JP2005199359A - 工作機械システム - Google Patents

Abstract

【課題】刃先位置センサの専用の移動機構を設けることなく、刃先位置センサによる刃先位置計測が可能な工作機械システムを提供する。
【解決手段】工作機械１は、ローダ２と一体になった刃先位置検出手段５とを備える。ローダ２は、ワーク支持部７に対してワークＷを給排する。とともにローダ２に取付けた刃先位置センサ２８と、工具計測位置Ｐに移動させる。センサ位置決め制御手段３１は、ローダ２とワーク支持部７の両方が共にワークＷを支持する状態で、刃先位置センサ２８を工具計測位置Ｐに位置させるように制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ローダおよび旋盤等の工作機械を備え、工具位置の自動補正等のための刃先位置検出機能を備えた工作機械システムに関する。

従来、旋盤等の工作機械において、タレット等の工具支持部に取り付けられた工具を用いて加工している間に、工具が摩耗したり、機械が熱変位したりすることによって工具の刃先位置が変わる場合がある。刃先位置の誤差は加工誤差につながる。
また、タレット等の工具支持部に取付けられた工具を用いて加工している間に、摩耗等により工具寿命に達したときに、上記工具に替え、上記タレット等の工具支持部における別の工具ステーションに取付けておいた新品工具で、次からの加工を行う場合がある。このように旧工具から新品工具へ使用を変えた場合、各工具の工具支持部への取付状態の違い等によって、同じ品番の工具を用いていても、刃先位置が異なることがある。

このため、従来から、刃先位置を検出する専用の刃先位置センサ、およびこの刃先位置センサの進出・退避専用の刃先位置センサ移動機構を設けて刃先位置を確認し、自動補正を行っている。上記刃先位置センサ移動機構として、機体カバーに設置した回動アームの先端に刃先位置センサを設けたもの等がある（例えば、特許文献１）。
特開平１０−３０９６５２号公報

上記従来例のように、刃先位置センサの専用の移動機構を設けた場合、それだけ構成が複雑となり、コスト増になる。また、専用の刃先位置センサ移動機構の設置場所が切削エリアになるため、切粉がからむと言った問題が生じることがある。

この発明の目的は、刃先位置センサの専用の移動機構を設けることなく、刃先位置センサによる刃先位置計測が可能で、構成の簡素化、コスト低下が図れる工作機械システムを提供することである。
この発明の他の目的は、刃先位置の計測精度を向上させることである。
この発明のさらに他の目的は、刃先位置センサを取付けるローダに、計測時に物理的な力が作用せず、より一層の計測精度の向上を可能とすることである。

この発明の工作機械システムは、ワーク（Ｗ）を支持するワーク支持部（７）、および工具（２０）を支持し、ワーク支持部（７）が支持するワーク（Ｗ）に対して接近離間自在な工具支持部（９）を有する工作機械（１）と、前記ワーク支持部（７）に対してワーク（Ｗ）を給排するローダ（２）と、工具（２０）の刃先位置を検出する刃先位置検出手段（５）とを備える。前記ローダ（２）は、例えば前記工作機械（１）とこの工作機械外のワーク載置部（２１）との間で移動自在なものである。
前記刃先位置検出手段（５）は、ローダ（２）に取付けた刃先位置センサ（２８，２８Ａ）と、この刃先位置センサ（２８，２８Ａ）を工具計測位置（Ｐ）に移動させるセンサ位置決め制御手段（３１）と、前記工具計測位置（Ｐ）に工具（２０）が位置するように工具支持部（９）を移動させる計測時工具支持部制御手段（３２）とを有するものとする。

この構成によると、センサ位置決め制御手段（３１）の制御により、ローダ（２）を移動させて刃先位置センサ（２８，２８Ａ）を工具計測位置（Ｐ）に位置させ、この状態で、計測時工具支持部制御手段（３２）の制御により、前記工具計測位置（Ｐ）に工具（２０）が位置するように工具支持部（９）を移動させることで、前記刃先位置センサ（２８，２８Ａ）による工具（２０）の刃先位置の計測が行われる。
この場合に、ローダ（２）は、ワーク支持部（７）に対してワーク（Ｗ）の給排を行うものであるため、そのワーク（Ｗ）を把持するローダヘッド部（２５）等が、工具支持部（９）の工具（２９）の移動可能空間に入ることができる。また加工時は、ローダ（２）は工具支持部（９）から退避することができる。そのため、ローダ（２）に刃先位置センサ（２８，２８Ａ）を取付けることで、刃先位置センサ（２８，２８Ａ）を計測時に工具計測位置（Ｐ）に位置させ、不要時は退避させることができて、刃先位置センサ（２８，２８Ａ）の専用の移動機構を設けることなく、刃先位置センサ（２８，２８Ａ）による刃先位置計測が可能となる。専用の移動機構が不要なため、工作機械システムの構成が簡素化され、低コスト化が図れる。

この発明において、前記センサ位置決め制御手段（３１）は、前記ローダ（２）とワーク支持部（７）の両方が共にワーク（Ｗ）を支持する状態で刃先位置センサ（２８，２８Ａ）を工具計測位置（Ｐ）に位置させるものとしても良い。
ローダ（２）は、通常のワーク（Ｗ）の搬送では、あまり強い強度は要求されず、このようなローダ（２）に刃先位置センサ（２８，２８Ａ）を取付けて工具支持部（９）の移動により工具（２０）を接触させた場合、ローダ（２）が撓み等の変位を生じることがある。また周辺の工作機械や搬送装置の振動等によってローダ（２）が揺れることがある。これらが計測誤差の原因となる。この課題に対して、ワーク支持部（７）に支持されたワーク（Ｗ）をローダ（２）が支持する状態とすると、ローダ（２）はワーク（Ｗ）を介して堅固なワーク支持部（７）に支えられる。このため、ローダ（２）に設けられた刃先位置センサ（２８，２８Ａ）に工具支持部（９）の移動によって工具（２０）を押し当てたとしても、ローダ（２）が撓みによる変位を生じることがなく、精度良く計測することができる。また、ワーク（Ｗ）を把持する動作をローダ（２）に行わせるだけで良いため、特別な部材等を追加する必要がない。

この発明において、前記刃先位置センサ（２８，２８Ａ）は、非接触センサであっても良い。非接触センサであると、刃先位置センサ（２８，２８Ａ）を取付けるローダに、計測時に物理的な力が作用せず、より一層の計測精度の向上が図れる。非接触センサには、例えば光電スイッチ等が使用できる。

この発明の工作機械システムは、ワークを支持するワーク支持部、および工具を支持して、ワーク支持部が支持するワークに対して接近離間自在な工具支持部を有する工作機械と、前記ワーク支持部に対してワークを給排するローダと、工具の刃先位置を検出する刃先位置検出手段とを備え、前記刃先位置検出手段は、ローダに取付けた刃先位置センサと、この刃先位置センサを工具計測位置に移動させるセンサ位置決め制御手段と、前記工具計測位置に工具が位置するように工具支持部を移動させる計測時工具支持部制御手段とを有するものとしたため、刃先位置センサの専用の移動機構を設けることなく、刃先位置センサによる刃先位置計測が可能で、構成の簡素化、コスト低下が図れる。

前記センサ位置決め制御手段が、前記ローダとワーク支持部の両方が共にワークを支持する状態で刃先位置センサを工具計測位置に位置させるようにしたものである場合は、刃先位置の計測精度を向上させることができる。
また、前記刃先位置センサが非接触センサである場合は、刃先位置センサを取付けるローダに、計測時に物理的な力が作用せず、より一層の計測精度の向上を可能とすることができる。

この発明の第１の実施形態を図１〜図３と共に説明する。この工作機械システムは、工作機械１と、ローダ２と、これら工作機械１およびローダ２をそれぞれ制御する工作機械制御装置３およびローダ制御装置４を有する。この工作機械システムにおいて、刃先位置センサ６による刃先位置検出手段５を設けたものである。

工作機械１は、ワークＷを支持するワーク支持部７、およびワーク支持部７が支持するワークＷに対して接近離間自在な工具支持部９を有する。この実施形態における工作機械１は旋盤であり、上記ワーク支持部７は主軸からなる。この主軸からなるワーク支持部７は、ベッド１０上に設置された主軸台１１に回転自在に支持されており、その主軸先端に主軸チャック７ａを有している。

工具支持部９は、刃物台１２と、この刃物台１２をベッド１０上に直交２軸方向（Ｘ軸，Ｚ軸方向）に進退自在に支持する送り台１３とからなる。刃物台１２は、タレットからなり、外周面における円周方向複数箇所に、工具２０を取付ける工具ステーションＳが設けられている。刃物台１２に取付ける工具２０は、バイト等の固定工具であっても、ドリルやミリングヘッド等の回転工具であっても良い。刃物台１２の各工具ステーションＳに取付けられる工具２０のうち、使用頻度が高いものについては、摩耗による工具寿命や折損等に備えて、段取り替えなく加工が続行できるように、同じ工具２０が複数本取付けられる。

送り台１３は、ベッド１０上にレール１４を介してワーク支持部７の軸心方向（Ｚ軸方向）と直交する水平方向（Ｘ軸方向）に進退自在に設置され、Ｘ軸のサーボモータ１５により送りねじ機構１６を介して進退移動させられる。タレット刃物台１２は、送り台１３にワーク支持部７の軸心方向（Ｚ軸方向）と平行な方向に進退自在に設置されており、送り台１３に搭載されたＺ軸のサーボモータ１７により、送りねじ機構１８を介して進退駆動される。上記各軸のサーボモータ１５，１７は、それぞれそれぞれエンコーダ１５ａ，１７ａを有する。また、刃物台１２は、送り台１３に搭載された割出用モータ１９によって旋回割出される。

ローダ２は、工作機械１のワーク支持部７に対してワークＷを給排する装置であり、図２のように、工作機械１とこの工作機械１外のワーク載置部８との間で移動自在とされている。ローダ２は、工作機械１の上方にＸ軸方向に沿って設けられた架設レール２１上を走行する走行体２２と、この走行体２２に前後方向（Ｚ軸方向）移動可能に設置された前後移動台２３と、昇降ロッド２４とを有するガントリ式のものである。昇降ロッド２４は、前後移動台２３に昇降自在に設置され、下端にローダヘッド部２５を有している。走行体２２、前後移動台２３、および昇降ロッド２４は、それぞれ各軸のサーボモータ（図示せず）によって横移動，前後移動，および上下移動の各駆動が行われる。

ローダヘッド部２５には、ワークＷを把持するローダチャック２６が設けられている。ローダチャック２６は、例えばローダヘッド２５のヘッド部旋回体２５ａに２つ設けられ、ヘッド部旋回体２５ａの旋回動作によって、下向き姿勢とワーク支持部７への対面姿勢とに互いの位置が入れ替え可能とされている。

図１において、刃先位置検出手段５は、ローダ２に取付けた刃先位置センサ２８と、この刃先位置センサ２８を工具計測位置Ｐに移動させるセンサ位置決め制御手段３１と、前記工具計測位置Ｐに工具２０が位置するように工具支持部９を移動させる計測時工具支持部制御手段３２とを有する。センサ位置決め制御手段３１は、ローダ制御装置４に設けられ、計測時工具支持部制御手段３２は工作機械制御装置３に設けられている。

刃先位置センサ２８は、ローダ２におけるローダヘッド部２５に取付けられている。刃先位置センサ２８には、接触子２８ａに物が触れるとオン動作するタッチセンサが用いられている。刃先位置センサ２８は、工具支持部７に支持された各方向の工具２０の刃先位置計測が可能なように、Ｘ，Ｚ方向の各方向にそれぞれ向く複数のものが、センサ取付台２９を介してローダヘッド部２５に取付けられている。

刃先位置センサ２８のオン信号は、工作機械制御装置３に設けられたセンサ信号処理部３３に入力され、センサ信号処理部３３は、このオン信号があったときの各軸サーボモータ１５，１７のエンコーダ１５ａ，１７の出力を取り込むことで、刃先位置の計測値とする。この場合に、センサ信号処理部３３は、例えば刃物台１２をＸ軸方向に移動させているときは、Ｘ軸サーボモータ１５のエンコーダ１５ａを出力を取り込み、刃物台１２をＺ軸方向に移動させているときは、Ｚ軸サーボモータ１７のエンコーダ１７ａの出力を取り込む。

ローダ制御装置４は、コンピュータ式等の制御装置であり、ローダプログラム３５を演算制御部３４で実行することで、ローダ２の各軸の移動やチャック開閉等を制御を行うものである。ローダプログラム２５は、工作機械１の加工時におけるローダ２の制御を行う加工時制御プログラム部３７と、刃先計測のためのローダ２の制御を行うセンサ位置決めプログラム部３６とを有する。このセンサ位置決めプログラム部３６と、これを実行する演算制御部３４とで、上記センサ位置決め制御手段３１が構成される。

センサ位置決め制御手段３１は、刃先位置センサ２８が工具計測位置Ｐに来るようにローダ２を移動させる手段である。このセンサ位置決め制御手段３１は、ローダ２とワーク支持部７の両方が共にワークＷを支持する状態で、刃先位置センサ２８を工具計測位置Ｐに位置させるように制御を行う。

センサ位置決め制御手段３１は、センサ位置決めプログラム部３６によってローダ２を制御する手段である。センサ位置決めプログラム部３６は、所定の計測動作開始時に、ローダヘッド２５をワーク支持部７に対面させ、ワーク支持部７の主軸チャック７ａに把持されているワークＷの他端をローダチャック２６で把持させる一連の動作の制御指令が記述されたものとされる。この一例の動作には、計測完了後にローダ２を例えば原点位置等に復帰させる動作も含まれる。

工作機械制御装置３は、コンピュータ式の数値制御装置であり、またプログラマブルコントローラの機能を備えている。工作機械制御装置３は、数値制御プログラムであるＮＣプログラム３９を演算制御部３８で実行することで、工作機械１の制御を行うものである。ＮＣプログラム３８は、加工を行う動作の指令が記述された加工プログラム部４１と、刃先計測を行うときの動作の指令が記述された計測動作プログラム部４０とを有する。この計測動作プログラム部４０と、これを実行する演算制御部３８とで、前記計測時工具支持部制御手段３２が構成される。

計測時工具支持部制御手段３２は、工具計測位置Ｐに工具２０が位置するように工具支持部９を移動させる制御を行う手段である。このような工具支持部９の移動の制御の内容は、計測動作プログラム部４０に記述される。計測動作プログラム部４０は、所定の計測動作開始時、例えばセンサ位置決め制御手段３１の制御でローダ２がワーク支持部７のワークＷの把持を完了した後、工具支持部９の計測対象とする工具２０が工具計測位置Ｐに来るように、工具支持部９の移動を行わせる。

具体的には、タレットからなる刃物台１２の計測対象の工具２０が取付けられたステーションＳをワーク支持部７に対面する方向に旋回割出させ、刃物台１２の前後方向（Ｚ軸方向）位置を工具計測位置Ｐの所定の刃先位置センサ２８に対応する位置まで移動させ、その後、刃物台１２をＸ軸方向に工具計測位置Ｐへ近づける。このとき、Ｘ軸方向移動の最初から、または工具計測位置Ｐに近づいてから、スキップ送りを行うようにし、刃先位置センサ２８のオン信号があると、刃物台１２を停止させるように制御する。このオン信号によって計測が完了すると、刃物台１２を、例えば原点位置等に復帰させる。これらの刃先位置計測のための一連の工具支持部９の動作を制御する指令の並び、つまり工具支持部制御指令群４２が、計測動作プログラム部４０に記述されている。計測動作プログラム部４０には、この他に、刃先位置センサ２８で計測した計測値を所定の記憶エリアに取り込み、あるいはさらにその取り込んだ信号に所定の処理を施す計測値処理指令群４３が設けられている。

計測動作プログラム部４０は、さらに具体的には、工具寿命に達したとき等に、刃物台１２上の工具２０を、同じ刃物台１２の別の工具ステーションＳに取付けられている交換用の工具２０に変更して加工を行うときに、その変更前の工具２０の刃先位置を測定した後、変更後の工具２０の刃先位置を測定する一連の動作の制御指令が記述されたものとされる。

工作機械制御装置３は、この他に工具自動補正手段４４を有している。工具自動補正手段４４は、変更前後の工具２０の刃先位置計測結果に応じて、設定規則に基づき、工具オフセット値を演算し、加工プログラム部４１で工具支持部９を移動させるときの工具オフセット補正を行う。

上記構成の動作を行う。所定の計測時に、センサ位置決め制御手段３１の制御により、ワーク支持部７の主軸チャック７ａに把持されたワークＷの他端をローダチャック２６で把持するように、ローダ２を制御する。ローダ２によりワークＷの把持が完了すると、計測時工具支持部制御手段３２の制御により、工具２０が工具計測位置Ｐに向かうように、工具支持部９を移動させる。工具２０が工具計測位置Ｐに達すると、刃先位置センサ２８に接触し、刃先位置センサ２８がオンする。このオン信号時のＸ軸サーボモータ１５のエンコーダ１５ａの値をセンサ信号処理部３３が読み取ることで、工具２０の刃先位置が計測される。

この場合に、ローダ２に刃先位置センサ２８を取付けたため、刃先位置センサ２８の専用の移動機構を設ける必要がなく、工作機械システムの構成が簡素化され、低コスト化が図れる。この場合に、ローダ２は通常のワーク搬送では、あまり強い強度は要求されず、昇降ロッド２４等の機械系は撓み易いものとなっている。しかし、主軸チャック７ａに把持されたワークＷをローダチャック２６でも把持し、両チャック７ａ，２６でワークＷを掴んだ状態で工具支持部９を移動させ、工具２０を刃先位置センサ２８に接触させるので、ローダ２の機械系が撓み易いものであっても、ローダヘッド２５はワークＷを介して堅固な主軸台１１に支持されることになる。そのため、ローダヘッド２５に取付けられた刃先位置センサ２８に、刃物台１２の移動によって工具２０が接触しても、刃先位置センサ２８が静止状態に保たれ、精度良く刃先位置の計測が行われる。さらに、ローダ２に刃先位置センサ２８を取付けたため、加工時は切削エリアから刃先位置センサ２８が脱出することになり、切粉が刃先位置センサ２８にからむという問題が生じない。

このように、刃先位置の計測が精度良く行われるため、タレット等の工具支持部９に取り付けられた工具２０を用いて加工している間に、工具２０が摩耗したり、機械が熱変位したりすることによって工具２０の刃先位置が変わっても、加工精度を確保することができる。
また、ツールシフト、つまり前記の使用工具２０を摩耗等で別ステーションＳの工具２０の使用に変える場合に、精度の連続性が維持される。また、定期的に刃先位置を確認して、製品精度を維持することが、特別な機構無しに実現できる。また、ローダ２に刃先位置センサ２８を取付けたため、ロード／アンロードサイクルの一貫として刃先位置測定が行え、生産性の向上も期待できる。

なお、上記実施形態では刃先位置センサ２８に接触式のものを用いたが、刃先位置センサ２８は、非接触センサであっても良い。
図４は、刃先位置センサ２８Ａに非接触センサを用いた例を示す。この刃先位置センサ２８Ａは、光電スイッチからなり、投光器２８Ａａと受光器２８Ａｂとでなる。投光器２８Ａａから投光された光が工具２０で遮光されると、受光器２８Ａｂはオフとなり、工具２０を検出する。

投光器２８Ａａと受光器２８Ａｂとは、前後方向（Ｚ軸方向）に並べて設けてても良いが、この例では、投光器２８Ａａと受光器２８Ａｂの対向方向が前後左右に傾くように、刃先位置センサ２８Ａをローダ２のローダヘッド部２５に取付けてある。そのため、一つの刃先位置センサ２８Ａで、工具２０の刃先のＸ軸方向位置の検出と、Ｙ軸方向位置の検出とが行える。

刃先位置センサ２８Ａがこのような非接触式のセンサであると、刃先位置センサ２８Ａを取付けるローダ２に、計測時に物理的な力が作用せず、より一層の計測精度の向上が図れる。この実施形態におけるその他の構成，効果は、第１の実施形態と同じである。

なお、上記実施形態では、工作機械１が旋盤である場合につき説明したが、この発明は工作機械１がマシニングセンタや他の種々のものである場合にも適用することができる。また、ローダ２もガントリ式に限らず、種々の形式のものが使用できる。また、上記実施形態では、刃先位置センサ２８がオンオフ式のものでって、工具支持部９の位置を検出する手段としてエンコーダ１５ａ，１７ａを用いたが、工具支持部９の位置を検出する手段として、他の種々の位置検出器を用いても良い。さらに、刃先位置センサ２８は、オンオフを行うセンサに限らず、センサ自体が距離の計測機能を持ったものであっても良い。

この発明の第１の実施形態にかかる工作機械システムの概念構成を示すブロック図である。 その工作機械およびローダの正面図である。 同工作機械およびローダが同じワークを把持した状態を示す部分側面図である。 この発明の他の実施形態における工作機械システムの機械系を示す平面図である。

符号の説明

１…工作機械
２…ローダ
３…工作機械制御装置
４…ローダ制御装置
５…刃先位置検出手段
７…ワーク支持部
７ａ…主軸チャック
８…ワーク載置部
９…工具支持部
１２…刃物台
１５ａ，１７ａ…エンコーダ
２０…工具
２５…ローダヘッド部
２６…ローダチャック
２８，２８Ａ…刃先位置センサ
３１…センサ位置決め制御手段
３２…計測時工具支持部制御手段
３３…センサ信号処理部
３６…センサ位置決めプログラム部
４０…計測動作プログラム部
Ｐ…工具計測位置
Ｓ…工具ステーション
Ｗ…ワーク

Claims (3)

1. ワークを支持するワーク支持部、および工具を支持し、ワーク支持部が支持するワークに対して接近離間自在な工具支持部を有する工作機械と、前記ワーク支持部に対してワークを給排するローダと、工具の刃先位置を検出する刃先位置検出手段とを備え、
   前記刃先位置検出手段は、ローダに取付けた刃先位置センサと、この刃先位置センサを工具計測位置に移動させるセンサ位置決め制御手段と、前記工具計測位置に工具が位置するように工具支持部を移動させる計測時工具支持部制御手段とを有するものとした工作機械システム。
2. 前記センサ位置決め制御手段は、前記ローダとワーク支持部の両方が共にワークを支持する状態で刃先位置センサを工具計測位置に位置させるようにした請求項１記載の工作機械システム。
3. 前記刃先位置センサは、非接触センサである請求項１または請求項２記載の工作機械システム。
   

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