JP2023043670A - 加工工具の刃具交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアームの動作により、刃具の交換を自動的に且つ確実に安定して行うことができる加工工具の刃具交換装置を提供する。【解決手段】スピンドル軸を回転駆動する回転駆動部９と、回転駆動部９に連結され、内部にスピンドル軸１０を回転可能に保持するスピンドル本体１と、スピンドル軸の先端に設けられたクランプ部２と、クランプ部にクランプされ、刃具を取り付けた刃具コレット３と、複数の刃具コレットを保持する刃具マガジン８と、を備えた加工工具の刃具交換装置である。刃具コレット３の外周部に、歯車部３５が設けられ、刃具マガジン８には、刃具コレットを収納する収納凹部８０が設けられ、収納凹部の一方の壁部に、刃具コレットの歯車部に係合可能なラック部８２が設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットアームに取り付けられ、回転駆動部のモータ等により超硬ロータリーバー、軸付砥石などの刃具を高速回転させて、ワークの面取り、バリ取り、ラッピングなどの加工を行う加工工具に関し、特に、加工工具のスピンドル本体に対し、各種の刃具を、ロボットアームの動作により交換する加工工具の刃具交換装置に関する。

従来、ロボットアームの先端などに取り付けられ、刃具をモータの出力軸の先端に取り付けて刃具を高速回転させ、製品のバリ取り加工などを行う加工工具は、下記の特許文献１などで知られている。

この種の加工工具は、通常、ロボットアームの先端に取り付けられ、ロボットアームの動作により、完全に自動化されて使用されるため、刃具を交換する際にも、自動で、刃具の交換を行うことができる構造にすることが要求される。

このため、この従来の加工工具では、加工工具のヘッド内に、空気圧により軸方向に移動する移動部材を設け、移動部材の内側に、チャック機構を配設し、空気圧により移動部材を軸方向に摺動させて、チャック機構の開閉を行い、自動的に刃具の交換を行う構造を採用する。

しかし、この従来の加工工具は、そのヘッド内に、圧力空気の導入回路を配設し、移動部材の摺動機構を設け、移動部材の内側に、チャッキング機構を配設しているため、構造が複雑化し、ヘッド部分が必然的に大型化する。

ワークの面取り、バリ取り、ラッピングなどの加工を行う加工工具は、ロボットアームの動作により、各種ワークの細かい箇所や狭い空間に、刃具を進入させて、加工を行う必要がある。しかし、加工工具のヘッド部分が大型化すると、ワークの細かい箇所に、刃具を進入させる際、ヘッド部分がワークに干渉して、ワークの細かい部分を加工することが難しい。

そこで、本出願人は、下記特許文献２により、加工工具の刃具交換装置を提案した。この加工工具は、スピンドル軸を回転駆動する回転駆動部と、回転駆動部に連結され、内部に該スピンドル軸を回転可能に保持するスピンドル本体と、スピンドル軸の先端に設けられたクランプ部と、クランプ部にクランプされ、刃具を取り付けた刃具コレットとを備え、複数の刃具コレットを保持する刃具マガジンに、刃具コレットを収納する収納凹部が設けられる。

さらに、刃具コレットの端部に設けたコレット連結部に、円環状のクランプ溝が設けられ、クランプ部には、クランプ溝に嵌合する複数のクランプボールと、クランプボールを内側に付勢するために、外周部に摺動可能に外嵌されたクランプスリーブと、該クランプスリーブをクランプ方向に付勢するバネ部材とが設けられ、刃具コレットの外周部に、円環状の係合溝が設けられる。

一方、刃具マガジンの収納凹部には、刃具コレットの係合溝に係合可能な係合保持部が設けられ、クランプスリーブに接触してクランプスリーブをアンクランプ方向に摺動させるクランプ解除部が刃具マガジン上に設けられ、係合保持部内に、刃具コレットが収納凹部から離脱する際、係合溝と係合して刃具コレットに捻り力を付与する捻り付与部が設けられている。

特開２０１４－９４１００号公報 特許第６６５０１７１号公報

上記構成の加工工具の刃具交換装置は、加工工具の小型化が可能であり、刃具マガジンに収納する場合、ロボットアームの動作により、クランプスリーブをクランプ解除部に接触させて、クランプスリーブをアンクランプ方向に摺動させ、刃具コレットをクランプ部から離脱させる。

一方、クランプ部を刃具マガジン上の刃具コレットにクランプさせ、刃具コレットを刃具マガジン上から取り出す場合、ロボットアームの動作により、クランプ部を刃具コレット上部のコレット連結部に差し込み、クランプボールをコレット連結部の係合溝に係合させ、クランプスリーブがバネ部材によりクランプ側に付勢されて摺動し、刃具コレット上部のコレット連結部が、クランプ部にクランプされる。

この後、ロボットアームの動作によって、クランプ部が刃具コレットをクランプした状態で、刃具マガジンの収納凹部から離脱させる。このとき、クランプボールが係合溝の係合ディンプルに正しく係合し、クランプが正常に行われるように、捻り付与部が作用し、係合溝と係合して刃具コレットに捻り力が付与される。これにより、刃具コレットがその軸の回りで捻られ、クランプボールが係合溝の係合ディンプルに正しく係合するように動く。

しかるに、この捻り付与部は、刃具マガジンの収納凹部にボールプランジャが取り付けられ、ロボットアームの動作により、刃具コレットが刃具マガジンの収納凹部から離れる際、ボールプランジャが係合溝の係合ディンプルに係合して、刃具コレットを捻るように作用する。このため、捻りが不安定になる場合があり、刃具コレットの捻りが確実に行われない場合、クランプ部のクランプが不安定になる。さらに、刃具コレットの交換動作が繰り返されると、ボールプランジャのボールの動きが悪化し、刃具コレットの捻りが不安定になって、クランプ部のクランプ動作が不確実になる課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、ロボットアームの動作により、刃具の交換を自動的に且つ確実に安定して行うことができる加工工具の刃具交換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の加工工具の刃具交換装置は、
スピンドル軸を回転駆動する回転駆動部と、該回転駆動部に連結され、内部に該スピンドル軸を回転可能に保持するスピンドル本体と、該スピンドル軸の先端に設けられたクランプ部と、該クランプ部にクランプされ、刃具を取り付けた刃具コレットと、複数の該刃具コレットを保持する刃具マガジンと、を備えた加工工具の刃具交換装置において、
該刃具コレットの端部に設けたコレット連結部に、円環状のクランプ溝が設けられるとともに、該クランプ溝内に複数のディンプルが設けられ、
該クランプ部には、該クランプ溝に嵌合する複数のクランプボールと、該クランプボールを内側に付勢するために、外周部に摺動可能に外嵌されたクランプスリーブと、該クランプスリーブをクランプ方向に付勢するバネ部材とが設けられ、
該刃具コレットの外周部に、歯車部が設けられ、前記刃具マガジンには、前記刃具コレットを収納する収納凹部が設けられ、該収納凹部の一方の壁部に、該刃具コレットの該歯車部と係合可能なラック部が浮動可能に設けられ、該クランプスリーブに接触して該クランプスリーブをアンクランプ方向に摺動させるクランプ解除部が該刃具マガジン上に設けられ、
該刃具コレットが該収納凹部から離脱する際、該歯車部と該ラック部が係合して該刃具コレットに捻り力を付与することを特徴とする。

この発明の加工工具の刃具交換装置によれば、ロボットアームに加工工具が取り付けられ、空気圧などの動力や電力を使用せずに、ロボットアームの動作のみで、刃具マガジンに保持された刃具コレットを、スピンドル軸のクランプ部に嵌合させ、クランプすることができ、且つクランプスリーブを自動的に摺動させてクランプ解除を行うことができる。

また、刃具コレットをクランプして刃具マガジンから取り出す際、歯車部を刃具マガジンの収納凹部のラック部に係合させ、刃具コレットを捻りながらクランプ状態とするので、常に刃具コレットをクランプ部に正常に連結してクランプし、回転駆動可能に取り付けることができる。また、歯車部を浮動可能なラック部に係合させて捻るため、過度な摩耗や摩擦は生じず、ボールプランジャを使用したときのように、ボールプランジャが劣化して捻り動作が不安定となる虞はなくなり、長期にわたり安定して刃具コレットの交換を確実に行うことができる。

さらに、刃具コレットを刃具マガジンに収納する場合、ロボットアームの動作により、刃具マガジン上でクランプスリーブをアンクランプ方向に摺動させて、刃具コレットをクランプ部から離脱させ、刃具コレットを刃具マガジンの収納凹部に収納することができる。これにより、刃具を取り付けた刃具コレットの交換を自動的に適正に行うことができる。

さらに、スピンドル軸の先端に設けたクランプ部は、クランプスリーブの内側にクランプボールを配設するのみでよいため、空圧機器や電気機器を用いてクランプする加工工具に比して、クランプ部を大幅に小型化することができる。このため、クランプ部をワークに干渉させずに、ワークの細かい部分或いは刃具を進入させにくい複雑で細い部位まで、刃具を進入させて、ワークの面取り、バリ取り、ラッピングなどの加工を行うことができる。

また、スピンドル本体は、ロボットアームの動作により、収納凹部内に収納された刃具コレットを取り出すとき、刃具コレットに向けて下降し、スピンドル軸のクランプ部のコレット挿入穴を、刃具コレットのコレット連結部に被せるように嵌合させる。このとき、クランプスリーブの端部がクランプ解除部に当接してクランプを解除しながら、クランプ部に刃具コレットを連結させ、ロボットアームの動作によって、スピンドル本体が収納凹部の前方に移動し、クランプ部のクランプスリーブが傾斜面を摺動して、クランプスリーブがバネ部材のバネ力によりクランプ側に摺動する。

そして、刃具コレットの歯車部が刃具マガジン上のラック部に係合し、刃具コレットに捻り力を付与し、刃具コレットが軸の回りで捻られる。これにより、クランプスリーブ内のクランプボールとコレット連結部のクランプ溝内のディンプルとの係合が、自動的に適正嵌合状態となり、刃具コレットが収納凹部から離れるとき、クランプ部が自動的に、完全に、刃具コレットをクランプする状態となる。刃具コレットの捻り力は、歯車部とラック部を介して付与されるため、刃具コレットの交換動作が繰り返し長期にわたり行われた場合でも、歯車部とラック部の劣化を最少に抑え、長期にわたり正常に刃具交換装置を動作させることができる。

ここで、上記加工工具の刃具交換装置において、上記ラック部は、上記刃具マガジンの収納凹部の内側に、刃具コレットの離脱時の移動方向と平行に配設されるとともに、隙間とバネを介して少なくとも歯の凹凸方向に浮動可能に支持された構成とすることが好ましい。これにより、刃具コレットが収納凹部から離脱するとき、ロボットアームの動作により、刃具コレットの歯車部とラック部の係合が無理なくスムーズに行われ、歯車部やラック部の摩擦や摩耗を最少としながら、刃具コレットを捻り、クランプ部のクランプを確実に安定して行うことができる。

またここで、上記刃具マガジンの収納凹部内側における、上記ラック部と反対側の内壁面に、進入用凹部が設けられるとともに、進入用凹部の壁面に浮動壁部が、浮動可能に支持された構成とすることが好ましい。

これによれば、刃具コレットの収納時、クランプ部が刃具コレットをクランプした状態で、刃具マガジンの収納凹部内に前方から刃具コレットを進入させる。このとき、ロボットアームの動作により、刃具コレットの歯車部を、進入用凹部側に偏倚して進入させることができる。また、進入時、刃具コレットが浮動壁部側に偏倚しすぎた場合、歯車部は浮動壁部に接触するのみであるため、刃具コレットの動きを阻害することはなく、歯車部の磨耗も最少に抑えることができる。

またここで、上記刃具マガジンの収納凹部近傍に、上記クランプ部の状態を検知する光線式センサを配し、光線式センサは、収納凹部上のクランプ部が刃具コレットをクランプしたとき、クランプの正否を、光の反射または光の遮断に基づき検出する構成とすることが好ましい。

本発明の加工工具の刃具交換装置によれば、ロボットアームの動作により、加工工具への刃具コレットの交換を、自動的に且つ確実に安定して行うことができる。

本発明の一実施形態を示す加工工具の正面図である。 図１のII－II線拡大断面図である。 クランプ部が刃具コレットをクランプした状態の部分断面図である。 刃具コレットをアンクランプした状態の部分断面図である。 刃具マガジンの正面図である。 刃具マガジンの平面図である。 刃具マガジンの縦断面図である。 刃具マガジンの部分断面付き平面図である。 刃具コレットを収納した状態の、複数の刃具マガジンの正面図である。 加工工具の使用状態を示す正面図である。 刃具コレットを刃具マガジンから取り出す際の、平面説明図とその断面付き側面図である。 刃具コレットを刃具マガジンから取り出す際の、平面説明図とその断面付き側面図である。 刃具コレットを刃具マガジンの収納凹部に進入させるときの、平面説明図とその断面付き側面図である。 刃具コレットを刃具マガジンの収納凹部に進入させ、収納状態としてときの、平面説明図とその断面付き側面図である。 他の実施形態を示し、（ａ）は刃具コレットを収納した状態の複数の刃具マガジンの正面図、（ｂ）はそのＢ－Ｂ断面図、（ｃ）はそのＣ－Ｃ断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。加工工具は、図１に示すように、スピンドル本体１のスピンドル軸１０の先端にクランプ部２が設けられ、スピンドル本体１（回転駆動部９）がロボットアームＲＡなどに取り付けられ、クランプ部２にクランプした刃具７を高速回転させ、製品のバリ取り加工などを行う工具である。

バリ取りなどの刃具７は刃具コレット３に固定され、刃具コレット３がクランプ部２にクランプされ、加工工具はスピンドル本体１の回転駆動により刃具７を高速回転させて、ワークのバリ取り、面取り、ラッピング加工などを行う。

スピンドル本体１内には、軸受部材が設けられ、軸受部材を介してスピンドル軸１０が円筒ケースの軸芯位置に、回転可能に軸支される。スピンドル本体１の末端部に、電動モータなどの回転駆動部９が取り付けられ、回転駆動部９の回転軸がスピンドル軸１０の末端に連結され、スピンドル軸１０は、回転駆動部９により高速で回転駆動される。

図３、図４に示す如く、スピンドル軸１０のスピンドル先端部１５は、大径部となって、スピンドル本体１から突出し、スピンドル先端部１５に、コレット挿入穴１６が、先端側に開口して軸方向に形成される。コレット挿入穴１６は内面が円錐型のテーパ状に形成され、図３のように、同様にテーパ状に形成された、刃具コレット３のコレット連結部３０が、コレット挿入穴１６内に密に進入可能な形状となっている。

一方、刃具コレット３は、図４に示すように、刃具７を固定する刃具固定部３１と、刃具固定部３１の上部に係合溝３４を介して設けられたコレット連結部３０とから構成され、コレット連結部３０は上記のように、コレット挿入穴１６内に挿入されて連結保持される。コレット連結部３０は僅かにテーパ状、つまり円錐台状に形成され、上部付近の外周にクランプ溝３２が形成され、クランプ溝３２内に、所定の間隔で複数のディンプル（断面略半円形状の凹部）３３が形成される。

これらのディンプル３３には、クランプボール１４が嵌入し、刃具コレット３をクランプし、スピンドル軸１０の回転力をコレット連結部３０に伝達するようになっている。図２に示すように、例えば、６個のクランプボール１４が使用される場合、１２個のディンプル３３が、３０°の角度間隔でクランプ溝３２内に形成される。６個のクランプボール１４は、図２に示す如く、スピンドル軸１０の先端部近傍内にリング状に、６０°の角度間隔で、放射状に設けた複数のボール保持孔１７内に、転動可能に嵌入され、保持される。これら６個のボール保持孔１７は、スピンドル軸１０の先端部の内外に開口し、ボール保持孔１７内の各クランプボール１４は、ボール保持孔１７（図４）の内外の開口から、内側及び外側に露出して孔内に収容される。

一方、図３に示す如く、スピンドル軸１０のスピンドル先端部１５に設けたコレット挿入穴１６の奥部に、プレート１２が嵌入され、付勢部材１８が、コイルバネ１８ａにより、挿入された刃具コレット３のコレット連結部３０を、先端側に付勢するように配設される。図４に示す如く、付勢部材１８は、係止リング２１により、コレット挿入穴１６の所定位置内で、摺動可能に保持される。さらに、スピンドル軸１０のスピンドル先端部１５の外周部に、クランプスリーブ１３が所定の範囲で、上下に摺動可能に外嵌され、さらにスピンドル先端部１５にはクランプスリーブ１３を先端側（クランプ側）に付勢するバネ部材１９（コイルバネ）が装着される。クランプスリーブ１３は、係止リング２２により、スピンドル先端部１５の所定位置で、摺動可能に保持される。

クランプスリーブ１３の内周面には、図２に示す如く、クランプボール１４を含むスピンドル先端部１５の外周面に接触する係合面１３ａが形成され、図４に示す如く、クランプスリーブ１３が上に摺動したとき、クランプボール１４が係合面１３ａに設けた環状溝１３ｂに係合する。これにより、クランプボール１４とクランプ溝３２のディンプル３３との嵌合が解除され、刃具コレット３の離脱を許容する。

一方、図３、図４に示すように、刃具コレット３の中間部つまりコレット連結部３０と刃具固定部３１間の外周部に、係合溝３４が環状に形成され、係合溝３４の下側に歯車部３５が設けられる。

この歯車部３５は、図１１、図１２に示すように、刃具マガジン８の収納凹部８０に収納された刃具コレット３が、ロボットアームＲＡに動作により、取り出されるとき、収納凹部８０内の一方の壁面に設けたラック部８２と歯車部３５とが係合し、これにより、刃具コレット３に捻り力が作用し、刃具コレット３がその軸の回りで捻られるように構成される。

この捻りによって、クランプボール１４とクランプ溝３２内の各ディンプル３３との係合が適正状態となり、クランプ部２で刃具コレット３が適正にクランプされる。このクランプ時、図３に示すように、クランプスリーブ１３の内周面にクランプボール１４が当接し、クランプスリーブ１３の内周面が、各クランプボール１４を内側のディンプル３３側に押してクランプ状態とする。

刃具コレット３のコレット連結部３０と歯車部３５との間の外周部に、係合溝３４が円環状に設けられる。この係合溝３４には、刃具マガジン８の係合保持部８１が、刃具コレット３の収納時及び取り出し時に係合し、刃具コレット３を摺動可能に保持する。また、この係合溝３４の幅は、その内側に係合する刃具コレット３の係合保持部８１の厚さより、多少幅広に形成される。これにより、ロボットアームＲＡの作動により、収納凹部８０内の刃具コレット３をクランプして取り出す際、ロボットアームＲＡが細かく上下動して、クランプスリーブ１３に上下の振動を付与し、クランプスリーブ１３を良好にクランプ位置まで下降させることができる。

刃具７を刃具固定部３１に固定した複数の刃具コレット３は、図９に示すように、刃具マガジン８の収納凹部８０内に収納される。超硬ロータリーバー、軸付砥石などからなる交換可能な刃具７は、図３に示すように、刃具コレット３の刃具固定部３１の底部から挿入され、締付ネジで締め付け固定される。

刃具マガジン８は、図４～図９に示す如く、水平部上に、複数の収納凹部８０を水平に並設し、複数の収納凹部８０内に刃具付きの刃具コレット３を収納するように構成される。各収納凹部８０は、前方に向けて略Ｕ字型に開口して形成され、収納凹部８０の周縁部には、上記刃具コレット３の係合溝３４と係合し刃具コレット３を保持する係合保持部８１がＵ字状に形成される。図１３，図１４に示す如く、係合保持部８１は、ロボットアームＲＡの動作により、刃具コレット３が収納凹部８０内に進入するとき、その係合溝３４に係合して保持し、刃具コレット３が、収納凹部８０の奥まで進入し、係合保持部８１により保持されるようになっている。

図６、図８に示すように、収納凹部８０内の、正面視で左側の壁部に、刃具コレット３の歯車部３５と係合可能なラック部８２が配設される。ラック部８２は、隙間８２ｂ、バネ８２ａ、ガイドピン８２ｃ、及び長孔８２ｄを介して、浮動状態で（浮動可能に）配設される。ラック部８２には、その歯の凹凸方向に長い長孔８２ｄが設けられ、その長孔にガイドピン８２ｃが挿入される。図８に示す如く、ラック部８２の背面側に隙間８２ｂが設けられ、そこに２本のバネ（コイルバネ）８２ａが架け渡される。これにより、ラック部８２は、ガイドピン８２ｃと長孔８２ｄを介して、正面視左右方向に、つまり歯の凹凸方向に、隙間８２ｂの僅かな範囲で浮動可能であり、歯の凹凸方向に荷重を受けた場合、ラック部８２は、バネ（コイルバネ）８２ａを介して容易に浮動する。

さらに、ラック部８２の反対側の、収納凹部８０内の右側の壁部に、進入用凹部８６が設けられる。この進入用凹部８６は、ロボットアームＲＡの作動により、刃具コレット３が収納凹部８０内に、前方から挿入されるとき、歯車部３５とラック部８２との接触を回避するために、図６に示すように、幅αだけ右側の壁部を内側に後退させた形状となっている。この幅αの進入用凹部８６によって、図１３に示す如く、刃具コレット３を収納凹部８０内に前方から挿入するとき、刃具コレット３を進入用凹部８６側に、幅αだけ偏倚して進入させ、歯車部３５とラック部８２との接触を回避する。

さらに、図８に示す如く、この進入用凹部８６の壁面に、浮動壁部８３がバネ８３ａと隙間８３ｂを介して浮動可能に、浮動状態で配設される。浮動壁部８３は、ラック部と同様、ガイドピンと長孔を介して、僅かな範囲で、正面視左右方向に移動可能であり、バネ（コイルバネ）８３ａを介して壁の厚さ方向に浮動可能状態で保持される。この浮動壁部８３により、刃具コレット３を収納凹部８０内に、進入用凹部８６側に偏倚して、前方から挿入するとき、刃具コレット３の歯車部３５が浮動壁部８３に接触した場合、浮動壁部８３の移動を許容し、歯車部３５と壁部の過度の衝突や接触を回避する。

図１２に示すように、刃具コレット８の歯車部３５は、ロボットアームＲＡの動作により、刃具コレット８が収納凹部８０から取り出される際、ラック部８２と係合し、歯車部３５つまり刃具コレット３が捻られる。これによって、クランプボール１４が、図２、図３のように、ディンプル３３に容易に嵌合する。このため、クランプスリーブ１３がバネ部材１９によって下降し、クランプ部２のクランプ動作が確実に行われ、且つスピンドル軸１０の駆動力が、刃具コレット３に確実に伝達可能となる。

歯車部３５とラック部８２は、歯車部３５がラック部８２の長手方向に移動するとき、歯車部３５の角度位置に係らず、円滑に係合可能であり、さらに、歯車部３５はラック部８２の末端部でスムーズに離脱するため、刃具コレット３の角度位置を検出したり、その角度位置を一定に保持する緻密な制御を実施する必要はない。

図５～図９に示すように、刃具マガジン８の各収納凹部８０の両側上には、クランプ解除部８４が傾斜面８５を介して少し高さのある突出部として形成される。刃具コレット３の収納とアンクランプ時、図１３、図１４に示す如く、クランプ解除部８４は、傾斜面８５を通して、その箇所に達した刃具コレット３のクランプスリーブ１３を徐々に押し上げ、アンクランプ状態として、刃具コレット３をクランプ部２から離脱させるように形成される。

つまり、図７、図８に示す如く、刃具マガジン８上のクランプ解除部８４の前方に、傾斜面８５が奥に向かって高くなるように連続して形成され、刃具コレット３の収納とアンクランプ時、刃具コレット３のクランプスリーブ１３が傾斜面８５により徐々に持ち上げられる。

すなわち、図１３、図１４に示すように、ロボットアームＲＡの動作によって、刃具コレット３がスピンドル本体１とともに移動し、刃具コレット３が収納凹部８０の前方から奥に向かって進入するとき、刃具コレット３のクランプスリーブ１３の下端部が傾斜面８５上に接触する。これにより、クランプスリーブ１３が傾斜面８５上を摺動しながら持ち上げられ、クランプ解除部８４まで達したとき、クランプスリーブ１３内のクランプボール１４の外側が、係合面１３ａの環状溝１３ｂに嵌る。これにより、クランプボール１４とコレット連結部側のディンプル３３との係合が外れ、クランプスリーブ１３によるクランプが解除される。

そして、ロボットアームＲＡの作動により、スピンドル本体１が上昇すると、刃具コレット３が図３に示す如く、スピンドル軸１０のクランプ部２から離脱し、収納凹部８０の係合保持部８１が刃具コレット３の係合溝３４に係合しているため、刃具コレット３は収納凹部８０内の奥部定位置に保持される。図７、図８に示すように、収納凹部８０の奥部定位置の係合保持部８１には、位置決め部材８７が両側に配置され、収納された刃具コレット３を適正な収納位置に保持する。

一方、刃具コレット３を外した後、スピンドル本体１が、刃具交換などのために、再び刃具コレット３を装着する場合、図１１に示す如く、スピンドル本体１は、そのクランプ部２を、ロボットアームＲＡによって、刃具マガジン８の収納凹部８０上の刃具コレット３上に合せるように移動する。そして、クランプ部２を下降させ、コレット挿入穴１６内に、刃具マガジン８上の刃具コレット３のコレット連結部３０を嵌入させる。

その状態で、ロボットアームＲＡの動作により、スピンドル本体１が刃具マガジン８の前側に水平移動すると、図１１のように、収納凹部８０内の係合保持部８１に保持された刃具コレット３が前方に移動する。

このとき、図１１から図１２に示す如く、刃具コレット３の歯車部３５が、収納凹部８０内のラック部８２に係合し、刃具コレット３に捻り力が付与され、刃具コレット３がその軸の回りで捻られる。このとき、クランプ部２のクランプボール１４が刃具コレット３側のクランプ溝３２のディンプル３３に適正に嵌合し、クランプスリーブ１３がバネ部材１９のバネ力により下降する。この状態で、図２の断面図に示す如く、クランプ部２のクランプボール１４は、刃具コレット３のコレット連結部３０のディンプル３３に、その内側部を適正に嵌合され、刃具コレット３は、クランプ部２にクランプされる。

次に、上記構成の加工工具の刃具交換装置の実施形態を説明する。加工工具は、図１０に示す如く、そのスピンドル本体１をロボットアームＲＡの先端に取り付けられる。各種の刃具７を固定した複数の刃具コレット３は、図９に示すように、刃具マガジン８上の収納凹部８０内に、その係合保持部８１を係合溝３４に係合させて、保持される。

スピンドル本体１のクランプ部２に、刃具コレット３をクランプする場合、図１１に示す如く、ロボットアームＲＡを動作させて、クランプ部２を、刃具マガジン８上の刃具コレット３の真上に位置させる。そして、スピンドル本体１を真下に下降させると、図１１の右図に示す如く、クランプ部２のコレット挿入穴１６内に刃具コレット３のコレット連結部３０が嵌入する。

このとき、クランプ部２のクランプスリーブ１３は、図１１に示すように、上側のアンクランプ位置である。クランプボール１４はクランプスリーブ１３内の係合面１３ａの環状溝１３ｂに係合しているため、内側のコレット連結部３０側への押し出しはない。このため、コレット連結部３０は適正なクランプ位置までコレット挿入穴１６内に嵌入する。

次に、ロボットアームＲＡの動作により、スピンドル本体１が刃具コレット３とともに、収納凹部８０の開口側に水平移動する。このとき、図１１から図１２に示す如く、刃具コレット３は、その歯車部３５が、係合保持部８１下側のラック部８２と係合して移動し、移動とともに捻り力が付与され、刃具コレット３がその軸の回りで捻られる。同時に、クランプスリーブ１３の下端部が傾斜面８５上を、図１１、図１２の右方向に摺動して開口側に進み、クランプスリーブ１３はバネ部材１９のバネ力によって徐々に下降する。

このとき、クランプボール１４は、図１２のように、環状溝１３ｂを出て、クランプスリーブ１３内の係合面１３ａに達し、係合面１３ａがクランプボール１４を内側に押圧する。これにより、図１２の右図に示すように、クランプボール１４がコレット連結部３０のクランプ溝３２のディンプル３３に嵌合し、クランプ状態となる。

このように、刃具コレット３が、その歯車部３５とラック部８２との係合により、捻られながら、クランプスリーブ１３が下降するため、仮にクランプボール１４の位置とディンプル３３の角度位置が正確に合致しない場合でも、刃具コレット３の捻りによって、両者の角度位置が合致し、図２の断面図に示す如く、クランプボール１４がディンプル３３に正確に嵌合し、刃具コレット３のクランプが完了する。

なお、図１２の中図の状態で、ロボットアームＲＡを上下動させて、刃具コレット３に縦振動を与えることができる。これにより、クランプスリーブ１３の下降を確実に実施させ、クランプスリーブ１３の下降不良による刃具コレット３のクランプ不良を防止することができる。

このように、ロボットアームＲＡの動作のみで、刃具コレット３のコレット連結部３０がクランプ部２のコレット挿入穴１６に挿入され、クランプが完了することとなる。この後、回転駆動部９が起動して、スピンドル軸１０及び刃具コレット３が高速で回転駆動され、ロボットアームＲＡは、ティーチングモードなどで、刃具７を、予め記憶した座標データに基づき、ワークテーブル上に固定されたワークＷ（図１０）の加工線に沿って移動させ、バリ取りなどの加工を行う。

この後、別の刃具コレット３に交換して、加工を行う場合、先ず、クランプ部２にクランプ中の刃具コレット３を、刃具マガジン８の収納凹部８０に戻すために、図１３、図１４のように、ロボットアームＲＡを動かして、その刃具コレット３を空の収納凹部８０に、その前方の開口から進入させる。このとき、図１３、図１４に示すように、ロボットアームＲＡは、スピンドル本体１及び刃具コレット３を、平面視で進入用凹部８６の幅αだけ、右側（進入用凹部８６側）に偏倚させながら、刃具コレット３を前方から収納凹部８０内に進入させる。これにより、刃具コレット３の歯車部３５がラック部８２を通過する際、ラック部８２と歯車部３５が接触しない状態で進入させ、歯車部３５とラック部８２の磨耗や損傷を防止することができる。そして、クランプ部２の保持された刃具コレット３は、収納凹部８０の中間部に達すると、刃具コレット３は収納凹部８０の中心線Ｃ上を進み、その係合溝３４が、係合保持部８１に係合しながら、収納凹部８０の奥に進む。

またこのとき、図１３から図１４に示すように、クランプスリーブ１３の下端部は、刃具マガジン８上の傾斜面８５を摺動して進み、クランプスリーブ１３は傾斜面８５によって徐々に持ち上げられる。そして、クランプスリーブ１３の下端部が刃具マガジン８のクランプ解除部８４に達したとき、クランプスリーブ１３内の係合面１３ａの環状溝１３ｂがクランプボール１４と係合し、クランプボール１４がコレット連結部３０側のディンプル３３から外側に移動可能な状態となり、クランプスリーブ１３はアンクランプ状態となる。

この状態で、刃具コレット３はその係合溝３４が収納凹部８０の係合保持部８１に係合保持されているため、ロボットアームＲＡの動作によってスピンドル本体１のクランプ部２が上昇すると、図１４に示す如く、刃具コレット３がクランプ部２から離脱して収納凹部８０内に保持され、クランプ部２は、刃具コレット３のない、空の状態に戻る。

次に、スピンドル本体１のクランプ部２は、ロボットアームＲＡの動作により、交換先の刃具マガジン８上の刃具コレット３上に移動する。そして、上記図１１の説明と同様に、クランプ部２が、刃具マガジン８上の刃具コレット３の真上に移動し、スピンドル本体１が真下に下降する。このとき、クランプ部２のコレット挿入穴１６内に刃具コレット３のコレット連結部３０が嵌入し、クランプボール１４はクランプスリーブ１３内の係合面１３ａの環状溝１３ｂに係合しているため、コレット連結部３０は適正なクランプ位置までコレット挿入穴１６内に嵌入する。

次に、ロボットアームＲＡの動作により、図１１に示すように、スピンドル本体１が刃具コレット３とともに、収納凹部８０の開口側に水平移動する。このとき、刃具コレット３は、その歯車部３５が刃具マガジン８の収納凹部８０のラック部８２と係合しながら移動し、これにより、刃具コレット３に捻り力が付与され、刃具コレット３はその軸の回りで捻られる。この時、ラック部８２は浮動状態であるため、歯車部３５とラック部８２間に、過度な摩擦や摩耗は生じず、スムーズに刃具コレット３はその軸の回りで捻られる。

同時に、図１２に示す如く、クランプスリーブ１３の下端部が傾斜面８５上を摺動して開口側に進み、クランプスリーブ１３はバネ部材１９のバネ力により下降する。これにより、クランプスリーブ１３内の係合面１３ａがクランプボール１４を内側に押圧し、図１２の右図のように、クランプボール１４がコレット連結部３０のクランプ溝３２のディンプル３３に適正に係合し、刃具コレット３はクランプ部２にクランプされる。この状態で、刃具コレット３が高速で回転駆動され、当該刃具コレット３による加工が行われる。

このように、上記加工工具の刃具交換装置は、ロボットアームＲＡに加工工具が取り付けられ、空気圧などの動力や電力を使用せずに、ロボットアームＲＡの動作のみで、刃具マガジン８に保持された刃具コレット３を、スピンドル軸１０のクランプ部２に嵌合させ、クランプすることができ、且つクランプスリーブ１３を自動的に摺動させてクランプ解除を行うことができる。また、刃具コレット３をクランプする際、クランプボール１４をクランプ溝３２のディンプル３３に係合させ、刃具コレット３を捻りながらクランプ状態とするので、常に刃具コレット３をクランプ部２に適正に連結してクランプし、回転駆動可能に取り付けることができる。

また、刃具コレット３を刃具マガジン８に収納する場合、ロボットアームＲＡの動作により、クランプスリーブ１３をアンクランプ方向に摺動させて、刃具コレット３をクランプ部２から離脱させ、刃具コレット３を刃具マガジン８に収納することができる。これにより、刃具７を取り付けた刃具コレット３の交換を適正に行うことができる。

さらに、クランプ部２が刃具コレット３をクランプするとき、刃具コレット３の歯車部３５が刃具マガジン８の浮動可能なラック部８２に係合して移動し、刃具コレット３が軸の回りで捻られる。これにより、クランプボール１４が、コレット連結部３０のディンプル３３と適正に嵌合し、クランプスリーブ１３がバネ部材１９のバネ力により下降して、クランプスリーブ１３がクランプ位置となる。このように、捻り力が刃具コレット３に付与されるとき、歯車部３５と浮動可能なラック部８２が係合して行われるため、刃具コレット３の交換動作が繰り返し長期にわたり行われた場合でも、歯車部３５とラック部８２の過度の摩擦や摩耗は生じない。これにより、歯車部３５とラック部８２の劣化は最少に抑えられ、長期にわたり刃具交換装置を故障なく動作させることができる。

図１５は他の実施形態を示し、ここでは、１対の光線式センサ８８が刃具マガジン８上に設置され、光線式センサ８８により、刃具コレット３をクランプするクランプ部２のクランプ状態を検知する。

すなわち、図１５に示す如く、刃具マガジン８上に、光透過型の１対の光線式センサ８８が対向して設置される。光線式センサ８８には、細いレーザ光を投受光するレーザセンサが使用されるが、通常の赤外線式の光透過型光電スイッチを用いることもできる。

図１５（ｃ）に示すように、光線式センサ８８のレーザ光Ｌは、クランプスリーブ１３の下端部を検知するように、配置される。つまり、クランプ部２が、収納凹部８０内の刃具コレット３をクランプして、歯車部３５とラック部８２の係合が終了し、その開口出口に達し、クランプ部２が一時的に移動を止めたとき、クランプスリーブ１３の下端部の有無を検知するように、光線式センサ８８のレーザ光Ｌの位置が設定される。

上述した図１２に示す刃具コレット３の取り出し動作のように、クランプ部２が、収納凹部８０内の刃具コレット３をクランプして、開口側に移動し、歯車部３５とラック部８２の係合が行われ、クランプ部２が定位置で移動を止めたとき、図１５（ｃ）のように、光線式センサ８８はレーザ光を投光し、レーザ光Ｌがクランプスリーブ１３の下端部に向けて照射され、クランプスリーブ１３が所定のクランプ位置まで下降しているか否かを検知する。このとき、光線式センサ８８のレーザ光Ｌがクランプスリーブ１３の下端部により遮断され、またはその下端部を検知したとき、クランプスリーブ１３が完全にクランプ位置まで下降しクランプ状態となったことが確認される。

一方、光線式センサ８８がクランプスリーブ１３の下端部を検知しない場合、クランプスリーブ１３の下降不良（クランプ不良）として、図１２に示すように、ロボットアームＲＡが上下動して、クランプスリーブ１３に縦振動を与え、クランプ動作を再度実施する。そして、光線式センサ８８により、クランプスリーブ１３の下端部が検知された場合、刃具コレット３をクランプしたクランプ部２が、収納凹部８０内から刃具コレット３を離脱させるように移動することとなる。この光線式センサ８８によるクランプ部２のクランプ不良の検知により、刃具コレット３が落下するなどの不具合が効果的に防止される。

１ スピンドル本体
２ クランプ部
３ 刃具コレット
７ 刃具
８ 刃具マガジン
９ 回転駆動部
１０ スピンドル軸
１２ プレート
１３ クランプスリーブ
１３ａ 係合面
１３ｂ 環状溝
１４ クランプボール
１５ スピンドル先端部
１６ コレット挿入穴
１７ ボール保持孔
１８ 付勢部材
１８ａ コイルバネ
１９ バネ部材
２１ 係止リング
２２ 係止リング
３０ コレット連結部
３１ 刃具固定部
３２ クランプ溝
３３ ディンプル
３４ 係合溝
３５ 歯車部
８０ 収納凹部
８１ 係合保持部
８２ ラック部
８２ａ バネ
８３ 浮動壁部
８３ａ バネ
８４ クランプ解除部
８５ 傾斜面
８６ 進入用凹部
８７ 位置決め部材
８８ 光線式センサ

Claims (4)

1. スピンドル軸を回転駆動する回転駆動部と、該回転駆動部に連結され、内部に該スピンドル軸を回転可能に保持するスピンドル本体と、該スピンドル軸の先端に設けられたクランプ部と、該クランプ部にクランプされ、刃具を取り付けた刃具コレットと、複数の該刃具コレットを保持する刃具マガジンと、を備えた加工工具の刃具交換装置において、
   該刃具コレットの端部に設けたコレット連結部に、円環状のクランプ溝が設けられるとともに、該クランプ溝内に複数のディンプルが設けられ、
   該クランプ部には、該クランプ溝に嵌合する複数のクランプボールと、該クランプボールを内側に付勢するために、外周部に摺動可能に外嵌されたクランプスリーブと、該クランプスリーブをクランプ方向に付勢するバネ部材とが設けられ、
   該刃具コレットの外周部に、歯車部が設けられ、
   前記刃具マガジンには、前記刃具コレットを収納する収納凹部が設けられ、
   該収納凹部内の一方の壁部に、該刃具コレットの該歯車部と係合可能なラック部が浮動可能に設けられるとともに、該クランプスリーブに接触して該クランプスリーブをアンクランプ方向に摺動させるクランプ解除部が該刃具マガジン上に設けられ、
   該刃具コレットが該収納凹部から離脱する際、該歯車部と該ラック部が係合して該刃具コレットに捻り力を付与することを特徴とする加工工具の刃具交換装置。
2. 前記ラック部は、前記刃具マガジンの収納凹部の内側に、前記刃具コレットの取り出し時の移動方向と平行に配設されるとともに、隙間とバネを介して少なくとも歯の凹凸方向に浮動可能に支持されたことを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
3. 前記刃具マガジンの収納凹部内側における、前記ラック部と反対側の内壁面に、進入用凹部が設けられるとともに、該進入用凹部の壁面に可動壁部が、浮動可能に支持されたことを特徴とする請求項１または２記載の加工工具の刃具交換装置。
4. 前記刃具マガジンの収納凹部近傍に、前記クランプ部の状態を検知する光線式センサーが設けられ、該光線式センサーは、該収納凹部上の該クランプ部が該刃具コレットをクランプしたとき、該クランプの正否を、光の反射または光の遮断に基づき検出することを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
   
   
   
   
   

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