JP7441678B2 - 回転工具装置および工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転工具装置および工作機械に関する。

従来の工作機械として、特許文献１には、水平方向に複数のスピンドル軸が配置された回転工具装置が開示され、ワークの軸線に対して複数の回転工具の刃先の向きを調整して加工が行われる。

特開２０１９－１８１６５３号公報

特許文献１に開示された工作機械では、回転工具装置は、スペース上の制約から複数の回転工具の駆動を１つのモータと歯車機構を組み合わせて複数のスピンドル軸を駆動している。このため、スピンドル軸にバックラッシによるずれや同時に回転する加工スピンドル軸以外のスピンドル軸での発熱や振動が伝わり、高精度な加工ができない。１つのモータとベルト機構を組み合わせる場合も同様である。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、高精度な加工を行うことができる回転工具装置および工作機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る回転工具装置は、
主軸により保持されたワークを加工する回転工具を保持する工具保持部と、
先端に前記工具保持部が装着可能に形成されるスピンドル軸と、
前記スピンドル軸の基端に出力軸が直接的に連結され、前記スピンドル軸を前記工具保持部とともに軸回転させるモータと、
前記モータを支持し、複数の前記スピンドル軸が互いに平行をなすように並べられた状態で収容され、軸回転可能に前記スピンドル軸を収容する１つの筐体と、を備え、
前記モータは、複数とされ、複数の前記スピンドル軸の各々に前記回転工具に応じた仕様で設けられ、
前記回転工具の刃先は、前記主軸により保持された前記ワークの軸方向と前記回転工具の複数軸方向との相対移動により、前記ワークに接触させて加工する、
回転工具装置。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る工作機械は、
回転工具装置と、
前記ワークを軸回転可能に保持する前記主軸と、を備える。

本発明によれば、高精度な加工を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る工作機械の概略平面図である。 本発明の一実施形態に係る工作機械の概略正面の部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る工作機械の概略側面図である。 本発明の一実施形態に係る回転工具装置を拡大した部分断面図である。

本発明の一実施形態に係る回転工具装置および工作機械について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、鉛直方向を「Ｙ軸方向」とし、ワークの中心線に沿った水平方向を「Ｚ軸方向」とし、Ｙ軸及びＺ軸方向に垂直な水平方向を「Ｘ軸方向」とする。

工作機械１は、図１及び図２に示すように、例えばワークを加工するＮＣ（Numerical Control）旋盤として構成される。工作機械１は、工作機械１全体の台であるベッドＳと、主軸ユニット１０と、Ｚ軸移動機構２０と、工具機構３０と、回転工具装置５０と、工作機械１を制御する制御部９０と、を備える。

（主軸ユニット１０）
主軸ユニット１０は、図１及び図２に示すように、ワークの前面（＋Ｚ側に向く面）及び側面を加工するための機構である。主軸ユニット１０は、ワークを回転可能に保持する主軸１１と、主軸１１を回転可能に支持する主軸台１２と、を備える。主軸１１は、ワークを保持するチャックを先端に備える。主軸台１２は、チャックで保持したワークを回転させる主軸回転用モータを内蔵する（図示せず）。主軸ユニット１０は、主軸台１２をＺ軸方向に移動させるＺ軸移動機構２０を備える。

Ｚ軸移動機構２０は、図１に示すように、ベッドＳ上にＺ軸方向に沿ってレール２１が取り付けられ、主軸台１２がレール２１に沿って移動可能とされる。Ｚ軸移動機構２０は、Ｚ軸用モータ２１ｂによりボールねじ２１ａを回転させることで、ナット１２ａ（図２参照）とともに主軸台１２をＺ軸方向に移動させる。これにより、主軸１１がベッドＳに対してＺ軸方向に移動する。

（工具機構３０）
工具機構３０は、図１及び図２に示すように、主軸ユニット１０により把持されたワークに対して工具ユニット３１，３２の工具３１ａ，３２ａをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる機構である。

工具機構３０は、ベッドＳに固定された固定台４１と、工具ユニット３１，３２と、工具ユニット３１，３２をＸ軸方向に移動させるＸ軸移動機構３３と、工具ユニット３１，３２を高さ方向に沿うＹ軸方向に移動させるＹ軸移動機構３４と、固定台４１に固定されるガイドブッシュ装置８０と、を備える。

固定台４１は、図１及び図２に示すように、主軸１１の中心軸Ａに沿う方向に貫通する空洞部４１ａを有する。
固定台４１には、Ｘ軸移動機構３３と、Ｘ軸移動機構３３を介してＹ軸移動機構３４とが設けられる。Ｘ軸移動機構３３及びＹ軸移動機構３４は、Ｚ軸移動機構２０と同様に、モータ、ボールねじ及びナットにより構成される。

工具ユニット３１，３２は、図２及び図３に示すように、Ｙ軸移動機構３４の図３における左右箇所に配置されて構成される。工具ユニット３１，３２は、主軸１１が把持するワークをＸ軸方向において両側から挟み込むように位置する。工具ユニット３１，３２には、複数の工具３１ａ，３２ａと、複数の工具３１ａ，３２ａをＸ軸方向に沿うように保持する刃物台３１ｂ，３２ｂと、を備える。刃物台３１ｂ、３２ｂには、複数の工具３１ａ，３２ａがＹ軸方向に櫛状に並べられて設けられている。それぞれの工具３１ａ，３２ａは、例えばバイトなどで構成される。

Ｚ軸移動機構２０、Ｘ軸移動機構３３又はＹ軸移動機構３４は、制御部９０による制御のもと、工具３１ａ，３２ａを主軸１１により回転されるワークの軸線（Ｚ軸方向）に対して交わる方向を向くように移動させることによりワークの加工を行う。

固定台４１の空洞部４１ａには、ガイドブッシュ装置８０が配置される。ガイドブッシュ装置８０は、主軸１１の移動に伴いワークの保持および移動を補助する。ガイドブッシュ装置８０は、加工するワークに合わせて適宜変更することができる。

（回転工具装置５０）
回転工具装置５０は、図１、図３及び図４に示すように、工具ユニット３１の下方のＹ軸移動機構３４に設けられ、自身が回転する回転工具５１によってワークを加工する。回転工具５１は、例えばドリル、タップ、フライスなどで構成される。

回転工具装置５０は、主軸１１により保持されたワークを加工する回転工具５１を保持する工具保持部５２と、先端５３ａに工具保持部５２が装着可能に形成されるスピンドル軸５３と、スピンドル軸５３の基端５３ｂに直接的に連結され、スピンドル軸５３を工具保持部５２とともに軸回転させる工具回転用モータ（モータ）５４と、工具回転用モータ５４を支持し、回転工具５１の刃先が主軸１１により保持された主軸１１の中心軸（ワークの軸線）Ａに交わる方向を向くように、軸回転可能にスピンドル軸５３を収容する筐体５５と、を備える。

回転工具装置５０は、Ｙ軸移動機構３４の工具ユニット３１の下方に筐体５５が固定される。筐体５５には、スピンドル軸５３がＸ軸方向に沿う水平方向に平行に配置され、複数本（図示例では、２本）のスピンドル軸５３がＹ軸方向（上下方向）に並べられている。これにより、筐体５５に取り付けた回転工具５１の刃先は、主軸１１の中心軸Ａと直交する方向（Ｘ軸方向）を向くように配置される。

各スピンドル軸５３は、筐体５５に回転可能に支持されている。筐体５５には、Ｘ軸方向に間隔をあけて複数の軸受５５ａが設けられている。各スピンドル軸５３は、複数の軸受５５ａによりスピンドル軸５３の中心軸の振れ、加工にともなう回転荷重やスラスト荷重が支持される。

各スピンドル軸５３の先端５３ａには、工具保持部５２が着脱可能に取り付けられており、工具保持部５２に回転工具５１が固定される。工具保持部５２及び回転工具５１は、１つの工具ユニットを構成する。複数の種類の工具ユニットのうちからいずれかが選択的にスピンドル軸５３の先端５３ａに装着される。

各スピンドル軸５３の基端５３ｂには、図４に示すように、工具回転用モータ５４のモータ出力軸５４ａが連結用カップリング５４ｂを介して直接的に連結されている。スピンドル軸５３の基端５３ｂは、スピンドル軸５３の本体部よりも小径の円柱状をなす。モータ出力軸５４ａは、スピンドル軸５３の基端５３ｂと同一径の円柱状をなす。連結用カップリング５４ｂは、円筒状をなす。連結用カップリング５４ｂの一端側の内部には、スピンドル軸５３の基端５３ｂが固定され、連結用カップリング５４ｂの他端側の内部には、モータ出力軸５４ａが固定される。すなわち、工具回転用モータ５４は、スピンドル軸５３の本数に応じて同数用意され、歯車機構やベルト機構などの駆動力伝達機構を介せずに連結用カップリング５４ｂのみを介して直接スピンドル軸５３を駆動する。これにより、工具保持部５２とともに、装着された回転工具５１を独立した別々の工具回転用モータ５４で軸回転させる。

工具回転用モータ５４は、筐体５５への取り付けスペースなどを確保するため小型なモータが好ましく、同期電動機や誘導電動機などの交流電動機や直流電動機が回転工具５１に応じて用いられる。
また、各スピンドル軸５３にそれぞれ独立した工具回転用モータ５４を設けることから、それぞれが異なる仕様のモータであっても良く、使用する回転工具５１に応じて回転数や出力が異なるものを適宜選択して設ける。工具回転用モータ５４は、例えば回転数が５０００ｒｐｍのものと、高速回転用の２００００ｒｐｍのものとで構成することもできる。

このような回転工具装置５０では、回転工具５１を軸回転する工具回転用モータ５４を各スピンドル軸５３に独立したモータとしてダイレクトに連結しているので、各工具回転用モータ５４をコンパクトのものにでき、回転工具装置５０自体もコンパクトにすることができる。また、歯車機構やベルト機構などの駆動力伝達機構を使用しないので、バックラッシュや振動の伝達を抑えることができ、高精度な加工ができる。また、加工に用いる回転工具５１以外の回転工具５１を停止したままにでき、振動や発熱の影響もなく、高精度の加工ができる。また、１台のモータで複数の回転工具５１を駆動する場合には、歯車機構やベルトとプーリによるベルト機構で回転数などが規制され回転数の変更が不可能に近くなるのに対し、回転工具５１に応じた回転工具用モータ５４を用いることで回転数の選択が可能であり、加工可能な範囲を拡大することもできる。

回転工具装置５０は、上記のように、Ｙ軸移動機構３４に筐体５５を固定することで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能に構成したが、さらに、Ｙ軸移動機構３４に対して筐体５５を、例えば、鉛直軸回りに回転させる回転軸を備えた回転位置調整部（図示しない）を設けるようにすることもできる。これにより、回転工具５１の向きを主軸１１の中心軸（ワークの軸線）Ａ及び回転工具５１の延びる方向（スピンドル軸５３の中心軸の方向）に交わる方向（例えば、Ｙ軸に平行な鉛直軸方向）の回転軸を中心に筐体５５を回転することが可能となり、回転工具５１の刃先を、Ｘ軸及びＺ軸で形成される水平面上で回転させて向きを調整することができる。これにより、回転工具装置５０により加工可能となる範囲を拡大することができる。

（制御部９０）
制御部９０は、工作機械１全体を制御するものであり、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、を備える。なお、制御部９０は、図１などに模式的に示した。

制御部９０は、図示しない操作部から供給されたＮＣ（Numerical Control）プログラムに従って各部を数値制御する。制御部９０は、数値制御によって主軸１１、Ｚ軸移動機構２０、工具機構３０、Ｘ軸移動機構３３、Ｙ軸移動機構３４および回転工具装置５０を制御する。

次に、工作機械１によるワークの加工の一例について説明する。
工具機構３０による加工では、制御部９０による数値制御により、図１及び図２に示すように、主軸１１を介してワークを把持しつつ軸回転させた状態で、工具機構３０を介して工具３１ａ，３２ａの刃先をワークに接触させ、Ｚ軸移動機構２０を介してワークをＺ軸方向に送る。これにより、ワークの加工が行われる。

回転工具装置５０による加工では、制御部９０による数値制御により、図１及び図２に示すように、主軸１１を介してワークを把持しつつ軸回転させた状態、あるいは主軸１１を固定した状態で、回転工具装置５０の加工に用いる回転工具５１のみの工具回転用モータ５４を回転させ、回転工具５１の刃先をワークに接触させ、Ｚ軸移動機構２０、Ｘ軸移動機構３３及びＹ軸移動機構３４によりワークのＺ軸方向の送り、回転工具５１のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動を組み合わせる。これにより、回転工具５１によるワークの加工が行われる。
回転工具装置５０による加工では、回転工具５１としては、ドリル、タップ、フライスなどが使用される。

これらの工具機構３０による加工と回転工具装置５０による加工は、第１の加工とこれに続く第２の加工として組わせて行われたり、それぞれが独立した加工として行われる。加工が完了すると、ワークを図示しないシュートに落下させて、加工済みのワークを工作機械１から排出する。このようにして工作機械１によるワークの加工が行われる。

（効果）
以上、説明した一実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）回転工具装置５０は、主軸１１により保持されたワークを加工する回転工具５１を保持する工具保持部５２と、先端５３ａに工具保持部５２が装着可能に形成されるスピンドル軸５３と、スピンドル軸５３の基端５３ｂに直接的に連結され、スピンドル軸５３を工具保持部５２とともに軸回転させる工具回転用モータ（モータ）５４と、工具回転用モータ５４を支持し、回転工具５１の刃先が主軸１１により保持された主軸１１の中心軸（ワークの軸線）Ａに交わる方向を向くように、軸回転可能にスピンドル軸５３を収容する筐体５５と、を備える。
この構成によれば、回転工具５１が先端５３ａに保持されるスピンドル軸５３の基端５３ｂに工具回転用モータ５４を直接的に連結することにより、歯車機構やベルト機構を介して回転工具５１を軸回転する場合に生じるバックラッシュ、振動及び発熱などの影響を抑えて回転工具５１で加工することができる。これにより、高精度の加工を行うことができ、主軸１１の回転と同期させて行うポリゴン加工やギア加工などの加工も高精度に行うことができる。また、歯車機構やベルト機構を使用しないことから回転工具装置５０をコンパクトにすることができる。

（２）複数のスピンドル軸５３は、１つの筐体５５に互いに平行をなすように並べられた状態で収容され、工具回転用モータ５４は、複数とされ、複数のスピンドル軸５３の各々に設けられる。
この構成によれば、各スピンドル軸５３を独立した別々の工具回転用モータ５４で駆動することで、加工に用いる回転工具５１以外の工具回転用モータ５４を停止しておくことができ、加工する回転工具５１以外からの振動や発熱の影響がなく、高精度に加工することができる。また、回転工具５１に応じて工具回転用モータ５４を小型のモータにすることができ、回転工具装置５０をコンパクトにすることができる。また、工具回転用モータ５４を回転工具５１に応じて異なる仕様のものとすることができ、適切な仕様のもので高精度の加工を行うことができる。

（３）工作機械１は、回転工具装置５０と、ワークを軸回転可能に保持する主軸１１と、を備える。
この構成によれば、回転工具５１が先端５３ａに保持されるスピンドル軸５３の基端５３ｂに工具回転用モータ５４を直接的に連結することで、歯車機構やベルト機構を介して回転工具５１を軸回転する場合に生じるバックラッシュ、振動及び発熱などの影響を抑えて回転工具５１で加工することができる。これにより、高精度の加工を行うことができ、主軸１１の回転と同期させて行うポリゴン加工やギア加工などの加工も高精度に行うことができる。また、歯車機構やベルト機構を使用しないことから回転工具装置５０をコンパクトにでき、工作機械１もコンパクトにすることができる。これにより、精度の高いワークの加工を実現することができる。

なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。以下に、変形の一例を説明する。

（変形例）
上記実施形態においては、工作機械１は、主軸１１により保持されたワークを回転工具装置５０の回転工具５１で加工するように構成したが、主軸１１に加えて主軸１１と対向して第２主軸を設けるようにしても良い。これにより、主軸１１によりワークの前面を加工するのに加えて第２主軸にワークを受け渡すことによりワークの背面を回転工具装置５０で加工することができる。

上記実施形態においては、工作機械１は、ガイドブッシュ装置８０を設けて主軸１１の移動に伴いワークの保持及び移動を補助するようにしたが、主軸１１が移動せずワークを支持する必要がない場合には、ガイドブッシュ装置８０に代えてガイドブッシュレス用カバーを備えてもよい。ガイドブッシュレス用カバーは、固定台４１の空洞部４１ａに配置され、ワークとは接触しないように設けられる。
このように、工作機械１にガイドブッシュレス用カバーが設けられた場合であっても、上記実施形態と同様に回転工具装置５０で加工が行われ、同様の作用効果を奏することができる。

上記実施形態においては、工作機械１は、回転工具装置５０とともに工具ユニット３１，３２を含む工具機構３０を備えていたが、工具機構３０に代えて、又は工具機構３０とともに、工具ユニットの一例であるタレット装置を備えていてもよい。回転軸回りに回転するタレットに複数の工具を交換可能に設け、タレットを回転して複数の工具を選択して加工する。このように、工作機械１にタレット装置が設けられた場合であっても、上記実施形態と同様に回転工具装置５０で加工が行われ、同様の作用効果を奏することができる。

上記実施形態における工作機械１は、少なくとも回転工具装置５０を備えれば良く、工具機構３０の一方または両方を省略してもよい。

上記実施形態において、工作機械１を作業者が操作部から行っている作業の少なくとも一部は、作業者の代わりに、制御部９０による制御のもと作業ロボットが行ってもよい。

１…工作機械、１０…主軸ユニット、１１…主軸、１２…主軸台、１２ａ…ナット、２０…Ｚ軸移動機構、２１…レール、２１ａ…ボールねじ、２１ｂ…Ｚ軸用モータ、３０…工具機構、３１，３２…工具ユニット、３１ａ，３２ａ…工具、３１ｂ、３２ｂ…刃物台、３３…Ｘ軸移動機構、３４…Ｙ軸移動機構、４１…固定台、４１ａ…空洞部、５０…回転工具装置、５１…回転工具、５２…工具保持部、５３…スピンドル軸、５３ａ…先端、５３ｂ…基端、５４…回転工具用モータ、５４ａ…モータ出力軸、５４ｂ…連結用カップリング、５５…筐体、５５ａ…軸受、８０…ガイドブッシュ装置、９０…制御部、Ａ…主軸の中心軸（ワークの軸線）、Ｓ…ベッド

Claims (3)

1. 主軸により保持されたワークを加工する回転工具を保持する工具保持部と、
   先端に前記工具保持部が装着可能に形成されるスピンドル軸と、
   前記スピンドル軸の基端に出力軸が直接的に連結され、前記スピンドル軸を前記工具保持部とともに軸回転させるモータと、
   前記モータを支持し、複数の前記スピンドル軸が互いに平行をなすように並べられた状態で収容され、軸回転可能に前記スピンドル軸を収容する１つの筐体と、を備え、
   前記モータは、複数とされ、複数の前記スピンドル軸の各々に前記回転工具に応じた仕様で設けられ、
   前記回転工具の刃先は、前記主軸により保持された前記ワークの軸方向と前記回転工具の複数軸方向との相対移動により、前記ワークに接触させて加工する、
   回転工具装置。
2. 加工する前記回転工具以外の前記モータは停止される、
   請求項１に記載の回転工具装置。
3. 請求項１または２に記載の回転工具装置と、
   前記ワークを軸回転可能に保持する前記主軸と、を備える、
   工作機械。

Images