JP2020011306A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の機械設備に変更を加えることなく、位相決めを簡単且つ確実に行うことができる工作機械を提供する。【解決手段】工作機械は、キー溝１４４を有する工具ホルダ１４と、工具ホルダ１４のキー溝１４４と嵌合可能な主軸キー２１２及び主軸２１を有し且つ工具ホルダ１４を着脱自在に保持する主軸駆動部と、グリップキー１３６を有し且つ工具ホルダ１４を主軸２１に対して定位置に保持するグリップ１３を備える工具交換装置と、主軸２１への工具ホルダ１４の着脱を行うように工具交換装置を制御する数値制御装置と、を備え、数値制御装置は、工具ホルダ１４を主軸２１に装着する際に、工具ホルダ１４のキー溝１４４が主軸キー２１２に挿入される状態において、主軸２１を回転させて主軸キー２１２をキー溝１４４に押し当てて、主軸２１に対する工具ホルダ１４の位相決めを行うように主軸駆動部を制御する。【選択図】図５

Description

本発明は、工作機械に関する。

工作機械を用いた切削加工において、主軸を固定したまま主軸ヘッドを移動させて、主軸の先端に装着された工具によりワークの切削を行う加工（例えば、ヘール加工）が知られている。この種の加工では、主軸に固定したままの工具をワーク上で移動させるため、工具が取り付けられた工具ホルダと主軸の回転方向との位相（回転位置）決めが重要となる。しかし、主軸に設けられた主軸キーと工具ホルダのキー溝との間には、工具ホルダの着脱を容易にするために僅かな隙間が形成されている。そのため、工具ホルダ（工具）を交換するたびに、工具ホルダと主軸の回転方向との位相決め位置にずれが生じる。これを解決するため、主軸、工具ホルダのキー溝に弾性体を追加したり、テーパー面を追加したりして、位相決めを行うようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２００２−３０７２５７号公報 実開平１−１１４２４４号公報 実開平３−６２７４５号公報

上記従来技術の構造を採用して、工作機械の主軸、工具ホルダの仕様を変更した場合、既存の工作機械の機械設備との互換性がなくなり、工具ホルダを共有化できなくなるため、互換性を確保するための付帯設備のコストが増大する。また、切削加工（例えば、ホブ加工）によっては、工具ホルダのキー溝に大きな負荷がかかるため、キー溝に弾性体を追加したり、テーパー面を追加したりするような剛性を下げるような構造を採用することは難しい。

本発明の目的は、既存の機械設備に変更を加えることなく、位相決めを簡単且つ確実に行うことができる工作機械を提供することにある。

（１）本発明は、工具及びキー溝（例えば、後述するキー溝１４４）を有する工具ホルダ（例えば、後述する工具ホルダ１４）と、前記工具ホルダの前記キー溝と嵌合可能な主軸キー（例えば、後述する主軸キー２１２）及び主軸（例えば、後述する主軸２１）を有し且つ前記工具ホルダを着脱自在に保持する主軸駆動部と、前記工具ホルダの前記キー溝と嵌合可能なグリップキー（例えば、後述するグリップキー１３６）を有し且つ前記工具ホルダを前記主軸に対して定位置に保持するグリップ（例えば、後述するグリップ１３）を備える工具交換装置（例えば、後述する工具交換装置１０）と、前記主軸への前記工具ホルダの着脱を行うように、前記工具交換装置を制御する数値制御装置（例えば、後述する数値制御装置３０）と、を備え、前記数値制御装置は、前記グリップに保持される前記工具ホルダを前記主軸に装着する際に、少なくとも前記工具ホルダの前記キー溝が前記主軸キーに挿入される状態において、前記主軸を回転させて前記主軸キーを前記工具ホルダの前記キー溝に押し当てて、前記主軸に対する前記工具ホルダの位相決めを行うように、前記主軸駆動部を制御する工作機械（例えば、後述する工作機械１）に関する。
（２） （１）の工作機械において、前記主軸に加わる負荷の閾値を記憶する負荷閾値記憶部（例えば、後述するＲＡＭ３０３）を備え、前記数値制御装置は、前記工具ホルダの位相決めを行う際に、主軸に加わる負荷（例えば、後述する負荷トルク値Ｔ１）と前記負荷閾値記憶部に記憶される前記負荷の閾値（例えば、後述する負荷トルク閾値Ｔｔｈ）とに基づいて、前記工具ホルダの位相決めを終了するか否かを判断するようにしてもよい。
（３） （１）又は（２）の工作機械において、前記工具ホルダの位相決めを実行する際の前記主軸の回転方向に関する情報を記憶する回転方向記憶部（例えば、後述するＲＡＭ３０３）を備え、前記数値制御装置は、前記工具ホルダの位相決めを行う際に、前記回転方向記憶部に記憶されている前記主軸の回転方向に関する情報に基づいて前記主軸を回転させてもよい。
（４） （１）から（３）までのいずれかの工作機械において、前記工具ホルダの位相決めを終了した際の前記主軸の軸回りの回転位置に関する情報を記憶する回転位置記憶部（例えば、後述するＲＡＭ３０３）を備え、前記数値制御装置は、前記工具ホルダの位相決めを終了した後、前記回転位置記憶部に記載されている前記回転位置に関する情報に基づいて前記主軸の回転位置を補正するようにしてもよい。

本発明によれば、既存の機械設備に変更を加えることなく、位相決めを簡単且つ確実に行うことができる工作機械を提供できる。

実施形態における工作機械１の機械系の構成を示す概念図である。 工具ホルダ１４の側面図である。 グリップ１３の側面図である。 グリップ１３の平面図である。 グリップ１３に保持された工具ホルダ１４を主軸２１に装着した場合の断面図である。 図５のａ−ａ線断面に相当する断面図である。 図５のｂ−ｂ線断面に相当する断面図である。 数値制御装置３０の電気的な構成を示すブロック図である。 数値制御装置３０で実行される工具交換処理の手順を示すフローチャートである。 位相決め回転位置から主軸２１を回転させたときのキーとキー溝との位置関係を示す模式図である。 位相決め回転位置から主軸２１を回転させたときのキーとキー溝との位置関係を示す模式図である。 位相決め回転位置から主軸２１を回転させたときのキーとキー溝との位置関係を示す模式図である。 主軸２１の回転位置と主軸２１に加わる負荷トルクとの関係を示す概念図である。 工具ホルダ１４を取り外す際に、主軸２１の回転位置を補正する処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る工作機械の実施形態について説明する。なお、本明細書に添付した図面は、いずれも概念図又は模式図であり、理解しやすさ等を考慮して、各部の形状、縮尺、縦横の寸法比等を、実物から変更又は誇張している。また、図面においては、部材の断面を示すハッチングを適宜に省略する。

図１は、本実施形態における工作機械１の機械系の構成を示す概念図である。図２は、工具ホルダ１４の側面図である。図３は、グリップ１３の側面図である。図４は、グリップ１３の平面図である。図５は、グリップ１３に保持された工具ホルダ１４を主軸２１に装着した場合の断面図である。図６Ａは、図５のａ−ａ線断面に相当する断面図である。図６Ｂは、図５のｂ−ｂ線断面に相当する断面図である。
なお、本明細書及び図面においては、工作機械１を床面等に設置した状態において、鉛直方向をＺ方向とする。Ｚ方向において、上方向を＋Ｚ方向とし、下方向を−Ｚ方向とする。

図１に示すように、工作機械１は、工具交換装置１０と、加工装置２０と、数値制御装置３０（図７参照）と、ワークの支持・移動機構（不図示）と、を備える。
工具交換装置１０は、主軸に装着された工具ホルダ１４（後述）を自動的に交換する装置である。工具交換装置１０は、主な構成として、工具マガジン１１と、マガジン支持部１２と、を備える。工具マガジン１１は、外周に沿って複数のグリップ１３（後述）が取り付けられた略円盤状の構造体である。マガジン支持部１２は、工具マガジン１１を回動自在に支持すると共に、工具マガジン１１を回動させて、交換対象となるグリップ１３を主軸２１の直下まで移動させる装置である。本実施形態において、数値制御装置３０により制御される工具交換装置１０の基本的な動作は、従来の工具交換装置とほぼ同じである。

加工装置２０は、主軸２１に装着された工具を回転させたり、移動させたりすることにより、ワーク（不図示）を加工する装置である。加工装置２０は、主な構成として、主軸２１と、主軸ヘッド２２と、を備える。本実施形態において、主軸２１、主軸ヘッド２２及びその制御系（後述）は、主軸駆動部を構成する。
主軸２１は、工具が取り付けられた工具ホルダ１４を回転させたり、固定したまま保持したりする部分である。主軸２１には、図５に示すように、工具ホルダ１４のキー溝１４４と嵌合可能な主軸キー２１２が設けられている。主軸キー２１２は、工具ホルダ１４の回転軸Ｃを中心として、１８０°反対側の位置に一対設けられている。図５において、一対の主軸キー２１２は、紙面の左右方向に設けられている。また、主軸２１の内部には、工具ホルダ１４のクランプ機構としてのドローバー２３が設けられている。

また、図１において、主軸ヘッド２２は、主軸２１を回転させる駆動機構である。主軸ヘッド２２は、主軸２１に回転力を付与する主軸モータ３１７（図７参照）を備える。
主軸モータ３１７は、主軸２１に取り付けられた回転工具により切削加工を行う場合、連続的に高速回転するスピンドルモータとして機能する。一方、主軸モータ３１７は、主軸２１に取り付けられた固定工具によりヘール加工等の切削加工を行う場合、主軸２１の位相（回転位置）を制御する装置として機能する。また、主軸ヘッド２２は、主軸２１を鉛直方向（Ｚ方向）に沿って上下させる昇降機構（符号略）を備える。この昇降機構は、主軸２１を鉛直方向（Ｚ方向）に沿って上下に移動させるサーボモータ３１３（図７参照）等を備える。加工装置２０の動作は、後述する数値制御装置３０により制御される。

次に、工具ホルダ１４の構成について、図２を参照して説明する。なお、図２において、工具ホルダ１４の回転軸Ｃは、工具ホルダ１４が主軸２１に装着される位置まで移動した場合の鉛直方向（Ｚ方向）と一致している。
図２に示すように、工具ホルダ１４は、テーパーシャンク１４１、プルスタッド１４２、保持溝１４３、キー溝１４４、ホルダヘッド１４５及び工具１４６を備える。

テーパーシャンク１４１は、主軸２１のテーパー穴２１３（図５参照）と嵌合する略円錐状の部分である。プルスタッド１４２は、主軸２１の内部に設けられたドローバー２３と係合する部分である。工具ホルダ１４は、プルスタッド１４２がドローバー２３により鉛直方向の上方向（＋Ｚ方向）に引き上げられることにより、主軸２１の内部に保持される。また、工具ホルダ１４は、プルスタッド１４２がドローバー２３により鉛直方向の下方向（−Ｚ方向）に引き下げられることにより、主軸２１との嵌合が解除され、取り出しが可能となる。

保持溝１４３は、グリップ１３（後述）により保持される部分である。保持溝１４３は、回転軸Ｃと直交する断面視において、略Ｖ字状となる溝（Ｖ字溝）である。保持溝１４３は、工具ホルダ１４の外周に沿って環状に形成されている。
キー溝１４４は、後述するように、主軸２１に設けられた主軸キー２１２及びグリップ１３のグリップキー１３６（図５参照）と嵌合する溝である。キー溝１４４は、工具ホルダ１４の回転軸Ｃを中心として、１８０°反対側の位置に一対設けられている。図２では、工具ホルダ１４において、紙面の手前側に設けられたキー溝１４４を示しており、紙面の奥側に設けられたキー溝は、隠れているため、示されていない。
ホルダヘッド１４５は、工具１４６を保持する部分である。工具１４６としては、例えば、ドリル、エンドミル、タップ、ヘール工具、トリマ等が用いられる。

工具ホルダ１４において、キー溝１４４の幅Ｗ１は、図４に示すように、後述するグリップキー１３６（グリップ１３）の幅Ｗ３に対して僅かに広く設定されている。そのため、グリップキー１３６がキー溝１４４の中央に位置している場合、グリップキー１３６の片側の側面と工具ホルダ１４のキー溝１４４との間には、それぞれ隙間ｇ１が形成される。また、キー溝１４４の幅Ｗ１は、図６Ａに示すように、主軸キー２１２（主軸２１）の幅Ｗ２に対しても僅かに広く設定されている。そのため、主軸キー２１２がキー溝１４４の中央に位置している場合、主軸キー２１２の片側の側面と工具ホルダ１４のキー溝１４４との間には、それぞれ隙間ｇ２が形成される。

次に、工具マガジン１１に設けられたグリップ１３の構成について説明する。
図３に示すように、グリップ１３は、アーム本体１３１の先端側に保持アーム１３２を備える。保持アーム１３２は、図４に示すように、工具ホルダ１４を両側から挟み込むように一対設けられている。一対の保持アーム１３２は、それぞれ、先端部に保持ローラ１３３を備える。保持ローラ１３３は、工具ホルダ１４の保持溝１４３（Ｖ字溝）と係合する円盤状の部品である。

保持ローラ１３３は、固定ピン１３５を、保持アーム１３２の先端に設けられた穴部１３４及び保持ローラ１３３の中心に設けられた軸穴（不図示）を貫通するように圧入することにより、固定される。一対の保持アーム１３２は、アーム本体１３１の内部に設けられた弾性部材（不図示）により、互いの方向（内側）に向けて付勢されている。また、アーム本体１３１は、中央部付近にグリップキー１３６を備える。グリップキー１３６は、保持アーム１３２間に保持された工具ホルダ１４を位置決めするための突起である。

図４において、一対の保持アーム１３２の間に工具ホルダ１４を挿入すると、保持アーム１３２の先端に設けられた保持ローラ１３３と工具ホルダ１４の保持溝１４３とが係合すると共に、工具ホルダ１４のキー溝１４４がグリップキー１３６と係合する。この状態において、工具ホルダ１４は、互いの方向に付勢された一対の保持アーム１３２の間に保持される。また、工具ホルダ１４のキー溝１４４は、グリップキー１３６と係合するため、工具ホルダ１４の軸方向を中心とした回転が抑制される。なお、前述したように、キー溝１４４とグリップキー１３６との間には隙間ｇ１があるため、図４に示す状態で主軸２１を回転させることで、グリップキー１３６の側面に工具ホルダ１４のキー溝１４４が押し当てられる状態が、確実に形成される。

次に、グリップ１３に保持された工具ホルダ１４を主軸２１に装着した場合におけるキーとキー溝との嵌合について説明する。
図５に示すように、グリップ１３に保持された工具ホルダ１４を主軸２１に装着した状態において、工具ホルダ１４のキー溝１４４には、主軸２１の主軸キー２１２と、グリップ１３のグリップキー１３６とが、それぞれ嵌合する。

具体的には、図６Ａに示すように、主軸２１に設けられた一対の主軸キー２１２は、工具ホルダ１４に設けられた一対のキー溝１４４のそれぞれと嵌合する。主軸２１と工具ホルダ１４とが図６Ａに示すような位置関係にある場合、主軸キー２１２の片側の側面と工具ホルダ１４のキー溝１４４との間には、それぞれ隙間ｇ２が形成される。
また、図６Ｂに示すように、グリップ１３に設けられたグリップキー１３６は、工具ホルダ１４に設けられた一方のキー溝１４４と嵌合する。グリップ１３と工具ホルダ１４とが図６Ｂに示すような位置関係にある場合、グリップキー１３６の片側の側面と工具ホルダ１４のキー溝１４４との間には、それぞれ隙間ｇ１が形成される。

工具ホルダ１４を主軸２１に装着した後、工具マガジン１１に設けられたグリップ１３は、工具ホルダ１４から離れた位置に移動する。そのため、工具ホルダ１４を交換する度に、グリップキー１３６と工具ホルダ１４との間に生じる隙間ｇ１が異なっても、位相決め位置に影響を与えることはない。しかし、工具ホルダ１４と主軸２１との間に生じる隙間ｇ２は、工具ホルダ１４を交換する度に異なると、位相決め位置に影響を与える。そこで、本実施形態の工作機械１では、後述するように、工具ホルダ１４を主軸２１に装着する際に、主軸２１を回転させて主軸キー２１２を工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てることにより、工具ホルダ１４と主軸２１との位相決め位置が常に同じになるように制御する。

次に、数値制御装置３０の構成について説明する。
図７は、数値制御装置３０の電気的な構成を示すブロック図である。
数値制御装置３０は、工具交換装置１０及び加工装置２０を制御することにより、工作機械１に所定の切削加工を実行させる装置である。数値制御装置３０は、例えば、加工プログラムに基づいて、各軸に対する移動指令、各部を駆動するモータへの回転指令等を含む動作指令を作成し、この動作指令を工具交換装置１０、加工装置２０に送信する。これにより、数値制御装置３０は、各装置に設けられたモータを制御して、工作機械１による切削加工を実行する。

図７に示すように、数値制御装置３０は、プロセッサ３０１、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３、ＳＲＡＭ３０４、ＰＭＣ３０５、Ｉ／Ｏユニット３０６、表示部３０７、表示制御部３０８、操作入力部３０９、入力制御部３１０、軸制御部３１１、サーボアンプ３１２、スピンドル制御部３１５、スピンドルアンプ３１６を備え、これら各部が直接的又は間接的にバス３１９を介して相互に電気的に接続されている。また、数値制御装置３０には、サーボモータ３１３、位置・速度検出器３１４、主軸モータ３１７及びポジションコーダ３１８が電気的に接続されている。

プロセッサ（ＣＰＵ）３０１は、ＲＯＭ３０２に格納されたシステムプログラムを読み出し、そのシステムプログラムに従って数値制御装置３０の全体を制御する。プロセッサ３０１は、工具交換持に工具の位相決めが指令された場合、後述する位相決めの処理を実行する。
ＲＡＭ３０３には、プロセッサ３０１により使用される計算データ、表示データ、オペレータにより入力された各種データが一時的に格納される。本実施形態において、ＲＡＭ３０３は、主軸２１に加わる負荷トルクの閾値（負荷トルク閾値Ｔｔｈ）を記憶する負荷閾値記憶部、工具ホルダ１４の位相決めを実行する際の主軸２１の回転方向に関する情報を記憶する回転方向記憶部、及び、工具ホルダ１４の位相決めを終了した際の主軸２１の回転位置に関する情報（主軸位相位置θ）を記憶する回転位置記憶部としても機能する。
ＳＲＡＭ３０４は、数値制御装置３０の電源がオフしても記憶内容が保持される不揮発性メモリとして構成される。

ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）３０５は、数値制御装置３０に内蔵されたシーケンスプログラムで定められた順序、加工条件等に従って工具交換装置１０及び加工装置２０を制御する。ＰＭＣ３０５は、シーケンスプログラムにより変換された各種信号を、Ｉ／Ｏユニット３０６を介して外部の工具交換装置１０及び加工装置２０に出力する。また、ＰＭＣ３０５は、オペレータが操作入力部３０９から入力した信号を取得し、所定の信号処理を施した後、プロセッサ３０１へ受け渡す。

表示部３０７は、各種データ、設定内容、オペレーションの状態等を表示可能なディスプレイ装置である。表示制御部３０８は、表示部３０７の表示内容を制御する。操作入力部３０９は、オペレータが各種の設定データ、数値データ、動作指示等を入力可能な装置である。操作入力部３０９は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等（不図示）により構成される。入力制御部３１０は、操作入力部３０９から入力されたデータ、指示等を取得して、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３等に格納する。

軸制御部３１１は、主軸ヘッド２２の上下方向（Ｚ方向）の移動を制御する。軸制御部３１１は、プロセッサ３０１からの移動指令量を受けて、サーボアンプ３１２にトルク指令値を出力する。サーボアンプ３１２は、軸制御部３１１から出力されたトルク指令値に従って、サーボモータ（Ｚ軸モータ）３１３に駆動電流を供給する。位置・速度検出器３１４は、サーボモータ３１３の位置、速度を検出して、軸制御部３１１に位置・速度フィードバック信号を出力する。軸制御部３１１は、位置・速度検出器３１４から出力された位置・速度フィードバック信号に基づいて、サーボモータ３１３の位置、速度のフィードバック制御を行う。

スピンドル制御部３１５は、主軸２１の回転を制御する。スピンドル制御部３１５は、プロセッサ３０１からの主軸回転指令を受けて、スピンドルアンプ３１６にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ３１６は、スピンドル速度信号に指令された回転速度で主軸モータ３１７を駆動する。ポジションコーダ３１８は、主軸モータ３１７の回転に同期した帰還パルスをスピンドル制御部３１５に出力する。スピンドル制御部３１５は、ポジションコーダ３１８から出力された帰還パルスに基づいて、主軸モータ３１７の速度のフィードバック制御を行う。また、スピンドル制御部３１５のプロセッサ（不図示）には、外乱（推定）オブザーバが組み込まれている。スピンドル制御部３１５では、この外乱オブザーバにより主軸２１の負荷トルクが求められる。また、スピンドル制御部３１５は、主軸モータ３１７に供給される電流値を監視しているため、この電流値から負荷トルクを算出してもよい。このように、本実施形態の数値制御装置３０では、主軸２１の負荷トルクを測定するためのセンサ等を主軸２１、主軸モータ３１７又はその両方に設ける必要がないため、既存の工作機械にも容易に適用できる。
なお、図７では、主軸ヘッド２２を上下方向に移動させるモータ及びその制御系と、主軸２１を回転させるモータ及びその制御系のみを図示しており、Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータ、工具マガジン用モータ及びそれら制御系の図示を省略している。

次に、本実施形態の数値制御装置３０で実行される工具交換処理について説明する。
図８は、数値制御装置３０で実行される工具交換処理の手順を示すフローチャートである。図８に示す工具交換処理は、プロセッサ３０１がシステムプログラムに基づいて、ＲＯＭ３０２に格納された加工プログラムを解析することにより実行される。なお、以下に説明するプロセッサ３０１による制御は、ＰＭＣ３０５（図７参照）において、一部又はすべてを実行してもよい。

図９Ａ〜図９Ｃは、位相決め回転位置から主軸２１を回転させたときのキーとキー溝との位置関係を示す模式図である。図９Ａ及び図９Ｂは、主軸キー２１２と工具ホルダ１４のキー溝１４４との位置関係を示している。図９Ｃは、グリップキー１３６と工具ホルダ１４のキー溝１４４との位置関係を示している。図１０は、主軸２１の回転位置と主軸２１に加わる負荷トルクとの関係を示す概念図である。

図８に示すステップＳ１０１において、プロセッサ３０１は、工具の位相決めが指令されたか否かを判定する。ステップＳ１０１において、プロセッサ３０１により、工具の位相決めが指令されたと判定された場合、処理はステップＳ１０２へ移行する。一方、ステップＳ１０１において、プロセッサ３０１により、工具の位相決めが指令されていないと判定された場合、処理はステップＳ１１０へ移行する。

ステップＳ１１０（ステップＳ１０１：ＮＯ）において、プロセッサ３０１は、通常の工具交換を実行するように工具マガジン１１、主軸ヘッド２２等を制御する。通常の工具交換においては、工具ホルダ１４の位相決めを行うことなく、主軸２１に工具ホルダ１４を装着する。ステップＳ１１０の処理が終了した後、本フローチャートの処理は、終了する。

ステップＳ１０２（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）において、プロセッサ３０１は、現在装着されている工具ホルダ（以下、「工具ホルダＡ」ともいう）１４の取り外しを実行するように工具マガジン１１、主軸ヘッド２２等を制御する。なお、前回の工具交換において工具ホルダ１４の位相決めを行った場合、ステップＳ１０２では、後述するように、主軸２１の回転位置を補正する処理が行われる。
ステップＳ１０３において、プロセッサ３０１は、指定された工具ホルダ（以下、「工具ホルダＢ」ともいう）１４を割り出し、交換位置まで移動させるように工具マガジン１１を制御する。

ステップＳ１０４において、プロセッサ３０１は、交換位置まで移動させた工具ホルダ１４を、位相決め回転位置まで主軸２１に挿入するように主軸ヘッド２２を制御する。本実施形態の工作機械１では、図１に示すように、グリップ１３（工具マガジン１１）に保持された工具ホルダ１４に対して、主軸ヘッド２２が下方向（−Ｚ方向）に移動することにより、工具ホルダ１４が主軸２１に挿入される。なお、主軸２１に対して工具ホルダ１４が上方向に移動することにより、工具ホルダ１４が主軸２１に挿入される形態であってもよい。

また、位相決め回転位置とは、主軸キー２１２が工具ホルダ１４のキー溝１４４と嵌合していて、且つ、主軸２１のテーパー穴２１３と工具ホルダ１４のテーパーシャンク１４１とが接触していない位置をいう。先に説明した図５は、主軸２１に工具ホルダ１４が完全に装着された状態を示している。この装着状態において、主軸２１の端面２１ａの鉛直方向（Ｚ方向）の位置をＺ０とすると、例えば、Ｚ０の位置から１．０ｍｍ（＋Ｚ方向）だけ離れた位置が位相決め回転位置となる。このように、主軸２１と工具ホルダ１４とが接触しない位置を位相決め回転位置とすれば、主軸２１のテーパー穴２１３と工具ホルダ１４のテーパーシャンク１４１との間で摩擦抵抗が生じないため、主軸２１に加わる負荷トルクをより正確に測定できる。

なお、位相決め回転位置は、この例に限らず、例えば、主軸２１のテーパー穴２１３と工具ホルダ１４のテーパーシャンク１４１とが僅かに接触する位置でもよい。すなわち、主軸２１を回転させて主軸キー２１２を工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てることができれば、位相決め回転位置において、主軸２１のテーパー穴２１３と工具ホルダ１４のテーパーシャンク１４１とは、接触していてもよい。

ステップＳ１０５において、プロセッサ３０１は、位相決めを実行する際の主軸２１の回転方向に関する情報をＲＡＭ３０３から取得する。そして、プロセッサ３０１は、主軸２１を、予め設定された回転方向に回転させるように主軸モータ３１７（図７参照）を制御する。

ここで、位相決め回転位置において、主軸２１を回転させたときのキーとキー溝との位置関係について、図９Ａ〜図９Ｃを参照して説明する。
図９Ａに示すように、位相決め回転位置において、主軸２１を回転させる前の主軸キー２１２と工具ホルダ１４のキー溝１４４との間には隙間があり、主軸キー２１２は、工具ホルダ１４のキー溝１４４と接触していない。なお、図９Ａでは、位相決め回転位置において、キー溝１４４の中央に主軸キー２１２が位置する例を示しているが、実際には、常にこのような位置関係になるとは限らず、主軸キー２１２がキー溝１４４に接触している場合もある。

次に、図９Ａに示す位相決め回転位置から、主軸２１を時計回り（図中、矢印方向）に回転させると、図９Ｂに示すように、２つの主軸キー２１２の両方又はいずれか一方の側面が工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てられる（図中、ａ部分）。図９Ｂでは、２つの主軸キー２１２の両方の側面が工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てられた状態を示している。また、主軸２１を時計回りに回転させると、主軸キー２１２により工具ホルダ１４のキー溝１４４が押されるため、工具ホルダ１４も同じく時計回りに回転する。なお、主軸２１は、反時計回りに回転させてもよい。その場合、主軸キー２１２の側面は、工具ホルダ１４において、図９Ｂとは反対側のキー溝１４４に押し当てられる。

工具ホルダ１４が時計回りに回転すると、図９Ｃに示すように、グリップキー１３６（グリップ１３）の一方の側面が工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てられる（図中、ｂ部分）。グリップキー１３６を保持するグリップ１３は、工具マガジン１１に固定されている。そのため、グリップキー１３６の一方の側面が工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てられると、工具ホルダ１４と共に主軸２１の回転が阻止されて、主軸２１に加わる負荷トルクが徐々に増大する。

図８に戻り、工具交換処理を説明する。図８に示すステップＳ１０６において、プロセッサ３０１は、スピンドル制御部３１５（図７参照）で求められた主軸２１の負荷トルクの値（以下、「負荷トルク値Ｔ１」ともいう）を取得する。また、プロセッサ３０１は、負荷トルクの閾値（以下、「負荷トルク閾値Ｔｔｈ」ともいう）をＲＡＭ３０３から取得する。そして、プロセッサ３０１は、負荷トルク値Ｔ１が負荷トルク閾値Ｔｔｈを超えたか否かを判定する。なお、負荷トルク値Ｔ１は、リアルタイムに変動する。そのため、プロセッサ３０１は、負荷トルク値Ｔ１を、例えば、数ｍｓ毎に取得して、上記判定を行う。

図１０に示すように、主軸２１の負荷トルクは、主軸２１の回転位置に比例して増加する。しかし、グリップキー１３６が工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てられて、主軸２１の回転が阻止されると、それ以降は負荷トルクの増加が鈍り、その後はほぼ一定の負荷トルク値Ｔｍａｘとなる。そのため、負荷トルク値Ｔｍａｘを僅かに下回る値を負荷トルク閾値Ｔｔｈとすることにより、負荷トルク値Ｔ１が負荷トルク閾値Ｔｔｈを超えた時点において、主軸キー２１２が工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てられる位置まで回転したと見做すことができる。なお、図１０において、主軸回転位置Ｓは、主軸キー２１２が工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てられる位置に達したと見做した位置を示している。

図８に戻り、工具交換処理を説明する。図８に示すステップＳ１０６において、プロセッサ３０１により、負荷トルク値Ｔ１が負荷トルク閾値Ｔｔｈを超えていないと判定された場合、処理はステップＳ１０６へ移行する。一方、プロセッサ３０１により、負荷トルク値Ｔ１が負荷トルク閾値Ｔｔｈを超えたと判定された場合、処理はステップＳ１０７へ移行する。

ステップＳ１０７（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）において、プロセッサ３０１は、主軸２１の回転を停止するように主軸モータ３１７を制御する。ステップＳ１０７において、主軸２１の回転を停止させることにより、工具ホルダ１４の位相決めが終了する。
ステップＳ１０８において、プロセッサ３０１は、主軸２１に工具ホルダ１４を完全に装着するように、工具マガジン１１、主軸ヘッド２２等を制御する。

ステップＳ１０９において、プロセッサ３０１は、工具ホルダ１４の位相決めを終了した際の主軸２１の回転位置に関する情報（主軸位相位置θ）をＲＡＭ３０３に格納する。本実施形態において、主軸位相位置θは、ステップＳ１０５で主軸２１を回転させてから、ステップＳ１０７で主軸２１の回転を停止するまでの主軸２１の回転角度である。主軸位相位置θは、後述する工具ホルダ１４の取り外し処理において参照される。ステップＳ１０９の処理が終了した後、本フローチャートの処理は、終了する。

次に、ステップＳ１０２における主軸２１の回転位置を補正する処理について説明する。
図１１は、工具ホルダ１４を取り外す際に、主軸２１の回転位置を補正する処理の手順を示すフローチャートである。図１１に示す処理は、図８に示すフローチャート（メインルーチン）において、ステップＳ１０２のサブルーチンとして実行される。
図１１に示すステップＳ２０１において、プロセッサ３０１は、位相決めを実行する際の主軸２１の回転方向に関する情報をＲＡＭ３０３から取得する。

ステップＳ２０２において、プロセッサ３０１は、工具ホルダ１４の位相決めを終了した際の主軸２１の回転位置に関する情報として、主軸位相位置θをＲＡＭ３０３から取得する。
ステップＳ２０３において、プロセッサ３０１は、主軸位相位置θの半値（θ／２）を算出する。そして、プロセッサ３０１は、位相決めを実行した際の回転方向とは逆方向に半値分だけ主軸２１を回転させるように主軸モータ３１７を制御する。
ステップＳ０４において、プロセッサ３０１は、現在装着されている工具ホルダ１４の取り外しを実行するように工具マガジン１１、主軸ヘッド２２等を制御する。ステップＳ２０４の処理が終了した後、再び図８に示すメインルーチンに戻る。

以上説明した本実施形態の工作機械１によれば、例えば、以下のような効果が奏される。
工作機械１は、工具ホルダ１４を主軸２１に装着する際に、工具ホルダ１４を位相決め回転位置まで主軸２１に挿入した状態で主軸２１を回転させることにより、主軸キー２１２を工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てて、主軸２１に対する工具ホルダ１４の位相決めを行う。これによれば、交換した工具ホルダ１４と主軸２１の回転方向との位相決め位置が常に同じとなるため、主軸２１を固定したまま主軸ヘッド２２を移動させる加工において、ワークと工具とをより高い精度で位置合わせできる。また、工作機械１は、主軸２１、工具ホルダ１４のキー溝に弾性体を追加したり、テーパー面を追加したり必要がないので、これら各部における剛性の低下を抑制できる。したがって、本実施形態の工作機械１によれば、既存の機械設備に変更を加えることなく、位相決めを簡単且つ確実に行うことができる。

工作機械１は、主軸２１を回転させる際に、主軸２１の回転方向に関する状態に基づいて主軸２１を回転させる。これによれば、交換した工具ホルダ１４と主軸２１の回転方向との位相決めを、常に同じ方向の位置で行うことができるので、位相決めの精度をより高めることができる。

工作機械１は、主軸２１を回転させた後、主軸２１に加わる負荷トルク値Ｔ１と負荷トルク閾値Ｔｔｈとに基づいて、工具ホルダ１４の位相決めを終了するか否かを判定する。そのため、工作機械１においては、主軸キー２１２が工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てられたことを、より正確且つ確実に特定できる。

工作機械１は、工具ホルダ１４を交換する際に、位相決めを実行した際の回転方向とは逆方向に主軸２１を回転させて、主軸２１の回転位置を補正する。これによれば、工具ホルダ１４を取り外す際に、工具ホルダ１４のキー溝１４４が主軸キー２１２及びグリップキー１３６と接触したまま引き抜かれることがないので、工具ホルダ１４のキー溝１４４の摩耗を抑制できる。そのため、長期間に亘ってより精度の高い位相決めを行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、後述する変形形態のように種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内に含まれる。また、実施形態に記載した効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、実施形態に記載したものに限定されない。なお、上述の実施形態及び後述する変形形態は、適宜に組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。

（変形形態）
実施形態では、主軸２１に加わる負荷トルク値Ｔ１と負荷トルク閾値Ｔｔｈとに基づいて、工具ホルダ１４の位相決めを終了するか否かを判定する例について説明したが、これに限定されない。主軸２１を回転させた後、主軸２１が所定の回転位置まで回転した時点で工具ホルダ１４の位相決めを終了するようにしてもよいし、主軸２１を所定時間だけ回転させた後、工具ホルダ１４の位相決めを終了するようにしてもよい。また、主軸キー２１２が工具ホルダ１４のキー溝１４４に押し当てられたことを、センサ等により検出してもよい。

実施形態では、工具ホルダ１４の位相決めを終了した際の主軸２１の回転位置に関する情報として、主軸位相位置θを用いる例について説明したが、これに限定されない。主軸位相位置θを記憶しておく代わりに、主軸２１を逆方向に回転させる角度を予め設定しておき、工具ホルダ１４を取り外す際には、この角度分だけ主軸２１を回転させてもよい。

１：工作機械、１０：工具交換装置、１１：工具マガジン、１３：グリップ、１４：工具ホルダ、２０：加工装置、２１：主軸、２２：主軸ヘッド、２３：ドローバー、３０：数値制御装置、１３６：グリップキー、１４１：テーパーシャンク、１４４：キー溝、１４６：工具、２１２：主軸キー、３０１：プロセッサ、３０２：ＲＯＭ、３０３：ＲＡＭ（負荷閾値記憶部、回転方向記憶部、回転位置記憶部）、３０４：ＳＲＡＭ、３０５：ＰＭＣ、３１１：軸制御部、３１３：サーボモータ、３１４：位置・速度検出器、３１５：スピンドル制御部、３１７：主軸モータ、３１８：ポジションコーダ

Claims (4)

1. 工具及びキー溝を有する工具ホルダと、
   前記工具ホルダの前記キー溝と嵌合可能な主軸キー及び主軸を有し且つ前記工具ホルダを着脱自在に保持する主軸駆動部と、
   前記工具ホルダの前記キー溝と嵌合可能なグリップキーを有し且つ前記工具ホルダを前記主軸に対して定位置に保持するグリップを備える工具交換装置と、
   前記主軸への前記工具ホルダの着脱を行うように、前記工具交換装置を制御する数値制御装置と、を備え、
   前記数値制御装置は、前記グリップに保持される前記工具ホルダを前記主軸に装着する際に、少なくとも前記工具ホルダの前記キー溝が前記主軸キーに挿入される状態において、前記主軸を回転させて前記主軸キーを前記工具ホルダの前記キー溝に押し当てて、前記主軸に対する前記工具ホルダの位相決めを行うように、前記主軸駆動部を制御する工作機械。
2. 請求項１に記載の工作機械において、
   前記主軸に加わる負荷の閾値を記憶する負荷閾値記憶部を備え、
   前記数値制御装置は、前記工具ホルダの位相決めを行う際に、主軸に加わる負荷と前記負荷閾値記憶部に記憶される前記負荷の閾値とに基づいて、前記工具ホルダの位相決めを終了するか否かを判断する工作機械。
3. 請求項１又は請求項２に記載の工作機械において、
   前記工具ホルダの位相決めを実行する際の前記主軸の回転方向に関する情報を記憶する回転方向記憶部を備え、
   前記数値制御装置は、前記工具ホルダの位相決めを行う際に、前記回転方向記憶部に記憶されている前記主軸の回転方向に関する情報に基づいて前記主軸を回転させる工作機械。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の工作機械において、
   前記工具ホルダの位相決めを終了した際の前記主軸の軸回りの回転位置に関する情報を記憶する回転位置記憶部を備え、
   前記数値制御装置は、前記工具ホルダの位相決めを終了した後、前記回転位置記憶部に記載されている前記回転位置に関する情報に基づいて前記主軸の回転位置を補正する工作機械。

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