JP2020055046A

JP2020055046A - 数値制御装置と制御方法

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Publication number: JP2020055046A
Application number: JP2018185237A
Authority: JP
Inventors: 純平近藤; Jumpei Kondo; 寿人八橋; Hisato Yatsuhashi
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-09
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: JP7091979B2

Abstract

【課題】工具交換動作時に主軸の回転位置の位置ずれを抑制し、且つサーボモータの発振を抑制できる数値制御装置と制御方法を提供する。【解決手段】工作機械は、主軸、主軸ヘッド、サーボモータ、クランプ機構部、工具交換装置、及びＣＰＵを備える。主軸は工具を着脱可能に支持する。主軸ヘッドは、主軸を回転可能に支持する。サーボモータは主軸ヘッドに設け、主軸を駆動する。クランプ機構部は、主軸に装着する工具のクランプ及びアンクランプを行う。工具交換装置は、主軸の工具交換動作を実行可能である。ＣＰＵはサーボモータのオンオフを制御する。ＣＰＵは一対の把持部が現工具と次工具を把持したときから、クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了するときまでの間に、サーボモータをオン状態からオフ状態に切り替える（Ｓ１５）。【選択図】図９

Description

本発明は数値制御装置と制御方法に関する。

特許文献１の工作機械は主軸ヘッド、主軸、主軸モータ、ＡＴＣ装置を備え、工具交換動作を実行可能である。主軸ヘッドは立柱に設け、主軸を回転可能に支持する。主軸は装着穴、クランプ機構部、ドローバ等を備える。装着穴は主軸の先端部に設け、工具を着脱可能に装着する。クランプ機構部は装着穴の上方に設ける。ドローバは主軸の同軸上に挿入し、クランプ機構部に接続する。ドローバは直交する方向の両側に延出するピンを備える。主軸内のバネがドローバを上方に付勢することで、クランプ機構部は工具をクランプする。主軸ヘッドは内部に揺動腕部材を揺動可能に軸支する。揺動腕部材は一端部に二股状の押圧部を備える。揺動腕部材が所定方向に揺動すると、押圧部はドローバのピンに当接し下方に押圧する。クランプ機構部はクランプからアンクランプの状態になる。主軸モータはサーボモータであり主軸を回転駆動する。

ＡＴＣ装置は工具マガジンと工具交換アームを備える。工具マガジンは次に主軸に装着する次工具の工具ポットを工具交換部に移動する。工具交換アームは両端部に一対の把持部を備える。工具交換動作時、主軸モータはオン状態で、主軸ヘッドは工具マガジンに近接する工具交換位置に移動する。一対の把持部は旋回して主軸に装着する現工具と、工具交換部に位置する次工具を把持する。ＡＴＣ装置は揺動腕部材を押圧し、ドローバを押し下げるので、クランプ機構部はアンクランプの状態になる。工具交換アームが現工具と次工具を把持したまま下降するので、現工具と次工具は主軸と工具ポットから抜脱する。工具交換アームは、１８０°旋回して上昇することで、主軸に次工具が装着し、工具ポットに現工具が装着する。

特開２００６−９５６２７号公報

クランプ機構部がアンクランプする時、ドローバに直交するピンを二股状の押圧部が押し下げるが、ピンに対して押圧部が平行に当たらない場合がある。その場合、押圧部からピンに対して押圧力が均等に加わらないことから、回転方向に対して主軸に力が加わり、主軸の位置がずれることがある。主軸モータがオン状態（サーボオン状態）の時、主軸モータは位置ループ制御中となる。故に主軸モータは、主軸の位置ずれを補正するように主軸の位置を元に戻す。押圧部がピンを押し下げる間、主軸モータは主軸の位置ずれを繰り返し補正するので、主軸モータが発振するという問題点があった。該問題点を解決する為、工具交換動作中は主軸モータをオフする方法が有効であるが、工具交換アームが旋回して一対の把持部が工具に当接して把持するときの衝撃で、主軸モータの位置がずれるという問題点があった。

本発明の目的は、工具交換動作時に主軸の回転位置の位置ずれを抑制し、且つサーボモータの発振を抑制できる数値制御装置と制御方法を提供することである。

請求項１の数値制御装置は、工具を着脱可能に支持する主軸と、互いに直行する三軸方向に移動可能に設け、当該三軸方向のうち一軸方向に向けて前記主軸を回転可能に支持する主軸ヘッドと、前記主軸ヘッドに設け、前記主軸を駆動するサーボモータと、前記主軸に設け、前記主軸に装着する前記工具のクランプ及びアンクランプを行うクランプ機構部と、前記主軸ヘッドに設け、前記クランプ機構部を駆動する為の外力を受ける機構駆動部と、前記主軸ヘッドの移動範囲に近接して設け、前記主軸の工具交換動作を実行可能な工具交換装置とを備えた工作機械の動作を制御するものであり、前記機構駆動部は、前記一軸方向に延び、前記クランプ機構部と接続する棒状のドローバと、前記ドローバに設け、当該ドローバの直交する方向の両側に延出するピンと、前記ドローバを、前記一軸方向に平行な方向であって、前記クランプ機構部が前記工具をクランプする第一方向に付勢するバネと、前記主軸ヘッドに設け、一端に前記ピンを前記第一方向とは反対の第二方向に押圧可能な二股状の押圧部を有し、他端に前記外力を受ける可動部を有し、前記一端と前記他端の間を回動可能に軸支するレバー部材とを備え、前記可動部が前記外力を受けて、前記レバー部材が回動することにより、前記押圧部が前記ピンを押圧し、前記ドローバが前記バネの付勢力に抗して前記第二方向に移動することにより、前記クランプ機構部におけるクランプを解除してアンクランプするものであって、前記工具交換装置は、工具を収納可能な工具ポットを有し、次工具を収納する前記工具ポットを所定位置に移動する工具マガジンと、前記一軸方向に直交する方向に延びるアーム両端部に前記工具を把持可能な一対の把持部を設け、前記一軸方向に平行に延びる旋回軸を中心に、前記一対の把持部が前記主軸に装着した現工具と前記所定位置に位置する前記次工具との間を旋回可能で、且つ前記旋回軸が延びる方向において移動可能な工具交換アームと、前記工具交換アームを駆動する駆動部と、前記駆動部の駆動力の一部を前記外力に変換し、前記可動部に付与することにより、前記機構駆動部を駆動する外力付与部とを備え、前記駆動部を制御することによって、前記工具交換動作を実行するＡＴＣ制御部を備えた数値制御装置において、前記サーボモータのオンオフを制御するモータ制御部を備え、前記ＡＴＣ制御部は、前記サーボモータをオン状態で、前記駆動部を制御することにより、前記工具交換アームの旋回を開始すると共に、前記外力付与部によって前記可動部に前記外力を付与し、前記クランプ機構部をクランプからアンクランプに切替える動作を開始する旋回ステップと、前記旋回ステップ後に、前記一対の把持部が前記現工具と前記次工具を把持する把持ステップと、前記把持ステップ後に、前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了すると共に、前記一対の把持部が前記主軸及び前記工具ポットから離れる方向であって、前記一軸方向に平行な第三方向に前記工具交換アームを移動し、前記主軸及び前記工具ポットから前記現工具及び前記次工具を抜脱する工具抜脱ステップと、前記工具抜脱ステップ後に、前記工具交換アームを旋回し、前記現工具と前記次工具の夫々の位置を入れ替えると共に、前記第三方向とは反対の第四方向に前記工具交換アームを移動し、前記主軸及び前記工具ポットに前記次工具と前記現工具を装着する装着ステップとを含む前記工具交換動作を実行するものであり、前記モータ制御部は、前記把持ステップにて前記一対の把持部が前記現工具と前記次工具を把持したときから、前記工具抜脱ステップにて前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了するときまでの間に、前記サーボモータをオン状態からオフ状態に切り替えるオフ制御部を備えることを特徴とする。

工具交換アームの一対の把持部が現工具と次工具を把持する時、数値制御装置はサーボモータをオン状態にする。故に数値制御装置は一対の把持部が現工具と次工具に当接する時の衝撃で、主軸の位置ずれが発生するのを抑制できる。数値制御装置は一対の把持部が現工具と次工具を把持したときからクランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了するときまでの間に、サーボモータをオン状態からオフ状態へと切り替える。故に数値制御装置は主軸の回転位置の位置ずれに起因するサーボモータの発振を抑制できる。故に数値制御装置は主軸の回転位置の位置ずれを抑制し、且つサーボモータの発振を抑制できる。

請求項２の数値制御装置の前記モータ制御部の前記オフ制御部は、前記工具抜脱ステップにて前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了する直前で、前記サーボモータを前記オン状態から前記オフ状態に切り替えるとよい。数値制御装置は、クランプ機構部がアンクランプを開始してからアンクランプが完了する直前までの期間、サーボモータのオン状態を維持する。故に数値制御装置は主軸の回転位置の位置ずれを抑制できる。数値制御装置はアンクランプへの切替えを完了する直前で、サーボモータをオン状態からオフ状態に切り替える。クランプ機構部がクランプへの切替えを完了する直前で、ピンの位置は安定しやすい。故に数値制御装置はオフ状態に切り替えた後、サーボモータの発振を抑制できる。数値制御装置は主軸の回転位置の位置ずれを確実に抑制し、且つ発振を抑制できる。

請求項３の数値制御装置の前記モータ制御部は、前記工具抜脱ステップにて前記クランプ機構部をクランプからアンクランプへの切替えを完了した後、前記サーボモータを前記オフ状態から前記オン状態に切り替えるオン制御部を備え、前記オン制御部は、前記装着ステップにて前記主軸及び前記工具ポットに前記次工具と前記現工具を夫々装着した後、前記サーボモータを前記オフ状態から前記オン状態に切り替えるとよい。数値制御装置は、サーボモータをオフ状態としてから、主軸及び工具ポットに次工具と現工具を夫々装着した後、サーボモータをオフ状態からオン状態に切り替える。故に数値制御装置はサーボモータのオフ状態の期間を維持できるので、消費電力を削減できる。数値制御装置は工具交換動作が完了するまでにサーボモータをオン状態とするので、工具交換動作後の工作機械の切削動作を遅滞なく行うことができる。

請求項４の数値制御装置の制御方法は、工具を着脱可能に支持する主軸と、互いに直行する三軸方向に移動可能に設け、当該三軸方向のうち一軸方向に向けて前記主軸を回転可能に支持する主軸ヘッドと、前記主軸ヘッドに設け、前記主軸を駆動するサーボモータと、前記主軸に設け、前記主軸に装着する前記工具のクランプ及びアンクランプを行うクランプ機構部と、前記主軸ヘッドに設け、前記クランプ機構部を駆動する為の外力を受ける機構駆動部と、前記主軸ヘッドの移動範囲に近接して設け、前記主軸の工具交換動作を実行可能な工具交換装置とを備えた工作機械の動作を制御するものであり、前記機構駆動部は、前記一軸方向に延び、前記クランプ機構部と接続する棒状のドローバと、前記ドローバに設け、当該ドローバの直交する方向の両側に延出するピンと、前記ドローバを、前記一軸方向に平行な方向であって、前記クランプ機構部が前記工具をクランプする第一方向に付勢するバネと、前記主軸ヘッドに設け、一端に前記ピンを前記第一方向とは反対の第二方向に押圧可能な二股状の押圧部を有し、他端に前記外力を受ける可動部を有し、前記一端と前記他端の間を回動可能に軸支するレバー部材とを備え、前記可動部が前記外力を受けて、前記レバー部材が回動することにより、前記押圧部が前記ピンを押圧し、前記ドローバが前記バネの付勢力に抗して前記第二方向に移動することにより、前記クランプ機構部におけるクランプを解除してアンクランプするものであって、前記工具交換装置は、工具を収納可能な工具ポットを有し、次工具を収納する前記工具ポットを所定位置に移動する工具マガジンと、前記一軸方向に直交する方向に延びるアーム両端部に前記工具を把持可能な一対の把持部を設け、前記一軸方向に平行に延びる旋回軸を中心に、前記一対の把持部が前記主軸に装着した現工具と前記所定位置に位置する前記次工具との間を旋回可能で、且つ前記旋回軸が延びる方向において移動可能な工具交換アームと、前記工具交換アームを駆動する駆動部と、前記駆動部の駆動力の一部を前記外力に変換し、前記可動部に付与することにより、前記機構駆動部を駆動する外力付与部とを備え、前記駆動部を制御することによって、前記工具交換動作を実行可能なＡＴＣ制御ステップを実行する数値制御装置の制御方法において、前記サーボモータのオンオフを制御するモータ制御ステップを備え、前記ＡＴＣ制御ステップは、前記サーボモータをオン状態で、前記駆動部を制御することにより、前記工具交換アームの旋回を開始すると共に、前記外力付与部によって前記可動部に前記外力を付与し、前記クランプ機構部をクランプからアンクランプに切替える動作を開始する旋回ステップと、前記旋回ステップ後に、前記一対の把持部が前記現工具と前記次工具を把持する把持ステップと、前記把持ステップ後に、前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了すると共に、前記一対の把持部が前記主軸及び前記工具ポットから離れる方向であって、前記一軸方向に平行な第三方向に前記工具交換アームを移動し、前記主軸及び前記工具ポットから前記現工具及び前記次工具を抜脱する工具抜脱ステップと、前記工具抜脱ステップ後に、前記工具交換アームを旋回し、前記現工具と前記次工具の夫々の位置を入れ替えると共に、前記第三方向とは反対の第四方向に前記工具交換アームを移動し、前記主軸及び前記工具ポットに前記次工具と前記現工具を装着する装着ステップとを含み、前記モータ制御ステップは、前記把持ステップにて前記一対の把持部が前記現工具と前記次工具を把持したときから、前記工具抜脱ステップにて前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了するときまでの間に、前記サーボモータをオン状態からオフ状態に切り替えるオフ制御ステップを備えることを特徴とする。数値制御装置の制御方法は上記ステップを実行することにより、請求項１に記載の数値制御装置と同じ効果を得ることができる。

上述した請求項１−３の発明は、任意に組み合わせることができる。例えば請求項１の全部又は一部を備えずに他の請求項２−３の少なくとも何れか１つの構成を備えたものとしても良い。但し特に、請求項１の構成を備えて、請求項２−３の少なくとも何れか１つの構成と組み合わせを備えると良い。請求項１−３の任意の構成要素を抽出し、組み合わせても良い。本出願人はこれらのような構成についても特許権を取得する意思を有する。

工作機械１の斜視図。工作機械１の平面図。工作機械１の正面図。工作機械１の右側面図。図３に示すＩ−Ｉ線矢視方向断面図。図１に示すＷ領域内の部分拡大図。本体部４０１内における旋回軸４３とＡＴＣ軸４６周囲の断面図。数値制御装置５０と工作機械１の電気的構成を示すブロック図。工具交換制御処理の流れ図。工具交換動作の流れ図。工具交換動作のタイミング線図。

本発明の実施形態を説明する。以下説明は図中に矢印で示す左右、前後、上下を使用する。図１に示す工作機械１の左右方向、前後方向、上下方向は、夫々、工作機械１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。工作機械１は主軸７（図５参照）がＺ軸方向に延びる縦型工作機械である。工作機械１は工具を装着した主軸７を回転する。被削材は回転台１１に固定する。工作機械１は主軸ヘッド６をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動することで、被削材を加工する。工作機械１の動作は数値制御装置５０(図８参照）で制御する。

図１〜図４を参照し、工作機械１の構造を説明する。工作機械１は基台部２、立柱５、主軸ヘッド６、主軸７、工作台装置１０、工具交換装置４０（以下、ＡＴＣ装置４０と呼ぶ）等を備える。

基台部２は平面視略矩形状の鉄製部材であり、上面後部側に台座部２０（図４参照）を備える。台座部２０は略直方体状であり、上面にＸ軸移動機構１０１を備える。Ｘ軸移動機構１０１は運搬体１２（図１，図４参照）をＸ軸方向に移動可能に支持する。Ｘ軸移動機構１０１は一対のＸ軸軌道（図示略）、Ｘ軸ボールネジ（図示略）、Ｘ軸モータ２１等を備える。一対のＸ軸軌道はＸ軸方向に延び、台座部２０上面に設ける。Ｘ軸ボールネジはＸ軸方向に延び、一対のＸ軸軌道間に設ける。運搬体１２はＸ軸軌道に沿って移動する。運搬体１２は底部にナット（図示略）を備え、ナットはＸ軸ボールネジに螺合する。Ｘ軸モータ２１はＸ軸ボールネジを回転し、運搬体１２はナットと共にＸ軸方向に移動する。

運搬体１２は上面にＹ軸移動機構（図示略）を備える。Ｙ軸移動機構は立柱５をＹ軸方向に移動可能に支持する。Ｙ軸移動機構は一対のＹ軸軌道、Ｙ軸ボールネジ、Ｙ軸モータ２４（図８参照）等を備える。Ｙ軸ボールネジはＹ軸方向に延び、一対のＹ軸軌道間に設ける。立柱５は一対のＹ軸軌道に沿って移動する。立柱５は下部にナット（図示略）を備え、ナットはＹ軸ボールネジに螺合する。Ｙ軸モータ２４はＹ軸ボールネジを回転し、立柱５はナットと共にＹ軸方向に移動する。立柱５は運搬体１２を介してＸ軸方向に移動する。立柱５はＸ軸移動機構１０１、運搬体１２、Ｙ軸移動機構等に依りＸ軸方向とＹ軸方向に移動する。

立柱５は前面にＺ軸移動機構１０３（図２，図３，図５参照）を備える。Ｚ軸移動機構１０３は主軸ヘッド６をＺ軸方向に移動可能に支持する。Ｚ軸移動機構１０３は一対のＺ軸軌道３５、Ｚ軸ボールネジ３６（図５参照）、Ｚ軸モータ１９等を備える。Ｚ軸軌道３５はＺ軸方向に延びる。Ｚ軸ボールネジ３６はＺ軸方向に延び、Ｚ軸軌道３５間に配置する。主軸ヘッド６はＺ軸軌道３５に沿って移動可能である。主軸ヘッド６は背面にナット６８（図５参照）を備え、ナット６８はＺ軸ボールネジ３６に螺合する。Ｚ軸モータ１９は立柱５前面上部に支持する。Ｚ軸モータ１９はＺ軸ボールネジ３６を回転し、主軸ヘッド６はナット６８と共にＺ軸方向に移動する。

主軸ヘッド６の内部構造を説明する。図５に示す如く、主軸ヘッド６は内部に主軸７を回転可能に支持する。主軸７はＺ軸方向に延びる。主軸ヘッド６は上部に主軸モータ８を固定する。主軸７と主軸モータ８の駆動軸８１は連結器２５で連結する。駆動軸８１は下方に延びる。主軸７は装着穴(図示略）、クランプ機構部（図示略）、ドローバ７０等を備える。装着穴は主軸７下端部に設ける。装着穴は主軸ヘッド６下部に位置し、装着穴周囲の所定位置に凸状のキー(図示略）を設ける。キーは、工具ホルダに設けたキー溝(図示略）に係合可能である。クランプ機構部は主軸７の中心を通る軸穴（図示略）内で且つ装着穴上方に設ける。ドローバ７０は主軸７の軸孔内に同軸上に挿入する。ドローバ７０はバネで上方に常時付勢する。工具を保持する工具ホルダは主軸７の装着穴に装着する。装着穴に工具ホルダを装着すると、クランプ機構部は工具ホルダをクランプする。ドローバ７０がクランプ機構部を下方に押圧すると、クランプ機構部は工具ホルダのクランプを解除する。本実施形態は説明の便宜上、「工具ホルダ」を「工具」と略して呼ぶ時がある。

主軸ヘッド６は後方上部内側に揺動腕部材６０を備える。揺動腕部材６０は略Ｌ字型で支軸６１を中心に揺動自在である。支軸６１は主軸ヘッド６内部を左右方向に延び、主軸ヘッド６の左右両側壁に固定する。揺動腕部材６０は縦腕部６３と横腕部６２を備える。縦腕部６３は支軸６１から立柱５側に対して斜め上方に延びる。横腕部６２は支軸６１から前方に略水平に延びる。ピン７１はドローバ７０に直交して突設し、且つ左右方向に延出する。横腕部６２の先端部６２Ａは二股状に形成し、ドローバ７０を左右両側から挟み込むように配置する。先端部６２Ａは、ピン７１に上方から係合可能である。揺動腕部材６０を左側方から見た時、引張バネ（図示略）は揺動腕部材６０を反時計回りに常時付勢する。故に揺動腕部材６０は横腕部６２によるピン７１の下方向への押圧を常時解除する。

図５，図６に示す如く、主軸ヘッド６は該上部且つＡＴＣ装置４０側にロッド支持部９１を備える。ロッド支持部９１はプッシュロッド９２を前後方向に移動可能に支持する。プッシュロッド９２は前後方向に延びる。揺動腕部材６０の縦腕部６３は上端部（先端部）右側面に当接部６３Ａを備える。当接部６３Ａはプッシュロッド９２前端部に当接し、引張バネで常時後方に付勢する。故にプッシュロッド９２後端部は、ロッド支持部９１から後方に向けて所定距離だけ常時突出する。プッシュロッド９２後端部を前方に押圧すると、揺動腕部材６０は支軸６１を中心に時計回りに揺動し、バネ力に抗してドローバ７０を押し下げる。クランプ機構部は工具ホルダのクランプを解除(以下、アンクランプと呼ぶ）する。工具ホルダは主軸７の装着穴から取り外し可能となる。例えば、クランプ機構部がアンクランプを完了したときの揺動腕部材６０の傾斜角度を０°としたとき、クランプ機構部がクランプしたときの揺動腕部材６０の傾斜角度は３．７°である。

図１，図２に示す如く、工作台装置１０は基台部２の台座部２０前方に設ける。工作台装置１０は上部に回転台１１を備える。回転台１１は回転台モータ（図示略）で、Ｚ軸方向に平行な回転軸線を中心に回転可能に設ける。回転台１１は上面にパレットＰ１，Ｐ２を備える。被削材はパレットＰ１，Ｐ２の一方又は両方に冶具（図示略）等を用いて固定する。

ＡＴＣ装置４０の構造を説明する。図１，図４に示す如く、ＡＴＣ装置４０は一対の支柱３１，３２で主軸ヘッド６の右側方に支持する。支柱３１，３２は基台部２上面右側に設ける。支柱３１，３２は前後方向に互いに離間し、基台部２上面から上方に延びる。ＡＴＣ装置４０は数値制御装置５０からの制御信号を受け、主軸７の装着穴に装着する工具を、ＮＣプログラムで指定した他の工具と入れ替え交換する。ＡＴＣ装置４０は本体部４０１と工具マガジン４１等を備える。

図１〜図３に示す如く、本体部４０１は略直方体状金属製箱体であり、支柱３１，３２で支持する。図１〜図７に示す如く、本体部４０１は、操作部材４７、旋回軸４３、工具交換アーム４４、ＡＴＣモータ４５、ＡＴＣ駆動軸４６（図７参照）、揺動レバー２２（図７参照）、揺動レバー２３（図７参照）等を備える。図１，図２，図４〜図６に示す如く、操作部材４７は本体部４０１内部に設け、Ｚ軸方向に対して平行に延びる棒状部材である。操作部材４７の上端部は、本体部４０１上面に設けた開口部（図示略）から上方に突出する。操作部材４７下端部は揺動軸４９（図４参照）を中心に揺動可能に軸支する。揺動軸４９は本体部４０１内部を左右方向に延び、本体部４０１の左右両側壁に固定する。故に操作部材４７上端部は揺動軸４９を中心に前後方向に移動可能である。操作部材４７がＺ軸方向に平行に延びる姿勢は基本姿勢である。操作部材４７は上端部左側面に当接部４８（図２参照）を備える。当接部４８は左側方に突出する略円筒形状である。図６に示す如く、工具交換を行う為、主軸ヘッド６が工具交換位置Ｋ(図２，図３参照）に移動した時、プッシュロッド９２後端部は、操作部材４７の当接部４８前方に位置する。

図７に示す如く、旋回軸４３は本体部４０１下部から下方に突出する円筒状に形成し、本体部４０１は旋回軸４３を軸線回りに回転可能に支持する。旋回軸４３はＺ軸方向に平行に延び、上端部にスプライン１５とスプライン副軸１７を備える。スプライン１５は段付孔１６を備える。段付孔１６はスプライン１５の軸線に沿って所定深さを有する。支持部材３９は長軸状に形成し、本体部４０１上部に固定した上部機械フレーム３８の透孔３８Ａに挿通する。支持部材３９は段付孔１６の内径よりも小さい外径を有し、上部機械フレーム３８に固定する。支持部材３９は、段付孔１６の上段に配設したブッシュ（図示略）を介して段付孔１６に挿入する。

スプライン副軸１７は円筒状に形成し、スプライン１５の外側に装着する。スプライン１５はスプライン副軸１７の内側を上下方向に移動可能である。スプライン副軸１７は、本体部４０１内部に固定する一対の軸受７５，７６を介して回転可能に支持する。故に旋回軸４３は本体部４０１に対して支持部材３９を中心に回転可能に支持する。スプライン副軸１７は外周にフランジ部１７Ａを備える。フランジ部１７Ａは上下面に従動ローラ１８Ａ，１８Ｂの軸を固定する。旋回軸４３は軸方向中央部に円筒部３４を同軸上に備える。円筒部３４は外周面に円周溝３４Ａを有する。円筒部３４を上下方向に移動すると、旋回軸４３は支持部材３９に沿って上下方向に移動する。

旋回軸４３は下端部に外軸ギヤ４３１を備える。外軸ギヤ４３１に対して、工具交換アーム４４が嵌合することによって、外軸ギヤ４３１の回動に伴って工具交換アーム４４のみを旋回させることができる。外軸ギヤ４３１は上端部の外周に歯部４３２を備える。歯部４３２は、本体部４０１内部の下部に回転自在に支持したセグメントギヤ６６に噛合する。セグメントギヤ６６は揺動子５７１を支持する。揺動子５７１は円柱部３７下面に設けた平面溝カム３３に従動する。

工具交換アーム４４は、旋回軸４３下端部に直交し且つ水平方向に延びる。工具交換アーム４４は両端部に一対の把持部４４Ａ，４４Ｂを備える。詳述しないが、把持部４４Ａ，４４Ｂは、例えば平面視Ｃ状であるフック状に形成し、工具ホルダに形成した溝部（図示略）に係合可能である。工具交換アーム４４は、把持部４４Ａ，４４Ｂに係合した工具ホルダを固定するロック機構（図示略）を備え、後述するＡＴＣモータ４５の回転角度に応じて工具ホルダの固定及び固定の解除を行う。故に把持部４４Ａ，４４Ｂは工具ホルダを着脱可能に把持する。

ＡＴＣモータ４５は、本体部４０１上面における前後方向略中央部に支持する（図１，図２参照）。図７に示す如く、ＡＴＣモータ４５の出力軸４５１は下方に突出する。ＡＴＣ駆動軸４６は旋回軸４３の後方且つ旋回軸４３と平行に上下方向に延び、本体部４０１内部に固定する軸受２７，２８で回転自在に軸支する。ＡＴＣ駆動軸４６の上端部は、ＡＴＣモータ４５の出力軸４５１と連結する。ＡＴＣ駆動軸４６は、軸方向中央部に円柱部３７を同軸上に備える。円柱部３７は外周面に溝カム３７１と溝カム３７２を備える。

揺動レバー２２は長軸状に形成し、長さ方向一端部に設けた支持点２２１を中心に揺動する。支持点２２１は本体部４０１内部に支持する。揺動レバー２２の中央部に設けた係合子２２２は溝カム３７２に係合する。揺動レバー２２の他端部に設けた接触子２２３は、旋回軸４３の円筒部３４に設けた円周溝３４Ａに係合する。故にＡＴＣ駆動軸４６が一回転すると、揺動レバー２２が回転する溝カム３７２に従動して揺動することに依り、旋回軸４３と工具交換アーム４４は軸方向に一往復する。揺動レバー２３は長軸状に形成し、長さ方向一端部は溝カム３７１に係合する。揺動レバー２３の他端部は、操作部材４７に回動可能に軸支する。故にＡＴＣ駆動軸４６が回転すると、揺動レバー２３は回転する溝カム３７１に従動して揺動することに依り、操作部材４７を基本姿勢の状態から前方に揺動駆動する。上記の通り、操作部材４７がプッシュロッド９２後端部を前方に押圧すると、工具ホルダは主軸７の装着穴から取り外し可能となる。

ＡＴＣ駆動軸４６は軸方向上部に円柱状のパラレルカム５９を同軸上に備える。パラレルカム５９は鍔状の板カム５９１，５９２を有する複合カムである。板カム５９１，５９２は、旋回軸４３のスプライン副軸１７のフランジ部１７Ａに軸支した従動ローラ１８Ａ，１８Ｂに夫々当接する。故にＡＴＣ駆動軸４６が回転し、パラレルカム５９と一対の従動ローラ１８Ａ，１８Ｂが当接するとき、スプライン副軸１７、旋回軸４３、工具交換アーム４４は回転する。

図１，図４に示す如く、工具マガジン４１は本体部４０１右側面に固定し、側面視Ｙ軸方向に長い略楕円形状である。工具マガジン４１は内側に略楕円形状の工具通路を有し、該工具通路内に沿って複数の工具ポット４１Ａを収納する。工具ポット４１Ａは工具ホルダを着脱可能に装着する。工具マガジン４１は下部前側に工具交換部（図示略）を備える。工具交換部は下方へ開口する。工具交換部はシャッタ（図示略）を備える。シャッタは、シャッタシリンダ８９（図８参照）を駆動源とし、工具交換部を開閉駆動する。マガジンモータ４２は工具マガジン４１上部前側に支持する。複数の工具ポット４１Ａはマガジンモータ４２の駆動で工具通路内を移動する。数値制御装置５０はマガジンモータ４２を駆動し、次工具２０２を支持する工具ポット４１Ａを工具交換部に位置決めする。本実施形態にて、現工具２０１は主軸７に現在装着する工具を意味し、次工具２０２は工具交換で次に主軸７に装着する工具を意味する。

図２，図３を参照し、主軸ヘッド６の工具交換位置Ｋと、ＸＹＺ軸夫々の移動範囲との位置関係を説明する。本実施形態の主軸ヘッド６の座標位置は主軸ヘッド６下端部の中心の座標位置とする。工作機械１は、主軸ヘッド６の移動軸であるＸＹＺ軸において、移動範囲を夫々設定する。移動範囲とは、主軸ヘッド６が移動可能な範囲である。ＸＹＺ軸の各移動範囲によって囲まれた領域は、主軸ヘッド６の移動範囲である。Ｘ軸の移動範囲はＸ軸移動範囲、Ｙ軸の移動範囲はＹ軸移動範囲、Ｚ軸の移動範囲はＺ軸移動範囲である。

工作機械１は回転台１１のパレットＰ１，Ｐ２のうち、主軸ヘッド６側のパレット（図２ではパレットＰ１）に固定する被削材を加工する。故にＸ軸移動範囲とＹ軸移動範囲は、回転台１１の主軸ヘッド６側のパレットＰ１上面に位置するように設定するとよい。Ｘ軸移動範囲のＡＴＣ装置４０側である右端部の座標位置はＸ０、その反対側の左端部の座標位置はＸｍａｘである。Ｙ軸移動範囲の主軸ヘッド６側である後端部の座標位置はＹ０、その反対側である前端部の座標位置はＹｍａｘである。

Ｚ軸移動範囲は回転台１１上に固定する被削材や冶具の高さを考慮して設定するとよい。Ｚ軸移動範囲上端部は、例えばＡＴＣ装置４０の工具交換部の位置に設定するとよい。Ｚ軸移動範囲下端部は回転台１１上面の上方に設定するとよい。Ｚ軸移動範囲上端部の座標位置はＺ０、回転台１１側である下端部の座標位置はＺｍａｘである。

上記のようなＸＹＺ軸の各移動範囲を有する工作機械１において、工具交換位置Ｋの座標位置は、ＸＹＺ軸の各移動範囲の端部のうちＡＴＣ装置４０側に位置する端部に設定する。即ち工具交換位置Ｋ（ｘ、ｙ、ｚ）＝（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）に設定する。工具交換時、主軸ヘッド６が工具交換位置Ｋに移動した状態では、プッシュロッド９２後端部は、操作部材４７の当接部４８前方に離間して位置する。故に操作部材４７とプッシュロッド９２は互いに最も近接した位置で干渉しない。故に主軸ヘッド６が移動範囲内の何れの位置に移動しても、操作部材４７とプッシュロッド９２は常に離れた位置にあるので互いに干渉しない。工作機械１は基本姿勢の操作部材４７を前方に揺動することで、プッシュロッド９２を押下でき、主軸７に装着する工具のクランプを解除できる。

図８を参照し、数値制御装置５０と工作機械１の電気的構成を説明する。数値制御装置５０は、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３、記憶装置５４、入力インタフェイス５５、出力インタフェイス５６等を備える。ＣＰＵ５１は数値制御装置５０を統括制御する。ＲＯＭ５２は、工具交換制御プログラム等の各種プログラムを記憶する。工具交換制御プログラムは、後述する工具交換制御処理（図９参照）を実行する為のプログラムである。ＲＡＭ５３は、各種処理実行中の各種データを記憶する。記憶装置５４は不揮発性メモリであり、ＮＣプログラムの他、各種データを記憶する。

工作機械１は、入力部８２、原点センサ８３、ポット上昇センサ８４、ポット下降センサ８５、シャッタ開センサ８６、シャッタ閉センサ８７、エアシリンダ８８、シャッタシリンダ８９、表示部９０、識別センサ５８等を更に備える。ポット上昇センサ８４、ポット下降センサ８５、シャッタ開センサ８６、シャッタ閉センサ８７、エアシリンダ８８、シャッタシリンダ８９、識別センサ５８はＡＴＣ装置４０に設ける。入力部８２と表示部９０は操作パネル（図示略）に設ける。入力部８２は各種入力を受け付ける。表示部９０は各種画面を表示する。原点センサ８３は、主軸７のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の夫々の原点を夫々検出する。ポット上昇センサ８４は、工具交換部に位置する工具ポット４１Ａの上昇を検出する。ポット下降センサ８５は、工具交換部に位置する工具ポット４１Ａの下降を検出する。シャッタ開センサ８６は、シャッタの開状態を検出する。シャッタ閉センサ８７は、シャッタの閉状態を検出する。

エアシリンダ８８は、工具交換位置の工具ポット４１Ａを昇降するポット昇降機構（図示略）の駆動源である。シャッタシリンダ８９は、シャッタを開閉するシャッタ開閉機構(図示略）の駆動源である。入力部８２、原点センサ８３、ポット上昇センサ８４、ポット下降センサ８５、シャッタ開センサ８６、シャッタ閉センサ８７は、入力インタフェイス５５に電気的に接続する。エアシリンダ８８、シャッタシリンダ８９、表示部９０は出力インタフェイス５６に電気的に接続する。

Ｚ軸モータ１９、主軸モータ８、Ｘ軸モータ２１、Ｙ軸モータ２４、マガジンモータ４２、ＡＴＣモータ４５は、出力インタフェイス５６に電気的に接続する。Ｚ軸モータ１９はエンコーダ１９Ａを備える。エンコーダ１９ＡはＺ軸モータ１９の回転角度を検出する。主軸モータ８はエンコーダ８Ａを備える。エンコーダ８Ａは主軸モータ８の回転角度を検出する。Ｘ軸モータ２１はエンコーダ２１Ａを備える。エンコーダ２１ＡはＸ軸モータ２１の回転角度を検出する。Ｙ軸モータ２４はエンコーダ２４Ａを備える。エンコーダ２４ＡはＹ軸モータ２４の回転角度を検出する。マガジンモータ４２はエンコーダ４２Ａを備える。エンコーダ４２Ａはマガジンモータ４２の回転角度を検出する。ＡＴＣモータ４５はエンコーダ４５Ａを備える。エンコーダ４５ＡはＡＴＣモータ４５の回転角度を検出する。エンコーダ１９Ａ、８Ａ、２１Ａ、２４Ａ、４２Ａ、４５Ａは、入力インタフェイス５５に電気的に接続する。Ｚ軸モータ１９、主軸モータ８、Ｘ軸モータ２１、Ｙ軸モータ２４、マガジンモータ４２、ＡＴＣモータ４５はサーボモータである。

識別センサ５８は、ポット識別板５７、投光素子５８Ａ、受光素子５８Ｂを備える。ポット識別板５７は工具ポット４１Ａに取り付け、該工具ポット４１Ａと一体的に移動する。ポット識別板５７は、工具ポット４１Ａ毎に異なるパターンの光透過部（図示外）を備える。投光素子５８Ａと受光素子５８Ｂは工具交換部に設け、工具交換部に搬送した工具ポット４１Ａのポット識別板５７を挟んで対向して配置する。投光素子５８Ａは、出力インタフェイス５６に電気的に接続する。受光素子５８Ｂは入力インタフェイス５５に電気的に接続する。投光素子５８Ａから出射した光はポット識別板５７の光透過部を透過し、受光素子５８Ｂに入力する。ＣＰＵ５１は受光素子５８Ｂからの信号に基づき、工具マガジン４１の工具交換部に何れの工具ポット４１Ａが搬送したかを検出する。次工具２０２の工具ポット４１Ａが搬送したことを検出すると、ＣＰＵ５１はマガジンモータ４２の駆動を停止し、次工具２０２を工具交換部に位置決めする。

図９〜図１１を参照して工具交換動作について説明する。ＣＰＵ５１はＮＣプログラムを１ブロック毎に解釈し工具交換指令を生成すると、ＲＯＭ５２から工具交換制御プログラムを読出し、本処理を実行する。本処理開始時、主軸モータ８はサーボオン状態である。サーボオン状態は、位置ループ制御中である。

ＣＰＵ５１は通常モードが設定されているか否か判断する（Ｓ１）。通常モードとは、通常の工具交換動作を実行可能なモードである。工作機械１の状態が正常な場合は通常モード、正常でない場合はメンテナンスモードが設定される。例えば、工具交換動作が停電等により途中で停止した場合、工具交換アーム４４を待機位置に戻す必要があるので、工作機械１が正常でないとしてメンテナンスモードに設定する。設定がメンテナンスモードの場合（Ｓ１：ＮＯ）、ＣＰＵ５１はメンテナンス処理を開始し、例えば工具交換アーム４４を待機位置に戻す（Ｓ３３）。作業者は一対の把持部４４Ａ，４４Ｂから工具を取り外す等の作業を行うことができる。メンテナンス処理終了後、ＣＰＵ５１は本処理を終了する。

設定が通常モードであると判断した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ５１は、主軸７のオリエントを実行した後で、主軸ヘッド６を工具交換位置Ｋ（図２、図３参照）に移動する（Ｓ３）。ＣＰＵ５１はマガジンモータ４２を駆動し、次工具２０２を工具交換部に搬送して位置決めする（Ｓ５）。ＣＰＵ５１はシャッタを開く（Ｓ７）。図１０（１）と（２）に示す如く、ＣＰＵ５１は次工具２０２を装着する工具ポット４１Ａを水平状態から垂直下方に９０°倒すことに依り、次工具２０２を工具交換部の開口から下降する（Ｓ９）。工具ポット４１Ａは垂直状態となる。

プッシュロッド９２後端部は、操作部材４７の当接部４８前方に離間して位置する（図５参照）。即ち、クランプ機構部はクランプした状態である。工具交換アーム４４は、一対の把持部４４Ａ，４４Ｂが、主軸７と工具交換部の中間位置に配置する待機位置である。一対の把持部４４Ａ，４４Ｂが待機位置の時、ＡＴＣ駆動軸４６は０°位置である。工具交換アーム４４は上死点に位置する。上死点は下死点の０ｍｍから１００ｍｍの高さ位置である（図１１（ａ）参照）。

ＣＰＵ５１はＴ０で、ＡＴＣモータ４５の駆動を開始して、ＡＴＣ駆動軸４６の回転を０°位置から開始する（Ｓ１１）。ＣＰＵ５１は、ＡＴＣモータ４５の回転位置をエンコーダ４５Ａにより監視することで、ＡＴＣ駆動軸４６の回転位置を監視する。ＡＴＣモータ４５の回転位置とＡＴＣ駆動軸４６の回転位置は対応する。故にＡＴＣ駆動軸４６の回転位置を監視することで、ＣＰＵ５１はクランプ機構部の状態と工具交換アーム４４の回転位置及び上下位置とを監視できる。

ＡＴＣモータ４５の駆動に依り、ＡＴＣ駆動軸４６が回転すると、平面溝カム３３が正転し、揺動子５７１を介してセグメントギヤ６６と外軸ギヤ４３１が回転し、Ｔ１で、工具交換アーム４４は待機位置から平面視反時計回りに旋回する。

ＡＴＣ駆動軸４６の回転に伴い、揺動レバー２３が揺動することにより、操作部材４７は前方に揺動する。操作部材４７の当接部４８はプッシュロッド９２後端部に当接し前方に押圧する。プッシュロッド９２は前方に移動し、揺動腕部材６０の縦腕部６３の当接部６３Ａを前方に付勢する。Ｔ２で、ＡＴＣ駆動軸４６が３０°位置に到達すると、揺動腕部材６０は３．７°の傾斜角度から引張バネの付勢力に抗して支軸６１を中心に左側面視時計回りに回転を開始する。横腕部６２はピン７１に対して上方から係合し、主軸７内部に設けたバネの付勢力に抗してドローバ７０を下方に押圧する。ドローバ７０はクランプ機構部を下方に付勢する。クランプ機構部はクランプからアンクランプへの動作を開始する。該時、主軸モータ８はサーボオン状態である。故に、主軸７の回転位置の位置ずれが起きた場合も、主軸モータ８は主軸７の回転位置の位置ずれを補正できる。

Ｔ３で、ＡＴＣ駆動軸４６は６０°位置に到達すると、工具交換アーム４４は図１０（３）に示す如く、把持部４４Ａが主軸７に装着する現工具２０１を把持し、把持部４４Ｂが工具交換部に位置する次工具２０２を把持する位置に到達する。主軸モータ８がサーボオン状態であるので、一対の把持部４４Ａ，４４Ｂと現工具２０１と次工具２０２が当接する時の衝撃で、主軸７の位置ずれが発生するのを抑制できる。Ｔ３〜Ｔ６の間、パラレルカム５９の板カム５９１，５９２は一対の従動ローラ１８Ａ，１８Ｂから離れるので、工具交換アーム４４は現在の位置を保持する。

Ｔ４で、ＡＴＣ駆動軸４６が８０°位置に到達すると、主軸７内部のクランプ機構部から現工具２０１が抜ける状態になる。現工具２０１は主軸７の装着穴から取り外し可能となり、工具交換アーム４４は上死点から下降を開始する。工具交換アーム４４が更に下降すると、主軸７内部のクランプ機構部から現工具２０１が抜けた状態になる（図１０（４）参照）。

ＡＴＣモータ４５によるＡＴＣ駆動軸４６の回転に伴い、ＣＰＵ５１は、ＡＴＣ駆動軸４６が８８°位置か否か判断する（Ｓ１３）。ＡＴＣ駆動軸４６の８８°位置は、クランプ機構部がアンクランプを完了するＴ５の直前の位置である。ＡＴＣ駆動軸４６が８８°位置でないと判断した場合（Ｓ１３：ＮＯ）、ＣＰＵ５１はＡＴＣ駆動軸４６を更に回転する。

ＡＴＣ駆動軸４６が８８°位置に到達すると（Ｓ１３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ５１は、主軸モータ８を、Ｃ１（図１１参照）でサーボオン状態からサーボオフ状態へ切り替える（Ｓ１５）。ＡＴＣ駆動軸４６が０°位置から８８°位置（Ｃ１）までのＡ区間（図１１参照）の間では、主軸モータ８はサーボオン状態である。故に、クランプ機構部のアンクランプ動作により主軸７の回転位置の位置ずれが起きた場合も、主軸モータ８は主軸７の回転位置の位置ずれを補正できる。

Ｔ５で、ＡＴＣ駆動軸４６が９０°位置に到達すると、揺動腕部材６０は０°まで傾斜するので、クランプ機構部のアンクランプが完了する。ＡＴＣ駆動軸４６が８８°位置（Ｃ１）を経過した後、主軸モータ８はサーボオフ状態なので、主軸７の回転位置の位置ずれの補正を行わない。クランプ機構部がクランプへの切替えを完了する直前で、ピン７１の位置は安定しやすい。故に、工作機械１は、Ｓ１５の処理でサーボオフ状態に切り替えたときから、クランプ機構部がアンクランプを完了するまでの期間、主軸７の位置ずれに起因する主軸モータ８の発振を抑制できる。主軸モータ８がサーボオフ状態であるので、工作機械１は発振に起因する異音の発生を抑制できる。工具交換アーム４４は下降を継続する。現工具２０１と次工具２０２は主軸７と工具ポット４１Ａから抜脱する。

Ｔ６で、ＡＴＣ駆動軸４６が１１０°位置に到達すると、パラレルカム５９の板カム５９１，５９２は一対の従動ローラ１８Ａ，１８Ｂに当接するので、工具交換アーム４４は現在の位置から１８０°の位置に回転する。Ｔ６〜Ｔ７の間、工具交換アーム４４は下降しながら回転する。Ｔ７で、ＡＴＣ駆動軸４６が１３０°位置に到達すると、工具交換アーム４４は下死点に到達し、引き続き回転を継続する。Ｔ８で、ＡＴＣ駆動軸４６が２３０°位置に到達すると、工具交換アーム４４と旋回軸４３は下死点から上昇を開始する。Ｔ８〜Ｔ９の間、工具交換アーム４４は旋回しながら上昇する。

Ｔ９で、ＡＴＣ駆動軸４６が２６０°位置に到達すると、現工具２０１と次工具２０２の夫々の位置が互いに入れ替わる（図１０（５）参照）。Ｔ９〜Ｔ１２の期間、パラレルカム５９の板カム５９１，５９２が一対の従動ローラ１８Ａ，１８Ｂから離れるので、工具交換アーム４４と旋回軸４３は、旋回角度２５０°を保持する。次工具２０２は主軸７の下方に配置し、現工具２０１は工具交換部の工具ポット４１Ａの下方に配置する。工具交換アーム４４は上昇し続ける。

Ｔ１０で、ＡＴＣ駆動軸４６が２７０°位置に到達すると、主軸７内部のクランプ機構部は次工具２０２のクランプが可能な状態になる。具体的には、操作部材４７は後方に揺動し始めるので、プッシュロッド９２は後方に移動する。揺動腕部材６０は引張バネの付勢力で０°から支軸６１を中心に左側面視反時計回りに回転を開始する。図１０（６）に示す如く、Ｔ１１で、ＡＴＣ駆動軸４６が２８０°位置に到達すると、工具交換アーム４４は上死点に到達する。次工具２０２は主軸７の装着穴に装着し、現工具２０１は工具ポット４１Ａに装着する。

Ｔ１２で、ＡＴＣ駆動軸４６が３００°位置に到達すると、揺動子５７１が平面溝カム３３に沿って所定方向に揺動する。揺動子５７１に従動するセグメントギヤ６６は回動し、該セグメントギヤ６６に歯部４３２を介して噛合する外軸ギヤ４３１は回動する。外軸ギヤ４３１の回動に伴い、工具交換アーム４４は逆方向（平面視時計回り）に待機位置まで回転する（図１０（６）、（７）参照）。

Ｔ１３で、ＡＴＣ駆動軸４６の回転に伴い、ＡＴＣ駆動軸４６が３３０°位置に到達すると、揺動腕部材６０は３．７°の傾斜角度に戻り、クランプ機構部のクランプ動作は完了する。

ＡＴＣ駆動軸４６の回転に伴い、ＣＰＵ５１は、ＡＴＣ駆動軸４６の３５０°位置にあるか否か判断する（Ｓ１７）。ＡＴＣ駆動軸４６の３５０°位置は、工具交換アーム４４が旋回角度１８０°となる待機位置で旋回を停止する位置である。ＡＴＣ駆動軸４６が３５０°位置にないと判断した場合（Ｓ１７：ＮＯ）、ＣＰＵ５１は、ＡＴＣモータ４５を回転してＡＴＣ駆動軸４６を更に回転する。

Ｔ１４で、ＡＴＣ駆動軸４６が３５０°位置に到達すると（Ｓ１７：ＹＥＳ）、工具交換アーム４４は、待機位置で旋回を停止する。一対の把持部４４Ａと４４Ｂは、主軸７と工具交換部の間の位置に配置する（図１０（７）参照）。ＣＰＵ５１は、次工具２０２の主軸７への装着が完了したと判断して、Ｃ２（図１１参照）で主軸モータ８をサーボオン状態に切り替える（Ｓ１９）。ＡＴＣ駆動軸４６が８８°位置（Ｃ１）でサーボオフ状態に切り替えてから３５０°位置（Ｃ２）までのＢ区間の間、サーボモータはサーボオフ状態である。故に数値制御装置５０はサーボオフ状態のＢ区間（図１１参照）の間、消費電力を削減できる。工具交換動作が完了する前にサーボモータをサーボオン状態にするので、数値制御装置５０は、工具交換動作後の工作機械１の切削加工動作を速やかに行うことができる。

ＣＰＵ５１は、ＡＴＣモータ４５を回転してＡＴＣ駆動軸４６を３６０°位置へ向けて回転する。ＣＰＵ５１はＡＴＣ駆動軸４６が３６０°位置に到達したか否か判断する（Ｓ２１）。ＡＴＣ駆動軸４６の３６０°位置は、Ｓ１１の処理でＡＴＣモータ４５が回転を開始する時のＡＴＣ駆動軸４６の０°位置と同じ位置である。ＣＰＵ５１は、ＡＴＣ駆動軸４６が３６０°位置に無いと判断した場合（Ｓ２１：ＮＯ）、ＡＴＣモータ４５を回転してＡＴＣ駆動軸４６を更に回転する。

ＡＴＣ駆動軸４６が３６０°位置に到達した場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ５１はＡＴＣモータ４５の駆動を停止する（Ｓ２３）。ＡＴＣ駆動軸４６が３５０°位置（Ｃ２）から工具交換動作が完了するまでのＣ区間（図１１参照）において主軸モータ８は、サーボオン状態を維持する。図１０（８）に示す如く、ＣＰＵ５１は工具マガジン４１の工具交換部に位置する工具ポット４１Ａを垂直姿勢から水平姿勢に戻して上昇する（Ｓ２５）。ＣＰＵ５１はシャッタを閉じる（Ｓ２７）。工具交換動作が終了するので、ＣＰＵ５１は本処理を終了する。

以上説明の如く、工作機械１の数値制御装置５０は、工具交換時、クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了する直前の位置であるＡＴＣ駆動軸４６の８８°位置で、主軸モータ８をサーボオン状態からサーボオフ状態に切り替える。数値制御装置５０は、クランプ機構部がアンクランプを開始してからアンクランプが完了する直前であるＡＴＣ駆動軸４６の８８°位置までの期間、主軸モータ８のサーボオン状態を維持する。故に数値制御装置５０は主軸７の回転位置の位置ずれを抑制できる。数値制御装置５０はアンクランプへの切替えを完了する直前で、主軸モータ８をサーボオン状態からサーボオフ状態に切り替える。クランプ機構部がクランプへの切替えを完了する直前で、ピン７１の位置は安定しやすい。故に数値制御装置５０はサーボオフ状態に切り替えた後、主軸モータ８の発振を抑制できる。数値制御装置５０は主軸７の回転位置の位置ずれを確実に抑制し、且つ発振を抑制できる。

数値制御装置５０は、クランプ機構部をクランプからアンクランプへの切替えを完了した後、主軸モータ８をサーボオフ状態からサーボオン状態に切り替え、主軸７及び工具ポット４１Ａに次工具２０２と現工具２０１を夫々装着した後、主軸モータ８をサーボオフ状態からサーボオン状態に切り替える。数値制御装置５０は、主軸モータ８をサーボオフ状態としてから、主軸７及び工具ポット４１Ａに次工具２０２と現工具２０１を夫々装着した後、主軸モータ８をサーボオフ状態からサーボオン状態に切り替える。故に数値制御装置５０は主軸モータ８のサーボオフ状態の期間を維持できるので、消費電力を削減できる。数値制御装置５０は工具交換動作が完了するまでに主軸モータ８をサーボオン状態とするので、工具交換動作後の工作機械１の切削動作を遅滞なく行うことができる。

本発明は上記変形例以外にも種々の変更が可能である。上記実施形態の工作機械１は、主軸７がＺ軸方向に延びる縦型工作機械であるが、本発明は主軸７が水平方向に延びる横型工作機械にも適用できる。工作機械１の数値制御装置５０は、ＡＴＣ駆動軸４６が８８°位置で主軸モータ８のサーボオン状態をサーボオフ状態へ切り替えたが、これ以外のタイミングで切り替えを行ってもよい。例えば、ＣＰＵ５１は、Ｔ３で、一対の把持部４４Ａ，４４Ｂが現工具２０１と次工具２０２を把持したときから、Ｔ５で、クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了するときまでの間に、主軸モータ８をサーボオン状態からサーボオフ状態に切り替えればよい。工具交換アーム４４の一対の把持部４４Ａ，４４Ｂが現工具２０１と次工具２０２を把持する時、数値制御装置５０は主軸モータ８をサーボオン状態にする。故に数値制御装置５０は、一対の把持部４４Ａ，４４Ｂが現工具２０１と次工具２０２に当接する時の衝撃で、主軸７の位置ずれが発生するのを抑制できる。数値制御装置５０は一対の把持部４４Ａ，４４Ｂが現工具２０１と次工具２０２を把持したときから、クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了するまでの間に、主軸モータ８をサーボオン状態からサーボオフ状態へと切り替える。故に数値制御装置５０は主軸７の回転位置の位置ずれに起因する主軸モータ８の発振を抑制できる。故に数値制御装置５０は主軸７の回転位置の位置ずれを抑制し、且つ主軸モータ８の発振を抑制できる。

上記実施形態の工作機械１の数値制御装置５０は、ＡＴＣ駆動軸４６が３５０°位置を経過した時、主軸モータ８をサーボオフ状態からサーボオン状態に切り替えたが、サーボオン状態に切り替えるタイミングはこれに限らない。例えば、工作機械１は、クランプ機構部をクランプからアンクランプへの切替えを完了してからＡＴＣ駆動軸４６を所定角度回転した後、例えばＡＴＣ駆動軸４６が２８０°位置で工具交換アーム４４が上死点に到達した時に次工具２０２が主軸７に装着したとして主軸モータ８をサーボオフ状態からサーボオン状態に切り替えてもよい。数値制御装置５０は、クランプ機構部をクランプからアンクランプへの切替えを完了してからＡＴＣ駆動軸４６を所定角度回転した後、主軸モータ８をサーボオフ状態からサーボオン状態へ切り替える。数値制御装置５０は、ＡＴＣ駆動軸４６を所定角度回転した期間、主軸モータ８をサーボオフ状態で維持できるので、消費電力を削減できる。数値制御装置５０は工具交換動作が完了するまでに主軸モータ８をサーボオン状態とするので、工具交換動作後の工作機械１の切削動作を遅滞なく行うことができる。尚、主軸モータ８をサーボオン状態に切り替えるタイミングは、ＡＴＣ駆動軸４６が９１°位置〜３５０°位置又は３５０位置〜３６０°位置の期間の何れかでもよい。このような場合であっても、数値制御装置５０は、サーボオフ状態の期間は、消費電力を削減し、工具交換動作後の切削動作を遅滞なく行うことができる。

上記実施形態及び変形例の工作機械１の数値制御装置５０は、ＡＴＣモータ４５の回転角度をエンコーダ４５Ａが検出することで、ＡＴＣ駆動軸４６の回転角度を検出し、該回転角度からクランプ機構部及び工具交換アーム４４の動作状態を検出したがこれに限らない。例えば、ＡＴＣモータ４５が時間の経過と共に回転を続け、数値制御装置５０はＡＴＣモータ４５を回転した時間を検出することで、クランプ機構部及び工具交換アーム４４の動作の状態を検出してもよい。数値制御装置５０は主軸モータ８を駆動してからの経過時間をカウンタ等で検出することで、工具交換アーム４４及びクランプ機構部の状態を検出する。数値制御装置５０は、検出した工具交換アーム４４及びクランプ機構部の状態に基づき、上記実施形態及び変形例で説明したタイミングで、主軸モータ８をサーボオン状態とサーボオフ状態に切り替えればよい。このような場合においても、数値制御装置５０は、上記実施形態及び変形例と同様の効果を得ることができる。

本実施形態はカム機構としてパラレルカム５９と円柱部３７の平面溝カム３３を用い、カム機構で工具交換アーム４４を待機位置から主軸７の現工具２０１と工具ポット４１Ａの次工具２０２を把持するまで回転し、該位置から１８０°回転した後、待機位置まで戻している。カム機構として、パラレルカム５９をなくし、円柱部３７の平面溝カム３３のみで前述の動作を行ってもよい。

上記説明にて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は本発明の三軸方向の一例である。Ｚ軸方向は本発明の一軸方向の一例である。上方は本発明の第一方向、下方は本発明の第二方向の一例である。主軸モータ８は本発明のサーボモータの一例である。ドローバ７０、ピン７１、揺動腕部材６０は機構駆動部の一例である。ピン７１は本発明のピンの一例である。操作部材４７、プッシュロッド９２は本発明の外力付与部の一例である。ＡＴＣモータ４５は本発明の駆動部の一例である。揺動腕部材６０は本発明のレバー部材の一例である。揺動腕部材６０の縦腕部６３は本発明の可動部の一例である。揺動腕部材６０の横腕部６２は本発明の押圧部の一例である。数値制御装置５０は本発明のＡＴＣ制御部の一例である。工具マガジン４１の工具交換部は、本発明の所定位置の一例である。図９のＳ１５の処理を行うＣＰＵ５１は本発明のオフ制御部の一例である。Ｓ１９の処理を行うＣＰＵ５１は本発明のオン制御部の一例である。

１工作機械
６主軸ヘッド
７主軸
８主軸モータ
４０ＡＴＣ装置
４１工具マガジン
４１Ａ工具ポット
４５ＡＴＣモータ
４７操作部材
５０数値制御装置
６０揺動腕部材
６２横腕部
６３縦腕部
７０ドローバ
７１ピン
９２プッシュロッド
２０１現工具
２０２次工具

Claims

工具を着脱可能に支持する主軸と、
互いに直行する三軸方向に移動可能に設け、当該三軸方向のうち一軸方向に向けて前記主軸を回転可能に支持する主軸ヘッドと、
前記主軸ヘッドに設け、前記主軸を駆動するサーボモータと、
前記主軸に設け、前記主軸に装着する前記工具のクランプ及びアンクランプを行うクランプ機構部と、
前記主軸ヘッドに設け、前記クランプ機構部を駆動する為の外力を受ける機構駆動部と、
前記主軸ヘッドの移動範囲に近接して設け、前記主軸の工具交換動作を実行可能な工具交換装置と
を備えた工作機械の動作を制御するものであり、
前記機構駆動部は、
前記一軸方向に延び、前記クランプ機構部と接続する棒状のドローバと、
前記ドローバに設け、当該ドローバの直交する方向の両側に延出するピンと、
前記ドローバを、前記一軸方向に平行な方向であって、前記クランプ機構部が前記工具をクランプする第一方向に付勢するバネと、
前記主軸ヘッドに設け、一端に前記ピンを前記第一方向とは反対の第二方向に押圧可能な二股状の押圧部を有し、他端に前記外力を受ける可動部を有し、前記一端と前記他端の間を回動可能に軸支するレバー部材と
を備え、
前記可動部が前記外力を受けて、前記レバー部材が回動することにより、前記押圧部が前記ピンを押圧し、前記ドローバが前記バネの付勢力に抗して前記第二方向に移動することにより、前記クランプ機構部におけるクランプを解除してアンクランプするものであって、
前記工具交換装置は、
工具を収納可能な工具ポットを有し、次工具を収納する前記工具ポットを所定位置に移動する工具マガジンと、
前記一軸方向に直交する方向に延びるアーム両端部に前記工具を把持可能な一対の把持部を設け、前記一軸方向に平行に延びる旋回軸を中心に、前記一対の把持部が前記主軸に装着した現工具と前記所定位置に位置する前記次工具との間を旋回可能で、且つ前記旋回軸が延びる方向において移動可能な工具交換アームと、
前記工具交換アームを駆動する駆動部と、
前記駆動部の駆動力の一部を前記外力に変換し、前記可動部に付与することにより、前記機構駆動部を駆動する外力付与部と
を備え、
前記駆動部を制御することによって、前記工具交換動作を実行するＡＴＣ制御部を備えた数値制御装置において、
前記サーボモータのオンオフを制御するモータ制御部を備え、
前記ＡＴＣ制御部は、
前記サーボモータをオン状態で、前記駆動部を制御することにより、前記工具交換アームの旋回を開始すると共に、前記外力付与部によって前記可動部に前記外力を付与し、前記クランプ機構部をクランプからアンクランプに切替える動作を開始する旋回ステップと、
前記旋回ステップ後に、前記一対の把持部が前記現工具と前記次工具を把持する把持ステップと、
前記把持ステップ後に、前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了すると共に、前記一対の把持部が前記主軸及び前記工具ポットから離れる方向であって、前記一軸方向に平行な第三方向に前記工具交換アームを移動し、前記主軸及び前記工具ポットから前記現工具及び前記次工具を抜脱する工具抜脱ステップと、
前記工具抜脱ステップ後に、前記工具交換アームを旋回し、前記現工具と前記次工具の夫々の位置を入れ替えると共に、前記第三方向とは反対の第四方向に前記工具交換アームを移動し、前記主軸及び前記工具ポットに前記次工具と前記現工具を装着する装着ステップと
を含む前記工具交換動作を実行するものであり、
前記モータ制御部は、
前記把持ステップにて前記一対の把持部が前記現工具と前記次工具を把持したときから、前記工具抜脱ステップにて前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了するときまでの間に、前記サーボモータをオン状態からオフ状態に切り替えるオフ制御部を備えること
を特徴とする数値制御装置。
前記モータ制御部の前記オフ制御部は、前記工具抜脱ステップにて前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了する直前で、前記サーボモータを前記オン状態から前記オフ状態に切り替えること
を特徴とする請求項１に記載の数値制御装置。
前記モータ制御部は、前記工具抜脱ステップにて前記クランプ機構部をクランプからアンクランプへの切替えを完了した後、前記サーボモータを前記オフ状態から前記オン状態に切り替えるオン制御部を備え、
前記オン制御部は、前記装着ステップにて前記主軸及び前記工具ポットに前記次工具と前記現工具を夫々装着した後、前記サーボモータを前記オフ状態から前記オン状態に切り替えること
を特徴とする請求項１又は２に記載の数値制御装置。
工具を着脱可能に支持する主軸と、
互いに直行する三軸方向に移動可能に設け、当該三軸方向のうち一軸方向に向けて前記主軸を回転可能に支持する主軸ヘッドと、
前記主軸ヘッドに設け、前記主軸を駆動するサーボモータと、
前記主軸に設け、前記主軸に装着する前記工具のクランプ及びアンクランプを行うクランプ機構部と、
前記主軸ヘッドに設け、前記クランプ機構部を駆動する為の外力を受ける機構駆動部と、
前記主軸ヘッドの移動範囲に近接して設け、前記主軸の工具交換動作を実行可能な工具交換装置と
を備えた工作機械の動作を制御するものであり、
前記機構駆動部は、
前記一軸方向に延び、前記クランプ機構部と接続する棒状のドローバと、
前記ドローバに設け、当該ドローバの直交する方向の両側に延出するピンと、
前記ドローバを、前記一軸方向に平行な方向であって、前記クランプ機構部が前記工具をクランプする第一方向に付勢するバネと、
前記主軸ヘッドに設け、一端に前記ピンを前記第一方向とは反対の第二方向に押圧可能な二股状の押圧部を有し、他端に前記外力を受ける可動部を有し、前記一端と前記他端の間を回動可能に軸支するレバー部材と
を備え、
前記可動部が前記外力を受けて、前記レバー部材が回動することにより、前記押圧部が前記ピンを押圧し、前記ドローバが前記バネの付勢力に抗して前記第二方向に移動することにより、前記クランプ機構部におけるクランプを解除してアンクランプするものであって、
前記工具交換装置は、
工具を収納可能な工具ポットを有し、次工具を収納する前記工具ポットを所定位置に移動する工具マガジンと、
前記一軸方向に直交する方向に延びるアーム両端部に前記工具を把持可能な一対の把持部を設け、前記一軸方向に平行に延びる旋回軸を中心に、前記一対の把持部が前記主軸に装着した現工具と前記所定位置に位置する前記次工具との間を旋回可能で、且つ前記旋回軸が延びる方向において移動可能な工具交換アームと、
前記工具交換アームを駆動する駆動部と、
前記駆動部の駆動力の一部を前記外力に変換し、前記可動部に付与することにより、前記機構駆動部を駆動する外力付与部と
を備え、
前記駆動部を制御することによって、前記工具交換動作を実行可能なＡＴＣ制御ステップを実行する数値制御装置の制御方法において、
前記サーボモータのオンオフを制御するモータ制御ステップを備え、
前記ＡＴＣ制御ステップは、
前記サーボモータをオン状態で、前記駆動部を制御することにより、前記工具交換アームの旋回を開始すると共に、前記外力付与部によって前記可動部に前記外力を付与し、前記クランプ機構部をクランプからアンクランプに切替える動作を開始する旋回ステップと、
前記旋回ステップ後に、前記一対の把持部が前記現工具と前記次工具を把持する把持ステップと、
前記把持ステップ後に、前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了すると共に、前記一対の把持部が前記主軸及び前記工具ポットから離れる方向であって、前記一軸方向に平行な第三方向に前記工具交換アームを移動し、前記主軸及び前記工具ポットから前記現工具及び前記次工具を抜脱する工具抜脱ステップと、
前記工具抜脱ステップ後に、前記工具交換アームを旋回し、前記現工具と前記次工具の夫々の位置を入れ替えると共に、前記第三方向とは反対の第四方向に前記工具交換アームを移動し、前記主軸及び前記工具ポットに前記次工具と前記現工具を装着する装着ステップと
を含み、
前記モータ制御ステップは、
前記把持ステップにて前記一対の把持部が前記現工具と前記次工具を把持したときから、前記工具抜脱ステップにて前記クランプ機構部がクランプからアンクランプへの切替えを完了するときまでの間に、前記サーボモータをオン状態からオフ状態に切り替えるオフ制御ステップを備えること
を特徴とする制御方法。