JP2001150278A - 工具交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で、工具を確実に把持することが
できる工具交換を可能とする。 【解決手段】 外形が円筒状となっていると共に、外周
面に位置決め溝２１が形成され、工具１０が挿通した状
態で工具１０の所定位置に固定されるホルダピース２０
と、工具１０が装着される工具主軸１と工具を供給する
工具供給部材２との間で回転及び昇降する工具交換アー
ム３と、ホルダピース２０の位置決め溝２１に嵌り込む
把持突起３６が対向して形成され、工具交換アーム３の
両端部に開閉自在に取り付けられた交換フィンガー５
と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工具を多数収納し
た工具マガジンを備えた工作機械において、工具マガジ
ンと工作機械の工具主軸との間で工具の交換を自動的に
行う工具交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マシニングセンタ等の工作機械では、工
具マガジンに複数の工具を予め収納しており、工具主軸
との間に工具搬送アームを介在させて、工具主軸に装着
された使用済みの工具を抜き取って工具マガジンヘ搬送
し、返還すると共に、工具マガジンから工具主軸へ所望
の工具を搬送し、装着することにより、工具変換を行う
工具交換装置が組み込まれていることは周知である。

【０００３】このような工具の交換では、ワークに対す
る工作機械の加工条件に応じて多種類の工具が工具マガ
ジンに準備されている。工作機械では、その工具主軸に
設けられた一定寸法規格の工具装着穴に、これらの多種
類の工具を装着させる必要がある一方、工具マガジンで
は、多種類の工具を収納する必要がある。このため、一
定形状で且つ一定寸法となっているテーパシャンク部、
すなわち、工具主軸の工具装着穴と相補形状のテーパシ
ャンク部を有した統一構造、形状の工具ホルダを多種類
の工具に装着している。

【０００４】この工具ホルダには、工具交換時に把持さ
れる溝を有した把持軸部がテーパシャンク部と一体的に
形成されており、工具変換装置では、この把持軸部の溝
を工具搬送アームが把持することにより、工具と一体化
された工具ホルダ毎に工具マガジンと工作機械の工具主
軸との間で工具の授受、交換を行うことが従来より採用
されている。

【０００５】図１１は、カタログ「立形マシニングセン
タＶＫシリーズ（日立精機株式会社製、カタログ Ｎ
ｏ．ＶＫ・１９・１９９３．１０．０２）に記載された
従来の工作機械であり、多数の工具１０３を収容した工
具マガジン１０１と、工具主軸１０２との間に工具を交
換するための工具交換アーム（ＡＴＣ（Ａｕｔｏ Ｔｏ
ｏｌ Ｃｈｅｎｇｅｒ）１２０とを備えている。

【０００６】工具１０３は把持軸部１０６及びテーパシ
ャンク部１０７が一体化された工具ホルダ１０４が取り
付けられている。工具ホルダ１０４は工具主軸１０２へ
の工具１０３の装着や、工具マガジン１０１への収容を
行うものである。工具１０３はこの工具ホルダ１０４を
挿通しており、この挿通状態で工具ホルダ１０４が工具
１０３に固定される。工具ホルダ１０４における把持軸
部１０６の外周面には、Ｖ字の環状溝１０６ａが形成さ
れており、この環状溝１０６ａによって工具交換アーム
１２０への脱着が行われる。テーパシャンク部１０７は
工具主軸１０２に工具１０３を装着するために使用され
る。又、１０８は工具１０３の上端部に形成されたプル
スタッドであり、工具主軸１０２への装着の際に使用さ
れる。

【０００７】工具交換アーム１２０はモータ等の回転部
材１２１に取り付けられており、工具主軸１０２及び工
具マガジン１０１の間で昇降及び回転するようになって
いる。図１２は工具交換アーム１２０を示し、その工具
交換アーム１２０の両端部に、それぞれ保持機構１１
２、１１３を有している。保持機構１１２、１１３は同
一構造で互いに反対向きに形成されている。各保持機構
１１２，１１３は、工具交換アーム１２０の端部に形成
された円弧溝１１４と、この円弧溝１１４に揺動自在に
取り付けられた一対の保持爪１１５、１１６と、保持爪
１１５、１１６の後部間に掛け渡されたスプリング１１
７とを備えており、保持爪１１５、１１６の先端が常に
閉じるようになっている。

【０００８】保持爪１１５、１１６の内面は、工具ホル
ダ１０４の環状溝１０６ａに沿った形状をしている。そ
して、この内面には、工具ホルダ１０４の環状溝１０６
ａに嵌り込む突起部２２０、２２１が円弧状に形成され
ている。

【０００９】この装置においては、工具交換アーム１２
０を回転させて、一方の保持機構１１２の円弧溝１１４
を工具マガジン１０１のポット１３０に保持された工具
１０３の工具ホルダ１０４の環状溝１０６ａに嵌め込
み、その保持爪１１５、１１６によっての環状溝１０６
ａを挟み込んで工具ホルダ１０４を保持する。次に、工
具交換アーム１２０を下降させてポット１３０から工具
ホルダ１０４と共に工具１０３を取り出し、続いて工具
交換アーム１２０を回転させて、取り出した工具１０３
を工具主軸１０２の下方へ移動させる。

【００１０】この後、工具交換アーム１２０を上昇させ
て、工具１０３のプルスタッド１０８及びテーパシャン
ク部１０７を工具主軸１０２内へ挿入し、工具主軸１０
２に工具１０３を保持させる。工具１０３が工具主軸１
０２に保持されると、工具交換アーム１２０は逆方向に
回転して、保持爪１１５、１１６を工具ホルダ１０４か
ら離す。

【００１１】工具主軸１０２から工具１０３を取り出し
て工具マガジン１０１へ収納するときは、上記と逆の動
作を行う。また工具１０３の交換を行うときには、一方
の保持機構１１２で工具マガジン１０１内の工具１０３
の工具ホルダー１０４を保持させ、他方の保持機構１１
３で工具主軸１０２に装着されている工具１０３の工具
ホルダ１０４を保持させる。その後、工具交換アーム１
２０を下降させて、工具マガジン１０１及び工具主軸１
０２から、それぞれ工具１０３を取り出し、続いて工具
交換アーム１２０を回転させて工具１０３を入れ替え
る。入れ替え後、工具交換アーム１２０を上昇させて、
次に使用する工具を工具主軸１０２へ装着し、使用済み
工具を工具マガジン１０１へ収容する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術では、工具ホルダ１０４のテーパシャンク部
１０７を工具主軸１０２への工具１０３の装着部とする
と共に、工具マガジン１０１の工具収容位置に工具１０
３を装填する場合の被把持部としている。このようなこ
とから、工具マガジン１０１には工具ホルダ１０４のテ
ーパシャンク部１０７を着脱自在に把持する機構が必要
となるばかりでなく、工具主軸１０２にもテーパシャン
ク部１０７を把持する機構が必要となり、これらの構造
が複雑になると共にコスト高となっている。

【００１３】また、近年では、工作機械の汎用性を高め
るために、非常に多くの工具を収納するようになってき
ており、工具マガジンが大型化している。そのため、工
具マガジンが工具主軸から離れた位置に設置されるよう
になっており、工具変換アーム１２０を工具マガジン１
０１と工具主軸１０２との間で移動させる機構が付加さ
れている。そのため工具変換アーム１２０が工具ホルダ
１０４を保持して移動する距離が長くなり、しかも工具
の変換時間を短縮するために移動速度を速くすると、移
動中に工具１０３が工具交換アーム１２０から落下する
虞があり、安全に対する信頼性が低い問題を有してい
る。

【００１４】本発明は、このような従来の問題点を考慮
してされたものであり、小型化できると共に、高速で確
実に工具を変換することができる工具交換装置を提供す
ることを目的とする。

【００１５】上記目的を達成するため、請求項１の発明
は、外形が円筒状となっていると共に、外周面に位置決
め溝が形成され、工具が挿通した状態で工具の所定位置
に固定されるホルダピースと、工具が装着される工具主
軸と工具を供給する工具供給部材との間で回転及び昇降
する工具交換アームと、前記ホルダピースの位置決め溝
に嵌り込む把持突起が対向して形成され、前記工具交換
アームの両端部に開閉自在に取り付けられた交換フィン
ガーと、を備えていることを特徴とする。

【００１６】この発明では、交換フィンガーは工具に固
定されている円筒状のホルダピースを把持する。すなわ
ち、交換フィンガーはその把持突起がホルダピースの位
置決め溝に嵌り込むことにより、ホルダピースを把持す
る。この把持状態で、工具交換アームが回転及び昇降す
ることにより、工具主軸及び工具供給部材の間で工具を
交換する。

【００１７】把持突起と位置決め溝との嵌合は、交換フ
ィンガーが開状態から閉作動することにより行われ、交
換フィンガーはホルダピースを介して工具を確実に把持
することができる。このため、高速で工具交換アームが
移動しても工具が落下することがなく、安全となる。
又、テーパシャンク部が不要となるため、工具主軸及び
工具供給部材の構造を簡単とすることができ、小型化す
ることができる。

【００１８】請求項２の発明は、請求項１記載の発明で
あって、前記交換フィンガーは、対向した把持突起の間
隔が前記ホルダピースの外径よりも大きくなるように開
作動することを特徴とする。

【００１９】把持突起の間隔がホルダピースの外径より
も大きくなるように交換フィンガーが開くことにより、
工具交換アームを工具の下方向及び横方向のどちらから
移動させても、ホルダピースを把持することができる。
従って、工具把持作動の自由度が大きくなり、設計の自
由度を拡大することができる。

【００２０】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
発明であって、前記位置決め溝は、断面Ｖ溝、断面Ｕ溝
又は断面くさび溝のいずれかであり、前記把持突起は位
置決め溝に合わせた形状に成形されていることを特徴と
する。

【００２１】把持突起を断面Ｖ溝、断面Ｕ溝及び断面く
さび溝に合わせた突起形状とすることにより、把持突起
がホルダピースに確実に嵌合する。このため、工具を確
実に把持することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１〜図６は、本発明の一実施の
形態であり、図１はその全体を、図２はホルダピース
を、図３〜図５は交換アームを、図６は工具主軸をそれ
ぞれ示す。この実施の形態では、工具主軸１と工具供給
部材２との間に工具交換アーム３が配置されている。

【００２３】工具交換アーム３は工作機械のベース（図
示省略）に取り付けられているロータリシリンダ４のロ
ッド４ａ上端に取り付けられており、ロータリシリンダ
４の駆動によって昇降及び回転するようになっている。
工具１０の交換時には、後述するように、工具交換アー
ム３が昇降及び回転作動する。

【００２４】工具１０には、図２に示すように、ホルダ
ピース２０が固定されている。ホルダピース２０は、全
体が短尺な円筒状に成形されており、その上部の外周面
には、位置決め溝２１が環状に形成されている。工具１
０へのホルダピース２０の固定は、ホルダピース２０に
工具１０を挿通させ、ホルダピース２０の内径穴によ
り、圧入、焼き嵌め、接着、ロー付け等することにより
行われる。これにより、ホルダピース２０は工具１０の
軸方向の定位置に固定される。この場合、ホルダピース
２０の外径部分と内径部分の同軸度は回転の際の振動防
止のため、直径（φ）０．０１ｍｍ以内が良好である。

【００２５】環状の位置決め溝２１は工具の交換の際
に、後述する交換フィンガー５が把持するものである。
この実施の形態では、断面Ｖ溝に形成されている。この
ような断面形状では、交換フィンガー５がホルダピース
２０を確実に把持することができる。

【００２６】図３及び図４は、工具交換アーム３への交
換フィンガー５の取付状態を示し、工具交換アーム３の
長さ方向の両端部には、エアチャック３１が取り付けら
れている。エアチャック３１の上面には、左右方向に移
動可能な一対の移動ブラケット３２が取り付けられてお
り、それぞれの移動ブラケット３２に交換フィンガー５
がねじ３３によって締結されている。従って、交換フィ
ンガー５は一対で一組となっており、工具交換アーム３
に対しては２組が取り付けられる。なお、図３におい
て、３５は工具交換アーム３をロータリシリンダ４のロ
ッド４ａに取り付けるためのロッド穴である。

【００２７】一対の交換フィンガー５は、その基端部が
移動ブラケット３２に締結された状態で、その先端部が
工具交換アーム３の外方側に延びている。そして、延び
ている各交換フィンガー５の先端部分には、把持突起３
６が対向状態で形成されている。

【００２８】図５は交換フィンガー５の詳細を示し、交
換フィンガー５は所定の厚さからなる板材が使用されて
おり、これにより、剛性が付与されている。交換フィン
ガー５の先端部には、円弧状の凹部３７が形成されてお
り、この凹部３７の上部に把持突起３６が形成されてい
る。円弧状の凹部３７は、ハンドピース２０の外径に合
わせた或いは外径よりも幾分小さくなる径で成形されて
いる。従って、把持突起３６も同様な径を有した円弧状
となっている。

【００２９】把持突起３６はハンドピース２０の位置決
め溝２１に嵌合するものであり、位置決め溝２１の溝形
状に合わせた突起形状となっている。この実施の形態で
は、位置決め溝２１が断面Ｖ溝となっているため、把持
突起３６は断面Ｖ突起で形成されている。このように把
持突起３６を位置決め溝２１に合わせた突起形状とする
ことにより、把持突起３６がホルダピース２０の位置決
め溝２１に完全に嵌り込むため、ホルダピース２０を確
実に把持することができる。

【００３０】交換フィンガー５は移動ブラケット３２に
取り付けられることにより、移動ブラケット３２の移動
と一体となって左右方向に移動し、この移動によって対
となっている交換フィンガー５の開閉が行われる。そし
て、その閉作動によって把持突起３６が位置決め溝２１
に嵌り込むため、ホルダピース２０の把持が行われ、そ
の開作動によってホルダピース２０の解放が行われる。
この場合、開作動時では、交換フィンガー５は対向して
いる把持突起３６の間隔がホルダピース２０の外径より
も大きくなるように調整することが好ましい。このよう
に間隔が大きくなることにより、工具交換アーム３を工
具の下方向及び横方向のどちらから移動させても、ホル
ダピース２０を把持することができる。従って、工具把
持作動の自由度が大きくなり、設計の自由度を拡大する
ことができる。

【００３１】工具主軸１は、図６に示すように軸本体１
２ベアリング１１を介して回転自在となっている。この
軸本体１２の内部には、工具１０の上部を把持するコレ
ットチャック１３が挿入されている。軸本体１２及びコ
レットチャック１３の下部はテーパ面で摺動可能に接触
しており、テーパ面によるくさび効果によってコレット
チャック１３が工具１０の上部を把持する。

【００３２】この工具主軸１では、交換フィンガー５に
把持された工具１０をコレットチャック１３内に下方か
ら挿入した後、軸本体１２を矢印Ｍで示す方向に引き上
げることにより、コレットチャック１３が閉じるため、
くさび力によって工具１０を把持するようになってい
る。なお、工具１０の解放は、矢印Ｍと反対方向に軸本
体１２を移動させることにより行われる。

【００３３】工具供給部材２は、図１に示すように、工
具を収容している工具マガジン（図示省略）から旋回に
よって工具主軸１側に移動する供給アーム４０を備えて
いる。供給アーム４０の先端には、チャック４１が取り
付けられており、チャック４１の把持爪４２が開閉して
工具１０の把持及びその解放を行う。

【００３４】次に、この実施の形態による工具１０の交
換を説明する。工具主軸１に対して工具１０を供給する
場合、ホルダピース２０が取り付けられた状態で、工具
マガジンに収容されている工具１０を工具供給部材２の
供給アーム４０によってピックアップする。このピック
アップは、供給アーム４０の把持爪４２が把持すること
により行われる。工具１０を把持した供給アーム４０は
旋回して、図１に示すように工具主軸１との隣接位置に
移動する。

【００３５】そして、ロータリシリンダ４によって工具
交換アーム３を上昇させ、工具１０の外周に固着された
ホルダピース２０を交換フィンガー５が把持する。この
とき、ホルダピース２０の位置決め溝２１と、交換フィ
ンガー５の把持突起３６の位置を軸方向に一致させて把
持する。その後 ロータリシリンダ４によって工具交換
アーム３を下降、回転させ、工具１０を工具主軸１の下
方へ移動させ、ロータリシリンダ４により工具交換アー
ム３を上昇させ、工具主軸１に工具１０を把持させる。
工具主軸１から工具１０を取り出して工具マガジンヘ収
容するときは、以上とと逆の動作を行う。

【００３６】工具の交換を行う場合、一方のエアチャッ
ク３１の先端に開閉自在に設けられている交換フィンガ
ー５によって、供給アーム４０が工具マガジンから取り
出した工具１０のホルダピース２０を把持する一方、他
方のエアチャック３１の先端に開閉自在に設けられてい
る交換フィンガー５によって、工具主軸１に装着されて
いるた工具１０のホルダピース２０を把持する。その
後、ロータリシリンダ４によって工具交換アーム３を下
降させて、それぞれ工具１０を供給アーム４０及び工具
主軸１から取り出す。続いてロータリシリング４によっ
て工具交換アーム３を回転させて工具１０を入れ替え、
この入れ替え後に、ロータリシリンダ４によって工具交
換アーム３を上昇させて、次に使用する工具１０を工具
主軸１へ装着する一方、使用済み工具１０を供給アーム
４０に把持させる。

【００３７】このような実施の形態では、工具の交換の
際に、把持突起３６と位置決め溝２１との嵌合によっ
て、交換フィンガ５ーが工具１０を確実に把持する。こ
のため、高速で工具交換アーム３が移動しても工具１０
が落下することがなく、安全となると共に、従来のよう
なテーパシャンク部が不要となるため、工具主軸１及び
工具供給部材２の構造を簡単とすることができ、小型化
することができる。

【００３８】図７及び図８は、本発明の別の実施の形態
を示す。この実施の形態では、図７に示すように、工具
１０に固定されるホルダピース２０の外周面に形成され
る環状の位置決め溝２４が断面Ｕ溝となっている。一
方、このＵ溝から位置決め溝２４に嵌合する交換フィン
ガー５の把持突起４５は、図８に示すように、Ｕ字形の
突起となっている。

【００３９】図９及び図１０は、さらに別の実施の形態
を示し、工具１０に固定されるホルダピース２０の外周
面に形成される環状の位置決め溝２５が図９に示すよう
に、断面くさび溝となっている。そして、このくさび溝
から位置決め溝２５に嵌合する交換フィンガー５の把持
突起４６は、図１０に示すように、くさび形の突起とな
っている。

【００４０】このようにホルダピース２０のＵ溝、くさ
び溝に対して、交換フィンガー５の把持突起４５，４６
がこれらに合わせた突起形状となっていることにより、
把持突起４５，４６がホルダピース２０に確実に嵌合す
る。このため、工具１０を確実に把持することができ
る。

【００４１】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、交換フィンガ
ーがホルダピースを介して工具を確実に把持するため、
高速で工具交換アームが移動しても工具が落下すること
がなく、安全となると共に、テーパシャンク部が不要と
なるため、工具主軸及び工具供給部材の構造を簡単とす
ることができ、小型化することができる。

【００４２】請求項２の発明によれば、工具交換アーム
を工具の下方向及び横方向のどちらから移動させても、
ホルダピースを把持することができるため、工具把持作
動の自由度が大きくなり、設計の自由度を拡大すること
ができる。

【００４３】請求項３の発明によれば、把持突起がホル
ダピースに確実に嵌合するため、工具を確実に把持する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の全体正面図である。

【図２】一実施の形態のホルダピースを示す正面図であ
る。

【図３】工具交換アーム及び交換フィンガーを示す平面
図である。

【図４】交換フィンガーの取付状態を示す斜視図であ
る。

【図５】交換フィンガーを示し、（ａ）はその平面図、
（ｂ）は部分断面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図
である。

【図６】工具主軸の断面図である。

【図７】本発明の別の実施の形態におけるホルダピース
の正面図である。

【図８】別の実施の形態の交換フィンガーを示し、
（ａ）はその部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断
面図である。

【図９】本発明のさらに別の実施の形態におけるホルダ
ピースの正面図である。

【図１０】さらに別の実施の形態の交換フィンガーを示
し、（ａ）はその部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ
線断面図である。

【図１１】従来の工具交換装置の正面図である。

【図１２】従来の工具交換装置に用いる工具交換アーム
の平面図である。

【符号の説明】

１ 工具主軸 ２ 工具供給部材 ３ 工具交換アーム ５ 交換フィンガー １０ 工具 ２０ ホルダピース ２１ 位置決め溝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外形が円筒状となっていると共に、外周
   面に位置決め溝が形成され、工具が挿通した状態で工具
   の所定位置に固定されるホルダピースと、 工具が装着される工具主軸と工具を供給する工具供給部
   材との間で回転及び昇降する工具交換アームと、 前記ホルダピースの位置決め溝に嵌り込む把持突起が対
   向して形成され、前記工具交換アームの両端部に開閉自
   在に取り付けられた交換フィンガーと、を備えているこ
   とを特徴とする工具交換装置。
2. 【請求項２】 前記交換フィンガーは、対向した把持突
   起の間隔が前記ホルダピースの外径よりも大きくなるよ
   うに開作動することを特徴とする請求項１記載の工具交
   換装置。
3. 【請求項３】 前記位置決め溝は、断面Ｖ溝、断面Ｕ溝
   又は断面くさび溝のいずれかであり、前記把持突起は位
   置決め溝に合わせた形状に成形されていることを特徴と
   する請求項１又は２記載の工具交換装置。