JPH07186079A - 自動工具交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボットアームに装着する自動工具交換装置
において、過負荷防止装置を自動工具交換装置に一体に
備えることによって小型軽量化を図り、ロボットの運動
性能を更に向上させること。 【構成】 ロボットハンドのアーム等に連結される固定
プレートと、工具を着脱する工具プレートどうしを凹凸
嵌合によって位置決めして締結する自動工具交換装置に
おいて、固定プレート及び工具プレートのいずれか一方
に、これらのプレートの間の隙間の大きさを検出する検
出手段を設け、この検出手段によるプレート間の隙間の
大きさと適正な締結時の隙間の定常値とを比較して工具
プレートからの過負荷を検知可能な系を備え、過負荷が
作用していると判断されたときには、ロボットの作動を
停止させることにより、固定プレート及び工具プレート
等から構成される自動工具交換装置の損傷を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットハンド等に利
用され工具を自動的に交換可能とした自動工具交換装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】工業用ロボットのアームには、機械加工
用の工具を交換するための自動工具交換装置が取り付け
られる。この自動工具交換装置は、ロボットのアームに
連結される固定プレートに対して工具を一体化した工具
プレートとを位置合わせして連結可能としたものであ
る。

【０００３】このような自動工具交換装置では、固定プ
レートと工具プレートとを連結するために、これらの位
置決めと締結のための機構が必要である。たとえば位置
決め機構としては、特開平４−６３６８８号公報に記載
されているように、工具プレートの芯から離れた位置に
位置決め軸を工具プレートの軸線と平行に突き出し、固
定プレート側にはこれらの位置決め軸が嵌まり込む孔を
設け、これらの位置決め軸と孔との嵌め合いを利用する
ことができる。

【０００４】このような位置決め機構に加えて、ロボッ
トのアームと自動工具交換装置との間には、位置決めが
不良なままで工具を装着するときに発生する異常な負荷
や、加工時のワークの姿勢の設定不良等による反力を吸
収するための過負荷防止装置を備えることが必要であ
る。もし、このような過負荷防止装置がなければ、工具
装着時やワーク加工時にロボットのアーム側に大きな負
荷が加わり、損傷を生じたり作動精度にも影響を与えて
しまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来では、自動工具交
換装置は主として工具交換のための機能が重視され、フ
ローティング機構等によって工具の着脱が速やかに行え
る方式としたものが多い。このため、過負荷防止装置は
自動工具交換装置とは別体としてロボットのアームの間
に組み込む仕様としたものが普通である。

【０００６】ところが、このように自動工具交換装置と
過負荷防止装置とを別体に設けてこれらをロボット側か
ら工具側までの間に並べるのでは、アームから工具プレ
ートまでの距離も長くなる。したがって、ロボット側の
出力フランジから工具までの距離も長くなり、作動時に
おける慣性重量等の影響が大きくなる。

【０００７】このように、従来の自動工具交換装置では
過負荷防止装置を別体に備えるため、慣性重量の増加に
よる作動時のロボットの運動性能に影響を与えるほか、
小型軽量化にも限界があった。

【０００８】本発明において解決すべき課題は、過負荷
防止装置を自動工具交換装置に一体に備えることによっ
て小型軽量化を図り、ロボットの運動性能を更に向上さ
せることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ロボットハン
ドのアーム等に連結される固定プレートと、工具を着脱
する工具プレートとの組合せからなり、前記両プレート
どうしを凹凸嵌合によって位置決めして締結する自動工
具交換装置であって、前記固定プレート及び工具プレー
トのいずれか一方に、これらのプレートの間の隙間の大
きさを検出する検出手段を設け、該検出手段による前記
固定プレートと工具プレートとの間の隙間の大きさと適
正な締結時の隙間の定常値とを比較して前記工具プレー
トからの過負荷を検知可能な系を備えてなることを特徴
とする。

【００１０】

【作用】固定プレートと工具プレートが適正に締結され
ているときのこれらのプレートの間の隙間の定常値に対
し、たとえば工具プレートが引張りを受けて隙間が大き
くなったような場合には検出手段がこれを検出すると共
に、工具プレートから固定プレートに及ぶまで過負荷が
加わっているかどうかを先の定常値と比較して判別す
る。そして、過負荷が作用していると判断されたときに
は、ロボットの作動を停止させることにより、固定プレ
ート及び工具プレート等から構成される自動工具交換装
置の損傷を防止する。

【００１１】また、工具プレートの引張りによる変位だ
けでなく、捩じれや軸線方向の傾き等を引き起こす外力
に対しても、検出手段によるプレート間の隙間の大きさ
を検出することで、過負荷が作用しているかどうかを知
ることができる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の自動工具交換装置の一実施例
を示す概略縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線矢視による
横断面図である。

【００１３】図において、ロボットハンドのアーム（図
示せず）の先端に連結される固定プレート１に対して、
工具（図示せず）を一体化した工具プレート２が着脱自
在に装着可能とする。

【００１４】固定プレート１は円形の横断面を持ち、そ
の内部には環状断面のシリンダボア１ａを形成すると共
に作動流体としての空気をこのシリンダボア１ａに供給
する給排ポート１ｂ，１ｃを設けている。また、固定プ
レート１にはアクチュエータ３を同軸上に連接し、その
ピストン３ａをシリンダボア１ａの中に摺動自在に組み
込む。

【００１５】固定プレート１の下面には、シリンダボア
１ａによって包囲された空洞状の接合座１ｄを同軸上に
設けると共に、縁部には三角形の縦断面を持つテーパ状
の位置決め孔１ｅを複数備える。そして、接合座１ｄの
周壁には、複数のロックボール４を転動可能に組み込
み、このロックボール４を支持している接合座１ｄの開
口の外側縁には、ロックボール４が外側に抜けないよう
に小さな突起（図示せず）を設ける。

【００１６】アクチュエータ３は、図３に示すように、
先端側からガイド用テーパ面３ｂ，ストッパ３ｄ，倣い
テーパ面３ｅ及び結合用テーパ３ｃを形成したものであ
る。そして、結合時には結合用テーパ３ｃにロックボー
ル４の周面が点接触するようにアクチュエータ３のスト
ロークを決める。

【００１７】図１に戻って、工具プレート２には、固定
プレート１の接合座１ｄの内径より小さなコネクタロッ
ド２ａを同軸上に突き出して設ける。このコネクタ２ａ
はその上端の外周面をテーパ面状としたガイド２ｂとす
ると共に、その下部に小径部２ｃを設けてその周りに調
心リング５を外挿している。

【００１８】調心リング５は小径部２ｃの外径よりも大
きな内径を持つ環状体であり、その外周面の下半分に
は、図２に示すように、下端側に向けて先細りする拘束
テーパ５ａを形成すると共に上半分にへ傾斜が緩いテー
パ状のガイド面５ｂを設けたものである。

【００１９】更に、工具プレート２の上面には、固定プ
レート１の位置決め孔１ｅに嵌まり込む鋼球２ｄを組み
込む。これらの鋼球２ｄは固定プレート１のテーパ状の
位置決め孔１ｅに対して調心可能な接合を可能とするも
のである。

【００２０】ここで、固定プレート１に対して工具プレ
ート２を装着するとき及び工具プレート２にセットした
工具（図示せず）による機械加工を行うときに工具プレ
ート２を介して固定プレート１からロボット側に加わる
過負荷を、これらの固定プレート１と工具プレート２と
の間の隙間の大きさの変化を知ることによって検知する
系を設ける。

【００２１】この検知系として、工具プレート１には光
学式のセンサ６を組み込み、その先端を固定プレート１
の下端面から外側に臨ませ、光軸が工具プレート１の軸
線と平行になるようにセットする。センサ６は、図１に
示すように、固定プレート１と工具プレート２との間の
締結隙間を光学系によって検知可能なものとしたもので
ある。そして、センサ６によるこの締結隙間の変化の検
知信号を、ロボットを制御するコントローラに入力し、
過負荷発生時にはロボットの作動を停止させたりする制
御系を組む。

【００２２】センサ６は図１の締結隙間に相当する定常
値Ｓであれば、固定プレート１と工具プレート２との締
結完了と過負荷の発生がない期間としてコントローラに
よって判断すると共に、間隔が或る一定値Ｃ以上になっ
て固定プレート１と工具プレート２との締結が解除され
たことを判断する。そして、締結隙間が定常値Ｓより小
さくなったり、この定常値Ｓと一定値Ｃとの間での変化
の検出については、コントローラは工具プレート２から
固定プレート１側に過負荷が加わっていると判断し、ロ
ボットの作動を停止させる。

【００２３】図４はロボットを作動させて工具プレート
２に固定プレート１を対峙させた締結前であって、所定
の場所にストックされている工具プレート２に対して固
定プレート１を結合しようとする状態を示す。締結前で
は、アクチュエータ３は、シリンダボア１ａに給排ポー
ト１ｃから空気を供給することによって、図示のように
最も上端に退避し、下端のガイド用テーパ面３ｂがロッ
クボール４に突き当たっている。

【００２４】この状態で給排ポート１ｂから圧縮空気を
シリンダボア１ａに供給すると、図１に示すように、ア
クチュエータ３が下降していき、その中にロックボール
４を次第に抱き込んでいってロックボール４を接合座１
ｄの中に押し込んでいく。

【００２５】ロックボール４の芯側への移動によって、
アクチュエータ３が最終位置まで下降すると、ロックボ
ール４が調心リング５の拘束テーパ５ａに臨むようにな
る。そして、ロックボール４はアクチュエータ３の結合
用テーパ面３ｃによって芯側へ押し付けられるので、こ
の押付け力がロックボール４から拘束テーパ５ａに作用
する。したがって、これらのロックボール４と調心リン
グ５との間の係合力によって、固定プレート１と工具プ
レート２は互いに軸線方向に拘束され締結される。

【００２６】図５は工具プレート２が図において下側に
引張り力を受けて固定プレート１に対して過負荷を加え
ているときの状況を示す縦断面図である。

【００２７】工具プレート２が固定プレート１から離れ
る方向に引張りを受けるとき、図３中に示すベクトルに
よる作用力が発生する。すなわち、作用する過負荷をＦ
₁ とするとき、ロックボール４を外側に押し出そうとす
るときの作用力はＦ₂ として表せる。そして、調心リン
ク５のテーパ面５ａ及びアクチュエータ３の結合用テー
パ３ｃのそれぞれが軸線となす角度をθ₁ ，θ₂ とすれ
ば、Ｆ₃ ＝Ｆ₂ ・ｔａｎθ₂ ＝Ｆ₁ ・ｔａｎθ₁ ・ｔａ
ｎθ₂ が過負荷によってアクチュエータ３を上昇させる
作用力として働く。したがって、アクチュエータ３の加
圧力をＦ₄ とすれば、Ｆ₄ ＜Ｆ₃ の条件となれば、アク
チュエータ３は図において上側に移動し、固定プレート
１と工具プレート２との間の締結隙間はその定常値Ｓよ
りも大きくなる。

【００２８】このように、工具プレート２に対する引張
り力が過負荷として作用し、締結隙間が拡大してしまう
と、センサ６によってこの締結隙間の変化が検出され、
この検出信号がコントローラに入力されてロボットの作
動を停止させる。

【００２９】図６は工具プレート２をその軸線周りに回
転するトルクが発生し、このトルクが過負荷として作用
した場合を示す図である。

【００３０】固定プレート１の位置が固定されていると
き、工具プレート２がその軸線周りに回る方向に変位す
ると、これらの固定プレート１と工具プレート２との間
を位置決めしている鋼球２ｄの位置が固定プレート１の
位置決め孔１ｅに対して変化する。そして、位置決め孔
１ｅは円錐状であるため、鋼球２ｄがこの位置決め孔１
ｅの芯からずれてしまうと、固定プレート１と工具プレ
ート２との間の締結隙間が定常値Ｓよりも拡大する。こ
のような状況では、工具プレート２が固定プレート１か
ら離れる方向に移動しようとし、アクチュエータ３はそ
の定常位置から上側に押し戻される。

【００３１】このように締結隙間が拡がると、先の例と
同様にセンサ６が締結隙間の変化を検知してコントロー
ラに入力し、これによってロボットの作動を停止させ
る。

【００３２】図７は工具プレート２に対してその軸線を
傾けるような作用力が働いた場合の例である。

【００３３】図示の例では、工具プレート２の右側が下
に傾くような過負荷を受け、ロックボール４を介してア
クチュエータ３が図１の定常位置から上に押し戻された
状態である。このとき、センサ６を組み込んだ側では、
固定プレート１と工具プレート２との間の締結隙間が定
常値Ｓよりも拡大する。このためセンサ６がこの締結隙
間の変化を検出してコントローラに入力し、ロボットの
作動を停止させる。

【００３４】工具プレート２は図示の斜めの姿勢だけで
なく、たとえば左下がりの姿勢に傾けるような過負荷を
受けるほか、三次元的に姿勢を変える。このような姿勢
の変化は、センサ６による締結隙間の検出部分が定常値
Ｓより大きくなったり小さくなったりする現象を生じる
ので、どの向きに傾いても過負荷を受けたときにはセン
サ６による締結隙間の定常値Ｓからのずれの検出によ
り、ロボットの作動が即時に停止される。

【００３５】図８は工具プレート２に左から右に軸線と
直交する方向に過負荷が加わった状態を示す例である。

【００３６】工具プレート２が右側に押されることによ
り、図６の場合と同様に位置決め用の鋼球２ｄが固定プ
レート１の位置決め孔１ｅの中から抜ける方向に移動
し、これによって固定プレート１と工具プレート２との
間の締結隙間が拡がる。そして、過負荷によってアクチ
ュエータ３は図１の定常位置から上に押し戻される。

【００３７】この場合でも、プレート１，２間の締結隙
間はその定常値Ｓに対して拡大するので、センサ６によ
ってその変位が検出され、コントローラによってロボッ
トの作動が停止される。

【００３８】図９は別の実施例を示す要部の縦断面図で
ある。なお、先の例と同じ部材については共通の符号で
指示しその詳細な説明は省略する。

【００３９】工具プレート２には同軸上にコネクティン
グロッド１０（先の例におけるコネクタロッド２ａに相
当）をその軸線方向に摺動可能に配置し、その上端に設
けた小径部１０ａに調心リング５をその中心が変位可能
となるように遊嵌している。また、コネクティングロッ
ド１０の下端にはフランジ１０ａを形成すると共にこの
フランジ１０ａ部分を工具プレート２の下端に空洞状に
設けたチャンバ２ｅに収納し、フランジ１０ａとチャン
バ２ｅの内壁との間に皿バネ１１を介装している。

【００４０】皿バネ１１は、図９の固定プレート１と工
具プレート２の締結時の定常状態において、予め圧縮さ
れて予圧が加えられたものであり、或る一定以上の圧縮
力が作用すると収縮変形するバネ定数とする。

【００４１】図９では固定プレート１と工具プレート２
とは適正に締結され、締結隙間は定常値Ｓに維持されて
いる。そして、センサ６は工具プレート２の対向面との
距離を検出することによって、ロボットが作動可能な状
態であることをコントローラに入力する。

【００４２】図１０は工具プレート２が軸線方向に引っ
張られたときの状態を示す縦断面図である。

【００４３】工具プレート２が固定プレート１から離れ
る方向に変位するとき、皿バネ１１の撓み限界以上の圧
縮力の負荷に相当する変位量となれば、皿バネ１１が収
縮する。この場合、工具プレート２は変位するものの、
皿バネ１１の収縮によってコネクティングロッド１０の
位置は変わらず、アクチュエータ３を上に押し戻す作用
力はこの皿バネ１１によって吸収される。そして、工具
プレート２の変位をセンサ６が検出して定常値Ｓから或
る臨界値を越える締結隙間が検出されると、先の例と同
様にコントローラによってロボットの作動を即時に停止
させる。

【００４４】図１１は工具プレート２がその軸線周りの
回転捩じれの負荷を受けるとき、図１２は工具プレート
２がその軸線を傾けられる向きに負荷を受けるとき、及
び図１３は工具プレート２が図において左から右側に押
される負荷を受ける場合である。これらは、先の例で説
明した図６，図７及び図８の状況と同じであり、工具プ
レート２の変位をセンサ６が検出し、締結隙間の定常値
Ｓに対する変位量を検出することによって、過負荷状態
にあることをコントローラに入力してロボットの作動を
停止させる。

【００４５】これらの図１１〜図１３の例においても、
皿バネ１１がコネクティングロッド１０の固定プレート
１に対する相対位置を変えないように変位を吸収する。
しかし、その変位量が大き過ぎて皿バネ１１によって吸
収できないときには、たとえば図１及び図１３の矢印で
示すようにアクチュエータ３は上に戻されることにな
る。

【００４６】

【発明の効果】本発明では、ロボット側の固定プレート
と工具装着用の工具プレートとの間の締結隙間の大きさ
の変位をセンサで検出することにより、工具プレートが
離れる向きの引張りや捩じれ及び回転等の作用力による
過負荷を判定することができ、従来のように工具交換装
置と過負荷防止装置を別体としたものに比べると、装置
の嵩及び重量が低減され、ロボットの運動性能の向上が
可能となる。

【００４７】また、ロボットアームの先端から工具プレ
ートの工具装着面との間の距離も短くなるので、アーム
の旋回動作等による慣性重量の影響も少なくすることが
でき、ロボットの動作及び位置決め精度も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動工具交換装置の一実施例であっ
て、固定プレート及び工具プレートが適正に締結されて
いる状態の縦断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線矢視による横断面図である。

【図３】図１の状態における調心リングとロックボール
及びアクチュエータの係合面の位置関係を示す要部の拡
大縦断面図である。

【図４】固定プレートと工具プレートが分離していてそ
の締結前の状態を示す縦断面図である。

【図５】工具プレートにその軸線方向へ引張りの過負荷
が作用したときの締結隙間の拡大を示す縦断面図であ
る。

【図６】工具プレートをその軸線周りに回転させようと
する過負荷が加わったときの締結隙間の拡大を示す縦断
面図である。係を示す要部の横断面図である。

【図７】工具プレートをその軸線が傾く姿勢に変位させ
る過負荷が加わったときの締結隙間の拡大及び縮小を示
す縦断面図である。

【図８】工具プレートがその軸線と直交する向きに過負
荷を受けるときの締結隙間の拡大を示す縦断面図であ
る。

【図９】別の実施例であって工具プレートにコネクティ
ングロッドを摺動可能に設けこれを皿バネによって付勢
保持する例を示す縦断面図である。

【図１０】図９の例において、工具プレートにその軸線
方向へ引張りの過負荷が作用したときの締結隙間の拡大
を示す縦断面図である。

【図１１】図９の例において、工具プレートをその軸線
周りに回転させようとする過負荷が加わったときの締結
隙間の拡大を示す縦断面図である。

【図１２】図９の例において、工具プレートをその軸線
が傾く姿勢に変位させる過負荷が加わったときの締結隙
間の拡大及び縮小を示す縦断面図である。

【図１３】図９の例において、工具プレートがその軸線
と直交する向きに過負荷を受けるときの締結隙間の拡大
を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 固定プレート １ａ シリンダボア １ｄ 接合座 １ｅ 位置決め孔 ２ 工具プレート ２ａ コネクタロッド ２ｄ 鋼球 ３ アクチュエータ ４ ロックボール ５ 調心リング ６ センサ １０ コネクティングロッド １１ 皿バネ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットハンドのアーム等に連結される
   固定プレートと、工具を着脱する工具プレートとの組合
   せからなり、前記両プレートどうしを凹凸嵌合によって
   位置決めして締結する自動工具交換装置であって、前記
   固定プレート及び工具プレートのいずれか一方に、これ
   らのプレートの間の隙間の大きさを検出する検出手段を
   設け、該検出手段による前記固定プレートと工具プレー
   トとの間の隙間の大きさと適正な締結時の隙間の定常値
   とを比較して前記工具プレートからの過負荷を検知可能
   な系を備えてなる自動工具交換装置。