JP4278467B2

JP4278467B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP4278467B2
Application number: JP2003314074A
Authority: JP
Inventors: 泰彦吉川; 雄一郎土屋; 健治山田
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: JP2005081463A

Description

本発明は、マシニングセンタ等の工作機械の主軸と複数の工具を収納した工具マガジンとの間で、工具を自動的に交換する工具交換装置を備えた工作機械に関する。

工作機械では、一般に１つのワークの加工に複数の工具を使用するので、複数の工具を収納した工具マガジンを具備し且つこの工具マガジンと主軸との間で工具を自動的に交換する工具交換装置が用いられる。

このような工具交換装置の一例として、特許文献１には、円環形の工具マガジンに複数のポットを着脱可能に保持し、交換すべき工具の収納されたポットを所定位置に割り出した後、ポット旋回手段を用いてそのポットを工具マガジンの内側へ９０°旋回させて交換すべき工具の軸線を主軸と平行にし、旋回アームの進退動作と回転動作によって交換を行う旋回アームタイプの工具交換装置が開示されている。

特開２００３−９４２７３号公報

特許文献１に記載のような旋回アームタイプの工具交換装置では、大径工具や長尺工具や異形工具を取り扱う場合、工具マガジンに隣り合って収納される工具が干渉するので、工具と工具の間隔を広くとる必要が生じ、結果として必要数の工具を収納するには工具マガジンを大型化する必要が生じるという問題がある。また、大重量工具を取り扱う場合、出力及びアーム強度の観点からアームを旋回させることが困難であった。さらに、大径工具、長尺工具、異形工具、大重量工具などの特殊工具は使用頻度が低いので、１つの工具マガジンに標準工具と特殊工具とを混在させることは工具割り出しに要する時間を長くし、工具交換に要する時間が長くなることに通じるという問題を生じる。

本発明は前述の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、装置全体を大型化することなく、標準工具に加えて、大径工具、長尺工具、異形工具、大重量工具などの特殊工具を収納し自動交換できる工具交換装置を備えたコンパクトな工作機械を提供することにある。

前述の目的を達成するため、複数の工具を収容する工具マガジンと工具を装着する主軸との間で工具交換を行ってワークの加工を進行させる工作機械において、所定の寸法、重量の制限以内の標準工具を複数個収納し、工具を周回軌道に沿って割り出し可能に周回させる円形又は長円形の環状の第１工具マガジンと、前記第１工具マガジンに収納された工具と前記主軸との間で工具交換を行う工具交換手段と、工具を位置決め、保持する工具支持台が前記環状の第１工具マガジンの内部空間内を貫通して加工領域外の退避位置と前記主軸と工具交換の行える工具交換位置との間を進退移動可能に配置され、前記所定の寸法、重量の制限を超えた特殊工具を主に収納し、前記主軸との間で相対移動を行わせ直接的に工具交換を行うラック形の第２工具マガジンと、前記第２工具マガジンに設けられ、前記工具支持台を前記退避位置と前記工具交換位置との間で進退移動させる第１移動手段とを具備する工作機械が提供される。

本発明の工作機械は、第１工具マガジンの標準工具は工具交換手段によって通常どおり主軸との間で工具交換が行える。加えて、第２工具マガジンに収納された特殊工具も工具支持台を進退させる第１移動手段を設ければ、特別な工具交換手段を設けずに、主軸との間の相対移動動作で直接的に工具交換が行える。つまり、いわゆるアームレスＡＴＣが行える。工具支持台は、通常、退避位置にあり、工具交換を行うときに工具交換位置に移動するので、主軸によるワークの加工の妨げとならない。
また、環状の第１工具マガジンの内部空間を貫通するように第２工具マガジンの工具支持台が退避位置と工具交換位置との間を進退移動し、特殊工具の工具交換が行える。つまり、第１工具マガジンの内部空間を有効に活用し、２つの工具マガジンを設けても工具交換装置を大型化するのを抑制できる。第１工具マガジンと第２工具マガジンとを一箇所に集約して配置していることになるので、２つの工具マガジンが離れて設置されている場合と比較して、工具の差し替えや工具の点検などの保守作業の効率向上を図ることもできる。

また、前記第２工具マガジンは、前記工具交換位置において前記工具支持台を前記主軸の軸線方向に移動させる第２移動手段をさらに有する工作機械が提供される。第２移動手段を有することにより、主軸側が主軸の軸線方向に移動しない工作機械であっても、第２工具マガジン内の工具を主軸に着脱することができる。

以上説明したように本発明によれば、標準工具を収納する第１工具マガジンに加えて、主として特殊工具を収納する第２工具マガジンを設けているので、大径工具、長尺工具、異形工具、大重量工具などの自動交換が可能となる。さらに第２工具マガジンは工具支持台が退避位置と工具交換位置との間を進退移動し、第２工具マガジンと主軸との間の相対移動動作によって工具交換を直接的に行う構成をとり、特殊工具の交換のための大がかりな工具交換装置を有さず、コンパクトな工作機械が提供される。また、環状の第１工具マガジンの内部空間を貫通するように第２工具マガジンの工具支持台が進退移動する構成を採用しているので、さらにコンパクトな工作機械が提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態を示しているラック形工具マガジンが工具交換位置にある工作機械の工具交換装置の斜視図、図２はラック形工具マガジンが退避位置にある図１の工具交換装置の斜視図、図３はラック形工具マガジンに保持されている長尺工具の側面図である。

本発明の工作機械の工具交換装置１１は、工作機械（図示せず）の側方に設けられた第１工具マガジンとしての円環形工具マガジン１３と、円環形工具マガジン１３のポット２７に収納されている工具と工作機械の主軸１５に装着されている工具とを交換する工具交換手段としての交換アーム１７と、円環形工具マガジン１３の内部空間中央部に配置された第２工具マガジンとしてのラック形工具マガジン１９とから基本的に構成されており、円環形工具マガジン１３及びラック形工具マガジン１９は主軸１５の移動の妨げとならないように主軸１５の可動範囲外に配置されている。

円環形工具マガジン１３は、周方向に隣接して複数の工具を保持し、主軸１５の回転軸線２１と垂直な軸線（以下、中心軸線２３と称する）を中心として工具を周回軌道に沿って周回させ、所定位置に割り出すことができるものである。そして、この円環形工具マガジン１３に保持されている工具は、その軸線が主軸１５の回転軸線２１と平行になるように姿勢変更された後、交換アーム１７により主軸１５に装着される。

図１に示されている実施形態では、円環形工具マガジン１３は、特許文献１に示すのと同様に円環状マガジン本体２５の内周に沿って板バネでなるポット保持具（図示せず）を有し、各ポット保持具によって工具を受容する工具ポット２７を着脱可能に保持したものであり、円環状マガジン本体２５はベルト、チェーン、歯車等の適宜手段を用いてサーボモータ等の回転アクチュエータ（図示せず）によって割り出し可能に回転駆動される。所定位置に割り出された工具ポット２７は、特許文献１に記載されている工具ポット旋回装置やロボットアームなど（図示せず）によって、その軸線が主軸１５の回転軸線２１と平行になるように円環形工具マガジン１３の内部空間側に９０°旋回させられた後、両端部に工具を把持するグリッパ２９を有した交換アーム１７によって、工具ポット２７から引き抜かれ、旋回動作後主軸１５に装着される。交換アーム１７は、円環形工具マガジン１３と工作機械との間に設けられたフレーム３１上に取り付けられている。工具ポット旋回装置及び交換アーム１７は、複雑な動作が可能なロボットアームなどによっても置換可能である。

ラック形工具マガジン１９は、上記フレーム３１上にスライド機構を介して支持された工具支持台としての工具支持プレート３３によって構成されており、工具支持プレート３３は、スライド機構により、円環形工具マガジン１３に保持される工具の周回軌道の中心軸線２３と平行に、すなわちＸ軸方向に、移動可能になっている。スライド機構は、フレーム３１に支持されるベース３５と、ベース３５に対してガイドに沿ってＸ軸方向にスライド可能である第１のスライダ３７と、この第１のスライダ３７に対してガイドに沿ってＸ軸方向にスライド可能である第２のスライダ３９とから構成され、第２のスライダ３９上に工具支持プレート３３を支持している。そして、ベース３５に取り付けられた第１移動手段としての油圧シリンダ４１によって、第１のスライダ３７を駆動し、公知の倍尺倍速機構（図示せず）によってベース３５に対する第１のスライダ３７の運動に第１のスライダ３７に対する第２のスライダ３９の運動を連動させている。油圧シリンダ４１はＸ軸アクチュエータとして使用されているが、Ｘ軸アクチュエータとしてモータなど他の適宜の駆動手段を用いることも可能である。このような構成により、工具支持プレート３３は、Ｘ軸アクチュエータである油圧シリンダ４１の作動によって、円環形工具マガジン１３の内部空間中央部に位置する退避位置と主軸１５の可動領域内に位置する工具交換位置との間を移動できるようになっている。

ラック形工具マガジン１９では、主軸１５の回転軸線２１の方向すなわちＺ軸方向にスライド可能な第３のスライダ４３を第２のスライダ３９上にさらに設け、この第３のスライダ４３上に工具支持プレート３３を取り付けることが好ましい。この場合、第２のスライダ３９に取り付けられた第２移動手段としての油圧シリンダ４５によって第３のスライダ４３を駆動すれば、工具支持プレート３３をＺ軸方向に移動させることができる。したがって、主軸１５にＺ軸方向の移動機構が設けられていなくても、主軸１５と工具支持プレート３３との間で工具Ｔの脱着を行うことが可能になる。なお、上記油圧シリンダ４５はＺ軸アクチュエータとして使用されているが、Ｚ軸アクチュエータとしてモータなどの他の適宜の駆動手段を用いることも可能である。

また、工具支持プレート３３は、第１のスライダ３７及び第２のスライダ３９をＸ軸アクチュエータ又は手動で駆動することにより、円環形工具マガジン１３の内部空間中央部に位置する退避位置から、主軸１５に近づく側のみならず主軸１５から遠ざかる側へも移動できるようになっていることが好ましい。これにより、円環形工具マガジン１３の内部空間を挟んで主軸１５と反対側の作業者側に工具支持プレート３３を引き出すことが可能になり、工具支持プレート３３上に保持された工具Ｔの点検や新旧工具の入れ替えなどの保守作業が容易となり、作業効率を向上させることが可能となる。

図１及び図２に示されている実施形態では、Ｘ軸アクチュエータとして油圧シリンダ４１を第１のスライダ３７に接続しているため、油圧シリンダ４１のストロークの問題から、円環形工具マガジン１３の内部空間を挟んで主軸１５側及び作業者側の両方に第１のスライダ３７を移動させることは困難となる。そこで、上記実施形態では、ロック装置４７を介して油圧シリンダ４１のロッド４１ａをベース３５に接続し、ロック装置４７の解除により油圧シリンダ４１のロッド４１ａをベース３５へのロックから解放できるようになっている。油圧シリンダ４１のロッド４１ａがベース３５から解放されると、第１のスライダ３７は、油圧シリンダ４１のストロークと関わりなくベース３５に対して自由にスライドできるようになり、円環形工具マガジン１３の内部空間を挟んで主軸１５と反対側の作業者側に手動で引き出され得る。

工具支持プレート３３上の工具Ｔは、その軸線が主軸１５の回転軸線２１と平行になる向きに配置され、工具保持具によって予め定められた位置に位置決め保持される。図３に示されている工具保持具は、長尺工具Ｔを工具支持プレート３３上に保持するためのものであり、工具Ｔの外形に対応した凹部が形成されている支持部材４９からなる。２つの支持部材４９は、その凹部にそれぞれ長尺工具の首部と先端部とを受容することにより、長尺工具Ｔを工具支持プレート３３上に位置決め保持する。また、大形異形工具Ｔを工具支持プレート３３上に保持するためには、複数の支持ピンと、少なくとも２つの位置決めピンで大形異形工具Ｔの下面を支持し工具Ｔの下面に形成された位置決め穴に位置決めピンを係合させることにより、工具Ｔを工具支持プレート３３上に位置決め保持する。このようにして、工具支持プレート３３上の各工具Ｔは工具保持具によって予め定められた位置に保持される。

次に、図１に示されている工具交換装置１０の動作について説明する。

本発明の工具交換装置１０では、通常、円環形工具マガジン１３には予め定められた所定の寸法、重量の制限以内の標準工具が収納され、ラック形工具マガジン１９には、上記制限を超える特殊な形状、寸法及び重量の工具Ｔが収納される。また、円環形工具マガジン１３に収納されている工具は、その軸線が主軸１５の回転軸線２１と垂直なＸ軸方向に延びるように配置され、ラック形工具マガジン１９に収納されている工具Ｔは、その軸線が主軸１５の回転軸線２１と平行なＺ軸方向に延びるように配置される。さらに、主軸１５に装着された工具Ｔによるワークの加工中、ラック形工具マガジン１９の工具支持プレート３３は加工領域外の退避位置にあり、加工の妨げとならないように、主軸１５の可動領域外に位置する円環形工具マガジン１３の内部空間中央部に移動している。

標準工具を主軸１５に装着することを所望するときには、まず、回転アクチュエータにより円環形工具マガジン１３の円環状マガジン本体２５を回転させ、工具を収容した工具ポット２７を中心軸線２３周りに周回軌道に沿って周回させ、所望される工具を収容した工具ポット２７を所定位置に割り出す。この所定位置において、工具ポット２７は、工具ポット旋回装置（図示せず）によって、その軸線が主軸１５の回転軸線２１と平行になるように円環形工具マガジン１３の内部空間側に９０°旋回させられる。また、このとき、主軸１５も工具交換のための位置に予め移動させておく。

次に、交換アーム１７を９０°旋回させることにより、交換アーム１７の一方のグリッパ２９で工具ポット２７内の工具を把持すると同時に他方のグリッパ２９で主軸１５に装着されている工具を把持し、そのまま交換アーム１７を主軸１５の回転軸線２１と平行に主軸１５から遠ざかる側に移動させて、工具ポット２７から工具を抜き出すと同時に主軸１５から工具を取り外す。そして、交換アーム１７を１８０°回転させた後、交換アーム１７を主軸１５の回転軸線２１と平行に主軸１５に近づく側に移動させ、新工具を主軸１５に装着させると同時に旧工具を工具ポット２７に収容させる。交換アーム１７は９０°旋回し、図１に示す位置で待機する。次に、工具ポット旋回装置によって工具ポット２７を９０°旋回させて、再び円環形工具マガジン１３のポット保持具に工具ポット２７を押し込み円環形工具マガジン１３に工具ポット２７を保持させる。このようにして、標準工具の自動交換が行われる。

一方、大径工具、長尺工具、異形工具、大重量工具などの標準工具以外の特殊工具Ｔの自動交換は以下のようにして行われる。ラック形工具マガジン１９に収容されている工具Ｔを主軸１５に装着することが所望されるときには、最初に、主軸１５に装着されている標準工具を上記手順に従って、主軸１５から取り外し、主軸１５に工具が装着されていない状態にする。次に、ロック装置４７により油圧シリンダ４１のロッド４１ａをベース３５にロックした状態で、Ｘ軸アクチュエータである油圧シリンダ４１を作動させて第１のスライダ３７を主軸１５側に前進させる。すると、図１に示されているように工具支持プレート３３を支持する第２のスライダ３９が、倍尺倍速機構により第１のスライダ３７の前進に連動して工具交換位置まで移動する。次に、工具支持プレート３３上の交換すべき工具とＺ軸方向に対向する位置に主軸１５を移動させる。そして、Ｚ軸アクチュエータである油圧シリンダ４５を作動させて、第２のスライダ３９上で第３のスライダ４３を工具交換位置からＺ軸方向に主軸１５に向かって移動させ、工具支持プレート３３を主軸１５に接近させる。すると工具Ｔのシャンク部が主軸１５内に挿入され、主軸１５に内蔵されたクランプ装置を作動させることにより、工具支持プレート３３上に保持されている工具Ｔが主軸１５に装着される。

なお、主軸１５に標準工具以外の特殊工具Ｔが装着されているときには、上記手順と逆の手順で装着されている特殊工具Ｔを工具支持プレート３３上の収容されるべき位置とＺ軸方向に対向する位置に主軸１５を移動させた後、Ｚ軸アクチュエータである油圧シリンダ４５を作動させて工具支持プレート３３を主軸１５に接近させ、主軸１５内のクランプ装置を解除させて工具保持具に工具Ｔを保持させる。そして、工具保持具に工具Ｔを保持させた状態で工具支持プレート３３を主軸１５から離れさせることにより、主軸１５から工具Ｔを取り外す。特殊工具Ｔの交換は、このように交換アーム１７を用いず、工具支持プレート３３と主軸１５との間で直接的に工具交換するアームレス方式をとる。

工具支持プレート３３上に保持されている工具Ｔが摩耗して新しい工具Ｔに交換が必要になったときや工具Ｔの状態を点検する必要があるときには、ロック装置４７によりＸ軸アクチュエータである油圧シリンダ４１のロッド４１ａとベース３５とのロックを解除し、油圧シリンダ４１のストロークと無関係に第１のスライダ３７がベース３５に対して自由に移動できるようにする。そして、工具支持プレート３３を円環形工具マガジン１３の内部空間を挟んで主軸１５と反対側の作業者位置に引き出す。このとき、第１のスライダ３７及び第２のスライダ３９は倍尺倍速機構により工具支持プレート３３の動きに連動してガイドに沿って同じく作業者側に移動する。この作業位置では、工具支持プレート３３の周囲に環状工具マガジン１３などの障害物が存在しないので、工具交換や工具点検などの保守作業が容易となり、作業効率の向上を可能とさせる。また、この作業位置では、環状工具マガジン１３に収容されている工具Ｔの保守作業も行うことができるので、保守作業を一箇所で集約して行うことができ、作業の効率化につながる。

以上、図面に示されている実施形態に基づいて本発明の自動工具交換装置１１について説明したが、本発明は図示されている実施形態に限定されるものではない。例えば、円環形工具マガジン１３は、中心部に内部空間を有した円形、長円形、楕円形などの円環状になっていればよく、工具保持方法や工具を周回させる方法は適宜の方法を用いることができる。代替実施形態として、工具ポット２７を介して円環状マガジン本体２５に工具を保持するのではなく、円環状マガジン本体２５に周方向に並んで形成された穴に直接的に工具を挿入、保持するようにすることも可能である。また、工具ポット旋回装置及び交換アーム１７は、円環形工具マガジン１３と主軸１５との間で工具の授受着脱を行うことができるロボットアームによっても置換可能である。

また、上記実施形態では、主軸１５の回転軸線２１が水平方向に延びている横形工作機械を例にして説明したが、主軸１５の回転軸線２１が垂直方向（上下方向）に延びる立形工作機械と共に上記の自動工具交換装置１１を使用することも可能である。この場合には、工具Ｔの軸線が主軸１５の回転軸線２１と平行になるように、すなわち工具Ｔの軸線が垂直方向に延びるように、工具Ｔをラック形工具マガジン１９の工具支持プレート３３に保持すればよい。

本発明の実施形態を示しているラック形工具マガジンが工具交換位置にある工作機械の工具交換装置の斜視図である。ラック形工具マガジンが退避位置にある図１の工具交換装置の斜視図である。ラック形工具マガジンに保持されている長尺工具の側面図である。

符号の説明

１１自動工具交換装置
１３円環形工具マガジン
１５主軸
１９ラック形工具マガジン
２１回転軸線
２３中心軸線
３３工具支持プレート

Claims

複数の工具を収容する工具マガジンと工具を装着する主軸との間で工具交換を行ってワークの加工を進行させる工作機械において、
所定の寸法、重量の制限以内の標準工具を複数個収納し、工具を周回軌道に沿って割り出し可能に周回させる円形又は長円形の環状の第１工具マガジンと、
前記第１工具マガジンに収納された工具と前記主軸との間で工具交換を行う工具交換手段と、
工具を位置決め、保持する工具支持台が前記環状の第１工具マガジンの内部空間内を貫通して加工領域外の退避位置と前記主軸と工具交換の行える工具交換位置との間を進退移動可能に配置され、前記所定の寸法、重量の制限を超えた特殊工具を主に収納し、前記主軸との間で相対移動を行わせ直接的に工具交換を行うラック形の第２工具マガジンと、
前記第２工具マガジンに設けられ、前記工具支持台を前記退避位置と前記工具交換位置との間で進退移動させる第１移動手段と、
を具備することを特徴とした工作機械。
前記第２工具マガジンは、前記工具交換位置において前記工具支持台を前記主軸の軸線方向に移動させる第２移動手段をさらに有する請求項１に記載の工作機械。