JP2005205503A - 工具搬送装置，工具搬送装置の動作速度決定方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 工具を旋回運動によって搬送する場合の旋回速度を、その旋回運動により工具に作用する力に基づいて適切に設定することができる工具搬送装置を提供する。
【解決手段】 工具マガジンを制御する制御装置は、工具に作用する遠心力を推定し（ステップＳ１〜Ｓ３）、工具マガジンの最高旋回速度ωmaxを、推定した遠心力と、グリップアームにおける工具のグリップ力ＦGに基づき設定される限界遠心力Ｆlimitとに基づいて決定する（ステップＳ４〜Ｓ７）。
【選択図】 図１

Description

工作機械によって使用される工具を旋回運動により搬送するための搬送部を備えてなる工具搬送装置、及びその工具搬送装置の動作速度決定方法、並びに前記工具搬送装置を制御対象とするコンピュータのプログラムに関する。

特許文献１には、工作機械によって使用される工具を旋回運動により搬送する装置について、その搬送速度を工具の重量モーメントに応じて適切に変化させるようにした技術が開示されている。
特開平３−６０９４１号公報

しかしながら、本来、重量モーメントは加速度に対して影響を及ぼすものであるから、重量モーメントに応じて搬送速度を決定すると、ある程度の妥当性を有するとしても、必ずしも最適な搬送速度が得られるとは限らない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、工具を旋回運動によって搬送する場合の旋回速度を、その旋回運動により工具に作用する力に基づいて適切に設定することができる工具搬送装置、及びその工具搬送装置の動作速度決定方法、並びに前記工具搬送装置を制御対象とするコンピュータのプログラムを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の工具搬送装置は、工作機械によって使用される工具を保持する工具保持部を旋回運動により所定の位置へ搬送する搬送部と、
この搬送部によって搬送される工具に作用する遠心力を推定する遠心力推定手段と、
この遠心力推定手段によって推定される遠心力に基づいて、前記搬送部の旋回速度を決定する速度決定手段とを備えたことを特徴とする。
即ち、工具に作用する遠心力を規定すれば、所定の質量を有する工具を最大どの程度の速度によって旋回させることができるかを物理的に決定することができる。従って、工具の質量に応じて動作可能な旋回速度がより適切に定まるようになる。

この場合、請求項２に記載したように、前記遠心力推定手段を、工具の質量と、前記旋回運動の回転中心から当該工具重心までの公転半径との積に基づいて遠心力を推定するように構成すると良い。即ち、工具に作用する遠心力をＦ，工具の質量をｍ，重心公転半径をｒ，旋回速度（角速度）をωとすれば、これらの関係は次式によって定まる。
Ｆ＝ｍ・ｒ・ω²
従って、ｍ×ｒを演算することで、工具を所定の旋回速度で回転させた場合に作用する遠心力を適切に推定することができる。

また、請求項３に記載したように、前記速度決定手段を、前記遠心力推定手段によって推定された遠心力と、前記工具保持部が工具を保持する保持力とに基づいて前記搬送部の旋回速度を決定するように構成するのが好ましい。即ち、工具保持部の保持力を超えて工具に遠心力を作用させれば工具が脱落してしまうので、請求項３のように構成すれば、工具を脱落させない範囲で旋回速度が最大となるように決定することができる。

更に、請求項４に記載したように、前記速度決定手段を、旋回速度を、前記搬送部が構造的に許容する最高旋回速度を下回るように決定するように構成すると良く、斯様に構成すれば、旋回機構の限界を超えるような速度を設定することは回避される。

また、以上の場合において、請求項５に記載したように、前記搬送部を、旋回中心より等距離に位置する複数の工具保持部を備えてなる回転式の工具マガジンを構成するものに適用すると良く、斯様に構成すれば、工具マガジンの最高旋回速度を適切に設定することにより、工具交換に要する時間を短縮することができる。

また、請求項６に記載したように、前記搬送部により、工具マガジンに保持されている複数の工具のうち何れか１つを、工作機械の主軸の先端部に付け替えるように旋回可能であり、且つ、前記工具マガジンと前記主軸との間に配置される工具交換装置を構成すると良く、斯様に構成すれば、工具交換装置の最高旋回速度を適切に設定することで、工具交換に要する時間を短縮することができる。

本発明によれば、工具に作用する遠心力に基づき搬送部における旋回速度が決定されるので、工具の搬送速度を適切に向上させることができ、工作機械による加工処理時間を短縮させることが可能となる。

（第１実施例）
以下、本発明をタレット型マガジンを備えてなる工具交換装置に適用した場合の第１実施例について図１乃至図５を参照して説明する。尚、本実施例における工具交換装置の構造は、例えば特公平７−８０１０９号公報に開示されているものと同様であり、以下では、本発明の要旨に係る部分のみを説明する。

図３（ａ）は、工具交換装置に組み込まれている工具マガジン（搬送部）１を取り出して示す斜視図である。工具マガジン１は、概ね円盤型のマガジンベース２の外周部に複数本のグリップアーム３が放射状に取り付けられている。図４に示すように、グリップアーム３の先端部には、下端側に工具が装着されている工具ホルダ４の上端側を挟持するためＵ字状の保持部（工具保持部）５が形成されており、保持部５の内側先端部両側には、内蔵されているコイルばね（図示せず）によって内側に向けて付勢されている支持ピン６，６が配置されている。そして、支持ピン６，６が工具ホルダ４側に設けられている溝（図示せず）に挿入されることで、工具ホルダ４を保持するようになっている。

そして、マガジンベース２は、その中心がマガジンモータ２７（図５参照）の回転軸に結合されて回転駆動されるようになっているが、その回転軸は、図３（ｂ）に示すように、水平に対して仰角側に１８度傾斜している。尚、以降においては工具と工具ホルダとは実質的に一体と見なすことになるため、工具４と称することにする。

図５は、工具交換装置を含む工作機械を数値制御する数値制御装置（遠心力推定手段，速度決定手段）１０の電気的構成を示す機能ブロック図である。数値制御装置１０は、制御全体を司るマスタＣＰＵ１１，ワーク加工や工具交換を司るスレーブＣＰＵ１２を中心にとして構成されている。

マスタＣＰＵ１１には、制御装置自体を動作させるプログラムや定数等を格納するマスタ部ＲＯＭ１３と、ワーク加工プログラム（数値制御プログラム)１４を格納したり、制御実行中の変数やフラグ等を一時記憶するマスタ部ＲＡＭ１５とが接続されている。スレーブＣＰＵ１２には、ワーク加工のためのモータ駆動プログラムや定数等を格納するスレーブ部ＲＯＭ１６と、ワーク加工制御実行中の変数，フラグ等を一時記憶するスレーブ部ＲＡＭ１７とが接続されている。

マスタＣＰＵ１１とスレーブＣＰＵ１２との間には、マスタＣＰＵ１１からスレーブＣＰＵ１２への指令或はその逆方向の情報等が格納されるＣ（Common)ＲＡＭ１８が接続されている。ＣＲＡＭ１８は、マスタＣＰＵ１１及びスレーブＣＰＵ１２の双方から情報が書き込まれ或は参照される。
また、マスタＣＰＵ１１には、加工プログラム等を作成・入力するキーや、一連の加工処理を開始させるための起動スイッチや、加工プログラムの各ステップの処理を確認などのため個別に実施可能とする手動用スイッチ等のスイッチ部１９と、キーボード２０と、加工プラグラム等を表示して参照するためのＣＲＴ(Cathode Ray Tube)２１とが接続されている。

スレーブＣＰＵ１２は、Ｘ軸モータ２２，Ｙ軸モータ２３，ワークテーブルを旋回させるテーブル旋回モータ２４に接続されており、これらに制御信号を送出してワークの被加工面等を変更する。更に、スレーブＣＰＵ１２は、上下動（Ｚ軸）モータ２５及び主軸モータ２６に接続されており、それらに制御信号を送出し、被加工面，被加工位置を決定されたワークに対して所定の工具４による加工を実行する。

また、スレーブＣＰＵ１２は、加工工程中に必要に応じてマガジンモータ２７並びに工具交換モータ２８に制御信号を送出し、工具交換を実行する。これら、スレーブＣＰＵ１２の実行するワーク加工制御，工具交換制御は、マスタＣＰＵ１１からの指示に基づいて実行される。

マスタＣＰＵ１１は、キーボード２０から入力されてマスタ部ＲＡＭ１５に格納された加工プログラム１４を１動作分ずつ読み込み、ワーク加工に関する情報であればＣＲＡＭ１８に書き込む。スレーブＣＰＵ１２は、この書き込まれた情報を読み出してワーク加工制御を実行する。また、マスタ部ＲＡＭ１５には、工具マガジン１に関するデータ、及びその工具マガジン１にセットされている各工具４に関するデータもユーザにより入力されて記憶されている。

図１は、マスタＣＰＵ１１が行う工具マガジン１の回転速度を算出する処理の流れを示すフローチャートである。尚、この処理は、ワーク加工プログラム１４の一部として組み込まれている処理である。マスタＣＰＵ１１は、先ず、マスタ部ＲＡＭ１５より工具マガジン１にセットされている各工具４の質量ｍ及び工具長Ｌのデータを読み出すと（ステップＳ１）、次に、工具４の重心位置を算出する（ステップＳ２）。ここでの重心位置の算出は、工具長Ｌから重心の公転半径ｒを推定することで行うが、その推定には近似式を使用する。例えば、マガジンベース２の回転中心から、グリップアーム３における工具の保持位置までの半径をｒ０とすると、工具４の重心公転半径ｒは、
ｒ＝ｒ０＋Ｌ／２ ・・・（１）
で近似することができる。

次に、マスタＣＰＵ１１は、各工具４について遠心力の発生条件を算出する（ステップＳ３）。即ち、工具に作用する遠心力をＦ，工具の質量をｍ，重心公転半径をｒ，旋回速度をωとすれば、これらの関係は次式によって定まる。
Ｆ＝ｍ・ｒ・ω² ・・・（２）
従って、質量ｍと重心公転半径ｒとの積：ｍ×ｒを算出することで、所定の旋回速度ωで工具を旋回させた場合に作用する遠心力を適切に推定することができる。尚、ステップＳ１〜Ｓ３は、遠心力推定手段に対応する。そして、各工具の内、積：ｍ×ｒが最大となったもの（ｍ×ｒ）maxを判定する（ステップＳ４）。

続いて、マスタＣＰＵ１１は、マスタ部ＲＡＭ１５よりグリップアーム３における工具のグリップ力（保持力）ＦGのデータを読み出すと（ステップＳ５）、限界遠心力Ｆlimitを算出する（ステップＳ６）。限界遠心力Ｆlimitは（３）式で近似的に算出される。
Ｆlimit＝ＦG／sin１８° ・・・（３）

ここで、図２（ａ）は、工具マガジン１の下方側部分を示しており、図２（ｂ）は、それらの内軸方向が鉛直に一致している工具４のみを示す。そして、図２（ｃ）は、その工具４を更に拡大して示すものである。図２（ｃ）において、グリップアーム３に保持されている工具４には鉛直方向に重力が作用しているが、工具マガジン１が旋回した場合には、鉛直に対して１８°外側に傾いた方向に遠心力が作用する。そして、工具４の外周には支持ピン６を嵌合させる保持用の溝が形成されているので、工具４をグリップアーム３のグリップ力に抗して脱落させる方向に作用する力は、水平方向に作用する力成分となる。従って、限界遠心力Ｆlimitは（３）式で算出される。

そして、マスタＣＰＵ１１は、限界遠心力Ｆlimitを超えることがない、工具マガジン１の最高旋回速度ωmaxを（４）式により算出する（ステップＳ７）。
ωmax＝｛Ｆlimit／（ｍ×ｒ）max｝^1/2 ・・・（４）
即ち、最高旋回速度ωmaxは、限界遠心力Ｆlimitを積：ｍ×ｒの最大値（ｍ×ｒ）maxで除したものの平方根によって得られる。

それから、マスタＣＰＵ１１は、工具マガジン１の機構的限界である旋回速度ωlimitをマスタ部ＲＡＭ１５より読み出して、最高旋回速度ωmaxとの大小関係を比較する（ステップＳ８）。そして、ωmax≦ωlimitであれば（「ＮＯ」）最高旋回速度ωmaxを工具マガジン１の旋回速度として決定し、マスタ部ＲＡＭ１５に書き込んで記憶させる（ステップＳ９）。

すると、以降に行われる被工作物の加工処理において主軸の工具交換が行われる場合、スレーブＣＰＵ１２は、マガジンモータ２７、即ちマガジンベース２を最高旋回速度ωmaxで回転させることで、グリップアーム３に保持されている工具の何れかを交換対象として選択するようになる。そして、以上のように決定された最高旋回速度ωmaxは限界遠心力Ｆlimitに基づいて設定されているので、速度ωmaxでマガジンベース２を旋回させてもグリップアーム３に保持されている工具が脱落してしまうことは確実に回避される。

一方、ステップＳ８において、ωmax＞ωlimitであれば（「ＹＥＳ」）、限界旋回速度ωlimitを工具マガジン１の旋回速度として決定し、マスタ部ＲＡＭ１５に書き込んで記憶させる（ステップＳ１０）。即ち、限界旋回速度ωlimitを超えてマガジンベース２を旋回させると機構部が損傷するおそれがあり、そのような事態を回避するためである。尚、ステップＳ７〜Ｓ１０は速度決定手段に対応する。

以上のように本実施例によれば、工具マガジン１を制御する制御装置１０は、工具に作用する遠心力を推定し、その遠心力に基づいて工具マガジン１の旋回速度を決定するようにした。即ち、工具４に作用する遠心力を規定すれば、所定の質量ｍを有する工具４を最大どの程度の速度によって旋回させることができるかを物理的に決定することができる。従って、工具４の質量に応じて動作可能な旋回速度を従来よりも適切に定めることができる。

また、制御装置１０は、工具４の質量ｍと、旋回運動の回転中心から当該工具４の重心公転半径ｒとの積を演算することで、工具４に作用する遠心力を適切に推定することができる。また、制御装置１０は、最高旋回速度ωmaxを、グリップアーム３における工具４のグリップ力ＦGに基づき設定される限界遠心力Ｆlimitを積：ｍ×ｒの最大値（ｍ×ｒ）maxで除し、その平方根により決定するので、工具４をグリップアーム３から脱落させない範囲で旋回速度が最大となるように決定することができる。

更に、制御装置１０は、最高旋回速度ωmaxを、工具マガジン１が構造的に許容する最高旋回速度ωlimitを下回るように決定するので、旋回機構の限界を超えるような速度を設定することは回避される。
加えて、本発明を、マガジンベース２の旋回中心より等距離に位置する複数のグリップアーム３の先端において保持部５により工具４を保持し、工具４を旋回させて搬送する構成の工具マガジン１に適用することで、工具マガジン１の最高旋回速度を適切に設定することにより、工具交換に要する時間を短縮して作業効率を向上させることができる。

（第２実施例）
図６は、本発明を、工具交換時における工具の取り外し方向が重力方向（鉛直方向）に一致するチェーンタイプの工具マガジン（搬送部）３１に適用した場合の第２実施例であり、工具マガジン３１の構成を概略的に示すものである。工具マガジン３１は、チェーン３２のループが垂直方向に回転するように、その上端側及び下端側に配置される図示しない駆動機構によって駆動される。

チェーン３２には、工具ホルダを保持するための複数の保持部（工具保持部）３３が等間隔で配置固定されており、保持部３３に工具ホルダ（図示せず）が装着される開口部は、チェーン３２のループ外周方向に位置している。そして、工具交換は、保持部３３がチェーン３２の最下点に位置した状態で行われるようになっており、工具ホルダは、その交換位置において保持部３３より鉛直方向に引き抜かれて取外される。
斯様な構成の工具マガジン３１については、ステップＳ６において限界遠心力Ｆlimitを算出する場合、チェーン３２が回転することで工具ホルダに作用する遠心力に、重力の作用も加えて算出を行えば良い。

（第３実施例）
図７は、本発明を工具交換装置における工具交換機構３４に適用した場合の第３実施例を示すものであり、工具交換機構（搬送部）３４の構成を概略的に示すものである。工具交換機構３４は、工具マガジンと工作機械の主軸（何れも図示せず）との間に配置される旋回アーム３５を、例えば水平面内で旋回させる構成である。旋回アーム３５の一端側の保持部（工具保持部）３６Ａには、主軸に取り付けられて使用されていた工具（ホルダを含む）３７Ａが保持され、他端側の保持部（工具保持部）３６Ｂには、既に加工に使用された工具３７Ａの次に主軸に取り付けるため、工具マガジンより選択された工具３７Ｂが保持される。

斯様な構成の工具交換機構３４においても、旋回アーム３５の旋回速度が上昇すると、遠心力の作用によって保持している工具３７が外側に傾くようになるため、工具交換に支障を来たすおそれがある。そこで、本発明を適用し、旋回アーム３５が旋回した場合における工具３７の傾きを許容範囲内に抑えるように最高旋回速度を決定する。

以上のように第３実施例によれば、本発明を、旋回アーム３５により、工具マガジンに保持されている複数の工具３７のうち何れか１つを、工作機械の主軸の先端部に付け替える工具交換機構３４に適用したので、工具交換装置の最高旋回速度を適切に設定することで工具交換に要する時間を短縮することができ、また、動作の信頼性を向上させることができる。

本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
機構限界を超える最高旋回速度ωmaxが算出される可能性がないと想定される場合は、ステップＳ８，Ｓ１０を省略し、常にステップＳ７で算出した最高旋回速度ωmaxを採用するようにしても良い。

工具に作用する遠心力を推定する場合に、重心公転半径ｒは適当な一定値を設定し、各工具の質量ｍのみを夫々設定して推定しても良い。
例えば、特開平１０−２６３９７１号公報に開示されているような、工具の旋回が水平面内で行われるタイプの工具マガジンに適用しても良い。
また、工作機械に関連するものに限らず、工具を旋回運動によって搬送する機構を備えるものであれば適用が可能である。

本発明をタレット型マガジンを備えてなる工具交換装置に適用した場合の第１実施例であり、数値制御装置のマスタＣＰＵが工具マガジンの回転速度を算出する処理の流れを示すフローチャート （ａ）は、工具マガジンの下方側を示す図、（ｂ）は（ａ）の内軸方向が鉛直に一致している工具のみを示す図、（ｃ）は、（ｂ）の工具を更に拡大して示す図 （ａ）は、工具交換装置に組み込まれている工具マガジンを取り出して示す斜視図、（ｂ）は工具マガジンの側面図 グリップアームの先端部を示す図 数値制御装置の電気的構成を示す機能ブロック図 本発明を、チェーンタイプの工具マガジンに適用した場合の第２実施例であり、工具マガジンの構成を概略的に示す図 本発明を、工具交換機構に適用した場合の第３実施例であり、工具交換機構の構成を概略的に示す図

符号の説明

図面中、１は工具マガジン（搬送部）、３はグリップアーム、４は工具、５は保持部（工具保持部）、１０は数値制御装置（遠心力推定手段，速度決定手段）、３１は工具マガジン（搬送部）、３３は保持部（工具保持部）、３４は工具交換機構（搬送部）、３６は保持部（工具保持部）、３７は工具を示す。

Claims (14)

1. 工作機械によって使用される工具を保持する工具保持部を旋回運動により所定の位置へ搬送する搬送部と、
   この搬送部によって搬送される工具に作用する遠心力を推定する遠心力推定手段と、
   この遠心力推定手段によって推定される遠心力に基づいて、前記搬送部の旋回速度を決定する速度決定手段とを備えたことを特徴とする工具搬送装置。
2. 前記遠心力推定手段は、工具の質量と、前記旋回運動の回転中心から当該工具重心までの公転半径との積に基づいて遠心力を推定することを特徴とする請求項１記載の工具搬送装置。
3. 前記速度決定手段は、前記遠心力推定手段によって推定された遠心力と、前記工具保持部が工具を保持する保持力とに基づいて前記搬送部の旋回速度を決定することを特徴とする請求項１又は２記載の工具搬送装置。
4. 前記速度決定手段は、旋回速度を、前記搬送部が構造的に許容する最高旋回速度を下回るように決定することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工具搬送装置。
5. 前記搬送部は、旋回中心より等距離に位置する複数の工具保持部を備えてなる回転式の工具マガジンを構成するものであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の工具搬送装置。
6. 前記搬送部は、工具マガジンに保持されている複数の工具のうち何れか１つを、工作機械の主軸の先端部に付け替えるように旋回可能であり、且つ、前記工具マガジンと前記主軸との間に配置される工具交換装置を構成するものであることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の工具搬送装置。
7. 工作機械によって使用される工具を保持する工具保持部を旋回運動により所定の位置へ搬送する搬送部を備えてなる工具搬送装置について、前記搬送部の旋回速度を決定する方法であって、
   前記搬送部によって搬送される工具に作用する遠心力を推定し、
   推定された遠心力に基づいて、前記旋回速度を決定することを特徴とする工具搬送装置の動作速度決定方法。
8. 前記工具の質量と、前記旋回運動の回転中心から当該工具重心までの公転半径との積に基づいて遠心力を推定することを特徴とする請求項７記載の工具搬送装置の動作速度決定方法。
9. 推定された遠心力と、前記工具保持部が工具を保持する保持力とに基づいて旋回速度を決定することを特徴とする請求項７又は８記載の工具搬送装置の動作速度決定方法。
10. 前記旋回速度を、前記搬送部が構造的に許容する最高旋回速度を下回るように決定することを特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載の工具搬送装置の動作速度決定方法。
11. 工作機械によって使用される工具を保持する工具保持部を旋回運動により所定の位置へ搬送する搬送部を備えてなる工具搬送装置を制御対象とするコンピュータにより実行されるプログラムであって、
    前記搬送部によって搬送される工具に作用する遠心力を推定させ、
    推定させた遠心力に基づいて、前記旋回速度を決定させることを特徴とするコンピュータプログラム。
12. 前記工具の質量と、前記旋回運動の回転中心から当該工具重心までの公転半径との積に基づいて遠心力を推定させることを特徴とする請求項１１記載のコンピュータプログラム。
13. 推定された遠心力と、前記工具保持部が工具を保持する保持力とに基づいて旋回速度を決定させることを特徴とする請求項１１又は１２記載のコンピュータプログラム。
14. 前記旋回速度を、前記搬送部が構造的に許容する最高旋回速度を下回るように決定させることを特徴とする請求項１１乃至１３の何れかに記載のコンピュータプログラム。
    
    

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