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発明の名称 工作機械の自動工具交換装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−43983
公開日 平成10年(1998)2月17日
出願番号 特願平8−209772
出願日 平成8年(1996)8月8日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】下市 努
発明者 日浦 武利
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 工具交換アームを備えた工具交換軸を回転方向及び軸方向に移動させることにより主軸に装着された工具と工具マガジンの工具とを自動的に交換する工作機械の自動工具交換装置において、駆動モータを含む駆動部を上記主軸を支持する主軸頭の一側に位置するように該主軸頭を支持するコラムに配設し、上記工具交換軸を回転方向及び軸方向に移動させる作動部を上記主軸頭の他側に位置するよう上記コラムに配設し、上記駆動部と上記作動部とを回転力伝達機構により連結したことを特徴とする工作機械の自動工具交換装置。
【請求項2】 請求項1において、上記駆動部を、減速歯車機構をギヤボックス内に収容するとともに上記駆動モータをギヤボックスの反作動部側壁面に取り付けたものとし、上記ギヤボックスを上記主軸頭の一側に位置させるとともに、該ギヤボックスからコラム側に延びるブラケット部を上記コラムの一側面に取り付け、上記作動部を、上記工具交換軸及び該工具交換軸を回転方向及び軸方向に移動させるカム機構をカムケース内に収容したものとし、該カムケースを上記主軸頭の他側に位置させるとともに、該カムケースからコラム側に延びるブラケット部を上記コラムの他側面に取り付け、上記ギヤボックスと上記カムケースとを上記主軸頭の反コラム側に位置する接続部材により結合し、該接続部材,上記ギヤボックス,カムケース,及び上記コラムにより上記主軸頭を囲む閉空間を形成し、該主軸頭が該閉空間内で軸方向に移動することを特徴とする工作機械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】本発明は、例えば立型マシニングセンタ等の工作機械の自動工具交換装置に関し、特にコラムに工具交換装置を装着する場合に、該コラムに作用する左,右重量比を改善できるようにした自動工具交換装置の配置構造の改善に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば立型マシニングセンタ等の工作機械は、主軸(スピンドル)の下端に嵌合装着された工具を加工内容に応じたものと自動的に交換する自動工具交換装置(ATC)を備えているのが一般的である。この自動工具交換装置は、主軸に嵌合装着された工具及び次工程用工具を工具交換軸の交換アームの両端で把持し、上記主軸側の工具をアンクランプするとともに、工具交換軸を軸方向に移動させることにより工具を抜き取り、180度回転させ、再び元の位置まで軸方向に移動させることにより使用済工具を工具マガジンに収納するとともに次工程用工具を主軸に嵌合装着するようになっている。
【0003】このような自動工具交換装置として、従来、カム機構により上記工具交換軸を回転方向及び軸方向に移動させるようにしたものがある(例えば実開昭63−113530号公報参照)。これは同公報に記載されているように、ハウジング1内に工具交換軸15を回転自在かつ軸方向移動可能に配置し、該工具交換軸15にスプライン嵌合した筒部材24に多数のローラ26を放射状に取り付け、駆動軸2に固定されたカム部材7の外周面に上記ローラ26と係合して上記工具交換軸15を回転させるローラギヤカム11を形成するとともに、該カム部材7の側面に上記工具交換軸15を軸方向に移動させる溝状の軸移動カム8を形成し、さらに上記駆動軸2を駆動する駆動モータ6及び減速機構を上記ハウジング1の側面に取り付けた構成となっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで上記自動工具交換装置を、上記主軸頭を支持するコラムに取り付けるようにした場合、上記工具交換装置は相当の重量があることから、その配置構造の如何によっては、コラムに作用する重量比がアンバランスとなり、コラムが何れかに傾斜し易くなるといった問題が発生する懸念があり、この倒れを回避するにはコラムを大幅に補強してその支持剛性を高めることが必要となる。
【0005】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、工具交換装置をコラムに取り付ける場合の、コラムの補強を不要又は最小限に止めることができる工作機械の自動工具交換装置を提供することを課題としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、工具交換アームを備えた工具交換軸を回転方向及び軸方向に移動させることにより主軸に装着された工具と工具マガジンの工具とを自動的に交換する工作機械の自動工具交換装置において、駆動モータを含む駆動部を上記主軸を支持する主軸頭の一側に位置するように該主軸頭を支持するコラムに配設し、上記工具交換軸を回転方向及び軸方向に移動させる作動部を上記主軸頭の他側に位置するよう上記コラムに配設し、上記駆動部と上記作動部とを回転力伝達機構により連結したことを特徴としている。
【0007】請求項2の発明は、請求項1において、上記駆動部を、減速歯車機構をギヤボックス内に収容するとともに上記駆動モータをギヤボックスの反作動部側壁面に取り付けたものとし、上記ギヤボックスを上記主軸頭の一側に位置させるとともに、該ギヤボックスからコラム側に延びるブラケット部を上記コラムの一側面に取り付け、上記作動部を、上記工具交換軸及び該工具交換軸を回転方向及び軸方向に移動させるカム機構をカムケース内に収容したものとし、該カムケースを上記主軸頭の他側に位置させるとともに、該カムケースからコラム側に延びるブラケット部を上記コラムの他側面に取り付け、上記ギヤボックスと上記カムケースとを上記主軸頭の反コラム側に位置する接続部材により結合し、該接続部材,上記ギヤボックス,カムケース,及び上記コラムにより上記主軸頭を囲む閉空間を形成し、該主軸頭が該閉空間内で軸方向に移動することを特徴としている。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図1〜図8は本発明の一実施形態による立型マシニングセンタの自動工具交換装置を説明するための図であり、図1は該マシニングセンタの斜視図、図2,図3は自動工具交換装置の正面図,平面図、図4は主軸頭部分の一部断面側面図、図5は自動工具交換装置の断面正面図、図6は工具交換軸部分の断面側面図、図7,図8はロック解除機構部分の平面図,正面図である。
【0009】図において、1は立型マシニングセンタ、2は該マシニングセンタ1のベッド、3は該ベッド2上に図示Y軸方向に移動可能に配置されたサドル、4は該サドル3上に図示X軸方向に移動可能に配設されたテーブル、5は上記ベッド2上に立設されたコラム、6は該コラム5に図示Z軸方向に移動可能に支持された主軸頭である。
【0010】上記主軸頭6は箱状のモータ台部6aと該モータ台部6aの前部に一体形成された筒状の主軸保持部6bとを有し、該主軸頭6は、モータ台部6aの後壁6cに取り付けられたスライダ8bと上記コラム5の前壁5aに取り付けられたガイドレール8aとを介してコラム5によりZ軸方向に移動可能に支持されている。
【0011】また上記コラム5の前壁5aにはZ軸駆動モータ9が取り付けられており、該モータ9の出力軸に接続されたボールねじ9aに上記主軸頭6の後壁6cに取り付けられたナット部材9bが螺合しており、該Z軸駆動モータ9の回転により主軸頭6はZ軸方向に移動する。
【0012】また上記主軸保持部6b内には主軸10が挿入され、軸受11a〜11cにより回転自在に支持されている。上記主軸10の下端部に形成されたテーパ穴10a内に工具12のテーパ部12aが着脱可能に嵌合装着され、該工具12のスタッド部12bにドローバー14のボール保持筒14aがボール15を介して係脱可能となっている。
【0013】上記ドローバー14は主軸10の軸芯部に軸方向に移動可能に挿入されており、かつクランプばね16により上記工具12のロック方向に付勢されている。なお、ドローバー14を上記付勢力に抗して下方に押し込むと、上記ボール15が主軸内面に形成された凹部14b内に移動することにより、該ボール15ひいては上記ボール保持筒14aと上記スタッド部12bとの係合が外れ、工具12は下方に抜き取り可能となる。なお、上記ドローバー14と工具12のスタッド部12bとの係合構造は、ボール15を介するものに限らず、カム面によりコレットを拡大又は縮小させる構造でも勿論かまわない。
【0014】また上記主軸10にはプーリ17aがキー結合により取り付けられ、該プーリ17aと主軸モータ18の出力軸18aに取り付けられたプーリ17bとはベルト17cで連結されており、主軸モータ18は上記主軸頭6のモータ台部6aの天壁6dに固定されている。
【0015】20は本実施形態の特徴をなす自動工具交換装置であり、該自動工具交換装置20は、多数の工具12・・を収容保持し、次工程用の工具を工具交換位置に割り出し位置決めする工具マガジン21と、工具交換軸22を回転方向及び軸方向に移動させる交換軸駆動装置23と、上記ドローバー14による工具12のロック状態を解除するロック解除機構24とを備えている。
【0016】上記交換軸駆動装置23は、上記主軸頭6の正面から見て右側に配置された駆動部25と、上記主軸頭6の左側に配置された作動部26と、該作動部26に上記駆動部25からの回転力を伝達する回転力伝達軸27とを備えている。
【0017】上記駆動部25は、略直方体状のギヤボックス28内に減速歯車機構を収容し、該ギヤボックス28の反作動部側壁面である右壁28bに駆動モータ29を取り付けた構造のものであり、該ギヤボックス28からコラム5側に延びるブラケット部28aが該コラム5の右側壁5bにボルト締め固定されており、該ギヤボックス28は主軸頭6の右側に位置している。
【0018】上記減速歯車機構は、駆動モータ29の出力軸29aに取り付けられた駆動ギヤ30aを中間軸31に取り付けられた中間大ギヤ30b,中間小ギヤ30cを介して上記回転力伝達軸27に取り付けられた伝達大ギヤ30dに噛合させた構造を有している。これにより駆動モータ29の回転数を所要回転数まで減速して上記作動部26に伝達する。
【0019】上記回転力伝達軸27は主軸頭6の前側に主軸10と直角にかつ水平に配置されており、また駆動側軸27aと作動側軸27bとに分割され、かつカップリング32で連結されており、これにより回転力を駆動部25から作動部26側に伝達する回転力伝達機構が構成されている。そしてこのように二分割構造としたことにより上記駆動部25,及び作動部26をコラム5に取り付ける場合の組立性を向上できる。
【0020】上記作動部26は、略直方体状のカムケース33内にカム機構及び工具交換軸22を収容した構造のものであり、該カムケース33からコラム5側に延びるブラケット部33aが該コラム5の左側壁5cにボルト締め固定されており、該カムケース33は主軸頭6の左側に位置している。
【0021】上記工具交換軸22は主軸10と平行にかつ垂直に配置され、その上部には回転筒34が軸方向移動可能にかつ回転方向に相対移動不能にスプライン嵌合しており、該回転筒34はカムケース33の天壁33bに固定された支持筒36により軸受35aを介して回転自在に支持されている。また上記工具交換軸22の下部はカムケース33の底壁33cに固定された軸受35bにより回転可能かつ軸方向移動可能に支持されている。
【0022】上記回転筒34の下部外周には6個のローラ37が水平にかつ放射状に配設されている。このローラ37は略鼓状の回転駆動カム38の外周面に形成されたカム溝38a内に係合しており、該回転駆動カム38は上記回転力伝達軸27の作動側軸27bに固定装着されている。上記駆動部25からの回転力により該回転駆動カム38が回転すると回転筒34が回転し、これに伴って工具交換軸22も回転する。
【0023】また上記工具交換軸22の軸方向略中央部には係合溝22aが凹設されており、該係合溝22aに上下動アーム39の一端に軸支されたローラ39aが係合している。そしてこの上下動アーム39は上記カムケース33の右側壁33dに固定支持された支持ピン39bにより上下揺動自在に軸支されており、また該上下動アーム39の他端に軸支されたローラ39cは上記回転駆動カム38に隣接して上記作動側軸27bに固定装着された略円盤状の上下駆動カム40の側面に環状に凹設された上下カム溝40aに係合している。
【0024】上記上下駆動カム40の回転により上下動アーム39の両端が上記支持ピン39bを中心に上下揺動して上記工具交換軸22を上下動させる。なお、図6において、工具交換軸22の中心線より左側部分,右側部分はそれぞれ工具交換軸22が上昇端位置,下降端位置に位置している状態を示している。
【0025】上記工具交換軸22の下端部には交換アーム41が固着されている。この交換アーム41は、先端部に工具12の把持溝12cに係合する略半円状の把持爪41aを有し、また該把持溝12c内に進入係合するようばね41bで付勢された係合ピン41cを有する。さらにまた上記工具交換軸22内にはロック用カムロッド42がばね43で上方に付勢されて挿入配置されている。このカムロッド42はこの工具交換軸22が下降するとばね43により上昇してそのテーパ面42aにより上記係合ピン41cを外方に突出させることにより、工具12の脱落を防止している。なお、工具交換軸22が上昇端位置まで上昇するとロック解除ロッド44が蓋部材44aにより上昇を阻止されることにより上記カムロッド42を押し下げ、これにより上記テーパ面42aは上記係合ピン41cから外れる。
【0026】また上記駆動部25のギヤボックス28の前部と上記作動部26のカムケース33の前部とは上記主軸頭6の反コラム5側に位置する上記回転力伝達軸27のさらに前側に位置する上下一対の接続プレート(接続部材)45,45により結合されている。これにより平面から見ると該接続プレート45,上記ギヤボックス28,カムケース33,及び上記コラム5により上記主軸頭6を囲む閉空間が形成されており、該主軸頭6は該閉空間内でZ軸方向に移動することとなる。
【0027】そして上記工具マガジン21は上記カムケース33の反駆動部側に配設されている。この工具マガジン21は、上記カムケース33の左側壁33eに固定された支持軸46により軸受47を介して円盤状のマガジンベース48を回転自在に支持するとともに、該マガジンベース48の外周縁に多数の工具ポット49を放射方向に揺動可能に装着し、該工具ポット49のうち下端に位置するものをエアシリンダ50により工具交換位置(図2に実線で示す位置)に回動させるように構成されている。
【0028】上記各工具ポット49は、ガイドローラ49a,駆動ローラ49bを有し、該ガイドローラ49aがガイドプレート55のガイド溝55aを通ることにより回転方向にガイドされている。また上記下端に位置する工具ポット49は、これの駆動ローラ49bがピストンロッド50aに固定された駆動部材50bに係合した状態でエアシリンダ50が延びることにより、上記工具交換位置に揺動する。なお、上記ガイドプレート55は上記支持軸46に固定されており、上記エアシリンダ50はガイドプレート55に垂直下方に向けて固定されている。
【0029】また上記マガジンベース48の背面にはリングギヤ48aが形成されており、該リングギヤ48aにはマガジン駆動モータ51の出力軸51aに装着された駆動ギヤ52aが中間大ギヤ52b,中間小ギヤ52cを介して連結されている。これによりマガジン駆動モータ51の回転が所要回転数に減速されて工具マガジン21に伝達される。
【0030】なお上記マガジン駆動モータ51は上記カムケース33のブラケット部33aに固定されたモータベース53に取り付けられており、また上記中間ギヤ52b,52cは上記モータベース53に延長形成されたブラケット部53aに固定支持された中間軸54により回転自在に支持されている。
【0031】上記ロック解除機構24は、上記作動側軸27bのカムケース33外側部分に固定されたアンロックカムプレート56と、上記主軸頭6の天壁6d上に配置されたアンロックレバー57とから構成されている。上記アンロックカムプレート56は、円形状の外周面を有するアンロック部56aとこれより小径でかつ略直線状の外周面を有するロック部56bとからなる円盤状のものである。
【0032】上記アンロックレバー57は、その先端部が上記アンロックカムプレート56の下側に位置するように配設されたアーム部58と、上記主軸10の上端を覆うように配置され、かつ上記アーム部58を支持する支持部59とから構成されている。
【0033】上記アーム部58は上記支持部59の左端部にボルト締め固定されており、該アーム部58の先端にはローラ60が回転自在に装着されており、該ローラ60は上記アンロックカムプレート56のカム面に転接している。
【0034】また上記支持部59は厚板状のもので、その左,右両端部に形成された軸部59a,59aが上記主軸頭6の天壁6dの左,右端部に配設された軸受61,61により回動可能に軸支されている。そしてこの支持部59には上記ドローバー14の上方に位置するように押圧部59bが形成されている。この押圧部59bは上記ドローバー14の上端に装着されたキャップ62の上方に位置し、かつ該アンロックレバー57が下方に揺動したときに該キャップ62の上面を押圧する押圧ピン63を備えている。なお、該押圧ピン63の突出量は調整可能になっている。また、上記アンロックレバー57は図4の反時計方向に回転付勢されている。
【0035】次に本実施形態における動作及び作用効果を説明する。工具交換を行う場合には、主軸10に装着された工具12が工具交換位置に位置するように主軸頭6が上昇移動する。また、工具マガジン21において次工程工具が下端に位置するようマガジンベース48が回転し、該次工程工具が収容された工具ポット49の駆動ローラ49bがエアシリンダ50の駆動部材50bに係合し、エアシリンダ50が伸長することにより次工程工具が工具交換位置に90度回動する。
【0036】そして駆動部25の駆動モータ29の回転が作動部26側に伝達されて回転駆動カム38が回転し、工具交換軸22が回転駆動され、交換アーム41の両端の把持爪41aが工具12の把持溝12cを把持する。なおこのとき、カムロッド42はロック解除ロッド44で下方に押し込まれて係合ピン41cの後退を許容している(図6のロック解除ロッド44の中心線より左側の部分参照)。
【0037】また上記交換アーム41による工具の把持に続くアンロックカムプレート56の回転により、アンロック部56aがアンロックレバー57を下方に回動させる。すると該アンロックレバー57の押圧部59bの押圧ピン63がキャップ62を介してドローバー14を下方に押し込む。これによりボール15が径方向外方に移動可能となり、ドローバー14のボール保持筒14aと工具12のスタッド部12bとの係合が外れる。
【0038】上記回転力伝達軸27がさらに回転すると上下駆動カム40により上下動アーム39が工具交換軸22を下降させ、交換アーム41に把持された工具が下方に引き抜かれる。このとき、カムロッド42がばね43により上昇し、テーパ面42aが係合ピン41cの後退を阻止し、工具12は交換アーム41に確実に把持され、該交換アーム41が高速で回転した場合でも外れることはない。
【0039】上記回転力伝達軸27がさらに回転し、工具交換軸22が回転駆動カム38により180度回転し、続いて上下駆動カム40により上昇し、使用済工具が工具マガジン21の工具ポット49内に収容されるとともに、次工程工具が主軸10のテーパ穴10a内に嵌合装着される。
【0040】このとき、アンロックカムプレート56のロック部56bがアンロックレバー57のローラ60に転接することから、ドローバー14がクランプばね16の付勢力により上昇し、ボール保持筒14aが径方向内方に移動したボール15を介して工具12をロック方向に付勢する。またこのときロック解除ロッド44が蓋部材44aに当接してカムロッド42を相対的に下方に押し下げることから、係合ピン41cが後退可能となり、続いて交換アーム41は待機位置に戻る。
【0041】このような動作を行う立型マシニングセンタ1の自動工具交換装置20において、該装置20の交換軸駆動装置23を、駆動部25と作動部26とに分割し、駆動部25を主軸頭6の右側に位置するようにコラム5の右側壁5bに取り付け、作動部26を主軸頭6の左側に位置するようにコラム5の左側壁5cに取り付けたので、コラム5に作用する左,右重量比を改善することができる。
【0042】即ち、コラム5の一側に全ての機構をまとめて配置した従来例では左,右重量比は10:0であるが、本実施形態では工具マガジン21を含めて7:3程度となっている。左,右重量比が10:0の場合には、コラムが工具交換装置配置側に傾斜するのを回避するためにコラムを高剛性となるよう大幅に補強する必要があるが、本実施形態では上記補強を不要にするか又は最小限に止めながらコラムの起立状態を保持するための剛性を高めることができ、その結果、加工精度を向上できる。
【0043】また本実施形態では、コラム5の右側壁5b,左側壁5cにそれぞれギヤボックス28,カムケース33を取り付けるとともに、該ギヤボックス28,カムケース33を接続プレート45により接続したので、該接続プレート45,ギヤボックス28,カムケース33,及びコラム5により閉断面が構成され、この点からギヤボックス28,カムケース33の特に左,右間隔を保持するための剛性を高めることができる。
【0044】さらにまた、上記閉断面が形成されたことから、コラム5の主軸頭6を支持する前壁5aの面剛性が高まり、主軸頭6の位置精度ひいては加工精度を向上できる。
【0045】また交換軸駆動装置23を駆動部25と作動部26とに分割配置するに際し、回転力伝達軸27を駆動側軸27aと作動側軸27bとに分割して両軸をカップリング32で接続したので、該カップリング32により各部分の寸法誤差を吸収でき、駆動部25,作動部26のコラム5への取り付け作業性を大きく改善できる。
【0046】また、交換軸駆動装置23を駆動部25と作動部26とに分割したので、作動部26が該部分に全ての機構をまとめて配置したものに比較してコンパクトとなり、該作動部26の外側に配置された工具マガジン21の左方への突出寸法が小さくて済み、本体カバーをそれほど大きくすることなく工具交換装置20を該本体カバーにより覆うことができる。
【0047】なお、上記交換軸駆動装置23を駆動部25と作動部26とに分割する際の態様には各種の変形例が考えられる。例えば駆動部25側に駆動モータ29だけを配置し、減速歯車機構を作動部26側に配置することも可能であり、また駆動部25側に、減速歯車機構だけでなく、アンロックカムプレート56及びアンロックレバー57のアーム部58を配置することも可能である。
【0048】また本実施形態では、回転力伝達軸27に固定された円盤状のアンロックカムプレート56によりアンロックレバー57を介してドローバー14をアンロック位置に移動させるようにしたので、極めて簡単な構造により高い応答性でもって工具のアンロックを確実に行うことができ、また主軸頭回りの重量増加はほとんどない。
【0049】即ち、例えば、板カムによりシリンダを駆動して油圧を発生させ、該油圧をドローバー駆動用シリンダに供給するようにした従来装置の場合、主軸側及び交換軸駆動機構側の両方に油圧シリンダ機構が必要であり、また作動油を補給するためのチャージタンクが必要となる等、構造が複雑でかつ主軸頭回りの重量が増大するといった問題があるが、本実施形態ではこれらの問題を解消できる。
【0050】
【発明の効果】以上のように請求項1の発明に係る工作機械の自動工具交換装置によれば、駆動モータを含む駆動部を主軸頭の一側に位置するようにコラムに配設し、上記工具交換軸を移動させる作動部を上記主軸頭の他側に位置するよう上記コラムに配設し、上記駆動部と上記作動部とを回転力伝達軸により連結したので、コラムに作用する左,右重量比を改善することができ、コラムの補強が不要か又は最小限で済むとともに、加工精度を向上できる効果がある。
【0051】請求項2の発明によれば、上記駆動部のギヤボックスをコラムの一側面に取り付け、上記作動部のカムケースをコラムの他側面に取り付け、上記ギヤボックスと上記カムケースとを上記主軸頭の反コラム側に位置する接続部材により結合し、該接続部材,上記ギヤボックス,カムケース,及び上記コラムにより上記主軸頭を囲む閉空間を形成したので、ギヤボックス,カムケースの左,右間隔を保持するための剛性を向上できるとともに、コラムの主軸頭支持面の剛性を向上でき、加工精度を向上できる効果がある。




 

 


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