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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Die gesamte Offenbarung der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-160110 , eingereicht am 17. August 2016, einschließlich der Patentbeschreibung, der Ansprüche, der Zeichnungen und der Zusammenfassung, ist hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine, die ein Werkstück mittels eines Werkzeugs durch Entfernung bearbeitet.
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HINTERGRUND
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Werkzeugmaschinen, die einen Teil eines Werkstücks durch ein Werkzeug durch Entfernung bearbeiten, sind im Stand der Technik umfangreich bekannt. Bei solchen Werkzeugmaschinen wird, wenn das Werkstück bearbeitet wird, das Werkzeug gegen das Werkstück gepresst, während ein Teil des Werkstücks durch eine Haltevorrichtung wie z. B. eine Werkstückspindelvorrichtung gehalten wird.
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In diesem Prozess kann es Fälle geben, in denen ein Teil des Werkstücks aufgrund einer Kraft des Werkzeugs, das das Werkstück schiebt, ausgelenkt wird. Wenn das Werkstück ausgelenkt wird, wird die Bearbeitungsgenauigkeit unvermeidlich verringert. Um die Auslenkung des Werkstücks zu verhindern, wurde folglich im Stand der Technik die Bereitstellung einer Abstützvorrichtung, die das Werkstück abstützt, separat von der Werkstückspindelvorrichtung vorgeschlagen.
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JP 2010-264562 A offenbart beispielsweise ein Bearbeitungssystem, in dem Enden des Werkstücks durch ein Endstützmittel abgestützt werden, und ein Zwischenteil des Werkstücks durch ein Zwischenteilstützmittel abgestützt wird. In diesem Bearbeitungssystem wird eine Position des Werkstücks mit einem Sensor gemessen und eine Werkstückstützposition in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung durch das Zwischenteilstützmittel wird auf der Basis des Messergebnisses eingestellt, so dass Höhenpositionen der Enden und des Zwischenteils des Werkstücks gleich sind. Gemäß einer solchen Technik kann eine Auslenkung für verschiedene Werkstücke mit verschiedenen Formen verhindert werden und die Bearbeitungsgenauigkeit kann weiter verbessert werden.
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In der Abstützvorrichtung des Standes der Technik wird jedoch der Stützpunkt (Werkstückstützposition) durch Positionssteuerung gesteuert. Das heißt, eine Position eines Stützpunkts wird durch einen Sensor oder dergleichen gemessen und der Stützpunkt wird so bewegt und gesteuert, dass das Messergebnis einem Zielwert entspricht. Um das Werkstück durch eine solche Positionssteuerung geeignet abzustützen, ist jedoch ein hohes Niveau an Positionierungsgenauigkeit erforderlich. Um den Stützpunkt sehr genau zu positionieren, ist es erforderlich, dass die selbst zu steuernde Abstützvorrichtung eine hohe Steifigkeit aufweist. Dies liegt daran, dass, wenn die Abstützvorrichtung eine geringe Steifigkeit aufweist und die Abstützvorrichtung ausgelenkt wird, ein Steuerfehler erhöht werden würde. Wenn jedoch die Steifigkeit der Abstützvorrichtung erhöht werden soll, können Probleme wie z. B. eine Erhöhung der Größe und Kosten der Abstützvorrichtung entstehen.
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Ein Vorteil der vorliegenden Offenbarung liegt im Schaffen einer Werkzeugmaschine, die ein Werkstück geeignet abstützen kann, selbst wenn die Abstützvorrichtung eine geringe Steifigkeit aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Werkzeugmaschine geschaffen, die ein Werkstück mittels eines Werkzeugs durch Entfernung bearbeitet, die umfasst: eine Haltevorrichtung, die das Werkstück hält; eine Abstützvorrichtung, die das Werkstück abstützt, um eine Auslenkung des durch die Haltevorrichtung gehaltenen Werkstücks zu unterdrücken; und eine Steuervorrichtung, die den Antrieb der Abstützvorrichtung durch Kraftsteuerung mit einer Kraft als Steuerziel steuert.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Werkzeugmaschine ferner umfassen: eine Abstützkraft-Messeinheit, die eine Abstützkraft des Werkstücks durch die Abstützvorrichtung misst; und eine Bearbeitungskraft-Messeinheit, die eine Bearbeitungskraft des Werkstücks durch das Werkzeug misst, wobei die Steuervorrichtung die Abstützvorrichtung auf der Basis eines Vergleichsergebnisses der gemessenen Abstützkraft und der gemessenen Bearbeitungskraft in der Kraft steuern kann.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Werkzeugmaschine ferner eine Haltekraft-Messeinheit umfassen, die eine Haltekraft des Werkstücks durch die Haltevorrichtung misst, wobei die Steuervorrichtung die Abstützvorrichtung auf der Basis eines Vergleichsergebnisses einer anfänglichen Haltekraft, die vor der Bearbeitung durch das Werkzeug und vor dem Abstützen durch die Abstützvorrichtung gemessen wird, und einer Vergleichshaltekraft, die während der Bearbeitung durch das Werkzeug und während der Abstützung durch die Abstützvorrichtung gemessen wird, in der Kraft steuern kann.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Werkzeugmaschine ferner eine Abstützkraft-Messeinheit, die eine Abstützkraft des Werkstücks durch die Abstützvorrichtung misst, und/oder eine Bearbeitungskraft-Messeinheit, die eine Bearbeitungskraft des Werkstücks durch das Werkzeug misst, umfassen, wobei die Steuervorrichtung die Abstützvorrichtung auf der Basis eines Vergleichsergebnisses der gemessenen Abstützkraft oder der gemessenen Bearbeitungskraft mit einem theoretischen Wert der Abstützkraft oder der Bearbeitungskraft, der auf der Basis einer Bearbeitungsbedingung bestimmt wird, in der Kraft steuern kann.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Abstützvorrichtung das Werkstück mit einem elastischen Element dazwischen abstützen. In diesem Fall kann die Werkzeugmaschine ferner einen Steifigkeitsänderungsmechanismus umfassen, der die Steifigkeit des elastischen Elements ändert.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Abstützvorrichtung einen Roboter mit mehreren Freiheitsgraden und einen Endeffektor, der am Roboter mit mehreren Freiheitsgraden befestigt ist, umfassen, und der Endeffektor kann mit dem Werkstück in Kontakt stehen und das Werkstück abstützen. In diesem Fall können mehrere Typen der Endeffektoren vorbereitet werden und ein Endeffektor, der am Roboter mit mehreren Freiheitsgraden befestigt ist, kann austauschbar sein.
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Da gemäß einer Werkzeugmaschine von verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung der Antrieb der Abstützvorrichtung durch Kraftsteuerung mit einer Kraft als Steuerziel gesteuert wird, kann, selbst wenn die Steifigkeit der Abstützvorrichtung und folglich die Positionierungsgenauigkeit der Abstützvorrichtung niedrig ist, das Werkstück geeignet abgestützt werden. Selbst wenn die Abstützvorrichtung eine geringe Steifigkeit aufweist, kann folglich das Werkstück geeignet abgestützt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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(Eine) Ausführungsform(en) der vorliegenden Offenbarung wird (werden) mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, in denen
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1 eine perspektivische Ansicht einer Werkzeugmaschine ist;
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2 ein Diagramm ist, das eine Struktur einer Abstützkonstruktion zeigt;
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3 ein Diagramm ist, das eine Struktur einer anderen Abstützkonstruktion zeigt;
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4 ein Bilddiagramm ist, das eine Abstützung durch einen Roboter in der Maschine zeigt;
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5 ein Bilddiagramm ist, das eine Abstützung durch einen Roboter in der Maschine zeigt;
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6 ein Steuerblockdiagramm ist, das Inhalte der Steuerung durch eine Steuervorrichtung zeigt;
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7 ein Bilddiagramm ist, das eine Abstützung durch einen Roboter in der Maschine zeigt;
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8 ein Bilddiagramm ist, das eine Abstützung durch einen Roboter in der Maschine zeigt; und
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9 eine perspektivische Ansicht ist, die die Abstützung durch einen Roboter in der Maschine zeigt.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Struktur einer Werkzeugmaschine 10 wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Werkzeugmaschine 10. In der folgenden Beschreibung wird eine Rotationsachsenrichtung einer Werkstückspindel 12 als Z-Achse bezeichnet, eine Bewegungsrichtung einer Werkzeugstütze 14 orthogonal zur Z-Achse wird als X-Achse bezeichnet und eine Richtung orthogonal zur X-Achse und zur Z-Achse wird als Y-Achsen-Richtung bezeichnet. Außerdem wird auf der Z-Achse eine Richtung von der Werkstückspindel 12 in Richtung eines Reitstocks 16 als positive Richtung bezeichnet; auf der X-Achse wird eine Richtung von der Werkstückspindel 12 in Richtung der Werkzeugstütze 14 als positive Richtung bezeichnet; und auf der Y-Achse wird eine Aufwärtsrichtung von der Werkstückspindel 12 als positive Richtung bezeichnet.
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Die Werkzeugmaschine 10 ist eine Drehmaschine, die ein Werkstück 100 durch Entfernung bearbeitet (dreht) durch Bewirken, dass ein Werkzeug 110, das an der Werkzeugstütze 14 gehalten wird, mit dem Werkstück 100 in Kontakt kommt, das selbst rotiert. Die hier offenbarte Werkzeugmaschine 10 ist eine Drehmaschine, die Drehzentrum genannt wird, die NC-gesteuert wird und die mehrere Werkzeuge 110 hält. Ein Umfang der Werkzeugmaschine 10 ist mit einer Abdeckung (nicht dargestellt) bedeckt. Ein Raum, der durch die Abdeckung abgeteilt ist, ist eine Bearbeitungskammer, in der die Bearbeitung des Werkstücks 100 ausgeführt wird. An der Abdeckung sind mindestens eine Öffnung und eine Tür, die die Öffnung öffnet und schließt (die beide nicht gezeigt sind), vorgesehen. Eine Bedienperson gelangt in ein Inneres der Werkzeugmaschine 10 und zum Werkstück 100 oder dergleichen durch die Öffnung. Während der Bearbeitung ist die an der Öffnung vorgesehene Tür geschlossen. Dies dient der Sicherheit und der Randumgebung.
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Die Werkzeugmaschine 10 umfasst die Werkstückspindel 12, die ein Ende des Werkstücks 100 in einer Weise hält, um eine Selbstrotation zu ermöglichen, die Werkzeugstütze 14, die das Werkzeug 110 hält, den Reitstock 16, der das andere Ende des Werkstücks 100 abstützt, und einen Roboter 18 in der Maschine. An der Werkstückspindel 12 ist eine Aufspannvorrichtung 20 und/oder eine Spannhülse, die das Werkstück 100 lösbar hält, befestigt und das zu haltende Werkstück 100 kann geeignet ausgewechselt werden. Außerdem rotieren die Werkstückspindel 12 und die Aufspannvorrichtung 20 selbst um eine Werkstückrotationsachse Rw, die sich in der horizontalen Richtung (Z-Achsen-Richtung in 1) erstreckt, als Zentrum.
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Der Reitstock 16 ist gegenüber der Werkstückspindel 12 in der Z-Achsen-Richtung angeordnet und stützt das andere Ende des Werkstücks 100 ab, das durch die Werkstückspindel 12 gehalten wird. Der Reitstock 16 ist an einem Ort angeordnet, so dass eine Mittelachse davon mit der Werkstückrotationsachse Rw zusammenfällt. Am Reitstock 16 ist ein Zentrum mit einer Spitze, die in einer konischen Form geschärft ist, befestigt und während der Bearbeitung wird eine Spitze des Zentrums mit einem Mittelpunkt des Werkstücks 100 in Kontakt gebracht. Der Reitstock 16 ist in der Z-Achsen-Richtung beweglich, so dass der Reitstock 16 sich nahe an das Werkstück 100 oder von diesem weg bewegen kann. Der Reitstock 16 und die Werkstückspindel 12 funktionieren als Haltevorrichtung, die das Werkstück 100 hält.
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Die Werkzeugstütze 14 hält das Werkzeug 110 wie z. B. ein Werkzeug 110, das Bohreinsatz genannt wird. Die Werkzeugstütze 14 ist in der Z-Achsen-Richtung beweglich. Außerdem ist die Werkzeugstütze 14 an einer Führungsschiene angeordnet, die sich in der X-Achsen-Richtung erstreckt, so dass die Werkzeugstütze 14 sich auch in der X-Achsen-Richtung hin und her bewegen kann. An einer Spitze der Werkzeugstütze 14 ist ein Revolverkopf vorgesehen, der mehrere Werkzeuge 110 halten kann. Der Revolverkopf ist um eine Achse, die sich in der Z-Achsen-Richtung erstreckt, als Zentrum rotierbar. Durch die Rotation des Revolverkopfs kann das Werkzeug 110, das für die Bearbeitung des Werkstücks 100 verwendet wird, geeignet gewechselt werden. Wenn die Werkzeugstütze 14 in der Z-Achsen-Richtung bewegt wird, bewegt sich das am Revolverkopf gehaltene Werkzeug 110 auch in der Z-Achsen-Richtung. Wenn die Werkzeugstütze 14 in der X-Achsen-Richtung bewegt wird, bewegt sich das am Revolverkopf gehaltene Werkzeug 110 auch in der X-Achsen-Richtung. Mit der Bewegung der Werkzeugstütze 14 in der X-Achsen-Richtung wird ein Ausmaß des Schneidens des Werkstücks 100 durch das Werkzeug 110 und folglich eine Presskraft oder dergleichen des Werkstücks 100 durch das Werkzeug 110 geändert. In der folgenden Beschreibung wird eine Kraft des Werkzeugs 110, das das Werkstück 100 für das spanabhebende Bearbeiten presst, als ”Bearbeitungskraft” bezeichnet.
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Der Roboter 18 in der Maschine umfasst einen gelenkigen Roboter 21 und einen Endeffektor 22, der am gelenkigen Roboter 21 befestigt ist. Der gelenkige Roboter 21 ist ein Roboter mit mehreren Freiheitsgraden mit mehreren Armen und mehreren Gelenken und der Antrieb des gelenkigen Roboters 21 wird durch eine später zu beschreibende Steuervorrichtung (nicht dargestellt) gesteuert. In der vorliegenden Konfiguration ist der gelenkige Roboter 21 nahe der Werkstückspindel 12 vorgesehen, aber die Anordnungsposition und die Struktur des gelenkigen Roboters 21 können alternativ geeignet geändert werden, solange die gewünschten Funktionen erreicht werden können. Solange eine Position und eine Orientierung des Endeffektors 22 geeignet geändert werden können, können außerdem andere Roboter wie beispielsweise ein Roboter mit parallelem Gestänge und ein einachsiger Dreharm anstelle des gelenkigen Roboters 21 verwendet werden.
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Der Endeffektor 22 ist ein Teil, der auf ein Ziel in gewisser Weise einwirkt. In der vorliegenden Konfiguration sind mehrere Typen der Endeffektoren 22 vorbereitet und ein Endeffektor 22, der geeignet ist, wird alternativ nach Bedarf ausgewählt und wird am gelenkigen Roboter 21 befestigt. Beispiele der Endeffektoren 22, die vorbereitet werden, umfassen zusätzlich zu einer Abstützkonstruktion, die das Werkstück 100 abstützt, Sensoren, die verschiedene physikalische Beträge detektieren, einen Handmechanismus, der ein Element einklemmt, oder dergleichen. Wenn die Abstützkonstruktion als Endeffektor 22 ausgewählt wird und am gelenkigen Roboter 21 befestigt wird, funktioniert die Roboter 18 in der Maschine als Abstützvorrichtung 30, die das Werkstück 100 abstützt. In der folgenden Beschreibung, wird eine Kraft, mit der die Abstützvorrichtung 30 das Werkstück 100 abstützt (presst), als ”Abstützkraft” bezeichnet.
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Keine spezielle Begrenzung wird einer Struktur der Abstützkonstruktion auferlegt, solange das Werkstück 100 abgestützt werden kann. Um eine Empfindlichkeit der Abstützkraft in Bezug auf eine Änderung einer Position zu verringern, weist jedoch die Abstützkonstruktion wünschenswerterweise eine Struktur für den Kontakt mit dem Werkstück 100 mit einem elastischen Element dazwischen auf. Außerdem rotiert das Werkstück 100 selbst mit einer hohen Drehzahl während der Bearbeitung. Daher weist die Abstützkonstruktion 32 wünschenswerterweise eine Struktur auf, die das Werkstück 100 ohne Behindern der Selbstrotation des Werkstücks 100 abstützen kann; beispielsweise eine Struktur mit einer Rolle, die mit einer Oberfläche des Werkstücks 100 in Kontakt steht.
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2 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonfiguration der Abstützkonstruktion 32 zeigt. Die Abstützkonstruktion 32 umfasst eine Basiseinheit 34, die an einer Spitze des Roboters 18 in der Maschine befestigt ist, einen Zylinderblock 36, ein Paar von Rollen 40, eine Abdeckstruktur 38 oder dergleichen. Die Basiseinheit 34 ist ein Bauteil mit einer ungefähren Blockform. An einer oberen Oberfläche der Basiseinheit 34 ist der Zylinderblock 36 befestigt. Der Zylinderblock 36 ist ein Blockformbauteil, in dem ein Zylinder 48, der sich in einer vorbestimmten Vorwärts-Rückwärts-Richtung (Aufwärts- und Abwärtsrichtung auf dem Papier) erstreckt, darin ausgebildet ist. In der Beispielkonfiguration von 2 sind zwei Zylinder 48, die sich parallel zueinander erstrecken, vorgesehen. In einem Inneren jedes Zylinders 48 ist eine Schraubenfeder 42, die als elastisches Element funktioniert, gelagert.
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Das Paar von Rollen 40 sind Bauteile, die direkt mit dem Werkstück 100 in Kontakt stehen, um das Werkstück 100 abzustützen. Ein Kontaktpunkt zwischen dem Paar von Rollen 40 und dem Werkstück 100 ist ein Stützpunkt SP des Werkstücks 100. Zwei Rollen 40 sind in einer zur Vorwärts-Rückwärts-Richtung orthogonalen Richtung angeordnet. Jede Rolle 40 kann um eine Rotationswelle 44, die am Zentrum davon befestigt ist, selbst rotieren. Die Rotationswelle 44 ist an der Abdeckstruktur 38 befestigt.
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Die Abdeckstruktur 38 ist ein Bauteil, das das Paar von Rollen 40 lagert, und zwei Kolben 46 erstrecken sich von einer unteren Oberfläche der Abdeckstruktur 38. Eine Spitze von jedem der Kolben 46 ist in den Zylinder 48 eingesetzt und jeder Kolben 46 kann sich im Zylinder 48 vorwärts und rückwärts bewegen. Durch den Kolben 46, der sich vorwärts und rückwärts bewegt, wird die Schraubenfeder 42 ausgedehnt und komprimiert. Mit anderen Worten, die Abstützkraft zum Abstützen des Werkstücks 100 wird durch die Spitze des Roboters 18 in der Maschine (den Endeffektor 22) erzeugt, der sich näher zum Werkstück 100 bewegt, und die Abstützkraft wird auf das Werkstück 100 durch das elastische Element (die Schraubenfeder 42) übertragen. Durch teilweises Vorsehen des elastischen Elements an der Kraftübertragung wird es möglich, die Empfindlichkeit der Abstützkraft in Bezug auf eine Änderung der Position der Spitze des Roboters 18 in der Maschine zu verringern und folglich eine schnelle Änderung der Abstützkraft zu verhindern.
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Die hier beschriebene Struktur der Abstützkonstruktion 32 ist lediglich beispielhaft und kann geeignet modifiziert werden. Die Abstützkonstruktion 32 kann beispielsweise einen Steifigkeitsänderungsmechanismus umfassen, der die Steifigkeit (Federkonstante) des elastischen Elements ändern kann. Als Steifigkeitsänderungsmechanismus können verschiedene Strukturen betrachtet werden und ein Mechanismus kann beispielsweise verwendet werden, in dem eine Anzahl von elastischen Elementen, die zwischen die Rolle 40 und den Roboter 18 in der Maschine eingefügt sind, geeignet umgeschaltet werden kann. 3 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonfiguration der Abstützkonstruktion 32 zeigt, in der die Anzahl von elastischen Elementen, die tatsächlich funktionieren, umgeschaltet werden kann. In der Beispielkonfiguration von 3 sind drei Schraubenfedern 42 zwischen der Rolle 40 (Stützpunkt SP) und der Basiseinheit 34 vorgesehen und jede Schraubenfeder 42 ist im Zylinder 48 gelagert, der am Zylinderblock 36 ausgebildet ist. Von den drei Zylindern 48 ist bei einem Zylinder 48c in der Mitte die Länge variabel. Durch Festlegen der Länge des mittleren Zylinders 48c länger als die Länge der Schraubenfeder 42 in einem Zustand ohne Last (nachstehend als ”anfängliche Länge” bezeichnet), wird die mittlere Schraubenfeder 42 unwirksam gesetzt, und durch Festlegen der Länge geringer als oder gleich der anfänglichen Länge, wird die mittlere Schraubenfeder 42 wirksam gesetzt. Mit anderen Worten, durch Ändern der Länge des mittleren Zylinders 48c wird die Anzahl von wirksamen elastischen Elementen geändert und die Steifigkeit des (der) elastischen Elements (Elemente), die als Ganzes auf die Abstützkonstruktion wirken, wird geändert.
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Die Länge des Zylinders 48 kann beispielsweise durch Anordnen eines beweglichen Elements 50 an einem Ende des Zylinders 48, wie in 3 gezeigt, und durch Vorwärts- und Rückwärtsbewegen des beweglichen Elements 50 geändert werden. Für die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des beweglichen Elements 50 können verschiedene Kräfte verwendet werden, einschließlich Öldruck, Luftdruck, elektromagnetischer Kraft, Magnetkraft oder dergleichen. 3 zeigt eine Struktur, die das bewegliche Element 50 unter Verwendung des Luftdrucks vorwärts und rückwärts bewegt. Insbesondere ist ein Zwischenblock 54 mit einer darin ausgebildeten Luftkammer zwischen dem Zylinderblock 36 und der Basiseinheit 34 vorgesehen und ein Teil des beweglichen Elements 50 ist in der Luftkammer gelagert. Auf halbem Wege am beweglichen Element 50 ist ein Flansch 52, der in einer radialen Richtung nach außen vorsteht, ausgebildet. Die Luftkammer ist durch den Flansch 52 in zwei Kammern unterteilt, eine obere Luftkammer 56, die an einer Oberseite des Flanschs 52 angeordnet ist, und eine untere Luftkammer 58, die an einer Unterseite des Flanschs 52 angeordnet ist. In dieser Konfiguration wird durch Zuführen von Druckluft zur oberen oder unteren Luftkammer 56 oder 58 das bewegliche Element 50 vorwärts und rückwärts bewegt. Das heißt, wenn die Druckluft zur oberen Luftkammer 56 zugeführt wird, bewegt sich das bewegliche Element 50 durch den Luftdruck nach unten, die Länge des Zylinders 48 wird verlängert und die Schraubenfeder 42 wird folglich unwirksam gesetzt. Wenn andererseits die Druckluft zur unteren Luftkammer 58 zugeführt wird, bewegt sich das bewegliche Element 50 aufwärts, die Länge des Zylinders 48 wird verkürzt und die Schraubenfeder 42 wird folglich wirksam gesetzt.
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Die Werkzeugmaschine 10 umfasst ferner einen Lastsensor, der die Bearbeitungskraft und die Abstützkraft misst. Wie vorstehend beschrieben, ist die Bearbeitungskraft eine Kraft des Werkzeugs 110, das das Werkstück 100 für die spanabhebende Bearbeitung presst. Um die Bearbeitungskraft zu messen, ist ein Lastsensor 60, der als Bearbeitungskraft-Messvorrichtung (siehe 4) funktioniert, an einem Fuß des Werkzeugs 110 der Werkzeugstütze 14 vorgesehen. Die Abstützkraft ist eine Kraft der Abstüzkonstruktion 32 (des Endeffektors 22), die das Werkstück 100 presst. Um die Abstützkraft zu messen, ist ein Lastsensor 62, der als Abstützkraft-Messvorrichtung (siehe 4) funktioniert, zwischen dem Kolben 46 und der Schraubenfeder 42 der Abstützkonstruktion 32 vorgesehen. Der Lastsensor kann eine Vorrichtung, die ein piezoelektrisches Element verwendet, das eine Kraft in eine Spannung umsetzt, oder eine Vorrichtung, die ein Verlagerungsausmaß in Kraftinformationen umsetzt, wie z. B. ein Dehnungsmesser, sein. Alternativ können die Abstützkraft und die Bearbeitungskraft durch andere Strukturen gemessen werden, solange die Bearbeitungskraft und die Abstützkraft direkt oder indirekt gemessen werden können. Die Position des Lastsensors kann beispielsweise geändert werden, wie geeignet. Alternativ ist es möglich, nicht den Lastsensor vorzusehen und die Abstützkraft aus einem Ausgangsdrehmoment eines Antriebsmotors, der an jedem Gelenk des Roboters 18 in der Maschine vorgesehen ist, und die Bearbeitungskraft aus einer Schneidbewegungskraft, die an der Werkstückspindel 12 erzeugt wird, zu berechnen. So oder so werden die gemessene Abstützkraft und die gemessene Bearbeitungskraft an die Steuervorrichtung ausgegeben.
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Die Steuervorrichtung ist eine Vorrichtung, die im Allgemeinen numerische Steuervorrichtung genannt wird, und steuert den Antrieb von verschiedenen Teilen der Werkzeugmaschine 10 gemäß einem Befehl von einer Bedienperson. Die Steuervorrichtung umfasst beispielsweise eine CPU, die verschiedene Berechnungen ausführt, und eine Speichereinheit, die verschiedene Steuerprogramme und Steuerparameter speichert. Die Steuervorrichtung weist auch eine Kommunikationsfunktion auf und kann verschiedene Daten wie beispielsweise NC-Programmdaten mit anderen Vorrichtungen austauschen. Die Steuervorrichtung kann eine einzelne Vorrichtung sein oder kann durch Kombinieren von mehreren Rechenvorrichtungen gebildet sein.
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Die Steuervorrichtung steuert den Antrieb des Roboters 18 in der Maschine (Schwellenwert Abstützvorrichtung 30), der das Werkstück 100 abstützt, in der Kraft, um eine Auslenkung des Werkstücks 100 zu verhindern, das durch die Werkstückspindel 12 und den Reitstock 16 (Haltevorrichtung) gehalten wird. Hier bedeutet ”Kraftsteuerung”, dass der Antrieb mit der Kraft als Steuerzielwert gesteuert wird. Die Steuerung des Antriebs des Roboters 18 in der Maschine (der Abstützvorrichtung 30) wird nun mit Bezug auf 4–6 beschrieben. 4 und 5 sind Bilddiagramme, die die Abstützung durch den Roboter 18 in der Maschine zeigen, wobei 4 einen Fall zeigt, in dem die Abstützkraft Fs geeignet ist, und 5 einen Fall zeigt, in dem die Abstützkraft Fs zu klein ist. 6 ist ein Steuerblockdiagramm, das die Positionierungssteuerung des Werkzeugs 110 und der Abstützvorrichtung 30 durch die Steuervorrichtung zeigt.
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Wie bereits beschrieben, rotiert das an der Werkstückspindel 12 und am Reitstock 16 gehaltene Werkstück 100 selbst mit der Werkstückrotationsachse Rw als Zentrum. Durch Pressen des Werkzeugs 110 gegen das selbst rotierende Werkstück 100 wird das Werkstück 100 durch Drehen bearbeitet. Mit dem Pressen des Werkzeugs 110 wird eine Bearbeitungskraft Fm auf das Werkstück 100 aufgebracht. Wenn das Werkstück 100 durch Aufnehmen der Bearbeitungskraft Fm ausgelenkt wird, kann die Bearbeitungsgenauigkeit verringert werden.
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In der Werkzeugmaschine der vorliegenden Offenbarung ist folglich die Abstützkonstruktion 32 auf einer Seite entgegengesetzt zum Werkzeug 110 mit dem Werkstück 100 dazwischen angeordnet und das Werkstück 100 wird durch die Abstützkonstruktion 32 abgestützt. Mit der Abstützung durch die Abstützkonstruktion 32 wird eine Abstützkraft Fs, die eine Kraft ist, die entgegengesetzt zur Bearbeitungskraft Fm gerichtet ist, auf das Werkstück 100 aufgebracht.
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Wenn die Bearbeitungskraft Fm und die Abstützkraft Fs gleich und im Gleichgewicht sind, wird das Werkstück 100 in einen Zustand ohne irgendeine Auslenkung gesetzt, wie in 4 gezeigt. Wenn andererseits eine der Bearbeitungskraft Fm und der Abstützkraft Fs größer ist als die andere, wenn beispielsweise die Bearbeitungskraft Fm größer ist als die Abstützkraft Fs, wird das Werkstück 100 durch Aufnehmen der größeren Kraft ausgelenkt, wie in 5 gezeigt. In diesem Fall wird die Bearbeitungsgenauigkeit verringert.
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In der Werkzeugmaschine der vorliegenden Offenbarung werden folglich die Bearbeitungskraft Fm und die Abstützkraft Fs gemessen und der Antrieb der Spindel des Werkzeugs 110 und der Abstützvorrichtung 30 werden so gesteuert, dass die Bearbeitungskraft Fm und die Abstützkraft Fs einander gleich sind. Wie in 6 gezeigt, berechnet insbesondere die Steuervorrichtung einen Positionsbefehl der Werkzeugstütze 14 gemäß einem Bearbeitungsprogramm und gibt den Positionsbefehl aus. Indem die Werkzeugstütze 14 gemäß dem Positionsbefehl bewegt wird, wird das Werkzeug 110 in einer Position positioniert, die durch das Bearbeitungsprogramm festgelegt wird. Wenn das Werkzeug 110 positioniert wird, wird die Bearbeitungskraft Fm entsprechend der Bearbeitungsbedingung wie beispielsweise einem Ausmaß an Schneiden, einer Klingenform oder dergleichen erzeugt. Die Bearbeitungskraft-Messvorrichtung (Lastsensor 60), die an der Spindel des Werkzeugs 110 vorgesehen ist, detektiert die Bearbeitungskraft Fm.
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Eine Differenzkraft ΔF, die eine Differenz zwischen der Bearbeitungskraft Fm und der Abstützkraft Fs durch die Abstützvorrichtung 30 ist, wirkt auf das Werkstück 100. Auf der Basis einer Beziehung zwischen der Differenzkraft ΔF und der Steifigkeit des Werkstücks 100 wird die Position des Werkstücks 100 und folglich die Anwesenheit oder Abwesenheit einer Auslenkung bestimmt.
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Die Abstützkraft-Messvorrichtung detektiert die Abstützkraft Fs durch die Abstützvorrichtung 30. Die Steuervorrichtung berechnet eine Differenz ΔF zwischen der Abstützkraft Fs und der Bearbeitungskraft Fm. Die Steuervorrichtung multipliziert die erhaltene Differenz ΔF mit einer Proportionalitätsverstärkung K, berechnet ein Bewegungsausmaß und eine Bewegungsrichtung der Abstützkonstruktion 32 und weist den gelenkigen Roboter 21 an, sich um das berechnete Bewegungsausmaß zu bewegen. Die Bewegungsrichtung ist eine Richtung zum Bewegen der Abstützkonstruktion 32 näher an das Werkstück 100, wenn ΔF ein positiver Wert ist; das heißt wenn die Abstützkraft Fs kleiner ist als die Bearbeitungskraft Fm. Andererseits ist die Bewegungsrichtung eine Richtung zum Bewegen der Abstützkonstruktion 32 vom Werkstück 100 weg, wenn ΔF ein negativer Wert ist; das heißt wenn die Abstützkraft Fs größer ist als die Bearbeitungskraft Fm. Wenn ΔF im Wesentlichen 0 ist; das heißt, wenn die Bearbeitungskraft Fm und die Abstützkraft Fs ungefähr einander gleich sind, wird das Bewegungsausmaß auch auf 0 gesetzt.
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Indem der gelenkige Roboter 21 den Bewegungsbefehl empfängt und sich bewegt, wird die Bewegungskraft des gelenkigen Roboters 21 durch das elastische Element als Abstützkraft Fs ausgegeben. Anschließend wird die Abstützkraft Fs weiterhin zurückgeführt, um die Bewegung des gelenkigen Roboters 21 zu steuern, um die Differenz ΔF mit der Bearbeitungskraft Fm auf null zu setzen.
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Wie beschrieben, wird in der Werkzeugmaschine der vorliegenden Offenbarung der Antrieb des Roboters 18 in der Maschine (der Abstützvorrichtung 30) durch die Kraftsteuerung gesteuert, um die Abstützkraft Fs und die Bearbeitungskraft Fm gleichzusetzen. Folglich kann die Auslenkung des Werkstücks 100 verhindert werden und die Bearbeitungsgenauigkeit des Werkstücks 100 durch das Werkzeug 110 kann weiter verbessert werden.
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Um die Auslenkung des Werkstücks
100 zu verhindern, existiert als Alternative zur Kraftsteuerung auch ein Verfahren zum Steuern des Antriebs der Abstützvorrichtung
30 durch Positionssteuerung.
JP 2010-264562 A offenbart beispielsweise die Steuerung des Antriebs der Abstützvorrichtung durch die Positionssteuerung. Insbesondere wird ein Auslenkungsausmaß des Werkstücks durch einen kontaktlosen Sensor detektiert, eine Zielposition der Abstützvorrichtung wird auf der Basis des Auslenkungsausmaßes berechnet und die Positionssteuerung wird angewendet, so dass die Position der Abstützvorrichtung auf eine Zielposition festgelegt wird. Um das Werkstück durch die Positionssteuerung wie im Stand der Technik geeignet abzustützen, war jedoch ein hohes Niveau an Positionierungsgenauigkeit erforderlich. Wenn die Abstützvorrichtung
30 ein Roboter ist, ist es jedoch schwierig, eine hohe Steifigkeit aufrechtzuerhalten und folglich ein höheres Niveau an Positionierungsgenauigkeit zu erreichen. Obwohl es möglich ist, die Steifigkeit durch Verdicken der Arme des gelenkigen Roboters
21 zu erhöhen, würde eine solche Konfiguration zu einem neuen Problem wie z. B. Erhöhungen der Kosten und Größe führen.
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Wenn andererseits der Antrieb der Abstützvorrichtung 30 (des Roboters 18 in der Maschine) durch die Kraftsteuerung mit der Kraft als Zielwert gesteuert wird, kann, selbst wenn die Positionierungsgenauigkeit und die Steifigkeit der Abstützvorrichtung niedrig sind, eine geeignete Kraft erreicht werden. Selbst wenn die Abstützvorrichtung 30 eine schlechte Steifigkeit aufweist, kann das Werkstück 100 folglich geeignet abgestützt werden. Da eine hohe Steifigkeit für die Abstützvorrichtung 30 nicht verlangt ist, kann außerdem ein Roboter, der gewöhnlich eine geringe Steifigkeit aufweist, als Abstützvorrichtung 30 verwendet werden. Mit der Verwendung des Roboters, dessen Position und Orientierung frei geändert werden können, können die Position des Stützpunkts SP und die Richtung der Abstützung frei geändert werden und das Werkstück 100 kann folglich in einer größeren Anzahl von Vorgängen und Gelegenheiten abgestützt werden. Im Fall des Roboters kann ferner die Funktion davon durch lediglich Ändern des zu befestigenden Endeffektors 22 geändert werden, was folglich zu einer weiteren Verbesserung der Zweckmäßigkeit der Werkzeugmaschine 10 führt.
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Wie vorstehend wiederholt beschrieben, wird in der Werkzeugmaschine der vorliegenden Offenbarung das Werkstück 100 durch das elastische Element abgestützt. Da in diesem Fall ein Teil der Presskraft, die durch die Bewegung des gelenkigen Roboters 21 erzeugt wird, durch das elastische Element absorbiert wird, kann eine schnelle Änderung der Abstützkraft Fs durch die Bewegung des gelenkigen Roboters 21 verhindert werden. Folglich kann das Werkstück 100 stabiler abgestützt werden. Wenn eine Abstützkonstruktion 32, in der die Steifigkeit des elastischen Elements geändert werden kann, wie in 3 gezeigt, als Abstützkonstruktion 32 verwendet wird, kann außerdem, selbst wenn die Abstützkraft Fs aufgrund einer Änderung von Schneidbedingungen oder dergleichen geändert wird, eine geeignete Steifigkeit ausgewählt werden. Folglich kann das Werkstück 100 stabiler abgestützt werden.
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Als nächstes wird eine andere Beispielkonfiguration der Werkzeugmaschine 10 beschrieben. In dieser alternativen Konfiguration wird der Antrieb der Abstützvorrichtung 30 (des Roboters 18 in der Maschine) auf der Basis einer Änderung einer Kraft, die auf die Haltevorrichtung wirkt, die das Werkstück 100 hält (nachstehend als ”Haltekraft Fr” bezeichnet), anstelle der Bearbeitungskraft Fm und der Abstützkraft Fs gesteuert. Insbesondere wenn die Abstützkraft Fs und die Bearbeitungskraft Fm im Gleichgewicht sind, befinden sich in der Gesamtansicht die Orte der Abstützung und Bearbeitung im gleichen Zustand wie jenem in dem Fall, in dem keine Kraft aufgebracht wird. Wenn die Abstützkraft Fs und die Bearbeitungskraft Fm im Gleichgewicht sind, kann daher die Haltekraft Fr als gleich einer Kraft betrachtet werden, die in einem anfänglichen Zustand aufgebracht wird, in dem das Schneiden durch das Werkzeug 110 und das Abstützen durch die Abstützvorrichtung 30 nicht ausgeführt werden. Folglich sind in der vorliegenden Konfiguration, wie in 7 gezeigt, Lastsensoren 64 und 66 nahe einem Lager vorgesehen, das die Werkstückspindel 12 oder den Reitstock 16 oder dergleichen schwenkbar abstützt, um die Haltekraft Fr zu detektieren. Die Steuervorrichtung speichert Kräfte, die durch die Lastsensoren 64 und 66 detektiert werden, zu einem anfänglichen Zeitpunkt, bevor die Bearbeitung durch das Werkzeug 110 gestartet wird und bevor die Abstützung durch die Abstützvorrichtung 30 gestartet wird, als anfängliche Haltekraft Fr_def. Wenn die Bearbeitung und Abstützung gestartet werden, vergleicht die Steuervorrichtung die Haltekraft Fr, die durch die Lastsensoren 64 und 66 detektiert wird, und die anfängliche Haltekraft Fr_def und steuert den Antrieb der Abstützvorrichtung 30, so dass die Haltekraft Fr nahe an die anfängliche Haltekraft Fr_def gelangt.
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Wie aus der obigen Beschreibung klar ist, wird auch bei der vorstehend beschriebenen Struktur der Antrieb der Abstützvorrichtung 30 (des Roboters 18 in der Maschine) durch die Kraftsteuerung gesteuert, um die Haltekraft Fr nahe an die anfängliche Haltekraft Fr_def zu setzen. Aufgrund dessen kann, selbst wenn die Abstützvorrichtung 30 eine schlechte Steifigkeit aufweist, das Werkstück 100 geeignet abgestützt werden. In der obigen Beschreibung wird die Haltekraft Fr durch die Lastsensoren 64 und 66 gemessen, aber die Haltekraft Fr kann alternativ durch andere Verfahren gemessen werden. Die Haltekraft Fr kann beispielsweise auf der Basis einer Antriebsbewegungskraft der Werkstückspindel 12 oder dergleichen gemessen werden.
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Als nächstes wird eine andere Beispielkonfiguration beschrieben. In der obigen Beschreibung wird der Antrieb der Abstützvorrichtung 30 auf der Basis des Vergleichsergebnisses der gemessenen Werte der Abstützkraft Fs und der Bearbeitungskraft Fm gesteuert. In der vorliegenden Konfiguration wird der Antrieb der Abstützvorrichtung 30 auf der Basis eines Vergleichs eines gemessenen Werts der Abstützkraft Fs oder eines gemessenen Werts der Bearbeitungskraft Fm mit einem theoretischen Wert der Bearbeitungskraft Fm gesteuert. Das heißt, im Prinzip sollten die gemessenen Werte der Bearbeitungskraft Fm und der Abstützkraft Fs den theoretischen Werten davon entsprechen. Wenn jedoch die Abstützkraft Fs kleiner ist als die Bearbeitungskraft Fm, bricht (lenkt sich) das Werkstück 100 in Richtung der Seite der Abstützvorrichtung 30 aus. Folglich wird der Schneidwiderstand verringert und die Bearbeitungskraft Fm wird kleiner als der theoretische Wert. Wenn andererseits die Abstützkraft Fs größer ist als die Bearbeitungskraft Fm, bricht (lenkt sich) das Werkstück 100 in Richtung der Seite des Werkzeugs 110 aus und folglich wird der Schneidwiderstand erhöht und die Bearbeitungskraft Fm wird größer als der theoretische Wert.
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In der vorliegenden Konfiguration wird dieses Prinzip verwendet, um den Antrieb der Abstützvorrichtung 30 zu steuern. Insbesondere schätzt die Steuervorrichtung den Schneidwiderstand und folglich die Bearbeitungskraft Fm auf der Basis von Schneidbedingungen wie z. B. eines Schneidausmaßes, eines Vorschubausmaßes und einer Anzahl von Rotationen und physikalischen Eigenschaften wie z. B. Materialien und Formen des Werkstücks 100 und des Werkzeugs 110 ab und gibt den abgeschätzten Wert als theoretischen Wert aus. Die Steuervorrichtung misst die Abstützkraft Fs und/oder die Bearbeitungskraft Fm und steuert den Antrieb der Abstützvorrichtung 30, so dass der gemessene Wert näher an den theoretischen Wert gesetzt wird.
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Wie aus der obigen Beschreibung klar ist, wird in der vorliegenden Konfiguration auch der Antrieb der Abstützvorrichtung 30 (des Roboters 18 in der Maschine) durch die Kraftsteuerung gesteuert, um den (die) gemessenen Wert(e) der Abstützkraft Fs und/oder der Bearbeitungskraft Fm nahe den theoretischen Wert zu setzen. Aufgrund dessen kann, selbst wenn die Abstützvorrichtung 30 eine schlechte Steifigkeit aufweist, das Werkstück 100 geeignet abgestützt werden.
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Die vorstehend beschriebenen Strukturen sind lediglich beispielhaft und andere Strukturen können modifiziert werden, solange der Antrieb der Abstützvorrichtung 30 durch die Kraftsteuerung gesteuert wird. In der obigen Beschreibung sind beispielsweise Konfigurationen beschrieben, in denen sowohl die Bearbeitungskraft Fm als auch die Abstützkraft Fs Kräfte in der radialen Richtung sind, aber alternativ können die Richtungen der Bearbeitungskraft Fm und der Abstützkraft Fs gemäß der Form des zu bearbeitenden Werkstücks 100 geeignet geändert werden. Wie in 8 gezeigt, wenn das Werkstück 100 beispielsweise einen kreisförmigen Säulenformkörper 100a und einen Flanschabschnitt 100b aufweist, der in der radialen Richtung auf halbem Wege am Körper 100a nach außen vorsteht, und eine Endoberfläche des Flanschabschnitts 100b in der axialen Richtung bearbeitet werden soll, wird eine Bearbeitungskraft Fm in einer axialen Richtung auf das Werkstück 100 aufgebracht. In diesem Fall kann die Abstützvorrichtung 30 die Position auf einer entgegengesetzten Seite des Werkzeugs 110 mit dem Flanschabschnitt 100b dazwischen abstützen und in diesem Fall wird eine Abstützkraft Fs in der axialen Richtung auf das Werkstück 100 aufgebracht. Auch in einer solchen Konfiguration kann durch Steuern des Antriebs der Abstützvorrichtung 30 mit Kraftsteuerung das Werkstück 100 geeignet gehalten werden.
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In der obigen Beschreibung ist überdies nur ein Fall der Drehmaschine beschrieben, aber die Technik der vorliegenden Offenbarung kann auf andere Werkzeugmaschinen 10 als die Drehmaschine angewendet werden, wie beispielsweise eine Fräsmaschine, die das Werkstück 100 mit einem Rotationswerkzeug 110 rotatorisch schneidet, und ein Bearbeitungszentrum. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Bearbeitungszentruns, auf das die Technik der vorliegenden Offenbarung angewendet wird, nahe einer Werkzeugspindel 70. Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, weist das Bearbeitungszentrum die Werkzeugspindel 70 auf, die das Werkzeug 110 rotatorisch hält. In der Beispielkonfiguration von 9 ist der Roboter 18 in der Maschine, der als Abstützvorrichtung 30 funktioniert, an der Werkzeugspindel 70 befestigt. An der Spitze des Roboters 18 in der Maschine ist ein Endeffektor 22, der die Abstützkonstruktion 32 ist, vorgesehen.
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Auch in diesem Fall kann, wenn das Werkstück 100 durch das Werkzeug 110 bearbeitet werden soll, die Abstützkonstruktion 32 (der Endeffektor 22) auf der entgegengesetzten Seite des Werkzeugs 110 mit dem Werkstück 100 dazwischen angeordnet werden, um das Werkstück 100 abzustützen. Der Antrieb des Roboters 18 in der Maschine (der Abstützvorrichtung 30) mit der Abstützkonstruktion 32 kann dann durch Kraftsteuerung gesteuert werden.
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In der obigen Beschreibung ist ferner die Abstützvorrichtung 30 mit dem Roboter ausgebildet, aber andere Strukturen können verwendet werden, solange die Abstützvorrichtung 30 das Werkstück 100 abstützen kann und die Position des Stützpunkts SP geeignet ändern kann. Die Abstützvorrichtung 30 kann beispielsweise ein Hub/Absenk-Mechanismus sein, der unter dem Werkstück 100 angeordnet ist und der sich nur gemäß dem Befehl von der Steuervorrichtung anhebt oder absenkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2016-160110 [0001]
- JP 2010-264562 A [0005, 0049]
