JPWO2014162556A1 - 立形マシニングセンタの５面加工用アングルツールホルダの自動工具交換装置 - Google Patents

Abstract

立形マシニングセンタ（１）はベッド（１０）上にＸ軸方向に移動するテーブル（２０）を有し、門形のコラム（３０）には、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動する工具主軸台（７０）を備える。工具自動交換装置（１００）は工具主軸に工具（Ｔ）を交換自在に供給する。工具主軸はアングルツールホルダ（２００）を装備することができ、アングルツールホルダ収納装置（３００）はアングルツールホルダ（２００）の底面に設けた穴（２０４）に係合する規制手段（３８０）を備え、アンクランプユニット（３７０）と工具交換装置（３５０）でアングルツールホルダ（２００）の工具を自動交換する。

Description

本発明は、立形のマシニングセンタに付設して５面加工を可能とするアングルツールホルダに装着する工具の自動交換装置に関する。

上面と側面のそれぞれに加工形状を有するワークの加工、いわゆる５面加工、を立形マシニングセンタで行うとき、軸線を直角に変換するアングルアタッチメントやアングルツールホルダを利用することにより、１台の機械で全工程を加工することが行われている。ワーク上面の加工は通常の工具を使用して工具を下向きに向けて加工を行い、ワーク側面の加工は工具主軸の軸線を変換する機構で工具を水平方向に向けて、いわゆるアングル加工を行って、ワークの全工程を１台の機械で行うものである。
ここでアングルアタッチメントは、比較的大型の機械にその機械専用に設計されたユニットであり、アタッチメントに装着される工具を自動的に交換する機能と、アタッチメントを水平面内で旋回位置決めしてアタッチメントに装着された工具の向きを変更する機能を、一般的には有する。その結果、ユニット自体が大型化し、小型の機械に適用されることは少ない。
一方、小型機械に対しては、アングルツールホルダが供されている。アングルツールホルダは、装着される工具主軸の軸線に直交するスピンドルを有するツールホルダであって、通常の工具を自動交換する機構において、通常の工具と同様に工具主軸に対して自動交換可能に設計されている。一部のアングルツールホルダは、工具主軸に把持された後、工具主軸への水平面内における装着角度を変更する機能を持たせて、複数の側面を加工可能としたものも存在する。
立形のマシニングセンタに装備されるアングルツールホルダ用クランプユニット及びアングルツールホルダは、本出願人による下記の特許公報に示されている。

特許第４５６５１９９号 特許第４５４２６２６号

アングルツールホルダは、上述したように小型機械に適用することが意図されているため、小型・軽量に作られており、アングルツールホルダに装着される工具を自動的に交換する機構を内在するものはなかった。
本出願人による上記特許公報に示されるアングルツールホルダに装着される工具も、ねじで固定される構造となっていた。
本発明の目的は、立形マシニングセンタの工具主軸に装着されたアングルツールホルダに対して工具を自動交換する装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のテーブルと工具主軸とが相対的にＸ・Ｙ・Ｚ軸に移動可能な立形マシニングセンタは、基本的手段として、
前記工具主軸に着脱自在に装着されるアングルツールホルダと、工具アンクランプ作動装置と、工具交換装置とを備え、前記アングルツールホルダは、前記工具主軸に挿入されるシャンクと、該シャンクとスピンドルを回転自在に支持して内部にシャンクの駆動力を前記スピンドルに伝達する伝達機構を備えるハウジングと、前記スピンドルに備えられ工具をクランプするコレットと、前記スピンドルに挿入され前後動することにより前記コレットをクランプまたはアンクランプするドローバーと、該ドローバーをコレットがクランプする側に付勢するバネ機構と、前記ハウジングに連結されるアームと、該アーム上に設けられて前記工具主軸が装着される主軸ヘッドに把持されるプルスタッドボルトと、を備え、前記工具アンクランプ作動装置は前記アングルツールホルダの前記ドローバーを押す油圧ピストンを備え、前記アングルツールホルダに装着された工具を前記工具アンクランプ作動装置と工具交換装置とを用いて自動的に交換する機能を備える。

そして、前記工具アンクランプ作動装置は、アングルツールホルダの一部を規制して前記スピンドルの軸線方向への力を受ける規制手段と、アングルツールホルダのドローバーを押す油圧ピストンとを備えるものである。

本発明の工作機械は以上の手段を備えることにより、最適な工具を自動的に交換して、ワークに対して最適な加工を施すことが可能となる。

図１は、本発明の立形マシニングセンタの全体を示す斜視図。 図２は、本発明の立形マシニングセンタの要部を示す斜視図。 図３は、本発明の立形マシニングセンタの要部を示す斜視図。 図４は、本発明の立形マシニングセンタの要部を示す斜視図。 図５は、アングルツールホルダと自動工具交換装置の断面図。 図６は、アングルツールホルダの着座確認装置の説明図。 図７は、アングルツールホルダの工具自動交換の動作を示す説明図。 図８は、アングルツールホルダの工具自動交換の動作を示す説明図。 図９は、アングルツールホルダの工具自動交換の動作を示す説明図。 図１０は、アングルツールホルダの工具自動交換の動作を示す説明図。 図１１は、アングルツールホルダの工具自動交換の動作を示す説明図。 図１２は、アングルツールホルダの工具自動交換の動作を示す説明図。 図１３は、アングルツールホルダの工具自動交換の動作を示す説明図。 図１４は、アングルツールホルダの工具自動交換の動作を示す説明図。 図１５は、アングルツールホルダの規制手段の他の例を示す説明図。 図１６は、アングルツールホルダの規制手段の他の例を示す説明図。

図１は本発明のアングルツールホルダの工具交換装置を備えた立形マシニングセンタの斜視図である。
立形マシニングセンタ１はベッド１０上にＸ軸方向に移動するテーブル２０を有する。
ベッド１０上には門形のコラム３０が立設され、コラム３０の前面に設けられたガイドレールに支持されたサドル４０がＹ軸方向に移動する。

サドル４０の前面には主軸ヘッド５０がＺ軸方向に移動自在に装備され、主軸ヘッド５０の下端部に工具主軸７０を備える。
ベッド１０の一方側には制御装置８０が設けられ、オペレータ用の操作盤（図示せず）が装備される。
ベッド１０の他方側には工具主軸用自動工具交換装置１００が装備され、工具主軸７０に対して工具Ｔを自動交換する。

本発明の立形マシニングセンタ１にあっては、ベッド１０の制御装置８０を設ける側部にアングルツールホルダ収納装置３００が装備される。
このアングルツールホルダ収納装置３００は、工具主軸７０に着脱されるアングルツールホルダ２００を収納するとともに、アングルツールホルダ２００に装着される工具を自動交換する機能を併せ持つ。

図２〜図４は、アングルツールホルダ収納装置３００の主要な構成を示す斜視図である。
アングルツールホルダ収納装置３００は、ベース３１０を有し、コラム３０にベース３１０を機外に張り出す形で装着される。ベース３１０の端部にサーボモータ３２０がとりつけられ、サーボモータ３２０はボールネジ３２２を駆動し、リニアガイド３１２に支持された収納装置本体ブラケット３３０を摺動させ、工具交換位置と退避位置に位置決めする。工具交換位置とは、収納装置本体ブラケット３３０を前進させて後述するアングルツールホルダ置き台３６０を機内に進入させた位置であり、退避位置とは収納装置本体ブラケット３３０を後退させてアングルツールホルダ収納装置３００を機外へ退避させた位置である。こうすることで、加工時は機外で退避し、工具交換時は機内の工具主軸のストローク範囲内に進入して工具交換を行うことができる。すなわち、工具主軸７０のＹ軸ストロークを延長することなくアングルツールホルダ収納装置３００をコラムに取り付けるだけで、アングルツールホルダに装着する工具の自動交換が可能となる。このことにより、顧客のニーズに柔軟に対応することができる。
収納装置本体ブラケット３３０上には、リニアガイド３３２を介してドラムマガジン取付ブラケット３４０がシリンダ３３５で収納装置本体ブラケット３３０の移動方向と同一方向に往復動自在に設けられ、工具着脱位置とドラムマガジン旋回位置に位置決めされる。工具着脱位置はドラムマガジン取付ブラケット３４０の前進端であり、ドラムマガジン旋回位置は後退端である。なお、ドラムマガジン取付ブラケット３４０の前進及び後退の方向は、収納装置本体ブラケット３３０の前進及び後退の方向と同一である。
ドラムマガジン取付ブラケット３４０上には旋回型ドラムマガジン３５３及びドラムマガジン駆動モータ３５５が装着される。旋回型ドラムマガジン３５３には、グリッパ３５７を備えて交換用のアングル加工用工具を把持する。シリンダ３３５、ドラムマガジン取付ブラケット３４０、旋回型ドラムマガジン３５３及びドラムマガジン駆動モータ３５５は、アングルツールホルダ用工具自動交換装置３５０を形成する。

本発明のアングルツールホルダ用工具自動交換装置３５０は、８本のアングル加工用工具を格納している。
収納装置本体ブラケット３３０上には、アングルツールホルダ置き台３６０とそれに隣接してアンクランプユニット３７０が設けられる。アングルツールホルダ置き台３６０上にはアングルツールホルダ位置決めピン３８０が設けられる。

工具主軸７０に装着されたアングルツールホルダ２００をアングルツールホルダ置き台３６０に位置決めした後に、アングルツールホルダ２００に装着された工具の工具交換を行う。また、その場で工具主軸がアンクランプしてアングルツールホルダ２００をアングルツールホルダ置き台３６０に置き、アングルツールホルダ収納装置３００内に収納することもできる。

アングルツールホルダ位置決めピン３８０は、アングルツールホルダ２００の工具を交換する際に、アングルツールホルダ２００の底部に設けられた穴２０４に係合することでアングルツールホルダ２００を規制してアンクランプユニット３７０のスラスト力を受ける機能を備える。このとき、穴２０４は係合手段、アングルツールホルダ位置決めピン３８０は規制手段として動作する。この構成により、小型・軽量に作られた故に剛性の劣るアングルツールホルダであっても、工具をアンクランプするために加えられる外力を受けても変形せず、確実なアンクランプ動作を可能とするばかりでなく、アングルツールホルダ及び、アングルツールホルダを工具主軸テーパ部で把持する工具主軸の、重要な構成部品である軸受に無理な力が掛かることを防いでくれる。その結果、軸受の故障、短寿命化を防ぐ。

図５は、アングルツールホルダ２００とアングルツールホルダ置き台３６０及びアンクランプユニット３７０の構造を示す断面図である。
アングルツールホルダ２００は、ハウジング２０２に回転自在に支持されるシャンク２１０を有する。シャンク２１０は工具主軸７０に把持、駆動される。ハウジング２０２からは３本のアーム２１５が、アングルツールホルダの工具装着面を除く直交する３方向に伸びる。アーム２１５の上端部にはプルスタッドボルト２２０がそれぞれ装着され、主軸ヘッド５０に把持され、アングル加工時の切削反力を支持する。なお必要な切削力に応じてアームを１本にすることも行われている。加工時の切削反力を支持するために設けたアームとプルスタッドボルトは、アングル加工用工具Ｔ_１をアンクランプする外力を支持することが可能であり、アングルツールホルダの工具自動交換にも寄与する。

シャンク２１０の下端は、ベベルギヤ２３０を有し、ベベルギヤ２３０に噛み合うベベルギヤ２３２は、シャンク２１０に直交して配置されるスピンドル２４０を駆動する。
スピンドル２４０内にはドローバー２５０が装備される。

スピンドル２４０の先端には、アングル加工用工具Ｔ₁が装備され、コレット２６０により把持される。
ドローバー２５０は、皿ばね２５２によりコレット２６０が工具Ｔ_１をクランプする方向、すなわちスピンドル２４０の後端方向に、常時付勢される。

アンクランプユニット３７０は油圧ピストン３７２を備え、油圧ピストン３７２の先端でドローバー２５０を、皿ばね２５２の付勢力に抗して押圧することで、ドローバー２５０を前進させてコレット２６０を開き、工具Ｔ_１をアンクランプする。アンクランプユニット３７０及びアングルツールホルダ位置決めピン３８０は、工具アンクランプ作動装置を形成する。

図６は、アングルツールホルダのハウジング２０２の底部に設けられる穴２０４と、この穴２０４に挿入されるアングルツールホルダ位置決めピン３８０の関係を示す。
穴２０４とアングルツールホルダ位置決めピン３８０は、ともに水平断面形状が円で、その中心をスピンドル２４０の軸線を通る鉛直面上に配置した。こうすることで、アングル加工用工具Ｔ_１をアンクランプさせるためにドローバー２５０に加わる外力を受けても、アングルツールホルダが回転する力の成分が発生することなく、安定的な動作が可能となる。
アングルツールホルダ位置決めピン３８０は、中心にピンの上部に抜けるエア通路を備える。位置決めピン３８０が穴２０４に係合するとエア供給手段４００から送られてくるエアの抜け道が極めて狭くなり、その結果としてエアの背圧が上がる。それをエアギャップセンサ４１０で検出することでアングルツールホルダ２００がアングルツールホルダ置き台３６０上に確実に着座したことを確認する。この着座確認をすることで、正しく着座していないときにドローバーにアンクランプ用の外力を加えて、剛性の低いアングルツールホルダを破損させてしまう事態を避けることができる。

図７〜図１４は、アングルツールホルダ収納装置３００におけるアングルツールホルダの工具自動交換の工程を示す。

図７は、アングルツールホルダ２００に把持されているアングル加工を終了した工具Ｔ _１をアングルツールホルダ収納装置３００のアングルツールホルダ用工具自動交換装置３５０に格納されている次工具Ｔ_２に交換する準備工程を示す。具体的には、工具Ｔ_１によるアングル加工を完了したアングルツールホルダ２００は、水平面内における工具の向きを所定の角度に位置決めし、工具主軸７０をＹ軸及びＺ軸の所定の位置に位置決めした状態である。アングルツールホルダ収納装置３００は待機状態にある。すなわち、収納装置本体ブラケット３３０は退避位置に、ドラムマガジン取付ブラケット３４０はドラムマガジン旋回位置に、それぞれ位置決めされた状態である。

図８は、サーボモータ３２０が作動して、アングルツールホルダ用工具自動交換装置３５０を搭載した収納装置本体ブラケット３３０をＹ軸方向に移動させて工具交換位置に位置決めすると同時に、シリンダ３３５を作動させてドラムマガジン取付ブラケット３４０を工具着脱位置に位置決めする状態を示す。

図９は、主軸ヘッド５０をＺ軸方向に降下させて、アングルツールホルダ２００をアングルツールホルダ置き台３６０上に着座させるとともに、旋回型ドラムマガジン３５３のグリッパ３５７に工具Ｔ₁を挿入させた工程を示す。

図６で説明したように、アングルツールホルダ２００がアングルツールホルダ置き台３６０上に着座して、アングルツールホルダ置き台３６０に装着されたアングルツールホルダ位置決めピン３８０がアングルツールホルダ２００の有底穴２０４に確実に挿入されたことをエア回路により検知する。

図１０は、図５で説明したアンクランプユニット３７０の油圧ピストン３７２を作動させることによりドローバー２５０を押し出してアングル加工用工具Ｔ_１をアンクランプした後、シリンダ３３５を作動させてドラムマガジン取付ブラケット３４０をドラムマガジン旋回位置へ位置決めし、旋回型ドラムマガジン３５３をアングルツールホルダ２００から後退させて旋回型ドラムマガジン３５３の旋回に備える。

アングルツールホルダ位置決めピン３８０は、ピストン３７２の押し出し力に対抗してアングルツールホルダ２００のスピンドル２４０の軸線方向への移動を規制する。

図１１は、旋回型ドラムマガジン３５３を旋回させて、アングル加工用次工具Ｔ_２をアングルツールホルダ２００に対向させた状態を示す。

図１２は、シリンダ３３５を作動させてドラムマガジン取付ブラケット３４０を前進させ、旋回型ドラムマガジン３５３に装着されているアングル加工用次工具Ｔ_２をアングルツールホルダ２００に挿入した後に、アンクランプユニット３７０を作動させてピストン３７２を後退させ、アングルツールホルダ２００のスピンドルがアングルツールホルダ用次工具Ｔ_２を把持した状態を示す。

図１３は、主軸ヘッド５０をＺ軸方向に上昇させた状態を示す。新しいアングル加工用工具を装着されたアングルツールホルダ２００は加工動作を開始する。

図１４は、アングルツールホルダ収納装置３００を待機状態に戻す。すなわち、収納装置本体ブラケット３３０は退避位置へ、ドラムマガジン取付ブラケット３４０はドラムマガジン旋回位置へ、それぞれ位置決めされた状態を示す。
上述した一連の工程でアングルツールホルダの工具の自動交換を完了する。

本発明のアングルツールホルダ収納装置３００は以上のように、立形マシニングセンタ１にアングルツールホルダ２００を装備した状態でアングルツールホルダ２００に対して工具を自動で交換することができる。

図１５は工具交換時にアングルツールホルダを規制してスピンドルの軸線方向の力を受ける規制手段の他の例を示す説明図である。
本例にあっては、アングルツールホルダ置き台５００は、ブロック５１０を備える。

自動工具交換時に、アングルツールホルダ２００ａがＺ軸方向に降下して、アングルツールホルダ置き台５００上に位置決めされると、アングルツールホルダ２００ａのハウジングの前端部２０３がブロック５１０に対向する。

接触センサ５２０は、アングルツールホルダ２００ａの着座を確認して、信号Ｓ１を出力する。アンクランプユニットのピストンによりアングルツールホルダ２００ａ内のドローバーが押されたときに、ブロック５１０は、この押し出し力を受けてアングル加工用工具Ｔ_１のアンクランプを達成する。このとき、ブロック５１０は規制手段として動作する。

図１６は工具交換時にアングルツールホルダを規制してスピンドルの軸線方向の力を受ける規制手段の他の例を示す説明図である。
本例にあっては、アングルツールホルダ置き台６００は、溝６１０を備える。

自動工具交換時に、アングルツールホルダ２００ｂがＺ軸方向に降下して、アングルツールホルダ置き台６００上に位置決めされると、アングルツールホルダ２００ｂのハウジングの突起部２０５が溝６１０内に突入する。

接触センサ６２０は、アングルツールホルダ２００ｂの着座を確認して、信号Ｓ１を出力する。アンクランプユニットのピストンによりアングルツールホルダ２００ｂ内のドローバーが押されたときに、溝６１０は、この押し出し力を受けてアングル加工用工具Ｔ_１のアンクランプを達成する。このとき、溝６１０が規制手段として動作する。

本発明の立形マシニングセンタは、以上のように、工具主軸に装着されたアングルツールホルダに対して工具を自動交換することができるので、テーブル上のワークに対して最適な加工を施すことが可能となる。

１ 立形マシニングセンタ
１０ ベッド
２０ テーブル
３０ コラム
４０ サドル
５０ 主軸ヘッド
７０ 工具主軸台
８０ 制御装置
１００ 工具主軸用自動工具交換装置
２００ アングルツールホルダ
２０４ 穴
２１５ アーム
２２０ プルスタッドボルト
３００ アングルツールホルダ収納装置
３１０ ベース
３２０ サーボモータ
３２２ ボールネジ
３３０ 収納装置本体ブラケット
３４０ ドラムマガジン取付ブラケット
３５０ アングルツールホルダ用工具自動交換装置
３６０ アングルツールホルダ置き台
３７０ アンクランプユニット
３８０ アングルツールホルダ位置決めピン
Ｔ 主軸用交換工具
Ｔ_１ アングル加工用工具
Ｔ_２ アングル加工用次工具

Claims (8)

1. テーブルと工具主軸とが相対的にＸ・Ｙ・Ｚ軸に移動可能な立形マシニングセンタにおいて、
   前記工具主軸に着脱自在に装着されるアングルツールホルダと、工具アンクランプ作動装置と、工具交換装置とを備え、
   前記アングルツールホルダは、
   前記工具主軸に挿入されるシャンクと、
   該シャンクの軸線と直交する軸線を有するスピンドルと、
   前記シャンクとスピンドルを回転自在に支持して内部にシャンクの駆動力を前記スピンドルに伝達する伝達機構を備えるハウジングと、
   前記スピンドルに備えられ工具をクランプするコレットと、
   前記スピンドルに挿入され前後動することにより前記コレットをクランプまたはアンクランプするドローバーと、
   該ドローバーをコレットがクランプする側に付勢するバネ機構と、
   前記ハウジングに連結されるアームと、
   該アーム上に設けられて前記工具主軸が装着される主軸ヘッドに把持されるプルスタッドボルト
   を備え、
   前記工具アンクランプ作動装置は前記アングルツールホルダの前記ドローバーを押す油圧ピストンを備え、
   前記アングルツールホルダに装着された工具を前記工具アンクランプ作動装置と工具交換装置とを用いて工具交換することを特徴とする立形マシニングセンタ。
2. テーブルと工具主軸とが相対的にＸ・Ｙ・Ｚ軸に移動可能な立形マシニングセンタにおいて、
   前記工具主軸に着脱自在に装着されるアングルツールホルダと、工具アンクランプ作動装置と、工具交換装置とを備え、
   前記アングルツールホルダは、
   前記工具主軸に挿入されるシャンクと、
   該シャンクの軸線と直交する軸線を有するスピンドルと、
   前記シャンクとスピンドルを回転自在に支持して内部にシャンクの駆動力を前記スピンドルに伝達する伝達機構を備えるハウジングと、
   前記スピンドルに備えられ工具をクランプするコレットと、
   前記スピンドルに挿入され前後動することにより前記コレットをクランプまたはアンクランプするドローバーと、
   該ドローバーをコレットがクランプする側に付勢するバネ機構と、
   を備え、
   前記工具アンクランプ作動装置は、
   アングルツールホルダの一部を規制して前記スピンドルの軸線方向への力を受ける規制手段と、
   アングルツールホルダのドローバーを押す油圧ピストンと
   を備え、
   前記アングルツールホルダに装着された工具を前記工具アンクランプ作動装置と工具交換装置とを用いて工具交換することを特徴とする立形マシニングセンタ。
3. 前記油圧ピストンがドローバーを押したときにかかる力を前記規制手段が受ける、力の作用点を前記スピンドルの軸線が通る鉛直面に配置したことを特徴とする請求項２記載の立形マシニングセンタ。
4. 前記アングルツールホルダは底面に係合手段を備え、
   前記工具アンクランプ作動装置は、
   アングルツールホルダ置き台と、
   アングルツールホルダ置き台上に設けられた前記係合手段に係合する規制手段と、
   アングルツールホルダのドローバーを押す油圧ピストンと
   を備えることを特徴とする請求項１及至３記載の立形マシニングセンタ。
5. 前記係合手段及び前記規制手段は、その水平方向の断面が円形をなすことを特徴とする請求項４記載の立形マシニングセンタ。
6. 前記係合手段の内部にエアを吹き出す吹き出し口を前記規制手段の上端に設け、
   規制手段が係合手段に正しく係合されたか、否かを判定する手段を有する
   ことを特徴とする請求項４又は５記載の立形マシニングセンタ。
7. 前記工具交換装置は、前記アングルツールホルダの前記スピンドルの軸線方向に往復移動可能で、かつ該軸線方向に平行な軸の周りに回転位置決め可能なドラムマガジンで構成される
   ことを特徴とする請求項１及至６記載の立形マシニングセンタ。
8. 前記工具アンクランプ作動装置及び前記工具交換装置は、コラムに装着され、
   退避位置・交換位置で出入りする
   ことを特徴とする請求項７記載の立形マシニングセンタ。

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