JP2020104183A - 工作機械および工具マガジンの原点検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回式の工具マガジンの回転部の原点位置を自動で検出することのできる工作機械を提供する。【解決手段】工作機械は、複数の工具を保持可能であり所定の回転軸回りに回転する回転部と、回転部に設けられた被測定部１１ｂと、を有する、工具マガジンと、回転軸に直交する径方向において回転部の外側に配置され被測定部１１ｂを検出するセンサ２１と、センサ２１の検出結果に基づいて回転部の原点位置を検出する制御部２２と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、工作機械および工具マガジンの原点検出方法に関するものである。

従来、複数の工具を収納する工具マガジンを備え、主軸に取り付けられる工具を自動交換する機能を有する工作機械が知られている（例えば、特許文献１から３参照。）。

実開平０５−４９３０７号公報 実開昭６３−１５４１４５号公報特表号公報 特開２００３−３３４７４２号公報

複数の工具を回転軸回りに回転させる旋回式の工具マガジンにおいて、工具マガジンの回転用のモータを交換した後や工具マガジンを修理した後等には、工具マガジンの回転位置とモータの回転位置とを相互に対応付けるために、工具マガジンの原点位置を検出する作業が必要となる。この作業用に、工具マガジンには基準平面が設けられている。作業者は、ダイアルゲージを使用して基準平面の傾きを測定し、基準平面の傾きが所定の角度（例えば、水平）になるときの工具マガジンの回転位置を原点位置として検出する。工具マガジンの原点位置の検出には、例えば０．１°または０．０１°の高い精度が要求される。このような高い精度が要求される作業は、作業者の負担となっている。

本開示の一態様は、複数の工具を保持可能であり所定の回転軸回りに回転する回転部と、該回転部に設けられた被測定部と、を有する、工具マガジンと、前記回転軸に直交する径方向において前記回転部の外側に配置され、前記被測定部を検出するセンサと、該センサの検出結果に基づいて前記回転部の原点位置を検出する制御部と、を備える工作機械である。

本発明の一実施形態に係る工作機械の概略正面図である。 図１の工作機械の概略側面図である。 図１の工作機械の工具マガジンの回転部の概略正面図である。 図３の回転部の測定面の近傍の拡大図である。 図１の工作機械が備える原点検出装置の構成図である。 測定面の変形例を示す回転板の部分正面図である。 図５の原点検出装置の変形例における距離センサの配置を示す図である。 測定面の他の変形例を示す回転板の正面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る工作機械１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る工作機械１は、図１および図２に示されるように、複数の工具２を収納する旋回式の工具マガジン３と、工具マガジン３に収納された複数の工具２を択一的に保持する主軸４と、を備える。主軸４および工具マガジン３は、ベッド５に固定されベッド５から鉛直方向上方に延びるコラム６の上端部に支持されている。ワークＷは、ベッド５上に載置されたテーブル７に固定される。

工作機械１は、主軸モータ（図示略）によって主軸４を該主軸４の長手軸回りに回転させながら、送りモータ（図示略）によってテーブル７および主軸４を相対移動させる。これにより、ワークＷと回転する工具２とが相対移動し、回転する工具２によってワークＷが加工される。
また、工作機械１は、工具マガジン３と主軸４との間で工具２を自動で交換する機能を有する。

工具マガジン３は、複数の工具２を保持し回転軸Ａ回りに回転する回転部８（図３参照。）と、コラム６に固定され回転部８を回転可能に支持する固定部９と、回転部８に設けられ回転部８を回転させる回転モータ１０とを備える。回転モータ１０は、回転軸Ａ回りの両方向（時計方向および反時計方向）に回転部８を回転させることができる。

回転部８は、図３に示されるように、円形の回転板１１と、回転板１１に固定され工具２をそれぞれ保持する複数の工具保持部１２とを有する。回転軸Ａは、鉛直方向に交差する方向に延び、回転板１１の中心軸と一致している。複数の工具保持部１２は、回転軸Ａ回りの周方向に配列している。回転部８の回転によって、複数の工具保持部１２が択一的に所定の工具交換位置に位置決めされる。工作機械１は、工具交換位置の工具保持部１２と主軸４との間で工具２を交換することによって、主軸４に保持される工具２を取り換える。

回転板１１は、半径方向外方を向く環状の外周面を有する。外周面は、回転軸Ａを曲率中心とし一定の曲率半径を有する曲面１１ａと、曲面１１ａの両端を接続する平坦な測定面（被測定部）１１ｂとから構成される。回転板１１を回転軸Ａに沿う方向に見た正面視において、測定面１１ｂは、回転軸Ａを中心とする円の弦に沿って配置され、測定面１１ｂから回転軸Ａまでの距離は、回転軸Ａ回りの周方向に漸次変化する。

回転部８が原点位置に配置されているとき、測定面１１ｂは所定の側において所定の方向に沿って配置される。原点位置は、回転軸Ａ回りの所定の回転位置であり、回転部８が原点位置に配置されているときの回転部８の回転軸Ａ回りの回転角度が０°と定義される。本実施形態において、図３および図４に示されるように、回転部８が原点位置に配置されているとき、測定面１１ｂは、下側において水平に配置される。
なお、回転部８が原点位置に配置されているときの測定面１１ｂの位置および向きは、適宜変更可能である。例えば、回転部８が原点位置に配置されているときに、測定面１１ｂは上側において水平に配置されてもよく、水平方向のいずれか一方の側において鉛直に配置されてもよい。

また、工作機械１は、図５に示されるように、回転部８の原点位置を検出する原点検出装置２０を備える。原点検出装置２０は、回転部８の半径方向外側に配置され測定面１１ｂを検出する単一のセンサ２１と、回転部８およびセンサ２１を制御する制御部２２と、を備える。原点検出装置２０は、工作機械１に常時設置されていてもよく、回転部８の原点検出作業のときのみ工作機械１に取り付けられてもよい。

センサ２１は、測定面１１ｂまでの距離を測定する距離センサである。距離センサ２１は、例えば、測定面１１ｂに向かってレーザ光を射出し、測定面１１ｂによって反射されたレーザ光が戻ってくるまでの時間に基づいて距離を算出する光学式の距離センサである。他の方式の距離センサ２１を用いてもよい。距離センサ２１は、原点位置に配置される回転部８の測定面１１ｂと対向する位置に位置決めされ、回転モータ１０による回転部８の回転中に動かない構造物に固定される。構造物は、例えば、固定部９、コラム６、または工作機械１が設置されている床等である。

原点検出装置２０は、工具マガジン３に対して着脱可能な治具２３をさらに備え、距離センサ２１が、治具２３によって工具マガジン３の回転部８に対して所定の位置に所定の姿勢で取り付けられてもよい。治具２３は、例えば、回転部８の下方に配置される構造物に着脱される。

距離センサ２１によって測定される距離は、回転部８の回転位置に応じて変化する。すなわち、曲面１１ａが距離センサ２１と対向しているときには、測定される距離は所定の一定値になる。測定面１１ｂが距離センサ２１と対向しているときには、測定される距離は前記所定の一定値よりも大きくなり、回転部８の回転位置に応じて連続的に変化する。そして、回転部８の回転位置が原点位置であるときに、測定される距離は最大となる。したがって、距離センサ２１は、測定される距離に基づいて測定面１１ｂを検出することができる。さらに、距離センサ２１によって測定された測定面１１ｂまでの距離から、回転部８の回転位置を特定することができる。

制御部２２は、プロセッサ２２ａと、ＲＡＭおよびＲＯＭ等の記憶装置２２ｂとを有する。記憶装置２２ｂには、原点検出プログラム２２ｃが格納されている。制御部２２のプロセッサ２２ａは、原点検出プログラム２２ｃに従って、回転モータ１０および距離センサ２１の制御および演算処理を実行することによって、回転部８の原点検出作業を実行する。原点検出作業は、例えば、回転モータ１０の交換後、または、工具マガジン３の修理後に、作業者の指示に基づいて実行される。
なお、原点検出装置２０の制御部２２は、工作機械１の全体を制御する制御装置（図示略）であってもよく、工作機械１の制御装置とは別体であってもよい。

次に、制御部２２による工具マガジン３の原点検出作業（原点検出方法）について説明する。
制御部２２は、回転モータ１０を制御することによって回転部８を回転させながら、距離センサ２１に距離の測定を実行させる。制御部２２は、距離センサ２１によって測定される距離の経時的な変化に応じて回転部８の回転方向を制御する。具体的には、制御部２２は、測定される距離が経時的に変化しない場合には、回転部８の回転方向を時計方向に維持する。また、制御部２２は、測定される距離が経時的に増加する場合には、回転部８の回転方向を時計方向に維持する。一方、制御部２２は、測定される距離が経時的に減少する場合には、回転部８の回転方向を反時計方向に反転させる。これにより、回転部８の回転位置が原点位置に近付く方向に回転部８の回転方向が制御される。

制御部２２は、距離センサ２１によって測定される距離が所定の閾値以上（所定の範囲内）となったときに、その時点での回転部８の回転位置を原点位置として検出する。所定の閾値は、回転部８の回転位置が原点位置に一致しているときに測定される距離よりも若干小さい値であり、要求される原点位置の検出精度に応じて設定される。
次に、制御部２２は、検出された原点位置に回転部８を停止させることによって、回転部８を原点位置に復帰させる。

回転部８が原点位置に復帰した状態で、工作機械１の制御装置に、回転部８の回転角度と回転モータ１０の回転角度との対応関係が記憶される。制御装置は、記憶された対応関係に基づき、回転モータ１０によって回転部８の回転角度を制御する。

このように、本実施形態によれば、距離センサ２１によって測定された回転部８の測定面１１ｂまでの距離に基づいて、回転部８の原点位置が自動で検出され、回転部８が原点位置に自動で復帰する。このように、従来作業者による手作業に頼っていた回転部８の煩雑な原点検出作業を自動化することができるという利点がある。
また、測定面１１ｂが平坦面であることによって、回転部８の回転位置が原点位置に近付くにつれて、測定される距離は漸次増大し、回転部８の回転位置が原点位置に一致するときに、測定される距離は最大となる。したがって、距離センサ２１によって測定される距離に基づいて、回転部８の原点位置を高い精度で検出することができるという利点がある。

また、回転部８の回転中に距離センサ２１によって測定される距離は漸次変化し、測定された測定面１１ｂまでの距離の経時的な変化から、回転部８が原点位置に近付く方向に回転しているのか、それとも原点位置から遠ざかる方向に回転しているのかが分かる。したがって、制御部２２は、回転部８の回転中に測定された距離の経時的な変化に応じて、回転部８が原点位置に近付く方向に回転部８の回転方向を制御することができ、回転部８の回転位置を原点位置に迅速にかつ確実に到達させることができる。

上記実施形態において、測定面１１ｂは、回転部８が原点位置に配置されているときに距離センサ２１によって距離が最小となる形状を有していてもよい。例えば、測定面１１ｂは、図６に示されるように、半径方向外方に突出するＶ字状であってもよい。
この場合、距離センサ２１によって測定される距離は、回転部８の回転位置が原点位置に近付くにつれて漸次減少し、回転部８の回転位置が原点位置に一致するときに最小となる。したがって、制御部２２は、測定される距離が経時的に減少する場合には回転部８の回転方向を維持し、測定される距離が経時的に増加する場合には回転部８の回転方向を反転させる。そして、制御部２２は、距離センサ２１によって測定される距離が所定の閾値以下（所定の範囲内）となったときに、その時点での回転部８の回転位置を原点位置として検出する。

上記実施形態において、原点検出装置２０が、距離センサ２１を１つのみ備えることとしたが、これに代えて、図７に示されるように、回転板１１の周囲に配置される。図７には一例として、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂを備える場合が示されている。２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂは、回転軸Ａに直交する径方向に平行な方向に相互に間隔をおいて配置される。原点検出装置２０は、３以上の距離センサ２１を備えていてもよい。

２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂは、回転部８が原点位置に配置されているときの測定面１１ｂに平行な方向に沿って配列するように、水平方向に配列する。したがって、回転部８が原点位置に配置されているとき、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定される距離が相互に等しくなる。
制御部２２は、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定される距離の各々が所定の閾値以上であるときの回転部８の回転位置を原点位置として検出する。
このように、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定された距離を用いることによって、回転部８の原点位置をより高い精度で検出することができる。

制御部２２は、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定される距離の差が所定値以内であるとき、好ましくは距離の差がゼロである（すなわち、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定される距離が相互に等しい）ときの回転部８の回転位置を原点位置として検出してもよい。
このようにしても、回転部８の原点位置をより高い精度で検出することができる。

あるいは、制御部２２は、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定される距離の各々が所定の閾値以上であり、かつ、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定される距離の差が所定値以内であるときの回転部８の回転位置を原点位置として検出してもよい。
このように、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定される距離が両方の条件を満たすときの回転部８の回転位置を原点位置として検出することによって、原点位置をさらに高い精度で検出することができる。

図７の変形例において、制御部２２は、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定された距離から、回転部８の原点位置を検出してもよい。
制御部２２は、距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定された距離の差および距離センサ２１Ａ，２１Ｂ間の水平方向の距離から、水平方向に対する測定面１１ｂの傾斜角度を算出する。距離センサ２１Ａ，２１Ｂ間の距離は既知の値であり、制御部２２の記憶装置２２ｂに予め記憶されている。測定面１１ｂの傾斜角度は、回転部８の回転位置と原点位置との間のずれ角度に応じて変化する。したがって、制御部２２は、算出された傾斜角度から回転部８の原点位置を検出することができる。制御部２２は、原点位置からの回転部８のずれ角度を算出し、算出されたずれ角度だけ回転部８を原点位置に近付ける方向に回転させることによって、回転部８を原点位置に復帰させる。

このように、１つの回転位置において測定された２つの距離のみを使用して、回転部８の原点位置を検出し、回転部８を原点位置に復帰させることができる。したがって、回転部８を回転させながら多数の回転位置で距離を測定する場合と比較して、回転部８の原点位置の検出および原点位置への復帰を、より簡単な処理でより迅速に行うことができる。

原点検出装置２０が２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂを備える場合、図８に示されるように、回転部８の周方向の２箇所に測定面１１ｃ，１１ｄが設けられていてもよい。
各測定面１１ｃ，１１ｄは、測定面１１ｂと同様に、回転部８が原点位置に配置されているときに水平方向に配置される平坦面である。回転部８が原点位置に配置されているときに一方の距離センサ２１Ａが一方の測定面１１ｃと対向し、かつ、他方の距離センサ２１Ｂが他方の測定面１１ｄと対向するように、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂは回転部８に対して位置決めされる。

回転部８が原点位置に配置されているときの２つの測定面１１ｃ，１１ｄの鉛直方向の高さは、相互に同一であってもよく、相互に異なっていてもよい。
２つの測定面１１ｃ，１１ｄの鉛直方向の高さが相互に同一である場合、制御部２２は、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定される距離の各々が所定の閾値以上であるとき、または／かつ、２つの距離センサ２１によって測定される距離の差が所定値以内であるときに、回転部８の回転位置を原点位置として検出することができる。

一方、２つの測定面１１ｃ，１１ｄの鉛直方向の高さが相互に異なる場合、制御部２２は、２つの距離センサ２１Ａ，２１Ｂによって測定される距離の各々が所定の閾値以上であるときに、回転部８の回転位置を原点位置として検出することができる。ただし、一方の距離センサ２１Ａによって測定される距離に対する所定の閾値と、他方の距離センサ２１Ｂによって測定される距離に対する所定の閾値は、相互に異なる値である。

上記実施形態において、測定面１１ｂが回転板１１に設けられていることとしたが、これに代えて、回転部８を構成する他の部材に設けられていてもよい。例えば、測定面１１ｂは、いずれか１つの工具保持部１２に設けられていてもよく、あるいは、回転板１１に固定された任意の部材に設けられていてもよい。また、測定面１１ｂの位置に応じて距離センサ２１の位置を変更してもよい。

上記実施形態において、被測定部が、回転部８に設けられた測定面１１ｂであり、センサが、測定面１１ｂまでの距離を測定する距離センサ２１であることとしたが、被測定部およびセンサの具体的な構成はこれに限定されるものではない。
例えば、被測定部が、回転部８に設けられたマーカであり、センサが、マーカを検出する近接センサであってもよい。マーカは、回転軸Ａから径方向に離間した位置において回転部８に固定される。したがって、回転部８の回転位置に応じて、回転軸Ａ回りの周方向におけるマーカの位置は変化する。近接センサは、回転部８が所定の回転位置（例えば、原点位置）に配置されているときに当該近接センサに最接近したマーカを検出するように、構成される。所定の回転位置と原点位置との関係は、既知である。制御部２２は、近接センサによってマーカが検出されたときの回転部８の回転位置から原点位置を検出することができる。

１ 工作機械
２ 工具
３ 工具マガジン
８ 回転部
９ 固定部
１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 測定面（被測定部）
１２ 工具保持部
２１ 距離センサ（センサ）
２２ 制御部
２３ 治具
Ａ 回転軸

Claims (11)

1. 複数の工具を保持可能であり所定の回転軸回りに回転する回転部と、該回転部に設けられた被測定部と、を有する、工具マガジンと、
   前記回転軸に直交する径方向において前記回転部の外側に配置され、前記被測定部を検出するセンサと、
   該センサの検出結果に基づいて前記回転部の原点位置を検出する制御部と、を備える工作機械。
2. 前記被測定部が、前記回転軸に対して前記径方向の外方を向く測定面であり、該測定面は、前記所定の回転軸までの距離が前記所定の回転軸回りの周方向に漸次変化する形状を有し、
   前記センサが、前記測定面までの距離を測定する距離センサである、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記制御部が、前記回転部を回転させながら前記距離センサに前記測定面までの距離を測定させ、測定された距離が所定の範囲内になる前記回転部の前記回転軸回りの回転位置を前記原点位置として検出する、請求項２に記載の工作機械。
4. 前記制御部が、前記測定された距離の経時的な変化に応じて前記回転部の回転方向を制御する、請求項３に記載の工作機械。
5. 前記測定面は、前記回転部が前記原点位置に配置されているときに前記距離センサによって測定される距離が最小となる形状を有し、
   前記制御部は、
   前記測定された距離が経時的に減少する場合には前記回転部の回転方向を維持し、
   前記測定された距離が経時的に増加する場合には前記回転部の回転方向を反転させる、請求項４に記載の工作機械。
6. 前記測定面は、前記回転部が前記原点位置に配置されているときに前記距離センサによって測定される距離が最大となる形状を有し、
   前記制御部は、
   前記測定された距離が経時的に増加する場合には前記回転部の回転方向を維持し、
   前記測定された距離が経時的に減少する場合には前記回転部の回転方向を反転させる、請求項４に記載の工作機械。
7. ２つの前記距離センサを備え、該２つの距離センサは、前記径方向に平行な方向に相互に間隔をおいて配置され、
   前記制御部は、前記２つの距離センサによって測定された前記距離の各々が前記所定の範囲内になる前記回転部の回転位置を前記原点位置として検出する、請求項３に記載の工作機械。
8. 前記測定面が、前記所定の回転軸を中心とする円の弦に沿って配置される平坦面であり、
   前記２つの距離センサは、前記回転部が前記原点位置に配置されているときの前記測定面に平行な方向に沿って配列するように配置され、
   前記制御部が、
   前記２つの距離センサによって測定された前記測定面までの距離から、前記回転部の前記原点位置からのずれ角度を算出し、
   算出された前記ずれ角度だけ前記回転部を回転させる、請求項７に記載の工作機械。
9. 前記測定面が、前記所定の回転軸を中心とする円の弦に沿って配置される平坦面であり、
   前記２つの距離センサは、前記回転部が前記原点位置に配置されているときの前記測定面に平行な方向に沿って配列するように配置され、
   前記制御部が、前記２つの距離センサによって測定された距離が相互に等しくなる位置を前記原点位置として検出する、請求項７に記載の工作機械。
10. 前記工具マガジンに対して着脱可能な治具を備え、
    前記センサが、前記治具によって、前記工具マガジンに対して所定の位置に所定の姿勢で取り付けられる、請求項１から請求項９のいずれかに記載の工作機械。
11. 工作機械の旋回式の工具マガジンの原点位置を検出する工具マガジンの原点検出方法であって、前記工具マガジンが、複数の工具を保持可能であり所定の回転軸回りに回転する回転部と、該回転部に設けられた被測定部と、を有し、
    前記回転軸に直交する径方向において前記回転部の外側に配置されたセンサによって、前記被測定部を検出し、
    前記センサの検出結果に基づいて前記回転部の原点位置を検出する、工具マガジンの原点検出方法。

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