JP2023088619A - 自動工具交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工具に対する刃先の検知高さを自動で取得する自動工具交換装置を提供すること。【解決手段】周状軌道に従って配置された複数の工具から所定の工具を割出し位置に移動させる工具割出し機構と、前記割出し位置の工具を交換位置に移動させる工具交換移動機構と、前記周状軌道上に設けられた工具検知位置で停止した工具に対し、予め設定された刃先の検知高さに工具検知用モータを使用した昇降手段によってタッチセンサを移動させる工具破損検知装置と、工具の刃先に対する前記タッチセンサの接触の有無によって工具の破損を判定する工具破損検知部および、前記保持部材に新たに取り付けられた工具に対し、前記工具検知位置において刃先にタッチセンサを接触させることにより、前記工具検知用モータに設けられたエンコーダの計測信号から前記検知高さを求める工具管理部を備えた制御装置と、を有する自動工具交換装置。【選択図】図３

Description

本発明は、工具に対する刃先の検知高さを自動で取得することが可能な自動工具交換装置に関する。

マシニング系の加工機にはドリルなど複数の工具を交換用に収納した自動工具交換装置が備えられている。自動工具交換装置内に収納される工具は、加工内容によって用意されたものであり、それぞれ工具の種類が異なり、工具長などにも違いがある。そうした異なる複数の工具はワークの加工内容によって選択され、主軸装置との間で自動交換が行われる。そのため、制御装置には各種工具に対する情報が予め入力され、自動工具交換装置では、工具とその工具が取り付けられたツールホルダとの対応がとられている。そうした工具に関するこれまでの情報入力作業は、特に工具長の値が作業者によって計測され、その値を手入力することが行われていた。

特開平１１－９０７８６号公報

しかし、工具長の計測および入力は、作業者に負担がかかるだけではなく作業時間を要し、しかも計測ミスや入力ミスが起こる可能性もあった。そして、自動工具交換装置に対して工具を交換および追加するたびに、作業者が工具長の計測と計測値の入力を行わなければならなかった。自動工具交換装置にはタッチセンサを使用した工具破損検知装置が設けられるが、タッチセンサを移動制御する検知高さは工具長に基づいて算出されていた。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、工具に対する刃先の検知高さを自動で取得する自動工具交換装置を提供することを目的とする。

本発明に係る自動工具交換装置は、工具が保持部材に起立姿勢で取り付けられ、周状軌道に従って配置された複数の工具から所定の工具を割出し位置に移動させる工具割出し機構と、前記割出し位置の工具を交換位置に移動させる工具交換移動機構と、前記周状軌道上に設けられた工具検知位置で停止した工具に対し、予め設定された刃先の検知高さに工具検知用モータを使用した昇降手段によってタッチセンサを移動させる工具破損検知装置と、工具の刃先に対する前記タッチセンサの接触の有無によって工具の破損を判定する工具破損検知部および、前記保持部材に新たに取り付けられた工具に対し、前記工具検知位置において刃先にタッチセンサを接触させることにより、前記工具検知用モータに設けられたエンコーダの計測信号から前記検知高さを求める工具管理部を備えた制御装置と、を有する。

前記構成によれば、工具破損検知装置によって工具の刃先に接触させるタッチセンサによって工具の破損を判定することができ、さらに保持部材に新たに工具を取り付けられた場合に、工具検知位置において刃先にタッチセンサを接触させることにより、工具検知用モータに設けられたエンコーダの計測信号から前記検知高さを求めることもできる。

マシニングセンタの本体内部の構造を示した斜視図である。 自動工具交換装置の内部を示した斜視図である。 工具破損検知装置を含む自動工具交換装置を後方側から示した斜視図である。 自動工具交換装置の後部を示した平面図である。 工具破損検知装置を示した側面図である。 自動工具交換装置に収納された工具の配置を示した図である。 マシニングセンタの制御システムを表すブロック図である。

本発明に係る自動工具交換装置の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態では、マシニングセンタに組み込まれた自動工具交換装置を例に挙げて説明する。図１は、マシニングセンタの本体内部の構造を示した斜視図である。マシニングセンタ１は立型であり、全体が不図示の機体カバーによって覆われ、そのカバー内部には密閉されたワークに対する加工室が構成されている。マシニングセンタ１は、ベース２の上を前後方向（Ｙ軸方向）に移動可能なものであり、車輪を備えた可動ベッド３の上に組み付けられている。

マシニングセンタ１は、工具を保持する主軸装置５が前部に設けられている。主軸装置５は、ドリルやエンドミル等の工具を着脱可能に取り付ける主軸チャック１１を備え、そこに保持された工具を回転させる主軸用モータ１２が設けられている。工具を回転させる主軸装置５の回転軸は鉛直方向（Ｚ軸方向）である。そして、主軸装置５の下方にはクランプ機構を備えたワークテーブル１３が設けられ、架台１５から機体前方側に突き出すように構成されている。

架台１５の上には自動工具交換装置６が設けられ、更にその上には駆動装置７が組み付けられている。駆動装置７は、主軸装置５を３軸方向に移動させるものであり、Ｚ軸方向に移動させるためのＺ軸駆動機構、機体幅方向であるＸ軸方向に移動させるためのＸ軸駆動機構、そしてＹ軸方向に移動させるためのＹ軸駆動機構によって構成されている。各軸の駆動機構は、いずれも駆動モータの回転をボールネジによって直線移動に変換した駆動制御が行われる。そして、マシニングセンタ１には、可動ベッド３の後方に主軸装置５、自動工具交換装置６、駆動装置７などの駆動を制御する制御装置８が搭載されている。

次に、図２は、自動工具交換装置６の内部を示した斜視図である。自動工具交換装置６には様々な種類の工具Ｔが収納されるが、図面には具体的な形状を省略した円筒形状で示されている。自動工具交換装置６は、箱型の交換装置本体２１（図１参照）の内部に複数の工具が収納され、出し入れすることによって主軸チャック１１との間で工具交換が行われるようになっている。交換装置本体２１は、加工室側の前面に一対の開閉扉２２が設けられ、通常は閉じられてワーク加工によって飛び散るクーラントや切削屑などから工具を保護している。

自動工具交換装置６には工具Ｔの着脱が可能なツールホルダ２３が複数設けられている。ツールホルダ２３は、一対の把持爪によって工具Ｔの首部を挟み込むようにしたものであり、自動工具交換装置６内に収納された工具Ｔは、回転軸を鉛直にした姿勢で吊下げ保持される。複数のツールホルダ２３は、図６に示す長円形の周状軌道２０に沿って同時に移動するように、無端のローラチェーン２５に一定の間隔で固定されている。ローラチェーン２５は一対のスプロケットに掛け渡され、割出し用モータの駆動制御によって使用する工具Ｔを割出し位置Ｐ１へと移動させるための工具割出し機構が構成されている。

自動工具交換装置６は、工具割出し機構によって割出しされた工具Ｔを、主軸チャック１１との工具交換位置Ｐ２（図１参照）へと移動させる工具交換移動機構が構成されている。複数のツールホルダ２３やローラチェーン２５など工具割出し機構は可動テーブル２６の上に組み付けられ、工具交換移動機構は、その可動テーブル２６を交換装置本体２１内で前後方向に移動させるものである。可動テーブル２６は、オイルパンとしての機能を有するものであり、工具Ｔから落ちるクーラントや切削屑を受け取れるようになっている。可動テーブル２６は、交換装置本体２１内に敷設されたガイドレールに従って前後方向に移動自在であり、交換移動用モータ２７の回転をボールネジによって直線移動に変換するよう構成されている。

自動工具交換装置６には、刃こぼれなど工具Ｔの破損状況を確認するための工具破損検知装置１０が設けられている。図３は、工具破損検知装置１０を含む自動工具交換装置６を後方側から示した斜視図である。また、図４は、自動工具交換装置６の後部を示した平面図であり、図５は、工具破損検知装置１０を示した側面図である。

工具破損検知装置１０にはタッチセンサ３１が使用され、図６に示すように後方側の工具検知位置Ｐ３において工具Ｔの破損検知が行われる。図６は、自動工具交換装置６に収納された工具Ｔの配置を示した図である。工具破損検知装置１０は、鉛直方向に移動可能なスライド３２を有し、そこから前方に向けて水平にアーム３３が延び、先端部にタッチセンサ３１が取り付けられている。

交換装置本体２１にブラケット３４を介してスライダベース３５が固定され、スライド３２は、その側面に形成されたガイド３６に対して摺動可能に取り付けられている。スライダベース３５の上部には工具検知用モータ３７が固定され、スライダベース４５の内部には、工具検知用モータ３７の回転を直線運動に変換し、スライド３２をガイド３６に沿って上下方向に移動させるボールネジ機構が構成されている。タッチセンサ３１は、ドリルなど工具Ｔの刃先に接触することにより、内部のｂ接点であるスイッチが切れてＯＦＦ信号がマシニングセンタ１の制御装置８へと送られる。

図７は、マシニングセンタ１の制御システムを表すブロック図である。制御装置８は、ＣＰＵ４１のほかにＲＯＭ４２やＲＡＭ４３、不揮発性メモリ４４といった記憶装置などを備えたコンピュータを主体とするものであり、Ｉ／０４５を介して主軸装置５、自動工具交換装置６、駆動装置７などの各駆動部に接続されている。

更に、マシニングセンタ１は、タッチパネル式の操作表示装置４８が機体前面に設けられ、作業情報や操作画面などの表示のほか、作業者による設定値の入力などが可能になっている。そして、制御装置８には各種加工に関する加工プログラムやワークの種類、工具や治具に関するワーク加工情報などが記憶部に格納されている。特に、本実施形態では工具の破損状況を確認するための工具破損検知プログラム５１のほか、工具破損検知装置１０を利用した工具管理プログラム５３が格納されている。

自動工具交換装置６に収納された工具Ｔは、図６に示すように番号の付されたツールホルダ２３に対応した管理がなされている。すなわち、ツールホルダ２３の番号ごとに取り付けられた工具Ｔの種類や工具長などの工具管理情報が作成されている。この工具管理情報は、操作表示装置４８から作業者によって入力されるが、工具長に関してこれまでは作業者によって測定が行われていた。一方、本実施形態の自動工具交換装置６では、工具破損検知装置１０を使用した自動計測が行われるよう構成されている。

先ず、工具破損検知装置１０の破損検知について説明する。マシニングセンタ１では、ワークの加工内容が切り換えられると、それまで使用されていた工具Ｔが自動工具交換装置６に戻され、工具破損検知プログラム５１が実行される。使用後の工具Ｔは工具検知位置Ｐ３に送られる。工具破損検知装置１０は、工具検知用モータ３７の駆動によりスライド３２が上昇し、タッチセンサ３１の高さが調整される。サーボモータである工具検知用モータ３７はエンコーダを有し、その計測信号に基づいてタッチセンサ３１の移動制御が行われる。

下限位置ＨＬで待機するタッチセンサ３１は、工具Ｔの刃先位置（検知高さ）にまで上昇する。検知高さは、工具管理情報の一つとして予め工具毎に設定されている。そこで、検知高さにまで上昇して位置決めされたタッチセンサ３１は、そこで工具Ｔの刃先に接触した場合には正常を示す検知信号が制御装置８へと送られ、工具Ｔについて異常が無いと判定される。一方で、工具Ｔに刃こぼれが生じているような場合にはタッチセンサ３１が刃先には接することがないため、異常を示す検知信号が制御装置８へと送られ、工具Ｔに破損が生じていると判定される。

工具管理プログラム５３による自動計測は、こうした工具破損検知装置１０を使用し、自動工具交換装置６のツールホルダ２３に対し新たな工具Ｔの段取り替えが行われた後に実行される。例えば、自動工具交換装置６に１６個あるツールホルダ２３全てについて新たに工具Ｔが取り付けられた場合には、番号１から番号１６の工具Ｔについて自動計測が行われ、工具管理情報の書き換えが行われる。また、段取り替えで一部のツールホルダ２３にだけ工具Ｔの取り換えが行われた場合にも、該当するツールホルダ２３について工具Ｔの自動計測が行われ、工具管理情報の書き換えが行われる。

自動計測には基準工具Ｔａに関する基準データが使用される。基準データは、図５に示す基準工具Ｔａの「基準工具長Ｌａ」と、タッチセンサ３１の下限位置ＨＬから刃先位置ＨＭまでの「基準距離Ｄａ」である。基準工具Ｔａの基準工具長Ｌａは、加工に使用される工具Ｔの工具長よりも長い寸法であり、作業者によって測定されて操作表示装置４８から入力される。一方、基準距離Ｄａは、ツールホルダ２３に取り付けられ工具検知位置Ｐ３に配置された基準工具Ｔａについて、工具破損検知装置１０の自動計測によって得られた計測値である。

その自動計測は、工具検知用モータ３７の駆動制御により、下限位置ＨＬのタッチセンサ３１が上昇して基準工具Ｔａの刃先に接触して停止する刃先位置ＨＭまでの距離（基準距離Ｄａ）が、エンコーダから発信される計測信号に基づいて求められる。そして、工具Ｔｎ（ｎはツールホルダ２３に対応する１から１６の番号）について「検知距離Ｄｎ」の自動計測と、基準データを基にした「工具長Ｌｎ」の算出が行われる。

検知距離Ｄｎは、タッチセンサ３１の下限位置ＨＬから工具Ｔｎの刃先までの距離であり、エンコーダからの計測信号によって求められる。そして、任意の工具Ｔｎにおける工具長Ｌｎは、基準工具長Ｌａと基準距離Ｄａと検知距離Ｄｎとの差Ｓｎ（Ｄａ－Ｄｎ）から（Ｌａ－Ｓｎ）が算出される。なお、基準工具Ｔａと加工用の工具Ｔｎは、ツールホルダ２３によって把持された上端位置ＨＴは一致している。

工具管理プログラム５３では、以上のように工具検知位置Ｐ３に工具Ｔｎが順番に位置決めされ、工具破損検知装置１０の駆動によって検知距離Ｄｎと工具長Ｌｎとが求められる。そして、新たに取り付けられた工具Ｔに関しては、ツールホルダ２３の番号ごとに新たな工具データとして工具管理情報が書き換え保存される。この工具管理情報は、検知距離Ｄｎが工具破損検知に利用され、工具長Ｌｎは加工時の工具長補正に利用される。

工具Ｔｎに対する工具破損検知は、前述したようにタッチセンサ３１が工具検知用モータ３７の駆動により検知高さにまで上昇して行われるが、その検知高さは下限位置ＨＬから検知距離Ｄｎだけ上昇した位置である。そこでタッチセンサ３１における刃先の接触によって破損の有無が判断される。一方、ワーク加工プログラムでは、工具長Ｌｎに基づく工具長補正によって刃先の位置制御が行われる。

よって、本実施形態では、これまで作業者が測定していた工具長を自動で行うことができるようになり、作業者の負担が軽減され、正確な値が得られるようになった。また、従来は測定した工具長に基づいて刃先に対応した検知高さを算出し、タッチセンサ３１を位置決めするようにしていたが、本実施形態では計測した検知距離Ｄｎによって位置決めができ、制御処理が簡単になった。

ところで、工具破損検知装置１０は、工具破損検知の場合には予め設定されている検知高さ（検知距離Ｄｎ）に従ってタッチセンサ３１を上昇させればよいため移動速度を上げることができる。一方で、検知距離Ｄｎを自動計測する場合には、工具Ｔｎの刃先を探すことになるため、タッチセンサ３１の移動速度を下げる必要があり、時間を要してしまう。そこで、例えば１０ｍｍ単位で工具Ｔｎをグループ分けし、刃先の１０ｍｍ以内まではタッチセンサ３１を破損検知時と同じく高速で移動させ、その後タッチセンサ３１が刃先に接触する段階では低速移動になるように速度制御するようにしてもよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

１…マシニングセンタ ５…主軸装置 ６…自動工具交換装置 ７…駆動装置 ８…制御装置 １０…工具破損検知装置 ２３…ツールホルダ ３１…タッチセンサ ３７…工具検知用モータ ５１…工具破損検知プログラム ５３…工具管理プログラム Ｐ１…割出し位置 Ｐ２…工具交換位置 Ｐ３…工具検知位置 Ｔ…工具 Ｔａ…基準工具

Claims (3)

1. 工具が保持部材に起立姿勢で取り付けられ、周状軌道に従って配置された複数の工具から所定の工具を割出し位置に移動させる工具割出し機構と、
   前記割出し位置の工具を交換位置に移動させる工具交換移動機構と、
   前記周状軌道上に設けられた工具検知位置で停止した工具に対し、予め設定された刃先の検知高さに工具検知用モータを使用した昇降手段によってタッチセンサを移動させる工具破損検知装置と、
   工具の刃先に対する前記タッチセンサの接触の有無によって工具の破損を判定する工具破損検知部および、前記保持部材に新たに取り付けられた工具に対し、前記工具検知位置において刃先にタッチセンサを接触させることにより、前記工具検知用モータに設けられたエンコーダの計測信号から前記検知高さを求める工具管理部を備えた制御装置と、
   を有する自動工具交換装置。
2. 前記工具管理部は、前記タッチセンサの下限位置から前記工具検知位置に配置された計測対象である工具の刃先までの検知距離を求め、当該計測対象工具の前記検知高さとするものである請求項１に記載の自動工具交換装置。
3. 前記工具管理部は、前記工具検知位置に配置した基準工具に前記タッチセンサを接触させ、前記タッチセンサの下限位置から当該接触位置までの基準距離と、前記計測対象工具における検知距離との差を基に、前記基準工具の工具長から前記計測対象工具の工具長を求めるものである請求項２に記載の自動工具交換装置。
   

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