JP7239394B2 - 産業機械 - Google Patents
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したがって、工具交換装置を備えた産業機械においては、工具の落下をより確実に抑制することが望まれている。
本明細書に添付した図面は、いずれも概念図又は模式図であり、理解しやすさ等を考慮して、各部の形状、縮尺、縦横の寸法比等を、実物から変更又は誇張している。また、図面においては、部材の断面を示すハッチングを適宜に省略する。
図1~図3は、第1実施形態における工作機械1の構成を示す概念図である。図1は、タレット11を回動位置(タレット11が回動可能な位置)まで移動させた場合の概念図を示している。図2は、タレット11を工具Tの交換位置まで移動した場合の概念図を示している。図3は、主軸21をワークWの加工位置まで移動した場合の概念図を示している。
図1に示すように、第1実施形態の工作機械1は、工具交換装置10、加工装置20、数値制御装置30、コラム40、ベッド部50及びワークテーブル60を備える。以下、各部の構成について説明する。
工具交換装置10は、主軸21に装着された工具ホルダ14を、他の工具ホルダ14に交換する装置である。工具ホルダ14には工具Tが保持されているため、工具ホルダ14を交換すると、工具Tが交換されることになる。工具交換装置10は、主な構成として、タレット11、タレット駆動部12及びタレット揺動部15を備える。
タレット11は、外周に複数のグリップ13が取り付けられた略円盤状の構造体である。なお、図1~図3では、後述する説明において、主軸21に保持(装着)される工具T(及び工具ホルダ14)を保持するグリップ13のみを図示している。なお、グリップ13は、本実施形態においては、タレット11の外周に取り付けられているが、これに制限されず、タレット11の外周よりも内周側に寄った「外周側」に取り付けられていてもよい。
カムフォロア152は、主軸ヘッド22に設けられたカム153と係合する回転部材である。カムフォロア152は、タレット11のベース部111のZ2側に設けられている。主軸ヘッド22が上下方向(Z方向)に移動すると、カムフォロア152がカム153のカム面に沿って移動する。これにより、タレット11は、揺動軸151を中心として矢印方向に時計回り又は反時計回りに揺動する。カムフォロア152とカム153により、タレット揺動部15のカム機構が構成される。
加工装置20は、主軸21に保持された工具Tを回転させたり、移動させたりすることにより、ワークWを加工する装置である。加工装置20は、主な構成として、主軸21、主軸ヘッド22及び主軸ヘッド昇降部25を備える。
主軸21は、工具Tが取り付けられた工具ホルダ14を、回転させたり、固定したまま保持したりする部分である。主軸21には、後述する図7に示すように、工具ホルダ14のキー溝144と嵌合可能な主軸キー212が設けられている。主軸キー212は、工具ホルダ14の回転軸C2を中心として、180°の位置関係で一対設けられている。図7において、一対の主軸キー212は、前後方向(Y方向)に設けられている。また、主軸21の内部には、工具ホルダ14のクランプ機構としてのドローバー23が設けられている。
主軸モータ317は、主軸21に取り付けられた回転工具により切削加工を行う場合、連続的に高速回転するスピンドルモータとして機能する。一方、主軸モータ317は、主軸21に取り付けられた固定工具によりヘール加工等の切削加工を行う場合、主軸21の位相(回転位置)を制御する装置として機能する。
コラム40は、タレット11を支持すると共に、主軸ヘッド昇降部25のアーム部251を上下方向(Z方向)に移動自在に支持する部分である。
ベッド部50は、コラム40及び主軸ヘッド昇降部25の一部を支持する部分である。また、ベッド部50は、ワークテーブル60を支持する。ベッド部50は、工作機械1のベース部材(基盤)として、例えば、床面上に設置される。
次に、工具ホルダ14の構成について、図4を参照して説明する。
図4は、工具ホルダ14の側面図である。図4において、工具ホルダ14の回転軸C2は、工具ホルダ14が主軸21に保持される位置まで移動した場合の鉛直方向(Z方向)と一致している。
図4に示すように、工具ホルダ14は、テーパーシャンク141、プルスタッド142、保持溝143、キー溝144、ホルダヘッド145及び工具Tを備える。
キー溝144は、後述するように、主軸21に設けられた主軸キー212及びグリップ13のグリップキー136(図7参照)と嵌合する溝である。キー溝144は、工具ホルダ14の回転軸C2を中心として、180°の位置関係で一対設けられている。図4では、一対のキー溝144のうち、紙面の手前側に設けられたキー溝144のみを図示している。
ホルダヘッド145は、工具Tを保持する部分である。工具Tとしては、例えば、ドリル、エンドミル、タップ、ヘール工具、トリマ等が用いられる。
次に、タレット11に設けられたグリップ13の構成について説明する。
図5は、グリップ13の側面図である。図6は、グリップ13の平面図である。図7は、グリップ13に保持された工具ホルダ14を主軸21に保持した場合の断面図である。
図5に示すように、グリップ13は、アーム本体131の先端側に、保持アーム132を備える。保持アーム132は、図6に示すように、工具ホルダ14を両側から挟み込むように一対設けられている。一対の保持アーム132は、それぞれ、その先端部に保持ローラ133を備える。保持ローラ133は、工具ホルダ14の保持溝143(V字溝)と係合する円盤状の部品である。
また、アーム本体131は、中央部付近にグリップキー136を備える。グリップキー136は、一対の保持アーム132の間に保持された工具ホルダ14を位置決めするための突起である。
図1に示す工具交換装置10において、タレット11は、回動位置に移動している。この状態でタレット11を回動させて、交換対象となる工具Tを保持するグリップ13を、主軸21と対向する位置に移動させる。図1は、交換対象となる工具Tを保持するグリップ13が、主軸21と対向する位置に移動した状態を示している。
次に、数値制御装置30の構成について説明する。
図8は、第1実施形態における数値制御装置30の電気的な構成を示すブロック図である。
数値制御装置30は、工具交換装置10及び加工装置20を制御することにより、工作機械1に切削加工等を実行させる装置である。数値制御装置30は、例えば、加工プログラムに基づいて、各軸に対する移動指令、各部を駆動するモータへの回転指令等を含む動作指令を作成し、この動作指令を工具交換装置10、加工装置20に送信する。これにより、数値制御装置30は、各装置に設けられたモータを制御して、工作機械1による切削加工等を実行する。
SRAM304は、数値制御装置30の電源がオフしても記憶内容が保持される不揮発性メモリとして構成される。
図8では、主軸ヘッド22を上下方向に移動させるモータ及びその制御系と、主軸21を回転させるモータ及びその制御系を図示している。図8では、ワークテーブル60を駆動するX軸モータ、Y軸モータのほか、タレット駆動部12及びそれら制御系の図示を省略している。
図9は、タレット11の外周に配置された工具T1~T6と揺動軸C3との位置関係を示す模式図である。図9では、グリップ13、工具ホルダ14等の図示を省略している。図9では、図1に示すタレット11の揺動軸151の中心線を「揺動軸C3」として示している。図9の説明においては、工具T1~T6を総称して「工具T」又は単に「工具」ともいう。
第1速度制御処理では、工具交換及び工具交換以外の動作時において、タレット11が主軸21に対して接近又は離間する際の工具に作用する力の大きさを慣性力(工具作用値)FIとして算出し、この慣性力FIが第1閾値FIthを超えないように、主軸ヘッド22の移動速度を設定する。例えば、慣性力FIが第1閾値FIthの80%程度となるように、主軸ヘッド22の移動速度を設定する。第1閾値FIthは、グリップ13の保持力に基づいて設定された値である。主軸ヘッド22の移動速度として、慣性力FIが第1閾値FIthを超えないように設定することにより、タレット11の揺動時等において、工具がグリップ13から外れることを抑制できる。
第2速度制御処理では、タレット11が主軸21に対して接近又は離間する際の工具に作用する振動の大きさを加速度VI(m/s2)として検出し、この加速度VIが予め設定された第2閾値VIthを超える場合、第1閾値FIth(第1速度制御処理)に基づいて設定された主軸ヘッド22の移動速度を低速側に変更する。本実施形態では、主軸ヘッド22に設けられた加速度センサ320(図8参照)により、工具に作用する振動を加速度VIとして検出する。また、移動速度の変更は、予め設定された速度分だけ低速側にシフトしてもよいし、検出された加速度VIの大きさに応じて、低速側にシフトする速度分を設定してもよい。
図10は、第1実施形態の数値制御装置30により実行される第1及び第2速度制御処理の手順を示す第1のフローチャートである。図10に示す第1及び第2速度制御処理は、プロセッサ301(図8参照)がシステムプログラムに基づいて、ROM302に保存された速度制御処理プログラムを解析することにより実行される(後述する図11及び図12についても同様)。第1のフローチャートは、図1及び図2に示すように、タレット11に保持された工具を、工具の保持されていない主軸21へ保持するまでの間の速度制御処理を示している。
ステップS108(ステップS105:NO/ステップS107:終了)において、プロセッサ301は、主軸ヘッド22が停止位置に達したか否かを判定する。ステップS108において、プロセッサ301により、主軸ヘッド22が停止位置に達したと判定された場合、本フローチャートの処理は、終了する。一方、ステップS108において、プロセッサ301により、主軸ヘッド22が停止位置に達していないと判定された場合、処理は、ステップS105へ移行する。
なお、ステップS108の後、主軸ヘッド22を更に下方向(Z2方向)に移動させることにより、工具が主軸21に保持される。
ステップS203において、プロセッサ301は、ステップS202で設定した移動速度で主軸ヘッド22が下方向(Z2方向)へ移動するように軸制御部311に指示する。主軸ヘッド22が下方向へ移動すると、タレット11が揺動軸151を中心として時計回りに揺動する。
ステップS207(ステップS204:NO/ステップS206:終了)において、プロセッサ301は、主軸ヘッド22が停止位置に達したか否かを判定する。ステップS207において、プロセッサ301により、主軸ヘッド22が停止位置に達したと判定された場合、本フローチャートの処理は、終了する。一方、ステップS207において、プロセッサ301により、主軸ヘッド22が停止位置に達していないと判定された場合、処理は、ステップS204へ移行する。
ステップS303において、プロセッサ301は、ステップS302で設定した移動速度で主軸ヘッド22が下方向(Z2方向)へ移動するように軸制御部311に指示する。
ステップS307において、プロセッサ301は、加工作業が終了したか否かを判定する。加工作業の終了は、加工プログラムにより通知される。ステップS307において、プロセッサ301により、加工作業が終了したと判定された場合、本フローチャートの処理は、終了する。一方、ステップS307において、プロセッサ301により、加工作業が終了していないと判定された場合、処理は、ステップS304へ移行する。
したがって、第1実施形態の工作機械1によれば、工具交換時における工具の落下をより確実に抑制できるだけでなく、工具交換以外の加工作業時においても、工具の落下をより確実に抑制できる。
第2実施形態の工作機械1Aは、第1加速度センサ321及び第2加速度センサ322を備える点で、第1実施形態と相違する。第2実施形態の工作機械1Aにおいて、その他の構成は、第1実施形態と同じである。そのため、第2実施形態の説明及び図面において、第1実施形態と同等の部材等には、第1実施形態と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図13は、第2実施形態における工作機械1Aの構成を示す概念図である。図14は、第2実施形態における数値制御装置30Aの電気的な構成を示すブロック図である。
第1加速度センサ321は、タレット11の揺動時に工具Tに作用する加速度を検出するセンサである。第1実施形態では、工具Tに作用する加速度を計算式(h1×ω2)により算出した例を説明した。一方、第2実施形態では、第1加速度センサ321により工具Tの加速度を検出しており、両実施形態はこの点で異なる。第2実施形態において、第1加速度センサ321は、タレット11に設けられている。なお、タレット11において、第1加速度センサ321を設ける位置に応じて、第1加速度センサ321の検出値を適宜に補正してもよい。
図14に示すように、第1加速度センサ321及び第2加速度センサ322は、数値制御装置30Aと電気的に接続されている。第1加速度センサ321及び第2加速度センサ322で検出された加速度VI(m/s2)は、数値制御装置30Aのプロセッサ301に送信される。
第2実施形態の第1及び第2速度制御処理は、第1実施形態と実質的に同じであるため、フローチャートによる説明を省略する。
第2実施形態の工作機械1Aにおいて、第1加速度センサ321をタレット11の複数個所に設けた構成としてもよい。このような構成とすることにより、各工具に作用する加速度VIを、より高精度に検出できる。
第2実施形態の工作機械1Aにおいて、振動によりタレット揺動部15に作用する加速度VIを、第1加速度センサ321で検出するようにしてもよい。このような構成とすることにより、第2加速度センサ322を省略できる。
第3実施形態の工作機械1Bは、グリップ13(タレット11)に歪センサ323を備える点で、第1実施形態と相違する。第3実施形態の工作機械1Bにおいて、その他の構成は、第1実施形態と同じである。そのため、工作機械1Bの全体の図示を省略する。また、第3実施形態の説明及び図面において、第1実施形態と同等の部材等には、第1実施形態と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図15は、第3実施形態におけるグリップ13の平面図である。図16は、第3実施形態における数値制御装置30Bの電気的な構成を示すブロック図である。
図17は、第3実施形態の数値制御装置30Bにより実行される第3速度制御処理の手順を示すフローチャートである。図17に示す第3速度制御処理は、プロセッサ301(図8参照)がシステムプログラムに基づいて、ROM302に保存された速度制御処理プログラムを解析することにより実行される。また、第3速度制御処理は、グリップ13に工具が保持されているタイミングで実行される。例えば、第3速度制御処理は、図10(第1実施形態)に示すステップS104において、主軸ヘッド22が停止位置に達した時点で実行される。
ステップS402において、プロセッサ301は、検出されたひずみ量Sが第3閾値Sthに満たないか否かを判定する。なお、ステップS402において、プロセッサ301は、2つのひずみ量Sのそれぞれについて、第3閾値Sthに満たないか否かを判定する。そして、いずれか一方の歪センサ323で検出されたひずみ量Sが第3閾値Sthに満たなければ、ステップS402において、プロセッサ301は、ひずみ量Sが第3閾値Sthに満たないと判定する。
ステップS403(ステップS402:YES)において、プロセッサ301は、主軸ヘッド22の移動速度を低速側に変更する。ステップS403の後、本フローチャートの処理は終了する。
第1速度制御処理として、工具T1~T6の各位置における慣性力FIの算出値(慣性力データ)をRAM303に保存しておき、タレット11を揺動する際に、慣性力データをRAM303から取得する例について説明したが、これに限定されない。タレット11を揺動する際に、グリップ13から外れやすい工具を特定した後、慣性力データをリアルタイムで算出してもよい。また、第1速度制御処理において、主軸ヘッド22の移動速度を設定する場合、移動速度を複数のパターン(例えば、速い、遅い、中間等)で保存しておき、工具の慣性力FIに応じて適切な移動速度を選択するようにしてもよい。
Claims (5)
- 工具を保持可能な主軸と、
前記主軸を軸方向に沿って移動可能な主軸ヘッドと、
工具を保持するグリップが外周側に複数配置されるタレット、前記タレットを回動させるタレット駆動部及び前記主軸ヘッドの移動に伴い前記グリップを前記主軸に対して接近又は離間させるグリップ移動部を備える工具交換装置と、
前記主軸に保持された工具と前記グリップに保持される他の工具との間で工具交換を行うように前記工具交換装置の動作を制御する数値制御装置と、を備え、
前記数値制御装置は、前記グリップが前記主軸に対して接近又は離間する際の工具に作用する力の大きさを工具作用値として取得し、前記工具作用値が予め設定される第1閾値を超えないように、前記主軸ヘッドの移動速度を設定する第1速度制御処理と、
前記グリップが前記主軸に対して接近又は離間する際の工具に作用する振動の大きさを振動値として取得し、前記振動値が予め設定される第2閾値を超える場合には、前記第1閾値に基づいて設定された前記主軸ヘッドの移動速度を低速側に変更する第2速度制御処理と、
を実行する産業機械。 - 請求項1に記載の産業機械において、
前記数値制御装置は、工具交換以外での前記主軸ヘッドの移動時に、前記第1速度制御処理として、前記グリップが前記主軸に対して接近又は離間する際の工具に作用する力の大きさを工具作用値として取得し、前記工具作用値が前記第1閾値を超えないように、前記主軸ヘッドの移動速度を設定する産業機械。 - 請求項1又は2に記載の産業機械において、
前記グリップ移動部は、前記タレットの回転軸と直交する揺動軸を中心として前記タレットを揺動させることにより、前記タレットを前記グリップと共に前記主軸に対して接近又は離間させるカム機構を備える産業機械。 - 請求項1から3のいずれかに記載の産業機械において、
前記グリップが前記主軸に対して接近又は離間する際の工具に作用する加速度を検出する第1加速度センサと、
前記グリップが前記主軸に対して接近又は離間する際の前記グリップ移動部に作用する加速度を前記主軸ヘッドにおいて検出する第2加速度センサと、
を備える産業機械。 - 請求項1から4までのいずれかに記載の産業機械において、
前記グリップの工具保持力を検出する保持力検出部を備え、
前記数値制御装置は、前記保持力検出部で検出される工具保持力が予め設定される第3閾値に満たない場合には、前記主軸ヘッドの移動速度を低速側に変更する第3速度制御処理を実行する産業機械。
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