(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸ヘッドに回転可能に軸支された主軸の先端に工具ホルダを着脱可能なクイックチェンジホルダを備え、また、工作機械に複数の工具ホルダを保持可能な工具マガジンを設け、工具交換時にクイックチェンジホルダを工具ホルダのアンクランプ状態とクランプ状態とにアンクランプ手段により操作して、主軸と工具マガジン間で工具ホルダを交換可能な自動工具交換装置において、工作機械のベース上に移動テーブルを水平左右方向に移動可能に設け、移動テーブルの上面に移動コラムを水平左右方向と直交する水平前後方向に移動可能に設け、移動コラムの前端に主軸ヘッドを上下方向に昇降可能に設け、アンクランプ手段を主軸ヘッドに設け、そのアンクランプ手段と係脱する操作部材を工具マガジンに設け、工具交換時に主軸ヘッドと工具マガジンの相対的な移動により、アンクランプ手段と操作部材とが係合したときアンクランプ手段がクイックチェンジホルダをアンクランプ状態とし、アンクランプ手段と操作部材とが離反したときクイックチェンジホルダをクランプ状態とするように構成する一方、工具マガジンの断面を略Ｌ字形状に形成し、主軸と平行な垂直壁部に水平前後方向に延びる操作部材を設け、水平壁部には工具ホルダを主軸と平行に保持する工具保持部を水平前後方向に複数設け、前記移動コラムの移動で主軸を工具マガジンの工具保持部に対して所定の相対位置に位置決めし、主軸から所定の距離離間した待機位置と前記工具ホルダの受入位置との間を、前記移動テーブル上に備えた駆動装置によって工具マガジンを水平左右方向に移動し、主軸への工具ホルダの抜き差しを主軸の昇降により行うようにしたことを特徴とする自動工具交換装置。
【請求項２】
アンクランプ手段は、主軸を挟んで主軸半径方向に対向し、主軸ヘッドに主軸軸線方向に揺動可能に設けられた１対のアンクランプアームと、アンクランプアームの後端部に設けられて操作部材に押圧される押圧部と、アンクランプアームの先端に設けられてクイックチェンジホルダをアンクランプ状態に操作する操作部と、操作部を常にクイックチェンジホルダから離間する方向に付勢する操作部離間用付勢部材とを備えて成ることを特徴とする請求項１記載の自動工具交換装置。
【請求項３】
押圧部には工具マガジンの操作部材と圧接する圧接ローラが設けられていることを特徴とする請求項２記載の自動工具交換装置。
【請求項４】
操作部はクイックチェンジホルダのクランプスリーブを押圧する押圧ローラであることを特徴とする請求項２又は３記載の自動工具交換装置。
【請求項５】
工具保持部には工具ホルダを挟む両側に工具ホルダのフランジを主軸軸線方向の移動を規制して保持する一対のフランジ受入部を設け、一方側のフランジ受入部には工具ホルダを他方側のフランジ受入部に押し付ける押し付けバネを設けたことを特徴とする請求項１から４何れか１項記載の自動工具交換装置。
【請求項６】
押し付けバネは、バネ鋼から成る線材の先端を工具ホルダの係合凹部に係合する略く字形状の係合突起部に形成して成り、後端を工具保持部に片持ち支持してあることを特徴とする請求項５記載の自動工具交換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械の自動工具交換装置（ＡＴＣ）に関し、特に主軸と工具マガジンとの相対移動により、主軸の工具ホルダと工具マガジンの工具ホルダとを交換する自動工具交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動工具交換装置は、主軸に工具ホルダを把持するクイックチェンジホルダと、主軸と正対可能な工具マガジンと、クイックチェンジホルダをクランプ状態とアンクランプ状態に操作する操作手段とを含み、工具交換時には、主軸と工具マガジンとが正対して主軸と工具マガジンとが相対的に移動し、その相対移動により操作手段がクイックチェンジホルダをアンクランプ状態に操作して主軸と工具マガジンの工具ホルダを交換していた。
【０００３】
このような自動工具交換装置として例えば特開昭５５−１１７１６号に開示のものがある。工具マガジンを工作機械のＸ−Ｙテーブルに設け、その工具マガジンは複数のツールアダプタ（工具ホルダ）を装着できるツールポットと、工具交換時に主軸のクイックチェンジホルダを操作するツールアダプタ全体に渡り各ツールアダプタに対応した位置に夫々爪部を有する工具交換用爪板と、シリンダ装置とを備えていた。工具交換の際には、工具マガジンを主軸の真下に移動した後、主軸を降下し、そして主軸に向けてシリンダ装置により工具交換用爪板を上昇し、クイックチェンジホルダのフランジを持上げて主軸からツールアダプタを開放して、工具マガジンと主軸間でツールアダプタを交換していた。
【０００４】
また、実開昭５７−１１８１３８号に開示のものでは、テーブル上に工具マガジンを設け、その工具マガジンには所定の間隔でコレット(工具ホルダ)を把持する1対のクランプ爪が複数設けられている。工具マガジンには各クランプ爪に対応して夫々工具交換用アームが設けられており、これらの工具交換用アームはアーム回転用シリンダにより回動するようになっている。工具交換時には、主軸を工具マガジンと正対し、シリンダにより工具交換用アームを主軸に向けて回動すると共に主軸を前進することで主軸のクイックチェンジホルダのスライダを後退させてコレットを開放した後、工具マガジンと主軸間でコレットを交換し、工具交換用アームをクランプ爪側に回動して他のコレットを把持するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来のものでは、工具マガジンの複数の工具保持部（夫々のツールポットやクランプ爪）の夫々に対応して爪部を有する工具交換用爪板や工具交換用アーム等のアンクランプ手段を備えており、部品数が多く工具マガジンが複雑になり好ましくなかった。
本願発明の課題は、複数のアンクランプ手段を必要としない構成簡易な自動工具交換装置を提供することである。更に本願発明の他の課題は、構造が簡単で安価な工具マガジンを有する上記自動工具交換装置を提供することである。
【０００６】
工作機械の主軸ヘッドに回転可能に軸支された主軸の先端に工具ホルダを着脱可能なクイックチェンジホルダを備え、また、工作機械に複数の工具ホルダを保持可能な工具マガジンを設け、工具交換時にクイックチェンジホルダを工具ホルダのアンクランプ状態とクランプ状態とにアンクランプ手段により操作して、主軸と工具マガジン間で工具ホルダを交換可能な自動工具交換装置において、工作機械のベース上に移動テーブルを水平左右方向に移動可能に設け、移動テーブルの上面に移動コラムを水平左右方向と直交する水平前後方向に移動可能に設け、移動コラムの前端に主軸ヘッドを上下方向に昇降可能に設け、アンクランプ手段を主軸ヘッドに設け、そのアンクランプ手段と係脱する操作部材を工具マガジンに設け、工具交換時に主軸ヘッドと工具マガジンの相対的な移動により、アンクランプ手段と操作部材とが係合したときアンクランプ手段がクイックチェンジホルダをアンクランプ状態とし、アンクランプ手段と操作部材とが離反したときクイックチェンジホルダをクランプ状態とするように構成する一方、工具マガジンの断面を略Ｌ字形状に形成し、主軸と平行な垂直壁部に水平前後方向に延びる操作部材を設け、水平壁部には工具ホルダを主軸と平行に保持する工具保持部を水平前後方向に複数設け、前記移動コラムの移動で主軸を工具マガジンの工具保持部に対して所定の相対位置に位置決めし、主軸から所定の距離離間した待機位置と前記工具ホルダの受入位置との間を、前記移動テーブル上に備えた駆動装置によって工具マガジンを水平左右方向に移動し、主軸への工具ホルダの抜き差しを主軸の昇降により行うようにしたことを特徴とする（請求項１）。
【０００７】
前記アンクランプ手段は、主軸を挟んで主軸半径方向に対向し、主軸ヘッドに主軸軸線方向に揺動可能に設けられた１対のアンクランプアームと、アンクランプアームの後端部に設けられて操作部材に押圧される押圧部と、アンクランプアームの先端に設けられてクイックチェンジホルダをアンクランプ状態に操作する操作部と、操作部を常にクイックチェンジホルダから離間する方向に付勢する操作部離間用付勢部材とを備えて成ることを特徴とする（請求項２）。
【０００８】
また、前記押圧部には工具マガジンの操作部材と圧接する圧接ローラが設けられていることを特徴とする（請求項３）。
【０００９】
また、前記操作部はクイックチェンジホルダのクランプスリーブを押圧する押圧ローラであることを特徴とする（請求項４）。
【００１０】
また、工具保持部には工具ホルダを挟む両側に工具ホルダのフランジを主軸軸線方向の移動を規制して保持する一対のフランジ受入部を設け、一方側のフランジ受入部には工具ホルダを他方側のフランジ受入部に押し付ける押し付けバネを設けたことを特徴とする（請求項５）。
【００１１】
具体的には、押し付けバネは、バネ鋼から成る線材の先端を工具ホルダの係合凹部に係合する略く字形状の係合突起部に形成して成り、後端を工具保持部に片持ち支持してあることを特徴とする（請求項６）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施の形態について図１から図７に基づいて説明する。図１に示す平面図において、工作機械１のベース２にはガイドレール３が水平左右方向（Ｘ軸方向）に配設されており、このガイドレール３に移動テーブル５がＸ軸方向に移動可能に案内されている。移動テーブル５の上面には図示しないガイドレールを介してＸ軸方向と直交する水平前後方向（Ｙ軸方向）に移動コラム８が案内されている。移動コラム８の前端には上下方向（Ｚ軸方向）のガイドレール９により主軸ヘッド１１が昇降可能に案内されている。これら移動テーブル５と移動コラム８と主軸ヘッド１１は夫々図示しないサーボモータ等からなる駆動装置により駆動される。
【００１３】
図２、図３に示すように主軸ヘッド１１には主軸１２が回転可能に軸支されている。主軸１２の先端にはクイックチェンジホルダ１３が設けられている。主軸１２先端部の外周面には図３に示すように、主軸軸線方向に摺動可能に摺動部材１４が嵌合され、摺動部材１４に一体的にクランプスリーブ１５が螺着されている。主軸１２に設けた止め環１２ａと摺動部材１４の間には圧縮バネ１６が介装されており、クランプスリーブ１５を常時上方へ付勢している。また、主軸１２の先端部分には工具ホルダ１７のテーパ部１８が嵌合するテーパ孔１９が形成され、また、主軸１２の先端部分には円周方向等間隔にクランプボール（鋼球）２０が半径方向移動可能に挿入されている。このクランプボール２０は、前記クランプスリーブ１５の先端内周に形成されたテーパ面２１と係脱によりテーパ孔１９内に出没可能となっており、テーパ孔１９内へ突出したとき、工具ホルダ１７の把持溝６０と係合して工具ホルダ１７をホルダ１３にクランプする。また、テーパ孔１９内には工具ホルダ１７の後端の凹部２２に嵌合し、主軸１２の回転を工具ホルダ１７に伝達する嵌合キー（嵌合ピン）２３が一体に横架されている。
【００１４】
また、主軸ヘッド１１の先端部分には自動工具交換装置を後述の工具マガジン２４と共に構成するアンクランプ手段２５が設けられている。アンクランプ手段２５は、アンクランプアーム２６と押圧部２７と操作部離間用付勢部材（アーム付勢バネ）２８とからなっている。主軸ヘッド１１に固着されたアーム取付部材２９に1対のアンクランプアーム２６が主軸１２を挟んで主軸半径方向に対向し、主軸軸線方向に揺動可能にピン２９ａで軸支されている。一対のアンクランプアーム２６の後端は、挟着部材３１を挟んでボルト３１ａで連結されている。
【００１５】
アンクランプアーム２６の先端には操作部３０が設けられており、操作部３０は回転自在に設けられた押圧ローラであり、前記クイックチェンジホルダ１３の摺動部材１４の上面を工具ホルダ１７のアンクランプの際に押圧する。アンクランプアーム２６の後端には、押圧部２７が設けられている。押圧部２７は以下のように構成されている。支持部材３２はクランプアーム２６間に架設された挟着部材３１にローラ支持部材３２の下端部が貫挿され、その先端に螺合されたナットとにより挟着部材３１に挟着されている。このローラ支持部材３２の上端部分にはピン３３が設けてあり、ピン３３には圧接ローラ３４が回転自在に軸支されている。また、アーム取付部材２９とローラ支持部材３２間にアーム付勢バネ２８が介装されている。このアーム付勢バネ２８は、アンクランプアーム２６の押圧ローラ３０をクイックチェンジホルダ１３から離れる方向（図２，３で上方）に常に付勢している。
【００１６】
また、前記移動テーブル５上には、図１に示すように周知のロッドレスシリンダ３５が載置されている。シリンダ３５のピストンマウント（外側移動体）３６には、マガジン取付腕３７の一端が取付けられており、マガジン取付腕３７の他端には工具マガジン２４が取付けられ、ピストンマウント３６の移動によってその工具マガジン２４はＸ軸方向に移動可能となっている。工具マガジン２４は図６のように断面が略Ｌ字形状をしており、Ｌ字形状部材３８の主軸１２と平行（Ｚ軸方向）に延びる垂直壁部３９の上端部には図４から図６に示すようにＹ軸方向に延びる操作部材４０が固着されている。操作部材４０は主軸ヘッド１１に設けたアンクランプ手段２５を操作するもので、主軸ヘッド１１の昇降動作時に圧接ローラ３４に圧接してアンクランプアーム２６をクイックチェンジホルダ１３に対して揺動させる傾斜面４１と、この傾斜面４１と連続しアンクランプアーム２６をクイックチェンジホルダ１３に対して押圧状態に保つ垂直面４２とが形成されている。
【００１７】
Ｌ字形状部材３８のＸ軸方向主軸に向けて延びる水平壁部４３には、Ｙ軸方向に工具保持部４４が複数設けられている。各工具保持部４４は、工具ホルダ１７を挟んで両側位置となる一対のフランジ受入部４５を備えている。フランジ受入部４５は、水平壁面４３の上面に取付けられた下マガジンプレート４６に、Ｘ軸方向で主軸１２に向けて突出すると共にＹ軸方向に等間隔に複数形成された下突出片４７と、下マガジンプレート４６に取付けられた上マガジンプレート４８にＸ軸方向で主軸１２に向けて突出すると共に、下突出片４７と同一間隔で複数形成された上突出片４９とから成っている。下突出片４７は、図４、図５に示すように工具ホルダ１７のフランジ５０に形成された平面部５０ａ，５０ａ間の幅寸法より僅かに広い幅Ｌ１の幅広部５１と、平面部５０ａ，５０ａ間の幅寸法より狭い幅Ｌ２の幅狭部５２とを備えた段付形状となっている。一対の上突出片４９間の幅も、平面部５０ａ，５０ａ間の巾寸法より狭い幅Ｌ３になっており、フランジ受入部４５の下突出片４７と上突出片４９間に工具ホルダ１７のフランジ５０を受け入れた状態では、工具ホルダ１７の主軸軸線方向の移動がフランジ５０と上下突出片４７，４９とにより規制され、かつ、工具ホルダ１７が垂直に保持される。
【００１８】
一対のフランジ受入部４５の一方には押し付けバネ５３が設けられている。押し付けバネ５３は、バネ鋼から成る直線状の線材の先端を折り曲げて、工具ホルダ１７のフランジ５０に設けられた係合凹部５４と係合できる略く字形状の係合突起部５５に形成してある。押し付けバネ５３は、その後端がバネ挟持ネジ５６により挟持され、上マガジンプレート４８のバネ挿通空間５７を通って上、下突出片４７，４９間に片持ち状態で位置している。工具保持部４４に工具ホルダ１７が保持された状態では、図４、図５において押し付けバネ５３は工具ホルダ１７の右側の係合凹部５４に係合して工具ホルダ１７の左側の外面５０ａを左側の下突出片４７の幅広部５１に押し付けている。
【００１９】
次に、自動工具交換装置による工具交換動作について説明する。テーブル５のＸ軸移動とコラム８のＹ軸移動及び主軸１１のＺ軸移動でワークに対して、主軸１２のクイックチェンジホルダ１３にクランプされている工具ホルダ１７の工具により同一工具で行なうべき加工を次々と行なう。このとき工具マガジン２４は、移動テーブル５上のシリンダ３５により図１、図６の如く主軸から離れた待機位置に位置された状態で主軸１２のＸ軸方向移動により一緒に移動する。加工が終了すると主軸１２はオリエンテーション（定位置停止）によって、工具マガジン２４の工具ホルダ１７の凹部２２と主軸１２の工具ホルダ１７の凹部２２とが同一方向を向くように停止される。そして、図７の（ａ）のように主軸ヘッド１１は、主軸１２の工具ホルダ１７が工具マガジン２４の、工具ホルダを保持していない工具保持部４４と対向する位置に移動する。
【００２０】
次に図７の（ｂ）に示すようにシリンダ３５により工具マガジン２４が主軸１２に向けて工具保持部４４に主軸１２の工具ホルダ１７が受け入れられる位置まで移動する。すると、工具ホルダ１７のフランジ５０が押し付けバネ５３をＹ軸方向にたわませながらフランジ受入部４５に挿入され、その工具ホルダ１７の係合凹部５４に押し付けバネ５３の係合突起部５５が係合し工具ホルダ１７が工具保持部４４に保持される。この時、操作部材４０の垂直面４２が圧接ローラ３４を押圧し、アーム付勢バネ２８に抗してアンクランプアーム２６を下方へ揺動し、押圧ローラ３０がクイックチェンジホルダ１３の上面を押してクランプスリーブ１５を圧縮バネ１６のバネ力に抗して押し下げ、クランプボール２０とテーパ面２１の係合を解除してクランプボール２０を主軸半径方向外側に移動可能とし、クイックチェンジホルダ１３をアンクランプ状態とする。
【００２１】
次に、図７の（ｃ）に示すように主軸１２を上昇すると、クランプボール２０が把持溝６０から半径方向外方へ押出されて主軸１２から工具ホルダ１７が抜き取られる。このとき、上昇に共なって操作部材４０と圧接ローラ３４とは離間してアンクランプアーム２６が上方へ揺動し、圧縮バネ１６によりクランプスリーブ１５が上昇して再びクランプボール２０が工具ホルダ１７を把握する方向に移動するが、垂直面４２と圧接ローラ３４との圧接状態は、クランプボール２０が工具ホルダ１７の把持溝６０からはずれた状態となるまで保たれる。
【００２２】
次に、主軸１２は新たな工具ホルダ１７の直上へ移動し、図７の（ｂ）に示すように、新たな工具ホルダ１７に向けて降下して操作部材４０と圧接ローラ３４との圧接によりクイックチェンジホルダ１３をアンクランプ状態とし、クイックチェンジホルダ１３に工具ホルダ１７が挿入される。
【００２３】
そして、図７の（ａ）に示すようにロッドレスシリンダ３５の動作で工具マガジン２４が主軸１２から離れて再び待機位置に移動すると、操作部材４０と圧接ローラ３４とが離れ、アーム付勢バネ２８によりクイックチェンジホルダ１３上面から押圧ローラ３０が離れ、クランプスリーブ１５がばね力で上昇してクランプボール２０が工具ホルダ１７の保持溝６０に入り込んでクイックチェンジホルダ１３により新たな工具ホルダ１７がクランプ状態となると共に、押し付けバネ５３と係合凹部５４との係合が外れて工具マガジン２４から工具ホルダ１７が抜き取られて、主軸１２に工具ホルダ１７が保持され、工具交換動作が完了する。
【００２４】
このように工具ホルダ１７の交換の際には、クイックチェンジホルダ１３が主軸ヘッド１１に設けたアンクランプ手段２５と工具マガジン２４の操作部材４０とによりクランプ、アンクランプ状態にされるので、工具マガジンの複数の工具保持部夫々にアンクランプ手段を設けたものに比べて部品数を少なくすることができ、構成が簡単となる。また、片持ちはり状の押し付けバネ５３によって工具マガジン２４に工具ホルダ１７を保持するので、開閉する爪により工具ホルダを保持するものに比べ、構造が簡単になる。
【００２５】
本願実施の形態では、工具マガジン２４を主軸１２と一緒に移動テーブル５上に設けて主軸１２と一体的に移動可能とし、工具マガジン２４の待機位置と工具ホルダ１７の受入位置との間を一定（最小距離）としているので、工具交換時の主軸１２と工具マガジン２４との相対的な移動距離が短く、工具交換時間を短くできて好適である。
【００２６】
以上のように本願発明では、主軸に１つのアンクランプ手段を設けて、主軸と工具マガジンとの相対的な移動によって工具交換を行なうので、従来の自動工具交換装置のように工具マガジンに各工具保持部に対応してクイックチェンジホルダを操作するアンクランプ手段を複数設けることが不要になり、構造が簡単となって安価になる。また、工具マガジンの工具保持部は、工具ホルダのフランジを主軸軸線方向への移動を規制して保持するフランジ受入部とフランジをフランジ受入部に押し付ける押し付けバネとからなるので、従来の工具マガジンのように開閉する一対のクランプ爪で保持するものに比べ、構造簡易となる。
さらに、工具交換時の主軸と工具マガジンとの相対的な移動距離が短く、工具交換時間を短くできて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】工作機械の概要を示す平面図である。
【図２】主軸の側面図である。
【図３】主軸の一部を断面にした正面図である。
【図４】工具マガジンの平面図である。
【図５】図４のV−V線断面図である。
【図６】図４のVI−VI線断面図である。
【図７】工具ホルダの交換を示す動作説明図である。
【符号の説明】
２    ベース
５    移動テーブル
８    移動コラム
１１  主軸ヘッド
１２  主軸
１３  クイックチェンジホルダ
１７  工具ホルダ
２４  工具マガジン
２５  アンクランプ手段
２６  アンクランプアーム
２８  アーム付勢バネ（操作部離間用付勢部材）
３０  押圧ローラ
３４  圧接ローラ
３５  ロッドレスシリンダ（駆動装置）
３９  垂直壁部
４０  操作部材
４３  水平壁部
４４  工具保持部
４５  フランジ受入部
５０  フランジ
５３  押し付けバネ
５４  係合凹部
５５  係合突起部
【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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