JP5785031B2 - パレット交換システム及び当該システムを備えたマシニングセンタ - Google Patents

Description

本発明は、機械ヘッドの作動先端部の位置にて工作物を支持し、かつパレットクランプ装置によって把持されているパレットと、段取ステーションに載置され、かつ他の工作物を支持している交換用のパレットとを交換するパレット交換システムに関するものである。

パレットクランプ装置は、把持しているパレットを介して工作物を機械ヘッドにおける先端作動位置に配置しており、交換用のパレットは、段取ステーションに配置されている。

従来技術においては、パレットクランプ装置におけるパレットを交換する場合には、外部装置によってパレットをクランプ装置と段取ステーションとの間にて搬送していた。

しかも前記搬送が必要であることは、パレットクランプ装置が移動方式又は固定方式の何れの場合においても変わりはない。

前記パレットを搬送する代表的な方式としては、アームを複数の段階にて伸縮できる交換アーム装置、又は自ら可動する交換アーム装置が採用されていた。

しかしながら、伸縮可能な交換アーム装置の場合には、設置スペースが大きくなるうえ、パレットを一つずつしか交換できないため、パレット交換時間が長くならざるを得ない。

他方、可動式交換アーム装置の場合には、移動及び停止を行うための制御装置を不可欠とするが、当該制御装置は伸縮可能な交換アーム装置の場合よりも煩雑な構成を必要不可欠とする。

因みに出願人において特許権の取得に至った特許文献１は、機械ヘッドの先端部にて移動する主軸が移動自在であることに着目し、交換アーム（パレット把持アーム）の一方側にて主軸ヘッドによって工作の対象となっているパレットを把持し、他方側にて交換用パレットを把持したうえで主軸ヘッドが下降する際、当該交換アームを上昇させた後に交換アームを回転する構成によって効率的なパレットの交換を行っている。

前記構成の場合には、交換アームがパレットクランプ装置機能を兼ねており、しかもパレットの交換を行うために必要な上昇機構は比較的シンプルである。

しかしながら上記交換アームの場合には、結局交換アームの移動のために外部の駆動装置を必要としており、しかも主軸ヘッドの作動位置と段取ステーションの間に跨っており、結局前記構成においては、可動式交換アームの場合と同様に、長大なスペースを必要とせざるを得ない。

これに対し、特許文献２は、旋回可能な交換アームに段付レールを設け、交換用のパレットを当該レールにて移動させることによって、交換アームの伸縮機構又は移動機構を不要とする構成によって従来技術を改善している。

しかしながら前記構成の場合には、交換用のパレットを旋回アームの端部側から旋回中心側へ移動させた場合には、他の既に作動による工作が終了した工作物を支持しているパレットを上昇させ、逆に当該他のパレットを旋回アームの旋回中心位置から端部側に移動させる場合には、前記交換用のパレットを下降させるという他の特別な制御を必要不可欠としている。

特許文献３は、交換アームの両側中途部位の先端側を上側垂直領域にて回転自在に軸支し、しかも当該先端側が水平方向に対し所定の角度を以って垂直方向上側の方向にある状態を可能とすることによって、パレットクランプ装置のスペースをコンパクトな状態とする一方、シンプルな構成によってパレットクランプ装置が把持しているパレットとの交換を実現しており、前記従来技術を改善している。

しかしながら、前記特許文献１の構成の場合には、パレットクランプ装置に把持されているパレットを取り出した一方側のアームの回転制御を必要不可欠とする点において、従来技術とは別の煩雑性を免れることができない。

以上の如き従来技術及び特許文献１、２、３の如き公知技術からも明らかなように、主軸等を作動させる機械ヘッドが移動自在であるにも拘わらず、このような機械ヘッドの移動機能自体をパレットの搬送に活用するようなパレット交換システムはこれまで提唱されていない。

特開２００５−８１５２８号公報 特開２０００−１７６７８２号公報 特開２０００−２４８６７号公報

本発明は、マシニングセンタにおける機械ヘッドの移動機能自体をパレットの搬送に活用しているパレット交換システム及び当該システムを有するマシニングセンタの構成を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）機械ヘッドの作動先端部の位置にて工作物を支持し、かつパレットクランプ装置によって把持されているパレットと、段取ステーションに載置され、かつ他の工作物を支持している交換用のパレットとを交換するパレット交換システムにおいて、交換アームと一体をなして回転する回転支柱及び当該回転支柱に対する駆動モータを設置しているパレット交換ユニットを機械ヘッドに対し結合及び離脱を自在として備え、以下の各プロセスによって機械ヘッドとパレット交換ユニットとを制御する制御部を有している交換システム。
Ｉ．機械ヘッドの作動、及び交換用のパレットを保持したパレット交換ユニットに対する待機位置における固定
ＩＩ．所定単位の作動を終了した機械ヘッドの前記待機位置への移動、及び当該移動の後におけるパレット交換ユニットとの結合
ＩＩＩ．パレット交換ユニットと結合した機械ヘッドのパレットクランプ装置側への移動、及び当該移動の後における交換アームの両側アームのうち交換用のパレットを保持していない一方側のアームのパレットクランプ装置によって把持されているパレットに対する嵌合、更には前記把持状態から離脱した当該パレットに対する当該アームによる保持状態の達成
ＩＶ．交換アームの旋回
Ｖ．交換用のパレットに対するパレットクランプ装置による把持を伴うパレットの交換
ＶＩ．パレット交換ユニットと結合した機械ヘッドの前記待機位置への復帰、及び当該復帰の後における機械ヘッドのパレット交換ユニットからの離脱、
（２）前記（１）のパレット交換システムを備え、かつ機械ヘッドによる工作を行うマシニングセンタ、
からなる。

前記基本構成（１）、（２）に基づく本発明においては、パレットの搬送のために、従来技術のアーム装置の場合のように、伸縮機構及び移動機構を必要とせず、その結果、伸縮に必要なスペース及び移動に必要な格別の制御装置を省略することができ、製造コストを安価とすることが可能となる。

のみならず、機械ヘッドが備えている高速の移動によって、パレットの搬送に要する時間を短縮し、ひいては効率的なパレットの交換を実現することができる。

更には後述する各実施例のように、パレット交換ユニット及び機械ヘッド、又はパレットクランプ装置を所定の位置に移動させたうえで交換アームを旋回した場合には、限られたスペースにおいてパレットの交換を実現することも可能となる。

実施例１の作動を示す平面図であって、（ａ）は、プロセスＩＩＩによって、パレットを保持していないパレット交換アームがパレットクランプ装置に把持されているパレットに嵌合した後、当該パレットを保持するに至った段階を示しており、（ｂ）は、パレット交換ユニットと結合した機械ヘッドがプロセスＩＩＩの位置から移動することによって旋回可能なスペースにてプロセスＩＶの旋回を行っている状態を示しており、（ｃ）は、プロセスＩＶの旋回の後に、パレットクランプ装置側に移動した交換アームがプロセスＶの交換を行った状態を示している（尚、二重の斜線は、機械ヘッドの作動が終了した段階にあるパレットの平面状態を示しており、斑点は、交換用のパレットの平面状態を示している。）。 実施例２のパレット交換状態を示す平面図であって、（ａ）は、プロセスＩＩＩによって、パレットを保持していないパレット交換アームがパレットクランプ装置に把持されているパレットに嵌合した後、当該パレットを保持するに至るまでの段階を示しており、（ｂ）は、パレットクランプ装置及びその支持台がプロセスＩＩＩの位置から移動することによって、パレットを保持している交換アームが旋回可能なスペースにてプロセスＩＶの旋回を行っている状態を示しており、（ｃ）は、プロセスＩＶの旋回の後にパレットクランプ装置及びその支持台の前記移動前の位置への復帰によって、プロセスＶのパレットの交換を行っている状態を示している（尚、二重の斜線は、機械ヘッドの作動が終了した段階にあるパレットの平面状態を示しており、斑点は、交換用のパレットの平面状態を示している。）。 本発明の典型的な実施形態に基づくパレット交換システムにおける機構原理を基本構成（１）の各プロセスに即して示しており、（ａ）は、プロセスＩを示しており、（ｂ）は、プロセスＩＩを示しており、（ｃ）は、プロセスＩＩＩを示しており、（ｄ）は、プロセスＩＶ及びプロセスＶを示しており、（ｅ）は、プロセスＩＶを示している。 図３の実施形態の制御を行うコンピュータに必要なフローチャートを示す。 パレット交換ユニットの実施形態を示す見取図であって、（ａ）は、機械ヘッドと結合するために必要な凸部を有する側を示しており、（ｂ）は、前記凸部を有する側と反対側を示している。 パレット交換ユニットと機械ヘッドとを結合及び離脱自在とする実施形態を示しており、（ａ）は、パソコンに関与する凸部及び凹部の突出方向及び突入方向が、機械ヘッドとパレット交換ユニットとが一体をなして移動する方向と交差する方向とする実施形態を示しており（尚、白矢印は機械ヘッドとパレット交換ユニットとの移動方向を示す。）、（ｂ）は、機械ヘッドにおける油圧シリンダピストンによってパレット交換ユニットにおける凸部の周囲を凹部の壁部の隙間を介して押圧する実施形態を示しており、（ｃ）は、パレット交換ユニットが備えている凸部を磁性体とし、機械ヘッドにおける電磁石によってパレット交換ユニットが備えている凸部の周囲を前記凹部の壁部の隙間を介して吸着する実施形態を示している。 パレットが工作物を支持している状態を示す見取図を示す。

前記基本構成（１）、（２）においては、パレット交換ユニット１が機械ヘッド２と結合し、かつ一体となって移動することによって、パレット３を搬送しかつ交換するために必要な制御を行うことに最大の特徴点を有している。

即ち、要するに図３に示すように、
Ｉ．機械ヘッド２の作動とパレット交換ユニット１の待機（図３（ａ））、
ＩＩ．機械ヘッド２の前記待機位置への移動、及びその後のパレット交換ユニット１との結合（図３（ｂ））、
ＩＩＩ．パレット交換ユニット１と結合した機械ヘッド２の作動位置への移動、及びその後の交換アーム１１によるパレット３に対する嵌合、更には当該パレット３に対する保持（図３（ｃ））、
ＩＶ．交換アーム１１の旋回（図３（ｄ））、
Ｖ．交換アーム１１によるパレット３の交換（図３（ｄ））、
ＶＩ．パレット交換ユニット１と結合した機械ヘッド２との待機位置への復帰（図３（ｅ））、
というプロセス制御によってパレット３の交換を実現していることを特徴としている。
但し、図３においては、工作物３０を支持しているパレット３の占める空間領域（黒色印刷によって表示した領域）が相対的に小さく把握し難いことから、図７によって工作物３０に対するパレット３の支持状態を示している。

プロセスＩＩＩの交換アーム１１による保持が達成された後、プロセスＩＶの旋回が直ちに可能であるか否かは、パレットクランプ装置４の近傍において、プロセスＩＶの旋回を可能とするようなスペースが存在するか否かによって左右される。

図３は、特に前記スペースが存在する実施形態を示しており、交換アーム１１におけるプロセスＩＩＩのパレット３に対する保持達成の位置及びプロセスＶのパレット３の交換位置とプロセスＩＶの交換アーム１１の旋回する位置とが同一であることを特徴としている。
尚、前記のようなスペースが存在しない場合の実施形態は、実施例１及び同２において後述するとおりである。

前記実施形態の制御に必要なコンピュータの作動に関するフローチャートは、図４に示すとおりである。
尚、図４のフローチャートにおいては、プロセスＶＩの復帰から更に機械ヘッド２が自らの作動位置に戻るという通常の工程をも示している。

本発明において採用するパレット交換ユニット１は、図５に示すように、交換アーム１１を支持しかつ一体となって回転する回転柱１２及び当該回転に対する駆動モータ１３を有している。
尚、図５に示す実施形態においては、後述するような機械ヘッド２の凹部６と嵌合するための凸部５及び駆動モータ１３の回転に対する減速機１４を設置し、かつ固定部７に載置される突設枠１５を備えた状態を示している。

パレット交換ユニット１と機械ヘッド２とを結合及び離脱自在とする実施形態としては、色々な構成を採用することができる。

尤も選択し易い構成としては、機械ヘッド２において、パレット交換ユニット１を把持及び把持からの離脱を可能とするロボット機構を設けることによって、パレット交換ユニット１と機械ヘッド２との結合及び離脱を実現することができる。

しかしながら、ロボット機構を採用するのであれば、ロボット機構自体によってアームの交換を行えば良く、上記結合及び分離にロボット機構を使用することは決して効率的な方法ではない。

のみならず、交換アーム１１について伸縮機構又は可動機構を必要とするような従来技術に比し、シンプルな構成を採用する本発明の特徴点を考慮するならば、前記ロボット機構の採用は、必ずしも好ましい実施形態ではない。

前記結合及び離脱は、パレット交換ユニット１及び機械ヘッド２の何れかの一方に凸部５を設け、何れかの他方に凹部６を設け、相互の嵌合によってプロセスＩＩの結合を行うことを特徴とする実施形態によって実現することができる。

図６（ａ）は、上記凹部６及び凸部５を採用する実施形態のうち、凸部５の突出方向及び凹部６の突入方向が、パレット交換ユニット１及び機械ヘッド２の移動方向と交差していることを特徴とする実施形態を示す。

即ち、相互に嵌合し合う凸部５及び凹部６の突出方向及び突入方向を機械ヘッド２がパレット交換ユニット１と結合した状態にて移動する方向と交差する方向を選択することによって、パレット交換ユニット１と機械ヘッド２とは、双方の何れか一方に設置されている凸部５と凹部６との嵌合によって前記移動による加速度の変化又は衝撃が生じても、相互の嵌合状態が外れることを防止することができる。

図６（ｂ）は、パレット交換ユニット１に凸部５を設け、機械ヘッド２に凹部６を設け、前記凹部６が前記凸部５に嵌入した際、機械ヘッド２が備えている油圧シリンダ２１機構によって前記凹部６の周囲における隙間を介して前記凸部５を押圧する油圧ピストン２２を設けたことを特徴としている。

即ち、機械ヘッド２においては、回転主軸等の工作機械の移動のために備えている油圧シリンダ２１に基づいて図６（ｂ）に示すように、油圧ピストン２２によって、パレット交換ユニット１における凸部５を押圧することによって強固な結合を実現し、相互の嵌合状態が外れることを防止することができる。

図６（ｃ）は、パレット交換ユニット１に磁性体による凸部５を設け、機械ヘッド２に凹部６を設け、前記凹部６が前記凸部５に嵌入した際、機械ヘッド２が備えている導電システムによって前記凹部６の周囲における隙間を介して、前記凸部５と吸着し合う電磁石２４を設けたことを特徴としている。

即ち、機械ヘッド２においては、回転主軸等の工作機械の制御のために備えている導電システムに基づいて、図６（ｃ）に示すように、電磁石２４によってパレット交換ユニット１における凸部５を吸着することによって強固な結合を速やかに実現し、相互の嵌合状態が外れることを防止することができる。

以下、実施例に即して説明する。

実施例１は図１に示すように、パレットクランプ装置４の周囲には、交換アーム１１がパレット３を保持した状態にて旋回するスペースが存在しない場合において、プロセスＩＩＩの後に、パレット交換ユニット１と結合した機械ヘッド２の交換アーム１１における前記旋回を可能とするスペースが存在する位置への移動によるプロセスを経たうえで、プロセスＩＶの旋回を行い、更には前記結合した機械ヘッド２がパレットクランプ装置４側に移動した後、プロセスＶによるパレット３の交換を行うことを特徴としている。

即ち、実施例１においては、図１（ｂ）に示すように、パレット交換ユニット１と結合した機械ヘッド２が、プロセスＩＩＩの位置から更に移動することに基づき、交換アーム１１のプロセスＩＶの旋回によって、パレットクランプ装置４の周辺がコンパクトな空間であっても、結局パレット３の交換を実現している。

実施例２は、図２に示すように、パレットクランプ装置４の周囲には、交換アーム１１がパレット３を保持した状態にて旋回するスペースが存在しない場合において、プロセスＩＩＩの交換アーム１１のパレット３に対する保持状態の達成の前後又は当該保持と同時に、パレットクランプ装置４及び当該クランプ装置４に対する支持部４１のプロセスＩＩＩの位置からの移動による前記スペースを形成するプロセスを経たうえで、プロセスＩＶの旋回を行い、更にはパレットクランプ装置４及びその支持部４１が前記移動前の位置に復帰した後、プロセスＶによるパレット３の交換を行うことを特徴としている。

即ち、実施例２においても、図２（ｂ）に示すように、パレットクランプ装置４及びその支持部４１の移動に基づき、交換アーム１１のプロセスＶの旋回によって、パレットクランプ装置４の周辺がコンパクトな空間であっても、結局パレット３の交換を実現している。

本発明は、全てのパレット交換システム、及び当該システムを備えかつ機械ヘッドによって工作を行う全マシニングセンタに利用することができ、特に小スペースの状態にて短時間のパレットの交換に適合性を有している。

１ パレット交換ユニット
１１ 交換アーム
１２ 回転柱
１３ 駆動モータ
１４ 減速機
１５ 突設枠
２ 機械ヘッド
２０ 機械ヘッドの作動部
２１ 油圧シリンダ
２２ 油圧ピストン
２３ コイル
２４ 電磁石
３ パレット
３０ パレットに支持された工作物
４ パレットクランプ装置
４１ パレットクランプ装置の支持部
５ 凸部
６ 凹部
７ 固定部

Claims (9)

1. 機械ヘッドの作動先端部の位置にて工作物を支持し、かつパレットクランプ装置によって把持されているパレットと、段取ステーションに載置され、かつ他の工作物を支持している交換用のパレットとを交換するパレット交換システムにおいて、交換アームと一体をなして回転する回転支柱及び当該回転支柱に対する駆動モータを設置しているパレット交換ユニットを機械ヘッドに対し結合及び離脱を自在として備え、以下の各プロセスによって機械ヘッドとパレット交換ユニットとを制御する制御部を有している交換システム。
   Ｉ．機械ヘッドの作動、及び交換用のパレットを保持したパレット交換ユニットに対する待機位置における固定
   ＩＩ．所定単位の作動を終了した機械ヘッドの前記待機位置への移動、及び当該移動の後におけるパレット交換ユニットとの結合
   ＩＩＩ．パレット交換ユニットと結合した機械ヘッドのパレットクランプ装置側への移動、及び当該移動の後における交換アームの両側アームのうち交換用のパレットを保持していない一方側のアームのパレットクランプ装置によって把持されているパレットに対する嵌合、更には前記把持状態から離脱した当該パレットに対する当該アームによる保持状態の達成
   ＩＶ．交換アームの旋回
   Ｖ．交換用のパレットに対するパレットクランプ装置による把持を伴うパレットの交換
   ＶＩ．パレット交換ユニットと結合した機械ヘッドの前記待機位置への復帰、及び当該復帰の後における機械ヘッドのパレット交換ユニットからの離脱
2. 交換アームにおけるプロセスＩＩＩのパレットに対する保持達成の位置及びプロセスＶのパレットの交換位置とプロセスＩＶの交換アームの旋回する位置とが同一であることを特徴とする請求項１記載のパレット交換システム。
3. パレットクランプ装置の周囲には、交換アームがパレットを保持した状態にて旋回するスペースが存在しない場合において、プロセスＩＩＩの後に、パレット交換ユニットと結合した機械ヘッドの交換アームにおける前記旋回を可能とするスペースが存在する位置への移動によるプロセスを経たうえで、プロセスＩＶの旋回を行い、更には前記結合した機械ヘッドがパレットクランプ装置側に移動した後、プロセスＶによるパレットの交換を行うことを特徴とする請求項１記載のパレット交換システム。
4. パレットクランプ装置の周囲には、交換アームがパレットを保持した状態にて旋回するスペースが存在しない場合において、プロセスＩＩＩの交換アームのパレットに対する保持状態の達成の前後又は当該保持と同時に、パレットクランプ装置及び当該クランプ装置に対する支持部のプロセスＩＩＩの位置からの移動による前記スペースを形成するプロセスを経たうえで、プロセスＩＶの旋回を行い、更にはパレットクランプ装置及びその支持部が前記移動前の位置に復帰した後、プロセスＶによるパレットの交換を行うことを特徴とする請求項１記載のパレット交換システム。
5. パレット交換ユニット及び機械ヘッドの何れかの一方に凸部を設け、何れかの他方に凹部を設け、相互の嵌合によってプロセスＩＩの結合を行うことを特徴とする請求項１、２、３、４の何れか一項に記載に記載のパレット交換システム。
6. 凸部の突出方向及び凹部の突入方向が、パレット交換ユニット及び機械ヘッドの移動方向と交差していることを特徴とする請求項５記載のパレット交換システム。
7. パレット交換ユニットに凸部を設け、機械ヘッドに凹部を設け、前記凹部が前記凸部に嵌入した際、機械ヘッドが備えている油圧シリンダ機構を利用して、前記凹部の周囲における隙間を介して前記凸部を押圧する油圧ピストンを設けたことを特徴とする請求項５記載のパレット交換システム。
8. パレット交換ユニットに磁性体による凸部を設け、機械ヘッドに凹部を設け、前記凹部が前記凸部に嵌入した際、機械ヘッドが備えている導電システムを利用して、前記凹部の周囲における隙間を介して前記凸部と吸着し合う電磁石を設けたことを特徴とする請求項５記載のパレット交換システム。
9. 請求項１、２、３、４、５、６、７、８の何れか一項に記載のパレット交換システムを備え、かつ機械ヘッドによる工作を行うマシニングセンタ。

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