JP6480744B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、工作機械に関し、より特定的には、回転工具の駆動用モータが内蔵された刃物台を備える工作機械に関する。

従来の工作機械に関して、たとえば、実開昭６０−１１７００１号公報には、ＡＴＣの動作の単純化を実現するとともに、ツールの交換時間の短縮化を図ることを目的とした、自動工具交換装置付きの数値制御旋盤が開示されている（特許文献１）。

特許文献１に開示された数値制御旋盤は、刃物台上のタレットと、ツールマガジンとの間で工具を自動交換するための自動工具交換装置を備える。

また、特開昭６０−１２３２４３号公報には、直線の往復移動でツールブロックを自動交換する際、各ガイド面の清掃がし易く、構造が簡単でしかも確実に操作し、さらに迅速な清掃手段を備えることを目的とした、工具交換装置付きの工作機械が開示されている（特許文献２）。

特許文献２に開示された工作機械は、刃物台上のタレットヘッドと、工具マガジンとの間で工具を自動交換するための交換手段を備える。

また、特開平６−２３８５３９号公報には、タレットに取り付けられている工具ホルダから工具ユニットをタレットの中心軸線に平行に着脱したり、直角に着脱したりすることを目的とした、工具交換装置が開示されている（特許文献３）。

特許文献３に開示された工具交換装置では、タレットの近傍に、駆動ボックスをタレットの中心軸線に直角方向および平行方向に移動可能に保持するＸ−Ｚステージが設けられている。駆動ボックスには、工具ユニットをつかむツールハンドを備えた工具交換ボックスが旋回可能に設けられている。

実開昭６０−１１７００１号公報 特開昭６０−１２３２４３号公報 特開平６−２３８５３９号公報

上述の特許文献に開示されるように、刃物台（タレット）上の工具ホルダに保持された工具を自動交換するための自動工具交換装置（ＡＴＣ：Auto Tool Changer）を備えた工作機械が知られている。このような工作機械においては、工具の自動交換時に工具を自動的にクランプ、アンクランプするためのクランプ機構部を、簡易な構成により工具ホルダに設けることが求められる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、刃物台上の工具ホルダに保持された工具を自動的にクランプ、アンクランプするためのクランプ機構部が、簡易な構成により設けられる工作機械を提供することである。

この発明の１つの局面に従った工作機械は、固定工具と、回転工具とを含む複数の工具を装着可能な刃物台と、刃物台に設けられ、刃物台に回転工具が装着された場合に回転工具を回転させるためのモータと、刃物台に取り付けられ、固定工具を着脱可能に保持する工具ホルダとを備える。工具ホルダは、モータで発生した動力が伝達されることにより、固定工具をクランプするクランプ状態と、固定工具をアンクランプするアンクランプ状態との間で作動するクランプ機構部と、モータから回転が入力されるクラッチ軸と、クラッチ軸に入力された回転を減速する減速機構部と、減速機構部により減速された回転を直線運動に変換してクランプ機構部に伝達する運動変換機構部とを有する。モータは、係合溝が形成され、減速機構部に向けて回転を出力するロータ軸を有する。刃物台は、周方向に延び、係合溝に連続する環状溝が形成されるリング部材を有する。クラッチ軸は、刃物台に装着された複数の工具の旋回割り出し時、係合溝および環状溝の間を移動可能に設けられ、工具ホルダに保持された固定工具が加工に用いられる工具として割り出された状態で係合溝と係合することによって、ロータ軸に連結される。
この発明の別の局面に従った工作機械は、固定工具と、回転工具とを含む複数の工具を装着可能な刃物台と、刃物台に設けられ、刃物台に回転工具が装着された場合に回転工具を回転させるためのモータと、刃物台に取り付けられ、回転工具を着脱可能に保持する工具ホルダとを備える。工具ホルダは、モータで発生した動力が伝達されることにより、回転工具をクランプするクランプ状態と、回転工具をアンクランプするアンクランプ状態との間で作動するクランプ機構部と、モータから回転が入力されるクラッチ軸と、クラッチ軸に入力された回転を減速する減速機構部と、減速機構部により減速された回転を直線運動に変換してクランプ機構部に伝達する運動変換機構部と、工具ホルダに保持された回転工具を回転させるために、モータからの回転を回転工具に伝達する回転取り出し機構部と、モータからの回転を、クラッチ軸および減速機構部を介して運動変換機構部に伝達する経路と、回転取り出し機構部に伝達する経路との間で切り替える切り替え機構部とを有する。モータは、係合溝が形成され、運動変換機構部または回転取り出し機構部に向けて回転を出力するロータ軸を有する。刃物台は、周方向に延び、係合溝に連続する環状溝が形成されるリング部材を有する。クラッチ軸は、刃物台に装着された複数の工具の旋回割り出し時、係合溝および環状溝の間を移動可能に設けられ、工具ホルダに保持された回転工具が加工に用いられる工具として割り出された状態で係合溝と係合することによって、ロータ軸に連結される。
この発明のさらに別の局面に従った工作機械は、複数の工具が装着される刃物台と、刃物台に設けられ、刃物台に回転工具が装着された場合に回転工具を回転させるためのモータと、刃物台に取り付けられ、工具を着脱可能に保持する工具ホルダとを備える。工具ホルダは、モータで発生した動力が伝達されることにより、工具をクランプするクランプ状態と、工具をアンクランプするアンクランプ状態との間で作動するクランプ機構部を有する。

このように構成された工作機械によれば、工具ホルダ上で工具をクランプ、アンクランプするクランプ機構部が、回転工具を回転させるためのモータを用いて作動されるため、クランプ機構部を簡易な構成により設けることができる。

また好ましくは、工具ホルダは、モータから回転が入力されるクラッチ軸と、クラッチ軸に入力された回転を減速する減速機構部と、減速機構部により減速された回転を直線運動に変換してクランプ機構部に伝達する運動変換機構部とをさらに有する。

このように構成された工作機械によれば、モータからの回転を、クラッチ軸、減速機構部および運動変換機構を通じてクランプ機構部に伝達することにより、クランプ機構部を作動させることができる。

また好ましくは、モータは、クラッチ軸が係合される係合溝が形成され、減速機構部に向けて回転を出力するロータ軸を有する。刃物台は、周方向に延び、係合溝に連続する環状溝が形成されるリング部材を有する。刃物台に装着された複数の工具の旋回割り出し時、クラッチ軸は、係合溝および環状溝の間を移動可能に設けられる。運動変換機構部は、モータからクラッチ軸に入力された回転が１８０°以上のときにクランプ機構部を作動させる。

このように構成された工作機械によれば、ロータ軸を、モータからクラッチ軸に回転が入力された場合にクランプ機構部が作動しない範囲で回転させることにより、クランプ機構部による工具のクランプ状態を維持しつつ、係合溝および環状溝が連続するようにロータ軸を位置決めすることができる。これにより、クラッチ軸が係合溝および環状溝の間を移動可能となって、刃物台に装着された複数の工具の旋回割り出しが可能となる。

また好ましくは、減速機構部は、溝部が形成され、運動変換機構部に向けて回転を出力する出力軸を含む。運動変換機構部は、溝部に係合されるキー部を有し、出力軸から回転が入力される回転入力部材を含む。キー部と、溝部の溝壁との間には、出力軸の回転方向において隙間が設けられる。

このように構成された工作機械によれば、キー部と、溝部の溝壁との間に隙間が設けられることにより、モータからクラッチ軸に回転が入力された場合であってもクランプ機構部が作動しない範囲を生じさせることができる。

また好ましくは、モータからクラッチ軸に入力される回転がクランプ機構部を作動させない範囲における出力軸の回転角度をθとし、減速機構部の減速比をＲ（入力回転数／出力回転数）としたとき、θ＞１８０°×１／Ｒの関係を満たす。

このように構成された工作機械によれば、クランプ機構部が作動し始めるときのモータからクラッチ軸への入力角度を１８０°以上に設定することができる。

また好ましくは、工作機械は、モータの回転を制御する制御部をさらに備える。制御部は、クランプ機構部を作動させる場合のモータの上限出力が、回転工具を回転させる場合のモータの上限出力よりも小さくなるように、モータの回転を制御する。

このように構成された工作機械によれば、クランプ機構部の作動時に減速機構部に過大なトルクが作用することを防止できる。

以上に説明したように、この発明に従えば、刃物台上の工具ホルダに保持された工具を自動的にクランプ、アンクランプするためのクランプ機構部が、簡易な構成により設けられる工作機械を提供することができる。

この発明の実施の形態における工作機械を示す正面図である。 図１中の工作機械において、下刃物台に装着された工具の自動交換時の加工エリア内の様子を示す側面図である。 図２中の下刃物台および工具ホルダを示す断面図である。 図３中の下刃物台および工具ホルダの内部構造を示す斜視図である。 図４中の矢印Ｖに示す方向から見た下刃物台の上面図である。 図３中の２点鎖線ＶＩで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。 図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った工具ホルダを示す断面図である。 クランプ状態におけるキー部の位置を示す断面図である。 アンクランプ開始時のキー部の位置を示す断面図である。 図１中の工作機械において、下刃物台に装着された工具の自動交換時の工具主軸およびロボットアームの動きを示す側面図である。 図１中の工作機械において、下刃物台に装着された工具の自動交換時の工具主軸およびロボットアームの動きを示す側面図である。 図１中の工作機械において、下刃物台に装着された工具の自動交換時の工具主軸およびロボットアームの動きを示す側面図である。 図１中の工作機械において、下刃物台に装着された工具の自動交換時の工具主軸および下刃物台の動作フローを示す図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態における工作機械を示す正面図である。図１中には、工作機械の外観をなすカバー体を透視することにより、工作機械の内部が示されている。

図１を参照して、工作機械１００は、固定工具を用いた旋削機能と、回転工具を用いたミーリング機能とを有する複合加工機である。まず、工作機械１００の全体構造について説明すると、工作機械１００は、ベッド１４１と、第１主軸台１１１と、第２主軸台１１６と、工具主軸１２１と、下刃物台１３１とを有する。

ベッド１４１は、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１を支持するためのベース部材であり、工場などの据付け面に設置されている。

第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、水平方向に延びるＺ軸方向において、互いに対向して設けられている。第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、それぞれ、固定工具を用いた旋削加工時にワーク（加工物）を回転させるための主軸１１２および主軸１１７を有する。主軸１１２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能に設けられ、主軸１１７は、Ｚ軸に平行な中心軸２０２を中心に回転可能に設けられている。主軸１１２および主軸１１７には、ワークを着脱可能に保持するためのチャック機構が設けられている。

工具主軸（上刃物台）１２１は、回転工具を用いたミーリング加工時に回転工具を回転させる。工具主軸１２１は、鉛直方向に延びるＸ軸に平行な中心軸２０３を中心に回転可能に設けられている。工具主軸１２１には、回転工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構が設けられている。

工具主軸１２１は、図示しないコラム等によりベッド１４１上に支持されている。工具主軸１２１は、コラム等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向、水平方向に延び、Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向、およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。工具主軸１２１に装着された回転工具による加工位置は、３次元的に移動する。工具主軸１２１は、さらに、Ｙ軸に平行な中心軸を中心に旋回可能に設けられている。

工具主軸１２１は、エアを供給可能なエア供給部（不図示）を有する。代表的な例として、エア供給部は、工具主軸１２１に装着された回転工具にエアを供給するための機構（センタースルーエアブロー）として設けられている。

下刃物台１３１は、旋削加工のための複数の固定工具を装着する。下刃物台１３１は、いわゆるタレット形であり、複数の固定工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。

より具体的には、下刃物台１３１は、旋回部１３２を有する。旋回部１３２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０４を中心にその周方向に間隔を隔てた位置（本実施の形態では、１０箇所）には、固定工具を保持するための工具ホルダが取り付けられている。旋回部１３２が中心軸２０４を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された固定工具が周方向に移動し、旋削加工に用いられる固定工具が割り出される。

下刃物台１３１は、図示しないサドル等によりベッド１４１上に支持されている。下刃物台１３１は、サドル等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。

下刃物台１３１には、回転工具を回転させるためのモータ（詳細な構造については、後述する）が内蔵されている。モータからの回転力が工具ホルダに保持された回転工具に伝達されることによって、下刃物台１３１における回転工具の使用が可能となる。

図２は、図１中の工作機械において、下刃物台に装着された工具の自動交換時の加工エリア内の様子を示す側面図である。

図１および図２を参照して、工作機械１００は、自動工具交換装置（ＡＴＣ：Auto Tool Changer）１０および工具ストッカ１５６を有する。自動工具交換装置１０は、下刃物台１３１に装着された工具を自動交換する。工具ストッカ１５６は、下刃物台１３１に装着する交換用の工具を収納する工具収納部として設けられている。

工作機械１００は、（ＡＴＣ用）工具ホルダ１３６を有する。工具ホルダ１３６は、下刃物台１３１（旋回部１３２）に取り付けられている。工具ホルダ１３６は、工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構部を内蔵する。自動工具交換装置１０は、下刃物台１３１に装着された複数の工具のうちの工具ホルダ１３６に保持された工具と、工具ストッカ１５６に収納された工具とを自動交換する。下刃物台１３１への工具の装着時、工具は、工具ホルダ１３６に対してＺ軸に平行な方向から挿入される。

なお、図１中には示されていないが、工作機械１００は、第１主軸台１１１の周辺に、工具主軸１２１に装着された工具を自動交換するための自動工具交換装置と、工具主軸１２１に装着する交換用の工具を収容する工具マガジンとを有する。

工作機械１００は、側面カバー１４２を有する。側面カバー１４２は、第２主軸台１１６に対して第１主軸台１１１の反対側に設けられている。側面カバー１４２により、加工エリア２００の内外が隔てられている。側面カバー１４２には、開閉可能なシャッター１４３が設けられている。工具ストッカ１５６は、加工エリア外に設けられている。

自動工具交換装置１０は、ロボットアーム３１および移動機構部２１を有する。ロボットアーム３１は、工具を把持可能なように設けられている。移動機構部２１は、ロボットアーム３１を加工エリア２００の内外の間で移動させる。移動機構部２１は、ロボットアーム３１を、加工エリア内の工具交換位置３１Ａと、加工エリア外の待機位置３１Ｂと、加工エリア外のストッカ位置３１Ｃとの間で移動させる。

移動機構部２１は、ロボットアーム３１を直線往復移動させるための機構として、ベース部材２３、リニアガイド２２、ラックピニオン２５、サーボモータ（不図示）および支柱２４を有する。

ベース部材２３は、プレート材からなり、ロボットアーム３１およびサーボモータが取り付けられている。リニアガイド２２およびラックピニオン２５は、支柱２４によって、工作機械１００の据え付け面から一定の高さに設けられている。リニアガイド２２は、ベース部材２３をＺ軸に平行な方向に案内する案内機構として設けられている。ラックピニオン２５は、サーボモータから出力された回転を直線運動に変換して、ベース部材２３をＺ軸方向に移動させる。

ロボットアーム３１は、アーム部３３および把持部３６を有する。アーム部３３は、移動機構部２１から把持部３６に向けてアーム状に延出する形状を有する。アーム部３３は、回動軸を介して互いに連結された複数の可動部から構成されている。本実施の形態では、ロボットアーム３１が、６軸（３つの回動軸および３つの回転軸）を独立して制御可能なロボットアームとして設けられている。

把持部３６は、アーム部３３の先端に設けられている。把持部３６は、爪部３７を有する。爪部３７は、工具に係合可能な爪形状を有する。把持部３６は、爪部３７により工具を着脱可能に把持する。

なお、図２中には、同時に１つの工具を把持可能なシングルアームタイプの把持部３６が示されているが、同時に２つの工具を把持可能なダブルアームタイプの把持部が、アーム部３３に設けられてもよい。

下刃物台１３１に装着された工具の自動交換時のロボットアーム３１の動きについて説明する。

ワークの加工中、ロボットアーム３１は、工具を把持しない状態で、待機位置３１Ｂに待機する。ワークの加工が終了し、下刃物台１３１に装着された工具の交換が必要となると、シャッター１４３を開状態とする。ロボットアーム３１は、側面カバー１４２に生じた開口部を通じて加工エリア内に進入し、アーム部３３を揺動させながら工具交換位置３１Ａまで移動する。ロボットアーム３１は、さらにＺ軸方向（図中の左方向）に移動することにより、工具ホルダ１３６に保持された工具を把持する。

工具を把持したロボットアーム３１は、工具交換位置３１Ａからストッカ位置３１Ｃまで移動する（工具搬送）。ロボットアーム３１は、アーム部３３の６軸が適当に制御されることにより、下刃物台１３１から取り外した工具を工具ストッカ１５６に戻し、工具ストッカ１５６に準備された交換用の工具を新たに把持する。

ロボットアーム３１は、ストッカ位置３１Ｃから工具交換位置３１Ａまで移動する（工具搬送）。ロボットアーム３１は、先に説明した工具の取り外し時と同じ動きにより、交換用の工具を工具ホルダ１３６に装着する。ロボットアーム３１が工具交換位置３１Ａから待機位置３１Ｂに移動し、シャッター１４３を閉状態とすることにより、自動工具交換装置１０による工具交換が完了する。

図３は、図２中の下刃物台および工具ホルダを示す断面図である。図３を参照して、工作機械１００は、下刃物台１３１に回転工具（不図示）が装着された場合に回転工具を回転させるためのモータ２１１を有する。

モータ２１１は、下刃物台１３１に内蔵されている。モータ２１１は、ロータ２１２およびステータ２１３から構成されている。ロータ２１２は、ロータ軸２１４を有する。ロータ軸２１４は、中心軸３０１の軸線方向に沿ってシャフト状に延びる。中心軸３０１は、Ｚ軸方向に直交し、かつ、Ｘ軸方向に平行である。ロータ軸２１４は、モータ２１１の駆動に伴って、中心軸３０１を中心に回転する。

工具ホルダ１３６は、ブロック１３７と、工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構部２６とを有する。

ブロック１３７は、金属製のブロック体から形成されている。ブロック１３７は、側面１３７ａを有する。側面１３７ａは、Ｚ軸に直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）から構成されている。側面１３７ａは、Ｚ軸方向において、第１主軸台１１１および第２主軸台１１６のうち第１主軸台１１１に面する側に設けられている。

クランプ機構部２６は、ブロック１３７に内蔵されている。クランプ機構部２６は、モータ２１１で発生した動力が伝達されることにより、工具をクランプするクランプ状態と、工具をアンクランプするアンクランプ状態との間で作動する。

クランプ機構部２６は、クランプシャフト１７１を有する。クランプシャフト１７１は、Ｚ軸に平行な中心軸３０３の軸線方向に沿ってシャフト状に延びる。クランプシャフト１７１は、その中心軸３０３の軸線方向に沿って延びる先端で、工具１５０のシャンク部１５１に係合可能な形状を有する。クランプシャフト１７１は、中心軸３０３の軸線方向に沿ってスライド可能に設けられている。

続いて、工具ホルダ１３６における工具のクランプ機構について説明する。図４は、図３中の下刃物台および工具ホルダの内部構造を示す斜視図である。図３および図４を参照して、工具ホルダ１３６は、クラッチ軸２２１をさらに有する。

下刃物台１３１において工具ホルダ１３６に保持された工具１５０が加工工具として割り出された状態で、クラッチ軸２２１は、ロータ軸２１４に連結され、モータ２１１からの回転が入力される。クラッチ軸２２１は、ロータ軸２１４の延長上で、中心軸３０１の軸線方向に沿ってシャフト状に延びる。クラッチ軸２２１は、そのシャフト状に延びる先端に先端部２２２を有する。先端部２２２は、ブロック１３７から突出して設けられている。

図５は、図４中の矢印Ｖに示す方向から見た下刃物台の上面図である。図３から図５を参照して、下刃物台１３１は、リング部材２５２を有する。リング部材２５２は、中心軸２０４を中心とするリング形状を有する。リング部材２５２は、複数の部品が組み合わさって、全体として中心軸２０４を中心にリング状に周回する形状を有する。

ロータ軸２１４は、中心軸３０１の軸線方向に沿ってシャフト状に延びる先端で、リング部材２５２を貫通し、工具ホルダ１３６のクラッチ軸２２１と対向するように設けられている。ロータ軸２１４の先端部には、係合溝２１６が形成されている。係合溝２１６は、ロータ軸２１４の先端部の端面から凹み、一方向に延びる溝形状を有する。係合溝２１６にクラッチ軸２２１（の先端部２２２）が係合されることによって、クラッチ軸２２１およびロータ軸２１４が互いに連結されている。

リング部材２５２には、環状溝２５３が形成されている。環状溝２５３は、リング部材２５２の外周面から凹み、中心軸２０４を中心に環状に周回する溝形状を有する。係合溝２１６が延びる方向が中心軸２０４を中心とする周方向に一致するようにロータ軸２１４の位相位置が合わされることにより、係合溝２１６および環状溝２５３が連続する。このとき、クラッチ軸２２１（の先端部２２２）が係合溝２１６および環状溝２５３の間で移動可能となり、下刃物台１３１に装着された複数の工具の旋回割り出しが可能となる。

図３を参照して、工具ホルダ１３６は、減速機構部２３１および運動変換機構部２４１をさらに有する。

減速機構部２３１は、ブロック１３７に内蔵されている。減速機構部２３１は、モータ２１１からクランプ機構部２６への動力伝達経路上において、クラッチ軸２２１および運動変換機構部２４１の間に設けられている。減速機構部２３１は、クラッチ軸２２１に入力された回転を減速して運動変換機構部２４１に出力する。減速機構部２３１は、複数の歯車が組み合わさって構成されている。

本実施の形態では、減速機構部２３１が、遊星歯車機構により構成されている。一例を挙げれば、減速機構部２３１の減速比Ｒ（入力回転数／出力回転数）は、１０である。

運動変換機構部２４１は、ブロック１３７に内蔵されている。運動変換機構部２４１は、モータ２１１からクランプ機構部２６への動力伝達経路上において、減速機構部２３１およびクランプ機構部２６の間に設けられている。運動変換機構部２４１は、減速機構部２３１により減速された回転を直線運動に変換してクランプ機構部２６に伝達する。

図６は、図３中の２点鎖線ＶＩで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図７は、図６中のＶＩＩ−ＶＩＩ線上に沿った工具ホルダを示す断面図である。

図３、図６および図７を参照して、本実施の形態では、運動変換機構部２４１が、カム機構を用いて回転運動を直線運動に変換する。

より具体的に説明すると、減速機構部２３１は、出力軸２４２を有する。出力軸２４２は、中心軸３０３に直交し、中心軸３０１に平行な中心軸３０２の軸線方向に沿ってシャフト状に延びる。出力軸２４２は、減速機構部２３１において減速された回転を運動変換機構部２４１に向けて出力する。出力軸２４２の先端部には、溝部２４６が形成されている。溝部２４６は、出力軸２４２の先端部の端面から凹む溝形状を有する。

運動変換機構部２４１は、回転入力部材２４３を有する。回転入力部材２４３は、中心軸３０２の軸線方向に沿って延びる出力軸２４２の延長上に設けられている。回転入力部材２４３は、その構成部位として、キー部２４７を有する。キー部２４７は、略矩形断面のキー形状を有する。キー部２４７が溝部２４６に係合されることによって、出力軸２４２および回転入力部材２４３が互いに連結されている。回転入力部材２４３は、出力軸２４２から入力された中心軸３０２を中心とする回転運動を、中心軸３０３の軸線方向における直線運動に変換してクランプシャフト１７１に伝達するカム形状を有する。

出力軸２４２は、モータ２１１からの回転が伝達されることにより、中心軸３０２を中心に正転したり、反転したりする。出力軸２４２が中心軸３０２を中心に正転すると、クランプシャフト１７１が図中の左方向にスライド移動する。このとき、クランプシャフト１７１が、工具１５０のシャンク部１５１に係合して工具１５０を引き込むことによって、工具１５０がクランプされる。一方、出力軸２４２が中心軸３０２を中心に反転すると、クランプシャフト１７１が図中の右方向にスライド移動する。このとき、クランプシャフト１７１と工具１５０のシャンク部１５１との係合が解除されることによって、工具１５０がアンクランプされる。

このように本実施の形態では、下刃物台１３１に装着された回転工具を回転させるためのモータ２１１を用いてクランプ機構部２６を作動させる。言い換えれば、下刃物台１３１に内蔵されたモータ２１１を、下刃物台１３１に装着された回転工具の駆動用モータおよびクランプ機構部２６の駆動用モータとして兼用している。

なお、本実施の形態では、モータ２１１が下刃物台１３１に内蔵された場合について説明したが、モータ２１１は、下刃物台１３１に対して外付けで設けられてもよい。この場合、モータ２１１は、たとえば、下刃物台１３１に内蔵された回転軸（ロータ軸２１４に対応）に対して適当な動力伝達機構を介して連結される。

図３から図７を参照して、本実施の形態では、運動変換機構部２４１が、モータ２１１からクラッチ軸２２１に入力された回転が１８０°以上のときにクランプ機構部２６を作動させる。

このような構成により、下刃物台１３１に装着された工具の旋回割り出しを実行する前に、ロータ軸２１４を、モータ２１１からクラッチ軸２２１に回転が入力された場合にクランプ機構部２６が作動しない範囲（すなわち、１８０°よりも小さい角度の範囲）で回転させることにより、クランプ機構部２６による工具１５０のクランプ状態を維持しつつ、係合溝２１６および環状溝２５３が周方向に連続するように中心軸３０１の軸周りにおけるロータ軸２１４の位相位置を合わせることができる。これにより、クラッチ軸２２１の先端部２２２が係合溝２１６および環状溝２５３の間を移動可能となって、下刃物台１３１に装着された工具の旋回割り出しを実行できる。

図８は、クランプ状態におけるキー部の位置を示す断面図である。図９は、アンクランプ開始時のキー部の位置を示す断面図である。図７から図９を参照して、出力軸２４２に形成された溝部２４６の幅が、中心軸３０２からその半径方向に離れるほど大きくなる一方、回転入力部材２４３のキー部２４７の幅は、一定である。これにより、キー部２４７と、溝部２４６の溝壁との間には、出力軸２４２の回転方向における隙間が設けられている。

溝部２４６の溝壁との間に隙間が設けられることにより、図８中に示すクランプ状態から図９中に示すアンクランプ開始時までの間、モータ２１１からクラッチ軸２２１への回転の入力にもかかわらず、出力軸２４２から回転入力部材２４３に回転が伝達されない。すなわち、クランプ状態からアンクランプ開始時までの間、クランプ機構部２６を作動させない出力軸２４２の回転角度が生じる。

この際、図７中に示すキー部２４７と、溝部２４６の一方および他方の溝壁との間の隙間の大きさを中心軸３０２を中心として１０°に設定すると、モータ２１１からクラッチ軸２２１に入力される回転がクランプ機構部２６を作動させない範囲における出力軸２４２の回転角度θが、２０°となる。

減速機構部２３１の減速比をＲ（入力回転数／出力回転数）としたとき、θ＞１８０°×１／Ｒの関係を満たすことにより、モータ２１１からクラッチ軸２２１に入力された回転が１８０°以上のときにクランプ機構部２６が作動する構成を実現できる。本実施の形態では、減速機構部２３１の減速比Ｒが１０である場合を想定して、θが２０°に定められている（θ＝２０°＞１８０°×１／１０）。

なお、本実施の形態では、運動変換機構部２４１が、モータ２１１からクラッチ軸２２１に入力された回転が１８０°以上のときにクランプ機構部２６を作動させる構成としたが、クランプ機構部２６を作動させる時のモータ２１１からクラッチ軸２２１への入力回転は、１８０°×ｎ（ｎは２以上の整数）以上であってもよい。たとえば、モータ２１１の回転角度センサの基準位置が１周に１つだけ設けられている場合には、ｎ＝２にするとよい。この場合、モータ２１１からクラッチ軸２２１に入力される回転がクランプ機構部２６を作動させない範囲における出力軸２４２の回転角度θを、上記関係式に従って３６°よりも大きい値に設定すると、キー部２４７と溝部２４６の溝壁との間の隙間が大きくなり過ぎて、キー部２４７および溝部２４６が破損するおそれがある。このような問題を解決する方法としては、たとえば、θを２０°として、減速機構部２３１の減速比Ｒを１８よりも大きい値に設定する方法が挙げられる。

また、溝部２４６を、対向する溝壁が平行となるように構成し、キー部２４７を、樽型断面のキー形状となるように構成することにより、キー部２４７と溝部２４６の溝壁との間に、出力軸２４２の回転方向における隙間を設けてもよい。また、図３および図４中の係合溝２１６およびクラッチ軸２２１の先端部２２２に、同様の隙間構造を設けてもよいし、運動変換機構部２４１における歯車間の遊びを利用して、クランプ機構部２６を作動させない範囲を生じさせてもよい。

また、本実施の形態では、下刃物台１３１に対して自動交換される工具が旋削用の固定工具である場合について説明したが、回転工具を自動交換することも可能である。この場合、工具ホルダ１３６は、回転工具のクランプ、アンクランプのために、モータ２１１の回転を直線運動に変換してクランプ機構部２６に伝達する運動変換機構部と、回転工具を回転させるために、モータ２１１の回転を回転工具に伝達する回転取り出し機構部と、モータ２１１からの動力の伝達を、運動変換機構部および回転取り出し機構部の間で切り替える切り替え機構部とを有すればよい。

工作機械１００は、モータ２１１の回転を制御する制御部（不図示）を有する。制御部は、クランプ機構部２６を作動させる場合のモータ２１１の上限出力が、回転工具を回転させる場合のモータ２１１の上限出力よりも小さくなるように、モータ２１１の回転を制御する。

このような構成により、クランプ機構部２６の作動時に減速機構部２３１を構成する歯車に過大なトルクが作用することを防止できる。

次に、下刃物台１３１に装着された工具の自動交換時におけるエアブロー構造および工具のクランプ、アンクランプ確認の構造について説明する。

図３を参照して、ブロック１３７は、テーパ面１３８を有する。テーパ面１３８は、工具１５０を拘束するための拘束面として設けられている。テーパ面１３８は、クランプシャフト１７１をその外周上から取り囲むように設けられている。テーパ面１３８は、シャンク部１５１のテーパ面１５２に対応するテーパ形状を有する。工具ホルダ１３６により工具１５０が保持された状態で、テーパ面１３８は、シャンク部１５１のテーパ面１５２と面接触する。

ブロック１３７には、エアが流通可能なエア通路１４６が形成されている。エア通路１４６の一方の端部は、側面１３７ａに開口し、エア通路１４６の他方の端部は、テーパ面１３８に開口している。

ブロック１３７には、プラグ１４８が取り付けられている。プラグ１４８は、側面１３７ａにおけるエア通路１４６の開口部に取り付けられている。プラグ１４８は、後述する特殊工具６１の工具先端ブロック６６が接続可能な形状を有する。工具先端ブロック６６がプラグ１４８に接続されることによって、特殊工具６１側のエア通路と、ブロック１３７側のエア通路１４６とが連通する。

工具ホルダ１３６は、ドック１７２をさらに有する。ドック１７２は、工具ホルダ１３６における工具１５０のクランプに伴って作動する作動子として設けられている。

ドック１７２は、クランプシャフト１７１に接続されている。ドック１７２は、中心軸３０３の軸線方向に沿って延びるシャフト形状を有する。ドック１７２は、ブロック１３７の側面１３７ａから突出するように設けられている。工具１５０のクランプ時、ドック１７２は、クランプシャフト１７１とともに図中の左方向にスライド移動する。これにより、ドック１７２の、側面１３７ａからの突出長さが増大する。

図１０から図１２は、図１中の工作機械において、下刃物台に装着された工具の自動交換時の工具主軸およびロボットアームの動きを示す側面図である。

図１０から図１２を参照して、工作機械１００は、特殊工具６１をさらに有する。自動工具交換装置１０による下刃物台１３１に装着された工具１５０の自動交換時、工具主軸１２１に特殊工具６１が装着される。

特殊工具６１は、シャンク部６２と、エア通路形成部６４と、センサ部６３とから構成されている。シャンク部６２は、工具主軸１２１に設けられたクランプ機構（不図示）によりクランプされる。エア通路形成部６４およびセンサ部６３は、シャンク部６２に設けられている。

エア通路形成部６４は、エアが流通可能なエア通路を形成する。エア通路形成部６４は、配管６８および工具先端ブロック６６から構成されている。配管６８は、工具主軸１２１のエア供給部（不図示）からシャンク部６２に導入されたエアを、工具先端ブロック６６に導くように設けられている。

工具先端ブロック６６は、金属ブロックから形成されている。工具先端ブロック６６は、Ｙ軸方向から見た場合に略Ｌ字の形状を有する。工具先端ブロック６６は、特殊工具６１の先端に取り付けられている。工具先端ブロック６６には、配管６８から導入されたエアを、工具ホルダ１３６のエア通路１４６（プラグ１４８）に導くためのエア通路が形成されている。

センサ部６３は、下刃物台１３１に装着された工具１５０の交換時にドック１７２の作動を検知する。センサ部６３は、プローブ６５を有する。プローブ６５は、センシング対象であるドック１７２に対する触針として設けられている。プローブ６５は、鉛直下方向に延出するように設けられている。センサ部６３は、プローブ６５における検出結果（ドック１７２との接触、非接触）を無線により受信機に送信する無線式のセンサである。

図１３は、図１中の工作機械において、下刃物台に装着された工具の自動交換時の工具主軸および下刃物台の動作フローを示す図である。

本実施の形態における工作機械１００においては、下刃物台１３１に装着された工具の自動交換時、工具主軸１２１に装着された特殊工具６１を工具ホルダ１３６に連結することによって、工具ホルダ１３６におけるテーパ面１３８へのエアブローと、工具のクランプ，アンクランプの確認とを行なう。以下、このＡＴＣに伴う工具主軸１２１および下刃物台１３１の動作フローについて説明する。

図１、図１０および図１３を参照して、ロボットアーム３１を待機位置３１Ｂから工具交換位置３１Ａまで移動させる。この間、下刃物台１３１を所定の工具交換位置まで移動させる。自動工具交換装置（不図示）により工具主軸１２１のＡＴＣを行ない、工具主軸１２１に特殊工具６１を装着する。工具主軸１２１のエア供給部（不図示）から特殊工具６１へのエア供給を行ないながら工具主軸１２１を移動させて、特殊工具６１を工具交換位置にある下刃物台１３１上の工具ホルダ１３６に連結させる。

このとき、特殊工具６１は、工具ホルダ１３６を挟んで把持部３６とは反対側に位置決めされる。すなわち、工具ホルダ１３６を挟んで、特殊工具６１は、第１主軸台１１１側に位置決めされ、把持部３６は、第２主軸台１１６側に位置決めされる。このような構成により、工具ホルダ１３６に保持された工具１５０に向けて移動する把持部３６と、工具ホルダ１３６に向けて移動する特殊工具６１とが加工エリア内で干渉することを容易に回避できる。

特殊工具６１が工具ホルダ１３６に連結すると、工具先端ブロック６６がプラグ１４８に接続される。工具主軸１２１のエア供給部（不図示）からのエアが、特殊工具６１（シャンク部６２、配管６８および工具先端ブロック６６）を通じて、工具ホルダ１３６のエア通路１４６に供給される。また、特殊工具６１に設けられたプローブ６５が、ドック１７２に接触して位置決めされる。

図１１および図１３を参照して、ロボットアーム３１を図１１中の左方向に移動させて、工具ホルダ１３６に保持された工具１５０を把持部３６により把持する。工具ホルダ１３６は、ロボットアーム３１により工具１５０が把持されたタイミングで、工具１５０をアンクランプする。

このとき、ドック１７２が図中の右方向にスライド移動することにより、ドック１７２の、側面１３７ａからの突出長さが減少する。これにより、プローブ６５がドック１７２と非接触状態となり、センサ部６３において工具１５０のアンクランプが確認される。

図１２および図１３を参照して、ロボットアーム３１を図１２中の右方向に移動させて、工具１５０を工具ホルダ１３６から取り外す。

このとき、テーパ面１３８におけるエア通路１４６の開口部が解放されて、工具主軸１２１からエア通路１４６に流入していたエアが、テーパ面１３８と、工具１５０のシャンク部１５１のテーパ面１５２との隙間に供給される。これにより、テーパ面１３８上に切粉やクーラント等の異物が残ることを防ぐ。その後、工具主軸１２１のエア供給部（不図示）から特殊工具６１へのエア供給を停止する。

図１、図１２および図１３を参照して、交換用の工具１５０´を把持したロボットアーム３１をストッカ位置３１Ｃから工具交換位置３１Ａまで移動させる。工具主軸１２１のエア供給部（不図示）から特殊工具６１へのエア供給を再開する。

図１１および図１３を参照して、ロボットアーム３１を図１１中の左方向に移動させて、交換用の工具１５０´を工具ホルダ１３６に挿入する。工具１５０の取り外し時と同様に、エア通路１４６を流れるエアが、テーパ面１３８と、工具１５０´のシャンク部１５１のテーパ面１５２との隙間に供給される。

工具ホルダ１３６は、ロボットアーム３１により工具１５０´が挿入されたタイミングで、工具１５０´をクランプする。このとき、ドック１７２が図中の左方向にスライド移動することにより、ドック１７２の、側面１３７ａからの突出長さが増大する。これにより、プローブ６５がドック１７２と接触状態となり、センサ部６３において工具１５０のクランプが確認される。

図１０および図１３を参照して、ロボットアーム３１を図１０中の右方向に移動させて、把持部３６を工具１５０´から退避させる。

以上に説明した、この発明の実施の形態における工作機械１００の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における工作機械１００は、複数の工具が装着される刃物台としての下刃物台１３１と、下刃物台１３１に設けられ、下刃物台１３１に回転工具が装着された場合に回転工具を回転させるためのモータ２１１と、下刃物台１３１に取り付けられ、工具を着脱可能に保持する工具ホルダ１３６とを備える。工具ホルダ１３６は、モータ２１１で発生した動力が伝達されることにより、工具をクランプするクランプ状態と、工具をアンクランプするアンクランプ状態との間で作動するクランプ機構部２６を有する。

このように構成された、この発明の実施の形態における工作機械１００によれば、下刃物台１３１に装着された回転工具を回転させるためのモータ２１１を用いてクランプ機構部２６を作動させる。これにより、下刃物台１３１上の工具ホルダ１３６に保持された工具を自動的にクランプ、アンクランプするためのクランプ機構部２６を、簡易な構成により設けることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、刃物台に装着された工具のＡＴＣ機能を備える工作機械に適用される。

１０ 自動工具交換装置、２１ 移動機構部、２２ リニアガイド、２３ ベース部材、２４ 支柱、２５ ラックピニオン、２６ クランプ機構部、３１ ロボットアーム、３１Ａ 工具交換位置、３１Ｂ 待機位置、３１Ｃ ストッカ位置、３３ アーム部、３６ 把持部、３７ 爪部、６１ 特殊工具、６２，１５１ シャンク部、６３ センサ部、６４ エア通路形成部、６５ プローブ、６６ 工具先端ブロック、６８ 配管、１００ 工作機械、１１１ 第１主軸台、１１２，１１７ 主軸、１１６ 第２主軸台、１２１ 工具主軸、１３１ 下刃物台、１３２ 旋回部、１３６ 工具ホルダ、１３７ ブロック、１３７ａ 側面、１３８，１５２ テーパ面、１４１ ベッド、１４２ 側面カバー、１４３ シャッター、１４６ エア通路、１４８ プラグ、１５０，１５０´ 工具、１５６ 工具ストッカ、１７１ クランプシャフト、１７２ ドック、２００ 加工エリア、２０１，２０２，２０３，２０４，２１１，３０１，３０２，３０３ 中心軸、２４２ 出力軸、２１１ モータ、２１２ ロータ、２１３ ステータ、２１４ ロータ軸、２１６ 係合溝、２２１ クラッチ軸、２２２ 先端部、２３１ 減速機構部、２４１ 運動変換機構部、２４３ 回転入力部材、２４６ 溝部、２４７ キー部、２５２ リング部材、２５３ 環状溝。

Claims (6)

1. 固定工具と、回転工具とを含む複数の工具を装着可能な刃物台と、
   前記刃物台に設けられ、前記刃物台に回転工具が装着された場合に回転工具を回転させるためのモータと、
   前記刃物台に取り付けられ、固定工具を着脱可能に保持する工具ホルダとを備え、
   前記工具ホルダは、
   前記モータで発生した動力が伝達されることにより、固定工具をクランプするクランプ状態と、固定工具をアンクランプするアンクランプ状態との間で作動するクランプ機構部と、
   前記モータから回転が入力されるクラッチ軸と、
   前記クラッチ軸に入力された回転を減速する減速機構部と、
   前記減速機構部により減速された回転を直線運動に変換して前記クランプ機構部に伝達する運動変換機構部とを有し、
   前記モータは、係合溝が形成され、前記減速機構部に向けて回転を出力するロータ軸を有し、
   前記刃物台は、周方向に延び、前記係合溝に連続する環状溝が形成されるリング部材を有し、
   前記クラッチ軸は、前記刃物台に装着された複数の工具の旋回割り出し時、前記係合溝および前記環状溝の間を移動可能に設けられ、前記工具ホルダに保持された固定工具が加工に用いられる工具として割り出された状態で前記係合溝と係合することによって、前記ロータ軸に連結される、工作機械。
2. 前記運動変換機構部は、前記モータから前記クラッチ軸に入力された回転が１８０°以上のときに前記クランプ機構部を作動させる、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記減速機構部は、溝部が形成され、前記運動変換機構部に向けて回転を出力する出力軸を含み、
   前記運動変換機構部は、前記溝部に係合されるキー部を有し、前記出力軸から回転が入力される回転入力部材を含み、
   前記キー部と、前記溝部の溝壁との間には、前記出力軸の回転方向において隙間が設けられる、請求項２に記載の工作機械。
4. 前記モータから前記クラッチ軸に入力される回転が前記クランプ機構部を作動させない範囲における前記出力軸の回転角度をθとし、前記減速機構部の減速比をＲ（入力回転数／出力回転数）としたとき、θ＞１８０°×１／Ｒの関係を満たす、請求項３に記載の工作機械。
5. 前記モータの回転を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記クランプ機構部を作動させる場合の前記モータの上限出力が、回転工具を回転させる場合の前記モータの上限出力よりも小さくなるように、前記モータの回転を制御する、請求項１から４のいずれか１項に記載の工作機械。
6. 固定工具と、回転工具とを含む複数の工具を装着可能な刃物台と、
   前記刃物台に設けられ、前記刃物台に回転工具が装着された場合に回転工具を回転させるためのモータと、
   前記刃物台に取り付けられ、回転工具を着脱可能に保持する工具ホルダとを備え、
   前記工具ホルダは、
   前記モータで発生した動力が伝達されることにより、回転工具をクランプするクランプ状態と、回転工具をアンクランプするアンクランプ状態との間で作動するクランプ機構部と、
   前記モータから回転が入力されるクラッチ軸と、
   前記クラッチ軸に入力された回転を減速する減速機構部と、
   前記減速機構部により減速された回転を直線運動に変換して前記クランプ機構部に伝達する運動変換機構部と、
   前記工具ホルダに保持された回転工具を回転させるために、前記モータからの回転を回転工具に伝達する回転取り出し機構部と、
   前記モータからの回転を、前記運動変換機構部に伝達する経路と、前記回転取り出し機構部に伝達する経路との間で切り替える切り替え機構部とを有し、
   前記モータは、係合溝が形成され、前記運動変換機構部または前記回転取り出し機構部に向けて回転を出力するロータ軸を有し、
   前記刃物台は、周方向に延び、前記係合溝に連続する環状溝が形成されるリング部材を有し、
   前記クラッチ軸は、前記刃物台に装着された複数の工具の旋回割り出し時、前記係合溝および前記環状溝の間を移動可能に設けられ、前記工具ホルダに保持された回転工具が加工に用いられる工具として割り出された状態で前記係合溝と係合することによって、前記ロータ軸に連結される、工作機械。

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