CN101959641B - 工具自动更换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明要解决的技术问题是在工具自动更换装置中，通过增加更换臂的旋转动作与轴向进退动作的叠加动作来缩短工具更换时间。因此，臂驱动装置(32)构成为进行叠加动作，该叠加动作同时并行地进行使更换臂(23)旋转180°的旋转动作、与为了工具(37)的插拔而在轴向上进退移动的进退动作这两动作的至少一部分，在为了工具的插拔而使更换臂(23)在轴向上进退移动时，与该进退移动并行地使更换臂(23)向与180°旋转方向(以下将该方向称为正方向)相反的方向仅旋转规定移动量后，再向前述正方向旋转。

Description

工具自动更换装置
技术领域
本发明涉及一种用于钻床等中的工具自动更换装置。
背景技术
在使用多个工具而主要在工作物上进行开孔加工的钻床等中，具备保管能够安装在工具主轴的锥孔中的多个工具的工具储存器，通过工具自动更换装置而在工具主轴与工具储存器之间依次更换与工作物的加工部位相对应的工具，并在工作物上进行必要的开孔。
一般来说，工具自动更换装置具备在两端设有能够同时把持安装在工具主轴的锥孔中的工具和放置在工具储存器的工具更换位置上的工具的把持部的更换臂，该更换臂能够旋转并在轴向上移动，在工具更换时，将更换臂向正方向旋转规定角度，通过两端的把持部同时把持工具主轴一侧的工具和工具储存器一侧的工具，接着使更换臂沿轴向前进而从工具主轴一侧以及工具储存器一侧取出两工具，然后使更换臂旋转180°，同时使更换臂沿轴向后退而将两工具安装在工具主轴一侧以及工具储存器一侧，最后将更换臂向反方向旋转规定角度而回归到原位置(初始位置)。
在这种工具自动更换装置中，例如专利文献1(特开2000-126969号公报)所记载的那样，为了进行更换臂的迅速且顺畅的动作，有时要通过凸轮机构使更换臂的旋转运动以及轴向运动机械联动。在这种结构的工具自动更换装置中，通过重迭地进行工具更换轴的旋转的一部分与轴向运动的一部分，能够缩短工具更换之间。
即，在工具不与工具主轴的锥孔等干涉的范围内，在更换臂的工具拔出动作的中途开始更换臂的旋转动作，同样地，在更换臂180°旋转动作的中途开始更换臂的工具插入动作，通过这样的更换臂的旋转动作与轴向进退动作的叠加动作来缩短工具更换时间。
专利文献1：特开2000-126969号公报
但是，当分别地来看各结构轴的轴向以及旋转的动作时，在移动距离短的情况下难说确保了充分的叠加动作量，现状仍然是停止时间长，仅单纯地使工具的移动轨迹为最短路径并不充分，希望工具更换时间进一步缩短。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种通过使更换臂的旋转动作与轴向进退动作的叠加动作增加而能够缩短工具更换时间的工具自动更换装置。
为了解决上述问题，本发明的工具自动更换装置具备：在工具主轴与工具更换位置之间更换工具、能够旋转并能够轴向进退移动的更换臂，以及使该更换臂旋转以及轴向移动的臂驱动装置，其中，前述臂驱动装置构成为进行叠加动作，该叠加动作同时并行地进行使前述更换臂旋转180°的旋转动作、与为了工具的插拔而使前述更换臂在轴向上进退移动的进退动作这两动作的至少一部分，在为了工具的插拔而使前述更换臂在轴向上进退移动时，与该进退移动并行地使前述更换臂朝着与180°旋转方向(以下将该方向称为正方向)相反的反方向仅旋转规定移动量后，再向前述正方向旋转。
在该结构中，由于在更换臂的工具拔出动作时使更换臂的180°旋转动作和更换臂的轴向进退动作叠加动作之际，是使更换臂向与180°旋转方向相反的方向仅旋转规定移动量后，再向正方向旋转，所以更换臂能够在到达能够旋转的工具拔出位置期间在正方向上充分地加速，因而能够使更换臂通过工具主轴的锥孔等的干涉点时的速度上升。其结果，能够最大限度地消除干涉点附近的减速以及加速产生的时间损失，缩短工具更换所需的时间。
另外，本发明也可以是在前述更换臂的工具插入动作时，在使前述更换臂仅比180°超调规定移动量后，再向相反方向旋转。这样一来，能够使对更换臂进行减速的时间较长，减少干涉点附近的减速产生的时间损失。
而且，本发明也可以是将前述更换臂的轴向进退行程设定为能够将工具拔出的行程以上，在前述更换臂以不停止的方式连续地进行工具拔出动作以及工具插入动作的期间，进行前述更换臂的180°旋转。这样一来，能够进一步缩短工具更换时间。
而且，本发明也可以是前述臂驱动装置由具备被电动马达驱动而旋转的旋转凸轮的凸轮机构构成。这样一来，通过适当地设定旋转凸轮的凸轮形状，即能够无需特别的控制而容易地实现工具更换时间的缩短。
附图说明
图1是将本发明第1实施方式的工具自动更换装置的一部分剖开表示的俯视图。
图2是将工具自动更换装置的一部分剖开表示的侧视图。
图3是表示在工具主轴与工具储存器之间进行工具更换的工具自动更换装置的附图。
图4是将工具安装在锥孔上后的工具主轴的剖视图。
图5是从图1中箭头5的方向看到的更换臂的附图。
图6是示意表示工具更换时的工具的运动轨迹的说明图。
图7是表示第1实施方式的更换臂的旋转运动与轴向运动的叠加动作的时序图。
图8是表示更换臂的旋转以及轴向运动的特性的说明图。
图9是示意表示本发明第2实施方式的工具自动更换装置中工具更换时的工具的运动轨迹的说明图。
图10是表示第2实施方式的更换臂的旋转运动与轴向运动的叠加动作的时序图。
附图标记说明：
10：工具自动更换装置，11：壳体，12：输入轴，13：凸棱，14：滚齿凸轮，15：电动马达，16：转塔，18：从动辊，20：工具更换轴，23：更换臂，25：凸轮槽，26：摆动杆，31：凸轮机构，32：臂驱动装置，35：工具主轴，37：工具，51、52：把持爪，53：工具储存器，54：工具座。
具体实施方式
以下，基于图1至图8对本发明第1实施方式进行说明。
图1以及图2表示适用于钻孔中心等中的工具自动更换装置10，工具自动更换装置10具备壳体箱11，输入轴12经由轴承45支撑在壳体箱11上而能够旋转。在输入轴12上固定有在外周形成有凸棱13的作为旋转凸轮的滚齿凸轮14。输入轴12经由带式传动装置等与电动马达15联结，通过电动马达15的旋转而驱动滚齿凸轮14以一定的速度向一方向旋转。
而且，转塔16经由轴承46支撑在壳体箱11上能够绕与输入轴12成直角的轴线旋转，在转塔16的外周等角度间隔地配置有多个从动辊18，从动辊18以能够绕与转塔16的旋转轴线正交的轴线旋转的方式得到支撑。从动辊18与滚齿凸轮14的凸棱13啮合，通过滚齿凸轮14的旋转使转塔16向正方向或反方向旋转，或者保持在旋转停止状态。
在转塔16的旋转中心部形成有花键孔19，形成在工具更换轴20的后端部外周的花键部21仅能够在转塔16的旋转轴线方向上滑动地嵌合在该花键孔19中。工具更换轴20的前端部从壳体箱11向外部突出，在其突出端上一体地安装有更换臂23。
摆动杆26由支撑轴27支撑在壳体箱11的长度方向的一端部上，能够绕与输入轴21平行的轴线摆动。在摆动杆26的长度方向的中间部能够旋转地设置有从动辊28，该从动辊28卡合在形成于滚齿凸轮14的一端面上的凸轮槽25中。在摆动杆26的长度方向的另一端部上保持有卡合辊29，该卡合辊29卡合在设于工具更换轴20上的环状的卡合槽30中，通过摆动杆26的摆动能够使更换轴20在轴线方向上前进或后退，或者保持在停止状态。
在该结构中，当滚齿凸轮14在电动马达15的作用下旋转时，从动辊28沿着凸轮槽25移动，摆动杆26摆动，通过摆动杆26的摆动，经由卡合在工具更换轴20的环状卡合槽30中的卡合辊29使工具更换轴20在轴向上前进或后退移动。与此同时，通过辊式凸轮齿轮14的旋转，经由与凸棱13啮合的从动辊18使转塔16旋转，工具更换轴20向正方向或反方向转动。
即，工具更换轴20根据滚齿凸轮14的凸棱13以及凸轮槽25的形状而联动地被赋予轴向的往返运动和旋转运动，通过滚齿凸轮14旋转一圈而进行一系列的工具更换动作。构成了由通过上述的形成了凸棱13以及凸轮槽25的滚齿凸轮14、转塔16以及摆动杆26等而使更换臂23旋转以及轴向移动的凸轮机构31构成的臂驱动装置32。
在图3以及图4中，工具主轴35能够旋转地安装在能够相对于未图示的工作物在三维方向上相对移动的主轴头上。在工具主轴35上形成有能够安装和拆卸工具(工具架)37的锥孔38。工具37具有嵌合在锥孔38中的锥形柄39，在锥形柄39的小直径一侧端部上一体地结合有牵引螺栓40，在锥形柄39的大直径一侧端部上设有由更换臂23把持并形成有环状槽的凸缘部41。在凸缘部41的前端部上安装有各种钻头42等。
在工具主轴35上，能够在轴线方向上移动地插入有保持能够与工具37的锥形柄40卡合脱离的卡合球43能够在半径方向上移动的卡合部件44。虽未图示，但卡合部件44一体地安装在能够在轴线方向上移动地内置在工具主轴35内的牵引杆的前端部上，该牵引杆通过盘簧构成的夹紧用弹簧向后方施力，在该夹紧用弹簧的弹性力作用下，工具37的锥形柄39被夹在工具主轴35的锥孔38中。另外，牵引杆在松开用压力缸的作用下克服夹紧用弹簧的弹性力而向前进方向移动，按压牵引螺栓40的后部而解除工具37的夹紧。
如图5所示，在更换臂23的两端部设有把持工具的把持爪51、52。通过更换臂23向正方向旋转规定角度(例如30°)，由一侧的把持爪51把持安装在定位于规定位置的工具主轴35上的工具37的凸缘部41，由另一侧的把持爪52把持安装在就位于工具储存器53的工具更换位置的工具座54上的工具37的凸缘部41。
通过更换臂23在两把持爪51、52把持住工具37的状态(图3所示的状态)下向轴向的图3中的箭头a的方向后退规定行程，将由两把持爪51、52把持的各工具37从工具主轴35以及工具储存器53的工具座54上拔出，接着，通过更换臂23旋转180°，将安装在工具主轴35上的工具37向工具座54一侧转送的同时，将安装在工具座54中的工具37向工具主轴35一侧转送。之后，通过更换臂23向轴向的图3中的箭头b方向前进规定的行程，将由两把持爪51、52把持的各工具37分别安装在工具主轴35以及工具座54上。之后，更换臂23向反转方向旋转规定角度(例如30°)而回归到原位置(待机位置)。
在这一连串的工具更换动作中，进行使更换臂23的旋转动作与轴向进退动作这两动作的至少一部分同时并行地进行的叠加动作，从而通过该叠加动作来缩短工具更换时间。以下，基于图6以及图7对使更换臂23的旋转动作与轴向进退动作叠加动作的第1实施方式进行说明。
工具更换动作如图6以及图7所示，由工具拔出动作(I)，旋转动作(II)以及工具插装动作(III)构成，工具拔出动作(I)是在由更换臂23的两把持爪51、52把持住工具37的状态下，使更换臂23在轴向上后退规定行程，将工具37从工具主轴35的锥孔38以及工具储存器53的工具座51中拔出，旋转动作(II)是为了将由两把持爪51、52把持的工具37同时从工具主轴35一侧向工具储存器53一侧以及从工具储存器53一侧向工具主轴35一侧转送而使更换臂23旋转180°，工具插装动作(III)是使更换臂23在轴向上前进规定的行程，将工具37插装在工具主轴35的锥孔38以及工具储存器53的工具座54中。
以往，如图6中的双点化线所示，通过在工具37不与工具主轴35等干涉的范围内，在工具拔出动作(I)的终端部开始进行旋转动作(II)，同时在旋转动作(II)的终端部开始进行工具插入动作(III)的叠加动作OL，取最短路径，从而实现了工具更换时间的缩短，但在移动距离短的情况下，不能够确保充分的叠加动作量，在时间缩短上存在极限。
因此，在第1实施方式中，如图6中的实线所示，在更换臂23的旋转动作(II)时，使更换臂23在工具37不与工具主轴35以及工具储存器53的工具座54干涉的范围内向与180°旋转方向相反的方向仅旋转规定的移动量α，之后，通过使更换臂23的旋转方向翻转成正方形(180°旋转方向)，更换臂23在到达能够旋转的工具拔出位置的时间内充分加速，能够使通过干涉点P1时的速度上升到容许的最高速度。
基于图7的时序图对其进行说明。图7的时序图是纵轴表示速度v，横轴表示时间t，基本上来说，以更换臂23的工具拔出动作(I)，旋转动作(II)以及工具插入动作(III)分别以一定的加速度加速，当到达预定的最高速度时切换到一定速度，在其终点近前减速而停止在规定位置的方式进行速度控制。另外，在图7中，(1)表示加速区域，(2)表示定速区域，(3)表示减速区域，而且，示出了工具拔出动作(I)和工具插入动作(III)的移动方向为相反方向。
在现有的叠加动作中，如图7(B)所示，以下述方式进行叠加动作(OL)，即，在更换臂23的工具拔出动作(I)的终端的减速时，更换臂23开始向旋转方向加速，而且，在更换臂23的旋转动作(II)的终端的减速时，更换臂23开始向工具插入方向加速。
而在第1实施方式中，如图7(A)所示，更换臂23的工具拔出动作(I)是一边以一定的加速度加速一边开始移动，在到达最高速度后为一定的速度，在工具拔出位置(轴向后退端)的近前减速而到达更换拔出位置，但更换臂23的旋转动作(II)能够在更换臂23的拔出动作开始后向与180°旋转(正)方向相反的方向旋转，在仅旋转了规定移动量α后，旋转方向切换到正方向而加速。通过这样向相反方向仅旋转规定移动量α，能够在更换臂23到达能够旋转的工具拔出位置为止的时间内进行充分加速，使通过干涉点P1时的旋转速度上升到能够容许的最高速度。而且，通过设定成在更换臂23的旋转速度达到最高速度时更换臂23的工具拔出动作结束，将更换臂23的旋转动作的定速区域取得更长。其结果，虽然更换臂23的轴向移动量为与以往相同的y，但更换臂23的旋转移动量则为比规定移动量α的2倍多的x+2α。
为了能够实现这种更换臂23的旋转动作与轴向进退动作的叠加动作，构成凸轮机构31的滚齿凸轮14的凸棱13以及凸轮槽25形成为所需要的形状，更换臂23的旋转动作与轴向进退动作以图8所示的特性执行。而且，通过滚齿凸轮14的360°旋转完成一系列的工具更换动作。另外，图8以例如向正方向旋转30°、向正方向旋转180°、向反方向旋转30°的情况为例表示了更换臂23的旋转动作。
如上所述，通过在工具37与工具主轴35等不干涉的范围内使更换臂23向与180°旋转方向相反一侧仅移动规定移动量α，能够加长进行叠加动作的时间，相反，能够缩短空闲时间。其结果，在加速度为一定、最高速度为一定的相同条件下，如果将现有技术中的叠加动作与第1实施方式中的叠加动作进行比较，则根据第1实施方式中的叠加动作，与现有技术中叠加动作相比，能够如图7所示将工具更换时间缩短ΔT1(＝T2-T1)。虽然一次的工具更换所获得的缩短时间T1比较少，但由于通常为了对工作物进行加工要进行数次的工具更换，所以对于加工时间的缩短具有充分的贡献。
另外，为了在更换臂23的旋转结束时，更换臂23能够以最高速度通过干涉点P2，使更换臂23仅超调规定移动量α，之后使更换臂23仅逆转规定移动量α，使工具37的中心与工具主轴35的锥孔38以及工具储存器53的工具座54的中心位置相一致。这样一来，使更换臂23从最高速度减速的时间加长。
这样一来，在更换臂23向正方向旋转了180°加上规定移动量α的2倍后的旋转角度(180°+2α)后，仅逆转规定移动量α，工具37在工具主轴35与工具储存器53之间转送，但通过叠加动作的增大，工具更换所需的周期时间缩短。
图9以及图10表示本发明的第2实施方式，在更换臂23的旋转动作(II)时使更换臂23一度向与旋转180°旋转方向相反的方向旋转上是相同的，但与第1实施方式的不同之处在于，通过将更换臂23的工具拔出动作(I)、工具插入动作(III)的动作行程量(轴向移动量)增大到从更换臂23上拔出工具37所必须的行程以上，在更换臂23的旋转动作(II)时，更换臂23向工具拔出一侧动作到位于通常的工具拔出位置以上，在更换臂23到达工具能够插入的位置的期间，通过进行工具插入动作的加速，使工具能够插入位置的工具插入方向的速度为高速，从而能够进一步缩短工具更换时间。
即，在第2实施方式中，如图9的动作轨迹图以及图10时序图所示，不仅使更换臂23向第1实施方式所述的旋转方向超调，在轴向上也超调，从而更换臂23的工具拔出动作以及工具插入动作不停止地连续进行，其间，使更换臂23首先向与180°旋转方向相反的方向仅旋转规定移动量α，之后一边将旋转方向切换到正方向进行加速一边旋转到最高速度，之后减速，使更换臂23仅超调规定移动量α，最后使更换臂23仅逆转规定移动量α，从而使工具37的中心与工具主轴35的锥孔38以及工具储存器53的工具座54的中心位置相一致。
在这样构成的第2实施方式中，是以使更换臂23旋转180°时的加速度以及最高速度高于第1实施方式的高速作为条件的，但能够将工具更换的周期时间缩短到比第1实施方式所述的T1更短的T0。
在上述各实施方式中，对于通过更换臂23在工具主轴35与就位于工具储存器53的工具更换位置的工具座54之间直接更换工具37的例子进行了描述，但本发明也可以将工具座配设在设于工具储存器53与工具主轴35中间的中间更换位置，在该中间工具更换位置与工具主轴35之间更换工具37，并不仅限于在工具主轴35与工具储存器53之间直接更换工具37。
在上述各实施方式中，对凸轮机构31的凸棱13以及凸轮槽25形成在滚齿凸轮14的外周以及端面上的例子进行了描述，但本发明也可以是形成为凸棱13以及凸轮槽25通过电动马达15而一体地、或同步地旋转的各种旋转凸轮。
而且，在上述各实施方式中，是通过由凸轮机构31构成的臂驱动装置32使更换臂23的旋转动作与轴向进退动作机械地联动，但臂驱动装置32也可以是以伺服马达为驱动源，通过双轴同时控制来进行工具更换轴20的旋转动作以及轴向进退动作。
另外，在上述各实施方式中，对在更换臂23旋转180°时，更换臂23仅反方向旋转规定移动量α，然后再向正方向旋转进行了说明。但该反方向以及正方向并不限定于特定的方向，而仅是意在表示在与更换臂23的180°旋转方向相反的方向上进行交替移动。
以上，通过实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不仅限于各实施方式所述的具体结构，在不脱离本发明的要旨的范围内能够采用各种方式。

Claims (4)

1.一种工具自动更换装置，具备：在工具主轴与工具更换位置之间更换工具、能够旋转并能够轴向进退移动的更换臂，以及使该更换臂旋转以及轴向移动的臂驱动装置，其特征是，
前述臂驱动装置构成为进行叠加动作，该叠加动作同时并行地进行使前述更换臂旋转180°的旋转动作、与为了工具的插拔而使前述更换臂在轴向上进退移动的进退动作这两动作的至少一部分，在为了工具的拔出而使前述更换臂在轴向上移动时，与该移动并行地使前述更换臂朝着与180°的旋转方向即正方向相反的反方向仅旋转规定移动量后，再向前述正方向旋转。
2.如权利要求1所述的工具自动更换装置，其特征是，在前述更换臂的工具插入动作时，在使前述更换臂旋转到比使工具的中心与前述工具主轴的锥孔的中心相一致的角度仅超调前述规定移动量后再向相反方向旋转。
3.如权利要求1所述的工具自动更换装置，其特征是，将前述更换臂的轴向进退行程设定为能够将工具拔出的行程以上，在前述更换臂不停止的方式连续地进行工具拔出动作以及工具插入动作的期间，进行前述更换臂的180°旋转动作。
4.如权利要求1至3中任一项所述的工具自动更换装置，其特征是，前述臂驱动装置由具备被电动马达驱动而旋转的旋转凸轮的凸轮机构构成。
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