JP3536719B2 - 自動工具交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工具の交換時間を
短縮できる自動工具交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、生産の効率化を図るため、同
一のワークに対して複数種類の加工作業をすることがで
きるＮＣ工作機械、すなわち、マシニングセンタが用い
られている。このマシニングセンタには、加工作業の種
類に応じて工具を取り替える自動工具交換装置（以下、
ＡＴＣという）が設けられている。

【０００３】このＡＴＣを用いて工具を交換する場合に
は高速回転している主軸を一旦停止させ、交換後に再び
主軸を高速回転させて、穴明けや切削などの加工を行な
う。

【０００４】マシニングセンタは、効率的に作業できる
ことを特徴としている工作機械であるから、作業の効率
化や工具の交換に要する時間の短縮化は非常に重要なこ
とである。

【０００５】このため、主軸の回転数を高速化して作業
の効率化（加工時間の短縮化）を図ったり、主軸の停止
時間が少なくなるように工具の交換作業に工夫を凝らし
たり（工具の交換作業の単純化、加工順序の最適化）、
主軸に出力の大きなモータを使用して工具の交換に要す
る時間の短縮化（主軸の急加速、急減速）を図ったりし
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来のＡＴＣでは、工具の交換をする場合には、必ず主
軸の回転を停止させなければならないため、主軸の急加
速、急減速のために加工負荷に見合わない出力の大きな
主軸モータを用いなければならない。

【０００７】主軸に出力の大きなモータを用いると、装
置のコストアップに繋がるばかりでなく、主軸自体の重
量の増加から、主軸を移動させる軸のモータ等（たとえ
ばリニアモータや高速ボールネジ）も大型化するし、主
軸の最大移動速度も制限されてくる。

【０００８】マシニングセンタでは、頻繁に工具が交換
されるため、効率的な作業を実現するためには、工具の
交換時間を短縮することが要求されるが、従来のように
主軸を急加速、急減速できるようにしただけでは、工具
の交換時間の短縮には限界があるし、根本的な解決には
ならない。

【０００９】本発明は、このような従来のＡＴＣの問題
点を根本的に解決するためになされたものであり、工具
を回転させながら交換できるようにし、工具の交換時間
を短縮できるようにした自動工具交換装置の提供を目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は次のように構成される。

【００１１】

【００１２】請求項１に記載の発明は、ワークを加工す
る際に工具を回転させる主軸回転手段と、工具交換作業
に備えて工具を予め回転させる第１工具回転手段と、工
具交換作業の際に前記主軸回転手段によって回転されて
いる工具を回転したまま取り外す第２工具回転手段と、
前記第１工具回転手段と前記第２工具回転手段とがアー
ムの両端に取り付けられ、前記アームの中心を軸として
回動可能に支持される移動手段と、前記主軸回転手段に
よって回転される工具の回転速度を検出して前記第１及
び第２工具回転手段の回転速度を当該工具の回転速度に
同期させ、前記第１工具回転手段によって回転される工
具の任意の位置と前記主軸回転手段の主軸の任意の位置
との位相を同期させ、前記主軸回転手段によって回転さ
れる工具の任意の位置と前記第２工具回転手段の軸の任
意の位置との位相を同期させる一方、前記主軸回転手段
の回転速度が高速であるために前記第１および第２工具
回転手段の回転速度と位相との同期をとることができな
いときには前記主軸回転手段の回転速度を一旦低下させ
て前記回転速度と前記位相との同期をとりやすくする制
御手段とを有することを特徴とする。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【発明の効果】以上のように構成された請求項１に記載
の自動工具交換装置によれば、工具回転手段から主軸回
転手段まで工具を止めることなく（回転させたまま）移
動させることができるので、工具の加速時間を短くで
き、結果として作業効率を向上させることができるよう
になる。

【００１６】また、加速を短時間で行なう必要がなくな
るので、主軸回転手段の出力容量を小さくでき、主軸回
転手段の小型化を図ることができるようになる。

【００１７】さらに、主軸回転手段の小型化により主軸
を移動させる移動手段も小型化が可能になり、マシニン
グセンタの小型化とコストダウンとが可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の工具交換装置を
図面に基づいて詳細に説明する。

【００１９】まず、工具交換装置の機械的な構成を説明
する。

【００２０】本発明の工具交換装置は、主軸に取り付け
るべき工具を工具回転モータまで搬送したり主軸から取
り外した工具を所定の場所に収納しておく工具供給装置
と、工具回転モータによって回転されている工具を主軸
モータまで移動して取り付ける一方、ワークの加工が終
了した後の工具を主軸モータから取り外して工具供給装
置まで移動する工具交換装置と、主軸モータによって回
転される工具でワークに加工作業を施す加工装置とを備
えている。

【００２１】本発明の工具交換装置で使用する工具１０
は、図１に示すようなホルダー２０を貫通し、ホルダー
１０内に設けられている図示しない軸受けによって回転
自在に支持されている。したがって、工具１０は、ホル
ダー２０が把持されていても、工具回転モータによって
回転することができる。

【００２２】なお、マシニングセンタの全ての工具１０
はホルダー２０に支持されているので、主軸モータに取
り付けて加工する場合や、工具回転モータに取り付けて
予備的に回転させる場合や、工具供給装置に収納させて
おく場合など、あらゆる場合に工具１０とホルダー２０
とは一体的に取り扱われる。したがって、本実施形態で
例示するマシニングセンタでは、ホルダー２０から工具
１０のみを取り外して使用することはない。

【００２３】図２は、工具１０と主軸モータの主軸との
係合状態の説明図である。

【００２４】図１では示していないが、工具１０の主軸
モータの主軸３０に挿入される部分には、図２（Ａ）に
示すような切欠溝１５が設けられている。一方、主軸３
０の内周面には、この切欠溝１５に係合する突起３５が
設けられている。なお、この切欠溝１５と突起３５は、
加工負荷によって主軸３０と工具１０とが滑って空回り
しないように設けたものである。

【００２５】切欠溝１５の形状は、図２（Ｂ）に示すよ
うに、工具１０の端部に向かうにしたがってその幅が広
くなるテーパー形状を有しており、一方、この切欠溝１
５と係合する突起３５は単なる長方形である。このよう
に、切欠溝１５のみをテーパー形状としたのは、共に高
速で回転している状態であっても、ある程度の位相合わ
せさえすれば突起を容易に係合できるようにするためで
ある。

【００２６】次の加工に必要な工具１０は、工具供給装
置から取り出されて工具回転アームの一端に取り付けら
れている工具回転モータに装着される。そして、この工
具１０を交換作業に先立って回転させる。この回転は、
工具交換モータによって行なわれるが、その回転数はた
とえば数万から１０万回転／分と高速化の傾向にある。

【００２７】工具を交換する時には、主軸モータによっ
て回転されている工具の回転速度と工具回転モータ（第
２工具回転手段）の回転速度とを一致させ、なおかつ工
具の位相と工具回転モータの位相とを一致させて、主軸
モータから工具を取り外して工具回転モータに装着す
る。次に、工具回転モータ（第１工具回転手段）によっ
て回転されている次の加工作業に用いる工具を工具回転
モータとともに工具回転アームを回転させることによっ
て主軸モータまで移動し、主軸モータの回転速度と工具
の回転速度とを一致させ、なおかつ工具の位相と主軸モ
ータの主軸の位相とを一致させて、工具回転モータから
主軸モータに工具を装着する。

【００２８】このような作業は工具交換装置によって行
なわれるが、この工具交換装置は、たとえば特開平５−
１１８２１号公報に開示されているように、一般的には
工具回転アームと称されるものであり、従来のマシニン
グセンタでも使用されているものなので、ここではその
詳しい構成の説明は省略する。

【００２９】本発明の工具交換装置では、工具交換モー
タで高速回転させた工具を、高速回転している主軸モー
タに素早く装着させなければならないため、次のような
装置を用いてこれを実現させている。以下にこの装置を
詳細に説明する。

【００３０】図３は、本発明にかかる自動工具交換装置
の制御系のブロック図である。

【００３１】図に示す主軸モータ４０は、ワークを加工
する際にホルダー２０とともに装着されている工具１０
を回転させて所望の加工をするものであり、工具１０
は、加工時には高速で回転して効率的な加工作業をす
る。

【００３２】工具回転モータ５０は、ホルダー２０の工
具１０を工具交換作業に備えて予め回転させておくため
の第１工具回転モータと、主軸モータ４０に装着されて
いる工具をその回転に同期させながら取り外す第２工具
回転モータとの２台のモータからなり、工具回転アーム
の両端に取り付けられている。

【００３３】なお、工具回転モータ５０は、工具を主軸
に装着する場合と主軸から工具を取り外す場合には、工
具回転モータ５０の軸の回転速度と位相とを工具の回転
速度と位相に合わせるようになっている。

【００３４】ＡＴＣモータ６０は、工具回転アームを回
転させるモータであり、工具回転モータ５０に取り付け
られている工具を主軸モータ４０の主軸３０に取り付け
る場合や、主軸モータ４０の主軸３０から工具を工具回
転モータ５０に取り付ける場合に工具回転アームを回転
させるモータである。

【００３５】コントローラ７０は、工具回転モータ５０
の回転速度に基づいて主軸モータ４０の回転速度や位相
を制御したり、逆に主軸モータ４０の回転速度に基づい
て工具回転モータ５０の回転速度や位相を制御したり、
ＡＴＣモータ６０の回転を制御したりするものである。

【００３６】このように構成された装置は、主軸モータ
４０と工具回転モータ５０の回転速度を図４に示すフロ
ーチャートのように制御する。以下に、この制御を図５
から図８を参照しながら説明する。

【００３７】現在、主軸モータ４０に取り付けられてい
る工具によりワークの加工が終了したら、コントローラ
７０には加工完了情報が入力される。コントローラ７０
は、この情報を受けてＡＴＣモータ６０により工具回転
アームを回転させてＡＴＣの工具回転軸である工具回転
モータ５０を主軸モータ４０と対向する位置まで移動さ
せる。この時点では、主軸モータ４０は加工時の回転速
度と同じ回転速度で工具を回転させている。このため、
回転中の工具を工具回転モータ５０が受け取るには、そ
の工具の回転速度と同じ回転速度で工具回転モータ５０
を回転させる必要がある。また、工具の位相と工具回転
モータ５０の回転軸の位相とを合わせる必要がある。こ
の段階では、取り敢えず工具回転モータ５０の回転速度
を主軸モータ４０の回転速度まで上げておく（Ｓ１）。

【００３８】工具回転モータ５０の回転速度が主軸モー
タ４０の回転速度まで上昇したら、工具供給装置の各送
り軸を工具交換位置に戻し、工具を取り外す処理を開始
する（Ｓ２，Ｓ３）。

【００３９】まず、主軸モータ４０の回転速度と工具回
転モータ５０の回転速度を同期させる。この同期は次の
ようにして取る。

【００４０】コントローラ７０内に設けられているカウ
ンタには、図５に示すように、主軸モータ回転指令値が
入力される。この指令値から主軸モータ４０に設けられ
ているエンコーダから出力されるフィードバックパルス
（主軸現在位置）の微分値が減算される。この減算され
た値は比例積分された後アンプ８０によって増幅され、
その増幅値によって主軸モータ４０が回転される。

【００４１】工具回転モータ５０も同様に、コントロー
ラ７０内に設けられているカウンタに工具回転モータ回
転指令値が入力される。この指令値から工具回転モータ
５０に設けられているエンコーダから出力されるフィー
ドバックパルス（ＡＴＣ現在位置）の微分値が減算され
る。この減算された値は比例積分された後アンプ９０に
よって増幅され、その増幅値によって工具回転モータ５
０が回転される。

【００４２】したがって、主軸モータ４０の回転速度と
工具回転モータ５０の回転速度を同期させるには、工具
回転モータ回転指令値に主軸モータ回転指令値と同じ値
を入力すれば良い。このため、コントローラは７０は、
現在主軸モータ回転指令値としてカウンタに入力してあ
る値を認識して主軸モータの回転速度を検出し、工具回
転モータ用のカウンタの値をこの主軸モータ回転指令値
の値と同じ値にする（Ｓ４）。

【００４３】以上のようにして主軸モータ４０の回転速
度と工具回転モータ５０の回転速度とが一致すると、今
度は主軸モータ４０の主軸の位相と工具回転モータ５０
の軸の位相とを合わせる。この位相合わせは、図２に示
したように、工具の切欠溝１５と軸の突起３５とを合わ
せるのと同じように、特定の位相関係でなければ工具回
転モータ５０の軸に工具が挿入できないようになってい
るからである。この位相合わせは次のようにして行な
う。

【００４４】主軸モータ４０のエンコーダから出力され
るエンコーダパルス（主軸現在位置）と工具回転モータ
５０のエンコーダから出力されるエンコーダパルス（Ａ
ＴＣ現在位置）は、図５に示す位相合わせ回路１００に
入力され、両モータの位相が異なっている場合には、こ
の位相合わせ回路１００から位相差に相当するパルスが
主軸モータ指令値または工具回転モータ回転指令値に加
算される。このため、いずれかのモータの回転速度が一
時的に低下して、両モータの軸の位相が合わせられる
（Ｓ５）。

【００４５】このようにして、位相を合わせる処理が行
なわれると、主軸モータ４０と工具回転モータ５０の回
転速度と位相との同期が取られたかどうかが判断され
（Ｓ６）、同期が取られていれば、工具を主軸モータ４
０の主軸３０から工具回転モータ５０の軸に移動し、主
軸３０から工具を取り外す（Ｓ７）。

【００４６】このようにして主軸３０から工具が取り外
されると、ＡＴＣモータ６０は工具回転アームを回転さ
せて工具回転モータ（第１工具回転モータ）５０を主軸
モータ４０に対向して位置させる。工具回転モータ５０
はこの時点で既に主軸モータ４０の回転速度と同一の回
転速度で工具を回転させているので、コントローラ７０
は、Ｓ４のステップでの処理と全く同じ処理をして主軸
モータ４０の回転速度と工具回転モータ５０の回転速度
を同期させる（Ｓ８，Ｓ９）。

【００４７】主軸モータ４０の回転速度と工具回転モー
タ５０の回転速度とが一致すると、Ｓ５のステップでの
処理と全く同じ処理をして、主軸モータ４０の主軸の位
相と工具回転モータ５０の軸の位相とを合わせる（Ｓ１
１）。

【００４８】このようにして、位相を合わせる処理が行
なわれると、主軸モータ４０と工具回転モータ５０の回
転速度と位相との同期が取られたかどうかが判断され
（Ｓ１２）、同期が取られていれば、工具を工具回転モ
ータ５０の軸から主軸モータ４０の主軸３０に移動して
工具を取り付ける。工具の取り付けが終了したら、主軸
モータ４０は即座に加工作業に入る（Ｓ１３）。

【００４９】以上のように、本発明にかかる自動工具交
換装置によれば、主軸モータ４０を回転させたまま工具
の取り付け、取り外しをすることができるようになるの
で、工具の交換時間を図６と図７に示すように短縮する
ことができる。

【００５０】すなわち、従来の工具交換装置では、図６
に示すように、工具回転アーム（ＡＴＣ本体）が回転し
て直線Ｂに示すように工具を主軸に取り付けたり取り外
したりしている間は、主軸の回転速度を直線Ａに示すよ
うに一旦０まで落し、工具の交換後、加工作業に入ると
きに加工時の回転速度まで加速している。ところが、本
発明の自動工具交換装置では、工具回転モータ５０が直
線Ｃに示すように工具を回転させた状態で主軸モータ４
０の主軸に工具を取り付けたり、主軸から工具を取り外
したりできるので、工具回転アーム（ＡＴＣ本体）が回
転して直線Ｂに示すように工具を主軸に取り付けたり取
り外したりしている間でも、主軸の回転数は直線Ａに示
すように一定である。このため、主軸の加減速時間が節
約でき、その分加工時間の短縮化が図られる。

【００５１】また、以上の実施形態では、工具回転モー
タ５０が主軸モータ４０に同期できる場合を前提に説明
したが、主軸モータ４０の回転速度が高速であるがため
にうまく同期させることができない（同期ＮＧ）場合に
は、図８に示すように工具交換時のみ直線Ａに示すよう
に主軸モータ４０の回転速度を落し、工具回転モータ５
０との回転速度と位相との同期を取り易いようにした上
で、工具の交換をし、工具の交換後に主軸モータ４０を
加工時の回転速度まで加速させている。

【００５２】このように、同期が取れなかったときに
は、主軸モータの回転速度を一旦低下すれば、工具回転
モータ５０は同期を取り易くなり、また、工具交換後の
加速も従来に比較すれば少しで済むので、加工時間の短
縮化のメリットは維持できる。

【００５３】以上のように、本発明の工具交換装置によ
れば、主軸３０を回転させたまま工具交換をすることが
できることになるので、加工を開始する際の工具の加速
は少なくて済み、主軸モータを従来よりも小型にするこ
とができるようになる。

【００５４】また、主軸モータの小型化、軽量化によっ
て、この主軸モータが載置されている移動軸の高速化が
可能になる。

【００５５】そして、主軸の回転速度を高めた分だけ加
工時間が短縮できるので、工具の交換時間を従来よりも
遥かに短くでき、さらに移動軸も高速化される結果、作
業効率を著しく向上させることができるようになる。

【００５６】以上のような効果の相乗効果として、マシ
ニングセンタ全体としての軽量化、低コスト化、高速化
を達成できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の工具交換装置で使用する工具とそれ
を支持するホルダーの外観図である。

【図２】 本発明の工具交換装置で使用する工具と主軸
モータの主軸との係合状態の説明図である。

【図３】 本発明にかかる工具交換装置の制御系のブロ
ック図である。

【図４】 本発明にかかる工具交換装置の動作を示すフ
ローチャートである。

【図５】 本発明にかかる工具交換装置の動作説明に供
する図である。

【図６】 本発明にかかる工具交換装置の動作説明に供
する図である。

【図７】 本発明にかかる工具交換装置の動作説明に供
する図である。

【図８】 本発明にかかる工具交換装置の動作説明に供
する図である。

【符号の説明】

１０ 工具 １５ 切欠溝 ２０ ホルダ ３０ 主軸 ３５ 突起

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークを加工する際に工具を回転させる
   主軸回転手段と、 工具交換作業に備えて工具を予め回転させる第１工具回
   転手段と、 工具交換作業の際に前記主軸回転手段によって回転され
   ている工具を回転したまま取り外す第２工具回転手段
   と、 前記第１工具回転手段と前記第２工具回転手段とがアー
   ムの両端に取り付けられ、前記アームの中心を軸として
   回動可能に支持される移動手段と、 前記主軸回転手段によって回転される工具の回転速度を
   検出して前記第１及び第２工具回転手段の回転速度を当
   該工具の回転速度に同期させ、前記第１工具回転手段に
   よって回転される工具の任意の位置と前記主軸回転手段
   の主軸の任意の位置との位相を同期させ、前記主軸回転
   手段によって回転される工具の任意の位置と前記第２工
   具回転手段の軸の任意の位置との位相を同期させる一
   方、前記主軸回転手段の回転速度が高速であるために前
   記第１および第２工具回転手段の回転速度と位相との同
   期をとることができないときには前記主軸回転手段の回
   転速度を一旦低下させて前記回転速度と前記位相との同
   期をとりやすくする制御手段とを有することを特徴とす
   る自動工具交換装置。