自動工具交換装置
【課題】自動工具交換装置の連結部に生じるギャップを抑制することで、各種作業を精度良く行うことができる自動工具交換装置を提供する。
【解決手段】自動工具交換装置１は、一端部４ａに形成された突起部４０において、突起部４０の内部から外部に突出可能なカム機構４６が設けられ、他端部４ｂにおいてカム機構４６を駆動させるための駆動力を発生可能な操作部が着脱可能に取り付けられる雄型部材４と、一端部５ａにおいて、各工具が交換可能に取り付けられるとともに、突起部４０を挿入可能な孔５０と、孔５０に挿入された突起部４０のカム機構４６の回動に応じて、カム機構４６と係合する係合部５１ｂとを有する雌型部材５とを備える。
【解決手段】自動工具交換装置１は、一端部４ａに形成された突起部４０において、突起部４０の内部から外部に突出可能なカム機構４６が設けられ、他端部４ｂにおいてカム機構４６を駆動させるための駆動力を発生可能な操作部が着脱可能に取り付けられる雄型部材４と、一端部５ａにおいて、各工具が交換可能に取り付けられるとともに、突起部４０を挿入可能な孔５０と、孔５０に挿入された突起部４０のカム機構４６の回動に応じて、カム機構４６と係合する係合部５１ｂとを有する雌型部材５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種産業用ロボットに適用される自動工具交換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種産業用ロボットに適用される自動工具交換装置（Auto Tool Changer）の連結方式には、自動工具交換装置の連結状態を保持しつつ、連結時に加わる大きな荷重に耐えうるものとして、ロックピンとカム機構とによる連結方式、及び、ボールとフランジとによる連結方式、の２種類の連結方式が知られている。
【０００３】
ロックピンとカム機構とによる連結方式を採用した自動工具交換装置は、カム機構を摩耗に追従可能に構成することで、連結部に生じうるギャップ量（モーメント負荷によってロボットアダプタとツールアダプタとの間が開く時の距離）が極力大きくならないようにされている。その反面、該自動工具交換装置の連結時に加わる大きな荷重に耐えうる強度を確保するためには、ロックピンを保持する部分の厚みを大きくする必要があり、連結時における該自動工具交換装置全体の厚みが大きくなるというデメリットを有している。
【０００４】
一方、ボールとフランジとによる連結方式を採用した自動工具交換装置は、ボール及びフランジの連結時に加わる荷重に耐えうる高い強度を有するとともに、連結状態にある該自動工具交換装置全体の厚みを小さく抑えることができる。その反面、該自動工具交換装置は、ボールの摩耗によって、ギャップ量が大きくなりがちであり、連結状態を安定に維持するためにボールを頻繁に交換する必要がある、というデメリットを有している。
【０００５】
ここで、上記２種類の連結方式のうち、ロックピンとカム機構とによる連結方式を採用した自動工具交換装置としては、下記の特許文献１に開示されたものが公知となっている。なお、図６は、ロックピンとカム機構とによる連結方式を採用した従来の自動工具交換装置の一例を示すものである。図６に示す自動工具交換装置２０１は、一端部２０４ａにおいて突起部２４０が形成されるとともに、他端部２０４ｂにおいてロボットアーム等の操作部が取り付けられる雄型部材２０４と、一端部２０５ａにおいて溶接器具等の各種工具が取り付けられるとともに、突起部２４０を挿入可能な孔２５０を有する雌型部材２０５と、を備えている。
【０００６】
この自動工具交換装置２０１の連結動作は、まず、図６（ａ）に示す初期状態では、雄型部材２０４と雌型部材２０５の各外周部の位置を相互に合わせた状態で、図示しないロボットアーム等から雄型部材２０４のシリンダ収容室２４４にエアが供給されており、このエアの圧力によって、エアシリンダ２４５及びピストン２４７が、図６（ａ）中の白抜きで示す矢印方向に移動している。また、この移動に伴い、一対の弾性部材２４８が、上記矢印方向に付勢（圧縮）されている。
【０００７】
次に、図６（ｂ）において、雄型部材２０４の突起部２４０を雌型部材２０５の孔２５０に挿入した状態で、シリンダ収容室２４４の弾性部材２４８側の空間に、雄型部材２０４及び雌型部材２０５の連結用のエアが供給されることによって、該空間の内圧が増加するとともに、安全機構としての各弾性部材２４８に対して、図６（ａ）中の白抜きで示す矢印方向と反対方向に復元力が作用する。すなわち、上記空間の内圧力、及び、各弾性部材２４８の復元力に応じて、エアシリンダ２４５及びピストン２４７が、上記反対方向に移動する。この移動に伴い、カム機構２４６が図６（ｂ）中の太線で示す矢印方向に回動することによって、カム機構２４６とロックピン２５１とが係合する。そして、この係合によって、カム機構２４６が突起部２４０の孔２５０への挿入方向と反対方向に移動することが規制され、雄型部材２０４と雌型部材２０５との連結が完了する。
【０００８】
なお、従来の自動工具交換装置２０１においては、図７に示すように、雌型部材２０５において、カム機構２４６からの駆動力（図７中に示す白抜きの矢印）が、図７中の太線の矢印で示すように、ロックピン２５１の付根部分に局所的に集中する構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−３１４４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、図６に示す従来の自動工具交換装置２０１においては、上述したとおり、連結部に生じうるギャップ量が極力大きくならないように工夫されてはいるものの、ロボットアーム等の操作部の使用中に、雄型部材２０４と雌型部材２０５との連結部（ジョイント部）に過大なモーメント負荷が生じると、連結部（より詳しくは雄型部材２０４と雌型部材２０５との間）のギャップが大きくなり、溶接等の各種作業における位置ズレの原因となることがある。すなわち、雄型部材２０４と雌型部材２０５との間に生じうるギャップ量が許容範囲を超えた場合には、雌型部材２０５の一端部２０５ａに取り付けられた各種工具が目標とする位置から位置ズレを生じ易くなり、各種工具を用いて溶接等の各種作業を精度良く行うことが容易ではなくなってしまう。また、エア圧力をより高くして連結部における連結力をアップすると、雄型部材２０４と雌型部材２０５との間に生じうるギャップを小さくすることはできるものの、大規模な改造が必要となり現実的でない。
【００１１】
また、これらの産業用ロボットは、長いロボットアーム２（図１参照）を有しており、上記の過大なモーメント負荷を発生させる原因ともなっていた。そのため、ロボットアーム２の全長を少しでも短くして、上記のモーメント負荷を減少させる必要があった。
【００１２】
図６に示す従来の自動工具交換装置２０１において、モーメント負荷を減少させるために、雌型部材２０５に設けられたロックピン２５１への荷重強度を保ちながら、雌型部材２０５の軸方向の厚みを減少させるためには、ロックピン２５１の使用材料をより高強度のものに変更するとともにこのロックピン２５１の径をより小さくすることで達成できるように考えられる。しかし、一般的に、高強度なものは価格も高く、費用に応じた効果を考慮した場合には採用しにくい。それゆえ、従来の材料でロックピン２５１への荷重強度を保つには、雌型部材２０５の軸方向に相当の厚みＬ２１を必要とし、これが、雄型部材２０４と雌型部材２０５との連結部に過大なモーメント負荷が生じる原因ともなっていた。
【００１３】
そこで、本発明は、現状のエア圧力を維持しながらも自動工具交換装置の連結部に生じるギャップを抑制しうる自動工具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】
【００１４】
（１） 本発明の自動工具交換装置は、一端部において、突起部を有するとともに、該突起部において、前記突起部の内部から外部に突出可能なカム機構が設けられ、他端部において、前記カム機構を駆動させるための駆動力を発生可能な操作部が着脱可能に取り付けられる雄型部材と、一端部において、各工具が交換可能に取り付けられるとともに、前記突起部を挿入可能な孔、及び、該孔に挿入された前記突起部の前記カム機構の回動に応じて、前記カム機構と係合する係合部、を有する雌型部材と、を備え、前記雄型部材及び前記雌型部材は、前記カム機構と前記係合部とが接触するように係合することによって連結可能なものであって、前記雌型部材が、前記カム機構から作用する力を分散可能な分散面を有し、前記分散面と、前記カム機構と前記係合部とが接触する範囲の全てとが、前記係合部を挟んで向かい合うことを特徴とする。なお、ここでの「向かい合う」とは、少なくとも、前記分散面における法線と、前記カム機構と係合部とが接触する範囲の中心における垂線とが、一致又は交差している状態であることを含む。
【００１５】
上記（１）の構成によれば、雌型部材が、カム機構から作用する力を分散可能な分散面を有することで、雌型部材と連結された雄型部材のカム機構からの駆動力は、係合部及び分散面を経由することにより、雄型部材と雌型部材との連結部（ジョイント部）に向かって、均一に分散しながら伝達される。この駆動力の伝達方法により、雄型部材と雌型部材とが連結される面において、雄型部材と雌型部材とが偏りのない略均一な力で連結される。これに伴い、従来の自動工具交換装置のように、雌型部材において、カム機構からの駆動力をロックピンの付根部分に局所的に集中させる場合と比べて、雄型部材と雌型部材との連結部（ジョイント部）において生じうるギャップを抑制することができ、自動交換装置の連結部に加わる大きな荷重にも耐えうることが可能となる。これにより、雌型部材の一端部に取り付けられた各工具において、作業中の目標とする位置に対する位置ズレを生じ難くすることができる。その結果、自動工具交換装置において、雌型部材の一端部に取り付けられた各工具を用いた各種作業を従来よりも精度良く行うことができる。
【００１６】
更に、上記（１）の構成によれば、雌型部材の全体において、雄型部材と雌型部材とが連結された際の荷重（雌型部材の先端に取り付けた溶接器具等の重量を含む）を受けることができる。特に、雌型部材は分散面を有していることから、上記荷重を均一的に分散させた状態で受けることが可能となる。このため、従来の自動工具交換装置のようにロックピンの径に依存することなく、雌型部材の係合部において荷重を受けることができる。その結果、雌型部材の軸方向の厚み、つまり、雌型部材に形成された孔の軸方向長さを削減できる。これに伴い、カム機構の位置も雄型部材の他端部側に近づけることができ、孔に挿入される雄型部材の突起部の軸方向長さを削減できるので、雄型部材の軸方向の厚みも削減することができる。このため、自動工具交換装置全体の厚みを従来よりも抑制することができる。その結果、ロボットアーム２（図１参照）の全長が短くなり、雄型部材と雌型部材との連結部に生じるモーメント負荷を小さくすることが可能となる。ついには、雌型部材の一端部に各工具を取り付けて作業を行う際に、当該連結部に生じうるギャップをさらに小さくすることが可能となる。
【００１７】
（２） 上記（１）の自動工具交換装置においては、前記雌型部材が、前記係合部を含む係合部材と、前記分散面を含み、前記孔を取り囲む位置において前記係合部材を保持するために設けられた保持部と、を有し、前記係合部材が前記分散面に面接触する部分を有し、前記面接触する部分が、少なくとも、前記カム機構からの力が作用する方向と交差することが好ましい。
【００１８】
上記（２）の構成によれば、カム機構からの力が作用する方向と交差する面において、保持部と係合部材とを面接触させることで、該面接触する部分において、カム機構から加わる力を確実に分散させることができる。
【００１９】
（３） 上記（１）又は（２）の自動工具交換装置においては、前記係合部材が前記雌型部材から分離可能に構成されていることが好ましい。
【００２０】
上記（３）の構成によれば、係合部材が摩耗することによって交換が必要になった際に、係合部材及び保持部の全体を交換する必要がない（係合部材のみ交換すればよい）ので、係合部材及び保持部が一体として構成されている場合よりも自動工具交換装置の部品コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る自動工具交換装置を適用した産業用ロボットの概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る自動工具交換装置を構成する雄型部材及び雌型部材の斜視図である。
【図３】（ａ）は、自動工具交換装置の正面図であり、（ｂ）は、自動工具交換装置を雄型部材と雌型部材とに分解した状態を示す側面図である。
【図４】（ａ）は、雄型部材と雌型部材とが連結される前の状態を示す側断面図であり、（ｂ）は、図３に示すＡ−Ａ線の矢視断面図であって、雄型部材と雌型部材とが連結された状態を示す側断面図である。
【図５】図２の自動工具交換装置におけるカム機構からロックパーツに作用する力の流れを示した説明図である。
【図６】従来の自動工具交換装置を構成する雄型部材と雌型部材との連結動作を説明するための説明図であって、（ａ）は、雄型部材と雌型部材とが連結される前の状態を示す側断面図であり、（ｂ）は、雄型部材と雌型部材とが連結された状態を示す側断面図である。
【図７】従来の自動工具交換装置におけるカム機構からロックピンに作用する力の流れを示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図１〜図５を参照しながら、本発明の一実施形態に係る自動工具交換装置について説明する。
【００２３】
（産業用ロボットの全体構成）
図１に示すように、産業用ロボット１００は、自動工具交換装置１、ロボットアーム２、及び、スポット溶接ガン（工具）３を有している。自動工具交換装置１は、相互に連結可能な雄型部材４と雌型部材５とで構成されている。図１に示すように、自動工具交換装置１は、他端部４ｂにおいてロボットアーム２と着脱可能な雄型部材４と、一端部５ａにおいてスポット溶接ガン３と着脱可能な雌型部材５とを有しており、ロボットアーム２とスポット溶接ガン３との間に取り付けられる。スポット溶接ガン３は相当重量を有しているにもかかわらず、相当長さを有するロボットアーム２は自在に可動するものであるから、これらを連結する自動工具交換装置１には多大なモーメント負荷が生じることとなる。
【００２４】
ロボットアーム２は、雄型部材４との間でエアの給排気を行うことが可能であって、この給排気に応じて、雄型部材４の後述するカム機構４６（図２〜４を参照）を回動させるための駆動力を発生させるものである。スポット溶接ガン３は、雌型部材５に予め取り付けられたものが複数用意され、棚上に配置されている。そして、スポット溶接ガン３が取り付けられた各雌型部材５のうち、作業に応じて一つの雌型部材５が選択され、選択された雌型部材５と雄型部材４とを着脱可能に連結することによって、ロボットアーム２に所定の作業をさせることが可能となっている。
【００２５】
（雄型部材の構成）
図２及び図３（ａ）に示すように、雄型部材４は、外周部４ｃが略六角柱状に形成されており、一端部４ａにおいて突設する椀型の略六角柱状に形成された突起部４０と、雌型部材５との位置を決めるための２本の位置決め用ピン４１とを有している。また、図３（ａ），（ｂ）に示すように、雄型部材４は、他端部４ｂにおいてロボットアーム２との位置決めを行うためのフランジ部４２と、ロボットアーム２との位置を決めるための複数の位置決め用孔４３ａと、ロボットアーム２と雄型部材４とを固定するための固定用孔４３ｂとが設けられている。各孔４３ａ，４３ｂは、フランジ部４２を取り囲む位置においてフランジ部４２の周方向に沿って交互に設けられている。
【００２６】
また、図３（ｂ）及び図４（ａ）に示すように、雄型部材４は、シリンダ収容室４４と、該シリンダ収容室４４に収容されたエアシリンダ４５と、突起部４０の内部から外部に突出可能なカム機構４６と、エアシリンダ４５とカム機構４６とを連動させるためのピストン４７と、ロボットアーム２とシリンダ収容室４４との間においてエアの供給又は排出を行うための各ポート４８ａ，４８ｂと、を有している。なお、エアシリンダ４５、カム機構４６、及び、ピストン４７の一部は、突起部４０に形成された凹状の収容空間４０ａに収容されている。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、エアシリンダ４５は、ヘッド部材４５ａと、ピストン４７を貫通させるための貫通孔４５ｂと、該貫通孔４５ｂを取り囲む位置に形成され、一定の間隔をおいて設けられた２つの拡径部材４５ｃ，４５ｄと、を有している。なお、図３（ａ）に示すように、エアシリンダ４５及びピストン４７は、ボルト等の締結部材６０によって一体化されている。
【００２８】
図３（ｂ）及び図４（ａ）に示すように、カム機構４６は、その一部である尖り部４６ａを、拡径部材４５ｃ，４５ｄの間に挿入した状態で、突起部４０の延設方向と垂直方向に延びる支持ピン４９を中心として回動可能に支持されており、雄型部材４と雌型部材５とが連結された際に、後述するロックパーツ５１の係合部５１ｂと係合する円弧状の係合部４６ｂを有している。なお、本実施形態では、図２に示すように、カム機構４６は、雄型部材４の周方向に沿って略１２０°角度毎に計３個設けられている。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、各ポート４８ａ，４８ｂは、エアチューブ６１を介してロボットアーム２（不図示）に接続されている。これにより、ロボットアーム２と雄型部材４との間で、エアの給排気が可能となっている。そして、エアシリンダ４５及びピストン４７は、各ポート４８ａ，４８ｂへのエアの供給、又は、各ポート４８ａ，４８ｂからのエアの排出に伴う駆動力に応じて、雄型部材４の軸方向に沿って移動可能であって、この移動に応じて、カム機構４６は、支持ピン４９を中心として回動可能となっている。
【００３０】
（雌型部材の構成）
図２に示すように、雌型部材５の外周部５ｂは、雄型部材４と同じく略六角柱状に形成されている。図２に示すように、雌型部材５の一端部５ａには、上記スポット溶接ガン３が着脱可能に取り付けられる。
【００３１】
図２に示すように、雌型部材５は、雄型部材４の突起部４０と略同一形状を有し、該突起部４０を挿入可能な孔５０と、ロックパーツ（係合部材）５１と、孔５０を取り囲む位置においてロックパーツ５１を保持するために設けられた保持部５２と、上記位置決め用ピン４１と対応する位置に形成され、該位置決め用ピン４１を挿入可能な位置決め用孔５３と、を有する。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、ロックパーツ５１は、ボルト等の締結部材６２を用いて雌型部材５から分離可能に取り付けられている。ロックパーツ５１は、側断面視において、略Ｓ字状に形成された内面５１ａと、該内面５１ａに形成され、孔５０に挿入された突起部４０のカム機構４６の回動に応じてカム機構４６の係合部４６ｂと係合する円弧状の係合部５１ｂと、カム機構４６からの力が作用する方向と交差する平坦状の面であって、保持部５２の後述する分散面５２ａと面接触する平坦面５１ｃと、を有している。ここで、図４（ｂ）に示すように、分散面５２ａと平坦面５１ｃとが面接触することによって、雌型部材５に連結された雄型部材４のカム機構４６からの駆動力は、係合部５１ｂ及び分散面５２ａを経由して、雌型部材５の他端面５ｃ、つまり、雄型部材４と雌型部材５との連結部（ジョイント部）に伝達される。
【００３３】
ここで、図４及び図５を参照しつつ、カム機構４６からロックパーツ５１に作用する力の流れについて説明する。図５中に示す白抜きの矢印は、雌型部材５と連結された雄型部材４のカム機構４６からの駆動力のベクトルを示している。また、図５では、力の流れを図示するために、仮想的に、ロックパーツ５１を雌型部材５から分離した状態（分散面５２ａと平坦面５１ｃとが面接触していない状態）について示しているが、実際の使用状態においては、分散面５２ａと平坦面５１ｃとは面接触している。
【００３４】
そして、分散面５２ａと平坦面５１ｃとが面接触していない状態から、仮に、分散面５２ａと平坦面５１ｃとが面接触した状態となった場合には、例えば、図５中の太線実線の矢印で示されるように、上記カム機構４６からの駆動力を、雄型部材４と雌型部材５との連結部（ジョイント部）に向けて分散させながら伝達可能となっている。これにより、雄型部材４と雌型部材５とが互いに連結する連結面においては上記カム機構４６からの駆動力が偏りなく略均一に分散され伝達されることとなる。以上のことから、エアシリンダ４５からのエア圧力をとくに高めることなく、雄型部材４と雌型部材５とが連結面において略均一な力で偏りなく連結されることが可能となり、ロボットアーム２が操作される際に自動工具交換装置１の連結部に生じうるギャップを抑制することが可能となる。
【００３５】
図４（ａ）に戻って、保持部５２は、側断面視において、略Ｌ字状に形成され、カム機構４６からの力が作用する方向と交差する平坦状の面であって、ロックパーツ５１の上記平坦面５１ｃと面接触し、カム機構４６から作用する力を分散可能な分散面５２ａを内部側に有している。ここで、分散面５２ａと、カム機構４６と係合部４６ｂとが接触する範囲の全てとは、係合部４６ｂを挟んで、向かい合うように配設されている。なお、本実施形態では、図２に示すように、保持部５２は、上記カム機構４６と対応する位置において、雌型部材５の周方向に沿って１２０°角度毎に計３個設けられている。
【００３６】
（雄型部材及び雌型部材の連結動作）
以下では、図４を参照しながら、雄型部材４及び雌型部材５の連結動作について説明する。まず、図４（ａ）に示す初期状態においては、雄型部材４と雌型部材５との各外周部４ｃ，５ｂの位置を相互に合わせた状態で、ロボットアーム２から雄型部材４のシリンダ収容室４４に向けてポート４８ａを介してエアが供給されている。そして、このエアの供給に伴う駆動力に応じて、エアシリンダ４５及びピストン４７が、フランジ部４２から離れる方向（図中の白抜きで示す矢印方向）に移動している。そして、この移動に伴い、カム機構４６が図４（ａ）中の太線で示す矢印方向に回動することによって、カム機構４６において尖り部４６ａと係合部４６ｂとの間に形成された円弧面の略中央部分が、拡径部材４５ｃと接触した状態で維持されている。
【００３７】
次に、図４（ｂ）においては、雄型部材４の突起部４０を雌型部材５の孔５０に挿入した状態で、雄型部材４のシリンダ収容室４４からロボットアーム２に向けてポート４８ａを介してエアが排出されるとともに、ロボットアーム２から雄型部材４のシリンダ収容室４４に向けてポート４８ｂを介してエアが供給される。そして、このエアの給排気に伴う駆動力に応じて、エアシリンダ４５及びピストン４７が、フランジ部４２に近づく方向に移動する。この移動に伴い、尖り部４６ａと係合部４６ｂとの間に形成された円弧面の略中央部分と、拡径部材４５ｃとの接触状態が解除されるとともに、カム機構４６が図中の太線で示す矢印方向に回動することによって、カム機構４６の係合部４６ｂとロックパーツ５１の係合部５１ｂとが係合する。そして、この係合によって、カム機構４６が突起部４０の孔５０への挿入方向と反対方向に移動することが規制されるとともに、雌型部材５の他端面５ｃが雄型部材４の一端部４ａと接触することにより、雄型部材４と雌型部材５との連結が完了する。
【００３８】
（本実施形態に係る自動工具交換装置の特徴）
上記構成によれば、雌型部材５と連結された雄型部材４のカム機構４６からの駆動力（図５中に示す白抜きの矢印）を、雄型部材４と雌型部材５との連結部（ジョイント部）に向けて、略均一に分散させながら伝達することができる。より詳しくは、図６に示される従来の自動工具交換装置２０１であれば、図７中の太線実線の矢印で示すように、カム機構２４６からの駆動力（図７中に示す白抜きの矢印）がロックピン２５１の付根部分に局所的に集中してしまうので、雄型部材４と雌型部材５とが互いに連結する連結面においては上記カム機構４６からの駆動力に偏りが生じてしまう。その結果、雄型部材４と雌型部材５との連結部に過大なモーメントが加わると、雄型部材４と雌型部材５との間にギャップが生じることがある。この点、本実施形態に記載した上記構成によれば、雄型部材４と雌型部材５とが互いに連結する連結面においてはカム機構４６からの駆動力が偏りなく略均一に分散されることとなるので、エアシリンダ４５からのエア圧力を高めることなく、雄型部材４と雌型部材５とが連結面において略均一な力で偏りなく連結されることが可能となり、ロボットアーム２が操作される際に自動工具交換装置１の連結部に生じうるギャップを抑制することが可能となる。このため、雌型部材５の一端部５ａに取り付けられたスポット溶接ガン３（図１参照）において、作業中に目標とする位置に対する位置ズレを生じ難くすることができ、ひいては、自動工具交換装置１において、雌型部材５の一端部５ａに取り付けられたスポット溶接ガン３を用いた溶接作業を従来よりも精度良く行うことが可能となる。
【００３９】
またさらには、上記構成によれば、雌型部材５から分離可能なロックパーツ５１のみならず、雌型部材５の全体においても、雄型部材４と雌型部材５とが連結された際の荷重を受けることができる。このため、従来の自動工具交換装置２０１（図６参照）のようにロックピン２５１の径に依存することなく、ロックパーツ５１の荷重強度を保つことができる。その結果、雌型部材５の軸方向の厚みＬ１（図４（ａ）参照）、つまり、雌型部材５に形成された孔５０の軸方向長さＬ１（図４（ａ）参照）を従来の厚みＬ２１（図６（ａ）参照）よりも削減できる。これに伴い、カム機構４６の位置も雄型部材４の他端部４ｂ側に近づけることができ、孔５０に挿入される雄型部材４の突起部４０の軸方向長さＬ３（図４（ａ）参照）を従来の長さＬ２３（図６（ａ）参照）よりも削減できるので、雄型部材４の軸方向の厚みＬ２（図４（ａ）参照）も従来の長さＬ２２（図６（ａ）参照）よりも削減することができる。このため、自動工具交換装置１全体の厚みを従来の自動工具交換装置２０１よりも抑制することができる。その結果、雄型部材４と雌型部材５との連結部に生じるモーメントを小さくすることが可能となり、雌型部材４の一端部にスポット溶接ガン３等の各工具を取り付けて作業を行う際に当該連結部に生じうるギャップをさらに抑制することが可能となる。
【００４０】
また、ロックパーツ５１を保持部５２から分離可能に構成することで、ロックパーツ５１が摩耗することによって交換が必要になった際に、ロックパーツ５１と保持部５２の全体を交換する必要がないので、ロックパーツ５１と保持部５２とが一体として構成されている場合よりも自動工具交換装置１の部品コストを低減することができる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４２】
また、上記実施形態では、カム機構４６を、雄型部材４の周方向に沿って略１２０°角度毎に３個設ける例について述べたが、この角度だけに限定されるものではなく、雄型部材４に設けるカム機構４６の数は変更できる。同様に、保持部５２を、上記カム機構４６と対応する位置において、雌型部材５の周方向に沿って略１２０°角度毎に設ける例について述べたが、この角度だけに限定されるものではなく、雌型部材５に設ける保持部５２の数は適宜変更できる。
【００４３】
また、上記実施形態では、ロボットアーム２と雄型部材４との間で、エアの給排気を行うことによって、カム機構４６を回動させる例について述べたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、ロボットアーム２と雄型部材４との間で、液体の供給又は排出を行うことによって、カム機構４６を回動させるものでもよく、モーター及びソレノイド等を用いた駆動機構によって、カム機構４６を回動させるものでもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、各平坦面５１ｃ，分散面５２ａを、カム機構４６からの力が作用する方向と交差する位置に形成する例について述べたが、各平坦面５１ｃ，分散面５２ａの位置は、カム機構４６からの力が作用する方向に応じて変更可能であり、カム機構４６からの力が作用する方向と交差する位置であれば、どのような位置に形成してもよい。
【００４５】
また、上記実施形態では、面５１ｃ，分散面５２ａを平坦状に形成することで、各面５１ｃ，分散面５２ａを面接触させる例について述べたが、面接触さえできるものであれば、面５１ｃ，分散面５２ａを、例えば、曲面状に形成してもよいだけでなく、凹凸状に形成してもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、雄型部材４の外周部４ｃと雌型部材５の外周部５ｂとを、略六角柱状に形成する例について述べたが、この形状だけに限定されるものではなく、各外周部の形状は適宜変更してよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、雄型部材４の突起部４０を椀型の略六角柱状に形成する例について述べたが、この形状だけに限定されるものではなく、突起部４０の形状は適宜変更してよい。同様に、突起部４０を挿入可能な孔５０の形状も、突起部４０の形状に応じて適宜変更してよい。
【符号の説明】
【００４８】
１、２０１ 自動工具交換装置
２ ロボットアーム（操作部）
３ スポット溶接ガン（工具）
４、２０４ 雄型部材
４ａ、２０４ａ 一端部
４ｂ、２０４ｂ 他端部
４ｃ 外周部
５、２０５ 雌型部材
５ａ、２０５ａ 一端部
５ｂ 外周部
５ｃ 他端面
４０、２４０ 突起部
４０ａ 収容空間
４１ 位置決め用ピン
４２ フランジ部
４３ａ、５３ 位置決め用孔
４３ｂ 固定用孔
４４、２４４ シリンダ収容室
４５、２４５ エアシリンダ
４５ａ ヘッド部材
４５ｂ 貫通孔
４５ｃ 拡径部材
４６、２４６ カム機構
４６ａ 尖り部
４６ｂ 係合部
４７、２４７ ピストン
４８ａ、４８ｂ ポート
４９ 支持ピン
５０、２５０ 孔
５１ ロックパーツ（係合部材）
５１ａ 内面
５１ｂ 係合部
５１ｃ 平坦面
５２ 保持部
５２ａ 分散面
６０、６２ 締結部材
６１ エアチューブ
１００ 産業用ロボット
２４８ 弾性部材
２５１ ロックピン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種産業用ロボットに適用される自動工具交換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種産業用ロボットに適用される自動工具交換装置（Auto Tool Changer）の連結方式には、自動工具交換装置の連結状態を保持しつつ、連結時に加わる大きな荷重に耐えうるものとして、ロックピンとカム機構とによる連結方式、及び、ボールとフランジとによる連結方式、の２種類の連結方式が知られている。
【０００３】
ロックピンとカム機構とによる連結方式を採用した自動工具交換装置は、カム機構を摩耗に追従可能に構成することで、連結部に生じうるギャップ量（モーメント負荷によってロボットアダプタとツールアダプタとの間が開く時の距離）が極力大きくならないようにされている。その反面、該自動工具交換装置の連結時に加わる大きな荷重に耐えうる強度を確保するためには、ロックピンを保持する部分の厚みを大きくする必要があり、連結時における該自動工具交換装置全体の厚みが大きくなるというデメリットを有している。
【０００４】
一方、ボールとフランジとによる連結方式を採用した自動工具交換装置は、ボール及びフランジの連結時に加わる荷重に耐えうる高い強度を有するとともに、連結状態にある該自動工具交換装置全体の厚みを小さく抑えることができる。その反面、該自動工具交換装置は、ボールの摩耗によって、ギャップ量が大きくなりがちであり、連結状態を安定に維持するためにボールを頻繁に交換する必要がある、というデメリットを有している。
【０００５】
ここで、上記２種類の連結方式のうち、ロックピンとカム機構とによる連結方式を採用した自動工具交換装置としては、下記の特許文献１に開示されたものが公知となっている。なお、図６は、ロックピンとカム機構とによる連結方式を採用した従来の自動工具交換装置の一例を示すものである。図６に示す自動工具交換装置２０１は、一端部２０４ａにおいて突起部２４０が形成されるとともに、他端部２０４ｂにおいてロボットアーム等の操作部が取り付けられる雄型部材２０４と、一端部２０５ａにおいて溶接器具等の各種工具が取り付けられるとともに、突起部２４０を挿入可能な孔２５０を有する雌型部材２０５と、を備えている。
【０００６】
この自動工具交換装置２０１の連結動作は、まず、図６（ａ）に示す初期状態では、雄型部材２０４と雌型部材２０５の各外周部の位置を相互に合わせた状態で、図示しないロボットアーム等から雄型部材２０４のシリンダ収容室２４４にエアが供給されており、このエアの圧力によって、エアシリンダ２４５及びピストン２４７が、図６（ａ）中の白抜きで示す矢印方向に移動している。また、この移動に伴い、一対の弾性部材２４８が、上記矢印方向に付勢（圧縮）されている。
【０００７】
次に、図６（ｂ）において、雄型部材２０４の突起部２４０を雌型部材２０５の孔２５０に挿入した状態で、シリンダ収容室２４４の弾性部材２４８側の空間に、雄型部材２０４及び雌型部材２０５の連結用のエアが供給されることによって、該空間の内圧が増加するとともに、安全機構としての各弾性部材２４８に対して、図６（ａ）中の白抜きで示す矢印方向と反対方向に復元力が作用する。すなわち、上記空間の内圧力、及び、各弾性部材２４８の復元力に応じて、エアシリンダ２４５及びピストン２４７が、上記反対方向に移動する。この移動に伴い、カム機構２４６が図６（ｂ）中の太線で示す矢印方向に回動することによって、カム機構２４６とロックピン２５１とが係合する。そして、この係合によって、カム機構２４６が突起部２４０の孔２５０への挿入方向と反対方向に移動することが規制され、雄型部材２０４と雌型部材２０５との連結が完了する。
【０００８】
なお、従来の自動工具交換装置２０１においては、図７に示すように、雌型部材２０５において、カム機構２４６からの駆動力（図７中に示す白抜きの矢印）が、図７中の太線の矢印で示すように、ロックピン２５１の付根部分に局所的に集中する構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−３１４４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、図６に示す従来の自動工具交換装置２０１においては、上述したとおり、連結部に生じうるギャップ量が極力大きくならないように工夫されてはいるものの、ロボットアーム等の操作部の使用中に、雄型部材２０４と雌型部材２０５との連結部（ジョイント部）に過大なモーメント負荷が生じると、連結部（より詳しくは雄型部材２０４と雌型部材２０５との間）のギャップが大きくなり、溶接等の各種作業における位置ズレの原因となることがある。すなわち、雄型部材２０４と雌型部材２０５との間に生じうるギャップ量が許容範囲を超えた場合には、雌型部材２０５の一端部２０５ａに取り付けられた各種工具が目標とする位置から位置ズレを生じ易くなり、各種工具を用いて溶接等の各種作業を精度良く行うことが容易ではなくなってしまう。また、エア圧力をより高くして連結部における連結力をアップすると、雄型部材２０４と雌型部材２０５との間に生じうるギャップを小さくすることはできるものの、大規模な改造が必要となり現実的でない。
【００１１】
また、これらの産業用ロボットは、長いロボットアーム２（図１参照）を有しており、上記の過大なモーメント負荷を発生させる原因ともなっていた。そのため、ロボットアーム２の全長を少しでも短くして、上記のモーメント負荷を減少させる必要があった。
【００１２】
図６に示す従来の自動工具交換装置２０１において、モーメント負荷を減少させるために、雌型部材２０５に設けられたロックピン２５１への荷重強度を保ちながら、雌型部材２０５の軸方向の厚みを減少させるためには、ロックピン２５１の使用材料をより高強度のものに変更するとともにこのロックピン２５１の径をより小さくすることで達成できるように考えられる。しかし、一般的に、高強度なものは価格も高く、費用に応じた効果を考慮した場合には採用しにくい。それゆえ、従来の材料でロックピン２５１への荷重強度を保つには、雌型部材２０５の軸方向に相当の厚みＬ２１を必要とし、これが、雄型部材２０４と雌型部材２０５との連結部に過大なモーメント負荷が生じる原因ともなっていた。
【００１３】
そこで、本発明は、現状のエア圧力を維持しながらも自動工具交換装置の連結部に生じるギャップを抑制しうる自動工具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】
【００１４】
（１） 本発明の自動工具交換装置は、一端部において、突起部を有するとともに、該突起部において、前記突起部の内部から外部に突出可能なカム機構が設けられ、他端部において、前記カム機構を駆動させるための駆動力を発生可能な操作部が着脱可能に取り付けられる雄型部材と、一端部において、各工具が交換可能に取り付けられるとともに、前記突起部を挿入可能な孔、及び、該孔に挿入された前記突起部の前記カム機構の回動に応じて、前記カム機構と係合する係合部、を有する雌型部材と、を備え、前記雄型部材及び前記雌型部材は、前記カム機構と前記係合部とが接触するように係合することによって連結可能なものであって、前記雌型部材が、前記カム機構から作用する力を分散可能な分散面を有し、前記分散面と、前記カム機構と前記係合部とが接触する範囲の全てとが、前記係合部を挟んで向かい合うことを特徴とする。なお、ここでの「向かい合う」とは、少なくとも、前記分散面における法線と、前記カム機構と係合部とが接触する範囲の中心における垂線とが、一致又は交差している状態であることを含む。
【００１５】
上記（１）の構成によれば、雌型部材が、カム機構から作用する力を分散可能な分散面を有することで、雌型部材と連結された雄型部材のカム機構からの駆動力は、係合部及び分散面を経由することにより、雄型部材と雌型部材との連結部（ジョイント部）に向かって、均一に分散しながら伝達される。この駆動力の伝達方法により、雄型部材と雌型部材とが連結される面において、雄型部材と雌型部材とが偏りのない略均一な力で連結される。これに伴い、従来の自動工具交換装置のように、雌型部材において、カム機構からの駆動力をロックピンの付根部分に局所的に集中させる場合と比べて、雄型部材と雌型部材との連結部（ジョイント部）において生じうるギャップを抑制することができ、自動交換装置の連結部に加わる大きな荷重にも耐えうることが可能となる。これにより、雌型部材の一端部に取り付けられた各工具において、作業中の目標とする位置に対する位置ズレを生じ難くすることができる。その結果、自動工具交換装置において、雌型部材の一端部に取り付けられた各工具を用いた各種作業を従来よりも精度良く行うことができる。
【００１６】
更に、上記（１）の構成によれば、雌型部材の全体において、雄型部材と雌型部材とが連結された際の荷重（雌型部材の先端に取り付けた溶接器具等の重量を含む）を受けることができる。特に、雌型部材は分散面を有していることから、上記荷重を均一的に分散させた状態で受けることが可能となる。このため、従来の自動工具交換装置のようにロックピンの径に依存することなく、雌型部材の係合部において荷重を受けることができる。その結果、雌型部材の軸方向の厚み、つまり、雌型部材に形成された孔の軸方向長さを削減できる。これに伴い、カム機構の位置も雄型部材の他端部側に近づけることができ、孔に挿入される雄型部材の突起部の軸方向長さを削減できるので、雄型部材の軸方向の厚みも削減することができる。このため、自動工具交換装置全体の厚みを従来よりも抑制することができる。その結果、ロボットアーム２（図１参照）の全長が短くなり、雄型部材と雌型部材との連結部に生じるモーメント負荷を小さくすることが可能となる。ついには、雌型部材の一端部に各工具を取り付けて作業を行う際に、当該連結部に生じうるギャップをさらに小さくすることが可能となる。
【００１７】
（２） 上記（１）の自動工具交換装置においては、前記雌型部材が、前記係合部を含む係合部材と、前記分散面を含み、前記孔を取り囲む位置において前記係合部材を保持するために設けられた保持部と、を有し、前記係合部材が前記分散面に面接触する部分を有し、前記面接触する部分が、少なくとも、前記カム機構からの力が作用する方向と交差することが好ましい。
【００１８】
上記（２）の構成によれば、カム機構からの力が作用する方向と交差する面において、保持部と係合部材とを面接触させることで、該面接触する部分において、カム機構から加わる力を確実に分散させることができる。
【００１９】
（３） 上記（１）又は（２）の自動工具交換装置においては、前記係合部材が前記雌型部材から分離可能に構成されていることが好ましい。
【００２０】
上記（３）の構成によれば、係合部材が摩耗することによって交換が必要になった際に、係合部材及び保持部の全体を交換する必要がない（係合部材のみ交換すればよい）ので、係合部材及び保持部が一体として構成されている場合よりも自動工具交換装置の部品コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態に係る自動工具交換装置を適用した産業用ロボットの概略構成図である。
【図２】本実施形態に係る自動工具交換装置を構成する雄型部材及び雌型部材の斜視図である。
【図３】（ａ）は、自動工具交換装置の正面図であり、（ｂ）は、自動工具交換装置を雄型部材と雌型部材とに分解した状態を示す側面図である。
【図４】（ａ）は、雄型部材と雌型部材とが連結される前の状態を示す側断面図であり、（ｂ）は、図３に示すＡ−Ａ線の矢視断面図であって、雄型部材と雌型部材とが連結された状態を示す側断面図である。
【図５】図２の自動工具交換装置におけるカム機構からロックパーツに作用する力の流れを示した説明図である。
【図６】従来の自動工具交換装置を構成する雄型部材と雌型部材との連結動作を説明するための説明図であって、（ａ）は、雄型部材と雌型部材とが連結される前の状態を示す側断面図であり、（ｂ）は、雄型部材と雌型部材とが連結された状態を示す側断面図である。
【図７】従来の自動工具交換装置におけるカム機構からロックピンに作用する力の流れを示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図１〜図５を参照しながら、本発明の一実施形態に係る自動工具交換装置について説明する。
【００２３】
（産業用ロボットの全体構成）
図１に示すように、産業用ロボット１００は、自動工具交換装置１、ロボットアーム２、及び、スポット溶接ガン（工具）３を有している。自動工具交換装置１は、相互に連結可能な雄型部材４と雌型部材５とで構成されている。図１に示すように、自動工具交換装置１は、他端部４ｂにおいてロボットアーム２と着脱可能な雄型部材４と、一端部５ａにおいてスポット溶接ガン３と着脱可能な雌型部材５とを有しており、ロボットアーム２とスポット溶接ガン３との間に取り付けられる。スポット溶接ガン３は相当重量を有しているにもかかわらず、相当長さを有するロボットアーム２は自在に可動するものであるから、これらを連結する自動工具交換装置１には多大なモーメント負荷が生じることとなる。
【００２４】
ロボットアーム２は、雄型部材４との間でエアの給排気を行うことが可能であって、この給排気に応じて、雄型部材４の後述するカム機構４６（図２〜４を参照）を回動させるための駆動力を発生させるものである。スポット溶接ガン３は、雌型部材５に予め取り付けられたものが複数用意され、棚上に配置されている。そして、スポット溶接ガン３が取り付けられた各雌型部材５のうち、作業に応じて一つの雌型部材５が選択され、選択された雌型部材５と雄型部材４とを着脱可能に連結することによって、ロボットアーム２に所定の作業をさせることが可能となっている。
【００２５】
（雄型部材の構成）
図２及び図３（ａ）に示すように、雄型部材４は、外周部４ｃが略六角柱状に形成されており、一端部４ａにおいて突設する椀型の略六角柱状に形成された突起部４０と、雌型部材５との位置を決めるための２本の位置決め用ピン４１とを有している。また、図３（ａ），（ｂ）に示すように、雄型部材４は、他端部４ｂにおいてロボットアーム２との位置決めを行うためのフランジ部４２と、ロボットアーム２との位置を決めるための複数の位置決め用孔４３ａと、ロボットアーム２と雄型部材４とを固定するための固定用孔４３ｂとが設けられている。各孔４３ａ，４３ｂは、フランジ部４２を取り囲む位置においてフランジ部４２の周方向に沿って交互に設けられている。
【００２６】
また、図３（ｂ）及び図４（ａ）に示すように、雄型部材４は、シリンダ収容室４４と、該シリンダ収容室４４に収容されたエアシリンダ４５と、突起部４０の内部から外部に突出可能なカム機構４６と、エアシリンダ４５とカム機構４６とを連動させるためのピストン４７と、ロボットアーム２とシリンダ収容室４４との間においてエアの供給又は排出を行うための各ポート４８ａ，４８ｂと、を有している。なお、エアシリンダ４５、カム機構４６、及び、ピストン４７の一部は、突起部４０に形成された凹状の収容空間４０ａに収容されている。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、エアシリンダ４５は、ヘッド部材４５ａと、ピストン４７を貫通させるための貫通孔４５ｂと、該貫通孔４５ｂを取り囲む位置に形成され、一定の間隔をおいて設けられた２つの拡径部材４５ｃ，４５ｄと、を有している。なお、図３（ａ）に示すように、エアシリンダ４５及びピストン４７は、ボルト等の締結部材６０によって一体化されている。
【００２８】
図３（ｂ）及び図４（ａ）に示すように、カム機構４６は、その一部である尖り部４６ａを、拡径部材４５ｃ，４５ｄの間に挿入した状態で、突起部４０の延設方向と垂直方向に延びる支持ピン４９を中心として回動可能に支持されており、雄型部材４と雌型部材５とが連結された際に、後述するロックパーツ５１の係合部５１ｂと係合する円弧状の係合部４６ｂを有している。なお、本実施形態では、図２に示すように、カム機構４６は、雄型部材４の周方向に沿って略１２０°角度毎に計３個設けられている。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、各ポート４８ａ，４８ｂは、エアチューブ６１を介してロボットアーム２（不図示）に接続されている。これにより、ロボットアーム２と雄型部材４との間で、エアの給排気が可能となっている。そして、エアシリンダ４５及びピストン４７は、各ポート４８ａ，４８ｂへのエアの供給、又は、各ポート４８ａ，４８ｂからのエアの排出に伴う駆動力に応じて、雄型部材４の軸方向に沿って移動可能であって、この移動に応じて、カム機構４６は、支持ピン４９を中心として回動可能となっている。
【００３０】
（雌型部材の構成）
図２に示すように、雌型部材５の外周部５ｂは、雄型部材４と同じく略六角柱状に形成されている。図２に示すように、雌型部材５の一端部５ａには、上記スポット溶接ガン３が着脱可能に取り付けられる。
【００３１】
図２に示すように、雌型部材５は、雄型部材４の突起部４０と略同一形状を有し、該突起部４０を挿入可能な孔５０と、ロックパーツ（係合部材）５１と、孔５０を取り囲む位置においてロックパーツ５１を保持するために設けられた保持部５２と、上記位置決め用ピン４１と対応する位置に形成され、該位置決め用ピン４１を挿入可能な位置決め用孔５３と、を有する。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、ロックパーツ５１は、ボルト等の締結部材６２を用いて雌型部材５から分離可能に取り付けられている。ロックパーツ５１は、側断面視において、略Ｓ字状に形成された内面５１ａと、該内面５１ａに形成され、孔５０に挿入された突起部４０のカム機構４６の回動に応じてカム機構４６の係合部４６ｂと係合する円弧状の係合部５１ｂと、カム機構４６からの力が作用する方向と交差する平坦状の面であって、保持部５２の後述する分散面５２ａと面接触する平坦面５１ｃと、を有している。ここで、図４（ｂ）に示すように、分散面５２ａと平坦面５１ｃとが面接触することによって、雌型部材５に連結された雄型部材４のカム機構４６からの駆動力は、係合部５１ｂ及び分散面５２ａを経由して、雌型部材５の他端面５ｃ、つまり、雄型部材４と雌型部材５との連結部（ジョイント部）に伝達される。
【００３３】
ここで、図４及び図５を参照しつつ、カム機構４６からロックパーツ５１に作用する力の流れについて説明する。図５中に示す白抜きの矢印は、雌型部材５と連結された雄型部材４のカム機構４６からの駆動力のベクトルを示している。また、図５では、力の流れを図示するために、仮想的に、ロックパーツ５１を雌型部材５から分離した状態（分散面５２ａと平坦面５１ｃとが面接触していない状態）について示しているが、実際の使用状態においては、分散面５２ａと平坦面５１ｃとは面接触している。
【００３４】
そして、分散面５２ａと平坦面５１ｃとが面接触していない状態から、仮に、分散面５２ａと平坦面５１ｃとが面接触した状態となった場合には、例えば、図５中の太線実線の矢印で示されるように、上記カム機構４６からの駆動力を、雄型部材４と雌型部材５との連結部（ジョイント部）に向けて分散させながら伝達可能となっている。これにより、雄型部材４と雌型部材５とが互いに連結する連結面においては上記カム機構４６からの駆動力が偏りなく略均一に分散され伝達されることとなる。以上のことから、エアシリンダ４５からのエア圧力をとくに高めることなく、雄型部材４と雌型部材５とが連結面において略均一な力で偏りなく連結されることが可能となり、ロボットアーム２が操作される際に自動工具交換装置１の連結部に生じうるギャップを抑制することが可能となる。
【００３５】
図４（ａ）に戻って、保持部５２は、側断面視において、略Ｌ字状に形成され、カム機構４６からの力が作用する方向と交差する平坦状の面であって、ロックパーツ５１の上記平坦面５１ｃと面接触し、カム機構４６から作用する力を分散可能な分散面５２ａを内部側に有している。ここで、分散面５２ａと、カム機構４６と係合部４６ｂとが接触する範囲の全てとは、係合部４６ｂを挟んで、向かい合うように配設されている。なお、本実施形態では、図２に示すように、保持部５２は、上記カム機構４６と対応する位置において、雌型部材５の周方向に沿って１２０°角度毎に計３個設けられている。
【００３６】
（雄型部材及び雌型部材の連結動作）
以下では、図４を参照しながら、雄型部材４及び雌型部材５の連結動作について説明する。まず、図４（ａ）に示す初期状態においては、雄型部材４と雌型部材５との各外周部４ｃ，５ｂの位置を相互に合わせた状態で、ロボットアーム２から雄型部材４のシリンダ収容室４４に向けてポート４８ａを介してエアが供給されている。そして、このエアの供給に伴う駆動力に応じて、エアシリンダ４５及びピストン４７が、フランジ部４２から離れる方向（図中の白抜きで示す矢印方向）に移動している。そして、この移動に伴い、カム機構４６が図４（ａ）中の太線で示す矢印方向に回動することによって、カム機構４６において尖り部４６ａと係合部４６ｂとの間に形成された円弧面の略中央部分が、拡径部材４５ｃと接触した状態で維持されている。
【００３７】
次に、図４（ｂ）においては、雄型部材４の突起部４０を雌型部材５の孔５０に挿入した状態で、雄型部材４のシリンダ収容室４４からロボットアーム２に向けてポート４８ａを介してエアが排出されるとともに、ロボットアーム２から雄型部材４のシリンダ収容室４４に向けてポート４８ｂを介してエアが供給される。そして、このエアの給排気に伴う駆動力に応じて、エアシリンダ４５及びピストン４７が、フランジ部４２に近づく方向に移動する。この移動に伴い、尖り部４６ａと係合部４６ｂとの間に形成された円弧面の略中央部分と、拡径部材４５ｃとの接触状態が解除されるとともに、カム機構４６が図中の太線で示す矢印方向に回動することによって、カム機構４６の係合部４６ｂとロックパーツ５１の係合部５１ｂとが係合する。そして、この係合によって、カム機構４６が突起部４０の孔５０への挿入方向と反対方向に移動することが規制されるとともに、雌型部材５の他端面５ｃが雄型部材４の一端部４ａと接触することにより、雄型部材４と雌型部材５との連結が完了する。
【００３８】
（本実施形態に係る自動工具交換装置の特徴）
上記構成によれば、雌型部材５と連結された雄型部材４のカム機構４６からの駆動力（図５中に示す白抜きの矢印）を、雄型部材４と雌型部材５との連結部（ジョイント部）に向けて、略均一に分散させながら伝達することができる。より詳しくは、図６に示される従来の自動工具交換装置２０１であれば、図７中の太線実線の矢印で示すように、カム機構２４６からの駆動力（図７中に示す白抜きの矢印）がロックピン２５１の付根部分に局所的に集中してしまうので、雄型部材４と雌型部材５とが互いに連結する連結面においては上記カム機構４６からの駆動力に偏りが生じてしまう。その結果、雄型部材４と雌型部材５との連結部に過大なモーメントが加わると、雄型部材４と雌型部材５との間にギャップが生じることがある。この点、本実施形態に記載した上記構成によれば、雄型部材４と雌型部材５とが互いに連結する連結面においてはカム機構４６からの駆動力が偏りなく略均一に分散されることとなるので、エアシリンダ４５からのエア圧力を高めることなく、雄型部材４と雌型部材５とが連結面において略均一な力で偏りなく連結されることが可能となり、ロボットアーム２が操作される際に自動工具交換装置１の連結部に生じうるギャップを抑制することが可能となる。このため、雌型部材５の一端部５ａに取り付けられたスポット溶接ガン３（図１参照）において、作業中に目標とする位置に対する位置ズレを生じ難くすることができ、ひいては、自動工具交換装置１において、雌型部材５の一端部５ａに取り付けられたスポット溶接ガン３を用いた溶接作業を従来よりも精度良く行うことが可能となる。
【００３９】
またさらには、上記構成によれば、雌型部材５から分離可能なロックパーツ５１のみならず、雌型部材５の全体においても、雄型部材４と雌型部材５とが連結された際の荷重を受けることができる。このため、従来の自動工具交換装置２０１（図６参照）のようにロックピン２５１の径に依存することなく、ロックパーツ５１の荷重強度を保つことができる。その結果、雌型部材５の軸方向の厚みＬ１（図４（ａ）参照）、つまり、雌型部材５に形成された孔５０の軸方向長さＬ１（図４（ａ）参照）を従来の厚みＬ２１（図６（ａ）参照）よりも削減できる。これに伴い、カム機構４６の位置も雄型部材４の他端部４ｂ側に近づけることができ、孔５０に挿入される雄型部材４の突起部４０の軸方向長さＬ３（図４（ａ）参照）を従来の長さＬ２３（図６（ａ）参照）よりも削減できるので、雄型部材４の軸方向の厚みＬ２（図４（ａ）参照）も従来の長さＬ２２（図６（ａ）参照）よりも削減することができる。このため、自動工具交換装置１全体の厚みを従来の自動工具交換装置２０１よりも抑制することができる。その結果、雄型部材４と雌型部材５との連結部に生じるモーメントを小さくすることが可能となり、雌型部材４の一端部にスポット溶接ガン３等の各工具を取り付けて作業を行う際に当該連結部に生じうるギャップをさらに抑制することが可能となる。
【００４０】
また、ロックパーツ５１を保持部５２から分離可能に構成することで、ロックパーツ５１が摩耗することによって交換が必要になった際に、ロックパーツ５１と保持部５２の全体を交換する必要がないので、ロックパーツ５１と保持部５２とが一体として構成されている場合よりも自動工具交換装置１の部品コストを低減することができる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４２】
また、上記実施形態では、カム機構４６を、雄型部材４の周方向に沿って略１２０°角度毎に３個設ける例について述べたが、この角度だけに限定されるものではなく、雄型部材４に設けるカム機構４６の数は変更できる。同様に、保持部５２を、上記カム機構４６と対応する位置において、雌型部材５の周方向に沿って略１２０°角度毎に設ける例について述べたが、この角度だけに限定されるものではなく、雌型部材５に設ける保持部５２の数は適宜変更できる。
【００４３】
また、上記実施形態では、ロボットアーム２と雄型部材４との間で、エアの給排気を行うことによって、カム機構４６を回動させる例について述べたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、ロボットアーム２と雄型部材４との間で、液体の供給又は排出を行うことによって、カム機構４６を回動させるものでもよく、モーター及びソレノイド等を用いた駆動機構によって、カム機構４６を回動させるものでもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、各平坦面５１ｃ，分散面５２ａを、カム機構４６からの力が作用する方向と交差する位置に形成する例について述べたが、各平坦面５１ｃ，分散面５２ａの位置は、カム機構４６からの力が作用する方向に応じて変更可能であり、カム機構４６からの力が作用する方向と交差する位置であれば、どのような位置に形成してもよい。
【００４５】
また、上記実施形態では、面５１ｃ，分散面５２ａを平坦状に形成することで、各面５１ｃ，分散面５２ａを面接触させる例について述べたが、面接触さえできるものであれば、面５１ｃ，分散面５２ａを、例えば、曲面状に形成してもよいだけでなく、凹凸状に形成してもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、雄型部材４の外周部４ｃと雌型部材５の外周部５ｂとを、略六角柱状に形成する例について述べたが、この形状だけに限定されるものではなく、各外周部の形状は適宜変更してよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、雄型部材４の突起部４０を椀型の略六角柱状に形成する例について述べたが、この形状だけに限定されるものではなく、突起部４０の形状は適宜変更してよい。同様に、突起部４０を挿入可能な孔５０の形状も、突起部４０の形状に応じて適宜変更してよい。
【符号の説明】
【００４８】
１、２０１ 自動工具交換装置
２ ロボットアーム（操作部）
３ スポット溶接ガン（工具）
４、２０４ 雄型部材
４ａ、２０４ａ 一端部
４ｂ、２０４ｂ 他端部
４ｃ 外周部
５、２０５ 雌型部材
５ａ、２０５ａ 一端部
５ｂ 外周部
５ｃ 他端面
４０、２４０ 突起部
４０ａ 収容空間
４１ 位置決め用ピン
４２ フランジ部
４３ａ、５３ 位置決め用孔
４３ｂ 固定用孔
４４、２４４ シリンダ収容室
４５、２４５ エアシリンダ
４５ａ ヘッド部材
４５ｂ 貫通孔
４５ｃ 拡径部材
４６、２４６ カム機構
４６ａ 尖り部
４６ｂ 係合部
４７、２４７ ピストン
４８ａ、４８ｂ ポート
４９ 支持ピン
５０、２５０ 孔
５１ ロックパーツ（係合部材）
５１ａ 内面
５１ｂ 係合部
５１ｃ 平坦面
５２ 保持部
５２ａ 分散面
６０、６２ 締結部材
６１ エアチューブ
１００ 産業用ロボット
２４８ 弾性部材
２５１ ロックピン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部において、突起部を有するとともに、該突起部において、前記突起部の内部から外部に突出可能なカム機構が設けられ、他端部において、前記カム機構を駆動させるための駆動力を発生可能な操作部が着脱可能に取り付けられる雄型部材と、
一端部において、各工具が交換可能に取り付けられるとともに、前記突起部を挿入可能な孔、及び、該孔に挿入された前記突起部の前記カム機構の回動に応じて、前記カム機構と係合する係合部、を有する雌型部材と、
を備え、
前記雄型部材及び雌型部材は、前記カム機構と前記係合部とが接触するように係合することによって連結可能なものであって、
前記雌型部材が、前記カム機構から作用する力を分散可能な分散面を有し、
前記分散面と、前記カム機構と前記係合部とが接触する範囲の全てとが、前記係合部を挟んで向かい合うことを特徴とする自動工具交換装置。
【請求項２】
前記雌型部材が、
前記係合部を含む係合部材と、
前記分散面を含み、前記孔を取り囲む位置において前記係合部材を保持するために設けられた保持部と、を有し、
前記係合部材が前記分散面に面接触する部分を有し、
前記面接触する部分が、少なくとも、前記カム機構からの力が作用する方向と交差することを特徴とする請求項１に記載の自動工具交換装置。
【請求項３】
前記係合部材が、前記雌型部材から分離可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動工具交換装置。
【請求項１】
一端部において、突起部を有するとともに、該突起部において、前記突起部の内部から外部に突出可能なカム機構が設けられ、他端部において、前記カム機構を駆動させるための駆動力を発生可能な操作部が着脱可能に取り付けられる雄型部材と、
一端部において、各工具が交換可能に取り付けられるとともに、前記突起部を挿入可能な孔、及び、該孔に挿入された前記突起部の前記カム機構の回動に応じて、前記カム機構と係合する係合部、を有する雌型部材と、
を備え、
前記雄型部材及び雌型部材は、前記カム機構と前記係合部とが接触するように係合することによって連結可能なものであって、
前記雌型部材が、前記カム機構から作用する力を分散可能な分散面を有し、
前記分散面と、前記カム機構と前記係合部とが接触する範囲の全てとが、前記係合部を挟んで向かい合うことを特徴とする自動工具交換装置。
【請求項２】
前記雌型部材が、
前記係合部を含む係合部材と、
前記分散面を含み、前記孔を取り囲む位置において前記係合部材を保持するために設けられた保持部と、を有し、
前記係合部材が前記分散面に面接触する部分を有し、
前記面接触する部分が、少なくとも、前記カム機構からの力が作用する方向と交差することを特徴とする請求項１に記載の自動工具交換装置。
【請求項３】
前記係合部材が、前記雌型部材から分離可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動工具交換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２５０３２７（Ｐ２０１２−２５０３２７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５８０８（Ｐ２０１１−１２５８０８）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００１１１０８５）ニッタ株式会社 (588)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００１１１０８５）ニッタ株式会社 (588)
【Ｆターム（参考）】
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