JP3518408B2 - 自動工具交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工具の交換時間を
短縮できる自動工具交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、生産の効率化を図るため、同
一のワークに対して複数種類の加工作業をすることがで
きるＮＣ工作機械、すなわち、マシニングセンタが用い
られている。このマシニングセンタには、加工作業の種
類に応じて工具を取り替える自動工具交換装置（以下、
ＡＴＣという）が設けられている。

【０００３】このＡＴＣを用いて工具を交換する場合に
は高速回転している主軸を一旦停止させ、交換後に再び
主軸を高速回転させて、穴明けや切削などの加工を行な
う。

【０００４】マシニングセンタは、効率的に作業できる
ことを特徴としている工作機械であるから、作業の効率
化や工具の交換に要する時間の短縮化は非常に重要なこ
とである。

【０００５】このため、主軸の回転数を高速化（数万〜
１０万回転程度）して作業の効率化（加工時間の短縮
化）を図ったり、主軸の停止時間が少なくなるように工
具の交換作業に工夫を凝らしたり（工具の交換作業の単
純化、加工順序の最適化）、主軸に出力の大きなモータ
やブレーキを使用して工具の交換に要する時間の短縮化
（主軸の急加速、急減速）を図ったりしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来のＡＴＣでは、工具の交換をする場合には、必ず主
軸の回転を停止させなければならないため、主軸の急加
速、急減速のために加工負荷に見合わない出力の大きな
主軸モータを用いなければならず、また、主軸にブレー
キを設けなければならない。

【０００７】主軸に出力の大きなモータを用いると、装
置のコストアップに繋がるばかりでなく、主軸自体の重
量の増加から、主軸を移動させる軸のモータ等（たとえ
ばリニアモータや高速ボールネジ）も大形化するし、主
軸の最大移動速度も制限されてくる。

【０００８】マシニングセンタでは、頻繁に工具が交換
されるため、効率的な作業を実現するためには、工具の
交換時間を短縮することが要求されるが、従来のように
主軸を急加速、急減速できるようにしただけでは、工具
の交換時間の短縮には限界があるし、根本的な解決には
ならない。

【０００９】本発明は、このような従来のＡＴＣの問題
点を根本的に解決するためになされたものであり、工具
を回転させながら交換できるようにし、工具の交換時間
を短縮できるようにした自動工具交換装置の提供を目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は各請求項ごとに次のように構成される。

【００１１】請求項１に記載の発明は、工具を軸受けに
よって回転自在に支持すると共に当該工具の回転速度を
エンコーダによって検出できるように構成されたホルダ
ーと、当該ホルダーの工具を工具交換作業に備えて予め
回転させる工具回転手段と、前記ホルダーの工具を回転
させてワークを加工する主軸回転手段と、当該工具回転
手段によって工具が回転されている状態のまま前記ホル
ダーを把持し、前記工具回転手段から当該工具を取り外
し、当該工具を前記主軸回転手段まで移動し、当該工具
を前記主軸回転手段に取り付けて前記ホルダーを解放す
る工具交換手段と、前記工具交換手段によって前記工具
を前記工具回転手段から前記主軸回転手段に移動する
間、前記ホルダーのエンコーダを介して当該工具の回転
速度を演算する工具回転速度演算手段と、当該工具回転
速度演算手段によって演算された前記工具の回転速度に
基づいて前記主軸回転手段の回転速度を演算する主軸回
転速度演算手段と、当該主軸回転速度演算手段によって
演算された回転速度で前記主軸回転手段を駆動する駆動
手段とを有し、前記ホルダーに設けられているエンコー
ダの回転は、前記工具交換手段に取り付けられているセ
ンサを介して間接的に検出されることを特徴とする。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の自動工具交換装置において、前記工具交換手段による
前記ホルダーの把持と解放は、前記工具交換手段に設け
られている油圧チャック機構によって行なうように構成
されていることを特徴とする。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の自動工具交換装置において、前記主軸回転速度演算手
段は、前記工具回転速度演算手段によって演算された前
記工具の回転速度を中心として周期的に一定の幅で変動
する回転速度を演算し、前記主軸回転手段と前記ホルダ
ーの工具との回転位相を周期的に変化させて前記工具が
主軸回転手段の主軸に装着されやすくなるようにしたこ
とを特徴とする。

【００１４】

【００１５】

【発明の効果】以上のように構成された請求項１から請
求項３に記載の自動工具交換装置によれば、工具回転手
段から主軸回転手段まで工具を止めることなく（回転さ
せたまま）移動させることができるので、工具の加速時
間を短くでき、結果として作業効率を向上させることが
できるようになる。

【００１６】また、加速を短時間で行なう必要がなくな
るので、主軸回転手段の出力容量を小さくでき、主軸回
転手段の小形化を図ることができるようになる。

【００１７】さらに、主軸回転手段の小形化により主軸
を移動させる移動手段も小形化が可能になり、マシニン
グセンタの小形化とコストダウンとが可能になる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の工具交換装置を
図面に基づいて詳細に説明する。

【００１９】まず、工具交換装置の機械的な構成を説明
する。

【００２０】本発明の工具交換装置は、主軸に取り付け
るべき工具を工具回転モータまで搬送したり主軸から取
り外した工具を所定の場所に収納しておく工具供給装置
と、工具回転モータによって回転されている工具を回転
アームで把持し主軸モータまで移動して取り付ける一
方、ワークの加工が終了した後の工具を主軸モータから
取り外して工具供給装置まで移動する工具交換装置と、
主軸モータによって回転される工具でワークに加工作業
を施す加工装置とを備えている。

【００２１】本発明の工具交換装置で使用する工具１０
は、図１に示すようなホルダー２０を貫通して設けら
れ、ホルダー１０内に設けられている図示しない軸受け
によって回転自在に支持されている。したがって、工具
１０は、ホルダー２０が回転アーム（後述する）によっ
て把持されている状態でも、その慣性によって回転する
ことができる。

【００２２】また、ホルダー２０には、工具１０の回転
数を検出するためのエンコーダ（図示せず）が内蔵され
ている。このエンコーダの回転は、回転アームに取り付
けられている光電センサによって間接的に読み取られ
る。

【００２３】なお、マシニングセンタの全ての工具１０
はホルダー２０に支持されているので、主軸モータに取
り付けて加工する場合や、工具回転モータに取り付けて
予備的に回転させる場合や、工具供給装置に収納させて
おく場合など、あらゆる場合に工具１０とホルダー２０
とは一体的に取り扱われる。したがって、本実施形態で
例示するマシニングセンタでは、ホルダー２０から工具
１０のみを取り外して使用することはない。

【００２４】図２は、工具１０と主軸モータの主軸との
係合状態の説明図である。

【００２５】図１では示していないが、工具１０の主軸
モータの主軸３０に挿入される部分には、図２（Ａ）に
示すような切欠溝１５が設けられている。一方、主軸３
０の内周面には、この切欠溝１５に係合する突起３５が
設けられている。なお、この切欠溝１５と突起３５は、
加工負荷によって主軸３０と工具１０とが滑って空回り
しないように設けたものである。

【００２６】切欠溝１５の形状は、図２（Ｂ）に示すよ
うに、工具１０の端部に向かうにしたがってその幅が広
くなるテーパー形状を有しており、一方、この切欠溝１
５と係合する突起３５は単なる長方形である。このよう
に、切欠溝１５のみをテーパー形状としたのは、共に高
速で回転している状態であっても、ある程度の位相合わ
せさえすれば容易に係合できるようにするためである。

【００２７】次の加工に必要な工具１０は、工具供給装
置から取り出されて工具回転モータに取り付けられる。
そして、この工具１０を交換作業に先立って回転させ
る。この回転は、工具交換モータによって行なわれる
が、その回転数はたとえば数万から１０万回転／分と非
常に高速である。

【００２８】工具を交換する時には、工具回転モータに
よって回転されている工具を回転アームで把持し主軸モ
ータまで移動して取り付ける一方、ワークの加工が終了
した後の工具は主軸モータから取り外して工具供給装置
まで移動する工具交換装置を用いる。

【００２９】この工具交換装置は、たとえば特開平５−
１１８２１号公報に開示されているように、一般的には
工具回転アームと称されるものであり、従来のマシニン
グセンタでも使用されているものなので、ここではその
詳しい構成の説明は省略する。

【００３０】本発明の工具交換装置では、加工作業に先
立って工具を高速回転させておくので、工具交換装置
は、工具１０が回転されている状態のままホルダー２０
を把持して、工具回転モータから工具１０を取り外し、
この工具１０を主軸モータまで移動し、工具１０の切欠
溝１５と主軸モータの主軸３０の突起３５との位相を合
わせながら工具１０を主軸３０に装着してホルダー２０
を解放している。

【００３１】本発明の工具交換装置では、工具交換モー
タで高速回転させた工具を、高速回転している主軸モー
タに素早く装着させなければならないため、次のような
装置を用いてこれを実現させている。以下にこの装置を
詳細に説明する。

【００３２】図３は、本発明にかかる工具交換装置の制
御系のブロック図である。

【００３３】図に示すエンコーダ２５は、ホルダー２０
に内蔵されているものであって、工具１０の回転速度を
検出するために用いられるものである。

【００３４】主軸モータ４０は、ワークを加工する際に
ホルダー２０とともに装着されている工具１０を回転さ
せて所望の加工をするものであり、工具１０は、加工時
には数万〜１０万回転という超高速で回転して効率的な
加工作業をする。

【００３５】工具回転モータ５０は、ホルダー２０の工
具１０を工具交換作業に備えて予め回転させておくため
のモータであり、加工時の工具の回転速度と同等かそれ
以上の回転速度で回転させるものである。

【００３６】ＡＴＣモータ６０は、工具交換装置、すな
わち工具回転アームを回転させるモータであり、工具回
転モータに取り付けられている工具１０の取り外しが完
了した工具回転アームを主軸モータ４０まで回転させて
移動させるものである。

【００３７】コントローラ７０は、エンコーダ２５から
得られるエンコーダパルスに基づいて主軸モータ４０の
回転速度を制御したり、工具回転モータ５０を高速回転
させたり、ＡＴＣモータ６０の回転を制御したりするも
のである。

【００３８】このように構成された装置は、主軸モータ
４０の回転速度を図４に示すフローチャートのように制
御する。

【００３９】まず、ある加工作業が完了して、コントロ
ーラ７０に工具挿入指示信号が入力されると（Ｓ１）、
ＡＴＣモータ６０を１／４回転させて工具回転アームの
一方のアーム端を工具回転モータ５０によって回転され
ている工具１０に、また、この工具回転アームの他方の
アーム端を主軸モータ４０に回転されている工具１０に
それぞれ近付ける。そして、両アーム端は、それぞれの
ホルダー２０を油圧チャック機構によってしっかりと把
持し、回転中の工具をそれぞれのモータの軸から取り外
す。

【００４０】工具の取り外しが完了すると、ホルダー２
０を把持したまま、さらにＡＴＣモータ６０を１／２回
転させて一方のアーム端を主軸モータ４０によって回転
している主軸３０に、また、この工具回転アームの他方
のアーム端を工具供給装置のローダーにそれぞれ近付け
る。工具回転モータ５０から取り外された工具１０が主
軸モータ４０に装着されるまでの間は、工具回転モータ
５０から工具を取り外した側のアーム端に取り付けられ
ている光電センサによって、ホルダー２０内に設けられ
ているエンコーダ２５からのエンコーダパルスを読み取
り、これをコントローラ７０に入力して工具１０の回転
速度を演算し続ける。

【００４１】工具回転モータ５０から取り外された工具
１０は、取り外された瞬間からホルダー２０内で慣性の
みで回転することになるので、図５または図６に示すよ
うにその回転速度は徐々に落ちてくる。コントローラ７
０は、単位時間当たりのエンコーダパルスの数により工
具１０の現時点での回転速度を検出する。このように、
工具１０の回転速度を検出するのは、主軸モータ４０の
回転速度を工具１０の回転速度と合わせる必要があるか
らである（Ｓ２，Ｓ３）。

【００４２】次に、コントローラ７０は、検出された工
具１０の回転速度に基づいて主軸モータ４０の回転速度
を演算する。この主軸モータ４０の回転速度は、工具１
０の回転速度を中心として周期的に一定の幅で変動する
回転速度であり、たとえば、図５の点線、または図６で
示すように変動する回転速度である。このように、主軸
モータ４０の回転速度が揺らぐようにしているのは、主
軸３０とホルダー２０の工具１０との回転位相を周期的
に変化させて工具１０が主軸３０に装着され易くなるよ
うにするためである。

【００４３】つまり、工具１０の主軸モータの主軸３０
に挿入される部分には、図２（Ａ）に示すような切欠溝
１５が設けられ一方、主軸３０の内周面には、この切欠
溝１５に係合する突起３５が設けられているが、工具１
０を主軸３０に装着する場合、工具１０を主軸３０に押
し付けながら主軸の回転速度を上記のように変化させれ
ば、切欠溝１５と突起３５との位相を確実に合わせなく
とも、工具１０を主軸３０に容易に挿入させることがで
きるからである（Ｓ４）。

【００４４】このようにして工具１０が主軸３０に装着
されると、工具回転アームがこれを認識し、工具挿入完
了信号が出力される。したがって、コントローラ７０が
この工具挿入完了信号を入力するまでは、主軸モータ４
０の回転速度を検出される工具１０の回転速度を中心に
揺らぐように制御する位相ずらし制御を継続し（Ｓ５，
Ｓ６）、工具挿入完了信号が入力されれば工具１０が主
軸３０に装着できたのであるから、回転アームは把持し
ているホルダー２０を解放して１／４回転し、図５に示
すように、主軸モータ４０を加速して工具１０を加工速
度（数万〜１０万回転／分）で回転させる（Ｓ７）。

【００４５】以上のように、本発明の工具交換装置によ
れば、主軸３０を回転させたまま工具交換をすることが
できることになるので、加工を開始する際の工具の加速
は少なくて済み、主軸モータを従来よりも小形にするこ
とができるようになる。

【００４６】また、主軸モータの小形化、軽量化によっ
て、この主軸モータが載置されている移動軸の高速化が
可能になる。

【００４７】そして、主軸の回転速度を高めた分だけ加
工時間が短縮できるので、工具の交換時間を従来よりも
遥かに短くでき、さらに移動軸も高速化される結果、作
業効率を著しく向上させることができるようになる。

【００４８】以上のような効果の相乗効果として、マシ
ニングセンタ全体としての軽量化、低コスト化、高速化
を達成できるようになる。

【００４９】また、以上のような構造の工具交換装置
は、従来のマシニングセンタの構造を大きく変えること
なく採用することができるので、既設のマシニングセン
タへの適用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の工具交換装置で使用する工具とそれ
を支持するホルダーの外観図である。

【図２】 本発明の工具交換装置で使用する工具と主軸
モータの主軸との係合状態の説明図である。

【図３】 本発明にかかる工具交換装置の制御系のブロ
ック図である。

【図４】 本発明にかかる工具交換装置の動作を示すフ
ローチャートである。

【図５】 本発明にかかる工具交換装置の動作の説明図
である。

【図６】 本発明にかかる工具交換装置の動作の説明図
である。

【符号の説明】 １０ 工具 １５ 切欠溝 ２０ ホルダ ３０ 主軸 ３５ 突起

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具を軸受けによって回転自在に支持す
   ると共に当該工具の回転速度をエンコーダによって検出
   できるように構成されたホルダーと、 当該ホルダーの工具を工具交換作業に備えて予め回転さ
   せる工具回転手段と、 前記ホルダーの工具を回転させてワークを加工する主軸
   回転手段と、 当該工具回転手段によって工具が回転されている状態の
   まま前記ホルダーを把持し、前記工具回転手段から当該
   工具を取り外し、当該工具を前記主軸回転手段まで移動
   し、当該工具を前記主軸回転手段に取り付けて前記ホル
   ダーを解放する工具交換手段と、 前記工具交換手段によって前記工具を前記工具回転手段
   から前記主軸回転手段に移動する間、前記ホルダーのエ
   ンコーダを介して当該工具の回転速度を演算する工具回
   転速度演算手段と、 当該工具回転速度演算手段によって演算された前記工具
   の回転速度に基づいて前記主軸回転手段の回転速度を演
   算する主軸回転速度演算手段と、 当該主軸回転速度演算手段によって演算された回転速度
   で前記主軸回転手段を駆動する駆動手段とを有し、 前記ホルダーに設けられているエンコーダの回転は、前
   記工具交換手段に取り付けられているセンサを介して間
   接的に検出される ことを特徴とする自動工具交換装置。
2. 【請求項２】 前記工具交換手段による前記ホルダーの
   把持と解放は、前記工具交換手段に設けられている油圧
   チャック機構によって行なうように構成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の自動工具交換装置。
3. 【請求項３】 前記主軸回転速度演算手段は、前記工具
   回転速度演算手段によって演算された前記工具の回転速
   度を中心として周期的に一定の幅で変動する回転速度を
   演算し、前記主軸回転手段と前記ホルダーの工具との回
   転位相を周期的に変化させて前記工具が主軸回転手段の
   主軸に装着されやすくなるようにしたことを特徴とする
   請求項１に記載の自動工具交換装置。