油圧シリンダとの間の油圧の閉回路において圧油の流量が不足したときに、前記第２油圧シリンダに圧油を補充する圧油補充手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
油圧により工具ホルダをアンクランプするクランプ機構を備え、工具交換位置と加工位置との間を移動可能な主軸装置を有する工作機械であって、
前記主軸装置に連結され該主軸装置の工具交換位置への移動動作に連動して油圧を発生する油圧発生手段を備え、
該油圧発生手段からの油圧により前記クランプ機構のアンクランプ動作を行う構成とし、
前記油圧発生手段は、前記主軸装置の移動荷重を受けてロッドが縮退する第１油圧シリンダからなり、
前記主軸装置は、ドローバーを押圧して前記クランプ機構をアンクランプ状態とする第２油圧シリンダを有し、
前記両油圧シリンダの各油室を一つの管路で連通する構成とし、
前記第１油圧シリンダと前記第２油圧シリンダとの間の油圧の閉回路において圧油の流量が不足したときに、前記第２油圧シリンダに圧油を補充する圧油補充手段を設けたことを特徴とする工作機械。