JP7030206B2

JP7030206B2 - 自動工具交換機

Info

Publication number: JP7030206B2
Application number: JP2020551636A
Authority: JP
Inventors: 賢治水田; 貴文原口
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2038-10-16
Also published as: WO2020079756A8; JPWO2020079756A1; WO2020079756A1

Description

本発明は、工具の刃先への接触によって折損有無を確認する工具折損検知機能付きの自動工具交換機に関する。

マシニングセンタなどの工作機械は、工具に刃こぼれ等の折損が生じていた場合に加工寸法に狂いなどが生じてしまうため、工具の折損を検知するための工具折損検知装置が設けられている。例えば、第１従来例としては、ローラチェーンの回転によって周回移動する工具の進路上に光センサが設置され、光の遮断の有無によって工具の状況を検知する工具折損検知装置がある。また、第２従来例として、下記特許文献１には、タッチセンサを使用した工具折損検知装置が開示されている。具体的には、工具交換アームの移動軌跡上にタッチセンサが配置され、工具交換アームが移動して工具を抜き出して旋回する際、その移動軌跡上に待機するタッチセンサによって工具刃先の折損検知が行われる。そして、タッチセンサが非接触であれば工具に折損が生じているとの判定が行なわれる。

特開平１１－９０７８６号公報

しかし、光センサを使用した第１従来例は、工作機械の加工室内に飛散するクーラントの影響を受け、光の屈折などによって誤検知が生じてしまうことがある。また、尖った工具の刃先は、投光器から投射された光が回折してしまい、遮られることなく受光器に到達することがあり、やはり誤検知が生じ得る。また、光センサは、投光器と受光器について正確な折損検知を行なうための調整が難しかった。複数の種類の工具について折損検知を行う場合、工具によって検知する高さが異なってしまうと、異なる数だけ光センサが必要となり、更に調整作業が煩わしくなる。

次に、タッチセンサを使用した第２従来例は、複数の工具が収納されたツールマガジンから主軸に移し換えられる過程で、工具について折損検知が行われる。そのため、工具折損検知装置は、ツールマガジンから主軸に工具が移し換えられる工具交換アームの旋回軌跡上や、前後進するマガジンドラムが旋回して主軸と工具交換する位置に設置される。そうした工具折損検知装置の設置位置は、駆動装置によって工具が移動する加工室内にあり、小型の工作機械などでは組み付けが難しくなるほか、ワークの切粉やクーランが飛散するため好ましくない。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、工具折損検知機能付きの自動工具交換機を提供することを目的とする。

本発明の一態様における自動工具交換機は、ホルダ番号が付されたツールホルダに対して起立した姿勢で保持された複数の工具を、長円形の進路に従って移動させ、所定の工具を進路上の割出し位置に停止させる工具割出し装置と、前記割出し位置の工具を相手装置との交換位置に移動させる交換工具変位装置と、前記ツールホルダに保持された工具の寸法を前記ホルダ番号に対応して入力することが可能な操作表示装置と、前記工具割出し装置における工具の進路上にある所定の工具に対して、前記ホルダ番号との関係をもって管理された当該工具の寸法値を基に刃先の高さを算出し、その刃先に対して昇降機構によって接触子を移動させる工具折損検知装置と、工具の刃先に対する前記接触子の接触の有無に従い前記工具折損検知装置から送信される検知信号に基づいて工具の折損を判定する折損判定装置と、を有する。

前記構成によれば、工具割出し装置によって工具が長円形の進路に従って移動し、割出しされた工具が交換工具変位装置によって交換位置へと更に移動することにより、相手装置との間で工具交換が行われる。交換された使用後の工具に対しては、工具折損検知装置の接触子が刃先高さに対応して移動することにより、接触の有無に従い検知信号が折損判定装置に送信され、工具の折損が判定される。

マシニングセンタを示した内部構造の斜視図である。工具交換状態の自動工具交換機を示した斜視図である。工具折損検知装置を含む自動工具交換機を後方側から示した斜視図である。工具折損検知装置の後部を示した平面図である。工具折損検知装置を示した側面図である。工具割出し装置における工具の移動進路を簡略的に示した平面図である。

次に、本発明に係る自動工具交換機の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態では、マシニングセンタに組み込まれた自動工具交換機を例に挙げて説明する。図１は、マシニングセンタを示した内部構造の斜視図である。このマシニングセンタ１は、全体が機体カバーによって覆われ、その内部にワークの切削加工などを実行する加工室が構成されている。特に、このマシニングセンタ１は、ベース３の上を前後方向に移動可能にしたものであり、車輪を備える可動ベッド１１上に組み付けられている。

マシニングセンタ１は、ワークに対して加工を行う工具を保持する主軸ヘッド１２が前部に設けられている。主軸ヘッド１２は、ドリルやリーマ、ボーリング等の工具の着脱が可能な主軸チャック１３を有し、その主軸チャック１３に保持された工具を回転させる主軸用モータ１４が設けられている。そして、主軸ヘッド１２の下方には、加工対象となるワークを回転可能に把持するチャック装置１５が組み付けられている。

主軸ヘッド１２は、主軸チャック１３に装着した工具をワークに対して３軸方向に移動させるための加工駆動装置に組み込まれている。具体的には、Ｙ軸スライド２１が機体前後方向に移動自在に搭載され、そのＹ軸スライド２１に対してＸ軸スライド２２が機体幅方向に移動自在に搭載されている。更に、Ｘ軸スライド２２に対してＺ軸スライド２３が上下方向に移動自在に搭載され、そのＺ軸スライド２３に主軸ヘッド１２が搭載されている。

マシニングセンタ１には、こうした加工駆動装置を搭載するようにしてツールマガジン１８が設けられている。ツールマガジン１８は、高さ方向に見てチャック装置１５と主軸ヘッド１２との間に複数の工具を収納したものであり、そのマガジン本体２４内に自動工具交換機１０（図２参照）が組み込まれている。そして、マシニングセンタ１には、主軸ヘッド１２やチャック装置１５あるいはＸ，Ｙ，Ｚ軸の駆動機構、さらに自動工具交換機１０などの駆動を制御するための制御装置１９が搭載されている。

次に、図２は、工具を交換する状態の自動工具交換機を示した斜視図である。自動工具交換機１０は、マガジン本体２４内に組み込まれ、通常時には図１に示すように開閉扉２５が閉じられ、ワークの加工によって飛び散るクーラントや切削屑などが遮られるようになっている。そして、工具交換時には図２に示すように開閉扉２５が開き、それに合わせて自動工具交換機１０の一部が外にまで移動するよう構成されている。なお、自動工具交換機１０には様々な種類の工具Ｔが装着されるが、図２には具体的な形状を省略して全て円筒形状で表現されている（他の図も同様である）。

自動工具交換機１０には、ツールホルダ３１によって工具Ｔを着脱可能に保持し、所定位置へと移動させる工具割出し装置１０Ａが構成されている。ツールホルダ３１は、一対の把持爪によって工具Ｔの首部を挟み込むようにしたものであり、工具割出し装置１０Ａでは、複数のツールホルダ３１が無端のローラチェーン３３に一定の間隔で取り付けられている。ローラチェーン３３は、距離を離した２個のスプロケット３２によって長円形になるように掛け渡され、不図示の駆動モータによって回転が制御されるようになっている。工具割出し装置１０Ａは、この回転するローラチェーン３３によって複数の工具Ｔが周方向に移動し、使用対象である工具Ｔｘや空のツールホルダ３１について割出しが可能となっている。

次に、自動工具交換機１０は、工具割出し装置１０Ａが長円形の可動テーブル３５上に組み付けられ、交換工具変位装置１０Ｂによって機体前後方向の往復移動が可能な構成となっている。具体的には、工具割出し装置１０Ａによって割出しされた工具Ｔｘや空のツールホルダ３１が、マガジン本体２４の外にある主軸チャック１３との工具交換位置１０１に移動するよう構成されている。

その交換工具変位装置１０Ｂは、マガジン本体２４の内部底面にガイドレール３６が敷設され、可動テーブル３５のガイドブロック３７がガイドレール３６に対して摺動可能に嵌め合わされている。可動テーブル３５の下側にはボールネジを構成するナットが固定され、そのナットに駆動モータ３８の回転軸に連結されたネジ軸３９が螺合している。駆動モータ３８はマガジン本体２４側に固定されている。そのため、駆動モータ３８からの出力によってネジ軸３９が回転し、工具割出し装置１０Ａが長円形の長手方向、すなわち機体前後方向に前進及び後退するようになっている。なお、本実施形態では、自動工具交換機１０について開閉扉２５側を前、駆動モータ３８側を後として説明する。

自動工具交換機１０には、刃こぼれなど工具の折損状況を確認するための工具折損検知装置１０Ｃが設けられている。図３乃至図５は、工具折損検知装置１０Ｃを示した図である。特に、図３は、工具折損検知装置１０Ｃを含む自動工具交換機１０を後方側から示した斜視図である。また、図４は、自動工具交換機１０の後部を示した平面図であり、図５は、工具折損検知装置１０Ｃを示した側面図である。

工具折損検知装置１０Ｃにはタッチセンサ４１が使用され、工具割出し装置１０Ａによって円周上を移動する工具Ｔのうち、工具検知位置２０１（図６参照）に位置決めされた工具Ｔｄについて行われる。ここで、図６は、工具割出し装置１０Ａにおける工具Ｔの移動進路を簡略的に示した平面図である。工具検知位置２０１は、図示するように長円形をした工具進路２００上にあって、前後方向に見た場合に、工具Ｔの移動方向が反転する長手方向端部の後方反転位置２０３の手前にある。一方、後方反転位置２０３とは反対の前方反転位置が工具Ｔｘの割出し位置２０５である。

ところで、従来のツールマガジンには、後方反転位置２０３の工具Ｔに対して投光器５０１と受光器５０２が設けられていた。そして、後方反転位置を通過する工具Ｔの刃先が光５１０を遮断するか否かによって折損検知が行われていた。しかし、こうして光センサを使用する工具折損検知装置は、前記課題でも述べたように誤検知や調整の難しさがあった。そこで、本実施形態の工具折損検知装置１０Ｃでは、工具検知位置２０１に配置したタッチセンサ４１を上下方向に移動させ、様々な検知対象となる工具Ｔｄの刃先高さに合わせることが可能な構成が採られている。

工具折損検知装置１０Ｃは、鉛直方向に移動可能なスライド４２を有し、そこから前方に向けて水平にアーム４３が延び、その先端部にタッチセンサ４１が取り付けられている。マガジン本体２４にはブラケット４４を介して検知装置本体４５が固定され、スライド４２は、その側面に形成されたガイド４６に対して摺動可能に取り付けられている。

図３及び図４に示すように、自動工具交換機１０の後部には、幅方向中央に交換工具変位装置１０Ｂの駆動モータ３８が設置されている。そのため、駆動モータ３８を避けるように中央からずらした位置に検知装置本体４５が固定され、後方反転位置２０３の手前に工具検知位置２０１が設けられている。なお、図３及び図５において工具検知位置２０１に位置する工具Ｔｄについては、タッチセンサ４１との接触がイメージしやすいように、具体的な形状を省略して棒状に表現されている。

検知装置本体４５には、その内部にボールネジ機構が設けられている。すなわち、軸受けを介して鉛直方向にネジ軸が組み付けられ、そのネジ軸にはスライド４２に固定されたナット部材が螺合している。よって、ネジ軸が回転することにより、ナット部材と一体のスライド４２が上下方向に移動可能となっている。また、検知装置本体４５の上部にはサーボモータ４７が固定され、その回転軸とネジ軸とに固定されたプーリにベルトが掛けられ、サーボモータ４７の回転制御によってタッチセンサ４１の位置決めが可能になっている。

タッチセンサ４１は、ドリルなど工具Ｔｄの刃先に接触することにより、内部のｂ接点であるスイッチが切れてＯＦＦ信号がマシニングセンタ１の制御装置１９へと送られるようになっている。制御装置１９のメモリには、折損検知を実行する自動工具交換機１０の駆動制御とともに、タッチセンサ４１から送信される検知信号に基づいて折損の有無を判定するための折損判定プログラムが格納されている。本実施形態では、タッチセンサ４１からＯＦＦ信号が送信された場合に、工具Ｔの刃先に折損が生じているとの判定が行われるようになっている。なお、タッチセンサ４１のスイッチにはａ接点を使用するようにしてもよい。

マシニングセンタ１は、タッチパネル式の操作表示装置が機体前面に取り付けられている。その操作表示装置は、作業情報や操作画面などの表示のほか、作業者によって様々な工具Ｔについての寸法入力などが可能になっている。従って、使用する工具Ｔの寸法値が操作表示装置から入力されることにより刃先の高さが算出され、折損検知の際にはその値に基づいてサーボモータ４７の回転制御が行われるようになっている。また、複数あるツールホルダ３１についてホルダ番号が付され、その番号と装着した工具Ｔの寸法値との関係が管理される。そのため、寸法が異なる工具Ｔであっても、工具検知位置２０１の工具Ｔｄがホルダ番号によって求められ、タッチセンサ４１の高さを工具Ｔ毎に調整する制御が可能になっている。

続いて、自動工具交換機１０の作用について説明する。まず、マシニングセンタ１では、主軸ヘッド１２に装着された工具Ｔに回転が与えられ、加工駆動装置に対する３軸方向の駆動制御により、チャック装置１５に把持されたワークに対して加工が行われる。そして、ワークＷに対する加工内容の変更に応じ、主軸ヘッド１２における工具Ｔの交換が行われる。工具Ｔの交換は、ローラチェーン３４に回転が与えられ、工具Ｔを保持していない空のホルダ３１が割出し位置２０５へと送られた後、開閉扉２５が開いて可動テーブル３５が図２に示す位置まで移動する。

空のツールホルダ３１は、工具交換位置１０１へと配置され、そこで主軸ヘッド１２から使用後の工具Ｔが受け渡される。その後、ローラチェーン３４に回転が与えられ、交換対象となる工具Ｔｘが割出し位置２０５つまり工具交換位置１０１へと送られ、主軸ヘッド１２に受け渡しされる。こうして工具交換が行われると、可動テーブル３５がマガジン本体２４内に戻されて開閉扉２５が閉じられる。そして、使用済みの工具Ｔが検知対象の工具Ｔｄとして、ローラチェーン３４の回転により工具検知位置２０１へと送られ、工具折損検知装置１０Ｃによる折損検知が行われる。

工具折損検知装置１０Ｃでは、サーボモータ４７の回転がボールネジ機構を介してスライド４２の移動に変換され、タッチセンサ４１の高さが調整される。具体的には、下降位置で待機するタッチセンサ４１が、サーボモータ４７の駆動により予め設定されている工具Ｔｄの刃先高さにまで上昇する。その際、タッチセンサ４１が工具Ｔｄの刃先に接触した場合には、正常を示す検知信号が制御装置１９へと送られ、工具Ｔｄについて異常が無いと判定される。一方で、工具Ｔｄに刃こぼれが生じているような場合には、タッチセンサ４１が刃先に接しないため、異常を示す検知信号が制御装置１９へと送られ、工具Ｔｄが異常であると判定される。

よって、本実施形態によれば、タッチセンサ４１が工具Ｔｄの刃先に接する機械的な検知が行われるため、光センサのような誤検知を生じることが無い。誤検知が生じた場合、特に刃先が正常であるにもかかわらず折損と判定されると、ワークに対する加工エラーが生じており、また工具交換を行うため、マシニングセンタ１を一旦停止させる必要が生じ、サイクルタイムが大幅にのびてしまう。この点、本実施形態では、タッチセンサ４２の接触の有無によって刃先の状況を判定するため、誤検知が無くなり、マシニングセンタ１の不要な駆動停止を生じさせることがなくなる。

また、工具折損検知装置１０Ｃは、タッチセンサ４１を昇降させて折損検知を行うため、異なる寸法の工具Ｔｄであっても対応することができ、光センサのように煩わしい調整作業を行う必要がない。また、作業者が操作表示装置によって、自動工具交換機１０に装着する工具Ｔの寸法値を設定入力することにより、刃先の高さに応じたサーボモータ４７の回転制御が行われるため、複数の異なる工具Ｔの取り扱いや工具の取り換えなどに容易に対応することができる。

更に、本実施形態の自動工具交換機１０は、マガジン本体２４内に組み込まれ、工具割出し装置１０Ａによって割出しされた工具Ｔｘなどが、交換工具変位装置１０Ｂによって移動する全体がコンパクトな構成となっている。特に、工具折損検知装置１０Ｃが、交換工具変位装置１０Ｂと同様に自動工具交換機１０の後方側に設けられているため、切削加工などを実行するマシニングセンタ１の加工室に影響はない。この点、加工室を小さくすることができ、ひいてはマシニングセンタ１の小型化にもつながる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態では、工具Ｔを割出しする工具割出し装置１０Ａを交換工具変位装置１０Ｂが移動させることにより、加工対象となる工具Ｔｘを工具交換位置１０１へ配置させる構成の自動工具交換装置１０を示したが、これとは異なる構造の自動工具交換装置であっても対応可能である。例えば、工具割出し装置が複数のツールホルダを保持し、交換工具変位装置が、工具交換アームによって工具割出し装置から取りだした工具を工具交換位置へと配置させる構成であってもよい。

１…マシニングセンタ１０…自動工具交換機１０Ａ…工具割出し装置１０Ｂ…交換工具変位装置１０Ｃ…工具折損検知装置１２…主軸ヘッド１５…チャック装置１８…ツールマガジン１９…制御装置３１…ツールホルダ３３…ローラチェーン４１…タッチセンサ４２…スライド４５…検知装置本体４６…ガイド４７…サーボモータ１０１…工具交換位置２０１…工具検知位置２０５…割出し位置

Claims

ホルダ番号が付されたツールホルダに対して起立した姿勢で保持された複数の工具を、長円形の進路に従って移動させ、所定の工具を進路上の割出し位置に停止させる工具割出し装置と、
前記割出し位置の工具を相手装置との交換位置に移動させる交換工具変位装置と、
前記ツールホルダに保持された工具の寸法を前記ホルダ番号に対応して入力することが可能な操作表示装置と、
前記工具割出し装置における工具の進路上にある所定の工具に対して、前記ホルダ番号との関係をもって管理された当該工具の寸法値を基に刃先の高さを算出し、その刃先に対して昇降機構によって接触子を移動させる工具折損検知装置と、
工具の刃先に対する前記接触子の接触の有無に従い前記工具折損検知装置から送信される検知信号に基づいて工具の折損を判定する折損判定装置と、
を有する自動工具交換機。
前記工具割出し装置は、工具の移動方向が反転する長円形の長手方向端部に割出し位置があり、前記工具折損検知装置は、前記割出し位置とは反対の長手方向端部側において前記接触子が工具の刃先に接触するように組み付けられた請求項１に記載の自動工具交換機。
前記交換工具変位装置は、箱形の交換機本体内に組み込まれた前記工具割出し装置を移動させ、割出し位置の工具を前記収納部から出し入れするものである請求項１または請求項２に記載の自動工具交換機。
前記工具折損検知装置は、工具の移動方向が反転する長円形の長手方向端部の手前において、前記接触子が工具の刃先に接触するように組み付けられた請求項３に記載の自動工具交換機。