JP4019423B2 - 数値的に制御されたオービタル機械加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、一般に、装置自体の軸を中心として回転し、且つ機械加工される孔の長手方向の中心軸線に対する主軸を中心として偏心（オービタル運動）する切削工具によって被加工物に孔を開けるための、数値的に制御されたオービタル機械加工装置に関するものである。更に詳細には、本発明は、主軸中心に対する切削工具軸線の径方向のオフセット（オービタル径）を調整するための、前記装置の改良機構に関するものである。
国際公開第99/62661号パンフレットは、被加工物に孔を機械加工するための装置を開示する（特許文献１参照。）。そのパンフレットにおいて当該装置は、切削工具の軸線を中心として切削工具を回転させるスピンドルモータを含み、当該切削工具は孔の長手方向の中心軸線に一致するよう配置される主軸を中心として偏心回転する。また当該装置は、主軸中心に対する切削工具の軸線の径方向オフセットを調整するための機構を含む。径方向のオフセット調整機構は、形成される円錐形の孔の機械加工中に、切削工具自体の軸線を中心として切削工具を回転させつつ被加工物内に切削工具を軸送りしながら、径方向のオフセットが変更できるように構成されている。この機構は、比較的構造的に複雑で、比較的大きな空間を長手方向に占有し、スピンドルモータは、装置の支持構造体から片持ちにされた態様で、実質的に突き出しており、それが加工される孔の機械加工精度に影響を及ぼす可能性がある。
国際公開第99/62661号パンフレット
本発明は、構造的により単純で且つより小型の改良された径方向オフセット調整機構を提供することである。それは、主軸を中心としたオービタル動作を実行し、且つ切削工具を被加工物内に軸方向に送りつつ連続的に径方向にオフセット調整することができるように構成されている。それによって、実質的に円筒状に成形された切削工具を使用して、円筒状の孔又は凹みだけでなく、円錐形又はテーパの付いた形状又は断面を有する孔又は凹みを形成することができるようにする。
この目的のために、本発明の装置は、孔の機械加工中、切削工具を長手方向の軸線を中心として回転するように構成された第１の作動装置と、
主軸を中心として切削工具を回転させるように構成された第２の作動装置であって、前記主軸が前記切削工具の軸線と実質的に平行で、且つ機械加工される孔の長手方向の中心軸線と一致するよう配置され、前記第１の作動装置と同時に使用可能である前記第２の作動装置と、
前記主軸の中心から切削工具の軸線の径方向の距離を制御するように構成された径方向オフセット調整機構と、を備える。
本発明によると、前記径方向オフセット調整機構は、偏心円筒孔を有する内部円筒体を備える。前記偏心円筒孔は長手方向の中心軸線を有し、該中心軸線は前記内部円筒体の長手方向の軸線と平行で且つ径方向にオフセットしており、また前記偏心円筒孔は、前記切削工具を操作するために主軸ユニットを回転可能に支持するように構成されている。
更に、本発明の装置は、偏心円筒孔を有する外部円筒体を備える。前記外部円筒体の前記偏心円筒孔は長手方向の中心軸線を有し、それは前記外部円筒体の長手方向の中心軸線と平行で、且つ所定距離だけ径方向にオフセットしている。その距離は、前記内部円筒体の偏心円筒孔の中心軸線と前記内部円筒体の中心軸線との間の距離と等しく、前記内部円筒体は外部円筒体の前記偏心円筒孔内に径方向に支持されて内部で回転可能であり、それによって切削工具の前記主軸からの前記中心軸線の径方向距離を調整するようになっている。
本発明の更なる目的は、上述した種類の径方向オフセット調整機構を提供することであり、径方向オフセット調整機構の基本的な構成は、機械加工装置の構成部品が回転中心から偏心して配置されていても正確な質量バランシングを可能にする。その結果、機械加工装置の加工作業中、アンバランス振動が排除され且つ実質的に低減される。
この目的のため、前記内部円筒体は、その重心が内部円筒体の前記偏心円筒孔内で回転可能に支持される主軸ユニットの重心と釣合うように構成され、前記内部円筒体と前記主軸ユニットとの共通重心は、内部円筒体の中心軸線と一致する。また前記外部円筒体は、その重心が内部円筒体と前記主軸ユニットとの前記共通重心と釣合うように構成され、当該外部円筒体及び前記主軸ユニットを備えた内部円筒体の共通重心は、前記外部円筒体の中心軸線と一致する。したがって、径方向オフセット調整機構及びそれと共に回転する全ての部品の共通重心が、切削工具の径方向オフセット量に関係なく、主軸の回転中心と一致又は実質的に一致するように配置可能になる。
図１に示すように、本発明に係るオービタル機械加工装置10は、切削工具14をその中心軸線16を中心として回転させる第１の作動装置たる主軸ユニット12と、径方向オフセット調整機構18と、第２の作動装置たる偏心回転機構20と、軸方向送り機構22と、を有する。オービタル機械加工装置10は、固定スタンド、又はロボットアーム等の、移動可能な部材に取り付けられる。
本発明の径方向オフセット調整機構18は、主軸ユニット12を内部で回転可能に支持する内部円筒体24を備える。主軸ユニット12は、固定スリーブ28（図１）を介して、内部円筒体24内の偏心円筒孔26（図３）に回転可能に支持される。偏心円筒孔26は、内部円筒体24の長手方向の中心軸線32と平行だが径方向に距離eだけオフセットされた長手方向の中心軸線30（図3）を有する。
内部円筒体24は、外部円筒体36内の軸方向に設けられた偏心円筒孔34の内部に回転可能に支持される。偏心円筒孔34は、外部円筒体36の長手方向の中心軸線40と平行だが外部円筒体36（主軸）の中心軸線40から径方向に距離eだけオフセットされた長手方向の中心軸線38（図２）を有する。好ましくは、内部円筒体24の偏心円筒孔26と外部円筒体36の偏心円筒孔34は、同じだけ偏心している。即ち、偏心円筒孔の中心軸線30及び38は内部円筒体24及び外部円筒体36の各中心軸線32及び40から同じ距離eだけ径方向にオフセットしている。外部円筒体36の偏心円筒孔34の内部での内部円筒体24の回転、又は内部円筒体24と外部円筒体36との相対的な回転によって、内部円筒体24の偏心円筒孔26の中心軸線30が、外部円筒体36の中心軸線40、ゆえに主軸ユニット12及び切削工具14の中心軸線16と一致するように位置することが可能である。この場合、切削工具の中心軸線16について径方向オフセットは存在しない。この径方向オフセットがゼロの位置から内部円筒体24と外部円筒体36とを180°相対回転させることによって、切削工具の中心軸線16の最大オフセットが得られる。
外部円筒体36は、オービタル機械加工装置10の筐体42内に回転可能に支持されており、外部円筒体36に連結された第１のベルトホイール48と係合する第１のベルト46を介して第１のモータ（図示省略）によって回転可能である。同様に、内部円筒体24は第２のベルト52を介して第２のモータ（図示省略）によって回転可能である。当該第２のベルト52は、いわゆるオルダム連結器56、又はあらゆる同等の連結器部材によって内部円筒体24に連結した第２のベルトホイール54と係合し、それによって第２のベルトホイール54は、内部円筒体24を回転させる間、第１のベルトホイール48に関して固定された同心位置で回転することが可能となる。内部円筒体24と外部円筒体36が同期して回転する場合、即ちそれらの各モータ及び各ベルト52、46によって同じ角速度で回転する場合、加工作業中の切削工具の中心軸線16の径方向のオフセット値eの変更は起こらない。被加工物（図示せず）内への切削工具14の軸方向の送りと結合して、円筒孔又は凹みを内部で形成することができる。
内部円筒体24と外部円筒体36が異なる速度で回転して相対的な回転が実行される場合、切削工具の中心軸線16の径方向オフセット値eが変更される。これが、被加工物への切削工具14の軸方向の送りと結合したとき、被加工物に円錐形若しくはテーパの付いた孔、又は凹みの一部を形成することができる。
本発明の重要な側面によると、径方向オフセット調整機構の内部円筒体24及び外部円筒体36の上記実施形態は、回転体のアンバランスに伴う振動問題を克服することができる。それは、既知の機械加工装置の回転及びオービタル運動部品の共通の重心が非中心位置にあることに起因する。
図２、４及び５では、外部円筒体36の重心をＡで示し、図３〜５では、内部円筒体24の重心をＢで示す。
外部円筒体36の中心軸線40からの偏心円筒孔34の、偏心量又は径方向オフセットeは、内部円筒体24の中心軸線32からの偏心円筒孔26の偏心量（即ち径方向オフセットe）と等しい（同じ距離にある）。したがって、主軸ユニット12及び切削工具の中心軸線16の位置は、外部円筒体36に対し内部円筒体24を相対回転することによって円弧状経路ｐ（図４及び図５）に沿って移動することができる。図４で示す位置関係では、同じ角速度、即ち相対回転なしで内部円筒体24及び外部円筒体36を同期回転させた場合、切削工具の中心軸線16が外部円筒体36の中心軸線40と一致し、切削工具の中心軸線16の径方向オフセットはemin＝0になる。図５で示す位置関係では、切削工具の中心軸線16の最大径方向オフセットemaxは、内部円筒体24が図４の位置から外部円筒体36に対して180°相対回転されたときに得られる。
内部円筒体24及び外部円筒体36の幾何学的なパラメータにより、作業中に、切削工具の中心軸線16の径方向オフセットにかかわりなく、オービタル機械加工装置の回転部分の正確なバランシングを達成することができる。
このために、内部円筒体24の重量及び重心Ｂは、偏心円筒孔26に取り付けられる主軸ユニット12の重量及び重心Ｃと釣合うようにされており、当該内部円筒体24と主軸ユニット12（及びそれと共に一緒に回転している全ての部品）の共通重心Ｄは、内部円筒体24の中心軸線32と一致する。したがって、共通重心Ｄは、内部円筒体24に対して主軸ユニット12が回転する位置と無関係で、中心軸線32で実質的に静止したままでなければならない。外部円筒体36の重量及び重心Ａを、主軸ユニット12を含む内部円筒体24の重量及び共通重心Dと釣合うようにすることによって、外部円筒体36の重心Ａと前記共通重心Dとの共通重心Eは、外部円筒体36の中心軸線40に一致するようになる。その結果、オービタル機械加工装置の回転部分のバランスが確保され、作業中に実質的に振動の発生を防止できる。外部円筒体36の回転速度、すなわち切削工具14の公転速度は、一般に100-300rpmのオーダである。
本発明に記載の径方向オフセット調整機構を備えオービタル機械加工装置の概略側断面図である。 本発明の径方向オフセット調整機構の外部円筒体の概略横断面図である。 本発明の径方向オフセット調整機構の内部円筒体の概略横断面図である。 外部円筒体の中心軸線と一致するように外部円筒体の偏心円筒孔に位置する内部円筒体の概略横断面図である。 軸の最大の径方向オフセットが得られるように外部円筒体内に位置する、内部円筒体の概略横断面図である。
符号の説明
10 オービタル機械加工装置
12 主軸ユニット（第１の作動装置）
14 切削工具
16 切削工具軸線
18 径方向オフセット調整機構
20 偏心回転機構（第２の作動装置）
22 軸送り機構
24 内部円筒体
26 偏心円筒孔
28 固定スリーブ
30 長手方向中心軸線
32 円筒体24の長手方向中心軸線
34 偏心円筒孔
36 外部円筒体
38 偏心孔34の長手方向中心軸線
40 外部中空円筒体36の長手方向中心軸線
42 筐体
46 第１のベルト
48 第１のベルトホイール
52 第２のベルト
54 第２のベルトホイール
56 オルダム連結器

Claims (4)

  1. 孔の機械加工中、切削工具(14)を長手方向の中心軸線(16)を中心として回転するように構成された第１の作動装置と、
    前記切削工具(14)を主軸を中心として回転するように構成された第２の作動装置(20)であって、前記主軸が、切削工具の前記長手方向の中心軸線(16)と実質的に平行で、且つ機械加工される孔の長手方向の中心軸線と同軸であり、前記第１の作動装置と同時に使用可能である前記第２の作動装置(20)と、
    前記切削工具の前記長手方向の中心軸線の、前記主軸からの径方向の距離を制御するように構成された径方向オフセット調整機構と、を備える、切削工具によって被加工物に孔を穿孔するためのオービタル機械加工装置において、
    前記径方向のオフセット調整機構が、偏心円筒孔(26)を有する内部円筒体(24)であって、前記偏心円筒孔(26)が長手方向の中心軸線(30)を有し、該中心軸線(30)が前記内部円筒体(24)の長手方向の中心軸線(32)と平行で且つ径方向にオフセットされており、更に、前記偏心円筒孔(26)が、前記切削工具(14)を回転させるために、前記第１の作動装置たる主軸ユニット(12)を回転可能に支持するように構成された内部円筒体(24)と、
    偏心円筒孔(34)を有する外部円筒体(36)であって、前記外部円筒体(36)の前記偏心円筒孔(34)が長手方向の中心軸線(38)を有し、該中心軸線(38)が前記外部円筒体(36)の長手方向の中心軸線(40)と平行で且つ径方向にオフセットされており、前記主軸から前記切削工具(14)の前記長手方向の中心軸線(16)の径方向距離を調整するように、前記内部円筒体(24)が前記外部円筒体(36)の前記偏心円筒孔(34)に支持されて内部で回転可能となっている装置であって、
    前記第２の作動装置(20)が、前記外部円筒体(36)に駆動的に接続された、前記外部円筒体(36)を当該外部円筒体(36)の長手方向軸線を中心として個別に回転するための第１のモータを備え、前記径方向オフセット調整機構が、前記内部円筒体(24)に駆動的に接続された、前記内部円筒体(24)の長手方向軸線を中心として個別に回転するための第２のモータとを備え、
    前記第１のモータと前記第２のモータとが、各々前記外部円筒体(36)と前記内部円筒体(24)とを同時に回転するとともに、相互の回転位相を維持して、前記切削工具の径方向のオフセット位置を作業操作中に変化させないことを特徴とするオービタル機械加工装置。
  2. 前記第１のモータと前記第２のモータとが、各々前記外部円筒体(36)と前記内部円筒体(24)とを同時に異なる角速度で回転し、前記切削工具(14)の径方向オフセット位置を変化させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のオービタル機械加工装置。
  3. 前記第１のモータが、前記外部円筒体(36)に接続された第１のベルトホイール(48)を回転するように第１のベルト(46)を介して前記外部円筒体(36)に駆動的に接続され、前記第２のモータが、前記内部円筒体(24)に連結部材(56)を介して取り付けられた第２のベルトホイール(54)を回転するように第２のベルト(52)を介して前記内部円筒体(24)に駆動的に接続され、前記第１のベルトホイール(48)に関して固定された中心位置で前記第２のベルトホイール(54)が回転し、一方、前記内部円筒体(24)に長手方向軸線を中心とした回転を発生させることを特徴とする請求項１又は２に記載のオービタル機械加工装置。
  4. 前記外部円筒体(36)の前記偏心円筒孔(34)の前記長手方向の中心軸線(38)が径方向に前記外部円筒体(36)の長手方向軸線(40)から距離(e)だけオフセットされており、該距離(e)が、前記内部円筒体(24)の偏心円筒孔(26)の前記長手方向の中心軸線(30)と前記内部円筒体(24)の前記長手方向の中心軸線(32)との間の距離と等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のオービタル機械加工装置。
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