JPS6322936B2

JPS6322936B2 -

Info

Publication number: JPS6322936B2
Application number: JP55144679A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Munekata; Hisafumi Hasegawa
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1980-10-16
Filing date: 1980-10-16
Publication date: 1988-05-13
Also published as: JPS5771747A

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
とするもので、特に主軸端面に進退可能に突出せ
しめた可動キーの表面に耐摩耗性の炭化物層を形
成し、長期の使用に耐えることができる自動工具
交換装置を提供することを目的とする。

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。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。

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の上方端部には平歯車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４
９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５
０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５
０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１
３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
５６と同軸的に連結された割出板５７と、割出板
５７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６
５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６
５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。

ここにおいて、前記可動キー６５の表面には、
耐摩耗性に優れたバナジユウム炭化物などの炭化
物層が形成されている。かかる炭化物層を形成す
る方法としては、硼酸または硼酸塩とバナジユウ
ム（Ｖ）、ニオビウム（Nb）、タンタル（Ta）等
周期律表第Va族元素と炭素との混合物を加熱溶
融し鋼の焼入温度付近に保たれた溶融塩浴の中に
可動キーを一定時間浸漬保持した後取り出して焼
入操作を施して表面にバナジユウム炭化物などの
炭化物層を形成させると同時に母材に焼きを入れ
る。これによつて超硬合金よりも高い硬度の炭化
物層が形成される。ちなみにバナジユウム炭化物
層の硬度はビツカース硬度でHv3000以上である。
かかる可動キー６５の係合頭部先端面は、工具交
換を行うたびに工具のフランジ部に当接して相対
回転するので摩耗が最も生じやすい部分である
が、かかる炭化物層を形成することにより耐摩耗
性が付与され、極めて長期の使用に耐えることが
できる。一方可動キー６５の外周面は、主軸端面
に穿設された収納穴６８に摺動可能に嵌合し、し
かも抜止板６７の窓６７ａにも嵌合し摺動する。
これら摺動面は、主軸受口１１ａに供給するエア
ーと共通のエアー源より供給されるエアーを利用
してキー溝１８との係合確認を取るようになつて
いるため、無潤滑の状態に維持されるが、この状
態下においても可動キー６５の表面に形成された
炭化物層は摩耗を防止し、円滑な摺動運動をもた
らし長期の使用に耐えることができる。

更に上述したように、可動キー６５の表面に耐
摩耗性の炭化物層を形成することの有利な点は、
処理後の表面粗さが小さく寸法精度がくるわない
ことである。このため仕上げ加工された可動キー
６５の表面に炭化物層を形成し、成形加工するこ
となしに主軸１１の収納穴６８に嵌合させること
ができる。

尚、可動キー６５の表面硬化処理としては、母
材を炭素鋼として焼入れをするとか、窒化処理、
耐摩性材料の溶射処理が考えられるが、硬度が不
足したり、特別な設備や操作が特殊でコスト高を
招くので好ましくない。ちなみにテーパシヤンク
を有する工具（工具ホルダ）の材料はSCM21が
一般に使用され、焼入れ処理によつて表面硬度は
HRc60〜62に保たれている。このため可動キー
６５を焼入れしたり窒化したものでは硬度が不足
し耐摩耗性を高めることにはならない。

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。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
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
転速度から毎分百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
８１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６５
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程度が限界と考えられる。したがつて
最大隙間lmaxとしてはキー溝幅の1/2とするのが
適当である。

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
より低に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、設定され
た低速回転数（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に抗して押し上げ、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１１ａ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
させたままで工具交換を行う場合に、主軸側の可
動キーと工具側のキー溝の位相が一致するまで可
動キーは工具に当接して相対的な滑り摩擦を生ず
るが、バナジユーム炭化物層のような超硬合金よ
りも高い硬度を有し耐摩耗性に優れた層で可動キ
ー表面は被覆されているので、可動キーの係合頭
部先端面の摩耗による損傷はほとんどなく長期の
使用に耐えることができる。又、可動キーの外周
面においては、無潤滑状態で主軸と嵌合し摺動案
内されるが、炭化物層の形成によつて摩耗が極め
て少く円滑な進退運動を長期にわたつて維持する
ことができ、確実なキーとキー溝の係合を達成す
ることができる効果を有する。

【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、２４……アンクランプ用シリンダ、３
１……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、８５……設定回路、８６……切替回
路。

Claims

【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、工具の摩
擦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が突出する方向に付勢
され係合頭部表面および外周面にバナジユーム炭
化物などの炭化物層を形成せしめた可動キーと、
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
回転切替後に前記工具支持装置を作動させ工具交
換動作を行わしめる工具支持装置作動装置と、工
具交換動作により前記可動キーが工具のキー溝に
係合したことを確認する確認手段と、この確認手
段の信号に基づいて前記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。