JP2005088162A - マシニングセンタ - Google Patents

Abstract

【課題】アームレス型自動工具交換装置において、工具交換時間の短縮化を図る。
【解決手段】工具を交換するに際しては、工具マガジン２１の空ポケット２１ａに主軸１１の工具Ａ_ｉを収容した後（図４(a) (b) 参照）、主軸１１の上昇Ｕ及び工具マガジン２１の回転Ｂの両方を行う（同図(c) 〜(e) 参照）。このとき、主軸１１が工具等に干渉しないような同期制御を実施する。主軸１１に次の工具Ａ_ｉ＋１を装着する場合にも同様で、主軸１１の下降Ｄ及び工具マガジン２１の回転Ｂの両方を同期制御しながら行う。このように、主軸１１の移動Ｕ又はＤ及び工具マガジン２１の移動Ｂを同時に行うため、それらの移動を同時に行わない場合に比べて工具交換時間の短縮化を図ることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、工具を適宜交換しながらワークの加工を行うマシニングセンタに係り、詳しくは、いわゆるアームレス型自動工具交換装置を備えたマシニングセンタに関する。

マシニングセンタは、ワークを載置するテーブルと、支持した工具を駆動してワークを加工する主軸と、該主軸の工具を自動的に交換する自動工具交換装置と、を備えていて、工具を適宜交換しながらワークを加工するように構成されている。この自動工具交換装置としては、
・ ＡＴＣアームやシフターやＡＴＣアーム駆動ユニットにて構成されるもの（アーム付き型自動工具交換装置）と、
・ ＡＴＣアームを用いず、工具マガジン及び主軸の移動位置決め動作だけで工具交換を行うもの（アームレス型自動工具交換装置）と、
を挙げることができる。

後者のアームレス型は、前者のアーム付き型と比べて、ＡＴＣアームやシフターやＡＴＣアーム駆動ユニットを必要としない分だけ構造を簡単にでき、それに伴って、装置コストの低減や、工具交換時における不具合発生率の低減を図ることができるという特徴を有している（例えば、特許文献１参照）。

以下、このアームレス型自動工具交換装置における工具交換動作を図８〜図１０に沿って説明する。なお、これらの図は従来の工具交換方法を示す模式図であり、図８は、主軸の工具を取り外して工具マガジンに収容する様子を説明するための模式図、図９は、工具マガジンの移動の様子を示す模式図、図１０は、工具を主軸に装着する様子を示す模式図である。

これらの図において、符号１１１は、ワーク加工のために工具を駆動する主軸を示し、符号１２１は、各種工具を収容する工具マガジンを示し、符号Ａ_ｉは、主軸１１１から取り外されて工具マガジン１２１に収容される工具（以下、“現工具”とする）を示し、符号Ａ_ｉ＋１は、主軸１１１に装着されようとしている工具（以下、“次工具”とする）を示す。

図８(a) は、主軸１１１が移動してきて工具マガジン１２１の空ポケットに現工具Ａ_ｉを挿入した様子を示すものである。この現工具Ａ_ｉは、空ポケットに挿入されたと同時に主軸１１１への係合が解かれる（同図(b) 参照）。その後、主軸１１１は、工具Ａ_ｉをポケットに残したままで上昇し（同図(b) 〜(e) の符号Ｕ参照）、工具Ａ_ｉとの間にクリアランスｄが出来た時点で停止される（同図(f) 参照）。

次に、主軸１１１の軸心ＣＴ１に次工具Ａ_ｉ＋１の軸心ＣＴ３が近付く方向Ｂに工具マガジン１２１を回転させ（図９(a) 〜(f) 参照）、それらの軸心ＣＴ１，ＣＴ３が一致した時点で工具マガジン１２１の回転を止める（図１０(a) 参照）。その回転位置で主軸１１１を下降させて次工具Ａ_ｉ＋１の装着を行う（同図(b) 〜(f) の符号Ｄ参照）。

その後は、主軸１１１と工具Ａ_ｉ＋１を工具マガジン１２１から離脱させて、ワークの加工を再開させる。
特開平０６−２１８６４５号公報

ところで、上述のようなアームレス型自動工具交換装置の場合、主軸１１１の移動Ｕ及び停止（図８参照）、工具マガジン１２１の移動Ｂ及び停止（図９参照）、主軸１１１の移動Ｄ（図１０参照）を順番に行っていたため、工具交換に時間がかかってしまい、生産性が悪いというという問題があった。

本発明は、装置コスト及び工具交換時における不具合発生率の低減を図ると共に、工具交換を迅速に行えるマシニングセンタを提供することを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、図１に例示するものであって、着脱自在に支持した工具（Ａ_ｉ）を駆動してワーク（Ｗ）を加工する主軸（１１）と、該主軸（１１）から取り外された工具（Ａ_ｉ）を収容するための空の工具ポケット（図４(a) の符号２１ａ）及び該主軸（１１）に装着するための別の工具（Ａ_ｉ＋１）を収容している工具ポケット（図４(a) の符号２１ｂ）を有する工具マガジン（２１）と、を備え、該工具マガジン（２１）により工具を適宜交換しながら前記主軸（１１）により工具（Ａ_ｉ）を駆動してワーク（Ｗ）の加工を行うようにしたマシニングセンタ（１）において、
前記主軸（１１）には、前記工具（Ａ_ｉ）のテーパシャンク部（図４(a) の符号ａ_２参照）と係合して該工具（Ａ_ｉ）を主軸（１１）に保持することの出来るテーパ状に形成された工具装着部（図４(b) の符号１１ａ参照）が形成されており、
工具（Ａ_ｉ）を前記工具マガジンの空の工具ポケット（２１ａ）に収容した後で前記主軸（１１）をその軸心方向（図４(d) (e) の符号Ｕ）に移動駆動させて工具を前記主軸（１１）から取り外す工具取り外し工程、及び前記工具ポケット（２１ｂ）に収容されている工具（Ａ_ｉ＋１）を前記主軸（１１）に装着すべく前記主軸（１１）をその軸心方向（図６(b) 〜(d) の符号Ｄ）に移動駆動させる工具装着工程の少なくともどちらかの工程を行うことの出来る主軸駆動制御部（図３の符号１４，５６）を設け、
前記工具ポケット（２１ａ，２１ｂ）を前記主軸の軸心方向（Ｕ又はＤ）に直角な方向（Ｂ）に移動駆動して前記主軸（１１）に近接する工具ポケットを切り替えるポケット駆動制御部（図３の符号２２，５９）を設け、
前記工具取り外し工程又は前記工具装着工程を実行するための前記軸心方向（Ｕ又はＤ）への前記主軸（１１）の移動と、該軸心方向に直角な方向（Ｂ）への前記工具ポケット（２１ａ，２１ｂ）の移動とを同時に実施すべく、前記主軸駆動制御部（１４，５６）及び前記ポケット駆動制御部（２２，５９）を制御する同期制御部（５８）を設けて構成したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記主軸駆動制御部（１４，５６）は、前記工具取り外し工程（図４(b) 乃至(e) 参照）を実行後、前記工具ポケット（２１ａ）に収容されている工具（Ａ_ｉ）との干渉を回避できる位置に前記主軸（１１）を停止させる主軸停止工程を実行し（図５(a) 乃至(e) 参照）、その後前記工具装着工程（図６(a) 乃至(e) 参照）を実行する、ことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記工具の形状についてのデータを保持する工具データメモリ部（図３の符号６４）と、前記主軸（１１）或いは前記工具ポケット（２１ａ，２１ｂ）の移動距離と前記工具データメモリ部（６４）が保持している工具の形状についてのデータに基づき、前記主軸（１１）及び前記工具を干渉させることなく前記工具ポケット（２１ａ，２１ｂ）或いは前記主軸（１１）を移動させることができる移動距離を求める移動距離演算手段（図３の符号６５）と、を設け、
前記同期制御部（５８）は、前記移動距離演算手段（６５）にて求めた移動距離だけ前記主軸（１１）或いは前記工具ポケット（２１ａ，２１ｂ）を移動させながら前記各工程を実行する、ことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記軸心方向（Ｕ又はＤ）への前記主軸（１１）の移動速度を示す主軸移動速度パターン及び前記軸心方向に直角な方向（Ｂ）への前記工具ポケット（２１ａ，２１ｂ）の移動速度を示す工具ポケット移動速度パターンを記憶している移動速度記憶部（図３の符号６６）、を設け、
前記主軸駆動制御部（１４，５６）は、前記移動速度記憶部（６６）にて記憶されている主軸移動速度パターンで前記主軸（１１）を移動駆動し、
前記ポケット駆動制御部（２２，５９）は、前記移動速度記憶部（６６）にて記憶されている工具ポケット移動速度パターンで前記工具ポケット（２１ａ，２１ｂ）を移動駆動し、
前記同期制御部（５８）は、前記主軸駆動制御部（１４，５６）による前記主軸（１１）の移動駆動を開始するタイミング及び前記ポケット駆動制御部（２２，５９）による前記工具ポケット（２１ａ，２１ｂ）の移動駆動を開始するタイミングを制御する、ことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項２に係る発明において、前記主軸駆動制御部（１４，５６）が前記工具取り外し工程、前記主軸停止工程、及び前記工具装着工程を実行している間、前記ポケット駆動制御部（２２，５９）は、前記工具ポケット（２１ａ，２１ｂ）を前記主軸軸心方向に直角な一方向（Ｂ）に移動駆動し続けるように制御することを特徴とする。

なお、括弧内の番号などは、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

請求項１に係る発明によれば、前記工具取り外し工程又は前記工具装着工程を実行するための前記軸心方向への前記主軸の移動と、該軸心方向に直角な方向への前記工具ポケットの移動とを同時に実施するように構成されているため、それらの工程で該工具ポケットを移動駆動しない場合に比べて工具交換時間を短縮でき、生産性を高めることができる。

請求項２に係る発明によれば、前記工具ポケットに収容されている工具との干渉を回避できる位置に前記主軸を停止させるため、該主軸が必要以上に工具マガジンから離れてしまうことを防止でき、工具交換時間を短縮できる。

請求項３に係る発明によれば、いかなる形状の工具であっても、工具交換時において主軸と工具との干渉を回避させることができる。

請求項４に係る発明によれば、簡単な構成や制御で、工具交換時において主軸と工具との干渉を回避させることができる。

請求項５に係る発明によれば、前記工具ポケットは移動駆動し続けられるため、工具交換時間を短縮でき、生産性を高めることができる。

図１は、本発明に係るマシニングセンタの構造の一例を示す側面図であり、図２は、本発明に係るマシニングセンタの構造の一例を示す平面図であり、図３は、本発明に係るマシニングセンタの制御装置の構造の一例を示すブロック図である。また、図４(a) 〜(e) は、主軸の工具を取り外して工具マガジンに収容する様子を示す模式図であり、図５(a) 〜(e) は工具マガジンの移動の様子を示す模式図であり、図６(a) 〜(e) は、工具を主軸に装着する様子を示す模式図である。

本発明に係るマシニングセンタ１は、図１に示すように、工具Ａ_ｉ（上部分のみ示す）を着脱自在に支持する主軸１１と、工具Ａ_ｉ−１，Ａ_ｉ＋１を収容するための工具ポケット（図２の符号２１ａ，２１ｂ参照）を複数有する工具マガジン２１と、を備えている。この工具マガジン２１において、少なくとも１つのポケット２１ａは、図４(a) に示すように、工具が収容されていない状態の空の工具ポケットであって、前記主軸１１から取り外された工具Ａ_ｉを収容するためのものであり（本明細書では“空ポケット”とする）、少なくとも１つのポケット２１ｂは、主軸１１に装着されているのとは別の工具Ａ_ｉ＋１を収容しているポケットである（以下、単に“工具ポケット”とする）。そして、本発明に係るマシニングセンタ１は、該工具マガジン２１により工具を適宜交換しながら前記主軸１１により工具を駆動してワークＷの加工を行うように構成されているが、その工具交換は、工具交換専用のアームは用いずに、工具マガジン２１及び主軸１１の移動位置決め動作だけで行うように構成されている。つまり、いわゆるアームレス型の自動工具交換装置を用いている。

本明細書では、説明の便宜上、
・ 主軸１１に収容されている状態の工具を“現工具Ａ_ｉ”とし、
・ 主軸１１から取り外された工具を“前工具Ａ_ｉ−１”とし、
・ 現工具に替えて主軸１１に装着されようとしている工具を“次工具Ａ_ｉ＋１”
と称することとする。なお、特に区別したり強調したりする必要の無いときは、単に“工具Ａ”とする。

このマシニングセンタ１にて使用される工具Ａは、図４(a) に示すように、ワークＷの加工を行う工具部ａ_１と、略円錐形状をしたテーパシャンク部ａ_２と、を備えていて、テーパシャンク部ａ_２を突出させた状態でポケット２１ａ，２１ｂに収容されるようになっている。また、前記主軸１１には、テーパ状に形成された工具装着部１１ａが形成されていて、該工具装着部１１ａが前記工具Ａのテーパシャンク部ａ_２と係合して該工具Ａを主軸１１に保持するように構成されている。このテーパシャンク部ａ_２は、下方に比べて上方の方が細いので、図４(d) (e) の矢印Ｂ，Ｕ及び図６(b) (c) の矢印Ｂ，Ｄに示すように、主軸１１及び工具マガジン２１を同時に（かつ、主軸の移動方向とポケットの移動方向とが直交するように）駆動させることが可能となる（詳細は後述）。

ところで、前記主軸１１は、スピンドルヘッド１２により回転駆動自在に支持されると共に主軸モータ（図３の符号Ｍ_１参照）により回転駆動されるように構成されている。また、このスピンドルヘッド１２は主軸１１の軸心ＣＴ１の方向（Ｚ軸方向）に移動自在となるようにコラム部１３に支持されており、前記スピンドルヘッド１２と前記コラム部１３との間には第１駆動装置１４が介装されていて、前記スピンドルヘッド１２を前記主軸１１と共にその方向に移動駆動するように構成されている。さらに、このコラム部１３は水平方向（Ｙ軸方向）に移動自在となるようにベース部１５に支持されており、前記コラム部１３と前記ベース部１５との間には第２駆動装置１６が介装されていて、前記コラム部１３及び前記スピンドルヘッド１２を前記工具Ａ_ｉと共に該方向に移動できるように構成されている。そして、主軸１１により支持されている工具Ａ_ｉがこれらの主軸モータＭ_１や第１駆動装置１４や第２駆動装置１６で駆動されることに基づきワークＷが加工されるようになっている。この場合、第１駆動装置１４や第２駆動装置１６としては、ボールネジ１４１，１６１とサーボモータ１４２，１６２とで構成したものであって、回転運動を直線運動に変換するようにした公知の駆動装置を用いることができる。

なお、ワークＷは、主軸１１の下側に配置したテーブル３１に載置しておくと良い。また、このテーブル３１は、水平面内で移動自在となるように構成すると共に、テーブル駆動モータ（図３の符号Ｍ_２参照）によって移動駆動されるようにしておくと良い。

一方、工具マガジン２１に関しては、前記工具ポケット２１ａ，２１ｂが第３駆動装置２２及び第３駆動装置制御部（図３の符号５９参照）によって主軸軸心方向に直角な方向（“直角な方向”には略直角な方向も含む。本明細書において同じ）Ｂに移動されるように構成されている。具体的には、これらの第３駆動装置２２及び第３駆動装置制御部５９は、
・ 空ポケット２１ａを基準位置（工具交換位置）Ａ_０まで移動して停止させ、主軸１１を該位置Ａ_０に移動させて該主軸１１から工具Ａ_ｉを受け取る工程（後述する工具取り外し工程）、及び、
・ 次工具が収容されている工具ポケット２１ｂを工具交換位置Ａ_０まで移動して停止させ、主軸１１を該位置Ａ_０に移動させて該主軸１１に次工具Ａ_ｉ＋１を装着する工程（後述する工具装着工程）、
の各工程を実行する際に、各工具ポケット２１ａ，２１ｂを移動駆動するようになっている。つまり、これらの第３駆動装置２２及び第３駆動装置制御部５９は、主軸１１に空ポケット２１ａを近接させたり（図４(a) (b) 参照）、主軸１１に工具ポケット２１ｂ（つまり、次工具Ａ_ｉ＋１が収容されたポケット）を近接させたり（図６(a) 参照）して、前記主軸１１に近接する工具ポケットを切り替えるポケット駆動制御部を構成することとなる。なお、この工具マガジン２１は、主軸１１の軸心ＣＴ１と平行な軸心（図１の符号ＣＴ２参照）の回りに回転駆動自在に支持され、第３駆動装置２２によって回転駆動されるようにすると良い。そして、空ポケット２１ａや工具ポケット２１ｂは、工具マガジン２１において、前記軸心ＣＴ２を中心とした１つの同心円（図２の符号２４参照）に沿うように配置すると良い。なお、空ポケット２１ａの数は１つでも複数でも良く、工具ポケット２１ｂの数も１つでも複数でも良い。また、工具マガジンとしては、空ポケットや工具ポケットをチェーンで連結したタイプのものを用いても良い。

ところで、工具交換のためには、空ポケット２１ａや工具ポケット２１ｂを工具交換位置Ａ_０に停止させておく必要があるが、ワーク加工時には干渉回避のために工具マガジン２１の全体を工具交換位置Ａ_０から退避させておくことが好ましい。そのためには、この工具マガジン２１を、前記第３駆動装置２２と共に移動自在に構成し、第４駆動装置（図３の符号２３参照）によって移動駆動されるようにして、
・ 前記主軸１１との間で工具の装着や交換を行う場合には、上述した工具交換位置Ａ_０にいずれかのポケット２１ａ，２１ｂが一致する位置まで移動され、
・ ワークＷの加工を行う場合には、前記主軸１１や他の稼動部と干渉しない位置まで移動される、
ようにすると良い。なお、図１に示すマシニングセンタ１では、工具マガジン２１は、コラム部１３と同じ方向（つまり、Ｙ軸方向）に移動されるようになっているが、Ｚ軸方向と略直交する方向に移動されるようになっていれば足り、Ｙ軸方向以外の方向（例えば、紙面に垂直な方向）に移動されるようになっていても良い。

ところで、このマシニングセンタ１は、図３に示すように主制御部５０を有しており、該主制御部５０には、バス線５１を介して、加工プログラムメモリ部５２、加工制御部５３、主軸モータ制御部５４、工具収納メモリ部５５、第１駆動装置制御部５６、第２駆動装置制御部５７、同期制御部５８、第３駆動装置制御部５９、第４駆動装置制御部６０、テーブル移動制御部６１、キーボード６２、ディスプレイ６３、工具データメモリ部６４などが接続されている。

ここで、第１駆動装置制御部５６は第１駆動装置１４の駆動を制御するためのものであり、第２駆動装置制御部５７は第２駆動装置１６の駆動を制御するためのものであり、第３駆動装置制御部５９は第３駆動装置２２を制御するためのものであり、第４駆動装置制御部６０は第４駆動装置２３を制御するためのものである。

また、第１駆動装置制御部５６及び第１駆動装置１４は、前記主軸１１をその軸心方向に移動駆動させるための主軸駆動制御部を構成し、
・ 図４(a) 〜(e) に示すように、工具Ａ_ｉを前記空ポケット２１ａに収容した後で前記主軸１１をその軸心方向Ｕに移動駆動させて工具を前記主軸１１から取り外す工具取り外し工程、及び
・ 図６(a) 〜(e) に示すように、前記工具ポケット２１ｂに収容されている次工具Ａ_ｉ＋１を前記主軸１１に装着すべく前記主軸１１をその軸心方向Ｄに移動駆動させる工具装着工程
の少なくともどちらかの工程を行うことが出来る。

また、同期制御部５８は、前記工具取り外し工程又は前記工具装着工程を実行するための前記軸心方向Ｕ又はＤへの前記主軸１１の移動と、該軸心方向に直角な方向Ｂへの前記工具ポケット２１ａ，２１ｂの移動とを同時に実施すべく、前記主軸駆動制御部及び前記ポケット駆動制御部を制御するものである。つまり、本発明に係るマシニングセンタ１は、工具取り外し工程及び工具装着工程の少なくともいずれかの工程で、前記主軸駆動制御部５６，１４により前記主軸１１を軸心方向Ｕ又はＤへ移動駆動させている間に、前記ポケット駆動制御部５９，２２による前記ポケット２１ａ，２１ｂの方向（主軸軸心方向に直角な方向）Ｂへの移動を行うようになっている。

これにより、主軸の移動と工具マガジンの移動を同時に行わない場合（図８〜図１０参照）に比べて工具交換時間を短縮でき、生産性を高めることができる。なお、工具取り外し工程及び工具装着工程のいずれか一方だけでなく両方で工具マガジン２１を移動駆動させた場合には、工具交換時間をさらに短縮することができる。また、本発明に係るマシニングセンタ１ではアームレス型自動工具交換装置を採用しているので、アームレス型に特有の効果を享受することができる。すなわち、アーム付き型に比べて構造を簡単にでき、それに伴い、コストの低減、並びに不具合発生率の低減を図ることができる。

ところで、工具取り外し工程において（工具マガジン２１が停止した状態で）主軸１１が軸心方向にΔＵだけ上昇すると（図４(d) 参照）、それに伴って、主軸１１と工具Ａ_ｉとの間にはＢ方向に隙間が発生するが、その隙間の寸法は、工具Ａ_ｉの形状（具体的には、テーパシャンク部ａ_２の傾きや高さ）と主軸１１の上昇距離ΔＵとによって求めることができる。したがって、図３に示すように、前記工具Ａの形状（具体的には、テーパシャンク部ａ_２の傾きや高さ）についてのデータを保持する工具データメモリ部６４と、前記主軸１１の移動距離ΔＵと前記工具データメモリ部６４のデータ（つまり、前記工具データメモリ部６４が保持している工具の形状についてのデータ）に基づき、前記主軸１１及び前記工具Ａ_ｉを干渉させることなく前記工具ポケット２１ａ，２１ｂを移動させることができる移動距離（つまり、図４(d) に示すミニマムギャップＭＧを維持した形で移動できる、Ｂ方向の距離）を求める移動距離演算手段６５と、を設け、前記同期制御部５８は、前記移動距離演算手段６５にて求めた移動距離だけ前記工具ポケット２１ａ，２１ｂを移動させながら前記工程を実行する、ようにすると良い。このような制御は、工具取り外し工程だけでなく工具装着工程にて実施しても良い。

なお、上述の例では、主軸１１の軸心方向Ｕ又はＤの移動距離から工具ポケット２１ａ，２１ｂについてのＢ方向の移動距離を演算したが、工具ポケット２１ａ，２１ｂのＢ方向の移動距離から主軸１１の軸心方向Ｕ又はＤへの移動距離を求めても良い。つまり、移動距離演算手段６５では、前記工具マガジン２１の移動距離と前記工具データメモリ部６４のデータに基づき、前記主軸１１及び前記工具Ａ_ｉを干渉させることなく前記主軸１１を移動させるのに必要な移動距離（つまり、ミニマムギャップＭＧを維持した形で移動させるために必要なＤ方向の距離）を求めるようにし、前記同期制御部５８は、前記移動距離演算手段６５にて求めた移動距離だけ前記主軸１１を移動させながら前記工程を実行する、ようにすると良い。

また、上述のような移動距離演算手段を設けるのではなく、
・ 前記軸心方向Ｕ又はＤへの前記主軸１１の移動速度パターン（主軸１１が移動すべき速度の時間的な変化を示したデータ。以下、“主軸移動速度パターン”とする）
及び、
・ 前記軸心方向に直角な方向Ｂへの前記工具ポケット２１ａ，２１ｂの移動速度パターン（工具ポケットが移動すべき速度の時間的な変化を示したデータ。以下、“工具ポケット移動速度パターン”とする）
を記憶している移動速度記憶部６６を設けておいて、
・ 前記移動速度記憶部６６にて記憶されている主軸移動速度パターンで、前記主軸駆動制御部が前記主軸１１を移動駆動し、
・ 前記移動速度記憶部６６にて記憶されている工具ポケット移動速度パターンで、前記ポケット駆動制御部が前記工具ポケット２１ａ，２１ｂを移動駆動する、
ようにしても良い。さらに、前記主軸１１と前記工具Ａ_ｉ，Ａ_ｉ＋１との干渉を回避すべく、前記同期制御部５８は、前記主軸駆動制御部による前記主軸１１の移動駆動を開始するタイミング及び前記ポケット駆動制御部による前記工具ポケット２１ａ，２１ｂの移動駆動を開始するタイミングを制御するようにすると良い。

ところで、工具交換は、
・ 前記工具取り外し工程
・ 前記主軸に近接する工具ポケットを前記ポケット駆動制御部により切り替える工程（以下、“ポケット切替工程”とする）
・ 前記工具装着工程
の実行により達成されるので、これらの工程を切り替えるタイミングや主軸及び工具ポケットの移動速度等を移動速度パターンとして移動速度記憶部６６に記憶させておくと良い。かかる場合、同期制御部５８が、工具交換を開始するタイミング（つまり、工具取り外し工程において軸心方向に主軸を移動開始させた後、該軸心方向に直角な方向に工具ポケットを移動開始させるタイミング）を指示しただけで、主軸及び工具ポケットは各移動速度パターンに基づき制御されて工具取り外し工程〜ポケット切替工程〜工具装着工程を完了する。この方法によれば、移動途中の煩雑な位置制御が必要なく、簡単な制御で工具交換動作を行うことが出来る。ただし、この場合は、ポケット切替工程を開始し終了するタイミングを主軸移動速度パターン及び工具ポケット移動速度パターンによって制御するが、そのタイミングは、 “前記工具取り外し工程にて工具が収容される空ポケット”と“前記工具装着工程で装着される次工具が収容されている工具ポケット”との離間距離に応じて異なるので、移動速度記憶部６６には、各離間距離に応じた何種類ものデータ（主軸移動速度パターン及び工具ポケット移動速度パターン）を予め用意しておく必要がある。そして、実際に工具交換をする場合は、上述した離間距離が判明すれば、それに対応するデータ（主軸移動速度パターン及び工具ポケット移動速度パターン）が移動速度記憶部６６から読み出され、そのデータに基づき各工程が実行されることとなる。

なお、主軸移動速度パターンや工具ポケット移動速度パターンは、各工程を切り替えるタイミングの情報は有さず、各工程における主軸や工具ポケットの移動速度についての情報だけを有するようにしても良い。その場合は、ポケット切替工程を開始し終了するタイミングを主軸移動速度パターン及び工具ポケット移動速度パターンによって制御しないので、上述のように、“前記工具取り外し工程にて工具が収容される空ポケット”と“前記工具装着工程で装着される次工具が収容されている工具ポケット”との離間距離に応じた何種類ものデータを記憶しておく必要は無いが、同期制御部５８は、工具取り外し工程を実行するタイミングだけでなく工具装着工程を実行するタイミング（つまり、ポケット切替工程を終了させるタイミング）も指示する必要がある。

ところで、上述した主軸駆動制御部が、前記工具取り外し工程（図４(a) 〜(e) 参照）を実行した後に、前記工具ポケット２１ａ，２１ｂに収容されている工具Ａ_ｉ，Ａ_ｉ＋１との干渉を回避できる位置（矢印ＺＡ，ＺＢ方向の適当な位置）に前記主軸１１を停止させる主軸停止工程（図５参照）を実行し、その後前記工具装着工程（図６参照）を実行するようにしても良い。その場合には、該主軸１１が必要以上に工具マガジン２１からＺ軸方向である図５上方に離れてしまうことを防止できる。

なお、上述のように、主軸駆動制御部が前記工具取り外し工程、前記主軸停止工程、及び前記工具装着工程を実行している間、前記ポケット駆動制御部は、前記工具ポケット２１ａ，２１ｂを前記主軸軸心方向に直角な一方向Ｂに移動駆動し続けるように制御すると良い。そのようにした場合には、より一層工具交換時間を短縮でき、生産性を高めることができる。

以下、本発明の一実施例について説明する。

本実施例では、図１乃至図３に示す構造のマシニングセンタを作製し、
・ 工具取り外し工程では、主軸１１及び工具マガジン２１の両方を駆動し（図４(a) 〜(e) の符号Ｂ，Ｕ参照）、
・ その後は、主軸１１を停止させて工具マガジン２１だけを駆動し（図５(a) 〜(e) の符号Ｂ参照）、
・ 工具装着工程においては、主軸１１及び工具マガジン２１の両方を駆動する（図６(a) 〜(e) の符号Ｂ，Ｄ参照）、
ようにした。なお、本実施例では、工具Ａのテーパシャンク部ａ_２の傾斜角は、図４(a) に示すようにθとする。

以下、本実施例におけるマシニングセンタの加工動作及び工具交換動作について、図１乃至図７に沿って説明する。

ワークＷを加工する際には、加工すべきワークＷをテーブル３１上にセットすると共に、加工に使用する所定の工具Ａ_ｉを主軸１１に装着しておく。

その状態で、オペレータが加工開始の命令をキーボード６２で入力すると、主制御部５０は、該命令に基づいて加工プログラムメモリ部５２から加工プログラムを読み出し、読み出した加工プログラムに基づいた加工を行うように加工制御部５３に対して指令する。すると、加工制御部５３は、該加工プログラムに基づいて主軸モータ制御部５４を介して主軸モータＭ_１を回転駆動させて主軸１１を回転駆動させ、第１駆動装置制御部５６及び第２駆動装置制御部５７を介して第１駆動装置１４や第２駆動装置１６を駆動して主軸１１をＺ軸方向及びＹ軸方向に適宜移動させ、さらにテーブル移動制御部６１を介してテーブル駆動モータＭ_２を駆動してテーブル３１をワークＷと共に水平面内で移動させて、ワークＷの加工を行う。

このような加工の最中に、加工プログラムから工具交換指令が出されると、図７に示す工具交換制御プログラムＴＣＰを、図示しないメモリから読み出し、該工具交換制御プログラムＴＣＰに従って、工具交換動作の制御を実行する。主制御部５０は、図７に示す工具交換制御プログラムＴＣＰのステップＳ１で工具交換指令が出力されたところで、工具収納メモリ部５５のデータを参照しながら、
・ 現工具Ａ_ｉを収容するための空ポケット２１ａと、
・ 次工具Ａ_ｉ＋１が収容されている工具ポケット２１ｂ
の所在確認（工具マガジンのどのポケットが空で現工具Ａ_ｉを収容でき、どのポケットに次工具Ａ_ｉ＋１が入っているかの確認）を行う（図７のＳ２参照）。本実施例においては、説明の都合上、これらの空ポケット２１ａと工具ポケット２１ｂとが隣り合っているものとする（図４(a) 参照）。その後、主制御部５０は、第４駆動装置制御部６０を介して第４駆動装置２３を駆動し、工具マガジン２１をＹ軸方向（図１の左方向）に移動して、移動方向最前端のポケット（工具マガジン２１の回転位置に応じて異なるが、符号２１ａ又は２１ｂで示されるいずれかのポケット）を工具交換位置Ａ_０に一致させる。次に、主制御部５０は、第３駆動装置制御部５９を介して第３駆動装置２２を駆動し、工具マガジン２１を回転させて、上述の空ポケット２１ａを工具交換位置Ａ_０に一致させる（図７のＳ３、及び図４(a) 参照）。その後、主制御部５０は、第１及び第２駆動装置制御部５６，５７を介して第１駆動装置１４及び第２駆動装置１６を駆動して、主軸１１に装着されている現工具Ａ_ｉを（工具マガジン２１の側方から）空ポケット２１ａに挿入して非係合状態とする（図４(b) 及び図７のＳ４参照）。

そして、工具マガジン２１の方は移動させずに主軸１１だけを軸心ＣＴ１に沿ってΔＵだけ上昇させたとすると、
・ 係合が解かれたばかりの工具Ａ_ｉと主軸１１との間の軸心方向のクリアランスは、主軸１１の移動距離そのもののΔＵであり、
・ 軸心方向に直角な方向のクリアランスはΔＵ／tanθ（但し、θは図４(a) に示すところの、テーパシャンク部ａ_２の傾斜角）
となるが、本実施例においては、同期制御部５８が所定のタイミングで第３駆動装置制御部５９に信号を送って第３駆動装置２２を駆動させ、主軸１１の移動中に工具マガジン２１もＢ方向に回転させるようになっている（図７のＳ５参照。工具取り外し工程）。

このようにして主軸１１を上昇させて行くと、図５(a) に示すように、主軸１１の下面が工具Ａ_ｉの上面よりも上になって、両者の間に軸心方向のクリアランスｄを生じるに到る。そして、そのようなクリアランスｄが生じた時点で、第１駆動装置１４による主軸１１の移動を停止させて、第３駆動装置２２による工具マガジン２１の回転だけを続行させる（図５(a) 〜(e) の符号Ｂ、及び図７のＳ６，Ｓ７参照。主軸停止工程）。

その後、図６(a) に示すように、装着しようとしている次工具Ａ_ｉ＋１が所定位置（工具軸心ＣＴ３が主軸軸心ＣＴ１に一致する前の位置であって、例えば、主軸１１の工具装着部の線ｅ_２の延長上に、次工具Ａ_ｉ＋１のテーパシャンク部の外形線ｅ_１が来た位置）まで回転されてきた時点で、同期制御部５８は、工具マガジン２１の回転Ｂは継続させた状態で、主軸１１を主軸方向Ｄに下降させる（図６(b) 〜(d) の符号Ｂ，Ｄ、及び図７のＳ８，Ｓ９参照）。そして、次工具Ａ_ｉ＋１は、主軸１１に挿入されて係合され（図６(e) 参照）、その後、該主軸１１と工具Ａ_ｉ＋１とを工具マガジン２１から離脱させる（図７のＳ１０参照）。

そして、工具Ａ_ｉ＋１と工具マガジン２１との干渉の危険性が無くなった時点で、主制御部５０は、第４駆動装置制御部６０を介して第４駆動装置２３を駆動して工具マガジン２１を矢印ＹＡ方向に退避させる。

その後、主制御部５０は、加工プログラムに基づいたワークの加工を再開する。

本実施例に用いたマシニングセンタの場合、図８乃至図１０に示す方法で工具交換をしたところ１．０２秒の工具交換時間を要したが、図４乃至図６に示す方法で工具交換をすると工具交換時間は０．５６秒に短縮された。

図１は、本発明に係るマシニングセンタの構造の一例を示す側面図である。 図２は、本発明に係るマシニングセンタの構造の一例を示す平面図である。 図３は、本発明に係るマシニングセンタの制御装置の構造の一例を示すブロック図である。 図４(a) 〜(e) は、主軸の工具を取り外して工具マガジンに収容する様子を示す模式図である。 図５(a) 〜(e) は工具マガジンの移動の様子を示す模式図である。 図６(a) 〜(e) は、工具を主軸に装着する様子を示す模式図である。 図７は、工具交換の手順を示すフローチャート図である。 図８は、従来の工具交換方法において、主軸の工具を取り外して工具マガジンに収容する様子を説明するための模式図である。 図９は、従来の工具交換方法において、工具マガジンの移動の様子を示す模式図である。 図１０は、従来の工具交換方法において、工具を主軸に装着する様子を示す模式図である。

符号の説明

１ マシニングセンタ
１１ 主軸
１４ 第１駆動装置
２１ 工具マガジン
２１ａ 空ポケット
２１ｂ 工具ポケット
２２ 第３駆動装置
５６ 第１駆動装置制御部
５８ 同期制御部
５９ 第３駆動装置制御部
６４ 工具データメモリ部
Ａ_ｉー１ 前工具
Ａ_ｉ 現工具
Ａ_ｉ＋１ 次工具
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. 着脱自在に支持した工具を駆動してワークを加工する主軸と、該主軸から取り外された工具を収容するための空の工具ポケット及び該主軸に装着するための別の工具を収容している工具ポケットを有する工具マガジンと、を備え、該工具マガジンにより工具を適宜交換しながら前記主軸により工具を駆動してワークの加工を行うようにしたマシニングセンタにおいて、
   前記主軸には、前記工具のテーパシャンク部と係合して該工具を主軸に保持することの出来るテーパ状に形成された工具装着部が形成されており、
   工具を前記工具マガジンの空の工具ポケットに収容した後で前記主軸をその軸心方向に移動駆動させて工具を前記主軸から取り外す工具取り外し工程、及び前記工具ポケットに収容されている工具を前記主軸に装着すべく前記主軸をその軸心方向に移動駆動させる工具装着工程の少なくともどちらかの工程を行うことの出来る主軸駆動制御部を設け、
   前記工具取り外し工程又は前記工具装着工程を実行するための前記軸心方向への前記主軸の移動と、該軸心方向に直角な方向への前記工具ポケットの移動とを同時に実施すべく、前記主軸駆動制御部及び前記ポケット駆動制御部を制御する同期制御部を設けて構成したマシニングセンタ。
2. 前記主軸駆動制御部は、前記工具取り外し工程を実行後、前記工具ポケットに収容されている工具との干渉を回避できる位置に前記主軸を停止させる主軸停止工程を実行し、その後前記工具装着工程を実行する、請求項１記載のマシニングセンタ。
3. 前記工具の形状についてのデータを保持する工具データメモリ部と、前記主軸或いは前記工具ポケットの移動距離と前記工具データメモリ部が保持している工具の形状についてのデータに基づき、前記主軸及び前記工具を干渉させることなく前記工具ポケット或いは前記主軸を移動させることができる移動距離を求める移動距離演算手段と、を設け、
   前記同期制御部は、前記移動距離演算手段にて求めた移動距離だけ前記主軸或いは前記工具ポケットを移動させながら前記各工程を実行する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマシニングセンタ。
4. 前記軸心方向への前記主軸の移動速度を示す主軸移動速度パターン及び前記軸心方向に直角な方向への前記工具ポケットの移動速度を示す工具ポケット移動速度パターンを記憶している移動速度記憶部、を設け、
   前記主軸駆動制御部は、前記移動速度記憶部にて記憶されている主軸移動速度パターンで前記主軸を移動駆動し、
   前記ポケット駆動制御部は、前記移動速度記憶部にて記憶されている工具ポケット移動速度パターンで前記工具ポケットを移動駆動し、
   前記同期制御部は、前記主軸駆動制御部による前記主軸の移動駆動を開始するタイミング及び前記ポケット駆動制御部による前記工具ポケットの移動駆動を開始するタイミングを制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマシニングセンタ。
5. 前記主軸駆動制御部が前記工具取り外し工程、前記主軸停止工程、及び前記工具装着工程を実行している間、前記ポケット駆動制御部は、前記工具ポケットを前記軸心方向に直角な一方向に移動駆動し続けるように制御することを特徴とする、請求項２記載のマシニングセンタ。

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