(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具主軸を回転自在に支持する主軸ヘッドを前記工具主軸の軸線と直交する方向に移動可能にベース上に案内する形式の工作機械において、両端に一対の工具把持部を有する交換アームが固定されたアーム軸をハウジングの一端から突出すると共にこのハウジング内に前記アーム軸を回転および軸方向移動させる駆動機構を内蔵する交換アーム装置と、多数の工具を取出し可能に貯蔵する工具マガジンと、この工具マガジン上の選択された一つの工具を前記工具主軸と平行で前記交換アームにより把持できる交換位置へ搬送し逆に工具主軸から前記交換アームにより取外された工具を前記交換位置で前記交換アームから受領して前記工具マガジンへ返却する中間搬送装置とを備え、前記アーム軸を前記工具主軸と平行としかつ前記交換アーム装置の前記ハウジングを前記交換位置にある前記主軸ヘッド上の前記工具主軸に対してその軸線方向の前方に位置させるように前記交換アーム装置を配置し、前記ベースには前記工具主軸の前方でワークを支持するワークサポートを前記主軸ヘッドの前記移動方向と直角でかつ前記工具主軸の軸線とも直角な方向に移動可能に案内し、前記交換アーム装置をそのハウジングが前記ワークサポートと並行関係となるように前記ベース上に配置し、前記ベースは上面部と上下方向に延出する垂直前面部とを有し、前記ベースの上面部には前記主軸ヘッドが前記工具主軸を水平に支持した状態で前記工具主軸の軸線と直角な水平の第１方向および前記工具主軸の軸線方向と一致する水平の第２方向に移動可能に案内され、前記ベースの垂直前面部には前記工具主軸の前方でワークを支持するワークサポートが前記第１および第２方向の何れにも直角な第３方向に上下動可能に案内され、前記交換アーム装置と前記工具マガジンを前記工具主軸の前方でかつ前記第１方向における前記ワークサポートの一側で並行配置したことを特徴とする自動工具交換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の工作機械における自動工具交換装置において、前記工具マガジンは前記複数の工具を前記工具主軸の前端に装着されている工具と平行かつ同一の向きに保持する複数の工具保持部を備え、これら工具保持部の各々は前記工作機械の前面側から工具を受入れると共にこの工具保持部を越えてこの工具保持部の背面側に取出し可能であり、前記中間搬送装置は前記工具を前記工具保持部の背面側から取出して前記交換アームが把持できる前記交換位置に搬送すると共に前記交換アームにより戻された工具を前記工具保持部の背面側から前記工具保持部に保持させるように構成されることを特徴とする自動工具交換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の工作機械における自動工具交換装置において、前記中間搬送装置は、前記工具を前記工具主軸への取付形態と同一形態で着脱可能に保持できる中間搬送ソケットと、この中間搬送ソケットを前記工具主軸の軸線と平行な水平方向に進退できる前後位置決機構と、この前後位置決機構を上下移動可能に支持する上下位置決機構と、この上下動位置決機構を前記工具主軸の軸線と直角な水平方向に左右送り可能に支持する左右位置決機構とを備え、この左右位置決め機構と前記上下位置決機構との協働により前記中間搬送ソケットを前記マガジン上の所望の工具と整列させると共に、前記前後位置決機構により前記中間搬送ソケットにこれと整列された工具を把持させると共にこの把持工具を前記交換アームの旋回面内に移送するようにしたことを特徴とする自動工具交換装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一に記載の工作機械における自動工具交換装置において、この自動工具交換装置は前記工具主軸と直角方向にある前記ベースに着脱可能に装架できる基板をさらに含み、この基板は前記交換アーム装置，前記工具マガジンおよび前記中間搬送装置を装架しており、前記基板を前記交換アームの前記アーム軸および前記工具マガジン上の多数の工具が前記工具主軸と平行になるような姿勢を保持して前記ベースに固着することにより、前記交換アーム装置，前記工具マガジンおよび前記中間搬送装置を単一ユニットとして前記工作機械に着脱できるようにしたことを特徴とする自動工具交換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークと対面する工具主軸の先端に複数の工具を選択的に装着する工作機械における自動工具交換装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
工作機械に使用される自動工具交換装置は交換時間を短縮するためにこれまで幾多の改良がなされてきた。この目的に沿う改良では、交換アームを駆動する駆動機構を例えば特開平５−１０４３７７号公報に記載されるようなカム機構を採用することにより、交換アームの進退動作と旋回動作を途切れのない連続運動として与えるようにして高速化を図っている。
【０００３】
前述の目的に沿う改良の他のアプローチは、旋回動作を高速化するために交換アームを短くすることによりなされ、特開平８−３９３８１号公報にその詳細が記述されている。この従来技術においては、工具交換がなされる時の新工具を保持するソケットと工具主軸との軸心間距離を接近させることにより、交換アームの短縮を可能としている。軸心間距離を接近させるため、同公報に開示の従来技術に置いては、交換アームを支持するアーム支持軸とカム式駆動機構により回転および軸方向移動されてこれらの運動をアーム支持軸に伝えるアーム駆動軸を上下方向に離間した位置で平行に配置し、工具交換時に主軸ヘッドと工具マガジンとの間に位置するアーム支持軸のサポート部の工具主軸とマガジンを結ぶ方向の幅を狭くし、これにより前記アーム駆動軸およびカム式駆動機構を内蔵するハウジング部が前記サポート部よりも広い従来通りの幅を取れるようにしている。
【０００４】
また、従来の一般的な自動工具交換装置においては、工具マガジンは複数の工具を工具主軸と平行または直角方向に向けた状態で機械後方の工具交換位置に在る主軸ヘッドの一側に並行配置されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開平８−３９３８１号公報に記載される従来の工具交換装置においては、アーム支持軸を支持する幅の狭いサポート部とアーム駆動軸およびカム式駆動機構を内蔵する幅の広い駆動部とを上下方向に離間する必要があり、この結果交換アーム装置の構成が複雑となり製造コストが上昇する。
【０００６】
従って、本発明の主たる目的は、構造が簡単な交換アーム装置でも交換アームを短くでき、これにより工具交換時間を短縮可能とすることである。
また、上述したように工具マガジンを機械の後方の交換位置に復帰した主軸ヘッドと並行配置するものでは、オペレータは工具マガジンに貯蔵する工具を変更する場合、機械の前面から機械の側面へ移動しなければならない。この欠点は、多数の工作機械が狭い間隔で並置されるような自動加工システムにおいては、工具マガジン上の工具を変更する場合、オペレータが隣接する機械間に入り込まなければならず、危険を伴う。またこのような自動加工システムにおいて各工作機械の工具マガジンへ工具を供給する機構付きの自走台車が多数の機械の前面を走行するようにされる場合では、自走台車の走行経路が複雑になるばかりでなく工具供給機構の構成も複雑となる。
【０００７】
従って、本発明の他の目的は、機械の前面側からオペレータまたは自走台車上の工具供給機構が工具マガジンへ工具を取付けあるいは取外しできるようにした工具交換装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した従来装置の課題および本発明の目的は、下記のように構成される手段により解決される。請求項１に係わる自動工具交換装置においては、工具主軸を回転自在に支持する主軸ヘッドを前記工具主軸の軸線と直交する方向に移動可能にベース上に案内する形式の工作機械において、両端に一対の工具把持部を有する交換アームが固定されたアーム軸をハウジングの一端から突出すると共にこのハウジング内に前記アーム軸を回転および軸方向移動させる駆動機構を内蔵する交換アーム装置と、多数の工具を取出し可能に貯蔵する工具マガジンと、この工具マガジン上の選択された一つの工具を前記工具主軸と平行で前記交換アームにより把持できる交換位置へ搬送し逆に工具主軸から前記交換アームにより取外された工具を前記交換位置で前記交換アームから受領して前記工具マガジンへ返却する中間搬送装置とを備え、前記アーム軸を前記工具主軸と平行としかつ前記交換アーム装置の前記ハウジングを前記交換位置にある前記主軸ヘッド上の前記工具主軸に対してその軸線方向の前方に位置させるように前記交換アーム装置を配置し、前記ベースには前記工具主軸の前方でワークを支持するワークサポートを前記主軸ヘッドの前記移動方向と直角でかつ前記工具主軸の軸線とも直角な方向に移動可能に案内し、前記交換アーム装置をそのハウジングが前記ワークサポートと並行関係となるように前記ベース上に配置し、前記ベースは上面部と上下方向に延出する垂直前面部とを有し、前記ベースの上面部には前記主軸ヘッドが前記工具主軸を水平に支持した状態で前記工具主軸の軸線と直角な水平の第１方向および前記工具主軸の軸線方向と一致する水平の第２方向に移動可能に案内され、前記ベースの垂直前面部には前記工具主軸の前方でワークを支持するワークサポートが前記第１および第２方向の何れにも直角な第３方向に上下動可能に案内され、前記交換アーム装置と前記工具マガジンを前記工具主軸の前方でかつ前記第１方向における前記ワークサポートの一側で並行配置する。
【０００９】
この構成によれば、駆動機構を内蔵するハウジングが交換位置に在る工具主軸の前方に位置されるので、交換位置に在る工具主軸上の工具と前記中間搬送装置上の工具との軸心間距離を短縮でき、この結果高速旋回できる短い交換アームの使用が可能となる。
また、ワークサポートと交換アーム装置との間には常時加工動作の妨げとならない所定の間隔が維持され、ワークサポート上に交換アーム装置を設置する場合の弊害が排除される。
さらに、自動工具交換装置を含めた機械全体の背丈が低くなり、大量生産工場現場での良好な配置見通しを確保できる。また、工具マガジンがワークサポートと並行で工作機械の前面側に配置されるので、工具マガジンへ新たに貯蔵する工具の供給および使用済工具の取出しは工作機械の前面側から行うことができる。
【００１２】
請求項２に係わる自動工具交換装置においては、工具マガジンには複数の工具を工具主軸の前端に装着されている工具と平行かつ同一の向きに保持させ、工具マガジンの背面側から工具を取出しあるいは返却できるように中間搬送装置を構成する。この構成により、従来装置のように工具マガジンの前面側から工具の取出し／返却させるように中間搬送装置を構成しなくてもよいので、機械の前面側に設けた工具マガジンと搬送アームが旋回する面内にある機械の後方の交換位置との間で工具を搬送する中間搬送装置の構成が簡素化される。
【００１３】
また、請求項３に係わる自動工具交換装置においては、工具を工具主軸への取付形態と同一形態で着脱可能に保持できるソケットを中間搬送装置に設け、機械の左右方向にソケットを移動する左右位置決機構上にソケットを上下移動する上下位置決機構を積層し、さらに、工具マガジン側の位置と機械の後方の交換アームの旋回面内にある交換位置との間でソケットを前後移動する前後位置決機構を前記上下位置決機構上に積層して中間搬送装置を構成する。
【００１４】
この構成によれば、中間搬送装置の取付けは左右位置決機構のみをその支持部材に取付けることにより行えるので簡単となり、また、機械の左右方向に幅の狭い工具マガジンに組合わせて中間搬送装置を使用する場合、ソケットを移動する距離が短い位置決機構の順に積層されるようにしたので、各位置決機構の運動が円滑となる。
【００１５】
さらに、請求項４に係わる自動工具交換装置においては、この交換装置を構成する交換アーム装置，工具マガジンおよび中間搬送装置を単一の基板に固定して交換装置全体を単一のユニットとして構成する。これにより、組付け時における工作機械本体と工具交換装置との相対的位置合わせは工作機械本体に対して基板を位置合わせするのみで簡単となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明による自動工具交換装置を備えた工作機械の平面図，正面図および右側面図をそれぞれ示す図１，図２および図３において、１０は機械本体ＭＴＢのベースを示し、このベース１０は、後述する可動体を案内する前後方向に若干長い直方体状のブロック部と、工作機械に附属される補助機器を載置するために前記ブロック部の図１における右側に一体形成され図３で最も良く理解できるように後部から前部にかけて階段状に順次高さが低くなる補器取付部１０ｃからなる。補助機器を床面設置とする別置形態の場合では、補器取付部１０ｃは不要である。従って、以下の説明においては、特に補器取付部１０ｃと言及しない限り、前記ブロック部を単にベース１０と称する。
【００１７】
前記ベース１０の上面部１０ａには、機械の前後方向であるＺ方向に離間した位置でこのＺ方向と直交する水平のＸ方向に延びる一対のガイドレール１１が固定されている。Ｘ軸スライド１２は前記ガイドレール１１上を走行するベアリングブロック１３ａ〜１３ｄを下面に固定し、前記ガイドレール１１に沿ってＸ方向に移動可能に案内されている。ベース１０上に固設したサーボモータ１４は、送りネジ１５およびＸ軸スライド１２の下面に固着したナット１５ａ（図４参照）を介して、Ｘ軸スライド１２を水平のＸ方向に移動する。
【００１８】
Ｘ軸スライド１２上にはガイドレール１１と直交する水平のＺ方向に延びる一対のガイドレール１８がＸ方向に離間して固定され、主軸ヘッド２０はその下面の４隅に固着したベアリングブロック１９ａ〜１９ｄを介してガイドレール１８上を走行可能である。図３に示されるように、サーボモータ２１は、ガイドレール１８の間においてＸ軸スライド１２上に固定され、図略の送りネジおよび主軸ヘッド２０の下面に固定されたナット２３を介して、主軸ヘッド２０をＺ方向に移動する。
【００１９】
主軸ヘッド２０は、一対のガイドレール１８の中間位置において工具主軸２５をＺ方向に延びる水平軸線の周りに回転自在に支持している。工具主軸２５の先端には、図７に示される工具Ｔのテーパ状のシャンクＴｓを着脱可能に受容し固定する図略の工具受入穴およびクランプ機構が設けられている。工具主軸２５の先端部を包囲および軸受する主軸ハウジング２６は、概ね円筒状の外周形状をなし、このハウジング２６の外周を所定の環状空間を有して包囲する切屑回収用の固定カバー２７が主軸ヘッド２０に固定されている。固定カバー２７内にはこれに対してテレスコピックに伸縮する可動カバー２８が設けられ、主軸ヘッド２０上に載置固定したサーボモータ２９により、図略の送りネジおよびナット機構を介して、可動カバー２８の伸縮位置を制御可能である。公知のエアー給送器３０は、カバー２７，２８内に負圧を発生して切屑を吸引し、フレキシブル管路３１を介して工作機械の後部に設置した集塵機３２へ給送するために、主軸ヘッド２０上に設置されている。
【００２０】
図４に示すように、ベース１０は、その横方向（Ｘ方向）の中央部において上面と直角な垂直前面部１０ｂが形成されている。この垂直前面部１０ｂには、Ｘ方向に離間した左右位置で上下１対をなす計４個のベアリングブロック３５ａ〜３５ｄが固設され、これにより左右一対のガイドレール３６が上下方向であるＹ方向に案内されている。左右一対のガイドレール３６は、ワークサポート本体３７の前記垂直前面部１０ｂと対向する面に固着されている。一対のガイドレール３６は、ベース１０の熱変形による影響を最小とするために、主軸ヘッド２０がベース１０の上面部１０ａにおける左右（Ｘ）方向の中央位置に位置決めされる状態において、工具主軸２５の水平軸線を含む垂直面に関して対称位置となるように配置されている。
【００２１】
ワークサポート本体３７の前記ガイドレール３６取付面と反対の前面部には、ナット３８が固定され、これに螺合する送りネジ３９が減速機付サーボモータ４０により回転される。このモータ４０は、アーチ状のブラケット４１のトップ部に固定され、このブラケット４１の両端脚部がベース１０の垂直前面部１０ｂに固定されている。モータ４０が駆動される時、ワークサポート本体３７がＹ方向に移動され、このワークサポート本体３７と共に上下動するワークＷは、ベース１０の上面部１０ｂで直交するＸおよびＺ方向に水平移動する工具主軸２５上の工具Ｔに対して相対的に直交３次元方向に位置決めされる。
【００２２】
ワークサポート本体３７の上端部は外周円筒状のカップ部３７ａが形成され、その円筒空間内に第１割出機構４４が内蔵されている。この割出機構４４は、円筒空間内にこれと同心にＬ字状の第１割出体４５の下面から垂下する中空軸４５ａと、中空軸４５を垂直軸線４７の周りに旋回割出し可能に支持する軸受４６と、この軸受４６の下方においてカップ部３７ａ内面に固定のステータコイルおよび中空軸４５ａ外周に固定のローターからなる割出用のビルトインサーボモータ４８とを含む。軸受４６の上位で中空軸４５ａの外周に締まり嵌め常態にある締付リング４９は、液圧が導入される時のみその内周を拡径してモータ４８による第１割出体４５の旋回割出し動作を許容するように構成されている。
【００２３】
Ｌ字状第１割出体４５の偏心垂直部４５ｂは、第１割出体４５の垂直旋回軸線４７と同一の垂直面内で直交する水平軸線５２の周りで旋回割出可能な円盤状の第２割出体５３を内蔵している。また、垂直部４５ｂは、第２割出体５３を旋回割出しおよび位置決めするために、第１割出機構４４と類似構成の第２割出機構５４を内蔵している。Ｔ字状のクランパ５５は、その中心の水平軸部が第２割出体５３の円筒軸部に内蔵した液圧シリンダ５６と結合され、このシリンダ５６によりクランプ位置とアンクランプ位置に位置決めされる。
【００２４】
ワークＷを取付るパレットＰは、クランパ５５がその長手方向をＸ方向に水平にした状態でアンクランプ位置にある時そのＴスロット内にクランパ５５を挿入してクランパ５５に支持され、クランパ５５のクランプ位置ではその底面が第２旋回体５３上の図略のシート片に着座されてクランプされる。従って、第１割出機構４４および第２割出機構５４の動作を適宜組み合わせることにより、パレットＰへの取付面を除くワークＷの全ての面および箇所を工具主軸２５に取り付けた工具Ｔに向けて加工することができる。
【００２５】
第１割出機構４４の中空軸４５ａ内の軸方向円筒空間には、第２割出機構５４のビルトインモータへの給電線（図略）や第１および第２割出機構４４，５４の締付リング４９の拡径液圧室（図略）への供給管路（図略）、更には、クランパ５５作動用の液圧シリンダ５６への供排管路（図略）が通過している。これら給電線および管路は、ワークサポート本体３７の側面に開口する図略の取出口から外部へ取り出され垂下されるが、サポート本体３７が上下運動のみ遂行するので、水平移動部材から給電線および管路を取り出す場合に往々にして起こりうる固定部との摺接による給電線および管路の損傷を解消できる利点がある。
【００２６】
ベース１０の前記垂直前面１０ｂの左右方向両側は、左端面部１０ｇを除いて、ベース１０の上面から下面に向かって傾斜面１０ｓが形成されている。また、ベース１０の前側上部で垂直前面部１０ｂの中央を前後方向に通るブリッジ部１０ｊの両側面は、上部から下方に向かうにつれて左右方向に広がるように傾斜して前記傾斜面１０ｓに相関接合している。
【００２７】
前記ベース１０の前面は、図１から理解されるように、前記ワークサポート本体３７のカップ部３７ａの中心を通って左右方向に横切る接合面１０ｔが形成されている。より詳しくは、この接合面１０ｔは、カップ部３７の左側においては、左端面部１０ｇ、カップ部３７ａの左側にある前記ブリッジ部１０ｊの斜面およびこれら間にあるベース１０の水平底部１０ｕの各最前面を含み、またカッブ部３７ａの右側においては、カップ部３７ａの右側にあるブリッジ部１０ｊの最前端面および傾斜部１０ｓの下端にある水平底部１０ｕの各最前端面を含む。
【００２８】
ベース１０にはフロント部材６０が前記接合面１０ｔと突き合わせ形態で接合されるように図略の複数のボルトにより着脱自在に固定されている。詳述すれば、フロント部材６０は、ベース１０の左端面部１０ｇ，左側の傾斜部１０ｓ，この傾斜部の下端に延びる水平底部１０ｕ，中央ブリッジ部１０ｊ，右側傾斜部，この傾斜部の下端に延びる水平底部１０ｕにそれぞれ対応し面接する部分を有する。これにより、中央ブリッジ部１０ｊの左右両側の各々には、図４で見るときＶ字状をなす切屑収集空間ＣＰが形成されている。
【００２９】
各切屑収集空間ＣＰのベース１０側の狭い底部には切屑吸入口６２が開口しており、この切屑吸入口６２はベース１０内の下部において前後方向に延びる切屑搬送通路６３に通じている。この搬送通路６３は、ベース１０の後部に導かれ、これから図略の管路を介して集塵機３２に通じている。各搬送通路６３の前記吸入口６２の近辺には、公知のエアー給送器６４が設けられ、この給送器６４は圧縮空気を後部側に噴出することにより、切屑収集空間ＣＰの底部に落下する切屑を搬送通路６３内へ吸引するようになっている。
【００３０】
図４に示すように、ベース１０の中央ブリッジ部１０ｊおよびこれに対応するフロント部材６０の中央ブリッジ部６０ｊはワークサポート本体３７のカップ部３７ａ外周を微小隙間を有して包囲しており、これらの上端円周部にはリング状のシール保持環６７が固着され、この保持環６７の上端内周部にカップ部３７ａの外周にそのリップ部が摺接するゴム等の弾性材料からなるシール部材（符号省略）が保持されている。このように、シール部を円形とすることにより、ワークサポート本体３７の案内機構部および送り機構部への切屑の進入を確実にしている。
【００３１】
次に、図３および図５〜図７を参照して自動工具交換装置ＡＴＣについて説明する。工具交換装置ＡＴＣは、主として交換アーム装置８０、工具マガジン９０および中間搬送装置１００とで構成され、これらは上述した構成の機械本体ＭＴＢとは別にユニット基板７１に装架して組み立てられて単一ユニットとして完成される。交換装置ＡＴＣは、ユニット基板７１をベース１０およびフロント部材６０の右側面に複数のボルト７２により固定することにより機械本体ＭＴＢと結合される。添付図は交換装置ＡＴＣを機械本体ＭＴＢに組み付けた状態を示し、以下この組み付け状態において、交換装置ＡＴＣを詳細に説明する。
【００３２】
ユニット基板７１は、前述の中央ブリッジ部１０ｊ，６０ｊの右側に形成される切屑収集用のＶ字状空間ＣＰの右端面を定義する部材としても機能する。図５に示すように、ユニット基板７１の左側面には交換アーム装置８０がそのアーム軸８１を工具主軸２５と平行にして固設されている。アーム軸８１は、交換アーム装置８０のハウジング８２内で旋回および軸方向移動可能に支持され、ハウジング８２の前端に固定されたサーボモータ８５により駆動されるハウジング８２内蔵ののカム式駆動機構８７により旋回および軸方向移動される。アーム軸８１のハウジング８２後端面から突出する先端には、径方向の両端部に一対の工具把持部８３ａ（図２参照）を有する交換アーム８３の中央部が固着されている。
【００３３】
前記カム式駆動機構８７は、例えば前述した特開平５−１０４３７７号公報に開示されるような公知のもので、モータ８５により回転されるグロボイダルカム８７ａと、このカムの外周カム溝に係合して旋回されアーム軸８１とスプライン係合して直接回転を伝達するスパイダ部材８７ｂと、グロボイダルカム８７ａの側面に形成されたカムウエイに係合して揺動されアーム軸８１を回転と同調して軸方向移動する一対のリンク要素８７ｃとからなる。
【００３４】
カム機構により駆動される交換アーム８３の交換動作は、図５に示す原位置の起立状態において工具交換指令が数値制御装置ＮＣ（図３参照）から与えられる時、アーム８３が図２において約６０度反時計方向に旋回し、工具主軸２５上の使用済工具Ｔと図５の交換位置にある中間搬送ソケット１０１上の次期使用工具Ｔとを同時に把持し、アーム軸８１の前進により両工具を工具主軸２５，ソケット１０１から抜き出し、その後１８０度さらに旋回して両工具Ｔの位置を入れ換えてから、両工具を工具主軸２５，ソケット１０１に挿入し、その後約６０度時計方向（図２）に逆転して図示の原位置に復帰させることからなる。
【００３５】
ここで、アーム８３の交換動作自体は周知であるが、この交換装置８０においては、原位置状態でアーム軸８１がハウジング８２から工作機械の後方へ進出させている。テレスコピックなカバー装置８４は、ハウジング８２に固定した固定カバー８４ａとアーム軸８１と共に進退する可動カバー８４ｂを含み、アーム軸８１が切屑により汚染されることを防止するようにアーム軸８１のハウジング８２の後端から突出する部分を包囲している。
【００３６】
アーム軸８１駆動用カム機構８７を内蔵するハウジング８２を主軸ヘッド２０の前方に固定配置することにより、左右方向（Ｘ方向）において主軸ヘッド２０を交換アーム装置８０へより接近させることができる。つまり、
主軸ヘッド２０の交換位置は、図２及び図５より明らかなように、交換アーム装置８０のハウジング８２に対しＺ軸方向にオーバラップする位置まで交換アーム装置８０に接近させることができる。これにより、主軸ヘッド２０が図５に示す交換位置に位置決めされた状態における工具主軸２５とアーム軸８１間の距離Ｌを短くでき、この結果、交換アーム装置８０を主軸ヘッド２０と並行配置する場合に比べて、交換アーム８３の長さを短縮できる。このことは、交換アーム８３の回転速度を高めて工具交換時間を短縮することに寄与する。
【００３７】
工具マガジン９０および中間搬送装置１００は、ユニット基板７１の右側面で上下に離間して固定された一対の筐体９１ａ，９１ｂを共通の取付ベースとしている。交換アーム装置８０の取付面と反対のユニット基板７１の面で工具マガジン９０および中間搬送装置１００を取付けることにより、一方において交換アーム装置８０を主軸ヘッド２０側に接近させることができ、他方において工具マガジンおよび中間搬送装置１００が切屑から隔絶できる利点が達成される。
【００３８】
工具マガジン９０は、ユニット基板７１の右端面と直交状態でその上下端部が筐体９１ａ，９１ｂにボルト９２締めされた板部材９３で構成される。図２のように、板部材９３は複数の工具Ｔを前述したアーム軸８１と並行にそれぞれ貯蔵する左右２列の複数の工具保持穴９４を有する。各保持穴９４は、図６および図７に拡大図示されるように、逆さのダルマ穴として形成され、上位の大穴部９４ａの径は上述した工作機械で使用される全ての工具Ｔの最大径より若干大きく設定されており、一方、下位の小穴部９４ｂの径は各工具Ｔのホルダ部の工具把持溝部Ｔｍの寸法に対応して設定されている。
【００３９】
小穴部９４ｂの最下方位置には、マガジン９０の後面側からスロットが形成され、これにキー９５が嵌合されている。このキー９５はマガジン９０の前面から挿通されたビス９６により不動に固定されている。キー９５は各工具Ｔの把持部に径方向に対照的に設けたキーウエイＴｋと嵌合してマガジン９０に貯蔵される工具Ｔを所定の角度位相に保持する。
【００４０】
各工具保持穴９４の大穴部９４ａは、工具Ｔを軸方向に挿通できるようにしている。これにより、各工具Ｔは機械の前面（図３における左側）から挿入されて保持穴９４に保持され、中間搬送装置１００により把持されてマガジン９０の背面側に抜取られ、逆に中間搬送装置１００によりマガジン９０の背面側から保持穴９４に戻された工具をマガジン９０の前面側から抜取ることが可能である。
【００４１】
工作機械の前面側からマガジン９０に工具Ｔを貯蔵し或いは取外しできる利点は、上述した工作機械を図１の左右方向に複数隣接して配置しこれにより各工作機械の左右両側への作業者の接近性が損なわれる場合や、複数の工作機械の前面側に沿って工具配給用の自走車が走行する自動工具供給システムを採用する場合において、特に有利となる。
【００４２】
中間搬送装置１００は、中間ソケット１０１をＸ，ＹおよびＺ方向にそれぞれ位置決めする左右位置決機構１０２，上下位置決機構１０３および前後位置決機構１０４により主として構成される。左右位置決機構１０２は、上下の筐体９１ａ，９１ｂの背面においてマガジン９０と平行に水平に固定された上下のガイドレール１０６ａ，１０６ｂを含み、これらレール１０６ａ，１０６ｂ上を走行するガイドブロック１０７ａ，１０７ｂは、垂直方向に延びる上下ガイド杆１０８の上下端を固定支持する上下ブラケット１０９ａ，１０９ｂを一体に固定している。
【００４３】
図５に示すように、上部筐体９１ａは、ガイドレール１０６ａと平行にサーボモータ１１１を設置するとともに、送りネジ１１２の両端部を回転のみ自在に支持している。モータ１１１と送りネジ１１２は、プリーにタイミングベルトを巻装した回転伝達機構１１３により連絡されており、送りネジ１１２は上ブラケット１０９ａを固着したナット１１４を螺合している。従って、サーボモータ１１１を制御することにより、上下ガイド杆１０８を左右方向に割出し、このガイド杆１０８と左右方向は一体的に移動する中間搬送ソケット１０１を、マガジン９０上の工具保持穴９４の何れかの列に整合できる。
【００４４】
上下ガイド杆１０８は、上下位置決機構１０３を構成し、ブラケット１０９ａ，１０９ｂに両端が固定支持されたＣ字状断面の枠部材と、この枠部材内で滑走自在な滑走ピースと、枠部材の上端で回転のみ自在に支持され滑走ピースの中心に螺合する送りネジとからなる。枠部材の上端にはハウジング１１５の一端部が固着され、このハウジング１１５のオーバハングする他端部の下面にサーボモータ１１６が装架されている。ハウジング１１５は、タイミングベルトと一対のプーリーからなる回転伝達機構１１７を内蔵している。
【００４５】
上下ガイド杆１０８の滑走ピースは、前後位置決機構１０４を構成する前後ガイド杆１２０をアーム軸８１と平行な水平状態で固定している。この前後ガイド杆１２０は、その一部を破断して明示するように、前述の上下ガイド杆１０８と同様に、断面Ｃ字状枠部材１２０ａ，滑走ピース１２０ｂおよび送りネジ１２０ｃからなる。枠部材１２０ａの後端に送りネジ１２０ｃを回転するサーボモータ１２１が装架されている。
【００４６】
滑走ピース１２０ｂはソケットホルダ１２２を固着しており、このホルダ１２２には中間搬送ソケット１０１が交換アーム軸８１と平行な軸線の周りで旋回可能に支持されている。中間搬送ソケット１０１は、工具Ｔのテーパ部Ｔｓ（図７参照）を受容する図略のテーパ穴が形成されると共に図略のボールデタント機構を内蔵し、テーパ部Ｔｓで内外面を貫通する長窓Ｔｗにボールデタント機構を係合して工具Ｔを確実に保持できる。
【００４７】
前後ガイド杆１２０は、サーボモータ１１６の動作により上下動され、中間搬送ソケット１０１を工具マガジン９０の所望の一つの工具保持穴９４の小穴部９４ｂ或いは大穴部９４ａと同心高さ位置に位置決めできる。また、前後ガイド杆１２０は、サーボモータ１２１の動作により、中間搬送ソケット１０１を図５に示す交換位置，工具マガジン９０に保持される工具Ｔのテーパ部Ｔｓに嵌合する取出位置およびこの取出位置から前記テーパ部Ｔｓの長さよりも若干更に後退した割出位置の３位置へ位置決めできる。
【００４８】
前後ガイド杆１２０の枠部材１２０ｃの上面にはこれと平行に横長カムプレート１２５が留金１２６にて取付されている。カムプレート１２５は図３に示されるようにカム溝１２５ａが開口されており、このカム溝１２５ａはその長手方向位置が進むにつれて高さ位置が変化している。このカム溝１２５ａには、中間搬送ソケット１０１から径方向外方に突出するレバー１２８の球状ボスが案内されている。中間搬送ソケット１０１は、前述の取出位置と交換位置との間で移動される間、カム溝１２５ａに沿ってレバー１２８を揺動し、自身で保持した工具ＴのキーウエイＴｋの回転角度位相を変更する。
【００４９】
次に、上記のように構成された実施の形態の動作を説明する。
図示の原位置状態においては、主軸ヘッド２０はＸ方向の右端に定義される交換位置にあり、交換アーム装置８０により取り付けられた新工具Ｔを工具主軸２５の先端に保持固定している。ワークサポート本体３７は上昇端位置にあり、第１割出体４５はクランパ５５を工具主軸２５側に向けており、さらに、第２割出体５３はクランパ５５をアンクランプ状態でその長手方向をＸ方向に向けている。
【００５０】
今、加工すべきワークＷを取り付けたパレットＰがＸ方向に移動する図略のローダ装置によりクランパ５５に係合されると、数値制御装置ＮＣの制御下で加工動作が以下のようにして実行される。
先ず、クランプシリンダ５６の動作によりパレットＰが第２割出体５３上に着座クランプされ、続いて工具主軸２５が図略のビルトインモータにより回転されると同時に、主軸ヘッド２０がサーボモータ１４により図１において左方向に送られてワークＷの正面にもたらされ、サーボモータ２１の動作によりワークＷに向かって前進される。
【００５１】
一方、ワークサポート本体３７がサーボモータ４０の動作により下降され、第１割出体４５が第１割出機構４４により割出されると共に第２割出体５３が第２割出機構５４により割出されてワークＷの所望の加工部位を工具Ｔに向ける。これら第１および第２割出機構４４，５４を適宜動作することによりパレットＰへの取付面以外の全ての面（ワークＷが直角６面体の場合は５面）を所望の角度で選択的に工具Ｔに向け、主軸ヘッド２０の水平なＸ−Ｚ平面内での任意位置への位置決めとワークサポート本体３７の上下方向の任意位置への組み合わせにより、ワークＷには所望の加工部位に所望の加工が施される。
【００５２】
ここにおいて、ワークサポート本体３７は大略直方体状ベース１０の左右方向の略中央位置に設けられているので、Ｘ軸スライド１２および主軸ヘッド２０は加工動作中においてベース１０の左右（Ｘ）方向の略中央近辺に位置される。さらに、ワークサポート本体３７の一対のガイドレール３６は、Ｘ方向の中央に位置される工具主軸２５の軸線を含む垂直面に関して対称的に配置されているので、Ｘ軸スライド１２，主軸ヘッド２０およびワークサポート本体３７の左右方向（Ｘ方向）における案内部位は、ワークＷの加工動作中において工具主軸１０に対し対象位置をとり、加工抵抗に対して強固に持ちこたえる。このため、ベース１０の熱変形による加工精度への悪影響は最小に止められる。
【００５３】
上述した加工動作により生起される切屑は、第１割出体４５の両側に配置されるＶ字状の切屑収集空間ＣＰの底部１０ｕに自然落下し、この底部１０ｕに開口する回収口６２から吸引されて搬送通路６３を通ってベース１０の後方まで空気搬送され、さらに図略の管路を経て集塵機３２まで運ばれる。
工具主軸２５上の工具Ｔによる加工が完了すると、主軸ヘッド２０は図１に示す交換位置へ復帰される。この時、中間搬送ソケット１０１は、アーム軸８１の軸線に関して工具主軸２５の軸線と点対象でかつ図５のように最も後退した交換位置に位置決めされた状態で次に使用する工具Ｔを保持している。主軸ヘッド２０の交換位置への復帰完了と同時に、交換アーム装置８０のサーボモータ８５が動作され、同装置のハウジング８２内に内蔵したカム式駆動機構８７が動作される。
【００５４】
アーム軸８１は、図２において反時計方向に約６０度旋回して交換アーム８３の両端把持部８３ａで工具主軸２５および中間搬送ソケット１０１上の工具Ｔを同時に把持し、次にハウジング８２に向かって所定距離前進して両工具Ｔを抜取り、さらに同方向に１８０度回転した後前記所定距離後退して相互位置を入れ換えた両工具Ｔを工具主軸２５および中間搬送ソケット１０１内へ挿入する。工具主軸２５に内蔵の工具クランプ機構（図略）は、アーム軸８１の６０度旋回完了と同時に工具Ｔを釈放し、アーム軸８１の後退動作の完了と同時に工具を工具主軸２５に対しクランプする。
【００５５】
アーム軸８１がその後約６０度時計方向旋回して交換アーム８３が図２の起立位置へ復帰すると、主軸ヘッド２０は新工具Ｔによる加工動作のために、前述したようにワークＷと対向する加工位置に向い左方へ送られる。
これと並行して、中間搬送装置１００が動作される。先ず、左右位置決機構１０２および上下位置決機構１０３のサーボモータ１１１と１１６が同時に起動され、中間搬送ソケット１０１はそれに保持した使用済工具Ｔを戻すべき空状態の工具保持穴９４の大穴部９４ａと同心に整列される。この後、前後位置決機構１０４のサーボモータ１２１が起動され、中間ソケット１０１を最前方の取出位置へ進める。この前進動作の間、レーバー１２８がカムプレート１２５のカム溝１２５ａに沿って案内される結果中間搬送ソケット１０１がソケットホルダ１２２上で所定角度旋回され、前記取出位置到達時には工具ＴのキーウエイＴｋが直下に向けられる。
この状態において、上下位置決め機構１０３のサーボモータ１１６は、中間搬送ソケット１０１上の工具Ｔの把持溝Ｔｍを工具保持穴９４の小穴部９４ｂの円弧状鍔部９４ｃに係合して工具Ｔを工具マガジン９０上に着座させるように、前後ガイド杆１２０を下降させる。この下降距離は、大穴部９４ａと小穴部９４ｂの中心間距離と等しい。
【００５６】
続いて、前後位置決機構１０４のサーボモータ１２１が中間搬送ソケット１０１を取出位置から所定距離後退して工具Ｔから離脱する割出位置に復帰する。この復帰動作後、左右位置決機構１０２と上下位置決機構１０３の何れか又は両方が動作されて空状態の中間ソケット１０１を工具マガジン９０上の次に使用すべき工具Ｔと同心に整列させ、この後中間搬送ソケット１０１が割出位置から取出位置へ前進して次に使用すべき工具Ｔを受容保持するように前後位置決機構１０４が動作される。
【００５７】
中間搬送ソケット１０１に受容保持された次に使用すべき工具Ｔは、その後、上下位置決機構１０３により工具保持穴９４の大小穴ピッチ間距離だけ上昇されて工具マガジン９０から中間搬送ソケット１０１へ移される。さらに、中間搬送ソケット１０１は、前後位置決機構１０４により最後方位置まで後退され、上下位置決機構１０３と左右位置決機構１０２の何れか一方又は両方により図５に示す交換位置へ復帰されて交換アーム装置８０の次期動作まで待機し、これにより一連の工具交換動作サイクルが終了する。
【００５８】
図８は工具マガジン９０の他の実施の態様を示し、この形態の工具マガジン９００は、梯子状とし、複数の横桁９０１の各々の上部に前述の形態における小穴部に相当する工具把持部９４ｂを形成してなるもので、上下隣合う横桁９０１間のスペースが工具Ｔの取り出しのための空間として設定される。
上記した実施の態様においては、工具交換ユニットＡＴＣは、機械本体ＭＴＢの前部側面に直接取付ける構成としているが、機械本体ＭＴＢのベース１０とは切り離した別置タイプとしてもよい。この場合、フロント部材６０は、右側の切屑収集空間ＣＰの右端面を被う側面を有する略左右対称となるように形成される。
【００５９】
上述した実施の態様の自動工具交換装置ＡＴＣは、水平な工具主軸を有する横形工作機械への適用が好ましいが、垂直な工具主軸を有する縦形工作機械にも適用可能である。この場合、工具マガジン９０に垂直工具主軸と平行に工具Ｔを確実に保持するため、工具マガジン９０の各工具把持部９４ｂにはそれと径方向に対向する部位に進退する保持手段を設けることが望ましい。
【００６０】
【発明の効果】
上述したように、請求項１に係わる発明によれば、交換アームをハウジングの一端から突出するアーム軸に固定する形式の交換アーム装置を使用し、前記ハウジングを交換位置にある主軸ヘッド上の工具主軸に対してその軸線方向の前方に位置させるように前記交換アーム装置を配置したので、交換位置に在る工具主軸上の工具と前記中間搬送装置上の工具との軸心間距離を短縮でき、この結果高速旋回できる短い交換アームの使用が可能となる。
また、ワークサポートと交換アーム装置のハウジングが並行関係となるように交換アーム装置をベース上に固定配置したので、ワークサポートと交換アーム装置との間には常時加工動作の妨げとならない所定の間隔が維持され、ワークサポート上に交換アーム装置を設置する場合の弊害が排除される。
さらに、上下動可能にベースの垂直前面部に案内されたワークサポートの左右方向の一側において、交換アーム装置のハウジングと工具マガジンを工具主軸の前方位置に並行配置したので、自動工具交換装置を含めた機械全体の背丈を低くできるとともに、工具マガジンを工作機械の前面側に配置したので、工具マガジンへ新たに貯蔵する工具の供給および使用済工具の取出しは工作機械の前面側から行うことができる。
【００６３】
請求項２に係わる発明によれば、工具マガジンの背面側から工具を取出しあるいは返却できるように中間搬送機構を構成したので、中間搬送機構の構成が簡素化される。また、請求項３に係わる発明によれば、機械の左右方向にソケットを移動する左右位置決機構上にソケットを上下移動する上下位置決機構を積層し、ソケットを前後移動する前後位置決機構を前記上下位置決機構上に積層して中間搬送機構を構成したので、中間搬送機構の取付けが簡単となり、また、ソケットを移動する距離が短い位置決機構の順に積層されるようにしたので、ソケットを移動する各位置決機構の運動が円滑となる。
【００６４】
さらに、請求項４に係わる発明によれば、工具交換装置を構成する交換アーム装置，工具マガジンおよび中間搬送装置を単一の基板に固定して交換装置全体を単一のユニットとして構成したので、組付け時における工作機械本体と工具交換装置との相対的位置合わせは工作機械本体に対して基板を位置合わせするのみで簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である工作機械の平面図。
【図２】前記工作機械の正面図。
【図３】前記工作機械の右側面図。
【図４】図１におけるＡ−Ａ線矢視方向の要部縦断面の拡大図。
【図５】図１における工具交換ユニットの一部を破断して示す拡大平面図。
【図６】工具マガジンの一部正面を拡大して示す拡大正面図。
【図７】図６におけるＢ−Ｂ断面図。
【図８】他の実施の態様における工具マガシンの一部拡大正面図。
【符号の説明】
ＭＴＢ・・・機械本体
１０・・・ベース
１０ａ・・・上面部
１０ｂ・・・垂直前面部
１０ｓ・・・傾斜部
１１・・・ガイドレール（第１案内機構）
１２・・・Ｘ軸スライド
１４・・・サーボモータ（第１送り機構）
１８・・・ガイドレール（第２案内機構）
２０・・・主軸ヘッド
２１・・・サーボモータ（第２送り機構）
２５・・・工具主軸
Ｔ・・・・工具
３５ａ〜ｄ・・・ベアリングブロック
３６・・・ガイドレール（第３案内機構）
３７・・・ワークサポート本体
３９・・・送りネジ
４０・・・サーボモータ（第３送り機構）
３７ａ・・・カップ部
４４・・・第１割出機構
４５・・・第１割出体
５３・・・第２割出体（ワーク支持機構）
５４・・・第２割出機構
５５・・・クランパ
Ｐ・・・・パレット
Ｗ・・・・ワーク
６０・・・フロント部材
ＣＰ・・・切屑収集空間
ＡＴＣ・・・工具交換装置
７１・・・ユニット基板
８０・・・交換アーム装置
８２・・・ハウジング
８３・・・交換アーム
８７・・・カム式駆動機構
９０・・・工具マガジン
９４・・・工具保持穴
１００・・・中間搬送装置
１０１・・・中間搬送ソケット
１０２・・・左右位置決機構
１０３・・・上下位置決機構
１０４・・・前後位置決機構
１２５・・・カムプレート
【図１】
0003695090.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003695090.tif 000005
【図５】
0003695090.tif 000006
【図６】
0003695090.tif 000007
【図７】
0003695090.tif 000008
【図８】
0003695090.tif 000009