JP7527484B2 - 加工機械 - Google Patents

Description

この発明は、加工機械に関する。

たとえば、特開２０１７－１０７８号公報（特許文献１）には、ワークの除去加工のための工具を保持する工具主軸と、工具主軸に着脱可能に装着され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにレーザ光を照射する付加加工用ヘッドとを備える加工機械が開示されている。

特開２０１７－１０７８号公報

上述の特許文献１に開示される加工機械では、工具主軸（工具保持部）が、水平方向に平行な旋回中心軸を中心にして旋回可能に設けられている。このような構成において、ワークの付加加工時、工具主軸に対して装着された付加加工用ヘッド（作業用ヘッド）が、工具主軸と一体となって旋回動作すると、付加加工用ヘッドが工具主軸から脱落する可能性がある。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、工具保持部に装着された作業用ヘッドによりワークに対して作業を行なう場合に、作業用ヘッドが工具保持部から脱落することを防ぐ加工機械を提供することである。

この発明に従った加工機械は、水平方向に平行な所定軸を中心に旋回可能に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部と、工具保持部に対して着脱可能に設けられ、ワークに対して作業を行なう作業用ヘッドと、工具保持部および作業用ヘッドに設けられ、工具保持部および作業用ヘッドを相互に接続する第１接続部と、工具保持部および作業用ヘッドに設けられ、第１接続部から離れた位置に配置され、工具保持部および作業用ヘッドを相互に接続する第２接続部とを備える。作業用ヘッドの重心位置および所定軸が含まれる仮想平面を挟んだ一方の側に、第１接続部が配置され、仮想平面を挟んだ他方の側に、第２接続部が配置される。

このように構成された加工機械によれば、所定軸を中心とする工具保持部の旋回時、工具保持部に装着された作業用ヘッドには、作業用ヘッドの重心位置を質点として、作業用ヘッドの重心位置および所定軸が含まれる仮想平面に平行な方向の遠心力が作用するとみなすことができる。この場合に、工具保持部および作業用ヘッドを相互に接続する第１接続部および第２接続部が、仮想平面を挟んだ一方の側および他方の側にそれぞれ配置されるため、工具保持部の旋回時に作業用ヘッドに生じる遠心力を、作業用ヘッドの重心位置を挟んだ両側でバランスよく受けたり、作業用ヘッド自体の重量を、作業用ヘッドの重心位置を挟んだ両側でバランスよく受けたりすることができる。これにより、工具保持部に装着された作業用ヘッドによりワークに対して作業を行なう場合に、工具保持部からの作業用ヘッドの脱落を防ぐことができる。

また好ましくは、所定軸の軸方向に見た場合に、作業用ヘッドの重心位置は、第１接続部および第２接続部を繋ぐ仮想直線上であって、第１接続部および第２接続部の間に配置される。

このように構成された加工機械によれば、工具保持部の旋回時に生じる遠心力を、作業用ヘッドの重心位置を挟んだ両側でよりバランスよく受けることができる。これにより、工具保持部からの作業用ヘッドの脱落をより確実に防ぐことができる。

また好ましくは、工具保持部および作業用ヘッドのいずれか一方には、ピン挿入孔が設けられる。工具保持部および作業用ヘッドのいずれか他方には、工具保持部に対する作業用ヘッドの装着時にピン挿入孔に挿入され、ピン挿入孔とともに第１接続部をなすピン部材が設けられる。ピン挿入孔に対するピン部材の挿入方向は、所定軸と平行である。

このように構成された加工機械によれば、工具保持部の旋回時に生じる遠心力の方向と、ピン挿入孔に対するピン部材の挿入方向とが直交関係となる。これにより、工具保持部からの作業用ヘッドの脱落をより確実に防ぐことができる。

また好ましくは、工具保持部には、工具が挿入される工具挿入孔が設けられる。工具保持部は、工具挿入孔に挿入された工具をクランプするための工具クランプ機構部を有する。作業用ヘッドには、工具保持部に対する作業用ヘッドの装着時に、工具挿入孔に挿入されるとともに、工具クランプ機構部によりクランプされ、工具挿入孔とともに第２接続部をなすシャンク部が設けられる。

このように構成された加工機械によれば、第２接続部において、工具をクランプするための工具クランプ機構部が利用される。これにより、工具保持部からの作業用ヘッドの脱落をより確実に防ぐことができる。

また好ましくは、作業用ヘッドは、ワークに対して材料粉末を吐出するとともにレーザ光を照射する付加加工用ヘッドである。

このように構成された加工機械によれば、工具保持部に装着された付加加工用ヘッドによりワークに対して付加加工を行なう場合に、工具保持部からの付加加工用ヘッドの脱落を防ぐことができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、工具保持部に装着された作業用ヘッドによりワークに対して作業を行なう場合に、作業用ヘッドが工具保持部から脱落することを防ぐ加工機械を提供することができる。

この発明の実施の形態における加工機械を示す正面図である。 工具主軸と、工具主軸に装着された付加加工用ヘッドとを示す斜視図である。 図２中の工具主軸および付加加工用ヘッドを示す正面図である。 工具主軸を示す斜視図である。 図４中の工具主軸を示す正面図である。 付加加工用ヘッドを示す斜視図である。 図６中の付加加工用ヘッドを示す正面図である。 図６中の付加加工用ヘッドを示す上面図である。 工具主軸および付加加工用ヘッドの接続構造を説明するための部分断面図である。 図２中のＸ－Ｘ線上の矢視方向に見た工具主軸および付加加工用ヘッドを示す断面図である。 図９中の２点鎖線ＸＩで囲まれた範囲の工具主軸および付加加工用ヘッドを示す断面図である。 図３中の工具主軸および付加加工用ヘッドの変形例を示す正面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態における加工機械を示す正面図である。図１中には、加工機械の外観をなすカバー体を透視することにより、加工機械の内部が示されている。

図１を参照して、加工機械１００は、ワークの付加加工と、ワークの除去加工（切削加工）とが可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機である。加工機械１００は、ＳＭ加工の機能として、固定工具を用いた旋削機能と、回転工具を用いたミーリング機能とを有する。

加工機械１００は、コンピュータによる数値制御によって、ワーク加工のための各種動作が自動化されたＮＣ（Numerically Control）加工機械である。

なお、本明細書においては、加工機械１００の左右方向（幅方向）に平行で、水平方向に延びる軸を「Ｚ軸」といい、加工機械１００の前後方向（奥行き方向）に平行で、水平方向に延びる軸を「Ｙ軸」といい、鉛直方向に延びる軸を「Ｘ軸」という。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する３軸である。図１中における右方向を「＋Ｚ軸方向」といい、左方向を「－Ｚ軸方向」という。図１中における紙面の手前方向を「＋Ｙ軸方向」といい、奥方向を「－Ｙ軸方向」という。図１中における上方向を「＋Ｘ軸方向」といい、下方向を「－Ｘ軸方向」という。

まず、加工機械１００の全体構造について説明すると、加工機械１００は、カバー体１６６を有する。カバー体１６６は、加工エリア１６０を形成するとともに、加工機械１００の外観をなしている。

加工エリア１６０は、ワークの加工が行なわれる空間であり、ワークの除去加工に伴う切屑およびクーラント（ミスト）、ならびに、ワークの付加加工に伴うヒュームが加工エリア１６０の外側に漏出しないように密閉されている。

加工機械１００は、ベッド１３６と、第１ワーク主軸１１１と、第２ワーク主軸１１６と、工具主軸１２１と、刃物台１３１とを有する。

ベッド１３６は、第１ワーク主軸１１１、第２ワーク主軸１１６、工具主軸１２１および刃物台１３１等を支持するためのベース部材であり、工場などの床面に設置されている。

第１ワーク主軸１１１および第２ワーク主軸１１６は、Ｚ軸方向において、互いに対向して配置されている。第１ワーク主軸１１１および第２ワーク主軸１１６の各ワーク主軸は、ワークを保持可能である。第１ワーク主軸１１１および第２ワーク主軸１１６の各ワーク主軸には、ワークを着脱可能に保持するためのチャック機構（不図示）が設けられている。第１ワーク主軸１１１は、保持したワークをＺ軸に平行な回転中心軸１０１を中心に回転させる。第２ワーク主軸１１６は、保持したワークをＺ軸に平行な回転中心軸１０２を中心に回転させる。

第１ワーク主軸１１１は、ベッド１３６に固定されている。第２ワーク主軸１１６は、各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどにより、Ｚ軸方向に移動可能に設けられている。第２ワーク主軸１１６は、ベッド１３６に固定される構成であってもよい。

なお、第２ワーク主軸１１６に替わって、第１ワーク主軸１１１に保持されたワークの回転中心を支持するための心押し台が設けられてもよいし、第１ワーク主軸１１１に保持されたワークをその外周上から支持し、ワークの振れを防ぐためのワーク振れ止め装置が設けられてもよい。

工具主軸１２１は、加工エリア１６０内に設けられている。工具主軸１２１は、ワークの除去加工のための工具を保持可能である。工具主軸１２１は、ワークのミーリング加工のための回転工具を保持可能である。工具主軸１２１には、工具を着脱可能に保持するための工具クランプ機構部２７１（後出の図１１を参照）が設けられている。工具主軸１２１は、回転工具を用いたワークのミーリング加工時に、保持した回転工具をＸ軸－Ｚ軸平面に平行な回転中心軸１０５を中心に回転させる。

工具主軸１２１は、さらに、水平方向に平行な所定軸１０４を中心に旋回可能である（Ｂ軸旋回）。所定軸１０４は、Ｙ軸と平行である。工具主軸１２１の旋回範囲は、工具主軸１２１の主軸端面１２３（後出の図５を参照）が下方を向く基準姿勢（図１中に示す姿勢）に対して±９０°以上の範囲であることが好ましい。工具主軸１２１の旋回範囲は、基準姿勢に対して±９０°の範囲であってもよいし、±１２０°の範囲であってもよい。

工具主軸１２１は、図示しないコラム等によりベッド１３６上に支持されている。工具主軸１２１は、コラム等に設けられた各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動可能である。工具主軸１２１に装着された回転工具による加工位置は、３次元的に移動する。

なお、図１中には示されていないが、第１ワーク主軸１１１の周辺には、工具主軸１２１に保持される工具を自動交換するための自動工具交換装置（ＡＴＣ：Automatic Tool Changer）と、工具主軸１２１に保持する交換用の工具を収容する工具マガジンとが設けられている。

刃物台１３１は、旋削加工のための複数の固定工具を装着する。刃物台１３１は、いわゆるタレット形であり、複数の固定工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。

より具体的には、刃物台１３１は、旋回部１３２を有する。旋回部１３２は、Ｚ軸に平行な旋回中心軸１０６を中心に旋回可能に設けられている。旋回中心軸１０６を中心にその周方向に間隔を隔てた位置には、固定工具を保持するための工具ホルダが取り付けられている。旋回部１３２が旋回中心軸１０６を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された固定工具が周方向に移動し、旋削加工に用いられる固定工具が割り出される。

刃物台１３１は、図示しないサドル等によりベッド１３６上に支持されている。刃物台１３１は、サドル等に設けられた各種の送り機構、案内機構およびサーボモータなどにより、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能である。刃物台１３１は、回転工具を回転させるミーリング機能を備えてもよい。

加工機械１００は、付加加工用ヘッド１４１と、パウダーフィーダおよびレーザ発振装置（不図示）と、ケーブル１４６とをさらに有する。

付加加工用ヘッド１４１は、ワークに対して作業を行なう。付加加工用ヘッド１４１は、ワークに対して粉末（材料粉末）を吐出するとともにレーザ光を照射することにより付加加工を行なう（指向性エネルギ堆積法（Directed Energy Deposition））。粉末としては、ステンレス、ニッケル基合金、コバルト基合金もしくはチタン等の金属粉末を利用することができる。なお、粉末は、金属粉末に限られない。

付加加工用ヘッド１４１は、工具主軸１２１に対して着脱可能に設けられている。ワークの付加加工時、付加加工用ヘッド１４１は、工具主軸１２１に装着されることにより、工具主軸１２１と一体となって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動したり、所定軸１０４を中心に旋回したりする。ワークの除去加工時、付加加工用ヘッド１４１は、工具主軸１２１から離脱され、後述するヘッドストッカ１７０に格納される。

パウダーフィーダおよびレーザ発振装置は、加工機械１００の機外に設置されている。パウダーフィーダは、付加加工に用いられる粉末を付加加工用ヘッド１４１に向けて送り出す。レーザ発振装置は、付加加工に用いられるレーザ光を発振する。

ケーブル１４６は、付加加工用ヘッド１４１から延出し、パウダーフィーダおよびレーザ発振装置に接続されている。ケーブル１４６は、パウダーフィーダからの粉末を付加加工用ヘッド１４１に供給し、レーザ発振装置からのレーザ光を付加加工用ヘッド１４１に供給する。ケーブル１４６は、レーザ光を導くための光ファイバと、粉末を導くための配管と、空気の流路となるエア配管と、不活性ガスの流路となるガス配管と、冷媒の流路となる冷却配管と、電気配線と、これらを収容するフレキシブルチューブとを含む。ケーブル１４６は、可撓性を有する。

付加加工用ヘッド１４１は、ヘッド本体１５１と、レーザツール１４２とを有する。ヘッド本体１５１には、ケーブル１４６を通じて、レーザ光および粉末が導入される。ヘッド本体１５１には、レーザ光をレーザツール１４２に向けて導くためのミラー、および、レーザ光を平行光にするためのコリメーションレンズ等の各種の光学部品が内装されている。

ヘッド本体１５１には、ケーブルガイド部１４３が設けられている。ケーブルガイド部１４３は、筒形状を有し、その内側にはケーブル１４６が挿入されている。ケーブルガイド部１４３は、ケーブル１４６をヘッド本体１５１の内部に案内している。

レーザツール１４２は、ヘッド本体１５１に取り付けられている。レーザツール１４２は、ワークに向けてレーザ光を出射するとともに、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める。レーザツール１４２は、集光レンズを有してもよい。レーザツール１４２からワークに向けて出射されるレーザ光の光軸１０７は、工具主軸１２１の回転中心軸１０５と平行に延びている。レーザツール１４２には、ワークに向けて粉末を吐出するためのノズル孔が設けられている。なお、付加加工用ヘッド１４１は、パイプ形状を有するノズルを通じて粉末を吐出する構成であってもよい。

加工機械１００は、ワーク上に定められるレーザ光の照射領域の形状および／または大きさが異なる複数のレーザツール１４２を有してもよい。この場合に、ヘッド本体１５１には、実行する付加加工の条件に合わせて、複数のレーザツール１４２のうちいずれか１つのレーザツール１４２が選択的に装着されてもよい。

カバー体１６６は、格納エリア１６１をさらに形成している。格納エリア１６１は、Ｚ軸方向において、加工エリア１６０と並んで設けられている。格納エリア１６１は、第２ワーク主軸１１６の上方に設けられている。

カバー体１６６は、内カバー１６７と、開閉カバー１６９とをさらに有する。内カバー１６７は、格納エリア１６１を形成している。内カバー１６７には、開口部１６８が設けられている。開口部１６８は、加工エリア１６０および格納エリア１６１の間を開通させる開口からなる。開閉カバー１６９は、開口部１６８に設けられている。開閉カバー１６９は、開口部１６８を閉塞する閉状態と、開口部１６８を開放する開状態との間で動作可能に設けらている。

加工機械１００は、ヘッドストッカ１７０と、ヘッドストッカ支持台１８１とをさらに有する。ヘッドストッカ１７０は、格納エリア１６１に設けられている。ヘッドストッカ支持台１８１は、ベッド１３６に立設されている。ヘッドストッカ１７０は、ヘッドストッカ支持台１８１によって、第２ワーク主軸１１６の上方の位置に支持されている。ヘッドストッカ１７０は、ワークの除去加工時に、付加加工用ヘッド１４１を格納エリア１６１に格納する。

ヘッドストッカ１７０は、ヘッド保持部１７１と、基台１７２と、ケーブル支持部１７６とを有する。

ヘッド保持部１７１は、付加加工用ヘッド１４１を着脱可能に保持する。開閉カバー１６９は、ワークの除去加工および付加加工の間における移行時に開状態に動作される。付加加工用ヘッド１４１は、ワークの除去加工から付加加工への移行時に、工具主軸１２１からヘッド保持部１７１に受け渡され、開口部１６８を通じて格納エリア１６１に格納される。付加加工用ヘッド１４１は、ワークの付加加工から除去加工への移行時に、開口部１６８を通じて加工エリア１６０に進入し、ヘッド保持部１７１から工具主軸１２１に受け渡される。

基台１７２は、Ｙ軸－Ｚ軸平面に平行に配置される板部材からなる。基台１７２には、ヘッド保持部１７１およびケーブル支持部１７６が搭載されている。

ケーブル支持部１７６は、付加加工用ヘッド１４１から延出するケーブル１４６を支持している。ケーブル支持部１７６は、滑車部１７７を有する。滑車部１７７は、Ｙ軸方向に平行な回転中心軸１０８を中心に回転可能で、かつ、Ｚ軸方向にスライド移動可能なように設けられている。滑車部１７７には、図示しないバネ部材によって、加工エリア１６０から格納エリア１６１に向けた張力（弾性力）が付与されている。滑車部１７７には、Ｚ軸方向において、加工エリア１６０内の付加加工用ヘッド１４１から遠ざかる方向（＋Ｚ軸方向）の張力が付与されている。

付加加工用ヘッド１４１から延出するケーブル１４６は、基台１７２上において、＋Ｚ軸方向に延びている。ケーブル１４６は、滑車部１７７に掛け回され、１８０°反転して－Ｚ軸方向に延びている。－Ｚ軸方向に延びるケーブル１４６の先端部は、基台１７２により支持されている。

このような構成によれば、加工エリア１６０内におけるケーブル１４６の撓みを抑制することができる。また、滑車部１７７がＺ軸方向にスライド移動することによって、付加加工用ヘッド１４１の位置に合わせて加工エリア１６０内におけるケーブル１４６の長さを自動的に調整することができる。

続いて、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１のより具体的な構造と、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１の接続構造とについて説明する。

図２は、工具主軸と、工具主軸に装着された付加加工用ヘッドとを示す斜視図である。図３は、図２中の工具主軸および付加加工用ヘッドを示す正面図である。図４は、工具主軸を示す斜視図である。図５は、図４中の工具主軸を示す正面図である。図６は、付加加工用ヘッドを示す斜視図である。図７は、図６中の付加加工用ヘッドを示す正面図である。図８は、図６中の付加加工用ヘッドを示す上面図である。

なお、図２から図８、および、後出の図９から図１１中には、基準姿勢における工具主軸１２１と、その工具主軸１２１に装着される付加加工用ヘッド１４１とが、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸と合わせて示されている。以下、その基準姿勢時におけるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を参照しながら、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１の構造について説明する。

図２から図８を参照して、工具主軸１２１は、外装体１２２と、主軸本体１２４（後出の図１１を参照）とを有する。

外装体１２２は、工具主軸１２１の外観をなしている。外装体１２２は、直方体形状を有する。外装体１２２は、第１側面１２２ａと、第２側面１２２ｂとを有する。

図４および図５に示されるように、第１側面１２２ａは、＋Ｙ軸方向を向いている。第１側面１２２ａは、Ｘ軸－Ｚ軸平面と平行に配置されている。所定軸１０４は、第１側面１２２ａと交わっている。第２側面１２２ｂは、所定軸１０４からその半径方向外側に離れた位置に設けられている。第２側面１２２ｂは、回転中心軸１０５および所定軸１０４と平行な平面からなる。第２側面１２２ｂは、所定軸１０４の半径方向外側を向いている。第２側面１２２ｂは、所定軸１０４を中心とする工具主軸１２１の旋回動作に伴って、所定軸１０４の周方向に移動する。

図５および後出の図１１に示されるように、主軸本体１２４は、外装体１２２に内装されている。主軸本体１２４は、回転中心軸１０５の軸方向に延びる筒体からなる。主軸本体１２４は、回転中心軸１０５を中心に回転可能なように支持されている。

主軸本体１２４は、主軸端面１２３を有する。主軸端面１２３は、回転中心軸１０５の軸方向における主軸本体１２４の端部に配置されている。主軸端面１２３は、所定軸１０４からその半径方向外側に離れた位置に設けられている。主軸端面１２３は、回転中心軸１０５と直交し、かつ、所定軸１０４と平行な平面からなる。主軸端面１２３は、回転中心軸１０５を中心とするリング状を有する。主軸端面１２３は、所定軸１０４を中心とする工具主軸１２１の旋回動作に伴って、所定軸１０４の周方向に移動する。

付加加工用ヘッド１４１（ヘッド本体１５１）は、第１側部１５２と、第２側部１５３と、底部１５４とを有する。

図８に示されるように、付加加工用ヘッド１４１をＸ軸方向に見た場合に、第１側部１５２は、光軸１０７から＋Ｙ軸方向に離れた位置に設けられている。第１側部１５２は、Ｘ軸－Ｚ軸平面と平行に配置され、Ｙ軸方向が厚み方向となるブロック形状を有する。第２側部１５３は、光軸１０７から＋Ｚ軸方向、かつ＋Ｙ軸方向に離れた位置に設けられている。第２側部１５３は、Ｘ軸－Ｙ軸平面と平行に配置され、Ｚ軸方向が厚み方向となるブロック形状を有する。＋Ｙ軸方向における第２側部１５３の端部が、＋Ｚ軸方向における第１側部１５２の端部と連なって、角部をなしている。

ケーブルガイド部１４３は、第１側部１５２および第２側部１５３がなす角部に接続されている。ケーブルガイド部１４３は、＋Ｚ軸方向を向いて開口している。

底部１５４は、Ｙ軸－Ｚ軸平面と平行に配置され、Ｘ軸方向が厚み方向となるブロック形状を有する。＋Ｙ軸方向における底部１５４の端部が、－Ｘ軸方向における第１側部１５２の端部と連なって、角部をなしている。＋Ｚ軸方向における底部１５４の端部が、－Ｘ軸方向における第２側部１５３の端部と連なって、角部をなしている。＋Ｚ軸方向、かつ、＋Ｙ軸方向における底部１５４の端部が、＋Ｚ軸方向、かつ、－Ｘ軸方向における第１側部１５２の端部と、＋Ｙ軸方向、かつ、－Ｘ軸方向における第２側部１５３の端部とに連なって、頂部をなしている。

レーザツール１４２は、底部１５４に取り付けられている。レーザツール１４２は、底部１５４から－Ｘ軸方向に突出するように設けられている。

工具主軸１２１に対して付加加工用ヘッド１４１が装着された状態において、第１側面１２２ａと、第１側部１５２とが、Ｙ軸方向において互いに対向し、第２側面１２２ｂと、第２側部１５３とが、Ｚ軸方向において互いに対向し、主軸端面１２３と、底部１５４とが、Ｘ軸方向において互いに対向している。

工具主軸１２１に対して付加加工用ヘッド１４１が装着された状態において、Ｙ軸方向に延長された工具主軸１２１における所定軸１０４は、付加加工用ヘッド１４１の第１側部１５２と交わっている。Ｘ軸方向に延長された工具主軸１２１における回転中心軸１０５は、付加加工用ヘッド１４１の底部１５４と交わっている。Ｘ軸方向に延長された付加加工用ヘッド１４１における光軸１０７は、外装体１２２と交わっている。

図６から図８に示されるように、付加加工用ヘッド１４１は、シリンダーカバー１５７をさらに有する。シリンダーカバー１５７は、＋Ｘ軸方向における第２側部１５３の端部に取り付けられている。シリンダーカバー１５７は、後述するピストンシリンダー２３１を覆うように設けられている。

なお、図２および図３では、シリンダーカバー１５７の図示が省略されることにより、シリンダーカバー１５７の内部構造が示され、後出の図９では、シリンダーカバー１５７と、その内部構造との図示が省略されている。

図９は、工具主軸および付加加工用ヘッドの接続構造を説明するための部分断面図である。図１０は、図２中のＸ－Ｘ線上の矢視方向に見た工具主軸および付加加工用ヘッドを示す断面図である。図１１は、図９中の２点鎖線ＸＩで囲まれた範囲の工具主軸および付加加工用ヘッドを示す断面図である。

図９および図１０を参照して、加工機械１００は、第１接続部２１１をさらに有する。第１接続部２１１は、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１に設けられている。第１接続部２１１は、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１を相互に接続するように構成されている。

図１０に示されるように、工具主軸１２１は、ブロック体２２１をさらに有する。ブロック体２２１は、外装体１２２に取り付けられている。ブロック体２２１は、外装体１２２の第２側面１２２ｂから突出するように設けられている。ブロック体２２１は、付加加工用ヘッド１４１の第２側部１５３よりも上方に設けられている。

ブロック体２２１には、ピン挿入孔２２２が設けられている。ピン挿入孔２２２は、Ｙ軸方向に凹む凹形状をなしている。ピン挿入孔２２２は、ブロック体２２１において＋Ｙ軸方向を向いて開口している。ピン挿入孔２２２は、Ｙ軸方向に平行な中心軸２０６の軸上に設けられている。ブロック体２２１が中心軸２０６に直交する平面により切断された場合に、ピン挿入孔２２２は、円形の開口形状をなしている。

付加加工用ヘッド１４１は、ピストンシリンダー２３１をさらに有する。ピストンシリンダー２３１は、＋Ｘ軸方向における第２側部１５３の端部に取り付けられている。ピストンシリンダー２３１は、Ｙ軸方向において、ブロック体２２１と対向する位置に設けられている。

ピストンシリンダー２３１は、シリンダーブロック２４２と、ピストン２４３と、ピン部材２３３と、ガイドブロック２３２とを有する。シリンダーブロック２４２は、ピストン２４３をＹ軸方向においてスライド動作が可能なように支持している。シリンダーブロック２４２に油圧または空圧等の流体圧が供給されることによって、ピストン２４３は、＋Ｙ軸方向および－Ｙ軸方向のいずれかの方向にスライド動作する。

ガイドブロック２３２は、Ｙ軸方向において、シリンダーブロック２４２と並んで設けられている。ガイドブロック２３２は、Ｙ軸方向において、シリンダーブロック２４２およびブロック体２２１の間に配置されている。ガイドブロック２３２は、ピン部材２３３をＹ軸方向においてスライド動作が可能なように支持している。

ピン部材２３３は、Ｙ軸方向に延びるピン形状を有する。ピン部材２３３は、中心軸２０７の軸上で延びている。付加加工用ヘッド１４１が工具主軸１２１に装着された状態において、中心軸２０７は、中心軸２０６と一直線上に配置されている。

ピン部材２３３は、Ｙ軸方向において、ピン挿入孔２２２と対向して設けられている。ピン部材２３３は、－Ｙ軸方向に向けて突出する凸形状を有する。ピン部材２３３は、中心軸２０７に直交する平面により切断された場合に、ピン挿入孔２２２に対応する断面形状を有する。ピン部材２３３は、円形の断面形状を有する。

ピン部材２３３は、ピストン２４３に接続されている。＋Ｙ軸方向におけるピン部材２３３の端部が、－Ｙ軸方向におけるピストン２４３の端部に接続されている。ピン部材２３３は、ピストン２４３と一体になって、Ｙ軸方向にスライド動作する。

このような構成において、第１接続部２１１は、ピン挿入孔２２２およびピン部材２３３から構成されている。工具主軸１２１に対する付加加工用ヘッド１４１の装着時に、シリンダーブロック２４２に対して流体圧を供給することによって、ピストン２４３を－Ｙ軸方向にスライド動作させる。ピン部材２３３は、ピストン２４３とともに－Ｙ軸方向にスライド動作することによって、ピン挿入孔２２２に挿入される。これにより、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１が、第１接続部２１１によって相互に接続される。

ピン挿入孔２２２に対するピン部材２３３の挿入方向は、所定軸１０４と平行であるＹ軸方向（－Ｙ軸方向）である。

一方、工具主軸１２１からの付加加工用ヘッド１４１の離脱時に、シリンダーブロック２４２に対して流体圧を供給することによって、ピストン２４３を＋Ｙ軸方向にスライド動作させる。ピン２３３は、ピストン２４３とともに＋Ｙ軸方向にスライド動作することによって、ピン挿入孔２２２から抜ける。これにより、第１接続部２１１による工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１の接続が解除される。

図９および図１１を参照して、加工機械１００は、第２接続部２６１をさらに有する。第２接続部２６１は、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１に設けられている。第２接続部２６１は、第１接続部２１１から離れた位置に配置されている。第２接続部２６１は、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１を相互に接続するように構成されている。

図１１に示されるように、工具主軸１２１（主軸本体１２４）には、工具挿入孔１２５が設けられている。工具挿入孔１２５は、回転中心軸１０５の軸方向に凹む凹形状をなしている。工具挿入孔１２５は、主軸端面１２３に開口している。ワークの除去加工時、工具主軸１２１に工具を装着する場合に、工具挿入孔１２５に工具（のシャンク部）が挿入される。

工具挿入孔１２５は、テーパ面１２５ｃを規定している。テーパ面１２５ｃは、回転中心軸１０５を中心とする主軸本体１２４の内周面からなる。テーパ面１２５ｃの直径は、回転中心軸１０５の軸方向において主軸端面１２３から遠ざかるほど小さくなる。

工具主軸１２１は、工具クランプ機構部２７１をさらに有する。工具クランプ機構部２７１は、主軸本体１２４に設けられている。工具クランプ機構部２７１は、ワークの除去加工時に、工具を工具主軸１２１に保持するための機構である。工具クランプ機構部２７１は、工具をクランプするクランプ状態と、工具をアンクランプするアンクランプ状態との間で動作が可能である。本実施の形態では、工具クランプ機構部２７１により保持可能な工具のシャンク仕様が、ポリゴンテーパシャンクである。

図８および図１１に示されるように、付加加工用ヘッド１４１は、シャンク部１５６をさらに有する。

シャンク部１５６は、底部１５４に設けられている。シャンク部１５６は、底部１５４から＋Ｘ軸方向に突出するように設けられている。シャンク部１５６は、中心軸２０１の軸上に設けられている。付加加工用ヘッド１４１が工具主軸１２１に装着された状態において、中心軸２０１は、回転中心軸１０５と一直線上に配置されている。中心軸２０１は、光軸１０７から－Ｚ軸方向に離れた位置に配置されている。中心軸２０１および光軸１０７は、Ｙ軸方向において揃った位置に配置されている。なお、中心軸２０１および光軸１０７は、Ｙ軸方向においてずれた位置に配置されてもよい。

シャンク部１５６は、工具クランプ機構部２７１により保持可能な工具のシャンク仕様（ポリゴンテーパシャンク）に対応するシャンク形状を有する。

より具体的には、シャンク部１５６は、中心軸２０１を中心とする円筒形状を有し、その内周面には、回転中心軸１０５の半径方向外側に向けて凹む凹部２８１が設けられている。シャンク部１５６は、テーパ面１５６ｄと、シャンク端面１５６ｅとを有する。テーパ面１５６ｄは、回転中心軸１０５を中心とするシャンク部１５６の外周面からなる。テーパ面１５６ｄは、テーパ面１２５ｃに対応するテーパ形状を有する。シャンク端面１５６ｅは、中心軸２０１と直交する平面からなる。シャンク端面１５６ｅは、中心軸２０１を中心とするリング形状を有する。

シャンク部１５６は、工具挿入孔１２５に挿入されている。工具挿入孔１２５に対するシャンク部１５６の挿入方向は、所定軸１０４の半径方向（回転中心軸１０５の軸方向）である。工具クランプ機構部２７１によるシャンク部１５６のクランプ状態において、テーパ面１５６ｄは、テーパ面１２５ｃと当接し、シャンク端面１５６ｅは、主軸端面１２３と当接している。

工具クランプ機構部２７１は、ドローバ２７２と、コレット２７３と、バネ部材２７４と、アンクランプシリンダー（不図示）とを有する。

ドローバ２７２は、回転中心軸１０５の軸上に設けられている。ドローバ２７２は、回転中心軸１０５の軸方向にスライド移動が可能なように設けられている（回転中心軸１０５の軸方向において、主軸端面１２３が位置する側を「前方側」といい、その反対側を「後方側」という）。

コレット２７３は、ドローバ２７２の前端部に取り付けられている。コレット２７３は、円筒形状を有するシャンク部１５６の内側に配置されている。コレット２７３は、回転中心軸１０５の軸方向におけるドローバ２７２のスライド移動に伴って、回転中心軸１０５を中心に縮径したり、拡径したりするように変形する。バネ部材２７４は、ドローバ２７２の外周上に設けられている。バネ部材２７４は、ドローバ２７２に対して回転中心軸１０５の軸方向の後方側に向けた弾性力を作用させている。アンクランプシリンダーは、ドローバ２７２の後端部に設けられている。アンクランプシリンダーは、油圧が供給されることによって、ドローバ２７２を回転中心軸１０５の軸方向の前方側にスライド移動させるように動作する。

このような構成において、第２接続部２６１は、工具挿入孔１２５およびシャンク部１５６から構成されている。工具主軸１２１に対する付加加工用ヘッド１４１の装着時、バネ部材２７４の弾性力によって、ドローバ２７２を回転中心軸１０５の軸方向の後方側に向けてスライド移動させる。コレット２７３は、ドローバ２７２のスライド移動に伴って回転中心軸１０５を中心に拡径するように変形し、凹部２８１に係合される。コレット２７３が、シャンク部１５６を回転中心軸１０５の軸方向の後方側に引き込むことによって、工具クランプ機構部２７１によるシャンク部１５６のクランプ状態が得られる。これにより、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１が、第２接続部２６１によって相互に接続される。

一方、工具主軸１２１からの付加加工用ヘッド１４１の離脱時、アンクランプシリンダーに油圧を供給することによって、ドローバ２７２を回転中心軸１０５の軸方向の前方側に向けてスライド移動させる。コレット２７３は、ドローバ２７２のスライド移動に伴って回転中心軸１０５を中心に縮径するように変形し、凹部２８１に対するコレット２７３の係合が解除される。ドローバ２７２が、シャンク部１５６を回転中心軸１０５の軸方向の前方側に押し出すことによって、工具クランプ機構部２７１によるシャンク部１５６のアンクランプ状態が得られる。これにより、第２接続部２６１による工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１の接続が解除される。

なお、本発明における工具クランプ機構部により保持可能な工具のシャンク仕様は、ポリゴンテーパシャンクに限定されず、たとえば、中空テーパシャンクであってもよい。

図９を参照して、付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇおよび所定軸１０４が含まれる仮想平面３１０を挟んだ一方の側に、第１接続部２１１が配置され、仮想平面３１０を挟んだ他方の側に、第２接続部２６１が配置されている。所定軸１０４は、仮想平面３１０の面内で延びている。所定軸１０４の軸方向に見た場合に、付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇは、仮想平面３１０と重なっている。

重心位置Ｇは、工具主軸１２１と分離された状態における付加加工用ヘッド１４１の単体の重心位置である。

工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１を所定軸１０４の軸方向に見た場合に、付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇは、所定軸１０４から、＋Ｚ軸方向、かつ、－Ｘ軸方向にずれた位置に配置されている。重心位置Ｇは、第１側部１５２と重なる位置に配置されている。重心位置Ｇは、第２側部１５３から－Ｚ軸方向にずれ、かつ、底部１５４から＋Ｘ軸方向にずれた位置に配置されている。重心位置Ｇは、Ｘ軸方向（上下方向）において、第１接続部２１１および第２接続部２６１の間に配置されている。重心位置Ｇは、Ｚ軸方向（水平方向）において、第１接続部２１１および第２接続部２６１の間に配置されている。

重心位置Ｇは、付加加工用ヘッド１４１の形状および付加加工用ヘッド１４１の構成部品の各重量をコンピュータに入力し、ＦＥＭ（Finite Element Method）解析により特定されてもよい。重心位置Ｇの特定は、コンピューターによる解析に限られず、たとえば、紐により付加加工用ヘッド１４１を任意の一点で吊るした場合の紐の延長線と、紐により付加加工用ヘッド１４１を別の一点で吊るした場合の紐の延長線との交点を、付加加工用ヘッド１４１の重心位置とする手法が用いられてもよい。

第１接続部２１１および仮想平面３１０の間の最短距離は、第２接続部２６１および仮想平面３１０の間の最短距離よりも大きい。第１接続部２１１および仮想平面３１０の間の最短距離は、第２接続部２６１および仮想平面３１０の間の最短距離以下であってもよい。

所定軸１０４を中心とする工具主軸１２１の旋回時、工具主軸１２１に装着された付加加工用ヘッド１４１には、付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇを質点として、付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇおよび所定軸１０４が含まれる仮想平面３１０に平行な方向の遠心力が作用するとみなすことができる。

この場合に、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１を相互に接続する第１接続部２１１および第２接続部２６１が、仮想平面３１０を挟んだ一方の側および他方の側にそれぞれ配置されるため、工具主軸１２１の旋回時に生じる遠心力を、付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇを挟んだ両側でバランスよく受けることができる。また、付加加工用ヘッド１４１の重量を、付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇを挟んだ両側でバランスよく受けることができる。これにより、ワークの付加加工時に、付加加工用ヘッド１４１が工具主軸１２１から脱落することを防止できる。

ピン挿入孔２２２に対するピン部材２３３の挿入方向は、所定軸１０４と平行であるＹ軸方向である。このような構成によれば、工具主軸１２１の旋回時に生じる遠心力の方向と、ピン挿入孔２２２に対するピン部材２３３の挿入方向とが直交関係となる。これにより、ワークの付加加工時に、付加加工用ヘッド１４１が工具主軸１２１から脱落することをより確実に防止できる。

図１２は、図３中の工具主軸および付加加工用ヘッドの変形例を示す正面図である。図１２を参照して、本変形例では、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１を所定軸１０４の軸方向に見た場合に、付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇが、第１接続部２１１および第２接続部２６１を繋ぐ仮想直線３２０上であって、第１接続部２１１および第２接続部２６１の間に配置されている。

仮想直線３２０は、第１接続部２１１において、ピン部材２３３の中心軸２０７（ピン挿入孔２２２の中心軸２０６）を通っている。仮想直線３２０は、第２接続部２６１において、工具挿入孔１２５の中心軸に対応する回転中心軸１０５の軸上であって、テーパ面１２５ｃおよびテーパ面１５６ｄの当接部の内周側の任意の点２０８を通っている。

このような構成によれば、工具主軸１２１の旋回時に生じる遠心力を、付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇを挟んだ両側でさらにバランスよく受けることができる。これにより、ワークの付加加工時に、付加加工用ヘッド１４１が工具主軸１２１から脱落することをより確実に防止できる。

以上に説明した、この発明の実施の形態における加工機械１００の構造についてまとめると、本実施の形態における加工機械１００は、水平方向に平行な所定軸１０４を中心に旋回可能に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部としての工具主軸１２１と、工具主軸１２１に対して着脱可能に設けられ、ワークに対して作業を行なう作業用ヘッドとしての付加加工用ヘッド１４１と、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１に設けられ、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１を相互に接続する第１接続部２１１と、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１に設けられ、第１接続部２１１から離れた位置に配置され、工具主軸１２１および付加加工用ヘッド１４１を相互に接続する第２接続部２６１とを備える。付加加工用ヘッド１４１の重心位置Ｇおよび所定軸１０４が含まれる仮想平面３１０を挟んだ一方の側に、第１接続部２１１が配置され、仮想平面３１０を挟んだ他方の側に、第２接続部２６１が配置される。

このように構成された、この発明の実施の形態における加工機械１００によれば、工具主軸１２１に装着された付加加工用ヘッド１４１によりワークに対して付加加工を行なう場合に、付加加工用ヘッド１４１が工具主軸１２１から脱落することを防止できる。

なお、本発明における作業用ヘッドは、付加加工用ヘッド１４１に限られず、たとえば、ワークのレーザ加工に用いられるレーザ加工用ヘッドであってもよいし、ワークを測定するためのプローブを備えた測定用ヘッドであってもよい。また、本発明における工具保持部は、工具主軸に限られず、たとえば、固定工具を保持するための刃物台であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば、ワークの除去加工と、付加加工とが可能な加工機械に適用される。

１００ 加工機械、１０１，１０２，１０５，１０８ 回転中心軸、１０４ 所定軸、１０６ 旋回中心軸、１０７ 光軸、１１１ 第１ワーク主軸、１１６ 第２ワーク主軸、１２１ 工具主軸、１２２ 外装体、１２２ａ 第１側面、１２２ｂ 第２側面、１２３ 主軸端面、１２４ 主軸本体、１２５ 工具挿入孔、１２５ｃ，１５６ｄ テーパ面、１３１ 刃物台、１３２ 旋回部、１３６ ベッド、１４１ 付加加工用ヘッド、１４２ レーザツール、１４３ ケーブルガイド部、１４６ ケーブル、１５１ ヘッド本体、１５２ 第１側部、１５３ 第２側部、１５４ 底部、１５６ シャンク部、１５６ｅ シャンク端面、１５７ シリンダーカバー、１６０ 加工エリア、１６１ 格納エリア、１６６ カバー体、１６７ 内カバー、１６８ 開口部、１６９ 開閉カバー、１７０ ヘッドストッカ、１７１ ヘッド保持部、１７２ 基台、１７６ ケーブル支持部、１７７ 滑車部、１８１ ヘッドストッカ支持台、２０１，２０６，２０７ 中心軸、２１１ 第１接続部、２２１ ブロック体、２２２ ピン挿入孔、２３１ ピストンシリンダー、２３２ ガイドブロック、２３３ ピン部材、２４２ シリンダーブロック、２４３ ピストン、２６１ 第２接続部、２７１ 工具クランプ機構部、２７２ ドローバ、２７３ コレット、２７４ バネ部材、２８１ 凹部、３１０ 仮想平面、３２０ 仮想直線、Ｇ 重心位置。

Claims (4)

1. 水平方向に平行な所定軸を中心に旋回可能に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部と、
   前記工具保持部に対して着脱可能に設けられ、ワークに対して作業を行なう作業用ヘッドと、
   前記工具保持部および前記作業用ヘッドに設けられ、前記工具保持部および前記作業用ヘッドを相互に接続する第１接続部と、
   前記工具保持部および前記作業用ヘッドに設けられ、前記第１接続部から離れた位置に配置され、前記工具保持部および前記作業用ヘッドを相互に接続する第２接続部とを備え、
   前記作業用ヘッドの重心位置および前記所定軸が含まれる仮想平面を挟んだ一方の側に、前記第１接続部が配置され、前記仮想平面を挟んだ他方の側に、前記第２接続部が配置され、
   前記工具保持部および前記作業用ヘッドのいずれか一方には、ピン挿入孔が設けられ、
   前記工具保持部および前記作業用ヘッドのいずれか他方には、前記工具保持部に対する前記作業用ヘッドの装着時に前記ピン挿入孔に挿入され、前記ピン挿入孔とともに前記第１接続部をなすピン部材が設けられ、
   前記ピン挿入孔に対する前記ピン部材の挿入方向は、前記所定軸と平行である、加工機械。
2. 水平方向に平行な所定軸を中心に旋回可能に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部と、
   前記工具保持部に対して着脱可能に設けられ、ワークに対して作業を行なう作業用ヘッドと、
   前記工具保持部および前記作業用ヘッドに設けられ、前記工具保持部および前記作業用ヘッドを相互に接続する第１接続部と、
   前記工具保持部および前記作業用ヘッドに設けられ、前記第１接続部から離れた位置に配置され、前記工具保持部および前記作業用ヘッドを相互に接続する第２接続部とを備え、
   前記作業用ヘッドの重心位置および前記所定軸が含まれる仮想平面を挟んだ一方の側に、前記第１接続部が配置され、前記仮想平面を挟んだ他方の側に、前記第２接続部が配置され、
   前記所定軸の軸方向に見た場合に、前記作業用ヘッドの重心位置は、前記第１接続部および前記第２接続部を繋ぐ仮想直線上であって、前記第１接続部および前記第２接続部の間に配置される、加工機械。
3. 水平方向に平行な所定軸を中心に旋回可能に設けられ、ワークの除去加工のための工具を保持する工具保持部と、
   前記工具保持部に対して着脱可能に設けられ、ワークに対して作業を行なう作業用ヘッドと、
   前記工具保持部および前記作業用ヘッドに設けられ、前記工具保持部および前記作業用ヘッドを相互に接続する第１接続部と、
   前記工具保持部および前記作業用ヘッドに設けられ、前記第１接続部から離れた位置に配置され、前記工具保持部および前記作業用ヘッドを相互に接続する第２接続部とを備え、
   前記作業用ヘッドの重心位置および前記所定軸が含まれる仮想平面を挟んだ一方の側に、前記第１接続部が配置され、前記仮想平面を挟んだ他方の側に、前記第２接続部が配置され、
   前記工具保持部には、工具が挿入される工具挿入孔が設けられ、
   前記工具保持部は、前記工具挿入孔に挿入された工具をクランプするための工具クランプ機構部を有し、
   前記作業用ヘッドには、前記工具保持部に対する前記作業用ヘッドの装着時に、前記工具挿入孔に挿入されるとともに、前記工具クランプ機構部によりクランプされ、前記工具挿入孔とともに前記第２接続部をなすシャンク部が設けられ、
   前記第２接続部および前記仮想平面の間の最短距離は、前記第１接続部および前記仮想平面の間の最短距離よりも小さい、加工機械。
4. 前記作業用ヘッドは、ワークに対して材料粉末を吐出するとともにレーザ光を照射する付加加工用ヘッドである、請求項１から３のいずれか１項に記載の加工機械。

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