JP3076595B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、工具交換機構を備えた工作機械に関し、特
に主軸頭を支持するコラム付近のＸ軸方向の幅をコンパ
クト化できるとともに、工具交換機構を主軸頭に近接さ
せて工具交換速度を向上できるようにした工具交換機構
の配置位置の改善に関する。

〔従来の技術〕

主軸頭をコラムによって上下に摺動可能に支持した工
作機械における工具交換機構の配置構造としては、例え
ば第11図（ａ），第12図（ａ）に模式的に示す構造が一
般的である。図において、１はサドル（図示せず）によ
ってＹ軸方向に移動可能に支持されたコラムであり、上
記サドルはベッドによってＸ軸方向に移動可能に支持さ
れている。２は内部に主軸３が配設された主軸頭であ
り、該主軸頭２に突設された一対のスライド部2a,又は2
bがコラム１のリニアガイド部1a又はスライド溝1bによ
ってＺ軸方向（紙面に垂直方向）に移動可能に支持され
ており、これにより主軸頭２はX,Y,Z軸方向に移動可能
となっている。

そして上記コラム１のＸ軸方向側方に工具交換装置の
交換機構４が配設されている。この交換機構４は、交換
用アームの両端に形成された把持部で工具を把持し、こ
の状態で該交換用アームを下降させ、180゜回転させた
後、元の位置に上昇させることにより、所望の工具を主
軸３に供給するように構成されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで上記工具交換装置において、交換速度を向上
するには、上記交換用アームをできるだけ短くし、高速
回転を可能にするのが有効であり、そのためには主軸３
と交換機構４との距離Ａをできるだけ小さくすることが
必要である。またコラム回りをコンパクト化するにも上
記距離Ａを小さくする必要がある。

一方、上記主軸頭２の支持において、熱膨張等による
工作精度への悪影響を軽減するには、第１図（ｂ），
（ｃ）、又は第12図（ｂ），（ｃ）に示すように上記ス
ライド突部2a,2b等の形成位置を、主軸頭の軸芯のＸ軸
方向側方に位置させることが有効であり、第11図
（ｃ），第12図（ｃ）に示すように軸芯と一致させるの
が理想的である。

ところが上記従来の工作機械では、交換機構４をコラ
ム１のＸ軸方向側方に配設する構造を採用しているの
で、スライド突部2a,2bの形成位置を上記理想的な位置
に近づけるほど交換機構４が主軸３から離れてしまうこ
ととなる。そのため上記工作精度への悪影響を小さくし
ようとするほど、上記交換用アームが長くなり、従って
工具交換の高速化が図れなくなるととに、コラム回りの
コンパクト化が図れなくなる。

本発明の上記従来の問題点を解消するためになされた
もので、工具交換機構と主軸との距離を短縮でき、その
結果工具交換の高速化及びコラム回りのコンパクト化を
図ることができるようにした工作機械を提供することを
目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、一対のスライド部を有する主軸頭と、上記
スライド部を上下方向に移動可能に支持する一対のガイ
ド部を有するコラムと、上記主軸頭の主軸に装着された
工具を取り外すとともに該主軸に所望の工具を供給する
ようにした工具交換装置とを備えた工作機械において、
上記工具交換装置を、複数の工具を保持する工具マガジ
ンと、上記主軸頭と平行な回転軸回りに旋回するととも
に軸方向に移動して上記工具マガジンに保持された工具
と上記主軸に装着された工具とを交換する交換用アーム
を有する工具交換機構とを備えたものとし、該工具交換
機構を、上記主軸頭を機械正面側から上記一対のスライ
ド部同士を結ぶ直線と直交する方向に該主軸頭の軸方向
全移動範囲において投影した領域内に、上記交換用アー
ムが上記主軸頭の背面側にて主軸に近接するように配置
し、上記工具マガジンを上記工具交換機構の背面側に配
置したことを特徴としている。

ここで本発明における主軸頭を投影した領域内とは、
主軸頭の軸方向全移動範囲における投影領域との意味で
ある。また該領域内に工具交換機構を配置するとは、該
領域内に工具交換機構の全てを配置した場合だけでな
く、その主要部分，少なくとも交換用アームを配置した
場合も含まれる。

〔作用〕

本発明に係る工作機械によれば、工具交換機構を、上
記一対のスライド部を結ぶ直線と直交する方向に上記主
軸頭を投影した領域内に、つまり主軸頭のＹ軸方向位置
に配置したので、上記スライド部を主軸頭の軸芯を通る
Ｘ軸線上に配置した場合にも、該工具交換機構の配置位
置が上記スライド部によって規制されることはなく、従
って工具交換機構を主軸により近接させることができ
る。これにより交換用アームが短くて済み、該アームの
回転速度を速くでき、その結果工具交換速度をより向上
させることができる。また工具交換機構をコラムのＸ軸
方向位置に配置した従来例に比較してコラム回りをコン
パクト化できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図について説明する。

第１図ないし第９図は本発明の一実施例による立形マ
シニングセンタを説明するための図であり、第１図，第
２図，第３図はそれぞれ側面図，正面図，平面図、第４
図，第５図は主軸頭の断面側面図，平面図、第６図，第
７図，第８図は工具交換装置の側面図，平面図，動作説
明図、第９図，第10図はシャッタ機構の正面図，側面図
である。

主として第１図ないし第３図において、10はＸ軸方向
２箇所に加工ステーションを備えた立形マシニングセン
タであり、これは、基礎面11上に固定されたベッド12
と、このベッド12上にＸ軸方向に移動可能に配設された
サドル13と、このサドル13上にＹ軸方向に移動可能に配
設されたコラム14と、このコラム14によってＺ軸方向に
移動可能に支持された主軸頭15と、上記ベッド12上の上
記各加工ステーションに配置された一対のテーブル16,1
6と、上記主軸頭15に所望の工具を自動的に供給する自
動工具交換装置（ATC）17とから構成されている。な
お、10aは該マシニングセンタ10の周囲を囲むカバーで
ある。

上記ベッド12は、手前側（第１図左側）が低くなるよ
うに傾斜したベッド本体12a上の奥側にサドル支持部12b
を、手前側に一対のテーブル支持部12c,12cを形成して
なり、この各テーブル支持部12c上に上記各テーブル16
が配置固定されている。このテーブル16は、下側テーブ
ル16aと上側テーブル16bとからなる２段式に構成されて
いる。このように２段式のテーブルを採用したのは、背
の低いワークは上記両テーブル16a,16bを装着した状態
で加工し、背の高いワークを加工する場合、又はロータ
リテーブルを使用する場合は上側テーブル16bを取り外
して加工することにより、広範囲のワークに対応するた
めである。

また上記ベッド12には上記テーブル16の手前側下方に
位置するように前面コンベア18aが、また上記テーブル1
6の背面側下方に位置するように背面コンベア18bがそれ
ぞれ配設されている。この両コンベア18a,18bは、ベッ
ド12の全長に渡って延びている。なお、56はNC制御装置
である。

上記サドル13は、これに固着された一対のリニアガイ
ド19aが上記サドル支持部12bに形成された一対のスライ
ドレール19bでＸ軸方向に案内され、ボールねじ機構19c
で駆動されるようになっている。また上記コラム14は、
これに固着された一対のリニアガイド20aが上記サドル1
3の上面に形成された一対のスライドレール20bでＹ軸方
向に案内され、ボールねじ機構20cで駆動されるように
なっている。

上記主軸頭15はこれに形成された一対のスライドレー
ル21bが上記コラム14に固着された一対のリニアガイド2
1aでＺ軸方向に案内され、ボールねじ機構21cで駆動さ
れるようになっている。上記主軸頭15は、第４図，第５
図に示すように、主軸ケース22内に、主軸23と、該主軸
23を回転駆動するビルトインモータ24と、上記主軸23内
に挿入されたクランプロッド23aを押圧するアンクラン
プシリンダ25とを収容した構造となっている。上記主軸
23は上記主軸ケース22内に配設された保持部材26によっ
て軸受27を介して回転自在に軸支されており、図示しな
いクランプばねが上記クランプロッド23aを図示上方に
付勢することにより工具50が主軸23のテーパ部23bに嵌
合保持され、上記アンクランプシリンダ25がクランプロ
ッド23aを下降させることによって上記工具50が主軸23
から外れるようになっている。

上記主軸ケース22は、上端に開口22bを有する大略矩
形状の筒体であり、その背面側の壁面に上記ガイドレー
ル21bが形成されている。また上記アンクランプシリン
ダ25は上記開口22bから挿入され、ブラケット28によっ
て懸架されており、このブラケット28の上面に形成され
た蓋28aが上記開口22bを覆うとともに、上記主軸ケース
22の上端面にボルト28bで締め付け固定されている。

上記自動工具交換装置17は、上記サドル13の後端部に
配設されたマガジン29と、該サドル13の前端部に配設さ
れた工具交換機構30と、該交換機構30とマガジン29との
間で工具50を往復搬送する搬送機構31とから構成されて
いる。

上記マガジン29は、マガジン軸32bが形成されたベー
ス部材32aを上記サドル13の後端に固着し、上記マガジ
ン軸32bで円盤状のマガジンプレート33aのボス部33bを
軸支するとともに、上記マガジンプレート33aの下面に
多数組のクランプホルダ34を配設した構造のものであ
る。この各クランプホルダ34は、一対の把持アーム34b
をその前部が閉じるように付勢して軸支するとともに、
両アーム間に係止キー34aを配置した構造になってい
る。工具50を把持アーム34bのクランプ爪34c間に押し込
むと、該クランプ爪34cが工具50の係止溝50b部分を把持
するとともに、該係止溝50bのキー溝50aに上記係止キー
34aが係合する。なお、35はマガジンプレート33aを旋回
駆動するためのギヤである。

また上記搬送機構31は、上記工具50のテーパ部50dを
覆うとともにこれの上端係止部50cを把持するポット36
を上下動させる上下動機構37と、上記ポット36を上記サ
ドル13のトンネル13a内において上記マガジン29と工具
交換機構30との間で往復動させる往復動機構38とを備え
ている。上記ポット36は支持部材36aによって回転可能
に支持されている。この支持部材36aは上下ガイド39に
よって上下移動可能に支持されており、かつこの支持部
材36aは上記上下動機構37のシリンダ37aにロッド40aが
連結された上下動アーム40bが係止し得る係止溝36cを有
している。また上記上下ガイド39はガイドプレート39a
で案内されながら往復方向に移動可能になっており、上
記往復動機構38のシリンダ38aが連結されている。これ
により上記ポット36は工具50のテーパ部50dを覆う位置
とこれの上方位置との間で上下動し、また、上下ガイド
39と共に上記マガジン29と工具交換機構30との間で往復
する。

また、上記ポット36の往復路の側方にはガイドプレー
ト41が配設されている。このガイドプレート41には上記
ポット36を回転させるための駆動カム41a,及び所定の角
度状態に保持するための保持カム41bが形成されてい
る。この駆動カム41a,保持カム41bに上記ポット36に形
成されたシュー36bが当接又は摺接することにより、工
具50のキー溝50aが90度回転するように上記ポット36が
回転する。なお、42は上記ポット36を中立位置に付勢す
る付勢ばねである。

上記工具交換機構30は、駆動部43の駆動軸43aの上端
に交換用アーム44を固着してなり、上記駆動部43が上記
サドル13の前端部下面に取り付けられており、上記交換
用アーム44は上記サドル13のトンネル13a内に位置して
いる。ここで上記工具交換機構30の主要部分は、その下
降端位置に位置する主軸頭15（第１図に二点鎖線で示
す）の背面側に位置している。つまり、上記工具交換機
構30は平面から見てスライドレール21b,21bを結ぶ直線
と直交する方向に機械正面側から背面側に上記主軸頭15
を投影した領域内に位置している。上記交換用アーム44
の両端には、工具50の係止溝50bを係止保持する把持爪4
4a,及び押圧ピン44cが形成されており、さらに把持爪44
aの中央付近には上記工具50のキー溝50aに係止する係止
キー44bが形成されている。

さらにまた、第９図，第10図に示すように、上記サド
ル13の前端部分には、トンネル13aの前端開口を開閉す
るシャッタ機構55が配設されている。このシャッタ機構
55は、上記トンネル13aの前端開口を閉塞できる大きさ
のシャッタプレート51と、該プレート51を保持する左，
右一対のガイドプレート52と、上記シャッタプレート51
を上下動させる左，右一対の上下動シリンダ53と、上記
ガイドプレート52を前後に揺動させる左，右一対の揺動
シリンダ54とから構成されている。上記ガイドプレート
52はこれの上端部分が上記サドル13の左，右側部に軸支
されており、また上記上下動シリンダ53は、上記シャッ
タプレート51に一体形成された左，右のフランジ部51a
と上記ガイドプレート52との間に位置している。これに
より上記シャッタプレート51はガイドプレート52ととも
に下部が前側に位置するよう傾斜可能になっており、こ
のようにしてシャッタプレート51の下降時に該プレート
51が工具交換機構30に干渉するのを回避している。

次に本実施例の作用効果について説明する。

本実施例の立形マシニングセンタ10では、サドル13,
コラム14がそれぞれＸ軸方向,Y軸方向に移動し、また主
軸頭15がＺ軸方向に移動することにより、テーブル16上
のワークが加工される。この時、サドル13のトンネル13
aの前側開口部は、シャッタ機構55のシャッタプレート5
1によって閉塞されており、工具交換機構30の上部，搬
送機構31等は上記シャッタプレート51の裏に隠れてい
る。また、本実施例装置では、いずれか一方の加工ステ
ーション、例えば第２図に実線で示す加工ステーション
で加工が行われている間に、二点鎖線で示す他方の加工
ステーションにおいて加工済みワークの取り外し，加工
前ワークの取り付け等の段取り作業が行われ、従って両
ステーション間での移動時間以外の時間を全て加工にあ
てることができ、ロスタイムが極めて少ない。

また、自動工具交換装置17はサドル13と共にＸ軸方向
に移動するので、上記何れの加工ステーションにおいて
も工具の交換が可能である。この工具交換について詳述
する。まず工具交換装置17のマガジン29が所定角度位置
に割り出されると、上下動機構37のシリンダ37aが伸長
し、これによりポット36が上下ガイド39にガイドされな
がら下降して工具50の上部に被せられ、該ポット36内の
係止機構が工具50の上端係止部50cに係止する。このと
き工具50のキー溝50aは第８図に示すように進行方向を
向いている。

次に往復動機構38のシリンダ38aが伸長し、これによ
りポット36が工具50を保持した状態で上下ガイド39とと
もに前進する。この場合、ポット36のシュー36bが保持
カム41bに摺接している間は、キー溝50aは上記進行方向
に保持されており、この保持カム41bを通過すると付勢
ばね42によって反時計回りに45度回動し、上記シュー36
bが駆動カム41aに当接するとポット36がさらに反時計回
りに45度回動する。これにより工具50はキー溝50aが上
記進行方向と直角をなす方向を向いた状態で工具交換位
置に待機することとなる。

そして、NC制御装置56より工具交換指令が出力される
と、主軸頭15がＺ軸の工具交換位置に復帰し、主軸23の
オリエンテーションと同時にシャッタ機構55の揺動シリ
ンダ54が伸長し、これによりシャッタプレート51がガイ
ドプレート52とともに下部が前側に出るように傾斜し、
この状態で上下動シリンダ53が伸長し、シャッタプレー
ト51を下降させる。これにより工具交換機構30の交換軸
43a,及び交換用アーム44が外方に臨むこととなる。続い
て工具交換機構30の交換用アーム44が第８図で見て時計
回りに90度回動し、これにより一方の把持爪44aと押圧
ピン44cとで待機中の工具50の係止溝50bを把持するとと
もに、その係止キー44bがキー溝50aに係止し、同様にし
て他方の把持爪44a,押圧ピン44cが主軸23側の工具50を
把持する。この状態で交換軸43aが交換用アーム44を下
降させた後180度回動し、再び上昇することにより、ポ
ット側の工具が主軸23に装着されるとともに、主軸側の
工具がポット36に装着され、上記交換用アーム44は反時
計方向に90度回動する。この状態で往復動機構38のシリ
ンダ38aが収縮すると、まずポット36のシュー36bが保持
カム41bに当接して、キー溝50aが進行方向に位置するよ
うにポット36が回動し、この角度位置に保持された状態
で後退し、クランプホルダ34のクランプ爪34c,34c間に
押し込まれ、工具50の係止溝50bが該両クランプ爪34cで
把持されるとともに、係止キー34aがキー溝50aに係止す
る。またこのとき、支持部材36aの係止溝36cに上下動ア
ーム40bが係止しており、上下機構37のシリンダ37aが収
縮するとポット36が工具50の上方に上昇することとな
る。

このように本実施例に係る立形マシニングセンタ10に
よれば、工具交換機構30を、下降端に位置する主軸頭15
の背面側に、しかも交換用アーム44が上側に位置するよ
うに配置したので、交換軸43aを主軸23に極めて接近さ
せることができ、従って交換用アーム44が短くて済み、
それだけ交換速度を向上でき、加工能率の改善に貢献で
きる。

また工具交換機構30を上記主軸頭15の背面側に配置し
たので、コラムのＸ軸方向側方に工具交換機構を配置し
た従来装置に比較してＸ軸方向の幅を抑えることがで
き、機械のコンパクト化に貢献できる。またサドル13の
後方にマガジン29を配置し、工具交換機構30との間に搬
送機構31を設けたので、マガジンをサドルのトンネル内
に配置した場合に比較してサドル幅が狭くて済み、この
点からもコンパクト化に貢献できる。

また、サドル13のトンネル13a内に上記工具交換機構3
0,搬送機構31を配設するとともに、該トンネル13aの開
口についてはシャッタ機構55で閉塞するようにしたの
で、上記工具交換機構30等に切粉が飛散，付着するのを
抑制できる。また工具50を、これのテーパ部50d,係止部
50cにポット36を被せた状態で搬送するようにしたの
で、工具50の要部に切粉が付着するのを防止できる。

さらにまた、上記工具50の搬送においては、ポット36
を回動させるようにしたので、構造上異なる方向を向い
ている係止キー44b又は34aの両方をキー溝50aに係止さ
せることができる。またマガジン29側について見ると、
工具50をポット36と共に回動させるようにしたので、キ
ー溝50aを進行方向に向かせることができ、係止キー34
a,及び工具50のキー溝50aの角部を摩耗させることもな
い。ちなみに、工具50を回動させない場合は、キー溝50
aは進行方向と直角方向を向くこととなり、上記係止キ
ー34aは上記クランプ爪34cに進行方向と直角方向に設け
ることとなる。このようにすると上記係止キーとキー溝
の縁部とが押圧状態で摺動することとなり、それだけ摩
耗量が多くなり、その結果工具とキーとの間にガタが発
生し、工作精度に悪影響を及ぼすこととなる。

また、本実施例では、工具交換機構30を主軸頭15の背
面側に上向きに装着するとともに、サドル13とともに移
動するように構成したので、テーブル16の背面側に切り
屑排出用のコンベア18bを配置するスペースが得られ、
それだけ切り屑の排出が確実となる。なお、この場合、
工具交換機構30又はサドル13に、切り屑排出用のプレー
トを装着し、該プレートがＸ軸方向に往復する点を利用
して切り屑を掻き出すようにしても良い。

また、本実施例では主軸頭15の主軸ケース22を筒状に
構成し、アンクランプシリンダ25を上端開口22bから挿
入する構造を採用したので、主軸頭15の剛性を大幅に向
上できる。ちなみに、従来の主軸頭では、主軸ケース22
の上部に脚を形成し、この脚によってアンクランプシリ
ンダ25を支持していたので、主軸頭全体の剛性が不足し
易い問題があった。

さらにまた、本実施例では、テーブル16を下側テーブ
ル16aと上側テーブル16bからなる２段構造にしたので、
背丈の低いワークを加工する場合は、上記下側，上側テ
ーブル16a,16bの両方を固定した状態で加工を行い、ま
た背丈の高いワークを加工する場合，及びロータリテー
ブルを載せる場合は上側テーブル16を外すことにより、
広範囲のワークに対応できる。ちなみに、従来の固定テ
ーブルでは、テーブルの高さは一定であり、従って薄物
（板状）ワーク等においてはアプローチタイムを短くす
るために必要以上に背の高い治具を用いたりしていたた
め、治具の保管等のスペースが多く必要となるなどの問
題があった。

なお、上記実施例では、工具交換機構30を上向きに配
設したが、本発明ではこれと逆に下向きに配設してもよ
い。

〔発明の効果〕

以上のように本発明に係る工作機械によれば、工具交
換機構を、スライド部同士を結ぶ直線と直交する方向に
主軸頭を投影した領域内に、交換用アームが主軸頭の背
面側にて主軸に近接するように配設したので、交換軸を
主軸に近接させることができ、従って交換用アームが短
くて済み、それだけ工具交換速度を向上できる効果があ
るとともに、コンパクト化に貢献できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第９図は本発明の一実施例による立形マシ
ニングセンタを説明するための図であり、第１図，第２
図，第３図はそれぞれ立形マシニングセンタの側面図，
正面図，平面図、第４図，第５図はそれぞれ主軸頭の断
面側面図，平面図、第６図，第７図，第８図はそれぞれ
工具交換装置の側面図，平面図，動作説明図、第９図，
第10図はそれぞれシャッタ機構の正面図，側面図、第11
図（ａ）〜（ｃ），第12図（ａ）〜（ｃ）は従来の問題
点を説明するための図である。 図において、10は立形マシニングセンタ（工作機械）、
14はコラム、15は主軸頭、21aはリニアガイド（ガイド
部）、21bはスライドレール（スライド部）、30は工具
交換機構、50は工具である。

フロントページの続き (72)発明者 山本 達他 奈良県大和郡山市北郡山町106番地 株 式会社森精機製作所内 (72)発明者 前田 憲秀 奈良県大和郡山市北郡山町106番地 株 式会社森精機製作所内 (56)参考文献 特開 昭54−53373（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−11704（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−20237（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 3/157

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対のスライド部を有する主軸頭と、上記
   スライド部を上下方向に移動可能に支持する一対のガイ
   ド部を有するコラムと、上記主軸頭の主軸に装着された
   工具を取り外すとともに該主軸に所望の工具を供給する
   ようにした工具交換装置とを備えた工作機械において、
   上記工具交換装置を、複数の工具を保持する工具マガジ
   ンと、上記主軸頭と平行な回転軸回りに旋回するととも
   に軸方向に移動して上記工具マガジンに保持された工具
   と上記主軸に装着された工具とを交換する交換用アーム
   を有する工具交換機構とを備えたものとし、該工具交換
   機構を、上記主軸頭を機械正面側から上記一対のスライ
   ド部同士を結ぶ直線と直交する方向に該主軸頭の軸方向
   全移動範囲において投影した領域内に、上記交換用アー
   ムが上記主軸頭の背面側にて主軸に近接するように配置
   し、上記工具マガジンを上記工具交換機構の背面側に配
   置したことを特徴とする工作機械。