JP2015096280A

JP2015096280A - 工作機械

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Publication number: JP2015096280A
Application number: JP2013236541A
Authority: JP
Inventors: 裕栗林; Yutaka Kuribayashi
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: JP6268961B2

Abstract

【課題】工具交換時において、主軸に工具を装着する際の衝撃を軽減できる工作機械を提供する。【解決手段】工具マガジン回転後（Ｓ６：ＹＥＳ）、主軸のテーパ穴の位置に対し、工具ホルダのテーパ装着部の位置がずれる場合がある。主軸ヘッドはＡＴＣ原点から下降を開始し（Ｓ７）、主軸ヘッドが所定位置に到達した時（Ｓ８：ＹＥＳ）、ＣＰＵはマガジンモータ５５の位置制御を第２制御に切り替える（Ｓ９）。所定位置は、テーパ穴にテーパ装着部が進入し、テーパ穴の内周面にテーパ装着部の外周面が当接する直前の位置である。第２制御でマガジンモータが減速機に付与するトルクは第１制御で減速機に付与するトルクよりも低下する。工具マガジンは外部付勢により回転可能な状態となり、テーパ穴の内周面に沿って、テーパ装着部の外周面は摺動する。テーパ装着部はテーパ穴に対して無理なく装着する。【選択図】図５

Description

本発明は、工具交換可能な工作機械に関する。

工作機械は主軸ヘッド、主軸、工具交換装置を備える。主軸ヘッドは基台部上に立設するコラムに沿って昇降可能に設け、主軸を回転可能に支持する。特許文献１は工具マガジンを備える工具交換装置を開示する。工具マガジンは一軸線を中心に回転する円盤状で主軸ヘッド前方に配置し、外周に複数のグリップアームを備える。グリップアームは工具を脱着可能に把持する。マガジンモータは減速機を介して工具マガジンに接続する。減速機はマガジンモータの回転を工具マガジンに伝える。工作機械はマガジンモータの位置制御により、減速機を介して工具マガジンの回転割出を行う。

工具交換時、主軸ヘッドはワークの加工位置からＺ軸原点を通過して上昇する。グリップアームは主軸に装着した使用済みの現工具を把持する。主軸ヘッドは更に上昇して主軸から工具を抜き取り、ＡＴＣ原点まで上昇する。工具マガジンはマガジンモータの位置制御により回転し、次に使用する工具を把持したグリップアームを主軸直下に移動する。主軸ヘッドはＡＴＣ原点から下降し、グリップアームは次に使用する工具を主軸に装着する。主軸ヘッドはＺ軸原点まで下降する。

特開２０１２−２０６２２７号公報

主軸と工具マガジンの相対位置の精度は重要である。相対位置の精度は減速機に大きく依存する。工具マガジン回転後、主軸に対して、グリップアームが把持する次に使用する工具の位置がずれた場合、主軸に対して工具を装着する際の衝撃は大きくなる。原因は主軸と工具マガジンの夫々の剛性による。主軸、工具マガジン、及び減速機は大きな負荷を受けるので、故障の原因となる可能性があった。

本発明の目的は、工具交換時において、主軸に工具を装着する際の衝撃を軽減できる工作機械を提供することにある。

本発明の請求項１に係る工作機械は、工具を装着してワークを加工する主軸と、前記主軸に装着する前記工具を格納する格納部と、前記格納部に格納した前記工具を所定位置に搬送する搬送機構と、前記搬送機構を駆動する搬送モータと、前記搬送モータの前記搬送機構に付与するトルクを制御するトルク制御手段と、前記搬送機構が前記所定位置に搬送した前記工具を前記主軸に装着する装着手段とを備えた工作機械において、前記トルク制御手段は、前記搬送機構によって前記工具を前記所定位置に搬送後、前記トルクを少なくとも前記工具の搬送時に前記搬送機構に付与する搬送トルクよりも下げるトルク低下手段を備えたことを特徴とする。搬送機構が工具を所定位置に搬送後、トルク低下手段は、搬送モータのトルクを搬送トルクよりも下げる。故に、工具交換において、主軸に対して所定位置に搬送した工具の位置がずれている場合でも、工具の位置は主軸の位置にならって移動できる。故に工作機械は搬送機構にかかる負荷を低減できる。工作機械は、主軸に工具を装着する際に、主軸、格納部、及び搬送機構にかかる衝撃を小さくできるので、各部位の故障を防止できる。工作機械は、搬送機構の従来の位置決め精度でも、主軸に対して工具を良好に装着できるので、搬送機構の位置決め精度向上の為のコストを低減できる。

請求項２に係る発明の工作機械は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記トルク低下手段は、前記搬送機構によって前記工具を前記所定位置に搬送後、前記装着手段が前記所定位置に搬送した前記工具を前記主軸に装着する直前に、前記トルクを前記搬送トルクよりも下げることを特徴とする。トルク低下手段は、工具を主軸に装着する直前にトルクを搬送トルクよりも下げるので、所定位置にある工具を主軸に装着する直前まで、搬送機構には搬送トルクが付与されている。故に、工作機械は主軸に工具が装着する直前までにおいて、搬送機構が外部衝撃により不安定に動いてしまうのを防止できる。

請求項３に係る発明の工作機械は、請求項１又は２に記載の発明の構成に加え、前記格納部は、一軸線を中心に回転可能な円盤状の本体部と、該本体部の外周に備え、前記工具を保持する複数のグリップアームとを備えた工具マガジンであって、前記搬送機構は、前記搬送モータの回転速度を減じて、前記工具マガジンを周方向に回転させ、前記複数のグリップアームのうち一のグリップアームが保持する前記工具を前記所定位置に位置決めする減速機であって、前記主軸は、自身の軸方向で、原点位置よりも前記ワーク側で前記ワークに対する加工動作を行う加工領域と、前記原点位置よりも前記加工領域とは反対側の領域で、前記格納部に格納した前記工具との工具交換を行う工具交換領域との間を移動可能であって、前記装着手段は、前記工具交換領域において、前記主軸を、前記搬送機構が前記所定位置に搬送した前記工具に向けて移動させることにより、前記主軸に前記工具を装着することを特徴とする。本発明はタレット式の工具マガジンを備える工作機械に適用可能である。従来の減速機の位置決め精度でも、主軸に対して工具を良好に装着できる。

請求項４に係る発明の工作機械は、請求項３に記載の発明の構成に加え、前記トルク制御手段は、前記トルク低下手段が前記トルクを前記搬送トルクよりも下げた後、前記工具交換領域から前記原点位置に移動した場合に、前記トルクを少なくとも前記搬送トルクまで復帰するトルク復帰手段を備えたことを特徴とする。）工具を装着する際に下げたトルクは原点位置で復帰する。原点位置に移動後、搬送機構には搬送トルクが付与されるので、搬送機構が外部衝撃により不安定に動いてしまうのを防止できる。

請求項５に係る発明の工作機械は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記搬送機構にかかるトルクを検出するトルク検出手段と、前記搬送機構によって前記工具を前記所定位置に搬送後、前記トルク検出手段が検出した前記トルクは所定値以上か否か判断する判断手段とを備え、前記トルク低下手段は、前記判断手段が前記トルクは前記所定値以上と判断した場合に、前記トルクを少なくとも前記搬送トルクよりも下げることを特徴とする。トルク検出手段が所定値以上のトルクを検出した場合、主軸に対して所定位置に搬送した工具の位置はずれている可能性がある。所定値以上のトルクを検出した場合、工作機械はトルクを少なくとも搬送トルクよりも下げる。工具の位置は主軸の位置にならって移動できる。故に工作機械は搬送機構にかかる負荷を低減できる。

工作機械１の斜視図。主軸ヘッド７周囲の一部破断図。工作機械１と数値制御装置３０の電気的構成を示すブロック図。ＣＰＵ３１と駆動回路５５Ａによるマガジンモータ５５の位置制御の概要を説明する為のブロック図。工具交換処理の流れ図。工具交換動作における主軸ヘッド７の昇降動作を示す図。Ｚ４９０の主軸ヘッド７周囲の一部破断図。Ｚ５００の主軸ヘッド７周囲の一部破断図。Ｚ５１０の主軸ヘッド７周囲の一部破断図。Ｚ６１５（ＡＴＣ原点）の主軸ヘッド７周囲の一部破断図。工具交換処理の変形例の流れ図。

本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。以下の説明は、図中に矢印で示す上下、左右、前後を使用する。工作機械１の左右方向、前後方向、上下方向は、夫々、工作機械１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。

図１を参照し、工作機械１の構造を説明する。工作機械１は、基台２、機械本体３、テーブル１０、工具交換装置２０等を備える。基台２は鉄製の略直方体状の土台である。機械本体３は基台２上部後方に設け、テーブル１０上面に保持したワーク（図示略）を切削する。テーブル１０は基台２上部中央に設け、Ｘ軸モータ５３、Ｙ軸モータ５４（図３参照）、ガイド機構（図示略）により、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動可能である。工具交換装置２０は機械本体３上部に設けたフレーム８に固定し、機械本体３の主軸９に装着した工具４を他の工具と交換する。

工作機械１は操作パネル（図示略）を備える。操作パネルは入力部２４と表示部２５（図３参照）を備える。作業者は入力部２４により、ＮＣプログラム、工具の種類、工具情報、各種パラメータ等を入力する。作業者が入力部２４を操作すると、表示部２５は各種入力画面又は操作画面等を表示する。

図１を参照し、機械本体３の構成を説明する。機械本体３は、コラム５、主軸ヘッド７、主軸９、制御箱６等を備える。コラム５は基台２上部後方に立設する。主軸ヘッド７はコラム５前面に沿ってＺ軸方向に昇降可能である。主軸ヘッド７は内部に主軸９を回転可能に支持する。主軸９は工具ホルダ１７（図２参照）を装着し、主軸モータ５２（図２，図３参照）の駆動により高速回転する。主軸モータ５２は主軸ヘッド７上部に設ける。工具ホルダ１７は工具４を保持する。制御箱６は数値制御装置３０（図３参照）を格納する。数値制御装置３０は工作機械１の動作を制御する。

図２に示す如く、主軸ヘッド７はコラム５前面に設けたＺ軸移動機構によりＺ軸方向に昇降する。Ｚ軸移動機構は一対のＺ軸リニアガイド（図示略）、Ｚ軸ボール螺子２６（図２参照）、Ｚ軸モータ５１（図３参照）を備える。Ｚ軸リニアガイドはＺ軸方向に延出し且つ主軸ヘッド７をＺ軸方向に案内する。Ｚ軸ボール螺子２６は一対のＺ軸リニアガイドの間に配置し、上側軸受部２７と下側軸受部（図示略）によって回転可能に設ける。主軸ヘッド７は背面にナット２９（図２参照）を備える。ナット２９はＺ軸ボール螺子２６に螺合する。Ｚ軸モータ５１はＺ軸ボール螺子２６を正逆方向に回転する。故に主軸ヘッド７はナット２９と共にＺ軸方向に移動する。

図２を参照し、主軸ヘッド７の内部構造を説明する。主軸ヘッド７は前方下部の内側に主軸９を回転可能に支持する。主軸９は上下方向に回転軸を有する。主軸９は主軸モータ５２の駆動軸にカップリング２３を介して連結する。故に主軸９は主軸モータ５２の回転駆動で回転する。主軸９はテーパ穴１８とホルダ挟持部材１９とドローバー８１を備える。テーパ穴１８は主軸９の先端部（下端部）に設ける。ホルダ挟持部材１９はテーパ穴１８の上方に設ける。ドローバー８１は主軸９の中心を通る軸穴の中に同軸上に挿入して設ける。

工具ホルダ１７は一端側に工具４を保持し、他端側にテーパ装着部１７Ａとプルスタッド１７Ｂを備える。テーパ装着部１７Ａは略円錐状である。プルスタッド１７Ｂはテーパ装着部１７Ａの頂上部から軸方向に突出する。テーパ装着部１７Ａは主軸９のテーパ穴１８に装着する。テーパ穴１８にテーパ装着部１７Ａを装着すると、ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１７Ｂを挟持する。ドローバー８１がホルダ挟持部材１９を下方に押圧すると、ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１７Ｂの挟持を解除する。

主軸ヘッド７は後方上部の内側にクランクレバー６０を備える。クランクレバー６０は略Ｌ字型であり支軸６１を中心に揺動自在である。支軸６１は主軸ヘッド７内に固定する。クランクレバー６０は縦方向レバー６３と横方向レバー６２を備える。縦方向レバー６３は支軸６１からコラム５側に対して斜め上方に延びて中間部６５で上方に折曲して更に上方に延びる。横方向レバー６２は支軸６１からコラム５前方に略水平に延びる。横方向レバー６２の先端部はドローバー８１に直交して突設したピン５８に上方から係合可能である。縦方向レバー６３は上端部の背面に板カム体６６を備える。板カム体６６はコラム５側にカム面を備える。板カム体６６のカム面は上側軸受部２７に固定したカムフォロア６７と接離可能である。カムフォロア６７は板カム体６６のカム面を摺動する。引張コイルバネ（図示略）は縦方向レバー６３と主軸ヘッド７との間に弾力的に設ける。クランクレバー６０を右側面から見た場合、引張コイルバネはクランクレバー６０を時計回りに常時付勢する。故にクランクレバー６０は横方向レバー６２によるピン５８の下方向への押圧を常時解除する。

図６〜図９を参照し、主軸９のテーパ穴１８への工具ホルダ１７の脱着動作を説明する。図６に示す如く、主軸９のテーパ穴１８に、工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａを装着した状態で、主軸ヘッド７は上昇する。クランクレバー６０に設けた板カム体６６はカムフォロア６７に接触して摺動する。図７に示す如く、後述するグリップアーム９０の把持部９１は工具ホルダ１７を把持し、板カム体６６のカム形状に沿ってカムフォロア６７は摺動する。クランクレバー６０は右側面から見た場合に支軸６１を中心に反時計回りに回転する。横方向レバー６２はピン５８に上方から係合してドローバー８１を下方に押圧する。ドローバー８１はホルダ挟持部材１９を下方に付勢する。ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１７Ｂの挟持を解除する。図８，図９の順に示す如く、主軸ヘッド７はＡＴＣ原点まで更に上昇する。工具ホルダ１７は主軸９のテーパ穴１８から抜ける。主軸９のテーパ穴１８に対して、工具ホルダ１７の取り外しは完了する。

主軸ヘッド７がＡＴＣ原点に到達すると、工具交換装置２０の後述するマガジンベース７１は回転し、工具交換装置２０はＮＣプログラムの制御コマンドが指定する工具を工具交換位置に割り出す。工具交換位置は工具マガジン２１の最下方位置で且つ主軸９に近接して対向する位置である。工具交換位置に割り出した工具は、ＡＴＣ原点に移動した主軸ヘッド７の下方に位置する。

次いで、図９，図８の順に示す如く、主軸ヘッド７はＡＴＣ原点から下降し、主軸９のテーパ穴１８に工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａが進入する。主軸９のテーパ穴１８に、工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａを挿入した状態で、主軸ヘッド７は更に下降する。クランクレバー６０に設けた板カム体６６はカムフォロア６７に摺動する。板カム体６６のカム形状に沿ってカムフォロア６７が摺動する。図７に示す如く、クランクレバー６０は右側面から見た場合に支軸６１を中心に時計回りに回転する。故に横方向レバー６２はピン５８から離れ、ドローバー８１の下方への押圧を解除する。ドローバー８１はホルダ挟持部材１９の下方への付勢を解除し、ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１７Ｂを挟持する。図６に示す如く、主軸９のテーパ穴１８に対して、工具ホルダ１７の装着が完了する。

図２を参照し、工具交換装置２０の構造を説明する。工具交換装置２０は工具マガジン２１を備える。工具マガジン２１はタレット式である。工具マガジン２１はマガジンベース７１と複数のグリップアーム９０を備える。マガジンベース７１は円盤状である。複数のグリップアーム９０はマガジンベース７１の外周に沿って前後方向に揺動可能に設ける。マガジン支持台４５はフレーム８に固定する。フレーム８はコラム５に固定し且つ主軸ヘッド７に近接して配置する。マガジン支持台４５は支軸７５を回転可能に支持する。支軸７５は工作機械１の前方に対して斜め下方に延びる。支軸７５はマガジンベース７１を回転可能に支持する。マガジンベース７１は工作機械１の前方に対して正面を向けて配置する。

図２を参照し、マガジンベース７１の構造を説明する。マガジンベース７１はボス部７３と鍔部７２を備える。ボス部７３は筒状である。支軸７５はボス部７３内に挿入する。鍔部７２はボス部７３の外周面の前端側に軸方向に直交して設ける。ボス部７３は後端部に割出円板７７を固定する。割出円板７７は支軸７５を中心とし、背面側（主軸ヘッド７に対向する面）に複数のカムフォロア（図示外）を備える。複数のカムフォロアは複数のグリップアーム９０の各位置に夫々対応して配置する。

減速機４１はマガジン支持台４５の上部に固定する。減速機４１は複数のギヤとカム（図示略）を有する。マガジンモータ５５は減速機４１上部に固定する。マガジンモータ５５の回転軸は減速機４１と連結する。割出円板７７の複数のカムフォロアは減速機４１のカムに形成したカム溝（図示外）に夫々嵌合する。故に割出円板７７は複数のグリップアーム９０の中の一つを割り出し、マガジンベース７１の最下方位置に移動できる。

マガジンベース７１は裏面外周に沿って複数の支点台７８を固定する。支点台７８はグリップアーム９０を枢支軸８５を中心に揺動可能に軸支する。グリップアーム９０は一端に把持部９１を備える。把持部９１は工具を把持可能である。グリップアーム９０は枢支軸８５の近傍に主軸ヘッド７側に向けてカムフォロア９３を回転自在に軸支する。カムフォロア９３は主軸ヘッド７の昇降によって、主軸ヘッド７前面に固定されたカム体１１の傾斜面を摺動する。グリップアーム９０は枢支軸８５を中心に揺動する。マガジンベース７１の工具交換位置に割り出したグリップアーム９０の把持部９１は近接位置と退避位置との間を揺動できる。近接位置は主軸９に近接して対向する位置である。退避位置は主軸９から前方に離間する位置である。

グリップアーム９０は把持部９１とは反対側の他端に、鋼球９２を圧縮コイルバネ（図示略）で外側に付勢した状態で出退可能に保持する。ボス部７３は断面円弧状の案内面８３が周設された円筒状のグリップ支持カラー８０を外挿する。グリップアーム９０の他端から出退する鋼球９２の一部はグリップ支持カラー８０の案内面８３に弾力的に当接する。案内面８３はグリップアーム９０の他端側を案内する。故にグリップアーム９０は安定して揺動できる。

案内面８３は第一ノッチ溝９８と第二ノッチ溝９９を備える。第一ノッチ溝９８は案内面８３におけるマガジンベース７１の前側に設ける。第二ノッチ溝９９は案内面８３における主軸ヘッド７側に設ける。第一ノッチ溝９８に鋼球９２が嵌着すると、把持部９１が近接位置に移動した状態で、グリップアーム９０は姿勢を保持する。第二ノッチ溝９９に鋼球９２が嵌着すると、把持部９１が退避位置に移動した状態で、グリップアーム９０は姿勢を保持する。

図３を参照し、数値制御装置３０と工作機械１の電気的構成を説明する。数値制御装置３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、不揮発性記憶装置３４、入出力部３５、駆動回路５１Ａ〜５５Ａ等を備える。ＣＰＵ３１は数値制御装置３０を統括制御する。ＲＯＭ３２は制御プログラムと工具交換プログラム等を記憶する。制御プログラムはＮＣプログラムを解析して実行するものである。工具交換プログラムは後述する工具交換処理（図５参照）を実行するものである。ＲＡＭ３３は各種処理実行中の各種データを一時的に記憶する。不揮発性記憶装置３４は作業者が入力部２４で入力して登録した複数のＮＣプログラム等を記憶する。ＮＣプログラムは各種制御指令を含む複数のブロックで構成し、工作機械１の軸移動、工具交換等を含む各種動作をブロック単位で制御するものである。

駆動回路５１ＡはＺ軸モータ５１とエンコーダ５１Ｂに接続する。駆動回路５２Ａは主軸モータ５２とエンコーダ５２Ｂに接続する。駆動回路５３ＡはＸ軸モータ５３とエンコーダ５３Ｂに接続する。駆動回路５４ＡはＹ軸モータ５４とエンコーダ５４Ｂに接続する。駆動回路５５Ａはマガジンモータ５５とエンコーダ５５Ｂに接続する。駆動回路５１Ａ〜５５ＡはＣＰＵ３１から指令を受け、対応する各モータ５１〜５５に駆動電流を夫々出力する。駆動回路５１Ａ〜５５Ａはエンコーダ５１Ｂ〜５５Ｂからフィードバック信号を受け、位置と速度のフィードバック制御を行う。フィードバック信号はパルス信号である。入出力部３５は入力部２４と表示部２５に夫々接続する。

使用者は複数のＮＣプログラムの中から一のＮＣプログラムを入力部２４で選択可能である。ＣＰＵ３１は選択したＮＣプログラムを表示部２５に表示する。ＣＰＵ３１は表示部２５に表示したＮＣプログラムに基づき、工作機械１の動作を制御する。

図４を参照し、ＣＰＵ３１と駆動回路５５Ａによるマガジンモータ５５の位置制御の概要を説明する。駆動回路５５Ａは、減算器１００、速度変換部１０１、減算器１０２、累積部１０３、加算器１０４、比例制御部１０５、速度変換部１０６、位置変換部１０７を備える。ＣＰＵ３１は、マガジンモータ５５の軸回りの目標位置を定める。目標位置は、工具交換を行う際に、次工具が工具交換位置となるマガジンモータ５５の特定位置に設定する。次工具は、ＮＣプログラムの制御コマンドが指定する工具である。ＣＰＵ３１が設定した目標位置と、位置変換部１０７が出力するマガジンモータ５５の検出位置は、減算器１００に入力する。減算器１００は目標位置−検出位置の演算を行い、演算結果である差分値を速度変換部１０１へ与える。

速度変換部１０１は差分値を速度に変換し、該速度を目標速度として減算器１０２へ出力する。ＣＰＵ３１は周期的にマガジンモータ５５へ指令を与えて回転位置を制御する。速度変換部１０１は差分値と指令を与える周期等に基づき、今周期における目標速度を算出して出力する。

エンコーダ５５Ｂはマガジンモータ５５の軸回りの位置に応じた信号を出力する。エンコーダ５５Ｂの入力信号は、速度変換部１０６と位置変換部１０７に入力する。速度変換部１０６はエンコーダ５５Ｂからの入力信号を、マガジンモータ５５の速度に変換する。速度変換部１０１が出力する目標速度と、速度変換部１０６が出力する検出速度は、減算器１０２へ入力する。位置変換部１０７はエンコーダ５５Ｂからの入力信号を、マガジンモータ５５の位置に変換する。位置変換部１０７が出力する検出位置は減算器１００へ入力する。減算器１０２は目標速度−検出速度の演算を行い、演算結果である差分を出力する。減算器１０２が算出する差分は、マガジンモータ５５の目標位置と現位置との差分に応じた値となる。

減算器１０２が出力する差分は累積部１０３と加算器１０４へ与える。累積部１０３は減算器１０２が算出した目標速度と検出速度の差分を反復して加算することにより累積値を算出し、算出した累積値を加算器１０４へ与える。ＣＰＵ３１は、マガジンモータ５５の位置制御において、累積部１０３が算出した累積値を用いるか否かの切替制御を行う。累積部１０３が算出した累積値を加算器１０４へ入力する制御は、第１制御である。累積部１０３が算出した累積値を加算器１０４へ入力しない制御は、第２制御である。第２制御に切り替えた場合、累積部１０３は累積値を零に初期化する。ＣＰＵ３１は、工作機械１の状況に応じて第１制御と第２制御の切替を行う。

第１制御に切り替えた場合、加算器１０４は減算器１０２が算出した差分と、累積部１０３が算出した累積値との加算を行い、合計値を速度指令として比例制御部１０５へ与える。第２制御に切り替えた場合、加算器１０４は減算器１０２が算出した差分のみを速度指令として比例制御部１０５へ与える。比例制御部１０５は速度指令に基づき、該速度に比例するトルクを算出し、算出したトルクをトルク指令としてマガジンモータ５５に出力する。マガジンモータ５５はトルク指令に基づき、軸回りの特定位置へ回転する。マガジンモータ５５は減速機４１を介して工具マガジン２１を回転し、次工具を工具交換位置に搬送する。以上のように、ＣＰＵ３１と駆動回路５５Ａはマガジンモータ５５のフィードバック制御を行う。

図４〜図９を参照し、ＣＰＵ３１が実行する工具交換処理を説明する。以下説明では、Ｚ軸の機械原点をＺ軸原点という。機械原点とは、Ｘ軸、Ｙ軸の機械座標が零である位置、Ｚ軸の機械座標がワークを加工可能な上限位置となる位置である。本実施形態では、説明の便宜上、Ｚ１８０を加工位置、Ｚ４８０をＺ軸原点、Ｚ６１５をＡＴＣ原点とする。Ｚ軸原点よりもテーブル１０側の領域は加工領域、Ｚ軸原点よりも加工領域とは反対側の領域は工具交換領域である。加工領域はワークの加工動作を行う為の領域である。工具交換領域は工具交換装置２０による工具交換を行う為の領域である。

本実施形態は更にＺ５１０を所定位置とする。所定位置は、主軸ヘッド７のＡＴＣ原点からの下降時にて、主軸９のテーパ穴１８に、工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａが進入し、テーパ穴１８の内周面に、テーパ装着部１７Ａの外周面が当接する直前の位置とする。図６の矢印は主軸ヘッド７の移動を示す。Ｚ軸はテーブル１０上面を基準（零）とする。Ｚ４９０はテーブル１０上面から４９０ｍｍ高い位置を示し、他のＺ１８０、Ｚ４８０等のＺの後の数値はテーブル上面からの高さを示す。尚、図５はＮＣプログラム中の工具交換指令が実行される時に起動する。

ＣＰＵ３１は工作機械１の起動時、マガジンモータ５５の位置制御を第１制御に切り替え、原点検出を行う。ＣＰＵ３１は制御プログラムでＮＣプログラムを一ブロック毎に実行し、テーブル１０上に固定するワークの切削加工を行う。工具交換を指示する制御コマンドを読み込んだ場合、ＣＰＵ３１はＲＯＭ３２から工具交換プログラムを読み込んで工具交換処理を実行する。工具交換処理は工具交換動作を実行するものである。工具交換動作は上昇工程、マガジン回転工程、下降工程の順に実行する。

［上昇工程］
ＣＰＵ３１は主軸ヘッド７のＺ軸原点への移動を開始し、且つ主軸９のオリエント動作を実行する（Ｓ１）。オリエント動作は主軸９の回転角度位置を、工具交換を行う位置に停止する動作である。ＣＰＵ３１はＺ軸モータ５１を回転する。ＣＰＵ３１は加工位置であるＺ１８０から主軸ヘッド７の上昇を開始する。ＣＰＵ３１はＺ軸原点（Ｚ４８０）への移動を完了したか否か判断する（Ｓ２）。Ｚ軸原点への移動を完了するまでは（Ｓ２：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ２に戻り主軸ヘッド７の上昇を継続する。

Ｚ軸原点への移動を完了した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１は続いて主軸ヘッド７のＡＴＣ原点への移動を開始する（Ｓ３）。主軸ヘッド７がＺ軸原点からＡＴＣ原点まで上昇する間、図７に示す如く、板カム体６６はカムフォロア６７に当接する。図７〜図８の順に示す如く、主軸ヘッド７の上昇により、カムフォロア９３は主軸ヘッド７前面に固定されたカム体１１の傾斜面を上部から下方に向けて摺動する。グリップアーム９０は枢支軸８５を中心に揺動する。マガジンベース７１の最下方位置である工具交換位置に割り出したグリップアーム９０の把持部９１は、主軸９の近接位置に移動する。把持部９１は主軸９に装着した工具ホルダ１７を把持する。

一方、図７〜図８の順に示す如く、板カム体６６はカムフォロア６７に接触して上方に摺動する。板カム体６６のカム形状に沿ってクランクレバー６０は揺動する。クランクレバー６０は右側面から見た場合に、支軸６１を中心に反時計回りに回転する。横方向レバー６２はピン５８に係合してドローバー８１を下方に押圧する。ドローバー８１はホルダ挟持部材１９を下方に付勢する。ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１７Ｂの挟持を解除する。工具ホルダ１７は主軸９のテーパ穴１８から取り外し可能となる。図９に示す如く、主軸ヘッド７は更に上昇する。グリップアーム９０の把持部９１は主軸９のテーパ穴１８から工具ホルダ１７を引き抜く。主軸ヘッド７はＡＴＣ原点に向けて更に上昇する。

ＣＰＵ３１は主軸ヘッド７がＡＴＣ原点（Ｚ６１５）への移動が完了したか否か判断する（Ｓ４）。ＡＴＣ原点への移動が完了するまでは（Ｓ４：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ４に戻り、主軸ヘッド７の上昇を継続する。

［マガジン回転工程］
ＡＴＣ原点への移動が完了した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、主軸ヘッド７の上昇工程は完了したので、ＣＰＵ３１はマガジンモータ５５の位置制御を行い、次工具を工具交換位置に割り出すまで、工具マガジン２１を回転する（Ｓ５）。マガジンモータ５５の位置制御は上記の通り、累積部１０３の累積値を用いる第１制御で行う。故に工具マガジン２１の次工具を工具交換位置に割り出すまでの回転を高速化及び高精度化できる。ＣＰＵ３１は工具マガジン２１の回転が完了したか否か判断する（Ｓ６）。工具マガジン２１の回転が完了するまで（Ｓ６：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ６に戻り工具マガジン２１を回転し続ける。

［下降工程］
工具マガジン２１の回転が完了した場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はＡＴＣ原点で停止する主軸ヘッド７のＺ軸原点（Ｚ４８０）への移動を開始する（Ｓ７）。主軸ヘッド７はＺ６１５から下降する。該区間では、図９に示す如く、板カム体６６はカムフォロア６７に対し下方に摺動するが、クランクレバー６０は揺動しない。

ＣＰＵ３１は主軸ヘッド７が所定位置に到達したか否か判断する（Ｓ１４）。図９に示す如く、主軸ヘッド７が所定位置に到達した時の状態は、主軸９のテーパ穴１８に、工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａが進入し、テーパ穴１８の内周面に、テーパ装着部１７Ａの外周面が当接する直前の状態である。主軸ヘッド７が所定位置に到達するまで（Ｓ８：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ８に戻り主軸ヘッド７の下降を継続する。主軸ヘッド７が所定位置に到達した場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はマガジンモータ５５の位置制御を、第１制御から第２制御に切り替える（Ｓ９）。

工具交換の際、主軸９のテーパ穴１８に対し、工具マガジン２１を回転して工具交換位置に搬送した工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａの位置がずれる場合がある。ずれが生じた状態で、テーパ装着部１７Ａがテーパ穴１８に進入すると、テーパ穴１８の内周面とテーパ装着部１７Ａの外周面は互いに干渉する。そこで、ＣＰＵ３１は、上記の通り、テーパ穴１８の内周面とテーパ装着部１７Ａの外周面が当接する直前に、マガジンモータ５５の位置制御を第２制御に切り替える。

第２制御では、累積部１０３が算出した累積値を加算器１０４へ入力しないので、比例制御部１０５がマガジンモータ５５へ出力するトルク指令のトルクは、搬送トルクよりも低下する。搬送トルクとは、第１制御で工具マガジン２１を回転して次工具を搬送する際に、比例制御部１０５が出力するトルク指令のトルクである。故に、工具マガジン２１は外部付勢に応じて減速機４１のトルクに逆らって回転可能な状態となる。テーパ穴１８の内周面に沿って、テーパ装着部１７Ａの外周面は摺動する。工具マガジン２１はテーパ装着部１７Ａによって付勢され、位置ずれを補正する方向に回転する。故に工具マガジン２１はテーパ穴１８に対して工具ホルダ１７の位置を合わせることができる。テーパ穴１８に対し、テーパ装着部１７Ａは正常に装着する。

上記のように、マガジンモータ５５から減速機４１にかけるトルクが低下すると、工具マガジン２１から減速機４１に逆向きのトルクをかけた場合に、減速機４１は該逆向きのトルクにならって状態を保持する。故に工作機械１は減速機４１にかかる負荷を軽減できる。更に、テーパ穴１８の位置に対して、テーパ装着部１７Ａの位置を合わせるので、工作機械１は主軸９にかかる負荷を軽減できる。更に、工具マガジン２１は位置ずれを補正する方向に回転するので、工作機械１は工具マガジン２１のグリップアーム９０にかかる負荷を軽減できる。

テーパ穴１８に対し、テーパ装着部１７Ａが装着後、グリップアーム９０の把持部９１は退避位置に移動し、主軸ヘッド７はＺ軸原点（Ｚ４８０）に向けて下降を継続する。ＣＰＵ３１は主軸ヘッド７がＺ軸原点を通過したか否か判断する（Ｓ１０）。主軸ヘッド７がＺ軸原点に到達するまで（Ｓ１０：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ１０に戻り主軸ヘッド７の下降を継続する。主軸ヘッド７がＺ軸原点に到達した場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、テーパ穴１８に対し、テーパ装着部１７Ａは確実に装着している。ＣＰＵ３１はマガジンモータ５５の位置制御を再び第１制御に切り替える（Ｓ１１）。第１制御では、累積部１０３が算出した累積値を加算器１０４へ入力するので、比例制御部１０５がマガジンモータ５５へ出力するトルク指令のトルクは上昇する。故に工具マガジン２１は外部付勢があっても回ることなく自身の位置を安定して保持できる。ＣＰＵ３１は工具交換処理を終了する。

以上説明にて、工具マガジン２１は本発明の格納部に相当し、減速機４１は本発明の搬送機構に相当し、マガジンモータ５５は本発明の搬送モータに相当し、主軸ヘッド７とグリップアーム９０は本発明の装着手段に相当し、ＣＰＵ３１は本発明のトルク制御手段に相当し、Ｓ９の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明のトルク低下手段に相当し、Ｓ１１の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明のトルク復帰手段に相当する。工具交換位置は本発明の所定位置に相当する。

以上説明したように、本実施形態の工作機械１は工具交換装置２０により主軸９に装着する工具４の工具交換が可能である。工具交換装置２０は、工具マガジン２１、減速機４１、マガジンモータ５５等を備える。工具マガジン２１は一軸線を中心に回転可能である。減速機４１は、複数のギヤ等でマガジンモータ５５の回転速度を減じて、工具マガジン２１を回転する。工作機械１はマガジンモータ５５の位置制御を行い、減速機４１を介して、工具マガジン２１の回転位置を制御し、ＮＣプログラムが指定する次工具を工具交換位置に割り出す。工作機械１は、ＮＣプログラムの制御コマンドが指定する特定位置と現位置との差分に基づき、マガジンモータ５５のフィードバック制御を行う。フィードバック制御では、更に、特定位置と現位置との差分の累積値を算出し、この累積値を考慮した第１制御と、累積値を考慮しない第２制御との切替えを行う。

工具交換工程は、上昇工程、マガジン回転工程、下降工程の順に行う。上昇工程は、工具マガジン２１のグリップアーム９０が主軸９に装着する工具４を把持した状態で、主軸ヘッド７が上昇し、主軸９に装着する工具４を抜く工程である。マガジン回転工程は、工具マガジン２１を回転し、次工具を工具交換位置に割り出す工程である。下降工程は、ＡＴＣ原点から主軸ヘッド７を下降し、工具交換位置に割り出した次工具に対して、主軸９のテーパ穴１８を装着する工程である。

工作機械１は工具交換工程を原則、第１制御で行う。マガジン回転工程において、主軸９のテーパ穴１８の位置に対し、工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａの位置がずれる場合がある。故に、工作機械１は、下降工程において、主軸９のテーパ穴１８に工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａが進入し、テーパ穴１８の内周面にテーパ装着部１７Ａの外周面が当接する直前に、マガジンモータ５５の位置制御を第１制御から第２制御に切り替える。マガジンモータ５５が減速機４１に付与するトルクは、第１制御で行う工具マガジン２１の回転割出時の搬送トルクよりも低下する。工具マガジン２１は外部付勢によって回転可能な状態となる。テーパ穴１８の内周面に沿って、テーパ装着部１７Ａの外周面は摺動する。工具マガジン２１は位置ずれを補正する方向に回転する。工具マガジン２１はテーパ穴１８に対して工具ホルダ１７の位置を移動できる。工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａは主軸９のテーパ穴１８に対して無理なく装着する。

故に、工作機械１は減速機４１にかかる負荷を低減できる。工作機械１は、主軸９に工具４を装着する際に、主軸９、工具マガジン２１、及び減速機４１にかかる衝撃を小さくできるので、各部位の故障を防止できる。工作機械１は、減速機４１について従来の位置決め精度でも、主軸９に対して工具４を良好に装着できるので、減速機４１の位置決め精度向上の為のコストを低減できる。

また、上記実施形態は更に、工具４を主軸９に装着する直前にトルクを搬送トルクよりも下げるので、所定位置にある工具を主軸９に装着する直前まで、減速機４１には搬送トルクが付与されている。故に、工作機械１は主軸９に工具が装着する直前まで、工具マガジン２１が外部衝撃により不安定に動いてしまうのを防止できる。

また、上記実施形態は更に、工具４を主軸９に装着する際に下げたトルクはＺ軸原点で復帰する。Ｚ軸原点に移動後、減速機４１には搬送トルクを付与するので、工具マガジン２１が外部衝撃により不安定に動いてしまうのを防止できる。

尚、本発明は上記実施形態に限らず種々の変更が可能である。上記実施形態では、下降工程にて、主軸ヘッド７が所定位置に到達した時に、マガジンモータ５５の位置制御をオフするが、主軸ヘッド７がＡＴＣ原点からＺ軸原点へ移動を開始する時から、テーパ穴１８に工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａが装着する直前までの間で、マガジンモータ５５の位置制御をオフすればよい。

また、上記実施形態では、下降工程にて、主軸ヘッド７が所定位置に到達した時に、マガジンモータ５５の位置制御を第２制御に切り替えるが、例えば、減速機４１にトルクセンサ（図示略：本発明のトルク検出手段に相当）を設け、該トルクセンサが検出したトルクが所定値以上の場合に、マガジンモータ５５の位置制御を第２制御に切り替えるようにしてもよい。

図１１の流れ図を参照し、トルクセンサを用いた工具交換処理の変形例を説明する。変形例は、図５に示す流れ図の一部の処理が異なるがその他の処理は共通するので、異なる処理を中心に説明する。ＣＰＵ３１は工具マガジン２１の回転を開始し（Ｓ５）、回転完了後（Ｓ６：ＹＥＳ）、主軸ヘッド７のＺ軸原点への移動を開始する（Ｓ７）。ＣＰＵ３１はトルクセンサが検出した減速機４１にかかるトルクが所定値以上か否か判断する（Ｓ２０）。主軸９のテーパ穴１８の位置に対し、工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａの位置がずれている場合、テーパ穴１８の内周面に対し、テーパ装着部１７Ａの外周面は干渉する。減速機４１には、マガジンモータ５５の位置制御によるトルクに加え、テーパ穴１８とテーパ装着部１７Ａの位置ずれを原因とするトルクが更に加わるので、所定値以上のトルクがかかる。

トルクセンサの検出したトルクが所定値未満の場合（Ｓ２０：ＮＯ）、テーパ穴１８とテーパ装着部１７Ａの位置ずれによる干渉は起きていない。主軸ヘッド７がＺ軸原点を通過するまで（Ｓ１０：ＮＯ）、ＣＰＵ３１はＳ２０に戻り、トルクセンサが検出するトルクを監視する。

一方、トルクセンサの検出したトルクが所定値以上の場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、減速機４１には過剰のトルクがかかっているので、テーパ穴１８とテーパ装着部１７Ａの間に位置ずれが起きている可能性が高い。そこで、ＣＰＵ３１はマガジンモータ５５の位置制御を第２制御に切り替える（Ｓ９）。上記実施形態と同様に、マガジンモータ５５が減速機４１に付与するトルクは低下する。工具マガジン２１は外部付勢によって回転可能な状態となる。テーパ穴１８の内周面に沿って、テーパ装着部１７Ａの外周面は摺動する。工具マガジン２１は位置ずれを補正する方向に回転する。工具マガジン２１はテーパ穴１８に対して工具ホルダ１７の位置を移動できる。故に本変形例においても、工具ホルダ１７のテーパ装着部１７Ａは主軸９のテーパ穴１８に対して無理なく装着する。

主軸ヘッド７がＺ軸原点を通過した場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はマガジンモータ５５の位置制御は第２制御か判断する（Ｓ２１）。マガジンモータ５５の位置制御が第１制御の場合（Ｓ２１：ＮＯ）、処理をＳ１２に進める。マガジンモータ５５の位置制御が第２制御の場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ３１はマガジンモータ５５の位置制御を再び第１制御に切り替える（Ｓ１１）。故に工具マガジン２１は外部付勢があっても回ることなく自身の位置を保持できる。以降、ＣＰＵ３１は上記実施形態と同じ処理を実行する。本変形例によっても、工作機械１は上記実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、図１１のＳ２０の処理を実行するＣＰＵ３１は本発明の判断手段に相当する。

また、上記実施形態は、工具マガジン２１の回転割出動作により工具を工具交換位置に搬送し、主軸ヘッド７の昇降動作とグリップアーム９０の揺動動作により、工具交換位置にある工具を主軸９に装着するものである。例えば、工具を格納する工具マガジンの内側に設けた搬送機構で工具を所定位置に搬送し、所定位置に搬送した工具と主軸に装着している工具とを把持し、自身が旋回することによって、これら工具を相互に入れ替えることができる工作機械にも本発明は適用可能である。

また、上記実施形態では、マガジンモータ５５の位置制御を第１制御から第２制御に切り替え、比例制御部１０５が出力するトルク指令から、累積部１０３が算出する累積値分を差し引くことによって、結果的に、マガジンモータ５５に出力するトルク指令のトルクを低下させているが、例えば、比例制御部１０５が出力するトルク指令を直接変更し、所定レベルまで強制的に低下させてもよい。

速度変換部１０１においてゲイン係数を用いる制御においては該ゲイン係数を変更することにより、トルク指令値を変更することができる。

１工作機械
４工具
７主軸ヘッド
９主軸
１７工具ホルダ
１７Ａテーパ装着部
１８テーパ穴
２０工具交換装置
２１工具マガジン
３１ＣＰＵ
４１減速機
５５マガジンモータ
５５Ａ駆動回路
９０グリップアーム

Claims

工具を装着してワークを加工する主軸と、前記主軸に装着する前記工具を格納する格納部と、前記格納部に格納した前記工具を所定位置に搬送する搬送機構と、前記搬送機構を駆動する搬送モータと、前記搬送モータの前記搬送機構に付与するトルクを制御するトルク制御手段と、前記搬送機構が前記所定位置に搬送した前記工具を前記主軸に装着する装着手段とを備えた工作機械において、
前記トルク制御手段は、
前記搬送機構によって前記工具を前記所定位置に搬送後、前記トルクを少なくとも前記工具の搬送時に前記搬送機構に付与する搬送トルクよりも下げるトルク低下手段を備えたことを特徴とする工作機械。
前記トルク低下手段は、
前記搬送機構によって前記工具を前記所定位置に搬送後、前記装着手段が前記所定位置に搬送した前記工具を前記主軸に装着する直前に、前記トルクを前記搬送トルクよりも下げることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記格納部は、一軸線を中心に回転可能な円盤状の本体部と、該本体部の外周に備え、前記工具を保持する複数のグリップアームとを備えた工具マガジンであって、
前記搬送機構は、前記搬送モータの回転速度を減じて、前記工具マガジンを周方向に回転させ、前記複数のグリップアームのうち一のグリップアームが保持する前記工具を前記所定位置に位置決めする減速機であって、
前記主軸は、自身の軸方向で、原点位置よりも前記ワーク側で前記ワークに対する加工動作を行う加工領域と、前記原点位置よりも前記加工領域とは反対側の領域で、前記格納部に格納した前記工具との工具交換を行う工具交換領域との間を移動可能であって、
前記装着手段は、前記工具交換領域において、前記主軸を、前記搬送機構が前記所定位置に搬送した前記工具に向けて移動させることにより、前記主軸に前記工具を装着することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。
前記トルク制御手段は、
前記トルク低下手段が前記トルクを前記搬送トルクよりも下げた後、前記工具交換領域から前記原点位置に移動した場合に、前記トルクを少なくとも前記搬送トルクまで復帰するトルク復帰手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の工作機械。
前記搬送機構にかかるトルクを検出するトルク検出手段と、
前記搬送機構によって前記工具を前記所定位置に搬送後、前記トルク検出手段が検出した前記トルクは所定値以上か否か判断する判断手段と
を備え、
前記トルク低下手段は、
前記判断手段が前記トルクは前記所定値以上と判断した場合に、前記トルクを少なくとも前記搬送トルクよりも下げることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。