工作機械及び機械加工方法
【課題】多数の工具を収納しておくことができるとともにコンパクトな構成でしかも安定性の高い工作機械を提供する。
【解決手段】工作機械システム１０は、隣接して平行に設けられた第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂと、コントローラ１２と、ワーク移動装置１４とを備える。第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂは、鉛直平面内において３６０°回転する回転アーム３２と、該回転アーム３２に設けられた加工主軸３６と、加工主軸３６に着脱自在な複数の工具Ｔを備えた回転マガジン８０とを有する。回転マガジン８０は、第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂの上方に設けられている。回転アーム３２の回転中心軸と、回転マガジン８０の回転軸は同一鉛直面上に配置されている。
【解決手段】工作機械システム１０は、隣接して平行に設けられた第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂと、コントローラ１２と、ワーク移動装置１４とを備える。第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂは、鉛直平面内において３６０°回転する回転アーム３２と、該回転アーム３２に設けられた加工主軸３６と、加工主軸３６に着脱自在な複数の工具Ｔを備えた回転マガジン８０とを有する。回転マガジン８０は、第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂの上方に設けられている。回転アーム３２の回転中心軸と、回転マガジン８０の回転軸は同一鉛直面上に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛直面内で回転する回転アームと、該回転アームの先端近傍に水平指向する加工主軸とを有する工作機械が複数設けられた工作機械、及びワークの加工に必要な複数の工具を保持するストッカが設けられた工作機械による機械加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械は、設置のスペース効率向上、隣接する工作機械へのワークの搬送、及び操作者の操作性の観点から、占有面積が小さいことが好ましく、特に正面視の幅が小さいことが好ましい。このように占有面積を小さくするという目的のため、例えば特許文献１では、水平方向に進退自在な可動コラムに昇降及び水平移動が可能な２つのスピンドルユニットが設けられた工作機械が提案されている。この特許文献１の工作機械は、低コスト且つ省スペースであって好適である。
【０００３】
また、特許文献２では、加工軸を鉛直方向に向ける構成により、省スペース及び単位面積あたりの設置台数を増加して生産性を向上することのできるＮＣ旋盤が提案されている。
【０００４】
ところで、引用文献１及び引用文献２に記載された工作機械では、正面視で直交する２軸のスライド機構が設けられていることから構造が複雑であって、しかも重量のあるスライド部材が移動をすることから、十分な安定性を得るためにはベース部分を相当に強固に設定しておかなければならなず、全体としての重量が重くなる。
【０００５】
このような観点から、特許文献３では、水平方向のスライド機構に対して、鉛直面内で回転するアームを設け、該アームを回転させることにより垂直方向に変位させる工作機械が提案されている。このような工作機械によれば、正面視のスライド機構は１軸分で足り、簡便な構成とすることができて好適である。
【０００６】
【特許文献１】特許３２７８１３５号公報
【特許文献２】特許２００３−２６６２０３号公報
【特許文献３】特公平５−２４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献３に記載された工作機械は、簡便な構成であるが、その一方、水平面上で直交する２軸のスライド機構（Ｘテーブル及びＺテーブル）を有しており、占有面積は必ずしも小さくはない。また、正面視ではＸ方向のスライド機構が設けられていることから機幅についても、必ずしも狭くはない。
【０００８】
そこで、特許文献３における工作機械の水平のＸ方向のスライド機構が鉛直方向となるように９０°回転させた機構を採用すると、正面視の機幅が非常に小さくなる。
【０００９】
一方、工作機械ではワークに対して複数の工具を着脱しながら加工を行う場合があり、種々のワークに対応可能なように多数の工具を格納しておくことが望ましいが、工作機械の占有面積を小さくすると多数の工具を格納しておくためのスペースもなくなる。
【００１０】
工作機械に対して、多数の工具を格納しておく機構を増設すると、占有面積が大きくなって工作機械自体を小型化した趣旨が没却されることになる。
【００１１】
また、前記のように特許文献３における工作機械の水平のＸ方向のスライド機構が鉛直方向となるように９０°回転させた機構を採用した場合、該工作機械は縦長形状となることから、工具を格納する機構を増設すると、バランスが悪くなり揺れ等が発生して加工精度の低下を招く。
【００１２】
さらに、多数の工具を格納する機構を設けた場合、全ての工具が正常であることを確認することは作業者にとって負担であり、加工を行う前に自動的な確認がなされることが望ましい。
【００１３】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、多数の工具を収納しておくことができるとともにコンパクトな構成でしかも安定性の高い工作機械を提供することを目的とする。また、本発明は、加工を行う前の適切なタイミングで工具が正常であることを自動的に確認することのできる機械加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る工作機械は、水平面内の一方向であるＺ方向にスライド移動するコラムと、前記コラム上に設けられ、且つ鉛直方向にスライド移動する支持体と、前記支持体に支承してＺ方向に向いたワークに臨む鉛直平面内において３６０°回転する回転アームと、前記回転アームを回転させるアーム駆動源と、前記回転アーム上の回転中心から離れた位置に設けられ、前記回転アームに対して回転自在に支承されてＺ方向を指向する加工主軸と、前記加工主軸を回転させる主軸駆動源と、前記加工主軸に着脱自在な複数の工具をメインストッカに備えた自動工具交換機構とを有し、前記回転アームの回転中心軸と、前記メインストッカの回転軸は同一鉛直面上に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
このように、メインストッカを工作機械の上部に設けることにより、設置面積を拡げることなく多数の工具を格納しておくことができる。また、回転アームの回転中心軸とメインストッカの回転軸が同一鉛直面上に配置されていることから、回転アームの昇降にともなって発生する力のベクトルはメインストッカの方向に向き、モーメントが発生することがないため、安定性が高い。
【００１６】
この場合、水平面内でＺ方向に直交するＸ方向の側面に、前記工具を複数格納するサブストッカを有し、前記サブストッカは、前記工具がＸ方向を指向するように保持する保持アームと、前記工具の１つを前記保持アームから抜き取りＺ方向に向きを変えて前記加工主軸に受け渡す工具受渡交換機構と、前記保持アームを間欠移動させるインデックス機構とを有していてもよい。このようなサブストッカによれば、一層多くの工具を格納しておくことができ、しかも占有幅は工具の長さ程度にしか広がらない。
【００１７】
また、前記加工主軸は、前記メインストッカに対する前記工具の着脱操作を直接的に行うようにしてもよい。これにより、専用の着脱機構等が不要になり、簡便となる。
【００１８】
さらに、前記加工主軸に装着された前記工具の長さを計測するセンサを有していてもよい。該センサによれば、工具の誤装着や折損等を検出し、所定の対応をとることができる。
【００１９】
次に、本発明に係る機械加工方法は、水平面内の一方向であるＺ方向にスライド移動するコラムと、前記コラム上に設けられ、且つ鉛直方向にスライド移動する支持体と、前記支持体に設けられたスピンドルユニットと、前記スピンドルユニットの加工主軸に装着された工具の長さを計測するセンサと、少なくとも所定のワークの加工に必要な複数の工具を保持し、保持された前記工具を前記加工主軸に対して着脱を行うメインストッカと、他のワークの加工に必要な工具を含めて保持し、保持された前記工具を前記加工主軸に対して着脱を行うサブストッカとを備えた工作機械の機械加工方法であって、前記サブストッカから前記加工主軸に供給された工具を前記メインストッカに移す際、前記センサにより前記工具の長さを計測し、該長さが予め記録された長さと異なるときに所定の警告を出力することを特徴とする。
【００２０】
このように、サブストッカからメインストッカに工具を移す際に工具長さをセンサによって自動的に確認することにより、加工を行う前に誤装着や折損等の異常を見つけることができ、加工を停止させる必要がなく、工作機械の稼働率及び生産効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る工作機械によれば、メインストッカを工作機械の上部に設けることにより、設置面積を拡げることなく多数の工具を格納しておくことができる。また、回転アームの回転中心軸とメインストッカの回転軸が同一鉛直面上に配置されていることから、回転アームの昇降にともなって発生する力のベクトルはメインストッカの方向に向き、モーメントが発生することがないため、安定性が高い。
【００２２】
また、本発明に係る機械加工方法によれば、サブストッカからメインストッカに工具を移す際に工具長さをセンサによって自動的に確認することにより、加工を行う前に誤装着や折損等の異常を見つけることができ、加工を停止させる必要がなく、工作機械の稼働率及び生産効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る工作機械について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１３を参照しながら説明する。
【００２４】
図１〜図３は、本実施の形態に係る工作機械システム１０の斜視図、正面図及び側面図である。図１〜図３に示すように、本実施の形態に係る工作機械システム１０は、ワークＷに対してドリル加工、中ぐり加工及びホーニング加工等を行うものであって、正面視（図２参照）で幅狭に構成されている。以下、工作機械システム１０の向きを特定するために、図２における左右方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向とし、Ｘ方向及びＹ方向に直交する奥行きの方向をＺ方向（図３参照）とする。Ｘ方向及びＹ方向は、水平面内の所定の一方向であって、直交している。
【００２５】
工作機械システム１０は、正面視向かって左側の第１工作機械１１ａと右側の第２工作機械１１ｂと、これらの第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂを統合的・協調的に制御するコントローラ１２とを有する。第１工作機械１１ａと第２工作機械１１ｂは隣接して平行に設けられており、定盤１３、ワーク移動装置１４及びフレーム１５は共用となっている。もちろん、これらの定盤１３、ワーク移動装置１４及びフレーム１５は、第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂに専用のものを用いても良い。第１工作機械１１ａと第２工作機械１１ｂは同構造であり、以下第１工作機械１１ａを代表的に説明する。
【００２６】
第１工作機械１１ａは、床に固定された定盤１３をベースに構成されている。定盤１３はＸ方向に幅狭で、Ｙ方向に低い形状である。定盤１３には、ワーク移動装置１４及びフレーム１５が取り付けられている。ワーク移動装置１４は、定盤１３の上面の正面側（矢印Ｚ１側）の近傍に設けられており、該ワーク移動装置１４の上方にはワーク押圧固定装置１７ａ、１７ｂ（図３参照）が設けられている。なお、支持体２２、回転アーム３２等を視認できるように図１、図２、図５及び図１１ではワーク押圧固定装置１７ａ、１７ｂを省略して図示している。
【００２７】
フレーム１５は、後述する回転マガジン（自動工具交換機構、メインストッカ）８０ａ、８０ｂ、サブストッカ１００ａ、１００ｂ及び工具長検査装置１０１ａ、１０１ｂを支持するためのものであって、定盤１３の矢印Ｚ方向の両端から上方に延在する４本の支柱１５ａと、これらの支柱１５ａを介して支えられたプレート１５ｂとを有する。
【００２８】
第１工作機械１１ａは、定盤１３の上面に設けられたＺ方向に延在する一対のＺレール１６と、該Ｚレール１６に案内されてＺ方向にスライドするコラム１８と、該コラム１８の正面においてＹ方向に延在する一対のＹレール２０と、該Ｙレール２０に案内されてＹ方向にスライドする支持体２２とを有する。Ｚレール１６上におけるコラム１８のＺ方向の位置はＺ位置センサ１６ａによって検出され、Ｙレール２０上における支持体２２のＹ方向の位置はＹ位置センサ２０ａによって検出され、それぞれコントローラ１２に供給される。
【００２９】
コラム１８は、定盤１３の後方に設けられたＺモータ２４の作用下にボールねじ機構２６を介してＺ方向に移動をする。支持体２２は、定盤１３の内部に配置されたＹモータ２８の作用下にボールねじ機構３０を介してＹ方向に往復移動をする。コラム１８及びＹレール２０は、Ｙ方向に適度に長い形状であって、支持体２２を比較的長距離移動させることができる。
【００３０】
図４に示すように、支持体２２は、Ｚ１方向に向いたワークＷに臨む鉛直平面内において回転する回転アーム３２と、該回転アーム３２を回転させるアームモータ（アーム回転駆動源）３４と、回転アーム３２の遠心方向端部近傍に設けられ、回転アーム３２に対して回転自在に支承されてＺ１方向を指向する加工主軸３６と、該加工主軸３６を回転させるスピンドルモータ（主軸回転駆動源）３８とを有する。アームモータ３４は、例えば、ダイレクトモータである。
【００３１】
支持体２２は、枠体４０をベースに構成されており、該枠体４０の内部にアームモータ３４が設けられている。アームモータ３４は、枠体４０に固定されたステータ３４ａと、該ステータ３４ａの内側に設けられた中空のロータ３４ｂとを有する。
【００３２】
回転アーム３２は、ロータ３４ｂの矢印Ｚ１方向端部に固定されており、アームモータ３４の作用下に回転する。支持体２２に対する回転アーム３２の角度は、角度センサ４１によって計測されコントローラ１２に供給される。
【００３３】
なお、図４からも明らかなように、回転アーム３２はエンドレスに回転が可能であるが、最低限１回転（３６０°）の回転が可能であればよい。加工主軸３６は、回転アーム３２の回転中心Ｃから距離Ｒだけ離れた箇所に設けられている。また、回転中心Ｃから回転アーム３２の外側端部までの長さをＬとする。
【００３４】
回転アーム３２において、加工主軸３６が設けられている側と反対側（図４における上側）にはバランサ４２が設けられている。バランサ４２は、クーラント等の液体が入った液体タンクであり、加工主軸３６に取り付けられる工具に応じて、内部の液量を変化させてバランスをとることができる。バランサ４２は金属製の錘であってもよい。該バランサ４２が設けられている箇所以外の回転アーム３２の内部は中空構造となっている。回転アーム３２は、支持体２２と比較すると相当に軽量であり、回転させたときにも支持体２２や第１工作機械１１ａに対する安定性を損なうことがない。
【００３５】
スピンドルモータ３８は矢印Ｚ２方向に突出しており、アームモータ３４と同軸となるように、支持体２２における枠体４０の後面に対して固定されている。スピンドルモータ３８とアームモータ３４は同軸上に配置されていることから、支持体２２をコンパクトなユニットとして構成することができる。すなわち、加工主軸３６の軸線上にスピンドルモータ３８が存在せず、回転アーム３２の中心に近い箇所にスピンドルモータ３８があると、前記のバランサ４２の質量及び大きさが小さくてすみ、支持体２２を全体的にコンパクトにすることができる。したがって、スピンドルモータ３８の軸を回転アーム３２の軸とが同軸上にあることが好ましい。
【００３６】
シャフト（動力伝達部）４４は、ロータ３４ｂの中空部を貫通して設けられ、一端がスピンドルモータ３８の回転軸に固定され、他端は、枠体４０から突出して回転アーム３２の矢印Ｚ１側の側板まで達している。シャフト４４は、回転アーム３２の矢印Ｚ１側端部、矢印Ｚ２側端部及び枠体４０の矢印Ｚ２側端部の３箇所で、順にベアリング４５ａ、４５ｂ及び４５ｃによって軸支されている。
【００３７】
プーリ機構４６は、ベアリング４５ａとベアリング４５ｂとの間でシャフト４４に固定された駆動プーリ４６ａと、加工主軸３６の矢印Ｚ２方向端部に固定された従動プーリ４６ｂと、これらの駆動プーリ４６ａと従動プーリ４６ｂとの間に張架されたベルト４６ｃとを有する。また、プーリを用いた駆動機構は回転アーム３２を軽量化できて好適である。
【００３８】
また、プーリを用いた駆動機構以外にも、例えば、駆動プーリ４６ａをギアへ置換するとともに、従動プーリ４６ｂをピニオンに置換し、サイレントチェーンを利用した駆動伝達機構を用いてもよい。この場合、ギアとピニオンとの間を複数のギア等を介して駆動力を伝達してもよい。
【００３９】
プーリ機構４６は、回転アーム３２内の中空部に設けられており、所定のテンション機構によってベルト４６ｃの張り調整がなされている。このような構造により、スピンドルモータ３８の回転は、シャフト４４及びプーリ機構４６を介して加工主軸３６に伝達される。
【００４０】
加工主軸３６は、回転アーム３２と一体的に設けられた主軸カバー４８内に収納されており、矢印Ｚ１方向の先端部には工具Ｔが装着されるツールヘッド５０が設けられている。また、矢印Ｚ２方向端部には、ツールヘッド５０に対する工具Ｔのクランプ状態を解除して、工具Ｔを離脱可能にするアンクランプレバー５２が設けられている。アンクランプレバー５２は、回転中心Ｃから見て外向きにやや突出する形状であり、後述するアンクランプブロック７８によって回転中心Ｃの方向に押圧されることにより操作され、工具Ｔをアンクランプすることができる。また、アンクランプレバー５２は、アンクランプブロック７８が離れることにより図示しない弾性体によって元の位置に戻され、ツールヘッド５０内の工具Ｔをクランプすることができる。
【００４１】
回転アーム３２の背面側（矢印Ｚ２側）にはねじ６０によって板ばね等からなるディスク６２を挟持して回転アーム３２を所定位置にて固定する固定装置６４を設けている。
【００４２】
この固定装置６４はディスク６２の背面側と当接する受け座６６とこの受け座６６との間でディスク６２を挟持する押圧片６８とからなり、押圧片６８は皿ばね７０によって挟持方向に付勢されるロッド７２先端部に設けられ、皿ばね７０に抗してロッド７２を前方に押すことでディスク６２の挟持状態を解除し、回転アーム３２の回転が可能となる。
【００４３】
なお、本実施例ではディスク６２を板ばねにて構成したため、ディスク６２を挟持することで回転アーム３２が倒れることなく確実に回転が阻止される。
【００４４】
図５に示すように、第１工作機械１１ａにおけるコラム１８の上部の矢印Ｚ１側の面には、前記のアンクランプレバー５２を押圧するためのアンクランプブロック７８が設けられている。したがって、回転アーム３２を上方に指向させた状態で、支持体２２を上昇させることにより、アンクランプブロック７８によってアンクランプレバー５２を操作してツールヘッド５０内の工具Ｔをアンクランプすることができる。
【００４５】
フレーム１５におけるプレート１５ｂの上面やや左側には、第１工作機械１１ａに対応し、加工主軸３６に着脱自在な複数の工具Ｔを格納した回転マガジン８０ａが設けられている。なお、フレーム１５におけるプレート１５ｂの上面やや右側には、第２工作機械１１ｂに対応し、回転マガジン８０ａと同機構の回転マガジン８０ｂが設けられている。以下、回転マガジン８０ａを例に説明する。
【００４６】
回転マガジン８０ａは、矢印Ｚ方向に延在する回転軸８２と、該回転軸８２を駆動するマガジンモータ８３と、回転軸８２を中心として正面視（図２参照）で略２７０°の範囲で放射状に設けられた保持アーム８４とを有する。各保持アーム８４の先端には工具Ｔを保持するＣ字状のグリップが設けられている。グリップは弾性体であって、Ｃ字の開口部から工具Ｔを押し込むことにより弾性的に拡開して工具Ｔが挿入可能となり、挿入された後には閉じて工具Ｔを挟持・保持することができる。また、保持された工具Ｔは、Ｃ字の開口部から引き抜きが可能である。保持アーム８４の数は、例えば１６本程度とするとよい。
【００４７】
回転マガジン８０ａは、通常、保持アーム８４のない略９０°の部分が下向きとなっており、全体がプレート１５ｂよりも上方にあり、コラム１８及び支持体２２の動作の支障とならない。ツールヘッド５０の工具Ｔを交換する際には、回転マガジン８０ａを回転させて、プレート１５ｂの端から所定の保持アーム８４を下方に指向させる（図５参照）。
【００４８】
具体的には、工具Ｔを保持していない空の保持アーム８４を下方に指向させておき、コラム１８のＺ方向位置を調整した後に、支持体２２を上昇させる。これにより、図６に示すように、工具Ｔが保持アーム８４に保持されるとともに、アンクランプレバー５２がアンクランプブロック７８に当接して操作され、工具Ｔはツールヘッド５０に対してアンクランプされる。したがって、コラム１８を矢印Ｚ２方向に後退されることにより、工具Ｔはツールヘッド５０から抜き取られる。
【００４９】
次いで、回転マガジン８０ａを回転させて、これから使用する予定の工具Ｔが保持されている保持アーム８４を下方に指向させ、コラム１８を矢印Ｚ１方向に進出させる。これにより目的の工具Ｔがツールヘッド５０に挿入されるので、支持体２２を下降させることにより、アンクランプレバー５２がアンクランプブロック７８から離間して工具Ｔをクランプすることができる。この後、回転マガジン８０ａを回転させて、全ての保持アーム８４がプレート１５ｂよりも上方に配置されるように設定する。
【００５０】
このように、回転マガジン８０ａと加工主軸３６との間では、途中で工具Ｔを受け渡すために介在する機構はなく、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２の動作作用下に工具Ｔの着脱操作を直接的に行うことができる。これにより、専用の着脱機構等が不要であることから簡便構造となり、しかも工具の脱着に要する時間が短縮される。
【００５１】
なお、図２から明らかなように、回転マガジン８０ａは第１工作機械１１ａの上部に設けられており、設置面積を拡げることなく多数の工具Ｔを格納しておくことができる。また、回転アーム３２の回転中心軸と、回転マガジン８０ａの回転軸８２は同一鉛直面上に配置されていると、回転アーム３２の昇降にともなって発生する力のベクトルは回転マガジン８０ａの方向に向き、モーメントが発生することがない。これについて図７Ａ及び図７Ｂのモデルで検討する。図７Ａ及び図７Ｂの質量点Ｍ１は回転マガジン８０ａの重心点を示し、質量点Ｍ２は支持体２２の重心点を示し、これらの質量点Ｍ１とＭ２とを接続する摩擦ダンパＤは、回転マガジン８０ａと支持体２２との間のレール２０やフレーム１５等の接続部の等価機構である。なお、質量点Ｍ２は、回転アーム３２の角度によって変動するが、該回転アーム３２の質量は支持体２２の質量と比較して小さいことから変動幅も小さく、このモデルでは省略できる。
【００５２】
図７Ａのように、質量点Ｍ１と質量点Ｍ２が、同一鉛直面上に配置されていると、質量点Ｍ２は支持体２２を示すことからレール２０に沿って鉛直方向に動作することになり、その移動を示すベクトルＶは質量点Ｍ１の方向を指向する。つまり、ベクトルＶは摩擦ダンパＤを伸縮させる力のみを発生させ、モーメントの発生はなく、モデルを回転させる力は発生しない。
【００５３】
これに対して、図７Ｂのように、質量点Ｍ１と質量点Ｍ２が、同一鉛直面上ではない位置に配置されていると、質量点Ｍ２の移動を示すベクトルＶは、鉛直向きであることには変わりないため、摩擦ダンパＤを伸縮させる力Ｆ１と、モデルを回転させるモーメントＭ＝Ｆ２・ａが発生する。ここで、力Ｆ２は、ベクトルＶが示す力の、摩擦ダンパＤの延在方向と直交する方向の分力であり、パラメータａはその時点における摩擦ダンパＤの長さである。
【００５４】
つまり、これらのモデルから、回転アーム３２の回転中心軸と、回転マガジン８０ａの回転軸８２は同一鉛直面上でないと、第１工作機械１１ａを回転させるモーメントＭが発生して揺れが生じ得るが、回転アーム３２の回転中心軸と、回転マガジン８０ａの回転軸８２が同一鉛直面に配置されていると、モーメント及び揺れが生じることがなく、安定性が高いことが理解されよう。
【００５５】
次に、サブストッカ１００ａ及び１００ｂについて説明する。図１に示すように、フレーム１５の左側面には、第１工作機械１１ａに対応し加工主軸３６に着脱自在な複数の工具Ｔを格納したサブストッカ１００ａが設けられている。同様に、フレーム１５の右側面には、第２工作機械１１ｂに対応しサブストッカ１００ａと左右対称機構のサブストッカ１００ｂが設けられている。サブストッカ１００ａとサブストッカ１００ｂは左右対称に設けられておりバランスがよい。以下、サブストッカ１００ａを例に説明する。
【００５６】
サブストッカ１００ａは、チェーンやタイミングベルト等の循環回転手段１０２と、該循環回転手段１０２を４隅で支持するプーリやスプロケット等の案内輪１０４と、循環回転手段１０２に設けられた複数本（例えば４０本）の保持アーム１０６と、該保持アーム１０６に保持された工具Ｔを加工主軸３６に対して着脱する工具受渡機構１０８（図８参照）と、案内輪１０４を間欠的に駆動して保持アーム１０６のいずれか１つを工具受渡機構１０８に配置させるモータ（インデックス機構）１０９とを有する。サブストッカ１００ａは、側面視（図３参照）で、側壁に沿ってＺ方向に長い形状である。また、正面視（図２参照）ではＸ方向の幅は非常に短く、実質的には保持する工具Ｔの長さがＸ方向の幅となっている。保持アーム１０６は、前記の保持アーム８４と同機構であって、工具Ｔが矢印Ｘ方向に突出する向きに保持することができる。
【００５７】
図８に示すように、工具受渡機構１０８は、サブストッカ１００ａの矢印Ｚ１方向端部近傍に設けられており、符号を付さない架台にブラケット１０３に揺動可能に支承されたシリンダ１１０と、該シリンダ１１０のロッド１１０ａの先端に設けられたチャック１１１とを有する。工具受渡機構１０８はサブストッカ１００ａの矢印Ｚ１方向端部に配置された保持アーム１０６の一部をチャック１１１で把持し、ロッド１１０ａを伸縮させることによって保持アーム１０６及び工具Ｔを９０°回転させることができる。これにより、保持アーム１０６は矢印Ｘ方向を指向し、工具Ｔは矢印Ｚ方向を指向することになる。この状態で加工主軸３６を矢印Ｚ１方向に進出させることにより工具Ｔを装着することができる。また、逆の動作により加工主軸３６から工具Ｔを抜き取り、保持アーム１０６に戻すことができる。
【００５８】
このような工具受渡機構１０８を含むサブストッカ１００ａでは、長尺な工具軸方向を一方向に備えているので、多数の工具Ｔを格納しておくことができて好適である。また、簡便な工具受渡機構で、工具軸方向を変更して矢印Ｚ１方向に指向できるので、一層多数の工具を取り扱うことができ、サブストッカ１００ａの設置位置の自由度が向上する。
【００５９】
回転マガジン８０ａとサブストッカ１００ａは、共に工具Ｔを格納しておくことができるが、用途に応じて使い分けるようにしてもよい。例えば、一週間の作業で必要な工具Ｔをサブストッカ１００ａに格納しておき、そのうち１日の作業で必要な工具Ｔを回転マガジン８０ａに格納させてもよい。この場合、回転マガジン８０ａとサブストッカ１００ａとの間の工具Ｔの受け渡しは、工具受渡機構１０８及び加工主軸３６を介して行うことができ、例えば、作業のない夜間に受け渡しを自動的に完了させておくとよい。
【００６０】
次に、工具長検査装置１０１ａ及び１０１ｂについて説明する。プレート１５ｂの左側下面には、第１工作機械１１ａに対応し、加工主軸３６に装着された工具Ｔの長さを検査する工具長検査装置１０１ａが設けられている。なお、プレート１５ｂの右側下面には、第２工作機械１１ｂに対応し、工具長検査装置１０１ａと同機構の工具長検査装置１０１ｂが設けられている。以下、工具長検査装置１０１ａを例に説明する。
【００６１】
図９に示すように、工具長検査装置１０１ａは、Ｚ方向に延在するボールねじ２０２と、該ボールねじ２０２の一端に接続されたモータ２０４と、ボールねじ２０２の他端に設けられた軸受体２０６と、ボールねじ２０２に螺合しながらモータ２０４の回転作用下にＺ方向に進退するナット体２０８と、該ナット体２０８をＺ方向に案内するレール２１０と、ナット体２０８に接続されて下方を指向する非接触センサ２１２とを有する。レール２１０には図示しないリニア変位センサが設けられており、非接触センサ２１２のＺ方向位置を検出してコントローラ１２に供給する。
【００６２】
非接触センサ２１２は第１工作機械１１ａのコラム１８、支持体２２及び回転アーム３２が所定の基準計測位置に移動したときに、加工主軸３６に装着された工具Ｔの上方近傍となる位置に配置可能である。基準計測位置は、例えば、加工主軸３６の先端が軸受体２０６の端面とＺ方向位置が一致し、支持体２２が最上位位置で、且つ、回転アーム３２が、正面視で左斜め４５°となる位置に設定しておくとよい。また、非接触センサ２１２は、回転アーム３２の動作範囲外にあり、回転アーム３２、加工主軸３６及び工具Ｔに対する干渉のおそれがない。
【００６３】
コントローラ１２では、リニア変位センサの信号を参照しながら非接触センサ２１２を所定の位置に移動させることができ、該位置において非接触センサ２１２の直下に工具Ｔが存在するか否かを検査する。
【００６４】
また、コントローラ１２は、工程に応じて加工主軸３６に装着されている工具Ｔの基準長さＴＬを記録しており、非接触センサ２１２が該基準長さＴＬよりもＺ１方向に微小変位αだけ移動した位置２２０ａで工具Ｔを検出せず、且つ、該基準長さＴＬよりもＺ２方向に微小変位αだけ移動した位置２２０ｂで工具Ｔを検出したときに工具Ｔが正常長さであることを認識できる。非接触センサ２１２が、位置２２０ａで工具Ｔを検出し、又は位置２２０ｂで工具Ｔを検出できなかった場合には、間違った別の工具Ｔが装着されているか、又は、折損していると判断できる。
【００６５】
工具Ｔの長さを検査する手段としては、工具長検査装置１０１ａの作用下に、非接触センサ２１２を基準長さＴＬに対して±αの範囲でＺ方向に移動しながらリアルタイムに計測を行い、工具Ｔの一層精確な長さを調べるようにしてもよい。また、１つの非接触センサ２１２で工具Ｔの長さＴＬを検査するためには、これらの非接触センサ２１２と工具ＴがＺ方向に相対的に移動をすればよいことから、非接触センサ２１２をプレート１５ｂの下面に固定しておき、Ｚモータ２４及びボールねじ機構２６の作用下にコラム１８を動かすようにしてもよい。コラム１８がＺ方向に移動することにより加工主軸３６及び工具Ｔも一体的にＺ方向に移動をすることから、非接触センサ２１２に対して相対移動をして、工具Ｔの長さＴＬを検査することができる。
【００６６】
図１０に示すように、コントローラ１２は、第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂを制御する第１工作機械制御部３００ａ及び第２工作機械制御部３００ｂと、ワーク移動装置１４を制御するワーク保持制御部３０２と、回転マガジン８０ａ及び８０ｂを制御するマガジン制御部３０４と、サブストッカ１００ａ及び１００ｂを制御するサブストッカ制御部３０６と、ワーク押圧固定装置１７ａ及び１７ｂを制御する固定制御部３０８と、工具長検査装置１０１ａ及び１０１ｂを制御して工具Ｔが正常であるか否かを判断する工具判断部３１０と、該工具判断部３１０が工具Ｔの異常を検出したときに所定の警報を出力する警報部３１２とを有する。
【００６７】
このように構成される第１工作機械１１ａによれば、加工主軸３６の水平位置の位置Ｘは、アームモータ３４の回転作用下に回転アーム３２の向きによって変化し、例えば、図１１に示すように、水平方向を０°とした角度θに対して、Ｘ＝Ｒ・ｃｏｓθとして表される。また、加工主軸３６の鉛直方向の位置Ｙは、回転アーム３２の向きと支持体２２の高さＹ０によって変化し、Ｙ＝Ｙ０＋Ｒ・ｓｉｎθとして表される。したがって、回転アーム３２と支持体２２の動作によって、ターンテーブル１５０に固定されたワークＷに対して所望の位置に加工主軸３６を配置させることができ、加工主軸３６の位置決めがなされた後には、スピンドルモータ３８によって加工主軸３６を回転させながら、コラム１８を矢印Ｚ１方向に進出させることによって、工具ＴをワークＷに対して当接させ、ドリル、中ぐり及びタップ等の切削加工、並びにホーニング等の研削加工をすることができる。
【００６８】
第１工作機械１１ａを例に挙げて説明をしたが、第２工作機械１１ｂについては第１工作機械１１ａと同構造であることから詳細な説明を省略する。
【００６９】
次に、このように構成される工作機械システム１０を用いて行う機械加工方法であって、サブストッカ１００ａから加工主軸３６に供給された工具Ｔを回転マガジン８０ａに移す際、工具長検査装置１０１ａにより工具Ｔの長さＴＬを計測し、該長さＴＬが予め記録された長さと異なるときに所定の警告を出力する方法について図１２を参照しながら説明する。
【００７０】
この手順は、所定の第１ワークＷ１を連続的に所定数又は所定時間に加工をした後に、別の第２ワークＷ２の加工のための準備として行うものであり、例えば、昼休み前や夜間操業の直前に行う。
【００７１】
これにより、作業員が昼休み時間又は夜間で不在の場合でも、システムを稼働することができ、１日当たりの稼働率を向上させることができる。
【００７２】
また、工具寿命に関して、所定の加工数に達した工具Ｔをサブストッカに移してスペア工具を回転マガジンに自動供給できるように、サブストッカの保持アーム１０６はナンバリングされている。回転マガジンの保持アーム８４はナンバリングされ、その番号あるいは符号に対応したメモリがマガジン制御部３０４及びサブストッカ制御部３０６に備えられ、各保持アームに格納された工具Ｔの固有番号と、その工具Ｔの累積加工回数あるいは累積加工時間がメモリに記憶される。所定の加工回数、加工時間を超えると、スペア工具が加工主軸３６を介してサブストッカ１００ａから回転マガジンに供給される。所定の加工回数、加工時間を超えた工具Ｔは、前述と逆の動作を実施し、加工主軸３６を介して回転マガジンからサブストッカ１００ａに戻る。サブストッカ１００ａには保持アーム１０６に対応する図示しないランプが設けられており、所定の加工回数、加工時間を超え、戻った工具Ｔに対応して前記ランプは、例えば赤や黄色に発光して、交換が必要であることを作業員に認識させる。
【００７３】
また、前述のとおり、同じ仕様の工具Ｔを備えてあれば、仮に後述の長さＴＬが異常であったときには、回転マガジンあるいはサブストッカ１００ａに備えられていた同じ仕様の工具Ｔでリトライすることができ、システムの停止を防止する。
【００７４】
以下の手順は、第１工作機械１１ａを例にして説明するが、第２工作機械１１ｂについても同様である。
【００７５】
先ず、図１２のステップＳ１において、その時点で回転マガジン８０ａに格納されている工具Ｔを抜き取って加工主軸３６に装着する（図６参照）。ここで、加工主軸３６に装着する工具Ｔは、それまでの第１ワークＷ１の加工を行うものであって、次の第２ワークＷ２の加工には用いないものである。以下、この工具Ｔを、工具Ｔ１と呼ぶ。
【００７６】
ステップＳ２において、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２を所定の交換位置まで移動させ、工具受渡機構１０８を介して工具Ｔ１をサブストッカ１００ａの所定の保持アーム１０６に装着する。これにより、回転マガジン８０ａに装着されていた所定の工具Ｔ１がサブストッカ１００ａに移されたことになる。
【００７７】
ステップＳ３において、予定された数の工具Ｔ１を全てサブストッカ１００ａに移し終えたか否かを確認する。予定数の全ての工具Ｔ１を移し終えているときにはステップＳ４へ移り、未終了であればステップＳ１へ戻る。
【００７８】
ステップＳ４において、サブストッカ１００ａにおける所定の保持アーム１０６に、次の第２ワークＷ２の加工に用いる工具Ｔ（以下、工具Ｔ２という。）を装着する。この装着処理は作業者によって行われ、図１３に示すように、工具Ｔ２に示されたコード４００と、保持アーム１０６に表示された識別用のコード４０２が一致することを確認して装着する。コード４０２は第２ワークＷ２の加工に先だって回転マガジン８０ａの正しい位置に装着するように識別のために設けられているものである。
【００７９】
工具Ｔ２を装着する保持アーム１０６は工具Ｔ１がない空き状態であり、又はその時点で装着されている工具Ｔ１に交換して工具Ｔ２を装着する。対応する保持アーム１０６が工具Ｔ１にも対応している場合には、第１ワークＷ１用の識別用としてコード４０４を表記しておく。
【００８０】
なお、このステップＳ４工具Ｔ２の装着処理は、前記のステップＳ１の以前で第１工作機械１１ａが第１ワークＷ１に対する加工を行っている際に同時並行的に行ってもよい。
【００８１】
全ての工具Ｔ２をサブストッカ１００ａに装着した後、作業者はコントローラ１２に対して所定の入力操作を行い、該コントローラ１２はこの入力に基づいてステップＳ５へ移る。
【００８２】
ステップＳ５において、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２を所定の交換位置まで移動させ、サブストッカ１００ａの所定の保持アーム１０６に装着されている工具Ｔ２を工具受渡機構１０８を介して加工主軸３６に装着する。
【００８３】
ステップＳ６において、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２を前記の基準計測位置まで移動させ、工具長検査装置１０１ａによって工具Ｔ２の長さＴＬを検査する。このとき、複数の工具Ｔ２はそれぞれ長さＴＬが異なることから、工具長検査装置１０１ａは、工具判断部３１０に記録されて供給される各工具Ｔ２の長さＴＬを基準として、図９に示すように、微小変位αだけＺ１方向及びＺ２方向に非接触センサ２１２を移動させて検査を行う。
【００８４】
ステップＳ７において、工具判断部３１０は工具長検査装置１０１ａによる検査結果が正常か異常かの判断を行う。つまり、位置２２０ａ（図９参照）では非接触センサ２１２により工具Ｔ２が検出されて、且つ位置２２０ｂでは検出されなかったときには正常であり、それ以外のときには異常であると判断する。正常であればステップＳ１０へ移り、異常であればステップＳ８へ移る。
【００８５】
ステップＳ８において、工具判断部３１０は警報部３１２を介して警報処理を行う。つまり、この場合には工具Ｔ２が誤装着又は欠損しているおそれがあることから、作業員に対して確認及び交換の催促を行うためである。警報処理とは、例えば、音響出力、画像出力、ランプ点灯、及び外部コンピュータへの通報等が挙げられる。また、このとき第１工作機械１１ａは一時停止する。また、前述のスペア工具を供給する方法で一時停止を回避して稼働率を向上させるようにしてもよい。
【００８６】
ステップＳ９において、警報を認知した作業者により、工具Ｔ２の確認が行われ、誤装着又は欠損等がある場合には所定の正しい工具Ｔ２に移し替えが行われる。工具Ｔ２の確認・交換をした後、作業者はコントローラ１２に対して所定の入力操作を行い、該コントローラ１２はこの入力に基づいてステップＳ１０へ移る。
【００８７】
ステップＳ１０において、加工主軸３６に装着されている工具Ｔ２を回転マガジン８０ａにおける所定の保持アーム８４に装着する。これにより、サブストッカ１００ａに装着されていた所定の工具Ｔ２がコード４００及び４０２に基づいて回転マガジン８０ａにおける対応する保持アーム８４に移されたことになる。
【００８８】
ステップＳ１１において、予定された数の工具Ｔ２を全て回転マガジン８０ａに移し終えたか否かを確認する。予定数の工具Ｔ２を移し終えているときには図１２に示す処理を終了し、第２ワークＷ２の加工工程に移り、未終了であればステップＳ５へ戻る。
【００８９】
この後の第２ワークＷ２の加工工程では、第１ワークＷ１の加工工程と同様に、加工箇所及び加工シーケンスに応じて回転マガジン８０ａから対応する工具Ｔ２を加工主軸３６に装着し、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２を動かして加工位置に合わせ、スピンドルモータ３８の回転作用下に工具Ｔ２を回転させて、コラム１８をさらにＺ１方向に移動させることにより加工が行われる。
【００９０】
このように、本実施の形態に係る機械加工方法では、サブストッカ１００ａから回転マガジン８０ａに工具Ｔ２を移す際に工具長ＴＬを非接触センサ２１２によって自動的に確認することにより、加工を行う前に誤装着や折損等の異常を見つけることができる。したがって、第２ワークＷ２に対して間違った工具で加工を行ったり、又は加工ができないという事態を防止することができる。
【００９１】
また、この機械加工方法では、第２ワークＷ２の加工を開始する以前に、加工に必要な全ての工具Ｔ２について工具長ＴＬの検査をして正常であることを確認できていることから、第２ワークＷ２の加工開始時及び加工途中に、工具Ｔ２の異常に基づく加工停止をする必要がなく、第１工作機械１１ａの稼働率及び生産効率の向上を図ることができる。
【００９２】
本発明に係る工作機械システム及び機械加工方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成乃至工程を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本実施の形態に係る工作機械システムの一部断面斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る工作機械システムの正面図である。
【図３】本実施の形態に係る工作機械システムの側面図である。
【図４】支持体の断面側面図である。
【図５】工具交換をする際の加工主軸、保持アーム及びアンクランプブロックの一部断面斜視図である。
【図６】工具交換をする際のコラム、回転マガジン及びその周辺部の拡大側面図である。
【図７】図７Ａは、回転アームの回転中心軸と回転マガジンの回転軸が同一鉛直面上に配置されている機構のモデル図であり、図７Ｂは、回転アームの回転中心軸と回転マガジンの回転軸が同一鉛直面上でない位置に配置されている機構のモデル図である。
【図８】工具受渡機構の模式平面図である。
【図９】刃具長検査機構の側面図である。
【図１０】コントローラのブロック構成図である。
【図１１】加工主軸の座標を示すための工作機械の模式正面図である。
【図１２】本実施の形態に係る機械加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図１３】保持アームに工具を装着する様子を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０…工作機械システム １１ａ、１１ｂ…工作機械
１８…コラム ２２…支持体
３２…回転アーム ３６…加工主軸
５０…ツールヘッド ８０、８０ａ、８０ｂ…回転マガジン
８４、１０６…保持アーム １００ａ、１００ｂ…サブストッカ
１０１ａ、１０１ｂ…工具長検査装置 １０８…工具受渡機構
２０２…ボールねじ ２０６…軸受体
２０８…ナット体 ２１０…レール
２１２…非接触センサ Ｔ…工具
Ｗ…ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛直面内で回転する回転アームと、該回転アームの先端近傍に水平指向する加工主軸とを有する工作機械が複数設けられた工作機械、及びワークの加工に必要な複数の工具を保持するストッカが設けられた工作機械による機械加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械は、設置のスペース効率向上、隣接する工作機械へのワークの搬送、及び操作者の操作性の観点から、占有面積が小さいことが好ましく、特に正面視の幅が小さいことが好ましい。このように占有面積を小さくするという目的のため、例えば特許文献１では、水平方向に進退自在な可動コラムに昇降及び水平移動が可能な２つのスピンドルユニットが設けられた工作機械が提案されている。この特許文献１の工作機械は、低コスト且つ省スペースであって好適である。
【０００３】
また、特許文献２では、加工軸を鉛直方向に向ける構成により、省スペース及び単位面積あたりの設置台数を増加して生産性を向上することのできるＮＣ旋盤が提案されている。
【０００４】
ところで、引用文献１及び引用文献２に記載された工作機械では、正面視で直交する２軸のスライド機構が設けられていることから構造が複雑であって、しかも重量のあるスライド部材が移動をすることから、十分な安定性を得るためにはベース部分を相当に強固に設定しておかなければならなず、全体としての重量が重くなる。
【０００５】
このような観点から、特許文献３では、水平方向のスライド機構に対して、鉛直面内で回転するアームを設け、該アームを回転させることにより垂直方向に変位させる工作機械が提案されている。このような工作機械によれば、正面視のスライド機構は１軸分で足り、簡便な構成とすることができて好適である。
【０００６】
【特許文献１】特許３２７８１３５号公報
【特許文献２】特許２００３−２６６２０３号公報
【特許文献３】特公平５−２４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献３に記載された工作機械は、簡便な構成であるが、その一方、水平面上で直交する２軸のスライド機構（Ｘテーブル及びＺテーブル）を有しており、占有面積は必ずしも小さくはない。また、正面視ではＸ方向のスライド機構が設けられていることから機幅についても、必ずしも狭くはない。
【０００８】
そこで、特許文献３における工作機械の水平のＸ方向のスライド機構が鉛直方向となるように９０°回転させた機構を採用すると、正面視の機幅が非常に小さくなる。
【０００９】
一方、工作機械ではワークに対して複数の工具を着脱しながら加工を行う場合があり、種々のワークに対応可能なように多数の工具を格納しておくことが望ましいが、工作機械の占有面積を小さくすると多数の工具を格納しておくためのスペースもなくなる。
【００１０】
工作機械に対して、多数の工具を格納しておく機構を増設すると、占有面積が大きくなって工作機械自体を小型化した趣旨が没却されることになる。
【００１１】
また、前記のように特許文献３における工作機械の水平のＸ方向のスライド機構が鉛直方向となるように９０°回転させた機構を採用した場合、該工作機械は縦長形状となることから、工具を格納する機構を増設すると、バランスが悪くなり揺れ等が発生して加工精度の低下を招く。
【００１２】
さらに、多数の工具を格納する機構を設けた場合、全ての工具が正常であることを確認することは作業者にとって負担であり、加工を行う前に自動的な確認がなされることが望ましい。
【００１３】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、多数の工具を収納しておくことができるとともにコンパクトな構成でしかも安定性の高い工作機械を提供することを目的とする。また、本発明は、加工を行う前の適切なタイミングで工具が正常であることを自動的に確認することのできる機械加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る工作機械は、水平面内の一方向であるＺ方向にスライド移動するコラムと、前記コラム上に設けられ、且つ鉛直方向にスライド移動する支持体と、前記支持体に支承してＺ方向に向いたワークに臨む鉛直平面内において３６０°回転する回転アームと、前記回転アームを回転させるアーム駆動源と、前記回転アーム上の回転中心から離れた位置に設けられ、前記回転アームに対して回転自在に支承されてＺ方向を指向する加工主軸と、前記加工主軸を回転させる主軸駆動源と、前記加工主軸に着脱自在な複数の工具をメインストッカに備えた自動工具交換機構とを有し、前記回転アームの回転中心軸と、前記メインストッカの回転軸は同一鉛直面上に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
このように、メインストッカを工作機械の上部に設けることにより、設置面積を拡げることなく多数の工具を格納しておくことができる。また、回転アームの回転中心軸とメインストッカの回転軸が同一鉛直面上に配置されていることから、回転アームの昇降にともなって発生する力のベクトルはメインストッカの方向に向き、モーメントが発生することがないため、安定性が高い。
【００１６】
この場合、水平面内でＺ方向に直交するＸ方向の側面に、前記工具を複数格納するサブストッカを有し、前記サブストッカは、前記工具がＸ方向を指向するように保持する保持アームと、前記工具の１つを前記保持アームから抜き取りＺ方向に向きを変えて前記加工主軸に受け渡す工具受渡交換機構と、前記保持アームを間欠移動させるインデックス機構とを有していてもよい。このようなサブストッカによれば、一層多くの工具を格納しておくことができ、しかも占有幅は工具の長さ程度にしか広がらない。
【００１７】
また、前記加工主軸は、前記メインストッカに対する前記工具の着脱操作を直接的に行うようにしてもよい。これにより、専用の着脱機構等が不要になり、簡便となる。
【００１８】
さらに、前記加工主軸に装着された前記工具の長さを計測するセンサを有していてもよい。該センサによれば、工具の誤装着や折損等を検出し、所定の対応をとることができる。
【００１９】
次に、本発明に係る機械加工方法は、水平面内の一方向であるＺ方向にスライド移動するコラムと、前記コラム上に設けられ、且つ鉛直方向にスライド移動する支持体と、前記支持体に設けられたスピンドルユニットと、前記スピンドルユニットの加工主軸に装着された工具の長さを計測するセンサと、少なくとも所定のワークの加工に必要な複数の工具を保持し、保持された前記工具を前記加工主軸に対して着脱を行うメインストッカと、他のワークの加工に必要な工具を含めて保持し、保持された前記工具を前記加工主軸に対して着脱を行うサブストッカとを備えた工作機械の機械加工方法であって、前記サブストッカから前記加工主軸に供給された工具を前記メインストッカに移す際、前記センサにより前記工具の長さを計測し、該長さが予め記録された長さと異なるときに所定の警告を出力することを特徴とする。
【００２０】
このように、サブストッカからメインストッカに工具を移す際に工具長さをセンサによって自動的に確認することにより、加工を行う前に誤装着や折損等の異常を見つけることができ、加工を停止させる必要がなく、工作機械の稼働率及び生産効率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る工作機械によれば、メインストッカを工作機械の上部に設けることにより、設置面積を拡げることなく多数の工具を格納しておくことができる。また、回転アームの回転中心軸とメインストッカの回転軸が同一鉛直面上に配置されていることから、回転アームの昇降にともなって発生する力のベクトルはメインストッカの方向に向き、モーメントが発生することがないため、安定性が高い。
【００２２】
また、本発明に係る機械加工方法によれば、サブストッカからメインストッカに工具を移す際に工具長さをセンサによって自動的に確認することにより、加工を行う前に誤装着や折損等の異常を見つけることができ、加工を停止させる必要がなく、工作機械の稼働率及び生産効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る工作機械について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１３を参照しながら説明する。
【００２４】
図１〜図３は、本実施の形態に係る工作機械システム１０の斜視図、正面図及び側面図である。図１〜図３に示すように、本実施の形態に係る工作機械システム１０は、ワークＷに対してドリル加工、中ぐり加工及びホーニング加工等を行うものであって、正面視（図２参照）で幅狭に構成されている。以下、工作機械システム１０の向きを特定するために、図２における左右方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向とし、Ｘ方向及びＹ方向に直交する奥行きの方向をＺ方向（図３参照）とする。Ｘ方向及びＹ方向は、水平面内の所定の一方向であって、直交している。
【００２５】
工作機械システム１０は、正面視向かって左側の第１工作機械１１ａと右側の第２工作機械１１ｂと、これらの第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂを統合的・協調的に制御するコントローラ１２とを有する。第１工作機械１１ａと第２工作機械１１ｂは隣接して平行に設けられており、定盤１３、ワーク移動装置１４及びフレーム１５は共用となっている。もちろん、これらの定盤１３、ワーク移動装置１４及びフレーム１５は、第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂに専用のものを用いても良い。第１工作機械１１ａと第２工作機械１１ｂは同構造であり、以下第１工作機械１１ａを代表的に説明する。
【００２６】
第１工作機械１１ａは、床に固定された定盤１３をベースに構成されている。定盤１３はＸ方向に幅狭で、Ｙ方向に低い形状である。定盤１３には、ワーク移動装置１４及びフレーム１５が取り付けられている。ワーク移動装置１４は、定盤１３の上面の正面側（矢印Ｚ１側）の近傍に設けられており、該ワーク移動装置１４の上方にはワーク押圧固定装置１７ａ、１７ｂ（図３参照）が設けられている。なお、支持体２２、回転アーム３２等を視認できるように図１、図２、図５及び図１１ではワーク押圧固定装置１７ａ、１７ｂを省略して図示している。
【００２７】
フレーム１５は、後述する回転マガジン（自動工具交換機構、メインストッカ）８０ａ、８０ｂ、サブストッカ１００ａ、１００ｂ及び工具長検査装置１０１ａ、１０１ｂを支持するためのものであって、定盤１３の矢印Ｚ方向の両端から上方に延在する４本の支柱１５ａと、これらの支柱１５ａを介して支えられたプレート１５ｂとを有する。
【００２８】
第１工作機械１１ａは、定盤１３の上面に設けられたＺ方向に延在する一対のＺレール１６と、該Ｚレール１６に案内されてＺ方向にスライドするコラム１８と、該コラム１８の正面においてＹ方向に延在する一対のＹレール２０と、該Ｙレール２０に案内されてＹ方向にスライドする支持体２２とを有する。Ｚレール１６上におけるコラム１８のＺ方向の位置はＺ位置センサ１６ａによって検出され、Ｙレール２０上における支持体２２のＹ方向の位置はＹ位置センサ２０ａによって検出され、それぞれコントローラ１２に供給される。
【００２９】
コラム１８は、定盤１３の後方に設けられたＺモータ２４の作用下にボールねじ機構２６を介してＺ方向に移動をする。支持体２２は、定盤１３の内部に配置されたＹモータ２８の作用下にボールねじ機構３０を介してＹ方向に往復移動をする。コラム１８及びＹレール２０は、Ｙ方向に適度に長い形状であって、支持体２２を比較的長距離移動させることができる。
【００３０】
図４に示すように、支持体２２は、Ｚ１方向に向いたワークＷに臨む鉛直平面内において回転する回転アーム３２と、該回転アーム３２を回転させるアームモータ（アーム回転駆動源）３４と、回転アーム３２の遠心方向端部近傍に設けられ、回転アーム３２に対して回転自在に支承されてＺ１方向を指向する加工主軸３６と、該加工主軸３６を回転させるスピンドルモータ（主軸回転駆動源）３８とを有する。アームモータ３４は、例えば、ダイレクトモータである。
【００３１】
支持体２２は、枠体４０をベースに構成されており、該枠体４０の内部にアームモータ３４が設けられている。アームモータ３４は、枠体４０に固定されたステータ３４ａと、該ステータ３４ａの内側に設けられた中空のロータ３４ｂとを有する。
【００３２】
回転アーム３２は、ロータ３４ｂの矢印Ｚ１方向端部に固定されており、アームモータ３４の作用下に回転する。支持体２２に対する回転アーム３２の角度は、角度センサ４１によって計測されコントローラ１２に供給される。
【００３３】
なお、図４からも明らかなように、回転アーム３２はエンドレスに回転が可能であるが、最低限１回転（３６０°）の回転が可能であればよい。加工主軸３６は、回転アーム３２の回転中心Ｃから距離Ｒだけ離れた箇所に設けられている。また、回転中心Ｃから回転アーム３２の外側端部までの長さをＬとする。
【００３４】
回転アーム３２において、加工主軸３６が設けられている側と反対側（図４における上側）にはバランサ４２が設けられている。バランサ４２は、クーラント等の液体が入った液体タンクであり、加工主軸３６に取り付けられる工具に応じて、内部の液量を変化させてバランスをとることができる。バランサ４２は金属製の錘であってもよい。該バランサ４２が設けられている箇所以外の回転アーム３２の内部は中空構造となっている。回転アーム３２は、支持体２２と比較すると相当に軽量であり、回転させたときにも支持体２２や第１工作機械１１ａに対する安定性を損なうことがない。
【００３５】
スピンドルモータ３８は矢印Ｚ２方向に突出しており、アームモータ３４と同軸となるように、支持体２２における枠体４０の後面に対して固定されている。スピンドルモータ３８とアームモータ３４は同軸上に配置されていることから、支持体２２をコンパクトなユニットとして構成することができる。すなわち、加工主軸３６の軸線上にスピンドルモータ３８が存在せず、回転アーム３２の中心に近い箇所にスピンドルモータ３８があると、前記のバランサ４２の質量及び大きさが小さくてすみ、支持体２２を全体的にコンパクトにすることができる。したがって、スピンドルモータ３８の軸を回転アーム３２の軸とが同軸上にあることが好ましい。
【００３６】
シャフト（動力伝達部）４４は、ロータ３４ｂの中空部を貫通して設けられ、一端がスピンドルモータ３８の回転軸に固定され、他端は、枠体４０から突出して回転アーム３２の矢印Ｚ１側の側板まで達している。シャフト４４は、回転アーム３２の矢印Ｚ１側端部、矢印Ｚ２側端部及び枠体４０の矢印Ｚ２側端部の３箇所で、順にベアリング４５ａ、４５ｂ及び４５ｃによって軸支されている。
【００３７】
プーリ機構４６は、ベアリング４５ａとベアリング４５ｂとの間でシャフト４４に固定された駆動プーリ４６ａと、加工主軸３６の矢印Ｚ２方向端部に固定された従動プーリ４６ｂと、これらの駆動プーリ４６ａと従動プーリ４６ｂとの間に張架されたベルト４６ｃとを有する。また、プーリを用いた駆動機構は回転アーム３２を軽量化できて好適である。
【００３８】
また、プーリを用いた駆動機構以外にも、例えば、駆動プーリ４６ａをギアへ置換するとともに、従動プーリ４６ｂをピニオンに置換し、サイレントチェーンを利用した駆動伝達機構を用いてもよい。この場合、ギアとピニオンとの間を複数のギア等を介して駆動力を伝達してもよい。
【００３９】
プーリ機構４６は、回転アーム３２内の中空部に設けられており、所定のテンション機構によってベルト４６ｃの張り調整がなされている。このような構造により、スピンドルモータ３８の回転は、シャフト４４及びプーリ機構４６を介して加工主軸３６に伝達される。
【００４０】
加工主軸３６は、回転アーム３２と一体的に設けられた主軸カバー４８内に収納されており、矢印Ｚ１方向の先端部には工具Ｔが装着されるツールヘッド５０が設けられている。また、矢印Ｚ２方向端部には、ツールヘッド５０に対する工具Ｔのクランプ状態を解除して、工具Ｔを離脱可能にするアンクランプレバー５２が設けられている。アンクランプレバー５２は、回転中心Ｃから見て外向きにやや突出する形状であり、後述するアンクランプブロック７８によって回転中心Ｃの方向に押圧されることにより操作され、工具Ｔをアンクランプすることができる。また、アンクランプレバー５２は、アンクランプブロック７８が離れることにより図示しない弾性体によって元の位置に戻され、ツールヘッド５０内の工具Ｔをクランプすることができる。
【００４１】
回転アーム３２の背面側（矢印Ｚ２側）にはねじ６０によって板ばね等からなるディスク６２を挟持して回転アーム３２を所定位置にて固定する固定装置６４を設けている。
【００４２】
この固定装置６４はディスク６２の背面側と当接する受け座６６とこの受け座６６との間でディスク６２を挟持する押圧片６８とからなり、押圧片６８は皿ばね７０によって挟持方向に付勢されるロッド７２先端部に設けられ、皿ばね７０に抗してロッド７２を前方に押すことでディスク６２の挟持状態を解除し、回転アーム３２の回転が可能となる。
【００４３】
なお、本実施例ではディスク６２を板ばねにて構成したため、ディスク６２を挟持することで回転アーム３２が倒れることなく確実に回転が阻止される。
【００４４】
図５に示すように、第１工作機械１１ａにおけるコラム１８の上部の矢印Ｚ１側の面には、前記のアンクランプレバー５２を押圧するためのアンクランプブロック７８が設けられている。したがって、回転アーム３２を上方に指向させた状態で、支持体２２を上昇させることにより、アンクランプブロック７８によってアンクランプレバー５２を操作してツールヘッド５０内の工具Ｔをアンクランプすることができる。
【００４５】
フレーム１５におけるプレート１５ｂの上面やや左側には、第１工作機械１１ａに対応し、加工主軸３６に着脱自在な複数の工具Ｔを格納した回転マガジン８０ａが設けられている。なお、フレーム１５におけるプレート１５ｂの上面やや右側には、第２工作機械１１ｂに対応し、回転マガジン８０ａと同機構の回転マガジン８０ｂが設けられている。以下、回転マガジン８０ａを例に説明する。
【００４６】
回転マガジン８０ａは、矢印Ｚ方向に延在する回転軸８２と、該回転軸８２を駆動するマガジンモータ８３と、回転軸８２を中心として正面視（図２参照）で略２７０°の範囲で放射状に設けられた保持アーム８４とを有する。各保持アーム８４の先端には工具Ｔを保持するＣ字状のグリップが設けられている。グリップは弾性体であって、Ｃ字の開口部から工具Ｔを押し込むことにより弾性的に拡開して工具Ｔが挿入可能となり、挿入された後には閉じて工具Ｔを挟持・保持することができる。また、保持された工具Ｔは、Ｃ字の開口部から引き抜きが可能である。保持アーム８４の数は、例えば１６本程度とするとよい。
【００４７】
回転マガジン８０ａは、通常、保持アーム８４のない略９０°の部分が下向きとなっており、全体がプレート１５ｂよりも上方にあり、コラム１８及び支持体２２の動作の支障とならない。ツールヘッド５０の工具Ｔを交換する際には、回転マガジン８０ａを回転させて、プレート１５ｂの端から所定の保持アーム８４を下方に指向させる（図５参照）。
【００４８】
具体的には、工具Ｔを保持していない空の保持アーム８４を下方に指向させておき、コラム１８のＺ方向位置を調整した後に、支持体２２を上昇させる。これにより、図６に示すように、工具Ｔが保持アーム８４に保持されるとともに、アンクランプレバー５２がアンクランプブロック７８に当接して操作され、工具Ｔはツールヘッド５０に対してアンクランプされる。したがって、コラム１８を矢印Ｚ２方向に後退されることにより、工具Ｔはツールヘッド５０から抜き取られる。
【００４９】
次いで、回転マガジン８０ａを回転させて、これから使用する予定の工具Ｔが保持されている保持アーム８４を下方に指向させ、コラム１８を矢印Ｚ１方向に進出させる。これにより目的の工具Ｔがツールヘッド５０に挿入されるので、支持体２２を下降させることにより、アンクランプレバー５２がアンクランプブロック７８から離間して工具Ｔをクランプすることができる。この後、回転マガジン８０ａを回転させて、全ての保持アーム８４がプレート１５ｂよりも上方に配置されるように設定する。
【００５０】
このように、回転マガジン８０ａと加工主軸３６との間では、途中で工具Ｔを受け渡すために介在する機構はなく、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２の動作作用下に工具Ｔの着脱操作を直接的に行うことができる。これにより、専用の着脱機構等が不要であることから簡便構造となり、しかも工具の脱着に要する時間が短縮される。
【００５１】
なお、図２から明らかなように、回転マガジン８０ａは第１工作機械１１ａの上部に設けられており、設置面積を拡げることなく多数の工具Ｔを格納しておくことができる。また、回転アーム３２の回転中心軸と、回転マガジン８０ａの回転軸８２は同一鉛直面上に配置されていると、回転アーム３２の昇降にともなって発生する力のベクトルは回転マガジン８０ａの方向に向き、モーメントが発生することがない。これについて図７Ａ及び図７Ｂのモデルで検討する。図７Ａ及び図７Ｂの質量点Ｍ１は回転マガジン８０ａの重心点を示し、質量点Ｍ２は支持体２２の重心点を示し、これらの質量点Ｍ１とＭ２とを接続する摩擦ダンパＤは、回転マガジン８０ａと支持体２２との間のレール２０やフレーム１５等の接続部の等価機構である。なお、質量点Ｍ２は、回転アーム３２の角度によって変動するが、該回転アーム３２の質量は支持体２２の質量と比較して小さいことから変動幅も小さく、このモデルでは省略できる。
【００５２】
図７Ａのように、質量点Ｍ１と質量点Ｍ２が、同一鉛直面上に配置されていると、質量点Ｍ２は支持体２２を示すことからレール２０に沿って鉛直方向に動作することになり、その移動を示すベクトルＶは質量点Ｍ１の方向を指向する。つまり、ベクトルＶは摩擦ダンパＤを伸縮させる力のみを発生させ、モーメントの発生はなく、モデルを回転させる力は発生しない。
【００５３】
これに対して、図７Ｂのように、質量点Ｍ１と質量点Ｍ２が、同一鉛直面上ではない位置に配置されていると、質量点Ｍ２の移動を示すベクトルＶは、鉛直向きであることには変わりないため、摩擦ダンパＤを伸縮させる力Ｆ１と、モデルを回転させるモーメントＭ＝Ｆ２・ａが発生する。ここで、力Ｆ２は、ベクトルＶが示す力の、摩擦ダンパＤの延在方向と直交する方向の分力であり、パラメータａはその時点における摩擦ダンパＤの長さである。
【００５４】
つまり、これらのモデルから、回転アーム３２の回転中心軸と、回転マガジン８０ａの回転軸８２は同一鉛直面上でないと、第１工作機械１１ａを回転させるモーメントＭが発生して揺れが生じ得るが、回転アーム３２の回転中心軸と、回転マガジン８０ａの回転軸８２が同一鉛直面に配置されていると、モーメント及び揺れが生じることがなく、安定性が高いことが理解されよう。
【００５５】
次に、サブストッカ１００ａ及び１００ｂについて説明する。図１に示すように、フレーム１５の左側面には、第１工作機械１１ａに対応し加工主軸３６に着脱自在な複数の工具Ｔを格納したサブストッカ１００ａが設けられている。同様に、フレーム１５の右側面には、第２工作機械１１ｂに対応しサブストッカ１００ａと左右対称機構のサブストッカ１００ｂが設けられている。サブストッカ１００ａとサブストッカ１００ｂは左右対称に設けられておりバランスがよい。以下、サブストッカ１００ａを例に説明する。
【００５６】
サブストッカ１００ａは、チェーンやタイミングベルト等の循環回転手段１０２と、該循環回転手段１０２を４隅で支持するプーリやスプロケット等の案内輪１０４と、循環回転手段１０２に設けられた複数本（例えば４０本）の保持アーム１０６と、該保持アーム１０６に保持された工具Ｔを加工主軸３６に対して着脱する工具受渡機構１０８（図８参照）と、案内輪１０４を間欠的に駆動して保持アーム１０６のいずれか１つを工具受渡機構１０８に配置させるモータ（インデックス機構）１０９とを有する。サブストッカ１００ａは、側面視（図３参照）で、側壁に沿ってＺ方向に長い形状である。また、正面視（図２参照）ではＸ方向の幅は非常に短く、実質的には保持する工具Ｔの長さがＸ方向の幅となっている。保持アーム１０６は、前記の保持アーム８４と同機構であって、工具Ｔが矢印Ｘ方向に突出する向きに保持することができる。
【００５７】
図８に示すように、工具受渡機構１０８は、サブストッカ１００ａの矢印Ｚ１方向端部近傍に設けられており、符号を付さない架台にブラケット１０３に揺動可能に支承されたシリンダ１１０と、該シリンダ１１０のロッド１１０ａの先端に設けられたチャック１１１とを有する。工具受渡機構１０８はサブストッカ１００ａの矢印Ｚ１方向端部に配置された保持アーム１０６の一部をチャック１１１で把持し、ロッド１１０ａを伸縮させることによって保持アーム１０６及び工具Ｔを９０°回転させることができる。これにより、保持アーム１０６は矢印Ｘ方向を指向し、工具Ｔは矢印Ｚ方向を指向することになる。この状態で加工主軸３６を矢印Ｚ１方向に進出させることにより工具Ｔを装着することができる。また、逆の動作により加工主軸３６から工具Ｔを抜き取り、保持アーム１０６に戻すことができる。
【００５８】
このような工具受渡機構１０８を含むサブストッカ１００ａでは、長尺な工具軸方向を一方向に備えているので、多数の工具Ｔを格納しておくことができて好適である。また、簡便な工具受渡機構で、工具軸方向を変更して矢印Ｚ１方向に指向できるので、一層多数の工具を取り扱うことができ、サブストッカ１００ａの設置位置の自由度が向上する。
【００５９】
回転マガジン８０ａとサブストッカ１００ａは、共に工具Ｔを格納しておくことができるが、用途に応じて使い分けるようにしてもよい。例えば、一週間の作業で必要な工具Ｔをサブストッカ１００ａに格納しておき、そのうち１日の作業で必要な工具Ｔを回転マガジン８０ａに格納させてもよい。この場合、回転マガジン８０ａとサブストッカ１００ａとの間の工具Ｔの受け渡しは、工具受渡機構１０８及び加工主軸３６を介して行うことができ、例えば、作業のない夜間に受け渡しを自動的に完了させておくとよい。
【００６０】
次に、工具長検査装置１０１ａ及び１０１ｂについて説明する。プレート１５ｂの左側下面には、第１工作機械１１ａに対応し、加工主軸３６に装着された工具Ｔの長さを検査する工具長検査装置１０１ａが設けられている。なお、プレート１５ｂの右側下面には、第２工作機械１１ｂに対応し、工具長検査装置１０１ａと同機構の工具長検査装置１０１ｂが設けられている。以下、工具長検査装置１０１ａを例に説明する。
【００６１】
図９に示すように、工具長検査装置１０１ａは、Ｚ方向に延在するボールねじ２０２と、該ボールねじ２０２の一端に接続されたモータ２０４と、ボールねじ２０２の他端に設けられた軸受体２０６と、ボールねじ２０２に螺合しながらモータ２０４の回転作用下にＺ方向に進退するナット体２０８と、該ナット体２０８をＺ方向に案内するレール２１０と、ナット体２０８に接続されて下方を指向する非接触センサ２１２とを有する。レール２１０には図示しないリニア変位センサが設けられており、非接触センサ２１２のＺ方向位置を検出してコントローラ１２に供給する。
【００６２】
非接触センサ２１２は第１工作機械１１ａのコラム１８、支持体２２及び回転アーム３２が所定の基準計測位置に移動したときに、加工主軸３６に装着された工具Ｔの上方近傍となる位置に配置可能である。基準計測位置は、例えば、加工主軸３６の先端が軸受体２０６の端面とＺ方向位置が一致し、支持体２２が最上位位置で、且つ、回転アーム３２が、正面視で左斜め４５°となる位置に設定しておくとよい。また、非接触センサ２１２は、回転アーム３２の動作範囲外にあり、回転アーム３２、加工主軸３６及び工具Ｔに対する干渉のおそれがない。
【００６３】
コントローラ１２では、リニア変位センサの信号を参照しながら非接触センサ２１２を所定の位置に移動させることができ、該位置において非接触センサ２１２の直下に工具Ｔが存在するか否かを検査する。
【００６４】
また、コントローラ１２は、工程に応じて加工主軸３６に装着されている工具Ｔの基準長さＴＬを記録しており、非接触センサ２１２が該基準長さＴＬよりもＺ１方向に微小変位αだけ移動した位置２２０ａで工具Ｔを検出せず、且つ、該基準長さＴＬよりもＺ２方向に微小変位αだけ移動した位置２２０ｂで工具Ｔを検出したときに工具Ｔが正常長さであることを認識できる。非接触センサ２１２が、位置２２０ａで工具Ｔを検出し、又は位置２２０ｂで工具Ｔを検出できなかった場合には、間違った別の工具Ｔが装着されているか、又は、折損していると判断できる。
【００６５】
工具Ｔの長さを検査する手段としては、工具長検査装置１０１ａの作用下に、非接触センサ２１２を基準長さＴＬに対して±αの範囲でＺ方向に移動しながらリアルタイムに計測を行い、工具Ｔの一層精確な長さを調べるようにしてもよい。また、１つの非接触センサ２１２で工具Ｔの長さＴＬを検査するためには、これらの非接触センサ２１２と工具ＴがＺ方向に相対的に移動をすればよいことから、非接触センサ２１２をプレート１５ｂの下面に固定しておき、Ｚモータ２４及びボールねじ機構２６の作用下にコラム１８を動かすようにしてもよい。コラム１８がＺ方向に移動することにより加工主軸３６及び工具Ｔも一体的にＺ方向に移動をすることから、非接触センサ２１２に対して相対移動をして、工具Ｔの長さＴＬを検査することができる。
【００６６】
図１０に示すように、コントローラ１２は、第１工作機械１１ａ及び第２工作機械１１ｂを制御する第１工作機械制御部３００ａ及び第２工作機械制御部３００ｂと、ワーク移動装置１４を制御するワーク保持制御部３０２と、回転マガジン８０ａ及び８０ｂを制御するマガジン制御部３０４と、サブストッカ１００ａ及び１００ｂを制御するサブストッカ制御部３０６と、ワーク押圧固定装置１７ａ及び１７ｂを制御する固定制御部３０８と、工具長検査装置１０１ａ及び１０１ｂを制御して工具Ｔが正常であるか否かを判断する工具判断部３１０と、該工具判断部３１０が工具Ｔの異常を検出したときに所定の警報を出力する警報部３１２とを有する。
【００６７】
このように構成される第１工作機械１１ａによれば、加工主軸３６の水平位置の位置Ｘは、アームモータ３４の回転作用下に回転アーム３２の向きによって変化し、例えば、図１１に示すように、水平方向を０°とした角度θに対して、Ｘ＝Ｒ・ｃｏｓθとして表される。また、加工主軸３６の鉛直方向の位置Ｙは、回転アーム３２の向きと支持体２２の高さＹ０によって変化し、Ｙ＝Ｙ０＋Ｒ・ｓｉｎθとして表される。したがって、回転アーム３２と支持体２２の動作によって、ターンテーブル１５０に固定されたワークＷに対して所望の位置に加工主軸３６を配置させることができ、加工主軸３６の位置決めがなされた後には、スピンドルモータ３８によって加工主軸３６を回転させながら、コラム１８を矢印Ｚ１方向に進出させることによって、工具ＴをワークＷに対して当接させ、ドリル、中ぐり及びタップ等の切削加工、並びにホーニング等の研削加工をすることができる。
【００６８】
第１工作機械１１ａを例に挙げて説明をしたが、第２工作機械１１ｂについては第１工作機械１１ａと同構造であることから詳細な説明を省略する。
【００６９】
次に、このように構成される工作機械システム１０を用いて行う機械加工方法であって、サブストッカ１００ａから加工主軸３６に供給された工具Ｔを回転マガジン８０ａに移す際、工具長検査装置１０１ａにより工具Ｔの長さＴＬを計測し、該長さＴＬが予め記録された長さと異なるときに所定の警告を出力する方法について図１２を参照しながら説明する。
【００７０】
この手順は、所定の第１ワークＷ１を連続的に所定数又は所定時間に加工をした後に、別の第２ワークＷ２の加工のための準備として行うものであり、例えば、昼休み前や夜間操業の直前に行う。
【００７１】
これにより、作業員が昼休み時間又は夜間で不在の場合でも、システムを稼働することができ、１日当たりの稼働率を向上させることができる。
【００７２】
また、工具寿命に関して、所定の加工数に達した工具Ｔをサブストッカに移してスペア工具を回転マガジンに自動供給できるように、サブストッカの保持アーム１０６はナンバリングされている。回転マガジンの保持アーム８４はナンバリングされ、その番号あるいは符号に対応したメモリがマガジン制御部３０４及びサブストッカ制御部３０６に備えられ、各保持アームに格納された工具Ｔの固有番号と、その工具Ｔの累積加工回数あるいは累積加工時間がメモリに記憶される。所定の加工回数、加工時間を超えると、スペア工具が加工主軸３６を介してサブストッカ１００ａから回転マガジンに供給される。所定の加工回数、加工時間を超えた工具Ｔは、前述と逆の動作を実施し、加工主軸３６を介して回転マガジンからサブストッカ１００ａに戻る。サブストッカ１００ａには保持アーム１０６に対応する図示しないランプが設けられており、所定の加工回数、加工時間を超え、戻った工具Ｔに対応して前記ランプは、例えば赤や黄色に発光して、交換が必要であることを作業員に認識させる。
【００７３】
また、前述のとおり、同じ仕様の工具Ｔを備えてあれば、仮に後述の長さＴＬが異常であったときには、回転マガジンあるいはサブストッカ１００ａに備えられていた同じ仕様の工具Ｔでリトライすることができ、システムの停止を防止する。
【００７４】
以下の手順は、第１工作機械１１ａを例にして説明するが、第２工作機械１１ｂについても同様である。
【００７５】
先ず、図１２のステップＳ１において、その時点で回転マガジン８０ａに格納されている工具Ｔを抜き取って加工主軸３６に装着する（図６参照）。ここで、加工主軸３６に装着する工具Ｔは、それまでの第１ワークＷ１の加工を行うものであって、次の第２ワークＷ２の加工には用いないものである。以下、この工具Ｔを、工具Ｔ１と呼ぶ。
【００７６】
ステップＳ２において、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２を所定の交換位置まで移動させ、工具受渡機構１０８を介して工具Ｔ１をサブストッカ１００ａの所定の保持アーム１０６に装着する。これにより、回転マガジン８０ａに装着されていた所定の工具Ｔ１がサブストッカ１００ａに移されたことになる。
【００７７】
ステップＳ３において、予定された数の工具Ｔ１を全てサブストッカ１００ａに移し終えたか否かを確認する。予定数の全ての工具Ｔ１を移し終えているときにはステップＳ４へ移り、未終了であればステップＳ１へ戻る。
【００７８】
ステップＳ４において、サブストッカ１００ａにおける所定の保持アーム１０６に、次の第２ワークＷ２の加工に用いる工具Ｔ（以下、工具Ｔ２という。）を装着する。この装着処理は作業者によって行われ、図１３に示すように、工具Ｔ２に示されたコード４００と、保持アーム１０６に表示された識別用のコード４０２が一致することを確認して装着する。コード４０２は第２ワークＷ２の加工に先だって回転マガジン８０ａの正しい位置に装着するように識別のために設けられているものである。
【００７９】
工具Ｔ２を装着する保持アーム１０６は工具Ｔ１がない空き状態であり、又はその時点で装着されている工具Ｔ１に交換して工具Ｔ２を装着する。対応する保持アーム１０６が工具Ｔ１にも対応している場合には、第１ワークＷ１用の識別用としてコード４０４を表記しておく。
【００８０】
なお、このステップＳ４工具Ｔ２の装着処理は、前記のステップＳ１の以前で第１工作機械１１ａが第１ワークＷ１に対する加工を行っている際に同時並行的に行ってもよい。
【００８１】
全ての工具Ｔ２をサブストッカ１００ａに装着した後、作業者はコントローラ１２に対して所定の入力操作を行い、該コントローラ１２はこの入力に基づいてステップＳ５へ移る。
【００８２】
ステップＳ５において、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２を所定の交換位置まで移動させ、サブストッカ１００ａの所定の保持アーム１０６に装着されている工具Ｔ２を工具受渡機構１０８を介して加工主軸３６に装着する。
【００８３】
ステップＳ６において、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２を前記の基準計測位置まで移動させ、工具長検査装置１０１ａによって工具Ｔ２の長さＴＬを検査する。このとき、複数の工具Ｔ２はそれぞれ長さＴＬが異なることから、工具長検査装置１０１ａは、工具判断部３１０に記録されて供給される各工具Ｔ２の長さＴＬを基準として、図９に示すように、微小変位αだけＺ１方向及びＺ２方向に非接触センサ２１２を移動させて検査を行う。
【００８４】
ステップＳ７において、工具判断部３１０は工具長検査装置１０１ａによる検査結果が正常か異常かの判断を行う。つまり、位置２２０ａ（図９参照）では非接触センサ２１２により工具Ｔ２が検出されて、且つ位置２２０ｂでは検出されなかったときには正常であり、それ以外のときには異常であると判断する。正常であればステップＳ１０へ移り、異常であればステップＳ８へ移る。
【００８５】
ステップＳ８において、工具判断部３１０は警報部３１２を介して警報処理を行う。つまり、この場合には工具Ｔ２が誤装着又は欠損しているおそれがあることから、作業員に対して確認及び交換の催促を行うためである。警報処理とは、例えば、音響出力、画像出力、ランプ点灯、及び外部コンピュータへの通報等が挙げられる。また、このとき第１工作機械１１ａは一時停止する。また、前述のスペア工具を供給する方法で一時停止を回避して稼働率を向上させるようにしてもよい。
【００８６】
ステップＳ９において、警報を認知した作業者により、工具Ｔ２の確認が行われ、誤装着又は欠損等がある場合には所定の正しい工具Ｔ２に移し替えが行われる。工具Ｔ２の確認・交換をした後、作業者はコントローラ１２に対して所定の入力操作を行い、該コントローラ１２はこの入力に基づいてステップＳ１０へ移る。
【００８７】
ステップＳ１０において、加工主軸３６に装着されている工具Ｔ２を回転マガジン８０ａにおける所定の保持アーム８４に装着する。これにより、サブストッカ１００ａに装着されていた所定の工具Ｔ２がコード４００及び４０２に基づいて回転マガジン８０ａにおける対応する保持アーム８４に移されたことになる。
【００８８】
ステップＳ１１において、予定された数の工具Ｔ２を全て回転マガジン８０ａに移し終えたか否かを確認する。予定数の工具Ｔ２を移し終えているときには図１２に示す処理を終了し、第２ワークＷ２の加工工程に移り、未終了であればステップＳ５へ戻る。
【００８９】
この後の第２ワークＷ２の加工工程では、第１ワークＷ１の加工工程と同様に、加工箇所及び加工シーケンスに応じて回転マガジン８０ａから対応する工具Ｔ２を加工主軸３６に装着し、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２を動かして加工位置に合わせ、スピンドルモータ３８の回転作用下に工具Ｔ２を回転させて、コラム１８をさらにＺ１方向に移動させることにより加工が行われる。
【００９０】
このように、本実施の形態に係る機械加工方法では、サブストッカ１００ａから回転マガジン８０ａに工具Ｔ２を移す際に工具長ＴＬを非接触センサ２１２によって自動的に確認することにより、加工を行う前に誤装着や折損等の異常を見つけることができる。したがって、第２ワークＷ２に対して間違った工具で加工を行ったり、又は加工ができないという事態を防止することができる。
【００９１】
また、この機械加工方法では、第２ワークＷ２の加工を開始する以前に、加工に必要な全ての工具Ｔ２について工具長ＴＬの検査をして正常であることを確認できていることから、第２ワークＷ２の加工開始時及び加工途中に、工具Ｔ２の異常に基づく加工停止をする必要がなく、第１工作機械１１ａの稼働率及び生産効率の向上を図ることができる。
【００９２】
本発明に係る工作機械システム及び機械加工方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成乃至工程を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本実施の形態に係る工作機械システムの一部断面斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る工作機械システムの正面図である。
【図３】本実施の形態に係る工作機械システムの側面図である。
【図４】支持体の断面側面図である。
【図５】工具交換をする際の加工主軸、保持アーム及びアンクランプブロックの一部断面斜視図である。
【図６】工具交換をする際のコラム、回転マガジン及びその周辺部の拡大側面図である。
【図７】図７Ａは、回転アームの回転中心軸と回転マガジンの回転軸が同一鉛直面上に配置されている機構のモデル図であり、図７Ｂは、回転アームの回転中心軸と回転マガジンの回転軸が同一鉛直面上でない位置に配置されている機構のモデル図である。
【図８】工具受渡機構の模式平面図である。
【図９】刃具長検査機構の側面図である。
【図１０】コントローラのブロック構成図である。
【図１１】加工主軸の座標を示すための工作機械の模式正面図である。
【図１２】本実施の形態に係る機械加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図１３】保持アームに工具を装着する様子を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０…工作機械システム １１ａ、１１ｂ…工作機械
１８…コラム ２２…支持体
３２…回転アーム ３６…加工主軸
５０…ツールヘッド ８０、８０ａ、８０ｂ…回転マガジン
８４、１０６…保持アーム １００ａ、１００ｂ…サブストッカ
１０１ａ、１０１ｂ…工具長検査装置 １０８…工具受渡機構
２０２…ボールねじ ２０６…軸受体
２０８…ナット体 ２１０…レール
２１２…非接触センサ Ｔ…工具
Ｗ…ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面内の一方向であるＺ方向にスライド移動するコラムと、
前記コラム上に設けられ、且つ鉛直方向にスライド移動する支持体と、
前記支持体に支承してＺ方向に向いたワークに臨む鉛直平面内において３６０°回転する回転アームと、
前記回転アームを回転させるアーム駆動源と、
前記回転アーム上の回転中心から離れた位置に設けられ、前記回転アームに対して回転自在に支承されてＺ方向を指向する加工主軸と、
前記加工主軸を回転させる主軸駆動源と、
前記加工主軸に着脱自在な複数の工具をメインストッカに備えた自動工具交換機構と、
を有し、
前記回転アームの回転中心軸と、前記メインストッカの回転軸は同一鉛直面上に配置されてい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、
水平面内でＺ方向に直交するＸ方向の側面に、前記工具を複数格納するサブストッカを有し、
前記サブストッカは、前記工具がＸ方向を指向するように保持する保持アームと、
前記工具の１つを前記保持アームから抜き取りＺ方向に向きを変えて前記加工主軸に受け渡す工具受渡機構と、
前記保持アームを間欠移動させるインデックス機構と、
を有することを特徴とする工作機械。
【請求項３】
請求項１又は２記載の工作機械において、
前記加工主軸は、前記メインストッカに対する前記工具の着脱操作を直接的に行うことを特徴とする工作機械。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械において、
前記加工主軸に装着された前記工具の長さを計測するセンサを有することを特徴とする工作機械。
【請求項５】
水平面内の一方向であるＺ方向にスライド移動するコラムと、
前記コラム上に設けられ、且つ鉛直方向にスライド移動する支持体と、
前記支持体に設けられたスピンドルユニットと、
前記スピンドルユニットの加工主軸に装着された工具の長さを計測するセンサと、
少なくとも所定のワークの加工に必要な複数の工具を保持し、保持された前記工具を前記加工主軸に対して着脱を行うメインストッカと、
他のワークの加工に必要な工具を含めて保持し、保持された前記工具を前記加工主軸に対して着脱を行うサブストッカと、
を備えた工作機械の機械加工方法であって、
前記サブストッカから前記加工主軸に供給された工具を前記メインストッカに移す際、前記センサにより前記工具の長さを計測し、該長さが予め記録された長さと異なるときに所定の警告を出力することを特徴とする機械加工方法。
【請求項１】
水平面内の一方向であるＺ方向にスライド移動するコラムと、
前記コラム上に設けられ、且つ鉛直方向にスライド移動する支持体と、
前記支持体に支承してＺ方向に向いたワークに臨む鉛直平面内において３６０°回転する回転アームと、
前記回転アームを回転させるアーム駆動源と、
前記回転アーム上の回転中心から離れた位置に設けられ、前記回転アームに対して回転自在に支承されてＺ方向を指向する加工主軸と、
前記加工主軸を回転させる主軸駆動源と、
前記加工主軸に着脱自在な複数の工具をメインストッカに備えた自動工具交換機構と、
を有し、
前記回転アームの回転中心軸と、前記メインストッカの回転軸は同一鉛直面上に配置されてい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、
水平面内でＺ方向に直交するＸ方向の側面に、前記工具を複数格納するサブストッカを有し、
前記サブストッカは、前記工具がＸ方向を指向するように保持する保持アームと、
前記工具の１つを前記保持アームから抜き取りＺ方向に向きを変えて前記加工主軸に受け渡す工具受渡機構と、
前記保持アームを間欠移動させるインデックス機構と、
を有することを特徴とする工作機械。
【請求項３】
請求項１又は２記載の工作機械において、
前記加工主軸は、前記メインストッカに対する前記工具の着脱操作を直接的に行うことを特徴とする工作機械。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械において、
前記加工主軸に装着された前記工具の長さを計測するセンサを有することを特徴とする工作機械。
【請求項５】
水平面内の一方向であるＺ方向にスライド移動するコラムと、
前記コラム上に設けられ、且つ鉛直方向にスライド移動する支持体と、
前記支持体に設けられたスピンドルユニットと、
前記スピンドルユニットの加工主軸に装着された工具の長さを計測するセンサと、
少なくとも所定のワークの加工に必要な複数の工具を保持し、保持された前記工具を前記加工主軸に対して着脱を行うメインストッカと、
他のワークの加工に必要な工具を含めて保持し、保持された前記工具を前記加工主軸に対して着脱を行うサブストッカと、
を備えた工作機械の機械加工方法であって、
前記サブストッカから前記加工主軸に供給された工具を前記メインストッカに移す際、前記センサにより前記工具の長さを計測し、該長さが予め記録された長さと異なるときに所定の警告を出力することを特徴とする機械加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−３０１６７４（Ｐ２００７−３０１６７４Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３２５４４（Ｐ２００６−１３２５４４）
【出願日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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