JP5936492B2 - 工作機械 - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械に関する。
工作機械においては、プログラム等によってワークに対して加工を施すと共に、加工部位や加工段階等によって加工に供する工具を適宜交換する。工作機械における工具交換に関する技術としては、例えば、特許文献1および特許文献2がある。
特許文献1は、工具をクランプするクランプ装置における工具が挿入されて工具の外周が保持される保持穴の内周面を有し、工具の回転によりクランプ装置における保持穴の内周面と工具の外周面との間にくさび部材が食い込むように配置された工具交換装置である。これによれば、外周面にキー溝等がない滑らかな面を有する高速回転に適した工具を自動交換することができる。つまり、高速機械の主軸に着脱可能に取付けられる回転バランスの良い工具を主に自動で交換するものにおいて、高速回転に適し、構造簡単でかつコンパクトすることができる。
特許文献2は、ドローバと工具との結合を容易に実施する装置のための制御装置に関する技術であり、工具を把持する工具把持部を回転させて固定されたドローバに工具をネジ結合させる回転駆動部を制御する工具着脱回転制御装置である。これによれば、回転駆動部が固定されたドローバに対して工具を回転させてネジ結合させると共に、当該回転駆動部が工具着脱回転制御装置によって適切に制御されるため、ドローバと工具との結合が極めて容易となる。
特開平10−080836号公報 特開2001−047336号公報
しかし、特許文献1および特許文献2に係る工具のクランプにおいては、工具側および主軸側にネジ部を設けてネジ結合させていることから、工具側と主軸側との結合力を確保するためにはネジの径を小さくし、ネジの長さを短くすることができない。つまり、工具および主軸周りを小型化することが難しい。また、工具の自動交換を実現しているが、ネジ結合の着脱には工具等を回転させることにより時間を要するので、工作機械としての稼働率を向上させることが難しい。
また、狭小部を加工可能な工作機械においては、プログラムによる自動加工を行う一方で、加工に供する工具の交換をオペレータが手動で行っている。これは、狭小部の加工を可能にするために、狭小部加工用の工作機械における部位や部品などには大きさの制限が課せられるからである。つまり、狭小部を加工可能な工作機械においては、工具交換の機構を特に小型化する必要がある。しかし、従来の工作機械における工具交換の機構を単純に小型化しても、狭小部加工用の工作機械に採用することはできない。
本発明は、上記のような問題を鑑みなされたもので、工作機械における工具交換を簡易な機構とし、工具および主軸周りを小型化することを目的とする。
上記課題を解決する第一の発明に係る工作機械は、加工に供する工具を有する工具ユニットがアタッチメントを介して主軸に装着される工作機械であって、前記アタッチメントは、前記主軸に固定されるシリンダ部と、前記シリンダ部に摺動可能に把持されるピストン部とを有し、前記シリンダ部は、当該シリンダ部の径方向へ突出可能な複数の球体を有し、前記ピストン部は、前記シリンダ部に対して一方側へ摺動すると前記球体を前記シリンダ部の径方向へ突出させる当付面を有し、前記工具ユニットは、当該工具ユニットの径方向へ突出する突出斜面と、前記突出斜面よりも前記アタッチメント側に位置して装着時に前記アタッチメントと接触する接触直角面および接触斜面とを有し、前記ピストン部の一方側への摺動により前記シリンダ部の径方向へ突出された前記球体に前記突出斜面が押し当てられると共に、前記接触直角面および前記接触斜面が前記アタッチメントに当接されることにより、前記アタッチメントに結合されることを特徴とする。
上記課題を解決する第二の発明に係る工作機械は、前記ピストン部は、当該ピストンが他方側へ摺動した際に前記球体に対応する位置に、前記シリンダ部の径方向における前記球体の移動を可能にするための逃がし穴を有し、前記工具ユニットは、前記ピストン部が前記シリンダ部に対して他方側へ摺動すると、前記逃がし穴が前記球体に対応する位置となって前記球体が前記シリンダ部の径方向へ移動可能な状態になり、当該工具ユニットが前記球体から解放されて前記アタッチメントから離脱可能な状態となることを特徴とする。
上記課題を解決する第三の発明に係る工作機械は、前記アタッチメントは、前記ピストン部を一方側へ摺動させる力が作用するように弾性体を有し、前記ピストン部を他方側へ摺動させる力が作用するように流体が供給される流体供給空間を有し、前記ピストン部は、前記流体供給空間に前記流体を供給すると前記流体の圧力によって他方側へ摺動し、前記流体供給空間から前記流体を排出すると前記弾性体の弾性変形によって一方側へ摺動することを特徴とする。
上記課題を解決する第四の発明に係る工作機械は、更に、前記工具ユニットの着脱の補助および搬送を行う工具ユニット保持装置を備えたことを特徴とする。
第一の発明に係る工作機械によれば、ピストン部の一方側への摺動により、工具ユニットの突出斜面にシリンダ部の球体が押し当てられることにより、工具ユニットがアタッチメントに結合されるので、簡易な機構により所定の結合力を有する工具ユニットとアタッチメントとを結合させることができる。更に、ネジ結合を採用しないことにより、所定の結合力を生じるためのネジ結合部の長さおよびネジ径を必要としないので、工具ユニットおよびアタッチメントを小型化することができる。また、ピストン部をシリンダ部に対して一方側へ摺動させるだけで工具ユニットとアタッチメントとの装着を行うことができるので、ネジ結合のように部材を回転させる作業を伴わず、装着時間を短縮することができる。
第二の発明に係る工作機械によれば、ピストン部をシリンダ部に対して他方側へ摺動させるだけで工具ユニットがアタッチメントから離脱可能な状態となるので、簡易な機構により所定の結合力から解放させて、工具ユニットとアタッチメントとを離脱させることができる。また、ピストン部をシリンダ部に対して他方側へ摺動させるだけで工具ユニットとアタッチメントとの離脱を行うことができるので、ネジ結合のように部材を回転させる作業を伴わず、離脱時間を短縮することができる。
第三の発明に係る工作機械によれば、流体供給空間への流体の供給および排出によって、ピストン部を一方側または他方側へ摺動させることができるので、工具ユニットとアタッチメントとの着脱の機構を簡易な構造とすることができ、アタッチメントに対する工具ユニットの着脱を容易にすることができる。
第四の発明に係る工作機械によれば、アタッチメントに対する工具ユニットの着脱の補助および工具ユニットの搬送を工具ユニット保持装置によって行うことにより、アタッチメントに対する工具ユニットの着脱を自動で行うことができるので、工具を自動交換することができる。
実施例1に係る工作機械における工具周りを示す縦断面図である。 実施例1に係る工作機械を示す斜視図である。 実施例1に係る工作機械における工具のクランプ機構を示す説明図である。 実施例1に係る工作機械における工具のクランプ機構を示す説明図である。 実施例1に係る工作機械における工具のクランプ機構を示す説明図である。 実施例1に係る工作機械における工具のクランプ機構を示す説明図である。 実施例1に係る工作機械における工具交換を示す説明図である。 実施例1に係る工作機械における工具ユニット保持装置を示す正面図である。
以下に、本発明に係る工作機械の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることは言うまでもない。
まず、本発明に係る工作機械について、図1乃至図8を参照して説明する。
本実施例に係る工作機械は、狭小部を加工可能な門形加工機であり、図2に示すように、ベッド1と、テーブル2と、コラム3と、クロスレール4と、サドル5と、ラム6と、ラム6に内蔵された主軸7と、主軸7にアタッチメント8を介して装着された工具ユニット9とを有している。
ベッド1は床下に水平に設置され、ベッド1上にはテーブル2およびコラム3が設置されている。テーブル2は図示しないワークを載せる台であり、ベッド1上において一方向に移動可能である。クロスレール4は、垂直に設置された門形のコラム3に設置され、コラム3に対して垂直方向に移動可能である。クロスレール4にはサドル5が設置され、ワークの加工位置および加工方向を変更するためにクロスレール4に対して軸方向に移動可能かつ回動可能である。ラム6はサドル5に把持され、サドル5に対して軸方向に摺動可能である。主軸7はラム6に把持され、図示しない駆動装置によって回転可能である。
工具ユニット9は、工具10をアタッチメント8に着脱可能にしたものであり、図1に示すように、工具10と、工具10を把持する工具ホルダ20と、工具ホルダ20にスペーサ30を介して組付けられる工具クランプ部材40とを有する。工具ユニット9は、工具クランプ部材40においてアタッチメント8と結合する。容易に工具ユニット9をアタッチメント8に着脱できる(詳細については後述する)ように、工具ホルダ20には凹溝21を設けている。
アタッチメント8は、主軸7に工具ユニット9を装着させるためのものであり、図1に示すように、主軸7に固定されるシリンダ50と、シリンダ50に固定されるシリンダヘッド60と、シリンダ50およびシリンダヘッド60に摺動可能に支持されるピストン70とを有している。本実施例では、シリンダヘッド60とピストン70との間に皿バネ80を設置しているので、ピストン70には常に皿バネ80の弾性変形による所定の力が作用している。つまり、ピストン70は常に軸方向におけるシリンダ50を設置した一方側(図1における右方側)へ移動しようとする負荷状態にある。
もちろん、ピストン70に作用させる力は、本実施例の皿バネ80の弾性変形による力に限定されない。例えば、ウレタンゴム等の弾性体を設置することによりウレタンゴム等の弾性変形による力をピストン70に作用させても良く、シリンダヘッド60とピストン70との間に密閉空間を形成して油圧用オイル等の流体を流し込むことにより油圧等をピストン70に作用させても良い。また、コイルスプリング等をピストン70のシリンダ50を設置した一方側に設置し、コイルスプリング等の弾性変形によってピストン70を一方側へ引っ張るようにしても良い。
また、シリンダ50とピストン70との間にシール部材90を設置したことにより、密閉された空間の圧油室100を形成している。シリンダ50に形成した給油口51から給油通路52を介して圧油室100へ油圧用オイルを供給することによりピストン70に油圧を作用させることができる。
シリンダ50には、更に給気口53を形成している。アタッチメント8と工具ユニット9との着脱の際に給気口53から空気を供給すると、シリンダ50に形成した給気通路54およびシリンダヘッド60に形成した通気孔62(図3乃至図6参照)を介して、密接するアタッチメント8におけるシリンダヘッド60と工具ユニット9における工具クランプ部材40との間の塵等を吹き飛ばすことができる。
図3乃至図6に示すように、シリンダヘッド60には円孔61が設けられ、円孔61には鋼球110が備えられている。円孔61はシリンダヘッド60の円周上に複数設けられ、各円孔61に一つずつ鋼球110が抜け落ちないように備えられている。鋼球110は、シリンダヘッド60の径方向のみに僅かに移動できるように保持され、シリンダヘッド60の軸方向および周方向には移動できないように保持されている。
ピストン70は、鋼球110に当て付けて負荷を与えるための当付面71と、シリンダヘッド60の径方向における鋼球110の移動を可能にするための逃がし穴72とを有する。逃がし穴72は、ピストン70が軸方向における工具ユニット9を取付ける他方側へ摺動した際に、鋼球110に対応する位置にある。
主軸7にアタッチメント8を介して工具ユニット9が装着されている状態においては、図3に示すように、シリンダヘッド60の円孔61に保持された鋼球110は、ピストン70の当付面71および工具クランプ部材40の径方向へ斜めに突出する突出斜面41に接している。つまり、ピストン70の当付面71およびシリンダヘッド60の円孔61によって、鋼球110は工具クランプ部材40の突出斜面41に押付けられた状態にある。よって、工具クランプ部材40を有する工具ユニット9は鋼球110を有するアタッチメント8から外れない。
また、アタッチメント8と工具ユニット9との結合を安定させるため、アタッチメント8と工具ユニット9との接触箇所を複数設けている。つまり、アタッチメント8におけるシリンダヘッド60と工具ユニット9における工具クランプ部材40とは、鋼球110を介して接触すると共に、工具クランプ部材40の接触直角面42および接触斜面43において直接的に接触している。
工具クランプ部材40の接触直角面42をシリンダヘッド60に接触させることにより、アタッチメント8に対する工具ユニット9の取付け角度が正確かつ容易に決めることができる。また、工具10によって図示しないワークを加工する際の工具10の軸方向における剛性を高めることができる。
工具クランプ部材40の接触斜面43をシリンダヘッド60に接触させることにより、アタッチメント8に対する工具ユニット9の取付け角度を更に正確かつ容易に決めることができる。また、工具10によって図示しないワークを加工する際の工具10の軸方向だけでなく、工具10の径方向における剛性を高めることができる。
なお、アタッチメント8と工具ユニット9との着脱の際には、シリンダヘッド60に設けた通気孔62から空気を噴射させることで、接触直角面42および接触斜面43近傍の塵等は吹き飛ぶので、接触直角面42および接触斜面43において塵等を噛み込まない。よって、アタッチメント8と工具ユニット9との結合をより安定させることができる。
もちろん、アタッチメント8および工具ユニット9の構造は、本実施例に限定されない。例えば、ピストン70の当付面71を工具ユニット9に近づくほどに径方向に突出する斜面(図3において当付面71が左下がりとなるような斜面)で形成しても良い。ピストン70の当付面71を斜面で形成することにより、ピストン70が皿バネ80の弾性変形による力によって軸方向におけるシリンダ50を設置した一方側(図3における右方側)へ移動するに伴い、ピストン70の当付面71が鋼球110を工具クランプ部材40の突出斜面41に押付ける押圧力が増大する。よって、工具ユニット9とアタッチメント8との結合力を増加させることができる。また、ピストン70の当付面71が鋼球110を工具クランプ部材40の突出斜面41に押付ける押圧力は、シリンダヘッド60とピストン70との間に設置する皿バネ80の種類等によっても増大させることができる。
アタッチメント8と工具ユニット9との着脱においては、シリンダ50とピストン70との間に設けた圧油室100に油圧用オイルを注入し、皿バネ80の弾性変形による力よりも強い油圧をピストン70に作用させる。ピストン70は、油圧によって軸方向における工具ユニット9を取付ける他方側へ摺動し、ピストン70の当付面71に設けた逃がし穴72は、鋼球110に対応する位置となる(図4参照)。
アタッチメント8に対して工具ユニット9を離脱させる場合には、工具ユニット9をアタッチメント8の反対側へ移動させることにより、工具クランプ部材40の突出斜面41がアタッチメント8におけるシリンダヘッド60の円孔61に備えた鋼球110を押し退けさせることができる。よって、鋼球110の一部がピストン70の逃がし穴72に嵌り、アタッチメント8に対して工具ユニット9を離脱させることができる(図5参照)。
アタッチメント8に対して工具ユニット9を装着させる場合には、工具ユニット9をアタッチメント8側へ移動させることにより、工具クランプ部材40の接触斜面43がアタッチメント8におけるシリンダヘッド60の円孔61に備えた鋼球110を押し退けさせることができる。よって、鋼球110の一部がピストン70の逃がし穴72に嵌り、アタッチメント8に対して工具ユニット9を装着させることができる(図6参照)。
本実施例の工作機械においては、アンクランプ装置120および工具ユニット保持装置130を用いてアタッチメント8と工具ユニット9との着脱を行う。
アンクランプ装置120とは、アタッチメント8から工具ユニット9を取外す際に必要となる油圧用オイルおよび空気を供給する装置であり、シリンダ50の給油口51に連結して油圧用オイルを供給する給油口121と、シリンダ50の給気口53に連結して空気を供給する給気口122と、移動するための台車123とを有する。
工具ユニット保持装置130とは、アタッチメント8から取り外した工具ユニット9を支え持つ装置であり、図7および図8に示すように、工具ホルダ20の凹溝21に嵌合するU字形の爪部131と、工具ユニット9を保持する際の位相を合わせるキー132と、工具ユニット9を保持しているかを確認する近接センサ133と、移動するための台車134とを有している。なお、工具ユニット9の保持を安定させるために、工具ユニット9における工具10の一部を支える工具支持装置140を設けることが好ましい。
次に、本実施例に係る工作機械における工具の自動交換について、図1乃至図7を参照して説明する。
本実施例の工作機械では、工具ユニット9の交換を行う図示しない工具交換スペースをアタッチメント8の可動領域内に設け、アタッチメント8を工具交換スペースの工具交換位置に移動させて工具ユニット9の交換(取付けおよび取外し)を行う。
まず、図7に示すように、工具交換スペースの工具交換位置に位置した主軸7に対してアンクランプ装置120および工具ユニット保持装置130を近接させ、アンクランプ装置120によって給油および給気を行うことにより、アタッチメント8から工具ユニット9を離脱可能な状態とする。
アタッチメント8に近接させたアンクランプ装置120の給油口121をアタッチメント8におけるシリンダ50の給油口51に連結させ、アンクランプ装置120の給気口122をアタッチメント8におけるシリンダ50の給気口53に連結させる。
アンクランプ装置120からアタッチメント8における圧油室100に油圧用オイルが供給されると、油圧が生じる。この油圧はアタッチメント8におけるピストン70に押圧力として伝わり、油圧が皿バネ80の弾性変形による力を超えるまで油圧用オイルが圧油室100に供給される。つまり、アンクランプ装置120から供給される油圧用オイルの油圧によって、ピストン70には皿バネ80の弾性変形による力よりも強い圧力が作用し、ピストン70はシリンダ50およびシリンダヘッド60に沿って工具ユニット9を取付ける他方側へ移動する。
ピストン70がシリンダ50およびシリンダヘッド60に対して移動することで、図4に示すようにピストン70の逃がし穴72が、シリンダヘッド60の円孔61に備えた鋼球110に対応する位置となる。
次に、工具ユニット保持装置130によってアタッチメント8から工具ユニット9を離脱させる。
工具ユニット保持装置130をアタッチメント8から離れる方向へ移動させると、工具ユニット保持装置130のU字形の爪部41が工具ユニット9における工具ホルダ20の凹溝21に引っ掛かっているので、工具ユニット9をアタッチメント8から離脱させることができる。
このとき、工具クランプ部材40の突出斜面41が、アタッチメント8におけるシリンダヘッド60の円孔61に備えた鋼球110を押し退けることにより、鋼球110はピストン70の逃がし穴72に嵌る(図5参照)。よって、工具ユニット9をアタッチメント8に押さえるもの(鋼球110)がなくなるので、離脱させることができる。
次に、アタッチメント8から離脱させた工具ユニット9および工具ユニット保持装置130を図示しない退避スペースへ移動させ、新たな工具ユニット9および工具ユニット保持装置130を工具交換スペースの工具交換位置に位置したアタッチメント8に近接させる。
一つの工具10に対して一つの工具ユニット9および一つの工具ユニット保持装置130が対応するようになっている。つまり、工作機械としては、種々の加工に適応する種々の工具10と、種々の工具10に組付けられた種々の工具ユニット9と、種々の工具ユニット9を保持する種々の工具ユニット保持装置130とを有している。図示しない退避スペースには、それら種々の工具ユニット9および工具ユニット保持装置130が並べられている。
次に、新たな工具ユニット保持装置130が保持する新たな工具ユニット9をアタッチメント8へ装着させる。
工具ユニット保持装置130をアタッチメント8へ近づく方向へ移動させる。シリンダヘッド60の円孔61に備えた鋼球110はピストン70の逃がし穴72に嵌った状態(図5参照)なので、工具ユニット9をアタッチメント8における装着位置まで移動させることができる(図6参照)。
このとき、アンクランプ装置120から空気を供給する。供給された空気は、通気孔62から噴射され、工具ユニット9における工具クランプ部材40の接触直角面42および接触斜面43に噴き付けられる。よって、工具クランプ部材40の接触直角面42および接触斜面43を空気洗浄することができる。工具クランプ部材40とシリンダヘッド60は塵などを挟むことなく密着されるので、工具ユニット9とアタッチメント8との密着度が向上される。また、工具ユニット9とアタッチメント8を正確な取付け方向で取付けることができる。
次に、アンクランプ装置120の給油を停止し、アタッチメント8における圧油室100の油圧用オイルを排出する。圧油室の油圧用オイルがなくなることで、ピストン70に作用する油圧がなくなる。よって、ピストン70には皿バネ80の弾性変形による力だけが作用するので、ピストン70はシリンダ50を設置した一方側へ移動する(図3参照)。
ピストン70がシリンダ50に対して移動することで、ピストン70の逃がし穴72がシリンダヘッド60の円孔61に備えた鋼球110に対応しない位置となる。つまり、ピストン70の逃がし穴72から押し出された鋼球110は、ピストン70の当付面71に支えられ、工具ユニット9における工具クランプ部材40の突出斜面41に押さえ付けられる。よって、工具ユニット9は鋼球110によってアタッチメント8側へ押され、工具ユニット9のアタッチメント8への装着が完了される。
本発明は、工具ユニットおよびアタッチメントを小型化し、工具の自動交換を行うことができるので、工作機械として好適であり、特に狭小部加工用の工作機械として好適である。
1 ベッド
2 テーブル
3 コラム
4 クロスレール
5 サドル
6 ラム
7 主軸
8 アタッチメント
9 工具ユニット
10 工具
20 工具ホルダ
21 工具ホルダの凹溝
30 スペーサ
40 工具クランプ部材
41 工具クランプ部材の突出斜面
42 工具クランプ部材の接触直角面
43 工具クランプ部材の接触斜面
50 シリンダ
51 シリンダの給油口
52 シリンダの給油通路
53 シリンダの給気口
54 シリンダの給気通路
60 シリンダヘッド
61 シリンダヘッドの円孔
62 シリンダヘッドの通気孔
70 ピストン
71 ピストンの当付面
72 ピストンの逃がし穴
80 皿バネ
90 シール部材
100 圧油室
110 鋼球
120 アンクランプ装置
130 工具ユニット保持装置
140 工具支持装置

Claims (4)

  1. 加工に供する工具を有する工具ユニットがアタッチメントを介して主軸に装着される工作機械であって、
    前記アタッチメントは、前記主軸に固定されるシリンダ部と、前記シリンダ部に摺動可能に把持されるピストン部とを有し、
    前記シリンダ部は、当該シリンダ部の径方向へ突出可能な複数の球体を有し、
    前記ピストン部は、前記シリンダ部に対して一方側へ摺動すると前記球体を前記シリンダ部の径方向へ突出させる当付面を有し、
    前記工具ユニットは、当該工具ユニットの径方向へ突出する突出斜面と、前記突出斜面よりも前記アタッチメント側に位置して装着時に前記アタッチメントと接触する接触直角面および接触斜面とを有し、前記ピストン部の一方側への摺動により前記シリンダ部の径方向へ突出された前記球体に前記突出斜面が押し当てられると共に、前記接触直角面および前記接触斜面が前記アタッチメントに当接されることにより、前記アタッチメントに結合される
    ことを特徴とする工作機械。
  2. 前記ピストン部は、当該ピストンが他方側へ摺動した際に前記球体に対応する位置に、前記シリンダ部の径方向における前記球体の移動を可能にするための逃がし穴を有し、
    前記工具ユニットは、前記ピストン部が前記シリンダ部に対して他方側へ摺動すると、前記逃がし穴が前記球体に対応する位置となって前記球体が前記シリンダ部の径方向へ移動可能な状態になり、当該工具ユニットが前記球体から解放されて前記アタッチメントから離脱可能な状態となることを特徴とする請求項1に記載の工作機械。
  3. 前記アタッチメントは、前記ピストン部を一方側へ摺動させる力が作用するように弾性体を有し、前記ピストン部を他方側へ摺動させる力が作用するように流体が供給される流体供給空間を有し、
    前記ピストン部は、前記流体供給空間に前記流体を供給すると前記流体の圧力によって他方側へ摺動し、前記流体供給空間から前記流体を排出すると前記弾性体の弾性変形によって一方側へ摺動する
    ことを特徴とする請求項2に記載の工作機械。
  4. 更に、前記工具ユニットの着脱の補助および搬送を行う工具ユニット保持装置を備えたことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の工作機械。
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