JP3254648B2 - 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】本発明は、工作機械の自動工具交
換装置に関するものであり、特に構造の簡単化に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、被加工物に対し、多種類の加工を
行い得る多機能工作機械の中には、タップやドリル，フ
ライス，エンドミル，中ぐり工具等の回転切削工具ある
いはバイト等の非回転切削工具を相当数工具マガジンに
格納しておき、必要なときに適宜選択して、使用済みの
工具と交換する自動交換装置を備えたものがある。特開
昭６３−２６７１３６号公報，特開平２−２７４４４８
号公報に開示された自動工具交換装置付き工作機械はそ
の例である。

【０００３】特開昭６３−２６７１３６号公報に記載さ
れた自動工具交換装置では、主軸ヘッドの往復運動を利
用してカム機構が作動させられ、主軸先端部での工具の
取り替えが行われる。二つのカム機構が工具の脱着の制
御に用いられており、一つは工具を主軸先端に固定する
クランプ機構の作動制御を行い、一つは工具取り替えを
行う回動アームの回動運動の制御を行う。主軸ヘッドの
上下方向の往復運動に伴って主軸ヘッドに備えられたク
ランクレバーがカムによって回動させられ、そのクラン
クレバーの運動が上記クランプ機構の作動に変換される
のであり、また、旋回割り出し可能な工具マガジンに回
動可能に配設された回動アームが、バネによって主軸ヘ
ッド方向に付勢され、主軸ヘッドの往復運動に伴ってカ
ムにより回動運動させられることにより、工具の抜き取
りおよび挿入が行われるのである。

【０００４】特開平２−２７４４４８号公報に記載され
た自動工具交換装置では、主軸が工具交換位置まで移動
させられ、工具を交換され、再び加工位置まで移動させ
られる。主軸が工具交換位置まで移動させられ、主軸に
クランプされている工具が工具把持具で把持された後、
油圧シリンダによりクランプが解除される。その後、複
数の工具把持具を有する旋回割り出し可能な工具マガジ
ンの前進，旋回割り出し，後退の動作によって主軸の工
具が他の任意の工具に交換され、クランプ解除と逆の動
作で工具が主軸にクランプされた後、主軸の移動により
工具が加工位置へ戻されるのである。上記二つの例は、
いずれも回転切削工具の自動工具交換装置に関するもの
であるが、非回転切削工具についても同じ機構で対応で
きる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６３−２６７１３６号公報の自動工具交換装置では、カ
ムを利用して工具のクランプが制御されているが、工具
交換を行う回動アームの制御にカムを使用するため工具
交換装置の構造および動きが複雑化し、また、特開平２
−２７４４４８号公報の自動工具交換装置では、クラン
プ制御のための動力源や検出装置等を必要とするため、
構造が複雑化する。したがって、いずれの場合において
もコストが増加し、かつ、動作の不確実性が増す。本発
明は、このような事情を背景として、構造の簡単な自動
工具交換装置を提供することを課題としてなされたもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そして、本発明の要旨
は、工具をクランプにより固定して保持する工具保持装
置と、一対の把持爪により前記工具を把持する工具把持
具を有して前記工具保持装置との間で工具の受渡しを行
う工具受渡し装置と、その工具受渡し装置と前記工具保
持装置とをその工具保持装置に保持された工具の軸線と
直角な方向に相対的に接近，離間させる移動装置とを備
え、前記工具把持具に把持された工具の軸線である把持
軸線の方向が、少なくとも前記受渡し位置において工具
保持装置に保持された工具の軸線と平行で、かつ受渡し
位置における工具把持具の位置と工具保持装置に保持さ
れた工具の被把持部の位置とが把持軸線と平行な方向に
関して一致する工作機械において、前記受渡し位置にあ
る工具把持具と前記工具保持装置との接近限度位置に向
かう接近運動を前記クランプの解除運動に変換し、離間
運動をクランプ運動に変換する運動変換機構を設け、か
つ、前記工具把持具の把持爪の形状を、工具受渡し装置
と工具保持装置との接近に伴うクランプ解除以前に工具
保持装置に保持された工具の前記被把持部に係合すると
ともに、工具と工具把持具との接近限度位置への相対移
動を許容する形状としたことにある。

【０００７】

【作用】前記構成を有する本発明の自動工具交換装置で
は、工具保持装置と工具受渡し装置との相対的な接近，
離間運動に基づいて、工具を工具保持装置に固定するク
ランプの制御が行われる。工具保持装置と工具受渡し装
置とが、工具保持装置に保持された工具の軸線と直角な
方向に接近運動すると、その接近運動は運動変換機構に
よって工具の工具保持装置へのクランプを解除する運動
に変換される。クランプが解除されると、工具に脱落或
いは位置ずれが起こる可能性が有るが、工具受渡し装置
に備えられた工具把持具の把持爪がクランプの解除開始
以前に工具と係合するため、そのような工具の脱落や位
置ずれが防止される。この把持爪は、工具と係合後も工
具と工具把持具とが接近限度位置まで移動することを許
容する形状を有するため、工具は把持爪と係合したまま
移動し、クランプの解除が行われる。接近限度位置にお
いて把持された工具は、既にクランプが解除されている
ため、工具受渡し装置の作動により直ちに別の工具に交
換される。交換後は工具保持具と工具受渡し装置とが離
間をはじめ、これまでと逆の順序で離間運動がクランプ
運動に変換され、工具把持具が工具から離脱する前に工
具の工具保持装置へのクランプが完了する。

【０００８】

【効果】以上の如く、本発明の自動工具交換装置では、
工具保持装置と工具受渡し装置との接近，離間運動が運
動変換機構によって工具の工具保持具へのクランプ制御
運動に変換される。この時、工具保持装置と工具受渡し
装置との接近時のクランプ解除以前から離間時のクラン
プ終了以降まで工具把持具の把持爪が工具と係合し続け
ることにより、工具の工具保持装置からの脱落や位置ず
れを伴うこと無くクランプが制御される。その結果、本
発明に従えば、前記回動アームを備えた自動工具交換装
置及びクランプ制御専用の動力源等を必要とする自動工
具交換装置と比較して、簡単な構造で、低コストの自動
工具交換装置を得ることができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例である自動工具交換装
置を図面に基づいて説明する。

【００１０】図２，図３は、工作機械の正面図及び側面
図である。本ボール盤は、ベース１０，コラム１２，主
軸ヘッド１４，工具マガジン駆動部１６，および工具マ
ガジン１８等を備えている。上記主軸ヘッド１４は、コ
ラム１２の開口２０内に配置され、コラム１２上面に設
置されたサーボモータ２２によってボールネジ２４を介
して上下方向に移動させられる。また、工具マガジン１
８は複数の工具把持具２６を有してコラム１２上部に配
設されており、コラム１２上面に配設された工具マガジ
ン駆動部１６によって主軸軸線に平行な方向の前後動、
及び、旋回割り出しを行う。

【００１１】図１および図４を参照しつつ主軸ヘッド１
４，工具マガジン駆動部１６および工具マガジン１８の
構成について説明する。主軸ヘッド１４は、主軸２８，
主軸モータ３０およびアンクランプレバー３２等を備え
ており、主軸２８はカップリング３４を介して主軸モー
タ３０に接続されている。

【００１２】図４に示すように、主軸２８は、軸受け３
６を介してヘッド本体３７に対して回転可能に支持され
ており、主軸２８内部には、軸方向の貫通孔３８が形成
されている。主軸先端部には工具４０を保持した工具ホ
ルダ４２を装着できるテーパ穴である工具ホルダ装着穴
４４が形成され、それに続く貫通孔３８は段付孔をなし
ている。貫通孔３８内には主軸２８と同軸に、かつ、軸
方向に摺動自在にドローバー４６が備えられ、そのドロ
ーバー４６は、先端のクランプ部４８，中央のロッド部
５０および末端のピストン部５２から構成されている。

【００１３】クランプ部４８の先端の円筒状部の複数カ
所に、それぞれ半径方向に貫通する複数のボール穴５３
が等角度間隔に形成されており、各ボール穴５３に剛球
５４が半径方向に移動可能に、かつ脱落を防止されて組
み込まれている。ドローバー４６の後退に伴ってこの剛
球５４が主軸２８内面に設けられたカム面５６の作用に
より内周側へ押し込まれ、工具ホルダ４２後端部のプル
スタッド５８と係合し、工具ホルダ４２を工具ホルダ装
着穴４４内へ引き込むことにより主軸２８にクランプす
る。また、逆に、ドローバー４６の前進に伴って、プル
スタッド５８と剛球５４との係合がはずれるため工具ホ
ルダ４２の主軸２８に対するクランプが解除される。

【００１４】上記ドローバー４６末端のピストン部５２
には、ピン６０が主軸２８の径方向に貫通して固定さ
れ、そのピン６０の両端が主軸２８に設けられた軸方向
長孔６２から主軸２８の両側に突出している。ドローバ
ー４６のクランプ部４８とピストン部５２とを連結する
ロッド部５０の回りには、皿バネ６４が複数個配されて
一つのバネ機構６６を形成している。そのバネ機構６６
の一端が主軸２８の段部６８に支持され、他端が上記ピ
ストン部５２に支持されることにより、ドローバー４６
が後退方向に付勢され、常時は工具ホルダ４２を主軸２
８にクランプしている。

【００１５】上記アンクランプレバー３２はヘッド本体
３７に支持軸７０で回動可能に取り付けられており、図
５に示すように、中央部に主軸２８の貫通を許容する貫
通穴７２を有している。アンクランプレバー３２は上記
ピストン部５２に設けられたピン６０に当接可能な位置
に押圧部７４を備え、上部にカム面７６を備えている。
カム面７６は、主軸ヘッド１４の上下移動により、コラ
ム１２に回転可能に取り付けられたカムフォロア７８と
係合し、アンランプレバー３２に回動運動を付与する形
状を有する。

【００１６】なお、本実施例ではアンクランプレバー３
２にカム面７６、コラム１２にカムフォロア７８が設け
らているが、逆の構成としてアンクランプレバーにカム
フォロア、コラムに固定カム面を設けることも可能であ
る。

【００１７】工具マガジン駆動部１６は、図１に示すよ
うに構成されており、コラム１２の上面７９に、ハウジ
ング８０を介してボールネジナット８２が取り付けら
れ、ハウジング８４を介してスプラインナット８６が取
り付けられている。これらは、一軸線上で各々回転可能
であり、把持装置軸８８が挿通されている。把持装置軸
８８外周には図示しないボールネジ溝と図示しないスプ
ライン溝とが形成されており、ボールネジ溝はボールネ
ジナット８２と螺合し、スプライン溝はスプラインナッ
ト８６と噛合している。

【００１８】ハウジング８０上にはボールネジ用モータ
９０が固定され、タイミングベルト９２を介してボール
ネジナット８２を回転駆動可能であり、ハウジング８４
上にはスプライン用モータ９４が設けられ、タイミング
ベルト９６を介してスプラインナット８６を回転駆動可
能である。把持装置軸８８の軸方向移動（旋回は停止）
はスプラインナット８６を停止させた状態でボールネジ
ナット８２を回転させることにより可能であり、把持装
置軸８８の旋回（軸方向の移動は停止）はボールネジナ
ット８２とスプラインナット８６を同期回転させること
により可能である。

【００１９】工具マガジン１８は、把持装置軸８８の前
端に固定されている。工具マガジン１８の本体である円
盤９７の外周部には、工具把持具２６が１０組設けられ
ている。各工具把持具２６は図６に示すようにそれぞれ
が支持軸９８の軸心まわりに回動可能な一対の把持爪１
００を有し、各把持爪１００には円弧状を成し、工具ホ
ルダ４２を位置決めして把持可能な工具把持部１０２が
形成されており、工具ホルダ４２を把持する方向にコイ
ルバネ１０４によって付勢されている。また、把持爪１
００には幅が一定のストレート部１０５および先端に向
かって広がったガイド部１０６が工具把持部１０２と連
続的に形成されている。これら工具把持部１０２，スト
レート部１０５およびガイド部１０６は、工具ホルダ４
２のＶ溝部１１０に対応した台形の断面形状を有してい
る。

【００２０】なお、本実施例では把持爪１００に工具把
持部１０２，ストレート部１０５およびガイド部１０６
を設けているが、ストレート部１０５およびガイド部１
０６は主軸ヘッド１４が工具交換位置１０８に移動する
途中で主軸２８に対し工具ホルダ４２の相対運動を許容
しないために設けられたものであり、他の要素例えばス
トレート部１０５をカム形状にしたり、あるいはローラ
を用いることなどの方法によることも可能である。

【００２１】次にこのように構成された自動工具交換装
置の動作について説明する。主軸２８に装着された工具
４０による加工が終了すると、主軸２８の回転が停止さ
せられ、主軸ヘッド１４がサーボモータ２２およびボー
ルネジ２４により上昇させられて工具交換位置１０８に
ある工具把持具２６に近づく。さらに上昇すると主軸２
８に装着された工具ホルダ４２が工具把持具２６の把持
爪１００のガイド部１０６に係合し、把持爪１００をコ
イルバネ１０４の力に抗して押し広げる。その結果、把
持爪１００のストレート部１０５とＶ溝部１１０とが図
６，図７に示すように、係合し、工具ホルダ４２の主軸
２８軸線方向の移動が不能となる。なお、この時点で
は、図４（Ａ）に示すように、主軸ヘッド１４に設けら
れたアンクランプレバー３２のカム面７６とコラム１２
に取り付けられたカムフォロア７８とは離れているた
め、アンクランプレバー３２の押圧部７４と前記ピン６
０とは当接せず、工具ホルダ４２が皿バネ６４の作用に
より主軸２８にクランプされた状態が維持される。

【００２２】更に主軸ヘッド１４が上昇させられると、
図４（Ｂ）に示すように、主軸２８とカムフォロア７８
との距離が縮まり、カムフォロア７８とアンクランプレ
バー３２のカム面７６とが当接し、アンクランプレバー
３２は支持軸７０を中心として図４における反時計回り
に回動させられる。この回動運動により、アンクランプ
レバー３２の押圧部７４がピン６０に当接し、ドローバ
ー４６を皿バネ６４のバネ力に抗して前進させる。その
結果、工具ホルダ４２のクランプが解除されるが、工具
ホルダ４２のＶ溝部１１０と把持爪１００のストレート
部１０５とが係合しているため工具ホルダ４２は主軸２
８に対して移動しない。したがって、工具ホルダ４２は
主軸２８の工具ホルダ装着穴４４から抜けず、主軸２８
と一体となって上昇する。主軸２８が工具交換位置１０
８まで移動すると、工具ホルダ４２が把持爪１００の工
具把持部１０２と係合して確実に把持された状態とな
る。この状態で主軸ヘッド１４の上昇が停止させられ、
工具マガジン１６により、工具マガジン１８が駆動され
て工具４０の交換が行われる。

【００２３】ボールネジナット８２が回転駆動されて工
具マガジン１８が前進し、工具ホルダ４２が主軸２８か
ら抜き取られた後、ボールネジナット８２とスプライン
ナット８６とが一定量同期回転させられて、次工具４０
の工具ホルダ４２が工具交換位置１０８まで来るように
工具マガジン１８が旋回割り出しされる。次にボールネ
ジナット８２が回転駆動されて工具マガジン１８を後退
させ、新しい工具ホルダ４２が主軸２８に装着された
後、主軸ヘッド１４が下方に移動させられる。

【００２４】この際も、主軸２８に装着された工具ホル
ダ４２のＶ溝部１１０と把持爪１００のストレート部１
０５とが係合し続け、工具ホルダ４２を主軸２８の工具
ホルダ装着穴４４内の正規の位置に保つため、工具ホル
ダ４２は主軸２８と一体となって下方へ移動する。この
過程において、アンクランプレバー３２のカム面７６が
カムフォロア７８から離れ、工具ホルダ４２は主軸２８
にクランプされる。主軸ヘッド１４が更に下降をさせら
れると把持爪１００が工具ホルダ４２から離れ、次の加
工が可能となる。

【００２５】以上の説明から明らかなように、本発明の
工作機械の自動工具交換装置においては、主軸の工具交
換位置への上下移動に伴って、工具のクランプ・アンク
ランプ動作および工具把持装置の工具把持具による工具
把持動作が連続的かつ確実に行われるため、工具交換時
間を短縮できる。また、主軸への工具のクランプ・アン
クランプ制御にカム機構が利用されているため専用の動
力源を必要とせず、動作も確実であり近接センサ等によ
る動作確認手段も不要で、コスト，信頼性の面でも優れ
ている。

【００２６】しかし、図８に示すように別のクランプ・
アンクランプ制御機構を採用することも可能である。本
実施例装置は、上記実施例装置と比較してドローバー１
２２の軸方向への移動を制御する部分が異なっており、
他は同じである。

【００２７】主軸ヘッド１１８のヘッド本体１２０は、
主軸１２４の軸線方向の貫通孔１２６内に半径方向内向
きに突出する円環状の突部１２８を有する。突部１２８
は、主軸１２４と嵌合する内周面に円環溝１３０を有し
ている。主軸１２４は、内部に軸方向の貫通孔１３２を
有するとともに、上記溝１３０と対応する部分におい
て、半径方向の貫通穴１３４を有している。貫通孔１３
２には、通路１３６を有するブロック１３８が嵌合固定
されている。上記溝１３０，貫通穴１３４および通路１
３６により、ドローバー１２２を前進させるための液圧
を伝達する液通路１４０が形成されている。また、上記
ブロック１３８とドローバー１２２末端のピストン部１
４２との間に液圧室１４４が形成されている。突部１２
８，ブロック１３８およびピストン部１４２にシール部
材１５０およびＯリング１５２が備えられている。

【００２８】また、主軸ヘッド１１８には加圧シリンダ
１５４が設けられ、配管１５６および管継手１５８によ
り上記液通路１４０に接続されている。加圧シリンダ１
５４はピストン１６４の下降により作動液を加圧し、上
昇により加圧を解除するものである。主軸ヘッド１１８
の上昇にともなって加圧シリンダ１５４も上昇するた
め、ピストン１６４に固定のピストンロッド１６６が、
所定位置において図示しない固定部と当接して押し下げ
られ、ピストン１６４が液圧を発生させる。この液圧
は、配管１５６および液通路１４０を経て液圧室１４４
に伝えられ、ドローバー１２２が皿バネ１６８の付勢力
に抗して前進させられる。

【００２９】また、主軸ヘッド１１８の下降によって加
圧が解除され、皿バネ１６８の作用によりピストン１６
４が元の位置に押し戻される。

【００３０】以上、本発明を回転切削工具の自動交換装
置に適用した場合について説明したが、非回転切削工具
の自動交換装置にも適用することができる。主軸２８，
１２４を通常の刃物台，タレット刃物台等に置き換えれ
ば良いのである。また、工具交換について、工具を主軸
から工具マガジンに直接受け渡しする方法を例示した
が、主軸と工具マガジンとの間に前記把持爪を有して工
具の受渡しを行う工具アームを設け、その工具アームを
介して工具の交換を行うことも可能である。例えば、両
端に上記把持爪を装着した工具アームの一方に主軸に装
着された工具が把持され、他方に工具マガジンに保持さ
れた工具が把持されて、工具アームの旋回によって工具
の交換を行うものである。その他、運動変換機構を変更
するなど特許請求の範囲を逸脱すること無く、等業者の
知識に基づいて種々の変形，改良を施した態様で本発明
を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である自動工具交換装置の側
面断面図である。

【図２】上記自動工具交換装置を備えたボール盤の上部
正面図である。

【図３】上記ボール盤の上部側面断面図である。

【図４】上記自動工具交換装置の作動を説明するための
図である。

【図５】図４のクランプ周辺の斜視図である。

【図６】図１の自動工具交換装置の把持具の正面図であ
る。

【図７】図１の自動工具交換装置における工具ホルダと
把持具との係合状態を示す平面断面図である。

【図８】本発明の別の実施例である自動工具交換装置の
要部を示す側面断面図である。

【符号の説明】

１８ 工具マガジン ２２ サーボモータ ２６ 工具把持具 ２８ 主軸 ３２ アンクランプレバー ４０ 工具 ４２ 工具ホルダ ７６ カム面 ７８ カムフォロア １００ 把持爪 １０８ 工具交換位置 １２４ 主軸 １５４ 加圧シリンダ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具をクランプにより固定して保持する
   工具保持装置と、一対の把持爪により前記工具を把持す
   る工具把持具を有して前記工具保持装置との間で工具の
   受渡しを行う工具受渡し装置と、その工具受渡し装置と
   前記工具保持装置とをその工具保持装置に保持された工
   具の軸線と直角な方向に相対的に接近，離間させる移動
   装置とを備え、前記工具把持具に把持された工具の軸線
   である把持軸線の方向が、少なくとも前記受渡し位置に
   おいて工具保持装置に保持された工具の軸線と平行で、
   かつ受渡し位置における工具把持具の位置と工具保持装
   置に保持された工具の被把持部の位置とが把持軸線と平
   行な方向に関して一致する工作機械において、 前記受渡し位置にある工具把持具と前記工具保持装置と
   の接近限度位置に向かう接近運動を前記クランプの解除
   運動に変換し、離間運動をクランプ運動に変換する運動
   変換機構を設け、かつ、前記工具把持具の把持爪の形状
   を、工具受渡し装置と工具保持装置との接近に伴うクラ
   ンプ解除以前に工具保持装置に保持された工具の前記被
   把持部に係合するとともに、工具と工具把持具との接近
   限度位置への相対移動を許容する形状としたことを特徴
   とする工作機械の自動工具交換装置。