(57)【要約】【課題】呼び番号の異なるツールシャンクであっても工具交換のために把持することが可能な汎用的で柔軟性のある把持機能を実現できるようにした自動工具交換装置の工具交換アームを提供する。【解決手段】自動工具交換装置のアーム軸１２に取り付けられるアーム本体１４と、アーム本体１４の両端部にそれぞれ設けられ、ツールシャンクのツールグリップを着脱可能に把持する一対の工具把持部材１５ａ、１５ｂと、工具把持部材１５ａ、１５ｂを作動させるための動力を発生する駆動手段１７と、動力を工具把持部材１５ａ、１５ｂが互いに接近または離反させる方向に移動する直線往復運動に変えて工具把持部材１５ａ、１５ｂに伝達する把持作動手段１６をアーム本体１４に設ける。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動工具交換装置の工具交換アームにおいて、
自動工具交換装置のアーム軸に取り付けられるアーム本体と、
当該アーム本体の両端部にそれぞれ設けられ、ツールシャンクのツールグリップを着脱可能に把持する一対の工具把持部材と、
前記工具把持部材を作動させるための動力を発生する駆動手段と、
前記動力を前記工具把持部材が互いに接近または離反させる方向に移動する直線往復運動に変えて前記工具把持部材に伝達する把持作動手段と、を備えたことを特徴とする工具交換アーム。
【請求項２】
前記工具把持部材は、互い平行を保ったまま当該アーム本体の長手方向と直角に互いに移動可能にかつ前記アーム軸に関して対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の工具交換アーム。
【請求項３】
前記工具把持部材は、直径の異なる少なくとも２種類のツールシャンクに応じた異なる移動ストロークを有することを特徴とする請求項２に記載の工具交換アーム。
【請求項４】
前記工具把持部材は、外径の異なる少なくとも２種類の前記ツールシャンクの把持可能な把持部を有することを特徴とする請求項２に記載の工具交換アーム。
【請求項５】
前記駆動手段は、サーボモータと、工具把持部材の移動ストローク限を検出する手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の工具交換アーム。
【請求項６】
前記移動ストローク限の検出手段は、サーボモータの回転量を検出するエンコーダからなることを特徴とする請求項５に記載の工具交換アーム。
【請求項７】
前記アーム本体は、前記工具把持部の移動を案内する直線案内を有することを特徴とする請求項１に記載の工具交換アーム。
【請求項８】
前記把持作動手段は、
右リードボールねじと左リードボールねじを同軸に直結したボールねじ軸と、
前記右リードボールねじに螺合し、一方の工具把持部材に固定された第１のボールナットと、
前記左リードボールねじに螺合し、他方の工具把持部材に固定された第２のボールナットと、
前記ボールねじ軸に軸着されるウォームホイールと、
前記駆動手段により回転駆動されるウォームと、からなることを特徴とする請求項１に記載の工具交換アーム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の自動工具交換装置に係り、特に、ツールシャンクを把持しながら工具を抜き差しする工具交換アームに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マシニングセンタ等、工作機械の自動工具交換装置は、工具のツールシャンクを把持する工具交換アームを用いて使用工具を差し替える方式のものが一般的である。この種の自動工具交換装置の動作は、工具交換アームによって交換対象の工具を把持しながら主軸から工具軸線方向に引く抜く動作、交換アームの旋回動作、新しい工具を把持しながら工具軸線方向に主軸に挿入する動作などの一連の動作からなる。
【０００３】
工作機械では主軸の構造は、ツールシャンクの仕様に対応したものになっており、使用するツールシャンクは、個々の機械ごとに同じ仕様に統一したものが用いられている。ツールシャンクでは、同じ仕様の同種のツールシャンクは同じ呼び番号が割り当てられ、仕様の異なるツールシャンクとは、呼び番号で区別をつけるようになっている。
【０００４】
従来、マシニングセンタなどの工作機械に搭載する自動工具交換装置において、工具交換アームは、アームの先端部でツールシャンクのツールグリップを把持する機構をもっており、この把持部には、フック形やシーザス形など、いろいろな種類の把持機構が考案されている。しかし、工具交換アームで扱えるのは、いずれの把持機構であっても同じ呼び番号のツールシャンクのもつ工具だけであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
工作機械で実際に行われる加工には、重切削から高速軽切削まで実に様々な種類、態様の加工があり、切削トルク、回転速度などの加工条件はそれぞれの加工で異なってくる。最近では、広い範囲の加工条件により柔軟に対応できる性能が工作機械に求められており、一台の工作機械で呼び番号の異なるツールシャンクを使用する主軸を使い分けたいという要望がある。
【０００６】
例えば、重切削をする場合には、呼び番号の大きな大径のツールシャンクを使用し、高速軽切削をする場合には、呼び番号の小さな小径のツールシャンクを使用することが望ましいからである。
【０００７】
しかしながら、呼び番号の異なるツールシャンクに対応可能な主軸を一台の工作機械に装備できたとしても、従来の自動工具交換装置の方では、工具交換アームが特定の呼び番号のツールシャンクだけしか扱うことができないため、工具交換を行えないという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、呼び番号の異なるツールシャンクであっても工具交換のために把持することが可能な汎用的で柔軟性のある把持機能を実現できるようにした自動工具交換装置の工具交換アームを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、自動工具交換装置の工具交換アームにおいて、自動工具交換装置のアーム軸に取り付けられるアーム本体と、当該アーム本体の両端部にそれぞれ設けられ、ツールシャンクのツールグリップを着脱可能に把持する一対の工具把持部材と、前記工具把持部材を作動させるための動力を発生する駆動手段と、前記動力を前記工具把持部材が互いに接近または離反させる方向に移動する直線往復運動に変えて前記工具把持部材に伝達する把持作動手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明において、前記把持作動手段は、右リードボールねじと左リードボールねじを同軸に直結したボールねじ軸と、前記右リードボールねじに螺合し一方の工具把持部材に固定された第１のボールナットと、前記左リードボールねじに螺合し他方の工具把持部材に固定された第２のボールナットと、前記ボールねじ軸に軸着されるウォームホイールと、
前記駆動手段により回転駆動されるウォームと、から構成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による工具交換アームの一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態による自動工具交換装置の工具交換アームを示す図である。この図１において、参照番号１０は、工具交換アームの全体を示している。参照番号１２はアーム軸を示し、このアーム軸１２の軸端部に工具交換アーム１０は取り付けられている。この工具交換アーム１０が適用される自動工具交換装置では、アーム軸１２は、図示しないアーム駆動機構と連結されており、アーム軸１２はアーム駆動機構に駆動されて回転および軸方向に進退することができるようになっている。
【００１２】
工具交換アーム１０は、細長い板状のアーム本体１４をもち、このアーム本体１４の両端部には、工具のツールシャンクを把持する工具把持部材１５ａ、１５ｂがアーム軸１２に関して１８０°対称に設けられている。ケース１３の内部には、次に説明する把持作動部が設けられている。
【００１３】
そこで、図２は、工具把持部材１５ａ、１５ｂにツールシャンクのツールグリップをつかむ動作をさせる把持作動部１６の構成を示す図である。なお、把持作動部１６の構成は、アーム本体１４の両端部でそれぞれ同一の構成になっているので、片方の把持作動部１６について以下説明し、他方の把持作動部１６については同一の構成要素には同一の参照番号を付してその説明は省略する。
【００１４】
この把持作動部１６は、サーボモータ１７を動力源として、このサーボモータ１７の回転を、工具把持部材１５ａ、１５ｂが互いに接近または離反させる方向に移動する直線往復運動に変えてこれら工具把持部部材１５ａ、１５ｂに伝達するものである。
【００１５】
サーボモータ１７の回転軸には、ウォーム１８が連結されている。このウォーム１８には、ウォームホイール２０が螺合してサーボモータ１８の回転を直角な方向に変えてボールねじ軸２２に伝えるようになっている。
【００１６】
ボールねじ軸２２は、ウォームホイール２０から上の部分が右リードボールねじ２２ａからなり、ウォームホイール２０から下の部分が左リードボールねじ２２ｂからなり、これらは同軸に連結されて一本のボールねじをなすように構成されている。上側部分の右リードボールねじ２２ａには、右リードねじに対応する第１のボールナット２４ａが螺合し、同様に下側部分の左リードボールねじ２２ｂには、左リードねじに対応する第２のボールナット２４ｂが螺合している。
【００１７】
他方、アーム本体１４側には、ボールねじ軸２２の軸方向と平行に延びるリニアガイド２６ａ、２６ｂが固定されており、このリニアガイド２６ａ、２６ｂにはガイドナット２７ａ、２７ｂを介して工具把持部材１５ａ、１５ｂが摺動可能に係合するように、ガイドナット２７ａ、２７ｂはそれぞれ工具把持部材１５ａ、１５ｂに固定されている。したがって、工具把持部材１５ａ、１５ｂは、アーム本体１４の長手方向に延び互い平行な関係を保った状態でリニアガイド２６ａ、２６ｂに沿って案内されながら移動可能である。
【００１８】
工具把持部材１５ａ、１５ｂの先端部には、互いに平行に延びる把持部２８ａ、２８ｂが取り付けられている。これらの把持部２８ａ、２８ｂは対向しあう内側面が略１４０°の角度をなすように凹む部分を有し、この凹む部分には、突条２９ａ、２９ｂが形成されている。この突条２９ａ、２９ｂは、次のようなツールシャンクのツールグリップの溝に係合し合うようになっている。
【００１９】
本実施形態の工具交換アームでは、工具交換の対象しては、図５に示すような大径用ツールシャンク５０を持つ工具と、図６に示すような小径用のツールシャンク５２を持つ工具とを予定している。大径用ツールシャンク５０は、工具把持部材１５ａ、１５ｂの把持部２８ａ、２８ｂで挟み付ける部分であるツールグリップ５１を有している。同様に小径用ツールシャンク５２もツールグリップ５３を有している。なお、大径用のツールシャンク５０にはそのツールグリップ５１に駆動力伝達用のキー溝５４が形成され、工具交換アーム１０ではキー溝５４に係合するキー５５が工具把持部材１５ａ、１５ｂの間に取り付けられている（図３参照）。
【００２０】
本実施形態の工具交換アーム１０では、このような２種類のツールシャンク５０、５２をもつ工具の交換を、工具把持部材１５ａ、１５ｂの移動ストロークを切り替えることで対応するようになっている。
【００２１】
図３に示すように、大径用ツールシャンク５０を把持する場合、工具把持部材１５ａ、１５ｂは、ストロークＳ１だけ互いに接近して大径用ツールシャンク５０のツールグリップ５１を把持する。図４に示すように、小径用ツールシャンク５２を把持する場合には、把持部材１５ａ、１５ｂはストロークＳ２だけ互いに接近して小径用ツールシャンク５２のツールグリップ５３を把持する。
【００２２】
図２において、把持部材１５ａ、１５ｂのストローク限の検出は、サーボモータ１７に接続したエンコーダ５６から力されるパルス信号に基づいて行われる。すなわち、コントローラ５７は、このパルス信号を取り込んで、ストローク限に対応するパルス数をカウントしたときにサーボモータ１７を停止する。なお、コントローラ５７は、大径用ツールシャンク５０、小径用ツールシャンク５２のどちらを把持するかを図示しないＮＣ装置からの工具交換指令に基づいて判別する。なお、ストローク限の検出は、サーボモータ１７のトルクの急激な上昇を検出して行うようにしてもよい。
【００２３】
本実施形態による工具交換アームは、以上のように構成されるものであり、次に、その作用について説明する。なお、以下の動作の説明では、工具交換時の主軸からの工具の抜き差し、新工具と旧工具の入れ替えのための旋回などの動作については、従来の自動工具交換装置のものと異なるところはないので説明は省略し、ツールシャンクの把持および把持からの解放について説明する。
【００２４】
まず、工具交換指令を受けたコントローラ５７からの指令により大径用ツールシャンク５０を把持するときの動作について説明する。
【００２５】
図２、図３において、サーボモータ１７が正転すると、サーボモータ１７の回転はウォーム１８、ウォームホイール２０からボールねじ軸２２に伝達される。このボールねじ軸２２は、右リードボールねじ２２ａと左リードボールねじ２２ｂを有しているので、ボールねじ軸２２が正転方向に回転すると、第１のボールナット２４ａと第２のボールナット２４ｂによってボールねじ軸２２の回転は、工具把持部材１５ａ、１５ｂが互いに接近し合う直線運動に変換されて工具把持部材１５ａ、１５ｂ伝達される。したがって、図３において、工具把持部材１５ａ、１５ｂは２点鎖線で示す位置から接近し合い、大径用ツールシャンク５０のツールグリップ５１を把持しようとする。この間、工具把持部材１５ａ、１５ｂは、ボールねじ軸２２の両側に対称に配置したリニアガイド２６ａ、２６ａに沿って案内されるので、互いに平行状態を保ちつつ移動することができる。
【００２６】
そして、コントローラ５７がストロークＳ１のストローク限に対応するパルス数をカウントすると、コントローラ５７はサーボモータ１７を停止させる。このとき、工具把持部材１５ａ、１５ｂの把持部２８ａ、２８ａの間で大径用ツールシャンク５０のツールグリップ５１をしっかりと挟み込むことができる。
【００２７】
なお、大径用ツールシャンク５０の把持状態を解除する場合には、コントローラ５７はサーボモータ１７を逆転させればよい。これにより、工具把持部材１５ａ、１５ｂは互いに離間する方向に移動し元の位置戻るので、大径用ツールシャンク５０の把持は解除される。
【００２８】
次に、工具交換指令を受けたコントローラ５７からの指令により小径用ツールシャンク５２を把持するときの動作について説明する。
【００２９】
図２、図４において、サーボモータ１７が正転すると、サーボモータ１７の回転はウォーム１８、ウォームホイール２０からボールねじ軸２２に伝達される。このボールねじ軸２２は、右リードボールねじ２２ａと左リードボールねじ２２ｂを有しているので、ボールねじ軸２２が正転方向に回転すると、第１のボールナット２４ａと第２のボールナット２４ｂによってボールねじ軸２２の回転は、工具把持部材１５ａ、１５ｂが互いに接近し合う直線運動に転換されて工具把持部材１５ａ、１５ｂ伝達される。したがって、図４において、工具把持部材１５ａ、１５ｂは２点鎖線で示す位置から互いに平行を保ったまま接近し合い、小径用ツールシャンク５２のツールグリップ５３を把持しようとする。
【００３０】
そして、コントローラ５７がストロークＳ２のストローク限に対応するパルス数をカウントすると、コントローラ５７はサーボモータ１７を停止させる。工具把持部材１５ａ、１５ｂの把持部２８ａ、２８ａにあっては、対向しあう内側面が略１４０°の角度をなすように凹む部分を有しているので、この凹む部分の突条２９ａ、２９ｂがツールグリップ５３の溝に嵌合し、小径用ツールシャンク５２のツールグリップ５３をしっかりと挟み込むことができる。また、本実施形態のような把持部２８ａ、２８ｂの形状を採用することで、大径用ツールシャンク５２のキー溝５４に係合させるために取り付けてあるキー５５が小径用ツールシャンク５２のツールグリップ５３に干渉することがない。
【００３１】
小径用ツールシャンク５２の把持状態を解除する場合には、コントローラ５７はサーボモータ１７を逆転させればよい。これにより、工具把持部材１５ａ、１５ｂは互いに離間する方向に移動し元の位置戻るので、小径用ツールシャンク５２の把持は解除される。
【００３２】
なお、キー５５は、この実施形態では、大径用ツールシャンク５０の位相を合わせるのに必要なものだが、小径用ツールシャンク５２の位相合わせが必要な場合には、小径用ツールシャンク５２にキー溝を設けるようにしてもよい。その場合には、キー５５は自動でストロークさせキー溝に係合させることも可能である。
【００３３】
以上のように、本実施形態の工具交換アーム１０によれば、工具交換アーム１０の構成部品を交換する必要がなく、異なる種類のツールシャンクをもつ工具に対応することができる。このため、工作機械側で呼び番号の異なるツールシャンク用の主軸が装備されている場合には、一台の自動工具交換装置で、重切削する場合には、呼び番号の大きなツールシャンクを使用し、高速、軽切削の場合には呼び番号の小さなツールシャンクを使用するというように、加工に適した主軸の使い分けを行うことが可能となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、呼び番号の異なるツールシャンクであっても、工具交換アームの構成部品を取り替えることなく対応できるので、一台の自動工具交換装置の工具交換アームに汎用的で柔軟性のある把持機能をもたせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による工具交換アームの平面図。
【図２】同工具交換アームにおいて工具把持部材を作動させる機構の構成を示す斜視図。
【図３】同工具交換アームが大径用ツールシャンクを把持するときの工具把持部材の位置を示す図。
【図４】同工具交換アームが小径用ツールシャンクを把持するときの工具把持部材の位置を示す図。
【図５】大径用ツールシャンクを示す側面図。
【図６】小径用ツールシャンクを示す側面図。
【符号の説明】
１０  工具交換アーム
１２  アーム軸
１４  アーム本体
１５ａ、１５ｂ  工具把持部材
１６  把持作動部
１７  サーボモータ
１８  ウォーム
２０  ウォームホイール
２２  ボールねじ軸
２２ａ  右リードボールねじ
２２ｂ  左リードボールねじ
２４ａ  第１のボールナット
２４ｂ  第２のボールナット
２６ａ、２６ｂ  リニアガイド
２８ａ、２８ｂ  把持部
５０  大径用ツールシャンク
５２  小径用ツールシャンク
【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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