JP2006130645A - 工具交換装置及びこれを備えた工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 離れた工具マガジンから工具を把持、搬送、交換することが可能な一体構造で動作精度の高い、コンパクトな工具交換装置を提供する。
【解決手段】 工作機械の工具主軸３と工具マガジン４Ａとの間で工具を交換するために用いられる工具交換装置において、一端に交換アーム２が取り付けられ、他端に旋回駆動用モータ７が取り付けられた旋回軸を有する工具交換ユニット９と、一端に駆動用モータ６が取り付けられ、前記工具交換ユニット９を送り動作させると共に、その動作により工具の抜き差しを行う送りねじ５を設け、送りねじ５は、工具交換位置１に位置決めされた工具主軸３の回転軸に対して平行になるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械の工具主軸と工具マガジン間にあって、工具の交換をする工具交換装置とこれを備えた工作機械に関する。

従来の、工作機械の工具主軸に取り付けられている工具と工具マガジンの交換用工具を自動的に交換する工具交換装置は、一つのモータ等によって駆動される複数のカムにより、工具を把持した交換アーム軸を抜き差し動作及び旋回動作させることによって工具の交換を行うものであった（たとえば特許文献１参照）。しかし、このような工具交換装置は、大きなカムボックスが必要で、装置が大型化してしまうという問題があった。さらに、工具主軸と離れた工具マガジンの間の工具の搬送が困難であることから、工具交換装置は、工作機械の工具主軸と工具マガジンの間に近接して配置されることが必要で、工作機械の上部に重量物を配置せざるを得ず、さらに機械が大型となる問題があった。

上記の問題点に対して、大きなカムボックスを用いず、交換アーム軸の抜き差しと旋回を別個のサーボモータで行い、図１２に示すように工具交換装置を小型化したものが提案された(たとえば特許文献２参照)。図１２において、工具交換アーム２１１の旋回用と抜き差し用にＮＣ装置により回転制御される２個のサーボモータ２１２，２１３を設け、アーム軸２０９は一部に昇降のためのラック機能を有する多条の円周溝２０９ｂが刻設され、また、他の一部にはスプライン２０９ａが形成されている。円周溝２０９ｂと噛み合うピニオン２２５は第１サーボモータ２１３で回転制御されスプライン２０９ａと嵌合する雌スプラインを刻設した歯車２１８と噛み合うピニオン２１０を第２サーボモータ２１２が回転制御している。しかし、このタイプの工具交換装置も、工具主軸と離れた工具マガジンの間の工具の搬送が困難であることは上記の工具交換装置と同様であることから、工具交換装置は工作機械の工具主軸と工具マガジンの間に近接して配置されることが必要な点では同様の問題を残していた。

一方、長時間の無人運転が求められるようになってくるに従い、上記のような工具交換装置は、より多くの交換用工具を保持することによって、より長時間の無人運転に対応できることが求められるようになってきた。しかし、上記のような工具交換装置はその構造上、工具主軸と工具マガジンの間に近接して配置されることが必要であることから、工具マガジンの大きさを大きくすることができず、また、長時間の無人運転を可能にするために複数の工具マガジンを取り付けることは困難であった。

このような多くの工具を保持できる工具マガジンを工具主軸と離れた位置に設置し、工具の交換を可能にするには、交換アームで工具を把持しつつ、離れた工具マガジンと工具主軸の間を搬送する機能が必要になるが、上記の従来型の工具交換装置は、工具主軸と工具マガジンの間の工具の搬送ができなかった。

そこで、上記のように離れた大容量の工具マガジンから工具を把持して工具主軸の工具交換位置まで搬送させ、工具の交換を行う方法としては、工具交換アームの抜き差し動作と旋回動作を行う交換用工具ユニットを別途設置したガイドレールなどによって送り移動させる装置が提案されている(たとえば特許文献３参照)。また、図１３に示すように、離れた場所の工具マガジン３０９から直接工具を把持、搬送させずに、別のサブアーム３２３によって工具を取り出し、サブアーム３２３を乗せた移動台３２１で工具主軸のレディステーション３１０まで搬送し、このレディステーションと工具主軸３０６の間で従来型の工具交換装置によって工具の交換を行うという方法が提案されている(たとえば特許文献４参照)。

特開平８−１４１８６３号公報 実公平８−４９８９号公報 特開平９−１３１６３７号公報 実開平４−３８３３５号公報

上記のような離れた工具マガジンから工具を把持、搬送、交換する工具交換装置は非常に大型となり、工作機械の据付面積が増大してしまい、特に、一般の複合加工機や、立形マシニングセンタ等には取り付けることができなかった。また、工具の搬送と、交換を別々の機構で行うこととすると構造が複雑で動作の確実性、動作精度の低下の問題があった。さらに、上記のレディステーションを介して工具の交換を行う方式では、工具交換に時間がかかることとなり、高速化が図れないという問題があった。

従来の工具交換装置は、工作機械の工具主軸と工具マガジンの間に近接して配置されることが必要であることから、工作機械の中の装置配置が制限され、コンパクトな工作機械とすることができないという問題があった。また、工具交換装置が汚損しないように、加工エリアの外のスペースに格納しておき、工具交換の時のみ出現させるというような配置ができなかった。

一方、従来の工具交換装置を改良し、一体の工具交換装置で工具の搬送、交換を行うようにするには、回転、抜き差し駆動される交換アーム軸を長く伸ばすことが考えられる。しかし、交換アーム軸で複数の工具マガジンから工具を把持して搬送する場合、アームの抜き差し長さが１ｍ近くにもなってしまい、構造上限度があった。

さらに、長時間の無人運転においては、工具の磨耗などにより工具先端位置が変化してしまうことがある。このような場合には、工具交換時にその交換した工具の先端位置を確認、修正して加工を行っていくことが必要になってくる。従来の工具交換装置では、工具の搬送ができないため、このような動作を交換の連続動作として行うことができず、高速化を図ることができなかった。

そこで、本発明の目的は、離れた工具マガジンから工具を把持、搬送、交換することが可能で、一体構造で動作精度の高い、コンパクトな工具交換装置を提供することにある。また、本発明の目的は、工具マガジン、工具主軸、工具交換装置の配置に自由度を持たせ、コンパクトかつ工具交換装置の格納配置も可能な工作機械を提供することにある。さらに、本発明の目的は、工具交換、工具確認を高速に行える工具交換装置を提供することにある。

本発明の目的は、工作機械の工具主軸と工具マガジンとの間で工具を交換するために用いられる工具交換装置であって、一端に交換アームが取り付けられ、他端に旋回駆動用モータが取り付けられた旋回軸を有する工具交換ユニットと、一端に駆動用モータが取り付けられ、前記工具交換ユニットを送り動作させると共に、その動作により工具の抜き差しを行う送りねじを有し、送りねじは、工具交換位置に位置決めされた工具主軸の回転軸に対して平行になるようにしたことによって達成することができる。また、交換アームと旋回駆動用モータの間に、入力軸と出力軸とが同軸線上に設けられた減速機を有することとしてもよい。

本発明の目的は、一端に交換アームが取り付けられ、他端に旋回駆動用モータが取り付けられた旋回軸を有する工具交換ユニットと、交換ユニットを移動方向に案内する直線状のガイドレールと、一端に駆動用モータが取り付けられ、ガイドレールに沿って、工具交換ユニットを送り動作させる送りねじとを、有した工具交換装置であって、送りねじは、工具交換ユニットを格納位置と、工具マガジンからの工具受け渡し位置と、工具主軸との工具交換位置とに停止させることができると共に、工具マガジンからの工具受け渡し位置と、工具主軸との工具交換位置において、その動作により工具の抜差しを行うことができ、工具交換ユニットは、工具マガジンからの工具受け渡し位置と、工具主軸との工具交換位置において、交換アームを旋回させることができることによっても達成することができる。また、交換アームと旋回駆動用モータの間に、入力軸と出力軸とが同軸線上に設けられた減速機を有するようにしてもよい。更に、上記の送りねじは、交換アームに把持された工具の最大回転円の外側、最小回転円の内側の何れに配置してもよく、また、前記交換アームは工具の先端を旋回用モータと同じ側、反対側のいずれに把持するようにしてもよい。

本発明の目的は、上記の工具交換装置において、送りねじに沿って、工具交換ユニットの送り移動範囲内に、複数の工具マガジンを有しているようにすることによっても達成できる。

本発明の目的は、工具交換ユニットの送り移動範囲内であって、交換アームに把持された工具の移動軌跡の近傍に設けられた、工具の工具長および工具径を測定する検出器と工具交換ユニットの送り移動を用いて工具長補正及び工具折損検出を可能とする工作機械によっても達成することができるし、工具交換ユニットに取り付けられた検出器と、工具交換ユニットの送り移動を用いて、工具マガジンの工具径を測定することによっても達成できる。

本発明による工具交換装置は、離れた工具マガジンから工具を把持、搬送、交換することを可能としつつ、一体構造で動作精度が高く、コンパクトになるという効果を有する。

以下、本発明の第１の実施形態を図面にもとづいて説明する。
図１は本発明の工具交換装置を備えた工作機械主要部の正面図、図２は図３の工具交換装置の第１モータと第２モータの両者の軸線を含むＡＡ断面で示す工具交換装置主要部の構成説明図、図３は２個以上の工具マガジンと工具主軸との間にあって工具受け渡しをする工具交換装置の説明図である。

図１に示す第１の実施形態の旋盤は工具交換装置１、工具主軸３、ワーク主軸２７及び工具マガジン４Ａを備えている。装備可能な工作機械は旋盤に限るものでなく、ワークを移動位置決め可能なテーブルに固定し、工具主軸を水平若しくは垂直状態に保持し位置決めして加工を行うマシニングセンタ等の工作機械も含まれる。

図１において、工具主軸３は、工作機械固定部１６に形成された工具主軸と平行な方向の軸（以下Ｚ軸という）に沿ったガイドレール１６ａ上を案内されるサドル２８の工具主軸と直角方向の軸（以下、Ｘ軸という）に沿ったガイドレール２８ａでＸ軸方向に案内されている。サドル２８の奥に工具マガジン４Ａが設けられ、この工具マガジン４Ａと工具主軸３の間に工具交換装置１が並列に設けられている。

ここで、工具主軸３はガイドレール２８ａに案内されて、Ｘ軸方向に移動する共に、Ｙ軸周りに旋回してワークの切削を行うことができるものであるが、工具を交換するときには、図１に示すように、サドル２８の一端の工具交換位置において、その軸がＺ軸に平行になるように位置決めされる。図１は、工具主軸３がこの工具交換位置に位置決めされた状態を示している。また、図２（ａ）に示すように、工具交換装置１は送りねじによって移動する工具交換ユニット９と機械固定部に取り付けられた送りねじ機構を有している。工具交換ユニット９は本体１３と第２モータ７と交換アーム２と交換アーム２の支承材１４を有し、本体１３はその底面にガイド１５及び送りねじナット１７が取り付けられている。一方、工作機械固定部１６には送りねじ機構のガイドレール１６ｂと送りねじ５と第１モータ６が取り付けられている。ガイドレール１６ｂは図１に示すサドル２８と工具マガジン４Ａの間の工作機械固定部１６にＺ軸に平行に配設されている。

工具交換ユニットの本体１３の底面のガイド１５はこのガイドレール１６ｂの上にＺ軸方向に滑動自在に配設されている。送りねじ５は、交換アーム２に把持された工具の最大回転円の外側であって、このガイドレール１６ｂに平行に配設され、工具交換ユニット９の送りねじナット１７に螺入して本体１３を移動させるようになっている。また、送りねじ５は継手１８によって同軸上の第１モータ６と連結されている。これによって工具交換ユニット９は第１モータ６の回転によってＺ軸方向に案内されることができるようになっている。さらに、工具主軸３は工具交換位置では、Ｚ軸に平行になっていることから、工具交換位置に位置決めされた工具主軸３と送りねじ軸２１は平行となっている。

工具交換装置の本体１３の平行な背中合わせの取付面の一端に第２モータ７が設けられ、他端には支承材１４及び交換アーム２が設けられている。これらは、工具交換装置の旋回軸２２の同軸上に取り付けられ、継手１９により支承材１４と第２モータ７とが連結されている。支承材１４は単なる軸受ユニットでもよいが、工具の重量が大きくアームの回転トルクが必要な場合には形状がコンパクトな遊星歯車式減速機であってもよい。交換アーム２はツイン旋回式であって、第２モータ７によって工具交換装置の旋回軸２２の回りに回転し、第２モータと反対側に工具を把持することができる。この工具交換装置の旋回軸２２は送りねじ軸２１と同様に工具交換位置に位置決めされた工具主軸３と平行である。

図１に示すように、工具マガジン４Ａは回転式ポット３１がＸ軸と平行な軸の周りに回転する円板３２に直立状態で取り付けられている。直立状態を維持するため、回転式ポット３１の側面から突設したローラ３１ａを固定のテーブル３４に設けたガイド３５で案内している。工具マガジン４Ａの固定のテーブル３４の上面に油圧で駆動されるシリンダ３７が設けられ、一定の位置において回転式ポット３１のローラ３１ａが嵌まり合う溝を有するフック３６が、ガイド３５の一部を切り欠いて設けられている。シリンダ３７のフック３６は伸長し回転式ポット３１を９０度回転させることができる。そして、回転式ポット３１と交換アーム２との間で工具の受け渡しを行うことができるように構成されている。工具マカジン４Ａにおいて、回転式ポット３１は図示しないモータにより位置決め制御され固定のテーブル３４に回転可能に支承される円板３２に支点のピン３３で転回可能に複数個が等分割点に連結されている。

工具マガジンは図３に示すように工具交換装置１の送りねじ軸２１に沿って、送りねじ５の送り移動範囲内に並んでいる形式のものでもよい。図３のように送りねじ５の方向に並んでいる場合には、その位置に対応して送りねじ５の長さを延長し、延長端は軸受け８で支承する。

図３、図４に示すように、工具先端位置の検出、工具直径の検出のために、センサが設置されている。工作機械固定部１６に非接触センサ２５或いは接触センサ２６が配置され、工具交換装置の本体１３に非接触センサ２５Ｂが取り付けられている。

本発明の第１の実施形態では、第１モータ６及び第２モータ７は、工作機械のＸ軸、Ｚ軸などと同様に、工作機械の数値制御装置により回転角度を制御可能なものを使用することができ、角度検出に際しては公知の検出器などを用いることも可能である。

次に図５（ａ）〜図５（ｄ）を参照しながら本発明の第１の実施形態の工具交換の動作について説明する。
（１）工具マガジン４Ａは、工具交換装置１の近傍に載置されている旋回する円板の外周に取り付けられ、位置決めされる回転式ポット３１を有するものである。第１工具マガジン４Ａには交換用工具ＴＢが図中のＴＢ１の位置に格納されている。回転式ポット３１の側面に突設したローラ３１ａが固定のテーブル３４に設けたガイド３５によって案内され、回転式ポット３１と工具ＴＢは直立状態となっている（図５（ａ）参照）。
（２）工具マガジン４Ａを回転させて工具ＴＢを工具取り出し位置ＴＢ２に位置決めする（図５（ａ）参照）。
（３）シリンダ３７が動作してフック３６を外方に押し出し回転式ポット３１を直立から水平に倒して待機する（図５（ａ）参照）。
（４）工具交換ユニット９は待機位置に位置決めされている。ここで、待機位置はＺ軸方向には交換アーム２が工具を受け取る位置で、かつ交換アーム２の角度位置が回転式ポット３１と干渉しない位置である。通常、待機位置は、工具の受け渡しに要する時間を最小になるよう、交換アーム２が工具を受け渡しする位置に対し９０度若しくはこれより小さい角度位置としている（図５（ａ）参照）。
（５）工具交換ユニット９の第２モータ７の駆動によって、交換アーム２を回転させ交換用工具ＴＢを交換アーム２の一方の工具把持具にて把持する（図５（ａ）参照）。
（６）送りねじ５を第１モータ６によって回転させ、工具交換ユニット９をＺ軸に沿って工具ＴＢの抜き去り方向に移動させる。さらに、工具交換ユニット９を工具ＴＡによって加工中の工具主軸のサドル２８が離れた位置にあるときには、送りねじ５によって工具交換ユニットをサドル２８の近傍まで移動させておくことができる（図５（ａ）参照）。
（７）使用済み工具ＴＡが装着されている工具主軸３は、サドル２８のＸ軸のガイドレール２８ａで案内され工具交換位置Ｐに位置決めされる。このとき、工具主軸３はＺ軸と平行となっている（図５（ｂ）参照）。
（８）送りねじ５を第１モータ６によって回転させて工具交換ユニット９をＺ軸に沿って移動させ、工具交換ユニット９を交換アーム２が工具を受け取る位置に位置決めする（図５（ｂ）参照）。
（９）工具交換ユニット９の交換アーム２は、第２モータ７によって旋回され、使用済み工具ＴＡを他の一方の工具把持具に受け取る（図５（ｂ）参照）。
（１０）交換アーム２が工具を把持すると、送りねじ５を第１モータ６によって回転させ、工具交換ユニット９をＺ軸に沿って工具主軸３から離れる方向に移動させ、使用済み工具ＴＡを引き抜く（図５（ｃ）参照）。
（１１）交換アーム２の他方の工具把持具に交換用工具ＴＢが把持されている状態で、交換アーム２を第２モータ７で１８０度旋回させて交換用工具ＴＢを工具主軸３の軸心と一致させる（図５（ｄ）参照）。
（１２）送りねじ５を第１モータ６によって回転させ、工具交換ユニット９をＺ軸に沿って工具主軸３方向に後退させ、交換用工具ＴＢを工具主軸３に装着する（図５（ｄ）参照）。
（１３）工具主軸３はＸ軸のガイドレール２８ａで案内され後退し次のシーケンスのデータで次加工の開始点までプログラムに従い移動する（図５（ｄ）参照）。
（１４）使用済み工具ＴＡは工具マガジンに格納される（図５（ｄ）参照）。
これで工具の交換は終了となる。

次に、図３に示すように、第１工具マガジン４Ａと第２工具マガジン４Ｂとを送りねじ５の軸線方向に沿って並設して予備工具を多数装備し、シーケンスの長い加工に対応する場合について説明する。この場合は図３に示すように第２工具マガジン４Ｂでの工具受け渡し位置から工具主軸３の工具受け渡し位置の間で工具交換ユニット９を移動させる。この移動は上記に述べた工具の交換動作と同様、工具交換ユニット９の送りねじナット１７に螺入されている送りねじ５を第１モータ６によって回転させることによって行う。

以上述べたように、本発明の第１の実施形態では、工具の移動、抜差しの二つの動作を、工具交換ユニット９の送りねじナット１７に螺入されている送りねじ５を第１モータ６によって回転させることによって行うことができることから、一体構造で動作精度の高いコンパクトな工具交換装置とすることができる上、送りねじを長くすることによって、工具主軸３から離れた場所にマガジン、工具交換装置を設置することができるという効果を奏する。さらに、工具交換動作の（６）にて説明したように、工具交換ユニットを予めサドル２８の近傍まで移動させておくことによって、工具ＴＡでの加工後にサドル２８を工具マガジン４Ａの位置にまで移動させることなく工具主軸３を工具交換位置Ｐに移動させることで工具交換が可能というように、工具の移動、交換を一連の動作として行うことができることから、工具の交換を高速化できるという効果を奏する。なお、上記の第１の実施形態の説明では、第２モータ７を交換アーム２に把持される工具の先端と反対側に配置し、本体１３と交換アーム２との間隔を短くしてコンパクト化を図っているが、本発明はこれに限定されるものではなく、図２（ｂ）に示すように、本体１３と交換アーム２の間隔を拡げて、第２のモータ７を交換アーム２に把持される工具の先端と同じ側に配置してもよい。

本発明の第２の実施形態について、図面を参照しながら説明する。第１の実施形態と同様の部分には同様の符号を用いて説明は省略する。図４（ａ）、図４（ｂ）に本発明の第２の実施形態を示す。図４は送りねじ軸２１、工具交換装置の旋回軸２２と、格納する工具の軸線が平行な第１の工具マガジン４Ａ及び第２の工具マガジン４Ｂを有する工作機械に、本発明に係る工具交換装置１を適用した場合を示している。このような形式の工具マガジンは第１の実施形態において説明した様な回転式ポットを有していない。このため、工具マガジン４Ａ，４Ｂと交換アーム２との工具の受け渡しには工具のシャンクＴａに嵌着して工具を移動させるレディステーションポット２０が設置されている。

本発明の第２の実施形態での工具の交換の動作について説明する。実施形態１と同様の動作については説明を省略する。
（１）第１工具マガジン４Ａの工具ＴＢのシャンクＴａにレディステーションポット２０がＺ軸方向に前進移動して嵌着する。
（２）工具を嵌着したレディステーションポット２０は、第１工具マガジン４Ａと交換アーム２の中心を結ぶ線と交換アーム２の工具把持部の中心軌跡との交点に交換用工具ＴＢを移動させる。
（３）交換アーム２を旋回させ、工具ＴＢが交換アーム２の一方の工具把持具に把持される。
（４）レディステーションポット２０はＺ軸方向に後退して、交換用工具ＴＢのシャンクとの嵌着を分離する。第１の実施形態と同様に送りねじ５によって工具交換ユニットをサドル２８の近傍まで移動させておくことができる。
（５）第１の実施形態と同様に工具主軸３は工具交換位置Ｐにその主軸が位置Ｚ軸と平行になるように位置決めされる。
（６）交換アーム２は第２モータ７の回転によって、他方の工具把持具に使用済み工具ＴＡを把持する。
（７）交換アーム２が工具を把持すると、第１の実施形態と同様に、送りねじ５を第１モータ６によって回転させ、工具交換ユニット９をＺ軸に沿って工具主軸３から離れる方向に移動させ、使用済み工具ＴＡを引き抜く。
（８）交換アーム２を第２モータ７で１８０度旋回させて交換用工具ＴＢを工具主軸３の軸心と一致させる。
（９）第１の実施形態と同様に、送りねじ５を第１モータ６によって回転させ、工具交換ユニット９をＺ軸に沿って工具主軸３方向に後退させ、交換用工具ＴＢを工具主軸３に装着する。

以上本発明の第２の実施形態の動作について説明したが、第２の実施形態でも第１の実施形態と同様、第２工具マガジン４Ｂを送りねじ５に沿って複数配置して、送りねじ５によって工具交換装置を移動させて、複数の工具マガジンからの工具を交換することが可能である。この場合には、第１の実施形態と同様に、送りねじ５を長くしてその延長端を軸受け８によって支承する。

図４に示すような第２の実施形態では、工具ＴＡの移動及び抜差しの二つの動作を１つの送りねじ５を第１モータ６によって回転させることによって行うことができることから、構造をコンパクトにすることができ、構造が複雑で部品点数も多いサブアームや移動台および多連工具マガジンと主軸間を結ぶキャリアガイドが必要なくなった。このため構造がシンプルで安価に工具主軸から離れた場所に工具マガジン４を並置する構成が可能となる効果を奏する。

本発明の第３の実施形態について図６から図９を参照しながら説明する。本発明の第１、第２の実施形態と同様の部分については同様の符号を付して説明は省略する。本発明の第３の実施形態は工具交換装置１を立形マシニングセンタに取り付けたものである。図６は工具交換装置を取り付けた立形マシニングセンタを示す全体図、図７は工具交換装置を示す正面図、図８は工具交換装置側面図、図９は工具交換装置の平面図である。

図６に示す立形マシニングセンタは工具交換装置１、工具主軸３、テーブル５０及び工具マガジン４Ａを備えている。図６において、工具主軸３は、工作機械固定部１６に形成された工具主軸３と直角軸（以下Ｘ軸という）に沿ったガイドレール１６ａ上を案内されるサドル２８の垂直方向軸（以下、Ｚ軸という）に沿ったガイドレール２８ａでＺ軸方向に案内されている。サドル２８の奥に工具マガジン４Ａが設けられ、この工具マガジン４Ａと工具主軸３の間の工作機械の下部に工具交換装置１が垂直に設けられている。工具主軸３の中心軸と工具マガジン４Ａの垂直位置となった時のポット３１の中心軸との間隔は交換アーム２に把持された工具中心の回転直径となっている。工具交換装置の設置位置はシャッターなどで囲み、工具交換装置の汚損を防止するようにしてもよい。

ここで、工具主軸３はガイドレール１６ａに案内されて、Ｘ軸方向に移動する共に、ガイドレール２８ａに案内されてＺ軸方向に移動するものであるが、工具を交換するときには、図６に示すように、ガイドレール１６ａの一端に位置決めされる。図６は、工具主軸３がこの工具交換位置に位置決めされた状態を示している。また、図７、図８、図９に示すように、工具交換装置１は送りねじ５によって移動する工具交換ユニット９と工具交換装置保持台４３を有している。工具交換ユニット９は本体１３が取り付けられた平板上の基板４０を有している。本体１３には第２モータ７と交換アーム２と交換アーム２の支承材１４が取り付けられている。工具交換ユニット９の基板４０の上には逆台形状のレール状のガイドレール４１及び送りねじナット１７が取り付けられている。一方、工具交換装置保持台４３はＵ字型の切欠を有する平板形状をしており、上部のＵ字型の切欠の両側の工具交換ユニット９の基板４０と対向する面の直線部には、それぞれ逆台形状の溝を持つガイド４２が２つずつ設けられており、工作機械固定部１６に立て向きに固定されている。

工具交換装置保持台４３に取り付けられたガイド４２の逆台形状の溝の中には、工具交換ユニット９の基板４０の上に設けられた逆台形状のガイドレール４１がはまりこむようになっており、工具交換装置保持台４３は工具交換ユニット９をＺ軸方向に滑動自在でＸ及びＹ軸方向の変位を拘束されるように保持している。これによって、工具交換装置保持台４３と工具交換ユニット９は互いに重なり合うようにＺ軸方向にスライドできるようになっている。スライド移動においては、工具交換ユニット９の基板４０の上に突出した本体１３、第２モータ７は、工具交換装置保持台４３のＵ字状の切欠部にはまり込んで干渉しないように構成されている。

工具交換装置保持台４３には、送りねじ５と第１モータ６が取り付けられている。送りねじ５はガイドレール４１に平行であり、工具交換ユニット９の基板４０の上に取り付けられた送りねじナット１７に螺入している。また、送りねじ５は同軸上の第１モータ６と連結されている。これによって工具交換ユニット９は第１モータ６の回転によってＺ軸方向に移動されるようになっている。さらに、工具主軸３は工具交換位置では、Ｚ軸に平行になっていることから、工具交換位置に位置決めされた工具主軸３と送りねじ軸２１は平行となっている。本発明の第３の実施形態では、工具交換ユニット９は第２モータと同じ側に工具を把持、旋回させることから、図９に示すように、工具交換ユニット９の本体１３、基板４０、第２モータ７、送りねじナット１７、ガイドレール４１、及び工具交換装置保持台４３、ガイド４２は、すべて交換アーム２に把持された工具の最小回転円４５の内側に配置されている。

工具交換ユニット９の本体１３には本発明の第１の実施形態と同様に、第２モータ７と支承材１４と交換アーム２と継手１９が取り付けられており、旋回軸２２は送りねじ軸２１と同様に工具交換位置に位置決めされた工具主軸３と平行となっている。また、本発明の第３の実施形態では、工具マガジン４Ａは第１の実施形態と同様の回転式ポット３１がＸ軸と平行な軸の周りに回転するものである。支承材１４は単なる軸受ユニットでもよいが、工具の重量が大きくアームの回転トルクが必要な場合には形状がコンパクトな遊星歯車式減速機であってもよい。

次に図１０、図１１を参照しながら本発明の第３の実施形態の工具交換の動作について説明する。本発明の第１の実施形態と同様の部分については同様の符号を用いて説明は省略する。
（１）第１工具マガジン４Ａには交換用工具ＴＢが格納されている。工具主軸３は加工エリアにあって、テーブル５０の上に固定されたワーク５１の加工を行っている。また工具交換ユニット９はＺ軸方向に一番下に下がった格納位置に格納されており、交換アーム２の角度は格納位置で他の機器と干渉しない角度となっている（図１０参照）。
（２）工具交換ユニット９は送りねじ５の回転によって、最下部の格納位置から、交換アーム２が工具を受け取る待機位置に上昇させられ、Ｚ軸方向の位置決めがされる。このとき交換アーム２は、本発明の実施形態１と同様、交換アーム２が工具を受け渡しする位置に対し９０度若しくはこれより小さい角度位置としている（図１１（ａ）参照）。
（３）工具交換マガジン４Ａを旋回させて交換用工具ＴＢを工具取り出し位置に割り出し、回転式工具ポット３１を転回させて工具ＴＢを待機位置とする（図１１（ａ）参照）。
（４）使用済み工具ＴＡが装着された工具主軸３は、Ｘ軸のガイドレール１６ａで案内され交換位置に位置決めされる（図１１（ａ）参照）。
（５）交換アーム２を回転させ交換用工具ＴＢを交換アーム２の一方の工具把持具に把持すると同時に、使用済み工具ＴＡを他の一方の工具把持具にて把持する。（図１１（ｂ）参照）。
（６）交換アーム２が工具を受け取ると、送りねじ５を第１モータ６によって回転させ、工具交換ユニット９をＺ軸に沿って下降させ、工具主軸３から離れる方向に移動する（図１１（ｃ））。
（７）交換アーム２を旋回させて交換用工具ＴＢを工具主軸３の軸心と一致させ、また使用済み工具ＴＡを回転式ポット３１の軸心と一致させてから、送りねじ５によって工具交換ユニット９をＺ軸に沿って上昇させ、交換用工具ＴＢを工具主軸３に装着すると同時に、使用済み工具ＴＡを回転式ポット３１に装着する（図１１（ｄ））。
（８）交換アーム２の角度を待機位置で他の機器と干渉しない当初の角度とする。（図１１（ａ）参照）。
（９）送りねじ５を第１モータ６によって回転させ、工具交換ユニット９をＺ軸に沿って下降させ、Ｚ軸方向には一番下に下がった当初の格納位置に戻す。また、交換アーム２の角度を格納位置で他の機器と干渉しない当初の角度に戻す（図１０参照）。
これで工具の交換は終了となる。

以上、工具マガジンが１つの場合について説明したが、第１の実施形態のように複数の工具マガジンを送りねじ５の軸線方向に沿って並設して予備工具を多数装備し、シーケンスの長い加工に対応することもできる。この場合は第１の実施形態と同様に離れた場所の工具受け渡し位置から工具主軸３の工具受け渡し位置の間で工具交換ユニット９を送りねじ５によって移動させる。

以上述べたように、本発明の第３の実施形態では、第１の実施形態と同様に、工具の移動、抜差しの二つの動作を、送りねじ５を第１モータ６によって回転させることによって行うことができることから、一体構造で動作精度の高いコンパクトな構造にすることができる上、工具交換の高速化を図れるという効果を奏する。特に、工具交換ユニット９は工具主軸３のガイドレール１６ａや、工具マガジン４Ａと離して工作機械の下部に配置することができ、工具主軸３と工具マガジンの間に配置しなくてもよいことから、工具主軸３中心軸と工具マガジン４の垂直位置のポット３１の中心線との間隔を交換アーム２に把持された工具の中心円直径まで小さくすることができる。これにより、工作機械全体のレイアウトを第１の実施形態よりもさらにコンパクトにすることができるという効果を奏する。さらに、交換アーム２を予め工具交換に適した位置に待機させておくことで迅速な工具交換が可能となり工具の交換時間を短縮することができる。なお、工具交換装置１は工具マガジン４の位置と離れた工作機械の下部の加工エリアの外に格納配置とすることが可能で、不使用時にはこの格納位置に収納しておき、工具を交換するときにこの格納位置から交換位置にせり出して工具の交換を行うようにすることも出来、更に全体的にコンパクトな構成とすることができると共に、格納位置をシャッターなどで囲むことによって工具交換装置１の汚損を防止することができるという効果を奏する。上記の第３の実施形態では、第２モータ７と同じ側に交換アーム２に把持される工具の先端が来るように工具を把持するようにして全体配置のコンパクト化を図っているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第２モータ７と反対側に交換アーム２に把持される工具の先端が来るように工具を把持するようにしてもよい。このときは、工具交換ユニット９の本体１３、基板４０、第２モータ７、送りねじナット１７、ガイドレール４１、及び工具交換装置保持台４３、ガイド４２の一部が、交換アーム２に把持された工具の最小回転円４５の外側に位置していてもよい。これにより、工具交換装置１を工具マガジンに隣接して上部に設け、下部にテーブル５０を交換する装置などを配置することができる。

本発明の第４の実施形態を図４（ａ）、図４（ｂ）を参照しながらその動作について説明する。第４の実施形態は、送りねじ５によって、工具交換ユニット９を移動させる機能を利用して工具長補正や工具径補正若しくは工具折損検出を行う場合について、これには２つの方法があり、１つは非接触センサ２５Ａと接触センサ２６を、もう１つは非接触センサ２５Ｂと接触センサ２６を用いる方法である。非接触センサ２５としてはここではレーザ式のセンサを用いている。

非接触センサ２５Ｂと接触センサ２６を用いて、工具折損の有無や摩耗による先端位置の変化の有無を求める場合の動作について説明する。
（１）工具マガジン４Ａを回転させ、交換用工具ＴＢを交換位置に割り出す。
（２）工具交換ユニット９の本体１３に取り付けた非接触センサ２５Ｂのレーザ光２５Ｂａで交換用工具ＴＢの先端を検出するまで、送りねじ５によって工具交換ユニットを移動させる。
（３）非接触センサ２５Ｂが交換用工具ＴＢの先端を検出したとき、工作機械の数値制御装置内で、非接触センサ２５Ｂの出力から交換用工具ＴＢの工具径を求める。
（４）工具交換ユニット９の交換アーム２を工具マガジン４Ａと同位置になるまで送りねじ５によって工具交換ユニット９を移動させ、レディステーションポット２０により交換用工具ＴＢを工具交換ユニット９の交換アーム２に受け渡す。
（５）工具交換ユニット９を交換アーム２に把持した交換用工具ＴＢが接触センサ２６に当接するまでＺ軸方向に送りねじ５によって移動させる。
（６）接触センサ２６が図４（ａ）に仮想線で示されるように交換用工具ＴＢと接触したとき、工作機械の数値制御装置内で、第１モータ６の回転位置から交換用工具ＴＢの先端位置を求め、予め記憶されている工具のデータと比較して工具折損の有無や摩耗による先端位置の変化の有無を求める。

本発明の第４の実施形態は、送りねじ５による工具交換ユニット９の移動を利用して簡単に工具の工具折損の有無や摩耗による先端位置の変化の有無を求めることができることから、工具の交換と工具の折損の有無や磨耗の有無の確認一連の連続動作として行うことが出来、作業の高速化を図ることができ、かつ長時間の無人運転が可能になるといった効果を奏する。

本発明の第５の実施形態について図３を参照しながら説明する。第５の実施形態は、非接触センサ２５Ａと接触センサ２６を用いて工具長補正や工具径補正若しくは工具折損検出を行う場合である。
（１）交換用工具ＴＢを回転式ポット３１から交換アーム２に受け渡す。
（２）第１モータ６を駆動して送りねじ５によって、非接触センサ２５Ａのレーザ光２５Ａａで交換用工具ＴＢの先端を検出するまで、工具交換ユニット９をＺ軸方向に移動させる。
（３）非接触センサ２５Ａが交換用工具ＴＢの先端を検出したとき、工作機械の数値制御装置内で、非接触センサ２５Ａの出力から交換用工具ＴＢの工具径を求める。
（４）交換アーム２に保持した交換用工具ＴＢが接触センサ２６に当接するまで工具交換ユニット９を送りねじ５によって移動させる。
（５）接触センサ２６が図３に仮想線で示されるように交換用工具ＴＢと接触したとき、工作機械の数値制御装置内で、第１モータ６の回転位置から交換用工具ＴＢの先端位置を求め、予め記憶されている工具のデータと比較して工具折損の有無や摩耗による先端位置の変化の有無を求める。

第５の実施形態は図４に示す第２の実施形態においても同様に適用することができる。

本発明の第５の実施形態も、第４の実施形態と同様、工具の交換と工具の折損の有無や磨耗の有無の確認一連の連続動作として行うことが出来、作業の高速化を図ることができ、かつ長時間の無人運転が可能になるといった効果を奏する。尚、工具長補正・工具折損検出のためのセンサとして接触センサ２６を用いているが、これを工具径と求めるセンサと同様に非接触式としても良い。非接触式センサの種類としては、図４（ａ）に２５Ａａ、２５Ｂａで示したレーザに限らず一般に入手容易な非接触センサであれば良い。

本発明の第１の実施形態の正面図。 本発明の第１の実施形態の構成説明図。 本発明の第１、５の実施形態の説明図。 本発明の第２、４の実施形態の説明図。 本発明の第１の実施形態の動作説明図。 本発明の第３の実施形態の立形マシニングセンタを示す図。 本発明の第３の実施形態の正面図。 本発明の第３の実施形態の側面図。 本発明の第３の実施形態の平面図。 本発明の第３の実施形態の動作説明図（１）。 本発明の第３の実施形態の動作説明図（２）。 従来技術の電動式工具交換装置の断面図。 従来技術による複数マガジン用の工具交換装置の説明図。

符号の説明

１ 工具交換装置、２ 交換アーム、３ 工具主軸、４Ａ 工具マガジン、４Ｂ 工具マガジン、５ 送りねじ、６ 第１モータ、７ 第２モータ、８ 軸受け、９ 工具交換ユニット、１３ 本体、１４ 支承材、１５ ガイド、１６ 工作機械固定部、１６ａ ガイドレール、１６ｂ ガイドレール、１７ 送りねじナット、１８，１９ 継手、２０ レディステーションポット、２１ 送りねじ軸、２２ 旋回軸、２５，２５Ａ，２５Ｂ 非接触センサ、２５Ａａ，２５Ｂａ レーザ光、２６ 接触センサ、２７ ワーク主軸、２８ サドル、２８ａ ガイドレール、３１ 回転式ポット、３１ａ ローラ、３２ 円板、３３ ピン、３４ テーブル、３５ ガイド、３６ フック、３７ シリンダ、４０ 基板、４１ ガイドレール、４２ ガイド、４３ 工具交換装置保持台、４５ 最小回転円、５０ テーブル、５１ ワーク、２０９ アーム軸、２０９ａ スプライン、２０９ｂ 円周溝、２１０ ピニオン、２１１ 工具交換アーム、２１２，２１３ サーボモータ、２１８ 歯車、２２５ ピニオン、３０６ 工具主軸、３１３、３１４ 工具マガジン、３１１ レディステーションポット、３２１ 移動台、３２３ サブアーム、Ｐ 待機位置、Ｔａ シャンク、ＴＡ 使用済み工具、ＴＢ 交換用工具。

Claims (8)

1. 工作機械の工具主軸と工具マガジンとの間で工具を交換するために用いられる工具交換装置であって、
   一端に交換アームが取り付けられ、他端に旋回駆動用モータが取り付けられた旋回軸を有する工具交換ユニットと、
   一端に駆動用モータが取り付けられ、前記工具交換ユニットを送り動作させると共に、その動作により工具の抜き差しを行う送りねじを有し、
   前記送りねじは、工具交換位置に位置決めされた工具主軸の回転軸に対して平行になるようにしたこと、
   を特徴とする工具交換装置。
2. 一端に交換アームが取り付けられ、他端に旋回駆動用モータが取り付けられた旋回軸を有する工具交換ユニットと、
   前記交換ユニットを移動方向に案内する直線状のガイドレールと、
   一端に駆動用モータが取り付けられ、前記ガイドレールに沿って、前記工具交換ユニットを送り動作させる送りねじとを、
   有した工具交換装置であって、
   前記送りねじは、前記工具交換ユニットを格納位置と、工具マガジンからの工具受け渡し位置と、工具主軸との工具交換位置とに停止させることができると共に、前記工具マガジンからの工具受け渡し位置と、前記工具主軸との工具交換位置において、その動作により工具の抜差しを行うことができ、
   前記工具交換ユニットは、前記工具マガジンからの工具受け渡し位置と、前記工具主軸との工具交換位置において、前記交換アームを旋回させることができること、
   を特徴とする工具交換装置。
3. 交換アームと旋回駆動用モータの間に、入力軸と出力軸とが同軸線上に設けられた減速機を有すること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の工具交換装置。
4. 送りねじは、交換アームに把持された工具の最大回転円の外側に配置されたこと、
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の工具交換装置。
5. 送りねじは、交換アームに把持された工具の最小回転円の内側に配置されたこと、
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の工具交換装置。
6. 送りねじに沿って、工具交換ユニットの送り移動範囲内に、複数の工具マガジンを有していること、
   を特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の工具交換装置。
7. 工具交換ユニットの送り移動範囲内であって、交換アームに把持された工具の移動軌跡の近傍に設けられた、前記工具の工具長および工具径を測定する検出器と、
   前記工具交換ユニットの送り移動を用いて工具長補正及び工具折損検出を可能とした請求項１から６のいずれか１項に記載の工具交換装置を備えた工作機械。
8. 工具交換ユニットに取り付けられた検出器と、
   前記工具交換ユニットの送り移動を用いて、工具マガジンの工具径を測定することを可能とした、請求項１から６のいずれか１項に記載の工具交換装置を備えた工作機械。

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