JP4990316B2

JP4990316B2 - 工具交換装置

Info

Publication number: JP4990316B2
Application number: JP2009079961A
Authority: JP
Inventors: 尚一杉山
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2010228063A

Description

本発明は、加工領域をスプラッシュガードによって取り囲まれた工作機械と加工領域の外側に配置された工具マガジンとの間でスプラッシュガードに設けられた開口部を通じて工具交換を行う工具交換装置に関する。

一般に、工作機械の加工領域の周囲は、加工液が周囲に飛散しないように、スプラッシュガードによって覆われている。また、スプラッシュガードには、開閉扉によって開閉可能な開口部が設けられており、加工領域の外側に配置され複数の工具を収容した工具マガジンと工具が装着される工作機械の主軸との間で開口部を通して工具交換装置の工具交換アームによって工具交換が行われる。

従来、この開閉扉を開閉するための開閉ストロークは、工具マガジンに収容される工具のうち最大の工具長又は工具径の工具の交換が可能となるように定められており、交換する工具の工具長や工具径にかかわらず一定となっていた。また、工具交換アームなどによる工具交換動作は、開閉扉が完全に開くのを待って行われていた。さらに、開閉扉が完全に閉じられる前に加工を開始すると、加工液や加工屑が工具マガジン内に侵入してしまうので、加工は開閉扉が完全に閉まるのを待ってから開始されていた。

ところが、近年、加工時間を短縮する要求が高まり、それに伴って、工具交換時間を短縮することも要求されるようになってきた。この要求に応えるために、特許文献１は、シャッター（開閉扉）の開閉ストロークを一定に保ったまま、工具長又は工具径に応じて、工具マガジンから開口部への工具の移動開始のタイミングを変更することによって、工具交換時間を短縮することを提案している。また、特許文献２は、回転アームによる工具移動動作とシャッターの開閉動作とを並行して行わせることにより、工具交換時間を短縮することを提案している。さらに、特許文献３は、カム機構を利用して工具交換アームの運動と同調して側扉（開閉扉）の開閉動作を行わせ、工具交換アームによる工具移動動作と側扉の開閉動作とを並行して行わせることにより、工具交換時間を短縮することを提案している。

特開２００６−９５６６４号公報特開２００７−３００６２号公報特開平７−６０５９６号公報

上記特許文献１〜３に開示の技術では、開閉扉が完全に開かれてから工具の移動を開始させていたことによる工具交換動作の遅れや工具交換動作が終了してから開閉扉を閉じる動作を開始させることによる開閉扉の開閉動作の遅れをなくすことにより工具交換時間を短縮している。しかしながら、これら特許文献１〜３に開示の技術では、工具長や工具径にかかわらず開閉扉の開閉ストロークが一定になっている。このため、工具長や工具径が短い工具を交換する場合でも、開閉扉が最大の工具長又は工具径の工具に合わせた開閉ストロークで開閉することになり、開閉扉の開閉に要する時間が短くならないという問題があった。

本発明は前述の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、工具交換の際の開閉扉の開閉時間の無駄をなくして、加工時間を短縮することにある。

前述の目的を達成するため、本発明によれば、加工領域をスプラッシュガードによって取り囲まれた工作機械と加工領域の外側に配置された工具マガジンとの間でスプラッシュガードに設けられた開口部を通じて工具交換を行う工具交換装置であって、前記開口部を開放及び閉鎖するための開閉扉と、前記開閉扉を駆動して開閉させるとともに、その開閉ストロークを変化させることのできる扉駆動装置と、工具の識別番号と工具長とを対応させる対応表を記憶した記憶装置と、工具の工具長を測定し、前記記憶装置の工具の識別番号から求めた工具長と測定した工具長とを比較し、前記記憶装置に記憶した工具長データに誤りがないかを確認する工具測定装置と、交換される工具のうち長い方の工具の工具長に応じた値を前記開閉扉の開閉ストロークとして設定し、工具交換時、設定した開閉ストロークだけ前記開閉扉を開閉させるように前記扉駆動装置の動作を制御する制御装置と、前記開閉扉が開いているときに、前記開口部を通して、工具マガジンの工具交換待機位置と工具交換位置に位置決めされた前記主軸との間で工具交換を行う工具交換アームとを具備する工具交換装置が提供される。

上記工具交換装置では、開閉扉の開閉ストロークが交換される工具の工具長に応じて変化するので、短い工具長のときには開閉扉の開閉ストロークを短く、長い工具長のときには開閉扉の開閉ストロークを長くでき、開閉扉の開閉動作の無駄をなくすことが可能となる。

本発明によれば、工具長に応じて開閉ストロークを調整できるので、開閉扉の開閉動作の無駄をなくして、工具交換動作待ち時間や加工開始待ち時間を短縮させ、加工時間を短縮させることが可能になる。

本発明による工具交換装置を備えた工作機械の全体構成を示す平面図である。本発明の工具交換装置の記憶装置に記憶される工具対応表の一例を示す説明図である。本発明による第１の実施形態の工具交換装置の開閉扉を示す概略図である。図３の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。本発明による第２の実施形態の工具交換装置の開閉扉を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の工具交換装置の実施の形態を説明する。
最初に、図１を参照して、本発明による工具交換装置１１を備えた工作機械１３の全体構成を説明する。工作機械１３は、例えば横形マシニングセンタであり、工場等の床面に設けられるベッド１５と、ベッド１５上に左右方向（Ｘ軸方向）に移動可能に設けられたコラム１７と、コラム１７上を上下方向（Ｙ軸方向）に移動可能に設けられた主軸頭１９と、主軸頭１９に回転可能に支持された主軸２１と、ベッド１５上を前後方向（Ｚ軸方向）に移動可能なテーブル２３とを備え、主軸２１とテーブル２３とをＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に相対移動させながら主軸２１に装着された工具Ｔでテーブル２３上に固定されたワークＷを加工する。工作機械１３の加工領域は、加工中に加工液や加工屑が加工領域から周囲に飛散することを防止するために、スプラッシュガード２５によって周囲を取り囲まれている。また、加工領域の外側には、工具マガジン２７が配置されている。工具マガジン２７には異なる工具長及び工具径を有した複数の工具Ｔが収容されており、工具交換装置１１によって、工具マガジン２７に収容された工具Ｔと工作機械１３の主軸２１に装着された工具Ｔとを交換できるようになっている。

なお、上記工作機械１３では、コラム１７がベッド１５上をＸ軸方向に、主軸頭１９がコラム１７上をＹ軸方向に、テーブル２３がベッド１５上をＺ軸方向に移動するようになっているが、工作機械１３の主軸２１とテーブル２３は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向に相対移動できるようになっていればよく、工作機械は上記構成に限定されるものではない。

工具交換装置１１は、ガイドレール（図示せず）に沿って移動し工作機械１３と工具マガジン２７との間に位置するスプラッシュガード２５に形成された開口部２９を開放及び閉鎖する開閉扉３１と、開閉扉３１を駆動する扉駆動装置３３と、扉駆動装置３３の動作を制御する制御装置３５と、両端部にグリッパ３７ａ（図４参照）を有した工具交換アーム３７とを備え、開閉扉３１が開いているときに、工具交換アーム３７が旋回軸線３９周りに旋回して、開口部２９を通じて、工具マガジン２７の工具待機位置４１と工具交換位置４３に位置決めされた主軸２１との間で工具Ｔを交換する。このような工具交換アーム３７は周知のものであり、ここでは詳しく説明しない。

なお、図１では、開閉扉３１は、ガイドレールに沿って主軸２１から離れる向きへ移動することにより開口部２９を開放し、ガイドレールに沿って主軸２１に近づく向きへ移動することにより開口部２９を閉鎖するようになっている。また、開閉扉３１が開口部２９の一部のみを開放した状態でも工具交換アーム３７が旋回して工具交換を行えるようにするために、工具交換アーム３７は、加工領域の外側において開口部２９の前側部分（主軸２１に近い側）に隣接して設けられている。

上述したように、工具マガジン２７には、異なる工具長及び工具径の工具Ｔが収容されており、工具長又は工具径にかかわらずに開閉扉３１の開閉ストロークを一定にすると、工具長又は工具径が短いときに開閉動作に無駄が生じて、開閉扉３１が開くまで又は閉じるまでの無駄な待ち時間が生まれる。そこで、本発明では、開閉扉３１の開閉動作の無駄をなくすために、交換される工具Ｔの工具長さ又は工具径に応じて、開閉扉３１の開閉ストロークを変化させるように扉駆動装置３３の動作を制御している。

以下に、本発明の工具交換装置１１による工具交換動作の手順を説明する。
工具交換指令が発せられると、制御装置３５は、主軸２１を図１に点線で示される工具交換位置４３に移動させると共に、主軸２１に装着されている工具Ｔの工具長と工具マガジン２７の工具待機位置４１に配置された工具Ｔの工具長とを比較して、長い方の工具長に応じた値を開閉扉３１の開閉ストロークとして設定する。

主軸２１に装着されている工具Ｔ及び工具待機位置４１の工具Ｔの工具長は、例えば図２に示されるように工具の識別番号と工具長とを対応させる工具対応表４５を記憶装置４７に予め記憶させておき、記憶された工具対応表４５を参照することにより、工具の識別番号から求めることができる。また、加工領域の外側に工具長測定装置（図示せず）を設け、工具待機位置４１に配置された工具Ｔの工具長を測定するようにしてもよい。さらに、記憶装置４７と工具測定装置を両方設け、工具の識別番号から求めた工具長と、工具測定装置によって実際に測定された工具長とを比較し、記憶装置４７に記憶される工具長データに誤りがないかを確認し、誤りがあるときにはアラームを発して工具交換動作を停止させ、これにより工具Ｔと開閉扉３１とが衝突することを防止するようにしてもよい。

開閉ストロークが設定されると、扉駆動装置３３は、制御装置３５によって制御され、設定された開閉ストローク分だけ開閉扉３１を移動させて開口部２９を開放させる。開口部２９が開放されたことが確認されると、制御装置３５は、工具交換アーム３７が上下方向に延びる待機位置から工具交換アーム３７を旋回軸線３９周りに９０°旋回させ、工具交換アーム３７の一端のグリッパ３７ａに工具マガジン２７の工具待機位置４１に配置された工具Ｔを把持させる一方、工具交換アーム３７の他端のグリッパ３７ａに工具交換位置４３に位置決めされた主軸２１に装着された工具Ｔを把持させる。

次に、主軸２１に装着された工具Ｔをグリッパ３７ａに把持した状態で工具交換アーム３７を旋回軸線３９に沿って主軸２１から離れる向きへ移動させることにより、主軸２１に装着された工具Ｔを主軸２１から取り外す。主軸２１から工具Ｔが取り外されると、旋回軸線３９周りにさらに１８０°だけ工具交換アーム３７を旋回させて、工具交換アーム３７の一端のグリッパ３７ａに把持される工具Ｔ（工具マガジン２７の工具待機位置４１に配置されていた工具Ｔ）を主軸２１側に、工具交換アーム３７の他端のグリッパ３７ａに把持される工具Ｔ（主軸２１に装着されていた工具Ｔ）を工具マガジン２７側に移動させた後、工具交換アーム３７を旋回軸線３９に沿って主軸２１へ向かって移動させて、工具交換アーム３７の一端のグリッパ３７ａに把持される工具Ｔ（工具マガジン２７の工具待機位置４１に配置されていた工具Ｔ）を主軸２１に装着させると共に、工具交換アーム３７の他端のグリッパ３７ａに把持される工具Ｔ（主軸２１に装着されていた工具Ｔ）を工具待機位置４１へ移動させて工具マガジン２７に収容させる。

新しい工具Ｔが主軸２１に装着されると、工具交換アーム３７は、旋回軸線３９周りに９０°旋回させられて待機位置に戻り、工具交換動作を終了する。

このようにして工具交換動作が終了すると、扉駆動装置３３は、制御装置３５によって制御され、設定された開閉ストローク分だけ開閉扉３１を移動させて開口部２９を閉鎖させる。

本発明では、このように工具交換の際に、工具長に応じて開閉扉３１の開閉ストロークを変化させるので、開閉扉３１の開閉動作に無駄がなく、開閉扉３１が開かれるまでの工具交換動作開始待ちのための時間や開閉扉３１が閉じられるまでの加工開始待ちのための時間を低減させることができる。したがって、工具交換時間を短縮させることができ、加工時間の低減を可能とさせる。

図３及び図４を参照して、図１に示される工具交換装置１１の扉駆動装置３３の第１の実施の形態について説明する。
本実施の形態の扉駆動装置３３は、制御装置３５によって制御されるモータ４９と、モータ４９の回転を直線運動に変換して開閉扉３１に伝達するための伝動機構５１とにより構成される。モータ４９としてはサーボモータやステッピングモータを使用することができる。また、伝動機構５１としては、ラックピニオン機構やボールねじ機構を使用することができる。図３及び図４に示されている実施の形態では、伝動機構５１としてラックピニオン機構が使用されており、ラック５１ａが開閉扉３１の上部に取り付けられ、このラック５１ａと係合するピニオン５１ｂをモータ４９によって回転させることにより、ガイドレール（図示せず）に沿って開閉扉３１が駆動される。このように扉駆動装置３３としてモータ４９が使用される場合には、開閉扉３１の開閉ストロークとして任意の値を設定することができる。

制御装置３５は、工具交換指令が発せられると、主軸２１を工具交換位置４３に移動させると共に、主軸２１に装着されている工具Ｔの工具長と工具マガジン２７の工具待機位置４１に配置された工具Ｔの工具長とを比較して、長い方の工具長に所定量を加えた値を開閉扉３１の開閉ストロークとして設定する。

例えば交換される工具の工具長が短く、工具長に所定量を加えた値ａに開閉ストロークが設定されると、制御装置３５は、モータ４９を駆動させることにより主軸２１から離れる向きへ開閉扉３１を距離ａだけ移動させて開口部２９の一部のみを開放させ、モータ４９の回転を回転位置検出器（図示せず）で監視することにより開閉扉３１が開閉ストロークａだけ移動したことを確認すると、工具交換アーム３７を旋回軸線３９周りに旋回させ、工具マガジン２７の工具待機位置４１にある工具Ｔと工具交換位置４３に位置する主軸２１に装着された工具Ｔとを交換させる。また、工具交換が終了して、工具交換アーム３７が待機位置に旋回されると、制御装置３５は、モータ４９を逆方向に回転させて開閉扉３１を開閉ストロークａだけ主軸２１へ近づく向きへ移動させ、モータ４９の回転を回転位置検出器で監視することにより開閉扉３１が開閉ストロークａだけ移動して開口部２９が閉鎖されたことを確認すると、加工を開始させる。

一方、交換される工具Ｔの工具長が長く、工具長に所定量を加えた値ｂ（＞ａ）に開閉ストロークが設定されると、制御装置３５は、モータ４９を駆動させることにより主軸２１から離れる向きへ開閉扉３１を移動させて開口部２９の略全体を開放させ、モータ４９の回転を回転位置検出器（図示せず）で監視することにより開閉扉３１が開閉ストロークｂだけ移動したことを確認すると、工具交換アーム３７を旋回軸線３９周りに旋回させ、工具交換を行わせる。また、工具交換が終了して、工具交換アーム３７が待機位置に旋回されると、制御装置３５は、モータ４９を逆方向に回転させて開閉扉３１を開閉ストロークｂだけ主軸２１へ近づく向きへ移動させ、モータ４９の回転を回転位置検出器で監視することにより開閉扉３１がストロークｂだけ移動して開閉扉３１によって開口部２９が閉鎖されたことを確認すると、加工を開始させる。工具交換動作自体は、図１を参照した手順と同じ手順で行われるので、ここでは詳細な説明を省略する。

なお、上記実施の形態では、長い方の工具Ｔの工具長に所定量を加えた値を開閉扉３１の開閉ストロークとして設定しており、開閉ストロークを任意の値に設定できるようにしているが、工具長を幾つかの工具グループに分類し、各工具グループに所属する工具長のうち最大のものよりも大きい値をその工具グループに対応する開閉ストロークとして定めておき、長い方の工具Ｔの工具長が所属する工具グループに対応させて開閉扉３１の開閉ストロークを設定し、開閉ストロークを段階的な値に設定するようにしてもよい。例えば、図２に示されているように、工具番号に対応させて工具長と所属する工具グループとを記憶装置４７に記憶させておき、交換される工具Ｔのうちの長い方の工具Ｔの工具グループに対応する値に開閉ストロークを設定してもよい。

図５を参照して、図１に示される工具交換装置の扉駆動装置の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態の扉駆動装置３３は、ピストン５３ａが３位置以上の複数の位置で停止することができる複数位置停止型シリンダ装置５３によって構成される。例えば、図５に示される実施の形態では、三つの位置で停止することができる３位置停止型シリンダ装置５３が使用されている。また、２位置停止型シリンダ装置を複数用いて、一つの２位置停止型シリンダ装置のピストンの先端に他の２位置停止型シリンダを取り付けることにより、ピストンを三つの位置に停止させることができるようにしてもよい。図５に示されている３位置停止型シリンダ装置５３では、ピストン５３ａの先端が開閉扉３１の後端部（主軸から遠い側の端部）の頂部に固定されており、シリンダ装置５３のピストン５３ａを進退させることにより、ガイドレール（図示せず）に沿って開閉扉３１を駆動する。このように扉駆動装置３３として複数位置停止型シリンダ装置５３が使用されている場合には、予め定められた複数のストローク値の中から選択された値を開閉扉３１の開閉ストロークとして設定することになる。

制御装置３５は、工具交換指令が発せられると、主軸２１を工具交換位置４３に移動させると共に、主軸２１に装着されている工具Ｔの工具長と工具マガジン２７の工具待機位置４１に配置された工具Ｔの工具長とを比較して、予め定められた複数のストローク値の中から、長い方の工具長よりも大きいストローク値の中で最も小さいストローク値を開閉ストロークとして設定する。

例えば交換される工具Ｔの工具長が短く、予め設定されたストローク値の中から、長い方の工具長よりも長いストローク値の中で最も小さいストローク値ａに開閉ストロークが設定されると、制御装置３５は、シリンダ装置５３のピストン５３ａを初期位置から延伸させることにより主軸２１から離れる向きへ開閉扉３１を距離ａだけ移動させて開口部２９の一部のみを開放させ、ガイドレール上に設けられたリミットスイッチ５５ｂによって開閉扉３１が開閉ストロークａだけ移動したことを確認すると、工具交換アーム３７を旋回軸線３９周りに旋回させ、工具マガジン２７の工具待機位置４１にある工具Ｔと工具交換位置４３に位置する主軸２１に装着された工具Ｔとを交換させる。また、工具交換が終了して、工具交換アーム３７が待機位置に旋回されると、制御装置３５は、シリンダ装置５３のピストン５３ａを初期位置に後退させて開閉扉３１を開閉ストロークａだけ主軸２１に近づく向きへ移動させ、ガイドレール上に設けられたリミットスイッチ５５ａによって開閉扉３１が開閉ストロークａだけ移動して開口部２９を閉鎖したことを確認すると、加工を開始させる。

一方、交換される工具Ｔの工具長が長く、予め設定されたストローク値のうち最大のストローク値ｂに開閉ストロークが設定されると、制御装置３５は、シリンダ装置５３のピストン５３ａを初期位置から延伸させることにより主軸２１から離れる向きへ開閉扉３１を距離ｂだけ移動させて開口部２９の略全体を開放させ、ガイドレール上に設けられたリミットスイッチ５５ｃによって開閉扉３１が開閉ストロークｂだけ移動したことを確認すると、工具交換アーム３７を旋回軸線３９周りに旋回させ、工具交換を行わせる。また、工具交換が終了して、工具交換アーム３７が待機位置に旋回されると、制御装置３５は、シリンダ装置５３のピストン５３ａを初期位置に後退させて開閉扉３１を開閉ストロークｂだけ主軸２１に近づく向きへ移動させ、ガイドレール上に設けられたリミットスイッチ５５ａによって開閉扉３１が開閉ストロークｂだけ移動して開口部２９を閉鎖したことを確認すると、加工を開始させる。工具交換自体は、図１を参照した手順と同じ手順で行われるので、ここでは詳細な説明を省略する。

以上、図示される実施の形態に基づいて、本発明の工具交換装置１１を説明したが、本発明の工具交換装置１１は、図示される実施の形態に限定されるものではない。例えば、図示される実施形態では、横形マシニングセンタの主軸２１に装着される工具Ｔを交換する場合を例示しており、工具Ｔを横向き（工具Ｔの長手軸線を水平にした状態）にして交換し、開口部２９を開閉する開閉扉３１が水平方向に移動するので、交換される工具Ｔの工具長に応じて、開閉扉３１の開閉ストロークを変化させている。しかしながら、開閉扉３１の開閉ストロークは、開閉扉３１の移動方向における工具Ｔの寸法に応じて変化するようになっていればよく、開閉扉３１の移動方向と工具Ｔの向きに依存して、工具長に応じて変化させる場合もあれば、工具径に応じて変化させる場合もある。例えば立形マシニングセンタの主軸２１に装着される工具Ｔを交換し、開口部２９を開閉する開閉扉３１が水平方向に移動する場合には、工具Ｔを縦向き（工具Ｔの長手軸線を垂直にした状態）にして交換するので、交換される工具Ｔの工具長ではなく工具径（最大直径）に応じて開閉扉３１の開閉ストロークを変化させるようにさせる。

１１工具交換装置
１３工作機械
２１主軸
２５スプラッシュガード
２７工具マガジン
２９開口部
３１開閉扉
３３扉駆動装置
３５制御装置
３７工具交換アーム
４１工具待機位置
４３工具交換位置
４５工具対応表
４７記憶装置
４９モータ
５３シリンダ装置
Ｔ工具

Claims

加工領域をスプラッシュガードによって取り囲まれた工作機械と加工領域の外側に配置された工具マガジンとの間でスプラッシュガードに設けられた開口部を通じて工具交換を行う工具交換装置であって、
前記開口部を開放及び閉鎖するための開閉扉と、
前記開閉扉を駆動して開閉させるとともに、その開閉ストロークを変化させることのできる扉駆動装置と、
工具の認識番号と工具長とを対応させる対応表を記憶した記憶装置と、
工具の工具長を測定し、前記記憶装置の工具の認識番号から求めた工具長と測定した工具長とを比較し、前記記憶装置に記憶した工具長データに誤りがないかを確認する工具測定装置と、
交換される工具のうち長い方の工具の工具長に応じた値を前記開閉扉の開閉ストロークとして設定し、工具交換時、設定した開閉ストロークだけ前記開閉扉を開閉させるように前記扉駆動装置の動作を制御する制御装置と、
前記開閉扉が開いているときに、前記開口部を通して、工具マガジンの工具交換待機位置と工具交換位置に位置決めされた前記主軸との間で工具交換を行う工具交換アームと、
を具備することを特徴とした工具交換装置。