JP6524232B2

JP6524232B2 - 工具交換方法および工具交換装置

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Publication number: JP6524232B2
Application number: JP2017530553A
Authority: JP
Inventors: 忠笠原
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2019-06-05
Anticipated expiration: 2035-07-29
Also published as: CN107848084A; US10596676B2; EP3330042A4; JPWO2017017824A1; WO2017017824A1; US20180215001A1; EP3330042B1; EP3330042A1; CN107848084B

Description

本発明は、工具交換方法および工具交換装置に関する。

特許文献１には、複数の工具を収納した工具マガジンの旋回速度を、該旋回動作によって工具に作用する遠心力に基づいて決定し、工具交換に要する時間を短縮するようにした工具搬送装置が記載されている。

特許文献２には、工具マガジンから工具を引き抜く動作の負荷の大きさから工具交換アームの回転速度を決めて制御することが記載されている。

特開２００５−２０５５０３号公報特開平６−１９０６７１号公報

特許文献１の工具搬送装置によれば、工具マガジンの動作は最適化されるかもしれないが、工具交換に要する時間に対して、工具マガジンの回転に要する時間の割合は小さく、工具マガジンの回転動作を最適化しても、工具交換に要する時間の短縮効果は小さい。

特許文献２の工具交換装置によれば、２本の工具を同時に２引き抜いたときの慣性重量から、工具交換アームと２本の工具とを含んだ負荷の大きさを求めるので、個々の工具の質量を求めることができない。また、交換する２本の工具の質量の差が大きく、負荷が偏っている場合を考慮して、安全率を大きくとる必要があり、十分に工具交換アームの回転速度を上げることができないという問題がある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、工具交換に要する時間を一層短縮した工具交換装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、加工領域と工具収納領域との間で、交換アームを用い、該交換アームのグリッパに工具の工具ホルダーのＶ溝を係合し、該交換アームを回転して工具を交換する工作機械の工具交換方法において、撮像装置で工具を撮像する撮像工程と、前記撮像工程で撮像した前記工具の画像から、前記工具の質量と前記工具の工具ホルダーに対する工具の重心の位置を算出し、前記質量と前記重心の位置に基づき前記交換アームで前記工具を交換するときの前記交換アームの動作パラメータを決定する動作パラメータ決定工程と、前記交換アームを前記動作パラメータに基づいて動作させて工具を交換する工具交換工程とを含む工具交換方法が提供される。
更に、本発明によれば、加工領域と工具収納領域との間で、交換アームを用い、該交換アームのグリッパに工具の工具ホルダーのＶ溝を係合し、該交換アームを回転して工具を交換する工作機械の工具交換方法において、撮像装置で工具を撮像する撮像工程と、前記撮像工程で撮像した前記工具の画像から、前記交換アームの回転によって前記工具に作用する前記工具の工具ホルダーのＶ溝を中心とした回転モーメントを算出し、前記交換アームのグリッパに作用する前記回転モーメントに基づき前記交換アームで前記工具を交換するときの前記交換アームの動作パラメータを決定する動作パラメータ決定工程と前記交換アームを前記動作パラメータに基づいて動作させて工具を交換する工具交換工程とを含む工具交換方法が提供される。

更に、本発明の他の特徴によれば、加工領域と工具収納領域との間で、交換アームを用い、該交換アームのグリッパに工具の工具ホルダーのＶ溝を係合し、該交換アームを回転して工具を交換する工作機械の工具交換装置において、前記工具収納領域に配置され工具を撮像する撮像装置と、前記撮像工程で撮像した前記工具の画像から、前記工具の質量と前記工具の工具ホルダーに対する工具の重心の位置を算出し、前記質量と前記重心の位置に基づき前記交換アームで前記工具を交換するときの前記交換アームの動作パラメータを決定し、該動作パラメータに基づいて前記交換アームを動作させて工具を交換する制御装置とを具備する工具交換装置が提供される。
更に、本発明によれば、加工領域と工具収納領域との間で、交換アームを用い、該交換アームのグリッパに工具の工具ホルダーのＶ溝を係合し、該交換アームを回転して工具を交換する工作機械の工具交換装置において、前記工具収納領域に配置され工具を撮像する撮像装置と、前記撮像工程で撮像した前記工具の画像から、前記交換アームの回転によって前記工具に作用する前記工具の工具ホルダーのＶ溝を中心とした回転モーメントを算出し、前記交換アームのグリッパに作用する前記回転モーメントに基づき前記交換アームで前記工具を交換するときの前記交換アームの動作パラメータを決定し、該動作パラメータに基づいて前記交換アームを動作させて工具を交換する制御装置とを具備する工具交換装置が提供される。

本発明によれば、工具を撮像し、該撮像によって得られた画像に基づいて、前記工具を交換するときの前記交換アームの動作パラメータを決定するようにしたので、工具交換に要する時間を大幅に短縮可能となる。

本発明の好ましい実施形態による工具交換装置を備えた工作機械の一例を示す略示断面図である。撮像装置の略示断面図である。撮像装置の略示正面図である。工具測定動作を示すフローチャートである。撮像装置によって撮像された工具（タップ）の画像の一例を示す略図である。撮像装置によって撮像された工具（ドリル）の画像の一例を示す略図である。撮像装置によって撮像された工具（スクエアエンドミル）の画像の一例を示す略図である。撮像装置によって撮像された工具（フェースミル）の画像の一例を示す略図である。工具交換動作を示すフローチャートである。交換アームの動作を説明するための略図である。交換アームの動作を説明するための略図である。交換アームの動作を説明するための略図である。交換アームの動作を説明するための略図である。交換アームの動作を説明するための略図である。シャッターの動作を説明するための略図である。シャッターの動作を説明するための略図である。交換アームに保持された工具に作用する回転モーメントを説明するための略図である。交換アームに保持された工具に作用する回転モーメントを説明するための略図である。他の実施形態による工具交換装置を備えた工作機械の略示断面図である。

図１〜図３を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。図１は、第１の実施形態による工具交換装置を備えた工作機械の概略断面図である。図２は図１の工具交換装置に配設された撮像装置の略示断面図である。図３は、図２の撮像装置の略示正面図である。図１〜図３では、工具シフタ４４に保持されている工具５が待機位置に配置されている状態を示している。

本実施の形態の工作機械１は、加工プログラムに基づいて自動的に工具とワークとを相対的に移動させて加工を行う数値制御式の横形マシニングセンタである。工作機械１は、工具とワークとを相対移動させる送り装置を備える。送り装置は、複数の送り軸の方向に被駆動物を移動させる。複数の送り軸は、Ｘ、Ｙ、Ｚの直交３軸の直線送り軸を含む。

工作機械１は基台となるベッド１２を備える。ベッド１２の上面には、一対のＸ軸ガイドレール１９が固定されている。Ｘ軸ガイドレール１９の上面には、コラム１６が配置されている。コラム１６は、矢印８６に示す様に、Ｘ軸ガイドレール１９に沿って移動可能に形成されている。コラム１６の前面には、一対のＹ軸ガイドレール２０が固定されている。主軸ヘッド３は、Ｙ軸ガイドレール２０に支持されている。主軸ヘッド３は、矢印８５に示す様に、Ｙ軸ガイドレール２０に沿って移動可能に形成されている。

また、ベッド１２の上面には、一対のＺ軸ガイドレール１８が固定されている。Ｚ軸ガイドレール１８の上面には、テーブル１４が配置されている。ワークは、パレット１５を介してテーブル１４に固定される。テーブル１４は、Ｚ軸ガイドレール１８に沿ってＺ軸方向に移動可能に形成されている。

主軸ヘッド３は、主軸４をＺ軸に平行な水平の回転軸線を中心として回転可能に支持する。主軸４には、ワークを加工する回転工具５が装着される。主軸ヘッド３には、主軸４および工具５を回転駆動するモータ（図示せず）が内蔵されている。

工作機械１では、工具５がＸ軸方向およびＹ軸方向に移動し、ワークがＺ軸方向に移動する。なお、送り装置としては、この形態に限られず、任意の装置でワークに対して工具を相対移動させることができる。また、送り装置は、直線送り軸に加えて、所定の軸線の周りに回転する回転送り軸を有していてもよい。

工作機械１は、加工プログラムに従い自動的に工具を交換する工具交換装置４０を備える。工作機械１は、ワークを加工する加工領域としての加工室６１と、工具を収納する工具収納領域を形成する工具収納室６２を画成するスプラッシュガード５４を有している。また、加工室６１と工具収納室６２とは、隔壁５１により隔離されている。ベッド１２、コラム１６および主軸ヘッド３等は加工室６１の内部に配置されている。工具交換装置４０は、工具収納室６２の内部に配置されている。隔壁５１には、加工室６１と工具収納室６２との間で工具を移動するための開口部５１ａが形成されている。また、隔壁５１には、開口部５１ａを開閉するためのシャッター５２が配置されている。シャッター５２は、隔壁５１にスライド可能に支持されている。

工作機械１は、シャッター５２を駆動するモータ（図示せず）を含む。シャッター５２は、隔壁５１に対して移動可能に形成されている。本実施の形態のシャッター５２は、Ｚ軸方向に移動可能に形成されている。シャッター５２が移動して開口が形成されることにより、開口部５１ａを通して工具５の移動を行うことができる。

工具交換装置４０は、複数の工具５を保管する工具マガジン４１と、工具マガジン４１と主軸４との間で工具を移送する移送装置とを含む。本実施の形態の工具マガジン４１は、円板状に形成された基材の外周に沿って工具ホルダ４５を介して工具５を保持するように形成されている。工具マガジン４１は、矢印８７に示すように、Ｚ軸に平行な旋回軸３９を中心に回転する。旋回軸３９は、工具マガジン４１を回転させるモータ（図示せず）に結合されている。移送装置は、工具シフタ４４および交換アーム４３を含む。工具シフタ４４は、工具マガジン４１と工具の待機位置との間で工具を水平方向に移動させる。待機位置は、交換アーム４３にて工具を保持することができる位置である。工具シフタ４４は、矢印８８に示す方向に移動することにより、工具マガジン４１から工具５を取り外したり工具マガジン４１に工具５を取り付けたりする。

交換アーム４３は、矢印８９に示すように、水平な旋回軸４２を中心として旋回可能に形成された棒状に形成されている。交換アーム４３は、両側の端部に工具５を保持するグリッパ４３ａを有する。旋回軸４２は、交換アーム４３を回転させるモータ（図示せず）に結合されている。

工作機械１は、工具５を撮像することにより工具の形状を測定する工具撮像装置２４を備える。工具撮像装置２４は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ等の撮像した画像の画像処理が可能な任意のタイプのカメラ２５を具備する。工具撮像装置２４は、工具５を撮像した画像において、工具５の背景が明るくなる一方で工具５が暗くなるバックライト方式である。

工具撮像装置２４は、工具収納室６２の内部において、予め定められた撮像位置に配置された工具５を撮像する。本実施の形態のカメラ２５は、工具５が待機位置に配置されている時に工具５を撮像するように配置されている。なお、撮像位置としては待機位置に限られず、任意の位置に設定することができる。撮影装置２４は、たとえば、加工が完了した直後の工具を撮像することができる。或いは、撮影装置２４は、次に使用する工具を撮像することができる。

本実施の形態のシャッター５２は、カメラ２５から待機位置に配置された工具５に向かう方向において、工具に対してカメラ２５の反対側に配置された反射体として機能する。シャッター５２は、カメラ２５から見た時に工具５の後側に配置されている。カメラ２５は、待機位置にて工具５を撮像したときに、画像の工具の背景のほぼ全体がシャッター５２になる位置に配置されている。シャッター５２は、カメラ２５と待機位置に配置された工具５とを結ぶ直線に交差する位置に配置されている。工具５は、シャッター５２とカメラ２５との間に配置される。

シャッター５２は、光を拡散反射する反射面５２ａを有する。本実施の形態では、シャッター５２の面積が最大になる面積最大面のうち、工具収納室６２の内部に向く表面が反射面５２ａに相当する。本実施の形態のシャッター５２では、反射面５２ａは、拡散反射を提供する塗料によって塗装されている。

反射体としては、この形態に限られず、入射する光の少なくとも一部を拡散するように形成されていればよい。すなわち、反射体は、入射した光のほぼ全てを一つの方向に反射する鏡面特性を有していなければ、どのような部材でもよい。たとえば、反射体は、表面が塗装されておらずに、金属の表面が露出していてもよい。また、反射体としては、任意の材質にて形成することができる。反射体の表面を塗装する場合にも任意の色を採用することができる。特に、種々の塗装のうち、工作機械の板金カバーの内壁面に使われる明るい灰色のような、明度の高いつや消しの塗装が有効であった。

工具撮像装置２４は、シャッター５２に向けて光を照射する光源としての照明装置２６を備える。本実施の形態の照明装置２６は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明である。シャッター５２は、反射面５２ａにおいて光を拡散反射するために、照明装置２６にて照射された光の一部がカメラ２５に向かう。このように、本実施の形態の工具撮像装置２４は、直接的に工具５を照らす直接照明方式ではなく、反射した拡散反射光にて工具５を照らす間接照明方式を採用している。照明装置２６は、シャッター５２の反射面５２ａにて反射される拡散反射光により、工具の背景よりも工具が暗くなる画像が撮像されるように配置されている。

本実施の形態の工作機械１は、工作機械１を制御する制御装置２７を備える。制御装置２７は、例えば、バスを介して互いに接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を備える演算処理装置にて構成されている。制御装置２７は、撮像装置により撮像された画像を解析する工具撮像装置２４の制御装置として機能する。また、制御装置２７は、工具５を撮像する工具撮像装置２４および工具交換装置４０を制御する。

制御装置２７には、カメラ２５で撮像した画像が入力される。制御装置２７は、例えば、入力された画像を二値化する。制御装置２７は、工具に相当する部分と工具以外に相当する部分の画素数を計測する。そして、制御装置２７は、二値画像の工具に相当する部分の画素数に基づいて工具の工具長および工具径を算出する。制御装置２７は、更に、演算により得られた工具５の工具長および工具径に基づいて、工具ホルダ４５を含めた工具５の質量および重心Ｇの位置を演算する。既述したように、工具５は回転工具であるので回転対称形状を呈しており、工具撮像装置２４によって得られた画像に基づいて、容易に工具長、工具径、質量および重心Ｇの位置を求めることができる。

制御装置２７は、例えば、照明装置２６にて短時間の照射を行うとともに、工具５を撮像する。本実施の形態においては、照明装置２６により光を照射する時間は１５ｍｓ程度である。また、照明装置２６としては、例えば照明装置２６から１メートル離れた位置において１３００ルクスの明るさになるＬＥＤ照明を用いることができる。

図２を参照して、カメラ２５から待機位置に配置されている工具５をシャッター５２に投影したときに、投影領域を定めることができる。また、照明装置２６にてシャッター５２を照らしたときに主に光が当たる照射領域ＬＲを定めることができる。照射領域は、投影領域を内部に含むように大きいことが好ましい。

本実施の形態では、撮像装置２４で得られる画像は、工具の部分は全体が黒くなり、工具の背景が反射体の拡散反射光により明るくなる。このように、撮像装置は、工具の背景よりも工具が暗くなる画像を撮像する。例えば、照明装置が発光する光の色が白の場合には、工具の背景が白くなり、工具は黒くなる。制御装置は、このような画像を用いて工具の形状を算出することができる。

ここで、工具を直接的に照らす方法では、工具の全体が明るい状態にて工具が撮像される。ところが、工具を直接的に照らすと、工具の一部分にて光が強く反射する場合がある。この結果、工具の一部分が明るくなってしまい、工具の全体の形状が不明りょうになる場合がある。これに対して、本実施の形態のバックライト方式では工具の部分が暗くなる。工具の一部分が明るくなることはないために、工具の形状を精度良く測定することができる。

図１〜図３を参照して、照明装置２６は、カメラ２５にて撮像された工具の全体が黒くなる輝度を有することが好ましい。すなわち、照明装置２６は、工具の全体が黒くなる輝度を発生する明るい光源であることが好ましい。この構成により、撮像した画像における工具の形状が明確になり、より正確に工具の形状を測定することができる。

更に、工具撮像装置２４は、シャッター５２により反射した拡散反射光により撮像を行っている。工作機械１を駆動すると、シャッター５２の反射面５２ａに、細かい切り屑、摺動部に供給した潤滑油、またはクーラント等の異物が付着する場合がある。ところが、細かい切り屑等の異物は表面で光を反射するために反射体の一部として機能する。このため、工具の背景に異物が写りにくいという特徴を有する。すなわち、工具撮像装置２４は、切り屑等が影になって工具の背景に黒い物体が写ることを低減することができる。この結果、正確に工具の形状を測定することができる。

工具撮像装置２４は、光を反射する反射体がシャッター５２により構成されている。シャッター５２は、工具を交換する時に、矢印９０に示す方向に移動する（図３参照）。シャッター５２の反射面５２ａに大きな異物が付着した場合でも、シャッター５２が移動すると共に大きな異物が落下する。このために、撮像した画像の工具の背景に異物が写ることを抑制できる。

また、本実施の形態のシャッター５２は、反射面５２ａが鉛直方向に延びている。すなわち、シャッター５２は直立した状態にて隔壁５１に支持されている。このために、シャッター５２の反射面５２ａに異物が付着しても、重力の作用で異物が落下しやすいという特性を有する。このように、反射体は、反射面が直立するように配置されることが好ましい。

照明装置２６は、ＬＥＤ照明の他にも任意の照明を採用することができる。照明装置２６としてＬＥＤ照明を採用することにより、短時間で輝度を高くすることができる。このため撮像に必要な時間を短くすることができる。また、ＬＥＤ照明は、他の照明装置に比べて照明装置を小型にすることができる。

照明装置２６は、切り屑などが付着しにくい位置に配置されることが好ましい。例えば、照明装置２６は、背面が工具マガジン４１に対向するように配置されることが好ましい。または、照明装置２６は、光を発する表面に付着する異物を除去する装置を含むことが好ましい。異物を除去する装置としては、例えば洗浄液を照明装置２６の表面に噴射する装置を例示することができる。また、カメラ２５は、撮像を行う時の工具５の撮像位置よりも高い位置に配置されることが好ましい。加工室内で工具５に付着した異物が撮像位置の付近で工具５から落下する虞があるが、この構成により、カメラ２５のレンズの表面に異物が付着することを抑制できる。また、反射体は、工具５の撮像位置よりも低い位置に配置されており、工具５から落下した異物が付着しても、前述のように、撮像装置は工具５を良好に撮像することができる。

図４〜図１８を参照して、本実施形態の工具測定動作を説明する。
工具の撮像が開始されると、マガジン４１が回転して撮像すべき工具５がシフター４４に対する授受位置へ割り出され、次いで該工具５が工具ホルダー４５と共にシフター４４によって撮像位置としての待機位置へ移動させられる（ステップＳ１０）。次いで、カメラ２５によって、待機位置にある工具５の側面が撮像される（ステップＳ１１）。図５〜図８に撮像された工具を例示する。既述したように、撮像装置２４で得られる画像は二値画像であるが、見やすくするために、各画像が白抜きの線画にて示されている。例示として示す図５〜図８には、それぞれタップ工具（図５）、ドリル（図６）、スクエアエンドミル（図７）、フェースミル（図８）が工具ホルダ４５と共に示されている。

次いで、基準線Ｒから工具５の先端まで工具５の中心軸線Ｏに沿って画素数をカウントすることによって、工具５の工具長Ｌが測定される（ステップＳ１２）。基準線Ｒは、一例として、工具５の中心軸線Ｏに対して垂直に工具ホルダ４５のＶ溝４５ａの中心を通過する線とすることができる。また、中心軸線Ｏに対して垂直方向に画素数をカウントすることによって、工具５の直径を測定することができる。工具長、工具径の正確な値が既知のサンプル工具を撮像し、工具長、工具径と画素の関係を予めキャリブレーションして制御装置２７に格納しておくことができる。

次いで、工具５の質量が演算される（ステップＳ１３）。これは、先ず、工具ホルダ４５については、予め工作機械１の外部で実際に測定し、制御装置２７に格納しておくようにできる。また、既述したように、測定対象である工具５は回転工具であるので、工具長Ｌおよび工具径Ｄが測定されれば、工具５の体積を演算することができ、工具５の比重を予め制御装置２７に格納しておくことで演算により求めることが可能である。

更に、工具５の重心位置が二値画像に基づいて演算される（ステップＳ１４）。既述したように、工具５は回転工具であるので、工具５の重心Ｇは中心軸線Ｏ上にある。従って、得られた二値画像に基づいて汎用プログラム用いて重心Ｇを容易に求めることができる。例えば、図５、６に示すようなタップ工具やドリルのように工具５が軽量の場合には、重心Ｇは工具ホルダ４５内に位置するが、工具長Ｌが長いスクエアエンドミルの場合（図７）や、先端部分に重いヘッドを有したフェースミルの場合（図８）には、重心Ｇの位置は工具ホルダ４５の外部にある。

このようにして得られた工具長Ｌ、工具径Ｄ、工具質量、中心軸線Ｏに沿った重心Ｇの位置は、制御装置２７の工具データベースに格納され（ステップＳ１５）、工具測定が終了する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１０〜ステップＳ１６による工具測定は、例えば、工具マガジン４１に複数の工具５を装着する際に各工具５について順次行うことができる。或いは、工具マガジン４１に全ての工具５を装着した後に全ての工具５について一連の工具測定を行ったり、工具交換に際して待機位置に配置された工具５について行うようにしてもよい。

次に、図９〜図１５を参照して、工具交換動作について説明する。
加工プログラムの工具交換指令に従って、工具交換動作が開始されると、先ず、工作機械１のＺ軸の直線送り装置が作動して（ステップＳ２０）、テーブル１４上のワークと、主軸４に装着されている工具ホルダー４５₁および工具５₁（図１０〜図１４）とが干渉しない位置へ主軸ヘッド３を移動させる。次いで、Ｘ軸およびＹ軸の直線送り装置が作動して（ステップＳ２１）、主軸ヘッド３が工具５を交換するための所定の位置まで移動される。交換アーム４３が回転したときにグリッパ４３ａにより主軸４に取り付けられた工具５₁を保持できる位置まで主軸ヘッド３が移動する。主軸４には使用済み工具５₁（図１０〜図１４）が取り付けられている。工具収納室６２では、工具マガジン４１は、次に使用する工具５₂が工具シフタ４４に保持される位置まで回転する。工具シフタ４４は、次に使用する工具５₂を工具マガジン４１から待機位置までホルダー４５₂と共に移動する（図１０）。また、必要に応じて、工具５₂を撮像して、工具５₂の測定結果をデータベースに書き込む。予めデータベースに工具長等が入力してある場合は、測定しなくともよい。

次に、シャッター５２が開く（ステップＳ２２）。このとき、制御装置２７は、交換すべき工具５₁、５₂の工具長Ｌをデータベースから読み出し、工具５₁、５₂のうち長い方の工具の先端がシャッター５２と干渉しない程度に、シャッター５２のスライド量を調節する。すなわち、工具５₁、５₂が、図１５に示すように比較的短い場合には、シャッター５２のスライド量を小さくし、図１６に示すように比較的長い場合には、シャッター５２のスライド量を大きくする。こうして、シャッター５２のスライド量を最適化することによって、シャッター５２の開閉時間を短縮し、以って工具交換に要する時間を短縮することが可能となる。具体的には、求めた工具長Ｌに、工具交換動作をするのに必要な空間を確保するための所定の逃がし量を足し合わせた長さをシャッター５２のスライド量に設定し、開閉時間を最小にする。

また、ワークやパレット１５の外形を予め記憶している工作機械の場合は、工具交換中にワークと工具５₁、５₂のうち長い方の工具がワークやパレット１５と干渉しないように、テーブル１４をＺ軸方向に移動させて主軸４から離す。シャッターと同様に比較的短い工具の場合は、テーブル１４を主軸４から離す距離を小さくし、比較的長い工具の場合は、テーブル１４を主軸から離す距離を大きくする。ワークやパレット１５の外形を記憶していない工作機械の場合は、許容される最大のワークやパレット１５をテーブル１４に載せていると仮定して、工具交換の間に工具５とワークやパレット１５とが干渉しないように、テーブル１４をＺ軸方向に移動させる。

次いで、交換アーム４３が以下のように作動する（ステップＳ２３）。先ず、工具アーム４３が、図１０〜図１４において時計回りの方向に９０°回転し、グリッパ４３ａが、主軸４に取り付けられている工具５₁および工具シフタ４４に保持されている工具５₂の各々の工具ホルダー４５₁、４５₂のＶ溝４５ａに同時に係合し、工具５₁、５₂を保持する（図１１）。次いで、交換アーム４３の旋回軸４２がＺ軸方向へ前進（図１、図１０〜図１４において紙面に垂直でかつ手前側に移動）し、工具５₁および工具５₂の各々の工具ホルダー４５₁、４５₂が、主軸４および工具シフタ４４から同時に脱離する。更に、交換アーム４３が時計回りの方向に回転し（図１２、１３）、次いで、交換アーム４３の旋回軸４２がＺ軸方向へ後退（図１、図１０〜図１４において紙面に垂直でかつ奥側に移動）して、次に使用する工具５₂と使用済み工具５₁の各々の工具ホルダー４５₁、４５₂が、主軸４および工具シフタ４４に同時に装着される。次いで、交換アーム４３は反時計回りの方向に回転することによって、グリッパ４３が工具ホルダー４５₁、４５₂の各々のＶ溝４５ａから脱離し、交換アーム４３は初期位置に戻る（図１４）。

次いで、シャッター５２が閉じる（ステップＳ２４）。シャッター５２が閉じると加工室６１では次の加工位置への主軸４の移動が開始される。シャッター５２が閉じたとき、使用済み工具５₁は、その工具ホルダー４５₁と共に工具シフタ４４によって撮像位置としての待機位置に保持されている。次いで、既述した方法に従って使用済み工具５₁が撮像装置２４によって撮像され（ステップＳ２５）、その工具長Ｌが測定される（ステップＳ２６）。制御装置２７は、予め入力しておいた該使用済み工具５₁の工具長Ｌをデータベースから読み出し、現下に測定された工具長Ｌと比較して、両者の差分ΔＬを求める、ΔＬが所定のしきい値Ｌ_Sよりも小さい場合、使用済み工具５₁は折損してないと判断され、該使用済み工具５₁はシフタ４４によって工具マガジン４１に戻され工具交換動作が終了する（ステップＳ２９）。動作終了後、次の加工工程を開始する。逆にΔＬがしきい値Ｌ_Sよりも大きい場合、制御装置２７は、工作機械１のオペレーターにその旨警告を発し、次の加工工程の開始を中止する（ステップＳ２８）。予め入力しておいた該使用済み工具５₁の工具長Ｌには、工具５₁を加工に使用する直前に撮像して求めた値が入力してある。

上記では、加工の前後での工具長Ｌの比較により、工具の折損を検出する例を説明したが、他にも、オペレーターが予め決めておいた工具長Ｌをデータベースに入力することもできる。この場合は、オペレーターが、ＣＡＭなどを用いて加工プログラムを作成した際に決めた工具長Ｌや工具の質量を、図示しない工作機械の操作盤等を使用して予めデータベースに入力しておく。この予めデータベースに入力しておいた値と、加工前の工具の撮像工程で得られた工具長Ｌや工具の質量とを比較する。両者の差分がしきい値より大きい場合は、加工プログラムで使用する工具とは異なる誤った工具をオペレーターが工具マガジン４１に挿入したと判断され、加工を中断してオペレーターにその旨警告を発する。

また、オペレーターが工作機械の外で工具を段取りする際に、ツールプリセッタを用いて工具長Ｌを実測し、実測した工具長Ｌを工作機械の操作盤を使用してデータベースに入力し、工具交換する際に撮像して求めた工具長Ｌと比較し、両者の差分がしきい値より大きい場合にオペレーターにその旨警告を発する。

交換アーム４３が回転するとき、交換アーム４３に保持されている工具５₁、５₂には、旋回軸４２を中心とした遠心力によって、交換アーム４３のグリッパ４３ａに対する係合部である工具ホルダー４５₁、４５₂のＶ溝４５ａを中心とした回転モーメントが作用する。工具５₁、５₂がタップ工具（図５）やドリル（図６）のように、工具５が軽量の場合には、重心Ｇは工具ホルダ４５内に位置しており、こうした回転モーメントは小さく、交換アーム４３を高速で回転しても、交換アーム４３の回転中に工具５₁、５₂が傾斜することはない（図１７）。一方、工具５₁、５₂が、工具長Ｌの長いスクエアエンドミルの場合（図７）や、先端部分に重いヘッドを有したフェースミルの場合（図８）には、重心Ｇの位置は工具ホルダ４５の外部にあり、工具５₁、５₂には比較的大きな回転モーメントが作用し、交換アーム４３の回転中に工具５₁、５₂が図１８に示すように外側に傾斜する。従って、交換アーム４３を高速で回転させると、交換アーム４３のグリッパ４３ａとＶ溝４５ａとの間の係合が解除され、交換アーム４３の回転中に工具５₁、５₂が脱離してしまう可能性がある。

そこで、制御装置２７は、交換アーム４３が保持する工具５₁、５₂の質量および重心Ｇの位置を読み出し、交換アーム４３の回転によって工具５₁、５₂に作用する工具ホルダー４５のＶ溝４５ａを中心とした回転モーメントを演算し、グリッパ４３ａとＶ溝４５ａとの間の係合が解除されない範囲で、交換アーム４３の動作パラメータとしての回転速度を決定する。工具マガジン４１に収納される工具のうち最も重い工具が脱離しないように、交換アーム４３の回転速度を必要以上に低く設定しているが、本実施形態によれば、交換アーム４３の回転速度を最適化し、工具交換に要する時間を短縮することが可能となる。工具の質量に基づいて、交換アーム４３の回転速度を決定してもよいが、工具５および工具ホルダー４５によって交換アーム４３のグリッパ４３ａに作用する回転モーメントに基づいて交換アーム４３の回転速度を決定することによって、交換アーム４３の回転速度を一層最適に求めることが可能となる。或いは、工具５₁、５₂の質量と、Ｖ溝４５ａを中心とした回転モーメントの双方に基づいて、最も低速となる回転速度を交換アーム４３の動作パラメータとしてもよい。動作パラメータは、交換アーム４３の回転速度だけでなく、角速度でもよい。また、動作パラメータは、交換アーム４３の速度や加速度でもよい。動作パラメータを速度や加速度にすることは、交換アームが旋回タイプではなく直動タイプの場合に適する。交換アームが直動タイプであっても、重力や加減速で生じる力によって、工具５にＶ溝４５ａを中心とした回転モーメントが発生する。

図１９に他の実施形態を示す。前述の実施形態による工作機械１は、主軸４が水平方向に延びる横形である。本実施形態では、工作機械８は、立形の工作機械である。なお、図１９において、既述の実施形態と同様の構成要素は同じ参照番号で指示されている。

図１９において、工作機械８はベッド１２の表面に立設するコラム１６を備える。コラム１６は、サドル１７を介して主軸ヘッド３を支持している。図６に示す例では、サドル１７が鉛直方向に移動するように形成されている。主軸ヘッド３の内部に配置された主軸４は、鉛直方向に延びるように形成されている。

工作機械８は、工具交換装置５５を備える。工具交換装置５５は、円板状の工具マガジン４１を備える。工具５は、工具ホルダ４５を介して工具マガジン４１に保持されている。工具交換装置５５は、工具マガジン４１と交換アーム４３との間で工具を移動する工具移動部材を含む。工具交換装置５５では、交換アーム４３は、水平方向に延びている。そして、交換アーム４３は、水平面内で回転する。交換アーム４３は、主軸４から工具５を取り外したり、主軸４に工具５を取り付けたりする。また、交換アーム４３は、工具移動部材から工具５を取り外したり、工具移動部材に工具５を取り付けたりする。

工作機械８は、スプラッシュガード５４によって包囲されワークの加工が行われる加工領域としての加工室６１を有している。テーブル１４の上方には隔壁５１が形成されている。工作機械は、隔壁５１に仕切られた空間であって工具を収納する工具収納領域を形成する工具収納室６２を更に有している。隔壁５１には開口部５１ａを開閉するためのシャッター５２が配置されている。シャッター５２は、水平方向に延びるように配置されている。そして、工作機械８では、シャッター５２が水平方向に移動する。

工作機械８は撮像装置３２を備える。照明装置２６は、シャッター５２の側方に配置されている。また、カメラ２５は、工具マガジン４１に取り付けられた工具５を撮像する。カメラ２５は、所定の撮像位置に配置された工具５を撮像するように配置されている。撮像装置３２は、既述した撮像装置２４と同様に工具５を撮像する。

このように、本発明は、立形の工作機械にも適用することができる。また、反射体としてのシャッターは水平方向に延びるように配置されていてもよい。また、撮像装置は、工具が工具マガジンに保持されている状態で撮像してもよい。その他の構成、作用および効果は、既述した実施形態と同様であるのでここでは説明を繰り返さない。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される形態の変更が含まれている。

１工作機械
５工具
２４撮像装置
２５カメラ
２６照明装置
２７制御装置
３２撮像装置
４１工具マガジン
４３交換アーム
４３グリッパ
５２シャッター
６１加工室
６２工具収納室

Claims

加工領域と工具収納領域との間で、交換アームを用い、該交換アームのグリッパに工具の工具ホルダーのＶ溝を係合し、該交換アームを回転して工具を交換する工作機械の工具交換方法において、
撮像装置で工具を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像した前記工具の画像から、前記工具の質量と前記工具の工具ホルダーに対する工具の重心の位置を算出し、前記質量と前記重心の位置に基づき前記交換アームで前記工具を交換するときの前記交換アームの動作パラメータを決定する動作パラメータ決定工程と、
前記交換アームを前記動作パラメータに基づいて動作させて工具を交換する工具交換工程と、
を含むことを特徴とした工具交換方法。
加工領域と工具収納領域との間で、交換アームを用い、該交換アームのグリッパに工具の工具ホルダーのＶ溝を係合し、該交換アームを回転して工具を交換する工作機械の工具交換方法において、
撮像装置で工具を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像した前記工具の画像から、前記交換アームの回転によって前記工具に作用する前記工具の工具ホルダーのＶ溝を中心とした回転モーメントを算出し、前記交換アームのグリッパに作用する前記回転モーメントに基づき前記交換アームで前記工具を交換するときの前記交換アームの動作パラメータを決定する動作パラメータ決定工程と、
前記交換アームを前記動作パラメータに基づいて動作させて工具を交換する工具交換工程と、
を含むことを特徴とした工具交換方法。
前記撮像した工具の画像から、前記交換アームの端部に設けられたグリッパに作用する回転モーメントを算出し、該回転モーメントに基づき交換アームの動作パラメータを決定するようにした請求項１に記載の工具交換方法。
前記交換アームは、両端にグリッパを有し、該両グリッパ間の中心に旋回軸を有した旋回アームより成り、加工領域にある主軸から工具収納領域にある工具マガジンに返却する工具と、前記工具マガジンから前記主軸に供給する工具とを同時に交換するようになっており、
前記グリッパに保持されている工具の各々の質量と、前記グリッパに保持されている工具によってグリッパに作用する回転モーメントを算出し、
前記求めた質量と回転モーメントによって決まる交換アームの動作パラメータのうち、最も低速となる動作パラメータに基づいて、前記交換アームを動作させるようにした請求項１に記載の工具交換方法。
前記工具マガジンからの工具を前記グリッパが受け取る待機位置に前記工具が配置されているとき、該工具を撮像するようにした請求項４に記載の工具交換方法。
加工領域と工具収納領域との間で、交換アームを用い、該交換アームのグリッパに工具の工具ホルダーのＶ溝を係合し、該交換アームを回転して工具を交換する工作機械の工具交換装置において、
前記工具収納領域に配置され工具を撮像する撮像装置と、
前記撮像工程で撮像した前記工具の画像から、前記工具の質量と前記工具の工具ホルダーに対する工具の重心の位置を算出し、前記質量と前記重心の位置に基づき前記交換アームで前記工具を交換するときの前記交換アームの動作パラメータを決定し、該動作パラメータに基づいて前記交換アームを動作させて工具を交換する制御装置と、
を具備することを特徴とした工具交換装置。
加工領域と工具収納領域との間で、交換アームを用い、該交換アームのグリッパに工具の工具ホルダーのＶ溝を係合し、該交換アームを回転して工具を交換する工作機械の工具交換装置において、
前記工具収納領域に配置され工具を撮像する撮像装置と、
前記撮像工程で撮像した前記工具の画像から、前記交換アームの回転によって前記工具に作用する前記工具の工具ホルダーのＶ溝を中心とした回転モーメントを算出し、前記交換アームのグリッパに作用する前記回転モーメントに基づき前記交換アームで前記工具を交換するときの前記交換アームの動作パラメータを決定し、該動作パラメータに基づいて前記交換アームを動作させて工具を交換する制御装置と、
を具備することを特徴とした工具交換装置。
前記交換アームは、先端に前記工具を保持するグリッパを有しており、
前記制御装置は、撮像した工具の画像から、前記交換アームの端部のグリッパに作用する回転モーメントを算出し、該回転モーメントに基づき交換アームの動作パラメータを決定するようにした請求項６に記載の工具交換装置。
前記交換アームは、両端にグリッパを有し、該両のグリッパ間の中心に旋回軸を有した旋回アームより成り、加工領域にある主軸から工具収納領域にある工具マガジンに返却する工具と、前記工具マガジンから前記主軸に供給する工具とを同時に交換するようになっており、
前記制御装置は、前記グリッパに保持されている工具の各々の質量と、前記グリッパに保持されている工具によってグリッパに作用する回転モーメントを算出し、該求めた質量と回転モーメントによって決まる交換アームの動作パラメータのうち、最も低速となる動作パラメータに基づいて、前記交換アームを動作させる請求項６に記載の工具交換装置。
前記工具交換装置は、前記工具マガジンと前記グリッパとの間で工具を移送するシフタを更に具備しており、前記撮像装置は、前記交換アームが前記シフタから工具を受け取る待機位置に前記工具が配置されているとき、該工具を撮像するようになっている請求項９に記載の工具交換装置。