JP6746429B2 - 工具交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の工具交換位置に配設され、主軸に装着された工具を待機位置にある次工具と交換する工具交換装置に関する。

従来、各種工具交換装置が知られているが、現在一般的に採用されているのが所謂Ｗアーム型の工具交換装置である。この工具交換装置は、中心軸が前記主軸の軸線と平行に配設され、この中心軸を中心として回転可能、且つ前記主軸の軸線に沿った方向に移動可能に設けられた保持部材と、前記保持部材を、その前記中心軸を中心として正逆に回転させる回転機構と、前記保持部材を前記主軸軸線に沿った方向に進退させる進退機構と、前記保持部材の中心軸を中心とした半径方向にそれぞれ延出して一直線となるように該保持部材に配設されるとともに、該保持部材の正逆の回転方向における、その一方の側面に開口した工具保持部をそれぞれ備え、前記工具をその軸線が前記保持部材の中心軸と平行になるように該工具保持部に保持する二つの工具交換アーム（つまり、Ｗアーム）と、前記回転機構及び進退機構を制御する制御装置とを備えて構成される。

上記工具交換装置において、更に、回転機構及び進退機構の駆動源に油圧を用いた油圧式のものや、カム機構をＡＣモータで駆動する方式（カム駆動方式）のものの他、サーボモータを用いた駆動方式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。油圧式の工具交換装置は開発初期段階のものであり、その後、交換時間の短縮化を図るべくカム駆動方式のものが開発された。近年では、サーボモータの高速化など、その駆動機構の技術進歩により、カム駆動方式を超えるような短時間での工具交換が可能になってきたことから、サーボモータ駆動方式が採用されるようになってきている。

サーボモータ駆動方式の工具交換装置では、回転機構を構成するサーボモータ（以下、回転サーボモータと記載）及び進退機構を構成するサーボモータ（以下、進退サーボモータと記載）がそれぞれ制御装置によって制御されるようになっており、工具交換アームの角度位置は、回転サーボモータに付設されたエンコーダ（以下、回転エンコーダと記載）によって検出され、同様に、工具交換アームの進退位置は、進退サーボモータに付設されたエンコーダ（以下、進退エンコーダと記載）によって検出されるようになっている。

具体的には、工具交換アームの角度位置は、回転エンコーダにより絶対値として検出される回転サーボモータの現在回転数及び回転角（つまり、回転位置データ）と、この回転サーボモータの動力を保持部材に伝達して回転させる伝達機構の、回転サーボモータに対する減速比とから算出される。また、工具交換アームの進退位置は、進退エンコーダにより絶対値として検出される進退サーボモータの現在回転数及び回転角（つまり、回転位置データ）と、この進退サーボモータの動力を保持部材に伝達して進退させるボールねじ機構のリードとから算出される。工具交換アームは、制御装置によって、上記のようにして検出される回転サーボモータの回転位置データと、この回転位置データから適宜設定される回転原点とを基に、その回転動作が制御され、同様に、進退サーボモータの回転位置データと、この回転位置データから適宜設定される進退原点とを基に、その進退動作が制御される。

実公平８−４９９０号公報

ところで、上記回転サーボモータによる駆動力を上記工具交換アームに伝達するギヤ等に潤滑油が用いられているが、この潤滑油の温度が低下すると、当該潤滑油の粘性が低下し、ギヤの噛み合い摩擦抵抗が上昇するため、上記回転サーボモータの負荷が上昇してしまう。その結果、従来のサーボモータ駆動方式の工具交換装置では、制御目標である設定速度に対して追随遅れが生じる。すなわち、工具交換アームをある速度で回転させたいときに、その速度よりも遅い速度でしか当該工具交換アームを回転させることができなくなる。そのため、工具交換アームの回転動作と進退動作とを同期させたい場合（例えば、工具交換アームの回転中に進退させる場合等）、工具交換アームの回転中に意図しないタイミングで当該工具交換アームの進退動作が開始されてしまう事態が生じる。このため、工具交換アームが意図しない位置に移動することとなり、他の構造物と干渉する虞があった。

本発明は以上の実情に鑑みなされたものであって、その目的は、工具交換アームの追随遅れを防ぐことができる工具交換装置を提供することである。

本発明に係る工具交換装置は、工作機械の工具交換位置に配設され、主軸に装着された工具を待機位置にある次工具と交換する工具交換装置であって、
中心軸が前記主軸の軸線と平行に配設され、当該中心軸を中心として回転可能、且つ前記主軸の軸線に沿った方向に移動可能に設けられた保持部材と、
エンコーダを備える回転用サーボモータを有し、前記保持部材をその前記中心軸を中心として正逆に第１回転速度で回転させる回転機構と、
エンコーダを備える進退用サーボモータを有し、前記保持部材を前記主軸の軸線に沿った方向に第１進退速度で進退させる進退機構と、
前記保持部材の径方向に延びるように当該保持部材に配設されると共に、前記工具をその軸線が前記保持部材の前記中心軸と平行となるように保持する少なくとも一つの工具交換アームと、
第１閾値を予め記憶する記憶部と、
前記回転用サーボモータに対する指令値と前記回転用サーボモータの前記エンコーダの出力値との差分である第１差分を算出すると共に前記第１閾値と比較し、当該第１差分が前記第１閾値以上である場合には、前記回転機構による前記保持部材の回転速度を前記第１回転速度よりも遅い第２回転速度にし、前記第１差分が前記第１閾値未満である場合には、前記回転機構による前記保持部材の回転速度を前記第１回転速度に維持する制御装置と、を備えるものである。

本発明に係る工具交換装置においては、上記制御装置により回転機構及び進退機構が制御され、これらの回転機構及び進退機構の駆動力により、工具交換アームの回転動作及び進退動作が行われる。初期設定において上記回転機構は第１回転速度で回転され、上記進退機構は第１進退速度で進退される。なお、制御装置は、回転用サーボモータのエンコーダからの出力信号により当該回転用サーボモータの回転数（つまり回転速度）を認識し、進退用サーボモータのエンコーダからの出力信号により当該進退用サーボモータの回転数（つまり回転速度）を認識するように構成されている。このような構成において、工具交換アームの回転動作及び進退動作により、主軸に装着された工具と待機位置にある次工具（つまり、次に使用すべき工具）とが交換される。

このような構成において、制御装置によって、回転用サーボモータに対する指令値と当該回転用サーボモータのエンコーダの出力値との差分である第１差分が算出されると共に、当該第１差分と第１閾値とが比較される。そして、前記比較の結果、第１差分が第１閾値以上である場合には、制御装置により保持部材の回転速度（つまり、回転用サーボモータの回転速度）が第１回転速度よりも遅い第２回転速度となるよう回転用サーボモータの動作が制御される。これに対して、前記比較の結果、第１差分が第１閾値未満である場合には、制御装置により保持部材の回転速度（つまり、回転用サーボモータの回転速度）が第１回転速度に維持されるよう回転用サーボモータの動作が制御される。なお、第２回転速度は、工具交換アームの回転動作と進退動作との同期がとれる速度、すなわち、工具交換アームの回転動作において追随遅れが生じない程度の速度である。

このように、上記第１差分が第１閾値以上である場合（すなわち、回転用サーボモータに対する負荷の上昇が見込まれる場合）には、回転用サーボモータの回転速度が第２回転速度に低下されるので、工具交換アームの回転動作において、制御目標である設定速度に対する追随遅れが生じない。したがって、工具交換アームの回転中に意図しないタイミングで当該工具交換アームの進退動作が開始されてしまうような事態は生じない。これにより、工具交換アームが意図しない位置に移動することがないので、他の構造物と干渉することがない。一方、上記第１差分が第１閾値未満である場合（すなわち、回転用サーボモータに対する負荷の上昇は見込まれない場合）には、回転用サーボモータの回転速度が第１回転速度に維持されるので、工具交換アームの交換の処理効率を維持することができる。

本発明において、前記第１差分は、工具交換動作における前記工具交換アームの回転動作のうち最初の回転動作を行う際の差分であることが好ましい。

上記態様によれば、工具交換アームの回転動作のうち最初の回転動作を行う際に上記第１差分を取得するので、当該工具交換アームの回転動作において追随遅れが生じることを早い段階から防ぐことができる。

本発明において、前記記憶部は、第２閾値を予め記憶するように構成され、前記制御装置は、前記進退用サーボモータに対する指令値と前記進退用サーボモータの前記エンコーダの出力値との差分である第２差分を算出すると共に前記第２閾値と比較し、当該第２差分が前記第２閾値以上である場合には、前記進退機構による前記保持部材の進退速度を前記第１進退速度よりも遅い第２進退速度にし、前記第２差分が前記第２閾値未満である場合には、前記進退機構による前記保持部材の進退速度を前記第１進退速度に維持するように構成されていてもよい。

上記態様によれば、制御装置によって、進退用サーボモータに対する指令値と当該進退用サーボモータのエンコーダの出力値との差分である第２差分が算出されると共に、当該第２差分と第２閾値とが比較される。そして、前記比較の結果、第２差分が第２閾値以上である場合には、制御装置により保持部材の進退速度（つまり、進退用サーボモータの回転速度）が第１進退速度よりも遅い第２進退速度となるよう進退用サーボモータの動作が制御される。これに対して、前記比較の結果、第２差分が第２閾値未満である場合には、制御装置により保持部材の進退速度（つまり、進退用サーボモータの回転速度）が第１進退速度に維持されるよう進退用サーボモータの動作が制御される。なお、上記第２進退速度は、工具交換アームの進退動作と回転動作との同期がとれる速度、すなわち、工具交換アームの進退動作において追随遅れが生じない程度の速度である。

このように、上記第２差分が第２閾値以上である場合（すなわち、進退用サーボモータに対する負荷の上昇が見込まれる場合）には、進退用サーボモータの回転速度が第２進退速度に低下されるので、工具交換アームの進退動作において、制御目標である設定速度に対する追随遅れが生じない。したがって、工具交換アームの進退中に意図しないタイミングで当該工具交換アームの回転動作が開始されてしまうような事態は生じない。これにより、工具交換アームが意図しない位置に移動することがないので、他の構造物と干渉することがない。一方、上記第２差分が第２閾値未満である場合（すなわち、進退用サーボモータに対する負荷の上昇は見込まれない場合）には、進退用サーボモータの回転速度が第１進退速度に維持されるので、工具交換アームの交換の処理効率を維持することができる。

本発明において、前記第２差分は、工具交換動作における前記工具交換アームの進退動作のうち最初の進退動作を行う際の差分であることが好ましい。

上記態様によれば、工具交換アームの進退動作のうち最初の進退動作を行う際に上記第２差分を取得するので、当該工具交換アームの進退動作において追随遅れが生じることを早い段階から防ぐことができる。

以上のように、本発明に係る工具交換装置によれば、工具交換アームの追随遅れを抑制することが可能な工具交換装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る工作機械を示した正面図である。 図１に示した工具交換装置を斜め下方から視た斜視図である。 図１に示した工具交換装置の下面図である。 図３における矢視Ｇ−Ｇ方向の断面図である。 図３における矢視Ｈ−Ｈ方向の部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る制御系統を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態に係る工具交換装置について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本例の工具交換装置１０は、工作機械１に付設されるもので、この工作機械１には工具マガジン７０が設けられている。

［工作機械の概要］
図１に示した工作機械１は、従来周知であり、多くを説明するまでもないが、その構成を簡単に説明すると、当該工作機械１は、ベッド２、このベッド２上に立設されたコラム３、このコラム３に垂直方向に移動可能に配設された主軸頭４、この主軸頭４に回転自在に支持された主軸５、及び、水平な直交２軸方向に移動可能に、前記ベッド２上に配設され、適宜ワークが載置又は固定されるテーブル６等を備える。

主軸頭４は、適宜送り装置（図示せず）によって、上下方向に移動するように構成され、テーブル６は、同じく適宜送り装置（図示せず）によって、水平な直交２軸方向に移動するように構成される。また、主軸５は、適宜主軸モータ（図示せず）によって、その軸中心に回転するように構成される。そして、主軸頭４を移動させる前記送り装置の動作、テーブル６を移動させる前記送り装置の動作、及び主軸５を駆動する前記主軸モータの動作は、図示しない制御装置により制御される。

［工具マガジンの概要］
工具マガジン７０は、工具Ｔを保持する複数の工具ポット７２と、円形をした板状の部材からなり、その外周部に工具ポット７２を環状に配置した状態で保持する保持プレート７３と、この保持プレート７３を回転させる駆動モータ（図示せず）と、下端位置の工具ポット７２を矢示Ａ方向に移動させて待機位置に位置決めする一方、待機位置にある工具ポット７２を矢示Ｂ方向に移動させて、保持プレート７３に保持させる呼び出し機構（図示せず）とを備える。なお、図１中の符号７１はカバーである。工具マガジン７０の動作も、図示しない前記制御装置により制御される。

［工具交換装置］
工具交換装置１０は、待機位置に位置決めされた工具ポット７２に保持される工具（次工具）Ｔと、主軸５に装着された工具（現工具）Ｔとを交換する装置であって、図２〜図４に示す工具交換アーム４０、ハウジング１１、第１支持軸１７、第２支持軸１８、進退機構１２及び回転機構２４と、後述の制御装置６０（図６参照）とを含んで構成される。

ハウジング１１は、その内部に収納室を有する角柱状をした部材からなり、第１支持軸１７、進退機構１２及び回転機構２４が取り付けられる。図４に示すように、第１支持軸１７は、ハウジング１１を上下に貫通するように当該ハウジング１１に取り付けられ、その下側に同軸上に配置された第２支持軸１８に連結される。なお、以下の図２〜図５の説明では、図１における上下関係を基準とする。

図４に示すように、進退機構１２は、第１支持軸１７の上端部に固設され、制御装置６０によってその作動が制御される進退用サーボモータ１３と、進退用サーボモータ１３の出力軸１３ａにカップリング１６を介して連結されたボールねじ１４と、ボールねじ１４に螺合するボールナット１５とを備える。進退用サーボモータ１３にはエンコーダ１３ｂ（図６参照）が付設されている。ボールねじ１４は、第１支持軸１７及び第２支持軸１８に形成された、その軸方向に沿った貫通穴に挿通され、第２支持軸１８の貫通穴内に配設されたベアリング２３，２３によって回転自在に支持されるとともに、その上端部がカップリング１６を介して出力軸１３ａに連結されている。また、第２支持軸１８の下端面には、開口された収納穴１８ａが形成されており、ボールナット１５はその上部側が収納穴１８ａに進入可能となっている。

第２支持軸１８の上端部には、当該第２支持軸１８が貫通した状態で工具交換アーム４０が外嵌され、この工具交換アーム４０の下方には、第２支持軸１８に外嵌された保持部材１９が配設される。保持部材１９の上端部は、工具交換アーム４０の下面に接合されている。また、ボールナット１５は、収納穴１８ａに収納された状態で保持部材１９の下面に接合される。上述したように、ボールナット１５の上部は収納穴１８ａに進入可能となっている。ボールナット１５の下部には、ボールねじ１４を覆う円筒状のカバー２１が固設されている。

このような構成において、制御装置６０により進退用サーボモータ１３を駆動して、その出力軸１３ａに連結されるボールねじ１４を正逆方向に回転させると、これに螺合したボールナット１５、当該ボールナット１５に連結された保持部材１９及びカバー２１、並びに保持部材１９に連結された工具交換アーム４０が、ボールねじ１４の軸線に沿って図２の矢示Ｅ−Ｆ方向に進退する。なお、矢示Ｅ方向は前進、矢示Ｆ方向は後退であり、図２〜図４は、これらボールナット１５、保持部材１９、カバー２１、及び工具交換アーム４０が進退方向の原点位置（進退原点）に位置した状態を示している。

回転機構２４は、制御装置６０によってその作動が制御される回転用サーボモータ２５と、カップリング２６と、第１かさ歯車２７と、第２かさ歯車２８と、連結体２９と、連結リング３４と、２本のガイドバー２０とを備える。回転用サーボモータ２５は、取付リング３５を介してハウジング１１の側面に取り付けられる。回転用サーボモータ２５にはエンコーダ２５ｂ（図６参照）が付設されている。また、第１かさ歯車２７は、その軸線が第１支持軸１７の軸線と直交するようにハウジング１１の収納室内に配設され、カップリング２６を介して回転用サーボモータ２５の出力軸２５ａに連結されている。なお、カップリング２６は、ハウジング１１の収納室内に配設されたベアリング３０，３０によって回転自在に支持されている。

第２かさ歯車２８とこの下方に配置された連結体２９とは同軸状態で連結されており、ベアリング３１，３１を介して第１支持軸１７に外嵌されている。第２かさ歯車２８と第１かさ歯車２７とは噛み合った状態にある。また、連結体２９の下端面には連結リング３４が固設され、この連結リング３４の下端面に２本のガイドバー２０，２０が固設されている。ガイドバー２０，２０は、工具交換アーム４０及び保持部材１９を上下方向に貫通した状態で延出するように相互に平行に配置される。ガイドバー２０，２０は、工具交換アーム４０を回転させる役割の他、当該工具交換アーム４０を保持する保持部材１９を矢示Ｅ−Ｆ方向に進退させる案内役も担っている。なお、ガイドバー２０，２０の下端部には、連結プレート２２が固設されている。

連結プレート２２には、図示しない貫通穴が形成されており、この貫通穴にカバー２１が挿通可能となっている。また、連結体２９の外周面とこれに対応するハウジング１１の内周面との間にはシール３２が配設され、このシール３２によって連結体２９とハウジング１１との間が封止されている。同様に、第２支持軸１８の外周面と連結リング３４の内周面との間にはシール３３が配設され、このシール３３によって第２支持軸１８と連結リング３４との間が封止されている。

このような構成において、制御装置６０により回転用サーボモータ２５を駆動して、その出力軸２５ａに連結された第１かさ歯車２７を正逆方向に回転させると、第２かさ歯車２８、この第２かさ歯車２８に直接又は間接的に連結される連結体２９、連結リング３４、ガイドバー２０，２０及び連結プレート２２、工具交換アーム４０及び保持部材１９、並びに保持部材１９に直接又は間接的に連結されるボールナット１５及びカバー２１が、第１支持軸１７及び第２支持軸１８の軸心を中心として、図２の矢示Ｃ−Ｄ方向に回転する。なお、矢示Ｃ方向を正転方向、矢示Ｄ方向を逆転方向とする。図２及び図３においては、工具交換アーム４０が回転方向の原点位置（回転原点）に位置した状態を示している。

図５に示すように、工具交換アーム４０は板状の部材４１から構成され、その両端部には、それぞれ工具Ｔを保持する工具保持部４２，５２が形成されている。工具保持部４２，５２は、一方の回転方向（前記正転方向）側が解放（開口）された円弧形状を有し、この解放側から工具Ｔを受け入れ可能となっている。なお、工具交換アーム４０は、上述したように第２支持軸１８に外嵌されており、工具保持部４２が設けられ径方向の一方側に延出されたアーム部（図示せず）と、工具保持部５２が設けられ径方向の他方側に延出されたアーム部（図示せず）とを備える。

図３及び図５に示すように、工具保持部４２，５２には、その保持空間に対して進退する保持爪４３，５３が設けられおり、各保持爪４３，５３は、リンク部４５，５５を介して付勢ロッド４４，５４に連結されている。付勢ロッド４４，５４は、大径部４４ａ，５４ａと小径部４４ｂ，５４ｂからなる段付き状のロッドであり、工具交換アーム４０に形成されたガイド穴４１ｂ，５１ｂに、小径部４４ｂ、５４ｂ側からそれぞれ挿通されている。また、大径部４４ａ，５４ａの端面とガイド穴４１ｂ，５１ｂの底面との間には、小径部４４ｂ，５４ｂに外嵌された状態の圧縮コイルばね４６，５６が設けられており、この圧縮コイルばね４６，５６によって付勢ロッド４４，５４がそれぞれ工具保持部４２，５２側に付勢されているため、これに伴い、保持爪４３，５３も保持空間に対して進出する方向に付勢されている。

このような構成において、保持爪４３，５３は、工具Ｔが工具保持部４２，５２に挿入される際に当該工具Ｔの外周面に当接することで後退する。これにより、工具Ｔが工具保持部４２，５２の保持空間内に受け入れられると共に、圧縮コイルばね４６，５６の付勢力によって当該工具Ｔが工具保持部４２，５２に把持される。一方、工具Ｔが工具保持部４２，５２から抜き取られる際には、保持爪４３，５３が上記とは逆に後退する。

保持部材１９及び工具交換アーム４０には、ガイド穴４１ｂ，５１ｂの軸線と直交するように、ガイド穴４８，５８が形成され、このガイド穴４８，５８内にロックロッド４７，５７が挿入されている。ロックロッド４７，５７は、上側の大径部４７ａ，５７ａと下側の小径部４７ｂ、５７ｂとからなる段付き状のロッドであり、この小径部４７ｂ、５７ｂが保持部材１９の下端部を貫通して外方に延出し、大径部４７ａ，５７ａの上端部が工具交換アーム４０より上方に延出するように、ガイド穴４８，５８内に挿入されている。また、大径部４７ａ，５７ａの端面とガイド穴４８，５８の底面との間には、小径部４７ｂ，５７ｂに外嵌された状態の圧縮コイルばね４９，５９が設けられており、この圧縮コイルばね４９，５９によってロックロッド４７，５７がそれぞれ上方に向けて付勢されている。

ロックロッド４７，５７の大径部４７ａ，５７ａの、前記付勢ロッド４４，５４の軸線と交差する部分には、逃がし穴４７ｃ，５７ｃが形成され、この逃がし穴４７ｃ，５７ｃの下側には、当該逃がし穴４７ｃ，５７ｃに向けて傾斜する傾斜面４７ｄ，５７ｄが形成されている。また、付勢ロッド４４，５４の小径部４４ｂ，５４ｂの端部は、ガイド穴４８，５８の底部を貫通して、前記付勢ロッド４４，５４の逃がし穴４７ｃ，５７ｃに係合しており、その端面４４ｃ，５４ｃは傾斜面４７ｄ、５７ｄと同じ傾斜角の傾斜面となっている。

このような構成において、常態では、ロックロッド４７，５７は、圧縮コイルばね４９，５９によって上方に向けて付勢され、図５において２点鎖線で示すように、その傾斜面４７ｄ，５７ｄがロックロッド４７，５７の端面４４ｃ，５４ｃに当接して、付勢ロッド４４，５４の後退を制止、すなわち、ロックする。一方、ロックロッド４７，５７が圧縮コイルばね４９，５９の付勢力に抗する外力によって下方に移動し、逃がし穴４７ｃ，５７ｃが付勢ロッド４４，５４の下端に対応する位置に至ると、付勢ロッド４４，５４は後退可能となり、工具保持部４２，５２への工具Ｔの着脱が可能となる。

なお、本例では、図４において、工具交換アーム４０及び保持部材１９が前記進退原点にあるときに、ロックロッド４７，５７の上端部が連結リング３４の下端面に当接して、ロックロッド４７，５７が下方に移動し、逃がし穴４７ｃ，５７ｃが付勢ロッド４４，５４の端部に対応するように設定されている。したがって、工具交換アーム４０及び保持部材１９が前記進退原点にあるときに、工具保持部４２，５２への工具Ｔの着脱が可能となり、工具交換アーム４０及び保持部材１９が下方に移動すると、付勢ロッド４４，５４の後退を制止、すなわち、保持爪４３，５３によって工具Ｔが把持された状態がロックされる。

図６は、本実施形態の制御装置６０を含む制御系統を示すブロック図である。本実施形態に係る工具交換装置１０には、図６に示すように、さらに、各種メモリ等で構成される閾値記憶部６１が設けられる。この閾値記憶部６１は、後述の第１閾値及び第２閾値を予め記憶する。制御装置６０は、工具交換プログラム等に従って、進退用サーボモータ１３の回転数及び回転用サーボモータ２５の回転数を制御する。この場合、工具交換アーム４０のＥ−Ｆ方向（図２参照）における位置（進退位置）は、進退用サーボモータ１３のエンコーダ１３ｂからの出力値、つまり現在回転位置データを基に認識される。エンコーダ１３ｂは、進退用サーボモータ１３の現在の回転数及び回転角（回転位置データ）の絶対値を出力するもので、内蔵されたメモリにこの回転位置データを格納する。なお、上述の進退原点は、工具交換アーム４０を回転させたときに、工具交換位置に在る主軸５に装着された工具Ｔを工具保持部４２，５２に保持可能な位置であり、この位置においてエンコーダ１３ｂから出力される回転位置データが進退原点として図示しない記憶部に記憶される。制御装置６０において、進退原点における回転位置データと現在回転位置データとの差分と、ボールねじ１４のリードとから進退原点からの現在の位置が認識される。

一方、工具交換アーム４０のＣ−Ｄ方向（図２参照）における位置（角度位置）は、回転用サーボモータ２５のエンコーダ２５ｂからの出力値、つまり現在回転位置データを基に認識される。エンコーダ２５ｂは、回転用サーボモータ２５の現在回転数及び回転角（回転位置データ）の絶対値を出力するもので、内蔵されたメモリにこの回転位置データを格納する。なお、上述の回転原点は、工具交換アーム４０をＥ−Ｆ方向に進退させたときに、当該工具交換アーム４０が他の構造物と干渉しない角度位置であり、設計上適宜設定される角度位置である。工具交換アーム４０が前記角度位置に在るときにエンコーダ２５ｂから出力される回転位置データが回転原点として図示しない記憶部に記憶される。

以下、工具交換動作について説明する。なお、以下の説明では、図１に示すように、主軸５は工具交換するための位置（工具交換位置）に位置し、次工具Ｔは待機位置に位置しているものとし、工具交換アーム４０は、図２及び図３に示すように、上述の進退原点及び回転原点に位置しているものとする。また、回転用サーボモータ２５による保持部材１９の初期設定の回転速度（つまり回転用サーボモータ２５の回転速度）を第１回転速度とし、進退用サーボモータ１３による保持部材１９の初期設定の進退速度（つまり進退用サーボモータ１３の回転速度）を第１進退速度として説明を行う。

以下に説明する工具交換動作においては、保持部材１９の回転動作と進退動作とが一部重複するように並進させてもよいし、当該回転動作の終了時を起点に進退動作を行い、また当該進退動作の終了時を起点に回転動作を行うようにしてもよい。何れにしても本実施形態に係る工具交換装置１０によれば、上述の追随遅れは生じない。なお、以下では、回転動作の終了時を起点に進退動作を行い、また進退動作の終了時を起点に回転動作を行う場合について説明する。

まず、制御装置６０は、回転用サーボモータ２５を駆動して、工具交換アーム４０を第１支持軸１７及び第２支持軸１８の軸線を中心として、図２の矢示Ｃ方向（正回転方向）に回転させる振り込み動作を行う。この振り込み動作により、主軸５に装着された工具（つまり現工具）Ｔが工具保持部４２に保持され、待機位置にある工具（つまり次工具）Ｔが工具保持部５２に保持される。上記振り込み動作を行う際に、制御装置６０によって、回転用サーボモータ２５に対する指令値と当該回転用サーボモータ２５のエンコーダ２５ｂの出力値との差分である第１差分が予め定められた時間間隔で算出されると共に、当該第１差分と閾値記憶部６１に記憶される第１閾値とが比較される。そして、比較の結果、上記第１差分が第１閾値以上である場合（すなわち、回転用サーボモータ２５に対する負荷の上昇が見込まれる場合）には、制御装置６０は、以後の回転用サーボモータ２５の回転速度が第１回転速度よりも遅い第２回転速度となるように当該回転用サーボモータ２５の回転動作を制御する。上記第２回転速度は、例えば第１回転速度の５０％ほどの速度である。これに対して、上記第１差分が第１閾値未満である場合（すなわち、回転用サーボモータ２５に対する負荷の上昇は見込まれない場合）には、制御装置６０は、以後の回転用サーボモータ２５の回転速度を第１回転速度に維持するように当該回転用サーボモータ２５の回転動作を制御する。

次に、制御装置６０は、進退用サーボモータ１３を駆動して、工具交換アーム４０を第１支持軸１７及び第２支持軸１８に沿って下方の前進端まで進出させる。これにより、主軸５から工具（現工具）Ｔが抜き取られるとともに、待機位置の工具ポット７２から工具（次工具）Ｔが抜き取られる。工具交換アーム４０の上記進出の際に、制御装置６０によって、進退用サーボモータ１３に対する指令値と当該進退用サーボモータ１３のエンコーダ１３ｂの出力値との差分である第２差分が予め定められた時間間隔で算出されると共に、当該第２差分と閾値記憶部６１に記憶される第２閾値とが比較される。そして、比較の結果、上記第２差分が第２閾値以上である場合（すなわち、進退用サーボモータ１３に対する負荷の上昇が見込まれる場合）には、制御装置６０は、以後の進退用サーボモータ１３の回転速度が第１進退速度よりも遅い第２進退速度となるように当該進退用サーボモータ１３の回転動作を制御する。上記第２進退速度は、例えば第１進退速度の５０％ほどの速度である。これに対して、上記第２差分が第２閾値未満である場合（すなわち、進退用サーボモータ１３に対する負荷の上昇は見込まれない場合）には、制御装置６０は、以後の進退用サーボモータ１３の進退速度を第１進退速度に維持するように当該進退用サーボモータ１３の回転動作を制御する。また、工具交換アーム４０を上記のように進出させた後、工具交換アーム４０が下方に移動することによって、圧縮コイルばね４９，５９の付勢力によりロックロッド４７，５７が上方に移動して、保持爪４３，５３による工具Ｔの把持がロックされる。

続いて、制御装置６０は、回転用サーボモータ２５を駆動して、工具交換アーム４０を第１支持軸１７及び第２支持軸１８の軸線を中心として１８０度、矢示Ｃ方向（正回転方向）に回転させる。これにより、工具保持部５２に保持された工具（次工具）Ｔが主軸５の直下に同軸上に位置し、工具保持部４２に保持された工具（現工具）Ｔが待機位置の工具ポット７２の直下に位置する。

次に、制御装置６０は、進退用サーボモータ１３を駆動して、工具交換アーム４０を第１支持軸１７及び第２支持軸１８に沿って上方の進退原点まで後退させる。これにより、主軸５に工具（次工具）Ｔが装着されるとともに、待機位置の工具ポット７２に工具（現工具）Ｔが装着される。また、工具交換アーム４０が後退端に移動することにより、ロックロッド４７，５７が下方に移動して、保持爪４３，５３による把持のロックが解除され、各工具保持部４２，５２から工具Ｔを取り出し可能な状態となる。

最後に、制御装置６０は、回転用サーボモータ２５を駆動して、工具交換アーム４０を第１支持軸１７及び第２支持軸１８の軸線を中心として矢示Ｄ方向（逆回転方向）に回転させ、工具交換アーム４０を回転原点に復帰させる。以上のようにして、制御装置６０は工具交換動作を終了する。

以上のように、本実施形態に係る工具交換装置１０によれば、回転用サーボモータ２５に対する指令値と当該回転用サーボモータ２５のエンコーダ２５ｂの出力値との差分である第１差分が第１閾値以上である場合（すなわち、回転用サーボモータ２５に対する負荷の上昇が見込まれる場合）には、回転用サーボモータ２５の回転速度が第１回転速度から第２回転速度に低下される。これにより、工具交換アーム４０の回転動作において制御目標である設定速度に対する追随遅れが生じない。したがって、工具交換アーム４０の回転中に意図しないタイミングで当該工具交換アーム４０の進退動作が開始されてしまうような事態は生じない。これにより、工具交換アーム４０が意図しない位置に移動することがないので、他の構造物と干渉することがない。一方、上記第１差分が第１閾値未満である場合（すなわち、回転用サーボモータ２５に対する負荷の上昇は見込まれない場合）には、回転用サーボモータ２５の回転速度が第１回転速度に維持されるので、工具交換アーム４０の交換の処理効率を維持することができる。

また、本実施形態では、工具交換アーム４０の回転動作のうち最初の回転動作、つまり工具Ｔに対する工具保持部４２，５２の振り込み動作を行う際に上記第１差分を取得するようにした。これにより、工具交換アーム４０の回転動作において追随遅れが生じることを早い段階から防ぐことができる。

また、本実施形態では、進退用サーボモータ１３に対する指令値と当該進退用サーボモータ１３のエンコーダ１３ｂの出力値との差分である第２差分が第２閾値以上である場合（すなわち、進退用サーボモータ１３に対する負荷の上昇が見込まれる場合）には、進退用サーボモータ１３の回転速度が第２進退速度に低下される。これにより、工具交換アーム４０の進退動作において制御目標である設定速度に対する追随遅れが生じない。したがって、工具交換アーム４０の進退中に意図しないタイミングで当該工具交換アーム４０の回転動作が開始されてしまうような事態は生じない。これにより、工具交換アーム４０が意図しない位置に移動することがないので、他の構造物と干渉することがない。一方、上記第２差分が第２閾値未満である場合（すなわち、進退用サーボモータ１３に対する負荷の上昇は見込まれない場合）には、進退用サーボモータ１３の回転速度が第１進退速度に維持されるので、工具交換アーム４０の交換の処理効率を維持することができる。

さらに、本実施形態では、工具交換アーム４０の進退動作のうち最初の進退動作、つまり上記振り込み動作直後の進退動作を行う際に上記第２差分を取得するようにした。これにより、工具交換アーム４０の進退動作において追随遅れが生じることを早い段階から防ぐことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明が採り得る態様は何ら上記構成に限定されるものではなく、以下の変形例を適用することができる。

上記実施形態では、保持爪４３，５３を進退させて当該保持爪４３，５３と工具保持部４２，５２とにより工具Ｔを把持するように構成したが、これに限定されるものではなく、所謂カニバサミのようなグリッパ型の工具保持部を採用してもよい。

上記実施形態では、工具交換動作において予め定められた時間間隔で上記第１差分及び第２差分を取得するようにしたが、これに限定されるものではない。工具交換動作前に実施する差分チェックモードのようなモードを設け、当該モードの中で上記第１差分及び第２差分を取得し、回転用サーボモータ２５の回転速度及び進退用サーボモータ１３の回転速度を設定するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、工作機械の制御装置と、工具マガジンンの制御装置と、工具交換装置１０の制御装置６０とを別々の構成としたが。これに限定されるものではなく、上記３つの制御装置を統合して構成してもよい。

さらに、上記実施形態では、工具交換装置１０を適用し得る工作機械として、所謂立形のマシニングセンタを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば横形のマシニングセンタや、旋削加工及びミーリング加工が可能な複合型のＮＣ旋盤等を好適に適用することができる。

１ 工作機械
５ 主軸
１０ 工具交換装置
１１ ハウジング
１２ 進退機構
１３ 進退用サーボモータ
１３ｂ エンコーダ
１９ 保持部材
２４ 回転機構
２５ 回転用サーボモータ
２５ｂ エンコーダ
４０ 工具交換アーム
４２ 工具保持部
５２ 工具保持部
６０ 制御装置
６１ 閾値記憶部（記憶部）
Ｔ 工具

Claims (4)

1. 工作機械の工具交換位置に配設され、主軸に装着された工具を待機位置にある次工具と交換する工具交換装置であって、
   中心軸が前記主軸の軸線と平行に配設され、当該中心軸を中心として回転可能、且つ前記主軸の軸線に沿った方向に移動可能に設けられた保持部材と、
   エンコーダを備える回転用サーボモータを有し、前記保持部材をその前記中心軸を中心として正逆に第１回転速度で回転させる回転機構と、
   エンコーダを備える進退用サーボモータを有し、前記保持部材を前記主軸の軸線に沿った方向に第１進退速度で進退させる進退機構と、
   前記保持部材の径方向に延びるように当該保持部材に配設されると共に、前記工具をその軸線が前記保持部材の前記中心軸と平行となるように保持する少なくとも一つの工具交換アームと、
   第１閾値を予め記憶する記憶部と、
   前記回転機構及び進退機構を制御して、前記主軸に装着された工具と待機位置にある前記次工具と交換する工具交換動作を実行させる制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記回転機構を制御する際に、前記回転用サーボモータに対する指令値と前記回転用サーボモータの前記エンコーダの出力値との差分である第１差分を算出すると共に、前記第１閾値と比較し、当該第１差分が前記第１閾値以上である場合には、前記回転機構による前記保持部材の回転速度を前記第１回転速度よりも遅い第２回転速度にし、前記第１差分が前記第１閾値未満である場合には、前記回転機構による前記保持部材の回転速度を前記第１回転速度に維持して、前記工具交換動作を中断無く実行させるように構成されていることを特徴とする工具交換装置。
2. 前記第１差分は、工具交換動作における前記工具交換アームの回転動作のうち最初の回転動作を行う際の差分であることを特徴とする請求項１に記載の工具交換装置。
3. 前記記憶部は、第２閾値を予め記憶するように構成され、
   前記制御装置は、前記進退機構を制御する際に、前記進退用サーボモータに対する指令値と前記進退用サーボモータの前記エンコーダの出力値との差分である第２差分を算出すると共に、前記第２閾値と比較し、当該第２差分が前記第２閾値以上である場合には、前記進退機構による前記保持部材の進退速度を前記第１進退速度よりも遅い第２進退速度にし、前記第２差分が前記第２閾値未満である場合には、前記進退機構による前記保持部材の進退速度を前記第１進退速度に維持するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具交換装置。
4. 前記第２差分は、工具交換動作における前記工具交換アームの進退動作のうち最初の進退動作を行う際の差分であることを特徴とする請求項３に記載の工具交換装置。
   

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