(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多種類の工具を各々保持した工具ポットを支持部材にて懸垂状に支持し、多数収納しているマトリックス式工具マガジンに対し、工具ポットの取り出し及び返却を行う工具搬送装置の自動位置決め方法であって、工具ポットの取り出し時には、次工具取り出し時の工具ポット基準位置の補正値の有無が確認され、工具取り出し時の補正値無の場合は、工具搬送装置を次工具の設計上の工具ポット基準位置に移動位置決めし、工具搬送装置に設けられたセンサを支持部材の爪の計測部位に対応させ、工具搬送装置をＮＣ指令で移動させ変位センサにより支持部材の爪の角部のＺ軸，Ｙ軸方向位置を計測し、この計測結果にもとづき補正された実際の工具ポット基準位置を演算し、この補正された実際の工具ポット基準位置を記憶し、工具搬送装置を補正された実際の工具ポット基準位置に位置決めして次工具を保持した工具ポットを取り出すようにし、工具取り出し時の補正値有の場合は、工具搬送装置を補正された実際の工具ポット基準位置に位置決めして次工具を保持した工具ポットを取り出すようにしてなり、工具ポットの返却時には、前工具返却時の工具ポット基準位置の補正値の有無が確認され、工具返却時の補正値無の場合は、工具搬送装置を前工具の設計上の工具ポット基準位置に位置決めし、工具搬送装置に設けられたセンサを支持部材の爪の計測部位に対応させ、工具搬送装置をＮＣ指令で移動させ変位センサにより支持部材の爪の角部のＺ軸，Ｙ軸方向位置を計測し、この計測結果にもとづき補正された実際の工具ポット基準位置を演算し、この補正された実際の工具ポット基準位置を記憶し、工具搬送装置を補正された実際の工具ポット基準位置に位置決めして前工具を保持した工具ポットを返却するようにし、工具返却時の補正値有の場合は、工具搬送装置を前工具の補正された実際の工具ポット基準位置に位置決めして前工具を保持した工具ポットを返却するようにしたことを特徴とするマトリックスマガジンを備えた工作機械における工具搬送装置の自動位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
工作機械特にマシニングセンタの工具マガジンに関する、詳しくは収納する工具本数の多いマトリックス式大容量工具マガジンにおける工具ポットの変位位置に応じた工具搬送装置の位置補正に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マトリックス式工具マガジンの場合、マガジンから工具を取り出したり、マガジンに工具を返却するとき、通常工具をポットに収容した状態のまま、ポットごと工具搬送装置によって行う。即ちマシニングセンタの主軸に装着されている使用済工具と新しい工具との交換を行うには、先ず工具搬送装置を工具マガジン内の所望の工具が収納されている位置に自動位置決めしてポットごと工具を取り出す。その後工具搬送装置で送られてきたポットから工具交換アームによって新工具を抜き出し、同時に主軸から使用済工具を抜き出して交換を行う。このとき工具搬送装置に把持されているポットには使用済工具が入れ込まれる。
【０００３】
使用済工具を収容した工具ポットは工具搬送装置によって搬送されて工具マガジンの所定位置に送られ、自動位置決めされて所定位置に返却される。このように工具搬送装置による工具マガジンからの工具ポットの取りだし時及び工具マガジンへの工具ポットの返却時には、工具搬送装置を工具マガジンの所定位置に自動位置決めすることになる。
【０００４】
しかし、工具搬送装置は搬送する工具ポット及び工具の重量により撓みを起こし、工具ポット自身の位置が変位してしまうことがある。また、マトリックス式工具マガジンでは通常収納工具本数が１００本，２００本と多く、大きなスペースを占有することになる。そこでなるべく小さくコンパクトなマガジンとするために、各工具ポット間の間隔を狭くし、接近させて配置させることが望まれる。従って各工具ポットを支えている横板は中間支柱にて支持することは行わず、単に両端を外枠に固着した状態としている。そこで重量の大きな工具が並列して収納された場合には横板が撓み、横板に固着されている工具ポット支持用の爪位置が変位する。また工具の有無によっても爪位置に変位が生じることがある。
【０００５】
更にマガジン製作時の加工誤差及び組立誤差によって爪位置が正規位置から変位している場合がある。
従って工具搬送装置を正規の設計上の指令位置に自動位置決めして、工具ポットの出し入れを行わせると、工具ポットの把持が出来なくなったり、または強引に工具ポットをマガジンの爪内に押し込むことになったり等、機械に無理な力を加えることになり損傷を早めることになる。
【０００６】
そこで従来は各工具ポットに対して工具搬送装置を手動パルスハンドルを回すことによって移動させて位置決めし工具ポットを一つずつ把持させる。そして各工具ポットについて各支持用爪に対して最もスムースに出し入れできるようにパルスハンドルを微調整して工具搬送装置の位置をＺ方向，Ｙ方向それぞれについて位置調整を行う。このときパルスハンドルの回転に応じて示される工具搬送装置の現在位置のＺ方向，Ｙ方向それぞれの位置を記憶させていた。そして実稼働時にはこの検知した補正位置をもとに工具搬送装置を自動位置決めして工具ポットの出し入れを行わせていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のマトリックス式工具マガジンでは上述のように工具搬送装置と工具ポット支持用爪の相対位置を作業者が手動にて検知するようにしていたので、作業が繁雑となり、作業者の工数が多くなり、作業効率が悪いという問題を有していた。
本発明は従来技術の有するこのような問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、多数個所にわたる工具搬送装置と工具ポット支持用爪の相対位置の設定を自動的に容易に行い、作業能率を向上させ工具搬送装置と工具ポット支持用爪の相対位置決めを容易にならしめる方法を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
多種類の工具を各々保持した工具ポットを支持部材にて懸垂状に支持し、多数収納しているマトリックス式工具マガジンに対し、工具ポットの取り出し及び返却を行う工具搬送装置の自動位置決め方法であって、工具ポットの取り出し時には、次工具取り出し時の工具ポット基準位置の補正値の有無が確認され、工具取り出し時の補正値無の場合は、工具搬送装置を次工具の設計上の工具ポット基準位置に移動位置決めし、工具搬送装置に設けられたセンサを支持部材の爪の計測部位に対応させ、工具搬送装置をＮＣ指令で移動させ変位センサにより支持部材の爪の角部のＺ軸，Ｙ軸方向位置を計測し、この計測結果にもとづき補正された実際の工具ポット基準位置を演算し、この補正された実際の工具ポット基準位置を記憶し、工具搬送装置を補正された実際の工具ポット基準位置に位置決めして次工具を保持した工具ポットを取り出すようにし、工具取り出し時の補正値有の場合は、工具搬送装置を補正された実際の工具ポット基準位置に位置決めして次工具を保持した工具ポットを取り出すようにしてなり、工具ポットの返却時には、前工具返却時の工具ポット基準位置の補正値の有無が確認され、工具返却時の補正値無の場合は、工具搬送装置を前工具の設計上の工具ポット基準位置に位置決めし、工具搬送装置に設けられたセンサを支持部材の爪の計測部位に対応させ、工具搬送装置をＮＣ指令で移動させ変位センサにより支持部材の爪の角部のＺ軸，Ｙ軸方向位置を計測し、この計測結果にもとづき補正された実際の工具ポット基準位置を演算し、この補正された実際の工具ポット基準位置を記憶し、工具搬送装置を補正された実際の工具ポット基準位置に位置決めして前工具を保持した工具ポットを返却するようにし、工具返却時の補正値有の場合は、工具搬送装置を前工具の補正された実際の工具ポット基準位置に位置決めして前工具を保持した工具ポットを返却するようにしたものである。
【００１０】
以上のような方法を用いたので本発明は自動的に実際の爪位置、ひいては実際の工具ポットの位置を求めることが出来、この工具ポット位置に応じて工具搬送装置を位置決めすることによって工具ポットの出し入れをスムースに行うことができるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面にもとづき説明する。
図１は横形マシニングセンタに用いるマトリックス式大容量工具マガジン１の工具収納部の全体説明図であり、周囲を形成している外枠２に複数段の横板３がそれぞれ両端を固着して取り付けられている。外枠２の上天板４の下面及び各横板３の下面には工具ポット支持用の爪５がそれぞれ複数組取り付けられていて、各組の爪５によって多数の工具ポット６が懸垂して吊り下げられた状態にて支持されている。
【００１２】
これら外枠２，横板３，天板４，爪５によってマトリックス式工具マガジンは構成されている。工具ポット６を懸垂状に支えている爪５のそれぞれの位置は製作時の加工誤差や組立誤差のため設計上の正規の位置から変位している場合がある。また各横板３には多数の工具ポット６がそれぞれ種々の工具を保持して収納されている。そのため重量の大きな工具を保持した工具ポット６を収納している横板３は下方に弓状に撓み、爪５の位置が正規の設計上の位置から下方に変位している場合がある。爪５の位置が変位すると、この爪５によって懸垂状に支えられている工具ポット６も変位した位置をとることになる。
【００１３】
図２はマトリック式工具マガジン内の工具と横型マシニングセンタの主軸内工具との自動交換についての関係を示す上面説明図である。マガジン１内には多数の工具がそれぞれ工具ポット６に保持されて収納されている。マガジン１の背面部には主軸７の軸心線に平行でＺ軸方向にマガジン１の外枠２の上下にそれぞれ水平で２本のガイドレール８が取り付けられている。
【００１４】
そしてこの２本のガイドレール８に跨がった状態でブラケット９が取り付けられていて、図示しないサーボモータ及びボールねじによってＺ軸方向に移動位置決めされる。ブラケット９にはマガジン１の背面に沿ってＺ軸に直角なＹ軸方向にボールねじ１０がブラケット９の上下両端にて枢支されている。このボールねじ１０及びこのボールねじ１０に回転を与える図示しないサーボモータによってＹ軸方向に移動位置決め可能に工具搬送装置の本体１１がブラケット９上の図示しないＹ軸方向の２本のガイドレールに取り付けられている。
【００１５】
この本体１１上には工具ポット６を把持してマガジン１から抜き出し、またマガジン１に挿入返却する把持部１２が取り付けられている。把持部１２は本体１１に設けられたＸ軸方向の２本のガイドレール１３に案内され、図示しないボールねじ及びサーボモータによってＸ軸方向に移動位置決めさせられる。把持部１２には図３に見る如く先端に工具ポット６を把持するための開閉用可能な一対の把持アーム１４が取り付けられている。
【００１６】
この一対のアーム１４は把持部本体内に設けた枢軸１５に支持されていて、Ｘ字状に組み合わされている。またこのアーム１４は通常は両アームに跨がって介挿された圧縮ばね１６によって開状態を維持しているが、一方のアームに設けたストッパ１７にて開状態の開き角度は制限され、工具ポット６の出し入れ時に相隣る工具ポット６との間隙に侵入可能な状態を保つよう構成されている。
【００１７】
一対のアーム１４の後端部分１８はそれぞれ外側に傾斜角を有していて楔状をなしている。そして工具ポット６を把持するときにはこの楔状の一対の後端部分１８を挟む状態で押圧部材１９が図示しない油圧装置によって押し進められ、工具ポット６を強力に緊締する。その他この把持部１２には９０°旋回装置が設けられているが公知の技術であるため図示及び説明を省略する。
尚、工具搬送装置２０は上記ブラケット９，工具搬送装置本体１１，把持部１２等にて構成されている。
ブラケット９，工具搬送装置本体１１及び把持部１２等は、その機能上剛性を損なわない程度に軽量に構成されているが、これら自身の重量、把持部に把持する工具ポットの重量、工具ポットに保持される工具の重量などにより、特に工具先端側が下がるように撓みが生じることがある。
【００１８】
工具搬送装置本体１１が図２でＺ軸方向最上端位置まで移動し、また把持部１２が工具ポット６を把持して９０°旋回し、工具軸線をＺ軸と平行となし、図２で最左端まで移動した位置が工具交換のための工具待機位置である。
尚、Ｙ軸方向としては主軸のＹ軸方向移動範囲の最上昇位置が工具交換位置となる。この位置においてマガジン１から搬送されてきた新工具は自動工具交換装置３１の交換アーム３２によって主軸７に装着されている使用済工具と交換させられる。
【００１９】
自動工具交換装置３１は従来から幾多の機構のものがすでに実用に供されている。図４のスケルトンによってその一例を概略説明する。工具交換アーム３２は中心軸３３にキー着されていて、中心軸３３は旋回摺動可能に工具交換装置本体３４に支持されている。中心軸３３はまた図４で下端側に開口した袋状をなしていて、この下端部には雌スプライン３３ａが刻削されている。この雌スプライン３３ａに噛み合う雄スプライン軸３５が工具交換装置本体３４に枢支されていて、歯車３６をキー着している。
【００２０】
そして工具交換装置本体３４には交換アーム３２を１８０°旋回させるための回転シリンダ３７と交換アーム３２を９０°旋回させるための回転シリンダ３８が直列に出力軸を共に図４で上に向けて取り付けられている。１８０°旋回用回転シリンダ３７の出力軸には歯車３９がキー着されていて、前記歯車３６と噛合している。また９０°旋回用回転シリンダ３８の出力軸は１８０°旋回用回転シリインダ３７のシリンダケースと一体に構成されている。
【００２１】
更に、中心軸３３に対して平行に直動形シリンダ装置４０が工具交換装置本体３４に取り付けられている。直動形シリンダ装置４０のピストンロッド４１は図４でシリンダケースから上方に伸びていて連結部材４２によってピストンロッド４１と中心軸３３とが結合されている。
【００２２】
図５は工具ポット６が設計上の位置から変位して取り付けられている場合の変位量を計測し、工具ポット６の実際基準位置を求める原理説明図である。Ｏは計測の基準原点であり、図１で左下隅の外枠角部とする。各工具ポット６は全てこの原点Ｏからの距離によって基準位置が示される。計測には変位センサ２１としてレーザ光の反射を利用した例えばＫＥＹＥＮＣＥ社製超高精度レーザ変位計ＬＣシリーズが用いられる。（他に赤外線の反射を利用した変位センサを用いることもできる。）
【００２３】
この変位センサ２１を工具搬送装置２０の把持部１２上面にレーザ光放射側を工具ポット６に向けて取り付ける。取り付け部位はＮＣ指令により把持部１２を設計上の工具ポット基準位置ＨＰＡ，ＨＰＢ……に対応した位置に位置決めしたとき、設計上の正規位置に存在する爪５の図５で右上角部Ａ，Ｂ……を計測できる位置とする。いま爪５が変位しているとすれば、変位センサ２１は工具ポット６の端面を計測することになり、端面は平坦部のため爪５との境界の溝位置を確認できるないことになる。
【００２４】
この場合には工具搬送装置２０をＮＣ指令にて一定範囲Ｚ軸方向及びＹ軸方向に往復動させることにより境界の溝位置を確認して、このときのＺ軸方向の現在値とＹ軸方向の現在値から爪５の角部Ａ，Ｂ……位置を求めることができる。即ち原点Ｏからの爪５の変位した角部Ａ，Ｂ……のＺ軸方向位置ＺＡ，ＺＢ……及びＹ軸方向位置ＹＡ，ＹＢ……を知ることができる。
【００２５】
工具ポット６が設計上の寸法通り正しく加工されているものとすれば工具ポット６自身の爪把持部の巾寸法２ｌ及び爪受け面から設計上の中心までの寸法ｍは変化しないため、爪５の角部Ａの原点Ｏからの距離ＺＡ，ＺＢ……，ＹＡ，ＹＢ……が検知できれば原点Ｏからの工具ポット６の実際の中心位置はＺＡ＋ｌ，ＺＢ＋ｌ……、ＹＡ−ｍ，ＹＢ−ｍ……として求めることができる。
尚、一つの工具ポット６に対し支持する二つの爪のいずれについても計測を行えばより一層正しい基準位置を求めることができるものである。
【００２６】
尚、重量の大なる工具に対してはマガジン１内に収納されているときと、工具ポット６と共に取り出されたときとでは爪５の変位量に差が生じる。そのために返却時と取り出し時の両方においても爪位置の変位量を計測し、工具ポット６の基準となる補正位置として一つの工具ポット６に対して２個所の補正基準位置を設定する。そして制御装置が工具搬送装置２０に対して工具ポット６の取り出し時と返却時とでは別の補正位置を指令するようにする。
【００２７】
図６は工具交換時に工具ポット支持用の爪５に対して変位センサ２１により計測原点Ｏからの距離計測を行い、工具ポット６の基準位置の補正を行う場合のフローチャート図である。ステップＳ１で次工具交換指令が読み込まれる。通常マシニングセンタでは工具交換時間を短縮するため主軸７に取り付けた工具で加工している間に次の加工で使用する工具（次工具）を工具交換位置に準備しておくことがなされるのである。
【００２８】
ステップＳ２において次工具の工具取出時の補正値の有無が確認され、補正値無（ＮＯ）の場合にはステップＳ３に移り、補正値有（ＹＥＳ）の場合にはステップＳ７へ移る。ステップＳ３において工具搬送装置２０の把持アーム１４を設計上の工具ポット基準位置ＨＰＡに移動位置決めして、把持部１２上に取り付けた変位センサ２１を支持爪５の計測部位に対応させる。ステップＳ４では工具搬送装置２０をＮＣ指令にてＺ軸方向及びＹ軸方向に一定範囲往復移動させることにより爪５のＺ軸方向とＹ軸方向の原点よりの距離ＺＡ，ＹＡを検出する。
【００２９】
ステップＳ５では、ステップＳ４にて求めた距離ＺＡ，ＹＡにもとづいて、補正された工具ポット基準位置ＨＰａをＺＡ＋ｌ、ＹＡ−ｍとして演算する。ステップＳ６では工具ポット６の補正された基準位置ＨＰａを記憶する。ステップＳ７では工具搬送装置２０を補正された基準位置ＨＰａに位置決めしマガジン１の所定位置から工具搬送装置２０により次工具を保持した工具ポット６を抜き出し、把持部１２を工具交換位置に移動する。
【００３０】
ステップＳ８において加工の終了した工具（前工具）と次の工具とを交換し、次工具での加工を開始すると共に前工具を工具マガジン１側に移動させる。
ステップＳ９において工具返却時の補正値の有無が確認され、補正値無（ＮＯ）の場合にはステップＳ１０に移り、補正値有（ＹＥＳ）の場合にはステップＳ１４へ移る。ステップＳ１０〜ステッスプＳ１３はステップＳ３〜ステップＳ６と同様の動作で工具返却時の補正された基準位置を求め記憶する動作である。
【００３１】
ステップＳ１４では補正された基準位置に位置決めし前工具を保持した工具ポットを工具マガジン１の所定位置に返却する。
新しいマシニングセンタに工具を投入する時、全ての工具を入れ替えたりしたときなど一度に多くの工具の補正値を入力する必要がある場合には、上記動作の内ステップＳ８を省略し各工具を順次連続して動作させれば良い。
【００３２】
尚、マトリックス式工具マガジンにあっては収納する工具はその収納場所（番地）が定められていて、取り出された工具は必ず元の番地に戻される。但し、加工ワーク変更等に伴って使用工具が変更された場合には再度爪５の変位量を計測し、工具ポット６の基準位置の再補正を行う。
【００３３】
図７は各爪４の原点Ｏからの距離を計測し工具搬送装置に正しく位置決めさせる場合の制御用ブロック線図である。光学式変位センサ２１によって計測された距離のデータＺＡ，ＺＢ……、ＹＡ，ＹＢ……、は受信部２２に送られる。受信部２２では変位センサ２１からの距離のデータＺＡ，ＺＢ……、ＹＡ，ＹＢ……、を受けて演算処理部２３に送る。演算処理部２３では距離のデータをもとに既知の値ｌ，ｍとによって原点Ｏからの工具ポット６の実際の基準位置ＨＰａ（ＺＡ＋ｌ，ＹＡ−ｍ），ＨＰｂ（ＺＢ＋ｌ，ＹＢ−ｍ）……を算出する。
【００３４】
演算処理部２３にて算出された工具ポット６の実際の基準位置ＨＰａ，ＨＰｂ……はメモリー部２４に送られて記憶される。このような変位センサ２１による計測から記憶までの作業が工具ポット６支持用の全爪５に対して行われる。
工具交換指令が出されて工具搬送装置２０が指示された工具を取り出すために所定の位置に移動するとき、制御部２５はメモリー部２４から所定の工具ポット６の実際の補正された基準位置を呼び出して、工具搬送装置２０に対し変更された工具ポット６の補正位置を指示する。これにより工具搬送装置２０は変位して取り付けられている工具ポット６に応じた補正位置に自動位置決めされる。
【００３５】
【実施例】
図８は爪５の位置を計測する他の実施例を示す説明図である。このものでは水平に並んでいる各爪５を横切って移動するようなＹ軸方向位置に変位センサ２１を位置決めした後マガジン１に対し変位センサ２１を水平方向Ｚ軸方向に横板３に沿って移動させ、各爪５の工具ポット６の支持側端部Ｚ軸方向エッジ位置Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２……を計測することによって、Ａ１，Ａ２の中点としての工具ポット５のＺ方向基準位置を算出する。
【００３６】
横一列の計測が終了すると変位センサ２１をＹ軸方向に移動させて次の段の横板に対して同様の爪位置計測を行い、このようにして全爪に対し計測して工具ポットの基準位置を求める。例えば爪５が組付誤差により寸法ｄｅずれていても、それに応じて補正基準位置が求められる。また同様にして変位センサ２１をＹ軸方向に移動させて各爪５のＹ軸方向上端位置を計測することによって、工具ポット６のＹ軸方向基準位置を求めることができる。
上記Ｚ方向基準位置とＹ方向基準位置とによって工具ポット６の新しい補正された基準位置ＨＰａ，ＨＰｂ……を求めることができるものである。
尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、工具マガジンの工具ポットの保持形態や工具搬送装置の工具ポット把持形態，工具交換装置等は適宜変更されうるものであることはいうまでもない。
【００３７】
【発明の効果】
マトリックス式大容量工具マガジンの工具ポット支持用の各爪位置を全て自動的に計測し、各工具ポットの基準位置を自動的に求めるようになしたので、工具の有無及び工具の重量差による支持部材又は工具搬送装置の変位に対しても自動的に工具ポットの補正された基準位置を設定できるようになった。
従って工具自動搬送装置をマガジン内にて各工具ポットの取り付け位置に応じて位置決めすることできて、工具ポットの取り出し、返却時に無理な力を加えることがなくなり、動作がスムースになり、機械を損傷することがなく、機械寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マトリックス式大容量工具マガジンの工具収納部の全体説明図である。
【図２】マガジン内の工具と主軸内工具との自動交換の関係を示す説明図である。
【図３】工具ポット把持アーム部の概略説明図である。
【図４】自動工具交換装置のスケルトン図である。
【図５】工具ポットの実際の基準位置を求める方法を示す原理図である。
【図６】工具ポットの実際の基準位置を求める場合のフローチャート図である。
【図７】工具搬送装置を位置決めさせる場合のブロック線図である。
【図８】爪位置計測方法の他の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  工具マガジン
５  支持爪
６  工具ポット
２０  工具搬送装置
２１  変位センサ
２３  演算処理部
２４  メモリ部
２５  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図６】
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