JPS6258859B2 - - 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、工具には通常直径線上
に２つのキー溝が刻設されているため、主軸と工
具とのテーパ当りを一定にするためには、キーを
定められた一方のキー溝に係合させる必要があ
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を可能に
するとともに、主軸と工具とのテーパ当りを常に
一定にす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。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１９が設けら
れ、この角度規制部材１９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するようにしている。

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２図、第３図に示
すようにドツグ３３が固設され、このドツグ３３
に感応する定位置検出用近接スイツチ３４が主軸
ヘツド１０側に取付けられており、この近接スイ
ツチ３４のオフからオンへの信号変化により主軸
１１が定められた角度位置に割出されたことを検
出できるようになつている。主軸１１の後端部に
はまた所定の角度幅θ（但しθ＜180゜）に亘つ
て突設されたドツグ３５が固設され、このドツグ
３５に感応する角度位置検出用近接スイツチ３６
が主軸ヘツド１０側に取付けられており、この近
接スイツチ３６により主軸１１の角度領域を検出
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１３
ａ，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図および第６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ｌ１より狭いｌ２係合頭部６６が突
設され、主軸端面に固着された抜止板６７より突
出されている。抜止板６７には可動キー６５の係
合頭部６６に形成された２面取部に係合する係合
端部６７ａが形成され、この係合端部６７ａによ
つて可動キー６５を回り止めするとともに、可動
キー６５に作用する回転駆動力を受承するように
なつている。主軸１１および蓋部材６８には、可
動キー６５が嵌挿された収納穴６９の底部と可動
キー６５との間に形成された後部室７０に加圧エ
アを導くエア導入路７１，７１ａと、抜止板６７
と可動キー６５との間に形成された前部室７２に
加圧エアを導くエア導入路７３，７３および圧力
スイツチ７４に通ずる連通路７５，７５ａがそれ
ぞれ形成され、これら２つのエア導入路７１ａ，
７３ａは切替弁７６を介して加圧エア供給源７７
に接続されている。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
７８が穿設され、この通気穴７８は可動キー６５
の後退位置においては前記連通路７５と通じて圧
力スイツチ７４に大気圧を導き、可動キー６５の
前進位置（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）においては通気穴７８と
連通路７５とを遮断し、後部室７０を介して導入
路７１と連通路７５を連通させ、加圧エアーを圧
力スイツチ７４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１
８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７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定速回転に主軸
回転を落す必要がある。かかる定速回転指令が設
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に設定された定速回転指令を
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、設定された定速回転で主軸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は可キー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MO
６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
ために設定された定速回転数で主軸１１は回転さ
れる。主軸１１の回転が定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２
２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
位置に割出され、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４４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１８が主軸１１のキー６５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１８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１９に係合する定位置に位置決めされる。

また前記主軸１１の挿着穴１１ａに工具Ｔを挿
入するに先立ち、切替弁７６が切替えられて可動
キー６５を嵌挿した収納穴６９の前部室７２に加
圧エアが供給され、可動キー６５が後退される。
この状態で前述した如く工具Ｔが主軸１１に挿入
されて工具Ｔのフランジ端面が可動キー６５に対
接され、主軸１１の定速回転により相対回転がも
たらされる。しかして可動キー６５が工具Ｔの２
つのキー溝１８のうちの係合してはならない一方
のキー溝を通過すると、近接スイツチ３６が動作
され、この近接スイツチ３６の動作信号により前
記切替弁７７が第５図に示す状態に切替えられ、
加圧エアが後部室７０に供給されて可動キー６５
が突出する方向に押圧され、工具Ｔのフランジ端
面に押く付けられる。従つて可動キー６５は定め
られたキー溝１８に向つて滑り回転され、当該キ
ー溝１８にキー６５が対応した時点で、加圧エア
の押圧力により可動キー６５が突出され、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１３ａ内で強制回転される。
これとともに圧力スイツチ７４に通ずる連通路７
５は通気穴７８との連通が遮断され、導入路７１
と連通するので圧力スイツチ７４に加圧エアが導
入されスイツチをオンにする。この圧力スイツチ
７４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。

上記実施例においては、工具Ｔを主軸１１に挿
入する際に可動キー６５を引込めるようにした
が、工具挿入時における可動キー６５の角度領域
を検出し、その角度領域によつては可動キー６５
を引込めないように制御することもでき、また可
動キー６５の突出も加圧エアによらず、スプリン
グを用いて行うこともできる。

さらに上記実施例においては、工具支持装置と
して工具交換腕１３を設けた実施例について説明
したが、工具マガジン１５と主軸１１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角度位置におい
て行うとともに、工具挿入時の可動キーの突出を
主軸の所定角度位置において行うようになつてい
るので、主軸のキーは必ず工具の２つのキー溝の
うちの定められた一方に係合されるようになり、
これによつて主軸に対する工具の当り面は一定と
なり、刃先位置の変化を防止して加工精度を向上
できるとともに、ボーリングバーなどにおける刃
先位置を主軸に対して一定の関係に保持できる効
果も併せて奏せられる。

【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図は第５図の
−線断面矢視図、第７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、３５，
３６……角度位置検出用近接スイツチ、６５……
可動キー、６６……係合頭部、７４……検出スイ
ツチ、７６……切替弁、８３……モータ制御回
路、８５……設定回路、８６……切替回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   の角度位置を検出する角度位置検出装置と、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定速度で回転させ
   る定速回転制御装置と、定速回転切替後に前記角
   度位置検出装置により主軸が定角度位置に割出さ
   れたことに基いて前記工具支持装置を工具が主軸
   より引き出される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、前記工具
   支持装置に把持された工具を主軸に挿入する際に
   前記可動キーを引込めかつ前記角度位置検出装置
   により主軸が所定の角度位置に割出されたことに
   基いて前記可動キーを突出させるキー作動装置と
   によつて構成したことを特徴とする自動工具交換
   装置。 ２ 前記キー作動装置による可動キーの引込め
   は、工具を主軸に挿入する際の主軸の角度位置が
   定められた角度範囲にない場合のみ行うようにし
   てなる特許請求の範囲第１項に記載の自動工具交
   換装置。