(57)【要約】【課題】工具交換の高速化及び円滑化の低下を招くことなく、製作コストを低減することができる工具交換装置を提供する。【解決手段】一対のスプロケット１３、１４間に環状のチェン１５を架け、チェン１５の一部である特定チェンローラ１５ａにローラ１８ａ、１８ｂを設けるとともに、該ローラ１８ａ、１８ｂを介して、特定チェンローラ１５ａと、上下方向又は左右方向へのスライドによりアーム軸３を回転及び上下動させるスライダ部材１９、２１とを連結した。そして、特定チェンローラ１５ａの移動、すなわちチェン１５の回動に応じたアーム軸３及び交換アーム４の動作により工具交換を行うようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具を把持可能な交換アームを有するアーム軸が、回転及び回転軸に平行な第一方向へ移動して、工具の交換を行う工具交換装置であって、
一対のスプロケットを前記第一方向へ所定の間隔をもって並設し、環状の無端部材を両スプロケットに跨って架けるとともに、前記無端部材に、前記無端部材の回動面から両側へ夫々突出する一対の軸部を設ける一方、
前記無端部材の回動面に平行な面内で前記第一方向と直交する第二方向へ延びる第一溝が設けられた第一スライダ部材を、前記アーム軸とともに前記第一方向へスライド可能に設けるとともに、前記第一方向へ延びる第二溝が設けられ、且つ、前記アーム軸の外周に設けられた歯車部に噛合する噛合部が備えられてなる第二スライダ部材を、前記第二方向へスライド可能に設け、さらに、前記軸部の一方を前記第一スライダ部材の第一溝に、前記軸部の他方を前記第二スライダ部材の第二溝に夫々嵌合させており、
前記スプロケットの回転による前記無端部材の回動に伴い、前記第一スライダ部材が第一方向へスライドすると前記アーム軸が第一方向へ移動し、前記第二スライダ部材が第二方向へスライドすると前記アーム軸が回転して、前記工具の交換を行うことを特徴とする工具交換装置。
【請求項２】
無端部材の外側及び内側に、前記無端部材の移動をガイドするガイド部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の工具交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえばマシニングセンタ等の工作機械に付設され、該工作機械との間で工具を交換する工具交換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、マシニングセンタや複合加工機等といった工作機械には、ワークへの加工態様に応じて装着する工具を交換するための工具交換装置が付設されている。そして、該工具交換装置としては、たとえば特許文献１に開示されているようなローラギヤカムと円板溝カム又はドラムカムとを使用したカムＢＯＸを有するものが広く採用されている。
【０００３】
【特許文献１】実開昭６３−１１３５３０号公報
【０００４】
ここで、従来の工具交換装置について、図８をもとに説明する。図８は、従来の工具交換装置７１の平面断面を示した説明図である。尚、図８における上下方向を工具交換装置７１の前後方向とする。
工具交換装置７１は、上下方向に平行な軸を中心として回転する円板溝カム７３と、該円板溝カム７３の回転に伴い、前後方向に平行な軸を中心として回転するととともに前後方向へ摺動するアーム軸７４と、該アーム軸７４の前端に設けられ、各種工具Ｔを把持可能なアーム７５とを備えてなる。円板溝カム７３の上面にはカム溝７６が刻設されており、Ｌ字状のリンク７７の一端をカム溝７６に嵌装させるとともに、リンク７７の他端をアーム軸７４に係合させることで、円板溝カム７３の回転に伴うアーム軸７４の前後動を可能としている。また、円板溝カム７３の外周には、複数のリブ（図示せず）を立設してなるローラギヤカム７８が設けられており、アーム軸７４にスプライン嵌合する回転軸７９に設けられた複数のローラ８０（図８では１つだけ示している）を、ローラギヤカム７８に係合させることで、円板溝カム７３の回転に応じてアーム軸７４が間欠回転可能となっている。そして、カム溝７６及びローラギヤカム７８の形状を、アーム軸７４の前後動及び回転動作が工具の交換動作に対応するように設計することにより、工具の交換を実現している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の如き工具交換装置７１によれば、カム溝７６及びローラギヤカム７８を有する円板溝カム７３を用いてアーム軸７４を前後動及び回転させ、工具を交換するようにしているため、高速で円滑な工具交換を行うことができる。しかしながら、特にローラギヤカムを製作するためには、専用の機械が必要となる上、高い製作技術や複雑な工程に伴う多工数化が要求される。したがって、製作コストが高くなるとともに製作に時間を要するといった問題が生じる。また、このようなローラギヤカムを備えた工具交換装置が付設された工作機械を生産するにあたっても、当然、工具交換装置のコストが高くなる分、工作機械全体のコストも高くなる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、工具交換の高速化及び円滑化の低下を招くことなく、製作コストを低減することができる工具交換装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、工具を把持可能な交換アームを有するアーム軸が、回転及び回転軸に平行な第一方向へ移動して、工具の交換を行う工具交換装置であって、一対のスプロケットを前記第一方向へ所定の間隔をもって並設し、環状の無端部材を両スプロケットに跨って架けるとともに、前記無端部材に、前記無端部材の回動面から両側へ夫々突出する一対の軸部を設ける一方、前記無端部材の回動面に平行な面内で前記第一方向と直交する第二方向へ延びる第一溝が設けられた第一スライダ部材を、前記アーム軸とともに前記第一方向へスライド可能に設けるとともに、前記第一方向へ延びる第二溝が設けられ、且つ、前記アーム軸の外周に設けられた歯車部に噛合する噛合部が備えられてなる第二スライダ部材を、前記第二方向へスライド可能に設け、さらに、前記軸部の一方を前記第一スライダ部材の第一溝に、前記軸部の他方を前記第二スライダ部材の第二溝に夫々嵌合させており、前記スプロケットの回転による前記無端部材の回動に伴い、前記第一スライダ部材が第一方向へスライドすると前記アーム軸が第一方向へ移動し、前記第二スライダ部材が第二方向へスライドすると前記アーム軸が回転して、前記工具の交換を行うことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、無端部材の外側及び内側に、前記無端部材の移動をガイドするガイド部材を設けたことを特徴とする。
尚、ここで言う「第一方向」は実施形態における上下方向、「第二方向」は実施形態における左右方向に対応するが、実施形態に記載の方向に何ら限定されるものではない。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、一対のスプロケット間に環状の無端部材を架け、該無端部材に軸部を設けるとともに、軸部を介して、無端部材と、第一方向又は第二方向へのスライドによりアーム軸を第一方向へ移動及び回転させるスライダ部材とを連結し、無端部材の回動に応じたアーム軸及び交換アームの動作により工具交換を行うようにしている。すなわち、無端部材の回動といった一連の動きにより、工具の交換動作（工具の引き抜き動作、１８０度旋回動作、及び装着動作）を行うようにしているため、工具の交換を高速、且つ、円滑に行うことができる。
また、従来用いていたようなローラギヤカムといった高価で製作に時間のかかる部材を必要とせず、ローラチェン等の無端部材、軸部、軸部が嵌合可能な溝を有するスライダ部材等といった比較的安価で量産しやすい部材を構成要素としている。したがって、工具交換装置を安価に製作することができ、ひいては該工具交換装置が付設された工作機械の製作コストの低減を図ることができる。
さらに、工具交換動作において、無端部材の軸部部分がスプロケットの外周を移動する際、半円状の軌跡をたどって移動するため、第一スライダ部材の第一方向へのスライド及び第二スライダ部材の第二方向へのスライド、すなわちアーム軸の第一方向への移動及び回転を、緩やかな加減速のもとで行うことができる。したがって、工具交換を極めて円滑に行うことができる上、急激に移動／停止させるような装置と比較して各構成要素にかかる負担を減少させることができ、装置の耐久性の向上といった効果をも図ることができる。
加えて、無端部材の軸部部分が半円状に移動する際の第一方向への移動量をも考慮することで、アーム軸の第一方向への移動距離の短縮を図ることができ、より高速な工具交換を図ることができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、ガイド部材に用いて、無端部材の回動をガイドしているため、無端部材の両スプロケット間の直線移動に伴う第二方向等への揺れを最小限に防止することができる。したがって、より精度の高い位置決めが可能となり、工具交換の更なる円滑化・高速化を期待することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態となる工具交換装置について、図面をもとに説明する。
図１は、工具交換装置１の正面断面を示した説明図である。また、図２は、図１中におけるＡ−Ａ断面を示した説明図であり、図３は、図１中におけるＢ−Ｂ断面を示した説明図である。さらに、図４及び図５は、スライダ部材１９、２１のスライドとアーム軸３の動作との関係を模式的に示した説明図である。
【００１０】
工具交換装置１は、ハウジング２内に設けられ、後述するアーム軸３を上下動及び回転させる駆動機構と、該駆動機構により、上下方向へ移動するとともに上下方向に平行な軸を中心として回転するアーム軸３と、該アーム軸３の下端部に設けられ、工具を把持可能な爪３５、３５を有する交換アーム４とからなるものであって、図示しない工作機械（たとえばマシニングセンタ等）に付設され、該工作機械との間で工具の交換を行う。
【００１１】
まず、駆動機構について説明する。
ハウジング２内には、駆動源となるサーボモータ１１に減速ギヤ１２、１２等を介して連結された駆動スプロケット１３と、該駆動スプロケット１３から所定の間隔をもって設置された従動スプロケット１４とが前後方向を軸として回転可能に軸支されている。そして、複数のチェンローラ１５ａ、１５ａ・・を連結してなる環状のチェン（無端部材）１５が、駆動スプロケット１３と従動スプロケット１４とに亘って架けられている。したがって、駆動スプロケット１３の回転に伴い、各チェンローラ１５ａは、両スプロケット１３、１４の間を直線移動するとともに、両スプロケット１３、１４に噛み合った後には、両スプロケット１３、１４の外周を半円状に移動する。
【００１２】
また、両スプロケット１３、１４間には、チェン１５の外側（環状外）を案内する外側ガイド（ガイド部材）１６と、チェン１５の内側（環状内）を案内する内側ガイド（ガイド部材）１７とが設けられている。両ガイド１６、１７は、各チェンローラ１５ａのローラ部に当接して、ローラ部及びローラ部同士を連結するリンクとの隙間が最小となるように設置されており、各チェンローラ１５ａの両スプロケット１３、１４間の直線移動に伴う左右方向及び前後方向への揺れを最小限に防止可能としている。尚、本実施形態では、強度上、チェン１５として２列チェンを用いている。また、両スプロケット１３、１４間には、チェン１５のテンションを最適に調整するための図示しない調整ボルト及び位置固定具が設けられており、チェン１５が緩まないように調整可能となっている。
【００１３】
さらに、チェン１５を構成するチェンローラ１５ａ、１５ａ・・の一つである特定チェンローラ１５ａのピン軸（チェンローラ同士を連結するピンの軸）は、前後方向に延設されており、該ピン軸には、ローラ（軸部）１８ａ、１８ｂが回転可能に取り付けられている。
【００１４】
一方、ハウジング２内には、左右方向へ延びる溝１９ａを有するスライダ部材１９が直線スライド軸受２０等のスライド機構によって上下方向へスライド可能に設けられているとともに、上下方向へ延びる溝２１ａを有するスライダ部材２１が直線スライド軸受２２、２２等のスライド機構によって左右方向へスライド可能に設けられている。そして、スライダ部材１９の溝１９ａには、前側のローラ１８ａが嵌入している一方、スライダ部材２１の溝２１ａには、後側のローラ１８ｂが嵌入しており、特定チェンローラ１５ａの移動に伴い、各ローラ１８ａ、１８ｂは各溝１９ａ、２１ａ内を移動可能となっている。
【００１５】
また、スライダ部材１９の右端は、アーム軸３を回転可能に軸支する軸受２３に固着されたシフト板２４に固定されており、図４に示す如く、スライダ部材１９の上下方向へのスライドに伴って、アーム軸３、すなわち交換アーム４を上下方向へ移動可能としている。さらに、スライダ部材２１には、後述の如くしてアーム軸３を回転させるラック軸２５の一端が連結されている。ラック軸２５の前面には、左右方向へラック歯（噛合部）２５ａが設けられており、該ラック歯２５ａが、図５に示す如くアーム軸３の外周に設けられた平歯車（歯車部）３ａと噛み合っている。したがって、ラック軸２５の左右方向への移動、すなわちスライダ部材２１の左右方向へのスライドに伴って、アーム軸３が回転するようになっている。尚、２６は、ラック軸２５の移動をガイドするガイド部である。また、図５では、チェン１５を簡略に示している。
【００１６】
ここで、上述した駆動スプロケット１３のピッチ円直径と平歯車３ａ及びラック歯２５ａのピッチとは、チェンローラ１５ａがスプロケット１３、１４の外周に沿って半円状に移動した際に、アーム軸３が１８０度回転するように設定されているものとする。また、両スプロケット１３、１４間の間隔は、交換アーム４の回転時に把持している工具と主軸やマガジンポット等とが干渉しない程度にはアーム軸３が上下動するように設定されている。
【００１７】
次に、アーム軸３及び交換アーム４について説明する。図６は、交換アーム４を上方から示した説明図である。
アーム軸３は、ハウジング２を貫くように設置されており、ハウジング２に対して上下方向へスライド可能となっているとともに、上下方向に平行な軸を中心として回転可能となっている。該アーム軸３の中央部外周には、上記ラック歯２５ａに噛合する平歯車３ａが設けられている。また、アーム軸３の下端部には、アーム軸３に固着される軸部から相反方向へ一対のアームを延設した略Ｔ字状に形成されてなる交換アーム４が設置されている。各アームの先端部には、工具のテノン部等を把持可能な爪３５、３５が設けられており、該爪３５、３５は、アーム軸３及び交換アーム４本体内に設けられているトグル機構３１、クランプ用バネ３２、ピストン３３、及びエアシリンダ３４により両開き動作して、工具をクランプ／アンクランプするようになっている。尚、エアシリンダ３４に対するエアの供給及び排出は、アーム軸３の中心軸に設けられたエア流路３６を介して行われる。
【００１８】
以下、上記構成を有する工具交換装置１による工具交換動作について説明する。
まず、交換アーム４を、アーム軸３がハウジング２から上方へ突出するとともに、爪３５、３５・・が交換位置にある工作機械の主軸（図示しない）及びＡＴＣマガジンポット（図示しない）の工具を把持可能な方向へ向けられた初期位置に位置させる。尚、該初期位置において、特定チェンローラ１５ａは、両スプロケット１３、１４間に位置している。
ここで、工具交換指令により、工作機械の主軸及びマガジンポットが工具を交換するための交換位置に位置決めされると、エア流路３６を介してエアシリンダ３４からエアが排出され、クランプ用バネ３２の力により、爪３５、３５が交換位置にある主軸の工具及びマガジンポットの工具を夫々クランプする。尚、爪３５、３５は、溝形状及びトグル機構３１により、工具を一旦クランプすると容易にはアンクランプしないようになっている。
【００１９】
爪３５、３５による工具のクランプ後、主軸及びマガジンポット側での工具のアンクランプの完了に伴い、サーボモータ１１が回転駆動して、チェン１５が両スプロケット１３、１４間を回動し始める。該チェン１５の回動に伴って、特定チェンローラ１５ａが従動スプロケット１４側へ移動するため、該特定チェンローラ１５ａにローラ１８ａを介して連結されたスライダ部材１９は下方へスライドし、結果的に該スライダ部材１９に連結されているアーム軸３も下方へ移動する。したがって、交換アーム４は、把持している工具を主軸及びマガジンポットから引き抜くとともに、回転時に工具が主軸等と干渉しない程度まで下方へ移動することになる。このとき、ローラ１８ｂは、スライダ部材２１の溝２１ａ内を移動するため、スライダ部材２１は左右方向へスライドしない。つまり、アーム軸３、すなわち交換アーム４は回転することなく移動する。
【００２０】
そして、特定チェンローラ１５ａは、従動スプロケット１４へ到達すると、従動スプロケット１４の外周に沿って半円状に移動する。この移動により、アーム軸３の下方への移動は徐々に減速した後、上方への移動に転じることになる。また、特定チェンローラ１５ａが左右方向へ移動することになるため、ローラ１８ｂを介して連結されたスライダ部材２１も左右方向へスライドし、ラック軸２５を介して連結されたアーム軸３が回転する。したがって、特定チェンローラ１５ａが従動スプロケット１４の外周を離れて直線移動を開始するまでに、アーム軸３は１８０度回転し、主軸から抜き取った工具を把持する爪３５、３５とマガジンポットから抜き取った工具を把持する爪３５、３５との位置を逆転させる。
【００２１】
その後、特定チェンローラ１５ａが従動スプロケット１４の外周を離れて、駆動スプロケット１３側へ直線移動を開始すると、アーム軸３は、上記逆転させた姿勢のまま、上方へ移動する。そして、初期位置と同じ上下位置に到達すると、サーボモータ１１の回転を停止、すなわちアーム軸３の上方への移動を停止させる。さらに、爪３５、３５に把持されている工具の主軸及びマガジンポット側でのクランプ完了に伴い、エアシリンダ３４へエアを供給して爪３５、３５を両開きさせ、工具をアンクランプとした後、主軸及びマガジンポットを交換位置から所定の位置（加工初期位置等）へ移動させることにより、工具の交換動作は完了となる。
【００２２】
尚、初期位置への位置決めは、サーボモータ１１内に設置されている位置検出器によるカウント値にもとづいたＮＣ制御により行われる。また、次の工具交換は、サーボモータ１１を逆回転させて行えばよい。さらに、主軸の移動時や交換アーム４を工作機械の加工空間から隠すためのカバーの設置時等に、交換アーム４を９０度旋回させて退避させたい場合には、サーボモータ１１を回転駆動させて交換アーム４を最下端まで移動させることにより、９０度方向への旋回退避を行うことができる。
【００２３】
上述したような工具交換装置１によれば、一対のスプロケット１３、１４間に環状のチェン１５を架け、チェン１５の一部、特定チェンローラ１５ａにローラ１８ａ、１８ｂを設けるとともに、該ローラ１８ａ、１８ｂを介して、特定チェンローラ１５ａと、上下方向又は左右方向へのスライドによりアーム軸３を上下動及び回転させるスライダ部材１９、２１とを連結し、特定チェンローラ１５ａの移動に応じたアーム軸３及び交換アーム４の動作により工具交換を行うようにしている。すなわち、チェン１５の回動といった一連の動きにより、工具交換における工具の引き抜き動作、１８０度旋回動作、及び装着動作を行うようにしているため、工具の交換を高速、且つ、円滑に行うことができる。
【００２４】
また、従来用いていたようなローラギヤカムといった高価で製作に時間のかかる部材を必要とせず、チェン１５、ローラ１８ａ、１８ｂ、溝を有するスライダ部材１９、２１といった比較的安価で量産しやすい部材を構成要素としている。したがって、工具交換装置１を安価に製作することができ、ひいては該工具交換装置１が付設された工作機械の製作コストの低減を図ることができる。
【００２５】
さらに、工具交換動作において、特定チェンローラ１５ａが従動スプロケット１４の外周に沿って半円状に移動するため、スライダ部材１９の上下方向へのスライド及びスライダ部材２１の左右方向へのスライド、すなわちアーム軸３の上下動及び回転を、緩やかな加減速のもとで行うことができる。したがって、工具交換を極めて円滑に行うことができる上、急激に移動／停止させるような装置と比較して各構成要素にかかる負担を減少させることができ、装置の耐久性の向上といった効果をも図ることができる。
【００２６】
加えて、特定チェンローラ１５ａが半円状に移動する際、左右方向だけでなく当然上下方向にも移動するため、交換アーム４に把持されている工具は、図７に示すような軌跡で動くことになる。したがって、この上下動をも考慮することで、アーム軸３の上下方向へのスライド距離の短縮を図ることができ、より高速な工具交換を図ることができる。
【００２７】
なお、本発明の工具交換装置に係る構成は、上記実施の形態に記載した態様に何ら限定されるものではなく、駆動機構、アーム軸、及び交換アーム等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。
【００２８】
たとえば、上記実施形態の工具交換装置は、上下動による工具の抜き差しタイプ、つまり縦型マシニングセンタを想定したものであるが、装置全体を横方向や斜め方向に設置する（アーム軸が左右方向へスライドする向き等に設置する）ことも当然可能で、横型マシニングセンタ等の種々の工作機械に対応することができる。
【００２９】
また、上記実施形態では、サーボモータにて駆動スプロケットを駆動させるようにしているが、サーボモータに限定されることはない。
【００３０】
さらに、上記実施形態では無端部材としてチェン（ローラチェン）を採用しているが、チェンに限らず、ベルト部材等を用いることも可能である。また、チェンを採用するにあたっても、形式・寸法・強度等が異なる様々なタイプのチェンが一般的に普及しているため、最適な仕様のチェンを選択して利用することができ、上記実施形態に記載したような２列チェンに限定されることはない。
【００３１】
加えて、上記実施形態では、特定チェンローラのピン軸にローラを設置して軸部を構成するようにしているが、軸部の構成も無端部材にあわせて適宜変更可能であり、無端部材から一体的に突設された柱状体を軸部としたり、円柱状の軸に筒状部材を固着（回転しない）して軸部を形成することも可能である。尚、ローラを用いて軸部を構成した方が、溝内での移動がスムーズとなり好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】工具交換装置の正面断面を示した説明図である。
【図２】図１中におけるＡ−Ａ断面を示した説明図である。
【図３】図１中におけるＢ−Ｂ断面を示した説明図である。
【図４】スライダ部材のスライドとアーム軸の動作との関係を模式的に示した説明図である。
【図５】スライダ部材のスライドとアーム軸の動作との関係を模式的に示した説明図である。
【図６】交換アームを上方から示した説明図である。
【図７】工具が移動する様子を示した説明図である。
【図８】従来の工具交換装置の平面断面を示した説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１・・工具交換装置、２・・ハウジング、３・・アーム軸、３ａ・・平歯車、４・・交換アーム、１１・・サーボモータ、１３・・駆動スプロケット、１４・・従動スプロケット、１５・・チェン、１５ａ・・チェンローラ、１６・・外側ガイド、１７・・内側ガイド、１８ａ、１８ｂ・・ローラ、１９、２１・・スライダ部材、１９ａ、２１ａ・・溝、２３・・軸受、２４・・シフト板、２５・・ラック軸、２５ａ・・ラック歯、３５・・爪。
【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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