JP2020069553A - 工具交換装置及び工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】工具マガジンの回転位置ずれを確実に判定することができる工具交換装置を提供する。【解決手段】工具交換装置２は、円環状に配列され、それぞれ工作機械１の主軸３に装着可能な工具Ｔを保持する複数の工具ホルダ８を有し、且つ主軸３と任意の工具ホルダ８との間で工具Ｔを受け渡しできるよう回動する工具マガジン１０と、工具マガジン１０の主軸３に対する回転位置ずれを検出する位置ずれ検出装置１２とを備え、工具ホルダ８は、工具Ｔの側面に近接する本体１３と、本体１３から延び、工具Ｔを挟み込むよう付勢され、先端側に工具Ｔの側面に当接するよう内側に突出する当接部１７が設けられた一対のアーム１４とを有し、位置ずれ検出装置１２は、主軸３の回転を検出する回転検出部１８と、主軸３から工具ホルダ８に工具Ｔを受け渡す際に回転検出部１８が検出した主軸３の回転量に基づいて工具マガジン１０の位置ずれを判定する判定部１９とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、工具交換装置及び工作機械に関する。

従来より、主軸に装着される工具を自動的に交換する工具交換装置を備える工作機械が広く利用されている。工具交換装置の一つの態様としては、それぞれ工具を保持可能な複数の工具ホルダが円環状に配列されたタレット状の工具マガジンを有し、工具マガジンを回動することによって任意の工具ホルダを主軸に対向させて工具を着脱する旋回式の装置が知られている。このような旋回式の工具交換装置では、工具ホルダを主軸に対して正確に位置決めすることが要求される。このため、旋回式の工具交換装置において、工具マガジンの回転位置ずれ、つまり工具マガジンによる工具ホルダの主軸に対する位置決め誤差を検出する技術が提案されている。

例えば特許文献１には、工具マガジンを回転位置決めするサーボモータの負荷電流を検出することで、工具マガジンの回転位置ずれを判定する方法が開示されている。工具マガジンが回転位置ずれしている場合、つまりサーボ機構の内部位置情報にオフセットが存在する場合、工具ホルダを位置決めした後に工具を交換する際に主軸が工具を介して工具ホルダを正しい位置に移動させるよう工具ホルダを僅かに回転させる。このとき、工具マガジンのサーボモータは、内部の位置情報に基づいて最初に位置決めした回転位置を保持しようとして駆動力を発生する。従って、このサーボモータの負荷を検出することで、工具マガジンの回転位置ずれを検知することができる。

特開２０１１−１７３１９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載される方法では、工具が工具マガジンにアンバランスな重量で複数配置された場合、工具マガジンの回転位置によってサーボモータの負荷が変動するため、工具マガジンの回転位置ずれを確実に検出することができない。

本発明は、工具マガジンの回転位置ずれを確実に検出することができる工具交換装置及び工作機械を提供することを課題とする。

（１） 本発明に係る工具交換装置（例えば、工具交換装置２）は、円環状に配列され、それぞれ工作機械の主軸に装着可能な工具を保持する複数の工具ホルダ（例えば、後述する工具ホルダ８）を有し、且つ前記主軸と任意の前記工具ホルダとの間で前記工具を受け渡しできるよう回動する工具マガジン（例えば、後述する工具マガジン１０）と、前記工具マガジンの前記主軸に対する回転位置ずれを検出する位置ずれ検出装置（例えば、後述する位置ずれ検出装置１２）と、を備え、前記工具ホルダは、前記工具の側面に近接する本体（例えば、後述するホルダ本体１３）と、前記本体から延び、前記工具を挟み込むよう付勢され、先端側に前記工具の側面に当接するよう内側に突出する当接部（例えば、後述する当接部１７）が設けられた一対のアーム（例えば、後述するアーム１４）とを有し、前記位置ずれ検出装置は、前記主軸の回転を検出する回転検出部（例えば、後述する回転検出部１８）と、前記主軸から前記工具ホルダに前記工具を受け渡す際に前記回転検出部が検出した前記主軸の回転量に基づいて前記工具マガジンの位置ずれを判定する判定部（例えば、後述する判定部１９）と有する。

（２） （１）の工具交換装置において、前記判定部は、前記工具を受け渡す際の前記主軸の最大回転量が予め設定される閾値以上である場合に前記工具マガジンが回転位置ずれしていると判定し、前記主軸の回転量が最大となった時の回転方向から前記工具マガジンの位置ずれ方向を判別してもよい。

（３） 本発明に係る工作機械（例えば、後述する工作機械１）は、（１）又は（２）の工具交換装置と、前記工具交換装置により工具（例えば、後述する工具Ｔ）を装着可能な主軸（例えば、後述する主軸３）とを備える。

本発明によれば、工具マガジンの回転位置ずれを確実に検出することができる。

本発明の一実施形態に係る工作機械を示す構成図である。 図１に示す工作機械の工具交換装置を示す斜視図である。 図２に示す工具交換装置の正面図である。 図３に示す工具交換装置の工具ホルダを示す平面図である。 図２に示す工具交換装置の工具マガジンの回転位置ずれを検出する処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る工作機械１を示す構成図である。図２は、図１に示す工作機械の工具交換装置２を示す斜視図である。図３は、図２に示す工具交換装置２の正面図である。

図１に示す工作機械１は、図２及び３に詳しく示す工具交換装置２と、工具交換装置２によって工具Ｔを着脱される主軸３、工具Ｔを用いて加工されるワークを保持するテーブル４とを備える。主軸３は、テーブル４に対して水平方向に相対移動可能な主軸ガイド５に昇降可能に設けられる主軸ヘッド６に回転可能に保持される。主軸３は、鉛直方向に延在し、下端に工具Ｔが取り付けられ、主軸ヘッド６内のモータによって回転することができる。工作機械１の各構成要素は、主制御装置７によって制御される。工具交換装置２は、それ自体が本発明に係る工具交換装置の一実施形態である。

工具交換装置２は、円環状に配列される複数の工具ホルダ８と複数の工具ホルダ８が外周に配設されるマガジン本体９とを有する回動可能な工具マガジン１０と、任意の工具ホルダ８を主軸３に正対させて主軸３との間で工具Ｔを受け渡しできるよう工具マガジン１０を回転させるサーボモータ１１と、工具マガジン１０の回転位置ずれを検出する位置ずれ検出装置１２とを備える。

工具マガジン１０は、下端に配置した工具ホルダ８が主軸３との間で工具Ｔを受け渡しすることができるよう下側が主軸３に接近し、且つ他の部分が主軸ヘッド６等の他の構成要素と干渉しないよう、上側が主軸ヘッド６から離間するよう傾斜している。また、工具交換装置２は、工具ホルダ８と主軸３との間での工具Ｔの受け渡しを補助するために、主軸３に正対する工具ホルダ８を主軸３に対して接近及び離間することができるよう、工具マガジン１０の回転軸の傾斜角度を調節する機構をさらに備えてもよい。

工具ホルダ８は、工作機械１の主軸３に装着可能な工具Ｔをそれぞれ保持可能に構成される。具体的には、工具ホルダ８は、図４に示すように、工具マガジン１０のマガジン本体９に保持され、工具Ｔの側面に近接するよう配置されるホルダ本体１３と、ホルダ本体１３から延び、工具Ｔを挟み込む一対のアーム１４と、アーム１４を内向きに揺動させるよう付勢するばね１５と、工具Ｔの主軸３周りの回転位置を定めることができるよう、工具Ｔのキー溝Ｋに係合するキー１６とを有する。

アーム１４は、先端側に工具Ｔの側面に当接するよう内側に突出する当接部１７が設けられている。当接部１７は、ホルダ本体１３から見て工具Ｔの斜め後方に当接することで工具Ｔの工具ホルダ８からの意図しない脱落を防止する。また、当接部１７は、工具ホルダ８によって工具Ｔを保持する際に、工具Ｔの側面に沿って移動してアーム１４を外側にスムーズに揺動させられるよう、例えば回転可能なローラ等によって形成することができる。

位置ずれ検出装置１２は、主軸３の回転を検出する回転検出部１８と、主軸３から工具ホルダ８に工具Ｔを受け渡す際に回転検出部１８が検出した主軸の回転量に基づいて工具マガジン１０の位置ずれを判定する判定部１９とを有する。

回転検出部１８は、主軸３の回転量を検出する例えばロータリエンコーダ等のセンサによって構成される。また、他の目的で主軸３の回転量を検出するセンサ等が設けられる場合には、このセンサ等を回転検出部１８としても利用することができる。具体的には、一般的な工作機械に設けられる主軸エンコーダを回転検出部１８としても用いることができるため、工作機械１の主軸周りの設計は既存の工作機械と同様とすることができる。

判定部１９は、工具マガジン１０の位置決め終了後、工具Ｔの受け渡しを開始してからの主軸３の回転量を確認し、最大回転量が予め設定される閾値以上である場合には、工具マガジン１０が回転位置ずれしていると判定する。また、判定部１９は、最大回転量が閾値以上となった場合には、主軸３の回転量が最大となった時の回転方向から工具マガジン１０の位置ずれ方向を判別する。

工具マガジン１０の回転位置ずれと工具Ｔの受け渡し時の主軸３の回転は工具ホルダ８の当接部１７と工具Ｔとの間の摩擦によって生じる。従って、例えば当接部１７が工具Ｔの側面に沿って移動する速度、工具Ｔの表面の汚れ等の条件の違いによって工具マガジン１０の回転位置ずれ量と主軸３の回転量との関係がばらつく。このため、判定部１９に予め設定される最大回転量の閾値は、異なる条件における実際の主軸３の回転量を考慮して経験的に定めてもよい。

位置ずれ検出装置１２によって工具ホルダ８の位置ずれ量を正確には特定することは難しいと考えられる。このため、最大回転量の閾値は、工具マガジン１０の回転位置ずれの許容量に対応させるのではなく、工具マガジン１０の回転位置ずれをできるだけ小さく保つことができるよう、有意な判定が可能な範囲内で比較的小さい値に設定することが好ましい。なお、位置ずれ検出装置１２は、工作機械１の通常のワーク加工における工具Ｔの交換動作により工具マガジン１０の回転位置ずれを検出できるため、工具Ｔの交換の合間に工具マガジン１０の回転位置ずれを補正することができる。従って、位置ずれ検出装置１２が頻繁に工具マガジン１０の回転位置ずれを検出しても、工作機械１によるワークの加工を制限することはないと考えられる。

判定部１９は、例えばコンピュータ等によって構成することができ、主制御装置７又は他の制御装置（例えば工具マガジン１０のサーボモータ１１を制御するために独立して置けられるサーボ制御装置等）と一体に構成してもよい。具体的には、判定部１９は、主制御装置又は他の制御装置を構成するコンピュータに実行される処理プログラムに工具マガジン１０の回転位置ずれ判定するサブプログラム等を組み込むことによって実現することができる。

工具交換装置２は、位置ずれ検出装置１２により工具マガジン１０が回転位置ずれしていると判定された場合に、工具マガジン１０のサーボモータ１１の原点位置を補正する制御を行うことが好ましい。この原点補正制御は、主制御装置７によって行うことができる。また、工具交換装置２は、工具マガジン１０が回転位置ずれしていると判定された場合には、その旨をオペレータに知らせる警報を発してもよい。

原点補正制御は、予め定められる微小な原点移動量だけ位置ずれ検出装置１２が検出した工具マガジン１０の回転位置ずれを相殺する方向にサーボモータ１１の原点位置を移動させる制御とすることができる。原点補正制御における原点移動量は、判定部１９に予め設定される主軸３の最大回転量の閾値に対応する工具マガジン１０の回転位置ずれ量に近い量（例えば工具マガジン１０の回転角度として０．１°程度）とすることが適当である。

このような原点補正制御では、一度の原点位置の補正では工具マガジン１０の回転位置ずれを完全に解消することができない可能性があるが、次の工具Ｔの交換時に工具マガジン１０の回転位置ずれを再度検出した場合には同じ原点補正制御を繰り返し行うことによって、最終的に工具マガジン１０の回転位置ずれ量を閾値未満に低減することができる。

次に、図５を用いて、工作機械１において位置ずれ検出装置１２により工具マガジン１０の位置ずれを検出する処理の手順を説明する。なお、この処理は、主軸３が保持している工具Ｔを工具ホルダ８に受け渡す際に行われる。

まず、ステップＳ１において、工具Ｔを受け取るべき工具ホルダ８を主軸３に正対させるよう工具マガジン１０を回転位置決めすると共に、主軸３に装着されている工具Ｔのキー溝Ｋを正しい位置に位置決めされている場合の工具マガジン１０に正対させるよう主軸３の回転位置を定める（オリエンテーション）。

続いて、ステップＳ２において、主軸３から工具ホルダ８に工具Ｔを受け渡す動作を開始する。具体的には、工具ホルダ８を主軸３側に移動させて一対のアーム１４で工具Ｔを挟み込み、主軸ヘッド６を上昇させて主軸３から工具Ｔを脱離させる一連の動作を開始する。工具ホルダ８の移動は、工具マガジン１０を揺動させることによって行ってもよい。この場合、工具ホルダ８が上下方向にも移動するため、これに合わせて主軸ヘッド６を昇降させて工具ホルダ８の上下移動を相殺してもよい。

次のステップＳ３では、ステップＳ２で開始した工具Ｔの受け渡し動作に伴って生じる主軸３の回転、つまり主軸３の角度位置の継時変化を記録する。

工具マガジン１０が位置ずれしていると、工具Ｔの受け渡しのために工具ホルダ８を工具Ｔに向かって前進させる際、一対のアーム１４のうちの一方が先に工具Ｔに当接し、摩擦力によって工具Ｔひいては主軸３を僅かに回転させる。このアーム１４との摩擦による主軸３の回転量は、ばらつきはあるものの工具マガジン１０の位置ずれ量が大きいほど大きくなる。また、アーム１４との摩擦による主軸３の回転の方向は工具マガジン１０の位置ずれ方向と反対側になる。

さらに工具ホルダ８を前進させると、キー１６が工具Ｔのキー溝Ｋに嵌合することで工具Ｔの角度が工具ホルダ８に正対するよう矯正される。なお、工具ホルダ８のキー１６が嵌合する過程においては、工具Ｔ及び主軸３はアーム１４との摩擦による回転の方向と逆方向にオーバーシュートして回転し得る。しかしながら、主軸３の最大回転量が閾値以上となる程度に工具マガジン１０が位置ずれしている場合、キー１６の嵌合時の主軸３の逆方向の回転量がアーム１４との摩擦による回転量よりも大きくなることはない。

次のステップＳ４で工具Ｔの受け渡し動作が完了したか否かを確認し、工具Ｔの受け渡し動作が完了していなければステップＳ３の主軸３の角度位置の継時変化を継続し、工具Ｔの受け渡し動作が完了していれば、次のステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、ステップＳ３で記録した主軸３の角度位置の継時変化における主軸３の角度位置の絶対値の最大値、つまり主軸３の原点からの最大回転量を抽出する。

次のステップＳ６では、主軸３の原点からの最大回転量を予め設定される閾値と比較する。主軸３の最大回転量が閾値を以上である場合には、ステップＳ７で主軸３の回転方向を判別し、ステップＳ８で工具マガジン１０が位置ずれしていること及びその方向を出力してから位置ずれ検出処理を終了する。一方、主軸３の最大回転量が閾値に満たない場合には、直ちに位置ずれ検出処理を終了する。

ステップＳ７では、主軸３の最大回転量が正の値であるか負の値であるかによって、工具マガジン１０の位置ずれ方向を判定する。上述のように、工具マガジン１０の位置ずれ方向は、主軸３の最大回転量をもたらすアーム１４との摩擦による主軸３の回転の方向とは反対方向である。

ステップＳ８では、工具マガジン１０が位置ずれしていること及びその位置ずれ方向を位置ずれ検出装置１２からサーボモータ１１の原点を補正する制御を行う構成要素に伝達する。位置ずれ検出装置１２の判定部１９とサーボモータ１１の原点を補正する制御を行う構成要素とが同一のコンピュータにより構成されている場合、例えば判定部１９を構成するプログラムがメモリの所定のビットを書き換えることによりサーボモータ１１の原点を補正するプログラムに位置ずれの発生及び位置ずれ方向を認識させる等の処理を行う。

以上のように、位置ずれ検出装置１２を有する工具交換装置２を備える工作機械１は、工具マガジン１０の動きを確認することなく、工具Ｔの受け渡し時の主軸３の動きにより工具マガジン１０の位置ずれを検出できるので、通常の手順でワークの加工を行う途中で工具交換をしている間に工具マガジン１０の位置ずれを検出し、次の工具交換までにワークの加工と並行して工具マガジン１０の位置ずれを補正することができる。

また、位置ずれ検出装置１２は、主軸３から工具ホルダ８に工具Ｔを受け渡す動作の途中における主軸３の回転量によって工具マガジン１０の位置ずれを検出するので、最終的に工具マガジン１０に複数の工具がアンバランスな重量で配置されたとしても判定結果に影響がなく、工具マガジン１０の位置ずれを確実に検出することができる。

位置ずれ検出装置１２の回転検出部１８及び判定部１９は一般的な工作機械の主軸エンコーダ及び制御装置を用いて実現可能であるため、工作機械１は、既存の工作機械を用い、機械的な設計変更を伴わずに制御プログラムの変更だけで実施することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

本発明に係る工具交換装置は、工具マガジンの位置ずれを検出するために工具マガジンの動きを検出する必要がないので、工具マガジン専用の駆動モータを有しない場合（例えば他の構成要素用の駆動源にクラッチを介して工具マガジンを接続して駆動する場合等）にも適用して工具マガジンの位置ずれを検出することができる。

１ 工作機械
２ 工具交換装置
３ 主軸
４ テーブル
５ 主軸ガイド
６ 主軸ヘッド
７ 主制御装置
８ 工具ホルダ
９ マガジン本体
１０ 工具マガジン
１１ サーボモータ
１２ 位置ずれ検出
１３ ホルダ本体
１４ アーム
１５ ばね
１６ キー
１７ 当接部
１８ 回転検出部
１９ 判定部
Ｋ キー溝
Ｔ 工具

Claims (3)

1. 円環状に配列され、それぞれ工作機械の主軸に装着可能な工具を保持する複数の工具ホルダを有し、且つ前記主軸と任意の前記工具ホルダとの間で前記工具を受け渡しできるよう回動する工具マガジンと、
   前記工具マガジンの前記主軸に対する回転位置ずれを検出する位置ずれ検出装置と、
   を備え、
   前記工具ホルダは、
   前記工具の側面に近接する本体と、
   前記本体から延び、前記工具を挟み込むよう付勢され、先端側に前記工具の側面に当接するよう内側に突出する当接部が設けられた一対のアームとを有し、
   前記位置ずれ検出装置は、
   前記主軸の回転を検出する回転検出部と、
   前記主軸から前記工具ホルダに前記工具を受け渡す際に前記回転検出部が検出した前記主軸の回転量に基づいて前記工具マガジンの位置ずれを判定する判定部と、
   を有することを特徴とする工具交換装置。
2. 前記判定部は、前記工具を受け渡す際の前記主軸の最大回転量が予め設定される閾値以上である場合に前記工具マガジンが回転位置ずれしていると判定し、前記主軸の回転量が最大となった時の回転方向から前記工具マガジンの位置ずれ方向を判別する請求項１に記載の工具交換装置。
3. 請求項１又は２に記載の工具交換装置と、
   前記工具交換装置により工具を装着可能な主軸と、
   を備える工作機械。

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