JP6570632B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工具の折損検知や自動工具長補正のための工具検知を行うタッチセンサが設けられた工作機械に関する。

工作機械は、工具に刃こぼれ等の折損が生じていた場合、例えば加工寸法に狂いが生じてしまうため、工具の折損を検知するための構成がとられている。下記特許文献１には、サイクルタイムの短縮を目的とした折損検知構造の工作機械が開示されている。この従来例では、折損検知装置がツールマガジン内に設置され、工作機械の架台であるベッド部ユニットの側壁に折損検知装置が固定されている。その折損検知装置は、ツールマガジンの開閉扉の下端部近傍に検知プローブが水平に延び、工具交換によって工具がツールホルダに戻る際、検知プローブに工具先端が接触するようになっている。従って、接触によって装置本体内のリミットスイッチが作動し、工具の正常な状態が検知できるようになっている。一方で、工具が通過したにも関わらず接触がない場合には、異常ランプが点灯して工作機械が駆動停止になる。

特開２００２−２８３１６３号公報 特開平８−３２３５９１号公報 特開２００２−１２０１２９号公報

しかし、前記従来例では、折損検知装置をベッド部ユニットの側壁に固定するためのスペースを確保しなければならず、しかも検知プローブの状態変化を検知するためには広い検知スペースが必要となり、工作機械の小型化が困難になってしまう。また、他の従来例としては、上記特許文献２に、ＮＣ旋盤の主軸台に対して揺動可能なアームにタッチセンサが取り付けられたものが開示されている。この従来例は、揺動するアームの可動範囲が折損検知装置の取り付けスペースになり、やはり工作機械の小型化の妨げになってしまう。更に、他の従来例としては、上記特許文献３に、工具を検知用部材へ接触させて刃先の折損を検知する工作機械が開示されている。この検知用部材は、ワークの加工品と実質的に等しい寸法の部材であり、ワークの代わりにチャックに取り付けられるものである。従って、折損検知装置を必要としないため工作機械の小型化には有効であるが、チャックに対する検知用部材の取り付けはサイクルタイムを大幅に遅延させてしまう別の問題が生じることになる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、工具検知の省スペース化を図った工作機械を提供することを目的とする。

本発明の一態様における工作機械は、ワークを把持するチャック装置を備え、前記チャック装置によって回転するワークに対して、複数の工具から選択した所定の工具を保持したヘッド部材をヘッド駆動装置の駆動により移動させ、所定の加工を実行するものであり、前記チャック装置のうちワークと一体になって回転する回転体の円周側面上に、工具先端の接触により当該工具を検知するタッチセンサが取り付けられたものである。

本発明によれば、チャック装置の円周側面上に取り付けられたタッチセンサに対して工具先端を接触させることにより当該工具の検知により、折損検知や自動工具長補正を行うことができる。よって、工作機械内部にタッチセンサを取り付けるための特別な構造やスペースを設ける必要がないため、工具検知の省スペース化が可能である。

複数の工作機械により構成された加工機械ラインを示した斜視図である。 マシニングセンタを構成する加工モジュールを示した斜視図である。 マシニングセンタを構成する加工モジュールを示した斜視図である。 開閉扉が閉じた状態のツールマガジンを上方から示した斜視図である。 開閉扉が開いた状態のツールマガジンを上方から示した斜視図である。 開閉扉が閉じた状態のツールマガジンを下方から示した斜視図である。 開閉扉が開いた状態のツールマガジンを下方から示した斜視図である。 工具検知部材を取り付けたチャック装置を示した斜視図である。 チャック装置、ツールマガジン及び主軸ヘッドの位置関係を示した概略図である。

次に、本発明に係る工作機械の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の工作機械を含む加工機械ラインを示した斜視図である。加工機械ライン１は、ワーク搬入側である図面左側にワーク投入モジュール６が設置され、基礎となるベースの上に７台の工作機械５とワーク排出側である図面右側にはワークストックモジュール７が搭載されている。工作機械５やワーク投入モジュール６およびワークストックモジュール７は、全て外観に統一性があり、外形形状や寸法が揃えられている。そして、加工機械ライン１は、幅方向に並べられた各々の工作機械５やワーク投入モジュール６及びワークストックモジュール７との間でワークの受渡しを行うワーク搬送装置が設けられ、ワークに対する一連の加工が行われる。

工作機械５は、全体が外装カバー３によって覆われており、図面手前側である前部には前カバー４があり、外装カバー３と前カバー４とが一体になっている。外装カバー３の内部には、ワークに対して切削や穴あけ等の加工を行う各種加工モジュールが搭載され、工作機械５毎に閉じた加工室が構成されている。一方、前カバー４は、加工機械ライン１の幅方向に一つの搬送空間を構成し、その内部には各工作機械５の加工室に対してワークを搬送するための搬送装置が設置されている。

加工機械ライン１を構成する７台の工作機械５は旋盤やマシニングセンタなどであり、図２及び図３は、そのうちのマシニングセンタ５ｘについて、加工モジュール１０を示した斜視図である。マシニングセンタ５ｘは、この加工モジュール１０が機体カバーによって覆われ、その内部に加工室が構成されている。加工モジュール１０は、ベース３上を前後方向に移動可能なものであり、車輪を備える可動ベッド１１上に組み付けられている。なお、本実施形態では、マシニングセンタ５ｘ（加工モジュール１０）の機体前後方向がＹ軸方向、機体幅方向がＸ軸方向、そして機体上下方向がＺ軸方向である。

加工モジュール１０は、ワークに対して加工を行う工具を保持する主軸ヘッド１２が前部に設けられている。主軸ヘッド１２は、ドリルやリーマ、ボーリング等の工具の着脱可能な主軸チャック１３を有し、その主軸チャック１３に保持された工具を回転させる主軸用モータ１４が設けられている。そして、主軸ヘッド１２の下方には、ワークを回転可能に把持するチャック装置１５が配置されている。工具を回転させる主軸ヘッド１２の回転軸は鉛直のＺ軸方向であり、チャック装置１５の回転軸は水平のＹ軸方向であり、両回転軸は直交している。

チャック装置１５は、可動ベッド１１上の架台１７に対し、機体前方側に突き出すようにして取り付けられたコレットチャックであり、搬送装置との間でワークの受渡しが行われる。そして、チャック装置１５に把持されたワークに対して主軸ヘッド１２の工具により所定の加工が行われる。そのチャック装置１５と主軸ヘッド１２との間には、複数の工具を収納したツールマガジン１８が設けられている。また、加工モジュール１０には、可動ベッド１１の後方に、主軸用モータ１４やチャック装置１５の駆動モータのほか、主軸ヘッド１２の加工駆動装置及びツールマガジン１８の各駆動部を駆動制御するための制御盤１９が搭載されている。

主軸ヘッド１２の加工駆動装置には、主軸ヘッド１２に保持した工具をＺ軸方向に移動させるためのＺ軸駆動機構、Ｘ軸方向に移動させるためのＸ軸駆動機構、そしてＹ軸方向に移動させるためのＹ軸駆動機構が設けられている。加工モジュール１０では、３軸方向の各駆動機構が機体前後方向に並べられ、機体の幅寸法が小さくなるように設計されている。具体的にＹ軸駆動機構は、Ｙ軸スライダ２１が可動ベッド１１と一体のマガジン本体２４上にＹ軸方向に移動自在に搭載され、Ｘ軸駆動機構は、Ｙ軸スライダ２１に対してＸ軸スライダ２２がＸ軸方向に移動自在に搭載されている。更に、Ｚ軸駆動機構は、Ｘ軸スライダ２２に対してＺ軸スライダ２３がＺ軸方向に移動自在に搭載され、そのＺ軸スライダ２３に主軸ヘッド１２が搭載されている。

Ｙ軸スライダ２１、Ｘ軸スライダ２２及びＺ軸スライダ２３は、いずれもガイドレールとガイドブロックとが摺動可能に嵌め合され、各方向に摺動自在に搭載されている。そして、各駆動機構は、サーボモータの回転軸に連結されたネジ軸に、各スライダに固定されたナットが螺合している。従って、各サーボモータの駆動制御により、回転が直線運動に変換され、Ｙ軸スライダ２１、Ｘ軸スライダ２２及びＺ軸スライダ２３が各方向に所定量移動することなる。これにより、主軸ヘッド１２に保持された工具に対して、チャック装置１５に把持されたワークに対する位置制御が行われることになる。

ところで、図１に示す加工機械ライン１は、このマシニングセンタ５ｘを含む複数台の工作機械５が幅方向に近接して配置され、全体が非常にコンパクトな設計となっている。このマシニングセンタ５ｘもそのコンパクト化を達成するため、Ｙ軸スライダ２１、Ｘ軸スライダ２２及びＺ軸スライダ２３がＹ軸方向に重なった配置になっており、Ｘ軸方向である幅方向の寸法が小さく設計されている。そして、加工駆動装置の下に配置されたツールマガジン１８もコンパクトな設計となっている。

ツールマガジン１８は、箱型のマガジン本体２４の内部に取り外し可能な状態で収容されており、そのマガジン本体２４には、主軸チャック１３側の開口部に一対の開閉扉３１が設けられている。通常、開閉扉３１は図２に示すように閉じられ、ワークの加工によって飛び散るクーラントや切削屑などがマガジン本体２４内の工具に付着しないようになっている。そして、工具の交換の際、開閉扉３１は図３に示すように開けられ、ツールマガジン１８は、開閉扉３１の開閉に連動して送り出されるよう構成されている。すなわち、主軸ヘッド１２によって工具の交換がマガジン本体２４の外側で行われるように、ツールマガジン１８の前端部が開口部から飛び出すようになっている。

ここで、図４乃至図７は、開閉扉３１とツールマガジン１８との関係を示した斜視図である。図４及び図５は、ツールマガジン１８を上方から見た斜視図であり、図４は、マガジン本体２４内に収納された状態が示され、図５は開いた開閉扉３１からツールマガジン１８の前端部が飛び出した状態が示されている。一方、図６及び図７は、ツールマガジン１８を下方から見た斜視図であり、図４及び図５にそれぞれ対応した状態が示されている。なお、ツールマガジン１８には様々な種類の工具Ｔが収納されるが、図面上、具体的な形状は省略して全て円筒形状で表現している。すなわち、単に複数の工具Ｔについて配置が分かるようになっている図である。

ツールマガジン１８には、工具Ｔの着脱が可能なツールホルダ３２が複数設けられている。そのツールホルダ３２は、一対の把持爪によって工具Ｔの首部を挟み込むようにしたものであり、ツールマガジン１８内に収納された工具Ｔは、その回転軸が鉛直方向を向くように吊下げ姿勢で保持される。ツールマガジン１８は、一対のスプロケット３３に無端のローラチェーン３４が掛け渡されている。よって、ローラチェーン３４は長円形をなし、複数のツールホルダ３２がそのローラチェーン３４に対して一定の間隔で固定されている。複数の工具Ｔは互いに近接して配置され、長円形の周方向に順番に並んでいる。

また、ツールマガジン１８は、一対のスプロケット３３のうち、開閉扉３１側のスプロケット３３に工具変位用モータ３５が連結されている。すなわち、工具変位用モータ３５は、その回転軸がＹ軸方向を向くように水平横置きに配置され、その回転軸とスプロケット３３の回転軸とが直交し、各回転軸に固定された傘歯車３６が噛合している。よって、工具変位用モータ３５の駆動によりスプロケット３３からローラチェーン３４に回転が伝達され、複数の工具Ｔがローラチェーン３４に従って長円形の進路を周回移動することになる。

ツールマガジン１８は、前述した工具変位用モータ３５、ローラチェーン３４、スプロケット３３及びツールホルダ３２などからなる工具変位装置が可動テーブル３８対して組み付けられ、マガジン本体２４内を前後方向に移動できるよう構成されている。可動テーブル３８は、工具Ｔの周回移動に対応した長円形で、その内周と外周には低い側壁が形成された受け皿形状になっており、工具Ｔから落ちるクーラントや切削屑を受け取れるようになっている。そうした形状の可動テーブル３８の周内部には、工具変位用モータ３５やスプロケット３３が配置されている。

可動テーブル３８には下面側にガイドブロック４１が固定され、マガジン本体２４の内部底面にはガイドレール４２が敷設されている。そして、ガイドレール４２に対してガイドブロック４１が摺動可能に嵌め合わされ、可動テーブル３８が前後方向（Ｙ軸方向）に移動自在に構成されている。その可動テーブル３８にはボールネジを構成するナット４３が固定され、そのナット４３に移動用モータ４６の回転軸に連結されたネジ軸４５が螺合している。よって、ツールマガジン１８の移動装置は、移動用モータ４６がマガジン本体２４側に固定され、その移動用モータ４６が駆動してネジ軸４５が回転することにより、ナット４３を介してツールマガジン１８が直線移動すなわち前進及び後退するようになっている。

また、マガジン本体２４の開閉扉３１は、ツールマガジン１８の前進及び後退と連動して開閉するように構成されている。マガジン本体２４の前方開口部には左右一対の開閉扉３１が設けられ、左右両開きになるようにヒンジ部材５１によってマガジン本体２４に取り付けられている。そして、左右一対の開閉扉３１には、対称的な構成によって開閉機構が組み付けられている。開閉機構は、開閉扉３１に固定された扉側ブラケット５２と、可動テーブル３８側に取り付けられた駆動側ブラケット５３が、互いにピン結合したリンクバー５５を介して連結されている。

次に、このマシニングセンタ５ｘには、刃こぼれ等の工具の折損検知や自動工具長補正を行うための工具検知部材が設けられている。ここで図８は、工具検知部材の取付位置を示した斜視図である。本実施形態では、工具検知部材としてタッチセンサ６０が使用される。このタッチセンサ６０では、ドリルなどの工具Ｔが図示するように下降しながら接触することにより、内部のｂ接点であるスイッチが切れてＯＦＦ信号が制御装置１９へと送られるようになっている。制御装置では、このＯＦＦ信号とドリルの下降位置との比較により工具の刃先位置を判定することが可能になる。なお、タッチセンサのスイッチはａ接点であってもよい。

タッチセンサ６０が設置されたチャック装置１５は、架台１７に対してチャック装置本体２５が固定され、そのチャック装置本体２５に対して回転テーブル２６が回転自在に取り付けられている。そして、その回転テーブル２６には、サーボモータの回転が減速機を介して伝えられる。また、回転テーブル２６には円筒形状の回転体２７が固定され、その内部には、シリンダの作動によってコレットスリーブ２８の先端部が開閉するチャック機構が構成されている。こうしたチャック装置１５の回転体２７に対してタッチセンサ６０が固定されている。

ところで、タッチセンサ６０は、チャック装置１５と一体になって回転するため、周方向に変位するものであるが、図８に示すように、チャック装置１５の回転軸に直交する鉛直上方が工具検知を可能とする工具検知位置６０１である。このとき、タッチセンサ６０の検知面が工具Ｔの下降に対して直交するからである。そして、本実施形態では特に、主軸ヘッド１２がツールマガジン１８との間で工具交換を行う際、その工具交換が行われる位置が工具検知位置６０１と鉛直方向に重なっている。

複数の工具を収容するツールマガジン１８は、ローラチェーン３４の回転により工具Ｔが周回移動するが、その移動進路のうち長円形の長手方向端部が工具についての交換準備位置６１０である（図４参照）。その交換準備位置６１０が、図５に示すように、ツールマガジン１８の送り出しによって最も前方に飛び出す位置だからである。そして、この交換準備位置６１０にある交換対象の工具Ｔｘが飛び出した位置、すなわち主軸チャック１３によって工具Ｔの掴み換えが行われるマガジン本体２４外側の位置が工具交換位置６２０である。よって、この工具交換位置６２０がチャック装置１５の回転軸上に位置し、チャック装置１５の回転角制御によりタッチセンサ６０が鉛直上方に位置した場合、図９に示すように、その工具検知位置６０１と工具交換位置６２０とが鉛直線上に重なることになる。

次に、図９は、チャック装置１５、ツールマガジン１８及び主軸ヘッド１２の位置関係を示した概略図である。回転体２７に取り付けられたタッチセンサ６０には、いわゆるワイヤレス給電システムが用いられている。タッチセンサ６０は、工具Ｔの接触によりＯＦＦ信号を発信するようにｂ接点回路が形成され、そのｂ接点回路には可動側コイル６１が接続されている。そして、その可動側コイル６１は、回転するチャック装置１５の端部であって、且つ回転中心に設置されている。

一方、このチャック装置１５が組み付けられている架台１７側には、可動側コイル６１に対して中心位置を合わせた固定側コイル６２が隣接して設置されている。その固定側コイル６２は、電源に接続されるとともに、アンプを介して制御装置１９に接続されている。このように、本実施形態では、回転するタッチセンサ６０に対して電力と検知信号とがワイヤレスで伝送できるように、可動側コイル６１及び固定側コイル６２の磁誘導作用により電力搬送が行われる無接点電力搬送方式が採用されている。

続いて、本実施形態のマシニングセンタ５ｘによるワーク加工では、チャック装置１５に把持されたワークＷに対して、主軸ヘッド１２に装着された工具による加工が行われる。主軸ヘッド１２の工具には主軸用モータ１４の駆動によって回転が与えられ、回転する工具が、加工駆動装置に対する３軸方向の移動制御によりワークＷに対して移動して加工が行われる。一方、ワークＷに対して直接加工を実行する工具は、加工内容に応じて適宜交換が行われる。

工具交換では先ず、マガジン本体２４内で割出しが行われる。すなわち、主軸ヘッド１２との間で工具Ｔの掴み換えを行うため、工具Ｔを保持していない空のホルダ３２がツールマガジン１８の交換準備位置６１０へと送られる。具体的には、工具変位用モータ３５の駆動制御によりスプロケット３３を介してローラチェーン３４に回転が与えられ、空のツールホルダ３２が交換準備位置６１０へと移される。そして、移動用モータ４６の駆動制御により、ボールネジを介して可動テーブル３８が摺動してツールマガジン１８が前進し、同時に可動テーブル３８の移動に連動する開閉扉３１が開けられ、空のツールホルダ３２が開口部から工具交換位置６２０へと飛び出す。

そこで、空のツールホルダ３２に対して主軸ヘッド１２から工具Ｔが受け渡される。そして、ツールマガジン１８では、工具変位用モータ３５の駆動制御により、交換対象の工具Ｔｘが周回移動し、交換準備位置６１０（工具交換位置６２０）への割出しが行われる。その工具Ｔｘは主軸チャック１３との掴み換えにより主軸ヘッド１２側へ受け渡される。その後、移動用モータ４６の駆動制御によりツールマガジン１８が後退し、同時に開閉扉３１が閉じられる。

ツールマガジン１８の後退により主軸ヘッド１２に把持された工具Ｔｘの真下にタッチセンサ６０が現れる。このとき、チャック装置１５では、回転体２７に対する回転角の調整により、タッチセンサ６０が鉛直上方に位置決めされ、工具交換位置６２０の直下に位置している。従って、主軸ヘッド１２が真っ直ぐ下降することにより、工具Ｔｘの先端がタッチセンサ６０の検知面に接触し、工具検知が実行される。

このとき、主軸ヘッド１２が下降して工具Ｔｘの工具検知が実行されるタイミングに合わせて通電が行われ、固定側コイル６２から可動側コイル６１へ電力が供給される。ｂ接点のタッチセンサ６０からはＯＮ信号が可動側コイル６１から固定側コイル６２に伝送され、その検知信号が制御装置１９に出力される。そして、工具Ｔｘの先端がタッチセンサ６０の検知面に接触することにより、ｂ接点のスイッチが切れてＯＦＦ信号が可動側コイル６１から固定側コイル６２に伝送され、その検知信号が制御装置１９に出力される。制御装置１９では、このＯＦＦ信号とドリルの下降位置との比較により工具先端位置が確認され自動工具長補正が行われる。

そして、工具長補正後の工具は、その工具検知位置６０１からチャック装置１５に把持されたワークＷへと移動し、当該工具によるワーク加工が実行される。一方、加工後に同じようにして行われる工具検知では、ＯＦＦ信号とドリルの下降位置との比較により工具の折損検知が行われる。そこで、工具の折損が確認された場合には、マシニングセンタ５ｘは、ワーク加工に移ることなく駆動停止になり、作業者に対してシグナルタワーの点灯などにより工具折損の情報が報知される。

よって、本実施形態によれば、タッチセンサ６０がチャック装置１５の回転体２７に固定され、そこで工具検知が行われるよう構成されているため、マシニングセンタ５ｘの内部に工具検知部材を取り付けるための特別な構造やスペースを設けることがなく、工作機械の設計に当たり機体の大型化を防ぎ小型化を可能にするものである。また、ワークＷを保持するチャック装置１５上にタッチセンサ６０が存在することにより、工具交換、工具検知そしてワーク加工の間で工具の移動距離を短くすることができ、サイクルタイムを短縮させることに寄与する。特に、工具交換位置６２０の真下にタッチセンサ６０が位置しているため、工具の交換と工具検知とを行う距離が極めて短い点でより高い効果が得られる。また、回転体であるチャック装置１５上にタッチセンサ６０が取り付けられていてもワイヤレス給電システムにより工具検知装置を構成することにより、安定した工具検知を維持できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、マシニングセンタを例に挙げて説明したが、本発明はタレット旋盤などの工作機械であってもよい。

１…加工機械ライン ５…工作機械 ５ｘ…マシニングセンタ １０…加工モジュール １２…主軸ヘッド １５…チャック装置 １８…ツールマガジン １９…制御装置 ２４…マガジン本体 ３１…開閉扉 ３２…ツールホルダ ３３…スプロケット ３４…ローラチェーン ３５…工具変位用モータ ３６…傘歯車 ３８…可動テーブル ４１…ガイドブロック ４２…ガイドレール ４３…ナット ４５…ネジ軸 ４６…移動用モータ ６０…タッチセンサ ６１…可動側コイル ６２…固定側コイル ６１０…交換準備位置 ６１０…工具交換位置

Claims (3)

1. ワークを把持するチャック装置を備え、前記チャック装置によって回転するワークに対して、複数の工具から選択した所定の工具を保持したヘッド部材をヘッド駆動装置の駆動により移動させ、所定の加工を実行する工作機械において、
   前記チャック装置のうちワークと一体になって回転する回転体の円周側面上に、工具先端の接触により当該工具を検知するタッチセンサが取り付けられたものであることを特徴とする工作機械。
2. 複数の工具を収納するツールマガジンを備え、前記ヘッド部材が前記ツールマガジンとの間で工具の交換を行うものであり、その交換位置と前記タッチセンサにおける検知位置とが、前記チャック装置の回転軸に直交する鉛直上方に重なっていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記タッチセンサは、固定側コイルから可動側コイルに電磁誘導作用で電力搬送を行う無接点電力搬送方式を採用するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の工作機械。
   

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