JPS6043259B2 - 自動工具交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、工具マガジンを備えた工作機械において、工
作機械としての機能を阻害することなく工具交換時間の
短縮化を企図した自動工具交換装置に関する。

一般に、マシニングセンタ等のような比較的小型の工作
機械においては、多数の工具を収納した工具マガジン（
ツールマガジン）が主軸に隣接して設置されることが多
いが、従来のヘッドストックスライド形横中ぐりフライ
ス盤等においては工具マガジンがコラムベース上又はコ
ラム側面或いはコラム背面等のような主軸と離れた場所
に取り付けられ、主軸と工具マガジン間の工具搬送には
、工具交換アームとは別に特殊な搬送装置を必要として
いた。

このため、工具の搬送経路が長くなつて自動工具交換装
置（ＡＴＣ）のコストが嵩むと共に工具の交換時間が増
大してしまう欠点があつた。このような従来の工作機械
の一例を第１図に示す。

この装置は工具マガジン１０１をコラムベース１０２上
に設けたもので、図面中、１０３はコラム、１０４はコ
ラム１０３に沿つて上下動するフサドル、１０５はサド
ル１０４に沿つて水平移動するヘッドストック、１０６
はサドル１０４前面に取り付けられた工具交換アーム、
１０７は工具搬送装置、１０８は工具搬送装置１０７な
おいて実際に工具の搬送を行なう工具搬送ポットであ５
る。前記工具マガジン１０１に収納されている図示しな
い工具は工具搬送ポット１０８によりコラム１０３の下
端まで運ばれる一方、サドル１０４はコラム１０３の下
端まで下降すると共にヘッドストック１０５がサドル１
０４の前面まで後退し、この位置において前記工具交換
アーム１０６が回転して工具の変換が行なわれるように
なつている。このような装置においては、工具交換アー
ム１０６はヘッドストック１０５のフエイスプレト取り
付け面に設置されることもあるが、いずれにしろ工具交
換位置は、サドル１０４やヘッドストック１０５の移動
範囲内の一箇所（例えば、サドル１０４下降端とヘッド
ストック１０５後退端）に限定されてしまう。そこで第
２図に示すような装置が開発されたが、この装置は、工
具搬送装置２０７の工具搬送ポット２０８をコラム２０
３に沿つて上下動できるようにしたもので、図面中、２
０１は工具マガジン、２０２はコラムベース、２０４は
コラムベース２０３に沿つて上下動するサドル、２０５
はサドル２０４に沿つて水平移動するヘッドストック、
２０６はサドル２０４前面に取り付けられた工具交換ア
ーム、２０９は工具搬送ポット２０８をコラム２０３に
沿つて上下動させるための工具搬送装置である。

このような装置では、サドル２０４の任意の上下移動位
置で工具交換が可能であるが、ヘッドストック２０５に
対して、やはりその後退端に工具交換位置が限定されて
しまつていた。このように、従来の自動工具交換装置は
工具交換位置が固定されているため、工作機械が大型化
するほどそれに比例して工具搬送距離が長くなり、旧工
具による加工完了時点から新工具による加工開始までの
工具交換時間が極端に増加し、あ．らゆる面でコスト高
となる。

又、一本の工具による加工時間が短い場合には、新工具
搬送持ちの無駄な時間（アイドルタイム）が発生し、更
に、工具交換アームがヘッドストックのフエイスプレー
ト取り付け面に設置されている場合には、ヘッド−スト
ックへのアタッチメントの装着が不可能となることがあ
り、被加工物に対するヘッドストックの接近性が悪く、
ヘッドストックの前後動範囲が狭くなつてしまう虞があ
つた。そこで、被加工物へのヘッドストックの接近性・
を良くし、ヘッドストックへのアタッチメントの装着を
可能とするため、工具交換アームの回転中心をヘッドス
トック側面にずらすと共にこを前後動させるようにした
ものが考えられるが、この場合には、第３図に示す如く
ヘッドストック３０５の側面に沿つて前後動する工具交
換アーム３０６のアーム長がサドル３０４の前面に取り
付けた二点鎖線で示す従来の工具交換アームに比べて極
端に長くなり、工具交換アーム３０６の慣性モーメント
が大きくなるのでその回転速度を上げることができず、
工具交換時間が増大してしまうという不具合があつた。
又、工具マガジン及び工具交換アームを共にヘッドスト
ックに取り付け、更に工１具交換アームを前後動させる
ようにした場合には、第４図に示すように、工具交換ア
ーム４０６の回転駆動部分４１０等が工具マガジン４０
１と干渉を起こしてしまう虞があり、工具マガジン４０
１に対する工具交換アーム４０６の接近性が悪く、工具
マガジン４０１に取り付けられた工具ポット４１１と工
具交換アーム４０６との間て直接工具４１２を受け渡し
することが困難となり、別に工具搬送装置が必要となる
。本発明者らは、以前これら従来の自動工具交換Ｌ装置
におけるほとんどの欠点を解消した装置を発表した（特
願昭５３−１２１９６３号参照）が、これは工具マガジ
ンと工具交換アームとをヘッドストックの側面に取り付
けると共に工具交換アームを前後動自在とすることによ
つて、サドル及びヘッドストックの位置に関係なく工具
交換を可能とし、又、工具交換アーム自体を搬送装置と
して機能させるために特別な搬送装置が全く不要となり
、大幅なコストダウンを達成できる。

又被加工物の加工時に工具交換アームを工具マガジン側
に後退させるようにしているので、被加工物に対する主
軸の接近性が改善され、従つてヘッドストックのフエイ
スプレート取り付け面にアタッチメントを設置すること
が可能となり、工具マガジンからの工具の取り出し及び
工具マガジンへの工具の挿入作業を工具マガジンの上部
或いは下部で行なうようにしたので、工具交換アームと
工具マガジンとの干渉の虞がなくなる。更に、工具交換
アームを二つの回転軸回りに回転させるようにしたので
、工具交換アームの長さを従来のものより短くすること
が可能となり、工具交換時間を更に短縮することができ
る等の極めて優れた特徴を具えている。ところが、この
自動工具交換装置においては工具マガジンがヘッドスト
ックに取り付けられているため、ヘッドストックの前後
動に伴つて工具マガジンも前後動し、コラムに対するサ
ドルの重心位置が大幅に移動してしまうので加工精度に
悪影響を及ぼしたり、特別なバランス装置が必要となる
。又、被加工物に対するヘッドストックの接近性を良く
するために工具マガジンをこのヘッドストックの後方に
設置しなければならず、従つて工具交換アームによる工
具の搬送距離は一定となり、機構の点で以上搬送距離の
短縮化に伴う工具交換時間を短くすることが不可能であ
つた。本発明は、この特願昭５３−１２１９６３号に開
示された自動工具交換装置を更に一層改良して、工作機
械本来の機能を全く阻害することのない自動工具交換装
置、具体的にはサドルの上下動、ヘッドストックの前後
動に対して任意の位置で工具の交換を可能とし、工具交
換時間の短縮を図り、工具マガジンを主軸近傍に配置し
、新工具の搬送持ちの無駄な時間をなくすと共に装置の
簡素化及びコストダウンを図り、被加工物中はサドル前
面或いはヘッドストックのフエイスプレート取り付け面
近傍から工具交換アームを徹去して被加工物に対す−る
主軸の接近性を改善し、ヘッドストックのフエイスプレ
ート取り付け面にアタッチメントの取り付けを可能とし
、更にはヘッドストックの前後動に伴つて発生するコラ
ムに対するサドルの重心移動を極力少なくすると共に工
具搬送距離を短かくし得る自動工具交換装置を提供する
ことを目的とする。この目的を達成する第一番目の本発
明の自動工具交換装置にかかる構成は、コラムに対して
上下動自在に設置されたサドルと、このサドルに対して
前後動自在に支持されたヘッドストックと、このヘッド
ストックの側方に位置し且つ前記サドルに取り付けられ
た多数の工具を収納する工具マガジンと、この工具マガ
ジンと前記ヘッドストックの前面に回転自在に取り付け
られた主軸の側方との間を前後動自在に前記ヘッドスト
ックに設けられ且つ両端に工具杷持部を具えた旋回可能
な工具交換アームとを有するものである。又、第二番目
の本発明の自動工具交換装置にかかる構成は、コラムに
対して上下動自在に設置されたサドルと、このサドルに
対して前後動自在に支持されたヘッドストックと、この
ヘッドストックの側方に位置し且つ前記サドルに取り付
けられた多数の工具を収納する工具マガジンと、この工
具マガジンと前記ヘッドストックの前面に回転自在に取
り付けられた主軸の側方との間を前後動自在に前記ヘッ
ドストックに設けられたアーム用架台と、このアーム用
架台に前記主軸と平行な軸回り９０度回動可能に取り付
けられた結合プレートと、この結合プレートの回動軸に
対して中央部が偏心状態で１８０度施回可能に取り付け
られ且つ両端に工具把持部を具えた工具交換アームとを
有するものである。以下、本発明による自動工具交換装
置をヘッドストックスライド形横中ぐりスライス盤に応
用した一実施例について第５図〜第１０図を参照しなが
ら詳細に説明する。本実施例の全体の外観を表わす第５
図、その主要部の側面を表わす第６図、その正面を表わ
す第７図、及び第６図の一部を拡大して破断した第８図
、第６図の平面の一部を破断した第９図に示すように、
コラム１１に沿つて上下動するサドル１２に支持され且
つ前後動するヘッドストック１３の前面には、このヘッ
ドストック１３に対して回転自在に支持された主軸１４
の先端が突出し、ここに工具が取り付けられるようにな
つており、第５図では加工作業を終えた旧工具１５ａが
主軸１４に把持されている状態を示している。前記ヘッ
ドストック１３の側方にはブラケット１６を介してサド
ル１２に支持された工具マガジン１７が位置しており、
このヘッドストック１３の側面には当該ヘッドストック
１３に対して前後動自在の工具交換アーム１８が取り付
けられている。

工具マガジン１７はそれぞれ工具を収納支持する多数の
工具ポット（ツールポット）１９を駆動チェーン２０に
結合してなつており、この工具マガジン１７の工具ポッ
ト１９から新しい工具を取り出したり或いは使用済みの
旧工具を工具ポット１９に戻す工具受け渡し位置は、前
記工具交換アーム１８との干渉を避けるため、工具マガ
ジン１７のやや下側にずらした位置に定められており、
この工具受け渡し位置で前記工具ポット１９は垂直な軸
回りを９０度回転し、て主軸１４と同方向を）向き、工
具の受け渡しを行なう状態となる。

前記駆動チェーン２０を巻き掛けたスプロツケツト２１
の一方には、ウォームホィール２２がこのスプロツケツ
ト２１と同軸に取り付けられ、このウォームホィール２
２には、前記ヘッドストック１３に取り付けられた親子
モータ２３の回転軸２４と同軸一体のウォーム２５が噛
み合い、前記親子モータ２３の作動により前記駆動チェ
ーン２０が旋回運動するようになつている。工具ポット
１９の割り出し位置確認装置２６は前記回転軸２４に取
り付けられた駆動歯車２７、中間歯車２８、伝達歯車２
９及び減速装置３０を介して前記親子モータ２３に連動
しており、この割り出し位置確認装置２６に内蔵された
多数枚の円筒状ドツグ３１の一回転と駆動チェーン２０
の一周とが同期するように減速比が設定され、各円筒状
ドツグ３１の回転による図示しないリミットスイッチの
作動によつて必要な工具を収納した工具ポット１９の割
り出し位置が検出されるようになつている。前記工具ポ
ット１９具受け渡し位置で垂直な状態となる回動軸３２
をヘッドストック１３寄りの端部に具えたサポート３３
にそれぞれ固設されており、このサポート３３は前記駆
動チェーン２０に一定間隔で取り付けられたブラケット
３４にノビツクピン３５を介して連結している。

前記サポート３３は工具受け渡し位置において前記回動
軸３２回りに水平に回転できるように駆動チェーン２０
に対して斜めに支持されており、前記サポート３３に対
して一体に形成された回動軸３２には、工具受け渡し位
置においてヘッドストック１３と一体の支持台３６に回
転自在に取り付けられた駆動用はすは歯車３７と噛み合
う伝達用はすば歯車３８が刻設されている。これら駆動
用はすば歯車３７及び伝達用はすば歯車３８は、工具マ
ガジン１７のやや下方で噛み合わせるためにはすば一と
なつているのであり、又、駆動チェーン２０の旋回に伴
つて移動して来る伝達用はすば歯車３８と静止している
駆動用はすば歯車３７との噛み合いを容易にするため、
これらにはクラウニングが施されている。前記支持台３
６には駆動用はすば．歯車３１を駆動回転させるはすば
ラック３９が前後に摺動自在に嵌合され、このはすばラ
ック３９には工具ポット回動用シリンダ４０のピストン
ロッドが連結部４１を介して連結しており、この工具ポ
ット回動用シリンダ４０の作動によつてサポ・ート３３
と共に工具ポット１９が第９図中、矢印で示す如く、回
動軸２７を中心に９０度回転して主軸１４と工具ポット
１９とが平行となり、工具受け渡し可能な状態となる。
前記ブラケット３４を貫通するノックピン３５の先端は
、駆動チェーン２０の旋回時において前記サポート３３
に穿設されたノックピン穴４２内に位置すると共にその
後端は工具受け渡し位置において油圧シリンダ４３のピ
ストンロッドに係止状態となる。このノックピン３５は
工具ポット１９を駆動チェーン２０と共に旋回させるた
め、工具ポット１９をブラケット３４に係止させるため
のもので、必要な工具ポット１９が工具受け渡し位置に
割り出されると、・前記油圧シリンダ４３の作動により
前記ノックピン３５がサポート３３のノックピン穴４２
から引き抜かれ、サポート３３を９０度回転可能な状態
とする。なお、工具ポット１９が９０度回動した時に工
具の位置すべき所には、工具がこの工具ポット１９に収
納されているか否かを検出する確認ロッド４４の先端が
位置しており、この確認ロッド４４の後端には当該確認
ロッド４４の移動によりリミットスイッチ４５を作動さ
せるドツグ４６が設けられている。つまり、回動した工
具ポット１９”に工具が収納されている場合には、工具
が確認ロッド３７に当接してこの確認ロッド３７が第９
図中、上方に押し上げられ、前記ドツグ４６によりリミ
ットスイッチ４５が０Ｎとなつて工具が収められている
ことを確認する。これはプログラミングミス或いは作業
者が誤つてプログラム指示とは異なつた工具ポット１９
ヘ工具を入れた場合等、すでに工具の入つている工具ポ
ット１９に旧工具が挿入されることを防ぐ安全対策のた
めのものである。一方、工具交換アーム１８を支持する
ヘッドストック１３の側面の下部には、前後方向に延び
る相互に平行な上下二本の案内面４７，７８が形成され
ており、これら二つの案内面４７，７８に沿つて前後動
自在にヘッドストック１３に取り付けられた前後動用架
台４９には、工具交換アーム１８を設置するアーム用架
台５０が組み付けられている。

このアーム用架台５０には先端に結合プレート５１を固
定した第一回動軸５２が９０度回転自在に取り付けられ
ており、前記結合プレート５１には先端に工具交換アー
ム１８を固定した第二回動軸５３が１８０度回転自在に
前記第一回動軸５２に対して偏心した状態で取り付けら
れている。このアーム用架台５０に設置された着脱用油
圧シリンダ５４のピストンロッド先端は、前記前後動用
架台４９に連結されており、この前後動用架台４９には
前後動用油圧モータ５５が取り付けられ、その出力軸に
連結する図示しないピニオンが前記案内面４７，４８と
平行にヘッドストック１３にボルト止めされたラック５
６と噛み合い、前記前一後動用油圧モータ５５の起動に
より前記前後動用架台４９が前後動するようになつてい
る。従つて、前記前後動用架台４９を主軸１４側に進出
させて前記着脱用油圧シリンダ５４を作動させることに
より、前記アーム用架台５０と共に工具交換，アーム１
８は前後動して主軸１４ヘ工具を挿入したり或いは主軸
１４から工具を抜き出す動作を行なう。なお、工具マガ
ジン１７と工具交換アーム１８との間で工具の受け渡し
を行なう際、この工具マガジン１７に対する工具交換ア
ーム１８の後退停止位置を規制するため、前後動用油圧
モータ５５の作動を停止させる油圧サーボ弁５７が工具
マガジン１７に設置さており、これに対応して油圧サー
ボ弁５７に当接するプッシャ５８が、結合プレート５１
を第一回動軸５２回りに９ＣＢ回動さ一せるラック・ピ
ニオン機構を収納したギヤケース５９に個設されている
。又、これと同様に主軸１４と工具交換アーム１８との
間で工具の受け渡しを行なう際、主軸１４に対する工具
交換アーム１８の前進停止位置を規制するため前後動用
油圧モータ５５の作動を停止させる図示しない油圧サー
ボ弁及びそのプッシャ等からなる位置決め停止機構がヘ
ッドストック１３工具交換アーム１８とに組みまれてい
る。又、第６図中、符号６０は工具交換アーム１８を第
二回動軸５３回りに１８０度回動させるためのラック・
ピニオン機構を収納したギヤケースである。本発明によ
ると、第７図に示すように、第一回動軸５２の回転中心
０１は主軸１４寄りに左上方にずれており、結合プレー
ト５１がこの回転中心０１回りに９０度回転することに
より第二回動軸５３の回転中心０２が主軸１４寄りの０
２″に移動するため、工具交換アーム１８の長さを短か
くすることができ、その結果、第二回動軸５３回りに１
８０度回動する工具交換アーム１８の回転速度を上げる
ことが可能となつている。

次に、以上説明した本実施例装置による工具交換作業に
ついて第１０図ａ−１を参照して説明する。

まず工具マガジン１７に収納されている新工具１５ｂが
割り出されて工具受け渡し位置に運ばれると、工具ポッ
ト回動用シリンダ４０の作動により新工具１５ｂを収納
している工具ポット１９ｂが９喰回動し、予め待機して
いる工具交換アーム１８の把持部１８ｂに新工具１５ｂ
が把持される。

そして工具交換アーム１８は新工具１５ｂを把持した状
態で工具交換指令がでるまで待機する（第１０図ａ参照
）。次に、工具交換指令を受けて前後動用油圧モータ５
５が駆動し、アーム用架台５０と共に前後動用架台４９
が前進して図示しない位置決め停止機構によりヘッドス
トック１３の最前端で停止し、工具交換アーム１８が主
軸１４の側方に達する。

一方、新工具１５ｂを収納してあつた前記工具ポット１
９ｂは９０度回動して元の状態となり、工具マガジン１
７の駆動チェーン２０が旋回可能な状態となる（第１０
図ｂ参照）。次に、工具交換アーム１８が第一回動軸５
２の回転中心０１を軸として９０度回転し、主軸１４に
クランプされている旧工具１５ａを空の把持部１８ａで
把持する。

この時、旧工具１５ａを収納する工具ポット１９ａが割
り出されて工具受け渡し位置に運ばれて来る（第１０図
ｃ参照）。次に、着脱用油圧シリンダ５４の作動にぐに
アーム用架台５０と共に工具交換アーム１８が前後動用
架台４９に対して更に前進し、旧工具１５ａを主軸１４
から抜き出す。

一方、旧工具１５ａ用の工具ポット１９ａは９０度回転
して旧工具１５ａ゛を受け入れ可能な状態となつて待機
する（第１０図ａ参照）。次に、工具交換アーム１８は
これと一体の回動軸５３の回転中心０２″を軸として１
８Ｃｇ．回転し、新工具１５ｂを主軸１４の前方に移動
する（第１０・図ａ参照）。

次に、着脱用油圧シリンダ５４の作動によりアーム用架
台５０と共に工具交換アーム１８を後退させ、新工具１
５ｂを主軸１４内に挿入する（第１０図ｆ参照）。

次に、工具交換アーム１８を第一回動軸５２の中心０１
を軸として９０度逆転し、新工具１５ｂを主軸１４に残
す（第１０図ｇ参照）。

次に、前記前後動用油圧モータ５５が起動し、アーム用
架台５０を引いて前後動用架台４９は後退するが、プッ
シャ５８が油圧サーボ弁５７に当接することによつて停
止し、工具交換アーム１８の把持部１８ａに杷持されて
いる旧工具１５ａが工具受け渡し位置で待機していた旧
工具用の工具ポット１９ａに挿入される（第１０図ａ参
照）。

次に、工具ポット１９ａが９０度回動し、工具マガジン
１７の駆動チェーン２０は次の新工具割り出しのための
旋回を始める（第１０図ｆ参照）。以上で自動工具交換
の１サイクルは終了し、以下再ひ第１０図ａに示す状態
となり、自動工具交換作業が繰り返される。本実施例て
は、本発明の自動工具交換装置を横中ぐりフライス盤に
取り付けたものを挙げているが、本発明の自動工具交換
装置は他の工作機械、特に大型のマシニングセンタ等に
適用することもできる。

このように本発明の自動工具交換装置によると、工具マ
ガジンがヘッドストックの側方に位置するようにこの工
具マガジンをサドルに取り付けると共に工具交換アーム
をヘッドストックの側面（操作側）に取り付け、更にこ
の工具交換アームをヘッドストックに沿つて前後進させ
ることにより、ヘッドストックの前後動及びサドルの上
下動に対して全く関係なく任意の位置で工具の交換が可
能となり、しかも工具マガジンの工具受け渡し−位置と
主軸の工具受け渡し位置との距離がヘッドストックの前
後動位置によつて変化するため、ヘッドストックが工具
マガジン側へ後退している場合には、工具交換アームの
前後動距離が大幅に短くなり、工具交換時間の短縮化が
達成される。

又、工具交換アーム自体が工具の搬送装置として機能す
るため、特別な搬送装置を必要とせず大幅なコストダウ
ンを図ることが可能である。更に、被加工物の加工時に
は工具交換アームを工具マガジン側へ後退させているた
め、被加工物に対する主軸の接近性が改善され、ヘッド
ストック前面に各種のアタッチメントを取り付けること
が可能となつた。又、工具交換アームを相互に偏心した
二つの軸回りに回動させることにより工具交換を行なう
ようにしたので工具交換アームのアーム長を短かくする
ことがどき、従つてその回転速度を上げることができる
から、工具交換時間の短縮化を企図することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来の自動工具交換装置を取り付け
た工作機械の外観を表わす斜視図、第３図は工具交換ア
ームをサドルに取り付けた場合とヘッドストックの側方
に取り付けた場合の長さの違いを示す説明図、第４図は
工具受け渡し位置が工具マガジンの中心線上にある場合
に工具交換アームと工具マガジンとが干渉してしまう様
子を示す説明図であり、第５図は本発明により自動工具
交換装置の一実施例をヘッドストックスライド型横中ぐ
りフライス盤に取り付けた状態の外観を示す斜視図、第
６図はその主要部を拡大した側面図、第７図はその正面
図、第８図は第６図における内部構造を表わす破断図、
第９図はその平面の一部の破断図、第１０図ａ−１は本
発明の一実施例による工具交換の順序を示す作動原理図
である。 図面中、１２はサドル、１３はヘッドストック、１４は
主軸、１５ａは旧工具、１５ｂは新工具、１６はブラケ
ット、１７は工具マガジン、１８は工具交換アーム、５
０はアーム用架台、５１は結合プレート、５２は第一回
動軸、５３は第二回動軸、５７は油圧サーボ弁、５８は
プッシャである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コラムに対して上下動自在に設置されたサドルと、
   このサドルに対して前後動自在に支持されたヘッドスト
   ックと、このヘッドストックの側方に位置し且つ前記サ
   ドルに取り付けられた多数の工具を収納する工具マガジ
   ンと、この工具マガジンと前記ヘッドストックの前面に
   回転自在に取り付けられた主軸の側方との間を前後動自
   在に前記ヘッドストックに設けられ且つ両端に工具杷持
   部ご具えた旋回可能な工具交換アームとを有する自動工
   具交換装置。 ２ コラムに対して上下動自在に設置されたサドルと、
   このサドルに対して前後動自在に支持されたヘッドスト
   ックと、このヘッドストックの側方に位置し且つ前記サ
   ドルに取り付けられた多数の工具を収納する工具マガジ
   ンと、この工具マガジンと前記ヘッドストックの前面に
   回転自在に取り付けられた主軸の側方との間を前後動自
   在に前記ヘッドストックに設けられたアーム用架台と、
   このアーム用架台に前記主軸と平行な軸回りに９０度回
   動可能に取り付けられた結合プレートと、この結合プレ
   ートの回動軸に対して中央部が偏心状態で１８０度旋回
   可能に取り付けられ且つ両端に工具杷持部を具えた工具
   交換アームとを有する自動工具交換装置。