JP2001198751A

JP2001198751A - 縦型工作機械

Info

Publication number: JP2001198751A
Application number: JP2000007507A
Authority: JP
Inventors: Shinji Uetake; 伸二植竹; Yoshihiro Arai; 義博荒井
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2001-07-24

Abstract

(57)【要約】【課題】縦型工作機械の工具主軸が、精度良く位置
決めでき、また、工具交換時間を短縮し、機構が簡素化
できる可動カバーを有する工具マガジン装置を提供す
る。【解決手段】ベッド１上に設けられ前後方向に移動可能
な第１スライダ４と、左右方向に移動可能な第２スライ
ダ５と第２スライダ５を左右方向に移動可能にする一対
のガイドレール３１、４１の間に上下方向に移動可能な
主軸ヘッド６を配置した。また、マガジンプレート７２
と一体的に回動でき、マガジンプレート７２が休止位置
にあるときカバー装置９０の開放部を閉塞する可動カバ
ー９１をマガジンプレート７２に取り付けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工具主軸を垂直軸
の回りに回転させる縦型工作機械及び工具マガジン装置
を加工領域から隔絶するカバーを備えた工作機械に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】主軸ヘッド或いは工具主軸が、前後、左
右、上下の直交３方向に移動し、ベッド上に固定された
治具装置に取付られた工作物を加工する縦型工作機械が
知られている。この縦型工作機械の構成としては、ベッ
ド上に設けられ水平の第１方向に移動可能な第１スライ
ダと、その上に積層され第１方向に直角で水平の第２方
向に移動可能な第２スライダと、第２スライダに設けら
れ上下方向に移動可能な主軸ヘッドと、これら第１スラ
イダ、第２スライダ、主軸ヘッドのそれぞれのガイドレ
ールよりも下方に配置した治具装置とからなるものが知
られている。この従来の縦型工作機械は、第２スライダ
を左右方向に移動可能にする一対のガイドレールの一方
のガイドレールに関し他方のガイドレールと反対側に主
軸ヘッドを上下方向に移動可能に配置していた。また、
別のある種の縦型工作機械においては、主軸ヘッドが工
具マガジン装置に直接工具を返却し、また、主軸ヘッド
が工具マガジン装置から直接工具を取り出している。工
具マガジン装置が設置される領域は、加工領域を包囲す
るカバー装置により加工領域から隔絶されていた。この
カバー装置は、前記主軸が前記工具マガジン装置設置領
域に侵入することを許容する開閉カバー要素（可動カバ
ー）を有している。この開閉カバー要素は、通常流体圧
シリンダにより駆動されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の縦型工作機械では、第２スライダを左右方向に移動可
能にする一対のガイドレールの一方のガイドレールに関
し他方のガイドレールと反対側、つまり一対のガイドレ
ールの外側に主軸ヘッドを上下方向に移動可能に配置し
ていた。第２スライダは、左進時においてボールねじか
ら左向きの推進力を受け、一対のガイドレールからは摩
擦抵抗力を右向きに受けるが、個々のガイドレールが受
ける質量が同じではなく、また摩擦状況も異なっている
ため、個々のガイドレールが及ぼす摩擦抵抗力は同一で
はない。また、これら第２スライダに働く推進力と摩擦
抵抗力の作用点は、離れているため回転モーメントとし
て働き、第２スライダを僅かに旋回させる。また、第２
スライダの右進時は、左進時と逆の力関係になる。これ
により第２スライダは、左進方向に移動され位置決めさ
れた時と右進方向に移動され位置決めされた時とで逆に
旋回される。この旋回の中心は一対のガイドレールの間
にあるため、これらガイドレールの外に主軸ヘッドが配
置される構成の場合では左右移動方向の位置決め誤差を
生じ、加工精度が悪くなる。またコンタリングによる真
円加工では、Ｘ−Ｙ座標の象限切替えで工作物の形状精
度が悪くなる。

【０００４】また、切削抵抗が主軸ヘッドに加わった場
合、主軸ヘッドに近い方の前記ガイドレールに働く力が
大きくなり、そのガイドレールの変形が大きくなる。ま
た、主軸ヘッドがガイドレールよりオーバハングしてい
るため、ガイドレールの変形が主軸ヘッド位置では拡大
される。例えば、荒中ぐり加工において切削スラスト力
は、主軸ヘッドを上方に浮上がらせる方向に力が加わ
る。この場合、主軸ヘッドに近い方のガイドレールに働
く力は、遠い方のガイドレールを支点とする梃子の原理
により、主軸ヘッドに作用する切削スラスト力より大き
くなる。その上、主軸ヘッドの質量が第２スライダの主
軸ヘッド側のガイドレールに偏って作用するため、主軸
ヘッド側のガイドレールの摩耗が大きい。また、主軸ヘ
ッドがガイドレールに対しオーバハングしているため、
第２スライダが構造上大きくなり質量も増加し、送り速
度と送り加速度を大きくすることができない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】従来技術の上述した課題
を解決するため、請求項１又は請求項２の縦型工作機械
は、ベッド上に水平の第１方向に移動可能な第１スライ
ダを設け、その上に第１方向に直角で水平の第方向に移
動可能な第２スライダを積層させ、この第２スライダに
回転工具主軸を、上下方向に移動可能にガイドする。こ
の構成において、工具主軸を、第２スライダを第２方向
に移動可能にする一対のガイドレールの間に位置させ
る。すなわち、工具主軸を、一対のガイドレールの間に
位置するように配置する。これにより、上述した発明の
課題で述べたように、第２スライダは、左進方向で位置
決めされた時と右進方向で位置決めされた時とで逆に旋
回されるが、工具主軸と第２スライダの旋回の中心は共
にガイドレールの間にあるので主軸ヘッドの左右での位
置決め誤差はほとんど生じない。

【０００６】また、切削によるスラスト力の反力が工具
主軸を上方に浮上がらせる方向に力が加わった場合、工
具主軸が一対のガイドレールのほぼ中心に位置するため
第２スライダを左右方向に移動可能にする一対のガイド
レールにほぼ均等に反力が分散され、ガイドレールの変
形は抑えられ、工具主軸位置でガイドレールの変形量が
拡大されることもない。また、工作物の加工点を跨ぐよ
うに前記ガイドレールが位置するため、工作物と工具主
軸の間の切削力の伝達経路が短くなり、剛性が向上す
る。また、第２スライダ及びこの上に積載された工具主
軸を含むスライド系の質量は、第２スライダを左右方向
に移動可能にする前記一対のガイドレールにほぼ均等に
分散され、ガイドレールの摩耗が均等になる。

【０００７】請求項３は、請求項１又は請求項２の発明
において、前記工具主軸の軸線と平行な軸線の回りに回
転可能で工具主軸との間で工具の交換を行う工具マガジ
ン装置と、工具マガジン装置が休止位置にあるとき工具
マガジン装置を加工領域から隔絶するカバー装置とをさ
らに設け、カバー装置には工具マガジン装置が休止位置
から工具主軸と協動する工具着脱位置に回転することを
許容する開口部を形成し、前記工具マガジン装置と一体
的に回動可能でかつ前記工具マガジン装置が休止位置に
あるとき前記カバー装置の開口部を閉塞する可動カバー
を前記マガジンに取り付けたことを特徴とする。可動カ
バーは工具マガジンと一体回転するようにして、可動カ
バーの開閉に要する時間を無くし、構造の単純化及び工
具交換時間の短縮を図ることができるものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図１〜図
８を参照して説明する。本発明の工作機械の基本構成
は、図１〜図２に示されるように、機械を正面から見て
Ｕ形状のベッド１の底部の前側（作業者側）には工作物
２を固定する治具装置３が取付けられている。ベッド１
の前面側上部には縦型のユニット装置９が取付られてい
る。ベッド１の背面側上部には後述する工具マガジン装
置７がプレート８を介しベッド１に取付られている。ベ
ッド１の背面側の底部には横型のユニット装置１０が取
付られている。

【０００９】縦型のユニット装置９と横型のユニット装
置１０について、図３〜図５を参照し説明する。縦型の
ユニット装置９は主に第１スライダ４と第２スライダ５
と主軸ヘッド６から構成される。縦型のユニット装置９
を搭載しているベッド１は、下部１ａと左側面部１ｂ及
び右側面部１ｃより形成され、Ｕ形状となっている。左
側面部１ｂの上部１ｂ’にはガイドレール１１が前後方
向（Ｙ軸方向）に固定されている。右側面部１ｃの上部
１ｃ’にはガイドレール２１がガイドレール１１に平行
に固定されている。ガイドレール１１、２１上には第１
スライダ４が摺動自在に支持されている。第１スライダ
４のほぼ中央には矩形の窓４ａが形成されている。第１
スライダ４の上部にはガイドレール１１、２１に直角に
ガイドレール３１、４１が窓４ａの両側で左右方向（Ｘ
方向）に延びている。ガイドレール３１、４１上には第
２スライダ５が摺動自在に支持されている。第２スライ
ダ５の下面４隅に、前記ガイドレール３１に係合するガ
イドブロック３２、３２’及び、前記ガイドレール４１
に係合するスライドブロック４２、４２’が固定されて
いる。

【００１０】前記第２スライダ５の中央部には矩形の窓
５ａが形成され、主軸ヘッド６が上下移動可能となって
いる。第２スライダ５は、ガイドレール３１、４１と平
行で、これらガイドレールの一辺に沿う垂直板が形成さ
れ垂直面５ｂを形成している。垂直面５ｂにはガイドレ
ール５１、６１が上下方向（Ｚ軸方向）に固定されてい
る。ガイドレール５１、６１には主軸ヘッド６が摺動自
在に支持されている。

【００１１】第１スライダ４のガイドレール１１、２１
と平行な両側面は、突出部１６、２６を形成しており、
そこには一対のナット１５、２５が固定されている。一
対のナット１５、２５には一対のボールねじ１３、２３
が係合している。一対のボールねじ１３、２３は、前記
ベッド１の上部１ｂ’、１ｃ’上にガイドレール１１、
２１の外側でこれらと平行に回転自在に支持されてい
る。一対のボールねじ１３、２３は一対のＹ軸方向送り
サーボモータ１４、２４により回転駆動されるように結
合されている。

【００１２】第２スライダ５のガイドレール３１、４１
と平行な両側面は、突出部３６、４６を形成しており、
そこには一対のナット３５、４５が固定されている。一
対のナット３５、４５には一対のボールねじ３３、４３
が係合している。一対のボールねじ３３、４３は、第１
スライダの上部にガイドレール３１、４１の外側でこれ
らと平行に回転自在に支持されている。一対のボールね
じ３３、４３は一対のＸ軸方向送りサーボモータ３４、
４４により回転駆動されるように結合されている。主軸
ヘッドは、突出部５６を形成しており、そこにはナット
５５が固定されている。ナット５５にはボールねじ５３
が係合している。ボールねじ５３は、第２スライダの垂
直面５ｂと平行に回転自在に支持されている。ボールね
じ５３はＺ軸方向送りサーボモータ５４により回転駆動
されるように結合されている。

【００１３】横型ユニット装置１０は、水平工具主軸１
０２を有し、工具主軸１０２の前部には工具１０３が取
付けられ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に数値制御
装置により位置決めされ、工作物２に加工を行うことが
できる公知の加工装置である。この縦型ユニット装置１
０はベッド１の背面側底部に設置されている。これは工
具マガジン装置７が、ベッド１の上部より懸垂されてお
り、ベッド１の底部に空間ができるため、設置できるも
のである。これにより縦型ユニット装置９では加工でき
ない工作物２の側面に加工ができる。

【００１４】図３、図４、図６〜図８に示すように、工
具マガジン装置７は、前記プレート８を介して前記ベッ
ド１の背面側の上部１ｂ’、１ｃ’に跨り取り付けられ
ている。工具マガジン装置７は、主にプレート８から懸
垂された減速機７１とマガジンプレート７２とサーボモ
ータ７３により構成されている。減速機７１の出力軸に
はマガジンプレート７２が取付けられている。減速機７
１の他端にはサーボモータ７３が取付られており、これ
によりマガジンプレート７２は、決められた角度に割出
される。マガジンプレート７２は、その外周部から中心
方向へ窪んだ概ね半円状の多数の工具収容部７４ａ〜７
４ｌが円周上の一部を除いた円周上にマガジンプレート
７２の中心７２ａから放射状に形成されている。半円状
の工具収容部７４ａ〜７４ｌにはその内周面に沿って工
具８０ｂの環状溝に係合する突起７５が形成されてい
る。これにより工具８０ｂは軸方向の移動が規制され
る。

【００１５】マガジンプレート７２には工具８０ｂのキ
ー溝に係合するキー７６が取付られている。これにより
工具８０ｂは、工具マガジン上の保管状態ではその軸線
回りに旋回しない。マガジンプレート７２には各工具収
容部近辺には工具マガジンプレート７２の下部側からフ
ライス加工された彫込み溝７２ｂが設けられている。彫
込み溝７２ｂには爪７７が、ねじ付ピン７８により同ピ
ン７８の軸線回りに回動可能に取付られている。爪７７
は工具８０ｂが嵌合しやすいように傾斜面を有し、スプ
リング７９により付勢されている。これにより、工具８
０ｂは前記工具収容部７４ｂから脱落しない。機械前面
は工作物を搬入するため開閉可能なカバー（図示せず）
が設置されている。ベッド１の上部には巻取り式のカバ
ーがＸ軸方向とＹ軸方向に設置され縦型ユニット装置９
の主軸ヘッド６が移動しても閉塞状態を保てるようにし
ている。ベッド１の左右側面部１ｂ，１ｃの内側にはカ
バー９０が、Ｘ軸に平行に固定されている。マガジンプ
レート７２の工具収容部７４ａ〜７４ｌ以外の部分は、
直線状部７２ｃが形成されている。直線状部７２ｃに可
動カバー９１が固定され、マガジンプレート７２と一体
に旋回する。カバー９０は、前記可動カバー９１の垂直
かつ旋回を許容し，このカバー９１により閉塞される工
具取出し窓９０ａが形成されている。なおカバー９０と
横型ユニット１０の間には蛇腹カバーが設けられおり、
横型ユニット装置１０の主軸ヘッドが移動しても閉塞状
態が保たれるようになっている。これにより加工領域は
外部と隔絶され、加工時に切屑が外部に飛散することが
ない。

【００１６】次に、以上に述べた実施の形態の作動につ
いて説明する。Ｙ軸送りサーボモータ１４、２４とＸ軸
送りサーボモータ３４、４４は、予めプログラムされた
数値制御装置によりＹ軸、Ｘ軸ごとに同期制御され、そ
れぞれのサーボモータに組み込まれたエンコーダによっ
て検出される対応する第１スライダ４及び第２スライダ
５の現在位置帰還情報に基づいてフィードバック制御さ
れる。Ｚ軸送りサーボモータ５４は、予めプログラムさ
れた数値制御装置によりＺ軸送りサーボモータ５４に組
み込まれたエンコーダによって検出される主軸ヘッド６
の現在位置帰還情報に基づいてフィードバック制御され
る。これにより、前記主軸ヘッド６はＸ軸方向、Ｙ軸方
向、及びＺ軸方向に位置決め制御可能となり、主軸ヘッ
ド６上の回転工具主軸１０１の下部に装着した工具８０
ａを工作物２に対し３次元に位置決めし工作物２を加工
できる。

【００１７】第２スライダ５は、左進時においてＸ軸送
りサーボモータ３４、４４が駆動されてボールねじ３
３、４３とナット３５、４５を介し突起部３６、４６に
左向きに推進力が働き、ガイドレール３３、４３からは
摩擦抵抗力を右向きに受ける。Ｘ軸送りサーボモータ３
４、４４は同期して駆動されるため、第２スライダの傾
きは少なくなる。しかし、同期の誤差とガイドレール３
３、４３から受ける摩擦抵抗力の違いにより第２スライ
ダは僅かに旋回する。また第２スライダ５の右進時は、
左進時と逆の力関係になる。これにより第２スライダ５
は左進方向で位置決めされた時と右進方向に移動され位
置決めされた時とで逆に旋回される。この旋回の中心は
ガイドレール３１、４１の間にあり工具主軸１０１がこ
の旋回の中心近傍にあるため左右移動方向の位置決め誤
差はほとんどない。これにより、コンタリングによる真
円加工では、Ｘ−Ｙ座標の象限切替えで生じる工作物の
形状精度低下を少なくすることができる。また、ボール
ねじ３３、４３からの推進力は、第２スライダ５及びこ
の上に積載される工具主軸１０１を含むスライド系の質
量の中心の両側に働く。従って、第２スライダを加減速
する時には前記質量により生じる慣性力をボールねじ３
３、４３でほぼ均等に受けるため、第２スライダを傾け
る力が発生せず、スムーズに加減速できる。

【００１８】次に自動工具交換動作について説明する。
加工工程中は図６に示すように、固定カバー９０の開口
部９０ａは可動カバー９１により閉鎖されている。工具
８０ａによる加工工程が終了すると、マガジンプレート
７２の空の工具把持部７４ａが工具主軸１０１の工具交
換位置と左右方向（Ｘ方向）に整列する位置に来るよう
にマガジンプレート７２を、時計方向に回転させる。そ
の位置で工具主軸１０１が、Ｙ方向に工具主軸１０１の
端面に固定された工具８０ａの工具把持溝がマガジンプ
レート７２の工具把持部７４ａの環状突起７５に係合さ
れるまで後退する。この状態で、工具主軸１０１のドロ
ーボルトを解除し、工具主軸１０１は更にＺ方向に後退
させられ、工具シャンク部から完全に離れる。そして、
マガジンプレート７２を更に時計方向に回転させ、マガ
ジンプレート７２の他の工具把持溝７４ｂに把持された
次に使用する工具８０ｂを工具主軸１０１の軸線に整列
させる。その位置で工具主軸１０１をＺ方向に前進さ
せ、その先端の工具受入孔に工具８０ｂのシャンク部を
嵌合させ、ドローボルトにより工具８０ｂを工具主軸１
０１に固定する。主軸ヘッド６が、マガジンプレート７
２（可動カバー９１を含めて）の回転と干渉しない位置
までＹ方向に前進した段階で、マガジンプレート７２を
反時計方向に回転させ、最初の待機位置に戻す。この状
態で、工具交換装置のカバー９０の開口部９０ａは可動
カバー９１により完全に閉鎖され、その後工具８０ｂに
よる加工が行われる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明した通り請求項１の縦型工作機
械は、第２スライダを左右方向に移動可能にする一対の
ガイドレールの間で工具主軸が上下に移動し、請求項２
の縦型工作機械は、第１スライダと第２スライダを貫い
て工具主軸が上下に移動する。第２スライダは、左進方
向で位置決めされた時と右進方向で位置決めされた時と
で逆に旋回されるが、主軸ヘッドと旋回の中心は共にガ
イドレールの間にある。従って主軸ヘッドの左右（Ｘ軸
方向）での位置決め誤差は、ほとんど生じない。

【００２０】また、切削によるスラスト力の反力が主軸
ヘッドを上方に浮上がらせる方向に力が加わった場合、
第２スライダを左右方向に移動可能にする一対のガイド
レールにほぼ均等に反力が分散され、ガイドレールはほ
とんど変形せず、主軸ヘッド位置で変形が拡大されるこ
ともない。さらに、工作物と主軸ヘッドの間の剛性が高
いため、切削時の振動が小さくなり、加工面の形状精度
と面粗さが良く、また工具寿命を長くできる利点があ
る。また、第２スライダ及びこの上に積載された工具主
軸を含むスライド系の質量は、第２スライダを左右方向
に移動可能にする前記一対のガイドレールにほぼ均等に
分散され、ガイドレールの摩耗が均等になり、位置決め
精度の劣化が少なく、長期に渡り良い加工精度が維持で
きる。

【００２１】請求項３の発明では、前記工具マガジン装
置と一体的に回動でき、工具マガジン装置が休止位置に
あるときカバー装置の開放部を閉塞する可動カバーを前
記マガジン装置に取り付けることにより、可動カバーの
開閉時間を省略し、構造の単純化及び工具交換時間の短
縮ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による送りユニット構成とマガジンカバ
ーを有した縦型加工機の正面図である。

【図２】図１の右側面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。

【図４】図１のＢ−Ｂ断面図である。

【図５】本発明のユニット構成を示す一部を分解した斜
視図である。

【図６】図２のＣ−Ｃ断面図である。

【図７】本発明の工具マガジン装置の一部概略斜視図で
ある。

【図８】図７のＤから見た部分図である。

【符号の説明】

１・・・ベッド、２・・・治具装置、３・・・工作
物、４・・・第１スライダ、５・・・第２スライ
ダ、６・・・主軸ヘッド、７・・・工具マガジン装
置、８・・・プレート、９・・・縦型送りユニット
装置、１０・・・横型送りユニット装置、７２・・
・マガジンプレート、１０１・・・工具主軸。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベッド上に設けられ水平の第１方向に移動
可能な第１スライダと、この第１スライダ上に積層され
第１方向に直角で水平の第２方向に移動可能な第２スラ
イダと、第２スライダに設けられ上下方向に移動可能な
工具主軸と、第１スライダ、第２スライダ、主軸ヘッド
のガイドレールよりも下方に設けられ工作物を位置決め
クランプする治具装置とからなり、第２スライダを左右
方向に移動可能にする一対のガイドレールの間で工具主
軸が上下に移動する構成を特徴とする縦型工作機械。
【請求項２】ベッド上に設けられ水平の第１方向に移動
可能な第１スライダと、この第１スライダ上に積層され
第１方向に直角で水平の第２方向に移動可能な第２スラ
イダと、第２スライダに設けられ上下方向に移動可能な
主軸ヘッドと、第１スライダ、第２スライダ、主軸ヘッ
ドのガイドレールよりも下方に設けられ工作物を位置決
めクランプする治具装置とからなり、第１スライダと第
２スライダを貫いて工具主軸が上下に移動する構成を特
徴とする縦型工作機械。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、前記主軸
ヘッドの軸線と平行な軸線の回りに回転可能で、主軸ヘ
ッドとの間で工具の交換を行う工具マガジン装置をさら
に有し、工具マガジン装置が休止位置にあるとき工具マ
ガジン装置を加工領域から隔絶するカバー装置を備え、
このカバー装置は工具マガジン装置が休止位置から主軸
ヘッドと協動する工具着脱位置に回転することを許容す
る開放部を有し、工具マガジン装置が休止位置にあると
き前記カバー装置の開放部を閉塞する可動カバーを工具
マガジン装置と一体的に回動できるように前記工具マガ
ジン装置に取り付けたことを特徴とする縦型工作機械。