JP6884564B2 - 工具交換装置及び把持装置の位置決め方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の工具交換装置、及び工具交換装置が有する把持装置の位置決め方法に関する。

工作機械の中には、回転かつ移動する主軸に取り付けられた工具で工作物の加工を行うものがある。このような工作機械を用いる場合、主軸に取り付けられている工具を交換することで、工作物に様々な加工を行うことができる。

このような工作機械における工具交換プロセスは少なくとも、工程（ｉ）工作物の加工が行われる位置から工具交換位置（工具の交換が行われる際に主軸が位置決めされる所定の位置）へ主軸が移動する、工程（ｉｉ）工具を把持することが可能な把持装置が、原位置（前回の工具交換完了時に位置決めされた位置）から、工具把持位置（工具交換位置にある主軸に取り付けられている工具を把持可能な位置）に移動して、主軸に取り付けられている工具を把持するとともに主軸から取り外す、工程（ｉｉｉ）次に使用される工具が主軸に取り付けられる、及び、工程（ｉｖ）工具交換位置から工作物の加工が行われる位置へ主軸が移動する、という４つの工程を有している。

当然ながらこれら４つの工程が行われている間、工具による工作物の加工は行われない。仮に１回の工具交換に要する時間はさほど長くなかったとしても、工作物に様々な加工を行おうとすれば、使用する工具の種類が増えるとともに工具交換の回数が多くなり工具交換時間が累積されて長くなるので、工具交換に要する時間がサイクルタイムに及ぼす影響は無視できない。

そこで、短時間で工具交換を行えるようにすべく、工作機械における工具交換を自動で行う工具交換装置が開発され、実用化されているとともに、工具交換装置やそれを用いた工具交換方法に関し、これまでに様々な提案がなされている。

例えば、特許文献１には、「交換アームによって把持される工具の実際の重量に応じた重量関係物理量を検出し、検出された重量関係物理量から交換アームの動作速度を交換アームが把持する工具の実際の重量に応じた動作速度に制御することを特徴とする自動工具交換装置の交換速度制御方法」（請求項１）が開示されている。

特開平１１−１８８５５７号公報

特許文献１に開示された方法によれば、工具重量が軽い場合に、工具交換時間を短縮することができるとのことである。よって、ある程度のサイクルタイムの短縮が期待できる。しかしながら、更なるサイクルタイムの短縮が求められているのが現状である。

本発明はこのような現状に鑑みてなされたもので、工作機械の工具交換時間の短縮、ひいてはサイクルタイムの短縮が可能な工具交換装置、及び工具交換装置が有する把持装置の位置決め方法を提供することを課題とする。

本発明者は、前記工程（ｉ）が行われる前又は行われている間に、前記工程（ｉｉ）で行われる把持装置の移動の一部を予め行っておくことで、つまり、工作物の加工が行われている間又は主軸が工具交換位置に向かって移動している間に、把持装置を工具把持位置に近づけておくことで、前記工程（ｉｉ）に要する時間を短縮することができ、工具交換時間及びサイクルタイムの短縮が可能であるということを見出した。

すなわち、本発明は、主軸を所定の工具交換位置に移動させた状態で前記主軸に取り付けられている工具の交換が行われる工作機械において用いられる工具交換装置であって、前記工具を把持することが可能な把持装置と、受信した駆動信号に応じて前記把持装置を移動させることが可能な駆動装置と、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記主軸の存在位置に関する信号を検出する主軸位置センサの検出信号又は加工プログラムを解析して得られる情報に基づいて前記主軸の存在位置を算出する主軸位置算出手段と、前記把持装置が前記主軸及び前記主軸とともに移動する部材と干渉せずに存在できる位置である前記把持装置の待機位置を、前記主軸位置算出手段によって算出された前記主軸の存在位置に応じて設定する待機位置設定手段と、前記待機位置設定手段によって設定された前記待機位置へ前記把持装置を移動させるための駆動信号を前記駆動装置に送信する把持装置待機手段とを有しており、前記主軸が前記工具交換位置に位置していないときに、前記主軸位置算出手段、前記待機位置設定手段及び前記把持装置待機手段が機能すると共に前記把持装置が前記駆動装置によって前記待機位置まで移動させられるように構成されている工具交換装置を提供することによって上記の課題を解決している。

また、本発明は、主軸を所定の工具交換位置に移動させた状態で前記主軸に取り付けられている工具の交換が行われる工作機械において用いられる前記工具を把持することが可能な把持装置の位置決め方法であって、（Ａ）前記主軸の存在位置に関する信号を検出する主軸位置センサの検出信号又は加工プログラムを解析して得られる情報に基づいて前記主軸の存在位置を算出する工程と、（Ｂ）前記把持装置が前記主軸及び前記主軸とともに移動する部材と干渉せずに存在できる位置である前記把持装置の待機位置を、前記工程（Ａ）で算出された前記主軸の存在位置に応じて設定する工程と、（Ｃ）前記工程（Ｂ）で設定された前記待機位置へ前記把持装置を移動させる工程とを有し、前記工程（Ａ）、前記工程（Ｂ）及び前記工程（Ｃ）は、前記主軸が前記工具交換位置に位置していないときに実行される前記把持装置の位置決め方法を提供することによって上記の課題を解決している。

本発明に係る工具交換装置及び把持装置の位置決め方法によれば、工具交換時、主軸が工具交換位置に到着する前に、原位置よりも工具把持位置に近い待機位置に把持装置が移動しているので、主軸が工具交換位置に到着した後の把持装置の移動距離（すなわち移動時間）が、原位置から移動する場合よりも短縮される。よって、工具交換時間が短縮される。しかも待機位置は、把持装置が主軸や主軸とともに移動する部材と干渉せずに存在できる位置であり、且つ、主軸の存在位置に応じて設定される位置であるので、工作機械の動作に支障を来すことなく、主軸が工具交換位置に到着した後の把持装置の移動距離（すなわち移動時間）の最小化を図ることができる。

また、本発明に係る工具交換装置においては、前記主軸位置算出手段、前記待機位置設定手段及び前記把持装置待機手段は、前記主軸が前記工具交換位置に位置していないときに、この順で複数回繰り返し機能するように構成することができる。また、本発明に係る把持装置の位置決め方法においては、前記工程（Ａ）、前記工程（Ｂ）及び前記工程（Ｃ）は、前記主軸が前記工具交換位置に位置していないときにこの順で複数回繰り返し実行されるようにすることができる。

これらのようにすると、待機位置の設定及び当該待機位置への把持装置の位置決めが行われた後に主軸が移動しても、移動中及び／又は移動後の主軸の位置に応じて、新たに待機位置の設定及び当該待機位置への把持装置の位置決めが行われる。よって、待機位置への把持装置の位置決め後に主軸が移動しても、把持装置と主軸及び主軸とともに移動する部材とが干渉することを確実に防止できるとともに、主軸が工具交換位置に到着した後の把持装置の移動距離（すなわち移動時間）の最小化を図ることができる。

また、工具交換位置近くに主軸を位置させて工作物の加工を行う場合や、主軸の移動速度が速い場合には、主軸の工具交換位置への移動の開始と同時又はその後に把持装置の待機位置への移動を開始させても、把持装置の待機位置への位置決め（到着）が主軸の工具交換位置への到着に間に合わない（すなわち、主軸が工具交換位置に到着したとき、把持装置が原位置と移動の目的地である待機位置の間に位置する）こととなる恐れがある。そのようなことになると、主軸が工具交換位置に到着した後の把持装置の移動距離（すなわち移動時間）が期待するほど短くならないので、十分な工具交換時間短縮効果が得られない。

そこで、本発明に係る工具交換装置においては、前記主軸位置算出手段、前記待機位置設定手段及び前記把持装置待機手段は、前記主軸が前記工具交換位置に向けて移動を開始する前に機能するように構成することができる。また、本発明に係る把持装置の位置決め方法においては、前記工程（Ａ）、前記工程（Ｂ）及び前記工程（Ｃ）は、前記主軸が前記工具交換位置に向けて移動を開始する前に実行されるようにすることができる。

これらのようにすると、主軸が工具交換位置に向けて移動を開始する前（例えば、工作物の加工を行っている間）に、待機位置の設定及び待機位置への把持装置の位置決めが行われるので、工具交換位置近くに主軸を位置させて工作物の加工を行う場合や、主軸の移動速度が速い場合にも、確実に十分な工具交換時間短縮効果を得ることができる。

また、主軸や主軸とともに移動する部材の形状及び／又は大きさ、あるいは加工時の主軸の位置等によっては、主軸が工具交換位置に向けて移動を開始する前や移動を開始するときに設定された待機位置よりも、主軸が工具交換位置に向けて移動を開始した後に設定された待機位置の方が工具把持位置に近くなる場合がある（例えば、工具よりも大きな主軸又は主軸頭が工具把持位置に位置している状態で加工が行われる場合や、原位置と工具把持位置との間に主軸が位置している状態で加工が行われる場合）。

そこで、本発明に係る工具交換装置においては、前記主軸位置算出手段、前記待機位置設定手段及び前記把持装置待機手段は、前記主軸が前記工具交換位置に向けて移動を開始した後且つ前記工具交換位置に到着する前に機能するように構成することができる。また、本発明に係る把持装置の位置決め方法においては、前記工程（Ａ）、前記工程（Ｂ）及び前記工程（Ｃ）は、前記主軸が前記工具交換位置に向けて移動を開始した後且つ前記工具交換位置に到着する前に実行されるようにすることができる。

これらのようにすると、主軸が工具交換位置に向けて移動を開始する前や移動を開始するときに設定された待機位置よりも、主軸が工具交換位置に向けて移動を開始した後に設定された待機位置の方が工具把持位置に近くなる場合に、工具把持位置により近い位置に把持装置が位置決めされるので、より短時間で工具交換を行うことができる。

また、本発明に係る工具交換装置においては、前記制御装置が、前記加工プログラムの連続した所定数のブロックを先読みする制御装置であり、前記主軸位置算出手段が、前記所定数のブロックを解析して得られる情報に基づいて、前記所定数のブロックが実行されるときの前記主軸の存在位置を算出し、前記主軸位置算出手段、前記待機位置設定手段及び前記把持装置待機手段が、前記所定数のブロックが実行されるのに先立って機能するように構成することができる。また、本発明に係る把持装置の位置決め方法においては、前記工程（Ａ）における前記加工プログラムを解析して得られる情報は、先読みされた連続した所定数のブロックを解析して得られる情報であり、前記工程（Ａ）における前記主軸の存在位置は、前記所定数のブロックが実行されるときの前記主軸の存在位置であり、前記工程（Ａ）、前記工程（Ｂ）及び前記工程（Ｃ）は前記所定数のブロックが実行される前に実行されるようにすることができる。

これらのようにすると、ブロックが実行されることによる主軸の移動に先立って、待機位置への把持装置の位置決めが行われるので、より確実に、主軸及び主軸とともに移動する部材と把持装置の干渉を防止しつつ工具交換時間を短縮することができる。

また、本発明に係る工具交換装置及び把持装置の位置決め方法においては、前記待機位置は、前記把持装置が、前記主軸が存在する空間と前記主軸に取り付けられる前の工具が待機する空間との間に存在するシャッターとも干渉しない位置とすることができる。

このようにすることで、工作物の加工時に飛散する恐れのある切屑や切削油が主軸に取り付けられる前の工具やこれを保持する装置等に付着することをシャッターによって防止しつつ、工作機械の動作に支障を来すことなく把持装置を待機位置に位置決めし、工具交換時間を短縮することができる。

本発明に係る工具交換装置及び把持装置の位置決め方法によれば、主軸が工具交換位置に到着した後の把持装置の移動距離すなわち移動時間を短縮することができる。したがって、工具交換時間が短縮され、ひいてはサイクルタイムを短縮することができる。工具交換回数が多くなるほど工具交換時間の短縮効果が累積されていくので、１サイクルに行われる工具交換回数が多くなるほど、本発明によって得られるサイクルタイム短縮効果は大きくなる。

本発明に係る工具交換装置を備える工作機械の斜視図である。 本発明に係る工具交換装置の一例を示す模式図である。 工具交換装置及びその周辺に配置される部材の正面図及び部分断面平面図である。 制御装置及び制御装置に接続された装置のハードウェア構成図である。 制御装置が実行する処理を説明するための機能ブロック図である。 待機位置の設定の仕方の一例を説明するための説明図である。 主軸・テーブル制御部４１０の動作を説明するためのフローチャートである。 工具マガジン制御部４２０の動作を説明するためのフローチャートである。 工具交換装置制御部４３０の動作を説明するためのフローチャートである。 工具Ｔ０から交換対象工具Ｔ１への工具交換が完了した直後の工具交換装置及びその周辺に配置される部材の状態を説明するための説明図である。 交換対象工具Ｔ１による工作物の加工が行われているときの工具交換装置及びその周辺に配置される部材の状態を説明するための説明図である。 主軸が工具交換位置へ向けて移動しているときの工具交換装置及びその周辺に配置される部材の状態を説明するための説明図である。 主軸が工具交換位置に達したときの工具交換装置及びその周辺に配置される部材の状態を説明するための説明図である。 交換対象工具Ｔ１から次使用工具Ｔ２への工具交換が完了した直後の工具交換装置及びその周辺に配置される部材の状態を説明するための説明図である。 本発明に係る工具交換装置を備える他の工作機械の斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明に係る工具交換装置を備えるとともに本発明に係る把持装置の位置決め方法が行われる工作機械１が示されている。工作機械１は立型マシニングセンタであり、ベッド２、ベッド２上にＹ軸送り装置２ａを介して設けられたサドル３、サドル３上にＸ軸送り装置３ａを介して設けられたテーブル４、ベッド２に固定されたコラム５、コラム５前面、すなわちコラム５から見てテーブル４が位置する側の面に、Ｚ軸送り装置５ａを介して支持された主軸頭６、主軸頭６に図示しない軸受を介して支持された主軸７を備えている。また、工作機械１はその側部に工具マガジン２０を備えているとともに、主軸頭６と工具マガジン２０との間に工具交換装置３０を備えている。加工対象物である工作物Ｗはテーブル４上に載置及び固定される。また、工具Ｔは主軸７の下部に互いの中心軸を一致させた状態で着脱自在に取り付けられる。なお、本明細書におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向はそれぞれ図１に示されるとおりである。

工作機械１の各部は、工作機械１が備える制御装置４０（図４参照）からの指令でモータが回転することによって動作するように構成されている。具体的には、Ｘ軸送り装置３ａが有するＸモータ６２（図４参照）が回転すると、テーブル４がサドル３に対してＸ軸方向に移動する。また、Ｙ軸送り装置２ａが有するＹモータ６３（図４参照）が回転すると、サドル３がベッド２に対してＹ軸方向に移動する。また、Ｚ軸送り装置５ａが有するＺモータ６４（図４参照）が回転すると、主軸頭６がコラム５に対してＺ軸方向に移動する。主軸頭６が移動することによって、主軸頭６に支持されている主軸７が、工具交換が行われる際に位置決めされる位置である工具交換位置と、工作物Ｗの加工を行う位置との間で移動することができる。また、主軸頭６が備える主軸モータ６５（図４参照）が回転すると、主軸７がＺ軸方向に平行な自身の中心軸回りに回転する。

工具マガジン２０は、公知の構造のものを適宜用いることができる。例えば、工具Ｔを保持する複数の工具ポット、外周部に複数の工具ポットが取り付けられている無端チェーン、無端チェーンを回転させるとともに、次使用工具（工具交換の際に主軸に取り付けられる工具）を保持している工具ポットを所定の割り出し位置に移送することが可能なチェーン駆動装置６６（図４参照）、割り出し位置と工具交換が行われるときに工具ポットが位置決めされる位置である準備位置との間で工具ポットを移送することが可能なポット移送装置６７（図４参照）、及びこれらをおさめている筐体を備えているものとすることができる。なお、チェーン駆動装置はモータやスプロケット等から、ポット移送装置はモータや歯車等から構成することができる。

図２には工具交換装置３０の一例が示されており、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ矢視図である。工具交換装置３０は、ハウジング３１、図示しない軸受を介してハウジング３１に支持されているとともにＺ軸方向と平行な中心軸３２ａを有する支持軸３２、支持軸３２に固定及び支持されている把持装置３３を備えている。

把持装置３３はアーム３４を基礎として次のように構成されている。アーム３４の両端それぞれにはフック状の固定爪３５が形成されている。また、アーム３４には、固定爪３５と対向する位置それぞれに、可動爪３６が出没自在に取り付けられている。一対の固定爪３５と一対の可動爪３６によって一対の工具把持部３７が構成されている。把持装置３３は、全体として支持軸３２の中心軸３２ａ（以下、必要に応じて「旋回中心軸３２ａ」と記載。）を中心とした対称な形状となっている。

また、工具交換装置３０は、ハウジング３１内及び／又はハウジング３１外に図示しない駆動装置を有している。駆動装置は、第１モータ６８（図４参照）、第２モータ６９（図４参照）及び伝動装置を備えている。第１モータ６８が回転すると、支持軸３２とともに把持装置３３が旋回中心軸３２ａに沿った方向（Ｚ軸方向）に移動する。第１モータ６８の回転方向が切り替わると把持装置３３の移動方向が切り替わる。また、第１モータ６８及び第２モータ６９が回転すると、支持軸３２とともに把持装置３３が旋回中心軸３２ａ回りに旋回する。第１モータ６８及び第２モータ６９の回転方向が切り替わると把持装置３３の旋回方向が切り替わる。伝動装置の機構としては、例えば特開２０００−１９３０６２号公報に開示されている機構、又は特開平１１−１８８５５７号公報に開示されている機構を採用することができる。なお、伝動装置の機構は上記文献中で詳細に説明されているので本明細書ではその説明を省略する。

把持装置３３が平面視反時計回り（以下、「正方向」と記載。）に旋回すると、固定爪３５と可動爪３６の間に向けて工具が供給される。すると、可動爪３６が工具に押されてアーム３４の中に一旦没入し、固定爪３５と可動爪３６の間を工具が通過する。工具通過後、可動爪３６は元の位置に復帰し、工具把持部３７によって固定爪３５と可動爪３６の間に工具が把持される。また、把持装置３３が平面視時計回り（以下、「逆方向」と記載。）に旋回すると、逆の手順により工具把持部３７から工具が解放される。

図３は工具マガジン２０及び工具交換装置３０の配置を説明するための図面であり、（Ａ）は工具交換装置３０及びその周辺に配置される部材の正面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＩＩ−ＩＩ矢視図である。図３には、主軸７、工具マガジン２０が複数個有する工具ポット２１の一つ、及び把持装置３３が、それぞれ工具交換位置Ｐ１、準備位置Ｐ２、及び原位置Ｐ３に位置しているときの状態が示されている。原位置Ｐ３とは、工具交換装置３０による主軸７に取り付けられている工具の交換が完了したときに把持装置３３が位置決めされる位置である。また、図３には、説明の便宜のために、工具交換の際に主軸７から取り外される工具である交換対象工具Ｔ１が主軸７に取り付けられており、工具交換の際に主軸７に取り付けられる工具である次使用工具Ｔ２が前記工具ポット２１に保持されている状態が示されている。

工具交換装置３０は、工具交換位置Ｐ１に位置する主軸７に取り付けられている交換対象工具Ｔ１（以下、「交換待ちの交換対象工具Ｔ１」と記載。）の中心軸Ｔ１ａと、準備位置Ｐ２に位置する工具ポット２１に保持されている次使用工具Ｔ２（以下、「交換待ちの次使用工具Ｔ２」と記載。）の中心軸Ｔ２ａの中間に、支持軸３２の中心軸３２ａが位置するように配置されている。また、工具マガジン２０及び工具交換装置３０は、図３（Ｂ）に矢印で示すように旋回中心軸３２ａまわりに把持装置３３を旋回させることで、交換待ちの交換対象工具Ｔ１の被把持部Ｔ１ｂ及び交換待ちの次使用工具Ｔ２の被把持部Ｔ２ｂを一対の工具把持部３７で把持できる位置に配置されている。

図４に示されるように、工作機械１が備える制御装置４０は、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、記憶装置４４、入力インターフェース４５、出力インターフェース４６等を備えている。ＣＰＵ４１は工作機械１の動作を統括制御する。ＲＯＭ４２は制御プログラム等を記憶している。ＲＡＭ４３は工作機械１が動作している間に得られた様々なデータ及び情報を一時的に記憶する。記憶装置４４は加工プログラム並びに主軸頭６、主軸７、各種工具及び把持装置３３の大きさ及び形状に関するデータ等を記憶している。なお、記憶装置４４は揮発性記憶装置、不揮発性記憶装置又はそれらの組み合わせによって構成されている。

入力インターフェース４５には入力装置５１、主軸交換位置センサ５２、ポット割り出し位置センサ５３、ポット準備位置センサ５４及び把持装置原位置センサ５５等が接続されている。

入力装置５１は、工作機械１に対する各種指令をオペレータが手動で入力することが可能な装置である。主軸交換位置センサ５２は、主軸７が工具交換位置Ｐ１に到着したとき又は位置しているときに、制御装置４０にその旨を知らせる信号を送信するセンサである。ポット割り出し位置センサ５３は、次使用工具Ｔ２を保持している工具ポット２１が割り出し位置に到着したとき又は位置しているときに制御装置４０にその旨を知らせる信号を送信するセンサである。ポット準備位置センサ５４は、次使用工具Ｔ２を保持している工具ポット２１が準備位置Ｐ２に到着したとき又は位置しているときに制御装置４０にその旨を知らせる信号を送信するセンサである。把持装置原位置センサ５５は、把持装置３３が原位置Ｐ３に到着したとき又は位置しているときに制御装置４０にその旨を知らせる信号を送信するセンサである。これらのセンサとしては任意の位置検出センサを用いることができる。

出力インターフェース４６には例えば表示装置６１、Ｘモータ６２、Ｙモータ６３、Ｚモータ６４、主軸モータ６５、チェーン駆動装置６６、ポット移送装置６７、第１モータ６８、第２モータ６９等が接続されている。Ｘモータ６２、Ｙモータ６３、Ｚモータ６４、主軸モータ６５、第１モータ６８及び第２モータ６９には、それぞれ、各モータの回転角度を検出するエンコーダ６２Ａ、６３Ａ、６４Ａ、６５Ａ、６８Ａ及び６９Ａが接続されており、これらのエンコーダは入力インターフェース４５に接続されている。

表示装置６１は、工作機械１の状態等を表示する装置である。また、前述したとおり、Ｘモータ６２、Ｙモータ６３及びＺモータ６４は、それぞれテーブル４、サドル３及び主軸頭６を移動させるモータである。主軸モータ６５は、主軸７を回転させるモータである。チェーン駆動装置６６及びポット移送装置６７は、工具マガジン２０が備える装置である。第１モータ６８及び第２モータ６９は、工具交換装置３０の駆動装置が備えるモータである。

図５を参照して、制御装置４０の機能を説明する。ＲＯＭ４２に記憶されている制御プログラムを読み込むことで、ＣＰＵ４１は、主軸・テーブル制御部４１０、工具マガジン制御部４２０及び工具交換装置制御部４３０等として機能する。

主軸・テーブル制御部４１０は、記憶装置４４に記憶されている加工プログラムを読み込み、加工プログラムに従って、主軸７を回転させつつ主軸７に取り付けられている工具Ｔとテーブル４に固定されている工作物Ｗとを相対的に移動させ、工作物Ｗの加工を行う。具体的には、主軸・テーブル制御部４１０は、Ｘモータ６２に接続されたエンコーダ６２Ａからの信号に基づいて、Ｘモータ６２の回転速度及び回転角度、すなわちＸ軸送り装置３ａの送り速度及び送り量のフィードバックを受けながら、加工プログラムに従ってＸモータ６２を制御する。また、主軸・テーブル制御部４１０は、Ｙモータ６３に接続されたエンコーダ６３Ａからの信号に基づいて、Ｙモータ６３の回転速度及び回転角度、すなわちＹ軸送り装置２ａの送り速度及び送り量のフィードバックを受けながら、加工プログラムに従ってＹモータ６３を制御する。また、主軸・テーブル制御部４１０は、Ｚモータ６４に接続されたエンコーダ６４Ａからの信号に基づいて、Ｚモータ６４の回転速度及び回転角度、すなわちＺ軸送り装置５ａの送り速度及び送り量のフィードバックを受けながら、加工プログラムに従ってＺモータ６４を制御する。また、主軸・テーブル制御部４１０は、主軸モータ６５に接続されたエンコーダ６５Ａからの信号に基づいて、主軸モータ６５の回転速度、すなわち主軸７の回転速度のフィードバックを受けながら、加工プログラムに従って主軸モータ６５を制御する。

また、主軸・テーブル制御部４１０は、加工プログラム中の工具交換を指令するブロックを読み込むと、主軸７を工具交換位置Ｐ１に向けて移動させるべく、Ｚモータ６４を回転させる。主軸７が工具交換位置Ｐ１に達し、主軸交換位置センサ５２から信号を受信すると、主軸・テーブル制御部４１０は、Ｚモータ６４の回転を停止させる。

また、主軸・テーブル制御部４１０は、加工プログラム中の次に使用する工具を指定するブロックを読み込むと、指定された工具を特定するデータ（例えば当該工具の工具番号、又は当該工具を保持している工具ポットの番号）をＲＡＭ４３に記憶する。

工具マガジン制御部４２０は、次に使用する工具を特定するデータをＲＡＭ４３から読み込むか、主軸・テーブル制御部４１０から受信すると、当該データに基づいて、指定された工具を保持している工具ポット２１を割り出し位置に移送するべく、チェーン駆動装置６６を作動させる。また、工具マガジン制御部４２０は、工具ポット２１を割り出し位置と準備位置Ｐ２との間で移送するべく、ポット移送装置６７を作動させる。工具マガジン制御部４２０は、目的としている工具ポット２１が割り出し位置に達したことを、ポット割り出し位置センサ５３からの信号の受信によって検知し、準備位置Ｐ２に達したことを、ポット準備位置センサ５４からの信号の受信によって検知する。

工具交換装置制御部４３０は、主軸位置算出手段４３１、待機位置設定手段４３２、把持装置待機手段４３３、交換条件判断手段４３４及び交換実行手段４３５等からなる。

主軸位置算出手段４３１は、Ｚモータ６４に接続されているエンコーダ６４Ａ（本実施形態における主軸位置センサ）によって検出されたＺモータ６４の回転角度に応じた信号に基づいて主軸７のＺ方向の移動量を算出し、当該移動量に基づいて主軸７の存在位置を特定するデータを算出する。本実施形態では当該データとして、所定の位置を原点とする直交座標系における、主軸７の下端面の中心（以下、「主軸基準点」と記載。）のＺ座標を算出する。

なお、主軸位置算出手段４３１による主軸基準点のＺ座標の算出は、加工プログラムを解析して得られる情報に基づいて行われてもよい。例えば、交換対象工具が取り付けられた後に実行されたブロックを解析してそれらのブロックに従って移動した主軸基準点の経路を算出し、当該経路の最終地点のＺ座標を算出するようにしてもよい。

待機位置設定手段４３２は、（ｉ）主軸位置算出手段４３１によって算出された主軸基準点のＺ座標、（ｉｉ）記憶装置４４に記憶されている主軸頭６、主軸７及び各種工具の大きさ及び形状に関するデータ、並びに（ｉｉｉ）主軸に取り付けられている工具を特定するデータ（工具番号等）に基づいて、前記直交座標系における、主軸頭６、主軸７及び主軸に取り付けられている工具によって占められている範囲（以下、「主軸等占有範囲」と記載。）の座標を算出することができる。なお、（ｉｉｉ）のデータは、前回の工具交換が行われる前に、次に使用する工具を指定するコードを読み込んだ主軸・テーブル制御部４１０によって、指定された工具を特定するデータとしてＲＡＭ４３に記憶されている。

また、待機位置設定手段４３２は、記憶装置４４に記憶されている把持装置３３の大きさ及び形状に関するデータに基づいて、把持装置３３を旋回中心軸３２ａまわりに原位置Ｐ３からある角度旋回させたときに、把持装置３３によって占められる範囲（以下、「把持装置占有範囲」と記載。）の前記直交座標系における座標を算出することができる。

また、待機位置設定手段４３２は、算出された主軸等占有範囲と算出された把持装置占有範囲とが干渉する（両範囲に属する座標があり、両範囲が接触する又は重なり合う）か否かを判定することができる。

このような待機位置設定手段４３２による把持装置３３の待機位置の設定の仕方の一例を、把持装置３３と主軸７が同じ高さにあるときの工具交換装置３０周辺の状態が示されている図６を参照しながら説明する。まず、把持装置占有範囲が主軸等占有範囲に接触するまで（図６に示される状態の場合、把持装置３３の外面が主軸７の外面に接触するまで）把持装置３３を、旋回中心軸３２ａまわりに原位置Ｐ３から正方向（主軸７に把持されている交換対象工具を把持部３７で把持すべく移動する方向）に旋回させたときの旋回角度αが算出される。続いて、角度αから予め設定されている角度βを減じた角度γが算出される。原位置Ｐ３から角度γ旋回させた位置が把持装置３３の待機位置Ｐ４として設定される。

なお、角度βを大きくするほど、待機位置Ｐ４に位置決めされた把持装置３３に主軸７等が近づいてきた場合（加工プログラムに従った動作によって近づいてきた場合又は地震等の不測の事態が生じて近づいてきた場合）に、それらが干渉して工作機械１の動作に支障を来したり工作機械１を破損したりすることをより確実に防止できる。一方、角度βを小さくするほど、交換待ちの交換対象工具を把持するために把持装置３３が旋回中心軸３２ａまわりに待機位置Ｐ４から旋回する角度が小さくなり（把持部３７が移動する距離が短くなり）、工具交換時間を短くすることができる。したがって、把持装置３３と主軸７等との干渉防止と工具交換時間短縮とを勘案して角度βの値が設定される。

図５に戻って制御装置４０の機能の説明を続ける。待機位置設定手段４３２によって待機位置Ｐ４が設定されると、把持装置待機手段４３３は、第１モータ６８及び第２モータ６９を回転させることで把持装置３３を旋回させ、待機位置Ｐ４に位置決めする。把持装置３３が待機位置Ｐ４に位置決めされたことは、第１モータ６８に接続されたエンコーダ６８Ａ及び第２モータ６９に接続されたエンコーダ６９Ａからの各モータの回転角度に応じた信号に基づいて検知される。

交換条件判断手段４３４は、主軸交換位置センサ５２及びポット準備位置センサ５４それぞれから信号を受信すると、工具交換条件が整ったと判断する。

交換条件判断手段４３４によって工具交換条件が整ったと判断されると、交換実行手段４３５は、第１モータ６８及び第２モータ６９を回転させて工具交換を実行する。把持装置３３が原位置Ｐ３に位置し、把持装置原位置センサ５５から信号を受信すると、交換実行手段４３５は動作を終了する。なお、交換実行手段４３５の具体的な動作の内容は後述する。

次に、以上のように構成される工作機械１における、工具交換時の各部の動作を、図７〜図１４を参照しながら説明する。

図７、図８及び図９は、それぞれ、主軸７に交換対象工具Ｔ１が取り付けられてから、交換対象工具Ｔ１に代えて次使用工具Ｔ２が取り付けられるまでの、主軸・テーブル制御部４１０、工具マガジン制御部４２０及び工具交換装置制御部４３０の動作を説明するためのフローチャートである。

また、図１０〜図１４は、それぞれ、主軸７に交換対象工具Ｔ１が取り付けられてから、交換対象工具Ｔ１に代えて次使用工具Ｔ２が取り付けられるまでの５つの段階における工具交換装置３０及びその周辺の部材の状態を説明するための説明図である。すなわち、図１０は、交換対象工具Ｔ１の前に使用されていた工具Ｔ０を主軸７から取り外し、交換対象工具Ｔ１を主軸７に取り付ける工具交換が完了した直後の状態を示しており、（Ａ）が正面図、（Ｂ）が（Ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視図である。図１１は、交換対象工具Ｔ１による工作物Ｗの加工が行われているときの状態を示しており、（Ａ）が正面図、（Ｂ）が（Ａ）のＩＶ−ＩＶ矢視図である。図１２は、主軸７が工具交換位置Ｐ１へ向けて移動しているときの状態を示しており、（Ａ）が正面図、（Ｂ）が（Ａ）のＶ−Ｖ矢視図である。図１３は、主軸７が工具交換位置Ｐ１に達したときの状態を示しており、（Ａ）が正面図、（Ｂ）が（Ａ）のＶＩ−ＶＩ矢視図である。図１４は、交換対象工具Ｔ１から次使用工具Ｔ２への工具交換が完了した直後の状態を示しており、（Ａ）が正面図、（Ｂ）が（Ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視図である。

まず、図７〜図９に示されるフローチャートのスタート時の状態について説明する。スタート時の状態とは、交換対象工具Ｔ１の前に使用されていた工具Ｔ０から交換対象工具Ｔ１への工具交換が完了した直後の状態である。すなわち、図１０に示されるように、工具交換位置Ｐ１に位置する主軸７に、これから使用される工具としての交換対象工具Ｔ１が取り付けられており、準備位置Ｐ２に位置する工具ポット２１に、それまでに使用されていた工具Ｔ０が保持されており、把持装置３３が原位置Ｐ３に位置決めされている状態である。

工具Ｔ０から交換対象工具Ｔ１への工具交換が完了すると、図７に示されるように主軸・テーブル制御部４１０が機能する。まず、主軸・テーブル制御部４１０によって加工プログラム中のブロックが読み込まれる（Ｓ１−１）。続いて、このブロックが次に使用する工具を指定するブロックであるか否かが判断される（Ｓ１−２）。ここでＮｏと判断された場合、このブロックが工具交換を指令するブロックであるか否かが判断される（Ｓ１−３）。ここでＮｏと判断された場合、主軸・テーブル制御部４１０によってこのブロックの内容が実行される（Ｓ１−４）。このブロックが工作物Ｗの加工を指令するものであった場合、主軸・テーブル制御部４１０は、その内容に従って主軸７を回転させるとともに主軸７及び／又はテーブル４を移動させ、交換対象工具Ｔ１で工作物Ｗを加工する（図１１）。このブロックの内容が実行されると、次のブロックが読み込まれる。

読み込まれたブロックが次に使用する工具を指定するブロックであると判断された場合（Ｓ１−２でＹｅｓと判断された場合）、主軸・テーブル制御部４１０は工具マガジン制御部４２０にチェーン駆動装置６６の作動を指令する（Ｓ１−５）とともに、次のブロックを読み込む。

読み込まれたブロックが工具交換を指令するブロックであると判断された場合（Ｓ１−３でＹｅｓと判断された場合）、主軸・テーブル制御部４１０は、工具マガジン制御部４２０にポット移送装置６７の作動を指令する（Ｓ１−６）とともに、主軸７を工具交換位置Ｐ１へ向けて移動させる（Ｓ１−７）（図１２）。続いて主軸・テーブル制御部４１０は、工具交換位置センサ５２からの信号を受信したか否かを判断する（Ｓ１−８）。当該信号が受信されるまで主軸７の工具交換位置Ｐ１への移動（Ｓ１−７）が継続される。主軸７が工具交換位置Ｐ１に達し（図１３）、工具交換位置センサ５２からの信号を受信すると、主軸・テーブル制御部４１０は、主軸７の移動を停止させる（Ｓ１−９）。

また、工具Ｔ０から交換対象工具Ｔ１への工具交換が完了すると、図８に示されるように工具マガジン制御部４２０が機能する。まず、工具マガジン制御部４２０はポット移送装置６７を作動させ、工具Ｔ０を保持している工具ポット２１を準備位置Ｐ２から割り出し位置に移送する（Ｓ２−１）（図１１）。続いて、主軸・テーブル制御部４１０からチェーン駆動装置６６の作動指令を受信したか否かが判断される（Ｓ２−２）。当該作動指令を受信したと判断されると、チェーン駆動装置６６を作動させ、指定された工具である次使用工具Ｔ２を保持している工具ポット２１を割り出し位置に移送する（Ｓ２−３）。（なおこのとき、工具Ｔ０を保持している工具ポット２１は、チェーン駆動装置６６によって割り出し位置から移送される。）続いて工具マガジン制御部４２０は、目的の工具ポット２１が割り出し位置に達したことを示す信号をポット割り出し位置センサ５３から受信したか否かを判断する（Ｓ２−４）。当該信号が受信されるまでチェーン駆動装置６６の作動（Ｓ２−３）が継続される。ポット割り出し位置センサ５３から信号を受信すると、工具マガジン制御部４２０は、チェーン駆動装置６６の作動を停止させる（Ｓ２−５）。

続いて、主軸・テーブル制御部４１０からポット移送装置６７の作動指令を受信したか否かが判断される（Ｓ２−６）。当該作動指令を受信したと判断されると、工具マガジン制御部４２０は、ポット移送装置６７を作動させ、次使用工具Ｔ２を保持している工具ポット２１を割り出し位置から準備位置Ｐ２に移送する（Ｓ２−７）。続いて工具マガジン制御部４２０は、目的の工具ポット２１が準備位置Ｐ２に達したことを示す信号をポット準備位置センサ５４から受信したか否かを判断する（Ｓ２−８）。当該信号が受信されるまでポット移送装置６７の作動（Ｓ２−７）が継続される。ポット準備位置センサ５４から信号を受信すると、工具マガジン制御部４２０は、ポット移送装置６７の作動を停止させる（Ｓ２−９）。図１２及び図１３には次使用工具Ｔ２を保持している工具ポット２１が準備位置Ｐ２に移送された状態が示されている。

また、工具Ｔ０から交換対象工具Ｔ１への工具交換が完了すると、図９に示されるように工具交換装置制御部４３０が機能する。まず、工具交換装置制御部４３０（主軸位置算出手段４３１）は、Ｚモータ６４に接続されているエンコーダ６４Ａからの信号に基づいて、主軸基準点のＺ座標（主軸７の存在位置を特定するデータ）を算出する（Ｓ３−１）。続いて、工具交換装置制御部４３０（待機位置設定手段４３２）は、算出された主軸基準点のＺ座標に応じて、把持装置３３が主軸７並びに主軸７とともに移動する部材である主軸頭６及び交換対象工具Ｔ１と干渉せずに存在できる位置である待機位置Ｐ４を設定する（Ｓ３−２）。続いて、工具交換装置制御部４３０（把持装置待機手段４３３）は、工具交換装置３０の駆動装置が備える第１モータ６８及び第２モータ６９に駆動信号を送信してこれらを回転させ、把持装置３３を設定された待機位置Ｐ４に位置決めする（Ｓ３−３）。図１１には、交換対象工具Ｔ１で工作物Ｗの加工を行っている間に把持装置３３が待機位置Ｐ４に位置決めされた状態が示されている。このとき、把持装置３３と主軸頭６の一部が同じ高さとなっているので、主軸頭６に接触しない位置まで把持装置３３を旋回させた位置Ｐ４_１が待機位置Ｐ４として設定される。

続いて、工具交換装置制御部４３０（交換条件判断手段４３４）は、主軸交換位置センサ５２及びポット準備位置センサ５４から信号を受信しているか否か判断する（Ｓ３−４）。両センサから信号を受信するまで、Ｓ３−１、Ｓ３−２及びＳ３−３の各ステップがこの順に繰り返される。例えば、図１２に示されるように工具交換位置Ｐ１に向けて主軸７が移動している間にこれらのステップが再び実行される場合には、工具交換位置Ｐ１に向けて移動中の主軸７の位置に応じて設定された待機位置Ｐ４に把持装置３３が位置決めされる。このとき、把持装置３３と主軸７の一部が同じ高さとなっているので、主軸７に接触しない位置まで把持装置３３を旋回させた位置Ｐ４_２が待機位置Ｐ４として設定される。

なお、一度設定された待機位置Ｐ４（例えばＰ４_１）に把持装置３３を位置決めしてしまえば、その待機位置Ｐ４で把持装置３３を待機させておく限り主軸７及び主軸７とともに移動する部材と把持装置３３が干渉する恐れがないという場合には、Ｓ３−１、Ｓ３−２及びＳ３−３の各ステップを繰り返すことなく、主軸交換位置センサ５２及びポット準備位置センサ５４から信号を受信するまで、一度設定された待機位置Ｐ４で把持装置３３を待機させ続けてもよい。

図１３に示される状態となると、主軸交換位置センサ５２及びポット準備位置センサ５４からの信号が受信されるので、ステップ３−４でＹｅｓと判断され、工具交換装置制御部４３０（交換実行手段４３５）によって工具交換が実行される（Ｓ３−５〜Ｓ３−１１）。

すなわち、工具交換装置制御部４３０（交換実行手段４３５）は、待機位置Ｐ４（Ｐ４_２）に位置決めされている把持装置３３を、図１３中に破線矢印で示されるように旋回中心軸３２ａまわりに正方向に旋回させて、一方の工具把持部３７に交換待ちの交換対象工具Ｔ１を把持させると同時に、他方の工具把持部３７に交換待ちの次使用工具Ｔ２を把持させる（Ｓ３−５）。続いて工具交換装置制御部４３０（交換実行手段４３５）は、把持装置３３を旋回中心軸３２ａに沿った方向（Ｚ軸方向）下方に所定距離直線移動させて、交換対象工具Ｔ１及び次使用工具Ｔ２をそれぞれ主軸７及び工具ポット２１から取り外す（Ｓ３−６）。続いて工具交換装置制御部４３０（交換実行手段４３５）は、把持装置３３を旋回中心軸３２ａ回りに正方向又は逆方向に１８０°旋回させ、主軸７及び工具ポット２１の下方それぞれに次使用工具Ｔ２及び交換対象工具Ｔ１を位置させる（Ｓ３−７）。続いて工具交換装置制御部４３０（交換実行手段４３５）は、把持装置３３を旋回中心軸３２ａに沿った方向（Ｚ軸方向）上方に所定距離直線移動させて、次使用工具Ｔ２を主軸７に取り付けるとともに交換対象工具Ｔ１を工具ポット２１に保持させる（Ｓ３−８）。続いて工具交換装置制御部４３０（交換実行手段４３５）は、把持装置３３を旋回中心軸３２ａ回り逆方向に旋回させる（Ｓ３−９）。工具交換装置制御部４３０（交換実行手段４３５）は、把持装置原位置センサ５５から信号を受信したか否かを判断する（Ｓ３−１０）。当該信号が受信されるまで把持装置３３の旋回（Ｓ３−９）が継続される。把持装置３３が原位置Ｐ３に達し、把持装置原位置センサ５５から信号を受信すると、工具交換装置制御部４３０（交換実行手段４３５）は、把持装置３３の旋回を停止させる（Ｓ３−１１）。

以上で、主軸７に取り付けられている工具を交換対象工具Ｔ１から次使用工具Ｔ２に交換する工具交換が完了し、図１４に示される状態となる。続いて次使用工具Ｔ２による工作物Ｗの加工が開始されるとともに、更にその次に使用される工具への工具交換のための動作が行われる。

以上のように、本実施形態では、主軸７が工具交換位置Ｐ１に位置していないときに、主軸７の存在位置に応じて設定された待機位置Ｐ４に把持装置３３が位置決めされ、当該待機位置Ｐ４で待機する。そのため、把持装置３３を原位置Ｐ３から移動させる場合と比較して、交換対象工具Ｔ１を把持するまでに把持装置３３が旋回する角度が小さくなる。よって、主軸７が工具交換位置Ｐ１に到着した後に把持装置３３が交換対象工具Ｔ１を把持するのに要する時間が短縮される。

また、工具交換位置Ｐ１の近くに主軸７を位置させて工作物Ｗの加工を行う場合や、主軸７の移動速度が速い場合には、主軸７の工具交換位置Ｐ１への移動の開始と同時又はその後に把持装置３３の待機位置Ｐ４への移動を開始させても、把持装置３３の待機位置Ｐ４への位置決め（到着）が主軸７の工具交換位置Ｐ１への到着に間に合わず、十分な工具交換時間短縮効果が得られない恐れがある。これに対して本実施形態においては、主軸７が工具交換位置Ｐ１に向けて移動を開始する前、すなわち、交換対象工具Ｔ１で工作物Ｗの加工を行っている間に待機位置Ｐ４（Ｐ４_１）が設定され、把持装置３３が待機位置Ｐ４（Ｐ４_１）に位置決めされるので、上記のような場合にも確実に十分な工具交換時間短縮効果を得ることができる。

また、本実施形態の場合、主軸頭６の外周は主軸７の外周を取り囲む形状及び大きさである。よって、把持装置３３と主軸頭６が同じ高さにあるとき（工作物Ｗの加工中）に設定された待機位置Ｐ４（Ｐ４_１）よりも、把持装置３３と主軸７が同じ高さにあるとき（工具交換位置Ｐ１に向けて主軸７が移動しているとき）に設定された待機位置Ｐ４（Ｐ４_２）の方が、交換待ちの交換対象工具Ｔ１を把持するまでに把持装置３３が旋回する角度が小さくなる。本実施形態では、後者のタイミングで待機位置Ｐ４（Ｐ４_２）の設定及び設定された待機位置Ｐ４（Ｐ４_２）への把持装置３３の位置決めをすることができるので、より短い時間で工具交換を行うことができる。
＜他の実施形態＞

次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、制御装置４０が加工プログラムの連続した所定数のブロックを先読みする制御装置であるという点で先の実施形態と異なる。以下、先の実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態において、主軸・テーブル制御部４１０は、記憶装置４４から、加工プログラムを構成する連続した所定数のブロックを先読みする。続いて主軸・テーブル制御部４１０は、先読みされたブロックを解析し、それらのブロックを実行するときの主軸７やテーブル４の経路及び移動速度等を算出する。算出されたこれらの情報はＲＡＭ４３に記憶され、先読みされたブロックが後に実行される際に利用される。

工具交換装置制御部４３０の主軸位置算出手段４３１は、先読みされたブロックが実行される前に、先読みされたブロックを解析して得られた主軸７の経路に基づいて、先読みされたブロックが実行されるときに主軸７の主軸基準点がとるＺ座標の範囲を算出する。なお、主軸基準点のＺ座標の範囲の算出は、先読みされた所定数のブロックを解析する際に、主軸・テーブル制御部４１０によって行われても良いことは勿論である。

先読みされたブロックが実行されるときに主軸７の主軸基準点がとるＺ座標の範囲が算出されると、待機位置設定手段４３２は、先読みされたブロックが実行される前に、算出されたＺ座標の範囲に応じて、把持装置３３の待機位置Ｐ４を設定する。設定の仕方は先の実施形態と同様である。但し、待機位置Ｐ４として設定される位置は、算出されたＺ座標の範囲内のいずれの位置に主軸基準点が存在していても、主軸７及び主軸７とともに移動する部材と把持装置３３とが干渉しない位置である。

把持装置待機手段４３３は、先読みされたブロックが実行される前に、待機位置設定手段４３２によって設定された待機位置Ｐ４に把持装置３３を位置決めする。

加工プログラム中の連続した所定数のブロックの先読み、先読みされたブロックの解析、解析によって得られた情報に基づく先読みされたブロック実行時の主軸存在位置の算出、算出された主軸存在位置に応じた待機位置Ｐ４の設定及び待機位置Ｐ４への把持装置３３の位置決めは、交換条件判断手段４３４によって工具交換条件が整ったと判断されるまで順次繰り返すことができる。なおこのとき、先読みされるブロックが順次、後に実行されるブロックにずれていくことは当然である。

本実施形態では、主軸７が加工プログラムに従って移動する前に、待機位置Ｐ４の設定及び待機位置Ｐ４への把持装置３３の位置決めが行われるので、より確実に把持装置３３と主軸７、主軸頭６及び交換対象工具Ｔ１の干渉を防止しつつ工具交換時間を短縮することができる。
＜更に他の実施形態＞

次に、本発明の更に他の実施形態について説明する。図１５に示される工作機械１は、主軸７及びテーブル４が存在する空間Ｓ１と工具マガジン２０が存在する空間Ｓ２とを仕切る隔壁８と、当該隔壁に設けられた開口８ａを開閉するシャッター９を有する点で図１に示される工作機械と相違する。その他の構成は図１に示される工作機械１と同様である。なお、開口８ａは、シャッター９が開いたときに把持装置３３及び把持装置３３に把持された工具が通過できる位置、形状及び大きさとされている。

本実施形態においては、待機位置Ｐ４は、把持装置３３が主軸７及び主軸７とともに移動する部材に加えてシャッター９とも干渉しない位置に設定される。よって、シャッター９が閉じているときには、シャッター９によって制限される旋回範囲内で待機位置Ｐ４が設定される。また、シャッター９が開いているときには、シャッター９によって旋回範囲が制限されることなく、先に説明した実施形態の場合と同様に待機位置Ｐ４が設定される。

したがって、本実施形態においては、工具Ｔで工作物Ｗを加工しているときや工具Ｔと工作物Ｗの接触部に向けて切削油を供給しているときには、シャッター９を閉じた状態で把持装置３３を待機位置Ｐ４に位置決めしておくことができる。よって、空間Ｓ２に存在する工具マガジン２０や準備位置Ｐ２に位置決めされた工具ポット２１に保持され待機している次使用工具に切屑や切削油が付着することを防止しつつ、短時間で工具交換を行うことができる。

また、工具Ｔが工作物Ｗから離れ且つ切削油が供給されていないとき、例えば主軸７が工具交換位置に向けて移動しているときには、シャッター９を開いて待機位置Ｐ４の設定及び待機位置Ｐ４への把持装置３３の位置決めを行うことができるので、先に説明した実施形態の場合と同じように短時間で工具交換を行うことができる。

なお、工具交換装置３０は、図１５においては空間Ｓ１に配置されているが、空間Ｓ２に配置されてもよい。そのように配置することで、切屑や切削油が工具交換装置３０に付着することも防止できる。また、その場合、隔壁８及びシャッター９を把持装置３３の旋回（移動）とともに移動するように構成してもよい。そのように構成すれば、工具Ｔによる工作物Ｗの加工が行われている間に、切屑や切削油が工具交換装置３０に付着することを防止しつつ、シャッター９による旋回範囲の制限を小さくして待機位置Ｐ４を設定するとともに当該待機位置Ｐ４に把持装置３３を位置決めしておくことができるので、隔壁８及びシャッター９が移動しない場合よりも短時間で工具交換を行うことができる。

本発明は上述の各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下に述べるような変形例も可能である。各実施形態や変形例を適宜組み合わせても良いことは勿論である。

工作機械は立形マシニングセンタには限られず、工具が取り付けられる主軸が移動する形態のものであればどのような工作機械であってもよい。

また、主軸は、Ｚ軸方向に加えて、あるいはそれに代えて、Ｘ軸方向及び／又はＹ軸方向に移動するものであってもよいし、Ａ軸回り及び／又はＢ軸回りに旋回するものであってもよい。これらの場合には当然ながら、上述の実施形態における主軸基準点のＺ座標に加えて、あるいはそれに代えて、主軸基準点のＸ座標及び／又はＹ座標が主軸の存在位置を特定するデータとして算出される。また、主軸の存在位置を特定するデータを算出する際に使用される座標系は直交座標系以外の座標系（例えば円柱座標系や球座標系）であっても良いことは勿論である。

なお、主軸がＸ軸方向及び／又はＹ軸方向に移動するものであったり、Ａ軸回り及び／又はＢ軸回りに旋回するものである場合には、主軸が把持装置から遠く離れていて、把持装置をどこに位置させても把持装置と主軸等が干渉しない状態となることがあり得る。その場合は、例えば、工具交換位置に向けて移動する際にとる経路上に主軸が存在すると仮定して待機位置を設定することができる。

また、主軸位置センサは、主軸の存在位置に関する信号を検出することができるセンサであればどのようなセンサでもよい。例えば、磁気式又は光学式のリニアスケールを主軸位置センサとして用いることができる。また、主軸位置センサが主軸交換位置センサを兼ねてもよいことは勿論である。

また、主軸とともに移動する部材は主軸頭及び主軸に取り付けられている工具には限られないことは勿論である。例えば、切削油供給装置や工作物の形状を測定する測定装置が主軸頭に取り付けられている場合には、これらの装置も主軸とともに移動する。よって、待機位置は、把持装置がこれらの装置とも干渉しないように設定される。

また、把持装置の原位置は、把持装置が工作機械を構成する部材と干渉しない位置であればどこでもよい。

また、上述の各実施形態においては、把持装置が有する一対の工具把持部は、支持軸の中心軸まわりに対称な位置、すなわち１８０°離れた位置に設けられているが、その位置は１８０°離れた位置には限られず、例えば互いに１２０°又は９０°離れた位置であってもよい。また、把持装置は工具把持部を一つまたは三つ以上有するものであってもよい。

また、把持装置は、必ずしもある軸回りに旋回する形態のものである必要は無く、例えば、工具把持部を有するロボットアームで構成されていてもよい。

また、上述の実施形態においては、工作機械の制御装置が工具交換装置の制御装置を兼ねているが、工具交換装置専用の制御装置を、工作機械の制御装置とは別のハードウェアで構成してもよいことは勿論である。

１ 工作機械
４ テーブル
６ 主軸頭
７ 主軸
８ 隔壁
８ａ 開口
９ シャッター
２０ 工具マガジン
２１ 工具ポット
３０ 工具交換装置
３２ 支持軸
３３ 把持装置
３４ アーム
３５ 固定爪
３６ 可動爪
３７ 工具把持部
４０ 制御装置
４１０ 主軸・テーブル制御部
４２０ 工具マガジン制御部
４３０ 工具交換装置制御部
４３１ 主軸位置算出手段
４３２ 待機位置設定手段
４３３ 把持装置待機手段
４３４ 交換条件判断手段
４３５ 交換実行手段
Ｔ１ 交換対象工具
Ｔ２ 次使用工具
Ｗ 工作物
Ｐ１ 工具交換位置
Ｐ２ 準備位置
Ｐ３ 原位置
Ｐ４ 待機位置

Claims (10)

1. 主軸を所定の工具交換位置に移動させた状態で前記主軸に取り付けられている工具の交換が行われる工作機械において用いられる工具交換装置であって、
   前記工具を把持することが可能な把持装置と、
   受信した駆動信号に応じて前記把持装置を移動させることが可能な駆動装置と、
   制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記主軸の存在位置に関する信号を検出する主軸位置センサの検出信号又は加工プログラムを解析して得られる情報に基づいて前記主軸の存在位置を算出する主軸位置算出手段と、
   前記把持装置が前記主軸及び前記主軸とともに移動する部材と干渉せずに存在できる位置である前記把持装置の待機位置を、前記主軸位置算出手段によって算出された前記主軸の存在位置に応じて設定する待機位置設定手段と、
   前記待機位置設定手段によって設定された前記待機位置へ前記把持装置を移動させるための駆動信号を前記駆動装置に送信する把持装置待機手段と
   を有しており、
   前記主軸が前記工具交換位置に位置していないときに、前記主軸位置算出手段、前記待機位置設定手段及び前記把持装置待機手段が機能すると共に前記把持装置が前記駆動装置によって前記待機位置まで移動させられるように構成されており、
   前記待機位置は、前記把持装置を原位置から移動させる場合と比較して、前記工具を把持するまでに前記把持装置が移動する距離が小さくなる位置であり、
   前記原位置は、前回の工具交換完了時に前記把持装置が位置決めされた位置である、
   工具交換装置。
2. 前記主軸位置算出手段、前記待機位置設定手段及び前記把持装置待機手段は、前記主軸が前記工具交換位置に位置していないときに、この順で複数回繰り返し機能するように構成されている
   請求項１記載の工具交換装置。
3. 前記主軸位置算出手段、前記待機位置設定手段及び前記把持装置待機手段は、前記主軸が前記工具交換位置に向けて移動を開始する前、及び／又は、前記主軸が前記工具交換位置に向けて移動を開始した後且つ前記工具交換位置に到着する前に機能するように構成されている
   請求項１又は２に記載の工具交換装置。
4. 前記制御装置は、前記加工プログラムの連続した所定数のブロックを先読みする制御装置であり、
   前記主軸位置算出手段は、前記所定数のブロックを解析して得られる情報に基づいて、前記所定数のブロックが実行されるときの前記主軸の存在位置を算出し、
   前記主軸位置算出手段、前記待機位置設定手段及び前記把持装置待機手段は、前記所定数のブロックが実行されるのに先立って機能するように構成されている
   請求項１乃至３のいずれかに記載の工具交換装置。
5. 前記待機位置は、前記把持装置が、前記主軸が存在する空間と前記主軸に取り付けられる前の工具が待機する空間との間に存在するシャッターとも干渉しない位置である
   請求項１乃至４のいずれかに記載の工具交換装置。
6. 主軸を所定の工具交換位置に移動させた状態で前記主軸に取り付けられている工具の交換が行われる工作機械において用いられる前記工具を把持することが可能な把持装置の位置決め方法であって、
   （Ａ）前記主軸の存在位置に関する信号を検出する主軸位置センサの検出信号又は加工プログラムを解析して得られる情報に基づいて前記主軸の存在位置を算出する工程と、
   （Ｂ）前記把持装置が前記主軸及び前記主軸とともに移動する部材と干渉せずに存在できる位置である前記把持装置の待機位置を、前記工程（Ａ）で算出された前記主軸の存在位置に応じて設定する工程と、
   （Ｃ）前記工程（Ｂ）で設定された前記待機位置へ前記把持装置を移動させる工程とを有し、
   前記工程（Ａ）、前記工程（Ｂ）及び前記工程（Ｃ）は、前記主軸が前記工具交換位置に位置していないときに実行され、
   前記待機位置は、前記把持装置を原位置から移動させる場合と比較して、前記工具を把持するまでに前記把持装置が移動する距離が小さくなる位置であり、
   前記原位置は、前回の工具交換完了時に前記把持装置が位置決めされた位置である、
   前記把持装置の位置決め方法。
7. 前記工程（Ａ）、前記工程（Ｂ）及び前記工程（Ｃ）は、前記主軸が前記工具交換位置に位置していないときにこの順で複数回繰り返し実行される
   請求項６記載の前記把持装置の位置決め方法。
8. 前記工程（Ａ）、前記工程（Ｂ）及び前記工程（Ｃ）は、前記主軸が前記工具交換位置に向けて移動を開始する前、及び／又は、前記主軸が前記工具交換位置に向けて移動を開始した後且つ前記工具交換位置に到着する前に実行される
   請求項６又は７に記載の前記把持装置の位置決め方法。
9. 前記工程（Ａ）における前記加工プログラムを解析して得られる情報は、先読みされた連続した所定数のブロックを解析して得られる情報であり、
   前記工程（Ａ）における前記主軸の存在位置は、前記所定数のブロックが実行されるときの前記主軸の存在位置であり、
   前記工程（Ａ）、前記工程（Ｂ）及び前記工程（Ｃ）は前記所定数のブロックが実行される前に実行される
   請求項６乃至８のいずれかに記載の前記把持装置の位置決め方法。
10. 前記待機位置は、前記把持装置が、前記主軸が存在する空間と前記主軸に取り付けられる前の工具が待機する空間との間に存在するシャッターとも干渉しない位置である
    請求項６乃至９のいずれかに記載の前記把持装置の位置決め方法。

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