JP2011530420A - 非円形のワークのための工作機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、非円形のワークのための工作機械に設けられる工具送り装置（１）であって、工具及の受容のための工具支持体（２）、及び衝撃遮断のために用いられる補償部材（３）を有し、工具支持体の作業運動が、工具支持体（２）と補償部材（３）との間で作用する駆動部（４）によって形成される形式のものに関する。本発明の構成によれば、工具支持体（２）は、転動体（５）により支承され、補償部材（３）は、弾性変形可能な案内要素（６）を介して工具送りユニット（１）のケーシング部分（７）に懸架され、かつ補償部材（３）の質量は、工具の支持のための工具支持体（２）の作業運動に対応して発生する補償行程が、案内要素（６）の弾性変形の範囲内にあるように、工具支持体（２）の質量よりも大きくなっている。これにより、案内要素（６）は、補償部材（３）の案内及び戻しを行うようになっている。

Description

本発明は、非円形のワークのための工作機械、特に非円形旋盤若しくは非円形加工用旋盤であって、振動運動可能な工具及び工具支持体、並びに、工具支持体に対して相対的に逆向きに運動可能であり衝撃遮断のために用いられる補償部材を有しており、工具若しくは工具支持体の運動が、工具支持体と補償部材との間で作用する駆動部によって形成されるようになっている形式のものに関する。

前記形式の工作機械は、例えば独国特許出願公開第１９８１０９９６Ａ１号明細書により公知であり、特に、非円形の回転体の高速加工に用いられ、若しくは一般的に高速作動式の工具送りユニットに用いられる。この場合に衝撃遮断は、高速の工具運動による衝撃がケーシングに、若しくはケーシングの取り付け部に実質的に完全な強さで伝達されてしまうことを避けるために行われるものである。ケーシング等への衝撃の伝達は、加工精度に不都合な影響を及ぼすものである。

M. Weck , J. Hennig 氏により、Forschungsgemeinschaft Ultrapraezisionstechnik e, V, Achen, Oktober 2002 に掲載された最終リポートの「Entwicklung und Einsatz einer hochdynamischen Werkzeugzustelleinheit mit hydrostatischer Lagerung (ハイドロスタティックな支承部を有する高速作動式の工具送りユニットの開発と応用)」において知られるように、工具支持体の案内の際の付着摩擦、いわゆるスティックスリップ効果を避けるために、エアロスタティック若しくはハイドロスタティック式の案内は、精度及び滑らかな運動に対する要求を満たすものであるのに対して、高い作動力並びに短い移動距離のために転がり支承部は使用されるに至っていない。

しかしながら、ハイドロスタティック式の案内には、配管、供給装置及び漏れ防止処置等による高い構成費用が必要である。このような高い構成費用により、工作機械は高価なものになり、過酷な条件下での運転に際して故障しやすく、頻繁な整備を必要とすることになる。

本発明の課題は、非円形のワークのための工作機械を簡単な構造で形成することである。

前記課題を解決するために本発明の構成によれば、冒頭に述べた形式の工作機械において、工具支持体は、転動体によって支承されており、補償部材は、複数の案内要素を介して工作機械のケーシング部分に懸架されており、更に、補償部材は、該補償部材の、工具を支持する工具支持の振動運動に依存して発生する補償行程が、案内要素の弾性変形の範囲内にあるように、工具支持体の質量の複数倍の質量を有している。このような構成においては、補償行程は案内要素の弾性変形により吸収されるので、補償部材のための付加的なエアロスタティック若しくはハイドロスタティック式の支承は不要になっている。本発明は、スティックスリップ効果を補償部材の支承によってのみ避けることができるのに対して、工具支持体の支承部が、駆動部の適切な出力設定により克服されねばならない付着摩擦を有するものであるという知見に基づき成されたものである。つまり、加工精度への衝撃の不都合な影響を確実に避けるために、補償部材は、衝撃に遅れることなく、つまり迅速に応働できるようになっている。このことは、補償部材に、付着摩擦の発生しない支承部を設けることにより達成される。本発明においては、一般的なエアロスタティック若しくはハイドロスタティック式の支承部の代わりに、案内要素を介して補償部材をケーシング部分に懸架する手段が用いられており、案内要素は、補償行程に際して所定の行程量内で弾性変形可能になっている。補償部材と可動の構成部分、つまり工具及び工具支持体との間の質量比の規定により、補償部材の行程は、案内要素の弾性変形の範囲が超えられない程度に短くされている。

本発明の有利な形態によれば、補償部材の質量は、工具を支持する工具支持体の質量の少なくとも３倍、特に少なくとも５倍若しくは少なくとも１０倍である。このような質量比においては、工具の、工作機械の通常の加工作業時に発生する行程運動の、補償部材の補償行程運動への十分な変換若しくは減速又は減衰が行われ、補償部材の補償行程が案内要素の弾性変形の範囲内にあることが、実験により明らかになっている。従って、案内要素は、一面において補償部材の運動を案内し、かつ他面において、補償行程の方向と逆向きの戻し力を発生するようになっている。案内のための付加的な支承部若しくは戻し力形成のための付加的な手段は省略できるようになっている。

補償部材の補償運動の極めて直線的な案内を達成するために、本発明の有利な形態によれば、案内要素は静止状態では、案内要素の補償行程の方向での寸法（例えば、厚さ）が、案内要素の補償行程の方向に対して横向若しくは垂直方向での寸法（例えば、幅）よりも著しく小さく、特に補償行程の方向に対して横向若しくは垂直方向での寸法（幅）と比較して十分の一よりも小さくなる形状を有している。これにより、案内要素の、補償行程の方向と合致する効果的な変位方向が規定されている。このような構成により、補償部材において、補償行程の方向に対して横方向若しくは垂直方向の運動は阻止され、その結果、運動の、直線からのずれの少ない高い精度が達成されるようになっている。

特に有利な形態では、案内要素はそれぞれ、補償行程により予め画定された作業平面の両側で１つのケーシング部分に取り付けられていて、かつそれぞれ、取り付け部位間で補償部材に係合している。案内要素は、一体構造で形成され、若しくは補償部材のところで中断して形成されていてよいものである。

本発明の形態によれば、案内要素は、補償部材の側方の運動若しくは補償部材の、補償行程の方向に対して横方向又は垂直方向の運動を阻止するものである。このために、案内要素は、適切な幾何学形状を有し、かつ又は位置決めされ、若しくは方向付けられ、かつ又は、補償部材に適切に係合している。補償行程の方向に対して横方向又は垂直方向での補償部材の運動の阻止は、ケーシング部分に対して不動に固定されたワークに対する工具支持体、ひいては工具の規定された案内を達成するために必要なものである。

特に簡単な形態によれば、案内要素は、部分的に若しくは全体的にストリップ状のばね若しくは板ばねとして形成されており、該ストリップ状のばね若しくは板ばねは、補償部材の、補償行程により発生する変位とは逆方向に作用するようになっている。

本発明の形態によれば、各案内要素はそれぞれ扁平若しくは短冊状又は帯金状に形成されていて、静止位置若しくは静止状態では、補償行程の方向に対して垂直な方向若しくは横方向に延びる１つの平面内に位置しており、案内要素の向き、形状及び取り付け部は、上記平面に沿った案内要素の運動、つまり上記平面の方向での案内要素の運動を困難にし、即ち、阻止しており、補償部材のみが補償行程方向に案内されるようになっている。つまり、該形態は、補償部材の側方の運動若しくは補償部材の、補償行程の方向に対して横方向の運動を阻止するための簡単な構成を示すものである。

補償部材の補償行程の極めて直線的な案内、若しくは直線からのずれのない状態での案内を達成するために、案内要素は、対を成して、補償部材の、補償行程の方向で相対する端部（８）に係合している。このような構成により、案内要素は、相互の可能な最も大きな距離を有しており、その結果、補償行程の正確な角度での案内を達成することができるようになっている。有利な形態では、案内要素は、静止位置若しくは静止状態で相互に締め付けられている。このような締め付けにより、補償部材の運動をその運動開始から特に良好に案内することができるようになっている。

補償部材の側方に対する更に改良された安定性を得るために、補償部材の各端部に、互いに相互の距離（間隔）を置いて並列に延びかつ互いに並列に作用する一対の案内要素が係合している。このような構成において、相互の距離は、有利には補償行程の方向に対して横方向若しくは垂直な方向に規定されている。

本発明の別の形態によれば、各案内要素はその端部でもって、工作機械のケーシング部分に取り付けられていて、かつ、各案内要素の上記端部間の中央に位置する領域でもって補償部材に係合している。追加的な構成として、若しくは更に別の形態として、案内要素は対を成して各１つの端部でもって、補償部材に係合しており、各対の案内要素の別の自由な端部は、離れる方向に、特に逆の方向に向いていて、工作機械のケーシング部分に取り付けられている。

工具支持体に支持された工具の行程を迅速かつ正確に行うために、本発明の形態によれば、駆動部は、リニアモータ若しくはプランジャー型アーマチュア又はプランジャー型電機子等により形成されている。有利な形態では、駆動部は、調節回路若しくは制御回路によって制御されるようになっており、調節値若しくは制御量は、ワーク（工作物）及び／又はケーシング部分に対する工具支持体の位置により規定される。

工具支持体と補償部材との間の最適な質量比を得るため、ひいては補償行程への工具支持体の行程の所望の変換を達成するために、固定子若しくは、駆動部の通電により励磁可能な構成部分は、補償部材に結合されており、かつ駆動部の磁化された構成部分は工具支持体に結合されている。駆動部の通電により励磁可能な構成部分は、一般的に、駆動部の磁化された構成部分又は永久磁石の質量よりも大きな質量を有しており、従って、工具を含む工具支持体と補償部材との間の質量比は、本発明の上記形態に係る構成により最適にされる。

特に有利な形態では、工具支持体とこれに付随する構成部分は、補償部材の質量が過度に大きく選ばれなくてすむように、できるだけ小さい質量しか有していない。例えば工具支持体にスライダーを形成してあり、スライダーがリニアモータの永久磁石を支持している。これにより、質量の節減されたコンパクトな構造が得られるようになっている。有利には、スライダーは軽量構造で形成されている。

工具支持体を含む構成部分の自重の更なる減少は、永久磁石がスライダーを支え、つまり補強することにより達成される。つまり、永久磁石は二重の機能を有しており、従って、電磁力により発生された推進力を受け止めるための、スライダーの付加的な補強は省略できるようになっている。

駆動部の磁化された構成部分、例えば永久磁石の特に頑丈で軽い構造を得るために、有利な形態によれば、磁化された構成部分若しくは永久磁石は、リニアモータの固定子に向けられた両側を、カバー若しくはカーボンファイバープレートによって覆われ、つまり特に有利な形態では、リニアモータの固定子との間に配置されたカバー若しくはカーボンファイバープレートに素材結合若しくは接着結合されている。カーボンファイバープレート又は炭素繊維強化プラスチック若しくは炭素繊維複合材により、構造全体の安定性、例えば駆動部の安定性が、最少の質量増加で向上される。カバーの配置によって、十分に高い電磁的な推進力を得るために必要な面は、スライダーの安定化のためにも役立っている。

スライダーの特に簡単でかつ頑丈な構造を得るために、カバー間の、永久磁石を受容する中間スペース内には注封材料が注入されている。中間スペース内への注封材料の注入により、スライダーの形状安定性が付加的に得られるようになっている。

スライダーの結合強度を高めるために、永久磁石は、有利な形態ではスライダーに形成された支持用構造部内にはめ込まれている。

工具支持体の運動のための、十分に高い精度で簡単かつ頑丈な案内を達成するために、スライダーに転動体を係合させてある。有利な形態によれば、転動体は、ケーシング部分に固定されたレールに係合し、つまり、レール上を転動するようになっている。このような構成により、転動体は、工具支持体をケーシング部分に対して支承し、若しくはケーシング部分に固定された機械構成部分に対して支承する転がり支承部若しくは転がり支承装置を形成している。

本発明の形態によれば、工具支持体、ひいては工具の振動運動の行程（行程量又は行程距離）は、転がり支承部の転動体の円周（外周）の長さよりも小さくなっている。転動体のこのような構成においては、工具支持体の支承部の摩擦は、工具支持体の運動案内の精度の要求に必要な値を超えていない。

本発明の特に有利な形態によれば、工具の振動運動の行程は、０．０１ｍｍ〜４５．００ｍｍであり、補償行程（補償行程量）は２ｍｍ以下であり、若しくは２ｍｍを超えていない。

次に本発明を図示の実施形態に基づき詳細に説明するものの、本発明は図示の実施形態に限定されるものではない。請求項に記載の各構成は種々に組み合わせて用いられるものである。

工作機械の工具送り装置を工具支持体の正面側から見て示す図である。 図１の工具送り装置のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１の工具送り装置のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

非円形のワーク用の工作機械の工具送りユニット１は、工具支持体２を有しており、該工具支持体は、工具の受容のために形成されていて、振動運動するようになっている。

衝撃遮断のために補償部材３が用いられており、工具の運動は、工具支持体２と補償部材３との間で作用する駆動部４によって発生され若しくは形成されるようになっている。工具支持体２の、駆動部４により生ぜしめられる加速は、衝撃を発生させることになるものの、該衝撃は補償部材３の相応の運動により吸収されるようになっている。従って、工具支持体２の加速による衝撃は、工作機械の他の構成部分に作用することはなく、結果として、加工精度に不都合な影響を及ぼすことはない。

複数の構成要素から成る、或いは複数の構成要素に連結されている工具支持体２は、複数の転動体５によって支承され、１つの運動自由度のみしか、つまり、工具支持体２に緊定された工具の送り方向の運動のみしか許されないように、案内されている。

補償部材３は、複数の案内要素６を介して、工具送りユニット１、ひいては工作機械のケーシング部分７に懸架されている。

補償部材３は、複数の構成要素から構成されていて、工具を支持する工具支持体２の質量の複数倍の質量を有している。

案内要素６は、ストリップ状のばねとして形成されており、該ばねは、静止状態（非作動状態）では実質的に、補償行程の方向に対して垂直に延びる１つの平面内に位置している。補償行程の方向、つまり、送り行程の方向は、図１の図平面に対して垂直に延びている。これにより、図１において、工具支持体の中心軸線を通り水平に、かつ図平面に対して垂直に延びている１つの作業平面が規定され、該作業平面内に、工具支持体の中心軸線が位置しており、各案内要素はそれぞれ前記作業平面の両側で、つまり、上方及び下方でケーシング部分に取り付けられている。従って、補償部材３は、各案内要素６の上方の取り付け部位と下方の取り付け部位との間に配置され、かつ懸架されている。

図２の断面図から見て取れるように、案内要素６は対を成して、補償部材３の、図２の図平面内を延びる補償行程の方向で相対する端部８に係合している。これにより、補償部材３はケーシング部分７に懸架されている。

図１から見て取れるように、案内要素６は対を成して、相互に距離を置いて平行に延びていて、並列に作用している。案内要素６の各対において、各案内要素６は、補償部材３の、補償行程に関して側方の外側の端部に係合している。

図３は、各案内要素６が、長方形の基本形状を有する補償部材３の各角隅に係合していることを示している。

図２に示してあるように、各案内要素６はその端部９でもって、工具送りユニット１、ひいては工作機械のケーシング部分７に取り付けられていて、かつ、該各案内要素６の前記端部９間の中央に位置する領域１０でもって、補償部材３に係合している。つまり、案内要素６の、自由な、即ち補償部材３に直接に係合することのない端部９は、互いに離れかつ互いに逆の方向に向いていて、懸架のために工作機械１のケーシング部分７に取り付けられている。

図２の断面図に断面を示してあるリニアモータ１１は、工具支持体２の運動のための駆動部４を形成している。リニアモータ１１の固定子１２は、補償部材３の構成部分を成していて、補償部材３の質量に寄与するものである。これに対して、駆動部４の磁化（永久磁化）された構成部分１３は、工具支持体２に固定（固着）されている。このような構成により、固定子１２への通電に基づき、磁化された構成部分１３の変位が行われ、該変位により工具支持体２の送りが行われる。

駆動部４の磁化された構成部分１３の受容のために、スライダー１４を形成してあり、該スライダーは、リニアモータ１１の永久磁石１５を支持しており、該永久磁石に、ひいては前記スライダーに工具支持体２が取り付けられている。

スライダー１４は軽量構造で形成されており、永久磁石１５がスライダー１４を補強していて、リニアモータ１１の固定子１２に向けられた両側を、炭素繊維複合材から成るカバー１６によって覆われている。カバー１６間の、永久磁石１５を受容する中間スペース１７は、追加的に注封材料又は注封樹脂若しくは封止材を注入されて、永久磁石１５とカバー１６との間の素材結合若しくは接着結合のために用いられるようになっている。

スライダー１４の結合強度を高めるために、図面には現れていない格子状の支持用構造部又は支持用パターン或いは支持用凹部又は支持用隆起部を、スライダー１４に一体に成形してある。

図１に示してあるように、スライダー１４は、該スライダーに複数の転動体５を係合させることにより支承されている。つまり、転動体５は、一方で各レールブロック１８上を転動するようになっていて、かつ他方でスライダー１４を、工具支持体２の作業行程（送り行程及び戻り行程）の方向に案内している。

転動体５の直径は、工作機械の作動時の工具の振動運動の行程が、転がり支承部の転動体５の円周の長さよりも小さくなるように選ばれている。つまり、転動体５は、工具支持体２の作業運動に際して全周にわたっては回転するのではなく、実質的に所定の１つの区分で振動するようになっている。図２の断面図で明らかなように、レールブロック１８は、ケーシング部分７の、補償部材３の受容スペース内をブリッジ状に延びている部分に取り付けられており、該部分の延び方向（延在方向）は、補償部材３の補償行程の方向に対して平行に延びており、該部分は、補償部材３に形成された中空室を貫通している。

図２から明らかなように、補償部材３は実質的に、横断面四角形でかつ内側を中空に形成されたフレーム１９とリニアモータの、フレーム１９内に設けられた積層形固定子１２とから構成されている。従って、補償部材３の質量は、実質的に固定子１２の質量及びフレーム１９の質量によって規定されている。

非円形のワーク用の工作機械に設けられる工具送りユニット１は、工具の受容（支持）のための工具支持体２、並びに衝撃遮断のための補償部材３を有しており、工具支持体２の作業運動は、工具支持体２と補償部材３との間で作動する駆動部４によって形成されるようになっている。本実施形態によれば、工具支持体２は、転動体５を用いて工具送りユニット１のケーシング部分７に支承され、かつ補償部材３は、弾性変形可能な案内要素６を介して工具送りユニット１のケーシング部分７に懸架されており、補償部材３の質量は、工具支持体２の作業運動により発生される補償部材３の補償行程が、案内要素６の弾性変形の範囲内であるように、工具を支持する工具支持体２の質量よりも大きく規定されている。案内要素６は、補償部材３を案内し、かつ戻すようになっている。

１ 工具送りユニット、 ２ 工具支持体、 ３ 補償部材、 ４ 駆動部、 ５ 転動体、 ６ 案内要素、 ７ ケーシング部分、 ８，９ 端部、 １０ 領域、 １１ リニアモータ、 １２ 固定子、 １３ 構成部分、 １４ スライダー、 １５ 永久磁石、 １６ カバー、 １７ 中間スペース、 １８ レールブロック、 １９ フレーム

Claims (22)

1. 非円形のワークのための工作機械、特に非円形旋盤（１）であって、振動運動可能な工具及び工具支持体（２）、及び、該工具支持体に対して相対的に逆向きに運動可能であり衝撃遮断のために用いられる補償部材（３）を有しており、工具の運動は、前記工具支持体（２）と前記補償部材（３）との間で作用する駆動部（４）により発生若しくは形成されるようになっている形式のものにおいて、前記工具支持体（２）は、転動体（５）によって支承されており、前記補償部材（３）は、複数の案内要素（６）を介して前記工作機械（１）のケーシング部分（７）に懸架されており、かつ、前記補償部材（３）は、該補償部材（３）の、前記工具支持体（２）の前記振動運動に対応して発生する補償行程が、前記案内要素（６）の弾性変形の範囲内にあるように、前記工具を支持する前記工具支持体（２）の質量の複数倍の質量を有していることを特徴とする、非円形のワークのための工作機械。
2. 前記補償部材（３）の質量は、前記工具を支持する前記工具支持体（２）の質量の少なくとも３倍、特に少なくとも５倍若しくは少なくとも１０倍である請求項１に記載の工作機械。
3. 前記案内要素（６）は静止状態では、該案内要素（６）の前記補償行程の方向での寸法が、該案内要素（６）の前記補償行程の方向に対して横方向での寸法よりも著しく小さく、特に前記補償行程の方向に対して横方向での寸法と比較して十分の一よりも小さくなる形状を有している請求項１又は２に記載の工作機械。
4. 前記案内要素（６）は、前記補償部材（３）の側方への運動若しくは前記補償行程の方向に対して横方向への運動を阻止するようになっている請求項１から３のいずれか１項に記載の工作機械。
5. 前記案内要素（６）は、部分的に若しくは全体的に、前記補償部材（３）の、前記補償行程により発生する変位とは逆向きに作用するストリップ状のばねとして形成されている請求項１から４のいずれか１項に記載の工作機械。
6. 各前記案内要素（６）はそれぞれ扁平若しくは短冊状に形成されていて、静止状態では実質的に、前記補償行程の方向に対して垂直な方向若しくは横方向に延びる１つの平面内に位置している請求項１から５のいずれか１項に記載の工作機械。
7. 前記案内要素（６）は、対を成して、前記補償部材（３）の、前記補償行程の方向で相対する端部（８）に係合している請求項１から６のいずれか１項に記載の工作機械。
8. 前記案内要素（６）の各対は、相互に距離を置いて互いに平行に延びかつ前記補償部材（３）の各１つの端部に係合していて、互いに並列に作用している請求項１から７のいずれか１項に記載の工作機械。
9. 各前記案内要素（６）はその端部（９）でもって、前記工作機械（１）の前記ケーシング部分（７）に取り付けられていて、かつ、該各案内要素（６）の前記端部（９）間の中央に位置する領域（１０）でもって前記補償部材（３）に係合している請求項１から８のいずれか１項に記載の工作機械。
10. 前記案内要素（６）は対を成してそれぞれ１つの端部でもって、前記補償部材（３）に係合しており、該対の案内要素（６）の別の自由な端部（９）は、離れる方向に、特に逆の方向に向いていて、前記工作機械（１）の前記ケーシング部分（７）に取り付けられている請求項１から９のいずれか１項に記載の工作機械。
11. 前記駆動部（４）は、リニアモータ（１１）若しくはプランジャー型アーマチュア又はプランジャー型電機子等である請求項１から１０のいずれか１項に記載の工作機械。
12. 固定子若しくは、前記駆動部（４）の通電により励磁可能な構成部分は、前記補償部材（３）に結合されており、かつ前記駆動部（４）の永久磁化された構成部分（１３）は前記工具支持体（２）に結合されている請求項１から１１のいずれか１項に記載の工作機械。
13. 前記工具支持体（２）にスライダー（１４）を形成してあり、該スライダーは前記リニアモータ（１１）の永久磁石（１５）を支持している請求項１から１２のいずれか１項に記載の工作機械。
14. 前記スライダー（１４）は軽量構造で形成されている請求項１から１３のいずれか１項に記載の工作機械。
15. 前記永久磁石（１５）は前記スライダー（１４）を補強している請求項１から１４のいずれか１項に記載の工作機械。
16. 前記永久磁石（１５）は、前記リニアモータ（１１）の前記固定子（１２）に向けられた両側を、カバー（１６）、有利にはカーボンファイバープレートによって覆われ、かつ又は素材結合されている請求項１から１５のいずれか１項に記載の工作機械。
17. 前記カバー（１６）間の、前記永久磁石（１５）を受容する中間スペース（１７）は注封材料を注入されている請求項１から１６のいずれか１項に記載の工作機械。
18. 前記永久磁石（１５）は、支持用構造部内にはめ込まれている請求項１から１７のいずれか１項に記載の工作機械。
19. 前記転動体（５）は、前記スライダー（１４）に係合している請求項１から１８のいずれか１項に記載の工作機械。
20. 前記工具支持体（２）及び／又は前記スライダー（１４）は、前記ケーシング部分（７）に支承され、若しくは、前記ケーシング部分（７）に固定された構成部分に支承されている請求項１から１９のいずれか１項に記載の工作機械。
21. 前記工具の前記振動運動の行程は、転がり支承部の前記転動体（５）の円周の長さよりも小さくなっている請求項１から２０のいずれか１項に記載の工作機械。
22. 前記振動運動の行程は、０．０１ｍｍ〜４５．００ｍｍであり、前記補償行程は２ｍｍ以下である請求項１から２１のいずれか１項に記載の工作機械。

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