JP3990441B1

JP3990441B1 - 数値制御装置付き工作機械の自動工具交換方法及び自動工具交換装置

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Publication number: JP3990441B1
Application number: JP2007055563A
Authority: JP
Inventors: 邦夫小嶋; 明彦藤元; 猛小宮
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: JP2007290113A

Abstract

【課題】工具交換動作による衝撃の発生を簡単な構成で抑制する。
【解決手段】腕部材2に回動軸18を中心に回動するタレット38を設ける。該タレット38は複数の工具を保持する。主軸頭34にはタレット38に設けたスイングローラ21と協動するスイングカムＣＳを備える。主軸頭34が下動するとタレット38はスイングローラ21とカムＣＳの作用により回動し、図１に示す状態で工具交換を行う。このとき発生する衝撃を緩和させるために、主軸頭34の移動速度を制御する。タレット38の理想的なスイング速度パターンを求める。このスイング速度パターンから各時間毎のタレット38のスイング位置を求める。その位置におけるスイングローラ21とカムＣＳの位置より主軸頭34の位置を求める。求めた主軸頭34の位置より主軸頭の速度パターンを求めて、この速度パターンで主軸頭34を制御する。理想的なスイング速度パターンが実現できるから衝撃は発生しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械で使用する工具を自動的に交換する自動工具交換方法、装置に関し、特に、数値制御装置付き工作機械における自動工具交換方法及び装置に関する。

数値制御装置で制御される工作機械のＣＮＣドリルに使用される自動工具交換装置は、ドリルが取り付けられる主軸の上下動を利用して、タレットに保持された工具と主軸に取り付けられた工具を交換するようにしている。この工具交換に要する時間を短くし、かつ工具交換時に発生する衝撃を緩和するために、工具交換時にタレットが主軸への接近、離反のためにスイングするとき、タレットを主軸頭の移動方向と同じ方向に移動させて、タレットと主軸の相対速度の差を少なくして、移動中に生じる衝撃を緩和させるものが知られている（特許文献１参照）。

又、工具マガジンに複数のグリップアームを該グリップアームで工具ホルダを保持し、主軸の上下動を利用して、グリップアームを揺動させて主軸に取り付けられた工具ホルダを交換するものにおいて、工具交換領域になると、主軸の動作速度を低速にするようにして、工具交換領域内を移動するときに発生する機械的衝突の衝撃を小さくするようにした工具交換装置も知られている（特許文献２参照）。
図１１は、この工具交換時の工具交換動作にともなう衝撃を緩和した特許文献１に記載された自動工具交換装置の概要図である。

自動工具交換装置は、腕部材２の先端部に、外周に複数のグリップ２８を有し該グリップ２８により工具を保持するタレット３８とを備えている。タレット３８は、割り出し動作により所望の工具を選定するために減速装置３９を具備し、主軸のスピンドルギア３２と係合するタレットギア３０を介して入力された回転を減速してタレット３８を回転させるように構成されている。タレット３８は、複数のグリップ２８を介して工具ホルダ３６を保持し、その背面にはクランク４が固定されている。

また、主軸頭３４は、加工に使用される工具が装着される主軸を回転自在に保持し、支柱１上を鉛直方向（Ｚ軸方向）に上下動可能に構成されている。主軸頭３４には、クランク４及びタレット３８を回動軸１８の回りで回動させスイング動作させるためのスイングカムＣＳ、同クランク４及びタレット３８を上下動させるためのリフトカムＣＬとを具備している。スイングカムＣＳは、直線部分ＣＳａと曲線部分ＣＳｂ、次に直線部分ＣＳｃを備えている。また、リフトカムＣＬは直線部分ＣＬａと曲線部分ＣＬｂを備えている。

クランク４の一端は回動軸１８に回転自在に軸支され、他端は、スイングカムＣＳと協働するスイングローラ２１が、回転自在に取着されている。また、同クランク４の中央部には、付勢手段２６が取着されており、同クランク４は、前記回動軸１８を中心として図１１において、反時計方向に付勢されている。つまりスイングローラ２１は、付勢手段２６によりスイングカムＣＳのカム面上に付勢されるように構成されている。

回動軸１８はリフトスライダ１６と連結されており、該リフトスライダ１６は、腕部材２に固定されたリニアガイド４０に沿って鉛直方向に上下動可能に構成されている。リフトスライダ１６の他方の端部には、リフトリンク１４が取り付けられており、該リフトリンク１４はリフトスライダ１６と一体的に上下に動作するように構成されている。前記リフトリンク１４の他方の端部には、リフトレバーの２本の腕部材８、６を有し回転軸１０を中心として回動可能なリフトレバーが、回動自在に取着されている。回転軸１０は前記腕部材２に水平に取着されており、前記リフトレバー６、８は、回転軸１０を中心として回動可能に取着されている。リフトレバーの腕部材６の先端には、前記リフトカムＣＬと係合するリフトローラ２２が回転自在に取着されている。リフトローラ２２が、前記リフトカムＣＬとの係合により、リフトレバー６、８が回転軸１０を中心として回動することにより、前記リフトリンク１４及びリフトスライダ１６を図中、上下に動作させ、タレット３８を上下動させることになる。

主軸頭３４は、Ｚ軸サーボモータ４１で駆動され、図１１では、主軸頭３４がＺ軸原点にある状態を示している。加工中においては、主軸頭３４は、下動した位置にあり、スイングローラ２１は、スイングカムＣＳの直線部分ＣＳａと当接し、クランク４及びタレット３８を回動軸１８の回りに図１１の状態から時計方向に回動させて、タレット３８が主軸から離反した状態に保持されている。また、リフトローラ２２もリフトカムＣＬの直線部分ＣＬａに当接している。
この加工中の状態において、工具交換指令が入力されると、Ｚ軸サーボモータ４１によりＺ軸が駆動され、主軸頭３４は、上動を開始し、スイングローラ２１が、スイングカムＣＳのスイング動作開始位置、すなわち曲線部分ＣＳｂの開始位置に移動すると、ここで、Ｚ軸（主軸頭３４）は停止し、主軸のオリエンテーションを開始し、主軸から工具（工具ホルダ３６）を着脱させる回転位置に主軸を位置決めする。そして、オリエンテーション終了によりＺ軸（主軸頭３４）は再び上動を開始する。Ｚ軸（主軸頭３４）の上動によりスイングローラ２１は、スイングカムＣＳの曲線部分ＣＳｂを移動し、タレット３８は、回動軸１８を中心として反時計回りの方向に回動させるスイング動作を開始する。スイングカムＣＳの曲線部分ＣＳｂは、グリップ２８の先端が主軸のスピンドルギア３２と接触せずに前記工具ホルダ３６のＶ溝に接近し、グリップ２８の先端部に具備されたローラがＶ溝に係合した後は、同ローラがＶ溝上を正確に移動するような形状とされている。
Ｚ軸（主軸頭３４）の上動で、スイングローラ２１は、曲線部分ＣＳｂを通過し、直線部のＣＳｃに移動し、スイング動作は終了する。

一方、スイング動作の減速時においてリフトローラ２２はリフトカムＣＬの曲線部分ＣＬｂとの係合により、前記リフトレバー６、８を回転軸１０の回りに時計方向に回動させ、リフトリンク１４及びリフトスライダ１６を上動させ、クランク４及びタレット３８をＺ軸（主軸頭３４）の上動々作に対して同一方向に加速する。その結果スイング動作終了近傍では、タレット３８もＺ軸（主軸頭３４）の上動方向に移動し相対速度がほぼ０となりグリップ２８と工具ホルダ３６の係合等による衝撃が発生しないように構成されている。

スイング動作終了後、Ｚ軸（主軸頭３４）は早送りでタレット割り出し点へ上動し、同時に前記タレット３８は、工具ホルダ３６を主軸から抜き取るためのリフト動作を開始する。スイングローラ２１はスイングカムＣＳの平坦部ＣＳｃを移動し、リフトローラ２２は、曲線部ＣＬｂの頂点位置から元に戻る方向に移動することになり、リフト加速度が主軸頭３４の移動方向（上動方向）とは反対向きとなり、スイング動作終了時においてクランク４及びタレット３８の主軸頭３４に対し相対的に下方に移動して、工具ホルダ３６を主軸から抜き取ることになる。

Ｚ軸（主軸頭３４）の上動々作終了後、スピンドルギア３２と減速装置３９のタレットギア３０とが係合した状態で、主軸が回転して所望の工具の割り出しが実行される。タレット割り出し動作終了後、Ｚ軸（主軸頭３４）は上述した順序とは逆の順序でＺ軸（主軸頭３４）を下動する。従って、グリップ２８から主軸が工具ホルダ３６を受承する際には、Ｚ軸（主軸頭３４）の下動々作の速度と、タレット３８の相対速度は減少しほぼ０となる。前記タレット３８の戻りスイング動作終了と共に主軸頭３４が元の位置に復帰して工具交換動作が終了する。

図１２は、このＺ軸（主軸頭３４）の移動（図１２（ａ））とタレット３８のスイング動作の移動速度パターンの説明図（速度線図）（図１２（ｂ））である。この図１２では、Ｚ軸（主軸頭３４）の上動時におけるタレット３８のスイング開始点から、Ｚ軸（主軸頭３４）が下動しスイングが終了するまでの速度変化を示している。

この図１２で示されるように、従来の工具交換装置では、タレット３８のスイング動作を実行する間、Ｚ軸（主軸頭３４）を比較的低速の一定速度で移動させている。このＺ軸（主軸頭３４）の移動をリフトカムＣＬによりタレット３８を支承するリフトスライダの上下方向の移動に変換し、タレット３８をＺ軸（主軸頭３４）と同じ方向に移動させることにより、Ｚ軸（主軸頭３４）とタレット３８の相対移動速度を減少させほぼ０とすることによって、タレット３８のスイング終了時に衝撃を生じないようにしている。

特許第２５３５４７９号公報特開２００６−２７２４７３号公報

工具交換動作によって衝撃が発生しないようにした上述した従来の自動工具交換装置においては、タレット３８をスイング動作させて主軸に接近または退避するとき、タレット３８を上下方向に移動させて主軸頭３４に対して相対的に移動させ、タレット３８と主軸頭３４との相対速度を減少（速度差０）させ、衝撃を緩和させるためのカム機構を必要としている。すなわち、リフトレバー８、リフトリンク１４、リフトスライダ１６、リフトローラ２２、リニアガイド４０、リフトカムＣＬを必要とする。しかし、工作機械は加工によって切粉が発生する。この切粉はカム溝（ＣＬ）に付着するため、カム溝（ＣＬ）頭の清掃を必要とする。この清掃が不十分な場合や、リフトローラ２２の潤滑状態が不十分な場合には、カム溝（ＣＬ）、リフトローラ２２等の摩耗が生じる場合があった。又、そのような場合には、タレット３８の円滑なスイング動作が損なわれ、結果としてカムやリフトローラの交換が必要となっていた。

さらに、上述したタレット３８を上下方向に移動させるカム機構（リフトレバー８、リフトリンク１４、リフトスライダ１６、リフトローラ２２、リニアガイド４０、リフトカムＣＬ）より、工具交換機構全体が複雑になり、部品のコスト及び組立てに要するコストが高くなる等の不利な面を有している。
そこで、本発明の目的は、簡単な構成で工具交換動作による衝撃の発生を抑制できる数値制御装置付き工作機械の自動工具交換方法及び装置を提供することにある。

本願請求項１に係る発明は、主軸を回転自在に支持し上下動する主軸頭と、周上に複数のグリップが配設され各グリップにより工具を保持すると共に所定の回転軸の回りに回転自在に軸支されたタレットを具備し、該タレットの割り出し動作により所定の交換位置を割り出すと共に、前記主軸頭の上下動により前記タレットを回動軸の回りに前記主軸に対して接近、離反の回動動作させ、前記主軸に装着された工具と所望の工具との間で工具交換する数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置における工具交換方法であって、前記タレットの主軸への接近時の回動動作速度パターンが回動動作の回動終了点に滑らかに減速されるパターンに、又、前記タレットが主軸から離反するときの回動動作速度パターンが回動動作の開始から滑らかに加速されるパターンになるようにタレットの回動動作の目標速度パターンを決め、該目標速度パターンより時間に対するタレットの回動位置を求め、該求めた時間に対するタレットの回動位置に基づいて時間に対する主軸頭の位置を求め、該求めた時間に対する主軸頭の位置に基づいて、主軸頭の移動プログラムを作成し、該プログラムで主軸頭を駆動制御することによって、工具交換を行うことを特徴とするものである。

又、請求項２〜９に係る発明は、主軸を回転自在に支持し上下動する主軸頭と、周上に複数のグリップが配設され各グリップにより工具を保持すると共に所定の回転軸の回りに回転自在に軸支されたタレットを具備し、該タレットの割り出し動作により所定の交換位置を割り出すと共に、前記主軸頭の上下動により前記タレットを回動軸の回りに前記主軸に対して接近、離反の回動動作させ、前記主軸に装着された工具と所望の工具との間で工具交換する数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置において、請求項１に係る発明は、前記主軸頭が上下方向へ移動する際の少なくとも前記タレットが前記回動動作する区間を複数の移動区間に分割して、前記タレットの主軸への接近時の回動動作速度パターンが回動動作の回動終了点に滑らかに減速されるパターンで、前記タレットが主軸から離反するときの回動動作速度パターンが回動動作で開始から滑らかに加速されるパターンで構成され、該タレットの回動動作速度パターンが目標速度パターンとなるように、前記タレットの主軸への接近時の回動動作の回動終了点及び前記タレットが主軸から離反時の回動開始点では最低速度となる主軸頭の動作データを各区間毎に記憶する記憶手段と、前記タレットが前記回動動作する区間では、前記記憶手段に記憶された主軸頭の動作データに基づいて、前記主軸頭を上下に移動させる主軸頭駆動手段とを有することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記記憶手段に記憶する主軸頭の動作データにおける前記最低速度はゼロとするものであり、請求項４に係る発明は、前記記憶手段に記憶する主軸頭の動作データを、分割した区間のブロックでの移動量と速度とし、前記主軸頭駆動手段は、各区間のブロックから読み出した移動量と速度に基づいて、前記主軸頭を駆動するものとした。さらに、請求項５に係る発明は、前記タレットが前記回動動作する区間の分割を、前記数値制御装置が各制御軸に移動指令を分配する分配周期の間隔での分割とし、前記記憶手段に記憶する主軸頭の動作データは、各分配周期における移動量とし、前記主軸頭駆動手段は、分配周期毎に記憶手段から読み出した移動量で前記主軸頭を駆動するものとした。

請求項６に係る発明は、タレットの回動動作の目標速度パターンより、時間に対するタレットの回動位置を求め、該求めた時間に対するタレットの回動位置に基づいて時間に対する主軸頭の位置を求め、該求めた時間に対する主軸頭の位置に基づいて、前記動作データを求められたものとした。請求項７に係る発明は、タレットの回動動作の目標速度パターンを積分して時間に対するタレットの回動位置として求めたものとした。
請求項８に係る発明は、前記タレットを前記回動軸の回りに前記主軸に対して接近、離反の回動動作を、カム機構で行うものとした。又、請求項９に係る発明は、前記カム機構において、前記主軸頭の位置を、前記求めたタレットの回動位置に対して、カムローラとカムが接触する主軸頭の位置に基づいて求めたものとした。

タレットのスイング動作を理想化するように主軸頭の移動速度を制御したので、俊敏で高速な工具交換動作が達成される。同時に従来必要であったリフト機構が不要となり、リフト機構の構成部品の耐久性に関する問題がなくなる。また、リフト機構が削除されたことで、機構の構成が極めてシンプルになり、工具交換装置に用いられる部品のコスト、及び装置の組立てに要するコストが大幅に削減される。これにより、さらに低価格な工作機械を得ることができる。

図１は、本発明の実施形態における自動工具交換装置の概要図である。図１１に示した従来の自動工具交換装置と同じ要素は同一符号を付している。図１１に示した従来の自動工具交換装置と相違する点は、工具交換動作時にタレット３８を上下方向に移動させるリフト機構が設けられていない点である。すなわち、図１１に示したリフトレバー８、リフトリンク１４、リフトスライダ１６、リフトローラ２２、リニアガイド４０、リフトカムＣＬは設けられておらず、また、クランク４を回動自在に軸支する回動軸１８が腕部材２に固定されたブラケット４２に取り付けられている点で相違し、他は、図１１に示した従来の自動工具交換装置と同じ構成である。

動作においても、工具交換動作時にタレット３８をスイングさせるときタレット３８を上下動させるリフト動作がなくなる点で相違し、このリフト動作の変わりに、主軸頭３４を駆動するＺ軸の移動速度を衝撃が発生しないように制御するようにした点において本発明は特徴を有するものである。

図２は、工具交換動作時の動作説明図である。図２（ａ）は加工動作中の状態を示し、Ｚ軸（主軸頭３４）は、下降した加工領域にある。そこで、工具交換指令が入力されると、Ｚ軸（主軸頭３４）は、上動を開始し、スイングローラ（カムローラ）２１が、スイングカムＣＳがスイング動作開始する曲線部分の開始位置ＣＳｂのＺ軸原点でその移動を停止し、主軸のオリエンテーションが行われる（図２（ｂ）の状態）。その後、再び上動を開始する。Ｚ軸（主軸頭３４）の上動によりスイングローラ２１は、スイングカムＣＳの曲線部分ＣＳｂを移動し、タレット３８は、回動軸１８を中心として反時計回りの方向に回動させるスイング動作を開始し、グリップ２８の先端が工具ホルダ３６のＶ溝に係合する（図２（ｃ）の状態）。さらなるＺ軸（主軸頭３４）の上動でタレット３８は、主軸頭３４に対し相対的に下方に移動して、工具ホルダ３６を主軸から抜き取ることになる。この点の動作は図１１に示した従来の自動工具交換装置と同じである。

Ｚ軸（主軸頭３４）の上動々作終了後、スピンドルギア３２と減速装置３９のタレットギア３０とが係合した状態となる（図２（ｄ）の状態）。この状態で、主軸が回転してタレット３８を回転させ、所望の工具の割り出しが実行される。タレット割り出し動作終了後、Ｚ軸（主軸頭３４）は上述した順序とは逆の順序でＺ軸（主軸頭３４）を下動し、グリップ２８から主軸が工具ホルダ３６を受承する。この工具交換時の動作は、前述した従来の工具交換装置における動作において、タレット３８をＺ軸移動方向（上下方向）に移動させて衝撃を緩和させるようにした動作がない点で、相違するのみである。
本実施形態は、衝撃を緩和させる動作を、カム機構ではなく、Ｚ軸の送り速度を制御して行う点で相違するものである。

図３は、本実施形態に適用する、タレット３８の理想的なスイング動作の速度パターン（速度線図）と、その速度変化を与えるＺ軸移動速度パターン（Ｚ軸移動速度線図）を示すものである。ここで、理想的なスイング動作とは、スムーズで衝撃を含まない動作、すなわち加速度の変化率が有限である動作の滑らかな速度パターンを指す。一般的には変形正弦波やサイクロイド等が知られている。本実施例では記述が比較的容易な直線形加減速処理を２段とした公知のベル型加減速（等躍動＝加速度の変化率が一定の速度波形）による滑らかな速度パターンを用いる。
この理想的なグラフが示すように、主軸から工具を引き抜く動作を行う前に行われる、グリップ２８の先端部に設けられたローラが工具ホルダ３６のＶ溝に係合させるスイング動作において、該スイング動作の終了時にスムーズにスイング速度をゼロにすること、及び工具装着動作後にグリップ２８が工具ホルダ３６から離脱するときのスイング動作の開始時にスイング速度をゼロからスムーズに加速することが重要であり、このためには、Ｚ軸は一旦停止又は十分に低速にした２段階の移動動作となる。

タレット３８のスイング動作が十分に低速である場合は、Ｚ軸の速度変化に関して熟慮する必要はなく、十分に低い速度で移動させることで安定した工具交換動作が達成される。
しかしながら、工作機械の工具交換動作は、非切削時間の短縮のために最小限の時間で動作終了することが加工効率上、要求されており、工具交換に要する時間を長くすることは好ましくない。

短い時間で工具交換を達成するには、衝撃を発生させないスムーズなタレット３８のスイング動作と、Ｚ軸（主軸頭３４）の移動速度の組み合わせを必要とする。スイング動作は、スイングカムＣＳのカム面の形状に依存し、その動作速度は、スイングカムＣＳの移動速度すなわちＺ軸（主軸頭３４）の移動速度によって決まる。安定した理想的なスイング動作を得るためには、スイングカムＣＳのカム面の形状に依存してＺ軸移動とスイング動作速度の割合が刻一刻変化するために、スイング動作速度の変化とＺ軸（主軸頭３４）の移動速度は相似にはならない。むしろ、ベル型加減速等のアルゴリズムでは規定できない、図３（ｂ）に示すようにある程度歪んだ速度波形となる。

そこで、まず、理想的なスイング動作の速度線図（速度パターン）を図３（ａ）に示すように定義し、タレット３８をこの速度線図で動作させるものとする。このスイング速度線図を積分して時刻とスイング位置との対応を求める。次いで各時刻におけるスイング位置にタレット３８が位置付けられるスイングローラ２１が接触すべきスイングカムＣＳのカム面の位置を求める。すなわちＺ軸座標（主軸頭３４の位置）を求める。こうして、理想的なスイング速度線図が得られるＺ軸位置（主軸頭３４の位置）が求められると、各時刻におけるＺ軸位置を時間で微分することにより、各時刻におけるＺ軸（主軸頭３４）の速度を求められる。言い換えると、理想的なスイング動作を、カム面を介してＺ軸移動動作に転写するという方法を行う。こうして求めたＺ軸（主軸頭３４）の速度線図が図３（ｂ）に示すグラフである。スイング動作をベル型加減速等による滑らかな速度パターンを用いると、スイング停止時、開始時において、滑らかにそのスイング動作がゼロに漸次近づくことになるから、これに対応するＺ軸（主軸頭３４）の速度もゼロ又はゼロに近い低速となる。なお、Ｚ軸（主軸頭３４）の速度を必ずしも求める必要はなく、Ｚ軸（主軸頭３４）の時間に対する位置が求められれば十分である。

なお、Ｚ軸速度波形に歪みは認められるが機械的に有意な不都合はなく、Ｚ軸移動自体は衝撃のないスムーズな動作であることも図３（ｂ）の速度線図から明らかである。
こうして、Ｚ軸速度線図が得られれば、このＺ軸速度線図に基づいてＺ軸を駆動するＺ軸サーボモータ４１を駆動制御すればよい。
本実施形態では、この工具交換時のタレット３８のスイング動作、及び主軸に対して工具の引き抜き、装着動作時のＺ軸速度線図（速度パターン）を実現するために、このＺ軸速度線図（速度パターン）を微小なブロックに細分化する。

図４は、Ｚ軸上動動作の移動区間における速度パターン（速度線図）を微小なブロックに細分化した例を示している。図４では、タレット３８のスイング動作時と、工具引き抜き動作時を細分化した例を示しているが、衝撃が発生するのは、タレット３８がスイングするときであるから、最小限タレット３８がスイングする区間だけを細分化してもよい。
また、工具交換時のＺ軸（主軸頭３４）の上下動動作区間全てを細分化してもよい。

細分化する方法として、工作機械を駆動制御する数値制御装置による各軸への移動指令を分配する分配周期時間で分割した場合には、各補間周期毎のその周期速度に対応する移動量（分配周期毎の移動量は実質的に速度を意味する）を数値制御装置の記憶手段に設定すればよい。

こうして、求められたＺ軸速度線図（速度パターン）が得られるように各補間周期毎のＺ軸の移動量が記憶手段に設定登録しておき、工具交換時に、少なくとも、タレット３８がスイングする区間、この記憶手段に記憶した各分配周期毎の移動量を各分配周期毎読み出して出力し、Ｚ軸サーボモータ４１を駆動制御すれば、Ｚ軸、すなわち主軸頭３４は、図３（ｂ）に示したような理想的な速度線図（速度パターン）で動作することになる。その結果、スイングカムＣＳとスイングローラとの協動によって動作するタレット３８のスイング動作は、図３（ａ）に示すような理想的な速度線図（速度パターン）となり、衝撃を緩和することになる。

この補間周期毎のＺ軸の移動量を記憶手段に記憶しておき、このデータを補間周期毎に読み出して出力する方式では、記憶手段の容量を大きくとる必要があることから、タレット３８がスイング動作する区間のみ、この記憶手段に移動量を記憶し、記憶手段から移動量を読み出してＺ軸を駆動し他の区間は、通常の数値制御の指令で行えばよい。

この例は、分配周期毎の移動量を記憶手段に設定し、該記憶手段に設定した移動量を各分配周期毎読み出してＺ軸サーボモータを駆動する、いわゆるパステーブル運転のように実施した例であるが、分配周期時間よりも長い時間で、上述したＺ軸速度線図（速度パターン）を複数の区間分割してもよいものである。この場合には、数値制御装置に、それぞれの区間の移動ブロックにおける移動量と移動速度を設定し、工具交換動作が指令された際に、設定された移動量と速度で順次各ブロックの移動を実行するようにすればよいものである。これは、通常のＮＣプログラムと格別差異はなく、各ブロック毎に速度指令が付加されているという点のみが、特異な点である。この例の場合は、通常の数値制御の指令方式と格別大きな差異がないことから、Ｚ軸（主軸頭３４）の上下動の区間全てをこの方式で行ってもよく、または、タレット３８がスイング動作するときのみ、データを記憶させてこの方式で行ってもよいものである。

図５は、本実施形態で用いられている数値制御装置の要部概要図である。ＣＰＵ１０１は数値制御装置１００を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に格納されたシステムプログラムを、バス１１３を介して読み出し、該システムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。ＲＡＭ１０３には一時的な計算データや表示データ及びＣＲＴや液晶等で構成される表示器とキーボード等で構成される手動入力手段とからなる表示器／ＭＤＩユニット１３０を介してオペレータが入力した各種データが格納される。ＳＲＡＭ１０４は図示しないバッテリでバックアップされ、数値制御装置１００の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成される。ＳＲＡＭ１０４中には、図示していないインターフェイスを介して読み込まれた加工プログラムや表示器／ＭＤＩユニット１３０を介して入力された加工プログラム等が記憶される。

ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１０５は、数値制御装置１００に内蔵されたシーケンスプログラムで制御対象物である工作機械の工具交換装置等の補助装置にＩ／Ｏユニット１０６を介して信号を出力し制御する。また、数値制御装置１００で制御される制御対象物である工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な信号処理をした後、ＣＰＵ１０１に渡す。
表示器／ＭＤＩユニット１３０は、バス１１３に直接接続されると共に、手動入力信号用にインターフェイス１０７を介してバス１１３に接続されている。

主軸頭３４を駆動するＺ軸用の軸制御回路１０９はＣＰＵ１０１からの移動指令量を受けて、Ｚ軸用のサーボアンプ１１０に出力する。サーボアンプ１１０はこの指令を受けてＺ軸用のサーボモータ１３２を駆動する。サーボモータ１３２は位置・速度検出器１３３を内蔵し、この位置・速度検出器１３３からの位置、速度フィードバック信号を軸制御回路１０９にフィードバックし、軸制御回路１０９はＣＰＵ１０１からの移動指令と、この位置、速度のフィードバックに基づいて位置・速度のフィードバック制御を行う。

また、スピンドル制御回路１１１はＣＰＵ１０１から主軸回転指令を受けると共に、ポジションコーダ１３５から主軸モータ１３４の回転に同期した帰還パルスを受けて速度のフィードバック制御を行い、スピンドルアンプ１１２にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ１１２はスピンドル速度信号を受けて、主軸モータ１３４を指令された回転速度で回転させる。

なお、図５に示した数値制御装置の例は、本発明に関係する要部のみ記載している。主軸頭３４を上下動させるＺ軸のモータ、その制御系と、主軸モータとその制御系を記載し、他のＸ軸、Ｙ軸等のモータ、その制御系は省略している。

そこで、前述したように、工具交換動作を通常のＮＣプログラムで指令するように、指令ブロックに移動量と速度を設定して、順次各ブロックの指令を実行させるようにすればよいものであるが、各種機械に対応し易いように、本発明の第１の実施形態として、タレット３８がスイングする区間は、パラメータ設定データに基づいて処理する形態を以下説明する。この第１の実施形態では、タレット３８がスイングする区間のＺ軸（主軸頭３４）の速度線図（速度パターン）を複数の区間に分割し、それぞれの区間の移動ブロックにおける移動量と移動速度をメモリに設定記憶させておき、この設定された移動量と移動速度に基づいて各ブロックの分配移動指令量をＺ軸モータに出力するようにした。

この第１の実施形態の場合、図６に示すように、各区間の移動ブロックに対して移動量Ｌ１〜ＬＩと速度をパラメータで設定する。この図６に示す例では、全ての区間の移動ブロックに対して同一の基準速度と、各区間毎のオーバライド値（％）を設定することによって速度が設定されている例を示している。また、図７は、この設定データによるＺ軸の設定移動速度変化を示している。この図６、図７に示す例は、タレット３８を主軸に近づけるようにスイングさせるとき（グリップ２８を主軸に取り付けられた工具ホルダ３６に係合させるとき）の設定データ例、及びその設定速度変化を示しており、設定速度（Ｚ軸の上昇速度）は、タレット３８のスイングが終了する点で０となるように滑らかに漸次、減少するように設定されている。
なお、主軸に新たな工具ホルダ３６を装着して、グリップ２８をこの工具ホルダ３６から離脱させるときに、タレット３８をスイングする区間では、スイング開始から滑らかに漸次、増加するように速度が設定されるものである。この点図示は省略している。

図８は、この第１の実施形態において、数値制御装置が実行する処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
工具交換指令が入力されると、該工具交換指令と共に指令されている工具番号と現在選択中の工具番号が一致しているか判別し（ステップａ１）、一致しているときは、Ｚ軸に対してＺ軸原点へ移動させる移動指令をＺ軸軸制御回路１０９に出力し、サーボアンプ１１０を介してＺ軸サーボモータ１３２を駆動し、図２（ｂ）に示すように、Ｚ軸（主軸頭３４）をＺ軸の原点位置に位置決めする（ステップａ２１）。そして、スピンドル制御回路１１１、スピンドルアンプ１１２を介して主軸モータ１３４を駆動して、主軸を所定回転位置に位置決めする主軸オリエンテーションを実行し（ステップａ２２）、工具交換処理を終了する。

一方、指令されている工具番号と現在選択中の工具番号が一致していないときには、図２（ｂ）に示すように、Ｚ軸（主軸頭３４）をＺ軸の原点位置に位置決めし（ステップａ２）、オリエンテーションを実行し主軸を工具（工具ホルダ３６）を着脱させる回転位置に主軸を位置決めする（ステップａ３）。なお、この実施形態ではステップａ２、ａ３、又はステップａ２１、ａ２２でＺ軸原点に移動させた後、主軸のオリエンテーションを実行するようにしたが、Ｚ軸を原点に移動させている間に主軸をも回転させてオリエンテーションを同時にさせるようにしてもよいものである。

次に、設定データを読み出すための指標ｉを「１」にセットし（ステップａ４）、パラメータ設定されているｉ区間の移動量と速度指令、オーバライド値を読み出す（ステップａ５）。速度指令にオーバライド値をかけて、実速度指令を求め（ステップａ６）、読み出した移動量とこの実速度指令に基づいて移動指令の補間分配処理を行いＺ軸の分配周期における移動量を求めＺ軸制御回路に出力し、Ｚ軸モータを駆動する（ステップａ７）。次に当該ｉ区間の移動ブロックで指令された移動量Ｌｉの分配が完了したか判断し（ステップａ８）、分配が完了しなければ、ステップａ７に戻り、分配周期毎の移動量を求めＺ軸用の軸制御回路１０９に出力し、Ｚ軸サーボモータ１３２を駆動し、Ｚ軸（主軸頭３４）を上昇させる。そして、分配が完了すると、指標ｉを「１」インクリメントし（ステップａ９）、該指標ｉが区間数Ｉを超えたか判断し（ステップａ１０）、超えてなければ、ステップａ５に戻り、ステップａ５〜ａ１０の処理を実行する。

指標ｉが設定された区間数Ｉを超え、タレット３８のスイング動作が終了すると（図２（ｃ）の状態）、従来と同じように、工具割り出しＺ軸座標位置にＺ軸（主軸頭３４）を早送りして位置決めし、スピンドルギア３２と減速装置３９のタレットギア３０とが係合した状態とする（ステップａ１１）。この状態では、図２（ｄ）に示すように工具ホルダ３６は主軸から抜き取られ、工具ホルダ３６と主軸は干渉しない状態となる。その後、従来と同じように、主軸を駆動し、タレット３８を回転させ、指令された工具番号の工具割り出しを行う（ステップａ１２）。次に、早送りでＺ軸（主軸頭３４）を下降させて割り出した工具を保持する位置に位置決めする（ステップａ１３）。これにより、新しい工具ホルダ３６が主軸に装着されたことになる。

次に、主軸に装着した工具ホルダ３６からグリップ２８を抜き取るためにタレット３８をスイングさせる区間に対する設定データを読み出すための指標ｊを「１」にセットし（ステップａ１４）、パラメータ設定されているｊ区間の移動量と速度指令、オーバライド値を読み出す（ステップａ１５）。速度指令にオーバライド値をかけて、実速度指令を求め（ステップａ１６）、読み出した移動量とこの実速度指令に基づいて移動指令の補間分配処理を行いＺ軸の分配周期における移動量を求めＺ軸制御回路に出力し、Ｚ軸モータを駆動する（ステップａ１７）。次に当該ｊ区間の移動ブロックで指令された移動量Ｌｊの分配が完了したか判断し（ステップａ１８）、分配が完了しなければ、ステップａ１７に戻り、分配周期毎の移動量を求めＺ軸サーボモータに出力する。そして、分配が完了すると、指標ｊを「１」インクリメントし（ステップａ１９）、該指標ｊが区間数Ｊを超えたか判断し（ステップａ２０）、超えてなければ、ステップａ１５に戻り、ステップａ１５〜ａ２０の処理を実行する。
指標ｊが設定された区間数Ｊを超え、タレット３８のスイング動作が終了すると、この工具交換処理は終了する。

図９は、本発明の第２の実施形態における工具交換処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。この第２の実施形態は、タレット３８がスイングする区間のＺ軸（主軸頭３４）の移動量を分配周期毎に図１０に示すようにＳＲＡＭ１０４等に設定しておき、タレット３８がスイングする区間になると、各分配周期毎にこの移動量を読み出しＺ軸に出力するようにしたものである。図１０は、各分配周期毎の移動量が設定されたメモリの説明図である。図１０（ａ）は、グリップ２８が主軸に取り付けられた工具ホルダ３６に挿入されるときにタレット３８がスイングするとき、メモリに設定された移動量Ａ１〜ＡＩを説明する説明図であり、図１０（ｂ）は、グリップ２８が主軸に取り付けられた工具ホルダ３６を抜き取るときメモリに設定されたＺ軸移動量Ｂ１〜ＢＪを説明する説明図である。なお、ｉ、ｊは、この移動量を読み出す順番を示す指標である。

工具交換指令が入力されると、図９に示す処理を数値制御装置のプロセッサ１１は実行する。
このフローチャートにおいて、図８に示した第１の実施形態と相違する点は、ステップｂ５〜ｂ８、及びステップｂ１２〜ｂ１６のタレット３８がスイングする区間の処理であり、ステップｂ１〜ｂ４は図８のステップａ１〜ａ４と同じであり、ステップｂ９〜ｂ１２は図８のステップａ１１〜ａ１４と同じであるので、この相違する点を主に説明する。

工具交換指令が入力され、指令された工具番号と現在選択中の工具番号が相違するときには、Ｚ軸をＺ軸原点に移動させて、主軸のオリエンテーション処理を行い（ステップｂ１〜ｂ３）、タレット３８が主軸に装着されている工具ホルダ３６にグリップ２８を挿入する方向にスイングする区間の各分配周期毎の移動量が設定されているメモリ位置を指定する指標ｉを「１」にセットし（ステップｂ４）、このメモリのｉ番目の移動量を読み出し（ステップｂ５）、この移動量をＺ軸の軸制御回路に出力しＺ軸モータを駆動しＺ軸（主軸頭３４）を上昇させる（ステップｂ６）。次に指標ｉを「１」インクリメントし（ステップｂ７）、該指標ｉが移動量の設定数Ｉを超えたか判断し（ステップｂ８）、超えてなければ、ステップｂ５に戻る。以下、指標ｉが設定数Ｉを超えるまで、ステップｂ５〜ｂ８の処理を分配周期毎実行し、Ｚ軸を駆動する。

こうして、タレット３８がスイングする区間のＺ軸（主軸頭３４）の上昇処理が終了し、タレット３８のスイングが停止すると、早送りで、工具割り出し位置にＺ軸（主軸頭３４）を上昇させ、主軸を回転させて指令工具番号の工具割り出しを行い、Ｚ軸（主軸頭３４）を下降させて、指令された工具番号の工具ホルダ３６を主軸に保持させる（ステップｂ９〜ｂ１１）。

次に、主軸に装着されている工具ホルダ３６からグリップ２８を抜き出す方向にタレット３８をスイングする区間の各分配周期毎の移動量が設定されているメモリ位置を指定する指標ｊを「１」にセットし（ステップｂ１２）、このメモリのｊ番目の移動量を読み出し（ステップｂ１３）、この移動量をＺ軸の軸制御回路に出力しＺ軸モータを駆動しＺ軸（主軸頭３４）を下降させる（ステップｂ１４）。次に指標ｊを「１」インクリメントし（ステップｂ１５）、該指標ｊが移動量の設定数Ｊを超えたか判断し（ステップｂ１６）、超えてなければ、ステップｂ１３に戻る。以下、指標ｊが設定数Ｊを超えるまで、ステップｂ１３〜ｂ１６の処理を分配周期毎実行し、Ｚ軸を駆動する。

指標ｊが設定数Ｊを超え、グリップ２８が主軸に装着されている工具ホルダ３６から抜き取られて、タレット３８のスイングが終了すると、この工具交換処理は終了する。
以上のような方法によって、スイング動作の円滑な工具交換動作が実行される。なお、微小ブロック間の速度差で衝撃が生じたり、或いはスイング動作やＺ軸移動が不安定になるような場合は、既に周知慣用の補間後加減速制御機能でスムーズにされた速度波形とすることが可能であり、衝撃を発生せず、安定したスムーズなスイング動作を実現できるものである。
なお、本実施形態では主軸の上下動に連動してタレットをスイングさせる手段として、カム機構を用いたが、このカム機構に代えて、クランクやリンク等で構成するリンク機構を用いてもよい。

本発明の実施形態における自動工具交換装置の概要図である。同実施形態における工具交換動作時の動作説明図である。同実施形態に適用されるタレットの理想的なスイング動作の速度パターンと、その速度変化を与えるＺ軸移動速度パターンを示す図である。同実施形態における速度パターンを微小なブロックに細分化した例の説明図である。同実施形態で用いられている数値制御装置の要部概要図である。本発明の第１の実施形態におけるタレットがスイングする区間を分割して各分割区間にパラメータで設定されたデータ例の説明図である。同パラメータで設定されたデータによるＺ軸の設定速度の例である。同第１の実施形態における工具交換処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態における工具交換処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。同第２の実施形態におけるメモリに設定されている移動量の説明図である。従来の自動工具交換装置の概要図である。同従来の自動工具交換装置における主軸頭の移動とタレットのスイング動作における移動速度パターンの説明図である。

符号の説明

１支柱
２腕部材
４クランク
１８回動軸
２１スイングローラ
２６付勢手段
２８グリップ
３０タレットギア
３２スピンドルギア
３４主軸頭
３６工具ホルダ
３８タレット
３９減速装置
４１Ｚ軸サーボモータ
ＣＳスイングカム

Claims

主軸を回転自在に支持し上下動する主軸頭と、
周上に複数のグリップが配設され各グリップにより工具を保持すると共に所定の回転軸の回りに回転自在に軸支されたタレットを具備し、
該タレットの割り出し動作により所定の交換位置を割り出すと共に、前記主軸頭の上下動により前記タレットを回動軸の回りに前記主軸に対して接近、離反の回動動作させ、前記主軸に装着された工具と所望の工具との間で工具交換する数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置における工具交換方法であって、
前記タレットの主軸への接近時の回動動作速度パターンが回動動作の回動終了点に滑らかに減速されるパターンに、又、前記タレットが主軸から離反するときの回動動作速度パターンが回動動作の開始から滑らかに加速されるパターンになるようにタレットの回動動作の目標速度パターンを決め、
該目標速度パターンより時間に対するタレットの回動位置を求め、
該求めた時間に対するタレットの回動位置に基づいて時間に対する主軸頭の位置を求め、該求めた時間に対する主軸頭の位置に基づいて、主軸頭の移動プログラムを作成し、
該プログラムで主軸頭を駆動制御することによって、工具交換を行うことを特徴とする工作機械の自動工具交換装置における工具交換方法。
主軸を回転自在に支持し上下動する主軸頭と、
周上に複数のグリップが配設され各グリップにより工具を保持すると共に所定の回転軸の回りに回転自在に軸支されたタレットを具備し、
該タレットの割り出し動作により所定の交換位置を割り出すと共に、前記主軸頭の上下動により前記タレットを回動軸の回りに前記主軸に対して接近、離反の回動動作させ、前記主軸に装着された工具と所望の工具との間で工具交換する数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置において、
前記主軸頭が上下方向へ移動する際の少なくとも前記タレットが前記回動動作する区間を複数の移動区間に分割して、前記タレットの主軸への接近時の回動動作速度パターンが回動動作の回動終了点に滑らかに減速されるパターンで、前記タレットが主軸から離反するときの回動動作速度パターンが回動動作の開始から滑らかに加速されるパターンで構成され、該タレットの回動動作速度パターンが目標速度パターンとなるように、前記タレットの主軸への接近時の回動動作の回動終了点及び前記タレットが主軸から離反時の回動開始点では最低速度となる主軸頭の動作データを各区間毎に記憶する記憶手段と、
前記タレットが前記回動動作する区間では、前記記憶手段に記憶された主軸頭の動作データに基づいて、前記主軸頭を上下に移動させる主軸頭駆動手段と、
を有することを特徴とする数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置。
前記記憶手段に記憶する主軸頭の動作データにおける前記最低速度はゼロであることを特徴とする請求項２に記載の数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置。
前記記憶手段に記憶する主軸頭の動作データは、分割した区間のブロックでの移動量と速度であり、前記主軸頭駆動手段は、各区間のブロックから読み出した移動量と速度に基づいて、前記主軸頭を駆動する請求項２又は請求項３に記載の数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置。
前記タレットが前記回動動作する区間の分割は、前記数値制御装置が各制御軸に移動指令を分配する分配周期の間隔での分割とし、前記記憶手段に記憶する主軸頭の動作データは、各分配周期における移動量であり、前記主軸頭駆動手段は、分配周期毎に記憶手段から読み出した移動量で前記主軸頭を駆動する請求項２又は請求項３に記載の数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置。
前記動作データは、タレットの回動動作の目標速度パターンより、時間に対するタレットの回動位置を求め、該求めた時間に対するタレットの回動位置に基づいて時間に対する主軸頭の位置を求め、該求めた時間に対する主軸頭の位置に基づいて求められたものである請求項２乃至５の内いずれか１項に記載の数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置。
タレットの回動位置は、タレットの回動動作の目標速度パターンを積分して時間に対するタレットの回動位置として求められたものである請求項６記載の数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置。
前記タレットを前記回動軸の回りに前記主軸に対して接近、離反の回動動作させるのは、カム機構であることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１項に記載の数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置。
前記主軸頭の位置は、前記求めたタレットの回動位置に対して、カムローラとカムが接触する主軸頭の位置に基づいて求められたものである請求項８記載の数値制御装置付き工作機械の自動工具交換装置。