JP2012187668A - 工具交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交換アームの動作前の待機時間を適正化し、工具交換時間を含めた加工所要時間を短縮することが可能な工具交換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】工具３を保持して循環移動する複数の工具ポット６を有する工具マガジン４と、主軸20を支持する主軸ヘッド２に設けてあり、主軸ヘッド２と共に上昇、下降する交換アーム５とを備える工具交換装置において、工具マガジン４の下部で交換位置に工具３が移動した後、この工具３に対応させて定めた待機時間の経過を待って交換アーム５が動作し、工具ポット６と主軸20との間で工具３を交換するように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、マシニングセンタ等の工作機械において、主軸と工具マガジンとの間で工具を交換する工具交換装置に関する。

マシニングセンタは、フライス加工、穴あけ加工、ねじ立て加工等の多種類の加工を、主軸に装着される工具を自動交換しながら実行する。主軸は、上昇、下降可能な主軸ヘッドに支持してあり、主軸モータの駆動により回転する。工具は、主軸ヘッドから突出する主軸の下端部に工具ホルダを介して装着され、該主軸と共に上昇、下降しながら回転することで被加工物を加工する。

工具の交換は、ＡＴＣ（自動工具交換装置）の動作により実行される（例えば、特許文献１参照）。ＡＴＣは、工具マガジンと交換アームとを備えている。工具マガジンは、多数の工具ポットを有する。工具ポットは、所定の経路に沿って循環移動する。工具は、夫々の工具ポットに工具ホルダを介して保持し、工具マガジンに収容してある。工具ポットは、循環移動により夫々が保持する工具を工具マガジン内の割出位置に位置決めし、工具マガジン外の交換位置に送り出す。

交換アームは、主軸と並べて主軸ヘッドに設けてある。交換アームは、上下方向の軸周りに旋回し、且つ主軸ヘッドに対して上昇、下降する。交換アームは、該交換アームの軸に対して夫々逆向きに延び、開閉する２つの把持部を備えている（例えば、特許文献１参照）。

交換アームは、加工終了後の工具交換に際し、主軸ヘッドと共に上昇し、前記交換位置に対応する高さ位置（把持位置）に移動する。交換アームの把持部は、把持位置に移動した後に閉となる。一方の把持部は、主軸に装着された工具（前工具）を把持し、他方の把持部は、交換位置にある工具（次工具）を把持する。

交換アームは、両側の把持部で工具を把持して下降し、前工具を主軸から引き抜き、次工具を工具ポットから引き抜く。交換アームは、下降後に 180°旋回し、前工具を工具マガジン側に移行し、次工具を主軸側に移行する。交換アームは、旋回後に上昇し、次工具を主軸に嵌め込み、前工具を工具ポットに嵌め込む。交換アームは、把持部を開とし、前工具及び次工具の把持を解除する。工具ポットは、前工具を保持して割出位置に戻り、工具マガジン内で循環する。主軸は、次工具を保持して主軸ヘッドと共に下降し、加工領域に移動する。マシニングセンタにおける工具交換は、以上の如き工具マガジン及び交換アームの一連の動作により実施される。

特開平１０−１５１５４２号公報

以上の如く動作する工具交換装置において、交換アームは、工具交換に際し主軸ヘッドと共に上昇して把持位置に移動する。工具マガジン内の次工具は、主軸ヘッドと共に上昇する交換アーム（の把持部）との干渉を避けるために、交換アームの移動完了後に割出位置から交換位置に移動させている。このように移動する次工具は、交換位置に停止する際に振動する。交換アームは、次工具が交換位置に移動した後、振動の収束に必要な待機時間の経過を待って動作を開始し、交換位置に移動した次工具を確実に把持できるようにしている。

工具マガジンは、ドリル、タップ等の小径工具だけでなく、エンドミル等の大径工具も収容している。交換位置に移動する次工具は、該次工具が大径工具である場合に大きく振動し、収束するまでに時間を要する。交換アームの動作開始前の待機時間は、大径工具の振動が収束するために必要な時間を基準として設定してある。

工具交換は、一回の加工工程において通常複数回実施される。従って、各回の工具交換に要する時間を短縮することにより、マシニングセンタの加工時間を短縮することができるが、前記待機時間は、工具交換時間の短縮を阻害する一因となっている。

本発明の目的は、交換アームの動作前の待機時間を適正化し、工具交換時間を含めた加工所要時間の短縮を図ることである。

本発明に係る工具交換装置は、工具を保持して循環移動する複数の工具ポットを有する工具マガジンと、主軸を支持する主軸ヘッドに設けてあり、該主軸ヘッドと共に移動する交換アームとを備え、前記工具ポットの循環移動により割出位置に位置決めされ、該工具ポットと共に交換位置に移動する次工具を、該次工具の移動後に生じる前記交換アームの動作により、前記主軸に装着してある前工具と交換する工具交換装置において、前記工具に夫々に対して待機時間を設定し、前記割出位置から前記交換位置に次工具を移動させた後、該次工具に対応する待機時間の経過を待って前記交換アームの動作を開始させるように前記工具マガジン及び前記交換アームを制御する制御装置を備えることを特徴とする。

本発明においては、工具マガジン内の工具の夫々に待機時間を設定する。工具交換に際し制御装置は、工具マガジン内の次工具を交換位置に移動させ、該次工具に対して設定した待機時間の経過後に交換アームを動作させる。待機時間は、交換位置に移動した工具の振動が収束する時間を基準として設定してある。交換アームは、次工具の振動が収束した直後に動作を開始する。交換アームは、過不足のない時間経過後に次工具を把持し、該次工具を前工具と確実に交換する。

また本発明に係る工具交換装置は、前記工具マガジン内の工具をサイズの大小に応じてグループ分けし、前記待機時間は、大サイズのグループが長く、小サイズのグループが短くなるように、グループ毎に設定してあることを特徴とする。

この発明においては、工具マガジン内の工具をサイズの大小に応じてグループ分けし、グループ毎に待機時間を設定する。待機時間は、交換位置への移動時の振動が大きい大サイズのグループに対しては長く、交換位置への移動時の振動が小さい小サイズのグループに対しては短くなるように設定する。交換アームは、待機時間の経過後に動作し、振動が収束した次工具を確実に把持する。待機時間は、グループ毎に設定してあり、種類が少ない。制御装置の負荷は小さい。

また本発明に係る工具交換装置は、前記待機時間が、大サイズの工具が長く、小サイズの工具が短くなるように、前記工具マガジン内の工具の夫々に対して設定してあることを特徴とする。

この発明においては、工具マガジン内の工具の夫々に待機時間を設定する。交換アームは、全ての次工具に対して過不足のない待機時間で動作を開始する。工具交換に要する時間は、効果的に短縮することができる。

本発明に係る工具交換装置においては、交換位置に次工具が移動した後、該次工具に対して設定された待機時間の経過を待って交換アームが動作を開始するから、夫々の次工具に対する待機時間を適正化し、無為な時間を消費することなく次工具を確実に把持することができ、工具交換時間を含めた加工時間の短縮を図ることができる。

マシニングセンタの要部の構成を示す斜視図である。 工具マガジンの内部構成を略示する縦断面図である。 交換アームを下方から見た平面図である。 マシニングセンタの制御系のブロック図である。 待機時間の設定例を示す図表である。 制御装置の動作内容を示すフローチャートである。

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。以下の説明で使用する方向（前、後及び左、右）は、図１、図２中に矢符により示してある。

図１は、マシニングセンタ１の要部の構成を示す斜視図である。マシニングセンタ１は、基台10の上面に垂直に立設したコラム11を備えている。コラム11は、主軸ヘッド２を支持している。主軸ヘッド２は、コラム11の前面に設けた一対のガイド12，12に沿って上下方向に移動可能である。コラム11は、ガイド12，12間に上下方向に延びる送りねじ軸13を備えている。送りねじ軸13は、コラム11の上部に固定したＺ軸モータ14に連結してあり、該Ｚ軸モータ14の駆動により中心軸周りに回転する。主軸ヘッド２の後部は、ガイド12，12間で送りねじ軸13に螺合している。主軸ヘッド２は、Ｚ軸モータ14の駆動による送りねじ軸13の回転に応じて上昇、下降する。

主軸ヘッド２は、その内部に主軸20を支持している。主軸20は、主軸ヘッド２の上部に固定した主軸モータ21に連結してあり、該主軸モータ21の駆動により上下方向の中心軸周りに回転する。主軸20の下端部は、主軸ヘッド２の下方に突出しており、後述するように装着される工具３を保持する。工具３は、主軸ヘッド２と共に上昇、下降し、主軸モータ21の駆動により主軸20と共に回転する。

マシニングセンタ１は、コラム11の前方の基台10上に加工テーブル15を備えている。加工テーブル15は、水平に保たれた上面に被加工物を固定し、Ｘ軸モータ84（図４参照）の駆動により左右方向に、Ｙ軸モータ85（図４参照）の駆動により前後方向に夫々移動する。加工テーブル15上の被加工物は、該加工テーブル15と共に移動する。工具３は、主軸ヘッド２と共に上昇、下降し、主軸モータ21の駆動により主軸20と共に回転して加工テーブル15上の被加工物を加工する。

マシニングセンタ１は、工具交換装置を備えている。工具交換装置は、工具マガジン４と交換アーム５とを備えている。図１に示すように、工具マガジン４は、コラム11の左側上部に設けてある。図２は、工具マガジン４の内部構成を略示する縦断面図である。

図２に示す如く、工具マガジン４は、支持フレーム40に支持した回転円板41を備えている。支持フレーム40は、コラム11の左側面に固定してある。図２には、コラム11に沿って最上位置に上昇した主軸ヘッド２及び主軸20を併せて図示してある。主軸ヘッド２は、最上位置において工具マガジン４の右側に位置する。

回転円板41は、一側に同軸をなして連設した円筒形の基部41aを有している。該基部41aは、支持フレーム40に突設された円筒形の支持筒40a内に支持してある。回転円板41は、左右方向に延びる基部41aの軸周りに回転自在である。

支持フレーム40の上部には、マガジンモータ43が取付けてある。マガジンモータ43は、カム軸44に連結してある。カム軸44は、支持フレーム40に支持され、回転円板41の基部41aとの対向部間で上下方向に延びている。カム軸44は、外周に螺旋状のカム溝を有する円筒カム44aを有する。円筒カム44aのカム溝は、基部41aの端面に並設された複数のカム突起41bに係合している。カム軸44は、マガジンモータ43の駆動により回転する。カム軸44の回転は、円筒カム44aに係合するカム突起41bを介して回転円板41に伝わり、該回転円板41は、左右方向の中心軸周りに回転する。

回転円板41には、複数の工具ポット６，６…が各別の支持体60，60…を介して取付けてある。支持体60，60…は、回転円板41外周の固定部から外向きに延び、右向きに屈曲した形状を有する。工具ポット６は、一端部に開口する工具装着穴61を備える有底の筒体であり、底部に設けた支軸62を介して夫々の支持体60の先端部に支持し、回転円板41の周上で所定の間隔を隔てて並設してある。

以上のように取付けられた工具ポット６，６…は、回転円板41の回転に応じて並設周上で循環移動する。支軸62は、回転円板41の接線方向に延びる軸であり、工具ポット６は、夫々の支軸62を中心として揺動可能である。一方工具ポット６は、支持フレーム40に取り付けた円筒形のガイドカバー45の内面に並設周の外側で接触し、支軸62を中心とする揺動を拘束された状態にある。図２に示す如く、工具ポット６，６…は、工具装着穴61の開口部を左向きとした姿勢で循環移動する。ガイドカバー45は、最下部に所定幅の切欠きを有している。工具ポット６は、循環経路上で前記切欠きに対応する最下位置（割出位置）にあるとき、支軸62を中心として揺動することができる。

図２において、割出位置にある工具ポット６は、工具３を装着した状態で示し、最上部の工具ポット６は、工具３を装着していない状態で示してある。工具ポット６の工具装着穴61は、左向きの開口から内奥側に向けて縮径する円錐形の位置決め穴と、該位置決め穴に連続する小径円筒形の止め穴とを有する。工具３は、工具ホルダ30を介して工具装着穴61に嵌め込み保持されている。

工具ホルダ30は、公知のように、円錐形のプルスタッド部と、該プルスタッド部の先端部に連続するシャンク部とを備える。工具ホルダ30は、シャンク部を先として工具装着穴61に嵌め込まれる。工具装着穴61の位置決め穴は、工具ホルダ30のプルスタッド部に密着し、工具ホルダ30及び工具３を工具ポット６と同軸上に位置決めする。工具ホルダ30のシャンク部は、工具装着穴61の止め穴内に入り込み、該止め穴内に突出する係止ボール64と係合して工具ポット６からの工具ホルダ30の抜けを防止する。工具ポット６，６…は、マガジンモータ43の駆動により並設ピッチ単位で循環移動し、夫々が保持する工具３を割出位置に位置決めする。

各工具ポット６は、底部の外側に右向きに突出する突起を有し、夫々の突起の先端部には、支軸62と平行をなす引き上げピン63が設けてある。支持フレーム40には、引き上げシリンダ46が取付けてある。引き上げシリンダ46は、下方に延びる出力ロッド 46aの先端にスライダ47を備える。スライダ47には、左方に向けて開口するＵ字形の係合溝47aが形成してある。引き上げシリンダ46は、作動エアの給排に応じて出力ロッド46aを進退動作するエアシリンダである。スライダ47は、引き上げシリンダ46の動作に応じて上昇、下降する。図２に示す如く、下降したスライダ47は、割出位置にある工具ポット６の右側に位置し、該工具ポット６の引き上げピン63を係合溝47a内に受け入れる。なお図２には、引き上げシリンダ46の一部（円筒カム44aと重なる部分）を破断して示してある。

スライダ47は、引き上げシリンダ46の動作により上昇し引き上げピン63を引き上げる。割出位置にある工具ポット６は、引き上げピン63の引き上げにより支軸62を中心として略90°揺動し、該工具ポット６が保持する工具３及び工具ホルダ30は交換位置に移動する。図２には、交換位置にある工具ポット６、工具３及び工具ホルダ30を、引き上げピン63及びスライダ47と共に２点鎖線で示してある。

図２に示す如く、交換位置に移動した工具３は、工具マガジン４の下部に突出し、最上位置に上昇した主軸ヘッド２の左側に位置し、主軸20の先端に装着してある工具３と同じ高さとなる。交換アーム５は、主軸ヘッド２の下部で後述するように動作し、主軸20に装着した工具（前工具）３と、交換位置にある工具ポット６が保持する工具（次工具）３とを交換する。

交換アーム５は、主軸ヘッド２の下方に突出するアーム軸50の下端に取り付けてある。アーム軸50は、主軸ヘッド２の内部で上下方向に延びている。アーム軸50は、中心軸周りの回転と軸方向の移動とが可能である。交換アーム５は、アーム軸50が回転することで水平面内で旋回する。交換アーム５は、アーム軸50が軸方向に移動することで、上昇、下降する。

図３は、交換アーム５を下方から見た平面図である。図３に示す如く交換アーム５は、アーム軸50の取付け部を中央に備える平板状の部材であり、アーム軸50の位置から互いに逆向きに延びる２つのアーム部の夫々に把持部51，51を備えている。

把持部51は、一対のフィンガ51a，51bを備えている。両フィンガ51a，51bは、各別の支軸52a，52bにより交換アーム５の下面に取付けてある。支軸52a，52bは、アーム軸50と平行をなす軸であり、互いに近接して配置してある。フィンガ51a，51bは、夫々の支軸52a，52bを中心として揺動可能である。

フィンガ51a ，51bは、夫々の支軸52a，52bの両側に延びている。両フィンガ51a， 51bの先端部は、交換アーム５の外側に延びている。交換アーム５の内側に延びる両フィンガ51a，51bの基端部は、両者間に介装された閉じバネ54により互いに離反する向きに付勢されている。またフィンガ51a，51bは、支持部の近傍に夫々に向けて突出する突起53a，53bを備えている。突起53a，53bは、フィンガ51a，51bの間で図示のように当接している。

交換アーム５は、下面中央部に開きカム55を備えている。開きカム55は、カム軸56に取付けてある。カム軸56は、アーム軸50の内部に同軸をなして支持してあり、アーム軸50と共に軸方向に移動し、アーム軸50と独立して回転する。

図３に示す如く、開きカム55は、外周の相対向する２箇所に切欠きを備える円板状のカムである。通常時に開きカム55は、図３に示す回動位置にある。２箇所の切欠きは、把持部51，51夫々のフィンガ51a，51bの基端部に当接し、これらを閉じバネ54の付勢に抗して押圧している。フィンガ51aは、支軸52aを中心として揺動する。この揺動は、突起53a，53bを介して他方のフィンガ51bに伝わり、該フィンガ51bも揺動する。両フィンガ51a，51bの基端部は、閉じバネ54の付勢に抗して接近する。フィンガ 51a，51bの先端部は、所定の間隔を隔てて離れた開状態となる。

開きカム55は、カム軸56の駆動により時計回り（図３中に矢符により示す向き）に回動し、フィンガ51aの押圧を解除する。該フィンガ51aは、閉じバネ54の付勢により時計回りに揺動する。この揺動により、突起53a，53bが離反し、他方のフィンガ51bは反時計回りに揺動する。フィンガ51a，51bの先端部は、相互に接近し、把持部51は閉状態となる。閉状態にある把持部51は、カム軸56の駆動により開きカム55が逆向きに回動し、図３に示す回動位置に戻ることで開状態に復帰する。

交換アーム５は、アーム軸50の回転に応じて旋回する。把持部51，51は、カム軸56の回転に応じて開閉する。主軸ヘッド２の上部には、アームモータ57が取付けてある。アームモータ57は、主軸ヘッド２内部のアーム駆動軸（図示略）を駆動する。アーム駆動軸は、主軸ヘッド２の内部にアーム軸50及びカム軸56と並べて支持してあり、アーム軸50及びカム軸56と各別のカム機構（図示略）を介して連結してある。

通常時（加工動作時を含む）に交換アーム５は、アーム軸50と共に上昇し、主軸ヘッド２の下面に近接した位置にあり、交換アーム５の把持部51，51は、開状態にある。一方の把持部51は、図２に示す如く、主軸20に向けて延び、該主軸20に装着した工具３の工具ホルダ30を挾むように位置する。

工具交換時に主軸ヘッド２は、最上位置に上昇し、交換アーム５は、把持位置に移動する。図２に示す如く、把持位置に移動した交換アーム５の他方の把持部51は、工具マガジン４の下部に向けて延び、交換位置にある工具ホルダ30を挾むように位置する。

工具交換に際し、交換アーム５は、両方の把持部51，51を閉じ、夫々の位置で工具ホルダ30を把持する。交換アーム５は、アーム軸50と共に下降し、把持部51，51が把持した工具ホルダ30を下方に引いて主軸20及び工具ポット６から工具３を外す。交換アーム５は、アーム軸50の回転により 180°旋回し、主軸20側の工具（前工具）３と工具ポット６側の工具（次工具）３とを位置換えする。交換アーム５は、アーム軸50と共に上昇し、位置換えした工具３，３を工具ポット６及び主軸20に装着して工具交換を終了する。

工具交換装置は、以上に説明したような下降、回転及び上昇を１組として交換アーム５が動作し、該交換アーム５の把持部51，51が開閉することで、工具マガジン４と主軸20との間で工具３を交換する。把持部51，51の開閉を含む交換アーム５の工具交換動作は、アームモータ57を駆動し、アーム駆動軸の回転をカム機構を介してアーム軸50及びカム軸56に伝えることで、数100msec程度の短い動作時間で完了する。

工具ポット６への工具３の装着は、前述の如く、工具装着穴61に工具ホルダ30を嵌め込み、該工具ホルダ30のシャンク部を係止ボール64の係合により抜け止めしてなされる。主軸20は、工具ポット６と同様の工具装着穴（図示略）を有し、該工具装着穴の内部にドローバー（図示略）を備えている。主軸20への工具３の装着は、工具装着穴に工具ホルダ30を嵌め込み、該工具ホルダ30のシャンク部をドローバーにより引き上げてなされる。工具３は、工具ホルダ30のプルスタッド部の作用により、主軸20と正しく同軸をなして装着することができる。

主軸20に装着された工具３は、主軸ヘッド２と共に下降し、前述したように、加工テーブル15上の被加工物を加工する。工具ポット６に装着された工具３は、引き上げシリンダ46の動作に応じた工具ポット６の揺動により割出位置に復帰する。工具マガジン４は、マガジンモータ43の駆動により工具ポット６，６…を循環移動させ、次に使用する工具３を割出位置に位置決めする。

図４は、マシニングセンタ１の制御系のブロック図である。マシニングセンタ１は、加工動作全般を制御する制御装置７を備えている。制御装置７は、ＣＰＵ71、ＲＯＭ72、ＲＡＭ73、不揮発性メモリ76、入力インターフェース74及び出力インターフェース75を備えるコンピュータである。

マシニングセンタ１は、操作パネル８を備えている。操作パネル８は、操作部81と表示部82とを備えている。操作部81は、各種の数値を設定するためのテンキー、各種の操作を指令するための操作キー等を有している。表示部82は、操作部81の操作内容、マシニングセンタ１の運転状態等を表示する。作業者は、表示部82の表示に従って操作部81を操作することで、加工プログラム、使用する工具３等の加工条件を指定する。

操作部81は、入力インターフェース74に接続してある。ＣＰＵ71は、入力インターフェース74を介して操作部81の操作内容を読込み、ＲＯＭ72に格納した制御プログラムに従って動作することによりマシニングセンタ１を制御する。表示部82は、駆動回路82aを介して出力インターフェース75に接続してある。ＣＰＵ71は、出力インターフェース75を介して駆動回路82aに動作指令を与え、表示部82に必要な表示を行わせる。

制御装置７の出力インターフェース75は、Ｘ軸モータ84の駆動回路84a、Ｙ軸モータ85の駆動回路85a、Ｚ軸モータ14の駆動回路14a 及び主軸モータ21の駆動回路 21aに接続してある。ＣＰＵ71は、出力インターフェース75を介して駆動回路84a、駆動回路85a、駆動回路14a及び駆動回路21aに動作指令を与え、Ｘ軸モータ84、Ｙ軸モータ85、Ｚ軸モータ14及び主軸モータ21を各別に駆動する。

前述したように、Ｘ軸モータ84は、加工テーブル15を左右方向に移動させ、Ｙ軸モータ85は、加工テーブル15を前後方向に移動させる。Ｚ軸モータ14は、主軸ヘッド２を上昇、下降させ、主軸20に装着した工具３を上下方向に移動させる。主軸モータ21は、主軸20を回転駆動し、工具３を回転させる。ＣＰＵ71は、Ｘ軸モータ84、Ｙ軸モータ85、Ｚ軸モータ14、及び主軸モータ21を加工プログラムに従って駆動制御し、加工テーブル15上の被加工物に所望の加工を施す。

制御装置７の出力インターフェース75は、マガジンモータ43の駆動回路43a及びアームモータ57の駆動回路57aにも接続してある。ＣＰＵ71は、出力インターフェース75を介して駆動回路43a及び駆動回路57aに動作指令を与え、マガジンモータ43及びアームモータ57を各別に駆動する。

制御装置７の出力インターフェース75は、引き上げシリンダ46にも接続してある。ＣＰＵ71は、出力インターフェース75を介して引き上げシリンダ46に動作指令を与え、該引き上げシリンダ46を動作させる。前述の如く、引き上げシリンダ46がエアシリンダである場合、ＣＰＵ71は、引き上げシリンダ46に作動エアを給排する弁を制御対象とする。

前述した如く、マガジンモータ43は、工具マガジン４の工具ポット６，６…を循環移動させる。工具マガジン４内の工具３の種類は、夫々を保持する工具ポット６と対応させてＲＡＭ73に記憶させてある。ＣＰＵ71は、加工プログラムに従ってマガジンモータ43を駆動制御し、次工程で使用する工具３を保持している工具ポット６を割出位置に位置決めする。ＣＰＵ71は、加工プログラムに従ってマガジンモータ43及びアームモータ57を駆動制御し、交換アーム５に一連の交換動作を行わせる。交換アーム５は、工具マガジン４と主軸20との間で工具３を交換する。

引き上げシリンダ46は、スライダ47を上昇、下降させる。工具マガジン４内で割出位置に位置決めされた工具ポット６は、引き上げシリンダ46を上昇動作させることで交換位置に移動する。

図６は、制御装置７の動作内容を示すフローチャートであり、本図に基づいて制御装置７が工具交換時に実行する制御動作について説明する。図中のＳｉ（ｉ＝１，２…）は、ＣＰＵ71の動作ステップを示すステップ番号である。

ＣＰＵ71は、加工プログラムをブロック単位で実行する。ＣＰＵ71は、ブロック番号ｎに１を設定し（Ｓ１）、ｎ番目のプログラムブロックを読込む（Ｓ２）。ＣＰＵ71は、読み込んだプログラムブロックが終了指令であるか否かを判定する（Ｓ３）。プログラム終了指令である場合（Ｓ３；ＹＥＳ）、ＣＰＵ71は、制御動作を終了する。

プログラム終了指令でない場合（Ｓ３；ＮＯ）、ＣＰＵ71は、読込んだプログラムブロックが工具交換指令であるか否かを判定する（Ｓ４）。工具交換指令でない場合（Ｓ４；ＮＯ）、ＣＰＵ71は、読込んだプログラムブロックに従って加工動作を行う（Ｓ５）。加工動作は、Ｘ軸モータ84、Ｙ軸モータ85、Ｚ軸モータ14及び主軸モータ21を組み合わせて駆動し、加工テーブル15上の被加工物を加工する動作である。

加工動作の実行中にＣＰＵ71は、マガジンモータ43を駆動し、工具マガジン４内で工具ポット６を循環移動させ、次工程で使用する工具３（次工具）を割出位置に位置決めする（Ｓ６）。ＣＰＵ71は、割出位置への位置決めが完了したか否かを判定する（Ｓ７）。Ｓ７の判定は、例えば、マガジンモータ43が備える回転検出器の検出結果に基づいて行う。次工具に関する情報は、実行中のプログラムブロックに含まれている。

位置決めが完了していない場合（Ｓ７；ＮＯ）、ＣＰＵ71は、Ｓ５に処理を移行し、加工動作を継続する。位置決めが完了した場合（Ｓ７；ＹＥＳ）、ＣＰＵ71は、割出位置に位置決めした次工具に対応する待機時間を読み込む（Ｓ８）。

待機時間は、工具マガジン４内に収納し得る多数の工具３の夫々に対して予め定め、不揮発性メモリ76に格納してある。待機時間は、割出位置から交換位置に移動した工具３（工具ポット６、工具ホルダ30を含む）の振動が収束するために必要な時間である。工具３の振動の大小は、該工具３のサイズ（重量、長さ、慣性モーメント等）に依存し、振動の収束時間の長短は、振動の大小に依存する。待機時間は、例えば、工具３をサイズ毎にグループ分けし、ドリル、タップ等の小サイズの工具に対して短く、エンドミル等の大サイズの工具に対して長くなるように、各グループ毎に設定する。設定した待機時間は、不揮発性メモリ76に各工具に対応づけて記憶させてある。

図５は、待機時間の設定例を示す図表である。図５には、サイズ（慣性モーメント）が異なる４種の工具３の待機時間が示してある。工具３は、例えば、所定値（０．０４ｋｇ・ｍ² ）以上の慣性モーメントを有する大サイズの工具と、所定値未満の慣性モーメントを有する小サイズの工具との２グループとにサイズ分けし、小サイズのグループ（工具番号１、２）の待機時間を０．１sec、大サイズのグループ（工具番号３、４）の待機時間を０．２secとする。慣性モーメントは、工具３が工具ポット６と共に支軸62周りに回転する際に発生するモーメントである。

また工具番号１〜４の工具の待機時間を個別に設定してもよい。図５においては、小サイズのグループのうち、慣性モーメントが大きい工具（工具番号２）の待機時間を０．１sec、慣性モーメントが小さい工具（工具番号１）の待機時間を０．０５secに夫々設定し、大サイズのグループのうち、慣性モーメントが大きい工具（工具番号４）の待機時間を０．２sec、慣性モーメントが小さい工具（工具番号３）の待機時間を０．１５secに夫々設定してある。

ＣＰＵ71は、動作開始時の初期設定において、工具マガジン４内の複数の工具３の種別を認識し、夫々の工具３に対応する待機時間を不揮発性メモリ76から読み込み、ＲＡＭ73に格納する。ＲＡＭ73は、複数の工具３に対応する待機時間を、夫々の工具３を保持する工具ポット６に対応する待機時間データとして格納する。Ｓ８においてＣＰＵ71は、割出位置にある次工具（工具ポット６）に対応する待機時間をＲＡＭ73から読み込む。

ＣＰＵ71は、加工動作が終了したか否かを判定する（Ｓ９）。加工動作が終了していない場合（Ｓ９；ＮＯ）、ＣＰＵ71は、Ｓ５に処理を移行し加工動作を継続する。加工動作が終了している場合（Ｓ９；ＹＥＳ）、ＣＰＵ71は、ブロック番号ｎに１を加え（Ｓ10）、ステップＳ２に処理を移行して前述した動作を繰り返す。

Ｓ４において、工具交換指令であると判定した場合（Ｓ４；ＹＥＳ）、ＣＰＵ71は、工具交換動作を開始する。ＣＰＵ71は、Ｚ軸モータ14を駆動し、主軸ヘッド２を上昇させる（Ｓ11）。ＣＰＵ71は、主軸ヘッド２が最上位置に上昇し、交換アーム５が把持位置に移動するまで待機する（Ｓ12）。工具マガジン４側の工具３（次工具）は、加工中にＣＰＵ71が実行するＳ６の動作により割出位置にある。割出位置にある工具３は、工具マガジン４の下部で水平方向に延びた状態にある。該工具３は、エンドミル等の大サイズの工具であっても、把持位置に移動する交換アーム５の把持部51と干渉しない。

主軸ヘッド２が最上位置に上昇した場合（Ｓ12；ＹＥＳ）、ＣＰＵ71は、引き上げシリンダ46を動作させてスライダ47を上昇させる（Ｓ13）。工具ポット６は、スライダ47の上昇により揺動し、該工具ポット６が保持する工具３（次工具）は、交換位置に移動する。割出位置から交換位置への移動は、短時間で完了する。Ｓ12の判定は、例えば、Ｚ軸モータ14が備える回転検出器の検出結果に基づいて実施する。

ＣＰＵ71は、Ｓ８で読み込んだ待機時間が経過するまで待機する（Ｓ14）。待機時間が経過した場合（Ｓ14；ＹＥＳ）、ＣＰＵ71は、アームモータ57を駆動して交換アーム５を動作させる（Ｓ15）。前述の如く交換アーム５は、両方の把持部51，51を閉じ、アーム軸50と共に下降し、 180°旋回して上昇し、両側の把持部51，51を開とする一連の動作を行い、主軸20側の工具３と工具ポット６側の工具３とを交換する。

前述の如く待機時間は、交換位置に移動した次工具の振動が収束するのに必要な時間として定めてある。交換アーム５は、次工具の種別に応じた待機時間の経過後に動作を開始する。交換アーム５は、小サイズの次工具に対しては、大サイズの次工具に対するよりも短い待機時間の経過後に動作を開始する。交換アーム５の動作は、通常複数回実施する工具交換の都度必要である。工具交換装置は、交換アーム５の動作開始前の待機時間を全体として削減し、工具交換時間を短縮することができ、マシニングセンタ１の加工時間を短縮することが可能となる。

ＣＰＵ71は、工具ポット６に装着された前工具に対応する待機時間を読み込む（Ｓ16）。ＣＰＵ71は、引き上げシリンダ46を動作してスライダ47を下降させ（Ｓ17）、Ｚ軸モータ14を駆動して主軸ヘッド２を下降させる（Ｓ18）。工具ポット６に装着した工具３は、スライダ47の下降により揺動して割出位置に戻り、工具マガジン４内での循環移動が可能な状態となる。主軸20に装着した工具３は、主軸ヘッド２と共に下降し、次工程の加工開始位置に移動する。次に、ＣＰＵ71は、Ｓ16で読み込んだ待機時間が経過するまで待機し（Ｓ19）、待機時間が経過した場合（Ｓ19；ＹＥＳ）、ブロック番号ｎに１を加え（Ｓ10）、ステップＳ２に処理を移行して前述した動作を繰り返す。

以上のように制御装置７は、加工プログラムをブロック単位で読み込み、読み込んだプログラムブロックに従って加工動作（Ｓ５〜Ｓ９）又は工具交換動作（Ｓ11〜Ｓ19）を実行する。加工動作中に制御装置７は、工具マガジン４を制御し、次工具を割出位置に位置決めし、且つ次工具に対応する待機時間を認識する。工具交換動作に際し制御装置７は、主軸ヘッド２と共に交換アーム５を把持位置に移動させる。制御装置７は、交換アーム５の移動完了後、交換位置にある次工具を交換位置に移動させる。次工具の移動完了後、制御装置７は、次工具に対応する待機時間の経過を待って交換アーム５を動作させて工具交換を実現する。

待機時間は、工具マガジン４内の工具３の夫々に対して複数設定してある。交換アーム５は、交換位置に移動した工具３の振動が収束するために必要な最小限の時間の経過後に動作を開始する。工具交換装置は、複数回実施する工具交換の所要時間を短縮し、マシニングセンタ１は、工具交換時間を含めた加工時間を短縮することができる。

以上に説明した実施の形態を部分的に変更した変更形態について説明する。
１）待機時間は、工具マガジン４内の工具３，３…の夫々に対して異なる時間に設定してもよい。

２）割出位置と交換位置の間での工具３の移動は、支軸62を中心とする工具ポット６の揺動に限らず、工具ポット６の平行移動等の他の動作で実現してもよい。工具ポットの平行移動を採用する場合、待機時間は、主として工具３の重量に依存する。図５には、４種の工具の重量も併記してある。図５中の重量は、工具３及び工具ポット６を含めた移動物全体の重量である。図５においては、重量の大小と慣性モーメントの大小とは対応し、同様の待機時間が設定されているが、例えば、長さ、形状の相違によって、重量の大小と慣性モーメントの大小とは対応しない場合もある。

３）工具ポット６が割出位置から交換位置に移動した後の待機時間（Ｓ14の待機時間）と、工具ポット６が交換位置から割出位置に移動した後の待機時間（Ｓ19の待機時間）とは、同一の工具３に対して異なる時間であってもよい。工具ポット６を割出位置に移動させる場合、次の動作である主軸ヘッド２の下降は、工具ポット６が完全に停止していない状態でも開始できる。従って、割出位置への移動後の待機時間（Ｓ19の待機時間）は、交換位置への移動後の待機時間（Ｓ14の待機時間）よりも短く設定できる。

１ マシニングセンタ
２ 主軸ヘッド
３ 工具
４ 工具マガジン
５ 交換アーム
６ 工具ポット
７ 制御装置
20 主軸

Claims (3)

1. 工具を保持して循環移動する複数の工具ポットを有する工具マガジンと、主軸を支持する主軸ヘッドに設けてあり、該主軸ヘッドと共に移動する交換アームとを備え、前記工具ポットの循環移動により割出位置に位置決めされ、該工具ポットと共に交換位置に移動する次工具を、該次工具の移動後に生じる前記交換アームの動作により、前記主軸に装着してある前工具と交換する工具交換装置において、
   前記工具に夫々に対して待機時間を設定し、前記割出位置から前記交換位置に次工具を移動させた後、該次工具に対応する待機時間の経過を待って前記交換アームの動作を開始させるように前記工具マガジン及び前記交換アームを制御する制御装置を備えることを特徴とする工具交換装置。
2. 前記工具マガジン内の工具をサイズの大小に応じてグループ分けし、前記待機時間は、大サイズのグループが長く、小サイズのグループが短くなるように、グループ毎に設定してあることを特徴とする請求項１に記載の工具交換装置。
3. 前記待機時間は、大サイズの工具が長く、小サイズの工具が短くなるように、前記工具マガジン内の工具の夫々に対して設定してあることを特徴とする請求項１に記載の工具交換装置。

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