JP3831884B2 - 自動工具交換装置を備えた工作機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、工具交換時間を短縮し、機構が簡素化できる自動工具交換装置を備えるマシニングセンタ等の工作機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、マシニングセンタにおいては、主軸へッドの工具主軸に対して工具を交換する自動工具交換装置が設けられる。この自動工具交換装置は工具交換アームを有しており、工具交換アームは、直径方向に対向する一対の工具把持部を有する形式のものが一般に使用されている。
また、この工具交換アームは、工具交換時のみ、その全部或いは一部が加工領域に進入され、加工領域内の工具交換位置へ割出された主軸へッドの工具主軸に対し工具交換動作を遂行するようになっている。
また、従来の自動工具交換装置においては、工具マガジンから工具交換アームヘ工具を装填し、逆に工具交換アームから工具マガジンヘ工具を返却する中間搬送装置を備えた形式のものがある。
この形式の従来装置においては、中間搬送装置は、工具マガジンと工具交換アームとの間で工具を搬送するとき、工具の向きを９０度変換したり、工具マガジンに対して工具を抜き差ししたりするなどの複合運動をするように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、工具交換アームとして、直径方向に対向する一対の工具把持部を持つ形式のものを使用する場合では、工具交換時に、工具把持部間の中点を横切る軸線の周りに工具交換アームを１８０度回転する必要があり、アームの回転量が多く、このことも工具交換時間を長くする要因となっている。
また、中間搬送装置が複合運動するので、工具マガジンと工具交換アームとの間で工具を搬送する速度を高めることに限界があり、これにより工具交換時間が長くなる問題を生じている。
そこで本発明の目的は、マシニングセンタ等の工作機械における自動工具交換装置において、工具交換のための工具交換アームの回転角度を小さくすることにより交換時間を短縮し、かつ工具マガジンと工具交換アームとの間で工具を搬送する中間搬送を短時間に行うことができる自動工具交換装置を備えた工作機械を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回転可能であり、同軸線の周りの１８０度より小さな角度離間した２位置に工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置に工具主軸と平行に割出し可能である工具マガジンと、前記工具交換アームの工具受渡位置と工具マガジンの工具受渡位置との間で直線移動し、工具マガジンの工具収納部から工具交換アームの工具把持部へ工具を搬入し、逆に工具交換アームの工具把持部から工具マガジンの工具収納部へ工具を搬出する中間搬送装置とより構成され、水平に延びる回転軸線を有する工具主軸を支える支持要素が、工具主軸を前記回転軸線と垂直な面内で水平な左右方向及び上下方向に移動できると共に前記回転軸線上で前進後退移動できるようにベッド上に支持されており、脚部がベッドから直立し、水平部が工具主軸の最上位置よりも上位で左右方向に延びるブリッジが設けられ、前記工具交換アームの回転軸線が工具主軸と平行となり、かつ前記一対の工具把持部が工具交換位置に割出された工具主軸の前端よりも前方に位置するように、工具交換装置が前記ブリッジの水平部に取付けられ、工具交換時において、一対の工具把持部を工具主軸と同心位置に選択的に割出す工具交換アームの回動と工具主軸の前進後退動作が協働するように構成されたことを特徴としている。
【０００８】
更に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回動可能であり、工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で前記工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置にその選択した工具の軸線が工具主軸と平行になるように割出し可能である工具マガジンとを含み、前記工具が、その軸方向後方のシャンク部と前方の刃物装着部との中間に環状の工具把持溝を有し、前記工具交換アーム及び前記工具マガシンが前記工具把持溝に係合して前記工具を把持する工具保持手段をそれぞれ前記工具把持部及び前記工具収納部の各々に有すると共に、この工具保持手段を工具取出口が前記工具受渡位置において互いに対向される一対の開閉動作可能な鋏部材により構成し、さらに、工具中間搬送装置を含み、この装置が、前記工具のシャンク部を受入可能なシャンク把持部を有する中間搬送部材と、前記中間搬送部材のシャンク把持部を、工具受渡位置に割出された工具交換アーム上の工具のシャンク部と整列する第１整列位置と、工具受渡位置に割出された工具マガジン上の工具のシャンク部と整列する第２整列位置と、これら各整列位置においてシャンク部を受入れる前進位置と、さらにシャンク部から離脱する後退位置を結ぶ矩形の移動経路に沿って移動するシフト機構とより構成されることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回転可能であり、同軸線の周りの１８０度より小さな角度、離間した２位置に工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置に工具主軸と平行に割出し可能である工具マガジンと、前記工具交換アームの工具受渡位置と工具マガジンの工具受渡位置との間で直線移動し、工具マガジンの収納部から工具交換アームの把持部へ工具を搬入し、逆に工具交換アームの工具把持部から工具マガジンの工具収納部へ工具を搬出する中間搬送装置とより構成することにより、工具交換アームの工具交換のための回転角度を小さくすることができ、また、中間搬送装置が工具マガジンと工具交換アームとの間での工具の受渡しを、単に工具の直線移動のみにより行うことにしたので工具交換時間を短縮できる。
【００１０】
更に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具交換アームの工具把持部に設けられている固定工具把持爪と可動工具把持爪よりなる工具保持手段と前記工具マガジンの工具収納部に設けられている固定工具把持爪と可動工具把持爪よりなる工具保持手段は、それらが工具受渡位置に割出されたとき、それらの工具取出口を互いに相手側に向けるように構成するようにすることにより、工具の姿勢を変えることなく、中間搬送部材の直線移動のみで工具を搬送することができるものである。
【００１１】
更にまた、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、水平に延びる回転軸線を有する工具主軸を支える支持要素が、工具主軸を前記回転軸線と垂直な面内で水平な左右方向及び上下方向に移動できると共に前記回転軸線上で進退移動できるようにベッド上に支持されており、脚部がベッドから直立し、水平部が工具主軸の最上位置よりも上位で左右方向に延びるブリッジが設けられ、工具交換アームの回転軸線が工具主軸と平行となり、かつ前記一対の把持部が工具交換位置に割出された工具主軸の前端よりも前方に位置するように、交換装置が前記ブリッジの水平部に取付けられ、工具交換時において、一対の把持部を工具主軸と同心位置に選択的に割出す交換アームの回動と工具主軸の前進後退動作が協働するように構成することにより工具交換機構を簡素化することができる。
【００１２】
更にまた、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、前記工具が、その軸方向後方のシャンク部と前方の刃物装着部との中間に環状の工具把持溝を有し、前記工具マガジン及び前記工具交換アームが、その開閉動作し工具取出口が互いに対向する一対の鋏部材により前記工具把持溝に係合して工具を把持する工具保持手段を有し、前記中間搬送装置が、前記工具のシャンク部を受入可能なシャンク把持部を有する中間搬送部材と、前記中間搬送部材のシャンク把持部を、工具受渡位置に割出された工具交換アーム上の工具のシャンク部と整列する第１整列位置と、工具受渡位置に割出された工具マガジン上の工具のシャンク部と整列する第２整列位置と、これら各整列位置においてシャンク部を受入れる前進位置と、さらにシャンク部から離脱する後退位置を結ぶ矩形の移動経路に沿って移動するシフト機構とより構成されていることにより、工具把持に格別な把持動作をする必要はなく、中間搬送部材の単純な移動のみで工具の受渡し、搬送を行うことができるものである。
【００１３】
更にまた、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回動可能であり、工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で前記工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置にその選択した工具の軸線が工具主軸と平行になるように割出し可能である工具マガジンとを含み、前記工具が、その軸方向後方のシャンク部と前方の刃物装着部との中間に環状の工具把持溝を有し、前記工具交換アーム及び前記工具マガシンが前記工具把持溝に係合して前記工具を把持する工具保持手段をそれぞれ前記工具把持部及び前記工具収納部の各々に有すると共に、この工具保持手段を工具取出口が前記工具受渡位置において互いに対向される一対の開閉動作可能な鋏部材により構成し、さらに、工具中間搬送装置を含み、この装置が、前記工具のシャンク部を受入可能なシャンク把持部を有する中間搬送部材と、前記中間搬送部材のシャンク把持部を、工具受渡位置に割出された工具交換アーム上の工具のシャンク部と整列する第１整列位置と、工具受渡位置に割出された工具マガジン上の工具のシャンク部と整列する第２整列位置と、これら各整列位置においてシャンク部を受入れる前進位置と、さらにシャンク部から離脱する後退位置を結ぶ矩形の移動経路に沿って移動するシフト機構とより構成されることにより、工具交換装置の中間搬送装置として適用することができる特徴を有しているものである。
【００１４】
【実施例】
本発明の実施例を図１〜図７について説明する。
本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械の基本構成は、図１及び図２に示されるように、ベッド１上の左右方向（Ｘ軸方向）に固定されたガイド２、２上にコラム５が摺動自在に設けられ、コラム５の前面両側の垂直方向（Ｙ軸方向）に設けられたがイド６、６に沿って工具主軸１３を支持する主軸サドル７が垂直方向に摺動自在に支持され、コラム５の水平前後方向（Ｚ軸方向）のガイド１１、１１に沿って工具主軸１３を回転自在に支持する主軸支持要素としての４角形断面のラム９が前後方向に摺動自在に支持されている。ベッド１の前方部には旋回テーブル１７が固定位置で旋回可能に設けられており、旋回テーブル１７上に固定された工作物Ｗに対して、主軸１３先端に固定される工具を、工作機械の左右方向（Ｘ軸方向），垂直方向（Ｙ軸方向），前後方向（Ｚ軸方向）に制御移動させながら加工を行うものである。
【００１５】
コラム５はベッド１上のガイドレール２、２に沿ってＸ軸方向送りモータ４により回転される送りねじ３によりＸ軸方向に摺動され、該コラム５には中間部に空間が形成され、その中空部にその前面両側の垂直方向のガイドレール６、６に沿って案内支持された工具主軸支持要素を有する主軸サドル７が２つのＹ軸方向送りモータ１５、１５で回転されるＹ軸方向送りねじ８、８によりＹ軸方向（垂直方向）に摺動され、主軸サドル７には水平前後方向（Ｚ軸方向）にガイドレール１１、１１が設けられ、該ガイドレール１１、１１に沿って、主軸支持要素としての４角形断面のラム９がその下方に設けられたＺ軸方向送り用のねじ１２により摺動される。
【００１６】
ラム９には工具主軸１３が回転自在に支持され、その後部に設けられた主軸モータ１４により回転駆動される。
コラム５の直前部には、ベッド１の両側から立設された工具交換装置を支持するための支持部材１８が設けられており、該支持部材１８には工具主軸１３の上限位置よりも高い位置に工具交換装置２０を支持するためのブリッジ１９が水平方向に設けられている。ブリッジ１９の左端部にはカバーにより覆われた工具交換装置２０が設けられ、コラム５の左側面部には、多数の工具収納部を有し、工具主軸１３の軸線と平行な面内で工具収納部を回動割出し可能であり、選択した工具を保持する工具収納部を工具交換アーム２２との工具受渡位置に工具主軸１３と平行に割出し可能である工具マガジン５０が設けられている。
【００１７】
次に、自動工具交換装置２０について図３〜図５により説明する。
前記ブリッジ１９には、その左端部の工具交換位置に工具交換装置２０が設けられている。すなわち、ブリッジ１９には、工具交換アーム２２の支持部材２１が直接固定さており、該支持部材２１の下端に工具交換アーム２２が回転自在に支持され、該工具交換アーム２２は扇形をなし、その扇形部分の先端部に一定の角度（この実施例では鋭角）を隔てた位置に工具把持部２３、２３´が設けられている。２つの工具把持部２３、２３´が配置される角度は、そこに把持される工具の径の大きさにもよるが、角度が小さい程、工具交換のための工具交換アーム２２の回転角を小さくすることができ、工具交換時間の短縮になる。この点についていえば、従来の直線の工具交換アーム（すなわち１８０度）と比較した場合には、１８０度以下であればその効果を得ることができるが、好適には鋭角、すなわち９０度以下とすることにより特に効果が期待できる。
２つの工具把持部２３、２３´には、それぞれ工具把持手段として、先端が解放された円形状の工具収容部を形成する固定把持爪２３ａ、２３ａ´と、ピン２４、２４´により枢着されスプリング２５、２５´により挟持方向に付勢された可動把持爪２３ｂ，２３ｂ´とから構成され、その先端開放部分は工具６０が嵌合しやすいように先端広がり状に形成されており、これら１対の鋏部材により工具の把持溝６３を挟持するようになっている。
【００１８】
工具交換アーム２２は、支持部材２１に固定されたモータ３６より減速装置３７を介して回転される回転部材３８に固定されているので、モータ３６の回転により回転される。
工具交換アーム２２の回転軸線は工具主軸１３の軸線と平行であり、その先端に設けられた一対の工具把持部２３、２３´が工具交換位置に割出し位置決めされた工具主軸１３の前端よりも前方に位置するように、工具交換装置２０が前記ブリッジ１９に取付けられ、工具交換アーム２２はその軸心方向へは移動しない構成となっている。
したがって、工具交換時においては、一対の工具把持部２３、２３´を選択的に工具主軸１３と同心位置に割出し回動する工具交換アーム２２の動作と、工具主軸１３の前進後退動作とが協働することにより工具交換作業が行われる。
【００１９】
工具交換アーム２２の左側に工具交換アーム２２の工具把持部２３、２３´と工具マガジン５０の工具収納部５４との間で工具６０を搬送する中間搬送部材としてのシャトルアーム３０が配置されている。前記工具交換アーム２２の支持部材２１の上部がブリッジ１９の上部に突き抜け、ブリッジ１９と平行にシャトルアーム３０の支持用基板３４が形成され、その水平方向にガイド３３が固定されており、そのガイド３３に沿ってキャリッジ３２が流体圧シリンダ３５により水平方向にスライドできるように構成され、キャリッジ３２には、工具主軸１３の軸線と平行な方向に流体圧シリンダ３１が設けられ、シャトルアーム３０はその流体圧ピストン３１´の先端に固定されている。キャリッジ３２は、流体圧シリンダ３１の両側で工具主軸１３の軸線と平行に配置されると共に基端がシャトルアーム３０に結合された一対のガイドバー３０を軸方向移動可能に案内している。したがって、シャトルアーム３０は、流体圧シリンダ３１により工具主軸１３の軸線と平行な方向に移動することができ、更に流体圧シリンダ３５により左右方向（Ｘ軸方向）に移動することができる。シャトルアーム３０の先端には工具のシャンク部６２を嵌合保持するシャンク把持部４５が設けられ、そのシャンク把持部４５に直角方向からスプリングにより付勢された保持ボール４６が設けられており、工具の後方からシャンク把持部４５を工具のシャンク部６２に嵌合し保持ボール４６がシャンク部６２に溝に押圧係合することにより工具６０を保持するように構成されている。
【００２０】
工具マガジン５０は、コラム５の左側面側でベッド１上に設けられ、上下一対のスプロケット５１に係合回転されるチエン５２の外周に適宜間隔を置いてＬ字状の工具収納部支持部材５３が固定され、該工具収納部支持部材５３には、それぞれ工具収納部５４が固定され、工具主軸１３の軸線と平行な面内で工具収納部５４を回動割出し可能であり、選択した工具を保持する工具収納部５４を工具交換アーム２２との工具受渡位置に割出された工具６０の軸線が工具主軸１３の軸線と平行になるように設けられている（特に、図５参照）。工具収納部５４は、工具交換アーム２２の工具把持部２３と同様に、工具把持手段として先端が解放された円形状の工具収容部を形成する固定把持爪５４ａと、ピン５５により枢着されスプリング５６により挟持方向に付勢された可動把持爪５４ｂとから構成され、その先端部分は工具６０が嵌合しやすいように先端広がり状に形成されており、これら１対の鋏部材により工具の把持溝６３を挟持するようになっている。なお、５７は工具マガジン５０側面に設けられたバックアップ部材であり、チエン５２上の工具収納部の必要以上の振れを防いでいるものである。
【００２１】
各工具６０は、図５に示されるように、その軸方向後方のシャンク部６２と前方の刃物装着部６１との中間に環状の工具把持溝６３を有しており、工具マガジン５０の工具収納部５６及び工具交換アーム２２の工具把持部２３、２３´における固定把持爪２３ａ、５４ａと可動把持爪２３ｂ、５４ｂが前記工具把持溝６３に係合し、工具が保持されるようになっている。
【００２２】
工具マガジン５０の工具収納部５４の両工具把持爪５４ａ、５４ｂはその解放方向が工具交換アーム２２上の工具把持部２３の方向を向くように固定され、また工具の搬送を受ける位置に割り出された工具交換アーム２２の工具把持爪２３ａ、２３ｂも工具マガジン５０の工具収納部５４の方向を向くように固定されている。すなわち、図３に示された工具交換アーム２２の位置においては、工具把持部２３´が工具の搬送を受ける位置であり、その工具把持爪２３ａ´，２３ｂ´の開放方向が工具マガジン５０の工具収納部５４における両工具把持爪５４ａ、５４ｂの開放方向と相対面するように配置されている。
工具交換アーム２２の工具把持部２３から工具マガジン５０の工具収納部５４へ工具６０を搬送するには、図５に示されているように、まず、シャトルアーム３０のシャンク把持部４５を、工具受渡位置に割出された工具交換アーム２２上の工具のシャンク部２３と整列させ、シャトルアーム３０を流体圧シリンダ３１により前方（矢印イの方向）に移動させ、その先端に設けられたシャンク把持部４５を工具のシャンク部６２に後方から嵌合し、付勢された保持ボール４６を工具シャンク部の溝に係合することにより保持する。
【００２３】
次にシャトルアーム３０を流体圧シリンダ３５により左方向（矢印ロの方向）に移動することにより、工具６１を工具交換アームの工具把持爪２３ａ´，２３ｂ´の開放側へ抜き取り、工具マガジンの工具把持爪５４ａ、５４ｂの開放側からそのスプリング５６に抗して挿入して工具マガジン５０の工具把持手段と整列する位置で停止し、シャトルアーム３０を流体圧シリンダ３１により後方（矢印ハの方向）に移動させ、その先端に設けられたシャンク把持部４５を工具のシャンク部６２の後方へ抜く。Ｌ字状の支持部材５３は、シャンく把持部４５の後方移動を許容する空間を有している。この際、工具６０はその環状の工具把持溝６３に工具把持爪５４ａ、５４ｂが係合し、挟持されているため、保持ボール４６の押圧にかかわらず容易にシャトルアーム３０を工具シャンク部６２から抜くことができる。
最後にシャトルアーム３０を流体圧シリンダ３５により右方向（矢印ニの方向）に移動させて元の位置に戻る。
したがって、シャトルアーム３０の移動は、前記のように矢印イ、ロ、ハ、ニの経路、すなわち矩形の経路により工具交換アーム２２から工具マガジン５０への工具の搬送を行うことができる。
【００２４】
工具マガジン５０の工具収納部５４から工具交換アーム２２の工具把持部２３へ工具６０を搬送するには、今の説明のサイクルと逆のサイクル、すなわち、
まず、シャトルアーム３０のシャンク把持部４５を、矢印ニの逆方向に移動させ、工具受渡位置に割出された工具マガジン５０上の工具６０のシャンク部６２と整列させ、更にハ、ロ、イを逆行する順序で同じく矩形の経路をたどってシャトルアーム３０を移動させることにより遂行することができる。
また、シャトルアーム３０の動作と、工具マガジン３０の割出し位置決めと、工具交換アーム２２の割出し位置決めとを適宜組み合わせることにより効率良く両者間の工具の搬送を行うことができる。
工具交換はできる限り短時間に素早く行う必要があるため、工具の移動距離をできる限り短くすることが必要となるため、工具交換アーム２２及びシャトルアーム３０の形状は図３に示されるように工夫された形状となっている。
【００２５】
工具交換装置全体は、切屑等の侵入を防止するため前記ブリッジ１９に固定された固定カバー４０により覆われている。しかし、工具を交換する必要があるため、工具主軸１３と工具交換アーム２２の間、及びシャトルアーム３０により工具を搬送するための工具交換アーム２２と工具マガジン５０との間には、そのための開口部４１及び４２が設けられている。
【００２６】
工具を交換する時には、工具主軸１３と工具交換アーム２２とはできる限り接近した位置に配置しなければならないので、図３に示されるように固定カバー４０の工具主軸側開口部４１は切り欠き形状をしている。工具主軸側開口部４１は加工領域に面しているため、加工中に切屑が飛び込むので、カバーする必要がある。そこで本発明の実施例においては、前記開口部４１を閉鎖するように可動カバー４３を直接工具交換アーム２２の側面に固定している。工具主軸１３の移動範囲をできる限り制限しないように、本実施例では可動カバー４３は約直角の断面形状を有し、かつ、前記固定カバー４０の開口部４１を閉鎖できる形状となっている。前記固定カバー４０の開口部４１を閉鎖できる可動カバー４３を直接工具交換アーム２２の側面に固定しているので、工具交換を行う際、別の機構により可動カバーを開閉する必要がなく、その時間が省略され工具交換時間を短縮することができた。更に本実施例においては工具交換アーム２２は扇形形状としているので、工具交換のための回転角を１８０度より小さくできるので工具交換時間は更に短縮化されている。
前記カバー装置の工具マガジン側の開口部４２は加工領域の反対側にあるので、特に可動カバーを設ける必要はないが、出来る限り塵等の侵入を防止するため、その開口部に可撓性のブラシを設ける等の何らかの機構を設けてもよい。
【００２７】
次に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械の作動を説明する。
本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、ベッド１の前方部の旋回テーブル１７上に固定された工作物Ｗに対して、工具主軸１３先端に固定された工具を、コラム５をベッド１上のガイドレール２、２に沿ってＸ軸方向送りモータ４により工作機械の左右方向（Ｘ軸方向）に移動させ、コラム５の前面両側の垂直方向のガイドレール６、６に沿って案内支持された主軸サドル７をＹ軸方向送りモータ１５、１５によりＹ軸方向（垂直方向）に移動させ、主軸サドル７の水平前後方向（Ｚ軸方向）のガイドレール１１、１１に沿ってＺ軸方向送り用のねじ１２により移動されるラム９により前後方向（Ｚ軸方向）に、それぞれ制御移動させながら加工を行うものである。
各モータはいずれもサーボモータが用いられており、数値制御（ＮＣ）等の適当な制御装置により工作機械全体が制御作動されるものである。
【００２８】
自動工具交換動作は、代表的には図６に示される工具交換サイクルにより行われることになるので、図６について説明する。図６の（ａ）から（ｂ）（ｃ）〜（ｈ）へ動作が進むことになる。
まず（ａ）の状態は、１つの工具６０ａによる加工工程中で、可動カバー４３により固定カバー４０の開口部４１が閉鎖されている状態を示している。工具交換アーム２２の工具把持部（工具把持爪）は、工具主軸１３に近い側２３が使用済み工具６０ａを受けとるために空になっており、他の工具把持部２３´には次に使用される工具６０ｂが把持されて、待機状態となっている。
そこで、工具６０ａによる加工工程が終了すると、工具主軸１３は、Ｚ軸方向に後退した位置、すなわち、工具主軸端面が工具交換アーム２２より後になり、工具の工具把持溝６３が、工具交換アーム２２の工具把持部２３に整列する位置に待機される。
【００２９】
次に、（ｂ）の段階では、工具交換アーム２２の空の工具把持部２３が工具主軸１３の工具交換位置と上下方向に整列する位置に来るように工具交換アーム２２を反時計方向に回転（θ１）される。その位置で、工具主軸１３が上昇させられ、工具主軸端面に固定さた工具６０ａの工具把持溝６３が工具交換アーム２２の空の工具把持部２３に係合される（ｃ）。工具６０ａが工具交換アーム２２の空の工具把持部２３に係合された状態で、工具主軸１３のドローボルトを解除し、主軸１３は更に後退させられ、工具シャンク部６２から完全に離れる。
（ｄ）においては、工具交換アーム２２を更に反時計方向に回転（θ２）させ、工具交換アーム２２の他の工具把持部２３´に把持された次に使用する工具６０ｂを工具主軸１３の軸線に整列させる。その位置で、工具主軸１３を前進させその先端の工具受入れ孔に工具６０ｂのシャンク部６２を嵌合させ、ドローボルトにより工具６０ｂを工具主軸１３に固定する。
（ｅ）では、工具主軸１３を降下させて、次の加工位置へ移動させる。この場合、工具交換アーム２２の工具把持部２３´は、前述のように、先端が開放され、スプリング２５により挟持方向に付勢された可動把持爪２３ｂ´により構成されているので、工具６０ｂを下降させることにより工具把持部２３´より容易に工具６０ｂを外すことができる。
【００３０】
（ｆ）では、工具主軸１３が更に下降し、工具交換アーム２２の回転と（可動カバーを含めて）干渉しない位置まで下降した段階で、工具交換アーム２２を時計方向に回転（θ３）させ、使用済み工具６０ａが、工具搬送のためのシャトルアーム４２のシャンク把持部４５に整列するようにさせる。その角度位置において、シャトルアーム４５を作動させて使用済み工具６０ａを工具マガジン５０の空の工具収納部５４に戻す（ｇ）。
（ｈ）において、工具交換アーム２２を反時計方向に回転（θ４）させ、最初の待機位置（ａ）に戻し、シャトルアーム４２によりその次に使用する工具６０ｃを工具マガジンより工具交換アーム２２の他の工具把持部２３´に収容する。その状態で、工具交換装置のカバー４０の開口部４１は可動カバー４３により完全に閉鎖され、その後工具６０ｂによる加工が行われることになる。
【００３１】
工具交換サイクルは前述の図６のもののみではなく他にいろいろの工具交換サイクルが考えられ、その一例として図７の（ａ）から（ｂ）（ｃ）〜（ｈ）への動作サイクルを説明する。図６の工具交換サイクルと共通する動作は省略する。まず図７の（ａ）の状態は、１つの工具６０ａによる加工工程中で、可動カバー４３により固定カバーの開口部が閉鎖されている状態を示しており、これから使用中の工具６０ａを次に使用が予定されている工具６０ｂと交換するための待機状態を示している。工具交換アーム２２の工具把持部（工具把持爪）には、工具主軸１３に近い側の工具把持部２３に次に使用される工具６０ｂが把持されており、工具主軸１３から離れた他の工具把持部２３´が使用済み工具６０ａを受けとるために空になっている点で、前述の図６の交換サイクル（ａ）とは相違している。
そこで、工具６０ａによる加工工程が終了すると、工具主軸１３は、Ｚ軸方向に後退した位置、すなわち、工具主軸端面が工具交換アーム２２より後になり、工具の工具把持溝６３が、工具交換アーム２２の工具把持部に整列する位置に待機される。
【００３２】
次に、（ｂ）の段階では、工具交換アーム２２の空の工具把持部２３´が工具主軸１３の工具交換位置と上下方向に整列する位置に来るように工具交換アーム２２を反時計方向に回転（θ３´）される。この場合の回転角は図６の（ｂ）段階の回転角（θ１）より大きくなる。その位置で、主軸１３が上昇させられ、工具主軸端面に固定さた工具６０ａが工具交換アーム２２の空の工具把持部２３´に係合される（ｃ）。
（ｄ）においては、工具交換アーム２２を時計方向に回転（θ２）させ、工具交換アーム２２の他の工具把持部２３に把持された次に使用する工具６０ｂを工具主軸１３の軸線に整列させる。その位置で、工具主軸１３を前進させその先端の工具受入れ孔に工具６０ｂのシャンク部６２を嵌合させ、ドローボルトにより工具６０ｂを工具主軸１３に固定する。
【００３３】
（ｅ）では、工具主軸１３を降下させて、次の加工位置へ移動させる。
（ｆ）では、工具主軸１３が更に下降し、工具交換アーム２２の回転と（可動カバーを含めて）干渉しない位置まで下降した段階で、工具交換アーム２２を時計方向に回転（θ１）させ、使用済み工具６０ａが、工具搬送のためのシャトルアーム４２のシャンク把持部４５に整列するようにさせる。その角度位置において、シャトルアーム４２を作動させて使用済み工具６０ａを工具マガジンの空の工具収納部５４に戻す（ｇ）。
（ｈ）において、工具交換アーム２２の主軸に近い位置の工具把持部２３に工具マガジン５０からの次の工具６０ｃを受け入れる位置に整列させるため、工具交換アーム２２を更に時計方向に回転（θ４´）させ、シャトルアーム４２によりその次に使用する工具６０ｃを工具マガジン５０より工具交換アーム２２の他の工具把持部２３に収容する。そして、最初の待機位置（ａ）に戻し、その後工具６０ｂによる加工が行われることになる。
【００３４】
工具交換サイクルの例を図６及び図７について説明したが、これらを適宜組み合わせることもできる。すなわち、図７（ｇ）の状態で、更に工具交換アーム２２を回転せずに同じ工具把持部２３´に工具６０ｃを収容し、図６（ａ）の状態に進み、次の交換サイクルは図６のサイクルを実行し、図６（ｇ）の状態から図７（ａ）に進み再び図７の交換サイクルを実行することにより、工具交換サイクルを短縮することも可能である。
【００３５】
（その他の実施例）
前記実施例の自動工具交換装置を備えた工作機械においては、工具主軸の工具受入孔に対する工具の挿入、抜出し動作を、ラムを動作させることにより工具主軸を前進後退移動させて行うようにしているが、工具交換アームをその軸線方向に前進後退移動させることにより行うようにしてもよい。
前記実施例の自動工具交換装置は、工具主軸の支持要素としてラム式主軸を有する形式の工作機械に適用しているが、その他の形式の工作機械、例えばコラム自体を工具主軸支持要素として左右送り可能に設けると共に、前後方向（Ｚ軸方向）に進退させるような形式の工作機械にも適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具交換アームが、２つの工具把持部がアームの回転軸線と垂直な面に在り、かつ２つの工具把持部が回転軸線に関し１８０度より小さい角度位置に配置されているので、工具交換のための回転角度が小さくて済み、工具交換時間を短縮することができる。
なお、工具交換アームの、２つの工具把持部が配置される位置は、回転軸線に関し９０度より小さい角度位置に配置することにより、より効果を高めにることができる。
工具交換アームの工具受渡位置と工具マガジンの工具受渡位置との間で直線移動し、工具マガジンの工具収納部から工具交換アームの工具把持部へ工具を搬入し、逆に工具交換アームの工具把持部から工具マガジンの工具収納部へ工具を搬出する中間搬送装置を設けることにより、工具マガジンの工具収納部と工具交換アームの工具把持部との工具の搬入、搬出時間を短縮することができ、全体の工具交換時間を短縮することができる。
また、工具マガジンの工具収納部と工具交換アームの工具把持部との工具の搬入、搬出する際、工具交換アームの工具把持部と工具マガジンの工具収納部は、それらが工具受渡位置に割出されたとき、それらの工具取出口を互いに相手側に向けるように構成することにより、その位置で工具の姿勢を変える必要がなく、直線移動できるので、効率的に工具の搬送ができる。
【００３７】
更に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具交換アームの回転軸線が工具主軸と平行で、かつ一対の工具把持部が、工具交換位置に割出された工具主軸の前端よりも前方に位置するように配置され、工具交換時において、一対の工具把持部を工具主軸と同心位置に選択的に割出す工具交換アームの回動と工具主軸の前進後退動作が協働するように構成されているので、工具交換装置を簡素化することができる。
【００３８】
更に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具に軸方向後方のシャンク部と前方の刃物装着部との中間に環状の工具把持溝を設け、工具把持溝に係合して工具を把持する工具マガジン及び工具交換アームの工具把持手段と、工具のシャンク部を受入可能なシャンク把持部を有する中間搬送部材とを用いて工具交換すように構成したので、各段階での工具の受渡しがスムーズにでき、トラブルが少なく、効率的な工具交換動作を行うことができる。
【００３９】
また、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械における、前記効果を有する工具マガジンと工具交換アームとの間の中間搬送装置は、本発明の実施態様の工具交換装置以外の形式の工具交換装置の中間搬送装置として適用することができる、その場合にも前記効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による自動工具交換装置を備えた横形工作機械の平面図。
【図２】本発明による自動工具交換装置を備えた横形工作機械の正面図。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視線に沿って破断した自動工具交換装置の正面図。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ矢視線に沿って一部を破断した自動工具交換装置の縦断面。
【図５】図３のＶ−Ｖ矢視線の断面図。
【図６】（ａ）〜（ｈ）の順に実行される工具交換動作の１動作サイクルを説明する説明図。
【図７】図６の工具交換動作サイクルに代わる他の動作サイクルを説明する説明図。
【符号の説明】
１： ベッド
５： コラム
１３： 工具主軸
２２： 工具交換アーム
２３： 工具把持部
３０： シャトルアーム
４０： 固定カバー
４３： 可動カバー
４５： シャンク保持部
５０： 工具マガジン
５４： 工具収納部
６０： 工具
６１： 刃物装着部
６２： シャンク部
６３： 環状の工具把持溝
【産業上の利用分野】
本発明は、工具交換時間を短縮し、機構が簡素化できる自動工具交換装置を備えるマシニングセンタ等の工作機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、マシニングセンタにおいては、主軸へッドの工具主軸に対して工具を交換する自動工具交換装置が設けられる。この自動工具交換装置は工具交換アームを有しており、工具交換アームは、直径方向に対向する一対の工具把持部を有する形式のものが一般に使用されている。
また、この工具交換アームは、工具交換時のみ、その全部或いは一部が加工領域に進入され、加工領域内の工具交換位置へ割出された主軸へッドの工具主軸に対し工具交換動作を遂行するようになっている。
また、従来の自動工具交換装置においては、工具マガジンから工具交換アームヘ工具を装填し、逆に工具交換アームから工具マガジンヘ工具を返却する中間搬送装置を備えた形式のものがある。
この形式の従来装置においては、中間搬送装置は、工具マガジンと工具交換アームとの間で工具を搬送するとき、工具の向きを９０度変換したり、工具マガジンに対して工具を抜き差ししたりするなどの複合運動をするように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、工具交換アームとして、直径方向に対向する一対の工具把持部を持つ形式のものを使用する場合では、工具交換時に、工具把持部間の中点を横切る軸線の周りに工具交換アームを１８０度回転する必要があり、アームの回転量が多く、このことも工具交換時間を長くする要因となっている。
また、中間搬送装置が複合運動するので、工具マガジンと工具交換アームとの間で工具を搬送する速度を高めることに限界があり、これにより工具交換時間が長くなる問題を生じている。
そこで本発明の目的は、マシニングセンタ等の工作機械における自動工具交換装置において、工具交換のための工具交換アームの回転角度を小さくすることにより交換時間を短縮し、かつ工具マガジンと工具交換アームとの間で工具を搬送する中間搬送を短時間に行うことができる自動工具交換装置を備えた工作機械を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回転可能であり、同軸線の周りの１８０度より小さな角度離間した２位置に工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置に工具主軸と平行に割出し可能である工具マガジンと、前記工具交換アームの工具受渡位置と工具マガジンの工具受渡位置との間で直線移動し、工具マガジンの工具収納部から工具交換アームの工具把持部へ工具を搬入し、逆に工具交換アームの工具把持部から工具マガジンの工具収納部へ工具を搬出する中間搬送装置とより構成され、水平に延びる回転軸線を有する工具主軸を支える支持要素が、工具主軸を前記回転軸線と垂直な面内で水平な左右方向及び上下方向に移動できると共に前記回転軸線上で前進後退移動できるようにベッド上に支持されており、脚部がベッドから直立し、水平部が工具主軸の最上位置よりも上位で左右方向に延びるブリッジが設けられ、前記工具交換アームの回転軸線が工具主軸と平行となり、かつ前記一対の工具把持部が工具交換位置に割出された工具主軸の前端よりも前方に位置するように、工具交換装置が前記ブリッジの水平部に取付けられ、工具交換時において、一対の工具把持部を工具主軸と同心位置に選択的に割出す工具交換アームの回動と工具主軸の前進後退動作が協働するように構成されたことを特徴としている。
【０００８】
更に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回動可能であり、工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で前記工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置にその選択した工具の軸線が工具主軸と平行になるように割出し可能である工具マガジンとを含み、前記工具が、その軸方向後方のシャンク部と前方の刃物装着部との中間に環状の工具把持溝を有し、前記工具交換アーム及び前記工具マガシンが前記工具把持溝に係合して前記工具を把持する工具保持手段をそれぞれ前記工具把持部及び前記工具収納部の各々に有すると共に、この工具保持手段を工具取出口が前記工具受渡位置において互いに対向される一対の開閉動作可能な鋏部材により構成し、さらに、工具中間搬送装置を含み、この装置が、前記工具のシャンク部を受入可能なシャンク把持部を有する中間搬送部材と、前記中間搬送部材のシャンク把持部を、工具受渡位置に割出された工具交換アーム上の工具のシャンク部と整列する第１整列位置と、工具受渡位置に割出された工具マガジン上の工具のシャンク部と整列する第２整列位置と、これら各整列位置においてシャンク部を受入れる前進位置と、さらにシャンク部から離脱する後退位置を結ぶ矩形の移動経路に沿って移動するシフト機構とより構成されることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回転可能であり、同軸線の周りの１８０度より小さな角度、離間した２位置に工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置に工具主軸と平行に割出し可能である工具マガジンと、前記工具交換アームの工具受渡位置と工具マガジンの工具受渡位置との間で直線移動し、工具マガジンの収納部から工具交換アームの把持部へ工具を搬入し、逆に工具交換アームの工具把持部から工具マガジンの工具収納部へ工具を搬出する中間搬送装置とより構成することにより、工具交換アームの工具交換のための回転角度を小さくすることができ、また、中間搬送装置が工具マガジンと工具交換アームとの間での工具の受渡しを、単に工具の直線移動のみにより行うことにしたので工具交換時間を短縮できる。
【００１０】
更に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具交換アームの工具把持部に設けられている固定工具把持爪と可動工具把持爪よりなる工具保持手段と前記工具マガジンの工具収納部に設けられている固定工具把持爪と可動工具把持爪よりなる工具保持手段は、それらが工具受渡位置に割出されたとき、それらの工具取出口を互いに相手側に向けるように構成するようにすることにより、工具の姿勢を変えることなく、中間搬送部材の直線移動のみで工具を搬送することができるものである。
【００１１】
更にまた、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、水平に延びる回転軸線を有する工具主軸を支える支持要素が、工具主軸を前記回転軸線と垂直な面内で水平な左右方向及び上下方向に移動できると共に前記回転軸線上で進退移動できるようにベッド上に支持されており、脚部がベッドから直立し、水平部が工具主軸の最上位置よりも上位で左右方向に延びるブリッジが設けられ、工具交換アームの回転軸線が工具主軸と平行となり、かつ前記一対の把持部が工具交換位置に割出された工具主軸の前端よりも前方に位置するように、交換装置が前記ブリッジの水平部に取付けられ、工具交換時において、一対の把持部を工具主軸と同心位置に選択的に割出す交換アームの回動と工具主軸の前進後退動作が協働するように構成することにより工具交換機構を簡素化することができる。
【００１２】
更にまた、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、前記工具が、その軸方向後方のシャンク部と前方の刃物装着部との中間に環状の工具把持溝を有し、前記工具マガジン及び前記工具交換アームが、その開閉動作し工具取出口が互いに対向する一対の鋏部材により前記工具把持溝に係合して工具を把持する工具保持手段を有し、前記中間搬送装置が、前記工具のシャンク部を受入可能なシャンク把持部を有する中間搬送部材と、前記中間搬送部材のシャンク把持部を、工具受渡位置に割出された工具交換アーム上の工具のシャンク部と整列する第１整列位置と、工具受渡位置に割出された工具マガジン上の工具のシャンク部と整列する第２整列位置と、これら各整列位置においてシャンク部を受入れる前進位置と、さらにシャンク部から離脱する後退位置を結ぶ矩形の移動経路に沿って移動するシフト機構とより構成されていることにより、工具把持に格別な把持動作をする必要はなく、中間搬送部材の単純な移動のみで工具の受渡し、搬送を行うことができるものである。
【００１３】
更にまた、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回動可能であり、工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で前記工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置にその選択した工具の軸線が工具主軸と平行になるように割出し可能である工具マガジンとを含み、前記工具が、その軸方向後方のシャンク部と前方の刃物装着部との中間に環状の工具把持溝を有し、前記工具交換アーム及び前記工具マガシンが前記工具把持溝に係合して前記工具を把持する工具保持手段をそれぞれ前記工具把持部及び前記工具収納部の各々に有すると共に、この工具保持手段を工具取出口が前記工具受渡位置において互いに対向される一対の開閉動作可能な鋏部材により構成し、さらに、工具中間搬送装置を含み、この装置が、前記工具のシャンク部を受入可能なシャンク把持部を有する中間搬送部材と、前記中間搬送部材のシャンク把持部を、工具受渡位置に割出された工具交換アーム上の工具のシャンク部と整列する第１整列位置と、工具受渡位置に割出された工具マガジン上の工具のシャンク部と整列する第２整列位置と、これら各整列位置においてシャンク部を受入れる前進位置と、さらにシャンク部から離脱する後退位置を結ぶ矩形の移動経路に沿って移動するシフト機構とより構成されることにより、工具交換装置の中間搬送装置として適用することができる特徴を有しているものである。
【００１４】
【実施例】
本発明の実施例を図１〜図７について説明する。
本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械の基本構成は、図１及び図２に示されるように、ベッド１上の左右方向（Ｘ軸方向）に固定されたガイド２、２上にコラム５が摺動自在に設けられ、コラム５の前面両側の垂直方向（Ｙ軸方向）に設けられたがイド６、６に沿って工具主軸１３を支持する主軸サドル７が垂直方向に摺動自在に支持され、コラム５の水平前後方向（Ｚ軸方向）のガイド１１、１１に沿って工具主軸１３を回転自在に支持する主軸支持要素としての４角形断面のラム９が前後方向に摺動自在に支持されている。ベッド１の前方部には旋回テーブル１７が固定位置で旋回可能に設けられており、旋回テーブル１７上に固定された工作物Ｗに対して、主軸１３先端に固定される工具を、工作機械の左右方向（Ｘ軸方向），垂直方向（Ｙ軸方向），前後方向（Ｚ軸方向）に制御移動させながら加工を行うものである。
【００１５】
コラム５はベッド１上のガイドレール２、２に沿ってＸ軸方向送りモータ４により回転される送りねじ３によりＸ軸方向に摺動され、該コラム５には中間部に空間が形成され、その中空部にその前面両側の垂直方向のガイドレール６、６に沿って案内支持された工具主軸支持要素を有する主軸サドル７が２つのＹ軸方向送りモータ１５、１５で回転されるＹ軸方向送りねじ８、８によりＹ軸方向（垂直方向）に摺動され、主軸サドル７には水平前後方向（Ｚ軸方向）にガイドレール１１、１１が設けられ、該ガイドレール１１、１１に沿って、主軸支持要素としての４角形断面のラム９がその下方に設けられたＺ軸方向送り用のねじ１２により摺動される。
【００１６】
ラム９には工具主軸１３が回転自在に支持され、その後部に設けられた主軸モータ１４により回転駆動される。
コラム５の直前部には、ベッド１の両側から立設された工具交換装置を支持するための支持部材１８が設けられており、該支持部材１８には工具主軸１３の上限位置よりも高い位置に工具交換装置２０を支持するためのブリッジ１９が水平方向に設けられている。ブリッジ１９の左端部にはカバーにより覆われた工具交換装置２０が設けられ、コラム５の左側面部には、多数の工具収納部を有し、工具主軸１３の軸線と平行な面内で工具収納部を回動割出し可能であり、選択した工具を保持する工具収納部を工具交換アーム２２との工具受渡位置に工具主軸１３と平行に割出し可能である工具マガジン５０が設けられている。
【００１７】
次に、自動工具交換装置２０について図３〜図５により説明する。
前記ブリッジ１９には、その左端部の工具交換位置に工具交換装置２０が設けられている。すなわち、ブリッジ１９には、工具交換アーム２２の支持部材２１が直接固定さており、該支持部材２１の下端に工具交換アーム２２が回転自在に支持され、該工具交換アーム２２は扇形をなし、その扇形部分の先端部に一定の角度（この実施例では鋭角）を隔てた位置に工具把持部２３、２３´が設けられている。２つの工具把持部２３、２３´が配置される角度は、そこに把持される工具の径の大きさにもよるが、角度が小さい程、工具交換のための工具交換アーム２２の回転角を小さくすることができ、工具交換時間の短縮になる。この点についていえば、従来の直線の工具交換アーム（すなわち１８０度）と比較した場合には、１８０度以下であればその効果を得ることができるが、好適には鋭角、すなわち９０度以下とすることにより特に効果が期待できる。
２つの工具把持部２３、２３´には、それぞれ工具把持手段として、先端が解放された円形状の工具収容部を形成する固定把持爪２３ａ、２３ａ´と、ピン２４、２４´により枢着されスプリング２５、２５´により挟持方向に付勢された可動把持爪２３ｂ，２３ｂ´とから構成され、その先端開放部分は工具６０が嵌合しやすいように先端広がり状に形成されており、これら１対の鋏部材により工具の把持溝６３を挟持するようになっている。
【００１８】
工具交換アーム２２は、支持部材２１に固定されたモータ３６より減速装置３７を介して回転される回転部材３８に固定されているので、モータ３６の回転により回転される。
工具交換アーム２２の回転軸線は工具主軸１３の軸線と平行であり、その先端に設けられた一対の工具把持部２３、２３´が工具交換位置に割出し位置決めされた工具主軸１３の前端よりも前方に位置するように、工具交換装置２０が前記ブリッジ１９に取付けられ、工具交換アーム２２はその軸心方向へは移動しない構成となっている。
したがって、工具交換時においては、一対の工具把持部２３、２３´を選択的に工具主軸１３と同心位置に割出し回動する工具交換アーム２２の動作と、工具主軸１３の前進後退動作とが協働することにより工具交換作業が行われる。
【００１９】
工具交換アーム２２の左側に工具交換アーム２２の工具把持部２３、２３´と工具マガジン５０の工具収納部５４との間で工具６０を搬送する中間搬送部材としてのシャトルアーム３０が配置されている。前記工具交換アーム２２の支持部材２１の上部がブリッジ１９の上部に突き抜け、ブリッジ１９と平行にシャトルアーム３０の支持用基板３４が形成され、その水平方向にガイド３３が固定されており、そのガイド３３に沿ってキャリッジ３２が流体圧シリンダ３５により水平方向にスライドできるように構成され、キャリッジ３２には、工具主軸１３の軸線と平行な方向に流体圧シリンダ３１が設けられ、シャトルアーム３０はその流体圧ピストン３１´の先端に固定されている。キャリッジ３２は、流体圧シリンダ３１の両側で工具主軸１３の軸線と平行に配置されると共に基端がシャトルアーム３０に結合された一対のガイドバー３０を軸方向移動可能に案内している。したがって、シャトルアーム３０は、流体圧シリンダ３１により工具主軸１３の軸線と平行な方向に移動することができ、更に流体圧シリンダ３５により左右方向（Ｘ軸方向）に移動することができる。シャトルアーム３０の先端には工具のシャンク部６２を嵌合保持するシャンク把持部４５が設けられ、そのシャンク把持部４５に直角方向からスプリングにより付勢された保持ボール４６が設けられており、工具の後方からシャンク把持部４５を工具のシャンク部６２に嵌合し保持ボール４６がシャンク部６２に溝に押圧係合することにより工具６０を保持するように構成されている。
【００２０】
工具マガジン５０は、コラム５の左側面側でベッド１上に設けられ、上下一対のスプロケット５１に係合回転されるチエン５２の外周に適宜間隔を置いてＬ字状の工具収納部支持部材５３が固定され、該工具収納部支持部材５３には、それぞれ工具収納部５４が固定され、工具主軸１３の軸線と平行な面内で工具収納部５４を回動割出し可能であり、選択した工具を保持する工具収納部５４を工具交換アーム２２との工具受渡位置に割出された工具６０の軸線が工具主軸１３の軸線と平行になるように設けられている（特に、図５参照）。工具収納部５４は、工具交換アーム２２の工具把持部２３と同様に、工具把持手段として先端が解放された円形状の工具収容部を形成する固定把持爪５４ａと、ピン５５により枢着されスプリング５６により挟持方向に付勢された可動把持爪５４ｂとから構成され、その先端部分は工具６０が嵌合しやすいように先端広がり状に形成されており、これら１対の鋏部材により工具の把持溝６３を挟持するようになっている。なお、５７は工具マガジン５０側面に設けられたバックアップ部材であり、チエン５２上の工具収納部の必要以上の振れを防いでいるものである。
【００２１】
各工具６０は、図５に示されるように、その軸方向後方のシャンク部６２と前方の刃物装着部６１との中間に環状の工具把持溝６３を有しており、工具マガジン５０の工具収納部５６及び工具交換アーム２２の工具把持部２３、２３´における固定把持爪２３ａ、５４ａと可動把持爪２３ｂ、５４ｂが前記工具把持溝６３に係合し、工具が保持されるようになっている。
【００２２】
工具マガジン５０の工具収納部５４の両工具把持爪５４ａ、５４ｂはその解放方向が工具交換アーム２２上の工具把持部２３の方向を向くように固定され、また工具の搬送を受ける位置に割り出された工具交換アーム２２の工具把持爪２３ａ、２３ｂも工具マガジン５０の工具収納部５４の方向を向くように固定されている。すなわち、図３に示された工具交換アーム２２の位置においては、工具把持部２３´が工具の搬送を受ける位置であり、その工具把持爪２３ａ´，２３ｂ´の開放方向が工具マガジン５０の工具収納部５４における両工具把持爪５４ａ、５４ｂの開放方向と相対面するように配置されている。
工具交換アーム２２の工具把持部２３から工具マガジン５０の工具収納部５４へ工具６０を搬送するには、図５に示されているように、まず、シャトルアーム３０のシャンク把持部４５を、工具受渡位置に割出された工具交換アーム２２上の工具のシャンク部２３と整列させ、シャトルアーム３０を流体圧シリンダ３１により前方（矢印イの方向）に移動させ、その先端に設けられたシャンク把持部４５を工具のシャンク部６２に後方から嵌合し、付勢された保持ボール４６を工具シャンク部の溝に係合することにより保持する。
【００２３】
次にシャトルアーム３０を流体圧シリンダ３５により左方向（矢印ロの方向）に移動することにより、工具６１を工具交換アームの工具把持爪２３ａ´，２３ｂ´の開放側へ抜き取り、工具マガジンの工具把持爪５４ａ、５４ｂの開放側からそのスプリング５６に抗して挿入して工具マガジン５０の工具把持手段と整列する位置で停止し、シャトルアーム３０を流体圧シリンダ３１により後方（矢印ハの方向）に移動させ、その先端に設けられたシャンク把持部４５を工具のシャンク部６２の後方へ抜く。Ｌ字状の支持部材５３は、シャンく把持部４５の後方移動を許容する空間を有している。この際、工具６０はその環状の工具把持溝６３に工具把持爪５４ａ、５４ｂが係合し、挟持されているため、保持ボール４６の押圧にかかわらず容易にシャトルアーム３０を工具シャンク部６２から抜くことができる。
最後にシャトルアーム３０を流体圧シリンダ３５により右方向（矢印ニの方向）に移動させて元の位置に戻る。
したがって、シャトルアーム３０の移動は、前記のように矢印イ、ロ、ハ、ニの経路、すなわち矩形の経路により工具交換アーム２２から工具マガジン５０への工具の搬送を行うことができる。
【００２４】
工具マガジン５０の工具収納部５４から工具交換アーム２２の工具把持部２３へ工具６０を搬送するには、今の説明のサイクルと逆のサイクル、すなわち、
まず、シャトルアーム３０のシャンク把持部４５を、矢印ニの逆方向に移動させ、工具受渡位置に割出された工具マガジン５０上の工具６０のシャンク部６２と整列させ、更にハ、ロ、イを逆行する順序で同じく矩形の経路をたどってシャトルアーム３０を移動させることにより遂行することができる。
また、シャトルアーム３０の動作と、工具マガジン３０の割出し位置決めと、工具交換アーム２２の割出し位置決めとを適宜組み合わせることにより効率良く両者間の工具の搬送を行うことができる。
工具交換はできる限り短時間に素早く行う必要があるため、工具の移動距離をできる限り短くすることが必要となるため、工具交換アーム２２及びシャトルアーム３０の形状は図３に示されるように工夫された形状となっている。
【００２５】
工具交換装置全体は、切屑等の侵入を防止するため前記ブリッジ１９に固定された固定カバー４０により覆われている。しかし、工具を交換する必要があるため、工具主軸１３と工具交換アーム２２の間、及びシャトルアーム３０により工具を搬送するための工具交換アーム２２と工具マガジン５０との間には、そのための開口部４１及び４２が設けられている。
【００２６】
工具を交換する時には、工具主軸１３と工具交換アーム２２とはできる限り接近した位置に配置しなければならないので、図３に示されるように固定カバー４０の工具主軸側開口部４１は切り欠き形状をしている。工具主軸側開口部４１は加工領域に面しているため、加工中に切屑が飛び込むので、カバーする必要がある。そこで本発明の実施例においては、前記開口部４１を閉鎖するように可動カバー４３を直接工具交換アーム２２の側面に固定している。工具主軸１３の移動範囲をできる限り制限しないように、本実施例では可動カバー４３は約直角の断面形状を有し、かつ、前記固定カバー４０の開口部４１を閉鎖できる形状となっている。前記固定カバー４０の開口部４１を閉鎖できる可動カバー４３を直接工具交換アーム２２の側面に固定しているので、工具交換を行う際、別の機構により可動カバーを開閉する必要がなく、その時間が省略され工具交換時間を短縮することができた。更に本実施例においては工具交換アーム２２は扇形形状としているので、工具交換のための回転角を１８０度より小さくできるので工具交換時間は更に短縮化されている。
前記カバー装置の工具マガジン側の開口部４２は加工領域の反対側にあるので、特に可動カバーを設ける必要はないが、出来る限り塵等の侵入を防止するため、その開口部に可撓性のブラシを設ける等の何らかの機構を設けてもよい。
【００２７】
次に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械の作動を説明する。
本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、ベッド１の前方部の旋回テーブル１７上に固定された工作物Ｗに対して、工具主軸１３先端に固定された工具を、コラム５をベッド１上のガイドレール２、２に沿ってＸ軸方向送りモータ４により工作機械の左右方向（Ｘ軸方向）に移動させ、コラム５の前面両側の垂直方向のガイドレール６、６に沿って案内支持された主軸サドル７をＹ軸方向送りモータ１５、１５によりＹ軸方向（垂直方向）に移動させ、主軸サドル７の水平前後方向（Ｚ軸方向）のガイドレール１１、１１に沿ってＺ軸方向送り用のねじ１２により移動されるラム９により前後方向（Ｚ軸方向）に、それぞれ制御移動させながら加工を行うものである。
各モータはいずれもサーボモータが用いられており、数値制御（ＮＣ）等の適当な制御装置により工作機械全体が制御作動されるものである。
【００２８】
自動工具交換動作は、代表的には図６に示される工具交換サイクルにより行われることになるので、図６について説明する。図６の（ａ）から（ｂ）（ｃ）〜（ｈ）へ動作が進むことになる。
まず（ａ）の状態は、１つの工具６０ａによる加工工程中で、可動カバー４３により固定カバー４０の開口部４１が閉鎖されている状態を示している。工具交換アーム２２の工具把持部（工具把持爪）は、工具主軸１３に近い側２３が使用済み工具６０ａを受けとるために空になっており、他の工具把持部２３´には次に使用される工具６０ｂが把持されて、待機状態となっている。
そこで、工具６０ａによる加工工程が終了すると、工具主軸１３は、Ｚ軸方向に後退した位置、すなわち、工具主軸端面が工具交換アーム２２より後になり、工具の工具把持溝６３が、工具交換アーム２２の工具把持部２３に整列する位置に待機される。
【００２９】
次に、（ｂ）の段階では、工具交換アーム２２の空の工具把持部２３が工具主軸１３の工具交換位置と上下方向に整列する位置に来るように工具交換アーム２２を反時計方向に回転（θ１）される。その位置で、工具主軸１３が上昇させられ、工具主軸端面に固定さた工具６０ａの工具把持溝６３が工具交換アーム２２の空の工具把持部２３に係合される（ｃ）。工具６０ａが工具交換アーム２２の空の工具把持部２３に係合された状態で、工具主軸１３のドローボルトを解除し、主軸１３は更に後退させられ、工具シャンク部６２から完全に離れる。
（ｄ）においては、工具交換アーム２２を更に反時計方向に回転（θ２）させ、工具交換アーム２２の他の工具把持部２３´に把持された次に使用する工具６０ｂを工具主軸１３の軸線に整列させる。その位置で、工具主軸１３を前進させその先端の工具受入れ孔に工具６０ｂのシャンク部６２を嵌合させ、ドローボルトにより工具６０ｂを工具主軸１３に固定する。
（ｅ）では、工具主軸１３を降下させて、次の加工位置へ移動させる。この場合、工具交換アーム２２の工具把持部２３´は、前述のように、先端が開放され、スプリング２５により挟持方向に付勢された可動把持爪２３ｂ´により構成されているので、工具６０ｂを下降させることにより工具把持部２３´より容易に工具６０ｂを外すことができる。
【００３０】
（ｆ）では、工具主軸１３が更に下降し、工具交換アーム２２の回転と（可動カバーを含めて）干渉しない位置まで下降した段階で、工具交換アーム２２を時計方向に回転（θ３）させ、使用済み工具６０ａが、工具搬送のためのシャトルアーム４２のシャンク把持部４５に整列するようにさせる。その角度位置において、シャトルアーム４５を作動させて使用済み工具６０ａを工具マガジン５０の空の工具収納部５４に戻す（ｇ）。
（ｈ）において、工具交換アーム２２を反時計方向に回転（θ４）させ、最初の待機位置（ａ）に戻し、シャトルアーム４２によりその次に使用する工具６０ｃを工具マガジンより工具交換アーム２２の他の工具把持部２３´に収容する。その状態で、工具交換装置のカバー４０の開口部４１は可動カバー４３により完全に閉鎖され、その後工具６０ｂによる加工が行われることになる。
【００３１】
工具交換サイクルは前述の図６のもののみではなく他にいろいろの工具交換サイクルが考えられ、その一例として図７の（ａ）から（ｂ）（ｃ）〜（ｈ）への動作サイクルを説明する。図６の工具交換サイクルと共通する動作は省略する。まず図７の（ａ）の状態は、１つの工具６０ａによる加工工程中で、可動カバー４３により固定カバーの開口部が閉鎖されている状態を示しており、これから使用中の工具６０ａを次に使用が予定されている工具６０ｂと交換するための待機状態を示している。工具交換アーム２２の工具把持部（工具把持爪）には、工具主軸１３に近い側の工具把持部２３に次に使用される工具６０ｂが把持されており、工具主軸１３から離れた他の工具把持部２３´が使用済み工具６０ａを受けとるために空になっている点で、前述の図６の交換サイクル（ａ）とは相違している。
そこで、工具６０ａによる加工工程が終了すると、工具主軸１３は、Ｚ軸方向に後退した位置、すなわち、工具主軸端面が工具交換アーム２２より後になり、工具の工具把持溝６３が、工具交換アーム２２の工具把持部に整列する位置に待機される。
【００３２】
次に、（ｂ）の段階では、工具交換アーム２２の空の工具把持部２３´が工具主軸１３の工具交換位置と上下方向に整列する位置に来るように工具交換アーム２２を反時計方向に回転（θ３´）される。この場合の回転角は図６の（ｂ）段階の回転角（θ１）より大きくなる。その位置で、主軸１３が上昇させられ、工具主軸端面に固定さた工具６０ａが工具交換アーム２２の空の工具把持部２３´に係合される（ｃ）。
（ｄ）においては、工具交換アーム２２を時計方向に回転（θ２）させ、工具交換アーム２２の他の工具把持部２３に把持された次に使用する工具６０ｂを工具主軸１３の軸線に整列させる。その位置で、工具主軸１３を前進させその先端の工具受入れ孔に工具６０ｂのシャンク部６２を嵌合させ、ドローボルトにより工具６０ｂを工具主軸１３に固定する。
【００３３】
（ｅ）では、工具主軸１３を降下させて、次の加工位置へ移動させる。
（ｆ）では、工具主軸１３が更に下降し、工具交換アーム２２の回転と（可動カバーを含めて）干渉しない位置まで下降した段階で、工具交換アーム２２を時計方向に回転（θ１）させ、使用済み工具６０ａが、工具搬送のためのシャトルアーム４２のシャンク把持部４５に整列するようにさせる。その角度位置において、シャトルアーム４２を作動させて使用済み工具６０ａを工具マガジンの空の工具収納部５４に戻す（ｇ）。
（ｈ）において、工具交換アーム２２の主軸に近い位置の工具把持部２３に工具マガジン５０からの次の工具６０ｃを受け入れる位置に整列させるため、工具交換アーム２２を更に時計方向に回転（θ４´）させ、シャトルアーム４２によりその次に使用する工具６０ｃを工具マガジン５０より工具交換アーム２２の他の工具把持部２３に収容する。そして、最初の待機位置（ａ）に戻し、その後工具６０ｂによる加工が行われることになる。
【００３４】
工具交換サイクルの例を図６及び図７について説明したが、これらを適宜組み合わせることもできる。すなわち、図７（ｇ）の状態で、更に工具交換アーム２２を回転せずに同じ工具把持部２３´に工具６０ｃを収容し、図６（ａ）の状態に進み、次の交換サイクルは図６のサイクルを実行し、図６（ｇ）の状態から図７（ａ）に進み再び図７の交換サイクルを実行することにより、工具交換サイクルを短縮することも可能である。
【００３５】
（その他の実施例）
前記実施例の自動工具交換装置を備えた工作機械においては、工具主軸の工具受入孔に対する工具の挿入、抜出し動作を、ラムを動作させることにより工具主軸を前進後退移動させて行うようにしているが、工具交換アームをその軸線方向に前進後退移動させることにより行うようにしてもよい。
前記実施例の自動工具交換装置は、工具主軸の支持要素としてラム式主軸を有する形式の工作機械に適用しているが、その他の形式の工作機械、例えばコラム自体を工具主軸支持要素として左右送り可能に設けると共に、前後方向（Ｚ軸方向）に進退させるような形式の工作機械にも適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具交換アームが、２つの工具把持部がアームの回転軸線と垂直な面に在り、かつ２つの工具把持部が回転軸線に関し１８０度より小さい角度位置に配置されているので、工具交換のための回転角度が小さくて済み、工具交換時間を短縮することができる。
なお、工具交換アームの、２つの工具把持部が配置される位置は、回転軸線に関し９０度より小さい角度位置に配置することにより、より効果を高めにることができる。
工具交換アームの工具受渡位置と工具マガジンの工具受渡位置との間で直線移動し、工具マガジンの工具収納部から工具交換アームの工具把持部へ工具を搬入し、逆に工具交換アームの工具把持部から工具マガジンの工具収納部へ工具を搬出する中間搬送装置を設けることにより、工具マガジンの工具収納部と工具交換アームの工具把持部との工具の搬入、搬出時間を短縮することができ、全体の工具交換時間を短縮することができる。
また、工具マガジンの工具収納部と工具交換アームの工具把持部との工具の搬入、搬出する際、工具交換アームの工具把持部と工具マガジンの工具収納部は、それらが工具受渡位置に割出されたとき、それらの工具取出口を互いに相手側に向けるように構成することにより、その位置で工具の姿勢を変える必要がなく、直線移動できるので、効率的に工具の搬送ができる。
【００３７】
更に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具交換アームの回転軸線が工具主軸と平行で、かつ一対の工具把持部が、工具交換位置に割出された工具主軸の前端よりも前方に位置するように配置され、工具交換時において、一対の工具把持部を工具主軸と同心位置に選択的に割出す工具交換アームの回動と工具主軸の前進後退動作が協働するように構成されているので、工具交換装置を簡素化することができる。
【００３８】
更に、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械は、工具に軸方向後方のシャンク部と前方の刃物装着部との中間に環状の工具把持溝を設け、工具把持溝に係合して工具を把持する工具マガジン及び工具交換アームの工具把持手段と、工具のシャンク部を受入可能なシャンク把持部を有する中間搬送部材とを用いて工具交換すように構成したので、各段階での工具の受渡しがスムーズにでき、トラブルが少なく、効率的な工具交換動作を行うことができる。
【００３９】
また、本発明の自動工具交換装置を備えた工作機械における、前記効果を有する工具マガジンと工具交換アームとの間の中間搬送装置は、本発明の実施態様の工具交換装置以外の形式の工具交換装置の中間搬送装置として適用することができる、その場合にも前記効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による自動工具交換装置を備えた横形工作機械の平面図。
【図２】本発明による自動工具交換装置を備えた横形工作機械の正面図。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視線に沿って破断した自動工具交換装置の正面図。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ矢視線に沿って一部を破断した自動工具交換装置の縦断面。
【図５】図３のＶ−Ｖ矢視線の断面図。
【図６】（ａ）〜（ｈ）の順に実行される工具交換動作の１動作サイクルを説明する説明図。
【図７】図６の工具交換動作サイクルに代わる他の動作サイクルを説明する説明図。
【符号の説明】
１： ベッド
５： コラム
１３： 工具主軸
２２： 工具交換アーム
２３： 工具把持部
３０： シャトルアーム
４０： 固定カバー
４３： 可動カバー
４５： シャンク保持部
５０： 工具マガジン
５４： 工具収納部
６０： 工具
６１： 刃物装着部
６２： シャンク部
６３： 環状の工具把持溝
Claims (2)
- 工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回転可能であり、同軸線の周りの１８０度より小さな角度離間した２位置に工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、
多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置に工具主軸と平行に割出し可能である工具マガジンと、
前記工具交換アームの工具受渡位置と工具マガジンの工具受渡位置との間で直線移動し、工具マガジンの工具収納部から工具交換アームの工具把持部へ工具を搬入し、逆に工具交換アームの工具把持部から工具マガジンの工具収納部へ工具を搬出する中間搬送装置とより構成された自動工具交換装置を備え、
水平に延びる回転軸線を有する工具主軸を支える支持要素が、工具主軸を前記回転軸線と垂直な面内で水平な左右方向及び上下方向に移動できると共に前記回転軸線上で前進後退移動できるようにベッド上に支持されており、
脚部がベッドから直立し、水平部が工具主軸の最上位置よりも上位で左右方向に延びるブリッジが設けられ、
前記工具交換アームの回転軸線が工具主軸と平行となり、かつ前記一対の工具把持部が工具交換位置に割出された工具主軸の前端よりも前方に位置するように、前記工具交換装置が前記ブリッジの水平部に取付けられ、
工具交換時において、一対の工具把持部を工具主軸と同心位置に選択的に割出す工具交換アームの回動と工具主軸の前進後退動作が協働するように構成されたことを特徴とする自動工具交換装置を備えた工作機械。 - 工具主軸の軸線と平行な軸線の周りに回動可能であり、工具を前記軸線と平行にして支持する一対の工具把持部を有する工具交換アームと、
多数の工具収納部を有し、工具主軸の軸線と平行な面内で前記工具収納部を回動割出し可能であると共に、選択した工具を保持する工具収納部を前記工具交換アームとの工具受渡位置にその選択した工具の軸線が工具主軸と平行になるように割出し可能である工具マガジンとを含み、
前記工具が、その軸方向後方のシャンク部と前方の刃物装着部との中間に環状の工具把持溝を有し、
前記工具交換アーム及び前記工具マガシンが前記工具把持溝に係合して前記工具を把持する工具保持手段をそれぞれ前記工具把持部及び前記工具収納部の各々に有すると共に、この工具保持手段を工具取出口が前記工具受渡位置において互いに対向される一対の開閉動作可能な鋏部材により構成し、
さらに、工具中間搬送装置を含み、この装置が、前記工具のシャンク部を受入可能なシャンク把持部を有する中間搬送部材と、前記中間搬送部材のシャンク把持部を、工具受渡位置に割出された工具交換アーム上の工具のシャンク部と整列する第１整列位置と、工具受渡位置に割出された工具マガジン上の工具のシャンク部と整列する第２整列位置と、これら各整列位置においてシャンク部を受入れる前進位置と、さらにシャンク部から離脱する後退位置を結ぶ矩形の移動経路に沿って移動するシフト機構とより構成されることを特徴とする自動工具交換装置を備えた工作機械。
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP26722198A JP3831884B2 (ja) | 1998-09-07 | 1998-09-07 | 自動工具交換装置を備えた工作機械 |
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Family Applications (1)
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| JP7501405B2 (ja) * | 2021-02-26 | 2024-06-18 | ブラザー工業株式会社 | 工具マガジン及び工作機械 |
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- 1998-09-07 JP JP26722198A patent/JP3831884B2/ja not_active Expired - Fee Related
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