JP2004314236A

JP2004314236A - 工作機械及び工作機械の工具交換方法

Info

Publication number: JP2004314236A
Application number: JP2003111622A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yasumoto; 孝一安本
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】工具交換時における工具や主軸とワークとの干渉を確実に避けることができる工作機械を提供する。
【解決手段】工具交換処理が開始されると、Ｚ軸が同時動作位置まで復帰される（Ｓ１）。続いてＸＹ軸に退避位置が設定されているか否かが判断され（Ｓ２）、設定されている場合は、退避位置までＸＹ軸が移動される（Ｓ４）。退避位置は、ワークを保持するテーブルが現加工位置から次の加工位置に移動する経路に工具等と干渉するものがあるときにその干渉物を回避することができる位置である。続いて、Ｓ５では工具交換動作が実行され、その後、次の加工位置にＸＹＢ軸が移動される（Ｓ６）。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具が装着された主軸ヘッドを加工領域及び交換領域の間で移動させてワークの加工及び工具交換を行う工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の工具を着脱可能に備え、対話式入力による加工プログラムが指定する工具を順に主軸に装着して様々な加工を連続的に行うことができる工作機械がある。このような工作機械では、主軸ヘッドを加工領域から交換領域に移動させて主軸に装着された工具を次に使用される工具と交換する作業を行うようになっている（例えば、特許文献１参照）。この場合、ワークを保持するテーブルを次に使用される工具の加工位置へ移動させる作業は工具の交換作業と並行して行われ、以って作業時間の短縮化が図られている。
【０００３】
前記テーブルの移動は、主軸ヘッドが所定の高さ位置（同時動作位置）まで移動された後、開始される。これは、主軸に装着された工具とワークとの衝突を避けるためである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−４８０７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記同時動作位置は、ワークにおいて交換前の工具が加工を行う位置及び交換後の工具が加工を行う位置と工具の関係に基づいて設定される。従って、主軸ヘッドが同時動作位置にあっても、交換前の工具の加工位置から次の工具による加工位置までテーブル（ワーク）が移動される経路に治具やワーク自身の突出部等の干渉物が存在すると、テーブルの移動の際に主軸や工具と干渉物とが衝突してしまう。
【０００６】
例えば、図８は対話式入力による加工プログラムの例を示している。この加工プログラムでは、穴径３ｍｍの穴加工が３点あり、加工開始位置はＸ軸が３０ｍｍ、Ｙ軸が２０ｍｍ、２番目の加工位置は加工開始位置からＸ軸方向に５０ｍｍ、Ｙ軸方向に０ｍｍ離れた位置、３番目の加工位置は２番目の加工位置からＸ軸方向に０ｍｍ、Ｙ軸方向に５０ｍｍ離れた位置であることが示されている。また、Ｚ軸位置は高さが５０ｍｍ、加工深さが５０ｍｍであることが示されている。
【０００７】
図９は、図８の加工プログラムに設定された加工位置を示している。図９において、位置▲１▼〜▲３▼は、それぞれ、加工開始位置、２番目の加工位置、３番目の加工位置を示している。
【０００８】
ところで、対話式入力の場合、予め工程の種類に応じて使用する工具が記憶されている。穴加工の場合は、使用される工具として最初にセンタドリル、次にドリルと記憶され、その順序で加工が行われる。従って、図８に示す加工プログラムでは、位置▲１▼〜▲３▼の順でセンタドリルを用いた加工が行われた後、工具交換を行い、再度、位置▲１▼〜▲３▼の順でドリルを用いた加工が行われる。
【０００９】
この場合、通常は位置▲３▼で工具交換を行うと同時にテーブルが位置▲１▼へ移動される。しかし、工具が治具等に干渉する場合は、同時動作しないように設定して工具の干渉を回避するしか方法がなかった。これは、対話式入力の加工プログラムでは、加工に必要な項目を入力するだけで加工動作が決定されてしまうためである。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、工具交換時における工具や主軸とワークとの干渉を確実に避けることができる工作機械を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の工作機械は、装着された工具を回転駆動させてワークを加工する主軸ヘッドと、前記ワークの加工を行う加工領域及び前記主軸ヘッドに装着された工具を交換する交換領域の間で前記主軸ヘッドを移動させる主軸ヘッド移動手段と、前記ワークを保持するテーブルと、前記テーブル及び前記主軸ヘッドを、少なくとも前記主軸ヘッドに装着された工具の回転軸と垂直な方向に相対移動させる相対移動手段と、前記交換領域に移動された前記主軸ヘッドに装着されている工具を次に使用する工具に交換する交換手段と、前記加工領域から前記交換領域に前記主軸ヘッドが移動される際に、少なくとも前記主軸ヘッド及び前記主軸ヘッドに装着されている工具が前記テーブルに保持されているワークに干渉することなく前記相対移動手段を駆動可能な移動開始位置まで前記主軸ヘッドを前記工具の回転軸方向に移動させる主軸ヘッド退避手段と、前記主軸ヘッドの位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段により前記主軸ヘッドが移動開始位置まで移動したことが検出されると、前記相対移動手段を駆動して前記テーブルの現在の位置から次に使用する工具を用いて加工が行われる位置まで相対移動させる相対移動開始手段と、前記交換手段による工具の交換作業時の前記テーブル及び前記主軸ヘッドの相対位置を交換退避位置として設定するための退避位置設定手段とを備え、前記退避位置設定手段により前記交換退避位置が設定されているときは、前記相対移動開始手段は、前記相対移動手段を駆動して前記テーブルの現在の位置から前記交換退避位置まで相対移動させた後、次に使用する工具を用いて加工が行われる位置に相対移動させることを特徴とする。
【００１２】
加工領域から交換領域まで主軸ヘッドを移動させて工具の交換作業を行うときに、並行して、前記テーブルの現在の位置から次に使用する工具を用いて加工が行われる位置までテーブル及び主軸ヘッドを相対移動させると、交換作業に掛かる時間を短縮することができる。しかし、テーブルに保持されているワークの形状や主軸ヘッドに装着される工具、交換手段の形状等によっては、現在の位置から次の加工位置までテーブル及び主軸ヘッドを相対移動する際に、工具や交換手段とワークとが干渉することがある。前記交換退避位置は、このような干渉を回避するための位置であり、交換退避位置を設定しておくことにより干渉を避けることができる。
【００１３】
本発明の請求項２の工作機械は、前記相対移動開始手段は、前記交換手段による工具交換作業が終了した後、前記相対移動手段を駆動して交換退避位置から次に使用する工具を用いて加工が行われる位置までテーブルを相対移動させることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、工具の交換作業が行われているときは、テーブル及び主軸の相対位置が交換退避位置にあるため、工具や交換手段とワークとの干渉を確実に防止できる。
【００１５】
この場合、前記退避位置設定手段は、前記工具交換手段による工具の交換作業毎の交換退避位置を設定可能に構成されていると良い（請求項３の発明）。
【００１６】
前記交換退避位置は、主軸ヘッドに現在装着されている工具及び次に装着される工具と、テーブルに保持されているワークとの組み合わせによって異なる。また、交換退避位置がテーブルの現在の加工位置や次に使用される工具の加工位置から離れていると、その分、テーブル及び主軸ヘッドの相対移動に要する時間が長くなる。上記構成によれば、工具やワークの組み合わせに最適な交換退避位置を設定することができ、交換退避位置への移動に伴う時間を短く抑えることができる。
【００１７】
また、移動開始位置を設定するための移動開始位置設定手段を設けることも良い構成である（請求項４）。
【００１８】
テーブルに保持されたワークから十分に離間した位置を移動開始位置として設定することにより、テーブル及び主軸ヘッドをテーブルの現在の位置から次の工具による加工位置まで直接的に相対移動させても、主軸ヘッドや主軸ヘッドに装着されている工具とテーブルに保持されているワークとの干渉を避けることができる場合がある。このような場合に、移動開始位置を任意に設定することができると、テーブル及び主軸ヘッドを交換退避位置に移動させなくても済む。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図１ないし図７を参照しながら説明する。
まず、図２及び図３を参照しながら本実施例に係る工作機械１の構成について説明する。まず、工作機械の全体構成を示す図２において、前記工作機械１は、切削屑の飛散を防止するためのスプラッシュガード２の内側に、ワーク３（図６にのみ示す）を保持するテーブル４、ドリルやタップなどの工具５を保持する工具マガジン６、工作機械本体７などを配置して構成されている。
【００２０】
前記スプラッシュガード２には、工作機械１の運転状況等を表示するための表示部８、工作機械１に指令を与えたり条件を入力したりするためのボタン類やフロッピーディスクドライブなどを備えた操作パネル９、ワーク３の入出やメンテナンスのためのワーク交換口１０、点検ハッチ１１などが設けられている。
【００２１】
図３は、工作機械本体７の一部を省略して示す側面図である。図３に示すように、工作機械本体７は、コラム１２に固定されたＺ軸用サーボモータ（以下、Ｚ軸モータとする）１３、前記Ｚ軸モータ１３によってボールねじ１４が回転されることにより上下動される主軸ヘッド１５、フレーム１６を介して前記コラム１２に固定されたマガジン支持台１７を中心に構成されている。前記Ｚ軸モータ１３は、主軸ヘッド移動手段、主軸ヘッド退避手段として機能する。
【００２２】
前記工具マガジン６は、工具５を保持する例えば１０個のグリップアーム１８を備えており、マガジン軸周りに回転可能に前記マガジン支持台１７に固定されている。前記工具マガジン６は、マガジンモータ１９により回転される。工具マガジン６、グリップアーム１８、マガジンモータ１９等は交換手段として機能する。
【００２３】
前記主軸ヘッド１５は、工具５を保持するための主軸（図示せず）、前記主軸を回転駆動する主軸モータ２０、複合カム体２１、主軸に対して工具５を脱着可能に保持するクランプ・アンクランプ機構（図示せず）等を備えている。
【００２４】
図１に前記工作機械１の概略的な電気的構成を示す。図１に示すように、工作機械１は、ＣＰＵ２４、ＲＡＭ２５、ＲＯＭ２６等を備えるマイクロコンピュータを主体に構成されている。
【００２５】
ＣＰＵ２４には、テーブル４をＸ軸方向（左右方向）に移動させるＸ軸モータ２７（相対移動手段に相当），Ｙ軸方向（前後方向）に移動させるＹ軸モータ２８（相対移動手段に相当）、Ｂ軸周りに回転（左右方向を軸に回転）させるＢ軸モータ２９（相対移動手段に相当）、Ｚ軸モータ１３、主軸モータ２０、マガジンモータ１９が接続されている。ＣＰＵ２４は、これらを駆動制御して前記テーブル４に保持されたワーク３に対して所定の工具による加工を行ったり、工具交換作業を実行したりする。
【００２６】
また、前記ＣＰＵ２４には表示部８、操作パネル９等が接続されている。操作パネル９はキー入力部（図示せず）を備えており、作業者がキー入力部を操作することによりキー入力信号がＣＰＵ２４に入力されるようになっている。
【００２７】
前記ＲＯＭ２６には、工作機械全体の動作を制御する制御プログラムやワーク加工のためのモータ駆動プログラム、工具交換のためのマガジン旋回プログラム、定数等が格納されている。前記ＲＡＭ２５には、制御実行中の変数やフラグ等が一時記憶されるようになっている。
【００２８】
また、ＣＰＵ２４は操作パネル９のフロッピーディスクドライブから読み込んだ加工プログラムやパラメータをＲＡＭ２５に一旦格納する。前記加工プログラム２５は工具交換タイミング及びワーク加工に使用する工具などを指示するためのものであり、表示部２に表示させることにより確認することができる。
【００２９】
図４は表示部８の表示画面に表示された対話式入力による加工プログラムで用いられるデータ入力の一例を示している。この表示画面では操作パネル９を操作することにより同時動作位置（Ｚ軸）、退避位置（ＸＹ軸）を入力することができる。具体的には、「工具０１」のＸ座標、Ｙ座標、Ｚ座標を入力することにより、主軸に装着されている「工具０１」を「工具０２」に交換する際の同時動作位置及び退避位置が設定される。同時動作位置及び退避位置はそれぞれ本発明の移動開始位置及び交換退避位置に相当する。従って、操作パネル９は移動開始位置設定手段及び退避位置設定手段として機能する。同時動作位置及び退避位置については後述する。
【００３０】
次に、上記工作機械１における工具交換処理について図５及び図６を参照しながら説明する。図５は工具交換処理のフローチャート、図６は工具交換作業の様子を概略的に示したものである。ここでは、工具５を工具５′に交換するものとする。
【００３１】
まず、ステップＳ１では、Ｚ軸を同時動作位置まで復帰させる。この動作は、図６の▲１▼及び▲２▼の工程に相当する。具体的には、▲１▼では、主軸モータ２０及びＺ軸モータ１３を駆動して主軸ヘッド１５を上昇させることによりワーク３から工具５を抜き、一旦主軸ヘッド１５を停止させる。▲２▼では、主軸モータ２０を停止させると共にＺ軸モータ１３を再駆動して、主軸ヘッド１５を同時動作位置まで上昇させる。
【００３２】
同時動作位置は、テーブル４に固定されているワーク３及び主軸に取り付けられている工具５に関し、テーブル４を移動させても両者が干渉しない位置であり、パラメータの一つとして与えられる。上述したように、同時動作位置は操作パネル９を介して作業者が入力設定することができる。尚、同時動作位置が未設定のときは、パラメータとして予め登録されている位置（例えば、テーブル４に固定されている任意のワーク３及び主軸に取り付けられている任意の工具５に関し、テーブル４を移動させても両者が干渉しない位置）が使用される。
【００３３】
また、主軸ヘッド１５が同時動作位置に達したか否かは、Ｚ軸モータ１３が備えるロータリーエンコーダ（図示せず）から出力されるカウント値に基づいてＣＰＵ２４が算出した主軸ヘッド１５の位置と同時動作位置とを比較することにより判定される。従って、ＣＰＵ２４及びロータリーエンコーダが位置検出手段に相当する。
【００３４】
続いて、ステップＳ２では、ＸＹ軸に退避位置が設定されているか否かが判断される。そして、退避位置が設定されていない場合（ＮＯ）は、ステップ３に移行する。
【００３５】
ステップＳ３では、次の加工位置にＸＹＢ軸を移動しながら工具交換動作を実行する。具体的には、Ｘ軸モータ２７、Ｙ軸モータ２８、Ｂ軸モータ２９を適宜駆動してテーブル４の移動を開始すると共に（図６の▲３▼）と、主軸ヘッド１５をＡＴＣ原点まで上昇させる（図６の▲４▼）。ＡＴＣ原点は、同時動作位置よりも上方に設定されており、主軸ヘッド１５がここまで上昇される途中でグリップアーム１８により工具５が保持される。そして、マガジンモータ１９を駆動して工具マガジン６を回転させ工具５′を保持したグリップアーム１８を主軸の下方に位置させる。続いて、主軸ヘッド１５を同時動作位置まで下降させる（図６の▲５▼）。この下降の途中で、工具５′は主軸に装着される。従って、同時動作位置からＡＴＣ原点までが交換領域に相当する。この後、主軸モータ２０を駆動して主軸ヘッド１５を下降させ、工具５′を用いた加工を開始する（図６の▲６▼）。
【００３６】
一方、ステップＳ２にて、退避位置が設定されていると判断された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、Ｘ軸モータ２７及びＹ軸モータ２８を駆動してテーブル４を退避位置まで移動させる。
【００３７】
前記退避位置は、テーブル４が現加工位置から次の加工位置に移動する経路に工具５及び５′やグリップアーム１８等と干渉するものがワーク３に存在する場合に、その干渉物を回避することができる位置であり、パラメータの一つとして与えられる。例えば図７に示すように、テーブル４のＸＹ軸の現在位置Ｐと次の工具による加工位置Ｐ′との間に干渉物が存在するときは、そのままＸＹ軸を移動させる経路Ｒ１には干渉物が存在する。そこで、テーブル４を一旦退避位置ＰＡまで移動させて干渉物を回避するのである。
【００３８】
ステップＳ５では、工具交換動作を実行する。この場合は、ＸＹＢ軸は移動されず、図６に示す▲４▼及び▲５▼の工程のみが実行される。そして、ステップＳ６にて、ＸＹＢ軸が次の加工位置に移動される。つまり、退避位置ＰＡにあるテーブル４が次の加工位置Ｐ′へ移動される。従って、退避位置ＰＡが設定されている場合は、テーブル４は移動経路Ｒ２に沿って移動される。この後、主軸モータ２０を駆動して主軸ヘッド１５を下降させ、工具５′を用いた加工を開始する（図６の▲６▼）。
【００３９】
このように本実施例では、対話式入力の加工プログラムにおいて退避位置を設定できるように構成した。従って、テーブル４を現在位置Ｐから次の工具による加工位置Ｐ′へ移動する経路Ｒ１に干渉物が存在するときに前記テーブル４を退避位置に移動させて、工具５や主軸ヘッド１５等とワークとが干渉することを確実に防止できる。
【００４０】
しかも、前記退避位置は、工具の交換作業毎に設定することができる。このため、退避位置に移動させる必要がない交換作業では、退避位置を設定しなくても済み、工具５の交換とテーブル４の移動とを並行して行うことができる。
【００４１】
また、本実施例では、同時動作位置（Ｚ軸）を設定できるように構成した。従って、主軸ヘッド１５を十分に上昇させてワーク３から離間させることにより、工具５の交換とテーブル４の移動とを同時に行ったときの主軸や工具５等とワーク３との干渉を避けることができる場合に、退避位置を設定しなくても済む。
【００４２】
尚、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような変形が可能である。即ち、ＸＹ軸モータは、主軸ヘッドを移動させるものでも良い。また、ＸＹ軸モータは、主軸ヘッド及びテーブルをそれぞれ移動させるように構成しても良い。
【００４３】
テーブルは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｂ軸以外の軸に関しても移動又は回転できるように構成しても良い。また、退避位置は、Ｘ軸、Ｙ軸以外の軸についても設定できるように構成しても良い。
【００４４】
テーブルを現在の加工位置から退避位置を経て次の加工位置へ移動させる経路をとることにより、干渉物との干渉を避けることができる場合には、テーブルの移動と工具交換とを並行して行っても良い。即ち、主軸ヘッドを同時動作位置まで移動させた後、移動経路Ｒ２でテーブルを現在の加工位置から次の加工位置へ移動させながら工具交換を行う。このような構成により、テーブルを退避位置へ移動させることにより工具交換処理に要する時間が長引くことを抑えることができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は以上の説明から明らかなように、加工領域から交換領域へ主軸ヘッドを移動して工具の交換を行う際に、前記テーブルを現在位置から交換退避位置に移動させた後、次の加工位置に移動させるように構成したため、テーブルが保持するワークと主軸ヘッドや主軸ヘッドに装着される工具との干渉を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す工作機械の概略的な電気的構成を示すブロック図
【図２】工作機械の全体構成を示す斜視図
【図３】工作機械本体の一部を示す側面図
【図４】工具交換作業における退避位置（ＸＹ軸）及び同時動作位置（Ｚ軸）を設定するための表示画面の一例を示す図
【図５】工具交換処理を示すフローチャート
【図６】工具交換が行われる様子を説明するための図
【図７】テーブルの現在の加工位置及び次の加工位置並びに退避位置と干渉物の位置関係を説明するための図
【図８】従来技術を説明するための図であり、対話式入力による加工プログラムの一例を示す図
【図９】図８に示す加工プログラムに設定された加工位置を示す図
【符号の説明】
図中、１は工作機械、５は工具、６は工具マガジン（交換手段）、９は操作パネル（移動開始位置設定手段、退避位置設定手段）、１３はＺ軸モータ（主軸ヘッド移動手段、主軸ヘッド退避手段）、１５は主軸ヘッド、１８はグリップアーム（交換手段）、１９はマガジンモータ（交換手段）、２０は主軸モータ、２４はＣＰＵ（位置検出手段、相対移動開始手段）、２７はＸ軸モータ（相対移動手段）、２８はＹ軸モータ（相対移動手段）、２９はＢ軸モータ（相対移動手段）を示す。

Claims

装着された工具を回転駆動させてワークを加工する主軸ヘッドと、
前記ワークの加工を行う加工領域及び前記主軸ヘッドに装着された工具を交換する交換領域の間で前記主軸ヘッドを移動させる主軸ヘッド移動手段と、
前記ワークを保持するテーブルと、
前記テーブル及び前記主軸ヘッドを、少なくとも前記主軸ヘッドに装着された工具の回転軸と垂直な方向に相対移動させる相対移動手段と、
前記交換領域に移動された前記主軸ヘッドに装着されている工具を次に使用する工具に交換する交換手段と、
前記加工領域から前記交換領域に前記主軸ヘッドが移動される際に、少なくとも前記主軸ヘッド及び前記主軸ヘッドに装着されている工具が前記テーブルに保持されているワークに干渉することなく前記相対移動手段を駆動可能な移動開始位置まで前記主軸ヘッドを前記工具の回転軸方向に移動させる主軸ヘッド退避手段と、
前記主軸ヘッドの位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段により前記主軸ヘッドが移動開始位置まで移動したことが検出されると、前記相対移動手段を駆動して前記テーブルの現在の位置から次に使用する工具を用いて加工が行われる位置まで相対移動させる相対移動開始手段とを備えた工作機械において、
前記交換手段による工具の交換作業時の前記テーブル及び前記主軸ヘッドの相対位置を交換退避位置として設定するための退避位置設定手段を備え、
前記退避位置設定手段により前記交換退避位置が設定されているときは、前記相対移動開始手段は、前記相対移動手段を駆動して前記テーブルの現在の位置から前記交換退避位置まで相対移動させた後、次に使用する工具を用いて加工が行われる位置に相対移動させることを特徴とする工作機械。
前記相対移動開始手段は、前記交換手段による工具交換作業が終了した後、前記相対移動手段を駆動して交換退避位置から次に使用する工具を用いて加工が行われる位置までテーブルを相対移動させることを特徴とする請求項１記載の工作機械。
前記退避位置設定手段は、前記工具交換手段による工具の交換作業毎の交換退避位置を設定可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の工作機械。
移動開始位置を設定するための移動開始位置設定手段を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の工作機械。
主軸ヘッドに装着された工具を回転駆動させることによりテーブルに保持されたワークの加工を行う加工領域と前記主軸ヘッドに装着された工具を交換する交換領域の間で移動可能な主軸ヘッドを備えた工作機械の工具交換方法であって、
前記主軸ヘッドを前記加工領域から移動開始位置まで移動する工程と、
前記テーブル及び前記主軸ヘッドを現在の位置から交換退避位置まで相対移動させる工程と、
前記主軸ヘッドを前記移動開始位置から前記交換領域に移動する工程と、
前記主軸ヘッドに装着されている工具を次に使用する工具に交換する工程と、
前記主軸ヘッドを前記交換領域から前記移動開始位置に移動する工程と、
前記テーブル及び前記主軸ヘッドを前記交換退避位置から次に使用する工具を用いて加工が行われる位置まで相対移動させる工程とを備えることを特徴とする工作機械の工具交換方法。