JP5201618B2 - カム式工具交換装置 - Google Patents

Description

この発明は、工作機械のカム式工具交換装置に関し、とくにカム軸の回転角度を検出するエンコーダを備えたカム式工具交換装置に関する。

マシニングセンタ等においては、工具を自動交換するために自動工具交換装置（ＡＴＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｏｏｌ Ｃｈａｎｇｅｒ）が用いられており、カム式の工具交換装置も知られている。カム式工具交換装置は、モータによって回転するカム軸を有しており、カム軸に形成されたカムにより、チェンジャーアームの旋回運動および往復直線運動が行われる。

図１１は、従来のカム式工具交換装置の一例を示している。図１１に示すように、カム軸１の端部には軸方向に延びる連結軸１ａが形成されている。カム軸１を回転自在に支持する軸受２を保持するハウジング３には、カム軸１の回転角度を検出するためのエンコーダ４が取付けられている。エンコーダ４の回転軸４ａは、カップリング５を介してカム軸１の連結軸１ａに連結されており、カム軸１の回転方向の動きがエンコーダ４の回転軸４ａに伝達されることにより、カム軸１の回転角度が検出されるようになっている。カム軸の回転角度を検出するエンコーダを有するカム式工具交換装置の一例として、下記の特許文献１が知られている。
特開２００１−２３２５３２号公報

しかし、図１１に示す従来のカム式工具交換装置では、カップリング５を用いてカム軸１とエンコーダ４の回転軸４ａを連結するので、組立作業においてはカム軸１とエンコーダ４の回転軸４ａの芯出しを高精度に行う必要があり、芯出し作業に時間がかかるという問題がある。また、カップリング５を用いる場合は、カム軸１とエンコーダ４の回転軸４ａとの連結部位が長くなるため、エンコーダ４はハウジング３の側面から距離Ｌ３だけ突出することになり、エンコーダ４を切削粉や切削油から保護するための保護カバーを設けることができないなどの問題が生ずる。すなわち、カム式工具交換装置は、工作機械への取付けとの関係から外形寸法に制約があり、カップリング５を用いた装置ではエンコーダ４が外方に大きく突出することになるので、エンコーダ４の保護カバーを設けるためのスペースの確保が難しい。したがって、保護カバーの設置スペースを確保するなどのためには、カム軸１とエンコーダ４の回転軸４ａの連結部位の軸方向の長さを短縮し、ハウジング３の側面からエンコーダ４の外端までの距離Ｌ３を短縮することが必要となる。

そこでこの発明は、カム軸とエンコーダの回転軸との芯出しを高精度にかつ容易に行うことができ、しかもカム軸とエンコーダの回転軸との連結部位の軸方向の長さを短縮することが可能なカム式工具交換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、カム軸と連結され該カム軸の回転角度を検出するエンコーダを備えたカム式工具交換装置において、前記カム軸がハウジング内に収納され、前記カム軸に軸心を中心とする円筒状の凹状嵌合部を形成し、前記エンコーダの回転軸に軸心を中心とし前記凹状嵌合部と嵌合する円柱状の凸状嵌合部を形成し、前記凹状嵌合部と前記凸状嵌合部が前記ハウジングの内部で嵌合した状態で前記カム軸に前記エンコーダが同軸上に配設されていることを特徴とするカム式工具交換装置である。

この発明によれば、凹状嵌合部と凸状嵌合部とを嵌合させるだけで、カム軸とエンコーダの回転軸との芯出しが高精度にかつ容易に行われる。また、カム軸側に凹状嵌合部が形成されているので、カム軸を軸方向に延長することなくエンコーダとの連結が可能となり、連結部位の軸方向の長さが短縮される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のカム式工具交換装置において、前記カム軸と前記回転軸とを連結して前記回転軸を前記カム軸と連動して回転させる連動手段を備えることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のカム式工具交換装置において、前記連動手段は、前記カム軸と前記回転軸を連結する連結ピンを軸心外に配設し、前記連結ピンを介して前記回転軸が前記カム軸と連動して回転することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、カム軸とエンコーダの回転軸との芯出しが容易となるので、カム式工具交換装置の組立時間を短縮することができる。また、カム軸とエンコーダとの連結部位の軸方向の長さを短かくすることが可能となるので、エンコーダの保護カバーを設けるためのスペースを確保することができ、エンコーダを切削粉や切削油から保護することができる。

請求項２に記載の発明によれば、連動手段によりエンコーダはカム軸と連動して回転するので、カム軸の回転角度をエンコーダにより確実に検出することができる。

請求項３に記載の発明によれば、カム軸と回転軸とを連結ピンを用いて連結しているので、スプラインなどを用いた嵌合構造などに比べて連結部分の構造を簡素化でき、製作が容易となる。

つぎに、この発明の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。

（実施の形態１）
図１ないし図７は、本発明の実施の形態１を示している。図２および図３において、符号１０はカム式工具交換装置を示している。カム式工具交換装置１０は、主としてハウジング１１と、カム軸１２と、カム１５と、チェンジャーアーム１８を有している。ハウジング１１は、ベース２０に取付けられている。ハウジング１１内には、カム軸１２が収納されている。カム軸１２は、軸方向両端部に配置されたベアリング２４を介してハウジング１１に回転可能に支持されている。カム軸１２の軸方向中間部には、カム軸１２を軸心周りに回転させるためのウオームホイル１３が取付けられている。カム軸１２の下方には、ウオームホイル１３を回転させるためのウオームギア１４が配置されている。ウオームギア１４は、ハウジング１１に固定されたモータ１９の出力軸に取付けられており、ウオームホイル１３の外周部の一部と噛み合っている。カム軸１２には、ウオームホイル１３と隣接してカム１５が取付けられている。カム軸１２には、軸方向に延びるキー溝１２ｄが形成されており、キー溝１２ｄにはウオームホイル１３とカム１５とをカム軸１２に固定するためのキー２６が装着されている。これによりウオームホイル１３とカム１５は、カム軸１２の軸心周り方向の所定位置に固定され、カム軸１２と連動して回転するようになっている。

ハウジング１１の上部には、軸保持部１６が形成されている。軸保持部１６には、軸方向と軸心周り方向のいずれにも移動可能な出力シャフト１７が保持されている。出力シャフト１７の先端部には、水平方向に延びるチェンジャーアーム１８が取付けられている。出力シャフト１７は、カム１５と連動しており、カム１５の回転角度により軸方向への移動と軸心周り方向の移動とが可能となっている。チェンジャーアーム１８の両端部には、工具ホルダ（図示略）を保持するための保持部１８ａと保持部１８ｂが形成されている。チェンジャーアーム１８の外周には、ベース２０に固定された安全カバー２２が配設されている。

ハウジング１１には、環状のエンコーダ取付け用ベース２３が取付けられている。エンコーダ取付け用ベース２３の外周部には雄ネジ２３ａが形成されており、雄ネジ２３ａはハウジング１１に螺合されている。カム軸１２の端部を支持するベアリング２４は、エンコーダ取付け用ベース２３の内側に位置している。ベアリング２４の外輪は、エンコーダ取付け用ベース２３の内側の一方に嵌合されており、エンコーダ取付け用ベース２３を介してハウジング１１に保持されている。エンコーダ取付け用ベース２３の他方の内側には、カム軸１２の軸端部の外周面と摺接するオイルシール２５が取付けられている。

図６および図７に示すように、カム軸１２の先端部１２ａには、カム軸１２の軸心Ｃ１を中心とする凹状嵌合部１２ｂが形成されている。凹状嵌合部１２ｂは、カム軸１２の先端部１２ａを円形に切削することにより形成されており、後述するエンコーダ３０との芯出しに使用されることから高精度に加工されている。図７に示すように、先端部１２ａには凹状嵌合部１２ｂの底面から軸方向に延びる固定穴１２ｃが形成されている。固定穴１２ｃは、軸心Ｃ１から外れた位置に配設されており、凹状嵌合部１２ｂの内周面に内接している。固定穴１２ｃは、カム軸１２とエンコーダ３０の回転軸３１と連動させる連動手段としての連結ピン３５を圧入するためのものであり、内径が連結ピン３５の外径よりも僅かに小に形成されている。図６に示すように、固定穴１２ｃは、キー溝１２ｄの中心とカム軸１２の軸心Ｃ１とを結ぶ軸線Ｙ２に対して直交する軸線Ｘ２上に位置している。すなわち、キー溝１２ｄの中心を通る軸線Ｙ２と固定穴１２ｃを通る軸線Ｘ２とのなす角度θ２は９０度となっている。なお、カム軸１２の先端部１２ａの軸心Ｃ１上には、旋盤加工のためのセンター穴１２ｈが形成されている。

図１に示すように、エンコーダ取付け用ベース２３の一側には、カム軸１２の回転角度を電気的に検出するエンコーダ３０が取付けられている。エンコーダ３０は、絶対位置を検出するアブソリュートタイプのエンコーダから構成されている。カム式工具交換装置１０において、チェンジャーアーム１８の動作制御を正確に行うためには、カム軸１２の動きを高精度で把握する必要があることから、エンコーダ３０によるカム軸１２の回転角度の検出が行われる。エンコーダ３０は、固定金具３６を介してボルト３７によりエンコーダ取付け用ベース２３に固定されている。

エンコーダ３０の回転軸３１は、カム軸１２側に延びている。図４および図５に示すように、回転軸３１の先端部３１ａには、回転軸３１の軸心Ｃ２を中心とする凸状嵌合部３１ｂが形成されている。凸状嵌合部３１ｂは円柱状で、カム軸１２との芯出しに使用されることから高精度に加工されている。凸状嵌合部３１ｂの外径は、カム軸１２の凹状嵌合部１２ｂの内径よりも僅かに小に形成されている。回転軸３１の先端部３１ａには、軸心Ｃ２を中心とし軸端から軸方向に延びる凹状嵌合部３１ｃが形成されている。この凹状嵌合部３１ｃは円穴状で、実施の形態１における嵌合には用いられないが、後述する実施の形態２の嵌合構造に利用される。実施の形態１においては、凹状嵌合部３１ｃは回転軸３１の軽減孔として機能する。

回転軸３１の先端部３１ａには、軸端から軸方向に延びる係合溝３１ｄが形成されている。係合溝３１ｄは、図５に示すように凸状嵌合部３１ｂと凹状嵌合部３１ｃとの間を貫通する溝であり、溝幅は連結ピン３５の外径よりも僅かに大に形成されている。係合溝３１ｄは、ケーブル３２の中心と回転軸３１の軸心Ｃ２とを結ぶ軸線Ｙ１に対して直交する軸線Ｘ１上に位置している。すなわち、係合溝３１ｄを通る軸線Ｘ１とケーブル３２の中心を通る軸線Ｙ１とのなす角度θ１は９０度となっている。図５における係合溝３１ｄの位置は、カム軸１２の回転角度が０度となる場合を示している。このように、エンコーダ３０において、ケーブル３２の中心を通る軸線Ｙ１に対する係合溝３１ｄの位置（角度θ１）を規定しているのは、エンコーダ３０がアブソリュートタイプのエンコーダであり、カム軸１２の絶対位置（角度）を検出する必要があるからである。インクレメントタイプのエンコーダの場合は、検出起点位置をリセットによって自由に設定することができるので、係合溝３１ｄの位置はとくに問題にならない。

ハウジング１１の外側には、図３に示すように軸保持部１６の下部から斜め下方に延びハウジング１１の一側を覆うカバー３８が設けられている。カバー３８とエンコーダ３０との間には、エンコーダ３０における回転軸３１側と反対側を覆う保護カバー４０が設けられている。これにより、エンコーダ３０はカバー３８側から侵入する切削粉や切削油から保護されている。

つぎに、この実施の態様１におけるエンコーダ３０の取付け作業手順およびその作用について説明する。

図１に示すように、まずカム軸１２を所定の位置に停止させた状態で、カム軸１２の固定穴１２ｃに連結ピン３５を挿入し、固定穴１２ｃに連結ピン３５の一方を圧入する。カム軸１２に圧入された連結ピン３５は、他方が固定穴１２ｃから突出しており、エンコーダ３０の回転軸３１と係合可能な状態となっている。ここで、連結ピン３５をエンコーダ３０の回転軸３１でなくカム軸１２に圧入する構造を採用しているので、エンコーダ３０の回転軸３１の軸径を大きくする必要がなく、エンコーダ３０は小型のものを使用することができる。また、固定穴１２ｃは、図７に示すように凹状嵌合部１２ｂの底部に形成されているので、連結ピン３５を圧入するカム軸１２の部分には突起がなく、圧入作業時におけるカム軸１２と圧入工具との干渉を回避することができる。これにより、連結ピン３５の圧入作業が容易になるとともに、カム軸１２の損傷を未然に防止することができる。

つぎに、エンコーダ３０は、回転軸３１がカム軸１２の軸端と対向するように配置された状態でカム軸１２側へ押出される。カム軸１２の凹状嵌合部１２ｂの内径は、エンコーダ３０の凸状嵌合部３１ｂの外径よりも僅かに大に設定されており、いわゆる隙間嵌め構造となっているので、エンコーダ３０をカム軸１２側に押出すことにより凸状嵌合部３１ｂは凹状嵌合部１２ｂに円滑に進入する。すなわち、凸状嵌合部３１ｂと凹状嵌合部１２ｂが嵌合する際には、嵌合部分に微小な隙間が存在することになるので、小さな力で凹状嵌合部１２ｂと凸状嵌合部３１ｂとの嵌合が行われる。

エンコーダ３０のカム軸１２側への押付けによってエンコーダ３０の取付け面がエンコーダ取付け用ベース２３に接触した状態では、連結ピン３５が係合溝３１ｄに進入する。連結ピン３５が係合溝３１ｄに進入すると、連結ピン３５を介してカム軸１２とエンコーダ３０の回転軸３１とが軸心周りに連結された状態となり、エンコーダ３０の回転軸３１はカム軸１２に連動して回転することになる。カム軸１２と回転軸３１の連結が完了すると、ボルト３７の締め付けが行われ、エンコーダ３０は支持金具３６を介してエンコーダ取付け用ベース２３に固定される。この状態では、図１に示すように、カム軸１２の軸心Ｃ１に対してエンコーダ３０の軸心Ｃ２が同軸上に配設されるので、芯振れがなく、カム軸１２によりエンコーダ３０を円滑に回転させることができる。また、連結ピン３５によってカム軸１２とエンコーダ３１とを連結するので、スプラインによる嵌合構造に比べて連結部分の構造を簡素化でき、連結部位の製作も容易となる。

このように、凹状嵌合部１２ｂと凸状嵌合部３１ｂとの嵌合により、カム軸１２に対するエンコーダ３０の回転軸３１の芯出しが自動的に行われるので、芯出し作業が容易となり、カム式工具交換装置１０の組立時間を短縮することができる。また、カム軸１２に凹状嵌合部１２ｂを形成することにより、カム軸１２を軸方向に延長することなくエンコーダ３０との連結が可能となるので、ハウジング１１の側面からエンコーダ３０の外端までの距離Ｌ１は、図１１の従来装置における距離Ｌ３よりも短くなる。したがって、図３に示すように、エンコーダ３０の保護カバー４０を設けるためのスペースを確保することができ、エンコーダ３０を切削粉や切削油から保護することができる。

（実施の態様２）
図８ないし図１０は、本発明の実施の形態２を示している。実施の形態２が実施の形態１と異なるのはカム軸とエンコーダの嵌合構造のみであり、その他の構成は実施の形態１に準ずるので、準ずる部分に実施の形態１と同一の符号を付すことにより、準ずる部分の説明を省略する。実施の形態２においては、カム軸１２の端部の形状のみが実施の形態１と異なり、エンコーダ３０は実施の形態１と同一のものが用いられる。

図９および図１０において、カム軸１２の先端部１２ｅには、カム軸１２の軸心Ｃ１を中心とする凸状嵌合部１２ｆが形成されている。凸状嵌合部１２ｆは、カム軸１２の先端部１２ｅを円柱状に切削することにより形成されており、エンコーダ３０との芯出しに使用されることから高精度に加工されている。カム軸１２には、凸状嵌合部１２ｆの付け根部分から軸方向に延びる固定穴１２ｉが形成されている。固定穴１２ｉは、連結ピン３５の外径よりも僅かに内径が小になっており、連結ピン３５の一方が圧入可能となっている。凸状嵌合部１２ｆには、一部が軸方向に切除された切除部１２ｇが形成されている。固定穴１２ｉは、カム軸１２における切除部１２ｇに隣接した位置に形成されている。固定穴１２ｉは、キー溝１２ｄの中心とカム軸１２の軸心Ｃ１とを結ぶ軸線Ｘ４に対して直交する軸線Ｘ４上に位置している。すなわち、キー溝１２ｄを通る軸線Ｙ４と固定穴１２ｉとを通る軸線Ｘ４とのなす角度θ４は９０度となっている。

つぎに、この発明の実施の態様２におけるエンコーダ３０の取付け作業手順およびその作用について説明する。

図８に示すように、まずカム軸１２を所定の位置に停止させた状態で、カム軸１２の固定穴１２ｉに連結ピン３５を挿入し、固定穴１２ｉに連結ピン３５を圧入する。連結ピン３５の圧入が完了すると、エンコーダ３０は回転軸３１がカム軸１２の軸端と対向するように配置された状態でカム軸１２側へ押出される。カム軸１２の凸状嵌合部１２ｆの外径は、エンコーダ３０の凹状嵌合部３１ｃの内径よりも僅かに小に設定されているので、エンコーダ３０をカム軸１２側に押出すことにより凸状嵌合部１２ｆは凹状嵌合部３１ｃに円滑に進入する。すなわち、凸状嵌合部１２ｆと凹状嵌合部３１ｃが嵌合する際には、嵌合部分に微小な隙間が存在することになるので、小さな力で凸状嵌合部１２ｆと凹状嵌合部３１ｃとの嵌合が行われる。

凸状嵌合部１２ｆは、カム軸１２の軸心Ｃ１を中心として形成されており、凹状嵌合部３１ｃはエンコーダ３０の回転軸３１の軸心Ｃ２を中心として形成されているので、凸状嵌合部１２ｆと凹状嵌合部３１ｃとの嵌合により、軸心Ｃ１と軸心Ｃ２は同一線上に位置することになる。エンコーダ３０のカム軸１２側への押付けにより、エンコーダ３０の取付け面がエンコーダ取付け用ベース２３に接触した状態では、連結ピン３５が係合溝３１ｄに進入する。連結ピン３５が係合溝３１ｄに進入すると、連結ピン３５を介してカム軸１２とエンコーダ３０の回転軸３１とが軸心周りに連結された状態となり、エンコーダ３０の回転軸３１はカム軸１２に連動して回転することになる。この状態では、ハウジング１１の側面からエンコーダ３０の外端までの距離Ｌ２は、図１１の従来装置の距離Ｌ３に比べて短くなる。

このように、エンコーダ３０の回転軸３１に凸状嵌合部３１ｂと凹状嵌合部３１ｃの双方を形成することにより、エンコーダ３０を実施の態様１と実施の態様２のいずれのカム軸１２（嵌合構造）にも使用することが可能となり、エンコーダ３０の共用化が図れる。

以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。上記各実施の形態においては、カム軸１２とエンコーダ３０の回転軸３１とを連動させる連動手段として連結ピン３５を用いたが、例えば凸状嵌合部および凹状嵌合部の断面形状をＤ形とする嵌合構造（断面円形の軸の外周部の一部を切除して断面形状をＤ形とした凸状嵌合部と断面形状がＤ形の凹状嵌合部による嵌合構造）や、スプラインなどによる嵌合構造を連動手段として用いる構成であってもよい。また、エンコーダ３０とは、カム軸１２の回転角度を電気的に検出する機能を有するものを意味し、種類を問わない。

本発明の実施の形態１に係わるカム式工具交換装置におけるカム軸とエンコーダとの連結状態を示す断面図である。 図１のカム式工具交換装置の正面図である。 図１のカム式工具交換装置の側面図（一部断面図）である。 図１のカム式工具交換装置におけるエンコーダの正面図（一部断面図）である。 図４のエンコーダの平面図である。 図１のカム式工具交換装置におけるカム軸端部の正面図である。 図６のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態２に係わるカム式工具交換装置におけるカム軸とエンコーダとの連結状態を示す断面図である。 図８のカム式工具交換装置におけるカム軸端部の正面図である。 図９のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 従来のカム式工具交換装置におけるカム軸とエンコーダとの連結状態を示す断面図である。

符号の説明

１０ カム式工具交換装置
１２ カム軸
１２ｂ 凹状嵌合部
１２ｃ 固定穴
１２ｄ キー溝
１２ｆ 凸状嵌合部
１２ｉ 固定穴
１５ カム
１８ チェンジャーアーム
２３ エンコーダ取付け用ベース
３０ エンコーダ
３１ｂ 凸状嵌合部
３１ｃ 凹状嵌合部
３１ｄ 係合溝
３５ 連結ピン
Ｃ１ カム軸の軸心
Ｃ２ エンコーダの軸心

Claims (3)

1. カム軸と連結され該カム軸の回転角度を検出するエンコーダを備えたカム式工具交換装置において、前記カム軸がハウジング内に収納され、前記カム軸に軸心を中心とする円筒状の凹状嵌合部を形成し、前記エンコーダの回転軸に軸心を中心とし前記凹状嵌合部と嵌合する円柱状の凸状嵌合部を形成し、前記凹状嵌合部と前記凸状嵌合部が前記ハウジングの内部で嵌合した状態で前記カム軸に前記エンコーダが同軸上に配設されていることを特徴とするカム式工具交換装置。
2. 前記カム軸と前記回転軸とを連結して前記回転軸を前記カム軸と連動して回転させる連動手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のカム式工具交換装置。
3. 前記連動手段は、前記カム軸と前記回転軸を連結する連結ピンを軸心外に配設し、前記連結ピンを介して前記回転軸が前記カム軸と連動して回転することを特徴とする請求項２に記載のカム式工具交換装置。
   

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