JP2004090097A - ツールを交換する工作機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】主軸とツールマガジンとの間でツールの受渡しを安定的に行なう。
【解決手段】工作機械２は、以下の動作を順に行なってツール交換する。
（１）ツールマガジン２００を主軸側に揺動させ、ツール（ツールホルダ４）をアーム２０４で保持させる。
（２）主軸２２とツールマガジン２００を上方向に移動させ、ツールを主軸２２からアンクランプさせる。
（３）主軸２２のみを上方向にさらに移動させ、ツールを主軸２２から離脱させる。
（４）複数のアーム２０４を周方向に回転させてツールを選択させる。
（５）主軸２２のみを下方向に移動させ、ツールを主軸２２に装着させる。
（６）主軸２２とツールマガジン２００を下方向に移動させ、ツールを主軸２２にクランプさせる。
（７）ツールマガジン２００を反主軸側に揺動させ、ツールからツールマガジン２００を離反させる。
【選択図】 図１
【解決手段】工作機械２は、以下の動作を順に行なってツール交換する。
（１）ツールマガジン２００を主軸側に揺動させ、ツール（ツールホルダ４）をアーム２０４で保持させる。
（２）主軸２２とツールマガジン２００を上方向に移動させ、ツールを主軸２２からアンクランプさせる。
（３）主軸２２のみを上方向にさらに移動させ、ツールを主軸２２から離脱させる。
（４）複数のアーム２０４を周方向に回転させてツールを選択させる。
（５）主軸２２のみを下方向に移動させ、ツールを主軸２２に装着させる。
（６）主軸２２とツールマガジン２００を下方向に移動させ、ツールを主軸２２にクランプさせる。
（７）ツールマガジン２００を反主軸側に揺動させ、ツールからツールマガジン２００を離反させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ツールの自動交換が可能な工作機械に関する。特に、主軸とツールマガジンとの間でツールの受渡しを安定的に行なうことができる工作機械に関する。本明細書でいう「ツール」には、ツールを固定したツールホルダや、ツールとツールホルダが一体となったものも含む。
【０００２】
【従来の技術】ツールの自動交換が可能な工作機械の中には、下記の構成を有するものが知られている。
・主軸：ツールが着脱可能であり、装着されたツールをクランプする機構を内蔵している。
・主軸を軸方向に移動させる機構。
・第１連結装置：主軸とクランプ機構の間に設けられ、主軸にクランプされたツールを主軸が一方方向に移動する間にアンクランプさせ、主軸からアンクランプされたツールを主軸が他方方向に移動する間にクランプさせる。
・ツールマガジン：ツールを保持可能なツール保持部を周上に複数有するとともにその複数のツール保持部を周方向に回転させる手段を備えている。ツールマガジンは、それ自体が揺動可能である。
・第２連結装置：ツールマガジンと主軸の間に設けられている。主軸の軸方向の移動に追従して以下の各動作を実現する。
・第１動作；主軸の一方方向への移動に従動してツールマガジンを主軸側に揺動させ、主軸にクランプされているツールをツール保持部で保持させる。このとき同時に、ツールを主軸からアンクランプさせる。すなわち、ツールマガジンを主軸側に揺動させてツール保持部でツールを保持し始めたときにはまだ主軸にクランプされているツールを、ツールマガジンが主軸側に揺動し終えてツール保持部でツールを保持し終えるまでの間にアンクランプする。
・第２動作；主軸のみを一方方向にさらに移動させて、ツール保持部で保持されて主軸からアンクランプされたツールを主軸から離脱させる。
・第３動作；複数のツール保持部を周方向に回転させてツールを選択させる。
・第４動作；主軸のみを他方方向に移動させて、ツール保持部で保持された（選択された）ツールを主軸に装着させる。
・第５動作；主軸を他方方向に移動させ、ツール保持部で保持されたツールを主軸にクランプさせる。このとき同時に、ツールマガジンを反主軸側に揺動させて主軸にクランプされたツールからツールマガジンを離反させる。すなわち、ツールが主軸にクランプされるまでの間はツール保持部でツールを保持し続け、ツールが主軸にクランプされた後にツールマガジンを反主軸側に揺動させる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−１５９３５号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来の工作機械では、ツール保持部がツールを保持し始めたタイミングの直後に、ツールをアンクランプしなければならない。もし前者のタイミングが後者のタイミングより遅いと、ツール保持部で保持されていないツールが主軸からアンクランプされ、ツールが脱落する可能性が生じる。逆に、前者のタイミングと後者のタイミングとの間に差がありすぎると、ツール保持部で保持されたツールが主軸にクランプされた状態で主軸とともに移動する。ツール保持部は揺動するのみで、主軸と平行に移動できないことから、動作に干渉が生じてしまう。
また、主軸がツールをクランプしたタイミングの直後に、ツール保持部がツールから離反しなければならない。もし前者のタイミングが後者のタイミングより遅いと、主軸にクランプされていないツールがツール保持部で保持されなくなり、ツールが脱落する可能性が生じる。逆に、前者のタイミングと後者のタイミングとの間に差がありするぎると、ツール保持部で保持されたツールが主軸にクランプされた状態で主軸とともに移動する。ツール保持部は揺動するのみで、主軸と平行に移動できないことから、このときにも動作に干渉が生じてしまう。
【０００５】
工具交換に許容される時間は短くなっており、工具交換のための主軸の軸方向の移動距離も短くなっている。このなかで、前記のタイミングを確保することが困難となっている。工具交換を高速化すると、ツールの脱落が発生しやすい。
本発明は、工具交換のための主軸の移動距離が短くても、確実にツール交換できる機構を開発する。ツールを主軸から離脱させる場合には、主軸にクランプされたツールをツール保持部で保持し続けながらアンクランプすることを許容することによって、ツール保持部でツールを保持する前に主軸がツールをアンクランプすることを防止する。新たなツールを主軸に装着する場合には、ツールが主軸にクランプされた後までツール保持部でツールを保持し続けることを許容することによって、ツールが主軸にクランプされる前にツール保持部がツールを保持しなくなることを防止する。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用と効果】上記課題を解決するために創作された請求項１に記載の発明は、ツールが着脱可能であり、装着されたツールをクランプする機構を内蔵する主軸と、その主軸を軸方向に移動させる機構と、その主軸と前記したクランプ機構の間に設けられ、主軸にクランプされたツールを主軸が一方方向に移動する間にアンクランプさせ、主軸からアンクランプされたツールを主軸が他方方向に移動する間にクランプさせる第１連結装置と、ツールを保持可能なツール保持部を周上に複数有するとともにその複数のツール保持部を周方向に回転させる手段を有し、それ自体が揺動可能であるとともに主軸とほぼ平行に移動可能なツールマガジンと、ツールマガジンと主軸の間に設けられている第２連結装置とを備える。この工作機械では、第２連結装置が以下の各動作を順に実現してツールを交換する。
第１動作；主軸の一方方向への移動に従動してツールマガジンを主軸側に揺動させ、主軸にクランプされているツールをツール保持部で保持させる。
第２動作；主軸とツールマガジンを一方方向に移動させ、ツール保持部で保持されたツールを主軸からアンクランプさせる。
第３動作；主軸のみを一方方向にさらに移動させて、ツール保持部で保持されたツールを主軸から離脱させる。
第４動作；複数のツール保持部を周方向に回転させてツールを選択させる。
第５動作；主軸のみを他方方向に移動させて、ツール保持部で保持された選択されたツールを主軸に装着させる。
第６動作；主軸とツールマガジンを他方方向に移動させ、ツール保持部で保持されたツールを主軸にクランプさせる。
第７動作；主軸の他方方向への移動に従動してツールマガジンを反主軸側に揺動させ、主軸にクランプされているツールからツールマガジンを離反させる。
【０００７】
請求項１に記載の工作機械は、主軸にクランプされているツールをツール保持部が保持した状態で、主軸とツールマガジンが前記した一方方向にほぼ平行に移動する。そして、この平行移動中に主軸にクランプされているツールがアンクランプされる。この工作機械は、ツール保持部がツールをしっかり保持した状態でツールがアンクランプされるために、ツールの受渡しを安定的に行なうことができる。また、主軸とツールマガジンが前記した他方方向にほぼ平行に移動する中でツールがクランプされる。そして、ツールがクランプされた後にツールからツール保持部が離反するために、ツールの受渡しを安定的に行なうことができる。
【０００８】
また上記の工作機械において、第１動作の終了時点では、ツール保持部とツールとの間に主軸と直交する方向に隙間が残され、第２動作中に、ツールマガジンを低速で主軸側に移動させて前記した隙間を無くすことが好ましい。
ツールマガジンを揺動させて第１動作が行なわれる場合は、ツール保持部がツールに強く衝突してツール保持部やツールが破損するおそれがある。本発明の工作機械では、ツール保持部とツールとの間にわずかな隙間ができるところでツールマガジンの揺動を停止させ、ツール保持部とツールを強く衝突させない。このため、ツール保持部やツールが破損してしまうことを防止できる。そして、第２動作中に、その隙間を無くすようにツールマガジンを低速で主軸側に移動させるために、第２動作の終了時点ではツール保持部がツールをしっかり保持している。このため、ツール保持部によるツールの保持が不安定になることもない。
【０００９】
【発明の実施の形態】上記した各請求項に記載の発明は、以下に示す形態で好適に実施することができる。
（形態１）主軸は、ツールが嵌合する溝穴を有する。その溝穴はテーパ形状を有する。
（形態２）主軸は、ハウジングに回転可能に収納される。主軸を軸方向に移動させる機構は、ハウジングを主軸の軸方向に移動させる。
（形態３）ツールマガジンのツール保持部は、その先端が二手に分かれたアームである。
【００１０】
【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る工作機械の実施例について説明する。まず図１を参照して工作機械２の構成を説明する。図１は、工作機械２の概略構成を示す正面図である。
工作機械２は、ツールを用いてワークを加工するワーク加工部１００と、多数のツールを収納するツールマガジン２００等から構成される。図１では、工作機械２に備えられる他の構成要素（例えばワークの支持台等）は図示省略しており、本発明に関連する要素のみを図示している。
【００１１】
まず、ワーク加工部１００の構成について説明する。ワーク加工部１００の下方にはワーク（図示省略）がセットされ、そのワークはツールによって加工される。ツールは、ツールホルダ４に保持される。本実施例では、ツールの具体的形状を図示省略している。本実施例の工作機械２で用いられるツールの種類は多岐に亘り、加工対象となるワークも様々である。
ワーク加工部１００は、主軸２２（図１〜図４では図示省略；但し図５に示している）を収納している主軸ハウジング１１０と、モータを収納しているモータハウジング１０４と、レバー１２０等を収納しているレバーハウジング１０６と、工作機械２の上部を覆っているブラケット１０８等によって外観が構成されている。モータハウジング１０４とレバーハウジング１０６は、主軸ハウジング１１０に固定されている。
【００１２】
図５を参照して、主軸ハウジング１１０内部の詳しい構成を説明する。図５は、主軸付近を一部断面図で示した図である。主軸ハウジング１１０には、第１ハウジング１２と第２ハウジング１４によって構成されるハウジング１８が含まれる。第２ハウジング１４は、第１ハウジング１２に固定されている。第１ハウジング１２には、４つのベアリング２０（一つしか符号を付していない）が固定されている。第１ハウジング１２は、各ベアリング２０を介して主軸２２を回転可能に支持している。主軸２２は、図示省略の機構を介してモータに連結されている。このモータは、モータハウジング１０４に収納されている。モータが駆動することにより、主軸２２が軸Ｃ１回りに回転する。モータの駆動機構や、モータのトルクを主軸２２に伝達する機構の説明は省略する。
なお図５では、主軸２２と第２ハウジング１４が接触しているように見えるが、実際は接触していないか、接触しているとしてもその摺動摩擦は非常に小さいものである。第２ハウジング１４の存在により主軸２２の回転運動が抑制されることはない。
【００１３】
主軸２２は、内部が空洞になっている。その空洞には、ツールホルダ４をクランプする機構２６が設けられている。クランプ機構２６は、クランプ部材２８と略円筒形状の部材３０等から構成される。クランプ部材２８と部材３０は、主軸２２の軸方向に摺動可能である。
図５では、ツールホルダ４に主軸２２がクランプされている状態が示されている。この状態では、部材３０がバネ２９によって上方に付勢されており、ツールホルダ４も上方に付勢されている。このときツールホルダ４は、主軸２２のテーパ部３６に密着している。
図５の状態から部材３０が下方に移動すると、クランプ部材２８が下方に移動し、クランプ部材２８の下端が外方に広がることができるようになる。これにより、ツールホルダ４の上端の膨出部４ｂが主軸２２から抜けるようになる（ツールホルダ４がアンクランプされる）。逆に、ツールホルダ４が主軸２２に挿入されている状態のときに部材３０が上方に移動すると、クランプ部材２８が上方に移動し、クランプ部材２８の下端が内方に閉まる。これにより、ツールホルダ４の膨出部４ｂがクランプ部材２８にクランプされ、図５の状態になる（ツールホルダ４がクランプされる）。
本実施例のツールホルダ４はテーパ形状（テーパ部４０）を有していることが図５に良く示されている。そのテーパの形状に合わせて、主軸２２のテーパ部３６の形状が設定されている。
【００１４】
図１に良く示されるように、主軸ハウジング１１０の手前側（図１〜図４の手前側）の面には、後述するローラ３２２，２０６と接触するローラ接触部材１３０が固定されている。ローラ接触部材１３０は、左右方向に長い略四角形１３０ｂと、略四角形１３０ｂの左部から上方向に伸びる略四角形１３０ａとが組み合わさった形状を有している。略四角形１３０ｂの右端は、下方にやや突出している。略四角形１３０ａは、その右辺がその左辺より長い。このため、略四角形１３０ａの上辺は左下がりの傾斜を有している。略四角形１３０ｂの下辺は、右下がりに曲線的に傾斜している。
【００１５】
レバーハウジング１０６の内部には、レバー１２０と部材１２２等が収納されている。レバー１２０は、Ｌ字形状を有している。レバー１２０の中央には開孔が形成されており、その開孔にはピンが挿入されている（この開孔やピンは図示省略しているが、開孔やピンの位置は図１の符号Ｃ２部分である）。そのピンは、レバーハウジング１０６に固定されている。これらの構成によって、レバー１２０が軸Ｃ２回りに回転可能になっている。
レバー１２０の上部に、ローラ１２４が固定されている。このローラ１２４は、後述するレール１５０に転動可能に嵌合するものである。レバー１２０の左部には、ローラ１２６が回転可能に固定されている。そのローラ１２６に嵌合する部材１２２は、上部が円柱形状であり、その下部が上部よりも半径の大きい円柱形状である。図１の状態からレバー１２０が軸Ｃ２回りに左回転すると部材１２２が下方に移動する。またレバー１２０が軸Ｃ２回りに右回転すると部材１２２が上方に移動する。
部材１２２の下面には図示省略の部材が固定されており、その図示省略の部材には上記した部材３０が連結されている。このため、レバー１２０の左回転に伴なって部材１２２が下方に移動すると部材３０が下方に移動する。これによりクランプ部材２８が下方に移動し、ツールホルダ４のクランプが解除される（アンクランプされる）。逆に、レバー１２０の右回転に伴なって部材１２２が上方に移動すると部材３０が上方に移動する。これによりクランプ部材２８が上方に移動し、ツールホルダ４がクランプされる。
【００１６】
主軸ハウジング右部１１０ａを貫通して、ガイドレール１７０が上下方向に伸びている。主軸ハウジング１１０の右方にあるコラム１０２内には、図示省略のボールネジ機構が設けられている。このボールネジ機構には、主軸ハウジング右部１１０ａが連結されている。さらにこのボールネジ機構は、モータ１１２に連結されている。このボールネジ機構によって、モータ１１２のトルクが主軸ハウジング１１０の上下運動に変換される（主軸ハウジング１１０は、ガイドレール１７０に沿って上下動可能である）。上記したように、主軸ハウジング１１０にはモータハウジング１０４やレバーハウジング１０６が固定されているために、主軸ハウジング１１０が上下動すると、各ハウジング１０４，１０６も一体となって上下動する。
【００１７】
ブラケット１０８は、その左部が下方に伸びた構造を有している（下方に伸びている部分を符号１０８ａで示す）。ブラケット１０８には、３つの板状部材（第１板状部材１８０，第２板状部材１８２，第３板状部材１９２）が固定されている。ブラケット１０８は主軸ハウジング１１０等の上下動に伴なって上下動しないために（ブラケット１０８は一切移動しない）、各板状部材１８０，１８２，１９２も図１に示される位置から移動しない。
下方に伸びている部分１０８ａには、４つのボルト１９０（一つしか符号を付していない）によって、第３板状部材１９２が固定されている。第３板状部材１９２は、左右方向に長い長方形状を有する。第３板状部材１９２の右部には、４つのボルト１９４（一つしか符号を付していない）によって、第１板状部材１８０が固定されている。第２板状部材１８２は、ブラケット１０８の中央から下方に伸びるように取り付けられている。
【００１８】
第１板状部材１８０には、上下方向に溝（レール）１５０が形成されている。レール１５０は、下方から上方に向かうにつれて、左に一度カーブするように形成されている。図１の状態から主軸ハウジング１１０等が上方に移動すると、上記した第１ローラ１２４がレール１５０上を転動する。この点は後で詳しく説明する。
第２板状部材１８２は、その下端にバネ１８８の一端が連結されている。バネ１８８の他端は、後述するツールマガジン２００の部材２１６に連結されている。このバネ１８８によって、ツールマガジン２００が右方向（より詳しくは右斜め上方向）に付勢されている。
【００１９】
ブラケット左部１０８ａの下面には、第１レール部材３１０が固定されている。ブラケット左部１０８ａの左面には、第２レール部材３３０が固定されている。第１レール部材３１０は、直方体形状を有している。第１レール部材３１０の下側には、左右方向に摺動可能にブロック３１２が嵌合している。そのブロック３１２には、２つのローラ３２２，３２４を持った部材３２０が取り付けられている（部材３２０は左右方向に移動可能である）。ローラ３２２は、図１の状態から各ハウジング１１０等が上方に移動したときに、ローラ接触部材１３０と接触する。この点は後で詳しく説明する。ローラ３２４は、後述する部材３４０の溝３４０ａに転動可能に嵌合している。
【００２０】
第１レール部材３１０の右部には、下方に伸びる部材３５０が固定されている。この部材３５０には孔が設けられており、その孔にはシャフト３５２が挿入されている。シャフト３５２の左端は、部材３２０の右側面に固定されている。またシャフト３５２の右端には、部材３５０のシャフト挿入孔よりも外径の大きいナット３５４が締付けられている。この構成により、部材３２０が左方向に移動すると、ナット３５４が部材３５０に接触し、その接触位置よりも左方に部材３２０が移動することが禁止される。
またシャフト３５５は、シャフト３５２と同様に、部材３５０を通過するとともに部材３２０の右側面に固定されている。このシャフト３５５は、バネ３５６によって右方向に付勢されている（これにより部材３２０も右方向に付勢されている）。このため、左方向の外力が加わらない限り、部材３２０は図１の状態を維持する。
【００２１】
第２レール部材３３０は、上下方向に伸びる直方体形状を有している。第２レール部材３３０の左側には、図示省略のブロックが上下方向（正確には右斜め上方向）に摺動可能に嵌合している。このブロックは、上方にいくにつれて右に傾いている。このブロックには部材３４１が取り付けられ、さらにこの部材３４１には部材３４０が取り付けられている（これにより部材３４０，３４１は右斜め上方向に移動可能である）。部材３４１の上部には、孔（図示省略しているが符号Ｃ３の位置にある）が設けられている。
【００２２】
次に、ツールマガジン２００の構成について説明する。ツールマガジン２００は、複数のアーム２０４を備えている。アーム２０４の先端は、ツール（ツールホルダ４）を把持できる形状になっている（アーム２０４の形状は図２に良く示されている）。即ちアーム２０４は、その先端が二手に分かれた形状を有している。複数のアーム２０４は、軸Ｃ４を中心とする円周上に等ピッチに並んで配置されている。図１等では、アーム２０４が２つしか示されていないが、本実施例のツールマガジン２００には１０本のアーム２０４が備えられている。アーム群（１０本のアームをまとめてこのように呼ぶ）は、軸Ｃ４回りに回転可能である。アーム群を回転させるモータや、アーム群の回転機構に関する詳しい説明は省略する。
ツールマガジン２００の右側上部から右方向に部材２０８が伸びている。部材２０８の右部には孔（図示省略しているが符号Ｃ３の位置にある）が設けられている。その孔には、ピン２１２が挿入されている。この構成により、部材２０８が、部材３４１に回転可能に支持されることになる。即ち、ツールマガジン２００は、軸Ｃ３を揺動支点として揺動可能である（矢印Ｄ２方向のスイング動作と矢印Ｄ３方向のスイング動作が可能である）。
【００２３】
ツールマガジン２００の右側下部から右方向に部材２１６が伸びている。この部材２１６には、ローラ２０６が固定されている。図１の状態では、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ａの左辺にローラ２０６が接触している。また上記したように、部材２１６にはバネ１８８が連結されている。これにより部材２１６（ツールマガジン２００）が右斜め上方向に付勢されている。
【００２４】
次に上記構成を有する工作機械２のツール交換動作について説明する。ツール交換は、図１の状態から主軸ハウジング１１０等を上方に移動させることによって行なわれる。主軸ハウジング１１０等が上方に移動することによって、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ａの左辺をローラ２０６が相対的に下方に転動する。主軸ハウジング１１０等が上方に移動すると、ローラ２０６が略四角形１３０ｂの下辺に達する。ツールマガジン２００は右方向に付勢されているために、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ｂの下辺をローラ２０６が右方向に転動する。このときツールマガジン２００は、軸Ｃ３回りに左回転することになる（矢印Ｄ２方向にスイング動作（揺動）する）。これにより、空状態（ツールホルダ４を保持していない状態）のアーム２０４が、主軸２２にクランプされているツールホルダ４に接近し、そのツールホルダ４を挟持する。
【００２５】
図２には、ツールマガジン２００が矢印Ｄ２方向にスイング動作した後の状態が示されている。また図２には、アーム２０４の平面図が示されている。図２に良く示されるように、ツールマガジン２００が矢印Ｄ２方向にスイング動作すると、主軸２２にクランプされているツールホルダ４がアーム２０４に挟持される。ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ｂの下辺を曲線的な形状としたことにより、アーム２０４（ツールマガジン２００）が勢い良く揺動してツールホルダ４に強い衝撃を与えることが回避されている。
ツールマガジン２００のスイング動作は、ツールマガジン２００の右側中央部２００ａが、部材３４０に埋め込まれているストッパーボルト３４３に接触することによって停止される。この図２の状態では、アーム２０４がツールホルダ４を完全に挟持していない。即ち、図２におけるアーム２０４の平面図に良く示されるように、アーム２０４とツールホルダ４との間にはわずかな隙間ｓが存在する。このわずかな隙間ｓが存在するように、ツールマガジン２００の右側中央部２００ａやストッパーボルト３４３の形状が設計されている。
【００２６】
図２では、ローラ１２４がレール１５０に嵌合している様子が良く示されている。このローラ１２４は、上記のレバー１２０（図１参照）に固定されているものである。図２では、レバー１２０や部材１２２を図示省略し、ローラ１２４のみを図示している。
また図２の状態では、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ａの上辺（傾斜している部分）に、ローラ３２２が接触している。
【００２７】
主軸ハウジング１１０等が図２の状態からさらに上方に移動すると、ローラ接触部材１３０がローラ３２２を左方に押す。これにより、部材３２０が左方に移動する。部材３２０が左方に移動すると、部材３２０の左部にあるローラ３２４も左方向に移動する。このローラ３２４は部材３４０の溝３４０ａに嵌合しているために、ローラ３２４が左方向に移動すると、部材３４０に上方向の力が作用する。この力によって、部材３４０が上方向（正確には右斜め上方向）に移動する。即ち、ツールマガジン２００全体が右斜め上方向に移動する。このとき、ツールマガジン２００の上方向移動速度と、主軸ハウジング１１０等の上方向移動速度が同じになるように、各部材（ローラ接触部材１３０、部材３４０、第２レール部材３３０等）の形状が設計されている。
【００２８】
主軸ハウジング１１０等が図２の状態からさらに上方に移動すると、ローラ１２４がレール１５０に沿って上昇する。レール１５０は、その下部でカーブしているために、ローラ１２４もカーブしながら上昇する。ローラ１２４が左にカーブすることによって、ローラ１２４が固定されているレバー１２０（図１参照）が軸Ｃ２回りに左回転する。この左回転によって、部材１２２が下方に移動する。これにより、ツールホルダ４がアンクランプされる。
【００２９】
上記したように、ツールマガジン２００と主軸ハウジング１１０等は上方向の移動速度が同じであり、ツールマガジン２００（アーム２０４）と主軸２２との間には上下方向の相対移動がない。但し、ツールマガジン２００は、右斜め上方向に移動するために、ツールホルダ４に対してアーム２０４が右方向に移動し、ツールホルダ４とアーム２０４が近づくことになる。これにより、アーム２０４とツールホルダ４との間の隙間ｓが無くなり、ツールホルダ４がアーム２０４に完全に挟持される。
【００３０】
図３に、主軸ハウジング１１０等が図２の状態からさらに上方に移動したときの図を示している。このとき、部材３２０に固定されているローラ３２２は、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ａの左辺に位置している。従って、これ以上主軸ハウジング１１０等が上方に移動しても、部材３２０が左方向に押されることはない。このため、ツールマガジン２００はこれ以上上方に移動しない。さらに、シャフト３５２の右端に固定されているナット３５４が部材３５０に当接しているために、部材３２０が左方向に万が一移動することも禁止されている。この図３の状態では、第１板状部材１８０のレール１５０のカーブより上方にローラ１２４が位置している。即ち、図２の状態から図３の状態に移行するまでに、ローラ１２４がレール１５０のカーブを通過している。このため、図３の状態では、部材１２２が下方位置にあり、ツールホルダ４がアンクランプされている。
【００３１】
図３の状態から主軸ハウジング１１０等をさらに上方に移動させても、ツールマガジン２００は上昇せず、主軸ハウジング１１０等のみが上方に移動する。そして、図４に示す状態になる。図４は、主軸ハウジング１１０等が最上位置にあるときの図である。この図４の状態では、ツールマガジン２００のアーム群を軸Ｃ４回りに回転させ、主軸２２に装着される新しいツールを選択する。例えば、アーム２０４ａを最上位置（図４のアーム２０４ｂの位置）まで回転させ、アーム２０４ｂを最下位置（図４のアーム２０４ａの位置）に位置させる。これにより、使い終わったツール（ツールホルダ４ａ）が最上位置に位置し、これから使用されるツール（ツールホルダ４ｂ）が最下位置に位置する。
【００３２】
新しいツールを選択すると、主軸ハウジング１１０の下降動作を行なうことで、新たなツール（ツールホルダ４ｂ）が主軸２２にクランプされることになる。上記した主軸ハウジング１１０の上昇動作と逆動作が行なわれるだけなので（図４の状態から図１の状態に戻るだけなので）、新しいツールのクランプに関する詳しい説明はここでは省略する（後で少しだけ説明する）。
【００３３】
図６は、工作機械２の各部材の動作タイミングを説明するための図である。図６の横方向は時間を表している。「主軸の位置」とは、主軸２２の高さを表している。この高さは、主軸ハウジング１１０の高さとともに変わるものである。「マガジンの角度」とは、図１から図４の水平方向に対する軸Ｃ４の角度を表している。「ツールとアームの間隔」とは、クランプ状態のツールホルダ４とそのツールホルダ４を挟持するアーム２０４との間隔を表している。「マガジンの位置」とは、ツールマガジン２００の高さを表している。「ツールの状態」とは、ツール（ツールホルダ４）がクランプ状態なのかアンクランプ状態なのかを表している。クランプ状態とは、クランプ部材２８が上方に位置し、その下端が内方に閉じており、ツールホルダ４がクランプされている状態（図５の状態）をいう。そして、アンクランプ状態とは、クランプ部材２８が下方に位置し、その下端が外方に広がっており、ツールホルダ４のクランプが解除されている状態をいう。従って図５の状態から、クランプ部材２８の下端が外方に広がるまでの間は、クランプ状態でもアンクランプ状態でもなく、この間の工作機械２の動作をアンクランプ動作という。逆に、クランプ部材２８の下端が外方に広がっている状態から図５の状態になるまでの間の工作機械２の動作をクランプ動作という。
なお図６の「主軸の位置」や「マガジンの位置」の縦方向の長さは、主軸２２やツールマガジン２００の高さ位置をそのまま表現したものではない。図１における主軸２２の高さ位置が主軸２２の下降位置であり、図４における主軸２２の高さ位置が主軸２２の上昇位置である。また図１や図２におけるツールマガジン２００の高さ位置がツールマガジン２００の下降位置であり（図１と図２ではツールマガジン２００の高さが異なるように見えるが、軸Ｃ３を基準にすればツールマガジン２００の高さは同じである）、図３や図４におけるツールマガジン２００の高さ位置がツールマガジン２００の上昇位置である。
【００３４】
図６に示されるように、主軸２２は下降位置（図１に示される位置）から上昇位置まで徐々に上昇する。図６では、主軸２２が上昇し始めたときを時間ゼロとしている。図１が時間ゼロの状態を表している。主軸２２が上昇してからｔ１に達すると、ツールマガジン２００が図１の矢印Ｄ２方向に揺動を開始する。そして、時間ｔ２に達すると、ツールマガジン２００が図２の状態になる（マガジンの角度が最大になる）。図２がｔ２の状態を表している。ツールマガジン２００のスイング動作によって、ツール（ツールホルダ４）とアーム２０４との間隔が狭くなる。但し上記したように、図２の状態（ｔ２のとき）では、アーム２０４とツールホルダ４との間にわずかな隙間ｓがあるために、ｔ２に達してもアーム２０４とツールホルダ４との間の間隔は最も狭くならない。
主軸２２がさらに上昇しても（ｔ２〜ｔ３の間）、ツールマガジン２００の角度は変わらない。この間は、ツールマガジン２００が主軸２２と同じ速度で上昇する。このとき、ツールマガジン２００は、右斜め上方向に上昇するために、アーム２０４がツールホルダ４に徐々に近づいていく。ｔ３に達したときに、ツールホルダ４とアーム２０４との間の間隔が最も狭くなる。図３がｔ３の状態を表している。ツールホルダ４は、ｔ２からｔ３の間に、クランプ状態からアンクランプ状態になる（即ちこの間にアンクランプ動作が行なわれる）。ｔ３に達したときに、ツールホルダ４はクランプから完全に解除され、ツールホルダ４はアーム４のみに保持された状態になる。
ｔ３〜ｔ４の間は主軸２２のみが上昇し、アンクランプされたツールホルダ４が主軸２２から離脱される。ｔ４に達すると、ツールマガジン２００のアーム群が軸Ｃ４回りに回転可能になる。図４がｔ４の状態を表している。
【００３５】
新しいツールを装着する動作は、図６の時間を反対方向に進めば良くわかる。まず、主軸２２のみが徐々に下降し始める（ｔ４）。そしてｔ３に達するとツールマガジン２００も下降し始める。このとき、主軸２２の下降速度とツールマガジン２００の下降速度は同じである。ｔ３からｔ２の間に、ツールのクランプ動作が行なわれる。即ち、主軸２２とツールマガジン２００が一体的に下降している間にクランプ動作が行なわれる。そしてツールがクランプ状態になると（ｔ２）、ツールマガジン２００が軸Ｃ３回りに揺動し始める（矢印Ｄ３方向のスイング動作を行なう）。これによりアーム２０４がツールホルダ４から離反する。主軸２２は、最終的に図１の位置（時間ゼロ）まで下降する。
【００３６】
本実施例に係る工作機械２によると、主軸２２とツールマガジン２００が一体的に上昇する間（図６のｔ２〜ｔ３の間）に、ツールホルダ４のアンクランプ動作が行なわれる。また主軸２２とツールマガジン２００が一体的に下降する間に、ツールホルダ４のクランプ動作が行なわれる。このように、クランプ動作やアンクランプ動作が行なわれるときに、主軸２２（ツールホルダ４）とアーム２０４が上下方向に相対移動しないようにされるので、主軸２２とアーム２０４との間でツールホルダ４の受渡しを安定的に行なうことができる。
また、ツールマガジン２００が矢印Ｄ２方向にスイング動作したときにアーム２０４とツールホルダ４との間に隙間ｓが存在するようにしたことにより、スイング動作によって両部材が破損することを防止できる。隙間ｓは、ツールマガジン２００の右斜め上方向の移動によって埋められるために、アンクランプされたときにツールホルダ４はアーム２０４に強固に挟持されている。
【００３７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００３８】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】主軸が最下位置にあるときの工作機械の正面図である。
【図２】ツールマガジンが主軸側にスイング動作した後の工作機械の正面図である。
【図３】主軸とツールマガジンがほぼ平行に上昇した後の工作機械の正面図である。
【図４】主軸が最上位置にあるときの工作機械の正面図である。
【図５】主軸付近を一部断面図で示した図である。
【図６】本実施例の工作機械の動作タイミングを説明するための図である。
【符号の説明】
２・・工作機械
４・・ツールホルダ
２２・・主軸
２６・・クランプ機構
２８・・クランプ部材
１００・・ワーク加工部
１０２・・コラム
１０４・・モータハウジング
１０６・・レバーハウジング
１０８・・ブラケット
１０８ａ・・ブラケット左部
１１０・・主軸ハウジング
１２０・・レバー部材
１２４・・ローラ
１３０・・ローラ接触部材
１５０・・レール
１８０・・第１板状部材
１８８・・バネ
２００・・ツールマガジン
２０４・・アーム
３１０・・第１レール部材
３３０・・第２レール部材
Ｃ１・・主軸の回転軸
Ｃ２・・レバー部材の回転軸
Ｃ３・・ツールマガジンの揺動支点（回転軸）
Ｃ４・・アーム群の回転軸
【発明の属する技術分野】本発明は、ツールの自動交換が可能な工作機械に関する。特に、主軸とツールマガジンとの間でツールの受渡しを安定的に行なうことができる工作機械に関する。本明細書でいう「ツール」には、ツールを固定したツールホルダや、ツールとツールホルダが一体となったものも含む。
【０００２】
【従来の技術】ツールの自動交換が可能な工作機械の中には、下記の構成を有するものが知られている。
・主軸：ツールが着脱可能であり、装着されたツールをクランプする機構を内蔵している。
・主軸を軸方向に移動させる機構。
・第１連結装置：主軸とクランプ機構の間に設けられ、主軸にクランプされたツールを主軸が一方方向に移動する間にアンクランプさせ、主軸からアンクランプされたツールを主軸が他方方向に移動する間にクランプさせる。
・ツールマガジン：ツールを保持可能なツール保持部を周上に複数有するとともにその複数のツール保持部を周方向に回転させる手段を備えている。ツールマガジンは、それ自体が揺動可能である。
・第２連結装置：ツールマガジンと主軸の間に設けられている。主軸の軸方向の移動に追従して以下の各動作を実現する。
・第１動作；主軸の一方方向への移動に従動してツールマガジンを主軸側に揺動させ、主軸にクランプされているツールをツール保持部で保持させる。このとき同時に、ツールを主軸からアンクランプさせる。すなわち、ツールマガジンを主軸側に揺動させてツール保持部でツールを保持し始めたときにはまだ主軸にクランプされているツールを、ツールマガジンが主軸側に揺動し終えてツール保持部でツールを保持し終えるまでの間にアンクランプする。
・第２動作；主軸のみを一方方向にさらに移動させて、ツール保持部で保持されて主軸からアンクランプされたツールを主軸から離脱させる。
・第３動作；複数のツール保持部を周方向に回転させてツールを選択させる。
・第４動作；主軸のみを他方方向に移動させて、ツール保持部で保持された（選択された）ツールを主軸に装着させる。
・第５動作；主軸を他方方向に移動させ、ツール保持部で保持されたツールを主軸にクランプさせる。このとき同時に、ツールマガジンを反主軸側に揺動させて主軸にクランプされたツールからツールマガジンを離反させる。すなわち、ツールが主軸にクランプされるまでの間はツール保持部でツールを保持し続け、ツールが主軸にクランプされた後にツールマガジンを反主軸側に揺動させる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平２−１５９３５号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記した従来の工作機械では、ツール保持部がツールを保持し始めたタイミングの直後に、ツールをアンクランプしなければならない。もし前者のタイミングが後者のタイミングより遅いと、ツール保持部で保持されていないツールが主軸からアンクランプされ、ツールが脱落する可能性が生じる。逆に、前者のタイミングと後者のタイミングとの間に差がありすぎると、ツール保持部で保持されたツールが主軸にクランプされた状態で主軸とともに移動する。ツール保持部は揺動するのみで、主軸と平行に移動できないことから、動作に干渉が生じてしまう。
また、主軸がツールをクランプしたタイミングの直後に、ツール保持部がツールから離反しなければならない。もし前者のタイミングが後者のタイミングより遅いと、主軸にクランプされていないツールがツール保持部で保持されなくなり、ツールが脱落する可能性が生じる。逆に、前者のタイミングと後者のタイミングとの間に差がありするぎると、ツール保持部で保持されたツールが主軸にクランプされた状態で主軸とともに移動する。ツール保持部は揺動するのみで、主軸と平行に移動できないことから、このときにも動作に干渉が生じてしまう。
【０００５】
工具交換に許容される時間は短くなっており、工具交換のための主軸の軸方向の移動距離も短くなっている。このなかで、前記のタイミングを確保することが困難となっている。工具交換を高速化すると、ツールの脱落が発生しやすい。
本発明は、工具交換のための主軸の移動距離が短くても、確実にツール交換できる機構を開発する。ツールを主軸から離脱させる場合には、主軸にクランプされたツールをツール保持部で保持し続けながらアンクランプすることを許容することによって、ツール保持部でツールを保持する前に主軸がツールをアンクランプすることを防止する。新たなツールを主軸に装着する場合には、ツールが主軸にクランプされた後までツール保持部でツールを保持し続けることを許容することによって、ツールが主軸にクランプされる前にツール保持部がツールを保持しなくなることを防止する。
【０００６】
【課題を解決するための手段と作用と効果】上記課題を解決するために創作された請求項１に記載の発明は、ツールが着脱可能であり、装着されたツールをクランプする機構を内蔵する主軸と、その主軸を軸方向に移動させる機構と、その主軸と前記したクランプ機構の間に設けられ、主軸にクランプされたツールを主軸が一方方向に移動する間にアンクランプさせ、主軸からアンクランプされたツールを主軸が他方方向に移動する間にクランプさせる第１連結装置と、ツールを保持可能なツール保持部を周上に複数有するとともにその複数のツール保持部を周方向に回転させる手段を有し、それ自体が揺動可能であるとともに主軸とほぼ平行に移動可能なツールマガジンと、ツールマガジンと主軸の間に設けられている第２連結装置とを備える。この工作機械では、第２連結装置が以下の各動作を順に実現してツールを交換する。
第１動作；主軸の一方方向への移動に従動してツールマガジンを主軸側に揺動させ、主軸にクランプされているツールをツール保持部で保持させる。
第２動作；主軸とツールマガジンを一方方向に移動させ、ツール保持部で保持されたツールを主軸からアンクランプさせる。
第３動作；主軸のみを一方方向にさらに移動させて、ツール保持部で保持されたツールを主軸から離脱させる。
第４動作；複数のツール保持部を周方向に回転させてツールを選択させる。
第５動作；主軸のみを他方方向に移動させて、ツール保持部で保持された選択されたツールを主軸に装着させる。
第６動作；主軸とツールマガジンを他方方向に移動させ、ツール保持部で保持されたツールを主軸にクランプさせる。
第７動作；主軸の他方方向への移動に従動してツールマガジンを反主軸側に揺動させ、主軸にクランプされているツールからツールマガジンを離反させる。
【０００７】
請求項１に記載の工作機械は、主軸にクランプされているツールをツール保持部が保持した状態で、主軸とツールマガジンが前記した一方方向にほぼ平行に移動する。そして、この平行移動中に主軸にクランプされているツールがアンクランプされる。この工作機械は、ツール保持部がツールをしっかり保持した状態でツールがアンクランプされるために、ツールの受渡しを安定的に行なうことができる。また、主軸とツールマガジンが前記した他方方向にほぼ平行に移動する中でツールがクランプされる。そして、ツールがクランプされた後にツールからツール保持部が離反するために、ツールの受渡しを安定的に行なうことができる。
【０００８】
また上記の工作機械において、第１動作の終了時点では、ツール保持部とツールとの間に主軸と直交する方向に隙間が残され、第２動作中に、ツールマガジンを低速で主軸側に移動させて前記した隙間を無くすことが好ましい。
ツールマガジンを揺動させて第１動作が行なわれる場合は、ツール保持部がツールに強く衝突してツール保持部やツールが破損するおそれがある。本発明の工作機械では、ツール保持部とツールとの間にわずかな隙間ができるところでツールマガジンの揺動を停止させ、ツール保持部とツールを強く衝突させない。このため、ツール保持部やツールが破損してしまうことを防止できる。そして、第２動作中に、その隙間を無くすようにツールマガジンを低速で主軸側に移動させるために、第２動作の終了時点ではツール保持部がツールをしっかり保持している。このため、ツール保持部によるツールの保持が不安定になることもない。
【０００９】
【発明の実施の形態】上記した各請求項に記載の発明は、以下に示す形態で好適に実施することができる。
（形態１）主軸は、ツールが嵌合する溝穴を有する。その溝穴はテーパ形状を有する。
（形態２）主軸は、ハウジングに回転可能に収納される。主軸を軸方向に移動させる機構は、ハウジングを主軸の軸方向に移動させる。
（形態３）ツールマガジンのツール保持部は、その先端が二手に分かれたアームである。
【００１０】
【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る工作機械の実施例について説明する。まず図１を参照して工作機械２の構成を説明する。図１は、工作機械２の概略構成を示す正面図である。
工作機械２は、ツールを用いてワークを加工するワーク加工部１００と、多数のツールを収納するツールマガジン２００等から構成される。図１では、工作機械２に備えられる他の構成要素（例えばワークの支持台等）は図示省略しており、本発明に関連する要素のみを図示している。
【００１１】
まず、ワーク加工部１００の構成について説明する。ワーク加工部１００の下方にはワーク（図示省略）がセットされ、そのワークはツールによって加工される。ツールは、ツールホルダ４に保持される。本実施例では、ツールの具体的形状を図示省略している。本実施例の工作機械２で用いられるツールの種類は多岐に亘り、加工対象となるワークも様々である。
ワーク加工部１００は、主軸２２（図１〜図４では図示省略；但し図５に示している）を収納している主軸ハウジング１１０と、モータを収納しているモータハウジング１０４と、レバー１２０等を収納しているレバーハウジング１０６と、工作機械２の上部を覆っているブラケット１０８等によって外観が構成されている。モータハウジング１０４とレバーハウジング１０６は、主軸ハウジング１１０に固定されている。
【００１２】
図５を参照して、主軸ハウジング１１０内部の詳しい構成を説明する。図５は、主軸付近を一部断面図で示した図である。主軸ハウジング１１０には、第１ハウジング１２と第２ハウジング１４によって構成されるハウジング１８が含まれる。第２ハウジング１４は、第１ハウジング１２に固定されている。第１ハウジング１２には、４つのベアリング２０（一つしか符号を付していない）が固定されている。第１ハウジング１２は、各ベアリング２０を介して主軸２２を回転可能に支持している。主軸２２は、図示省略の機構を介してモータに連結されている。このモータは、モータハウジング１０４に収納されている。モータが駆動することにより、主軸２２が軸Ｃ１回りに回転する。モータの駆動機構や、モータのトルクを主軸２２に伝達する機構の説明は省略する。
なお図５では、主軸２２と第２ハウジング１４が接触しているように見えるが、実際は接触していないか、接触しているとしてもその摺動摩擦は非常に小さいものである。第２ハウジング１４の存在により主軸２２の回転運動が抑制されることはない。
【００１３】
主軸２２は、内部が空洞になっている。その空洞には、ツールホルダ４をクランプする機構２６が設けられている。クランプ機構２６は、クランプ部材２８と略円筒形状の部材３０等から構成される。クランプ部材２８と部材３０は、主軸２２の軸方向に摺動可能である。
図５では、ツールホルダ４に主軸２２がクランプされている状態が示されている。この状態では、部材３０がバネ２９によって上方に付勢されており、ツールホルダ４も上方に付勢されている。このときツールホルダ４は、主軸２２のテーパ部３６に密着している。
図５の状態から部材３０が下方に移動すると、クランプ部材２８が下方に移動し、クランプ部材２８の下端が外方に広がることができるようになる。これにより、ツールホルダ４の上端の膨出部４ｂが主軸２２から抜けるようになる（ツールホルダ４がアンクランプされる）。逆に、ツールホルダ４が主軸２２に挿入されている状態のときに部材３０が上方に移動すると、クランプ部材２８が上方に移動し、クランプ部材２８の下端が内方に閉まる。これにより、ツールホルダ４の膨出部４ｂがクランプ部材２８にクランプされ、図５の状態になる（ツールホルダ４がクランプされる）。
本実施例のツールホルダ４はテーパ形状（テーパ部４０）を有していることが図５に良く示されている。そのテーパの形状に合わせて、主軸２２のテーパ部３６の形状が設定されている。
【００１４】
図１に良く示されるように、主軸ハウジング１１０の手前側（図１〜図４の手前側）の面には、後述するローラ３２２，２０６と接触するローラ接触部材１３０が固定されている。ローラ接触部材１３０は、左右方向に長い略四角形１３０ｂと、略四角形１３０ｂの左部から上方向に伸びる略四角形１３０ａとが組み合わさった形状を有している。略四角形１３０ｂの右端は、下方にやや突出している。略四角形１３０ａは、その右辺がその左辺より長い。このため、略四角形１３０ａの上辺は左下がりの傾斜を有している。略四角形１３０ｂの下辺は、右下がりに曲線的に傾斜している。
【００１５】
レバーハウジング１０６の内部には、レバー１２０と部材１２２等が収納されている。レバー１２０は、Ｌ字形状を有している。レバー１２０の中央には開孔が形成されており、その開孔にはピンが挿入されている（この開孔やピンは図示省略しているが、開孔やピンの位置は図１の符号Ｃ２部分である）。そのピンは、レバーハウジング１０６に固定されている。これらの構成によって、レバー１２０が軸Ｃ２回りに回転可能になっている。
レバー１２０の上部に、ローラ１２４が固定されている。このローラ１２４は、後述するレール１５０に転動可能に嵌合するものである。レバー１２０の左部には、ローラ１２６が回転可能に固定されている。そのローラ１２６に嵌合する部材１２２は、上部が円柱形状であり、その下部が上部よりも半径の大きい円柱形状である。図１の状態からレバー１２０が軸Ｃ２回りに左回転すると部材１２２が下方に移動する。またレバー１２０が軸Ｃ２回りに右回転すると部材１２２が上方に移動する。
部材１２２の下面には図示省略の部材が固定されており、その図示省略の部材には上記した部材３０が連結されている。このため、レバー１２０の左回転に伴なって部材１２２が下方に移動すると部材３０が下方に移動する。これによりクランプ部材２８が下方に移動し、ツールホルダ４のクランプが解除される（アンクランプされる）。逆に、レバー１２０の右回転に伴なって部材１２２が上方に移動すると部材３０が上方に移動する。これによりクランプ部材２８が上方に移動し、ツールホルダ４がクランプされる。
【００１６】
主軸ハウジング右部１１０ａを貫通して、ガイドレール１７０が上下方向に伸びている。主軸ハウジング１１０の右方にあるコラム１０２内には、図示省略のボールネジ機構が設けられている。このボールネジ機構には、主軸ハウジング右部１１０ａが連結されている。さらにこのボールネジ機構は、モータ１１２に連結されている。このボールネジ機構によって、モータ１１２のトルクが主軸ハウジング１１０の上下運動に変換される（主軸ハウジング１１０は、ガイドレール１７０に沿って上下動可能である）。上記したように、主軸ハウジング１１０にはモータハウジング１０４やレバーハウジング１０６が固定されているために、主軸ハウジング１１０が上下動すると、各ハウジング１０４，１０６も一体となって上下動する。
【００１７】
ブラケット１０８は、その左部が下方に伸びた構造を有している（下方に伸びている部分を符号１０８ａで示す）。ブラケット１０８には、３つの板状部材（第１板状部材１８０，第２板状部材１８２，第３板状部材１９２）が固定されている。ブラケット１０８は主軸ハウジング１１０等の上下動に伴なって上下動しないために（ブラケット１０８は一切移動しない）、各板状部材１８０，１８２，１９２も図１に示される位置から移動しない。
下方に伸びている部分１０８ａには、４つのボルト１９０（一つしか符号を付していない）によって、第３板状部材１９２が固定されている。第３板状部材１９２は、左右方向に長い長方形状を有する。第３板状部材１９２の右部には、４つのボルト１９４（一つしか符号を付していない）によって、第１板状部材１８０が固定されている。第２板状部材１８２は、ブラケット１０８の中央から下方に伸びるように取り付けられている。
【００１８】
第１板状部材１８０には、上下方向に溝（レール）１５０が形成されている。レール１５０は、下方から上方に向かうにつれて、左に一度カーブするように形成されている。図１の状態から主軸ハウジング１１０等が上方に移動すると、上記した第１ローラ１２４がレール１５０上を転動する。この点は後で詳しく説明する。
第２板状部材１８２は、その下端にバネ１８８の一端が連結されている。バネ１８８の他端は、後述するツールマガジン２００の部材２１６に連結されている。このバネ１８８によって、ツールマガジン２００が右方向（より詳しくは右斜め上方向）に付勢されている。
【００１９】
ブラケット左部１０８ａの下面には、第１レール部材３１０が固定されている。ブラケット左部１０８ａの左面には、第２レール部材３３０が固定されている。第１レール部材３１０は、直方体形状を有している。第１レール部材３１０の下側には、左右方向に摺動可能にブロック３１２が嵌合している。そのブロック３１２には、２つのローラ３２２，３２４を持った部材３２０が取り付けられている（部材３２０は左右方向に移動可能である）。ローラ３２２は、図１の状態から各ハウジング１１０等が上方に移動したときに、ローラ接触部材１３０と接触する。この点は後で詳しく説明する。ローラ３２４は、後述する部材３４０の溝３４０ａに転動可能に嵌合している。
【００２０】
第１レール部材３１０の右部には、下方に伸びる部材３５０が固定されている。この部材３５０には孔が設けられており、その孔にはシャフト３５２が挿入されている。シャフト３５２の左端は、部材３２０の右側面に固定されている。またシャフト３５２の右端には、部材３５０のシャフト挿入孔よりも外径の大きいナット３５４が締付けられている。この構成により、部材３２０が左方向に移動すると、ナット３５４が部材３５０に接触し、その接触位置よりも左方に部材３２０が移動することが禁止される。
またシャフト３５５は、シャフト３５２と同様に、部材３５０を通過するとともに部材３２０の右側面に固定されている。このシャフト３５５は、バネ３５６によって右方向に付勢されている（これにより部材３２０も右方向に付勢されている）。このため、左方向の外力が加わらない限り、部材３２０は図１の状態を維持する。
【００２１】
第２レール部材３３０は、上下方向に伸びる直方体形状を有している。第２レール部材３３０の左側には、図示省略のブロックが上下方向（正確には右斜め上方向）に摺動可能に嵌合している。このブロックは、上方にいくにつれて右に傾いている。このブロックには部材３４１が取り付けられ、さらにこの部材３４１には部材３４０が取り付けられている（これにより部材３４０，３４１は右斜め上方向に移動可能である）。部材３４１の上部には、孔（図示省略しているが符号Ｃ３の位置にある）が設けられている。
【００２２】
次に、ツールマガジン２００の構成について説明する。ツールマガジン２００は、複数のアーム２０４を備えている。アーム２０４の先端は、ツール（ツールホルダ４）を把持できる形状になっている（アーム２０４の形状は図２に良く示されている）。即ちアーム２０４は、その先端が二手に分かれた形状を有している。複数のアーム２０４は、軸Ｃ４を中心とする円周上に等ピッチに並んで配置されている。図１等では、アーム２０４が２つしか示されていないが、本実施例のツールマガジン２００には１０本のアーム２０４が備えられている。アーム群（１０本のアームをまとめてこのように呼ぶ）は、軸Ｃ４回りに回転可能である。アーム群を回転させるモータや、アーム群の回転機構に関する詳しい説明は省略する。
ツールマガジン２００の右側上部から右方向に部材２０８が伸びている。部材２０８の右部には孔（図示省略しているが符号Ｃ３の位置にある）が設けられている。その孔には、ピン２１２が挿入されている。この構成により、部材２０８が、部材３４１に回転可能に支持されることになる。即ち、ツールマガジン２００は、軸Ｃ３を揺動支点として揺動可能である（矢印Ｄ２方向のスイング動作と矢印Ｄ３方向のスイング動作が可能である）。
【００２３】
ツールマガジン２００の右側下部から右方向に部材２１６が伸びている。この部材２１６には、ローラ２０６が固定されている。図１の状態では、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ａの左辺にローラ２０６が接触している。また上記したように、部材２１６にはバネ１８８が連結されている。これにより部材２１６（ツールマガジン２００）が右斜め上方向に付勢されている。
【００２４】
次に上記構成を有する工作機械２のツール交換動作について説明する。ツール交換は、図１の状態から主軸ハウジング１１０等を上方に移動させることによって行なわれる。主軸ハウジング１１０等が上方に移動することによって、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ａの左辺をローラ２０６が相対的に下方に転動する。主軸ハウジング１１０等が上方に移動すると、ローラ２０６が略四角形１３０ｂの下辺に達する。ツールマガジン２００は右方向に付勢されているために、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ｂの下辺をローラ２０６が右方向に転動する。このときツールマガジン２００は、軸Ｃ３回りに左回転することになる（矢印Ｄ２方向にスイング動作（揺動）する）。これにより、空状態（ツールホルダ４を保持していない状態）のアーム２０４が、主軸２２にクランプされているツールホルダ４に接近し、そのツールホルダ４を挟持する。
【００２５】
図２には、ツールマガジン２００が矢印Ｄ２方向にスイング動作した後の状態が示されている。また図２には、アーム２０４の平面図が示されている。図２に良く示されるように、ツールマガジン２００が矢印Ｄ２方向にスイング動作すると、主軸２２にクランプされているツールホルダ４がアーム２０４に挟持される。ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ｂの下辺を曲線的な形状としたことにより、アーム２０４（ツールマガジン２００）が勢い良く揺動してツールホルダ４に強い衝撃を与えることが回避されている。
ツールマガジン２００のスイング動作は、ツールマガジン２００の右側中央部２００ａが、部材３４０に埋め込まれているストッパーボルト３４３に接触することによって停止される。この図２の状態では、アーム２０４がツールホルダ４を完全に挟持していない。即ち、図２におけるアーム２０４の平面図に良く示されるように、アーム２０４とツールホルダ４との間にはわずかな隙間ｓが存在する。このわずかな隙間ｓが存在するように、ツールマガジン２００の右側中央部２００ａやストッパーボルト３４３の形状が設計されている。
【００２６】
図２では、ローラ１２４がレール１５０に嵌合している様子が良く示されている。このローラ１２４は、上記のレバー１２０（図１参照）に固定されているものである。図２では、レバー１２０や部材１２２を図示省略し、ローラ１２４のみを図示している。
また図２の状態では、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ａの上辺（傾斜している部分）に、ローラ３２２が接触している。
【００２７】
主軸ハウジング１１０等が図２の状態からさらに上方に移動すると、ローラ接触部材１３０がローラ３２２を左方に押す。これにより、部材３２０が左方に移動する。部材３２０が左方に移動すると、部材３２０の左部にあるローラ３２４も左方向に移動する。このローラ３２４は部材３４０の溝３４０ａに嵌合しているために、ローラ３２４が左方向に移動すると、部材３４０に上方向の力が作用する。この力によって、部材３４０が上方向（正確には右斜め上方向）に移動する。即ち、ツールマガジン２００全体が右斜め上方向に移動する。このとき、ツールマガジン２００の上方向移動速度と、主軸ハウジング１１０等の上方向移動速度が同じになるように、各部材（ローラ接触部材１３０、部材３４０、第２レール部材３３０等）の形状が設計されている。
【００２８】
主軸ハウジング１１０等が図２の状態からさらに上方に移動すると、ローラ１２４がレール１５０に沿って上昇する。レール１５０は、その下部でカーブしているために、ローラ１２４もカーブしながら上昇する。ローラ１２４が左にカーブすることによって、ローラ１２４が固定されているレバー１２０（図１参照）が軸Ｃ２回りに左回転する。この左回転によって、部材１２２が下方に移動する。これにより、ツールホルダ４がアンクランプされる。
【００２９】
上記したように、ツールマガジン２００と主軸ハウジング１１０等は上方向の移動速度が同じであり、ツールマガジン２００（アーム２０４）と主軸２２との間には上下方向の相対移動がない。但し、ツールマガジン２００は、右斜め上方向に移動するために、ツールホルダ４に対してアーム２０４が右方向に移動し、ツールホルダ４とアーム２０４が近づくことになる。これにより、アーム２０４とツールホルダ４との間の隙間ｓが無くなり、ツールホルダ４がアーム２０４に完全に挟持される。
【００３０】
図３に、主軸ハウジング１１０等が図２の状態からさらに上方に移動したときの図を示している。このとき、部材３２０に固定されているローラ３２２は、ローラ接触部材１３０の略四角形１３０ａの左辺に位置している。従って、これ以上主軸ハウジング１１０等が上方に移動しても、部材３２０が左方向に押されることはない。このため、ツールマガジン２００はこれ以上上方に移動しない。さらに、シャフト３５２の右端に固定されているナット３５４が部材３５０に当接しているために、部材３２０が左方向に万が一移動することも禁止されている。この図３の状態では、第１板状部材１８０のレール１５０のカーブより上方にローラ１２４が位置している。即ち、図２の状態から図３の状態に移行するまでに、ローラ１２４がレール１５０のカーブを通過している。このため、図３の状態では、部材１２２が下方位置にあり、ツールホルダ４がアンクランプされている。
【００３１】
図３の状態から主軸ハウジング１１０等をさらに上方に移動させても、ツールマガジン２００は上昇せず、主軸ハウジング１１０等のみが上方に移動する。そして、図４に示す状態になる。図４は、主軸ハウジング１１０等が最上位置にあるときの図である。この図４の状態では、ツールマガジン２００のアーム群を軸Ｃ４回りに回転させ、主軸２２に装着される新しいツールを選択する。例えば、アーム２０４ａを最上位置（図４のアーム２０４ｂの位置）まで回転させ、アーム２０４ｂを最下位置（図４のアーム２０４ａの位置）に位置させる。これにより、使い終わったツール（ツールホルダ４ａ）が最上位置に位置し、これから使用されるツール（ツールホルダ４ｂ）が最下位置に位置する。
【００３２】
新しいツールを選択すると、主軸ハウジング１１０の下降動作を行なうことで、新たなツール（ツールホルダ４ｂ）が主軸２２にクランプされることになる。上記した主軸ハウジング１１０の上昇動作と逆動作が行なわれるだけなので（図４の状態から図１の状態に戻るだけなので）、新しいツールのクランプに関する詳しい説明はここでは省略する（後で少しだけ説明する）。
【００３３】
図６は、工作機械２の各部材の動作タイミングを説明するための図である。図６の横方向は時間を表している。「主軸の位置」とは、主軸２２の高さを表している。この高さは、主軸ハウジング１１０の高さとともに変わるものである。「マガジンの角度」とは、図１から図４の水平方向に対する軸Ｃ４の角度を表している。「ツールとアームの間隔」とは、クランプ状態のツールホルダ４とそのツールホルダ４を挟持するアーム２０４との間隔を表している。「マガジンの位置」とは、ツールマガジン２００の高さを表している。「ツールの状態」とは、ツール（ツールホルダ４）がクランプ状態なのかアンクランプ状態なのかを表している。クランプ状態とは、クランプ部材２８が上方に位置し、その下端が内方に閉じており、ツールホルダ４がクランプされている状態（図５の状態）をいう。そして、アンクランプ状態とは、クランプ部材２８が下方に位置し、その下端が外方に広がっており、ツールホルダ４のクランプが解除されている状態をいう。従って図５の状態から、クランプ部材２８の下端が外方に広がるまでの間は、クランプ状態でもアンクランプ状態でもなく、この間の工作機械２の動作をアンクランプ動作という。逆に、クランプ部材２８の下端が外方に広がっている状態から図５の状態になるまでの間の工作機械２の動作をクランプ動作という。
なお図６の「主軸の位置」や「マガジンの位置」の縦方向の長さは、主軸２２やツールマガジン２００の高さ位置をそのまま表現したものではない。図１における主軸２２の高さ位置が主軸２２の下降位置であり、図４における主軸２２の高さ位置が主軸２２の上昇位置である。また図１や図２におけるツールマガジン２００の高さ位置がツールマガジン２００の下降位置であり（図１と図２ではツールマガジン２００の高さが異なるように見えるが、軸Ｃ３を基準にすればツールマガジン２００の高さは同じである）、図３や図４におけるツールマガジン２００の高さ位置がツールマガジン２００の上昇位置である。
【００３４】
図６に示されるように、主軸２２は下降位置（図１に示される位置）から上昇位置まで徐々に上昇する。図６では、主軸２２が上昇し始めたときを時間ゼロとしている。図１が時間ゼロの状態を表している。主軸２２が上昇してからｔ１に達すると、ツールマガジン２００が図１の矢印Ｄ２方向に揺動を開始する。そして、時間ｔ２に達すると、ツールマガジン２００が図２の状態になる（マガジンの角度が最大になる）。図２がｔ２の状態を表している。ツールマガジン２００のスイング動作によって、ツール（ツールホルダ４）とアーム２０４との間隔が狭くなる。但し上記したように、図２の状態（ｔ２のとき）では、アーム２０４とツールホルダ４との間にわずかな隙間ｓがあるために、ｔ２に達してもアーム２０４とツールホルダ４との間の間隔は最も狭くならない。
主軸２２がさらに上昇しても（ｔ２〜ｔ３の間）、ツールマガジン２００の角度は変わらない。この間は、ツールマガジン２００が主軸２２と同じ速度で上昇する。このとき、ツールマガジン２００は、右斜め上方向に上昇するために、アーム２０４がツールホルダ４に徐々に近づいていく。ｔ３に達したときに、ツールホルダ４とアーム２０４との間の間隔が最も狭くなる。図３がｔ３の状態を表している。ツールホルダ４は、ｔ２からｔ３の間に、クランプ状態からアンクランプ状態になる（即ちこの間にアンクランプ動作が行なわれる）。ｔ３に達したときに、ツールホルダ４はクランプから完全に解除され、ツールホルダ４はアーム４のみに保持された状態になる。
ｔ３〜ｔ４の間は主軸２２のみが上昇し、アンクランプされたツールホルダ４が主軸２２から離脱される。ｔ４に達すると、ツールマガジン２００のアーム群が軸Ｃ４回りに回転可能になる。図４がｔ４の状態を表している。
【００３５】
新しいツールを装着する動作は、図６の時間を反対方向に進めば良くわかる。まず、主軸２２のみが徐々に下降し始める（ｔ４）。そしてｔ３に達するとツールマガジン２００も下降し始める。このとき、主軸２２の下降速度とツールマガジン２００の下降速度は同じである。ｔ３からｔ２の間に、ツールのクランプ動作が行なわれる。即ち、主軸２２とツールマガジン２００が一体的に下降している間にクランプ動作が行なわれる。そしてツールがクランプ状態になると（ｔ２）、ツールマガジン２００が軸Ｃ３回りに揺動し始める（矢印Ｄ３方向のスイング動作を行なう）。これによりアーム２０４がツールホルダ４から離反する。主軸２２は、最終的に図１の位置（時間ゼロ）まで下降する。
【００３６】
本実施例に係る工作機械２によると、主軸２２とツールマガジン２００が一体的に上昇する間（図６のｔ２〜ｔ３の間）に、ツールホルダ４のアンクランプ動作が行なわれる。また主軸２２とツールマガジン２００が一体的に下降する間に、ツールホルダ４のクランプ動作が行なわれる。このように、クランプ動作やアンクランプ動作が行なわれるときに、主軸２２（ツールホルダ４）とアーム２０４が上下方向に相対移動しないようにされるので、主軸２２とアーム２０４との間でツールホルダ４の受渡しを安定的に行なうことができる。
また、ツールマガジン２００が矢印Ｄ２方向にスイング動作したときにアーム２０４とツールホルダ４との間に隙間ｓが存在するようにしたことにより、スイング動作によって両部材が破損することを防止できる。隙間ｓは、ツールマガジン２００の右斜め上方向の移動によって埋められるために、アンクランプされたときにツールホルダ４はアーム２０４に強固に挟持されている。
【００３７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００３８】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】主軸が最下位置にあるときの工作機械の正面図である。
【図２】ツールマガジンが主軸側にスイング動作した後の工作機械の正面図である。
【図３】主軸とツールマガジンがほぼ平行に上昇した後の工作機械の正面図である。
【図４】主軸が最上位置にあるときの工作機械の正面図である。
【図５】主軸付近を一部断面図で示した図である。
【図６】本実施例の工作機械の動作タイミングを説明するための図である。
【符号の説明】
２・・工作機械
４・・ツールホルダ
２２・・主軸
２６・・クランプ機構
２８・・クランプ部材
１００・・ワーク加工部
１０２・・コラム
１０４・・モータハウジング
１０６・・レバーハウジング
１０８・・ブラケット
１０８ａ・・ブラケット左部
１１０・・主軸ハウジング
１２０・・レバー部材
１２４・・ローラ
１３０・・ローラ接触部材
１５０・・レール
１８０・・第１板状部材
１８８・・バネ
２００・・ツールマガジン
２０４・・アーム
３１０・・第１レール部材
３３０・・第２レール部材
Ｃ１・・主軸の回転軸
Ｃ２・・レバー部材の回転軸
Ｃ３・・ツールマガジンの揺動支点（回転軸）
Ｃ４・・アーム群の回転軸
Claims (2)
- ツールが着脱可能であり、装着されたツールをクランプする機構を内蔵する主軸と、
その主軸を軸方向に移動させる機構と、
その主軸と前記クランプ機構の間に設けられ、主軸にクランプされたツールを主軸が一方方向に移動する間にアンクランプさせ、主軸からアンクランプされたツールを主軸が他方方向に移動する間にクランプさせる第１連結装置と、
ツールを保持可能なツール保持部を周上に複数有するとともにその複数のツール保持部を周方向に回転させる手段を有し、それ自体が揺動可能であるとともに主軸とほぼ平行に移動可能なツールマガジンと、
ツールマガジンと主軸の間に設けられている第２連結装置とを備え、第２連結装置が以下の各動作、即ち、
第１動作；主軸の前記一方方向への移動に従動してツールマガジンを主軸側に揺動させ、主軸にクランプされているツールをツール保持部で保持させる、
第２動作；主軸とツールマガジンを前記一方方向に移動させ、ツール保持部で保持されたツールを主軸からアンクランプさせる、
第３動作；主軸のみを前記一方方向にさらに移動させて、ツール保持部で保持されたツールを主軸から離脱させる、
第４動作；複数のツール保持部を周方向に回転させてツールを選択させる、
第５動作；主軸のみを前記他方方向に移動させて、ツール保持部で保持された選択されたツールを主軸に装着させる、
第６動作；主軸とツールマガジンを前記他方方向に移動させ、ツール保持部で保持されたツールを主軸にクランプさせる、
第７動作；主軸の前記他方方向への移動に従動してツールマガジンを反主軸側に揺動させ、主軸にクランプされているツールからツールマガジンを離反させる動作を順に実現してツールを交換する工作機械。 - 第１動作の終了時点では、ツール保持部とツールとの間に主軸と直交する方向に隙間が残され、第２動作中に、ツールマガジンを低速で主軸側に移動させて前記隙間を無くすことを特徴とする請求項１の工作機械。
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