JP2013523461A - データ用回転伝送器を備えた工作機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、機械台と、該機械台に回転可能に配置され、原動機で駆動される機械主軸（１０）と、該機械主軸（１０）に交換可能に設けられ、前記機械主軸（１０）の受容部と互換性のある連結要素を有している少なくとも１つの加工ヘッド（１２）とを備えた工作機械に関する。さらに、機械台固定のステータ（１８）と主軸固定のロータ（２０）との間でデータを伝送するための回転伝送器（１６）が設けられている。本発明の特徴は、前記機械主軸（１０）が、複数個の主軸側の機能モジュール（２８’，２８”，２８’’’）と、主軸バス（３０）の構成要素を形成している配線システムとを有し、該配線システムに前記主軸側の機能モジュール（２８’，２８”，２８’’’）が接続されてサブスクライバーステーションを形成し、この場合前記主軸バス（３０）が、前記データ伝送区間（１６）を介して、機械台固定のフィールドバス（３２）と接続していることにある。

Description

本発明は、機械台と、該機械台に回転可能に配置され、原動機で駆動される機械主軸と、該機械主軸に交換可能に設けられ、前記機械主軸の受容部と互換性のある連結要素を有している少なくとも１つの加工ヘッドと、機械台固定のステータと主軸固定のロータとの間でデータを伝送するための回転伝送器とを備えた工作機械に関するものである。

この種の工作機械は、製造技術上および測定技術上の多様な課題のために使用される。通常は、交換可能な種々の加工ヘッドを用いて金属材料、プラスチック或いは木材の切削加工がおこなわれる。非回転対称な工作物に対しては、機械の運動力学に支えられて工作物と加工ヘッドとの間で付加的な並進自由度を可能にする回転主軸を用いて、旋盤と同様の加工を実施することができる。この目的のため、たとえば正面削りヘッドも使用される。正面削りヘッドは、切刃を主軸の回転軸線に対し半径方向に変位させることを可能にする工具ヘッドである。これは、たとえば、２段の遊星歯車装置と、主軸の回転時に平面スライダ用の駆動軸を調整することを可能にする補助的な外部駆動部とを備えた主軸のような、特殊な構成要素を備えた工作機械で実現される。このため、通常の工具インターフェースには、加工ヘッドの交換を可能にする機構の機能を阻害することのない回転伝送器を備えた電気伝送インターフェースが組み込まれている。基本的には、伝送インターフェースは、無接触型および／または接触型の電気回転伝送器の形態で主軸のヘッド側端部または後端部に配置することができる。

この種の公知の工作機械は、実施すべき加工ステップおよびメカトロニクス上の構成の複雑性によってはかなりの構造コストおよび配線コストを必要とする。構造コストおよび配線コストは、課題が同じであっても製造特有の差異がある。

この点に鑑みて、本発明の課題は、構造コストおよび配線コストを簡単に且つ製造者に優位に標準化することができるようにこの種の工作機械を改善することである。

この課題を解決するため、本発明は請求項１に記載の構成を提案する。本発明の有利な他の構成は従属項から明らかである。

本発明による解決手段の基本的な思想は、工作機械の機械主軸および加工ヘッドは多数のアクチュエータ機能モジュールおよびセンサ機能モジュールを有しているが、これらのアクチュエータ機能モジュールおよびセンサ機能モジュールは、主軸側バスシステムおよびヘッド側バスシステムにより中央機械制御部を介して簡単に制御できるというものである。これを可能にするため、本発明によれば、機械主軸が、複数個の主軸側機能モジュールと、主軸バスの構成要素を形成している配線システムとを有し、該配線システムに主軸側機能モジュールが主軸バスのサブスクライバーステーションの形態またはバスサブスクライバーの形態で接続され、その際主軸バスがさらに回転伝送区間を介して機械台固定のフィールドバスと接続していることが提案される。主軸回転数は高いことが多いため、データを無接触で、たとえば誘導性、容量性または光電子式の伝送経路を介して或いは無線でステータ側からロータ側へまたは祖ま逆方向に伝送するのが合目的である。

回転伝送区間は伝送プロトコルの適合が必要である。それ故、主軸バスが、機械台固定のフィールドバスと好ましくはフィールドバスアダプタを介して接続しているロータ固定のプロトコルコンバータを有しているのが合目的である。この場合、プロトコルコンバータは、プロトコルに関して異なっている個々のバスシステム間でプロトコルをコンバートする。プロトコルコンバータはソフトウェア製品またはハードウェア製品であってよく、或いは、これら両製品の任意の組み合わせであってもよい。

機械主軸では多数の異なる加工ヘッドが交換可能であり、これらの加工ヘッドが極めて異なる課題を持っていることがあるので、加工ヘッドは複数個の異なるヘッド側の機能モジュールを有している。合目的には、加工ヘッド内にも、ヘッドバスを形成している配線システムが設けられ、該配線システムにヘッド側の機能モジュールがヘッドバスのバスサブスクライバーの形態で接続されている。この場合、ヘッドバスは分離個所を介して主軸バスと接続し、よって機械台固定のフィールドバスとも接続している。通常は、機械主軸も加工ヘッドもセンサ機能モジュールおよび／またはアクチュエータ機能モジュールを含んでいる。

本発明の有利な実施態様によれば、機械主軸は、温度センサ、振動センサ、動力センサ、圧力センサ、湿度センサ、遮断空気センサ、潤滑状態センサ、回転数センサ、加速度センサ、のグループから少なくとも１つの主軸側の機能モジュールを測定部材として有し、および／または、遮断空気弁、アクチュエータ、空気圧または液圧電磁弁、潤滑剤配量器、冷媒配量器、主軸モータのグループから少なくとも１つの主軸側の機能モジュールをアクチュエータとして有している。

主軸バスとヘッドバスとが互いに互換性があれば、該主軸バスとヘッドバスとを分離個所において電気接続することができる。バスシステムが異なれば、適当なプロトコルコンバータを使用しなければならない。

本発明の有利な構成によれば、加工ヘッドは、リニアスライダまたは回転スライダ、アクチュエータ、駆動モータ、回転検出器、位置センサ、配量器、加熱要素、レーザー、温度センサ、加速度センサのグループから少なくとも１つのヘッド側の機能モジュールを有している。この場合、アクチュエータおよび駆動モータはスライダ操作のために設けられているのが合目的であり、他方回転検出器および位置センサはスライダシステム内部の位置測定のために設けられているのが合目的である。

これに対しクリーニング工程、溶接工程、蝋付け工程のためには、配量器および加熱モジュール並びに冷却モジュールが考慮される。

ヘッド側の機能モジュールは、有利には切削工具、穿孔工具、フライス工具、摩擦工具、溶接工具、蝋付け工具、硬化工具、コーティング工具、文字入れ工具、クリーニング工具、測定工具、カメラのグループからの工具を備えている。

主軸バスおよび／またはヘッドバスとしては、規格化されたフィールドバス、好ましくはＣＡＮバスまたはＬＩＮバスが考慮される。

本発明の他の有利な構成によれば、回転伝送区間は、無接触双方向データ伝送用の送受信ユニットを有している。

また、回転伝送区間は、さらに、無接触のおよび／または電気のエネルギー伝送用の送受信ユニットを有していてよい。主軸バスとヘッドバスとは台架固定のバスシステムを介して中央制御部と接続されていてよい。

次に、本発明を図示した実施形態を用いて詳細に説明する。
工作物加工用工作機械の主軸およびヘッドの制御構成図である。 工作物加工用工作機械の主軸およびヘッドの、図１の変形実施形態の制御構成図である。

図面に図示した機械主軸１０は、工作物を加工するための、特に完全加工(Komplettbearbeitung)するための工作機械の構成要素であり、工作機械は、さらに、図面には図示していない工具マガジンと、機械工具のための操作装置とを有している。機械主軸１０は工作機械内部において機械台内に配置され、３つの軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に変位可能に且つ回転可能にたとえば複合テーブルに配置され、或いは、原動機で駆動される。機械主軸１０の機械的および電気的な分離個所１４において加工ヘッド１２を交換可能であり、加工ヘッド１２は機械主軸の受容部に適合する連結要素を有している。さらに、機械第固定のステータ１８と機械主軸固定のロータ２０との間には、データ伝送用のデータ伝送体１６が設けられている。

工作機械は、さらに、とりわけ該工作機械の加工空間内での加工工具２４の運動を制御する中央の機械制御部（ＮＣ制御部）を含んでいる。互いに垂直な３つの軸Ｘ，Ｙ，Ｚを使用することにより、加工空間内のどの点にも到達することができる。さらに、図１および図２に図示した実施形態では、主軸１０の運動軸線に依存して変位可能な平面スライダ２６を備えた加工ヘッド１２が設けられている。この加工ヘッド１２は独立に制御可能な補助的なＵ軸を形成している。基本的には、図面に図示した加工ヘッドとしての平面スライダ２６の代わりに、たとえば切削工具、穿孔工具、フライス工具、リーマ工具、溶接工具、蝋付け工具、硬化工具、コーティング工具、マーキング工具、レーザー、クリーニング工具、測定工具等の多種の工具を使用してもよい。

本発明による工作機械の主軸・ヘッド制御の特徴は、機械主軸１０が、複数個の主軸側機能モジュール２８’，２８”，２８’’’と、主軸バス３０の１つの構成要素を形成している配線システムとを有している点である。主軸側機能モジュール２８’，２８”，２８’’’は主軸バス３０に接続されてサブスクライバーステーションを形成している。主軸バスは、データ伝送区間１６を介して、機械台固定のフィールドバス３２と通信する。両実施形態で示した主軸側機能モジュール２８’，２８”，２８’’’はセンサとして形成してもよいし、アクチュエータとして形成してもよい。主軸１０を監視するためにこのような機能モジュールが多数設けられており、これらの機能モジュールは大部分中央の機械制御部２２を介して監視され、制御され、調整することができる。このため、機械主軸１０の内部構造に立ち入らなくとも、主軸側機能モジュール２８’，２８”，２８’’’は測定要素としての温度センサ、振動センサ、力センサ、圧力センサ、湿度センサ、遮断空気センサ、溶融状態センサ、回転数センサ、加速度センサ、相対加速度センサのグループから考慮することができ、および／または、アクチュエータとしての遮断空気弁、アクチュエータ、空気圧または液圧のソレノイド弁、潤滑剤配量手段、スピンドルモータ、たとえば回転駆動部、調整駆動部、リニアダイレクトドライブのような駆動部、電気量の変換器のグループから考慮することができる。個々のサブスクライバーステーションはコンビネーションモジュールとして形成されていてもよく、たとえば回転数センサまたは遮断空気センサとしてのサーボドライブおよび遮断空気弁から構成されていてよい。

本発明の他の特徴は、加工ヘッド１２も、複数個のヘッド側機能モジュール３４’，３４”，３４’’’と、ヘッドバスの構成要素を形成している配線システムとを有している点にある。ヘッド側機能モジュール３４’，３４”，３４’’’はヘッドバス３６に接続されてサブスクライバーステーションを形成し、この場合ヘッドバス３６は分離個所１４において主軸バス３０と接続し、または、場合によってはこのために設けられる接続線３７と接続する。加工ヘッド１２の特殊な構成については詳細に言及しないが、加工ヘッド１２は、リニアスライダまたは回転スライダ、アクチュエータ、駆動モータ、回転検出器、位置センサ、配量器、加熱要素のグループから少なくとも１つの機能モジュール３４’，３４”，３４’’’を有していてよい。さらに、工具２４を備えた加工ヘッド１２の機能モジュール３４’，３４”，３４’’’は、切削工具、蝋付け工具、硬化工具、コーティング工具、文字入れ工具、クリーニング工具、測定工具のグループから構成されていてよい。これら列挙した機能モジュールは一例であり、完全なものではない。

図１に図示した実施形態は、主軸バス３０とヘッドバス３６とが、主軸固定のロータ２０と機械台固定のステータ１８との間の無接触回転伝送区間１６と補助的なフィールドバスアダプタ３８とを介して、中央機械制御部２２のフィールドバス３２とワイヤレスで結合されていることを示唆している。

図２の実施形態の場合、中央機械制御部２２は、ＰＬＣインターフェース４０，４０’とアキシャルインターフェース４２，４２’（出力データをアナログＮＣＡ制御器４４を介して伝送する）とを備えたＮＣ制御部分４３と、データをキャリア信号に変調してステータ１８とロータ２０との間のデータ伝送経路１６を介してワイヤレスで伝送する変調器４６とを含んでいる。異なるバスシステム間のプロトコルの適合のため、主軸１０にも加工ヘッド１２にもプロトコルコンバータ４８，５０が配置されている。

さらに、図２から見てとれるように、ＮＣデジタル制御部は、規格化されたデータバス３２とフィールバスカップリング５２とを介して或いは直接導線５４を介して回転伝送区間１６の変調器４６と接続されている。主軸バス３０としておよびヘッドバス３６として、たとえばＣＡＮバスのような規格化されたフィールドバスシステムを使用するのが有利であり、その結果大きなコストを要せずに異なる製造者の工具ヘッドを接続させることができる。

以上を要約すると、以下のようになる。本発明は、機械台と、該機械台に回転可能に配置され、原動機で駆動される機械主軸１０と、該機械主軸１０に交換可能に設けられ、前記機械主軸１０の受容部と互換性のある連結要素を有している少なくとも１つの加工ヘッド１２とを備えた工作機械に関する。さらに、機械台固定のステータ１８と主軸固定のロータ２０との間でデータを伝送するための回転伝送器１６が設けられている。本発明の特徴は、前記機械主軸１０が、複数個の主軸側の機能モジュール２８’，２８”，２８’’’と、主軸バス３０の構成要素を形成している配線システムとを有し、該配線システムに前記主軸側の機能モジュール２８’，２８”，２８’’’が接続されてサブスクライバーステーションを形成し、この場合前記主軸バス３０は、前記データ伝送区間１６を介して、機械台固定のフィールドバス３２と接続していることにある。有利には、加工ヘッド１２も、複数個のヘッド側の機能モジュール３４’，３４”，３４’’’と、ヘッドバス３６を形成している配線システムとを有し、該配線システムに前記ヘッド側の機能モジュールが接続されてサブスクライバーを形成し、この場合前記ヘッドバス３６は、分離個所１４を介して、主軸バス３０と接続していることにある。

１０ 機械主軸
１２ 加工ヘッド
１４ 分離個所
１６ 回転伝送器
１８ ステータ
２０ ロータ
２２ 機械制御部
２４ 加工工具
２６ 平面スライダ
２８’，２８”，２８’’’ 主軸側機能モジュール
３０ 主軸バス
３２ 機械台固定のフィールドバス
３４’，３４”，３４’’’ ヘッド側機能モジュール
３６ ヘッドバス
３７ 接続線
３８ フィールドバスアダプタ
４０，４０’ ＰＬＣインターフェース
４２，４２’ アキシャルインターフェース
４３ ＮＣ制御部
４４ ＮＣＡ制御器
４６ 変調器
４８ プロトコルコンバータ
５０ プロトコルコンバータ
５２ フィールドバスカップリング
５４ 導線

Claims (12)

1. 機械台と、該機械台に回転可能に配置され、原動機で駆動される機械主軸（１０）と、該機械主軸（１０）に交換可能に設けられ、前記機械主軸（１０）の受容部と互換性のある連結要素を有している少なくとも１つの加工ヘッド（１２）と、機械台固定のステータ（１８）と主軸固定のロータ（２０）との間でデータを伝送するための回転伝送器（１６）とを備えた工作機械において、
   前記機械主軸（１０）が、複数個の主軸側の機能モジュール（２８’，２８”，２８’’’）と、主軸バス（３０）の構成要素を形成している配線システムとを有し、該配線システムに前記主軸側の機能モジュール（２８’，２８”，２８’’’）が接続されてサブスクライバーステーションを形成していること、
   前記主軸バス（３０）が、前記データ伝送区間（１６）を介して、機械台固定のフィールドバス（３２）と接続していること、
   を特徴とする工作機械。
2. 前記主軸バス（３０）が、機械台固定の前記フィールドバス（３２）と好ましくはフィールドバスアダプタ（３８）を介して接続しているロータ固定のプロトコルコンバータ（４８）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の工作機械。
3. 前記機械主軸（１０）が、温度センサ、振動センサ、動力センサ、圧力センサ、湿度センサ、遮断空気センサ、潤滑状態センサ、回転数センサ、加速度センサ、相対加速度センサのグループから少なくとも１つの主軸側の機能モジュール（２８’，２８”，２８’’’）を測定部材として有し、および／または、遮断空気弁、アクチュエータ、空気圧または液圧電磁弁、潤滑剤配量器、冷媒配量器、主軸モータのグループから少なくとも１つの主軸側の機能モジュール（２８’，２８”，２８’’’）をアクチュエータとして有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の工作機械。
4. 前記加工ヘッド（１２）が、複数個のヘッド側の機能モジュール（３４’，３４”，３４’’’）と、ヘッドバス（３６）を形成している配線システムとを有し、該配線システムに前記ヘッド側の機能モジュール（３４’，３４”，３４’’’）が接続されて前記ヘッドバス（３６）のサブスクライバーを形成し、前記ヘッドバス（３６）が分離個所（１４）を介して前記主軸バス（３０）と接続していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の工作機械。
5. 前記ヘッドバス（３６）が、前記分離個所（１４）において前記主軸バス（３０）に電気接続され、または、プロトコルコンバータ（５０）を介して該主軸バスと接続していることを特徴とする、請求項４に記載の工作機械。
6. 前記加工ヘッド（１２）が、リニアスライダまたは回転スライダ、アクチュエータ、駆動モータ、回転検出器、位置センサ、配量器、加熱要素のグループから少なくとも１つの前記ヘッド側の機能モジュール（３４’，３４”，３４’’’）を有していることを特徴とする、請求項４または５に記載の工作機械。
7. 前記加工ヘッド（１２）が、切削工具、穿孔工具、フライス工具、摩擦工具、溶接工具、蝋付け工具、硬化工具、コーティング工具、文字入れ工具、クリーニング工具、測定工具、カメラのグループからの工具を備えた少なくとも１つの前記ヘッド側の機能モジュール（３４’，３４”，３４’’’）を有していることを特徴とする、請求項４から６までのいずれか一つに記載の工作機械。
8. 前記主軸バス（３０）および／または前記ヘッドバス（３６）が規格化されたフィールドバスとして、好ましくはＣＡＮバスまたはＬＩＮバスとして構成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の工作機械。
9. 前記回転伝送区間（１６）が、前記機械主軸（１０）の、前記加工ヘッド（１２）とは逆の側の端部に配置されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載の工作機械。
10. 前記加工ヘッド（１０）が、原動機で駆動可能な、工具を受容するためのスライダと、該スライダ用に調整された位置決めシステムとを有していることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の工作機械。
11. 前記回転伝送区間（１６）が、無接触双方向データ伝送用の送受信ユニットを有していることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の工作機械。
12. 前記回転伝送区間（１６）が、さらに、無接触のおよび／または電気のエネルギー伝送用の送受信ユニットを有していることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一つに記載の工作機械。

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