JP2018531801A - 可動部材のストローク長を調整する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

ストローク長を最小ストローク長と最大ストローク長との間で際限なく変化させることができるように往復運動部材のストローク長を調整する装置及び方法を提供する。１対のクランク軸がそれぞれ偏心体に連結され、位相オフセットを調整することによってストローク長を変化させることができるような位相オフセットを伴って動作するように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に往復運動部材のストローク長を調整する装置に関する。具体的には、本発明は、プレス機の可動部材のストローク長を調整する装置を有する機械式プレス機に関する。

〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０１５年１０月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／２４１，２６０号の合衆国法典第３５編第１１９条（ｅ）に基づく出願日遡及の特典を主張するものであり、この文献の開示は引用により本明細書に組み入れられる。

プレス機械は、金属などの材料を、その形状及び内部構造を変化させることによって加工して部品を形成するために使用されるツールである。

パンチプレス機は、材料の形成及び／又は切断に使用されるタイプのプレス機械である。パンチプレス機は、（雄の）パンチと（雌の）ダイとの組から成る１又は２以上のダイセットを保持し、これらは、互いに押し付けられると加工物に穴を形成し、又は何らかの所望の形で加工物を変形させることができる。パンチ及びダイは、パンチング加工中にパンチが可動部材の端部に一時的に取り付けられた状態で取り外すことができる。

プレス機駆動装置は、可動部材の垂直方向における直線運動を可能にする。多くの従来の機械式プレス機では、プレス機駆動装置が、モータと、回転振動運動を可動部材の直線運動に変換するように構成された単一のクランク軸とを含む。可動部材のストローク長は、しばしば調整されることが望ましい。可動部材のストローク長を調整する例は、特許文献１乃至７に見受けられ、これらの文献の開示は引用により本明細書に組み入れられる。

米国特許第６，６０６，９４１号公報 米国特許第６，６４７，８６９号公報 米国特許第第６，６５４，６６１号公報 米国特許第６，７１１，９９５号公報 米国特許第７，０２４，９１３号公報 米国特許出願公開第２００５／０１４５１１７号公報 米国特許出願公開第２００６／０１４４２５８号公報

本発明を明確に理解して容易に実施できるように、本明細書に組み込まれてその一部を成す、同一又は同様の要素を同じ参照符号によって示す以下の図と共に本発明を説明する。

本発明の実施形態によるプレス機械の斜視図である。 本発明の実施形態によるプレス機械の一部のクランク軸及び偏心体の詳細図である。 本発明の実施形態によるプレス機械の平面図である。 本発明の実施形態によるプレス機械の一部の概略図である。

本発明の図及び説明は、本発明の明確な理解に関連する要素を示す一方で、明確にするために、周知と考えられる他の要素を排除するように単純化したものであると理解されたい。当業者であれば、本明細書では、特許出願の明細書を単純化するために、例えば図に示す以外の反応器冷却材ポンプの構成部品などを全て詳細に説明してはいないと認識するであろう。

以下の説明における「上部」、「下部」、「垂直」、「水平」、「軸方向」、「頂部」、「底部」という用語及びその派生語は、図面の図における本発明の配向に関連するものとする。しかしながら、本発明は、そうでないと明示している場合を除き、様々な代替構成を取ることもできると理解されたい。また、図に示し以下の明細書において説明する特定の要素は、本発明の例示的な実施形態にすぎないと理解されたい。従って、本明細書に開示する実施形態に関する特定の寸法、配向及びその他の物理的特性は、限定的なものと見なすべきではない。

以下、添付図面を参照しながら詳細な説明を行う。図面では、図全体を通じて、対応する部品を同じ参照符号によって示す。

図１〜図３に、一般に垂直軸１４に沿って移動する、例えばプレス機械のラムなどの可動部材１２を含むプレス機械１０を示す。可動部材１２は、フレーム１６内に位置する。フレーム１６は、可動部材１２を垂直軸１４に沿って動くように制限する垂直ガイドポスト１８、２０を含む。

プレス機械１０は、フレーム１６に連結されたベッド２２を含む。

プレス機駆動装置２４は、少なくとも１つのモータ７０と、第１及び第２のクランク軸２６、２８とを含む。この実施形態では、少なくとも１つのモータが１対のモータ７０、７１を含み、１つのモータが各クランク軸２６、２８をその回転軸の周囲でそれぞれ回転させる。少なくとも１つのモータは、サーボモータであることが好ましい。或いは、少なくとも１つのモータは、従来の回転モータとすることもできる。少なくとも１つのモータは、第１及び第２のクランク軸２６、２８に動作可能に連結されることによってこれらを駆動する。この実施形態では、第１のモータ７０がクランク軸２６に固定的に連結され、第２のモータ７１がクランク軸２８に固定的に連結されることによってこれらを回転駆動する。或いは（図示してはいないが）、これらの少なくとも１つのモータは、ベルト車式駆動装置、歯車式駆動装置、又はクランク軸２６及び２８を駆動する他のクランク軸駆動手段を介して第１及び第２のクランク軸２６及び２８に動作可能に連結することもできる。

クランク軸２６、２８と可動部材１２との間で動きを伝えるために、連結アセンブリ３０が設けられる。１つの連結アセンブリ３０を示しているが、クランク軸２６、２８の軸方向長さに沿って複数の連結アセンブリ３０を設けることもできる。図示の実施形態では、連結アセンブリが、可動部材１２に固定的に連結された第１の端部３４と第２の端部３６とを有する加圧柱３２を含む。連結アセンブリは、第１の部分７４及び第２の部分７５と、第１の端部５４と、第２の端部５６と、これらの第１及び第２の端部５４、５６間に位置する枢着部４０とを有する平均化リンク（averaging link）３８をさらに含む。平均化リンク３８の第１の部分７４は、第１の端部５４と枢着部４０とによって囲まれた平均化リンク３８の部分であり、平均化リンク３８の第２の部分７５は、第２の端部５６と枢着部４０とによって囲まれた平均化リンク３８の部分である。連結アセンブリは、第１の端部４６とその反対側の第２の端部５０とを有する第１の連結部材４２と、第１の端部４８とその反対側の第２の端部５２とを有する第２の連結部材４４とをさらに含む。

加圧柱３２は、その枢着部４０が平均化リンク３８に枢動可能に連結される。平均化リンク３８の第１及び第２の端部５４、５６は、連結部材４２、４４の第２の端部５０、５２にそれぞれ枢動可能に連結される。平均化リンク３８は、連結部材４２、４４の２つの位置の加重平均によって可動部材１２のストローク長を制御できるように機能する。好ましい実施形態では、平均化リンク３８の第１及び第２の部分が等しい長さであり、すなわち枢着部４０が平均化リンク３８の第１及び第２の端部５４、５６における枢動連結部の中間に存在し、平均化リンク３８は、連結部材４２、４２の２つの位置を平均化する（非加重化する）ように機能する。

クランク軸２６は、クランク軸２６の回転軸上に軸方向中心を有する円筒形主要部分５８を含み、クランク軸部分５８に回転可能に固定された、又はクランク軸部分５８と一体に形成された少なくとも１つの偏心体６０をさらに含む。偏心体６０の周囲には、連結部材４２の第１の端部４６の貫通孔６４内に配置されたブッシュ６２が配置される。クランク軸２６がクランク軸の軸線を中心に回転すると、偏心体６０が回転することによって連結部材４２が動くようになる。

同様に、クランク軸２８は、クランク軸２８の回転軸上に軸方向中心を有する円筒形主要部分５９を含むとともに、クランク軸部分５９に回転可能に固定された、又はクランク軸部分５９と一体に形成された少なくとも１つの偏心体６１をさらに含む。偏心体６１の周囲には、連結部材４４の第１の端部４８の貫通孔６５内に配置されたブッシュ６３が配置される。クランク軸２８がクランク軸の軸線を中心に回転すると、偏心体６１が回転することによって連結部材４４が動くようになる。

図４は、図１〜図３の主要可動要素の簡略図である。クランク軸２６の角度位置Θ₁は、クランク軸部分５８の中心と偏心体６０の中心とを通じて引いた線の、右手の法則の座標系における水平からの角度測定値を表す。クランク軸２８の角度位置Θ₂は、クランク軸２８の中心と偏心体６１の中心とを通じて引いた線の、右手の法則の座標系における水平からの角度測定値を表す。偏心体６０の偏心度Ａ₁は、クランク軸部分５８の中心と偏心体６０の中心との間の直線距離の測定値を表す。偏心体６１の偏心度Ａ₂は、クランク軸部分５９の中心と偏心体６１の中心との間の直線距離の測定値を表す。

動作時には、クランク軸２６及び２８が、それぞれ同方向又は逆方向に同期して回転する第１又は第２の動作モードで駆動され、クランク軸２６の角度位置Θ₁がゼロの時には、位相オフセットが第２のクランク軸２８の角度位置Θ₂に対応する。ストローク長の調整が望ましい時には、以下で詳細に説明するように、少なくとも１つのモータ又は少なくとも１つのクランク軸駆動手段を位相オフセットが変化するように調整することによってプレス機械のストローク長を変化させる。図示の好ましい実施形態では、クランク軸が新たな位相オフセットで動作するように１対のモータの少なくとも一方を調整する。両方のモータを調整することも、或いは一方のモータを調整して他方のモータを調整しないこともできる。

枢着部４０、加圧柱３２、従って可動部材１２の垂直位置Ｙは、クランク軸２６及び２８のそれぞれの角度位置Θ₁及びΘ₂、偏心体６０及び６１のそれぞれの偏心度Ａ₁及びＡ₂、連結部材４２及び４４の長さＢ₁及びＢ₂、平均化リンク３８の第１及び第２の部分の長さＣ₁及びＣ₂、並びにこれらの幾何学的関係及び位置の関数である。当業者には、連結部材４２及び４４の長さＢ₁及びＢ₂と、平均化リンク３８の第１及び第２の部分の長さＣ₁及びＣ₂とが、偏心体６０及び６１の偏心度Ａ₁及びＡ₂よりもはるかに大きい時には、以下の式を用いて枢着部４０、加圧柱３２、従って可動部材１２の垂直位置Ｙを近似できることが明らかであろう。

第１及び第２の動作モードでは、クランク軸２６及び２８が角速度ω₁及びω₂でそれぞれ動作する。ω₁及びω₂が時間的に変化しない一定の角速度である場合には、式（１）を以下のように書き換えることができる。

ここでのΘ_1,0及びΘ_2,0は、任意に選択した時点ゼロにおけるクランク軸２６及び２８の偏心体６０及び６１の角度位置をそれぞれ表す。
第１及び第２の動作モードでは、クランク軸２６及び２８の偏心体６０及び６１が等しい偏心度、すなわちＡ₁＝Ａ₂であることをさらに特徴とし、任意に選択した時点ゼロが、第１のクランク軸２６の角度位置がゼロの時点である時、すなわちΘ_1,0＝０の場合には、式（２）を以下のように書き換えることができる。

ここでのΘ_2,0,0は、クランク軸２６の偏心体６０の角度位置がゼロ（Θ_1,0＝０）の時点におけるクランク軸２８の偏心体６１の角度位置を表す。式（３）は、以下のよう整理し直すことができる。

以下の三角関数の公式を用いる。

式（４）は、以下のように書き換えることができる。

さらに単純化すると以下のようになる。

第１の動作モードでは、角速度が等しい大きさであって回転方向が同じ方向である場合、すなわちω₂＝ω₁の場合、クランク軸２６及び２８が同期して回転する。従って、式（５）は以下のように書き換えることができる。

単純化して整理し直すと以下のようになる。

三角関数の公式Ｃｏｓ（−α）＝Ｃｏｓ（α）を適用すると以下の式が得られる。

式（６）からは、第１の動作モードで動作した場合、可動部材１２の時間の関数としての位置Ｙ（ｔ）は正弦波（この例では正弦波）として特徴付けられ、そのストローク長は、事前関数（ｐｒｉｏｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）において表される可動部材１２の動きの振幅の２倍であって、第１のクランク軸２６の角度Θ₁がゼロ、すなわち位相オフセット（Θ_2,0,0）の時点における偏心体６０、６１の偏心度Ａ₁と第２のクランク軸２８の角度Θ₂との関数であることが分かる。さらに、式（６）からは、位相オフセットを変化させることによって、説明した本発明のプレス機械のストローク長を最大ストローク長と最小ストローク長との間で際限なく変化させられることも分かる。説明した好ましい実施形態の場合には、位相オフセットΘ_2,0,0がゼロ（０）度に等しい時に（式（６））、最大ストローク長が偏心体６０及び６１の等しい偏心度Ａ₁及びＡ₂のそれぞれほぼ２倍になり、位相オフセットΘ_2,0,0が１８０度に等しい時に（式（６））、最小ストローク長がほぼゼロになる。従って、本発明は、位相オフセットΘ_2,0,0をゼロ（０）〜１８０°の間で際限なく変化させることができる限り、最大ストローク長と最小ストローク長との間の無限の可変性のストローク長をもたらす能力を有する。

第２の動作モードでは、クランク軸２６及び２８が同期して回転し、角速度が等しい大きさであり、これらの回転方向が逆方向であり、すなわちω₂＝−ω₁である。従って、式（５）は以下のように書き換えることができる。

単純化すると以下のようになる。

式（７）からは、第２の動作モードで動作した場合、可動部材１２の時間の関数としての位置Ｙ（ｔ）は正弦波（この例では余弦波）として特徴付けられ、そのストローク長は、事前関数において表される可動部材１２の動きの振幅の２倍であって、第１のクランク軸２６の角度Θ₁がゼロ、すなわち位相オフセット（Θ_2,0,0）の時点における偏心体６０、６１の偏心度Ａ₁と第２のクランク軸２８の角度Θ₂との関数であることが分かる。さらに、式（７）からは、位相オフセットを変化させることによって、説明した本発明のプレス機械のストローク長を最大ストローク長と最小ストローク長との間で際限なく変化させられることも分かる。説明した好ましい実施形態の場合には、位相オフセットΘ_2,0,0が１８０度に等しい時（式（７））の最大ストローク長が偏心体６０、６１の偏心度Ａ₁のほぼ２倍になり、位相オフセットΘ_2,0,0がゼロ（０）度に等しい時（式（７））の最小ストローク長がほぼゼロになる。従って、本発明は、位相オフセットΘ_2,0,0をゼロ（０）〜１８０°の間で際限なく変化させることができる限り、最大ストローク長と最小ストローク長との間の無限の可変性のストローク長をもたらす能力を有する。

好ましい実施形態では、数学的処理を単純化することのみを目的として多くの幾何学的条件を説明した。これらの条件は、以下に限定するわけではないが、クランク軸２６及び２８の偏心体６０及び６１の偏心度Ａ１及びＡ２が等しいこと、平均化リンク３８の第１の及び第２の部分７４、７５の長さＣ１及びＣ２が等しいこと、連結部材４２及び４４の長さＢ１及びＢ２が等しいこと、連結部材４２及び４４の長さＢ１及びＢ２と、平均化リンク３８の第１及び第２の部分７４、７５の長さＣ１及びＣ２とが、偏心体６０及び６１の偏心度Ａ１及びＡ２よりもはるかに大きいことを含む。この場合、当業者には、たとえ上記の及び／又はその他の条件が異なる場合であっても、可動部材１２の時間の関数としての位置Ｙ（ｔ）を記述する関数は、本発明のプレス機械のストローク長が、クランク軸２６及び２８の偏心体６０及び６１のそれぞれの偏心度と、これらのクランク軸間の位相オフセットとの関数であることを特徴としていることが明らかであろう。

さらに、当業者には、クランク軸２６及び２８の角速度が経時的に一定である必要はなく、むしろ時間と共に変化することもできることが明らかであろう。しかしながら、それぞれの角速度は同期していることが有利である。すなわち、クランク軸２６の回転速度とクランク軸２８の回転速度は時間の関数として等しい大きさであり、同方向又は逆方向の一方である。これらのクランク軸２６及び２８の回転速度は、経時的に一定とすることも、又は時間と共に変化することもできる。

プレス機械の実施形態に関して本発明を説明したが、本発明はプレス機械に限定されるものではなく、圧縮機及びＶ８エンジンなどのストローク長の調整能力が好ましい他の動作にも適用可能である。

２つのクランク軸を互いに位相ずれして動作させる能力を有する２つの同期モータに関して本発明を説明した。２つのモータの使用は、２つのハーフサイズのモータの使用を可能にする。しかしながら、本発明は２つのモータに限定されるものではなく、一方のクランク軸を他方のクランク軸と位相ずれして動作させる調整能力が可能な構成である限り、２つよりも多くのモータ又は単一のモータにも適用することができる。

駆動装置と可動部材との間の図示の連結アセンブリに関して本発明を説明した。しかしながら、本発明は、図示の連結アセンブリに限定されるものではなく、米国特許第５，８２３，０８７号及び第６，０５５，９０３号に図示及び記載されている連結アセンブリなどの、可動部材との複数の連結部及び／又は連結点を有する連結アセンブリを使用することもでき、これらの文献の開示は引用により本明細書に組み入れられる。

当業者であれば、本明細書の教示に照らして、本発明の趣旨から逸脱することなく、又は本発明の範囲を超えることなく、さらなる実施形態及び修正形態を生み出すことができる。

上記の説明は、決して本発明をいずれかの特定の材料、形状又は配向の要素に限定するものではない。多くの部品／配向の置換が本発明の範囲において検討され、当業者に明らかになるであろう。本明細書で説明した実施形態は一例として示したものにすぎず、本発明の範囲を限定するために使用すべきものではない。

１０ プレス機械
１２ 可動部材
１４ 垂直軸
１６ フレーム
１８ 垂直ガイドポスト
２０ 垂直ガイドポスト

Claims (21)

1. 第１の角速度で回転するように構成され、第１の偏心度を有する第１の偏心体に固定的に連結された第１のクランク軸と、
   第２の角速度で回転するように構成され、第２の偏心度を有する第２の偏心体に固定的に連結され、前記第１のクランク軸と位相オフセットした状態で動作するように構成された第２のクランク軸と、
   垂直軸に沿ってストローク長にわたって移動するように構成された可動部材と、
   前記第１及び第２の偏心体と、前記可動部材とに動作可能に連結された連結アセンブリと、を備え、
   前記連結アセンブリは、前記第１及び第２の偏心体に連結された前記第１及び第２のクランク軸の回転運動を、垂直軸に沿った前記ストローク長にわたる前記可動部材の直線運動に変換するように構成され、その結果、前記ストローク長は前記位相オフセットを調整することによって変化させることができる、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第１のクランク軸は、第１のモータに動作可能に連結されて該第１のモータによって回転し、前記第２のクランク軸は、前記第１のモータに動作可能に連結されて該第１のモータによって回転する、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のクランク軸は、第１のモータに動作可能に連結されて該第１のモータによって回転し、前記第２のクランク軸は、第２のモータに動作可能に連結されて該第２のモータによって回転する、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記連結アセンブリは、前記可動部材が移動する前記ストローク長を、最大ストローク長と最小ストローク長との間で際限なく変化させることができるように構成される、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記連結アセンブリは、
   前記第１の偏心体に動作可能に連結された第１の連結部材と、
   前記第２の偏心体に動作可能に連結された第２の連結部材と、
   第１の端部と第２の端部とを有する平均化リンクとを含み、
   前記第１の連結部材は、前記平均化リンクの前記第１の端部に動作可能に連結され、
   前記第２の連結部材は、前記平均化リンクの前記第２の端部に動作可能に連結され、
   前記可動部材は、前記平均化リンクの前記第１の端部と前記第２の端部との間の前記平均化リンク上の連結位置において、前記平均化リンクに連結される、
   請求項１に記載の装置。
6. 前記平均化リンクの前記第１の端部と前記平均化リンク上の前記連結位置との間の距離は、前記平均化リンクの前記第２の端部と前記平均化リンク上の前記連結位置との間の距離に等しい、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記垂直軸に沿った前記可動部材の垂直位置を、
   前記第１の偏心体の前記第１の偏心度と、前記第１のクランク軸の第１の角度位置の和の正弦との積の１／２と、
   前記第２の偏心体の前記第２の偏心度と、前記クランク軸の第２の角度位置の和の正弦との積の１／２と、
   の総和によって近似させることができるように構成される、
   請求項６に記載の装置。
8. 前記第１及び第２の連結部材は、長さが等しい、
   請求項６に記載の装置。
9. 所与の時点における前記垂直軸に沿った前記可動部材の垂直位置を、
   前記所与の時点における前記第１のクランク軸の前記第１の角速度と前記所与の時点との積に、前記所与の時点における前記第１の偏心体の第１の角度位置を加算した和の正弦と、前記第１の偏心体の前記第１の偏心度との積の１／２と、
   前記所与の時点における前記第２のクランク軸の前記第２の角速度と前記所与の時点との積に、前記所与の時点における前記第２の偏心体の第２の角度位置を加算した和の正弦と、前記第２の偏心体の前記第２の偏心度との積の１／２と、
   の総和によって近似させることができるように構成され、
   前記第１のクランク軸の前記第１の角速度及び前記第２のクランク軸の前記第２の角速度は一定であって経時的に変化しない、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記第１のクランク軸は、前記第２のクランク軸と同じ方向に回転するように構成される、
    請求項１に記載の装置。
11. 前記第１のクランク軸は、前記第２のクランク軸の前記第２の角速度に等しい大きさの経時的に一定な第１の角速度で回転するように構成される、
    請求項１０に記載の装置。
12. 前記第１のクランク軸は、前記第２のクランク軸が回転するように構成された方向とは逆の方向に回転するように構成される、
    請求項１に記載の装置。
13. 前記第１のクランク軸は、前記第２のクランク軸の前記第２の角速度に等しい大きさの経時的に一定な前記第１の角速度で回転するように構成される、
    請求項１２に記載の装置。
14. 可動部材の位置を制御する方法であって、
    前記可動部材を垂直軸に沿ってストローク長にわたって駆動するように構成された連結アセンブリに動作可能に連結された第１の偏心体に固定的に連結された第１のクランク軸を回転させるステップと、
    前記可動部材を垂直軸に沿って該可動部材の前記ストローク長にわたって駆動するように構成された連結アセンブリに動作可能に連結された第２の偏心体に固定的に連結された第２のクランク軸を回転させるステップと、
    前記第１のクランク軸と前記第２のクランク軸との間の位相オフセットを調整することによって前記ストローク長を調整するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
15. 前記第１のクランク軸は、第１のモータに動作可能に連結されて該第１のモータによって回転し、前記第２のクランク軸は、前記第１のモータに動作可能に連結されて該第１のモータによって回転する、
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１のクランク軸は、第１のモータに動作可能に連結されて該第１のモータによって回転し、前記第２のクランク軸は、第２のモータに動作可能に連結されて該第２のモータによって回転する、
    請求項１４に記載の方法。
17. 前記可動部材は、最大ストローク長と最小ストローク長との間で際限なく変化できるストローク長にわたって駆動することができる、
    請求項１４に記載の方法。
18. 前記第１のクランク軸を、前記第２のクランク軸が回転する方向と同じ方向に第１の角速度で回転させるステップをさらに含む、
    請求項１４に記載の方法。
19. 前記第２のクランク軸を、前記第１の角速度に等しい大きさの第２の角速度で回転させるステップをさらに含む、
    請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１のクランク軸を、前記第２のクランク軸が回転する方向とは逆の方向に第１の角速度で回転させるステップをさらに含む、
    請求項１４に記載の方法。
21. 前記第２のクランク軸を、前記第１のクランク軸の前記第１の角速度に等しい大きさの第２の角速度で回転させるステップをさらに含む、
    請求項２０に記載の方法。

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