WO1993014901A1

WO1993014901A1 - Automatic tool changer

Info

Publication number: WO1993014901A1
Application number: PCT/JP1993/000111
Authority: WO
Inventors: Akihiko Fujimoto; Hisao Ishii; Shinya Okamoto; Naoki Sato
Original assignee: Fanuc Ltd
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1993-08-05
Also published as: EP0577850A4; KR970007309B1; EP0577850A1; DE69323935T2; DE69323935D1; US5499963A; EP0577850B1

Description

明細書自動工具交換装置技術分野

本発明は C N C ドリル等の工作機械に使用される自動工具交換装置に関し、特に、工具を保持する夕レットを工具交換のために、上記工作機械の主軸に向けてスィング動作させる際、同時に該タレツトを工作機械の主軸に対して相対的に上下に動作させて、同タレツトの主軸に対する相対速度を十分に低減し、以て工具交換時に発生する衝撃を除去すると共に、工具交換に要する主軸頭の移動距離を短縮し、工具交換動作の高速化と、装置の小型化を図った自動工具交換装置に関する。

更に、本発明は、夕レツト内部に減速装置を配置して、夕レットの割り出し動作を高速化し、以て工具交換動作の高速化を図った自動工具交換装置に閼する。

更に、本発明は減速装置に関し、特に自動工具交換装置のタレツト駆動部に使用するのに適した新規の構成の減速装置に関する。背景技術

近時、工作機械の分野では自動工具交換装置付の工作機械、特に所謂 C N C ドリルが広く利用されている。こうした C N C ドリルのための工具交換装置は、例えば、特開平第 2- 15935 号公報や、特開平第 2-481 46 号公報に開示され周知となっている。

従来の自動工具交換装置は、従来図 1 6 に示すように、周上に複数の工具を収納したタレツト 7 4を具備している。工具交換が指令されると、先ず、工具（ホルダ） 7 0の装着されている主軸のキー位置を所定の角度位置に移動させ、その主軸の位栢を保持する、所謂オリエンテーションが実行される。次いで、主軸頭 6 0が上動する。該主軸頭 6 0が上動すると、カム 6 2がレバー 6 4 と係合し該レバ一 6 4が回動する。この回動々作は、該レバー 6 4の端部に取着されたリンク 6 6を介してクランク 6 8に伝達され、該クランク 6 8が回動して（以下クランク及び夕レットの回動々作をスイング動作と記載する）、タレット 7 4の外周に配設された所定のグリツプ 7 2が、主軸に装着されている工具ホルダ 7 0に接近し、同工具ホルダ 7 0 と係合し、これを把持する。そして、該工具ホルダ 7 0 を主軸から抜き取るために、主軸頭 6 0が更に上動する。工具ホルダ 7 0が主軸から抜き取られると、スピンドルギア 7 6 と夕レットギア 7 8 とが係合した状態で、主軸の回転により夕レット 7 4の割り出し動作が実行され、これによりタレット 7 4上の所望の工具が選定される。次いで、主軸頭 6 0が下動して主軸のスピンドルギア 7 6 と夕レットギア 7 8の係合が解除される。この間夕レツトの割り出し動作によるオリエンテ一ションのずれを戻すために再びォリェンテーションが実行される。そして、主軸頭 6 0が更に下動することにより、グリップ 7 2に把持されていた工具ホルダが主軸に装着されて工具交換動作が終了する。

上述した従来の自動工具交換装置では、タレット 7 4のスィング動作により、グリップ 7 2が主軸に装着されている工具ホルダ 7 0 を把持するとき、或いはグリップ 7 2が把持している工具ホルダを主軸に装着する際に、夕レット 7 4のスィング動作に起因する衝撃が発生する。この衝撃を可及的に小さく抑えるために、従来の自動工具交換装置は、衝撃の発生する区間で主軸頭 6 0の上下動作の送り速度を減速する。このために、従来の自動工具交換装置は、この送り速度の減速により工具交換動作に要する時間が長くなるという欠点を有している。

また、従来の自動工具交換装置では、工具ホルダを主軸から抜き取るために、グリップが主軸に装着されている工具ホルダを把持した後、工具ホルダが主軸から完全に抜き取られるまで、主軸頭 6 0 を、更に上動させなければならない。反対に工具ホルダを主軸に装着する際にも、完全に工具ホルダが主軸に完全に装着されるまで主軸頭を、更に下動させなければならない。従って、従来の自動工具交換装置は、主軸頭 6 0の移動距離が不可避的に長くならざるを得ない。そのために、従来の自動工具交換装置は、機械の全高が高くなると共に、工具交換動作に要する時間が、更に長くなるという欠点を有している。

また、従来工具交換装置のタレツト部は、主軸の回転動作を減速せずに、主軸それ自体の回転数を 3 0 r p m程度に落として、該主軸により直接駆動していた。然しながら、この種の工具交換装置の動力源として使用される電動モータ、典型的にはスピンドルモータは、回転数 1 5 0 0 r p m以下の回転領域においてその出力がモー夕の回転数に比例する、つまりトルクが一定であるという特性を有するために、主軸の回転数を 3 0 r p m程度に落として使用すると- 出力不足を生じ迅速な工具交換動作が達成されないという問題点が存在していた。

この問題は、タレツト内に小型の減速装置を配置することにより解決されることは言うまでもない。また、工具交換時のタレツト割り出し動作には高精度は要求されない。更に、回転力の高い伝達率は要求されない。

回転動作を減速して伝達する減速装置として、従来から多段歯車装置、ウォームギア装置、ベベルギア装置、遊星ギア装置、ローラギアカム装置等が周知となっている。然しながら多段歯車装置は、動力の伝達効率は高いが複数の歯車軸が必要となる。また、ウォームギア装置の場合には、高い減速比が得られるが、駆動軸と出力軸とが直交して構成される。従って、上記 2つの装置はいずれも大型になり易い。ベベルギアを組み合わせた装置およぴ遊星ギアを利用した装置は、自動工具交換装置に要求される高い減速比を得ることが困難である。またローラギアカム装置は、高い減速比を得ることが可能で、更にバックラッシュの無い高い精度の割り出しが可能となるが、複数の軸を必要とする他、駆動軸に複雑なローラ溝加工を施す必要があるために、大型で高価な装置となる。

従って、従来の減速装置は、タレット内部に配置するためには複雑かつ大型となるので、所望の減速比を得て工具交換時間を短縮することは困難であり、工具交換動作の高速化の目的を達成できない _c 更に、従来の減速装置は、工具交換装置のタレツト駆動用の減速装置として、過剰品質でコスト的にも適していない。発明の開示

従って、本発明の目的は上述の問題点に鑑み、主軸頭の動作速度を減速することなく、工具交換動作時に発生する衢撃を除去する、或いは可及的に小さくするように構成されると共に、従来の自動ェ具交換装置よりも、主軸頭の短い移動距雜で工具交換可能に構成され、以て工具交換動作の高速化を図った自動工具交換装置を提供するとる。

更に、本発明の他の目的は、伝達効率はそれほど高くなくとも、小型で、しかも比較的簡易な加工により製作される製作費用の安価な、減速比 6程度の減速装置をタレット内部に配置して、更に、ェ具交換動作の高速化を図った自動工具交換装置を提供することにあ更に、本発明の他の目的は、小型で、しかも比較的簡易な加工により製作される製作費用の安価な、減速比 6程度の新規の構成の減速装置を提供することにある。

上述の課題を解決するために本発明では、周上に配設された複数のグリッブにより各々工具を保持すると共に、所定の回転軸の回りに回動自在に軸支された夕レツトを具備し、該タレツトの割り出し動作により所望の工具を所定の工具交換位置に割り出すと共に、前記タレツトを、前記回転軸の回りに前記主軸に対して接近、雜反のスイング動作させることにより、工作機械の主軸に装着された工具と、前記所望の工具との間で工具交換する、工作機械のための自動工具交換装置において、前記夕レットの背面に、 1つの軸心回りに回転自在に取着された第 1 のカムローラ手段と協働し、前記タレットをスイング動作させるための、前記工作機械の主軸頭に設けられた第 1 のカム手段と、前記タレットを、前記工作機械の主軸の中心軸に沿う方向に前記主軸頭に対して相対的に上下動させるための、前記主軸頭に設けられた第 2のカム手段と、前記第 2のカム手段と協働する第 2のカムローラ手段を有し、前記主軸頭が上下に動作して、前記第 1 のカム手段と前記第 1 のカムローラ手段との協働により前記タレットがスイング動作する際、前記第 2のカム手段と前記第 2のカムローラ手段との協働による作用力を、同第 2のカムローラ手段から受承し、前記タレットを主軸の中心軸に沿う方向に、同主軸に対して相対的に上下に動作させ、同夕レツトの前記主軸頭との相対速度を十分に低減するリンク手段とを具備して構成された自動工具交換装置が提供される。

前記第 1 のカム手段は、前記主軸の中心軸に平行に延設され、平坦な第 1 の支承面と第 2の支承面と、該第 1 の支承面と第 2の支承面との間において、外方に凸形に湾曲した第 3の支承面とを具備している。

前記第 1 の支承面と第 2の支承面は、一体物または別部材により構成されている。

また、前記第 2のカム手段は、前記主軸の中心軸に略平行に延設された直線部分と、湾曲部分とからなる略鍵形々状をした溝型の力ム手段である。

更に、前記夕レツトは、 2以上の整数倍の減速比を有する、同軸型の減速装置を備えた、割り出し動作のための回転軸を具備してい o

前記減速装置は、前記減速比に 1を加えた個数の、駆動力を伝達するボール手段と、前記ポール手段と係合し、そして回転軸から一定钜雜偏心した円形の第 1 のカム溝を有する駆動カム手段と、前記ボール手段と係合し、前記減速比の数の凹凸を有する花びら状の第 2のカム溝を備えた従動カム手段と、前記ポール手段を半径方向にのみ移動可能に保持する溝部を、等角度間隔で前記減速比に 1を加えた個数配置した保持器とを具備し、前記保持器を間に挟んで、その両側に前記駆動カム手段と、前記従動カム手段とを夫々のカム溝を備えた面を対向させて、同一軸線回りに回転可能に連結し、前記ボール手段の動作を介して、前記駆動カム手段の回転を減速して前記従動カム手段に伝達するように構成されている。

前記駆動カム手段は、略円板状の部材であって、その外周部に夕レットギア手段を具備し、該タレットギア手段は前記工作機械のスピンドルギア手段と係合し、以て駆動力を得るように構成されている 0

更に、本発明では、 2以上の整数倍の減速比を有する減速装置であって、該減速装置は、前記減速比に 1 を加えた個数の、駆動力を伝達するポール手段と、前記ボール手段と係合し、そして回転軸から一定距離偏心した円形の第 1 のカム溝を有する駆動カム手段と、前記ボール手段と係合し、前記減速比の数の凹凸を有する花びら状の第 2のカム溝を備えた従動カム手段と、前記ボール手段を半径方向にのみ移動可能に保持する溝部を、等角度間隔で前記減速比に 1 を加えた個数配置した保持器とを具備し、前記保持器を間に挟んで、その両側に前記駆動カム手段と、前記従動カム手段とを夫々のカム溝を備えた面を対向させて、同一軸線回りに回転可能に連結し、前記ボール手段の動作を介して、前記駆動カム手段の回転を減速して前記従動カム手段に伝達する減速装置が提供される。図面の簡単な説明

図 1 は、 C N C ドリルに使用される本発明による自動工具交換装置の略示側面図である。

図 2は、図 1 の矢印 I I の方向に見た、 C N C ドリルに使用される本発明による自動工具交換装置の略示平面図である。

図 3は、図 1 に示した C N C ドリルの主軸頭を最下点に引き下げて、本発明による自動工具交換装置のカムの配置を理解し易く示した図である。

図 4は、本発明による自動工具交換装置に使用されるスィングカムとリフトカムの拡大図である。

図 5は、スイングカムと、夕レットのスイング動作の関係を示す図である。

図 6は、リフトカムと、夕レットのリフト動作の関係を示す図でめる。

図 7は、本発明による減速装置の略示断面図である。

図 8は、図 7に示した減速装置の従動カム、保持器、駆動カムの正面図である。図 9は、図 7に示した減速装置の驟動カムのカム溝の形状を説明するための略示図である。

図 1 0 は、図 7に示した減速装置の保持器に要求される溝部の数を説明するための略示図である。

図 1 1 は、減速比 4の場合の、本発明による減速装置の従動カムと、保持器と、駆動カムの正面図である。

図 1 2は、減速比 9の場合の、本発明による減速装置の従動カムと、保持器と、駆動カムの正面図である。

図 1 3は、圧力角を説明するための概略図である。

図 1 4は、減速比 6の場合の圧力角の変化を示すグラフである。図 1 5は、驟動用ボールの回転中心と、各カムとの接触点との間の钜雜の関係を説明する略示図である。

図 1 6は、従来の自動工具交換装置の略示側面図である。発明を実施する最良の態様

図 1、 2を参照すると、本発明による自動工具交換装置を装着した C N C ドリルは、工作に使用される工具が装着される主軸を、回転自在に保持する主軸頭 3 4を具備しており、該主軸頭 3 4は、案内レール 1上を鉛直方向に上下動可能に構成されている。そして、本発明による自動工具交換装置は、鉛直方向に上下動可能な略コの字状の腕部材 2 と、外周に複数のグリップ 2 8を有し、該グリップ 2 8により工具を保持するタレット 3 8 とを有している。該夕レツト 3 8は、所望の工具を選定する割り出し動作のために、所定の軸線 aの回りに回転自在と成っている。また、夕レット 3 8は、同軸型の減速装置 3 9を具備しており、該減速装置 3 9は軸線 a と同軸に配置されている。該減速装置 3 9は、夕レットギア 3 0 とスピンドルギア 3 2介して、 C N C ドリルの主軸から回転動作を得、これを減速して夕レット 3 8に伝達する。

以下の説明では、本発明の 1 つの実施例として前記夕レット 3 8 が、その外周に 1 0個の工具ホルダを保持する場合について記述す 0

図 1 、 2を参照すると前記自動工具交換装置は、鉛直方向に上下動可能な主軸頭 3 4に固定され、クランク 4を回転軸 1 8の回りで矢印 S Sの方向にスイング動作させるための第 1 のカム（以下スィングカムと記載する） C s と、同クランク 4を矢印 L Sで示される方向に上下動させるための第 2のカム（以下リフトカムと記載する） C L とを具備している。クランク 4は、複数のグリップ 2 8を介して工具ホルダ 3 6を保持する夕レツト 3 8の背面に固定されている。従って夕レット 3 8は、クランク 4 により矢印 S Sと L Sの方向に動作するように構成されている。

クランク 4において回転軸 1 8の反対側の端部には、スイング力ム C s と協働する第 1 のカムローラ（以下スイングローラと記載する） 2 1 が、回転軸 2 0の回りに回転自在に取着されている。また、同クランク 4の中央部には、取着ピン 1 9を介して付勢手段 2 6が取着されており、同クランク 4は、回転軸 1 8を中心として矢印 S Pの方向に付勢されている。つまりスイングローラ 2 1 は、付勢手段 2 6によりスイングカム C _s の支承面上に付勢されるように構. 成されている。こうした構成により、スイングローラ 2 1 をスイングカム C _s に支承させて、同スイングカム C s 上を相対的に動作させることにより、夕レット 3 8はスイングカム C s の形状に従って矢印 S Sの方向にスイング動作する。

回転軸 1 8はリフトスライダ 1 6 と連結されており、該リフトスライダ 1 6は、腕部材 2に固定されたリニアガイド 4 0に沿って、矢印 Sで示される鉛直方向に上下動可能と成っている。リフトスライダ 1 6において回転軸 1 8の反対側の端部には、取着ポルト 1 5を介してリフトリンク 1 4が取着されており、該リフトリンク 1 4は、リフトスライダ 1 6 と一体的に矢印 L Sの方向に上下に動作する。リフトリンク 1 4において取着ボルト 1 5の反対側の端部には、 2本の腕部材 8、 6を有し回転軸 1 0を中心として回動自在なリフトレバーが、取着ピン 1 2を介して取着されている。回転軸 1 0は腕部材 2に水平に取着されており、リフトレバー 6、 8は、該回転軸 1 0を中心として図 3に示した矢印 L Lの方向（図 3参照）に回動可能に取着されている。リフトレバーの腕部材 6において回転軸 1 0 とは反対側の端部には、リフトカム C _L と係合する第 2のカムローラ（以下リフトローラと記載する） 2 2が回転軸 2 4を中心として回転自在に取着されている。こうした構成により、リフトローラ 2 2が、リフトカムとの係合により上記矢印 L Lの方向に回動する、つまりリフトレバー 6、 8が回転軸 1 0を中心として矢印 L Lの方向に回動することにより、リフトリンク 1 4及びリフトスライダ 1 6は、矢印 Sの方向に上下に動作し、タレット 3 8 もまた矢印 L Sの方向に動作する（以下夕レット 3 8の、この上下動作をリフト動作と記載する）。

以下に、図 4を参照して本発明による自動工具交換装置に使用されている 2つのカム C _s とじしを説明する。図 4から理解されるようにスイングカム C _s は、 C N C ドリルの主軸の中心軸（以下 Z軸と記載する）に平行に延設された 2つの段違いの平坦な第 1 と第 2 の支承面 C _s ,、じと、実質的にタレット 3 8の動作を規定する外方に凸型の第 3の支承面 C _{S c}とを具備している。

次に、スイングカム C s とスイングローラ 2 1 との協働による、夕レット 3 8の動作を以下に概説する。先ず、スイングローラ 2 1 が支承面 C _s ,上にある間は、夕レット 3 8は動作せず待機位置に保持されている（図 3参照）。そして、スイングローラ 2 1 が、カム面 C _scの開始点（ C _{s l}) に移動すると、夕レット 3 8は、スイングローラ 2 1 のカム面 C _Scに沿う動作に対応して、 C N C ドリルの主軸に向け回転軸 1 8を中心とするスイング動作を開始する。ここでスイングローラ 2 1 が、 C _{s l}にある場合を Z軸の原点と定義する。そして更に、スイングローラ 2 1 が、カム面 C _Sc上を移動し、カム面 C _Sbに当接すると（ C _S2) 、夕レツト 3 8の CN C ドリルの主軸に向かう接近スィング動作は終了する。この時グリップ 2 8は、ェ具ホルダ 3 6の V溝 3 5 と十分係合し、同工具ホルダ 3 6を把持している。尚、図 4 によれば、本発明の好ましい実施例として 2つの支承面 C _s,と C _Sbは別部材により構成されているが、単一の部材によっても構成可能であることは言うまでもない。

これに対してリフトカムは、 Z軸方向に延設された直線部分 C _L,と湾曲部分 C _Lbとから成る略鍵形々状をした溝型のカムであり、該溝型の内面にリフトローラ 2 2が接触しながら転動するように構成されている。

リフトカム C _L とタレット 3 8 との関係を以下に概説する。

リフトローラ 2 2が、該リフトカムの直線部分 C _L,にある間は、リフトレバー 6、 8は動作せず、夕レット 3 8はリフト動作しない。次に、リフトローラ 2 2が湾曲部分 C _Lbの前半部分に到達すると、リフトレバーの腕部材 6は時計回りの方向に回動々作を開始して、リフトリンク 1 4及びリフトスライダ 1 6を、矢印 L Sの方向に上動させる。これにより、夕レット 3 8は上方にリフト動作する。次いで、リフトローラ 2 2が、リフトカムの湾曲部分 C の後半部分に移動すると、リフトレバ一の腕部材 6は、反時計回りの方向に回動々作して、リフトリンク 1 4及びリフトスライダ 1 6を下方に動作させる。これにより、夕レット 3 8は下方に引き下げられる。つまり、夕レット 3 8は下方にリフト動作する。なお、 Z軸の

原点、つまりスイングローラ 2 1が C _s】にあるとき、リフトローラ

2 2 は図 4の Cいにある。

次に、図 1 に示した主軸頭 3 4を最下点に降ろしてカムの形状を ' 理解し易く示した図である図 3、及び各々のカムの形状とタレツト、のスィング動作とリフト動作の変移量、変移速度、変移加速度を表

した図 5、 6を参照して本発明による自動工具交換装置の工具交換

動作を説明する。

CN C ドリルの制御装置（図示せず）から工具交換が指合される

と、先ず、主軸のオリエンテーションが開始される。同時に主軸頭

3 4が早送りで上動する。スイングローラ 2 1がスイングカム C _s

の第 1 の支承面 C _s,上をスィング動作開始位置 Cs つまり Z軸の

原点へ移動する。スイングローラ 2 1が C _S1に到達すると、主軸頭

3 4は停止し、主軸のオリエンテーションの終了を待機する。そし

て、主軸のオリエンテーション終了により、主軸頭 3 4は再び上動

を開始する。この間、リフトローラ 2 2は、リフトカム C _L の Z軸

と平行に延設された直線部分 C _L,にあり、リフト動作は実行されな

レ、（図 6ので示される部分）。

次に、主軸頭 3 4が更に上動することによりスイングローラ 2 1

は、スイングカム C _s の第 3の支承面 C _Scに移動する。このとき、

夕レット 3 8は、回転軸 1 8を中心として反時計回りの方向に回動

するスイング動作を開始する。この第 3の支承面 C _Scは、グリップ

2 8の先端が主軸のスピンドルギア 3 2 と接触せずに、工具ホルダ

3 6の V溝 3 5に向けて移動し、そして、グリップ 2 8の先端部に

具備されたローラ（図示せず）が V溝 3 5に係合した後は、同ロー ^J、ラが V溝上を正確に移動するような形状とする。更に、夕レツト

3 8のグリップ 2 8の先端が最小限の軌跡を描いてスィング動作するように、スイングカム C _s の第 3の支承面 C _seを決定することが望ましい。

更に、主軸頭 3 4 は動作速度を直線的に加速しながら上動し、スイングローラ 2 1 は C _S2から C _S3へ移動する。この間の夕レツト 3 8のスイング動作の加速度（図 5の S , 、 S 2 ) は、スイング力ム形状と主軸頭 3 4の直線加速で決定される自然加速である。

図 1 に示す夕レット 3 8 とスイングカム C _s との構成から明ら.かなように、夕レット 3 8のスイング動作速度は、スイングカム C _s の形状と、同スイングカム C _s とスイングローラ 2 1 との相対速度とにより決定される。従って、スイング動作が終了する直前に、夕レット 3 8を主軸頭 3 4の動作と同じ方向にリフト動作させ、以て両者間の相対速度を減少することにより、夕レット 3 8のスイング動作は減速される（図 5の S ₆ ) 。これにより、主軸頭 3 4の動作速度を低下させずに、グリップ 2 8や工具ホルダ 3 6に衝撃を与えずにスイング動作を終了することが可能となる。これを実現するために、スイング動作の減速時（図 5の S ₃ 、図 6の C _L4から C _L2の間）において、リフトローラ 2 2 とリフトカムの C _L4から C _L2 の間の部分との係合により、リフトレバー 6、 8を回転軸 1 0の回りに反時計方向に回動させ、リフトリンク 1 4 と、リフトスライダ 1 6を上動させ、クランク 4、つまり夕レット 3 8を主軸頭 3 4の上動々作に対して同一方向に加速する（図 6の L _e ) 。その結果スィング動作終了時、つまり図 3、 4においてスイングローラ 2 1 が C _S2 (同様に図 5の C _S2) に、そしてリフトローラ 2 2が C _L2 (同様に図 6の C _L2) にあるときに、夕レット 3 8の Z軸方向のリフト動作の主軸頭 3 4に対する相対速度は、ほぼ 0 となり（図 6の L p . つまり、このとき主軸頭 3 4は L _P に相当する速度で動作している）、上述の衝撃が著しく減少し、或いは除去される。この点が本発明の 1 つの重要な利点となっている。

スイング動作終了後、主軸頭 3 4は早送りで夕レット割り出し点へ上動し、同時にタレット 3 8 は、工具ホルダ 3 6を主軸から抜き取るためのリフト動作を開始する（この間スイングローラ 2 1 は、点 C _{S 2}から C _{S 3}へ移動し、リフトローラ 2 2は、点 C _{L 2}から C _{L 3}へ移動する）。すなわち、図 6においてリフトローラ 2 2が点 C _{L 2}以降、リフト加速度が Z軸方向とは反対向きとなり（一側になる） .、上方のリフト動作が減速される。スイング動作終了時において、クランク 4は、主軸頭 3 4の上動々作と同じ方向の速度を有しているので、先ず、上方にリフト動作させてから（図 6の L ₂ ) 、下方のリフト動作を開始する（図 6の L ₃ ) 。この間、クランク 4の加減速は、加速度を十分に小さくするために直線的な加減速とした（図 6の L ₈ 、 L 9 ) 。

上記クランク 4及ぴタレット 3 8の主軸頭 3 4に対する相対的な下方のリフト動作により、従来の自動工具交換装置と比較して、少ない移動钜雜で工具ホルダ 3 6を主軸から抜き取り可能となっている点が本発明の 1つの重要な特徴となっている。

主軸頭 3 4の上動々作終了後（図 1 に示す状態）、 C N C ドリルの主軸のスピンドルギア 3 2 と、減速装置 3 9のタレツトギア 3 0 とが係合した状態で、主軸が回転して所望の工具の割り出しが実行される。ここで、後述するように、減速装置 3 9により主軸が 1回転して工具が 1個割り出されるので、夕レット 3 8上のどの工具を選択しても、工具割り出し同動作の終了時における主軸の位相は主軸オリエンテーションの位相と一致している。

夕レツト割り出し動作終了後、主軸頭 3 4は上述した順序とは逆の順序で Z軸原点に下動する。従って、グリップ 2 8から主軸がェ具ホルダ 3 6を受承する際には、主軸頭 3 4の下動々作の速度と、夕レット 3 8の相対速度はほぼ 0 となる。

夕レット 3 8の戻りスイング動作終了と同時に主軸頭 3 4が原点に復帰して工具交換動作が終了する。

次いで、図 7を参照して減速装置 3 9を説明する。該減速装置 3 9は、保持器 4 6を間に挟んで、玉軸受等の軸受手段 5 0により、その両側に駆動側カム 4 4および従動側カム 4 2が同一軸線の回りに回転自在に連結されている。

更に図 8をも参照すると、従動側カム 4 2には第 2のカム溝 5 2 が、駆動側カム 4 4 には第 1 のカム溝 5 8が、そして保持器 4 6にボール溝 5 4が夫々形成されている。各ボール溝 5 4 には、駆動力を伝達するための網製のポール 4 8が 1個づっ保持されており、該ボール 4 8が、上記第 1 と第 2のカム溝 5 8、 5 2 と係合するように構成されている。そして以下に説明するように、ポール 4 8の動作を介して、駆動側カム 4 4の回転動作を減速して従動側カム 4 2 に伝達するように成っている。

図 8 ( c ) に図示するように、駆動カム 4 4は、外周部に C N C ドリル等の工作機械の主軸のスピンドルギア 3 2 と係合するタレットギア 3 0を具備した略円形の部材であって、ボール 4 8 と係合する第 1 のカム溝 5 8が形成されている。該第 1 のカム溝 5 8は、半径 rの円形の溝であって、駆動カム 4 4の中心軸から半径方向に偏心量 Qだけ偏心して配置されている。第 1 のカム溝 5 8の形状を表す曲線の、回転軸回りの中心角 0に関する方程式については詳細に後述する。

図 8 ( b ) を参照すると、保持器 4 6は、中心部に該保持器 4 6 の回転を防止して、工具交換装置の夕レット 3 8の所定位置に固定するための手段 4 1 を備えた円柱状の突起部 5 6を有する略円形の部材である。そして、減速比を n ( n = 2， 3， 4 . . ) とした場合、該保持器 4 6 には、等角度間隔を置いて n + 1個の長円形のボ- ル溝 5 4が配設されている。各長円形のボール溝 5 4は、その長手方向を保持機 4 6の半径方向に平行に、つまり、放射状に形成されている。図 8 ( b ) は本発明の 1つの実施例として、減速比 n = 6 の場合について示してある。

長円形のボール溝 5 4の軸線に沿った長手方向の長さは、駆動力ム 4 4の偏心した円形の第 1のカム溝 5 8の偏心量 Qの 2倍以上の長さを有している。そして、ボール溝 5 4内にはボール 4 8が各々 1個づっ保持されている。驟動カム 4 4の動作に対してポール 4 8 の動作は、該ポール溝 5 4により半径方向に拘束される。つまり、ボール溝 5 4の長手方向の長さが 2 Q以上であり、ボール 4 8は、駆動カム 4 4が 1周する間に該ボール溝 5 4内にて半径方向に 1往復する。

これに対して従動カム 4 2は、図 8 ( a ) に図示するように、ボ- ル 4 8 と係合し、半径方向に減速比 nと同じ個数の凹凸を有した花びら状の、或いはヒトデ状の第 2のカム溝 5 2を備えた略円形の部材である。同様に図 8 ( a ) は減速比が 6の場合を示している。該第 2のカム溝 5 2の形状を表す曲線の、中心角 øに関する方程式については詳細に後述する。

次いで、該減速装置 3 9の動作原理を説明する。上述の構成から理解されるように、驟動カム 4 4が 1周する間に、保持器 4 6のボ- ル溝 5 4に保持されたボール 4 8は、第 1 のカム溝 5 8および従動カム 4 2の第 2のカム溝 5 2に係合しながら、ボール溝 5 4内で半径方向に 1往復する。このボール 4 8のボール溝 5 4内での動作は, 従動カム 4 2の第 2のカム溝 5 2においては、例えば頂点から頂点というような、第 2のカム溝 5 2を表す方程式の中心角 øに関して 1周期の回転動作に変換される。つまり、花びら伏またはヒトデ状の凹凸が n個形成されているので、中心角 øに関して 2 ττΖηの回転動作に変換される。例えば、減速比 6の本実施例では該従動カム

4 2は、駆動カム 4 4は 1回転する間に 1 6回転する。従って、 1 / 6の減速が得られる。ここで、例えば夕レツト周上に 1 0本のェ具ホルダが保持される場合において、主軸スピンドルギア 3 2 と夕レツトギア 3 0 との減速比を 1 : 1. 6 6 6 7とすれば、主軸が 1 回転する間に、工具が 1個割り出され、主軸の位相は夕レット .3

8の割り出し動作以前の位相と一致する。

図 9を参照して、駆動カム 4 4の第 1のカム溝 5 8の中心角 6 こ関する第 1のカム溝 5 8の曲線について説明する。第 1のカム溝

5 8の曲線を表す方程式、つまり駆動カム 4 4の回転角 0と、ボール 4 8の半径方向の位置 R 1 との関係は、円形の第 1のカム溝 5 8 の中心 0 ' から半径 R 1 に垂線 0 ' Μを下ろして半径 R 1を 2分割して考えると、

R l =Q c o s 0 + r c o s ( s i n^_1 (Q s i n ) /r )

… ( 1 ) であることが理解される。

これに対して従動カム 4 2の第 2のカム溝 5 2は、ボール 4 8の半径方向の移動を、該従動カム 4 2の中心角 øについて減速比分の 1、つまり 1 Znに圧縮した形状となる。従って、従動カム溝 4 2の中心角 øに関する第 2のカム溝 5 2の曲線を表す方程式、つまり従動カム 4 2の回転角 øと、ボール 4 8の半径方向の位置 R 2 との関係は、

R 2 = Q c o s n 0 + r c o s s i n^_1 (Q s i n n 0) Zr )

… ( 2) となる。

式（ 1 ) 、（ 2) より駆動カム 4 4の回転角 0に対し、従動カム 4 2の回転角 øが、

θ = η φ … （ 3 )

の場合、常に、

R 1 =R 2 … （ 4 )

となり、ボール 4 8の半径方向の位置が一致する。

次に、図 1 0を参照してポール 4 8の半径方向の位置が常に一致する点が n + 1個所存在することを説明する。図 1 0は、囅動カム 4 4 と、保持器 4 6 と、従動カム 4 2 とを組み合わせた状態を略示する図であり、第 1 と第 2のカム溝 5 8、 5 2を一点鎖線で示してめ ·©。

図 1 0において現在、動カム 4 4がある角度位置 Θにおいて (この位置を Nで表示する）、ポール 4 8の半径方向の位置が一致している、つまり R 1 =R 2 とする。このときの従動カム 4 2の回転角度を øとする。

次いで、驥動カム 4 4を^だけ前進させた角度位置 0 + において（この位置を N+ 1で表示する）、再びポール 4 8の半径方向の位置が一致したとする。このとき図 1 0から理解されるように従動カム 4 2は、駆動カム 4 4の回転方向とは反対の方向に回転するために、従動カム 4 2の角度位置は ø— により表される。

ここで角度項が一致するする必要があるため式（ 3 ) より、

すなわち、

θ - η φ = - ( η + 1 ) β … （ 6 ) となる。ここで、 6»を一般角 0 = 0 ± 2 m 7Γ (但し m= 0、 1、 2、 3、 . . ）で表し、式（ 6 ) に式（ 3 ) を代入すると、

yS = ± 2m7rZ (n + l ) … （7) となり、半径方向の位置が常に一致する点が、減速比 nに対して n + 1 個所存在することが示される。

減速比 n = 6、第 1 のカム溝 5 8の偏心量 Q = 1 4 mm、半径 r = 7 2 mmとした場合の、従動カム 4 2の回転角 øに対する第 2 のカム溝 5 2上のボール 4 8の半径方向の位置 R 2 と、後述する圧力角 αの計算結果を表 1 に示す。

表 1

— ø ( d e g ) R—2 (mm) a ( d e g )—

0. 0 8 6. 0 0 9 0. 0

5. 0 8 3. 7 8 5 9. 6

1 0. 0 7 7. 9 7 4 4. 3

1 5. 0 7 0. 6 3 4 0. 1

2 0. 0 6 3. 9 7 4 4， 3

2 5. 0 5 9. 5 3 5 9. 6

3 0. 0 5 8. 0 0 9 0. 0

3 5. 0 5 9. 5 3 1 2 0. 4

4 0. 0 6 3. 9 7 1 3 5.

4 5. 0 7 0. 6 3 1 3 9. 9

5 0. 0 7 7. 9 7 1 3 5. 7

5 5. 0 8 3. 7 8 1 2 0. 4

6 0. 0 8 6. 0 0 9 0. 0

同様の方法により設計された滅速装置 3 9の従動カムと保持器と駆動カムの外形を、減速比 4 と 9の場合について更に図 1 1、 1 2 に示す。

図 1 3を参照して圧力角について説明する。図 1 3はボール 4 8 が駆動カム 4 4の第 2のカム溝 5 2により下方に押され、そして従動カム 4 2の第 2のカム溝 5 2を接点 Tにおいて圧接する様子を、保持器 4 6のポール溝 5 4の周辺について拡大した図である。図 1 3においてボール 4 8は、従動カム 4 2の第 2のカム溝 5 2 に対して接点 Tにおいて保持器のボール溝 5 4の軸線に平行な圧接力 F 1 を作用する。ここで、接点 Tにおける接線が保持器のポール溝の軸線となす角を圧力角と定義する。このとき図 1 3から理解されるように、従動カム 4 2には、

F 2 = F 1 s i n a/ c o s { π / 2 - a ) … （ 8 ) で表される該従動カム 4 2の半径に対して垂直な作用力 F 2が作用し、 F 2により該従動カム 4 2は ¾動される。

従って圧力角が 9 0 ° の場合には、式（ 8 ) において α = 9 0 ° を代入すると 2 = 0 となり、従動カム 4 2には驥動力は作用しないことが理解される。実際上は経験的に、

6 0。 ≤ひ≤ 1 2 0 … （ 9 )

の範囲では、圧力角が過大となり実質的に駆動力を充分に発揮できない。

表 1 に示した圧力角 αと、従動カム 4 2の回転角 øとの関係をグラフにして図 1 4に示す。該グラフは回転角 øに関して 1周期、つまり 0 ° ≤ 0≤ 6 0 ° について示しており、そして該グラフ上に各ポールの対応する位置を # 1から # 7で示してある。

図 1 4 より、従動カム 4 2のカム溝全周に渡っては 3個のボールが式（ 9 ) の範囲に入り、 4個のボールが従動カムを駆動していることが理解される。この 4つのボールは式（ 9 ) の範囲以外に存在しており、従動カム 4 2に駆動力を充分作用する。これにより、駆動カム 4 4の回転は従動カム 4 2に伝達される。

逆に従動カム 4 2側に外力が作用した場合に、ポール 4 8が半径方向に移動しょうとすることによる、駆動カム 4 4への回転トルクは、驟動側の第 1 のカム溝 5 8の圧力角が常に約 7 0。以上となることから、外力が駆動カム 4 4側に回転として伝達されない。また、駆動カム 4 4の第 1 のカム溝 5 8の偏心量 Qを大きくすると最小圧力角は小さくなるが、偏心量 Qを大きくし過ぎると従動力ム 4 2の第 2のカム溝 5 2に切り下げ部を生じる。切り下げ部を生じると、駆動力を伝達するボール 4 8の移動が連铳的になされず、それにより該減速装置 3 9の円滑な動作が損なわれるので、偏心量 Qは、第 2のカム溝 5 2に切り下げ部を生じない範囲で可能な限り大きく取ることが望ましい。

また、本発明による減速装置は、駆動カム 4 4の回転を減速して従動カム 4 2に伝達する。従って、駆動側の第 1 のカム溝 5 8 と従動側の第 2のカム溝 5 2 との間でボール 4 8が転動し、その周速差による摩擦が不可避である。然しながらこの問題は、図 1 5に示すようにボール 4 8の回転中心と、第 1 と第 2のカム溝 5 8、 5 2 との間の各钜雠 5 2、 5 1 を、各カム溝 5 2、 5 8の経路長の逆数の比に略一致させることにより、かなりの程度緩和することが可能である。

上記の説明から明らかなように、本発明による自動工具交換装置は、工具交換のために夕レットがスィング動作する際、夕レツトを主軸頭に対して相対的に上下に動作させて主軸頭との相対速度が低減され、或いは無くなるために、主軸頭の動作速度を低減することなく、スィング動作に起因する衝撃の発生を最小とする事が可能である。これにより工具交換動作の安定性が確保されると共に、工具交換動作の高速化が達成可能となる。

更に、タレツトが主軸頭の上下動作に対して相対的に動作することから、工具ホルダを主軸から引き抜く場合、或いは装着する場合に、主軸頭が従来よりも少ない動作により工具交換が可能であり、これにより工具交換時間の短縮と、自動工具交換装置の小型化が図られる。本発明により小型、軽量で低コストの減速装置が提供される。該減速装置は、自動工具交換装置の夕レット内に配置するのに適している。そして該減速装置により、タレツトを駆動するために、 C N C ドリル等の工作機械の主軸を椠動するモータの回転数を過度に低減することなく、夕レットの適切な回転を得ることが可能となり、迅速なタレツト割り出し動作が達成可能となる。更に、主軸の駆動力不足に対する充分な安全裕度が確保される。

自動工具交換装置の保持する工具の数が 1 0個程度であるのに対して、本発明による減速装置は減速比が 6程度と、比較的高い整数の減速比が得られるので、主軸のスピンドルギアの歯数と該減速装置の駆動カムのタレツトギアの歯数を適切に選択することにより、主軸を 1回転させて 1つの工具を割り出すことが可能となり、夕レット割り出し動作後に主軸のキーと、工具のキー溝の位相を一致させるための、主軸のオリエンテーション動作が不要となり、工具交換動作をより一層高速化することが可能となる。

更に本発明による減速装置は、従動カム側に外力が作用してもそれが駆動カム側に回転として伝達されないために、駆動カム側に簡易な位置決め手段を備えるだけで、工具交換動作中以外で夕レットに外力が作用した場合にタレットが回転することが無く、装置の安全性が確保される。

Claims

請求の範囲

1 . 周上に配設された複数のグリツプにより各々工具を保持すると共に、所定の回転軸の回りに回動自在に軸支された夕レットを具備し、該タレツトの割り出し動作により所望の工具を所定の工具交換位置に割り出すと共に、前記夕レツトを、前記回転軸の回りに前記主軸に対して接近、離反のスイング動作させることにより、工作機械の主軸に装着された工具と、前記所望の工具との間で工具交換する、工作機械のための自動工具交換装置において、

前記タレットの背面に、 1つの軸心回りに回転自在に取着された第 1 のカムローラ手段と協働し、前記夕レツトをスイング動作させるための、前記工作機械の主軸頭に設けられた第 1 のカム手段と、前記タレットを、前記工作機械の主軸の中心軸に沿う方向に前記主軸頭に対して相対的に上下動させるための、前記主軸頭に設けられた第 2のカム手段と、

前記第 2のカム手段と協働する第 2のカムローラ手段を有し、前記主軸頭が上下に動作して、前記第 1 のカム手段と前記第 1 のカムローラ手段との協働により前記夕レットがスイング動作する際、前記第 2のカム手段と前記第 2のカムローラ手段との協働による作用力を、同第 2のカムローラ手段から受承し、前記夕レットを主軸の中心軸に沿う方向に、同主軸に対して相対的に上下に動作させ、同夕レツトの前記主軸頭との相対速度を十分に低減するリンク手段とを具備して構成された自動工具交換装置。

2 . 前記第 1 のカム手段は、前記主軸の中心軸に平行に延設され、平坦な第 1 の支承面と第 2の支承面と、該第 1 の支承面と第 2の支承面との間において、外方に凸形に湾曲した第 3の支承面とを具備している請求項 1 に記載の自動工具交換装置。

3 . 前記第 1 の支承面と第 2の支承面は、一体物により構成されている請求項 2に記載の自動工具交換装置。

4 . 前記第 1 の支承面と第 2の支承面は、别部材により構成されている請求項 2に記載の自動工具交換装置。

5 . 前記第 2のカム手段は、前記主軸の中心軸に略平行に延設された直線部分と、湾曲部分とからなる略鍵形々状をした溝型のカム手段である請求項 1 に記載の自動工具交換装置。

6 . 前記夕レツトは、 2以上の整数倍の減速比を有する、同軸型の減速装置を備えた、割り出し動作のための回転軸を具備している請求項 1 に記載の自動工具交換装置。

7 . 周上に配設された複数のグリップにより各々工具を保持すると共に、所定の回転軸の回りに回動自在に軸支されたタレツトを具備し、該タレツトの割り出し動作により所望の工具を所定の工具交換位置に割り出すと共に、前記夕レツトを、前記回転軸の回りに前記主軸に対して接近、餱反のスイング動作させることにより、工作機械の主軸に装着された工具と、前記所望の工具との間で工具交換する、工作機械のための自動工具交換装置において、

前記夕レットの背面に、 1つの軸心回りに回転自在に取着された第 1 のカムローラ手段と協働し、前記夕レットをスィング動作させるための、前記工作機械の主軸頭に設けられた第 1のカム手段と、前記夕レツトを、前記主軸の中心軸に沿う方向に前記主軸頭に対して相対的に上下動させるための、前記主軸頭に設けられた第 2のカム手段と、

前記第 2のカム手段と協働する第 2のカムローラ手段を有し、前記主軸頭が上下に動作して、前記第 1のカム手段と前記第 1のカムローラ手段との協働により前記タレットがスィング動作する際、前記第 2のカム手段と第 2のカムローラ手段との協勵による作用力を. 同第 2のカム口一ラ手段から受承し、前記夕レットを主軸の中心軸に沿う方向に、同主軸に対して相対的に上下に動作させ、前記夕レツ卜の前記主軸頭との相対速度を十分に低減するリンク手段とを具備して構成され、

更に、前記夕レツトは、 2以上の整数倍の減速比を有する、同軸型の減速装置を備えた、割り出し動作のための回転軸を具備する自動工具交換装置。

8 . 前記減速装置は、

前記減速比に 1 を加えた個数の、駆動力を伝達するボール手段と、前記ボール手段と係合し、そして回転軸から一定距離偏心した円形の第 1 のカム溝を有する駆動カム手段と、

前記ボール手段と係合し、前記滅速比の数の凹凸を有する花びら状の第 2のカム溝を備えた従動カム手段と、

前記ボール手段を半径方向にのみ移動可能に保持する溝部を、等角度間隔で前記減速比に 1 を加えた個数配置した保持器とを具備し、前記保持器を間に挟んで、その両側に前記駆動カム手段と、前記従動カム手段とを夫々のカム溝を備えた面を対向させて、同一軸線回りに回転可能に連結し、前記ボール手段の動作を介して、前記駆動カム手段の回転を減速して前記従動カム手段に伝達する請求項 6 または 7に記載の自動工具交換装置。

9 . 前記駆動カム手段は、略円扳状の部材であって、その外周部に夕レツトギア手段を具備し、該タレツトギア手段は前記工作機械のスピンドルギア手段と係合し、以て駆動力を得るように構成されている請求項 8に記載の工具交換装置。

1 0 . 2以上の整数倍の減速比を有する減速装置であって、該減速装置は、

前記減速比に 1 を加えた個数の、駆動力を伝達するポール手段と、前記ボール手段と係合し、そして回転軸から一定钜雜偏心した円形の第 1 のカム溝を有する駆動カム手段と、

前記ボール手段と係合し、前記減速比の数の凹凸を有する花びら状の第 2のカム溝を備えた従動カム手段と、

前記ボール手段を半径方向にのみ移動可能に保持する溝部を、等角度間隔で前記減速比に 1 を加えた個数配置した保持器とを具備し，前記保持器を間に挟んで、その両側に前記驟動カム手段と、前記従動カム手段とを夫々のカム溝を備えた面を対向させて、同一軸線回りに回転可能に連結し、前記ポール手段の動作を介して、前記駆動カム手段の回転を減速して前記従動カム手段に伝達する減速装置 < 1 1 . 前記驥動カム手段は、略円板状の部材であって、その外周部にギア手段を具備し、該ギア手段は機械装置のギア手段と係合し、以て駆動力を得るように構成されている請求項 1 0に記載の減速装

1 2 . 前記ギア手段は、ベベルギアである請求項 1 1 に記載の減速。