JPH0683941B2 - 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、マシニングセンタなどのNC工作機械における
自動工具交換装置に関し、中空軸からなる主軸の中空孔
に複数の工具を軸方向へ移動可能に収容し、これらの工
具を前記主軸の前端開口部に設けたチャックに差し替
え、きわめて能率良く短時間で工具を交換できるように
したものである。

従来の技術 従来のNC工作機械における自動工具交換装置は、多数の
工具（工具ホルダに装着されている。）を貯蔵した工具
マガジンと工作機械の主軸との間において工具交換を行
なうようになっている。そして、工具交換にあたって
は、工具マガジンの工具ポットから次の工具を交換ヘッ
ドに移載し、該交換ヘッドが工具交換位置に位置決めさ
れた主軸側に移動し、ここで工具交換アームの進退及び
旋回作用で前の工具との交換が行なわれる構造のものが
最も一般的である。

一方、主軸頭に回転自在に支持される主軸が中空軸に形
成され、前記主軸の中空孔の前端開口部にチャックが設
けられると共に、前記主軸の後部に前記中空孔を通じて
工具を個別に往復移動させる工具移動手段が設けられ、
前記工具移動手段により前記工具を前記チャックに差し
替えるようになっている工作機械の自動工具交換装置
が、例えば特公昭42−10580号公報に開示されている。
また、特開昭62−166936号公報には、中空軸に形成され
た主軸の前端開口にチャックが設けられ、前記主軸の後
部に配置した工具マガジンに収容されている複数の工具
を順次押出し棒により前記中空軸を通じて押し出し、前
記チャックに把持されている使用済み工具を前方へ落し
て次の工具を前記チャックで把持させるようにした自動
工具交換装置が開示されている。

発明が解決しようとする課題 上記した特公昭43−10580号公報に記載の自動工具交換
装置は、差し替える工具が前記主軸の外側に配置した無
端チェーンに装着して収容する形式の工具マガジンに収
容され、任意に選択した工具を前記搬送チェーンによ
り、前記主軸とその後方において同軸上に配置した工具
置決め部材と中間にある交換位置に割出し搬送し、この
交換位置において前記主軸と前記位置決め部材との軸方
向への往復運動により前記工具を前記主軸前端のチャッ
クに把持させる一方、上記動作と逆の作動順序によって
前記チャックに把持されている工具を前記マガジンに戻
すようにしている。このため、前記搬送チェーンによる
交換位置への工具の割出し搬送動作、前記位置決め部材
及び前記主軸の軸方向への往復動作など工具交換動作に
時間を要するだけではなく、頻雑な工具交換動作のた
め、送り用ねじの発熱による熱膨張などにより位置決め
精度が低下するという問題がある。また、前記工具マガ
ジン及び位置決め部材を設置するために比較的大きなス
ペースを必要とし、大型化するという問題がある。

一方、上記した特開昭62−166936号公報に記載の自動工
具交換装置は、主軸前端のチャックに把持されて加工を
行なった使用済みの工具は前記主軸の前方へ落されて再
使用することができず、また前記工具マガジンに収容さ
れている工具はセットした順序でしか差し替えることが
できないなどの問題がある。

本発明は、上記した従来装置の問題点を解決するもの
で、工具交換動作を極力少なくし、工具交換時間を大幅
に短縮すると共に、精度を向上させ得る工作機械の自動
交換装置を提供することを目的とする。

また本発明は、グループ化した一連の工具の管理を容易
にするとともに、段取り替えの効率化が図れる自動交換
装置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 上記目的を達成するために、本発明は、主軸頭に回転自
在に支持される主軸が中空軸に形成され、前記主軸の中
空孔の前端開口部にチャックが設けられると共に、前記
主軸の後部に前記中空孔を通じて工具を個別の軸方向へ
往復移動させる工具移動手段が設けられ、前記工具移動
手段により前記工具を前記チャックに差し替えるように
なっている工作機械の自動工具交換装置であって、前記
中空孔に前記主軸の回転とは隔絶した状態に収容される
と共に、前記主軸頭に支持固定される工具保持体と、前
記工具保持体に貫設した複数の案内孔に個別的に挿通さ
れた軸方向へ移動可能な複数の作動杆と、前記作動杆の
前端に連結された可撓性を有する連結部材と、前記連結
部材に軸受を介して回転可能に連結され、かつ、前記案
内孔に個別的に収容される複数の工具と、前記作動杆を
個別的に軸方向へ往復移動させ、該作動杆に前記連結部
材を介して連結されている前記工具を前記チャックから
所定位置まで突出した姿勢で前記チャックにより把持さ
せる一方、該工具を前記案内孔の収容位置迄引き戻す工
具移動手段とを備えていることを特徴とする。

複数の工具を収容した前記工具保持体は前記工具移動手
段と共に交換自在のカセットに構成することが好まし
い。

作 用 上記構成の自動工具交換装置において、前記チャックに
保持されている工具の加工が終了すると、前記チャック
が前記工具を開放し、前記工具移動手段が前記工具を前
記工具保持体の収容位置まで引き戻す。続いて、次の工
具が前記工具移動手段により前記チャックの工具把持位
置まで押し出され、前記チャックにより把持固定され
る。この状態で前記主軸が回転し、次の加工を開始す
る。

前記工具保持体に収容した複数の工具は、前記工具移動
手段と共にカセットに構成し、カセット単位で前記主軸
の中空孔に入れ替えることによって、工具群を取り替え
るようにすることが好ましい。

実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明による自動工具交換装置を備えた横型の
NC工作機械を示しており、１はベッド、２はベッド１上
に左右方向へ移動可能に載置された可動台、３は可動台
２に前後方向へ移動可能に載置されたコラム、４はコラ
ム３に上下移動可能に組み付けられた主軸台、５は主軸
台４に固装された主軸頭で、第２図に示すように円筒形
に形成されている。該主軸頭５にはスピンドルモータ６
が一体化構造にして組み込まれている。

11は主軸で、第２図及び第３図に示すように、全長にわ
たって述びる中空孔12を有する中空軸により形成され、
軸受13及び14を介して主軸頭５に回転自在に支承される
と共に、スピンドルモータのロータ７が外嵌して固装さ
れ、スピンドルモータ６と一体化した構造になってい
る、スピンドルモータ６のステータ８は主軸頭５に嵌装
されている。

15はコレットチャックで、主軸11の前端開口部11aに嵌
着固定されたチャック本体16を有している。該チャック
本体16は、第３図及び第４図に良く示されているよう
に、筒状の工具把持部17と、該工具把持部17に工具を誘
導するテーパ状の案内部18とを有し、工具把持部17の後
端に工具の突出長さを位置決めする当り部19が設けられ
ている。そして、工具把持部17のテーパ孔に工具締付け
用のコレット20が嵌合されている。

21は工具の締付けナットで、工具把持部17にねじ嵌合22
され、外周面に軸線と平行に延びるセレーション23が切
られている。

24は締付けナット21を固定するためのコレットで、チャ
ック本体16に被嵌する筒状本体25の前部に締付けナット
21に被嵌する円筒体を８分割して形成した８つのコレッ
ト片26がくびれ部27を介して連設されていて、各コレッ
ト片26の内周面に締付けナット21のセレーション23に係
合するセレーション28が設けられると共に、外周面がテ
ーパ面29に形成されている。筒状本体25は取付けねじ30
で主軸頭５に固着されている。一方、各コレット片26
は、くびれ部27の弾性によって半径方向外方へ付勢され
ている。

31はコレット片26を締付ける締め付けリングで、コレッ
ト片26のテーパ面29に摺接状態に嵌合するテーパ孔32を
有し、該締付けリング31の後部に環状ピストン33が連設
されている。該ピストン33は、コレット本体25に被嵌さ
れ、かつ、主軸頭５に取付けねじ35を介して固着された
シリンダ34に摺動自在に嵌装されると共に、シリンダ34
に嵌挿したばね36で前方へ付勢されている。このばね36
によるピストン33の前進移動で締付けリング31によるコ
レット片26の締付け作用が解除される（第４図参照）。
その結果、各コレット片26はくびれ部27を支点に半径方
向外方へ弾性変形し、締付けナット21から離れる。した
がって、加工時に主軸11と一緒に回転する締付けナット
21は、コレット片26に干渉しない。

一方、シリンダ34に供給した圧油又は圧空気によりピス
トン33をばね36に抗して後退移動させると、これに連動
する締付けリング31でコレット片26が締め付けられる
（第３図及び第５図参照）。その結果、各コレット片26
のセレーション28がセレーション23に係合し、締付けナ
ット21は回転方向のみ固定され、軸方向へは移動可能と
なる。この状態で後述する工具交換が行なわれる。な
お、ピストン33によるコレット片26の過剰な締付けを防
ぐため、ピストン33にはストッパピン37が取り付けられ
ている。

41は複数の工具を収容する工具保持体で、円柱体に周方
向へ定間隔をおいて配設され、かつ、軸線と平行に延び
る複数の案内孔42（図示の例では６つ）を有し、各案内
孔42の前端開口部に工具保持部43が設けられ、中間部に
後述する引き戻しばねの支持段部44が設けられている。
また、後端にフランジ部45（第２図参照）が連設されて
いる。

前記工具保持体41は、主軸11の中空孔12にその後端開口
から脱抜自在に嵌挿され、フランジ部45を主軸頭５の後
側カバー46に取付けボルト47で固着して、主軸11の回転
とは隔絶された状態で主軸頭５に着脱可能に固定されて
いる。

一方、各案内孔42には作動杆48が軸方向へ移動可能に嵌
挿されていて、該作動杆48の後端に連設した鍔部49と支
持段部44との間に介装した戻しばね50により作動杆48が
後方へ付勢されている。

51は工具押出し用シリンダ装置で、主軸頭５の後部に固
設したブラケット52に着脱自在に固定されている。該シ
リンダ装置51は複数の作動杆48に対応する数のエアシリ
ンダ53を有し、各エアシリンダ53のピストンロッド54の
先端に固着した押圧片55が各作動杆48の後端鍔部49に衝
接し、作動杆48を戻しばね50に抗して案内孔42前端の工
具保持部43側へ押し出すようになっている。

複数の工具61〜66は、同一形状のシャンク部60を有し、
刃部61a〜66aがそれぞれ異なっている。例えば、タップ
加工する場合についていえば、刃部61aはセンタードリ
ル、刃部62aはドリル、刃物63aは面取り刃具、そして刃
部64aがタップという具合である。

第３図及び第４図に示すように、各工具61〜66のシャン
ク部60は一寸法形状を有し、かつ、その後端部分が鍔部
59を有するシャンク保持金具58にねじ嵌合その他の適宜
の接続手段により着脱自在に取り付けられ、各工具61〜
66を再研磨あるいは異なる工具と交換する際、各工具61
〜66を保持金具58から簡単に取り外すことができる構造
にしてある。一方、シャンク保持金具58は軸受67を介し
て連結金具68に回転自在に連結され、鍔部59がチャック
本体16の当り部19に当接して各工具61〜66を位置決めす
る役目を果すようになっている。

69は各工具61〜66と各作動杆48を連結する可撓性の連結
ワイヤで、一端は連結金具68に固着連結され、他端は作
動杆48の先端に固着されている。該連結ワイヤ69は各種
機械装置において伝動手段として用いられている公知の
ものである。

而して、作動杆48が後端位置にあるとき、連結ワイヤ69
は案内孔42内に引き込まれ、連結金具68が工具保持部43
に嵌合して、各工具61〜66は中空孔12内の所定位置に収
容される。

また、作動杆48が前進位置にあるとき、連結ワイヤ69を
介して各工具61〜66が個別に押し出され、その刃部61a
〜66a及びシャンク部60がチャック本体16の案内部18に
誘導されて工具把持部17に挿通し、保持金具58の鍔部59
が当り部19に当接する定位置において、刃部61a〜66aが
コレット20の前端から所定寸法だけ突出した姿勢で停止
する。この状態で後述するようにコレット20が工具61〜
66のシャンク部60を把持固定する。続いて主軸11が回転
し、該主軸11に連動して回転する工具61〜66により切削
加工が行なわれる。このとき、第４図に示すように、ピ
ストン33がばね36により前進移動せしめられ、締付けリ
ング31によるコレット片26の締付け作用が解除されてい
て、各コレット片26は締付けナット21から離れている。
したがって、コレット片26が締付けナット21に干渉しな
い。

なお、第２図中、70は主軸１の回転数を検出するセンサ
を示している。このセンサ70は、例えばタップ加工を行
なう場合のように、主軸11の回転数と送り速度を同調さ
せる必要があるときなどに有効である。

次に、上記構成からなる自動工具交換装置の作動を説明
する。

第３図は、工具61による加工が終了し、次の工具66に交
換する準備状態を示している。この状態では、シリンダ
34に圧油又は圧空気が供給され、その圧力でピストン33
がばね36に抗して後退位置に移動せしめられている。そ
して、ピストン33に連動する締付けリング31がコレット
片26を締め付け、各コレット片26のセレーション28を締
付けナット21のセレーション23に係合させる（第５図参
照）。このとき、ピストン33のストッパピン37が締付け
リング31によるコレット片26の締付け過ぎを防止する。
その結果、締付けナット21は回転方向のみ固定され、軸
方向へは移動可能となる。

一方、工具61を押し出していたエアシリンダ53のピスト
ンロッド54は後退位置へ移動する。

次に、主軸11が低速度で逆回転（第３図の左側からみて
時計方向）する。そうすると、この主軸11の回転に連動
するチャック本体16に対して締付けナット21が相対的に
ゆるめ側へ回転することとなり、その結果、締付けナッ
ト21が軸方向へ移動してコレット20の締付けを開放す
る。したがって、コレット20による工具61の把持固定が
解除される。そして、コレット20による工具61の把持固
定が解除されると、工具61は戻しばね50による作動杆48
及び連結ワイヤ69の引き戻し作用で中空孔42の工具保持
部43まで引き戻され、所定位置に収容保持される。同時
に主軸11の回転が停止する。

次に、工具66に対応するエアシリンダ53が作動し、その
ピストンロッド54が対応する作動杆48を前進移動させ
る。この作動杆48の前進に伴い、次の工具66が連結ワイ
ヤ69を介して工具保持部43から押し出され、案内部18に
誘導されながら工具把持部17に挿通する。そして、シャ
ンク保持金具58の鍔部59が当り部19に当接し、その刃部
66aがコレット20の前端面から所定長さだけ突出した位
置で停止する。この状態で主軸11が低速度で正回転（第
３図の左側からみて反時計方向）すると、締付けナット
21が相対的に締付け側へ回転されることになり、その結
果、軸方向へ移動してコレット20を締め付け、コレット
20により工具66を把持固定する。

このようにして工具66がコレット20により把持固定され
ると、シリンダ34に供給されていた圧油又は圧空気が排
除され、第４図に示すように、再びピストン33がばね36
により前進位置へ移動せしめられ、締付けリング31によ
るコレット片26の締付け作用が解除される。その結果、
各コレット片26はくびれ部27を支点に半径方向外方へ弾
性変化し、締付けナット21から離れる。したがって、両
セレーション23,28の係合が解除され、互いに干渉しな
くなる。

続いて、主軸11が高速度で回転して工具66を回転させ、
工具66による次の切削加工が行なわれる。このとき、工
具66の後端に連結するワイヤ69及び作動杆48は、軸受67
の存在によって工具66と一緒に回転せず停止している。
また、その他の工具61〜65及び工具保持体41も停止状態
にある。

以下、上記同様の操作を繰り返し、工具61〜66を自動交
換して加工を行なうのである。

なお、上記実施例においては、工具保持体41に収容した
複数の工具61〜66の移動手段として、戻しばねと押し出
し用シリンダ装置を用いた例を示したが、このような構
造に限定されるものでないことは勿論である。

また、工具保持体41に収容される複数の工具61〜66と、
連結ワイヤ69、作動杆48、戻しばね50及び押し出し用シ
リンダ装置51などを含む工具移動手段とをカセットに構
成し、カセット単位で主軸11の中空孔12に入れ替えるこ
とによって、一連の工具61〜66を取り替えるようにする
と、使用、取扱いに好都合である。

第７図は、コレットチャック15の締付けナット21を作動
する手段の別の実施例を示している。この例では、締付
けナット21の外周部に周方向へ適宜の間隔をおいて複数
の係合凹部71が設けられ、この係合凹部71に固定ピン72
が係合し、主軸11の回転運動に対して締付けナット21の
回転方向のみを固定するようになっている。

固定ピン72は、主軸頭５に付設したハウジング73内に嵌
挿され、締付けナット21の外周においてその半径方向へ
往復移動可能に配設され、常時はハウジング73に内装し
たばね74の作用によって、締付けナット21から離れるよ
うに半径方向外方へ付勢されており、主軸頭５に付設し
たシリンダ装置75のピストンロッド76によりばね74に抗
して締付けナット21側へ押動されるようになっている。
そして、ピストンロッド76により押動された固定ピン72
が係合凹部71のいずれかに係合して、締付けナット21を
回転方向のみ固定し軸方向へは若干移動可能とした状態
にする。この状態で、主軸11を低速度で正逆回転させ、
締付けナット21の締付け及びゆるめ操作を行なうもので
ある。

なお、主軸11の前端開口11aに設けられるチャックは、
上記実施例に示したコレットチャック15に限定されるこ
となく、種々のタイプのチャックを採用することが可能
である。

第８図は、上記実施例における連結ワイヤ69に代え、平
行クランク機構を介して工具61〜66と作動杆48を連結し
た例を示している。

この例では、一対の平行リンク81,82の一端を工具61〜6
6の連結金具68にピン83,83により枢着連結すると共に、
他端をピン84,84により枢着連結して平行クランク機構
が構成されている。そして、工具収容位置においては作
動杆48、平行リンク81,82、連結金具68及び工具61〜66
が同軸状となり、一方、作動杆48の前進移動に伴う工具
押し出し時には、両平行リンク81,82が平行移動して工
具61〜66を主軸11の軸線上に平行移動させ得るように、
ばね85,86により両平行リンク81,82が一方向へ付勢され
ている。また、作動杆48は、その外周面に設けた軸方向
へ延びる溝87にピン88を係合して回転方向が固定され、
軸方向へのみ摺動可能となっている。

上記のような構成を採用すると、工具交換時に工具61〜
66が主軸11の軸線に対して平行移動するので、工具交換
動作がより一層円滑かつ確実になる。

発明の効果 以上説明したように、本発明の自動工具交換装置は、複
数の工具を個別的に軸方向へ移動可能に収容した工具保
持対を主軸の中空孔内に前記主軸の回転とは隔絶した状
態に収容して、前記工具を前記主軸の前端開口部に設け
たチャックに抜き差しして交換するようにしたから、工
具交換動作に無駄がなく、工具交換時間を著しく短縮で
き、作業効率を大巾に向上させることができる。

しかも、工具交換に際しては、従来装置のように主軸及
び工具交換部材を交換位置に位置決めする必要が全くな
いので、精度の維持及び向上が容易である。

また、複数の工具を個別的に軸方向へ移動可能に収容し
た工具保持体が前記主軸の中空孔に収容されるので、装
置全体をコンパクトに構成でき、機械周辺の設置スペー
スを縮小できる。

さらに、前記工具保持体を前記工具移動手段と共にカセ
ットに構成すると、加工対象によってグループ化した一
連の工具を前記工具保持体単位で管理できるので、工具
管理が容易で、段取り替えが効率よく行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る自動工具交換装置を備えたNC工作
機械の斜視図、第２図は同自動工具交換装置の一部切欠
き正面図、第３図及び第４図は同要部の拡大断面図、第
５図は、第３図の５−５線に沿う矢視拡大図、第６図は
第３図の６−６線に沿う断面図、第７図は別の実施例を
示す要部断面図、第８図は更に別の実施例を示す要部断
面図である。 ５……主軸頭、６……スピンドルモータ 11……主軸 11a……主軸11の前端開口部 12……中空孔、15……コレットチャック 16……チャック本体、17……工具把持部 18……案内部、20……コレット 21……締付けナット、31……締付けリング 41……工具保持体、48……作動杆 50……戻しばね 51……工具押出し用シリンダ装置 60……シャンク部、61〜66……工具 67……軸受、68……連結金具 69……連結ワイヤ、81,82……平行リンク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主軸頭に回転自在に支持される主軸が中空
   軸に形成され、前記主軸の中空孔の前端開口部にチャッ
   クが設けられると共に、前記主軸の後部に前記中空孔を
   通じて工具を個別に軸方向へ往復移動させる工具移動手
   段が設けられ、前記工具移動手段により前記工具を前記
   チャックに差し替えるようになっている工作機械の自動
   工具交換装置であって、 前記中空孔に前記主軸の回転とは隔絶した状態に収容さ
   れると共に、前記主軸頭に支持固定される工具保持体
   と、 前記工具保持体に貫設した複数の案内孔に個別的に挿通
   された軸方向へ移動可能な複数の作動杆と、 前記作動杆の前端に連結された可撓性を有する連結部材
   と、 前記連結部材に軸受を介して回転可能に連結され、か
   つ、前記案内孔に個別的に収容される複数の工具と、 前記作動杆を個別的に軸方向へ往復移動させ、該作動杆
   に前記連結部材を介して連結されている前記工具を前記
   チャックから所定位置まで突出した姿勢で前記チャック
   により把持させる一方、該工具を前記案内孔の収容位置
   迄引き戻す工具移動手段と、 を備えていることを特徴とする工作機械の自動工具交換
   装置。
2. 【請求項２】前記複数の工具を収容した前記工具保持体
   が、前記工具移動手段と共に交換自在のカセットに構成
   されている請求項（１）記載の工作機械の自動工具交換
   装置。
3. 【請求項３】前記チャックがコレットチャックであっ
   て、コレットの締め付けナットが、前記主軸頭に付設し
   た固定装置により回転方向のみ固定され、軸方向へは移
   動可能に保持されるようになっており、前記主軸の回転
   動作により前記締付けナットが軸方向へ移動して前記コ
   レットを締付け又は開放するように構成されている請求
   項（１）又は（２）記載の工作機械の自動工具交換装置