JPH05285766A - 工作機械の自動工具交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 工作機械の外部の独立した装置であって、所
定プログラムに従って工具の自動交換を容易かつ正確に
実施可能な自動工具交換装置を提供する。 【構成】 この自動工具交換装置の工具搬送装置１０
は、６軸関節ロボット１２と、ロボット１２の手首部１
４に装着される工具交換ハンド１６とからなる。工具交
換ハンド１６は、工具Ｔを握持するグリッパ１８と、工
具クランプ装置のクランプ作動手段を駆動する六角レン
チ２０とを具備する。グリッパ１８は、グリッパ１８と
六角レンチ２０との間の軸線方向への相対変位を吸収す
る板ばねを介して、基板２４上の対向位置に各々固定さ
れる。六角レンチ２０は、カップリング３４を介してエ
アロータリアクチュエータ３６上の対向位置に各々回転
可能に連結される。六角レンチ２０及びエアロータリア
クチュエータ３６はグリッパ１８の延出方向に直線移動
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工作機械の自動工具交換
装置に関し、特に、工具を着脱自在に支持する支持部を
備えて工作機械の工具保持部に配設される工具クランプ
装置と、工作機械外部の工具貯蔵部と工具クランプ装置
との間で工具を搬送する工具搬送装置とを具備した工具
交換装置において、工具搬送装置を多機能化して、工具
交換に要する工具の搬送動作と工具クランプ装置のクラ
ンプ動作とを、工具搬送装置が所定のプログラムに従っ
て自動遂行できるようにした工作機械の自動工具交換装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械、特にタレット旋盤やマシニン
グセンタ等の自動工作機械において、連続無人加工運転
を実施しようとする際に自動工具交換装置を備えること
は不可欠な要件である。自動工具交換装置では、工作機
械の工具保持部に配設されて工具を着脱自在に掛止する
工具クランプ装置と、工作機械外部の工具貯蔵部と工具
クランプ装置との間で工具を搬送する工具搬送装置と
を、所定のプログラムに従い正確に制御して、工具交換
に要する工具の搬送動作と工具クランプ装置のクランプ
動作とを所定順序で確実に自動遂行させる必要がある。
工作機械の工具保持部に設けられる工具クランプ装置
は、一般に、工具を着脱自在に掛止するための所定動作
（例えば複数のセグメントによる把持動作）を手動又は
自動で遂行するクランプ機構を備える。クランプ機構を
自動的に動作させるためには、通常は工作機械側にクラ
ンプ機構の駆動装置が設けられ、この駆動装置を外部の
工具搬送装置と協働作用させて自動工具交換を行ってい
る。したがって、工作機械側に工具クランプ装置のクラ
ンプ機構の駆動装置を持たない場合は、クランプ機構を
手動操作して工具クランプ装置への工具の着脱を行う。

【０００３】このような手動操作を前提とした工具クラ
ンプ装置は、例えば、サンドビック社製のコロマントキ
ャプト（ＣＯＲＯＭＡＮＴ ＣＡＰＴＯ）システムにお
いて使用されている。このシステムにおける工具クラン
プ装置を、図３及び図４を参照して説明する。この工具
クランプ装置４２は、工作機械の工具保持部に固定配置
される基台４４を備え、基台４４の上部には、工具Ｔ
（図３（ａ）参照）の基部に略円錐台状に突設された取
着凸部Ｔ１を受容する支持凹部４６を備える。支持凹部
４６は、基台４４の上面から鉛直方向へ凹設され、工具
Ｔの取着凸部Ｔ１の外面に密着可能な傾斜支持面４８を
有する。工具Ｔの取着凸部Ｔ１は軸線方向へ凹設された
ボアＴ２を有し、ボアＴ２の内周面に溝Ｔ３が形成され
る。工具クランプ装置４２の支持凹部４６には、工具Ｔ
の取着凸部Ｔ１のボアＴ２内周面の溝Ｔ３に係合可能な
突起５０を先端に有した複数の可動クランプ部材５２が
配置される。これら複数の可動クランプ部材５２は、先
端部を工具Ｔの取着凸部Ｔ１のボアＴ２内へ突出させる
作動ロッド５４の縮径部５４ａの周囲に配置され、枢支
板５５によって突起５０の反対側の端部にて支持凹部４
６内の所定位置に枢支される。この枢支により各可動ク
ランプ部材５２は、工作機械の加工作動時に工具Ｔを所
定位置に固定する固定位置と工具交換時に工具Ｔを解放
する解放位置との間で移動可能となっている。また、こ
れらの可動クランプ部材５２を包囲して、各可動クラン
プ部材５２の内面と作動ロッド５４の縮径部５４ａの外
面とを接触状態に保持する弾性リング５６が配置され
る。作動ロッド５４は、工具クランプ装置４２の支持凹
部４６に連続して基台４４に凹設された収容部５８内
に、軸線方向へ摺動可能に配置され、可動クランプ部材
５２を固定位置と解放位置との間で移動させるクランプ
作動手段として作用する。作動ロッド５４の先端部は、
複数の可動クランプ部材５２の先端に当接するテーパ面
５４ｃを有して拡径される。したがって、作動ロッド５
４が突出位置にあり、各可動クランプ部材５２の内面と
作動ロッド５４の縮径部５４ａの外面とが接触している
ときには、各可動クランプ部材５２の先端の突起５０は
工具Ｔの取着凸部Ｔ１のボアＴ２内周面の溝Ｔ３に係合
せず、工具Ｔは解放状態に置かれる（図４（ｂ）参
照）。この状態から作動ロッド５４を引込み位置へ摺動
させると、各可動クランプ部材５２の先端が作動ロッド
５４の先端部のテーパ面５４ｃによって外方へ押し拡げ
られ、突起５０が工具Ｔの溝Ｔ３に係合して工具Ｔを引
込み、工具Ｔの取着凸部Ｔ１の外面と工具クランプ装置
４２の支持凹部４６の傾斜支持面４８とが密着して工具
Ｔを固定する（図４（ａ）参照）。このような作動ロッ
ド５４の摺動動作は、作動ロッド５４を軸線に直交する
方向へ貫通する貫通孔５４ｄ内に挿入された偏心カム６
０によって得られる。偏心カム６０は、工具クランプ装
置４２の基台４４の側面から凹設したカム支持孔６２に
回動可能に収容され、カム支持孔６２の開口部６２ａ
に、六角穴６０ａを有した端面を露出させるとともに、
カム面６０ｂを作動ロッド５４の貫通孔５４ｄの上下い
ずれかの壁面に当接させる。作業者は、この六角穴６０
ａへ六角レンチ（図示せず）を挿入して手動で偏心カム
６０を回動させ、それにより作動ロッド５４を軸線方向
へ交互的に移動させる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】例えば上記のような直
線動作する作動ロッドを備えた工具クランプ装置を使用
して、工具の自動交換を行う場合は、工作機械側に作動
ロッドの駆動装置を組込み、この駆動装置と外部の工具
搬送装置とを所定プログラムに従って制御して、工具交
換作業を遂行させていた。工作機械側に作動ロッドの駆
動装置を備えない場合は、工作機械の外部に別体の駆動
装置を設置する必要があるが、設置空間を要する課題
や、独立した装置である駆動装置と工具搬送装置とを正
確に制御する課題が残されている。しかしながら、上記
のような手動操作を前提とした工具クランプ装置を、工
作機械の外部に独立した作動ロッドの駆動装置を設置し
て自動化することは、使用者側で選択的に実施できる付
加要素であるとともに、コスト面でも工作機械側に新た
に駆動装置を設けるよりも有利であるので、そのような
外部の駆動装置の開発に対する要求が高まっている。

【０００５】本発明は、このような問題点を解決するた
めに鋭意、工夫改善を施したものであり、その目的は、
工作機械側に工具クランプ装置のクランプ機構の駆動装
置を備えない場合でも、所定プログラムに従う制御の下
で工具の自動交換を容易かつ正確に実施可能なように、
工具クランプ装置の駆動装置と工具搬送装置とを工作機
械の外部に備えた自動工具交換装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、従来、工具や工作物を自動搬送するため
に工作機械の外部に工具搬送装置として配置されるロボ
ット装置に、工具の搬送動作と工具クランプ装置のクラ
ンプ機構の駆動動作とを所定のプログラムに従って実施
可能な多機能のハンドを装着することによって、正確か
つ容易に制御できる自動工具交換装置を構成するもので
ある。

【０００７】したがって、本発明が提供する工作機械の
自動工具交換装置は、工具を着脱自在に支持する支持部
と、工作機械の加工作動時に支持部へ工具を固定する固
定位置と工具交換時に支持部から工具を解放する解放位
置との間で移動可能なクランプ部材と、所定動作の遂行
によりクランプ部材を固定位置と解放位置との間で移動
させるクランプ作動手段とを具備して、工作機械の工具
保持部に配設される工具クランプ装置と、工作機械外部
の工具貯蔵部と工具クランプ装置との間で工具を搬送す
る工具搬送装置とを具備した自動工具交換装置におい
て、上記工具搬送装置が、工具を握持するグリップ部、
及び上記工具クランプ装置のクランプ作動手段に上記所
定動作を遂行させる駆動部を備えた工具交換ハンドと、
この工具交換ハンドを装着し、所定のプログラムに従っ
て工具交換ハンドのグリップ部と駆動部とを操作して、
上記工具クランプ装置の支持部への工具の固定及び解
放、並びに上記工具クランプ装置と上記工具貯蔵部との
間での工具の搬送を自動遂行可能なロボット装置とを具
備したことを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】工具搬送装置のロボット装置に装着した工具交
換ハンドは、所定プログラムに従ってグリップ部と駆動
部とを作動して、工具クランプ装置に対する工具の固定
及び解放を遂行する。工具クランプ装置への工具供給時
には、ロボット装置の工具交換ハンドが、工作機械外部
の工具貯蔵部から所望の工具を取り出し、グリップ部に
握持した状態で工具クランプ装置へ搬送する。さらに工
具交換ハンドは、工具をグリップ部に握持したまま工具
クランプ装置の支持部へ配置させ、その状態で、駆動部
によって工具クランプ装置のクランプ作動手段を駆動す
る。それによりクランプ作動手段はクランプ部材を作動
するための所定動作を遂行し、クランプ部材を解放位置
から固定位置へ移動させて工具を固定する。工具クラン
プ装置からの工具抜脱時には、工具交換ハンドは、工具
をグリップ部に握持して、駆動部によって再び工具クラ
ンプ装置のクランプ作動手段を駆動し、クランプ部材を
固定位置から解放位置へ移動させて工具を解放する。以
上の作用は、全てロボット装置の制御によって遂行され
る。

【０００９】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明をその実
施例に基づきさらに詳細に説明する。図１は、本発明の
実施例による自動工具交換装置の工具搬送装置の斜視
図、図２は、図１の工具搬送装置に使用されるハンドの
分解斜視図、図３は、本発明の実施例による自動工具交
換装置に適用可能な従来の工具クランプ装置の部分断面
側面図及び正面図、図４は、図３の工具クランプ装置の
作動説明図、図５は、本発明の実施例による自動工具交
換装置を使用した工作機械の平面図である。

【００１０】図１を参照すると、本発明の実施例による
自動工具交換装置の工具搬送装置１０は、一般的な６軸
関節ロボット１２と、ロボット１２の手首部１４に装着
される工具交換ハンド１６とからなる。６軸関節ロボッ
ト１２は、工作機械の外部に設置されて、後述するよう
に自動工具交換の他に工作物の供給やチャック交換等の
作業を、所定のプログラムに従って実施することができ
る。

【００１１】工具交換ハンド１６は、図２に詳細に示す
ように、工具Ｔを握持するグリッパ１８を備えたグリッ
プ部と、前述の工具クランプ装置４２の作動ロッド５４
（図３参照）を駆動する六角レンチ２０を備えた駆動部
とを具備する。グリッパ１８は、工具交換ハンド１６の
回転軸線Ｒに関して回転角１８０゜の２位置にそれぞれ
配置され、板ばね２２を介して基板２４上の対向位置に
各々固定される。各グリッパ１８は、略平行に延出する
２本の指２６と、これらの指２６の間に引込み可能に突
出する複数の爪２８とを備える。基板２４は、フランジ
３０を介してロボット１２の手首部１４へ連結される。
各グリッパ１８を基板２４へ連結する一対の板ばね２２
は、後述する工具交換動作時に外力によって撓曲して、
グリッパ１８と六角レンチ２０及びグリッパ１８とロボ
ット１２の手首部１４との間の軸線方向への相対変位を
吸収する。

【００１２】基板２４の、ハンド１６の先端側すなわち
フランジ３０の反対側の面には、一対のグリッパ１８の
各指２６の延出方向に平行に六角レンチ２０を直線移動
させるエアリニアアクチュエータ３２が固定される。六
角レンチ２０は、一対のグリッパ１８の各々に対して軸
線方向へ重畳する２位置にそれぞれ配置され、カップリ
ング３４を介してエアロータリアクチュエータ３６上の
対向位置に各々回転可能に連結される。エアロータリア
クチュエータ３６は、連結部材３８を介してエアリニア
アクチュエータ３２の直動ロッド３２ａに連結されると
ともに、エアリニアアクチュエータ３２の両側で基板２
４上に設置されたガイド部材４０の摺動ブロック４０ａ
に固定され、エアリニアアクチュエータ３２の作動によ
って一対の六角レンチ２０と共にグリッパ１８の延出方
向に直線移動する。各六角レンチ２０をエアロータリア
クチュエータ３６へ連結する一対のカップリング３４
は、後述する工具交換時に六角レンチ２０を工具クラン
プ装置４２の偏心カム６０の六角穴６０ａへ挿入する際
に、レンチ２０と穴６０ａとの軸線ずれを補正すること
ができる。

【００１３】上記の工具交換ハンド１６は、ロボット１
２の操作によって前述の構成を有する従来の工具クラン
プ装置４２（図３参照）に対し作用して、独立した六角
レンチ（図示せず）を使用した手作業による工具交換に
代わって、ロボット１２による自動工具交換を遂行する
ものである。工具クランプ装置４２については重複する
説明を避けるが、自動工具交換装置としての適用に関連
して補足説明する。工具クランプ装置４２は、基台４４
の上面から凹設した支持凹部４６と側面から凹設したカ
ム支持孔６２とを、基台４４内部で直交配置する。工具
Ｔは、その基部に突出形成した取着凸部Ｔ１の根元部分
に、工具交換ハンド１６のグリッパ１８が握持する握持
部Ｔ４を有する。握持部Ｔ４には、取着凸部Ｔ１の突出
方向に直交して延びる複数のスロットＴ５が形成され、
これらのスロットＴ５に、工具交換ハンド１６のグリッ
パ１８の複数の爪２８が嵌合する。したがって、工具Ｔ
を工具クランプ装置４２に取着したとき、工具Ｔの握持
部Ｔ４のスロットＴ５と偏心カム６０の六角穴６０ａと
が相互に平行に延びることとなり、故に上述のように、
工具交換ハンド１６の六角レンチ２０は、グリッパ１８
の延出方向に平行に延設され、かつ工具クランプ装置４
２の支持凹部４６に工具Ｔの取着凸部Ｔ１を挿入及び抜
脱する際の障害とならないよう直線移動することが必要
となる。

【００１４】上記構成を有する自動工具交換装置の工具
交換作用を、図５に示すタレット旋盤６４への適用例に
従って以下に説明する。タレット旋盤６４は、機台６６
上に、工作物Ｗを支持する主軸６８と、複数の工具Ｔを
保持する工具保持部であるタレット７０とを配置する。
タレット７０は、多角形状の外周部に複数の工具クラン
プ装置４２を備え、各工具クランプ装置４２のそれぞれ
に工具Ｔが固定されている。工具搬送装置１０の６軸関
節ロボット１２は、タレット旋盤６４の外部の所定位置
に設置される。また、タレット旋盤６４の外部には、複
数の工具Ｔを収容した工具貯蔵部７２、複数のチャック
Ｃを収容したチャックマガジン７４、並びに複数の工作
物Ｗを収容した工作物棚７６が、適宜位置に配置され
る。

【００１５】工具交換時に、ロボット１２の工具交換ハ
ンド１６は、工具貯蔵部７２から選択された新たな工具
Ｔ′を、一方のグリッパ１８の２本の指２６によって握
持する。このとき、図示しないアクチュエータの作用に
より各指２６の爪２８が開閉して、工具Ｔ′の握持部Ｔ
４のスロットＴ５に嵌合する。タレット旋盤６４のタレ
ット７０は、交換すべき工具Ｔを固定した工具クランプ
装置４２を、工具交換に適した位置（工具交換ハンド１
６の接近し易い位置）に割出し回転して配置する。次い
でロボット１２の動作により、工具交換ハンド１６をタ
レット７０上の交換すべき工具Ｔへ接近させ、空いてい
る他方のグリッパ１８の２本の指２６を、同様に爪２８
の作用によって工具Ｔの握持部Ｔ４に係合させる。この
状態で、工具交換ハンド１６の六角レンチ２０と工具ク
ランプ装置４２の偏心カム６０の六角穴６０ａとは、同
一直線上に整列配置される。したがって次に、工具交換
ハンド１６のエアリニアアクチュエータ３２の作動によ
り、六角レンチ２０を六角穴６０ａ方向へ直線移動させ
ると、六角レンチ２０が六角穴６０ａ内へ同心状に進入
する。ここでエアロータリアクチュエータ３６を作動し
て、六角レンチ２０を僅かに回転させると、六角レンチ
２０と六角穴６０ａとの各面が整合して挿入が完了す
る。さらに六角レンチ２０を回転し、偏心カム６０を回
動させることにより、工具クランプ装置４２の作動ロッ
ド５４を、引込み位置（図４（ａ））から突出位置（図
４（ｂ））へ摺動させる。これに伴い、前述のように可
動クランプ部材５２が固定位置から解放位置へと移動し
て、可動クランプ部材５２の先端の突起５０と工具Ｔの
取着凸部Ｔ１のボアＴ２内周面の溝Ｔ３との係合が加除
され、工具Ｔが解放される。このとき同時に、工具Ｔは
図示のように工具クランプ装置４２の上面から僅かに
（約１〜２mm）持ち上げられ、したがってグリッパ１８
と六角レンチ２０との間に軸線方向への相対変位が生じ
るが、上述のようにこの変位は、各グリッパ１８を基板
２４へ連結する一対の板ばね２２の撓曲によって吸収さ
れる。次いで、工具交換ハンド１６のエアリニアアクチ
ュエータ３２の復動操作により、六角レンチ２０を六角
穴６０ａから引抜き、さらにロボット１２の作動によ
り、工具Ｔを工具クランプ装置４２の支持凹部４６から
抜脱する。その後、ロボット１２の作動により工具交換
ハンド１６を１８０゜回転し、新たな工具Ｔ′を工具ク
ランプ装置４２に対向させる。そして上記の逆工程によ
って、工具Ｔを抜脱した工具クランプ装置４２の支持凹
部４６へ新たな工具Ｔ′を固定する。最後に、グリッパ
１８の各指２６の爪２８を解放し、ロボット１２の作動
によりグリッパ１８を工具Ｔ′から離脱させる。

【００１６】ロボット１２は、このようにして交換の終
了した使用済の工具Ｔを工具貯蔵部７２へ戻し、さら
に、工具交換ハンド１６を他のハンドに付け換えること
によって、工作物棚７６からの工作物Ｗの供給又は搬出
や、チャックマガジン７４からのチャックＣの交換等の
作業を、所定のプログラムに従って実施する。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、従来、工具や工作物を自動搬送するために工作機械
の外部に工具搬送装置として配置されるロボット装置
に、工具を握持するグリップ部と工具クランプ装置のク
ランプ作動手段を駆動する駆動部とを備えて、工具の搬
送動作と工具クランプ装置のクランプ機構の駆動動作と
を所定のプログラムに従って実施可能な多機能の工具交
換ハンドを装着することによって、自動工具交換を遂行
する構成としたから、工作機械側に工具クランプ装置の
クランプ作動手段の駆動装置を備えない場合でも、所定
プログラムに従うロボット装置の制御の下で自動工具交
換が容易かつ正確に実施可能となる。さらにロボット装
置は、ハンドを交換することにより従来の工具や工作物
の自動搬送も遂行可能なので、自動工具交換を含む一連
の加工作業の自動化及び無人化が容易に達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による自動工具交換装置の工具
搬送装置の斜視図である。

【図２】図１の工具搬送装置に使用される工具交換ハン
ドの分解斜視図である。

【図３】本発明の実施例による自動工具交換装置に適用
可能な従来の工具クランプ装置の図で、（ａ）部分断面
側面図、（ｂ）正面図、である。

【図４】図３の工具クランプ装置の作動説明図である。

【図５】本発明の実施例による自動工具交換装置を使用
した工作機械を含んだワークステーションの平面図であ
る。

【符号の説明】

１２…６軸関節ロボット １６…工具交換ハンド １８…グリッパ ２０…六角レンチ ２２…板ばね ２６…指 ２８…爪 ３２…エアリニアアクチュエータ ３６…エアロータリアクチュエータ ４０…ガイド部材 ４２…工具クランプ装置 ４６…支持凹部 ５０…突起 ５２…可動クランプ部材 ５４…作動ロッド ６０…偏心カム ６０ａ…六角孔 ６４…タレット旋盤 ７０…タレット Ｔ…工具

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具を着脱自在に支持する支持部と、工
   作機械の加工作動時に該支持部へ工具を固定する固定位
   置と工具交換時に該支持部から工具を解放する解放位置
   との間で移動可能なクランプ部材と、所定動作の遂行に
   より前記クランプ部材を固定位置と解放位置との間で移
   動させるクランプ作動手段とを具備して、工作機械の工
   具保持部に配設される工具クランプ装置と、工作機械外
   部の工具貯蔵部と前記工具クランプ装置との間で工具を
   搬送する工具搬送装置とを具備した工作機械の自動工具
   交換装置において、 前記工具搬送装置は、 工具を握持するグリップ部、及び前記工具クランプ装置
   のクランプ作動手段に前記所定動作を遂行させる駆動部
   を備えた工具交換ハンドと、 前記工具交換ハンドを装着し、所定のプログラムに従っ
   て該ハンドの前記グリップ部と前記駆動部とを操作し
   て、前記工具クランプ装置の支持部への工具の固定及び
   解放、並びに該工具クランプ装置と前記工具貯蔵部との
   間での工具の搬送を自動遂行可能なロボット装置、とを
   具備したことを特徴とする工作機械の自動工具交換装
   置。