JP2012187669A - 工具交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工具交換時間を効果的に短縮し、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に設けた交換アーム５とを備える工具交換装置において、循環移動により割出位置に位置決めした工具ポット６を、工具ポット６の揺動により、割出位置と交換位置との間の中間位置に位置決めできるようにし、前工具での加工中に次工具を中間位置に移動させておく。
【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。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されている。工具は、工具ポットの循環移動により割出位置に位置決めされ、該割出位置から交換位置に移動する。

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、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、且つ開閉可能な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、工具マガジン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、把持位置への移動後に閉となる。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、工具マガジンが交換位置に送り出す工具（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た状態で下降し、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、移行完了後に上昇し、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。工具交換は、以上の如き交換アーム及び工具ポットの一連の動作により実施される。

以上の如き工具交換は、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。特許文献２に記載の工具交換装置は、割出位置から交換位置への工具ポット及び工具の移動時間に着目し、工具交換時間の短縮を図っている。

工具交換装置の交換アームは、加工終了後の工具交換に際し、主軸ヘッドと共に上昇して把持位置に移動する。把持位置は、前記交換位置に対応している。工具マガジン内の工具は、上昇する交換アームの把持部との干渉を避けるために、把持位置への移動完了後に割出位置から交換位置に送り出される。交換アームは、この時点で把持部を閉じ、交換位置にある工具を把持する。

交換アームの把持部は、工具ホルダを介して工具を把持する。該把持部は、交換アームが把持位置に移動する時、工具ホルダが把持部を通過可能な程度に開いている。特許文献２に記載の工具交換装置においては、工具マガジン内の工具を、ドリル、タップ等、工具ホルダよりも小径であり、把持位置に移動する交換アームと干渉する虞れがない小径工具と、エンドミル等、工具ホルダよりも大径であり、把持位置に移動する交換アームと干渉する虞れがある大径工具と分類し、次工具が小径工具である場合には、該工具を、前工具による加工の実施中に、割出位置から交換位置に移動させるようにしている。

特開平１０−１５１５４２号公報 特許第２８６５１９５号公報

特許文献２の発明によれば、次工具が小径工具である場合、交換アームの把持部は、把持位置への移動直後に閉じて次工具を把持することができ、割出位置から交換位置への次工具の移動に要する待ち時間を省略し、工具交換時間の短縮を図ることができる。

一方、次工具が大径工具である場合、工具マガジンは、交換アームが把持位置に移動するまで次工具を割出位置に止め、移動完了後に交換位置に送り出す。従って、大径工具の使用頻度が高い加工を実施する場合、工具交換時間及び加工所要時間の短縮効果が小さいという問題がある。

また工具マガジン内の次工具は、割出位置から交換位置に移動し、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、振動の収束に要する時間を待って把持部を閉じ、次工具を確実に把持するようにしている。振動の収束に要する時間は、次工具が大径工具の場合に長くなる。特許文献２に記載の工具交換装置においては、把持部を閉じる前に長い待機時間が必要であり、工具交換時間及び加工所要時間の短縮効果が小さいという問題がある。

本発明の目的は、工具交換時間を効果的に短縮し、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前記交換位置に対応する位置に移動した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、前記割出位置と前記交換位置との間に中間位置を設定し、前記次工具を、前記前工具による加工動作中に、前記割出位置から前記中間位置に移動させ、前記移動位置への前記交換アームの移動後に、前記中間位置から前記交換位置に移動させ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、割出位置と交換位置との間に中間位置を設定しておく。次工具は、前工具による加工中の制御装置の動作により、割出位置に位置決めされた後、中間位置に移動する。中間位置にある次工具は、主軸ヘッドと共に把持位置に移動する交換アームと干渉しない。次工具は、交換アームが把持位置に移動した後、中間位置から交換位置に移動する。中間位置から交換位置への移動距離は小さく、移動後の次工具の振動は軽微である。交換アームは、振動収束のための短い待機時間後に交換動作を開始する。従って、工具交換時間を含めた加工所要時間の短縮を図ることができる。

また本発明に係る工具交換装置は、前記中間位置が、前記次工具の種別に応じて複数設定してあることを特徴とする。

本発明においては、中間位置を複数設定する。小径工具は、把持位置に移動する交換アームとの干渉が生じ難い。大径工具は、把持位置に移動する交換アームとの干渉が生じ易い。中間位置は、小径工具に対しては交換位置の近くに設定し、大径工具に対しては、交換位置から離れて設定する。

また本発明に係る工具交換装置は、前記工具ポットが、支軸を中心とする揺動可能に支持してあり、該工具ポットを前記割出位置と前記交換位置との間で揺動させる揺動機構と、該揺動機構の動作を拘束し、前記工具ポットを前記中間位置に位置決めするストッパ機構とを備えることを特徴とする。

本発明において、割出位置にある工具ポットは、揺動機構の動作により支軸を中心として揺動して交換位置に移動する。中間位置は、ストッパ機構の動作により揺動機構の動作を止めて実現する。揺動機構は、割出位置と交換位置との間での動作を可能とすればよく、ストッパ機構は、拘束位置と拘束解除位置との間での動作を可能とすればよく、簡素な構成で目的を達成することができる。

本発明に係る工具交換装置において、次工具は、交換アームが把持位置に移動する時点で、割出位置ではなく、中間位置にある。中間位置にある次工具は、把持位置に移動する交換アームと干渉しない。次工具は、把持位置に移動した交換アームが動作を開始する前に、中間位置から交換位置に移動する。次工具の移動距離は短く、交換位置に移動した後の振動は軽微である。交換アームは、短い待機時間後に動作を開始することができ、工具交換時間を短縮し、加工所要時間の短縮することが可能となる。

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。 工具ポットの動作説明図である。 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。 制御装置の動作内容を示すフローチャートである。 複数の中間位置の設定例を示す図表である。

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、各図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に螺合しており、主軸ヘッド２は、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５参照）の駆動により左右方向に、Ｙ軸モータ85（図５参照）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、更に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。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。図示のように、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された円筒形の基部41aを有しており、該基部41aを支持フレーム40に突設された円筒形の支持筒40a内に支持し、左右方向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、回転円板41の基部41aの端面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している。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。工具ポット６，６…は、図２に示す如く、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に設けた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に係合する。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。

また支持フレーム40には、ストッパ48が取付けてある。ストッパ48は、例えば、電磁ソレノイドであり、スライダ47の昇降経路内に突出するストッパ片48aを有する。該ストッパ片48aは、上昇するスライダ47に当たる。スライダ47の上昇は、ストッパ片48aの位置で止まる。ストッパ片48aは、ストッパ48の動作によりスライダ47の昇降経路から外れ、スライダ47は、引き上げシリンダ46の動作により更に上昇する。

割出位置にある工具ポット６は、スライダ47の上昇、下降に応じて支軸62を中心として傾倒する。図３は、工具ポット６の動作説明図である。図３Ａに示す如く、割出位置にある工具ポット６は、最下位置にあるスライダ47の係合溝47aに引き上げピン62を係合している。工具３及び工具ホルダ30は、軸心を略水平とした循環移動時の姿勢を保つ。

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。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を中心として反時計回りに揺動する。スライダ47の上昇は、ストッパ片48aに当接する位置で一旦止まる。図３Ｂに示す如く、工具ポット６は、工具３及び工具ホルダ30の軸心を水平に対して所定角度傾けた中間位置に移動する。

ストッパ片48aは、ストッパ48の動作によりスライダ47の昇降経路から外れる。スライダ47は、最上位置まで上昇し、引き上げピン63を更に引き上げる。図３Ｃに示す如く、工具ポット６は、割出位置から略90°揺動し、工具３及び工具ホルダ30の軸心を略鉛直とした交換位置に移動する。

引き上げシリンダ46、スライダ47及び引き上げピン63は、揺動機構に相当する。ストッパ48及びストッパ片48aは、ストッパ機構に相当する。

以上のように工具マガジン４は、割出位置に位置決めした工具３を交換位置に移動させる際、割出位置と交換位置との間に設定した中間位置に止めることができる。割出位置、中間位置及び交換位置は、引き上げシリンダ46及びストッパ48の前述した動作により実現される。

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の下部に取り付けてある。交換アーム５は、主軸ヘッド２と工具マガジン４との間で工具を交換する。

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４は、交換アーム５を下方から見た平面図である。図４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と共に上昇、下降し、アーム軸50と独立して回転可能である。

図４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４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 に当接し、これらを閉じバネ54の付勢に抗して押圧する。フィンガ51aは、支軸52b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４中に矢符に示す向き）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の付勢により反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、時計回りに揺動する。両フィンガ51a，51bの先端部は、相互に接近した閉状態となる。閉状態にあるフィンガ51a，51b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４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と共に回転する。交換アーム５の把持部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内にアーム軸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の上昇により主軸ヘッド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°回転し、主軸20側の工具３と工具ポット６側の工具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、両方の把持部51，51が把持した工具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。交換アーム５の動作及び把持部51，51の開閉は、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３を装着した工具ポット６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５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、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ディスプレイである。作業者は、表示部82の表示を見ながら操作部81を操作し、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及びストッパ48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及びストッパ48に動作指令を与え、引き上げシリンダ46及びストッパ48を夫々動作させる。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。また前述の如く、ストッパ48が電磁ソレノイドである場合、ＣＰＵ71は、電磁ソレノイドの励磁回路を制御対象とする。

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。アームモータ57は、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。ストッパ48は、非動作時にスライダ47の上昇を止め、動作時にスライダ47の更なる上昇を許可する。割出位置にある工具ポット６は、ストッパ48を非動作状態として引き上げシリンダ46を上昇動作させることで、図３Ｂに示す中間位置に移動する。中間位置に移動した工具ポット６は、ストッパ48を動作させることで、図３Ｃに示す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。

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、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（Ｓ８）。スライダ47の昇降経路には、非動作状態にあるストッパ48のストッパ片48aが突出しており、スライダ47は、ストッパ片48aに当たる位置まで上昇する。工具ポット６は傾倒し、該工具ポット６が保持する工具３は、図３Ｂに示す中間位置に移動する。割出位置から中間位置への移動は、短時間で完了する。

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）。主軸ヘッド２が最上位置に上昇した場合（Ｓ12；ＹＥＳ）、ＣＰＵ71は、ストッパ48を動作させてスライダ47の拘束を解除する（Ｓ13）。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行う。

前述した如く、工具マガジン４側の工具３は、加工中にＣＰＵ71が実行するＳ６〜Ｓ８の動作により、工具マガジン４内で割出位置に位置決めされた後、中間位置に移動している。図３Ｂに示す如く、中間位置にある工具３は、鉛直下方向に対して所定角度傾いた状態にある。図３Ｂには、主軸ヘッド２と共に上昇する交換アーム５を２点鎖線により示してある。中間位置にある工具３は、図示のように、エンドミル等の大径の工具であっても、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。

スライダ47は、ストッパ48が動作し拘束を解除することで上昇する。工具ポット６は、更に傾倒し、該工具ポット６が保持する工具３は、図３Ｃに示す交換位置に移動する。交換位置にある工具３は、軸心を鉛直下方向に向けた状態となる。該工具３を保持する工具ホルダ30は、交換アーム５の把持部51が把持可能な位置となる。中間位置から交換位置への移動は、短時間で完了する。

ＣＰＵ71は、所定の時間が経過するまで待機し（Ｓ14）、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°回転して上昇し、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。

Ｓ14の待機時間は、交換位置に移動した工具３、工具ホルダ30及び工具ポット６の振動が収束するのに必要な時間である。交換位置に移動する工具ポット６は、中間位置から短い距離を移動するのみである。従って、工具３、工具ホルダ30及び工具ポット６の振動は軽微であり、Ｓ14における待機時間を短くすることができる。Ｓ14における待機は、工具交換の都度必要である。待機時間の短縮は、マシニングセンタ１の加工時間の短縮に有効である。

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（Ｓ16）、Ｚ軸モータ14を駆動して主軸ヘッド２を下降させる（Ｓ17）。工具ポット６に装着した工具３は、スライダ47の下降により交換位置から割出位置に戻り、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と共に加工領域に移動し、次工程の加工動作に備えて待機する。ＣＰＵ71は、ストッパ48を非動作状態に戻し（Ｓ18）、スライダ47の昇降経路にストッパ片48aを突出させた後、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〜Ｓ17）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、更に中間位置に移動させる。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、中間位置にある次工具を交換位置に移動させ、交換アーム５を動作させて工具交換を実現する。

中間位置は、割出位置と交換位置との間に設定してある。図３Ｂに示す如く、中間位置にある次工具は、把持位置に移動する交換アーム５と干渉しない。次工具は、交換アーム５の動作前に交換位置に移動する。中間位置は、交換位置に近く、交換位置に移動した次工具の振動は軽微である。交換アーム５は、動作開始前に、次工具の振動収束に要する長い待機時間を必要としない。次工具は、前工具での加工動作中に中間位置に移動する。割出位置から中間位置への移動に要する時間は、工具交換動作の時間に影響を与えない。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。中間位置は、交換位置に移動した次工具の振動を抑えるという観点から見た場合、主軸ヘッド２と共に上昇する交換アーム５と干渉しない範囲において、可及的に交換位置の近くに設定するのが望ましい。

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）中間位置は、割出位置と交換位置との間に複数設定してもよい。小径工具は、把持位置に移動する交換アーム５との干渉が生じ難い。大径工具は、把持位置に移動する交換アーム５との干渉が生じ易い。中間位置は、小径工具に対しては交換位置の近くに設定し、大径工具に対しては、小径工具の中間位置よりも交換位置から離れて設定する。

図７は、複数の中間位置の設定例を示す図表である。図７には、直径が異なる４種の工具３の待機角度が示してある。待機角度は、中間位置にある工具３及び工具ポット６の中心軸が鉛直線に対してなす角度である。工具３は、大径工具と小径工具にサイズ分けし、大径工具（工具番号１、２）の待機角度は45°、小径工具（工具番号３、４）の待機角度は30°とすることができる。また工具番号１〜４の工具の待機角度を個別に設定してもよい。設定した待機角度は、制御装置７に設けた不揮発性メモリに各工具に対応づけて記憶して使用する。複数の待機角度を設定する場合、スライダ47の昇降経路に沿って複数のストッパ48を設ける。制御装置７は、次工具の種類を判別し、対応するストッパ48を動作させることで、工具ポット６及び工具３を最適な待機位置に移動させるように動作する。

２）割出位置、中間位置及び交換位置の間での工具３の移動は、実施の形態に示す支軸62を中心とする工具ポット６の揺動に限らず、工具３の軸方向と直交する方向への工具ポット６の平行移動等の他の動作で実現してもよい。

３）実施の形態の次工具は、引き上げシリンダ46とストッパ48の動作により、割出位置から中間位置に移動し、また中間位置から交換位置に移動する。次工具の移動は、２段階の動作が可能なシリンダ、２つのシリンダの組み合わせ等によって実現してもよい。

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
46 引き上げシリンダ（揺動機構）
47 スライダ（揺動機構）
48 ストッパ（ストッパ機構）
48a ストッパ片（ストッパ機構）
63 引き上げピン（揺動機構）

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前記交換位置に対応する位置に移動した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、
   前記割出位置と前記交換位置との間に中間位置を設定し、前記次工具を、前記前工具による加工動作中に、前記割出位置から前記中間位置に移動させ、前記移動位置への前記交換アームの移動後に、前記中間位置から前記交換位置に移動させる制御装置を備えることを特徴とする工具交換装置。
2. 前記中間位置は、前記次工具の種別に応じて複数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. 前記工具ポットは、支軸を中心とする揺動可能に支持してあり、該工具ポットを前記割出位置と前記交換位置との間で揺動させる揺動機構と、該揺動機構の動作を拘束し、前記工具ポットを前記中間位置に位置決めするストッパ機構とを備え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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