【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はマシニングセンタ、複合加工旋盤などの自動工具交換装置を有するＮＣ工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交換アームを有する工作機械の工具交換装置は、従来、工具の交換に必要な動作を交換アーム自身の旋回，抜き差し動作によって工具の交換を行っていた。 従来、立形マシニングセンタにおいて、図１，図２に示すようにベッド１０１の後側にコラム１０２が立設されていて、コラム１０２の前面の上下（Ｚ軸）方向の案内に沿って主軸頭１０６が移動可能に載架されている。そしてコラム１０２上に配置されたサーボモータ１０４によって送りねじ１０５を介して主軸頭１０５は移動位置決めされる。主軸頭１０６には複数の軸受により主軸１０７が回転可能に支持されていて、主軸先端のテーパ穴に工具を装着した工具ホルダ１０８が着脱可能に装着されている。
【０００３】
コラム１０２の主軸頭１０６の左側に工具マガジン１１３が配設されている。工具マガジン１１３はサーボモータ１１６で旋回割出しされ水平軸心で軸承された回転ドラム１１２を有し、その外周に複数の工具を主軸１０７と直角にして等間隔に貯蔵するツールポット１１４を９０°回動可能に支持し、ＮＣの指令でサーボモータ１１６が駆動され回転ドラム１１２のツールポット１１４を下側の工具交換位置に割出す。この位置でツールポットを９０°旋回して、主軸と平行な姿勢で待機させる流体圧シリンダ１１７が設置されてきる。この工具マガジン１１３と主軸頭１０６の間に交換アームユニット１２０が配置されている。（例えば特許文献１参照）
【０００４】
そして工具交換アームユニット１２０は図３に示すように、ユニット本体の主軸軸方向の穴に、上端部にボールねじ１２１ａを刻設し、下端に工具交換アーム１２１ｂを固設したアーム軸１２１が挿通されている。このボールねじ１２１ａと螺合し回転のみ可能にボールナット１２２がユニット本体に嵌挿されている。そしてボールナット１２２には歯車１２３が固着されており、アーム軸１２１と平行にコラム１２０上に固着されているＮＣ制御のサーボモータ１２４の出力軸に嵌着されている歯車１２６と噛合されている。
ユニット本体の底板１０６ａとボールナット１２２との間には雌スプライン体１２７が回転のみ可能に嵌挿されており、ボールナット１２２と雌スプライン体１２７の間にクラッチ部材１２８が、また雌スプライン体１２７と底板１０６ａの間にブレーキ部材１２９がそれぞれ介在されている。
【０００５】
クラッチ部材１２８は雌スプライン体１２７側に固着の電磁コイル１３１と、電磁コイル１３１により軸方向移動する山形の可動側セレーションと、ボールナット側に固着の固定側セレーションとからなり、電磁コイル１３１への通電の入切でボールナット１２２から雌スプライン体１２７への回転の伝達が可能、または不能となる。ブレーキ部材１２９は雌スプライン体側に固着の電磁コイル１３２と電磁コイル１３２により軸方向移動する山形の可動側セレーションと底板１０６ａに固着の固定側セレーションとからなり電磁コイル１３２への通電で雌スプライン体１２７が底板１０６ａに係止され、雌スプライン体１２７の回転が拘束される。電磁コイル１３２への通電が切れると雌スプライン体１２７の底板１０６ａへの係止が解除されて回転が可能となる。
【０００６】
工具交換指令が出されると、サーボモータ１２４が駆動されてブレーキ部材１２８の作動しボールナット１２２を介して雌スプライン体１２７が回転され、アーム軸１２１と一体の工具交換アーム１２１ｂは１８０度旋回し主軸１０７に装着されている現工具と、工具マガジン１１３のツールポット１１４に装着されている次工具を掴む。現工具と次工具を掴んだ工具交換アーム１２１ｂはクラッチ部材１２８が不作動、ブレーキ部材１２９が作動により雌スプライン体１２７が規制されボールナット１２２が回転されて旋回軸方向に下降して、主軸１０７およびツールポット１１４から現工具と次工具を抜き出す。
【０００７】
抜き動作終了後、クラッチ部材１２８作動，ブレーキ部材１２９不作動となりサーボモータ１２４が逆転し、工具交換アーム１２１ｂは１８０度逆方向に旋回した後クラッチ部材１２８不作動，ブレーキ部材１２９作動して上昇し、主軸１０７に次工具を装着かつツールポット１１４に旧工具を返却する。その後、工具交換アームは旋回し主軸およびツールポットから待避して、工具交換動作を完了する。
【０００８】
また工具マガジンのツールポット１４５を工具抜き差しの際に軸方向に移動するものとしては図４に示すように、主軸頭１４１がＡ位置においてｂ位置からＢ位置に移動して主軸頭１４１下端の連結ピン１４３が、旋回中心軸１４４の上端に上下動可能に嵌合されたフックボデー１４６の穴１４６ａに挿入される。次いでサーボモータ１４７が回転して歯車，ベルトを介して旋回中心軸１４４が回転して、ツインアーム形の工具交換アーム１４８が、両端の把持爪で主軸装着工具Ｔ１とマガジン側ホームポジションに割出されているかマガジンポット１４５の貯蔵工具Ｔ２とを同時に把持する。図示しないＺ軸サーボモータにより主軸頭がＺ軸方向へ距離ｃだけ上昇する。
【０００９】
このとき主軸側工具Ｔ１もマガジン側工具Ｔ２も工具交換アーム１４８により把持されて上下動が規制されており、主軸頭１４１の上昇で連結ピン１４３を介してフックボデー１４６，およびフックボデ−に固設されたフック１４９が上昇し、更にフック１４９と係合する工具マガジン１５１のマガジンポット１４５が上端の連結駒１５２を介して、マガジンポット１４５がポットガイド１５３に沿って上昇する。この主軸頭１４１とマガジンポット１４５の上昇で、両工具が主軸とマガジンポットから同時に抜き取られる。次いで工具交換アーム１４８が旋回して把持する両工具の位置が入れ替わり、主軸頭１４１がＺ軸方向へ距離Ｃだけ下降するとマガジンポット１４５が同時に下降し、主軸に次の加工に必要な工具が挿入され同時にマガジンポット１４５に使用済工具が挿入される。（例えば特許文献２参照）
【００１０】
〔特許文献１〕
特開平８−１４１８６３号公報〔第２頁第２欄、図４（明細書では図１）〕
〔特許文献２〕
特開平８−１５０５３０号公報〔第４頁第６欄、図１（明細書では図４）〕
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１においては、主軸，マガジンのツールポットは固定した状態のままで、工具交換アームの抜き差し動作のみによって工具の脱着を行っていた。また、特許文献３においては、工具交換アームは旋回のみの動作とし、マガジンポットと主軸とを上下移動させることによって工具の脱着を行っていたので、いずれも工具の交換時間は、専ら工具交換アームの動作速度により決まっていた。工具交換アームの動作速度は使用される最も重い工具の重量などを考慮して決定されるため、必ずしも迅速な工具交換が可能とは言えない状態であった。このようであるので工具交換時間の短縮化に問題があった。
【００１２】
本発明は工具交換アームの抜き差し動作中に、さらに工具交換アームの主軸軸方向の移動方向と逆方向に主軸および工具マガジンまたは待機中の工具を装着するツールポットを移動させる。或いは工具交換アームの主軸軸方向の移動方向と同方向に工具交換アームを有する工具交換ユニットを移動させる。或いは上述の二つの動作を同時に行わせ、主軸および工具マガジンまたはツールポットと工具交換アームの間の相対運動に加えて工具交換アームと工具交換ユニットの間の同方向の相対運動を行わせて相対速度を速めるとともに移動距離を短縮して主軸工具の交換時間を短縮するＮＣ機械を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、工具交換アームの主軸軸方向移動と旋回による自動工具交換機能を有し主軸を軸方向に移動位置決め可能なＮＣ工作機械において、工具マガジンまたは該工具マガジンのツールポットから移送装置によって移送された交換工具を収納して待機するツールポットを主軸軸方向に移動位置決め可能に設け、前記工具マガジンまたは前記ツールポットを主軸軸方向に移動位置決め手段を設けてなり、工具交換時工具マガジンまたは待機するツールポットと主軸と工具交換アームの主軸の軸線方向移動を同期制御するものである。
【００１４】
請求項１の発明によれば、工具マガジンまたはツールポットを主軸軸方向に移動位置決めできるようになしたので、工具交換アームと主軸および工具マガジンまたはツールポットを逆方向に移動させることにより相対速度が速くなり抜き差し時間を短縮できる。
【００１５】
請求項２の発明は、工具交換アームの主軸軸方向移動と旋回による自動工具交換機能を有するＮＣ工作機械において、前記工具交換アームを主軸軸方向移動と旋回を可能に軸承する工具交換ユニットを主軸軸方向に移動位置決め可能に設け、前記工具交換アームを主軸軸方向移動位置決め手段と前記工具交換ユニットを主軸軸方向移動手段とを設けてなり、工具交換時に工具交換アームと工具交換ユニットの主軸軸方向移動を同期制御するものである。
【００１６】
請求項２の発明によれば、工具交換アームを保持する工具交換ユニットを主軸軸方向に移動位置決めできるようになしたので、工具交換アームと工具交換ユニットとをともに同方向に移動させることにより工具交換アームの相対速度が速くなる。また移動必要距離を半分ずつ分担することができる結果、工具の抜き差し時間を短縮するとこができる。
【００１７】
請求項３の発明は、工具交換アームの主軸軸方向移動と旋回による自動工具交換機能を有し主軸を軸方向に移動位置決め可能なＮＣ工作機械において、前記工具交換アームを主軸軸方向移動と旋回を可能に軸承する工具交換ユニットを主軸軸方向に移動位置決め可能に設け、工具マガジンまたは該工具マガジンのツールポットから移送装置によって移送された交換工具を収納して待機するツールポットを主軸軸方向に移動位置決め可能に設け、前記工具交換アームを主軸軸方向に移動位置決め手段と前記工具交換ユニットを主軸の軸線方向移動位置決め手段とを設け、前記工具マガジンまたは前記待機するツールポットを主軸軸方向に移動位置決め手段を設けてなり、工具交換時に主軸，工具交換アーム，工具交換ユニット，工具マガジンまたは前記待機するツールポットの主軸軸方向移動を同期制御するものである。
【００１８】
請求項３の発明によれば、工具交換アームを軸承する工具交換ユニットおよび次工具を収納するツールポットを有するマガジン装置或いは待機位置のツールポットをそれぞれ主軸軸方向に移動位置決め可能に設けたので、工具交換アーム，工具交換ユニットを同方向および工具交換アームと主軸および工具マガジンまたはツールポットを逆方向に同時移動することにより工具交換アームの相対速度を格段に早めることができる。また、それぞれの移動距離を工具引き抜きする距離の１／３ずつを分担することにより工具抜き差し時間を大幅に短縮することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔第１実施例〕
第１実施例を主軸頭および工具交換ユニット，工具マガジンの斜視図を示す図５および機能的に示した図６にもとづき説明する。
【００２０】
特許文献１に示す図１のＮＣマシニングセンタにおいて、工具マガジンを主軸軸線方向に移動位置決め可能としたものである。即ち、図５でベッドに設立したコラム１５前面の案内面に、上下移動可能で、複数の軸受によって軸承されかつモータにより回転可能で下端に工具を装着する主軸１２を組み込んだ主軸頭１１が設けられている。
【００２１】
コラム１５には上下方向（Ｚ軸方向）にＺ軸送りねじ１３が回転のみ可能に設けられており、コラム上面に配置されたサーボモータ１４の出力軸に連結されている。そして主軸頭１１に取り付けたナット１１ａがＺ軸送りねじ１３に螺合されている。従ってＺ軸サーボモータ１４をＮＣ（数値制御）装置で駆動することによりＺ軸送りねじ１３の回転で主軸頭１１が上下方向に移動位置決めされる。
【００２２】
一方、主軸頭１１の横にはコラム１５の前面の上下方向の案内面に工具マガジン２０がマガジンフレーム２１において上下移動位置決め可能に設けられ、コラム１５のＺ軸方向に回転可能にＷ軸送りねじ２２が設けられており、コラム１５上面に配置されたｗ軸サーボモータ２３の出力軸に連結されている。工具マガジン２０のマガジンフレーム２１は背面に設けてナット２１ａがＷ軸送りねじ２２と螺合されていてコラム１５上面のＷ軸サーボモータ２３がＮＣ装置により駆動されることによりＷ軸送りねじ２２が回転され上下移動位置決めされる。
【００２３】
この工具マガジン２０はマガジンフレーム２１に主軸１２と直角水平（Ｙ軸方向）に円筒中心軸２４が固設されており、この円筒中心軸２４に軸受によってマガジンドラム２６が回転可能に軸承されている。円筒中心軸２４前端にはサーボモータ２７が取着されていて、その出力軸２８は円筒中心軸２４を貫通しており、出力軸２８に固着した歯車とマガジンドラム２６の背面に固着した歯車とを図示しない歯車機構によって連結されＮＣ装置の指令でサーボモータ２７が駆動されることによりマガジンドラム２６を回転割出するようになっている。
【００２４】
マガジンドラム２６の外周には工具を貯蔵する多数個のツールポット２９が主軸１２と直角Ｙ軸方向外方を向く姿勢を保ち主軸軸線方向に９０°旋回可能な構成で等間隔に配置されている。そして円筒中心軸２４の真下位置が工具交換位置であって、ＮＣの指令でサーボモータ２７の駆動により、この位置に割出され工具を収納するツールポット２９は工具交換準備指令で図２に示す流体圧シリンダ装置１１７の作動によって下方へ９０°旋回させ水平状態から鉛直状態Ｚ軸方向主軸と平行に姿勢を変える。
【００２５】
さらに主軸頭１１と工具マガジン２０との間の中央位置に工具交換ユニット３１が配置されており、この工具交換ユニット３１は前述した図３に示す機構によってサーボモータ３２でツインアームの工具交換アーム３３を旋回軸３４の軸方向移動と９０°と１８０°の旋回を行うことができる。
【００２６】
このような構成になる第１実施例の工具交換時の抜き差し動作を図６にもとづき説明する。
ＮＣ装置の工具交換準備指令でサーボモータ２７が駆動されて工具マガジン２０のマガジンドラム２６が旋回され次工具を収納するツールポット２９を交換位置に割出しする。ツールポット２９が割出されると、流体圧シリンダ装置１１７のピストンロッド端とツールポット２９の係合部が係合して油圧シリンダ装置１１７が作動して、ツールポット２９を下方に９０°旋回して主軸と平行として待機している。
ＮＣ装置により工具交換指令が出されると、主軸頭１１は加工完位置から工具交換位置へ位置決めされ、主軸１２に装着されている工具は待機している工具マガジンのツールポット２９の工具と同一高さとなる。
【００２７】
次いでＮＣの工具交換指令で工具交換ユニット３１のクラッチ部材（１２８）が作動し図３の従来の装置と同様にサーボモータ３２（１２４）の回転がボールナット（１２２）と雌スプライン体（１２７）を介して旋回軸３４（１２１）に伝達され工具交換アーム３３（１２１ｂ）は９０°旋回し把持グリッパが主軸１２に装着されている現工具と、ツールポット２９に装着されている次工具を把持する。前記クラッチ部材（１２８）が不作動となるとともにブレーキ部材（１２９）が作動して雌スプライン体（１２７）にブレーキを掛ける。サーボモータ３２の回転はボールナット（１２２）に伝達される。
【００２８】
ブレーキを掛けられた雌スプライン体（１２７）によりボールねじ（１２１ａ）の回転が阻止されてサーボモータ３２の引き続く回転によりボールナット（１２２）を介してボールねじ（１２１ａ）は軸方向に移動され両グリッパに現工具と次工具を掴んだ工具交換アーム３３は下降し、主軸１２およびツールポット２９から現工具と次工具を抜きだす動作を行うが、同時にＺ軸サーボモータ１４の駆動によるＺ軸送りねじ１３の回転およびＷ軸サーボモータ２３の駆動によるＷ軸送りねじ２２の回転により主軸頭１１およびマガジンフレーム２１は工具交換アーム３３の抜き動作の方向とは反対方向にそれぞれ上昇移動する。工具交換アーム３３と主軸１２およびツールポット２９は相対的な運動をして相対速度を速めて抜き動作を行う。
【００２９】
通常互いの反対方向の移動速度は同一速度とし、かつそれぞれの移動距離は等しく工具引き抜きストロークの半分とする。従って、工具交換アーム３３，主軸１２，ツールポット２９は同時に停止し、かつ主軸，ツールポットの各工具の把持溝と工具交換アーム３３の把持グリッパとは同一面上に位置する。なお、移動速度に変え移動時間を同一としても同じである。また、主軸，工具交換アーム，工具マガジンの停止位置，停止時間が同一若しくはほぼ同一であれば移動速度・移動距離は種々設定する自由度がある。
【００３０】
抜き動作終了後、工具交換アーム３３は１８０°逆旋回した後工具引き抜き時と逆動作で上昇し、同時に主軸頭１１およびマガジンフレーム２１は工具交換アーム３３の差し込み動作の方向とは反対方向に同速度，同距離下降して、主軸１２に次工具を装着かつツールポット２９に現工具を返却する。その後、交換アーム３３は逆方向に９０°旋回し主軸１２およびツールポット２９から退避して、工具交換動作を終了する。この実施例においては工具抜き差しの移動距離が１／２となり、相対速度が２倍動作時間を１／２にできる。
【００３１】
〔実施例２〕
次に本発明の第２実施例を図７にもとづき説明する。
本例では工具マガジン４０から工具交換位置にある待機ポット（ツールポット）４６または工具交換位置からマガジン側の工具受け取り位置に移動した待機ポット４６に次工具を移送するサブアーム４２を有する工具移送装置４１を持つ工作機械における工具交換動作に応用するものであって、工具交換アーム３３と主軸１２および待機ポット４６に相対的な運動を与えれば第１実施例と同様の工具交換動作が実施可能である。
【００３２】
第１実施例と異なる部分の構成について説明し、同じ部分については同符号を付して説明を省略する。
工具マガジン４０は重量工具に対応してツールポット２９を懸垂状態で工具交換ユニット３１より離れた位置に配置されている。この工具マガジン４０に併設して工具移送装置４１が設けられている。工具移送装置４１に設けられたサブアーム４２は、流体圧シリンダ４４によって工具抜き差しの上下移動可能でサーボモータ４３によって１８０°旋回可能である。待機ポット４６はＷ軸サーボモータ４８とＷ軸送りねじ４７の駆動によりマシニングセンタの主軸Ｚ軸と平行な方向に移動位置決め可能であって、工具交換アーム３３に対して主軸１２と対称位置で待機する。
【００３３】
続いて第２実施例の作用を説明する。工具交換指令に先立って交換準備指令でサブアーム４２がサーボモータ４３の駆動で退避位置から９０°旋回して工具マガジン４０の割り出されているツールポット２９の工具を把持する。そして流体圧シリンダ４４の作動で工具を引き抜き、サーボモータ４３の駆動で１８０°旋回して待機ポット４６と同軸に位置し上昇して工具を装着しておく。
【００３４】
工具交換指令が出されると第１実施例と同様な手順で主軸頭１１はＺ軸サーボモータ１４によって加工位置から工具交換位置に位置決めされ、サーボモータ３２の駆動で前述のように工具交換アーム３３が９０°旋回し主軸１２に装着されている現工具と、待機ポット４６に装着されている次工具を把持する。両グリッパに現工具と次工具を掴んだ工具交換アーム３３はサーボモータの引き続く駆動で下降する。同時にＺ軸サーボモータ１４の駆動によるＺ軸送りねじ１３の回転およびＷ軸サーボモータ４８の駆動によるＷ軸送りねじ４７の回転によって主軸１２および待機ポット４６は工具交換アーム３３の抜き動作の方向とは反対の方向に上昇移動位置決めされる。
【００３５】
このように工具交換アーム３３と主軸１２および待機ポット４６は相対運動で抜き動作を行う。抜き動作終了後、工具交換アーム３３は１８０°旋回して工具位置を入れ替えた後、抜き動作の逆の動作で上昇し、同時に主軸頭１１および待機ポット４６は工具交換アーム３３と反対の方向に下降して、主軸１１に次工具を装着かつ待機ポット４６に現工具を返却する。その後工具交換アーム３３は逆方向に９０°旋回し主軸１１および待機ポット４６から退避して、工具交換動作を終了する。この実施例においては第１実施例と同じく抜き差し動作時間が１／２となる。
【００３６】
〔実施例３〕
更に第３実施例を図８にもとづき説明する。
主軸頭１１，工具マガジン２０は第１実施例と同じであるので同符号を付して説明を省略する。異なる部分は工具交換ユニット３１であって、この工具交換ユニット３１は、コラム１５上に配置されたＲ軸サーボモータ５１とその出力軸と回転伝達されコラム１５に回転可能に軸承されたＲ軸送りねじ５２によって、主軸と平行な方向にＮＣで移動位置決めが可能なことである。
【００３７】
次いで第３実施例の動作を説明する。工具交換指令が出されると、主軸頭１１は加工位置から工具交換位置に位置決めされる。工具交換ユニット３１のサーボモータ３２の駆動で工具交換アーム３３が９０°旋回し主軸１２およびマガジンのツールポット２９の工具を把持したあと下降する。同時にＲ軸サーボモータ５１とＲ軸送りねじ５２とによって工具交換ユニット３１を工具交換アーム３３の抜き方向と同じ方向に下降させる。これと同時に主軸頭１１およびマガジンフレーム２１をＺ軸，Ｗ軸サーボモータ１４，２３によって工具交換アーム３３の抜き差しの方向と逆方向に上昇させる。
【００３８】
この場合、通常主軸頭１１とマガジンフレーム２１，工具交換ユニット３１，工具交換アーム３３の移動距離はそれぞれ工具抜きストロークの１／３とし、移動速度は同一とする。従って移動時間は同じになるので工具把持溝，工具交換アームのグリッパは同一面上となる。
移動速度同一に変え移動時間を同一としても同じであり、大幅な抜き差し動作の動作時間が短縮され、工具交換時間を短縮することができる。なお、第１〜第３実施例において、移動時間或いは移動速度，移動距離，停止位置は完全一致でなくとも、工具交換アーム３３の工具把持に支障のない程度の不一致は許容される。また、各部の移動ストローク、速度はそれぞれの重量やモータ出力などに合わせ適宜設定可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は上述のようであるので、以下の効果を奏する。
請求項１の発明は、工具交換の工具抜き差しに際して工具交換アームの移動方向に対し主軸，工具マガジンまたは待機のツールポットを逆方向に同時に移動することができるので工具交換時の抜き差しの相対速度を速くし動作時間を短縮することができる。
【００４０】
請求項２の発明は、工具交換の工具抜き差しに際して工具交換アームを有する工具交換ユニットを工具交換アームとともにさらに移動できるようにしたので工具交換アームの相対速度を速くし、移動距離を短くでき動作時間を短縮することができる。
【００４１】
請求項３の発明は、工具交換の工具抜き差しに際して工具交換ユニット，工具マガジンまたは待機のツールポットを移動可能に設けたので工具交換時の工具交換アームの相対速度を速く、移動距離を短縮できるので抜き差し動作時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のマシニングセンタ外観図である。
【図２】図１のマシニングセンタの主軸，工具交換ユニット，工具マガジンの機能説明図である。
【図３】従来技術の工具交換ユニットの機能詳細説明図である。
【図４】従来技術の工具マガジンのポット移動機構の図である。
【図５】本発明の主軸，工具交換ユニット，工具マガジンの外観図である。
【図６】本発明の第１実施例の主軸，工具マガジン，工具移送装置，工具交換ユニットの機能説明図である。
【図７】本発明の第２実施例の主軸，工具マガジン移送装置，待機のツールポット，工具交換ユニットの機能説明図である。
【図８】本発明の第３実施例の主軸，工具マガジン，工具交換ユニットの機能説明図である。
【符号の説明】
１１ 主軸頭 １２ 主軸
１３，２２，４７，５２， １０５ 送りねじ
１４，２３，２７，３２， ５１ サーボモータ
２０，４０ 工具マガジン ２１ マガジンフレーム
２９，４６ ツールポット ３１ 工具交換ユニット
３３ 工具交換アーム ４１ 工具移送装置
４２ サブアーム ４４ 流体圧シリンダ装置[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an NC machine tool having an automatic tool changer such as a machining center or a multi-tasking lathe.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A tool changer of a machine tool having an exchange arm conventionally performs an operation necessary for exchanging a tool by rotating and exchanging the exchange arm itself. Conventionally, in a vertical machining center, as shown in FIGS. 1 and 2, a column 102 is erected on the rear side of a bed 101, and a spindle head 106 is guided along a vertical (Z-axis) guide on the front surface of the column 102. Is movably mounted. The spindle head 105 is moved and positioned by a servomotor 104 disposed on the column 102 via a feed screw 105. A spindle 107 is rotatably supported by a plurality of bearings on the spindle head 106, and a tool holder 108 having a tool mounted in a tapered hole at the tip of the spindle is detachably mounted.
[0003]
A tool magazine 113 is disposed on the left side of the spindle head 106 of the column 102. The tool magazine 113 has a rotary drum 112 which is rotated and indexed by a servomotor 116 and is supported at a horizontal axis. A tool pot 114 for storing a plurality of tools at right angles to the main shaft 107 at equal intervals is provided on the outer periphery thereof. It is rotatably supported, and the servo motor 116 is driven by an NC command to index the tool pot 114 of the rotary drum 112 to a lower tool change position. At this position, a fluid pressure cylinder 117 that turns the tool pot by 90 ° and waits in a posture parallel to the main shaft is installed. An exchange arm unit 120 is arranged between the tool magazine 113 and the spindle head 106. (For example, see Patent Document 1)
[0004]
As shown in FIG. 3, the tool change arm unit 120 has a ball screw 121a formed at the upper end in a hole in the main shaft direction of the unit main body, and the arm shaft 121 having the tool change arm 121b fixed at the lower end is inserted. Have been. A ball nut 122 is fitted into the unit main body so as to be screwed with the ball screw 121a and rotate only. A gear 123 is fixed to the ball nut 122, and meshes with a gear 126 fitted to the output shaft of an NC control servomotor 124 fixed on the column 120 in parallel with the arm shaft 121. .
A female spline body 127 is rotatably fitted between the bottom plate 106a of the unit body and the ball nut 122, and a clutch member 128 and a female spline body 127 are inserted between the ball nut 122 and the female spline body 127. A brake member 129 is interposed between the bottom plate 106a and the bottom plate 106a.
[0005]
The clutch member 128 includes an electromagnetic coil 131 fixed to the female spline body 127 side, a mountain-shaped movable serration axially moved by the electromagnetic coil 131, and a fixed serration fixed to the ball nut side. Transmission of rotation from the ball nut 122 to the female spline body 127 is enabled or disabled by turning the power on and off. The brake member 129 includes an electromagnetic coil 132 fixed to the female spline body side, a mountain-shaped movable serration axially moved by the electromagnetic coil 132, and a fixed serration fixed to the bottom plate 106a. Are locked to the bottom plate 106a, and the rotation of the female spline body 127 is restricted. When the power supply to the electromagnetic coil 132 is cut off, the female spline body 127 is released from being locked to the bottom plate 106a and can be rotated.
[0006]
When the tool change command is issued, the servo motor 124 is driven, the brake member 128 is operated, the female spline body 127 is rotated via the ball nut 122, and the tool change arm 121b integrated with the arm shaft 121 is turned by 180 degrees. The current tool mounted on the spindle 107 and the next tool mounted on the tool pot 114 of the tool magazine 113 are grasped. The tool change arm 121b gripping the current tool and the next tool operates the clutch member 128 and operates the brake member 129 to regulate the female spline body 127, thereby rotating the ball nut 122 and descending in the direction of the turning axis. Then, the current tool and the next tool are extracted from the tool pot 114.
[0007]
After the disengagement operation is completed, the clutch member 128 is activated and the brake member 129 is deactivated, and the servo motor 124 is rotated in the reverse direction. Then, the next tool is mounted on the main shaft 107 and the old tool is returned to the tool pot 114. Thereafter, the tool changing arm turns and retracts from the main shaft and the tool pot, and the tool changing operation is completed.
[0008]
As shown in FIG. 4, when the tool pot 145 of the tool magazine is moved in the axial direction when the tool is inserted or removed, the spindle head 141 moves from the position b to the position B at the position A, and the lower end of the spindle head 141 is connected. The pin 143 is inserted into a hole 146a of the hook body 146 fitted to the upper end of the pivot center shaft 144 so as to be vertically movable. Next, the servo motor 147 rotates, and the turning center shaft 144 rotates via the gears and the belt, and the twin-arm tool exchange arm 148 indexes the spindle mounting tool T1 and the magazine side home position with the gripping claws at both ends. Or the storage tool T2 of the magazine pot 145 is simultaneously gripped. The spindle head is raised by a distance c in the Z-axis direction by a Z-axis servomotor (not shown).
[0009]
At this time, both the spindle-side tool T1 and the magazine-side tool T2 are gripped by the tool change arm 148 to restrict the vertical movement, and are fixed to the hook bodies 146 and 146 via the connecting pins 143 when the spindle head 141 rises. The hook 149 is moved up, and the magazine pot 145 of the tool magazine 151 engaging with the hook 149 is further moved up along the pot guide 153 via the connecting piece 152 at the upper end. By raising the spindle head 141 and the magazine pot 145, both tools are simultaneously extracted from the spindle and the magazine pot. Next, when the tool exchange arm 148 turns and the positions of the two tools to be gripped are switched, and when the spindle head 141 descends by the distance C in the Z-axis direction, the magazine pot 145 simultaneously descends, and tools necessary for the next machining are inserted into the spindle. At the same time, the used tool is inserted into the magazine pot 145. (For example, see Patent Document 2)
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. H08-141863 [page 2, column 2, FIG. 4 (FIG. 1 in the specification))
[Patent Document 2]
JP-A-8-150530 [page 4, column 6, FIG. 1 (FIG. 4 in the specification))
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In Patent Literature 1, a tool is attached / detached only by inserting / removing a tool change arm while a spindle and a tool pot of a magazine remain fixed. Further, in Patent Literature 3, the tool change arm is operated only for turning, and the tool is detached by moving the magazine pot and the main shaft up and down. Operating speed. Since the operating speed of the tool change arm is determined in consideration of the weight of the heaviest tool used, rapid tool change cannot always be said to be possible. Because of this, there is a problem in shortening the tool change time.
[0012]
According to the present invention, during the insertion / removal operation of the tool change arm, the main shaft and the tool magazine or the tool pot to which the tool in standby is mounted are further moved in the direction opposite to the direction of movement of the tool change arm in the main shaft direction. Alternatively, the tool changing unit having the tool changing arm is moved in the same direction as the moving direction of the tool changing arm in the main shaft direction. Alternatively, the above two operations are performed simultaneously, and in addition to the relative movement between the spindle and the tool magazine or the tool pot and the tool changing arm, the relative movement between the tool changing arm and the tool changing unit is performed in the same direction to perform the relative movement. It is an object of the present invention to provide an NC machine that increases the speed and shortens the moving distance to reduce the time required for changing the spindle tool.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is an NC machine tool having an automatic tool change function by moving and turning a tool change arm in a main shaft direction and capable of moving and positioning a main shaft in an axial direction. A tool pot for storing the exchange tool transferred from the tool pot of the tool magazine by the transfer device and standing by is provided so as to be movable and positionable in the main shaft axis direction, and a positioning means is provided for moving the tool magazine or the tool pot in the main shaft direction. The tool magazine synchronously controls the axial movement of a tool magazine or a standby tool pot, a spindle, and a spindle of a tool exchange arm at the time of tool exchange.
[0014]
According to the first aspect of the present invention, since the tool magazine or the tool pot can be moved and positioned in the direction of the spindle axis, the relative speed can be reduced by moving the tool exchange arm and the spindle and the tool magazine or the tool pot in opposite directions. It will be faster and you can reduce the time of insertion and removal.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an NC machine tool having an automatic tool changing function by moving and rotating a tool changing arm in a main axis direction, wherein a tool changing unit for supporting the tool changing arm in a main axis direction and turning is provided. The tool change arm is provided so as to be movable and positionable in the axial direction, the tool change arm is provided with main shaft direction movement positioning means, and the tool change unit is provided with a main shaft direction move means. This is to control the directional movement synchronously.
[0016]
According to the second aspect of the present invention, since the tool changing unit holding the tool changing arm can be moved and positioned in the main axis direction, the tool changing arm and the tool changing unit are moved in the same direction. The relative speed of the exchange arm increases. In addition, the required moving distance can be shared by half, so that the time for inserting and removing the tool can be reduced.
[0017]
The invention according to claim 3 is an NC machine tool which has an automatic tool change function by moving and turning the tool change arm in the main shaft direction and capable of moving and positioning the main shaft in the axial direction. A tool change unit for bearing is provided so as to be movable and positionable in the main shaft axis direction, and a tool pot for storing a tool magazine or a tool pot that is transferred from a tool pot of the tool magazine by a transfer device and waiting for the tool in the main shaft direction. Provided so as to be movable and positionable, provided with means for moving the tool exchange arm in the direction of the spindle axis and means for moving the tool exchange unit in the axis direction of the spindle, and for moving the tool magazine or the waiting tool pot in the axis direction of the spindle. Positioning means is provided, and when changing tools, the spindle, tool change arm, tool change unit, tool magazine, etc. Is to control the synchronization of the spindle axial movement of the tool pot of the stand.
[0018]
According to the invention of claim 3, a magazine device having a tool changing unit for bearing a tool changing arm and a tool pot for storing a next tool or a tool pot at a standby position is provided so as to be movable and positioned in the main shaft axis direction. By simultaneously moving the tool change arm and the tool change unit in the same direction and the tool change arm and the spindle and the tool magazine or tool pot in the opposite direction, the relative speed of the tool change arm can be remarkably increased. In addition, the tool removal / insertion time can be significantly reduced by sharing each movement distance with one third of the tool extraction distance.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First embodiment]
The first embodiment will be described with reference to FIG. 5 showing a perspective view of a spindle head, a tool changing unit, and a tool magazine and FIG. 6 showing functionally.
[0020]
In the NC machining center shown in Patent Document 1 shown in FIG. 1, a tool magazine can be moved and positioned in the direction of a spindle axis. That is, a spindle head 11 incorporating a spindle 12 which is vertically movable, is rotatably supported by a plurality of bearings, is rotatable by a motor, and has a tool mounted at a lower end thereof is provided on a guide surface in front of a column 15 established in the bed in FIG. Have been.
[0021]
The column 15 is provided with a Z-axis feed screw 13 rotatable only in the vertical direction (Z-axis direction), and is connected to the output shaft of a servomotor 14 disposed on the upper surface of the column. A nut 11 a attached to the spindle head 11 is screwed to the Z-axis feed screw 13. Therefore, by driving the Z-axis servo motor 14 with an NC (numerical control) device, the rotation of the Z-axis feed screw 13 causes the spindle head 11 to move and be positioned vertically.
[0022]
On the other hand, beside the spindle head 11, a tool magazine 20 is provided on a vertical guide surface on the front surface of a column 15 so as to be vertically movable and positioned in a magazine frame 21, and a W-axis feed screw is rotatable in the Z-axis direction of the column 15. 22 is provided, and is connected to the output shaft of a w-axis servomotor 23 disposed on the upper surface of the column 15. The magazine frame 21 of the tool magazine 20 is provided on the back surface, the nut 21a is screwed with the W-axis feed screw 22, and the W-axis servo motor 23 on the upper surface of the column 15 is driven by the NC device so that the W-axis feed screw 22 is It is rotated and positioned vertically.
[0023]
In the tool magazine 20, a cylindrical center shaft 24 is fixed to a magazine frame 21 at right angles to the main shaft 12 (Y-axis direction), and a magazine drum 26 is rotatably mounted on the cylindrical center shaft 24 by a bearing. . A servomotor 27 is attached to the front end of the cylindrical center shaft 24, and its output shaft 28 passes through the cylindrical center shaft 24, and includes a gear fixed to the output shaft 28 and a gear fixed to the back of the magazine drum 26. Are connected by a gear mechanism (not shown), and the servo motor 27 is driven by a command from the NC device to index the magazine drum 26.
[0024]
On the outer periphery of the magazine drum 26, a plurality of tool pots 29 for storing tools are arranged at regular intervals in a configuration in which the tool pot 29 is turned outward in the Y-axis direction perpendicular to the main shaft 12 and can be turned 90 ° in the main shaft axis direction. . The position directly below the cylindrical center axis 24 is the tool change position, and the tool pot 29 that stores the tool indexed to this position by the drive of the servomotor 27 according to the NC command is shown in FIG. By operating the fluid pressure cylinder device 117, it is turned downward by 90 °, and the posture is changed from the horizontal state to the vertical state in parallel with the main axis in the Z-axis direction.
[0025]
Further, a tool changing unit 31 is arranged at a central position between the spindle head 11 and the tool magazine 20. The tool changing unit 31 is a twin arm tool changing arm 33 by the servo motor 32 by the mechanism shown in FIG. In the axial direction of the turning shaft 34 and turning by 90 ° and 180 °.
[0026]
The insertion / removal operation at the time of tool exchange of the first embodiment having such a configuration will be described with reference to FIG.
The servo motor 27 is driven by the tool change preparation command of the NC device, the magazine drum 26 of the tool magazine 20 is turned, and the tool pot 29 for storing the next tool is indexed to the change position. When the tool pot 29 is indexed, the piston rod end of the fluid pressure cylinder device 117 and the engagement portion of the tool pot 29 are engaged to operate the hydraulic cylinder device 117, and the tool pot 29 is turned downward by 90 °. Waiting in parallel with the main shaft.
When a tool change command is issued by the NC device, the spindle head 11 is positioned from the machining completion position to the tool change position, and the tool mounted on the spindle 12 has the same height as the tool in the tool pot 29 of the standby tool magazine. Will be.
[0027]
Then, the clutch member (128) of the tool changing unit 31 is operated by the NC tool changing command, and the rotation of the servomotor 32 (124) is performed by the ball nut (122) and the female spline body (127) as in the conventional apparatus of FIG. The tool change arm 33 (121b) is turned 90 ° and the gripper gripper grips the current tool mounted on the spindle 12 and the next tool mounted on the tool pot 29. I do. The clutch member (128) becomes inactive and the brake member (129) operates to apply a brake to the female spline body (127). The rotation of the servo motor 32 is transmitted to the ball nut (122).
[0028]
The rotation of the ball screw (121a) is prevented by the female spline body (127) with the brake applied, and the ball screw (121a) is moved in the axial direction via the ball nut (122) by the continued rotation of the servomotor 32, so that the two are rotated. The tool change arm 33 gripping the current tool and the next tool by the gripper descends to extract the current tool and the next tool from the main shaft 12 and the tool pot 29. At the same time, the Z-axis feed by driving the Z-axis servomotor 14 is performed. The rotation of the screw 13 and the rotation of the W-axis feed screw 22 driven by the W-axis servomotor 23 cause the spindle head 11 and the magazine frame 21 to move upward in the direction opposite to the direction in which the tool change arm 33 is pulled out. The tool exchanging arm 33, the main shaft 12, and the tool pot 29 perform a relative movement to increase the relative speed and perform the extracting operation.
[0029]
Usually, the moving speeds in the opposite directions are the same, and the moving distances are equal to each other and are half of the tool drawing stroke. Therefore, the tool changing arm 33, the main shaft 12, and the tool pot 29 are stopped at the same time, and the holding groove of each tool of the main shaft and the tool pot and the holding gripper of the tool changing arm 33 are located on the same plane. Note that the same applies even when the moving time is changed to the moving speed. If the stop position and stop time of the spindle, the tool change arm, and the tool magazine are the same or almost the same, there is a degree of freedom in setting the moving speed and moving distance variously.
[0030]
After the pulling-out operation is completed, the tool changing arm 33 rotates 180 ° in reverse and then rises in the reverse direction of the tool pulling-out operation, and at the same time, the spindle head 11 and the magazine frame 21 move in the opposite direction to the direction of the insertion operation of the tool changing arm 33. At the same speed and distance, the next tool is mounted on the spindle 12 and the current tool is returned to the tool pot 29. Thereafter, the exchange arm 33 turns 90 ° in the reverse direction and retracts from the main shaft 12 and the tool pot 29, and the tool exchange operation ends. In this embodiment, the moving distance of the tool insertion / removal becomes １ ／, the relative speed is doubled, and the operation time can be １ ／.
[0031]
[Example 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In this example, a tool transfer device 41 having a sub-arm 42 for transferring the next tool from the tool magazine 40 to the standby pot (tool pot) 46 at the tool change position or to the standby pot 46 moved from the tool change position to the tool receiving position on the magazine side. The present invention is applied to a tool changing operation in a machine tool having the following. If a relative movement is given to the tool changing arm 33, the spindle 12, and the standby pot 46, the same tool changing operation as in the first embodiment can be performed. .
[0032]
The configuration of a portion different from the first embodiment will be described, and the same portions will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
The tool magazine 40 is arranged at a position away from the tool changing unit 31 with the tool pot 29 suspended in correspondence with the heavy tool. A tool transfer device 41 is provided in parallel with the tool magazine 40. The sub arm 42 provided in the tool transfer device 41 can be moved up and down by inserting and removing a tool by a fluid pressure cylinder 44 and can be turned 180 ° by a servo motor 43. The standby pot 46 can be moved and positioned in a direction parallel to the main axis Z axis of the machining center by driving the W-axis servo motor 48 and the W-axis feed screw 47, and stands by at a position symmetrical to the main axis 12 with respect to the tool changing arm 33. .
[0033]
Next, the operation of the second embodiment will be described. Prior to the tool change command, the sub arm 42 is turned 90 ° from the retracted position by the drive of the servomotor 43 by the change preparation command to grip the tool in the tool pot 29 indexed by the tool magazine 40. Then, the tool is pulled out by the operation of the fluid pressure cylinder 44, turned 180 ° by the drive of the servo motor 43, is positioned coaxially with the standby pot 46, and rises to mount the tool.
[0034]
When a tool change command is issued, the spindle head 11 is positioned from the machining position to the tool change position by the Z-axis servo motor 14 in the same procedure as in the first embodiment, and the tool change arm 33 is driven by the servo motor 32 as described above. Pivots 90 ° to grip the current tool mounted on the spindle 12 and the next tool mounted on the standby pot 46. The tool change arm 33 holding the current tool and the next tool by both grippers is lowered by the continued drive of the servomotor. At the same time, the rotation of the Z-axis feed screw 13 by the driving of the Z-axis servomotor 14 and the rotation of the W-axis feed screw 47 by the driving of the W-axis servomotor 48 cause the main shaft 12 and the standby pot 46 to move in the direction in which the tool change arm 33 is pulled out. Are positioned to move upward in the opposite direction.
[0035]
As described above, the tool exchanging arm 33, the spindle 12, and the standby pot 46 perform the pulling operation by the relative motion. After the pulling operation is completed, the tool change arm 33 rotates 180 ° to change the tool position, and then moves up by the reverse operation of the pulling operation. At the same time, the spindle head 11 and the standby pot 46 move in the opposite direction to the tool changing arm 33. Then, the next tool is mounted on the spindle 11 and the current tool is returned to the standby pot 46. Thereafter, the tool change arm 33 turns 90 ° in the reverse direction and retreats from the main shaft 11 and the standby pot 46, and ends the tool change operation. In this embodiment, the insertion / removal operation time is halved as in the first embodiment.
[0036]
[Example 3]
Further, a third embodiment will be described with reference to FIG.
Since the spindle head 11 and the tool magazine 20 are the same as in the first embodiment, the same reference numerals are given and the description is omitted. The different part is a tool changing unit 31. The tool changing unit 31 has an R-axis servomotor 51 disposed on the column 15 and an R-axis feed that is rotationally transmitted to the output shaft and rotatably supported on the column 15. The screw 52 enables the NC to move and position in a direction parallel to the main axis.
[0037]
Next, the operation of the third embodiment will be described. When a tool change command is issued, the spindle head 11 is positioned from the machining position to the tool change position. The tool change arm 33 is turned by 90 ° by the drive of the servo motor 32 of the tool change unit 31 to lower the tool after holding the spindle 12 and the tool in the tool pot 29 of the magazine. At the same time, the tool change unit 31 is lowered by the R-axis servo motor 51 and the R-axis feed screw 52 in the same direction as the direction in which the tool change arm 33 is pulled out. At the same time, the spindle head 11 and the magazine frame 21 are raised by the Z-axis and W-axis servomotors 14 and 23 in a direction opposite to the direction in which the tool change arm 33 is inserted and removed.
[0038]
In this case, the moving distances of the spindle head 11, the magazine frame 21, the tool changing unit 31, and the tool changing arm 33 are each set to 1/3 of the tool removal stroke, and the moving speed is the same. Therefore, since the moving time is the same, the tool gripping groove and the gripper of the tool changing arm are on the same plane.
The same is true even when the moving speed is changed to be the same and the moving time is the same, so that the operation time of the insertion / removal operation is greatly reduced, and the tool change time can be shortened. In the first to third embodiments, even if the moving time or the moving speed, the moving distance, and the stop position do not completely match, a mismatch that does not hinder the tool holding of the tool changing arm 33 is allowed. Further, the moving stroke and speed of each part can be appropriately set according to the weight, motor output, and the like.
[0039]
【The invention's effect】
The present invention is as described above, and has the following effects.
According to the first aspect of the present invention, the main shaft, the tool magazine, or the standby tool pot can be simultaneously moved in the reverse direction with respect to the moving direction of the tool changing arm at the time of tool changing for tool changing. Faster and shorter operating time.
[0040]
According to the second aspect of the present invention, the tool changing unit having the tool changing arm can be further moved together with the tool changing arm at the time of tool removal and insertion for tool changing, so that the relative speed of the tool changing arm can be increased, the moving distance can be shortened, and the operation time can be shortened. Can be shortened.
[0041]
According to the third aspect of the present invention, since the tool change unit, the tool magazine or the standby tool pot is provided so as to be movable at the time of tool removal and insertion at the time of tool change, the relative speed of the tool change arm at the time of tool change can be increased and the moving distance can be shortened. It is possible to reduce the time required for the insertion / removal operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a conventional machining center.
FIG. 2 is an explanatory diagram of functions of a spindle, a tool changing unit, and a tool magazine of the machining center of FIG. 1;
FIG. 3 is a detailed explanatory diagram of functions of a conventional tool changing unit.
FIG. 4 is a diagram of a pot moving mechanism of a conventional tool magazine.
FIG. 5 is an external view of a spindle, a tool changing unit, and a tool magazine of the present invention.
FIG. 6 is a functional explanatory view of a spindle, a tool magazine, a tool transfer device, and a tool changing unit according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a functional explanatory diagram of a spindle, a tool magazine transfer device, a standby tool pot, and a tool changing unit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of functions of a spindle, a tool magazine, and a tool changing unit according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Spindle head 12 Spindle 13, 22, 47, 52, 105 Feed screw 14, 23, 27, 32, 51 Servo motor 20, 40 Tool magazine 21 Magazine frame 29, 46 Tool pot 31 Tool exchange unit 33 Tool exchange arm 41 Tool Transfer device 42 Sub arm 44 Fluid pressure cylinder device
