JP2020001144A

JP2020001144A - 工具交換装置のグリップアームと工作機械

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Publication number: JP2020001144A
Application number: JP2018125261A
Authority: JP
Inventors: 京平下坂; Kyohei Shimosaka; 邦彦宇野; Kunihiko Uno
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: JP7056414B2; CN110653647B; CN110653647A

Abstract

【課題】支持ピンが工具ホルダの溝部に繰り返し摺動しても、工具ホルダを正常に把持できる工具交換装置のグリップアームと工作機械を提供する。【解決手段】工具交換装置のグリップアームは一端に把持部を有する。把持部は二股部、右側支持機構、左側支持機構等を備える。右側支持機構と左側支持機構は二股部の一対の端部に設け、夫々筒状体を有する。筒状体は内側に支持ピン９０を開口から進退可能に支持する。工具ホルダが二股部の内側に進入すると、工具ホルダの溝部の内面は支持ピン９０の主テーパ面９４と摺動する。溝部の内面は支持ピン９０を筒状体の内側に押し込む。工具ホルダの溝部が二股部の内側に係止すると、把持部は工具ホルダの把持を完了する。主テーパ面９４はＤＬＣ被膜で保護する。故に主テーパ面９４が工具ホルダの溝部の内面に繰り返し摺動しても把持部は工具ホルダを正常に把持できる。【選択図】図８

Description

本発明は、工具交換装置のグリップアームと工作機械に関する。

特許文献１が開示する工作機械は工具交換装置を備える。工具交換装置は工作機械の主軸に装着する工具を他の工具と交換する。工具交換装置は工具マガジンを備える。工具マガジンはマガジン本体とグリップアームを備える。マガジン本体は回転可能に設ける。グリップアームは、マガジン本体の外周に複数且つ放射状に設ける。グリップアームは主軸に向けた一端部に把持部を備える。把持部は工具ホルダを把持可能である。把持部は工具ホルダを内側に係合させる二股部と、該二股部の一対の先端部に夫々設けた一対の支持機構を備える。支持機構は筒状体に設けた開口部から二股部の内側に向けて進退する支持ピンを備える。筒状体は内部に圧縮コイルバネを収容し、圧縮コイルバネは該支持ピンを筒状体外部へ付勢する。工具ホルダは外周面に周方向に延びるテーパ状の溝部を備える。工具交換時、二股部の内側に対して外側から工具ホルダが進入すると、支持ピンは、工具ホルダの溝部の内面に押されて摺動し、二股部の内側に係合した工具ホルダを把持する。

特開２０１５−２０８８１３号公報

工作機械が工具交換を繰り返し実行すると、支持ピンと工具ホルダの溝部は繰り返し摺動する。支持ピンと該溝部の夫々の表面は共に摩耗して粗くなり、摺動抵抗は大きくなる。故にグリップアームの二股部に過剰な負荷がかかるので、グリップアームは損傷する可能性があった。

本発明の目的は、支持ピンが工具ホルダの溝部に繰り返し摺動しても、工具ホルダを正常に把持できる工具交換装置のグリップアームと工作機械を提供することである。

請求項１に係る工具交換装置のグリップアームは、工作機械の主軸に装着する工具ホルダを把持する把持部を一端に有し、前記把持部が、前記主軸に近接する近接位置と、前記主軸から離間する退避位置との間を往復移動する工具交換装置のグリップアームにおいて、前記把持部は、前記工具ホルダを内側に係合させる二股部と、前記二股部の一対の端部に夫々設け、前記二股部の内側に向けて円柱状の支持ピンを進退可能に支持する支持機構とを備え、前記支持機構は、筒状に形成し、且つ中心軸線が同一軸線上となる位置に配置し、互いに対向する側の端部の開口部から前記支持ピンを進退可能に支持する筒状体と、前記筒状体の内側に収納し、前記支持ピンを前記開口部に向けて付勢する弾性体とを備え、前記支持ピンは、円柱状の本体部と、前記本体部における前記二股部の内側に対向する側の一端部に設け、当該一端部から前記二股部の内側に向かう方向に従って縮径するテーパ面を有し、前記二股部の内側に向けて前記工具ホルダが進入するときに、前記工具ホルダの外周面に形成し、該外周面から径方向内側に向かって溝幅が狭くなる溝部に対し、前記テーパ面を摺動しながら係合可能な先端部とを備え、前記支持ピンにおける少なくとも前記テーパ面がＤＬＣ被膜を有することを特徴とする。グリップアームは二股部の一対の端部に支持機構を夫々設ける。支持機構は筒状体を有し、筒状体は開口部から支持ピンを進退可能に支持する。弾性体は支持ピンを開口部に向けて付勢する。工具交換の際、工具ホルダは、グリップアームの二股部の内側に進入する。支持ピンの先端部のテーパ面は、工具ホルダの溝部に押し当てられて摺動する。工具ホルダは、支持ピンを外方に押し退け、二股部の内側に係合する。支持ピンの先端部のテーパ面はＤＬＣ被膜を有する。ＤＬＣ被膜は支持ピンのテーパ面を保護するので、工具ホルダの溝部が該テーパ面に繰り返し摺動しても、該テーパ面が摩耗するのを軽減できる。仮に該テーパ面が削れて摩耗すると、該溝部に対する該テーパ面の摺動抵抗は増加することから、該溝部も摩耗してしまう。本態様の支持ピンのテーパ面はＤＬＣ被膜で保護するので、工具ホルダの溝部の摩耗も軽減できる。グリップアームは、該溝部に対する該テーパ面の摺動抵抗の増加を軽減できるので、二股部にかかる負荷を軽減できる。故にグリップアームは、二股部の損傷を防止できるので、把持部において工具ホルダを正常に把持できる。尚、本態様の工具ホルダは、工具と工具ホルダが一体となった工具の場合、その工具ホルダの部分を意味するものとする。

請求項２に係る発明の工具交換装置のグリップアームによれば、前記先端部は円錐状に形成し、前記テーパ面は、径方向外側に膨らむ丸みを帯びているのがよい。支持ピンの先端部は円錐状で、テーパ面は径方向外側に膨らむ丸みを帯びているので、グリップアームは、工具ホルダの溝部に対する該テーパ面の接触面圧を低下できる。故に支持ピンと該溝部が互いに繰り返し摺動しても、該テーパ面と該溝部に生じる摩耗を更に軽減できる。

請求項３に係る発明の工作機械は、請求項１又は２の何れかに記載の工具交換装置のグリップアームを備えたことを特徴とする。故に工作機械は請求項１又は２に記載の効果を得ることができる。

工作機械１の斜視図。工具交換装置２０の右側面図。工具４及び工具ホルダ１０１の正面図。グリップアーム３０の斜視図。グリップアーム３０の左側面図。図５に示すＩ‐Ｉ線矢視方向断面図。図６に示す左側支持機構４６周囲の部分拡大図。支持ピン９０の斜視図。支持ピン９０の側面図。工具ホルダ１０１が二股部４１の内側に進入し、最初に支持ピン９０と溝部１０３が当接した状態の平面図。工具ホルダ１０１が二股部４１の内側に進入し、圧縮コイルバネが最も縮んだ状態の平面図。工具ホルダ１０１が二股部４１の内側に進入し、溝部１０３が係合リブ４２に係止した状態の平面図。図１１に示すＩＩ‐ＩＩ線矢視方向断面図。支持ピン９０の摺動領域Ｑ１を示す図支持ピン１９０の摺動領域Ｑ２を示す図ＤＬＣ被膜の有無によるグリップアーム耐久試験の結果を示す図表。

本発明の実施形態を説明する。以下説明は図中に矢印で示す上下、左右、前後を使用する。工作機械１の左右方向、前後方向、及び上下方向は、夫々、工作機械１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。工具交換装置２０の向きもこれに倣う。図１に示す如く、工具交換装置２０は工作機械１に設置して使用する。

図１を参照し、工作機械１の構造を説明する。工作機械１は、基台２、機械本体３、テーブル１０、工具交換装置２０等を備える。基台２は鉄製の略直方体状の土台である。機械本体３は基台２上部後方に設け、テーブル１０上面に保持したワーク（図示略）を切削する。テーブル１０は基台２上部中央に設け、Ｘ軸モータ（図示略）、Ｙ軸モータ（図示略）、ガイド機構（図示略）により、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動可能である。工具交換装置２０は機械本体３上部に設けたフレーム８に固定し、機械本体３の主軸９に装着した工具４を他の工具と交換する。

図１、図２を参照し機械本体３の構造を説明する。機械本体３は、コラム５、主軸ヘッド７、主軸９、制御箱６等を備える。コラム５は基台２上部後方に立設する。主軸ヘッド７はコラム５前面に沿ってＺ軸方向に昇降可能であり、内部に主軸９を回転可能に支持する（図２参照）。主軸９は下端部に設けたテーパ穴１８に工具ホルダ１０１を装着する。主軸９は主軸ヘッド７上部に設けた主軸モータ１５の駆動で高速回転する。制御箱６は数値制御装置（図示略）を格納する。数値制御装置は工作機械１の動作を制御する。

図２に示す如く、Ｚ軸移動機構は一対のＺ軸リニアガイド（図示略）、Ｚ軸ボール螺子２６、Ｚ軸モータ（図示略）を備える。Ｚ軸リニアガイドはＺ軸方向に延び且つ主軸ヘッド７をＺ軸方向に案内する。Ｚ軸ボール螺子２６は一対のＺ軸リニアガイドの間に配置し、上側軸受部２７と下側軸受部（図示略）により回転可能に設ける。主軸ヘッド７は背面にナット２９を備える。ナット２９はＺ軸ボール螺子２６に螺合する。Ｚ軸モータはＺ軸ボール螺子２６を正逆方向に回転する。故に主軸ヘッド７はナット２９と共にＺ軸方向に移動する。

図２を参照し、主軸ヘッド７の内部構造を説明する。主軸ヘッド７は前方下部内側に主軸９を回転可能に支持する。主軸９は上下方向に延びる回転軸を有し、主軸モータ１５の駆動軸にカップリング２３を介して連結する。故に主軸９は主軸モータ１５の回転駆動で回転する。主軸９はテーパ穴１８とホルダ挟持部材１９とドローバー６９を備える。テーパ穴１８は主軸９の先端部（下端部）に設ける。ホルダ挟持部材１９はテーパ穴１８上方に設ける。ドローバー６９は主軸９の中心を通る軸穴の中に同軸上に挿入して設ける。

図３に示す如く、工具ホルダ１０１は一端側に工具４を保持し、他端側に、フランジ部１０２、テーパ装着部１０４、プルスタッド１０５を同軸上に備える。フランジ部１０２は、テーパ装着部１０４の基部よりも径方向外側に拡径する略円柱状に形成する。フランジ部１０２は、外周面を周方向に延びる溝部１０３を備える。溝部１０３は、フランジ部１０２の該外周面から径方向内側に向かって溝幅が狭くなるテーパ状の内面１０７を備える。溝部１０３は奥側に内壁面１０６を備える。内壁面１０６は、工具ホルダ１０１の軸線方向に平行に延び、内面１０７と接続する。テーパ装着部１０４は略円錐状である。プルスタッド１０５はテーパ装着部１０４の頂上部から軸方向に突出する。

図２に示す如く、テーパ装着部１０４とプルスタッド１０５はテーパ穴１８に挿入する。テーパ穴１８にテーパ装着部１０４が装着すると、ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１０５を挟持する。ドローバー６９がホルダ挟持部材１９を下方に押圧すると、ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１０５の挟持を解除する。

主軸ヘッド７は後方上部の内側にクランクレバー６０を備える。クランクレバー６０は略Ｌ字型であり支軸６１を中心に揺動自在である。支軸６１は主軸ヘッド７内に固定する。クランクレバー６０は縦方向レバー６３と横方向レバー６２を備える。縦方向レバー６３は支軸６１からコラム５側に対して斜め上方に延びて中間部６５で上方に折曲して更に上方に延びる。横方向レバー６２は支軸６１からコラム５前方に略水平に延びる。横方向レバー６２の先端部はドローバー６９に直交して突設したピン５８に上方から係合可能である。縦方向レバー６３は上端部の背面に板カム体６６を備える。板カム体６６はコラム５側にカム面を備える。板カム体６６のカム面は上側軸受部２７に固定したローラフォロア６７と接離可能である。ローラフォロア６７は板カム体６６のカム面を摺動する。引張コイルバネ（図示略）は縦方向レバー６３と主軸ヘッド７の間に設ける。クランクレバー６０を右側面から見た場合、引張コイルバネはクランクレバー６０を時計回りに常時付勢する。故にクランクレバー６０は横方向レバー６２によるピン５８の下方向への押圧を常時解除する。

図２を参照し、主軸９のテーパ穴１８に対する工具ホルダ１０１の脱着動作を簡単に説明する。主軸９のテーパ穴１８に、工具ホルダ１０１のテーパ装着部１０４が装着した状態で、主軸ヘッド７はテーブル１０（図１参照）上のワーク加工位置から上昇する。クランクレバー６０に設けた板カム体６６はローラフォロア６７に接触して摺動する。後述するグリップアーム３０の把持部３２は工具ホルダ１０１を把持する。板カム体６６のカム形状に沿ってローラフォロア６７は摺動する。クランクレバー６０は右側面から見た場合に支軸６１を中心に反時計回りに回転する。横方向レバー６２はピン５８に上方から係合してドローバー６９を下方に押圧する。ドローバー６９はホルダ挟持部材１９を下方に付勢する。ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１０５の挟持を解除する。主軸ヘッド７はＡＴＣ原点まで更に上昇し、主軸９のテーパ穴１８から工具ホルダ１０１が抜ける。故に工具ホルダ１０１は主軸９のテーパ穴１８から抜ける。

主軸ヘッド７がＡＴＣ原点に到達すると、数値制御装置の制御指令に基づき、工具マガジン２１は回転し、ＮＣプログラムの制御コマンドが指定する工具４を工具交換位置に位置決めする。工具交換位置は工具マガジン２１の最下方位置で且つ主軸９に近接して対向する位置である。工具交換位置に位置決めした工具４は、ＡＴＣ原点に移動した主軸ヘッド７の下方に位置する。

次いで、主軸ヘッド７はＡＴＣ原点から下降し、主軸９のテーパ穴１８に対し、工具４を保持する工具ホルダ１０１のテーパ装着部１０４が挿入する。テーパ穴１８に工具ホルダ１０１のテーパ装着部１０４が挿入した状態で、主軸ヘッド７は更に下降する。クランクレバー６０に設けた板カム体６６はローラフォロア６７に摺動する。板カム体６６のカム形状に沿ってローラフォロア６７は摺動する。クランクレバー６０は右側面から見た場合に支軸６１を中心に時計回りに回転する。故に横方向レバー６２はピン５８から離れ、ドローバー６９の下方への押圧を解除する。ドローバー６９はホルダ挟持部材１９の下方への付勢を解除し、ホルダ挟持部材１９はプルスタッド１０５を把持する。主軸９は工具ホルダ１０１を装着する。

図１、図２を参照し、工具交換装置２０の構造を説明する。工具交換装置２０はタレット式の工具マガジン２１を備える。工具マガジン２１は円盤状のマガジン本体７１と複数のグリップアーム３０を備える。複数のグリップアーム３０はマガジン本体７１の外周に沿って所定間隔毎に配置し、工具マガジン２１の前後方向に揺動可能に設ける。マガジン支持台８５はフレーム８に固定する。マガジン支持台８５は支軸７５を回転可能に支持する。支軸７５は工作機械１の前方に対して斜め下方に延びる。支軸７５はマガジン本体７１を回転可能に支持する。マガジン本体７１は工作機械１の前方に正面を向けて配置する。

図２を参照し、マガジン本体７１の構造を説明する。マガジン本体７１はボス部７３と鍔部７２を備える。ボス部７３は筒状である。支軸７５はボス部７３内に挿入する。鍔部７２はボス部７３の外周面の前端側に軸方向に直交して設ける。

鍔部７２は裏面外周に沿って所定間隔毎に複数の支点台７８を固定する。支点台７８はグリップアーム３０の後述する支軸３３Ａを軸支する。鍔部７２は更に、複数のグリップアーム３０の夫々に対応する各位置に、板状の案内部材８０を夫々固定する。案内部材８０は案内面８３を備える。グリップアーム３０の後述する後端部３４から突出する鋼球３５は案内面８３を摺動する。故にグリップアーム３０は支点台７８を中心に工具マガジン２１の前後方向に安定して揺動できる。尚、板状の案内部材８０は環状に一体形成してもよい。

図４、図５を参照し、グリップアーム３０の構造を説明する。グリップアーム３０の構造の説明は、図４、図５中に矢印で示す上下、左右、前後を使用する。グリップアーム３０は、軸部３３、アーム本体３１、把持部３２、後端部３４、ローラ支持部３６、３８、ローラ３７、３９等を備える。軸部３３は略水平方向に延びる略円柱状であり、軸方向両端面中心から支軸３３Ａを夫々延出する。支点台７８は支軸３３Ａを回転可能に軸支する。アーム本体３１は軸部３３から軸部３３の軸線方向に直交する方向に延び且つ前端側が緩やかに湾曲する腕状である。把持部３２がアーム本体３１の延出方向前端部に設け、工具ホルダ１０１を着脱可能に把持する。後端部３４は有底筒状に形成し、その内側に圧縮コイルバネ（図示略）と鋼球３５を収納する。圧縮コイルバネは鋼球３５を弾性保持し、鋼球３５の一部は後端部３４の開口端から外部付勢に応じて進退する。

ローラ支持部３６は軸部３３の外周面右側に設け、ローラ３７を前側斜め上方に軸支する。ローラ支持部３８はアーム本体３１の前方上方且つ左側の軸部３３近傍に設け、ローラ３９を前側斜め上方に軸支する。図２に示す如く、工具交換装置２０の工具交換位置（工具マガジン２１の最下端位置）に位置するグリップアーム３０において、ローラ３７は主軸ヘッド７前面の左右方向中央部に固定した浮動カム１２のカム面に対向する。ローラ３９は主軸ヘッド７の前面の右端部に沿って固定した揺動カム１１のカム面に対向する。

図２に示す如く、揺動カム１１のカム面は、上部から下方に向けて直線状に延び、途中から斜め後方に緩やかに傾斜する形状である。該揺動カム１１のカム面をローラ３９が摺動することで、グリップアーム３０は揺動する。浮動カム１２のカム面は、上部から中央部にかけて前方に緩やかに傾斜し該中央部から下部にかけて後方に緩やかに傾斜する形状である。浮動カム１２は圧縮コイルバネ（図示略）を内蔵するので、ローラ３９が揺動カム１１を揺動する際、ローラ３９と揺動カム１１が離れないようにグリップアーム３０の動きを規制する。故に該緩やかな傾斜はグリップアーム３０が揺動する時のローラ３７の移動軌跡と一致するので、ローラ３７が浮動カム１２のカム面を摺動することで、グリップアーム３０は安定して揺動できる。

図４〜図６を参照し、把持部３２の構造を説明する。把持部３２は、二股部４１、右側支持機構４５、左側支持機構４６等を備える。二股部４１はアーム本体３１の延出方向前端部にて平面視二股状に形成し、前端は開口している。二股部４１は平面視半円弧状に湾曲する内周面を備え、該内周面の中央部には一対の係合リブ４２等を備える。一対の係合リブ４２は二股部４１の内側に向けて夫々突出する。グリップアーム３０の揺動により、二股部４１の内側に工具ホルダ１０１が進入した時、一対の係合リブ４２は工具ホルダ１０１のフランジ部１０２に設けた溝部１０３（図３参照）と係合する。

右側支持機構４５は、二股部４１の右前方に延びる一端部に直交して設け、支持ピン９０を二股部４１の内側に向けて進退可能に弾性支持する。左側支持機構４６は、二股部４１の左前方に延びる一端部に直交して設け、支持ピン９０を二股部４１の内側に向けて進退可能に弾性支持する。故に右側支持機構４５が支持する支持ピン９０と左側支持機構４６が支持する支持ピン９０は、互いに対向し、工具ホルダ１０１のフランジ部１０２を支持できる。

図７を参照し、左側支持機構４６の構造を具体的に説明する。右側支持機構４５は左側支持機構４６と同じ構造であるので説明を省略する。左側支持機構４６は、外筒部４７、内筒部５１、筒状体５２、圧縮コイルバネ５９、支持ピン９０等を備える。

外筒部４７は二股部４１の左前方に延びる一端部に一体して設け、該一端部に対して直交する方向に延びる略円筒状に形成する。尚、以下説明では、外筒部４７の二股部４１の内側に対向する一端側に外筒部４７の先端側、その反対側の他端側を後端側とする。その他の部品の向きもこれに倣うものとする。

内筒部５１は筒部５１Ａとフランジ部５１Ｂを備える。筒部５１Ａは外筒部４７よりも径が小さい略円筒状に形成し、外筒部４７の先端側から内側に挿入固定する。筒部５１Ａの後端は外筒部４７の後端と面一である。フランジ部５１Ｂが筒部５１Ａの先端部から径方向外側に延出して設け、外筒部４７の先端側の開口端に密着して固定する。内筒部５１は外筒部４７の内周面と筒状体５２との摺動性を良好にする為に用いる。

筒状体５２は筒部５２Ａとフランジ部５２Ｂを有する。筒部５２Ａは内筒部５１よりも径が小さく、内筒部５１よりも軸方向長さの長い略円柱状に形成する。筒部５２Ａは開口部４４、ピン支持孔５３、段部５４、底板７４を備える。各筒部５２Ａは中心軸線が同一軸線上となる位置に配置する。各筒部５２Ａは互いに対向する部分に開口部４４を有し、支持ピン９０は開口部４４から突出する。ピン支持孔５３は筒部５２Ａの軸方向に沿って貫通する。段部５４はピン支持孔５３を形成する内周面の軸方向中央部よりも開口部４４側にずれた位置に設け、径方向内側に縮径して形成する。底板７４は環状に形成し、筒部５２Ａの後端部に設けることで、ピン支持孔５３の底部となる。ピン支持孔５３における段部５４から開口部４４に、円筒状のカラー６４を装着する。カラー６４は開口部４４と後述する支持ピン９０との隙間を閉鎖するのに加えて開口部４４の内周面と支持ピン９０と摺動性を良好にする為に用いる。

環状のフランジ部５２Ｂは筒部５２Ａの先端部から後端側に少し離間した位置に、径方向外側に延出して設ける。フランジ部５２Ｂの直径は内筒部５１の筒部５１Ａの直径よりも長い。故に筒状体５２は内筒部５１の内側から二股部４１の外側に向けて抜けることがない。

上記構造からなる筒状体５２は、筒部５２Ａを内筒部５１の先端側から内側に摺動自在に挿入するので、外筒部４７に対して移動自在となる。筒部５２Ａの後端側は、外筒部４７の後端側の開口端から外側に突出する。該突出した部分は外周面に係合溝５５を備える。係合溝５５は筒部５２Ａの外周面の周方向に延びる。Ｃ軸止め輪５６は係合溝５５に外方から係合する。係合溝５５に係止したＣ軸止め輪５６は内筒部５１の後端部に係止する。故に筒状体５２は内筒部５１の内側から二股部４１の内側に向けて抜けることがない。

圧縮コイルバネ５９は筒部５２Ａのピン支持孔５３に収納する。圧縮コイルバネ５９の一端部は支持ピン９０のフランジ部９１に後方から係止する。後述する支持ピン９０の後端部９２は圧縮コイルバネ５９の一端部の内側に配置する。圧縮コイルバネ５９の他端部は底板７４と当接する。底板７４はピン支持孔５３内面に形成した係合溝に内側から係合するＣ軸止め輪５７により固定する。故に圧縮コイルバネ５９は支持ピン９０を開口部４４に向けて常時付勢できる。圧縮コイルバネ５９の外部付勢による圧縮量は支持ピン９０の移動量となる。

図８、図９を参照し、支持ピン９０の構造を説明する。支持ピン９０は棒状に形成し、後端側から先端側にかけて順に、後端部９２、フランジ部９１、本体部９０Ａ、先端部９０Ｂを備える。後端部９２は円柱状に形成する。フランジ部９１は、後端部９２の先端側端部に径方向外側に延出して設ける。本体部９０Ａは円柱状に形成し、後端部９２と同軸上に形成する。先端部９０Ｂは本体部９０Ａの先端側の端部に設ける。図７に示す如く、筒状体５２の内側において、支持ピン９０のフランジ部９１から後端部９２迄の部分は、ピン支持孔５３における段部５４と底板７４の間に収納する。フランジ部９１は、段部５４に対して筒部５２Ａの後端側から係止する。故に支持ピン９０は筒部５２Ａの開口部４４から二股部４１の内側に向けて抜けることがない。

先端部９０Ｂは、円錐の頂点側を軸線に直交する平面で切断した略円錐状で且つ、側面視台形状に形成する。先端部９０Ｂは、後端側から先端側にかけて順に、境界テーパ面９３、主テーパ面９４、先端テーパ面９５、先端面９６を有する。主テーパ面９４は、外側に向けて円弧状に湾曲する丸みを帯びている。主テーパ面９４は、グリップアーム３０の揺動により、二股部４１の内側に工具ホルダ１０１が進入した時、溝部１０３の内面１０７に摺動する。主テーパ面９４は、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）被膜を有する。ＤＬＣはアモルファス構造の炭素で、高硬質で、耐摩耗性に優れる。本実施形態では、数マイクロメートルの膜厚で成膜され、算術平均粗さ（Ｒａ）は数ナノメートルから数１０ナノメートル程度である。膜厚は２〜４マイクロメートル、硬度は１５００〜４０００ＨＶが好ましい。

主テーパ面９４の曲率半径は、例えば、本体部９０Ａの中心軸線と、本体部９０Ａと先端部９０Ｂの境界面との交点を中心とする半球の円弧面よりも大きいことが望ましい。主テーパ面９４の曲率半径の最大値は、例えば以下のように決定するとよい。仮に主テーパ面９４の曲率半径を大きくすると、主テーパ面９４は直線状に近づく。主テーパ面９４と溝部１０３の内面１０７との接触点は、主テーパ面９４と本体部９０Ａの境界部分の角部及び主テーパ面９４と先端面９６の境界部分の角部に近づく。角部は、主テーパ面９４より曲率半径が小さい。故に内面１０７に角部が接触すると、角部は内面１０７に対して強く押し当てられる。内面１０７に対する角部の接触面圧は大きいので、内面１０７は摩耗し易い。故に主テーパ面９４の曲率半径の最大値は、主テーパ面９４と内面１０７との接触点が、本体部９０Ａ及び先端面９６との境界部分の角部に達しないように決定するのがよい。

先端面９６は先端部９０Ｂの先端部に形成し、軸線方向から見た形状は円形状である。境界テーパ面９３は、主テーパ面９４と本体部９０Ａの境界部分に形成した曲面である。先端テーパ面９５は、主テーパ面９４と先端面９６の境界部分に形成した曲面である。

図１０〜図１２を参照し、右側支持機構４５と左側支持機構４６の動作を説明する。工具交換装置２０が把持部３２に工具ホルダ１０１を装着する時、グリップアーム３０の揺動により、工具ホルダ１０１は二股部４１の前方から内側に向けて進入する。図１０に示す如く、溝部１０３の内面１０７は、右側支持機構４５が支持する支持ピン９０の主テーパ面９４に対し、グリップアーム３０の前方から当接する。具体的に言うと、主テーパ面９４は、内面１０７を形成する上側の斜面と下側の斜面の両方に同時に接触する。左側支持機構４６も同様である。内面１０７は、主テーパ面９４に対して、最初に接触点Ｐ１で接触する。接触点Ｐ１は、主テーパ面９４のうち前側に対向する部分であって、本体部９０Ａ側にある境界テーパ面９３に近接する位置である。

工具ホルダ１０１が二股部４１の内側に更に進入するに連れ、溝部１０３の内面１０７は、支持ピン９０の主テーパ面９４を摺動する。内面１０７は、右側支持機構４５の支持ピン９０と、左側支持機構４６の支持ピン９０の間を押し広げる。上記の通り、主テーパ面９４はＤＬＣ被膜を有する。ＤＬＣ被膜は主テーパ面９４を保護するので、内面１０７が主テーパ面９４に繰り返し摺動しても、主テーパ面９４が摩耗するのを軽減できる。主テーパ面９４の摩耗を軽減できるので、主テーパ面９４と内面１０７との摺動抵抗が大きくなることを軽減できる。故にグリップアーム３０は、二股部４１にかかる負荷を軽減できるので、二股部４１の損傷を防止でき、把持部３２において工具ホルダ１０１を正常に保持できる。

主テーパ面９４と溝部１０３の内面１０７との接触点は、Ｐ１からグリップアーム３０の後方且つ先端面９６側に向けて斜めに移動する。図１１に示す如く、工具ホルダ１０１の中心部が、右側支持機構４５と左側支持機構４６の夫々の支持ピン９０の軸線とを結ぶＩＩ−ＩＩ線上まで移動した時、右側支持機構４５及び左側支持機構４６の夫々の圧縮コイルバネ５９（図１３参照）は最も縮む。内面１０７は主テーパ面９４に対して、接触点Ｐ２で接触する。接触点Ｐ２は、主テーパ面９４のうち、ＩＩ−ＩＩ線上で、先端面９６側である先端テーパ面９５に近接する位置である。

図１２に示す如く、工具ホルダ１０１が二股部４１の内側の奥まで移動すると、フランジ部１０２の溝部１０３は、二股部４１の係合リブ４２に係止する。溝部１０３の内面１０７は主テーパ面９４に対して、接触点Ｐ３で接触する。接触点Ｐ３は、主テーパ面９４のうち後ろ側に対向する部分であって、本体部９０Ａ側である境界テーパ面９３に近接する位置である。各支持ピン９０は、溝部１０３に対して両側から挟み込むようにして当接する。故に把持部３２は工具ホルダ１０１を安定して保持できる。

把持部３２から工具ホルダ１０１を抜く時、右側支持機構４５と左側支持機構４６では、装着時と同様に支持ピン９０は動作する。故にグリップアーム３０は工具ホルダ１０１を把持部３２から外側に正常に抜くことができる。

図１０〜図１２に示す如く、把持部３２が工具ホルダ１０１を把持する時、主テーパ面９４における内面１０７との接触点はＰ１、Ｐ２、Ｐ３の順で移動する。逆に把持部３２から工具ホルダ１０１を抜く時、接触点は逆順で移動する。即ち、図１４に示す如く、主テーパ面９４における溝部１０３との摺動領域Ｑ１は、主テーパ面９４のほぼ全域を占める。

図１４、図１５を参照し、支持ピン９０の円錐形状による摺動効果を従来品と比較して説明する。図１５に示す支持ピン１９０は従来品の一例である。支持ピン１９０は、本体部１９０Ａと先端部１９０Ｂを備える。先端部１９０Ｂは、テーパ面１９４と先端面１９６を備える。テーパ面１９４は、本体部１９０Ａの中心軸線と、本体部１９０Ａと先端部１９０Ｂの境界面Ｈとの交点を中心とする半球の円弧面で形成する。テーパ面１９４の曲率半径の一例はＳＲ４である。

支持ピン１９０を筒状体５２の内側に備えるグリップアーム（図示略）を用いて工具交換を行った場合を想定する。先端部１９０Ｂのテーパ面１９４は半球の円弧面で曲率半径が小さいことから、二股部４１の内側に工具ホルダ１０１が進入する時、テーパ面１９４は、工具ホルダ１０１の内面１０７に対して強く押し当てられる。故に内面１０７に対するテーパ面１９４の接触面圧は大きくなるので、テーパ面１９４は摩耗し易い。

図１５に示す如く、先端部１９０Ｂのテーパ面１９４上に図示したＱ２の領域は、先端部１９０Ｂのテーパ面１９４における内面１０７との摺動領域である。摺動領域Ｑ２は、テーパ面１９４の先端側と後端側の中央部に位置し、幅の細い帯状である。故に内面１０７は、支持ピン１９０のテーパ面１９４のうち幅の狭い帯状の領域のみを局所的に摺動するので、テーパ面１９４は摩耗し易い。

本実施形態の支持ピン９０における先端部９０Ｂは円錐状に形成し、主テーパ面９４は、外側に向けて円弧状に湾曲する丸みを帯びている。即ち、主テーパ面９４は、テーパ面１９４の円弧に比べて緩やかで直線に近い円弧である。故に工具ホルダ１０１が二股部４１の前方から内側に向けて進入する時、溝部１０３の内面１０７に押し当てられる主テーパ面９４は直線に近い円弧である。故に支持ピン９０は、曲率半径の小さい円弧面である従来のテーパ面１９４に比べ、主テーパ面９４を内面１０７に沿わせることができる。即ち内面１０７に対する主テーパ面９４の接触面積は大きくなるので、内面１０７に対する主テーパ面９４の接触面圧は低下する。故に支持ピン９０及び工具ホルダ１０１が互いに繰り返し摺動しても、主テーパ面９４及び内面１０７に生じる摩耗を軽減できる。

先述の通り、主テーパ面９４における内面１０７との摺動領域は、主テーパ面９４のほぼ全域にあたるＱ１である。Ｑ１は支持ピン１９０の摺動領域であるＱ２よりも広い。内面１０７は、主テーパ面９４のほぼ全域に亘って摺動するので、主テーパ面９４が局所的に摩耗するのを防止できる。以上より主テーパ面９４と内面１０７との摺動抵抗が大きくなることを軽減できる。故にグリップアーム３０は、二股部４１にかかる負荷を軽減できるので、二股部４１の損傷を防止でき、把持部３２において工具ホルダ１０１を正常に保持できる。

主テーパ面９４と本体部９０Ａとの境界部分、主テーパ面９４と先端面９６との境界部分は角部を形成する。摺動領域Ｑ１はこれら各境界部分の間であって、各境界部分に達しない。故に溝部１０３の内面１０７は、支持ピン９０の各境界部分を摺動しないので、内面１０７が削れて摩耗するのを軽減できる。本実施形態は、主テーパ面９４と本体部９０Ａとの境界部分に、境界テーパ面９３を形成し、主テーパ面９４と先端面９６との境界部分に、先端テーパ面９５を形成する。故に、仮に溝部１０３の内面１０７が各境界部分に接触した場合でも、内面１０７が削れて摩耗するのを軽減できる。

本実施形態では、先端部９０Ｂは、円錐の頂点側を軸線に直交する平面で切断した略円錐状で且つ、側面視台形状に形成し、先端面９６を有する。仮に先端部９０Ｂが頂点を有する単純な円錐状の場合、工具ホルダ１０１の内壁面１０６に干渉する場合がある。先端面９６を有することで、先端部９０Ｂは、内壁面１０６とのクリアランスを確保でき、内壁面１０６に干渉しない（図１３参照）。

上記ＤＬＣ被膜の効果を実証する為、支持ピン９０のＤＬＣ被膜の有無によるグリップアームの耐久試験を行った。耐久試験の試料は、支持ピンＡ、支持ピンＢ、支持ピンＣの３種類で行った。支持ピンＡは、支持ピン１９０である。支持ピンＡのテーパ面１９４の曲率半径は、ＳＲ４である。支持ピンＢは、支持ピンＡと同形状で且つテーパ面１９４にＤＬＣ被膜を有する。支持ピンＣは、本実施形態の支持ピン９０であり、主テーパ面９４の曲率半径はＲ３０である。支持ピンＣは、主テーパ面９４にＤＬＣ被膜を有する。試験方法は、各試料を備えたグリップアームに工具ホルダ１０１を繰り返し着脱させ、グリップアームの二股部４１が破損に至った回数を計測した。尚、支持ピンの摺動に係るグリップアームの筒状体５２の内側、工具ホルダ１０１の溝部１０３、及び各支持ピンは脱脂した。

図１６を参照し、耐久試験の結果を説明する。支持ピンＡを備えたグリップアームの二股部４１が破損に至った回数は、約２万回であった。支持ピンＢを備えたグリップアームの二股部４１が破損に至った回数は、約１５万３千回であった。支持ピンＣを備えたグリップアームの二股部４１が破損に至った回数は、約２１万４千回であった。支持ピンＡと支持ピンＢの結果から、支持ピンのテーパ面がＤＬＣ被膜を有することにより、該二股部４１が破損に至った回数が増加した。故に支持ピンＢの方が、支持ピンＡよりも耐久性が高いことが分かった。故にＤＬＣ被膜を支持ピンのテーパ面に形成したことによる効果を実証できた。また、支持ピンＢと支持ピンＣの結果から、支持ピンの先端部の形状を変更することにより、該二股部４１が破損に至った回数が増加した。故に支持ピンＣの方が、支持ピンＢよりも耐久性が高いことが分かった。故にＤＬＣ被膜を支持ピンのテーパ面に形成し且つ支持ピンのテーパ面の曲率半径を半球状に形成した円弧面の曲率半径よりも大きくしたことによる効果を実証できた。

以上説明の如く、本実施形態の工作機械１における工具交換装置２０のグリップアーム３０は、把持部３２を備える。把持部３２は二股部４１を備え、該二股部４１の左右両側の各先端部には、右側支持機構４５と左側支持機構４６を夫々備える。右側支持機構４５と左側支持機構４６は、二股部４１の内側に向けて棒状の支持ピン９０を進退可能に支持する機構である。右側支持機構４５と左側支持機構４６は、外筒部４７、筒状体５２、支持ピン９０、圧縮コイルバネ５９を少なくとも備える。外筒部４７は二股部４１の左右両側の各先端部に直交して一体して設ける。筒状体５２は、外筒部４７の内側に内筒部５１を介して移動可能に設ける。筒状体５２は、二股部４１の内側に対向する先端側に設けた開口部４４から支持ピン９０を進退可能に支持する。圧縮コイルバネ５９は、筒状体５２の内側に収納し、支持ピン９０を開口部４４に向けて付勢する。

本実施形態の支持ピン９０における先端部９０Ｂの主テーパ面９４はＤＬＣ被膜を有する。ＤＬＣ被膜は主テーパ面９４を保護するので、工具ホルダ１０１の内面１０７が主テーパ面９４に繰り返し摺動しても、主テーパ面９４が摩耗するのを軽減できる。仮に主テーパ面９４が削れて摩耗すると、内面１０７に対する主テーパ面９４の摺動抵抗は増加することから、内面１０７も摩耗してしまう。本実施形態の支持ピン９０の主テーパ面９４はＤＬＣ被膜で保護するので、内面１０７の摩耗も軽減できる。内面１０７に対する主テーパ面９４の摺動抵抗の増加を軽減できるので、グリップアーム３０は、二股部４１にかかる負荷を軽減できる。故にグリップアーム３０は二股部４１の損傷を防止できるので、把持部３２において工具ホルダ１０１を正常に把持できる。

本実施形態の支持ピン９０の先端部９０Ｂは円錐状に形成し、主テーパ面９４は、外側に向けて円弧状に湾曲する丸みを帯びている。故にグリップアーム３０は、工具ホルダ１０１の溝部１０３に対する主テーパ面９４の接触面圧を低下できる。故に支持ピン９０と溝部１０３が互いに繰り返し摺動しても、主テーパ面９４と溝部１０３に生じる摩耗を更に軽減できる。

上記説明にて、右側支持機構４５と左側支持機構４６は本発明の支持機構の一例である。外筒部４７は、本発明の筒状体の一例である。圧縮コイルバネ５９は本発明の弾性体の一例である。主テーパ面９４はテーパ面の一例である。

本発明は上記実施形態に限らず種々の変更が可能である。本実施形態のグリップアーム３０は、支持ピン９０における先端部９０Ｂの主テーパ面９４がＤＬＣ被膜を有しているが、少なくとも主テーパ面９４がＤＬＣ被膜を有していればよく、支持ピン９０全体がＤＬＣ被膜を有していてもよい。ＤＬＣの成膜方法に制限はなく、一例としてＣＶＤ法（化学蒸着法）やスパッタリング法等がある。ＤＬＣの膜厚、添加物についての制限もない。

本実施形態では、支持ピン９０における先端部９０Ｂの主テーパ面９４の曲率半径はＲ３０としたが、他の曲率半径でも良い。主テーパ面９４の曲率半径は、本体部９０Ａの中心軸線と、本体部９０Ａと先端部９０Ｂの境界面との交点を中心とする半球の円弧面で形成する曲率半径よりも大きければよい。但し、主テーパ面９４と溝部１０３の接触点が本体部９０Ａ及び先端面９６との境界部分の角部に達しないようにするのが望ましい。

本実施形態では、支持ピン９０の先端部９０Ｂは、円錐の頂点側を軸線に直交する平面で切断した略円錐状で且つ、側面視台形状に形成し、先端面９６を有するが、内壁面１０６と干渉しなければ先端部９０Ｂの形状に制約はない。

グリップアーム３０の把持部３２は、工具ホルダ１０１を把持するものであるが、工具と工具ホルダが一体形状となった工具を把持してもよい。その場合、把持部３２は工具のうち工具ホルダの部分を把持する。

本実施形態では、本発明の弾性体の一例として、圧縮コイルバネ５９を用いて支持ピン９０を付勢したが、弾性を有するものであればよく、一例として板バネやゴム等で付勢してもよい。

右側支持機構４５（及び左側支持機構４６）は、内筒部５１とカラー６４は省略してもよい。

本実施形態では、マガジン本体７１の所定位置に位置決め後、マガジン本体７１の外周に設け、グリップアーム３０の一端部と他端部の間を軸支した支点台７８を中心にグリップアーム３０が搖動する。これにより、把持部３２が主軸９に近接する近接位置と、主軸９から離間する退避位置との間を往復移動するが、マガジン本体７１が揺動してグリップアーム３０の往復移動を行ってもよい。また、マガジン本体が回転することなく、マガジン本体の周囲に設けた複数のグリップアームが周回するものでもよい。

本実施形態のグリップアーム３０は支点台７８を中心に揺動するが、グリップアームは揺動するのではなく、一方向に移動するものでもよい。該場合、マガジン本体にグリップアームを固定し、マガジン本体が移動する構成でもよい。

本実施形態の機械本体３はテーブル１０が左右前後に移動するものであるが、テーブルを固定、又は鉛直軸周りに回転する回転テーブルで構成し、主軸ヘッドを前後左右に移動できる構成でもよい。

外筒部４７は、例えば、角柱状といった略円筒状以外の形状でもよい。

９０支持ピン
９０Ａ本体部
９０Ｂ先端部
９４主テーパ面

Claims

工作機械の主軸に装着する工具ホルダを把持する把持部を一端に有し、前記把持部が、前記主軸に近接する近接位置と、前記主軸から離間する退避位置との間を往復移動する工具交換装置のグリップアームにおいて、
前記把持部は、
前記工具ホルダを内側に係合させる二股部と、
前記二股部の一対の端部に夫々設け、前記二股部の内側に向けて円柱状の支持ピンを進退可能に支持する支持機構と
を備え、
前記支持機構は、
筒状に形成し、且つ中心軸線が同一軸線上となる位置に配置し、互いに対向する側の端部の開口部から前記支持ピンを進退可能に支持する筒状体と、
前記筒状体の内側に収納し、前記支持ピンを前記開口部に向けて付勢する弾性体と
を備え、
前記支持ピンは、
円柱状の本体部と、
前記本体部における前記二股部の内側に対向する側の一端部に設け、当該一端部から前記二股部の内側に向かう方向に従って縮径するテーパ面を有し、前記二股部の内側に向けて前記工具ホルダが進入するときに、前記工具ホルダの外周面に形成し、該外周面から径方向内側に向かって溝幅が狭くなる溝部に対し、前記テーパ面を摺動しながら係合可能な先端部と
を備え、
前記支持ピンにおける少なくとも前記テーパ面がＤＬＣ被膜を有すること
を特徴とする工具交換装置のグリップアーム。
前記先端部は円錐状に形成し、前記テーパ面は、径方向外側に膨らむ丸みを帯びていることを特徴とする請求項１に記載の工具交換装置のグリップアーム。
請求項１又は２の何れかに記載の工具交換装置のグリップアームを備えたことを特徴とする工作機械。