CN106553074A - 工具更换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工具更换装置。工具更换装置包括：保持部件，供配设工具更换臂；旋转机构，具备旋转伺服马达，使保持部件沿轴中心旋转；进退机构，具备进退伺服马达，使保持部件沿主轴轴线方向进退；以及控制装置，控制旋转机构及进退机构。控制装置的原点复位控制部执行如下处理：第一处理，判断工具更换臂是否保持工具；第二处理，在未保持工具的情况下，使工具更换臂旋转至预先设定的非干涉角度，接着使其后退至进退原点，然后，使其旋转至旋转原点；以及第三处理，在保持着工具的情况下，使工具更换臂移动至前进端，接着使工具更换臂以位于预定路径上的方式旋转，然后使其沿预定路径移动，从而使其移动至旋转原点及进退原点。

Description

工具更换装置
技术领域
本发明涉及一种将安装在机床主轴的工具更换为位于待机位置的下一个工具的工具更换装置。
背景技术
目前已存在各种工具更换装置，其中，通常采用的是W臂(arm)型工具更换装置。该工具更换装置构成为具备如下部件：保持部件，中心轴与所述主轴的轴线平行地配设，能够以该中心轴为中心旋转，且能够在沿着所述主轴的轴线的方向上移动地设置；旋转机构，使所述保持部件以其所述中心轴为中心正反旋转；进退机构，使所述保持部件在沿着所述主轴轴线的方向上进退；工具更换臂(W臂)，具备两个臂部，这两个臂部以向以所述保持部件的中心轴为中心的半径方向分别延伸而成为一条直线的方式配设于该保持部件，并且分别具备在该保持部件的正旋转方向的一侧面形成开口的工具保持部，且将所述工具以其轴线与所述保持部件的中心轴平行的方式保持在该工具保持部；以及控制装置，控制所述旋转机构及进退机构。
而且，在上述工具更换装置中，以往，除所述旋转机构及进退机构的驱动源使用油压的油压式工具更换装置或利用AC(Alternating Current，交流)马达(motor)驱动凸轮机构的方式(凸轮驱动方式)的工具更换装置以外，还已知有像日本专利特开2000-193062号公报(下述专利文献1)或日本专利实公平8-4990号公报(下述专利文献2)所公开那样的使用伺服马达(servomotor)的驱动方式(伺服马达驱动方式)的工具更换装置。油压式工具更换装置处于开发初始阶段，在此之后，为了实现缩短更换时间而开发出了凸轮驱动方式的工具更换装置。而且，近年来，随着伺服马达的高速化等驱动机构的技术进步，能够超越凸轮驱动方式而在短时间内进行工具更换，因此逐渐采用伺服马达驱动方式。
此外，在该伺服马达驱动方式的工具更换装置中，构成所述旋转机构的伺服马达(旋转驱动用伺服马达)及构成所述进退机构的伺服马达(进退驱动用伺服马达)分别是由所述控制装置控制，所述工具更换臂的角度位置是通过附设在所述旋转驱动用伺服马达的编码器(encoder)(旋转编码器)而检测，同样地，所述工具更换臂的进退位置是通过附设在所述进退伺服马达的编码器(进退编码器)而检测。
更具体来说，所述工具更换臂的角度位置是根据如下参数算出：由所述旋转编码器以绝对值(并非相对值，以下相同)形式检测出的旋转伺服马达的当前转数及旋转角(旋转位置数据(data))、将该旋转伺服马达的动力传递至所述保持部件而使该保持部件旋转的传递机构相对于所述旋转伺服马达的减速比。
另外，所述工具更换臂的进退位置是根据如下参数算出：由所述进退编码器以绝对值形式检测出的进退伺服马达的当前转数及旋转角(旋转位置数据)、将该进退伺服马达的动力传递至保持部件而使该保持部件进退的滚珠螺杆(ball screw)机构的螺距(leed)。
而且，所述工具更换臂的旋转动作是通过所述控制装置，基于以所述方式检测出的旋转伺服马达的旋转位置数据与根据该旋转位置数据而适当设定的旋转原点来控制，同样地，所述工具更换臂的进退动作是通过所述控制装置，基于进退伺服马达的旋转位置数据与根据该旋转位置数据而适当设定的进退原点来控制。
此外，所述旋转编码器中内置了存储器(memory)，将由该旋转编码器检测出的数据作为旋转位置数据保存在该存储器中。同样地，所述进退编码器中也内置了存储器，将由该进退编码器检测出的数据作为旋转位置数据保存在该存储器中。而且，在这些存储器内保存数据是适当使用缆线(cable)并通过从所述控制装置或备用(backup)电池供给的电力而实现。另外，有关所述旋转原点及进退原点的数据被存储在所述控制装置内。
[背景技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2000-193062号公报
[专利文献2]日本专利实公平8-4990号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
此外，所述工具更换装置的控制装置与机床的控制装置连动，在机床产生异常而使该机床紧急停止的情况下，受其影响下工具更换装置也紧急停止。另外，可以合理预知的是，在工具更换装置产生异常的情况下，使该工具更换装置紧急停止，由此机床也紧急停止。
而且，于工具更换装置在动作中途紧急停止的情况下，为了在异常恢复后继续进行该工具更换装置的动作，必须使其工具更换臂复位至所述旋转原点及进退原点，如果能够自动执行这种原点复位动作，那么能够迅速地进行异常恢复操作，从而有效且方便。
但是，所述伺服马达驱动方式的工具更换装置与所述凸轮驱动方式的工具更换装置不同，在紧急停止其动作的情况下，工具更换臂无法立即停止，会因紧急停止时所产生的惯性等而停止在偏离标准动作路径的位置(旋转位置及进退位置)，因此仅执行工具更换时的常规动作无法使所述工具更换臂自动复位至所述旋转原点及进退原点。
因此，为了使停止在偏离标准动作路径的位置的工具更换臂自动地复位至旋转原点及进退原点，必须进行其相应的改进或者开发，但以往并未提供能够使偏离标准动作路径的该工具更换臂自动地复位至旋转原点及进退原点的工具更换装置。
本发明是鉴于以上情况而完成的，其目的在于提供一种能够使偏离标准动作路径的工具更换臂自动地复位至旋转原点及进退原点的工具更换装置。
[解决问题的手段]
用来解决上述问题的本发明是一种工具更换装置，
将安装于机床主轴的工具更换为位于待机位置的下一个工具，包括：
保持部件，其中心轴与所述主轴的轴线平行地配设，能够以该中心轴为中心旋转且能够在沿着所述主轴轴线的方向上移动地设置；
旋转机构，具备旋转用伺服马达，通过该旋转用伺服马达的动力使所述保持部件以其所述中心轴为中心正反旋转；
进退机构，具备进退用伺服马达，通过该进退用伺服马达的动力使所述保持部件在沿着所述主轴轴线的方向上进退；
工具更换臂，具备至少两个臂部，这两个臂部以向以所述保持部件的中心轴为中心的半径方向延伸的方式配设在该保持部件，并且具备在该保持部件的正旋转方向的侧面形成开口的工具保持部，且将所述工具以其轴线与所述保持部件的中心轴平行的方式保持在该工具保持部；以及
控制装置，在以所述中心轴为中心的旋转方向上，以预先设定的角度位置为旋转原点，以该旋转原点为基准对所述旋转用伺服马达进行数值控制而使所述保持部件及工具更换臂旋转，并且在沿着所述主轴轴线的方向上，以预先设定的位置为进退原点，以该进退原点为基准对所述进退用伺服马达进行数值控制而使所述保持部件及工具更换臂进退，由此使该工具更换臂执行所述工具更换臂的工具保持部通过规定路径上的更换动作；
所述控制装置还具备原点复位控制部，该原点复位控制部是当所述工具更换臂的更换动作在中途停止时，使该工具更换臂复位至所述旋转原点及进退原点，
所述原点复位控制部执行如下处理：
第一处理：判断工具是否被保持在所述工具更换臂的工具保持部；
第二处理：于在所述第一处理中判断为工具未被保持在所述工具保持部的情况下，使该工具更换臂旋转至非干涉角度，所述非干涉角度预先设定，且能够使所述工具更换臂在不与其他构造物发生干涉的情况下旋转至该角度，并且即便在该角度位置使所述工具更换臂进退，该工具更换臂与其他构造物也不会发生干涉，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后使该工具更换臂旋转至旋转原点；以及
第三处理：于在所述第一处理中判断为工具被保持在所述工具保持部的情况下，使所述工具更换臂沿着进退方向移动至与所述路径的前进端一致的位置，接着，在所述工具保持部不存在于所述路径上的情况下，以该工具保持部位于所述路径上的方式使所述工具更换臂旋转，然后以使所述工具保持部沿着所述路径的方式使所述工具更换臂移动，使其移动至所述旋转原点及进退原点。
根据该工具更换装置，当所述工具更换臂的更换动作在中途停止时，由所述原点复位控制部执行使所述工具更换臂复位至旋转原点及进退原点的动作。
也就是说，所述原点复位控制部首先在第一处理中判断工具是否被保持在所述工具更换臂的工具保持部。关于工具是否被保持在工具保持部的具体判断，例如能够通过识别动作在工具更换动作的哪个时点停止来进行判断，或者能够根据是否通过设置在工具保持部的传感器(sensor)检测到工具来进行判断。
接着，在判断为工具未被保持在所述工具保持部的情况下，使所述工具更换臂旋转至非干涉角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后，进而使该工具更换臂旋转至旋转原点(第二处理)。所述非干涉角度能够使所述工具更换臂在不与其他构造物发生干涉的情况下旋转至该角度，且即便在该角度位置使所述工具更换臂进退，该工具更换臂与其他构造物也不会发生干涉，例如包含根据构造物的设计上的关系预先设定，且具有固定的角度范围的情况。
通过预先设定这种非干涉角度，能够使工具更换臂在不与其他构造物发生干涉的情况下旋转至该非干涉角度，通过在该非干涉角度使该更换臂后退而能够使工具更换臂复位至进退原点。接着，使复位至进退原点的工具更换臂旋转至更换动作开始前的旋转原点(当前的旋转原点)、或者更换动作结束后的旋转原点(下一个旋转原点)。此外，在选择旋转至当前的旋转原点与下一个旋转原点二者中的哪一个时，应选择在旋转过程中该工具更换臂不与其他构造物发生干涉的旋转原点。
这样，在工具未被保持在所述工具保持部的情况下，通过执行所述第二处理，能够使工具更换臂自动地复位至进退原点及旋转原点。
另一方面，于在所述第一处理中判断为工具被保持在所述工具保持部的情况下，即便使所述工具更换臂在其旋转角度位置前进，也无需担心与其他构造物发生干涉，因此使该工具更换臂移动至与所述路径的前进端一致的位置。
如果像这样使该工具更换臂移动至与所述路径的前进端一致的位置，那么即便在该位置使该工具更换臂旋转，也不会与其他构造物发生干涉，因此在所述工具保持部不存在于所述路径上的情况下，以使该工具保持部位于所述路径上的方式使所述工具更换臂旋转，接着，以使所述工具保持部沿着所述路径的方式使所述工具更换臂移动，从而使其移动至所述旋转原点及进退原点(第三处理)。
这样，在工具被保持在所述工具保持部的情况下，通过执行所述第三处理，能够使工具更换臂自动地复位至进退原点及旋转原点。
这样一来，根据本发明的工具更换装置，即便在因紧急(非常)停止等而导致工具更换臂停止在偏离标准动作路径的位置的情况下，也能够使该工具更换臂在不与其他构造物发生干涉的情况下自动地复位至旋转原点及进退原点，能够迅速且有效率地进行复位操作。
另外，本发明也可以为：所述工具更换臂具备两个所述臂部，
这两个所述臂部是以所述保持部件的中心轴为中心，以形成一条直线的方式分别向半径方向延伸，
所述控制装置构成为控制所述旋转用伺服马达及进退用伺服马达，并执行包含如下动作的更换动作：
第一旋转动作：使所述工具更换臂旋转至从动作开始前的旋转原点也就是当前旋转原点向正向旋转规定角度后的第一回旋角度，从而使工具固持在各工具保持部；
工具抽出动作：使所述工具更换臂前进至前进端；
第二旋转动作，使所述工具更换臂旋转至从所述第一回旋角度向正向旋转180度后的第二回旋角度；
工具安装动作：使所述工具更换臂后退至进退原点；以及
第三旋转动作，使所述工具更换臂旋转至从第二回旋角度向反向旋转所述规定角度后的角度位置、即成为动作结束后的旋转原点的下一个旋转原点；
所述原点复位控制部构成为：
在所述第二处理中，
当所述工具更换臂位于所述当前的旋转原点与所述第一回旋角度之间时，使该工具更换臂旋转至设定在所述当前的旋转原点与所述第一回旋角度之间的第一非干涉角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后使该工具更换臂旋转至所述当前的旋转原点，
另一方面，当所述工具更换臂位于所述第一回旋角度与第二回旋角度之间时，使该工具更换臂旋转至设定在所述下一个旋转原点与第二回旋角度之间的第二非干涉角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后使该工具更换臂旋转至下一个旋转原点。
该构成的工具更换装置是所谓W臂型工具更换装置，在该工具更换装置的情况下，如上所述，在所述第二处理中，当所述工具更换臂位于所述当前的旋转原点与所述第一回旋角度之间时，首先使该工具更换臂旋转至设定在所述当前的旋转原点与所述第一回旋角度之间的第一非干涉角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后，使该工具更换臂旋转至所述当前的旋转原点。当所述工具更换臂位于所述当前的旋转原点与所述第一回旋角度之间时，如上所述定义的非干涉角度能够作为第一非干涉角度设定在所述当前的旋转原点与所述第一回旋角度之间，通过使工具更换臂旋转至该第一非干涉角度，能够使该工具更换臂在不与其他构造物发生干涉的情况下复位至旋转原点及进退原点。
另一方面，当所述工具更换臂位于所述第一回旋角度与第二回旋角度之间时，首先使该工具更换臂旋转至设定在所述下一个旋转原点与第二回旋角度之间的第二非干涉角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后，使该工具更换臂旋转至下一个旋转原点。当所述工具更换臂位于所述第一回旋角度与第二回旋角度之间时，所述非干涉角度能够作为第二非干涉角度设定在所述第一回旋角度与第二回旋角度之间，通过使工具更换臂旋转至该第二非干涉角度，能够使该工具更换臂在不与其他构造物发生干涉的情况下复位至旋转原点及进退原点。
在W臂型工具更换装置的情况下，通过使所述原点复位控制部执行这种第二处理，能够使该工具更换臂在不与其他构造物发生干涉的情况下自动地复位至旋转原点及进退原点，能够迅速且有效率地进行复位操作。
另外，该W臂型工具更换装置也可以构成为：
所述原点复位控制部在所述第三处理中，
在使所述工具更换臂沿进退方向移动至与所述路径的前进端一致的位置后，
当所述工具更换臂位于所述当前的旋转原点与所述第一回旋角度之间时，使所述工具更换臂旋转至第一回旋角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后，使该工具更换臂旋转至所述当前的旋转原点，
另一方面，当所述工具更换臂位于所述第一回旋角度与第二回旋角度之间时，使所述工具更换臂旋转至所述第一回旋角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后，使该工具更换臂旋转至所述当前的旋转原点，或者使所述工具更换臂旋转至所述第二回旋角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后，使该工具更换臂旋转至所述下一个旋转原点。
[发明的效果]
如上所述，根据本发明的工具更换装置，即便在因紧急停止等而导致工具更换臂停止在偏离标准动作路径的位置的情况下，也能够使该工具更换臂在不与其他构造物发生干涉的情况下自动地复位至旋转原点及进退原点，能够迅速且有效率地进行复位操作。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的机床的前视图。
图2是从斜下方观察图1所示的工具更换装置的立体图。
图3是图1所示的工具更换装置的仰视图。
图4是图3中的箭头G-G方向的剖视图。
图5是表示本实施方式的控制装置等的框图。
图6是表示本实施方式的工具保持部的工具更换动作的动作路径的线图。
图7是表示本实施方式的原点复位控制部的处理的流程图。
图8是表示本实施方式的原点复位控制部的处理的流程图。
图9是用来说明由本实施方式的原点复位控制部所执行的原点复位路径的线图。
图10是用来说明由本实施方式的原点复位控制部所执行的原点复位路径的线图。
图11是用来说明由本实施方式的原点复位控制部所执行的原点复位路径的线图。
图12是用来说明由本实施方式的原点复位控制部所执行的原点复位路径的线图。
图13是用来说明由本实施方式的原点复位控制部所执行的原点复位路径的线图。
附图标记说明：1-机床；2-底座；3-柱；4-主轴头；5-主轴；6-平台；10-工具更换装置；11-外壳；12-进退机构；13-进退伺服马达；14-滚珠螺杆；15-滚珠螺母；17-第一支撑轴；18-第二支撑轴；19-保持部件；24-旋转机构；25-旋转伺服马达；27-第一锥齿轮；28-第二锥齿轮；40-工具更换臂；42、52-工具保持部；43、53-固持爪；60-制动部件；70-工具箱；83-ATC动作控制装置；84-更换动作控制部；85-原点复位控制部；T-工具。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对本发明的一实施方式的工具更换装置进行说明。如图1所示，本例的工具更换装置10附设在机床1上，在该机床1上还设置着工具箱(toolmagazine)70。此外，能够应用本发明的工具更换装置10的机床并无任何限制，除图1所示那样的所谓立式切削机以外，也能够应用于卧式切削机或能够进行车削加工及铣磨加工的复合型车床等必需进行工具更换的各种机床。
[机床的概要]
图1所示的机床1以往众所周知，无须多加说明，如果对其构成简单地进行说明，那么该机床1包括如下部件：底座(bed)2；柱(column)3，立设在该底座2上；主轴头4，能够在垂直方向上移动地配设在该柱3；主轴5，自由旋转地支撑在该主轴头4；以及平台6，能够在水平的正交两轴向上移动地配设在所述底座2上，且适当地载置、固定工件(work)。
所述主轴头4构成为适当通过传送装置(未图示)而沿所述上下方向移动，平台6同样地构成为适当通过传送装置(未图示)而沿水平的正交两轴向移动。另外，所述主轴5适当通过主轴马达(未图示)沿其轴中心旋转。而且，使所述主轴头4移动的传送装置(未图示)、使所述平台6移动的传送装置(未图示)、驱动所述主轴5的主轴马达(未图示)的动作分别通过图5所示的NC(Numerical Control，数字控制)装置81及PLC(Programmable LogicController，可编程序逻辑控制器)82而控制。
[工具箱的概要]
所述工具箱70包括：多个工具盒(tool pot)72，保持工具T；保持平板(plate)73，由呈圆形的板状部件构成，将所述工具盒72以配置成环状的状态保持在其外周部；驱动马达(未图示)，使该保持平板73旋转；以及调用机构(未图示)，使下端位置的工具盒72向箭头标志A方向移动而将其定位在待机位置，另一方面，使位于待机位置的工具盒72向箭头标志B方向移动而保持在保持平板73。此外，图1中的符号71为外罩(cover)。该工具箱70的动作也是通过图5所示的PLC82而控制。
[工具更换装置]
所述工具更换装置10是将保持在被定位在待机位置的工具盒72中的工具(下一个工具)T与安装在主轴5的工具(当前工具)T进行更换的装置，并且包含图2～图4所示的工具更换臂40、外壳(housing)11、第一支撑轴17、第二支撑轴18、进退机构12及旋转机构24、以及图5所示的ATC(Automatic Tool Change，工具自动更换)动作控制装置83。
所述外壳11是由内部适当具有收纳室的呈角柱状的部件构成，供安装所述第一支撑轴17、所述进退机构12及旋转机构24。所述第一支撑轴17是以上下贯通所述外壳11的方式安装在该外壳11，并在其下侧与配置在同轴上的第二支撑轴18连结。此外，以下的图2～图4的说明是以图1中的上下关系为基准。另外，在外壳11的下表面设置着制动部件60。
所述进退机构12包含：进退伺服马达13，被固定设置在所述第一支撑轴17的上端部，其动作由图5所示的ATC动作控制装置83控制；滚珠螺杆14，经由联轴器(coupling)16连结在进退伺服马达13的输出轴13a；以及滚珠螺母(ball nut)15，螺合于滚珠螺杆14。滚珠螺杆14自由旋转地由轴承(bearing)23、23支撑，该轴承23、23插通于形成在所述第一支撑轴17及第二支撑轴18上且沿其轴向的贯通孔内，并且配设在所述第二支撑轴18的贯通孔内，并且该滚珠螺杆14的上端部如上所述那样经由联轴器16连结在进退伺服马达13的输出轴13a。另外，在第二支撑轴18上形成收纳孔18a，该收纳孔18a是以在第二支撑轴18的下端面形成开口的方式形成，所述滚珠螺母15的上部侧能够进入到该收纳孔18a内。
在所述第二支撑轴18的上端部以被该第二支撑轴18贯通的状态外嵌着工具更换臂40，在该工具更换臂40的下侧配设着外嵌在所述第二支撑轴18的保持部件19，该保持部件19的上端部被固定在所述工具更换臂40的下表面。另外，所述滚珠螺母15是以贯通保持部件19的状态固定在该保持部件19的下表面，如上所述，滚珠螺母15的上部侧能够进入到第二支撑轴18的收纳孔18a。另外，在滚珠螺母15的下表面固定设置着覆盖所述滚珠螺杆14的圆筒状外罩21。
这样，如果通过所述ATC动作控制装置83驱动所述进退伺服马达13，使连结在所述进退伺服马达13的输出轴13a的滚珠螺杆14向正反方向旋转，那么螺合在滚珠螺杆14的滚珠螺母15、连结在该滚珠螺母15的保持部件19及外罩21、以及连结在保持部件19的工具更换臂40沿着滚珠螺杆14的轴线在图2所示的箭头标志E-F方向上进退。此外，箭头标志E方向为前进，箭头标志F方向为后退，图2～图4表示所述滚珠螺母15、保持部件19、外罩21、工具更换臂40位于进退方向的原点位置(进退原点)的状态。
所述旋转机构24具备旋转伺服马达25、联轴器26、第一锥齿轮27、第二锥齿轮28、连结体29、连结环(ring)34及两根导杆(guide bar)20。旋转伺服马达25经由安装环35安装在所述外壳11的侧面。另外，第一锥齿轮27是以其轴线与所述第一支撑轴17的轴线正交的方式配设在所述外壳11的收纳室内，并经由联轴器26连结在旋转伺服马达25的输出轴25a。此外，联轴器26自由旋转地由配设在外壳11的收纳室内的轴承30、30支撑。另外，旋转伺服马达25被所述ATC动作控制装置83控制。
第二锥齿轮28与连结体29是以连结体29配置在下侧的同轴状态连结，并经由轴承31、31外嵌在所述第一支撑轴17，第二锥齿轮28与第一锥齿轮27呈啮合状态。另外，在连结体29的下端面固定设置着连结环34，在该连结环34的下端面固定设置着两根导杆20、20，这两根导杆20、20是以从该连结环34的下端面向下方以贯通工具更换臂40及保持部件19的状态延伸的方式平行配置，在该导杆20、20的下端部固定设置着连结平板22。
另外，在连结平板22中形成着贯通孔，所述外罩21能够插通该贯通孔。另外，在连结体29的外周面与和其对应的外壳11的内周面之间配设着密封件(seal)32，通过该密封件32将连结体29与外壳11之间密封。同样地，在所述第二支撑轴18的外周面与连结环34的内周面之间配设着密封件33，通过该密封件33将第二支撑轴18与连结环34之间密封。
这样，如果通过所述ATC动作控制装置83驱动所述旋转伺服马达25，使连结在所述旋转伺服马达25的输出轴25a的第一锥齿轮27向正反方向旋转，那么与该第一锥齿轮27啮合的第二锥齿轮28、直接或间接地连结在该第二锥齿轮28的连结体29、连结环34、导杆20、20及连结平板22、导杆20、20所贯通的工具更换臂40及保持部件19、以及直接或间接地连结在保持部件19的滚珠螺母15及外罩21以第一支撑轴17及第二支撑轴18的轴心为中心正反旋转，也就是向图2所示的箭头标志C-D方向旋转。顺便说明，在本例中，将箭头标志C方向设为正转方向，将箭头标志D方向设为反转方向。另外，图2及图3表示工具更换臂40位于旋转方向的原点位置(旋转原点)的状态。
此外，导杆20、20除了承担使工具更换臂40旋转的作用以外，还承担在工具更换臂40及保持部件19沿箭头标志E-F方向进退时引导它们移动的作用。
工具更换臂40是由板状部件41构成，在该工具更换臂40的两端部分别形成着保持所述工具T的工具保持部42、52。各工具保持部42、52具有一个旋转方向(所述正转方向)侧被开放(开口)的圆弧状，能够从该开放侧接收工具T。此外，该工具更换臂40如上所述那样外嵌在所述第二支撑轴18，一组臂部是以分别从该第二支撑轴18向半径方向延伸的方式设置，结果，该工具更换臂40能够理解为是以两个臂部成为一条直线的方式一体形成。
在所述各工具保持部42、52设置着相对于其保持空间进退的保持爪43、53。当将工具T插入至工具保持部42、52时，该保持爪43、53通过抵接于工具T的外周面而后退，从将该工具T收入工具保持部42、52内，并且将该工具T保持在工具保持部42、52内。另一方面，当将工具T从工具保持部42、52抽出时，保持爪43、53后退，由此允许抽出工具T。
另外，所述制动部件60是由呈圆筒状的部件构成，且具有沿与其轴线正交的方向形成的卡合槽。该制动部件60承担如下作用：当如图2及图3所示那样工具更换臂40位于进退原点时，通过使工具更换臂40旋转至旋转原点，从而将该工具更换臂40以进入(卡合)所述卡合槽的方式固定设置在所述外壳11的前端面，且在无法对所述进退伺服马达13供给电力的情况下，通过该卡合关系防止所述工具更换臂40向下方移动。
如图5所示，所述ATC动作控制装置83包含更换动作控制部84及原点复位控制部85。
所述更换动作控制部84是按照工具更换程序控制所述进退伺服马达13及旋转伺服马达25而使工具更换臂40进行工具更换动作的功能部，所述更换动作控制部84接收从所述NC装置81通过所述PLC82输入的工具更换指令而执行工具更换动作。
此外，所述工具更换臂40在所述E-F方向上的位置(进退位置)是基于来自附设在所述进退伺服马达13的编码器(encoder)(进退编码器)的输出值也就是当前旋转位置数据而识别。该进退编码器输出进退伺服马达13的当前转数及旋转角(旋转位置数据)的绝对值(并非相对值)，并将该旋转位置数据保存在内置的存储器中。
所述进退原点是在使工具更换臂40旋转时能够将位于工具更换位置并安装在主轴5的工具T保持在工具保持部42、52的位置，在该位置从所述进退编码器输出的旋转位置数据被设定为进退原点。并且，基于进退原点的旋转位置数据与当前旋转位置数据的差量及所述滚珠螺杆14的螺距来识别距所述进退原点的当前位置。
另外，所述工具更换臂40在所述C-D方向上的位置(角度位置)是基于来自附设在所述旋转伺服马达25的编码器(旋转编码器)的输出值也就是当前旋转位置数据而识别。该旋转编码器输出旋转伺服马达25的当前转数及旋转角(旋转位置数据)的绝对值，并将该旋转位置数据保存在内置的存储器中。
所述旋转原点是从第一回旋角度向箭头标志D方向(反向)旋转规定角度后的角度位置，并且是在设计上适当设定的角度位置，所述第一回旋角度是安装在主轴5的工具(当前工具)T被保持在工具保持部42、且位于待机位置的工具(下一个工具)T被保持在工具保持部52的角度位置，该工具更换臂40位于该角度位置时从所述旋转编码器输出的旋转位置数据被设定为旋转原点。此外，如上所述，当位于该旋转原点时，工具更换臂40卡合在所述制动部件60的卡合槽。
而且，具体来说，所述更换动作控制部84执行如下工具更换动作。此外，如图1所示，主轴5位于用于进行工具更换的位置(工具更换位置)，下一个工具T位于待机位置，如图2及图3所示，工具更换臂40位于所述进退原点及旋转原点。
首先，更换动作控制部84驱动旋转伺服马达25，使工具更换臂40以所述第一支撑轴17及第二支撑轴18的轴线为中心向箭头标志C方向(正旋转方向)旋转至第一回旋角度，所述第一回旋角度是从动作开始前的旋转原点也就是当前旋转原点旋转所述规定角度而成的角度(第一旋转动作)。由此，安装在主轴5的工具(当前工具)T被保持在工具保持部42，位于待机位置的工具(下一个工具)T被保持在工具保持部52。该动作相当于图6所示的路径a。
接着，更换动作控制部84驱动进退伺服马达13，使工具更换臂40沿第一支撑轴17及第二支撑轴18前进至下方的前进端(工具抽出动作)。由此，将工具(当前工具)T从主轴5抽出，并将工具(下一个工具)T从待机位置的工具盒72抽出。该动作相当于图6所示的路径b。
接着，更换动作控制部84驱动旋转伺服马达25，使工具更换臂40以第一支撑轴17及第二支撑轴18的轴线为中心旋转至第二回旋角度，所述第二回旋角度是从所述第一回旋角度向箭头标志C方向(正旋转方向)旋转180度而成的角度(第二旋转动作)。由此，保持在工具保持部52的工具(下一个工具)T在同轴上位于主轴5的正下方，保持在工具保持部42的工具(当前工具)T位于待机位置的工具盒72的正下方。该动作相当于图6所示的路径c。
接着，更换动作控制部84驱动进退伺服马达13，使工具更换臂40沿第一支撑轴17及第二支撑轴18后退至上方的进退原点(工具安装动作)。由此，将工具(下一个工具)T安装在主轴5，并且将工具(当前工具)T安装在待机位置的工具盒72。该动作相当于图6所示的路径d。
最后，更换动作控制部84驱动旋转伺服马达25，使工具更换臂40以第一支撑轴17及第二支撑轴18的轴线为中心向箭头标志D方向(反转方向)旋转所述规定角度，使工具更换臂40旋转至动作结束后的旋转原点也就是下一个旋转原点(第三旋转动作)。由此，分别从工具保持部42、52相对地抽出工具T。该动作相当于图6所示的路径e。
更换动作控制部84是以如上方式执行工具更换动作。而且，当更换动作控制部84结束一个循环的工具更换动作时，将结束时从所述旋转编码器输出的旋转位置数据设定为所述下一个旋转原点。此外，图6中，θr1为所述当前的旋转原点，θr2为所述下一个旋转原点，θ1为所述第一回旋角度，θ2为所述第二回旋角度。
所述原点复位控制部85是如下功能部：接收从PLC82输入的原点复位指令，执行图7及图8所示的处理，使所述工具更换臂40复位至所述进退原点及旋转原点。
具体来说，如图7所示，所述原点复位控制部85首先判断是否为工具T被保持在工具更换臂40的工具保持部42、52的状态(步骤S1)。此外，所述更换动作控制部84构成为每次结束所述第一旋转动作、工具抽出动作、第二旋转动作、工具安装动作及第三旋转动作的各动作时，均对表示其动作结束的标志(flag)进行更新，原点复位控制部85通过确认更换动作控制部84所保存的最新的动作结束标志而判断工具T是否被保持在工具保持部42、52。
在判断为工具T被保持在工具保持部42、52的情况下，原点复位控制部85接着驱动所述进退伺服马达13，使工具更换臂40移动至前进端(步骤S2)，接着，确认是否从所述PLC82输入使动作前进的信号(步骤S3)，在输入了前进信号的情况下，驱动所述旋转伺服马达25，使工具更换臂40向箭头标志C方向(正向)旋转至所述第二回旋角度后(步骤S4)，驱动所述进退伺服马达13，使工具更换臂40后退至进退原点，接着，驱动旋转伺服马达25，使工具更换臂40向箭头标志D方向(反向)旋转已设定的所述规定角度，从而使其移动至下一个旋转原点(步骤S5)。
如果基于图9对该动作进行说明，那么在工具T被保持在工具保持部42、52的情况下，工具更换臂40处于所述工具抽出动作后的状态，因此如果该工具保持部42位于前进端Pf附近，例如位于图中的位置P1或P1'，那么工具保持部42在移动至前进端Pf之后，经由前进动作也就是路径c、路径d及路径e而移动至进退原点Pr及下一个旋转原点θr2。此外，图9中的θr1为当前旋转原点，θr2为下一个旋转原点，θ1为第一回旋角度，θ2为第二回旋角度(在下述图10～图13中相同)。
另一方面，在所述步骤S3中，在从所述PLC82输入使动作后退的信号的情况下，原点复位控制部85驱动所述旋转伺服马达25，使工具更换臂40旋转至所述第一回旋角度，然后驱动所述进退伺服马达13，使工具更换臂40后退至进退原点，接着，驱动旋转伺服马达25，使工具更换臂40向箭头标志D方向(反向)旋转已设定的所述规定角度，从而使其移动至下一个旋转原点。
将该动作示于图10及图11。图10是工具更换臂40的工具保持部42位于当前旋转原点θr1与第一回旋角度θ1之间的位置P2或P2'的情况，在此情况下，工具保持部42移动至前进端Pf，接着，旋转至第一回旋角度θ1，然后经由返回动作也就是路径b及路径a而移动至进退原点Pr及当前旋转原点θr1。
另外，图11是工具更换臂40的工具保持部42位于第一回旋角度θ1与第二回旋角度θ2之间的位置P3或P3'的情况，在此情况下，也是工具保持部42移动至前进端Pf，接着，旋转至第一回旋角度θ1，然后经由返回动作也就是路径b及路径a移动至进退原点Pr及当前旋转原点θr1。
这样，于在所述步骤S1中判断为工具T被保持在工具保持部42、52的情况下，在通过所述步骤S2、S3、S4、S5或步骤S2、S3、S6、S7的处理使工具更换臂40复位至进退原点Pr及旋转原点(当前旋转原点或下一个旋转原点)后结束处理。
另一方面，于在所述步骤S1中判断为工具T未被保持在工具保持部42、52的情况下，原点复位控制部85接着判断工具更换臂40的回旋角度是否在第一回旋角度θ1的近前(步骤S8)，在工具更换臂40的回旋角度在第一回旋角度θ1的近前的情况下，原点复位控制部85驱动所述旋转伺服马达25，使工具更换臂40旋转至第一非干涉角度θn1后(步骤S9)，驱动所述进退伺服马达13，使工具更换臂40移动至进退原点Pr(步骤S10)，接着，驱动旋转伺服马达25，使工具更换臂40向箭头标志D方向(反向)旋转已设定的所述规定角度，从而使其移动至当前的旋转原点θr1(步骤S11)。该动作不论从PLC82输入使动作前进的信号、还是输入使动作后退的信号均执行。
此外，所述非干涉角度为如下角度：能够使工具更换臂40在不与其他构造物(例如所述制动部件60)发生干涉的情况下旋转至该角度，且即便在该角度位置使工具更换臂40进退，该工具更换臂40与其他构造物(例如所述制动部件60)也不会发生干涉，所述第一非干涉角度θn1设定在当前旋转原点与第一回旋角度之间。该非干涉角度例如包含如下情况：能够根据构造物的设计上的关系而预先设定，且具有固定的范围。
将该动作示于图12。图12是工具更换臂40的工具保持部42位于当前旋转原点θr1与第一回旋角度θ1的位置P4或P4'的情况，在此情况下，工具保持部42旋转至第一非干涉角度θn1，接着，移动至进退原点Pr，然后沿着路径a复位至当前旋转原点θr1。
另一方面，于在所述步骤S8中判断为所述工具更换臂40的回旋角度位于第一回旋角度与第二回旋角度之间的情况下，原点复位控制部85驱动所述旋转伺服马达25，使工具更换臂40旋转至第二非干涉角度后(步骤S12)，驱动所述进退伺服马达13，使工具更换臂40移动至进退原点(步骤S13)，接着，驱动旋转伺服马达25，使工具更换臂40向箭头标志D方向(反向)旋转已设定的所述规定角度，从而使其移动至下一个旋转原点(步骤S14)。该动作也是不论从PLC82输入使动作前进的信号、还是输入使动作后退的信号均执行。另外，所述第二非干涉角度为如下角度位置：设定在下一个旋转原点与第二回旋角度之间，例如即便在该角度位置使工具更换臂40进退，该工具更换臂40与所述制动部件60也不会发生干涉。
将该动作示于图13。图13是工具更换臂40的工具保持部42位于第一回旋角度θ1与第二回旋角度θ2之间的位置P5或P5'的情况，在此情况下，工具保持部42旋转至第二非干涉角度θn2，接着，移动至进退原点Pr，然后复位至下一个旋转原点θr2。
这样，于在所述步骤S1中判断为工具T未被保持在工具保持部42、52的情况下，通过所述步骤S8、S9、S10、S11或步骤S8、S12、S13、S14的处理使工具更换臂40复位至进退原点Pr及旋转原点(当前旋转原点或下一个旋转原点)，然后结束处理。
具备以上构成的本例的工具更换装置10是通过所述ATC动作控制装置83的更换动作控制部84而控制进退机构12及旋转机构24，通过所述进退机构12及旋转机构24驱动工具更换臂40，执行所述第一旋转动作、工具抽出动作、第二旋转动作、工具安装动作及第三旋转动作，通过这些动作将安装在主轴5的工具T更换为位于待机位置的下一个工具T。
而且，在机床1异常停止等导致工具更换装置10在其动作过程中停止，而必须使工具更换臂40复位至进退原点及旋转原点的情况下，通过由所述原点复位控制部85执行图7及8所示的处理，而使工具更换臂40复位至进退原点及旋转原点。
这样，如上所述，本例的工具更换装置10于动作中的工具更换臂40在中途停止的情况下，能够使该工具更换臂40自动地复位至进退原点及旋转原点，因此能够迅速且有效率地进行从故障状态恢复的操作。另外，即便于在工具更换臂40进行进退动作时存在与该工具更换臂40发生干涉的其他构造物(例如所述制动部件60)的情况下，也能够在使位于偏离标准动作路径上的位置的工具更换臂40复位至进退原点及旋转原点时，不与该其他干涉物发生干涉地复位至进退原点及旋转原点。
以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明能够采用的态样并不受其任何限定。
例如，如上所述，能够应用本例的工具更换装置10的机床并无任何限制，除本例的所谓立式切削机以外，也能够适当地应用于卧式切削机或能够进行车削加工及铣磨加工的复合型车床等。
另外，在上例中设为W臂型的工具更换臂40，但并不限定于此，也可以具备三个以上的工具更换臂。
另外，关于判断工具T是否被保持在工具保持部42、52(步骤S1)，也可以在工具保持部42、52的附近设置传感器，通过该传感器检测有无工具T，根据该检测结果判断有无工具T。

Claims (3)

1.一种工具更换装置，其用于将安装在机床主轴的工具更换为位于待机位置的下一个工具，其特征在于，包括：
保持部件，其中心轴与所述主轴的轴线平行地配设，能够以该中心轴为中心旋转且能够在沿着所述主轴的轴线的方向上移动地设置；
旋转机构，具备旋转用伺服马达，通过该旋转用伺服马达的动力使所述保持部件以其所述中心轴为中心正反旋转；
进退机构，具备进退用伺服马达，通过该进退用伺服马达的动力使所述保持部件在沿着所述主轴轴线的方向上进退；
工具更换臂，具备至少两个臂部，这两个臂部以向以所述保持部件的中心轴为中心的半径方向延伸的方式配设在该保持部件，并且具备在该保持部件的正旋转方向的侧面形成开口的工具保持部，且将所述工具以其轴线与所述保持部件的中心轴平行的方式保持在该工具保持部；以及
控制装置，在以所述中心轴为中心的旋转方向上，以预先设定的角度位置为旋转原点，以该旋转原点为基准对所述旋转用伺服马达进行数值控制而使所述保持部件及工具更换臂旋转，并且在沿着所述主轴轴线的方向上，以预先设定的位置为进退原点，以该进退原点为基准对所述进退用伺服马达进行数值控制而使所述保持部件及工具更换臂进退，由此使该工具更换臂执行所述工具更换臂的工具保持部通过规定路径上的更换动作；
所述控制装置构成为还具备原点复位控制部，该原点复位控制部是当所述工具更换臂的更换动作在中途停止时，使该工具更换臂复位至所述旋转原点及进退原点，
所述原点复位控制部执行如下处理：
第一处理：判断工具是否被保持在所述工具更换臂的工具保持部；
第二处理：于在所述第一处理中判断为工具未被保持在所述工具保持部的情况下，使该工具更换臂旋转至非干涉角度，所述非干涉角度预先设定，且能够使所述工具更换臂在不与其他构造物发生干涉的情况下旋转至该角度，并且即便在该角度位置使所述工具更换臂进退，该工具更换臂与其他构造物也不会发生干涉，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后使该工具更换臂旋转至旋转原点；以及
第三处理：于在所述第一处理中判断为工具被保持在所述工具保持部的情况下，使所述工具更换臂沿进退方向移动至与所述路径的前进端一致的位置，接着，在所述工具保持部不存在于所述路径上的情况下，以该工具保持部位于所述路径上的方式使所述工具更换臂旋转，然后以所述工具保持部沿着所述路径的方式使所述工具更换臂移动而使其移动至所述旋转原点及进退原点。
2.根据权利要求1所述的工具更换装置，其特征在于：
所述工具更换臂具备两个所述臂部，这两个所述臂部以所述保持部件的中心轴为中心，以形成一条直线的方式分别沿半径方向延伸，
所述控制装置构成为控制所述旋转用伺服马达及进退用伺服马达，并执行包含如下动作的更换动作：
第一旋转动作：使所述工具更换臂旋转至第一回旋角度，使工具固持在各工具保持部，该第一回旋角度是从动作开始前的旋转原点也就是当前旋转原点向正向旋转规定角度而成的角度；
工具抽出动作：使所述工具更换臂前进至前进端；
第二旋转动作：使所述工具更换臂旋转至从所述第一回旋角度向正向旋转180度后的第二回旋角度；
工具安装动作：使所述工具更换臂后退至进退原点；以及
第三旋转动作：使所述工具更换臂旋转至从第二回旋角度向反向旋转所述规定角度后的角度位置、也就是成为动作结束后的旋转原点的下一个旋转原点；
所述原点复位控制部构成为：
在所述第二处理中，
当所述工具更换臂位于所述当前旋转原点与所述第一回旋角度之间时，使该工具更换臂旋转至设定在所述当前旋转原点与所述第一回旋角度之间的第一非干涉角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后使该工具更换臂旋转至所述当前旋转原点，而当所述工具更换臂位于所述第一回旋角度与第二回旋角度之间时，使该工具更换臂旋转至设定在所述下一个旋转原点与第二回旋角度之间的第二非干涉角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后使该工具更换臂旋转至下一个旋转原点。
3.根据权利要求2所述的工具更换装置，其特征在于：
所述原点复位控制部构成为：在所述第三处理中，
在使所述工具更换臂沿进退方向移动至与所述路径的前进端一致的位置后，
当所述工具更换臂位于所述当前旋转原点与所述第一回旋角度之间时，使所述工具更换臂旋转至第一回旋角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后，使该工具更换臂旋转至所述当前旋转原点，
而当所述工具更换臂位于所述第一回旋角度与第二回旋角度之间时，使所述工具更换臂旋转至所述第一回旋角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后，使该工具更换臂旋转至所述当前旋转原点，或使所述工具更换臂旋转至所述第二回旋角度，接着，使该工具更换臂后退至进退原点，然后，使该工具更换臂旋转至所述下一个旋转原点。
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