JP4926223B2

JP4926223B2 - 工具交換装置

Info

Publication number: JP4926223B2
Application number: JP2009228301A
Authority: JP
Inventors: 靖仁渡辺; 英樹渡辺
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2011073107A

Description

本発明は、工作機械の主軸に装着されている工具と工具マガジンに収納されている工具とを交換する工具交換装置に関する。

一般に、工作機械の主軸に装着されている工具を交換する工具交換装置に関係する従来の一例として、特許文献１が開示されている。特許文献１は、工作機械の主軸に装着される工具を収納する工具マガジンに関するものである。段落番号０００６には、工具マガジンの全体構成を説明する記載、すなわち「全体を符号１で示す工具マガジンは、フレーム１０上に配設される工具ラック装置２０、工具をラック装置の特定のラック位置に対して搬送するロボット装置４０、工具を工作機械に対して交換する待機位置とラックの間で搬送する工具シフタ６０、オペレータが手動によって工具をラックに対して出し入れする手動工具交換装置８０を備える。」がある。

段落番号０００８や００１１には、工具シフタ６０の作用を説明する記載があり、段落番号０００８には「工具シフタ６０は、図示しない工作機械に対する自動工具交換（ＡＴＣ）位置Ｐ₁と工具ラック装置２０の保持位置Ｐ₂の間で旋回動して、工作機械から戻される工具Ｔをラックに送り、また、ラックに用意された新たな工具Ｔを工作機械へ送る。」と記載され、段落番号００１１には「図７は、シフタ６０の作用を示すもので、シフタ６０は旋回軸６１を中心として９０゜旋回動作するアーム６２を備え、工作機械から戻される工具をＡＴＣ位置Ｐ₁で受け取り、ラックユニット２１０の最上部のグリッパへ挿入する。このグリッパの位置Ｐ₂は、工具搬送用のロボット装置４０に対して工具Ｔを受け渡す位置となる。」と記載されている。

従来の他の一例として、特許文献２が開示されている。特許文献２は、工具マガジン及び工作機械に関するものである。段落番号００１９には、工具交換装置に備わるサブアーム装置についての説明、すなわち「図４及び図５はそれぞれ、図１の工具マガジン１１をＺ配置にて工作機械５１に適用した場合を示す平面図及び部分拡大平面図である。Ｚ配置では、工具が、主軸に装着される状態から平面視で９０°傾いた状態でキャリアによって運ばれてくるので、ＡＴＣアーム６７にて工具を保持する前に工具ポットを所望の向きに角度変更（この場合は９０°旋回）させる装置が必要となる。この目的のためのサブアーム装置７１は、図５に示すように、揺動軸７３の回りを図示しないシリンダ等により揺動可能な揺動アーム７５を有し、さらにキャリア２１から受け取った工具ポット１９を把持する例えば油圧開閉式のポットグリッパ７７を揺動アーム７５の先端に有する。揺動アーム７５は、工具ポット受渡し位置４１においてキャリア２１と工具ポット１９の受渡しを行う第１の位置（２点鎖線で図示）と、ＡＴＣアーム６７と工具１７の受渡しを行う第２の位置（実線で図示）との間を揺動可能に構成される。」がある。

特開平１１−５８１６３号公報特開２００８−１１０４２５号公報

特許文献１の工具マガジンでは、シフタ６０とロボット装置４０との間で工具Ｔの受渡しを行う際には、工具Ｔをラックユニット２１０の保持位置Ｐ₂で保持する必要があるため、シフタ６０とロボット装置４０との間で直接的に工具Ｔの受渡しを行うことができず、工具Ｔの受渡しに時間を要するという問題がある。

引用文献２では、工具１７が工具ポット１９と共にマガジン１５のコの字状の切欠きに保持されている。工具１７を搬送する際には、工具１７を嵌合させる工具ポット１９がキャリア２１のポットクランパ３１によりクランプされた状態で、キャリア２１をリニアガイド３７，３９に沿って移動させることにより、工具１７が搬送されるようになっている。キャリア２１とサブアーム装置７１との間での工具１７の受渡しは、サブアーム装置７１のポットグリッパ７７が工具ポット１９のフランジ部をクランプすることにより、キャリア２１とサブアーム装置７１との間で工具１７の受渡しが直接的に行われるようになっている。引用文献２では、工具Ｔの受渡しに要する時間を短くすることができるものの、複数の工具１７と同数の工具ポット１９を必要とするため、工具マガジンのコストが高くなるという問題がある。

本発明は、工具ポットが不要で、工具交換時間を短くすることができる工具交換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、工作機械の主軸に装着されている第１の工具と、工具マガジンに収納されている第２の工具とを交換する工具交換装置において、前記第２の工具のシャンク部の一部を把持して前記第２の工具を搬送するキャリアと、前記第１の工具のフランジ部の一部と前記第２の工具のフランジ部の一部をそれぞれ両端部で把持して、前記第１の工具と工具交換位置にある前記第２の工具とを交換する交換アームと、前記第２の工具のシャンク部の一部及びフランジ部の一部を把持して、前記キャリアから前記第２の工具を受け取り前記工具交換位置まで搬送するサブアームと、を具備し、前記サブアームが把持する前記第２の工具のシャンク部の一部及びフランジ部の一部は、前記キャリアが把持する前記第２の工具のシャンク部の一部及び前記交換アームが把持する前記第２の工具のフランジ部の一部以外の部分であることを特徴とした工具交換装置が提供される。

また、本発明によれば、前記サブアームは、前記工具のシャンク部の一部を把持する対向する一対の腕部を有し、前記キャリアは、前記サブアームとの間で工具を受け渡すとき、前記サブアームの一対の腕部が把持している前記工具のシャンク部の一部とほぼ９０゜位相が異なる部分を把持する把持部を有する工具交換装置が提供される。

以上の如く、本発明の工具交換装置によれば、サブアームが把持するシャンク部の一部及びフランジ部の一部は、キャリアが把持するシャンク部の一部及び交換アームが把持するフランジ部の一部以外の部分であるから、搬送キャリアとサブアームは工具のシャンク部を把持する位置が異なると共に、搬送キャリアとサブアームは互いに干渉することなく工具のシャンク部を同時に把持することができる。これにより、工具ポットを必要とすることなく、搬送キャリアとサブアームとの間で直接的に工具の受渡しを行うことができ、工具交換時間を短くすることができる。

本発明の工具交換装置及び工作機械の全体構成を示す平面図である。図１の工具交換装置に備わる工具マガジンの正面図である。工具がサブアームに把持される前の状態を示す説明図である。（ａ）はサブアームの一対の腕部が離れている状態を示す図、（ｂ）はサブアームの一対の腕部が近づいている状態を示す図である。工具のフランジ部を把持し、サブアームから外した工具を工作機械の主軸に装着する工具交換アームのクランプ部を示す図である。工具交換装置により工具交換される工具ホルダを示す図である。

本発明の工具交換装置は、本明細書で示される水平な主軸を有する横形マシニングセンタ（以下、「横形Ｍ／Ｃ」という）と共に使用される形態に限定されるものではなく、垂直な主軸を有する立形マシニングセンタや、他の工作機械と共に使用することができる。図１には、工具交換装置と共に使用される工作機械の一形態として、汎用の横形Ｍ／Ｃが示されている。

図１に示すように、本実施形態の工具交換装置１は、横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着されている第１の工具７と工具マガジン１０に収納されている第２の工具８とを交換するものであり、工具マガジン１０内で収納されている第２の工具８を所望の位置まで搬送する搬送キャリア２０と、搬送キャリア２０から第２の工具８を受け取り、工具交換位置Ｐ２まで第２の工具を移動させるサブアーム３０と、工具交換位置Ｐ２でサブアーム３０に把持されている第２の工具８と横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着されている第１の工具７とを交換する工具交換アーム５０と、を備えている。本明細書では、説明の都合上、横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着されている第１の工具７と、工具マガジン１０に収納されている第２の工具８を区別して説明するが、第１の工具７と第２の工具８の形態上の違いはない。

搬送キャリア２０は、第２の工具８のシャンク部８ａを把持する把持部２２，２３を有している。サブアーム３０は、搬送キャリア２０の把持部２２，２３と９０゜位相が異なる方向で対向する一対の腕部３２，３３を有している。すなわち、一対の腕部３２，３３は、搬送キャリア２０の把持部２２，２３の対向する方向と直交する方向で、第２の工具８のシャンク部８ａを把持する。これにより、搬送キャリア２０の把持部２２，２３とサブアーム３０の一対の腕部３２，３３は、互いに干渉することなく、第２の工具８のシャンク部８ａを部分的に同時に把持することができ、搬送キャリア２０とサブアーム３０との間で直接的に第２の工具８の受渡しを行うことが可能となる。

図１に示すように、工具マガジン１０は、設置スペースの有効利用を図る観点から、横形Ｍ／Ｃ２のＺ軸と平行に配置されている。このため、工具マガジン１０内で搬送キャリア２０により搬送される第２の工具８と横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着されている第１の工具７とは、向きが９０゜異なるものとなるが、サブアーム３０が、搬送キャリア２０から第２の工具８を受け取った後、工具交換位置Ｐ２まで９０゜旋回動作することにより、工具交換位置Ｐ２での第２の工具８の向きと横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着されている第１の工具７の向きとが一致するようになっている。そして、工具交換アーム５０により、工具交換位置Ｐ２にある第２の工具８と横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着されている第１の工具７とが交換される。

図２に示すように、工具マガジン１０は、ハウジング１２と、ハウジング１２内で所定の間隔に配置され、第２の工具８のフランジ部８ｂに係合する係合部１５を複数有するラック１４とを有している。ラック１４には、第２の工具８のフランジ部８ｂの外周に形成されたＶ字状の外周溝８ｃが係合する複数の係合部１５が両側に設けられている。ラック１４の数は、工具マガジン１０に収容される第２の工具８の本数に応じて増減可能である。搬送キャリア２０は、第２の工具８のシャンク部８ａを把持する把持部２２，２３を有し、ガイドレール１６，１７，１８に沿って上下方向、左右方向、前後方向に移動可能である。上下方向のガイドレール１６は、横形Ｍ／Ｃ２のＹ軸方向に一致し、左右方向のガイドレール１７は、横形Ｍ／Ｃ２のＺ軸方向に一致し、前後方向のガイドレール１８は、横形Ｍ／Ｃ２のＸ軸方向に一致する。搬送キャリア２０は、ガイドレール１６，１７に案内されながら直線移動し、工具受取位置Ｐ１まで第２の工具８を搬送することができる。

搬送キャリア２０の把持部２２，２３は、一体的に設けられている。把持部２２，２３の対向する内面２２ａ，２３ａは、第２の工具８のシャンク部８ａの曲面に対応する形状に形成されている。本実施形態では、図６に示すように、第２の工具８がショートテーパのシャンク部８ａを有しているため、把持部２２，２３の内面２２ａ，２３ａはテーパ面となっているが、第２の工具８がストレートシャンク部を有する場合には、把持部２２，２３の内面２２ａ，２３ａを円筒面とすることができる。把持部２２，２３の間には、第２の工具８のシャンク部８ａの内側に進入して、シャンク部８ａの内面を押さえるクランパを有している。クランパの先端部には、半径方向に出没自在の複数の突出部が設けられており、複数の突出部が半径方向に突出することによりシャンク部８ａの内面に当接し、第２の工具８のシャンク部８ａのテーパ面が把持部２２，２３の内面２２ａ，２３ａに当接することにより、第２の工具８が搬送キャリア２０によって把持される。

工具受取位置Ｐ１から工具交換位置Ｐ２まで旋回動作可能なサブアーム３０は、図３に示すように、第２の工具８のシャンク部８ａを挟持する一対の腕部３２，３３と、一対の腕部３２，３３を対向方向に接離自在に移動させる駆動機構と、一対の腕部３２，３３が対向方向に移動することを案内するガイドレール３４と、一方の腕部３２，３３の先端部に設けられた係合部３６であって、第２の工具８のフランジ部８ａに形成された断面がＶ字状の外周溝８ｃに係合することにより、一対の腕部３２，３３に把持された第２の工具８が工具の軸線方向に移動して一対の腕部３２，３３から外れることを防止する外れ防止用の係合部３６と、を有している。サブアーム３０は、さらに、一対の腕部３２，３３の間で、一対の腕部３２，３３の対向する方向と直交する方向に進退自在に設けられ、第２の工具８のシャンク部８ａの端面に形成されたキー溝８ｄに係合するキー３７を有している。

サブアーム３０は、一対の腕部３２，３３が搬送キャリア２０の把持部２２，２３の対向する方向と直交する方向に位置するように設けられている。一対の腕部３２，３３は、搬送キャリア２０の把持部２２，２３が第２の工具８のシャンク部８ａを把持しない部分を把持するようになっている。第２の工具８のシャンク部８ａを把持する一対の腕部３２，３３の対向する内面３２ａ，３３ａは、搬送キャリア２０の把持部２２，２３の対向面２２ａ，２３ａと同様に、第２の工具８のシャンク部８ａの曲面に対応する形状に形成されており、第２の工具８がショートテーパのシャンク部８ａを有する場合にはテーパ面となり、第２の工具８がストレートシャンク部を有する場合には円筒面となる。

一対の腕部３２，３３を移動させる駆動機構は、一対の腕部３２，３３の基端側に突設されたカムフォロア３８に係合するカム溝３９ａを有するガイドプレート３９と、駆動源としてのシリンダ４０とを有している。図４には一対の腕部３２，３３の動作状態が示されている。図４（ａ）に示すように、ガイドプレート３９をシリンダ４０により引き込むことにより、一対の腕部３２，３３はガイドレール３４に案内されながら互いに離れる方向に移動する。図４（ｂ）に示すように、ガイドプレート３９がシリンダ４０により押されることにより、一対の腕部３２，３３はガイドレール３４に案内されながら互いに接近する方向に移動する。本実施形態では、一対の腕部３２，３３のガイド溝３２ｂ、３３ｂがガイドレール３４に係合し、一対の腕部３２，３３がガイドレール３４に案内されるようになっているが、一対の腕部３２，３３にカムフォロアなどの突部を設けて、この突部がガイド溝に係合するようにすることもできる。キー３７は、ガイドプレート３９の長手方向の中間部においてガイドプレート３９にねじなどで固定され、ガイドプレート３９と共に移動するようになっている。ガイドプレート３９がシリンダ４０により押されることにより、キー３７が第２の工具８のシャンク部８ａの端面に形成されたキー溝８ｄに係合するようになっている。

サブアーム３０が搬送キャリア２０から第２の工具８を直接的に受け取った後、サブアーム３０は工具受取位置Ｐ１から工具交換位置Ｐ２まで旋回軸を中心として約９０゜旋回動作し、工具交換位置Ｐ２にある第２の工具８は、横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着された第１の工具７と同じ向きに配置すると共に、工具の位相を９０゜変化させる。

図５には、工具交換位置Ｐ２において位相を９０゜変化させたサブアーム３０と共に、工具交換位置Ｐ２にある第２の工具８をクランプする工具交換アーム５０の一端に形成されたクランプ部５２が示されている。クランプ部５２は、略半円状の係合部５３と、第２の工具８のフランジ部８ｂに形成された外周溝８ｃに係合し、クランク部５２から第２の工具８が外れないようにする出没自在のストッパーピン５４とを有している。ストッパーピン５４は、フランジ部８ｂの外周溝８ｃにクランプ部５２の係合部５３が係合する際には、邪魔にならないように引っ込み、フランジ部８ｂの外周溝８ｃにクランプ部５２の係合部５３が係合した後に突出して、第２の工具８がクランプ部５２から外れないようにする。クランプ部５２を両端部に有する工具交換アーム５０を回転軸を中心として回転させることにより、一端のクランプ部５２に工具交換位置Ｐ２にある第２の工具８が把持され、他端のクランプ部（図示せず）に横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着された第１の工具７が把持され、工具交換位置Ｐ２にある第２の工具８と横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着された第１の工具７とが交換される。交換された第１の工具は、サブアーム３０を旋回動作させることにより、工具交換位置Ｐ２から工具受取位置Ｐ１に戻され、搬送キャリア２０がサブアーム３０から直接的に工具を受け取り、ラック１４の所定位置の係合部１５に外された第１の工具７が保管される。このようにして、工具マガジン１０に収納されている工具と横形Ｍ／Ｃ２の主軸６に装着されている工具とが交換され、複数の工具を使用して複雑な加工を自動で行うことができる。

以上のように、本実施形態の工具交換装置１によれば、搬送キャリア２０とサブアーム３０は第２の工具８のシャンク部８ａを把持する位置が異なると共に、搬送キャリア２０とサブアーム３０は互いに干渉することなく第２の工具８のシャンク部８ａを同時に把持することができるので、工具ポットを必要とすることなく、搬送キャリア２０とサブアーム３０との間で直接的に第２の工具８の受渡しを行うことができ、工具交換時間を短くすることができる。これにより、加工サイクルタイムを短くすることができ、加工の高能率化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態では、横形Ｍ／Ｃ２のＺ軸と平行に配置された工具マガジン１０の搬送キャリア２０から第２の工具８を受け取ったサブアーム３０が約９０゜旋回動作することにより、工具受取位置Ｐ１にある第２の工具８の向きと工具交換位置Ｐ２にある工具の向きとが９０゜変わるようになっているが、工具マガジン１０が横形Ｍ／Ｃ２のＸ軸と平行に配置され、工具受取位置Ｐ１と工具交換位置Ｐ２とで第２の工具８の向きが変わらない場合には、サブアーム３０を旋回動作させる必要はない。

１工具交換装置
２横形Ｍ／Ｃ
６主軸
７第１の工具
８第２の工具
１０工具マガジン
２０搬送キャリア
２２，２３把持部
３０サブアーム
３２，３３腕部
５０工具交換アーム
Ｐ１工具受取位置
Ｐ２工具交換位置

Claims

工作機械の主軸に装着されている第１の工具と、工具マガジンに収納されている第２の工具とを交換する工具交換装置において、
前記第２の工具のシャンク部の一部を把持して前記第２の工具を搬送するキャリアと、
前記第１の工具のフランジ部の一部と前記第２の工具のフランジ部の一部をそれぞれ両端部で把持して、前記第１の工具と工具交換位置にある前記第２の工具とを交換する交換アームと、
前記第２の工具のシャンク部の一部及びフランジ部の一部を把持して、前記キャリアから前記第２の工具を受け取り前記工具交換位置まで搬送するサブアームと、
を具備し、前記サブアームが把持する前記第２の工具のシャンク部の一部及びフランジ部の一部は、前記キャリアが把持する前記第２の工具のシャンク部の一部及び前記交換アームが把持する前記第２の工具のフランジ部の一部以外の部分であることを特徴とした工具交換装置。
前記サブアームは、前記工具のシャンク部の一部を把持する対向する一対の腕部を有し、前記キャリアは、前記サブアームとの間で工具を受け渡すとき、前記サブアームの一対の腕部が把持している前記工具のシャンク部の一部とほぼ９０゜位相が異なる部分を把持する把持部を有する請求項１に記載の工具交換装置。