JP2012020350A - 自動工具交換装置を備えた工作機械におけるタイミング調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工具交換時における旋回アームの旋回動作とドローバーのスライド動作とのタイミングを容易、且つ、正確に調整することができ、主軸や工具等に負荷をかけることなく工具交換に係る工程の時間短縮を実現することができるタイミング調整方法を提供する。
【解決手段】測定器ＣＨ１、ＣＨ２を用いてドローバー６の前後位置及び旋回アーム４の位置を測定するとともに、当該測定結果をモニタに表示し、表示されている測定結果にもとづきながらドローバー６をスライドさせるタイミング等を調整することができるようにした。したがって、タイミングの調整に係り十分な経験を有していない作業者であっても、該タイミングを容易且つ迅速に調整することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、旋回アームを有する自動工具交換装置を備えた工作機械において、旋回アームの動作と、工作機械の主軸内に備えられたドローバーの動作とのタイミングを合わせるためのタイミング調整方法に関するものである。

従来、一般的なマシニングセンタにおいては、旋回アームや複数種類の工具を収納した工具マガジンを有する自動工具交換装置が工作機械本体に隣設されており、工作機械の主軸に装着する工具を適宜交換しながら加工を行うようになっている（たとえば特許文献１）。近年、このようなマシニングセンタにおける加工に対して、加工時間の短縮が求められており、工具交換に係る工程の時間短縮も求められている。そこで、工具交換に係る時間を短縮するに際し、旋回アームの受け渡し位置での停止時間の短縮、すなわち主軸との間で工具を受け渡す際の停止時間の短縮を図っており、旋回アームの工具把持部が主軸に装着されている工具を把持する受け渡し位置へ到達した時点で、主軸内部のドローバーがタイミング良く前進又は後退し、主軸に装着された工具がアンクランプ／クランプされるよう、旋回アームの旋回動作に対するドローバーのスライドのタイミングを調整している。尚、ドローバーがスライドするタイミングが早すぎると、たとえば旋回アームの把持部が受け渡し位置に到達するまでにドローバーが前進して工具がアンクランプされ、工具が主軸から抜け落ちてしまうことになる。一方、ドローバーがスライドするタイミングが遅すぎると、たとえば工具がアンクランプされる前に旋回アームが前方へ移動し始めてしまうことになる。

特開平１１−１０４９３４号公報

しかしながら、従来では、上述したような調整を行うにあたって、十分な経験を有する作業者の視覚や聴覚に頼っており、非常に難しい作業となっている。また、たとえ熟練者であっても、タイミングを合わせるまでに時間がかかるという問題もある。さらに、熟練者による調整が行われたとしても、タイミングが正確にあっているか否かの確証はなく、工具交換時に主軸内部の機構や工具に負荷がかかっているおそれがある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、工具交換時における旋回アームの旋回動作とドローバーのスライド動作とのタイミングを容易、且つ、正確に調整することができ、主軸や工具等に負荷をかけることなく工具交換に係る工程の時間短縮を実現することができるタイミング調整方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、旋回動作及び主軸の軸線方向への移動により主軸に装着されている工具を交換する旋回アームを有する自動工具交換装置を備えてなる工作機械において、前記旋回アームの動作と、前記主軸の内部において前記軸線方向へスライドすることにより、前記工具をクランプ／アンクランプするドローバーの動作とのタイミングを調整するためのタイミング調整方法であって、前記旋回アームの位置を測定する第一測定器と、前記ドローバーの位置を測定する第二測定器とを設置する第１工程と、前記第一測定器及び前記第二測定器の測定結果を表示装置に表示する第２工程と、前記表示装置に表示された前記第一測定器及び前記第二測定器の測定結果に基づき、前記旋回アームの動作と前記ドローバーの動作とのタイミングを調整する第３工程とを実行することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第３工程において、前記ドローバーのスライドを開始させるタイミングを、前記旋回アームの位置に応じて調整することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第３工程において、前記旋回アームが前記主軸との間で工具を受け渡す受け渡し位置で停止する停止時間を、前記ドローバーの位置に応じて調整することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記第３工程において、前記ドローバーのスライドを開始させるタイミング及び前記旋回アームを前記主軸との間で工具を受け渡す受け渡し位置で停止させる停止時間が、前記工作機械の運転開始からの運転時間に拘わらず同じになるように夫々調整することを特徴とする。

本発明によれば、２つの測定器を用いてドローバー位置及び旋回アームの位置を測定するとともに、当該測定結果を表示装置に表示し、表示されている測定結果にもとづきながら旋回アームの動作と前記ドローバーの動作とのタイミングを調整することができる。したがって、タイミングの調整に係り十分な経験を有していない作業者であっても、該タイミングを容易且つ迅速に調整することができる。
また、測定結果を表示装置に表示することにより、工具のクランプ／アンクランプを確実に行った後で旋回アームを動作させることができ、工具や主軸等にタイミングのズレに係る負荷がかかってしまうこともない。
さらに、請求項４に記載の発明によれば、コールドスタート時であっても暖機運転時であってもドローバーのスライドを開始させるタイミング及び旋回アームの停止時間が変わらないように夫々を調整しているため、工作機械の運転時間に伴いドローバーや旋回アームの動作制御を変更したりする必要がなく、使い勝手が良い。

マシニングセンタを正面から示した説明図である。 測定器を設置した状態における図１中のＸ−Ｘ線断面を示した説明図である。 図２中におけるＹ−Ｙ線断面を示した説明図である。 工具を装着した状態の主軸の断面を示した説明図である。 （ａ）は、工具をアンクランプした状態における主軸の断面を示した説明図であり、（ｂ）は、工具をクランプした状態における主軸の断面を示した説明図である。 工具交換に係る動作を示したフローチャート図である。 測定器による測定結果を示した波形図である。 図７中の領域Ａを拡大して示した説明図である。 図７中の領域Ｂを拡大して示した説明図である。 コールドスタート時における領域Ａを示した説明図である。 ドローバーが最も押し出される位置と工具をアンクランプする位置との違いを示した説明図であ 工具を装着しているか否かによってドローバーを最も引き込んだ際の位置が異なることを示した説明図である。 ドローバーの動作と旋回アームの動作とのタイミングがずれている場合の測定結果を示した説明図である。

以下、本発明の一実施形態となる自動工具交換装置を備えた工作機械におけるタイミング調整方法について、図面にもとづき詳細に説明する。

まず、自動工具交換装置を備えた工作機械の一例であるマシニングセンタ１について説明する。
図１は、マシニングセンタ１を正面から示した説明図である。図２は、測定器ＣＨ１、ＣＨ２を設置した状態における図１中のＸ−Ｘ線断面を示した説明図であり、図３は、図２中におけるＹ−Ｙ線断面を示した説明図である。図４は、工具Ｔを装着した状態の主軸３の断面を示した説明図である。図５（ａ）は、工具Ｔをアンクランプした状態における主軸３の断面を示した説明図であり、図５（ｂ）は、工具Ｔをクランプした状態における主軸３の断面を示した説明図である。尚、図２や図４、図５では、工具Ｔを構成する工具ホルダのみを記載しており、刃部等については省略している。

マシニングセンタ１は、所謂横型マシニングセンタであって、ベッド２上に、前後方向を軸として回転する主軸３を備えているとともに、該主軸３の上方に、旋回アーム４と工具マガジン５とを有する自動工具交換装置を備えてなる。主軸３の内部には、前後方向へスライド可能なドローバー６が収納されており、該ドローバー６の先端には、工具Ｔ（具体的には工具ホルダの後端に突設されるプルスタッド）を差し込むための差込孔７が穿設されているとともに、該差込孔７内へ進入して工具Ｔを挟持する一方、該差込孔７から退出して工具Ｔをアンクランプする挟持部材８がドローバー６の径方向へ移動可能に設けられている。さらに、ドローバー６を支持する主軸３の内周面には、挟持部材８を作動させるための作動溝９が周設されている。したがって、ドローバー６を引き込むと、挟持部材８が、作動溝９を超えて後方へ位置するに伴い、主軸３の内周面に押されて差込孔７内へ進入し、工具ホルダのプルスタッドに係止して工具Ｔはクランプされることになる（図５（ｂ））。一方、ドローバー６を前進させると、挟持部材８が、作動溝９内に嵌り込むに伴い、差込孔７から退出してプルスタッドとの係止状態が解除され、工具Ｔはアンクランプされることになる（図５（ａ））。

また、旋回アーム４は、長尺なバー部材の両端に工具Ｔを把持するための工具把持部４ａ、４ｂを備えてなるもので、主軸３と同じ前後方向を軸として旋回可能に設けられているとともに、前後方向へスライド可能に設けられている。尚、加工中等において、旋回アーム４は、マシニングセンタ１側へ後退した位置において水平方向へ延びる待機位置に位置されている。
さらに、マシニングセンタ１の内部には、図示しないＮＣ装置が備えられており、主軸３等による加工動作は勿論のこと、ドローバー６のスライド動作や旋回アーム４の旋回動作を制御しており、特に旋回アーム４については図示しないセンサにより旋回アーム４の旋回角度を検出可能となっている。

次に、上記マシニングセンタ１における工具交換について、図６にもとづき説明する。図６は、工具交換に係る動作を示したフローチャート図である。
工具交換の開始にあたっては、上記待機位置にある旋回アーム４を９０度旋回させて工具の受け渡し位置に位置させ、一方の工具把持部４ａで主軸３に装着されている工具Ｔ１を、他方の工具把持部４ｂで工具マガジン５で割り出されている次に主軸３へ装着する工具Ｔ２を夫々把持させる（Ｓ１）。また、所定のタイミングでドローバー６を前方へスライドさせ、工具把持部４ａが工具Ｔ１を把持する受け渡し位置に達した直後に、挟持部材８を作動溝９内へ入り込ませて工具Ｔ１をアンクランプする（Ｓ２）。そして、旋回アーム４を前方へ前進させて、工具Ｔ１を主軸３から、工具Ｔ２を工具マガジン５の工具ポットから夫々抜き取った後（Ｓ３）、旋回アーム４を１８０度旋回させて（Ｓ４）、工具Ｔ２（すなわち工具把持部４ｂ）を主軸３の前方に、工具Ｔ１を工具マガジン５の前方に夫々位置させる。

さらに、今度は旋回アーム４を後退させて、工具Ｔ２を主軸３（ドローバー６）の差込孔７内へ差し込むとともに、工具Ｔ１を空の工具ポットへ差し込む（Ｓ５）。また、所定のタイミングでドローバー６を後方へスライドさせ、工具把持部４ｂが工具Ｔ２を差込孔７内へ十分に差し込む上記受け渡し位置に達した直後に、挟持部材８を作動溝９よりも後方へ位置させて工具Ｔ２をクランプする（Ｓ６）。そして、旋回アーム４を９０度旋回させて上記待機位置へと移動させる（Ｓ７）。
マシニングセンタ１においては、以上のようにして工具交換が行われる。

ここで、工具交換に係る時間を短縮するに際し、旋回アーム４の受け渡し位置での停止時間を短縮しようとする場合、Ｓ１からＳ２にかけての時間、及びＳ５からＳ６にかけての時間を短縮することになる。すなわち、旋回アーム４を停止してから工具がアンクランプ若しくはクランプするまでの時間を短縮しなければならない。そのためには、旋回アーム４の旋回動作に合わせてドローバー６を前方若しくは後方へ作動させるタイミングを調整し、旋回アーム４の受け渡し位置での停止時間の短縮を図ればよい。

そこで、本発明の要部となる上記タイミングの調整方法に関して、以下図７〜図１２をもとに説明する。図７は、測定器ＣＨ１、ＣＨ２による測定結果を示した波形図である。図８は、図７中の領域Ａを拡大して示した説明図であり、図９は、図７中の領域Ｂを拡大して示した説明図である。図１０は、コールドスタート時における領域Ａを示した説明図である。図１１は、ドローバー６が最も押し出される位置と工具Ｔをアンクランプする位置との違いを示した説明図であり、図１２は、工具Ｔを装着しているか否かによってドローバー６を最も引き込んだ際の位置が異なることを示した説明図である。図１３は、ドローバー６の動作と旋回アーム４の動作とのタイミングがずれている場合の測定結果を示した説明図である。

まず、主軸３の前方にドローバー６の前後方向での位置を測定するための測定器ＣＨ２（図２に示す）を設置するとともに、旋回アーム４の後方に、旋回アーム４の位置を測定するための測定器ＣＨ１（図２及び３に示す）を設置する（第１工程）。各測定器ＣＨ１、ＣＨ２は、レーザー変位測定器であって、デジタルオシロスコープ（表示装置）に接続されており、当該測定器ＣＨ１、ＣＨ２により旋回アーム４の位置、及びドローバー６の前後位置を測定すると、デジタルオシロスコープのモニタには、たとえば図７に示すような波形が表示されることになる（第２工程）。そして、作業者は、図７に示す波形に基づいてドローバー６の動作と旋回アームの動作とのタイミングを調整する（第３工程）。

図７の測定器ＣＨ１が示す波形は、旋回アーム４の位置を示しており、図７の左側から旋回アーム４の位置を時系列で追ってみると、待機位置（左端の下限位置）から旋回動作により受け渡し位置へ達し（左側の上限位置）、そこから前方へ移動する（左側の下降期間）。それから、１８０度旋回し（中央の下限位置）、後方へ移動して（右側の上昇期間）、受け渡し位置へ達した（右側の上限位置）後、最終的に旋回動作により待機位置へ移動する（右端の下限位置）。

一方、図７の測定器ＣＨ２が示す波形は、工具Ｔが装着されていない状態におけるドローバー６の先端部分の前後位置を示しており、同様に時系列で追ってみると、最も後方に引き込まれた位置（左端の下限位置）からアンクランプのために前方へスライドし（左側の上昇期間）、最も前方へ押し出された位置（中央の上限位置）に達する。その後、クランプのために後方へスライドし（右側の下降期間）、最も後方に引き込まれた位置に達する（右端の下限位置）。したがって、図７中の領域Ａで示す箇所がアンクランプ時の測定結果となり、図７中の領域Ｂで示す箇所がクランプ時の測定結果となる。

ここで、図７に示す測定結果にもとづいてドローバー６の動作と旋回アーム４の動作とのタイミングを調整するのに際して、注意しなければならない第一の点は、ドローバー６が最も押し出された位置（図１１中のＺ１）において工具Ｔがクランプ／アンクランプされるわけではなく、挟持部材８が作動溝９に入り込んだ位置（図１１中のＺ２）において工具Ｔはクランプ／アンクランプされるという点である。したがって、図９に示すようなクランプ時には、ドローバー６の先端がＺ２にある時点において旋回アーム４が停止していればよい。

また、第二の点は、主軸３に工具Ｔを装着しているか否かによって、ドローバー６がどこまで後方へ引き込まれるかが異なっているという点である。すなわち、工具Ｔを装着していない上記測定の段階では、最も後方に引き込まれた位置である図１２中のＺ４まで引き込むことができるものの、主軸３に工具Ｔを装着すると、図１２中のＺ３の位置までしかドローバー６を引き込めない。そのため、工具Ｔの装着におけるドローバー６の動作を想定すると、Ｚ３の位置から前方へスライドし始めることになり、工具ＴがアンクランプされるＺ２の位置へ到達するタイミングというのは、工具Ｔを装着していない上記測定時のドローバー６の先端がＺ２よりもＺ３とＺ４との差だけ手前となる位置Ｐ（図８や図１０に示す）へ到達したタイミングということになる。したがって、図８や図１０に示すようなアンクランプ時には、Ｚ４から前方へスライドし始めたドローバー６の先端が位置Ｐへ到達した際に、旋回アーム４が停止していればよい。

さらに、第三の点は、マシニングセンタ１の運転開始直後（所謂コールドスタート時）と運転開始してから約３０分程度経過した後（所謂暖機運転時）とにおいて、図８と図１０とに示す如くドローバー６のスライド動作が異なるという点である。したがって、どちらの場合であってもアンクランプ時及びクランプ時に夫々上記条件が満たされていればよい。

そこで、作業者は、上記第一の点〜第三の点が満たされるよう、図７に示す波形に基づきドローバー６を前後動させるタイミング、具体的には旋回アーム４の旋回角度がどのような角度になったタイミングでドローバー６のスライドを開始させるか、及び旋回アーム４を受け渡し位置で停止させる最低限の停止時間を夫々求め、ＮＣ装置を用いて夫々調整すればよい。
たとえば、図１３（ａ）に示すような波形になると、ドローバー６の先端が位置Ｐに達した時点において旋回アーム４が受け渡し位置に位置していないため、ドローバー６を前方へスライドさせるタイミングが早すぎることがわかる。また、図１３（ｂ）に示すような波形になると、ドローバー６の先端が位置Ｐに達する前に旋回アーム４が前方へ移動し始めており、ドローバー６を前方へスライドさせるタイミングが遅すぎることがわかる。さらに、図１３（ｃ）に示すような波形になると、旋回アーム４が受け渡し位置へ達する前にドローバー６がクランプ位置Ｚ２よりも後方へ移動しており、ドローバー６を後方へスライドさせるタイミングが早すぎることがわかる。加えて、図１３（ｄ）に示すような波形になると、旋回アーム４が受け渡し位置に達した後、待機位置へ旋回を開始した後にようやくドローバー６が後方へスライドしており、ドローバー６を後方へスライドさせるタイミングが遅すぎることがわかる。すなわち、作業者は、測定器ＣＨ１、ＣＨ２による波形が図７〜図９に示すような関係となり、上記第一〜第三の点が全て満たされるように、ドローバー６をスライドさせるタイミング及び旋回アーム４の停止時間を調整してやればよいのである。そして、このように調整した結果、本件出願人は、旋回アーム４の停止時間を５０ｍｓまで短縮することができた。

以上、本実施形態に係るタイミング調整方法によれば、測定器ＣＨ１、ＣＨ２を用いてドローバー６の前後位置及び旋回アーム４の位置を測定するとともに、当該測定結果をモニタに表示しており、表示されている測定結果にもとづきながらドローバー６をスライドさせるタイミング等を調整することができる。したがって、タイミングの調整に係り十分な経験を有していない作業者であっても、該タイミングを容易且つ迅速に調整することができる。
また、工具Ｔのクランプ／アンクランプを確実に行った後で旋回アーム４を動作させることができ、工具Ｔや主軸３等にタイミングのズレに係る負荷がかかってしまうこともない。
さらに、コールドスタート時であっても暖機運転時であってもドローバー６のスライドを開始させるタイミング及び旋回アーム４の停止時間が変わらないように夫々を調整しているため、工作機械の運転時間に伴いドローバー６や旋回アーム４の動作制御を変更したりする必要がなく、使い勝手が良い。

なお、本発明のタイミング調整方法に係る構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、工作機械本体の構成は勿論、測定器等のタイミングの調整に係る構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施形態では、ドローバーのスライド開始のタイミングを調整するという方法を採用しているが、加工時間の短縮には逆効果になるものの、影響の少ない範囲内であれば、旋回アームの停止時間を若干延長することにより、ドローバーの動作とのタイミングを調整することも可能である。
また、上記実施形態では、横型マシニングセンタにおけるタイミング調整方法としているが、本発明に係るタイミング調整方法は他の自動工具交換装置を備えた工作機械（立型マシニングセンタや門型マシニングセンタ、多軸制御マシニングセンタ等）に対しても適用可能である。
さらに、主軸の内部の構成やドローバーのクランプ／アンクランプに係る構成も上記実施形態のものに限定されることはなく、どの位置において旋回アームを停止させておくか等についてもドローバーの構成等に応じて適宜求めればよい。

１・・マシニングセンタ（工作機械）、２・・ベッド、３・・主軸、４・・旋回アーム（自動工具交換装置）、５・・工具マガジン（自動工具交換装置）、６・・ドローバー、７・・差込孔、８・・挟持部材、９・・作動溝、ＣＨ１、ＣＨ２・・測定器。

Claims (4)

1. 旋回動作及び主軸の軸線方向への移動により主軸に装着されている工具を交換する旋回アームを有する自動工具交換装置を備えてなる工作機械において、前記旋回アームの動作と、前記主軸の内部において前記軸線方向へスライドすることにより、前記工具をクランプ／アンクランプするドローバーの動作とのタイミングを調整するためのタイミング調整方法であって、
   前記旋回アームの位置を測定する第一測定器と、前記ドローバーの位置を測定する第二測定器とを設置する第１工程と、
   前記第一測定器及び前記第二測定器の測定結果を表示装置に表示する第２工程と、
   前記表示装置に表示された前記第一測定器及び前記第二測定器の測定結果に基づき、前記旋回アームの動作と前記ドローバーの動作とのタイミングを調整する第３工程と
   を実行することを特徴とする自動工具交換装置を備えた工作機械におけるタイミング調整方法。
2. 前記第３工程において、前記ドローバーのスライドを開始させるタイミングを、前記旋回アームの位置に応じて調整することを特徴とする請求項１に記載の自動工具交換装置を備えた工作機械におけるタイミング調整方法。
3. 前記第３工程において、前記旋回アームが前記主軸との間で工具を受け渡す受け渡し位置で停止する停止時間を、前記ドローバーの位置に応じて調整することを特徴とする請求項１に記載の自動工具交換装置を備えた工作機械におけるタイミング調整方法。
4. 前記第３工程において、前記ドローバーのスライドを開始させるタイミング及び前記旋回アームを前記主軸との間で工具を受け渡す受け渡し位置で停止させる停止時間が、前記工作機械の運転開始からの運転時間に拘わらず同じになるように夫々調整することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の自動工具交換装置を備えた工作機械におけるタイミング調整方法。

Images