JPWO2016203568A1 - ツールマガジン - Google Patents

Abstract

開口部に開閉扉(３１)を備えたマガジン本体(６０)内部に設けられ、保持した複数の工具(Ｔ)から一の工具を交換準備位置(６０１)に変位させる工具変位装置(３３〜３６)を備え、複数の工具を保持した工具変位装置が可動体(３８)に搭載され、交換準備位置にある工具を、可動体(３８)を移動させることによりマガジン本体(６０)内部と開口部外側に設定された工具交換位置(６１０)との間で直線移動させる移動装置(４１〜４６)を有し、可動体(３８)に対して直接的又は間接的にリンク部材５５の一端部がピン結合され、リンク部材(５５)の他端部は開閉扉(３１)に対してピン結合されたツールマガジン(６)。

Description

本発明は、複数の工具が収納され、工具交換に際して工具の送り出しと開閉扉の開閉とが連動するツールマガジンに関する。

工具の自動交換機能を備えたマシニングセンタでは、機械本体内にツールマガジンが設けられ、通常時はツールマガジンの開閉扉が閉じた状態で収納され、交換に際して開閉扉が開いて主軸ヘッドによる工具の交換が可能になる。例えば、下記特許文献１には、扉開閉機構を備えたツールマガジンに関する発明が開示されている。そのツールマガジンの開閉扉は、左右両側に開くように右扉と左扉とがあり、各扉の回転軸がベアリングによって回転可能に支持されている。そして、一方の扉の回転軸について回転が生じた場合に、他方の扉の回転軸にも回転が生じるように、両方の開閉扉の間にリンク機構が設けられている。また、工具交換を行う主軸ヘッドの移動に連動して開閉扉が開閉するようになっており、主軸ヘッドと一方の扉との間にカムフォロワからなる伝達機構が設けられている。

実開昭６２−１６５８３６号公報

前記従来例は、開閉扉の回転軸に固定された短冊形状の回転軸レバーと、ピンで支持された短冊形状の中間レバーとが、互いに棒状のリンク部材によって連結されたリンク機構によって構成されている。このような開閉機構は、主軸ヘッドの移動に連動して開閉させる構成であるが、高速で開閉させるには剛性の点で問題があるほか、ガタが生じやすいため、開閉動作に際して衝撃音の発生原因にもなり得る。また、開閉動作の繰り返しによって、摩耗などによる部品交換の頻度も多くなってしまうと考えられる。そして、前記従来例のツールマガジンは、工具交換に際して主軸ヘッドが開閉扉内に進入する構成であるため、工具の交換スペースを広くとらなければならなくなり、ツールマガジン自体が大きくなり、マシニングセンタの小型化を妨げる構成である。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、工具の送り出しに開閉扉の開閉が連動するツールマガジンを提供することを目的とする。

本発明の一態様におけるツールマガジンは、開口部に開閉扉を備えたマガジン本体内部に設けられ、保持した複数の工具から一の工具を交換準備位置に変位させる工具変位装置を備え、複数の工具を保持した前記工具変位装置が可動体に搭載され、前記交換準備位置にある工具を、前記可動体を移動させることにより前記マガジン本体内部と前記開口部外側に設定された工具交換位置との間で直線移動させる移動装置を有し、前記可動体に対して直接的又は間接的にリンク部材の一端部がピン結合され、前記リンク部材の他端部は前記開閉扉に対してピン結合されたものである。

本発明によれば、移動装置の駆動によって可動体を移動させることにより、交換準備位置にある工具を、マガジン本体内部と開口部外側に設定された工具交換位置との間で直線移動させる場合、リンク部材を介して連結された開閉扉が、前記可動体の移動に連動して開閉することになる。可動体から開閉扉への力の伝達がリンク部材による簡易な構成であるため、強固な構造であり、ガタなども生じにくく衝撃音を抑えることができる。

マシニングセンタの内部構造であって、ツールマガジンの開閉扉が閉じた状態を示した斜視図である。 マシニングセンタの内部構造であって、ツールマガジンの開閉扉が開いた状態を示した斜視図である。 開閉扉が閉じた状態のツールマガジンを上方から示した斜視図である。 開閉扉が開いた状態のツールマガジンを上方から示した斜視図である。 開閉扉が閉じた状態のツールマガジンを下方から示した斜視図である。 開閉扉が開いた状態のツールマガジンを下方から示した斜視図である。 開閉扉の開閉機構を示した平面図である。 開閉扉とその開閉機構の動きを示した平面図であり、開閉扉が開くまでを（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の３段階で示した図である。

次に、本発明に係るツールマガジンの一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態のツールマガジンは、マシニングセンタに組み込まれたものを例に挙げて説明する。そのマシニングセンタは、例えば旋盤など他の工作機械とともに並べられて加工機械ラインの一部をなすものであり、他の工作機械とともにコンパクトに構成されている。加工機械ラインでは、オートローダによって順番にワークが搬送され、各工作機械において所定の加工が実行される。マシニングセンタでは、ツールマガジンに各種加工に対応する様々な工具が収納され、主軸に対する交換が自動で行われるようになっている。

ここで、図１及び図２は、マシニングセンタの内部構造を示した斜視図であり、図１は、ツールマガジンの開閉扉が閉じた状態が示され、図２は、ツールマガジンの開閉扉が開いた状態が示されている。このマシニングセンタ１は立型であり、機械本体である加工モジュール２が不図示の機体カバーによって覆われており、ワークに対する加工室が構成されている。加工モジュール２は、ベース３上を前後方向に移動可能なものであり、車輪を備える可動ベッド４上に組み付けられている。なお、本実施形態では、マシニングセンタ１すなわち加工モジュール２の機体前後方向がＹ軸方向、機体幅方向がＸ軸方向、そして機体上下方向がＺ軸方向である。

加工モジュール２は、工具を保持する主軸ヘッド５が前部に設けられている。主軸ヘッド５は、ドリルやエンドミル等の工具を着脱可能に取り付ける主軸チャック１１を備え、その主軸チャック１１に保持された工具を回転させる主軸用モータ１２が設けられている。工具を回転させる主軸ヘッド５の回転軸は鉛直方向（Ｚ軸方向）である。そして、主軸ヘッド５の下方には、回転体１３に固定されたワークテーブル１５が機体前方側に張り出しており、そのワークテーブル１５の上面にはワークを保持するクランプ機構が設けられている。

ワークテーブル１５は、可動ベッド４上の架台１６に対して取り付けられ、主軸ヘッド５は、その架台１６上に構成された加工駆動部によって３軸方向に移動可能に取り付けられている。また、架台１６と加工駆動部との間、すなわちワークテーブル１５と主軸ヘッド５との間の高さには、複数の工具を収納したツールマガジン６が設けられている。更に、加工モジュール２には可動ベッド４の後方に、主軸用モータ１２や回転体１３の駆動モータのほか、主軸ヘッド５の加工駆動部及びツールマガジン６の駆動部などを駆動制御するための制御装置７が搭載されている。

主軸ヘッド５の加工駆動部は、主軸ヘッド５が保持した工具をＺ軸方向に移動させるためのＺ軸駆動機構、Ｘ軸方向に移動させるためのＸ軸駆動機構、そしてＹ軸方向に移動させるためのＹ軸駆動機構が設けられている。特にモジュール２は、３軸方向の各駆動機構が機体前後方向に並べられ、機体の幅寸法が小さくなるように設計されている。具体的にＹ軸駆動機構は、Ｙ軸スライダ２１がマガジン本体６０上にＹ軸方向に移動自在に搭載され、Ｘ軸駆動機構は、Ｙ軸スライダ２１に対してＸ軸スライダ２２がＸ軸方向に移動自在に搭載されている。更に、Ｚ軸駆動機構は、Ｘ軸スライダに対してＺ軸スライダ２３がＺ軸方向に移動自在に搭載され、そのＺ軸スライダ２３に主軸ヘッド５が搭載されている。

Ｙ軸スライダ２１、Ｘ軸スライダ２２及びＺ軸スライダ２３は、いずれもガイドレールとガイドブロックとが摺動可能に嵌め合され、各方向に摺動自在に組み付けられている。そして、各駆動機構は、サーボモータの回転軸に連結されたネジ軸に、各スライダに固定されたナットが螺合している。従って、各サーボモータの駆動制御により、回転が直線運動に変換され、Ｙ軸スライダ２１、Ｘ軸スライダ２２及びＺ軸スライダ２３が各方向に所定量移動することなる。これにより、主軸ヘッド５に保持された工具に対して、ワークテーブル１５上のワークに対する位置制御が行われることになる。

ところで、マシニングセンタ１を含む複数台の工作機械からなる加工機械ラインは、互いの工作機械が幅方向に近接して配置され、全体が非常にコンパクトな設計となっている。このマシニングセンタ１も、そのコンパクト化を達成するため、Ｙ軸スライダ２１、Ｘ軸スライダ２２及びＺ軸スライダ２３がＹ軸方向に重なった配置になっており、Ｘ軸方向である幅方向の寸法が小さくなっている。そして、こうした加工駆動部の下に配置されたツールマガジン６もコンパクトな設計になっている。

ツールマガジン６は、箱型のマガジン本体６０の内部に取り外し可能な状態で収容されており、マガジン本体６０には、主軸チャック１１側の開口部に一対の開閉扉３１が設けられている。通常、開閉扉３１は図１に示すように閉じられ、ワークの加工によって飛び散るクーラントや切削屑などがマガジン本体６０内の工具に付着しないようになっている。そして、工具の交換の際、開閉扉３１は図２に示すように開けられ、ツールマガジン６は、開閉扉３１に連動して前方に送り出されるよう構成されている。すなわち、主軸ヘッド５の工具交換がマガジン本体６０の外側で行われるように、ツールマガジン６の前端部が開口部から飛び出すようになっている。

ここで、図３乃至図６は、開閉扉３１とツールマガジン６との関係を示した斜視図である。図３及び図４は、ツールマガジン６を上方から見た斜視図であり、図３は、マガジン本体６０内に収納された状態が示され、図４は開いた開閉扉３１からツールマガジン６の前端部が飛び出した状態が示されている。一方、図５及び図６は、ツールマガジン６を下方から見た斜視図であり、図３及び図４にそれぞれ対応した状態が示されている。なお、ツールマガジン６には様々な種類の工具Ｔが収納されるが、図面上、具体的な形状は省略して全て円筒形状で表現している。すなわち、単に複数の工具Ｔについて配置が分かるようになっている図である。

ツールマガジン６には、工具Ｔの着脱が可能なツールホルダ３２が複数設けられている。そのツールホルダ３２は、一対の把持爪によって工具Ｔの首部を挟み込むようにしたものであり、ツールマガジン６内に収納された工具Ｔは、その回転軸が鉛直方向を向くように吊下げ姿勢で保持される。ツールマガジン６は、一対のスプロケット３３に無端のローラチェーン３４が掛け渡されている。よって、ローラチェーン３４は長円形をなし、複数のツールホルダ３２がそのローラチェーン３４に対して一定の間隔で固定されている。複数の工具Ｔは、互いに近接して配置され、長円形の周方向に順番に並んでいる。

また、ツールマガジン６は、一対のスプロケット３３のうち、開閉扉３１側のスプロケット３３に工具変位用モータ３５が連結されている。すなわち、工具変位用モータ３５は、その回転軸がＹ軸方向を向いて水平横置きに配置され、その回転軸とスプロケット３３の回転軸とが直交し、各回転軸に固定された傘歯車３６が噛合している。よって、工具変位用モータ３５の駆動によりスプロケット３３からローラチェーン３４に回転が伝達され、複数の工具Ｔが、ローラチェーン３４の回転に従って長円形の進路を周回移動することになる。

ツールマガジン６は、前述した工具変位用モータ３５、ローラチェーン３４、スプロケット３３及びツールホルダ３２などからなる工具変位装置が可動テーブル３８対して組み付けられ、マガジン本体６０内を前後方向に移動できるよう構成されている。可動テーブル３８は、複数の工具Ｔの周回移動に対応した長円形で、その内周と外周には低い側壁が形成された受け皿になっており、工具Ｔから落ちるクーラントや切削屑を受け取ることが可能なものである。そうした可動テーブル３８の内周側に工具変位用モータ３５やスプロケット３３が配置されている。

可動テーブル３８には下面側にガイドブロック４１が固定され、マガジン本体６０の内部底面にはガイドレール４２が敷設されている。そして、ガイドレール４２に対してガイドブロック４１が摺動可能に嵌め合わされ、可動テーブル３８が前後方向（Ｙ軸方向）に移動自在に構成されている。その可動テーブル３８にはボールネジを構成するナット４３が固定され、そのナット４３に移動用モータ４６の回転軸に連結されたネジ軸４５が螺合している。よって、この移動装置では、移動用モータ４６がマガジン本体６０側に固定され、その移動用モータ４６が駆動してネジ軸４５が回転することにより、ナット４３を介してツールマガジン６が直線移動すなわち前進及び後退するようになっている。

次に、マガジン本体６０の開閉扉３１は、ツールマガジン６の前進及び後退に伴い、開閉動作が連動するように構成されている。ここで、図７は、開閉扉３１の開閉機構を示した平面図である。マガジン本体６０の前方開口部には左右一対の開閉扉３１が取り付けられ、左右両開きにすることにより可動領域が小さくなっている。そうした左右一対の開閉扉３１は、中央側端部が一部重なり、外側端部がヒンジ部材５１によってマガジン本体６０に軸着されている。そして、左右一対の開閉扉３１には、対称的な構成によって開閉機構が連結されている。

左右一対の開閉機構は、図５に示すように、開閉扉３１の内側下部に扉側ブラケット５２が固定され、可動テーブル３８側に駆動側ブラケット５３が一体的に取り付けられている。そして、扉側ブラケット５２と駆動側ブラケット５３には、互いにピン結合したリンクバー５５が連結されている。可動テーブル３８には、その下面に支持ブロック５６が固定され、駆動側ブラケット５３が支持ブロック５６に連結されている。すなわち、ボルトロッド５７が支持ブロック５６を前後方向に貫き、その先端部が駆動側ブラケット５３に締結され、ボルトロッド５７のヘッド５７１と支持ブロック５６との間にスプリング５８が嵌め込まれている。

支持ブロック５６には２箇所に貫通孔が形成され、２本のボルトロッド５７がブシュを介して貫通しているため、支持ブロック５６に対してボルトロッド５７が相対的に摺動可能な状態になっている。そして、そのボルトロッド５７はスプリング５８によって後方側へ付勢されているため、駆動側ブラケット５３が支持ブロック５６に対して押し付けられるが、駆動側ブラケット５３と支持ブロック５６との間には、ボルトロッド５７にスペーサ５９が取り付けられている。

よって、可動テーブル３８側に固定された支持ブロック５６が前後方向に移動した場合、駆動側ブラケット５３は、前方への移動時（開閉扉３１が開く場合）にはスペーサ５９に押されて同方向に移動し、後方への移動時（開閉扉３１が閉じる場合）にはスプリング５８を介してボルトロッド５７に引っ張られるようにして同方向に移動することになる。そして、この開閉機構では、駆動側ブラケット５３の前後方向の移動がリンクバー５５介して開閉扉３１の開閉動作に変換されるようになっている。特に、本実施形態では、開閉扉３１の開閉動作による回転角度と可動テーブル３８の移動位置とが一対一で対応するようになっている。

続いて、本実施形態のマシニングセンタ１によって行われるワーク加工について説明する。ワーク加工では、ワークテーブル１５上にワークがクランプされ、そのワークに対して例えば主軸ヘッド５に装着されたドリルやエンドミル等の工具による切削加工が行われる。主軸ヘッド５の工具には主軸用モータ１２の駆動によって回転が与えられ、回転する工具が加工駆動部の３軸移動制御によってワークに対して移動し、加工のための位置決めが行われる。そして、ワークに対して直接加工を実行する工具については、ワークに対する加工内容に応じて適宜交換が行われる。

マシニングセンタ１では、主軸ヘッド５による工具交換が機体内のツールマガジン６との間で自動で行われる。その際、マガジン本体６０内では、先ず工具交換に際して主軸ヘッド５から工具Ｔを受け取るため、工具Ｔを保持していない空のホルダ３２が、ツールマガジン６の前端部の交換準備位置６０１へと移動する（図３）。ツールホルダ３２に保持された複数の工具Ｔは、長円形の進路を一列になって周回移動する。そして、長円形上に配置された複数の工具Ｔのうち、長手方向一端部に位置する工具Ｔｘが、図４に示すように、工具交換の際、開口部から飛び出すことになる。工具Ｔが移動する長円形の進路のうち、この工具Ｔｘが配置された位置が、ツールマガジン６内において設定された交換準備位置６０１である。

複数あるツールホルダ３２には、各々異なる工具Ｔが保持されているが、そうした工具Ｔの種類や空のツールホルダ３２の位置は制御装置によって管理されている。そこで、工具変位用モータ３５の駆動制御により、スプロケット３３を介してローラチェーン３４に所定の回転が与えられ、空のツールホルダ３２について交換準備位置６０１への移動制御が行われる。

次に、移動用モータ４６の駆動制御により、ボールネジ機構を介してツールマガジン６が前進し、同時に可動テーブル３８の移動に連動する開閉扉３１が開けられる。その際、ツールマガジン６の交換準備位置６０１に配置されていたツールホルダ３２（図４では工具Ｔｘを保持した状態が示されている）は、マガジン本体６０の内側から開口部の外側へと飛び出し、工具交換位置６１０に配置される。この工具交換位置６１０は、マガジン本体６０の外側に設定された主軸ヘッド５との工具交換位置である。具体的には、ツールマガジン６の送り出しによる交換準備位置６０１の移動後の位置である。

工具交換位置６１０にある空のツールホルダ３２には、主軸チャック１１との掴み換えにより工具Ｔが主軸ヘッド５から受け渡される。そして、工具変位用モータ３５の駆動制御により交換の対象となる工具Ｔｘが周回移動し、ツールマガジン６の交換準備位置６０１すなわち工具交換位置６１０へと配置される。その工具Ｔｘは主軸チャック１１との掴み換えが行われ、主軸ヘッド５へ受け取られる。その後、移動用モータ４６の駆動制御によりツールマガジン６が後退し、同時に開閉扉３１が閉じられる。

ここで、図８は、開閉扉３１とその開閉機構の動きを示した平面図であり、開閉扉３１が開くまでを（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の３段階で示している。開閉機構は、図７に示す閉じた状態から、移動用モータ４６の駆動によって可動テーブル３８が前進した場合には、図８に示すように、左右一対の支持ブロック５６も一体になって前進する。支持ブロック５６の前進は、駆動側ブラケット５３の前進となり、開閉扉３１がリンクバー５５を介して内側から押される。そして、左右一対の開閉扉３１は、ヒンジ部材５１を支点に左右それぞれの回転方向に開動作し、図８（Ｃ）に示す全開位置で停止する。

一方、移動用モータ４６の逆回転によって可動テーブル３８が後退した場合には、図８（Ｃ）から（Ａ）の状態に戻るように、左右一対の支持ブロック５６も一体になって後退する。支持ブロック５６の後退は、リンクバー５５を介して開閉扉３１が内側へ引っ張られる。そして、左右一対の開閉扉３１は、ヒンジ部材５１を支点に回転して、図７に示す全閉位置で停止する。

以上のような開閉機構を備えた本実施形態では、図７及び図８の（Ａ）から（Ｃ）に示すように、開閉扉３１の開閉動作による回転角度と可動テーブル３８の移動位置とが一対一で対応している。すなわち、リンクバー５５により、開閉扉３１の開度が可動テーブル３８の移動量に比例する簡易な構成であるため、可動テーブル３８の速度を速めた移動であっても開閉扉３１の開閉動作を安定させることができ、不要な動作音を発生させることがない。

また、リンクバー５５をピン結合した開閉機構は、開閉扉３１を開閉させるに当たり単純な力の伝達構造となっている。従って、開閉扉３１が図７に示す閉状態から図８（Ｃ）に示す全開状態まで、あるいはその逆において、可動テーブル３８の速度を速めた移動に対して開閉扉３１の開閉を追随させることが可能である。そして、リンクバー５５はピン結合による連結点が少なく構造自体が強固である。そのため、各部材間のガタによって生じる開閉時の衝撃音を抑えることができる他、開閉動作に伴う摩耗が抑えられ部品寿命を長くすることができる。

また、開閉扉３１を全開させた図８（Ｃ）の状態で開動作が停止して生じる慣性力は幅方向（Ｘ軸方向）外側に作用するが、支持ブロック５６と駆動側ブラケット５３との間の自由度は前後方向（Ｙ軸方向）のスライドである。そのため、前記開動作停止によって各部材の変位は一斉に停止し、前記慣性力による衝撃音が抑えられる。一方、閉動作の停止による慣性力は支持ブロック５６が支えとなることにより、やはり各部材の変位は一斉に停止し、前記慣性力による衝撃音は抑えられる。また、ツールマガジン６の開閉機構では、開閉扉３１が閉じる際に何かに衝突したような場合でも、スプリング５８が収縮して衝撃を緩和させることができる。

更に、本実施形態のツールマガジン６は、開閉扉３１の開閉と連動した送り出しによりマガジン本体６０の開口部から飛び出し、主軸チャック５との工具交換がマガジン本体６０の外側で行われるようになっている。しかも、ツールマガジン６０は、複数の工具が長円形の進路を通って移動するよう構成され、幅寸法が抑えられた構成になっている。従って、ツールマガジン６及びそれを囲むマガジン本体６０を小型化することができ、故にマシニングセンタ１（加工モジュール２）の幅寸法を抑えた小型化に寄与する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、移動用モータ４６の回転をネジ軸４５及びナット４３のボールネジによって直線運動に変換し、可動テーブル３８つまりツールマガジン６を移動させるようにしたが、電動シリンダなどのアクチュエータを用いるようにしてもよい。

１…マシニングセンタ ２…加工モジュール ５…主軸ヘッド ６…ツールマガジン ７…制御装置 ３１…開閉扉 ３２…ツールホルダ ３３…スプロケット ３４…ローラチェーン ３５…工具変位用モータ ３６…傘歯車 ３８…可動テーブル ４１…ガイドブロック ４２…ガイドレール ４３…ナット ４５…ネジ軸 ４６…移動用モータ ５１…ヒンジ部材 ５２…扉側ブラケット ５３…駆動側ブラケット ５５…リンクバー ５６…支持ブロック ５７…ボルトロッド ５８…スプリング ６０…マガジン本体 ６０１…交換準備位置 ６１０…工具交換位置

Claims (4)

1. 開口部に開閉扉を備えたマガジン本体内部に設けられ、保持した複数の工具から一の工具を交換準備位置に変位させる工具変位装置を備えたツールマガジンにおいて、
   複数の工具を保持した前記工具変位装置が可動体に搭載され、前記交換準備位置にある工具を、前記可動体を移動させることにより前記マガジン本体内部と前記開口部外側に設定された工具交換位置との間で直線移動させる移動装置を有し、
   前記可動体に対して直接的又は間接的にリンク部材の一端部がピン結合され、前記リンク部材の他端部は前記開閉扉に対してピン結合されたものであることを特徴とするツールマガジン。
2. 前記開閉扉は、回転軸が左右両側にあり、中央部分から左右両方向に外側へと開く右扉と左扉とを有するものであり、
   前記リンク部材は、前記右扉と左扉との各々に設けられ、一つの前記可動体に連結されたものであることを特徴とする請求項１に記載のツールマガジン。
3. 前記リンク部材は、前記右扉及び左扉の開閉動作による回転角度と、前記移動装置による前記可動体の移動位置とが一対一で対応するように連結されたものであることを特徴とする請求項２に記載のツールマガジン。
4. 前記開閉扉に固定された扉側ブラケットと、前記可動体に固定された支持ブロックと、前記可動体の移動方向に形成された前記支持ブロックの貫通孔を摺動可能に通したボルトロッドと、前記支持ブロックより前記扉側に配置され、前記ボルトロッドに締結された駆動側ブラケットと、前記扉側ブラケットと前記駆動側ブラケットに対して端部がピン結合された前記リンク部材であるリンクバーと、前記支持ブロックに支えられた状態で前記ボルトロッドを前記開閉扉の反対側に付勢するスプリングと、前記支持ブロックと前記駆動側ブラケットとの間に設けられたスペーサとを有するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のツールマガジン。
   
   
   
   
   
   
   

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