JP5563632B2 - 割出テーブルを備えた工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、主軸動力により駆動する割出テーブルを備えた工作機械に関する。

マシニングセンタ等の工作機械は、工具を回転させる主軸、ワークの位置決めを行うための移動軸、或いは自動工具交換装置の回転軸など、複数の回転軸により構成される。各軸はそれぞれ専用の駆動源で駆動される場合が多く、この場合、軸数分だけ機械重量が大きくなるほか、コストアップに繋がる。そこで、他の軸移動と同期する必要が無い割出軸においては、専用の動力源を省略し、工作機械の主軸動力を動力源として利用する割出装置が知られている。

特許文献１では、主軸端面およびマガジン外周に設けられた歯車を噛み合わせることで、主軸動力によりマガジンの割出しを行う自動工具交換装置が示されている。
特許文献２では、主軸に設けた歯車と、この主軸と平行なクランプ軸に設けられた歯車を噛み合わせて、クランプ軸の端のクランプ爪を回転させることにより、主軸に装着されるアタッチメントを固定するアタッチメントクランプ装置が示されている。

また、ワークの多面加工を行う多軸加工機においては、ワークの割出動作を主軸動力を利用して行う割出テーブルが知られている。
特許文献３には、主軸端面と連結可能なカップリングおよびそのカップリングに連結した回転伝達手段を介してウォーム軸に動力を伝達し、ウォームおよびウォームホイールにより任意方向に割出可能な割出テーブルが開示されている。この割出テーブルは、割出軸を駆動させる際には、主軸は工具を把持しない状態とし、主軸の回転軸とカップリングの回転軸とを一致させたうえで連結する。

特許文献４，５，６には、工作機械の主軸に駆動用特殊工具を装着し、工具先端部のクラッチをカップリングに連結して駆動する方式が開示されている。割出軸を駆動させる際には、やはり主軸の回転軸とカップリングの回転軸とを一致させる必要がある。

特開昭５８−０４５８３９号公報 実開昭５９−１６７６３３号公報 実開昭６３−１１３５４２号公報 特許第３０６１２０９号公報 特開平８−１５０５４２号公報 特公平２−３２０８７号公報

特許文献３〜６に共通する問題として、主軸に加工工具が取り付けられている場合、割出動作を行うには、一旦、加工工具を主軸から取り外さなければならない。したがって専用動力を持つ割出軸と比較すると、割出動作のために最低１回の工具交換動作が必要となり、工数が増加し加工時間の増加の要因となる。さらに、特許文献４〜６においては、工具交換に使用する駆動用特殊工具をストックする必要があるため、その分加工に使用できる工具本数が少なくなる。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、割出動作を行うための工具交換動作を行う必要がない主軸動力により駆動する割出テーブルを備えた工作機械を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、主軸動力を利用して割出テーブルの割出軸を駆動する割出テーブルを備えた工作機械において、加工工具を回転させる主軸と、前記主軸の端面に設けられ該主軸と同軸同期回転可能な主軸ギアと、前記主軸ギアと噛合可能な割出軸駆動ギアにより前記主軸の回転動力を受け、ワークの姿勢を変化させる割出テーブルと、前記主軸または前記割出テーブルの少なくとも一方を前記主軸ギアと前記割出軸駆動ギアとが噛み合い割出動作を行う割出領域、および、加工工具によりワークの加工を行う加工領域へ相対移動させる移動機構と、前記割出軸駆動ギアの回転を防止するクランプ機構と、前記主軸ギアと前記移動機構を駆動制御して割出動作を実行する数値制御装置と、を有する割出テーブルを備えた工作機械であって、前記主軸に加工工具を把持したまま前記主軸ギアと前記割出軸駆動ギアとを噛み合わせて割出動作を行うことを特徴とする割出テーブルを備えた工作機械である。

請求項２に係る発明は、前記割出領域と前記加工領域の間の移動経路は、前記主軸に装着されている加工工具または割出テーブルに載置されているワークの形状の少なくとも一方に応じて選択されることを特徴とする請求項１に記載の割出テーブルを備えた工作機械である。
請求項３に係る発明は、前記割出軸駆動ギアへの切粉の付着を防止する防護カバー、または、前記割出軸駆動ギアに付着した切粉を除去するための圧縮空気または切削液を吹きつける切粉除去機構の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１または２の何れか１つに記載の割出テーブルを備えた工作機械である。

請求項４に係る発明は、前記割出テーブルの割出動作完了時の前記主軸の位相を前記数値制御装置の記憶装置に記憶した後に、前記主軸ギアと前記割出軸駆動ギアの噛合を解き、次の割出動作において前記主軸の位相を前記記憶した位相に復帰させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の割出テーブルを備えた工作機械である。
請求項５に係る発明は、前記割出軸駆動ギアの位相が変化したことを検出する回転検出機構を有し、前記加工領域において前記割出軸駆動ギアの位相の変化を検出したとき、次回の割出動作における前記主軸ギアと前記割出軸駆動ギアの割出動作を停止させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の割出テーブルを備えた工作機械である。

本発明により、割出動作を行うための工具交換動作を行う必要がない主軸動力により駆動する割出テーブルを備えた工作機械を提供できる。
そして、請求項１に係る発明は、主軸端面に設けた主軸ギアにより動力伝達を行うため、主軸に加工工具を把持したまま割出動作を行うことができる。このため、従来技術と比較して割出動作を行うための工具交換動作が不要となる。また、割出動作に駆動用特殊工具を使用しないので、工具の使用本数を制限しない。
請求項２に係る発明は、割出領域Ｐ１と加工領域Ｐ２の間の最短経路は加工工具やワークの形状によって干渉領域が異なるため、その都度最短経路を選択することで割出動作に掛ける時間を短縮できる。

請求項３に係る発明は、加工領域Ｐ２中で停止状態にある割出駆動用ギアは切粉が堆積し易いため、除去機構を設けることにより、割出領域Ｐ１において切粉の噛込みによるギアの噛合不良を防止できる。
請求項４に係る発明は、割出後の主軸の位相を次回割出時の初期位相とすることで、加工領域Ｐ２において割出テーブルが回転しない限りにおいて、噛合可能な位相の組合せを直ちに得られる。
請求項５に係る発明は、簡単な機械構成により、割出動作における主軸ギアと割出軸駆動ギアの衝突を防止することができる。

同時４軸加工機に割出機構を搭載した機械構成を説明する図である。 割出領域Ｐ１を説明する図である。 図２において矢印Ａの方向に見た図である。 加工領域Ｐ２を説明する図である。 クランプ機構の例を説明する図である。 割出領域Ｐ１における割出動作を説明する図である。 割出軸駆動ギアが異常な位相の場合における主軸ギアとの衝突を説明する図である。 回転検出機構の例を説明する図である。 本発明に係る割出動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は同時４軸加工機に割出機構を搭載した機械構成を説明する図である。
数値制御装置８は工作機械１００を全体的に制御する制御装置である。数値制御装置８は、図示しない演算装置、記憶装置、入出力装置、表示装置を備えている。

工作機械１００は、加工工具１１を回転可能な主軸１、主軸１の端面に設けられ主軸１と同軸同期回転可能な主軸ギア２、主軸ギア２と自在に噛合可能な割出軸駆動ギア３により主軸の回転動力を受け、回転伝達機構部４を介して駆動し、ワーク１２の姿勢を変化させることを目的とする割出テーブル５、割出テーブル５を主軸ギア２と割出軸駆動ギア３とが噛合可能な割出領域Ｐ１、および、加工工具１１によりワーク１２の加工を行う加工領域Ｐ２へ相対移動させることが可能な、少なくともＸＹＺ方向の平行移動軸を含む移動機構６（６Ｘ，６Ｙ，６Ｚ，６Ａ）、割出軸駆動ギア３の回転防止を目的とするクランプ機構７、および、主軸ギア２と移動機構６を備えている。

なお、６ＸはＸ軸移動機構、６ＹはＹ軸移動機構、６ＺはＺ軸移動機構、６ＡはＡ軸（回転軸）移動機構を意味する。これらを総称して移動機構６という。工作機械１００は、加工領域Ｐ２中で割出軸駆動ギア３に付着した切粉により割出領域Ｐ１における噛合不良を防止することを目的とした、割出軸駆動ギア３の防護カバーや、圧縮空気や切削液を吹きつける洗浄装置などの切粉除去機構９を有する。切粉除去機構９としては、防護カバーまたは洗浄装置の少なくとも一方を用いる。また、工作機械１００は、割出テーブル５あるいは割出軸駆動ギア３をクランプするクランプ機構７を備えている（なお、図１にはクランプ機構７は図示されていない。）。

数値制御装置８は、工作機械１００を構成する前記要素を制御して一連の割出動作を自動的に実行する。割出領域Ｐ１と加工領域Ｐ２を結ぶ移動経路は、使用する加工工具１１やワーク１２の形状などの条件に応じて任意に設定することが可能である。つまり、割出領域Ｐ１と加工領域Ｐ２の間の移動経路は、主軸１に装着されている加工工具１１または割出テーブル５に載置されているワーク１２の形状の少なくとも一方に応じて選択される。数値制御装置８は、ワーク１２の加工中などにワーク１２と加工工具１１や工作機械の部品とが衝突することを防止するために、それらの干渉を検出する干渉検出機能を備えている。干渉検出機能を実行するため、主軸１に装着されている加工工具１１の工具番号、該工具番号に対応する加工工具の３次元形状データ、ワーク１２の外形形状（加工途中の形状を含む）データが随時、数値制御装置８の記憶装置に格納される。本発明の構成を簡略化するため、任意の加工工具１１と割出テーブル５に載置されたワーク１２とが干渉しない移動経路を予め設定しておいてもよい。

本発明の実施形態では、数値制御装置８の記憶装置に格納されたこれらのデータを用いて、主軸１または割出テーブル５の少なくとも一方を、加工領域Ｐ２から割出領域Ｐ１に相対的に移動させる移動経路を算出する。あるいは、加工工具１１の種類毎に最適な移動経路をあらかじめ計算し、数値制御装置８の記憶装置に格納しておく。割出動作の開始とともに加工工具１１に対応した移動経路を選択することによって、主軸１または割出テーブル５の少なくとも一方の加工領域Ｐ２から割出領域Ｐ１への移動経路が特定される。

次に、図１に示す工作機械１００を例として、図２〜図４を用いて割出領域Ｐ１と加工領域Ｐ２を説明する。図２は割出領域Ｐ１を説明する図である。図３は図２において矢印Ａの方向に見た図である。図４は加工領域Ｐ２を説明する図である。

割出領域Ｐ１および加工領域Ｐ２は互いに独立した領域であるものとする。また、特に割出テーブル５が他の移動機構６に対し固定姿勢を任意に変更できる構造（例として既存のテーブルに搭載して使用するような構造）の場合、割出領域Ｐ１は割出テーブル５の固定姿勢に合わせて随時数値制御装置８に設定する。

割出領域Ｐ１では、図２に示されるように、主軸１の端面に設けられ主軸１と同軸同期回転可能な主軸ギア２が、割出テーブル５に設けられた割出軸駆動ギア３に噛み合う。主軸ギア２と割出軸駆動ギア３が噛み合って後、主軸ギア２の回転が割出軸駆動ギア３に伝達される。本発明の実施形態において、主軸１に加工工具１１を装着した状態で割出テーブル５の割出動作が可能である。加工領域Ｐ２では、加工工具１１によってワーク１２の加工が行われる。

ここで回転伝達機構部４は、割出軸駆動ギア３と割出テーブル５の位相を一意的に拘束し、割出テーブル５に回転動力が生じない場合、割出軸駆動ギア３を回転させることは無いものとする。このため、クランプ機構７は割出テーブル５をクランプする機構が望ましいが、割出軸駆動ギア３と割出テーブル５の間に生じるバックラッシが加工精度に対して十分無視できるほど小さい場合において、割出軸駆動ギア３を直接クランプする機構でも良いものとする。

クランプ機構７の具体例を図５に示す。なお、図５では割出軸駆動ギア３と割出テーブル５との間に回転伝達機構部４が取り付けられていない。
図５（ａ）は割出軸駆動ギア３の所定位置にピン穴を設け、割出動作完了後に位置決めピン１４を挿入し回転を拘束する機構を示している。ブラケット１６に設けられたプランジャ１５が設けられている。プランジャ１５に備わった位置決めピン１４が割出軸駆動ギア３に設けられたピン穴に挿入されることで、割出軸駆動ギア３がクランプされる。位置決めピン１４の強度の範囲で回転を強固に拘束可能であり、割出テーブル５の割出角度が予め決められている場合に有効である。

図５（ｂ）は割出軸駆動ギア３を摩擦力によって固定するブレーキ機構であり、位相のずれ（後述）に注意が必要であるが割出角度を自由に設定できる。ブラケット１６にブレーキディスク１７が備わっている。割出軸駆動ギア３はブレーキディスク１７が押し当てられること（矢印１９参照）によってクランプされる。

次に、割出領域Ｐ１における割出動作を説明する。図６は割出領域（Ｐ１）における割出動作を説明する図である。
加工プログラムにより割出動作を指令すると、数値制御装置８は各軸の移動機構６を制御して、予め設定された加工工具１１や工作機械１００の構造物どうしが干渉しない移動経路で割出テーブル５（あるいは、主軸１）を割出領域Ｐ１に移動させ、主軸ギア２と割出軸駆動ギア３の噛合後、主軸１を回転させて割出テーブル５を駆動する。割出テーブル５の位置決めは、主軸１の回転角度を制御することにより行う。

割出テーブル５の移動後（つまり所定量の回転後）、数値制御装置８は現在（Ｎ回目）の割出完了時の主軸１の位相（ΘｉＮ）を記憶するとともに、クランプ機構７による割出軸駆動ギア３のクランプを行った後、移動機構６を制御して主軸ギア２と割出軸駆動ギア３の噛合を解いて割出動作を完了する。

次回（Ｎ＋１回目）割出動作においては、主軸１の位相を位相（ΘｉＮ）と一致させる。これにより主軸ギア２と割出軸駆動ギア３の位相の組合せはＮ回目割出動作完了時のものと一致し、噛合可能な位相の組合せを直ちに得られる。噛合後、主軸１が位相ΘｉＮ＋１へオリエンテーションすることで、割出テーブル５が位相ΘｏＮ＋１へ回転する。

以上の割出領域Ｐ１における割出動作の流れを図６に示す。ただし、以下の関係式が成立するものとする。

なお、
ΘｉＮ：Ｎ回目割出における割出完了時の主軸１の位相
ΦｉＮ：Ｎ回目割出における主軸１の割出角度
ΘｏＮ：Ｎ回目割出における割出完了時の割出軸駆動ギア３の位相
ΦｏＮ：Ｎ回目割出における割出軸駆動ギア３の割出角度
Ｃ：定数（歯車どうし或いは回転伝達機構部４の減速比などから求まる）
である。

上記の割出動作は、加工領域Ｐ２において割出軸駆動ギア３が回転しないことが前提となる。このため、クランプ機構７が図５（ｂ）の摩擦を利用したブレーキディスク１７などの機構の場合、クランプトルク以上の負荷が加わると割出軸駆動ギア３が回転して本来の位相とのずれが生じ、このまま割出動作を継続するとギア同士の衝突及び破損に繋がる可能性がある。図７は割出軸駆動ギア３が異常な位相の場合における主軸ギア２との衝突を説明する図である。図７（ａ）に示されるように主軸ギア２と割出軸駆動ギア３の位相が揃っていない場合、図７（ｂ）に示されるように、両歯車の噛み合いができず衝突してしまう。

このような事態を防止するため、割出軸駆動ギア３の回転検出機構１０（図８参照）を用いる。加工領域Ｐ２において割出軸駆動ギア３の位相に変位が生じ、これが割出領域Ｐ１における主軸ギア２との噛合に影響を及ぼす大きさである場合、回転検出機構１０は、数値制御装置８に信号を発信し、信号を受けた数値制御装置８が次回割出動作における主軸ギア２と割出軸駆動ギア３の衝突を自立的に回避する。

図８は回転検出機構の例を説明する図である。回転検出機構１０の具体例として、図８（ａ）のエンコーダや図８（ｂ）のフォトセンサなどの検出器が考えられる。図８（ａ）に示されるエンコーダは、割出軸駆動ギア３に検出リング２０が固定され、ブラケット１６に検出リング２０の回転を検出するセンサ２１が固定されている。例えば、検出リング２０は磁気ストライプが形成されたエンコーダ盤であり、センサ２１はホール素子の組み合わせが考えられる。また、図８（ｂ）のフォトセンサは、割出軸駆動ギア３にスリット２５が設けられた回転盤２３が固定され、ブラケット１６には回転盤２３を挟むようにして、投光器２４と受光器２２とが固定されている。

図９は本発明に係る割出動作を説明するフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＡ０１］主軸の初期噛合位相ΘｉＮを読み込む。主軸に装着されている加工工具の工具番号を読み込む。なお、ΘｉＮはＮ回目割出における割出完了時の主軸１の位相として、数値制御装置８の記憶装置に記憶されている。また、主軸に装着されている加工工具の工具番号も数値制御装置８の記憶装置に記憶されている。
●［ステップＳＡ０２］割出軸駆動ギアの位相を検出する。割出軸駆動ギアの位相は例えば図８を用いて説明した回転検出機構１０によって検出できる。
●［ステップＳＡ０３］ステップＳＡ０２で検出した割出軸駆動ギアの位相はΘｏＮと等しいか否か判断し、等しい場合（ＹＥＳ）にはステップＳＡ０４へ移行し、等しくない場合（ＮＯ）にはステップＳＡ１２へ移動する。なお、ΘｏＮはＮ回目割出における割出完了時の割出軸駆動ギアの位相である。
●［ステップＳＡ０４］主軸の割出角度ΦｉＮ＋１を計算する。計算は数１式により行う。
●［ステップＳＡ０５］主軸に装着されている加工工具の工具番号に対応して加工領域Ｐ２から割出領域Ｐ１への移動経路を選定する。このフローチャートの例では、加工工具に対応して移動経路のデータが数値制御装置の記憶装置に格納されており、この中から加工工具１１の工具番号に対応した移動経路を選定する。
●［ステップＳＡ０６］主軸オリエンテーションΘｉＮとし、選定された移動経路に沿って割出領域Ｐ１へ移動する。主軸をステップＳＡ０１で読み込んだ主軸の初期噛合位相ΘｉＮに回転して位置合わせする。そして、ステップＳＡ０５で選定された移動経路に沿って、加工領域Ｐ２から割出領域Ｐ１へ移動する。
●［ステップＳＡ０７］割出テーブルをアンクランプする。
●［ステップＳＡ０８］主軸オリエンテーション。つまり、主軸をΦｉＮ＋１回転させる。これによって主軸の位相は、ΘｉＮ＋１＝ΘｉＮ＋ΦｉＮ＋１となる（数１式参照）。また、割出テーブルの位相は、ΘｏＮ＋１＝ΘｏＮ＋ΦｏＮ＋１となる（数２式参照）。
●［ステップＳＡ０９］割出テーブルをクランプする。
●［ステップＳＡ１０］ΘｉＮ、ΘｏＮを更新し記憶する。つまり、ΘｉＮ＝ΘｉＮ＋１、ΘｏＮ＝ΘｏＮ＋１とし、次の回の割出動作に使用するため、ΘｉＮとΘｏＮを記憶する。
●［ステップＳＡ１１］加工領域Ｐ２へ移動し、主軸オリエンテーションを解除する。
●［ステップＳＡ１２］割出動作を停止する。ステップＳＡ０３において割出軸駆動ギアの位相とΘｏＮとが等しくないと判断されたので、前回の割出動作の終了後のワーク１２の加工中に割出テーブル５が回転したことを意味する。この状態で割出動作を行うと、図７に示されるように割出軸駆動ギア３と主軸ギア２とが衝突する問題がある。
●［ステップＳＡ１３］割出テーブル５が回転したことで、正常なワークの加工が行われない。そこで、ワークの加工を中止し、アラームを報知する。アラームの報知は、数値制御装置８の表示装置にアラームを表示、あるいは、警告灯を点灯することなどにより、警報を報知する。

１ 主軸
２ 主軸ギア
３ 割出軸駆動ギア
４ 回転伝達機構部
５ 割出テーブル
６Ｘ Ｘ軸移動機構
６Ｙ Ｙ軸移動機構
６Ｚ Ｚ軸移動機構
６Ａ Ａ軸移動機構
７ クランプ機構
８ 数値制御装置
９ 切粉除去機構
１０ 回転検出機構
１１ 加工工具
１２ ワーク
１３ テーブル
１４ 位置決めピン
１５ プランジャ
１６ ブラケット
１７ ブレーキディスク
１８ 中心軸
１９ 矢印
２０ 検出リング
２１ センサ
２２ 受光器
２３ 回転盤
２４ 投光器
２５ スリット

１００ 工作機械

Claims (5)

1. 主軸動力を利用して割出テーブルの割出軸を駆動する割出テーブルを備えた工作機械において、
   加工工具を回転させる主軸と、
   前記主軸の端面に設けられ該主軸と同軸同期回転可能な主軸ギアと、
   前記主軸ギアと噛合可能な割出軸駆動ギアにより前記主軸の回転動力を受け、ワークの姿勢を変化させる割出テーブルと、
   前記主軸または前記割出テーブルの少なくとも一方を前記主軸ギアと前記割出軸駆動ギアとが噛み合い割出動作を行う割出領域、および、加工工具によりワークの加工を行う加工領域へ相対移動させる移動機構と、
   前記割出軸駆動ギアの回転を防止するクランプ機構と、
   前記主軸ギアと前記移動機構を駆動制御して割出動作を実行する数値制御装置と、
   を有する割出テーブルを備えた工作機械であって、
   前記主軸に加工工具を把持したまま前記主軸ギアと前記割出軸駆動ギアとを噛み合わせて割出動作を行うことを特徴とする割出テーブルを備えた工作機械。
2. 前記割出領域と前記加工領域の間の移動経路は、前記主軸に装着されている加工工具または割出テーブルに載置されているワークの形状の少なくとも一方に応じて選択されることを特徴とする請求項１に記載の割出テーブルを備えた工作機械。
3. 前記割出軸駆動ギアへの切粉の付着を防止する防護カバー、または、前記割出軸駆動ギアに付着した切粉を除去するための圧縮空気または切削液を吹きつける切粉除去機構の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１または２の何れか１つに記載の割出テーブルを備えた工作機械。
4. 前記割出テーブルの割出動作完了時の前記主軸の位相を前記数値制御装置の記憶装置に記憶した後に、前記主軸ギアと前記割出軸駆動ギアの噛合を解き、次の割出動作において前記主軸の位相を前記記憶した位相に復帰させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の割出テーブルを備えた工作機械。
5. 前記割出軸駆動ギアの位相が変化したことを検出する回転検出機構を有し、
   前記加工領域において前記割出軸駆動ギアの位相の変化を検出したとき、次回の割出動作における前記主軸ギアと前記割出軸駆動ギアの割出動作を停止させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の割出テーブルを備えた工作機械。