(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸に対して取り付けられる工具を交換するに当たり、該工具を把持するためのクランプ装置を備えた工具交換装置において、
該クランプ装置は、工具が挿入されて工具の外周が保持される保持穴を有し、
該保持穴の内周面には、工具の回転により工具の外周面と前記内周面との間に食い込むくさび部材が配置されると共に、当該くさび部材を保持する保持手段が設けられ、
この保持手段は、前記くさび部材を収容する遊び領域とくさび領域を有し、当該くさび部材は、工具の周方向への回転により、前記くさび領域に位置して工具の外周面と該くさび領域の壁面との間に食い込むよう構成されてなる工具交換装置。
【請求項２】
前記主軸の軸芯を貫通して該主軸に対して回転し得るねじ棒が設けられ、該ねじ棒のねじと螺合し得るねじが工具の基端に設けられることにより、工具は主軸に対してねじ結合される請求項１記載の工具交換装置。
【請求項３】
前記くさび領域は遊び領域の周方向両側に形成され、くさび部材は工具の一方またはその逆方の周方向への回転により遊び領域からいずれかのくさび領域に移動して工具の外周面と該くさび領域の壁面との間に食い込むよう構成された請求項１または請求項２記載の工具交換装置。
【請求項４】
前記保持手段は、前記保持穴の内周面に配置され、くさび部材を周方向に所定の間隔を移動可能に保持するリテーナと、前記保持穴の内周面に形成され、前記遊び領域と前記くさび領域の深さを決定する溝と、を備えている請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の工具交換装置。
【請求項５】
前記リテーナは、工具と当接する当接部を有し、工具の回転がこの当接部を介してリテーナに伝達されるように構成した請求項４記載の工具交換装置。
【請求項６】
前記クランプ装置は、工具交換装置本体に対して工具の軸方向に遊びを持って支持されている請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の工具交換装置。
【請求項７】
前記クランプ装置は、工具交換装置本体に対して工具の半径方向に遊びを持って支持されている請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の工具交換装置。
【請求項８】
クランプ装置は、前記主軸と、該主軸から離れた位置にある工具マガジンとの間を移動可能に構成された請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の工具交換装置。
【請求項９】
工具マガジンは、待機中の工具を収納する工具ポットを有し、該工具ポットは、前記工具の基端に設けられたねじと螺合し得るねじ棒を備えている請求項８記載の工具交換装置。
【請求項１０】
前記主軸は、該主軸から離れた位置にある工具マガジンへ移動可能とされ、工具マガジンは、前記クランプ装置によりそれぞれ把持された工具を複数備えている請求１ないし請求項７のいずれか一項に記載の工具交換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸に取り付けられる工具を交換する工具交換装置に係り、特にそれに使用させる工具クランプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、切削加工や研削加工などの機械加工を自動的かつ効率良く行うために、いわゆるマシニングセンタが多用されている。このマシニングセンタは、必要とする機械加工の種類に応じて適宜加工工具を選択して自動的にこれを工作機械本体に取り付け、加工を行うようになっている。この加工工具は、工具ホルダに把持された状態で取り扱われ、ここではこれを総称して工具と呼ぶ。この工具の取り付け、取り外しは、工具を自動的に交換する工具交換装置により行われている。この場合、一般には工具の後端にプルボルトを取り付け、工具の切り欠きと主軸端の回り止めキーをオリエンテーションで位相を合わせ機械の主軸に工具を挿入し、コレットにて前記プルボルトを引き込むことで工具を主軸に引き込み固定する方式がよく知られている。そして待機中の工具を保持する工具マガジンが別途設けられ、この工具マガジンは、工具を抜き差し可能なポットを有し、オリエンテーション内のプルボルトを引き込む装置により保持する。
【０００３】
一方、工具には、ねじ結合によって、工作機械の主軸に取り付けられるものがある。すなわち、工作機械の主軸に形成されたキーを工具の外周面基端側に形成されたキー溝に挿入させて主軸と工具を一体化し、該主軸と同軸上を回転するねじを回転させることにより、工具を主軸に取り付けるものである。この場合、主軸が回転自在であるとねじ結合の際に主軸並びに工具が回転してしまい、ねじ締めができなくなる虞があり、よって従来は主軸が自由に回転できないもの、例えばフライス盤のように主軸がギヤ駆動されるために非駆動時に回転阻止力が働くものにその適用が限定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年の工作機械の高速加工の要望に沿い、工作機械の主軸を高速回転させるには、軸受けの温度上昇を抑えるべく主軸径を小さくし周速を小さくすれば良いが、工具を把持する為の引き込み装置を主軸内に組み込むことが困難になり、また引き込み装置を主軸内に組み込むことができたとしても、回転バランスを悪くし、振動などの原因となる。このことから工具を主軸にねじ結合することが、内部構造を簡素化し回転バランスを保つ方法として考えられる。しかし、高速回転に用いられる主軸はモータを直接主軸に組み込むことが多く、前述の非駆動時の回転阻止力はモータの電磁力だけとなり、ロータ径の小さいモータでは回転阻止力は小さくなり、工具と主軸が一体となってもねじ棒と工具とは共に回転してしまい、工具を主軸にねじ結合することができない。
【０００５】
そこで、本発明は、高速機械の主軸に着脱可能に取り付けられる回転バランスの良い工具を主に自動で交換するものにおいて、高速回転に適し、構造簡単でかつコンパクトな工具交換装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【目的を解決するための手段】
以上の目的を解決するために、本発明は、工作機械の主軸に対して取り付けられる工具を交換するに当たり、該工具を把持するためのクランプ装置を備えた工具交換装置において、該クランプ装置は、工具が挿入されて工具の外周が保持される保持穴を有し、該保持穴の内周面には工具の回転により工具の外周面と前記内周面との間に食い込むくさび部材が配置されていることを特徴とするものである。
【０００７】
前記工具交換装置は、前記主軸の軸芯を貫通して該主軸に対して回転し得るねじ棒を設け、該ねじ棒のねじと螺合し得るねじが工具の基端に設けることにより、工具が主軸に対してねじ結合されるように構成されていることが好ましい。
【０００８】
前記保持穴の内周面にはくさび部材を保持する保持手段が設けられ、この保持手段は、くさび部材を収容する遊び領域とくさび領域を有し、くさび部材は、工具の周方向への回転によりくさび領域に位置して工具の外周面と該くさび領域の壁面との間に食い込むよう構成されていることが好ましく、前記くさび領域は遊び領域の周方向両側に形成され、くさび部材は工具の一方またはその逆方の周方向への回転により遊び領域からいずれかのくさび領域に移動して工具の外周面と該くさび領域の壁面との間に食い込むよう構成されていることが好ましい。
【０００９】
前記保持手段は、前記保持穴の内周面に配置され、くさび部材を周方向に所定の間隔を移動可能に保持するリテーナと、前記保持穴の内周面に形成され、前記遊び領域と前記くさび領域の深さを決定する溝と、を備えていることが好ましく、前記リテーナは、工具と当接する当接部を有し、工具の回転がこの当接部を介してリテーナに伝達されるように構成されていることが好ましい。
【００１０】
前記クランプ装置は、工具交換装置本体に対して工具の軸方向及び半径方向に遊びを持って支持されていることが好ましい。
【００１１】
クランプ装置は、前記主軸と、該主軸から離れた位置にある工具マガジンとの間を移動可能に構成されていることが好ましく、工具マガジンは、待機中の工具を収納する工具ポットを有し、該工具ポットは、前記工具の基端に設けられたねじと螺合し得るねじ棒を備えていることが好ましい。
【００１２】
前記主軸は、該主軸から離れた位置にある工具マガジンへ移動可能とされ、工具マガジンは、前記クランプ装置によりそれぞれ把持された工具を複数備えていることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施例に係る工具交換装置１０及びその工具マガジン装置１２、並びに工具交換装置１０が適用される工作機械の主軸頭１４の全体図であり、図２は、工具交換装置１０と主軸頭１４の正面断面図である。
【００１４】
主軸頭１４は、工具１６を把持するとともに、それ自体回転することにより、その把持した工具１６を回転させる主軸１８を備えている。工具１６は、先端側（図２の下側）にドリル、エンドミル等を把持する工具把持孔２０を有し、基端側にねじ穴２２を有している。工具１６のフランジ部１７等の外周面は滑らかに形成されており、トルク伝達用のキー溝等は形成されていない。このため、この工具１６は、高速回転させても、回転バランスを保つことができるので、高速回転に適している。また、主軸１８には、その軸芯を貫通するねじ棒２４が主軸１８に対して回転可能に備えられており、ねじ棒２４は、その先端に前記工具１６のねじ穴２２に螺合するねじ溝２６が形成されている。
【００１５】
工具交換装置１０は、工具１６を把持する工具クランプ装置２８と、工具クランプ装置２８をベローズ部材３０を介して固定し、工具クランプ装置２８を主軸１８と工具マガジン装置１２との間を移動させる工具クランプ移動装置３１と、を備えている。
【００１６】
工具クランプ装置２８は、工具クランプ移動装置３１に対して対称に一対備えられているが、両方とも構造が同じであるので、一方についてのみ説明する。工具クランプ装置２８は、略円筒状に形成されており、工具１６が挿入されて、工具１６のフランジ部１７が保持される保持穴３４を有する。保持穴３４は、図１及び図２に示すように工具クランプ装置２８の上面から底面に亘って貫通しており、その内周面先端側（図２の上側）には、工具１６を把持する工具把持機構３６が備えられている。
【００１７】
図３は、工具クランプ装置２８の工具１６が挿入されていない状態の図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。工具把持機構３６は、保持穴３４の内周面３８の周方向に適宜間隔をおいて複数配置された円柱状のくさび部材４０と、各くさび部材４０を保持する環状のリテーナ４４と、を備えている。リテーナ４４は、全体が周方向に移動することにより各くさび部材４０を周方向移動可能に保持している。すなわち、リテーナ４４は、保持穴３４の内周面３８の周方向に回動可能に配置されており、このリテーナ４４には、前記くさび部材４０をその位置で回転可能に収容する収容溝４６が周方向に適宜間隔で複数形成されている。また、リテーナ４４は、工具１６のフランジ部１７の外径よりも若干大きな内径を有し、かつその下端部は同軸の環状座４８に嵌着されている。環状座４８は、その全周に亘って前記フランジ部１７の外径より小さな内径を有するように半径方向内側に突出するとともに、工具１６が保持穴３４に挿入された場合、工具１６のフランジ部１７の基端面１９が当接する当接面４７を有する。
【００１８】
保持穴３４の内周面３８には、図５に示すように保持穴３４の内周面３８から断面円弧状に陥没するとともに軸方向（図５の紙面の垂直方向）に少なくともくさび部材４０の長さだけ延びる溝４２が形成されている。この溝４２の比較的深い部分によってくさび部材４０を非拘束状態で収納する遊び領域５０が画成される。遊び領域５０の溝の深さは、くさび部材４０の一部がリテーナの内周面３９から内側に若干突出するとともに、工具１６が保持穴３４に挿入された場合にそのフランジ部１７の外周面２１に接するように形成されている。また、溝４２のうち、遊び領域５０の周方向両側の比較的浅い部分によって、くさび部材４０を溝４２とフランジ部１７の外周面２１との間でくさび状に食い込ませるくさび領域５２Ａ、５２Ｂが画成される。
【００１９】
また、工具クランプ装置２８の外周面の基端側（図２の下側）には、フランジ５３が半径方向外側に突出するように形成されている。このフランジ５３には、後述するベローズ部材３０の一端を固定するフランジ５６がねじ６０を介して固定され、さらに後述する回り止め部材６２が挿入される孔５９が２つ対角線上に形成されている。ベローズ部材３０の他端にもフランジ５８が固定され、このフランジ５８は、ねじ６０により工具クランプ移動装置のアーム３２に固定される。これにより工具クランプ装置２８は、ベローズ部材３０を介してアーム３２に固定される。ベローズ部材３０のフランジ５８には、ほぼ垂直方向に延びる円柱状の回り止め部材６２が固定されており、この回り止め部材６２は、その外径より大きい内径を有するフランジ５６の孔６４、及び工具クランプ装置２８のフランジ５３の孔５９に挿入されている。このため、回り止め部材６２の外周面と孔５３及び６４の内周面との間には、若干隙間５７が形成されていることになる。工具クランプ装置２８は、回り止め部材６２によって、アーム３２に対して周方向へのねじれ又は回転が規制されるが、ベローズ部材３０が工具クランプ装置２８の軸方向に伸縮自在に構成されているので、軸方向（図１の上下方向）に遊びを有し、かつベローズ部材３０が工具クランプ装置２８の半径方向に傾動自在に構成されるとともに、回り止め部材６２の外周面と孔６４の内周面との間に若干隙間が形成されているので、その隙間の範囲内で半径方向に遊びを有することになる。
【００２０】
なお、ベローズ部材３０としていわゆるカップリング機能を有するものを使用すれば、それ自体で工具クランプ装置２８の周方向のねじれ又は回転は規制され、回り止め部材は不要となる。
【００２１】
工具クランプ移動装置３１は、ベローズ部材３０を介して工具クランプ装置２８を固定するアーム３２と、このアーム３２を回転させるアーム軸５４と、を備えている。アーム３２は、アーム軸５４に回動自在に支持されている。また、アーム３２は、アーム軸５４と一体となって軸方向（図１の上下方向）に移動可能に構成されている。
【００２２】
次に、待機中の工具を収納しておくための工具マガジン装置１２について説明する。工具マガジン装置１２は、工具１６を保持、収納する工具ポット６６を複数、例えば３つ備えており、これら工具ポット６６は、いずれかが工具クランプ装置２８の上に位置するように移動可能に構成されている。
【００２３】
また、各工具ポット６６には、工具１６のねじ穴２２に螺合するねじ棒６８が工具ポット６６本体に対して回転可能に装着されており、このねじ棒６８の基端には、例えば六角穴７０が形成されている。また、工具マガジン装置１２は、工具クランプ装置２８の上に位置する工具ポット６６の穴７０に挿入し、ねじ棒６８を回転する回転軸７２を備える。
【００２４】
次に、本実施例の動作について説明する。工具クランプ装置３１のアーム軸５４が回転されることにより、アーム３２に支持された各クランプ装置２８が主軸１８及び一つの工具ポート６６と同軸上に位置したり、その位置から退避したりする。
【００２５】
先ず、主軸１８に装着されている工具１６を取り外す場合、主軸１８と同軸上に位置するクランプ装置２８がアーム３２を介して主軸１８に向かって前進し、保持穴３４に工具１６が挿入され、工具１６のフランジ部１７の基端面１９がリテーナ４４の当接面４７に当接するまで、アーム３２を軸方向に移動させる（図２の左半分の状態）。この際、工具クランプ装置２８は、ベローズ部材３０によって、半径方向に遊びを有するので、工具クランプ装置２８の中心が、工具１６の中心から若干ずれても、保持穴３４に工具１６を挿入させることができる。
【００２６】
保持孔３４に工具１６が挿入されると、工具１６のテーパ状突出部１６Ａが主軸１８のテーパ状凹部１８Ａに臨んで芯合わせをし、ねじ棒２４が工具１６のねじ穴２２に対峙する。この時、くさび部材４０は、遊び領域５０に位置する（図５の状態）。この遊び領域５０は、遊びを持ってくさび部材４０を収納するため、フランジ部１７との食い込みはない。よって、工具１６を保持穴３４に挿入する際、くさび部材４０の外周面がフランジ部１７の外周面２１に接するもののその作業を妨げるものではなく、スムーズに工具１６を保持穴３４に挿入することができる。
【００２７】
次に、主軸１８のねじ棒２４を工具１６のねじ穴２２から外れる方向、すなわち左回りに回転させると、工具１６は、連れ回りをするので、同様に左回り（図５の反時計方向）に回転する。工具１６が左回りに回転すると、くさび部材４０は、フランジ部１７の外周面に接していることにより、自転しつつ相対的に図５の反時計方向に移動し、くさび部材４０はくさび領域５２Ａに位置し、くさび部材４０は、図６に示されるように、くさび領域５２Ａの壁面とフランジ部１７の外周面２１との間にくさび状に食い込み、工具１６は工具クランプ装置２８に反時計方向に一体化し固定される。さらに、ねじ棒２４を回転させることによりねじ棒２４はねじ穴２２から外れ、工具１６はクランプ装置２８に把持されたまま主軸１８から外れる（図２の右半分の状態）。この際、工具クランプ装置２８は、ベローズ部材３０を介してアーム３２に支持されているので、軸方向に遊びを有する。よって、必ずしもねじのリードにあわせて工具クランプ装置２８を移動させる必要はない。また、本実施例においては、リテーナ４４の当接面４７に工具１６の基端面１９が当接しているので、工具１６が回転した際に例えくさび部材４０が工具１６のフランジ１７の外周面２１に接せず、空回りしたとしても、リテーナ４４の当接面４７と工具１６の基端面１９との間の摩擦によって、リテーナ４４が工具１６と一体となって周方向に回転し、くさび部材４０を移動させることができる。
【００２８】
以上の動作が工具ポット６６に装着されている工具に対しても同様にかつ同時に行われ、各クランプ装置によって主軸１８及び工具ポット６６に装着されていた工具が取り外される（図１参照）。この際、主軸側と工具ポート側でねじのリードが異なってもベローズ部材３０がこれを吸収する。
【００２９】
次に、アーム３２を、工具１６が主軸頭１４等に当たらない位置まで軸方向下方に移動させ、アーム軸５４を軸として１８０度回転させる。そして、ねじ棒２４及び６６の先端が工具１６のねじ穴２２に挿入するまで、アーム３２を軸方向上方に移動させる。
【００３０】
次に、ねじ棒２４及び６８をねじ穴２２に螺合する方向、すなわち右回りに回転させると、前述と同様にして工具１６は、連れ回りにより、時計方向に回転し、くさび部材４０は、反対側のくさび領域５２Ｂに位置し、くさび部材４０は、図７に示されるように、くさび領域５２Ｂの壁面とフランジ部１７の外周面２１との間にくさび状に食い込み、工具１６は工具クランプ装置２８に時計方向に一体化し固定される。ねじ棒２４、６８を更に回転することにより、工具は主軸、工具ポットに引き込まれる。この際、工具クランプ装置２８は、ベローズ部材３０を介してアーム３２に装着されているので、軸方向に遊びを有する。よって、工具クランプ装置２８を必ずしもねじのリードにあわせて移動させる必要はない。
【００３１】
ねじ棒２４、６８の回転を停止すると、くさび部材４０のくさび力が弱まり、クランプ装置２８を引き降ろすと、その際の衝撃で、又は自動的に、くさび部材４０は遊び領域５０に移動する。この遊び領域５０は、上述するように遊びを持ってくさび部材４０を収納するため、フランジ部１７との食い込みはなく、くさび部材４０の外周面がフランジ部１７の外周面２１に接するもののその作業を妨げるものではないので、スムーズにクランプ装置を工具から外すことができる。次に、主軸頭１４等に当たらない位置まで工具クランプ装置２８をさらに軸方向下方に移動させ、アーム３２を９０度回転させる。
【００３２】
以上のように、本実施例の工具交換装置１０は、外周面にキー溝等がない滑らかな面を有する高速回転に適した工具１６を自動交換することができる。
【００３３】
次に、本発明の第２実施例について図８に基づいて説明する。本発明の第２実施例に係る工具自動交換装置１０は、工具マガジン装置１２に、工具クランプ装置２８が設置されたものである。よって、この例では、工具ポットの工具引き込み用ねじ棒は不要であり、かつ工具クランプ装置２８を移動する工具クランプ移動装置３１を備えていない。また、この例では、主軸１８が軸方向及び幅方向に移動することにより、所定の工具ポットに対向し、工具１６の交換を行う。工具クランプ装置２８は、コイルばね７４を介して工具マガジン装置本体７６に設置されている。コイルばね７４も第１実施例のベローズ部材と同様に工具クランプ装置２８の軸方向及び半径方向への遊びを許容する。
【００３４】
以上のように、第２実施例に係る工具自動交換装置１０は、第１実施例と異なり、工具クランプ移動装置３１を備えていないので、第１実施例に比べて部品数を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る工具交換装置及びその工具マガジン装置、並びに工具交換装置が適用される工作機械の主軸頭の全体図
【図２】工具交換装置と主軸頭の正面断面図
【図３】工具クランプ装置の工具が挿入されていない状態の図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図
【図５】くさび部材が遊び領域に位置する状態図
【図６】くさび部材がくさび領域に位置する状態図
【図７】くさび部材がくさび領域に位置する状態図
【図８】本発明の第２実施例の状態図
【符号の説明】
１０  工具交換装置
１６  工具
１８  主軸
２１  工具の外周面
２８  クランプ装置
３４  保持穴
３８  保持穴の内周面
４０  くさび部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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