JP5047037B2 - ツール取替装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業用ロボット装置に取り付けられるツール取替装置に関する発明であって、特に、ショックセンサを備えた中空形状（円筒）のツール取替装置に関する。

溶接・切断作業を行う産業用ロボット装置では、ロボットアームの先端部に位置するツールホルダに、溶接トーチや切断ツール等の各種ツールを取り付けて、溶接や切断等の作業を行っている。

ここで、産業用ロボット装置による溶接・切断作業は、ツールが作業対象物に接触・衝突等するため、溶接トーチ等の破損やロボット装置に負荷がかかるという問題がある。
また、例えば特許文献１に示すように、ツールの接触・衝突等は、溶接トーチの破損のみならず、ツールホルダに対して取り付け位置を位置決めして取り付けたツールが、取り付け位置からずれるという問題が生じていた。
そして、ツールの取り付け位置がずれると、正確な作業ができないため、作業を中断して再度位置決めをして取り付けるという煩雑さを伴うものであった。また、その取り付け作業もツールをツールホルダに対してボルト等により固定していたため、着脱が容易ではなかった。

前記したツールの接触・衝突等の問題に関して、通常、ロボットアームの先端部にショックセンサを取り付けることで、ツールの接触・衝突等を感知して改善を図る構成が知られている。
また、特許文献２には、接触・衝突等によるツールの取り付け位置のずれを防止するために、溶接トーチ等を接続するツールホルダに複数バネを設け、ツールが接触しても位置や傾きの誤差を吸収・修正するツールホルダが開示されている。
一方で、引用文献３においては、着脱容易化を図るために、ツールの取り付けについて、加圧エアを用いたホルダに係る発明が開示されている。

特開平５−１９２８９０号公報 特開平９−３３０１２５号公報 特開２００３−１１７８６８号公報

ここで、ロボットアームに取り付けられる溶接トーチ等のツールは重量が大きく、溶接トーチ等を移動させようとする位置に対して正確に移動させるためには、溶接トーチ等がロボットアームの長手方向の軸線上に配置されることが好ましい。
しかしながら、前記特許文献２によれば、前記ホルダは、位置及び傾きの誤差を吸収するバネがホルダ内部にあるため、ツールをホルダ内部に挿通させて保持すること、つまり、ツールをロボットアーム内に収容することができず、ロボットアームの外側でツールを保持しなければならなかった。
そのため、ツールをロボットアームの長手方向の軸線上に配置することができず、溶接トーチ等のツールを移動させるロボットアームの動作の正確性が損なわれるという問題があった。
また、ツールをねじやボルトで取り付けているため、ツールの着脱が煩雑になるという問題が解決されていない。

特許文献３によれば、エアによる加圧によりボール（図１の「ボール４７」参照）をツールプレート（図１の「ツールプレート３０」参照）に係合させることで、ツールを保持しているため、停電等により電力の供給が停止した場合に、加圧エアの供給が止まり、ツールプレートがボールと係合が解除され、溶接トーチ等がツールホルダから外れるという問題がある。
また、特許文献３によれば、溶接トーチ等がツールホルダからはずれてしまう場合に備えて、フェールセーフ機構を備えたとしても、エアによる加圧が止まれば、ボールとツールプレートとは係合しないため、溶接トーチ等はツールホルダの位置決めした取り付け位置からずれてしまうという問題を解消できない。

また、従来の中空形状のホルダにおいて、ショックセンサを備えたホルダは、存在しなかった。

前記問題に鑑み、本発明は、ツールの衝突等を検知することができ、電力の供給が停止しても、ツールを保持することができ、かつ、ツールの着脱が容易であって、ツールを移動させるロボットアームの動作の正確性を高めることができるツール取替装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明のツール取替装置は、ツールが挿入される先端側に取付穴が形成され、基端側がロボットアームの先端部に取り付けられるツール取替装置において、前記ツール取替装置は、先端側と、基端側と、先端側と基端側の間において内径側に向かって延出する第１延出部、第２延出部、第３延出部が形成された略円筒状のケース部材と、前記ケース部材の内側に位置し、前記第２延出部と前記第３延出部の間の前記ケース部材の内周面に向かって延出する第４延出部が形成された略円筒状の保持部材と、前記保持部材の先端側に位置し、前記保持部材と前記ケース部材の間に支持され、前記第１延出部と前記第３延出部の間の前記ケース部材の内周面に向かって延出する第５延出部が形成された略円筒状の可動部材とを備え、前記ケース部材は、前記第２延出部と前記第４延出部の間に第１弾性体を介して、前記保持部材を前記ケース部材の円筒軸方向に移動自在に支持すると共に、前記第３延出部と前記第５延出部の間に第２弾性体を介して、前記可動部材を前記ケース部材の前記円筒軸方向に移動自在に支持し、前記第３延出部の基端側端面に、前記第４延出部に当接して前記保持部材の移動を検知するショックセンサを備え、前記第１延出部の基端側端面には、前記第５延出部の先端側端面に流体を供給して第２弾性体の付勢力の方向と逆方向に前記可動部材を移動させる流体供給穴が形成され、前記保持部材には、前記可動部材との間に保持された係合ボールが前記保持部材の内周面側に突出自在となる突出穴が形成され、前記可動部材は、前記第２弾性体に付勢される前記第５延出部の先端側端面が前記第１延出部の基端側端面と当接したときに、前記係合ボールと対向する前記可動部材の内周面に当接することにより、前記係合ボールを前記突出穴から前記保持部材の内周面側に突出させる押出面を有すると共に、前記流体供給穴から供給された流体により、前記５延出部が前記第２弾性体の付勢に抗して押圧され、前記可動部材が前記基端側に移動したとき、前記係合ボールと対向する前記可動部材の内周面に、前記係合ボールが前記突出穴から前記可動部材の内周面側に移動して収容される溝部とが形成されたことを特徴とする。

前記した構成によれば、溶接トーチ等のツールをケース部材内に位置する保持部材に挿入して、ツールの被係合部と保持部材内に突出する係合ボールと係合させることにより、ツールをツール取替装置に保持することができる。
従って、ツール取替装置に保持されるツールは、ロボットアームの長手方向の軸線上に位置し、ロボットアームの動作の正確性を損なうという問題を解消することができる。

また、前記構成によれば、ケース部材に配置されたショックセンサが、保持部材に当接しているため、ツールが外部の部材に接触することによって、ツールを保持する保持部材が基端側に移動したときには、ショックセンサが保持部材の移動を検知することで、ツールが外部の部材に接触したことを検知することができる。

また、ツールの被係合部と係合ボール部材が係合するように、可動部材の突出面が係合ボール部材を押圧しているため、電力の供給が停止してもツールを保持部材から保持することができ、かつ、ツールの取付位置がずれるという問題も生じない。また、ツールを外す際には、第２バネの付勢力に抗して可動部材を流体により加圧するだけで、係合ボール部材が保持部材の外側に移動して、ツールを取り外し可能な状態となるため、ツールの着脱が容易である。

前記課題を解決するため、請求項２に係る発明のツール取替装置は、ツールが挿入される先端側に前記ツールの取付穴が形成され、基端側がロボットアームの先端部に取り付けられるツール取替装置において、前記ツール取替装置は、先端側と基端側に外径方向に延出する第１延出部と第２延出部とが形成された略円筒状のケース部材と、前記ケース部材の先端側に位置し、基端側が内径側に向かって延出して前記ケース部材の前記第１延出部と前記第２延出部との間に位置する第３延出部と、先端側が内径側に向かって延出する第４延出部と、前記第３延出部と第４延出部の間に、内径側に延出する第５延出部とが形成された略円筒状の保持部材と、前記保持部材の内側に位置し、先端側と基端側の間において外径側に向かって延出して前記第４延出部と前記第５延出部との間に位置する第６延出部が形成された可動部材とを備え、前記ケース部材は、前記第２延出部と前記第３延出部の間に第１弾性体を介して、前記保持部材を前記ケース部材の円筒軸方向に移動自在に支持すると共に、第２延出部の先端側端面に配設され、円筒方向に移動する前記保持部材の前記第３延出部の基端側端面に当接することによって、前記保持部材の移動を検知するショックセンサを備えており、前記保持部材は、前記第５延出部と前記第６延出部の間に第２弾性体を介して、前記可動部材を前記保持部材の前記円筒軸方向に移動自在に支持すると共に、前記第４延出部の基端側端面には、前記第６延出部の先端側端面に流体を供給して第２弾性体の付勢力の方向と逆方向に前記可動部材を移動させる流体供給穴が形成されており、前記第５延出部の内径側端面から先端側に延出する第７延出部が形成され、かつ、前記第７延出部には、前記可動部材との間に保持された係合ボールが前記保持部材の内周面側に突出自在となる突出穴が形成されており、前記可動部材は、前記第２弾性体に付勢される前記第６延出部の先端側端面が前記第４延出部の基端側端面と当接したときに、前記係合ボールと対向する前記可動部材の内周面に当接することにより、前記係合ボールを前記突出穴から前記保持部材の内周面側に突出させる押出面を有すると共に、前記流体供給穴から供給された流体により、前記６延出部が前記第２弾性体の付勢に抗して押圧され、前記可動部材が前記基端側に移動したとき、前記係合ボールと対向する前記可動部材の内周面に、前記係合ボールが前記突出穴から前記可動部材の内周面側に移動して収容される溝部とが形成されたことを特徴とする。

前記した構成によれば、溶接トーチ等のツールをケース部材の先端側に位置する保持部材に挿入して、ツールの被係合部と保持部材内に突出する係合ボールと係合させることにより、ツールをツール取替装置に保持することできる。
従って、ツール取替装置に保持されるツールは、ロボットアームの長手方向の軸線上に位置し、ロボットアームの動作の正確性を損なうという問題を解消できる。

また、前記構成によれば、ケース部材と保持部材との間にショックセンサが配置されているため、ツールが外部の部材に接触することによって、ツールを保持する保持部材が基端側に移動したときには、ショックセンサを保持部材の移動を検知することで、ツールが外部の部材に接触したことを検知することができる。

また、ツールの被係合部と係合ボール部材が係合するように、可動部材の突出面が係合ボール部材を押圧しているため、電力の供給が停止してもツールを保持することができ、かつ、ツールの取付位置がずれるという問題も生じない。また、ツールを外す際には、第２バネの付勢力に抗して可動部材を流体により加圧するだけで、係合ボール部材が保持部材の外側に移動して、ツールを取り外し可能な状態となるため、ツールの着脱が容易である。

請求項３に係る発明のツール取替装置は、前記第１弾性体と前記第２弾性体は、バネであり、前記ケース部材の円周方向に沿って所定間隔で当該バネが配置されることを特徴とする。

前記構成によるツール取替装置では、バネという機械的な力による付勢力を用いて、ツールを係合することができる。

本発明に係るツール取替装置によれば、ツールの衝突等を検知することができ、電力の供給が停止しても、ツールを保持することができ、かつ、ツールの着脱が容易であって、ツールを移動させるロボットアームの動作の正確性を高めることができる。

次に本発明の一実施形態に係るツール取替装置について、図１〜７を参照して説明する。尚、図１は、溶接トーチを保持した産業用ロボット装置を示す側面図である。図２は、ツール取替装置を示す斜視図である。図３は、図２に示すツール取替装置をＡ−Ａ線に沿って切り出した断面図である。図４は、図３に示されたツール取替装置の枠Ｂの部分を拡大した断面拡大図である。図５は、ツール取替装置に対して溶接トーチを挿入する方法を示す斜視図である。図６は、溶接トーチとツール取替装置とが係合する過程を示す拡大断面図である。図７は、保持部材が元の位置に復帰する過程を示す図である。

産業用ロボット装置１００は、図１に示すように、６軸方向に自在に移動できるロボットアーム２の先端部にツール取替装置１が設けられており、そのツール取替装置１によって溶接トーチ３を保持している。
ロボットアーム２は、各アームの関節部位が図１に示す矢印の方向にそれぞれ回動することで、先端部にツール取替装置１を介して保持された溶接トーチ３を３次元空間の所定の位置へ移動させることができる。
また、ロボットアーム２の内部は中空に形成されており、溶接ワイヤやケーブル４が挿通されている。
ツール取替装置１に保持される溶接トーチ３は、加工する対象物に対しアーク溶接等を行うツールである。この溶接トーチ３に供給される電力、シールドガス、冷却水及び溶接ワイヤは、ロボットアーム２内に挿通されたケーブル４を通じて供給される。

次に、ツール取替装置１について、図２〜４を参照して説明する。
ツール取替装置１は、図２に示すように、基端側がロボットアーム２の先端側に取り付けられ、先端側から基端側に亘って取付穴１１が形成された円筒状のケース部材１０と、このケース部材１０の内部に位置した円筒状の保持部材２０と、ケース部材１０と保持部材２０との間に位置する可動部材３０と、を備えている。
また、保持部材２０と可動部材３０との間には、保持部材２０の内周面側に突出自在なように係合ボール２９が保持されており、この係合ボール２９が保持部材２０の内周面側に突出して、保持部材２０に挿入された溶接トーチ３の被係合部と係合することで、保持部材２０に溶接トーチ３が保持されるように構成されている。
また、ケース部材１０には、保持部材２０の移動を検知するショックセンサ４０（図３参照）が設けられている。そして、ケース部材１０は、後述する第１バネ２６により保持部材２０を円筒方向に移動自在に支持し、第２バネ３９により可動部材３０を円筒方向に移動自在に支持している。

ケース部材１０は、図３に示すように、略円筒状であって、ツールが挿通可能な取付穴１１が先端側から基端側に亘って形成されており、内径側に向かって延出した第１延出部１２ａ〜第３延出部１２ｃが円周方向に沿って形成されている。また、ケース部材１０の基端部には、ロボットアーム２の先端部に取り付けられるフランジ１９が形成されている。

第１延出部１２ａは、図４に示すように、ケース部材１０の先端側において、ケース部材１０の内周面が内径側に向かって延出した部位であり、この第１延出部１２ａの内径は、後記する可動部材３０の先端側の外径と略同一の径に形成されている。

また、第１延出部１２ａの基端側端面には、後述する加圧エア供給穴５１が形成されている。この加圧エア供給穴５１は、円周方向に連続して形成されている構成、または、円周方向に所定の間隔を空けて形成されている構成であってもよい。

第２延出部１２ｂは、ケース部材１０の基端側において、ケース部材１０の内周面が内径側に向かって延出した部位であり、円周方向に連続して形成される。また、この第２延出部１２ｂの内径は、保持部材２０の内径よりも小さい径で形成されている。

また、第２延出部１２ｂの先端側端面には、基端側に向かって形成された溝である第１バネ深穴１４が、円筒軸を中心として円周方向に所定の間隔をあけて、環状的に複数形成されている。そして、第１バネ深穴１４には、第１バネ２６の一端側が固定されている。尚、実施形態に係る第１バネ２６は、コイルバネを用いているが、板バネであってもよい。

第３延出部１２ｃは、ケース部材１０の先端側と基端側の間において、ケース部材１０の内周面が内径側に向かって円周方向に連続して延出した部位であり、この第３延出部１２ｃの内径は、後記する保持部材２０の保持部２１の外径よりも大きく形成されている。

また、第３延出部１２ｃの先端側端面には、基端側に向かって形成された溝である第２バネ深穴１７が、円筒軸中心に環状的に複数形成されている。そして、複数の第２バネ３９の一端側が、第２バネ深穴１７に固定されている。尚、実施形態に係る第２バネ３９は、コイルバネを用いているが、板バネであってもよい。

また、第３延出部１２ｃの基端側端面には、図３に示すように、円周方向に沿って溝が形成されている。そして、その円周方向に形成された溝に、位置修正ボール１５ａが、その球面を基端側に突出する状態でボール保持部材１５ｂに保持されるように、所定間隔をあけて配設されている。そして、位置修正ボール１５ａの球面は、第３延出部１２ｃの基端側端面よりも、基端側に突出するように形成されている。

また、第３延出部１２ｃの基端側端面には、図４に示すように、後記するショックセンサ４０を収容するショックセンサ収容空間１６が形成されている。また、ショックセンサ収容空間１６は、周方向に等間隔で４つ形成されており、それぞれのショックセンサ収容空間１６毎にショックセンサ４０が固定される。また、ショックセンサ４０は、対象物に先端部を当接させることで、対象物の変位を検知する公知のセンサである。

第１延出部１２ａと第３延出部１２ｃとの間には、ケース部材１０の内周面が外径方向に向かって形成された溝である可動部材収容穴１３ａが円周方向に沿って形成されている。この可動部材収容穴１３ａの径は、後述する可動部材３０に形成された第５延出部３１の外径と略同一の径を有するように形成されている。

第２延出部１２ｂと第３延出部１２ｃとの間には、外径方向に向かって保持部材収容穴１３ｂが円周方向に沿って形成されている。この保持部材収容穴１３ｂの基端側の径は、後記する保持部材２０の第４延出部２２の外径より大きく形成されている。
また、保持部材収容穴１３ｂの先端側は、ケース部材１０の第３延出部１２ｃに対して斜めに形成されているガイド面１８が形成されている。

次に、可動部材３０について説明する。
可動部材３０は、図４に示すように、ケース部材１０の先端側に挿入される円筒状の部材であり、その内径は、保持させる溶接トーチ３が挿通可能なように、溶接トーチ３の被保持部材の外径よりも大きい径で形成されている。

可動部材３０には、可動部材収容穴１３ａに収容される第５延出部３１が円周方向に沿って形成されている。なお、ケース部材１０の可動部材収容穴１３ａの円筒軸方向の長さは、第５延出部３１の円筒軸方向の長さよりも長く形成されている。また、第３延出部１２ｃの先端側に形成された溝の円筒軸方向の長さは、第５延出部３１の基端側端面が第３延出部の先端側端面と当接できる程度の長さに形成されている。したがって、可動部材３０は、ケース部材１０の円筒軸方向に摺動可能な状態でケース部材１０に支持されている。

また、可動部材３０の第５延出部３１には、第２バネ浅穴３２が円周方向に沿って所定の間隔で形成されており、一端側がケース部材１０の第１延出部１２ａに形成された第２バネ深穴１７に固定された第２バネ３９の他端側が固定されている。なお、第２バネ３９は、第５延出部３１の先端側端面が、常時、ケース部材１０の第１延出部１２ａの先端側端面に当接する程度の付勢力であり、常に可動部材３０を先端側に付勢するようになっている。

また、可動部材３０の内周面基端側は、基端側から先端側に向かって溝が形成されている。この溝の円筒軸方向の長さは、加圧エアが供給されることによって可動部材３０が基端側に移動して、第５延出部３１の基端側端面と第３延出部１２ｃの先端側端面とが当接することができる程度の長さである。

また、可動部材３０には、加圧室３３が第５延出部３１の先端側端面に形成されている。この加圧室３３は、第１延出部１２ａの基端側端面に形成された加圧エア供給穴５１と、第５延出部の先端側端面とが対向する間の空間に形成されている。
したがって、加圧室３３が形成されているため、加圧エア供給穴５１に供給された加圧エアが加圧室３３に流れ込むと、第５延出部３１が基端側に移動することになる。すなわち、可動部材３０が第２バネ３９の付勢力に抗して、基端側に移動することとなる。
そして、可動部材３０が第２バネ３９の付勢力に抗して基端側に移動すると、後述する係合ボール２９は、制止面３６と当接せず、溝部３４に収納されることとなる。
なお、供給される加圧エアは、第２バネ３９によって先端側に付勢された可動部材３０が基端側に移動できる程度であればよい。また、加圧室３３に送り込まれた加圧エアが、漏れないようにするために、ケース部材１０と可動部材３０との間には、Ｏリング５２が装備されている。

また、可動部材３０の内周面には、先端側から基端側に向かって順に、溝部３４、押出面３５、制止面３６が形成されている。

溝部３４は、可動部材３０の内周面から外径に向かって円周方向に沿って形成された溝である。制止面３６は、溝部３４の径よりも内側に位置する平面である。また、押出面３５は、溝部３４と制止面３６との間に位置する傾斜面である。そして、溝部３４は後述する係合ボール２９を収納し、係合ボール２９が突出穴２３から突出させないための溝である。また、押出面３５は、溝部３４に位置する係合ボール２９を突出穴２３に移動させて係合ボール２９の一部を突出穴２３から突出させるための斜面である。さらに、制止面３６は、係合ボール２９の一部を突出穴２３から突出した状態を維持するための平面である。

次に、保持部材２０について説明する。
保持部材２０は、図４に示すように、略円筒状の保持部２１と、保持部材収容穴１３ｂに収容される円周方向に沿って形成された第４延出部２２と、後述する係合ボール２９が保持部材２０の内周面側に突出自在な穴である突出穴２３とを有する。
ケース部材１０の保持部材収容穴１３ｂの径は、第４延出部２２の外径より大きく形成されていると共に、ケース部材１０の第３延出部１２ｃの内径は、保持部２１の外径よりも大きく形成され、保持部材２０がケース部材１０内に支持されている。また、保持部材２０の外径よりもケース部材１０の内径のほうが大きいため、保持部材２０は、ケース部材１０内において、外径方向（円筒軸方向に直交する方向）に移動することができる。

保持部２１は、略円筒状であって、その内側にツールが挿通できるように、内径がツールの被保持部材の外径と略同一の径で形成されている。
また、保持部２１の外径は、保持部２１の外周面側に位置する第３延出部１２ｃや可動部材３０の制止面３６の内径よりも小さい径であり、かつ、第４延出部２２の後述する摺動面２８が保持部材収容穴１３ｂに形成されたガイド面１８と当接した状態となるように形成されている。

また、第４延出部２２の基端側端面には、第１バネ浅穴２５が形成されている。この第１バネ浅穴２５には、一端側がケース部材１０の第２延出部１２ｂの第１バネ深穴１４に固定された第１バネ２６の他端側が、当該第１バネ２６を固定するためのエンジニアプラスチックを介して固定されている。
なお、第１バネ２６は、第４延出部２２の先端側端面が、常時、ケース部材１０の第３延出部１２ｃの先端側端面に当接する程度の付勢力となっている。
これによって、保持部材２０は、ケース部材１０内に設けられた複数の第１バネ２６によって、常時、円筒方向に沿って先端側方向に付勢され、かつ、第４延出部２２の先端側端面が、ケース部材１０の第３延出部１２ｃの基端側端面に当接した状態となる。

また、保持部材２０が基端側に移動した後に、第１バネ２６の付勢力によって、先端側に復帰する際に、保持部材２０が円筒軸の径方向にずれていた場合には、第４延出部２２の摺動面２８が、ケース部材１０のガイド面１８に沿って先端側に移動するため、保持部材２０の円筒軸の径方向のずれが修正される。
また、第１バネ２６によって先端側に付勢された第４延出部２２の先端面側には、位置修正溝２７が形成されているため、この位置修正溝２７と、ケース部材１０の第３延出部１２ｃの基端側端面から突出して配置されている位置修正ボール１５ａとが係合することによって、保持部材２０の円筒軸の周方向にずれが修正される。

ここで、ケース部材１０内のショックセンサ収容空間１６に収容されたショックセンサ４０は、ショックセンサ４０の先端部が第４延出部２２の先端側端面を当接するように取り付けられている。したがって、保持部材２０が保持する溶接トーチ３が外部の部材と接触して、保持部材２０が基端側に移動した場合には、ショックセンサ４０の先端部が保持部材２０の移動を検知する。

また、第４延出部２２の先端側端面には、斜面である摺動面２８が形成され、ケース部材１０のガイド面１８と当接している。

保持部２１の突出穴２３は、図４に示すように、円周方向に沿って所定間隔に形成されている。また、突出穴２３の上下方向の位置は、第４延出部２２の先端側端面が、ケース部材１０の第３延出部１２ｃの基端側端面に当接し、かつ、ケース部材１０の第１延出部１２ａの基端側端面に、可動部材３０の第５延出部３１の先端側端面が当接した状態（以下、「常時状態」という。）において、可動部材３０の制止面３６と対向する位置に形成されている。
また、突出穴２３は、保持部２１の内周面側から外周面側に向かうに連れて拡径されるように貫穴してなるが、内周面側の穴の直径は、この突出穴２３に挿通される係合ボール２９の直径よりも小さい径であって、外周側の穴の直径は、係合ボール２９の直径よりも大きい径に形成されてなる。
係合ボール２９は、突出穴２３と可動部材３０の溝部３４、押出面３５、制止面３６との間に配置されている。また、係合ボール２９の直径は、保持部２１の外周面側に位置する制止面３６と当接した状態において、突出穴２３に嵌まり、かつ、保持部２１の内周面側に突出する径に形成されている。尚、係合ボール２９の材料としては、鋼材などの硬質部材が例として挙げられるが、これに限定されるものではない。

これによって、常時状態（エアが供給されていない状態）において、保持部２１内に挿通された溶接トーチ３の被係合部と、保持部２１の内周面側に突出する係合ボール２９が係合することが可能となる。
また、係合ボール２９は、可動部材３０の制止面３６と当接するため、保持部２１の外径方向に移動することがなく、係合ボール２９と溶接トーチ３の被係合部との係合状態を維持することが可能である。
なお、保持部２１内に溶接トーチ３が挿通されていない状態において、突出穴２３の内周側の穴の直径が係合ボール２９の直径よりも小さいため、係合ボール２９が保持部２１の内周面側に脱落しない。

また、可動部材３０の加圧室３３に加圧エアが供給され、第２バネ３９に抗して可動部材３０が基端側に移動した場合には、保持部２１に形成された突出穴２３の外周面側に可動部材３０の溝部３４が位置するため、突出穴２３内に支持される係合ボール２９が、溝部３４に移動することが可能となる。また、溝部３４は、係合ボール２９が保持部材２０の突出穴２３から保持部材２０の内周面側に突出している分だけ、外径方向に向かって形成された溝であるため、溝部３４内に移動した係合ボール２９は、保持部材２０の内周面側に突出することもない。

次に、実施形態に係るツール取替装置１を備えた産業用ロボット装置１００に、溶接トーチ３を取り付ける手順を説明する。
尚、ツール取替装置１は、ツールである溶接トーチ３をツール取替装置１の先端側の取付穴１１側から挿入し取付けるタイプと、ツール取替装置１の基端側のロボットアーム２に形成された取付け用の穴から、溶接トーチ３を収容し、ツール取替装置１の基端側から先端側に向けて取付けるタイプとがある。

溶接トーチ３は、図５に示すように、ツール取替装置１に保持される略円筒状の被保持部材７と、被保持部材７の外周基端側から先端側に向かって形成された溝部５と、被保持部材７の外周面の周方向に形成された溝である被係止部６と、被保持部材７の基端側端面から送給装置に亘って配線されたケーブル４とを備えている。
溶接トーチ３をツール取替装置１の基端側から先端側に向けて取付けるタイプの場合、図５に示すように、溶接トーチ３の先端側をロボットアーム２内に形成された穴に向けて、溶接トーチ３を挿入する。その際、溶接トーチ３の溝部５をツール取替装置１の内周面側に形成された突出部２４と係合するように挿入する。
また、溶接トーチ３をツール取替装置１の先端側の取付穴１１側から挿入し取付けるタイプの場合、溶接トーチ３は、送給装置からケーブル４を一旦外した状態で、溶接トーチ３の基端側をツール取替装置１の取付穴１１に向けて挿入する。その際、ケーブル４はロボットアーム２内を挿通させて、送給装置に接続する。

次に、図６を用いて、溶接トーチ３の被保持部材７とツール取替装置１の保持部材２０とが係合する過程を説明する。ここで、図６に示す図は、図３に示すツール取替装置１の断面図の枠Ｃで囲まれた箇所の拡大図である。

図６（ａ）に示すように、加圧エアを加圧室３３に供給していない状態では、係合ボール２９は保持部材２０の内周面側に突出しているため、溶接トーチ３の被保持部材７が係合ボール２９に干渉して、溶接トーチ３を保持部材２０の内部に挿入できない。
従って、図６（ｂ）に示すように、溶接トーチ３を挿入する際には、加圧エア供給穴５１に、加圧エアを送り込み、加圧室３３に加圧エアが供給されると、可動部材３０の第５延出部３１が加圧エアによって基端側に押圧され、第２バネ３９に抗して可動部材３０が基端側に移動する。
そして、保持部材２０内に挿入された溶接トーチ３の被保持部材７によって係合ボール２９は、保持部材２０の外側に押し出されて溝部３４内に移動し始める。さらに溶接トーチ３の被保持部材７が基端側に移動すると、係合ボール２９は、溝部３４内に入り込み、保持部材２０の内周面から突出していない状態となるため、被保持部材７の挿入を妨げない。

次に、図６（ｃ）に示すように、溶接トーチ３の被保持部材７が保持部材２０内に挿入された状態で、加圧エアの供給をやめると、第２バネ３９が可動部材３０を先端側に付勢するため、係合ボール２９は、押出面３５により保持部材２０の内周面側に向かって、押し出される。
そして、図６（ｄ）に示すように、押出面３５に押し出された係合ボール２９が、溶接トーチ３の被保持部材７に形成された被係止部６内に突出し係合することで、保持部材２０に溶接トーチ３が保持される。また、係合ボール２９が係合している状態において、係合ボール２９は、制止面３６と当接し、保持部材２０の外周方向に移動ができなくなる。
以上の過程により、保持部材２０内に溶接トーチ３の被保持部材７が保持され、溶接トーチ３がツール取替装置１に装着される。

次に、溶接トーチ３が加工対象物など外部の部材に接触する状態について説明する。溶接トーチ３がと、溶接トーチ３を保持する保持部材２０は接触時の衝撃によって基端側に移動することになる。

このとき、図７（ａ）に示すように基端側に移動した保持部材２０は、第１バネ２６により先端側に付勢される。
また、保持部材２０は、軸方向のみならず、径方向にも移動する場合がある。図７（ｂ）に示す図は、保持部材２０が径方向にずれた場合の図である。この場合、保持部材２０の摺動面２８は、ケース部材１０のガイド面１８と当接する。そして、第１バネ２６に付勢される保持部材２０は、ガイド面１８に沿って径方向のずれを修正しながら、先端側に移動する。

また、ガイド面１８に沿って元の位置に戻ったとしても、図７（ｃ）に示すように、保持部材２０が周方向にずれている可能性がある。
この場合、保持部材２０に形成された位置修正溝２７の先端側が、ケース部材１０の位置修正ボール１５ａと当接する。そして、位置修正溝２７の先端側は、球状である位置修正ボール１５ａの表面を摺動して、位置修正ボール１５ａの球面が位置修正溝２７内に収まる。これによって、図７（ｄ）に示すように、保持部材２０は、周方向の位置のずれを修正し、元の位置に復帰することができる。

また、図４に示すように、ショックセンサ４０の先端部は、保持部材２０の第４延出部２２に当接した状態で装着されているため、溶接トーチ３が接触した場合には、保持部材２０が基端側に移動したことを検知する。したがって、ショックセンサ４０は、溶接トーチ３が他の部材と不要な接触をしていると判断することができる。そのため、ショックセンサ４０の信号より、ロボットアーム２は動作を停止することができる。また、ショックセンサ４０はケース部材１０内の周方向に等間隔で４つ備え付けられているため、４つのショックセンサ４０が、保持部材２０がどの方向にどの程度移動したかを検知することによって、ケース部材１０内における保持部材２０の基端側への移動に加えて、保持部材２０の径方向と周方向への移動も検知することも可能である。

また、図６（ｄ）に示すように、係合ボール２９は、可動部材３０の制止面３６と当接し、径方向に移動できないため、溶接作業中に停電等によって電力の供給が停止した場合であっても、溶接トーチ３がツール取替装置１から外れることがない。

以上、説明したように、実施形態に係るツール取替装置によれば、溶接トーチ等のツールをツール取替装置内に保持できるため、ロボットアームの長手方向の軸上に位置し、ロボットアームの動作の正確性を損なうという問題を解消することができる。また、保持部材に保持されたツールは、加圧エアを供給しない限り外れないため、電力の供給が停止してもツールがツール取替装置１から外れることがない。

その他、本発明の変形例として、図８に示すように、ツール取替装置１０１が挙げられる。ツール取替装置１０１とツール取替装置１との異なる点は、前記したツール取替装置１では、ケース部材１０の内側に保持部材２０が配置されているが、図８に示す変形例では、ケース部材１１０の外側に保持部材１２０が配置され、その保持部材１２０の内側に可動部材１３０が取付けられるとともに、加圧エア供給穴１５１が形成されている点が異なっている。

ケース部材１１０は、円筒状であって、その円筒状の外周面の先端側と基端側とには、外径方向に延出した第１延出部１１１と第２延出部１１２が形成されている。
そして、保持部材１２０の基端側には、内径側に延出した第３延出部１２１が形成され、その第３延出部１２１は、ケース部材１１０の外周面側に形成された第１延出部１１１と第２延出部１１２との間に位置している。
また、保持部材１２０の先端側には、内径側に延出する第４延出部１２２が形成され、その第４延出部１２２と基端側に形成された第３延出部１２１との間に、内径側に延出した第５延出部１２３が形成されている。
可動部材１３０は、外径方向に延出した第６延出部１３１が形成され、保持部材１２０の第４延出部１２２と第５延出部１２３との間に位置している。

ケース部材１１０の第２延出部１１２の先端側端面と保持部材１２０の第３延出部１２１の基端側端面との間に第１バネ１２６が配置されている。第１バネ１２６が動き易くなり、ツール取替装置１０１が物に衝突してから止まるまでの惰性の力を分散させやすくする。
尚、保持部材１２０の第５延出部１２３の先端側端面と可動部材１３０の第６延出部１３１の基端側端面との間には第２バネ１３９が配設され、可動部材１３０が保持部材１２０の内側で円筒軸方向に移動自在に支持されている。また、保持部材１２０の第４延出部１２２の基端側端面には、加圧エア供給穴１５１が形成されている。

また、保持部材１２０の第５延出部１２３の内径側端面には、先端側に延出する第７延出部１２４が形成され、第７延出部１２４には溶接トーチ３の被係合部と係合する係合ボール１２９が支持されている。また、可動部材１３０は、その内周面側に、係合ボール１２９を収納する溝部１３４、係合ボール１２９を保持部材１２０の内周面側に突出するための押出面１３５と、係合ボール１２９が保持部材１２０の内周面側に突出した状態を維持するための制止面１３６が形成されている。

また、図示しないが、ショックセンサは、ケース部材１１０の第２延出部１１２の先端側端面と保持部材１２０との間に配置される。これによって、図示しないショックセンサが保持部材１２０の移動を検知すると、保持部材１２０が保持する溶接トーチ３が接触したことを判断することができる。

実施形態に係るツール取替装置を備えた産業用ロボット装置の全体を示す側面図である。 実施形態に係るツール取替装置の全体を示す斜視図である。 図２に示すツール取替装置をＡ−Ａ線に沿って切り出した断面図である。 図３に示されたツール取替装置の枠Ｂの部分を拡大した断面拡大図である。 ツール取替装置に対して溶接トーチを挿入する方法を示す斜視図である。 溶接トーチの被保持部材と保持部材との係合過程を示す拡大断面図である。 保持部材が元の位置に復帰する過程を示す図である。 変形例に係るツール取替装置の断面を示す断面図である。

符号の説明

１ ツール取替装置
２ ロボットアーム
３ 溶接トーチ
４ ケーブル
５ 溝部
６ 被係止部
７ 被保持部材
１０ ケース部材
１１ 取付穴
１２ａ 第１延出部
１２ｂ 第２延出部
１２ｃ 第３延出部
１３ａ 可動部材収容穴
１３ｂ 保持部材収容穴
１４ 第１バネ深穴
１５ａ 位置修正ボール
１５ｂ ボール保持部材
１６ ショックセンサ収容空間
１７ 第２バネ深穴
１８ ガイド面
１９ フランジ
２０ 保持部材
２１ 保持部
２２ 第４延出部
２３ 突出穴
２４ 突起部
２５ 第１バネ浅穴
２６ 第１バネ
２７ 位置修正溝
２８ 摺動面
２９ 係合ボール
３０ 可動部材
３１ 第５延出部
３２ 第２バネ浅穴
３３ 加圧室
３４ 溝部
３５ 押出面
３６ 制止面
３９ 第２バネ
４０ ショックセンサ
５１ 加圧エア供給穴
５２ Ｏリング
１００ 産業用ロボット装置
１０１ ツール取替装置
１１０ ケース部材
１１１ 第１延出部
１１２ 第２延出部
１２０ 保持部材
１２１ 第３延出部
１２２ 第４延出部
１２３ 第５延出部
１２４ 第７延出部
１２６ 第１バネ
１３０ 可動部材
１３４ 溝部
１３５ 押出面
１３６ 制止面
１３９ 第２バネ
１５１ 加圧エア供給穴

Claims (3)

1. ツールが挿入される先端側に前記ツールの取付穴が形成され、基端側がロボットアームの先端部に取り付けられるツール取替装置において、
   前記ツール取替装置は、
   先端側と、基端側と、先端側と基端側の間において内径側に向かって延出する第１延出部、第２延出部、第３延出部が形成された略円筒状のケース部材と、
   前記ケース部材の内側に位置し、前記第２延出部と前記第３延出部の間の前記ケース部材の内周面に向かって延出する第４延出部が形成された略円筒状の保持部材と、
   前記保持部材の先端側に位置し、前記保持部材と前記ケース部材の間に支持され、前記第１延出部と前記第３延出部の間の前記ケース部材の内周面に向かって延出する第５延出部が形成された略円筒状の可動部材とを備え、
   前記ケース部材は、
   前記第２延出部と前記第４延出部の間に第１弾性体を介して、前記保持部材を前記ケース部材の円筒軸方向に移動自在に支持すると共に、前記第３延出部と前記第５延出部の間に第２弾性体を介して、前記可動部材を前記ケース部材の前記円筒軸方向に移動自在に支持し、
   前記第３延出部の基端側端面に、前記第４延出部に当接して前記保持部材の移動を検知するショックセンサを備え、
   前記第１延出部の基端側端面には、前記第５延出部の先端側端面に流体を供給して第２弾性体の付勢力の方向と逆方向に前記可動部材を移動させる流体供給穴が形成され、
   前記保持部材は、前記可動部材との間に保持された係合ボールが前記保持部材の内周面側に突出自在となる突出穴が形成され、
   前記可動部材は、
   前記第２弾性体に付勢される前記第５延出部の先端側端面が前記第１延出部の基端側端面と当接したときに、前記係合ボールと対向する前記可動部材の内周面に当接することにより、前記係合ボールを前記突出穴から前記保持部材の内周面側に突出させる押出面を有すると共に、
   前記流体供給穴から供給された流体により、前記第５延出部が前記第２弾性体の付勢に抗して押圧され、前記可動部材が前記基端側に移動したとき、前記係合ボールと対向する前記可動部材の内周面に、前記係合ボールが前記突出穴から前記可動部材の内周面側に移動して収容される溝部とが形成されたことを特徴とするツール取替装置。
2. ツールが挿入される先端側に前記ツールの取付穴が形成され、基端側がロボットアームの先端部に取り付けられるツール取替装置において、
   前記ツール取替装置は、
   先端側と基端側に外径方向に延出する第１延出部と第２延出部とが形成された略円筒状のケース部材と、
   前記ケース部材の先端側に位置し、基端側が内径側に向かって延出して前記ケース部材の前記第１延出部と前記第２延出部との間に位置する第３延出部と、先端側が内径側に向かって延出する第４延出部と、前記第３延出部と第４延出部の間に、内径側に延出する第５延出部とが形成された略円筒状の保持部材と、
   前記保持部材の内側に位置し、先端側と基端側の間において外径側に向かって延出して前記第４延出部と前記第５延出部との間に位置する第６延出部が形成された可動部材とを備え、
   前記ケース部材は、
   前記第２延出部と前記第３延出部の間に第１弾性体を介して、前記保持部材を前記ケース部材の円筒軸方向に移動自在に支持すると共に、
   前記第２延出部の先端側端面に配設され、円筒方向に移動する前記保持部材の前記第３延出部の基端側端面に当接することによって、前記保持部材の移動を検知するショックセンサを備えており、
   前記保持部材は、
   前記第５延出部と前記第６延出部の間に第２弾性体を介して、前記可動部材を前記保持部材の前記円筒軸方向に移動自在に支持すると共に、
   前記第４延出部の基端側端面には、前記第６延出部の先端側端面に流体を供給して前記第２弾性体の付勢力の方向と逆方向に前記可動部材を移動させる流体供給穴が形成されており、
   前記第５延出部の内径側端面から先端側に延出する第７延出部が形成され、かつ、
   前記第７延出部には、前記可動部材との間に保持された係合ボールが前記保持部材の内周面側に突出自在となる突出穴が形成されており、
   前記可動部材は、
   前記第２弾性体に付勢される前記第６延出部の先端側端面が前記第４延出部の基端側端面と当接したときに、前記係合ボールと対向する前記可動部材の内周面に当接することにより、前記係合ボールを前記突出穴から前記保持部材の内周面側に突出させる押出面を有すると共に、
   前記流体供給穴から供給された流体により、前記第６延出部が前記第２弾性体の付勢に抗して押圧され、前記可動部材が前記基端側に移動したとき、前記係合ボールと対向する前記可動部材の内周面に、前記係合ボールが前記突出穴から前記可動部材の内周面側に移動して収容される溝部とが形成されたことを特徴とするツール取替装置。
3. 前記第１弾性体と前記第２弾性体は、バネであり、前記ケース部材の円周方向に沿って所定間隔で当該バネが配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のツール取替装置。

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