(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具を着脱可能に保持する主軸と、
前記主軸を回転駆動する主軸モータと、
前記主軸モータを保持し、上下動可能な主軸ヘッドと、
前記主軸の外周部に設けられ、前記主軸モータの駆動により前記主軸とともに回転する主軸側ギヤと、
前記工具を保持する工具保持部を周方向複数箇所に備えた回転型マガジンと、
前記主軸ヘッドを移動させ、前記工具を前記主軸と前記回転型マガジンの前記工具保持部との間で受け渡し可能な工具装着位置と、前記回転型マガジンが回転可能なマガジン回転位置とに、位置決め可能な移動機構と、
前記主軸ヘッドが前記マガジン回転位置に位置するときに前記主軸側ギヤに噛合して前記主軸の回転により前記回転型マガジンを前記周方向に回転させるマガジン側ギヤと、
前記主軸と前記回転型マガジンの前記工具保持部との間で前記工具を授受可能な工具交換機構と、
を備えた工作機械において、
前記主軸の回転方向位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段の検出結果に基づき、前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記マガジン回転位置と前記工具装着位置との間を移動するとき、少なくとも前記工具装着位置において、予め定めた第１回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御し前記主軸の回転方向位置の位置決めを行う主軸制御手段と、を備え、
前記主軸制御手段は、
前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記マガジン回転位置と前記工具装着位置との間を移動するとき、少なくとも前記マガジン回転位置において、前記主軸側ギヤが前記マガジン側ギヤと噛合可能かつ前記第１回転方向位置と異なる第２回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御し前記主軸の回転方向位置の位置決めを行い、
かつ、前記工作機械は、
前記主軸ヘッドが前記マガジン回転位置から前記工具装着位置へ移動する際に前記位置検出手段が検出した前記主軸の回転方向位置を、前記第２回転方向位置として記憶する記憶手段をさらに備え、
前記主軸制御手段は、
少なくとも前記主軸ヘッドが前記工具装着位置から前記マガジン回転位置へ移動する際、前記主軸の回転方向位置を前記記憶手段に記憶した前記第２回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御する
ことを特徴とする工作機械。
【請求項２】
請求項１記載の工作機械において、
前記第２回転方向位置が複数ある場合、前記主軸ヘッドが前記マガジン回転位置から前記工具装着位置へ移動する際に前記位置検出手段が検出した前記主軸の回転方向位置に最も近い前記第２回転方向位置を、目標第２回転方向位置として決定する第１噛合位置決定手段をさらに備え、
前記主軸制御手段は、
少なくとも前記主軸ヘッドが前記工具装着位置から前記マガジン回転位置へ移動する際、前記主軸の回転方向位置を前記第１噛合位置決定手段が決定した前記目標第２回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御する
ことを特徴とする工作機械。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の工作機械において、
前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記工具装着位置から前記マガジン回転位置へ第１速度で移動する場合、前記マガジン回転位置に前記主軸ヘッドが到達するまでに前記主軸が前記主軸制御手段の制御により前記第１回転方向位置から前記第２回転方向位置まで回転可能か否かを判定する第１判定手段と、
前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記マガジン回転位置から前記工具装着位置へ前記第１速度で移動する場合、前記工具装着位置に前記主軸ヘッドが到達するまでに前記主軸が前記主軸制御手段の制御により前記第２回転方向位置から前記第１回転方向位置まで回転可能か否かを判定する第２判定手段と、
前記第１判定手段又は第２判定手段で前記主軸が回転可能であると判定されなかった場合、前記主軸ヘッドの移動速度を前記第１速度よりも遅い第２速度に減速するように前記移動機構を減速制御する減速制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする工作機械。
【請求項４】
請求項３記載の工作機械において、
前記減速制御手段により前記移動機構を減速制御しているとき、前記主軸制御手段の制御によって前記第２回転方向位置から前記第１回転方向位置に位置決めが終了した場合又は前記第１回転方向位置から前記第２回転方向位置に位置決めが終了した場合には、前記減速制御手段は、前記移動機構に対する前記減速制御を解除する
ことを特徴とする工作機械。
【請求項５】
請求項３又は請求項４記載の工作機械において、
前記マガジン回転位置よりも前記工具装着位置側に所定長さ離れたマガジン側限界位置と、
前記工具装着位置よりも前記マガジン回転位置側に所定長さ離れた装着側限界位置とを設定し、
前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記工具装着位置から前記マガジン回転位置へと移動開始した後、前記主軸ヘッドが前記マガジン側限界位置に到達したとき、前記主軸が前記主軸制御手段の制御による前記第１回転方向位置から前記第２回転方向位置までの回転が完了したか否かを判定する第１回転判定手段と、
前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記マガジン回転位置から前記工具装着位置へと移動開始した後、前記主軸ヘッドが前記装着側限界位置に到達したとき、前記主軸が前記主軸制御手段の制御による前記第２回転方向位置から前記第１回転方向位置までの回転が完了したか否かを判定する第２回転判定手段と、
前記第１回転判定手段又は第２回転判定手段により前記主軸の回転が完了していないと判定された場合、前記主軸ヘッドの移動を停止するように前記移動機構を停止制御する、停止制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の工具保持部を有する工具マガジンを回転可能に設け、主軸モータの回転駆動により工具マガジンの回転を行う工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の一種として、周方向複数箇所に工具を保持可能な回転型マガジンを備えたタレット式工作機械がある。工作機械は、主軸ヘッドに設けた主軸の下端に工具を着脱可能に装着する。工作機械は、主軸の上端に連結された主軸モータの回転により被加工物の切削加工を行う。工具交換の際には、回転型マガジンを回転させることで目的の工具を所定の割り出し位置に位置させる一方、昇降移動機構によって主軸ヘッドをＺ軸方向の所定位置に昇降移動させる。工具交換機構は、主軸の下端に保持している工具と、上記割り出し位置に保持されている工具とを交換する。
【０００３】
特許文献１の自動工具交換装置は、回転型マガジンの回転を主軸モータの駆動により行う。自動工具交換装置は、主軸が上記工具交換位置とは異なる別のＺ軸位置（以下、マガジン回転駆動位置と称す）に位置した際に、主軸に設けた主軸側ギヤと回転型マガジンに設けたマガジン側ギヤとを噛合させる。自動工具交換装置は、主軸側ギヤとマガジン側ギヤとが噛合している際に主軸モータを駆動させることで、回転型マガジンを回転させて目的の工具を上記割り出し位置に位置決めする。その後、自動工具交換装置は、主軸ヘッドをＺ軸方向に昇降移動させて工具交換位置に位置させることで、工具交換を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１２３１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
工具は、周方向の所定箇所にキー溝を形成している。このため、工具交換の際は、工具交換位置において、主軸下端部に設けたドライブキーが上記工具のキー溝に係合可能な所定の回転位置に、主軸を位置決めする必要がある。一方、工具を割り出す際は、マガジン回転駆動位置において、主軸側ギヤのギヤ歯とマガジン側ギヤのギヤ歯とが噛合可能な所定の回転位置に、主軸を位置決めする必要がある。
【０００６】
特許文献１の自動工具交換装置は、主軸の回転と回転型マガジンとの回転との間に、固有の対応関係を持たせている。この対応関係は、主軸側ギヤとマガジン側との間のギヤ比及び工具の本数に基づき、専用の減速機を用いている。自動工具交換装置は、主軸を昇降移動させるだけで、工具交換位置でのドライブキーとキー溝との係合及びマガジン回転駆動位置での主軸側ギヤとマガジン側ギヤとの噛合が、ともに可能となる構造を実現している。
【０００７】
しかしながら、上記装置では、工具保持数の異なる種々の回転型マガジンを用いる場合、各回転型マガジンが保持する工具の数によって、主軸側ギヤとマガジン側との間のギヤ比が変わるため、工具の本数毎に専用の減速機を製作する必要がある。上記装置では、回転側マガジンを交換する際には減速機も同時に交換しなければならず、製造コスト及び運用コストを増大させる要因となっていた。
【０００８】
本発明の目的は、専用の減速機を用いず、確実に回転型マガジンの工具保持部と主軸との間で工具の受け渡しを行うことができる工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１の発明は、工具を着脱可能に保持する主軸と、前記主軸を回転駆動する主軸モータと、前記主軸モータを保持し、上下動可能な主軸ヘッドと、前記主軸の外周部に設けられ、前記主軸モータの駆動により前記主軸とともに回転する主軸側ギヤと、前記工具を保持する工具保持部を周方向複数箇所に備えた回転型マガジンと、前記主軸ヘッドを移動させ、前記工具を前記主軸と前記回転型マガジンの前記工具保持部との間で受け渡し可能な工具装着位置と、前記回転型マガジンが回転可能なマガジン回転位置とに、位置決め可能な移動機構と、前記主軸ヘッドが前記マガジン回転位置に位置するときに前記主軸側ギヤに噛合して前記主軸の回転により前記回転型マガジンを前記周方向に回転させるマガジン側ギヤと、前記主軸と前記回転型マガジンの前記工具保持部との間で前記工具を授受可能な工具交換機構と、を備えた工作機械において、前記主軸の回転方向位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果に基づき、前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記マガジン回転位置と前記工具装着位置との間を移動するとき、少なくとも前記工具装着位置において、予め定めた第１回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御し前記主軸の回転方向位置の位置決めを行う主軸制御手段と、を備え、前記主軸制御手段は、前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記マガジン回転位置と前記工具装着位置との間を移動するとき、少なくとも前記マガジン回転位置において、前記主軸側ギヤが前記マガジン側ギヤと噛合可能かつ前記第１回転方向位置と異なる第２回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御し前記主軸の回転方向位置の位置決めを行い、かつ、前記工作機械は、前記主軸ヘッドが前記マガジン回転位置から前記工具装着位置へ移動する際に前記位置検出手段が検出した前記主軸の回転方向位置を、前記第２回転方向位置として記憶する記憶手段をさらに備え、前記主軸制御手段は、少なくとも前記主軸ヘッドが前記工具装着位置から前記マガジン回転位置へ移動する際、前記主軸の回転方向位置を前記記憶手段に記憶した前記第２回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御することを特徴とする。
【００１０】
本願第１発明の工作機械は、主軸制御手段を設けている。主軸制御手段は、主軸モータを制御することで、主軸の回転方向の位置決めを行う。主軸制御手段は、主軸の回転方向位置を、少なくとも工具装着位置において第１回転方向位置となるように位置決め制御する。工作機械は、周方向に工具保持部を複数箇所備える種々の回転型マガジンのいずれを用いる場合であっても、確実に工具装着位置において主軸との間で工具の受け渡しを行うことができる。また、主軸の回転と回転型マガジンの回転との間に固有の対応関係を与える必要がないので、従来構造のように専用の減速機を用いる必要がない。それ故、工作機械は、汎用の減速機を用いることができ、コストダウンを図ることができる。
【００１１】
また、第１発明では、前記主軸制御手段は、前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記マガジン回転位置と前記工具装着位置との間を移動するとき、少なくとも前記マガジン回転位置において、前記主軸側ギヤが前記マガジン側ギヤと噛合可能かつ前記第１回転方向位置と異なる第２回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御し前記主軸の回転方向位置の位置決めを行うことを特徴とする。
【００１２】
本願第１発明の工作機械では、主軸制御手段は、主軸の回転方向位置を、少なくともマガジン回転位置において第１回転方向位置と異なる第２回転方向位置となるように位置決め制御する。主軸制御手段は、主軸の回転位置を、工具装着位置で工具の受け渡しを行った第１回転方向位置から第２回転方向位置へと変化させる。この結果、工作機械は、マガジン回転位置において主軸側ギヤとマガジン側ギヤとを確実に噛合させることができる。
【００１３】
また、第１発明では、前記主軸ヘッドが前記マガジン回転位置から前記工具装着位置へ移動する際に前記位置検出手段が検出した前記主軸の回転方向位置を、前記第２回転方向位置として記憶する記憶手段をさらに備え、前記主軸制御手段は、少なくとも前記主軸ヘッドが前記工具装着位置から前記マガジン回転位置へ移動する際、前記主軸の回転方向位置を前記記憶手段に記憶した前記第２回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御することを特徴とする。
【００１４】
本願第１発明の工作機械は、記憶手段を備えている。主軸制御手段は、記憶手段が記憶した、上記離脱時の第２回転方向位置となるように、主軸モータを制御する。工作機械は、主軸の回転方向位置を前回の離脱時と同じ位置とすることで、マガジン回転位置において主軸側ギヤとマガジン側ギヤとを確実に噛合させることができる。
【００１５】
第２発明は、上記第１発明において、前記第２回転方向位置が複数ある場合、前記主軸ヘッドが前記マガジン回転位置から前記工具装着位置へ移動する際に前記位置検出手段が検出した前記主軸の回転方向位置に最も近い前記第２回転方向位置を、目標第２回転方向位置として決定する第１噛合位置決定手段をさらに備え、前記主軸制御手段は、少なくとも前記主軸ヘッドが前記工具装着位置から前記マガジン回転位置へ移動する際、前記主軸の回転方向位置を前記第１噛合位置決定手段が決定した前記目標第２回転方向位置となるように、前記主軸モータを制御することを特徴とする。
【００１６】
本願第２発明の工作機械は、第１噛合位置決定手段を備える。第１噛合位置決定手段は、複数の第２回転方向位置のうち、前回離脱時の回転方向位置から最も近い第２回転方向位置を、目標第２回転方向位置とする。主軸制御手段は、その目標第２回転方向位置となるように、主軸モータを制御する。工作機械は、主軸の回転方向位置を前回の離脱時と同じ回転方向位置としなくても、マガジン回転位置において主軸側ギヤとマガジン側ギヤとを確実に噛合させることができる。工作機械は、複数の第２回転方向位置のうち前回離脱時の回転方向位置から最も近い位置を目標とすることで、主軸の回転方向位置の位置決め制御を簡単且つ確実に行うことができる。
【００１７】
第３発明は、上記第１又は第２発明のいずれかにおいて、前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記工具装着位置から前記マガジン回転位置へ第１速度で移動する場合、前記マガジン回転位置に前記主軸ヘッドが到達するまでに前記主軸が前記主軸制御手段の制御により前記第１回転方向位置から前記第２回転方向位置まで回転可能か否かを判定する第１判定手段と、前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記マガジン回転位置から前記工具装着位置へ前記第１速度で移動する場合、前記工具装着位置に前記主軸ヘッドが到達するまでに前記主軸が前記主軸制御手段の制御により前記第２回転方向位置から前記第１回転方向位置まで回転可能か否かを判定する第２判定手段と、前記第１判定手段又は第２判定手段で前記主軸が回転可能であると判定されなかった場合、前記主軸ヘッドの移動速度を前記第１速度よりも遅い第２速度に減速するように前記移動機構を減速制御する、減速制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。
【００１８】
本願第３発明は、第１判定手段及び第２判定手段に基づいて減速制御手段が移動機構を減速制御し、主軸ヘッドの上記移動を減速させる。工作機械は、主軸ヘッドが工具装着位置とマガジン回転位置との間を移動する間に、確実に主軸の回転が完了できる。
【００１９】
第４発明は、上記第３発明において、前記減速制御手段により前記移動機構を減速制御しているとき、前記主軸制御手段の制御によって前記第２回転方向位置から前記第１回転方向位置に位置決めが終了した場合又は前記第１回転方向位置から前記第２回転方向位置に位置決めが終了した場合には、前記減速制御手段は、前記移動機構に対する前記減速制御を解除することを特徴とする。
【００２０】
本願第４発明の工作機械では、減速制御手段は、主軸の回転が完了した場合には、主軸ヘッドの移動の減速制御を解除する。工作機械は、必要以上の無駄な減速制御を回避して主軸ヘッドの移動速度を通常通りに戻すことができる。工作機械は、作業効率の低下を防止することができる。
【００２１】
第５発明は、上記第３又は第４発明において、前記マガジン回転位置よりも前記工具装着位置側に所定長さ離れたマガジン側限界位置と、前記工具装着位置よりも前記マガジン回転位置側に所定長さ離れた装着側限界位置とを設定し、前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記工具装着位置から前記マガジン回転位置へと移動開始した後、前記主軸ヘッドが前記マガジン側限界位置に到達したとき、前記主軸が前記主軸制御手段の制御による前記第１回転方向位置から前記第２回転方向位置までの回転が完了したか否かを判定する第１回転判定手段と、前記主軸ヘッドが前記移動機構により前記マガジン回転位置から前記工具装着位置へと移動開始した後、前記主軸ヘッドが前記装着側限界位置に到達したとき、前記主軸が前記主軸制御手段の制御による前記第２回転方向位置から前記第１回転方向位置までの回転が完了したか否かを判定する第２回転判定手段と、前記第１回転判定手段又は第２回転判定手段により前記主軸の回転が完了していないと判定された場合、前記主軸ヘッドの移動を停止するように前記移動機構を停止制御する、停止制御手段と、をさらに備えることを特徴とする。
【００２２】
本願第５発明は、第１回転判定手段及び第２回転判定手段に基づいて、主軸の回転が完了したか否かを判定する。主軸が回転完了していないと判定した場合には、停止制御手段が移動機構による主軸ヘッドの移動を停止する。工作機械は、主軸が回転完了しないままマガジン回転位置又は工具装着位置に達するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、専用の減速機を用いず、確実に回転型マガジンの工具保持部と主軸との間で工具の受け渡しを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施の形態の工作機械の全体構成を表す側面図である。
【図２】工作機械の電気的構成を示す図である。
【図３】主軸及び工具マガジンの構成を詳細に示す縦断面図である。
【図４】（ａ）は、工具ホルダの側面図、（ｂ）は、工具ホルダの平面図である。
【図５】主軸の工具装着部が工具ホルダを取り外してから工具マガジンを回転させて工具ポットを交換するまでの工程を説明する図である。
【図６】工具交換の工程だけをまとめて表した図である。
【図７】主軸側ギヤとマガジン側ギヤとの噛合構成を示す図である。
【図８】第１調整回転の設定を説明する図である。
【図９】第２調整回転の設定を説明する図である。
【図１０】第１〜第３工程において数値制御装置のＣＰＵによって実行される制御内容を表すフローチャートである。
【図１１】上昇速度の減速が不要な場合における主軸の上昇制御の具体的内容を示すタイムチャートである。
【図１２】上昇速度の減速が必要な場合における主軸の上昇制御の具体的内容を示すタイムチャートである。
【図１３】緊急停止が必要な場合における主軸の上昇制御の具体的内容を示すタイムチャートである。
【図１４】第５〜第７工程において数値制御装置のＣＰＵによって実行される制御内容を表すフローチャートである。
【図１５】オリエント回転方向位置の近傍で主軸側ギヤとマガジン側ギヤを噛合させる第１調整回転を行った後の噛合構成例を示す図である。
【図１６】オリエント回転方向位置の近傍で主軸側ギヤとマガジン側ギヤを噛合させる第１調整回転の設定を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、図１の紙面左方、右方、表面、背面を、夫々工作機械１の前方、後方、左方、右方とする。
【００２６】
図１に示すように、工作機械１は、ＸＹ軸移動装置（図示省略）と、Ｚ軸移動装置５（移動機構）と、主軸駆動装置２０と、工具交換装置２（工具交換機構）と、ベース７等から構成されている。
【００２７】
ＸＹ軸移動装置（図示省略）は、ワーク（図示省略）を保持したテーブル１３５を直交するＸ軸方向（左右方向）とＹ軸方向（前後方向）とに移動する。ＸＹ軸移動装置は、Ｘ軸モータ１３１（図２参照）及びＹ軸モータ１３２（図２参照）を備えている。コラム３は、ベース７後方に立設している。コラム３は、その上方において前方に延びる一対のフレーム４を支持している。一対のフレーム４は、その前端部に工具交換装置２を支持している。主軸ヘッド６は、一対のフレーム４の間に配置している。主軸ヘッド６は、コラム３に沿ってＺ軸方向（上下方向）に昇降移動可能に設けてある。
【００２８】
Ｚ軸移動装置５は、Ｚ軸モータ１５を備えている。Ｚ軸モータ１５は、主軸ヘッド６をＺ軸方向に昇降移動させる。主軸ヘッド６は、その内部に鉛直方向に主軸２２を回転自在に設けている。主軸駆動装置２０は、主軸モータ２３を備えている。主軸モータ２３は、主軸２２を回転させる。
【００２９】
工具交換装置２は、回転型の工具マガジン８（回転型マガジン）を備えている。工具マガジン８は、主軸２２の中心軸に対して所定の角度をなす回転軸で回転可能である。工具交換装置２は、工具マガジン８のグリップアーム２７と主軸２２との間で、工具ホルダ７５（図４参照）を受け渡す。工作機械１は、これら複数の移動機構及び駆動機構の動作を夫々数値制御する数値制御装置９をコラム３の背面に設けている。
【００３０】
図２を参照して、数値制御装置９の電気的構成について説明する。数値制御装置９は、制御回路１１０と、各種駆動回路１２１〜１２５とを有している。制御回路１１０は、後述するＲＯＭ１１２に記憶した制御プログラム等を実行することで、工作機械１の加工動作及び工具交換動作等を制御する。制御回路１１０は、ＣＰＵ１１１、ＲＯＭ１１２及びＲＡＭ１１３（記憶手段）からなるマイクロコンピュータと、入力インターフェース１１４及び出力インターフェース１１５とを基本に構成されている。
【００３１】
入力インターフェース１１４には、工作機械１の前面に設けた操作パネル（図示省略）のキーボード１３０が電気的に接続されている。出力インターフェース１１５には、Ｘ軸モータ１３１を駆動する駆動回路１２１と、Ｙ軸モータ１３２を駆動する駆動回路１２２と、Ｚ軸モータ１５を駆動する駆動回路１２３と、主軸モータ２３を駆動する駆動回路１２４と、上記操作パネルに設けたＣＲＴ１３３を駆動するための駆動回路１２５とが、各々電気的に接続されている。
【００３２】
Ｘ軸モータ１３１は、テーブル１３５のＸ軸方向の位置を検出するエンコーダ１３１ａを備えている。Ｙ軸モータ１３２は、テーブル１３５のＹ軸方向の位置を検出するエンコーダ１３２ａを備えている。Ｚ軸モータ１５は、主軸ヘッド６のＺ軸方向の位置を検出するエンコーダ６ａを備えている。主軸モータ２３は、主軸２２の回転方向位置を検出するエンコーダ６ｂ（位置検出手段）を備えている。これらエンコーダ１３１ａ、１３２ａ、６ａ、６ｂは、マガジン側ギヤ３２（図３参照）の回転方向位置を検出するエンコーダ６ｃとともに、入力インターフェース１１４に接続されている。
【００３３】
図３に示すように、主軸２２は、主軸ヘッド６の上部に配設した主軸モータ２３（図１参照）にカップリング２４を介して連結されている。主軸２２は、主軸モータ２３の駆動力により回転する。主軸２２は、その下端部の内周に工具装着部２１を備えている。主軸２２は、その下端部の外周に主軸側ギヤ３１を備えている。
【００３４】
工具装着部２１は、切削工具７４（図４参照）を装着した工具ホルダ７５の上部を嵌挿可能になっている。工具装着部２１は、その上方にホルダ挟持部２５を有する。ホルダ挟持部２５は、工具ホルダ７５の上端に設けられているプルスタッド７５ｄ（図４参照）を把持することで工具装着部２１に工具ホルダ７５を装着でき、また把持を解除することで工具ホルダ７５の取り外しができる。
【００３５】
工具マガジン８は、マガジン側ギヤ３２と、ボールスプライン３３と、中間ギヤ３４〜３６とを備えている。工具マガジン８は全体が略円盤状に形成してある。工具マガジン８は、回転軸８Ａを中心に回転可能である。工具マガジン８は、その周方向の均等な間隔位置に複数のグリップアーム２７を備えている。各グリップアーム２７は、一端部に工具ホルダ７５を保持する二股状の工具保持部２８を有し、且つ工具マガジン８に対して回動可能である。
【００３６】
マガジン側ギヤ３２は、工具マガジン８の回転軸８Ａと平行且つ下方に回転可能に設けてある。マガジン側ギヤ３２は、主軸ヘッド６が最も上方に位置した状態で主軸側ギヤ３１と噛合可能である。マガジン側ギヤ３２は、その回転力を、ボールスプライン３３を介して中間ギヤ３４に伝達する。中間ギヤ３４は別の中間ギヤ３５と噛合している。中間ギヤ３５は工具マガジンの回転軸８Ａに設けた回転軸ギヤ３６と噛合している。主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２とが噛合している状態で、主軸モータ２３は、主軸２２を回転させることにより、主軸側ギヤ３１、マガジン側ギヤ３２、ボールスプライン３３、中間ギヤ３４及び中間ギヤ３５を介して回転軸ギヤ３６に駆動力を伝達する。工具マガジン８は回転軸ギヤ３６の回転によって回転軸８Ａを中心に回転する。
【００３７】
図４に示すように、工具ホルダ７５は、その下端に切削工具７４を装着する工具装着部７５ａと、その上部に位置する鍔状部７５ｂと、更にその上部に位置するテーパー部７５ｃと、最も上端部に位置するプルスタッド７５ｄとが一体に形成されている。上面図である図４（ｂ）に示すように、鍔状部７５ｂの外周上で１８０°対向する２箇所には、当該工具ホルダ７５自体の回転方向の位置決めと主軸２２の回転力を滑りなく工具ホルダ７５に伝達することを目的とした、キー溝７５ｅが凹設されている。
【００３８】
工具ホルダ７５がグリップアーム２７の工具保持部２８に保持されている際には、鍔状部７５ｂから上方の部分が露出する状態となる。一方のキー溝７５ｅは、工具保持部２８が有するキー（図示省略）と係合することで工具ホルダ７５自体の回転方向の位置決めが行われる。
【００３９】
主軸２２は、その下端に工具ホルダ７５のキー溝７５ｅと係合可能なドライブキー２６を設けている（図５参照）。工具ホルダ７５を装着する際、主軸２２は主軸側ギヤ３１の回転方向位置を工具ホルダ７５のキー溝７５ｅとドライブキー２６とを係合可能な３６０°中の所定の１箇所に位置決めする必要がある。この主軸側ギヤ３１の回転方向位置をオリエント回転方向位置とする。
【００４０】
尚、以下の説明では、説明の便宜と発明の理解の容易のために、前述したマガジン側ギヤ３２、ボールスプライン３３、中間ギヤ３４、及び中間ギヤ３５を介し回転軸ギヤ３６へ回転駆動力が伝達されるときの減速比を１の場合を例にとって説明する。
【００４１】
図５を参照して、主軸２２の工具装着部２１に装着した切削工具７４を交換する際に実行する工程を説明する。尚、図中では関係する部分だけを模式的なモデル図で示しており、特に理解が容易なように、マガジン側ギヤ３２の中心軸と工具マガジン８の回転軸８Ａを同一軸で構成し、且つそれらを主軸２２と平行に配置して示している。
【００４２】
図５（ａ）に示すように、所定の切削工具７４による切削加工を行った後、主軸ヘッド６は上昇移動してＺ軸原点（後述のＢ点）で静止する。該切削工具７４を保持するグリップアーム２７は、主軸ヘッド６の上昇移動に伴って主軸２２側に回動する。このときの工具マガジン８及びマガジン側ギヤ３２の回転方向位置は、割り出し回転方向位置である。主軸２２はオリエント回転方向位置にある。工具装着部２１は、工具ホルダ７５の鍔状部７５ｂより上方部分を収納している。ドライブキー２６は、工具ホルダ７５のキー溝７５ｅに係合している。
【００４３】
図５（ｂ）に示すように、Ｚ軸モータ１５の駆動により主軸ヘッド６が上昇することで、主軸２２のドライブキー２６と工具ホルダ７５のキー溝７５ｅとの係合は解除され且つグリップアーム２７の工具保持部２８に工具ホルダ７５が受け渡される。このときの主軸ヘッド６のＺ軸方向位置をＣ点とする。
【００４４】
図５（ｃ）に示すように、更に主軸ヘッド６が上昇することで、主軸側ギヤ３１の上面はマガジン側ギヤ３２の下面に一致する。前述の状態では、主軸２２が回転しても工具マガジン８は回転しない。このときの主軸ヘッド６のＺ軸方向位置をＤ点とする。
【００４５】
図５（ｄ）に示すように、主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２の夫々のギヤ歯が互いに噛合可能にギヤ歯位相が一致している場合、そのまま主軸ヘッド６が上昇することで、２つのギヤ３１、３２は噛合する。このときの主軸ヘッド６のＺ軸方向位置をＥ点とする。この状態は主軸ヘッド６が最も上昇した位置である。
【００４６】
Ｅ点では、主軸モータ２３の駆動により主軸２２を回転させることで、２つのギヤ３１、３２を介して工具マガジン８を回転することができる。工具マガジン８は、次に装着する予定の工具ホルダ７５を保持したグリップアーム２７を、上述した主軸２２の下方延長線上に割り出すための工具割り出しを行うことができる。次の工具割り出しを行った後は、上記の工程を逆の順で実行することで次の工具ホルダ７５を主軸２２の工具装着部２１に取り付けることができる。
【００４７】
図６に示すように、Ｂ点で主軸２２はオリエント回転方向位置に位置決めされる。主軸ヘッド６は上昇を開始し、Ｃ点を通過する。このＢ点からＣ点までの間に、工具ホルダ７５は、主軸２２からグリップアーム２７の工具保持部２８に受け渡される。この工程を、以下「第１工程」という。
【００４８】
更に主軸ヘッド６が上昇移動を継続し、Ｃ点を通過後Ｄ点に到達するまでの間の工程を、以下「第２工程」という。Ｃ点通過直後、主軸側ギヤ３１の回転方向位置はオリエント回転方向位置である。このため、第２工程ではＤ点に到達するまでに、２つのギヤ３１、３２が噛合可能な位置に主軸側ギヤ３１の回転方向位置を調整する必要がある。第２工程中において、主軸側ギヤ３１の回転方向位置を調整するために主軸２２を回転させることを、以下「第１調整回転」という。
【００４９】
更に主軸ヘッド６が上昇移動してＤ点を通過し、主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２との噛合が完了するＥ点に到達するまでの間の工程を、以下「第３工程」という。この第３工程中においては、２つのギヤ３１、３２が噛合途中の状態にあるため、基本的に主軸２２は回転しない。
【００５０】
主軸ヘッド６がＥ点に到達すると、主軸ヘッド６の上昇移動が停止する。このとき、工具マガジン８のマガジン側ギヤ３２は、割り出し回転方向位置に位置する。この状態から主軸２２は回転駆動し、マガジン側ギヤ３２は工具マガジン８を回転させることで、次に使用する予定の工具ホルダ７５のグリップアーム２７を割り出し回転方向位置に位置させる。この工具割り出しを行う工程を以下「第４工程」という（上記図５（ｄ）参照）。
【００５１】
第４工程が完了した後、主軸ヘッド６は下降移動し、主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２の噛合が解除され（Ｄ点）、工具割り出し後の次に使用する工具の工具ホルダ７５を主軸２２の工具装着部２１に装着し始める（Ｃ点）。その後、主軸ヘッド６がＺ軸原点まで下降移動して、次に使用する工具の工具ホルダ７５を保持していたグリップアーム２７は、回動を開始し始め、工具ホルダ７５の受け渡しを完了する（Ｂ点）。この間のＥ点からＤ点までの工程を以下「第５工程」と称し、Ｄ点からＣ点までの工程を以下「第６工程」と称し、Ｃ点からＢ点までの工程を以下「第７工程」と称する。
【００５２】
第６工程の開始時には、上記第４工程の工具割り出しによって主軸側ギヤ３１の回転方向位置がオリエント回転方向位置からずれた状態となっている。このため、Ｃ点に到達するまでには、主軸側ギヤ３１の回転方向位置をオリエント回転方向位置にする必要がある。このように第６工程中において、主軸側ギヤ３１の回転方向位置がオリエント回転方向位置になるまで主軸２２を回転させることを、以下「第２調整回転」という。
【００５３】
第７工程中においては、主軸側ギヤ３１の回転方向位置がオリエント回転方向位置であり、主軸２２側のドライブキー２６と工具ホルダ７５のキー溝７５ｅとが係合する。その後、ホルダ挟持部２５が工具ホルダ７５側のプルスタッド７５ｄを把持して工具ホルダ７５を装着し、工具交換の工程が終了する。
【００５４】
工具交換の工程において、第１〜第３工程での主軸ヘッド６の上昇移動は比較的速い第１上昇速度でできるだけ移動させ、第１調整回転が間に合わない場合には一時的に第１上昇速度より遅い第２上昇速度で移動させる。同様に、第５〜第７工程での主軸ヘッド６の下降移動は比較的速い第１下降速度でできるだけ移動させ、第２調整回転が間に合わない場合には一時的に第１下降速度より遅い第２下降速度で移動させる。尚、これら第１上昇速度、第２上昇速度、第１下降速度及び第２下降速度での移動は、夫々等速度移動である。
【００５５】
第１調整回転と、第２調整回転との夫々で、制御不調等の偶発的要因により調整回転が間に合わない場合がある。そのために主軸ヘッド６の昇降移動を緊急停止するか否かを最終的に判断する停止限界位置が設定されている。図６に示すように、第２工程中におけるＤ点の近傍には上昇停止限界位置が設定されている。第６工程中におけるＣ点の近傍には下降停止限界位置が設定されている。
【００５６】
上昇停止限界位置は、主軸ヘッド６が第１の上昇速度で上昇移動している場合でも、当該上昇停止限界位置から移動停止動作を開始することで、Ｄ点に到達する直前に主軸ヘッド６の上昇移動を完全に停止できる位置である。下降停止限界位置は、主軸ヘッド６が第１の下降速度で下降移動している場合でも、当該下降停止限界位置から移動停止動作を開始することで、Ｃ点に到達する直前に主軸ヘッド６の下降移動を完全に停止できる位置である。
【００５７】
尚、Ｂ点における主軸ヘッド６のＺ軸方向位置が各請求項記載の工具装着位置に相当し、Ｅ点における主軸ヘッド６のＺ軸方向位置がマガジン回転位置に相当し、主軸側ギヤ３１のオリエント回転方向位置が第１回転方向位置に相当する。また、第１上昇速度及び第１下降速度が各請求項記載の第１速度に相当し、第２上昇速度及び第２下降速度が各請求項記載の第２速度に相当する。また、上昇停止限界位置が各請求項記載のマガジン側限界位置に相当し、下降停止限界位置が各請求項記載の装着側限界位置に相当する。
【００５８】
図７に示すように、第０割り出しマーキングＭ０は、第０番目（図中では＃０と略記）のグリップアーム２７の割り出し位置に対応する指標である。この第０割り出しマーキングＭ０が、主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２との夫々の回転中心を結ぶ中心間基準線Ｌと重なった際には、第０番目のグリップアーム２７が割り出し位置に位置するとともに、当該マガジン側ギヤ３２が回転方向基準位置（０°位置）に位置している。本実施形態では、この第０割り出しマーキングＭ０が中心間基準線Ｌとなす反時計方向の角度（図７中の左側の延矢印参照）を、その時点でのマガジン側ギヤ３２の回転方向位置とする。尚、この第０割り出しマーキングＭ０がマガジン側ギヤ３２のある一つの歯底の中央に配置されている。
【００５９】
主軸側ギヤ３１においては上記オリエント回転方向位置を、当該主軸側ギヤ３１の回転方向基準位置とする。図７に示す例では、主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２とは夫々が回転方向基準位置に位置している。
【００６０】
図７に示すように、オリエントマーキングＭＲは、主軸側ギヤ３１のオリエント回転方向位置に対応する指標である。このオリエントマーキングＭＲが中心間基準線Ｌと重なった際には、当該主軸側ギヤ３１はオリエント回転方向位置に位置する。本実施形態では、このオリエントマーキングＭＲが中心間基準線Ｌとなす時計方向の角度位置（図７中の右側の延矢印参照）を、その時点での主軸側ギヤ３１の回転方向位置とする。尚、マガジン側ギヤ３２の第０割り出しマーキングＭ０に対応して、オリエントマーキングＭＲがある一つの歯先の中央に配置されている。また、オリエントマーキングＭＲは主軸側ギヤ３１の全周のうちで一箇所にしか配置されない。
【００６１】
尚、上記主軸モータ２３は正転と逆転の両方で回転駆動可能であり、主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２との間にはバックラッシュはないものとする。主軸側ギヤ３１の歯数をＳ、マガジン側ギヤ３２の歯数をＭ、工具マガジン８が備えるグリップアーム２７の数をＰとすると、主軸側ギヤ３１のギヤ歯ピッチ角は３６０°／Ｓ、マガジン側ギヤ３２のギヤ歯ピッチ角は３６０°／Ｍ、マガジン側ギヤ３２のグリップアームピッチ角は３６０°／Ｐ、マガジン側ギヤ３２における各グリップアーム間の１ピッチ当たりのギヤ歯数はＭ／Ｐとなる。
【００６２】
図８を参照して、第２工程における第１調整回転について説明する。ある工具交換の工程での第１調整回転を開始するにあたっては、その前回の工具交換工程での第４工程で割り出したマガジン側ギヤ３２の割り出し回転方向位置を考慮する必要がある。例えば、現時点で主軸２２が装着している第Ｊ番目の工具ホルダ７５のグリップアーム２７を前回の第４工程での工具割り出しによって図８（ａ）に示す位置に割り出したとする。尚、このときのマガジン側ギヤ３２の回転方向位置を、第Ｊ割り出し回転方向位置とする。
【００６３】
このとき、主軸側ギヤ３１の回転方向位置、つまりオリエントマーキングＭＲが中心間基準線Ｌに対してなす相対角度は、θｘである。ここで、第４工程の工具割り出しにおいては工具保持部２８の選択次第で主軸側ギヤ３１を３６０°以上回転させる場合があるが、θｘは工具割り出しが完了した時点での中心間基準線ＬとオリエントマーキングＭＲの間の相対角度であり、ここでは０°≦θｘ＜３６０°の範囲で表す。
【００６４】
第５〜第７工程によって主軸ヘッド６は下降移動し、主軸側ギヤ３１は主軸２２の第２調整回転によってオリエント回転方向位置に戻り、第Ｊ番目の工具ホルダ７５を主軸に装着する。その後、第Ｊ番目の工具ホルダ７５を装着した主軸２２によってワークに対する切削加工を終え、次の工具ホルダ７５に交換するべく第１工程開始前のＢ点に位置した際、主軸側ギヤ３１は図８（ｂ）に示す状態となる。
【００６５】
本実施形態では、図８（ｃ）に示すように、第２工程における第１調整回転において、主軸側ギヤ３１を上記θｘだけ正方向に回転させるため第１調整回転角θ１はθ１＝θｘとなる。これにより、第２工程では主軸側ギヤ３１をオリエント回転方向位置から上記図８（ａ）の状態と同じ回転方向位置に戻すことができる。主軸側ギヤ３１は第Ｊ割り出し回転方向位置に位置するマガジン側ギヤ３２に対して次の第３工程で確実に噛合することができる。
【００６６】
以上において、主軸２２がオリエント回転方向位置から第１調整回転角θ１だけ調整回転した結果、主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２と噛合可能となった回転方向位置が、各請求項記載の第２回転方向位置に相当する。
【００６７】
尚、本実施形態の工作機械１では、主軸２２を逆転させることも可能であるため、１８０°＜θｘである場合を考慮し、さらにθｘ＝θｘ−３６０°で置き換えて−１８０°＜θｘ≦１８０°の範囲で設定してもよい。
【００６８】
図９を参照して、第６工程における第２調整回転について説明する。まず、今回の第４工程では、マガジン側ギヤ３２が図９（ａ）に示す第Ｋ割り出し回転方向位置に割り出されたとする。このとき、主軸側ギヤ３１の回転方向位置、つまりオリエントマーキングＭＲが中心間基準線Ｌに対してなす相対角度はθｘである。
【００６９】
図９（ｂ）に示すように、第６工程における第２調整回転では、主軸側ギヤ３１の回転方向位置をオリエント回転方向位置に合わせる。この場合、主軸側ギヤ３１を上記θｘだけ逆方向に回転させるため、第２調整回転角θ２はθ２＝−θｘとなる。これにより、第６工程では主軸側ギヤ３１をオリエント回転方向位置に合わせることができる。次の第７工程で主軸２２側のドライブキー２６は工具ホルダ７５のキー溝７５ｅと確実に係合可能となる。
【００７０】
尚、この場合においても、上記θｘは０°≦θｘ＜３６０°の範囲で設定してもよいし、θｘ＝θｘ−３６０°で置き換えて図示する例のように−１８０°＜θｘ≦１８０°の範囲で設定してもよい。
【００７１】
尚、特に図示しないが、今回の第４工程における工具割り出しにおいて、マガジン側ギヤ３２を第Ｊ割り出し回転方向位置から第Ｋ割り出し回転方向位置に割り出す場合、マガジン側ギヤ３２における各グリップアーム２７間の１ピッチ当たりのギヤ歯数がＭ／Ｐであり、主軸側ギヤ３１のギヤ歯ピッチ角は３６０°／Ｓであることから、この工具割り出しに必要となる主軸２２の絶対割り出し回転角θ３は、
θ３＝（Ｋ−Ｊ）×Ｍ/Ｐ×３６０°/Ｓ
となる。ここで（Ｋ−Ｊ）はグリップアーム移動数であり、１≦（Ｋ−Ｊ）≦（Ｐ−１）の範囲となる。（Ｋ−Ｊ）を（Ｋ−Ｊ−Ｐ）に置き換えて、−Ｐ/２＜（Ｋ−Ｊ−Ｐ）≦Ｐ/２の範囲で設定してもよい。
【００７２】
絶対割り出し回転角θ３の絶対値が３６０°以上となる場合は、第４工程の工具割り出しの実行前後の時点で夫々の主軸側ギヤ３１の回転方向位置の間になす相対角度を、相対割り出し回転角θｍ（相対噛合中回転角）とすると、
θｍ＝（Ｋ−Ｊ）×Ｍ/Ｐ×３６０°/Ｓ−Ｒｏｕｎｄｄｏｗｎ（（（Ｋ−Ｊ）×Ｍ/Ｐ×３６０°/Ｓ）／３６０°）×３６０°・・・（１）
となる。Ｒｏｕｎｄｄｏｗｎは、小数点以下を切捨てる関数である。
【００７３】
図１０を参照して、第１〜第３工程について数値制御装置９のＣＰＵ１１１によって実行される制御手順を説明する。尚、このフローは主軸ヘッド６がＺ軸方向のＢ点に位置し、工具交換指令を実行する際に、開始する。但し、図中の符号Ｓｉ（ｉ＝５、１０・・・）は各ステップである。
【００７４】
Ｓ５において、ＣＰＵ１１１は、第１調整回転角θ１を算出する。これは図８で説明したように、前回の第４工程完了時の主軸側ギヤ３１の回転方向位置θｘに基づいて、第１調整回転角θ１＝θｘとする。尚、主軸側ギヤ３１の回転方向位置θｘは、前回の工具交換工程において第２調整回転角θ２を算出（後述の図１４のＳ１０５参照）した際に予めＲＡＭ１１３に記憶した回転方向位置θｘを用いる。
【００７５】
次にＳ１０へ移り、ＣＰＵ１１１は、主軸側ギヤ３１を第１調整回転角θ１だけ回転させるのに必要な第１調整回転必要時間Ｔｕ１と、主軸ヘッド６を第１上昇速度で上昇移動させた場合にＣ点からＤ点まで到達するのに必要な時間である第２工程最短必要時間Ｔｕ２とを算出する。尚、第１調整回転必要時間Ｔｕ１と第２工程最短必要時間Ｔｕ２を算出する際、主軸２２の回転速度と第１上昇速度とを用いるが、両速度は、予めＲＯＭ１１２に記憶されている。
【００７６】
次にＳ１５へ移り、ＣＰＵ１１１は、Ｚ軸モータ１５の駆動により主軸ヘッド６を第１上昇速度で上昇移動開始させる。
【００７７】
次にＳ２０へ移り、ＣＰＵ１１１は、Ｚ軸モータ１５のエンコーダ６ａからの検出信号に基づいて、主軸ヘッド６のＺ軸方向位置がＣ点に到達したか否かを判定し、到達したと判定されるまでループ待機する。
【００７８】
このＳ２０の判定が満たされた際、Ｓ２５へ移り、ＣＰＵ１１１は、主軸モータ２３の駆動により主軸２２を第１調整回転角θ１の回転量を回転させる。
【００７９】
次にＳ３０へ移り、ＣＰＵ１１１は、上記Ｓ１０で算出した第２工程最短必要時間Ｔｕ２と第１調整回転必要時間Ｔｕ１との差が所定の余裕時間Ｔｘ１以上であるか否かを判定する。尚、この所定の余裕時間Ｔｘ１は、上昇停止限界位置からＤ点までの間に主軸ヘッド６が第１上昇速度で上昇移動する際に必要とする時間である。判定が満たされる場合、ＣＰＵ１１１は処理を次のＳ４０へ移す。判定が満たされない場合、ＣＰＵ１１１は処理をＳ３５へ移し、主軸ヘッド６の上昇速度を第２上昇速度に減速してからＳ４０へ移す。
【００８０】
次のＳ４０において、ＣＰＵ１１１は、Ｚ軸モータ１５のエンコーダ６ａからの検出信号に基づいて、主軸ヘッド６のＺ軸方向位置が上昇停止限界位置に到達したか否かを判定する。判定が満たされない場合、次のＳ５０へ移る。判定が満たされる場合、ＣＰＵ１１１は処理をＳ４５へ移し、主軸ヘッド６の上昇移動を緊急停止してこのフローを終了する。
【００８１】
次のＳ５０において、ＣＰＵ１１１は、主軸モータ２３のエンコーダ６ｂからの検出信号に基づいて、第１調整回転が終了したか否かを判定する。判定が満たされた場合、ＣＰＵ１１１は処理を次のＳ５５へ移す。判定が満たされなかった場合、ＣＰＵ１１１は処理をＳ４０へ戻し、同様の手順を繰り返す。
【００８２】
次のＳ５５において、ＣＰＵ１１１は、上記Ｓ３０と同様に、第２工程最短必要時間Ｔｕ２と第１調整回転必要時間Ｔｕ１との差が所定の余裕時間Ｔｘ１以上であるか否かを判定する。判定が満たされる場合、ＣＰＵ１１１は処理をそのまま次のＳ６５へ移す。判定が満たされない場合、ＣＰＵ１１１は処理をＳ６０へ移し、主軸ヘッド６の上昇速度を第１上昇速度に戻してからＳ６５へ移す。
【００８３】
次のＳ６５において、ＣＰＵ１１１は、主軸ヘッド６のＺ軸方向位置がＥ点前停止位置に到達したか否かを判定する。このＥ点前停止位置は、主軸ヘッド６が第１上昇速度で移動している場合でも、当該Ｅ点前停止位置からの移動停止動作によって主軸ヘッド６をＥ点で完全に停止できる位置である（後述の図１１、図１２参照）。主軸ヘッド６がこのＥ点前停止位置判定に到達したと判定されるまで、ＣＰＵ１１１はＳ６５を繰り返してループ待機し、判定が満たされた場合には次のＳ７０へ処理を移す。
【００８４】
次のＳ７０において、ＣＰＵ１１１は、Ｚ軸モータ１５を停止して主軸ヘッド６をＥ点に停止させ、このフローを終了する。
【００８５】
以上のフローによって第１〜第３工程に行われる主軸制御の具体的内容を、以下にタイムチャートを用いて説明する。
【００８６】
図１１を参照して、上昇速度の減速が不要な場合である第２工程最短必要時間Ｔｕ２と第１調整回転必要時間Ｔｕ１との差が所定の余裕時間Ｔｘ１以上の場合における主軸ヘッド６の上昇制御について説明する。
【００８７】
ＣＰＵ１１１は、Ｚ軸モータ１５に対して第１工程の開始時から第１上昇速度で主軸ヘッド６を上昇移動させる上昇速度指令を出力する。主軸ヘッド６は、初動で所定の加速期間を経てから第１上昇速度に到達し、そのまま主軸ヘッド６が等速度で上昇移動し続ける。Ｃ点を通過して第２工程に移行した際には、ＣＰＵ１１１は主軸モータ２３を制御して第１調整回転を開始する。ここで、第２工程最短必要時間Ｔｕ２と第１調整回転必要時間Ｔｕ１との差が所定の余裕時間Ｔｘ１以上であるため、主軸ヘッド６が上昇停止限界位置に到達する前に第１調整回転は完了する。
【００８８】
主軸ヘッド６のＺ軸方向位置がＤ点を通過して第３工程に移行した後、Ｅ点前停止位置に到達した時点で、ＣＰＵ１１１は上昇速度指令の出力を停止する。主軸ヘッド６は所定の減速期間を経てからＥ点で停止し、第３工程を終了する。
【００８９】
次に、図１２を参照して、主軸ヘッド６の上昇速度が減速する場合について説明する。
【００９０】
第１工程では、上記図１１の場合と同様に主軸ヘッド６を第１上昇速度で上昇移動させる。第２工程最短必要時間Ｔｕ２と第１調整回転必要時間Ｔｕ１との差が所定の余裕時間Ｔｘ１より小さいため、Ｃ点を通過して第２工程に移行した際には、ＣＰＵ１１１はＺ軸モータ１５に出力する上昇速度指令を第２上昇速度に変更する。これにより、主軸ヘッド６は所定の減速期間を経て第２上昇速度に減速する。この減速の開始と同時にＣＰＵ１１１は主軸モータ２３を制御して第１調整回転を開始する。
【００９１】
この第１調整回転が完了した時点で、ＣＰＵ１１１はＺ軸モータ１５に出力する上昇速度指令を第１上昇速度に戻す。これにより、主軸ヘッド６は所定の加速期間を経て第１上昇速度に戻る。その後、主軸ヘッド６がＤ点を通過して第３工程に移行した後は、上記図１１と同様にＣＰＵ１１１はＥ点前停止位置で上昇速度指令の出力を停止し、主軸ヘッド６をＥ点で停止させて第３工程を終了する。
【００９２】
次に、図１３を参照して、緊急停止が必要な場合について説明する。尚、図示する例では、上記図１１と同様に第２工程最短必要時間Ｔｕ２と第１調整回転必要時間Ｔｕ１との差が所定の余裕時間Ｔｘ１以上である場合を示している。
【００９３】
第１工程では、上記図１１の場合と同様に主軸ヘッド６を第１上昇速度で上昇移動させる。主軸ヘッド６がＣ点を通過して第２工程に移行した際には、主軸ヘッド６が第１上昇速度で上昇移動を続けたまま第１調整回転を開始する。しかし、通常では主軸ヘッド６が上昇停止限界位置に到達する前に第１調整回転が完了するところ、制御不調等の何らかの偶発的要因により第１調整回転が間に合わない場合がある。
【００９４】
主軸ヘッド６が上昇停止限界位置に到達した時点でも第１調整回転が完了していないと判定された場合、直ちにＣＰＵ１１１は上昇速度指令の出力と第１調整回転を停止する。これにより、主軸ヘッド６は所定の減速期間を経てからＤ点の直前で緊急停止し、工具交換の工程を中断する。尚、上記の上昇停止限界位置は第１上昇速度に対応して設定されているが、第２工程最短必要時間Ｔｕ２と第１調整回転必要時間Ｔｕ１との差が所定の余裕時間Ｔｘ１より短く減速が必要な場合には、第２上昇速度に対応した上昇停止限界位置を設定してもよい。
【００９５】
図１４を参照して、第５〜第７工程について数値制御装置９のＣＰＵ１１１によって実行される制御手順を説明する。尚、このフローは上記図１０による第１〜３工程の後、第４工程での工具割り出しが完了した際に、開始する。この図１４に示すフローは、概略的には上記図１０のフローと同等であり、以下においては主に異なる手順のみ説明し、その他同等の手順については適宜省略する。
【００９６】
尚、工具割り出しは、工具交換前に割り出されたグリップアーム２７から次に装着する予定の工具ホルダ７５を保持したグリップアーム２７までのピッチ数に基づいてＣＰＵ１１１が主軸モータ２３を駆動して行う。
【００９７】
Ｓ１０５において、ＣＰＵ１１１は、第２調整回転角θ２を算出する。これは上記図９で説明したように、その直前の第４工程完了時の主軸側ギヤ３１の回転方向位置θｘを算出し、第２調整回転角θ２＝−θｘとする。尚、主軸側ギヤ３１の回転方向位置θｘは、次の工具交換工程における第１調整回転角θ１の算出（上記図１０のＳ５参照）に利用するためＲＡＭ１１３に記憶する。
【００９８】
次にＳ１１０へ移り、ＣＰＵ１１１は、主軸側ギヤ３１を第２調整回転角θ２だけ回転させるのに必要な第２調整回転必要時間Ｔｄ１と、主軸ヘッド６を第１下降速度で下降移動させた場合に主軸ヘッド６がＤ点からＣ点まで到達するのに必要な時間である第６工程最短必要時間Ｔｄ２とを算出する。
【００９９】
Ｓ１１５以降の手順は、主軸ヘッド６をＤ点、下降停止限界位置、Ｃ点を経過してＢ点に位置決めする。Ｓ１２５では第１調整回転に代えて第２調整回転を行う。Ｓ１１５、Ｓ１３５、Ｓ１６０では第１上昇速度及び第２上昇速度に代えて第１下降速度及び第２下降速度での速度制御を行う。所定の余裕時間Ｔｘ２は下降停止限界位置からＣ点までの間に主軸ヘッド６が第１下降速度で下降移動する際に必要とする時間で求めて、上記図１０のフローと同等の手順を行えばよい。
【０１００】
第５〜７工程に行われる主軸制御の具体的内容については、各用語を置き換えるとともにＺ軸位置の変化が上下逆転するだけであり、それ以外は上記図１１〜図１３の夫々の場合に対応してほぼ同等となるため図示を省略する。
【０１０１】
以上において、上記図１０のフローにおけるＳ５、Ｓ２５の手順及び上記図１４のフローにおけるＳ１０５、Ｓ１２５の手順が、主軸制御手段として機能する。また、Ｓ３０の手順が、第１判定手段として機能し、Ｓ１３０の手順が、第２判定手段として機能する。また、Ｓ３５、Ｓ６０、Ｓ１３５、Ｓ１６０の手順が、減速制御手段として機能する。また、Ｓ４０の手順が、第１回転判定手段として機能し、Ｓ１４０の手順が第２回転判定手段として機能し、Ｓ４５、Ｓ１４５の手順が停止制御手段として機能する。
【０１０２】
以上説明したように、本実施形態においては、第４工程において、主軸側ギヤ３１及びマガジン側ギヤ３２の噛合により工具割り出しを行い、次に使用する予定の工具ホルダ７５のグリップアーム２７を、割り出し回転方向位置に位置させる。その後、第６工程の第２調整回転により、主軸側ギヤ３１の回転方向位置がオリエント回転方向位置となるように位置決め制御される。これにより、工具割り出しによって主軸側ギヤ３１は必ずオリエント回転方向位置となり、ドライブキー２６とキー溝７５ｅとを確実に係合させ、切削工具７４の受け渡しを行うことができる。この結果、周方向にグリップアーム２７を複数箇所備える種々の工具マガジン８のいずれを用いる場合であっても、主軸２２との間で工具の受け渡しを行うことができる。また、主軸２２の回転と工具マガジン８の回転との間に固有の対応関係を与える必要がないので、従来構造のように、工具マガジン８へマガジン側ギヤ３２から伝達する回転駆動力を特定の減速比で減速する特別な減速機や、主軸側ギヤ３１及びマガジン側ギヤ３２の特定のギヤ比の組み合わせを用いる必要がない。この結果、マガジン側ギヤ３２から伝達する回転駆動力の減速において、汎用の減速機を用いることができ、コストダウンを図ることができる。
【０１０３】
ＲＡＭ１１３は、工具マガジン８の割り出し回転を終了して主軸側ギヤ３１がマガジン側ギヤ３２から離脱するときの、主軸側ギヤ３１の回転方向位置θｘを記憶する。そして、第２工程で、主軸モータ２３はＲＡＭ１１３に記憶した上記離脱時の回転方向位置θｘとなるように、主軸２２を制御する。このように、主軸側ギヤ３１の回転方向位置を前回の離脱時と同じ回転方向位置θｘとすることにより、第３工程で主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２とを確実に噛合させることができる。
【０１０４】
第２工程を実行している間、図１０のＳ３０で、第２工程最短必要時間Ｔｕ２と第１調整回転必要時間Ｔｕ１との差を判定する。この差が所定の余裕時間Ｔｘ１未満であると判定した場合に、Ｓ３５でＺ軸モータ１５が減速制御され、主軸ヘッド６の上昇移動が減速される。これにより、主軸ヘッド６の上昇移動中に、確実に主軸２２の第１調整回転を完了させることができる。同様に、第６工程を実行している間、図１４のＳ１３０で、第６工程最短必要時間Ｔｄ２と第２調整回転必要時間Ｔｄ１との差を判定する。この差が所定の余裕時間Ｔｘ２未満であると判定した場合には、Ｓ１３５でＺ軸モータ１５が減速制御され、主軸ヘッド６の下降移動が減速される。これにより、主軸ヘッド６の下降移動中に、確実に主軸２２の第２調整回転を完了させることができる。
【０１０５】
Ｓ３５又はＳ１３５において減速制御中に主軸２２の第１調整回転又は第２調整回転が完了した場合には、Ｓ６０又はＳ１６０で、それまで行っていた減速制御を解除する。これにより、必要以上の無駄な減速制御を回避することができる。
【０１０６】
第２工程で主軸ヘッド６が上昇停止限界位置に到達した際、主軸２２が第１調整回転を完了したか否かが判定される。主軸２２が第１調整回転を完了していなかった場合には、Ｓ４５でＺ軸モータ１５による主軸ヘッド６の移動を停止する。これにより、主軸２２が第１調整回転を完了しないままＤ点に達するのを防止することができる。同様に、主軸ヘッド６が下降停止限界位置に到達した際、主軸２２が第２調整回転を完了したか否かが判定される。主軸２２が第２調整回転を完了していなかった場合には、Ｓ１４５でＺ軸モータ１５による主軸ヘッド６の移動を停止する。これにより、主軸２２が第２調整回転を完了しないまま主軸ヘッド６がＣ点に達するのを防止することができる。
【０１０７】
尚、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、その変形例を説明する。
【０１０８】
（１）オリエント回転方向位置の近傍の回転方向位置で主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２を噛合させる場合
上記実施形態では、第２工程の第１調整回転において、主軸２２をオリエント回転方向位置から、その前回の第４工程で工具割り出し回転を行った際の主軸２２の回転方向位置θｘまで調整回転させていたが、本発明はこれに限られない。第１調整回転では、実質的に主軸側ギヤ３１をマガジン側ギヤ３２に噛合できるよう回転させるだけでよいため、オリエント回転方向位置の近傍の回転方向位置に調整回転させ、第１調整回転角θ１を小さくしてもよい。
【０１０９】
図１５を参照して、本変形例による第１調整回転を行った後の主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２との噛合構成例を説明する。
【０１１０】
図１５に示すように、マガジン側ギヤ３２は第Ｊ割り出し回転方向位置に位置している。上記図７に示すようにマガジン側ギヤ３２が回転方向基準位置、つまり第０割り出し回転方向位置に位置している際には、中心間基準線Ｌ上にマガジン側ギヤ３２の歯底の中央と重なっていた。しかし、図１５に示す例では、第Ｊ割り出し回転方向位置に位置している際に、マガジン側ギヤ３２の歯先の角が中心間基準線Ｌに位置している。上記図７に示した実施形態の例にならって、マガジン側ギヤ３２の歯底の中央をギヤ歯位相の０基準とした場合、マガジン側ギヤ３２が図１５に示す第Ｊ割り出し回転方向位置に位置した際には、中心間基準線Ｌ上でギヤ歯位相差φｍが生じる。
【０１１１】
これは、マガジン側ギヤ３２の全ギヤ歯数Ｍが全工具ポット数Ｐの整数倍でない場合に、工具ポット間の１ピッチ当たりのギヤ歯数Ｍ／Ｐに小数点以下の端数が生じるためである。尚、全ギヤ歯数Ｍが全工具ポット数Ｐの整数倍でない場合でも、マガジン側ギヤ３２が所定の工具割り出し回転方向位置に位置した際にギヤ歯位相差φｍが０になる場合もあり得る。
【０１１２】
ここで、マガジン側ギヤ歯位相差φｍは、マガジン側ギヤ３２のギヤ歯ピッチ角を１単位とした場合の小数点以下の数字０≦φｍ＜１で表され、つまりマガジン側ギヤ３２が上記図７に示した状態の回転方向基準位置から図１５に示した状態の第Ｊ割り出し回転方向位置まで回転した際に、中心間基準線Ｌを通過したギヤ歯数の小数点以下の端数と等価である。従って、マガジン側ギヤ歯位相差φｍは具体的に、
φｍ＝Ｊ×Ｍ/Ｐ−Ｒｏｕｎｄｄｏｗｎ（Ｊ×Ｍ/Ｐ）
となる。
【０１１３】
一方、主軸側ギヤ３１においては、上記図７に示した実施形態の例にならって主軸側ギヤ３１の歯先の中央をギヤ歯位相の０基準とした場合、上記マガジン側ギヤ歯位相差φｍと同様に設定した主軸側ギヤ３１におけるギヤ歯位相差をφｓとする。図１５に示すように、主軸側ギヤ３１がマガジン側ギヤ３２に噛合するためには、φｍ＝φｓとなるよう主軸側ギヤ３１を調整回転させればよい。主軸２２は逆転させることが可能であるため、０．５＜φｓである場合を考慮してφｓ＝φｓ−１で置き換え、−０．５＜φｓ≦．５の範囲で設定してもよい。
【０１１４】
主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２がこのような噛合構成となっていることで、本変形例においては第２工程における第１調整回転を図１６に示すように行う。例えば、現時点で主軸２２が装着している第Ｊ番目の工具ホルダ７５のグリップアーム２７を、前回の第４工程での工具割り出し回転によって図１６（ａ）に示すように割り出したとする。このときの中心間基準線Ｌ上における主軸側ギヤ歯位相差φｓと一致する主軸側ギヤ３１の噛合可能方位位置３７は、各ギヤ歯周期ごとに１箇所ずつ存在することになり、つまり全ギヤ歯数Ｓと同じ数だけ存在する。
【０１１５】
図示する例では、主軸側ギヤ３１の全ギヤ歯数Ｓ＝１６の場合を示しており、第Ｊ割り出し回転方向位置にあるマガジン側ギヤ３２と噛合できる主軸側ギヤ３１の噛合可能方位位置３７は、均等な角度間隔で１６箇所存在する。つまり、主軸側ギヤ３１は、これら１６箇所の噛合可能方位位置３７のいずれかが中心間基準線Ｌ上に位置する回転方向位置（第２回転方向位置）で、マガジン側ギヤ３２と噛合できる。
【０１１６】
図示する例では、主軸側ギヤ３１のオリエントマーキングＭＲがいずれの噛合可能方位位置３７にも重なっていないため、主軸側ギヤ３１がＢ点でオリエント回転方向位置に位置した際には、図１６（ｂ）に示すように、何れの噛合可能方位位置３７も中心間基準線Ｌから外れた配置となる。このとき、オリエントマーキングＭＲ及び中心間基準線Ｌに対して最も近い噛合可能方位位置３７がなす角度を第１調整回転角θ１として、第２工程の第１調整回転を行えばよい。これにより、図１６（ｃ）に示すように当該噛合可能方位位置３７を中心間基準線Ｌ上に位置させることができ、第Ｊ割り出し回転方向位置にあるマガジン側ギヤ３２に主軸側ギヤ３１を噛合させることができる。つまり最小の第１調整回転角θ１で第１調整回転を行うことができる。
【０１１７】
上述したようにマガジン側ギヤ歯位相差φｍ及び主軸側ギヤ歯位相差φｓは、それぞれのギヤ歯ピッチ角を１単位とした場合の小数点以下の数字である。また上述したように主軸側ギヤ３１をマガジン側ギヤ３２に噛合させるためには、上記噛合可能方位位置３７における主軸側ギヤ歯位相差φｓが、中心間基準線Ｌ上におけるマガジン側ギヤ歯位相差φｍと一致する必要がある。これにより、具体的に第１調整回転角θ１は、
θ１＝φｓ×３６０°／Ｓ
＝φｍ×３６０°／Ｓ
＝（Ｊ×Ｍ／Ｐ−Ｒｏｕｎｄｄｏｗｎ（Ｊ×Ｍ／Ｐ））×３６０°／Ｓ
となる。このような、オリエントマーキングＭＲ及び中心間基準線Ｌに対して最も近い噛合可能方位位置３７に対応する回転方向位置（目標第２回転方向位置）の選択決定と、上記第１調整回転角θ１の算出を、上記図１０のフローにおけるステップＳ５の手順（第１噛合位置決定手段に相当）で行えばよい。
【０１１８】
オリエントマーキングＭＲ及び中心間基準線Ｌに最も近い噛合可能方位位置３７以外でも、他の噛合可能方位位置３７を中心間基準線Ｌ上に位置させるよう調整回転してマガジン側ギヤ３２に主軸側ギヤ３１を噛合できる。この場合、第１調整回転角θ１は、
θ１（ｎ）＝φｍ×３６０°/Ｓ＋ｎ×３６０°/Ｓ
＝（φｍ＋ｎ）×３６０°/Ｓ
＝（Ｊ×Ｍ/Ｐ−Ｒｏｕｎｄｄｏｗｎ（Ｊ×Ｍ/Ｐ）＋ｎ）×３６０°/Ｓ・・・（２）
（但しｎは整数）
と表すことができる。この第１調整回転角θ１（ｎ）で、ｎ＝０とした場合には、主軸側ギヤ３１の正回転方向（時計方向）でオリエントマーキングＭＲ及び中心間基準線Ｌから最も近い噛合可能方位位置３７が選択されることになる（図１６（ｂ）、（ｃ）参照）。また、ｎ＝−１とした場合には、主軸側ギヤ３１の逆回転方向（反時計方向）でオリエントマーキングＭＲ及び中心間基準線Ｌから最も近い噛合可能方位位置３７が選択されることになる。このθ１（ｎ）は、０≦φｓ＜１と−０．５＜φｓ≦０．５のどちらの範囲設定にも対応可能な汎用性を有する。
【０１１９】
本変形例は、上記実施形態の図１０のフローにおけるステップＳ５の手順で、この第１調整回転角θ１（ｎ）を求め、以下同様の手順を実行すればよい。
【０１２０】
以上説明したように、本変形例においては、主軸側ギヤ３１の各ギヤ歯周期毎に噛合可能方位位置３７が１箇所ずつ存在する。主軸２２の回転方向位置を、これら複数の噛合可能方位位置３７の何れかを中心間基準線Ｌ上に位置させる回転方向位置（第２回転方向位置）とすることで、前回の離脱時と同じ回転方向位置としなくても、Ｄ点からＥ点の範囲において主軸側ギヤ３１とマガジン側ギヤ３２とを確実に噛合させることができる。複数の噛合可能方位位置３７の内オリエントマーキングＭＲに最も近い噛合可能方位位置３７を目標とすることで、簡素で確実な主軸２２の回転方向位置決め制御を行うことができる。
【０１２１】
（２）実施形態では、各グリップアーム２７が回動可能となっているが、該グリップアームを工具マガジン８に対して回動可能になっている。本発明は、特許文献１に記載された工具交換装置にも適用できる。即ち、グリップアームを工具マガジンに固定し、工具マガジン自身が回動可能に構成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２２】
１                工作機械
２                工具交換装置（工具交換機構）
５                Ｚ軸移動装置（移動機構）
６                主軸ヘッド
８                工具マガジン
９                数値制御装置
１５              Ｚ軸モータ
２０              主軸駆動装置
２２              主軸
２３              主軸モータ
２８              工具保持部
３１              主軸側ギヤ
３２              マガジン側ギヤ
３７              噛合可能方位位置
７４              切削工具（工具）
７５              工具ホルダ
Ｌ                中心間基準線
ＭＲ              オリエントマーキング
Ｍ０              第０割り出しマーキング
【図１】
0005672881.tif 000002
【図２】
0005672881.tif 000003
【図３】
0005672881.tif 000004
【図４】
0005672881.tif 000005
【図５】
0005672881.tif 000006
【図６】
0005672881.tif 000007
【図７】
0005672881.tif 000008
【図８】
0005672881.tif 000009
【図９】
0005672881.tif 000010
【図１０】
0005672881.tif 000011
【図１１】
0005672881.tif 000012
【図１２】
0005672881.tif 000013
【図１３】
0005672881.tif 000014
【図１４】
0005672881.tif 000015
【図１５】
0005672881.tif 000016
【図１６】
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