JP4926039B2 - 工具自動交換装置、その工具交換方法およびそれを利用した工作機械 - Google Patents
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ旋盤やマイクロフライス盤などのマイクロ工作機械における工具を自動交換する工具自動交換装置、工具交換方法およびそれを利用した工作機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、旋盤やフライス盤などの工作機械における工具を人手によらず自動的に交換する工具自動交換装置が種々提案されている。たとえば、工具の交換の際に、複数の工具が挿脱自在に保持された複数の工具パレットを収納したストッカーを工作機械の外側で移動させて工具パレットを工作機械に対して位置決めし、位置決めされた工具パレットをストッカーと工作機械との間で搬送し、ロボットハンドが工作機械の工具軸、工具パレットおよび予備工具パレットの間を移動して工具を自動的に交換する構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
また、主軸との間で工具をやり取りする工具マガジンを複数備えている工作機械において、工具マガジンと別に多数の工具ホルダを保管する工具貯蔵マガジンを設け、工具マガジンの一つが主軸との間で工具をやり取りする工具授受位置にあるとき、他の工具マガジンの１つが工具貯蔵マガジンとの間で工具をやり取りする工具準備位置に位置するように工具マガジンを移動するように構成し、工具貯蔵マガジンと工具準備位置の工具マガジンとの間で工具ホルダを運搬するホルダ運搬装置により、工具貯蔵マガジンと工具マガジンとの間で工具ホルダをやり取りするようにして、人手による交換作業をなくし、工具授受位置の工具マガジンで主軸工具を次々と工具交換しながら、加工中に並行して次の工程の加工に必要な工具を自動的に準備する構成が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【特許文献１】
特開２００１−１９８７６２号公報（（００１０）〜（００１１）および図１、図２など）
【特許文献２】
特開２００２−１７８２３６号公報（（０００４）および図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１における構成では、工具を把持したロボットハンドが工作機械の工具軸、工具パレットおよび予備工具パレットの間を移動して工具の交換を行うので、工具を移動させるためにロボットハンドで工具を把持し、それを工具パレットおよび予備工具パレットの間を移動させる必要がある。したがって、ロボットハンド機構およびその動作を制御する制御機構が必要であり、構成が複雑であるという課題がある。
一方、特許文献２における構成では、工具ホルダを運搬するホルダ運搬装置を工具貯蔵マガジンと工具マガジンとの間で移動させて工具ホルダをやり取りするので、工具を移動させるため工具ホルダを搭載したホルダ運搬装置を工具貯蔵マガジンと工具マガジンとの間で移動させて工具ホルダをやり取りする必要がある。したがって、ホルダ運搬装置機構およびその動作を制御する制御機構が必要であり、やはり構成が複雑であるという課題がある。
【０００４】
そこで本発明はこのような課題を解消し、工具を把持して移動させるロボットハンドや、工具を運搬する工具運搬装置などの工具を機械的に移動させる機構を不要とし、構成が簡単で工具の交換を短時間で確実に、かつ自動的に行うことができる工具自動交換装置、工具交換方法およびこの工具自動交換装置を使用した工作機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明の工具自動交換装置は、工具交換部および主軸部から構成された工具自動交換装置であって、前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は請求項１に記載の工具自動交換装置において、前記工具は外周に鋼球が嵌合可能な凹部が形成されたコレットに圧入されており、前記コレットは前記鋼球を介して前記工具収納部に収納されていることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は請求項２に記載の工具自動交換装置において、前記工具収納部に前記鋼球が出入りする空間が形成されており、前記鋼球が前記空間内を移動して前記コレットと前記工具収納部の結合を解除することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は請求項１に記載の工具自動交換装置において、前記工具収納部の中心位置と前記主軸部のシャフトの中心位置を一致させる位置合わせ手段を有することを特徴とする。
請求項５記載の本発明の工具自動交換装置の工具交換方法は、工具交換部および主軸部が対向して配置され、
前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、
前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記主軸部に具備されて前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有する工具自動交換装置の工具交換方法であって、前記工具交換部に具備されて前記工具を収納する前記工具マガジンと、前記工具クランプとの間で、空気流により前記工具を移動させて前記工具を交換することを特徴とする。
請求項６記載の本発明の工作機械は、工具交換部、主軸部およびワーク保持部から構成された工作機械であって、前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源と、前記工具クランプを垂直方向に移動させる手段とを有し、前記ワーク保持部は、水平面において互いに直交する２方向に移動可能なテーブルに搭載されたワークホルダを有することを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、工具の取り替えの際に工具をアーム等により回転させて移動する機構が不要であるので、装置の小型化に有効である。また、装置の構成が簡単で工具の交換を短時間で確実に、かつ人手を介さずに自動的に行うことができる。
また、工具自動交換装置を小型に構成することができるので、旋盤やフライス盤などの工作機械に工具自動交換装置を一体的に組み込んだ工作機械を提供することができ、精密加工に好適なマイクロマシニングセンタを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施例による工作機械の側断面図
【図２】同工作機械の斜視図
【図３】同工作機械における工具自動交換装置の工具交換部の斜視図
【図４】同工作機械における工具自動交換装置の工具交換部の側断面図
【図５】同工具自動交換装置における主軸部の側断面図
【図６】図５の要部拡大図
【図７】本実施例による工具自動交換装置の主軸部に装着されている工具を工具交換部に戻す工程を説明するフローチャート
【図８】本実施例による工具自動交換装置の主軸部に工具を供給する工程を説明するフローチャート
【符号の説明】
【０００８】
１０ 工具自動交換装置
１１ 工具交換部
１２ 回転軸
１３ 工具マガジン
１４ 工具ハンドラ
１５ ホルダ
１６ 工具
１７ 工具収納部
１８ モータ
１９ ストッパ
２１ 主軸部
２２ 工具クランプ
２３ 主軸ハウジング
２４ モータ
２５ 主軸
２６ エンコーダ
２７ Ｙスライダ
３１ コレット
３２ 凹部
３３ ピストン
４１ 空気供給源
４２ 工具収納部
４３ スプリング
４４ 鋼球
４６ 空間
４７ 空気流路
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１の実施の形態による工具自動交換装置は、工具交換部および主軸部から構成され、工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、工具マガジンを回転軸の方向に移動させる手段と、主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、主軸部は、工具を回転させるモータと、工具を保持する工具クランプと、工具交換部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有するものである。本実施の形態によれば、アーム等の工具を移動させるための移動機構が不要となり、構成が簡単で工具の交換を短時間で確実に、かつ人手を介さずに自動的に行うことができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による工具自動交換装置において、工具を外周に鋼球が嵌合可能な凹部が形成されたコレットに圧入し、このコレットを鋼球を介して工具収納部に収納したので、工具をコレットと一体構造で取り扱うことができる。したがって、工具収納部に着脱自在に収納するとともに、空気流による移動も確実に行うことができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による工具自動交換装置において、工具収納部を移動させて鋼球を空間内に移動させるもので、コレットと工具収納部の結合を簡単に解除することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による工具自動交換装置において、工具収納部の中心位置と主軸部のシャフトの中心位置を一致させる位置合わせ手段を有するもので、工具の交換時における位置あわせを確実に行うことができる。
本発明の第５の実施の形態の工具自動交換装置の工具交換方法は、工具交換部および主軸部が対向して配置され、前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記主軸部に具備されて前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有する工具自動交換装置の工具交換方法であって、工具交換部に具備されて工具を収納する工具マガジンと、工具クランプとの間で、空気流により工具を移動させて工具を交換するもので、工具を移動させるための移動機構が不要となり、構成が簡単で工具の交換を短時間で確実に、かつ人手を介さずに自動的に行うことができる。
本発明の第６の実施の形態の工作機械は、工具交換部、主軸部およびワーク保持部から構成され、工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、工具マガジンを回転軸の方向に移動させる手段と、主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、主軸部は、工具を回転させるモータと、工具を保持する工具クランプと、工具交換部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源と、工具クランプを垂直方向に移動させる手段とを有し、ワーク保持部は、水平面において互いに直交する２方向に移動可能なテーブルに搭載されたワークホルダを有するもので、旋盤やフライス盤などの工作機械に工具自動交換装置を一体的に組み込んだ小型化が可能であり、かつ、工具の交換が簡単かつ短時間で確実に行えるマイクロ工作機械を実現することができる。
【００１０】
以下に、本発明の工具自動交換装置を備えた工作機械の一実施例を図面に基づいて説明する。
図１は本実施例による工作機械の側断面図、図２は同工作機械の斜視図、図３は同工作機械における工具自動交換装置の工具交換部の斜視図、図４は同工具交換部の側断面図、図５は同工具自動交換装置における主軸部の側断面図、図６は図５の要部拡大図である。
図１の状態は、工具を自動交換する前の電源オフの状態を示す。工具自動交換装置１０は工具交換部１１および主軸部２１から構成されている。工具交換部１１と主軸部２１とは共通のベース上に対向配置されている。工具交換部１１は、直動軸１２と工具マガジン１３と工具ハンドラ１４を有している。直動軸１２は、圧縮空気によって水平方向（Ｚ方向）に摺動する。工具マガジン１３は、この直動軸１２の摺動によってＺ方向に移動する。また、工具マガジン１３は、クロスローラリングに支持され、モータ（ステッピングモータ）１８と連結した直動軸１２を中心に回転する。工具マガジン１３は、円盤状のホルダ１５内に工具１６を収納する複数の工具収納部１７を有しており、工具マガジン１３が直動軸１２の周りを回転することにより主軸部２１の工具クランプ２２と対向可能な位置に配置することができる。それぞれの工具収納部１７には、工具１６と、工具１６の先端側を支持するためのコレット３１が配置される。また、工具収納部１７には、コレット３１を介して工具１６を押圧するピストン３３を有している。ピストン３３はコレット３１の回り止めの機能も備えている。
工具ハンドラ１４は、直動軸１２の摺動によって工具マガジン１３とともにＺ方向に移動し、工具収納部１７と主軸部２１の工具クランプ２２間で工具１６の着脱を行うための空気供給源を有している。この空気供給源から供給される空気により工具ハンドラ１４は、工具クランプ２２を押圧又は離間させる方向に移動する。
なお、直動軸１２の先端には、工具マガジン１３の移動量を制限するストッパ１９が設けられている。
【００１１】
主軸部２１は、主軸ハウジング２３内に主軸駆動用モータ２４を有している。主軸駆動用モータ２４の一端側には主軸２５が連結され、主軸２５にはエンコーダ２６が設けられている。また、主軸駆動用モータ２４の他端側には工具クランプ２２が設けられている。主軸ハウジング２３は垂直方向（Ｙ方向）に移動可能なＹスライダ２７に取り付けられている。なお、主軸ハウジング２３側には、主軸２５の位置を検出する原点復帰用近接センサ４８が設けられている。
工具クランプ２２の中心位置と工具収納部１７内の工具１６を圧入したコレット３１の中心位置との位置合わせは、工具マガジン１３の回転量を検出するエンコーダを直同軸１２に設けるか、ステッピングモータのパルス制御により行う。
ワーク保持部は、ワークホルダ８１とこのワークホルダ８１を搭載するＺテーブル８２およびＸテーブル８３から構成される。ワークホルダ８１はＺ方向に移動可能なＺテーブル８２に搭載されており、Ｚテーブル８２の移動によりＺ方向に移動可能である。Ｚテーブル８２はベース上をＸ方向に移動可能なＸテーブル８３上に搭載されており、ワークホルダ８１はＸテーブル８３の移動によりＸ方向にも移動可能である。
一方、主軸部２１は、主軸ハウジング２３がＹ方向に移動可能なＹスライダ２７に取り付けられ、Ｙスライダ２７の移動によりＹ方向に移動可能である。Ｙスライダ２７はベースに固定されている。Ｚテーブル８２、Ｘテーブル８３およびＹスライダ２７の駆動はモータにより行う。
【００１２】
つぎに、図５を用いて工具自動交換装置における主軸部２１について説明する。主軸駆動用モータ２４の一端側には主軸２５が、他端側にはシャフト２８が連結されている。主軸２５およびシャフト２８は、芯軸が水平方向であり、工具交換部１１の直動軸１２と平行となるように配置されている。シャフト２８の先端側には工具収納部４２が設けられ、工具収納部４２の先端部付近には、工具クランプ２２が設けられている。工具クランプ２２内には、先端側から内部に向かって鋼球４４が出入り可能な空間４６が形成されている。
工具１６を圧入したコレット３１には凹部３２が形成されているので、コレット３１が工具収納部４２に収納されたとき、工具クランプ２２はスプリング４３の力により鋼球４４を押し、鋼球４４がこの凹部３２内に嵌合して工具１６を固定する。工具クランプ２２を後端側に移動させると、鋼球４４は自由になり、コレット３１の凹部３２から容易に外れるので、コレット３１と工具収納部４２間の固定が解除される。
主軸２５の内部は中空になっており、その中空部により空気流路４７を形成している。主軸２５の後端側には空気流路４７に連通して空気供給源が設けられている。空気供給源から供給される空気は、空気流路４７を通って工具収納部４２に収納されているコレット３１を先端側に作用する。
【００１３】
つぎに図１〜図６で説明した工具自動交換装置の工具交換動作を説明する。
まず、主軸部２１に装着されている工具１６を工具交換部１１に戻す工程を図７により説明する。電源を投入して主軸部２１内に装着されている工具１６を排出する指令が出されると、工具交換部１１の工具マガジン１３を原点位置へ復帰させるとともに、原点復帰用近接センサ４８によって主軸２５の原点位置調整を行う（ステップ１）。この原点位置への復帰は、工具交換部１１の工具収納部１７の中心位置を、主軸部２１の工具クランプ２２の中心位置と一致させるために行う。工具マガジン１３の原点位置への復帰は、原点位置に対応してあらかじめ設定されているパルス制御によって工具マガジン１３を直動軸１２の周りに回転させて行う。このとき、なお、この工具マガジン１３の原点位置への復帰は電源投入時に１回行っておけば、以降は省略することができる。
つぎに、主軸部２１内に装着されている工具１６を受け入れるために、空の工具収納部１７の位置を割り出し（ステップ２）、割り出した空の工具収納部１７の中心位置を主軸部２１の工具クランプ２２の中心位置と一致する定位置に移動させる（ステップ３）。つぎに、工具マガジン１３を直動軸１２に沿って主軸部２１側に移動させる（ステップ４）。この移動は、圧縮空気の供給によりストッパ１９で移動が終了するまで行い、移動終了後工具マガジン１３を圧縮空気源につないであるシリンダを押し出すことでステップ３で定めた位置に固定する（ステップ５）。なお、ステップ３終了後にステップ５の工具マガジン１３の固定を行い、その後ステップ４を行うようにしてもよい。
ステップ３、４、５が終了すると、工具クランプ２２に対向した位置に工具収納部１７の先端部が同芯で並んだ状態となる。
つぎに、図４に示す工具収納部１７を押す空気供給源に空気流を加えることで工具クランプ２２を押圧する。このときの力は工具クランプ２２を付勢しているスプリング４３の力より大きいので、工具クランプ２２は後方に押し込まれる。工具クランプ２２が後方に押し込まれることで鋼球４４のロックは解除される（ステップ６)。ここで、空気流路４７に空気流を加えると、コレット３１をロックする鋼球４４が存在しないため、空気圧により前方に押し出され、工具収納部１７内部にコレット３１が収まる（ステップ７）。この後、空気流路４７の空気流と、工具収納部１７への空気流を解除することで、工具クランプ２２はスプリング４３の力により元の位置に戻り、鋼球４４は工具クランプ２２によって再びロックされる（ステップ８）。その後、空気流によりシリンダおよび直動軸１２を元に戻すことで工具排出は完了する（ステップ９、ステップ１０）。ステップ９、１０も前後逆でも構わない。
【００１４】
つぎに、工具交換部１１から新しい工具１６を主軸部２１に供給する工程を図８により説明する。電源を投入して主軸部２１に交換すべき新しい工具１６を供給する指令が出されると、工具交換部１１の工具マガジン１３を原点位置へ復帰させるとともに、原点復帰用近接センサ４８によって主軸２５の原点位置調整を行う（ステップ１１）。なお、主軸部２１から工具１６を排出後など、すでに原点位置への復帰動作が終了している場合はステップ１を省略してもよい。工具マガジン１３の原点位置への復帰は、図７のステップ１と同様の操作で行われる。
つぎに、工具マガジン１３の新しい工具１６が収納されている工具収納部１７の位置を割り出し（ステップ１２）、割り出した工具収納部１７の中心位置を主軸部２１の工具クランプ２２の中心位置と一致する定位置に移動させる（ステップ１３）。つぎに、図７で説明した主軸部２１からの工具排出の場合と同様の操作により、工具マガジン１３を直動軸１２に沿って主軸部２１側に移動させ（ステップ１４）、シリンダを押し出すことで工具マガジン１３を固定する（ステップ１５）。空気流により工具収納部１７を押すことで工具クランプ２２を押し、鋼球４４のロックを解除する（ステップ１６）。ここでピストン３３に空気流路から空気を導入することでコレット３１を工具収納部１７に収める（ステップ１７）。このあと、工具収納部１７の空気流を開放することで工具クランプ２２は元の位置に戻り、鋼球４４によってコレット３１は主軸部２１と一体になる（ステップ１８）。この後シリンダと直動軸１２を元に戻すことで工具挿入は完了する（ステップ１９、２０）。
【００１５】
つぎに本実施例の工作機械の動作を説明する。まず、Ｙスライダ２７を移動させて主軸部２１の工具クランプ２２の中心位置の高さと工具交換部１１の工具収納部１７の中心位置の高さを一致させる。つぎに、図７で説明した方法により所定の工具１６を主軸部２１に取り付ける。工具１６を主軸部２１に取り付け終了後の状態においては、図７のステップ１０で説明したように工具マガジン１３は主軸部２１から後退した位置にあるので、主軸部２１に装着された工具１６と工具交換部１１の工具マガジン１３との間にはワークホルダ８１を介在させるに必要な十分の間隔ができる。
つぎに、ワークホルダ８１にワークを取り付け、Ｚテーブル８２およびＸテーブル８３を移動させてワークを工具１６に対向配置させ、モータ２４で工具１６を回転させながらＺテーブル８２およびＸテーブル８３を微小移動させると、ワーク８６の所定位置を加工することができる。ワークの所定の加工が終了したときは、Ｚテーブル８２およびＸテーブル８３を移動させてワークを工具１６から離間させ、モータ２４を停止させる。
ワークにさらに現在の工具１６による加工とは異なる加工をする場合には、図７で説明した方法で主軸部２１に現在取り付けられている工具１６を排出させ、さらに、図８で説明した方法により新しい工具１６と交換する。以下同様にしてワークの加工を行う。
Ｚテーブル８２、Ｘテーブル８３、Ｙスライダ２７の移動制御はパーソナルコンピュータで行うことにより、位置決め分解能は１μｍ単位で制御することができる。本工作機械は携帯電話、ＤＶＤ、ノート型パーソナルコンピュータなどのデジタル機器に使用される各種微小部品のマイクロ加工が目的であり、そのため加工サイズは１０×１０×１０ｍｍ以内と設定している。このような加工の場合、工作機械においては小型化が望まれるが、本実施例による工作機械は、幅５００ｍｍ、奥行き３２０ｍｍ、高さ３４０ｍｍの小型化が実現できた。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明の工具自動交換装置および工具交換方法は、旋盤、マイクロ旋盤、フライス盤、マイクロフライス盤などの各種工作機械における加工用の工具を自動的に交換するための工具自動交換装置に適用して好適である。
また、本発明の工作機械は、マイクロ加工に適しており、小型化も可能であるので、マイクロ旋盤やマイクロフライス盤などの各種マイクロ工作機械に適用して好適である。
【０００１】
本発明は、マイクロ旋盤やマイクロフライス盤などのマイクロ工作機械における工具を自動交換する工具自動交換装置、工具交換方法およびそれを利用した工作機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、旋盤やフライス盤などの工作機械における工具を人手によらず自動的に交換する工具自動交換装置が種々提案されている。たとえば、工具の交換の際に、複数の工具が挿脱自在に保持された複数の工具パレットを収納したストッカーを工作機械の外側で移動させて工具パレットを工作機械に対して位置決めし、位置決めされた工具パレットをストッカーと工作機械との間で搬送し、ロボットハンドが工作機械の工具軸、工具パレットおよび予備工具パレットの間を移動して工具を自動的に交換する構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
また、主軸との間で工具をやり取りする工具マガジンを複数備えている工作機械において、工具マガジンと別に多数の工具ホルダを保管する工具貯蔵マガジンを設け、工具マガジンの一つが主軸との間で工具をやり取りする工具授受位置にあるとき、他の工具マガジンの１つが工具貯蔵マガジンとの間で工具をやり取りする工具準備位置に位置するように工具マガジンを移動するように構成し、工具貯蔵マガジンと工具準備位置の工具マガジンとの間で工具ホルダを運搬するホルダ運搬装置により、工具貯蔵マガジンと工具マガジンとの間で工具ホルダをやり取りするようにして、人手による交換作業をなくし、工具授受位置の工具マガジンで主軸工具を次々と工具交換しながら、加工中に並行して次の工程の加工に必要な工具を自動的に準備する構成が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【特許文献１】
特開２００１−１９８７６２号公報（（００１０）〜（００１１）および図１、図２など）
【特許文献２】
特開２００２−１７８２３６号公報（（０００４）および図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１における構成では、工具を把持したロボットハンドが工作機械の工具軸、工具パレットおよび予備工具パレットの間を移動して工具の交換を行うので、工具を移動させるためにロボットハンドで工具を把持し、それを工具パレットおよび予備工具パレットの間を移動させる必要がある。したがって、ロボットハンド機構およびその動作を制御する制御機構が必要であり、構成が複雑であるという課題がある。
一方、特許文献２における構成では、工具ホルダを運搬するホルダ運搬装置を工具貯蔵マガジンと工具マガジンとの間で移動させて工具ホルダをやり取りするので、工具を移動させるため工具ホルダを搭載したホルダ運搬装置を工具貯蔵マガジンと工具マガジンとの間で移動させて工具ホルダをやり取りする必要がある。したがって、ホルダ運搬装置機構およびその動作を制御する制御機構が必要であり、やはり構成が複雑であるという課題がある。
【０００４】
そこで本発明はこのような課題を解消し、工具を把持して移動させるロボットハンドや、工具を運搬する工具運搬装置などの工具を機械的に移動させる機構を不要とし、構成が簡単で工具の交換を短時間で確実に、かつ自動的に行うことができる工具自動交換装置、工具交換方法およびこの工具自動交換装置を使用した工作機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明の工具自動交換装置は、工具交換部および主軸部から構成された工具自動交換装置であって、前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は請求項１に記載の工具自動交換装置において、前記工具は外周に鋼球が嵌合可能な凹部が形成されたコレットに圧入されており、前記コレットは前記鋼球を介して前記工具収納部に収納されていることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は請求項２に記載の工具自動交換装置において、前記工具収納部に前記鋼球が出入りする空間が形成されており、前記鋼球が前記空間内を移動して前記コレットと前記工具収納部の結合を解除することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は請求項１に記載の工具自動交換装置において、前記工具収納部の中心位置と前記主軸部のシャフトの中心位置を一致させる位置合わせ手段を有することを特徴とする。
請求項５記載の本発明の工具自動交換装置の工具交換方法は、工具交換部および主軸部が対向して配置され、
前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、
前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記主軸部に具備されて前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有する工具自動交換装置の工具交換方法であって、前記工具交換部に具備されて前記工具を収納する前記工具マガジンと、前記工具クランプとの間で、空気流により前記工具を移動させて前記工具を交換することを特徴とする。
請求項６記載の本発明の工作機械は、工具交換部、主軸部およびワーク保持部から構成された工作機械であって、前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源と、前記工具クランプを垂直方向に移動させる手段とを有し、前記ワーク保持部は、水平面において互いに直交する２方向に移動可能なテーブルに搭載されたワークホルダを有することを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、工具の取り替えの際に工具をアーム等により回転させて移動する機構が不要であるので、装置の小型化に有効である。また、装置の構成が簡単で工具の交換を短時間で確実に、かつ人手を介さずに自動的に行うことができる。
また、工具自動交換装置を小型に構成することができるので、旋盤やフライス盤などの工作機械に工具自動交換装置を一体的に組み込んだ工作機械を提供することができ、精密加工に好適なマイクロマシニングセンタを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施例による工作機械の側断面図
【図２】同工作機械の斜視図
【図３】同工作機械における工具自動交換装置の工具交換部の斜視図
【図４】同工作機械における工具自動交換装置の工具交換部の側断面図
【図５】同工具自動交換装置における主軸部の側断面図
【図６】図５の要部拡大図
【図７】本実施例による工具自動交換装置の主軸部に装着されている工具を工具交換部に戻す工程を説明するフローチャート
【図８】本実施例による工具自動交換装置の主軸部に工具を供給する工程を説明するフローチャート
【符号の説明】
【０００８】
１０ 工具自動交換装置
１１ 工具交換部
１２ 回転軸
１３ 工具マガジン
１４ 工具ハンドラ
１５ ホルダ
１６ 工具
１７ 工具収納部
１８ モータ
１９ ストッパ
２１ 主軸部
２２ 工具クランプ
２３ 主軸ハウジング
２４ モータ
２５ 主軸
２６ エンコーダ
２７ Ｙスライダ
３１ コレット
３２ 凹部
３３ ピストン
４１ 空気供給源
４２ 工具収納部
４３ スプリング
４４ 鋼球
４６ 空間
４７ 空気流路
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１の実施の形態による工具自動交換装置は、工具交換部および主軸部から構成され、工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、工具マガジンを回転軸の方向に移動させる手段と、主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、主軸部は、工具を回転させるモータと、工具を保持する工具クランプと、工具交換部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有するものである。本実施の形態によれば、アーム等の工具を移動させるための移動機構が不要となり、構成が簡単で工具の交換を短時間で確実に、かつ人手を介さずに自動的に行うことができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による工具自動交換装置において、工具を外周に鋼球が嵌合可能な凹部が形成されたコレットに圧入し、このコレットを鋼球を介して工具収納部に収納したので、工具をコレットと一体構造で取り扱うことができる。したがって、工具収納部に着脱自在に収納するとともに、空気流による移動も確実に行うことができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による工具自動交換装置において、工具収納部を移動させて鋼球を空間内に移動させるもので、コレットと工具収納部の結合を簡単に解除することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による工具自動交換装置において、工具収納部の中心位置と主軸部のシャフトの中心位置を一致させる位置合わせ手段を有するもので、工具の交換時における位置あわせを確実に行うことができる。
本発明の第５の実施の形態の工具自動交換装置の工具交換方法は、工具交換部および主軸部が対向して配置され、前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記主軸部に具備されて前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有する工具自動交換装置の工具交換方法であって、工具交換部に具備されて工具を収納する工具マガジンと、工具クランプとの間で、空気流により工具を移動させて工具を交換するもので、工具を移動させるための移動機構が不要となり、構成が簡単で工具の交換を短時間で確実に、かつ人手を介さずに自動的に行うことができる。
本発明の第６の実施の形態の工作機械は、工具交換部、主軸部およびワーク保持部から構成され、工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、工具マガジンを回転軸の方向に移動させる手段と、主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、主軸部は、工具を回転させるモータと、工具を保持する工具クランプと、工具交換部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源と、工具クランプを垂直方向に移動させる手段とを有し、ワーク保持部は、水平面において互いに直交する２方向に移動可能なテーブルに搭載されたワークホルダを有するもので、旋盤やフライス盤などの工作機械に工具自動交換装置を一体的に組み込んだ小型化が可能であり、かつ、工具の交換が簡単かつ短時間で確実に行えるマイクロ工作機械を実現することができる。
【００１０】
以下に、本発明の工具自動交換装置を備えた工作機械の一実施例を図面に基づいて説明する。
図１は本実施例による工作機械の側断面図、図２は同工作機械の斜視図、図３は同工作機械における工具自動交換装置の工具交換部の斜視図、図４は同工具交換部の側断面図、図５は同工具自動交換装置における主軸部の側断面図、図６は図５の要部拡大図である。
図１の状態は、工具を自動交換する前の電源オフの状態を示す。工具自動交換装置１０は工具交換部１１および主軸部２１から構成されている。工具交換部１１と主軸部２１とは共通のベース上に対向配置されている。工具交換部１１は、直動軸１２と工具マガジン１３と工具ハンドラ１４を有している。直動軸１２は、圧縮空気によって水平方向（Ｚ方向）に摺動する。工具マガジン１３は、この直動軸１２の摺動によってＺ方向に移動する。また、工具マガジン１３は、クロスローラリングに支持され、モータ（ステッピングモータ）１８と連結した直動軸１２を中心に回転する。工具マガジン１３は、円盤状のホルダ１５内に工具１６を収納する複数の工具収納部１７を有しており、工具マガジン１３が直動軸１２の周りを回転することにより主軸部２１の工具クランプ２２と対向可能な位置に配置することができる。それぞれの工具収納部１７には、工具１６と、工具１６の先端側を支持するためのコレット３１が配置される。また、工具収納部１７には、コレット３１を介して工具１６を押圧するピストン３３を有している。ピストン３３はコレット３１の回り止めの機能も備えている。
工具ハンドラ１４は、直動軸１２の摺動によって工具マガジン１３とともにＺ方向に移動し、工具収納部１７と主軸部２１の工具クランプ２２間で工具１６の着脱を行うための空気供給源を有している。この空気供給源から供給される空気により工具ハンドラ１４は、工具クランプ２２を押圧又は離間させる方向に移動する。
なお、直動軸１２の先端には、工具マガジン１３の移動量を制限するストッパ１９が設けられている。
【００１１】
主軸部２１は、主軸ハウジング２３内に主軸駆動用モータ２４を有している。主軸駆動用モータ２４の一端側には主軸２５が連結され、主軸２５にはエンコーダ２６が設けられている。また、主軸駆動用モータ２４の他端側には工具クランプ２２が設けられている。主軸ハウジング２３は垂直方向（Ｙ方向）に移動可能なＹスライダ２７に取り付けられている。なお、主軸ハウジング２３側には、主軸２５の位置を検出する原点復帰用近接センサ４８が設けられている。
工具クランプ２２の中心位置と工具収納部１７内の工具１６を圧入したコレット３１の中心位置との位置合わせは、工具マガジン１３の回転量を検出するエンコーダを直同軸１２に設けるか、ステッピングモータのパルス制御により行う。
ワーク保持部は、ワークホルダ８１とこのワークホルダ８１を搭載するＺテーブル８２およびＸテーブル８３から構成される。ワークホルダ８１はＺ方向に移動可能なＺテーブル８２に搭載されており、Ｚテーブル８２の移動によりＺ方向に移動可能である。Ｚテーブル８２はベース上をＸ方向に移動可能なＸテーブル８３上に搭載されており、ワークホルダ８１はＸテーブル８３の移動によりＸ方向にも移動可能である。
一方、主軸部２１は、主軸ハウジング２３がＹ方向に移動可能なＹスライダ２７に取り付けられ、Ｙスライダ２７の移動によりＹ方向に移動可能である。Ｙスライダ２７はベースに固定されている。Ｚテーブル８２、Ｘテーブル８３およびＹスライダ２７の駆動はモータにより行う。
【００１２】
つぎに、図５を用いて工具自動交換装置における主軸部２１について説明する。主軸駆動用モータ２４の一端側には主軸２５が、他端側にはシャフト２８が連結されている。主軸２５およびシャフト２８は、芯軸が水平方向であり、工具交換部１１の直動軸１２と平行となるように配置されている。シャフト２８の先端側には工具収納部４２が設けられ、工具収納部４２の先端部付近には、工具クランプ２２が設けられている。工具クランプ２２内には、先端側から内部に向かって鋼球４４が出入り可能な空間４６が形成されている。
工具１６を圧入したコレット３１には凹部３２が形成されているので、コレット３１が工具収納部４２に収納されたとき、工具クランプ２２はスプリング４３の力により鋼球４４を押し、鋼球４４がこの凹部３２内に嵌合して工具１６を固定する。工具クランプ２２を後端側に移動させると、鋼球４４は自由になり、コレット３１の凹部３２から容易に外れるので、コレット３１と工具収納部４２間の固定が解除される。
主軸２５の内部は中空になっており、その中空部により空気流路４７を形成している。主軸２５の後端側には空気流路４７に連通して空気供給源が設けられている。空気供給源から供給される空気は、空気流路４７を通って工具収納部４２に収納されているコレット３１を先端側に作用する。
【００１３】
つぎに図１〜図６で説明した工具自動交換装置の工具交換動作を説明する。
まず、主軸部２１に装着されている工具１６を工具交換部１１に戻す工程を図７により説明する。電源を投入して主軸部２１内に装着されている工具１６を排出する指令が出されると、工具交換部１１の工具マガジン１３を原点位置へ復帰させるとともに、原点復帰用近接センサ４８によって主軸２５の原点位置調整を行う（ステップ１）。この原点位置への復帰は、工具交換部１１の工具収納部１７の中心位置を、主軸部２１の工具クランプ２２の中心位置と一致させるために行う。工具マガジン１３の原点位置への復帰は、原点位置に対応してあらかじめ設定されているパルス制御によって工具マガジン１３を直動軸１２の周りに回転させて行う。このとき、なお、この工具マガジン１３の原点位置への復帰は電源投入時に１回行っておけば、以降は省略することができる。
つぎに、主軸部２１内に装着されている工具１６を受け入れるために、空の工具収納部１７の位置を割り出し（ステップ２）、割り出した空の工具収納部１７の中心位置を主軸部２１の工具クランプ２２の中心位置と一致する定位置に移動させる（ステップ３）。つぎに、工具マガジン１３を直動軸１２に沿って主軸部２１側に移動させる（ステップ４）。この移動は、圧縮空気の供給によりストッパ１９で移動が終了するまで行い、移動終了後工具マガジン１３を圧縮空気源につないであるシリンダを押し出すことでステップ３で定めた位置に固定する（ステップ５）。なお、ステップ３終了後にステップ５の工具マガジン１３の固定を行い、その後ステップ４を行うようにしてもよい。
ステップ３、４、５が終了すると、工具クランプ２２に対向した位置に工具収納部１７の先端部が同芯で並んだ状態となる。
つぎに、図４に示す工具収納部１７を押す空気供給源に空気流を加えることで工具クランプ２２を押圧する。このときの力は工具クランプ２２を付勢しているスプリング４３の力より大きいので、工具クランプ２２は後方に押し込まれる。工具クランプ２２が後方に押し込まれることで鋼球４４のロックは解除される（ステップ６)。ここで、空気流路４７に空気流を加えると、コレット３１をロックする鋼球４４が存在しないため、空気圧により前方に押し出され、工具収納部１７内部にコレット３１が収まる（ステップ７）。この後、空気流路４７の空気流と、工具収納部１７への空気流を解除することで、工具クランプ２２はスプリング４３の力により元の位置に戻り、鋼球４４は工具クランプ２２によって再びロックされる（ステップ８）。その後、空気流によりシリンダおよび直動軸１２を元に戻すことで工具排出は完了する（ステップ９、ステップ１０）。ステップ９、１０も前後逆でも構わない。
【００１４】
つぎに、工具交換部１１から新しい工具１６を主軸部２１に供給する工程を図８により説明する。電源を投入して主軸部２１に交換すべき新しい工具１６を供給する指令が出されると、工具交換部１１の工具マガジン１３を原点位置へ復帰させるとともに、原点復帰用近接センサ４８によって主軸２５の原点位置調整を行う（ステップ１１）。なお、主軸部２１から工具１６を排出後など、すでに原点位置への復帰動作が終了している場合はステップ１を省略してもよい。工具マガジン１３の原点位置への復帰は、図７のステップ１と同様の操作で行われる。
つぎに、工具マガジン１３の新しい工具１６が収納されている工具収納部１７の位置を割り出し（ステップ１２）、割り出した工具収納部１７の中心位置を主軸部２１の工具クランプ２２の中心位置と一致する定位置に移動させる（ステップ１３）。つぎに、図７で説明した主軸部２１からの工具排出の場合と同様の操作により、工具マガジン１３を直動軸１２に沿って主軸部２１側に移動させ（ステップ１４）、シリンダを押し出すことで工具マガジン１３を固定する（ステップ１５）。空気流により工具収納部１７を押すことで工具クランプ２２を押し、鋼球４４のロックを解除する（ステップ１６）。ここでピストン３３に空気流路から空気を導入することでコレット３１を工具収納部１７に収める（ステップ１７）。このあと、工具収納部１７の空気流を開放することで工具クランプ２２は元の位置に戻り、鋼球４４によってコレット３１は主軸部２１と一体になる（ステップ１８）。この後シリンダと直動軸１２を元に戻すことで工具挿入は完了する（ステップ１９、２０）。
【００１５】
つぎに本実施例の工作機械の動作を説明する。まず、Ｙスライダ２７を移動させて主軸部２１の工具クランプ２２の中心位置の高さと工具交換部１１の工具収納部１７の中心位置の高さを一致させる。つぎに、図７で説明した方法により所定の工具１６を主軸部２１に取り付ける。工具１６を主軸部２１に取り付け終了後の状態においては、図７のステップ１０で説明したように工具マガジン１３は主軸部２１から後退した位置にあるので、主軸部２１に装着された工具１６と工具交換部１１の工具マガジン１３との間にはワークホルダ８１を介在させるに必要な十分の間隔ができる。
つぎに、ワークホルダ８１にワークを取り付け、Ｚテーブル８２およびＸテーブル８３を移動させてワークを工具１６に対向配置させ、モータ２４で工具１６を回転させながらＺテーブル８２およびＸテーブル８３を微小移動させると、ワーク８６の所定位置を加工することができる。ワークの所定の加工が終了したときは、Ｚテーブル８２およびＸテーブル８３を移動させてワークを工具１６から離間させ、モータ２４を停止させる。
ワークにさらに現在の工具１６による加工とは異なる加工をする場合には、図７で説明した方法で主軸部２１に現在取り付けられている工具１６を排出させ、さらに、図８で説明した方法により新しい工具１６と交換する。以下同様にしてワークの加工を行う。
Ｚテーブル８２、Ｘテーブル８３、Ｙスライダ２７の移動制御はパーソナルコンピュータで行うことにより、位置決め分解能は１μｍ単位で制御することができる。本工作機械は携帯電話、ＤＶＤ、ノート型パーソナルコンピュータなどのデジタル機器に使用される各種微小部品のマイクロ加工が目的であり、そのため加工サイズは１０×１０×１０ｍｍ以内と設定している。このような加工の場合、工作機械においては小型化が望まれるが、本実施例による工作機械は、幅５００ｍｍ、奥行き３２０ｍｍ、高さ３４０ｍｍの小型化が実現できた。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明の工具自動交換装置および工具交換方法は、旋盤、マイクロ旋盤、フライス盤、マイクロフライス盤などの各種工作機械における加工用の工具を自動的に交換するための工具自動交換装置に適用して好適である。
また、本発明の工作機械は、マイクロ加工に適しており、小型化も可能であるので、マイクロ旋盤やマイクロフライス盤などの各種マイクロ工作機械に適用して好適である。
Claims (6)
- 工具交換部および主軸部から構成された工具自動交換装置であって、
前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、
前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有することを特徴とする工具自動交換装置。 - 前記工具は外周に鋼球が嵌合可能な凹部が形成されたコレットに圧入されており、前記コレットは前記鋼球を介して前記工具収納部に収納されていることを特徴とする請求項１に記載の工具自動交換装置。
- 前記工具収納部に前記鋼球が出入りする空間が形成されており、前記鋼球が前記空間内を移動して前記コレットと前記工具収納部の結合を解除することを特徴とする請求項２に記載の工具自動交換装置。
- 前記工具収納部の中心位置と前記主軸部のシャフトの中心位置とを一致させる位置合わせ手段を有することを特徴とする請求項１に記載の工具自動交換装置。
- 工具交換部および主軸部が対向して配置され、
前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、
前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記主軸部に具備されて前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有する工具自動交換装置の工具交換方法であって、
前記工具交換部に具備されて前記工具を収納する前記工具マガジンと、前記工具クランプとの間で、空気流により前記工具を移動させて前記工具を交換することを特徴とする工具自動交換装置の工具交換方法。 - 工具交換部、主軸部およびワーク保持部から構成された工作機械であって、
前記工具交換部は、回転軸の周りを回転し、複数の工具収納部を備えた工具マガジンと、前記工具マガジンを前記回転軸の方向に移動させる手段と、前記主軸部に対して工具を移動させる空気流を供給する空気供給源とを有し、
前記主軸部は、前記工具を回転させるモータと、前記工具を保持する工具クランプと、前記工具交換部に対して前記工具を移動させる空気流を供給する空気供給源と、前記工具クランプを垂直方向に移動させる手段とを有し、
前記ワーク保持部は、水平面において互いに直交する２方向に移動可能なテーブルに搭載されたワークホルダを有することを特徴とする工作機械。
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