JP7306962B2 - 工具交換機構および工作機械 - Google Patents

Description

本開示は、工具交換機構および工作機械に関するものである。

工具マガジンに保持されているいずれかの工具と、主軸に保持されている工具とを、２つのグリッパを有するダブルアーム方式の工具交換アームの回転により交換する工具交換機構が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００－１２６９６７号公報

工具交換アームによって工具を交換する場合には、工具マガジンに保持されている第１の工具の抜き出し、主軸に保持されている第２の工具の抜き出し、工具交換アームの回転、第２の工具の工具マガジンへの収納および第１の工具の主軸への取付が行われる。

主軸への工具の着脱は、主軸の軸線に沿う方向に、主軸と工具交換アームとを相対移動させることによって実施される。また、工具マガジンへの工具の着脱は、工具マガジンと工具交換アームとを相対移動させることにより実施される。

工具交換アームの動作によって工具マガジンへの工具の着脱と工具の入れ替えとを実施する場合、工具交換アームに回転動作および直線移動動作を行わせる機構が必要となり、機構が複雑になる。したがって、機構を複雑化させることなく、工具マガジンに保持されている工具と、主軸に保持されている工具との交換を行うことができる工具交換機構および工作機械が望まれている。

本開示の一態様は、主軸と工具マガジンとの間で工具を交換する工具交換機構であって、前記主軸が、前記工具を着脱可能に装着して主軸線回りに回転させるとともに該主軸線に沿う方向に移動可能に設けられ、前記工具マガジンが、前記主軸線に平行な中心軸線に沿う方向に移動可能に支持されかつ前記中心軸線に沿う方向に前記工具を着脱可能に保持する工具保持部を有し、前記主軸に装着された前記工具と、前記工具保持部に保持された前記工具とを同時に把持可能な２つのグリッパを備える工具交換アームと、該工具交換アームを前記主軸線と前記中心軸線との中央に平行に延びる回転軸線回りに回転駆動する回転駆動部と、２つの前記グリッパにより前記工具が把持されたときに、前記主軸と前記工具保持部とを連結し、前記工具の把持が解除されたときに連結を解除する連結部とを備える工具交換機構である。

本開示の一実施形態に係る工具交換機構を備える工作機械を示す模式図である。 図１の工具交換機構における工具交換アームを説明する平面図である。 図１の工具交換機構における連結部を説明する平面図である。 図１の工具交換機構において、工具保持部を上側位置および下側位置にそれぞれ保持可能なボールプランジャおよび凹部を説明する図である。 図１の工作機械における主軸と工具マガジンとの間の工具交換において、工具の把持および主軸と工具保持部との連結を説明する模式図である。 図５の状態から、主軸および工具保持部からの工具の抜き出しを説明する模式図である。 図６の状態からの工具の入れ替えを説明する模式図である。 図７の状態から、主軸および工具保持部への工具の装着を説明する模式図である。 図８の状態から、工具交換アームの工具の把持解除および連結部による連結解除を説明する模式図である。 図３の連結部の変形例を説明する平面図である。

本開示の一実施形態に係る工具交換機構７および工作機械１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る工作機械１は、図１に示されるように、床面に設置されるベッド２と、ベッド２から鉛直上方に延びるコラム３と、ワークＷが固定されるテーブル４とを備えている。コラム３には、工具５０，６０を軸線（主軸線）Ｊ回りに回転させる主軸５が鉛直方向に移動可能に取り付けられている。主軸５に対して水平方向に離れた位置には、多数の工具６０を保持する工具マガジン６が備えられている。また、工作機械１は、主軸５と工具マガジン６との間で工具５０，６０を交換する本実施形態に係る工具交換機構７を備えている。

主軸５は、工具５０，６０に取り付けたテーパシャンク８，９によって、工具５０，６０を下端部に着脱可能に保持することができる。
工具マガジン６は、工具５０，６０に取り付けたテーパシャンク８，９によって、工具５０，６０を下端部に着脱可能に保持する複数の柱状の工具保持部１０と、各工具保持部１０を嵌合させ、個別に鉛直方向に移動可能に支持する複数の工具受け部１１とを備えている。

各工具受け部１１には、図４に示されるように、水平方向に沿って設けられた孔１２内に収容されたボール１３の一部を、バネ１４により、工具保持部１０を嵌合させる孔１２の内面から突出させる方向に強制するボールプランジャ１５が設けられている。一方、各工具保持部１０の外側面にはボールプランジャ１５のボール１３を係合させる凹部１６が上下方向に間隔をあけた２か所に設けられている。
また、工具マガジン６は、工具受け部１１を水平方向に移動させ、所望の工具受け部１１を工具交換位置に位置決めする工具搬送機構１７を備えている。

本実施形態に係る工具交換機構７は、工具交換アーム１８と、回転駆動部１９と、連結部２０とを備えている。
工具交換アーム１８は、主軸線Ｊと、工具交換位置に配置された工具６０の中心軸線Ｐとの中央に平行に鉛直方向に延びる回転軸線Ｑ回りに水平回転可能に支持されている。工具交換アーム１８には、図２に示されるように、主軸５に保持された工具５０と、工具交換位置に配置された工具受け部１１の工具保持部１０に保持された工具６０とを同時に把持可能な２つのグリッパ２１が備えられている。

工具交換アーム１８は、例えば、板厚方向に延びる回転軸線Ｑ回りに回転可能な帯板状の部材である。グリッパ２１は、工具交換アーム１８の長辺の端部を円弧状に抉った切欠により構成され、回転軸線Ｑを挟んで正反対の位置に設けられている。工具５０，６０に取り付けたテーパシャンク８，９には、工具交換アーム１８の板厚よりも若干大きな溝幅の周溝２２，２３が設けられている。

工具交換アーム１８を、グリッパ２１の切欠を前縁にして回転軸線Ｑ回りに回転させると、図２に鎖線で示されるように、工具交換アーム１８がグリッパ２１の切欠の位置においてテーパシャンク８，９の周溝２２，２３内に収容される。これにより、周溝２２，２３の上側の溝壁が工具交換アーム１８の上面に引っ掛かって下方に脱落しない状態に保持されるとともに、周溝２２，２３の下側の溝壁が工具交換アーム１８の下面に引っ掛かって、工具５０，６０を上方に引き抜けない状態に保持される。

すなわち、主軸５および工具保持部１０から工具５０，６０のテーパシャンク８，９の下方に引き抜くときには、グリッパ２１の切欠の位置における工具交換アーム１８の下面が、テーパシャンク８，９に設けた周溝２２，２３の下側の溝壁に引っ掛かって、工具５０，６０に下方に向かう引き抜き力を加えることができる。また、工具５０，６０が引き抜かれた状態では、各工具５０，６０が、工具交換アーム１８の両端のグリッパ２１の切欠において周溝２２，２３の上側の溝壁を工具交換アーム１８の正面に引っ掛けて、工具交換アーム１８に載置された状態に支持される。

さらに、主軸５および工具保持部１０に下方から工具５０，６０を装着する際には、グリッパ２１の切欠の位置における工具交換アーム１８の上面が、テーパシャンク８，９に設けた周溝２２，２３の上側の溝壁に引っ掛かって、工具５０，６０に上方に向かう押し込み力を加えることができる。

回転駆動部１９は、モータ２４と、モータ２４の回転を工具交換アーム１８の回転に変換する変換機構２５とを備えている。工具交換アーム１８には、回転軸線Ｑに沿って延びるアームシャフト（シャフト）２６が設けられている。変換機構２５は、モータ２４のシャフト２４ａおよびアームシャフト２６にそれぞれ固定され、相互に噛み合う歯車２７，２８を備えている。

モータ２４の回転力は歯車２７，２８の噛み合いを経由してアームシャフト２６に伝達され、工具交換アーム１８が回転軸線Ｑ回りに回転駆動される。
図示しない制御部からの指令により、モータ２４が駆動されると、工具交換アーム１８が回転軸線Ｑ回りに、指令に応じた角度だけ正転または逆転させられる。

連結部２０は、図３に示されるように、工具交換アーム１８と同様の平板状の連結部材（係合部材）２９と、アームシャフト２６に設けられたスプライン３０と、連結部材２９の長手方向の中央に設けられたアームシャフト２６のスプライン３０を嵌合させるスプライン孔３１とを備えている。
主軸５および工具保持部１０の回転軸線Ｑに対向する側面には、回転軸線Ｑ回りに回転してくる連結部材２９の両端を収容可能な溝（被係合部）３２，３３が水平方向に沿って設けられている。

工具交換アーム１８と連結部材２９とは、同一位相に配置されている。したがって、工具交換アーム１８が回転軸線Ｑ回りに回転して２つの工具５０，６０をグリッパ２１によって把持する位置に配置されると、回転軸線Ｑから主軸線Ｊおよび中心軸線Ｐに向かう方向の連結部材２９の突出量が変化し、連結部材２９が主軸５および工具保持部１０の溝３２，３３内に配置され、主軸５と工具保持部１０とが回転軸線Ｑに沿う方向に係合される。

このように構成された本実施形態に係る工具交換機構７および工作機械１の作用について以下に説明する。
図１に示されるように、テーパシャンク８に工具５０を取り付けた工具セットＡ（以下、工具Ａともいう。）が主軸５に取り付けられ、テーパシャンク９に工具６０を取り付けた工具セットＢ（以下、工具Ｂともいう。）が工具マガジン６の工具保持部１０に装着されている場合を説明する。

この状態では、主軸５と工具保持部１０とは連結されておらず、主軸５はコラム３に沿って上下動させられながら工具Ａを主軸線Ｊ回りに回転させてテーブル４上のワークＷを加工することができる。
工具Ａによる加工が終了し、工具Ｂによる加工を実施するには、図１に示されるように、主軸５を工具交換位置である上下方向位置に配置するとともに、工具搬送機構１７を作動させて、工具Ｂを保持する工具保持部１０を工具交換位置に配置する。

この状態では、ボールプランジャ１５のボール１３が工具保持部１０の上側の凹部１６に係合している。
これにより、工具保持部１０は工具受け部１１に対して下側位置に位置決め状態に保持されている。

次いで、工具交換機構７のモータ２４を作動させ、歯車２７，２８を経由してアームシャフト２６を回転軸線Ｑを中心に、例えば、図２に示されるように、反時計回りに９０°回転させる。これにより、アームシャフト２６に固定されている工具交換アーム１８およびアームシャフト２６のスプライン３０をスプライン孔３１に嵌合させた連結部材２９が、図２および図３に示されるように、回転軸線Ｑを中心に９０°反時計回りに回転させられる。

これにより、図５に示されるように、工具交換アーム１８の両端に設けられた２つのグリッパ２１により、工具Ａおよび工具Ｂが同時に把持されるとともに、回転軸線Ｑから主軸線Ｊおよび中心軸線Ｐに向かう方向の突出量が増化し、連結部材２９の両端が主軸５および工具保持部１０に設けられた溝３２，３３に係合する。
この状態で、図６に示されるように、主軸５を上昇させると、連結部材２９が、スプライン孔３１をスプライン３０に対して回転軸線Ｑに沿う方向に移動させて上昇し、連結部材２９によって主軸５に連結されている工具保持部１０が上昇させられる。

工具交換アーム１８は、グリッパ２１によって工具Ａ，Ｂを把持した状態に固定されているので、主軸５の上昇によって工具Ａが主軸５から引き抜かれ、工具Ｂが工具保持部１０から引き抜かれる。工具保持部１０の下側の凹部１６にボールプランジャ１５のボール１３が係合する上側位置まで工具受け部１１に対して工具保持部１０を上昇させ、その位置で主軸５の上昇を停止する。

この状態で、工具交換機構７のアームシャフト２６を回転軸線Ｑ回りに１８０°回転させる。これにより、図７に示されるように、主軸５の下方に工具Ｂが配置され、工具保持部１０の下方に工具Ａが配置される。
アームシャフト２６を回転させる間に、回転軸線Ｑから主軸線Ｊおよび中心軸線Ｐに向かう方向９の突出量が変化することにより、連結部材２９の両端が、主軸５および工具保持部１０の溝３２，３３から一旦外れ、再度係合するが、工具保持部１０はボールプランジャ１５のボール１３を凹部１６に係合させているので、工具受け部１１に対して静止した状態に維持される。

この状態で、図８に示されるように、主軸５を下降させると、連結部材２９によって連結されている工具保持部１０も下降して、主軸５に工具Ｂが装着され、工具保持部１０に工具Ａが装着される。そして、工具交換アーム１８を、回転軸線Ｑを中心に、例えば、時計回りに９０°回転させることにより、図９に示されるように、回転軸線Ｑから主軸線Ｊおよび中心軸線Ｐに向かう方向の突出量が減少し、工具交換アーム１８の両端のグリッパ２１から工具Ａ，Ｂが解放され、かつ、連結部材２９と溝３２，３３との係合が解除される。これにより、工具Ａ，Ｂの交換が終了する。

このように、本実施形態に係る工具交換機構７および工作機械１によれば、工具交換機構７として工具交換アーム１８の回転および上下動の両方を行わせる複雑な機構を用いずに済むという利点がある。すなわち、主軸５が本来備えている上下動を行う機能を利用して、工具マガジン６の工具保持部１０を上下動させるので、工具交換機構７が複雑化することなく、工具マガジン６に保持されている工具６０と、主軸５に保持されている工具５０との交換を行うことができる。

なお、本実施形態においては、主軸線Ｊが鉛直方向に配置されている場合を例示したが、主軸５が水平方向に配置されている工作機械１にも適用することができる。
また、工具受け部１１にボールプランジャ１５を設け、工具保持部１０の凹部１６にボール１３を係合させることにより、工具受け部１１に対して工具保持部１０を上下の２箇所で静止させることとした。これに代えて、工具保持部１０に、上下２か所にボールプランジャ１５を設け、工具受け部１１に凹部１６を設けることにしてもよい。

また、ボールプランジャ１５と凹部１６に代えて、アームシャフト２６のスプライン３０の上方に横断面円形の柱状部を設け、主軸５および工具保持部１０が上側位置に配置されたときにスプライン孔３１とスプライン３０との係合が解除されることにしてもよい。この構成により、主軸５および工具保持部１０が上側位置に配置されているときには、アームシャフト２６を回転軸線Ｑ回りに回転させても連結部材２９による主軸５と工具保持部１０との連結状態が維持される。一方、主軸５および工具保持部１０が下側位置に配置されているときには、スプライン３０がスプライン孔３１に係合して、アームシャフト２６および連結部材２９を回転軸線Ｑ回りに回転させることができる。

また、本実施形態においては、連結部材２９の両端を主軸５および工具保持部１０に設けた溝３２，３３内に挿入することとしたが、図１０に示されるように、連結部材２９の両端にカムフォロワ３４を設け、カムフォロワ３４を溝３２，３３内に挿入することにしてもよい。これにより、連結部材２９と溝３２，３３との間の摩耗を低減することができる。

また、主軸５を主軸線Ｊ方向に駆動する図示しないモータの電流値を監視する判定部および報知部を設けてもよい。判定部がモータの電流波形に基づいて、工具交換機構７における異常の有無を判定し、異常がある場合にはこれを報知すればよい。

すなわち、主軸５を主軸線Ｊ方向に移動させて、主軸５への工具５０，６０の着脱および工具保持部１０への工具５０，６０の着脱を行う際に、所定の閾値よりも大きな電流が検出される場合には、工具５０，６０の着脱が良好に行われていない虞がある。この場合に判定部により工具交換機構７に異常があると判定して、これを報知することにより、工作機械１の各部に損傷が発生することを未然に防止することができる。

１ 工作機械
５ 主軸
６ 工具マガジン
７ 工具交換機構
１０ 工具保持部
１８ 工具交換アーム
１９ 回転駆動部
２０ 連結部
２１ グリッパ
２４ モータ
２６ アームシャフト（シャフト）
２９ 連結部材（係合部材）
３２，３３ 溝（被係合部）
５０，６０ 工具
Ａ，Ｂ 工具セット（工具）
Ｊ 軸線（主軸線）
Ｐ 中心軸線
Ｑ 回転軸線

Claims (5)

1. 主軸と工具マガジンとの間で工具を交換する工具交換機構であって、
   前記主軸が、前記工具を着脱可能に装着して主軸線回りに回転させるとともに該主軸線に沿う方向に移動可能に設けられ、
   前記工具マガジンが、前記主軸線に平行な中心軸線に沿う方向に移動可能に支持されかつ前記中心軸線に沿う方向に前記工具を着脱可能に保持する工具保持部を有し、
   前記主軸に装着された前記工具と、前記工具保持部に保持された前記工具とを同時に把持可能な２つのグリッパを備える工具交換アームと、
   該工具交換アームを前記主軸線と前記中心軸線との中央に平行に延びる回転軸線回りに回転駆動する回転駆動部と、
   ２つの前記グリッパにより前記工具が把持されたときに、前記主軸と前記工具保持部とを連結し、前記工具の把持が解除されたときに連結を解除する連結部とを備える工具交換機構。
2. 前記連結部が、前記回転駆動部による前記工具交換アームの回転角度位置に応じて、前記回転軸線から前記主軸線および前記中心軸線に向かう方向の突出量を変化させる係合部材と、２つの前記グリッパにより前記工具が把持される回転角度位置において、前記主軸および前記工具保持部において前記係合部材と前記主軸線方向に係合する被係合部とを備える請求項１に記載の工具交換機構。
3. 前記回転軸線に沿う方向に延び前記回転駆動部によって前記回転軸線回りに回転駆動されるシャフトに、前記係合部材が、前記回転軸線回りに係合しかつ前記回転軸線に沿う方向に移動可能に支持される請求項２に記載の工具交換機構。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の工具交換機構を備える工作機械。
5. 前記主軸を前記主軸線方向に駆動するモータと、
   該モータの電流値に基づいて、前記工具交換機構における異常の有無を判定する判定部とを備える請求項４に記載の工作機械。
   
   

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