(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸に自動工具交換装置を介して供給する工具を収納する工具収納部がマトリックス形に配列されたマトリックス形工具マガジンにおいて、
前記工具収納部は工具収納空間を形成するとともに、工具を着脱自在に把持する把持手段を備え、
前記工具収納部は、
刃先寸法が標準寸法の工具を収納する第１の工具収納部と、
刃先寸法が標準寸法工具より大径の工具を収納する第２の工具収納部からなり、
前記第１工具収納部と前記第２工具収納部とが混在したマトリックス状に配列し、
前記第２工具収納部には、第１工具収納部と同一形状の収納空間の複数組を一単位として形成する収納パネルを着脱可能に取り付けられるようにしたことを特徴とするマトリックス形工具マガジン。
【請求項２】
前記第１工具収納部は、工具を収納する菱形空間を有し、前記第２工具収納部に取り付けられる前記収納パネルは、前記菱形空間と同じ寸法の複数の菱形空間を形成することを特徴とする請求項１に記載のマトリックス形工具マガジン。
【請求項３】
前記把持手段は、自動工具交換装置の交換アームのフック形状に応じて工具収納方向を変えられるように、各工具収納部の下部コーナー部または横コーナー部に着脱可能な半月状のグリップからなることを特徴とする請求項２に記載のマトリックス形工具マガジン。
【請求項４】
前記工具の被把持部を着脱自在に把持する工具ポット形の工具キャリアと、
前記工具キャリアを工具の軸方向に移動させる手段と、
前記工具キャリアを着脱自在に保持するとともに、工具の軸方向と直角な平面内で任意の経路に沿って移動させる手段と、
を具備する工具搬送装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のマトリックス形工具マガジン。
【請求項５】
前記工具を把持した工具キャリアを前記工具搬送装置と自動工具交換装置との間で受け渡しする工具中継装置を具備したことを特徴とする請求項４に記載のマトリックス形工具マガジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マシニングセンタの自動工具交換装置へ工具を供給する工具マガジンに係り、特に、工具を収納する工具収納部が斜めに配列されるマトリックス形工具マガジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタは、生産性の向上を限りなく追求している。部品をより短時間で加工し生産コストを抑制することおよび機械加工時における機械自身の消費動力を押え省エネ化を図ることが生産性向上につながることから、マシニングセンタでは、加工、工具交換などあらゆる場面で時間の短縮化と省エネ化が図られている。自動工具交換装置についても、工具交換時間の短縮化は重要な技術課題である。
【０００３】
自動工具交換装置による工具交換は、次のような動作からなっている。
（１）工具マガジンから次に使用する工具を工具交換装置へ搬送する動作（工具選択動作）。
（２）工具交換装置の交換アームが主軸に装着されている使用済みの工具を把持する動作。
（３）使用済みの工具を交換可能な状態とするために、主軸把持装置から工具を開放する動作。
（４）交換アームが使用済みの工具のシャンク部を主軸のテーパ穴から抜き去る動作。
（５）交換アームが使用済みの工具に替えて次に使用する工具を主軸軸線上に置き換える動作。
（６）交換アームが次に使用する工具のシャンク部を主軸に挿入する動作。
（７）主軸に装着された次に使用する工具を把持する動作。
（８）主軸に装着された次に使用する工具を交換アームが開放する動作。
（９）自動工具交換装置から使用済みの工具を工具マガジンに返却搬送する動作（工具返却動作）。
【０００４】
このような自動工具交換の動作要素のうち、（２）、（４）、（５）、（６）、（８）の動作は、自動工具交換装置のチェンジャが具備する機能であり、（３）、（７）の動作は、マシニングセンタの主軸が具備する機能である。（１）、（９）は自動工具交換装置の工具マガジンに設けられた搬送装置が行う動作である。
【０００５】
従来、工具マガジンの種類には、大きく分けるとチェーン型工具マガジンとマトリックス型工具マガジンとがある。
チェーン型工具マガジンは、多数の工具ポットをチェーンで無端状に繋ぎ、このチェーンをスプロケットに巻き掛け、スプロケットをモータにより駆動し工具ポットを移動させるようにしたものである。
【０００６】
この種のチェーン型工具マガジンでは、工具ポットがチェーンで無端状につながっている構造から、ＮＣ装置から指令された一本の工具を自動工具交換装置のチェンジャと受け渡す位置まで搬送するにも、工具マガジン内の全ての工具を移動させなければならない。交換する工具は一本にもかかわらず、収納工具全体の移動が必然的に伴うため、動力の浪費につながるばかりでなく、工具選択動作と工具返却動作に必要な時間が長くなる。とりわけ、多品種の部品加工に対応するために数百本もの工具を収納する工具マガジンでは、工具選択、返却動作にだけで数10秒もかかる場合があり、機械稼働率低下につながる。
【０００７】
これに対して、マトリックス型工具マガジンは、工具搬送装置が特定の工具ポットに直接アクセスできるため、工具選択動作と返却動作の高速化を実現できる利点がある。このようなマトリックス型工具マガジンの従来例としては、特公平４−６４９２号公報、特開平１０−１２８６３７号公報等を挙げることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマトリックス型工具マガジンでは、マガジンに配列される各工具ポットの回りには、工具搬送装置が直接アクセスできるように、ある程度のスペースを確保する必要がある。このため、収納工具本数の多いマガジンでは大型化し、マガジンの大きさを抑えようとすると、収納本数が少なくなるという問題があった。
【０００９】
また、マシニングセンタでの多種類の部品加工に対応できるように、特殊形状を有する工具をマガジンに用意しておくことがある。特殊工具によっては、他の工具に較べて相当に大径の特殊工具があり、これをマガジンに収納するためには、他の工具の収容スペースを犠牲にして収容するスペースをつくらなければならず、この点、特殊工具用の専用エリアを確保するのが容易なチェーン型の工具マガジンに較べて不利となっている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、工具を省スペース高密度収納できるようにしたマトリックス形工具マガジンを提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、大型の特殊工具の収納も可能に工具の高密度収納を達成できるようにしたマトリックス型工具マガジンを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、工作機械の主軸に自動工具交換装置を介して供給する工具を収納する工具収納部がマトリックス形に配列されたマトリックス形工具マガジンにおいて、前記工具収納部は工具収納空間を形成するとともに、工具を着脱自在に把持する把持手段を備え、前記工具収納部は、刃先寸法が標準寸法の工具を収納する第１の工具収納部と、刃先寸法が標準寸法工具より大径の工具を収納する第２の工具収納部からなり、前記第１工具収納部と前記第２工具収納部とが混在したマトリックス状に配列し、前記第２工具収納部には、第１工具収納部と同一形状の収納空間の複数組を一単位として形成する収納パネルを着脱可能に取り付けられるようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項２に記載したように、前記第１工具収納部は、工具を収納する菱形空間を有し、前記第２工具収納部に取り付けられる前記収納パネルは、前記菱形空間と同じ寸法の複数の菱形空間を形成することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載したように、前記把持手段は、自動工具交換装置の交換アームのフック形状に応じて工具収納方向を変えられるように、各工具収納部の下部コーナー部または横コーナー部に着脱可能な半月状のグリップからなることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４に記載した本発明のマトリックス形工具マガジンは、前記工具の被把持部を着脱自在に把持する工具ポット形の工具キャリアと、前記工具キャリアを工具の軸方向に移動させる手段と、前記工具キャリアを着脱自在に保持するとともに、工具の軸方向と直角な平面内で任意の経路に沿って移動させる手段と、を具備する工具搬送装置を備えることを特徴している。
【００１７】
請求項５に記載したように、前記工具を把持した工具キャリアは前記工具搬送装置と自動工具交換装置との間で工具中継装置により受け渡しされる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるマトリックス形工具マガジンの実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態によるマトリックス形工具マガジン全体を示す正面図、図２は同マトリックス工具マガジンの平面図である。この図１、図２は、横形のマシニングセンタに本発明を適用した実施の形態を示し、１が工作機械、２が自動工具交換装置（ＡＴＣ）である。ＡＴＣ２が工作機械１の主軸３に供給する工具を貯蔵している工具マガジン４は、工作機械１の側面側に配置されている。
【００１９】
マシニングセンタにおける座標系は、主軸３の軸線方向をＺ軸とし、これに直交して直交座標系をなす各方向をＸ軸、Ｙ軸としている。＋Ｘ軸方向が工具マガジン４の前方である。図１では、工具マガジン４を後側、すなわち＋Ｘ軸方向にみている。
【００２０】
１．工具マガジンに収納される工具
工具マガジン４に収容される工具は、その工具径が所定寸法以下の標準寸法工具６と、所定寸法以上の大径工具７があり、大別して二種類の工具が取り扱われるようになっている。この区別は、工具径を基準としたものであり、加工の態様、機能の違いによるものではない。
【００２１】
マシニングセンタにおいては、通常の工作物は標準寸法工具６だけで加工できるものが多い。したがって、工具マガジン４には主として標準寸法工具６が多数貯蔵されている。しかし、工作物によっては、大径工具７を使用しないと加工できないものがあり、そのような工作物の加工が予定されている場合には、標準寸法工具６に混じって所要数の大径工具７が貯蔵される。標準寸法工具６または大径工具７は、同一形状の工具シャンクを有している。
【００２２】
図２において、マシニングセンタの主軸頭１０に配置されている主軸３には、その先端部の工具装着部に装着される標準寸法工具６または大径工具７をクランプ、アンクランプするための公知のコレット引っ張り機構方式の工具クランプ・アンクランプ機構が内蔵されている。ＡＴＣ２は、ツインアームタイプの交換アーム５の両端部で工具を把持し、旋回動作および軸方向への進退移動動作を組み合わせて主軸交換位置Ｐ1にある主軸３と、待機位置Ｐ２で待機している工具キ ャリア１２との間の工具の受け渡しを行う。１４は、工具キャリア１２を中継位置Ｐ3から待機位置Ｐ2の間を移動させる旋回装置である。本発明の工具マガジンでは、工具マガジン４に格納されている標準寸法工具６または大径工具７は、工具キャリア１２に入れられた状態でそれぞれ格納位置と中継位置Ｐ３の間を搬送される。この搬送を行うのが参照符号１６で示す装置である。なお、図１で、Ｐ5は工具段取り位置、Ｐ6は不要になった工具や新しい工具を工具マガジン４に搬出入するために一時的においておく待機位置を示す。
【００２３】
２．工具マガジン
工具マガジン４は、図２に示すように、長方形の工具マガジンラック１８を備えており、この工具マガジンラック１８には、第１の工具収納部２０と第２の工具収納部２２の２種類の収納部が工具の使用状況に応じた比率でマトリックス状に、全体として一定の間隔であたかも斜めに高密度で配列されているようになっている。
【００２４】
第１工具収納部２０は、標準寸法工具６を１本づつ収納する専用の収納部である。これに対して、第２工具収納部２２は、標準寸法工具６または大径工具７のいずれの収納にも対応できるように、標準寸法工具６についてはこれを４本収納することができ、あるいは大径工具７を一本ずつ収納可能に構成されている。
【００２５】
図３に示すように、第１工具収納部２０は、標準寸法工具６の外径よりも十分大きな対角線長の菱形空間２３を有している。この菱形空間２３の対角線は、それぞれＹ軸、Ｚ軸と平行になっている。標準寸法工具６を着脱自在に保持する半月状のグリップ２４は、各菱形空間２３の下コーナー部に取り付けられている。図４に示すように、グリップ２４は、標準寸法工具６のグリップ溝２５にちょうど嵌合し、標準寸法工具６を落下させることなく保持することができる。
【００２６】
図３において２２ａで示す第２工具収納部は、標準寸法工具６を４本収納できるようにするために収納パネル２６がボルトによって取り付けられており、この収納パネル２６には、第１工具収納部２０のものと同じ寸法の４つの菱形空間２３が形成され、それぞれグリップ２４が固定されて、４本単位に標準寸法工具６を収納することができる。
【００２７】
このような第２工具収納部２２ａから収納パネル２６を取り外すと、第２工具収納部２２ｂのように、大径工具７を十分収納可能な大きな対角線長の菱形空間２７になっていて、大径工具用のグリップ２８を下コーナー部に取り付けることで、大径工具７を着脱可能に保持することができる。
【００２８】
したがって、多数の標準寸法工具６を必要とするときには、収納パネル２６を取り付ければ、多数の標準寸法工具６を高密度で収納することが可能となり、逆に、収納パネル２６を取り外すことで、大径工具７の収納数を増やすことができるので、標準寸法工具と大径工具の収納本数比率を柔軟に加工状況に応じて変えることが可能となる。
【００２９】
３．工具搬送装置
工具搬送装置１６は、大きく分けると、工具を把持した工具キャリア１２をＹ−Ｚ平面上で任意の方向に任意の直線移動経路（例えば、図１に示すＰ4−Ｐ7、Ｐ7−Ｐ8、Ｐ8−Ｐ4）上を移動させることができるＹ−Ｚ移動部４０と、工具キャリア１２を任意の位置の工具収納部にある工具の後方から工具の軸方向に前後に移動させるＸ軸移動部５６とから構成されている。
【００３０】
３．１  Ｙ−Ｚ移動部
図２および図５に示すように、工具搬送装置１６は、Ｙ−Ｚ平面に平行なＬ字形のＺフレーム部４３と、Ｙ軸方向に昇降可能にＺフレーム部４３に取り付けられているＹフレーム部４４を備え、これらがＹ−Ｚ移動部を構成するようになっている。工具マガジン４の上枠および下枠には、工具搬送装置１６を案内するためにガイドレール４５ａ、４５ｂがＺ軸方向に設けられている。また、図２に示すように、天井部ガイドレール５１も、これらのガイドレール４５ａ、４５ｂと平行に架設されている。工具搬送装置１６をＺ軸方向に移動させる駆動モータが工具マガジン４の端部に配設されている第１のサーボモータ４６である。工具マガジン４の上下両端部には、タイミングベルト４８ａ、４８ｂが設けられており、第１サーボモータ４６の回転を伝動軸４７を介してタイミングベルト４８ａ、４８ｂに伝達し、タイミングベルト４８ａ、４８ｂと連結している工具搬送装置１６をＺ軸方向に往復移動させることができる。
【００３１】
Ｚフレーム部４３には、Ｙフレーム部４４の昇降を案内するガイドレール４９ａ、４９ｂがＹ軸方向に取り付けられており、ボールネジ５０が同じく平行に配置されている。Ｙフレーム部４４は、ガイドレール４９ａ、４９ｂに摺動自在に係合しているとともに、このボールネジ５０に螺合するボールナット５１がＹフレーム部４４に固定されている。５２は、ボールネジ５０を回転駆動する第２のサーボモータである。
【００３２】
３．２  Ｘ軸移動部
次に、Ｘ軸方向に工具キャリア１２を移動させるためのＸ軸移動部５６について説明する。このＸ軸移動部５６は、工具キャリア１２を着脱可能に保持するクランプ部を内蔵し、Ｙフレーム部４４にＸ軸方向に敷設されたガイドレール５７ａ、５７ｂに摺動自在に係合している。このガイドレール５７ａ、５７ｂと平行にボールネジ６０が配設され、このボールネジ６０に螺合するボールナット６２は、Ｘ軸移動部５６に固定されている。ボールネジ６０を回転駆動する第３のサーボモータ６４は、Ｙフレーム部４４に取り付けられており、タイミングベルト６６を介してボールネジ６０に回転を伝達するようになっている。
【００３３】
図６は、Ｘ軸移動部５６に内蔵するクランプ部を示す断面図である。７０、７０が工具キャリア１２の後端部のテーパ部７１に形成されたクランプ溝７１ａに係合するクランプ部材である。このクランプ部材７０は、ピン７２を介して揺動自在に支持され、先端部にはフック部７０ａが形成されている。クランプ部材７０の後端部には、クランプ力を発生する圧縮ばね７３が当接し、その弾性力によってクランプ部材７０のフック部７０ａを工具キャリア１２のクランプ溝７１ａに係合する方向に付勢している。７４はアンクランプするための押圧部材で、この押圧部材７４は、アンクランプシリンダ７６に連結されており、クランプ部材７０の後端部を押し出すことによって、クランプ部材７０がピン７０を中心に開く方向に回動させ、これによりフック部７０ａがクランプ溝７１ａから離脱することができる。
【００３４】
３．３  工具キャリア
次に、図７は、工具キャリア１２の詳細な構造およびを示す断面図である。
この工具キャリア１２には、標準寸法工具６の工具シャンク部８が挿入されたときに、この工具シャンク部８の先端のプルスタッド９を把持する工具クランプ部が内蔵されている。一対のクランプリンク８０、８０がそれぞれピン８１を介して揺動自在に支持されており、このクランプリンク８０、８０は、工具の軸方向とは直角な方向から圧縮ばね８２、８２の弾性力により付勢されているので、工具シャンク部８が挿入されるとプルスタッド９を両側から把持することができる。なお、工具シャンク部８については、標準寸法工具６、大径工具７とで共通の仕様となっており、工具キャリア１２は、標準寸法工具６、大径工具７の種類を問わず把持することができる。
【００３５】
図７において、工具キャリア１２に把持されている工具をクランプ状態からアンクランプするために、次のような工具アンクランプ機構がＸ軸移動部５６に併設されている。
８６は、工具をアンクランプ動作を行うベルクランクからなるアンクランパである。このアンクランパ８６は、ピン８７を介して回動可能に取り付けられているとともに、ピン８８を介して工具アンクランプ用のシリンダ９０のロッドと連結されている。アンクランパ８６は、アーム部９２の先端部がアンクランプ作動部として構成されていて、シリンダ９０のロッドが伸びると、押圧部材９４を工具のプルスタッド９に向けて押し出すことができる。このとき、押圧部材９４は、それまでプルスタッド９を把持していたクランプリンクを圧縮ばね８２の弾性力に抗して開かせるので、標準寸法工具６または大径工具７は工具キャリア１２から離脱可能なアンクランプ状態になる。
【００３６】
次に、以上のように構成されるマトリックス形工具マガジンにおける工具交換から工具の収納・取出しの一連の動作について説明する。
５．１  ＡＴＣによる工具交換
まず、図８は、ＡＴＣ２の交換アーム５による工具交換動作を示す。図２と対照させると、主軸３は工具交換位置Ｐ1に位置決めされており、工具中継装置１ ４が保持している工具キャリア１２は待機位置Ｐ2に待機している。このような 位置において、交換アーム５は、一方のフックで主軸３に装着している旧工具を把持し、他方のフックで工具キャリア１２にある新工具を把持し、旋回動作と工具抜き出し挿入のための工具軸方向の直線運動により新旧工具を交換する。
【００３７】
５．２  工具搬送装置への工具の受け渡し
次に、図９は、工具中継装置１４による工具搬送装置１６への工具キャリア１２の受け渡し動作を示す。工具中継装置１４のアームは９０度旋回して、交換アーム５から渡された工具の入った工具キャリア１２を図２における待機位置Ｐ2 から中継位置Ｐ3まで移動させる。
【００３８】
図１０に示すように、中継位置Ｐ3にある工具キャリア１２に向かって、それ まで移動原点Ｐ4に待機していた工具搬送装置１６が接近していく。図１１に示 すように、Ｘ軸移動部５６の受台９０に工具キャリア１２が載るまで工具搬送装置１６はＺ軸方向に移動する。しかる後、Ｘ軸移動部５６が＋Ｘ方向に僅かに前進し、内蔵される前述したクランプ機構が作動し、工具キャリア１２をクランプする。
【００３９】
５．３  工具の搬送
こうして工具キャリア１２が渡された工具搬送装置１６は、図５に示すように、図示しないＮＣ装置から指令された位置に工具を返却するために、工具マガジン４の後側をＺ軸方向に走行していく。この間、Ｙ軸、Ｚ軸について同時２軸位置制御がＮＣ装置により実行され、工具キャリア１２は指令された位置の工具収納部の後方に位置決めされる。
【００４０】
５．４  工具の返却
図１２、図１３に示すように、指令された工具収納部２０の後方に工具キャリア１２が到着すると、Ｘ軸移動部５６は、＋Ｘ軸方向に前進し、工具６をグリップ溝２５がグリップ部２４に直上に至るまで工具収納部２０の菱形空間に挿入する。そして、Ｘ軸移動部５６は停止し、次に、Ｙ−Ｚ移動部４４が−Ｙ方向に僅かに下降し、工具６のグリップ溝２５をグリップ２４に嵌合させる。そして、前述したアンクランプ機構が作動して、工具６は工具キャリア１２によるクランプが解除される。しかる後、Ｘ軸移動部５６が−Ｘ軸方向に後退することにより、工具６は、他の工具と干渉することなく工具キャリア１２から離脱し、工具収納部２０に収納される。
【００４１】
５．５  工具の取出し
任意の位置の工具収納部２０からの工具６の取出しは、前述した工具の返却動作と逆の動作により行うことができるので、その詳細な説明は省略する。
【００４２】
以上、ＡＴＣ２の交換アーム５がフック形の場合について説明したが、本発明はシーザス形の交換アームにも適用することができる。シーザス形の交換アームで工具交換を行う場合、主軸３のドライブキーの取付位相がフック形と９０°異なるため、図３において、グリップ２４を横コーナー部に取り付ければよい。本実施形態では、工具収容部２０、２２の形状を菱形としているので、グリップ２４の取付位置を変えるだけで、フック形、シーザス形のいずれの形式のＡＴＣにも柔軟に対応することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、工具を省スペース高密度収納できるようにすることができるととも、大型の特殊工具の収納も可能にして、工具の利用状況に応じた収納比率での高密度収納を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるマトリックス形工具マガジンを示す正面図。
【図２】本発明の一実施形態によるマトリックス形工具マガジンの平面図。
【図３】同実施形態によるマトリックス工具マガジンの工具収納部の詳細を示す正面図。
【図４】同工具収納部の断面図。
【図５】同実施形態によるマトリックス形工具マガジンの概要を示す概略斜視図。
【図６】本発明によるマトリックス形工具マガジンの工具搬送装置の備えるＸ軸移動部の断面図。
【図７】工具キャリアの構造を示す断面図。
【図８】ＡＴＣによる工具交換動作を示す概略斜視図。
【図９】中継装置による工具キャリアの受け渡し動作を示す概略斜視図。
【図１０】工具搬送装置と中継装置との間の工具キャリアの受け渡し動作を示す概略斜視図。
【図１１】工具キャリアを保持した工具搬送装置を示す概略斜視図。
【図１２】工具マガジンへの工具の返却、取出し動作を示す図。
【図１３】工具の返却、取出動作に際しての工具搬送装置の動きを説明する図。
【符号の説明】
１  工作機械
２  自動工具交換装置
３  主軸
４  工具マガジン
５  交換アーム
６  標準寸法工具
７  大径工具
１０  主軸頭
１２  工具キャリア
１４  中継装置
１６  工具搬送装置
２０  第１工具収納部
２２  第２工具収納部
２４  グリップ
４４  Ｙフレーム部
５６  Ｘ軸移動部
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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