JP2016055410A - ワーク自動交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
スピンドルの回転機能、回転量設定機能および移動機能を利用し、ワークまたはワークの搬入搬出用のパレットを正確に位置決めしながら自動的に交換できるようにする。
【解決手段】
ワーク自動交換装置１は、ハウジング３内のスピンドル４について回転機能、回転量設定機能および移動機能を有する工作機械２において、ハウジング３に着脱自在に取り付けられるボデイ５と、ボデイ５に回転自在でスピンドル４に取り付け可能なテーパシャンク６と、テーパシャンク６に固定されているドライブシャフト７と、ボデイ５に支持され搬入搬出方向に移動可能なキャリアアーム９と、ドライブシャフト７の回転運動をワーク８の搬入搬出方向の往復直線運動に変換し、キャリアアーム９に伝達する運動変換手段１０と、キャリアアーム９に取り付けられたワークハンド１１と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合型、汎用型、専用型の工作機械のスピンドルの運動を利用して、ワークまたはワークのパレットを自動的に交換する装置に関する。

一般に、工作機械、例えばマシニングセンタは、自動工具交換装置（ＡＴＣ）を備えており、ワークの加工過程において、加工に必要なドリル、フライス、研削砥石などの工具を選択し、選択した工具の工具ホルダを自動工具交換装置（ＡＴＣ）の交換アームにより工具マガジンから取り出し、スピンドルに装着する。この後、マシニングセンタは、スピンドルの回転機能によって、工具を回転させるとともに、スピンドルのＸＹＺ方向の移動機能によって、工具を位置決めしながら加工方向に加工送りを行い、ワークに目標の加工を施す。

特許文献１は、工作機械、例えばマシニングセンタの主軸の回転機能および位置決め機能を利用して、ワークを移送し、工作機械の加工ステーションに対するワークの搬入、搬出を行うことを開示している。特許文献１の技術によると、主軸に装着したワーク移送手段は、搬送用アームの旋回によってローラコンベア上のワークを移送方向に押して、ワークをローラコンベア上で転がり移動させるか、またはギャ列の回転伝達によってローラコンベアのローラを回転させて、ワークをローラコンベア上で転がり移動させている。

特許文献１の技術によれば、ワークは、主軸に対して完全に拘束されておらず、運動時の慣性や摩擦抵抗によって、加工位置や主軸の位置に対して正確に位置決めされない。したがって、加工ステーションに対するワークの搬入後において、ワークは、加工の開始前の位置決め工程で適切な位置決め手段によって改めて正確に位置決めされなければならない。このような位置決め工程は、ワークに対して主軸の位置決め機能を有効に利用していないことによって必要とされるものであり、加工能率の障害になっている。

特開２００８−８６０号公報

したがって本発明の課題は、工作機械においてスピンドルの回転機能、回転量設定機能および移動機能を有効に利用して、ワークまたはワークの搬入搬出用のパレットを正確に位置決めしながら自動的に交換できるようにすることである。

上記の課題のもとに本発明は、ハウジング（３）内のスピンドル（４）について回転機能、回転量設定機能および移動機能を有する工作機械（２）において、ハウジング（３）に対して回り止め状態で着脱自在に取り付けられるボデイ（５）と、このボデイ（５）に回転自在に支持され、スピンドル（４）に回り止め状態で着脱自在に取り付けられ、スピンドル（４）と共に回転するテーパシャンク（６）と、このテーパシャンク（６）の中心線に一致する状態でテーパシャンク（６）に固定されているドライブシャフト（７）と、ボデイ（５）に取り付けられ、ワーク（８）の搬入搬出方向に移動可能なキャリアアーム（９）と、ドライブシャフト（７）の回転運動をワーク（８）の搬入搬出方向の往復直線運動に変換し、この往復直線運動をキャリアアーム（９）に伝達する運動変換手段（１０）と、キャリアアーム（９）に取り付けられワーク（８）を把持するワークハンド（１１）と、によってワーク自動交換装置（１）を構成している。

また、本発明は、ハウジング（３）内のスピンドル（４）について回転機能および移動機能を有する工作機械（２）において、ハウジング（３）に対して回り止め状態で着脱自在に取り付けられるボデイ（５）と、このボデイ（５）に回転自在に支持され、スピンドル（４）に回り止め状態で着脱自在に取り付けられ、スピンドル（４）と共に回転するテーパシャンク（６）と、このテーパシャンク（６）の中心線に一致する状態でテーパシャンク（６）に固定されているドライブシャフト（７）と、ボデイ（５）に取り付けられ、ワーク（８）の搬入搬出方向に移動可能なキャリアアーム（９）と、ドライブシャフト（７）の回転運動をワーク（８）の搬入搬出方向の往復直線運動に変換し、往復直線運動をキャリアアーム（９）に伝達する運動変換手段（１０）と、キャリアアーム（９）の移動と連動する部分でキャリアアーム（９）の搬入搬出方向の移動位置を検出する位置検出器（２０）と、キャリアアーム（９）に取り付けられワーク（８）を把持するワークハンド（１１）と、によってワーク自動交換装置（１）を構成している。すなわち、本発明は、ハウジング（３）内のスピンドル（４）について回転機能および移動機能を有するが、回転量設定機能を有しない工作機械（２）に対応するために、上記と同様に、ボデイ（５）、テーパシャンク（６）、ドライブシャフト（７）、キャリアアーム（９）、運動変換手段（１０）およびワークハンド（１１）によってワーク自動交換装置（１）を構成し、さらに回転量設定機能を実現するために、位置検出器（２０）を付加して、ワーク自動交換装置（１）を構成している。

上記ワーク自動交換装置（１）において、本発明は、ボデイ（５）にワーク（８）の搬入搬出方向のリニアモーションガイドウエイ（１２）およびリニアモーションガイドウエイ（１２）に沿って移動可能なガイド（１３）を設けて、キャリアアーム（９）をワーク（８）の搬入搬出方向に移動自在としている。

上記ワーク自動交換装置（１）において、本発明は、運動変換手段（１０）をドライブシャフト（７）によって駆動されるリードスクリュ（１６）と、リードスクリュ（１６）に対しねじ対偶により組み合わせられ、キャリアアーム（９）に連結されているスクリュナット（１７）とで構成している。

上記ワーク自動交換装置（１）において、本発明は、ドライブシャフト（７）中に所定交角の一対のギヤ（１４、１５）を介在させ、前記所定交角によってワーク（８）の搬入搬出方向を設定している。

上記ワーク自動交換装置（１）において、本発明は、運動変換手段（１０）をドライブシャフト（７）により駆動されるピニオンギャ（１８）と、ピニオンギヤ（１８）にかみ合い、キャリアアーム（９）に連結されているラックギヤ（１９）とで構成している。

さらに、上記ワーク自動交換装置（１）において、本発明は、ワークハンド（１１）を電磁駆動式あるいは空圧駆動式のメカニカルな開閉型クランパないし開閉型チャック、電磁吸引式ハンド、真空吸引パッドおよびワーク（８）載置用フオークのいずれかにより構成している。

本発明に係るワーク自動交換装置（１）によると、ハウジング（３）およびスピンドル（４）に対してボデイ（５）およびテーパシャンク（６）が回り止め状態で着脱自在に取り付けられるから、既存の工作機械（２）にも、ワーク自動交換装置（１）の装着が可能となること、ワーク自動交換装置（１）の装着に時に、スピンドル（４）の移動機能が利用できるから、特別な装着装置が必要とされないこと、ハウジング（３）およびスピンドル（４）に対するワーク自動交換装置（１）の装着に時に、スピンドル（４）の回転機能によって、キャリアアーム（９）がスピンドル（４）の到達可能な範囲を越えてワーク（８）の搬入搬出方向に移動可能となるため、ワーク（８）またはパレット（３６）の搬入搬出用産業ロボットや専用の搬入搬出装置、電動モータ、油圧、空圧駆動装置などが必要とされず、それらの装置がなくても、ワーク（８）の搬入や搬出が工作機械（２）の回転機能によって実現でき、その結果、コスト面での大幅な削減が実現できること、ワーク自動交換装置（１）が工作機械（２）のスピンドル（４）に装着された状態で、ワーク（８）の搬入搬出が運動変換手段（１０）の直線方向の移動によって行われ、そのときのワーク（８）の位置がスピンドル（４）の回転機能、回転量設定機能および移動機能によって正確に規制できること、さらにワーク（８）がワークハンド（１１）によって把持され、確実に拘束されるから、スピンドル（４）の移動およびキャリアアーム（９）の進退方向の移動がそのままワーク（８）の位置となり、位置決めが正確に行えることなどの特有の効果が得られる。

工作機械（２）に回転量設定機能が無くても、キャリアアーム（９）の移動と連動する部分に位置検出器（２０）が付設されているから、位置検出器（２０）の出力信号によってキャリアアーム（９）の搬入搬出方向の位置、すなわちワーク（８）の位置が制御できる。したがって、工作機械（２）にスピンドル（４）の回転量設定機能が無く、スピンドル（４）の回転量を規制できない工作機械（２）にワーク自動交換装置（１）を装着したときにも、ワーク自動交換装置（１）が具備している位置検出器（２０）の機能によってワーク（８）の位置制御が可能となる。

ボデイ（５）にワーク（８）の搬入搬出方向のリニアモーションガイドウエイ（１２）およびガイド（１３）が設けられていると、キャリアアーム（９）の搬入搬出方向の移動が安定し、移動が正確になる。

運動変換手段（１０）がリードスクリュ（１６）とスクリュナット（１７）とで構成されていると、スピンドル（４）の回転量が搬入搬出方向の移動に精度良く変換できる。

ドライブシャフト（７）中に所定交角の一対のギヤ（１４、１５）が介在していると、ワーク（８）の搬入搬出方向が簡単に設定でき、これによって立て型の工作機械（２）にも対応できる。

運動変換手段（１０）がピニオンギャ（１８）とラックギヤ（１９）とで構成されていると、立て型の工作機械でも、ワーク自動交換装置（１）の搬入搬出方向が水平方向に容易に設定できる。

ワークハンド（１１）が電磁駆動式あるいは空圧駆動式のメカニカルな開閉型クランパないし開閉型チャック、電磁吸引式ハンド、真空吸引パッドおよびワーク（８）載置用フオークのいずれかにより構成することにより、ワーク（８）の形態に適切なハンドの構成が柔軟に対応できる。

横型の工作機械に本発明に係るワーク自動交換装置を組み込んだ状態の一部破断側面図である。 スピンドルに対するテーパシャンクの回り止め部分の側面図である。 リニアモーションガイドウエイおよびガイドの正面図である。 他のリニアモーションガイドウエイおよびガイドの正面図である。 把持型のワークハンドの平面図である。 フオーク型のワークハンドの側面図である。 フオーク型のワークハンドの平面図である。 立て型の工作機械に本発明に係るワーク自動交換装置を組み込んだ状態の一部破断側面図である。 立て型の工作機械に本発明に係る他のワーク自動交換装置を組み込んだ状態の一部破断側面図である。

図１は、本発明のワーク自動交換装置１を横型のマシニングセンタなどの工作機械２に組み込んだ状態を例示している。図１において、ワーク自動交換装置１は、工作機械２の存在を前提としており、工作機械２は、内蔵のエンコーダおよびＮＣ装置の制御によってハウジング３の内部のスピンドル４について回転機能、回転量設定機能およびＸＹＺ方向の移動機能を有する。

スピンドル４についての回転機能は、工具による切削機能・研削機能となり、またスピンドル４にワーク自動交換装置１を装着したときに、ワーク８の搬入搬出方向の移動のための原動力となる。スピンドル４についての回転量設定機能は、スピンドル４の回転回数や必要に応じて１回転中の回転角度を設定できる機能である。さらに、スピンドル４についての移動機能は、スピンドル４をＸＹＺ方向に移動させる機能であり、スピンドル４の位置決め機能・加工送り機能となる。

したがって、スピンドル４の回転量すなわち回転回数や１回転中の回転角度は、工作機械２のＮＣ装置の入力器により設定でき、またスピンドル４のＸＹＺ方向の移動および移動量もＮＣ装置の入力器により設定できる。なお、スピンドル４は、筒状のハウジング３の内部で複数のベアリング２１によって回転自在に支持されており、図示しないが、後端でスピンドル４の回転駆動手段によって駆動され、またＸＹＺ方向の移動案内手段によって加工送り方向に移動する。

そして、ワーク自動交換装置１は、工作機械２において、ハウジング３に回り止め状態で着脱自在に取り付けられるボデイ５と、このボデイ５に回転自在に支持され、かつスピンドル４に回り止め状態で着脱自在に取り付けられ、スピンドル４と共に回転するテーパシャンク６と、このテーパシャンク６の中心線に一致する状態でテーパシャンク６に固定されているドライブシャフト７と、ボデイ５に取り付けられ、ワーク８の搬入搬出方向に移動可能なキャリアアーム９と、ドライブシャフト７の回転運動をワーク８の搬入搬出方向の往復直線運動に変換し、往復直線運動をキャリアアーム９に伝達する運動変換手段１０と、キャリアアーム９に取り付けられ、ワーク８を把持するワークハンド１１と、を有する。

ボデイ５は、ワーク自動交換装置１の主要な機械要素を支える部分であって、軽量化のためにアルミニウム材、アルミニウム合金材または複合材によって製作され、ハウジング３に回り止め状態で着脱自在に取り付けられ、テーパシャンク６のフランジ２５をハウジング３のフランジ孔２８の内部に納め、ハウジング３の内部のベアリング２９により回転自在に支持することによって、テーパシャンク６をスピンドル４と共に回転できるように支持している。

ボデイ５は、筒状の部分でハウジング３の頭部にはまり合って回り止めされが、必要に応じて、図示のように、ハウジング３とボデイ５との間で、例えば直径線上の２つのストッパ３０とストッパ溝３１との係り合いなどにより積極的に回り止め状態とすることもできる。なお、ボデイ５の筒状の部分とハウジング３の頭部とのはまり合いがテーパ面による摩擦的なはまり合いであれば、ハウジング３に対するボデイ５の回り止め状態は、一層強化され、ハウジング３に対するボデイ５の着脱も容易となる。

テーパシャンク６は、自動工具交換装置（ＡＴＣ）によって工具交換可能な各種の工具ホルダのテーパシャンクと同じ形状であり、スピンドル４のテーパ孔２２に位置決め状態で装着され、テーパシャンク６のプルスタッド２３の部分をスピンドル４の内部のクランプ手段２４により引き込み方向に保持されて、スピンドル４から抜け止め状態となる。

図１のように、抜け止め状態のテーパシャンク６は、フランジ２５でテーパ孔２２の開口面に当たり、図２のように、一例としてフランジ２５の直径線上で２つのキー溝２６とスピンドル４のテーパ孔２２の開口面に形成されているキー２７とにはまり合って、スピンドル４に対して回り止め状態で着脱自在に取り付けられ、スピンドル４と共に一体に回転するようになる。

ドライブシャフト７は、スピンドル４およびテーパシャンク６の中心線に一致する状態でテーパシャンク６に固定され、ボデイ５に取り付けられているベアリングブロック３２の内部のベアリング３３により回転自在であり、運動変換手段１０のリードスクリュ１６に連結されている。

図１の例において、運動変換手段１０は、ドライブシャフト７によって駆動されるリードスクリュ１６と、このリードスクリュ１６に対しねじ対偶により組み合わせられ、キャリアアーム９に連結されているスクリュナット１７とで構成されており、ドライブシャフト７の回転運動をワーク８の搬入搬出方向の往復直線運動に変換し、この往復直線運動をキャリアアーム９に伝達する。なお、この具体例で、ドライブシャフト７は、リードスクリュ１６と一体のシャフトとなっているが、両者は、別体とすることもでき、別体とするときに、両者は、適当なシャフトカップリングを用いて連結される。

キャリアアーム９は、ワーク８の搬入搬出方向に移動可能な状態でボデイ５に支持されている。図１の例において、スクリュナット１７は、一方でボルトなどによってガイド１３に取り付けられ、他方でボルトなどによってキャリアアーム９に連結され、キャリアアーム９を支持している。このように、キャリアアーム９は、ガイド１３およびスクリュナット１７によってボデイ５に対して間接的に支持されている。

なお、ガイド１３は、ボデイ５のリニアモーションガイドウエイ１２に対し、図３のように、角形ガイド面、または図４のように、あり溝形ガイド面に沿って、ワーク８の搬入搬出方向に滑り移動するようになっている。このガイド１３の移動形式は、滑り移動に限らず、摩擦抵抗の軽減の観点から、ローラやボールによる転がり移動であってもよい。この他に、ガイド１３は、リニアモーションガイドウエイ１２ではなく、図示しないが、平行な２本のロッドにそって滑り移動あるいは転がり移動する構成とすることもできる。

ワークハンド１１は、機外の位置のワーク８を把持、すなわち保持ないし把握し、ワーク８を加工テーブル３７の上に位置決め状態として置き、所定の加工後に、ワーク８を加工テーブル３７から機外の位置に送り出すために、キャリアアーム９の先端位置に取り付けられる。ワークハンド１１の構造は、ワーク８の性質や形状に応じて適切な構成のハンドを採用される。

図５は、電磁駆動式あるいは空圧駆動式のメカニカルなフインガ開閉型クランパないし開閉型チャックによるワークハンド１１を例示している。この他にも、ワークハンド１１は、電磁吸引式ハンド、真空吸引パッドなど開閉構造のないものとして構成することもできる。ワークハンド１１が適当な軸線、例えばキャリアアーム９の進退方向に平行な軸線を中心として１８０度回転する機能および回転駆動モータなどを内蔵しておれば、ワーク８の搬入搬出過程において、ワーク８の反転操作が可能となり、１次、２次工程でワーク８の手動反転操作が必要とされるときに、ワーク８のハンドリング操作は、一層効率よく行えるから有利である。

図６および図７は、受け型フオーク式のワークハンド１１を例示している。受け型フオーク式のワークハンド１１は、平坦な上面または窪み付きの上面でパレット３６を支え、パレット３６の上にワーク８を載置し、ワーク８を位置決めしながら保持する。このように、ワークハンド１１は、ワーク８を直接に把持するか、またはパレット３６を介してワーク８を間接的に支持する。以下の説明は、説明の便宜上、主として、パレット３６を用いないでワーク８を直接に把持する場合を想定している。

キャリアアーム９の搬入搬出方向の移動量は、基本的には、工作機械２のスピンドル４についての回転量設定機能、すなわちスピンドル４のオリエンテーション機能を利用して設定できる。回転量設定は、工作機械２の図示しないＮＣ装置およびスピンドル４に連結されているエンコーダによって規制できる。このため、オペレータは、キャリアアーム９の搬入搬出方向の移動量を設定するときに、ＮＣ装置の入力器を操作して、キャリアアーム９の移動量のデータ入力を行う。移動量のデータは、キャリアアーム９の搬入搬出動作のときのスピンドル４の回転量や１回転中の回転角度の設定となる。

組み込み対象の工作機械２のスピンドル４について、回転量設定機能が無いときに備えて、ワーク自動交換装置１は、位置検出器２０を有している。スピンドル４の回転量、換言すると、キャリアアーム９の移動量は、キャリアアーム９の移動中に位置検出器２０により検出される。図１の位置検出器２０は、ワーク８の搬入搬出方向の位置を検出するために、キャリアアーム９の移動と連動する部分、例えばドライブシャフト７の位置でベアリングブロック３２に取り付けられ、ドライブシャフト７の回転を検出するデジタル式またはアナログ式の回転検出器（ロータリエンコーダ）により構成されている。

位置検出器２０の出力信号は、キャリアアーム９の搬入搬出方向の位置決め用の検出信号として、工作機械２の図示しないＮＣ装置またはワーク自動交換装置１の図示しない専用制御装置にキャリアアーム９の実際の位置信号として入力される。したがって、工作機械２にスピンドル４についての回転量設定機能が無く、工作機械２の制御側でスピンドル４の回転量を規制できない機械のときにも、ワーク８の位置制御は、位置検出器２０の付設よって可能となる。

ワーク自動交換装置１は、工作機械２とともに以下のように動作する。ワーク８の加工工程で、ワーク８は、通常、機外の所定の位置、例えばワークテーブル３８の上に位置決め状態として搬送されてくる。一方、ワーク自動交換装置１は、工作機械２による加工の障害とならず、しかもスピンドル４の移動可能な範囲の位置において、スピンドル４の中心線に対してテーパシャンク６の中心線を平行とし、スピンドル４のテーパ孔２２にテーパシャンク６を挿入可能な姿勢の状態として待機している。この待機状態で、キャリアアーム９は、後退位置すなわちテーパシャンク６のフランジ２５に近い後退位置に置かれている。

オペレータは、ＮＣ装置の入力器を操作して、キャリアアーム９の搬入搬出方向の移動量のデータ入力を行う。ワーク８の搬入の時に、工作機械２は、ツールを装着していない空のスピンドル４をＸＹＺ方向に移動させ、スピンドル４の中心線を待機位置のテーパシャンク６の中心線に一致させてから、スピンドル４を前進させて、スピンドル４のテーパ孔２２をテーパシャンク６に差し入れ、プルスタッド２３をクランプ手段２４により引き込みながら保持して、テーパシャンク６をスピンドル４から抜け止め状態とする。

このとき、ボデイ５は、筒状の部分でハウジング３の頭部にはまり合っており、ボデイ５およびテーパシャンク６は、それぞれストッパ３０とストッパ溝３１との係り合い、キー溝２６とキー２７との係り合いによって回り止め状態で位置決めされる。このようにして、工作機械２は、空のスピンドル４をＸＹＺ方向に移動させることによって、ハウジング３およびスピンドル４の頭部にワーク自動交換装置１を装着する。

つぎに、工作機械２は、スピンドル４をＸＹＺ方向に移動させ、ワーク自動交換装置１のキャリアアーム９をワーク８に届く範囲の位置まで接近させ、この位置でスピンドル４を駆動して、ドライブシャフト７、リードスクリュ１６を回転させ、スクリュナット１７と共にキャリアアーム９を後退位置から前進させ、予め設定された移動量だけ移動し、この位置においてワークハンド１１でワーク８を把持させる。このときのキャリアアーム９の前進によって、ワークハンド１１は、スピンドル４の移動範囲を越えて、ワーク８を把持するための移動量を確保する。この後に、工作機械２は、スピンドル４を反対方向に駆動し、キャリアアーム９を後退させるとともに、スピンドル４をＸＹＺ方向に移動させ、ワーク８を加工テーブル３７の上、すなわちスピンドル４の移動範囲内に置いて、ワークハンド１１からワーク８を解放する。

キャリアアーム９の進退過程において、工作機械２の図示しないＮＣ装置およびスピンドル４に連結されているエンコーダは、それらの回転量設定機能に従い、移動量のデータ入力に基づいてキャリアアーム９の搬入搬出方向の移動量を規制している。また、工作機械２に回転量設定機能が無いときに、位置検出器２０は、リードスクリュ１６の回転量からキャリアアーム９の前進および後退の距離を正確に検出している。なお、工作機械２に回転量設定機能があるときにも、位置検出器２０の出力信号をＮＣ装置に入力し、位置検出器２０による位置検出の機能と工作機械２の回転量設定機能とを併用することもでき、このようにすると、さらに位置制御が向上する。

したがって、加工テーブル３７の上の加工位置において、ワーク８の位置は、工作機械２側のスピンドル４についての回転量設定機能およびスピンドル４についてのＸＹＺ方向の位置決め機能、またはワーク自動交換装置１側でのキャリアアーム９の位置決め機能およびスピンドル４についてのＸＹＺ方向の位置決め機能によって正確に規制される。このようにして、ワーク８は、ワークテーブル３８の待機位置から加工テーブル３７の上の加工位置に移載される。なお、図示しないが、必要に応じ加工テーブル３７にワーク８の形状に適当な位置決めピン、位置決め斜面や位置決めＶブロックなどの位置決め手段が設けられ、それらの作用によっても正確に位置決めされる。

この後に、工作機械２は、スピンドル４をワーク自動交換装置１とともに待機位置に移動させ、スピンドル４からテーパシャンク６を外して、ワーク自動交換装置１を待機位置に戻し、次のワーク８の搬入搬出動作に備える。

ここで、工作機械２は、自動工具交換装置（ＡＴＣ）によって、空のスピンドル４に搬入後のワーク８の加工に必要な工具を装着し、装着したスピンドル４の工具を回転させながら工具を加工送り方向に移動させ、ワーク８に所定の加工を施す。この加工後に、工作機械２は、ワーク８の搬入時と逆の動作を行って、加工後のワーク８を所定の位置に搬出する。なお、加工前のワーク８と加工後のワーク８は、通常、それぞれ専用のステーションとして２箇所で並行に用意される。

２箇所で並行に設定されたワークレストまたはパレットレストとのコンビネーションによる自動化から、１人の作業者は、４ないし５台の工作機械２を運転できるというメリットが得られる。回転型の６ないし１２台のパレットを、さらに多層型のパレットシステを機械の全面に設置することで、無人大量生産方式へと成長が可能となる。

また、トラニオンタイプのロータリーテーブル（回転軸とスイベル回転軸とが一体化したタイプのロータリーテーブル）を使用した５軸制御の工作機械２にパレットチェンジャを付ける場合は、油圧装置を回転テーブルの下に取り付けることから、スペースが無い中で設計されるため、非常に高価な構造となるが、本発明のワーク自動交換装置１を使用することで、大きなコスト削減となる。

さらに、何十台も工作機械２が連結されたマシニングセルや、トランスファーマシンの場合は、一つひとつの動作の工程時間が厳しく管理されており、いかにその時間を短縮するかが、機械設計の焦点となり、タクトタイムを短くするために、ワーク８や、パレット３６の交換時間の短縮が極めて重要となる。そのために、高価な高速パレット交換機を導入されることが常である。ところが一部の工程は、１台では、他の機械のタクトタイムに間に合わない場合は、２台に分割して工程を振り分けられる、この場合、２工程目の機械の作業時間が極端に短い場合は、本発明のワーク自動交換装置１を取り入れることによって、経費が大きく節減できる。

次に、図８は、立て型のマシニングセンタなどの立て型の工作機械２に対する組み込み例を示している。立て型の工作機械２において、スピンドル４は、垂直方向（Ｚ方向）であるため、運動変換手段１０は、分割型のドライブシャフト７の間に所定交角のベベルギヤによる一対のギヤ１４、１５を介在させることによって、リードスクリュ１６を水平方向（Ｙ方向）の搬入搬出方向に設定している。一対のギヤ１４、１５は、図示の具体例によると、ベベルギヤであるが、それらに代えて、ハイポイドギヤ、ウォームギヤなどで構成することもできる。

図８の例において、リードスクリュ１６は、ボデイ５の基端側でベアリングブロック３２により、またボデイ５の先端側でベアリングブロック３４により、それぞれボデイ５に回転自在に支持されている。ボデイ５は、全体としてＬ字型であり、筒状の部分でハウジング３の下端部分にはまり合った状態で、ボデイ５の筒状の部分に設けられている例えばテーパー状あるいはストレート状のロックピン３９と、ハウジング３に設けられているテーパー状あるいはストレート状のロック孔４０とのはまり合いによって抜け止めされている。ロックピン３９は、一例としてスプリング３５によって突出方向つまりはまり合い方向に付勢され、例えばエアシリンダ４１により後退方向に駆動された時に、はまり合いを解除する。

エアシリンダ４１は、ハウジング３にボルトなどにより取り付けられているブラケット４２によって支持されており、エアシリンダ４１に対する圧力空気は、エアラインイン４３からエアシリンダ４１のポートに供給されるようになっている。なお、エアシリンダ４１は、油圧シリンダでもよく、これらのシリンダは、複動式のものとし、２ポートへの駆動流体の制御をソレノイドバルブにより制御すれば、スプリング３５を設けなくても、ロック孔４０に対するロックピン３９の進退すなわちはまり合や、その解除を強い力で行える。

ロックピン３９およびロック孔４０は、図示のように、１つのストッパ３０およびストッパ溝３１に代えて、または２つのストッパ３０およびストッパ溝３１に代えて、スピンドル４の直径線上に２個設けられ、ハウジング３からのボデイ５の抜け落ち、すなわちワーク自動交換装置１の落下を防止するとともに、ワーク自動交換装置１の重量を支え、移動の際の慣性に耐えて、安定な支持を確保している。

特に、立て型の工作機械２では、ロックピン３９およびロック孔４０が設けられていないとき、ワーク自動交換装置１の自重、さらにワーク８またはワーク８およびパレット３６の重量は、テーパシャンク６に作用し、スピンドル４に付いているクランプ手段２４の引き込み力で保持できないことが予測される。これに対して、好ましい構造として、ロックピン３９およびロック孔４０がスピンドル４の直径線上に２個設けられておれば、ワーク自動交換装置１の自重、さらにワーク８またはワーク８およびパレット３６の重量は、ロックピン３９とロック孔４０とで工作機械２のハウジング３の部分でも充分に支えられることになる。

さらに、図９は、立て型のマシニングセンタなどの立て型の工作機械２に対する他の組み込み例を示している。立て型の工作機械２において、運動変換手段１０は、ドライブシャフト７によって駆動されるピニオンギャ１８とピニオンギヤ１８にかみ合うラックギヤ１９とで構成されている。図示の例によると、ラックギヤ１９は、上面側でキャリアアーム９を一体的に支えており、下面側でガイド１３を用いることなく、直接にボデイ５のリニアモーションガイドウエイ１２の上面に乗り、リニアモーションガイドウエイ１２に沿って移動できるようになっている。この結果、ラックギヤ１９は、それ自体でガイド１３を兼ねており、さらにキャリアアーム９を兼用することもできる。なお、ワークハンド１１は、磁性体のワーク８を想定し、磁気吸引式ハンドによって構成されている。

図９の例で、位置検出器２０は、ボデイ５に設けられている後退限用のリミットスイッチ４４、前進限用のリミットスイッチ４５およびラックギヤ１９に設けられている１つのドグ４６とで構成されており、それらの取り付け位置を調節することによって、キャリアアーム９の最前進位置や最後退位置、さらに移動量を設定できるようになっている。工作機械２にスピンドル４について回転量設定機能が無いときに、２つのリミットスイッチ４４、４５とドグ４６との組み合わせは、スピンドル４に位置検出器２０として回転検出器（ロータリエンコーダ）を設ける構成よりも、安価であり、調節も容易であることから、推奨できる構成といえる。なお、位置検出器２０は、例示のほかに、高価ではあるが、光学式スケール、磁気式スケールあるいはインダクトシン式スケールなど各種のスケールを利用して、スケールフィードバックとして構成することもでき、その構成でのスケールの出力は、キャリアアーム９の位置決め制御のフィードバック信号として利用できる。

本発明は、主としてマシニングセンタに適用して有益であるが、マシニングセンタ以外の複合型、汎用型、専用型の工作機械２にも利用できる。また、本発明は、ワークハンド１１によってワーク８を直接に把持する態様のほかに、ワークハンド１１によってパレット３６を支え、パレット３６でワーク８を間接的に保持する態様も含む。また、キャリアアーム９の進退方向は、通常、ワーク８の搬入搬出時におけるワーク８の把持態様から水平方向であるが、ワーク８の搬送態様に応じて、その他の方向にも設定される。

さらに、ボデイ５は、図示の例のように、工作機械２のハウジング３に対してはまり合う構造であれば、安定するが、軽量なワーク８のときなどのときに、スピンドル４のテーパ孔２２とテーパシャンク６とのはまり合いが充分に強固で高い剛性であれば、ハウジング３にはまり合わない構造とし、回り止め状態で着脱自在に取り付けられる構成としてとして製作することもできる。

１ ワーク自動交換装置
２ 工作機械
３ ハウジング
４ スピンドル
５ ボデイ
６ テーパシャンク
７ ドライブシャフト
８ ワーク
９ ギャリアアーム
１０ 運動変換手段
１１ ワークハンド
１２ リニアモーションガイドウエイ
１３ ガイド
１４ ギヤ
１５ ギヤ
１６ リードスクリュ
１７ スクリュナット
１８ ピニオンギヤ
１９ ラックギヤ
２０ 位置検出器
２１ ベアリング
２２ テーパ孔
２３ プルスタッド
２４ クランプ手段
２５ フランジ
２６ キー溝
２７ キー
２８ フランジ孔
２９ ベアリング
３０ ストッパ
３１ ストッパ溝
３２ ベアリングブロック
３３ ベアリング
３４ ベアリングブロック
３５ スプリング
３６ パレット
３７ 加工テーブル
３８ ワークテーブル
３９ ロックピン
４０ ロック孔
４１ エアシリンダ
４２ ブラケット
４３ エアラインイン
４４ リミットスイッチ
４５ リミットスイッチ
４６ ドグ

Claims (7)

1. ハウジング（３）内のスピンドル（４）について回転機能、回転量設定機能および移動機能を有する工作機械（２）において、ハウジング（３）に対して回り止め状態で着脱自在に取り付けられるボデイ（５）と、このボデイ（５）に回転自在に支持され、スピンドル（４）に回り止め状態で着脱自在に取り付けられ、スピンドル（４）と共に回転するテーパシャンク（６）と、このテーパシャンク（６）の中心線に一致する状態でテーパシャンク（６）に固定されているドライブシャフト（７）と、ボデイ（５）に取り付けられ、ワーク（８）の搬入搬出方向に移動可能なキャリアアーム（９）と、ドライブシャフト（７）の回転運動をワーク（８）の搬入搬出方向の往復直線運動に変換し、往復直線運動をキャリアアーム（９）に伝達する運動変換手段（１０）と、キャリアアーム（９）に取り付けられワーク（８）を把持するワークハンド（１１）と、を有することを特徴とするワーク自動交換装置（１）。
2. ハウジング（３）内のスピンドル（４）について回転機能および移動機能を有する工作機械（２）において、ハウジング（３）に対して回り止め状態で着脱自在に取り付けられるボデイ（５）と、このボデイ（５）に回転自在に支持され、スピンドル（４）に回り止め状態で着脱自在に取り付けられ、スピンドル（４）と共に回転するテーパシャンク（６）と、このテーパシャンク（６）の中心線に一致する状態でテーパシャンク（６）に固定されているドライブシャフト（７）と、ボデイ（５）に取り付けられ、ワーク（８）の搬入搬出方向に移動可能なキャリアアーム（９）と、ドライブシャフト（７）の回転運動をワーク（８）の搬入搬出方向の往復直線運動に変換し、往復直線運動をキャリアアーム（９）に伝達する運動変換手段（１０）と、キャリアアーム（９）の移動と連動する部分でキャリアアーム（９）の搬入搬出方向の移動位置を検出する位置検出器（２０）と、キャリアアーム（９）に取り付けられワーク（８）を把持するワークハンド（１１）と、を有することを特徴とするワーク自動交換装置（１）。
3. ボデイ（５）にワーク（８）の搬入搬出方向のリニアモーションガイドウエイ（１２）およびリニアモーションガイドウエイ（１２）に沿って移動可能なガイド（１３）を設けて、キャリアアーム（９）をワーク（８）の搬入搬出方向に移動自在とする、ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のワーク自動交換装置（１）。
4. 運動変換手段（１０）をドライブシャフト（７）によって駆動されるリードスクリュ（１６）と、リードスクリュ（１６）に対しねじ対偶により組み合わせられ、キャリアアーム（９）に連結されているスクリュナット（１７）とで構成する、ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のワーク自動交換装置（１）。
5. ドライブシャフト（７）中に所定交角の一対のギヤ（１４、１５）を介在させ、前記所定交角によってワーク（８）の搬入搬出方向を設定する、ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のワーク自動交換装置（１）。
6. 運動変換手段（１０）をドライブシャフト（７）によって駆動されるピニオンギャ（１８）と、ピニオンギヤ（１８）にかみ合い、キャリアアーム（９）に連結されているラックギヤ（１９）とで構成する、ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のワーク自動交換装置（１）。
7. ワークハンド（１１）を電磁駆動式あるいは空圧駆動式のメカニカルな開閉型クランパないし開閉型チャック、電磁吸引式ハンド、真空吸引パッドおよびワーク（８）載置用フオークのいずれかにより構成する、ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のワーク自動交換装置（１）。

Images