JPS6257456B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主軸先端面に突設されたキーと工具又
は工具ホルダ（以下単に工具と呼ぶ）に刻設され
たキー溝とを主軸の回転を停止させないで係合さ
せる自動工具交換装置に関するものである。

従来においては、主軸に着脱可能に挿着される
工具に主軸の回転動力を確実に伝達するためにキ
ーとキー溝が設けられているが、かかるキーとキ
ー溝を係合させるために、主軸を定位置停止させ
ていた。

かかる主軸の定位置停止は、モータの制御によ
り先ず所定の定範囲に主軸を停止させてから、割
出板とノツクピン等による機械的な定位置割出手
段によつて行われている。したがつて定範囲に停
止させた後に定位置割出が行われるばかりでな
く、モータ制御による定範囲停止においては、そ
の定範囲から外れると再起動して定範囲停止をや
りなおすようになつているため、定位置停止させ
るためにある程度の時間を要し、このため工具交
換時間が長くなるという欠点があつた。

また工具と主軸の回転伝達のために、工具側に
もキーを突設し、このキーを主軸側に突設したキ
ーと係合させるものもあるが、このようにキーど
うしを係合させるものにおいては、主軸の回転を
停止させずにキー係合させる試みが既になされて
いる。しかしながら工具にキーを突設するために
は標準規格の工具（工具ホルダ）が使用できない
ことになり、一般の工具との互換性がなくなると
いう欠点があり、実用化はほとんどされていない
のが現状である。

本発明はかかる標準規格の工具が使用でき、か
つ回転している主軸に対して工具の着脱を行わし
め、キーとキー溝による積極的な駆動を達成せん
とする自動工具交換装置を提供することが主目的
であり、特に主軸の回転速度を予め設定されたキ
ー係合可能な低速回転と比較し、かかる低速回転
より高い場合には主軸回転を低速回転まで減速さ
せ、また低い場合にはそのままの回転速度で工具
交換を行わせる主軸速度制御に特徴を有するもの
である。

以下本発明の実施例を図面に基いて説明する。
第１図は自動工具交換装置を備えた工作機械の主
軸ヘツドまわりの構成を示すもので、１０は立形
主軸１１を回転可能に軸承した主軸ヘツド、この
主軸ヘツド１０はコラムに形成された上下方向の
案内面１２，１２に沿つて摺動可能に案内されて
いる。図示実線位置が主軸ヘツド１０の上昇端位
置であり、この位置で工具交換が行われる。１３
は両端に工具把持部を有し主軸１１の軸線と平行
な方向の軸移動と旋回運動が可能な工具交換腕、
１５は円周上に複数の工具ソケツト１６を保持し
回転可能に装架された工具マガジンである。工具
ソケツト１６には工具Ｔが着脱可能にそれぞれ保
持され、工具交換位置Ｃに割出された工具ソケツ
ト１６を実線で示す水平状態から90度旋回させて
２点鎖線で示す主軸軸線と平行な垂直状態に姿勢
変更された後、工具交換腕１３を作動させること
により主軸１１と工具ソケツト１６に保持された
工具の着脱交換が行われる。前記主軸ヘツド１０
の内部構造を第２図に示す。ヘツド本体２０に軸
承された主軸１１には下端部に工具挿着穴１１ａ
が形成され、この工具挿着穴１１ａに続いて貫通
穴１１ｂが中心部を貫通して穿設されている。こ
の貫通穴１１ｂ内には工具Ｔの一端に突設された
プルスタツド１７に係脱可能な把持部材２１と、
この把持部材２１に連結され主軸後端部に突出す
るドローロツド２２と、このドローロツド２２を
主軸１１に対し後方に引張るスプリング２３が収
納され、これらは工具Ｔを主軸１１にクランプす
るクランプ装置をなしている。ドローロツド２２
の後端部に対向してアンクランプ用のシリンダ２
４が設けられ、このシリンダ２４のピストンロツ
ド２５先端に当接部材２６がスラスト軸受２７を
介して支持されている。この当接部材２６を介し
てスプリング２３の押圧力に抗してドローロツド
２２を押込むと工具Ｔはアンクランプされる。主
軸１１の外周には主軸歯車２８が固着され、主軸
ヘツド１０の上端面に固設された主軸駆動モータ
３１の出力軸３２と駆動歯車２９、変速用シフト
歯車３０を介して連結されている。この駆動モー
タ３１は数値制御装置NCから発せられる回転速
度指令に応じた速度で回転制御され、予め設定さ
れた低速回転指令より高速の場合のみ工具交換指
令が発せられることにより所定の低速回転に切替
えられる。

第３図は工具交換腕１３及びその作動装置３５
の構成を示すものであり、支持本体３６には回転
と軸移動可能に支持軸３７が軸承されており、こ
の支持軸３７の下端部に工具交換腕１３が固着さ
れている。工具交換腕１３の両端部には、工具Ｔ
のフランジ部１８に係合する円弧状の工具把持部
３８ａ，３８ｂが支持軸３７の中心に対して点対
称に形成され、この工具把持部３８ａ，３８ｂに
向つて係合ローラ３９を先端部に軸承しスプリン
グにより外方に付勢されたプランジヤ４０が略半
径方向に進退可能に案内されている。このプラン
ジヤ４０は主軸１１及び工具ソケツト１６に保持
された工具Ｔに対し工具交換腕１３が旋回動作す
る際にはスプリング力に抗して中心方向に押込め
られ、工具の把持及び釈放を許容するとともに係
合ローラ３９を工具Ｔに押圧して工具把持部３８
ａ，３８ｂにて把持された工具Ｔの脱落防止作用
をなし、かつ把持部にて把持された工具Ｔの回転
を許容する。

前記支持軸３７の中央部には、支持本体３６に
形成されたシリンダ４１に嵌合するピストン４２
が突設され、このピストン４２の上下シリンダ室
４３，４４に圧力流体を給排することにより工具
交換腕１３を軸方向に移動させ、工具Ｔの抜き差
しを行う。支持軸３７の上方には平歯車４５が刻
設され、軸線と直角な方向に摺動可能に案内され
たラツクバー４６と噛合している。ラツクバー４
６はピストンロツド４７を介して４位置に位置決
めされる旋回駆動シリンダ４８のピストン４９と
連結されている。この旋回駆動シリンダ４８は、
ピストン４９を嵌挿せしめた内側シリンダ５０と
支持本体３６に固着され内側シリンダ５０を嵌挿
せしめた外側シリンダ５１の２重シリンダ構造に
なつている。ピストン４９と内側シリンダ５０の
相対移動を拘束して内側シリンダ５０を摺動させ
ることにより、第１図に実線で示す待期位置と２
点鎖線で示す把持位置との間で工具交換腕１３を
旋回つかみ動作、旋回逃し動作させる。内側シリ
ンダ５０を外側シリンダ５１の右進端又は左進端
に拘束した状態で、ピストン４９を摺動させると
工具交換腕１３は180度旋回され、工具の交換動
作を行う。

前記工具マガジン１５には第１図に示すように
マガジン円板５５とウオーム、ウオーム歯車を介
して連結された駆動モータ５６と、駆動モータ５
６と同軸的に連結された割出板５７と、割出板５
７の係合溝５７ａに係入するプランジヤ５８と、
プランジヤ５８を進退させるシリンダ５９とから
構成される回転割出装置が設けられている。マガ
ジン円板５５の円周上に枢支された工具ソケツト
１６を姿勢変更するために、各工具ソケツト１６
の後端部には係合ローラ６０が支持され、この係
合ローラ６０に係合するシフタ６１はシフト用シ
リンダ６２のピストンロツド６３に連結されてい
る。

かかる工具交換装置の構成は、公知に属するも
のであるが、次に本発明の特徴である主軸の回転
中に工具交換を行う構成について説明する。第４
図において、６５は主軸１１に挿着される工具Ｔ
のキー溝１８と係合し、主軸１１に対し進退可能
に設けられた可動キーである。可動キー６５の先
端部には、キー溝１８の溝幅より狭い係合頭部６
６が突設され、主軸端面に固着された抜止板６７
の窓６７ａから突出され、この窓６７ａの内側面
との係合により可動キー６５は回り止めされてい
る。可動キー６５の嵌挿された収納穴６８の底部
と可動キー６５との間にはスプリング６９が圧縮
して挿入され可動キー６５を突出する方向に付勢
している。このスプリング６９が配置された可動
キー６５の後部室７０に加圧エアーを導くエア導
入路７１，７２及び圧力スイツチ７３に通ずる連
通路７４，７５が主軸１１並びに蓋部材７６に形
成されている。また可動キー６５には一端が外周
面に開口し他端が先端面に開口する通気穴７７が
穿設され、この通気穴７７は可動キー６５が工具
Ｔによつて押し込められると連通路７５と通じて
圧力スイツチ７３に大気圧を導びく。可動キー６
５がスプリング６９及び加圧エアーによつて押し
出され工具Ｔのキー溝１８に係合頭部６６が係入
する図示実線位置に移動すると通気穴７７と連通
路７５とを遮断し、後部室７０を介して導入路７
２と連通路７５を連通させ、加圧エアーを圧力ス
イツチ７３に導く。これによつて工具交換腕１３
が工具Ｔを挿入して可動キー６５がキー溝１８に
係合したことの確認信号が取れるようになつてい
る。またかかる確認信号を取るために第５図に示
すように、可動キー６５にドツグ７８を突設し、
このドツグ７８に感応する近接スイツチ７９を蓋
部材７６に設けても有効である。

次に主軸駆動モータ３１の制御回路について説
明する。主軸駆動モータ３１は、主軸１１に挿着
される各種工具に応じた回転速度で駆動されるよ
うになつている。第６図において数値制御装置
NCより回転速度指令（Ｓコード）がレジスタ８
０に出力されると、指令値はDA変換器８１にて
電圧に変換され、増幅器８２を介してモータ駆動
回路８３に速度指令電圧として与えられる。一方
レジスタ８０に設置された回転速度指令はシフト
歯車３０の変速点である回転数（例えば
1150rpm）よりも大きいか小さいかがギヤシフト
判別回路８４にて判別され、増幅器８２のゲイン
を制御する信号を発し、かつシフト歯車３０を切
替えるギヤシフト制御回路８５にも信号を与えシ
フト歯車３０のシフト動作を制御する。シフト歯
車３０が低レンジに切替われば、低レンジにおけ
る減速比の逆数倍にゲインが切替えられ、増幅さ
れた電圧がモータ駆動回路８３に与えられる。高
レンジに切替えればゲインは１倍に切替えられ
る。主軸駆動モータ３１の実際の回転速度は速度
検出器３１ａにて検出され、モータ駆動回路８３
に速度検出信号をフイードバツクしている。した
がつて速度検出信号と速度指令信号が等しくなる
ようにモータ回転速度が制御される。尚この主軸
駆動モータ３１が直流モータであればモータ駆動
回路８３にはサイリスタレオナード装置等が使用
され、交流モータであれば可変周波数インバータ
装置が使用される。

工具交換をする場合には、各種工具に応じた高
い回転速度から毎分百回転ぐらいのキー係合可能
な低速回転に主軸回転を落す必要がある。又かか
る低速回転以下の回転であれば主軸の回転速度を
変えないでそのままの回転で工具交換を行う。

このような回転速度切替は、低速回転指令の設
定された設定器８６と、工具交換指令MO６が発
せられるとこの設定器８６をレジスタ８０に代え
てDA変換器８１に接続切換えする切替回路８７
と、前記レジスタ８０及び設定器８６の回転指令
を比較し、レジスタ８０の回転速度指令が低い場
合には、設定器８６とDA変換器８１の接続切替
えを禁止する比較器８８が設けられている。

ここにおいて、回転速度指令がキー係合可能な
低速回転より高い状態にて工具交換指令MO６が
発せられると、比較器８８からは禁止入力が与え
られないので切替回路８７は設定器８６に設定さ
れた低速回転指令をDA変換器８１に与える。こ
れによつて主軸回転は高い回転数から毎分百回転
ぐらいの低速回転に切替えられる。

又、回転速度指令が低速回転より低い回転であ
れば比較器８８より切替回路８７に禁止入力が与
えられるので設定器８６からは低速回転指令は与
えられずレジスタ８０の回転指令をDA変換器８
１に与える。したがつて主軸回転数が低速回転以
下であれば変速することなしに工具交換が行われ
る。

ここにおいて、工具交換腕１３の把持部３８
ａ，３８ｂにて把持された工具Ｔはそれ自体強制
駆動されれば回り得るが、工具Ｔのフランジ端面
にて可動キー６５が押圧された際の、可動キー６
５の先端面との間に生ずる摩擦力よりも大きな摩
擦力が把持部において作用し、キーとキー溝が係
合するまでは把持部３８ａ，３８ｂに把持された
工具Ｔはキーにつれ回りしないようになつてい
る。

また回転中にキーとキー溝が確実に係合する条
件として、可動キーの先端部に向つて幅が狭くな
る傾斜面が設けられるとかキー溝とキーとの隙間
の存在が重要である。キーとキー溝の間の必要最
小隙間ｌは、主軸回転数Ｎ（rpm）、可動キー６
５の主軸中心からの距離ｒ（mm）、可動キー６５
の飛び込み時間ｔ（sec）より(1)式で求まる。

ｌ＝２πｒ・Ｎ／６０・ｔ ……(1) 一例として、Ｎ＝150rpm，ｒ＝30mm、ｔ＝
１／100秒とするとｌ≒4.5mmとなるが、本発明の
実施例ではキー溝幅16mmに対し、可動キー６５の
係合頭部６６の幅を10mmとし６mmの隙間を設け
た。

ここにおいてキーの幅を小さくすればより係合
しやすくなるが、キーの強度が低下するのでキー
溝幅の1/2程度が限度と考えられる。したがつて
最大隙間lmaxとしてはキー溝幅の約1/2とするの
が適当である。

更に可動キー６５の先端面及び係合側面は工具
Ｔのフランジ部との間で滑り接触するから、表面
に耐摩耗性を付与する表面処理を施すのがより好
ましい。

次に本発明装置の動作を説明する。先ず、所定
の工具による加工が完了した状態で、主軸１１は
レジスタ８０に設置された回転速度指令に応じた
速度で高速回転し続ける。そして工具交換のため
の上昇端位置に主軸ヘツド１０は移動する。数値
制御装置NCから工具交換指令MO６が出される
と、切替回路８７が切替えられ設定器８６に設定
された回転速度指令が与えられる。これによつて
主軸駆動モータ３１には電気的な制動トルクが作
用して急減速され、設定された低速回転数（例え
ば150rpm）で主軸１１は回転される。低速回転
切替後に工具交換腕１３は工具把持位置まで旋回
し、両端の把持部３８ａ，３８ｂにて垂直方向に
姿勢変更された工具ソケツト１６及び主軸１１に
挿着された工具を把持し、アンクランプ用シリン
ダ２４を作動させてドローロツド２２をスプリン
グ２３に抗して押し下げ、工具Ｔをアンクランプ
する。この後シリンダ室４３に圧力流体が供給さ
れ、工具交換腕１３は下方に移動され、工具を引
き抜く。内側シリンダ５０を拘束した状態でピス
トン４９が移動され工具交換腕１３は180度旋回
される。次にシリンダ室４４に圧力流体の供給切
替えがなされて交換腕１３は上昇し、工具ソケツ
ト１６から抜き取つた工具を主軸１１の挿着穴１
１ａに挿入する。この過程において、工具Ｔのフ
ランジ端面にて可動キー６５は押圧されスプリン
グ６９を圧縮して一時的に押し込められるが、主
軸１１が低速回転しているのでキーとキー溝が対
応した時点で、スプリング６９及び加圧エアーの
押圧力により可動キー６５は突出しキー溝１８に
係合する。これとともに圧力スイツチ７３に通ず
る連通路７５は通気穴７７との連通が遮断され、
導入路７２と連通するので圧力スイツチ７３に加
圧エアーが導入されスイツチをONにする。この
圧力スイツチ７３の作動信号は工具交換腕１３の
上昇端確認信号とのアンド条件がとられてキー係
合確認信号となる。このキー係合確認信号は先ず
アンクランプ用シリンダ４４の戻し指令として与
えられ、ドローロツド２２の押圧力を解除して工
具Ｔをスプリング２３の押圧力により主軸１１に
クランプする。その後工具交換腕１３は旋回され
て待期位置へ逃し動作され工具交換動作を終了す
る。これにより工具交換指令は解除され、前記切
替回路８７は設定器８６の指令値を無効にしてレ
ジスタ８０に設定された指令値を有効にする。主
軸１１は新たに挿着された工具に応じた回転速度
で高速回転され加工動作が開始される。

また、主軸回転が低速回転以下の場合には、主
軸の速度変更をしないまま工具交換腕による工具
交換動作が行われる。この場合比換器８８から切
替回路８７に対し禁止入力が与えられているの
で、この信号があれば直ちに工具交換腕の作動を
開始させる。これ以下の動作は上記動作とほぼ同
様であるので説明は割愛する。

上記実施例は、主軸側に設けたキーが進退動作
する可動キー６５の例であつたが、これを固定キ
ー６５ａに置き換えたものにおいても本発明を適
用することはできる。この場合には第７図に示す
ように、前記交換腕進退用シリンダ４１に供給す
る圧力を減圧する必要がある。シリンダ４１の上
下室４３，４４は切換弁９０を介して供給ポンプ
ＰとリザーバＲに選択的に接続される。供給ポン
プＰとシリンダ下室４４との間にはポンプ側から
シリンダ側への流通を許容するチエツク弁９１が
介挿され、このチエツク弁９１はシリンダ上室４
３に供給される圧力に応動してその逆流も許容す
る。前記供給ポンプＰには減圧弁９２、チエツク
弁９３および切換弁９４を介してアキユームレー
タ９５が接続され、このアキユームレータ９５は
前記切換弁９４および絞り弁９６を介してシリン
ダ下室４４に接続されている。アキユームレータ
９５には通常供給ポンプＰより減圧弁９２を介し
て減圧された圧力が蓄圧されるようになつている
が、工具交換腕１３の上昇途中でドツグ９７とリ
ミツトスイツチ９８により発せられる減圧指令に
より切換弁９０，９４が切換えられることによ
り、アキユームレータ９５に蓄圧された圧力がシ
リンダ下室４４に供給され、工具交換腕１３に作
用する軸方向推力を減ずるようになつている。

また前記減圧回路中にはシリンダ下室４４の圧
力を検出する圧力センサ９９が設けられている。
この圧力センサ９９は減圧された圧力で主軸１１
のキーに当接された工具Ｔがキーとキー溝との係
合により主軸１１に押込まれることによつてもた
らされるシリンダ下室４４の圧力降下を検出し、
キー６５ａとキー溝１８ａとの係合が開始された
ことを確認するようになつている。かかる圧力セ
ンサ９９による確認信号に基いて前記両切換弁９
０，９４を再び切換えてシリンダ下室４４に供給
する圧力を増圧し、工具交換腕１３を上昇端位置
まで移動させる。

上述のように固定キーにした場合は工具交換腕
１３の上昇動作の途中で上記減圧動作が行われる
点で異なるが他の動作は前記とほぼ同様である。

以上述べたように本発明によれば、主軸を回転
させたまま工具交換を行うことができるので、従
来のように定範囲に停止させてから更に定位置割
出しする必要がないため、工具交換時間を大幅に
短縮することができ、加工能率を高めることがで
きる。

特に、主軸回転は高速回転状態から低速回転に
速度変更するばかりでなく、低速回転以下であれ
ば速度変更することなくそのままの回転で直ちに
工具交換動作を開始することができるので、より
一層の時間短縮を達成することができる利点を有
する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は
主軸ヘツド及び工具交換装置全体を示す正面図、
第２図は第１図における―線断面矢視図、第
３図は第１図における―線断面矢視図、第４
図は主軸先端部における可動キーの構成及び係合
確認手段を示す図、第５図は可動キーの係合確認
の他の実施例を示す図、第６図は主軸駆動モータ
の制御ブロツク線図、第７図は主軸側のキーを固
定キーとした場合の他の実施例で、工具交換腕の
上昇途中で減圧作用をさせるための油圧回路線図
である。 １０…主軸ヘツド、１１…主軸、１３…工具交
換腕、１５…工具マガジン、２１…工具把持部
材、２２…ドローロツド、２３…スプリング、２
４…アンクランプ用シリンダ、３１…主軸駆動モ
ータ、６５…可動キー、６６…係合頭部、７３…
圧力スイツチ、７８…ドツグ、７９…近接スイツ
チ、８３…モータ制御回路、８６…設定回路、８
７…切替回路、８８…比較回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 主軸の端面に突設したキーと工具に設けたキ
   ー溝を、回転中の主軸に工具を挿着することによ
   り係合させるようにしてなる自動工具交換装置に
   おいて、回転中の前記主軸の回転速度がキー係合
   可能な所定の低速回転よりも高いか低いかを判別
   する判別手段と、この判別手段に応答し前記主軸
   回転速度が前記低速回転より高い場合には主軸回
   転を前記低速回転まで減速させる低速回転制御手
   段と、前記判別手段に応答し前記主軸回転速度が
   前記低速回転より低い場合にはそのままの主軸回
   転に保つ手段とを設け、前記低速回転以下の速度
   で主軸を回転させたままで工具の挿着を行うこと
   を特徴とする自動工具交換装置。