JPH0673789B2 - 工作機械の自動工具交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は工作機械の自動工具交換装置の改良に関するも
ので、さらに詳しくは、自動工具交換の時間を短縮し、
生産性を向上させること、及び自動工具交換装置の構造
を簡略化し、安価で故障の少ない装置を提供すること、
さらには、自動工具交換における主軸及び工具のオリエ
ント機構をなくし簡略で安価な工作機械を提供すること
を主たる改良点とする工作機械の自動工具交換装置に関
するものである。

従来の技術 この種工作機械の自動工具交換装置の構造を簡略化する
ものとして、例えば、特開昭58−51046号公報に見られ
るように、１台の主軸モータにより主軸の回転と工具マ
ガジンの旋回とを行わせる提案がなされているが、この
提案は、主軸ヘッドが加工動作領域においてワークに加
工を行うべく主軸の軸線方向に沿って下降し始めると、
工具マガジンも一体的に下降し、ワークと干渉するとい
う問題点があった。

上記問題点を改善するものとして、特開昭60−155338号
公報に見られるような提案がなされている。

この提案は、工具の回転割出し可能な工具マガジンを主
軸ヘッドとは独立して基台上に立設固定されたコラムの
上方に固設されたフレーム上に主軸の軸線方向〔上下方
向〕へ移動自在に配設し、フレーム上に上下方向へ移動
自在に配設された主軸ヘッドの第１段階の復動（上昇動
作）により第１のカム機構を介して工具マガジンに取付
けた工具把持部材で主軸先端に装着されている加工済み
の工具を把持させ、主軸ヘッドの第２段階の復動〔上昇
動作〕により第２のカム機構を介して主軸側の工具挾持
部材による工具の挾持を解除させ、更に主軸ヘッドの第
３階段の復動により主軸から工具を完全に離脱させ、次
いで工具マガジンを回転割出しした後、主軸ヘッドを前
記とは逆の階段的な往復〔下降〕動作で次の加工に使用
する工具を主軸に装着し、加工を行わせるようにしたも
のである。

発明が解決しようとする課題 上記特開昭60−155338号公報の提案は、第１のカム機構
と第２のカム機構とを必要とし、しかも、主軸のオリエ
ント機構を必要とするため、自動工具交換装置の構造が
複雑となるのみならず、主軸の回転を停止させてからで
なければ工具交換動作を行わせることができないため、
時間的ロスが発生し、生産性が低下するという問題点が
あった。特に、上記公報に記載のものは、工具交換時、
主軸の停止位置を、第２のクランク機構の動作を確実化
させるために定位置で止める必要があり（上記公報第７
頁左下欄の下から２行目〜同頁右下欄第７行目の記載参
照）、そのために、工具交換時、主軸の回転を完全に停
止させてからでなければ、工具交換ができないもので、
従って、上記した問題点があった。

問題点を解決するための手段 本発明は従来の上記問題点に鑑み提案されたもので、機
械本体に対して主軸ヘッドと工具マガジンとを主軸の軸
線方向をＺ軸方向とするとき、これに直交するＸ軸方向
及びＹ軸方向には一体的に移動し、Ｚ軸方向には主軸ヘ
ッドのみが移動可能とされ、上記工具マガジンは複数の
工具をそれぞれ工具ホルダを介して着脱可能に把持し、
かつ、工具交換位置へ割り出し回転可能に設置され、こ
の工具交換位置に割り出された工具に対し、主軸ヘッド
のワークの加工領域からの後退方向側端部でのＺ軸方向
への移動を利用して工具交換を行わせるようになし、工
具挿着後、主軸ヘッドを前進させてワークの加工を行わ
せるようになした工作機械の自動工具交換装置におい
て、回転自在の環状鍔部を設けた工具ホルダと、環状鍔
部を介して工具ホルダを着脱可能に把持する工具マガジ
ンと、主軸先端に軸方向へ摺動可能で、常時スプリング
によりクランプ方向に押圧付勢されて主軸先端の工具装
着体内で工具ホルダをボールを介してクランプするクラ
ンプ筒と、工具ホルダのクランプ時、クランプ筒を後方
よりバックアップするために主軸先端に設置されたバッ
クアップシリンダと、主軸ヘッドの工具交換位置への後
退移動で、工具マガジンの取付台の一部に設けたカムに
よりリンクを介してクランプ筒をアンクランプ方向に作
動させるために主軸ヘッドの先端に支持ブラケットを介
してクランプ筒の回転には不干渉に係合するよう設置さ
れたアンクランプレバーと、主軸ヘッドの先端に設けら
れ、主軸先端に装着された工具ホルダの環状鍔部の位置
決め孔に係合する位置決めピンとを具備させたものであ
る。

作用 環状鍔部は、主軸が回転したままであっても、工具ホル
ダを工具マガジンへ戻したり、或いは、工具マガジンか
ら工具ホルダを受け取ることができ、工具交換時、主軸
の回転が完全に停止するのを持つ必要がない。

クランプ筒は、主軸先端の工具装着体内に装着された工
具ホルダを、ボールを介してクランプし、かつ、このク
ランプ状態をバックアップシリンダでバックアップさせ
たため、工具ホルダのクランプが確実となる。

アンクランプレバーは、主軸ヘッドの工具交換位置への
後退時、カムにより、リンクを介してクランプ筒をアン
クランプ方向へ移動させ、クランプ筒による工具ホルダ
のクランプを解除して工具交換を可能とする。

主軸ヘッド先端の位置決めピンは、主軸に装着された工
具ホルダの環状鍔部の位置決め孔と係合して、加工中に
おける環状鍔部の自由回転を防止する。

実施例 第１図は本発明を横形マシニングセンタに適用した実施
例の正面図、第２図はその平面図、第３図はその右側面
図であって、これらの図において、（１）はベッド、
（２）はサドル、（３）はコラム、（４）は主軸ヘッ
ド、（５）は主軸、（６）は工具マガジンである。

ベッド（１）上にはサドル（２）が第１図で左右方向
〔以下Ｘ軸方向と称す〕に摺動可能に載置され、Ｘ軸モ
ータ（７）によりボールねじ及びボールナット〔図示省
略〕を介してＸ軸方向に制御移動可能とされている。

サドル（２）上にはコラム（３）が第１図で前後方向
〔以下Ｚ軸方向と称す〕に摺動可能に載置されＺ軸モー
タ（８）によりボールねじ及びボールナット〔図示省
略〕を介してＺ軸方向に制御移動可能とされている。

コラム（３）には主軸ヘッド（４）が第１図で上下方向
〔以下Ｙ軸方向と称す〕に摺動可能に載置され、Ｙ軸モ
ータ（９）によりボールねじ及びボールナット〔図示省
略〕を介してＹ軸方向に制御移動可能とされている。

主軸ヘッド（４）には主軸（５）が回転可能に軸承され
ており、主軸ヘッド（４）に取付けた主軸駆動モータ
（10）により回転駆動可能とされている。

工具マガジン（６）は、第４図に示す様に、マガジン取
付台（11）に枢軸（12）を介して回転可能に枢着され、
該マガジン取付台（11）に装着した減速機能付きのモー
タ（13）により、適宜の伝動機構（14）を介して割出回
転可能とされている。第４図では上記伝動機構（14）と
して、モータ（13）の出力軸（13a）に傘歯車（14a）を
連結し、この傘歯車（14a）に噛合する傘歯車（14b）の
軸（14c）上にインデックスバレルカム（14d）を設け、
このインデックスバレルカム（14d）に噛合するローラ
構造のカム従動子（14e）を工具マガジン（６）に装着
してモータ（13）の動力を工具マガジン（６）に伝える
ようにした場合を例示している。マガジン取付台（11）
は、第１図に示す様に、Ｙ軸方向に平行なガイドロッド
（15）（15）にＹ軸方向へ摺動可能に装着されており、
このガイドロッド（15）（15）は、その下端をサドル
（２）にブラケット（16）を介して固着し、上端をコラ
ム（３）にブラケット（17）を介してＺ軸方向へ摺動可
能に係合支持させている。上記ブラケット（17）のコラ
ム（３）への係合支持構造は、一方にＺ軸方向のガイド
レール等の摺動案内溝を設け、他方にガイドローラ等の
摺動子を設けて実施される。

上記マガジン取付台（11）はまた、主軸ヘッド（４）に
Ｙ軸方向へは一体的に移動するが、Ｚ軸方向には摺動可
能に係合支持させるものである。上記マガジン取付台
（11）の主軸ヘッド（４）への係合支持構造は、一方に
Ｚ軸方向のガイドレール等の摺動内溝を設け、他方にガ
イドローラ等の摺動子を設けて実施される。

上記構成によって、主軸ヘッド（４）と、工具マガジン
（６）とは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に一体的に移動し、
Ｚ軸方向には、主軸ヘッド（４）のみが移動可能とな
る。

工具マガジン（６）は、第４図及び第５図に示す様に円
盤状をなし、多数の工具ホルダ（18）を放射状に装着で
きるように構成されており、各工具ホルダ装着位置には
主軸（５）及び主軸ヘッド（４）の先端部が通過できる
開口部（6a）を有している。この開口部（6a）は、環状
孔でもよいが、重量軽減及び小型化等のために略Ｕ字形
の切欠開口部とした場合を図示している。

上記開口部（6a）には工具把持具（19）が取付けられて
いる。工具把持具（19）は工具ホルダ（18）の基部付近
に設けた環状鍔部（18a）を嵌合し得る環状孔（19a）を
有し、かつ、この環状孔（19a）の周囲に適当な間隔で
配置された複数個のロックボール（19b）を有する。各
ロックボール（19b）は、工具把持具（19）の半径方向
に形成された案内孔（19c）内に、環状孔（19a）の内周
面に向けて出没可能に収容され、常時スプリング（19
d）により内方へ突出付勢されており、調整ねじ（19e）
によってスプリング（19d）の弾力を調整可能とされて
いる。

工具マガジン（６）の開口部（6a）と工具把持具（19）
の環状孔（19a）とは略相似形とされ、かつ、開口部（6
a）を環状孔（19a）より若干小径として、工具把持具
（19）の環状孔（19a）に工具ホルダ（18）の環状鍔部
（18a）を嵌合した時、環状鍔部（18a）が工具マガジン
（６）の開口部（6a）の周縁に当接係止されるようにな
されている。

工具ホルダ（18）は、基部にテーパーシャンク部（18
b）を有し、先端側に切削工具が直接形成されたり、或
いは、着脱可能に装着されるもので、基部付近外周に軸
受（18c）を介して環状鍔部（18a）が回転可能に装着し
てある。

上記環状鍔部（18a）の外周面には、工具把持具（19）
のロックボール（19b）が係合する環状係止溝（18d）が
形成してあり、工具ホルダ（18）の環状鍔部（18a）を
工具把持具（19）の環状孔（19a）に嵌合した時、ロッ
クボール（19b）が環状係止溝（18d）に係合して工具ホ
ルダ（18）を工具マガジン（６）の工具把持具（19）に
把持させるものである。

上記環状鍔部（18a）には、位置決め孔（18f）が設けら
れ、これと対応して主軸ヘッド（４）の先端に位置決め
ピン（34）が突設され、この構成によって、加工中にお
ける環状鍔部（18a）の自由回転が防止される。

主軸（５）は軸受（20）を介して主軸ヘッド（４）内に
回転可能に貫通装着され、この主軸（５）の先端には工
具ホルダ（18）のテーパシャンク部（18b）を嵌合する
テーパー孔（5a）を有する工具装着体（5b）が固着され
ており、この工具装着体（5b）のテーパー孔（5a）内に
向けて出没可能な複数個のボール（5c）が装着されてい
る。工具ホルダ（18）のテーパシャンク部（18b）に
は、上記ボール（5c）が係合する環状係止溝（18e）が
形成されている。

工具装着体（5b）の外周には、先端内周面にテーパー孔
（21a）を有するクランプ筒（21）が軸線方向に摺動可
能に装着され、このクランプ筒（21）は、スプリング
（22）により常時先端方向に押圧付勢され、先端内周面
のテーパー孔（21a）によりボール（5c）を工具装着体
（5b）のテーパー孔（5a）内に突出させるようになされ
ている。主軸（５）の先端とクランプ筒（21）との間に
は、バックアップシリンダ（23a）とピストン（23b）が
設けられ、クランプ筒（21）を介しての工具ホルダ（1
8）のクランプを確実にするようにしている。上記ピス
トン（23b）は主軸（５）の先端に固着され、このピス
トン（23b）に対してバックアップシリンダ（23a）が摺
動可能に装着され、クランプ時、主軸（５）内を経由し
てピストン（23b）内からバックアップシリンダ（23a）
内に油圧又は空気圧が供給される。主軸（５）の先端に
装着される工具ホルダ（18）のクランプは、加工中は勿
論、自動工具交換動作が行われるとき以外はクランプさ
れるように上記バックアップシリンダ（23a）への油圧
又は空気圧の供給が制御される。

上記クランプ筒（21）にクランプ解除動作を与える機構
は次のような構成からなっている。

即ち、第８図〜第10図に示す様に、主軸ヘッド（４）の
先端に支持ブラケット（24）が固着され、この支持ブラ
ケット（24）の先端にアンクランプレバー（25）の上端
両側耳部が枢軸（26）を介してクランプ筒（21）の摺動
方向に摺動可能に枢着してある。このアンクランプレバ
ー（25）の下端は、クランプ筒（21）に跨がる２股状と
してある。そして、アンクランプレバー（25）の上端一
側耳部は、後方へ一連に屈曲延長され、この延長端に
は、後方に向けて開口するスリット（25a）が形成して
ある。一方、支持ブラケット（24）の後端一側には、枢
軸（29）を介してリンク（28）の中間部が上下に揺動可
能に枢着してあり、このリンク（28）の先端にピン（2
7）を取付け、このピン（27）をアンクランプレバー（2
5）の後端のスリット（25a）に係合させてある。上記リ
ンク（28）の後端には、カム従動子（30）が取付けてあ
り、このカム従動子（30）に対応して、マガジン取付台
（11）にカム（31）が設置してある。この構成によっ
て、主軸ヘッド（４）が工具交換位置へ後退する時、カ
ム従動子（30）がカム（31）に圧下され、リンク（28）
を経由してアンクランプレバー（25）の先端でクランプ
筒（21）を後退方向へ移動させ、ボール（5c）による工
具ホルダ（18）のクランプを解除するものである。尚、
アンクランプレバー（25）の先端２股状部にはローラ
（32）（32）が設けてある。

以上が本発明の実施例の構成であって、次にその動作を
説明する。

Ｘ軸モータ（７）、Ｚ軸モータ（８）及びＹ軸モータ
（９）は、NC制御装置（33）に与えられたNC指令により
動作し、各軸の動作量がロータリーエンコーダ等のセン
サを介してフィードバックされ、指令値とフィードバッ
ク値とを比較し乍らNC加工が遂行される。本実施例の横
形マシンニングセンタは、コンベア或いはローダ等で前
面の加工位置へ搬入位置決めされたワークに対して、自
己の受持ち分の加工を次々に実行し、１つのワークへの
加工が終了すれば、当該ワークは次工程に送られ、次の
新しいワークが搬入されて、このワークに対して加工を
行ない、終了すれば送り出す動作を反復継続する。

上記ワークの加工において、複数の工具を自動的に交換
し乍ら加工が行われるもので、この工具の交換に当って
は、先ず、主軸ヘッド（４）がＺ軸モータ（８）により
コラム（３）と共にＺ軸方向に後退動し、この方向には
工具マガジン（６）はサドル（２）に一体となって不動
であるから、主軸ヘッド（４）が工具マガジン（６）に
対して後退動作し、主軸（５）に装着されている工具ホ
ルダ（18）を工具把持具（19）に嵌合さこせることにな
る。この時点になると、マガジン取付台（11）に固着し
たカム（31）にリンク（28）の後端のカム従動子（30）
が乗り上げて第９図に示す様にリンク（28）を反時計方
向に回動させ、アンクランプレバー（25）を時計方向に
回動させてクランプ筒（21）を後退動させ、クランプを
解除するので、主軸ヘッド（４）をさらに後退動させる
と工具装着体（5b）から工具ホルダ（18）が抜ける。即
ち、工具ホルダ（18）は、工具マガジン（６）の開口部
（6a）の周縁で止められるため、ボール（5c）は工具ホ
ルダ（18）のテーパーシャンク部（18b）の環状係止溝
（18e）から脱出する。そして、工具装着体（5b）の先
端が工具マガジン（６）の各工具ホルダ（18）と干渉し
ない位置まで主軸ヘッド（４）を後退させると、工具マ
ガジン（６）がモータ（13）により割出回転されて次の
加工で使用する工具を装備した工具ホルダ（18）が主軸
（５）の軸線上に割出される。そうすると主軸ヘッド
（４）が前進動作し、新しい工具ホルダ（18）を工具装
着体（5b）で把持し、さらに前進して工具ホルダ（18）
を工具マガジン（６）の工具把持具（19）から離脱させ
てワークの加工に向う。ワークの加工が終了すれば前記
した工具交換動作を反復する。

主軸ヘッド（４）のＺ軸方向の動作範囲は、大部分を占
める加工範囲と残部分を占める工具交換範囲に区画され
て制御される。

自動工具交換に当って、工具ホルダ（18）は環状鍔部
（18a）を軸受（18c）を介して回転可能に装着している
ため、主軸（５）の回転を停止させることなく工具交換
を実施できる。

上述の実施例は、横形マシニングセンタに適用した場合
を示しているが、縦形マシニングセンタにも適用可能で
ある。

発明の効果 本発明によれば、主軸を回転させたままで工具交換を実
行でき、自動工具交換の時間を短縮し、生産製の向上が
図れ、かつ、自動工具交換装置の構造を簡略化でき、故
障の少ない安価な装置を提供できる。また、本発明は、
工具のクランプをスプリング力だけに依存せず、バック
アップシリンダによって確実化しているため、ワークの
加工中などにクランプ筒にアンクランプ方向の外力が作
用しても工具の脱落等の事故を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の横形マシニングセンタに適用した実施
例の正面図、第２図はその平面図、第３図はその右側面
図、第４図は主軸と工具マガジンとの関係を示す横断平
面図、第５図は第４図の要部拡大断面図、第６図は工具
ホルダーの一部破断側面図、第７図は工具把持具の拡大
正面図、第８図はレバー機構の拡大平面図，第９図はそ
の側面図、第10図はその正面図である。 （４）……主軸ヘッド、（５）……主軸、 （5b）……工具装着体、（６）……工具マガジン、 （6a）……開口部、（７）……Ｘ軸モータ、 （８）……Ｚ軸モータ、（９）……Ｙ軸モータ、 （10）……主軸駆動モータ、 （11）……マガジン取付台、 （18）……工具ホルダ、（18a）……環状鍔部、 （18b）……テーパシャンク部、 （19）……工具把持具、（21）……クランプ筒、 （23a）……バックアップシリンダ、 （23b）……ピストン、 （25）……アンクランプレバー、 （28）……リンク、（30）……カム従動子、 （31）……カム、（34）……位置決めピン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機械本体に対して主軸ヘッドと工具マガジ
   ンとを主軸の軸線方向をＺ軸方向とするとき、これに直
   交するＸ軸方向及びＹ軸方向には一体的に移動し、Ｚ軸
   方向には主軸ヘッドのみが移動可能とされ、上記工具マ
   ガジンは複数の工具をそれぞれ工具ホルダを介して着脱
   可能に把持し、かつ、工具交換位置へ割り出し回転可能
   に設置され、この工具交換位置に割り出された工具に対
   し、主軸ヘッドのワーク加工領域からの後退方向側端部
   でのＺ軸方向への移動を利用して工具交換を行わせるよ
   うになし、工具挿着後、主軸ヘッドを前進させてワーク
   の加工を行わせるようになした工作機械の自動工具交換
   装置において、 回転自在の環状鍔部を設けた工具ホルダと、 環状鍔部を介して工具ホルダを着脱可能に把持する工具
   マガジンと、 主軸先端にＺ軸方向へ摺動可能で、常時スプリングによ
   りクランプ方向に押圧付勢されて主軸先端の工具装着体
   内で工具ホルダをボールを介してクランプするクランプ
   筒と、 工具ホルダのクランプ時、クランプ筒を後方よりバック
   アップするために主軸先端に設置されたバックアップシ
   リンダと、 主軸ヘッドの工具交換位置への後退移動で、工具マガジ
   ンの取付台の一部に設けたカムにより、リンクを介して
   クランプ筒をアンクランプ方向に作動させるために主軸
   ヘッドの先端に支持ブラケットを介してクランプ筒の回
   転には不干渉に係合するよう設置されたアンクランプレ
   バーと、 主軸ヘッドの先端に設けられ、主軸先端に装着された工
   具ホルダの環状鍔部の位置決め孔に係合する位置決めピ
   ンとを具備させたことを特徴とする工作機械の自動工具
   交換装置。