JP2017087298A - ツール交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態を確実に維持でき、かつ薄型化を促進できるツール交換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、ロボットアームに取付けられるマスタプレートと、マスタプレートに着脱可能に装着されツールに取付けられるツールプレートとを備え、ツールプレートが筒状の凹部を有すると共にマスタプレートが上記凹部に嵌入可能な柱状の凸部を有するツール交換装置であって、凹部及び凸部の軸方向に対して略直交する第一方向に出退するよう凸部に配設される複数の球体と、凹部に配設され、複数の球体が係入可能な複数の溝部と、凸部に配設され、軸方向及び第一方向の双方に対して略直交する第二方向に移動可能であり、第二方向における第一位置において進出状態の複数の球体の退出を規制すると共に第二位置において複数の球体の退出を許容するテーパ状の円筒カムを有する規制部材とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ツール交換装置に関する。

工場等の工業設備で用いられるロボットアームは、先端に溶接器具等の種々のツール（エンドエフェクタ）を装着して生産作業を行う。このようなツールの交換を容易にするための装置としてツール交換装置がある（特開２００３−１１７８６９号公報参照）。このツール交換装置は、ロボットアームの先端に取付けられるマスタプレートと、各種のツールをそれぞれ装着した複数のツールプレートとの組み合わせからなる。各ツールプレートはマスタプレートと嵌合可能に形成されており、ツールプレートを交換することで、ロボットアームのツールの交換を容易に行うことができる。

上記従来のツール交換装置では、マスタプレートが嵌合方向に突出した凸部を有し、この凸部内に複数の球体とこの球体の位置を変更する嵌合方向に延伸した円筒カムとが配設されている。一方、ツールプレートはマスタプレートの凸部が嵌入される凹部を有し、この凹部内に上記球体を係入可能な溝部が形成されている。上記従来のツール交換装置では、上記凸部内の円筒カムを嵌合方向に移動させることで、球体を凸部から押出して上記凹部の溝部に係入し嵌合状態をロックする。

ところで、ツールプレートに装着したツールを介して大きな荷重やモーメントが加わる場合、プレート間のロックを確実にするためには、上記ロック機構を大型化、複雑化等する必要がある。一方で、比較的小型のツールを用いるロボットアーム用のツール交換装置では、ツール交換装置自体の薄型化が強く求められる。しかし、従来のツール交換装置では、上述のように嵌合方向に沿って円筒カム等のロック機構を構成する部材が配設される。そのため、ロック機構を大型化又は複雑化すると、必然的にツール交換装置の厚さが大きくなり、ツール交換装置の薄型化に限界がある。

特開２００３−１１７８６９号公報

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態を確実に維持でき、かつ薄型化を促進できるツール交換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、ロボットアームに取付けられるマスタプレートと、このマスタプレートに着脱可能に装着され、ツールに取付けられるツールプレートとを備え、上記ツールプレートが筒状の凹部を有すると共にマスタプレートが上記凹部に嵌入可能な柱状の凸部を有するツール交換装置であって、上記凹部及び凸部の軸方向に対して略直交する第一方向に出退するよう上記凸部に配設される複数の球体と、上記凹部に配設され、上記複数の球体が係入可能な複数の溝部と、上記凸部に配設され、上記軸方向及び第一方向の双方に対して略直交する第二方向に移動可能であり、第二方向における第一位置において進出状態の上記複数の球体の退出を規制すると共に第二位置において上記複数の球体の退出を許容するテーパ状の円筒カムを有する規制部材とを備えることを特徴とする。

当該ツール交換装置は、マスタプレートの凸部に配設される複数の球体の出退を規制するテーパ状の円筒カムを有する規制部材が、凸部及び凹部の軸方向（嵌入方向）及び第一方向（球体の出退方向）の双方に対して略直交する第二方向に移動可能に設けられているため、この規制部材の長さによらずマスタプレートの厚さを設計することができる。その結果、当該ツール交換装置は、マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態（締結状態）を確実に維持することができると共に、マスタプレート及びツールプレートの薄型化を促進できる。

上記マスタプレートが上記規制部材を第二方向に往復移動させるネジ送り機構をさらに備えるとよい。このように上記マスタプレートがネジ送り機構を備えることで、工業エア、電気、手動等の種々の動力によって規制部材を移動させて嵌合状態のロック及び解除を行うことができるため、汎用性を高めることができる。

上記ネジ送り機構が上記凸部に規制部材と当接して配設される弾性部材をさらに備え、上記規制部材がこの弾性部材を介して上記ネジ送り機構から押圧を受けるとよい。このように規制部材を弾性部材を介して押圧することで、ネジ送り機構に微動等が生じても弾性部材によって規制部材への付勢が維持される。その結果、ネジ送り機構の微動等により規制部材が第二方向に移動して嵌合状態が解除されることを防止でき、嵌合状態をより確実に維持できる。

上記ネジ送り機構がハンドルを有するとよい。このようにネジ送り機構がハンドルを有することで、嵌合状態のロック及び解除を手動で行うことができる。その結果、工業エア等の動力が供給できない環境でも使用が可能となる。

上記規制部材の第二方向中心軸と上記ハンドルの回転軸とが略平行でかつ一致しないとよい。このように規制部材の中心軸とハンドルの回転軸とをずらして配設することで、規制部材とネジ送り機構とを並列に配置することができる。その結果、凸部の上記第二方向の長さを小さくすることができる。また、ハンドルの回転軸と規制部材の移動方向とが一致するため、ネジ送り機構の移動方向を変えて規制部材に伝達する機構（ギヤやカム等）を設ける必要がないため、マスタプレートの薄型化を促進することができる。

ネジ送り機構が逆回転防止機構を有するとよい。このようにネジ送り機構に逆回転防止機構を設けることで、嵌合状態をロックする際にネジ送り機構が不用意に逆回転することを防止できるため、嵌合状態の維持性能をより高めることができる。

なお、「略直交」とは、２つの方向の成す角度の絶対値が８５°以上９５°以下であることを意味し、「略平行」とは、２つの方向の成す角度の絶対値が５°以下であることを意味する。

以上説明したように、本発明のツール交換装置によれば、マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態を確実に維持でき、かつ薄型化を促進できる。従って、比較的軽量のツールを扱うロボットアームに好適に用いることができる。

本発明の一実施形態に係るツール交換装置のマスタプレートを示す模式的側面図である。 図１のマスタプレートを下面側から見た模式的平面図である。 図１のＡ−Ａ線での模式的断面図であり、（ａ）は規制部材が第一位置にある状態、（ｂ）は規制部材が第二位置にある状態を示す。 図２のＣ−Ｃ線での模式的断面図である。 図１のＢ−Ｂ線での模式的端面図である。 本発明の一実施形態に係るツール交換装置のツールプレートを上面側から見た模式的平面図ある。 図６のＤ−Ｄ線での模式的断面図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明のツール交換装置の実施形態を詳説する。

図１から図７に示すツール交換装置は、ロボットアームに取付けられるマスタプレート１と、このマスタプレート１に着脱可能に装着され、ツールに取付けられるツールプレート２とを備える。上記ツールプレート２には筒状の凹部２１が上面（図７中上側の面）に形成され、上記マスタプレート１には上記凹部２１に嵌入可能な柱状の凸部１２が下面（図１中下側の面）に形成される。

［マスタプレート］
マスタプレート１は、本体部１１と、この本体部１１の下面に形成され、後述するツールプレート２の凹部２１に嵌入可能な柱状の凸部１２と、この凸部１２内に配設される規制部材１２ａを往復移動させるネジ送り機構１３とを主に備える。マスタプレート１は、本体部１１の上面がロボットアームに装着可能に構成されると共に、本体部１１の下面の凸部１２がツールプレート２の凹部２１に嵌入されることでツールプレート２と嵌合可能に構成される。マスタプレート１のケーシング（本体部１１及び凸部１２の外壁面）は強度及び剛性の観点から、一般に金属を加工して形成される。

＜本体部＞
本体部１１は、四角柱状を有する。本体部１１の上面（図１中上側の面）にはロボットアームとの接続機構（図示省略）が設けられている。また、本体部１１の下面（図１中下側の面）には凸部１２と、ツールプレート２との嵌合時に位置合わせを行うための複数の位置決めピン１１ａが突設される。また、本体部１１の側面には、後述するネジ送り機構１３のピストン１３ｂの位置を目視できる確認窓１１ｂが形成される。

本体部１１の内部には、図４に示すように、ネジ送り機構１３を構成するシャフト１３ａと、ピストン１３ｂの一部と、逆回転防止機構１３ｅが格納される。本体部１１の上面及び下面の大きさ（面積）はロボットアームの先端部又はツールプレート２に装着されるツールの形状に合わせて適宜設計され、高さ（上面と下面との距離）は上述の構成要素を格納できるよう設計される。

＜凸部＞
凸部１２は、上記本体部１１の下面の中央部分から下方に略垂直に突設するよう形成される。凸部１２の外形は四角柱状であり、各面は本体部１１の対応する面と略平行である。凸部１２は、本体部１１と一体形成することが好ましい。なお、凸部１２の軸方向は、凸部１２のツールプレート２の凹部２１への嵌入方向に一致する。

凸部１２の内部には、軸方向に対して略直交する第一方向Ｘに出退する２個の球体１２ｂと、上記軸方向及び第一方向Ｘの双方に対して略直交する第二方向Ｙに移動可能であり、図３に示すように第二方向Ｙにおける第一位置Ｐにおいて進出状態の上記２個の球体１２ｂの退出を規制すると共に第二位置Ｑにおいて上記２個の球体１２ｂの退出を許容する規制部材１２ａとが配設される。なお、凸部１２の内部空間は本体部１１の内部空間と連続すると共に、凸部１２の下面に形成された開孔と連続している。この開孔によって規制部材１２ａの位置等を目視することができる。

凸部１２の突出長さ（厚さ）の上限としては、３０ｍｍが好ましく、２０ｍｍがより好ましく、１８ｍｍがさらに好ましい。一方、凸部１２の突出長さの下限としては、１０ｍｍが好ましく、１２ｍｍがより好ましい。凸部１２の突出長さが上記上限を超える場合、当該ツール交換装置の薄型化が実現できないおそれがある。逆に、凸部１２の突出長さが上記下限未満の場合、凸部１２内に配設される球体１２ｂ等の大きさが制限され、マスタプレート１とツールプレート２との嵌合状態の維持性が低下するおそれがある。

（球体）
球体１２ｂは、後述する凹部２１の溝部２１ａに係入することで、凸部１２の凹部２１への嵌入状態をロックするための要素である。球体１２ｂは、凸部１２の対向する２つの側壁（以下、「球体出退側壁」と呼称することがある）にそれぞれ形成された貫通孔１２ｃを介して凸部１２の軸方向に対して略直交する第一方向Ｘに出退する。上記貫通孔１２ｃは、球体１２ｂの直径よりもわずかに小さい円形の孔である。つまり、球体１２ｂは、後述する規制部材１２ａが格納される凸部１２内の空間と貫通孔１２ｃとが連続する部分に配設される。また、２個の球体１２ｂは、貫通孔１２ｃと反対側で規制部材１２ａのテーパ状の円筒カムに当接する。そのため、２個の球体１２ｂは、それぞれ貫通孔１２ｃと円筒カムとの間に保持され、凸部１２の一対の球体出退側壁から第一方向Ｘの異なる向きに進出及び退出可能に配設される。

球体１２ｂは、貫通孔１２ｃからの出退及び溝部２１ａへの係入を確実にするために真球であることが好ましい。球体１２ｂの直径はツールプレート２に装着するツールの質量等によって適宜設計されるが、例えば５ｍｍ以上７ｍｍ以下とすることができる。また、球体１２ｂは剛性の高い材料で形成することが好ましく、その材質としては例えば金属がよい。

上記貫通孔１２ｃの直径は、上記球体１２ｂの直径と同じである。ただし、貫通孔１２ｃは、凸部１２の外側の開口部分に開口縁から孔の中心に向かって球体１２ｂの進出を妨げない程度に延出する出っ張り部を有し、この開口の直径が貫通孔１２ｃの他の部分の直径よりもわずかに小さく形成される。これにより球体１２ｂをスムーズに進出及び退出させることができると共に、球体１２ｂが凸部１２外へ離脱してしまうことを防止する。

（規制部材）
規制部材１２ａは、上記２個の球体１２ｂと当接し、これら球体１２ｂの退出を規制又は許容するテーパ状の円筒カムを有する筒状体であり、凸部１２内の空間に配設される。この規制部材１２ａの円筒カムの半径方向中心には長手方向の貫通孔が形成され、この貫通孔に規制部材摺動軸１２ｄが挿通される。この規制部材摺動軸１２ｄは、上記第二方向Ｙに延伸し、凸部１２内に固定される。規制部材１２ａは、この規制部材摺動軸１２ｄと貫通孔内の内面が摺動することで第二方向Ｙに移動可能に配設される。また、上記２個の球体１２ｂは、この円筒カムを挟んで対称に配設される。規制部材１２ａは剛性の高い材料で形成することが好ましく、材質としては例えば金属がよい。

上記円筒カムは、第二方向Ｙに漸次縮径する縮径領域（テーパ部）を有する。規制部材１２ａが円筒カムの縮径方向（図３中左側）にある第一位置Ｐに移動すると、球体１２ｂに当接する円筒カムの径が大きくなる。そのため、球体１２ｂが円筒カムにより半径方向に押し出され凸部１２の球体出退側壁から進出する。この状態（図３（ａ））で規制部材１２ａを固定すると、球体１２ｂの退出が規制され、凸部１２から球体１２ｂが進出した状態で固定される。逆に、規制部材１２ａが円筒カムの拡径方向（図３中右側）にある第二位置Ｑに移動すると、球体１２ｂに当接する円筒カムの径が小さくなる。この状態（図３（ｂ））では、球体１２ｂの球体出退側壁からの退出が許容される。

上記円筒カムについてさらに詳説すると、上記円筒カムは、第二方向Ｙに漸次縮径する第一縮径領域Ｓ１と、この第一縮径領域Ｓ１の縮径方向と反対側に連続し、軸方向に径が一定の第一円筒領域Ｔと、この第一円筒領域Ｔに連続し、第一縮径領域Ｓ１と同じ向きに漸次縮径する第二縮径領域Ｓ２とから構成される。上記第二縮径領域Ｓ２の最小径（図３中左端での径）は、第一縮径領域Ｓ１の最大径と等しい。また、第二縮径領域Ｓ２の最大径（図３中右端での径）は、規制部材１２ａが配設される凸部１２内の空間の幅と略等しい。さらに、上記第一円筒領域Ｔの径は、球体１２ｂが当接した際に、その進出状態を維持する大きさに設計される。なお、第一縮径領域Ｓ１及び第二縮径領域Ｓ２の軸方向縮径率（テーパ角度）はそれぞれ一定であり、第二縮径領域Ｓ２の軸方向縮径率は第一縮径領域Ｓ１の軸方向縮径率よりも小さい。

以上の構成から、規制部材１２ａが第一位置Ｐにあるとき、球体１２ｂには上記第二縮径領域Ｓ２又は第一円筒領域Ｔが当接し、球体１２ｂの退出（凸部１２内側への移動）が規制される。一方、規制部材１２ａが第二位置Ｑにあるとき、球体１２ｂには第二縮径領域Ｓ２よりも径の小さい第一縮径領域Ｓ１が当接するため、球体１２ｂの退出が許容される。

上記第一縮径領域Ｓ１のテーパ角度の下限としては、１０°が好ましく、１１°がより好ましい。一方、第一縮径領域Ｓ１のテーパ角度の上限としては、２０°が好ましく、１５°がより好ましい。第一縮径領域Ｓ１のテーパ角度が上記下限未満の場合、球体１２ｂの出退を規制する際に規制部材１２ａの必要移動量が大きくなる。逆に、第一縮径領域Ｓ１のテーパ角度が上記上限を超える場合、規制部材１２ａの移動が円滑に行えないおそれがある。

上記第二縮径領域Ｓ２のテーパ角度の下限としては、３５°が好ましく、４５°がより好ましい。一方、第二縮径領域Ｓ２のテーパ角度の上限としては、５５°が好ましく、５０°がより好ましい。第二縮径領域Ｓ２のテーパ角度が上記下限未満の場合、第一位置Ｐにおいて球体１２ｂの進出状態の規制が不安定になるおそれがある。逆に、第二縮径領域Ｓ２のテーパ角度が上記上限を超える場合、球体１２ｂの出退の規制が困難になるおそれがある。

上記第一円筒領域Ｔの直径は球体１２ｂや凸部１２の大きさによって適宜設計されるが、例えば６ｍｍ以上９ｍｍ以下とすることができる。また、第一円筒領域Ｔの軸方向長さは、例えば球体１２ｂの直径の１０％以上３０％以下とすることができる。

なお、マスタプレート１とツールプレート２との嵌合を維持すべき状態において、規制部材１２ａが何らかの要因で第一位置Ｐから第二位置Ｑ側へずれても、上記第一円筒領域Ｔが一定の軸方向長さを有するため、球体１２ｂが即座に球体出来側壁から退出して嵌合が解除されることを防止できる。

また、規制部材１２ａは、上記円筒カム（第一領域Ｓ２）の縮径方向側に、軸方向に径が一定の円筒領域Ｕを介して上記円筒カムと反対の向きに縮径する逆テーパ領域Ｖを有する。この逆テーパ領域Ｖの最大径（図３中左端での径）は、規制部材１２ａが配設される凸部１２内の空間の幅と略等しい。この逆テーパ領域Ｖにより、球体１２ｂが退出許容状態にあるとき（規制部材１２ａが第二位置Ｑにあるとき）、球体１２ｂの凸部１２内部での移動を規制できる。

さらに、規制部材１２ａは、後述するバネ１３ｃを固定するための溝を一方の端部に有する。この溝は、規制部材摺動軸１２ｄを挿通する貫通孔と連続して設けられる。

＜ネジ送り機構＞
ネジ送り機構１３は、上記規制部材１２ａを第二方向Ｙに往復移動させる機構である。このネジ送り機構１３は、シャフト１３ａ、ピストン１３ｂ、バネ１３ｃ、ハンドル１３ｄ、及び逆回転防止機構１３ｅを有する。ネジ送り機構１３を構成する各要素の材質としては、強度及び剛性の観点から例えば金属がよい。

（シャフト）
シャフト１３ａは、表面の一部に螺旋状の溝を有する棒状体であり、上記第二方向Ｙに軸方向が一致する向きで本体部１１内に軸中心に回転可能かつ移動しないように軸受１３ｆによって支持される。

（ピストン）
ピストン１３ｂは、内周面に螺旋状の溝が形成され、上記シャフト１３ａの溝と螺合する雌ネジ部と、上記規制部材摺動軸１２ｄを挿通させる貫通孔が形成され、規制部材摺動軸１２ｄに沿って摺動する摺動部とを有する。上記雌ネジ部は本体部１１内に配設され、上記摺動部は凸部１２内に配設され、これらの部材は上下に繋がって一体形成される。この摺動部は、規制部材１２ａの円筒カムの拡径方向側（図４中右側）に配設されると共に、後述するバネ１３ｃを固定する溝を有する。さらに、ピストン１３ｂは上記規制部材１２ａの円筒カムに係合するフック部を有する。

シャフト１３ａとピストン１３ｂとは、上述の螺旋状の溝が螺合することによって送りねじを構成する。つまり、シャフト１３ａの回転により、ピストン１３ｂは上記第二方向Ｙに進退する。

（バネ）
バネ１３ｃは、ピストン１３ｂからの押圧を規制部材１２ａに伝える弾性部材である。このバネ１３ｃは、規制部材摺動軸１２ｄを囲繞しつつ、一端が規制部材１２ａに固定され、他端がピストン１３ｂの摺動部に固定される。ピストン１３ｂがシャフト１３ａの回転によって上記規制部材１２ａの円筒カムの縮径方向（図４中左側）に移動すると、バネ１３ｃに圧縮力が加わり、このバネ１３ｃを介して規制部材１２ａが円筒カムの縮径方向に移動する。逆に、ピストン１３ｂがシャフト１３ａの回転によって上記規制部材１２ａの円筒カムの拡径方向（図４中右側）に移動すると、バネ１３ｃの圧縮力が解除されると共に、上記ピストン１３ｂのフック部の牽引により規制部材１２ａが円筒カムの拡径方向に移動する。

なお、上記バネ１３ｃが規制部材１２ａに対し十分な押圧を及ぼすにはピストン１３ｂがバネ１３ｃを一定量圧縮可能な規定位置まで移動する必要がある。このピストン１３ｂの位置確認は、確認窓１１ｂによって目視で行うことができる。

なお、上記ピストン１３ｂの位置（押し込み量）を確認する手段として、上記確認窓１１ｂに替えて、リミットスイッチ、後述するネジ送り機構１３のハンドル１３ｄのトルク測定器、ピストン１３ｂ又は規制部材１２ａとの接触により本体部１１外へ突出するピン等を用いることもできる。

（ハンドル）
ハンドル１３ｄは、上記シャフト１３ａを回転させるための機構である。具体的には、ハンドル１３ｄはその回転軸がシャフト１３ａの中心軸と一致するようシャフト１３ａの一端に結合され、この回転軸と偏心した位置に把持部が形成されている。つまり、規制部材１２ａの第二方向中心軸とハンドル１３ｄの回転軸とは略平行であるが上下方向に離間して位置する。

このハンドル１３ｄの把持部を把持し回転軸周りに回転させることで、上述のようにシャフト１３ａの回転によりピストン１３ｂが第二方向Ｙに移動し、規制部材１２ａをバネ１３ｃを介して第二方向Ｙに移動させることができる。この規制部材１２ａの移動により、球体１２ｂの出退の規制状態が変わるため、嵌合状態のロック及び解除を行うことができる。

（逆回転防止機構）
逆回転防止機構１３ｅは、シャフト１３ａの逆回転を防止する機構である。特に嵌合状態のロックを行うとき、つまり規制部材１２ａを第一位置Ｐに移動させる場合、球体１２ｂを凸部１２の内部に押し返そうとする力がツールプレート２の凹部２１の溝部２１ａから加わるため、この力によってシャフト１３ａが逆回転し易い。上記逆回転防止機構１３ｅはこのような逆回転を防止できるいわゆるラチェット機構である。具体的には、逆回転防止機構１３ｅは、シャフト１３ａのハンドル１３ｄとは反対側の端部付近周面に配設された歯車部１３ｇと、この歯車部１３ｇの歯に一方の端部が当接する棒状体の歯止め１３ｈとからなる。この歯止め１３ｈの他方の端部は本体部１１の側壁に設けた窓から突出している。

この歯止め１３ｈの歯車部１３ｇに当接する一端は、歯車部１３ｇの下方向側のみに変動可能に構成される。そのため、シャフト１３ａの図５中の時計回りの回転は許容されるが、反時計回りの回転は歯止め１３ｈによって阻止される。なお、図５中の時計回りの回転方向が嵌合状態をロックさせる回転方向である。嵌合状態の解除を行う場合、つまりシャフト１３ａを反時計回りに回転させる場合、本体部１１の窓から突出した歯止め１３ｈの他端を上方に持ち上げ支点を中心に回転させ、歯止め１３ｈの一端を歯車部１３ｇから離間させることで反時計回りの回転を可能にできる。

なお、歯止め１３ｈは、上述のように支点を中心に回転させる代わりに、本体部１１の窓からの抜き差し操作によって歯車部１３ｇへの当接を制御してもよい。

［ツールプレート］
ツールプレート２は、上記マスタプレート１の凸部１２が嵌入可能な筒状の凹部２１を主に備える。ツールプレート２は、下面側（図７中下側）にツールが装着可能に構成されると共に、上面に形成される凹部２１にマスタプレート１の凸部１２が嵌入されることでマスタプレート１と嵌合される。ツールプレート２のケーシングはマスタプレート１同様、強度及び剛性の観点から、一般に金属を加工して形成される。

ツールプレート２は、四角柱状を有する。ツールプレート２の下面（図７中下側の面）にはツールとの接続機構（図示省略）が設けられている。また、ツールプレート２の上面（図７中上側の面）には凹部２１と、マスタプレート１の複数の位置決めピン１１ａが挿入される複数の位置決め孔２２が形成される。ツールプレート２の平面視面積は、マスタプレート１の本体部１１の平面視面積と略同じである。

＜凹部＞
凹部２１には、マスタプレート１の凸部１２が嵌入される。凹部２１は底面及び４つの側面を有する角筒状であり、その寸法は、凸部１２の外形よりも若干大きい。このように遊びを有するように凹部２１の寸法を設計することで、嵌入作業を容易にできる。当該ツール交換装置は、上記位置決めピン１１ａ及び位置決め孔２２によってマスタプレート１とツールプレート２との位置が規定され、かつ球体１２ｂによって嵌合状態がロックされるため、凹部２１と凸部１２とが嵌入状態で隙間を有してもよい。この凹部２１には、凸部１２の２個の球体１２ｂが係入可能な２つの溝部２１ａが配設される。また、凹部２１は、４つの側面が全てツールプレート２のケーシングの一部で構成されている。つまり、凹部２１は、ツールプレート２の側壁（嵌合方向と平行な壁）を貫通することなく形成されている。このように凹部２１がツールプレート２の内部に形成されることで、凹部２１とマスタプレート１の凸部１２との嵌合時の位置精度を高めると共に、ツールプレート２の強度を高めることができる。

（溝部）
溝部２１ａは、凹部２１を構成する内壁面のうち、凸部１２の球体出退側壁と対応する２つの壁面（以下、「球体係入側壁」と呼称することがある）に１つずつ形成される。溝部２１ａは、球体出退側壁から突出した球体１２ｂの突出部分の少なくとも上半分が係入可能な形状を有する。具体的に説明すると、凹部２１の球体係入側壁には、凸部１２の嵌入状態での球体１２ｂの中心位置高さにおいて、凹部２１の内側から外側に向かって段部が形成されている。つまり、上記球体係入側壁は、ツールプレート２の上面から連続し、上下方向に延伸する第一面と、球体１２ｂの中心位置高さでこの第一面と垂直に交わり、凹部２１の外側に延伸する第二面と、この第二面と垂直に交わり、上下方向に延伸する第三面とを有する。上記溝部２１ａは、上記第一面の下端部（第二面との交線部分）に形成され、球体１２ｂの突出部の上半分に沿った内面を有する溝からなる。この溝部２１ａは、２個の球体１２ｂを係入可能なように、対向する凹部２１の球体係入側壁に対称に形成される。

［ツール交換装置の使用方法］
以下に、当該ツール交換装置の使用方法を説明する。

最初に、マスタプレート１とツールプレート２とを嵌合する方法について説明する。まず、マスタプレート１の凸部１２がツールプレート２の凹部２１に嵌入され、マスタプレート１の複数の位置決めピン１１ａがツールプレート２の位置決め孔２２にそれぞれ挿入されるようにマスタプレート１とツールプレート２とを重ね合わせる。次に、マスタプレート１とツールプレート２とを重ね合わせた状態で、ハンドル１３ｄを回転させてシャフト１３ａを移動させ、規制部材１２ａをピストン１３ｂ及びバネ１３ｃを介して第一位置Ｐまで移動させる。このとき逆回転防止機構１３ｅの歯止め１３ｈを歯車部１３ｇに当接させて逆回転防止機構１３ｅが機能するようにしておく。規制部材１２ａが第一位置Ｐまで移動した状態でハンドル１３ｄの回転を止めることで、球体１２ｂが第一方向Ｘに進出し凹部２１の溝部２１ａに係入した状態で固定することができる。これにより、マスタプレート１とツールプレート２との嵌合状態がロックされる。

次に、マスタプレート１からツールプレート２を離脱させる方法について説明する。まず、歯止め１３ｈを歯車部１３ｇから離間させて逆回転防止機構１３ｅを解除する。次に、ハンドル１３ｄを嵌合時とは逆の方向に回転させてシャフト１３ａを移動させ、規制部材１２ａをフック部の牽引により第二位置Ｑまで移動させる。規制部材１２ａを第二位置Ｑまで移動させることで、球体１２ｂの第一方向Ｘの退出が許容され凹部２１の溝部２１ａからの係入が解除される。この状態で、マスタプレート１とツールプレート２とを離間させることで、マスタプレート１からツールプレート２を離脱できる。

［利点］
当該ツール交換装置は、マスタプレート１の凸部１２に配設される２個の球体１２ｂの出退を規制する規制部材１２ａが、凸部１２及び凹部２１の軸方向（嵌入方向）及び第一方向Ｘ（球体１２ｂの出退方向）の双方に対して略直交する第二方向Ｙに移動可能に設けられているため、この規制部材１２ａの長さによらずマスタプレート１の厚さを設計することができる。その結果、当該ツール交換装置は、マスタプレート１とツールプレート２との嵌合状態を確実に維持することができると共に、マスタプレート１及びツールプレート２の薄型化を促進できる。

また、当該ツール交換装置は、規制部材１２ａが円筒カムを有し、この円筒カムによって球体１２ｂの出退を規制するため、嵌合状態を確実に維持できるロック機構を容易に構成することができ、薄型化をさらに促進することができる。

さらに、当該ツール交換装置は、ハンドル１３ｄを有するネジ送り機構１３を備えることで、嵌合状態のロック及び解除を手動で行うことができる。その結果、工業エア等の動力が供給できない環境でも使用することができる。また、規制部材１２ａとネジ送り機構１３とをマスタプレート１内に上下方向に並列に配置しているため、当該ツール交換装置は凸部１２の上記第二方向Ｙの長さを小さくすることができる。また、ハンドル１３ｄの回転軸と規制部材１２ａの移動方向とが一致するため、ネジ送り機構１３の移動方向を変えて規制部材１２ａに伝達する機構（ギヤやカム等）を設ける必要がないため、当該ツール交換装置はマスタプレート１の薄型化をさらに促進することができる。

また、当該ツール交換装置は、規制部材１２ａを弾性を有するバネ１３ｃを介して押圧するため、ネジ送り機構１３に微動等が生じてもバネ１３ｃによって規制部材１２ａの付勢が維持される。その結果、ネジ送り機構１３の微動等により規制部材１２ａが第二方向Ｙに移動して嵌合状態が解除されることを防止でき、嵌合状態をより確実に維持できる。

さらに、当該ツール交換装置は、ネジ送り機構１３に逆回転防止機構１３ｅを設けることで、嵌合状態をロックする際にネジ送り機構１３が不用意に逆回転することを防止でき、嵌合状態の維持性能をより高めることができる。

［その他の実施形態］
本発明のツール交換装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、凸部に配設される球体の個数は２個に限定されず、３個以上であってもよい。ただし、嵌合状態のロック強度を高めるためには規制部材を挟んで対称の位置に球体を配設することがよいため、球体の個数としては偶数が好ましい。球体の個数が４個以上（２個の球体の組が２以上）の場合、規制部材に複数の円筒カムを設け、それぞれの円筒カムに２個の球体が当接するようにすることで、１つの規制部材の移動により複数の球体の出退を規制することができる。また、複数の規制部材を２個の球体の組ごとに設けてもよい。複数の規制部材を設ける場合、規制部材は１つの凸部内に直列に配設してもよいし、マスタプレートに複数の凸部を平行に形成し、各凸部内にそれぞれ規制部材を配設してもよい。

また、上記実施形態のツール交換装置は、ハンドルによって手動で規制部材を移動させるものであるが、ハンドルは必須の構成要件ではなく、当該ツール交換装置は規制部材を工業エア、電気、油圧等によって移動させてもよい。これらの動力源を用いる場合、ネジ送り機構のシャフトをこれらの動力源で回転させてもよく、ネジ送り機構を省略し規制部材を直接又はピストン等を介してこれらの動力源で移動させてもよい。例えば工業エアを用いる場合、凸部内に工業エアを送り込んで規制部材の一端に圧力を加えることで規制部材を第二方向に移動させることができる。

さらに、当該ツール交換装置がネジ送り機構を備える場合、バネ（弾性部材）は必須の構成要件ではなく、ネジ送り機構のピストンと規制部材とを当接させ、ネジ送り機構で直接規制部材を押圧してもよい。なお、弾性部材としては、バネ以外にエラストマ等の弾性を有する素材を規制部材摺動軸を囲繞する筒状に形成したものを用いることができる。

また、上記実施形態では、規制部材の第二方向中心軸とネジ送り機構のハンドルの回転軸とが略平行でかつ一致しない（マスタプレートの嵌入方向に並ぶ）構成としたが、これらの軸の位置関係はこれに限定されない。例えば、ハンドルの回転軸は規制部材の第二位置方向中心軸と平行でなくてもよい。ただし、これらの軸が平行でない場合、ネジ送り機構のシャフトの移動方向（ネジ送り方向）を規制部材の移動方向に変換する機構が必要となりマスタプレート内の構成が複雑化する。従って、規制部材の第二方向中心軸とネジ送り機構のハンドルの回転軸とは略平行とすることが好ましい。

さらに、凸部の形状は円柱状でも、四角柱以外の多角柱状でもよい。同様に、凹部の形状は凸部の形状に合わせて、円筒状や四角筒以外の多角筒状とすることができる。

以上説明したように、本発明のツール交換装置は、マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態を確実に維持でき、かつ薄型化を促進できるため、例えば可搬重量が１０ｋｇ未満の小型のツール交換装置として好適に用いられる。

１ マスタプレート
２ ツールプレート
１１ 本体部
１１ａ 位置決めピン
１１ｂ 確認窓
１２ 凸部
１２ａ 規制部材
１２ｂ 球体
１２ｃ 貫通孔
１２ｄ 規制部材摺動軸
１３ ネジ送り機構
１３ａ シャフト
１３ｂ ピストン
１３ｃ バネ
１３ｄ ハンドル
１３ｅ 逆回転防止機構
１３ｆ 軸受
１３ｇ 歯車部
１３ｈ 歯止め
２１ 凹部
２１ａ 溝部
２２ 位置決め孔

Claims (6)

1. ロボットアームに取付けられるマスタプレートと、このマスタプレートに着脱可能に装着され、ツールに取付けられるツールプレートとを備え、上記ツールプレートが筒状の凹部を有すると共にマスタプレートが上記凹部に嵌入可能な柱状の凸部を有するツール交換装置であって、
   上記凹部及び凸部の軸方向に対して略直交する第一方向に出退するよう上記凸部に配設される複数の球体と、
   上記凹部に配設され、上記複数の球体が係入可能な複数の溝部と、
   上記凸部に配設され、上記軸方向及び第一方向の双方に対して略直交する第二方向に移動可能であり、第二方向における第一位置において進出状態の上記複数の球体の退出を規制すると共に第二位置において上記複数の球体の退出を許容するテーパ状の円筒カムを有する規制部材と
   を備えることを特徴とするツール交換装置。
2. 上記マスタプレートが上記規制部材を第二方向に往復移動させるネジ送り機構をさらに備える請求項１に記載のツール交換装置。
3. 上記ネジ送り機構が上記凸部に規制部材と当接して配設される弾性部材をさらに備え、
   上記規制部材がこの弾性部材を介して上記ネジ送り機構から押圧を受ける請求項２に記載のツール交換装置。
4. 上記ネジ送り機構がハンドルを有する請求項２又は請求項３に記載のツール交換装置。
5. 上記規制部材の第二方向中心軸と上記ハンドルの回転軸とが略平行でかつ一致しない請求項４に記載のツール交換装置。
6. 上記ネジ送り機構が逆回転防止機構を有する請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のツール交換装置。

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