特許 6336322 工作機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6336322

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年6月6日

(54)【発明の名称】工作機械

(51)【国際特許分類】

   B23Q 3/157 20060101AFI20180528BHJP

   B23Q 3/155 20060101ALI20180528BHJP

   B23Q 17/22 20060101ALN20180528BHJP

【ＦＩ】

   B23Q3/157 C

   B23Q3/155 Z

   !B23Q17/22 D

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-90433(P2014-90433)

(22)【出願日】2014年4月24日

(65)【公開番号】特開2015-208797(P2015-208797A)

(43)【公開日】2015年11月24日

【審査請求日】2017年4月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000104652

【氏名又は名称】キヤノン電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100130409

【弁理士】

【氏名又は名称】下山 治

(74)【代理人】

【識別番号】100134175

【弁理士】

【氏名又は名称】永川 行光

(72)【発明者】

【氏名】川上 大輔

【審査官】 山本 忠博

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２９１１３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−０５９５４３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０７−２２３１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１３０６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１３１７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６１６２１５４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３２４２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６２−０９２１３４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０５−２３７７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１５４７３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｑ ３／１５５−３／１５７，

１７／２２−１７／２４，１７／０９，１７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

工具が交換自在に装着される主軸と、
前記主軸を軸方向に移動する主軸移動ユニットと、
工具が格納される格納部を複数備えた格納ユニットと、
前記主軸に対する工具の着脱が行われる着脱位置に位置する前記格納部が入れ替わるように前記格納ユニットを移動する移動ユニットと、
前記着脱位置に位置する前記格納部に格納されている前記工具を検出するように、検出位置が設定された工具センサと、
前記主軸移動ユニットを制御する処理ユニットと、を備え、
前記処理ユニットは、
前記主軸に装着された工具を前記格納部に格納する際、前記工具センサの検出結果に基づいて、前記格納部に工具が格納されているか否かを確認し、
前記処理ユニットは、
前記主軸移動ユニットにより前記主軸を移動することで、前記主軸に装着された前記工具を前記格納部から取り出す際、前記工具センサの検出結果に基づいて、前記工具の先端位置を演算する、
ことを特徴とする工作機械。

【請求項2】

請求項１に記載の工作機械であって、
前記主軸に装着されている工具の先端が当接する接触式センサを備え、
前記制御手段は、
前記接触式センサに対して、前記主軸に装着されている工具が当接するように前記主軸移動ユニットにより前記主軸を移動させ、その際の前記接触式センサの検出結果に基づいて、前記工具の先端位置を演算し、
前記制御手段は、
前記接触式センサに対して、前記主軸に装着されている工具が当接するように前記主軸移動ユニットにより前記主軸を移動させる際、前記主軸の移動速度を、前記工具センサの検出結果に基づいて演算した前記工具の先端位置に基づいて、変化させる、
ことを特徴とする工作機械。

【請求項3】

請求項１に記載の工作機械であって、
さらに、
前記主軸に装着される工具により加工が行われるワークを保持する加工テーブルと、
前記移動ユニットによって移動され、前記格納ユニットと前記加工テーブルとを有する可動ステージと、を備え、
前記移動ユニットは、前記可動ステージとともに、前記格納部が前記着脱位置に位置するように、前記格納ユニットと前記加工テーブルとを移動させる、
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】

本発明は工作機械に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、自動工具交換機能を備えた工作機械では、ある加工から次の加工に移るときに工具を自動的に交換することで、効率よく連続して加工をすることができる。工具を交換した後は、次の加工をする前に、交換後の工具の長さを正確に測定することが要求される場合がある。そこで、交換後の工具の長さを測定する技術も提案されている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平６−３４４２４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

交換対象となる工具は、マガジン等と呼ばれる格納ユニットに格納されている。格納ユニットは工具を格納する格納部を複数備えている。工具交換を行う場合に、格納部内にすでに工具が入っていると、戻そうとする工具と衝突してしまい工具を壊してしまうことがある。その対策として、格納部における工具の格納状態を検出するセンサを設けることが考えられる。しかし、格納部毎にセンサを設けると格納部が大型化し、また、センサ数が増大する。これらはコストアップの要因となる。

【0005】

本発明は、格納部毎にセンサを設けずに、工具の格納状態を検出可能な工作機械を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明によれば、工具が交換自在に装着される主軸と、前記主軸を軸方向に移動する主軸移動ユニットと、工具が格納される格納部を複数備えた格納ユニットと、前記主軸に対する工具の着脱が行われる着脱位置に位置する前記格納部が入れ替わるように前記格納ユニットを移動する移動ユニットと、前記着脱位置に位置する前記格納部に格納されている前記工具を検出するように、検出位置が設定された工具センサと、前記主軸移動ユニットを制御する処理ユニットと、を備え、前記処理ユニットは、前記主軸に装着された工具を前記格納部に格納する際、前記工具センサの検出結果に基づいて、前記格納部に工具が格納されているか否かを確認し、前記処理ユニットは、前記主軸移動ユニットにより前記主軸を移動することで、前記主軸に装着された前記工具を前記格納部から取り出す際、前記工具センサの検出結果に基づいて、前記工具の先端位置を演算する、ことを特徴とする工作機械が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、格納部毎にセンサを設けずに、工具の格納状態を検出可能な工作機械を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態に係る工作機械の説明図。

【図2】（Ａ）は図１の工作機械の一部の説明図、（Ｂ）は接触式センサの説明図。

【図3】（Ａ）及び（Ｂ）は工具の格納状態の検出例を示す図。

【図4】（Ａ）及び（Ｂ）は工具の先端位置の検出例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。各図において、矢印Ｚは上下方向を示し、矢印Ｘ及びＹは互いに直交する水平方向を示す。図１は本発明の一実施形態に係る工作機械Ａの説明図である。図２（Ａ）は加工テーブル６の周辺を示す図である。工作機械Ａは、自動工具交換機能を備えたＮＣ工作機械であり、縦型のマシニングセンタを構成している。

【0011】

工作機械Ａは主軸１を備える。主軸１はその軸方向がＺ方向とされている。主軸１には工具Ｔが交換自在に装着されてる。本実施形態の場合、工具Ｔは、刃物である工具本体３と、工具本体３を保持する工具ホルダ２とから構成されている。工具ＴはモータＭｄを駆動源として回転される。主軸１は主軸固定台４に支持されて、主軸移動ユニット４によりその軸方向（Ｚ方向）に移動可能である。主軸移動ユニット４は、モータＭｚを駆動源として備え、例えば、ボールネジ機構等の伝達機構を備えて主軸１を昇降する。主軸１の移動量はセンサＳｚで検出される。センサＳｚは、例えば、モータＭｚの回転量を検出するエンコーダである。センサＳｚの検出結果に基づいて、主軸１のＺ方向の位置が演算可能である。

【0012】

工作機械Ａは、可動ステージ６を備える。可動ステージ６には、格納ユニット５と加工テーブル１０と接触式センサ９とが搭載されている。なお、図１においては加工テーブル１０の図示を省略し、図２（Ａ）においては接触式センサ９の図示を省略している。

【0013】

格納ユニット５は工具Ｔが格納されるマガジンである。この格納ユニット５は後述する移動ユニット８や工具センサ７等と共に工具格納装置を構成している。本実施形態では、工作機械Ａに工具格納装置が一体的に組み込まれているが、工具格納装置を単独の装置として構成することも可能である。

【0014】

格納ユニット５は複数の格納部＃１〜＃５（区別しない場合は格納部＃ｎと表記する。）を備える。ここでは格納部の数を一例として５つとしている。複数の格納部＃１〜＃５はＸ方向に配列されている。

【0015】

各格納部＃ｎには、工具Ｔが１つずつ格納される。各格納部＃ｎは上部に開口部を有しており、工具Ｔの取り出し及び格納はこの開口部を介して上下方向に行われる。

【0016】

加工テーブル１０には加工対象となるワーク（不図示）が保持され、主軸１に装着された工具Ｔによりその加工が行われる。加工テーブル１０は、格納ユニット５に対して正面側に位置している。

【0017】

接触式センサ９は主軸１に装着されている工具Ｔの先端位置検出用のセンサである。接触式センサ９は、主軸１に装着されている工具Ｔの先端を当接することでその先端位置を検出するものである。図２（Ｂ）はその説明図である。接触式センサ９は、例えば圧力センサであり、その上面に感圧部を有している。図２（Ｂ）に示すように、接触式センサ９上で主軸１を降下し、工具Ｔで接触式センサ９を押圧する。接触式センサ９はこの押圧を検出する。接触式センサ９の上面の位置は設計上既知であるので、主軸１のＺ方向の位置に対する工具ＴのＺ方向の先端位置が演算可能となる。工具Ｔの先端位置はワークの加工の際に、制御上、必要となる。

【0018】

再び図１及び図２（Ａ）を参照して、工作機械Ａは移動ユニット８を備える。移動ユニット８は可動ステージ６をＸ方向及びＹ方向に移動する。移動ユニット８は、モータＭｘを駆動源として備え、例えば、ボールネジ機構等の伝達機構を備えて可動ステージ６をＸ方向に移動する。可動ステージ６のＸ方向の移動量はセンサＳｘで検出される。センサＳｘは、例えば、モータＭｘの回転量を検出するエンコーダである。移動ユニット８は、また、モータＭｙを駆動源として備え、例えば、ボールネジ機構等の伝達機構を備えて可動ステージ６をＹ方向に移動する。可動ステージ６のＹ方向の移動量はセンサＳｙで検出される。センサＳｙは、例えば、モータＭｙの回転量を検出するエンコーダである。

【0019】

加工テーブル１０上のワークに対して加工作業を行う場合、主軸１の下方にワークが位置するように移動ユニット８によって可動ステージ６を移動する。主軸１に対する工具Ｔの着脱を行う場合、移動ユニット８によって格納ユニット５が着脱位置Ｐ上に位置するように可動ステージ６を移動する。着脱位置Ｐは主軸１の下方の位置である。可動ステージ６をＸ方向に移動すると、着脱位置Ｐに位置する格納部＃ｎが入れ替わることになる。

【0020】

工作機械Ａは工具センサ７を備える。図２（Ａ）に示すように、工具センサ７は支持部材７ａを介して工作機械Ａの本体部分等に固定されており、その位置は不動である。工具センサ７は、着脱位置Ｐに位置する格納部＃ｎに格納されている工具Ｔを検出するように、検出位置が設定されている。したがって、着脱位置Ｐに位置する格納部＃ｎが入れ替わると、検出対象となる格納部＃ｎが入れ替わることになる。検出位置は、例えば、主軸１の軸線上に設定することができる。

【0021】

本実施形態の場合、工具センサ７は光学式センサであり、発光素子と受光素子とを備える。発光素子は、光の照射方向が着脱位置Ｐに設定されており、受光素子はその反射光を受光するように配置されている。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、工具センサ７による工具Ｔの格納状態の検出例を示す図である。

【0022】

図３（Ａ）の例の場合、着脱位置Ｐに格納部＃３が位置している。格納部＃３には工具Ｔが格納されている。工具センサ７からの光は工具Ｔで反射されて工具センサ７で受光される。このように工具センサ７が反射光を受光した場合には、格納部＃３に工具Ｔが存在していると判断できる。図３（Ｂ）の例の場合、着脱位置Ｐに格納部＃４が位置している。格納部＃４には工具Ｔが格納されていない。工具センサ７からの光を反射する工具Ｔが存在しないので、工具センサ７では反射光が確認されないか、或いは、工具Ｔが存在する場合よりも受光量が小さくなる。このため、格納部＃４に工具Ｔが存在していないと判断できる。

【0023】

図１に戻り、工作機械Ａは処理ユニット１００を備える。処理ユニット１００は、ＣＰＵ等の処理部１０１と、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶部１０２と、外部デバイスと処理部１０１とをインターフェースするインターフェース部１０３と、を備える。処理ユニット１００は、工作機械Ａを制御する制御ユニットであり、また、各種の演算を行う演算ユニットでもある。

【0024】

処理部１０１は記憶部１０２に記憶されたプログラムを実行し、工作機械Ａの制御を行う。例えば、モータＭｄの駆動制御を行う。また、主軸１の端部に設けられたツールチェンジャ（不図示）の駆動制御を行う。また、センサＳｚの検出結果に基づいてモータＭｚを駆動し、主軸１の移動制御及び位置制御を行う。また、センサＳｘの検出結果に基づいてモータＭｘを駆動し、或いは、センサＳｙの検出結果に基づいてモータＭｙを駆動し、可動テーブル６の移動制御及び位置制御を行う。

【0025】

制御の一例として、主軸１に装着されている工具Ｔを、格納部＃ｎに格納する場合の制御について説明する。まず、工具Ｔの格納先の格納部＃ｎが着脱位置Ｐに位置するように、移動ユニット８を制御する。次に、工具センサ７の検出結果を取得し、その検出結果に基づいて工具Ｔを格納する格納部＃ｎに別の工具が格納されているか否かを判定する。別の工具が格納されていないと判定した場合、つまり、その格納部＃ｎが空きであると判定した場合は、主軸移動ユニット４により主軸１を降下して、主軸１に装着されている工具Ｔを着脱位置Ｐの格納部＃ｎ挿入する。そして、工具Ｔを主軸１から分離する。分離された工具Ｔは格納部＃ｎに格納されたことになる。

【0026】

別の工具が格納されていると判定した場合、主軸１に装着されている工具Ｔと別の工具とが干渉する。よって、格納を中止して別の格納部＃ｎを選択するか、警告を発する等のエラー処理を行う。

【0027】

本実施形態の場合、工具センサ７の検知位置が、着脱位置Ｐに位置する格納部＃ｎに格納されている工具Ｔを検出するように設定されており、また、着脱位置Ｐに位置する格納部＃ｎを移動ユニット８で入れ替えることで、全ての格納部＃１〜＃５における工具Ｔの在籍検知に、１つの工具センサ７を兼用できる。したがって、格納部＃ｎ毎にセンサを設けずに、工具の格納状態を検出することができる。

【0028】

次に、制御の別例として、格納部＃ｎに格納されている工具Ｔを主軸１に装着し、その格納部＃ｎから取り出す際に、工具Ｔの先端位置を演算する制御について説明する。本実施形態では接触式センサ９により工具Ｔの先端位置を検出可能であるが、工具センサ７を利用して先端位置を検出することもできる。

【0029】

まず、装着する工具Ｔを格納する格納部＃ｎが着脱位置Ｐに位置するように、移動ユニット８を制御する。主軸移動ユニット４により主軸１を降下して、主軸１に工具Ｔを装着する。

【0030】

次に、主軸移動ユニット４により主軸１を上昇して、主軸１に装着された工具Ｔを格納部＃ｎから取り出す。その際、図４（Ａ）に示すように工具センサ７の検知結果を常時監視する。工具Ｔを取り出す途中の段階では、工具センサ７により工具Ｔが検出される。工具Ｔを格納部＃ｎから完全に取り出されると、図４（Ｂ）に示すように、工具Ｔが検出されなくなる。工具センサ７の検出結果が、「工具Ｔあり」から「工具Ｔ無」に変化したとき、工具Ｔの先端が工具センサ７の検知位置を通過したことになる。よって、その時の主軸１のＺ方向の位置から、主軸１のＺ方向の位置に対する工具ＴのＺ方向の先端位置が演算可能となる。本実施形態では、このように工具センサ７を、工具Ｔの先端位置検出にも利用することができる。

【0031】

工具センサ７による工具Ｔの先端位置検出精度は、非接触センサ９による工具Ｔの先端位置検出精度よりも劣る場合がある。精密な加工を行う場合には、より正確な工具Ｔの先端位置の情報が必要となる。したがって、非接触センサ９を用いて工具Ｔの先端位置を検出する。

【0032】

ただし、工具センサ７による工具Ｔの先端位置検出は、非接触センサ９を用いて工具Ｔの先端位置を検出する際の主軸１の移動速度制御に利用することができる。非接触センサ９によって工具Ｔの先端位置を検出する場合、主軸１の降下速度が速いと工具Ｔが非接触センサ９に当接したときに、その衝撃で工具Ｔの先端を破損する場合がある。破損を回避するために、主軸１の降下速度を遅くすると、先端位置の検出に必要な時間が長くなってしまう。

【0033】

そこで、非接触センサ９に工具Ｔが接触する直前まで主軸１の降下速度を相対的に早くし、その後は相対的に遅くする。速度を変化させる位置は、工具センサ７による工具Ｔの先端位置の検出結果を利用する。工具センサ７による工具Ｔの先端位置の検出により、工具Ｔの先端が非接触センサ９に当接する主軸１のＺ方向の位置は概ね演算できる。そこで、その手間の位置を速度の変化位置として、降下速度を減速すればよいことになる。

【0034】

工具本体３の突き出し量が最小のとき場合でも破損が無い様にする為に、その先端位置を計測する場合、工具センサ７による工具Ｔの先端位置検出結果を利用することで、先端位置の検出に必要な時間を以下の通り短縮できる。

【0035】

工具本体３の実際の突き出し量をＬ、工具本体３の最小の突き出し量をＬｍｉｎ、工具センサ７による工具Ｔの先端位置検出に基づく工具本体３の突き出し量をＬαとする。主軸１の最大降下速度をＦｍａｘ、非接触センサ９に工具本体３が破損無しに接触可能な降下速度をＦとする。

【0036】

降下速度Ｆのまま、非接触センサ９により工具Ｔの先端位置検出を行う場合に少なくとも必要とされる時間をｔ０とすると、
ｔ０＝（Ｌ−Ｌｍｉｎ）／Ｆ
である。突き出し量Ｌαを利用して降下速度を変化させて非接触センサ９により工具Ｔの先端位置検出を行う場合に少なくとも必要とされる時間をｔ１とすると、
ｔ１＝（Ｌα−Ｌｍｉｎ）／Ｆｍａｘ＋（Ｌα−Ｌ）／Ｆ
である。その差分：（２Ｌ−Ｌα−Ｌｍｉｎ）／Ｆ−（Ｌα−Ｌｍｉｎ）／Ｆｍａｘ、だけ、計測時間を短くできる。しかも、工具センサ７の利用により、センサの追加は不要である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】