JP5345592B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械に関する。

マシニングセンタの主軸装置に設けられた工具ホルダのクランプ機構において、工具交換時のアンクランプ動作に油圧を利用した従来技術の一例として特許文献１が挙げられる。同文献の図２には、主軸装置の内部に、ピストンを挟んで前部油室と後部油室とが形成される油圧シリンダを設け、油圧ポンプから各油室への圧油の供給を、電磁弁を用いて切り替えることでクランプ機構を作動させる技術が記載されている。

特許文献１の技術は、油圧の駆動源として油圧ポンプを用いており、この油圧ポンプを回転させるモータも要することから、油圧ユニット自体のコストが嵩むことは勿論、これらの油圧ユニットはマシニングセンタのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸動作から独立して設けられるため、工具交換時に主軸装置をマガジン寄りで移動停止させる動作とクランプ機構の動作との同期制御が困難になりやすいという問題がある。

そこで、本発明者らは、特許文献２に示すような工作機械を案出した。特許文献２の工作機械は、油圧により工具ホルダをアンクランプするクランプ機構と、主軸装置の移動動作に連動して油圧を発生する油圧発生手段とを備えている。このような工作機械によれば、油圧の駆動源としても油圧ポンプを別途に設ける必要がないので、装置の複雑化およびコストアップを抑制することができる。

特開２００２−６６８１４号公報 特開２０１０−１３１７２４号公報

しかしながら、特許文献２の工作機械においても、油圧を用いて工具ホルダをアンクランプしているので、油圧発生手段などの種々の装置を必要とする上に、油圧発生手段の調整が必要となるといった問題があった。

本発明はこのような課題を解決するために創作されたものであり、油圧を用いることなく単純な構成で、工具ホルダのクランプ動作を主軸の移動に連動してタイミング良く行うことができる工作機械を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、工具交換位置と加工位置との間を移動可能な主軸装置を有する工作機械であって、前記主軸装置は、工具ホルダをクランプするクランプ機構と、このクランプ機構を作動させるカムプレートと、このカムプレートに接続された戻し手段とを備え、前記主軸装置の前記工具交換位置への移動動作に連動して前記カムプレートを固定当接面に当接させて傾動させることで、ドローバーを押圧して前記クランプ機構をアンクランプ状態とするように構成されており、前記カムプレートの一端部には、ローラが設けられ、前記ローラは、前記クランプ機構のドローバーに固定された可動部材に形成された溝部に収容され、前記ドローバーの移動方向両側に位置する前記溝部の両壁面に当接し、前記戻し手段は、前記主軸装置が前記工具交換位置から離れたときに前記クランプ機構がクランプ状態となるように前記クランプ機構および前記カムプレートを原位置に戻すことを特徴とする。

このような構成によれば、カムプレートを固定当接面に当接させて傾動させることで、クランプ機構を作動させているので、油圧を用いることなく単純なメカ式の機構で工具ホルダのクランプ動作を行うことができるとともに、主軸装置の移動とクランプ機構の作動をタイミング良く行うことができる。さらに、戻し手段によって、カムプレートを原位置に戻すことができるので、ドローバーのバネを従来のバネ力のままで使用することができる。すなわち、戻し手段を設けなければ、ドローバーの移動によってカムプレートを傾動させることになるので、ドローバーの移動に大きな力を必要とするが、戻し手段でカムプレートを直接原位置に戻すことによって、小さい力で済む。

また、本発明は、前記固定当接面の一部が、前記カムプレートの傾動によって先端部が移動する移動方向に向かうに連れて前記カムプレートから離間する離間方向に向かうように傾斜して構成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、カムプレートの先端部が固定当接面に当接しながら摺動する際に、傾斜によってカムプレートと固定当接面との摩擦抵抗が小さくなるので、円滑に摺動させることができ、騒音の低減が図れる。

さらに、本発明は、前記カムプレートが、ピンを中心に長尺の第一アーム部と短尺の第二アーム部とを備えてＬ字形状に構成され、前記戻し手段は、前記第一アーム部に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、油圧を用いることなく単純な構成で、工具ホルダのクランプ動作を主軸の移動に連動してタイミング良く行うことができるといった優れた効果を発揮する。

本発明の実施形態に係る工作機械の主軸装置を示した図であって、（ａ）はクランプ状態を示した一部破断側面図、（ｂ）はアンクランプ状態を示した一部破断側面図である。 アンクランプ動作開始位置における本発明の実施形態に係る工作機械の主軸装置と固定当接面と工具マガジンとの関係を示した側面図である。 アンクランプ動作完了位置における本発明の実施形態に係る工作機械の主軸装置と固定当接面と工具マガジンとの関係を示した側面図である。

本実施形態では、横形のマシニングセンタに本発明を適用した場合を例に挙げて説明する。図２に示すように、マシニングセンタ１は、側面視コ字形状を呈した機台フレーム２を有し、この機台フレーム２の上下のフレーム間にわたりモータＭ１を回転駆動源とするボールねじシャフト３が鉛直状に設けられている。ボールねじシャフト３には、ナット４の送りねじ作用によって上下に昇降するＹ軸サドル５が取り付けられている。Ｙ軸サドル５は、図示しない規制部材によって回転が規制される。

Ｙ軸サドル５に設けた取付台８にはガイドレール９を介してＺ軸方向（主軸装置１０の軸方向）に移動する主軸装置１０が載置されている。なお、主軸装置１０をＺ軸方向に移動させる駆動装置は、取付台８上に設けられたモータＭ２と、このモータＭ２を回転駆動源とするボールねじシャフト６とで構成されている。ボールねじシャフト６は、Ｚ軸方向に延在して設けられている。主軸装置１０の上方には、工具ホルダ１１付きの状態で工具Ｔを格納するマガジン１２が位置しており、マガジン１２に近い位置に設定された工具交換位置Ｐ_１（図３参照）において、図示しないＡＴＣ（自動工具交換装置）により主軸装置１０とマガジン１２との間で工具Ｔの自動交換が行われる。なお、以下の説明において、主軸装置１０の工具ホルダ１１が挿入される先端側（図１乃至図３中、左側）を「前側」とし、その逆側となる基端側（図１乃至図３中、右側）を「後側」とする。

図１乃至図３に示すように、主軸装置１０の内部には図示しない軸受により主軸１３（一部図示せず）が回転可能に保持されている。主軸１３の内部には皿ばね等の付勢部材１４によって後側へ常時付勢されたドローバー１５が挿通されており、このドローバー１５の先端にはプルスタッド１１ａを介して工具ホルダ１１を引き込むコレットチャック１６が組み付けられている。

付勢部材１４の付勢力によってドローバー１５が後退すると、コレットチャック１６の先端部が主軸１３の内周面に押圧されて縮径し、プルスタッド１１ａに係止することで工具ホルダ１１を引き込み、主軸１３と工具ホルダ１１の各シャンク面同士を密着させるクランプ状態となる（図１の（ａ）参照）。そして、付勢部材１４の付勢力に抗してドローバー１５が後記するカムプレート３０の傾動によって押圧されて前進すると、コレットチャック１６の先端部が主軸１３の内周面から解放されて拡径し、プルスタッド１１ａの係止状態を解いたアンクランプ状態となる（図１の（ｂ）参照）。以上の付勢部材１４、ドローバー１５およびコレットチャック１６が、工具ホルダ１１をクランプするクランプ機構１７を構成する。

本発明は、主軸装置１０が、クランプ機構１７と、このクランプ機構１７を作動させるカムプレート３０とを備えており、主軸装置１０の工具交換位置Ｐ_１（図３参照）への移動動作に連動してカムプレート３０を固定当接面４１（図２，３参照）に当接させて傾動させることで、ドローバー１５を押圧して、クランプ機構１７をアンクランプ状態とするように構成されたことを主な特徴とする。

図１および図２に示すように、カムプレート３０は、第一アーム部３４と第二アーム部３５とを備えて構成されている。第一アーム部３４は、固定側部材１８との接続部分３３（ピン３２の位置）から固定当接面４１側に延出している。第二アーム部３５は、ドローバー１５に固定された可動部材１９側に延出している。第二アーム部３５は、第一アーム部３４に対して直交して形成されており、カムプレート３０が、側方から見て略直角に屈曲したＬ字形状を呈している。カムプレート３０は、Ｌ字の付根部分が、ピン３２を介して主軸装置１０の固定側部材１８に傾動可能に接続されている。固定側部材１８は、主軸装置１０の本体部に固定されている部分であって、主軸装置１０と一体としてＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動する。また、可動部材１９は、主軸装置１０の本体部に対して移動可能な部材であって、ドローバー１５と一体としてＺ軸方向に移動する。可動部材１９は、固定側部材１８に設けられたガイドレール２０上に、移動自在に載置されている。ガイドレール２０は、Ｚ軸方向に延在して設けられている。

クランプ機構１７がクランプ状態となるときのカムプレート３０の位置（以下「原位置」という）に、カムプレート３０が位置する状態で、第一アーム部３４は、接続部分３３から、上部後方に延出するようになっている。第一アーム部３４の先端部は、上方に屈曲した先端屈曲部３４ａとなっている。先端屈曲部３４ａは、第一アーム部３４の本体部分に対して傾斜している。第一アーム部３４の先端部には、ローラ３６が設けられており、固定当接面４１に対して移動しやすくなっている。

第二アーム部３５は、第一アーム部３４と比較して短く形成されており、第一アーム部３４にかかる押圧力を、増大させて可動部材１９に伝達する。第二アーム部３５の先端部には、ローラ３７が設けられている。このローラ３７は、可動部材１９に形成された溝部２１に収容されており、カムプレート３０が傾動すると、ローラ３７が溝部２１の壁面を押圧して、可動部材１９を移動させる。

カムプレート３０は、ピン３２を中心に傾動することで、Ｙ軸方向の押圧力（主軸装置１０が工具交換待機位置Ｐ_０から工具交換位置Ｐ_１に向かってＹ軸方向に上昇するときの駆動力）を、Ｚ軸方向に変換する。これによって、可動部材１９およびドローバー１５をＺ軸方向に移動させることができる。

カムプレート３０には、主軸装置１０が工具交換位置Ｐ_１（図３参照）から離れたとき（カムプレート３０が固定当接面４１から離れたとき）にカムプレート３０を原位置に戻す戻し手段５０が設けられている。戻し手段５０は、スプリング部材５１にて構成されている。スプリング部材５１は、第一アーム部３４に設けられたブラケット５３と、主軸装置１０の固定側部材１８に設けられたブラケット５４とに架け渡されており、両端部が各ブラケット５３，５４にそれぞれ固定されている。スプリング部材５１は、バネ５２が圧縮した状態で構成されており、常にカムプレート３０を上方に付勢している。主軸装置１０の固定側部材１８には、カムプレート３０を原位置に固定するための位置決めストッパ（図示せず）が第一アーム部３４を上方から押さえるように設けられている。スプリング部材５１によって、第一アーム部３４が位置決めストッパに押し付けられるので、カムプレート３０を原位置に戻すことができる。

固定当接面４１は、主軸装置１０の上方に配置された固定台４０の下面にて構成されている。固定台４０は、マシニングセンタ１の固定側に取り付けられており移動しない。固定当接面４１の一部は、カムプレート３０の傾動によって先端部が移動する移動方向に向かうに連れて、カムプレート３０から離間する離間方向に向かうように傾斜して構成されている。具体的には、「カムプレート３０の傾動によって先端部が移動する移動方向」とは、「Ｚ軸方向後方」をいい、「カムプレートから離間する離間方向」とは「Ｙ軸方向上方」をいう。つまり、傾斜面４３は図２中、右斜め上に向かって傾斜している。固定当接面４１の傾斜している範囲（一部の範囲）は、原位置でのカムプレート３０の先端が当接する部分のＺ軸座標から、主軸装置１０が上昇してカムプレート３０が傾動して水平になったときのカムプレート３０の先端が当接する部分のＺ軸座標までである。傾斜面４３の角度は、第一アーム部３４の先端屈曲部３４ａと平行になるように設定されている。また、傾斜面４３の長さと、第一アーム部３４の先端屈曲部の長さは、同等の長さになっている。なお、固定当接面４１の傾斜面４３を除いた他の部分はＺ軸と平行になっている。

次に、以上のような構成のマシニングセンタ１で、工具の交換を行う際の各部の動きを説明する。工具の交換を行うに際しては、まず、図２に示すように、主軸装置１０を加工位置から工具交換待機位置Ｐ_０に移動させる。なお、工具交換待機位置Ｐ_０よりも下方は、加工位置となる。このとき、カムプレート３０は原位置に位置しており、クランプ機構１７はクランプ状態となっている。そして、工具交換待機位置Ｐ_０においては、カムプレート３０の先端部のローラ３６は、固定当接面４１に当接している。

ここで、工具ホルダ１１を挟むマガジン１２の把持部材２５は、工具交換待機位置Ｐ_０の高さまで延在しているので、主軸装置１０を工具交換待機位置Ｐ_０に移動させた時点で、工具ホルダ１１が把持部材２５内に挿入される。これによって、工具ホルダ１１の軸方向への移動が規制されるので、後の動作で工具ホルダ１１がアンクランプ状態になっても、把持部材２５で確実に把持することができる。

その後、主軸装置１０を工具交換位置Ｐ_１まで移動させる。このとき、カムプレート３０が固定当接面４１に押し付けられながら上昇するので、ピン３２を中心にして、第一アーム部３４が水平になる方向に傾動する。これによって、第二アーム部３５が、傾動しながら前方の工具マガジン側（図１、図２中、左側）へ移動するので、可動部材１９およびドローバー１５がＺ軸方向の工具マガジン側に移動する。この動作によって、コレットチャック１６の先端部が主軸１３の内周面から解放されて拡径し、プルスタッド１１ａの係止状態を解いたアンクランプ状態となる。

このように、主軸装置１０のＹ軸ストロークの上昇移動動作に連動して、カムプレート３０を固定当接面４１に当接させて傾動させているので、油圧を用いることなく単純なメカ式の機構で、クランプ機構１７を作動させて工具ホルダ１１のクランプ動作を行うことができる。さらには、主軸装置１０の上昇高さに対応してドローバー１５の移動量が決まるので、クランプ機構１７の作動をタイミング良く行うことができる。

さらには、本実施形態では、固定当接面４１の一部が上方に向かって傾斜しているので、カムプレート３０が固定当接面４１に当接しながら上昇する際に、カムプレート３０の押圧力を逃がすことができるとともに、カムプレート３０の先端は、傾斜面４３から離れる方向に移動するようになる。これによって、カムプレート３０と固定当接面４１との摩擦係数が軽減され、カムプレート３０の先端が固定当接面４１に円滑に摺動できるので、騒音を抑制できるとともに、カムプレート３０および固定当接面４１の磨耗を抑制することができる。

その後、図３に示すように、主軸装置１０をＺ軸方向後方に移動させ、主軸１３から工具ホルダ１１を抜き去る。そして、マガジン１２を回転させて別途の工具ホルダ１１を取付位置に移動させて、前記した動作と逆の動作を行って、工具ホルダ１１をクランプする。このとき、カムプレート３０は、戻し手段５０によって原位置に戻すことができる。したがって、ドローバー１５の付勢部材１４を従来のバネ力のままで使用することができる。すなわち、戻し手段５０を設けなければ、ドローバー１５の移動によってカムプレート３０を傾動させることになるが、てこの原理でカムプレート３０を原位置に戻すのに大きな力が必要となる。しかし、本実施形態のように、戻し手段５０をカムプレート３０の第一アーム部３４に接続して直接原位置に戻すようにしたことによって、小さい力で済む。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能であるのは勿論である。例えば、カムプレート３０の形状はＬ字状に限定されるものではなく、傾動中心となる支点と、固定当接面４１に当接する力点と、可動部材１９に当接する作用点を備えていれば、他の形状であってもよい。

また、本発明は、ＡＴＣにより主軸装置とマガジンとの間で工具の自動交換を行う機種に限定されることはなく、主軸装置が工具交換位置に達した後に手動で工具ホルダを外す機種の工作機械においても適用可能である。

１０ 主軸装置
１１ 工具ホルダ
１５ ドローバー
１７ クランプ機構
３０ カムプレート
４１ 固定当接面
４３ 傾斜面

Claims (3)

1. 工具交換位置と加工位置との間を移動可能な主軸装置を有する工作機械であって、
   前記主軸装置は、工具ホルダをクランプするクランプ機構と、このクランプ機構を作動させるカムプレートと、このカムプレートに接続された戻し手段とを備え、
   前記主軸装置の前記工具交換位置への移動動作に連動して前記カムプレートを固定当接面に当接させて傾動させることで、ドローバーを押圧して前記クランプ機構をアンクランプ状態とするように構成されており、
   前記カムプレートの一端部には、ローラが設けられ、
   前記ローラは、前記クランプ機構のドローバーに固定された可動部材に形成された溝部に収容され、前記ドローバーの移動方向両側に位置する前記溝部の両壁面に当接し、
   前記戻し手段は、前記主軸装置が前記工具交換位置から離れたときに前記クランプ機構がクランプ状態となるように前記クランプ機構および前記カムプレートを原位置に戻す
   ことを特徴とする工作機械。
2. 前記固定当接面の一部は、前記カムプレートの傾動によって先端部が移動する移動方向に向かうに連れて前記カムプレートから離間する離間方向に向かうように傾斜して構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記カムプレートは、ピンを中心に長尺の第一アーム部と短尺の第二アーム部とを備えてＬ字形状に構成され、
   前記戻し手段は、前記第一アーム部に接続されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の工作機械。

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