JP5395416B2 - 工作機械、および工具ホルダの取り付け状態の判定方法 - Google Patents

工作機械、および工具ホルダの取り付け状態の判定方法 Download PDF

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Description

本発明は工作機械に関し、特に、工具ホルダが工具ポットに対して正規の向きに装着されているかどうかを判定できる工作機械、および工具ホルダの取り付け状態の判定方法に関する。
従来、工具交換装置を有する工作機械において、主軸に装着した工具が基準面に対して密着して装着されているかどうかを確認する工具装着確認装置が知られている(例えば、特許文献1)。
また、工具交換装置を有する工作機械において、マガジンに収納された工具をマガジンから外部の手動工具交換位置に一旦引き出して、作業者が工具を手動で交換することができるようにした工具交換装置も知られている(例えば、特許文献2)。
特開2001−259906号公報 特開2003−71673号公報
しかしながら、特許文献1に開示された技術では、主軸に装着した工具の密着性を確認するものであり、主軸に装着される以前にマガジン内で工具が正規に保持されているかどうかを確認するという着想は存在しなかった。
このため、例えば、マガジンに工具ポットを装着して、この工具ポットに工具ホルダを介して工具を装着するような場合において、作業者が介在したことにより工具ポットに対して工具ホルダが正しく装着されていないようなときには、工具をマガジンから主軸まで搬送する途中や工具交換アーム(旋回アーム)に受け渡す際に、工具を保持した工具ホルダが工具ポットから抜け落ちてしまったり、うまく受け渡すことができなかったりして工具交換に支障をきたすという問題があった。
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、工具ホルダを工具ポットに装着した場合における工具ホルダの装着作業が正しく行なわれたかどうかを判定して、確実な自動工具交換動作を実現することができる工作機械、および工具ホルダの取り付け状態の判定方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明の請求項1に係る工作機械は、主軸と、工具を保持した工具ホルダを工具ポットに装着して収納するマガジンと、このマガジンと前記主軸との間で前記工具を交換可能な工具交換装置と、を有する工作機械であって、前記工具ホルダを前記工具ポットに装着した状態で、前記工具ホルダの外表面に設けられた位置情報の目印となる被検出部が、予め定められた被検出位置に存在するかどうかを検出する検出手段と、この検出手段の検出情報に基づいて、前記工具ホルダが前記工具ポットに対し正規の向きに装着されているかどうかを判定する判定手段と、を備え、前記被検出部は、前記工具ホルダの外表面一箇所に形成された被検出穴であり、前記被検出位置は、前記工具ホルダが前記工具ポットに対し正規の向きに装着されているときの前記被検出穴の位置であり、前記検出手段は、前記工具ホルダの外表面に対して前記被検出穴の深さ方向の寸法を計測することで、前記被検出穴が前記被検出位置に存在するかどうかを検出すること、を特徴とする。
このように、本発明の請求項1に係る工作機械においては、例えば、作業者が介在して前記工具ホルダを手動で前記工具ポットに装着した場合には、当該工具ホルダが正規の向きに装着されているかどうかを判定するようにしたことで、工具ホルダが工具ポットに対して逆付けされ強固に保持されていないようなときには、作業者に警告したり、工作機械の以降の動作を一旦停止させ手作業者に注意を喚起したりすることができる。
このため、作業者が介在する交換作業が正しく行なわれたかどうかを目視ではなく機械的に判定することで、作業者による人的ミスを回避してその後の自動工具交換装置による確実な工具交換を実現することができる。
そして、工具ホルダが工具ポットに正しく装着されたことを判定して作業者による人的ミスを回避することで、工具をマガジンから主軸まで搬送する途中や工具交換アームに受け渡す際に、工具を保持した工具ホルダが工具ポットから抜け落ちてしまったり、うまく受け渡すことができなかったりして工具交換に支障をきたすことが防止できる。
このようにして、本発明は、作業者が介在した作業が正しく行なわれたかどうかを判定して、確実な自動工具交換動作を実現することができる。
本発明の請求項2に係る発明は、請求項1に記載の工作機械であって、前記工具ホルダは、HSKホルダであり、前記被検出部は、バランス穴であこと、を特徴とする。
かかる構成によれば、前記HSKホルダ(いわゆる2面拘束式中空テーパシャンクの工具ホルダ(ISO12164−1、DIN69893号規格))に形成されたバランス穴を被検出部として利用することで、別途被検出部を形成する加工等をする必要がないので、製作工数を削減することができる。
本発明の請求項3に係る発明は、請求項2に記載の工作機械であって、前記検出手段は、位置検出センサ付きの往復移動シリンダであること、を特徴とする。
かかる構成によれば、位置検出センサ付きの往復移動シリンダを工具ホルダの外表面に当接させることで、往復移動シリンダの移動量や移動位置等からバランス穴の深さ方向の寸法を容易に計測することができ、前記バランス穴が前記被検出位置に存在するかどうかを確実に検出することが可能となる。
本発明の請求項4に係る発明は、主軸と、工具を保持した工具ホルダを工具ポットに装着して収納するマガジンと、このマガジンと前記主軸との間で前記工具を交換可能な工具交換装置と、を備えた工作機械における工具ホルダの取り付け状態の判定方法であって、前記工具ホルダを前記工具ポットに装着した状態で、前記工具ホルダの外表面に形成されたバランス穴が、予め定められた被検出位置に存在するかどうかを検出して、前記工具ホルダが前記工具ポットに対して正規の向きに装着されているかどうかを判定することを特徴とする。
かかる構成によれば、例えば、工具ホルダが工具ポットに対して逆付けされ強固に保持されていないような場合には、作業者に警告したり、工作機械の以降の動作を一旦停止させ手作業者に注意を喚起したりすることができる。
このため、例えば、作業者が介在する交換作業が正しく行なわれたかどうかを機械的に判定することで、作業者による人的ミスを修正してその後の自動工具交換装置による確実な工具交換を実現することができる。
本発明に係る工作機械および工具ホルダの取り付け状態の判定方法は、例えば、作業者が介在して工具ホルダを工具ポットに装着した場合における工具ホルダの装着作業が正しく行なわれたかどうかを判定して、確実な自動工具交換動作を実現することができる。
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
参照する図面において、図1は本発明の実施形態に係るマシニングセンタの全体構成を説明するための正面図であり、図2(a)は本発明の実施形態に係るマシニングセンタの工具交換装置を説明するための部分斜視図であり、(b)は工具の収納状態を示す部分平面図である。
本発明の実施形態に係るマシニングセンタ1は、図1に示すように、ベース10上に立設されたコラム11と、コラム11に対して上下方向に移動自在に配設された主軸ヘッド12と、主軸ヘッド12に対し回転可能に支持された主軸13と、複数の工具Tを収納するリニア式のマガジン2と、マガジン2と主軸13との間で自動工具交換可能な工具交換装置3と、作業者が手動で工具Tを交換できるように設けられた手動工具交換装置4と、工具交換装置3および手動工具交換装置4の動作を制御する制御装置9と、を備えている。
なお、本発明に係る工作機械の一例として、横型のマシニングセンタ1について説明するが、これに限定されるものではなく、工具交換装置を有し、工具ホルダを工具ポットに装着してマガジンに収納し、作業者が介在して工具交換可能な構成を備えたものであれば、縦型のマシニングセンタでもよいし、マシニングセンタでなくても、トランスファマシン、その他の汎用または専用加工機でも同様に適用することができる。
マガジン2は、図2(a)に示すように、直線状に配列された櫛歯形状の溝部21に工具Tを保持して収納する。
具体的には、工具Tは、図2(b)に示すように、工具ホルダであるHSKホルダ5に装着され(図3を併せて参照)、HSKホルダ5が工具ポット6に装着された状態で、マガジン2に収納されている。つまり、マガジン2は、櫛歯形状を呈し、溝部21に工具ポット6が脱着自在にはめ込まれて装着され、この工具ポット6にHSKホルダ5が装着された工具Tを装着できるように構成されている。
そして、マガジン2と主軸13との間で工具交換を行なう際には、図1に示すように、HSKホルダ5を介して工具Tが装着された工具ポット6を主軸13の上方位置まで工具交換装置3により搬送して制御装置9により自動で工具交換を行なう。
なお、本実施形態においては、リニア式のマガジン2を採用したが、これに限定されるものではなく、工具ポットに工具ホルダを介して工具を収納することが可能であれば、円盤形状のマガジンを採用することもできる。
続いて、工具ポット6にHSKホルダ5が正しく装着された状態について、図3から図5を参照しながら説明する。
図3(a)は工具ホルダを工具ポットに装着する状態を示す斜視図であり、(b)は工具ホルダと工具ポットの構成を示す断面図である。図4は、工具ホルダを工具ポットに装着した状態を示す図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。図5は、工具ホルダを工具ポットに装着した状態を示す図4(b)の断面図であり、(a)はA−A断面図、(b)はB−B断面図である。
HSKホルダ5は、図3(a),(b)に示すように、工具ポット6(および主軸ヘッド12(図1参照))に引き込まれて固定される中空のテーパシャンク部51と、工具T(図2(b))を保持するホルダ部52と、中間の鍔部53′の外周面において180度離れた2箇所に形成された一対のATC用キー溝53,53と、深いドライブ溝54Hおよび浅いドライブ溝54Lと、を備えている。そして、ATC用キー溝53,53のうち一方のキー溝53(図3(a)における左側、主軸方向の前から見て右側のキー溝53)に回転バランスを調整するためのバランス穴53aがキー溝53の底面よりもさらに深く凹設されている。
工具ポット6は、図3(b)に示すように、HSKホルダ5の中空のテーパシャンク部51に適合するテーパ形状部61aが形成されたホルダ部61と、鋼球Bを介して内蔵されたスプリング62aにより引き込むようにHSKホルダ5を押圧してクランプするクランプ部62と(図5(b)参照)、HSKホルダ5の深いドライブ溝54Hと係合させて位置決めする係合ピン63aを有する係合部材63と、を備えている。
ホルダ部61の外表面である外周面にはスリット61bが形成されている。そして、このスリット61bに沿ってマガジン2に形成された櫛歯形状の溝部21の両側の歯がはめ込まれることで、工具ポット6が脱着自在にマガジン2に装着されている(図2(a)参照)。
工具ポット6にHSKホルダ5を正しく装着するには、図3(a)に示すように、HSKホルダ5に形成された深いドライブ溝54Hと工具ポット6に固定された係合ピン63aとが係合するように位置合わせをする。このように正しく装着された場合には、図5(b)に示すように、HSKホルダ5に形成された突き当て面5aと工具ポット6に形成された突き当て面6aとが接合するため、HSKホルダ5は、がたつくことなく安定して工具ポット6に保持される(図4,図5参照)。
ところが、作業者が誤って装着した場合には、図6に示すように、HSKホルダ5が180度逆向きに装着(逆付け)された状態となる。図6は工具ホルダを工具ポットに誤って装着した状態を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
逆付けされた場合には、図6(a)に示すように、HSKホルダ5に形成された浅いドライブ溝54Lと工具ポット6に固定された係合ピン63aとが係合して装着された状態となる。このように誤ってHSKホルダ5が逆付けされた場合には、図6(b)に示すように、浅いドライブ溝54Lが係合ピン63aに乗り上げた状態となり、HSKホルダ5に形成された突き当て面5aと工具ポット6に形成された突き当て面6aとの間に隙間δが生じる。
従来、作業者はHSKホルダ5の向きを誤らないように注意して装着し、目視にて隙間δがあるかどうかを確認していたが、人的作業には完全を期しがたい場合がある。
このため、HSKホルダ5は、HSKホルダ5のテーパシャンク部51と工具ポット6のテーパ形状部61aとが密着しない不安定な状態で工具ポット6に装着されると、工具Tをマガジン2から主軸13まで搬送する途中や旋回アーム33に受け渡す際に、工具Tを保持したHSKホルダ5が工具ポット6から抜け落ちてしまったり、うまく受け渡すことができなかったりして、工具交換に支障きたす事態が生じるおそれがある。
工具交換装置3は、図1に示すように、工具Tを把持する工具ローダ31と、工具ローダ31をマガジン2と主軸ヘッド12の上方位置(工具交換位置)との間で往復移動させる往復移動機構32と、工具ローダ31と主軸ヘッド12との間で工具Tを受け渡す旋回アーム33と、を備えている。
そして、工具交換装置3は、制御装置9により、主軸ヘッド12が所定の上方位置(工具交換位置)にある場合において、マガジン2と主軸13との間で工具交換ができるように制御されている。
工具ローダ31は、図2(a)に示すように、工具Tを把持する爪部31aと、爪部31aを昇降させる昇降装置31bと、昇降装置31bを回転可能に支持する回転装置31cと、レール32a上を走行するサドル31dと、を備えている。
そして、回転装置31cは、工具Tを把持した状態で主軸13の上方の工具交換位置まで工具ローダ31を移動させることで、カム部31eに係合される回転カム(不図示)により、昇降装置31bを90度回転させて工具Tを主軸13(図1)の軸線方向に移動することができるように構成されている。
往復移動機構32は、図2(a)に示すように、工具ローダ31を支持するレール32aと、往復移動方向に配設されたボールねじ32bと、ボールねじ32bに螺入されサドル31dに固定されたナット32cと、ボールねじ32bを回転させる駆動装置32dと、を備えている。
旋回アーム33は、図1に示すように、主軸13の上方に配設され、主軸13の上方位置の工具交換位置まで搬送された工具ローダ31と主軸13との間で工具Tを受け渡す旋回動作を行なうように制御されている。
手動工具交換装置4は、図1に示すように、交換する工具Tを工具ローダ31との間で受け渡しするための工具受け部41と、工具受け部41を下死点位置P1と上死点位置P2との間で自在に昇降させる昇降装置42と、を備えている。
そして、下死点位置P1で作業者が手作業で工具Tを交換し、上死点位置P2で工具ローダ31との間で工具Tの受け渡しを行なう。
昇降装置42は、工具受け部41を昇降自在に支持するレール42aと、ベース10に対して伸縮移動するシリンダロッド42bの先端に回転自在に固定されたスプロケット42cと、スプロケット42cを昇降自在に軸支するブラケット42dと、ベース10に立設された支柱42eと工具受け部41とをスプロケット42cを介して連結するチェーン42fと、を備えている。
かかる構成により、手動工具交換装置4は、作業者が下死点位置P1において、手動で工具Tを交換した後に、昇降装置42により上死点位置P2まで上昇させ、上死点位置P2で工具ローダ31に工具Tを受け渡し、工具交換装置3を介して主軸13に工具を装着することができる。
ここで、手動工具交換装置4は、図1に示すように、上死点位置Pに対応する固定位置、例えば、マガジン2の左端位置にブラケット8aを介して固定され、上死点位置P2においてHSKホルダ5の外周面に設けられたバランス穴53aが所定の被検出位置に存在するかどうかを検出する位置検出センサ付きの往復移動シリンダ8を備えている。
そして、制御装置9は、HSKホルダ5が正規の向きに装着されているかどうかを判定する判定手段を備えている。さらに、HSKホルダ5が正規の向きに装着されていない場合には、作業者が起動ボタン9aを押しても工具交換装置3が起動しないようにプログラミングされている。
位置検出センサ付きの往復移動シリンダ8は、例えば、磁界の変化を検出して移動ストロークを計測する磁気センサ付きのエアシリンダ等を採用して、被検出位置に存在するバランス穴53a(正しく装着した場合)、またはバランス穴53aよりも浅い他方のキー溝53(図3(a)における右側、主軸方向の前から見て左側のキー溝53)の深さを計測することで(誤って装着した場合)、被検出位置にバランス穴53aが存在するか否かで、HSKホルダ5が正規の向きに装着されているかどうかを判定することができる。
具体的には、被検出位置にバランス穴53aが存在する場合(正しく装着した場合)には、図7(a)に示すように、往復移動シリンダ8は長いストロークを検出し、被検出位置にバランス穴53aが存在しない場合(誤って装着した場合)には、図7(b)に示すように、往復移動シリンダ8は正しく装着した場合よりも短いストロークを検出する。このため、往復移動シリンダ8の移動ストロークを検出することで、HSKホルダ5が正規の向きに装着されているかどうかを判定することができる。
ここで、所定の被検出位置とは、本実施形態においては、工具ポット6に対してHSKホルダ5を正しく装着した場合における被検出部であるバランス穴53aが存在する位置をいう。
そして、往復移動シリンダ8は、この所定の被検出位置を計測できるように、図1におけるHSKホルダ5の右側面に存在するバランス穴53a(正しく装着した場合)、またはバランス穴53aのないキー溝53(誤って装着した場合)の位置に対面するように配設されている。
続いて、本発明の実施形態に係るマシニングセンタ1の動作について、主として図1を参照しながら説明する。
マシニングセンタ1で加工している際に、工具Tが破損または磨耗した場合、或いはマガジン2に戻された使用済みの古い工具Tを新しい工具Tに取り替える場合等において、作業者は手動工具交換装置4を使用して、手動で古い工具Tを新しい工具Tに交換することができる。
具体的には、手動工具交換装置4の工具受け部41を上死点位置P2で待機させた状態で、工具交換装置3により、主軸13に装着された、或いはマガジン2に収容されている古い工具Tを上死点位置P2に待機させた工具受け部41まで搬送する。
そして、作業者は、手動工具交換装置4を操作して、手動で古い工具Tを新しい工具Tと交換する。作業者が工具Tを交換する際には、古い工具Tが装着されたHSKホルダ5を工具ポット6から抜き出して、図3(a)に示すように、空の工具ポット6に新しい工具Tが装着されたHSKホルダ5を装着する。作業者が工具Tの交換を終えると、工具受け部41を上死点位置P2まで上昇させその位置で待機させる。
このようにして、手動工具交換装置4による工具Tの交換作業を完了してから、マシニングセンタ1の起動ボタン9aを押して、工具交換装置3により新しい工具が装着された工具受け部41と主軸13またはマガジン2との間で工具交換が自動で工具交換が行なわれる。
ここで、作業者が起動ボタン9aを押すと、制御装置9により、新しい工具Tを工具ローダ31が取りに行く前に往復移動シリンダ8が前進して、HSKホルダ5が工具ポット6に正規の向きに装着されているかどうかを判定する。
そして、HSKホルダ5が工具ポット6に正規の向きに装着されていると判定された場合には、工具交換装置3を起動させて、新しい工具Tを工具ローダ31が受け取りに行って工具交換位置或いはマガジン2の所定の場所へ搬送する。
一方、HSKホルダ5が工具ポット6に誤って装着されていると判定された場合には、作業者に警告し、作業者により再度交換作業が行なわれて、正規の向きに装着されていると判定されるまで、工具交換装置3が起動しないように動作する。
このように、本発明の実施形態に係るマシニングセンタ1は、作業者が介在してHSKホルダ5を手動で工具ポット6に装着した場合には、HSKホルダ5が正規の向きに装着されているかどうかを判定するようにしたことで、例えば、HSKホルダ5が工具ポット6に対して逆付けされ強固に保持されていないような場合には、作業者に警告したり、工作機械の以降の動作を一旦停止させ手作業者に注意を喚起したりすることができる。
このため、作業者が介在する交換作業が正しく行なわれたかどうかを機械的に判定することで、作業者による人的ミスを回避してその後の工具交換装置3による確実な工具交換を実現することができる。
そして、HSKホルダ5が工具ポット6に正しく装着されたことを判定して作業者による人的ミスを回避することで、工具Tをマガジン2から主軸13まで搬送する途中や旋回アーム33に受け渡す際に、工具Tを保持したHSKホルダ5が工具ポット6から抜け落ちてしまったり、うまく受け渡すことができなかったりして工具交換に支障をきたすことが防止できる。
このようにして、本発明の実施形態に係るマシニングセンタ1は、作業者が介在した作業が正しく行なわれたかどうかを判定して、確実な自動工具交換動作を実現することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した各実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、検出手段として、接触式の位置検出センサを用いたがこれに限定されるものではなく、他のセンサでもよく、光センサ等の光学検出装置で例えば反射光を検出するものであってもよい。そして、検出手段の配設位置も被検出部の対象や位置に応じて適宜設定し、適切な場所に配設することができる。
本発明の実施形態に係るマシニングセンタの全体構成を説明するための正面図である。 (a)は本発明の実施形態に係るマシニングセンタの工具交換装置を説明するための部分斜視図であり、(b)は工具の収納状態を示す部分平面図である。 (a)は工具ホルダを工具ポットに装着する状態を示す斜視図であり、(b)は工具ホルダと工具ポットの構成を示す断面図である。 工具ホルダを工具ポットに装着した状態を示す図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。 工具ホルダを工具ポットに装着した状態を示す図4の断面図であり、(a)はA−A断面図、(b)はB−B断面図である。 本発明の第2実施形態に係る動作方向変換機構の主要部の構成を示す図であり、(a)は平面図であり、(b)は側面図である。 検出手段で被検出位置を計測する状態を模式的に示す図であり、(a)は工具ホルダが正しく装着された場合、(b)は誤って装着された場合を示す。
符号の説明
1 マシニングセンタ
2 マガジン
3 工具交換装置
4 手動工具交換装置
5 HSKホルダ(工具ホルダ)
6 工具ポット
8 往復移動シリンダ(検出手段)
9 制御装置
12 主軸ヘッド
13 主軸
53a バランス穴(被検出部)
T 工具

Claims (4)

  1. 主軸と、工具を保持した工具ホルダを工具ポットに装着して収納するマガジンと、このマガジンと前記主軸との間で前記工具を交換可能な工具交換装置と、を有する工作機械であって、
    前記工具ホルダを前記工具ポットに装着した状態で、
    前記工具ホルダの外表面に設けられた位置情報の目印となる被検出部が、予め定められた被検出位置に存在するかどうかを検出する検出手段と、
    この検出手段の検出情報に基づいて、前記工具ホルダが前記工具ポットに対し正規の向きに装着されているかどうかを判定する判定手段と、を備え、
    前記被検出部は、前記工具ホルダの外表面一箇所に形成された被検出穴であり、
    前記被検出位置は、前記工具ホルダが前記工具ポットに対し正規の向きに装着されているときの前記被検出穴の位置であり、
    前記検出手段は、前記工具ホルダの外表面に対して前記被検出穴の深さ方向の寸法を計測することで、前記被検出穴が前記被検出位置に存在するかどうかを検出すること、
    を特徴とする工作機械。
  2. 前記工具ホルダは、HSKホルダであり、
    前記被検出部は、バランス穴であこと、
    を特徴とする請求項1に記載の工作機械。
  3. 前記検出手段は、位置検出センサ付きの往復移動シリンダであること、
    を特徴とする請求項2に記載の工作機械。
  4. 主軸と、工具を保持した工具ホルダを工具ポットに装着して収納するマガジンと、このマガジンと前記主軸との間で前記工具を交換可能な工具交換装置と、を備えた工作機械における工具ホルダの取り付け状態の判定方法であって、
    前記工具ホルダを前記工具ポットに装着した状態で、
    前記工具ホルダの外表面に形成されたバランス穴が、予め定められた被検出位置に存在するかどうかを検出して、前記工具ホルダが前記工具ポットに対して正規の向きに装着されているかどうかを判定することを特徴とする工具ホルダの取り付け状態の判定方法。
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