JP2005219127A

JP2005219127A - 切削加工機

Info

Publication number: JP2005219127A
Application number: JP2004026361A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Toyomoto; 博充豊本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】電動スピンドル内蔵工具ユニットを用いた一連の加工工程において人が工具の取り替えをしなくても多様な工具により加工ができ、かつ、仕上がりの加工精度をできるだけ減少させない切削加工機を提供する。
【解決手段】工具ユニットを交換可能に保持しこの工具ユニットを回動手段により駆動する回転工具保持体と、この回転工具保持体に対して自動的に工具ユニットを交換するツールホルダーと、電動スピンドル内蔵工具ユニットを保持する電動工具保持体を有する切削加工機であり、前記回転工具保持体および電動工具保持体は保持する工具ユニットもしくは電動スピンドル内蔵工具ユニットを用いて加工対象物を加工する加工位置に移動可能であり、加工位置に電動工具保持体が存する場合に、回転工具保持体は加工の邪魔をしない待避位置に存し、加工位置に回転工具保持体が存する場合に、電動工具保持体は加工の邪魔をしない待避位置に存するように構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は切削加工機に関し、詳しくは電動スピンドルを内蔵した工具ユニット（本願では「電動スピンドル内蔵工具ユニット」という）を用いて切削加工を行う切削加工機に関する。

マシニングセンタ等の切削加工機において、工具ホルダ自体にモーターにより回転する電動スピンドルを内蔵させてこの電動スピンドルの回転により工具を回転させて加工を行う方法が行われ始めている。例えば、特開２００１−１５０２８１号、特開２００１−１５０２８２号等にこの方法が示されている。この加工方法は安価な構成で高速回転が得られるのでコストダウンを図ることができ、また、微細な加工のできる刃物を有する工具も装着できるので精度の高さが要求される加工にも適している。
ところで、マシニングセンタにおいて上記のような電動スピンドル内蔵工具ユニットを用いて加工を行うと工具ユニットは自動的にツールチェンジャーにより交換されるので、マシニングセンタの主軸と電動スピンドル内蔵工具ユニットとの接合面において微細な粉塵等が挟まり工具先端の位置が数ミクロンずれることがある。これにより、電動スピンドル内蔵工具による仕上げ加工時に加工精度が落ちる問題が生じる。一方、工具を人の手で取り替える通常のＮＣ切削加工機によればこのような問題は生じないが、例えば粗加工の後に仕上げ加工をするような場合、粗加工において工具の刃先が磨耗する等の理由より工具を交換する必要があるので工具交換の際に作業員が必ず居なければならないという問題が生じる。これらの問題に対処する方法として、下記特許文献１に示すように複数のスピンドルユニットを有する構成にすることが考えられる。即ち、電動スピンドル内蔵工具ユニットを２以上並列に設けて、粗加工と仕上げ加工用の刃を最初から取り付けることで工具の交換を行うことなく粗加工から仕上げ加工までを高精度に行うことができる。
特開２００３−３１１５６１号

しかし、電動スピンドル内蔵工具ユニットは大きな刃物や高いトルクを要する加工は困難であり、また、多軸を並列に設けるという構成では加工対象物ごとに工具ユニットを交換する必要が生じ、効率が悪い。
そこで、本発明は電動スピンドル内蔵工具ユニットを用いた一連の加工工程において人が工具の取り替えをしなくても多様な工具により加工ができ、かつ、仕上がりの加工精度をできるだけ減少させない切削加工機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明は次のような構成を有する。
請求項１に記載の発明は、工具ユニットを交換可能に保持しこの工具ユニットを回動手段により駆動する回転工具保持体と、この回転工具保持体に対して自動的に工具ユニットを交換するツールホルダーと、電動スピンドル内蔵工具ユニットを保持する電動工具保持体を有する切削加工機である。そして、前記回転工具保持体および電動工具保持体は保持する工具ユニットもしくは電動スピンドル内蔵工具ユニットを用いて加工対象物を加工する加工位置に移動可能であり、加工位置に電動工具保持体が存する場合に、回転工具保持体は加工の邪魔をしない待避位置に存し、加工位置に回転工具保持体が存する場合に、電動工具保持体は加工の邪魔をしない待避位置に存するように構成される。なお、ここにいう移動は相対的な移動を意味し、工具保持体が移動する場合のほか、加工対象物が移動してくるような場合を含む。
このような構成により、仕上げ加工を行うための電動スピンドル内蔵工具ユニットを電動工具保持体に装着する際には人の手で取り付け精度を維持しながら行うことができる。また、仕上げを行うまでの種々の加工は、いわゆるマシニングセンタと同じ構成であるツールホルダーと回転工具保持体により、種々の工具ユニットを自動的に取替えて行うようにできる。そして、これらの各工具ユニットは加工の際に互いの邪魔をすることがない。

請求項２に記載の発明は、前記切削加工機において前記電動工具保持体が二以上存し、一の前記電動工具保持体が加工位置に存する場合に、残りの電動工具保持体は加工の邪魔をしない待避位置に存するように構成したものである。
このように電動工具保持体を二以上設けることで、それぞれに荒さの異なる仕上げ工具を設けることが可能となる。

請求項３に記載の発明は、前記切削加工機において前記回転工具保持体と少なくとも一の前記電動工具保持体は一体となって加工対象物に対して相対的に加工動作を行うものである。
これにより一体となった回転工具保持体と電動工具工具保持体との位置関係が加工時において変わることがないのでそれだけ、各工具ユニットの工具先端の位置の相対的な関係のずれを少なくすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の切削加工機において各電動工具保持体は一体となって加工対象物に対して相対的に加工動作を行うものである。
これにより一体となった各電動工具工具保持体の位置関係が加工時において変わることがないのでそれだけ、各工具ユニットの工具先端の位置の相対的な関係のずれを少なくすることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１又は２に記載の切削加工機において前記加工位置および待避位置に存する回転工具保持体および電動工具保持体のうち前記加工位置にある回転工具保持体もしくは電動工具保持体のみが加工対象物に対して相対的に加工動作を行うものである。
これにより、通常は各工具保持体を待避位置にしておき、加工に供する工具保持体だけを加工動作させればよくなる。

請求項６に記載の発明は、前記切削加工機において前記待避位置は前記加工位置から加工対象物の取り付け面に対してほぼ平行移動した位置に存するものである。
このような動作により加工対象物の取り付け面に対する各電動スピンドル内蔵工具ユニットの工具先端までの距離に関して各電動スピンドル内蔵工具ユニットの移動によるずれが少なくなる。

請求項７に記載の発明は、請求項２又は４に記載の切削加工機において前記各電動工具保持体の少なくとも一つに粗加工用の工具を取り付けた電動スピンドル内蔵工具ユニットを取り付け、前記各電動工具保持体の少なくとも一つに仕上げ用の工具を取り付けた電動スピンドル内蔵工具ユニットを取り付けたものである。
これにより、一台の切削加工機により一度工具を取り付けることで粗加工から仕上げ加工までを連続して行うことができ、その間工具の取り替えを行う必要がないので特に仕上げ加工の精度を高くすることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項２，４、７のいずれかに記載の切削加工機において、前記各電動工具保持体に前記電動スピンドル内蔵工具ユニットが取り付けられたときに、前記各電動スピンドル内蔵工具ユニットの工具先端の位置の差を測定する測定手段を設けたものである。
このような測定手段を設けることにより、取り付け時において各電動スピンドル内蔵工具ユニットの刃先の高さを調整する際の目安にできる他、加工時において測定値を加味した制御動作を行わせることができる。

請求項１に記載の発明は、仕上げ加工を行うための電動スピンドル内蔵工具ユニットを電動工具保持体に装着する際には人の手で取り付け精度を維持しながら行うことができるので、電動スピンドル内蔵工具ユニットで仕上げ加工を行うことで加工物の最終精度を高くすることができる。また、仕上げを行うまでの種々の加工は、いわゆるマシニングセンタと同じ構成であるツールホルダーと回転工具保持体により、種々の工具ユニットを自動的に取替えながら、柔軟に加工を行うことが可能となる。また、仕上げを行うまでの種々の加工は、いわゆるマシニングセンタと同じ構成であるツールホルダーと回転工具保持体により、種々の工具ユニットを自動的に取替えて行うようにできるので、加工の種類に関わり無く柔軟かつ効率よく加工を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、二以上の電動工具保持体のそれぞれに荒さの異なる仕上げ工具を設けることが可能となるので、より効率的に仕上げ加工を行うことが可能になる。
請求項３に記載の発明は、電動工具ユニットと回転工具ユニットの工具先端の位置の相対的な関係のずれを少なくすることができるので、加工位置と待避位置の間で工具の移行を行っても加工精度を高く維持することができる。
請求項４に記載の発明は、各電動工具ユニットの工具先端の位置の相対的な関係のずれを少なくすることができ、加工位置と待避位置の間で工具の移行を行っても加工精度を高く維持することができる。
請求項５に記載の発明は、通常は各工具保持体を待避位置にしておき、加工に供する工具保持体だけを加工動作させればよくなるので加工に供しない工具を移動させる必要がなく動力の負荷を少なくすることができる。

請求項６に記載の発明は、加工対象物の取り付け面に対する各電動スピンドル内蔵工具ユニットの工具先端までの距離に関して各電動スピンドル内蔵工具ユニットの移動によるずれが少なくなるので、加工位置と待避位置の間で工具の移行を行っても加工対象方向の精度を高く維持することが可能となる。
請求項７に記載の発明は、一台の切削加工機により一度工具を取り付けることで粗加工から仕上げ加工までを連続して行うことができ、その間工具の取り替えを行う必要がないので特に仕上げ加工の精度を高くすることができる。
請求項８に記載の発明は、測定手段を設けることにより、取り付け時において各電動スピンドル内蔵工具ユニットの刃先の高さを調整する際の目安にできる他、加工時において測定値を加味した制御動作を行わせることができるので、さらに高精度の加工が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１に本実施の形態に係る切削加工機Ａの斜視図を、図２に正面図を示す。この切削加工機は台座１１に電動工具保持体用縦フレーム１２および回動工具保持体用縦フレーム５２が固定され、また台座１１上には水平面において図示しないボールネジとサーボモータにより自在に移動するＸＹテーブル２０が設けられている。電動工具保持体用縦フレーム１２には電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1、Ｘ2をそれぞれ保持する一体に形成される電動工具保持体３１、３２が設けられる。また、回転工具保持体用縦フレーム５２には、回動手段であるモーターにより回動しツールを保持する回転工具保持体５１と、同じく、この回転工具保持体５１に対してツールを自動交換するための、一般的なマシニングセンターと同じ構成のツールチェンジャーを備えたツールホルダー６０とが設けられる。

図３に電動工具保持体３１近傍の拡大図を示す。電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1は、内蔵モーターにより回動する電動スピンドルＸ11、電動スピンドルＸ11の先端に設けられる刃Ｘ12、電動スピンドルＸ11を保持する電動スピンドル保持体Ｘ13、マシニングセンタにも取り付けられるように電動スピンドル保持体Ｘ13の後端に設けられるツールシャンクＸ14およびプルスタッドＸ15を有する。電動工具保持体３１は通常のマシニングセンタと同様にクランプにより電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1、Ｘ2を保持するようになっている。さらに、電動スピンドル内蔵工具ユニット３１は電動スピンドルＸ11へ電気的に接続されたソケットＸ17を介して電気ケーブルＸ16が接続され、切削加工機Ａ本体から電気の供給を受けるようになっている。電動工具保持体３２の構成も電動工具保持体３１の構成と同様である。

電動工具保持体３１、３２は一体となって電動工具保持体用縦フレーム１２に設けられた垂直方向のレール１２ａ上を図示しないボールネジとサーボモータにより上下に移動する。また、回転工具保持体は回転工具保持体用縦フレーム５２に設けられた垂直方向のレール５２ａ上を図示しないボールネジとサーボモータにより上下に移動する。即ち、切削加工機Ａは水平面上を移動するＸＹテーブルと垂直方向に移動する電動工具保持体３１、３２および回転工具保持体５１により３次元の加工を行うことができる。

また、電動工具保持体用縦フレーム１２には電動工具保持体３１、３２を覆う上部カバー３３が設けられ、上部カバー下部の両側に電動工具保持体３１、３２に保持された電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1、Ｘ2の工具先端の位置（例えば電動工具保持体３１の下面から工具先端までの距離）を測定するためのセンサ４１、４２が設けられている。
センサ４１、４２はレーザースキャニング型の寸法測定用センサが縦に２列設けてあり、それぞれが電動工具保持体３１、３２に保持される電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1、Ｘ2の工具先端の長さを測定する。センサ４１、４２は電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1、Ｘ2のそれぞれの先端を捉えることができるように、図４（ａ）の電動工具保持体部分の底面図に示すように電動工具保持体３１、３２の中心を通る水平線に対して斜めの傾きを持った水平線上に設けられている。図４（ｂ）に図２における矢視Ｓを示す。矢視Ｓはセンサ４１の位置からセンサ４２へ真っ直ぐ向かう方向を示す。図４（ｂ）に示すようにセンサ４１とセンサ４２との間に電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1、Ｘ2の先端はずれて現れることになり、これにより両方の先端位置を測定することができる。また、測定結果から図に示す工具の先端位置の差ｄが算出されるようになっている。なお、図ではわかりやすいように先端位置の差ｄを大きく示しているが実際は数ミクロン程度の差である。
この切削加工機は図示しない制御装置により制御され、予め使用者により入力されるプログラムにより自動的に加工動作を行う。

次に、以上のような構成を持つ切削加工機Ａの使用方法について説明する。まず、切削加工機Ａの制御装置に加工用のプログラミングを行う。具体的には、まず、回転工具保持体５１に種々の工具ユニットＹを取り付けることで、まず、対象物を大まかな形状に加工し、その後、電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1で粗加工を実行し、最後に電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ2で仕上げ加工を行うようようなプログラミングを行う。この動作は、加工対象物をＸＹテーブルから取り外すことなく行われるものである。
プログラミングが終了すると、電動工具保持体３１、３２のそれぞれに電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1、Ｘ2を装着する。この際、粉塵等が電動工具保持体および電動スピンドル内蔵工具ユニットとの間に挟まらないように作業者が丁寧に清掃をした後に慎重に行う。

その後、加工対象物ＯをＸＹテーブルの所定位置に固定して切削加工機Ａを作動させる。切削加工機Ａは加工動作を行う前にセンサ４１、４２により２つの電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1、Ｘ2の工具先端の位置を測定する。測定が終了すると切削加工機Ａはプログラムに従い、まず、いくつかの工具ユニットＹにより加工動作を行う。この際、図５（ａ）に示すようにＸＹテーブル２０は加工対象物Ｏを回転工具保持体５１の中心に位置するように移動させてから加工動作を行う。即ち、この状態において回転工具保持体５１は保持する工具ユニットＹにより加工を行う加工位置にある。そして、電動工具保持体３１、３２は保持している電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1およびＸ2が加工の邪魔をしない待避位置にある。この状態で、工具ユニットＹをいくつかツールホルダー６０により交換しながら、大まかな加工が行われる。次に、切削加工機Ａは図５（ｂ）に示すように回転工具保持体５１および電動工具保持体３２を待避位置とし、電動工具保持体３１を加工位置とする。それから切削加工機Ａは電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1によりプログラム通りに加工対象物の粗加工を行う。粗加工が終了すると切削加工機ＡはＸＹテーブル２０を移動させて、今度は図５（ｃ）に示すように電動工具保持体３１および回転工具保持体５２を待避位置とし、電動工具保持体３２を加工位置とする。それから切削加工機Ａは電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ2によりプログラム通りに加工対象物の仕上げ加工を行う。この際、切削加工機Ａでは前述したようにセンサ４１、４２により電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1と電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ2との工具先端の位置の差ｄが数値として得られているので、制御装置はプログラムに示される加工における縦方向の送り量をこの差に基づいて調整するようになっている。仕上げ加工が完了した時点で一連の加工作業は終了する。

このような動作を行うので、本実施の形態に係る切削加工機Ａは仕上げ用の電動スピンドル内蔵工具ユニットを人の手で一度取り付けると粗加工から仕上げ加工までの一連の加工作業の間に工具ユニットの機械的な交換が行われることがないので高精度な加工が実現できることになる。また、大まかな加工段階ではマシニングセンタの構成により多様な工具ユニットにより効率よく加工を行うこともできる。さらに、センサにより工具先端の位置を測定してそれを加味した加工を行うのでさらに加工精度を高くすることができる。

なお、上記実施の形態では電動工具保持体は垂直方向にのみ移動し、ＸＹテーブルが移動することによって加工対象物に対して相対的に加工位置と待避位置に移動するようにしているが、例えばこれは次のようにすることもできる。即ち、図６（ａ）に示すように一体となった二つの電動工具保持体が左右に移動することでＸＹテーブルを動かさずに、一方の電動工具保持体が加工位置に存し他方の電動工具保持体が待避位置に存するようにすることもできる。図６（ａ）における想像線は電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1を保持する電動工具保持体を加工位置にし、電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ2を保持する電動工具保持体を待避位置にした状態を示している。また、図６（ｂ）に示すように、それぞれの電動工具保持体が左右に移動することで加工に供しない場合は待避位置に移動するようにしてもよい。図６（ｂ）の想像線は電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ2を保持する電動工具保持体を待避位置にした状態を示す。なお、回動工具保持体に関しても、加工対象物に対して水平方向に移動させるようにすることも可能である。

さらに、図７（ａ）に示すようそれぞれの電動工具保持体が上方へ移動できるようにしておき、上方に移動することにより待避位置に移行するようにしてもよい。なお、この場合加工時は上下の段差を保ったまま一体となって移動する。図７（ａ）は電動スピンドル内蔵工具ユニットＸ1を保持する電動工具保持体が待避位置にある状態を示す。それから図７（ｂ）に示すように、それぞれの電動工具保持体が加工のための垂直方向の送り動作を独立してできるようにしておき、加工に供しない方は上方で待機させることで待避位置に存するようにすることもできる。
また、実施の形態では電動工具保持体と回転工具保持体とは独立して垂直方向に移動するようになっているが、これを電動工具保持体同士と同じように一体にすることも可能である。
それから、本実施の形態では電動スピンドル内蔵工具ユニットを保持する電動工具保持体は２つの場合を示したが電動工具保持体は１つにしたり３つ以上設けたりすることも可能である。

実施の形態に係る切削加工機を示す斜視図図である。実施の形態に係る切削加工機を示す正面図である。電動工具保持体近傍の拡大図である。（ａ）は電動工具保持体部分の底面図であり、（ｂ）は図２における矢視Ｓを示す図である。 (ａ)は一の回転工具保持体が加工位置にあり、２つの電動工具保持体が待避位置にある状態を示す正面図であり、（ｂ）は一の電動工具保持体が加工位置にあり、他の電動工具保持体と回転工具保持体が加工位置にある状態を示す正面図であり、（ｃ）は他の電動工具保持体が加工位置にあり、一の電動工具保持体と回転工具保持体が加工位置にある状態を示す正面図である。（ａ）（ｂ）とも工具保持体の他の例を示す図である。（ａ）（ｂ）とも工具保持体の他の例を示す図である。

符号の説明

Ａ切削加工機
Ｘ1、Ｘ2 電動スピンドル内蔵工具ユニット
Ｙ工具ユニット
１１台座
１２電動工具保持体用縦フレーム
２０ＸＹテーブル
３１、３２電動工具保持体
４１、４２センサ
５１回転工具保持体
５２回転工具保持体用縦フレーム
６０ツールホルダー

Claims

工具ユニットを交換可能に保持しこの工具ユニットを回動手段により駆動する回転工具保持体と、この回転工具保持体に対して自動的に工具ユニットを交換するツールホルダーと、電動スピンドル内蔵工具ユニットを保持する電動工具保持体を有する切削加工機であって、
前記回転工具保持体および電動工具保持体は保持する工具ユニットもしくは電動スピンドル内蔵工具ユニットを用いて加工対象物を加工する加工位置に移動可能であり、加工位置に電動工具保持体が存する場合に、回転工具保持体は加工の邪魔をしない待避位置に存し、加工位置に回転工具保持体が存する場合に、電動工具保持体は加工の邪魔をしない待避位置に存する切削加工機。
前記電動工具保持体は二以上存し、一の前記電動工具保持体が加工位置に存する場合に、残りの電動工具保持体は加工の邪魔をしない待避位置に存する請求項１に記載の切削加工機。
前記回転工具保持体と少なくとも一の前記電動工具保持体は一体となって加工対象物に対して相対的に加工動作を行う請求項１又は２に記載の切削加工機。
各電動工具保持体は一体となって加工対象物に対して相対的に加工動作を行う請求項２に記載の切削加工機。
前記加工位置および待避位置に存する回転工具保持体および電動工具保持体のうち前記加工位置にある回転工具保持体もしくは電動工具保持体のみが加工対象物に対して相対的に加工動作を行う請求項１又は２に記載の切削加工機。
前記待避位置は前記加工位置から加工対象物の取り付け面に対してほぼ平行移動した位置に存する請求項１から５のいずれか１項に記載の切削加工機。
前記各電動工具保持体の少なくとも一つに粗加工用の工具を取り付けた電動スピンドル内蔵工具ユニットを取り付け、前記各電動工具保持体の少なくとも一つに仕上げ用の工具を取り付けた電動スピンドル内蔵工具ユニットを取り付けた請求項２又は４に記載の切削加工機。
前記各電動工具保持体に前記電動スピンドル内蔵工具ユニットが取り付けられたときに、前記各電動スピンドル内蔵工具ユニットの工具先端の位置の差を測定する測定手段を設けた請求項２、４、７のいずれか１項に記載の切削加工機。