JP5937249B1 - 加工機械 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、生産性の向上が図られる加工機械、を提供する。【解決手段】加工機械１００は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械１００は、加工エリア２００内に設けられ、ワークを保持する第１主軸台１１１および第２主軸台１１６と、加工エリア２００内に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具主軸１２１および下刃物台１３１と、ワークの付加加工時に材料を吐出する付加加工用ヘッド６１と、加工エリア２００の内外の間におけるワークの搬送時にワークを把持するワーク把持部５１と、付加加工用ヘッド６１およびワーク把持部５１を装着可能なロボットアーム３１とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、一般的には、加工機械に関し、より特定的には、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械に関する。

従来の加工機械に関して、たとえば、特開２００４−３１４１６８号公報には、母材に割れを発生させることなく、迅速かつ正確に肉盛することを目的とした、ポンプ機器類のレーザ肉盛装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示されたレーザ肉盛装置は、アルゴンガスをキャリアガスとして金属材料（粉末）を供給する粉末供給機と、供給された金属材料をアルゴンガスと均一に混合し、同時にシールドガスとしてアルゴンおよび窒素の混合ガスを用いる過流式粉末供給ノズルと、過流式粉末供給ノズルを移動させる多軸ロボットとを有する。

また、特開２０１２−２０６１３７号公報には、人手を介さずに容易に肉盛溶接することを目的とした、補修装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された補修装置は、材料供給部と、レーザスポット光を照射するレーザ装置と、多関節のアームを有し、レーザスポット光を３次元方向に移動させる溶接ロボットとを有する。

特開２００４−３１４１６８号公報 特開２０１２−２０６１３７号公報

材料を付着することによってワークに３次元形状を作成するものとして、付加加工法（Additive manufacturing）がある。他方、材料を除去することによってワークに３次元形状を作成するものとして、除去加工法（Subtractive manufacturing）がある。付加加工では、加工前後でワークの質量が増加し、除去加工では、加工前後でワークの質量が減少する。それぞれの加工法の特性を生かして、付加加工および除去加工を組み合わせ、ワークの最終的な形状を得る加工が行われる。

しかしながら、付加加工と除去加工とでは、別々の加工用具が用いられるため、ワークの加工工程が付加加工および除去加工の間で移行する際に時間を要する。ワークの加工開始から終了までの全体の加工時間を短縮し、加工機械の生産性を向上させるには、この移行時間を短くすることが求められる。また同時に、そのような加工機械の生産性を向上させるための手段は、新たな設備の追加を抑えて、簡易な構成で実現することが求められる。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、簡易な構成で、生産性の向上が図られる加工機械を提供することである。

この発明に従った加工機械は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械は、加工エリア内に設けられ、ワークを保持するワーク保持部と、加工エリア内に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部と、ワークの付加加工時に材料を吐出する付加加工用ヘッドと、加工エリアの内外の間におけるワークの搬送時にワークを把持するワーク把持部と、付加加工用ヘッドおよびワーク把持部を装着可能なロボットアームとを備える。

このように構成された加工機械によれば、ワークの付加加工時に材料を吐出する付加加工用ヘッドと、加工エリアの内外の間におけるワークの搬送時にワークを把持するワーク把持部とを装着可能なロボットアームを設けることによって、簡易な構成で、加工機械の生産性の向上を図ることができる。

また好ましくは、付加加工用ヘッドおよびワーク把持部は、ロボットアームに着脱可能に設けられる。付加加工用ヘッドは、ワークの付加加工時にロボットアームに装着される。ワーク把持部は、加工エリアの内外の間におけるワークの搬送時にロボットアームに装着される。

このように構成された加工機械によれば、ワークの搬送および付加加工に応じて、ロボットアームに付加加工用ヘッドおよびワーク把持部のいずれか一方を装着するため、ロボットアームの体格を小さくすることができる。

また好ましくは、加工機械は、加工エリア外に設けられ、付加加工用ヘッドを格納可能なストッカ部をさらに備える。

このように構成された加工機械によれば、除去加工時、付加加工用ヘッドを加工エリアから退避させることができる。

また好ましくは、付加加工用ヘッドは、ワークに対して材料粉末の吐出とともにレーザ光を照射することにより付加加工を行なう。付加加工用ヘッドは、ロボットアームに装着される本体部と、レーザ光を出射するとともに、ワークにおけるレーザ光の照射領域を規定し、本体部に着脱可能に設けられるレーザ光出射部とを有する。ストッカ部には、規定するレーザ光の照射領域が互いに異なる複数のレーザ光出射部が格納される。

このように構成された加工機械によれば、ワークの付加加工に応じて、適当なレーザ光出射部を本体部を介してロボットアームに装着することができる。

また好ましくは、加工機械は、負圧を発生させる負圧発生源に接続され、ロボットアームに装着可能な吸引ノズルをさらに備える。

このように構成された加工機械によれば、吸引ノズルを装着するロボットアームを動作させることにより、付加加工時、加工エリア内で生じた材料屑等を吸引することができる。

また好ましくは、ロボットアームは、加工エリアの内外の間で移動可能な移動機構部と、移動機構部に支持される基部と、基部に回動可能に連結され、付加加工用ヘッドおよびワーク把持部を装着可能なアーム部とを有する。

このように構成された加工機械によれば、付加加工時、ワークに対して付加加工用ヘッドをアプローチさせる際の自由度を向上させることができる。

また好ましくは、ワーク保持部は、ワークを回転させる主軸台またはワークが固定されるテーブルである。

このように構成された加工機械によれば、ロボットアームに装着されたワーク把持部により、加工エリア内の主軸台またはテーブルと、加工エリア外との間で、ワークを搬送することができる。

また好ましくは、工具保持部は、工具が固定される刃物台または工具を回転させる工具主軸である。

このように構成された加工機械によれば、刃物台または工具主軸を備える加工機械において、上述のいずれかに記載の効果を奏することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、簡易な構成で、生産性の向上が図られる加工機械を提供することができる。

この発明の実施の形態１における加工機械を示す正面図である。 図１中の加工機械において、ストッカ部に格納されたワーク、ワーク把持部および付加加工用ヘッドを示す斜視図である。 図１中の加工機械が備えるロボットアームを示す斜視図である。 図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。 図４中の２点鎖線Ｖで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。 図３中のロボットアームの利用に関する第１展開例を示す斜視図である。 図３中のロボットアームの利用に関する第２展開例を示す斜視図である。 図２中の付加加工用ヘッドの変形例を示す斜視図である。 付加加工および除去加工に伴って変化するワークの形態を示す図である。 この発明の実施の形態２における加工方法の第１工程を模式的に表す図である。 この発明の実施の形態２における加工方法の第２工程を模式的に表す図である。 この発明の実施の形態２における加工方法の第３工程を模式的に表す図である。 この発明の実施の形態２における加工方法の第４工程を模式的に表す図である。 この発明の実施の形態２における加工方法の第５工程を模式的に表す図である。 この発明の実施の形態２における加工方法の第６工程を模式的に表す図である。 この発明の実施の形態２における加工方法の第７工程を模式的に表す図である。 この発明の実施の形態２における加工方法の第８工程を模式的に表す図である。 この発明の実施の形態２における加工方法の第９工程を模式的に表す図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における加工機械を示す正面図である。図１中には、加工機械の外観をなすカバー体を透視することにより、加工機械の内部が示されている。

図１を参照して、加工機械１００は、ワークの付加加工（ＡＭ（Additive manufacturing）加工）と、ワークの除去加工（ＳＭ（Subtractive manufacturing）加工）とが可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機である。加工機械１００は、ＳＭ加工の機能として、固定工具を用いた旋削機能と、回転工具を用いたミーリング機能とを有する。

まず、加工機械１００の全体構造について説明すると、加工機械１００は、ベッド１４１と、第１主軸台１１１と、第２主軸台１１６と、工具主軸１２１と、下刃物台１３１とを有する。

ベッド１４１は、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１を支持するためのベース部材であり、工場などの据付け面に設置されている。

第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、水平方向に延びるＺ軸方向において、互いに対向して設けられている。第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、それぞれ、固定工具を用いた旋削加工時にワークを回転させるための主軸１１２および主軸１１７を有する。主軸１１２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能に設けられ、主軸１１７は、Ｚ軸に平行な中心軸２０２を中心に回転可能に設けられている。主軸１１２および主軸１１７には、ワークを着脱可能に保持するためのチャック機構が設けられている。

工具主軸（上刃物台）１２１は、回転工具を用いたミーリング加工時に回転工具を回転させる。工具主軸１２１は、鉛直方向に延びるＸ軸に平行な中心軸２０３を中心に回転可能に設けられている。工具主軸１２１には、回転工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構が設けられている。

工具主軸１２１は、図示しないコラム等によりベッド１４１上に支持されている。工具主軸１２１は、コラム等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向、水平方向に延び、Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向、およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。工具主軸１２１に装着された回転工具による加工位置は、３次元的に移動する。工具主軸１２１は、さらに、Ｙ軸に平行な中心軸を中心に旋回可能に設けられている。

なお、図１中には示されていないが、第１主軸台１１１の周辺には、工具主軸１２１に装着された工具を自動交換するための自動工具交換装置と、工具主軸１２１に装着する交換用の工具を収容する工具マガジンとが設けられている。

下刃物台１３１は、旋削加工のための複数の固定工具を装着する。下刃物台１３１は、いわゆるタレット形であり、複数の固定工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。

より具体的には、下刃物台１３１は、旋回部１３２を有する。旋回部１３２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０４を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０４を中心にその周方向に間隔を隔てた位置（本実施の形態では、１０箇所）には、固定工具を保持するための工具ホルダが取り付けられている。旋回部１３２が中心軸２０４を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された固定工具が周方向に移動し、旋削加工に用いられる固定工具が割り出される。

下刃物台１３１は、図示しないサドル等によりベッド１４１上に支持されている。下刃物台１３１は、サドル等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。

加工機械１００は、側面カバー１４２をさらに有する。側面カバー１４２は、第２主軸台１１６に対して第１主軸台１１１の反対側に設けられている。側面カバー１４２により、加工エリア２００と外部エリア２０５との間が隔てられている。加工エリア２００には、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、工具主軸１２１および下刃物台１３１が配置されている。側面カバー１４２には、開閉可能なシャッタ１４３が設けられている。

図２は、図１中の加工機械において、ストッカ部に格納されたワーク、ワーク把持部および付加加工用ヘッドを示す斜視図である。図１および図２を参照して、加工機械１００は、ストッカ部１５６と、ワーク把持部５１と、付加加工用ヘッド６１とをさらに有する。

ストッカ部１５６は、外部エリア２０５に配置されている。ストッカ部１５６は、ワーク４１、ワーク把持部５１および付加加工用ヘッド６１を格納可能なテーブルとして設けられている。なお、ストッカ部１５６は、ワーク４１、ワーク把持部５１および付加加工用ヘッド６１を格納可能なものであれば特に限定されず、たとえば、車輪を備えたワゴンや、棚であってもよい。

ワーク把持部５１は、加工エリア２００および外部エリア２０５の間におけるワークの搬送時にワークを把持する。図２中に示されるワーク把持部５１は、同時に１つのワークを把持可能なシングルアームタイプである。付加加工用ヘッド６１は、ワークに対して材料粉末の吐出とともにレーザ光を照射することにより付加加工を行なう（指向性エネルギ堆積法（Directed Energy Deposition））。

加工機械１００は、付加加工用ヘッド６１およびワーク把持部５１が装着可能なロボットアーム３１をさらに有する。本実施の形態では、付加加工用ヘッド６１およびワーク把持部５１が、ロボットアーム３１に着脱可能に設けられている。

ワーク把持部５１の構造について具体的に説明すると、ワーク把持部５１は、一対の把持用爪部５２と、ベース部５３と、連結部５４とを有する。

連結部５４は、ワーク把持部５１と、後述するロボットアーム３１の連結部３６との接点をなす連結機構として設けられている。連結部５４は、ベース部５３に設けられている。ワーク把持部５１は、連結部５４によってロボットアーム３１に着脱可能に設けられている。

ベース部５３には、一対の把持用爪部５２が設けられている。一対の把持用爪部５２は、ベース部５３に対して連結部５４の反対側に設けられている。一対の把持用爪部５２は、互いに対向して設けられ、互いが近接する方向に移動することによってワーク４１を把持する。ベース部５３は、一対の把持用爪部５２を、これらの近接方向および離間方向にスライド可能なように支持している。

付加加工用ヘッド６１の構造について具体的に説明すると、付加加工用ヘッド６１は、本体部６２と、レーザ光出射部６５と、連結部６３と、接続部６４とを有する。

連結部６３は、付加加工用ヘッド６１と、後述するロボットアーム３１の連結部３６との接点をなす連結機構として設けられている。連結部６３は、本体部６２に設けられている。付加加工用ヘッド６１（本体部６２）は、連結部６３によってロボットアーム３１に着脱可能に設けられている。

本体部６２は、Ｌ字に折れ曲がった形状を有する。本体部６２には、レーザ光出射部６５および接続部６４が設けられている。レーザ光出射部６５および接続部６４は、それぞれ、Ｌ字形状の本体部６２の一方端および他方端に設けられている。本体部６３には、コリメーションレンズや反射鏡等が内蔵されており、接続部６４からレーザ光出射部６５に向けてレーザ光が導かれる。レーザ光出射部６５には、開口部６６が形成されており、その開口部６６を通じてレーザ光が出射され、材料粉末が吐出される。レーザ光出射部６５には、光学部品６８が内蔵されている。光学部品６８は、レーザ光をワーク上に集光するための部品（集光レンズやミラー等）であり、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定めている。開口部６６は、光学部品６８からワークに向かうレーザ光が通過可能な開口形状を有する。

図１中に示すように、加工機械１００は、材料粉末供給装置７０と、レーザ発振装置７６と、管部材７３とをさらに有する。材料粉末供給装置７０およびレーザ発振装置７６は、外部エリア２０５に配置されている。材料粉末供給装置７０は、付加加工に用いられる材料粉末を貯留する材料粉末タンク７２と、材料粉末とキャリアガスとを混合する混合部７１とを有する。レーザ発振装置７６は、付加加工に用いられるレーザ光を発振する。管部材７３には、レーザ発振装置７６からのレーザ光を付加加工用ヘッド６１に向けて導くための光ファイバと、材料粉末供給装置７０より供給された材料粉末を付加加工用ヘッド６１に向けて導くための配管とが収容されている。

管部材７３は、材料粉末供給装置７０およびレーザ発振装置７６から付加加工用ヘッド６１まで配索されており、その先端で付加加工用ヘッド６１の接続部６４に接続されている。材料粉末供給装置７０およびレーザ発振装置７６からの材料粉末およびレーザ光は、管部材７３を通じて付加加工用ヘッド６１に導入される。なお、図示されていないが、エア供給源からロボットアーム３１に向けてエア供給用のチューブが配索されている。

なお、加工機械１００によって実行される付加加工は、上述の指向性エネルギ堆積法に限られず、たとえば、ワークに溶融した熱可塑性樹脂を積層して３次元形状を作成する材料押出法や、粉末床の表面付近を熱により選択的に溶融・固化して積層する粉末床溶融結合法であってもよい。

図３は、図１中の加工機械が備えるロボットアームを示す斜視図である。図１から図３を参照して、ロボットアーム３１の構造について具体的に説明すると、ロボットアーム３１は、移動機構部２１と、基部３２と、アーム部３３と、連結部３６とを有する。

移動機構部２１は、加工エリア２００および外部エリア２０５の間で移動可能に設けられている。移動機構部２１は、ロボットアーム３１を、加工エリア内位置３１Ａと、加工エリア外位置３１Ｂとの間で移動させる。ロボットアーム３１は、開状態とされたシャッタ１４３を通じて、加工エリア内位置３１Ａおよび加工エリア外位置３１Ｂの間を移動する。

移動機構部２１は、ロボットアーム３１を直線往復移動させるための機構として、ベース部材２３、リニアガイド２２、ラックピニオン２５、サーボモータ（不図示）および支柱２４を有する。

ベース部材２３は、プレート材からなり、基部３２およびサーボモータが取り付けられている。リニアガイド２２およびラックピニオン２５は、支柱２４によって、加工機械１００の据え付け面から一定の高さに設けられている。リニアガイド２２は、ベース部材２３をＺ軸に平行な方向に案内する案内機構として設けられている。ラックピニオン２５は、サーボモータから出力された回転を直線運動に変換して、ベース部材２３をＺ軸方向に移動させる。

基部３２は、移動機構部２１により支持されている。基部３２は、移動機構部２１から鉛直下方向に突出する形状を有する。アーム部３３は、基部３２に対して、回動軸２１１を中心に回動可能に連結されている。図３中において、回動軸２１１は、Ｙ軸に平行な方向に延びる。連結部３６は、アーム部３３の先端に設けられている。

アーム部３３は、基部３２から連結部３６に向けてアーム状に延出する形状を有する。アーム部３３の一方端および他方端には、それぞれ、基部３２および連結部３６が設けられている。アーム部３３は、回動軸２１１に直交する平面内でアーム状に延出する形状を有する。アーム部３３は、図３中の矢印２２１に示すように、回動軸２１１を支点にして揺動する。アーム部３３の揺動に伴って、連結部３６の位置が回動軸２１１に直交する平面内で移動する。

連結部３６は、ロボットアーム３１と、前述のワーク把持部５１の連結部５４および付加加工用ヘッド６１の連結部６３との接点をなす連結機構として設けられている。

アーム部３３は、第１可動部３３Ｌ、第２可動部３３Ｍおよび第３可動部３３Ｎから構成されている。

第１可動部３３Ｌは、基部３２に対して、回動軸２１１（第１回動軸）を中心に回動可能に連結されている。第１可動部３３Ｌは、基部３２から、回動軸２１１に直交する方向にアーム状に延出する形状を有する。第１可動部３３Ｌは、図３中の矢印２２１に示すように、回動軸２１１を支点にして揺動する。

第２可動部３３Ｍは、第１可動部３３Ｌに対して、回動軸２１２（第２回動軸）を中心に回動可能に連結されている。回動軸２１２は、回動軸２１１に平行な方向に延びる。第２可動部３３Ｍは、基部３２からアーム状に延出する第１可動部３３Ｌの先端に連結されている。第２可動部３３Ｍは、第１可動部３３Ｌから、回動軸２１２に直交する方向にアーム状に延出する。第２可動部３３Ｍは、図３中の矢印２２２に示すように、回動軸２１２を支点にして揺動する。

第３可動部３３Ｎは、第２可動部３３Ｍに対して、回動軸２１３（第３回動軸）を中心に回動可能に連結されている。回動軸２１３は、回動軸２１１および回動軸２１２に平行な方向に延びる。第３可動部３３Ｎは、第１可動部３３Ｌからアーム状に延出する第２可動部３３Ｍの先端に連結されている。第３可動部３３Ｎは、第２可動部３３Ｍから、回動軸２１３に直交する方向にアーム状に延出する。第３可動部３３Ｎは、図３中の矢印２２３に示すように、回動軸２１３を支点にして揺動する。

基部３２は、図３中の矢印２２４に示すように、回転軸２１４（第１回転軸）を中心に回転可能に設けられている。回転軸２１４は、回動軸２１１に直交する方向に延びる。回転軸２１４は、鉛直方向に延びる。

第２可動部３３Ｍは、回転軸２１５（第２回転軸）の軸線方向に沿ってアーム状に延びている。第２可動部３３Ｍは、図３中の矢印２２５に示すように、回転軸２１５を中心に回転可能に設けられている。回転軸２１５は、回動軸２１２に直交する方向に延びる。第３可動部３３Ｎは、回転軸２１６（第３回転軸）の軸線方向に沿ってアーム状に延びている。第３可動部３３Ｎは、図３中の矢印２２６に示すように、回転軸２１６を中心に回転可能に設けられている。回転軸２１６は、回動軸２１３に直交する方向に延びる。

このような構成により、ロボットアーム３１は、６軸（回動軸２１１〜２１３および回転軸２１４〜２１６）を互いに独立して制御可能なロボットアームとして設けられている。

なお、本実施の形態では、６軸制御可能なロボットアーム３１について説明したが、６軸以外の多軸制御可能なロボットアームであってもよい。また、本実施の形態では、ロボットアーム３１が直動機構（移動機構部２１）を備えるが、このような直動機構を備えないロボットアームであってもよいし、複数軸（代表的には、３軸）の直動機構のみから構成されるロボットアームであってもよい。

図１および図２を参照して、本実施の形態では、加工エリア２００および外部エリア２０５の間におけるワークの搬送時に、ワーク把持部５１がロボットアーム３１に装着される。たとえば、ストッカ部１５６に格納されたワーク４１を外部エリア２０５から加工エリア２００に搬送し、第１主軸台１１１に装着する場合を想定する。

まず、ロボットアーム３１を動作させることによって、ストッカ部１５６に格納されたワーク把持部５１をロボットアーム３１に装着する。ロボットアーム３１を動作させることによって、ストッカ部１５６に格納されたワーク４１を、ワーク把持部５１により把持する。

次に、ロボットアーム３１を外部エリア２０５から加工エリア２００に移動させることにより、ワーク４１を加工エリア２００に進入させる。ロボットアーム３１を動作させることによって、把持したワーク４１を第１主軸台１１１の主軸１１２に接近させる。ワーク４１が主軸１１２に対して所定位置に位置決めされたら、ワーク４１を主軸１１２にチャッキングする。ワーク４１がチャッキングされたタイミングで、ワーク把持部５１によるワーク４１の把持を解除する。最後に、ロボットアーム３１を加工エリア２００から外部エリア２０５に退避させる。

また、本実施の形態では、ワークの付加加工時に、付加加工用ヘッド６１がロボットアーム３１に装着される。たとえば、第１主軸台１１１に装着されたワーク４１に対して付加加工を実施する場合を想定する。

図４は、図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。図１、図２および図４を参照して、まず、ロボットアーム３１を動作させることによって、ストッカ部１５６に格納された付加加工用ヘッド６１をロボットアーム３１に装着する。

次に、ロボットアーム３１を外部エリア２０５から加工エリア２００に移動させることにより、付加加工用ヘッド６１を加工エリア２００に進入させる。ロボットアーム３１を動作させることによって、付加加工用ヘッド６１を第１主軸台１１１に装着されたワーク４１に接近させる。

図５は、図４中の２点鎖線Ｖで囲まれた範囲を拡大して示す断面図である。図４および図５を参照して、ロボットアーム３１の動作および／または主軸１１２の回転によって、開口部６６の開口面をワーク４１の表面に対面させたまま、付加加工用ヘッド６１をワーク４１に対して走査する。このとき、付加加工用ヘッド６１の開口部６６からワーク４１に向けて、レーザ光３１１と、材料粉末３１２と、シールドおよびキャリア用のガス３１３とが吐出される。これにより、ワーク４１の表面に溶融点３１４が形成され、その結果、材料粉末３１２が溶着する。

具体的には、ワーク４１の表面に肉盛層３１６が形成される。肉盛層３１６上には、肉盛素材３１５が盛られる。肉盛素材３１５が冷却されると、ワーク４１の表面に加工可能な層が形成された状態となる。なお、レーザ光３１１に替えて、電子ビームが用いられてもよい。材料粉末としては、アルミニウム合金およびマグネシウム合金等の金属粉末や、セラミック粉末を利用することができる。

付加加工の終了後、ロボットアーム３１を加工エリア２００から外部エリア２０５に退避させる。

図１から図５を参照して、ワークの付加加工および除去加工が可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機を実現する手段として、付加加工用ヘッド６１を工具主軸１２１に装着して付加加工を実施する構成が考えられる。しかしながら、このような構成では、付加加工時、工具主軸１２１に付加加工用ヘッド６１を装着し、除去加工時、工具主軸１２１に除去加工用の回転工具を装着する必要がある。このため、ワークの加工工程が付加加工および除去加工の間で移行する際の時間が長くなる。

これに対して、本実施の形態における加工機械１００では、ロボットアーム３１に付加加工用ヘッド６１を装着してワークの付加加工を行なうため、付加加工から直ちに除去加工に移行することが可能であり、除去加工から直ちに付加加工に移行することが可能である。この際、付加加工用ヘッド６１の装着に、ワーク搬送用に設備されたロボットアーム３１が利用されるため、簡易な構成で、上記移行時間の短縮を図ることができる。

なお、本実施の形態では、付加加工用ヘッド６１およびワーク把持部５１のいずれか一方が選択的に装着されるロボットアーム３１の構成について説明したが、ロボットアーム３１は、付加加工用ヘッド６１およびワーク把持部５１の双方が装着される構造を有してもよい。この場合、付加加工用ヘッド６１およびワーク把持部５１は、ロボットアーム３１に対して着脱可能に設けられなくてもよい。

図６は、図３中のロボットアームの利用に関する第１展開例を示す斜視図である。図６を参照して、ロボットアーム３１には、付加加工により加工エリア２００に生じた材料粉末の屑を回収するための吸引ノズル８１が装着されてもよい。

吸引ノズル８１は、ホース部８２および連結部８３を有する。ホース部８２は、負圧を発生させる負圧発生源（不図示）に接続されている。連結部８３は、吸引ノズル８１と、ロボットアーム３１の連結部３６との接点をなす連結機構として設けられている。

図７は、図３中のロボットアームの利用に関する第２展開例を示す斜視図である。図７を参照して、材料粉末供給装置７０の材料粉末タンク７２は、混合部７１から上方に延出し、その先端で開口する筒形状を有する。材料粉末タンク７２は、その開口部を通じて材料粉末を補充可能な構成とされている。

ロボットアーム３１に装着されたワーク把持部５１を用いて、材料粉末タンク７２への材料粉末の補充を行なってもよい。具体的には、ロボットアーム３１に装着されたワーク把持部５１により、材料粉末が収められた容器８６を把持する。ロボットアーム３１を動作させることによって、容器８６から材料粉末タンク７２に材料粉末を補充する。

図８は、図２中の付加加工用ヘッドの変形例を示す斜視図である。図８を参照して、本変形例では、レーザ光出射部６５が、本体部６２に着脱可能に設けられている。ストッカ部１５６（図１を参照のこと）には、互いに異なる種類の光学部品６８を内蔵する複数のレーザ光出射部６５（６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃ，６５Ｄ）が格納されている。光学部品６８の種類によって、ワークにおけるレーザ光の照射領域の形状（たとえば、円領域または矩形領域）や、大きさ（たとえば、φ２ｍｍまたはφ４ｍｍ）が異なる。付加加工用ヘッド６１が装着されたロボットアーム３１を動作させることによって、本体部６２に、実行する付加加工に適した光学部品６８を内蔵するレーザ光出射部６５を装着する。

以上に説明した、この発明の実施の形態１における加工機械１００の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における加工機械１００は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械１００は、加工エリア２００内に設けられ、ワークを保持するワーク保持部としての第１主軸台１１１および第２主軸台１１６と、加工エリア２００内に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部としての工具主軸１２１および下刃物台１３１と、ワークの付加加工時に材料を吐出する付加加工用ヘッド６１と、加工エリア２００の内外の間におけるワークの搬送時にワークを把持するワーク把持部５１と、付加加工用ヘッド６１およびワーク把持部５１を装着可能なロボットアーム３１とを備える。

このように構成された、この発明の実施の形態１における加工機械１００によれば、簡易な構成で、ワークの加工工程が付加加工および除去加工の間で移行する際に要する時間の短縮化し、生産性の向上を図ることができる。

本実施の形態では、旋削機能とミーリング機能とを有する複合加工機をベースにＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機を構成した場合について説明したが、このような構成に限られず、旋削機能を有する旋盤またはミーリング機能を有するマシニングセンタをベースにＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機を構成してもよい。マシニングセンタをベースにＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機を構成する場合、加工エリア内でワークを保持するワーク保持部として、テーブルが用いられる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１における加工機械１００を用いて、ワークの付加加工および除去加工を行なう加工方法の一例について説明する。

図９は、付加加工および除去加工に伴って変化するワークの形態を示す図である。図９を参照して、まず、母材４２を準備する。母材４２は、円盤形状を有する。次に、付加加工により、母材４２の端面上に肉盛部４３が形成された中間加工物４６を得る。肉盛部４３は、円柱形状を有する。次に、除去加工により、肉盛部４３の外周面にネジ部４４を形成する。最後に、母材４２および肉盛部４３の間を分離することにより、ネジ部４４が形成された最終製品４７を得る。

図１０から図１８は、この発明の実施の形態２における加工方法の工程を模式的に表す図である。

図１０を参照して、加工エリア２００において、第１主軸台１１１には、母材４２が装着されている。外部エリア２０５において、ストッカ部１５６には、先の工程で準備された中間加工物４６Ａと、ワーク把持部５１と、付加加工用ヘッド６１とが格納されている。本実施の形態では、ワーク把持部５１が、同時に２つのワークを把持可能なダブルアームタイプであり、一対の把持用爪部５２Ｐおよび一対の把持用爪部５２Ｑを有する。

まず、ロボットアーム３１を動作させることによって、ストッカ部１５６に格納された付加加工用ヘッド６１をロボットアーム３１に装着する。

図１１を参照して、次に、ロボットアーム３１を外部エリア２０５から加工エリア２００に移動させる。ロボットアーム３１を動作させることによって、付加加工用ヘッド６１を第１主軸台１１１に装着された母材４２に接近させる。付加加工用ヘッド６１によって、母材４２の端面上に肉盛部４３を形成する。これにより、中間加工物４６Ｂを得る。

図１２を参照して、次に、ロボットアーム３１を加工エリア２００から外部エリア２０５に移動させる。ロボットアーム３１を動作させることによって、付加加工用ヘッド６１をストッカ部１５６に格納し、替わりに、ストッカ部１５６に格納されたワーク把持部５１をロボットアーム３１に装着する。

図１３を参照して、次に、ロボットアーム３１を動作させることによって、ワーク把持部５１の把持用爪部５２Ｐにより中間加工物４６Ａを把持する。

図１４を参照して、次に、ロボットアーム３１を外部エリア２０５から加工エリア２００に移動させる。ロボットアーム３１を動作させることによって、ワーク把持部５１を第１主軸台１１１に装着された中間加工物４６Ｂに接近させつつ、ワーク把持部５１の把持用爪部５２Ｑにより中間加工物４６Ｂを把持する。把持用爪部５２Ｐおよび把持用爪部５２Ｑを反転させることにより、第１主軸台１１１に装着されるワークを、中間加工物４６Ｂから中間加工物４６Ａに入れ替える。

図１５を参照して、次に、ロボットアーム３１を加工エリア２００から外部エリア２０５に移動させる。ロボットアーム３１を動作させることによって、中間加工物４６Ｂをストッカ部１５６に格納する。図１１において説明した付加加工により高温となった中間加工物４６Ｂは、図１４において説明した次回のワーク交換工程までストッカ部１５６において冷却される。ロボットアーム３１をシャッタ１４３手前の位置（図１６中に示す位置）に待機させておく。

一方、加工エリア２００においては、ロボットアーム３１が外部エリア２０５に退避し、シャッタ１４３が閉じられたら、中間加工物４６Ａの肉盛部４３にネジ部４４を形成するための除去加工を開始する。本実施の形態では、ロボットアーム３１に付加加工用ヘッド６１を装着してワークの付加加工を行なう。このため、予め除去加工用の工具を装着した状態で下刃物台１３１または工具主軸１２１を待機させておくことが可能であり、付加加工から除去加工に移行する時間を短縮することができる。

図１６を参照して、主軸１１２および主軸１１７の回転を同期させながら、第１主軸台１１１および第２主軸台１１６を接近させる。主軸１１７により、中間加工物４６Ａの肉盛部４３の端部をチャッキングする。中間加工物４６Ａの両端が第１主軸台１１１および第２主軸台１１６により保持された状態で、母材４２および肉盛部４３の間を分離するための除去加工（突っ切り加工）を行なう。これにより、第１主軸台１１１に母材４２が残り、第２主軸台１１６に最終製品４７が残る。

除去加工時、加工エリア２００は、切削油の雰囲気下に置かれる。本実施の形態では、除去加工の間、付加加工用ヘッド６１が外部エリア２０５にあるため、光学部品を備えた付加加工用ヘッド６１が切削油に晒されることを防止できる。また、万が一、付加加工用ヘッド６１を装着したロボットアーム３１の制御に支障が生じることがあっても、その影響が加工エリア２００内に及ぶことを防止できる。

図１７を参照して、次に、ロボットアーム３１を外部エリア２０５から加工エリア２００に移動させる。ロボットアーム３１を動作させることによって、ワーク把持部５１を第２主軸台１１６に装着された最終製品４７に接近させつつ、ワーク把持部５１により最終製品４７を把持する。

図１８を参照して、次に、ロボットアーム３１を加工エリア２００から外部エリア２０５に移動させる。ロボットアーム３１を動作させることによって、最終製品４７をストッカ部１５６に格納する。ロボットアーム３１を動作させることにより、ワーク把持部５１をストッカ部１５６に格納することで、図１０において説明した工程に戻る。

このように構成された、この発明の実施の形態２における加工機械１００および加工方法によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に奏することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、主に、ワークの除去加工および付加加工が可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機に適用される。

２１ 移動機構部、２２ リニアガイド、２３ ベース部材、２４ 支柱、２５ ラックピニオン、３１ ロボットアーム、３１Ａ 加工エリア内位置、３１Ｂ 加工エリア外位置、３２ 基部、３３ アーム部、３３Ｌ 第１可動部、３３Ｍ 第２可動部、３３Ｎ 第３可動部、３６，５４，６３，８３ 連結部、４１ ワーク、４２ 母材、４３ 肉盛部、４４ ネジ部、４６，４６Ａ，４６Ｂ 中間加工物、４７ 最終製品、５１ ワーク把持部、５２，５２Ｐ，５２Ｑ 把持用爪部、５３ ベース部、６１ 付加加工用ヘッド、６２ 本体部、６４ 接続部、６５ レーザ光出射部、６６ 開口部、６８ 光学部品、７０ 材料粉末供給装置、７１ 混合部、７２ 材料粉末タンク、７３ 管部材、７６ レーザ発振装置、８１ 吸引ノズル、８２ ホース部、８６ 容器、１００ 加工機械、１１１ 第１主軸台、１１２，１１７ 主軸、１１６ 第２主軸台、１２１ 工具主軸、１３１ 下刃物台、１３２ 旋回部、１４１ ベッド、１４２ 側面カバー、１４３ シャッタ、１５６ ストッカ部、２００ 加工エリア、２０１，２０２，２０３，２０４ 中心軸、２０５ 外部エリア、２１１，２１２，２１３ 回動軸、２１４，２１５，２１６ 回転軸、３１１ レーザ光、３１２ 材料粉末、３１３ ガス、３１４ 溶融点、３１５ 肉盛素材、３１６ 肉盛層。

Claims (8)

1. ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械であって、
   加工エリア内に設けられ、ワークを保持するワーク保持部と、
   加工エリア内に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部と、
   ワークの付加加工時に材料を吐出する付加加工用ヘッドと、
   加工エリアの内外の間におけるワークの搬送時にワークを把持するワーク把持部と、
   前記付加加工用ヘッドおよび前記ワーク把持部を装着可能なロボットアームとを備える、加工機械。
2. 前記付加加工用ヘッドおよび前記ワーク把持部は、前記ロボットアームに着脱可能に設けられ、
   前記付加加工用ヘッドは、ワークの付加加工時に前記ロボットアームに装着され、
   前記ワーク把持部は、加工エリアの内外の間におけるワークの搬送時に前記ロボットアームに装着される、請求項１に記載の加工機械。
3. 加工エリア外に設けられ、前記付加加工用ヘッドを格納可能なストッカ部をさらに備える、請求項１または２に記載の加工機械。
4. 前記付加加工用ヘッドは、ワークに対して材料粉末の吐出とともにレーザ光を照射することにより付加加工を行ない、
   前記付加加工用ヘッドは、
   前記ロボットアームに装着される本体部と、
   レーザ光を出射するとともに、ワークにおけるレーザ光の照射領域を規定し、前記本体部に着脱可能に設けられるレーザ光出射部とを有し、
   前記ストッカ部には、規定するレーザ光の照射領域が互いに異なる複数の前記レーザ光出射部が格納される、請求項３に記載の加工機械。
5. 負圧を発生させる負圧発生源に接続され、前記ロボットアームに装着可能な吸引ノズルをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の加工機械。
6. 前記ロボットアームは、
   加工エリアの内外の間で移動可能な移動機構部と、
   前記移動機構部に支持される基部と、
   前記基部に回動可能に連結され、前記付加加工用ヘッドおよび前記ワーク把持部を装着可能なアーム部とを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の加工機械。
7. 前記ワーク保持部は、ワークを回転させる主軸台またはワークが固定されるテーブルである、請求項１から６のいずれか１項に記載の加工機械。
8. 前記工具保持部は、工具が固定される刃物台または工具を回転させる工具主軸である、請求項１から７のいずれか１項に記載の加工機械。

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