WO2015141409A1 - ツール交換装置 - Google Patents

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WO2015141409A1
WO2015141409A1 PCT/JP2015/055244 JP2015055244W WO2015141409A1 WO 2015141409 A1 WO2015141409 A1 WO 2015141409A1 JP 2015055244 W JP2015055244 W JP 2015055244W WO 2015141409 A1 WO2015141409 A1 WO 2015141409A1
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WO
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tool
convex portion
plate
master plate
spheres
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/055244
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
達史 山根
Original Assignee
ビー・エル・オートテック株式会社
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Application filed by ビー・エル・オートテック株式会社 filed Critical ビー・エル・オートテック株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/04—Gripping heads and other end effectors with provision for the remote detachment or exchange of the head or parts thereof
    • B25J15/0408—Connections means
    • B25J15/0416—Connections means having balls

Definitions

  • the present invention relates to a tool changer.
  • Robot arms used in industrial equipment perform production work by attaching various tools (end effectors) such as welding tools to the tip.
  • tools end effectors
  • This tool changer comprises a combination of a master plate attached to the tip of a robot arm and a plurality of tool plates each equipped with various tools. Each tool plate is formed so as to be matable with the master plate. By exchanging the tool plate, the tool of the robot arm can be easily exchanged.
  • the master plate has a convex portion protruding in the fitting direction, and a plurality of spheres and a cylindrical cam extending in the fitting direction for changing the position of the sphere are arranged in the convex portion.
  • the tool plate has a concave portion into which the convex portion of the master plate is inserted, and a groove portion into which the sphere can be inserted is formed in the concave portion.
  • the cylindrical cam in the convex portion is moved in the fitting direction, thereby pushing out the sphere from the convex portion and engaging the groove portion of the concave portion to lock the fitting state.
  • the present invention has been made based on the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a tool changer that can reliably maintain a fitting state between a master plate and a tool plate and can promote thinning. To do.
  • An invention made to solve the above-mentioned problems comprises a master plate attached to a robot arm, and a tool plate removably attached to the master plate and attached to a tool, and the tool plate has a cylindrical recess.
  • a tool changer having a columnar convex portion that can be fitted into the concave portion, and the master plate is provided on the convex portion so as to move in and out in a first direction substantially orthogonal to the axial direction of the concave portion and convex portion.
  • It is movable in a second direction that is substantially orthogonal, restricts the exit of the plurality of spheres in the advanced state at the first position in the second direction, and allows the plurality of spheres to exit at the second position.
  • Characterized in that it comprises a regulating member having a tapered cylindrical cam.
  • the regulating member having a tapered cylindrical cam that regulates the withdrawal and retraction of a plurality of spheres disposed on the convex portion of the master plate includes the axial direction (insertion direction) of the convex portion and the concave portion and the first
  • the thickness of the master plate can be designed regardless of the length of the restricting member because it is provided so as to be movable in the second direction substantially orthogonal to both the direction (the direction in which the sphere is withdrawn and withdrawn).
  • the tool changer can reliably maintain the fitting state (fastened state) between the master plate and the tool plate, and can promote the thinning of the master plate and the tool plate.
  • the master plate may further include a screw feeding mechanism for reciprocating the regulating member in the second direction. Since the master plate is provided with the screw feeding mechanism in this way, the restricting member can be moved and locked and released by various powers such as industrial air, electricity, and manual operation. Can be increased.
  • the screw feed mechanism may further include an elastic member disposed in contact with the restricting member on the convex portion, and the restricting member may be pressed from the screw feed mechanism via the elastic member.
  • the screw feed mechanism may have a handle. As described above, the screw feed mechanism has the handle, so that the locked state and release of the fitted state can be performed manually. As a result, it can be used even in an environment where power such as industrial air cannot be supplied.
  • the second direction central axis of the restricting member and the rotation axis of the handle are substantially parallel and do not coincide with each other.
  • the restricting member and the screw feed mechanism can be arranged in parallel.
  • the length of the convex portion in the second direction can be reduced.
  • the rotation axis of the handle and the movement direction of the restricting member coincide with each other, it is not necessary to provide a mechanism (gear, cam, etc.) for changing the moving direction of the screw feed mechanism to transmit to the restricting member. Can be promoted.
  • the screw feed mechanism should have a reverse rotation prevention mechanism.
  • a reverse rotation prevention mechanism By providing the reverse rotation prevention mechanism in the screw feed mechanism in this way, it is possible to prevent the screw feed mechanism from rotating inadvertently when locking the fitted state, thereby further improving the performance of maintaining the fitted state. Can do.
  • substantially orthogonal means that the absolute value of the angle between the two directions is 85 ° to 95 °
  • substantially parallel means that the absolute value of the angle between the two directions is 5 It means below.
  • the fitting state between the master plate and the tool plate can be reliably maintained, and thinning can be promoted. Therefore, it can be suitably used for a robot arm that handles a relatively lightweight tool.
  • FIGS. 2A and 2B are schematic cross-sectional views taken along line AA in FIG. 1, in which FIG. 1A shows a state in which the restricting member is in the first position
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 2.
  • FIG. 2 is a schematic end view taken along line BB in FIG. 1. It is the typical top view which looked at the tool plate of the tool changer concerning one embodiment of the present invention from the upper surface side.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view taken along line DD in FIG. 6.
  • the 1 to 7 includes a master plate 1 attached to a robot arm, and a tool plate 2 detachably attached to the master plate 1 and attached to the tool.
  • the tool plate 2 has a cylindrical recess 21 formed on the upper surface (the upper surface in FIG. 7), and the master plate 1 has a columnar protrusion 12 that can be fitted into the recess 21 on the lower surface (lower in FIG. 1). Side surface).
  • the master plate 1 is formed on a main body 11, a lower surface of the main body 11, a columnar convex portion 12 that can be fitted into a concave portion 21 of the tool plate 2 described later, and a restriction disposed in the convex portion 12.
  • a screw feeding mechanism 13 that reciprocates the member 12a is mainly provided.
  • the master plate 1 is configured so that the upper surface of the main body portion 11 can be mounted on the robot arm, and the convex portion 12 on the lower surface of the main body portion 11 is fitted into the concave portion 21 of the tool plate 2 so as to be fitted to the tool plate 2. Configured to be possible.
  • the casing of the master plate 1 (outer wall surfaces of the main body portion 11 and the convex portion 12) is generally formed by processing metal from the viewpoint of strength and rigidity.
  • the main body 11 has a quadrangular prism shape.
  • a connection mechanism (not shown) for connection with the robot arm is provided on the upper surface (the upper surface in FIG. 1) of the main body 11.
  • a plurality of positioning pins 11 a are provided on the lower surface (the lower surface in FIG. 1) of the main body 11 so as to align the protrusion 12 with the tool plate 2.
  • a confirmation window 11b through which a position of a piston 13b of a screw feed mechanism 13 (to be described later) can be visually observed is formed on the side surface of the main body 11.
  • a shaft 13a constituting a screw feed mechanism 13, a part of a piston 13b, and a reverse rotation prevention mechanism 13e are stored in the main body 11.
  • the size (area) of the upper surface and the lower surface of the main body 11 is appropriately designed according to the shape of the tool attached to the tip of the robot arm or the tool plate 2, and the height (distance between the upper surface and the lower surface) is as described above. Designed to store components.
  • the convex portion 12 is formed so as to project substantially vertically downward from the central portion of the lower surface of the main body portion 11.
  • the outer shape of the convex portion 12 is a quadrangular prism shape, and each surface is substantially parallel to the corresponding surface of the main body portion 11.
  • the convex portion 12 is preferably formed integrally with the main body portion 11.
  • the axial direction of the convex part 12 corresponds to the insertion direction of the convex part 12 into the concave part 21 of the tool plate 2.
  • the convex portion 12 there are two spheres 12b protruding and retracting in a first direction X substantially orthogonal to the axial direction, and a second direction substantially orthogonal to both the axial direction and the first direction X. As shown in FIG. 3, the two spheres 12b in the second position Y are restricted from moving out at the first position P as shown in FIG. A regulating member 12a that allows withdrawal is disposed.
  • the internal space of the convex portion 12 is continuous with the internal space of the main body portion 11 and is continuous with the opening formed in the lower surface of the convex portion 12. The position and the like of the regulating member 12a can be visually observed through this opening.
  • the upper limit of the protruding length (thickness) of the convex portion 12 is preferably 30 mm, more preferably 20 mm, and even more preferably 18 mm.
  • the lower limit of the protruding length of the convex portion 12 is preferably 10 mm, and more preferably 12 mm.
  • the spherical body 12b is an element for locking the fitting state of the convex portion 12 into the concave portion 21 by engaging with a groove portion 21a of the concave portion 21 described later.
  • the spherical body 12b is substantially in the axial direction of the convex portion 12 through a through hole 12c formed in each of two opposing side walls of the convex portion 12 (hereinafter sometimes referred to as “spherical exit / retreat side wall”). Exit in the first direction X that is orthogonal.
  • the through hole 12c is a circular hole that is slightly smaller than the diameter of the sphere 12b.
  • the spherical body 12b is disposed in a portion where the space in the convex portion 12 in which the later-described regulating member 12a is stored and the through hole 12c are continuous. Further, the two spherical bodies 12b abut on the tapered cylindrical cam of the regulating member 12a on the side opposite to the through hole 12c. Therefore, the two spheres 12b are respectively held between the through hole 12c and the cylindrical cam, and are arranged so as to be able to advance and retract in different directions in the first direction X from the pair of sphere exit / retreat side walls of the convex portion 12.
  • the spherical body 12b is preferably a true sphere in order to ensure exit and withdrawal from the through hole 12c and engagement with the groove 21a.
  • the diameter of the sphere 12b is appropriately designed depending on the mass of the tool attached to the tool plate 2, and can be, for example, 5 mm or more and 7 mm or less.
  • the sphere 12b is preferably formed of a material having high rigidity, and the material is preferably metal, for example.
  • the diameter of the through hole 12c is the same as the diameter of the sphere 12b.
  • the through-hole 12c has a protruding portion that extends from the opening edge toward the center of the hole so as not to prevent the advance of the sphere 12b in the opening portion outside the convex portion 12, and the diameter of the opening is the through-hole. It is formed slightly smaller than the diameter of the other part of 12c. As a result, the sphere 12b can be smoothly advanced and retracted, and the sphere 12b is prevented from being detached from the convex portion 12.
  • the restricting member 12a is a cylindrical body having a tapered cylindrical cam that abuts the two spheres 12b and restricts or permits the retraction of the spheres 12b, and is disposed in the space in the convex portion 12.
  • a longitudinal through hole is formed at the radial center of the cylindrical cam of the regulating member 12a, and the regulating member sliding shaft 12d is inserted through the through hole.
  • the regulating member sliding shaft 12 d extends in the second direction Y and is fixed in the convex portion 12.
  • the regulating member 12a is arranged to be movable in the second direction Y by sliding the regulating member sliding shaft 12d and the inner surface in the through hole.
  • the two spheres 12b are arranged symmetrically with the cylindrical cam interposed therebetween.
  • the restricting member 12a is preferably formed of a highly rigid material, and for example, a metal is preferable.
  • the cylindrical cam has a reduced diameter region (tapered portion) that gradually decreases in the second direction Y.
  • the regulating member 12a moves to the first position P in the direction of diameter reduction of the cylindrical cam (left side in FIG. 3)
  • the diameter of the cylindrical cam that contacts the spherical body 12b increases. Therefore, the sphere 12b is pushed out in the radial direction by the cylindrical cam and advances from the sphere exit / retreat side wall of the convex portion 12.
  • the restricting member 12a is fixed in this state (FIG. 3A)
  • the retraction of the sphere 12b is restricted, and the sphere 12b is fixed in a state where the sphere 12b has advanced from the convex portion 12.
  • the cylindrical cam will be described in more detail.
  • the cylindrical cam is continuous with the first reduced diameter region S1 that gradually decreases in the second direction Y, and on the opposite side of the reduced diameter direction of the first reduced diameter region S1.
  • a first cylindrical region T having a constant diameter and a second reduced-diameter region S2 that is continuous with the first cylindrical region T and gradually decreases in the same direction as the first reduced-diameter region S1.
  • the minimum diameter (the diameter at the left end in FIG. 3) of the second reduced diameter region S2 is equal to the maximum diameter of the first reduced diameter region S1.
  • the maximum diameter (the diameter at the right end in FIG.
  • the second reduced diameter region S2 is substantially equal to the width of the space in the convex portion 12 in which the regulating member 12a is disposed. Furthermore, the diameter of the first cylindrical region T is designed to be a size that maintains the advanced state when the spherical body 12b comes into contact.
  • the axial reduction ratio (taper angle) of the first reduced diameter area S1 and the second reduced diameter area S2 is constant, and the axial reduced diameter ratio of the second reduced diameter area S2 is the first reduced diameter area S1. Is smaller than the axial diameter reduction ratio.
  • the regulating member 12a when the regulating member 12a is at the first position P, the second reduced diameter region S2 or the first cylindrical region T abuts on the sphere 12b, and the sphere 12b is retracted (moved to the inside of the convex portion 12). ) Is regulated.
  • the regulating member 12a when the regulating member 12a is at the second position Q, the first reduced diameter region S1 having a diameter smaller than that of the second reduced diameter region S2 comes into contact with the spherical body 12b.
  • the lower limit of the taper angle of the first reduced diameter region S1 is preferably 10 °, and more preferably 11 °.
  • the upper limit of the taper angle of the first reduced diameter region S1 is preferably 20 ° and more preferably 15 °.
  • the lower limit of the taper angle of the second reduced diameter region S2 is preferably 35 °, more preferably 45 °.
  • the upper limit of the taper angle of the second reduced diameter region S2 is preferably 55 °, and more preferably 50 °.
  • the diameter of the first cylindrical region T is appropriately designed depending on the size of the sphere 12b and the convex portion 12, and may be, for example, 6 mm or more and 9 mm or less. Moreover, the axial direction length of the 1st cylindrical area
  • region T can be 10-30% of the diameter of the spherical body 12b, for example.
  • the first cylindrical region T is constant even if the regulating member 12a is shifted from the first position P to the second position Q for some reason. Therefore, it is possible to prevent the sphere 12b from immediately leaving the sphere-made side wall and releasing the fitting.
  • the restricting member 12a has a reverse taper region whose diameter is reduced in the opposite direction to the cylindrical cam via a cylindrical region U having a constant diameter in the axial direction on the diameter reducing direction side of the cylindrical cam (first region S2). V.
  • the maximum diameter of the reverse tapered region V (the diameter at the left end in FIG. 3) is substantially equal to the width of the space in the convex portion 12 in which the regulating member 12a is disposed.
  • the restricting member 12a has a groove for fixing a spring 13c described later at one end. This groove is provided continuously with the through hole through which the regulating member sliding shaft 12d is inserted.
  • the screw feeding mechanism 13 is a mechanism for reciprocating the regulating member 12a in the second direction Y.
  • the screw feed mechanism 13 includes a shaft 13a, a piston 13b, a spring 13c, a handle 13d, and a reverse rotation prevention mechanism 13e.
  • a material of each element constituting the screw feed mechanism 13 for example, metal is preferable from the viewpoint of strength and rigidity.
  • the shaft 13a is a rod-shaped body having a spiral groove on a part of its surface, and is a bearing 13f that can rotate around the shaft and does not move in the body portion 11 in a direction in which the axial direction coincides with the second direction Y. Supported by.
  • the piston 13b is formed with a spiral groove on the inner peripheral surface, and has a female screw portion screwed into the groove of the shaft 13a and a through-hole through which the restriction member sliding shaft 12d is inserted. And a sliding portion that slides along the shaft 12d.
  • the female screw portion is disposed in the main body portion 11, the sliding portion is disposed in the convex portion 12, and these members are integrally formed by being connected vertically.
  • This sliding portion is disposed on the diameter-enlarging direction side (right side in FIG. 4) of the cylindrical cam of the regulating member 12a and has a groove for fixing a spring 13c described later.
  • the piston 13b has a hook portion that engages with the cylindrical cam of the regulating member 12a.
  • the shaft 13a and the piston 13b constitute a feed screw when the above-described spiral groove is screwed together. That is, the piston 13b advances and retreats in the second direction Y by the rotation of the shaft 13a.
  • the spring 13c is an elastic member that transmits the pressure from the piston 13b to the regulating member 12a.
  • the spring 13c surrounds the regulating member sliding shaft 12d, and has one end fixed to the regulating member 12a and the other end fixed to the sliding portion of the piston 13b.
  • the piston 13b in order for the spring 13c to exert sufficient pressure on the regulating member 12a, the piston 13b needs to move to a specified position where the spring 13c can be compressed by a certain amount. The position of the piston 13b can be confirmed visually through the confirmation window 11b.
  • a limit switch As a means for confirming the position (pushing amount) of the piston 13b, instead of the confirmation window 11b, a limit switch, a torque measuring device for a handle 13d of a screw feed mechanism 13 described later, a piston 13b or a regulating member 12a A pin or the like that protrudes out of the main body 11 by contact can also be used.
  • the handle 13d is a mechanism for rotating the shaft 13a. Specifically, the handle 13d is coupled to one end of the shaft 13a so that the rotation axis thereof coincides with the central axis of the shaft 13a, and a grip portion is formed at a position eccentric to the rotation axis. That is, the second direction central axis of the restricting member 12a and the rotation axis of the handle 13d are substantially parallel, but are spaced apart in the vertical direction.
  • the piston 13b moves in the second direction Y by the rotation of the shaft 13a as described above, and the regulating member 12a is moved in the second direction via the spring 13c. Y can be moved. Since the restricting state of the sphere 12b is changed by the movement of the restricting member 12a, the fitted state can be locked and released.
  • the reverse rotation prevention mechanism 13e is a mechanism that prevents reverse rotation of the shaft 13a.
  • the reverse rotation prevention mechanism 13e includes a gear portion 13g disposed on the peripheral surface near the end portion of the shaft 13a opposite to the handle 13d, and one end portion of the gear portion 13g. It consists of a rod-shaped pawl 13h in contact. The other end of the pawl 13 h protrudes from a window provided on the side wall of the main body 11.
  • One end of the pawl 13h that contacts the gear portion 13g is configured to be variable only on the lower side of the gear portion 13g. Therefore, clockwise rotation in FIG. 5 of the shaft 13a is allowed, but counterclockwise rotation is blocked by the pawl 13h.
  • the clockwise rotation direction in FIG. 5 is a rotation direction which locks a fitting state. When releasing the fitting state, that is, when rotating the shaft 13a counterclockwise, the other end of the pawl 13h protruding from the window of the main body 11 is lifted upward and rotated around the fulcrum, and one end of the pawl 13h is By separating from the gear portion 13g, it is possible to rotate counterclockwise.
  • the pawl 13h may control the contact with the gear portion 13g by an insertion / removal operation from the window of the main body portion 11 instead of rotating around the fulcrum as described above.
  • the tool plate 2 mainly includes a cylindrical concave portion 21 into which the convex portion 12 of the master plate 1 can be fitted.
  • the tool plate 2 is configured so that a tool can be mounted on the lower surface side (lower side in FIG. 7), and the convex portion 12 of the master plate 1 is fitted into the concave portion 21 formed on the upper surface, so that the master plate 1 Mated.
  • the casing of the tool plate 2 is generally formed by processing metal from the viewpoint of strength and rigidity.
  • the tool plate 2 has a quadrangular prism shape.
  • a connection mechanism (not shown) with the tool is provided on the lower surface (the lower surface in FIG. 7) of the tool plate 2.
  • a recess 21 and a plurality of positioning holes 22 into which the plurality of positioning pins 11a of the master plate 1 are inserted are formed on the upper surface (the upper surface in FIG. 7) of the tool plate 2.
  • the planar view area of the tool plate 2 is substantially the same as the planar view area of the main body 11 of the master plate 1.
  • the convex portion 12 of the master plate 1 is fitted into the concave portion 21.
  • the concave portion 21 has a rectangular tube shape having a bottom surface and four side surfaces, and the size thereof is slightly larger than the outer shape of the convex portion 12. By designing the dimensions of the recess 21 so as to have play as described above, the fitting operation can be facilitated.
  • the positions of the master plate 1 and the tool plate 2 are defined by the positioning pins 11a and the positioning holes 22, and the fitting state is locked by the sphere 12b. You may have a clearance gap in the insertion state.
  • two groove portions 21a into which the two spheres 12b of the convex portion 12 can be engaged are disposed.
  • the concave portion 21 is configured by a part of the casing of the tool plate 2 on all four side surfaces. That is, the recessed part 21 is formed without penetrating the side wall (wall parallel to the fitting direction) of the tool plate 2.
  • the groove portions 21a are formed one by one on the two wall surfaces (hereinafter sometimes referred to as “sphere-entry side walls”) corresponding to the spherical body protruding / withdrawing side walls of the convex portion 12 among the inner wall surfaces constituting the concave portion 21.
  • the groove portion 21a has a shape in which at least the upper half of the protruding portion of the sphere 12b protruding from the sphere protruding / retracting side wall can be engaged.
  • a stepped portion is formed on the spherically engaging side wall of the concave portion 21 from the inner side to the outer side of the concave portion 21 at the center position height of the spherical body 12b when the convex portion 12 is fitted. That is, the sphere-entry side wall is continuous from the upper surface of the tool plate 2 and intersects the first surface at the height of the center position of the sphere 12b perpendicularly to the first surface and extends outside the recess 21. It has a second surface that extends, and a third surface that intersects the second surface perpendicularly and extends in the up-down direction.
  • the groove portion 21a is formed at a lower end portion (intersection line with the second surface) of the first surface, and has a groove having an inner surface along the upper half of the protruding portion of the sphere 12b.
  • the groove 21a is formed symmetrically on the sphere engaging side wall of the opposing recess 21 so that the two spheres 12b can be engaged.
  • the master plate 1 and the tool plate 2 are so fitted that the convex portion 12 of the master plate 1 is fitted into the concave portion 21 of the tool plate 2 and the plurality of positioning pins 11a of the master plate 1 are inserted into the positioning holes 22 of the tool plate 2, respectively. 2 is superimposed.
  • the handle 13d is rotated to move the shaft 13a, and the regulating member 12a is moved to the first position P via the piston 13b and the spring 13c.
  • the pawl 13h of the reverse rotation prevention mechanism 13e is brought into contact with the gear portion 13g so that the reverse rotation prevention mechanism 13e functions.
  • the spherical body 12b can advance in the first direction X and can be fixed while being engaged with the groove portion 21a of the recess 21. Thereby, the fitting state of the master plate 1 and the tool plate 2 is locked.
  • the pawl 13h is separated from the gear portion 13g to release the reverse rotation prevention mechanism 13e.
  • the shaft 13a is moved by rotating the handle 13d in the direction opposite to that at the time of fitting, and the regulating member 12a is moved to the second position Q by pulling the hook portion.
  • the restricting member 12a By moving the restricting member 12a to the second position Q, the spherical body 12b is allowed to retract in the first direction X, and the engagement of the concave portion 21 from the groove portion 21a is released.
  • the tool plate 2 can be detached from the master plate 1 by separating the master plate 1 and the tool plate 2 from each other.
  • the regulating member 12a that regulates the withdrawal and withdrawal of the two spheres 12b disposed on the convex portion 12 of the master plate 1 has the axial direction (insertion direction) of the convex portion 12 and the concave portion 21 and the first.
  • the thickness of the master plate 1 is designed irrespective of the length of the restricting member 12a because it is provided so as to be movable in the second direction Y that is substantially orthogonal to both the direction X (the direction in which the sphere 12b moves in and out). can do.
  • the tool changer can reliably maintain the fitting state between the master plate 1 and the tool plate 2 and can promote the thinning of the master plate 1 and the tool plate 2.
  • the regulating member 12a since the regulating member 12a has a cylindrical cam, and the cylindrical cam regulates the withdrawal / retraction of the spherical body 12b, a lock mechanism that can reliably maintain the fitted state can be easily configured. Further, the reduction in thickness can be further promoted.
  • the tool changer can manually lock and release the fitted state by including the screw feed mechanism 13 having the handle 13d. As a result, it can be used even in an environment where power such as industrial air cannot be supplied. Further, since the regulating member 12a and the screw feeding mechanism 13 are arranged in parallel in the vertical direction in the master plate 1, the tool changer can reduce the length of the convex portion 12 in the second direction Y. it can. Further, since the rotation axis of the handle 13d and the moving direction of the restricting member 12a coincide with each other, it is not necessary to provide a mechanism (such as a gear or a cam) for changing the moving direction of the screw feed mechanism 13 to transmit to the restricting member 12a. The tool changer can further promote the thinning of the master plate 1.
  • the tool changer presses the restricting member 12a via the spring 13c having elasticity, the bias of the restricting member 12a is maintained by the spring 13c even if the screw feed mechanism 13 is finely moved.
  • the regulating member 12a can be prevented from moving in the second direction Y due to the fine movement of the screw feed mechanism 13, and the fitting state can be prevented, and the fitting state can be maintained more reliably.
  • the tool changer can prevent the screw feed mechanism 13 from rotating inadvertently when locking the fitting state by providing the screw feeding mechanism 13 with the reverse rotation preventing mechanism 13e.
  • the maintenance performance can be further increased.
  • the tool changer of the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the number of spheres arranged on the convex portion is not limited to two and may be three or more.
  • the number of spheres is preferably an even number.
  • the number of spheres is 4 or more (a set of 2 spheres is 2 or more)
  • a plurality of cylindrical cams are provided on the restricting member, and the two spheres abut on each cylindrical cam. The movement of one restricting member can restrict the exit and withdrawal of a plurality of spheres.
  • a plurality of regulating members may be provided for each set of two spheres.
  • the restricting members may be arranged in series in one convex portion, or a plurality of convex portions are formed in parallel on the master plate, and the restricting members are arranged in the respective convex portions. May be.
  • the tool change apparatus of the said embodiment moves a restricting member manually with a handle
  • a handle is not an essential constituent requirement, and the tool change apparatus uses an industrial air, electricity, hydraulic pressure, etc. It may be moved.
  • the screw feed mechanism shaft may be rotated by these power sources, or the screw feed mechanism may be omitted and the regulating member may be moved by these power sources directly or via a piston or the like.
  • the regulating member can be moved in the second direction by feeding industrial air into the convex portion and applying pressure to one end of the regulating member.
  • the spring is not an essential constituent element, but the piston of the screw feed mechanism and the regulating member are brought into contact with each other, and the regulating member is pressed directly by the screw feeding mechanism. May be.
  • an elastic member what formed the raw material which has elasticity, such as an elastomer other than a spring, in the cylinder shape surrounding a regulating member sliding shaft can be used.
  • the central axis in the second direction of the restricting member and the rotation axis of the handle of the screw feed mechanism are substantially parallel and do not match (aligned in the insertion direction of the master plate).
  • the positional relationship is not limited to this.
  • the rotation axis of the handle may not be parallel to the central axis of the restricting member in the second position direction.
  • a mechanism for converting the moving direction (screw feeding direction) of the shaft of the screw feeding mechanism into the moving direction of the regulating member is required, and the configuration in the master plate is complicated. Therefore, it is preferable that the second direction central axis of the restricting member and the rotation axis of the handle of the screw feed mechanism be substantially parallel.
  • the shape of the convex portion may be a columnar shape or a polygonal column shape other than a quadrangular column.
  • the shape of the concave portion can be a cylindrical shape or a polygonal cylindrical shape other than a square tube according to the shape of the convex portion.
  • the tool changer of the present invention can reliably maintain the fitting state between the master plate and the tool plate, and can promote a reduction in thickness, so that, for example, a small tool change having a portable weight of less than 10 kg is possible. It is suitably used as a device.

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Abstract

　マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態を確実に維持でき、かつ薄型化を促進できるツール交換装置を提供することを目的とする。本発明は、ロボットアームに取付けられるマスタプレートと、マスタプレートに着脱可能に装着されツールに取付けられるツールプレートとを備え、ツールプレートが筒状の凹部を有すると共にマスタプレートが上記凹部に嵌入可能な柱状の凸部を有するツール交換装置であって、凹部及び凸部の軸方向に対して略直交する第一方向に出退するよう凸部に配設される複数の球体と、凹部に配設され、複数の球体が係入可能な複数の溝部と、凸部に配設され、軸方向及び第一方向の双方に対して略直交する第二方向に移動可能であり、第二方向における第一位置において進出状態の複数の球体の退出を規制すると共に第二位置において複数の球体の退出を許容するテーパ状の円筒カムを有する規制部材とを備えることを特徴とする。

Description

ツール交換装置
　本発明は、ツール交換装置に関する。
　工場等の工業設備で用いられるロボットアームは、先端に溶接器具等の種々のツール（エンドエフェクタ）を装着して生産作業を行う。このようなツールの交換を容易にするための装置としてツール交換装置がある（特開２００３－１１７８６９号公報参照）。このツール交換装置は、ロボットアームの先端に取付けられるマスタプレートと、各種のツールをそれぞれ装着した複数のツールプレートとの組み合わせからなる。各ツールプレートはマスタプレートと嵌合可能に形成されており、ツールプレートを交換することで、ロボットアームのツールの交換を容易に行うことができる。
　上記従来のツール交換装置では、マスタプレートが嵌合方向に突出した凸部を有し、この凸部内に複数の球体とこの球体の位置を変更する嵌合方向に延伸した円筒カムとが配設されている。一方、ツールプレートはマスタプレートの凸部が嵌入される凹部を有し、この凹部内に上記球体を係入可能な溝部が形成されている。上記従来のツール交換装置では、上記凸部内の円筒カムを嵌合方向に移動させることで、球体を凸部から押出して上記凹部の溝部に係入し嵌合状態をロックする。
　ところで、ツールプレートに装着したツールを介して大きな荷重やモーメントが加わる場合、プレート間のロックを確実にするためには、上記ロック機構を大型化、複雑化等する必要がある。一方で、比較的小型のツールを用いるロボットアーム用のツール交換装置では、ツール交換装置自体の薄型化が強く求められる。しかし、従来のツール交換装置では、上述のように嵌合方向に沿って円筒カム等のロック機構を構成する部材が配設される。そのため、ロック機構を大型化又は複雑化すると、必然的にツール交換装置の厚さが大きくなり、ツール交換装置の薄型化に限界がある。
特開２００３－１１７８６９号公報
　本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態を確実に維持でき、かつ薄型化を促進できるツール交換装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するためになされた発明は、ロボットアームに取付けられるマスタプレートと、このマスタプレートに着脱可能に装着され、ツールに取付けられるツールプレートとを備え、上記ツールプレートが筒状の凹部を有すると共にマスタプレートが上記凹部に嵌入可能な柱状の凸部を有するツール交換装置であって、上記凹部及び凸部の軸方向に対して略直交する第一方向に出退するよう上記凸部に配設される複数の球体と、上記凹部に配設され、上記複数の球体が係入可能な複数の溝部と、上記凸部に配設され、上記軸方向及び第一方向の双方に対して略直交する第二方向に移動可能であり、第二方向における第一位置において進出状態の上記複数の球体の退出を規制すると共に第二位置において上記複数の球体の退出を許容するテーパ状の円筒カムを有する規制部材とを備えることを特徴とする。
　当該ツール交換装置は、マスタプレートの凸部に配設される複数の球体の出退を規制するテーパ状の円筒カムを有する規制部材が、凸部及び凹部の軸方向（嵌入方向）及び第一方向（球体の出退方向）の双方に対して略直交する第二方向に移動可能に設けられているため、この規制部材の長さによらずマスタプレートの厚さを設計することができる。その結果、当該ツール交換装置は、マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態（締結状態）を確実に維持することができると共に、マスタプレート及びツールプレートの薄型化を促進できる。
　上記マスタプレートが上記規制部材を第二方向に往復移動させるネジ送り機構をさらに備えるとよい。このように上記マスタプレートがネジ送り機構を備えることで、工業エア、電気、手動等の種々の動力によって規制部材を移動させて嵌合状態のロック及び解除を行うことができるため、汎用性を高めることができる。
　上記ネジ送り機構が上記凸部に規制部材と当接して配設される弾性部材をさらに備え、上記規制部材がこの弾性部材を介して上記ネジ送り機構から押圧を受けるとよい。このように規制部材を弾性部材を介して押圧することで、ネジ送り機構に微動等が生じても弾性部材によって規制部材への付勢が維持される。その結果、ネジ送り機構の微動等により規制部材が第二方向に移動して嵌合状態が解除されることを防止でき、嵌合状態をより確実に維持できる。
　上記ネジ送り機構がハンドルを有するとよい。このようにネジ送り機構がハンドルを有することで、嵌合状態のロック及び解除を手動で行うことができる。その結果、工業エア等の動力が供給できない環境でも使用が可能となる。
　上記規制部材の第二方向中心軸と上記ハンドルの回転軸とが略平行でかつ一致しないとよい。このように規制部材の中心軸とハンドルの回転軸とをずらして配設することで、規制部材とネジ送り機構とを並列に配置することができる。その結果、凸部の上記第二方向の長さを小さくすることができる。また、ハンドルの回転軸と規制部材の移動方向とが一致するため、ネジ送り機構の移動方向を変えて規制部材に伝達する機構（ギヤやカム等）を設ける必要がないため、マスタプレートの薄型化を促進することができる。
　ネジ送り機構が逆回転防止機構を有するとよい。このようにネジ送り機構に逆回転防止機構を設けることで、嵌合状態をロックする際にネジ送り機構が不用意に逆回転することを防止できるため、嵌合状態の維持性能をより高めることができる。
　なお、「略直交」とは、２つの方向の成す角度の絶対値が８５°以上９５°以下であることを意味し、「略平行」とは、２つの方向の成す角度の絶対値が５°以下であることを意味する。
　以上説明したように、本発明のツール交換装置によれば、マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態を確実に維持でき、かつ薄型化を促進できる。従って、比較的軽量のツールを扱うロボットアームに好適に用いることができる。
本発明の一実施形態に係るツール交換装置のマスタプレートを示す模式的側面図である。 図１のマスタプレートを下面側から見た模式的平面図である。 図１のＡ－Ａ線での模式的断面図であり、（ａ）は規制部材が第一位置にある状態、（ｂ）は規制部材が第二位置にある状態を示す。 図２のＣ－Ｃ線での模式的断面図である。 図１のＢ－Ｂ線での模式的端面図である。 本発明の一実施形態に係るツール交換装置のツールプレートを上面側から見た模式的平面図ある。 図６のＤ－Ｄ線での模式的断面図である。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明のツール交換装置の実施形態を詳説する。
　図１から図７に示すツール交換装置は、ロボットアームに取付けられるマスタプレート１と、このマスタプレート１に着脱可能に装着され、ツールに取付けられるツールプレート２とを備える。上記ツールプレート２には筒状の凹部２１が上面（図７中上側の面）に形成され、上記マスタプレート１には上記凹部２１に嵌入可能な柱状の凸部１２が下面（図１中下側の面）に形成される。
［マスタプレート］
　マスタプレート１は、本体部１１と、この本体部１１の下面に形成され、後述するツールプレート２の凹部２１に嵌入可能な柱状の凸部１２と、この凸部１２内に配設される規制部材１２ａを往復移動させるネジ送り機構１３とを主に備える。マスタプレート１は、本体部１１の上面がロボットアームに装着可能に構成されると共に、本体部１１の下面の凸部１２がツールプレート２の凹部２１に嵌入されることでツールプレート２と嵌合可能に構成される。マスタプレート１のケーシング（本体部１１及び凸部１２の外壁面）は強度及び剛性の観点から、一般に金属を加工して形成される。
＜本体部＞
　本体部１１は、四角柱状を有する。本体部１１の上面（図１中上側の面）にはロボットアームとの接続機構（図示省略）が設けられている。また、本体部１１の下面（図１中下側の面）には凸部１２と、ツールプレート２との嵌合時に位置合わせを行うための複数の位置決めピン１１ａが突設される。また、本体部１１の側面には、後述するネジ送り機構１３のピストン１３ｂの位置を目視できる確認窓１１ｂが形成される。
　本体部１１の内部には、図４に示すように、ネジ送り機構１３を構成するシャフト１３ａと、ピストン１３ｂの一部と、逆回転防止機構１３ｅが格納される。本体部１１の上面及び下面の大きさ（面積）はロボットアームの先端部又はツールプレート２に装着されるツールの形状に合わせて適宜設計され、高さ（上面と下面との距離）は上述の構成要素を格納できるよう設計される。
＜凸部＞
　凸部１２は、上記本体部１１の下面の中央部分から下方に略垂直に突設するよう形成される。凸部１２の外形は四角柱状であり、各面は本体部１１の対応する面と略平行である。凸部１２は、本体部１１と一体形成することが好ましい。なお、凸部１２の軸方向は、凸部１２のツールプレート２の凹部２１への嵌入方向に一致する。
　凸部１２の内部には、軸方向に対して略直交する第一方向Ｘに出退する２個の球体１２ｂと、上記軸方向及び第一方向Ｘの双方に対して略直交する第二方向Ｙに移動可能であり、図３に示すように第二方向Ｙにおける第一位置Ｐにおいて進出状態の上記２個の球体１２ｂの退出を規制すると共に第二位置Ｑにおいて上記２個の球体１２ｂの退出を許容する規制部材１２ａとが配設される。なお、凸部１２の内部空間は本体部１１の内部空間と連続すると共に、凸部１２の下面に形成された開孔と連続している。この開孔によって規制部材１２ａの位置等を目視することができる。
　凸部１２の突出長さ（厚さ）の上限としては、３０ｍｍが好ましく、２０ｍｍがより好ましく、１８ｍｍがさらに好ましい。一方、凸部１２の突出長さの下限としては、１０ｍｍが好ましく、１２ｍｍがより好ましい。凸部１２の突出長さが上記上限を超える場合、当該ツール交換装置の薄型化が実現できないおそれがある。逆に、凸部１２の突出長さが上記下限未満の場合、凸部１２内に配設される球体１２ｂ等の大きさが制限され、マスタプレート１とツールプレート２との嵌合状態の維持性が低下するおそれがある。
（球体）
　球体１２ｂは、後述する凹部２１の溝部２１ａに係入することで、凸部１２の凹部２１への嵌入状態をロックするための要素である。球体１２ｂは、凸部１２の対向する２つの側壁（以下、「球体出退側壁」と呼称することがある）にそれぞれ形成された貫通孔１２ｃを介して凸部１２の軸方向に対して略直交する第一方向Ｘに出退する。上記貫通孔１２ｃは、球体１２ｂの直径よりもわずかに小さい円形の孔である。つまり、球体１２ｂは、後述する規制部材１２ａが格納される凸部１２内の空間と貫通孔１２ｃとが連続する部分に配設される。また、２個の球体１２ｂは、貫通孔１２ｃと反対側で規制部材１２ａのテーパ状の円筒カムに当接する。そのため、２個の球体１２ｂは、それぞれ貫通孔１２ｃと円筒カムとの間に保持され、凸部１２の一対の球体出退側壁から第一方向Ｘの異なる向きに進出及び退出可能に配設される。
　球体１２ｂは、貫通孔１２ｃからの出退及び溝部２１ａへの係入を確実にするために真球であることが好ましい。球体１２ｂの直径はツールプレート２に装着するツールの質量等によって適宜設計されるが、例えば５ｍｍ以上７ｍｍ以下とすることができる。また、球体１２ｂは剛性の高い材料で形成することが好ましく、その材質としては例えば金属がよい。
　上記貫通孔１２ｃの直径は、上記球体１２ｂの直径と同じである。ただし、貫通孔１２ｃは、凸部１２の外側の開口部分に開口縁から孔の中心に向かって球体１２ｂの進出を妨げない程度に延出する出っ張り部を有し、この開口の直径が貫通孔１２ｃの他の部分の直径よりもわずかに小さく形成される。これにより球体１２ｂをスムーズに進出及び退出させることができると共に、球体１２ｂが凸部１２外へ離脱してしまうことを防止する。
（規制部材）
　規制部材１２ａは、上記２個の球体１２ｂと当接し、これら球体１２ｂの退出を規制又は許容するテーパ状の円筒カムを有する筒状体であり、凸部１２内の空間に配設される。この規制部材１２ａの円筒カムの半径方向中心には長手方向の貫通孔が形成され、この貫通孔に規制部材摺動軸１２ｄが挿通される。この規制部材摺動軸１２ｄは、上記第二方向Ｙに延伸し、凸部１２内に固定される。規制部材１２ａは、この規制部材摺動軸１２ｄと貫通孔内の内面が摺動することで第二方向Ｙに移動可能に配設される。また、上記２個の球体１２ｂは、この円筒カムを挟んで対称に配設される。規制部材１２ａは剛性の高い材料で形成することが好ましく、材質としては例えば金属がよい。
　上記円筒カムは、第二方向Ｙに漸次縮径する縮径領域（テーパ部）を有する。規制部材１２ａが円筒カムの縮径方向（図３中左側）にある第一位置Ｐに移動すると、球体１２ｂに当接する円筒カムの径が大きくなる。そのため、球体１２ｂが円筒カムにより半径方向に押し出され凸部１２の球体出退側壁から進出する。この状態（図３（ａ））で規制部材１２ａを固定すると、球体１２ｂの退出が規制され、凸部１２から球体１２ｂが進出した状態で固定される。逆に、規制部材１２ａが円筒カムの拡径方向（図３中右側）にある第二位置Ｑに移動すると、球体１２ｂに当接する円筒カムの径が小さくなる。この状態（図３（ｂ））では、球体１２ｂの球体出退側壁からの退出が許容される。
　上記円筒カムについてさらに詳説すると、上記円筒カムは、第二方向Ｙに漸次縮径する第一縮径領域Ｓ１と、この第一縮径領域Ｓ１の縮径方向と反対側に連続し、軸方向に径が一定の第一円筒領域Ｔと、この第一円筒領域Ｔに連続し、第一縮径領域Ｓ１と同じ向きに漸次縮径する第二縮径領域Ｓ２とから構成される。上記第二縮径領域Ｓ２の最小径（図３中左端での径）は、第一縮径領域Ｓ１の最大径と等しい。また、第二縮径領域Ｓ２の最大径（図３中右端での径）は、規制部材１２ａが配設される凸部１２内の空間の幅と略等しい。さらに、上記第一円筒領域Ｔの径は、球体１２ｂが当接した際に、その進出状態を維持する大きさに設計される。なお、第一縮径領域Ｓ１及び第二縮径領域Ｓ２の軸方向縮径率（テーパ角度）はそれぞれ一定であり、第二縮径領域Ｓ２の軸方向縮径率は第一縮径領域Ｓ１の軸方向縮径率よりも小さい。
　以上の構成から、規制部材１２ａが第一位置Ｐにあるとき、球体１２ｂには上記第二縮径領域Ｓ２又は第一円筒領域Ｔが当接し、球体１２ｂの退出（凸部１２内側への移動）が規制される。一方、規制部材１２ａが第二位置Ｑにあるとき、球体１２ｂには第二縮径領域Ｓ２よりも径の小さい第一縮径領域Ｓ１が当接するため、球体１２ｂの退出が許容される。
　上記第一縮径領域Ｓ１のテーパ角度の下限としては、１０°が好ましく、１１°がより好ましい。一方、第一縮径領域Ｓ１のテーパ角度の上限としては、２０°が好ましく、１５°がより好ましい。第一縮径領域Ｓ１のテーパ角度が上記下限未満の場合、球体１２ｂの出退を規制する際に規制部材１２ａの必要移動量が大きくなる。逆に、第一縮径領域Ｓ１のテーパ角度が上記上限を超える場合、規制部材１２ａの移動が円滑に行えないおそれがある。
　上記第二縮径領域Ｓ２のテーパ角度の下限としては、３５°が好ましく、４５°がより好ましい。一方、第二縮径領域Ｓ２のテーパ角度の上限としては、５５°が好ましく、５０°がより好ましい。第二縮径領域Ｓ２のテーパ角度が上記下限未満の場合、第一位置Ｐにおいて球体１２ｂの進出状態の規制が不安定になるおそれがある。逆に、第二縮径領域Ｓ２のテーパ角度が上記上限を超える場合、球体１２ｂの出退の規制が困難になるおそれがある。
　上記第一円筒領域Ｔの直径は球体１２ｂや凸部１２の大きさによって適宜設計されるが、例えば６ｍｍ以上９ｍｍ以下とすることができる。また、第一円筒領域Ｔの軸方向長さは、例えば球体１２ｂの直径の１０％以上３０％以下とすることができる。
　なお、マスタプレート１とツールプレート２との嵌合を維持すべき状態において、規制部材１２ａが何らかの要因で第一位置Ｐから第二位置Ｑ側へずれても、上記第一円筒領域Ｔが一定の軸方向長さを有するため、球体１２ｂが即座に球体出来側壁から退出して嵌合が解除されることを防止できる。
　また、規制部材１２ａは、上記円筒カム（第一領域Ｓ２）の縮径方向側に、軸方向に径が一定の円筒領域Ｕを介して上記円筒カムと反対の向きに縮径する逆テーパ領域Ｖを有する。この逆テーパ領域Ｖの最大径（図３中左端での径）は、規制部材１２ａが配設される凸部１２内の空間の幅と略等しい。この逆テーパ領域Ｖにより、球体１２ｂが退出許容状態にあるとき（規制部材１２ａが第二位置Ｑにあるとき）、球体１２ｂの凸部１２内部での移動を規制できる。
　さらに、規制部材１２ａは、後述するバネ１３ｃを固定するための溝を一方の端部に有する。この溝は、規制部材摺動軸１２ｄを挿通する貫通孔と連続して設けられる。
＜ネジ送り機構＞
　ネジ送り機構１３は、上記規制部材１２ａを第二方向Ｙに往復移動させる機構である。このネジ送り機構１３は、シャフト１３ａ、ピストン１３ｂ、バネ１３ｃ、ハンドル１３ｄ、及び逆回転防止機構１３ｅを有する。ネジ送り機構１３を構成する各要素の材質としては、強度及び剛性の観点から例えば金属がよい。
（シャフト）
　シャフト１３ａは、表面の一部に螺旋状の溝を有する棒状体であり、上記第二方向Ｙに軸方向が一致する向きで本体部１１内に軸中心に回転可能かつ移動しないように軸受１３ｆによって支持される。
（ピストン）
　ピストン１３ｂは、内周面に螺旋状の溝が形成され、上記シャフト１３ａの溝と螺合する雌ネジ部と、上記規制部材摺動軸１２ｄを挿通させる貫通孔が形成され、規制部材摺動軸１２ｄに沿って摺動する摺動部とを有する。上記雌ネジ部は本体部１１内に配設され、上記摺動部は凸部１２内に配設され、これらの部材は上下に繋がって一体形成される。この摺動部は、規制部材１２ａの円筒カムの拡径方向側（図４中右側）に配設されると共に、後述するバネ１３ｃを固定する溝を有する。さらに、ピストン１３ｂは上記規制部材１２ａの円筒カムに係合するフック部を有する。
　シャフト１３ａとピストン１３ｂとは、上述の螺旋状の溝が螺合することによって送りねじを構成する。つまり、シャフト１３ａの回転により、ピストン１３ｂは上記第二方向Ｙに進退する。
（バネ）
　バネ１３ｃは、ピストン１３ｂからの押圧を規制部材１２ａに伝える弾性部材である。このバネ１３ｃは、規制部材摺動軸１２ｄを囲繞しつつ、一端が規制部材１２ａに固定され、他端がピストン１３ｂの摺動部に固定される。ピストン１３ｂがシャフト１３ａの回転によって上記規制部材１２ａの円筒カムの縮径方向（図４中左側）に移動すると、バネ１３ｃに圧縮力が加わり、このバネ１３ｃを介して規制部材１２ａが円筒カムの縮径方向に移動する。逆に、ピストン１３ｂがシャフト１３ａの回転によって上記規制部材１２ａの円筒カムの拡径方向（図４中右側）に移動すると、バネ１３ｃの圧縮力が解除されると共に、上記ピストン１３ｂのフック部の牽引により規制部材１２ａが円筒カムの拡径方向に移動する。
　なお、上記バネ１３ｃが規制部材１２ａに対し十分な押圧を及ぼすにはピストン１３ｂがバネ１３ｃを一定量圧縮可能な規定位置まで移動する必要がある。このピストン１３ｂの位置確認は、確認窓１１ｂによって目視で行うことができる。
　なお、上記ピストン１３ｂの位置（押し込み量）を確認する手段として、上記確認窓１１ｂに替えて、リミットスイッチ、後述するネジ送り機構１３のハンドル１３ｄのトルク測定器、ピストン１３ｂ又は規制部材１２ａとの接触により本体部１１外へ突出するピン等を用いることもできる。
（ハンドル）
　ハンドル１３ｄは、上記シャフト１３ａを回転させるための機構である。具体的には、ハンドル１３ｄはその回転軸がシャフト１３ａの中心軸と一致するようシャフト１３ａの一端に結合され、この回転軸と偏心した位置に把持部が形成されている。つまり、規制部材１２ａの第二方向中心軸とハンドル１３ｄの回転軸とは略平行であるが上下方向に離間して位置する。
　このハンドル１３ｄの把持部を把持し回転軸周りに回転させることで、上述のようにシャフト１３ａの回転によりピストン１３ｂが第二方向Ｙに移動し、規制部材１２ａをバネ１３ｃを介して第二方向Ｙに移動させることができる。この規制部材１２ａの移動により、球体１２ｂの出退の規制状態が変わるため、嵌合状態のロック及び解除を行うことができる。
（逆回転防止機構）
　逆回転防止機構１３ｅは、シャフト１３ａの逆回転を防止する機構である。特に嵌合状態のロックを行うとき、つまり規制部材１２ａを第一位置Ｐに移動させる場合、球体１２ｂを凸部１２の内部に押し返そうとする力がツールプレート２の凹部２１の溝部２１ａから加わるため、この力によってシャフト１３ａが逆回転し易い。上記逆回転防止機構１３ｅはこのような逆回転を防止できるいわゆるラチェット機構である。具体的には、逆回転防止機構１３ｅは、シャフト１３ａのハンドル１３ｄとは反対側の端部付近周面に配設された歯車部１３ｇと、この歯車部１３ｇの歯に一方の端部が当接する棒状体の歯止め１３ｈとからなる。この歯止め１３ｈの他方の端部は本体部１１の側壁に設けた窓から突出している。
　この歯止め１３ｈの歯車部１３ｇに当接する一端は、歯車部１３ｇの下方向側のみに変動可能に構成される。そのため、シャフト１３ａの図５中の時計回りの回転は許容されるが、反時計回りの回転は歯止め１３ｈによって阻止される。なお、図５中の時計回りの回転方向が嵌合状態をロックさせる回転方向である。嵌合状態の解除を行う場合、つまりシャフト１３ａを反時計回りに回転させる場合、本体部１１の窓から突出した歯止め１３ｈの他端を上方に持ち上げ支点を中心に回転させ、歯止め１３ｈの一端を歯車部１３ｇから離間させることで反時計回りの回転を可能にできる。
　なお、歯止め１３ｈは、上述のように支点を中心に回転させる代わりに、本体部１１の窓からの抜き差し操作によって歯車部１３ｇへの当接を制御してもよい。
［ツールプレート］
　ツールプレート２は、上記マスタプレート１の凸部１２が嵌入可能な筒状の凹部２１を主に備える。ツールプレート２は、下面側（図７中下側）にツールが装着可能に構成されると共に、上面に形成される凹部２１にマスタプレート１の凸部１２が嵌入されることでマスタプレート１と嵌合される。ツールプレート２のケーシングはマスタプレート１同様、強度及び剛性の観点から、一般に金属を加工して形成される。
　ツールプレート２は、四角柱状を有する。ツールプレート２の下面（図７中下側の面）にはツールとの接続機構（図示省略）が設けられている。また、ツールプレート２の上面（図７中上側の面）には凹部２１と、マスタプレート１の複数の位置決めピン１１ａが挿入される複数の位置決め孔２２が形成される。ツールプレート２の平面視面積は、マスタプレート１の本体部１１の平面視面積と略同じである。
＜凹部＞
　凹部２１には、マスタプレート１の凸部１２が嵌入される。凹部２１は底面及び４つの側面を有する角筒状であり、その寸法は、凸部１２の外形よりも若干大きい。このように遊びを有するように凹部２１の寸法を設計することで、嵌入作業を容易にできる。当該ツール交換装置は、上記位置決めピン１１ａ及び位置決め孔２２によってマスタプレート１とツールプレート２との位置が規定され、かつ球体１２ｂによって嵌合状態がロックされるため、凹部２１と凸部１２とが嵌入状態で隙間を有してもよい。この凹部２１には、凸部１２の２個の球体１２ｂが係入可能な２つの溝部２１ａが配設される。また、凹部２１は、４つの側面が全てツールプレート２のケーシングの一部で構成されている。つまり、凹部２１は、ツールプレート２の側壁（嵌合方向と平行な壁）を貫通することなく形成されている。このように凹部２１がツールプレート２の内部に形成されることで、凹部２１とマスタプレート１の凸部１２との嵌合時の位置精度を高めると共に、ツールプレート２の強度を高めることができる。
（溝部）
　溝部２１ａは、凹部２１を構成する内壁面のうち、凸部１２の球体出退側壁と対応する２つの壁面（以下、「球体係入側壁」と呼称することがある）に１つずつ形成される。溝部２１ａは、球体出退側壁から突出した球体１２ｂの突出部分の少なくとも上半分が係入可能な形状を有する。具体的に説明すると、凹部２１の球体係入側壁には、凸部１２の嵌入状態での球体１２ｂの中心位置高さにおいて、凹部２１の内側から外側に向かって段部が形成されている。つまり、上記球体係入側壁は、ツールプレート２の上面から連続し、上下方向に延伸する第一面と、球体１２ｂの中心位置高さでこの第一面と垂直に交わり、凹部２１の外側に延伸する第二面と、この第二面と垂直に交わり、上下方向に延伸する第三面とを有する。上記溝部２１ａは、上記第一面の下端部（第二面との交線部分）に形成され、球体１２ｂの突出部の上半分に沿った内面を有する溝からなる。この溝部２１ａは、２個の球体１２ｂを係入可能なように、対向する凹部２１の球体係入側壁に対称に形成される。
［ツール交換装置の使用方法］
　以下に、当該ツール交換装置の使用方法を説明する。
　最初に、マスタプレート１とツールプレート２とを嵌合する方法について説明する。まず、マスタプレート１の凸部１２がツールプレート２の凹部２１に嵌入され、マスタプレート１の複数の位置決めピン１１ａがツールプレート２の位置決め孔２２にそれぞれ挿入されるようにマスタプレート１とツールプレート２とを重ね合わせる。次に、マスタプレート１とツールプレート２とを重ね合わせた状態で、ハンドル１３ｄを回転させてシャフト１３ａを移動させ、規制部材１２ａをピストン１３ｂ及びバネ１３ｃを介して第一位置Ｐまで移動させる。このとき逆回転防止機構１３ｅの歯止め１３ｈを歯車部１３ｇに当接させて逆回転防止機構１３ｅが機能するようにしておく。規制部材１２ａが第一位置Ｐまで移動した状態でハンドル１３ｄの回転を止めることで、球体１２ｂが第一方向Ｘに進出し凹部２１の溝部２１ａに係入した状態で固定することができる。これにより、マスタプレート１とツールプレート２との嵌合状態がロックされる。
　次に、マスタプレート１からツールプレート２を離脱させる方法について説明する。まず、歯止め１３ｈを歯車部１３ｇから離間させて逆回転防止機構１３ｅを解除する。次に、ハンドル１３ｄを嵌合時とは逆の方向に回転させてシャフト１３ａを移動させ、規制部材１２ａをフック部の牽引により第二位置Ｑまで移動させる。規制部材１２ａを第二位置Ｑまで移動させることで、球体１２ｂの第一方向Ｘの退出が許容され凹部２１の溝部２１ａからの係入が解除される。この状態で、マスタプレート１とツールプレート２とを離間させることで、マスタプレート１からツールプレート２を離脱できる。
［利点］
　当該ツール交換装置は、マスタプレート１の凸部１２に配設される２個の球体１２ｂの出退を規制する規制部材１２ａが、凸部１２及び凹部２１の軸方向（嵌入方向）及び第一方向Ｘ（球体１２ｂの出退方向）の双方に対して略直交する第二方向Ｙに移動可能に設けられているため、この規制部材１２ａの長さによらずマスタプレート１の厚さを設計することができる。その結果、当該ツール交換装置は、マスタプレート１とツールプレート２との嵌合状態を確実に維持することができると共に、マスタプレート１及びツールプレート２の薄型化を促進できる。
　また、当該ツール交換装置は、規制部材１２ａが円筒カムを有し、この円筒カムによって球体１２ｂの出退を規制するため、嵌合状態を確実に維持できるロック機構を容易に構成することができ、薄型化をさらに促進することができる。
　さらに、当該ツール交換装置は、ハンドル１３ｄを有するネジ送り機構１３を備えることで、嵌合状態のロック及び解除を手動で行うことができる。その結果、工業エア等の動力が供給できない環境でも使用することができる。また、規制部材１２ａとネジ送り機構１３とをマスタプレート１内に上下方向に並列に配置しているため、当該ツール交換装置は凸部１２の上記第二方向Ｙの長さを小さくすることができる。また、ハンドル１３ｄの回転軸と規制部材１２ａの移動方向とが一致するため、ネジ送り機構１３の移動方向を変えて規制部材１２ａに伝達する機構（ギヤやカム等）を設ける必要がないため、当該ツール交換装置はマスタプレート１の薄型化をさらに促進することができる。
　また、当該ツール交換装置は、規制部材１２ａを弾性を有するバネ１３ｃを介して押圧するため、ネジ送り機構１３に微動等が生じてもバネ１３ｃによって規制部材１２ａの付勢が維持される。その結果、ネジ送り機構１３の微動等により規制部材１２ａが第二方向Ｙに移動して嵌合状態が解除されることを防止でき、嵌合状態をより確実に維持できる。
　さらに、当該ツール交換装置は、ネジ送り機構１３に逆回転防止機構１３ｅを設けることで、嵌合状態をロックする際にネジ送り機構１３が不用意に逆回転することを防止でき、嵌合状態の維持性能をより高めることができる。
［その他の実施形態］
　本発明のツール交換装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、凸部に配設される球体の個数は２個に限定されず、３個以上であってもよい。ただし、嵌合状態のロック強度を高めるためには規制部材を挟んで対称の位置に球体を配設することがよいため、球体の個数としては偶数が好ましい。球体の個数が４個以上（２個の球体の組が２以上）の場合、規制部材に複数の円筒カムを設け、それぞれの円筒カムに２個の球体が当接するようにすることで、１つの規制部材の移動により複数の球体の出退を規制することができる。また、複数の規制部材を２個の球体の組ごとに設けてもよい。複数の規制部材を設ける場合、規制部材は１つの凸部内に直列に配設してもよいし、マスタプレートに複数の凸部を平行に形成し、各凸部内にそれぞれ規制部材を配設してもよい。
　また、上記実施形態のツール交換装置は、ハンドルによって手動で規制部材を移動させるものであるが、ハンドルは必須の構成要件ではなく、当該ツール交換装置は規制部材を工業エア、電気、油圧等によって移動させてもよい。これらの動力源を用いる場合、ネジ送り機構のシャフトをこれらの動力源で回転させてもよく、ネジ送り機構を省略し規制部材を直接又はピストン等を介してこれらの動力源で移動させてもよい。例えば工業エアを用いる場合、凸部内に工業エアを送り込んで規制部材の一端に圧力を加えることで規制部材を第二方向に移動させることができる。
　さらに、当該ツール交換装置がネジ送り機構を備える場合、バネ（弾性部材）は必須の構成要件ではなく、ネジ送り機構のピストンと規制部材とを当接させ、ネジ送り機構で直接規制部材を押圧してもよい。なお、弾性部材としては、バネ以外にエラストマ等の弾性を有する素材を規制部材摺動軸を囲繞する筒状に形成したものを用いることができる。
　また、上記実施形態では、規制部材の第二方向中心軸とネジ送り機構のハンドルの回転軸とが略平行でかつ一致しない（マスタプレートの嵌入方向に並ぶ）構成としたが、これらの軸の位置関係はこれに限定されない。例えば、ハンドルの回転軸は規制部材の第二位置方向中心軸と平行でなくてもよい。ただし、これらの軸が平行でない場合、ネジ送り機構のシャフトの移動方向（ネジ送り方向）を規制部材の移動方向に変換する機構が必要となりマスタプレート内の構成が複雑化する。従って、規制部材の第二方向中心軸とネジ送り機構のハンドルの回転軸とは略平行とすることが好ましい。
　さらに、凸部の形状は円柱状でも、四角柱以外の多角柱状でもよい。同様に、凹部の形状は凸部の形状に合わせて、円筒状や四角筒以外の多角筒状とすることができる。
　以上説明したように、本発明のツール交換装置は、マスタプレートとツールプレートとの嵌合状態を確実に維持でき、かつ薄型化を促進できるため、例えば可搬重量が１０ｋｇ未満の小型のツール交換装置として好適に用いられる。
　１　マスタプレート
　２　ツールプレート
　１１　本体部
　１１ａ　位置決めピン
　１１ｂ　確認窓
　１２　凸部
　１２ａ　規制部材
　１２ｂ　球体
　１２ｃ　貫通孔
　１２ｄ　規制部材摺動軸
　１３　ネジ送り機構
　１３ａ　シャフト
　１３ｂ　ピストン
　１３ｃ　バネ
　１３ｄ　ハンドル
　１３ｅ　逆回転防止機構
　１３ｆ　軸受
　１３ｇ　歯車部
　１３ｈ　歯止め
　２１　凹部
　２１ａ　溝部
　２２　位置決め孔

Claims (6)

  1. 　ロボットアームに取付けられるマスタプレートと、このマスタプレートに着脱可能に装着され、ツールに取付けられるツールプレートとを備え、上記ツールプレートが筒状の凹部を有すると共にマスタプレートが上記凹部に嵌入可能な柱状の凸部を有するツール交換装置であって、
    　上記凹部及び凸部の軸方向に対して略直交する第一方向に出退するよう上記凸部に配設される複数の球体と、
    　上記凹部に配設され、上記複数の球体が係入可能な複数の溝部と、
    　上記凸部に配設され、上記軸方向及び第一方向の双方に対して略直交する第二方向に移動可能であり、第二方向における第一位置において進出状態の上記複数の球体の退出を規制すると共に第二位置において上記複数の球体の退出を許容するテーパ状の円筒カムを有する規制部材と
    　を備えることを特徴とするツール交換装置。
  2. 　上記マスタプレートが上記規制部材を第二方向に往復移動させるネジ送り機構をさらに備える請求項１に記載のツール交換装置。
  3. 　上記ネジ送り機構が上記凸部に規制部材と当接して配設される弾性部材をさらに備え、
    　上記規制部材がこの弾性部材を介して上記ネジ送り機構から押圧を受ける請求項２に記載のツール交換装置。
  4. 　上記ネジ送り機構がハンドルを有する請求項２又は請求項３に記載のツール交換装置。
  5. 　上記規制部材の第二方向中心軸と上記ハンドルの回転軸とが略平行でかつ一致しない請求項４に記載のツール交換装置。
  6. 　上記ネジ送り機構が逆回転防止機構を有する請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のツール交換装置。
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