特許 7481169 工作機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-30

(45)【発行日】2024-05-10

(54)【発明の名称】工作機械

(51)【国際特許分類】

   B23Q 3/157 20060101AFI20240501BHJP

【ＦＩ】

B23Q3/157 E

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020099802

(22)【出願日】2020-06-09

(65)【公開番号】P2021192943

(43)【公開日】2021-12-23

【審査請求日】2023-04-05

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】石山 尚弥

【審査官】荻野 豪治

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第４３１２１１１（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００４－１６０５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４６９９２７６（ＵＳ，Ａ）

【文献】実開昭６１－１３１２４２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平１１－７７４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平４－５１３４０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許第６１０２８４０（ＵＳ，Ａ）

【文献】実公昭４９－３９２４１（ＪＰ，Ｙ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｑ ３／１５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周回軌道に沿って複数の切削工具を周回させる工具マガジンと、
前記周回軌道の工具交換位置で停止する前記切削工具を前記工具マガジンから取り出して主軸に取り付ける工具交換部と、
を備える工作機械であって、
前記工具マガジンは、
前記周回軌道を形成するガイドと、
工具先端を鉛直下方向に向けて前記切削工具を把持する複数の把持部と、
前記把持部毎に設けられ、前記ガイドの上面に接触することによって前記把持部を懸下した状態で支持しつつ前記周回軌道に沿って移動可能な複数の支持部と、
前記把持部と前記ガイドとの間に、前記把持部が前記ガイドに接触することを防止するストッパと、
を備え、
前記把持部及び前記支持部の全体の重心を通る鉛直線が、前記支持部を鉛直上方向から前記ガイドに対して投影したときに前記ガイドに形成される投影領域を通る、工作機械。

【請求項2】

請求項１に記載の工作機械であって、
前記支持部は、前記ガイドの上面に接触しつつ転動する転動部材を有する、工作機械。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の工作機械であって、
前記工具マガジンは、複数の前記把持部を支持し、前記周回軌道に沿って移動する連結部材を備える、工作機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、切削工具を保持する工具マガジンと、切削工具を工具マガジンから取り出して主軸に取り付ける工具交換部と、を備える工作機械に関する。

【背景技術】

【0002】

切削加工を行う工作機械は、主軸に取り付けられる切削工具を交換するＡＴＣ（自動工具交換装置）を備える。一例として、ＡＴＣは、工具マガジン及び工具交換部を備える。工具マガジンは、複数の切削工具を保持する。工具交換部は、これから使用する切削工具を工具マガジンから取り出して主軸に取り付けると共に、使用し終わった切削工具を主軸から取り外して工具マガジンに戻す。

【0003】

特許文献１には、工具先端を鉛直下方向に向けて切削工具を保持する工具マガジンが示される。特許文献１の工具マガジンは、周回軌道を形成するガイド（レール台座）と、切削工具を把持する複数の把持部（円筒部材）と、ガイドに接触することによって把持部を懸下した状態で支持しつつ周回軌道に沿って移動可能な複数のローラ（軸受）と、を備える。ローラは、把持部の上部と側部に設けられ、ガイドに接触して転動する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－２２３６６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の工具マガジンにおいて、把持部の側部に設けられるローラとガイドとの接触点には常にモーメント荷重が発生する。更に、切削工具が把持部から取り外される際に、モーメント荷重は大きくなる。また、切削工具が把持部に挿入される際には、逆方向のモーメント荷重が発生する。モーメント荷重が継続して発生すると、ローラ及びガイドは早期に破損する。特許文献１の工具マガジンは、１つの接触点に発生するモーメント荷重を低減するために、把持部の側部に２つのローラを備える。しかし、ローラの数を増やすと、工具マガジンのコストが上昇するだけでなく、工具マガジンの組立てが難しくなる。

【0006】

そこで、本発明は、少ない部品点数で工具マガジンの破損を抑制することができる工作機械を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の態様は、周回軌道に沿って複数の切削工具を周回させる工具マガジンと、前記周回軌道の工具交換位置で停止する前記切削工具を前記工具マガジンから取り出して主軸に取り付ける工具交換部と、を備える工作機械であって、前記工具マガジンは、前記周回軌道を形成するガイドと、工具先端を鉛直下方向に向けて前記切削工具を把持する複数の把持部と、前記把持部毎に設けられ、前記ガイドの上面に接触することによって前記把持部を懸下した状態で支持しつつ前記周回軌道に沿って移動可能な複数の支持部と、を備え、前記把持部及び前記支持部の全体の重心を通る鉛直線が、前記支持部を鉛直上方向から前記ガイドに対して投影したときに前記ガイドに形成される投影領域を通る。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、少ない部品点数で工具マガジンの破損を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は工作機械を示す正面図である。

【図2】図２は工作機械を示す側面図である。

【図3】図３は第１実施形態による工具マガジンの一部の構造を示す平面図である。

【図4】図４は第１実施形態による工具マガジンの一部の構造を示す断面図である。

【図5】図５Ａ～図５Ｅは切削工具の交換手順を示す図である。

【図6】図６は第２実施形態による工具マガジンの一部の構造を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明による工作機械について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

【0011】

［１．第１実施形態］
［１．１．工作機械１０の構成］
第１実施形態による工作機械１０について図面を用いて説明する。図１は、工作機械１０を示す正面図である。図２は、工作機械１０を示す側面図である。図１及び図２は、立型の工作機械１０を示す。

【0012】

工作機械１０の主軸１２には、切削工具１６が着脱可能に取り付けられる。工作機械１０は、切削工具１６によって不図示の加工対象物（ワーク）を加工する。

【0013】

工作機械１０には、主軸１２を備える主軸頭１４と、主軸頭１４を上下方向に移動させるコラム１８と、主軸１２の下方で加工対象物を支持するテーブル２０と、が備えられる。また、工作機械１０には、テーブル２０をＸ方向及びＹ方向に移動させる不図示の移動機構が備えられる。Ｘ方向とＹ方向は互いに直交する。また、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。重力が働く方向である鉛直下方向は－Ｚ方向であり、鉛直上方向は＋Ｚ方向である。主軸１２の回転軸は、Ｚ方向に対して平行である。主軸１２のＺ方向への移動と、テーブル２０のＸ方向及びＹ方向への移動とによって、工作機械１０は、加工対象物に対して３次元の加工を行うことができる。

【0014】

テーブル２０は、サドル２２によって支持される。テーブル２０には、当該テーブル２０をサドル２２に対してＸ方向に移動させる不図示のＸ軸用移動機構が備えられる。このため、テーブル２０は、サドル２２に対してＸ軸方向に移動し得る。サドル２２は、ベッド２４によって支持される。サドル２２には、当該サドル２２をベッド２４に対してＹ軸方向に移動させる不図示のＹ軸用移動機構が備えられる。このため、サドル２２は、ベッド２４に対してＹ軸方向に移動し得る。こうして、テーブル２０は、ベッド２４に対してＸＹ方向に移動し得る。Ｙ軸用移動機構及びＸ軸用移動機構には、周知のものを用い得る。

【0015】

工作機械１０には、主軸１２に取り付けられる切削工具１６を交換するＡＴＣ（自動工具交換装置）３０が備えられる。ＡＴＣ３０には、工具マガジン３２と工具交換部３４とが備えられる。工具マガジン３２は、主軸１２及び主軸頭１４の側方（＋Ｘ方向側）に配置される。工具交換部３４は、主軸１２及び主軸頭１４と工具マガジン３２との間に配置される。工具マガジン３２は、複数の切削工具１６を保持しつつ、周回軌道に沿って複数の切削工具１６を周回させる。工具交換部３４は、周回軌道の工具交換位置ＣＰで停止する切削工具１６を工具マガジン３２から取り出して主軸１２に取り付ける。以下では、主軸１２に取り付けられている切削工具１６を装着工具１６ａと称し、工具マガジン３２で保持されている切削工具１６を待機工具１６ｗと称する。

【0016】

工具マガジン３２について図３及び図４を用いて説明する。図３は、第１実施形態による工具マガジン３２の一部の構造を示す平面図である。図４は、第１実施形態による工具マガジン３２の一部の構造を示す断面図である。図４に示される断面は、図３のＩＶ－ＩＶ断面である。工具マガジン３２には、ガイド４０と、複数の工具保持部４２と、チェーン（連結部材）４４と、駆動輪４６と、が備えられる。

【0017】

ガイド４０は、ＸＹ平面に沿って周回する環形状を呈する。ガイド４０は、Ｙ方向に対して平行となり且つＸ方向及びＺ方向に対して垂直となる２つの直線部４８と、２つの直線部４８の＋Ｙ方向側の端部同士及び－Ｙ方向側の端部同士を接続する２つの曲線部５０と、を有する。ガイド４０は、工具保持部４２の軌道である周回軌道を形成する。

【0018】

図４に示されるように、工具保持部４２は、把持部５２と支持部５４とを有する。把持部５２は、待機工具１６ｗの工具先端１６ｔを鉛直下方向（－Ｚ方向）に向けた状態で待機工具１６ｗを把持する。把持部５２には、下方に向けて開口する把持穴５６が形成される。把持穴５６には、待機工具１６ｗのうち工具先端１６ｔと反対側に位置する被把持部１６ｇが挿入される。把持部５２は、把持穴５６に挿入された被把持部１６ｇを周知の手法によって把持する。

【0019】

支持部５４は、サスペンダー５８と軸部材６０とローラ６２とを有する。サスペンダー５８は、把持部５２の上部からガイド４０を超えて上方に延びる。軸部材６０は、サスペンダー５８の上端部から工具保持部４２の長手方向（図４ではＺ方向）と直交する方向（図４では＋Ｘ方向）に突出する。ローラ６２は、軸部材６０に取り付けられる。ローラ６２は、ガイド４０の上面４０ｕに接触して転動可能である。支持部５４は、把持部５２を懸下した状態で支持する。なお、ガイド４０の上面４０ｕに溝が形成され、ローラ６２が溝の底面に接触して転動してもよい。

【0020】

工具保持部４２の重心６８を通る鉛直線７０は、ローラ６２を鉛直上方向からガイド４０に対して投影したときに上面４０ｕに形成される投影領域を通る。また、把持部５２が待機工具１６ｗの被把持部１６ｇを把持しているときに、工具保持部４２及び待機工具１６ｗの全体の重心６８´を通る鉛直線７０は、ローラ６２を鉛直上方向からガイド４０に対して投影したときに上面４０ｕに形成される投影領域を通る。第１実施形態では、重心６８、６８´を通る鉛直線７０は、ガイド４０の上面４０ｕとローラ６２との接触部分７２を通る。なお、狭義の重心６８とは、工具保持部４２の質量中心点のことをいう。広義の重心６８とは、質量中心点を中心とする所定半径の領域のことをいう。

【0021】

把持部５２の上面には、ストッパ６４が取り付けられる。ストッパ６４は、樹脂で形成されており、被把持部１６ｇが下方から把持穴５６に挿入されるときに、把持部５２とガイド４０とが直接接触することを防止する。ストッパ６４とガイド４０との間には隙間が設けられる。なお、ストッパ６４は、ガイド４０に取り付けられてもよい。

【0022】

把持部５２の側面のうち周回軌道の内側に向けられる側面（図４では＋Ｘ方向側）には、ブラケット６６が取り付けられる。ブラケット６６は、把持部５２とチェーン４４とを接続する。

【0023】

図３に示されるように、チェーン４４は、ガイド４０に沿って周回する。チェーン４４の外側には、複数の把持部５２がブラケット６６を介して取り付けられる。把持部５２同士は等間隔に配置される。一方、チェーン４４の内側には、駆動輪４６が噛合う。駆動輪４６は、不図示の減速装置を介して不図示のチェーン駆動モータの出力軸に連結される。駆動輪４６の回転軸は、Ｚ方向に対して平行である。

【0024】

工具交換部３４について図１及び図２を用いて説明する。工具交換部３４には、チェンジャーアーム８０と、ロッド８２と、不図示の駆動装置と、が備えられる。チェンジャーアーム８０は、ロッド８２の下端に取り付けられる。チェンジャーアーム８０は、長手方向の両端に切削工具１６を把持するアーム端部８４ａ、８４ｂを有する。

【0025】

［１．２．ＡＴＣ３０の動作］
ＡＴＣ３０の動作を説明する。ＡＴＣ３０の動作は、不図示のコントローラによって制御される。

【0026】

コントローラは、工具マガジン３２に設けられる不図示のチェーン駆動モータを一方向に回転させる。チェーン駆動モータの回転に伴い、駆動輪４６が回転する。すると、駆動輪４６に噛合うチェーン４４及び複数の工具保持部４２は、周回軌道に沿って一方向、例えば図３の矢視Ｈ方向に移動する。コントローラは、次に主軸１２に取り付ける待機工具１６ｗを保持する工具保持部４２が工具交換位置ＣＰまで移動したときに、チェーン駆動モータを停止させる。

【0027】

コントローラは、工具交換部３４に設けられる不図示の駆動装置を動作させることによってロッド８２及びチェンジャーアーム８０を動作させる。図５Ａに示されるように、最初に、チェンジャーアーム８０は、Ｙ方向（図１等）と平行する。このとき、一方のアーム端部８４ａは、－Ｙ方向に向けられ、他方のアーム端部８４ｂは、＋Ｙ方向に向けられる。

【0028】

コントローラは、図５Ａの矢視Ａで示されるように、ロッド８２及びチェンジャーアーム８０をＸＹ平面に沿って略９０度回転させる。すると、工作機械１０の状態は、図５Ａに示される状態から図５Ｂに示される状態に遷移する。一方のアーム端部８４ａは、待機工具１６ｗの位置に到達した後に待機工具１６ｗを把持する。他方のアーム端部８４ｂは、装着工具１６ａの位置に到達した後に装着工具１６ａを把持する。

【0029】

次に、コントローラは、図５Ｂの矢視Ｂで示されるように、ロッド８２及びチェンジャーアーム８０を下方向に移動させる。すると、工作機械１０の状態は、図５Ｂに示される状態から図５Ｃに示される状態に遷移する。一方のアーム端部８４ａは、待機工具１６ｗを工具マガジン３２から取り外し、他方のアーム端部８４ｂは、装着工具１６ａを主軸１２から取り外す。

【0030】

次に、コントローラは、図５Ｃの矢視Ｃで示されるように、ロッド８２及びチェンジャーアーム８０をＸＹ平面に沿って略１８０度回転させる。すると、工作機械１０の状態は、図５Ｃに示される状態から図５Ｄに示される状態に遷移する。このとき、チェンジャーアーム８０の一方のアーム端部８４ａは、主軸１２の下方に位置し、チェンジャーアーム８０の他方のアーム端部８４ｂは、工具交換位置ＣＰの下方に位置する。

【0031】

次に、コントローラは、図５Ｄの矢視Ｄで示されるように、ロッド８２及びチェンジャーアーム８０を上方向に移動させる。すると、工作機械１０の状態は、図５Ｄに示される状態から図５Ｅに示される状態に遷移する。ロッド８２及びチェンジャーアーム８０の移動後、一方のアーム端部８４ａは待機工具１６ｗを主軸１２に取り付け、他方のアーム端部８４ｂは装着工具１６ａを工具マガジン３２の把持部５２に挿入する。

【0032】

次に、コントローラは、図５Ｅの矢視Ｅで示されるように、ロッド８２及びチェンジャーアーム８０をＸＹ平面に沿って略９０度回転させる。すると、工作機械１０の状態は、図５Ｅに示される状態から図５Ａに示される状態に遷移する。以上で切削工具１６の交換は終了する。

【0033】

第１実施形態において、工具保持部４２のうちガイド４０に対して接触するのは、１つのローラ６２のみである。工具保持部４２が待機工具１６ｗを保持しているときに、ローラ６２とガイド４０との接触部分７２には、工具保持部４２の自重及び待機工具１６ｗの自重が作用する一方で、モーメント荷重は作用しない。また、図５Ｂに示される工程の際、すなわち、待機工具１６ｗが把持部５２から取り外される際に、工具保持部４２は下方に引っ張られる。このとき、ローラ６２とガイド４０との接触部分７２には、工具保持部４２の自重と、下方に引っ張られるときに発生する荷重と、が作用する一方で、モーメント荷重は作用しない。更に、図５Ｄに示される工程の際、すなわち、装着工具１６ａが把持部５２に挿入される際に、工具保持部４２は上方に押し上げられる。このとき、ローラ６２とガイド４０との接触部分７２には、モーメント荷重は発生しない。つまり、第１実施形態によれば、１つのローラ６２を有する支持部５４によって工具保持部４２を支持することができ、更に、モーメント荷重に起因するローラ６２及びガイド４０の破損が抑制される。

【0034】

また、図５Ｄに示される工程の際、すなわち、装着工具１６ａが把持部５２に挿入される際に、ストッパ６４が把持部５２とガイド４０との接触を防止する。従って、第１実施形態によれば、接触に起因する把持部５２及びガイド４０の破損が抑制される。

【0035】

［２．第２実施形態］
［２．１．工作機械の構成］
第２実施形態による工作機械１０について図６を用いて説明する。図６は、第２実施形態による工具マガジン３２の一部の構造を示す断面図である。図６に示される断面は、図３のＩＶ－ＩＶ断面である。第１実施形態による工作機械１０と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。

【0036】

第２実施形態では、第１実施形態の軸部材６０及びローラ６２の代わりにプランジャ９０が設けられる。プランジャ９０は、筒体９２と、バネ９４と、スペーサ９６と、ボール９８と、を有する。筒体９２には収納孔１００が形成される。収納孔１００には、バネ９４、スペーサ９６、ボール９８が収納される。バネ９４の一端は収納孔１００の底部に当接し、バネ９４の他端はスペーサ９６に当接する。バネ９４は、スペーサ９６を介してボール９８を収納孔１００の外部の方向に向けて押す。ボール９８の先端は、収納孔１００からガイド４０の上面４０ｕに向けて突出する。ボール９８は、ガイド４０の上面４０ｕに接触して転動可能である。第１実施形態と同様に、プランジャ９０を備える支持部５４は、把持部５２を懸下した状態で支持する。なお、ガイド４０の上面４０ｕに溝が形成され、ボール９８が溝の底面に接触して転動してもよい。

【0037】

工具保持部４２の重心６８を通る鉛直線７０は、プランジャ９０を鉛直上方向からガイド４０に対して投影したときに上面４０ｕに形成される投影領域を通る。また、把持部５２が待機工具１６ｗの被把持部１６ｇを把持しているときに、工具保持部４２及び待機工具１６ｗの全体の重心６８´を通る鉛直線７０は、プランジャ９０を鉛直上方向からガイド４０に対して投影したときに上面４０ｕに形成される投影領域を通る。第２実施形態では、重心６８、６８´を通る鉛直線７０は、ガイド４０の上面４０ｕとボール９８との接触部分７２を通る。

【0038】

第２実施形態によれば、１つのプランジャ９０を有する支持部５４によって工具保持部４２を支持することができる。

【0039】

［３．他の実施形態］
工作機械１０は、テーブル２０がＸ方向及びＹ方向に移動するタイプではなく、主軸１２（主軸頭１４）がＸ方向及びＹ方向に移動するタイプであってもよい。

【0040】

［４．実施形態から得られる発明］
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。

【0041】

本発明の態様は、周回軌道に沿って複数の切削工具（１６）を周回させる工具マガジン（３２）と、前記周回軌道の工具交換位置（ＣＰ）で停止する前記切削工具を前記工具マガジンから取り出して主軸（１２）に取り付ける工具交換部（３４）と、を備える工作機械（１０）であって、前記工具マガジンは、前記周回軌道を形成するガイド（４０）と、工具先端（１６ｔ）を鉛直下方向に向けて前記切削工具を把持する複数の把持部（５２）と、前記把持部毎に設けられ、前記ガイドの上面（４０ｕ）に接触することによって前記把持部を懸下した状態で支持しつつ前記周回軌道に沿って移動可能な複数の支持部（５４）と、を備え、前記把持部及び前記支持部の全体の重心（６８）を通る鉛直線（７０）が、前記支持部を鉛直上方向から前記ガイドに対して投影したときに前記ガイドに形成される投影領域を通る。

【0042】

本発明の態様において、前記支持部は、前記ガイドの上面に接触しつつ転動する転動部材（６２、９８）を有していてもよい。

【0043】

本発明の態様において、前記工具マガジンは、前記把持部と前記ガイドとの間に、前記把持部が前記ガイドに接触することを防止するストッパ（６４）を備えてもよい。

【0044】

本発明の態様において、前記工具マガジンは、複数の前記把持部を支持し、前記周回軌道に沿って移動する連結部材（４４）を備えてもよい。

【0045】

なお、本発明に係る工作機械は、前述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

【符号の説明】

【0046】

１０…工作機械 １２…主軸
１６…切削工具 １６ａ…装着工具
１６ｔ…工具先端 １６ｗ…待機工具
３２…工具マガジン ３４…工具交換部
４０…ガイド ４０ｕ…上面
４４…チェーン（連結部材） ５２…把持部
５４…支持部 ６２…ローラ（転動部材）
６４…ストッパ ６８…重心
７０…鉛直線 ７２…接触部分
９８…ボール（転動部材）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】