JP5783068B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工具を把持する把持アームを、工具を交換する交換位置に搬送し、搬送された把持アームに把持された工具を加工位置から交換位置に移動した加工部に装着し、加工部を加工位置に移動させてワークを加工する工作機械に関する。

一般に工作機械は、フライス加工、ねじ立て等種々の加工を行う。工作機械は、複数の工具を格納する工具マガジンを備える。工具マガジンは複数の工具を循環させることができる。工作機械は制御部からの指令に基づき工具マガジンにて工具を循環させて、所定の工具を取り出す。そして加工部（例えば主軸）に装着された工具と交換し、目的の加工を行う。

特許文献１には、工具収納装置（工具マガジン）及び該工具収納装置を備える工作機械が開示してある。工具収納装置は、チェーン及びスプロケットを有し、チェーンには工具を収容する複数の工具ポットが連結している。スプロケットはモータ等の駆動源に連結しており、スプロケットの回転によって所望の工具ポット（工具）を、工具を交換する交換位置に搬送する。

特開平１１−４８０７６号公報

チェーンは複数の部品を連結して構成し、スプロケットに噛合した位置から離れるに従って各部品の寸法公差が累積する。そのため工具を交換位置まで搬送するために必要な予め算出した回転数だけスプロケットを回転させても、交換位置から偏倚した位置に工具が搬送されることがある。

その場合、工具と加工部との位置が整合せず、工具の加工部への取り付けが不可能になるか又は本来の位置から偏倚した位置に工具を取り付けた状態で加工部が回転し、ワークの加工中に工具が破損するおそれがある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、駆動源から離反した交換位置において、工具と加工部との位置を整合させることができる工作機械を提供することを目的とする。

本発明に係る工作機械は、工具を把持し、中途部に設けた枢軸によって揺動可能な複数の把持アームと、該把持アームを案内するレールと、該レールに案内された把持アームに把持してある工具を装着してワークを加工する加工部とを備え、該加工部はワークを加工する加工位置と工具を交換する交換位置との間を移動するようにしてある工作機械であって、前記レールは交換位置を経由するように配置してあり、前記把持アームの端部が前記レールに沿って移動するようにしてあり、前記把持アームの前記端部に、前記レール側に突出した筒体と、該筒体に収容された弾性部によって該筒体の突出端部に向けて付勢され、前記把持アームを位置決めする転動体とが設けてあり、前記レールにおける交換位置に対応した部分に、前記転動体が係合する凹部が設けてあることを特徴とする。

本発明においては、工具を把持する把持アームの端部にレール側に突出した位置決め部を設け、工具を交換する交換位置においてレールに位置決め部が係合する被係合部を設けている。そのため所望の工具を把持する把持アームを交換位置に搬送した場合、位置決め部は被係合部に係合し、把持アーム（工具）の位置決めがなされる。

本発明においては、弾性部によって付勢された転動体がレールに沿って移動し、交換位置にて転動体が凹部に嵌合するので、把持アームの移動及び位置決めが円滑に実現される。

本発明にあっては、工具を把持する把持アームの端部にレールに向けて突出した位置決め部を設け、工具を交換する交換位置においてレールに位置決め部が係合する被係合部を設けている。そのため所望の工具を把持する把持アームを交換位置に搬送した場合、位置決め部は被係合部に係合し、把持アーム（工具）の位置決めがなされる。搬送終了時に位置決めがなされており、加工部への工具装着前に位置決めは終了しているので、工具は加工部に確実に装着され、加工部から脱落することを防止することができる。またワークの加工中に工具又は加工部が破損することを防止することができる。

実施の形態に係る工作機械の斜視図である。 工作機械の正面図である。 工作機械の右側面図である。 工具交換装置及びガイドレールを覆うカバー等を省略した斜視図である。 主軸ヘッドを略示する部分断面図である。 レール部を略示する斜視図である。 レール部を移動する工具マガジンを略示する斜視図である。 移動台を略示する斜視図である。 下方から見た移動台を略示する斜視図である。 プランジャ、内側ローラ及び把持アームを示す部分断面図である。 レール部の断面図である。 交換位置における把持アームの位置決めを説明する説明図である。 カム機構、把持アーム及び位置決め機構を略示する斜視図である。 カム機構を略示する拡大斜視図である。 把持アームを略示する斜視図である。 交換位置に位置しており、工具ホルダを把持した把持アームを略示する右側面図である。 工具ホルダを把持した把持アームを略示する背面図である。 図１６におけるＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線にて切断した案内板の断面図である。 図１６におけるＸＩＸ−ＸＩＸ線にて切断したアーム部の断面図である。 交換位置に位置しており、工具ホルダを把持していない把持アームを略示する右側面図である。 主軸ヘッドが上昇している場合におけるカム機構、把持アームを略示する右側面図である。 主軸ヘッドが上昇している場合におけるカム機構、把持アームを略示する右側面図である。 主軸ヘッドが上昇している場合におけるカム機構、把持アームを略示する右側面図である。 主軸ヘッドが上昇している場合におけるカム機構、把持アームを略示する右側面図である。 主軸ヘッドが下降している場合におけるカム機構、把持アームを略示する右側面図である。 主軸ヘッドが下降している場合におけるカム機構、把持アームを略示する右側面図である。 主軸ヘッドが下降している場合におけるカム機構、把持アームを略示する右側面図である。

以下本発明を実施の形態に係る工作機械を示す図面に基づいて詳述する。以下の説明では図において矢印で示す上下、左右及び前後を使用する。作業者は前方で工作機械を操作し、ワークの着脱を行う。図１は工作機械の斜視図であり、図２は工作機械の正面図であり、図３は工作機械の右側面図、図４は工具交換装置及びガイドレールを覆うカバー等を省略した斜視図である。図２は工作機械を前方から見た図である。

工作機械１００は、基台２０、Ｙ方向移動装置２２、Ｘ方向移動装置２６、コラム２８、Ｚ方向移動装置３０、主軸ヘッド３２（加工部）、工具交換装置１０（搬送部）等を備える。基台２０は床面上に固定してある。基台２０は、Ｙ方向移動装置２２、Ｘ方向移動装置２６を介してコラム２８をＸ方向（左右方向）及びＹ方向（前後方向）に移動可能に支持する。基台２０は、加工対象であるワークを２軸まわりに駆動して保持するワーク保持装置１２０を支持する。コラム２８は、Ｚ方向移動装置３０を介して主軸ヘッド３２をＺ方向（上下方向）に移動可能に支持する。工具交換装置１０は、主軸ヘッド３２に装着する工具を交換する。

Ｙ方向移動装置２２は、互いに平行な１対のガイドレール２２ａ，２２ａ、複数のブロック２２ｂ，２２ｂ，・・・，２２ｂ、Ｙ方向移動台２２ｃ、及びＹ方向駆動モータ（図示略）を備える。ガイドレール２２ａ，２２ａは、左右方向に適当な間隔を空けて基台２０の上面に前後方向に延設してある。ブロック２２ｂ，２２ｂ，・・・，２２ｂはガイドレール２２ａ，２２ａの夫々に前後方向に移動可能に嵌合している。Ｙ方向移動台２２ｃはブロック２２ｂ，２２ｂ，・・・，２２ｂ上に固定してある。Ｙ方向駆動モータの駆動によって、Ｙ方向移動台２２ｃは前後方向に移動する。

Ｘ方向移動装置２６は、互いに平行な１対のガイドレール２６ａ，２６ａ、複数のブロック２６ｂ，２６ｂ，・・・，２６ｂ、コラム台２６ｃ、及びＸ方向駆動モータ（図示略）を備える。ガイドレール２６ａ，２６ａは前後方向に適当な間隔を空けて、Ｙ方向移動台２２ｃの上面に左右方向に延設してある。ブロック２６ｂ，２６ｂ，・・・，２６ｂはガイドレール２６ａ，２６ａの夫々に左右方向に移動可能に嵌合している。コラム台２６ｃはブロック２６ｂ，２６ｂ，・・・，２６ｂ上に固定してある。Ｘ方向駆動モータの駆動によって、コラム２８は左右方向に移動する。
コラム２８は、コラム台２６ｃ上に固定してある。コラム２８は、Ｙ方向移動装置２２及びＸ方向移動装置２６によってＹ方向及びＸ方向に移動する。

Ｚ方向移動装置３０は、互いに平行な１対のガイドレール３０ａ，３０ａ、複数のブロック３０ｂ，３０ｂ，・・・，３０ｂ、主軸ヘッド台３０ｃ及びＺ方向駆動モータ（図示略）を備える。ガイドレール３０ａ，３０ａは、左右方向に適当な間隔を空けてコラム２８の前面に上下方向に延設してある。複数のブロック３０ｂ，３０ｂ，・・・，３０ｂはガイドレール３０ａ，３０ａの夫々に上下方向に移動可能に嵌合している。主軸ヘッド台３０ｃはブロック３０ｂ，３０ｂ，・・・，３０ｂの前面に固定してある。Ｚ方向駆動モータの駆動によって、主軸ヘッド台３０ｃは上下方向に移動する。

主軸ヘッド３２は主軸ヘッド台３０ｃに固定してある。Ｘ方向駆動モータ、Ｙ方向駆動モータ、及びＺ方向駆動モータを駆動制御することで、主軸ヘッド３２は前後、左右及び上下に移動する。

図５は主軸ヘッド３２を略示する部分断面図である。
図５に示すように、主軸ヘッド３２は、前方側の内部にＺ方向に延びる主軸３４を回転可能に保持している。主軸３４は、下端部に工具を装着した円筒状の工具ホルダ１１を脱着可能に保持する。主軸３４は、中空の筒形状をなし、下端部に下方に向かって内径が大きくなるテーパ穴３４ａが形成してある。工具ホルダ１１の上部に形成したテーパ装着部１２は、テーパ穴３４ａに嵌合させて装着する。

主軸３４には、テーパ穴３４ａの上方にドローバー（不図示）が主軸３４の軸方向に移動可能に挿入してある。ドローバーは、周囲にクランプバネ（不図示）を配設している。ドローバーは、クランプバネの弾性力によって上方に付勢されている。ドローバーの下端部には、コレットチャック（不図示）が設けられている。コレットチャックは、工具ホルダ１１のテーパ装着部１２を主軸３４のテーパ穴３４ａに装着すると、テーパ装着部１２から上方に突出するプルスタッド１２ａを挟持することができる。コレットチャックは、クランプバネの弾性力によるドローバーの上方への付勢によりプルスタッド１２ａを挟持した状態で保持する。

ドローバーの上方には、ドローバーを下方に押圧する押圧機構（不図示）が設けられている。押圧機構は、ドローバーをクランプバネの弾性力に抗して下方に押し下げる。ドローバーを下方に押し下げることで、コレットチャックはプルスタッド１２ａの挟持を解除する。コレットチャックがプルスタッド１２ａの挟持を解除することで、工具ホルダ１１は主軸３４から外れる。

主軸３４は、主軸ヘッド３２の上端に設けた主軸モータ３５に接続されている。主軸３４は、主軸モータ３５の駆動により軸心回りに回転する。主軸３４は、下端に工具ホルダ１１を装着した状態で軸心回りに回転することで、ワーク保持装置１２０に固定されたワークに対して回転加工を行うことができる。

図６はレール部を略示する斜視図、図７はレール部を移動する工具マガジンを略示する斜視図である。
工具交換装置１０は、工具マガジン４０及びマガジン駆動部５０を備える（図６参照）。工具交換装置１０は複数の工具ホルダ１１を搬送し、主軸３４の下端部に工具ホルダ１１を着脱する。工具マガジン４０は、レール部４１及びチェーン部４２を備える。レール部４１は、支持梁４１ａ，４１ａ、レール台４１ｂ、及びレール４１ｃを備える。支持梁４１ａ，４１ａは、上側を斜辺として前方へ下方傾斜した三角形状をなす板状の構造部材であり、コラム２８の左右に片持ちに固定してある。支持梁４１ａ，４１ａは、コラム２８の左右に固定した部分から主軸ヘッド３２の両側部分まで前方へ下方傾斜して延設してある。

レール台４１ｂは、下端部を切り欠いた長円形の環状部材であり、コラム２８及び主軸ヘッド３２を囲むように支持梁４１ａ，４１ａに固定して設けてある。レール台４１ｂは、支持梁４１ａ，４１ａの上側端面に沿って、前面側下方から後面側上方へ延設してあり、水平面から略３０度傾斜するように配してある（図３参照）。図６に示すように、レール台４１ｂにおける後方の半円状の部分には、板状の取付台４１ｅが該半円状の周縁から延設してある。取付台４１ｅは、マガジン駆動部５０を支持する。

レール４１ｃは、略矩形状の断面を有し、レール台４１ｂ上に長円形で無端状の軌道をなすように形成してある。レール４１の下端部において、レール４１ｃからレール台４１ｂの切り欠いた部分に張り出した位置決め板４１ｇが設けてある。該位置決め板４１ｇの上面には、後述する球体４５ｄが嵌合する半球状の位置決め凹部４１ｆ（被係合部、凹部）が設けてある。レール４１ｃの外側にはレール４１ｃの全周に沿って外周縁部４１ｈが設けてある。外周縁部４１ｈの下端部上面には半球状の位置決め凹部４１ｆが設けてある。両位置決め凹部４１ｆ、４１ｆは、レール４１ｃを挟んで互いに対向している。なおレール４１の下端部は、工具を交換する交換位置に位置している。

図８は移動台を略示する斜視図、図９は下方から見た移動台を略示する斜視図、図１０はプランジャ、内側ローラ及び把持アームを示す部分断面図、図１１はレール部４１の断面図、図１２は交換位置における把持アームの位置決めを説明する説明図である。図１１に示すように、レール４１ｃは、長円形の軌道の内周側面及び外周側面に夫々、長円形をなす鍔状の嵌合部４１ｄ，４１ｄを有する。該嵌合部４１ｄ，４１ｄは、後述する内側ローラ４７及び外側ローラ４８のＶ溝に嵌合する。チェーン部４２は、複数の移動台４３，４３，・・・、４３、複数のリンク部材４４，４４，・・・、４４（図７参照）、及び複数の把持アーム７０，７０，・・・、７０を備える。複数の移動台４３，４３，・・・、４３は、図６及び図７に示すように、夫々レール４１ｃによって支持され、レール４１ｃによる軌道上を移動可能としてある。

全移動台４３，４３，・・・、４３において、隣接する一対の移動台４３，４３が連結部材４９ｃによって連結されている。リンク部材４４，４４，・・・、４４は、隣り合う移動台４３の各対を連結する。移動台４３，４３，・・・及びリンク部材４４，４４，・・・は、無端状のチェーンを形成する。複数の把持アーム７０，７０，・・・、７０は、夫々移動台４３，４３，・・・、４３の下部に連結してあり、工具ホルダ１１を把持する。工具マガジン４０は、移動台４３，４３，・・・、４３をレール４１ｃの軌道に沿って循環し、把持アーム７０が保持する工具ホルダ１１を主軸３４下方の交換位置に割り出す。レール台４１ｂが水平面から略３０度傾斜して配置してあるため、工具マガジン４０の軸心方向は、鉛直線（図３参照）に対して主軸ヘッド３２側に略３０度傾斜している。

移動台４３は、基板４６、内側ローラ４７，４７、外側ローラ４８，４８、及び複数のピン４９，４９，・・・、４９を備える。基板４６は、略矩形状である。図９に示すように、基板４６の下面に内側ローラ４７，４７及び外側ローラ４８，４８は夫々下面法線方向の軸まわりに回転可能に軸支されている。内側ローラ４７，４７は、レール部４１の内側に配置されており、レール部４１の軌道に沿って並設されている。外側ローラ４８，４８は、レール部４１の外側に配置されており、レール部４１の軌道に沿って並設されている。内側ローラ４７，４７の間及び外側ローラ４８，４８の間には、レール部４１に向けて突出しており、位置決め凹部４１ｆに嵌合するプランジャ４５、４５（位置決め部）が夫々設けてある。

図１０に示すように、プランジャ４５は基板４６から下方（レール４１ｃ側）に突出した収容円筒４５ａ（筒体）を備える。該収容円筒４５ａは、下端部を開口とした有底円筒形をなし、付勢ばね４５ｂ（弾性部）、球体保持筒４５ｃ及び球体４５ｄ（転動体）を収容している。付勢ばね４５ｂは上下方向に平行な圧縮コイルばねであり、収容円筒４５ａの内奥（上端部）に設けてある。球体保持筒４５ｃは、上下方向に平行な有底円筒部４５０ａと、該有底円筒部４５０ａの底部から有底円筒部４５０ａの開口と反対側に突出しており、付勢ばね４５ｂに挿入される挿入部４５０ｂとを有する。挿入部４５０ｂは有底円筒部４５０ａに同軸的に配置された円柱形をなす。挿入部４５０ｂの直径は、付勢ばね４５ｂの内径と同じか又はそれよりも小さい。挿入部４５０ｂの軸方向寸法（上下寸法）は、付勢ばね４５ｂの軸方向寸法（上下寸法）の半分以下である。

収容円筒４５ａの開口部分の内側に、球体保持筒４５ｃの上下方向への移動を円滑にする滑りガイド筒４５ｅが嵌合している。滑りガイド筒４５ｅは円筒形であり、有底円筒部４５０ａの外径は滑りガイド筒４５ｅの内径と略同じである。球体保持筒４５ｃは、挿入部４５０ｂが付勢ばね４５ｂの一端部に挿入されるように、滑りガイド筒４５ｅ内に収容してある。有底円筒部４５０ａの開口は下方に向く。

付勢ばね４５ｂは、その一端部を挿入部４５０ｂの外周面に周設してあり、有底円筒部４５０ａの底面と収容円筒４５ａの底面との間に挟まれている。有底円筒部４５０ａの開口部分は、上下方向において収容円筒４５ａの開口部分と略同じ位置にある。有底円筒部４５０ａ内には球体４５ｄが転動可能に収容されており、球体４５ｄの略半分が有底円筒部４５０ａ内に位置する。球体４５ｄの残余部分は収容円筒４５ａの開口から突出しており、レール台４１ｂ、位置決め板４１ｇ及び外周縁部４１ｈに接触している。付勢ばね４５ｂが圧縮した場合、球体４５ｄ及び球体保持筒４５ｃは収容円筒４５ａの内奥側（上側）に移動する。付勢ばね４５ｄが伸張した場合、球体４５ｄ及び球体保持筒４５ｃは収容円筒４５ａの開口側（下側）に移動する。なお付勢ばね４５ｂが最も圧縮された場合でも、挿入部４５０ｂが収容円筒４５ａの底面に接触しないように、挿入部４５０ｂ及び付勢ばね４５ｂを設計してある。

図１２Ａの矢印にて示すように、把持アーム７０を交換位置（レール台４１ｂにおける前方下端部）に搬送している場合、球体４５ｄ、４５ｄはレール台４１ｂ、位置決め板４１ｇ及び外周縁部４１ｈの上面に転動接触し、搬送台４３は交換位置（位置決め凹部４１ｆ）に向けて移動する。図１２Ｂに示すように、搬送台４３が交換位置に至った場合、球体４５ｄ、４５ｄは位置決め凹部４１ｆ、４１ｆに嵌合し、上下、左右及び前後方向において把持アーム７０は位置決めされる。

前記内側ローラ４７，４７及び外側ローラ４８，４８は、円板形をなし、外周にＶ溝を有する。図１１に示すように、内側ローラ４７，４７は、レール４１ｃの内周側面に設けた嵌合部４１ｄにＶ溝により嵌合し、外側ローラ４８，４８は、レール４１ｃの外周側面に設けた嵌合部４１ｄにＶ溝により嵌合する。３個のピン４９，４９，４９が、基板４６の上面に立設している。一対の移動台４３、４３上の６個のピン４９，４９，・・・、４９は、レール４１ｃの軌道における半円状の部分に移動台４３が位置するときに、該半円と同心の円周上に並ぶように配置してある。複数のピン４９，４９，・・・、４９は後述のギア５１に噛合する。

リンク部材４４，４４，・・・、４４は、隣り合う対の移動台４３、４３を連結している。図に示すように、一対の移動台４３、４３に並べた６個のピン４９，４９，・・・、４９の両端から２番目のピン上（移動台４３における中央のピン上）に連結軸体４９ｂ，４９ｂを設けてある。リンク部材４４，４４，・・・は、連結軸体４９ｂ，４９ｂを介して対の移動台４３、４３を連結している。把持アーム７０，７０，・・・、７０は、移動台４３，４３，・・・４３の下部に１台ずつ取り付けてある。後述するように、把持アーム７０は工具ホルダ１１を把持する下部先端が揺動することにより工具を交換する。把持アーム７０，７０，・・・、７０の詳細については後述する。

図７に示すように、マガジン駆動部５０は、ギア５１及びマガジン駆動モータ５２を備え、コラム２８の後方に位置する取付台４１ｅに設けてある。ギア５１は、例えばトロコイド形状の歯面を有する外歯車であり、取付台４１ｅの上面に回転可能に設けてある。ギア５１は取付台４１ｅの上面と略平行である。ギア５１は、レール４１ｃの軌道における半円状の部分で、レール４１ｃ上を周回する移動台４３上のピン４９，４９，・・・、４９に噛合する。ギア５１は、ギア径をレール４１ｃの軌道における半円部分の直径より小さく（例えば半分程度と）してある。ギア５１は、ギア径を小さくすることにより、工具マガジン４０の後方へのオーバーハングを抑え、かつコラム２８に機械的に干渉しないようにしている。

マガジン駆動モータ５２は、モータ回転軸がギア５１の軸に連結してあり、ギア５１を回転駆動する。ギア５１は、回転することにより移動台４３上のピン４９，４９，・・・、４９をレール４１ｃの円周接線方向に押す。移動台４３は、ギア５１の回転によりレール４１ｃ上を周回する。マガジン駆動モータ５２は、ギア５１を回転させることにより、移動台４３を搬送する。工具を交換する場合、工具マガジン４０によって所定の把持アーム７０が主軸３４の下方の交換位置（レール台４１ｂにおける前方下端部）に搬送される。

把持アーム７０は後述するカム機構６０によって揺動し、工具ホルダ１１を交換するようにしてある。工具ホルダ１１には工具が取り付けてある。図１３は、カム機構６０、把持アーム７０及び位置決め機構を略示する斜視図、図１４は、カム機構６０を略示する拡大斜視図である。図１３及び図１４の図面中に矢印で示す前後、左右及び上下は図１に対応している。

図１３に示すように、主軸ヘッド３２の前側面にカム機構６０が設けてある。図１４に示すように、カム機構６０は接近カム６１及び離反カム６２を備える。接近カム６１及び離反カム６２は、主軸３４の前面から突出した上下方向に長い板状をなし、接近カム６１離反カム６２の順に左から右に並設されている。接近カム６１は、下端よりもやや上側の位置を頂点６１ａとして上方に向かうに従って突出幅（前後幅）が縮幅する。接近カム６１の頂点よりも下側は、下方に向かうに従って突出幅（前後幅）が縮幅する。接近カム６１は、上端から下方に向けてテーパ状に高さを増し、頂点６１ａに連なるカム面６１ｂを有する。

離反カム６２は、上下方向中央部よりも若干上側の部分を平坦な頂部６２ａとして、下方に向かうに従って突出幅（前後幅）が縮幅する。離反カム６２の頂部６２ａよりも上側は、上方に向かうに従って突出幅が縮幅する。離反カム６２は、下端から上方に向けてテーパ状に高さを増し、平坦な頂部６２ａに連なるカム面６２ｂを有する。

接近カム６１の上端部は離反カム６２よりも上方に位置し、離反カム６２の下端部は接近カム６１の下端部よりも下方に位置する。離反カム６２の平坦な頂部６２ａと接近カム６１の頂点６１ａとは上下方向に離隔しており、両者の前後位置は略同じである。上下方向に対するカム面６１ｂの傾斜角とカム面６２ｂの傾斜角とは略同じであり、互いに逆向きである。接近カム６１及び離反カム６２は、後述する第１カムフォロワ７１及び第２カムフォロワ７２に当接する。

図１５は、把持アーム７０を略示する斜視図である。
図１５に示すように、把持アーム７０は、前述した移動台４３に取り付ける取付板７３を備える。取付板７３には支持杆７４が設けてあり、該支持杆７４は取付板７３から下方に突出している。

支持杆７４の下端部にはブロック７４ｂが設けてある。該ブロック７４ｂの両側面に、後述するアーム部７６の揺動を案内する案内板７５、７５が夫々固定してある。案内板７５、７５は互いに対向している。側面視において、案内板７５は、上端部を要として下方に広がる扇状をなす。案内板７５の上端部には、後述するアーム枢軸７７を挿入するアーム軸孔７５ａが設けてある。なお前記位置決めピン７４ａは、アーム軸孔７５ａの軸方向及び上下方向に対して直交する方向に沿って支持杆７４を貫通し、支持杆７４から突出している。

把持アーム７０は両案内板７５、７５の間に、上下に延びており、下側に突出するように湾曲した円弧状のアーム部７６が設けてある。アーム部７６の上端部にはアーム枢軸７７が設けてあり、該アーム枢軸７７の両端部は、アーム部７６の上端部両側から突出している。アーム枢軸７７の両端部には周方向に沿ってテーパ７７ａ、７７ａが形成してある。アーム枢軸７７の両端部は、各案内板７５、７５のアーム軸孔７５ａ、７５ａに揺動可能に挿入してある。アーム部７６の下端部は二股に分かれている。二股に分かれた下端部の各先端部に把持ピンユニット７９、７９を保持する保持円筒７８、７８が形成してある。保持円筒７８は、前記アーム枢軸７７と同方向を軸方向としている。なお把持アーム７０は、アーム枢軸７７がレール４１ｃの軌道に沿うように、移動台４３に取り付けてある。

図８及び図１５に示すように、把持ピンユニット７９は、有底円筒形のホルダ７９ａと、該ホルダ７９ａに収容されたピン７９ｂとを有する。ピン７９ｂの先端部はホルダ７９ａから突出しており、ホルダ７９ａ内のばね（不図示）によって突出方向に付勢されている。ピン７９ｂの先端面は、外向きに突出した曲面状をなす。両ピン７９ｂ、７９ｂの先端面が互いに対向するように、把持ピンユニット７９、７９は夫々保持円筒７８、７８に嵌合している。両ピン７９ｂ、７９ｂは工具ホルダ１１（工具）を脱着するようにしてある。円筒状をなす工具ホルダ１１のテーパ装着部１２の下側に溝１１ａが全周に形成してある。両ピン７９ｂ、７９ｂの間に工具ホルダ１１を挿入した場合、両ピン７９ｂ、７９ｂは溝１１ａに嵌合し、工具ホルダ１１を保持する。

アーム枢軸７７の上側に前記接近カム６１に当接する第１カムフォロワ７１が設けてある。第１カムフォロワ７１は上方に突出している。第１カムフォロワ７１は円形のローラであり、アーム枢軸７７と平行な軸回りに回転する。前記アーム部７６の中途部に、前記離反カム６２に当接する第２カムフォロワ７２が設けてある。第２カムフォロワ７２は円形のローラであり、アーム枢軸７７と平行な軸回りに回転する。

図１６は交換位置に位置しており、工具ホルダ１１を把持した把持アーム７０を略示する右側面図、図１７は工具ホルダ１１を把持した把持アーム７０を略示する背面図、図１８は図１６におけるＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線にて切断した案内板７５の断面図、図１９は図１６におけるＸＩＸ−ＸＩＸ線にて切断したアーム部７６の断面図、図２０は交換位置に位置しており、工具ホルダ１１を把持していない把持アーム７０を略示する右側面図である。なお図１７は後方から把持アーム７０を見た図である。

図１６及び図１８に示すように、案内板７５におけるアーム部７６側の面（図１６において紙面裏側から視認される面）の下部に、第１凹部７５１及び第２凹部７５２が前後に離隔して設けてある。第１凹部７５１は案内板７５の後端部に位置し、第２凹部７５２は案内板７５の前端部に位置する。アーム枢軸７７及び第１凹部７５１間の距離とアーム枢軸７７及び第２凹部７５２間の距離は等しい。案内板７５において、第１凹部７５１及び第２凹部７５２の間には両者に連なる平滑な平坦面７５３が形成されている。該平坦面７５３は、アーム枢軸７７及び第１凹部７５１間の距離を曲率半径とした円弧に沿って形成されている。第１凹部７５１、第２凹部７５２及び平坦面７５３は、アーム枢軸７７を曲率中心とした同一円弧上に位置する。

図１８に示すように、第１凹部７５１は半球状をなし、第２凹部７５２よりも深く形成されている。第１凹部７５１の曲率は、後述する球体７６３の曲率と同じである。第２凹部７５２は、小径の曲率半径にて形成された半球状をなす球面部７５２ａと、該球面部７５２ａの縁部分に連なり、該縁部分に沿って形成された曲面部７５２ｂとを有する。球面部７５２ａは球体７６３の曲率と同じである。曲面部７５２ｂは外向き（前後方向）に突出するように湾曲しており、球面部７５２ａよりも大径の曲率半径を有する。

図１７に示すように、アーム部７６の中途部の左右側面は案内板７５、７５に夫々対向している。該左右側面は、案内板７５，７５に向けて突出した突出部７６ａを有する。突出部７６ａ及びアーム枢軸７７間の距離は、アーム枢軸７７及び第１凹部７５１間の距離に等しい。
図１９に示すように、突出部７６ａには、アーム枢軸７７の軸方向と平行な方向（左右方向）に窪んだ収容凹部７６０が形成されている。収容凹部７６０は、付勢ばね７６１、球体保持筒７６２及び球体７６３を収容する。

付勢ばね７６１は左右方向に平行な圧縮コイルばねであり、収容凹部７６０の内奥に設けてある。球体保持筒７６２は、左右方向に平行な有底円筒部７６２ａと、該有底円筒部７６２ａの底部から有底円筒部７６２ａの開口と反対側に突出しており、付勢ばね７６１に挿入される挿入部７６２ｂとを有する。挿入部７６２ｂは、有底円筒部７６２ａと同軸的に配置された円柱形をなす。挿入部７６２ｂの直径は、付勢ばね７６１の内径と同じか又はそれよりも小さい。挿入部７６２ｂの軸方向寸法（左右寸法）は、付勢ばね７６１の軸方向寸法（左右寸法）の半分以下である。

収容凹部７６０の開口部分の内側に、球体保持筒７６２の左右方向への移動を円滑にする滑りガイド筒７６４が嵌合している。滑りガイド筒７６４は円筒形であり、有底円筒部７６２ａの外径は滑りガイド筒７６４の内径と略同じである。球体保持筒７６２は、挿入部７６２ｂが付勢ばね７６１の一端部に挿入されるように、滑りガイド筒７６４内に収容してある。

付勢ばね７６１は、その一端部を挿入部７６２ｂの外周面に周設してあり、有底円筒部７６２ａの底面と収容凹部７６０の底面との間に挟まれている。有底円筒部７６２ａの開口部分は、左右方向において収容凹部７６０の開口部分と略同じ位置にある。有底円筒部７６２ａ内には球体７６３が転動可能に収容されており、球体７６３の略半分が有底円筒部７６２ａ内に位置する。球体７６３の残余部分は収容凹部７６０の開口（突出部７６ａ）から突出しており、案内板７５に接触している。付勢ばね７６１が圧縮した場合、球体７６３及び球体保持筒７６２は収容凹部７６０の内奥側に移動する。付勢ばね７６１が伸張した場合、球体７６３及び球体保持筒７６２は収容凹部７６０の開口側に移動する。なお付勢ばね７６１が最も圧縮された場合でも、挿入部７６２ｂが収容凹部７６０の底面に接触しないように、挿入部７６２ｂ及び付勢ばね７６１を設計してある。球体７６３に代えて他の転動体（例えばローラ）を使用してもよい。

前述したように、案内板７５はブロック７４ｂに固定してあり、取付板７３を介して移動台４３に固定されている。アーム部７６は案内板７５、７５の間をアーム枢軸７７を中心にして揺動する。また突出部７６ａ（収容凹部７６０）及びアーム枢軸７７間の距離は、アーム枢軸７７及び第１凹部７５１間の距離に等しく、第１凹部７５１、第２凹部７５２及び平坦面７５３は、アーム枢軸７７を曲率中心とした同一円弧上に位置する。そのためアーム部７６がアーム枢軸７７を揺動中心にして軸回りに揺動した場合、球体７６３は第１凹部７５１、第２凹部７５２又は平坦面７５３に対向接触し、転動する。付勢ばね７６１によって、球体７６３は第１凹部７５１、第２凹部７５２及び平坦面７５３に常時押圧されており、アーム部７６の揺動途中に収容凹部７６０から脱落することはない。

図１６、図１８及び図１９に示すように、把持アーム７０が工具ホルダ１１を把持している場合、各球体７６３、７６３は第１凹部７５１、７５１に嵌合している。球体７６３が第１凹部７５１に嵌合している場合、工具マガジン４０の回転によって把持アーム７０が移動しても、球体７６３は第１凹部７５１から外れず、把持アーム７０は姿勢を維持することができる。

図１８及び図２０に示すように、把持アーム７０が工具ホルダ１１を把持しておらず、交換位置にて待機している場合、各球体７６３、７６３は第２凹部７５２、７５２に嵌合している。把持アーム７０は交換位置にて姿勢を維持することができる。

後述するように、図２０に示した姿勢において、把持アーム７０の第１カムフォロワ７１に、接近カム６１のカム面が当接した場合、該カム面から接近カム６１に作用する力によって、アーム枢軸７７を揺動中心にして反時計回りに揺動し、球体７６３は第２凹部７５２から容易に抜け出る。第２凹部７５２から抜け出た球体７６３は平坦面７５３上を転動し、第１凹部７５１側に移動する。図１８に示すように、第２凹部７５２は第１凹部７５１よりも浅く、また曲面部７５２ｂは球面部７５２ａよりも傾斜が緩いので、第１凹部７５１に比べて、球体７６３は第２凹部７５２から容易に抜け出すことができる。なお図２０に示した把持アーム７０は後述する図２１に示す把持アーム７０に対応する。

図１６に示した姿勢において、把持アーム７０の第２カムフォロワ７２に、離反カム６２のカム面が当接した場合、該カム面から離反カム６２に作用する力によって、アーム枢軸７７を揺動中心にして時計回りに揺動し、球体７６３は第１凹部７５１から抜け出る。第１凹部７５１から抜け出た球体７６３は平坦面７５３上を転動し、第２凹部７５２側に移動する。なお図１６に示した把持アーム７０は後述する図２４に示す把持アーム７０に対応する。

図２１、図２２、図２３及び図２４は、主軸ヘッド３２が上昇している場合におけるカム機構６０、把持アーム７０を略示する右側面図、図２５〜図２７は、主軸ヘッド３２が下降している場合におけるカム機構６０、把持アーム７０を略示する右側面図である。

図２１に示すように、ワークの加工を終了した時点で、主軸３４には工具ホルダ１１が装着してある。工具ホルダ１１には工具が取り付けてある。このとき一の把持アーム７０が交換位置にて待機している。図１２Ｂに示すように、待機している把持アーム７０の球体４５ｄ、４５ｄは位置決め凹部４１ｆ、４１ｆに嵌合し、上下、左右及び前後方向において該把持アーム７０は位置決めされている。把持アーム７０は、工具ホルダ１１を把持していない。アーム部７６は、保持円筒７８、７８を下方に向けてアーム枢軸７７を支点にしてぶら下がっている。アーム部７６は、アーム枢軸７７を揺動中心にして前後方向に揺動可能である。

第１カムフォロワ７１及び第２カムフォロワ７２は、接近カム６１及び離反カム６２に当接していない。第１カムフォロワ７１は、カム面６１ｂに対向するように、アーム枢軸７７から後方斜め上方向に突出している。第２カムフォロワ７２後端の前後位置は平坦な頂部６２ａと略同じである。

なお前述したように、各球体７６３、７６３は第２凹部７５２、７５２に嵌合しており（図１８参照）、把持アーム７０は、保持円筒７８、７８を下方に向けてアーム枢軸７７を支点にしてぶら下がった姿勢を交換位置にて維持する。
図２１の矢印にて示すように、加工を終了した主軸ヘッド３２は加工位置から交換位置に向けて上昇する。図２２に示すように、第１カムフォロワ７１は接近カム６１のカム面６１ｂ上に位置する。第２カムフォロワ７２は離反カム６２のカム面６２ｂ上に位置する。

図２２及び図２３の矢印にて示すように、工具ホルダ１１（工具）を装着した主軸ヘッド３２が更に上昇し、第１カムフォロワ７１は接近カム６１のカム面６１ｂ上を下方に移動する。カム面６１ｂは上端から下方に向けてテーパ状に高さを増すので、接近カム６１から第１カムフォロワ７１に前方への力が作用し、アーム枢軸７７を揺動中心にして把持アーム７０が反時計回りに揺動する。このとき前述したように各球体７６３、７６３は第２凹部７５２、７５２から抜け出て、平坦面７５３上を転動し、第１凹部７５１側に移動する。把持ピンユニット７９が工具ホルダ１１に接近する。把持ピンユニット７９のピン７９ｂは工具ホルダ１１の溝に嵌合する。把持アーム７０は工具ホルダ１１を把持する。前述したように、球体４５ｄ、４５ｄは位置決め凹部４１ｆ、４１ｆに嵌合し、上下、左右及び前後方向において該把持アーム７０は位置決めされているので、把持アーム７０と工具ホルダ１１との位置は整合し、把持アーム７０は工具ホルダ１１を確実に把持することができる。第２カムフォロワ７２はカム面６２ｂ上を移動する。カム面６２ｂは下方に向けてテーパ状に低くなるので、離反カム６２から第２カムフォロワ７２に前方への力は作用しない。

図２４の矢印にて示すように、把持アーム７０が工具ホルダ１１を把持した後、主軸ヘッド３２は更に上昇し、工具ホルダ１１は主軸３４から離脱する。第１カムフォロワ７１及び第２カムフォロワ７２は接近カム６１及び離反カム６２から離れる。前述したように各球体７６３、７６３は第１凹部７５１、７５１に嵌合する（図１６及び図１８参照）。工具マガジン４０が回転し、他の工具ホルダ１１を把持した把持アーム７０が交換位置に搬送される。図１２Ａの矢印にて示すように、球体４５ｄ、４５ｄはレール台４１ｂ、位置決め板４１ｇ及び外周縁部４１ｈの上面に転動接触し、搬送台４３は交換位置（位置決め凹部４１ｆ）に向けて移動する。図１２Ｂに示すように、球体４５ｄ、４５ｄは位置決め凹部４１ｆ、４１ｆに嵌合し、上下、左右及び前後方向において把持アーム７０は位置決めされる。なお工具マガジン４０の回転によって把持アーム７０が移動しても、球体７６３は第１凹部７５１から外れず、把持アーム７０は姿勢を維持することができる。

図２５の矢印にて示すように、他の工具ホルダ１１を把持した把持アーム７０が交換位置に搬送された後、主軸ヘッド３２は下降を開始する。

図２６に示すように、第１カムフォロワ７１は頂点６１ａに当接し、把持アーム７０に把持された工具ホルダ１１は主軸３４に装着される。前述したように、球体４５ｄ、４５ｄは位置決め凹部４１ｆ、４１ｆに嵌合し、上下、左右及び前後方向において該把持アーム７０は位置決めされているので、工具ホルダ１１と主軸３４との位置は整合し、主軸３４に工具ホルダ１１を確実に装着することができる。第２カムフォロワ７２が離反カム６２の下端部に当接する。

図２７に示すように、主軸ヘッド３２は更に下降し、第１カムフォロワ７１はカム面６１ｂに当接する。第２カムフォロワ７２は、主軸ヘッド３２の下降に伴い、離反カム６２のカム面６２ｂ上を上方に移動する。カム面６２ｂは、下端から上方に向けてテーパ状に高さを増す。そのため離反カム６２から第２カムフォロワ７２に前方への力が作用する。図２７の矢印にて示すように、アーム枢軸７７を揺動中心にして把持アーム７０が時計回りに揺動する。把持ピンユニット７９は工具ホルダ１１から離脱する。このとき前述したように各球体７６３、７６３は第１凹部７５１、７５１から抜け出て、平坦面７５３上を転動し、第２凹部７５２側に移動する。

第１カムフォロワ７１はカム面６１ｂ上を上方に移動する。カム面６１ｂは上方に向けてテーパ状に低くなるので、接近カム６１から第１カムフォロワ７１に前方への力は作用しない。

主軸ヘッド３２は工具ホルダ１１を装着した状態で更に下降し、加工位置に向けて移動する。把持アーム７０は更に時計回りに揺動し、主軸ヘッド３２から離反するので、主軸ヘッド３２に干渉しない。第１カムフォロワ７１及び第２カムフォロワ７２は、接近カム６１及び離反カム６２から離れる。各球体７６３、７６３は第２凹部７５２、７５２に嵌合し、把持アーム７０の姿勢は図２１に示す姿勢となる。

実施の形態に係る工作機械１００は、工具を把持する把持アーム７０の上端部にレール４１ｃに向けて突出したプランジャ４５を設け、工具を交換する交換位置において位置決め板４１ｇ及び外周縁部４１ｈにプランジャ４５が係合する位置決め凹部４１ｆを設けている。そのため所望の工具を把持する把持アームを交換位置に搬送した場合、プランジャ４５は位置決め凹部４１ｆに係合し、把持アーム７０（工具）の位置決めがなされる。搬送終了時に位置決めがなされており、主軸３４への工具装着前に位置決めは終了しているので、工具は主軸３４に確実に装着され、主軸３４から脱落することを防止することができる。またワークの加工中に工具又は主軸３４が破損することを防止することができる。また付勢ばね４５ｂによって付勢された球体４５ｄがレール４１ｃに沿って、レール台４１ｂ、位置決め板４１ｇ及び外周縁部４１ｈ上を転動して移動し、交換位置にて位置決め凹部４１ｆに嵌合するので、把持アーム７０の移動及び位置決めを円滑に実現することができる。

なおプランジャ４５をレール４１ｃの側面又は下面に対向するように設け、位置決め凹部４１ｆをこれに対応するように形成してもよい。また移動台４３、４３の対を一体化し、単一の移動体４３に二つの把持アーム７０、７０を固定してもよい。この場合、単一の移動体４３に、各把持アーム７０、７０に対応するように、プランジャ４５、４５が夫々設けられる。プランジャ４５は球体４５ｄを備えるが、球体４５ｄに代えて摺動可能なピンを備えてもよい。この場合、ピンはレール台４１ｂ、位置決め板４１ｇ及び外周縁部４１ｈ上を摺動して移動し、交換位置にて位置決め凹部４１ｆに嵌合する。また球体４５ｄに代えて他の転動体（例えばローラ）を使用してもよい。

以上説明した実施の形態は本発明の例示であり、本発明は特許請求の範囲に記載された事項及び特許請求の範囲の記載に基づいて定められる範囲内において種々変更した形態で実施することができる。

１０ 工具交換装置
１１ 工具ホルダ
３２ 主軸ヘッド（加工部）
３４ 主軸
４１ レール部
４１ａ 支持梁
４１ｂ レール台
４１ｃ レール
４１ｄ 嵌合部
４１ｅ 取付台
４１ｆ 位置決め凹部（被係合部、凹部）
４１ｇ 位置決め板
４１ｈ 外周縁部
４５ プランジャ（位置決め部）
４５ａ 収容円筒（筒体）
４５ｂ 付勢ばね（弾性部）
４５ｃ 球体保持筒
４５ｄ 球体（転動体）
６１ 接近カム
６２ 離反カム
７０ 把持アーム
７１ 第１カムフォロワ
７２ 第２カムフォロワ
７４ 支持杆
７７ アーム枢軸
１００ 工作機械

Claims (1)

1. 工具を把持し、中途部に設けた枢軸によって揺動可能な複数の把持アームと、該把持アームを案内するレールと、該レールに案内された把持アームに把持してある工具を装着してワークを加工する加工部とを備え、該加工部はワークを加工する加工位置と工具を交換する交換位置との間を移動するようにしてある工作機械であって、
   前記レールは交換位置を経由するように配置してあり、
   前記把持アームの端部が前記レールに沿って移動するようにしてあり、
   前記把持アームの前記端部に、前記レール側に突出した筒体と、該筒体に収容された弾性部によって該筒体の突出端部に向けて付勢され、前記把持アームを位置決めする転動体とが設けてあり、
   前記レールにおける交換位置に対応した部分に、前記転動体が係合する凹部が設けてあること
   を特徴とする工作機械。

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