JP4939270B2 - 工具交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークに対する加工を行う加工主軸の工具を交換するための工具交換装置に関する。

一般に、工具交換装置を備え、加工主軸に装着される工具を交換しながらワークに対する各種加工を行う工作機械が使用されている。該工作機械では、種々のワークに対応するために多数の工具を格納しておく工具マガジンを有している。ところが、前記の工作機械では、設置スペースの効率向上、隣接する工作機械へのワークの搬送、及び操作者の操作性等の観点から、占有面積が小さいことが好ましく、当然、前記工具マガジンの大きさや工具格納数も限られる。

特許文献１には、回転する円盤部から放射状に突出した複数の保持アームによって工具を格納した工具マガジン（回転マガジン）を有し、該工具マガジンに格納された工具の加工主軸への交換を行う工具交換装置を搭載した工作機械が開示されている。

特許２０００−１２６９７１号公報

ところで、上記特許文献１に記載の工作機械に搭載される工具交換装置では、加工主軸と工具マガジンの回転中心軸との方向が一致するように構成されている。そこで、工具に設けられた回り止め用のキーの方向が、交換時に反転してしまうのを避けるため、工具マガジンから加工主軸へと２つのアームを用いて工具を供給しており、その構造が複雑である。

さらに、前記工具マガジンが円盤型であるため、その回転速度や安定性が高い反面大きな設置空間を要しており、特に工具マガジン下部の空きスペースがほとんどなく、メンテナンス性が阻害されている。そこで、特許文献１に記載の工作機械において、円盤型の工具マガジンを上方にオフセットし、その下部に十分なメンテナンススペースを確保することが考えられるが、この場合、加工主軸の設置位置等も含めた工具交換装置の大幅な設計変更を強いられることになる。また、工具交換用アームの大型化等も必要となり、結局、十分なメンテナンススペースの確保が困難となる可能性がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、加工主軸に装着される工具を交換するための工具交換装置において、工具マガジンの周囲のメンテナンススペースを十分に確保することができ、しかも、工作機械での工具マガジンの設置の自由度を高め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。

本発明に係る工具交換装置は、ワークに対する加工を行う加工主軸に着脱される複数の工具を格納する工具マガジンを有し、該工具マガジンに格納された工具の前記加工主軸への交換を行う工具交換装置であって、前記工具マガジンは、円中心を回転中心軸として回転駆動可能な円盤部と、前記円盤部の外周上に複数配置されて各工具を保持する保持アームとを備えるとともに、前記加工主軸の軸線方向に対して平行な鉛直面に設けられ、前記保持アームには旋回軸が連結されると共に、該保持アームは前記旋回軸により前記円盤部の外周上から外れる方向に旋回可能とされ、前記保持アームが前記加工主軸に向かって旋回したとき、前記加工主軸の軸線方向と、前記保持アームに保持された前記工具の中心軸の軸線とが一致することを特徴とする。なお、前記回転中心軸に沿う方向での正面視において、前記円盤部の回転中心軸と前記保持アームの旋回軸とを結ぶ第１直線が該円盤部の直径方向に沿うと共に、前記保持アームの旋回軸と前記保持アームに保持される工具の中心軸とを結ぶ第２直線が前記第１直線に対して所定角度傾斜していることが好ましい。

このような構成によれば、工具を格納した状態での回転速度、回転精度や安定性の点で有効な円盤部を有する回転型の工具マガジンを搭載した場合であっても、前記第１直線に対して前記第２直線を所定角度傾斜させることにより、保持アームに保持された所望の工具を、加工主軸に対する最適な工具交換位置へと容易に設定することができ、工具マガジンの設置自由度を高めることができる。これにより、工具マガジンを高い位置に設定しても、工具交換位置を加工主軸に容易に対応可能な位置に設定することができ、該工具マガジンの下部に十分なメンテナンススペースを確保することができる。

また、前記工具マガジンから前記加工主軸への工具交換位置は、所定の工具を保持した保持アームの前記第２直線が、前記円盤部の回転中心軸を含む第１水平面に平行な第２水平面に含まれる位置に設定されていると、保持アームにより工具を水平面内で旋回させるだけで加工主軸への工具の着脱を行うことができる。このため、工具交換を一層迅速且つ容易に行うことができる。

さらに、前記第２水平面に沿って伸縮自在なロッドを有するシリンダ機構を備え、前記保持アームは、前記ロッドにより押圧されることで前記円盤部の外周上から外れる方向に旋回されるように構成されていると、保持アームに旋回機構を備えず、１個のシリンダ機構のみで所望の工具を保持する保持アームを容易に旋回させることができ、装置構成を一層簡素化できるため好適である。

本発明によれば、工具を格納した状態での回転速度、回転精度や安定性の点で有効な円盤部を有する回転型の工具マガジンを搭載した場合であっても、保持アームに保持された所望の工具を加工主軸に対する最適な工具交換位置へと容易に設定可能である。従って、工具マガジンの設置自由度を高めることができる。これにより、例えば、工具マガジンを高い位置に設定しても工具交換位置を加工主軸に対して容易に対応可能な位置に設定することができ、該工具マガジンの下部に十分なメンテナンススペースを確保することができる。

以下、本発明に係る工具交換装置について、これを搭載する工作機械との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る工具交換装置１１ａ、１１ｂを搭載した工作機械システム１０の一部切欠斜視図である。図２は、図１に示す工作機械システム１０の正面図である。図３は、図１に示す工作機械システム１０の側面図である。図１〜図３に示すように、本実施形態に係る工作機械システム１０は、ワークＷに対してドリル加工、中ぐり加工及びホーニング加工等を行うものである。以下、工作機械システム１０の向きを特定するために、図２における左右方向をＸ方向（Ｘ１、Ｘ２方向）、高さ方向をＹ方向（Ｙ１、Ｙ２方向）とし、Ｘ方向及びＹ方向に直交する奥行きの方向をＺ方向（Ｚ１、Ｚ２方向）（図３参照）とする。Ｘ方向及びＹ方向は、水平面内の所定の一方向であって直交している。

工作機械システム１０は、図２に示す正面視で左側（矢印Ｘ１側）の第１工作機械１０ａと、右側（矢印Ｘ２側）の第２工作機械１０ｂと、これらの第１工作機械１０ａ及び第２工作機械１０ｂを統合的に且つ協調的に制御するコントローラ１２とを有する。第１工作機械１０ａと第２工作機械１０ｂとは隣接して平行に設けられており、定盤（ベース）１３、ワーク移動装置１４及びフレーム１５は共用となっている。これらの定盤１３、ワーク移動装置１４及びフレーム１５は、第１工作機械１０ａ及び第２工作機械１０ｂに専用のものを用いても良い。本実施形態の場合、第１工作機械１０ａと第２工作機械１０ｂは同構造であり、以下第１工作機械１０ａを代表的に説明する。

第１工作機械１０ａは、床に固定された定盤１３をベースとして構成されている。定盤１３はＸ方向に幅狭で、Ｙ方向に低い形状である。定盤１３の上面には、ワーク移動装置１４及びフレーム１５が取り付けられている。ワーク移動装置１４は、定盤１３の上面の正面側（矢印Ｚ１側）の近傍に設けられており、該ワーク移動装置１４の上方には、該ワーク移動装置１４を構成するワークテーブル１９ａ〜１９ｃ上に載置されたワークＷを上部から押圧固定するワーク押圧固定装置１７ａ、１７ｂ（図３参照）が設けられている。本実施形態の場合、ワークテーブル１９ａ〜１９ｃは、１２０°間隔で配置された回転テーブルとして構成される。なお、図１、図２及び図５では、支持体２２、回転アーム３２等を視認できるように、ワーク押圧固定装置１７ａ、１７ｂを省略して図示している。

フレーム１５は、工具Ｔのメインストッカである回転マガジン８０ａ、８０ｂと、工具Ｔのサブストッカである回転マガジン（工具マガジン）１００ａ、１００ｂと、工具長検査装置１０１ａ、１０１ｂを支持している。フレーム１５は、定盤１３の矢印Ｚ方向の両端から上方に延在する４本の支柱１５ａと、これらの支柱１５ａを介して上部で支えられたプレート１５ｂとを有する。なお、回転マガジン１００ａ、１００ｂは、本発明に係る工具交換装置１１ａ、１１ｂを構成する工具マガジンであって、定盤１３の上面に立設された支持フレーム１０５により回転可能に支承された円盤型に構成される。これら回転マガジン１００ａ、１００ｂは、フレーム１５を構成するＺ方向の２本の支柱１５ａの間に設けられたシャッター１０７によって仕切られた装置外側（矢印Ｘ１、Ｘ２側）に配置され、ワークＷの加工時の切削屑や切削油から保護されている。シャッター１０７は、加工主軸３６等のメンテナンス時や、工具交換装置１１ａ、１１ｂによる工具交換時に開放される。

第１工作機械１０ａは、定盤１３の上面に設けられたＺ方向に延在する一対のＺレール１６、１６と、該Ｚレール１６に案内されてＺ方向にスライドするコラム１８と、該コラム１８の正面においてＹ方向に延在する一対のＹレール２０、２０と、該Ｙレール２０に案内されてＹ方向にスライドする支持体２２とを有する（図２参照）。Ｚレール１６上におけるコラム１８のＺ方向の位置はＺ位置センサ１６ａによって検出され、Ｙレール２０上における支持体２２のＹ方向の位置はＹ位置センサ２０ａによって検出され、それぞれコントローラ１２に供給される。

コラム１８は、定盤１３の後方に設けられたＺモータ２４の作用下にボールねじ機構２６を介してＺ方向に往復移動をする（図３参照）。支持体２２は、定盤１３の内部に配置されたＹモータ２８の作用下にボールねじ機構３０を介してＹ方向に往復移動をする（図２参照）。コラム１８及びＹレール２０は、Ｙ方向に適度に長い形状であって、支持体２２を比較的長距離移動させることができる。

図４に示すように、支持体２２は、Ｚ１方向に向いたワークＷに臨む鉛直平面内において回転する回転アーム３２と、該回転アーム３２を回転させるアームモータ（アーム回転駆動源）３４と、回転アーム３２の遠心方向端部近傍に設けられ、回転アーム３２に対して回転自在に支承されてＺ１方向を指向する加工主軸３６と、該加工主軸３６を回転させるスピンドルモータ（主軸回転駆動源）３８とを有する。アームモータ３４は、例えば、ダイレクトモータである。支持体２２は、枠体４０をベースに構成されており、該枠体４０の内部にアームモータ３４が設けられている。アームモータ３４は、枠体４０に固定されたステータ３４ａと、該ステータ３４ａの内側に設けられた中空のロータ３４ｂとを有する。

回転アーム３２は、ロータ３４ｂの矢印Ｚ１方向端部に固定されており、アームモータ３４の作用下に回転する。支持体２２に対する回転アーム３２の角度は、角度センサ４１（図１参照）によって計測されコントローラ１２に供給される。

なお、図４からも明らかなように、回転アーム３２はエンドレスに回転が可能であるが、最低限１回転（３６０°）の回転が可能であればよい。加工主軸３６は、回転アーム３２の回転中心Ｃから距離Ｒだけ離れた箇所に設けられている。

回転アーム３２において、加工主軸３６が設けられた側と反対側（図４における上側）にはバランサ４２が設けられている。バランサ４２は、クーラント等の液体が入った液体タンクであり、加工主軸３６に取り付けられる工具に応じて、内部の液量を変化させてバランスをとることができる。バランサ４２は金属製の錘であってもよい。該バランサ４２が設けられている箇所以外の回転アーム３２の内部は中空構造となっている。回転アーム３２は、支持体２２と比較すると相当に軽量であり、回転させたときにも支持体２２や第１工作機械１０ａに対する安定性を損なうことがない。

スピンドルモータ３８は矢印Ｚ２方向に突出しており、アームモータ３４と同軸となるように、支持体２２における枠体４０の後面に固定されている。このようにスピンドルモータ３８とアームモータ３４とを同軸上に配置することで、支持体２２をコンパクトなユニットとして構成することができる。すなわち、加工主軸３６の軸線上にスピンドルモータ３８が存在せず、回転アーム３２の中心に近い箇所にスピンドルモータ３８があると、前記のバランサ４２の質量及び大きさが小さくてすみ、支持体２２を全体的にコンパクトにすることができる。

シャフト（動力伝達部）４４は、ロータ３４ｂの中空部を貫通して設けられ、一端がスピンドルモータ３８の回転軸に固定され、他端は、枠体４０から突出して回転アーム３２の矢印Ｚ１側の側板まで達している。シャフト４４は、回転アーム３２の矢印Ｚ１側端部、矢印Ｚ２側端部及び枠体４０の矢印Ｚ２側端部の３箇所で、順にベアリング４５ａ、４５ｂ及び４５ｃによって軸支されている。

プーリ機構４６は、ベアリング４５ａとベアリング４５ｂとの間でシャフト４４に固定された駆動プーリ４６ａと、加工主軸３６の矢印Ｚ２方向端部に固定された従動プーリ４６ｂと、これらの駆動プーリ４６ａと従動プーリ４６ｂとの間に張架されたベルト４６ｃとから構成される。このようにプーリを用いた駆動機構は回転アーム３２を軽量化できて好適である。なお、プーリを用いた駆動機構以外にも、例えば、駆動プーリ４６ａをギアへ置換するとともに、従動プーリ４６ｂをピニオンに置換し、サイレントチェーンを利用した駆動伝達機構を用いてもよい。この場合、ギアとピニオンとの間を複数のギア等を介して駆動力を伝達してもよい。

前記プーリ機構４６は、回転アーム３２内の中空部に設けられており、所定のテンション機構によってベルト４６ｃの張り調整がなされている。このような構造により、スピンドルモータ３８の回転は、シャフト４４及びプーリ機構４６を介して加工主軸３６に伝達される。

加工主軸３６は、回転アーム３２と一体的に設けられた主軸カバー４８内に収納されており、矢印Ｚ１方向の先端部には工具Ｔが装着されるツールヘッド５０が設けられている。また、矢印Ｚ２方向端部には、ツールヘッド５０に対する工具Ｔのクランプ状態を解除して、工具Ｔを離脱可能にするアンクランプレバー５２が設けられている。アンクランプレバー５２は、回転中心Ｃから見て外向きにやや突出する形状であり、図示しないアンクランプブロックによって回転中心Ｃの方向に押圧されることにより操作され、工具Ｔをアンクランプすることができる。また、アンクランプレバー５２は、前記アンクランプブロックが離れることにより図示しない弾性体によって元の位置に戻され、ツールヘッド５０内の工具Ｔをクランプすることができる。当然、ツールヘッド５０での工具Ｔのクランプ及びアンクランプは、電動で工具Ｔをクランプする機構とすることもできる。

回転アーム３２の背面側（矢印Ｚ２側）には、ねじ６０によって板ばね等からなるディスク６２を挟持して回転アーム３２を所定位置に固定する固定装置６４が設けられている。該固定装置６４はディスク６２の背面側と当接する受け座６６と、該受け座６６との間でディスク６２を挟持する押圧片６８とから構成される。前記押圧片６８は皿ばね７０によって挟持方向に付勢されるロッド７２先端部に設けられ、皿ばね７０に抗してロッド７２を前方に押すことでディスク６２の挟持状態を解除し、回転アーム３２の回転が可能となる。本実施形態の場合、ディスク６２を板ばねにて構成したため、ディスク６２を挟持した状態で回転アーム３２が倒れることがなく、該回転アーム３２の回転を確実に阻止することができる。

工具長検査装置１０１ａ及び１０１ｂは、工具Ｔの基準長さを基に、工具Ｔが正常長さであるか否かを検出する装置である。プレート１５ｂの左側下面には、第１工作機械１０ａに対応し、加工主軸３６に装着された工具Ｔの長さを検査する工具長検査装置１０１ａが設けられ、プレート１５ｂの右側下面には、第２工作機械１０ｂに対応し、工具長検査装置１０１ａと同機構の工具長検査装置１０１ｂが設けられている。

例えば、工具長検査装置１０１ａにおいて、図示しない非接触センサ等により工具Ｔの長さが測定されると、該測定データはコントローラ１２に送られる。この場合、コントローラ１２は、工程に応じて加工主軸３６に装着されている工具Ｔの基準長さを記録しており、前記非接触センサによる工具Ｔの測定値によって、異常なし（工具Ｔが正常長さ）や、間違った別の工具Ｔや折損している工具Ｔが装着されている（工具Ｔが非正常長さ）等の判断をする。

フレーム１５において、プレート１５ｂの上面やや左側には、第１工作機械１０ａに対応し、加工主軸３６に着脱自在な複数の工具Ｔを格納した回転マガジン８０ａが設けられている。なお、フレーム１５におけるプレート１５ｂの上面やや右側には、第２工作機械１０ｂに対応し、回転マガジン８０ａと同機構の回転マガジン８０ｂが設けられている。以下、回転マガジン８０ａを例に説明する。

図６に示すように、回転マガジン８０ａは、矢印Ｚ方向に延在する回転軸８２と、該回転軸８２を駆動するマガジンモータ８３と、回転軸８２を中心として正面視（図２参照）で略２７０°の範囲で放射状に設けられた保持アーム８４とを有する。各保持アーム８４の先端には工具Ｔを保持するＣ字状のグリップ８５が設けられている。グリップ８５は弾性体であって、Ｃ字の開口部から工具Ｔを押し込むことにより弾性的に拡開して工具Ｔが挿入可能となり、挿入された後には閉じて工具Ｔを挟持・保持することができる。また、保持された工具Ｔは、Ｃ字の開口部から引き抜きが可能である。保持アーム８４の数は、例えば１６本程度とするとよい。

回転マガジン８０ａは、通常、保持アーム８４のない略９０°（保持アーム８４が設けられた前記２７０°の範囲以外）の部分が下向きとなっており、全体がプレート１５ｂよりも上方にあるため、コラム１８及び支持体２２の動作の支障とならない。ツールヘッド５０の工具Ｔを交換する際には、回転マガジン８０ａを回転させて、プレート１５ｂの端から所定の保持アーム８４を下方に指向させる（図５参照）。

具体的には、工具Ｔを保持していない空の保持アーム８４を下方に指向させておき、コラム１８のＺ方向位置を調整した後に、支持体２２を上昇させる。これにより、図６に示すように、工具Ｔが保持アーム８４に保持されるとともに、アンクランプレバー５２がコラム１８上部から垂下された図示しないアンクランプブロックに当接して操作され、工具Ｔはツールヘッド５０に対してアンクランプされる。従って、コラム１８を矢印Ｚ２方向に後退させることで、工具Ｔはツールヘッド５０から抜き取られる。

次いで、回転マガジン８０ａを回転させて、これから使用する予定の工具Ｔが保持されている保持アーム８４を下方に指向させ、コラム１８を矢印Ｚ１方向に進出させる。これにより目的の工具Ｔがツールヘッド５０に挿入されるので、支持体２２を下降させることにより、アンクランプレバー５２が前記アンクランプブロックから離間して工具Ｔをクランプすることができる。この後、回転マガジン８０ａを回転させて、全ての保持アーム８４がプレート１５ｂよりも上方に配置されるように設定する。

このように、回転マガジン８０ａと加工主軸３６との間では、途中で工具Ｔを受け渡すために介在する機構がなく、コラム１８、支持体２２及び回転アーム３２の動作作用下に工具Ｔの着脱操作を直接的に行うことができる。従って、専用の着脱機構等が不要であることから構造が簡素化され、しかも工具の脱着に要する時間が短縮される。

図１に示すように、定盤１３の上面左端やや後方には、第１工作機械１０ａに対応し、加工主軸３６に着脱自在な複数の工具Ｔを格納した回転マガジン１００ａを備える工具交換装置１１ａが設けられている。該定盤１３の上面右端やや後方には、第２工作機械１０ｂに対応し、回転マガジン１００ａと同機構の回転マガジン１００ｂを備える工具交換装置１１ｂが設けられている。工具交換装置１１ａと工具交換装置１１ｂとは左右対称に設けられており重量や配置のバランスがよい。以下、工具交換装置１１ａを例に説明する。

図７は、工具交換装置１１ａを構成する回転マガジン１００ａの矢印Ｘ方向（円盤部１１２の回転中心軸Ｏ方向）から見た正面図であり、工作機械システム１０の左側面図に相当する。図８は、工具交換装置１１ａを示す一部省略斜視図であり、簡単のため、加工主軸３６に供給される所定の工具Ｔを保持した保持アーム１１６以外の保持アーム１１６を省略している。

図７及び図８に示すように、工具交換装置１１ａは、複数の工具Ｔを格納する回転マガジン１００ａと、該回転マガジン１００ａに格納された所定の工具Ｔを加工主軸３６に対して着脱する際に駆動されるシリンダ機構１０８とを備える。

回転マガジン１００ａは、支持フレーム１０５の先端から矢印Ｘ２方向に突設された円柱状の回転中心軸１０９に回転可能に支承された円盤部１１２と、該円盤部１１２より大径であり且つ前記回転中心軸１０９に固定された固定円盤部１１４とを備える。固定円盤部１１４は、円盤部１１２よりも装置中央側（矢印Ｘ２側）に設けられている。以下、前記回転中心軸の軸心を回転中心軸Ｏと称する（図７参照）。

前記円盤部１１２の外周上には保持アーム１１６が等間隔に複数本（例えば、４０本。なお、図７では簡単のため図示する本数を減らしている）設けられている。保持アーム１１６は、円盤部１１２の外周縁部に近接した矢印Ｘ１側の側面に固定された固定部１１６ａと、該固定部１１６ａの先端側に旋回軸１１８を介して旋回（回動）可能に支承された可動部１１６ｂとから構成される。この保持アーム１１６は、可動部１１６ｂの先端に前記保持アーム８４と同様なグリップ８５を有し、工具Ｔを矢印Ｘ方向に突出する向きで保持することができる。保持アーム１１６の本数は適宜変更可能であることは言うまでもない。

このような保持アーム１１６では、可動部１１６ｂを円盤部１１２の外側方向（矢印Ｘ１方向）に付勢するコイルばね１１７が旋回軸１１８に内装されている（図１０Ａ参照）。また、固定部１１６ａには係止部１１９が設けられており、該係止部１１９に可動部１１６ｂの側面が当接することにより、該可動部１１６ｂの円盤部１１２外側方向（矢印Ｘ１方向）への旋回（揺動）が規制されている。従って、通常時、可動部１１６ｂはコイルばね１１７の付勢力と前記係止部１１９での係止作用により、円盤部１１２を含むＺ方向平面に沿った状態で該円盤部１１２の外周から起立している（図８及び図１０Ａ参照）。

図８に示すように、シリンダ機構１０８は、駆動部１２０の駆動により進退移動可能に構成されたロッド１２２と、該ロッド１２２の先端側に設けられたハンド１２４とを有する。該シリンダ機構１０８では、駆動部１２０からロッド１２２及びハンド１２４へと連なる軸線方向が、円盤部１１２に対して所定角度傾いた状態（本実施形態の場合、３０〜６０°程度傾いた状態）とされ、この状態で駆動部１２０が所定のブラケットを介して支持フレーム１０５に固定されている（図１０Ａ参照）。すなわち、シリンダ機構１０８では、駆動部１２０の駆動作用下に、ロッド１２２が延伸されることにより、ハンド１２４が所定の保持アーム１１６を押圧することができる。

固定円盤部１１４は、支持フレーム１０５に連結される回転中心軸１０９に固定されており、すなわち、駆動部１２０によっては回転駆動されない固定された円盤である。該固定円盤部１１４の円盤部１１２から突出した外周上の一部には前記保持アーム１１６が通過可能な大きさを有する切欠部１３２が形成されている。該切欠部１３２は、高さ方向（矢印Ｙ方向）においてシリンダ機構１０８に対応する位置とされる（図７参照）。

図８に示すように、円盤部１１２の外側（矢印Ｘ１側）の中央部には、やや大径の減速歯車１２６が固着されており、その側部（矢印Ｚ１側）に設けられ駆動モータ１２８の駆動軸に固着されたやや小径の駆動歯車１３０と噛合いしている。従って、円盤部１１２は、駆動モータ１２８の回転駆動力が駆動歯車１３０から減速歯車１２６へと伝達されることにより、その円中心に当たる回転中心軸Ｏを中心として回転駆動される。この場合、図７に示す回転中心軸Ｏに沿う方向での正面視において、円盤部１１２から放射方向に突出した固定円盤部１１４の矢印Ｘ１側の側面には、前記保持アーム１１６に設けられたガイドローラ１２１が当接している。従って、保持アーム１１６は、ガイドローラ１２１のガイド作用により、振動や揺れを生じることなく円盤部１１２の回転に伴って回転移動される。

図９は、工具交換装置１１ａの各構成部品の位置関係を模式的に示す説明図であり、回転中心軸Ｏに沿う方向で正面視している。以下、旋回軸１１８の高さ方向（矢印Ｙ方向）での中心点を旋回軸Ｏｙと称し、保持アーム１１６のグリップ８５に保持された状態での工具Ｔの矢印Ｘ方向での中心軸を工具中心軸Ｏｔと称するものとする。

図９に示すように、回転中心軸Ｏと旋回軸Ｏｙとを結ぶ直線を第１直線ＳＬ１と称し、旋回軸Ｏｙと工具中心軸Ｏｔとを結ぶ直線を第２直線ＳＬ２と称するものとすると、本実施形態に係る工具交換装置１１ａでは、第２直線ＳＬ２は第１直線ＳＬ１に対して所定角度θ傾いている。当然、全ての保持アーム１１６は、同様に所定角度θ傾いた状態で円盤部１１２に固定されている（図７及び図９参照）。換言すれば、第２直線ＳＬ２は、円盤部１１２の回転中心軸Ｏを含み矢印Ｘ、Ｚ方向に沿う第１水平面Ｐ１に対し、回転マガジン１００ａの高さ方向において、所定距離ｈ下方にオフセットした該第１水平面Ｐ１と平行な第２水平面Ｐ２に含まれている。なお、第１水平面Ｐ１や第２水平面Ｐ２は水平面以外にも、定盤１３の上面に対して平行な面とすることもできる。

この場合、前記シリンダ機構１０８を構成する駆動部１２０からロッド１２２及びハンド１２４へと連なる軸線方向が前記第２水平面Ｐ２に含まれている。また、固定円盤部１１４に設けられた切欠部１３２は前記第２水平面Ｐ２を含むようにして形成されている。

従って、本実施形態に係る工具交換装置１１ａの場合、図９に示すように所定の保持アーム１１６の第２直線ＳＬ２が第２水平面Ｐ２に一致した状態が、該保持アーム１１６に保持された工具Ｔを加工主軸３６へと交換（着脱）する位置（工具交換位置）となる。つまり、この状態で、前記第２水平面Ｐ２に沿ってシリンダ機構１０８を構成するハンド１２４が延伸されると、保持アーム１１６の可動部１１６ｂは該ハンド１２４により押圧され、旋回軸１１８を中心として前記第２水平面Ｐ２に沿って旋回し、固定円盤部１１４の切欠部１３２を通過することになる。

そこで、工具交換装置１１ａにより加工主軸３６に対する工具Ｔの着脱を行う際には、先ず、駆動モータ１２８を回転駆動することにより円盤部１１２を所定角度回転させて、所定の工具Ｔ（以下、工具Ｔ１ともいう）が前記工具交換位置となるように設定する。この場合、該工具交換位置では、前記工具Ｔ１は、前記切欠部１３２に対応する位置とされ、すなわち、該工具Ｔ１の旋回軸Ｏｙと工具中心軸Ｏｔとを結ぶ直線（第２直線ＳＬ２）が前記第２水平面Ｐ２（図９参照）に沿った状態となる。

次いで、シリンダ機構１０８のロッド１２２を延伸させてハンド１２４を、工具Ｔ１を保持する保持アーム１１６に当接させる。なお、可動部１１６ｂには、２本の段付き円柱状の受け部１３４ａ、１３４ｂが旋回軸Ｏｙに平行な方向で設けられており、前記ハンド１２４は、受け部１３４ａ、１３４ｂ又は受け部１３４ａ、１３４ｂの間隙部に当接される（図８及び図１０Ａ参照）。続いて、さらにロッド１２２を延伸させると、可動部１１６ｂは、ハンド１２４により押圧されつつ旋回軸１１８を中心としてコイルばね１１７の付勢力に抗して、円盤部１１２の外周上から外れる方向に旋回される。すなわち、該可動部１１６ｂは前記第２水平面Ｐ２に沿って９０°旋回される。なお、固定円盤部１１４の工具交換位置に対応する部分には保持アーム１１６が通過可能な切欠部１３２が形成されているため、可動部１１６ｂは、該切欠部１３２を通過して、装置内側（矢印Ｘ２側）へと旋回する（図１０Ａ及び図１０Ｂ参照）。

この際、図１１に示すように、第１工作機械１０ａを構成する支持体２２を所定の高さ（矢印Ｙ方向位置）とすると共に、回転アーム３２を矢印Ｘ方向に沿うように旋回させて、加工主軸３６の中心軸線が前記第２水平面Ｐ２に含まれる位置で固定しておく。さらに、アンクランプレバー５２を図示しないアンクランプブロックや電動機構等によって押し下げて、ツールヘッド５０をアンクランプ状態としておく。当然、シャッター１０７は開いた状態とする。なお、回転アーム３２は必ずしも矢印Ｘ方向に沿う位置とする必要はなく、すなわち、回転アーム３２の旋回中心の位置（支持体２２の位置）が、前記第２水平面Ｐ２から上下方向（矢印Ｙ方向）にずれた位置となり、回転アーム３２が傾斜した方向となるように設定することもできる。この場合、例えば、上記した矢印Ｘ方向に沿うように設定する場合に比べて、回転アーム３２の長さを多少長く構成しておくことにより、加工主軸３６の中心線軸を所望の位置に確実に設定することができる。

そこで、図１０Ｂに示すように、９０°旋回された保持アーム１１６に保持された工具Ｔ１の工具中心軸Ｏｔが加工主軸３６の軸線方向と一致した状態で、加工主軸３６を矢印Ｚ１方向に前進させ、ツールヘッド５０に工具Ｔ１をクランプさせる。つまり、工具Ｔ１が加工主軸３６に装着される。

なお、加工主軸３６から工具Ｔを抜き取り、保持アーム１１６に戻す際には、前記の工具Ｔ１の装着動作と逆の動作を行えばよい。

以上のように、本実施形態に係る工具交換装置１１ａ、１１ｂにおいて、回転マガジン１００ａ、１００ｂでは、長尺な工具軸方向を一方向（矢印Ｘ方向）に突出させた状態で保持しているため、多数の工具Ｔを格納しておくことができる。特に、回転マガジン１００ａ、１００ｂのように円盤型の工具マガジンでは、例えば、チェーンを楕円形に循環させて工具を保持するような構成に比べて、回転速度、回転精度や安定性の点で有効である。

また、工具交換装置１１ａ、１１ｂでは、前記第１直線ＳＬ１に対する第２直線ＳＬ２の傾斜角度θを所定の角度に設定することにより、交換対象となる所定の工具Ｔ１を保持する保持アーム１１６を加工主軸３６の軸線を含む第２水平面Ｐ２に一致させている。換言すれば、工具交換装置１１ａ、１１ｂでは、前記傾斜角度θ、つまり、保持アーム１１６の円盤部１１２の直径方向（放射方向）に対する傾きを変更することにより、加工主軸３６への最適な工具交換位置（第２水平面Ｐ２）を容易に設定（変更）することができる。このため、回転マガジン１００ａ、１００ｂの設置自由度、すなわち、工具交換位置設定の自由度を大幅に高めることができる。

従って、本実施形態の工作機械システム１０のように、回転マガジン１００ａ、１００ｂの回転中心軸Ｏを該工作機械システムの設置許容範囲内で十分に高い位置に設定した場合であっても、工具交換位置を加工主軸３６に容易に対応可能な比較的低い位置とすることができる。これにより、回転マガジン１００ａ、１００ｂの下方に十分なメンテナンススペースＭＳ（図９及び図１１参照）を確保することが可能となる。また、保持アーム１１６により工具Ｔ１を第２水平面Ｐ２内で旋回させるだけで加工主軸３６への工具Ｔ１の着脱を行うことができ、工具交換を一層迅速且つ容易に行うことができる。

なお、前記第１水平面Ｐ１及び第２水平面Ｐ２とは、工作機械システム１０を構成する基部となる定盤１３に平行な面であれば水平以外の面も含み、同様に、第２水平面Ｐ２は加工主軸３６の軸線方向と保持アーム１１６の旋回方向とを含む面であれば水平以外の面も含まれる。

本実施形態に係る工具交換装置１１ａ、１１ｂの場合、保持アーム１１６が前記傾斜角度θを有して円盤部１１２に取り付けられている。これにより、前記の特許文献１に記載の工具交換装置のように保持アームが放射状に突出している場合と比べて、回転マガジン１００ａ、１００ｂの全体としての直径を小さくすることができる。円盤部１１２の直径方向に沿って保持アーム１１６が突出しているよりも、所定角度θ傾いた状態で保持アームが突出している方が、該円盤部１１２の直径方向に沿った突出長が短くなるからである。これにより、工具交換装置１１ａ、１１ｂ及び工作機械システム１０の小型化が可能となり、前記メンテナンススペースＭＳを一層十分に確保することができる。当然、所定角度θ傾いた状態であっても保持アーム１１６の搭載本数は減少しない。

なお、回転マガジン８０ａ（８０ｂ）と回転マガジン１００ａ（１００ｂ）は、共に工具Ｔを格納しておくことができるが、用途に応じて使い分けるようにしてもよい。例えば、一週間の作業で必要な工具Ｔを回転マガジン１００ａに格納しておき、そのうち１日の作業で必要な工具Ｔを回転マガジン８０ａに格納させてもよい。この場合、回転マガジン８０ａと回転マガジン１００ａとの間で、工具交換装置１１ａ及び加工主軸３６を介して行うことができ、例えば、作業のない夜間に受け渡しを自動的に完了させておくとよい。

上記実施形態では、保持アーム１１６の可動部１１６ｂをシリンダ機構１０８により旋回させるものとして説明したが、これに限らず、例えば、各保持アーム１１６に可動部１１６ｂを旋回させる駆動部を備えるようにしてもよい。

本発明に係る工具交換装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本発明の一実施形態に係る工具交換装置を搭載した工作機械システムの一部切欠斜視図である。 図１に示す工作機械システムの正面図である。 図１に示す工作機械システムの側面図である。 図１に示す工作機械システムを構成する支持体及び加工主軸の断面側面図である。 図１に示す工作機械システムにおいて、プレート上に固定された回転マガジンにより工具交換を行う状態を示す一部断面斜視図である。 図５に示す工具交換をする際のコラム、回転マガジン及びその周辺部の拡大側面図である。 図１に示す工作機械システムの工具交換装置を構成する回転マガジンの矢印Ｘ方向から見た正面図である。 図７に示す工具交換装置の一部省略斜視図である。 図７に示す工具交換装置の各構成部品の位置関係を模式的に示す説明図である。 図１０Ａは、図７に示す工具交換装置を構成するシリンダ機構により保持アームを押圧する状態を示す説明図であり、図１０Ｂは、図１０Ａに示す状態から保持アームを旋回させて工具を加工主軸に装着した状態を示す説明図である。 図１０Ａに示す状態での加工主軸と工具交換装置との位置関係を示す説明図である。

符号の説明

１０…工作機械システム １０ａ…第１工作機械
１０ｂ…第２工作機械 １１ａ、１１ｂ…工具交換装置
１３…定盤 １８…コラム
２２…支持体 ３２…回転アーム
３６…加工主軸 ５０…ツールヘッド
８０ａ、８０ｂ、１００ａ、１００ｂ…回転マガジン
８４、１１６…保持アーム １０８…シリンダ機構
１０９、Ｏ…回転中心軸 １１２…円盤部
１１４…固定円盤部 １１６ａ…固定部
１１６ｂ…可動部 １１８、Ｏｙ…旋回軸
１２８…駆動モータ １３２…切欠部
Ｏｔ…工具中心軸 Ｐ１…第１水平面
Ｐ２…第２水平面 ＳＬ１…第１直線
ＳＬ２…第２直線 Ｔ、Ｔ１…工具
Ｗ…ワーク

Claims (4)

1. ワークに対する加工を行う加工主軸に着脱される複数の工具を格納する工具マガジンを有し、該工具マガジンに格納された工具の前記加工主軸への交換を行う工具交換装置であって、
   前記工具マガジンは、円中心を回転中心軸として回転駆動可能な円盤部と、
   前記円盤部の外周上に複数配置されて各工具を保持する保持アームと、
   を備えると共に、前記加工主軸の軸線方向に対して平行な鉛直面に設けられ、
   前記保持アームには旋回軸が連結されると共に、該保持アームは前記旋回軸により前記円盤部の外周上から外れる方向に旋回可能とされ、
   前記保持アームが前記加工主軸に向かって旋回したとき、前記加工主軸の軸線方向と、前記保持アームに保持された前記工具の中心軸の軸線とが一致することを特徴とする工具交換装置。
2. 請求項１記載の工具交換装置において、
   前記回転中心軸に沿う方向での正面視において、前記円盤部の回転中心軸と前記保持アームの旋回軸とを結ぶ第１直線が該円盤部の直径方向に沿うと共に、前記保持アームの旋回軸と前記保持アームに保持される工具の中心軸とを結ぶ第２直線が前記第１直線に対して所定角度傾斜していることを特徴とする工具交換装置。
3. 請求項１又は２記載の工具交換装置において、
   前記工具マガジンから前記加工主軸への工具交換位置は、所定の工具を保持した保持アームの前記第２直線が、前記円盤部の回転中心軸を含む第１水平面に平行な第２水平面に含まれる位置に設定されていることを特徴とする工具交換装置。
4. 請求項３記載の工具交換装置において、
   前記第２水平面に沿って伸縮自在なロッドを有するシリンダ機構を備え、
   前記保持アームは、前記ロッドにより押圧されることで前記円盤部の外周上から外れる方向に旋回されることを特徴とする工具交換装置。

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