JPH0775906A - 自動工具交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 固定プレートと工具プレートとの間の締結及
び位置決めのいずれもが高い精度で実行できる自動工具
交換装置を提供する。 【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１と、工具を着脱する工具プレート２を凹凸嵌
合によって位置決めし、固定プレート１に設けた空洞状
の接合座１ｄに工具プレート２のコネクタロッド２ａを
差し込んでこの周りに偏心可能に設けた調心リング５に
対して、固定プレート１のアクチュエータ３の動作によ
って接合座１ｄの中側に移動する複数のロックボール４
に係合させることによって、両プレートを締結可能と
し、固定プレート１と工具プレート２の接合の際の位置
決めと締結とをそれぞれ別個の機構によって行なう。

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。

【０００４】この位置決め機構としては、たとえば特開
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。

【０００５】また、締結機構としては、工具プレートに
同軸上にテーパ付きの締結軸を突き出して設け、固定プ
レートにはこの締結軸が嵌まり込む締結孔を備える。そ
して、締結孔には複数の鋼球を組み込むと共にこれらを
半径方向にシフト可能な流体圧式のアクチュエータを設
け、締結軸の出し入れに応じて鋼球とテーパとによる拘
束及び解放を可能とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】アクチュエータによっ
て付勢された鋼球はテーパに倣って締結軸を締結孔に調
心させるように機能する。この場合、位置決め軸と孔と
のクリアランスが十分に大きければ、締結時には鋼球の
ピッチ円の中心と締結軸のテーパ周りの軸芯は最終的に
は一致するようになり、鋼球のそれぞれに一様な負荷が
加わる。

【０００７】一方、締結軸と孔とがクリアランス以上に
ずれていると、鋼球のピッチ円と締結軸のテーパ周りの
軸芯が整合せず、鋼球に過大な負荷が加わって異常摩耗
を生じることになる。この点からすると、締結軸と孔と
の間のクリアランスを或る程度大きくしたほうが耐久性
や良好な締結を維持するためには好ましい。

【０００８】しかしながら、自動工具交換装置において
は、固定プレートと工具プレートの速やかな締結及び分
離だけでなく、これらのプレートの間の位置決めも非常
に重要である。したがって、位置決め軸と孔のクリアラ
ンスをむやみに大きくすることは、位置決め精度の低下
を招き、工具による加工に影響を及ぼす。

【０００９】このように、従来の自動工具交換装置で
は、締結機構と位置決め機構の両方の機能が互いに干渉
し合う関係にあることから、これらが両立した良好な作
動が得られないという問題がある。

【００１０】本発明において解決すべき課題は、固定プ
レートと工具プレートとの間の締結及び位置決めのいず
れもが高い精度で実行できる自動工具交換装置を提供す
ることにある。

【００１１】

【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、前記固定プレートは、環状壁によ
って形成されて前記工具プレートに同軸上に設けたコネ
クタロッドが嵌まり込む接合座と、該接合座の周りを包
囲して作動流体によって軸線方向に移動可能なアクチュ
エータと、該アクチュエータの内壁に係合して前記接合
座の周壁内外に出没可能なロックボールとを備え、前記
工具プレートは、前記コネクタロッドの先端側であって
前記接合座に嵌まり込む部分に調心リングを偏心可能に
備え、前記コネクタロッドの前記接合座への嵌入時にお
いて、前記調心リングはその周面に形成した拘束テーパ
と前記ロックボールとの間に前記固定プレートと工具プ
レートを締結する向きに係合可能としてなることを特徴
とする。

【００１２】

【作用】固定プレートと工具プレートは、たとえば固定
プレート側に位置決め孔を設け工具プレートにはこの位
置決め孔にテーパ嵌合するテーパ軸を設け、これらの位
置決め孔とテーパ軸との凹凸嵌合によって互いに位置決
めされる。

【００１３】また、調心リング部分が接合座の中に嵌ま
り込むようにコネクタロッドと接合座との位置関係とし
た後にアクチュエータを作動させると、ロックボールが
接合座の中に入り込む側に移動し、これによって調心リ
ングの拘束テーパがロックボールに係合し、固定プレー
トと工具プレートとが締結される。

【００１４】この締結の際、位置決めは締結機構とは別
個に行われるので、調心リングの介在によってたとえば
接合座が固定プレートと厳密な同軸配置となっていなく
ても、固定プレートと工具プレートとは同軸上に結合さ
れる。そして、ロックボールは接合座に保持されている
ので、この接合座に調心する調心リングはロックボール
に一様に突き当たって各ロックボールに均一の負荷を加
え、部分的な過大な負荷の発生を防止する。

【００１５】

【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である。

【００１６】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。

【００１７】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。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。

【００１８】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。

【００１９】アクチュエータ３は、図２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。

【００２０】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を外挿したものである。

【００２１】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
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。

【００２２】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。

【００２３】以上の構成において、固定プレート１と工
具プレート２の着脱操作を、図３〜図６も含めて説明す
る。

【００２４】図３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が図中に示した「位置誤差」の分だけ芯が
ずれている状態である。

【００２５】この段階では、固定プレート１と工具プレ
ート２の芯が少しずれていても、固定プレート１の位置
決め孔１ｅと工具プレート２の鋼球２ｄとのテーパ嵌め
合いによって位置ずれを吸収した工具プレート２への固
定プレート１の接近が可能である。そして、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。また、調心リング５は固定プレート１
と工具プレート２との芯ずれによって、接合座１ｄに入
り込んだ後は、固定プレート１の芯に合うように左側に
移動している（図４参照）。

【００２６】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５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。

【００２７】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。

【００２８】一方、このような締結と同時に、固定プレ
ート１はそのテーパ状の位置決め孔１ｅと工具プレート
２の鋼球２ｄとの倣いによって、工具プレート２に対し
て固定プレート１が調心方向へ移動する。これにより、
調心リング５は締結までの過程では偏心していてロック
ボール４との係合が一様でなかったのに対し、図６に示
すように調心リング５も芯が整合するようになり、複数
のロックボール４との間の係合が一様化される。

【００２９】このように、固定プレート１と工具プレー
ト２とが締結された後は、締結前の時点で芯ずれがあっ
ても、最終的には全てのロックボール４が均等に調心リ
ング５の拘束テーパ５ａとの間の連接関係を持つ。この
ため、工具プレート２に工具を装着して加工していると
きにロックボール４のそれぞれに過大な負荷が加わるこ
とはなく、ロックボール４や拘束テーパ５ａに異常摩耗
等が発生することがない。

【００３０】固定プレート１から工具プレート２を外す
ときは、図５において給排ポート１ｃから圧縮空気をシ
リンダボア１ａに供給する。これにより、アクチュエー
タ３は上昇し、ロックボール４に対して倣いテーパ面３
ｅからストッパ３ｄが抜け出ていく。そして、工具プレ
ート２がその自重によって下がろうとするので、最終的
に図１のように固定プレート１から工具プレート２が分
離される。

【００３１】以上のように、固定プレート１に工具プレ
ート２を装着しようとするとき、ロボットアームの動作
によって固定プレート１と工具プレート２の芯が完全に
一致していなくても、調心リング５の接合座１ｄへの嵌
まり込みによって調心が行われる。このとき、鋼球２ｄ
と位置決め孔１ｅによる位置決め及びコネクタロッド２
ａと接合座１ｄとの間の締結はそれぞれ別個に行われ、
位置決めと締結とは互いに干渉しない。

【００３２】したがって、位置決め及び締結のそれぞれ
の精度を確保した製品とするだけで、これらが相互に関
連した厳しい加工精度を必要としない。また、位置決め
のときのクリアランスを大きくとる必要がなく、位置誤
差を吸収して安定した締結動作が可能となる。

【００３３】図７は別の実施例を示すものである。

【００３４】この例は、固定プレート１に設ける位置決
め孔１ｆを等径の孔とし、この中に嵌まり込む工具プレ
ート２側のテーパ軸２ｅとした点で先の例と相違し、そ
の他の構成は全く同様である。

【００３５】固定プレート１や工具プレート２の製作に
当たっては、接合座１ｄ，位置決め孔１ｆ，コネクタロ
ッド２ａ及びテーパ軸２ｅの加工精度や位置精度を高く
維持することが要求される。ところが、金属材料の熱処
理やその他の付加的な加工によって、精度が低下するこ
とは避けられない。

【００３６】そこで、この例では接合座１ｄがその正し
い位置よりも図中の「精度誤差」で示す分だけ左に偏っ
て成形された製品について、締結がどのように行われる
かを説明する。

【００３７】図８は締結が開始されてコネクタロッド２
ａの調心リング５が接合座１ｄの中に嵌まり込んだ時点
であり、位置決め孔１ｆに対してはテーパ軸２ｅは整合
して嵌まり込んでいく。そして、アクチュエータ３を下
降させていくと、図３の締結完了の状態になり、固定プ
レート１と工具プレート２とは芯を整合させて締結され
る。

【００３８】この締結完了の時点では、図１０に示すよ
うに調心リング５は芯が左にずれている接合座１ｄに嵌
まり込んでいるため、そのずれの分だけ左に偏ってい
る。このとき、固定プレート１と工具プレート２とを調
心リング５と共に締結する部材となる複数のロックボー
ル４の配列円は、調心リング５と同軸配置となる。した
がって、先の例と同様に、調心リング５は全てのロック
ボール４に対して一様にその拘束テーパ５ａを突き当て
ることになり、一部のロックボール４に対して過負荷を
与えることはない。

【００３９】このように、接合座１ｄの固定プレート１
に対する加工精度の誤差があっても、位置決め孔伊具と
テーパ軸２ｅとによってこの誤差を吸収して固定プレー
ト１に工具プレート２を同軸上に位置決めできる。そし
て、固定プレート１と工具プレート２との締結において
は、調心リング５から各ロックボール４への一様な負荷
の伝達が行われ、良好な締結が達成される。

【００４０】また、接合座１ｄの位置誤差だけでなく、
コネクタロッド２ａの加工誤差に対しても、同様に固定
プレート１と工具プレート２との同軸締結が可能であ
り、固定プレート１の加工精度を厳しくしなくても良好
な締結が行われる。

【００４１】

【発明の効果】本発明では、固定プレートと工具プレー
トとの間の位置決め機構及び締結機構を分離したことに
よって、両方の機構の加工誤差や位置誤差があっても、
これを吸収してプレートどうしを同軸上に締結できるの
で、プレートの加工精度を厳しくしたり締結時の位置合
わせを厳密にする必要がない。このため、固定及び工具
プレートの加工精度の低減によって加工が容易となるほ
か、加工誤差があってもロックボールに対して調心リン
グが一様な負荷を与えるので、ロックボールに異常摩耗
等を発生させることがなく、耐久性も向上する。

【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を分解して示す縦断
面図である。

【図２】アクチュエータの形状とこれに突き当たるロッ
クボールの詳細を示す要部の拡大縦断面図である。

【図３】固定プレートと工具プレートの締結初期の状態
を示す縦断面図である。

【図４】図３の状態における調心リングとロックボール
との位置関係を示す要部の横断面図である。

【図５】固定プレートと工具プレートとの締結完了時を
示す縦断面図である。

【図６】図５の締結完了時での調心リングとロックボー
ルとの位置関係を示す要部の横断面図である。

【図７】別の実施例であって、接合座の位置が左にずれ
た加工誤差を持つ固定プレートとこれに締結する工具プ
レートを分解して示す縦断面図である。

【図８】図７の例の固定プレートと工具プレートの締結
初期を示す縦断面図である。

【図９】図７の例の固定プレートと工具プレートの締結
完了時を示す縦断面図である。

【図１０】図９の締結完了時での調心リングとロックボ
ールとの位置関係を示す要部の横断面図である。

【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 １ｆ 位置決め孔 ２ 工具プレート ２ａ コネクタロッド ２ｄ 鋼球 ２ｅ テーパ軸 ３ アクチュエータ ４ ロックボール ５ 調心リング ５ａ 拘束テーパ

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
   固定プレートは、環状壁によって形成されて前記工具プ
   レートに同軸上に設けたコネクタロッドが嵌まり込む接
   合座と、該接合座の周りを包囲して作動流体によって軸
   線方向に移動可能なアクチュエータと、該アクチュエー
   タの内壁に係合して前記接合座の周壁内外に出没可能な
   ロックボールとを備え、前記工具プレートは、前記コネ
   クタロッドの先端側であって前記接合座に嵌まり込む部
   分に調心リングを偏心可能に備え、前記コネクタロッド
   の前記接合座への嵌入時において、前記調心リングはそ
   の周面に形成した拘束テーパと前記ロックボールとの間
   に前記固定プレートと工具プレートを締結する向きに係
   合可能としてなる自動工具交換装置。