JPH0729267B2 - 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、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。

〔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。

第５図は従来から採用されている固定プレート50と工具
プレート51との着脱構造を示す概略図である。

同図（ａ）のものは、固定プレート50に装着孔52を開
け、工具プレート51にはこの装着孔52に嵌まり込む軸53
を設けた例である。これらの装着孔52及び軸53は固定プ
レート50と工具プレート51の着脱方向と平行な軸線を持
ち、複数組みを備えることによって固定プレート50に対
する工具プレート51の位置を決めることができる。そし
て、同図（ａ）は装着孔52と軸53との位置合わせをして
からの嵌め込み後に、工具プレート51を固定プレート50
側へ拘束する機構すなわち爪50cによってこれらのプレ
ート50,51を一体化する。

また、同図（ｂ）は工具プレート51を固定プレート50の
シャンク受け50aに挿入し、一対の装着孔52と軸53によ
って工具54を固定プレート50に位置合わせして装着する
例である。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、工具プレートや工具自体をロボットハンド
側の固定プレートに着脱するには、装着孔52と軸53との
嵌め合いを利用するので、これらの装着孔52と軸53とを
結合する前にそれぞれの位置合わせが必要となる。

ところが、位置合わせが不十分であると、嵌め合い時に
装着孔52と軸53とにロボットの重力による大きな負荷が
かかり、固定プレート50や工具プレート51及び工具54自
体が破損する恐れがある。このように、従来構造では工
具側との結合前の位置合わせの良否が重要な問題となっ
ていた。

一方、自動工具交換装置では、様々な工具を取り替えて
使うため、工具側との締結機能及び締結後に工具を精度
良く位置決めするための位置決め機能が重要である。こ
れらの機能のうち、位置決め機能は、固定側の軸線方向
及びこの軸線上に原点を持つ平面座標の三次元的な結合
が精度良く行えるようにすることを目標としている。

また、締結機能は、位置決め機能によって固定側に精度
良く位置決めされた工具が動いたり脱落しないように固
定することを目標としている。これらの機構要素には加
工時にかなり大きな負荷が作用するため、一般に位置決
め要素を強固な構造にして大部分の負荷を受容するよう
にし、締結機構のほうには一定方向の負荷のみがかかる
ようにする。

例えば第６図（ａ）のように面50bと面53cが軸線方向に
圧縮される方向の負荷を受容し、軸線回りのトルクは２
本の軸53が穴52に挿入されて受容する。従って締結要素
の爪50cには軸線方向の負荷のうち面50bと面53cが圧縮
される反対方向の力のみが作用する。こうすることによ
り、締結機構を単純化し小型化することができる。

しかしながらこのような構造では自動交換装置全体を小
型軽量化することが好ましいにもかかわらず、各機能要
素がそれぞれ別々の部品で構成される為に小型化には限
界がある。

また、たとえば特開昭61−117087号公報や特開昭61−18
8096号公報には、このような問題を解消し得る構成が記
載されている。前者は、固定プレート側に設けるシリン
ダによって駆動されるアクチュエータのテーパ形状によ
ってロックピンをロック孔方向へ進退可能としたもので
あり、後者はロックピン及びロック孔をテーパ式にした
構成のものである。

このような構成であれば、固定プレート側と工具プレー
ト側との結合が相互の位置ずれを吸収して速やかに行う
ことができ、装置全体も小型化される。

ところが、たとえば前者に記載されているようにテーパ
形状だけのアクチュエータでは、シリンダへの作動油の
圧の抜けが発生してしまうと、アクチュエータが移動し
てロックピンがロック孔から抜けてしまう方向へ動く可
能性がある。このため、工具を使っての加工作業のとき
に、工具プレートが揺れてしまって位置決めができなく
なったり、固定プレートから脱落してしまう等の恐れが
ある。

本発明において解決すべき課題は、工具側と固定側の締
結を高い精度で可能とすると共に固定プレートに備える
シリンダの作動油の圧の抜けに際しても工具プレートを
保持して作動可能とすることにある。

〔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、工具を装着した工具プレートとを備え、前
記固定プレートには、前記工具プレートへの着脱方向と
直交する方向へ進退するロックピンと、該ロックピンが
周面に突き当たるアクチュエータを前記ロックピンの軸
線と直交する方向へ駆動するシリンダとを備え、前記工
具プレートには、前記ロックピンが嵌まり込むロック孔
を備え、前記アクチュエータの外形に倣う前記ロックピ
ンをその軸線方向に移動可能に付勢すると共に、前記ロ
ックピン及びロック孔をテーパ嵌合式とした自動工具交
換装置であって、前記アクチュエータは、その先端側を
先細りされたテーパ部，該テーパ部の上端と同じ外径を
持ち且つアクチュエータの軸線と平行な直線部及び該直
線部の上端から連なって拡径する増し締めテーパ部をそ
れぞれ先端側から順に形成して備え、前記ロックピン
は、前記アクチュエータの周面に突き当たる部分を、前
記テーパ部及び直線部のそれぞれに対して倣い移動可能
な外郭形状とし、前記アクチュエータの直線部の外径
を、前記ロックピンが前記直線部に突き当たるとき該ロ
ックピンの先端が前記ロック孔に一定の未完全深さだけ
没入可能な大きさとしてなることを特徴とする。

〔作用〕 シリンダへの作動流体の給排によってアクチュエータが
その軸線方向に進退し、このときアクチュエータの周面
に突き当たるロックピンはアクチュエータのテーパ部及
び直線部に倣いながら自身の軸線方向に移動する。すな
わち、アクチュエータが進出するに従ってテーパ部によ
ってロックピンは外側に押し出されて工具プレートのロ
ック孔に嵌まり込む。

シリンダの作動流体の圧の抜けが発生したときには、テ
ーパ部によってアクチュエータは後退する側にロックピ
ンからの作用力を受けているので、アクチュエータはシ
リンダ側に移動する。これに対し、アクチュエータには
その先端のテーパ部に連ねて直線部を設けていて、この
直線部にロックピンが当たるときにはこのロックピンは
ロック孔に未完全深さまで入り込む。したがって、直線
部にロックピンが当たるときにはアクチュエータの中心
方向にしかロックピンからの作用力はなく、アクチュエ
ータを後退させる分力は発生せずにロックピンはロック
孔に拘束されたままとなる。したがって、アクチュエー
タの移動は作動流体を給排しない限り阻止され、ロック
ピンのロック孔からの抜けを規制することが可能とな
る。

〔実施例〕

第１図は本発明の自動工具交換装置の締結構造の概略を
示す要部の縦断面図、第２図は横断面図である。

図において、ロボットハンドのアームＡの先端に固定プ
レート１が連結され、この固定プレート１に対して工具
プレート２が着脱自在に装着される。

固定プレート１は、第２図に示すように円形の横断面を
持ち、中心から半径方向に進退可能な３本のロックピン
３を備えている。これらのロックピン３の先端は先細り
のテーパ状に形成されると共に弾性手段によって中心側
へ付勢され、工具プレート２を装着しないときは第２図
（ａ）のように先端が突き出さない位置に設定される。
更に、固定プレート１の内部には、ロックピン３を押し
出すためのシリンダ４が形成され、そのアクチュエータ
５の先端のテーパ部が３本のロックピン３の基端部の中
に嵌まり込む。このアクチュエータ５の動作によって、
第１図（ｂ）及び第２図（ｂ）に示すようにロックピン
３が外側へ押し出される。

一方、工具プレート２は必要な工具2aを一面に取り付け
たもので、固定プレート１が嵌まり込む凹状の断面形状
を持っている。そして、その周壁2bにはロックピン３が
嵌まり込むロック孔６が設けられる。このロック孔６は
ロックピン３のテーパ部に合わせたテーパ孔であり、テ
ーパ嵌合のロックピン３とロック孔６とによって工具プ
レート２が固定プレート１に連結保持される。

工具プレート２へ固定プレート１を嵌め込んだ後、シリ
ンダ４を作動させてアクチュエータ５を図において下降
させると、これがロックピン３の基端部を押し広げ、第
１図（ｂ）及び第２図（ｂ）のようにロックピン３の先
端をロック孔６に差し込む。このとき、ロックピン３及
びロック孔６はテーパ嵌合するので、これらの軸心がず
れていても、ロックピン３をロック孔６よりやや上方に
位置合わせしてその先端がロック孔６の開口内に含まれ
ていれば、嵌合が進むにつれてロックピン３は工具プレ
ート２を持ち上げながら進行し、これに対応してロック
孔６はロックピン３に倣って嵌まり込む。このため、位
置合わせが十分でなくても、ロックピン３とロック孔６
とによる接合が簡単に行われる。また、工具プレート２
と固定プレート１とはロックピン３とロック孔６とのテ
ーパ嵌合によって互いに引き寄せられ、着脱方向に拘束
する機構がなくても位置決めと連結とが同時に確実に行
われる。

第３図は本発明の要部の具体的な構造を示す縦断面図で
ある。

固定プレート１にはシリンダ４と同軸上に作動孔７が形
成されこの中をアクチュエータ５が移動する。また、作
動孔７を中心としてロックピン３の保持孔８が半径方向
に貫設されている。この保持孔８は、先端部のガイド部
8a及びこれより大径のスプリング収納部8bを同軸上に配
置したものとして形成されている。

ロックピン３は、スプリング収納部8bの内周壁を摺動す
るフランジ3aを基端側に形成し、先端は先細り状のテー
パ部3bとなっている。フランジ3aの背面は図示のように
円錐面3cの尖頭状に形成され、アクチュエータ５の動き
と直交する進退動作が円滑になるようにしている。ま
た、スプリング収納部8bには、フランジ3aに一端が突き
当たるスプリング8cが配置され、ロックピン３は中心側
に付勢されている。このスプリング8cの付勢力により、
アクチュエータ５が第３図の一点鎖線の位置にあるとき
は、ロックピン３は図中の一点鎖線の位置に後退し、そ
の先端は保持孔の中に納まっている。

シリンダ４は固定プレート１の内部に組み込まれ作動流
体給排用のポート4a,4bを備えている。そして、内部に
はアクチュエータ５を一体にしたピストン5aが設けら
れ、作動流体の給排によってアクチュエータ５が図にお
いて昇降駆動される。

アクチュエータ５の周面には、下端からテーパ部5b,直
線部5c及び増し締めテーパ部5dがそれぞれ形成されてい
る。そして、テーパ部5b及び増し締めテーパ部5dの傾斜
は、フランジ3aの背面の円錐面の傾斜にほぼ等しく設定
されている。

更に、工具プレート２に設けたロック孔６はロックピン
３の位置に合わせて設けられ、これらによる拘束を利用
して固定プレート１と工具プレート２とが位置決めされ
る。そして、ロック孔６はロックピン３のテーパ部3bの
傾斜に合わせたテーパ孔として形成され、ロックピン３
と共にテーパ嵌合する。

以上の構成において、固定プレート１と工具プレート２
との連結は次のようにして行われる。まず、３本のロッ
クピン３と工具プレート２のロック孔６の位置を概略合
わせた後、第１図（ａ）のように固定プレート１を工具
プレート２の中に差し込む。この後、外部の作動油供給
系を利用してポート4aから作動流体を送り込み、アクチ
ュエータ５を下降させる。このアクチュエータ５の移動
により、テーパ部5b,直線部5c及び増し締めテーパ部5d
の順にフランジ3aの背面が衝き当たり、ロックピン３は
外側へ押される。そして、ロックピン３の先端部のテー
パ部3bは、固定プレート１の周面から突き出て工具プレ
ート２の内周壁のロック孔６に嵌まり込む。

ここで、第４図（ａ）及び（ｂ）に示すように、ロック
孔６の中心に対して嵌合初期のロックピン３の軸心が、
横にｅ及び縦にＥずれていた場合でも、最終的にはロッ
クピン３をロック孔６にきっちりと嵌め込むことができ
る。すなわち、ロックピン３及びロック孔６がテーパ嵌
合するので、ロックピン３の先端がロック孔６の開口部
に含まれ且つロック孔６をロックピン３が持ち上げられ
る位置にあれば、テーパ面を利用してロック孔６は次第
にロックピン３に調心しながら嵌まり込む。しがたっ
て、ロックピン３とロック孔６の位置合わせが正確でな
くても、これらの嵌合が無理なく良好に行われる。

ロックピン３がロック孔６に嵌まり込むと、固定プレー
ト１と工具プレート２との位置合わせが完了すると同時
に、これらのプレート1,2が互いに拘束し合う。すなわ
ち、ロックピン３とロック孔６とはテーパ嵌合なので、
嵌合度が強まるにつれて固定プレート１と工具プレート
２とを引きつける作用力がテーパ軸と直交するこれらの
結合方向に作用する。このため、固定プレート１と工具
プレート２との着脱方向に嵌合軸を設けていなくても、
テーパ嵌合によっ強固にこれらの部材が連結され、工具
2aを利用した機械加工も良好に行われる。

また、シリンダ４への作動流体供給系が故障して作動流
体による圧力保持ができなくなった場合でも、ロックピ
ン３とロック孔６に嵌め込んだままに維持することがで
きる。

すなわち、第３図においてポート4aから供給された作動
流体の作動圧が低下すると、ピストン5aに外力が作用す
ると上に移動する。一方、フランジ3aの円錐面3cは図示
のように、増し締めテーパ部5dに衝き当たっているの
で、アクチュエータ５を上に移動させようとする分力が
働く。これにより、アクチュエータ５は上に移動し始め
るが、フランジ3aの円錐面3cの頂点3dが増し締めテーパ
部5dから離れて直線部5cに当たると、ロックピン３はア
クチュエータ５の軸線と直交する方向のみに押圧力を与
える。このためアクチュエータ５を上に移動させようと
する分力はなくなり、アクチュエータ５はその直線部5c
に円錐面3cの頂点3dを衝き当てたままの位置に保持され
る。

したがって、直線部5cに頂点3dが当たるまで移動したと
きに、先端のテーパ部3bがロック孔６の中に停まる寸法
関係としておけば、作動流体供給系やシリンダ４自体が
故障しても、固定プレート１と工具プレート２とはロッ
クされたままとなる。このように一旦ロックしてしまう
と、シリンダ４を作動して解除しない限り固定プレート
１から工具プレート２は分離せず、加工中に作動流体供
給系等が故障しても工具プレート２が落下する等の事故
がなく、安全に作業できる。

なお、第１図〜第４図のようにロックピン３の先端はテ
ーパ状とするのに代えて、第５図のようにロックピン３
の先端は球体状13としてもよい。球体状13とする場合で
も、その外径がロック孔６の開放端の径よりも小さくし
て十分にロック孔６の中に嵌まり込めるようにすること
は無論である。

また、ロックピンの先端を球体状とする場合には、第５
図に示すようにロック孔６のテーパ軸心がロックピン３
の軸心に対して製作上の誤差で若干の傾きをもって作ら
れていたとしても、テーパ面に対し球面の一部が必ず線
接触13aするため、位置決め機能の安定性に優れた特長
をもっている。

〔発明の効果〕

本発明では、アクチュエータにはロックピンを完全にロ
ック孔に嵌まり込ませる増し締めテーパ部の先端側にロ
ックピンを不完全深さまでしか移動させない直線部を設
けているので、ロックピンを固定プレートのロック孔に
結合させているとき、シリンダの作動流体の圧抜け等が
発生しても、アクチュエータを駆動しない限りロックが
解除されることがない。このため、加工作業の間に作動
流体供給系が故障したりしても、工具プレートが固定プ
レートから離脱することはなく、安全作業が達成でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は固定プレートと工具プレートの結合前を
示す概略断面図、第１図（ｂ）は結合後を示す概略断面
図、第２図（ａ）は結合前の概略横断面図、第２図
（ｂ）は結合後の概略横断面図、第３図はアクチュエー
タによるロックピンの駆動構造を示す要部断面図、第４
図はテーパ嵌合式によるロックピンの嵌め込み状況を説
明するための図、第５図は先端を球体状としたロックピ
ンをテーパ状のロック孔にロックしたときの概略断面
図、第６図は従来例の概略図である。 1:固定プレート、2:工具プレート 2a:工具、2b:周壁 3:ロックピン、3a:フランジ 3b:テーパ部、3c:円錐面 3d:頂点 4:シリンダ、4a,4b:ポート 5:アクチュエータ、5a:ピストン 5b:テーパ部、5c:直線部 5d:増し締めテーパ部 6:ロック孔、7:作動孔 8:保持孔、8a:ガイド部 8b:スプリング収納部 8c:スプリング 13:球体状

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、工具を装着した工具プレートとを備え、 前記固定プレートには、前記工具プレートへの着脱方向
   と直交する方向へ進退するロックピンと、該ロックピン
   が周面に突き当たるアクチュエータを前記ロックピンの
   軸線と直交する方向へ駆動するシリンダとを備え、 前記工具プレートには、前記ロックピンが嵌まり込むロ
   ック孔を備え、 前記アクチュエータの外形に倣う前記ロックピンをその
   軸線方向に移動可能に付勢すると共に、前記ロックピン
   及びロック孔をテーパ嵌合式とした自動工具交換装置で
   あって、 前記アクチュエータは、その先端側を先細りさせたテー
   パ部，該テーパ部の上端と同じ外径を持ち且つアクチュ
   エータの軸線と平行な直線部及び該直線部の上端から連
   なって拡径する増し締めテーパ部をそれぞれ先端側から
   順に形成して備え、 前記ロックピンは、前記アクチュエータの周面に突き当
   たる部分を、前記テーパ部及び直線部のそれぞれに対し
   て倣い移動可能な外郭形状とし、 前記アクチュエータの直線部の外径を、前記ロックピン
   が前記直線部に突き当たるとき該ロックピンの先端が前
   記ロック孔に一定の未完全深さだけ没入可能な大きさと
   してなる自動工具交換装置。