JP7196166B2

JP7196166B2 - ツール交換装置、マスターユニットおよびツールユニット

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Publication number: JP7196166B2
Application number: JP2020521051A
Authority: JP
Inventors: 悠竹林; 翔太森口
Original assignee: Koganei Corp
Current assignee: Koganei Corp
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2022-12-26
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: WO2019225126A1; JPWO2019225126A1

Description

本発明は、移動部材に取り付けられるマスターユニットと、このマスターユニットに着脱自在に装着されるツールユニットとを備えたツール交換装置の技術に関する。

ワークを把持したり加工したりするツールが取り付けられるツールユニットを、ロボットアーム等の移動部材に装着するために、ツール交換装置が使用される。ツール交換装置は、ツールチェンジャーとも言われ、移動部材に取り付けられるマスターユニットと、これに着脱自在に装着されるツールユニットとを備えている。それぞれツールが取り付けられる複数のツールユニットが支持台に配置されており、加工や搬送等のワークに対する操作に応じて、いずれかのツールユニットがマスターユニットに自動的に装着される。

このようなツール交換装置としては、従来、特許文献１に記載されるような自動着脱装置がある。この自動着脱装置は、マスターユニットとしての装置本体と、ツールユニットとしての接続部とを有している。装置本体はロボットアーム等の移動部材に取り付けられ、接続部が装置本体に着脱自在に装着される。複数の接続部のいずれもが装置本体に装着できるようになっており、ツール支持台には、ワークを把持するハンドが設けられた接続部やワークを加工するツールが設けられた接続部が配置されている。ロボットアームによる操作に応じて、いずれかの接続部つまりツールユニットが装置本体に装着される。

特開平４－３００１８７号公報

上述した自動着脱装置においては、複数の鋼球を備えた円筒部材が装置本体に設けられ、鋼球に係合する係合面が接続部に設けられている。ピストンロッドが装置本体に設けられ、鋼球を係合面に向けて突出させるテーパ面がピストンロッドに設けられており、ピストンロッドはピストンにより駆動される。装置本体にはヘッドカバーとロッドカバーとが設けられ、ヘッドカバーとピストンとの間と、ロッドカバーとピストンとの間には、それぞれ空気圧室つまり加圧室が形成されている。ピストンロッドはロッドカバーを貫通しており、鋼球が設けられた円筒部材はロッドカバーの外面に配置され、円筒部材はそのフランジ部を貫通する複数本のボルトにより装置本体に取り付けられている。

このように、鋼球を保持する円筒部材はそのフランジ部を貫通する複数本のボルトにより装置本体に取り付けられているので、装置本体の径を小さくすることができなかった。同様に、接続部には係合面が形成された環状部材が複数本のボルトにより取り付けられており、装置本体と接続部とからなる自動着脱装置を小型化することができなかった。自動着脱装置が大型となると、その重量が嵩んでしまう。自動着脱装置が大型となり、重量が嵩むと、産業用ロボットのアーム等により迅速に自動着脱装置を移動させることができず、ロボットアームをツールにより操作してワークを迅速に加工したり、チャックを用いてワークを迅速に移動したりすることができなかった。

本発明の目的は、ツール交換装置を構成するマスターユニット、ツールユニットの小型化を達成し、ツール交換装置の小型化および軽量化を達成することにある。

本発明の他の目的は、ツール交換装置の小型化および軽量化により、移動部材によりツール交換装置を迅速に移動させることができるようにすることにある。

本発明のツール交換装置は、ツールが取り付けられるツールユニットと、前記ツールユニットが着脱自在に装着されるマスターユニットとを備えるツール交換装置であって、前記マスターユニットは、装着面と、前記装着面に対向する取付面と、前記装着面に開口する小径孔と、前記取付面に開口し前記小径孔に連通する大径孔と、前記大径孔と前記小径孔の間に形成される第１の段差面とを有するマスターブロックと、前記小径孔に圧入されるとともに先端が装着面から突出する円筒部、および前記第１の段差面に突き当てられるフランジ部を備え、前記マスターブロックに取り付けられるボールホルダと、前記円筒部に当該円筒部の外面から内面に向けて内径が大きくなるように傾斜したテーパ面により形成され、ボールを保持する複数のボール支持孔と、先端に前記ボールが接触するボール駆動部が設けられるとともに、前記大径孔に軸方向に往復動自在に組み込まれ、前記第１の段差面との間で第１の加圧室を形成するピストンと、前記大径孔に取り付けられ、前記ピストンとの間で第２の加圧室を形成するヘッドカバーと、前記第２の加圧室に設けられ、前記ピストンに前記ボールホルダに向かう方向のばね力を付勢するコイルばねと、を有し、前記ツールユニットは、前記マスターブロックの前記装着面に突き当てられる突き当て面と、当該突き当て面に対向し前記ツールが取り付けられる先端面と、前記突き当て面に開口し前記ボールホルダが挿入される挿入孔と、前記先端面に開口し前記挿入孔よりも大径の収容孔と、前記挿入孔と前記収容孔との間に形成される第２の段差面とを有するツールブロックと、前記先端面の側から前記収容孔に圧入され、前記第２の段差面に突き当てられて前記ツールブロックに固定される係合リングと、前記係合リングにテーパ形状に形成され、前記ボール駆動部により径方向外方に駆動された前記ボールが係合するボール係合面と、を有する。

本発明のマスターユニットは、ツールが取り付けられたツールユニットが着脱自在に装着されるマスターユニットであって、装着面と、前記装着面に対向する取付面と、前記装着面に開口する小径孔と、前記取付面に開口し前記小径孔に連通する大径孔と、前記大径孔と前記小径孔の間に形成される段差面を有するマスターブロックと、前記小径孔に圧入されるとともに先端が装着面から突出する円筒部、および前記段差面に突き当てられるフランジ部を備え、前記マスターブロックに取り付けられるボールホルダと、前記円筒部に当該円筒部の外面から内面に向けて内径が大きくなるように傾斜したテーパ面により形成され、ボールを保持する複数のボール支持孔と、先端に前記ボールが接触するボール駆動部が設けられるとともに、前記大径孔に軸方向に往復動自在に組み込まれ、前記段差面との間で第１の加圧室を形成するピストンと、前記大径孔に取り付けられ、前記ピストンとの間で第２の加圧室を形成するヘッドカバーと、前記第２の加圧室に設けられ、前記ピストンに前記ボールホルダに向かう方向のばね力を付勢するコイルばねと、を有し、前記ピストンは、前記ボール駆動部を介して前記ボールを径方向外側に押し出す第１の位置と、前記ボールを径方向に移動可能にする第２の位置とに移動し、前記円筒部の前記小径孔への圧入により前記ボールホルダを前記マスターブロックに固定する。

本発明のツールユニットは、ツールが取り付けられ、マスターユニットに着脱自在に装着されるツールユニットであって、前記マスターユニットの装着面に突き当てられる突き当て面と、当該突き当て面に対向し前記ツールが取り付けられる先端面と、前記突き当て面に開口する挿入孔と、前記先端面に開口し前記挿入孔よりも大径の収容孔と、前記挿入孔と前記収容孔との間に形成される段差面とを有するツールブロックと、前記先端面の側から前記収容孔への圧入により前記ツールブロックに固定され、前記段差面に突き当てられる係合リングと、前記係合リングに形成されるテーパ形状のボール係合面と、前記マスターユニットの中心軸に対して１８０度ずらして前記マスターユニットに設けられた第１の位置決めピンと第２の位置決めピンの嵌合部がそれぞれ嵌合されように前記ツールブロックに形成される嵌合孔と、を有し、前記マスターユニットの中心軸と前記第１の位置決めピンの中心軸とに交差する径方向線に沿う方向における前記第２の位置決めピンの前記嵌合部の幅寸法を前記嵌合部の直径よりも短くし、前記嵌合部が嵌合される前記嵌合孔との間に隙間を形成することにより、前記マスターユニットの中心軸に対する前記第１の位置決めピンと前記第２の位置決めピンの径方向の寸法誤差を吸収する。

マスターユニットは、マスターブロックとボールホルダとを有し、ボールホルダのフランジ部は段差面に突き当てられ、円筒部はマスターブロックに形成された小径孔に圧入される。円筒部が小径孔に圧入されることにより、ボールホルダはマスターブロックに固定される。したがって、ボルトによりフランジ部をマスターブロックに固定する場合に比して、マスターブロックを小型軽量化することができる。ツールユニットは、ツールブロックと係合リングとを有し、係合リングはツールブロックの先端面側から収容孔に挿入されて段差面に突き当てられる。係合リングはツールブロックに圧入されるので、係合リングをボルトにより固定する場合に比して、ツールブロックを小型軽量化することができる。

マスターユニットとツールユニットの小型軽量化により、ツール交換装置の小型軽量化が達成されるので、ツール交換装置を取り付けたロボットアーム等の移動部材を、高速で移動させることができ、ツールを使用した量産品の製造能率を大幅に向上させることができる。

一実施の形態であるツール交換装置のマスターユニットとツールユニットを示す斜視図である。図１におけるＡ－Ａ線断面図である。図２に示されたマスターブロックの装着面を示す底面図である。マスターユニットにツールユニットを装着している途中における図２と同様の部分を示す断面図である。マスターユニットにツールユニットを装着完了した状態における図２と同様の部分を示す断面図である。図４の平面図である。図６におけるＢ－Ｂ線断面図である。図６に示された給排ポートと空気供給源との間に接続される空気圧配管図である。図５におけるＣ－Ｃ線断面図である。（Ａ）はパッキン取付孔に装着されるパッキンを示す断面図であり、（Ｂ）はパッキン取付孔に装着されたパッキンを示す断面図である。ツールユニットに装着されたツールと空気圧供給源との間に接続される空気圧配管図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２に示されるように、ツール交換装置１０は、マスターユニット１１とツールユニット１２とを備えており、ツールユニット１２はマスターユニット１１に着脱自在に装着される。マスターユニット１１は、ほぼ円筒形状のマスターブロック１３を有し、産業用ロボットのアームに取り付けられる。マスターブロック１３はアルミニウム合金製である。マスターブロック１３の外周面は円弧面１４ａと平坦なコネクタ取付面１４ｂとによって形成されている。図において上面は、ロボットアーム等に取り付けられる取付面１５であり、取付面１５に対向する下面はツールユニット１２が装着される装着面１６である。マスターユニット１１は、ツールを移動するためのロボットアームのような、移動部材に対して取り付けられる。

貫通孔が設けられた移動部材にマスターユニット１１をボルト等の雌ねじを有する固定用部材で取り付けるために、４つのねじ孔１７が取付面１５に開口してマスターブロック１３に設けられている。それぞれのねじ孔１７はマスターブロック１３の中心軸Ｏから同一半径位置に、円周方向に９０度置きに設けられている。一方、雌ねじが設けられた移動部材にマスターユニット１１を取り付けるために、４つのボルト取付孔１８が取付面１５に開口してマスターブロック１３に設けられている。それぞれのボルト取付孔１８は段付き孔であり、中心軸Ｏから同一半径位置に、円周方向に９０度置きに設けられている。このように、マスターユニット１１はねじ孔１７またはボルト取付孔１８により移動部材に取り付けられる。移動部材にマスターユニット１１を取り付けるときの円周方向の位置決めのために、ロボットアームに設けられた位置決めピンが挿入される位置決め孔１９ａ、１９ｂが取付面１５に開口してマスターブロック１３に形成されている。

ツールユニット１２はほぼ環状のツールブロック２１を有し、ツールユニット１２には、ワークを把持したり加工したりするツールが取り付けられる。ツールの一例としては、空気圧チャックやエアドリルや電動ドリル等がある。空気圧チャックは、空気圧によりフィンガー部材を開閉動作させてワークを把持する。エアドリルや電動ドリルは、ワークに穴あけ加工をする。

ツールブロック２１はアルミニウム合金製である。ツールブロック２１の外周面は円弧面２２ａと平坦なコネクタ取付面２２ｂとによって形成されている。図において上面は、マスターユニット１１に突き当てられる突き当て面２３であり、突き当て面２３に対向する下面はツールが取り付けられる先端面２４である。ツールを取り付けるために、４つのボルト取付孔２５がツールブロック２１を貫通して設けられており、それぞれのボルト取付孔２５は段付き孔であり、ツールブロック２１の中心軸Ｏから同一半径位置に円周方向に９０度ずらして設けられている。

ツールユニット１２に空気圧アクチュエータが接続される場合には、空気圧アクチュエータに設けられるセンサスイッチ等の信号線は、コネクタ取付面２２ｂに取り付けられるコネクタに接続される。ツールユニット１２に電動ドライバなどの電動機器が接続される場合には、電動機器に設けられたエンコーダなどの出力信号線や、電動機器に取り付けられるモータの駆動信号線は、コネクタ取付面２２ｂに取り付けられるコネクタに接続される。

ツールユニット１２をマスターユニット１１に装着するときに、ツールユニット１２のマスターユニット１１に対する円周方向の位置決めを行うために、図２に示されるように、２本の位置決めピン２６ａ、２６ｂがマスターブロック１３に取り付けられている。それぞれの位置決めピン２６ａ、２６ｂは鋼材により形成され、それぞれの中心軸Ｏ1、Ｏ2は中心軸Ｏを中心に円周方向に１８０度ずれている。それぞれの位置決めピン２６ａ、２６ｂはマスターブロック１３から突出する嵌合部２７ａ、２７ｂを有しており、嵌合部２７ａ、２７ｂは先端面が基端部よりも細くなるように傾斜していて、全体的にテーパ面である。位置決めピン２６ａ、２６ｂが挿入される位置決め孔２８ａ、２８ｂがツールブロック２１に設けられている。位置決め孔２８ａ、２８ｂの大径部には鋼材からなるブッシュ２９ａ、２９ｂが取り付けられており、位置決めピン２６ａの嵌合部２７ａはブッシュ２９ａの嵌合孔２９ｃに嵌合され、位置決めピン２６ｂの嵌合部２７ｂはブッシュ２９ｂの嵌合孔２９ｄに嵌合される。これにより、ツールユニット１２はマスターユニット１１に対して所定の円周方向位置に位置決めされる。位置決めピン２６ａ、２６ｂの中心軸Ｏ1、Ｏ2は、嵌合孔２９ｃ、２９ｄの中心軸と同軸である。位置決めピン２６ａ、２６ｂの嵌合部２７ａ、２７ｂをテーパ面とすることで、位置決めピン２６ａ、２６ｂが位置決め穴２８ａ、２８ｂから抜けやすくなり、ツールユニット１２をマスターユニット１１から容易に取り外すことができる。

一方の位置決めピン２６ａを第１の位置決めピンとし、他方のピン２６ｂを第２の位置決めピンとすると、図３に示されるように、第１の位置決めピン２６ａの嵌合部２７ａの基端部側の断面は円形である。これに対して、第２の位置決めピン２６ｂの嵌合部２７ｂの基端部側の断面は略ひし形であり、４つの平坦面３０を有している。

図３に示されるように、中心軸Ｏに直交するとともに位置決めピン２６ａの中心軸Ｏ1に直交する径方向線をＲとする。径方向線Ｒは位置決めピン２６ｂの中心軸Ｏ2にも直交しており、径方向線Ｒを中心に隣り合う２つの平坦面３０は交差している。径方向線Ｒの方向の嵌合部２７ｂの基端部の距離ｄは、径方向線Ｒに直角な方向の嵌合部２７ｂの基端部の直径Ｄよりも短く設定されている。直径Ｄは嵌合孔２９ｄの突き当て面２３側の内径と一致しており、距離ｄは嵌合孔２９ｄの突き当て面２３側の内径よりも僅かに小さい。例えば、距離ｄは直径Ｄよりも０．１ｍｍ程度小径に設定されている。

したがって、第２の位置決めピン２６ｂの嵌合部２７ｂと嵌合孔２９ｄとの間には、差（Ｄ－ｄ）に応じた隙間が形成される。隙間は、ピストン４１の中心軸Ｏと第１の位置決めピン２６ａの中心軸Ｏ1に交差する径方向線Ｒに沿う方向に形成される。これに対して、切欠き面３０が設けられていない円弧部３０ａの直径は嵌合孔２９ｄと同一径である。つまり、第１の位置決めピン２６ａの中心軸Ｏ1と第２の位置決めピン２６ｂの中心軸Ｏ2との間に径方向の寸法誤差が存在していても、第１の位置決めピン２６ａを基準として、第２の位置決めピン２６ｂが径方向線Ｒの方向に移動する。これにより、ツールユニット１２とマスターユニット１１とを組み合わせるとき、中心軸Ｏ1、中心軸Ｏ2との間の径方向の寸法誤差を吸収することができる。

図２に示されるように、小径孔３１が装着面１６に開口してマスターブロック１３に形成されている。小径孔３１よりも内径が大きい大径孔３２が、取付面１５に開口してマスターブロック１３に形成されている。大径孔３２は小径孔３１と同軸であり、小径孔３１に連通している。第１の段差面３３が小径孔３１と大径孔３２の間に形成されている。ボールホルダ３４がマスターブロック１３に取り付けられている。ボールホルダ３４は、円筒部３５とフランジ部３６とを備えており、円筒部３５は装着面１６から突出している。円筒部３５の内面３５ａと外面３５ｂとの間を径方向に貫通する複数のボール支持孔３７が円筒部３５に形成されている。それぞれのボール支持孔３７は、外面３５ｂから内面３５ａに向けて内径が大きくなるように傾斜したテーパ面である。それぞれのボール支持孔３７の中心軸は、装着面１６に平行な同一面に設けられている。それぞれのボール支持孔３７に鋼材からなるボール３８が保持されている。

円筒部３５を小径孔３１に圧入することにより、ボールホルダ３４はマスターブロック１３に固定される。ボールホルダ３４をマスターブロック１３に取り付けるときには、大径孔３２が開口された取付面１５の側からボールホルダ３４が大径孔３２に挿入され、次いで円筒部３５が小径孔３１に圧入される。フランジ部３６の径よりも大径の大径孔３２が取付面１５に開口しており、ボールホルダ３４は取付面１５側から挿入されるので、ボールホルダ３４を取付面１５側から容易に挿入することができる。したがって、ボールホルダ３４の円筒部３５を小径孔３１に容易に圧入することができる。

このように、ボールホルダ３４をマスターブロック１３に圧入により固定するようにしたので、フランジ部３６をボルトによりマスターブロック１３に固定する場合に比して、マスターブロック１３およびフランジ部３６の径を小径とすることができるとともに、マスターユニット１１を軽量とすることができる。これにより、ツール交換装置１０の小型化と軽量化とが達成され、ツール交換装置１０をロボットアーム等の移動部材により迅速に高速移動することが可能となった。

ピストン４１が大径孔３２に軸方向に往復動自在に組み込まれている。ピストン４１の先端側に鋼材からなるロッド部４２が一体に設けられ、ボール駆動部４３がロッド部４２に取り付けられている。ロッド部４２の中心軸はマスターブロック１３の中心軸Ｏと一致している。ロッド部４２とボール駆動部４３はボールホルダ３４の円筒部３５内に挿入され、ロッド部４２と円筒部３５の間はシール部材４０によりシールされている。ピストン４１とフランジ部３６との間で第１の加圧室４４が形成されている。ヘッドカバー４５が大径孔３２の取付面１５側に取り付けられている。ヘッドカバー４５は止めリング４６によりマスターブロック１３に固定されており、止めリング４６は大径孔３２に形成された環状溝に装着される。ヘッドカバー４５とピストン４１との間で第２の加圧室４７が形成されている。ヘッドカバー４５とピストン４１との間には、圧縮コイルばね４８が装着され、圧縮コイルばね４８によりピストン４１にはボールホルダ３４の先端面に向かう方向つまり前進方向のばね力が付勢されている。

第２の加圧室４７に圧縮空気を供給すると、ピストン４１を前進させる方向の空気の圧力がばね力に加えて付勢され、ピストン４１は前進限位置つまり第１の位置にまで駆動される。一方、第１の加圧室４４に圧縮空気を供給すると、ピストン４１を後退させる方向の空気の圧力がばね力に抗して付勢され、ピストン４１は後退限位置つまり第２の位置にまで駆動される。環状溝５１が段差面３３に形成され、環状溝５１にはＯリング５２が設けられている。Ｏリング５２は、段差面３３とフランジ部３６との間をシールし、第１の加圧室４４に供給された圧縮空気がボールホルダ３４とマスターブロック１３との間から漏出することを防止する。ピストン４１の外周面と大径孔３２との間をシールするために、ピストン４１にはシール部材５３が設けられている。また、ヘッドカバー４５の外周面と大径孔３２との間をシールするために、ヘッドカバー４５にはシール部材５４が設けられている。

ボール駆動部４３は、外周面が中心軸Ｏに平行となった小径の先端部４３ａと、先端部４３ａからロッド部４２側の基端部に向けて漸次大径となった駆動面４３ｂとを有している。さらに、ボール駆動部４３は、駆動面４３ｂから基端部に向けて大径部４３ｃを介して基端部に向けて漸次大径となったロック面４３ｄを有している。図２においては、ピストン４１が後退限位置まで駆動され、ヘッドカバー４５に接触した状態が示されている。このときは、ボール駆動部４３の先端部４３ａと駆動面４３ｂとがボール３８に接触し、ボール３８が円筒部３５の内部に落下するのが防止される。

図２に示されるように、挿入孔５５が突き当て面２３に開口してツールブロック２１に形成されている。挿入孔５５よりも内径が大きい収容孔５６が、先端面２４に開口してツールブロック２１に形成されており、収容孔５６は挿入孔５５と同軸であり、挿入孔５５に連通している。第２の段差面５７が挿入孔５５と収容孔５６との間に形成されている。鋼材からなる係合リング５８がツールブロック２１に取り付けられている。係合リング５８を収容孔５６に圧入することにより、係合リング５８はツールブロック２１に固定される。係合リング５８をツールブロック２１に取り付けるときには、収容孔５６の先端側部５６ａから係合リング５８が収容孔５６に圧入され、段差面５７に突き当てられる。先端側部５６ａは収容孔５６よりも大径となっているので、係合リング５８を先端側部５６ａ内に容易に挿入することができ、係合リング５８の収容孔５６への圧入作業を容易に行うことができる。

このように、係合リング５８をツールブロック２１に圧入により固定するようにしたので、係合リング５８をボルトによりツールブロック２１に固定する場合に比して、係合リング５８の径を小径とすることができるとともに、ツールユニット１２を軽量にすることができる。これにより、ツール交換装置１０の小型化と軽量化とが達成され、ツール交換装置１０をロボットアーム等の移動部材により迅速に高速移動することが可能となった。

係合リング５８は、小径部５８ａを介して突き当て面２３側のボールガイド面５８ｂと、その反対側のボール係合面５８ｃとを有している。ボールガイド面５８ｂはボール係合面５８ｃに向けて小径となるように傾斜したテーパ形状であり、ボール係合面５８ｃはボールガイド面５８ｂに向けて小径となるように傾斜したテーパ形状である。ボールガイド面５８ｂとボール係合面５８ｃは傾斜方向が逆である。

図２に示されるように、第１の加圧室４４に圧力が供給されてピストン４１が第２の位置となって、ピストン４１がヘッドカバー４５に接触した状態のもとでは、ボール３８はボール駆動部４３の先端部４３ａと駆動面４３ｂとに接触しており、円筒部３５の外面３５ｂよりも径方向外方には突出していない。ボール３８は径方向外方に移動可能である。この状態のもとで、ツールユニット１２とマスターユニット１１とを接近させて、それぞれの嵌合部２７ａ、２７ｂをブッシュ２９ａ、２９ｂに嵌合させるとともに、ボールホルダ３４の円筒部３５を係合リング５８の内部に挿入すると、図４に示されるように、ツールブロック２１の突き当て面２３は、マスターブロック１３の装着面１６に突き当てられる。円筒部３５を係合リング５８に挿入するときに、ボール３８の一部がボール支持孔３７から径方向外方に突出していたとしても、ボール３８はボールガイド面５８ｂにより、径方向内方にガイドされる。

２本の位置決めピン２６ａ、２６ｂの中心軸Ｏ1、Ｏ2の間の距離に加工誤差が発生していても、位置決めピン２６ａの嵌合部２７ａと嵌合孔２９ｃとの嵌合によりマスターブロック１３とツールブロック２１との基準位置が設定される。そして、隙間内における位置決めピン２６ｂの径方向移動により加工誤差が吸収されて、容易にマスターブロック１３とツールブロック２１とを組み合わせることができる。実施の形態においては、位置決めピン２６ｂに切欠き面３０を設けることにより、隙間を形成しているが、嵌合孔２９ｄの一部を切り欠くことにより、同様の隙間を形成するようにしても良い。

図４に示される状態のもとで、第２の加圧室４７に圧縮空気を供給すると、圧縮コイルばね４８のばね力と圧縮空気の圧力とにより、ピストン４１は、前進方向つまり図４において下方に駆動される。ピストン４１がこの方向に駆動されると、図５に示されるように、まず、ボール駆動部４３の駆動面４３ｂによりボール３８は径方向外側に押し出される。つぎに、ボール駆動部４３の移動によりボール３８は、ロック面４３ｄにより径方向外側に押し出されてボール係合面５８ｃに押し付けられる。これにより、ツールユニット１２はマスターユニット１１にボール３８を介して締結される。このときには、ピストン４１およびロッド部４２の中心軸Ｏは、係合リング５８の中心軸Ｏと一致した状態となる。

ツールユニット１２がマスターユニット１１に締結されたときには、ボールホルダ３４には図５において下方に向かう引き抜き方向の力が加わるが、フランジ部３６が段差面３３に接触することにより、ボールホルダ３４が抜けることはない。同様に、係合リング５８には図５において上方に向かう引き抜き方向の力が加わるが、係合リング５８が段差面５７に接触することにより、係合リング５８が抜けることはない。

図７は図６におけるＢ－Ｂ線断面図であり、第１の加圧室４４に連通する第１の給排ポート６１と、第２の加圧室４７に連通する第２の給排ポート６２がマスターブロック１３に形成されている。それぞれの給排ポート６１、６２に接続される給排管６１ａ、６２ｂは、図８に示されるように、電磁弁６３に接続されており、この電磁弁６３の給気ポートには空気圧供給源６４が接続されている。

図１に示されるように、ツール側の空気流路６５～６８がツールブロック２１に形成されている。それぞれのツール側の空気流路６５～６８に連通するマスター側の空気流路７１～７４が、図６において破線で示されるように、マスターブロック１３に形成されている。図９は図６におけるＣ－Ｃ線断面図であり、ツールブロック２１に形成された空気流路６６と、マスターブロック１３に形成されて空気流路６６に連通する空気流路７２とが示されている。

パッキン取付孔７５が、マスター側の空気流路７２のうちツール側の端部つまり連通端部に形成されており、円筒形状のパッキン取付孔７５にはパッキン７６が装着される。他のマスター側の空気流路７１、７３、７４の連通端部にも同様にパッキン取付孔７５が形成され、それぞれのパッキン取付孔７５にパッキン７６が装着される。

図１０（Ａ）はパッキン７６がパッキン取付孔７５に装着される前の状態を示す断面図であり、図１０（Ｂ）はパッキン７６がパッキン取付孔７５に装着された状態を示す。パッキン７６の外周面は、パッキン取付孔７５とほぼ同一径の小径部７７と、これよりも大径の加圧密着部７８とを有している。加圧密着部７８はパッキン７６の基端部側に設けられている。パッキン７６をパッキン取付孔７５に装着すると、加圧密着部７８は小径部７７よりも径方向に大きく収縮変形してパッキン取付孔７５に加圧された状態で密着する。

パッキン７６の先端部は尖った突出部７９であり、パッキン７６をパッキン取付孔７５に装着したときには、図１０（Ｂ）に示されるように、マスターブロック１３の装着面１６よりも突出している。マスターユニット１１とツールユニット１２とを組み合わせると、図９に示されるように、突出部７９はツールブロック２１の突き当て面２３により軸方向に押し潰されて突き当て面２３に密着する。このように、パッキン７６は基端部側が大きく収縮するように弾性変形し、先端の突出部７９が軸方向に収縮するように弾性変形し、装着面１６と突き当て面２３との間からの空気の漏れが防止される。

図９は、パッキン７６がマスターブロック１３に装着されたマスターユニット１１を示しているが、パッキン取付孔７５をツールブロック２１に形成すると、パッキン７６がツールブロック２１に装着された形態となる。このように、パッキン７６はマスターブロック１３とツールブロック２１の一方に設けられる。

図１１は、ツールユニット１２にツールとしてのハンドつまりチャック８１が取り付けられた状態を示す。チャック８１はアダプタ８２に取り付けられており、アダプタ８２は図９に示したボルト取付孔２５に取り付けられる図示しないボルトによりツールブロック２１の先端面２４に取り付けられる。チャック８１は、ピストン８３が往復動自在に組み込まれるシリンダ８４を有し、シリンダ８４に開閉自在に設けられたフィンガー部材８５は、ピストン８３の往復動により開閉駆動される。ピストン８３の両側には前進用の圧力室８６と後退用の圧力室８７が設けられている。前進用の圧力室８６に圧縮空気を供給すると、ピストン８３が前進移動してフィンガー部材８５は開かれる。一方、後退用の圧力室８７に圧縮空気を供給すると、ピストン８３が後退移動してフィンガー部材８５は閉じられる。

シリンダ８４に接続された配管８８は、前進用の圧力室８６に連通し、シリンダ８４に接続された配管８９は、後退用の圧力室８７に連通している。配管８８は空気流路６５のポート６５ａに連通しており、配管８９は空気流路６６のポート６６ａに連通している。ツール側の空気流路６５は、マスター側の空気流路７１に連通しており、この空気流路７１のポート７１ａがマスターブロック１３の外周面に開口している。ツール側の空気流路６６は、マスター側の空気流路７２に連通しており、この空気流路７２のポート７２ａはマスターブロック１３の外周面に開口している。

図１１に示されるように、マスターブロック１３に接続される配管９１は、ポート７１ａに連通し、マスターブロック１３に接続される配管９２は、ポート７２ａに連通している。それぞれの配管９１、９２と空気圧供給源６４ａとの間には、電磁弁６３ａが設けられている。電磁弁６３ａによりポート７１ａに圧縮空気を供給すると、ポート６５ａから配管８８により前進用の圧力室８６に圧縮空気が供給される。一方、ポート７２ａに圧縮空気を供給すると、ポート６６ａから配管８９により後退用の圧力室８７に圧縮空気が供給される。後退用の圧力室８７に圧縮空気を供給すると、フィンガー部材８５が閉じられて、フィンガー部材８５により図示しない被搬送物を掴むことができる。前進用の圧力室８６に圧縮空気を供給すると、フィンガー部材８５が開かれて、掴まれていた被搬送物はフィンガー部材８５から離れる。

前進用の圧力室８６内に圧縮コイルばねを組み込むと、後退用の圧力室８７への圧縮空気の供給と排出とにより、フィンガー部材８５を開閉動作させることができる。その場合には、配管８８は使用されない。

ツール側の空気流路６７、６８にそれぞれ連通してマスター側に設けられた空気流路７３、７４についても、他のツールに対して圧縮空気を供給することができる。

ツールユニット１２には、上述のようにツールが先端面に取り付けられるようになっており、それぞれ種々のツールが取り付けられた複数のツールユニットが図示しない支持台に配置されている。ロボットハンドには予めマスターユニット１１が取り付けられており、ロボットが行う作業に応じて特定のツールユニットがマスターユニットに取り付けられる。ツールユニットが取り付けられたロボットアームは、ツール交換装置１０を移動させることにより、種々の作業を行う。ツール交換装置１０が小型軽量化されており、ロボットアームはツール交換装置１０を高速で移動させることができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。ツールとしては、空気圧のみならず、電動ドリルのように電力を駆動源とするものもツールユニットに装着することができる。

ツール交換装置は、ツールが取り付けられるツールユニットを、ロボットアーム等の移動部材に装着するために使用される。

Claims

ツールが取り付けられるツールユニットと、前記ツールユニットが着脱自在に装着されるマスターユニットとを備えるツール交換装置であって、
前記マスターユニットは、
装着面と、前記装着面に対向する取付面と、前記装着面に開口する小径孔と、前記取付面に開口し前記小径孔に連通する大径孔と、前記大径孔と前記小径孔の間に形成される第１の段差面とを有するマスターブロックと、
前記小径孔に圧入されるとともに先端が装着面から突出する円筒部、および前記第１の段差面に突き当てられるフランジ部を備え、前記マスターブロックに取り付けられるボールホルダと、
前記円筒部に当該円筒部の外面から内面に向けて内径が大きくなるように傾斜したテーパ面により形成され、ボールを保持する複数のボール支持孔と、
先端に前記ボールが接触するボール駆動部が設けられるとともに、前記大径孔に軸方向に往復動自在に組み込まれ、前記第１の段差面との間で第１の加圧室を形成するピストンと、
前記大径孔に取り付けられ、前記ピストンとの間で第２の加圧室を形成するヘッドカバーと、
前記第２の加圧室に設けられ、前記ピストンに前記ボールホルダに向かう方向のばね力を付勢するコイルばねと、
を有し、
前記ツールユニットは、
前記マスターブロックの前記装着面に突き当てられる突き当て面と、当該突き当て面に対向し前記ツールが取り付けられる先端面と、前記突き当て面に開口し前記ボールホルダが挿入される挿入孔と、前記先端面に開口し前記挿入孔よりも大径の収容孔と、前記挿入孔と前記収容孔との間に形成される第２の段差面とを有するツールブロックと、
前記先端面の側から前記収容孔に圧入され、前記第２の段差面に突き当てられて前記ツールブロックに固定される係合リングと、
前記係合リングにテーパ形状に形成され、前記ボール駆動部により径方向外方に駆動された前記ボールが係合するボール係合面と、
を有する、ツール交換装置。
請求項１記載のツール交換装置において、
前記ツールブロックにそれぞれ形成された嵌合孔に嵌合される嵌合部を備えた第１の位置決めピンと第２の位置決めピンとを、前記ピストンの中心軸に対して円周方向に１８０度ずらして前記マスターブロックに設け、
前記ピストンの中心軸と前記第１の位置決めピンの中心軸とに交差する径方向線に沿う方向における前記第２の位置決めピンの前記嵌合部の幅寸法を前記嵌合部の直径よりも短くし、前記嵌合部が嵌合される前記嵌合孔との間に隙間を形成することにより、前記ピストンの中心軸に対する前記第１の位置決めピンと前記第２の位置決めピンの径方向の寸法誤差を吸収する、ツール交換装置。
請求項１または２記載のツール交換装置において、
前記第１の段差面に環状溝を形成し、前記第１の段差面と前記フランジ部との間をシールするＯリングを前記環状溝に設ける、ツール交換装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載のツール交換装置において、
前記マスターブロックにマスター側の空気流路を設け、前記ツールユニットに前記マスター側の空気流路に連通するツール側の空気流路を設け、
前記マスター側の空気流路と前記ツール側の空気流路の一方の連通端部に設けられたパッキン取付孔に円筒形状のパッキンを装着し、
前記パッキン取付孔の内径よりも大径の加圧密着部を前記パッキンに設け、
前記ツールに前記マスターブロックの側から空気を供給する、ツール交換装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載のツール交換装置において、
前記係合リングの前記突き当て面の側に、前記ボール係合面に向けて小径となるように傾斜したボールガイド面を設け、
前記ボール係合面は前記突き当て面と前記先端面との間に形成される、ツール交換装置。
ツールが取り付けられたツールユニットが着脱自在に装着されるマスターユニットであって、
装着面と、前記装着面に対向する取付面と、前記装着面に開口する小径孔と、前記取付面に開口し前記小径孔に連通する大径孔と、前記大径孔と前記小径孔の間に形成される段差面を有するマスターブロックと、
前記小径孔に圧入されるとともに先端が装着面から突出する円筒部、および前記段差面に突き当てられるフランジ部を備え、前記マスターブロックに取り付けられるボールホルダと、
前記円筒部に当該円筒部の外面から内面に向けて内径が大きくなるように傾斜したテーパ面により形成され、ボールを保持する複数のボール支持孔と、
先端に前記ボールが接触するボール駆動部が設けられるとともに、前記大径孔に軸方向に往復動自在に組み込まれ、前記段差面との間で第１の加圧室を形成するピストンと、
前記大径孔に取り付けられ、前記ピストンとの間で第２の加圧室を形成するヘッドカバーと、
前記第２の加圧室に設けられ、前記ピストンに前記ボールホルダに向かう方向のばね力を付勢するコイルばねと、
を有し、
前記ピストンは、前記ボール駆動部を介して前記ボールを径方向外側に押し出す第１の位置と、前記ボールを径方向に移動可能にする第２の位置とに移動し、
前記円筒部の前記小径孔への圧入により前記ボールホルダを前記マスターブロックに固定する、マスターユニット。
請求項６記載のマスターユニットにおいて、
前記第２の加圧室に圧力を供給すると、前記ピストンは前記第１の位置に駆動され、前記第１の加圧室に圧力を供給すると、前記ピストンは第２の位置に駆動される、マスターユニット。
請求項６または７記載のマスターユニットにおいて、
前記ツールユニットのツールブロックにそれぞれ形成された嵌合孔に嵌合される嵌合部を備えた第１の位置決めピンと第２の位置決めピンとを、前記ピストンの中心軸に対して円周方向に１８０度ずらして前記マスターブロックに設け、
前記ピストンの中心軸と前記第１の位置決めピンの中心軸とに交差する径方向線に沿う方向における前記第２の位置決めピンの前記嵌合部の幅寸法を前記嵌合部の直径よりも短くし、前記嵌合部が嵌合される前記嵌合孔との間に隙間を形成することにより、前記ピストンの中心軸に対する前記第１の位置決めピンと前記第２の位置決めピンの径方向の寸法誤差を吸収する、マスターユニット。
請求項６～８のいずれか１項に記載のマスターユニットにおいて、
前記ツールユニットのツールブロックにそれぞれ形成された嵌合孔に嵌合される嵌合部を備えた位置決めピンを前記マスターブロックに設け、
前記嵌合部は、先端面が基端部よりも細くなるテーパ面である、マスターユニット。
ツールが取り付けられ、マスターユニットに着脱自在に装着されるツールユニットであって、
前記マスターユニットの装着面に突き当てられる突き当て面と、当該突き当て面に対向し前記ツールが取り付けられる先端面と、前記突き当て面に開口する挿入孔と、前記先端面に開口し前記挿入孔よりも大径の収容孔と、前記挿入孔と前記収容孔との間に形成される段差面とを有するツールブロックと、
前記先端面の側から前記収容孔への圧入により前記ツールブロックに固定され、前記段差面に突き当てられる係合リングと、
前記係合リングに形成されるテーパ形状のボール係合面と、
前記マスターユニットの中心軸に対して１８０度ずらして前記マスターユニットに設けられた第１の位置決めピンと第２の位置決めピンの嵌合部がそれぞれ嵌合されように前記ツールブロックに形成される嵌合孔と、
を有し、
前記マスターユニットの中心軸と前記第１の位置決めピンの中心軸とに交差する径方向線に沿う方向における前記第２の位置決めピンの前記嵌合部の幅寸法を前記嵌合部の直径よりも短くし、前記嵌合部が嵌合される前記嵌合孔との間に隙間を形成することにより、前記マスターユニットの中心軸に対する前記第１の位置決めピンと前記第２の位置決めピンの径方向の寸法誤差を吸収する、ツールユニット。
請求項１０記載のツールユニットにおいて、
前記係合リングの前記突き当て面の側に、前記ボール係合面に向けて小径となるように傾斜したボールガイド面を設け、
前記ボール係合面は前記突き当て面と前記先端面との間に形成される、ツールユニット。