JP2024037380A - クランプ機構，クランプ装置，及び工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 工具交換前に予め工具ホルダーを引き抜き可能な状態とすることで、速やかな工具交換を行う。【解決手段】 サーボモーター６１０によってスピンドル２００の全体を後退させると、バネ押え３２０，ドローバー３００が固定板２１０に当接する。このため、バネ押え３２０は、相対的にドローバー３００の前方にスライドし、伸縮バネ３１０が縮み、コレット４００が前方にスライド可能となって、工具ホルダー５００をコレット４００から引き抜くことができる状態となる。工具ホルダー５００を先端側に引き抜くと、コレット４００が先端側にスライドし、開閉円筒部４２０のクランプ爪４２２が、スピンドル２００内側の傾斜面２３２からアンクランプ溝２３０に入り込み、更には、コレット４００の開閉円筒部４２０が開いて、工具ホルダー５００のプルスタット５０４が引き抜かれる。【選択図】図１

Description

本発明は、工具などを保持するクランプ機構，クランプ装置，及びそれらを使用するマシニングセンターなどの工作機械の改良に関する。

従来のクランプ装置としては、例えば、下記特許文献１記載の「工具クランプ装置」がある。これは、皿ばね以外に主軸内のドローバーの周囲に付勢用のコイルばねを設け、主軸後部のアンクランプシリンダの後部に仮保持シリンダを設けている。コイルばねは、アンクランプシリンダの動作で皿ばねによるドローバー引込付勢が解除された際にドローバーを弱い力で引込付勢して工具が脱落しないよう動作する。また、仮保持シリンダは、工具を引き抜き操作した際に前方へ移動したドローバーをその位置でロックし、次の工具が挿入されるまでドローバーがコイルばねの作用で後方に移動しないようにしている。

下記特許文献２記載の「アンクランプ装置」は、アンクランプ時にプランジャピンを押すと、テーパー面とボールによる倍力機構によってドローバーが下方へ移動し、工具ホルダーが押し出されて、テーパー面と工具ホルダーとの密接状態が解除される。仮保持機構では、仮保持バネによってボールが溝に戻るため、ドローバーが上方に移動し、工具ホルダーも上方に戻り、そのテーパー面は、スピンドル側のテーパー面と再び接触して本来の位置に戻る。

特開2003-231008号公報 特開2010-214568号公報

ところで、マシニングセンターなどでは、ツールマガジンに装着されたドリル，リーマなどの工具を自動で交換するＡＴＣ（自動工具交換装置：Automatic Tool Changer）を備えており、そして、ＡＴＣに設けられたクランプ機構に対して、ドリルなどを保持する工具ホルダーの交換が行われるが、工具交換に要する時間は短いほうがよい。そのためには、工具ホルダーの引き抜きを行うタイミングの全段階で引き抜き可能な状態にあると好都合である。

本発明は、かかる点に着目したもので、工具交換前に予め工具ホルダーを引き抜き可能な状態とすることで、速やかな工具交換を行うことを、その目的とする。

本発明のクランプ機構は、クランプ対象物のクランプ部分に接触するクランプ面が先端に形成されたスピンドル，前記スピンドル内で、前記クランプ対象物をクランプするコレット，前記コレットを駆動するドローバー，前記クランプと前記ドローバーとの間に設けられた伸縮バネ，この伸縮バネを、クランプ時は伸びるように、アンクランプ時は縮むように伸縮させる伸縮手段を備えており、前記クランプ対象物の交換の前に、前記伸縮手段で前記伸縮バネを縮ませて、前記ドローバーにより、前記コレットがアンクランプ可能な状態とすることを特徴とする。

主要な形態の一つによれば、前記クランプ対象物が工具ホルダーであり、前記コレットは、工具ホルダーのプルスタットを掴むことで、前記工具ホルダーをクランプすることを特徴とする。他の形態によれば、前記コレットは、前記クランプ対象物を掴むクランプ爪が開閉する開閉手段を備えており、アンクランプ時に、前記クランプ爪が入り込むアンクランプ溝が前記スピンドルに設けられており、前記クランプ対象物を取り外す前に、前記クランプ爪が前記アンクランプ溝に入り込んで前記開閉手段が開く状態となる位置となるように、前記ドローバーで前記コレットをスライドさせることを特徴とする。

他の形態によれば、前記伸縮バネを、前記スピンドルの後ろ側で押さえるバネ押えを設けたことを特徴とする。あるいは、前記ドローバーを主軸方向にスライドさせたときに、前記バネ押えによって前記伸縮バネを伸縮するための固定板を、前記スピンドルの後端側に設けたことを特徴とする。更には、前記コレット及び前記バネ押えを仮保持する仮保持手段を備えたことを特徴とする。

本発明のクランプ装置は、前記いずれかのクランプ機構を備えたことを特徴とする。本発明の工作機械は、前記いずれかのクランプ機構を備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、工具交換の前に、事前に工具ホルダーを交換可能な状態とすることで、工具交換を速やかに行って交換に要する時間を短縮し、作業効率の向上を図ることができる。

本発明の実施例１を示す主軸方向の主要断面図である。(A)はクランプ時の様子を示し、(B)は(A)の＃１－＃１線に沿って矢印方向に見た断面を示し、(C)はバネ押え（終端環）３２０を示す。 (A)は工具ホルダーを引き抜く前の状態を示し、(B)は工具ホルダーを引き抜くときの様子を示す。 (A)は工具ホルダーを引き抜いた後の状態を示し、(B)は工具ホルダーを挿入する前の状態を示す。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

図１(A)は、本実施例のクランプ装置の主軸方向に沿った断面を示す。同図は、クランプ機構１００に工具ホルダー５００が挿入されている状態を示している。同図において、クランプ機構１００は、円柱状のスピンドル２００が、図示しない筐体（ハウジング）の内側に設けられた構造となっている。スピンドル２００内には、主軸方向にドローバー３００が貫通しており、ドローバー３００の先端（図の左側）の縮径部３０２には、工具ホルダー５００をクランプするコレット４００が設けられている。

これら、筐体，スピンドル２００，ドローバー３００，コレット４００，工具ホルダー５００は、主軸モーター６００により、矢印ＦＡ（もしくはその逆方向）で示すように、全体が一体となって回転するようになっている。また、スピンドル２００に対して、ドローバー３００及びコレット４００は、サーボモーター６１０によって、矢印ＦＢで示すように、、スライド可能となっている。主軸モーター６００による回転が行われているときは、サーボモーター６１０によるスライドは行われず、逆に、サーボモーター６１０によるスライドが行われるときは、主軸モーター６００による回転は行われない。主軸モーター６００やサーボモーター６１０の回転力は、図示しないギア手段やベルト手段によって適宜の回転速度に調整された後、それぞれ伝達されるようになっている。

以上のうち、スピンドル２００の後端側（図の右側）には、矢印ＦＢ方向のスライド動作を規制する固定板２１０が設けられている。一方、スピンドル２００の先端（図の左側）には、テーパー面２２０が形成されており、これが工具ホルダー５００のテーパー面５０２に当接するようになっている。また、スピンドル２００のテーパー面２２０のコレット側には、アンクランプ溝２３０が設けられており、後述するようにコレット４００の開閉円筒部４２０が開いたときに引っ掛かるようになっている。このスピンドル２００のアンクランプ溝２３０は、傾斜面２３２を経て内周面に至っている。更に、コレット４００の中央後ろ側には、ボール２４２，バネ２４４，バネ抑え２４６による仮保持機構２４０が設けられており、これによってコレット４００の仮保持が行われるようになっている。仮保持機構２４０は、主軸の周りに適宜の間隔で複数設けられている。

スピンドル２００の中央付近から後ろ側には、内側にバネ収容部２５０が設けられており、ドローバー３００との間に伸縮バネ３１０が設けられている。この伸縮バネ３１０の先端側は、バネ収容部２５０の壁面２５２に当接している。一方、伸縮バネ３１０の後端側は、ドローバー３００の後端側に設けたバネ押え３２０に当接している。バネ押え３２０は、ドローバー３００の後端側の拡径部３０４に対して主軸方向にスライド可能となっており、その先端が前記伸縮バネ３１０に当接している。また、図１(C)に拡大して示すように、バネ押え３２０の外周には、球状の仮保持体３３０が主軸の周りに適宜の間隔で設けられている。これら仮保持体３３０は、スピンドル２００の内側に設けられた凹部２６０，２６２のいずれかに嵌まり込むようになっている。

次に、コレット４００は、円柱状のスライド体４１０を中心に構成されており、その先端側には、工具ホルダー５００のプルスタット５０４が嵌まり込む開閉円筒部４２０が設けられており、反対の後端側には、ドローバー３００の先端の縮径部３０２が嵌まり込む凹穴４３０が設けられている。図１(B)には、同図(A)の＃１－＃１線に沿って矢印方向に見た様子の概略が示されており、前記開閉円筒部４２０は、主軸方向に沿って複数のスリット４２６が設けられており、主軸と直交する径方向に開閉可能となっている。また、開閉円筒部４２０には、前記プルスタット５０４を掴むクランプ爪４２２が設けられている。

次に、スライド体４１０の外周には、仮保持機構２４０のボール２４２が嵌まり込む凹部４４０，４４２が設けられている。また、スライド体４１０の後ろ側の外周面には、キー溝４５０が設けられており、スピンドル２００側にピン４５２が設けられている。キー溝４５０及びピン４５２は、主軸の周りに適宜の間隔で複数設けられており、キー溝４５０にピン４５２がに係合することで、コレット４００がスピンドル２００内で回転しないようになっている。

次に、工具ホルダー５００は、その先端（図１(A)の左側）に適宜の工具（図示せず）が取り付けられるようになっており、反対側は、テーパー面５０２とプルスタット５０４が設けられている。これらの構成は公知である。

上述した伸縮バネ３１０は、図１(A)や図３の状態では、伸びた状態にある。このため、固定板２１０と、バネ押え３２０との間に隙間が生じている。これに対し、図２に示す状態では、前記隙間が無くなっており、伸縮バネ３１０は、バネ押え３２０によって押されており、縮んだ状態となっている。

コレット４００による工具ホルダー５００のクランプ・アンクランプの基本的な作用を説明すると、クランプ時は、図１(A)に示すように、コレット４００のクランプ爪４２２によって工具ホルダー５００のプルスタット５０４の先端拡径部が掴まれており、かつ、クランプ爪４２２が、スピンドル２００側の傾斜面２３２に当たっている。一方、アンクランプ時は、後述する図２(B)に示すように、コレット４００のクランプ爪４２２が、スピンドル２００のアンクランプ溝２３０に入り込むようになり、コレット４００の開閉円筒部４２０が開いて、工具ホルダー５００のプルスタット５０４を引き抜くことができる状態となる。引き抜いた後は、後述する図３(B)に示すようになる。

次に、図２～図３も参照しながら、本実施例の動作を説明する。
＜工具ホルダークランプ時＞ 図１(A)に、工具ホルダー５００のクランプ時の様子を示す。この状態では、伸縮バネ３１０が伸びた状態となっており、このため、ドローバー３００及びコレット４００は、これ以上の伸びることができない。よって、工具ホルダー５００を引き抜こうとしても、引き抜くことはできず、クランプ状態を維持する。そして、主軸モーター６００を駆動すると、スピンドル２００，ドローバー３００，コレット４００，工具ホルダー５００が全体として、矢印ＦＡ方向に回転し、工具ホルダー５００に保持されている工具（図示せず）によって加工が行われる。

＜工具ホルダー引き抜き前の状態＞ 主軸モーター６００を停止した状態で、サーボモーター６１０によってスピンドル２００及びドローバー３００の全体を後退させると、図２(A)に示すように、バネ押え３２０が固定板２１０に当接するようになる。更に、後退させると、バネ押え３２０が停止した状態で、ドローバー３００後端がスライドし、固定板２１０に当接するようになる。このため、バネ押え３２０は、相対的にドローバー３００の前方にスライドし、その仮保持体３３０が、後ろ側の凹部２６０から前側の凹部２６２に嵌まり込むようになり、伸縮バネ３１０が縮むようになる。また、コレット４００の仮保持機構２４０は、ボール２４２が前側の凹部４４０に嵌まり込んでおり、コレット４００が前方にスライド可能となっている。これにより、工具ホルダー５００をコレット４００から引き抜くことができる状態となる。

＜工具ホルダー引き抜き時＞ 次に、前記図２(A)の状態から、工具ホルダー５００を先端側に引き抜くと、コレット４００が先端側にスライドし、開閉円筒部４２０のクランプ爪４２２が、スピンドル２００内側の傾斜面２３２からアンクランプ溝２３０に入り込み、更には、コレット４００の開閉円筒部４２０が開いて、図２(B)に示すように、工具ホルダー５００のプルスタット５０４が引き抜かれる。このとき、仮保持機構２４０は、ボール２４２が前側の凹部４４０から後ろ側の凹部４４２に嵌まり込むようになる。

＜工具ホルダーなしの状態＞ 工具ホルダー５００をコレット４００から引き抜くと、図３(A)に示すようになる。そして、この状態で、サーボモーター６１０によって、スピンドル２００を全体として前方向にスライドさせると、図３(B)に示すように、バネ押え３２０及びドローバー３００の後端が、固定板２１０から離れるようになる。すると、伸縮バネ３１０が伸び、ドローバー３００が前方に押される。この際に、ドローバー３００の縮径部３０２がコレット４００の凹穴４３０に入り込むようになり、コレット４００はわずかに前方に押される。これにより、工具ホルダー５００をコレット４００に挿入できる状態となる。

＜工具挿入時＞ 図３(B)の状態において、工具ホルダー５００を挿入すると、工具ホルダー５００のプルスタット５０４がコレット４００の開閉円筒部４２０に入り込み、コレット４００は、後端側にスライドする。このため、開閉円筒部４２０のクランプ爪４２２が、スピンドル２００のアンクランプ溝２３０から、傾斜面２３２に沿って移動し、開閉円筒部４２０はプルスタット５０４を噛んで閉じるようになる。コレット４００のスライドに伴い、仮保持機構２４０は、ボール２４２が凹部４４２から凹部４４０に嵌まり込む。更に、コレット４００の後端方向へのスライドに伴って、ドローバー３００も後端方向にスライドする。これにより、バネ押え３２０の外周の仮保持体３３０が、凹部２６２から凹部２６０に嵌まり込むようになる。このようにして、図１(A)に示したクランプ状態となる。

以上のように、本実施例によれば、工具ホルダー５００の交換の前に、事前に前記コレット４００がアンクランプ可能な状態となるので、工具交換を速やかに行うことができ、交換に要する時間を短縮し、作業効率の向上を図ることができる。

＜他の実施例＞ なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例に示した各部の形状・寸法は一例であり、同様の機能を奏するように設計変更可能である。例えば、仮保持機構・ピン・キーなどの機械要素は、必要に応じて設けてよい。
(2)前記実施例では、固定板２１０に対してスピンドル２００，ドローバー３００，コレット４００の全体が主軸方向にスライドする構成としたが、逆にドローバー３００等を固定し、固定板２１０を主軸方向にスライドするようにしてもよい。
(2)本発明のクランプ機構１００の適用対象としては、例えば、マシニングセンターのＡＴＣ（オートマチック・ツール・チャンジャー：自動工具交換装置）における工具ホルダーの交換に好適であるが、各種のクランプ機構に適用することができる。従って、クランプする対象も、工具ホルダーに限定されない。

以上のように、本実施例によれば、工具交換の前に、事前に工具ホルダーを交換可能な状態とすることで、工具交換を速やかに行って交換に要する時間を短縮し、作業効率の向上を図ることができるので、ＡＴＣなどに好適である。

１００：クランプ機構
２００：スピンドル
２１０：固定板
２２０：テーパー面
２３０：アンクランプ溝
２３２：傾斜面
２４０：仮保持機構
２４２：ボール
２４４：バネ
２５０：バネ収容部
２５２：壁面
２６０，２６２：凹部
３００：ドローバー
３０２：縮径部
３０４：拡径部
３１０：伸縮バネ
３２０：バネ押え
３３０：仮保持体
４００：コレット
４１０：スライド体
４２０：開閉円筒部
４２２：クランプ爪
４２６：スリット
４３０：凹穴
４４０，４４２：凹部
４５０：キー溝
４５２：ピン
５００：工具ホルダー
５０２：テーパー面
５０４：プルスタット
６００：主軸モーター
６１０：サーボモーター

Claims (8)

1. クランプ対象物のクランプ部分に接触するクランプ面が先端に形成されたスピンドル，
   前記スピンドル内で、前記クランプ対象物をクランプするコレット，
   前記コレットを駆動するドローバー，
   前記クランプと前記ドローバーとの間に設けられた伸縮バネ，
   この伸縮バネを、クランプ時は伸びるように、アンクランプ時は縮むように伸縮させる伸縮手段，
   を備えており、
   前記クランプ対象物の交換の前に、前記伸縮手段で前記伸縮バネを縮ませて、前記ドローバーにより、前記コレットがアンクランプ可能な状態とすることを特徴とするクランプ機構。
2. 前記クランプ対象物が工具ホルダーであり、
   前記コレットは、工具ホルダーのプルスタットを掴むことで、前記工具ホルダーをクランプすることを特徴とする請求項１記載のクランプ機構。
3. 前記コレットは、前記クランプ対象物を掴むクランプ爪が開閉する開閉手段を備えており、
   アンクランプ時に、前記クランプ爪が入り込むアンクランプ溝が前記スピンドルに設けられており、
   前記クランプ対象物を取り外す前に、前記クランプ爪が前記アンクランプ溝に入り込んで前記開閉手段が開く状態となる位置となるように、前記ドローバーで前記コレットをスライドさせることを特徴とする請求項１記載のクランプ機構。
4. 前記伸縮バネを、前記スピンドルの後ろ側で押さえるバネ押えを設けたことを特徴とする請求項３記載のクランプ機構。
5. 前記ドローバーを主軸方向にスライドさせたときに、前記バネ押えによって前記伸縮バネを伸縮するための固定板を、前記スピンドルの後端側に設けたことを特徴とする請求項４記載のクランプ機構。
6. 前記コレット及び前記バネ押えを仮保持する仮保持手段を備えたことを特徴とする請求項４記載のクランプ機構。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載のクランプ機構を備えたことを特徴とするクランプ装置。
8. 請求項１～６のいずれか一項に記載のクランプ機構を備えたことを特徴とする工作機械。

Images