JP6444845B2

JP6444845B2 - 工具洗浄装置

Info

Publication number: JP6444845B2
Application number: JP2015219208A
Authority: JP
Inventors: 大輔上西
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2035-11-09
Also published as: CN106681280B; DE102016120824B4; US20170129064A1; CN106681280A; DE102016120824A1; JP2017087333A

Description

本発明は、主軸に工具を着脱する工具交換装置を備える工作機械における工具洗浄装置に関する。

工具交換装置を備えた工作機械では、工具交換指令に基づいて、工具交換装置が主軸に取り付ける工具を自動的に交換する。工具は刃と該刃を保持するホルダ部で構成され、そのホルダ部のテーパ部を、主軸端面に形成されたテーパ形状の挿入穴に挿入し嵌合させることによって主軸に取り付けられる。しかし、工具（ホルダ部）のテーパ部に切粉等の異物が付着しているような場合、主軸と工具のテーパ部の間に異物が噛みこまれることによって、工具振れを引き起こし、加工不良が生じる。特に、縦型小型マシニングセンタなどの小さな工作機械では、工具交換装置としてタレット方式が用いられることが一般的である。このタレット方式の場合、待機する工具が工作機械の内部に存在するために、加工によって発生する切粉がタレットの隙間から入り込んで工具に付着する。工具のテーパ部に付着した切粉が、主軸と工具のテーパ部の間に介在し、工具振れを引き起こす。そのため、特許文献１、２等に示されるように、洗浄ノズルを設けて、工具を主軸に装着する際に、クーラント液やエアブローを工具に噴射し、工具のテーパ部等の主軸との接合面に付着した切粉等を除去した後、主軸に工具を取り付けるようにした種々の方法がとられている。

特開２００２−２７３６４０号公報特開２００９−２３３７７２号公報

従来の工具洗浄は、工具を主軸へ装着する際に、主軸の内部又は外部からクーラント液等を噴射して、工具のテーパ部等を洗浄し、工具の主軸との接合面から切粉を除去するものである。一方、図１に示すようなキャプト規格やＨＳＫ規格等の工具では、クランプ機構によって工具を主軸にクランプするための特殊形状の空洞が工具のテーパ部の内側に設けられている。そのため、タレット方式のように機内に工具交換装置を備える工作機械においては、工具のテーパ部の内側の空洞部に切粉が堆積する可能性がある。また、縦型小型マシニングセンタでは、主軸に工具を装着する際、工具のテーパ部の空洞は重力方向で開口部が上向きとなることから、工具のテーパ部等を洗浄するために噴射したクーラント液と共に、テーパ部の内側の空洞に切粉が付着する可能性がある。さらには、テーパ部を洗浄したものの重力によって、再びテーパ部の内側の空洞に切粉が堆積する可能性がある。そして、切粉がこのテーパ部内側の空洞に付着、堆積すれば、クランプ不良が発生し、加工不良となる可能性がある。そのため、タレット方式の縦型小型マシニングセンタではＢＴ規格よりも高剛性なキャプト規格やＨＳＫ規格の工具の採用による安定加工が困難であった。

そこで、本発明は、工具のテーパ部内側に設けられた空洞部の洗浄が可能な工具洗浄装置を提供することにある。

本願の請求項１に係る発明は、数値制御装置で制御され、主軸に工具を着脱する工具交換装置を備えた工作機械に用いられる工具洗浄装置であって、工具交換装置に装着され、工具交換位置とは異なる場所で、工具交換の直前に、前記工具交換装置の工具収容部に収容した工具のテーパ部内側にクーラント液またはエアブローを噴射して、工具を洗浄するノズルを有し、前記数値制御装置が実行する加工プログラムの工具交換指令は交換する工具の工具番号と次に主軸に装着する洗浄すべき工具の工具番号を引数として記述されて構成され、前記数値制御装置は、工具交換後、前記工具交換指令で指定された次に主軸に装着する工具を前記ノズルと対向する位置に移動させ、前記加工プログラムを先読みし、現在の加工位置より次に指令される前記工具交換指令までの加工時間を加工プログラムで指令されている移動量とその移動の指令速度によって次の工具交換までの残時間を求め、該残時間が、工具を洗浄する工具洗浄時間と工具洗浄後に主軸に装着されている工具を受け取る前記工具収容部の保持部を主軸位置に戻すのに必要な戻し時間とを合計した工具洗浄復帰時間に達したとき、次に主軸に装着する工具の洗浄を開始することを特徴とする工具洗浄装置である。請求項２に係る発明は、前記工具交換装置の前記工具収容部を、工作機械の送り軸や主軸から独立した回転軸で旋回されるタレットで構成したものとした。

請求項３に係る発明は、前記数値制御装置には、前記戻し時間は、主軸に装着した工具と次に装着する工具を保持する前記工具収容部の保持部の位置関係ごとに設定されると共に、前記工具洗浄時間も設定記憶され、設定記憶された前記工具洗浄時間に現在主軸に装着されている工具と次に装着する工具で決まる前記戻し時間を加算して工具洗浄復帰時間を求める請求項１に記載の工具洗浄装置である。また、請求項４に係る発明は、前記戻し時間は、前記工具収容部の１つの保持部位置が主軸位置に対向する位置から、他の保持部位置を主軸位置に対向する位置に移動されるのに要する時間のうち最大の時間とし、該戻し時間に工具洗浄時間を加算した時間を工具洗浄復帰時間として設定する請求項１に記載の工具洗浄装置である。

キャプト規格やＨＳＫ規格等の工具のテーパ部内側に設けられた空洞が洗浄され、切粉等が除去されるから、主軸に工具を装着する際、クランプ不良の発生を防止できる。

テーパ部内側に空洞を有する工具のホルダ部の例としてのキャプト規格の工具ホルダの説明図である。本発明の第１の実施形態の工具洗浄装置を備える工作機械の説明図である。本発明の第２の実施形態の工具洗浄装置を備える工作機械の説明図である。各核実施形態における洗浄処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
本発明の工具洗浄装置は、工具ホルダのテーパ部の内側に、主軸に工具（工具ホルダ）を取付るためのクランプ用の空洞を有する工具ホルダ（キャプト規格やＨＳＫ規格の工具ホルダ）を洗浄対象とするものである。図１は、テーパ部内側に空洞を有する工具ホルダの例としてのキャプト規格の工具ホルダ１の説明図である。（ａ）は正面図、（ｂ）は中心断面図である。工具ホルダ１はテーパ部２と刃取り付け部３で構成され。刃取り付け部３に工具が取り付けられ、テーパ部２を主軸に設けられたテーパ穴に嵌合させて主軸に取り付ける。このテーパ部２の内側には、該工具を主軸に取り付けるためのクランプ機構に用いられるクランプ用の特殊形状の空洞４が設けられている。本発明は、この空洞４に切粉が付着、堆積するともクランプ不良が発生する可能性があることから、この空洞の洗浄ができる工具洗浄装置を提供するものである。

図２（ａ）は、本発明の第１の実施態様の工具洗浄装置を備えた工作機械の概要正面図であり、図２（ｂ）は、その側面図である。また、図２（ｃ）は、工具洗浄装置の洗浄装置、ノズル、及び主軸に取り付けた工具と次に使用する工具の洗浄位置を説明する説明図であり、図２（ａ）からタレットを除いた状態で示す説明図であり、図２（ｄ）はその側面図である。

符号１０は工作機械、１１は工具交換装置のタレット、１２はベッド、１３はサドル、１４はテーブル、１５はコラムであり、タレット１１は、テーブル１３や主軸１６を移動させる送り軸や主軸の回転させる回転軸から独立している軸によって旋回できるタイプである。また、ＣＮＣ（コンピュータ制御の数値制御装置）で工作機械及び工具交換装置は制御されるものである。これらの構成は、従来から周知のタレット方式の工具交換装置を有するＣＮＣ工作機械の構成と同一である。

従来と相違する点は、工具交換装置に工具洗浄装置が装着されている点である。図２に示すように、タレット１１の裏側に工具（ホルダ部）のテーパ部内側に設けられた空洞を洗浄するための工具洗浄装置及びカバー１７が設けられている点で従来と相違する。工具洗浄装置は、洗浄装置２０とノズル２１で構成されている。この実施形態では、工具交換装置の工具収容部としてタレット１１が用いられ、該タレット１１に１〜２１の番号が付されているように、タレット周辺には、工具収容部として、工具を保持する２１個のグリップ（工具保持部）を備えており、図２（ｃ）に示されるように、ノズル２１は、主軸と対向するグリップの位置（工具交換位置）より１グリップ位置ずれたグリップ位置を工具洗浄位置とし、この位置の工具に向けてクーラント液やエアブローを噴射するよう配置されている。図２おいて、１ａは主軸１６に取り付けられた工具であり、１ｂは、主軸と対応するグリップの位置（工具交換位置）より１グリップ位置ずれたグリップ位置（工具洗浄位置）の工具を示す。また、１ａ’、１ｂ’は、各工具１ａ、１ｂに取り付けられている刃である。工具洗浄装置のノズル２１は、主軸と対向するグリップ位置（工具交換位置）より１グリップ位置ずれた位置のグリップで保持された工具１ｂのテーパ部内側に設けられた空洞に向けられており、この空洞にクーラント液又はエアブローを噴射して、空洞を洗浄するように構成されている。

図３は、本発明の第２の実施形態の説明図である。図３（ａ）は、本発明の第２の実施態様の工具洗浄装置を備えた工作機械の概要正面図であり、図３（ｂ）は、その側面図である。また、図３（ｃ）は、工具洗浄装置の洗浄装置、ノズル、及び主軸に取り付けた工具と次に使用する工具の洗浄位置を説明する説明図であって、図３（ａ）からタレットを除いた状態で示す説明図である。図３（ｄ）はその側面図である。

この第２の実施形態は、工具洗浄装置のノズルの噴射位置及び向きが第１の実施形態と相違するのみである。この第２の実施形態では、主軸位置（工具交換位置）より約１８０度位相のずれた位置を工具洗浄位置とされ、該位置のグリップで保持される工具の空洞を洗浄するようにしたもので、ノズル２１は、上方に向けられ、主軸位置（工具交換位置）より約１８０度位相のずれた位置のグリップで保持される工具１ｂの空洞に向けてクーラント液若しくはエアブローを噴射して該空洞を洗浄するようにしている。

第１の実施形態においては、工具洗浄位置では工具のテーパ部内側の空洞４の開口は上向きであり、空洞内の切粉等に下向きの重力が加わることから、ノズル２１から噴射されるクーラント液やエアブローの勢いが小さいときなど切粉が空洞に残る可能性がある。しかし、第２の実施形態においては、工具洗浄位置では工具のテーパ部内側の空洞４の開口は下向きであることから、下向きの重力によって、空洞内の切粉は落下し易く、ノズル２１から噴射されるクーラント液やエアブローで容易に切粉を空洞から除去することができる。

なお、ノズル２１でクーラント液やエアブローを噴射する位置及び向きは（タレットのグリップで保持する洗浄する工具の位置）、上述した第１、第２の実施形態で示す位置及び向きに限られるものではなく、主軸と対向する位置（工具交換位置）以外の位置でのグリップ位置であればよいものである。

次に、上述した各実施形態における、工具洗浄動作処理について説明する。
本発明の工具洗浄は、工具のテーパ部内側の空洞４に付着、堆積する切粉を除去洗浄するものであるから、次に使用する工具を洗浄した後に切粉が空洞に付着しないようにするために、工具を交換する直前に洗浄を行うことが望ましい。そのために、工具洗浄を開始するタイミングを、次工具を洗浄する工具洗浄時間ｔ_ｃと、主軸に装着中の工具をタレットに戻すために、主軸に装着の工具を受け取るグリップ（空のグリップ）が主軸位置と対向する位置（工具交換位置）までタレットを旋回するための戻し時間ｔ_ｒを加算した工具洗浄復帰時間ｔだけ、工具交換時より早い時間とする。

ｔ＝ｔ_ｃ+ｔ_ｒ・・・（式１）
ｔ：工具洗浄復帰時間
ｔ_ｃ：工具洗浄時間
ｔ_ｒ：戻し時間
工具洗浄時間ｔ_ｃは予め任意に決められ、工作機械及び工具交換装置を制御するＣＮＣに設定しておく。また、戻し時間ｔ_ｒは、現在主軸に装着している工具と主軸に次に装着する工具のグリップのタレット上の位置関係によって異なり、この現在装着工具と次に装着する工具位置関係に対応した戻し時間ｔ_ｒをＣＮＣに設定しておく。そして、現在装着工具と次に装着する工具位置関係に対応した戻し時間ｔ_ｒを読みだし、これに工具洗浄時間ｔ_ｃを加算して、すなわち式１の演算を行って、工具洗浄復帰時間ｔを求めるようにする。

一方、加工プログラムを先読みし、現在加工位置より、次の工具交換を開始する位置まで加工が終了するまでの加工時間（この時間を次工具交換までの残時間という）ｔ_Ｌを求める。この次工具交換までの残時間ｔ_Ｌは、指令速度毎の移動量Ｌ_ｎを指令速度Ｆ_ｎで除して得られる指令速度毎の時間ｔ_ｎを積算して求める。すなわち次の式２、式３の演算を行って次工具交換までの残時間ｔ_Ｌを求める。

ｔ_ｎ＝（Ｌ_ｎ/Ｆ_ｎ）（ｎ＝１、２・・・）・・・（式２）
ｔ_Ｌ＝ｔ_１＋ｔ_２＋・・・・・・（式３）
ｔ_ｎ：指令速度毎の時間
Ｌ_ｎ：指令速度毎の残移動量
Ｆ_ｎ：指令速度
ｔ_Ｌ：次工具交換までの残時間
そして、次工具交換までの残時間ｔ_Ｌが工具洗浄復帰時間ｔ以下になったとき、洗浄を開始するようにするようにして、工具交換直前に、主軸に装着する工具の洗浄が終了するようにするように構成している。

また、加工プログラムでの工具洗浄を伴う工具交換指令のフォーマットを次のＭ６００指令とする。

Ｍ６００Ｔ^＃＃Ｗ^＃＃
Ｍ６００：工具交換洗浄指令
Ｔ^＃＃：工具番号
Ｗ^＃＃：次工具番号

図４は、加工プログラムより、工具交換洗浄指令Ｍ６００が読み込まれたとき、ＣＮＣのプロセッサが実施する洗浄処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。
ＣＮＣのプロセッサは、加工プログラムを読み込み、該加工プログラムでの指令に基づいて加工を実行していく。そして、加工プログラムより工具交換洗浄指令Ｍ６００Ｔ^＃＃Ｗ^＃＃が読み出されると、従来と同様に該工具交換洗浄指令で指令された工具番号Ｔ^＃＃を主軸に取り付ける工具交換処理を自動的に実行した後、加工プログラムを続けて実行し、加工終了指令のＭ３０、Ｍ０２、Ｍ００が読み込まれるまで加工を行う。

さらに、本発明の各実施形態においては、工具交換後、図４に示す洗浄処理を加工プログラムの実行と並行して実行する。
まず、工具交換が終了した後、工具交換装置のタレットを旋回させて、工具交換洗浄指令Ｍ６００Ｔ^＃＃Ｗ^＃＃で指令されている、次工具番号Ｗ^＃＃のグリップを工具洗浄位置に位置つける（ステップＳ１）。次に、予め設定されている工具洗浄時間ｔ_ｃに、工具番号Ｔ^＃＃と次工具番号Ｗ^＃＃の工具のタレット上の位置関係に対して設定記憶されている戻し時間ｔ_ｒを加算（式１の演算処理）して工具洗浄復帰時間ｔを求める（ステップＳ２）。次に、現在の加工位置を求め（ステップＳ３）、さらに加工プログラムを先読みし、移動量と指令速度を読み取り、該現在の加工位置より、次の工具交換洗浄指令Ｍ６００、又は加工プログラムの終了指令のＭ３０、Ｍ０２、Ｍ００が指令されるまでの加工時間を次工具交換までの残時間ｔ_Ｌとして算出する。すなわち式２、式３の演算を実行し次工具交換までの残時間ｔ_Ｌを求める（ステップＳ４）。

そして、ステップＳ２で求めた工具洗浄復帰時間ｔと、ステップＳ４で求めた次工具交換までの残時間ｔ_Ｌを比較し、次工具交換までの残時間ｔ_Ｌが次工具洗浄復帰時間ｔ以下となっているか判断する（ステップＳ５）。次工具交換までの残時間ｔ_Ｌが工具洗浄復帰時間ｔ以下となっていなければ、ステップＳ３に戻る。以下、次工具交換までの残時間ｔ_Ｌが工具洗浄復帰時間ｔ以下になるまで、ステップＳ３〜Ｓ５の処理を繰り返し実行する。加工が進むにつれて、次工具交換までの残時間ｔ_Ｌは短くなり、該次工具交換までの残時間ｔ_Ｌが工具洗浄復帰時間ｔ以下となると、ステップＳ５からステップＳ６に移行し、工具洗浄位置の工具番号Ｗ^＃＃の工具（次に主軸に装着する工具）の工具の空洞に向けてクーラント液またはエアブローを噴射して空洞の洗浄処理を行う（ステップＳ６）。

洗浄処理が終了した後、タレット１１を旋回し、現在主軸に装着されている工具番号Ｔ^＃＃の工具をタレットに収容するグリップを主軸位置に対向する位置（工具交換位置）に位置づけ（ステップＳ７）、当該工具洗浄処理を終了する。そして再び、加工を実行中の加工プログラムより工具交換洗浄指令Ｍ６００Ｔ^＃＃Ｗ^＃＃が読み込まれると図４に示す洗浄処理が実施される。

以上のように、工具交換洗浄指令Ｍ６００で主軸に装着される工具のテーパ部内側の空洞は、工具を主軸に取り付ける直前に洗浄されているから、クランプ不良の発生を防げる。
なお、上述した各実施形態では、極力、工具交換する直前に次に装着する工具の洗浄を行うようにするために、現在主軸に装着している工具と主軸に次に装着する工具のグリップのタレット上の位置関係によって決まる戻し時間ｔ_ｒを求め、この時間ｔ_ｒに工具洗浄時間ｔ_ｃを加算して、工具洗浄復帰時間ｔを求めるようにしたが、戻し時間ｔ_ｒを一律に一定の時間にしてもよい。タレットは正逆回転するものであるから、主軸に装着中の工具をクリップする位置にタレットに旋回させる量は最大で半回転であり、タレット反回転に要する時間をこの戻し時間ｔ_ｒとし、工具洗浄時間ｔ_ｃに、この戻し時間ｔ_ｒを加算して工具洗浄復帰時間ｔとしてもよい。この場合、工具洗浄復帰時間ｔは一定の時間となるから、この一定時間を予め設定記憶させるようにすればよい。

以上のように本発明は、工具のテーパ部内側の空洞を洗浄できるようにしたから、タレット方式の縦型小型マシニングセンタにおいても、従来採用が困難だった、ＢＴ規格よりも高剛性なキャプト規格やＨＳＫ規格の工具を採用することができる。

１キャプト規格の工具ホルダ
２テーパ部
３工具取り付け部
４空洞
１０工作機械
１１タレット
１２ベッド
１３サドル
１４テーブル
１５コラム
１６主軸
１７カバー
２０洗浄装置
２１ノズル
１ａ主軸に装着された工具
１ｂ洗浄位置の工具

Claims

数値制御装置で制御され、主軸に工具を着脱する工具交換装置を備えた工作機械に用いられる工具洗浄装置であって、
工具交換装置に装着され、工具交換位置とは異なる場所で、工具交換の直前に、前記工具交換装置の工具収容部に収容した工具のテーパ部内側にクーラント液またはエアブローを噴射して、工具を洗浄するノズルを有し、
前記数値制御装置が実行する加工プログラムの工具交換指令は交換する工具の工具番号と次に主軸に装着する洗浄すべき工具の工具番号を引数として記述されて構成され、
前記数値制御装置は、工具交換後、前記工具交換指令で指定された次に主軸に装着する工具を前記ノズルと対向する位置に移動させ、前記加工プログラムを先読みし、現在の加工位置より次に指令される前記工具交換指令までの加工時間を加工プログラムで指令されている移動量とその移動の指令速度によって次の工具交換までの残時間を求め、該残時間が、工具を洗浄する工具洗浄時間と工具洗浄後に主軸に装着されている工具を受け取る前記工具収容部の保持部を主軸位置に戻すのに必要な戻し時間とを合計した工具洗浄復帰時間に達したとき、次に主軸に装着する工具の洗浄を開始することを特徴とする工具洗浄装置。
前記工具交換装置の前記工具収容部は、工作機械の送り軸や主軸から独立した回転軸で旋回されるタレットで構成されている請求項１に記載の工具洗浄装置。
前記数値制御装置には、前記戻し時間は、主軸に装着した工具と次に装着する工具を保持する前記工具収容部の保持部の位置関係ごとに設定されると共に、前記工具洗浄時間も設定記憶され、設定記憶された前記工具洗浄時間に現在主軸に装着されている工具と次に装着する工具で決まる前記戻し時間を加算して工具洗浄復帰時間を求める請求項１に記載の工具洗浄装置。
前記戻し時間は、前記工具収容部の１つの保持部位置が主軸位置に対向する位置から、他の保持部位置を主軸位置に対向する位置に移動されるのに要する時間のうち最大の時間とし、該戻し時間に工具洗浄時間を加算した時間を工具洗浄復帰時間として設定する請求項１に記載の工具洗浄装置。