JPWO2018220771A1

JPWO2018220771A1 - 工作機械の工具交換制御方法および主軸装置

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Publication number: JPWO2018220771A1
Application number: JP2019521621A
Authority: JP
Inventors: 健次勝又
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: WO2018220771A1; JP6768154B2

Abstract

ドローバーを主軸の軸線方向に後退させて工具を主軸にクランプし、ドローバーを前記軸線方向に前進させて工具をアンクランプする工具クランプ装置を有し、主軸にクランプされた工具と工具収納部の工具とを交換する際、工作機械の送り軸が工具交換位置へ向けて位置決め動作中に、ドローバーのクランプ位置からアンクランプ位置までの全ストロークのうち、工具を主軸から脱離させない第１のストロークだけ先行してドローバーを前進させ、前記送り軸が、工具交換位置へ位置決めされた後、工具交換動作中に、前記ドローバーの全ストロークのうち残りの第２のストロークの前進を開始し、工具がアンクランプされた後、続けて一連の工具交換動作を完了させるようにした。

Description

本発明は、ドローバーを主軸の軸線方向に後退させて工具を主軸にクランプし、ドローバーを前記軸線方向に前進させて工具をアンクランプする工具クランプ装置を有した工作機械の工具交換制御方法および主軸装置に関する。

工作機械の自動工具交換装置は従来から一般的に用いられており、例えば特許文献１、２にそうした工具交換装置が開示されている。
特許文献１には、交換アームの作動タイミングと同調したカム溝を有したアンクランプカムと、アンクランプカムの回転に連動してカム溝に従って揺動するクランプレバーとを備え、交換アームとドローバーの動作とを連動させるようにした工作機械の工具交換装置が開示されている。

特許文献２には、工具を主軸に装着した後に工具を仮保持し、交換アームが後退した後に工具をクランプし、また、工具をアンクランプした後に工具を仮保持して交換アームを旋回させて、工具と係合させるようにした工具交換装置が開示されている。

特開２００８−１１９７８１号公報特開平０８−１１８１１８号公報

特許文献２の工具交換装置は、特許文献１の工具交換装置に比べて構成が簡単で、しかも工具を主軸に装着した後に工具を仮保持することで、工具交換に要する時間を短縮している。然しながら、工具交換するためには、主軸に装着されている工具をアンクランプしなければならなので、工具交換に要する時間を短縮するためには、アンクランプに要する時間を更に短縮することが必要である。

本発明は、こうした従来技術に鑑みなされたものであり、工具を主軸からアンクランプする時間を短縮することによって、工具交換に要する時間を短縮するようにした工作機械の工具交換制御方法および主軸装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、ドローバーを主軸の軸線方向に後退させて工具を主軸にクランプし、ドローバーを前記軸線方向に前進させて工具をアンクランプする工具クランプ装置を有し、主軸にクランプされた工具と工具収納部の工具とを自動的に交換する際の工作機械の工具交換制御方法において、工作機械の送り軸が工具交換位置へ向けて位置決め動作中に、ドローバーのクランプ位置からアンクランプ位置までの全ストロークのうち、工具を主軸から脱離させない第１のストロークだけ先行してドローバーを前進させ、前記送り軸が、工具交換位置へ位置決めされた後、工具交換動作中に、ドローバーの全ストロークのうち残りの第２のストロークの前進を開始し、工具がアンクランプされた後、続けて一連の工具交換動作を完了させるようにした工作機械の工具交換制御方法が提供される。

また、本発明によれば、回転するを主軸の内部に設けられ、ドローバーを前記主軸の軸線方向に後退させて工具を主軸の前端部にクランプするクランプ装置と、前記ドローバーを前記軸線方向に前進させて工具をアンクランプするアンクランプ装置とを有する工作機械の主軸装置において、前記アンクランプ装置は、前記ドローバーのクランプ位置からアンクランプ位置までの全ストロークのうち、工具を主軸から脱離させない第１のストロークだけ先行してドローバーを前進させる第１の停止位置と、前記ドローバーの全ストロークのうち残りの第２のストロークだけ前記ドローバーを前進させる第２の停止位置とを含む工作機械の主軸装置が提供される。

本発明によれば、クランプ位置からアンクランプ位置までドローバーの全ストロークのうち第１のストロークだけ先行してドローバーを前進させ、次いで、送り軸が、工具交換位置へ位置決めされた後にドローバーの前記全ストロークのうち残りの第２のストロークの前進を開始するうようにしたので、アンクランプを実施するのに要する時間を短縮することが可能となる。

本発明を適用する工作機械の主軸装置の断面図であり、クランプ位置にあるドローバーを示す図である。図１と同様の断面図であり、先行アンクランプ位置にあるドローバーを示す図である。図１と同様の断面図であり、アンクランプ位置にあるドローバーを示す図である。本発明を適用する工作機械の一例を示す略示正面図である。工作機械１００の制御装置の一例を示すブロック図である。本発明の好ましい実施形態による工具交換工程のタイミングチャートである。従来技術による工具交換工程のタイミングチャートである。アンクランプ装置の変形例を示す略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
本発明を適用する工作機械の一例を示す図４を参照すると、工作機械１００は、横形マシニングセンタを構成しており、工場の床面に固定された基台としてのベッド１０２、ベッド１０２の前方部分（図４では手前側）の上面で前後方向またはＺ軸方向（図４では紙面に垂直な方向）に延設された一対のＺ軸ガイドレール１０２ｂに沿って往復動可能に設けられ上面にパレット１１０を着脱可能に取り付けるテーブル１０８、ベッド１０２の後方部分（図４では奥側）の上面で左右方向またはＸ軸方向に延設された一対のＸ軸ガイドレール１０２ａに沿って往復動可能に設けられたコラム１０４、該コラム１０４の前面で上下方向またはＹ軸方向に延設されたＹ軸ガイドレール１０４ａに沿って往復動可能に設けられ、主軸２０８を水平な中心軸Ｏを中心として回転可能に支持する主軸装置２００を搭載したＹ軸スライダ１０６具備している。

更に、工作機械１００は、コラム１０４をＸ軸方向に駆動するＸ軸送り装置、Ｙ軸スライダ１０６をＹ軸方向に駆動するＹ軸送り装置、および、テーブル１０８をＺ軸方向に駆動するＺ軸送り装置を具備している。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸送り装置の各々は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って延設されたボールねじ（図示せず）、該ボールねじに係合するナット（図示せず）および前記ボールねじの一端に結合されたサーボモータを具備している。図４の例では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸送り装置の各々のＸ軸サーボモータ１１２、Ｙ軸サーボモータ１１４およびＺ軸サーボモータ１１６が図示されている。

また、工作機械１００は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸送り装置の各々の座標値、つまりコラム１０４のＸ軸に沿った座標（Ｘ座標）、Ｙ軸スライダ１０６のＹ軸に沿った座標（Ｙ座標）およびテーブル１０８のＺ軸に沿った座標（Ｚ座標）を検出する送り軸位置検出器として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸デジタルスケール（図示せず）を具備することができる。送り軸位置検出器は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸デジタルスケールに代えて、Ｘ軸サーボモータ１１２、Ｙ軸サーボモータ１１４およびＺ軸サーボモータ１１６に取付けたロータリエンコーダ（図示せず）としてもよい。

工作機械１００が構成する横形マシニングセンタは、工作機械１００における加工に必要な複数の工具を収納する工具マガジン４００と、該工作機械１００を制御する制御装置１０（図５参照）からの指令に基づき、工具マガジン４００に収納された工具の１つと、工作機械１００の主軸２０８の先端に装着された工具Ｔとを交換する工具交換装置３００を備える。工作機械１００、工具マガジン４００および工具交換装置３００はカバー（図示せず）内に収容することができる。

工具マガジン４００は円板状に形成されたベース部材４０２を具備している。ベース部材４０２は、半径方向外方に開口し周方向に等角度間隔で配設された複数の凹部からなる受容部４０２ａを有しており、該受容部４０２ａの各々に工具ホルダに装着された工具Ｔが保持される。なお、本明細書では、工具ホルダと該工具ホルダに装着された工具との組合せを工具Ｔと称する。ベース部材４０２は、水平に保持された回転軸４０４によって不図示のフレーム等の支持構造に鉛直面内で回転するように支持されている。回転軸４０４は、ベース部材４０２を回転駆動するサーボモータ（図示せず）の出力軸に結合されている。

工具交換装置３００は、工具マガジン４００と工作機械１００との間に配設され、交換アーム３０２と、シフタ３０８とを具備している。交換アーム３０２の両端には工具Ｔを把持するグリッパ３０２ａ、３０２ｂが設けられている。工具交換装置３００は、交換アーム３０２のためのアクチュエータ３０６を具備している。アクチュエータ３０６は、好ましくは、回転と直線動作とが可能なタイプの油圧アクチュエータまたは電動アクチュエータであり、出力軸３０４の回転位置を検出するロータリエンコーダ（図示せず）、および、出力軸３０４の軸方向の移動の始点と終点を検出するポジションスイッチ（図示せず）のような工具交換装置位置検出器を備えている。交換アーム３０２は、アクチュエータ３０６の出力軸３０４に取付けられており、Ｚ軸方向に進退する直線動作と、Ｚ軸に対して垂直な平面（鉛直平面）内で９０°または１８０°回転する回転動作が可能となっている。

シフタ３０８は、工具マガジン４００と交換アーム３０２との間で工具Ｔを水平方向（Ｘ軸方向）に往復動可能に設けられている。シフタ３０８は、工具マガジン４００の待機位置４１０にある工具Ｔをベース部材４０２の受容部４０２ａから受け取り、該工具Ｔを工具授受位置３１０へ移送する。また、シフタ３０８は、反対に、工具授受位置３１０において交換アーム３０２から工具Ｔを受け取り、該工具Ｔを待機位置４１０に配置されている工具マガジン４００の空の受容部４０２ａへ装着する。シフタ３０８は、水平方向の往復動作のために、流体圧シリンダやシリンダのような直動アクチュエータ（図示せず）を具備している。

図１に本発明を適用する主軸装置２００の一例を示す。主軸装置２００は、ベアリング２０４ａ、２０４ｂを介して主軸２０８を回転可能に支持するハウジング２０２を具備している。ハウジング２０２内には、主軸２０８を回転駆動するために、主軸２０８の外周面に結合されたロータ２１０およびハウジング２０２の内面に結合されたステータ２１２から成る主軸モータを具備している。また、主軸装置２００は、主軸２０８の回転位置を検出する主軸回転検出器を具備している。主軸回転検出器は、例えば主軸２０８の後端部に取付けられたロータリエンコーダ（図示せず）によって形成することができる。

主軸２０８は、回転軸線Ｏに沿って延びる中空部材より成り、先端部に工具Ｔのテーパ部を受容するテーパ穴２０８ａが形成されている。テーパ穴２０８ａ内には、装着される工具ホルダのテーパ部をテーパ穴２０８ａの内面に押圧する複数のコレット２０６が配設されている。なお、図１〜３では、工具Ｔは、工具ホルダのみ図示されている。また、本例では工具Ｔの工具ホルダは、二面拘束型の工具ホルダ（HSKホルダ）であるが、プルスタッドを有したBTシャンク工具ホルダ等他の形式の工具ホルダであってもよい。

主軸２０８の内部に回転軸線Ｏに沿ってドローバー２１４が軸方向に移動可能に配設されている。ドローバー２１４は、皿ばね２１６によって常に主軸２０８の後方（図１〜３では右方）に付勢されている。ドローバー２１４の先端部には、コレット２０６をテーパ穴２０８ａの内周面へ向けて押圧する大径部２３２が形成されている。また、ドローバー２１４は、その中心軸に沿って延びる中心孔２１８が形成されており、後述するロータリジョイントを介して受け入れた加工液を中心孔２１８を通して工具Ｔの先端から噴出させるようになっている。本実施形態では、コレット２０６、ドローバー２１４および皿ばね２１６が、工具Ｔを主軸２０８のテーパ穴２０８ａにクランプするクランプ装置を構成している。

ドローバー２１４の後端には、アンクランプ装置２２０が当接する当接部２２４が設けられている。アンクランプ装置２２０は、回転軸線Ｏに沿って移動可能に設けられた中空状のボールねじ２２２と、該ボールねじ２２２と係合するナット２２６と、該ナット２２６を回転駆動するサーボモータ２４０とを具備する。ナット２２６は、回転軸線Ｏを中心として回転可能にハウジング２０２に支持されており、ナット２２６の後端には、サーボモータ２４０の出力軸２４０ａに結合された駆動ギア２３０と係合する従動ギア２２８が結合されている。ボールねじ２２２の先端側には、ボールねじ２２２と共に軸方向に移動しボールねじ２２２の回転を防止する回転止２５０が取付けられている。アンクランプ装置２２０は、回転軸線Ｏに沿ったドローバー２１４の位置を検出するドローバー位置検出器を具備している。ドローバー位置検出器は、例えばサーボモータ２４０に取付けたロータリエンコーダ（図示せず）によって形成することができる。

図１に示すように、クランプ時にはドローバー２１４後端の当接部２２４とアンクランプ装置２２０のボールねじ２２２との間には隙間が設けられている。この隙間は所定の例えば２．５ｍｍに設定される。図２の先行アンクランプ時や図３のアンクランプ時には、当接部２２４とボールねじ２２２とは接触しているので、ドローバー２１４の位置は、サーボモータ２４０のロータリエンコーダの検出値と、この隙間の値から求めることができる。ドローバー２１４を先行アンクランプさせたとき、アンクランプ装置２２０のボールねじ２２２は第１の停止位置に位置決めされ、ドローバー２１４をアンクランプさせたとき、アンクランプ装置２２０のボールねじは第２の停止位置に位置決めされる。

主軸装置２００は、更に、ボールねじ２２２を貫通して延び、ドローバー２１４の中心孔２１８に連通するサポート管路２４２、ベアリング２４６を介して該サポート管路２４２を回転可能に支持するサポート部材２４４、サポート部材２４４の後端部に配設され、サポート管路２４２と接触してロータリジョイントを構成する結合部２４８を備えている。

工作機械１００の制御装置の一例を示す図５を参照すると、制御装置１０は、工作機械１００の送り軸装置２８を制御する送り軸制御部１２と、主軸モータ２２、工具交換装置３２およびアンクランプ装置３６を制御する機械制御部１４とを具備している。制御装置１０は、CPU（中央演算素子）、RAM（ランダムアクセスメモリ）やROM（リードオンリーメモリ）のようなメモリ装置、HDD（ハードディスクドライブ）やSSD（ソリッドステートドライブ）のような記憶デバイス、出入力ポート、およびこれらを相互接続する双方向バスを含むコンピュータおよび関連するソフトウェアから構成することができる。特に、送り軸制御部１２は一般的なＮＣ装置から形成することができる。この場合、機械制御部１４は該ＮＣ装置の一部としてソフトウェア的に構成してもよい。

送り軸制御部１２は、加工プログラム４０および送り軸位置検出器３０が検出したＸ、Ｙ、Ｚの各座標値に基づき、送り軸装置２８、特にＸ軸サーボモータ１１２、Ｙ軸サーボモータ１１４およびＺ軸サーボモータ１１６へ供給される電流を制御する。送り軸装置２８は、既述したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線送り軸に加えてＡ軸、Ｂ軸および／またはＣ軸の回転送り軸を含んでいてもよい。

機械制御部１４は、主軸モータ制御部１６と、工具交換制御部１８とを具備する。主軸モータ制御部１６は、加工プログラム４０に記載されている主軸回転速度および主軸回転検出器２４により検出された主軸２０８の回転位置に基づき、主軸装置２００の主軸モータ２２（図１〜図３ではロータ２１０およびステータ２１２）を制御する。加工プログラム中の主軸回転速度は、送り軸制御部１２が読み取り、解釈した加工プログラムから抽出するようにできる。また、主軸モータ制御部１６は、送り軸制御部１２から工具交換指令を受け取ると、工具交換動作の前に、主軸２０８を所定の角度位置に停止させるオリエンテーション操作を行う。

工具交換制御部１８は、工具交換装置３２（図４では工具交換装置３００）と、主軸装置２００のアンクランプ装置３６（図１〜図３ではアンクランプ装置２２０）を制御する。より詳細には、工具交換制御部１８は、送り軸制御部１２が読み取り解釈した加工プログラム４０に記載されている工具交換指令、送り軸位置検出器３０から受信したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸送り装置の各々の座標値、工具交換装置位置検出器３４から受信した交換アーム３０２の回転位置、および、ドローバー位置検出器３８から受信した回転軸線Ｏに沿ったドローバー２１４の位置に基づいて、工具交換装置３２、特に、交換アーム３０２のアクチュエータ３０６およびシフタ３０８のアクチュエータと、アンクランプ装置３６、特にサーボモータ２４０を制御する。

以下、図６に示す工具交換工程のタイミングチャートを参照して、本実施形態の作用を説明する。
時刻ｔ＝０において、送り軸制御部１２が加工プログラム中の工具交換指令を読み取ると、送り軸制御部１２は、工具交換位置へ移動するよう送り軸装置２８を制御する。それと同時に工具交換指令が送り軸制御部１２から主軸モータ制御部１６および工具交換制御部１８へ送出される。主軸モータ制御部１６は、送り軸制御部１２から工具交換指令を受信すると、主軸オリエンテーション工程を実行して、工具交換に際して、主軸２０８側のキー（図示せず）が工具Ｔ側のキー溝（図示せず）に係合するように、主軸２０８を所定の回転角度位置に停止させる。

時刻ｔ＝τ1で主軸オリエンテーション工程が完了したことが主軸モータ制御部１６から工具交換制御部１８へ出力されると、工具交換制御部１８は先行アンクランプ工程を開始する。先行アンクランプ工程が開始されると、アンクランプ装置３６（２２０）のサーボモータ２４０が回転を開始する。サーボモータ２４０の回転は、駆動ギア２３０と従動ギア２２８との係合を通じてナット２２６に伝達される。ナット２２６が回転することによって、ボールねじ２２２が主軸２０８の先端方向へ前進する。ボールねじ２２２が、その先端でドローバー２１４の後端部の当接部２２４に当接すると、ドローバー２１４が主軸２０８の先端方向（図１〜図３では左方）に前進する。

ドローバー２１４が前進すると、先端部の大径部２３２によるコレット２０６を工具Ｔのテーパ部の内面に向けて押圧する力が減少する。送り軸装置２８の作動中に主軸２０８の先端部のテーパ穴２０８ａから工具Ｔが脱離しない程度にドローバー２１４が前進し、図２に示すように、所定の先行アンクランプ位置に到達すると、先行アンクランプ工程は終了する（ｔ＝τ2）。

アンクランプ装置がドローバーの後端から離反するクランプ位置から先行アンクランプ位置までの行程を第１のストロークと称する。第１のストロークは、ドローバー２１４の先端の大径部２３２の形状やコレット２０６の形状等によって決定することができる。クランプ位置からドローバー２１４が前進して、主軸２０８の先端に装着されている工具Ｔが完全にアンクランプされるアンクランプ位置までの行程である、ドローバー２１４のアンクランプストロークが、例えば、７．４ｍｍの主軸装置において、ドローバー２１４の第１のストロークは２．０ｍｍ、第２のストロークは５．４ｍｍとすることができる。なお、図５に示すように、入力部から第１のストロークを決定するパラメータを機械制御部１４の記憶部２０に入力して、第１のストロークを変更できるようにし、工具Ｔのテーパ部、主軸２０８のテーパ穴２０８ａ、コレット２０６、ドローバー２１４の先端部の大径部２３２等の寸法誤差に対して適切に対応できるようにしてもよい。

先行アンクランプ工程が完了したとき（ｔ＝τ2）、通常、送り軸装置２８は未だ工具交換位置に到達していない。送り軸装置２８が、図４の二点鎖線で示す工具交換位置に到達すると（ｔ＝τ3）、工具交換装置３２（３００）の交換アーム３０２が回転し、グリッパ３０２ａ、３０２ｂの一方が主軸２０８の先端に装着されている工具Ｔと係合し、これを保持する。それと同時に、他方のグリッパが工具授受位置３１０に配置されている工具Ｔと係合し、これを保持する（ｔ＝τ5）。

時刻ｔ＝τ5において交換アーム３０２のグリッパ３０２ａ、３０２ｂと工具Ｔとの係合が完全に完了する前に、交換アーム３０２が所定の回転角度位置を通過したとき（ｔ＝τ4）、工具交換制御部１８は、アンクランプ装置３６（２２０）のサーボモータ２４０を起動して、残りのアンクランプ工程を開始する。先行アンクランプ位置からアンクランプ位置までの行程を第２のストロークと称する。この間、交換アーム３０２のグリッパ３０２ａ、３０２ｂと工具Ｔとの係合が維持され、アンクランプ工程が完了したときに、主軸２０８の先端のテーパ穴２０８ａからの工具Ｔの脱離を防止している。

時刻ｔ＝τ6で、図３に示すように、ドローバー２１４がアンクランプ位置に到達し、アンクランプ工程が完了すると、工具交換制御部１８は、工具交換装置３２（３００）に対してグリッパ３０２ａ、３０２ｂが保持する新旧工具Ｔの入れ替えを指示し、工具交換装置３２（３００）のアクチュエータ３０６は、先ず、その出力軸３０４を軸方向に前方に押し出す。これにより、主軸２０８の先端に装着されている旧工具Ｔ、および、シフタ３０８によって工具授受位置３１０に保持されている新工具Ｔが、同時に、主軸２０８のテーパ穴２０８ａおよびシフタ３０８から抜去される。

アクチュエータ３０６の出力軸３０４が軸方向に終点に到達し工具Ｔが抜去されたとき、出力軸３０４を中心として交換アーム３０２が１８０°旋回し、旧工具Ｔがシフタ３０８の前方に、新工具Ｔが主軸２０８の前方に配置される。次いで、出力軸３０４が軸方向に後方に移動して始点に再び到達すると、新工具Ｔが主軸２０８のテーパ穴２０８ａ内に装着され、それと同時に旧工具Ｔが工具授受位置３１０に待機しているシフタ３０８に装着される。これによって、新旧工具Ｔの入れ替えが完了する（ｔ＝τ7）。

時刻ｔ＝τ7において新旧工具Ｔの入れ替えが完了したとき、つまり、出力軸３０４の始点にあるポジションスイッチのような位置検出器からのトリガー信号を受信したとき、工具交換制御部１８は、アンクランプ装置３６（２２０）のサーボモータ２４０を逆方向に回転させてクランプ工程を開始する。アンクランプ装置２２０のボールねじ２２２がドローバー２１４の後端の当接部２２４から離反し、ドローバー２１４が、図１に示すように、クランプ位置に到達したとき（ｔ＝τ8）、工具交換制御部１８は、送り軸装置２８に対して次工程の加工開始点への移動を指示し、主軸モータ２２に対して加工用回転速度での回転を指示するとともに、工具交換装置３２（３００）に対して、アクチュエータ３０６を回転して、交換アーム３０２を主軸２０８から退避させるよう指示する。送り軸装置２８が次工程の加工開始点への移動が完了し、かつ、主軸モータ２２の回転速度が加工用回転速度に達したとき（ｔ＝τ10）、次工程の加工が開始される。通常、次工程の加工開始に先立って、交換アーム３０２の主軸２０８からの退避動作は完了している（ｔ＝τ9）。

従来技術による工具交換工程のタイミングチャートを示した図７を参照すると、従来技術では、先行アンクランプ工程が実行されることなく、送り軸装置２８の工具交換位置への移動が完了した後に、交換アーム３０２が旋回動作を開始し、交換アーム３０２のグリッパ３０２ａ、３０２ｂと新旧工具Ｔとが係合する前に、交換アーム３０２が所定の回転角度位置を通過したときに、アンクランプ工程が開始される。

これに対して既述の実施形態でも、従来と同様に、交換アーム３０２が所定の回転角度位置を通過したときに、アンクランプ工程が開始されるが、アンクランプ工程に先立って先行アンクランプ工程が実行され、ドローバー２１４が先行アンクランプ位置まで第１のストローク分だけ軸方向に前進した状態からアンクランプ工程が開始する。従って、本実施形態における工具交換工程の開始からアンクランプ工程の終了までの時間τ6は、従来技術における時間τ′よりも短く、つまりτ6＜τ′となっている。

アンクランプ工程の終了（ｔ＝τ′）から加工開始時（ｔ＝τ″）までの工程は、従来技術と本実施形態とで同一となっている。従って、その間の時間は従来技術と本実施形態とで同一、つまり（τ″−τ′）＝（τ10−τ6）であり、従来技術と本実施形態とで工具交換工程に要する時間の差Δｔは（τ″−τ10）＝（τ′−τ6）となっている。１つの例では、ドローバー２１４のアンクランプストロークが７．４ｍｍの主軸装置において、第１のストロークを２．０ｍｍとした場合に、Δｔは約５０ミリ秒となっている。

本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、種々の変更、修正が可能である。
例えば、既述の実施形態では、アンクランプ装置２２０は、サーボモータ２４０によって駆動するようになっているが、本発明はサーボモータ２４０に代えて流体圧シリンダを用いてもよい。図８に示す変形例では、アンクランプ装置５００は、第１と第２のシリンダ５０２、５０４を具備している。

第２のシリンダ５０４は、主軸装置２００のサポート部材２４４のような静止部５１２に固定され、回転軸線Ｏに沿って移動可能なピストン５１４を具備している。ピストン５１４によってシリンダ内が第１の圧力室５１６と、第２の圧力室５１８に分割される。第２のシリンダ５０４は、また第１の圧力室５１６に連通する第１のポート５１６ａと、第２の圧力室５１８に連通する第２のポート５１８ａとを有している。第１と第２のポート５１６ａ、５１８ａは、工具交換制御部１８によって制御される油圧源（図示せず）に連通している。

第１のシリンダ５０２は、第２のシリンダ５０４のピストン棒５１４ａに結合されており、第２のシリンダ５０４のピストン５１４と共に回転軸線Ｏに沿って移動可能となっている。第１のシリンダ５０２は、回転軸線Ｏに沿って移動可能なピストン５０６を具備している。ピストン５０６によってシリンダ内が第１の圧力室５０８と、第２の圧力室５１０に分割される。第１のシリンダ５０２は、また第１の圧力室５０８に連通する第１のポート５０８ａと、第２の圧力室５１０に連通する第２のポート５１０ａとを有している。第１と第２のポート５０８ａ、５１０ａは、工具交換制御部１８によって制御される油圧源（図示せず）に連通している。また、第１のシリンダ５０２は、ピストン５０６のストロークを調節する調節ねじ５２０を有している。本変形例では、第１のシリンダ５０２のピストン棒５０６ａが、ドローバー２１４の後端部に当接し、ドローバー２１４を回転軸線Ｏに沿って主軸２０８の先端方向に駆動し、工具Ｔをアンクランプするようになっている。

アンクランプ装置５００では、第２のシリンダ５０４の第２のポート５１８ａと、第１のシリンダ５０２の第２のポート５１０ａとに油圧を印加すると共に、第２のシリンダ５０４の第２のポート５１６ａと、第１のシリンダ５０２の第２のポート５１０ａとを開放することによって、第２のシリンダ５０４のピストン５１４と共に第１のシリンダ５０２が、回転軸線Ｏに沿って主軸２０８の後端側に移動すると共に、第１のシリンダ５０２のピストン棒５０６ａも回転軸線Ｏに沿って主軸２０８の後端側に移動する。従って、ドローバー２１４が皿ばね２１６によって、主軸２０８の後端側に付勢され、主軸２０８のテーパ穴２０８ａに装着された工具Ｔがクランプされる。

工具Ｔを主軸２０８の先端部にクランプした状態から、第１のシリンダ５０２の第２のポート５１０ａを開放すると共に、第１のシリンダ５０２の第１のポート５０８ａに油圧を印加することによって、第１のシリンダ５０２のピストン５０６が回転軸線Ｏに沿って主軸２０８の先端側に移動し、先行アンクランプ工程が実行される。このとき、調節ねじ５２０によって、ドローバー２１４の第１のストロークを決定するアンクランプ装置５００の第１の停止位置を調節することができる。

前述のサーボモータ２４０およびそのロータリエンコーダで成るドローバー２１４の位置検出器を有した電動式のアンクランプ装置２２０では、工具交換制御部１８は、記憶部２０に記憶されている第１のストロークの値をそのまま用いて先行アンクランプの制御を行うことができる。本変形例では、工具交換制御部１８は、制御装置１０の加工プログラム４０や、送り軸の現在位置などを表示する表示部（図示せず）に、記憶部２０に記憶された第１のストロークを表示して、作業者が調整ねじ５２０を調節できるようにしている。

先行アンクランプ状態から、更に第２のシリンダ５０４の第２のポート５１８ａを開放すると共に、第２のシリンダ５０４の第１のポート５１６ａに油圧を印加することによって、第２のシリンダ５０４のピストン５１４が回転軸線Ｏに沿って主軸２０８の先端側に移動し、アンクランプ工程が実行される。本変形例では、第１のシリンダ５０２のピストン５０６の前進端がアンクランプ装置５００の第１の停止位置であり、第２のシリンダ５０２のピストン５１４の前進端がアンクランプ装置５００の第２の停止位置に相当する。ピストン５０６およびピストン５１４が、それぞれ前進端に到達したことを検出するリミットスイッチ（図示せず）が、ドローバー位置検出器３８として設けられている。

更に、既述の実施形態では、工具交換装置３００によって工具交換が行われているが、本発明はこれに限定されず、主軸２０８側がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸方向に移動可能な工作機械において、工具交換装置３００を用いることなく、主軸と工具マガジン４００との間で直接工具交換を行うようにしてもよい。この場合、工具交換に際して、（１）Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り軸装置によって主軸２０８を工具マガジン４００の待機位置４１０に移動して主軸２０８の先端の旧工具Ｔを工具マガジン４００の円板状のベース部材４０２の空の受容部４０２ａに装着し、（２）主軸２０８にクランプされた旧工具Ｔをアンクランプし、（３）Ｚ軸送り軸装置によって主軸２０８を後退させ、（４）ベース部材４０２を回転させて新工具Ｔを待機位置４１０に配置し、（５）Ｚ軸送り軸装置によって主軸２０８を前進させて新工具Ｔを主軸のテーパ穴２０８ａに装着し、（６）新工具Ｔをクランプし、（７）Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り軸装置によって主軸２０８をＺ軸方向に後退させた後に新工具Ｔによる加工位置へ移動させるようにする。この例では、工程（１）の間に先行アンクランプを行い、工程（２）のアンクランプは、第２ストロークだけドローバー２１４を移動させるようにする。なお、この例では、主軸装置２００は、Ｚ軸方向に移動可能なコラムの前面にＸ軸、Ｙ軸方向に移動可能に設けられたサドル（図示せず）に搭載される。

１０制御装置
１２軸制御部
１４機械制御部
１６主軸モータ制御部
１８工具交換制御部
２８送り軸装置
３２工具交換装置
３６アンクランプ装置
１２０工具マガジン
２００主軸装置
２０８主軸
２１４ドローバー
２２０アンクランプ装置
３００工具交換装置
３０８シフタ
４００工具マガジン

Claims

ドローバーを主軸の軸線方向に後退させて工具を主軸にクランプし、ドローバーを前記軸線方向に前進させて工具をアンクランプする工具クランプ装置を有し、主軸にクランプされた工具と工具収納部の工具とを自動的に交換する際の工作機械の工具交換制御方法において、
工作機械の送り軸が工具交換位置へ向けて位置決め動作中に、ドローバーのクランプ位置からアンクランプ位置までの全ストロークのうち、工具を主軸から脱離させない第１のストロークだけ先行してドローバーを前進させ、
前記送り軸が、工具交換位置へ位置決めされた後、工具交換動作中に、ドローバーの全ストロークのうち残りの第２のストロークの前進を開始し、
工具がアンクランプされた後、続けて一連の工具交換動作を完了させることを特徴とした工作機械の工具交換制御方法。
前記送り軸が工具交換位置へ向けて位置決め動作中において、主軸側のキーが工具側のキー溝に係合するように、主軸を所定の回転角度位置に停止させる主軸オリエンテーション動作が終了したときに、前記ドローバーの前記第１のストロークの前進を開始するようにした請求項１に記載の工作機械の工具交換制御方法。
前記主軸オリエンテーション動作後、前記送り軸の工具交換位置へ向けての位置決め動作が完了する前に、前記ドローバーの前記第１のストロークの前進動作を完了するようにした請求項２に記載の工作機械の工具交換制御方法。
前記ドローバーの前記第１のストロークの値を変更可能に設定する請求項１に記載の工作機械の工具交換制御方法。
回転するを主軸の内部に設けられ、ドローバーを前記主軸の軸線方向に後退させて工具を主軸の前端部にクランプするクランプ装置と、前記ドローバーを前記軸線方向に前進させて工具をアンクランプするアンクランプ装置とを有する工作機械の主軸装置において、
前記アンクランプ装置は、前記ドローバーのクランプ位置からアンクランプ位置までの全ストロークのうち、工具を主軸から脱離させない第１のストロークだけ先行してドローバーを前進させる第１の停止位置と、前記ドローバーの全ストロークのうち残りの第２のストロークだけ前記ドローバーを前進させる第２の停止位置とを含むことを特徴とした工作機械の主軸装置。