特開 2024-6585 工具交換アーム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024006585

(43)【公開日】2024-01-17

(54)【発明の名称】工具交換アーム

(51)【国際特許分類】

   B23Q 3/157 20060101AFI20240110BHJP

【ＦＩ】

B23Q3/157 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022107627

(22)【出願日】2022-07-04

(71)【出願人】

【識別番号】000237271

【氏名又は名称】株式会社ＦＵＪＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100125737

【弁理士】

【氏名又は名称】廣田 昭博

(72)【発明者】

【氏名】浅川 和哉

【テーマコード（参考）】

3C002

【Ｆターム（参考）】

3C002FF03

3C002FF07

3C002KK04

(57)【要約】

【課題】工具との衝突時の衝撃を低減させる工具交換アームを提供すること。
【解決手段】中央の回転軸を中心に工具の把持位置が対称的に構成されたアーム本体と、前記アーム本体の両端部に形成された固定爪と、前記アーム本体に揺動可能に軸支された可動爪と、前記可動爪の先端部に一端が軸着された第１連結部材と、前記第１連結部材の他端に一端が軸着され、他端が前記アーム本体に軸支された第２連結部材と、を備え、前記アーム本体の回転によって、前記第２連結部材の中間部が前記工具の進入側部に当接して押し込まれ、前記第２連結部材に軸着された前記第１連結部材を介して前記可動爪を揺動させ、前記固定爪とともに前記工具を把持する工具交換アーム。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中央の回転軸を中心に工具の把持位置が対称的に構成されたアーム本体と、
前記アーム本体の両端部に形成された固定爪と、
前記アーム本体に揺動可能に軸支された可動爪と、
前記可動爪の先端部に一端が軸着された第１連結部材と、
前記第１連結部材の他端に一端が軸着され、他端が前記アーム本体に軸支された第２連結部材と、を備え、
前記アーム本体の回転によって、前記第２連結部材の中間部が前記工具の進入側部に当接して押し込まれ、前記第２連結部材に軸着された前記第１連結部材を介して前記可動爪を揺動させ、前記固定爪とともに前記工具を把持する
工具交換アーム。

【請求項2】

前記可動爪を開動作する方向に付勢するためのバネ部材と、前記可動爪の閉状態を維持するロック機構と、を有する請求項１に記載の工具交換アーム。

【請求項3】

前記第２連結部材は、前記工具側に屈曲した形状である請求項１または請求項２に記載の工具交換アーム。

【請求項4】

前記アーム本体の回転によって前記第２連結部材の中間部に前記工具の進入側部が当たる位置は、前記アーム本体の停止位置まで残りの回転角度が１°分である請求項１または請求項２に記載の工具交換アーム。

【請求項5】

前記ロック機構は、前記可動爪に対して前記第１連結部材とは反対側に、遊嵌された連結ピンによってスライド部材が軸着され、前記スライド部材には位置決め孔が形成され、前記可動爪の閉動作によってロック用バネに付勢されたロックピンが前記位置決め孔に嵌まり込むことでロック状態を形成する請求項１に記載の工具交換アーム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転して工具を把持する際、その工具と衝突することによって発生する衝撃を低減させるようにした工具交換アームに関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械は、工具主軸装置の工具の取り換えが可能な構成を有するものがあり、そこには自動で工具の交換を行う自動工具交換装置が設けられている。そして、自動工具交換装置には、両端部の工具チャックによって工具を把持する工具交換アームを有し、例えば１８０°回転させることによって工具の交換を行う構成がとられたものがある。下記特許文献１には従来の工具交換アームが開示されている。この工具交換アームは、両端部に把持爪の開閉を可能にした工具チャックが構成され、各々によって交換する工具を把持することが可能になっている。

【0003】

工具交換アームの工具チャックは、固定の把持爪（固定爪）に対して把持爪（可動爪）が揺動可能に軸支された工具チャックが構成されている。可動爪の端にはカムフォロアーが取り付けられ、圧縮コイルバネによって付勢された揺動可能な押圧部材に当接している。押圧部材を介して伝達される圧縮コイルバネの付勢力は、可動爪が固定爪との関係では開く方向に作用している。従って、工具交換の際には、工具交換アームが回転し、可動爪が開いた把持部に工具が当たり、それによって可動爪が閉じて工具が把持される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１０－１１８８７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

工具交換アームは、回転することによって工具を把持することになるが、可動爪に対して工具が相対的に衝突することになる。その際、工具が可動爪に衝突する位置が工具交換アームの回転を停止する位置から遠く、回転速度が落ちる前に衝突が生じてしまっていた。そのため、工具交換アームが受ける衝撃も大きくなってしまい、そのときの衝撃音が大きくなるほか、繰り返し行われる把持動作によって破損を引き起こすことで寿命を短くしてしまうこともあった。一方で、衝撃を小さくするには回転速度を落とすことも考えられるが、工具交換にかける時間を短縮することが望ましいため、一定程度の速度になってしまい解決が困難であった。

【0006】

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、工具との衝突時の衝撃を低減させる工具交換アームを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る工具交換アームは、中央の回転軸を中心に工具の把持位置が対称的に構成されたアーム本体と、前記アーム本体の両端部に形成された固定爪と、前記アーム本体に揺動可能に軸支された可動爪と、前記可動爪の先端部に一端が軸着された第１連結部材と、前記第１連結部材の他端に一端が軸着され、他端が前記アーム本体に軸支された第２連結部材と、を備え、前記アーム本体の回転によって、前記第２連結部材の中間部が前記工具の進入側部に当接して押し込まれ、前記第２連結部材に軸着された前記第１連結部材を介して前記可動爪を揺動させ、前記固定爪とともに前記工具を把持するものである。

【発明の効果】

【0008】

前記構成によれば、中央の回転軸を中心に対称的に構成されたアーム本体が回転することにより、その両端部に構成された固定爪と可動爪からなる把持部によって工具を把持することができるが、その際、把持部内に相対的に進入した工具はその進入側部が第２連結部材の中間部に当接し、工具が衝突した第２連結部材の揺動が第１連結部材および可動爪に伝達されて工具が把持される。そして、回転する工具交換アームの停止位置直前で工具が第２連結部材に当接するため、衝撃を低減させることができる

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】ツールチェンジャの一例を示した斜視図である。

【図2】工具交換アームを示した平面図である。

【図3】工具交換アームを示した斜視図である。

【図4】図３に示す閉動作時の工具チャックを拡大して示した斜視図である。

【図5】工具チャックのロック機構を示した図２のＮ－Ｎ断面図である

【図6】カム装置におけるタイミング線図である。

【図7】可動爪の閉動作における変位を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明に係る工具交換アームの一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態の工具交換アームは、工作機械においてツールマガジンの工具を自動で交換する自動工具交換装置に組み込まれたものであり、特に工具主軸装置に対する直接の工具交換を行うツールチェンジャを構成するものである。図１は、そのツールチェンジャの一例を示した斜視図である。このツールチェンジャ１では、ツールマガジンから運ばれた新たな工具と、それまで工具主軸装置で使用された工具との移し換えが行われる。

【0011】

ツールチェンジャ１は、工具の着脱が可能な一対の工具チャック１１を両端部に設けた工具交換アーム３が回転可能に取り付けられたものであり、その工具交換アーム３を回転させるカム装置５および、そのカム装置５に回転を出力するサーボモータ７などによって構成されている。カム装置５は、上方に入力軸１３が突出し、サーボモータ７の出力軸との間に、各軸のプーリを介してタイミングベルト１２が掛け渡されている。

【0012】

カム装置５は、入力軸１３に与えられた回転が、下方に突き出した出力軸１４から所定の運動が出力できるように設計されている。すなわち、入力側１３の回転に従って出力軸１４が回転するほか上下方向にも変位するように、溝カムやグロボイダルカムなどから構成されている。従って、ツールチェンジャ１は、サーボモータ７の回転制御により、工具交換アーム３における回転角度と上下方向の位置を調整することが可能となっている。図６は、そのカム装置５におけるタイミング線図である。

【0013】

このタイミング線図では、横軸にカムの回転角度を示し、（Ａ）は縦軸に工具交換アーム３の上下方向の移動位置が示され、（Ｂ）は縦軸に工具交換アーム３の回転角度が示されている。本実施形態のツールチェンジャ１は、工具交換アーム３の待機状態を０°とした場合に、回転角度が９０°と２７０°の位置で工具主軸装置に対する工具の着脱が行われるよう構成されている。図６（Ｂ）に示すように変化する工具交換アーム３の回転は、例えばカムの回転角度が５°になった時点で始まり、カムの回転角度が６４°になった時点で９０°の回転位置に達する。

【0014】

そして、カムの回転角度が１０７°に達するまで工具交換アーム３の姿勢が９０°のまま維持される。９０°の回転で工具主軸装置から工具を取り出した工具交換アーム３は、次に１８０°分回転した２７０°の位置で新たな工具を工具主軸装置へ装着することになる。ツールチェンジャ１は、９０°および２７０°の回転位置では図６（Ａ）に示すように工具交換アーム３を上下方向に変位させ、工具主軸装置に対する工具の取り外しまたは装着が行われる。

【0015】

本実施形態のツールチェンジャ１は、工具交換アーム３が工具を掴みに行く工程では、９０°の回転位置で停止することになるが、その停止位置の直前で工具に工具交換アーム３の工具チャック１１が当たることになる。従来は、このときの衝撃音が大きく、工場内で作業を行う作業員に不快感を与えてしまっていた。また、工具交換が行われる度に大きな衝撃を受ければ工具交換アーム３における部品の破損などが生じることなり、工具チャック１１の不具合によって工具の落下を引き起こしてしまうことになる。

【0016】

そこで、本実施形態の工具交換アーム３には衝突時の衝撃を低減する構成が採られている。図２および図３は、工具交換アーム３を示した平面図と斜視図である。両図面とも一対の工具チャック１１（１１Ａ，１１Ｂ）のうち、図面右側の工具チャック１１Ａは工具Ｔを把持していない状態が示され、図面左側の工具チャック１１Ｂは工具Ｔを把持した状態が示されている。そして、図４は、図３に示す工具チャック１１Ｂを拡大して示した斜視図である。

【0017】

工具交換アーム３は、菱形のアーム本体２０に対し、その両端部において対称的に工具チャック１１が構成されている。両工具チャック１１ともに同一の回転方向（反時計方向）から工具Ｔを受けるように構成されている。工具チャック１１は、アーム本体２０の両端部に一体的に固定爪２１が形成され、その固定爪２１に対してアーム本体２０の回転軸Ｏ側に可動爪２５が揺動可能に軸支されている。

【0018】

ところで、図３に一点鎖線で示す工具Ｔは円柱形状で表現されているが、これはツールマガジンに収納される各種工具が収まる外郭領域を表現したにすぎない。そして、実際の工具Ｔはヘッド部分に工具保持具ＴＰが取り付けられ、自動工具交換装置内では当該工具保持具ＴＰを把持することによって移し換えが行われる。そのため、工具チャック１１の固定爪２１や可動爪２５は、略円柱形状をした工具保持具ＴＰの被把持部を掴むことができる形状で形成されている。

【0019】

可動爪２５は、ピン２６によってアーム本体２０に対して軸支され、工具保持具ＴＰを把持する先端部側にピン２７を介して第１の連結部材２４が軸着されている。その連結部材２４は、ピン２７の位置とは反対側の端部がピン２８によって、第２の連結部材である閉動作レバー２３と軸着されている。ピン２８は、変位する連結部材２４の揺動軸であり、連結部材２４側に形成されてピン孔に遊嵌されている。閉動作レバー２３は、ピン２８の位置とは反対側の端部がピン２９によってアーム本体２０に軸支されている。従って、工具チャック１１は、アーム本体２０に軸支された開動作レバー２３、連結部材２４および可動爪２５がリンクとなって、各ピン２６，２７，２８，２９が回り対偶を構成したクローズタイプのリンク機構である。

【0020】

工具チャック１１に構成されたこのリンク機構は、図２に示すように、閉動作レバー２３の中間部８１が相対的に進入してきた工具Ｔ（工具保持具ＴＰ）の進入側部８２に当接し、その衝突時に受ける反力によって変位し、閉動作レバー２３の動きに追随して連結部材２４および可動爪２５が揺動するようになっている。本実施形態では、前述した工具交換アーム３が停止する回転位置を９０°とした場合に、閉動作レバー２３は、残りの回転角度θが１°になる位置で工具保持具ＴＰに当たるよう設計されている。そして、工具Ｔが衝突してから工具交換アーム３が停止するまでの開動作レバー２３の変位量は４ｍｍ程度である。

【0021】

ところで、工具チャック１１が直接把持する工具保持具ＴＰは、周方向の４箇所に嵌合凹部１０１が形成されている。工具チャック１１は、固定爪２１と可動爪２５とに嵌合部２１１，２５１が形成され、それらが２箇所の嵌合凹部１０１に嵌ることによって、工具保持具ＴＰを確実に把持できるようになっている。図２に示すように、工具チャック１１を工具Ｔの相対的な進入方向から見た場合、その奥側（図７下側）で固定爪２１の嵌合部２１１が嵌まり込み、工具入口側（図７上側）で可動爪２５の嵌合部２５１が嵌り込むようになっている。

【0022】

図７は、アーム本体２０に軸支された閉動作レバー２３、連結部材２４および可動爪２５を棒状のリンク２３L，２４Ｌ，２５Ｌに置き換えてその動きを表現した図である。工具チャック１１のリンク機構は、各リンク２３L，２４Ｌ，２５Ｌが、細線で示す開状態位置から太線で示す閉状態の位置に変位する。すなわち、リンク２３Ｌの揺動によってピン２８を介してリンク２４Ｌが工具チャック１１の奥側に引かれ、これによりリンク２５Ｌの揺動端側のピン２７が工具Ｔへ近づけられ、更にそのリンク２５Ｌがピン２６を支点に揺動することによりその揺動端が工具Ｔへと近づけられる。

【0023】

工具チャック１１は、閉動作レバー２３が工具Ｔから受ける反力によって閉状態になるが、そのとき工具Ｔが閉動作レバー２３の位置まで他の部材に衝突せず進入できるようにすることが必要である。そこで、通常時の工具チャック１１がある程度開くように、可動爪２５を開方向に付勢するためのスプリング３１が設けられている。工具交換アーム１１のアーム本体２０には、その長手方向に直線移動するスライド３２が組み込まれている。スライド３２は、その一端部に形成された長孔に、可動爪２５に固定されたピン３３が遊嵌されている。

【0024】

ピン３３は、可動爪２５の揺動軸となるピン２６を挟んで、ピン２７とは反対側の端部に位置している。スプリング３１の付勢力は、スライド３２に固定されたブロック３４を介してピン３３に伝わり、可動爪２５は、常に工具チャック１１の外側方向すなわち図２における反時計方向に力を受けて開状態が維持されている。また、スライド３２は、ピン３３が入る連結用の長孔とは反対の回転軸Ｏ側端部に、変位方向に沿って長孔３２１が形成され、そこにロックピン３５が挿入されている。

【0025】

図５は、工具チャック１１のロック機構を示した図２のＮ－Ｎ断面図である。図示する左右のロック機構は同じ構造であり、図面右側は工具チャック１１Ａに対応したアンロック状態が表現され、図面左側が工具チャック１１Ｂに対応したロック状態が表現されている。まず、ロックピン３５は、径寸法が３段階に変化するように形成され、大きい径の案内部３５１と、中間位置のロック部３５２と、小さい径の作用部３５３とが形成されている。アーム本体２４１の下面側には椀型のガイドキャップ３６が固定され、そこにロックピン３５の案内部３５１が摺動可能に挿入されている。

【0026】

ロックピン３５は、案内部３５１に下からあけられた穴にロック用バネ３７が入れられ、ガイドキャップ３６に支えられて上方に付勢されている。ロックピン３５は、その作用部３５３が長孔３２１を貫通し、更にアーム本体２０の上面側に固定されたガイド筒３８内に挿入され、先端部が突き出している。長孔３２１は、下面側にロック部３５２の一部が入り込むロック凹部３２５が形成され、ロック状態が切り換えられるようになっている。そうした長孔３２１とロックピン３５の関係が、図５の一点鎖線で囲った箇所に平面的に示されている。

【0027】

長孔３２１は、その長手方向の中央部分に円弧状に幅が広がったロック凹部３２５が形成されている。工具チャック１１が開状態の通常時は、図面右側に示すようにスライド３２が矢印で示す回転軸Ｏから離れる方向に付勢された位置にあり、ロック部３５２がスライド３２の下面に当たっている。一方で、工具チャック１１が閉状態に切り換えられた場合には、図面左側のスライド３２が矢印で示す回転軸Ｏに近づく方向に移動し、ロック部３５２が長孔３２１のロック凹部３２５に相対的に入り込むことになる。これによりスライド３２の移動が拘束され、これに連結された可動爪２５の閉状態が維持されることになる。

【0028】

工具チャック１１によって把持された工具Ｔを解放するには、ロックピン３５を押し下げてロック凹部３２５からロック部３５２を外す必要がある。この点、工具交換アーム３は、図６（Ａ）に示すように回転角度によって高さが変化する。そこで、工具Ｔを解放するタイミングで工具交換アーム３が上昇し、ロックピン３５は、その作用部３５３が図１に示すように直上の押当てリング１５に当たり、相対的に押し下げられることとなる。なお、押当てリング１５は、カム装置５の出力軸１４にラジアルベアリングによって回転可能に取り付けられている。

【0029】

続いて、本実施形態の工具交換アーム３を有するツールチェンジャ１の作用について説明する。待機状態から９０°の回転によって、これまで使用された工具主軸装置の工具Ｔと、新たにツールマガジンから運ばれた新たな工具Ｔとの交換が行われる。待機状態の工具交換アーム３は工具チャック１１Ａ，１１Ｂの両方が開状態であって、工具Ｔを把持する準備がとられている。そこで、工具Ｔを交換する場合には、サーボモータ７の駆動制御により、その回転がカム装置５を介して変換され、工具交換アーム３の回転角度と上下方向の変位として出力される。

【0030】

回転した工具交換アーム３は、９０°の回転角度で停止し、工具主軸装置に装着された工具Ｔの把持動作が行われる。すなわち、工具交換アーム３は、０°から回転を開始して交換する工具Ｔに向かって工具チャック１１が接近するが、停止位置直前の８９°の回転位置で閉動作レバー２３が工具Ｔに衝突する。そして、残り１°分の回転において閉動作レバー２３が工具Ｔによって相対的に押される。このとき、閉動作レバー２３は工具Ｔを把持する工具側にくの字に屈曲した形状であるため、工具チャック１１内に進入する工具Ｔとの衝突を９０°に近づけることができる。

【0031】

工具Ｔとの衝突によって押された閉動作レバー２３は、ピン２９を支点に揺動することで揺動端のピン２８に軸着された連結部材２４を引っ張ることになる。そうして連結部材２４が変位することにより、可動爪２５がピン２６を中心に揺動し、工具Ｔが固定爪２１と可動爪２５によって把持される。このとき図７に示す位置にある工具保持具ＴＰの嵌合凹部１０１に、固定爪２１と可動爪２５の嵌合部２１１，２５１が嵌り込んで把持される。そして、可動爪２５が閉状態になった場合には、可動爪２５の揺動によってスライド３２が変位し、ロックピン３５によって工具チャック爪１１の閉状態が維持される。その後、工具交換アーム３に１８０°分の回転が行われることで、両端の工具チャック１１に把持された工具Ｔの交換が行われる。

【0032】

よって、本実施形態の工具交換アーム３によれば、連結部材２４および閉動作レバー２３を介して可動爪２５を揺動させる構成にしたことで、９０°の回転角度で停止するその直前の８９°の位置で衝突させた工具Ｔの把持が可能である。そのため、工具Ｔに衝突するときの速度を従来に比べて落とすことができ、作業者が不快に感じる衝撃音を低減させることになる。また、工具Ｔに当たる衝撃を和らげることができ、工具交換アーム３における破損を防止することにもなる。

【0033】

本実施形態では、工具交換における工具交換アーム３の回転速度の変化を従来のままで行うため、ツールチェンジャ１のカム装置５について設計変更が必要なく、コストをかけずに衝撃緩和の効果を得ることができる。また、工具交換アーム３は、閉動作レバー２３がくの字に形成されているため、ピン２８を工具チャック１１の工具入口側に位置することができる。そして、工具交換アーム３は、連結部材２４が工具チャック１１の奥側に引き込まれながら揺動するため、可動爪２５の揺動角度を大きくとることができ、嵌合部２５１が工具保持具ＴＰの嵌合凹部１０１に工具チャック１１の入口側から嵌り込んで把持状態を安定させることができる。

【0034】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、工具交換アーム３の停止位置を回転角９０°で説明したがこれに限定されるわけではなく、また工具Ｔとの衝突位置を停止する１°前に設定したものを説明したがこれについても限定されるわけではない。

【符号の説明】

【0035】

１…ツールチェンジャ１ ３…工具交換アーム ５…カム装置 ７…サーボモータ １１（１１Ａ，１１Ｂ）…工具チャック ２０…アーム本体 ２１…固定爪 ２３…閉動作レバー ２４…連結部材 ２５…可動爪 ２６，２７，２８，２９…ピン ３１…スプリング ３２…スライド ３５…ロックピン Ｔ…工具 ＴＰ…工具保持具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】