JP6823900B2

JP6823900B2 - ５軸制御工作機械

Info

Publication number: JP6823900B2
Application number: JP2016063221A
Authority: JP
Inventors: 浩之木場
Original assignee: MITSUISEIKI KOGYO KABUSHIKI KAISHA
Current assignee: MITSUISEIKI KOGYO KABUSHIKI KAISHA
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: JP2017177230A

Description

本発明は、５軸制御工作機械に関し、例えば、ブレード加工に利用される５軸制御工作機械に関する。

いわゆる５軸制御により、主軸に装着した工具により加工対象物（以下、「ワーク」と称する）に対して切削加工を行うマシニングセンタ等の工作機械が普及している。ここで、５軸というのは、工具のワークに対する、３次元空間の互いに直交する方向の移動を規定する直進移動軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の３軸と、工具に対する、ワーク自体の回転とワークの旋回を規定する回転中心軸（Ａ，Ｃ）の２軸である。このような５軸に関して動作制御することにより、湾曲面を有するような部品でも加工できるようにしている。かかる工作機械を開示したものとして、例えば、特許文献１及び２がある。なお、工具とワークとの間の旋回動作で、物理的に工具側を旋回させる構成のものもある。

また、作業空間を有効に利用して加工作業工程の効率を高めることができる５軸制御工作機械も本出願人により提案されている（特許文献３参照）。

特開２００３−２６６２７５号公報特開２００７−２１９９５１号公報特開２０１４−０９４４２５号公報

上述した特許文献１及び２記載の標準５軸制御工作機械では、例えば航空機エンジンのブレード形状のような複雑に湾曲する特殊な部品の加工速度を短縮することが困難であり、また、多種類のワークの加工に対応するために機械構成も複雑・大型化を免れず、省スペース化が困難であった。これに対して、上述した特許文献３記載の５軸制御工作機械では、省スペース化と加工作業工程の効率化が可能であるが、汎用的な加工のみならず、加工速度やトルク・剛性等の面から多種類のワークの加工にも有効に対応可能な工作機械で、更なる省スペース化や製品加工のリードタイム短縮に貢献できる工作機械の開発が待たれている。

本発明は上述のような事情から為されたものであり、その目的は、汎用的な加工のみならず、加工速度やトルク・剛性等の面から多種類のワークの加工にも有効に対応できる上に、更なる省スペース化や製品加工のリードタイム短縮が可能な５軸制御工作機械を提供することにある。また、本発明の他の目的は、ブレード加工機として優れた性能を有する５軸制御工作機械を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の５軸制御工作機械は、加工領域部と応用領域部を備え、前記加工領域部は、第一回転動作軸についてワークを回転させると共に、その第一回転動作軸に直交する第二回転動作軸についてベッド部に対して回転するテーブルにより前記ワークを回転させつつ、また、その１つが前記第二回転動作軸と同方向の互いに直交する第一、第二、及び第三直進動作軸について工具を前記ベッド部に対して三次元的に移動させつつ、前記工具により前記ワークを加工する５軸制御工作機械であって、前記第二回転動作軸について回転可能なように、その軸方向の一端が、前記ベッド部に枢支される回転体と、前記回転体の前記第一回転動作軸方向の両端にあって、前記ワークを、前記第一回転動作軸について回転可能なように前記第一回転動作軸方向から挟持する一対の挟持部材とを備え、前記応用領域部は、前記工具をドレッシングするためのドレス装置と、前記工具によるワークの加工点へクーラントを供給するためのタンクシステムと、工具自動交換装置を備え、前記一対の挟持部材は、一方側に前記ワークを把持する第１のチャック及びその第１のチャックを回転駆動させる第１の駆動体と、他方側に前記ワークを把持する第２のチャック及びその第２のチャックを回転駆動させる第２の駆動体を含み、前記第１及び第２のチャックにより両側から前記ワークを把持すると共に、前記第１及び第２の駆動体により両側から前記ワークを前記第１及び第２のチャックを介して回転させるものであり、更に、前記加工領域部の両側は、それぞれ固定壁が立設され、また、後方側は可動壁が開閉可能に立設されることで、周囲３方向が壁体により囲われており、前記テーブルは、前記第二回転動作軸について３６０度以上回転可能であることを特徴とする。

前記後方側の可動壁は、前記工具自動交換装置による工具交換のタイミングに合わせて開閉可能に構成されているようにしても良い。また、前記固定壁の円形穴を介して前記テーブルが更にもう１個設けられていることで、前記テーブルは前記加工領域部に２個設けられているようにしても良い。また、本発明の上記好適な５軸制御工作機械は、ブレード製品の加工及びカム溝の加工に用いることが可能である。

本発明によれば、汎用的な加工のみならず、加工速度やトルク・剛性等の面から多種類のワークの加工にも有効に対応できる上に、更なる省スペース化や製品加工のリードタイム短縮が可能になる。また、ブレード加工機として優れた性能を有する５軸制御工作機械を提供することができる。

出願人の先願に係る５軸制御工作機械の平面図である。出願人の先願に係る５軸制御工作機械の正面図である。出願人の先願に係る５軸制御工作機械の側面図である。出願人の先願に係る５軸制御工作機械におけるＡ軸及びＣ軸動作に係る構造体の詳細を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る５軸制御工作機械のレイアウト構成を示す平面図である。本発明の第１の実施形態に係る５軸制御工作機械におけるＡ軸及びＣ軸動作に係る構造体の拡大平面図であり、片側テールストック仕様を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る５軸制御工作機械における加工領域部を中心とした斜視図であり、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体のタンデム仕様を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る５軸制御工作機械における主軸とワークの動作上の相対的位置関係を説明するための第１の図である。本発明の第２の実施形態に係る５軸制御工作機械における主軸とワークの動作上の相対的位置関係を説明するための第２の図である。本発明の第２の実施形態に係る５軸制御工作機械によるブレード加工の優位性を説明するための図である。

まず、本発明の理解を容易にするため、図１乃至図４を参照して、本出願人の先願である特願２０１２−２４７０７５号に記載の５軸制御工作機械について簡単に述べる。図１はその５軸制御工作機械の平面図、図２はその５軸制御工作機械の正面図、図３はその５軸制御工作機械の側面図、図４はその５軸制御工作機械におけるＡ軸及びＣ軸動作に係る構造体の詳細を示す斜視図である。この図１乃至図４に示す５軸制御工作機械１００は、基礎であるベッド２０と、そのベッド２０に対してＹ軸方向に摺動可能なＹ軸移動体（コラム）３０と、そのＹ軸移動体３０に対してＸ軸方向に摺動可能なＸ軸移動体４０と、そのＸ軸移動体４０に対してＺ軸方向に摺動可能なＺ軸移動体５０とを備えている。また、Ｚ軸移動体５０の下部には、Ｚ軸と同方向の軸を有する主軸５１が設けられ、その主軸５１の下端に、工具が取り付け可能となっている。主軸５１に取り付けられた工具は、その主軸５１に内蔵された主軸モータ（図示せず）により主軸周りに回転可能となる。ここで、Ｙ軸移動体３０、Ｘ軸移動体４０、及びＺ軸移動体５０は、それぞれ、Ｙ軸駆動モータ３１、Ｘ軸駆動モータ（図示せず）、及びＺ軸駆動モータ（図示せず）により駆動されて、それぞれの軸方向に移動する。以上の構造により、主軸モータにより回転状態にある工具が、ベッド２０に対して３次元的に相対移動が可能となり、この動作により、後述するワークＷに対する３次元的な接近／離反動作を実現している。

次に、図４をも参照することにより、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体４００について説明する。図４は、その詳細構造を示す図である。そこで、Ａ軸は、図１及び図２に示すように、Ｘ軸に平行な軸であり、Ｃ軸は、図１に示すように、Ａ軸に対して直交する軸であると共に、後に詳述するように、Ａ軸回転に伴ってＹ軸とＺ軸で画定される平面内を回動可能な軸である。そこで、図１及び図２に示すように、ベッド２０内の加工動作可能領域ＭＳの左側壁に、略四角柱縦長形状であり、その中央部がＡ軸周りに回転可能に枢支されたＡ軸回転体１１が備わっている。Ａ軸回転体１１は、Ａ軸回転駆動モータ１５により回転駆動される。また、Ａ軸回転体１１の一端には、Ｃ軸回転駆動体１２が備わっており、その他端には、油圧駆動される心押し台１３が備わっている。また、Ｃ軸回転駆動体１２には、ワークＷを把持可能なものであって、そのＣ軸回転駆動体１２によりＣ軸周りに回転駆動されるチャック１４が取り付けられている。動作としては、ワークＷの一端をチャック１４で把持し、その他端を心押し台１３で支持した状態で、Ｃ軸回転駆動体１２によりチャック１４を回転させると、ワークＷがＣ軸周りに回転することになる。従って、チャック１４がＣ軸回転し、かつ、Ａ軸回転体１１Ａ軸回転駆動モータ１５によりＡ軸について回転すると、ワークＷは、Ｃ軸について自転しつつ、Ａ軸について回転するような動作となる。このワークＷの、Ｃ軸及びＡ軸に関する回転によるベッド２０に対する相対動作と、工具のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に関する移動によるベッド２０に対する相対動作により、工具によるワークＷへの５軸制御加工が実現できる。なお、図３における２点鎖線は、Ａ軸回転体１１の両端の回転軌跡を表している。このように５軸制御工作機械１００にあっては、ワークＷのベッド２０に対する相対的Ａ軸回転を実現する部材を、ワークＷについてＡ軸方向一端でベッド２０に対して枢支するように構成している。簡単に言えば、いわゆる片持ち構造としている。また、それに伴って、ワークのＣ軸回転を規定する構造としては、Ａ軸回転体１１にそれぞれ固定されたＣ軸回転駆動体１２及び心押し台１３によりワークＷを挟持する構造を採用している。また、５軸制御工作機械１００は、工具自動交換装置６０を備えており、その工具把持交換機構６１が、複数の工具から所望の工具を選択して、把持、移動し、主軸５１に取り付けると共に、加工後の工具を撤退させることが可能となっている。また、上述及び後述の機械的動作の制御は、ＮＣ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ）制御部７０により行われる。更に、５軸制御工作機械１００は、操作／表示パネル８０を備えている。

以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。図５は本発明の第１の実施形態に係る５軸制御工作機械のレイアウト構成を示す平面図、図６はそのＡ軸及びＣ軸動作に係る構造体５００の拡大平面図であり、片側テールストック仕様を示す図である。図５及び図６を参照しつつ、本発明の第１の実施形態に係る５軸制御工作機械２００のＮＣ加工部２２０の基本的構成は、図１乃至図４に示した出願人の先願に係る５軸制御工作機械１００と略同様であるので、その詳しい説明及び図示は省略する。本実施形態に係る５軸制御工作機械２００も、図６に示すように、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体５００は、片側テールストック仕様に構成されている。即ち、ワークＷのベッド２０（図３等参照）に対する相対的Ａ軸回転を実現する部材を、ワークＷについてＡ軸方向一端でベッド２０に対して枢支するように構成し、いわゆる片持ち構造としている。また、ワークのＣ軸回転を規定する構造としては、Ａ軸回転体１１にそれぞれ固定されたＣ軸回転駆動体１２及び心押し台１３によりワークＷを挟持する構造を採用している。

さて、本実施形態に係る５軸制御工作機械２００の大きな特徴は、ブレード加工機としての優位性を追求した点にある。即ち、５軸制御工作機械２００は、加工領域部としてのＮＣ加工部２２０と、応用領域部２３０を備え、図５に示すように、応用領域部２３０は、図示しないドレス装置、タンクシステム２６０等、汎用的な加工を可能にするための総合的アプリケーションとして構成されており、このため加工製品製作までのリードタイム短縮が可能なように構成されている。また、総合的アプリケーションとして省スペース化を実現し、機構的にも・制御的にも高加減速を実現した機械として構成されている。また、専用機ではなく、汎用機として製作可能であるためこの５軸制御工作機械２００の製品納期までを短くすることができ、機械トータルもより安価に製作できるというメリットがある。即ち、図５に示すように、本実施形態の５軸制御工作機械２００は、工具としての砥石等をドレッシングするための図示しないドレス装置を備えている。また、工具によるワークＷの加工点へクーラントを供給するためのタンクシステム２６０を備えている。このため、多種の機能を搭載しながらも、図５に示すように、コンパクトな平面構成になっており、等、汎用的な加工を可能にするための総合的アプリケーションとして構成されており、このため加工製品製作までのリードタイム短縮が可能である。また、本実施形態の５軸制御工作機械２００では、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体５００をコンパクトに構成しているので、加工動作可能領域ＭＳ（図１等参照）が従来と同様の容積であれば、そのコンパクト化により有意に生じた領域を有効利用でき、そのために、図５に示すように、段取り用テーブル２１６を設けている。このように、段取りテーブル２１６を並置すれば、ワークＷの加工に並行して、他のワークのチャッキング部分の加工などの前加工やその他の加工を行うことができ、より複合的な加工が可能となり、多様性が増すと共に、全加工工程の効率化・時間短縮が図れる。

次に、図７乃至図１０を参照して、本発明の第２の実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係る５軸制御工作機械３００のＮＣ加工部３２０では、図示しないワークのベッド２０に対する相対的Ａ軸回転を実現する部材を、ワークについてＡ軸方向一端でベッド２０に対して枢支するように構成し、いわゆる片持ち構造としているのは、図１乃至図４に示した出願人の先願に係る５軸制御工作機械１００と同様であるが、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体６００は、出願人の先願に係る５軸制御工作機械１００及び上述した第１の実施形態と異なり、タンデム仕様に構成されている。即ち、ワークのＣ軸回転を規定する構造としては、Ａ軸回転体１１の両端側にそれぞれ固定されたＣ軸回転駆動体１２Ａ及び１２Ｂによりワークを挟持する構造、従って、Ｃ軸回転駆動体１２Ａ及び１２Ｂによる、いわゆるタンデム駆動の構成を採用している。即ち、本実施形態に係る５軸制御工作機械３００の大きな特徴は、タンデム駆動の優位性を追求した点にあり、これにより、トルクの増強と支持剛性の強化、ひいては回転スピードの向上が図られている。尚、図７に示すように、段取り用テーブル２１６を設けているのは、上述した第１の実施形態と同様である。

また、図７に示すように、この第２の実施形態に係る５軸制御工作機械３００では、ＮＣ加工部３２０のうち加工動作可能領域ＭＳ（図１等参照）の周囲３方向が壁体により囲われている。即ち、５軸制御工作機械３００では、加工動作可能領域ＭＳの両側は、それぞれ固定壁３０２、３０４が立設され、また、後方側は可動壁３０６が開閉可能に立設されることで、周囲３方向が壁体により囲われている。これにより、加工による金属加工粉やクーラントが飛散してしまうのを防止している。尚、後方側の可動壁３０６は、工具自動交換装置６０（図５等参照）による工具交換のタイミング等に合わせて開閉可能に構成されている。また、図７に示す例では、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体６００は、加工動作可能領域ＭＳに１個のみ設けられているが、固定壁３０４の円形穴３０４Ｈを介して、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体６００をもう一対設ける変形例も可能である。かかる変形例によれば、２つのワークを並行で加工する、いわゆるタンデム加工（タンデム駆動＋タンデム加工）を実現できる。

次に、図８及び図９を参照して、主軸５１とワークＷ（図示せず、後述する図１０参照）の動作上の相対的位置関係について説明する。図８（ａ）は、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体６００の部分の部分正面図であり、当該構造体６００に対する主軸５１のＸ軸及びＺ軸に係る相対移動のストロークを示している。また、図８（ｂ）は、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体６００の部分の部分平面図である。また、図８（ｃ）及び図９（ａ）〜（ｄ）は、同様に、Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体６００の部分の部分側面図であり、当該構造体６００に対する主軸５１のＹ軸に係る相対移動と、当該構造体６００のＡ軸回転動作の関係を示している。詳細には、図８（ｃ）及び図９（ａ）は、Ｃ軸の方向とＹ軸の方向が一致している場合（このとき、例えば、Ａ軸の回転を０度とする）を示しており、そのときの主軸５１のＹ軸方向の移動（ワークＷに対する長手方向の移動）のストロークを示している。なお、図８（ｃ）では円形の一点鎖線、図９（ａ）〜（ｄ）では円形の二点鎖線は、それぞれＡ軸回転体１１の両端の回転軌跡を表している。また、図９（ｂ）は、同様に、主軸５１のＹ軸方向の移動のストロークを示すものであり、特に、構造体６００がＡ軸について−４５度回転し、つまり、Ｃ軸がＹ軸に対して−４５度傾いている状態を示している。また、図８（ｃ）は、同様に、主軸５１のＹ軸方向の移動のストロークを示すものであり、特に、構造体６００がＡ軸について−９０度回転し、つまり、Ｃ軸がＹ軸に対して直交している状態を示している。また、図９（ｄ）は、同様に、主軸５１のＹ軸方向の移動のストロークを示すものであり、特に、構造体６００がＡ軸について４５度回転し、つまり、Ｃ軸がＹ軸に対して４５度傾いている状態を示している。このように、主軸５１は、構造体６００がＡ軸に関して回転しても、そのＣ軸回転駆動体１２等と干渉しないように移動動作する。

本発明の第２の実施形態に係る５軸制御工作機械３００は、ブレード加工機としての優位性を追求した点にある。ここで、本実施形態に係る５軸制御工作機械３００と比較例としての標準５軸機によるブレード製品の加工について説明しておく。図１０（ａ）（ｂ）は、比較例１、２の標準５軸機でブレード製品の加工が難しいことを説明するための図であり、（ｃ）は、本実施形態に係る５軸制御工作機械３００によるブレード製品の加工における優位性を説明するための図である。図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）では、航空機エンジンのブレードとして用いられる加工物を加工する例が示されている。尚、説明の便宜上、前述したＣ軸に相当する軸をＢ軸として説明する場合がある。即ち、固定端側が三角体にギア状の溝が加工され、そこから伸びる羽根状の回転体が滑らかに湾曲する複雑な形状の加工部品を加工する必要がある。しかしながら、図１０（ａ）に示すように、比較例１の標準５軸機では、（１）Ｂ軸テーブルにあたる回転軸のＣ軸が大きい、（２）イナーシャが大きい、（３）Ａ軸回転角度が小さい、（４）ワークＷを片側固定のみで剛性が不足する、（５）干渉が大きい、等の理由から上記ブレード製品の加工が難しいという問題がある。また、図１０（ｂ）に示すように、比較例２の標準５軸機では、（１）Ｂ軸テーブルにあたる回転軸が大きい、（２）イナーシャが大きい、（３）Ａ軸回転角度が±７５度ぐらいまでしか回転できない小さい、等の理由から、やはり上記ブレード製品の加工が難しいという問題がある。これに対して、本発明の第２の実施形態に係る５軸制御工作機械３００は、図１０（ｃ）に示すように、（１）Ａ軸及びＣ軸動作に係る構造体６００のふところが大きいので、主軸との干渉を回避可能である、（２）ワークＷを両側で固定できるので、支持剛性が強い、（３）Ｂ軸テーブルは速く回転でき（イナーシャが小さい）、回転の切替が早い（イナーシャが小さい）上に、図９（ａ）〜（ｄ）にも示したように、３６０度以上回転可能である（スピンテーブル）、等の理由から、上記ブレード製品の加工が可能且つ容易であるという画期的な利点がある。尚、上記と同様の構成上の利点を生かして、例えば、ローラギアカムのカム溝の加工も可能であることを確認している。

以上のように、本発明の５軸制御工作機械における上述の実施形態によれば、従来の標準５軸機では困難であったブレード製品の加工やカム溝の加工が可能になる上に、汎用機としてこれらの加工が可能になるという大きな利点が得られる。

本発明の５軸制御工作機械は、マシニングセンタ、特にブレード加工機として使用できる。また、カム溝の加工機としても使用できる。

１００５軸制御工作機械
１１Ａ軸回転体
１２Ｃ軸回転駆動体
１３心押し台
１４チャック
１５Ａ軸回転駆動モータ
１６段取りテーブル
２０ベッド
３０Ｙ軸移動体
４０Ｘ軸移動体
５０Ｚ軸移動体
５１主軸
６０自動工具交換装置
６１工具把持交換機構
７０ＮＣ制御部
８０操作／表示パネル
Ｗワーク
ＭＳ加工動作可能領域

Claims

加工領域部と応用領域部を備え、前記加工領域部は、第一回転動作軸についてワークを回転させると共に、その第一回転動作軸に直交する第二回転動作軸についてベッド部に対して回転するテーブルにより前記ワークを回転させつつ、また、その１つが前記第二回転動作軸と同方向の互いに直交する第一、第二、及び第三直進動作軸について工具を前記ベッド部に対して三次元的に移動させつつ、前記工具により前記ワークを加工する５軸制御工作機械であって、前記第二回転動作軸について回転可能なように、その軸方向の一端が、前記ベッド部に枢支される回転体と、前記回転体の前記第一回転動作軸方向の両端にあって、前記ワークを、前記第一回転動作軸について回転可能なように前記第一回転動作軸方向から挟持する一対の挟持部材とを備え、前記応用領域部は、前記工具をドレッシングするためのドレス装置と、前記工具によるワークの加工点へクーラントを供給するためのタンクシステムと、工具自動交換装置を備え、前記一対の挟持部材は、一方側に前記ワークを把持する第１のチャック及びその第１のチャックを回転駆動させる第１の駆動体と、他方側に前記ワークを把持する第２のチャック及びその第２のチャックを回転駆動させる第２の駆動体を含み、前記第１及び第２のチャックにより両側から前記ワークを把持すると共に、前記第１及び第２の駆動体により両側から前記ワークを前記第１及び第２のチャックを介して回転させるものであり、更に、前記加工領域部の両側は、それぞれ固定壁が立設され、また、後方側は可動壁が開閉可能に立設されることで、周囲３方向が壁体により囲われており、前記テーブルは、前記第二回転動作軸について３６０度以上回転可能であることを特徴とする５軸制御工作機械。
前記後方側の可動壁は、前記工具自動交換装置による工具交換のタイミングに合わせて開閉可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の５軸制御工作機械。
前記固定壁の円形穴を介して前記テーブルが更にもう１個設けられていることで、前記テーブルは前記加工領域部に２個設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の５軸制御工作機械。