JPWO2020070847A1

JPWO2020070847A1 - 自動工具交換機

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Publication number: JPWO2020070847A1
Application number: JP2020551026A
Authority: JP
Inventors: 雅彦森; 貴文原口
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2021-06-03
Also published as: WO2020070847A1

Abstract

工具の折損検知における誤検知を減らす工具折損検知機能付きの自動工具交換機であって、起立した姿勢で保持部材によって保持した複数の工具を、長円形の進路に従って移動させ、所定の工具を進路上の割出し位置に停止させる工具割出し装置と、前記割出し位置の工具を相手装置との交換位置に移動させる交換工具変位装置と、前記工具割出し装置における進路上を移動する工具について、検知位置を通過する工具の先端に光軸を合わせた投光器および受光器を備える工具折損検知装置と、前記工具割出し装置および前記交換工具変位装置を駆動制御するものであり、前記工具折損検知装置の検知結果に基づく判定が否定的な場合に、工具の移動を一旦後退させ、移動速度を低下させて前記検知位置を再度通過させるリトライ検知を行う制御装置とを有する。

Description

本発明は、工具の折損検知における誤検知を減らす工具折損検知機能付きの自動工具交換機に関する。

マシニングセンタなどの工作機械は、工具に刃こぼれ等の折損が生じた場合、加工寸法に狂いなどが生じてしまうため、工具の折損を検知する工具折損検知装置が設けられている。下記特許文献１には、主軸ヘッドに工具を装着することなく、工具の折損を検知する工具折損検知装置が開示されている。先ず、マシニングセンタの自動工具交換機では、各々異なる工具が吊下げられて移動し、工具交換位置に加工対象となる工具が配置される。そして、工具交換位置の一寸手前の検知位置に透過式の光センサを使用した工具折損検知装置が設けられ、検知位置を通過する工具の刃先が検知される。光センサは、投光器と受光器とが直線移動位置決め手段に取り付けられ、上下方向の移動によって光軸が刃先に合うような調整が行われる。

特開２００２−１０３１５５号公報

しかし、光センサを使用した前記従来例は、工作機械の加工室内に飛散するクーラントの影響を受け、光の屈折などによって誤検知が生じてしまうことがある。また、尖った工具の先について検知するため、投光器から送られる光が回折し、遮られることなく受光器に到達してしまうことなどもある。こうした工具折損検知装置による誤検知が生じると、工具が適切であるにも関わらず折損が生じていると判定されてしまう。そして、誤検知による判定は、工作機械および当該工作機械を含む加工機械ラインを停止させてしまうため、生産性が著しく低下することになる。また、光センサは、投光器と受光器について正確な検知を行なうための調整が煩わしい点も問題であった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、工具の折損検知における誤検知を減らす工具折損検知機能付きの自動工具交換機を提供することを目的とする。

本発明の一態様における自動工具交換機は、起立した姿勢で保持部材によって保持した複数の工具を、長円形の進路に従って移動させ、所定の工具を進路上の割出し位置に停止させる工具割出し装置と、前記割出し位置の工具を相手装置との交換位置に移動させる交換工具変位装置と、前記工具割出し装置における進路上を移動する工具について、検知位置を通過する工具の先端に光軸を合わせた投光器および受光器を備える工具折損検知装置と、前記工具割出し装置および前記交換工具変位装置を駆動制御するものであり、前記工具折損検知装置の検知結果に基づく判定が否定的な場合に、工具の移動を一旦後退させ、移動速度を低下させて前記検知位置を再度通過させるリトライ検知を行う制御装置とを有する。

前記構成によれば、工具割出し装置によって割出された工具は、交換工具変位装置によって交換位置へ配置され、相手装置との間で工具交換が行われる。また、交換された使用後の検知位置を通過する工具に対し、その先端に光軸を合わせた投光器から受光器に投射される光が当てられる。そして、検知結果に基づく判定が否定的な場合には、工具の移動を一旦後退させ、移動速度を低下させて前記検知位置を再度通過させるリトライ検知が行われる。

マシニングセンタを示した内部構造の斜視図である。工具交換状態の自動工具交換機を示した斜視図である。工具折損検知装置を示した斜視図である。工具割出し装置における工具の移動進路を簡略的に示した平面図である。マシニングセンタの制御システムを表すブロック図である。工具折損検知プログラムに従って行われる折損検知工程を示したフローチャートである。

次に、本発明に係る自動工具交換機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。本実施形態では、マシニングセンタに組み込まれた自動工具交換機を例に挙げて説明する。図１は、マシニングセンタを示した内部構造の斜視図である。このマシニングセンタ１は、全体が機体カバーによって覆われ、その内部にワークの切削加工などを実行する加工室が構成されている。特に、このマシニングセンタ１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。

マシニングセンタ１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に保持された工具が主軸用モータ１４によって回転するよう構成されている。そして、マシニングセンタ１には、主軸ヘッド１２に保持した工具をワークに対して３軸方向に移動させるための加工駆動装置２０が設けられている。

加工駆動装置２０は、Ｙ軸スライド２１が機体前後方向に移動自在に搭載され、そのＹ軸スライド２１に対してＸ軸スライド２２が機体幅方向に移動自在に搭載されている。更に、Ｘ軸スライド２２に対してＺ軸スライド２３が上下方向に移動自在に搭載され、そのＺ軸スライド２３に主軸ヘッド１２が搭載されている。各方向の移動は、サーボモータの回転出力をボールネジ機構によって直進運動に変換する駆動機構によって行われる。そして、加工駆動装置２０により移動する主軸ヘッド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が組み付けられている。

マシニングセンタ１は、可動ベッド１１の上に工駆動装置２０を搭載するようにしてツールマガジン１８が組み込まれている。ツールマガジン１８は、高さ方向に見てチャック装置１５と主軸ヘッド１２との間に複数の工具を収納したものであり、そのツールマガジン１８内に自動工具交換機が組み込まれている。そして、マシニングセンタ１には、主軸ヘッド１２やチャック装置１５あるいは加工駆動装置２０、さらに自動工具交換機などの駆動を制御するための制御装置５が搭載されている。

次に、図２は、工具を交換する状態の自動工具交換機を示した斜視図である。自動工具交換機１０は、マガジン本体２４内に組み込まれ、通常時は、図１に示すように開閉扉２５が閉じられ、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遮られるようになっている。一方、工具交換時には図２に示すように開閉扉２５が開き、それに合わせて自動工具交換機１０の一部が外にまで移動するよう構成されている。なお、自動工具交換機１０には様々な種類の工具Ｔが装着されるが、図２には具体的な形状を省略して全て円筒形状で表現されている。

自動工具交換機１０には、ツールホルダ３１によって工具Ｔを着脱可能に保持し、所定位置へと移動させる工具割出し装置１０Ａが構成されている。ツールホルダ３１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、工具割出し装置１０Ａでは、複数のツールホルダ３１が無端のローラチェーン３３に一定の間隔で取り付けられている。ローラチェーン３３は、距離を離した２個のスプロケット３２によって長円形になるように掛け渡され、不図示の駆動モータによって回転が制御されるようになっている。工具割出し装置１０Ａは、この回転するローラチェーン３３によって複数の工具Ｔが周方向に移動し、使用対象である工具Ｔｘや空のツールホルダ３１について割出しが可能となっている。

次に、自動工具交換機１０は、工具割出し装置１０Ａが長円形の可動テーブル３５上に組み付けられ、交換工具変位装置１０Ｂによって機体前後方向の往復移動が可能な構成となっている。具体的には、工具割出し装置１０Ａによって割出しされた工具Ｔｘや空のツールホルダ３１が、マガジン本体２４の外にある主軸チャック１３との工具交換位置１０１に移動するよう構成されている。

その交換工具変位装置１０Ｂは、マガジン本体２４の内部底面にガイドレール３６が敷設され、可動テーブル３５のガイドブロック３７がガイドレール３６に対して摺動可能に嵌め合わされている。可動テーブル３５の下側にはボールネジを構成するナットが固定され、そのナットに駆動モータ３８の回転軸に連結されたネジ軸３９が螺合している。駆動モータ３８はマガジン本体２４側に固定されている。そのため、駆動モータ３８からの出力によってネジ軸３９が回転し、工具割出し装置１０Ａが長円形の長手方向、すなわち機体前後方向に前進及び後退するようになっている。なお、本実施形態では、自動工具交換機１０について開閉扉２５側を前、駆動モータ３８側を後として説明する。

自動工具交換機１０には、刃こぼれなど工具の折損状況を確認するための工具折損検知装置１０Ｃが設けられている。図３は、工具折損検知装置１０Ｃを示した斜視図であり、図４は、工具割出し装置１０Ａにおける工具Ｔの移動進路を簡略的に示した平面図である。工具折損検知装置１０Ｃは、図示するように、投光器４１と受光器４２とからなるファイバーセンサ４０が使用され、マガジン本体２４の後部側に次のようにして取り付けられている。

先ず、ツールホルダ３１に保持された複数の工具Ｔは、長円形の工具進路２００上を一列になって白抜き矢印で示す方向に移動する。前後方向つまり長円形の長手方向に見た場合に、その両端部の位置で工具Ｔの移動方向が反転する。前方側の反転位置が工具Ｔｘの割出し位置２０１であり、反対の後方側の反転位置が検知対象となる工具Ｔｄの工具検知位置２０３となっている。割出し位置２０１には、加工に使用される工具Ｔｘあるいは、加工に使用された工具Ｔを受け取る空のツールホルダ３１が位置決めされることとなる。そして、工具検知位置２０３は、加工に使用された工具Ｔが刃こぼれを生じていないか折損検知を行うための位置となっている。

透過型ファイバーセンサ４０は、内蔵した光源から光４８を投射する投光器４１と、その光４８を受けて電気信号に変換する受光素子を内蔵した受光器４２とからなる。その投光器４１と受光器４２は、工具検知位置２０３を通過する工具Ｔｄの刃先を光４８が通るように光軸が合うように取り付けられる。そして、本実施形態では、異なる工具Ｔの刃先の高さに対応できるように、３組の透過型ファイバーセンサ４０（投光器４１及び受光器４２）が設けられている。

マガジン本体２６の後方には、図３に示すように一対の調整プレート４５が固定されている。調整プレート４５には、鉛直方向にリード溝４５１が形成され、そのリード溝４５１に沿って目盛りが表示されている。そして、投光器４１及び受光器４２は、リード溝４５１に従って上下し、所定の高さでボルト締めにより位置決めができるようになっている。３組の透過型ファイバーセンサ４０は、同じ調整プレート４５に取り付けられ、それぞれ目盛りによって位置合わせが行われ、刃先位置の異なる工具Ｔに対応した折損検知が可能になっている。

次に、図５は、マシニングセンタ１の制御システムを表すブロック図である。制御装置５は、ＣＰＵ５１のほかにＲＯＭ５２やＲＡＭ５３、不揮発性メモリ５４といった記憶装置などを備えたコンピュータを主体とするものであり、Ｉ／０５５を介して主軸装置１１、加工駆動装置２０、チャック装置１５、そして自動工具交換機１８などの各駆動部に接続されている。また、工具折損検知装置１０Ｃを構成する透過型ファイバーセンサ４０も制御装置５に接続されている。

更に、マシニングセンタ１は、タッチパネル式の入力手段が機体前面に設けられている。作業情報や操作画面などの表示のほか、作業者による設定値の入力などが可能な操作表示装置１６であり、それが制御装置５に接続されている。そして、制御装置５には、各種加工に関する加工プログラムやワークの種類、工具や治具に関するワーク加工情報などが記憶部に格納されている。特に、本実施形態では、自動工具交換機１８における工具の折損状況を確認するための工具折損検知プログラム５４１が不揮発性メモリ５４に格納されている。

続いて、自動工具交換機１０の作用について説明する。まず、マシニングセンタ１では、主軸ヘッド１２に装着された工具Ｔに回転が与えられ、加工駆動装置２０に対する３軸方向の駆動制御により、チャック装置１５に把持されたワークに対して加工が行われる。そして、ワークＷに対する加工内容の変更に応じ、主軸ヘッド１２における工具Ｔの交換が行われる。工具Ｔの交換では、ローラチェーン３４に回転が与えられ、工具Ｔを保持していない空のホルダ３１が割出し位置２０１へと送られた後、開閉扉２５が開いて可動テーブル３５が図２に示す位置まで移動する。

空のツールホルダ３１は、工具交換位置１０１へと配置され、そこで主軸ヘッド１２から使用後の工具Ｔが受け渡される。その後、ローラチェーン３４に回転が与えられ、交換対象となる工具Ｔｘが割出し位置２０１つまり工具交換位置１０１へと送られ、主軸ヘッド１２に受け渡される。こうして工具交換が行われると、可動テーブル３５がマガジン本体２４内に戻されて開閉扉２５が閉じられる。そして、使用済みの工具Ｔが検知対象の工具Ｔｄとして、ローラチェーン３４の回転により工具検知位置２０３へと送られ、工具折損検知装置１０Ｃによる折損検知が行われる。

工具折損検知装置１０Ｃでは、複数組の中から対応する高さの透過型ファイバーセンサ４０によって工具Ｔの折損検知が行われる。折損検知は、投光器４１の光源から光４８が投射され、受光器４２では受光した光４８が電気信号に変換される。工具の刃先が正常な場合には光４８が遮光され、刃こぼれ等が生じている場合には光４８が遮光されることなく通過する。遮光の有無によって受光器４２から異なる検知信号が送信されるため、制御装置５では、その検知信号に従って刃先の状況が判定される。しかし、刃先が正常であっても光４８が遮光されず、工具Ｔｄが折損していると判定されてしまうことがある。本実施形態では、そうした誤検知を回避すべく、工具折損検知プログラム５４１に従った工具の折損検知が実行される。

図６は、工具折損検知プログラム５４１に従って行われる折損検知工程を示したフローチャートである。折損検知では、ローラチェーン３４が図４の白抜き矢印で示す方向に回転し、対象となる工具Ｔｄが工具検知位置２０３を通過する（Ｓ１０１）。その工具Ｔｄが工具検知位置２０３を通過する際、投光器４１から受光器４２に投射される光４８に刃先が重なり、折損の有無について判定が行われる（Ｓ１０２）。光４８が工具Ｔｄの刃先によって遮光された場合には（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、刃先が正常であると判定されてこの折損検知処理が終了する。

一方、工具Ｔｄの刃先によって遮光されずに受光器４２に光４８が達した場合には、（Ｓ１０２：ＮＯ）、折損が生じていると判定される。ただし、誤検知の可能性があるため、本実施形態ではリトライ検知による再判定が行われる。リトライ検知では、ローラチェーン３４の回転が反転して工具Ｔｄが図４の矢印Ａ方向に一定程度戻され、そして再度、ローラチェーン３４が正転して工具Ｔｄが矢印Ｂで示す方向に送られて工具検知位置２０３を通過することとなる（Ｓ１０３）。このとき、ローラチェーン３４の回転速度が通常時の２分の１の速度に落とされるため、移動速度の落ちた工具Ｔｄの刃先が光４８と重なる時間が長くなる。

そして、再通過に伴い折損の有無について判定が行われる（Ｓ１０４）。光４８が工具Ｔｄの刃先によって遮光され場合には（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、刃先が正常であると判定されてこの折損検知処理が終了する。一方で、再び工具Ｔｄの刃先によって遮光されずに受光器４２に光４８が達した場合には、（Ｓ１０４：ＮＯ）、リトライ回数が１加算され、設定されたリトライ回数に達したか否かの確認が行われる（Ｓ１０５）。リトライ回数に達していない場合には（Ｓ１０８：ＮＯ）、リトライ検知（Ｓ１０３，Ｓ１０４）が繰り返される。リトライ回数に達している場合には（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、ワークに対する加工エラーが生じており、また工具交換も必要であるため、制御装置５によってエラー警告が行われ（Ｓ１０６）、この折損検知処理が終了する。エラー警告としては、操作表示装置１６にエラー内容を表示して警告音を発するなどの処理が行われる。

よって、本実施形態によれば、投光器４１からの光４８が受光器４２に達して折損が生じていると判定されたとしても、リトライ検知による再判定が行われるため、誤検知を減らすことができる。特に、工具Ｔｄの移動速を通常時の２分の１にまで落として工具検知位置２０３を通過させるため、より正確な折損検知を行うことができる。また、こうしたリトライ検知の動作設定が操作表示装置１６によって任意に変更することができるため、リトライ回数や工具検知位置２０３の通過速度などに関して効果的な条件を探り、その値を設定することができる。前記実施形態では、リトライ検知の回数を１回としつつも、移動速度を半減させることにより、サイクルタイムの増加を最小限にして折損検知の正確性を高めることができる。

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。
前記実施形態では、工具Ｔを割出しする工具割出し装置１０Ａを交換工具変位装置１０Ｂが移動させることにより、加工対象となる工具Ｔｘを工具交換位置１０１へ配置させる構成の自動工具交換装置１０を示したが、これとは異なる構造の自動工具交換装置であっても対応可能である。例えば、工具割出し装置が複数のツールホルダを保持し、交換工具変位装置が、工具交換アームによって工具割出し装置から取りだした工具を工具交換位置へと配置させる構成であってもよい。

１…マシニングセンタ５…制御装置１０…自動工具交換機１０Ａ…工具割出し装置１０Ｂ…交換工具変位装置１０Ｃ…工具折損検知装置１２…主軸ヘッド１５…チャック装置１８…ツールマガジン３１…ツールホルダ３３…ローラチェーン４０…透過型ファイバーセンサ４１…投光器４２…受光器４５…調整プレート４８…光１０１…工具交換位置２０１…割出し位置２０３…工具検知位置

Claims

起立した姿勢で保持部材によって保持した複数の工具を、長円形の進路に従って移動させ、所定の工具を進路上の割出し位置に停止させる工具割出し装置と、
前記割出し位置の工具を相手装置との交換位置に移動させる交換工具変位装置と、
前記工具割出し装置における進路上を移動する工具について、検知位置を通過する工具の先端に光軸を合わせた投光器および受光器を備える工具折損検知装置と、
前記工具割出し装置および前記交換工具変位装置を駆動制御するものであり、前記工具折損検知装置の検知結果に基づく判定が否定的な場合に、工具の移動を一旦後退させ、移動速度を低下させて前記検知位置を再度通過させるリトライ検知を行う制御装置と、
を有する自動工具交換機。
前記工具割出し装置は、工具の移動方向が反転する長円形の長手方向端部に割出し位置があり、前記工具折損検知装置は、前記割出し位置とは反対の長手方向端部を検知位置とするように前記投光器および前記受光器が取り付けられた請求項１に記載の自動工具交換機。
前記制御装置は、前記リトライ検知時の工具の移動速度を通常時の移動速度に対して半減させる請求項１又は請求項２に記載の自動工具交換機。
前記制御装置に対して前記リトライ検知回数、前記リトライ検知時における工具の移動速度について設定値の入力が可能な入力装置を有する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の自動工具交換機。