JP6861796B2

JP6861796B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP6861796B2
Application number: JP2019508480A
Authority: JP
Inventors: 裕児佐野
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: CN110325321A; WO2018179412A1; EP3603882A1; US20210107103A1; JPWO2018179412A1; EP3603882A4

Description

本発明は、主軸頭を直交３軸方向の直線送り軸の何れとも平行ではない傾斜軸線周りに回転送りする工作機械に関する。

工作機械の分野では、先端に工具を装着する主軸、前記主軸を回転軸線周りに回転支持する主軸頭、前記主軸とワークを取り付けるテーブルとを相対的に移動させる直交３軸方向の直線送り軸、および、前記主軸の回転軸線の向きを変更可能な回転送り軸を有し、ワークをテーブルに固定した後に、該ワークをテーブルから取り外すことなく種々の加工ができるようにした多軸制御の工作機械がある。

特許文献１には、３つの互いに直交する方向に主軸の向きを割り出し可能にされているような工作機械において、主軸を２方向の水平位置および鉛直位置に対応する、120°間隔の３つの位置へ位置決めできるようにした主軸頭を有した工作機械が開示されている。また、特許文献２には、主軸ヘッドが、水平スライドに水平軸線周りに回転可能に取り付けられた主軸ハウジングを有し、該主軸ハウジングの下端部にフォークヘッドが前記水平軸とは異なる他の水平軸線周りに回転可能に取り付けられてた工作機械が開示されている。

特開昭５８−０７７４２８号公報特開２００５−５２７３８７号公報

特許文献１の工作機械では、傾斜軸線ｂの周りに主軸頭を120°間隔の３つの位置のみでしか位置決めできないので、主軸を水平な２方向および鉛直方向の互いに直交する３方向にしか割り出すことができず、ワークの下面から上向きに工具を突き出してワークを加工するアンダーカットをすることができない問題がある。

特許文献２の工作機械では、アンダーカットに際して、フォークヘッド１５を主軸ハウジング１３が工具の上方に配置されているため、主軸ハウジングとワークとの干渉を避ける必要から長い工具を用いなければならない。そのため、工具が撓んだり、倒れたりして加工誤差が大きくなる問題がある。また、フォークヘッドの回転中心位置が工具から離れているので、フォークヘッドの回転位置決め誤差が、フォークヘッドの回転中心から工具先端までの距離に比例して、つまりレバー比で工具先端では大きくなる問題も生じる。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、特許文献２の工作機械のように、長い工具を用いなくとも、高精度にアンダーカットの可能な工作機械を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、先端にテーパ穴が形成され該テーパ穴に嵌合するシャンクを有した工具ホルダを介して工具を装着する主軸、前記主軸を回転軸線周りに回転支持する主軸頭、前記主軸とワークを取り付けるテーブルとを相対的に移動させる直交３軸方向の直線送り軸および、前記主軸の回転軸線の向きを変更可能な回転送り軸を有する工作機械において、
前記直線送り軸の何れとも平行ではなく、かつ前記主軸の回転軸線と交差する傾斜軸線周りに前記主軸頭を回転させる回転送り軸装置と、前記主軸の回転軸線と前記傾斜軸線との交点が前記主軸のテーパ穴に装着した工具ホルダのゲージライン上または前記主軸の先端面内に配置されるように前記主軸頭を回転可能に支持する主軸頭ベースとを具備する工作機械が提供される。

本発明によれば、ワークの下面から上向きに工具を突き出してワークを加工するアンダーカットを行うことができると共に、傾斜軸線が主軸の先端側に定めた基準点で主軸の回転軸線と交差するように、主軸頭が主軸頭ベースに支持されているので、工作機械は、前記傾斜軸線を中心とした回転位置によらず、加工精度の高い種々の加工を行うことができる。これは、主軸頭の姿勢を変える旋回中心が主軸の先端側にあるためであり、主軸頭とワークとの干渉が生じにくくなり、短い工具を使用可能で工具の合成が高まり、かつ、主軸頭の姿勢を変える旋回中心と工具先端の加工点との距離も短くなって、主軸頭の回転位置決め誤差が工具先端でもあまり大きくならないからである。

本発明の好ましい実施形態による工作機械の斜視図である。図１の工作機械の主軸頭ベース、Ａ軸回転送り装置、主軸頭を示す部分拡大斜視図である。図１において矢視線IIIの方向に見た主軸頭ベース、Ａ軸回転送り装置および主軸頭を示す部分拡大側面図である。Ａ軸回転送り装置の一部を破断して示す部分断面斜視図である。図１において矢視線IIIの方向に見たＡ軸回転送り装置および水平位置にある主軸頭を示す部分拡大側面図である。図１において矢視線VIの方向に見たＡ軸回転送り装置および水平位置にある主軸頭を示す部分拡大側面図である。図１において矢視線VIIの方向に見たＡ軸回転送り装置および水平位置にある主軸頭を示す部分拡大正面図である。図１において矢視線IIIの方向に見たＡ軸回転送り装置および鉛直位置にある主軸頭を示す部分拡大側面図である。図１において矢視線IIIの方向に見たＡ軸回転送り装置およびアンダーカット位置にある主軸頭を示す部分拡大側面図である。工具ホルダと共に示す主軸先端部分の部分断面図であり、基準点を説明するための図である。図１０と異なる工具ホルダと共に示す主軸先端部分の部分断面図であり、基準点を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１〜図３を参照すると、本発明の好ましい実施形態による工作機械１００は、ＮＣ装置（図示せず）によって制御される５軸のマシニングセンタを構成しており、工場の床面に設置された基台としてのベッド１０２、ベッド１０２の前方部分の上面で前後方向またはＺ軸方向に移動可能に設けられワーク（図示せず）を固定したパレットＰを着脱可能に取り付けるテーブル１２２、ベッド１０２の後端側で左右方向またはＸ軸方向に移動可能に設けられたコラム１０４、該コラム１０４の前面で上下方向またはＹ軸方向に移動可能に設けられた主軸頭ベース１１２、主軸頭ベース１１２に取り付けられ主軸１５２を回転可能に支持する主軸頭１２０を具備している。

テーブル１２２は、ベッド１０２の上面において水平なＺ軸方向に延設された一対のＺ軸案内レール（図示せず）に沿って往復動可能に設けられており、ベッド１０２には、テーブル１２２をＺ軸案内レールに沿って往復駆動するＺ軸送り装置として、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＺ軸サーボモータ１２４が設けられており、テーブル１２２には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。また、工作機械１００は、テーブル１２２のＺ軸方向の座標位置を測定するＺ軸スケール（図示せず）を有することができる。更に、テーブル１２２は、取り付けられるパレットＰを鉛直軸線周りに回転送りするＢ軸送り装置を構成している。

ベッド１０２の前方には、テーブル１２２との間でパレットＰを交換する自動パレット交換装置１２６を配設することができる。また、ベッド１０２の側部には、多数の工具を保持する工具マガジン１２８を配設することができる。工具マガジン１２８には、工具マガジン１２８と主軸１５２との間で工具を工具ホルダに装着した状態で交換する自動工具交換装着（図示せず）を配設することができる。

コラム１０４は、ベッド１０２の後端部分においてＸ軸方向に延設された一対のＸ軸案内レール１０６に沿って往復動可能に設けられている。コラム１０４の下端部には、Ｘ軸案内レール１０６上を滑動可能なガイドブロック１０４ａが取り付けられている。ベッド１０２には、コラム１０４をＸ軸案内レール１０６に沿って往復駆動するＸ軸送り装置として、Ｘ軸方向に延設されたＸ軸ボールねじ１０８と、Ｘ軸ボールねじ１０８の一端に連結されたＸ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、Ｘ軸ボールねじ１０８には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。なお、工作機械１００は、Ｘ軸スライダ１０４のＸ軸方向の座標位置を測定するＸ軸スケール（図示せず）を有することができる。

主軸頭ベース１１２は、コラム１０４の前面において上下方向またはＹ軸方向（図１では上下方向）に延設された一対のＹ軸案内レール１１０に沿って往復動可能に設けられている。主軸頭ベース１１２の背面には、Ｙ軸案内レール１１０上を滑動可能なガイドブロック１１２ａが取り付けられている。コラム１０４には、主軸頭ベース１１２をＹ軸案内レール１１０に沿って往復駆動するＹ軸送り装置として、Ｙ軸方向に延設されたＹ軸ボールねじ１１４と、Ｙ軸ボールねじ１１４の一端に連結されたＹ軸サーボモータ１１６が設けられており、主軸頭ベース１１２には、Ｙ軸ボールねじ１１４に係合するナット（図示せず）が取り付けられている。なお、工作機械１００は、主軸頭ベース１１２のＹ軸方向の座標位置を測定するＹ軸スケール（図示せず）を有することができる。

主軸頭ベース１１２には、傾斜軸回転送り装置またはＡ軸送り装置１１８を介して主軸頭１２０が取り付けられている。図４を参照すると、Ａ軸送り装置１１８は、中空状のハウジング１３０を有している。ハウジング１３０の下端部には、Ａ軸旋回ベース１３６が、軸受１４６を介して傾斜軸線Ｏ_Iを中心として回転可能に取り付けられている。ハウジング１３０内には、固定部としてのフランジ１３８がハウジング１３０の内周面から半径方向内側に張り出しており、該フランジ１３８にＡ軸シャフト１４０が軸受１４８を介して回転可能に支持されている。Ａ軸シャフト１４０は、その下端部においてＡ軸旋回ベース１３６に結合されている。Ａ軸シャフト１４０は、その上端部においてナット１４２によってフランジ１３８から軸方向に移動しないように固定されている。また、ハウジング１３０には、Ａ軸旋回ベース１３６を回転駆動するために、ステータ１３２とロータ１３４から成るＡ軸サーボモータが内蔵されている。なお、Ａ軸送り装置１１８は、Ａ軸旋回ベース１３６の傾斜軸線Ｏ_I周りの回転角度位置であるＡ軸座標を測定するロータリーエンコーダ（図示せず）を有することができる。

Ａ軸旋回ベース１３６には主軸頭１２０が取り付けられている。本実施形態では、主軸頭１２０のハウジング１５０がＡ軸旋回ベース１３６と一体的に形成されている。主軸頭１２０は、回転軸線Ｏに沿って延びる主軸１５２を回転軸線Ｏを中心として回転可能に支持する。主軸頭１２０は、従来公知となっている通常の主軸頭と同様の構成を有しており、主軸１５２を回転支持する軸受（図示せず）、主軸１５２を回転駆動するサーボモータ（図示せず）、主軸１５２の先端に形成されたテーパ穴１５２ａに装着された工具ホルダTH（図１０、１１参照）をクランプするドローバーおよびコレットから成るクランプ装置（図示せず）、ドローバーを押し出してクランプされた工具ホルダTHをアンクランプするアンクランプ装置（図示せず）等を具備している。

本発明では、主軸頭１２０は、Ａ軸回転送り装置１１８の傾斜軸線Ｏ_Iが主軸１５２の回転軸線Ｏと交差するように、Ａ軸回転送り装置１１８に取り付けられている。特に、主軸頭１２０は、傾斜軸線Ｏ_Iと回転軸線Ｏとの交点Ｐ_Oが主軸１５２の先端部の基準点Ｐ_Rに一致するように配向され、Ａ軸送り装置１１８に取り付けられている。

図１０、１１を参照して、基準点Ｐ_Rについて一層詳細に説明する。
図１０は、ISO 7388によって規定されるような、７／２４テーパのシャンク形状を有した工具ホルダTH₁を示している。７／２４テーパのシャンク形状には、BT（ボトルテーパ）シャンクや、NT（ナショナルテーパ）シャンクが含まれる。この場合、ゲージラインＬ_Gと回転軸線Ｏとの交点を基準点Ｐ_Rとする。７／２４テーパのシャンク形状Ｓ₁を有した工具ホルダTH₁を主軸１５２のテーパ穴１５２ａに装着したとき、工具Ｔの軸方向の長さ（工具長）は、ゲージラインＬ_Gから工具Ｔの先端までの長さによって規定される。ゲージラインＬ_Gは、シャンク形状の精度に依存しているが、通常、主軸１５２の端面１５２ｂからδ＝０．１〜０．２ｍｍの位置に設定される。７／２４テーパのシャンク形状Ｓ₁を有した工具ホルダTH₁の場合、傾斜軸線Ｏ_Iと回転軸線Ｏとの交点Ｐ_OをゲージラインＬ_G上の基準点Ｐ_Rとする。

図１１は、ISO 12164によって規定されるような１／１０テーパの中空シャンク形状Ｓ₂を有した工具ホルダTH₂を示している。１／１０テーパの中空シャンク形状Ｓ₂には、フランジ接触面（後面）１６０を有したHSKシャンクが含まれる。この場合、工具ホルダTH₂のフランジ後面１６０は主軸１５２の端面１５２ｂと密着するので、工具ホルダTH₂に装着された工具の長さは、フランジ後面１６０から工具Ｔの先端までの長さによって規定される。１／１０テーパの中空シャンク形状Ｓ₂を有した工具ホルダTH₂の場合、主軸１５２の端面１５２ｂと回転軸線Ｏの交点を基準点Ｐ_Rとする。

つまり、本発明では、７／２４テーパのシャンク形状Ｓ₁を有した工具ホルダTH₁の場合も、１／１０テーパの中空シャンク形状を有した工具ホルダTH₂の場合も、基準点Ｐ_Rは、工具長を設定するための基準点または原点であり、同時に工作機械１００の機械座標系の基準点でもある。工作機械１００のＮＣ装置（図示せず）は、基準点Ｐ_Rの座標に基づいてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り軸を制御する。

本実施形態では、図４に示すように、傾斜軸線Ｏ_Iと回転軸線Ｏとの間の角度αは５１．１５°となっている。また、図５〜７に示すように、回転軸線ＯがＺ軸に平行となり主軸頭１２０が水平位置Ｈとなる位置をＡ軸回転送り装置１１８の原点位置とする。Ａ軸送り装置１１８が原点位置にあるとき、Ａ軸の座標は０°となる。Ａ軸送り装置１１８が原点位置にあるとき、傾斜軸線Ｏ_Iは、図７に示すように、Ｘ軸に対して角度β＝３２．０９°の方向に延びている。つまり、一例として示す本実施形態では、傾斜軸線Ｏ_Iは、Ｚ軸に対して角度α＝５１．１５°、かつ、Ｘ軸に対して角度β＝３２．０９°の方向に延びている。これにより、Ａ軸送り装置１１８は、主軸頭１２０を図８に示す鉛直位置と、図９に示すアンダーカット位置との間で、図５〜７に示す水平位置を含め、主軸頭１２０を傾斜軸線Ｏ_Iを中心として任意の回転角度位置に位置決め可能となっている。鉛直位置では、主軸１５２の端面１５２ｂを下方に向けて回転軸線Ｏが水平面に対して９０°となる。このとき、一例として示す本実施形態では、傾斜軸線Ｏ_Iを中心とした回転角度位置であるＡ軸の座標は１１３．２°である。また、アンダーカット位置では、主軸１５２の端面１５２ｂを上向きにして、回転軸線Ｏと水平位置Ｈとの間の角度γが最大で２５．８°となる。このとき、傾斜軸線Ｏ_Iを中心とした回転角度位置であるＡ軸の座標は−６６．８°である。

本実施形態では、傾斜軸線Ｏ_Iが基準点Ｐ_Rで回転軸線Ｏを交差するように、主軸頭１２０をＡ軸送り装置１１８に対して配向させて、Ａ軸送り装置１１８に回転送り可能に取り付けたので、工作機械１００は、Ａ軸回転送り装置の座標によらず、加工精度を低下させることなくワークを加工可能となる。

つまり、Ａ軸回転送り動作は、主軸先端中心付近を中心として主軸頭が姿勢を変える旋回動作と見なせるので、本実施形態では、傾斜軸線Ｏ_Iと工具先端の加工点との距離を短くしてレバー比を極力小さくし、Ａ軸割出誤差に伴う加工精度の低下を防止する。更に、本実施形態では、Ａ軸回転送りに伴う主軸頭周りの構造物の旋回動作がコンパクトになり、機械のストロークの増加を抑え、主軸頭とワークとの干渉も生じにくくなる。また、本実施形態は、従来のフォークヘッドと比較して、主軸が鉛直下向き姿勢のとき、パレット上面から主軸先端面までの距離を大きくとることができ、背の高いワークの面加工にも対応可能となる。なお、本実施形態では、傾斜軸線Ｏ_Iと主軸の回転軸線Ｏとの交点Ｐ_Oが工具長さの基準点Ｐ_Rと一致する場合について説明したが、工具先端側の主軸回転軸線Ｏ上の任意に定めた点を基準点として、この基準点が傾斜軸線Ｏ_Iと主軸の回転軸線Ｏとの交点となるように構成してもよい。

１００工作機械
１０２ベッド
１０４コラム
１１２主軸頭ベース
１１８Ａ軸回転送り装置
１２０主軸頭
１２２テーブル
１３６Ａ軸旋回ベース
１５２主軸

Claims

先端にテーパ穴が形成され該テーパ穴に嵌合するシャンクを有した工具ホルダを介して工具を装着する主軸、前記主軸を回転軸線周りに回転支持する主軸頭、前記主軸とワークを取り付けるテーブルとを相対的に移動させる直交３軸方向の直線送り軸および、前記主軸の回転軸線の向きを変更可能な回転送り軸を有する工作機械において、
前記直線送り軸の何れとも平行ではなく、かつ前記主軸の回転軸線と交差する傾斜軸線周りに前記主軸頭を回転させる回転送り軸装置と、
前記主軸の回転軸線と前記傾斜軸線との交点が前記主軸のテーパ穴に装着した工具ホルダのゲージライン上または前記主軸の先端面内に配置されるように前記主軸頭を回転可能に支持する主軸頭ベースと、
を具備することを特徴とした工作機械。
前記主軸頭ベースが、前記直交３軸方向の少なくとも２軸方向に前記テーブルに対して相対移動可能となっている請求項１に記載の工作機械。
床面に設置される基台となるベッドと、該ベッドの上面の前方部分において水平前後方向に移動可能に設けられワークを固定するテーブルと、
前記ベッドの上面の後方部分において、前記テーブルの移動方向である水平前後方向に対して垂直な水平左右方向に移動可能に取り付けられたコラムとを更に具備し、
前記主軸頭ベースが、前記コラムの前面において鉛直方向に往復移動可能に取り付けられている請求項２に記載の工作機械。
前記テーブルは、鉛直方向に延びる軸線周りにワークを回転送り可能となっている請求項３に記載の工作機械。