JP2010184345A - 工作機械用クランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械用クランプ装置において、サーボモータのスタータを固定位置に位置させ、工作物を挟持する際にそのロータを止めて、回転するマスがなく、それでも引っ張りロッドによって作用されるべき軸線方向力に要するトルクが不変に有効であること。
【解決手段】切り換え機能を備えたサーボモータ１１、サーボモータと引っ張りロッド６の間に位置した動力伝達装置３１、並びにサーボモータに駆動連結され、且つ機械スピンドル５に連結された中空シャフトに回転可能に支承されたベル２２を有し、クランプジョー４は軸線方向可動の引っ張りロッドによって作動可能であり、動力伝達装置３１が二つの部分から成る歯車列３２，３３として構成され、ハウジング３４の回転に際して動力伝達装置３１の第一歯車列３２による引っ張りロッド６の軸線方向調整のために、入力の回転方向に対する異なった回転が入力要素と出力要素の間で生じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作物を保持するための動力操作チャックを備えた工作機械用のクランプ装置に関するものである。そのクランプジョーはクランプ装置を用いて軸線方向可動の引っ張りロッドによって作動可能であり、上記クランプ装置は、切り換え機能を備えたサーボモータ、当該サーボモータと上記引っ張りロッドの間に位置した動力伝達装置、並びに上記サーボモータに駆動連結され、且つ好ましくは機械スピンドルに連結された中空シャフトに回転可能に支承されたベルを有する。

この種の電気クランプ装置は特許文献１に開示されている。その実施形態において、サーボモータは、ハーモニック駆動ギヤユニットの駆動ギヤに、歯付きベルトドライブを用いて連結されており、ギヤユニットはネジ付きロールドライブを用いて引っ張りロッドと駆動連結している。この場合において、ハーモニック駆動ギヤユニットは、高速の回転速度でサーボモータにより発生される小さなトルクを、その比率を用いて高いトルクでの低速の回転速度に変換する。

ハーモニック駆動ギヤユニットにより引き起こされる構造上の著しい複雑さとは全く別に、ハーモニック駆動ギヤユニットの駆動ギヤがサーボモータと直結するという事実は、サーボモータが作業手続き中に機械スピンドルに対して適切な回転方向並びに精密な回転速度を有して、一定の引っ張り力や圧縮力が引っ張りロッドによってクランプジョーに加えられることが必要であることを意味する。このことは、外部の非常に手の込んだ電子機械制御・モニタリングシステムを要求する。これは、機械スピンドルが時計回りに回転する際にサーボモータが上記スピンドルよりも僅かに早く回転しなければならないからである。他方、反時計回りの回転において、ハーモニック駆動ギヤユニットの駆動ギヤに対応するトルクを伝えるために幾らかゆっくりめに回転しなければならない。これらの要求は、（メンテナンスに関しても）非常にコストのかかるものである一方、開示されたクランプ装置の運転開始や組み立ては非常に複雑である。更なる欠点は、瞬間的な回転方向変換の際にサーボモータの慣性モーメントを、当該慣性モーメントを維持しつつ制御することが非常に困難である問題に関している。更に、制御器のダウンや停電の際に安全な操作が保証されず、このクランプ装置の適用範囲は非常に限定されている。

DE 10 2006 050 918 A1

したがって本発明の課題は、サーボモータのスタータを固定位置に位置させ、工作物を挟持する際にそのロータを止めて、回転する集まり（塊、マス）がなくて、それでも引っ張りロッドによって作用されるべき軸線方向力に要するトルクが不変に有効であるように、冒頭記載のタイプの工作機械用クランプ装置を創出することにある。更に、サーボモータは電力供給が止まっても選択された挟持力を維持してクランプ装置が当然ながら安全でなければならない。これを達成するために、コストがかかり複雑な回転速度・回転方向制御ユニットは必要とされない。簡単な構造にもかかわらず、高いレベルの作動安全性が常に保証される。

本発明よれば、上記課題は、冒頭記載のタイプの工作機械用クランプ装置において、動力伝達装置が二つの部分から成る歯車列として構成され、そのうちの第一部分が、サーボモータのロータシャフトに恒久的に接続されたハウジングに配置され、当該第一歯車列の入力要素と出力要素が第二歯車列を用いてベル若しくは機械スピンドルに接続され、ハウジングの回転に際しての動力伝達装置の第一歯車列を用いた引っ張りロッドの軸線方向調整のために入力の回転方向に対する相対回転が入力要素と出力要素の間で生じることによって、達成される。

この場合、動力伝達装置の二つの歯車列が減速ギヤユニットと増速ギヤユニットとして交互に構成されると、及び動力伝達装置の二つの歯車列の比率が歯付きベルトドライブとして、Ｖベルトドライブ、あるいはギヤ比として形成されると、非常に有利である。

サーボモータは電気モータとして、好ましくはブレーキ電機子電動機として、又は油圧モータ（液圧モータ）として構成され得、その停止トルクは第一歯車列のハウジングに直接作用することになる。更に、ベルはギヤユニットドライブ若しくはローラ循環ドライブを通じて引っ張りロッドと直接連結され、あるいは中間要素を介して間接連結され、その際、高い挟持力を生じるために、ベルは減速ギヤユニットを介して第二歯車列の駆動要素と駆動連結されている。

更に、クランプ装置が安全装置を備え、それによって動力伝達装置が自動的にロック可能であるのが有利である。
この場合の安全装置は、相互に回転可能で電磁石によってスプリング力に抗して保持されるクランプ装置の二つのコンポーネントの一方に配されたロックピンから形成可能であり、もし電力が停止してもロックピンは自動的に他方のコンポーネントに設けられた開口に係合する。

更に、クランプ装置は安全制御ユニットを備えるべきであり、これによってクランプ装置の個々のコンポーネント又は全てのコンポーネントの強さが、特に歯車列が選択された時間間隔で短い過負荷によってテスト可能である。

工作機械用クランプ装置が本発明にしたがって構成されるならば、チャックを開閉するのに必要な引っ張りロッドの軸線方向の調整動作を、サーボモータの、そして第一歯車列とこれを収容するハウジングの少なくともいずれか一方の僅かな回転によって生じること、そしてそれを第二歯車列によって直接、又は付加的な伝動装置の介在を介して引っ張りロッドに簡単に伝えること可能である。第一歯車列の減速比若しくは増速比が相対回転に影響する。

工作物が挟持される際にサーボモータからの停止トルクがチャックに作用して、このトルクが所望の若しくは必要な挟持力にしたがって調整可能であり、第二歯車列を介して伝達可能であると、更に大きな利点である。したがって、本発明にしたがって構成されたクランプ装置を簡単なデザインにもかかわらず多様な適用範囲で用いることが可能である。

クランプ装置のサーボモータは、特にブレーキ電機子電動機として構成される場合、安全装置を呈し、電機エネルギーが欠けても挟持力が自動的に維持される。ただ動力伝達装置をロックするための安全装置を更に備えることも可能である。またクランプ装置は、過負荷を用いて、選択された時間間隔でクランプ装置のコンポーネントをチェックすることを容易にするために、安全制御ユニットを備えることが可能である。したがって電気クランプ装置がサーボモータを伴って創出され、これによって挟持力は選択され確保され得る。電気クランプ装置はチャックを開閉する際に一方の回転方向に、あるいは他の回転方向に僅かに動くだけである。その結果、高いレベルの動作安全性と長い寿命が常に保証される。

停止状態でのクランプ装置の軸線断面である。 工作物を挟持した図１に係るクランプ装置である。 図２のIII-III線にしたがう断面図である。 追加的な減速ギヤユニットを備えた図１に係るクランプ装置である。 図４のＶ-Ｖ線にしたがう断面図である。 個々のコンポーネントが相違し追加的な安全装置を備えた図４に係るクランプ装置である。

図面は、本発明にしたがって構成されたクランプ装置の実施形態を示す。以下に、それを詳細に説明する。
図１、図２に示され符号１で表されたクランプ装置は、工作機械２に配置された動力操作チャック３を作動するために用いられる。チャックのラジアル方向に調整可能なクランプジョー４を用いて、処理されるべき工作物１０はチャック３に挟持可能である。本例の動力操作チャック３のクランプジョー４はリレーレバー７を介して、動力伝達装置３１とベル２２とにより切り換え機能を備えた電気サーボモータ１１と駆動連結されている軸線方向可動な引っ張りロッド６によって、作動可能である。本例において、ベル２２は転がり軸受２３，２４によって中空シャフト２１に回転装着されている。ボルト９が中空シャフト２１を、電気モータ８により駆動可能な機械スピンドル５に固着している。

図１、図２に示された実施形態において、クランプ装置１のサーボモータ１１は、ブレーキ電機子電動機として構成され、そのスタータ１２は、ボルト２０によって工作機械２の主軸台１６上に保持されたハウジング１５内にしっかりと配置されている。他方、サーボモータのロータ１３はロータシャフト１４を備え、その上に楔３５を用いて回転しないようにされたハウジング３４がおかれている。更に、ロータ１３はブレーキディスク１８、並びにハウジングに取り付けられたクラッチディスク１７と相互作用する圧縮ばね１９を備えている。サーボモータ１１への電力供給がない場合、ばね１９の力は直ちにロータ１３をブレーキディスク１８と共に、ハウジング１５により位置固定された主軸台１６に連結するクラッチディスク１７に押す。

サーボモータ１１とベル２２の間に設けられた動力伝達装置３１は、二つの部分から成る動力伝達装置３２，３３として構成され、そのうちの第一部分である第一歯車列３２は、楔３５によりサーボモータ１１のロータシャフト１４にしっかりと連結されたハウジング３４内に、取り付けられている。したがってサーボモータ１１の駆動エネルギーはハウジング３４に、そして当該ハウジングを介して第一歯車列３２に伝えられる。

第一歯車列は、第二歯車列３３の速度伝達比４４によって従動中空シャフト２１上に配された出力要素４２に接続する、それによって中空シャフト２１への駆動伝達を確立する。他方、第一歯車列３２の出力要素３７は、ベル２２に取り付けられた入力要素４１に連結され、それで速度伝達比４３によってベル２２に連結されている。したがって入力要素３１の第一歯車列３２は機械スピンドル５によって駆動可能で、また引っ張りロッド６はこれによって作用される。

第一歯車列３２の二つの速度伝達比３９，４０は歯付きベルトドライブによって形成される。その中央歯付きベルト車は入力要素３６や出力要素３７に相対回転不能に配置されている。他方、各々の場合に相互に噛み合う歯付きベルト車は、ハウジング３４に支持されたシャフト３８上で自由に回転可能である。ハウジング３４がサーボモータ１１のロータシャフト１４によって駆動されるならば、シャフト３８は入力要素３６回りに回転して、第二速度伝達比４０に関する第一速度伝達比３９の相対回転が、選択された比に応じて、第一歯車列３２において生じる。

第一歯車列３２の速度伝達比３９，４０、並びに第二歯車列３３の速度伝達比４２，４３は共に、図１、図２に示されるように、歯付きベルトドライブ、あるいはＶベルトドライブとして構成されている。しかしながら、これら速度伝達比を（ギヤホイールでの）ギヤ比として構成することも可能である。また、当該比をクランプ装置１の適用範囲に応じて選択することも可能である。

図１と図２は、異なる動作位置でのクランプ装置１を示す。図１は、クランプ手続きの開始前のクランプ装置１を示す。即ち、チャック３が開き、サーボモータ１１に通電されず、そのクラッチディスク１７がブレーキディスク１８と接触しており、全てのコンポーネントが静止している。図２は動力操作チャック３のクランプジョー４の間に挟持された工作物１０を示す。

図２に示すように、図１に示したクランプ装置の開いた動力操作チャック３において工作物１０を挟持するために、クランプジョー４をラジアル方向内側に動かすことが必要である。このために、中間要素６’によってリレーレバー７と駆動連結する引っ張りロッド６が図の右側に動かされなければならない。これを果たすために、駆動される機械スピンドル５とベル２２の間で相対的な動きを生じることが必要であり、これは動力伝達装置３１を用いて行われ、ギヤユニットドライブとドライバー２６を用いて引っ張りロッド６に連結されたベル２２が相当する量だけ引っ張りロッド６を軸線方向に動かすことになる。電力が、このために電圧制御されてサーボモータ１１に供給されなければならない。それによって、ロータシャフト１４に接続されたハウジング１５が回転されて、第一歯車列３２若しくは第二歯車列３３の速度伝達比３９若しくは４０が設計構造に応じて入力要素３６と出力要素３７の間で異なる回転速度を生み出す。第二歯車列３３の速度伝達比４３を介して中空シャフト２１に関する回転速度差がベル２２に伝えられる。したがって引っ張りロッド６は軸線方向右側に押される。サーボモータ１１の駆動方向は、チャック３を開くために切り換えられなければならず、引っ張りロッド６は図の左側へ動かされる。

チャック３の工作物１０を挟持位置に維持するために、作動位置でサーボモータ１１に相応しいトルクを適用する必要があり、そのトルクレベルは必要な挟持力に応じて選択されなければならない。このトルクは電力制御器を用いて簡単に変更可能であり、したがってチャック３の挟持力もまた困難なく特定の適用に合わせることが可能である。また動力伝達装置３１の二つの歯車列３２，３３は相互に減速ギヤユニットか増速ギヤユニットとして構成することが可能である。

図４に示した実施形態において、ベル２２’はその前に位置する減速ギヤユニット２７を有し、中空シャフト２１’と引っ張りロッド６の間で相対回転があると引っ張りロッドが僅かな量だけ動いて、特に高い挟持力を生成するという効果を奏する。本例の場合に遊星歯車ユニットとして構成された減速ギヤユニット２７は、機械スピンドル５と、第二速度伝達比の入力要素４１と、更には中空シャフト２２’と駆動連結している。

図６によれば、クランプ装置１’は更に安全装置５１並びに安全制御ユニット６１を備える。更に、市販の電気モータがサーボモータ１１’として設けられ、歯付きベルトドライブ１４”はそのロータシャフト１４’とギヤ比率を構成する第一歯車列３２のハウジングの間で駆動連結をもたらす。

本例における安全装置５１は、第二歯車列の入力要素４１に接続した中間部片５６に挿入されたロックピン５２と、スプリング５３と、電磁石５４とから構成される。磁力がないとき、スプリング５３の力はロックピン５２を、中空シャフト２１’に取り付けられた他のコンポーネント５７に嵌め込まれた開口５５へ自動的に係合させる。このようにして、クランプ装置１’はブロックされて、停電の際にも挟持力が維持される。

安全制御ユニット６１によって、選択可能な時間間隔で、クランプ装置１の個々の若しくは全てのコンポーネントの強さを、特に歯車列３２，３３のコンポーネントを、短時間に過負荷をかけることでチェックすることができる。結果として高いレベルの作動安全性が常に保証される。

１ クランプ装置
２ 工作機械
３ 動力操作チャック
４ クランプジョー
５ 機械スピンドル
６ 引っ張りロッド
１０ 工作物
１１ サーボモータ
１４ ロータシャフト
２１ 中空シャフト
２２ ベル
２５ ギヤユニットドライブ
２６ 中間要素、減速ギヤユニット
３１ 動力伝達装置
３２，３３ 歯車列
３４ ハウジング
３６ 入力要素
３７ 出力要素
４３ 駆動要素
５１ 安全装置
５２ ロックピン
５３ スプリング
５４ 電磁石
６１ 安全制御ユニット

Claims (9)

1. 工作物（１０）を保持するための動力操作チャック（３）を備えた工作機械（２）用のクランプ装置（１）であって、そのクランプジョー（４）はクランプ装置（１）を用いて軸線方向可動の引っ張りロッド（６）によって作動可能であり、上記クランプ装置（１）は、切り換え機能を備えたサーボモータ（１１）、前記サーボモータ（１１）と前記引っ張りロッド（６）の間に位置した動力伝達装置（３１）、並びに前記サーボモータ（１１）に駆動連結され、且つ好ましくは機械スピンドル（５）に連結された中空シャフト（２１）に回転可能に支承されたベル（２２）を有するクランプ装置において、
   前記動力伝達装置（３１）が二つの部分から成る歯車列（３２，３３）として構成され、そのうちの第一歯車列（３２）が、前記サーボモータ（１１）のロータシャフト（１４）に恒久的に接続されたハウジング（３４）に配置され、前記第一歯車列（３２）の入力要素（３６）と出力要素（３７）が第二歯車列（３３）を用いて前記ベル（２２）若しくは前記機械スピンドル（５）に接続され、前記ハウジング（３４）の回転に際して前記動力伝達装置（３１）の前記第一歯車列（３２）による前記引っ張りロッド（６）の軸線方向調整のために、入力の回転方向に対する異なった回転が入力要素と出力要素の間で生じること、を特徴とするクランプ装置。
2. 前記動力伝達装置（３１）の二つの歯車列（３２，３３）が相互に減速ギヤユニットと増速ギヤユニットとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載のクランプ装置。
3. 前記動力伝達装置（３１）における二つの歯車列（３２，３３）の比が歯付きベルトドライブ、Ｖベルトドライブ、又はギヤ比によって形成されることを特徴とする請求項２に記載のクランプ装置。
4. 前記サーボモータ（１１）が、電気モータ、好ましくはブレーキ電機子電動機として、若しくは液圧モータとして構成され、その停止トルクは第一歯車列（３２）のハウジング（３４）に直接作用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のクランプ装置。
5. 前記ベル（２２）がギヤユニットドライブ（２５）若しくはローラ循環ドライブを通じて前記引っ張りロッド（６）と直接連結され、あるいは中間要素（２６）を介して間接連結されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のクランプ装置。
6. 前記ベル（２２’）は減速ギヤユニット（２１）を介して前記第二歯車列（３３）の駆動要素（４３）と駆動連結されていることを特徴とする請求項５に記載のクランプ装置。
7. 更に安全装置（５１）を備え、その安全装置によって前記動力伝達装置（３１）が自動的にロック可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のクランプ装置。
8. 前記安全装置（５１）が、相互回転可能で電磁石（５４）によってスプリング（５３）の力に抗して保持されるクランプ装置（１）中の、二つのコンポーネント（２１’，５５）の一つに配されたロックピン（５２）から形成されることを特徴とする請求項７に記載のクランプ装置。
9. 更に安全制御ユニット（６１）を備え、その安全制御ユニットによってクランプ装置（１）の個々のコンポーネント、又は全てのコンポーネント、特に歯車列の強度が選択可能な時間間隔で短い過負荷によってテスト可能であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のクランプ装置。

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