(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コラム側面に付設された工具マガジンとコラム前面の主軸との間で工具を交換する工作機械の工具交換装置において、
前記主軸の軸線と平行な方向に移動可能に前記コラム側面に支承されるスライダと、
前記スライダの前端部に前記主軸の軸線と平行な方向から垂直な方向へ水平に所定角度だけ回動可能に支承される旋回ベースと、
前記旋回ベース上を往復移動可能に支承されるアームキャリアと、
前記アームキャリアの一端に旋回可能でかつ旋回軸線方向に往復動可能に支承され、両端に工具把持部を具えたアームと、
前記アームが前記工具マガジン側から前記主軸側へ移動する場合、前記スライダの前進中に所定タイミングで前記アームキャリアの前記スライダの移動方向とは反対方向への後退動作及び前記旋回ベースの旋回動作が開始されるように前記スライダ、旋回ベース及びアームキャリアの駆動部を制御する制御手段と、
前記旋回ベースの後端部に設けたスイッチ要素と、
前記旋回ベースの移動時に、前記旋回ベースの回転が前記所定タイミングより早いタイミングで開始したときに、前記スイッチ要素に係合して前記スイッチ要素を励起又は非励起させる前記コラム側に設けられたドッグプレートとを具備し、
前記コラムと前記旋回ベースとの機械的な干渉を回避しながら工具交換動作を行うようにしたことを特徴とする工作機械の工具交換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、工作機械の工具交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械のコラム側面に付設された工具マガジンから、コラム前面に設けられた主軸に工具をタイムリーに供給するために、様々の工具交換装置が提案されている。例えば、特公平３−３５０５４号公報には、工作機械のコラム上部の略中央をその旋回中心とし、工具マガジンの中央上部の工具ソケット受渡し位置と、主軸の真上の工具交換位置、との間を９０度旋回する大型のスイングア−ムを具えて成る工具交換装置が開示されている。
【０００３】
この公報のような大型のスイングア−ムをコラム上部に配置できないが、それと類似の軌跡を描くように、合理的に工具を交換させたいと欲する場合がある。そのような場合、工具を先ず主軸の軸線方向に平行な方向に所定量移動させ、その後、主軸の方向に９０度旋回させ、その後、主軸近傍の工具交換位置まで接近移動させ得るような機構が必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記のような機構では、１つの動作が終わって初めて次の動作が始まるというように、動作が単純に積み重ねられることになるため、必然的に全体の動作時間が長くなってしまい、好ましくない。
そこで、本発明の目的は、工具交換時間を短縮させると共に、物理的・機械的な干渉を合理的に回避させ得るような工具交換装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、コラム側面に付設された工具マガジンとコラム前面の主軸との間で工具を交換する工作機械の工具交換装置において、前記主軸の軸線と平行な方向に移動可能に前記コラム側面に支承されるスライダと、前記スライダの前端部に前記主軸の軸線と平行な方向から垂直な方向へ水平に所定角度だけ回動可能に支承される旋回ベースと、前記旋回ベース上を往復移動可能に支承されるアームキャリアと、前記アームキャリアの一端に旋回可能でかつ旋回軸線方向に往復動可能に支承され、両端に工具把持部を具えたアームと、前記アームが前記工具マガジン側から前記主軸側へ移動する場合、前記スライダの前進中に所定タイミングで前記アームキャリアの前記スライダの移動方向とは反対方向への後退動作及び前記旋回ベースの旋回動作が開始されるように前記スライダ、旋回ベース及びアームキャリアの駆動部を制御する制御手段と、前記旋回ベースの後端部に設けたスイッチ要素と、前記旋回ベースの移動時に、前記旋回ベースの回転が前記所定タイミングより早いタイミングで開始したときに、前記スイッチ要素に係合して前記スイッチ要素を励起又は非励起させる前記コラム側に設けられたドッグプレートとを具備し、前記コラムと前記旋回ベースとの機械的な干渉を回避しながら工具交換動作を行うようにした。
【０００６】
【作用】
スライダの前進中に、アームキャリアの後退作動及び旋回ベースの旋回作動が開始されるので、全体の作動時間が短くなり、工具交換時間が短縮される。
また、スイッチ要素及びドッグプレートによって、旋回ベースとコラムとの機械的な干渉を回避しながら工具交換動作を継続させることができる。
【０００７】
更に、主軸及び工具マガジンに対する工具交換に関して、アームキャリアの前進及び後退で部分的に足るように各要素を配置したので、更成る駆動装置の追加等を不要にすることができる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明に係る工作機械の工具交換装置の一実施例を図面を参照して説明する。  先ず、本実施例の工作機械の全体構成を略示する図２、３、及び４を参照すると、図示工作機械１は、最大質量数十トンの大形部品から精密な金型まで、高速・高精度・高能率に加工し得る、いわゆる大型横形のマシニングセンタである。この工作機械１のベッド３の前方側には、その上に工作物（図示せず）が取着されるパレット５が着脱自在に搭載された前後（Ｚ方向）に移動可能なテーブル７が配設され、ベッド３の後方側には、左右（Ｘ方向）に移動可能なコラム９が立設される。コラム９の前面には、水平形の回転主軸１３を有した主軸頭１１が上下（Ｙ方向）に移動可能に配設され、コラム９の左側面には、工具マガジン１５が一体的に搭載されている。この工具マガジン１５は、コラム９に対して回転割り出し自在に支承され、工具が収納され得る工具ソケットを３つ収納するカートリッジ１９を均等角度的に放射状に複数個（図示例では、２０個のカートリッジ）収容し得るように構成されている。
【０００９】
工具マガジン１５の上方側には、主軸１３と工具マガジン１５との間で工具交換を行うための、図１に詳細に示した工具交換装置２１が付設される。図１は、主軸１３に対してまさに工具交換を行おうとする位置に位置する工具交換装置２１（工具自体を図示せず）を示しており、この工具交換装置２１は、相互に連結された、スライダ２３と、旋回ベース２５と、アームキャリア２７と、アーム２９とを有する。
【００１０】
スライダ２３は、コラム側面に固定された工具マガジン１５をベースとして工具マガジンに固定されたレール３１とそれに摺動自在に装着された支持体３３とから成る直線案内機構を介して主軸１３の軸線に平行な方向に移動可能に案内され且つそのシリンダロッド３５の先端が工具マガジン１５に対して固定され、シリンダロッドが静止しシリンダ自体が動く形式で取付けられているロングストロークの第１シリンダ３７によって駆動され得る。
【００１１】
旋回ベース２５は、スライダ２３の前端部に旋回可能に支承され且つ第２シリンダ３９によって駆動され得る。
アームキャリア２７は、旋回ベース２５上に固定されたレール４１とそれに摺動自在に装着された支持体４３とから成る直線案内機構を介して往復移動可能に案内され且つ第３シリンダ４５によって駆動され得る。
【００１２】
アーム２９は、その両端に工具把持用のグリップ部を具え、アームキャリア２７の一端部に旋回可能で且つ旋回軸線方向に往復動可能に支承され、旋回・直動用シリンダ４７によって旋回と共に旋回軸線方向に往復動され得る。
尚、第１シリンダ３７には、そのシリンダロッド前進完了時の検知、後退完了時の検知、及びその往復移動途中に第３シリンダ４５後退開始の検知のための３つのセンサＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３が付設され、第２シリンダ３９には、そのシリンダロッド前進完了時の検知、及び後退完了時の検知のための２つのセンサＬＳ４、ＬＳ５が付設され、第３シリンダ４５には、そのシリンダロッド前進完了時の検知、及び後退完了時の検知（後述するが、これは第２シリンダ３９前進開始用である）のための２つのセンサＬＳ６、ＬＳ７が付設される。
【００１３】
また、旋回ベース２５の後端部には、本工具交換装置２１とコラム９等との物理的・機械的な干渉を回避するための近接スイッチ５１が付設され、他方、工具マガジン１５側には、この近接スイッチを励起（非励起）させ得る、近接スイッチ部分が描く軌跡Ｃ（湾曲しながら連続する黒い小さな複数の点で示される）に対応するような形状を有するドッグプレート５３が付設される。
【００１４】
以上の構成を有する本実施例の工具交換装置２１の、スタンバイ位置（待機位置）から、主軸１３との間で工具交換（工具Ｋ２→Ｋ１）を行い、元のスタンバイ位置に復帰するまでの一連の動作につき、その要所要所を段階的に示す図５〜１４を参照して以下説明する。
先ず、図５に示すスタンバイ位置から、スライダ２３が、第１シリンダ３７によって、図６に示すように、前方に移動を開始し（前進１／ＡＤＶ．１）、この前進中にセンサＬＳ３がＯＮ（あるいはＯＦＦ）すると、アームキャリア２７が、第３シリンダ４５によって後退する（後退３／ＲＥＴ．３）。そして、このアームキャリア２７（第３シリンダ４５）の後退完了時に、第３シリンダ４５のセンサＬＳ７がＯＮ（あるいはＯＦＦ）し、それに応動して、今度は、旋回ベース２５が、第２シリンダ３９によって、図７に示すように９０度旋回する（前進２／ＡＤＶ．２）。尚、この９０度旋回の完了時とスライダ２３（第１シリンダ３７）の移動完了時とは、概ね一致するように設定されるが、好ましくはスライダ２３の移動完了時の方が僅かに早いように設定される。
【００１５】
次いで、この旋回ベース２５の旋回完了時に、第２シリンダ３９のセンサＬＳ４がＯＮ（あるいはＯＦＦ）し、それに応動して、アームキャリア２７が、第３シリンダ４５によって、図８に示すように前進し、これにより、主軸１３の被交換工具（Ｋ２）は、アーム２９の一方のグリップ部によって把持される（前進３／ＡＤＶ．３）。
【００１６】
次いで、その把持状態のまま、アーム２９が主軸軸線に平行な前方方向に往動移動し（アウト／ＯＵＴ）、これにより、被交換工具（Ｋ２）は、引き抜かれ（図９）、その後、アーム２９が、図１０に示すように、１８０度旋回し（正転または逆転／ＣＣＷ）、そして後方方向に復動移動することにより、主軸軸線上に位置する、他方のグリップ部で把持されている交換工具（Ｋ１）が、主軸１３に装着される（図１１）。
【００１７】
次いで、アームキャリア２７が、図１２に示すように、第３シリンダ４５によって、後退し、その後退完了に応動して、スライダ２３が、第１シリンダ３７によって、後方に移動を開始する。それと同時的に（好ましくは、僅かに早く）、旋回ベース２５が、第２シリンダ３９によって、図１３に示すように逆方向に９０度回転し、その回転完了に応動して、アームキャリア２７が再度前進する（後退２／前進３）。その所定時間後に、スライダ２３（第１シリンダ３７）が、その後退動作を完了する（図１４）。
【００１８】
以上の一連の動作により、主軸１３に対する工具交換が終了する。この一連の動作を制御装置Ｃによってコントロールしている。
ここで、図５〜図１０までの動作の、本実施例のタイミングチャートと従来装置のタイミングチャートとの比較を図１５に示す。同図からわかるように、単に動作を積み重ねるような従来装置の場合、全体の所要時間が、各動作時間の和になるが、これに対して、本実施例の場合、前進１（ＡＤＶ．１）の動作時間の間に、アームキャリア２７と旋回ベース２５の動作が完了され、全体の所要時間がその分だけ短縮される。すなわち、工具交換時間を実質的に短縮することができる。
【００１９】
以上の一連の動作が全く問題なく行われる場合は良いが、万一、何らかの事情で、作動要素の順序が僅かに狂ったような場合、例えば、第１シリンダ３７によるスライダ２３の前進時に、所定タイミングよりも早く、旋回ベース２５が旋回し始めたりした場合、旋回ベース２５の先端部（あるいはアームキャリア２７）がコラムに物理的・機械的に干渉する可能性があり得る。
【００２０】
そのため、そのような早いタイミングで旋回ベース２５が回転した場合に、旋回ベース後端部の近接スイッチ５１がドッグプレート５３によって励起（非励起）されるように構成し、その際の信号に応じて、制御装置Ｃを介して、旋回ベース２５の旋回のみを止めて、他の作動要素の動き（スライダの移動等）を継続させ、その後に、前記近接スイッチ５１がドッグプレート５３から外れて元の状態に復帰したような場合に、旋回ベース２５の旋回を再開させるように構成する。
【００２１】
そのような作動シーケンス構造を採用することにより、万一タイミングがずれても、作動要素（スライダ２３や旋回ベース２５等）が高速で滑らかな、あたかもカム溝を使ったような滑らかさで、干渉を回避するような動きをすることができ、頻繁な機械の停止をなくすことができる。しかも、非常に簡単な非接触式構造でこれを実現でき、安全性・信頼性・耐久性等に優れており、極めて好ましい。
【００２２】
次に、本実施例の工具交換装置２１の、上記スタンバイ位置（待機位置）から、工具マガジン１５の中央上部の工具交換位置に位置する空のカートリッジ１９に対して工具（Ｋ２）を渡した後に、元のスタンバイ位置に復帰するまでの一連の動作につき、その要所要所を段階的に示す図１６〜２０を参照して以下に説明する。
【００２３】
先ず、図１６に示すスタンバイ位置から、アーム２９が、図１７に示すように、外方に往動移動し（アウト）、その後、アームキャリア２７が、第３シリンダ４５によって、図１８に示すように後退する（後退３）。次いで、アーム２９が、図１９に示すように、内方に復動移動し（イン）、これにより、一方のグリップ部で把持されている工具（Ｋ２）が、工具マガジン１５の空きカートリッジ１９に装着される。その後、アームキャリア２７が、第３シリンダ４５によって、図２０に示すように前進し（前進３）、元のスタンバイ位置に位置して、作動が終了する。
【００２４】
尚、本実施例においては、以上の説明からわかるように、主軸１３に対する工具交換におけるアームキャリア２７の（前進時の）移動ストロークと、工具マガジン１５に対する工具交換におけるアームキャリア２７の（後退時の）移動ストロークとが同じになるような配置構成を採用している。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る工具交換装置によれば、動作の重複が可能なように構成したので、工具交換時間を短縮でき、工具交換が高速化できる。
また、動作の重複によって起き得る機械的な干渉を回避して、安全に工具交換ができる。
【００２６】
更に、主軸に対する工具交換におけるアームキャリアの移動ストロークと工具マガジンに対する工具交換におけるアームキャリアの移動ストロークとを同じにしたので、別々の駆動部等を別途用意する必要がなくなり、構成が簡単化した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る工作機械の工具交換装置の一実施例を上方側から見た詳細構成図である。
【図２】本実施例の全体概略平面図である。
【図３】本実施例の全体概略正面図である。
【図４】本実施例の全体概略側面図である。
【図５】主軸に対する工具交換動作の第１の段階（スタンバイ位置）を示す図である。
【図６】主軸に対する工具交換動作の第２の段階（前進１／後退３）を示す図である。
【図７】主軸に対する工具交換動作の第３の段階（前進２）を示す図である。
【図８】主軸に対する工具交換動作の第４の段階（前進３）を示す図である。
【図９】主軸に対する工具交換動作の第５の段階（アウト）を示す図である。
【図１０】主軸に対する工具交換動作の第６の段階（正転または逆転）を示す図である。
【図１１】主軸に対する工具交換動作の第７の段階（イン）を示す図である。
【図１２】主軸に対する工具交換動作の第８の段階（後退３）を示す図である。
【図１３】主軸に対する工具交換動作の第９の段階（後退２／前進３）を示す図である。
【図１４】主軸に対する工具交換動作の第１０の段階（後退１）を示す図である。
【図１５】本実施例の作動タイミングチャートと従来装置のタイミングチャートとの比較を示す図である。
【図１６】工具マガジンに対する工具交換動作の第１の段階（スタンバイ位置）を示す図である。
【図１７】工具マガジンに対する工具交換動作の第２の段階を示す図である。
【図１８】工具マガジンに対する工具交換動作の第３の段階を示す図である。
【図１９】工具マガジンに対する工具交換動作の第４の段階を示す図である。
【図２０】工具マガジンに対する工具交換動作の第５の段階を示す図である。
【符号の説明】
１…工作機械
３…ベッド
５…パレット
７…テーブル
９…コラム
１１…主軸頭
１３…主軸
１５…工具マガジン
１９…カートリッジ
２１…工具交換装置
２３…スライダ
２５…旋回ベース
２７…アームキャリア
２９…アーム
３１…レール
３３…支持体
３５…シリンダロッド
３７…第１シリンダ
３９…第２シリンダ
４１…レール
４３…支持体
４５…第３シリンダ
４７…旋回・直動用シリンダ
５１…近接スイッチ
５３…ドッグプレート
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0003591860.tif 000016
【図１６】
0003591860.tif 000017
【図１７】
0003591860.tif 000018
【図１８】
0003591860.tif 000019
【図１９】
0003591860.tif 000020
【図２０】
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