JP6650171B1 - 加工工具の刃具交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットアームの動作により、刃具の交換を自動的に行うことができ、小型化を図ることができる加工工具の刃具交換装置を提供する。【解決手段】スピンドル本体１のクランプ部２に、複数のクランプボール１４と、クランプボールを内側に付勢するクランプスリーブ１３と、クランプスリーブをクランプ方向に付勢するバネ部材１９とが設けられる。刃具コレットの外周部に、円環状の係合溝３４が設けられる。刃具マガジン８には、刃具コレット３を収納する収納凹部８０が設けられる。収納凹部８０に、刃具コレットの係合溝３４に係合可能な係合保持部８１が設けられ、係合保持部内に、刃具コレットが収納凹部から離脱する際、係合溝と係合して刃具コレットに捻り力を付与する捻り付与部８２，８３が設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットアームに取り付けられ、回転駆動部のモータ等により超硬ロータリーバー、軸付砥石などの刃具を高速回転させて、ワークの面取り、バリ取り、ラッピングなどの加工を行う加工工具に関し、特に、加工工具のスピンドル本体に対し、各種の刃具を、ロボットアームの動作により交換する加工工具の刃具交換装置に関する。

従来、ロボットアームの先端などに取り付けられ、刃具をモータの出力軸の先端に取り付けて刃具を高速回転させ、製品のバリ取り加工などを行う加工工具は、下記の特許文献１などで知られている。

この種の加工工具は、通常、ロボットアームの先端に取り付けられ、ロボットアームの動作により、完全に自動化されて使用されるため、刃具を交換する際にも、自動で、刃具の交換を行うことができる構造にすることが要求される。

このため、この従来の加工工具では、加工工具のヘッド内に、空気圧により軸方向に移動する移動部材を設け、移動部材の内側に、チャック機構を配設し、空気圧により移動部材を軸方向に摺動させて、チャック機構の開閉を行い、自動的に刃具の交換を行う構造を採用している。
特開２００９−２３０７６号公報

しかしながら、この従来の加工工具は、そのヘッド内に、圧力空気の導入回路を配設し、移動部材の摺動機構を設け、移動部材の内側に、チャッキング機構を配設しているため、構造が複雑化し、ヘッド部分が必然的に大型化する。

ワークの面取り、バリ取り、ラッピングなどの加工を行う加工工具は、ロボットアームの動作により、各種ワークの細かい箇所や狭い空間に、刃具を進入させて、加工を行う必要がある。しかし、加工工具のヘッド部分が大型化すると、ワークの細かい箇所に、刃具を進入させる際、ヘッド部分がワークに干渉して、ワークの細かい部分を加工することが困難となっていた。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、ロボットアームの動作により、刃具の交換を自動的に行うことができ、小型化を図ることができる加工工具の刃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、本発明の加工工具の刃具交換装置は、
スピンドル軸を回転駆動する回転駆動部と、該回転駆動部に連結され、内部に該スピンドル軸を回転可能に保持するスピンドル本体と、該スピンドル軸の先端に設けられたクランプ部と、該クランプ部にクランプされ、刃具を取り付けた刃具コレットと、複数の該刃具コレットを保持する刃具マガジンと、を備えた加工工具の刃具交換装置において、
該刃具コレットの端部に設けたコレット連結部に、円環状のクランプ溝が設けられ、
該クランプ部には、該クランプ溝に嵌合する複数のクランプボールと、該クランプボールを内側に付勢するために、外周部に摺動可能に外嵌されたクランプスリーブと、該クランプスリーブをクランプ方向に付勢するバネ部材とが設けられ、
該刃具コレットの外周部に、円環状の係合溝が設けられるとともに、前記刃具マガジンには、前記刃具コレットを収納する収納凹部が設けられ、該収納凹部に、該刃具コレットの該係合溝に係合可能な係合保持部が設けられるとともに、該クランプスリーブに接触して該クランプスリーブをアンクランプ方向に摺動させるクランプ解除部が該刃具マガジン上に設けられ、
該係合保持部内に、該刃具コレットが該収納凹部から離脱する際、該係合溝と係合して該刃具コレットに捻り力を付与する捻り付与部が設けられたことを特徴とする。

この発明の加工工具の刃具交換装置によれば、ロボットアームに加工工具が取り付けられ、空気圧などの動力や電力を使用せずに、ロボットアームの動作のみで、刃具マガジンに保持された刃具コレットを、スピンドル軸のクランプ部に嵌合させ、クランプすることができ、且つクランプスリーブを自動的に摺動させてクランプ解除を行うことができる。また、刃具コレットをクランプする際、クランプボールをクランプ溝に係合させ、刃具コレットを捻りながらクランプ状態とするので、常に刃具コレットをクランプ部に適正に連結してクランプし、回転駆動可能に取り付けることができる。

また、刃具コレットを刃具マガジンに収納する場合、ロボットアームの動作により、クランプスリーブをアンクランプ方向に摺動させて、刃具コレットをクランプ部から離脱させ、刃具コレットを刃具マガジンに収納することができる。これにより、刃具を取り付けた刃具コレットの交換を適正に行うことができる。

さらに、スピンドル軸の先端に設けたクランプ部は、クランプスリーブの内側にクランプボールを配設するのみでよいため、従来の加工工具に比して、クランプ部を大幅に小型化することができる。このため、クランプ部をワークに干渉させずに、ワークの細かい部分或いは刃具を進入させにくい複雑で細い部位まで、刃具を進入させて、ワークの面取り、バリ取り、ラッピングなどの加工を行うことができる。

ここで、上記クランプ溝内に複数のディンプルを設け、上記クランプボールを上記クランプ溝の上記ディンプルに嵌合させて、駆動力を伝達する構成とすることができる。また、上記クランプスリーブの内側に係合面が設けられ、該係合面は、上記クランプスリーブの軸方向の摺動に応じて、上記クランプボールを上記クランプ溝のディンプルに嵌合させて駆動力を伝達し、嵌合を解除して刃具コレットを離脱させるように構成することができる。

これによれば、従来の加工工具のクランプ部と刃具コレットとの連結部に使用されていた大形の凹凸部による噛み合わせ構造と異なり、クランプボールとディンプルとの係合により、回転力を刃具コレットに伝達するため、刃具コレットとクランプ部の軸回りでの相対角度位置が所定状態にない場合でも、ロボットアームの動きのみで、刃具コレットに捻り力を付与して、刃具コレットをクランプ部に適正にクランプさせることができる。このため、刃具コレットやクランプ部の角度姿勢を検出するセンサーや、角度検出信号に基づく制御機構が不要となり、刃具交換装置の構成を簡単化することができる。

またここで、上記クランプボールとディンプルの係合に代えて、カービックカップリング方式を採用することもできる。この場合、刃具コレットの外周部に第１カービックカップリング部を設け、スピンドル軸先端のスピンドル先端部に、第１カービックカップリング部と係合する第２カービックカップリング部を設けて構成する。

またここで、上記クランプボールは、スピンドル先端部に所定の角度間隔で放射状に設けたボール保持孔に、内周側及び外周側に露出して挿入することができる。またここで、上記スピンドル軸の先端に設けたコレット挿入穴の奥部に、刃具コレットのコレット連結部を、突き出し方向にバネ力で付勢する付勢部材を、設けることができる。さらに上記スピンドル軸の先端のクランプ部には、上記クランプスリーブをバネ力により軸方向に付勢するバネ部材を設けることが好ましい。

さらに、上記刃具マガジンにクランプ解除部が設けられ、クランプ解除部は、上記クランプスリーブに接触し、上記スピンドル本体の動きに応じて、クランプスリーブを摺動させ、上記スピンドル先端部と上記刃具コレットのコレット連結部とのクランプ解除を行うように構成することができる。

上記刃具マガジンのクランプ解除部は、収納凹部内に収納された刃具コレットに対し、スピンドル軸のクランプ部が進入し、該クランプ部のコレット挿入穴にコレット連結部が嵌入するとき、上記クランプスリーブの端部が該クランプ解除部に当接して連結が解除されるように構成することができる。

さらに、上記刃具マガジン上には、収納凹部の縁部に沿って、上記クランプ解除部に続く傾斜面を設けることができる。これにより、ロボットアームの動作により、スピンドル軸の先端のクランプ部にクランプした刃具コレットを、刃具マガジンの収納凹部内に収納させるように、簡単に動かすのみで、傾斜面からクランプ解除部にかけてクランプスリーブを解除方向に摺動させて、クランプ部をアンクランプさせ、刃具コレットを安全に外すことができる。

また、上記捻り付与部は、上記刃具マガジンの上記収納凹部に、対向して配設された２個のボールプランジャから構成され、２個のボールプランジャのボール付勢力は、相互に相違して設定され、刃具コレットが収納凹部から離脱する際、係合溝と２個のボールプランジャの接触摩擦抵抗を相違させて、刃具コレットに捻り力を付与するように構成することができる。

これによれば、スピンドル本体は、ロボットアームの動作により、収納凹部内に収納された刃具コレットに向けて移動し、スピンドル軸のクランプ部のコレット挿入穴を、刃具コレットのコレット連結部に被せるように嵌合させる。このとき、クランプスリーブの端部がクランプ解除部に当接してクランプを解除し、且つクランプ部に刃具コレットを連結した状態で、ロボットアームの動作により、スピンドル本体を収納凹部の前方に移動させると、クランプスリーブが傾斜面を摺動して、クランプスリーブが徐々にクランプ側に摺動する。

このとき、２個のボールプランジャからなる捻り付与部が刃具コレットに捻り力を付与し、これにより、刃具コレットが軸の回りで捻られる。このため、クランプスリーブ内のクランプボールとコレット連結部のクランプ溝内のディンプルとの係合が、自動的に適正嵌合状態となり、刃具コレットが収納凹部から離れるとき、クランプスリープがコレット連結部を、自動的に、完全にクランプすることができる。これにより、比較的簡単な構成の装置により、刃具の交換時、ロボットアームの動作のみで、コレット連結部に刃具コレットを、適正且つ迅速にクランプさせることができる。

また、ここで、上記捻り付与部は、刃具マガジンの収納凹部の一方の側に並設された複数のボールプランジャから構成し、一方の側のボールプランジャと刃具コレットの係合溝との係合により、刃具コレットの移動時に摩擦抵抗を生じさせ、刃具コレットに捻り力を付与することもできる。

また、ここで、上記クランプスリーブの外周部に環状凸部が設けられ、環状凸部に係合してクランプスリーブを押し下げる押し下げ部を、刃具マガジン上に設けることが好ましい。これによれば、刃具マガジンの収納凹部内に収納された刃具コレットに対し、スピンドル軸のクランプ部が進入し、クランプ部のコレット挿入穴にコレット連結部が嵌入され、ロボットアームが収納凹部から刃具コレットを離すように移動させたとき、環状凸部が押し下げ部に係合して押し下げられ、クランプスリーブが下降して刃具コレットのクランプを、確実に完了させることができる。

本発明の加工工具の刃具交換装置によれば、ロボットアームの動作により、刃具の交換を自動的に行うことができ、且つ加工工具の小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態を示す加工工具の正面図である。 Ａは同加工工具の縦断面図、ＢはそのＢ−Ｂ断面図である。 刃具コレットが離脱した状態の断面図である。 刃具マガジンの平面図である。 図４のV-V断面図である。 刃具マガジンの正面図である。 刃具コレットを刃具マガジンに収納する際の説明断面付き側面図である。 刃具コレットを刃具マガジンから取り出す際の説明断面付き側面図である。 刃具コレットを刃具マガジンに収納する際の説明平面図である。 刃具コレットを刃具マガジンの収納凹部に進入させたときの正面図である。 加工工具の使用状態を示す正面図である。 Ａは第２実施形態の加工工具の縦断面図、ＢはそのＢ−Ｂ矢視図である。 Ａは第２実施形態における、スピンドル本体と刃具コレットを分離したときの縦断面図、ＢはそのＢ−Ｂ断面図である。 Ａは第３実施形態の加工工具の縦断面図、ＢはそのＢ−Ｂ矢視図である。 スピンドル本体と刃具コレットを分離したときの縦断面図である。 Ａはその刃具マガジンの正面図、Ｂはその平面図、ＣはそのＣ−Ｃ断面図である。 Ａは刃具コレットを刃具マガジンに収納する際の説明平面図、Ｂはクランプ部を収納凹部の上方に進入させたときの側面図、Ｃはそれを収納凹部内の刃具コレットに嵌合させたときの側面図である。 クランプ部が刃具コレットを刃具マガジンから取り出し、クランプした際の側面図である。 第３実施形態における、カービックカップリングを用いたクランプ部と刃具コレットを示す縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。加工工具は、図１に示すように、スピンドル本体１のスピンドル軸１０の先端にクランプ部２が設けられ、スピンドル本体１（回転駆動部９）がロボットアームなどに取り付けられ、クランプ部２にクランプした刃具７を高速回転させ、製品のバリ取り加工などを行う工具である。

バリ取りなどの刃具７は刃具コレット３に固定され、刃具コレット３がクランプ部２にクランプされ、加工工具はスピンドル本体１の回転駆動により刃具７を高速回転させて、ワークのバリ取り、面取り、ラッピング加工などを行う。

図２Ａ，Ｂに示すように、スピンドル本体１内には、軸受部材１１が設けられ、軸受部材１１を介してスピンドル軸１０が円筒ケースの軸芯位置に、回転可能に軸支される。スピンドル本体１の末端部に、電動モータなどの回転駆動部９が取り付けられ、回転駆動部９の回転軸がスピンドル軸１０の末端に連結され、スピンドル軸１０は、回転駆動部９により高速で回転駆動される。

スピンドル軸１０のスピンドル先端部１５は、大径部となって、スピンドル本体１から突出し、図３に示す如く、スピンドル先端部１５に、コレット挿入穴１６が、先端側に開口して軸方向に形成される。コレット挿入穴１６は内面が円錐型のテーパ状に形成され、図３のように、同様にテーパ状に形成された、刃具コレット３のコレット連結部３０が、コレット挿入穴１６内に密に進入可能な形状となっている。

一方、刃具コレット３は、図３に示すように、刃具７を固定する刃具固定部３１と、刃具固定部３１の上部に係合溝３４を介して設けられたコレット連結部３０とから構成され、コレット連結部３０は上記のように、コレット挿入穴１６内に挿入されて連結保持される。コレット連結部３０はテーパ状つまり円錐台状に形成され、上部付近の外周にクランプ溝３２が形成され、クランプ溝３２内に、所定の間隔で複数のディンプル（断面略半円形状の凹部）３３が形成される。

これらのディンプル３３には、クランプボール１４が嵌入し、スピンドル軸１０の回転力をコレット連結部３０に伝達するようになっている。図２Ａ，Ｂに示すように、例えば、６個のクランプボール１４が使用される場合、１２個のディンプル３３が、３０°の角度間隔でクランプ溝３２内に形成される。６個のドライブボール１４は、図２Ｂに示す如く、スピンドル軸１０の先端部近傍内にリング状に、６０°の角度間隔で、放射状に設けた複数のボール保持孔１７内に、転動可能に嵌入され、保持される。これら６個のボール保持孔１７は、スピンドル軸１０の先端部の内外に開口し、ボール保持孔１７内の各クランプボール１４は、ボール保持孔１７の内外の開口から、内側及び外側に露出して孔内に収容されている。

一方、図３に示す如く、スピンドル軸１０のスピンドル先端部１５に設けたコレット挿入穴１６の奥部には、プレート１２が嵌入され、付勢部材１８が、コイルばね１８ａにより、挿入された刃具コレット３のコレット連結部３０を、先端側に付勢するように配設される。付勢部材１８は、係止リング２１により、コレット挿入穴１６の所定位置内で、摺動可能に保持される。さらに、スピンドル軸１０のスピンドル先端部１５の外周部に、クランプスリーブ１３が所定の範囲で、上下に摺動可能に外嵌され、さらにスピンドル先端部１５にはクランプスリーブ１３を先端側に付勢するバネ部材１９（コイルばね）が装着される。クランプスリーブ１３は、係止リング２２により、スピンドル先端部１５の所定位置で、摺動可能に保持される。

クランプスリーブ１３の内周面には、クランプボール１４を含むスピンドル先端部１５の外周面に接触する係合面１３ａが形成され、図７に示す如く、クランプスリーブ１３が上に摺動したとき、クランプボール１４が係合面１３ａの一部に設けたディンプル１３ｂに係合する。これにより、クランプボール１４とクランプ溝３２のディンプル３３との嵌合が解除され、刃具コレット３の離脱を許容するようになっている。

一方、図３に示すように、刃具コレット３の中間部つまりコレット連結部３０と刃具固定部３１間の外周部に、係合溝３４がリング状に形成され、係合溝３４内に複数の係合ディンプル３５が所定の角度間隔で設けられる。

これらの係合ディンプル３５は、図７〜図９に示すように、刃具コレット３が、刃具マガジン８の収納凹部８０に収納されたとき、収納凹部８０内の両側に、対向して設置された捻り付与部８２のボールプランジャが係合するように構成される。

捻り付与部８２、８３の一対のボールプランジャは、収納凹部８０内で両側から対向して、収納凹部８０内の両側に設けられ、両側のボールプランジャのボールが内側に露出する。ロボットアームＲＡによって、刃具コレット３が刃具マガジン８の収納凹部８０に挿入されたとき、捻り付与部８２、８３の両側のボールプランジャのボールが、係合ディンプル３５内に係合するようになっている。

さらに、捻り付与部８２、８３の両側のボールプランジャの付勢力は、相互に相違するように設定される。つまり、両側に設けられる捻り付与部８２、８３のボールプランジャは、その円筒部内に配設されるコイルばねのバネ力が相違してセットされる。

このため、両側のボールプランジャのボールが係合ディンプル３５に係合し、ロボットアームＲＡの動作により刃具コレット３が収納凹部８０から離脱するとき、両側のボールプランジャのボールと係合ディンプル３５間に生じる摩擦抵抗値が両側で異なる。これにより、ロボットアームＲＡの動作により刃具コレット３が収納凹部８０から離脱するとき、刃具コレット３に捻り力が付与され、刃具コレット３が捻られる。これにより、クランプボール１４とクランプ溝３２内の各ディンプル３３との係合が適正状態となり、クランプ部２で刃具コレット３が適正にクランプされるようになっている。

この例では、捻り付与部８２、８３として、ボールプランジャを使用したが、刃具コレット３に捻り力を付与するために、ロボットアームＲＡの動作時、刃具コレット３の外周部と刃具マガジン８の収納凹部８０間の両側で、異なる摩擦抵抗を付与する構造であれば、他の付勢構造などを使用することもできる。

刃具７を刃具固定部３１に固定した複数の刃具コレット３は、図４〜図１０に示すように、刃具マガジン８の収納凹部８０内に収納される。超硬ロータリーバー、軸付砥石などからなる交換可能な刃具７は、刃具コレット３の刃具固定部３１の底部に挿入され、締付ネジで締め付け固定される。

刃具マガジン８は、図４〜図６に示す如く、水平部上に、複数の収納凹部８０を水平に並設し、複数の収納凹部８０内に刃具付きの刃具コレット３を収納するように構成される。各収納凹部８０は、前方に向けて略Ｕ字型に開口して形成され、収納凹部８０の周縁部には、上記刃具コレット３の係合溝３４と係合し刃具コレット３を保持する係合保持部８１が形成される。図７，８に示す如く、係合保持部８１は、ロボットアームＲＡの動作により、刃具コレット３が収納凹部８０内に進入するとき、その係合溝３４が係合保持部８１に係合しながら、収納凹部８０の奥まで進入して保持されるようになっている。

さらに、図４に示すように、各収納凹部８０の両側に、ボールプランジャからなる捻り付与部８２、８３が内側に対向して設けられる。両側の捻り付与部８２と捻り付与部８３の各ボールプランジャは、内蔵されるコイルばねのバネ力が相違して設定され、先端部のボールの付勢力が異なっている。捻り付与部８３の先端の各ボールプランジャは、刃具コレット３の係合溝３４の係合ディンプル３５と係合可能である。

刃具コレット３の各収納凹部８０の両側上には、クランプ解除部８４が水平部として形成され、クランプ解除部８４の収納凹部８０側の縁部は、その箇所に達した刃具コレット３のクランプスリーブ１３を、上昇させるように形成される。さらに、図５、図７に示すように、刃具マガジン８上には、クランプ解除部８４から前方にかけて傾斜面８５が、奥に向かって高くなるように、連続して形成される。

これにより、図７に示すように、ロボットアームＲＡの動作によって、刃具コレット３がスピンドル本体１とともに移動し、刃具コレット３が収納凹部８０の前方から奥に向かって進入したとき、刃具コレット３のクランプスリーブ１３の下端部が傾斜面８５上に接触する。これにより、クランプスリーブ１３が傾斜面８５上を摺動しながら持ち上げられ、クランプ解除部８４まで達したとき、クランプボール１４の外側が、係合面１３ａのディンプル１３ｂに嵌り、クランプボール１４とコレット連結部側のディンプル３３との係合が外れ、クランプスリーブ１３によるクランプが解除される。

このため、ロボットアームＲＡによりスピンドル本体１が上昇すると、刃具コレット３が図３に示す如く、スピンドル軸１０のクランプ部２から離脱し、収納凹部８０の係合保持部８１が刃具コレット３の係合溝３４に係合しているため、刃具コレット３は収納凹部８０に保持され、スピンドル本体１はロボットアームＲＡとともに上昇移動する。

一方、刃具コレット３を外した後、スピンドル本体１が、刃具交換などのために、再び刃具コレット３を装着する場合、スピンドル本体１は、そのクランプ部２を、ロボットアームＲＡによって、刃具マガジン８の収納凹部８０上の刃具コレット３上に合せるように移動し、その後、クランプ部２とともにスピンドル本体１を下降させ、コレット挿入穴１６内に、刃具コレット３のコレット連結部３０を嵌入させる。

その状態で、ロボットアームＲＡの動作により、スピンドル本体１が刃具マガジン８の前側に水平移動すると、収納凹部８０内の係合保持部８１に保持された刃具コレット３が前方に移動する。このとき、捻り付与部８２、８３のボールプランジャが、刃具コレット３に捻り力を付与し、刃具コレット３が捻られながら収納凹部８０から離れる。

このため、クランプ部２のクランプボール１４が刃具コレット３側のクランプ溝３２のディンプル３３に適正に係合した状態となり、クランプスリーブ１３の下端部が傾斜面８５上を摺動して、クランプスリーブ１３が図２に示すようにクランプボール１４を介して刃具コレット３のコレット連結部３０を適正に連結した状態となるように、構成される。

通常、加工工具の刃具交換装置においては、スピンドル本体のクランプ部に刃具コレットを、回転力を確実に伝達し、且つ簡単に離脱させる必要があり、刃具コレットとスピンドル本体のクランプ部の連結は、駆動力が確実に伝達できるように、双方に歯部を設けておき、それらの歯部の噛合により連結状態とする。しかしながら、刃具コレットとスピンドル本体のクランプ部の連結を、歯部の噛合により行った場合、刃具コレットとクランプ部の角度位置関係がランダムであると、歯部の噛合が不完全となり、クランプスリーブが適正なクランプ位置まで戻らず、刃具コレットがクランプ部から落下する不具合が生じやすい。

このため、連結動作時、常に、刃具コレットとスピンドル本体のクランプ部の角度を検出するセンサーが必要となり、ロボットアームには刃具コレットに対しスピンドル本体のクランプ部の角度を合わせる動きが必要となり、コストが上昇し、加工効率も低下しやすい。

これに対し、上記構成のように、刃具コレット３とスピンドル本体１のクランプ部２の連結を、クランプボール１４とクランプ溝３２内のディンプル３３との係合により行い、連結時、捻り付与部８２，８３により刃具コレット３に捻り力を自動的に付与し、刃具コレット３を捻るように構成することにより、角度検出用のセンサーは不要となり、ロボットアームＲＡに、刃具コレットとスピンドル本体のクランプ部の角度を合わせる制御も不要となる。

次に、上記構成の加工工具の刃具交換装置の動作を説明する。上述のように、加工工具は、図１１に示す如く、ロボットアームＲＡの先端に、フローティング装置Ｆを介して取り付けられる。フローティング装置Ｆは、加工工具の回転駆動部９とスピンドル本体１を保持する保持部が、所定範囲で上下動可能に、且つ水平方向に揺動可能に支持され、空気圧が保持部内に印加され、刃具７にワーク側から上下或いは左右方向に荷重が印加されたとき、回転駆動部９とスピンドル本体１が上下動或いは揺動し、刃具７にかかる荷重を減少させる。

各種の刃具７を固定した複数の刃具コレット３は、刃具マガジン８上の収納凹部８０内に、その係合保持部８１を係合溝３４に係合させて、保持される。

スピンドル本体１のクランプ部２に、刃具コレット３をクランプする場合、ロボットアームＲＡを動作させて、図３の状態のクランプ部２を、刃具マガジン８上の刃具コレット３の真上に位置させる。そして、スピンドル本体１を真下に下降させると、図７の左図に示す如く、クランプ部２のクランプスリーブ１３が刃具マガジン８上のクランプ解除部８４に当接し、クランプ部２の下降に伴いクランプスリーブ１３が持ち上げられ、同時にクランプ部２のコレット挿入穴１６内にコレット連結部３０が嵌入する。このとき、クランプボール１４はクランプスリーブ１３内の係合面１３ａのディンプル１３ｂに係合し、コレット連結部３０は適正なクランプ位置までコレット挿入穴１６内に嵌入する。

次に、ロボットアームＲＡの動作により、スピンドル本体１が刃具コレット３とともに、収納凹部８０の開口側に水平移動する。このとき、刃具コレット３は、その係合溝３４の係合ディンプル３５に、係合保持部８１側の捻り付与部８２，８３のボールプランジャが接触するため、捻り力が付与され、軸の回りで捻られる。同時に、クランプスリーブ１３の下端部が傾斜面８５上を、図７の右方向に摺動して開口側に進み、クランプスリーブ１３はバネ部材１９の付勢力により下降し、クランプスリーブ１３内の係合面１３ａがクランプボール１４を内側に押圧する。これにより、図７の右図のように、クランプボール１４がコレット連結部３０のクランプ溝３２のディンプル３３に適正に係合した状態となる。

このように、ロボットアームＲＡの動作のみで、刃具コレット３のコレット連結部３０がクランプ部２のコレット挿入穴１６に挿入され、クランプが完了することとなる。この後、回転駆動部９が起動して、スピンドル軸１０及び刃具コレット３が高速で回転駆動され、ロボットアームＲＡは、ティーチングモードなどで、刃具７を、予め記憶した座標データに基づき、ワークテーブル上に固定されたワークＷの加工線に沿って移動させ、バリ取りなどの加工を行う。

この後、別の刃具コレット３に交換して、加工を行う場合、先ず、クランプ部２にクランプ中の刃具コレット３を、刃具マガジン８の収納凹部８０に戻すために、図７，９のように、ロボットアームＲＡを動かして、その刃具コレット３を空の収納凹部８０に、その前方の開口から進入させる。このとき、刃具コレット３が、その係合溝３４に係合保持部８１が係合しながら、収納凹部８０の奥に進む。

このとき、クランプスリーブ１３の下端部が傾斜面８５上を摺動して進み、クランプスリーブ１３の下端部が刃具マガジン８のクランプ解除部８４に達したとき、クランプスリーブ１３内の係合面１３ａのディンプル１３ｂがクランプボール１４に係合し、クランプスリーブ１３がアンクランプ状態となる。このとき、刃具コレット３の係合溝３４が係合保持部８１に係合保持されているため、ロボットアームＲＡの動作によりスピンドル本体１のクランプ部２が上昇すると、図８に示す如く、刃具コレット３がクランプ部２から離脱して収納凹部８０内に保持され、クランプ部２は空の状態に戻る。

次に、スピンドル本体１のクランプ部２は、ロボットアームＲＡの動作により、交換先の刃具マガジン８上の刃具コレット３上に移動する。そして、上記と同様に、クランプ部２が、刃具マガジン８上の刃具コレット３の真上に移動し、スピンドル本体１が真下に下降する。このとき、上記と同様に、クランプ部２のクランプスリーブ１３が刃具マガジン８上のクランプ解除部８４に当接し、クランプ部２の下降に伴いクランプスリーブ１３が持ち上げられ、同時にクランプ部２のコレット挿入穴１６内にコレット連結部３０が嵌入する。このとき、クランプボール１４はクランプスリーブ１３内の係合面１３ａのディンプル１３ｂに係合し、コレット連結部３０は適正なクランプ位置までコレット挿入穴１６内に嵌入する。

次に、上記と同様に、ロボットアームＲＡの動作により、スピンドル本体１が刃具コレット３とともに、収納凹部８０の開口側に水平移動する。このとき、刃具コレット３は、その係合溝３４の係合ディンプル３５に、係合保持部８１側の捻り付与部８２，８３のボールプランジャが接触し、刃具コレット３に捻り力が付与され、軸の回りで捻られる。同時に、クランプスリーブ１３の下端部が傾斜面８５上を摺動して開口側に進み、クランプスリーブ１３はバネ部材１９の付勢力により下降し、クランプスリーブ１３内の係合面１３ａがクランプボール１４を内側に押圧し、図７の右図のように、クランプボール１４がコレット連結部３０のクランプ溝３２のディンプル３３に適正に係合し、刃具コレット３はクランプ部２にクランプされる。この状態で、刃具コレット３が高速で回転駆動され、当該刃具コレット３による加工が行われる。

このように、上記刃具交換装置は、ロボットアームＲＡに加工工具が取り付けられ、空気圧などの動力や電力を使用せずに、ロボットアームＲＡの動作のみで、刃具マガジン８に保持された刃具コレット３を、スピンドル軸１０のクランプ部２に嵌合させ、クランプすることができ、且つクランプスリーブ１３を自動的に摺動させてクランプ解除を行うことができる。また、刃具コレット３をクランプする際、クランプボール１４をクランプ溝３２のディンプル３３に係合させ、刃具コレット３を捻りながらクランプ状態とするので、常に刃具コレット３をクランプ部２に適正に連結してクランプし、回転駆動可能に取り付けることができる。

また、刃具コレット３を刃具マガジン８に収納する場合、ロボットアームＲＡの動作により、クランプスリーブ１３をアンクランプ方向に摺動させて、刃具コレット３をクランプ部２から離脱させ、刃具コレット３を刃具マガジン８に収納することができる。これにより、刃具７を取り付けた刃具コレット３の交換を適正に行うことができる。

図１２、図１３は第２実施形態を示し、この例では、上記クランプボール１４とディンプル１３ｂの係合に代えて、カービックカップリング方式が採用される。

すなわち、図１２，１３に示すように、刃具コレット３の外周上部に第１カービックカップリング部３９が設けられ、スピンドル軸１０のスピンドル先端部１５に、第１カービックカップリング部３９と係合する第２カービックカップリング部２９が設けられる。

第１カービックカップリング部３９と第２カービックカップリング部２９の、各々の歯部と谷部の形状は、第１カービックカップリング部３９と第２カービックカップリング部２９が、任意の相対角度（軸回りの角度）位置で噛み合わされるとき、軸回りの角度が自動的に微調整され、適正なカップリング状態となるように形成される。

このため、図８の如く、ロボットアームＲＡの動作により、スピンドル本体１のクランプ部２が刃具コレット３の真上まで移動して下降し、スピンドル先端部１５のコレット挿入穴１６がコレット連結部３０に嵌合された状態とすれば、その状態で、刃具コレット３に捻り力を付与して、僅かに捻るのみで、刃具コレット３をクランプ部２に適正にクランプさせることができる。このため、刃具コレットやクランプ部の角度姿勢を検出するセンサーや、角度検出信号に基づく制御機構が不要となり、刃具交換装置の構成を簡単化することができる。

このように、スピンドル軸１０の先端に設けたクランプ部２は、クランプスリーブ１３の内側にクランプボール１４を配設するのみでよいため、圧力空気の導入回路を有し、移動部材の摺動機構を内蔵した、従来の加工工具に比して、クランプ部２を大幅に小型化することができる。このため、クランプ部２をワークに干渉させずに、ワークの細かい部分或いは刃具を進入させにくい複雑で細い部位まで、刃具を進入させて、ワークの面取り、バリ取り、ラッピングなどの加工を行うことができる。

図１４〜図１９は第３実施形態を示している。この実施形態の刃具交換装置は、上記刃具マガジン８に、押し下げ部８６を設け、刃具コレット３をクランプ部２がクランプして離れる際、クランプ部２の移動とともに押し下げ部８６が、クランプスリーブ２３を押し下げ、確実にクランプ可能とする。

図１４，１５に示すように、クランプスリーブ２３の外周部には、環状凸部２４が、スリーブの外周面から外側に、円環状に突き出している。クランプスリーブ２３の内周面には、クランプボール１４を含むスピンドル先端部の外周面に接触する係合面２３ａが形成される。

さらに、図１５に示す如く、クランプスリーブ２３が上に摺動したとき、クランプボール１４が係合面２３ａの一部に設けたディンプル２３ｂに係合する。これにより、クランプボール１４とクランプ溝３２のディンプル３３との嵌合が解除され、刃具コレット３の離脱を許容する。クランプ部２におけるその他の部分及び刃具コレット３の構造は、上記実施形態と同様である。

なお、図１９に示すように、刃具コレット３の外周上部には、第１カービックカップリング部３９を設け、スピンドル軸１０のスピンドル先端部１５に、第１カービックカップリング部３９と係合する第２カービックカップリング部２６を設けることもできる。

刃具マガジン８Ａには、図１６に示すように、クランプ解除部８４の傾斜面８５の上方に、押し下げ部８６が設けられる。押し下げ部８６は、刃具コレット３をクランプ部２がクランプし、係合保持部８１の開口側（前方）に移動する際、クランプスリーブ２３の外周部の環状凸部２４が、押し下げ部８６に係合し、クランプスリーブ２３が押し下げられる。

押し下げ部８６の底面に、傾斜面８６ａが前方に向けて下がるように傾斜して設けられる。収納凹部８０の係合保持部８１内の奥に、図１６Ｂに示すように、１対のボールプランジャからなる保持部８８が対向して設けられる。これにより、収納凹部８０を係合保持部８１まで進入した、刃具コレット３の係合溝３４の係合ディンプル３５に、保持部８８が係合して刃具コレット３を定位置に保持する。

刃具マガジン８Ａは、上記と同様に、図１６，１７に示す如く、水平部上に、収納凹部８０を水平に設け、収納凹部８０内に刃具付きの刃具コレット３を収納する。収納凹部８０は、前方に向けて略Ｕ字型に開口して形成され、収納凹部８０の周縁部に、刃具コレット３の係合溝３４と係合し刃具コレット３を保持する係合保持部８１が形成される。

さらに、図１６に示すように、収納凹部８０の一方の側に、ボールプランジャからなる複数の捻り付与部８７が、並べて設けられる。これにより、刃具コレット３が、ロボットアームＲＡにより、収納凹部８０内を前方に移動するとき、刃具コレット３の係合溝３４の係合ディンプル３５が、捻り付与部８７の各ボールプランジャの先端に接触し、刃具コレット３が捻られる。

収納凹部８０の両側上には、上記と同様に、クランプ解除部８４が水平部として形成され、クランプ解除部８４の収納凹部８０側の縁部は、その箇所に達した刃具コレット３のクランプスリーブ２３を、上昇させるように形成される。さらに、刃具マガジン８Ａ上には、クランプ解除部８４から前方にかけて傾斜面８５が、奥に向かって高くなるように、連続して形成される。

なお、簡略化されて図示された図１６において、刃具マガジン８Ａは、１個の収納凹部８０のみを設けて図示されているが、図１１に示す如く、通常、複数の収納凹部８０が設けられる。

次に、上記構成の刃具交換装置の動作を説明する。各種の刃具７を固定した刃具コレット３は、刃具マガジン８Ａ上の収納凹部８０内に、その係合保持部８１を係合溝３４に係合させて、保持される。

スピンドル本体１のクランプ部２が、刃具コレット３をクランプする場合、ロボットアームＲＡを動作させて、図１７Ｂに示すように、クランプ部２を、刃具マガジン８上の刃具コレット３の真上に位置させる。そして、スピンドル本体１を真下に下降させると、クランプ部２のクランプスリーブ２３が刃具マガジン８上のクランプ解除部８４に当接し、クランプ部２の下降に伴いクランプスリーブ２３が持ち上げられ、同時にクランプ部２のコレット挿入穴１６内にコレット連結部３０が嵌入する。このとき、クランプボール１４はクランプスリーブ２３内の係合面２３ａのディンプル２３ｂに係合し、図１７Ｃのように、コレット連結部３０は適正なクランプ位置までコレット挿入穴１６内に嵌入する。

次に、ロボットアームＲＡ（図１１）の動作により、スピンドル本体１が刃具コレット３とともに、図１７，１８に示すように、収納凹部８０の開口側に水平移動する。このとき、刃具コレット３の係合溝３４の係合ディンプル３５が、収納凹部８０の片側に並設された、捻り付与部８７の複数のボールプランジャに、接触する。このため、刃具コレット３に捻り力が付与され、刃具コレット３が軸の回りで捻られる。同時に、クランプスリーブ２３の下端部が傾斜面８５上を摺動して開口側に進み、クランプスリーブ２３はバネ部材１９の付勢力により下降する。

さらに、刃具コレット３が収納凹部８０の開口側に水平移動してクランプスリーブ２３が下降しているとき、クランプスリーブ２３の環状凸部２４が刃具マガジン８の押し下げ部８６の傾斜面８６ａに接触する。これにより、クランプスリーブ２３は、押し下げ部８６により押し下げられて、下降し、図１８に示すように、クランプスリーブ２３内の係合面２３ａがクランプボール１４を内側に押圧し、クランプボール１４がコレット連結部３０のクランプ溝３２のディンプル３３に適正に係合し、クランプ状態となる。

したがって、クランプスリーブ２３が、何らかの理由で、バネ部材１９の付勢に抗して下降しない場合であっても、クランプスリーブ２３は、押し下げ部８６により確実に押し下げられて下降する。このため、クランプ部２のクランプボール１４は、図１８の如く、クランプスリーブ２３内の係合面２３ａのディンプル２３ｂに係合し、確実にクランプされる。

一方、加工工具が、別の刃具コレット３に交換して、加工を行う場合、上記と同様に、ロボットアームＲＡが動作して、刃具コレット３を空の収納凹部８０に、その前方の開口から進入させる。このとき、刃具コレット３が、その係合溝３４を係合保持部８１に係合させながら、収納凹部８０の奥に進む。そして、上記と同様、クランプスリーブ２３の下端部が傾斜面８５上を摺動して進み、クランプスリーブ２３の下端部が刃具マガジン８Ａのクランプ解除部８４に達したとき、クランプスリーブ２３内の係合面２３ａのディンプル２３ｂがクランプボール１４に係合し、クランプスリーブ２３がアンクランプ状態となる。そして、ロボットアームＲＡの動作によりスピンドル本体１のクランプ部２が上昇すると、刃具コレット３の係合溝３４が係合保持部８１に係合保持されているため、刃具コレット３がクランプ部２から離脱して収納凹部８０内に保持され、クランプ部２は空の状態に戻る。

１ スピンドル本体
２ クランプ部
３ 刃具コレット
７ 刃具
８ 刃具マガジン
８Ａ 刃具マガジン
９ 回転駆動部
１０ スピンドル軸
１１ 軸受部材
１２ プレート
１３ クランプスリーブ
１３ａ 係合面
１３ｂ ディンプル
１４ クランプボール
１５ スピンドル先端部
１６ コレット挿入穴
１７ ボール保持孔
１８ 付勢部材
１９ バネ部材
２１ 係止リング
２２ 係止リング
２３ クランプスリーブ
２３ａ 係合面
２３ｂ ディンプル
２４ 環状凸部
２９ 第２カービックカップリング部
３０ コレット連結部
３１ 刃具固定部
３２ クランプ溝
３３ ディンプル
３４ 係合溝
３５ 係合ディンプル
３９ 第１カービックカップリング部
８０ 収納凹部
８１ 係合保持部
８２ 捻り付与部
８３ 捻り付与部
８４ クランプ解除部
８５ 傾斜面
８６ 押し下げ部
８６ａ 傾斜面
８７ 捻り付与部
８８ 保持部

Claims (13)

1. スピンドル軸を回転駆動する回転駆動部と、該回転駆動部に連結され、内部に該スピンドル軸を回転可能に保持するスピンドル本体と、該スピンドル軸の先端に設けられたクランプ部と、該クランプ部にクランプされ、刃具を取り付けた刃具コレットと、複数の該刃具コレットを保持する刃具マガジンと、を備えた加工工具の刃具交換装置において、
   該刃具コレットの端部に設けたコレット連結部に、円環状のクランプ溝が設けられ、
   該クランプ部には、該クランプ溝に嵌合する複数のクランプボールと、該クランプボールを内側に付勢するために、外周部に摺動可能に外嵌されたクランプスリーブと、該クランプスリーブをクランプ方向に付勢するバネ部材とが設けられ、
   該刃具コレットの外周部に、円環状の係合溝が設けられるとともに、前記刃具マガジンに、前記刃具コレットを収納する収納凹部が設けられ、該収納凹部に、該刃具コレットの該係合溝に係合可能な係合保持部が設けられるとともに、該クランプスリーブに接触して該クランプスリーブをアンクランプ方向に摺動させるクランプ解除部が該刃具マガジン上に設けられ、
   該刃具コレットが該収納凹部から離脱する際、該係合溝と係合して該刃具コレットに捻り力を付与する捻り付与部が設けられたことを特徴とする加工工具の刃具交換装置。
2. 円環状のクランプ溝内に複数のディンプルが設けられ、前記複数のクランプボールが該ディンプルに嵌合して駆動力を伝達することを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
3. 前記クランプスリーブの内側に係合面が設けられ、該係合面は、前記クランプスリーブの軸方向の摺動に応じて、前記クランプボールを前記クランプ溝のディンプルに嵌合させて駆動力を伝達し、嵌合を解除して刃具コレットを離脱させることを特徴とする請求項２記載の加工工具の刃具交換装置。
4. 前記クランプボールは、スピンドル先端部に所定の角度間隔で放射状に設けた複数のボール保持孔に、内周側及び外周側に露出して嵌入されたことを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
5. 前記スピンドル軸の先端に設けたコレット挿入穴の奥部に、前記刃具コレットのコレット連結部を、突き出し方向にバネ力で付勢する付勢部材が設けられたことを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
6. 前記スピンドル軸の先端のクランプ部には、前記クランプスリーブをバネ力により軸方向に付勢するバネ部材が設けられたことを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
7. 前記刃具マガジンのクランプ解除部は、前記収納凹部内に収納された刃具コレットに対し、前記スピンドル軸のクランプ部が進入し、該クランプ部のコレット挿入穴にコレット連結部が嵌入するとき、前記クランプスリーブの端部が該クランプ解除部に接触し摺動してクランプを解除することを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
8. 前記刃具マガジン上には、前記収納凹部の縁部に沿って傾斜面が、前記クランプ解除部の手前に設けられたことを特徴とする請求項７記載の加工工具の刃具交換装置。
9. 前記捻り付与部は、前記刃具マガジンの前記収納凹部に、対向して配設された２個のボールプランジャから構成され、該２個のボールプランジャのボール付勢力が、相互に相違して設定されたことを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
10. 前記刃具コレットの外周部に第１カービックカップリング部が設けられ、前記スピンドル軸先端のスピンドル先端部に、該第１カービックカップリング部と係合する第２カービックカップリング部が設けられたことを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
11. 前記捻り付与部は、前記刃具マガジンの前記収納凹部の一方の側に並設された複数のボールプランジャから構成され、該一方の側のボールプランジャと該係合溝との係合により該刃具コレットに捻り力を付与することを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
12. 前記クランプスリーブの外周部に環状凸部が設けられ、該環状凸部に係合して該クランプスリーブを押し下げる押し下げ部が、前記刃具マガジン上に設けられ、前記刃具マガジンの前記収納凹部内に収納された刃具コレットに対し、前記スピンドル軸のクランプ部が進入し、該クランプ部のコレット挿入穴にコレット連結部が嵌入されて、該収納凹部から該刃具コレットが離れるとき、該環状凸部が該押し下げ部に係合して押し下げられ、前記クランプスリーブが下降して該刃具コレットのクランプが完了することを特徴とする請求項１記載の加工工具の刃具交換装置。
13. 前記押し下げ部は、前記刃具マガジン上の前記収納凹部の上方に、傾斜面を有して設けられたことを特徴とする請求項１２記載の加工工具の刃具交換装置。

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