JP4641471B2

JP4641471B2 - 工作機械の工具交換装置

Info

Publication number: JP4641471B2
Application number: JP2005264267A
Authority: JP
Inventors: 正頼伊東; 雅美杉山; 正男小林; 俊夫松原
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-09-12
Also published as: JP2007075924A

Description

本発明は、ＮＣ工作機械の工具主軸と工具ポットを複数個設けた工具マガジンとの間で工具の授受、交換を行なう工具交換装置に関し、特に、工作機械の送り軸系及び旋回軸系等の動作機構を用い、刃部とこれに続くシャンク部とから成る、所謂テーパシャンク等の工具ホルダを有しない加工工具を、直接工具マガジンから工具主軸へ、そして逆に工具主軸から工具マガジンへ工具シャンクの把持着脱により、転送して工具交換を行なう工具交換装置を備えた工作機械に関する。

一般的なＮＣ工作機械の自動工具交換装置は、各工具をテーパシャンクと工具着脱手段を有する工具ホルダに把持させ、該工具ホルダを主軸と工具マガジンの間で交換させている。
上述の機械の工具主軸と工具マガジンとの間での工具ホルダの交換には、通常工具ホルダを把持して着脱交換する交換アーム手段を介設使用するものが多用されて来ているが、工具マガジン側の目的工具ホルダに対して工具主軸側を送り軸系や旋回軸系等の動作機構を用いて移行位置決めして着脱動作を行なうようにしたアームレス方式の工具又は工具ホルダ交換方式のものも知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

さらに、前述の如く工具を工具ホルダに把持させ、その工具ホルダごと工具交換するのではなく、工具マガジンに複数個設けられた工具ポットにあらかじめ工具を単体で収納しておき、工具マガジンとＮＣ工作機械の工具主軸との間で工具単体のまま直接的に工具交換を行なう、所謂ホルダレス方式の工具交換装置も知られている。この後者の方式の工具交換装置は、成形金型のリブ溝等の複雑な形状のワークの加工を比較的細身の工具を用いて行なうＮＣ工作機械に適用されることが多くなって来ている。

前記した特許文献１に記載の装置は、工具の切削用刃部と主軸装着部との間の中間軸部の所望の位置に刻設された位置決め溝に工具マガジンに設けられた位置決め板が弾性係合して、工具を軸線方向の所定位置決めするとともに、工具マガジンに複数個並設した工具ポットに複数の工具を把持、収納するようにして、工具マガジンとＮＣ工作機械の主軸との間の相対移動により、工具マガジンの全ての工具ポットとＮＣ工作機械の主軸との間で直接的に工具の授受、交換を行なおうとするものである。

このような工具交換方式は、工具長の管理の点では都合が良い反面、ワークの形状によっては、同一形状、同一寸法の同種工具でも、主軸からの突き出した寸法を（主軸とワークとの干渉を避けるためや、工具長を短くして剛性の高い加工を行うために、）種々変えたい場合などに、中間軸部のいろいろな場所に位置決め溝を刻設した同種工具を準備しておかなけらばならないとか、溝の刻設により工具の強度が落ちるとか、或いは、更に溝刻設の手間を要することになるなどの不都合があった。

そこで、前述特許文献２に記載のものは、工具シャンクに溝刻設などをすることなく工具長の設定を任意、かつ容易に行えるようにしたもので、工具シャンク部の軸線方向の任意の位置に移動可能に嵌着、固定したリング部材と、前記工具マガジンに複数個設けられ、前記リング部材を前記工具の軸線方向の基準として前記工具マガジンに前記工具を収納する工具ポットとを具備してなり、前記主軸と前記工具マガジンとの間の相対移動により工具交換を行なうように構成したものである。

特開平５−２７７８６７号公報特開平８−１７４３６４号公報

一般的な工作機械の自動工具交換装置では、工具のシャンク部を把持固定する着脱手段を内臓したテーパシャンク付工具ホルダを介在させているため、振れ精度はホルダ精度に依存し、また、工具交換時のホルダ取り付けばらつきの変位補償は困難で、微細な寸法、形状の仕上げ精度を高く保たせることは困難であった。

そして、いずれにしても、上述特許文献１及び２のものは、工具マガジンとＮＣ工作機械の工具主軸との間において授受、交換される工具が主軸装着シャンク部と切削刃部とからなり、テーパシャンク等の所謂工具ホルダレスの工具交換方式にすると共に、工具マガジンと工具主軸との間の前記工具単体の授受、交換を工具マガジンから主軸へ直接的に転送、装着する所謂アームレスの工具交換方式とするものであるが、之を前記したストレートシャンク径が、例えば３．０〜５．０ｍｍ程度で、その先にシャンクテーパ部を有する細身のエンドミル工具やドリル工具の工具交換装置に適用して使用するには、依然種々の問題があった。

前記特許文献１及び２に記載のものは、工具交換をアームレス方式としたため、工具マガジン側の工具交換位置に対して、通常工具主軸側を送り軸系や旋回軸系の動作機構を駆動して送り位置決めするようにされるが、その位置決め精度は相当に高い精度が要請されるものである。尤も、このような位置決め精度の要請には、今日では普通に充分対応できるもので、問題は少ないものである。

然るところ、斯種の工作機械の設置、稼動環境や、日時や季節変動等による特に時間的及び局部的温度変化によって生じる熱歪みよる変位が位置ずれを生じさせると、工具交換を行なえなくする可能性があるものである。

特に、前述特許文献１及び２のものは、前者が工具２０を保持する工具マガジン１２に設けられる工具ホルダ１４は弾性素材で形成されていて、その台座１５に付け根を有して突出した二又形状のホルダ指１６（１６ａ，１６ｂ）により弾性力で前記工具２０を把む構成である。

そして、後者は、その工具マガジン２７が樹脂等の弾性材料からなる板材であり、左右方向に設けられた７つのスリット２７ａにより工具１を収納する８個の工具スポット６１を形成しており、厚みの中間部に溝部２７ｂが形成されて上下２層となった構成となっていて、各工具スポット６１には、工具１のシャンク部１ａ径より少径の工具収納穴２７ｃ、工具１の受け渡しの通過部となる工具授受口２７ｄ、主軸５のＸ軸方向への移動により主軸５に装着された工具１が工具収納穴２７ｃに収納されるとき、弾性力が作用して開閉動作する一対の把持爪２７ｅ，２７ｅ、一対の把持爪２７ｅ，２７ｅに弾力を付与させる抜き穴２７ｆ及び切欠き２７ｇがそれぞれ設けられているというものである。

そうしてみると、この特許文献１及び２の両者に記載の工具交換装置１０は、工具２０，１を主軸８，５からアンクランプにより外して取り出し、工具マガジン１２，２７の工具ホルダ１４または工具スポット６１に保持等させることが出来たとしても、工具マガジン１２，２７の工具ホルダ１４または工具スポット６１に保持している工具２０，１を、工具主軸８，５の穴にシャンク２４，１ａ後端側から、Ｚ軸下降動作により挿入して行くと言うような高度な位置精度を要する工具２０，１の自動装着作動が行なわれることは期待し得べくもないものである。

そこで本発明は、ＮＣ工作機械の主軸に対する装着部であるとともに昇降移送のためのストレートシャンク部と、保持穴及び昇降バーに係合するシャンクテーパ部、及びその先端に切削用刃部と把持部でもあるを備えたホルダレス工具を、前記主軸と工具マガジンを対向Ｚ軸方向に近接開離の相対移動させて授受交換する工具交換装置に於いて、前記相対移動の際に、ストレートシャンク部を把持することにより工具軸を主軸軸芯に位置出しすると共に工具を微小距離昇降移動させてシャンク先端部を主軸口に挿入する把持爪を設け
他方、前記把持爪による把持アンクランプの前後に於いて、工具の下方刃部先端を受けて工具を位置決め昇降させるストッパバー手段とを設け、交換アーム手段に替えて前記相対移動手段を助勢するようにして工具交換が目的通り確実に行なえるようにするものである。

前述の本発明の目的は（１）工作機械の工具着脱手段を有する工具主軸に装着される工具主軸装着のストレートシャンク部と、該ストレートシャンク部につながるシャンクテーパ部及び該シャンクテーパ部の先端に切削用刃部とを備えた工具の複数個を前記工具主軸と工具マガジンとの間で授受交換する工具交換装置において、前記工具の複数個はその各ストレートシャンク部の軸径が相互に同一に整えられていて、該工具を工具主軸と平行な上下方向に刃先を下向きにして挿入することにより前記ストレートシャンク部基部から刃先へ向けてテーパ状にすぼまる前記シャンクテーパ部を有する工具を受容するロート状の工具保持穴を設けた工具マガジンと、使用済みの工具を工具主軸から把み抜き出して工具マガジンの空の工具保持穴に移送するため、及び、次に使用する工具を割り出された工具マガジンの工具保持穴から把み引き上げて前記ストレートシャンク部先端を工具主軸口に挿入するために、工具主軸と工具マガジンの間に設けられていて工具の前記ストレートシャンク部基部を把み移送する把持爪であって、前記工具の前記ストレートシャンク部の把持を、該ストレートシャンク部の軸芯と工具主軸の軸芯とが同一の位置関係を有するように、かつ、３点支持となるように、平面である一方の爪の把持面とＶ字溝が設けられている他方の爪の把持面とを狭着して行う一対の把持爪と、工具マガジンの工具保持穴から工具主軸の工具着脱手段への工具の移送、及び工具主軸の工具着脱手段から工具マガジンの工具保持穴への工具の移送のために、工具マガジンの下から割り出された工具保持穴に工具主軸と平行に挿通し、工具の前記シャンクテーパ部と係合して工具を昇降移送するストッパバー手段であって、前記ストッパバー手段の先端は、工具の工具主軸への装着時の工具の前記シャンクテーパ部の位置と、工具マガジンの割り出された工具保持穴の直下の位置と、この両位置の間の所定の中間の位置との３箇所の停止動作位置を有する前記ストッパバー手段とから成ることを特徴とする工作機械の自動工具交換装置とすることにより達成される。

前述の本発明の目的は（２）工作機械の工具着脱手段を有する工具主軸に装着される工具主軸装着のストレートシャンク部と、該ストレートシャンク部につながるシャンクテーパ部及び該シャンクテーパ部の先端に切削用刃部とを備えた工具の複数個を前記工具主軸と工具マガジンとの間で授受交換する工具交換方法において、前記工具の複数個はその各ストレートシャンク部の軸径が相互に同一に整えられていて、該工具を工具主軸と平行な上下方向に刃先を下向きにして挿入することにより前記ストレートシャンク部基部から刃先へ向けてテーパ状にすぼまる前記シャンクテーパ部を有する工具を受容するロート状の工具保持穴を設けた工具マガジンと、使用済みの工具を工具主軸から把み抜き出して工具マガジンの空の工具保持穴に移送するため、及び、次に使用する工具を割り出された工具マガジンの工具保持穴から把み引き上げて前記ストレートシャンク部先端を工具主軸口に挿入するために、工具主軸と工具マガジンの間に設けられていて工具の前記ストレートシャンク部基部を把み移送する把持爪であって、前記工具の前記ストレートシャンク部の把持を、該ストレートシャンク部の軸芯と工具主軸の軸芯とが同一の位置関係を有するように、かつ、３点支持となるように、平面である一方の爪の把持面とＶ字溝が設けられている他方の爪の把持面とを狭着して行う一対の把持爪と、工具マガジンの工具保持穴から工具主軸の工具着脱手段への工具の移送、及び工具主軸の工具着脱手段から工具マガジンの工具保持穴への工具の移送のために、工具マガジンの下から割り出された工具保持穴に工具主軸と平行に挿通し、工具の前記シャンクテーパ部と係合して工具を昇降移送するストッパバー手段であって、前記ストッパバー手段の先端は、工具の工具主軸への装着時の工具の前記シャンクテーパ部の位置と、工具マガジンの割り出された工具保持穴の直下の位置と、この両位置の間の所定の中間の位置との３箇所の停止動作位置を有する前記ストッパバー手段とから成り、工具主軸から取り出した工具の工具マガジンへの移送時には、前記ストッパバー手段の先端が工具保持穴直下の位置から工具の工具主軸装着時の工具の前記シャンクテーパ部の位置へ上昇移動して工具着脱手段がアンクランプされ、次いで前記ストッパバー手段先端を中間位置に下降移動させて工具の前記ストレートシャンク部を把持爪により把持クランプし、前記ストッパバー手段先端を工具保持穴直下に戻してから把持爪を下降して工具の前記ストレートシャンク部を工具主軸から抜き出し、さらに把持爪アンクランプにより工具を工具マガジンの工具保持穴に挿入して把持爪を元の位置へ上昇により戻し、次に使用する工具の工具マガジンからの取り出し工具装着時には、前記ストッパバー手段の先端を工具マガジンの工具保持穴直下に位置させた状態で、制御装置からの指令により工具マガジンを回動させて次工具への回転割り出しを行ない、把持爪を下降してクランプすることにより割り出された次工具の前記ストレートシャンク部を把み、把持爪を上昇させて前記ストレートシャンク部先端を工具主軸口に挿入し、前記ストッパバー手段を中間位置に上昇させて工具の前記シャンクテーパ部を前記ストッパバー手段先端とを係合させ、把持爪をアンクランプとし、前記ストッパバー手段の先端を更に工具の工具主軸装着時の工具の前記シャンクテーパ部の位置迄上昇させて工具を着脱位置に位置決めし、工具を工具主軸に装着クランプして前記ストッパバー手段先端を工具マガジンの工具保持穴直下に下降移送退避させることを特徴とする工作機械の自動工具交換方法とすることにより達成される。

工具ホルダを使用しない工具交換方式としたので、
工具が簡単となり、成形金型のリブ溝などの複雑な形の加工に用いられる細身の工具の工具交換に適用し易くなった。
工具マガジンの工具位置精度及び姿勢を厳しくする必要がなくなった。
工具主軸に取り付けられた工具の振れ精度が向上して振動が小さくなり、高速回転主軸（例えば、ｍａｘ１２００００ｍｉｎ^−１）に対応できるようになった。

工具シャンクを把持爪で把持して、主軸のシャンク着脱部に対する着脱移送及び工具マガジンの工具保持穴に対する挿脱移送を行なうようにし、使用把持爪を一方の把持面が平面であるのに対し之に会合する他方の把持面にＶ溝を設けてシャンクを３点支持で把持するようにしたので、主軸芯及びマガジン保持穴に対する把持シャンクの位置及び姿勢を出し維持して、工具の着脱及び挿脱移送を確実で精度高く行なうことができる。

工具シャンクを主軸の着脱手段に着又は脱するとき、把持爪のアンクランプにより開放された工具を、工具のシャンクテーパ部と下方より上昇停止するストッパーの先端と係合させて保持させるようにしたので、前記着脱手段が許容する範囲内で、工具長を異にする工具の交換に適用することができる。

工具主軸の工具シャンクの着脱手段として、焼嵌めコレットを含むコレットタイプ主軸端や、弾性変形を利用した主軸端のような簡単な構造のものを用いることができるようになった。

工具交換を行なったときは、先ず工具長の測定を行って正常工具か否かの振り分けを行なう。正常工具でないと検知された場合には、代替工具の有無の判別により、
代替工具が無い場合には、アラーム等の報知信号を出し、有りの判別の場合には、取付工具をマガジンの所定保持穴に戻し、代替工具を割り出して工具交換の段階に移行させる。

前述工具長測定で正常工具と判別された場合には、制御装置の工具長補正量を書換えた後、工具を所定の回転数で回転させて工具径及び動的振れの測定の段階に移行し、振れが所定の許容値以内であると判別された場合には、工具径補正量を書換えた後、交換取り付け工具による加工の工程移行させる。

前述測定した工具の動的振れが、所定の許容値以上であると判定された場合には、その測定による判定が所定の回数以内である場合には、工具を一旦マガジンに戻した後、再度取り付けると言う同一の工具での工具交換及び工具長さ、振れの測定を繰返し、これが所定の回数に達しても許容値以内の振れが得られない場合には、不良工具と判定し、前述した代替工具の選定の工程に移行させてるように構成、実施できるものである。

図１、図２、及び図３は、本発明の自動工具交換装置を搭載した一実施例の立形マシニングセンタの概略構成を説明するための平面図、正面図及び右側面図で、被加工体を取り付けるテーブル１はベッド２上を直線案内７に沿ってＹ軸方向に移動し、工具主軸３を保持する主軸頭３Ａは主軸頭サドル３Ｂ上の直線案内８により鉛直方向のＺ軸に移動自在に保持されていて、該主軸頭サドル３ＢはＹ軸の一端縁に沿って鉛直方向に立てて形成されたコラム４の前面を直線案内９に沿ってＸ軸に移動するように構成され、さらに、サドル３ＢはＸ軸方向の加工エリアから右側へ延長して形成した工具交換位置へ位置決め移動し得るように構成してある。上述のＹ軸、Ｚ軸、及びＸ軸の軸移動のための駆動源としては所定推力のリニアモータを用いるのが好ましい。

図示実施例の工具マガジンは回動する円盤状マガジン５からなり、ベッド２の右側面に取り付けたブラケットからなるマガジン台６上に工具マガジン５が載置される。また、図示では、後述する交換工具１０を把持して移送する把持爪１１開閉用のアクチュエータ１１Ａを保持して昇降するアクチュエータ１１Ｂを取り付ける台１１Ｃ用のブラケットと、工具１０を同軸状に保持するストッパバー１２の上下移送用のアクチュエータ１２Ａ、１２Ｂを取り付ける台１２Ｃ用のブラケットが、夫々ベットの側壁又はマガジンブラケット６の垂直部に設けられている。この把持爪１１駆動用のアクチュエータ１１Ａ、１１Ｂを取り付けるブラケット１１Ｃ、及びストッパバー駆動用のアクチュエータ１２Ａ、１２Ｂを取り付けるブラケット１２Ｃは、前述マガジン台用のブラケット６に取り付ける構成としても同様である。

図４は、工具交換部位を主軸３先端側からマガジン５の該当部分を切り欠いて見た平面図、図５は工具交換部分の拡大正面図、図６は工具交換部分を右側から工具マガジン部分を除いて見た右側面図、図７は開閉把持爪１１部分をその開閉アクチュエータ１１Ａ部分と共に示した平面図、及び図８は工具マガジン５の一工具保持穴５Ａ部分における工具主軸３、工具把持爪１１、及び工具保持ストッパバー１２間の係合、開離関係を説明するための説明図である。

図に於いて、円盤状工具マガジン５は、所定の円周上の所定の角度間隔毎の位置に工具保持穴５Ａが形成されていて、該工具保持穴５Ａは、例えば、径φ３．０ｍｍ、又はφ４．０ｍｍの同一径の円柱状のストレートシャンク部１０Ａと、これに先端側に続いて先細のシャンクテーパ部１０Ｂ及び先端に刃部１０Ｃを有する細身の工具１０を、主軸３と平行な上下方向に刃先を下向きにして挿入することにより保持するロート状にすぼまる穴に形成され、各穴５Ａに挿入保持される工具１０のシャンク部のマガジン５表面側への突出長さが、好ましくは相互に同一であるように各工具１０のシャンクテーパ部１０Ｂの先細の寸法、形状に対し、保持穴５Ａの寸法、形状が調整、形成される。

このような構成で、所定の保持穴５Ａに所定の工具１０を挿入した円盤状マガジン５は、マガジン台６上に精細な位置決め調整器６Ａによって位置決めして設置される回転割り出し手段５Ｂに取り付けられて、図示しないＮＣ制御装置からの加工開始乃至は工具取付け指令、又は次の加工の段階の加工のための次の工具取り付け工具交換指令に応じてモータ５Ｃを駆動し、回転割り出し手段５Ｂを回動させて指令の工具１０及びその保持穴５Ａを交換位置に割り出す。

１１は、一方又は両方が対向方向に平行に移動して会合クランプすると共にアンクランプで開離する工具シャンク１０Ａの把持爪で、該把持爪１１により工具シャンク１０Ａを狭着把持したとき、把持シャンク１０Ａの軸芯が、主軸３の軸芯と常に同一乃至は一定の位置関係を有するように、把持爪１１によるストレートシャンク部１０Ａの把持が３点支持となるように一方の爪１１ａの把持面が平面であるのに対し、之に会合して、クランプ把持する他方の爪１１ｂの把持面にＶ溝１１−０を設けたもので、シャンク部１０Ａを把持した状態での該把持爪１１のアクチュエータ１１Ｂによる昇降移送、マガジン５の工具保持穴５Ａからの抜き出しとシャンク１０Ａ先端の主軸口への挿入、及び主軸口からの抜き出しと保持穴５Ａへの挿入が円滑、確実に行なわれるようにするものである。

そして、前記の目的を達するため、爪開閉用のアクチュエータ１１Ａと一体に構成してある前記把時爪１１は、取付けブラケット１１Ｃに対しＺ軸平行に昇降移動自在に保持され、前記ブラケット１１Ｃに設けた上下移動アクチュエータ１１Ｂにより爪１１を、工具交換時の主軸３の突端位置を上限、工具マガジン５の工具保持穴５Ａ真上位置を下限として移動する。

１２は、工具マガジン５の工具保持穴５Ａから主軸３が先端部に内臓する各種コレットチャック等の工具着脱手段への工具の移送、及び主軸３の工具着脱手段から工具マガジン５の工具保持穴５Ａへの工具１０の移送のために、工具マガジン５の下から割り出された工具保持穴５Ａに主軸３と平行に挿通し、工具のシャンクテーパ部１０Ｂと係合して工具１０を昇降移送するストッパバー手段であって、該ストッパバー手段１２の先端は、工具交換による工具装着時の工具１０のシャンクテーパ部１０Ｂの位置（上位置）と、工具マガジン５の割り出された工具保持穴５Ａの真下の位置（下位置）と、この両位置の間の所定の中間の位置との３箇所の停止動作位置を有する。

このストッパバー１２は、工具シャンク１０Ａよりも細径で前記把時爪１１によって把持されない径のものとすると共に少なくとも先端部分は中空であって、下向きの工具１０のシャンクテーパ部１０Ｂが嵌合する嵌合穴１２ａを有する構成とするのが好ましい。そして、前記ストッパバー手段１２は、その先端が前記した３つの位置を停止位置としてＺ軸に平行に昇降移動し得るようにブラケット１２Ｃに２つの昇降アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂを介して保持されている。即ち、ストッパバー手段１２を保持するホルダが、前記上位置と中間位置間の小さいストローク（例えば、約１０ｍｍ）の上下移動アクチュエータ１２Ａに取り付けられ、該アクチュエータ１２Ａがブラケット１２Ｃに取り付けられた大きいストローク（例えば、約５０ｍｍ）の上下移動のアクチュエータ１２Ｂに保持されて昇降移動する。

図９及び図１０は、前述した主軸３突端部と、工具１０全体、把持爪１１、及びストパバー手段１２の形状、寸法、及び配置等の一実施例の説明図で、工具１０先端の刃部１０Ｃはストパーバー１２先端の嵌合穴１２ａに遊嵌し、工具１０のテーパシャンク部１０Ｂのテーパ面が前記嵌合穴１２ａの入口テーパ口部１２ｂと同一寸法部で嵌合して係合する構成になっている。なお、前記テーパシャンク部１０Ｂ及びそのテーパ面とマガジン５の工具保持穴５Ａ及びそのテーパ５ａ等の関係については既説したところである。又、工具マガジン５に設置してある工具１０は、例えば、前記テーパシャンク部１０のテーパ角度やシャンク部長さ等が相違しているものを使用し得ること当然である。

以上の本発明の工具交換装置の作動を図１１に示したシーケンス表に基づき説明する。
（１）マシニングセンタ等の工作機械の制御装置に読み込まれたプログラムから「次工具指令（Ｔ＊＊）」コードが読み出され、次いで、
（２）コード（Ｍ０６）の読み出しにより工具交換開始の準備のための作動段階に入り、
（３）Ｚ軸上昇限への移動指令、
（４）クーラント停止指令（Ｍ０９）、
（５）主軸停止指令（Ｍ０５）、
（６）Ｘ軸加工エリアインタロックＯＦＦ、
（７）Ｘ軸洗浄位置へ右行、
（８）Ｚ軸洗浄位置へ下降、
（９）工具洗浄ＯＮで工具洗浄シーケンスの段階に入り、
（１０）工具洗浄ＯＦＦで終了し、
（１１）Ｚ軸を上昇限に移動させる。

（１２）工具交換装置のカバーを開き、工具交換の主軸装着工具１０の工具マガジン５への返却作動の段階に入る。
なお、この段階以後の
・主軸（Ｚ軸）の位置（上昇限か、工具交換位置か？）
・工具の主軸着脱手段による脱着状態（ＣＬか、ＵＣＬか？）
・旧新工具の所在（主軸か、中間位置か、マガジンか？）
・把持爪１１の位置（工具交換位置か、マガジン真上位置か？）
・把持爪１１の把持、開放の状態（ＣＬか、ＵＣＬか？）
・ストッパバー１２先端の位置（マガジンの下か、工具交換位置か、所謂中間位置か？）
・短ストロークアクチュエータの伸（上）、退（下）状態
・長ストロークアクチュエータの伸（上）、退（下）状態
は前記図９の表の右側に記載の通りである。
また、各シーケンスＮｏ（＊＊）時の主軸３、工具１０、把持爪１１、及びストッパバー１２の位置は、図１２乃至図１９に示した通りである。

（１３）主軸を工具交換位置に位置決めさせるためのＸ軸右行移動、
（１４）マガジンを指令により、主軸３装着中の工具１０が空の保持穴５Ａを工具交換位置に割り出し、
（１５）次いで、把持爪に対するＵＣＬ指令（前回の工具交換で、シーケンスＮｏ．（３１）が維持されているはずだが、干渉発生防止のために確認する。）、

（１６）ストッパバー１２を短長両ストロークのアクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ（夫々は実施例では、エアシリンダ）を作動させて、割り出しマガジン保持穴５Ａから先端を最上位の上位置（工具１０を主軸３の着脱手段をクランプしたときの位置にセットする。
（１７）主軸３を工具交換時の位置へ下降、この時、工具１０のシャンクテーパ部が、ストッパバー１２の先端の嵌合穴１２ａに嵌合して、相互に係合し、
（１８）主軸軸芯エアブローＯＮ（シャンク中空のとき）の後の、
（１９）工具１０の主軸内工具着脱手段がＵＣＬとしたとき、ストッパバー１２が、工具１０を受けて支える状態となり、
（２０）短ストロークのアクチュエータ１２Ａを降下させて、ストッパバー１２先端を中間位置へ降下させるとき工具１０を確実に誘導降下させる。

（２１）ここで、把持爪１１のアクチュエータ１１Ａを駆動すると、工具１０のシャンクストレート部分１０Ａを爪１１ａ，１１ｂ間に於いてＶ溝１１−０の２面と平面との３点接触で、工具１０に位置変更や扁倚を生ぜしめることなく、主軸３軸芯に合った状態で、
（２２）ストッパバー１２のマガジン５の下である下限位置までの下降の後の、
（２３）把持爪１１による工具１０の下降となるから、工具１０を主軸内着脱手段から干渉少なく抜き出し、そしてさらに下降して、
（２４）把持爪１１のＵＣＬにより把んでいた工具１０を離して工具１０をマガジン５の工具保持穴５Ａに正確に戻すことができる。そして、ここで、
（２５）把持爪１１を工具交換位置に戻すアクチュエータ１１Ｂの上昇作動をさせることにより、把持爪１１とマガジン５の工具１０とを干渉させることなく次の新しい工具の割り出しの段階に移行することになる。

工具１０の着と脱の各シーケンス工程は、相互にほぼ逆の関係となるから、以下装着工程は簡単に説明することにする。
（２６）次工具指令Ｔ＊＊により、マガジン５を回転して次工具１０を割り出し、（２７）把持爪１１をマガジン５上の割り出し工具１０のシャンク１０Ａが爪１１ａ、１１ｂの間に入るよう下降する。
（２８）把持爪１１をＣＬしてシャンク１０ＡをＶ溝１１−０と平面間に嵌め込んだ状態で把み、
（２９）該把持爪１１を上昇させると、シャンク１０Ａが後端から主軸口に途中迄挿入した中間位置に位置する。
（３０）そこで、ストッパバー１２の長ストローク作動のアクチュエータ１２Ｂ駆動により所謂中間位置迄上昇させることにより、把持爪１１により把持されている工具１０の下端刃先とストッパバー１２先端とが嵌合して係合し、支承するので、
（３１）把持爪１１をＵＣＬとし、
（３２）ストッパバー１２により自由となった工具１０のシャンクを、短トロークのアクチュエータ１１Ａ駆動により上限の工具交換位置迄挿入して、
（３３）主軸内工具着脱手段をＣＬとすることにより装着し、
（３４）ストッパバー１２をマガジン５の下の下限位置迄下降させると、後は、

（３５）主軸軸芯エアブローＯＦＦ、
（３６）主軸をＺ軸上昇限へ移動させ、
（３７）工具交換装置のカバーを閉じ、
（３８）主軸をＸ軸上の加工領域へ移動位置決めをし、
（３９）Ｘ軸加工エリアのインタロックをＯＮにし、
（４０）プログラムされた工具交換のシーケンスを終了する。

図２０は、前述のような自動工具交換手段により新しい工具又は次工具を主軸３に取り付けて、被加工体の加工の段階に移行する前に、その取り付けた工具１０が正常工具（所定の長さを有する工具）であるか否かの判別を行ない、そして、正常工具と判別された場合には、該工具が主軸に正しく、正常に装着、クランプされているか否か（工具径、回転振れが所定値か）の検査をするシーケンスを示したものである。

工作機械の運転を開始して制御装置にプログラム等された工具を取り付けるとき、又は加工プログラムが進行して何等かの理由で次工具指令が発せられたとき、前述のような自動工具交換で、工具の取り付けが行なわれ、取り付け後、工具長の測定の段階に移行し、図２１に示すような工具長測定シーケンスにより測定が行われる。

工具長の測定の結果「正常工具」と判別された場合には、工具長の補正量の書き換えを行って、次の工具径の測定および工具の動的振れの測定の段階に移行し、図２２に示すような工具径・振れの測定シーケンスにより測定が行われる。

工具を所定の回転数で回転させ、測定した径及び動的振れが所定の許容値以内である場合には工具径の補正量の書き換えを行って、該取り付け工具による被加工体の加工の段階に移行し、加工が終了して次工具指令が有れば、前述の工具交換の工程に戻り移行することになるが、無ければ加工プログラムは終了する。

前述の工具長の測定結果が正常工具でないと判定された場合には、工具マガジン中に代替工具が有るかどうかの判別を行ない、有ると検知されたときは、装着している工具マガジン５の該当保持穴５Ａに返却し、代替工具を割り出して前述の工具交換の工程に移行するが、代替工具が無い場合には、例えばアラーム表示等によりこれを作業者に告知するものである。

前述の工具径・振れ測定の結果、測定値が許容値を越えていると検知された場合には、当該工具の主軸３への取り付け姿勢とか、装備コレットチャック等のシャンク把持状態等に何等かの正常でない問題等がある場合も考えられるので、かかる場合には当該装着中の工具を外して一旦工具マガジン５の該当工具保持穴５Ａにもどしてから、当該同一工具を使用して工具交換を行ない、該取り付け直した工具についての工具長の測定、及び工具径・振れの測定を順次に行って、正常工具ではあるが、前述の振れが許容値以上の判定が所定の設定回数繰り返されたときは、前述の代替工具の有無判別の工程へ移行させる。勿論上述の判定が設定回数繰り返される前に振れは許容値内に納まった場合には、当該装着工具による被加工体の加工の段階に移行すること当然である。

本発明は、工具の自動交換を行ないながら切削、研削などの加工を行なうマニシングセンタ等の工作機械の自動工具交換装置、特に工具シャンクの径がφ４．０ｍｍ以内程度と細身のシャンクテーパ部を有する工具をホルダレスで使用して、高速、高精度加工を実現させるのに有用な工具交換装置として使用することが出来る。

本発明の自動工具交換装置を搭載した一実施例の工作機械の概略構成を説明するための平面図。同じく正面図。同じく右側面図。一部を切り欠いた要部の拡大平面図。要部の拡大正面図。要部の拡大右側面図。要部部品の平面図。要部の機能及び作動を説明するため正面説明図。図８に示した物品の形状寸法、配置などの一実施例の拡大説明図。図９の部分の更なる拡大図。本発明装置の作動シーケンス表。シーケンス表の番号に対応して示した作動物品の相互の位置関係を示す正面図。同じく別のシーケンス番号時の位置関係を示す正面図。同じく別のシーケンス番号時の位置関係を示す正面図。同じく別のシーケンス番号時の位置関係を示す正面図。同じく別のシーケンス番号時の位置関係を示す正面図。同じく別のシーケンス番号時の位置関係を示す正面図。同じく別のシーケンス番号時の位置関係を示す正面図。同じく別のシーケンス番号時の位置関係を示す正面図。本発明の工具交換後に、工具及び工具取付状況を測定検査する方法の一実施例のフローチャート図。同じく測定検査の一実施例のシーケンス表。同じく測定検査の他の実施例のシーケンス表。

符号の説明

１テーブル
２ベッド
３主軸
３Ａ主軸頭
３Ｂ主軸頭サドル
４コラム
５工具マガジン
５Ａ工具保持穴
５Ｂ旋回装置
５Ｃ駆動モータ
６マガジン台のブラケット
７，８，９直線案内装置
１０主軸
１０Ａシャンク
１０Ｂシャンクテーパ部
１１把持爪
１１Ａ開閉アクチュエータ
１１Ｂ昇降アクチュエータ
１１Ｃブラケット
１１ａ，１１ｂ爪
１１−０Ｖ字状溝
１２ストッパバー
１２Ａ短ストロークアクチュエータ
１２Ｂ長ストロークアクチュエータ
１２Ｃブラケット
１２ａ先端嵌合穴

Claims

工作機械の工具着脱手段を有する工具主軸に装着される工具主軸装着のストレートシャンク部と、該ストレートシャンク部につながるシャンクテーパ部及び該シャンクテーパ部の先端に切削用刃部とを備えた工具の複数個を前記工具主軸と工具マガジンとの間で授受交換する工具交換装置において、
前記工具の複数個はその各ストレートシャンク部の軸径が相互に同一に整えられていて、該工具を工具主軸と平行な上下方向に刃先を下向きにして挿入することにより前記ストレートシャンク部基部から刃先へ向けてテーパ状にすぼまる前記シャンクテーパ部を有する工具を受容するロート状の工具保持穴を設けた工具マガジンと、
使用済みの工具を工具主軸から把み抜き出して工具マガジンの空の工具保持穴に移送するため、及び、次に使用する工具を割り出された工具マガジンの工具保持穴から把み引き上げて前記ストレートシャンク部先端を工具主軸口に挿入するために、工具主軸と工具マガジンの間に設けられていて工具の前記ストレートシャンク部基部を把み移送する把持爪であって、前記工具の前記ストレートシャンク部の把持を、該ストレートシャンク部の軸芯と工具主軸の軸芯とが同一の位置関係を有するように、かつ、３点支持となるように、平面である一方の爪の把持面とＶ字溝が設けられている他方の爪の把持面とを狭着して行う一対の把持爪と、
工具マガジンの工具保持穴から工具主軸の工具着脱手段への工具の移送、及び工具主軸の工具着脱手段から工具マガジンの工具保持穴への工具の移送のために、工具マガジンの下から割り出された工具保持穴に工具主軸と平行に挿通し、工具の前記シャンクテーパ部と係合して工具を昇降移送するストッパバー手段であって、前記ストッパバー手段の先端は、工具の工具主軸への装着時の工具の前記シャンクテーパ部の位置と、工具マガジンの割り出された工具保持穴の直下の位置と、この両位置の間の所定の中間の位置との３箇所の停止動作位置を有する前記ストッパバー手段とから成ることを特徴とする工作機械の自動工具交換装置。
工作機械の工具着脱手段を有する工具主軸に装着される工具主軸装着のストレートシャンク部と、該ストレートシャンク部につながるシャンクテーパ部及び該シャンクテーパ部の先端に切削用刃部とを備えた工具の複数個を前記工具主軸と工具マガジンとの間で授受交換する工具交換方法において、
前記工具の複数個はその各ストレートシャンク部の軸径が相互に同一に整えられていて、該工具を工具主軸と平行な上下方向に刃先を下向きにして挿入することにより前記ストレートシャンク部基部から刃先へ向けてテーパ状にすぼまる前記シャンクテーパ部を有する工具を受容するロート状の工具保持穴を設けた工具マガジンと、
使用済みの工具を工具主軸から把み抜き出して工具マガジンの空の工具保持穴に移送するため、及び、次に使用する工具を割り出された工具マガジンの工具保持穴から把み引き上げて前記ストレートシャンク部先端を工具主軸口に挿入するために、工具主軸と工具マガジンの間に設けられていて工具の前記ストレートシャンク部基部を把み移送する把持爪であって、前記工具の前記ストレートシャンク部の把持を、該ストレートシャンク部の軸芯と工具主軸の軸芯とが同一の位置関係を有するように、かつ、３点支持となるように、平面である一方の爪の把持面とＶ字溝が設けられている他方の爪の把持面とを狭着して行う一対の把持爪と、
工具マガジンの工具保持穴から工具主軸の工具着脱手段への工具の移送、及び工具主軸の工具着脱手段から工具マガジンの工具保持穴への工具の移送のために、工具マガジンの下から割り出された工具保持穴に工具主軸と平行に挿通し、工具の前記シャンクテーパ部と係合して工具を昇降移送するストッパバー手段であって、前記ストッパバー手段の先端は、工具の工具主軸への装着時の工具の前記シャンクテーパ部の位置と、工具マガジンの割り出された工具保持穴の直下の位置と、この両位置の間の所定の中間の位置との３箇所の停止動作位置を有する前記ストッパバー手段とから成り、
工具主軸から取り出した工具の工具マガジンへの移送時には、前記ストッパバー手段の先端が工具保持穴直下の位置から工具の工具主軸装着時の工具の前記シャンクテーパ部の位置へ上昇移動して工具着脱手段がアンクランプされ、次いで前記ストッパバー手段先端を中間位置に下降移動させて工具の前記ストレートシャンク部を把持爪により把持クランプし、前記ストッパバー手段先端を工具保持穴直下に戻してから把持爪を下降して工具の前記ストレートシャンク部を工具主軸から抜き出し、さらに把持爪アンクランプにより工具を工具マガジンの工具保持穴に挿入して把持爪を元の位置へ上昇により戻し、
次に使用する工具の工具マガジンからの取り出し工具装着時には、前記ストッパバー手段の先端を工具マガジンの工具保持穴直下に位置させた状態で、制御装置からの指令により工具マガジンを回動させて次工具への回転割り出しを行ない、把持爪を下降してクランプすることにより割り出された次工具の前記ストレートシャンク部を把み、把持爪を上昇させて前記ストレートシャンク部先端を工具主軸口に挿入し、前記ストッパバー手段を中間位置に上昇させて工具の前記シャンクテーパ部を前記ストッパバー手段先端とを係合させ、把持爪をアンクランプとし、前記ストッパバー手段の先端を更に工具の工具主軸装着時の工具の前記シャンクテーパ部の位置迄上昇させて工具を着脱位置に位置決めし、工具を工具主軸に装着クランプして前記ストッパバー手段先端を工具マガジンの工具保持穴直下に下降移送退避させることを特徴とする工作機械の自動工具交換方法。