TWI826682B

TWI826682B - 自動工具更換裝置

Info

Publication number: TWI826682B
Application number: TW109114279A
Authority: TW
Inventors: 廣瀬信行; 山本雄司; 久保幸治
Original assignee: 日商大久保齒車工業股份有限公司
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2023-12-21
Also published as: JP2021169139A; JP6828867B1; TW202140190A

Abstract

提供一種自動工具更換裝置，能夠防止、抑制切削水侵入於本體外殼內。

自動工具更換裝置(1)，係供更換臂(3)已設置於前端部的輸出軸(2)，從本體外殼(11)的導筒進退運動；在導筒設置有油封(51)；以作為輸出軸(2)最為前進並從導筒突出之前端部分的切削水接觸部(2A)，在輸出軸(2)已最為後退時不進入於比油封(51)更靠本體外殼(11)側的方式，來設定導筒之長度。

Description

自動工具更換裝置

本發明係關於一種配設於加工中心機(machining center)等的工具機並以自動方式來更換工具的自動工具更換裝置(ATC：Automatic Tool Changer)。

自動工具更換裝置，係使安裝有更換臂(change arm)的輸出軸(output shaft)朝向軸向方向進退運動或繞軸心旋轉，藉此以既定的時序(timing)來握持、開放工具以自動更換工具。在如此的自動工具更換裝置中，已知的有凸輪式或油壓式、馬達式等，例如，凸輪式係以如下方式來更換工具(例如，參照專利文獻1)。

亦即，如圖6、圖7所示，在已配設於本體外殼(body case)101內的凸輪軸(cam shaft)102，配設有位移凸輪(shift cam)103與迴旋凸輪(turning cam)(未圖示)，在位移凸輪103之外周係形成有與蝸桿軸(worm shaft)104嚙合的蝸形齒輪(worm gear)，在位移凸輪103之板面係形成有凸輪槽。在該凸輪槽係安裝有槓桿(lever)105之基端側，槓桿105之前端側是安裝於輸出軸110之位移槽(shift groove)110a。又，在輸出軸110之前端部配設有更換臂 111，在該更換臂111之兩端部設置有握持工具架(tool holder)的握持部。

然後，當蝸桿軸104旋轉時凸輪軸102就會旋轉，且槓桿105之前端側會伴隨位移凸輪103之旋轉而上下運動，並使輸出軸110朝向軸向方向進退運動(往復運動)。又，在輸出軸110係配設有與迴旋凸輪嚙合的凸輪從動件(cam follower)，藉由迴旋凸輪旋轉，輸出軸110就會繞軸心旋轉並使更換臂111旋轉。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2009-39823號公報

可是，加工中心機等的工具機，係被預測今後會朝向全自動化及24小時運轉的開發進展下去。隨之，可預測會使用切削水(cutting water)來高壓洗淨現在以手動作業進行的切屑之除去。換句話說，因不明切屑會附著於何處，故而可考慮採用一種從複數個位置朝向各個方向噴射切削水來除去切屑的方法。然而，自動工具更換裝置100會吸入被噴射出的切削水並使切削水積留於自動工具更換裝置100，而恐有包含有切削水的潤滑油劣化對自動工具更換裝置100內的各個零件帶來生鏽或磨損等的不良影響之虞。

亦即，在輸出軸110已最為後退的狀態下，如圖6所示，輸出軸110之前端側，會從本體外殼101的導筒(guide cylinder)101a之開口端(軌距線(gauge line))P1朝向外部露出，且成為暴露於大氣與切削水的切削水接觸部110A。另一方面，在輸出軸110已前進達至前進端P2的狀態下，如圖7所示，輸出軸110的切削水接觸部110A、與作為從開口端P1至切削水接觸部110A前之間的混合接觸部110B，會暴露於大氣與切削水。亦即，切削水接觸部110A係始終暴露於大氣與切削水，混合接觸部110B係暴露於本體外殼101內之潤滑油或暴露於大氣與切削水，而作為其他部分的潤滑油接觸部110C則始終暴露於本體外殼101內之潤滑油。

然後，藉由混合接觸部110B從本體外殼101進退運動，已附著於混合接觸部110B的切削水就會吸入於本體外殼101內。亦即，雖然在導筒101a之開口端P1側係配設有油封(oil seal)106，但是如圖8所示，藉由輸出軸110進退運動，就會在油封106之密封唇(seal lip)106a與輸出軸110之間隙產生泵浦力(pumping force)F，已附著於混合接觸部110B的切削水則會吸入於本體外殼101內。

為了防止如此的切削水之吸入，雖然可考慮將襯墊(packing)設置於導筒101a，但是此舉不僅切削水就連潤滑油也會被除去(被刮除)，會使本體外殼101內的潤滑油減少而成為潤滑不足。又，雖然僅將防塵密封(dust seal)設置於導筒101a，就可以除去切屑，但是切削水與潤滑油會進入本體外殼101內。

於是，本發明之目的係在於提供一種能夠防止、抑制切削水侵入於本體外殼內的自動工具更換裝置。

為了達成上述目的，方案1所述之發明的自動工具更換裝置，係供更換臂已設置於前端部的輸出軸，從本體外殼的導筒進退運動，其特徵為：在前述導筒設置有油封；以作為前述輸出軸最為前進並從前述導筒突出之前端部分的切削水接觸部，在前述輸出軸已最為後退時不進入於比前述油封更靠前述本體外殼側的方式，來設定前述導筒之長度。

方案2所述之發明，係如方案1所述之自動工具更換裝置，其中，以在前述輸出軸已最為後退的狀態下，握持工具架的握持部位於前述本體外殼側之既定位置的方式，來形成前述更換臂。

方案3所述之發明，係如方案1所述之自動工具更換裝置，其中，前述更換臂是朝向水平方向大致筆直地延伸所形成。

方案4所述之發明，係如方案1至3中任一方案所述之自動工具更換裝置，其中，除去切屑的防塵密封，是設置於比前述導筒的前述油封更靠自由端側。

依據方案1所述之發明，因是以在輸出軸已最為後退時切削水接觸部不進入於比油封更靠本體外殼側的方式，來設定導筒之長度(油封之位置)，故而能夠防止、抑制切削水侵入於本體外殼內。亦即，雖然輸出軸最為前進並從導筒突出的部分(切削水接觸部)，係暴露於大氣與切削水，但是即便輸出軸最為後退仍不進入於比油封更靠本體外殼側。因此，能夠防止、抑制已附著於輸出軸之切削水接觸部的切削水侵入於本體外殼內(比油封更內側)。

依據方案2所述之發明，則以在輸出軸已最為後退的狀態下，握持部位於既定位置的方式來形成更換臂。因此，例如，藉由將既定位置設定成與習知相同的握持部之位置，就可以相對於軌距線(gauge line)在與習知相同的位置配設自動工具更換裝置。換句話說，即便導筒比習知更長，仍能夠輕易地更換既有的自動工具更換裝置與本自動工具更換裝置。又，因握持部位於本體外殼側，故而更換臂之重心會位於本體外殼側，且能夠提高自動工具更換裝置之剛性、安定性。

依據方案3所述之發明，因更換臂是朝向水平方向大致筆直地延伸所形成，故而構成簡易且能夠輕量化、低成本化，並且能夠使用大致筆直地延伸的習知之更換臂。

依據方案4所述之發明，因除去切屑的防塵密封，是設置於比導筒的油封更靠自由端側，故而可以防止切屑侵入於本體外殼內(比油封更內側)。

1,10,100:自動工具更換裝置

2,110:輸出軸

2a,110a:位移槽

2A,110A:切削水接觸部

2B,110C:潤滑油接觸部

3,111:更換臂

3a:握持部

3b:鎖定銷

4:保持器密封(導筒)

11,101:本體外殼

11a,101a:出入口(導筒)

11b:油封凹穴

12,102:凸輪軸

13,103:位移凸輪

13a:蝸形齒輪

14,104:蝸桿軸

14A:馬達

15,105:槓桿

15a:前端側凸輪從動件

21:迴旋環

31:臂本體

32:保持器收容部

33:安裝部

34:收容用螺栓

35:安裝部

35a:安裝孔

36:止動銷

37:中央部

41:外側凸緣部

42:內側凸緣部

42a,52a:防塵密封凹穴

51,106:油封

52:加壓板

53:保持器用螺栓

54:防塵密封

106a:密封唇

110B:混合接觸部

D1:軌距線距離

D2:尺寸

D3,D4:行程長度

F:泵浦力

H:工具架

P0:中心線

P1:開口端(軌距線)

P2:前端面(圖1所示的本案發明)

P2:前進端(圖7所示的習知技術)

[圖1]係顯示本發明之實施形態1的自動工具更換裝置之輸出軸已最為後退的狀態之概略構成圖。

[圖2]係顯示圖1的自動工具更換裝置之輸出軸已最為前進的狀態之概略構成圖。

[圖3]係顯示圖1的自動工具更換裝置的更換臂之握持部周邊的俯視圖。

[圖4]係顯示本發明之實施形態2的自動工具更換裝置之輸出軸已最為後退的狀態之概略構成圖。

[圖5]係顯示圖4的自動工具更換裝置之輸出軸已最為前進的狀態之概略構成圖。

[圖6]係顯示習知的自動工具更換裝置之輸出軸已最為後退的狀態之概略構成圖。

[圖7]係顯示圖6的自動工具更換裝置之輸出軸已最為前進的狀態之概略構成圖。

[圖8]係顯示圖6的自動工具更換裝置之油封與輸出軸之位置關係的示意圖(a)、與其A部放大圖(b)。

以下，基於圖示的實施形態來說明本發明。

[實施形態1]

圖1係顯示本實施形態的自動工具更換裝置1之輸出軸2已最為後退的狀態之概略構成圖(概略前視圖)，圖2係顯示自動工具更換裝置1之輸出軸2已最為前進的狀態之概略構成圖，為了易於觀察起見，僅於一部分附記剖面線(hatching)來圖示。該自動工具更換裝置1，係指供更換臂3已設置於前端部的輸出軸2，從本體外殼11之出入口(導筒)11a進退運動與往復運動的裝置，更換臂3側的構成是與習知的自動工具更換裝置不同，雖然針對同等構成之詳述予以省略，但是概略成為如下的構成。在此，在該實施形態中，係針對輸出軸2朝向上下方向延伸所配設的縱向型之情況加以說明。

在本體外殼11內，係配設有旋轉自如的凸輪軸12，且於該凸輪軸12配設有位移凸輪13與迴旋凸輪(未圖示)。又，在位移凸輪13之外周係形成有蝸形齒輪13a，該蝸形齒輪13a是與蝸桿軸14嚙合。然後，當蝸桿軸14藉由馬達14A所驅動時，其驅動力就會傳遞至位移凸輪13，且凸輪軸12及迴旋凸輪會旋轉。

在位移凸輪13之板面係形成有環狀的凸輪槽，作為該凸輪槽的環狀之輪廓的凸輪曲線，係以輸出軸2以既定之時序來進退運動的方式所設定。在該凸輪槽，安裝有能夠滑動的槓桿15之基端側凸輪從動件，且槓桿15之前端側凸輪從動件15a安裝於輸出軸2之位移槽2a。然後，當位移凸輪13旋轉時，基端側凸輪從動件就會沿凸輪槽滑動，且前端側凸輪從動件15a會上下運動。伴隨該上下運動，輸出軸2會朝向上下方向往復運動(進退運動)。

又，在輸出軸2，係配設有與迴旋凸輪嚙合的迴旋環(turning ring)21，藉由迴旋凸輪旋轉，輸出軸2就會透過迴旋環21而旋轉。如此，輸出軸2及更換臂3會朝向軸向方向往復運動並且繞軸心旋轉。

更換臂3，係大致正交於輸出軸2而延伸並以中央部安裝於輸出軸2，且在從中央部對向而延伸的二個棒狀之臂本體31之前端側，如圖3所示，設置有握持工具架H的握持部3a。雖然該握持部3a之形狀或握持結構等亦可為任意，但是例如形成圓弧狀，且在更換臂3之兩端部內配設有能夠進退的鎖定銷(lock pin)3b。然後，藉由鎖定銷3b前進至握持部3a側，就會以握持部3a與鎖定銷3b來夾持與握持工具架H，而藉由鎖定銷3b從握持部3a後退，就會解除工具架H之握持。有關該更換臂3之中央部的構成將於後述。

相對於如此之基本的結構，如圖1所示，保持器密封(retainer seal)(導筒)4是設置於出入口11a之開口端與自由端。該保持器密封4，係附加於習知的出入口11a並與出入口11a一起構成導筒，且為可供輸出軸2插入的筒狀，與出入口11a配設成同軸，其長度則設定成比輸出軸2之行程長度(stroke length)D3更稍微長，以免已附著於後述之切削水接觸部2A的切削水始終確實地侵入於比油封51 更靠本體外殼11側。

具體而言，設置有環狀之外側凸緣部41，該環狀之外側凸緣部41係內徑比輸出軸2之外形更稍微大的大致圓筒狀，且在與輸出軸2之間形成有既定之空間，在上端部與一端部朝向外側擴展。另一方面，在作為與保持器密封4之交界部的出入口11a之開口端(下端)側，係形成有環狀之與內孔連接的凹狀之油封凹穴(oil seal pocket)11b，在該油封凹穴11b內收容有油封51。然後，藉由外側凸緣部41由環狀之加壓板52與出入口11a之開口端面所包夾，且保持器用螺栓(retainer bolt)53從加壓板52緊固於出入口11a，保持器密封4就會連接於出入口11a之開口端。在此安裝狀態下，油封51會由油封凹穴11b與保持器密封4之外側凸緣部41所夾持。在此，油封51，係指防止本體外殼11內之潤滑油漏出、或異物侵入於本體外殼11內的環狀之密封。

另一方面，在保持器密封4之下端側與另一端側，係設置有朝向輸出軸2側突出的環狀之內側凸緣部42。在該內側凸緣部42，係形成有環狀之與保持器密封4之內孔連接的凹狀之防塵密封凹穴42a，在該防塵密封凹穴42a內收容有防塵密封54。換句話說，在比導筒之油封51更靠自由端側設置有防塵密封54。該防塵密封54，係指除去已附著於輸出軸2之前端側等的切屑或粉塵等，以防止切屑侵入於保持器密封4內及本體外殼11內的環狀之密封。

輸出軸2之前端側從如此的保持器密封4突出，且在該突出部安裝有更換臂3。然後，如圖1所示，以在輸出軸2已最為後退至本體外殼11側的狀態下，握持部3a位於本體外殼11側之既定位置的方式，來形成更換臂3。

亦即，在更換臂3之中央部，形成有大致圓筒狀且與保持器密封4同軸地延伸並能夠收容保持器密封4的保持器收容部32，在該保持器收容部32之下端側與一端側，設置有朝向輸出軸2側突出的環狀之安裝部33。然後，在該安裝部33之內周面已與輸出軸2相接觸的狀態下，藉由收容用螺栓34在輸出軸2之前端部，安裝有保持器收容部32，亦即更換臂3。

在如此的保持器收容部32之上端側與另一端部，從正面及上方觀察以延伸於一直線上的方式來對向地配設有二個臂本體31。亦即，在該實施形態中，係在保持器收容部32之上端側，形成有水平地延伸突出並相互地對向的安裝部35，且從該安裝部35之自由端面形成有安裝孔35a。然後，藉由在該安裝孔35a安裝有臂本體31之基端部，臂本體31就能裝卸自如地安裝於保持器收容部32。在如此的安裝狀態下，二個臂本體31是大致正交於輸出軸2而延伸。在此，在該實施形態中，雖然二個臂本體31與保持器收容部32是成為不同個體，但是既可一體地形成二個臂本體31，又可一體地形成二個臂本體31與保持器收容部32。

又，在保持器收容部32與安裝部35之間，係繞保持器收容部32之軸心配設有複數個與輸出軸2平行地延伸的圓柱狀之止動銷(stopper pin)36。該止動銷36，係比臂本體31及安裝部35更朝向本體外殼11側突出，能夠在輸出軸2已最為後退至本體外殼11側的狀態下抵接於加壓板52，且防止臂本體31等損傷。如此，在該實施形態中，係在輸出軸2已最為後退的狀態下，更換臂3之基準點(上端)，會與軌距線P1一致。

在此，臂本體31及握持部3a之配置位置與高度(保持器收容部32之長度)，係以在輸出軸2已最為後退的時間點，握持部3a與習知、已知的自動工具更換裝置100之握持部位於相同位置(既定位置)，且相對於軌距線P1的距離與習知一樣的方式所設定。亦即，在從作為工具機的主軸端面等之基準面的軌距線P1，至凸輪軸12之中心線P0為止的軌距線距離D1，與圖6所示的習知距離設定成相同尺寸的情況下，是以握持部3a對軌距線P1的距離與習知距離成為相同尺寸的方式，來設定握持部3a之配設位置與高度。換言之，是以即便在與習知相同的中心線P0設置凸輪軸12，仍可以在與習知相同的軌距線P1中適當地握持及開放工具架H的方式來設定。如此，該實施形態的更換臂3，係可使兩臂本體31比已安裝於輸出軸2之前端部的中央部更位於本體外殼11側，並使握持部3a位於軌距線P1側之既定位置。

另一方面，當輸出軸2最為前進至反本體外殼11側時，如圖2所示，更換臂3就會從軌距線P1僅前進行程長度D3，且輸出軸2之前端面P2亦僅前進行程長度D3。在此狀態下，雖然從保持器密封4突出的輸出軸2之前端側的部分(切削水接觸部2A)，係暴露於大氣與切削水，但是作為其他部分的出入口11a側之潤滑油接觸部2B，卻由保持器密封4所收容及保護而不暴露於切削水。然後，當輸出軸2再次最為後退時，如圖1所示，切削水接觸部2A就會收容於保持器密封4及保持器收容部32而不進入於本體外殼11內(比油封51更內側)，潤滑油接觸部2B則收容於本體外殼11。

如此，輸出軸2之切削水接觸部2A係始終暴露於大氣或切削水，潤滑油接觸部2B則始終暴露於潤滑油或大氣。在此，圖2、圖7中的尺寸D2，係指從本體外殼11之下端面至軌距線P1為止的距離。

依據如此之構成的自動工具更換裝置1，則以在輸出軸2已最為後退時切削水接觸部2A不進入於比油封51更靠本體外殼11側的方式，來設定導筒之長度(油封51之位置)。換句話說，因保持器密封4是連接於出入口11a，故而能夠防止、抑制切削水侵入於本體外殼11內。亦即，雖然作為輸出軸2最為前進並從保持器密封4突出之部分的切削水接觸部2A，係暴露於大氣與切削水，但是即便輸出軸2最為後退仍會位於保持器密封4內，且不進入於比油封51更靠本體外殼11側，亦即出入口11a內。因此，能夠防止、抑制已附著於輸出軸2之切削水接觸部2A的切削水侵入於本體外殼11內(比油封51更內側)。結果，即便今後全自動化等進展並已朝向各個方向噴射切削水，仍能夠防止、抑制包含有切削水的潤滑油劣化對各個零件帶來不良影響。

又，以在輸出軸2已最為後退的狀態下，握持部3a位於既定位置的方式，來形成更換臂3。因此，如上面所述，藉由將既定位置設定成與習知相同的握持部之位置，就可以相對於軌距線P1在與習知相同的位置配設自動工具更換裝置1。換句話說，即便具備保持器密封4且導筒比習知更長，仍能夠輕易地更換既有的自動工具更換裝置100與本自動工具更換裝置1。又，因握持部3a是位於本體外殼11側，故而更換臂3之重心會位於本體外殼11側(凸輪軸12側)，且能夠提高自動工具更換裝置1之剛性、安定性。

又，因除去切屑等的防塵密封54，是設置於比導筒之油封51更靠自由端側的保持器密封4，故而可以防止切屑等侵入於本體外殼11內(比油封51更內側)。

[實施形態2]

圖4係顯示該實施形態的自動工具更換裝置10之輸出軸2已最為後退的狀態之概略構成圖(概略前視圖)，圖5係顯示自動工具更換裝置10之輸出軸2已最為前進的狀態之概略構成圖，為了易於觀察起見僅於一部分附記剖面線來圖示。在該實施形態中，更換臂3之形狀、構成是與實施形態1不同，有關與實施形態1同等的構成，係藉由附記同一符號來省略其說明。

在此，在該實施形態中，如圖4所示，保持器密封4之外側凸緣部41是不由加壓板52所包夾地安裝於出入口11a之開口端面，且在保持器密封4之下端面安裝有加壓板52。然後，在加壓板52之防塵密封凹穴52a內收容有防塵密封54。如此，與實施形態1同樣，加壓板52，係構成保持器密封4之一部分。

該實施形態中的更換臂3，係與習知、既有的自動工具更換裝置100之更換臂111同等的構成，且朝向水平方向大致筆直地延伸所形成。亦即，在已安裝於輸出軸2之前端部的大致圓盤狀之中央部37，形成有水平地延伸突出並相互地對向的安裝部35，且在該安裝部35之安裝孔35a安裝有臂本體31之基端部。在如此的安裝狀態下，二個臂本體31是大致正交於輸出軸2而延伸，而中央部37與二個臂本體31是從正面及上方來觀察大致筆直地延伸成直線狀。

在此，在該實施形態中，比起實施形態1及習知，是以更換臂3之基準點P3僅以行程長度D3(=D4)位於下方(反本體外殼11側)的方式，來設定保持器密封4之長度。從而，在輸出軸2已最為後退的狀態下，如圖4所示，更換臂3之基準點P3是位於從實施形態1之軌距線P1僅以行程長度D3朝向下方分離後的位置。因此，為了在與實施形態1相同的軌距線P1適當地握持及握持解除工具架H，就有必要將自動工具更換裝置10僅以行程長度D3(=D4)設置於上方。又，在已將保持器密封4形成更長的情況下，係有必要僅以該延長量將自動工具更換裝置10更進一步設置於上方。

另一方面，當輸出軸2最為前進時，如圖5所示，更換臂3就會從基準點P3僅前進行程長度D3。在此狀態下，雖然從保持器密封4突出的輸出軸2之前端側的部分(切削水接觸部2A)，係暴露於大氣與切削水，但是作為其他部分的潤滑油接觸部2B，卻由保持器密封4所收容及保護而不暴露於切削水。然後，當輸出軸2再次最為後退時，如圖4所示，切削水接觸部2A就會收容於保持器密封4而不進入於本體外殼11內(比油封51更內側)，潤滑油接觸部2B則收容於本體外殼11。

如此，依據該實施形態，則與實施形態1同樣，因輸出軸2之切削水接觸部2A係始終暴露於大氣或切削水(不暴露於潤滑油)，潤滑油接觸部2B則始終暴露於潤滑油或大氣(不暴露於切削水)，故而能夠防止、抑制切削水侵入於本體外殼11內。又，因更換臂3是朝向水平方向大致筆直地延伸所形成，故而構成簡易且能夠輕量化、低成本化，並且能夠使用大致筆直地延伸的習知之更換臂111。從而，只要在習知、已知的自動工具更換裝置100安裝保持器密封4並加長輸出軸2，就能夠輕易地構成本自動工具更換裝置10。

以上，雖然已針對本發明之實施形態加以說明，但是具體的構成，係不被限於上述的實施形態，即便有不脫離本發明之要旨的範圍之設計的變更等，仍涵蓋於本發明。例如，在上述的實施形態中，雖然以不同個體的出入口11a與保持器密封4來構成導筒，但是亦可一體地形成導筒。亦即，只要以即便輸出軸2最為後退切削水接觸部2A仍不進入於比油封51更靠本體外殼11側的方式，來設定導筒之長度即可。從而，使作為習知之出入口11a的導筒延長行程長度D3以上，並以即便輸出軸2最為後退切削水接觸部2A仍不進入於比油封51更靠本體外殼11側的方式，來設置油封51，此部分仍涵蓋於本發明。

又，雖然已針對縱向型之自動工具更換裝置的情況加以說明，但是當然亦可以應用於輸出軸2大致水平地延伸的橫向型之自動工具更換裝置。同樣，雖然已針對凸輪式之自動工具更換裝置的情況加以說明，但是當然亦可以應用於油壓式或馬達式等。

1:自動工具更換裝置

2:輸出軸

2a:位移槽

2A:切削水接觸部

2B:潤滑油接觸部

3:更換臂