JP2003251507A - 油圧クランプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空油圧変換器を用いた油圧クランプ装置の応
答性と駆動速度を高めること。 【解決手段】 工具やワーク等の被クランプ部材をクラ
ンプ又は／及びアンクランプする油圧クランプ装置にお
いて、被クランプ部材に係合可能に設けられたクランプ
部材と、クランプ部材を駆動するための駆動部材１１９
と、駆動部材１１９を駆動する油圧シリンダ３５と、空
圧源２９からの空圧を蓄圧すると共に、蓄圧した空圧に
より油圧を発生する空油圧変換器１１と、空油圧変換器
１１と油圧シリンダ３５との間に配設された油圧切換弁
３３と、空油圧変換器１１と空圧源２９との間に配設さ
れた空圧切換弁２５と、クランプ又は／及びアンクラン
プに応じて油圧切換弁３３および空圧切換弁２５の切換
タイミングを独立に制御する弁制御手段とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械、鍛圧機
械、産業用ロボット等の油圧クランプ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械の工具を主軸へクランプする工
具クランプ装置や、ワークをワーク取付具にクランプし
たり、ワークを固定したパレットをテーブルにクランプ
したり、ハンドをロボットアームにクランプするために
従来から油圧クランプ装置が用いられている。例えば、
特開２０００−１１７５１５号公報には工作機械の主軸
に工具をクランプする工具クランプ装置が開示されてお
り、特公平８−４９８１号公報には、ワークの締付具の
油圧駆動装置が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】特開２０００−１１７
５１５号公報には、工具ホルダの後端に設けられたプル
スタッドをコレットとドローバーと皿ばねを用いて引き
込み、該工具ホルダを主軸先端に形成されたテーパ穴に
クランプする工具クランプ装置が開示されている。工具
をアンクランプする場合は、主軸ハウジングの後端に設
けられた油圧シリンダに油圧を作用させ、ピストンでド
ローバーを前方へ押圧し、皿ばね力に抗してコレットと
プルスタッドの係合をはずす構造をとっている。皿ばね
力は例えば２トンとかなり大きく、アンクランプシリン
ダを主軸装置にコンパクトに内蔵させるには高圧力を発
生することのできる油圧を用いるのが好しい。しかし油
圧を発生させる油圧ポンプは一般的には常時稼動させて
おり、エネルギの労費、発熱、騒音の発生、油のもれ等
の問題がある。

【０００４】特公平８−４９８１号公報に開示されたワ
ークの締付具の油圧駆動装置では、空油圧変換器（エア
ハイドロユニット）で空圧を油圧に変換して油圧シリン
ダへ供給するようにして上記の問題を解決している。同
公報に開示された構成では、空油圧変換器と油圧シリン
ダとの間に油圧切換弁を配設して、該油圧切換弁を空圧
切換弁と同時に動作させるようにしている。空気は圧縮
性流体のために、油圧シリンダへ供給する油圧を迅速に
立ち上げることができず、締付具の駆動速度を高めるこ
とができない問題を生じる。

【０００５】本発明は、こうした従来技術の問題点を解
決することを技術課題としており、空油圧変換器を用い
た油圧クランプ装置の応答性と駆動速度を高めることを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、工具やワーク等の被クランプ部材をクランプ又は／
及びアンクランプする油圧クランプ装置において、前記
被クランプ部材に係合可能に設けられたクランプ部材
と、前記クランプ部材を駆動するための駆動部材と、前
記駆動部材を駆動するための油圧シリンダと、空圧源か
らの空圧を蓄圧すると共に、蓄圧した空圧により油圧を
発生する空油圧変換器と、前記空油圧変換器と前記油圧
シリンダとの間に配設された油圧切換弁と、前記空油圧
変換器と前記空圧源との間に配設された空圧切換弁と、
クランプ又は／及びアンクランプに応じて前記油圧切換
弁および空圧切換弁の切換タイミングを独立に制御する
弁制御手段とを具備する油圧クランプ装置を要旨とす
る。

【０００７】弁制御手段は、油圧切換弁と空圧切換弁の
切換タイミングを独立に制御できるので、油圧切換弁の
動作に先立って空圧切換弁を動作させて、空油圧変換器
の空圧を予め蓄圧し、その後油圧切換弁を動作させる。
すると圧縮性のある空気が予め収縮して蓄圧されている
ので、油圧切換弁が動作したとき空圧の蓄圧に要する時
間なしに即座に油圧力に変換でき、油圧シリンダにつな
がっているクランプ部材を応答性良く、高速で駆動する
ことができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好ましい実施形態を説明する。図１、２は、本発明を
工作機械の主軸装置に工具を固定する油圧式の工具クラ
ンプ装置に適用した第１の実施形態を示している。図
１、２において、油圧クランプ装置は、コンプレッサ等
の空圧源２９から空圧を受けて、油圧シリンダ３５に油
圧を供給する空油圧変換器１１を具備している。空油圧
変換器１１は、空圧シリンダ部１３と、油圧シリンダ部
２３とを有しており、空圧シリンダ部１３内には空圧ピ
ストン１５が摺動自在に配設され、油圧シリンダ部２３
内には油圧ピストン３１が摺動自在に配設されており、
空圧ピストン１５と油圧ピストン３１は連結棒１７によ
り互いに連結されている。空圧ピストン１５により、空
圧シリンダ部１３内は油圧ピストン３１に対して遠位の
第１の空圧室１９と、油圧ピストン３１に対して近位の
第２の空圧室２１とに分割される。また、空圧シリンダ
部１３は、第１の空圧室１９に連通する第１のポート１
３ａと、第２の空圧室２１に連通する第２のポート１３
ｂと、油圧シリンダ部２３内に連通する油圧ポート２３
ａとを有している。ここで、空圧ピストン１５は油圧ピ
ストン３１よりも大きな直径を有し、かつ、空圧シリン
ダ部１３は油圧シリンダ部２３に比較して大きな内容積
を有している。

【０００９】空油圧変換器１１の空圧シリンダ部１３
は、３位置５ポートのソレノイド弁より成る空圧切換弁
２５を介して空圧源２９に接続されている。空圧切換弁
２５は、中立位置（図１に示す位置）と、第１と第２の
作用位置の間で移動可能となっており、該空圧切換弁２
５を図１の中立位置から左方へ移動した第１の位置に向
けて付勢する第１のソレノイド２５ａおよび第１のばね
２５ｃと、図１の中立位置から右方へ移動した第２の位
置に向けて付勢する第２のソレノイド２５ｂおよび第２
のばね２５ｄを有している。空圧切換弁２５が第１の位
置にあるとき、空油圧変換器１１の第１のポート１３ａ
が空圧源２９に接続され、第２のポート１３ｂがサイレ
ンサ２７ｂを介して外気に開放される。空圧切換弁２５
が第２の位置にあるとき、空油圧変換器１１の第１のポ
ート１３ａがサイレンサ２７ａを介して外気に開放さ
れ、第２のポート１３ｂが空圧源２９に接続される。

【００１０】空油圧変換器１１の油圧シリンダ部２３
は、２位置２ポートのソレノイド弁より成る油圧切換弁
３３を介して、後述するドローバー１１９を駆動するた
めの油圧シリンダ３５に接続されている。油圧切換弁３
３は、遮断位置（図１に示す位置）と、連通位置との間
で移動可能となっており、該油圧切換弁３３を連通位置
に向けて付勢するソレノイド３３ａと、遮断位置に向け
て付勢するばね３３ｂとを有している。

【００１１】ここで、特に図２を参照すると、本実施形
態による油圧クランプ装置は、工作機械の主軸１０７の
先端部に形成されたテーパ穴１０７ａに工具ホルダ（図
示せず）を固定する工具クランプ装置となっている。該
クランプ装置は、クランプ部材としてのコレット１２
１、該コレット１２１を駆動するための駆動部材として
のドローバー１１９を具備しており、該ドローバー１１
９は、ベアリング１０９、１１１により主軸ハウジング
１０３内に回転可能に支持された主軸１０７の中心穴１
１５内に延設されている。コレット１２１は、工具ホル
ダの後端に取り付けられた被クランプ部材としてのプル
スタッド（図示せず）に係合可能なようにドローバー１
１９の先端に取り付けられている。また、ドローバー１
１９には、その先端側と後端側にカラー部材１１３が嵌
合されており、ドローバー１１９の周囲においてカラー
部材１１３の間には、該ドローバー１１９を主軸１０７
の後端方向（図２において上方）へ付勢する皿ばね１１
７が配設されている。コレット１２１を工具ホルダのプ
ルスタッドに係合させた状態で、皿ばね１１７によりド
ローバー１１９を主軸１０７の後端方向に引き込むこと
により、該工具ホルダのテーパ部（図示せず）がテーパ
穴１０７ａに嵌合し、該工具ホルダが主軸１０７の先端
にクランプされる。

【００１２】主軸ハウジング１０３の後端には、ドロー
バー１１９を駆動するための油圧シリンダ３５が配設さ
れている。油圧シリンダ３５は、シリンダ３７内に摺動
可能に配設されたピストン３９、ピストン３９に連結さ
れドローバー１１９へ向けてシリンダ３７を貫通して延
びるピストン棒４１、ピストン３９およびピストン棒４
１をドローバー１１９から離反する方向に付勢するばね
４５を具備している。ピストン３９によりシリンダ３７
内においてピストン棒４１の反対側に油圧室４３が画成
され、該油圧室４３はシリンダ３７に形成された油圧ポ
ート３７ａを介して油圧切換弁３３に接続されている。
ピストン３９およびピストン棒４１は、ドローバー１１
９の動作方向、つまり、主軸１０７の中心軸線に沿っ
て、前進（図２において下方移動）、後退（図２におい
て上方移動）可能となっている。

【００１３】以下、本実施形態の作用を説明する。本実
施形態において、工作機械の切削プロセスを開始するに
先立って、ドローバー１１９が皿ばね１１７により後端
方向に引き込まれ、コレット１２１により工具ホルダが
主軸１０７のテーパ穴１０７ａにクランプされる。次い
で、油圧切換弁３３のソレノイド３３ａが消勢され、油
圧切換弁３３はばね３３ｂにより図１に示す遮断位置に
移動する。これにより、クランプ装置の油圧シリンダ３
５の油圧室４３は、空油圧変換器１１の油圧シリンダ部
２３から遮断される。次いで、空圧切換弁２５のソレノ
イド２５ａを付勢することにより、空圧切換弁２５が第
１の位置に移動し、空圧源２９からの空気圧が空圧シリ
ンダ部１３の第１の空圧室１９に供給され、第２の空圧
室２１は外気に開放される。該油圧クランプ装置は、こ
の状態で次の工具交換指令まで待機する。既述したよう
に、空圧シリンダ部１３は比較的大きな内容積を有して
いるので、工具交換指令の待機中に第１の空圧室１９内
に駆動圧力が蓄圧される。

【００１４】弁制御手段（図示せず）は、例えば、工作
機械の機械制御装置（図示せず）内に設けられる。ＮＣ
装置（図示せず）から工具交換指令が発せられると、弁
制御手段によってソレノイド３３ａが付勢されて、油圧
切換弁３３が連通位置に移動する。これにより、空圧シ
リンダ部１３の第１の空圧室１９に蓄圧された駆動圧力
を以て、油圧ピストン３１が図１において左方へ押し込
まれる。このとき、油圧ピストン２５の直径が空圧ピス
トン１５の直径よりも小さいために、空油圧変換器１１
は倍力装置として作用して、空圧源２９の元圧よりも大
きな油圧が油圧シリンダ３５の油圧室４３に作用する。
油圧シリンダ３５のピストン３９およびピストン棒４１
は、油圧シリンダ３５のばね４５および皿ばね１１７の
ばね力に対抗してドローバー１１９を先端方向（図２に
おいて下方）へ押し出し、工具ホルダを主軸１０７のテ
ーパ穴１０７ａからアンクランプする。アンクランプが
完了すると、ソレノイド３３ａが消勢されて、油圧切換
弁３３はばね３３ｂにより図１に示す遮断位置に復帰す
る。油圧切換弁３３が遮断位置に移動すると、ソレノイ
ド２５ｃが消勢されると共に、ソレノイド２５ｄが付勢
されて空圧切換弁２５が第２の位置に移動する。これに
より、空油圧変換器１１の第１の空圧室１９が外気に開
放されると共に、第２の空圧室２１が空圧源２９に連通
し、第２の空圧室２１に駆動圧力が蓄圧される。

【００１５】新工具が、工具交換装置（図示せず）によ
り主軸１０７のテーパ穴１０７ａに装着されると、ソレ
ノイド３３ａが付勢されて油圧切換弁３３が連通位置に
移動する。これにより、油圧シリンダ３５の油圧室４３
が空油圧変換器１１の油圧シリンダ部２３に連通し、ば
ね４５および皿ばね１１７によりピストン３９が後退し
（図１、２において上方へ移動する）、油圧室４３内の
作動油が空油圧変換器１１の油圧シリンダ部２３内に流
出する。これにより、ドローバー１１９は、皿ばね１１
７により後端方向へ引き込まれ、新工具が主軸１０７の
テーパ穴１０７ａにクランプされる。このとき、空圧シ
リンダ部１３の第２の空圧室２１内に駆動圧力が蓄圧さ
れているために、ピストン３１はピストン１５により図
１において右方へ引き込まれる。そしてソレノイド３３
ａを付勢して油圧切換弁３３を連通位置に移動する。こ
うして油圧シリンダ３５の油圧室４３からの作動油の流
出が円滑に行われクランプ動作速度を高めることが可能
となる。すると一連の工具交換時間を短縮することがで
きる。

【００１６】次に図３を用いて本発明の第２の実施形態
を説明する。図３は、図１と類似の工作機械の工具クラ
ンプ装置の空油圧回路図であり、空油圧変換器５１、油
圧切換弁７３、油圧シリンダ７５が図１の場合と異な
る。すなわち、油圧シリンダ７５において、シリンダ７
７に内蔵したピストン７９を上昇させるばねをなくし、
油圧ポート７７ｂから油圧室８５に作動油を供給するこ
とによって、より強い力でピストン７９を上昇させる構
成にしている。油圧ポート７７ａから油圧室８３に作動
油を供給することによってピストン７９を下降させ、ピ
ストン棒８１でドローバー１１９を押圧して工具をアン
クランプする構成は第１の実施形態と同じである。

【００１７】また、空油圧変換器５１は、空圧シリンダ
部５３の両側に油圧シリンダ部６３ａ，６３ｂを有し、
空圧シリンダ部５３に内蔵されたピストン５５と油圧シ
リンダ部６３ａに内蔵されたピストン７１ａと油圧シリ
ンダ部６３ｂに内蔵されたピストン７１ｂの３者は同軸
状に連結棒５７で連結されている。油圧シリンダ部６３
ａ，６３ｂにはそれぞれ油圧ポート６５ａ，６５ｂが設
けられ、油圧切換弁７３を介して油圧シリンダ７５に接
続されている。油圧切換弁７３は、２位置４ポートのソ
レノイド弁より成り、連通位置に付勢するソレノイド７
３ａと、遮断位置に向けて付勢するばね７３ｂとを有し
ている。

【００１８】図３に図示している状態は、ピストン７９
が上昇してドローバー１１９とピストン棒８１とが非接
触の状態であり、工具は皿ばね力で主軸にクランプされ
ている。空圧切換弁２５のソレノイド２５ａを付勢する
ことにより、空圧切換弁２５が第１の位置に移動し、空
圧源２９からの空気圧が空圧シリンダ部５３の第１の空
圧室５９に供給され、第２の空圧室６１は外気に開放さ
れる。油圧クランプ装置は、この状態で工具交換指令ま
で待機し、待機中空圧室５９内に駆動圧力が蓄圧され
る。

【００１９】工具交換指令が発せられると弁制御手段に
よってソレノイド７３ａが付勢されて、油圧切換弁７３
が連通位置に移動する。これにより、油圧ポート７７ａ
から油圧室８３内へ加圧された作動油が供給され、ピス
トン７９が下降し、ピストン棒８１でドローバー１１９
を押圧して工具がアンクランプされる。図示しない自動
工具交換装置によって新しい工具が主軸に装着される工
程が実行されるのと並行して、ソレノイド７３ａが消勢
されて油圧切換弁７３が遮断位置に移動し、次いでソレ
ノイド２５ａが消勢されてソレノイド２５ｂが付勢さ
れ、空圧切換弁２５は第２の位置に移動する。すると空
気圧が第２の空圧室６１に供給され、第１の空圧室５９
は外気に開放され、空圧室６１内に駆動圧力が蓄圧され
る。新しい工具が主軸に装着されるとソレノイド７３ａ
が付勢され、油圧切換弁７３は連通位置に移動し、作動
油は油圧室８５に供給されると共に油圧室８３の作動油
は流出する。これによってピストン７９は上昇し、ピス
トン棒８１によるドローバー１１９の押圧は解除され、
新しい工具が皿ばね力によって主軸にクランプされる。
そしてソレノイド７３ａ及びソレノイド７５ｄは消勢さ
れ、油圧切換弁７３は遮断位置に、空圧切換弁２５は中
立位置に復帰する。このように油圧切換弁７３の切換に
先立って空圧切換弁２５を作動して空油圧変換器５１の
第１又は第２の空圧室５９，６１に蓄圧するので、油圧
切換弁７３を連通位置に移動した時直ちに油圧室８３，
８５の圧力が変化し、実質上空圧室５９，６１の蓄圧時
間をゼロにすることができ、迅速な工具交換が実現す
る。

【００２０】本第１及び第２の実施形態では、工作機械
の主軸に工具をクランプする油圧クランプ装置の例を述
べたが、本実施形態に限らず、ワークを主軸にクランプ
したり、ワークをワーク取付具にクランプしたり、ワー
クを固定したパレットをテーブルにクランプする油圧ク
ランプ装置に本発明を適用することができる。また、産
業用ロボットのアームにハンドをクランプする油圧クラ
ンプ装置等にも本発明を適用することができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、油圧切換弁および空圧
切換弁の切換タイミングを独立に制御する弁制御手段に
よって、空油圧変換器に十分な空圧を蓄圧することが可
能となり、これにより、駆動部材を駆動するための油圧
シリンダの動作速度を高めることが可能となる。そして
油圧クランプ装置の応答性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による油圧クランプ装
置の空油圧回路図である。

【図２】図１の油圧クランプ装置を工作機械の工具クラ
ンプ装置に適用した場合の該工作機械の主軸装置の断面
図である。

【図３】本発明の第２の実施形態による油圧クランプ装
置の空油圧回路図である。

【符号の説明】

１１…空油圧変換器 １３…空圧シリンダ部 １３ａ…第１のポート １３ｂ…第２のポート １５…空圧ピストン １７…連結棒 １９…第１の空圧室 ２１…第２の空圧室 ２３ａ…油圧ポート ２３…油圧シリンダ部 ２５…空圧切換弁 ２９…空圧源 ３１…油圧ピストン ３３…油圧切換弁 ３５…油圧シリンダ ３７…シリンダ ３７ａ…油圧ポート ３９…ピストン ４１…ピストン棒 ４３…油圧室 １０３…主軸ハウジング １０７…主軸 １０７ａ…テーパ穴 １０９…ベアリング １１１…ベアリング １１５…中心穴 １１７…皿ばね １１９…ドローバー １２１…コレット

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具やワーク等の被クランプ部材をクラ
   ンプ又は／及びアンクランプする油圧クランプ装置にお
   いて、 前記被クランプ部材に係合可能に設けられたクランプ部
   材と、 前記クランプ部材を駆動するための駆動部材と、 前記駆動部材を駆動するための油圧シリンダと、 空圧源からの空圧を蓄圧すると共に、蓄圧した空圧によ
   り油圧を発生する空油圧変換器と、 前記空油圧変換器と前記油圧シリンダとの間に配設され
   た油圧切換弁と、 前記空油圧変換器と前記空圧源との間に配設された空圧
   切換弁と、 クランプ又は／及びアンクランプに応じて前記油圧切換
   弁および空圧切換弁の切換タイミングを独立に制御する
   弁制御手段と、 を具備することを特徴とした油圧クランプ装置。
2. 【請求項２】 前記弁制御手段は、前記油圧切換弁の動
   作に先立って、前記空圧切換弁を動作させるようにした
   請求項１に記載の油圧クランプ装置。
3. 【請求項３】 前記空油圧変換器は、空圧シリンダ部と
   油圧シリンダ部とを具備しており、前記空圧シリンダ部
   内に空圧ピストンが配設され、前記油圧シリンダ部内に
   油圧ピストンが配設されており、前記空圧ピストンと前
   記油圧ピストンとは連結棒により互いに連結されて同一
   軸線に沿って往復可能となっており、 前記空圧ピストンにより前記空圧シリンダ部は、前記油
   圧ピストンに対して遠位の第１の空圧室と、前記油圧ピ
   ストンに対して近位の第２の空圧室に分割され、 前記空圧切換弁は少なくとも第１と第２の位置の間で移
   動可能となっており、前記空圧切換弁が第１の位置にあ
   るとき、前記第１の空圧室が前記空圧源に連通しかつ前
   記第２の空圧室が外気に開放されて、前記油圧シリンダ
   部内の容積を低減する方向に前記油圧ピストンが付勢さ
   れ、前記空圧切換弁が第２の位置にあるとき、前記第１
   の空圧室が外気に開放されかつ前記第２の空圧室が前記
   空圧源に連通して、前記油圧シリンダ部内の容積を増加
   する方向に前記油圧ピストンが付勢されるようになって
   おり、 前記駆動部材の駆動用の油圧シリンダを動作させるため
   に前記油圧切換弁を作動させる前に、前記空圧切換弁を
   前記被クランプ部材の駆動用油圧シリンダの移動方向に
   従って第１の位置から第２の位置へ、または、第２の位
   置から第１の位置へ移動させるようにした請求項１また
   は２に記載の油圧クランプ装置。
4. 【請求項４】 前記駆動部材の駆動用の油圧シリンダ
   は、シリンダと、該シリンダ内に配設されたピストン
   と、該ピストンに連結され前記駆動部材を押圧するピス
   トン棒とを具備して、前記ピストンおよびピストン棒は
   前記シリンダ内において前記駆動部材の移動方向に前進
   後退の直線移動可能に配設されており、 前記ピストンにより前記シリンダ内において前記ピスト
   ン棒の反対側に油圧室が形成され、前記シリンダは前記
   油圧室に連通する油圧ポートを有しており、 前記油圧切換弁は前記油圧ポートに接続されており、開
   放位置と遮断位置との間で移動可能となっており、前記
   駆動部材を動作させるときに、遮断位置から開放位置へ
   移動して、前記油圧シリンダの油圧室を前記空油圧変換
   器の油圧シリンダ部に連通させるようになっている請求
   項１から３の何れか１項に記載の油圧クランプ装置。
5. 【請求項５】 前記ピストン棒を前記駆動部材の移動方
   向に沿って前進させる場合には、前記油圧切換弁が遮断
   位置にある間に前記空圧切換弁を第１の位置に移動させ
   て前記空油圧変換器の第１の空圧室内に空圧を蓄圧し、
   次いで、前記油圧切換弁を開放位置に移動させて、前記
   第１の空圧室内の空圧を以て前記油圧シリンダ部の油圧
   ピストンを前進させることにより、前記空油圧変換器の
   油圧シリンダ部から前記油圧シリンダの油圧室内に作動
   油を供給し、 前記ピストン棒を前記駆動部材の移動方向に沿って後退
   させる場合には、前記油圧切換弁が遮断位置にある間に
   前記空圧切換弁を第２の位置に移動させて前記空油圧変
   換器の第２の空圧室内に空圧を蓄圧し、次いで、前記油
   圧切換弁を開放位置に移動させて、前記第２の空圧室内
   の空圧を以て前記油圧シリンダ部の油圧ピストンを後退
   させて、前記前記油圧シリンダの油圧室から作動油を前
   記空油圧変換器の油圧シリンダ部内へ流出させるように
   した請求項４に記載の油圧クランプ装置。