(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸軸線方向であるＺ軸方向に直交しかつ互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方に移動しうる主軸頭に回転自在に支持された主軸と、所定の軌道上を移動する工具把持部を有しかつ主軸に対して相対的にＺ軸方向に接近、離隔しうる工具把持手段との間において工具の交換を行う方法であって、工具を主軸から引き抜く時に、工具把持部により主軸に取付けられている工具を把持し、ついで工具を把持した工具把持部が工具脱着位置から遠ざかるように移動する軌道に沿って主軸を工具把持部とともに移動させながら、主軸と工具把持手段を相対的にＺ軸方向に離隔させることにより工具を主軸から引き抜くことを特徴とする工具交換方法。
【請求項２】
主軸軸線方向であるＺ軸方向に直交しかつ互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方に移動しうる主軸頭に回転自在に支持された主軸と、所定の軌道上を移動する工具把持部を有しかつ主軸に対して相対的にＺ軸方向に接近、離隔しうる工具把持手段との間において工具の交換を行う方法であって、工具を主軸に取付ける時に、主軸に取付けるべき工具を把持している工具把持部が工具脱着位置に近付くように移動する軌道に沿って主軸を工具把持部とともに移動させながら、主軸と工具把持手段とを相対的にＺ軸方向に接近させることにより工具を主軸に挿入することを特徴とする工具交換方法。
【請求項３】
工具把持手段が、Ｚ軸方向と平行な軸線の回りに回転自在に設けられかつ工具グリッパを有する工具交換アームである請求項１または２の工具交換方法。
【請求項４】
工具把持手段が、複数の工具把持部を有する工具マガジンである請求項１または２の工具交換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械、たとえばマシニングセンタにおいて、少なくとも主軸軸線方向であるＺ軸方向と直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に移動しうる主軸頭に回転自在に支持された主軸と、所定の軌道上を移動する複数の工具把持部を有しかつ主軸に対して相対的にＺ軸方向に接近、離隔しうる工具把持手段との間において工具の交換を行う方法に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
マシニングセンタにおける工具交換方法として、従来、次のような２つの方法が知られている。
【０００３】
第１の方法は、Ｚ軸方向と平行な軸線の回りに回転自在に設けられかつこの回転中心軸線から放射方向に伸びて互いに所定の角度をなす２つの工具グリッパを有する工具交換アームを用いる方法である。この方法の場合、まず主軸に取付けられている工具を用いての工作が終了すると、主軸を工具交換位置に移動させ、工具を工具交換アームの工具脱着位置に待機している一方の工具グリッパで把持する。なお、工具交換アームの他方の工具グリッパには次の工作に使用する次工具が工具マガジンから抜き出されて把持されている。ついで、主軸と工具交換アームとを相対的にＺ軸方向に離隔させ、工具を主軸から引き抜く。ついで、工具交換アームを所定角度回転させ、次工具を把持している工具グリッパを工具脱着位置に来させる。その後、主軸と工具交換アームとを相対的にＺ軸方向に接近させ、次工具を主軸に挿入する。こうして、工具の交換が行われる。
【０００４】
第２の方法は、工具交換アームを用いずに、直接主軸と工具マガジンとの間で工具の受渡しを行う方法である。この方法の場合、まず主軸に取付けられている工具を用いての工作が終了すると、主軸を工具交換位置に移動させ、工具を工具マガジンの工具脱着位置に待機している工具把持部で把持する。ついで、主軸と工具マガジンとを相対的にＺ軸方向に離隔させ、工具を主軸から引き抜く。ついで、工具マガジンを駆動し、次工具を把持している工具把持部を工具脱着位置まで移動させる。その後、主軸と工具マガジンとを相対的にＺ軸方向に接近させ、次工具を主軸に挿入する。こうして、工具の交換が行われる。
【０００５】
しかしながら、上述した２つの方法では、主軸への工具の抜き差しと、交換アームの回転または工具マガジンの工具把持部の移動とが別々に行われていたので、工具交換に要する時間が長くなるという問題があった。
【０００６】
そこで、工具交換時間を短縮するために、前記第１の方法においては、主軸と工具交換アームとのＺ軸方向の相対的移動を、工具交換アームの回転とオーバーラップして行うことが考えられている。この方法を、図３(a) に示すタイムチャートを参照して説明する。この説明においては、主軸のみがＺ軸方向に移動するものとする。まず、主軸に取付けられている現工具を用いての工作が終了すると、主軸を工具交換位置に移動させ、現工具を工具交換アームの工具脱着位置に待機している一方の工具グリッパで把持する。なお、他方の工具グリッパには次工具が工具マガジンから抜き出されて把持されている。ついで、主軸を、工具挿入位置から工具抜き位置に向かって工具交換アームに対してＺ軸方向に離隔するように直進移動させる。主軸のこの直進移動が開始してから所定時間経過した後、工具交換アームの回転を開始し、現工具を把持している工具グリッパを、工具脱着位置から遠ざかるように所定の軌道上で移動させながら、主軸を工具抜き位置まで直進移動させ、工具を主軸から引き抜く。主軸は工具抜き位置で停止させておく。工具交換アームはさらに回転し、次工具を把持している工具グリッパが工具脱着位置に至る前に、主軸のＺ軸方向の移動を開始し、工具抜き位置から工具挿入位置に向かって工具交換アームに対してＺ軸方向に接近させる。これにより、次工具を把持している工具グリッパを、工具脱着位置に接近するように所定の軌道上で移動させながら、主軸を挿入位置まで直進移動させ、工具を主軸に挿入する。こうして、工具の交換が行われる。
【０００７】
また、詳細な説明は省略するが、前記第２の方法においても、工具交換時間を短縮するために、主軸と工具マガジンとのＺ軸方向の相対的移動を、工具マガジンの工具把持部とをオーバーラップして行うことが考えられている。
【０００８】
しかしながら、上述した改良方法では、工具の主軸への抜き差しのさいに、主軸と工具とが干渉するので、工具を主軸から引き抜く場合、工具交換アームまたは工具マガジンの工具把持部の移動開始時期および移動終了時期を早めることには限界がある。同様に、工具を主軸に挿入する場合、主軸の工具交換アームまたは工具マガジンに対するＺ軸方向への接近開始時期を早めることには限界があり、主軸への工具挿入を早期に終了することができない。したがって、工具交換時間の短縮効果にも限界がある。
【０００９】
この発明の目的は、上記問題を解決し、従来の方法に比べて工具交換時間を短縮しうる工具交換方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明による工具交換方法は、主軸軸線方向であるＺ軸方向に直交しかつ互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方に移動しうる主軸頭に回転自在に支持された主軸と、所定の軌道上を移動する工具把持部を有しかつ主軸に対して相対的にＺ軸方向に接近、離隔しうる工具把持手段との間において工具の交換を行う方法であって、工具を主軸から引き抜く時に、工具把持部により主軸に取付けられている工具を把持し、ついで工具を把持した工具把持部が工具脱着位置から遠ざかるように移動する軌道に沿って主軸を工具把持部とともに移動させながら、主軸と工具把持手段を相対的にＺ軸方向に離隔させることにより工具を主軸から引き抜くことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２の発明による工具交換方法は、主軸軸線方向であるＺ軸方向に直交しかつ互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向の少なくとも一方に移動しうる主軸頭に回転自在に支持された主軸と、所定の軌道上を移動する工具把持部を有しかつ主軸に対して相対的にＺ軸方向に接近、離隔しうる工具把持手段との間において工具の交換を行う方法であって、工具を主軸に取付ける時に、主軸に取付けるべき工具を把持している工具把持部が工具脱着位置に近付くように移動する軌道に沿って主軸を工具把持部とともに移動させながら、主軸と工具把持手段とを相対的にＺ軸方向に接近させることにより工具を主軸に挿入することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項１または請求項２の発明の工具交換方法において、工具把持手段としては、Ｚ軸方向と平行な軸線の回りに回転自在に設けられかつ工具グリッパを有する工具交換アームや、複数の工具把持部を有する工具マガジンが用いられる。
【００１３】
請求項１の発明の工具交換方法によれば、工具把持手段の空いている工具把持部が、工具の把持および解放を行いうる工具脱着位置に来たときに、この工具把持部により主軸に取付けられている工具を把持し、ついで工具を把持した工具把持部が工具脱着位置から遠ざかるように移動する軌道に沿って主軸を工具把持部とともに移動させながら、主軸と工具把持手段を相対的にＺ軸方向に離隔させることにより工具を主軸から引き抜くので、工具を把持した工具把持部の工具脱着位置から遠ざかるような移動を、従来の方法に比べて早期に開始することができる。したがって、工具交換時間を、従来の方法に比べて短縮することができる。
【００１４】
請求項２の発明の工具交換方法によれば、主軸に取付けるべき工具を把持している工具把持部が工具脱着位置に来る前に、工具を把持した工具把持部が工具脱着位置に近付くように移動する軌道に沿って主軸を工具把持部とともに移動させながら、主軸と工具把持手段とを相対的にＺ軸方向に接近させることにより工具を主軸に挿入するので、主軸と工具把持手段とのＺ軸方向の相対的接近を、従来の場合に比べて早期に開始することができ、その結果主軸への工具挿入を早期に終了することができる。したがって、工具交換時間を、従来の方法に比べて短縮することができる。
【００１５】
次に、この発明の方法を、工具把持手段が、Ｚ軸方向と平行な軸線の回りに回転自在に設けられかつこの回転中心軸線から放射方向に伸びて互いに所定の角度をなす２つの工具グリッパを有する工具交換アームであり、主軸のみがＺ軸方向に移動するようになっており、現工具の引き抜きと次工具の取付けとを連続して行う場合について、図３(b) に示すタイムチャートを参照して説明する。
【００１６】
まず、主軸に取付けられている現工具を用いての工作が終了すると、主軸を工具交換位置に移動させ、現工具を工具交換アームの工具脱着位置に待機している一方の工具グリッパで把持する。なお、他方の工具グリッパには次工具が工具マガジンから抜き出されて把持されている。ついで、主軸を、工具挿入位置から工具抜き位置に向かって工具交換アームに対してＺ軸方向に離隔するように直進移動させる。主軸の移動を開始してから所定時間経過した後、まず現工具を把持している工具グリッパが工具脱着位置から遠ざかるように移動する軌道に沿って主軸を工具脱着位置から遠ざかるように移動させ、ついで工具交換アームの回転を開始し、工具グリッパを工具脱着位置から遠ざかるように前記軌道上で移動させる。工具グリッパが移動すると、主軸が前記軌道に沿って工具グリッパとともに移動する。主軸は、前記軌道に沿って工具脱着位置から所定距離離れた位置まで移動した後、今度は同じ軌道に沿って工具脱着位置に向かって逆方向に移動する。主軸が前記軌道に沿って工具脱着位置から所定距離離れた位置まで移動した時点で、工具と工具グリッパに把持されている工具とは、Ｚ軸方向に干渉しなくなっている。このような主軸の前記軌道に沿う移動中および工具アームの回転中に、主軸を工具抜き位置まで直進移動させ、現工具の主軸からの引き抜きが終了する。主軸のＺ軸方向の直進移動は工具抜き位置で停止させる。
【００１７】
その後も、主軸の前記軌道上の移動および工具交換アームの回転をそれぞれ継続させる。工具交換アームの回転により、次工具を把持したグリッパが前記軌道上を工具脱着位置に向かう。主軸が前記軌道に沿って工具脱着位置を通り過ぎて最初に移動した方向と反対方向に工具脱着位置から遠ざかる方向に向かい始めてから所定時間経過すると、工具交換アームに接近するような主軸のＺ軸方向の直進移動を開始する。主軸のこのＺ軸方向の直進移動が開始して所定時間が経過した後、次工具を把持している工具グリッパが工具脱着位置に達する前に、主軸は前記軌道に沿って工具脱着位置から所定距離離れた位置に達するので、ここで主軸の前記軌道に沿う移動を停止させる。次工具を把持している工具グリッパが、前記軌道に沿う移動が停止させられている主軸に対応する位置に達すると、主軸をこの工具グリッパとともに再度前記軌道に沿って工具脱着位置に向かって移動させる。すると、次工具の主軸への挿入が、工具グリッパの移動中および主軸の前記軌道に沿う移動中に開始される。そして、工具交換アームの工具グリッパの前記軌道上の移動および主軸の前記軌道に沿う移動を停止した後も、工具交換アームに接近するような主軸のＺ軸方向の直進移動を継続させると、次工具の主軸への挿入が完了する。こうして、工具の交換が行われる。この方法によれば、図３から明らかなように、時間t1だけ工具を把持した工具グリッパの工具脱着位置から遠ざかるような移動を、従来の方法に比べて早期に開始することができる。また、時間t2だけ主軸の工具交換アームに対するＺ軸方向の接近を従来の場合に比べて早期に開始し、その結果主軸への工具挿入を時間t3だけ早期に終了することができる。したがって、工具交換に要する時間が短縮される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、図１(a) の上下、左右をそれぞれ上下、左右といい、図１(b) の左側を前、右側を後というものとする。
【００１９】
この実施形態は、主軸と工具交換アームとの間で工具の交換を行う方法である。
【００２０】
主軸(1) は、主軸の軸線方向であるＺ軸方向（前後方向）と、Ｚ軸方向と直交するＸ軸方向（左右方向）およびＹ軸方向（上下方向）とに移動しうる主軸頭（図示略）に回転自在に支持されている。なお、(1a)は工具(T) を回転させるためのドライブキーである。工具交換アーム(2) は、Ｚ軸方向と平行な軸線の回りに回転自在に設けられかつこの回転中心軸線から放射方向に伸びて互いに所定の角度、この実施形態では１８０度をなす２つの工具グリッパ(2A)(2B)を有する。工具交換アーム(2) は適当な駆動手段、この実施形態ではサーボモータ(3) によって任意の角度回転させられるようになっており、工具グリッパ(2A)(2B)先端の工具把持部(4A)(4B)はＸ−Ｙ平面上に位置する円形の軌道(W) 上を移動するようになっている。
【００２１】
主軸(1) と工具交換アーム(2) との間で工具(T) の交換を行うにあたり、まず主軸(1) に取付けられている現工具(T) を用いての工作が終了すると、主軸(1) を工具交換位置に移動させ、現工具(T) を工具交換アーム(2) の工具脱着位置に待機している一方の工具グリッパ(2A)の工具把持部(4A)で把持する（図１参照）。なお、他方の工具グリッパ(2B)の工具把持部(4B)には次工具(T) が工具マガジンから抜き出されて把持されている。
【００２２】
ついで、主軸(1) を、工具挿入位置（図１(b) および図２に実線で示す位置）から工具抜き位置（図１(b) に鎖線で示す位置）に向かって後方に直進移動させる。主軸(1) の後方への移動が開始して所定時間経過した後、現工具(T) を把持している工具グリッパ(2A)が工具脱着位置から遠ざかる方向、すなわち図１(a) 反時計方向に、主軸(1) を軌道(W) に沿って移動させ（図１(a) 矢印ａ参照）、工具(T) の主軸(1) に対するＺ軸方向の位置関係が図２に鎖線ｄで示すようになると、工具交換アーム(2) を図１(a) の反時計方向に回転させ、工具グリッパ(2A)の把持部(4A)を工具脱着位置から遠ざかるように軌道(W) 上で移動させる。なお、図２においては、工具(T) と主軸(1) とのＺ軸方向の相対的位置関係を、便宜的に、工具(2) がＺ軸方向に移動するものとして示しているが、実際は主軸(1) が移動する。工具グリッパ(2A)の把持部(4A)が軌道(W) 上を移動すると、主軸(1) は、工具グリッパ(2A)の把持部(4A)とともに軌道(W) に沿って移動する。主軸(1) が、軌道(W) に沿って工具脱着位置から所定距離離れた位置（図１(a) 鎖線ｕ参照）まで移動した時点では、工具(T) の主軸(1) に対する位置関係は図２に鎖線ｅおよびｇで示す通りであり、主軸(1) と工具(T) とはＺ軸方向に干渉しない。
【００２３】
主軸(1) は図１(a) の鎖線ｕで示す位置に達した後、今度は軌道(W) に沿って工具脱着位置に向かって逆方向（図１(a) の時計方向）に移動する（図１(a) 矢印ｂ参照）。このような主軸(1) の移動中および工具アーム(2) の回転中に、主軸(1) を工具抜き位置まで後方に直進移動させ、工具(T) の主軸(1) からの引き抜きが終了する（図２鎖線ｆ参照）。主軸(1) の後方への直進移動は工具抜き位置で停止させる。
【００２４】
その後も、主軸(1) の軌道(W) に沿う移動および工具交換アーム(2) の回転をそれぞれ継続させる。工具交換アーム(2) の回転により、次工具(T) を把持したグリッパ(2B)の把持部(4B)が軌道(W) 上を工具脱着位置に向かう。主軸(1) が軌道(W) に沿って工具脱着位置を通り過ぎて最初に移動した方向と反対方向（図１(a) 時計方向）に工具脱着位置から遠ざかる方向に向かい始めてから所定時間経過すると、主軸(1) を工具交換アーム(2) に接近するように前方に直進移動させる。主軸(1) の前方への直進移動が開始してから所定時間経過した後、次工具(T) を把持している工具グリッパ(2B)の把持部(4B)が工具脱着位置に達する前に、主軸(1) は軌道(W) に沿って工具脱着位置から所定距離離れた位置（図１(a) 鎖線ｖ参照）まで移動するので、ここで主軸(1) の軌道(W) に沿う移動を停止させる。工具グリッパ(2B)の把持部(4B)が、軌道(W) に沿う移動が停止させられている主軸(1) に対応する位置に達すると、主軸(1) をこの工具グリッパ(2B)の把持部(4B)とともに再度軌道(W) に沿って工具脱着位置に向かって移動させる（図１(a) 矢印ｃ参照）。すると、工具(T) の主軸(1) への挿入が、工具グリッパ(2B)の把持部(4B)の移動中および主軸(1) の軌道(W) に沿う移動中に開始される。そして、工具グリッパ(2B)の把持部(4B)の軌道(W) 上の移動および主軸(1) の軌道(W) に沿う移動を停止した後も、主軸(1) の前方への直進移動を継続させると、次工具(T) の主軸(1) への挿入が完了する。工具(T) の主軸(1) への挿入のさいには、両者の相対的位置関係は、図２に示す引き抜きのさいと逆の状態で変わっていくので、両者は干渉しない。こうして、工具(T) の交換が行われる。
【００２５】
上記実施形態においては、主軸(1) のみが前後方向に移動して主軸(1) と工具交換アーム(2) とがＺ軸方向に接近、離隔するようになっているが、工具交換アーム(2) のみ、あるいは両者が前後方向に移動して主軸(1) と工具交換アーム(2) とがＺ軸方向に接近、離隔するようになっていてもよい。また、主軸(1) と工具マガジンとの間での工具交換も、上述したのと同様な動作で行われる。
【００２６】
なお、上記実施形態において、工具交換アームまたは工具マガジンの回転速度と主軸の各方向への移動速度によっては、主軸の移動方向をＺ軸方向とＸ軸方向の２方向のみにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】主軸および工具アームの工具グリッパが工具脱着位置にあり、工具グリッパの把持部で主軸に取付けられている工具を把持した状態を示し、(a) は正面図、(b) は側面図である。
【図２】工具の主軸からの引き抜きのさいの両者の相対的位置関係を示す図である。
【図３】工具交換のタイムチャートであり、(a) は従来法を示し、(b) はこの発明の方法を示す。
【符号の説明】
(1)：主軸
(2)：工具交換アーム
(2A)(2B)：工具グリッパ
(4A)(4B)：工具把持部
(T)：工具
(W)：軌道
【図１】
0003694777.tif 000002
【図２】
0003694777.tif 000003
【図３】
0003694777.tif 000004