JPS6257457B2 - - 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
ているので、工具交換時間が長くなるという問題
がある。

従つて工具交換時に主軸を一定の角度位置に停
止させることなく、主軸の回転中に工具の交換を
行うようにすれば、工具交換時間を短縮するうえ
できわめて有効であるが、主軸の回転中に工具を
交換するようにすると、主軸より工具マガジンに
返還される工具の角度が定まらないため、例えば
刃具を半径方向に突出した大径工具の如き工具マ
ガジンに定められた方向に保管することが必要な
ものには、上記したような主軸の回転中に工具の
交換を行うことができない問題を生ずる。

よつて本発明の目的は、主軸を停止させること
なく主軸のキーと工具のキー溝との係合、離脱を
可能にするとともに、主軸より工具マガジンに返
還される工具のキー溝の角度を一定に制御できる
ようにした自動工具交換装置を提供することであ
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。１
３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支持装
置としての工具交換腕、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せた後、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。なお、前記工具マガジン１５の各工具ソケツ
ト１６には、工具Ｔに形成されたキー溝１８に遊
びをもつて係合する角度規制部材（図示せず）が
設けられ、この角度規制部材によつて工具ソケツ
ト１６に保持される工具Ｔのキー溝１８の方向を
定められた角度範囲に規制し、刃具を半径方向に
突出した大径工具のようなものでも、隣合う工具
Ｔに干渉しないようにしている。

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ブルスタツド１７に係
脱可能な把持部材２１と、この把持部材２１に連
結された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２４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、また工具交換指令が発せられる
ことにより所定の低速回転で回転される。

前記主軸１１の後端部には第３図に示すように
所定の角度幅θに亘つて突設されたドツグ３３が
固設され、このドツグ３３に感応する位置確認用
近接スイツチ３４が主軸ヘツド１０側に取付けら
れている。この近接スイツチ３４の動作により主
軸１１が定められた角度位置に割出されたことを
確認できるようになつている。

第４図は工具交換腕１３およびその駆動装置の
構成を示すものであり、支持本体４０には旋回と
軸移動可能に支持軸４１が軸承されており、この
支持軸４１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３７に係合する円弧状の工具把持部１
３ａ，１３ｂが支持軸４１に対して対称的に形成
され、各工具把持部１３ａ，１３ｂから工具Ｔの
脱落防止作用をなす係合ローラ４２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４３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４３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１
３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４２を工具Ｔに押圧して
工具把持部１３ａ，１３ｂ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の摩擦回転を許容する。

前記支持軸４１の中央部には、支持本体４０に
同軸的に形成された交換腕進退用シリンダ４４に
嵌合するピストン４５が突設され、このピストン
４５の上下シリンダ室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の上方端部には
平歯車５３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４６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４０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。

次に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５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６６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６
５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６５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７２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。

次に主軸駆動モータ３１の制御回路について説
明する。第６図において、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。数値制御装
置NCより回転速度指令（Ｓコード）がレジスタ
８０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
方主軸駆動モータ３１の実際の回転速度は速度検
出器８４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、各種工具に応じた回
転速度から毎分数十回転ぐらいの低速回転に主軸
回転を落す必要がある。かかる低速回転指令が設
定される設定器８５は切替回路８６を介してDA
変換器８１に接続されている。数値制御装置NC
から発せられる工具交換指令MO６により切替回
路８６はレジスタ８０に設定された回転速度指令
に代えて設定器８５に設定された低速回転指令を
DA変換器８１に出力する。これによつてモータ
駆動回路８３は主軸駆動モータ３１の回転を減ず
るべく制御し、設定された低速回転で主軸１１を
回転させる。また前述の圧力スイツチ７３により
キーとキー溝の係合確認がなされると切替回路８
６は切替えられてレジスタ８０に設定された回転
速度指令をDA変換器８１に出力し、新たに主軸
１１に挿着された工具Ｔに応じた回転速度で回転
させる。

ここにおいて、工具交換腕１３の把持部１３
ａ，１３ｂ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１３ａ，１３ｂに把持された
工具Ｔはキー６５につれ回りしないようになつて
いる。

次に本発明装置の動作を説明する。主軸１１の
回転範囲は通常20〜3000rpmの広範囲にわたつて
いるが、変速用シフト歯車３０による減速比の切
替えが途中において行われ、一例として1100rpm
より低い回転数では低レンジに、1100rpmより高
い回転数では高レンジに変速用シフト歯車３０は
シフトされる。このため一般の加工においては低
レンジでの使用頻度が高くなつているので、便宜
上シフト歯車３０は低レンジになつているものと
して説明する。

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に設定された回転速
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が出力されると、切替回路８６が切替えら
れ設定器８５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、キー係合
のために設定された低速回転数で主軸１１は回転
される。主軸１１の回転が低速に切替えられた
後、工具交換腕１３は工具把持位置まで旋回さ
れ、両端の把持部１３ａ，１３ｂにて垂直方向に
姿勢変換された工具ソケツト１６および主軸１１
にそれぞれ挿着された工具Ｔを把持し、次いでア
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。この状態で主軸１１が
定角度に割出されたことを確認する近接スイツチ
３４がオフからオンに切替わる（第３図に示す状
態）と、この信号変化に基いて進退用シリンダ４
４に圧力流体が供給され、工具交換腕１３を下方
に移動させて工具Ｔを引き抜く。かかる工具Ｔの
引き抜きにより工具Ｔのキー溝が主軸１１のキー
より離脱されるため、工具Ｔの回転は工具交換腕
１３の把持力にて即座に停止され、これにより工
具交換腕１３に把持された工具Ｔのキー溝はほぼ
一定の角度位置に保持される。

前記工具交換腕１３が下降端まで移動される
と、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が180゜旋回さ
れる。続いて進退用シリンダ４４への圧力流体の
供給切替がなされて工具交換腕１３が上昇され、
工具ソケツト１６から抜き取つた工具Ｔを主軸１
１の挿着穴１１ａに挿入し、また主軸１１から抜
き取つた工具Ｔを工具ソケツト１６に挿入する。
このように工具Ｔを主軸１１より引き抜くタイミ
ングを主軸１１の定角度において行うことによ
り、工具マガジン１５の工具ソケツト１６に返還
された工具Ｔのキー溝１８の角度位置は角度規制
部材に係合する定範囲に位置決めされ、刃具を半
径方向に突出した大径工具においても、隣合う工
具に干渉することがない。

また前記主軸１１の挿着穴１１ａに工具Ｔを挿
入する過程において、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
によりキー６５を介して主軸１１の回転が工具Ｔ
に伝えられ、工具Ｔは工具交換腕１３の把持部１
３ａ内で強制回転される。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１
３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８６は設定器８５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。

尚、上記実施例においては、工具支持装置とし
て工具交換腕を設けた実施例について説明した
が、工具マガジンと主軸との間で直接工具を受渡
すものに本発明を適用することも可能である。こ
の場合の工具支持装置は工具マガジンとなる。

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
来のように主軸を定位置停止させる必要がなく、
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。

しかも本発明によれば、回転中の主軸より工具
を引き抜くタイミングを主軸の定位置確認信号に
基いて行うようになつているので、主軸より工具
マガジンに返還される工具のキー溝方向を常に一
定に制御でき、特に大径工具等の場合に有用であ
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―線拡大断面矢視
図、第３図は第２図における―線断面矢視
図、第４図は第１図における―線拡大断面矢
視図、第５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６図は主軸駆動
モータの制御ブロツク線図である。 １０…主軸ヘツド、１１…主軸、１３…工具交
換腕、１５…工具マガジン、１８…キー溝、２１
…工具把持部材、２２…ドローロツド、２３…ス
プリング、２４…アンクランプ用シリンダ、３１
…主軸駆動モータ、３４…定位置確認用近接スイ
ツチ、６５…可動キー、６６…係合頭部、７３…
検出スイツチ、８３…モータ制御回路、８５…設
定回路、８６…切替回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転中の主軸に工具を挿着しキーとキー溝を
   係合させる自動工具交換装置において、前記主軸
   が定められた角度位置に割出されたことを確認す
   る定位置確認装置と、工具の回転を許容して把持
   し主軸に対し工具を着脱せしめる工具支持装置
   と、前記主軸に進退可能に案内され工具に設けら
   れたキー溝の溝幅より狭い係合頭部を備えこの係
   合頭部を突出させる方向に付勢された可動キー
   と、工具交換指令に応答し主軸を所定のキー係合
   可能な低速度で回転させる低速回転制御装置と、
   低速回転切替後に前記定位置確認装置の確認信号
   に基いて前記工具支持装置を主軸軸線方向に移動
   させて工具交換動作を行わしめる工具支持装置作
   動装置と、主軸に挿着された工具をクランプする
   クランプ装置と、このクランプ装置による工具の
   クランプ後前記低速回転制御装置を不作動にし主
   軸を加工指令速度で回転せしめる回転制御装置と
   を有してなる自動工具交換装置。