(57)【要約】【課題】コンパクトな構成で、工具を適切にクランプ・アンクランプしたことを確認すること。【解決手段】駆動モータと、工具を把持する把持部と前記駆動モータとの間の駆動経路に設けられた可動部材とを含み、前記把持部を開閉する駆動機構と、前記把持部の開閉位置に対応して、前記可動部材の移動範囲を規制する規制部材と、前記駆動モータの状態に基づき、前記把持部の開閉が完了したことを判定する判定手段とを備えたこと。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動モータと、工具を把持する把持部と前記駆動モータとの間の駆動経路に設けられた可動部材とを含み、前記把持部を開閉する駆動機構と、
前記把持部の開閉位置に対応して、前記可動部材の移動範囲を規制する規制部材と、
前記駆動モータの状態に基づき、前記把持部の開閉が完了したことを判定する判定手段と、
を備えたことを特徴とする工具把持装置。
【請求項２】
前記駆動機構は、前記駆動モータにかかる負荷を検知するセンサを備え、
前記判定手段は、前記センサにより検知された前記駆動モータにかかる負荷に基づき、前記可動部材の移動が規制され、前記把持部の開閉が完了したことを判定することを特徴とする請求項１に記載の工具把持装置。
【請求項３】
前記駆動機構は、前記駆動モータの脱調を検知するセンサを備え、
前記判定手段は、前記センサにより検知された前記駆動モータの脱調に基づき、前記可動部材の移動が規制され、前記把持部の開閉が完了したことを判定することを特徴とする請求項１に記載の工具把持装置。
【請求項４】
前記駆動モータは、前記把持部を開閉可能な一定のトルクで駆動されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の工具把持装置。
【請求項５】
前記駆動機構は、前記駆動モータに接続された第一歯車を備え、
前記可動部材は、前記第一歯車と噛合する第二歯車を備え、
前記駆動機構は、前記第一歯車の回転を前記第二歯車へ伝えることで、前記可動部材を移動させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の工具把持装置。
【請求項６】
前記工具把持装置は、
前記把持部に把持された前記工具を回転駆動する回転駆動部と、
前記回転駆動部の状態から、前記工具の芯振れを検知する検知手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の工具把持装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の工具把持装置を備えた自動工具交換装置。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載の工具把持装置を備えた工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具把持装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、工具を自動でクランプ・アンクランプする技術としては、特許文献１のような工具把持装置がある。この工具把持装置では、工具の後端を把持するコレットチャックが、皿ばねの付勢力によって装置内のテーパ面に沿って引き込まれ、工具をクランプしている。また、工具をアンクランプする場合は、装置に設けられた油圧アクチュエータにより、コレットチャックが皿ばねの付勢力に抗して移動され、工具の把持を解除している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１１７５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載された工具把持装置では、皿ばねが工具を緩みなく把持するための付勢力を発揮しているか確認することが難しく、工具が適切にクランプされているか確認することが難しい。また、油圧アクチュエータを採用しているため、油圧を発生させる装置が必要となり、工具把持装置の構成が大掛かりとなってしまう。
【０００５】
本発明は、コンパクトな構成で、工具を適切にクランプ・アンクランプしたことを確認する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によると、例えば、駆動モータと、工具を把持する把持部と前記駆動モータとの間の駆動経路に設けられた可動部材とを含み、前記把持部を開閉する駆動機構と、前記把持部の開閉位置に対応して、前記可動部材の移動範囲を規制する規制部材と、前記駆動モータの状態に基づき、前記把持部の開閉が完了したことを判定する判定手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、コンパクトな構成で、工具を適切にクランプ・アンクランプしたことを確認する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態による工作機械の正面図及び側面図。
【図２】工具把持装置の斜視図及び動作の説明図。
【図３】工具把持装置の動作の説明図。
【図４】自動工具交換装置の動作の説明図。
【図５】自動工具交換装置の動作の説明図。
【図６】工具の芯振れを検知する方法の説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において、同じ参照符号は、同様の要素を示している。なお、図１、図２、図４、図５において、紙面に対する上下左右方向を、本実施形態における装置の上下左右方向として、本文中の説明の際に用いることとする。また、各図中に、装置におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向を矢印で示している。
【００１０】
＜工作機械１０＞
図１には、一実施形態による工作機械１０の正面図および側面図を示す。工作機械１０は、本発明の工具把持装置を含む自動工具交換装置を備えたマシニングセンタ等を例示している。工作機械１０は、基台１１と、基台１１に固定されたコラム１２と、コラム１２に設けられたＺ軸駆動部１３と、Ｚ軸駆動部１３に設けられたＺ軸スライダ１４と、基台１１上に設けられたＸＹテーブル２０とを備えている。Ｚ軸スライダ１４には、工具把持装置３０が搭載されている。基台１１は、平面視で外形が矩形で所定の厚さを有するブロック状の部材である。
【００１１】
＜ＸＹテーブル２０＞
ＸＹテーブル２０は、基台１１の長手方向の一方側（図１（Ｂ）中左側）に設けられている。ＸＹテーブル２０は、テーブル２１と、テーブル２１をＸ軸方向（図１（Ａ）中左右方向）へ移動させるＸ軸駆動部２２と、テーブル２１をＹ軸方向（図１（Ｂ）中左右方向）へ移動させるＹ軸駆動部２３とを備えている。また、テーブル２１には、加工に必要な多数の工具Ｔを収容する工具マガジン２４と、図示しないワークを固定するチャック２５とが設けられている。本実施形態において、基台１１上にＹ軸駆動部２３が設けられ、Ｙ軸駆動部２３上にＸ軸駆動部２２が設けられ、Ｘ軸駆動部２２上にテーブル２１が設けられている。Ｘ軸駆動部２２及びＹ軸駆動部２３の駆動方式は、特に限定されないが、ボールねじ駆動方式、リニア駆動方式、ウォーム駆動方式等が例示される。また、工具Ｔには、例えば、フライス加工、穴加工、中ぐり加工等を行うためのフライス刃、ドリル、バイト等を例示でき、いずれの形態の工具も採用可能である。
【００１２】
＜工具把持装置３０＞
工具把持装置３０は、Ｚ軸スライダ１４に搭載され、コラム１２に設けられたＺ軸駆動部１３によってＺ軸方向（図１中上下方向）へ移動可能であり、ＸＹテーブル２０の上方に位置している。コラム１２は、基台１１の長手方向の他方側（図１（Ｂ）中右側）に設けられ、ＸＹテーブル２０に隣接して、基台１１の上面から上方へ延びる逆Ｌ字型の部材であり、ＸＹテーブル２０に面する側面にＺ軸駆動部１３を備えている。Ｚ軸駆動部１３は、Ｚ軸スライダ１４をＺ軸方向へ移動させる。Ｚ軸駆動部１３の駆動方式は、特に限定されないが、ボールねじ駆動方式、リニア駆動方式、ウォーム駆動方式等が例示される。
【００１３】
Ｚ軸スライダ１４及び工具把持装置３０の詳細について、図２を用いて説明する。工具把持装置３０は、Ｚ軸スライダ１４内に収容され、工具Ｔを把持する把持部３１と、可動部材３２と、可動部材３２を駆動する駆動機構３３と、規制部材３４ａ、３４ｂとを備える。把持部３１は、例えば、円筒状のドリルチャック等のメカニカルチャックが例示され、円筒状の外周部の一部を周方向に回転させることで、把持部３１内のコレットチャックの開閉を制御している。また、把持部３１の外周には可動部材３２が装着され、可動部材３２を周方向に回動させることで、把持部３１の開閉を行っている。なお、本実施形態において、把持部３１として、ドリルチャックを採用したが、これに限定されるものではない。図２（Ｂ）を参照して、可動部材３２の詳細について説明する。可動部材３２は、把持部３１と後述する駆動モータ３３ａとの間の駆動経路に設けられ、把持部３１に装着されるリング状部分３２ａと、リング状部分３２ａから径方向外方へ延びる扇型部分３２ｂとを備えている。扇型部分３２ｂの径方向外方の円弧部には、後述する駆動機構３３の第一歯車３３ｂと噛合する第二歯車３２ｃが形成されている。
【００１４】
図２（Ａ）を参照して、駆動機構３３は、駆動モータ３３ａと、駆動モータ３３ａに接続された第一歯車３３ｂとを備えている。駆動モータ３３ａは、可動部材３２に隣接して配置され、第一歯車３３ｂが可動部材３２の第二歯車３２ｃと噛合することで、第一歯車３３ｂの回転を第二歯車３２ｃへ伝え、可動部材３２を移動させている。駆動モータ３３ａから可動部材３２への動力伝達機構として、第一歯車３３ｂ及び第二歯車３２ｃを採用することで、駆動力を伝達する構成が簡素化され、効率よく駆動力を伝達することができる。また、第一歯車３３ｂの回転数に応じして第二歯車３２ｃの移動量を知ることができるため、可動部材３２の位置を容易に知ることができる。また、本実施形態では、駆動モータ３３ａにはステッピングモータを採用することが例示できる。このとき駆動機構３３には、レゾルバ、ポテンショメータ、パルスコーダ等のモータの回転位置を検出する位置検出器や、駆動モータ３３ａに供給された駆動電流を検知する電流検出器等のセンサ３３ｃが取り付けられている。なお、本実施形態においては、駆動モータ３３ａから可動部材３２へと駆動力を伝達する機構として、歯車機構を採用したが、これに限定されるものではない。例えば、駆動力伝達機構として、ベルト駆動機構、リンク機構等があげられる。なお、本実施形態において、駆動モータ３３ａとして、ステッピングモータを採用したが、これに限定されるものではなく、三相モータ、サーボモータ等を例示できる。
【００１５】
Ｚ軸スライダ１４には、駆動機構３３が収容されるとともに、可動部材３２に隣接して、可動部材３２の移動を規制する規制部材３４ａ、３４ｂが設けられている。規制部材３４ａ、３４ｂは、Ｚ軸スライダ１４における可動部材３２が載置された面から突設された平面視矩形の突起で、把持部３１の開閉位置に対応して、可動部材３２の移動範囲を規制している。また、Ｚ軸スライダ１４には、把持部３１に把持された工具Ｔを回転駆動する回転駆動部３５が備えられている。回転駆動部３５は、把持部３１と同軸に装着されたモータで、例えば、三相モータ、ステッピングモータ、サーボモータ等があげられるが、これらに限定されるものではない。また、回転駆動部３５は、後述する工具Ｔの芯振れを検知する検知部３５ａを備えている。なお、本実施形態においては、規制部材３４ａ、３４ｂは、可動部材３２と当接する形態を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、第一歯車３３ｂに取り付けた突起と当接する形態を採用してもよい。
【００１６】
図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）を参照して、把持部３１の開閉位置について説明する。図２（Ｂ）中右側に位置する規制部材３４ａと、可動部材３２の扇型部分３２ｂの端部とが当接した状態では、把持部３１が開いた状態となっている。つまり、把持部３１内のコレットチャックが開いた状態で、把持部３１が工具Ｔを掴んでいない状態である。また、図２（Ｂ）中左側に位置する規制部材３４ｂと、可動部材３２の扇型部分３２ｂの端部とが当接した状態では、把持部３１が閉じた状態となっている。つまり、把持部３１内のコレットチャックが閉じた状態で、把持部３１に工具Ｔが挿入されていれば、把持部３１が工具Ｔを掴んでいる状態である。したがって、図２（Ｂ）は、把持部３１が開いた状態を示し、図２（Ｄ）は、把持部３１が閉じた状態を示している。図２（Ｂ）と図２（Ｄ）との中間位置である図２（Ｃ）は、把持部３１は開いても、閉じてもいない状態を示し、把持部３１が工具Ｔを適切に掴んでいない状態である。
【００１７】
以上のように把持部３１を開閉駆動する際に、駆動モータ３３ａが出力するトルクを図３に示す。図３では、縦方向に駆動モータ３３ａが出力するトルクを示し、横方向に可動部材３２の位置に対応した把持部３１の状態を示している。本実施形態において、把持部３１として採用したドリルチャックでは、閉じ位置及び開き位置から中間位置へ移行する過程で、ドリルチャックの開閉に所定の力を必要とするような内部機構を採用したものを例示している。
【００１８】
図３に示すように、把持部３１を閉じ位置（図２（Ｄ）の状態）から開き位置（図２（Ｂ）の状態）に動かすにつれて、把持部３１の図示しない内部機構のばね力が増し、駆動モータ３３ａに必要なトルクが増大していく。また、把持部３１の閉じ位置と中間位置の境界位置Ｐ１、及び開き位置と中間位置の境界位置Ｐ２では、閉じ位置及び開き位置から中間位置へと移動しにくくなるように、駆動モータ３３ａに一定の駆動トルクが必要になっている。また、図３中、干渉位置として示す、閉じ位置よりもさらに把持部３１を閉じる領域、及び開き位置よりもさらに把持部３１を開く領域では、可動部材３２は規制部材３４ａ、３４ｂと接触しているので、駆動モータ３３ａには非常に大きなトルクが必要とされる。
【００１９】
また、再び図２（Ａ）を参照して、駆動機構３３には、駆動モータ３３ａの状態に基づき、可動部材３２の移動が規制部材３４ａ、３４ｂによって規制され、把持部３１の開閉が完了したことを判定する判定部を備えた制御回路４０が接続されている。制御回路４０は、後述する方法により、駆動機構３３に含まれるセンサ３３ｃにより検知された駆動モータ３３ａの負荷や脱調に基づき、可動部材３２が規制部材３４ａ、３４ｂに当接し、把持部３１の開閉が完了したことを判定している。制御回路４０は、駆動機構３３のセンサ３３ｃと、判定した結果を外部に報知する報知装置４１に接続されている。報知装置４１は、後述する把持部３１の開閉の完了を外部に報知するものであり、ディスプレイに表示するものや、音によって報知するもの等を例示できる。
【００２０】
以下に制御回路４０が、可動部材３２の移動が規制部材３４ａ、３４ｂによって規制されたことを判定する工程を説明する。制御回路４０は、例えば、センサ３３ｃからの電流値に基づき駆動モータ３３ａの駆動トルクを検知して、これを駆動モータ３３ａにかかる負荷とすることができる。なお、モータの駆動トルクは、トルク定数と駆動電流との積で求めることができる。また、制御回路４０は、例えば、センサ３３ｃからの駆動モータ３３ａの回転数が急激に減少した等の急な速度変化に基づき、駆動モータ３３ａの脱調を検知することができる。そして、上記駆動モータ３３ａにかかる負荷が所定の値より大きな値であった場合、または駆動モータ３３ａの脱調を検知した場合に、判定部は、可動部材３２が規制部材３４ａ、３４ｂに当接したことを判定している。なお、本実施形態においては、駆動モータ３３ａの脱調の検知として、速度変化を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、電圧や電流値の変化や、駆動モータ３３ａ付近の振動を検知することによって、脱調を検知してもよい。
【００２１】
＜自動工具交換方法＞
図４及び図５を参照して、本実施形態の工作機械１０における自動工具交換方法について説明する。なお、本実施形態において、工作機械１０は、自動工具交換装置を備えたものである。図４のＳＴ１に示す状態では、把持部３１に工具Ｔが装着されていない。このとき、テーブル２１の工具マガジン２４には、３本の工具Ｔ、Ｔ、Ｔ１が収容されている。３本の工具Ｔ、Ｔ、Ｔ１は、それぞれ刃先を工具マガジン２４内に収容した状態で、把持部３１が掴む工具Ｔの端部を工具マガジンか突出した状態になっている。さらに、ＸＹテーブル２０は、Ｘ軸駆動部２２を駆動して、工具マガジン２４内の装着予定の工具Ｔ１が、Ｘ軸方向における工具把持装置３０の把持部３１の直下に位置するように、テーブル２１を移動させる。
【００２２】
次いで、図４のＳＴ２に示す状態になるように、ＸＹテーブル２０のＹ軸駆動部２３を駆動して、装着予定の工具Ｔ１が、Ｙ軸方向における工具把持装置３０の把持部３１の直下に位置するように、テーブル２１を移動させる。
【００２３】
次に、図５のＳＴ３に示す状態になるように、Ｚ軸駆動部１３を作動させ、Ｚ軸スライダ１４をテーブル２１に近づけるようにＺ軸方向の下方へと移動させる。このとき、把持部３１は、図２（Ｂ）に示す開いた状態となっている。把持部３１が開いた状態となっているため、Ｚ軸スライダ１４の下降と共に、把持部３１内に装着予定の工具Ｔ１の端部が収容される。Ｚ軸駆動部１３の移動量により、把持部３１が装着予定の工具Ｔ１を把持可能な位置までＺ軸スライダ１４の移動が完了したことが検知された後に、工具把持装置３０を駆動させて、把持部３１が装着予定の工具Ｔ１を把持する。
【００２４】
このとき、工具把持装置３０の駆動モータ３３ａを駆動させ、可動部材３２を図２（Ｂ）に示す状態から、図２（Ｃ）に示す状態を経て、図２（Ｄ）に示す状態へと移行する。このときの可動部材３２が把持部３１を閉じ位置となったことを検知する一例を、図３を参照して説明する。本実施形態では、駆動モータ３３ａに例えばステッピングモータを採用した形態を例示し、駆動モータ３３ａによって、把持部３１を開閉可能な一定のトルクＭで駆動したとする。こうすることで、上記した把持部３１の内部機構にかかわらず、一定の駆動トルクで駆動モータ３３ａを制御することができる。具体的には、駆動モータ３３ａを可動部材３２が閉じ位置となる方向に回転させるときに与えるトルクを上記した境界位置Ｐ１、Ｐ２で必要な最大トルクを超えるようなトルクＭに設定する。こうすることで、図３に示したようなトルクカーブを要求する把持部３１に対して、トルクカーブによらず把持部３１を開き位置から閉じ位置へと移動させることができる。そして、可動部材３２を把持部３１の閉じ位置から開き位置まですばやく回転させることができる。
【００２５】
また、上記のトルクＭで駆動モータ３３ａを駆動させると、可動部材３２が規制部材３４ａ、３４ｂと当接した時点で、駆動モータ３３ａは図３に示す干渉位置へと移行する。このとき、駆動モータ３３ａには、非常に大きな負荷がかかるか、または可動部材３２の移動が停止されることで、駆動モータ３３ａが急激に減速されることで、駆動モータ３３ａが脱調した状態となる。制御回路４０は、駆動モータ３３ａの脱調を検知した後に、把持部３１が確実に閉じ位置へ移動したことを判定し、駆動モータ３３ａを停止させる。これとともに、報知装置４１を介して把持部が閉じ位置へ移動したことを報知する。
【００２６】
再び図５を参照して、把持部３１が閉じ位置へと移動したことが完了した後に、図５のＳＴ４に示す状態となる。Ｚ軸駆動部１３がＺ軸スライダ１４をＺ軸の上方へ移動させて、テーブル２１に載置されたワークに対して、加工を行うことができる状態に移行する。なお、把持部３１を閉じ位置から、開き位置へと移動させる際には、上記した閉じ位置へと移動させる工程の逆工程を行うことになる。
【００２７】
＜工具Ｔの芯振れ検知＞
以上の動作の完了後、工作機械１０がワークを加工する際には、把持部３１が工具Ｔを把持した状態で、回転駆動部３５を駆動させて工具Ｔを回転させる。このとき、工具Ｔが把持部３１に適切に把持されていれば、回転駆動部３５のトルクであるモータ負荷は、図６（Ａ）に示す状態となる。つまり、回転駆動部３５が、任意の回転数に達した後、モータ負荷が安定している。しかし、把持部３１が工具Ｔを把持する際に工具Ｔが把持部３１の軸線に対して傾いていたり、工具Ｔと把持部３１との間にゴミが挟まっていたりすると、工具Ｔは把持部３１に安定して把持されていない状態となる。このとき、工具Ｔは回転中に芯振れを起こし、回転駆動部３５は図６（Ｂ）に示すようにモータ負荷が振幅が大きくなるように変動している。
【００２８】
工具把持装置３０は、回転駆動部３５の状態から、工具Ｔの芯振れを検知する上記した検知部３５ａを備えている。検知部３５ａは、上記した図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示す回転駆動部３５のモータ負荷の変動を検知している。モータ負荷の検知方法としては、上記したように回転駆動部３５の供給される電流値に基づいて、モータにかかる負荷を検知することができる。そして、図示しない制御部が、検知部３５ａが検知した回転駆動部３５のモータ負荷の変動に基づき、工具Ｔの芯振れを判定した場合には、加工を中止することで加工ミスを低減することができる。検知部３５ａが回転駆動部３５のモータ負荷の変動を検知する他の方法としては、回転駆動部３５の回転数の変動、回転駆動部３５から発生する音、振動の検知等に基づいて、芯振れを判定することができる。なお、音や振動の検知については、マイクや回転駆動部に隣接して設けた共振部材の振動によって検知することが例示できる。
【００２９】
なお、本実施形態において、工作機械１０として、本発明の工具把持装置３０を含む自動工具交換装置を備えたマシニングセンタを例示したが、これに限定されるものではない。本発明は、例えば、旋盤、フライス盤、研削盤等の工作機械１０の工具把持装置３０に適用してもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１０  工作機械、３１  把持部、３２  可動部材、３２ｃ  第二歯車、３３  駆動機構、３３ａ  駆動モータ、３３ｂ  第一歯車、３３ｃ  センサ、３４ａ、３４ｂ  規制部材、３５  回転駆動部、３５ａ  検知部、４０  制御回路、Ｔ  工具
【図１】
2016203302.tif 000003
【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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