JP4358592B2 - 工作機械および自動工具交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械を運転中に工具をホルダに自動的に取り付けて自動工具交換装置に供給することができる自動工具取付装置を備えた工作機械に関する。また、工具をホルダに自動的に取り付けて自動工具交換装置に供給しながら工具を交換する自動工具交換方法に関する。

切削、研削、研磨、あるいは穴あけなど、スピンドルに装着したエンドミルやドリルなどの工具を回転させて金属材料でなる被加工物を加工する工作機械が知られている。このような工作機械の多くは、コンピュータ数値制御装置が設けられている。コンピュータ数値制御装置を備えた工作機械は、長時間の自動運転を可能にしている。

この種の工作機械では、工具を１０，０００ｒｐｍ／ｍｉｎないし４０，０００ｒｐｍ／ｍｉｎあるいはそれ以上の高速で回転させる。高速で回転する工具で直彫り加工や長時間連続で高精度の加工を行なうときは、工具が摩耗することによる加工精度の低下が生じる。そのため、ある程度の時間加工をした後は、新しい工具に交換することが要求される。また、マシニングセンタのように、何種類かの加工を選択的にあるいは複合的に行なうことのできる工作機械は、工具の摩耗に関わらず、工具を使い分けるためにそれぞれの加工に適合する工具に交換する必要がある。そのため、工作機械を自動運転していくつかの加工を連続で実施する場合は、自動工具交換装置（ATC, Automatically Tool Changer）と自動パレット交換装置（APC, Automatically Pallet Changer）が設けられる。

自動工具交換は、少なくとも、工具の交換を短時間で行なうこと、要求される取付精度を満足すること、および取付強度が加工の負荷と回転の負荷に耐えることが要求される。そのため、工具を直接スピンドルに取り付けずに、工具が取り付けられたホルダをスピンドルに装着する構成が多く採用されている。しかしながら、工具を高速で回転させると、工具やホルダの種類によるが、ある回転数を超えたところから急激にバランスが悪くなる。最近は、１００，０００ｒｐｍ／ｍｉｎ以上の回転数で工具を回転する工作機械があり、その需要も年々高まってきている。このような“超高速”の回転数で工具を回転させる工作機械においては、十分に対応できなくなってきている。

工具を焼嵌めによってホルダに取り付ける、いわゆる焼嵌め方式の工具取付方法は、従来からよく知られていた工具取付方法の１つである。しかしながら、焼嵌めによって工具をホルダに取り付ける場合、焼嵌め式ホルダを加熱して工具をホルダに取付可能にするために要する時間およびホルダを冷却して工具をホルダに固定取付するために要する時間を必要としている。特に、ホルダの熱が加工ヘッドの変位に影響することから、ホルダは十分に冷却しておかなければならず、ホルダの冷却に多くの時間がかかる。そのため、焼嵌め方式の工具取付方法は、採用が見送られることが多かった。ところが、工具の回転数の高速化が進む中、焼嵌め方式の工具取付方法は、高速回転領域においてダイナミックバランスに優れていることから、焼嵌め方式の工具取付方法が見直されるようになってきている。

このようなことから、例えば、特許文献１に示されるように、比較的加熱に要する時間が短くホルダを局所的に加熱できる高周波加熱方式が提案されている。また、特許文献２は、焼嵌め方式の工具取付方法において、より短時間にホルダを冷却できる手段を開示しており、焼嵌め方式における工具をホルダに取り付ける時間の短縮化を図っている。ただし、現状では、ホルダを冷却する時間を含めて工具を確実に取り付けるまでの時間は、平均的なサイズのステンレス製の焼嵌めホルダで１分程度の時間が必要とされる。

ところで、最近は、長時間の自動運転、特に休日に工作機械を無人運転して稼働率を向上させることが要求されている。１〜２日間以上、例えば、土曜日と日曜日に無人運転して加工を連続的に行なうためには、金曜日の夜間と月曜日の朝を含めて、望ましくは７２時間以上の無人運転ができなければならないことになる。そのため、工具の摩耗が大きい加工や異種工具を使い分けて行なう加工のようなケースでは、１００本〜３００本の工具を自動工具交換装置に装填しておかなければならない。工具を自動で交換するために準備しておかなければならない工具の本数が多数であるときは、相当長い段取り時間が要求される。単純に計算すれば、１人の作業者が工具をホルダに取り付ける作業だけで丸一日費やしている。このようなことから、作業者の負担の軽減と作業効率の向上が望まれている。

作業者の負担を軽減することができる方法として、工具をホルダに取り付ける工程を自動にすることが考えられる。しかしながら、一般に、工具をホルダに取り付けるときは、取付精度をよくするために調整する必要があり、ある程度の熟練度が要求される。このことが、工具をホルダに取り付ける工程を自動化することを難しくしていた。ところが、焼嵌め方式の工具取付方法は、取付時の調整を不要にできるという利点を有している。したがって、焼嵌め方式の工具取付方法によれば、比較的容易に工具をホルダに取り付ける工程を自動化できる可能性がある。

もともと、焼嵌め方式の工具取付方法は、工具を直接スピンドルに取り付ける方式と工具を焼嵌め式ホルダに取り付けてホルダは従来どおりにスピンドルに装着する方式がある。直接工具を自動でスピンドルに取り付ければ、工具をホルダに取り付けておく作業そのものが不要であるはずである。しかしながら、焼嵌めによって工具を取り付ける時間は、現状、分単位の時間を必要としている。自動工具交換はせいぜい十数秒程度で行なわれているから、工具交換を行なう時間としては長くかかりすぎる。また、スピンドルの近くで加熱を行なうと、熱がスピンドルに伝達して加工ヘッドに熱変位が生じ、加工精度が低下する。このようなことから、現状では、直接的に焼嵌めによって工具をスピンドルに取り付ける方式は採用しがたい。

特開２００３−２５１５８号公報 実公平７−４６４０４号公報

このように、長時間の無人運転を行なう場合、事前に工具をホルダに取り付けておく工程を必要としている。仮に工具をホルダに取り付ける工程を自動で行えるようにしたとしても、工具を取り付けたホルダを自動工具交換装置に装填する作業は必要であるし、多数の工具をホルダに取り付けるための時間は必要である。したがって、依然として、作業者の負担の軽減と作業効率の向上が望まれている。しかも、焼嵌め方式の工具取付方法であるかどうかに関わらず、自動工具交換装置に１００本以上のホルダを装填しておかなければならないとすると、自動工具交換装置が大型化し、相当大きなスペースが要求される。また、１００個以上の高精度の焼嵌め式ホルダが要求されることから、ホルダにかかる費用が意外と高くなり、長時間の無人加工の実現によるコストの低減の効果が減衰される。したがって、望ましくは、要求されるスペースを小さくし、ホルダの数を少なくすることが期待されている。

本発明は、工作機械の本機の運転中にホルダに工具を取り付けて自動工具交換装置に工具を供給することができ、長時間の無人運転ができるとともに作業効率を向上させることができる自動工具取付装置を備えた工作機械および自動工具交換方法を提供することを目的とする。その他、本発明の自動工具取付装置を備えた工作機械および自動工具交換方法におけるいくつかの利点は、発明をより具体的に説明するときに、その都度説明される。

上記課題を解決するために、本発明の工作機械は、工具（１５）をホルダ（１６）に焼嵌めして取り付ける焼嵌め装置（６）と、複数の工具（１５）を準備しておく工具保管手段（７）と、工具（１５）が取り付けられているかどうかに関わらず工具保管手段（７）に準備される工具（１５）の数よりも少なく自動工具交換装置（２）に装填できる数以上の複数のホルダ（１６）を保管可能な複数のホルダ（１６）を準備しておくホルダ保管手段（８）と、工具保管手段（７）から所要の工具（１５）を取り出して焼嵌め装置（６）に搬送し使用済の工具（１５）を焼嵌め装置（６）から工具保管手段（７）に搬送する工具搬送装置（１０）と、ホルダ保管手段（８）から所要の工具（１５）に適する工具（１５）が取り付けられていないホルダ（１６）を選択的に取り出して焼嵌め装置（６）に搬送し工具（１５）が取り付けられているかどうかに関わらずホルダ（１６）を焼嵌め装置（６）からホルダ保管手段（８）のホルダ（１６）が元にあった位置に搬送し使用済の工具（１５）を取り付けたホルダ（１６）を自動工具交換装置（２）から焼嵌め装置（６）に搬送しかつ所要の工具（１５）を取り付けたホルダ（１６）をホルダ保管手段（８）から自動工具交換装置（２）に搬送するホルダ搬送装置（１１）と、を含む自動工具取付装置（４）を備え、工作機械の本機（１）運転中に使用される順番に所要の工具（１５）をその工具（１５）に適するホルダ（１６）に組み合わせて取り付けさせて所要の工具（１５）を取り付けたホルダ（１６）をホルダ保管手段（８）のホルダ（１６）が元にあった位置に搬送させ続けるとともに自動工具交換装置（２）において使用済の工具（１５）を取り付けたホルダ（１６）が受け渡しできる位置に戻ってきたときに使用済の工具（１５）を取り付けたホルダを自動工具交換装置（２）から焼嵌め装置（６）に搬送させて回収し使用済の工具（１５）を取り付けたホルダ（１６）から使用済の工具（１５）を取り外させて取り外された工具（１５）を工具保管手段（７）に搬送させかつ所要の工具（１５）を取り付けたホルダ（１６）を使用される順番にホルダ保管手段（８）から自動工具交換装置（２）に供給されるように自動工具取付装置（４）を制御する制御装置（１４）を設けた構成とする。

好ましくは、制御装置（１４）が、所要の工具（１５）を工具保管手段（７）から取り出して焼嵌め装置（６）に搬送させるとともに所要の工具（１５）に適するホルダ（１６）をホルダ保管手段（８）から選択的に取り出して焼嵌め装置（６）に搬送させ、ホルダ（１６）を予め定められた時間加熱させてから所要の工具（１５）をホルダ（１６）に挿入させて所要の工具（１５）をホルダ（１６）に取り付けた後、所要の工具（１５）を取り付けたホルダ（１６）をホルダ保管手段（８）に搬送させ、その後、ホルダ保管手段（８）にある所要の工具（１５）を取り付けたホルダ（１６）を使用される順番に自動工具交換装置（２）に供給するように自動工具取付装置（４）を制御する構成とする。

また、制御装置（１４）が、自動工具交換装置（２）から使用済の工具（１５）を取り付けたホルダ（１６）を焼嵌め装置（６）に搬送させ、ホルダ（１６）を予め定められた時間加熱させてから使用済の工具（１５）をホルダ（１６）から取り外して工具保管手段（７）に搬送するように自動工具取付装置（４）を制御する構成とする。

また、好ましくは、制御装置（１４）が、工具保管手段（７）の工具保管部（４０）およびホルダ保管手段（８）のホルダ保管部（４２）のそれぞれに与えられた位置情報とその位置情報に対応する工具保管部（４０）に保管される工具（１５）の工具情報およびホルダ保管部（４２）に保管されるホルダ（１６）のホルダ情報を含む識別情報を設定する設定手段を設ける。

本発明の自動工具交換方法は、焼嵌めによって工具をホルダに取り付けて工具を取り付けたホルダを自動工具交換装置に供給する工作機械における自動工具供給方法であって、工具保管手段（７）に準備されている複数の工具の中から所要の工具（１５）を焼嵌め装置（６）に搬送する第１工程と、工具（１５）が取り付けられているかどうかに関わらず工具保管手段（７）に準備される工具（１５）の数よりも少なく自動工具交換装置（２）に装填できる数以上の複数のホルダ（１６）を保管可能なホルダ保管手段（８）に準備されている複数のホルダの中から所要の工具（１５）に適するホルダ（１６）を選択的に取り出して焼嵌め装置（６）に搬送する第２工程と、焼嵌め装置（６）でホルダ（１６）を加熱してホルダ（１６）に所要の工具（１５）を取り付ける第３工程と、所要の工具（１５）が取り付けられたホルダ（１６）をホルダ保管手段（８）のホルダ（１６）が元にあった位置に戻す第４工程と、第１工程から第４工程を繰り返して予め設定されている必要な数のホルダ（１６）に工具（１５）を取り付けた後に所要の工具（１５）が取り付けられたホルダ（１６）を使用される順番に従ってホルダ保管手段（８）から自動工具交換装置（２）に供給する第５工程と、工作機械の本機（１）を運転中に工具保管手段（７）に工具（１５）がなくなるまで第１工程から第４工程までを繰り返す第６工程と、前記自動工具交換装置において前記ホルダが受け渡しできる位置に空きがあるときは使用される順番に従ってホルダ保管手段（８）に準備されている所要の工具（１５）が取り付けられたホルダ（１６）をホルダ保管手段（８）から自動工具交換装置（２）に搬送して装填する第７工程と、自動工具交換装置（２）において使用済の工具（１５）が取り付けられたホルダ（１６）が受け渡しできる位置に戻ってきたときに使用済の工具（１５）が取り付けられたホルダ（１６）を自動工具交換装置（２）から焼嵌め装置（６）に搬送して回収する第８工程と、焼嵌め装置（６）で回収したホルダ（１６）を加熱膨張させて使用済の工具（１５）を取り外し工具保管手段（７）に搬送する第９工程と、第６工程から第９工程までを繰り返す第１０工程と、を含んでなる。

好ましくは、第９工程において使用済の工具（１５）を取り外したホルダが次の未使用の工具（１５）に適合するかどうかを判別し、使用済の工具（１５）を取り外したホルダ（１６）が次の未使用の工具（１５）に適する場合は第１工程後に第２工程と第３工程を行なわずに使用済の工具（１５）を取り外したホルダ（１６）に次の未使用の工具（１５）を取り付けて第４工程を行なった後第１０工程を行ない、使用済の工具（１５）を取り外したホルダ（１６）が次の未使用の工具（１５）に適さないときは使用済の工具（１５）を取り外したホルダ（１６）をホルダ保管手段（８）のホルダ（１６）が元にあった位置に搬送するとともに第１０工程を行なうことを特徴とする。なお、上記符号は、便宜上付されたものであり、本発明を図面に示された実施の形態の構成に限定するものではない。

本発明の工作機械は、焼嵌めによって工具を焼嵌め式ホルダに取り付ける構成であるから、工具をホルダに取り付けるときの取付精度の調整が不要である。そして、工作機械の本機が運転している間、例えば、被加工物を加工している間に、所要の工具をその工具に合うホルダと組み合わせて取り付け、自動工具交換装置に新しい工具が取り付けられたホルダを使用される順番に供給する制御装置が設けられている。したがって、工作機械の本機の運転中に、新しい工具を取り付けたホルダを自動工具交換装置に順次自動で供給することができる。その結果、作業者が事前に工具をホルダに取り付けて自動工具交換装置に装填しておく作業をなくし、作業者の負担が軽減される。また、事前に自動工具交換装置に装填しておかなければならない工具を取り付けたホルダの数を減らして段取り時間を短縮することができ、作業効率が大幅に向上するという効果を奏する。

本発明の工作機械は、制御装置が、焼嵌めによって加熱されたホルダをホルダ保管手段に戻してから、使用される順番に自動工具交換装置に搬送するように自動工具取付装置を制御する。したがって、加熱されたホルダがホルダ保管手段で十分冷却されてから自動工具交換装置に搬送されるから、加熱されたホルダによって工作機械の本機が熱変位の影響を受けることが防止される。しかも、工作機械の本機の運転の状態に合わせて使用される順番で所要の工具を取り付けたホルダを自動工具交換装置に供給することができる。

本発明の工作機械は、工作機械の本機が稼働している間に加工で使用された使用済の工具を取り付けたホルダを回収するので、工作機械の本機に取り付けられている自動工具交換装置のポットの数を減らすことができる。そのため、自動工具交換装置のマガジンを小さくして自動工具交換装置をコンパクトにすることができる。その結果、無人運転で使用する工具の数に対して工作機械の本機のサイズと設置面積が小さくできる効果を奏する。また、本発明の工作機械は、ホルダから使用済の工具を取り外すから、ホルダを再使用可能な状態にすることができる。そのため、工具の数に対するホルダの数を減らすことができる。その結果、ホルダに要する費用を削減できるとともに、自動工具取付装置のホルダスタンドを小さくしてコンパクトにするという効果を奏する。

本発明の工作機械は、制御装置が複数の工具が使用される順番、各工具に適するホルダ、各工具およびホルダが準備されている工具保管手段とホルダ保管手段の位置を識別することができる。そのため、工具のサイズと使用する順番が違ってしまう加工毎に工具保管手段を取り替える必要がなく、工具保管手段の製作の負担を少なくすることができる。その結果、作業効率が向上するという効果を奏する。また、複数の工具に対してホルダを共用させることを可能とし、使用する工具の本数に対して必要なホルダの数を減らすことができる。その結果、ホルダに要する費用が軽減する効果を奏するとともに、ホルダ保管手段をより小さくして自動工具取付装置をコンパクトになるという効果を奏する。

本発明の工具交換方法は、工具保管手段に無人運転による加工に必要な本数の工具が準備され、所要の工具とそれに合うホルダを選択的に取り出して焼嵌めによって工具をホルダに取り付ける。そして、工作機械の本機の運転中に順次新しい工具を取り付けたホルダを準備して自動工具交換装置に供給するから、加工とホルダへの工具の取付けが並行して行なわれる。したがって、作業者が事前にホルダに工具を取り付けておく必要がない。また、工具を取り付ける時間中に加工が中断することがない。その結果、焼嵌め式ホルダを使用して長時間の無人運転を可能にし、作業者の負担が軽減され、かつ作業効率を向上させる優れた効果を奏する。

本発明の工具交換方法は、使用済の工具が取り付けられたホルダを回収する工程を含んでなる。したがって、新しい工具を取り付けたホルダを自動工具交換装置に供給されながら、順次使用済の工具が取り付けられたホルダを回収する。その結果、必要な工具の数に対して自動工具交換装置を小さくすることができ、無人運転をより行ないやすくする効果を奏する。

本発明の工具交換方法は、回収したホルダから使用済の工具を取り外して工具保管手段に搬送してそこから新しい工具を取り出して、そのまま工具を取り外したホルダに取り付けるか、そのホルダが新しい工具に適さないときは、ホルダ保管手段からその工具に適するホルダを選択的に取り出して加熱して工具を取り付けるようにする。したがって、可能な限り回収してきたホルダを直ぐに新しい工具を取り付けて再使用するので、工具の数に対するホルダの数を減らしてホルダに要する費用を軽減するとともに、工具を取り付ける工程をより短縮して作業効率を向上させる効果を奏する。

図１に、本発明の工作機械の概略構成が示される。図１に示される数値制御工作機械は、縦型マシニングセンタの本機１の右側上部に自動工具交換装置２を備え、本機１の左側に自動パレット交換装置３を備える。自動工具取付装置４は、自動工具交換装置２のマガジン５のポット２０に隣接するように設置される。実施の形態のマガジン５は、１６個のポット２０を備えている。本機１の構造は、自動工具交換装置２と自動工具取付装置４との間でホルダを受け渡しできる構成である限り限定されない。

図２および図３に、工作機械の自動工具取付装置の具体的な実施の形態が示される。また、図４に、工具と焼嵌め式ホルダの構成の一例が示される。自動工具取付装置４は、焼嵌め装置６と、工具保管手段である工具パレット７と、ホルダ保管手段であるホルダスタンド８と、工具搬送装置１０と、ホルダ搬送装置１１と、挿脱装置１２と、ホルダ装着装置１３と、制御装置１４とを含んでなる。なお、モータ、ボールねじ、エアシリンダなどのアクチュエータ、エンコーダ、制御線や配線については、具体的な説明および図示省略している。工具１５は、所望の加工に適する材質と形状を有する。ホルダ１６は、ステンレスやオーステナイト鋼のような工具１５に対して熱膨張率の高い材料で形成された焼嵌め式ホルダである。

焼嵌め装置６は、焼嵌め式ホルダ１６を加熱する加熱手段３０を有する。焼嵌め装置６は、加熱手段３０によって工具１５をホルダ１６に焼嵌めして取り付ける。加熱手段３０は、ホルダ１６を加熱して膨張させることによって、図４に示されるようなホルダ１６の工具取付穴２２を大きくして工具１５が挿入できる状態にする。加熱手段３０は、ヒータやバーナが利用される。実施の形態の加熱手段３０は、加熱コイル３２と高周波電源３４とからなる高周波誘導加熱装置である。高周波電源３４は、円環状に形成された加熱コイル３２から離れた位置にあり、図示しないリード線を通して加熱コイル３２に高周波誘導電流を供給する。

焼嵌め装置６の加熱手段３０は、制御装置１４の指令に従って予め設定されている時間、高周波電源３４をオンして、加熱コイル３２に高周波誘導電流を供給する。加熱時間は、加熱手段３０の加熱能力に依存する。実施の形態は、ホルダ１６の外径や肉厚と無関係に、材質に応じて５秒〜３０秒程度の間に設定している。加熱手段３０は、ホルダ１６の温度が約４００℃程度になるまで加熱する。高周波誘導加熱によってホルダ１６を局部加熱するので、工具１５がホルダ１６に比べて加熱されにくく、より短時間で工具１５を取付可能な状態にする。

焼嵌め装置６の冷却手段４４は、加圧された空気を供給するコンプレッサ、エアドライヤ、エアレギュレータ、複数の電磁弁、好ましくはクーラなどを含んでなるものであるが、図示省略されているとともに具体的な説明は省略される。冷却手段４４は、ノズルからホルダ１６にエアを噴射してホルダを冷却する。ホルダ冷却用の圧縮空気を噴出するノズルは、加熱コイル３２の近傍に設けられる。冷却手段４４は、好ましくは、１分以下の短時間でホルダ１６の温度を５０℃以下に冷却するように設計される。

工具保管手段である工具パレット７は、工具１５を立てておく複数の工具保管穴４０を有する。工具保管部である工具保管穴４０は、それぞれ使用する工具１５のシャンク径に合わせた穴径に形成される。工具パレット７に設けられる工具保管穴４０の数と各工具保管穴４０の穴径は、所望の加工の計画に基づき使用する工具に合うように任意に設計製作される。図５に示されるように、複数の工具１５は、先端が上側になるように工具保管穴４０に配置される。

図２に示される実施の形態は、工具パレット７に５６個の工具保管穴４０が穿設され、４つの工具パレット７が取り外し可能に設置されている。したがって、工具保管手段に最大２２４本の工具を準備しておくことができる。工具パレット７は、位置決め穴４６を図示しない自動工具取付装置４の本体台上に立設された位置決めピンに嵌め合わせて据え置くことで、本体台上に位置決め設置される。実施の形態の工具パレット７は、４つの位置決め穴４６が設けられている。

図２および図５に示されるように、ホルダ保管手段であるホルダスタンド８は、複数のホルダ１６を嵌め込むためのボス４２が配列されている。ホルダ保管部であるボス４２に、図４に示されるホルダ１６のボス挿入穴２３を嵌め合わせて、ホルダ１６を載置する。したがって、ホルダスタンド８は、ホルダ１６に工具１５が取り付けられているかどうかに関わらず、複数のホルダ１６を保管することができる。

ホルダ１６のボス挿入穴２３は、図４に示されるように、工具１５のシャンク径に対応する工具取付穴２２の穴径や深さと関係なく同じサイズであるから、ホルダスタンド８は、使用する工具１５の種類で異なるホルダ１６を任意のボス４２に準備しておくことができる。実施の形態のホルダ保管手段は、１つのホルダスタンド８に１２個のボス４２が設けられ、３つのホルダスタンド８が並設されている。したがって、ホルダ保管手段に最大３６個のホルダ１６を準備しておくことができる。このように、実施の形態の工作機械は、工具保管手段がポットの数よりも多い工具保管部を有し、ホルダ保管手段は工具保管部よりも少なくかつポットの数以上のホルダ保管部を有する構成である。

工具搬送装置１０は、焼嵌め装置６と工具パレット７との間で工具１５を搬送する。工具搬送装置１０は、直動移動装置５０と、ビーム５２と、アーム５４と、ハンド５６を有する。直動移動装置５０は、少なくとも、図示しないモータ、ボールねじ、エンコーダ、ガイドレールを含む。ビーム５２は、直動移動装置５０によって１軸方向に移動する。アーム５４は、ビーム５２に沿って図示しない移動手段により上記１軸方向と直交する１軸方向に移動する。また、アーム５４は、鉛直方向に往復移動する。したがって、ハンド５６は、制御装置１４によって開閉制御されるとともに同時３軸方向に移動制御される。

工具搬送装置１０が位置決めされる直動移動装置５０、アーム５４、ハンド５６の移動位置は、図２に示される工具搬送装置１０の位置を原点として、全て３軸方向の座標値で制御装置１４に予め記憶されている。したがって、工具搬送装置１０は、工具パレット７に準備されている工具１５を焼嵌め装置６の待機位置３６まで搬送することができ、待機位置３６にある使用済の工具１５を工具パレット７の工具保管穴４０に搬送することができる。なお、任意で設計製作される工具パレット７の工具保管穴２２で工具１５を把持可能にする移動位置は、各工具保管穴２２の座標値から換算して工具パレット７毎に設定し直されなければならない。

ホルダ搬送装置１１は、焼嵌め装置６とホルダスタンド８との間および自動工具交換装置２と焼嵌め装置６またはホルダスタンド８との間で、ホルダ１６を搬送する。具体的には、ホルダ搬送装置１１は、ホルダスタンド８のホルダ１６の１つを待機位置３８に搬送することができる。また、ホルダ搬送装置１１は、工具１５が取り付けられているかどうかに関わらず、待機位置３８にあるホルダ１６をホルダスタンド８の元にあったボス４２に搬送することができる。また、ホルダ搬送装置１１は、後述するホルダ装着装置１３を介在させて、自動工具交換装置２からホルダ１６を待機位置３８またはホルダスタンド８の元のあったボス４２に搬送し、もしくは自動工具交換装置２へホルダ１６を搬送することができる。

ホルダ搬送装置１１は、直動移動装置６０と、ビーム６２と、アーム６４と、ハンド６６を有する。直動移動装置６０は、少なくとも、図示しないモータ、ボールねじ、エンコーダ、ガイドレールを含む。ビーム６２は、直動移動装置６０によって１軸方向に移動する。アーム６４は、ビーム６２に沿って図示しない移動手段により上記１軸方向と直交する１軸方向に移動する。また、アーム６４は、鉛直方向に往復移動する。ハンド６６は、鉛直方向の１平面に沿って回転することができ、ホルダ１６の上下を反転させることができる。なお、ハンド６６を回転させるための構成は、従来から知られている直線運動を回転運動に変換する機構を適用することで達成され、詳細な説明は省略される。

ホルダ搬送装置１１が位置決めされる直動移動装置６０、アーム６４、ハンド６６の移動位置は、工具搬送装置１０と同じように、図２に示されるホルダ搬送装置１１の位置を原点として、全て３軸方向の座標値で制御装置１４に初期設定されている。したがって、ホルダ搬送装置１１は、制御装置１４によって、ハンド６６を開閉するとともに同時３軸方向に移動することができ、ホルダスタンド８から所要の工具１５に適するホルダ１６を選択的に取り出して焼嵌め装置６に搬送することができる。

挿脱装置１２は、焼嵌め装置６における工具１５とホルダ１６の取付けのために設けられる。挿脱装置１２は、熱膨張したホルダ１６の隙間が小さい工具取付穴２２に工具１５を確実に挿入することを助ける。挿脱装置１２は、加熱手段３０による熱の影響を受けにくい。挿脱装置１２は、焼嵌め装置６の待機位置３６にある工具１５と待機位置３８にあるホルダ１６とを相対向させて、加熱手段３０によって加熱されたホルダ１６に所定の工具１５を挿入する。また、挿脱装置１２は、使用済の工具１５をホルダ１６から取り外して焼嵌め装置６の待機位置３６に工具１５を戻すとともに、工具１５が取り外されたホルダ１６を待機位置３８に戻す。ホルダ搬送装置１１が、例えばロボット腕のように直接ホルダ１６を加熱手段３０に導入できる構成であるときは、挿脱手段１２を必要とはしない。

挿脱装置１２は、具体的には、焼嵌め装置６の中に設けられるホルダ導入手段７０と工具導入手段８０とでなる。ホルダ導入手段７０は、焼嵌め装置６の加熱手段３０と待機位置３８との間を往復してホルダ１６を移送し、加熱手段３０の加熱位置にホルダ１６を導入する。工具導入手段８０は、焼嵌め装置６の加熱手段３０と待機位置３６との間を往復して工具１５を移送する。工具導入手段８０は、加熱されたホルダ１６の中に工具１５を自由落下させて挿入し、またはホルダ１６から工具１５を抜き出す。

ホルダ導入手段７０は、図３に示されるように、昇降するボス７２と、ボス７２を待機位置３８と加熱コイル３２との間で往復移動させる移動体７４とを含んでなる。ホルダ導入手段７０は、ホルダ搬送装置１１が待機位置３８あるボス７２にホルダ１６を載置した後、ボス７２ごとホルダ１６を移動体７４によって加熱コイル３２の直下まで移動させる。そして、ホルダ導入手段７０は、図４に示されるように、ボス７２を上昇させて加熱コイル３２の環内の加熱位置にホルダ１６を挿入位置決めする。ホルダ導入手段７０は、ホルダ１６から使用済の工具１５を取り外したときは、逆の動作によってホルダ１６を待機位置３８に戻す。

工具導入手段８０は、図３に示されるように、少なくとも工具１５を把持するハンド８２と、ハンド８２を待機位置３６と加熱コイル３２との間で往復移動させる移動体８４と、図示しないハンド８２を昇降させる手段を有する。ハンド８２は、工具搬送装置１０のハンド５６から新しい工具１５を受け取り、またはハンド５６に加工に使用された使用済の工具１５を渡す。工具導入手段８０は、ホルダ導入手段７０で加熱コイル３２の中に導入されたホルダ１６が加熱手段３０によって十分加熱されてから、待機位置３６にある工具１５をホルダ１６に対向配置するように加熱手段３０の直上に移送する。そして、ハンド８２を工具取付穴２２の開口に下降させて開放し、工具１５を自由落下させてホルダ１６に挿入する。工具導入手段８０は、ホルダ１６から使用済の工具１５を取り外すときは、逆の動作によって、加熱されているホルダ１６から工具１５を抜き取り、待機位置３６に戻す。

ホルダ装着装置１３は、マガジン５に隣接して配置される。ホルダ装着装置１３は、工具１５が取り付けられたホルダ１６をホルダ搬送装置１１から受け取って自動工具交換装置２に供給する。ホルダ装着装置１３は、ホルダ１６をフィンガ９０に引っかけてアーム９２を旋回させるとともにアーム９２を延伸させてマガジン５のポット２０にホルダ１６を装填する。また、ホルダ装着装置１３は、ポット２０から使用済の工具１５が取り付けられているホルダ１６を受け取って、アーム９２を旋回させてホルダ搬送装置１１に受け渡しする。ホルダ装着装置１３は、自動工具交換装置２と自動工具取付装置４との間のホルダ１６の受け渡しを確実に行なうことを助ける。なお、ホルダ搬送装置１１が、例えばロボット腕のように直接ホルダ１６をポット２０に装填できる構成であるときは、ホルダ装着装置１３を必要とはしない。

制御装置１４は、実施の形態は、数値制御装置である。したがって、実施の形態の制御装置１４は、ＮＣプログラムやその他の制御プログラムに基づくシーケンスに従って自動で工作機械の本機１を運転させ加工を制御することができる。また、制御装置１４は、自動工具交換装置２、自動パレット交換装置３、自動工具取付装置４の動作を制御することができる。制御装置１４は、工作機械の本機１を制御して運転させている間、所要の工具１５がその工具１５に適するホルダ１６に組み合わされて取り付けられ使用される順番に自動工具交換装置２に供給されるように自動工具取付装置４を制御する。また、制御装置１４は、工作機械の本機１を運転中に、使用済の工具１５を取り付けたホルダ１６を自動工具交換装置２から回収するように制御する。

制御装置１４は、識別情報を設定する図示しない設定手段を有する。設定手段は、例えば、キーやスイッチなどの入力装置と、記憶装置と、表示装置からなり、構成装置は、他の手段と共有することができる。識別情報は、少なくとも、複数の工具保管穴４０とボス４２のそれぞれに与えられた位置情報とそれらの位置情報に対応するように与えられる工具情報およびホルダ情報とを含む。また、識別情報は、工具１５の使用する順番（以下、工具スケジュールという）を含む。また、識別情報は、ホルダ１６に取付済みの工具１５と工具１５がすでに取り付けられたホルダ１６に与える「チェックデータ」を含む。チェックデータによって、制御装置１４は、使用中の工具１５とホルダ１６とその現在の場所を認識することができる。各識別情報は、関連付けられて記憶装置に記憶される。

位置情報は、識別コードであり、例えば図５で示されるように、識別番号で与えられる。位置情報は、工具パレット７とホルダスタンド８の構成に合わせて設定される。制御装置１４の表示装置は、工具保管穴４０の配置を識別番号と一緒に表示することができる。工具情報は、工具パレット７にセットした工具１５の種類、材質、径、長さ、シャンク長のような工具に関する情報である。ホルダ情報は、ホルダスタンド８にセットしたホルダ１６の種類、外径のようなホルダに関する情報である。工具スケジュールは、数字を入力するだけで設定することができる。識別情報は、表形式で制御装置１４の表示装置に表示させることができる。なお、識別情報の設定が正しく行なわれたかどうかを確認する機能は、適宜設けられ、具体的な説明は省略する。

制御装置１４は、具体的には、工具パレット７にある複数の工具１５の中から工具スケジュールに従いそのときに必要な工具１５を取り出して焼嵌め装置に搬送させる。また、ホルダ情報に基づき所要の工具１５に適するホルダ１６をホルダスタンド８から選択的に取り出して焼嵌め装置６に搬送させる。工具１５が取り付けられていない所要の工具１５に適するホルダ１６が複数あるときは、識別番号が小さいボス４２に設置されているホルダ１６を選択する。制御装置１４は、焼嵌め装置６に搬送されたホルダ１６を予め定められた時間加熱させてから所要の工具１５をホルダ１６に挿入させて取り付ける。制御装置１４は、工具１５を取り付けたホルダ１６を一旦ホルダスタンド８に戻し、使用される順番に工具１５を取り付けたホルダ１６を順次自動工具交換装置２に供給する。

制御装置１４は、回収された使用済の工具１５を工具パレット７に戻すとき、識別情報で認識できる元に工具１５が置いてあった工具保管穴４０に工具１５が戻されるように制御する。制御装置１４は、予め作業者によって回収した使用済の工具を戻す工具保管穴４０が識別番号で設定されている場合は、設定されている工具保管穴４０に使用済の工具１５が戻されるように制御する。また、制御装置１４は、ホルダ１６をホルダスタンド８に戻すとき、ホルダ１６の状態に関わらず、識別番号で認識できる元にホルダ１６が置いてあったボス４２に戻すように制御する。

図６に、本発明の自動工具交換の制御プロセスの一例が示されている。以下、図６に基づいて自動工具交換方法の好ましい実施の形態を説明する。自動工具取付装置は、制御装置によって制御される。制御装置は、設置場所と形態は限定されない。例えば、制御装置を数値制御装置の中に設けることができる。また、自動工具取付装置の下側空きスペースに設置することができる。あるいは工作機械から遠く離れた位置にあるパーソナルコンピュータに設けることができる。また、複数の制御装置によって役割を分担して自動工具取付装置を制御するようにできる。

作業者は、工具パレット７とホルダスタンド８に、予め必要な工具１５とホルダ１６をセットしておく。ホルダ１６は、複数の種類の工具１５の全てに対応できる種類準備する。また、作業者は、自動パレット交換装置３に必要な被加工物をセットしておく。具体的に、以下の例では、１１２本の工具１５と、３２個のホルダ１６と、１６個の被加工物をセットする。同一の加工工程による同一の形状が要求され、１つの被加工物につき７本の工具を用いて１つの金型を製作し、１６個の同一の形状の金型を製作するものとする。工具の種類は、７本中の２本を工具径がφ４ｍｍ、刃長４ｍｍ、シャンク径６ｍｍの焼嵌め用ボールエンドミルとし、７本中の５本を工具径がφ０．４ｍｍ、刃長０．４ｍｍ、シャンク径４ｍｍの焼嵌め用ボールエンドミルとする。そして、異なる種類の工具の割合に合わせて、φ４ｍｍ工具用の焼嵌め式ホルダが１０個、φ０．４ｍｍ用の焼嵌め式ホルダが２２個準備される。

次に、作業者は、制御装置１４の設定手段を通して、工具情報とホルダ情報を識別番号に対応させて入力設定する。また、作業者は、加工計画に従って、工具スケジュールを番号で入力する。制御装置１４の表示装置は、識別情報を工具スケジュールの順番に並び替えて表形式で表示する。作業者が工具スケジュールを入力設定しない場合は、初期設定として、工具スケジュールは識別番号順に設定される。したがって、工具パレット７が加工計画に合わせて設計製作しているものであるときは、工具スケジュールの入力作業が不要になる。一方、既存の工具パレット７を再利用したり、工具パレット７に汎用性をもたせているときは、工具パレット７の設計製作と制御装置１４に多数の工具保管穴４０に対する位置決めのための座標値を再設定する作業が不要になる。

無人運転を開始すると、制御装置１４は、工作機械の本機１を運転して加工を開始する前に、ポット２０に最初に加工前に準備しておかなければならない所要の工具１５を各工具１５に合うホルダ１６に取り付ける。このとき、工具搬送装置１０とホルダ搬送装置１１は、図２に示される、作業者の作業の邪魔にならない初期の位置に配置されている。最初にポット２０に装填しておくホルダ１６の数は任意での数以上準備しておくことが好ましい。以下の例では、図１および図２に示される自あるが、加工を中断させるリスクを小さくするため、１つの加工で必要になる工具動工具交換装置２と自動工具取付装置４の構成から９個のホルダを自動工具交換装置２に供給し、さらに加工中に少なくとも１個ホルダスタンド８に置いておくことを考えて、加工前に工具１５を取り付けておくホルダ１６の数を１１個として説明する。

制御装置１４は、工具スケジュールに従って工具パレット７から所要の工具１５を取り出して待機位置３６まで搬送する（Ｓ３）。例えば、加工で使用する順番に合わせて識別番号順に工具パレット７に工具１５が準備されているので、制御装置１４は、最初に、工具搬送装置１０によって識別番号０１の工具保管穴４０１から工具１５１を取り出し、図７に示される位置に移動して、焼嵌め装置６の待機位置３６にある工具導入手段８０のハンド８２に工具１５を渡す。挿脱装置１２は、ハンド８２を閉じて待機位置３６で工具１５１を把持しておく。

次に、制御装置１４は、ホルダ搬送装置１１に、ホルダスタンド８から工具１５に合う適するホルダ１６を焼嵌め装置６の待機位置３８に搬送させ、挿脱装置１２によって加熱コイル３２の所定の加熱位置にそのホルダ１６を配置する（Ｓ４）。必要な工具１５に合う適するホルダ１６とその保管場所のボス４２は、設定されている識別情報で判別される。したがって、例えば、最初に必要な工具１５１に適するホルダ１６は、ホルダ搬送装置１１によってホルダスタンド８の図５に示されるような識別番号０１のボス４２１から、図７に示されるように、ホルダ導入手段７０のボス７２の直上に搬送される。そして、ホルダ搬送装置１１が初期の位置に戻る間に、制御装置１４は、ホルダ１６１を待機位置３８から加熱コイル３２の中に導入して加熱位置に位置決めする。このとき、自動工具取付装置４が挿脱装置１２がない構成の場合は、ホルダ搬送装置１１によって、ホルダ１６をホルダスタンド８から直接加熱コイル３２に導入する。

次に、加熱手段３０を作動させてホルダ１６を加熱する（Ｓ５）。具体的には、高周波電源３４をオンして加熱コイル３２に高周波電流を流し、ホルダ１６を局部的に急速加熱する。例えば、５秒〜３０秒程度加熱してから高周波電源３４をオフする。ホルダ１６を加熱させたところで、焼嵌め装置６の待機位置３６に位置していた工具導入手段８０を動作させて、ハンド８２を加熱コイル３２の直上に移動させる。そして、ハンド８２をホルダ１６の工具取付穴２２の開口まで下降してからハンド８２を開放して、工具１５を自由落下させる（Ｓ６）。工具１５は、ホルダ１６の工具取付穴２２の底面で落下が停止する。このとき、自動工具取付装置４が挿脱装置１２がない構成の場合は、工具搬送装置１０で直接工具１５をホルダ１６に挿入する。

直後に、冷却手段４４を作動してホルダ１６に向けてエアを３０秒〜１分間程度噴射して、ホルダ１６を冷却する（Ｓ７）。この例では、安全な５０℃以下にホルダを冷却している。ホルダ１６の温度が下がると収縮して、工具１５が工具取付穴２２に締付け固定される。制御装置１４は、ボス７２を下降させてから移動体７４をスライドさせて待機位置３８に移動させる。そして、ホルダ搬送装置１１によってホルダ１６をホルダスタンド８に搬送して、ホルダ１６が最初に設置されていた元の位置に載置する（Ｓ８）。例えば、最初の工具１５１が取り付けられたホルダ１６１は、識別番号０１のボス４２１の上に戻される。

このように、加熱直後のホルダは、加工ヘッドのスピンドルに装着される前に、ホルダスタンドで待機されている。そのため、工具が加工で使用されるときまでにはホルダが自然に環境温度まで冷却される。したがって、焼嵌めで工具をホルダに取り付けてから加工ヘッドが熱変位を生じない温度までホルダを冷却しておくための時間が実質的に必要がなくなり、ホルダを冷却する工程にかかる時間が短縮される。結果的に、熱変位の問題を起こしやすい焼嵌め式の工具取付方法でも高速の自動工具交換が可能になっている。特に、実施の形態は、工作機械の本機から離れたホルダスタンドで待機させるので、工作機械の本機の熱変位がより確実に防止される。

加工前に、段取りとして、最初にホルダ１６をポット２０に供給する工程であるときは（Ｓ９）、その時点でマガジン５には１つのホルダ１６も装填されていないから、まず、工具１５を取り付けた必要数のホルダ１６を自動工具交換装置２に供給する（Ｓ１０）。制御装置１４は、予め設定されている数の工具１５を取り付けたホルダ１６をホルダスタンド８にストックするように、ステップＳ３からステップＳ８までのプロセスを繰り返して、工具スケジュールの順番に新しい工具１５をそれぞれその工具１５に合うホルダ１６に取り付ける。この例では、識別番号順に工具１５を取り付けた１１個ホルダ１６を準備する。

工具とホルダを取り出して工具をホルダに取り付け、ホルダスタンドに準備するまでのプロセスに要する時間は、実施の形態の自動工具取付装置の場合、実測でおよそ２分４０秒であった。このことから、例えば、最初に準備しておくホルダが１１個であるときは、最初のホルダを準備するためにかかる時間は３５分程度である。したがって、従来、仮に自動でホルダに工具を取り付けたとしても、事前に１００本以上の工具を準備するために殆ど１日かかっていたことに比べて作業時間は大幅に短縮されている。また、この間の人手を必要とする作業は、工具とホルダを工具パレットまたはホルダスタンドに配置する作業と、設定手段を通して制御装置に識別情報を入力する作業であるので、段取りにおける作業者の負担が軽減される。

予め設定されている必要な数のホルダ１６に工具１５が取り付けられたら（Ｓ１０）、制御装置１４は、ホルダ搬送装置１１を動作させて、工具１５が取り付けられたホルダ１６を工具スケジュールに従って使用される順番にポット２０に装填する（Ｓ１１）。同時に、制御装置１４は、自動工具交換装置２を動作させマガジン５を回動させて、次のホルダ１６が装填されるポット２０をホルダ１６が受け渡し可能な位置に配置する（Ｓ１２）。

具体的には、例えば、ホルダ搬送装置１１を識別番号０１のボス４２１に移動させて工具１５１を取り付けたホルダ１６１を把持させる。そして、ハンド６６を反転させながら移動し、図８に示されるように、ホルダ装着装置１３のフィンガ９０に位置決めし、ハンド６６を開放してホルダ１６１をフィンガ９０に渡す。ホルダ装着装置１３は、ホルダ搬送装置１１が後退すると同時にホルダ１６１を吊り下げたフィンガ９０をアーム９２を１８０度旋回させ、ポット２０１の手前まで搬送する。この間、ホルダ搬送装置１１は、次に装着されるべき識別番号０２にあるホルダ１６２を取りにホルダスタンド８に向かう。ホルダ装着装置１３は、アーム９２を延伸してホルダ１６１をポット２０１に装填する。そして、再びアーム９２を後退させてから１８０度旋回させ初期の位置に戻す。制御装置１４は、マガジン５を１段回転させて、空きのポット２０２をホルダ１６の受渡しが可能な位置に移動させる。

最初にマガジン５に装填しておく必要のある数のホルダ１６が全て装填されるまで、ステップＳ１１からステップＳ１２のプロセスを繰り返す（Ｓ１３）。ポット２０に必要な数のホルダ１６が吊架されたら、制御装置１４は、自動パレット交換装置３を作動して最初の被加工物を本機１に設置する。そして、自動工具交換装置２を動作させて、ホルダ１６１を加工ヘッドのスピンドルに装着する（Ｓ１４）。制御装置１４は、ＮＣプログラムに従って一連の加工を開始し、位置決めを行なってから最初の工具１５１を使用して被加工物を切削する（Ｓ１５）。この後、マガジン５を回動させて、次の工具１５２を準備しておく（Ｓ１６）。そして、工具スケジュールに従って次のホルダ１６をホルダスタンド８から搬送し（Ｓ１７）、ポット２０に装填する（Ｓ１８）。

制御装置１４は、位置決めの工程を含めて被加工物の加工中（Ｓ１）、ホルダスタンド８に準備されている全てのホルダ１６のうち、工具の種類に応じて使用できる空きのホルダがある間は、次の「工具取付命令」を出す（Ｓ２）。工具取付命令が出されている間、ステップＳ３からステップＳ８のプロセスを繰り返して、残りのホルダ１６に、工具スケジュールに従って使用される順番に所要の工具１５を取り付けるように自動工具取付装置４を制御する。したがって、加工前に装填しておくホルダ１６が全て自動工具交換装置２に供給されて加工が開始された後でも、自動工具取付装置４では、使用される順番に順次所要の工具１５がそれに適するホルダ１６に取り付けられ続けている。

制御装置１４は、予め設定されている識別情報に基づいて工具１５を取り付けずにホルダ１６を残すかどうかを判断する。この例の場合は、φ４ｍｍ工具用のホルダが１０個、φ０．４ｍｍ用のホルダが２２個準備されており、１つの加工でφ４ｍｍの工具が２本、φ０．４ｍｍの工具が５本で合計７本の工具が使用されるので、４回の加工に必要な２８本の工具１５をホルダ１６に取り付けてホルダスタンド８に用意し、残りの４個は、適合するホルダがなくなることがないように、φ４ｍｍ工具用のホルダとφ０．４ｍｍ用のホルダをそれぞれ２個ずつ予備として残すようにする。ホルダ１６が全て同じ種類のものであるときは、ホルダ１６を残しておく必要がないので、制御装置１４は、工具１５が取り付けられていないホルダ１６がなくなるまで、「工具取付命令」を出し続ける。

予め設定されている加工時間または加工長さ加工に使用された工具１５は、自動工具交換装置２によって新しい工具１５に交換される。工具１５の交換によって加工が中断されたときは、工具１５が取り付けられていないホルダ１６が残っていても工具１５をホルダ１６に取り付ける作業を中断する（Ｓ１）。制御装置１４は、自動工具交換装置２を作動させ、使用済の工具１５を取り付けたホルダ１６をツールポット２０に戻して、次の工具１５を取り付けたホルダ１６をスピンドルに装着する。そして、マガジン５を１段回動させて、次の新しい工具１５を取り付けたホルダ１６が吊架されたポット２０を工具交換可能な位置に位置させる（Ｓ２０）。なお、使用済の工具１５を戻すツールポット２０の位置およびマガジン５を回動させるタイミングは、自動工具交換装置２の構成に依存する。

例えば、制御装置１４は、工具１５１が交換時期に達したときに自動工具交換装置２を動作させてホルダ１６１を加工ヘッドのスピンドルから取り外し、新しい工具１５２を取り付けたホルダ１６２をポット２０２から取り出すとともにホルダ１６１を空いたポット２０２に戻す。そして、工具１５２をスピンドルに装着するとともに、マガジン５を回動して、次の新しい工具１５３を工具交換が可能な位置に移動させる。

新しい工具１５を装着した工作機械の本機１は、次の加工の位置決めを行なって一連の加工を再開する（Ｓ２１）。この間に、制御装置１４は、ステップＳ１１からステップＳ１２のプロセスと同じようにして、ホルダ搬送装置１１に、すでに使用される順番に従ってホルダスタンド８に準備されている所要の工具１５を取り付けたホルダ１６をホルダ装着装置１３まで搬送させて（Ｓ３４）、巡回してくる空きのポット２０に装填する（Ｓ３５）。そして、制御装置１４は、工具取付命令を再度出して、工具１５をホルダ１６に取り付けるプロセスを再開する（Ｓ２）。

工具１５を順番に交換しながらいくつかの工程の加工を終えて、使用済の工具１５を取り付けたホルダ１６が装填されているポット２０がホルダ装着装置１３とホルダ１６を受け渡しできる位置に戻ってきたとき、制御装置１４は、このホルダ１６を自動工具交換装置２から自動工具取付装置４に回収する。そして、使用済の工具１５を取り外し、工具１５を工具パレット７に回収するように自動工具取付装置４を制御する（Ｓ２２）。

この例では、自動工具交換装置２がマガジン５に１６個のホルダ１６を装填することができ、最初に９個のホルダ１６がマガジン５に装填されている。したがって、ステップＳ２０で８本目の工具１５が９本目の工具１５に交換されてマガジン５が回動したときに、最初のホルダ１６１がホルダ１６を受け渡しできる上記位置に戻ってくる。制御装置１４は、識別情報に基づいて工具１５とホルダ１６が使用されている状態を識別することができるので、使用済の工具１５を取り付けたホルダ１６が上記位置に戻ってきたことを判別したときに（Ｓ２２）、ポット２０からホルダ１６を取り外し、待機位置３８まで搬送させて、加熱コイル３２の加熱位置に配置させる（Ｓ２３）。

より具体的には、ホルダ装着装置１３を作動してポット２０１に吊架されたホルダ１６１をポット２０１から抜き取る。そして、ホルダ装着装置１３は、使用済の工具１５１を取り付けたホルダ１６１をホルダ搬送装置１１に渡す。ホルダ搬送装置１１は、アーム６４を上昇させ、ハンド６６を回転させて工具１５１が上向きになるようにホルダ１６１を反転させて、保持しているホルダ１６１を焼嵌め装置６の待機位置３８に移送する。挿脱装置１２は、待機位置３８にあるホルダ１６１を焼嵌め装置６の加熱手段３０の加熱コイル３２の中に導入する。

次に、制御装置１４は、加熱手段３０を作動してホルダ１６を加熱膨張させる（Ｓ２４）。この例では、高周波電源３４をオンしてホルダ１６１を加熱膨張させる。このとき、高周波加熱であると、局部的な冷却が他の加熱手段に比べて優れているので、工具が加熱されにくく、工具をホルダから取り外しやすい。制御装置１４は、予め定められた時間後に高周波電源３４をオフする。

そして、制御装置１４は、工具１５をホルダ１６から抜き取らせて、工具パレット７の工具１５が元にあった工具保管穴４０に戻すように制御する（Ｓ２５）。具体的には、例えば、工具導入手段８０を作動させて、ハンド８２によって最初の使用済の工具１５１を把持し、図示しないアームを上昇させて使用済の工具１５１をホルダ１６から抜き取る。抜き取られた使用済の工具１５１は、工具導入手段８０によって待機位置３６へ移送される。工具搬送装置１０は、制御装置１４の指令に従って待機位置３６までハンド５６を移動し、ハンド８２とハンド５６との間で工具１５１を掴み替える。工具１５１は、ハンド８２に把持され、工具パレット７の工具保管穴４０１に戻される。

加工に使用された工具１５を戻す工具保管穴４０は任意であるが、制御装置１４は、基本的に識別情報に基づいてその工具１５が最初に設置された工具保管穴４０に搬送させる。例えば、工具１５２を戻すときは、工具保管穴４０２に搬送する。しかしながら、作業者が工具スケジュールを設定するときに使用済の工具を戻す位置を設定したときは、設定された工具保管穴に搬送する。例えば、工具パレット７に残っている工具１５とハンド５６が干渉する場合に、空きのパレット７に識別番号の最も大きい工具保管穴４０から逆の順番で戻すようにすることによって、上記干渉が生じる工具パレット７であっても使用可能にすることができる。

引き続き、制御装置１４は、工具搬送装置１０を動作させて、工具スケジュールに従って次の未使用の工具１５を工具パレット７から取り出して待機位置３６に搬送する（Ｓ２６）。この間に、制御装置１４は、識別情報に基づいて加熱コイル３２の中に残されているホルダ１６が新しい工具１５に適合するものであるかどうかを判別する（Ｓ２７）。加熱コイル３２の中に残されているホルダ１６が新しい工具１５に適する場合は、この時点で使用済の工具１５を取り外してから十数秒程度しか経っていないので、再度ホルダ１６を加熱膨張させる必要がないから、新しい工具１５を加熱コイル３２の直上まで移送して、ホルダ１６の工具取付穴２２に新しい工具１５を挿入させる（Ｓ３１）。

加熱コイル３２の中に残されているホルダ１６が工具１５に合わないものであるときは、ホルダ搬送装置１１を動作させて、ホルダスタンド８の元に配置されていた位置に戻す（Ｓ２８）。例えば、最初のホルダ１６１は、識別番号０１のボス４２１に置かれる。そして、制御装置１４は、識別情報に基づいて、ホルダスタンド８にある工具１５が取り付けられていない適するホルダ１６を選択して、ホルダ搬送装置１１に待機位置３８まで搬送させ、ホルダ導入手段７０によって加熱コイル３２の加熱位置に配置する（Ｓ２９）。この例の場合は、少なくとも２種類のホルダ１６が合計４つ残されているはずである。次に、高周波電源３４をオンして所定時間そのホルダ１６を加熱する（Ｓ３０）。その後、新しい工具１５を加熱コイル３２の直上に移送してハンド８２を下降させてから開放し、ホルダ１６の工具取付穴２２に挿入させる（Ｓ３１）。

新しい工具１５がホルダ１６に挿入されたらホルダ１６を冷却手段４４で冷却して保持させる（Ｓ３２）。そして、ホルダ導入手段７０を動作させて新しい工具１５を取り付けたホルダ１６を待機位置３８に戻す。新しい工具１５を取り付けたホルダ１６は、ホルダ搬送手段１１によって待機位置３８からホルダスタンド８の元にあった識別番号のボス４２の位置に戻される（Ｓ３３）。

ホルダ搬送装置１１が新しい工具１５を取り付けたホルダ１６をホルダスタンド８に戻したら、制御装置１４は、識別情報に基づいて、ホルダ搬送装置１１にすでに次の所要の工具１５が取り付けられホルダスタンド８に準備されているホルダ１６をホルダ装着装置１３まで移送させる（Ｓ３４）。そして、ホルダ１６が回収されて空きになっているポット２０に新しい工具１５が取り付けられたホルダ１６を装填する（Ｓ３５）。

それ以後は、１つの工程が終了して工具１５を交換する毎にマガジン５が回動されて、マガジン５に残っている工具１５の中では一番先に使用された使用済の工具１５が取り付けられているホルダ１６がホルダ装着装置１３に受け渡しすることができる位置に戻ってくる（Ｓ２０）。したがって、プログラムされた予定の全ての加工が終了するまで（Ｓ１９）、ステップＳ２３からステップ３５までのプロセスを繰り返して、マガジン５に残る常に使用済の工具を取り付けたホルダ１６を回収するとともに、次の所要の工具１５を取り付けたホルダ１６を自動工具交換装置２に供給する。工作機械の本機の運転中は（Ｓ１）、自動工具取付装置４を動作して、工具取付命令がなくなるまで、工具スケジュールに従って次々に工具１５にホルダ１６を取り付けていく（Ｓ２）。なお、自動パレット交換装置３は、この間、１つの被加工物に対する加工が終了する毎に被加工物を交換している。

このとき、一連の加工で使用される工具１５が工具パレット７からなくなった以後は、ステップＳ２３ないしステップＳ３５までの新しい工具１５を取り付けて自動工具交換装置２に供給するプロセスに代えて、制御装置１４は、戻って来るホルダ１６から使用済の工具１５を取り外した後、工具搬送装置１０には、工具パレット７に工具１５を戻すのみの動作をさせ、ホルダ搬送装置１１には、冷却手段で冷却された後のホルダ１６をホルダスタンド８のそのホルダ１６があった元の位置に搬送させる。

予定された一連の加工が全て終了したら（Ｓ１９）、マガジン５に残るホルダ１６を順次回収する。ホルダ１６が、１個ずつポット２０から回収され、焼嵌め装置６に搬送され、使用済の工具１５が取り外される。なお、加工中に異常が発生したときでも、必ずしも計画された全ての一連の加工を停止させる必要のない異常の場合は、制御装置１４は、不可能になった加工だけをスキップするように、工作機械の本機１、自動工具交換装置２、自動パレット交換装置３、自動工具取付装置４の全ての装置を制御して、無人加工を継続する。

自動工具交換装置２からホルダ１６を回収して、使用済の工具１５を取り外して新しい工具１５を取り付け、ホルダスタンド８から次に必要な工具１５を取り付けたホルダ１６を自動工具交換装置２に供給するまでに要する時間は、図１に示される実施の形態の工作機械で、概ね３分程度である。この時間は、１つの工具１５で位置決めないし加工を行なう時間に比べて十分短い。また、この間に、自動パレット交換装置３によって被加工物が交換される工程が含まれる。したがって、加工中に次の所要の工具１５をホルダ１６に取り付けて準備しておくことができる。そのため、ホルダ１６の供給が中断することがない。

なお、何らかの理由によって、新しい工具１５が取り付けられた次にマガジン５に供給されるべきホルダ１６がホルダスタンド８に残っていない場合は、新しい工具１５を取り付けたホルダ１６を待機位置３８からそのままホルダ搬送装置１１によってホルダ装着装置１３に移送し、空きのポット２０に装填するようにするなど、可能な限り工作機械の運転を休止させないように、適宜プロセスを変更することができる。

以上に説明されるように、実施の形態の工作機械および自動工具交換方法は、加工中にホルダに工具を自動で取り付けて使用される順番に順次自動工具交換装置のマガジンに供給することができる。そのため、人手による作業が減って作業の負担が軽減され、かつ事前に工具を取り付けてマガジンに装填しておくホルダの数が少なく作業効率が向上する。そして、１００本以上の工具を使用する加工でも無人で連続して行なうことができる。また、同数の工具を交換することができる大型の自動工具交換装置を設けたときに比べて、自動工具交換装置の設置面積を小さくすることができる。

また、実施の形態の工作機械および自動工具交換方法は、加工中に使用済の工具を回収して工具を付け替えて再度供給することができ、工具パレットがポットの数よりも多い１００本以上の工具を保管しておくことができる一方、ホルダの数を工具の数よりも十分減らすことができ、ホルダスタンドがポットの数以上かつ工具パレットに保管される工具の数よりも大幅に少ないホルダを保管する構成とすることができる。そのため、ホルダを保管するために要求されるスペースがより小さく自動工具取付装置をさらにコンパクトにすることができ、かつ必要なホルダを減らしてコストを削減することができる。

以上に説明された制御プロセスの具体的な例は、多様な加工の一例を示したものである。本発明における制御プロセスにとって必要なことは、工作機械の本機の運転中、特に位置決め動作を含む加工中に、バックグラウンドで次に必要な工具を使用する順番通りに自動的にホルダに取り付けて自動工具交換装置に事前に次々とセットされ続けるように、自動工具交換装置および自動工具取付装置が制御されることである。したがって、自動工具交換装置および自動工具取付装置の構成や必要となる工具の種類などによって、不要となる工程は取り除かれ、必要となる工程は加えられるべきものであり、本発明は、このような変形された制御プロセスを包含する。

以上に説明される本発明の自動工具取付装置を備えた工作機械および自動工具交換方法は、最良の実施の形態を示したものであるが、具体的かつ詳細な各装置部材およびプロセスは、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、変形、組合せ、置換、付加などによって応用が可能であり、実施の形態に限定されるものではない。例えば、いくつかのセンサを付加的に設けて自動工具交換装置の動作をより正確に行えるようにすることができる。あるいは、制御プロセスの中に正しく取り付けられているかどうかを確認するプロセスを設けたりすることができる。そして、このような変形に関わらず、本発明の効果は十分に達成される。

本発明は、工具をホルダに取り付けてホルダを加工ヘッドのスピンドルに装着し、ホルダを回転させることにより工具を回転させて金属材料でなる被加工物を加工する工作機械に適用される。具体的には、切削機械、研削機械、研磨機械、穴あけ機械、マシニングセンタのようなコンピュータ数値制御装置を具備する工作機械に適用される。本発明は、本発明の技術思想に基づき発明の詳細な説明に開示される手段を用いて実現される。本発明は、工作機械における作業効率が向上するなど多くの利点を有する。

本発明の工作機械の実施の形態の全体の概容を示す平面図である。 本発明の工作機械の実施の形態の自動工具取付装置および自動工具交換装置の部分を示す平面図である。 本発明の工作機械の実施の形態の自動工具取付装置の詳細な構成を示す右側面図である。 本発明の工作機械に用いられる工具および焼嵌め式ホルダの一例を示す断面図である。 本発明の工作機械の実施の形態の自動工具取付装置に用いられる工具パレットおよびホルダスタンドをそれぞれ示す平面図である。 本発明の自動工具交換方法の制御プロセスの一例を示すフローチャートである。 図２に示す自動工具取付装置における工具搬送装置の動作状況を示す平面図である。 図２に示す自動工具取付装置におけるホルダ搬送装置の動作状況を示す平面図である。

符号の説明

２ 自動工具交換装置
４ 自動工具取付装置
５ マガジン
６ 焼嵌め装置
７ 工具パレット（工具保管手段）
８ ホルダスタンド（ホルダ保管手段）
１０ 工具搬送装置
１１ ホルダ搬送装置
１２ 挿脱装置
１３ ホルダ装着装置
１４ 制御装置
１５ 工具
１６ ホルダ
２０ ポット
３０ 加熱手段
３２ 加熱コイル
４０ 工具保管穴（工具保管部）
４２ ボス（ホルダ保管部）
５０，６０ 直動移動装置
５２，６２ ビーム
５４，６４ アーム
５６，６６ ハンド
７０ ホルダ導入手段
７２ ボス
８０ 工具導入手段
８２ ハンド

Claims (3)

1. 自動工具交換装置を備えた工作機械において、工具をホルダに焼嵌めして取り付ける焼嵌め装置と、複数の工具を準備しておく工具保管手段と、工具が取り付けられているかどうかに関わらず前記工具保管手段に準備される工具の数よりも少なく前記自動工具交換装置に装填できる数以上の複数のホルダを保管可能な複数のホルダを準備しておくホルダ保管手段と、前記工具保管手段から所要の工具を取り出して前記焼嵌め装置に搬送し使用済の工具を前記焼嵌め装置から前記工具保管手段に搬送する工具搬送装置と、前記ホルダ保管手段から前記所要の工具に適する工具が取り付けられていないホルダを選択的に取り出して前記焼嵌め装置に搬送し工具が取り付けられているかどうかに関わらず前記ホルダを前記焼嵌め装置から前記ホルダ保管手段の前記ホルダが元にあった位置に搬送し前記使用済の工具を取り付けたホルダを前記自動工具交換装置から前記焼嵌め装置に搬送しかつ前記所要の工具を取り付けたホルダを前記ホルダ保管手段から前記自動工具交換装置に搬送するホルダ搬送装置と、を含む自動工具取付装置を備え、工作機械の本機の運転中に使用される順番に前記所要の工具をその工具に適するホルダに組み合わせて取り付けさせて前記所要の工具を取り付けたホルダを前記ホルダ保管手段の前記ホルダが元にあった位置に搬送させ続けるとともに前記自動工具交換装置において前記使用済の工具を取り付けたホルダが受け渡しできる位置に戻ってきたときに前記使用済の工具を取り付けたホルダを前記自動工具交換装置から前記焼嵌め装置に搬送させて回収し前記使用済の工具を取り付けたホルダから前記使用済の工具を取り外させて前記取り外された工具を前記工具保管手段に搬送させかつ前記所要の工具を取り付けたホルダを使用される順番に前記ホルダ保管手段から前記自動工具交換装置に供給されるように前記自動工具取付装置を制御する制御装置を備えた工作機械。
2. 焼嵌めによって工具をホルダに取り付けて前記工具を取り付けたホルダを自動工具交換装置に供給する工作機械における自動工具供給方法であって、工具保管手段に準備されている複数の工具の中から所要の工具を焼嵌め装置に搬送する第１工程と、工具が取り付けられているかどうかに関わらず前記工具保管手段に準備される工具の数よりも少なく前記自動工具交換装置に装填できる数以上の複数のホルダを保管可能なホルダ保管手段に準備されている複数のホルダの中から前記所要の工具に適するホルダを選択的に取り出して前記焼嵌め装置に搬送する第２工程と、前記焼嵌め装置で前記ホルダを加熱して前記ホルダに前記所要の工具を取り付ける第３工程と、前記所要の工具が取り付けられたホルダを前記ホルダ保管手段の前記ホルダが元にあった位置に戻す第４工程と、前記第１工程から前記第４工程を繰り返して予め設定されている必要な数のホルダに前記工具を取り付けた後に前記所要の工具が取り付けられたホルダを使用される順番に従って前記ホルダ保管手段から前記自動工具交換装置に供給する第５工程と、工作機械の本機を運転中に前記工具保管手段に工具がなくなるまで前記第１工程から前記第４工程までを繰り返す第６工程と、前記自動工具交換装置において前記ホルダが受け渡しできる位置に空きがあるときは使用される順番に従って前記ホルダ保管手段に準備されている前記所要の工具が取り付けられたホルダを前記ホルダ保管手段から前記自動工具交換装置に搬送して装填する第７工程と、前記自動工具交換装置において前記使用済の工具が取り付けられたホルダが受け渡しできる位置に戻ってきたときに前記使用済の工具が取り付けられたホルダを前記自動工具交換装置から前記焼嵌め装置に搬送して回収する第８工程と、前記焼嵌め装置で前記回収したホルダを加熱膨張させて前記使用済の工具を取り外し前記工具保管手段に搬送する第９工程と、前記第６工程から前記第９工程までを繰り返す第１０工程と、を含んでなる自動工具交換方法。
3. 前記第９工程において前記使用済の工具を取り外したホルダが次の未使用の工具に適合するかどうかを判別し、前記使用済の工具を取り外したホルダが前記次の未使用の工具に適する場合は前記第１工程後に前記第２工程と前記第３工程を行なわずに前記使用済の工具を取り外したホルダに前記次の未使用の工具を取り付けて前記第４工程を行なった後前記第１０工程を行ない、前記使用済の工具を取り外したホルダが前記次の未使用の工具に適さないときは前記使用済の工具を取り外したホルダを前記ホルダ保管手段の前記ホルダが元にあった位置に搬送するとともに前記第１０工程を行なうことを特徴とする請求項２に記載の自動工具交換方法。

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