JP2864083B2 - 工作機械の自動工具交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工作機械の自動工具
交換装置に関し、更に詳しくは往復移動する主軸に対し
て、複数の工具を格納した工具マガジンの位置を固定し
て回転自在に配設し、主軸の往復移動中に所要の工具の
割り出しと、該割り出された工具の脱着交換を自動的に
行うようにした工作機械の自動工具交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、回転若しくは軸方向の往復移動を
数値制御された主軸の先端に、タップ、ドリル等の所要
の工具を交換自在に取り付けると共に、主軸に対して位
置を固定して回転自在に配設された工具マガジンに複数
の工具を格納しておき、工具マガジンを回転して所要の
工具を割り出し、該割り出された工具を主軸先端の工具
と自動的に交換することによって、被加工物に所望の加
工を順次行い得るようにした工作機械の自動工具交換装
置は公知であり、例えば、実開昭６３−１５８７３９号
公報、特開平２ー１５９３６号公報等に開示されてい
る。

【０００３】これら公知の自動工具交換装置は、主軸を
保持し主軸と共に往復移動する主軸ヘッドの外面にその
下面から側面に沿って延びる

【外１】 状の板カムを設け、該

【外１】状カムに当接するローラ状のカムフォロワーを
有したツールハンドを工具マガジンに揺動自在に軸支し
て、主軸ヘッドの往復移動中にカムフォロワーとカムと
の接触によってツールハンドを主軸軸線上の工具装置位
置から退避位置までの間、往復移動させるようにした機
構から構成されている。

【０００４】従来公知の装置はツールハンドの構造にお
いて、前者のツールハンドが平行四辺形のリンク機構か
ら構成されるのに対し、後者のそれは一本のアーム部材
で構成されている点で若干の相異はあるが、両者共に、
ツールを固持したツールホルダの交換時に、ツールホル
ダを保持するツールハンドの先端部が工具マガジンと主
軸との間において略円弧状の軌道に沿って往復運動して
いる点で一致している。

【０００５】このようにツールホルダを保持するツール
ハンドの先端部が、円弧状の軌跡を抽いて運動する結
果、ツールハンドから主軸又はこの逆主軸からツールハ
ンドにツールホルダを受け渡しする際、主軸の垂直方向
（Ｚ軸方向）の直線的な移動に対して、これと相対的に
ツールハンドは円弧状の移動となり、主軸に挿着された
ツールホルダとツールハンド先端部との間に、ホールド
状態からツールハンドが徐々に抜けていく、或いは逆に
徐々に入り込んで行くという相対的な動きが常にあり、
かかる動きの中で主軸に挿着されたツールホルダのクラ
ンプ若しくはアンクランプ動作が行われている為、主軸
側のコレットによるツールホルダ上端のプルスタッドの
掴持や、ツールハンドによるツールホルダの保持が不安
定となる問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、ツールホ
ルダを主軸のＺ軸方向と直交する方向に開閉する１対の
ツールハンドで挟持して保持するようにし、主軸ヘッド
に取り付けたカムでツールハンドを開閉自在にすると共
に、クランプ若しくはアンクランプ工程中、ツールハン
ドを閉じた状態に維持しつつ、主軸ヘッドと同方向に平
行移動させることにより、ツールホルダの保持を確実に
行い、不安定さを解消するようにせんとするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明が採った手段は、主軸がＺ軸方向に移動す
ることによって、ツールマガジンと主軸間でツールホル
ダの受け渡しを行う工作機械において、ツールマガジン
を主軸に対して位置を固定して配置し、該ツールマガジ
ンにツールハンドをＺ軸方向に移動可能に取り付け、ツ
ールホルダを主軸にクランプ若しくはアンクランプする
主軸の移動範囲中、ツールハンドがツールホルダを保持
した状態を保持しつつ主軸と共にＺ軸方向に移動し、ク
ランプ若しくはアンクランプ動作終了後、ツールハンド
が開放されると共にＺ軸方向の移動を停止するように
し、主軸に保持されたツールによる加工中ツールハンド
が開放状態に維持されていることを特徴とする。

【０００８】

【作 用】ツールホルダに対して水平方向に揺動開閉す
る２本のアームを備えたツールハンドでツールホルダを
保持し、アームを主軸ヘッドに取り付けた板状カムと該
カムに当接する第２カムフォロワーで拡開してツールハ
ンドを開放すると共に、工具マガジンに取り付けた規制
カムと第１カムフォロワーでツールハンドを閉止する。
規制カムはＺ軸方向に所定の長さを有すると共に、ツー
ルハンドはクランプ若しくはアンクランプ工程中板状カ
ムと第２カムフォロワーとの当接により、主軸ヘッドと
同一方向にＺ軸方向に閉じた状態のまま移動し、ツール
ホルダの保持を維持する。

【０００９】

【発明の効果】この発明によれば、複数の工具をツール
ホルダ、ツールハンドと共に格納したツールマガジンが
位置を固定して配設されているため、重量のあるツール
マガジンの移動によって惹起される種々の不都合を解消
することが出来ると共に、ツールの交換動作が安定し、
交換時間の短縮化を図ることができる。又、規制カムと
第１カムフォロワー及び板状カムと第２カムフォロワー
によるツールハンドの閉状態でのＺ軸方向移動と、必要
位置での開状態が正確に行われるため、主軸に対する工
具のクランプ若しくはアンクランプを確実に行うことが
出来、工具の自動交換を安定して行うことが可能となる
と共に、ツールマガジンに収納されているツールホルダ
は、規制カムと第１カムフォロワーが当接した状態にあ
るため、セルフロック状態が保たれ、ツールマガジンが
旋回することにより発生する遠心力に対しても、ツール
ハンドは閉状態を保ち、ツールホルダの落下を防止する
ことが出来る。

【００１０】

【実施例】以下に図面を参照しつつ、この発明の好まし
い実施例を詳細に説明する。この発明に係る工作機械
は、内部に工作機械本体を収納した略方形箱状の外部ボ
ックスを有し、その前面は扉で開閉自在であり、側面に
は覗窓が設けられ、扉を開閉して被加工物のセット、加
工物の取り出し、工具のセット、調整等を行うと共に、
加工中は扉を閉じて、切粉の飛散を防止すると共に、不
測の事故防止を図る。

【００１１】外部ボックス内に収納される本体は、基台
上に立設されたフレームに垂直方向（Ｚ軸方向）に往復
移動自在に支持された主軸ヘッド(１)を含む。フレーム
には、主軸ヘッドに隣接して位置を固定した工具マガジ
ン(８)が複数の工具を回転割り出し可能にして取り付け
られ、収納された複数の工具から所要の工具を割り出し
てツールハンドにより、前記主軸ヘッド(１)に受け渡す
ことが出来る。基台の上部には、前記主軸ヘッド(１)の
下方に整合して、ワークテーブルが水平横方向（Ｘ軸方
向）並びに水平前後方向（Ｙ軸方向）の移動を自在にし
て配設されており、工具マガジン(８)からツールハンド
によって受け渡された工具を挿着保持した主軸ヘッド
(１)のＺ軸方向の下降により、ワークテーブル上に取り
付けられた被加工物に所望の加工を施すことが出来る。
かかる工作機械の基本的機構は従来公知であり、この発
明は工具の主軸への交換をツールハンドにより自動的に
行うための新規なる改良された装置であり、以下に詳細
に説明する。

【００１２】工具交換機構 図１〜９を参照して、(１)は主軸ヘッドであり、主軸
(２)が駆動回転自在に軸支され、垂直な軸線（Ｚ軸）に
沿って主軸(２)と共に上下動自在にされている。主軸
(２)の先端には、工具(３)を固持したツールホルダ(４)
が着脱自在に装着される。図４、５に示すようにツール
ホルダ(４)はその上端に、主軸(２)内のコレット(５)で
掴持されるプルスタッド(６)を有し、コレット(５)の開
閉により、ツールホルダ(４)の掴持若しくはその開放が
行われる。図４は掴持の状態を、図５は開放の状態をそ
れぞれ示す。コレット(５)は主軸(２)内を上方へ延びる
ドローパー(７)で開放され、ツールホルダ(４)を開放す
ると共に、開放されたツールホルダ(４)はドローパー
(７)の先端で主軸(２)から外方へ押し出される。コレッ
ト(５)を開放するドローパー(７)の下降はアンクランプ
工程中に主軸ヘッド(１)の移動に連動したカム手段によ
ってもたらされる。

【００１３】主軸ヘッド(１)に隣接して配置された工具
マガジン(８)は、回転自在に軸支された実質的に円盤状
のベース部材(９)を含み、該ベース部材(９)に複数のツ
ールハンド(10)が等間隔に配置される。図示の実施例で
は、ツールハンド(10)は１０個配設されており、該ツー
ルハンド(10)にそれぞれ１個ずつツールホルダ(４)が保
持され、各ツールホルダ(４)にそれぞれ固持された工具
(３)により１０種類の異なった加工を行うことが出来
る。しかしながら、工具(３)の数は１０個に限られるも
のではなく、これ以上でも以下でも良いことは勿論であ
る。

【００１４】図２に示すように、ツールハンド(10)は、
ベース部材(９)にブラケット(11)を介して取り付けられ
たスライドベース(12)に対して、スライド自在にされた
ハンドベース(13)を有しており、後述するようにクラン
プ若しくはアンクランプ工程中、ツールハンド(10)が主
軸ヘッド(１)と同じＺ軸方向に移動可能にされると共
に、常時はスライドベース(12)に内装されたスプリング
(14)の弾発力を受けて上昇した位置に偏位される。スラ
イドベース(12)とハンドベース(13)との間には、互いに
係合するスライドレール(15)とスライド(16)とが組み込
まれており、ハンドベース(13)をＺ軸方向に案内してい
る。

【００１５】ツールハンド(10)は左右１対の

【外１】状の板状アーム(17)から成り、垂直辺(17ａ)の
上部をハンドベース(13)にアーム軸(18)で回転自在に軸
支すると共に、水平辺(17ｂ)の先端部には円弧状の凹部
からなるツールホルダ保持部(19)が形成され、１対のア
ームを閉じるとき保持部(19)でツールホルダ(４)を挟持
して保持することが出来る。(20)はビスで固定された爪
片であり、ツールホルダ(４)の溝に係入して確実な保持
を達成する。

【００１６】アーム(17)の垂直辺(17ａ)にはそれぞれロ
ーラからなる１対のカムフォロワー(21)(22)が軸支さ
れ、外側の第１カムフォロワー(21)は、スライドベース
(12)に固着されＺ軸方向に所定の長さを有する板状の規
制カム(23)に当接して、１対のアーム(17)を閉じた状態
に移行させる。常時は、ツールハンド(10)がスプリング
(14)で上昇した位置にあり、規制カム(23)と第１カムフ
ォロワー(21)が当接して、アーム(17)を閉じた状態に
し、ツールホルダ(４)を保持している。そして、この状
態で、不使用のツールハンド(10)は工具マガジン(８)内
に収納されると共に、ツール交換のために、主軸ヘッド
(１)の位置に割り出される。

【００１７】内側の第２カムフォロワー(22)は、図３に
示すように主軸ヘッド(１)の前面に取り付けられた板状
カム(24)の側面に当接して、板状カム(24)が主軸ヘッド
(１)と共に、Ｚ軸方向に上下動するとき、位置を固定さ
れた工具マガジン(８)との相対的な移動により作動さ
れ、ツールハンド(10)の１対のアーム(17)を開く方向へ
付勢する。

【００１８】板状カム(24)は図７に示すように、２本の
アーム(17)を外方へ押し拡げ得る幅寸法と、主軸ヘッド
(１)のＺ軸方向ストローク長より少なくとも大なる長さ
を有した板状のカムであって、Ｚ軸に沿って主軸ヘッド
(１)の前面に取り付けられる。該板状カム(24)の下端は
円弧面に形成され、１対の第２カムフォロワー(22)と当
接自在であり、当接した第２カムフォロワーを外方へ押
し拡げることが出来、第２カムフォロワー(22)が外方へ
押し拡げられるのと一体に、１対のアーム(17)が外方へ
拡開して、ツールホルダ(４)を非保持の状態に移行す
る。

【００１９】すなわち、ツールハンド(10)は、第１カム
フォロワー(21)が規制カム(23)に当接するとき閉止さ
れ、第２カムフォロワー(22)が板状カム(24)に当接する
とき開放されるようになっており、第１カムフォロワー
(21)と規制カム(23)とが当接して閉止方向へ移行される
ときの動きをスムースにするために、規制カム(23)の下
端は円弧面に形成されている。

【００２０】工具交換工程 次に図１０〜１８を参照して、工具交換工程を説明す
る。図１０、１４は、工具交換原点を示し、主軸(２)が
機械原点位置からＺ軸方向に５５ｍｍ上昇した位置（Ｚ
５５）にある。尚以下の説明及び図において「Ｚ５５」
等の表示は機械原点（Ｚ０）からＺ軸方向に主軸が移動
した距離を示し、「Ｚ２０」のようにマイナス記号のな
い場合には機械原点から上昇する方向と距離を示し、
「Ｚ−２０」のように数字にマイナス記号がついた場合
はＺ０から下降する方向と距離を示す。又、これら移動
距離を示す数字は単に機械の作動を例示するにすぎず、
これに限定されるものではない。

【００２１】工具交換原点（Ｚ５５）において、工具マ
ガジン(８)で割り出された工具(３)を固持するツールホ
ルダ(４)がツールハンドで主軸(２)の下方に整合して位
置づけられて、主軸にクランプ開始されるようにしてあ
り、１対のアーム(17)は第１カムフォロワー(21)と規制
カム(23)との当接により閉じられてツールホルダ(４)を
挟持している。Ｚ５５の位置から主軸ヘッド(１)が下降
して、図１５に示すＺ２７の位置までが工具のクランプ
工程であり、この工程中にツールホルダ(４)はしっかり
と主軸(１)にクランプされる。尚、このクランプ工程は
主軸ヘッドが逆にＺ２７からＺ５５に上昇している場合
には、ツールホルダを主軸から開放するアンクランプ工
程となるものである。クランプ工程中においては、主軸
ヘッド(１)の前面に取り付けられた板状カム(24)が主軸
ヘッド(１)の下降と一体に下降して、第２カムフォロワ
ー(22)を押下し、これを外方へ押し拡げようとするが、
規制カム(23)と第１カムフォロワー(21)とが当接した状
態にありアーム(17)の拡開を規制しているため、ツール
ハンド(10)はスプリング(14)の弾撥力に抗しつつＺ軸方
向に下降して行くのみとなる。

【００２２】すなわち、クランプ若しくはアンクランプ
工程中はツールハンド(10)はツールホルダ(４)を保持し
た状態のまま、主軸ヘッド(１)と共にＺ軸方向に移動す
ることとなり、この工程中において、ツールホルダと主
軸ヘッドとの間に円弧状の移動軌跡が形成されることは
ない。そして、ツールホルダと主軸ヘッドとの同一方向
への移動中に、コレット(５)によるプルスタッド(６)へ
の掴持又はその開放が行われる結果、主軸へのツールホ
ルダの装着若しくはツールハンドへの受け渡しをきわめ
て安定した状態で達成することが出来る。

【００２３】Ｚ２７のクランプ終了時点で、第１カムフ
ォロワー(21)は規制カム(23)の下端に到達し、アーム(1
7)の拡開が許容されて来るため、その後の主軸ヘッド
(１)の下降により、板状カム(24)の下端で第２カムフォ
ロワー(22)が外方へ押し拡げられ、１対のアーム(17)が
外方へ拡開され、ツールホルダ(４)はツールハンド(10)
から開放されて、主軸(２)に装着、保持される（Ｚ２
０、図１６）。その後主軸ヘッド(１)の下降に伴って、
図１１、１７、１８に示すように、第２カムフォロワー
(22)は板状カム(24)の側面に当接して、ツールハンド(1
0)は最大拡開状態に移行される。アーム(17)の最大拡開
量は、図１８に示すように規制カム(23)の下端と第１カ
ムフォロワー(21)との当接により規制される。尚、図１
７に示す状態が機械原点（Ｚ０）である。

【００２４】ツールハンド(10)の完全な拡開後（Ｚ−２
０）、主軸ヘッド(１)は、機械原点（Ｚ０）から、図１
２の最大下降位置（Ｚ−２００）までの間において上下
動して、工具(３)によりワークテーブル上の被加工物に
所要の加工を行う。

【００２５】加工終了後、次の工具との交換のために主
軸ヘッド(１)は上昇して、図１５のＺ２７の位置におい
てアンクランプ工程に入り、アーム(17)が閉じてツール
ホルダ(４)を挟持し、更にＺ５５までの上昇中、コレッ
ト(５)がプルスタッド(６)を開放する。このアンクラン
プ工程中（Ｚ２０〜Ｚ５５）、ツールハンド(10)がツー
ルホルダ(４)を保持したまま、主軸ヘッド(１)と同一方
向に移動することは前述したクランプ工程（Ｚ５５〜Ｚ
２０）と同様である。アンクランプ終了後、更に上昇す
る主軸ヘッド(１)と相反してツールハンド(10)はＺ５０
の位置で上昇を停止するため、ツールハンド(10)と主軸
ヘッド(１)との相対的な離間により、図１３に示すよう
に、第１カムフォロワー(21)と板状カム(24)とが離れて
ツールハンド(10)は主軸ヘッド(１)から分離され自由と
なる。その後主軸ヘッド(１)はさらに上昇し、ツールホ
ルダが主軸から完全に抜け出た位置で、工具マガジン
(８)を回転して、次の工具への割り出しを行い、主軸
(２)の下方に持ち来たし、前記工程を反覆して、工具の
クランプ並びに加工を行う。

【００２６】又、工具マガジン(８)に収納されたツール
ハンド(10)は１対のアーム(17)が第２カムフォロワー(2
1)と規制カム(23)との当接により、常時閉止された状態
に保持されており、工具マガジン(８)の回転時に遠心力
がツールホルダ(４)に作用してアーム(17)を開放しよう
とする力が働いたときには、アーム(17)の開放方向の動
きを第２カムフォロワー(21)と規制カム(23)の当接によ
り阻止することが出来、ツールハンド(10)を開く方向の
力に対してセルフロック機構となっているため、ツール
ハンド(10)によるツールホルダ(４)の掴持がきわめて確
実となり、ツールホルダ(４)がツールハンド(10)から外
れて来るようなおそれはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】工具交換装置の側面図

【図２】ツールハンドの閉止状態の斜視図

【図３】ツールハンドの開放状態の斜視図

【図４】ツールホルダをクランプした状態の要部の一部
を断面した側面図

【図５】ツールホルダをアンクランプした状態の要部の
一部を断面した側面図

【図６】Ｚ２０位置の要部の一部を断面した側面図

【図７】Ｚ２０位置の正面図

【図８】工具交換装置を下方からみた図

【図９】図１０のＡ−Ａ線に沿った断面図

【図１０】Ｚ５５位置の全体の概略図

【図１１】Ｚ２０位置の全体の概略図

【図１２】Ｚ−２００位置の全体の概略図

【図１３】主軸ヘッドの移動とツールホルダの開閉状態
を示す図

【図１４】主軸ヘッドの移動とツールホルダの開閉状態
を示す図

【図１５】主軸ヘッドの移動とツールホルダの開閉状態
を示す図

【図１６】主軸ヘッドの移動とツールホルダの開閉状態
を示す図

【図１７】主軸ヘッドの移動とツールホルダの開閉状態
を示す図

【図１８】主軸ヘッドの移動とツールホルダの開閉状態
を示す図

【符号の説明】

(１) 主軸ヘッド (２) 主軸 (３) 工具 (４) ツールホルダ (５) コレット (６) プルスタッド (７) ドローパー (８) 工具マガジン (９) ベース部材 (10) ツールハンド (11) ブラケット (12) スライドベース (13) ハンドベース (14) スプリング (15) スライドレール (16) スライド (17) アーム (18) アーム軸 (19) ツールホルダ保持部 (20) 爪片 (21) 第１カムフォロワー (22) 第２カムフォロワー (23) 規制カム (24) 板状カム

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主軸がＺ軸方向に移動することによって、
   ツールマガジンと主軸間でツールホルダの受け渡しを行
   う工作機械において、ツールマガジンを主軸に対して位
   置を固定して配置し、該ツールマガジンにツールハンド
   をＺ軸方向に移動可能に取り付け、ツールホルダを主軸
   にクランプ若しくはアンクランプする主軸の移動範囲
   中、ツールハンドがツールホルダを保持した状態を保持
   しつつ主軸と共にＺ軸方向に移動し、クランプ若しくは
   アンクランプ動作終了後、ツールハンドが開放されると
   共にＺ軸方向の移動を停止するようにし、主軸に保持さ
   れたツールによる加工中ツールハンドが開放状態に維持
   されていることを特徴とする工作機械の自動工具交換装
   置。
2. 【請求項２】ツールホルダを主軸にクランプ若しくはア
   ンクランプする主軸の移動範囲中、ツールハンドの開放
   を規制する規制カムと、第１カムフォロワーを有し、該
   規制カムによる規制中ツールハンドを主軸と共にＺ軸方
   向に移動させ、規制解除後ツールハンドを開放する板状
   カムと第２カムフォロワーとを有していることを特徴と
   する請求項１記載の自動工具交換装置。
3. 【請求項３】ツールハンドが、ツールホルダの軸線と直
   交する方向に開閉揺動する２本のアームからなることを
   特徴とする請求項１又は２記載の自動工具交換装置。
4. 【請求項４】ツールハンドが、ツールホルダを保持した
   閉止状態において、１対のアームに取り付けられた第１
   カムフォロワーと規制カムとが常時当接し、アームを開
   く方向の力に対して抵抗するセルフロック機構となって
   いることを特徴とする請求項３記載の自動工具交換装
   置。