工作機械
【課題】焼嵌め方式で工具を交換すると主軸に許容できない熱変位を与える。
【解決手段】スピンドル２は、主軸の先端に焼嵌めに適する焼嵌めホルダ８を取付固定する。工具交換装置１は、工具搬送装置１０と高周波誘導加熱装置２０とを含む。工具搬送装置１０と高周波誘導加熱装置２０は、工具を交換するときにスピンドル２まで前進する。高周波誘導加熱装置２０は、焼嵌めホルダ８まで加熱コイル２２を移動させて焼嵌めホルダ８だけを高周波誘導加熱によって高速加熱し工具を挿入後に冷却装置３０で冷却する。工具を取り付けるときは、工具を吸引すると同時に工具を解放しセンタピンで位置を規制することによって軸心に真直に保持されるようにされる。
【解決手段】スピンドル２は、主軸の先端に焼嵌めに適する焼嵌めホルダ８を取付固定する。工具交換装置１は、工具搬送装置１０と高周波誘導加熱装置２０とを含む。工具搬送装置１０と高周波誘導加熱装置２０は、工具を交換するときにスピンドル２まで前進する。高周波誘導加熱装置２０は、焼嵌めホルダ８まで加熱コイル２２を移動させて焼嵌めホルダ８だけを高周波誘導加熱によって高速加熱し工具を挿入後に冷却装置３０で冷却する。工具を取り付けるときは、工具を吸引すると同時に工具を解放しセンタピンで位置を規制することによって軸心に真直に保持されるようにされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動工具交換装置を備えた工作機械に関する。より詳しくは、主軸の先端に取付固定される焼嵌めホルダを高周波誘導加熱によって局部的に加熱し焼嵌めホルダを加熱膨張させ、工具を挿入して主軸に工具を取り付ける方式の工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動工具交換装置（ＡＴＣ）を備えた工作機械では、スピンドルヘッドが工具を自動的に着脱できる構造を有していることが要求される。一般的な工具交換システムは、予め工具が取り付けられているホルダを工具マガジンに準備しておき、工具搬送装置によって選択的にスピンドルヘッドまで搬送し、主軸にホルダを嵌入して装着するようにされている。多くの自動工具交換システムでは、主軸の先端にホルダを受け入れるテーパソケットが形成され、テーパソケットにホルダを挿嵌しドローバを作動させて固定する“プルスタッド方式”が採用されている。
【０００３】
近年、焼嵌め方式の工具取付方法の技術が進歩し焼嵌めによる工具の取付けがより容易になったことによって、焼嵌め方式の工具取付方法がより多く用いられるようになってきている。例えば、特許文献１に示されるような高周波誘導加熱による方法を利用すると、局部的にホルダを加熱することができ数秒で工具を装着可能な状態にすることができる。焼嵌め方式は、工具がホルダに精度よく強固に取り付けられるので、高速回転領域でのダイナミックバランスに優れ、プルスタッド方式に比べてスピンドルヘッドの構造がより簡単にできる利点がある。
【０００４】
しかしながら、焼嵌め方式は、焼嵌めに適する材料でなる焼嵌めホルダを加熱して工具を取り付けるので、工具を焼嵌めホルダに取り付ける時間がかかる。また、焼嵌めホルダの工具取付穴が膨張したままでは工具が焼嵌めホルダに固定されないので焼嵌めホルダを冷却する必要があり、冷却には相当の時間がかかる。そのため、自動工具交換装置を備えた工作機械で焼嵌め方式の工具取付方法を用いる場合、数多くの工具を焼嵌めホルダに取り付けて準備しておく手間と時間を要する不利な点がある。
【０００５】
特許文献２に示されるように、自動で工具を焼嵌めホルダに取り付けながら工具交換装置のマガジンに焼嵌めホルダを供給する工具交換システムが考えられている。この工具交換システムによると、作業者が工具を焼嵌めホルダに取り付ける手間をなくすとともに段取りから工具の交換までに要するトータルの時間を大幅に短縮することができる。しかしながら、主軸に焼嵌めホルダを取り付けるときの取付強度と誤差に限界があり、加工精度や高速回転性能に対する要求が高くなるにつれて、主軸に焼嵌めホルダをチャッキングする構成では十分に対応しきれなくなる。また、工具をホルダに取り付ける段取り時間をさらに短縮し作業効率を向上させることが望まれている。
【０００６】
特許文献３に示されるように、主軸に工具取付穴を形成し焼嵌めによって主軸に直接工具を取り付ける主軸装置が考えられている。この主軸装置は、焼嵌め方式で工具を主軸に直接取り付けるので、工具をホルダに取り付ける作業を不要にして段取り時間を短縮することができるとともに、主軸に強固に正確に工具を取り付けることができる。また、ホルダを不要にして構成を簡単にし、かつコストを低減することができる。また、特許文献４に示されるように、熱膨張率の低い凸状ホルダを主軸の先端に取付固定し、凸状ホルダと嵌合する予め工具を取り付けた凹状ホルダを焼嵌めによって凸状ホルダに取り付けるとともに、工具を取り付けたホルダを高速加熱および高速冷却手段を設けた工具のクランプ装置が知られている。このクランプ装置によると、加熱および冷却時間を短縮することができるとともに、主軸に強固に正確にホルダを取り付けることができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２５１５８号公報
【特許文献２】特開２００５−１１８８８８号公報
【特許文献３】特開２０００−３４３３０６号公報
【特許文献４】特許第２９１２４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
焼嵌めによって主軸に直接工具を取り付ける方式は、主軸を直接加熱するので、主軸に熱影響を大きく及ぼして無視できない変位を生じさせる。また、主軸を加工可能な状態にするまでに主軸を十分に冷却するためには相当の冷却時間を要する。しかも、繰返し主軸を加熱したり冷却したりすることによって主軸に回復不能の熱変形を生じさせ加工精度を低下させたり、スピンドルの寿命を短くするおそれがある。一方、凸状ホルダに凹状ホルダを取り付ける方式は、主軸を直接加熱しないので熱変位の影響を受けにくい利点があるが、予め工具を取り付けておくホルダが必要であるとともに、そのホルダに予め工具を取り付けておく段取り作業が要求され作業効率が上がらない不利な点がある。
【０００９】
本発明は、改良された焼嵌め方式の自動工具交換装置を備えた工作機械を提供することを目的とする。より具体的には、主軸に及ぼす熱影響がより小さく主軸が熱変位をしにくく、かつ予め工具をホルダに取り付けておく必要がない自動工具交換装置を備えた工作機械を提供する。その他の本発明によって享受できる利点は、追って詳細に説明される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、自動工具交換装置を備えた工作機械において、主軸の先端に取付固定され工具を保持する焼嵌めホルダと、焼嵌めホルダまで移動して焼嵌めホルダを高周波誘導加熱によって局部的に加熱する高周波誘導加熱装置と、を備える。
【００１１】
より具体的には、焼嵌めホルダまで移動するために高周波誘導加熱装置を鉛直方向に往復移動させる移動装置と、高周波誘導加熱装置を水平１軸方向に往復移動させる移動装置を備える。また、高周波誘導加熱装置は、焼嵌めホルダを加熱する加熱コイルと、加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源装置と、を含んでなる。
【００１２】
好ましくは、焼嵌めホルダを冷却する圧力空気を供給する冷却装置を備える。また、焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備える。また、焼嵌めホルダの工具取付穴から取り外される工具を空気によって押し出す吐出装置を備える。また、焼嵌めホルダおよび主軸を貫通して鉛直方向に進退可能に設けられ焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具のシャンク端面に軸心１点で接触して工具の突出量を規定するセンタピンを備える。
【００１３】
また、工具を保持するポットと、前記ポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置と、ポットを水平１軸方向に往復移動させる移動装置と、複数の工具を配置しておく工具ラックと、工具ラックから工具を選択的に取り出してポットに引き渡す工具引渡装置と、を含んでなる工具搬送装置を備える。さらに、上記ポットから突き出された工具の突出長を測定する測定装置を備える。そして、焼嵌め装置の工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備え、測定装置によって測定された工具の突出長に基づいて工具が所定距離を置いて焼嵌めホルダの開口に位置するようにポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置を上昇させて位置決めしてから吸引装置を作動させて工具取付穴に工具を捕捉させ、その直後にポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置を下降するように構成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、焼嵌め方式で主軸に工具を取り付けるから芯振れやガタの発生がより小さくされ、主軸を高速回転させる場合でも高い加工精度を得ることができる。そして、主軸の先端に取付固定された焼嵌めホルダを外側から加熱するので、主軸に直接熱影響を及ぼさず、主軸に与える熱変位は可能な限り小さくされる。また、高周波誘導加熱により焼嵌めホルダのみを局部的に加熱できるから、加熱時間と冷却時間が短くされ、焼嵌めホルダ以外の部位に及ぼす熱影響がより小さい。そして、予め工具をホルダに取り付けておく必要がなく、段取り作業に要する時間を短縮するとともに、焼嵌めホルダの数は可能な限り少なくされ、コストが低減される効果を奏する。
【００１５】
高周波誘導加熱装置を焼嵌めホルダまで移動するために高周波誘導加熱装置を鉛直方向に往復移動させる移動装置と高周波誘導加熱装置を水平１軸方向に移動させる移動装置を備える構成であるときは、必要以外のときは高周波誘導加熱装置、特に加熱コイルを邪魔のない位置に待避させておくことができ、工具交換時の作業性に優れる。また、高周波誘導加熱装置が焼嵌めホルダを加熱する加熱コイルと高周波電源装置を含んでなる構成であるとき、１ＭＨｚ〜３ＭＨｚの高周波電流を供給でき焼嵌めホルダのみ局部的に加熱して焼嵌めホルダを工具が挿入できる状態にできるので、数秒程度で工具を挿入可能にでき焼嵌めホルダの温度が必要以上高温にならないようにできるとともに主軸を直接加熱することがない。そのため、加熱時間が短く工具交換に要する時間を短くし、かつ主軸に与える熱影響をより小さくする効果を奏する。また、冷却時間も短縮することができ、さらに工具交換に要する時間を短縮できる効果を有する。
【００１６】
焼嵌めホルダを冷却する圧力空気を供給する冷却装置を備える場合は、焼嵌めホルダの冷却時間を十数秒程度にすることができ、工具交換に要する時間をより短くする。また、焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備える場合は、交換アームによって工具を工具取付穴の内部まで挿入する必要がなく、工具交換装置の構成と動作をより簡単にするとともにより高精度に工具を装着することができる。また、焼嵌めホルダの工具取付穴から取り外される工具を空気によって押し出す吐出装置を備える場合は、工具が汚れてホルダに引っ掛かるおそれがあるときでも工具をより確実に焼嵌めホルダから取り外すことができる。また、焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具のシャンク端面に軸心１点で接触して工具の突出量を規定するセンタピンを備える場合は、焼嵌めホルダの工具取付穴の穴縁面に工具のシャンクを当接して位置決めする必要がないので、工具に対する焼嵌めホルダの設計と製作をより容易にするとともに、工具が主軸に対して確実に真直に取り付けられる。
【００１７】
工具ラックから工具を取り出して工具を据え置いて搬送し焼嵌めホルダの工具取付穴に工具を挿入させる工具搬送装置を備える場合は、高度なロボットシステムを必要としないで簡単かつ確実に工具を搬送して焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入させることができる。したがって、工具交換装置の占有する面積が比較的小さくコンパクトで、構成が簡単、かつコストが低減される効果を奏する。
【００１８】
工具のポットからの突出長を測定して工具と焼嵌めホルダとの間を常に所定距離離した位置に配置してから工具を吸引して工具取付穴に捕捉させ、工具を離して吸引力で工具取付穴に挿入させる構成であるときは、工具の全長にばらつきがあっても工具が焼嵌めホルダに衝突したり、離れすぎて吸引できないおそれがなく、確実に工具を工具取付穴に捕捉させることができる。そして、工具が解き放された状態で吸引されるので工具が曲がることなく真っ直ぐに挿入される。その結果、工具が工具取付穴に引っ掛かったり、曲がって取り付けられるおそれがなく、より確実に取付穴に挿入される。その結果、工具交換に失敗するおそれが殆どなく、優れた作業効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１ないし図４は、本発明の好適な実施の形態を示す。図１は、自動工具交換装置を備えた工作機械の全体構成を示す。図１に示される工作機械は、同時３軸方向にエンドミルのような工具と被加工物を相対移動して被加工物を任意の形状に切削加工する切削加工機である。図１では、機体の部分を斜めに切断して内部が見える状態にされており、斜線で示される部位は切断面である。図２は、工具交換装置の詳細を示す。図３および図４は、加工ヘッドに設けられるスピンドルの構成を示す。特に、図３は、焼嵌めホルダに工具が取り付けられていない状態を示し、図４は、焼嵌めホルダに工具が取り付けられるときの状態を示す。図５は、測定装置の測定部位を示す。
【００２０】
図１に示される工作機械の本機は、自動工具交換装置１を備える。自動工具交換装置１は、図４に示される工具Ｔを交換するとき以外は、加工領域の外に待避される。工具Ｔを回転可能に保持するスピンドル２は、ビーム３の上側にＸ軸方向に移動可能に設置されたスライダ４の下面に固定される加工ヘッドに設けられる。テーブル５は、ベッド６にＹ軸方向に移動可能に設置される。被加工物をＺ軸方向に往復移動させるスライダ７は、テーブル５に固定される。
【００２１】
実施の形態の軸送り装置は、スライダ４を独立して機体の上側に配置して加工ヘッドをＸ軸方向にのみ移動可能にしているので、加工ヘッドの振動と変位が小さく主軸２Ａの回転軸心の真直性を高精度に維持する点で有利である。また、焼嵌め方式による工具取付方法では、工具Ｔと焼嵌めホルダ８の工具取付穴との間隙が殆どないので、主軸２Ａの回転軸心の真直性が高精度に維持されていることは、工具Ｔを工具取付穴に挿入するときに有利である。したがって、実施の形態の工作機械の構造にはいくつかの利点があるが、焼嵌め方式の工具交換装置を備える工作機械としても適している。
【００２２】
図２に詳しく示される自動工具交換装置１は、基本的に、工具搬送装置１０と高周波誘導加熱装置２０を備える。また、自動工具交換装置１は、焼嵌めホルダ８を冷却する圧力空気を供給する冷却装置３０を有する。冷却装置３０は、高周波誘導加熱装置２０に設けられる。また、自動工具交換装置１は、図３および図４に示されるように、焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａに挿入される工具Ｔを吸引する吸引装置４０を有する。吸引装置４０は、焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａから取り外される工具Ｔを空気によって押し出す吐出装置を兼用する。そして、自動工具交換装置１は、焼嵌めホルダ８および主軸２Ａを貫通して鉛直方向に進退可能にスピンドルに設けられるセンタピン５０を有する。センタピン５０は、図４に示されるように、焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａに挿入される工具ＴのシャンクＴＡの端面ＴＢに軸心１点で接触して工具Ｔの突出量Ｌを規定する。
【００２３】
工具搬送装置１０は、図２に示されるように、工具Ｔを保持する２つのポット１１と、ポット１１を鉛直方向（Ｚ軸方向）に往復移動させる移動装置（Ｚ軸第１キャリッジ）１Ａと、ポット１１を水平１軸方向（Ｖ軸方向）に往復移動させる移動装置１Ｂと、複数の工具を配置しておく工具ラック１２と、工具ラック１２から工具Ｔを選択的に取り出してポット１１に引き渡す工具引渡装置１３と、を含んでなる。工具引渡装置１３は、クランパ１４と、クランパ１４を鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動させる昇降装置１Ｃと水平１軸方向（Ｕ軸方向）に移動させる移動装置（Ｕ軸キャリッジ）１Ｄを含む。なお、ポット１１は、供給する工具Ｔを保持する供給ポット１１Ａと取り外した工具Ｔを保持する排出ポット１１Ｂとでなるが、ポット１１を１つにすることが可能である。ただし、２つのポット１１を設けることによって工具Ｔの取外しと工具Ｔの取付けをポット１１がスピンドル２の下側に位置している状態で連続して行なうことができるから、工具交換の時間をより短くする点で有利である。
【００２４】
なお、高周波誘導加熱装置２０は、先端がリング状に形成される加熱コイル２２と、加熱コイル２２に高周波電流を供給する発振機２４および図示しない電源部位とを含む高周波電源装置と、を含んでなる。このような構成の高周波誘導加熱装置は、１ＭＨｚ〜３ＭＨｚの高周波電流を供給することができる。焼嵌めホルダの材質と大きさに依存するが、シャンク径がφ２ｍｍ〜５ｍｍ程度の工具を取付可能な工具取付穴を有するステンレス鋼またはオーステナイト鋼の焼嵌めホルダで、１．８ＭＨｚ以上の高周波電流を供給して加熱すると、ばらつきなく工具を挿入可能に工具取付穴を確実に拡径できるが、周波数が１．２ＭＨｚ以下の高周波電流を供給して焼嵌めホルダを加熱したときは、焼嵌めホルダが十分に熱膨張せず工具を工具取付穴に挿入できないことがあることが確認されている。
【００２５】
実施の形態で示される高周波誘導加熱装置２０と熱膨張率が高いステンレス鋼やオーステナイト鋼でなる焼嵌めホルダとによる焼嵌め方式では、焼嵌めホルダ８が局部的に加熱され他の部材よりも先に膨張して工具を取り付けることできる状態になる。その時間は数秒程度あり、したがって、他の周辺の部材に熱影響が及ぶ前に加熱を停止し工具を取り付けることができる。そのため、実施の形態の工作機械は、主軸２Ａに対して熱影響を与えにくく熱変位を小さくできる。また、加熱時間が短時間であることから、焼嵌めホルダ８の温度が必要以上に高くならず、主軸２Ａを含むスピンドル２の全体に及ぼす熱影響はさらに小さくされ、仮に熱変位が生じても実質的に問題にならない最小限の範囲内に抑えられる。同時に、冷却時間も短くできるので、工具交換に要する時間を短縮できる点で有利である。
【００２６】
自動工具交換装置１は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に往復移動させる移動装置（Ｚ軸第２キャリッジ）１Ｅと高周波誘導加熱装置１０を水平１軸方向（Ｖ軸方向）に移動させる移動装置（Ｖ軸第２キャリッジ）１Ｆを備える。各移動装置は、高周波誘導加熱装置１０を前進後退させる。各移動装置は、焼嵌めホルダ８を加熱するときは、所定の制御シーケンスに従い動作して高周波誘導加熱装置１０を移動させ、焼嵌めホルダ８を加熱する位置まで加熱コイル２２を上昇させる。また、高周波誘導加熱装置１０には、冷却装置３０が併設されており、焼嵌めホルダ８を冷却するときは、焼嵌めホルダ８を下降させて待避させた状態で焼嵌めホルダ８の近傍に位置するように冷却装置３０を上昇させる。このように、各移動装置は、焼嵌めホルダ８を加熱および冷却するとき以外は、高周波誘導加熱装置１０と冷却装置３０を作業の邪魔にならない加工領域の外に位置させておくことができる。
【００２７】
図３および図４に示されるように、実施の形態のスピンドル２は、エアスピンドルである。主軸２Ａには、主軸２Ａと一体的にタービン２Ｂが形成されている。主軸２Ａの回転時は、圧縮空気を導入口２Ｃから導入してタービン２Ｂを回転させる。焼嵌めホルダ８は、焼嵌めに適する材質でなる。一方、主軸２Ａは軽量化し得る材質であることが好ましい。また、好ましくは、焼嵌めホルダ８と主軸２Ａとの間に断熱材を設ける。焼嵌めホルダ８は、使用できなくなったときは主軸２Ａから取り外して新しい焼嵌めホルダ８と交換する。
【００２８】
ピストン２Ｄは、主軸２Ａを貫通して焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａまで達するセンタピン５０を前進後退させる。センタピン５０を下降させるときは、工具Ｔを工具取付穴８Ａに挿入して焼嵌めホルダ８Ａに固定保持させるときである。したがって、ピストン２Ｄは、工具を交換するときにポート２Ｄから圧縮空気を導入して下降される。ピストン２Ｄの下側端部に主軸２Ａ内を気密にするためのＯリングが設けられているので、ピストン２Ｃが押し下げられると、主軸２Ａのテーパ端にＯリングが圧接され主軸２Ａを停止させる。タービン２Ｂとハウジングとの間に１０μｍ程度のエアギャップが形成され実質的に摺動抵抗がないので、導入口２Ｃからの圧縮空気の供給を停止してもタービン２Ｂは慣性で回転し続ける。主軸２Ａが回転していると工具の交換ができないが、実施の形態の構成は、工具交換時にピストン２Ｄが下降しブレーキを兼用して主軸２Ａの回転を停止させることができる。
【００２９】
ピストン２Ｄが主軸２Ａに圧接するとき、主軸２Ａとピストン２Ｄを貫通する空間を気密にする。したがって、吸引装置４で上記空間内の空気を吸引している間に工具Ｔが僅かな隙間をもって工具取付穴８Ａに挿入されたとき、上記空間は徐々に気圧が低下して真空に近付き、そのために下側から把持装置で押し入れることなく工具Ｔは容易に工具取付穴８Ａに挿入される。加工中は、ポート２Ｆから圧縮空気を導入しポート２Ｅから空気を排気してピストン２Ｄを上昇させる。ピストン２Ｄが押し上げられると、センタピン５０が引き上げられるとともに主軸２Ａが回転可能な状態にされる。なお、実施の形態のスピンドル２は、ピストン２Ｄの側面にスケールを有し検出器２Ｇによって回転数を検出できるように構成される。
【００３０】
図１に示される実施の形態の工作機械は、洗浄装置９を備える。洗浄装置９は、加工領域の側方に配置される。洗浄装置９は、揮発性の洗浄液を焼嵌めホルダ８または工具Ｔに噴射する。焼嵌めホルダ８を洗浄するときは、加工ヘッドを相対移動してスピンドル２の主軸２Ａの先端に取付固定された焼嵌めホルダ８または工具Ｔを洗浄装置９の中に位置させてから、スピンドル２を作動して焼嵌めホルダ８または工具Ｔを所定の回転数で回転させた状態で洗浄液を噴射させる。焼嵌め方式の場合、焼嵌めホルダ８が５００℃程度の高温に加熱されるので、切り粉や油分が固着して工具Ｔが挿入できなくなるおそれがある。そのため、使用後の工具Ｔや焼嵌めホルダ８を洗浄しておくことによって、自動工具交換を中断しなければならない事態を回避できる。また、焼嵌めホルダ８の寿命をより長くすることができる。
【００３１】
図５に示される測定治具（ストッパ）６０を含む測定装置は、供給ポット１１Ａから突き出された工具Ｔの突出長Δを測定する。ストッパ６０の位置と焼嵌めホルダ８の先端位置とは同じ高さに設定されている。測定装置は、ストッパ６０と工具Ｔとの接触を検出する図示しない検出装置と、ポット１１をＺ軸方向に往復移動させるＺ軸第１キャリッジ１Ａの位置を検出する位置検出装置を含む。工具Ｔの突出長Δを測定するときは、Ｚ軸第１キャリッジ１Ａを移動させ、供給ポット１１Ａを上昇させることによって当接させて工具Ｔとストッパ６０との接触を検出する。工具Ｔとストッパ６０との接触が検出されたら、Ｚ軸第１キャリッジ１１Ａの移動を停止させて、そのときの位置を検出する。そして、初期位置と検出された位置との差によって突出長Δを得ることができる。
【００３２】
次に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械の工具交換時の動作について説明する。既にスピンドル２に工具９が取り付けられている状態で工具交換を行なうとき、所定の制御シーケンスに従って加工を中断させ、シャッタ１Ｇを開放する。工具交換装置１は、工具引渡装置１３を作動させ昇降装置１ＣとＵ軸キャリッジ１Ｄによってクランパ１４を移動させて、工具ラック１２から新しい工具を引き抜く。そして、新しい工具を供給ポット１１に引き渡す。なお、高度な制御システムによって交換する工具を任意に取り出せるようにすることができるが、実施の形態は、所定の順番で取り出すようにしている。
【００３３】
一方、スピンドル２では、この間にピストン２Ｂを押し下げてセンタピン５０を下降させている。また、ピストン２Ｂによって主軸の回転が停止されている。したがって、スピンドル２は、工具を交換できる状態にされている。このとき、高周波誘導加熱装置２０は、加熱コイル２２の環状部位が排出ポット１１Ｂと同軸上の位置にあるように移動されている。
【００３４】
工具を供給ポット１１に入れた後、図示しない測定機構で工具の突出長Δを測定する。具体的には、Ｚ軸第１キャリッジ１Ａを移動させて供給ポット１１を上昇させ、工具の後端部位を工具ラック１２から工具を掴むクランパ１４の横に設けられているストッパ６０に当接させる。ストッパ６０と焼嵌めホルダ８との先端部位までの距離は固定であるので、ストッパ６０に当接したときのＺ軸方向の位置を検出することによって突出長Δを測定することができる。工具を引き渡して工具の突出長Δを測定した後に、クランパ１４は、初期位置に戻される。
【００３５】
工具は、大きいときでミリメートルオーダのシャンクのばらつきを有しているので、新しい工具と焼嵌めホルダ８とを常に同じ高さで近付けるようにしていると、工具を焼嵌めホルダ８に取り付けるときに焼嵌めホルダ８と工具Ｔとの位置が近付きすぎたり離れすぎたりする。工具Ｔと焼嵌めホルダ８とが離れ過ぎていると吸引すると工具を吸い上げることができず、逆に近付きすぎるとシャンクＴＡと焼嵌めホルダ８との開口部位とが衝突するおそれがある。そのため、好ましくは、工具を焼嵌めホルダ８に取り付ける工程を行なう前に、上記突出長Δを測定して、より確実に工具を焼嵌めホルダ８に取り付けることができるようにする。
【００３６】
次に、供給ポット１１に工具を入れた状態でＶ軸第１キャリッジ１Ｂを移動させ、排出ポット１１Ｂを主軸２Ａと同軸上の位置に前進させる。このとき、工具搬送装置１０の設けられている高周波誘導加熱装置２０も同時に前進する。続いて、Ｚ軸第２キャリッジ１Ｅを移動させて加熱コイル２２の環状コイル部位がホルダ８を囲繞する位置まで高周波誘導加熱装置２０を上昇させるとともに、Ｚ軸第１キャリッジ１Ａを移動させて排出ポット１１Ｂの中に焼嵌めホルダ８に嵌め込まれている使用済の工具Ｔの先端部分が入るようにする。
【００３７】
そして、高周波誘導加熱装置２０の高周波電源装置を所定時間投入して焼嵌めホルダ８を加熱する。焼嵌めホルダ８が熱膨張し工具取付穴８Ａが拡径すると、工具Ｔと工具取付穴８との間に僅かに隙間ができ、工具Ｔは自由落下して排出ポット１１Ｂに受け止められる。このとき、吸引装置（吐出装置）４０を作動させて圧縮空気を工具取付穴８に吹き出す。したがって、工具に付着した切り粉などによって工具が引っ掛かり、工具が取り外せなくなることを防止する。工具搬送装置１０は、一旦Ｚ軸第１キャリッジ１Ａを移動させて排出ポット１１Ｂを下降しておく。また、Ｚ軸第２キャリッジ１Ｅを移動させ加熱コイル２２の環状部位が焼嵌めホルダ８から抜けるまで高周波誘導加熱装置２０を下降させる。引き続き、Ｖ軸第１キャリッジ１Ｂを移動させて供給ポット１１Ａが焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａと同軸上に位置するまで前進させる。
【００３８】
次に、Ｚ軸第１キャリッジ１Ｂを上昇させて供給ポット１１Ａを焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａの直下に移動させる。このとき、測定装置によって測定された工具の突出長Δに基づいて工具が所定距離を置いて焼嵌めホルダ８の開口に位置するように供給ポット１１Ａを位置決めする。その後、吸引装置４０を作動させてシャンクＴＡを捕捉させる。なお、実施の形態における上記所定距離（焼嵌めホルダとシャンク端部との隙間）は、具体的には、０．１〜０．２ｍｍの特定の値に設定されている。工具取付穴８Ａに工具ＴのシャンクＴＡが入るとほぼ同時ないしは直後にＺ軸第１キャリッジ１１を移動させて供給ポット１１Ａを下降させる。そうすると、工具Ｔは工具取付穴８Ａに吸い込まれ引き上げられるが、工具Ｔは、供給ポット１１Ａによる拘束が解放され自由な状態であるから、工具Ｔと工具取付穴８Ａとの僅かな隙間は維持され真っ直ぐに引き上げられる。そのため、工具Ｔと工具取付穴８Ａとの隙間が殆どないような状態でも工具Ｔが倒れて工具取付穴８Ａに引っ掛かることがない。したがって、実施の形態は、自動工具交換における失敗のおそれがなく、優れた作業効率を得る利点がある。
【００３９】
このとき、焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａにセンタピン５０が突出しており、吸い上げられる工具Ｔは、そのシャンクＴＡの端面ＴＢに軸心１点でセンタピン５０に当たって止まり、確実に規定の突出量Ｌで取り付けられる。したがって、工具交換時に工具の突き出し量を調整することが不要である利点がある。また、このとき、仮に工具ＴのシャンクＴＡの端面８Ｂが焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａの穴縁面８Ｂに面接触で当接したとすると、シャンクＴＡの端面ＴＢと穴縁面８Ｂが完全に水平でない限り、端面ＴＢと穴縁面８Ｂの平行度に従って工具Ｔが傾く。しかしながら、工具Ｔは、工具取付穴８Ａのセンタピン５０と点接触で位置決めされるので、工具Ｔは工具取付穴８Ａに真直に位置決めされ、その結果、軸心に対して真直に取り付けられる効果を有する。
【００４０】
次に、冷却装置３０を作動させて、焼嵌めホルダ８に圧縮空気を噴射して焼嵌めホルダ８を工具Ｔが完全に締付固定されるまで冷却する。実施の形態の自動工具交換装置は、主軸２Ａに工具Ｔを直接取り付けず焼嵌めホルダ８のみ加熱すること、高周波誘導加熱によって焼嵌めホルダ８を短時間局部的に加熱することで工具を取り付ける状態にできること、などの特徴を有するので、常温まで冷却する必要がない。そのため、焼嵌めホルダ８の冷却は、常温の圧力空気を所定時間吹き付けることで十分である。もっとも、低温の気体や冷却液によって冷却すれば、より短時間で焼嵌めホルダ８を冷却することができるが、実施の形態の構成は、冷却装置の構成を簡単にできるとともに冷却工程を簡素化する点で有利である。
【００４１】
上述したプロセスでは、使用済の工具を焼嵌めホルダ８から取り外すときに焼嵌めホルダ８を加熱し、焼嵌めホルダ８が膨張している間に新しい工具を工具取付穴８Ａに挿入するようにしている。しかしながら、新しい工具を取り付けるときに、加熱コイル２２を焼嵌めホルダ８まで上昇させて再度短時間加熱してから工具を取り付けるようにしてもよい。
【００４２】
工具Ｔが焼嵌めホルダ８Ａに締付固定されたら、冷却装置３０を停止させるとともにＺ軸第２キャリッジ１Ｅを移動させて高周波誘導加熱装置２０を下降させ、加熱コイル２２を焼嵌めホルダ８から離す。そして、Ｖ軸第１キャリッジ１Ｂを移動させて工具搬送装置１０と高周波誘導加熱装置２０を排出ポット１１Ｂにある回収した工具をクランパ１４が把持できる位置まで後退させる。そして、工具引渡装置１３を動作させて排出ポット１１Ｂにある工具を引き抜き、工具ラック１２の空き位置に戻す。
【００４３】
以上のプロセスは、数十秒で行なわれる。この時間は、従来の高速の自動交換装置に比べると若干時間を要しているが、そのような自動工具交換装置を備えた工作機械では、高速回転性能と高精度加工を達成することが困難である。したがって、高速回転スピンドルを有し高精度の加工が要求される切削加工機においては、数十秒の工具交換時間は極めて短いものである。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、精密加工を行なう切削加工機のように工具を頻繁に交換する必要があるとともに工具を正確に取り付けて強固に保持することが要求される自動工具交換装置を備えた工作機械に適用できる。本発明は、高速回転スピンドルを有しかつ高精度の加工が要求される工作機械の進歩に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示される工作機械の自動交換装置を示す斜視図である。
【図３】図１に示される工作機械のスピンドルの側面から見た断面図であり、工具が取り付けられていない状態を示す。
【図４】図１に示される工作機械のスピンドルの側面から見た断面図であり、工具が取り付けられるときの状態を示す。
【図５】測定装置の測定部位を模式的に示す側面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 自動工具交換装置
２ スピンドル
３ ビーム
４ スライダ
５ テーブル
６ ベッド
７ スライダ
８ 焼嵌めホルダ
９ 洗浄装置
１０ 工具搬送装置
２０ 高周波誘導加熱装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動工具交換装置を備えた工作機械に関する。より詳しくは、主軸の先端に取付固定される焼嵌めホルダを高周波誘導加熱によって局部的に加熱し焼嵌めホルダを加熱膨張させ、工具を挿入して主軸に工具を取り付ける方式の工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動工具交換装置（ＡＴＣ）を備えた工作機械では、スピンドルヘッドが工具を自動的に着脱できる構造を有していることが要求される。一般的な工具交換システムは、予め工具が取り付けられているホルダを工具マガジンに準備しておき、工具搬送装置によって選択的にスピンドルヘッドまで搬送し、主軸にホルダを嵌入して装着するようにされている。多くの自動工具交換システムでは、主軸の先端にホルダを受け入れるテーパソケットが形成され、テーパソケットにホルダを挿嵌しドローバを作動させて固定する“プルスタッド方式”が採用されている。
【０００３】
近年、焼嵌め方式の工具取付方法の技術が進歩し焼嵌めによる工具の取付けがより容易になったことによって、焼嵌め方式の工具取付方法がより多く用いられるようになってきている。例えば、特許文献１に示されるような高周波誘導加熱による方法を利用すると、局部的にホルダを加熱することができ数秒で工具を装着可能な状態にすることができる。焼嵌め方式は、工具がホルダに精度よく強固に取り付けられるので、高速回転領域でのダイナミックバランスに優れ、プルスタッド方式に比べてスピンドルヘッドの構造がより簡単にできる利点がある。
【０００４】
しかしながら、焼嵌め方式は、焼嵌めに適する材料でなる焼嵌めホルダを加熱して工具を取り付けるので、工具を焼嵌めホルダに取り付ける時間がかかる。また、焼嵌めホルダの工具取付穴が膨張したままでは工具が焼嵌めホルダに固定されないので焼嵌めホルダを冷却する必要があり、冷却には相当の時間がかかる。そのため、自動工具交換装置を備えた工作機械で焼嵌め方式の工具取付方法を用いる場合、数多くの工具を焼嵌めホルダに取り付けて準備しておく手間と時間を要する不利な点がある。
【０００５】
特許文献２に示されるように、自動で工具を焼嵌めホルダに取り付けながら工具交換装置のマガジンに焼嵌めホルダを供給する工具交換システムが考えられている。この工具交換システムによると、作業者が工具を焼嵌めホルダに取り付ける手間をなくすとともに段取りから工具の交換までに要するトータルの時間を大幅に短縮することができる。しかしながら、主軸に焼嵌めホルダを取り付けるときの取付強度と誤差に限界があり、加工精度や高速回転性能に対する要求が高くなるにつれて、主軸に焼嵌めホルダをチャッキングする構成では十分に対応しきれなくなる。また、工具をホルダに取り付ける段取り時間をさらに短縮し作業効率を向上させることが望まれている。
【０００６】
特許文献３に示されるように、主軸に工具取付穴を形成し焼嵌めによって主軸に直接工具を取り付ける主軸装置が考えられている。この主軸装置は、焼嵌め方式で工具を主軸に直接取り付けるので、工具をホルダに取り付ける作業を不要にして段取り時間を短縮することができるとともに、主軸に強固に正確に工具を取り付けることができる。また、ホルダを不要にして構成を簡単にし、かつコストを低減することができる。また、特許文献４に示されるように、熱膨張率の低い凸状ホルダを主軸の先端に取付固定し、凸状ホルダと嵌合する予め工具を取り付けた凹状ホルダを焼嵌めによって凸状ホルダに取り付けるとともに、工具を取り付けたホルダを高速加熱および高速冷却手段を設けた工具のクランプ装置が知られている。このクランプ装置によると、加熱および冷却時間を短縮することができるとともに、主軸に強固に正確にホルダを取り付けることができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２５１５８号公報
【特許文献２】特開２００５−１１８８８８号公報
【特許文献３】特開２０００−３４３３０６号公報
【特許文献４】特許第２９１２４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
焼嵌めによって主軸に直接工具を取り付ける方式は、主軸を直接加熱するので、主軸に熱影響を大きく及ぼして無視できない変位を生じさせる。また、主軸を加工可能な状態にするまでに主軸を十分に冷却するためには相当の冷却時間を要する。しかも、繰返し主軸を加熱したり冷却したりすることによって主軸に回復不能の熱変形を生じさせ加工精度を低下させたり、スピンドルの寿命を短くするおそれがある。一方、凸状ホルダに凹状ホルダを取り付ける方式は、主軸を直接加熱しないので熱変位の影響を受けにくい利点があるが、予め工具を取り付けておくホルダが必要であるとともに、そのホルダに予め工具を取り付けておく段取り作業が要求され作業効率が上がらない不利な点がある。
【０００９】
本発明は、改良された焼嵌め方式の自動工具交換装置を備えた工作機械を提供することを目的とする。より具体的には、主軸に及ぼす熱影響がより小さく主軸が熱変位をしにくく、かつ予め工具をホルダに取り付けておく必要がない自動工具交換装置を備えた工作機械を提供する。その他の本発明によって享受できる利点は、追って詳細に説明される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、自動工具交換装置を備えた工作機械において、主軸の先端に取付固定され工具を保持する焼嵌めホルダと、焼嵌めホルダまで移動して焼嵌めホルダを高周波誘導加熱によって局部的に加熱する高周波誘導加熱装置と、を備える。
【００１１】
より具体的には、焼嵌めホルダまで移動するために高周波誘導加熱装置を鉛直方向に往復移動させる移動装置と、高周波誘導加熱装置を水平１軸方向に往復移動させる移動装置を備える。また、高周波誘導加熱装置は、焼嵌めホルダを加熱する加熱コイルと、加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源装置と、を含んでなる。
【００１２】
好ましくは、焼嵌めホルダを冷却する圧力空気を供給する冷却装置を備える。また、焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備える。また、焼嵌めホルダの工具取付穴から取り外される工具を空気によって押し出す吐出装置を備える。また、焼嵌めホルダおよび主軸を貫通して鉛直方向に進退可能に設けられ焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具のシャンク端面に軸心１点で接触して工具の突出量を規定するセンタピンを備える。
【００１３】
また、工具を保持するポットと、前記ポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置と、ポットを水平１軸方向に往復移動させる移動装置と、複数の工具を配置しておく工具ラックと、工具ラックから工具を選択的に取り出してポットに引き渡す工具引渡装置と、を含んでなる工具搬送装置を備える。さらに、上記ポットから突き出された工具の突出長を測定する測定装置を備える。そして、焼嵌め装置の工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備え、測定装置によって測定された工具の突出長に基づいて工具が所定距離を置いて焼嵌めホルダの開口に位置するようにポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置を上昇させて位置決めしてから吸引装置を作動させて工具取付穴に工具を捕捉させ、その直後にポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置を下降するように構成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、焼嵌め方式で主軸に工具を取り付けるから芯振れやガタの発生がより小さくされ、主軸を高速回転させる場合でも高い加工精度を得ることができる。そして、主軸の先端に取付固定された焼嵌めホルダを外側から加熱するので、主軸に直接熱影響を及ぼさず、主軸に与える熱変位は可能な限り小さくされる。また、高周波誘導加熱により焼嵌めホルダのみを局部的に加熱できるから、加熱時間と冷却時間が短くされ、焼嵌めホルダ以外の部位に及ぼす熱影響がより小さい。そして、予め工具をホルダに取り付けておく必要がなく、段取り作業に要する時間を短縮するとともに、焼嵌めホルダの数は可能な限り少なくされ、コストが低減される効果を奏する。
【００１５】
高周波誘導加熱装置を焼嵌めホルダまで移動するために高周波誘導加熱装置を鉛直方向に往復移動させる移動装置と高周波誘導加熱装置を水平１軸方向に移動させる移動装置を備える構成であるときは、必要以外のときは高周波誘導加熱装置、特に加熱コイルを邪魔のない位置に待避させておくことができ、工具交換時の作業性に優れる。また、高周波誘導加熱装置が焼嵌めホルダを加熱する加熱コイルと高周波電源装置を含んでなる構成であるとき、１ＭＨｚ〜３ＭＨｚの高周波電流を供給でき焼嵌めホルダのみ局部的に加熱して焼嵌めホルダを工具が挿入できる状態にできるので、数秒程度で工具を挿入可能にでき焼嵌めホルダの温度が必要以上高温にならないようにできるとともに主軸を直接加熱することがない。そのため、加熱時間が短く工具交換に要する時間を短くし、かつ主軸に与える熱影響をより小さくする効果を奏する。また、冷却時間も短縮することができ、さらに工具交換に要する時間を短縮できる効果を有する。
【００１６】
焼嵌めホルダを冷却する圧力空気を供給する冷却装置を備える場合は、焼嵌めホルダの冷却時間を十数秒程度にすることができ、工具交換に要する時間をより短くする。また、焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備える場合は、交換アームによって工具を工具取付穴の内部まで挿入する必要がなく、工具交換装置の構成と動作をより簡単にするとともにより高精度に工具を装着することができる。また、焼嵌めホルダの工具取付穴から取り外される工具を空気によって押し出す吐出装置を備える場合は、工具が汚れてホルダに引っ掛かるおそれがあるときでも工具をより確実に焼嵌めホルダから取り外すことができる。また、焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具のシャンク端面に軸心１点で接触して工具の突出量を規定するセンタピンを備える場合は、焼嵌めホルダの工具取付穴の穴縁面に工具のシャンクを当接して位置決めする必要がないので、工具に対する焼嵌めホルダの設計と製作をより容易にするとともに、工具が主軸に対して確実に真直に取り付けられる。
【００１７】
工具ラックから工具を取り出して工具を据え置いて搬送し焼嵌めホルダの工具取付穴に工具を挿入させる工具搬送装置を備える場合は、高度なロボットシステムを必要としないで簡単かつ確実に工具を搬送して焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入させることができる。したがって、工具交換装置の占有する面積が比較的小さくコンパクトで、構成が簡単、かつコストが低減される効果を奏する。
【００１８】
工具のポットからの突出長を測定して工具と焼嵌めホルダとの間を常に所定距離離した位置に配置してから工具を吸引して工具取付穴に捕捉させ、工具を離して吸引力で工具取付穴に挿入させる構成であるときは、工具の全長にばらつきがあっても工具が焼嵌めホルダに衝突したり、離れすぎて吸引できないおそれがなく、確実に工具を工具取付穴に捕捉させることができる。そして、工具が解き放された状態で吸引されるので工具が曲がることなく真っ直ぐに挿入される。その結果、工具が工具取付穴に引っ掛かったり、曲がって取り付けられるおそれがなく、より確実に取付穴に挿入される。その結果、工具交換に失敗するおそれが殆どなく、優れた作業効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１ないし図４は、本発明の好適な実施の形態を示す。図１は、自動工具交換装置を備えた工作機械の全体構成を示す。図１に示される工作機械は、同時３軸方向にエンドミルのような工具と被加工物を相対移動して被加工物を任意の形状に切削加工する切削加工機である。図１では、機体の部分を斜めに切断して内部が見える状態にされており、斜線で示される部位は切断面である。図２は、工具交換装置の詳細を示す。図３および図４は、加工ヘッドに設けられるスピンドルの構成を示す。特に、図３は、焼嵌めホルダに工具が取り付けられていない状態を示し、図４は、焼嵌めホルダに工具が取り付けられるときの状態を示す。図５は、測定装置の測定部位を示す。
【００２０】
図１に示される工作機械の本機は、自動工具交換装置１を備える。自動工具交換装置１は、図４に示される工具Ｔを交換するとき以外は、加工領域の外に待避される。工具Ｔを回転可能に保持するスピンドル２は、ビーム３の上側にＸ軸方向に移動可能に設置されたスライダ４の下面に固定される加工ヘッドに設けられる。テーブル５は、ベッド６にＹ軸方向に移動可能に設置される。被加工物をＺ軸方向に往復移動させるスライダ７は、テーブル５に固定される。
【００２１】
実施の形態の軸送り装置は、スライダ４を独立して機体の上側に配置して加工ヘッドをＸ軸方向にのみ移動可能にしているので、加工ヘッドの振動と変位が小さく主軸２Ａの回転軸心の真直性を高精度に維持する点で有利である。また、焼嵌め方式による工具取付方法では、工具Ｔと焼嵌めホルダ８の工具取付穴との間隙が殆どないので、主軸２Ａの回転軸心の真直性が高精度に維持されていることは、工具Ｔを工具取付穴に挿入するときに有利である。したがって、実施の形態の工作機械の構造にはいくつかの利点があるが、焼嵌め方式の工具交換装置を備える工作機械としても適している。
【００２２】
図２に詳しく示される自動工具交換装置１は、基本的に、工具搬送装置１０と高周波誘導加熱装置２０を備える。また、自動工具交換装置１は、焼嵌めホルダ８を冷却する圧力空気を供給する冷却装置３０を有する。冷却装置３０は、高周波誘導加熱装置２０に設けられる。また、自動工具交換装置１は、図３および図４に示されるように、焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａに挿入される工具Ｔを吸引する吸引装置４０を有する。吸引装置４０は、焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａから取り外される工具Ｔを空気によって押し出す吐出装置を兼用する。そして、自動工具交換装置１は、焼嵌めホルダ８および主軸２Ａを貫通して鉛直方向に進退可能にスピンドルに設けられるセンタピン５０を有する。センタピン５０は、図４に示されるように、焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａに挿入される工具ＴのシャンクＴＡの端面ＴＢに軸心１点で接触して工具Ｔの突出量Ｌを規定する。
【００２３】
工具搬送装置１０は、図２に示されるように、工具Ｔを保持する２つのポット１１と、ポット１１を鉛直方向（Ｚ軸方向）に往復移動させる移動装置（Ｚ軸第１キャリッジ）１Ａと、ポット１１を水平１軸方向（Ｖ軸方向）に往復移動させる移動装置１Ｂと、複数の工具を配置しておく工具ラック１２と、工具ラック１２から工具Ｔを選択的に取り出してポット１１に引き渡す工具引渡装置１３と、を含んでなる。工具引渡装置１３は、クランパ１４と、クランパ１４を鉛直方向（Ｚ軸方向）に移動させる昇降装置１Ｃと水平１軸方向（Ｕ軸方向）に移動させる移動装置（Ｕ軸キャリッジ）１Ｄを含む。なお、ポット１１は、供給する工具Ｔを保持する供給ポット１１Ａと取り外した工具Ｔを保持する排出ポット１１Ｂとでなるが、ポット１１を１つにすることが可能である。ただし、２つのポット１１を設けることによって工具Ｔの取外しと工具Ｔの取付けをポット１１がスピンドル２の下側に位置している状態で連続して行なうことができるから、工具交換の時間をより短くする点で有利である。
【００２４】
なお、高周波誘導加熱装置２０は、先端がリング状に形成される加熱コイル２２と、加熱コイル２２に高周波電流を供給する発振機２４および図示しない電源部位とを含む高周波電源装置と、を含んでなる。このような構成の高周波誘導加熱装置は、１ＭＨｚ〜３ＭＨｚの高周波電流を供給することができる。焼嵌めホルダの材質と大きさに依存するが、シャンク径がφ２ｍｍ〜５ｍｍ程度の工具を取付可能な工具取付穴を有するステンレス鋼またはオーステナイト鋼の焼嵌めホルダで、１．８ＭＨｚ以上の高周波電流を供給して加熱すると、ばらつきなく工具を挿入可能に工具取付穴を確実に拡径できるが、周波数が１．２ＭＨｚ以下の高周波電流を供給して焼嵌めホルダを加熱したときは、焼嵌めホルダが十分に熱膨張せず工具を工具取付穴に挿入できないことがあることが確認されている。
【００２５】
実施の形態で示される高周波誘導加熱装置２０と熱膨張率が高いステンレス鋼やオーステナイト鋼でなる焼嵌めホルダとによる焼嵌め方式では、焼嵌めホルダ８が局部的に加熱され他の部材よりも先に膨張して工具を取り付けることできる状態になる。その時間は数秒程度あり、したがって、他の周辺の部材に熱影響が及ぶ前に加熱を停止し工具を取り付けることができる。そのため、実施の形態の工作機械は、主軸２Ａに対して熱影響を与えにくく熱変位を小さくできる。また、加熱時間が短時間であることから、焼嵌めホルダ８の温度が必要以上に高くならず、主軸２Ａを含むスピンドル２の全体に及ぼす熱影響はさらに小さくされ、仮に熱変位が生じても実質的に問題にならない最小限の範囲内に抑えられる。同時に、冷却時間も短くできるので、工具交換に要する時間を短縮できる点で有利である。
【００２６】
自動工具交換装置１は、鉛直方向（Ｚ軸方向）に往復移動させる移動装置（Ｚ軸第２キャリッジ）１Ｅと高周波誘導加熱装置１０を水平１軸方向（Ｖ軸方向）に移動させる移動装置（Ｖ軸第２キャリッジ）１Ｆを備える。各移動装置は、高周波誘導加熱装置１０を前進後退させる。各移動装置は、焼嵌めホルダ８を加熱するときは、所定の制御シーケンスに従い動作して高周波誘導加熱装置１０を移動させ、焼嵌めホルダ８を加熱する位置まで加熱コイル２２を上昇させる。また、高周波誘導加熱装置１０には、冷却装置３０が併設されており、焼嵌めホルダ８を冷却するときは、焼嵌めホルダ８を下降させて待避させた状態で焼嵌めホルダ８の近傍に位置するように冷却装置３０を上昇させる。このように、各移動装置は、焼嵌めホルダ８を加熱および冷却するとき以外は、高周波誘導加熱装置１０と冷却装置３０を作業の邪魔にならない加工領域の外に位置させておくことができる。
【００２７】
図３および図４に示されるように、実施の形態のスピンドル２は、エアスピンドルである。主軸２Ａには、主軸２Ａと一体的にタービン２Ｂが形成されている。主軸２Ａの回転時は、圧縮空気を導入口２Ｃから導入してタービン２Ｂを回転させる。焼嵌めホルダ８は、焼嵌めに適する材質でなる。一方、主軸２Ａは軽量化し得る材質であることが好ましい。また、好ましくは、焼嵌めホルダ８と主軸２Ａとの間に断熱材を設ける。焼嵌めホルダ８は、使用できなくなったときは主軸２Ａから取り外して新しい焼嵌めホルダ８と交換する。
【００２８】
ピストン２Ｄは、主軸２Ａを貫通して焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａまで達するセンタピン５０を前進後退させる。センタピン５０を下降させるときは、工具Ｔを工具取付穴８Ａに挿入して焼嵌めホルダ８Ａに固定保持させるときである。したがって、ピストン２Ｄは、工具を交換するときにポート２Ｄから圧縮空気を導入して下降される。ピストン２Ｄの下側端部に主軸２Ａ内を気密にするためのＯリングが設けられているので、ピストン２Ｃが押し下げられると、主軸２Ａのテーパ端にＯリングが圧接され主軸２Ａを停止させる。タービン２Ｂとハウジングとの間に１０μｍ程度のエアギャップが形成され実質的に摺動抵抗がないので、導入口２Ｃからの圧縮空気の供給を停止してもタービン２Ｂは慣性で回転し続ける。主軸２Ａが回転していると工具の交換ができないが、実施の形態の構成は、工具交換時にピストン２Ｄが下降しブレーキを兼用して主軸２Ａの回転を停止させることができる。
【００２９】
ピストン２Ｄが主軸２Ａに圧接するとき、主軸２Ａとピストン２Ｄを貫通する空間を気密にする。したがって、吸引装置４で上記空間内の空気を吸引している間に工具Ｔが僅かな隙間をもって工具取付穴８Ａに挿入されたとき、上記空間は徐々に気圧が低下して真空に近付き、そのために下側から把持装置で押し入れることなく工具Ｔは容易に工具取付穴８Ａに挿入される。加工中は、ポート２Ｆから圧縮空気を導入しポート２Ｅから空気を排気してピストン２Ｄを上昇させる。ピストン２Ｄが押し上げられると、センタピン５０が引き上げられるとともに主軸２Ａが回転可能な状態にされる。なお、実施の形態のスピンドル２は、ピストン２Ｄの側面にスケールを有し検出器２Ｇによって回転数を検出できるように構成される。
【００３０】
図１に示される実施の形態の工作機械は、洗浄装置９を備える。洗浄装置９は、加工領域の側方に配置される。洗浄装置９は、揮発性の洗浄液を焼嵌めホルダ８または工具Ｔに噴射する。焼嵌めホルダ８を洗浄するときは、加工ヘッドを相対移動してスピンドル２の主軸２Ａの先端に取付固定された焼嵌めホルダ８または工具Ｔを洗浄装置９の中に位置させてから、スピンドル２を作動して焼嵌めホルダ８または工具Ｔを所定の回転数で回転させた状態で洗浄液を噴射させる。焼嵌め方式の場合、焼嵌めホルダ８が５００℃程度の高温に加熱されるので、切り粉や油分が固着して工具Ｔが挿入できなくなるおそれがある。そのため、使用後の工具Ｔや焼嵌めホルダ８を洗浄しておくことによって、自動工具交換を中断しなければならない事態を回避できる。また、焼嵌めホルダ８の寿命をより長くすることができる。
【００３１】
図５に示される測定治具（ストッパ）６０を含む測定装置は、供給ポット１１Ａから突き出された工具Ｔの突出長Δを測定する。ストッパ６０の位置と焼嵌めホルダ８の先端位置とは同じ高さに設定されている。測定装置は、ストッパ６０と工具Ｔとの接触を検出する図示しない検出装置と、ポット１１をＺ軸方向に往復移動させるＺ軸第１キャリッジ１Ａの位置を検出する位置検出装置を含む。工具Ｔの突出長Δを測定するときは、Ｚ軸第１キャリッジ１Ａを移動させ、供給ポット１１Ａを上昇させることによって当接させて工具Ｔとストッパ６０との接触を検出する。工具Ｔとストッパ６０との接触が検出されたら、Ｚ軸第１キャリッジ１１Ａの移動を停止させて、そのときの位置を検出する。そして、初期位置と検出された位置との差によって突出長Δを得ることができる。
【００３２】
次に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械の工具交換時の動作について説明する。既にスピンドル２に工具９が取り付けられている状態で工具交換を行なうとき、所定の制御シーケンスに従って加工を中断させ、シャッタ１Ｇを開放する。工具交換装置１は、工具引渡装置１３を作動させ昇降装置１ＣとＵ軸キャリッジ１Ｄによってクランパ１４を移動させて、工具ラック１２から新しい工具を引き抜く。そして、新しい工具を供給ポット１１に引き渡す。なお、高度な制御システムによって交換する工具を任意に取り出せるようにすることができるが、実施の形態は、所定の順番で取り出すようにしている。
【００３３】
一方、スピンドル２では、この間にピストン２Ｂを押し下げてセンタピン５０を下降させている。また、ピストン２Ｂによって主軸の回転が停止されている。したがって、スピンドル２は、工具を交換できる状態にされている。このとき、高周波誘導加熱装置２０は、加熱コイル２２の環状部位が排出ポット１１Ｂと同軸上の位置にあるように移動されている。
【００３４】
工具を供給ポット１１に入れた後、図示しない測定機構で工具の突出長Δを測定する。具体的には、Ｚ軸第１キャリッジ１Ａを移動させて供給ポット１１を上昇させ、工具の後端部位を工具ラック１２から工具を掴むクランパ１４の横に設けられているストッパ６０に当接させる。ストッパ６０と焼嵌めホルダ８との先端部位までの距離は固定であるので、ストッパ６０に当接したときのＺ軸方向の位置を検出することによって突出長Δを測定することができる。工具を引き渡して工具の突出長Δを測定した後に、クランパ１４は、初期位置に戻される。
【００３５】
工具は、大きいときでミリメートルオーダのシャンクのばらつきを有しているので、新しい工具と焼嵌めホルダ８とを常に同じ高さで近付けるようにしていると、工具を焼嵌めホルダ８に取り付けるときに焼嵌めホルダ８と工具Ｔとの位置が近付きすぎたり離れすぎたりする。工具Ｔと焼嵌めホルダ８とが離れ過ぎていると吸引すると工具を吸い上げることができず、逆に近付きすぎるとシャンクＴＡと焼嵌めホルダ８との開口部位とが衝突するおそれがある。そのため、好ましくは、工具を焼嵌めホルダ８に取り付ける工程を行なう前に、上記突出長Δを測定して、より確実に工具を焼嵌めホルダ８に取り付けることができるようにする。
【００３６】
次に、供給ポット１１に工具を入れた状態でＶ軸第１キャリッジ１Ｂを移動させ、排出ポット１１Ｂを主軸２Ａと同軸上の位置に前進させる。このとき、工具搬送装置１０の設けられている高周波誘導加熱装置２０も同時に前進する。続いて、Ｚ軸第２キャリッジ１Ｅを移動させて加熱コイル２２の環状コイル部位がホルダ８を囲繞する位置まで高周波誘導加熱装置２０を上昇させるとともに、Ｚ軸第１キャリッジ１Ａを移動させて排出ポット１１Ｂの中に焼嵌めホルダ８に嵌め込まれている使用済の工具Ｔの先端部分が入るようにする。
【００３７】
そして、高周波誘導加熱装置２０の高周波電源装置を所定時間投入して焼嵌めホルダ８を加熱する。焼嵌めホルダ８が熱膨張し工具取付穴８Ａが拡径すると、工具Ｔと工具取付穴８との間に僅かに隙間ができ、工具Ｔは自由落下して排出ポット１１Ｂに受け止められる。このとき、吸引装置（吐出装置）４０を作動させて圧縮空気を工具取付穴８に吹き出す。したがって、工具に付着した切り粉などによって工具が引っ掛かり、工具が取り外せなくなることを防止する。工具搬送装置１０は、一旦Ｚ軸第１キャリッジ１Ａを移動させて排出ポット１１Ｂを下降しておく。また、Ｚ軸第２キャリッジ１Ｅを移動させ加熱コイル２２の環状部位が焼嵌めホルダ８から抜けるまで高周波誘導加熱装置２０を下降させる。引き続き、Ｖ軸第１キャリッジ１Ｂを移動させて供給ポット１１Ａが焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａと同軸上に位置するまで前進させる。
【００３８】
次に、Ｚ軸第１キャリッジ１Ｂを上昇させて供給ポット１１Ａを焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａの直下に移動させる。このとき、測定装置によって測定された工具の突出長Δに基づいて工具が所定距離を置いて焼嵌めホルダ８の開口に位置するように供給ポット１１Ａを位置決めする。その後、吸引装置４０を作動させてシャンクＴＡを捕捉させる。なお、実施の形態における上記所定距離（焼嵌めホルダとシャンク端部との隙間）は、具体的には、０．１〜０．２ｍｍの特定の値に設定されている。工具取付穴８Ａに工具ＴのシャンクＴＡが入るとほぼ同時ないしは直後にＺ軸第１キャリッジ１１を移動させて供給ポット１１Ａを下降させる。そうすると、工具Ｔは工具取付穴８Ａに吸い込まれ引き上げられるが、工具Ｔは、供給ポット１１Ａによる拘束が解放され自由な状態であるから、工具Ｔと工具取付穴８Ａとの僅かな隙間は維持され真っ直ぐに引き上げられる。そのため、工具Ｔと工具取付穴８Ａとの隙間が殆どないような状態でも工具Ｔが倒れて工具取付穴８Ａに引っ掛かることがない。したがって、実施の形態は、自動工具交換における失敗のおそれがなく、優れた作業効率を得る利点がある。
【００３９】
このとき、焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａにセンタピン５０が突出しており、吸い上げられる工具Ｔは、そのシャンクＴＡの端面ＴＢに軸心１点でセンタピン５０に当たって止まり、確実に規定の突出量Ｌで取り付けられる。したがって、工具交換時に工具の突き出し量を調整することが不要である利点がある。また、このとき、仮に工具ＴのシャンクＴＡの端面８Ｂが焼嵌めホルダ８の工具取付穴８Ａの穴縁面８Ｂに面接触で当接したとすると、シャンクＴＡの端面ＴＢと穴縁面８Ｂが完全に水平でない限り、端面ＴＢと穴縁面８Ｂの平行度に従って工具Ｔが傾く。しかしながら、工具Ｔは、工具取付穴８Ａのセンタピン５０と点接触で位置決めされるので、工具Ｔは工具取付穴８Ａに真直に位置決めされ、その結果、軸心に対して真直に取り付けられる効果を有する。
【００４０】
次に、冷却装置３０を作動させて、焼嵌めホルダ８に圧縮空気を噴射して焼嵌めホルダ８を工具Ｔが完全に締付固定されるまで冷却する。実施の形態の自動工具交換装置は、主軸２Ａに工具Ｔを直接取り付けず焼嵌めホルダ８のみ加熱すること、高周波誘導加熱によって焼嵌めホルダ８を短時間局部的に加熱することで工具を取り付ける状態にできること、などの特徴を有するので、常温まで冷却する必要がない。そのため、焼嵌めホルダ８の冷却は、常温の圧力空気を所定時間吹き付けることで十分である。もっとも、低温の気体や冷却液によって冷却すれば、より短時間で焼嵌めホルダ８を冷却することができるが、実施の形態の構成は、冷却装置の構成を簡単にできるとともに冷却工程を簡素化する点で有利である。
【００４１】
上述したプロセスでは、使用済の工具を焼嵌めホルダ８から取り外すときに焼嵌めホルダ８を加熱し、焼嵌めホルダ８が膨張している間に新しい工具を工具取付穴８Ａに挿入するようにしている。しかしながら、新しい工具を取り付けるときに、加熱コイル２２を焼嵌めホルダ８まで上昇させて再度短時間加熱してから工具を取り付けるようにしてもよい。
【００４２】
工具Ｔが焼嵌めホルダ８Ａに締付固定されたら、冷却装置３０を停止させるとともにＺ軸第２キャリッジ１Ｅを移動させて高周波誘導加熱装置２０を下降させ、加熱コイル２２を焼嵌めホルダ８から離す。そして、Ｖ軸第１キャリッジ１Ｂを移動させて工具搬送装置１０と高周波誘導加熱装置２０を排出ポット１１Ｂにある回収した工具をクランパ１４が把持できる位置まで後退させる。そして、工具引渡装置１３を動作させて排出ポット１１Ｂにある工具を引き抜き、工具ラック１２の空き位置に戻す。
【００４３】
以上のプロセスは、数十秒で行なわれる。この時間は、従来の高速の自動交換装置に比べると若干時間を要しているが、そのような自動工具交換装置を備えた工作機械では、高速回転性能と高精度加工を達成することが困難である。したがって、高速回転スピンドルを有し高精度の加工が要求される切削加工機においては、数十秒の工具交換時間は極めて短いものである。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、精密加工を行なう切削加工機のように工具を頻繁に交換する必要があるとともに工具を正確に取り付けて強固に保持することが要求される自動工具交換装置を備えた工作機械に適用できる。本発明は、高速回転スピンドルを有しかつ高精度の加工が要求される工作機械の進歩に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示される工作機械の自動交換装置を示す斜視図である。
【図３】図１に示される工作機械のスピンドルの側面から見た断面図であり、工具が取り付けられていない状態を示す。
【図４】図１に示される工作機械のスピンドルの側面から見た断面図であり、工具が取り付けられるときの状態を示す。
【図５】測定装置の測定部位を模式的に示す側面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 自動工具交換装置
２ スピンドル
３ ビーム
４ スライダ
５ テーブル
６ ベッド
７ スライダ
８ 焼嵌めホルダ
９ 洗浄装置
１０ 工具搬送装置
２０ 高周波誘導加熱装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動工具交換装置を備えた工作機械において、主軸の先端に取付固定され工具を保持する焼嵌めホルダと、前記焼嵌めホルダまで移動して前記焼嵌めホルダを高周波誘導加熱によって加熱する高周波誘導加熱装置と、を備えた工作機械。
【請求項２】
前記高周波誘導加熱装置を鉛直方向に往復移動させる移動装置と、前記高周波誘導加熱装置を水平１軸方向に往復移動させる移動装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項３】
前記高周波誘導加熱装置は、前記焼嵌めホルダを加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源装置と、を含んでなる請求項１に記載の工作機械。
【請求項４】
前記焼嵌めホルダを冷却する圧力空気を供給する冷却装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項５】
前記焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項６】
前記焼嵌めホルダの工具取付穴から取り外される工具を空気によって押し出す吐出装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項７】
前記焼嵌めホルダおよび主軸を貫通して鉛直方向に進退可能に設けられ前記焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具のシャンク端面に軸心１点で接触して前記工具の突出量を規定するセンタピンを備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項８】
工具を保持するポットと、前記ポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置と、前記ポットを水平１軸方向に往復移動させる移動装置と、複数の工具を配置しておく工具ラックと、前記工具ラックから工具を選択的に取り出して前記ポットに引き渡す工具引渡装置と、を含んでなる工具搬送装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項９】
前記ポットから突き出された工具の突出長を測定する測定装置を備えた請求項８に記載の工作機械。
【請求項１０】
前記焼嵌め装置の工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備え、前記測定装置によって測定された前記工具の突出長に基づいて前記工具が所定距離を置いて前記焼嵌めホルダの開口に位置するように前記ポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置を上昇させて位置決めしてから前記吸引装置を作動させて前記工具取付穴に前記工具を捕捉させ、その直後に前記ポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置を下降するように構成される請求項９に記載の工作機械。
【請求項１】
自動工具交換装置を備えた工作機械において、主軸の先端に取付固定され工具を保持する焼嵌めホルダと、前記焼嵌めホルダまで移動して前記焼嵌めホルダを高周波誘導加熱によって加熱する高周波誘導加熱装置と、を備えた工作機械。
【請求項２】
前記高周波誘導加熱装置を鉛直方向に往復移動させる移動装置と、前記高周波誘導加熱装置を水平１軸方向に往復移動させる移動装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項３】
前記高周波誘導加熱装置は、前記焼嵌めホルダを加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源装置と、を含んでなる請求項１に記載の工作機械。
【請求項４】
前記焼嵌めホルダを冷却する圧力空気を供給する冷却装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項５】
前記焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項６】
前記焼嵌めホルダの工具取付穴から取り外される工具を空気によって押し出す吐出装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項７】
前記焼嵌めホルダおよび主軸を貫通して鉛直方向に進退可能に設けられ前記焼嵌めホルダの工具取付穴に挿入される工具のシャンク端面に軸心１点で接触して前記工具の突出量を規定するセンタピンを備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項８】
工具を保持するポットと、前記ポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置と、前記ポットを水平１軸方向に往復移動させる移動装置と、複数の工具を配置しておく工具ラックと、前記工具ラックから工具を選択的に取り出して前記ポットに引き渡す工具引渡装置と、を含んでなる工具搬送装置を備えた請求項１に記載の工作機械。
【請求項９】
前記ポットから突き出された工具の突出長を測定する測定装置を備えた請求項８に記載の工作機械。
【請求項１０】
前記焼嵌め装置の工具取付穴に挿入される工具を吸引する吸引装置を備え、前記測定装置によって測定された前記工具の突出長に基づいて前記工具が所定距離を置いて前記焼嵌めホルダの開口に位置するように前記ポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置を上昇させて位置決めしてから前記吸引装置を作動させて前記工具取付穴に前記工具を捕捉させ、その直後に前記ポットを鉛直方向に往復移動させる移動装置を下降するように構成される請求項９に記載の工作機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−７５９０４（Ｐ２００７−７５９０４Ａ）
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６３００６（Ｐ２００５−２６３００６）
【出願日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（０００１３２７２５）株式会社ソディック (197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月９日（２００５．９．９）
【出願人】（０００１３２７２５）株式会社ソディック (197)
【Ｆターム（参考）】
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