JP5908512B2 - マシン一体型ツールマガジンストアを備えるガントリ構造の立形マシニングセンタ - Google Patents

Description

本発明は、ツール保持アセンブリおよび工作物保持アセンブリを収容する２つの側壁を有するマシンフレームと、マシンフレームの２つの側壁内に配置されたピックアップ法によりツールを交換する可動式ピックアップツールマガジンストアと、マシニングセンタを完全に内包するマシン筐体とを備える、特に切削による、フライス加工、穿孔加工および／または旋盤加工のためのガントリ構造の立形マシニングセンタに関する。

既述のタイプのマシニングセンタは、欧州特許第２ ２９５ １９９ Ｂ１号明細書および独国特許第１０ ２００９ ０５０ １７４ Ｂ４号明細書に開示および例示されている。

本発明において、「ガントリ構造の立形マシニングセンタ」という用語は５軸マシニングセンタを意味すると解される。ここでは、工作物の加工中に、垂直に配向されたワークスピンドルによって３方向への線形変位動作（Ｘ−Ｙ−Ｚ）が行われ、また、回動可能および回転可能な工作物テーブルによって２方向への回転変位動作（Ｃ−Ａ）が行われる。この結果、５つの空間方向（Ｘ−Ｙ−Ｚ−Ｃ−Ａ）のすべてにおける同時加工において、加工ツールは３つの線形空間方向（Ｘ−Ｙ−Ｚ）にしか動く必要がなく、また、工作物は２つの回転空間方向にしか動く必要がないために、一般的に非常に効果的で精確な工作物の加工が可能である。ガントリ構造の立形５軸マシニングセンタの使用分野は、一般的な機械工学から自動車製造、ツール、および金型製造、ならびに医療技術にわたる。フェラスメタルばかりではなく、非フェラスメタルまたはプラスチック材も同様に加工することができる。

本発明における「マシン一体型ツールマガジンストア」という用語は、マシニングセンタのマシンフレーム内に完全に配置されることで、マシンフレームの外側にいかなる追加的な設置面積をも必要としない、複数の加工ツールを収容および設置するためのツールマガジンストアを意味すると解される。従って、２つの水平空間方向（Ｘ−Ｙ）におけるマシニングセンタの外寸法を、マシンフレーム内に完全に組み込まれたツールマガジンストアにより拡大する必要はない。マシニングセンタに係る設置面積に多大なコストがかかることを鑑みると、これは無視できない経済的な考慮事項である。水平空間方向（Ｘ−Ｙ）におけるマシンフレームの大きさに応じて、マシンフレーム内に完全に組み込まれるツールマガジンストアはおよそ３０〜５０本の加工ツールを収容するように構成される。マシンフレームがその水平空間方向（Ｘ−Ｙ）において大型であるほど、より大きなツールマガジンストアを構成することができる。

本発明における「ピックアップ法によるツール交換」という用語は、外部のツール交換装置を用いずに、垂直に配向されたツールスピンドルがツールマガジンストアから直接加工ツールを受け取ることが可能であり、また、元に戻すことが可能である、特殊なツール交換法を意味すると解される。ピックアップ法によるツール交換は単純で信頼性のある方法であるため、一般的に他の公知のツール交換法よりも優れている。

「ピックアップツールマガジンストア」という用語は、ピックアップ法によるツール交換が可能なツールマガジンストアを意味すると解される。

本発明における「マシン筐体」という用語は、ワークステーションをマシニングセンタ中に完全に内包する分離保護装置を意味すると解される。マシン筐体は、飛散する切屑、冷却滑剤の液滴、および、機械の故障によって生じ得る破損したツールの欠片から環境を保護し、また、マシン筐体外部での加工時の騒音レベルを低減する。しかも、マシン筐体は、ツールスピンドルの危険できわめて高速なフィード動作およびスピンドル動作、ツールテーブルのきわめて高速なフィード動作、ならびに、ツールマガジンストアのきわめて高速な位置決め動作に対するオペレータによるアクセスを防止する。マシニングセンタのワークステーションへのアクセスを可能とするために、マシン筐体には１つ以上のアクセス扉が設けられている。さらに、マシン筐体は、外部から、ワークステーション内部、および、任意により、マシニングセンタのメンテナンスステーション内部を視認可能である１つ以上の点検窓を備えている。

本発明における「ワークステーション」という用語は、マシニングセンタ内の工作物が加工される空間であって、換言すると、加工切削が行われる空間を意味すると解される。さらに、「ワークステーション」という用語は、追加的に、加工ツールが保管されており、ツールのリロードが行われるマシニングセンタ内の空間を意味すると解される。マシニングセンタ内にはワークステーションは１つ以上あってもよく、そのすべてが人間工学的に適切な方法でオペレータ（作業員）がアクセス可能である必要性がある。すなわち、ワークステーションはオペレータアクセスを有する。

上記の一般的な種類のマシニングセンタにおいては、一般的に、マシニングセンタ中のツールマガジンストアの貯蔵容量がマシンフレームの寸法によってかなり制限されるため、マシニングセンタにおいて頻繁に追加のマガジンセットアップを用いる必要があることは、短所であると考えられる。特に、上記の一般的なタイプの小型および中型のマシニングセンタについては、マシンフレームによるツールマガジンストアの貯蔵容量に係る制限はきわめて不利な影響を及ぼす。小型および中型のマシニングセンタは、水平横方向（Ｘ方向）におけるツールスピンドルの変位パスがおよそ３００ｍｍ〜８００ｍｍであるマシニングセンタとして解されるべきである。今日ではきわめて複雑で長時間にわたる加工作業を行うことが必要とされており、一般的に、常に複数の同等のもしくは異なるツールが必要とされる。同等のツールは、予備のツールと解される。予備ツールは、元の加工ツールの特定の摩耗限界を超え、元の加工ツールではこれ以上の加工が不可能となった場合に、ツールマガジンストアからツールスピンドルに交換される。このタイプの予備ツールは、元の加工ツールと同等、同一である。この複数のツールは十分な貯蔵容量を有するツールマガジンストアに用意されていなければならない。今日では、平均的な加工作業に７０本もの加工ツールが用いられることもある。

上記のタイプのマシン内在型ツールマガジンストアの貯蔵容量の拡張が、例えば、欧州特許第２ ２９５ １９９ Ｂ１号明細書に例示および開示されている。マシニングセンタのマシンフレームにおける貯蔵庫拡張部セットアップのために、マシン内在型ツールマガジンストアの貯蔵容量を実際に大きく増加させることが可能であるが、マシニングセンタのための設置面積が増大してしまう。マシンフレームへの貯蔵庫拡張部のセットアップまたは設置により、マシンフレーム、ひいてはマシニングセンタの設置面積が著しく増大してしまう。しかも、貯蔵庫拡張部の操作のためには、貯蔵庫拡張部からマシン内在型ツールマガジンストアに、または、その逆方向に加工ツールがリロードされるように、貯蔵庫拡張部の中、すなわちマシニングセンタの外に複雑な構造を有する追加の動力作動型のツールハンドリングシステムが必要とされる。また、貯蔵庫拡張部が比較的大きな寸法であるため、この２方向リロードプロセスは、相当の時間を追加的に必要とする。

上記のタイプのマシン内在型ツールマガジンストアの貯蔵容量を拡張する他の方法が、独国特許第１０ ２００９ ０５０ １７４ Ｂ４号明細書に例示および記載されている。独国特許第１０ ２００９ ０５０ ７１７ Ｂ４号明細書においては、Ｕ型マシンフレームの寸法によるマシニングセンタにおけるツールマガジンストアの貯蔵容量の制限がきわめてわずかとなるように、マシン一体型ツールマガジンストアをほぼ完全にＵ型マシンフレームの外型に配置する。しかしながら、この解法の欠点は、設置面積の増大、およびＵ型マシンフレームの構造の複雑化である。この場合、Ｕ型マシンフレームは、上記の一般的なタイプの機械から大幅な変更が必要である。

従って、目標に典型的な競合が存在している。一方では、ツール貯蔵容量を増加させるためには、さらなる設置面積と、ツールリロードのための複雑で時間のかかるツールハンドリングシステムとが必要とされる。他方で、追加される設置面積、および、ツールリロードのために追加される複雑で時間のかかるツールハンドリングシステムはコストがかかる。しかも、貯蔵庫拡張部によって、マシニングセンタの設置が不必要に複雑化されてしまう。さらに、貯蔵庫拡張部からマシン内在型ツールマガジンストアおよび逆方向への加工ツールのリロードに比較的長い時間を要するために、全体的な加工プロセスが中断される場合がある。例えば、ツールスピンドルへの交換プロセスのために、加工の最中に、追加されたマガジンから適切な予備ツールが供給可能となるまでの待ち時間が生じる可能性がある。

この背景に対して、本発明は、設置面積の増大を伴わずにマシン内在型ツールマガジンストアの貯蔵容量を増加すること、換言すると、マシン内在型ツールマガジンストアの貯蔵庫の拡張がマシニングセンタの元の設置面積に影響を与えることなく可能となるような長所を維持したままに、上記のマシニングセンタを開発することを目的とする。貯蔵庫の拡張が伴っても伴わなくても、設置面積は同一のままでなければならない。

さらに、貯蔵容量の増加によってツール交換時間に著しい影響がもたらされるべきではない。換言すると、ツール交換は大掛かりな動作シーケンスを伴うことなく迅速に行われるべきである。

さらに、構造および製造に係る複雑性を高めることなくマシン内在型ツールマガジンストアの貯蔵容量の増加が可能であるべきである。特に貯蔵容量の増加は、Ｕ型マシンフレームに対する大幅な構造変更を必要とするべきではない。

本発明の目的は、ツール保持アセンブリおよび工作物保持アセンブリを収容する２つの側壁を有するマシンフレームと、ピックアップ法によりツール交換する、マシンフレームの２つの側壁内の可動式ピックアップツールマガジンストアと、ピックアップツールマガジンストアの下方にフリースペースを設け、このフリースペース内にピックアップツールマガジンストアと同等の構造を有する少なくとも１つのさらなるスペアマガジンを追加し、さらに、加工ツールをスペアマガジンからピックアップツールマガジンストアに、または、その逆方向にリロード可能な動力作動型リロードハンドリングシステムをマシン筐体内のマシンフレームのアクセス開口部に設けるマシニングセンタと、当該マシニングセンタを完全に内包するマシン筐体とを備える、特に切削による、フライス加工、穿孔加工および／または旋盤加工のためのガントリ構造の立形マシニングセンタによって達成される。

本発明に係る構成の結果、マシンフレームのアクセス開口部に動力作動型リロードハンドリングシステムを備える少なくとも１つのスペアマガジンをピックアップツールマガジンストアの下方に設けたフリースペースに配置すれば、単純な手段により、マシン内部ピックアップツールマガジンストアの貯蔵容量を、上記のタイプのマシニングセンタにおいて拡張することが可能となる。この構成により、ツールリフトを備える多段式の可動式ピックアップツールマガジンタワーを提供する。本発明に係るこのタイプの貯蔵庫拡張は以下の長所を有する。
ａ）ピックアップツールマガジンストアは完全にマシンフレーム内に配置される。
ｂ）ピックアップツールマガジンストアと同等の構造を有する少なくとも１つのスペアマガジンが、同様に、ピックアップツールマガジンストアの下方において、マシンフレーム内に完全に配置される。
ｃ）マシン内部スペアマガジンからマシン内部ピックアップツールマガジンストアに、または逆方向に加工ツールをリロード可能である動力作動型リロードハンドリングシステムがマシンフレームのアクセス開口部に配置される。

有利な展開は従属請求項からもたらされる。

好ましい展開によれば、ピックアップツールマガジンストアは、垂直軸について回転可能に設置されるマガジンリングを備える環状構造のモータ駆動式ツールマガジンから構成される。

好ましい展開によれば、ピックアップツールマガジンストアは、減速トランスミッションを備えるモータにより駆動可能である。

好ましい展開によれば、減速トランスミッションは、歯付ベルトステージおよびギヤホイールステージから構成される。

好ましい展開によれば、回転可能なマガジンリングは４点接触玉軸受を介してマシンフレームに接続される。

さらに、好ましい構成によれば、４点接触玉軸受は内側リングを備え、内側リングを介して、４点接触玉軸受がマシンフレームに、好ましくはねじ留めにより堅固に接続される。

４点接触玉軸受が、ツールホルダとモータの減速トランスミッションのギヤホイールステージ用のリングギヤ要素とが配置された回転可能な外側リングを備えることは有利である。

スペアマガジンは、ピックアップツールマガジンストアの回転可能なマガジンリングに円環状のアダプタを介して形状が合うことあるいは力を利用して接続されることが有利である。これにより、スペアマガジンの個別の設置および個別の駆動源が不要であるという利点がもたらされる。

好ましい展開によれば、ピックアップツールマガジンストアおよびスペアマガジンにおけるツールホルダは、弾性変形可能なＵ型保持ブラケットとして構成される。このタイプのツールレシーバでは、ツールホルダの加工ツールは、弾性変形可能なＵ型保持ブラケットの形状が合うことあるいは力を利用して受け取られ、保持される。同時に、このタイプのツールレシーバでは、ツールホルダに備えられた加工ツールをツールレシーバから出し入れする際には常にいくらかの力を加える必要がある。

さらなる有利な構成によれば、リロードハンドリングシステムは、垂直軸およびこれと直角に伸びる水平縦軸を備える空気圧により調節可能な二軸ユニットと、加工ツールの規格化されたテーパ状ツールシャフトを保持する空気圧により調節可能な２つの把持顎部を備えるツール把持部とから構成される。

垂直軸および水平縦軸の各々は、ピストンロッドを伴わない空気圧シリンダにより形成されることが有利である。

以下、本発明のさらなる詳細、特性および長所について、図面を参照して記載する。

図１は、本発明に係るマシニングセンタの、横および上方からの部分斜視図である。 図２は、本発明に係るマシニングセンタの、後方からの部分斜視図である。 図３は、リロードハンドリングシステムの詳細を示す図である。 図４は、マガジンリングの駆動装置の詳細を示す図である。

本発明に係るガントリ構造の立形マシニングセンタは、特に、切削によるフライス加工、穿孔加工および／または旋盤加工用の多機能マシニングセンタとして用いられる。

マシニングセンタは、二つの側壁４，６を有し、垂直方向に調節可能なマシンブロック１９に３点支持で設置された、ツール保持アセンブリおよび工作物保持アセンブリを収容する実質的にＵ型のマシンフレーム１を備える。ツール保持アセンブリは、３つの線形空間方向（Ｘ−Ｙ−Ｚ）に制御可能に変位可能であり、また、垂直に配向されたツールスピンドルを収容する。工作物保持アセンブリは２つの回転空間方向（Ａ−Ｃ）に制御可能に変位可能であり、また、工作物テーブルが取り付けられる。

Ｕ型マシンフレーム１の側壁４，６には、ツール保持アセンブリ用のレシーバ７，１７と、チップコンベア用のアクセス開口部１８とが設けられている。さらに、２つの側壁４，６の間には、ピックアップ法によりツール交換する可動式ピックアップツールマガジンストア５が設置されている。

さらに、動力作動型の可動式隔壁１４がマシンフレーム１内に設けられており、ツールスピンドルのワークステーション２と、ツールマガジンストアのワークステーション３との間に配置されている。また、ツールスピンドル２のワークステーション用のロードおよびアンロード用開口部３３と、ツールマガジンストア３のワークステーション用のロードおよびアンロード用開口部８とが設けられている。ロードおよびアンロード用開口部により、ピックアップツールマガジンストア５の手動によるロードおよびアンロードが可能である。

マシンフレーム１はさらに、マシニングセンタを完全に内包するマシン筐体によって囲まれている。

ピックアップツールマガジンストア５と同等の構造を有する少なくとも１つのさらなるスペアマガジン２４が追加されるフリースペースが、ピックアップツールマガジンストア５の下方に設けられる。

ピックアップツールマガジンストア５は、垂直軸について回転可能に設置されたマガジンリング１０を備える、円環状に構成されたモータ駆動式ツールマガジンから構成されている。

ピックアップツールマガジンストア５またはそのマガジンリング１０は、減速トランスミッションを備えるモータ１３を介して駆動可能である。減速トランスミッションは、歯付ベルトステージ１６，２０，２９およびギヤホイールステージ３１，３２から構成され、歯付ベルトステージは駆動ピニオン１６、従動歯付ベルトホイール２０および歯付ベルト２９を備え、ギヤホイールステージは、ギヤホイールピニオン３２およびリングギヤ要素３１を備えている。

回転可能なマガジンリング１０は、いわゆる４点接触玉軸受を介してマシニングセンタのマシンフレーム１に接続されている。４点接触玉軸受は、内側リング３０および回転可能な外側リング２５を備えている。内側リング３０はマシンフレーム１に堅固にねじ留めされており、一方で、加工ツール１２を受け取るツールホルダ１１と、モータ１３の減速トランスミッションのギヤホイールステージ用のリングギヤ要素３１とは回転可能な外側リング２５に位置されている。

スペアマガジン２４は、ピックアップツールマガジンストア５の回転可能なマガジンリング１０に、スペアマガジン２４に係る別個の設置および別個の駆動装置が必要とされることのないよう、円環状のアダプタ２３を介して形状が合うことあるいは力を利用して接続されている。

ピックアップツールマガジンストア５およびスペアマガジン２４における加工ツール１２を受け取るツールホルダ１１は、弾性変形可能なＵ型保持ブラケットとして構成されている。このタイプのツールレシーバでは、ツールホルダ１１の加工ツール１２は、弾性変形可能なＵ型保持ブラケットの形状が合うことあるいは力を利用して受け取られ、保持される。同時に、このタイプのツールホルダ１１は、ツールホルダ１１に備えられた加工ツール１２をツールレシーバから出し入れするためには常にいくらかの力を加えることが必要である。

動力作動型リロードハンドリングシステム１５は、加工ツール１２をマシン内部スペアマガジン２４からマシン内部ピックアップツールマガジンストア５に、または、その逆方向にリロード可能である。動力作動型リロードハンドリングシステム１５は、マシン筐体内のマシンフレーム１のアクセス開口部９に設けられる。

リロードハンドリングシステム１５は、垂直軸およびこれと直角に延びる水平縦軸を備える空気圧により調節可能な二軸ユニットと、加工ツール１２の規格化されたテーパ状ツールシャフト２８を保持する空気圧により調節可能な２つの把持顎部２６，２７を備えるツール把持部とから構成される。

これらの垂直軸および水平縦軸の各々は、ピストンロッドを伴わない空気圧シリンダ２１，２２により形成され得る。

本発明の上記の記載は単なる例示を目的とするものであり、本発明を限定するものではない。本発明の範囲およびその均等物から逸脱することなく、本発明の文脈を伴わずに様々な変更および修正が可能である。

１ マシンフレーム
２ ツールスピンドルのワークステーション
３ ツールマガジンストアのワークステーション
４ 側壁
５ ピックアップツールマガジンストア
６ 側壁
７ レシーバ
８ ロードおよびアンロード用開口部
９ アクセス開口部
１０ マガジンリング
１１ ツールホルダ
１２ 加工ツール
１３ モータ
１４ 隔壁
１５ リロードハンドリングシステム
１６ 駆動ピニオン
１７ レシーバ
１８ アクセス開口部
１９ マシンブロック
２０ 従動歯付ベルトホイール
２１ 空気圧シリンダ
２２ 空気圧シリンダ
２３ アダプタ
２４ スペアマガジン
２５ 外側リング
２６ 把持顎部
２７ 把持顎部
２８ ツールシャフト
２９ 歯付ベルト
３０ 内側リング
３１ リングギヤ要素
３２ ギヤホイールピニオン
３３ ロードおよびアンロード用開口部

Claims (11)

1. ガントリ構造の立形マシニングセンタであって、
   ツール保持アセンブリおよび工作物保持アセンブリを収容する２つの側壁（４，６）を有するマシンフレーム（１）と、
   ピックアップ法によりツールを交換するように構成され、前記マシンフレーム（１）の前記２つの側壁（４，６）内に配置された可動式のピックアップツールマガジンストア（５）と、
   前記マシニングセンタを完全に内包するマシン筐体と、
   前記ピックアップツールマガジンストア（５）の下方に設けられたフリースペースに設けられ、前記ピックアップツールマガジンストア（５）と同等の構造を有する少なくとも１つのスペアマガジン（２４）と、
   前記マシンフレーム（１）に設けられたアクセス開口部（９）と、
   前記マシンフレーム（１）の前記アクセス開口部（９）において、前記マシン筐体内に設けられる動力作動型リロードハンドリングシステム（１５）と、
   を備え、
   前記動力作動型リロードハンドリングシステム（１５）は、前記アクセス開口部（９）を介して、前記スペアマガジン（２４）から前記ピックアップツールマガジンストア（５）に、または、その逆方向に加工ツール（１２）をリロード可能に構成される、
   ことを特徴とする立形マシニングセンタ。
2. 前記ピックアップツールマガジンストア（５）が、垂直軸について回転可能に設置されたマガジンリング（１０）を備える円環構造のモータ駆動式ツールマガジンから構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の立形マシニングセンタ。
3. 前記ピックアップツールマガジンストア（５）を、減速トランスミッションを備えるモータ（１３）を介して駆動することができる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の立形マシニングセンタ。
4. 前記減速トランスミッションが、歯付ベルトステージ（１６，２０，２９）と、ギヤホイールステージ（３１，３２）とから構成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の立形マシニングセンタ。
5. 回転可能なマガジンリング（１０）が４点接触玉軸受を介して前記マシンフレーム（１）に接続される、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の立形マシニングセンタ。
6. 前記４点接触玉軸受が内側リング（３０）を備え、これを介して前記４点接触玉軸受が前記マシンフレーム（１）に堅固に接続される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の立形マシニングセンタ。
7. 前記４点接触玉軸受が、前記ツールホルダ（１１）と、前記モータ（１３）の減速トランスミッションのギヤホイールステージ用のリングギヤ要素（３１）とが配置された回転可能な外側リング（２５）を備える、
   ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の立形マシニングセンタ。
8. 前記スペアマガジン（２４）が、前記ピックアップツールマガジンストア（５）の回転可能なマガジンリング（１０）に、円環状のアダプタ（２３）を介して、形状が合うことあるいは力を利用して接続される、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の立形マシニングセンタ。
9. 前記ツールホルダ（１１）は、前記ピックアップツールマガジンストア（５）および前記スペアマガジンに、弾性変形可能なＵ型保持ブラケットとして構成される、
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の立形マシニングセンタ。
10. 前記リロードハンドリングシステム（１５）が、垂直軸およびこれと直角に延びる水平縦軸を備える空気圧により調節可能な二軸ユニットと、
    加工ツール（１２）の規格化されたテーパ状ツールシャフト（２８）を保持する、空気圧により調節可能な２つの把持顎部（２６，２７）を備えるツール把持部と、から構成される、
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の立形マシニングセンタ。
11. 前記垂直軸および前記水平縦軸の各々が、ピストンロッドを伴わない空気圧シリンダ（２１，２２）により形成される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の立形マシニングセンタ。

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