JP3545342B2 - フライス加工センタに代表される工作機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械、特にフライス加工用センタに関するものである。本工作機械は、フレームと、工具または工作物のためのホルダと、ホルダを第１平面に存在する中心軸によって規定された該ホルダの空間方位を維持しながら平面掃引形態でガイドするためにフレームに基点を置いて設けられた連結式ガイド部材と、連結式ガイド部材によってガイドされたホルダを空間内で移動・固定するためにフレームに基点を置いて設けられた駆動装置とを備えている。
【０００２】
ホルダが連結式ガイド部材によってガイドされる工作機械は、ホルダがガイドレールによってガイドされる工作機械よりも柔軟性があり、軽量で、機動性に富み、ガイドの下部構造体、被覆部、及び切削装置を含む経路全体にわたって設けられるガイドが不要となるとともに、ガイドされた部材が切削片や加工補助手段に対して有する作用面が大幅に減少する。
【０００３】
欧州特許第０ ８１２ ６５２号公開公報による工作物の加工及び／または取付けのための装置は連結式ガイド部材を有し、この連結式ガイド部材により、２つのリニアモータによって調節可能なホルダは平面的な移動ができる。このような平面に対して垂直方向の移動は、ホルダをピノール（センタースリーブ）状に形成すること、及び／または、別個の横断移動手段によって実現される。しかしながら、これらの方法はいずれも、ホルダをガイドレールでガイドする場合の欠点、すなわち、テーブル及び／またはピノールのガイド及び付属する被覆部及び切削装置によって、実現可能な速度や加速度が制限されるという欠点を、なお有している。
【０００６】
さらに、ホルダが６つのそれぞれＮＣ制御されたリニアアクチュエータによって空間内でガイドされ、移動・固定が行われる工作機械が周知である。この場合、連結式ガイド部材を用いないため、制御の手間がかかり、コストが増大し、場所を多く必要とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、構成方法がより簡単で、より高い速度および加速を可能にすると共に適用の可能性が広がるような同種の工作機械を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような課題は本発明により、２つの互いに連結された平行四辺形状の四節リンクチェーンを有し、ホルダを有する連結式ガイド部材が、第１平面に交差する第２平面において、中心軸に対して平行に設けられた回動軸を中心にして回動可能であることによって解決される。
【００１０】
３つの直交座標ｘ， ｙ， ｚ によって表される各点は、第１平面において平面掃引形態で移動可能で第２平面において回動可能である。これは、３つの回転自由度を直交座標軸ｘ， ｙ， ｚを中心としてまとめる連結式ガイド部材によって達成可能であり、フレームを基点とし、３つの移動自由度を直交座標軸ｘ， ｙ， ｚに沿ってまとめる駆動装置によって制御可能であることによって、工作物を加工するために工具または工作物を支持するホルダをピノール状に形成することも、工作物または工具を支持する装置、例えばテーブルまたは工具ホルダーをホルダに同期させて動かすことも不要となる。
【００１１】
本発明の１つの構成によれば、四節リンク機構は第１平面内、または第１平面に平行な平面内に設けられている。第１の四節リンク機構のフレームに起点を置く同じ長さの２つの第１部材がフレームから見て遠方側に有する連結軸、及び、第２の四節リンク機構のホルダに連結された同じ長さの２つの第２部材がホルダから見て遠方側に有する連結軸は、好適に、これらの四節リンク機構を閉じる共通の連結器に配設されている。
【００１２】
この連結器は３つの連結軸を有し、そのうち第１の軸が第１部材を軸支し、第２の軸がもう一方の第１部材及び第２部材を軸支し、第３の軸がもう一方の第２部材を軸支している。連結器に連結軸を２本だけ設けることもできる。その場合、それぞれの軸が第１部材と第２部材を共に支持する。さらに、この連結器はフレームを起点とする部材及び／またはホルダにガイドされる部材の間に、連結器の継ぎ手軸がフレームまたはホルダに連結されたリンク軸からそれぞれ等しい距離を有するように設けることができる。第１及び第２部材は、引張り・圧縮力も、曲げ力及び捩り力も受けるため、引張り・圧縮力のみを支持する従来の別の第１及び第２部材よりも大きな断面を有して形成される。
【００１３】
本発明のさらなる形成によれば、四節リンクチェーンは回動体によって支持され、この回動体はホルダの中心軸に対して平行にフレームに設けられた回動軸を中心として回動可能である。
【００１４】
駆動装置はまたアクチュエータを有し、これらのアクチュエータはフレームに連結されたり、ホルダまたは四節リンク機構に連結されたりし、連結距離はアクチュエータごとに変化する。駆動装置はフレームに対して長さが変化するリニアアクチュエータを好適に３つ有し、これら各リニアアクチュエータの一方の端部は相互に離間した位置でフレームと連結され、他方の端部はホルダと連結されている。この連結はカルダンジョイントまたはボールジョイントによって行われる。連結点はホルダ中心軸の方向に向かって見た場合、それぞれ１２０°ずつずらして設けられている。ホルダの中央作用点においてリニアアクチュエータは中心軸に対して４５°の角度をなし、カルダンジョイントの２つの継ぎ手軸に対して９０°の角度をなす。リニアアクチュエータはそれぞれ回転駆動可能なナットと軸方向に移動可能な捻り強さを有するねじシャフトを有するが、リニアダイレクトモータ、ラック・アンド・ピニオン駆動装置、作用シリンダなどとして形成することもできる。
【００１５】
ホルダは好適に、工具または工作物を支持する作用軸が軸受けされる軸ヘッドとして形成されている。作用軸の回転角度位置は例えばソフトウェアなどによって修正可能であり、作用軸の回転軸は好適に中心軸と一致する。ホルダは固定された工具または工作物を支持することも可能である。ホルダが工作台に設けられた工作物を加工可能な工具を支持する場合、工作台の下方及び連結式ガイド部材及び駆動装置の周りには回転拘束された第１のケーシングが、工作台の上方には開放可能な第２のケーシングがアーチ形に形成され、これらのケーシングはともにコックピット状に全体のケーシングを形成し、少なくとも第２のケーシングは透明である。四節リンク機構の２つの部材の間に、好適に押圧ばねとして形成される重量調整装置を設けることもできる。四節リンク機構と平行して動力供給チェーンが設けられている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施の形態に基づいてより詳しく説明する。
【００１７】
切削加工用センタはフレーム２を有し、このフレームは順に工作台４，回動部材６、３つのシャフト駆動装置８及びコントロールボックス１０を支持し、ケーシング１２に被覆されている。ケーシングそれ自体を、フレーム２を構成する部材とすることも可能である。作用空間１４の上方には透明なコックピット１６がアーチ形に形成され、このコックピットはケーシング１２と共にコックピット１８を形成し、開閉可能である。
【００１８】
工作台４は場合により、垂直な回転軸２０を中心として回転可能である。工作台は最大の外輪郭２２を有する工作物を支持する。
【００１９】
回動部材６は工作台４の垂直な回転軸２０を横断する水平な回動軸２４を中心として回動可能である。
【００２０】
切削加工用センタの工作台４の方向に上昇する部分において、回転軸２０と回動軸２４が形成する平面に対して垂直に設けられている回動軸２６及び２８を中心としてフォーク状に形成され、引張り力と圧縮力を支持するための小さい断面の副連結部材３０と、同じ長さでフォーク状に形成された引張り力、圧縮力、曲げ力及び捩り力を支持するための大きい断面の主連結部材３２が軸受けされている。これらの連結部材のフレームから離れた端部では、回動軸２６及び２８に対して平行に設けられている回動軸３４及び３６を中心として３角形の方向転換レバー３８が軸受けされている。主連結部材３２及び副連結部材３０は、回動部材６と方向転換レバー３８からなる部分とともに四節リンク機構４０を形成する。この四節リンク機構の平行四辺形構造は、回動軸２６と３４との軸間距離が回動軸２８と３６の軸間距離に等しく、回動軸２６と２８の軸距離が回動軸３４と３６の軸距離に等しいことにより形成されている。
【００２１】
方向転換レバー３８は同時に、同様に平行四辺形状の四節リンク機構４２を形成している。さらにこの方向転換レバーには回動軸３６及びこれに平行な回動軸４４を中心として、フォーク状に形成された、引張り力、圧縮力、曲げ力及び捩り力を支持するための大きい断面の主連結部材４６と、フォーク状に形成された、同じ長さの、引張り力と圧縮力を支持するための小さい断面の副連結部材４８が軸受けされ、これらの連結部材の他方の端部には、回動軸３６及び４４に対して平行に設けられている回動軸５０及び５２を中心として動力軸５６を有する軸ヘッド５４が軸受けされている。回動軸３６と５０との軸間距離が回動軸４４と５２との軸間距離に等しく、回動軸３６と４４との軸間距離が回動軸５０と５２との軸間距離に等しいことによって、主連結部材４６及び副連結部材４８及び方向転換レバー３８と軸ヘッド５４からなる部分から構成される四節リンク機構４２は平行四辺形を形成する。
【００２２】
軸ヘッド５４の上面及び両側面には、カルダンジョイント６０によって全部で３つの回転しないねじシャフト６２が連結され、これらのねじシャフトはフレーム側のシャフト駆動装置８の回転駆動可能な軸ナット６４に螺合され、シャフト駆動装置のケーシング６６はカルダンジョイント６８によってフレーム２に連結されている。前面から動力軸５６の方を見ると、フレーム側の連結点はそれぞれ１２０°ずつずらされて配設されている。互いに垂直な平面（ｘ−ｙ， ｘ−ｚ， ｙ−ｚ）によって限定された制御可能な作用空間の空間対角線の交点に動力軸５６の前縁が配置されると、ねじシャフト６２は動力軸５６の回転軸５８と４５°の角度をなし、カルダンジョイント６８の２本の継ぎ手軸とそれぞれ９０°の角度をなす。図２には， ｘ−ｚ平面における作用面が７０、図３ではｘ−ｙ平面における作用面が７２、図４から８ではｙ−ｚ平面における作用面が７４で示されている。図２及び３から、制御可能な立方体の作用空間のほかに制御可能な二つの周辺領域７６が存在していることが認められる。これらの周辺領域は工具及び／または工作物を交換するために確保されている。図２及び３には交換位置に設けられた動力軸を符号７８によって示している。
【００２３】
四節リンク機構４０及び４２に対して平行に、図示しない動力チェーンがガイドされており、動力チェーンは動力軸５６に動力を供給する。連結軸５２及び２８の間に連結された図示しない押圧ばねは重量の調整を行う。
【００２４】
本発明の作用は以下の通りである。
【００２５】
動力軸５６の後方上部位置（図５）のねじシャフト６２を外方に向けて最大限引き込むと、連結部材３０及び３２は互いの距離が最大になり、連結部材４６及び４８は互いの距離が最小となる。
【００２６】
動力軸をこのような位置から該動力軸の回転軸に沿ってＺ方向に移動させるためには、軸ナット６４に支持され回転拘束されたねじシャフト６２を作用空間１４の方向に（Ｙ−Ｚ平面に対して）移動させるよう、軸ナット６４をシャフト駆動装置８によって、左右対称にねじ後退方向に回転させる。これはすなわち、ねじシャフトがフレームに対してねじシャフトの長さを拡大することに他ならない。入れ子式装置、ラック・アンド・ピニオン装置、作用シリンダなどを用いて同様のことを実現することもできる。動力軸がＺ方向に移動する時、互いに連結された四節リンク機構４０及び４２は、連結部材３０及び３２が互いの距離を減少させながら垂直に立ち上がり、連結部材４６及び４８が互いの距離を増大させながら作用空間１４の方向に傾くことにより、共に移動する。このとき方向転換レバー３８や動力軸５６などの、平行四辺形状の四節リンク機構４０及び４２の他の対向する部材はそれぞれ方向を変えない。
【００２７】
動力軸５６を図６に示す位置からＹ方向に下方に移動するためには、上部に設けられたねじシャフト６２を既に述べた方法で引き出し、他の２つのねじシャフト６２をシャフト駆動装置８の回転方向の逆転によって（Ｙ−Ｚ平面に対して）左右対称に引き込む。このとき互いに連結された四節リンク機構４０及び４２は、連結部材３０及び３２が互いの距離を増大させながら再び初期状態に傾動し、連結部材４６及び４８が互いの距離を減少させながらさらに前方に傾くことにより、共に移動する。この場合も方向転換レバー３８や動力軸５６の方向は維持される。
【００２８】
動力軸５６を図７に示す位置から該動力軸の回転軸に沿って図８に示す位置に移動するためには、全てのねじシャフト６２を、既に述べた方法で（Ｙ−Ｚ平面に対して）左右対称に引き込む。四節リンク機構４０及び４２も同様に既に述べた方法で共に移動する。
【００２９】
同様に、ねじシャフト６２を左右対称に引き出したり、引き込んだりすることによって、Ｙ−Ｚ平面内における他の全ての位置への調整が実現される。
【００３０】
ねじシャフト６２を（Ｙ−Ｚ平面に対して）左右非対称に進入及び後退させると、動力軸５６はＹ−Ｚ平面に対して垂直なＸ方向にも移動し、連結された四節リンク機構４０及び４２を動力軸５６と共に支持する回動部材６は回動軸２４を中心として回動するので、他の第１手段の代わりをする四節リンク機構はＹ−Ｚ平面ではなく、相応に外方に回動された回動平面において動力軸に従動する。このようにして３つの座標Ｘ， Ｙ， Ｚによって記載可能なあらゆる空間位置は、フレーム２に対して長さが変化する３本のねじシャフト６２によってのみ調整され、動力軸５６は回動部材６に支持され受動的に追従する四節リンク機構４０及び４２に支持される。作業を分配するにあたり、ねじナットに軸受けされたねじシャフト６２は、直交座標軸に沿った移動の３つの自由度を結合し、四節リンク機構４０及び４２及び回動部材６は直交座標軸を中心とする回転の３つの自由度を結合する。図示しない補完部材によって、動力軸の回転角度位置は回動軸２４を中心として回動する際に維持される。補完部材は回動移動に対して反対方向に動力軸を回転させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による切削加工用センタの斜視図であり、見やすくするためにフレームとケーシングとを省略している。
【図２】省略のない切削加工用センタの平面図である。
【図３】省略のない切削加工用センタの正面図である。
【図４】作用軸がｙ−ｚ作用面の中心（ｙ， ｚの中点）に配置された状態で本装置を示す側面図である。
【図５】作用軸がｙ−ｚ作用面の第１頂点（＋ｙ， ＋ｚ）に配置された状態で本装置を示す側面図である。
【図６】作用軸がｙ−ｚ作用面の第２頂点（＋ｙ， −ｚ）に配置された状態で本装置を示す側面図である。
【図７】作用軸がｙ−ｚ作用面の第３頂点（−ｙ， −ｚ）に配置された状態で本装置を示す側面図である。
【図８】作用軸がｙ−ｚ作用面の第４頂点（−ｙ， ＋ｚ）に配置された状態で本装置を示す側面図である。
【符号の説明】
２ フレーム
４ 工作台
６ 回動部材
８ シャフト駆動装置（リニアアクチュエータ）
１２ ケーシング（第１のケーシング）
１４ 作用空間
１６ コックピット（第２のケーシング）
１８ コックピット（全体ケーシング）
２４ 回動軸
２６，２８，５０，５２ 回動軸（連結軸）
３４ 回動軸（第１の連結軸）
３６ 回動軸（第２の連結軸）
４４ 回動軸（第３の連結軸）
３０ 副連結部材（第１部材，連結式ガイド部材）
３２ 主連結部材（第１部材，連結式ガイド部材）
４６ 主連結部材（第２部材，連結式ガイド部材）
４８ 副連結部材（第２部材，連結式ガイド部材）
３８ 方向転換レバー（連結器）
４０，４２ 四節リンク機構
５４ ホルダ
５６ 動力軸（作用軸）
５８ （ホルダの）中心軸
６２ ねじシャフト
６４ 軸ナット
６８ カルダンジョイント（継ぎ手軸）
７２ 作用面（第２平面）
７４ 作用面（第１平面）

Claims (20)

1. フレーム（２）と、工具または工作物のためのホルダ（５４）と、該ホルダ（５４）を第１平面に存在する中心軸によって規定された該ホルダの空間方位を維持しながら平面掃引形態でガイドするために前記フレーム（２）に基点を置いて設けられた連結式ガイド部材と、前記連結式ガイド部材にガイドされたホルダ（５４）を移動・固定するために前記フレーム（２）に基点を置いて設けられた駆動装置と、を備えた、特にフライス加工用センタに代表される工作機械において、
   ２つの互いに連結された平行四辺形状の四節リンク機構（４０，４２）と前記ホルダ（５４）とを含む連結式ガイド部材は、前記第１平面に交差する第２平面内で、前記中心軸（５８）に対して平行に設けられた回動軸（２４）を中心として回動可能とされ、
   前記駆動装置は、前記フレーム（２）を基点として長さ可変とされた３つのリニアアクチュエータを有し、これら各リニアアクチュエータの一方の端部は相互に離間した位置でフレームに連結され、他方の端部は前記ホルダ（５４）に連結されていることを特徴とする工作機械。
2. 前記四節リンク機構（４０，４２）は、前記第１平面内に、または、前記第１平面に平行な平面内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記フレーム（２）に基点を置く前記第１の四節リンク機構（４０）を構成する長さの等しい２つの第１部材（３０，３２）が前記フレームから見て遠方側に有する連結軸、及び、前記ホルダ（５４）に連結された前記第２の四節リンク機構（４２）を構成する長さの等しい２つの第２部材（４６，４８）が前記ホルダから見て遠方側に有する連結軸は、前記両四節リンク機構（４０，４２）を閉じる共通の連結器（３８）に配設され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. 前記連結器（３８）は３本の連結軸を有し、それらのうち第１の連結軸（３４）は前記第１部材の一方（３０）を軸支し、第２の連結軸（３６）は前記第１部材の他方（３２）と前記第２部材の一方（４６）とを軸支し、第３の連結軸（４４）は前記第２部材の他方（４８）を軸支していることを特徴とする請求項３に記載の工作機械。
5. 前記連結器（３８）は、前記第１の四節リンク機構（４０）に対する前記第２の四節リンク機構（４２）の配設方向を転換することを特徴とする請求項４に記載の工作機械。
6. 前記第１及び第２部材（３２，４６）は、引張り・圧縮力だけでなく曲げ力及び捩り力も受容するために、引張り・圧縮力のみを受けるそれぞれもう一方の第１及び第２部材（３０，４８）よりも大きな断面を有するように形成されていることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の工作機械。
7. 前記四節リンク機構（４０，４２）は回動部材（６）によって支持され、該回動部材は、前記中心軸に平行に前記フレーム（２）に設けられた回動軸（２４）を中心として回動可能とされていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の工作機械。
8. 前記リニアアクチュエータは、カルダンジョイントまたはボールジョイントによって連結されていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
9. 前記リニアアクチュエータの連結点は、前記中心軸に向かって見た場合、それぞれ１２０°ずつずらして設けられていることを特徴とする請求項１または８のいずれか１項に記載の工作機械。
10. 前記作用空間の対角線の交点に前記ホルダ（５４）の中央作用点が配置された際に、前記リニアアクチュエータは、前記中心軸（５８）に対して４５°の角度をなすことを特徴とする請求項１、８または９のいずれか１項に記載の工作機械。
11. 前記作用空間の対角線の交点に前記ホルダ（５４）の中央作用点が配置された際に、前記リニアアクチュエータは、それぞれ、前記カルダンジョイントの２本の継ぎ手軸（６８）に対して９０°の角度をなすことを特徴とする請求項１または請求項８から１０のいずれか１項に記載の工作機械。
12. 前記リニアアクチュエータはそれぞれ、回転駆動可能なナット（６４）と、軸方向に移動可能かつ回転拘束されたねじシャフト（６２）と、を備えていることを特徴とする請求項１または請求項８から１１のいずれか１項に記載の工作機械。
13. 前記ホルダ（５４）は、工具または工作物を支持する作用軸（５６）が軸受けされている軸ヘッドとして形成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の工作機械。
14. 前記作用軸（５６）の回転軸は、前記中心軸（５８）と一致していることを特徴とする請求項１３に記載の工作機械。
15. 前記作用軸（５６）の回転角度位置が修正可能であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の工作機械。
16. 前記ホルダ（５４）は、工作台（４）に固定された工作物を加工できる工具を保持していることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の工作機械。
17. 前記工作台（４）の下方、及び前記連結式ガイド部材及び前記駆動装置の周囲にアーチ形を形成しかつ回転拘束された第１のケーシング（１２）、及び、前記工作台（４）の上方に配置されアーチ形を形成する開閉可能な第２のケーシング（１６）は、コックピット状の全体ケーシング（１８）を形成していることを特徴とする請求項１６に記載の工作機械。
18. 少なくとも前記第２のケーシング（１６）は、透明であることを特徴とする請求項１７に記載の工作機械。
19. 前記四節リンク機構（４０，４２）の２つの部材の間には、押圧ばねとして好適に形成された重量調整装置（８２）が設けられていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の工作機械。
20. 前記四節リンク機構（４０，４２）に対して平行に動力供給チェーンが設けられていることを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載の工作機械。

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