JP2004141972A

JP2004141972A - 自動工具交換装置

Info

Publication number: JP2004141972A
Application number: JP2002306260A
Authority: JP
Inventors: Takami Ozaki; 尾崎　孝美; Hiroyuki Yamada; 山田　裕之
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】高速回転に対応できる軸受剛性や主軸剛性が低い主軸に対しても、安定した自動工具交換が可能な自動工具交換装置を提供する。
【解決手段】この自動工具交換装置２は、工作機械の主軸に設けられたチャックに対して工具Ｔを着脱するものである。この装置２は、旋回自在なアーム１４と、このアーム１４の先端に別体に設けられて工具Ｔを把持する把持部１６とを有する。把持部１６は、弾性支持手段１９により、アーム１４に対して弾性的に変位可能に支持する。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の工作機械、主として主軸剛性の低い高速スピンドル装置を搭載し、精密加工を可能とするマシニングセンタに使用する自動工具交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マシニングセンタに使用されるスピンドル装置は、作業効率向上の要請から高速回転化している。また、作業効率向上だけでなく、加工ワークの品位向上という要請に応えるために、「浅切込み・高送り」といった工具一刃当たりの除去量を少なくした軽加工の方法を採用し、加工時のワーク温度を抑えて高精度加工やワークの変質を抑えることが一般化してきている。そこで、このような作業効率向上と加工ワークの品位向上との兼ね合いを図るために、マシニングセンタでは、高速回転が可能で、優れた回転精度を有するスピンドル装置が必要となってきている。
【０００３】
スピンドル装置の主軸の高速回転を可能とするために、主軸の支持軸受として転がり軸受を用いた場合には、そのＤＮ値の限界から、小径の転がり軸受を使用する必要がある。しかし、小径の転がり軸受の負荷容量は小さく、主軸への負荷容量も小さくなる。そのため、必然的に主軸径も細くなる。
【０００４】
さらに、最近では、主軸の高速化および高精度化のために、非接触軸受を利用した例も多く見られるようになってきている。この非接触軸受は、基本的に機械接触による摩擦がなく、高速回転が可能である。特に、回転精度を強く要求する場合には、特許文献１や特許文献２で示されるような軸受支持媒体に空気や油を用いた静圧軸受や動圧軸受が使われる。また、劣悪な使用環境で使用され軸受隙間へのごみの影響が問題となる場合や、静的な剛性が必要な場合には、特許文献３で示されるような磁気軸受が使用される場合もある。さらに、優れた回転精度と静剛性の両方が必要な場合には、特許文献４に示されるように静圧軸受と磁気軸受とをハイブリットさせたものもある。
【０００５】
しかし、これらいずれの非接触軸受の場合でも、非接触支持ではあるが、流体摩擦や磁気的摩擦が存在するため、高速回転させる場合には、これらの摩擦熱を少なくするために主軸径が細くなる。さらに、非接触軸受の剛性は一般的に転がり軸受より低い。
このように、高速回転を可能としたスピンドル装置では、総じて軸受剛性は低く、主軸径が細いことから、主軸自体の剛性も低くなる。
【０００６】
一方、マシニングセンタ等の自動工具交換装置に使用されるアームの把持部は、一般に金属で製作され、アームにボルト固定されたり、またはアーム自体に構成される。自動工具交換装置による工具交換動作は、この把持部と押え部材と工具ホルダとの機械的な接触により行われるが、最近の工作機械における作業効率向上の要請から、このアームの動きを早めることで、工具交換時間の短縮が図られている。
【０００７】
図７（Ａ），（Ｂ）は、従来の自動工具交換装置における工具ホルダチャッキング部の概略構成を示す。工具Ｔは、工具ホルダ７５に工具本体Ｔａを保持させたものであり、ここでは工具ホルダ７５を把持した状態を示している。同図において、旋回軸心Ｏ回りに旋回するアーム７１には、別体の把持部７２がボルト７６によって固定されている。また、アーム７１の把持部７２近傍には、ばね７４によってＡ方向に予圧が掛けられる押え部材７３が設けられている。図８は、この自動工具交換装置の動作を示す。例えば、同図に示すように、工具ホルダ７５を把持している主軸（図示せず）の位置にアーム７１が旋回すると、押え部材７３が工具ホルダ７５に接触する（図８（Ｂ））。この状態で、さらにアーム７１を旋回させると、工具ホルダ７５は押え部材７３と把持部７２によって完全に把持された状態となる（図８（Ｃ））。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１１０８３６号公報
【特許文献２】
特開平６−２９２６８９号公報
【特許文献３】
特開平３−１３６７６７号公報
【特許文献４】
特開平１１−１３７５９号公報
【特許文献５】
特開２００１−１７７９５６６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図８のように工具ホルダ７５を把持する過程において、工具ホルダ７５は押え部材７３と把持部７２とに衝突する。さらに、工具ホルダ７５は、把持部７２の内周面に完全接触するように、ばね７４で押え部材７３を介して押え付けられるため、工具ホルダ７５の軸心と把持部７２の軸心とが僅かでもずれていると、工具ホルダ７５にラジアル方向の過大な力が作用する。
通常、主軸およびこれを支持する軸受の剛性は高いので、このチャッキング時の問題はなかったが、上述したように主軸および支持軸受の剛性もしくは負荷容量が低い場合には、工具ホルダ７５への作用力が主軸に加わることで、主軸を塑性変形させたり、軸受支持部にダメージを与えたりする可能性がある。
例えば、主軸の軸受支持に一部でも静圧軸受を採用した場合には、過大な外力が主軸に加わったときに、通常数１０μｍのオーダで非接触に主軸が浮上している状態が崩れ、主軸とステータとが機械的に接触してしまう。場合によってはこの接触による軸受の損傷から、所定の主軸性能が得られなくなる場合もある。
【００１０】
なお、このような工具交換時の把持部７２と工具ホルダ７５との衝突音の緩和を目的とした技術として、把持部を繊維強化剛性材料で構成することによって衝突音と把持部の損傷を防ぐものが知られている（特許文献５）。しかし、このような対策だけでは、上述したように高速回転可能な主軸への対応は難しい。
【００１１】
この発明の目的は、上記の課題を解消し、高速回転に対応できる主軸に対しても、安定した工具交換が可能な自動工具交換装置を提供することである。詳しくは、高速回転用スピンドル装置の主軸に工具ホルダを取付ける場合に、その主軸に過大な力を作用させないような工具のチャッキングを可能とし、アームの把持部と主軸の心合わせ作業が簡略化できるものとすることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の自動工具交換装置は、工作機械の主軸に設けられたチャックに対して工具を着脱する自動工具交換装置であって、可動のアームと、このアームの先端にこのアームと別体に設けられて工具を把持する把持部と、この把持部をアームに対して弾性的に変位可能に支持する弾性支持手段とを備えたものである。上記工具は、工具ホルダに工具本体を装着したもの、または工具ホルダを有しない単体のものとされる。上記アームは、例えば先端が主軸と工具マガジン等の所定の工具受渡し位置との間を移動するように動作するものであり、旋回動作など、所定の経路の動作を行うものとされる。上記旋回動作は、主軸と平行な旋回軸心回りの旋回等とされる。上記把持具は、例えば工具を主軸と平行な姿勢に把持するものとされる。弾性支持手段により支持する変位可能な方向は、アームまたは主軸に対する偏心方向であっても良く、また偏心方向と軸方向の両方であって良い。
この構成によると、工具交換動作時に、把持部と主軸との心ずれがあっても、その心ずれが減少するように、把持部が弾性支持手段の弾性変形でアームに対して変位する。そのため、上記心ずれにより、把持部から工具を介して主軸に過大な力が作用することが防止される。したがって、高速回転に対応できる軸受剛性や主軸剛性が低いスピンドル装置の主軸に対しても、安定した自動工具交換が可能となる。
【００１３】
この発明において、上記把持部とアームの間にダンピング要素、すなわち減衰要素を設けても良い。ダンピング要素を付加すると、チャッキング時の把持部の振動を抑えることができ、把持部と工具との接触時、またはその後の把持部の振動が抑えられるために、アームの工具のへの作用力を軽減できる。
【００１４】
上記弾性支持手段は、弾性材料からなるもの、例えばゴム状の弾性材料からなるものであっても良く、またコイルばねまたは板ばね等の金属製のばね体からなるものであっても良い。ゴム状の弾性材料を用いると構成が簡素にでき、金属製のばね体を用いると耐久性に優れたものとできる。
把持部とアームの間にダンピング要素を介在させる場合に、上記弾性支持手段を制振ゴムからなるものとし、ダンピング要素を兼ねさせても良い。弾性とダンピング性の付与を同じ部材で兼用できるため、構成が簡素なものとなる。
【００１５】
この発明において、上記把持部の上記アームに対する変位可能範囲は、数ｍｍ以下とすることが好ましい。変位可能範囲をこのように制限することで、アームが急旋回した場合でも、把持部の揺動が少なく、把持部が周辺の機器等と干渉することを防止できる。
また、上記弾性支持手段の剛性は、上記主軸を支持する軸受の剛性に比較して小さくされているものであっても良い。弾性支持手段の剛性を軸受よりも小さくすることで、心ずれにより偏心荷重が作用した場合に、主軸よりも把持部が大きく変位して、主軸の変位が抑制される。このため、特に、主軸を支持する軸受が非接触軸受である場合は、工具交換動作で主軸が軸受面に接することが回避される。
【００１６】
上記工作機械は、主軸を転がり軸受等の接触型の軸受で支持するものであっても、非接触軸受によって支持するものであっも良い。非接触軸受の場合、主軸の高速回転が可能である反面、軸受の負荷容量が小さくなる。このような負荷容量の小さい非接触軸受を用いた場合でも、この発明の自動工具交換装置によると、多少の心ずれにかかわらず、安定した自動工具交換が行える。
上記非接触軸受は、静圧軸受、または動圧軸受、または磁気軸受であっても良い。また、上記非接触軸受として静圧軸受と磁気軸受を併用しても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１（Ａ），（Ｂ）は第１の実施形態の自動工具交換装置を備えた工作機械の概略構成を示す。この工作機械はマシニングセンタであり、工作機械本体１と、工具マガジン３と、これら工作機械本体１の主軸４と工具マガジン３の所定の工具受渡し位置Ｐとの間で工具Ｔの交換を行う自動工具交換装置２とを備える。
工作機械本体１は、ベッド６上にレール６ａに沿って前後方向（Ｙ方向）に進退自在に設けられたコラム８と、このコラム８に昇降自在に設置されたスピンドル装置７とを備える。コラム８の前後駆動、およびスピンドル装置７の昇降駆動は、モータおよびボールねじ等からなる進退駆動装置（図示せず）により行われる。
スピンドル装置７は、上記主軸４を内蔵の軸受で回転自在に支持し、かつ主軸４を駆動する駆動源を設けたものである。上記軸受には高速回転対応の転がり軸受または非接触軸受が用いられる。スピンドル装置７の具体的構造については、後に図４〜図６と共に各種の例を説明する。主軸４の先端には、工具Ｔを着脱自在に把持するチャック５が設けられている。チャック５は、例えばコレットチャックであり、主軸先端面に形成された工具嵌合孔に軸方向に工具Ｔを差し込むことで、工具Ｔを装着する形式のものとされる。工具Ｔは、工具ホルダ９に工具本体Ｔａを装着したものであり、チャック５は工具ホルダ９のテーパシャンク部を挿脱自在に嵌合させて把持するものとされている。なお、工具Ｔは、工具ホルダ９を有しない単独型のものであっても良い。また、チャック５はコレットチャック以外でもよく、２面拘束ツーリングであるＨＳＫツーリングであってもよい。工具マガジン３は、多種類の工具Ｔをストックするものであり、任意の工具Ｔを所定の工具受渡し位置Ｐに割出可能である。工具マガジン３は、例えば工作機械本体１の側方に配置される。この工具マガジン３は、例えば一対のスプロケット１０，１０に掛装された無端チェーン１１に複数の工具ポケット１２を等間隔に取付けて構成される。各工具ポケット１２に工具Ｔが軸方向に挿脱自在に保持される。
【００１８】
自動工具交換装置２は、可動のアーム１４の先端に、工具Ｔを把持する把持部１６を設けたものである。アーム１４は、主軸４の軸心と平行な旋回中心回りに旋回するものであり、２本設けられている。両アーム１４は直線状の一体部材として構成され、その中央部に旋回軸１５が結合されており、旋回軸１５の駆動によって旋回する。旋回軸１５は移動基台１３に回転自在に支持されている。移動基台１３は、工作機械本体１と工具マガジン３との間に配置されて前後方向（Ｙ方向）に移動自在とされている。移動基台１３の前後方向の移動によりアーム１４が前後移動し、主軸４のチャック５および工具ポケット１２に対する工具Ｔの挿脱が行われる。
【００１９】
図２（Ａ）に正面図で示すように、アーム１４の先端に、上記把持部１６がアーム１４とは別体に設けられ、かつ工具Ｔの押え部材１７が設けられている。把持部１６は、工具Ｔの外周面の周方向の一部を嵌合させる嵌合凹部１６ａを形成した部材である。工具Ｔが工具ホルダ９を有するものである場合は、工具ホルダ９の外周面が嵌合凹部１６ａに嵌合する。押え部材１７は、把持部１６の嵌合凹部１６ａに嵌合した工具Ｔの外周面を押し付けることにより、工具Ｔが嵌合凹部１６ａの底面と反対側の開口側へ抜け出ることを阻止する部材である。押え部材１７は、弾性的に突没自在に設置されており、その押し付け力は、工具Ｔが自重では落下しないが、アーム１４の旋回駆動等による強制的で工具Ｔを嵌合凹部１６ａから出し入れできる程度の力に設定されている。この実施形態の自動工具交換装置２は、このような構成のものにおいて、把持部１６をアーム１４に対して弾性的に変位可能に支持する弾性支持手段１９を設けたものである。
【００２０】
把持部１６は、アーム１４に対してラジアル方向にもアキシアル方向にも直接に接触しないように配置されている。すなわち、把持部１６は、アーム１４の先端に形成された把持部配置凹部１８にラジアル方向およびアキシアル方向の隙間を介して嵌まっていて、その隙間内で上記変位が可能なように弾性支持手段１９で支持されている。把持部１６は、環状の板または円筒部材を直径方向に沿う面で２つ割りにした半割り状環体に形成されており、その内径側の半円状断面の空間が上記嵌合凹部１６ａとなる。
アーム１４の把持部配置凹部１８は、アーム１４の旋回方向を向く一側面に形成され、断面円弧状とされている。把持部１６は、自然状態では、その円弧状の嵌合凹部１６ａの中心が把持部配置用凹部１８の中心Ｏと一致するように、弾性支持手段１９により同心状に弾性支持される。したがって、把持部１６は把持部配置凹部１８の中心Ｏから弾性的に偏心可能とされている。
【００２１】
図２（Ａ）におけるＡ−Ｏ−Ｂ矢視断面図およびその拡大断面図を示す図２（Ｂ）および図２（Ｃ）のように、把持部配置凹部１８は、その周縁に沿う鍔状部１８ａによって軸方向の片面が底付きとされており、この鍔状部１８ａに把持部１６が、上記弾性支持手段１９の一部を介して支持されている。
弾性支持手段１９として、ここでは複数の弾性体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃが採用されている。このうち弾性体２０Ａは、把持部１６の外周面と上記把持部配置凹部１８の内周面１８ａａとの間に介装されて、把持部１６をラジアル方向に弾性的に支持する。別の弾性体２０Ｂは、把持部１６の裏面と上記鍔状部１８ａの内面１８ａｂとの間に介装されて、把持部１６を把持部配置凹部１８のアキシアル方向に弾性的に支持する。また、把持部１６は、円周方向の複数箇所に支持具挿通孔２２が形成されていて各孔２２に挿通した支持具２１により、把持部配置凹部１８の鍔状部１８ａの内面１８ａｂに取付けられている。支持具２１はボルトからなり、上記内面１８ａｂに形成されたねじ孔に先端がねじ込まれている。支持具２１は、ボルトの代わりにピン状の部材としても良く、またアーム１４から一体に突出した突起であってもよい。支持具２１による把持部１６の取付は、把持部１６が若干の軸方向の移動を許すように行われ、上記弾性体２０Ｂにより、把持部１６が軸方向に最も突出する位置に付勢される。支持具挿通孔２２は座繰り付き孔に形成されていて、その座繰部底面２２ａと支持具２１の頭部との間に、上記のさらに他の弾性体２０Ｃが介在させてある。この弾性体２０Ｃは、支持具２１の軸部外周に嵌合するリング状の部材であり、把持部１６を把持部配置凹部１８のラジアル方向およびアキシアル方向の両方に弾性的に支持する。アーム１４の把持部配置凹部１８に対する把持部１６の可動範囲は、ラジアル方向およびアキシアル方向共に、数ｍｍ以下とされている。
【００２２】
上記弾性体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃなど、上記弾性支持手段１９を弾性材料とする場合、その材料としては、通常に使用されるシール材料、すなわちゴムまたは合成樹脂等のゴム状の弾性材料を使用してよい。例えば、ニトリルゴム、水素添加ニトリルゴム、アクリルゴム、シリコンゴム、フルオロシリコンゴム、フッ素ゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレン、スチレンブタジエンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、ポリテトラフルオロエチレン等が使える。
また、上記弾性体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃなど、上記弾性支持手段１９を弾性材料とする場合に、制振ゴムで構成しても良い。制振ゴムを用いると、ダンピング要素が付加されることになる。制振ゴムは一般に、損失正接（ｔａｎδ）を大きくすることにより、振動エネルギを熱エネルギに変換し、反発弾性を低くすると同時に、振動や衝撃を吸収するものである。この制振ゴムには、上記損失正接（ｔａｎδ）を高めるように、成分中にレジン（樹脂）などを配合しているものが多い。この制振ゴムとして、そのほかゲル状の制振材料も使用でき、いずれの材料もその種類は問わない。
【００２３】
図２（Ａ）において、上記押え部材１７は、アーム１４の把持部配置凹部１８の近傍に形成されたガイド孔２３内にばね部材２４を介して挿入されて、アーム１４の長手方向に向け進退自在とされ、上記ばね部材２４によりガイド孔２３から進出する方向に予圧が与えられている。この押え部材１７は、上記ガイド孔２３に挿入される軸部１７ａの先端に、工具ホルダ９に押し当てられる球形状のパッド１７ｂを設けて構成される。ばね部材２４のばね定数は、従来の図７の例のような把持部７２をアーム７１に固定した自動工具交換装置における押え部材７３の付勢用のばね７４に比べて、例えば半分以下の大きさとされる。
【００２４】
次に、上記構成の自動工具交換装置２による工具交換動作を説明する。まず、図１のように主軸４のチャック５に把持された工具Ｔを、把持部１６が空のアーム１４が受け取る動作を説明する。アーム１４が旋回軸１５回りに旋回して主軸４の前方へ上方から下降すると、図２（Ａ）のように把持部１６の嵌合凹部１６ａに工具Ｔが嵌まる。この嵌まり過程では、主軸４に把持状態の工具Ｔに押さえ部材１７が当たると、アーム１４の旋回力のため、押さえ部材１７が工具表面に沿ってばね部材２４の付勢力に抗して後退させられ、工具Ｔが通過した後に、押さえ部材１７がばね部材２４の復元力で進出する。そのため、押さえ部材１７が工具Ｔを通過することが可能になり、嵌合凹部１６ａに嵌まった工具Ｔが押さえ部材１７で抜け止めされた状態に、把持部１６で把持される。
次に、主軸４のチャック５による工具Ｔの把持が解除され、その後、アーム１４が移動基台１３と共に軸方向に所定量前進することにより、工具Ｔが主軸４側からアーム１４側に完全に持ち替えられる。アーム１４から主軸４に工具Ｔを渡す動作は、上記動作を逆に辿ることにより行われる。なお、工具マガジン３の工具ポケット１２と、自動工具交換装置２のアーム１４との間でも、同様の動作により工具Ｔの出し入れが行われる。
【００２５】
このようなアーム１４と主軸４との間での工具Ｔの交換動作において、アーム１４の把持部１６は、弾性支持手段１９である弾性体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを介してアーム１４に支持されているので、工具Ｔと把持部１６の軸心が合っていない状態のときは、弾性体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの撓みによって把持部１６が偏心する。そのため、工具Ｔに過大な力を及ぼすことなくチャッキングが可能となる。把持部１６はアーム１４に対してアキシアル方向にも弾性的に変位可能であるため、工具Ｔに過大な力を及ぼすことを、より柔軟に回避できる。また、チャッキング過程において、工具Ｔが把持部１６や押え部材１７と衝突した場合にも、アーム１４に対する把持部１６および押え部材１７の支持が柔軟であるため、衝突に起因した工具Ｔへの作用力を小さくすることができ、主軸４の損傷を無くすことができる。これにより、高速回転に対応できる軸受剛性や主軸剛性の低い主軸４に対しても、安定した自動工具交換が可能となる。さらに、把持部１６と主軸４との軸心合わせ等の作業も簡略化できる。
【００２６】
把持部１６は可動であるため、アーム１４の高速旋回時の挙動を考慮する必要があるが、把持部配置凹部１８に対する把持部１６の可動範囲は数ｍｍ以下とされているので、アーム１４が急旋回した場合でも、把持部１６の揺動が少なく、把持部１６が周辺の機器等と干渉することを確実に防止できる。
【００２７】
弾性支持手段１９である弾性体２０Ａ〜２０Ｃを制振ゴムで構成してダンピング要素を付与した場合には、チャッキング時の把持部１６の振動を抑えることができる。また、このダンピング要素により、把持部１６と工具Ｔの接触時や、その後における把持部１６の振動も抑えることができ、把持部１６の振動に伴う工具Ｔへの作用力を軽減できて、より安定した自動工具交換が可能となる。
【００２８】
なお、この実施形態では、アーム１への把持部６の弾性支持形態を、弾性体２０Ａと弾性体２０Ｃによってラジアル方向に支持し、弾性体２０Ｂと弾性体２０Ｃとによってアキシアル方向に支持する構成としたが、弾性支持手段１９による支持形態は問わない。例えば、弾性体２０Ｃは、アーム１４から延びる支持具２１と把持部１６の間でアキシアル方向およびラジアル方向の両方を支持することができるため、ラジアル方向の弾性支持専用に設けた弾性体２０Ａは省略しても良い。また弾性体２０Ｃを省略して弾性体２０Ａ，２０Ｂのみを設けても良い。
【００２９】
図３はこの発明の他の実施形態を示す。この自動工具交換装置２は、第１の実施形態において弾性支持手段１９をゴム状の弾性体２０Ａ〜２０Ｃで構成したのに代えて、金属材料であるコイルばね３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃで構成している。この場合も、上記実施形態と同様に、把持部１６を弾性的に支持することができる。また、コイルばね３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに代えて、金属材料である板ばねで弾性支持手段１９を構成しても良い。この場合には、板ばねの撓み方向の長さを短くできるため、把持部１６をコンパクトに構成できる。このほか、第１の実施形態で用いた高分子材料の弾性体と、この実施形態で用いた金属材料のばねとを組み合わせて、弾性支持手段１９を構成しても良い。
【００３０】
なお、上記各実施形態では、弾性支持手段１９を構成する弾性体２０Ａ〜２０Ｃやコイルばね３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃのばね定数を指定していないが、把持部１６のアーム１４への支持剛性は、主軸４自体の剛性や主軸４を支持する軸受の支持剛性に対して十分小さくなるように、上記ばね定数を選択することが望ましい。
また、上記各実施形態は、アーム１４が旋回する形式のものである場合につき説明したが、アーム１４は平行移動う行うものなど、所定の経路で動作する各種の動作形式のものであっも良い。
【００３１】
つぎに、図１のスピンドル装置７の各種具体例を図４〜図６と共にそれぞれ説明する。いずれも非接触軸受を用いた例である。
図４は、主軸４を支持する軸受とし、非接触軸受である静圧軸受を用いた例である。このスピンドル装置７では、主軸４が、スピンドル装置７のハウジング３２内に設置された複数のラジアル型の静圧軸受３３，３３´と、１つのアキシアル型の静圧軸受３４とで回転自在に支持されている。これら静圧軸受３３，３４により、静圧軸受装置３１が構成される。ハウジング３２に主軸４を駆動するモータ３５が内蔵され、そのロータ部３５ａが主軸４の軸方向の一部に取付けられている。モータ３５のステータ部３５ｂは、ハウジング３２内に設けられている。
【００３２】
図５は、主軸４を支持する軸受として、非接触軸受である動圧軸受を用いた例である。このスピンドル装置７では、ハウジング４２内の軸受スリーブ５０に、主軸４が軸受隙間を介して挿通されており、主軸４の外径面または軸受スリーブ５０の内径面に、回転に伴い流体圧を発生させるためのヘリングボーン溝４４が形成されている。上記軸受隙間にはオイルが封入されている。上記軸受隙間を構成する軸受スリーブ５０の内径面、主軸４の外径面、およびヘリングボーン溝４６により、動圧軸受４１が構成される。主軸４の後端とハウジング４２の後ろ蓋４５との間には、点接触式のスラスト軸受４７が形成されている。なお、この実施形態では、主軸４を回転させる駆動源として、エアタービン４３が設けられている。
【００３３】
図６は、主軸４を支持する軸受として、非接触軸受である静圧磁気複合軸受を用いた例である。このスピンドル装置７では、ハウジング５２内に、モータ５３の前後に配置された一対の静圧磁気複合軸受５４，５４と、後端のスラスト磁気軸受５５とを介して主軸４を回転自在に支持している。モータ５３は、主軸４に一体に設けられたモータ部ロータ５６と、ハウジング５２に直接設置されたステータ５７とで構成される。スラスト磁気軸受５５は、主軸４に一体に設けた軸受ロータ５８と、ハウジング５２に設置され上記軸受ロータ５８を軸方向に前後から挟む一対の軸受ステータ５９Ａ，５９Ｂとからなる。軸受ステータ５９Ａ，５９Ｂのコイル電流は、主軸４の軸方向変位を検出するスラスト変位センサ６０の測定値で制御される。スラスト変位センサ６０は、ハウジング５２の後部壁６１に設けられている。
【００３４】
前後の静圧磁気複合軸受５４，５４は、ラジアル磁気軸受６２とラジアル静圧気体軸受６３とを、構成部品に兼用部分が生じるように一体化させたものである。静圧気体軸受６３には静圧空気軸受が用いられている。ラジアル磁気軸受６２は、主軸４の外周に設けられた磁性体の軸受ロータ６４と、ハウジング５２に設置された軸受ステータ６５とで構成される。軸受ステータ６５は、コア６６とコイル６７とコイル覆い材６８とでリング状に形成されている。軸受ステータコア６６のリング状部の内部には、全周にわたる給気通路が形成され、この給気通路から各々分岐して、軸受隙間に給気する絞り１５が各ヨーク部１３ａの電磁力発生面である先端内径面に開口して設けられている。給気通路は、周方向の１箇所または複数箇所に設けた給気口から、圧力流体である圧縮空気の供給源に配管等で接続されており、供給された圧縮空気は、軸受ステータ６５の内径面と主軸４の間に形成される軸受隙間に噴出される。これらの絞りと、軸受隙間形成部材を兼用する軸受ステータコア６６およびコア覆い材６８とで、ラジアル静圧気体軸受６３が構成される。
【００３５】
なお、ここでは図示しないが、このほか、主軸４を支持する非接触軸受として磁気軸受を用いても良い。
【００３６】
【発明の効果】
この発明の自動工具交換装置は、工具を把持する把持部をアームに対して変位可能に支持したため、主軸に過大な力を作用させないような工具のチャッキングが実現でき、主軸やその軸受へのチャッキングの影響を軽減することができる。そのため、高速回転に対応できる軸受剛性や主軸剛性が低いスピンドル装置の主軸に対しても、安定した自動工具交換が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかる自動工具交換装置を備えた工作機械の概略構成を示す正面図、（Ｂ）はその部分平面図である。
【図２】（Ａ）は同自動工具交換装置の要部を示す一部破断正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ｏ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の拡大断面図である。
【図３】（Ａ）はこの発明の他の実施形態にかかる自動工具交換装置の要部を示す一部破断正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＣ−Ｏ−Ｄ矢視断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の拡大断面図である。
【図４】図１の工作機械における非接触軸受を用いたスピンドル装置の一例を示す断面図である。
【図５】図１の工作機械における非接触軸受を用いたスピンドル装置の他の例を示す断面図である。
【図６】図１の工作機械における非接触軸受を用いたスピンドル装置のさらに他の例を示す断面図である。
【図７】（Ａ）は従来例の要部を示す一部破断正面図、（Ｂ）は同平面図である。
【図８】同従来例の工具交換動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１…工作機械本体
２…自動工具交換装置
４…主軸
５…チャック
９…工具ホルダ
１４…アーム
１６…把持部
１６ａ…嵌合凹部
１９…弾性支持手段
２０Ａ〜２０Ｃ…弾性体
３０Ａ〜３０Ｃ…コイルばね
３３，３４…静圧軸受
４１…動圧軸受
５４…静圧磁気複合軸受
Ｔ…工具
Ｔａ…工具本体

Claims

工作機械の主軸に設けられたチャックに対して工具を着脱する自動工具交換装置であって、可動のアームと、このアームの先端にこのアームと別体に設けられて工具を把持する把持部と、この把持部を上記アームに対して弾性的に変位可能に支持する弾性支持手段とを備えた自動工具交換装置。
請求項１において、上記把持部とアームの間にダンピング要素を設けた自動工具交換装置。
請求項１または請求項２において、上記弾性支持手段がゴム状の弾性材料からなる自動工具交換装置。
請求項１または請求項２において、上記弾性支持手段がコイルばねまたは板ばね等の金属製のばね体からなる自動工具交換装置。
請求項２において、上記弾性支持手段が制振ゴムからなり、上記ダンピング要素を兼ねるものである自動工具交換装置。
請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、上記把持部の上記アームに対する変位可能範囲を数ｍｍ以下とした自動工具交換装置。
請求項１ないし請求項６のいずれかにおいて、上記弾性支持手段の剛性は、上記主軸を支持する軸受の剛性に比較して小さくされている自動工具交換装置。
請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、上記主軸は非接触軸受によって支持されたものである自動工具交換装置。
請求項８において、上記非接触軸受が、静圧軸受、または動圧軸受、または磁気軸受である自動工具交換装置。
請求項８において、上記非接触軸受が、静圧軸受と磁気軸受を併用したものである自動工具交換装置。