JP3042287B2 - 多軸工作機械の自動工具交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多軸工作機械の自動工
具交換装置に関し、特に多数の加工ステージを有するト
ランスファ機械加工ラインのうち特定の加工ステージに
配設される穴加工用の多軸工作機械の工具を自動交換す
る装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トランスファマシンを中心として構成さ
れた無人化機械加工システムにおいては、ワーク変更に
よる工具交換以外に、工具の摩耗に対処するために定期
的に工具を交換する必要があり、例えば特開昭５８−７
７４２３号公報記載のトランスファマシンの自動工具交
換装置が知られている。

【０００３】この従来の自動工具交換装置は、交換すべ
き新たな工具を、加工ユニットの主軸に装着された工具
と同じ向きにして、パレットの工具ソケットに保持さ
せ、このパレットを加工対象となるワークと同じ搬送形
態でトランスファマシンの加工ユニットの正面側に搬送
して位置決めし、加工ユニット側に設けられた交換アー
ムを加工ユニット側と前記パレットを越えた反対側との
間で進退させるとともに軸を中心として旋回させて、前
記加工ユニット側の主軸とパレット側の工具ソケットと
の間で工具の交換を行うようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の装
置においては、交換アーム等の工具転送手段とその駆動
機構を加工ユニット側に付帯させなければならないた
め、加工ユニットの構造が大型かつ複雑化し、設置スペ
ースおよびコストの面で不利になる。

【０００５】また、加工ユニットが多軸タイプのもので
ある場合には、工具を一本ずつ交換することになるため
に全ての工具を交換までに何回も工具交換動作を繰り返
さなければならず、加工能率が低下することとなって好
ましくない。

【０００６】本発明は以上のような課題に着目してなさ
れたもので、トランスファ機械ラインを構成する多軸工
作機械の多軸スピンドルヘッドについて、比較的簡単な
構造で、しかも能率的に工具交換を行えるようにするこ
とを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、多数の加工ス
テージを有するトランスファ機械加工ラインのうち特定
の加工ステージに配設されるとともに、割り出し回転可
能なタレットヘッドの周囲に複数の多軸スピンドルヘッ
ドを備えた穴加工用のタレット型多軸工作機械の工具を
自動交換する装置であって、加工対象となるワークに混
在してトランスファ機構によりトランスファ機械加工ラ
イン上をワークとともに搬送され、前記多軸工作機械の
治具上に位置決め固定された状態でその多軸工作機械の
自律動作に基づいて多軸スピンドルヘッドから解放され
た複数の工具を各多軸スピンドルヘッドごとに一括して
受け取った上で総多軸スピンドルヘッド分の複数の工具
を収容するツール回収マガジンと、前記加工対象となる
ワークに混在してトランスファ機構によりトランスファ
機械加工ライン上をワークとともに前記ツール回収マガ
ジンの直後に位置しながら搬送され、前記多軸工作機械
の治具上に位置決め固定された状態でその多軸工作機械
の自律動作に基づいて各多軸スピンドルヘッドに一括し
て新たに装着すべき総多軸スピンドルヘッド分の複数の
工具が前記多軸スピンドツヘッド側の工具と同じ向きで
予め収容されたツールマガジンとを備えている。

【０００８】そして、前記ツール回収マガジンおよびツ
ールマガジンは、マガジン本体と、このマガジン本体に
前記多軸スピンドルヘッドのスピンドルの配置と同じ配
置で且つ同じ向きで形成された総多軸スピンドルヘッド
分の複数のツールポットと、このツールポットの内部に
個別に設けられるとともに該ツールポットに挿入される
工具の先端に当接してスライド変位するスライド部材を
有して、このスライド部材の変位に応じて各ツールポッ
ト内の工具の有無を検知するツール検知機構とから構成
されている。

【０００９】

【作用】この構造によると、加工対象となるワークに混
在するかたちでトランスファ機械加工ライン上をツール
回収マガジンとツールマガジンとが二つ並んで搬送さ
れ、ツール回収マガジンが特定の多軸工作機械の治具に
位置決め固定されると、多軸工作機械の自律動作により
その多軸スピンドルヘッド側の工具をツール回収マガジ
ンに移し替える作業が行われる。この作業は、タレット
ヘッドを逐次割り出し回転させることにより各多軸スピ
ンドルヘッドごとに行われ、交換対象となる多軸スピン
ドルヘッド側の工具をツール回収マガジンの各ツールポ
ットに挿入した上で、それまで工具を支持していたスピ
ンドルがアンチャック動作して工具を解放することによ
り行われる。そして、規定の工具がツール回収マガジン
側に正しく移し替えられたかどうかがツール回収マガジ
ン側のツール検知機構によって検知される。

【００１０】次に、上記のツール回収マガジンに代わっ
てツールマガジンが多軸工作機械の治具に位置決め固定
されると、多軸工作機械の自律動作によりタレットヘッ
ドを逐次割り出し回転させて、そのツールマガジン内の
工具を多軸スピンドルヘッドごとにそれぞれのスピンド
ルに装着する。そして、規定の工具がツールマガジンか
ら多軸スピンドルヘッドに正しく装着されたかどうかが
ツールマガジン側のツール検知機構によって検知され
る。

【００１１】

【００１２】

【実施例】図２は本発明の一実施例を示す図で、例えば
内燃機関用のシリンダヘッドにドリル、タップ、リー
マ、エンドミル等の比較的小中径の穴加工を施すトラン
スファ機械加工ラインの例を示している。

【００１３】図２に示すように、トランスファ機械加工
ライン１は、トランスファバータイプのトランスファ機
構２を中心として多数の加工ステージＳ１〜Ｓ１４を有
する直列ラインとして構成されており、各加工ステージ
Ｓ１〜Ｓ１４には図３に示すような単一もしくは複数の
タレット型の多軸工作機械３もしくは他の工作機械が据
え付けられている。そして、ワーク搬入ステージＳ２１
から搬入されたワークＷは各加工ステージＳ１〜Ｓ１４
を経る過程で所定の加工が施されてワーク搬出ステージ
Ｓ２２から搬出される。

【００１４】一方、加工頻度の高いタレット型の多軸工
作機械３については、工具の摩耗に対処するために定期
的にその工具を交換する必要があり、各多軸工作機械３
ごとにツール回収マガジン４とツールマガジン５とが１
セットとしてマガジン搬入ステージＳ３１からトランス
ファ機構２上に搬入される。これらのツール回収マガジ
ン４とツールマガジン５はワークＷに混在するかたちで
トランスファ機構ライン２上を二つ並んで流れ、該当す
る加工ステージに到達するとこれらのツール回収マガジ
ン４およびツールマガジン５と多軸工作機械３との間で
その多軸工作機械３の自律動作により工具の交換が行わ
れる。

【００１５】すなわち、前記ツール回収マガジン４は摩
耗した工具の回収専用であって、該当する多軸工作機械
３の多軸スピンドルヘッドから複数の工具をツール回収
マガジン４に回収する。その後に、ツール回収マガジン
４に続くツールマガジン５に収容されている新しい工具
が多軸スピンドルヘッドに装着される。そして、特定の
多軸工作機械３の工具交換を終えたツール回収マガジン
４およびツールマガジン５は、他の加工ステージの工作
機械に対しては何ら工具交換に関与することなくアイド
ルステージとしてそのまま通過し、最終的にマガジン搬
出ステージＳ３２から搬出される。

【００１６】図３は前記多軸工作機械３の詳細を示す図
で、直交三軸方向のフィードユニットを組み合わせてな
る母機６のキャリア７にタレットヘッド８が割り出し回
転可能に支持されており、タレットヘッド８の外周には
四つの多軸スピンドルヘッド９が装着されている。

【００１７】一方、トランスファ機構２のトランスファ
バー１０により搬送されてきたワークＷは治具１１上に
位置決めされた上で、図示外のクランパーによりクラン
プされるようになっている。そして、ＮＣ制御装置１２
からの指示により多軸工作機械３はいずれかの多軸スピ
ンドルヘッド９を選択位置Ｐ₁に割り出した上で、直交
三軸の動作自由度を使って治具１１上のワークＷに穴あ
け加工を施すことになる。

【００１８】ここで、前記多軸工作機械３の工具交換の
ためにワークＷに代えて前述したツール回収マガジン４
あるいはツールマガジン５が治具１１上に搬送されてき
た場合にも、これらのツール回収マガジン４およびツー
ルマガジン５はワークＷと同様の形態で治具１１に順次
位置決め固定される。

【００１９】前記多軸スピンドルヘッド９の各スピンド
ル１３は、図１に示すように、先端にテーパ面１４が形
成されたコレットホルダー１５を備えているとともに、
工具引き込み用のチャックユニット１６と、このチャッ
クユニット１６をアンクランプ動作させるドローバー１
７とを備えている。そして、工具Ｔは、工具本体１８
と、この工具本体１８に挿入されてリング１９により固
定されたフランジ２０およびテーパコーン状のコレット
２１とから構成されていることから、チャックユニット
１６により工具Ｔを引き込んでコレット２１をテーパ面
１４にテーパ結合させることによって工具Ｔをチャッキ
ングするようになっている。

【００２０】一方、ツール回収マガジン４およびツール
マガジン５は、図１，３，４に示すようにワークＷとほ
ぼ同形状のボックス状のマガジン本体２２を中心として
形成されていて、このマガジン本体２２には特定の多軸
工作機械３の各多軸スピンドルヘッド９による加工位置
Ｐに対応して、それぞれに工具Ｔが収容可能な複数のツ
ールポット２３が形成されている。すなわち、図３に示
したように、特定の多軸工作機械３が四つの多軸スピン
ドルヘッド９を備えているものとすれば、各多軸スピン
ドルヘッド９ごとのスピンドル１３の配置を含むように
ツール回収マガジン４およびツールマガジン５側のツー
ルポット２３の配置が設定されている。

【００２１】各ツールポット２３は図１，４に示すよう
にスリーブ２４を中心として構成されており、このツー
ルポット２３にはボールプランジャ２５にて付勢された
例えば四つ割りタイプのコレット２６が、工具Ｔの芯出
しを行うためのホルダー２７とともに内挿されている。

【００２２】また、前記スリーブ２４にはその軸心方向
に位置調整可能な支持ブロック２８が内挿されており、
この支持ブロック２８にはコイルスプリング２９にて付
勢されたスライド部材としてのスライドピン３０が設け
られている。スライドピン３０の先端には、工具Ｔの刃
先を傷つけないようにするためにラバーもしくはプラス
チック製の保護プレート３１が装着されていて、後述す
るようにこの保護プレート３１に工具Ｔの先端刃先が着
座するようになっている。

【００２３】前記マガジン本体２２とスリーブ２４およ
び支持ブロック２８には二組の空気供給孔３２，３３が
形成されていて、この空気供給孔３２，３３の一端には
そのマガジン本体２２が位置決め固定される治具１１側
のロケートピン３４およびダイヤピン３５からシール用
のラバー３６を介してエアが供給されるようになってい
るとともに、その空気供給孔３２，３３に対するエアの
排出圧力が図示外の圧力センサによって個別に監視され
るようになっている。

【００２４】また、前記スライドピン３０には、図１に
示すように、工具Ｔの刃先が保護プレート３１に着座し
た状態であって、かつフランジ２０がコレット２６のあ
ご部２６ａに係合している状態、すなわちツールポット
２３に対し該当する工具Ｔが正しく挿入された状態で一
方の空気供給孔３２に連通し、ツールポット２３に工具
Ｔがない時には空気供給孔３３と連通するポート３７が
形成されている。

【００２５】そして、図１の状態では各ツールポット２
３のスライドピン３０に形成されたポート３７のうち、
同じ一つの多軸スピンドルヘッド９に含まれる工具Ｔに
対応するもの同士が空気供給孔３２によって一本の通路
として接続されていて、その複数分のスライドピン３０
のポート３７を通過した空気圧力が上記の圧力センサに
よって監視されている。これはポート３７が他方の空気
供給孔３３と一致する位置に変位した場合も同様であ
る。

【００２６】すなわち、上記のように特定の多軸工作機
械３の多軸スピンドルヘッド９の数が四つであるとする
と、それに対応するツール回収マガジン４およびツール
マガジン５には四系統の空気供給系が形成されていて、
各系統ごとに空気供給孔３２，３３からの排出圧を検出
することにより、各ツールポット２３内の工具Ｔの有無
を検知できるようになっているとともに、同時に工具Ｔ
の折損をも検知できるようになっている。そして、上記
の空気供給孔３２，３３とポート３７および圧力センサ
によって、各ツールポット２３内の工具Ｔの有無を検知
するツール検知機構３８が形成されている。

【００２７】ここで、工具Ｔの長さの違い、すなわち工
具Ｔの仕様の違いや研摩の前後での長さの違いによって
は上記の工具有無の検出タイミングがずれることから、
その場合にはスライドピン３０をホルダブロック２８ご
と軸心方向に動かして予め調整しておく。

【００２８】次に、上記のように構成された自動工具交
換装置の一連の動きについて説明する。

【００２９】図２，３に示すように、例えば加工ステー
ジＳ４に据え付けられている多軸工作機械３における各
多軸スピンドルヘッド９の工具Ｔの寿命は、そのステー
ジＳ４で加工したワークＷの個数に基づいてＮＣ制御装
置１２で管理されており、例えば所定ロット数のワーク
Ｗの加工が終わり、各工具Ｔの寿命が設定寿命となって
工具交換が必要になった場合には、ＮＣ制御装置１２は
工具交換の要求を出す。

【００３０】この要求を受けて、マガジン搬入ステージ
Ｓ３１からツール回収マガジン４とツールマガジン５と
が順にライン上に投入され、これらのマガジン４，５は
ワークＷに混在するかたちでトランスファバー１０によ
り順次加工ステージＳ４へと搬送される。

【００３１】この場合、これらのツール回収マガジン４
およびツールマガジン５は加工ステージＳ１〜Ｓ３につ
いては特に無関係であるので、加工ステージＳ１〜Ｓ３
についてはアイドルステージとしてあくまで通過するだ
けである。また、ツール回収マガジン４とツールマガジ
ン５は前述したようにともに同一構造であって、ツール
回収マガジン４には全く工具Ｔが収容されていないのに
対して、ツールマガジン５の各ツールポット２３には工
具Ｔが収容されている点でのみ異なっている。

【００３２】やがて、ツール回収マガジン４が加工ステ
ージＳ４に搬入されると、そのツール回収マガジン４は
ワークＷと同様にして多軸工作機械３の治具１１に位置
決めされてクランプされる。ツール回収マガジン４が治
具１１に位置決めクランプされると、多軸工作機械３は
各多軸スピンドルヘッド９を選択位置Ｐ₁に割り出し
て、各多軸スピンドルヘッド９の工具Ｔをツール回収マ
ガジン４に順次収容する。

【００３３】すなわち、図１に示すように、交換対象と
なる工具Ｔが装着された多軸スピンドルヘッド９がツー
ル回収マガジン４に徐々に近付き、それぞれの工具Ｔを
対応するツールポット２３に挿入する。そして、フラン
ジ２０がホルダー２７に当接する直前で多軸スピンドル
ヘッド９の前進動作が停止し、ドローバー１７の押し出
し動作により工具Ｔをアンチャッキングする。この時、
コレットホルダー１５のテーパ面１４がコレット２１に
食い付いてしまった場合に備えて、ドローバー１７で工
具Ｔの後端をわずかに押圧する。こうして、工具Ｔのア
ンチャッキングが完了すると多軸スピンドルヘッド９は
後退し、同時にコレット２６がボールプランジャ２５の
力によりフランジ２０をホルダー２７に押し当てて、工
具Ｔを芯出しした状態でツールポット２３内に収容す
る。

【００３４】こののち、ロケートピン３４を介して空気
供給３２にエアが供給され、エアは前述したようにその
排出圧力が監視されていることから、特定の一つの多軸
スピンドルヘッド９のうちの全ての工具Ｔがツール回収
マガジン４に正しく収容されると、各ツールポット２３
のポート３７を介して一系統として連通された空気供給
孔３２が大気解放されて排出圧力が大気圧となり、逆に
いずれか一つでも工具Ｔがツール回収マガジン４のツー
ルポット２３に正しく収容されていないとポート３７で
の空気供給孔３２の連通が断たれて排出圧力が上昇す
る。したがって、この排出圧力の変化により、各多軸ス
ピンドルヘッド９ごとに全ての工具Ｔがツール回収マガ
ジン４のツールポット２３に正しく収容されたかどうか
検知することができる。そして、いずれか一つでも工具
Ｔが該当するツールポット２３に収容されていない場合
には、上記の動作を最初からやり直す。

【００３５】以上のようにして各多軸スピンドルヘッド
９の全ての工具Ｔがツール回収マガジン４側に収容され
ると、ツール回収マガジン４は治具１１からアンクラン
プされた上でトランスファバー１０により次のステージ
Ｓ５へと搬送され、代わって多軸工作機械３の治具１１
には前工程からツールマガジン５が搬入されて位置決め
クランプされる。

【００３６】ツールマガジン５が治具１１に位置決めク
ランプされると、多軸工作機械３は先に全ての工具Ｔが
取り外された各多軸スピンドルヘッド９を選択位置Ｐ₁
に順次割り出して、ツールマガジン５内の該当する工具
Ｔを各スピンドル１３に順次装着する。

【００３７】すなわち、選択位置Ｐ₁に割り出された工
具未装着の多軸スピンドルヘッド９がツールマガジン５
に徐々に近付き、各スピンドル１３側のテーパ面１４に
コレット２１が当接する直前で停止する。そして、チャ
ックユニット１６により工具Ｔが引き込まれることで、
コレット２１がコレットホルダー１５のテーパ面１４に
圧接する。こうして、工具Ｔのチャッキング動作が完了
すると、ロケートダイヤ３５を介して空気供給孔３３に
エアが供給される。このエアは前述したようにその排出
圧力が監視されていることから、特定の一つの多軸スピ
ンドルヘッド９に装着されるべき全ての工具Ｔが該当す
るツールポット２３からなくなると排出圧力は大気圧と
なり、逆に一つでも工具Ｔが残っていると排出圧力は上
昇し、これによって特定の多軸スピンドルヘッド９に装
着されるべき全ての工具Ｔが正しく装着されたかどうか
が検知される。そして、いずれか一つでも工具Ｔがツー
ルマガジン５側に残っている場合には、上記の動作を最
初から繰り返す。

【００３８】以上の一連の動作を繰り返すことにより、
各多軸スピンドルヘッド９に新たな工具Ｔが装着され
る。そして、ツールマガジン５が治具１１からアンクラ
ンプされたのち、そのツールマガジン５がトランスファ
バー１０により次工程に搬送されるのと同時に、その治
具１１には前工程からワークＷが搬送され、工具交換を
終えたばかりの多軸工作機械３は直ちに加工を開始す
る。

【００３９】ここで、上記実施例では、一定期間ごとに
特定の多軸工作機械３における多軸スピンドルヘッド９
の全ての工具Ｔを交換するようにしているが、工具交換
時期になる前であっても必要に応じて工具Ｔの折損検知
を行い、一部の工具Ｔの折損が認められた場合にはその
工具Ｔを含む多軸スピンドルヘッド９全体の工具Ｔを交
換することもできる。

【００４０】この場合には、上記と同様にしてツール回
収マガジン４とツールマガジン５とをライン上に流し、
ツール回収マガジン４が特定の多軸工作機械３の治具１
１に位置決めクランプされると、多軸工作機械３は各多
軸スピンドルヘッド９を順次選択位置Ｐ₁に割り出し
て、その都度各多軸スピンドルヘッド９の工具Ｔをアン
チャッキングすることなくツール回収マガジン４のツー
ルポット２３に一旦挿入する。

【００４１】すなわち、図１に示すように、いずれかの
多軸スピンドルヘッド９がツール回収マガジン４に徐々
に近付き、それぞれの工具Ｔを対応するツールポット２
３に挿入し、フランジ２０がホルダー２７に当接する直
前で多軸スピンドルヘッド９の前進動作が停止する。こ
の状態で、ロケートピン３４を介して空気供給孔３２に
エアが供給され、ツールポット２３に挿入された工具Ｔ
が規定の長さである場合にはそれに対応するポート３７
が空気供給孔３２と連通し、逆に工具Ｔの先端が折損し
ている場合にはスライドピン３０が規定量だけ変位しな
いためにポート３７と空気供給孔３２との連通が遮断さ
れる。したがって、空気供給孔３２のエアの排出圧力に
基づいて、特定の多軸スピンドルヘッド９のいずれかに
工具Ｔの折損があるかどうかを検知することができる。

【００４２】このようにして、各多軸スピンドルヘッド
９ごとの工具Ｔの折損検知がなされたならば、その折損
検知が認められた多軸スピンドルヘッド９の工具Ｔをツ
ール回収マガジン４側に収容する一方、後続のツールマ
ガジン５によって先の場合と同様に新たな工具Ｔを装着
する。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ツール回
収マガジンとツールマガジンとをワークに混在するかた
ちでライン上に流し、多軸工作機械の自律動作により工
具の交換を行うようにしたため、交換アーム等の工具転
送手段が不要となって設備の構造を簡素化でき、設置ス
ペースおよびコストの面で著しく有利となる。

【００４４】また、複数の工具を同時交換することによ
り工具交換に要する時間を大幅に短縮できるほか、ツー
ルポット内のスライド部材を中心に構成されたツール検
知機構の機能を利用して工具の折損をも検知できる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図で図３の要部断面
図。

【図２】トランスファ機械加工ラインの平面説明図。

【図３】タレット型の多軸工作機械の説明図。

【図４】ワークに対する加工位置と、ツール回収マガジ
ンおよびツールマガジン側のツールポットとの配置関係
を示す説明図。

【符号の説明】

１…トランスファ機械加工ライン ２…トランスファ機構 ３…タレット型の多軸工作機械 ４…ツール回収マガジン ５…ツールマガジン８…タレットヘッド ９…多軸スピンドルヘッド １１…治具 １６…チャックユニット ２２…マガジン本体 ２３…ツールポット ２６…コレット ３０…スライドピン（スライド部材） ３２，３３…空気供給孔 ３７…ポート ３８…ツール検知機構 Ｓ１〜Ｓ１４…加工ステージ Ｔ…工具 Ｗ…ワーク

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の加工ステージを有するトランスフ
   ァ機械加工ラインのうち特定の加工ステージに配設され
   るとともに、割り出し回転可能なタレットヘッドの周囲
   に複数の多軸スピンドルヘッドを備えた穴加工用のタレ
   ット型多軸工作機械の工具を自動交換する装置であっ
   て、 加工対象となるワークに混在してトランスファ機構によ
   りトランスファ機械加工ライン上をワークとともに搬送
   され、前記多軸工作機械の治具上に位置決め固定された
   状態でその多軸工作機械の自律動作に基づいて多軸スピ
   ンドルヘッドから解放された複数の工具を各多軸スピン
   ドルヘッドごとに一括して受け取った上で総多軸スピン
   ドルヘッド分の複数の工具を収容するツール回収マガジ
   ンと、 前記加工対象となるワークに混在してトランスファ機構
   によりトランスファ機械加工ライン上をワークとともに
   前記ツール回収マガジンの直後に位置しながら搬送さ
   れ、前記多軸工作機械の治具上に位置決め固定された状
   態でその多軸工作機械の自律動作に基づいて各多軸スピ
   ンドルヘッドに一括して新たに装着すべき総多軸スピン
   ドルヘッド分の複数の工具が前記多軸スピンドツヘッド
   側の工具と同じ向きで予め収容されたツールマガジンと
   を備えてなり、 前記ツール回収マガジンおよびツールマガジンは、 マガジン本体と、 このマガジン本体に前記多軸スピンドルヘッドのスピン
   ドルの配置と同じ配置で且つ同じ向きで形成された総多
   軸スピンドルヘッド分の複数のツールポットと、 このツールポットの内部に個別に設けられるとともに該
   ツールポットに挿入される工具の先端に当接してスライ
   ド変位するスライド部材を有して、このスライド部材の
   変位に応じて各ツールポット内の工具の有無を検知する
   ツール検知機構、 とから構成されていることを特徴とする多軸工作機械の
   自動工具交換装置。