JP4242742B2 - 自動工具交換装置、及び工具の交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、主軸と工具マガジンとの間で工具の交換を行うための自動工具交換装置、及びその工具の交換方法に関するものである。

従来より、工作機械等の加工機には、加工機の主軸と工具マガジンとの間で工具を自動で交換するための自動工具交換装置が備えられている。そして、そのような自動工具交換装置として、例えば特許文献１に開示されているようなものが知られている。

特開平６−１０６４３８号公報

図３は従来の自動工具交換装置における工具交換動作を示した説明図であり、図４は従来の自動工具交換装置における工具マガジン４１の説明図である。
特許文献１に開示されているような、従来の自動工具交換装置の工具マガジンでは、図３及び４に示されているように、薄い円板状に形成されたドラム４２に、工具Ｔを把持するためのグリッパ４３、４３・・が複数固着されている。ドラム４２は、ＮＣ制御された駆動モータ４４によりＰ軸（図３に図示）を回転軸として回転可能に設けられている。一方、グリッパ４３、４３・・は、それぞれ同一円周上で等間隔に、且つ工具ＴをＰ軸と平行な方向で把持可能に設けられている。

このような自動工具交換装置によれば、工具マガジン４１と主軸頭４５との間で工具を交換する場合には、所定の工具交換位置に使用済みの工具Ｔを収納するための空きグリッパ４３を回転割出した後、主軸頭４５を工具マガジン４１側へと接近させて、割出されたグリッパ４３に工具Ｔを把持させる。使用済みの工具Ｔをグリッパ４３に把持させると、主軸頭４５は一旦反工具マガジン４１側へと退避する。そして、工具マガジン４１において、次に主軸頭４５に装着する工具Ｔを回転割出し、主軸頭４５を再び工具マガジン４１側へと接近させて、主軸頭４５に工具Ｔを装着する。新たに工具Ｔが装着されると主軸頭４５は反工具マガジン４１側へと移動し、再び切削等の加工作業を開始する。
従来の自動工具交換装置では、上記の如く、工具交換動作は行われていた。

近年、加工作業の複雑化・精密化に伴い、自動工具交換装置においては、より多くの工具を工具マガジンに収納することが望まれている。したがって、特許文献１に開示されているような従来の工具マガジンでは、より多くの工具を収納するために、例えばグリッパの間隔を密にしたり、ドラムの直径を更に大きくしたり、ドラムを並列に複数設置しなければならない。

しかしながら、グリッパの間隔を密にすると、上記工具交換動作において、主軸頭を工具マガジン側へと移動させた場合に、主軸頭が交換したい工具の隣のグリッパに把持されている工具と接触し、主軸頭や工具が破損したり、交換がままならなくなる等といった事故が起こり得る。特に、工具が回転軸（Ｐ軸）と平行な方向でグリッパに把持されているものでは、グリッパの間隔を密にすると尚更接触事故が起こりやすくなる。
また、ドラムの直径を大きくしたり、ドラムを並列（回転軸が一致していない状態）に複数設置するとなると、工具マガジンが大型化するため、設置スペースが足りない等の問題が発生する。更に、特許文献１に開示されているような自動工具交換装置を備えた加工機においては、設置可能な工具マガジンの大きさがより限定されているため、工具マガジンに必要な本数の工具を収納できない等の不具合を生じてしまう。

本発明は上記のような課題に鑑みなされたものであって、工具の交換作業をより確実に且つ安全に行うことが可能で、且つより多くの工具を収納可能とする一方、小型化を図った自動工具交換装置、及びその工具の交換方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明の構成は、回転可能に設けられた複数のドラムを有する工具マガジンを備え、工作機械等の主軸との間で工具を交換する自動工具交換装置であって、前記工具マガジンは、前記複数のドラムを同軸上で夫々独立で回転可能に設けており、各ドラムには、ドラムの回転軸を中心とした放射姿勢で工具を把持可能なグリッパが外周に複数個備えられているとともに、前記複数個のグリッパの間には少なくとも１箇所に所定の空き位置が設けられており、前記工具マガジンにおいて、少なくとも一対のドラムが前記グリッパを設置した側を対向させた状態で設けられており、前記主軸が、１のドラムに設置された所定のグリッパとの間で、所定の工具交換位置において工具の受け渡しを行う際に、当該ドラムと隣接する他のドラムは、前記所定の空き位置を前記工具交換位置へ回転割出することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明の構成は、請求項１の目的に加えて、グリッパを設置しない空き位置を十分に確保するために、グリッパが等間隔に設置された前記ドラムにおいて、前記空き位置を少なくとも一箇所グリッパを設置しないことで形成したことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明の構成は、工具マガジンと主軸との間における工具の交換方法をよりスムーズ且つ安全な方法とすべく、同軸上で回転可能な複数のドラムの夫々の外周に、ドラムの回転軸を中心とした放射姿勢で工具を把持可能なグリッパを複数個備え、前記複数個のグリッパの間には少なくとも１箇所に所定の空き位置が設けられているとともに、少なくとも一対のドラムが前記グリッパを設置した側を対向させた状態で設けられてなる工具マガジンと、その工具マガジンに対して接離可能な主軸とを備え、１のドラムを回転させて所定のグリッパを所定の工具交換位置に回転割出させて、工具マガジンと主軸との間で工具の受け渡しを行う工具の交換方法であって、工具の交換を行う１のドラムの回転の際に、当該ドラムと隣接する他のドラムは、前記所定の空き位置を前記工具交換位置へ回転割出することを特徴とするものである。

本発明によれば、ある工具マガジンに設置されたグリッパと主軸とが工具交換を行う場合に、他方の工具マガジンではその空き位置が所定の工具交換位置へと回転割出されるため、他方の工具マガジンに設置された工具と主軸との不要な接触を防止することが可能である。
また、工具マガジンにおいて、工具は、各ドラムの回転軸を中心とした放射姿勢で把持されている。そして、工具マガジンのドラムが回転軸を一致させた状態で設けられているため、ドラムの直径を大きくすることなく、より多くの工具を把持することができる。また、ドラムを並列に設けなければならないものと比べると、コンパクトな工具マガジンでより多くの工具を収納することができる。
さらに、ドラム上には、工具が同一円周上に放射姿勢でグリッパに把持されているため、グリッパの間隔を密にしたとしても、回転軸と平行になるように把持する従来のもので同じ間隔とした場合と比べると、工具同士の間隔は従来のものよりも広くなり、主軸頭と交換したい工具に隣接した工具等とが接触しにくくなる。したがって、工具や主軸等が破損してしまうといった事故等を防止することができる上、工具交換動作をより確実に行うことができる。
さらにまた、ドラム同士をより接近させた状態で設置することができるため、工具マガジンのコンパクト化を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態となる自動工具交換装置１について図面に基づいて説明する。図１は、自動工具交換装置１に備えられる工具マガジン２及び主軸に備えられた主軸頭３の説明図である。また、図２（ａ）は自動工具交換装置１の説明断面図であり、図２（ｂ）は工具マガジン２に設置されるグリッパ４の説明図である。

図１及び２に示されているように、自動工具交換装置１は工具マガジン２を備えており、工具マガジン２は下工具マガジン２ａ及び上工具マガジン２ｂとからなっている。
下工具マガジン２ａと上工具マガジン２ｂとは、同様の構成を備えている。以下、下工具マガジン２ａについて説明する。下工具マガジン２ａは、薄い円板形に形成されたドラム６ａ上に、工具Ｔを把持するための複数のグリッパ４、４・・を設置したものである。ドラム６ａはＮＣ制御された駆動モータ７ａに軸部材８ａを介して接続されており、Ｑ軸（図２（ａ）に図示、ドラム６ａの中心を通る軸）を回転軸として回転可能となっている。すなわち、ドラム６ａは、設置された所定のグリッパ４を所定の位置へと回転割出することができる。また、駆動モータ７ａは固定フレーム５に固着されている。

一方、グリッパ４、４・・は、上方が開口したスプリングフィンガ型の把握爪１０を備えており、ドラム６ａの外周に沿って、同一円周上に略等間隔に設置されている。しかしながら、グリッパ４が設置されるべき位置のうちの一箇所は、グリッパ４を設置しない空き位置Ｃとしている（図１に図示、グリッパ４を等間隔に設置していき、一箇所だけ歯抜けにして空き位置Ｃとする）。また、グリッパ４、４・・は、工具Ｔをドラム６ａを中心とした放射姿勢で把持可能に設けられている。すなわち、工具Ｔは、Ｑ軸と直交する面と平行な姿勢でドラム６ａに把持されることになる。

工具マガジン２ｂは、上記の如く工具マガジン２ａと同様に構成されており（工具マガジン２ｂにおいても、グリッパ４の設置されていない空き位置Ｃは設けられている）、工具マガジン２ａと工具マガジン２ｂとは、回転軸であるＱ軸を一致させた状態、且つグリッパ４、４・・を設置している側の面を向かい合わせた状態で、軸部材８ａ、８ｂ及び駆動モータ７ａ、７ｂを介して固定フレーム５に固着されている。なお、当然のことではあるが、工具マガジン２ａ、２ｂのドラム６ａ、６ｂはそれぞれ独立で回転可能となっている。

ここで、上記のような構成を備えた自動工具交換装置１と主軸に備えられた主軸頭３との間における工具交換動作について説明する。ここでは、一例として、下工具マガジン２ａへと使用済みの工具Ｔを収納し、その後、上工具マガジン２ｂに収納された別の工具Ｔを装着するものとする。
まず、下工具マガジン２ａのドラム６ａを駆動モータ７ａにより回転させ、使用済みの工具Ｔを収納するための空のグリッパ４を所定の工具交換位置Ａへと回転割出する。同時に、上工具マガジン２ｂのドラム６ｂを駆動モータ７ｂにより回転させ、グリッパ４の設置されていない空き位置Ｃを所定の工具交換位置Ａへと回転割出する。次に、主軸頭３を工具マガジン２側へと接近させ、空のグリッパ４の把握爪１０に使用済みの工具Ｔを把持させる。その後、主軸頭３は、使用済みの工具Ｔとの装着状態を解除し、一旦反工具マガジン２側へと移動し退避する。

次いで、上工具マガジン２ｂのドラム６ｂを回転させ、装着される工具Ｔを所定の工具交換位置Ａへと回転割出する。同時に、下工具マガジン２ａのドラム６ａを回転させ、グリッパ４の設置されていない空き位置Ｃを所定の工具交換位置Ａへと回転割出する。そして、主軸頭３が再び工具マガジン２側へと移動し、工具Ｔが主軸頭３に装着される。主軸頭３は、工具Ｔが装着されると、反工具マガジン２側へと移動・退避し、切削等の加工作業を開始する。
以上のようにして、工具マガジン２と主軸頭３との間における工具交換動作が行われる。なお、使用済みの工具Ｔを収納する工具マガジンや、次に装着される工具Ｔを収納した工具マガジンが上記の例とは異なっていたとしても、工具交換動作は同様であって、工具Ｔの受け渡しを行わない側の工具マガジンが、グリッパ４の設置されていない空き位置Ｃを所定の工具交換位置Ａへと割出している。

上記の如く構成された自動工具交換装置１によれば、ドラム６ａ、６ｂにはグリッパ４を設置しない空き位置Ｃが設けられており、一方の工具マガジンと工具交換を行う場合に、他方の工具マガジンではその空き位置Ｃが所定の工具交換位置Ａへと回転割出されているため、他方の工具マガジンに設置された工具Ｔと主軸頭３との不要な接触を防止することが可能である。

また、工具マガジン２において工具Ｔはドラム６ａ、６ｂの回転軸と直交する面と平行な姿勢で把持されている。そして、工具マガジン２ａ及び２ｂが回転軸を一致させた状態で設けられ、且つ工具Ｔを把持している側の面を対向させた状態で設けられているため、ドラムの直径を大きくすることなく、より多くの工具Ｔを把持することができる。また、工具マガジン２ａ及び２ｂが回転軸を一致させた状態で設置可能であるため、ドラムを並列に設けなければならないものと比べると、コンパクトな工具マガジン２でより多くの工具Ｔを収納することができる。

さらに、ドラム６ａ、６ｂには、工具Ｔが同一円周上に放射姿勢でグリッパ４に把持されているため、グリッパ４の間隔を密にしたとしても、回転軸と平行になるように把持する従来のもので同じ間隔とした場合と比べると、工具Ｔ同士の間隔は従来のものよりも広くなり、主軸頭３と交換したい工具Ｔに隣接した工具等とが接触しにくくなる。したがって、工具Ｔや主軸頭３等が破損してしまうといった事故等を防止することができる上、工具交換動作をより確実に行うことができる。さらにまた、工具マガジン２ａ、２ｂをより接近させた状態で設置することができるため、工具マガジン２のコンパクト化を図ることができる。

加えて、工具マガジン２において、工具Ｔを、上方が開口した把握爪１０に挿入するだけでグリッパ４に把持することができるため、交換動作がより簡易なものとなり、交換動作に係る構成をより簡素化することができる。

本発明に係る自動工具交換装置は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、工具マガジン、ドラム、工具、グリッパの形状、構造、取り付け位置等の構成を本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更することができる。
例えば、グリッパを設置しない空き位置Ｃは、各ドラムにつき１箇所以上設けたものとしてもよいし、グリッパ２つ分の設置スペースとしても何ら問題はない。なお、グリッパ２つ分の設置スペースとすることで、主軸頭と工具との接触をより防止することが可能である。また、ドラム上にグリッパは等間隔に設置される必要はなく、任意の位置が回転割出可能であるなら、必要に応じてグリッパの設置位置を適宜変更することは可能である。さらに、グリッパ同士の間に十分な間隔がある場合には、そのままグリッパの間のスペースを空き位置Ｃとすればよい。

また、グリッパに備えられる把握爪を、上部が開口したものとはせずに、工具挿入孔のみが設けられたものとし、工具を該工具挿入孔に押し込んでグリッパに設置するようにしてもよい。
さらに、工具マガジンに収納される工具Ｔの数は、図２（ａ）に示されている本数に何ら限定されることはなく、必要に応じてより多くすることは当然可能である。加えて、上記実施形態では、２つの工具マガジンを備えたものとしたが、３つ以上の工具マガジンを備えたものとしても回転軸を一致させているのであれば、何ら問題はない。その場合には、各ドラムの中心に係合部を備えるとともに、係合歯車を備えた回転軸を挿通させ、回転軸の軸線方向の移動により各ドラムと係脱する構成とすること等が考えられる。

さらにまた、ドラム上においてグリッパが同一円周上に配置されるのであれば、ドラムが円板形でなく正方形板等であってもよい。また、ドラムを放射方向へと広がる複数のアームからなるものとしてもよい。

実施形態における自動工具交換装置に備えられる工具マガジン及び主軸に備えられた主軸頭の説明図である。 （ａ）は実施形態における自動工具交換装置の説明断面図である。また、（ｂ）は、工具マガジンに設置されるグリッパの説明図である。 従来の自動工具交換装置の説明図である。 従来の自動工具交換装置の説明図である。

符号の説明

１・・自動工具交換装置、２、２ａ、２ｂ・・工具マガジン、３・・主軸頭、４、・・グリッパ、５・・固定フレーム、６ａ、６ｂ・・ドラム、７ａ、７ｂ・・駆動モータ、８ａ、８ｂ・・軸部材、１０・・把握爪。

Claims (3)

1. 回転可能に設けられた複数のドラムを有する工具マガジンを備え、工作機械等の主軸との間で工具を交換する自動工具交換装置であって、
   前記工具マガジンは、前記複数のドラムを同軸上で夫々独立で回転可能に設けており、各ドラムには、ドラムの回転軸を中心とした放射姿勢で工具を把持可能なグリッパが外周に複数個備えられているとともに、前記複数個のグリッパの間には少なくとも１箇所に所定の空き位置が設けられており、
   前記工具マガジンにおいて、少なくとも一対のドラムが前記グリッパを設置した側を対向させた状態で設けられており、
   前記主軸が、１のドラムに設置された所定のグリッパとの間で、所定の工具交換位置において工具の受け渡しを行う際に、当該ドラムと隣接する他のドラムは、前記所定の空き位置を前記工具交換位置へ回転割出することを特徴とする自動工具交換装置。
2. グリッパが等間隔に設置された前記ドラムにおいて、前記空き位置を少なくとも一箇所グリッパを設置しないことで形成したことを特徴とする請求項１に記載の自動工具交換装置。
3. 同軸上で回転可能な複数のドラムの夫々の外周に、ドラムの回転軸を中心とした放射姿勢で工具を把持可能なグリッパを複数個備え、前記複数個のグリッパの間には少なくとも１箇所に所定の空き位置が設けられているとともに、少なくとも一対のドラムが前記グリッパを設置した側を対向させた状態で設けられてなる工具マガジンと、その工具マガジンに対して接離可能な主軸とを備え、１のドラムを回転させて所定のグリッパを所定の工具交換位置に回転割出させて、工具マガジンと主軸との間で工具の受け渡しを行う工具の交換方法であって、
   工具の交換を行う１のドラムの回転の際に、当該ドラムと隣接する他のドラムは、前記所定の空き位置を前記工具交換位置へ回転割出することを特徴とする工具の交換方法。
   

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