JP5027133B2 - 工具用又はワーク用の位置決め・クランプ装置 - Google Patents

Description

本発明は工具用又はワーク用の位置決め・クランプ装置に関し，特に，基台と，基台内に変位可能に配置されたピストンと，ピストンに対して接続可能に配置されたピンと，位置決め・クランプ装置を，基台と相補的に構成された工具用又はワーク用ホルダに対してロックするための少なくとも１つのロック手段とを具える位置決め・クランプ装置に関するものである。

工作機械分野においては，マシニングセンタにおけるコンピュータ制御された工作機械によりワークを加工する。その場合，ワークを工具に対して，又は工具をワークに対して所定位置に正確に位置決めして保持するため，クイック操作型のクランプシステムが使用されている。クイック操作型のクランプシステムは，コンピュータ制御の基礎をなす三次元座標系において，工具又はワークの位置を正確かつ反復可能に規定するものである。ワークの加工途上で工具又はワークを頻繁に変更する必要がある場合，コンピュータ制御のためには，ワークを三次元座標系において常に同一位置に配置可能とする必要がある。

本明細書の冒頭に記載した構成の位置決め・クランプ装置は，特許文献１：ドイツ特許出願公開第10116229号公報（又は特表2004-518550号公報）に記載されている。この既知の位置決め・クランプ装置において，基台には適合型ピストンのための円筒状の受け部が設けられている。このピストンは，油圧又は空圧媒体により，ばね力に抗してＺ軸方向に可動に配置されている。ボールスリーブ内には，パレットに接続されたクランプピンが，やはりＺ軸方向に可動に配置されている。このボールスリーブ内に複数のボールが，クランプピンの外周で半径方向に可動に配置されている。クランプピン及びピストンにそれぞれ設けられた特定形状のクランプ面により，クランプピンはピストンの変位に応じてセンタリングされ，かつ所定位置にクランプされる。
ドイツ特許出願公開第10116229号公報（特表2004-518550号公報）

本発明が解決しようとする課題は，上述した従来技術を更に発展させ，マイクロメータオーダの精度を有し，部品点数が少なく，耐用寿命に優れ，より高いクランプ・保持力を発現する位置決め・クランプ装置を提案することにある。

この課題を解決するため，本発明は，請求項１に記載したとおり，基台と，基台内に変位可能に配置されたピストンと，ピストンに対して接続可能に配置されたピンと，基台と相補的に構成された工具用又はワーク用ホルダに対して位置決め・クランプ装置をロックするための少なくとも１つのロック手段とを具える位置決め・クランプ装置において，基台に円筒状の受け部を形成してピストンを受入れ可能とし，ピストン及びピンの間にクランプコーンを配置し，クランプコーン及びピストンにそれぞれ制御面を形成し，クランプコーン及びピストンの制御面と協働する更なる制御面をロック手段に形成し，ロック手段を基台に対して半径方向に変位可能に配置し，基台を，工具用又はワーク用ホルダが基台に被さるように基台周りに配置されるときに工具用又はワーク用ホルダと適合するように相補的に構成し，ロック手段を，円形又は矩形断面を有するスライダ又はロッドとして構成し，ロック手段を，基台の開口部内を半径方向に可動に配置し，クランプコーン，ピストン，及びロック手段の制御面を，互いに平行に延在させたことを特徴とするものである。

本発明の好適な実施形態は，従属請求項に記載したとおりである。

本発明に係る位置決め・クランプ装置は，可及的に高度の反復性をもってワーク又は工具の位置決め・クランプを行える構成とするのが有利である。そのために，基台の外周にＺ軸方向の支持部を設け，基台の外側に円錐形状のセンタリング面を設け，そのセンタリング面を基台の円筒外面に対して同心的に配置し，及び／又は基台における円錐形状のセンタリング面を，基台の円筒外面に対して同心的に配置することができる。一体構造として構成することのできる基台は，ワーク又は工具の正確なセンタリング及びクランプに必要とされる機能の全てを司るものである。

本発明に係る位置決め・クランプ装置は，容易に清掃可能な構成とするのが有利である。そのために，スロット形状を有する水平なブローアウト開口をＺ軸方向の支持部に隣接させて平行に配置し，及び／又は円筒状の受け部に至る清掃気流の流路を基台内に設けることができる。

以下，本発明を図示の例示的な実施形態について更に詳述する。

図１は本発明に係る位置決め・クランプ装置１のＺ軸に沿う縦断面図である。ここに「Ｚ軸」とは，Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸を含む三次元座標系における垂直方向に延在する軸線を指す。位置決め・クランプ装置１は，図示しないプレート又は囲うテーブルの下側に結合可能とした基台２と，図６及び７に示すように位置決め・クランプ装置１に対して相補形状としたワーク用又は工具用ホルダ３０とを具える。基台２は，略回転対称形状を有する。基台２内には，ピストン４のための円筒形状を呈する受け部３を設ける。ピストン４はＺ軸方向に沿って変位可能とされている。ピストン４をＺ軸に沿う正方向に変位させるため，油圧又は空圧手段を使用する。ばね５及び／又は油圧媒体，空圧媒体等の圧力により，ピストン４をＺ軸に沿う逆方向に変位させる。油圧又は空圧媒体のための供給路をプレート内に形成する。プレートに対するシールのため，基台２には，その円筒面６１にO-リング６を配置する。ピストン４及び基台２の間をシールするため，Ｘ字状断面を有する特殊シール部材７を配置する。

油圧又は空圧媒体を，基台２又は加工テーブルの下側に配置されたプレートから，基台２と，ピストン４の下側に供給する。基台２内に延在する流路を，特に，ピストン４の上方スペースに対して開放接続する。更に，位置決め・クランプ装置１の清掃のために必要とされる掃気用の流路を，ばね５の収納部と，円筒形状の受け部３まで延在させる。したがって，ばね５の復元力の代わりに油圧又は空圧媒体の圧力により，ピストン４を，逆方向に変位させることも可能である。位置決め・クランプ操作のために，ばね力と媒体圧とを併用することも可能である。

ピストン４の頂部側には，ピン８をねじ結合する。このピン８は，ねじ領域９と，ショルダ領域１０と，ヘッド領域１１とを有し，寸法が精密に限定されたソケットヘッド型ショルダボルトとして構成する。ソケットヘッド型ショルダボルト８のヘッド領域１１とピストン４との間で，ショルダ領域１０には，環状スラストワッシャ１２とクランプコーン１３とを重ねて配置する。クランプコーン１３の下面とピストン４の頂面とは，互いに均一な間隔で平行に延在させる。スラストワッシャ１２は，クランプコーン１３により及ぼされた力をソケットヘッド型ショルダボルト８のヘッド領域１１に分配する機能を有する。

基台２内には，クランプコーン１３と同一レベル位置で半径方向に延在する開口部１４を形成する。開口部１４内には，ロック手段１５を半径方向に可動に配置する。ロック手段１５，クランプコーン１３及びピストン４は，それぞれ互いに協働する制御面１６，１７，１８を有する。これらの制御面１６，１７，１８は，何れも，例えばＺ軸に対して４５°の角度で延在するフランク，溝又はリブとして構成することができる。制御面１６，１７，１８は，互いに平行に延在させる。その結果，半径方向に可動としたロック手段１５が，ピストン４及びクランプコーン１３の変位によって確実にガイドされ，又は確実に制御される。ピストン４が上向きに変位すると，ロック手段１５はばね５の力に抗して半径方向内向きに変位する。逆に，ピストン４及びクランプコーン１３が下向きに変位すると，ロック手段１５は半径方向外向きに変位する。クランプコーン１３に中心孔３２を設け，その内径を，ソケットヘッド型ショルダボルト８におけるショルダ領域１０の外径よりも大とする。その結果，クランプコーン１３は，Ｚ軸周りでＸ軸方向及びＹ軸方向に浮動状態で装着されることとなる。これにより個別的なロック手段１５の変位量の相違を補償することができ，相補形状としたワーク用又は工具用ホルダ３０の確定的かつ均一なクランプを可能とするものである。

ロック手段１５は，円形又は矩形断面を有するスライダ又はロッドとして構成する。基台２内に位置するロック手段１５の端部には，脚部１９を形成する。この脚部１９は，ロック手段１５を拘束状態で基台２内に配置可能とするものである。基台２外に位置するロック手段１５の端部には，基台２と相補的な形状としたワーク用又は工具用ホルダ３０に対して精密に適合する所定のプロファイル２０を持たせる。

クランプコーン１３の頂部，すなわち最大径領域に第１の円錐面３１を設け，この円錐面３１をＺ軸に対して１０°未満の角度で延在させる。円錐面３１が急勾配を有するため，ロック手段１５とクランプコーン１３との間にセルフロック作用を生じさせ，そのセルフロック作用により，媒体圧力が消失した場合や，ばね力が作用していない場合でも，高い信頼性をもって確実にクランプ機能を発揮可能とするものである。

基台２の頂部には，受け部３と同心的に更なる中心孔２１を形成する。中心孔２１内にキャップ２２を離脱不能に配置する。そのために，図１に示すように，キャップ２２に帽子のつば状をなす縁部２４を設ける。つば状縁部２４の代わりに，キャップ２２の周縁領域に周溝を形成し，その周溝内にスナップリングを挿入することも可能である。この場合，キャップ２２を中心孔２１内に挿入した後，スナップリングを中心孔２１内で膨張させて，中心孔２１からのキャップ２２の離脱を防止する。キャップ２２は，ソケットヘッド型ショルダボルト８におけるヘッド領域１１を覆うものであり，Ｚ軸方向で上下に変位可能とされている。ヘッド領域１１及びキャップ２２の間にばね２３を配置し，このばね２３によりキャップ２２を無負荷状態，すなわち相補形状としたワーク用又は工具用のホルダ３０に対する非結合状態で，基台２から上向きに突出するように押圧する。キャップ２２を基台２から上向きに突出させることにより，相補形状としたワーク用又は工具用のホルダ３０を位置決め・クランプ装置１まで可能な限り緩やかに変位させ，再びリフトオフさせることが可能である。負荷状態ではピストン４がキャップ２２を，基台２の頂面と面一状態となるまで上向きに押圧する。その際，キャップ２２のつば状縁部２４又はスナップリングは，基台２に設けたストッパ２５に当接する。

図２は，本発明に係る位置決め・クランプ装置１の斜視図である。図２は，所定プロファイル２０を有する４個のロック手段１５を基台２の外周上に配置する態様を示すものである。更に，基台２の底部には４個のＺ軸方向支持部２６が形成されてる。各Ｚ軸方向支持部２６の真上には，ブローアウト開口２７が形成されている。ブローアウト開口２７はそれぞれスロット形状とされ，Ｚ軸方向支持部２６に向けられるように下向きに僅かに傾斜して配置されている。基台２に対して相補形状としたワーク用又は工具用ホルダ３０の位置決めの間，Ｚ軸方向支持部２６はブローアウト開口２７からの圧縮空気により清掃される。更に，基台２には円錐状に延在するセンタリング面２８を形成する。センタリング面２８は，基台２における円筒状の外面に対して厳密に同心的に延在させる。基台２における円筒状の外面とセンタリング面２８とを同心的に配置したことにより，プレート又は加工テーブル上における厳密に規定された位置に位置決め・クランプ装置１を位置決めし，かつ，結合させることが可能である。

図３は，本発明に係る位置決め・クランプ装置１の側面図である。基台２は回転対称形状を有し，図６，７に示すように相補形状としたワーク用又は工具用ホルダ３０と精密に適合可能とされている。図３には，プレゼンス制御手段も示されている。Ｚ軸方向支持部２６内に小孔３６が形成されており，Ｚ軸方向支持部２６上にホルダ３０が存在していない場合に，この小孔３６を通じて油圧又は空圧媒体を流す構成とする。小孔３６がホルダ３０で閉塞されると，媒体の流れが遮断され，ワークが適正に位置決めされたことを，流量モニタ又は圧力モニタによって確認することが可能である。

図４ａ，４ｂはロック手段１５を示す斜視図であり，図５はピストン４を示す斜視図である。ピストン４は開口２９を有し，その開口内でロック手段１５が半径方向内向き又は外向きに変位可能とされている，これらの図面には，それぞれロック手段１５及びピストン４に設けた制御面１６，１８も示されている。クランプコーン１３には，更なる制御面１７が設けられている。これらの制御面１６，１７，１８により，ロック手段１５がピストン４内及び基台２内において両方向に確実にガイドされるものである。

ロック手段１５及び基台２の間と，キャップ２２及び基台２の間には，何れもシールが配置されていないので，これらの間から空気を流出させ，基台２が相補形状のホルダ３０と接触する瞬時に至るまで位置決め・クランプ装置１の表面を掃気することが可能である。

図６，７は，基台２に対して相補形状としたワーク用又は工具用ホルダ３０の二通りの変形例を示す斜視図である。大型のワークを位置決めするためには複数の位置決め・クランプ装置１が必要とされる。これら複数の位置決め・クランプ装置のうち，一つはいわゆる「ゼロ点センタリング」を行うものであり，他の一つはワークをＸ軸方向又はＹ軸方向に位置決め固定するものである。それ以外の装置は位置決め機能を必要とせず，単にクランプ・保持が行えるもので十分である。図６のホルダ３０は，その全周に亘って連続的な円錐面をなすセンタリング面３３を有する。この円錐状センタリング面３３の直径は，位置決め・クランプ装置１におけるセンタリング面２８の直径と厳密に対応している。その結果，遊びがなく，結合すべき装置の変形を最小化した状態での位置決めが可能である。円錐状センタリング面２８，３３の直径は，材料の弾性限界内での変改のみが生じるように定めるものである。

ワーク用又は工具用ホルダ３０は，その下向きの周縁部において，センタリング面３３の手前に配置された防護リム３４を有する。防護リム３４は，センタリング面３３を汚染及び損傷から防護するものである。図７のホルダ３０は，互いに対向する二つのセンタリング面３５を有しており，したがってＸ軸方向又はＹ軸方向へのセンタリングのみを想定したものである。

本発明に係る位置決め・クランプ装置１によれば，高負荷下でも使用可能なクランプシステムを実現することが可能である。基台２が大きいセンタリング面２８を有し，かつ，ロック手段１５がボールを使用せずに作動するため，クランプ力は特定の部位のみにではなく，全面に亘って分配される。精密な位置決めが可能であり，その位置決め精度は耐用寿命の経過後であっても反復的に再現可能である。ロック手段１５による保持力は，ボールを使用する装置と対比して，損傷の危険を伴わずに，より増大させることが可能である。

本発明に係る位置決め・クランプ装置の縦断面図である。 本発明に係る位置決め・クランプ装置の斜視図である。 本発明に係る位置決め・クランプ装置の側面図である。 図１の位置決め・クランプ装置におけるロック手段の斜視図である。 図１の位置決め・クランプ装置におけるロック手段の斜視図である。 図４ａ，４ｂのロック手段におけるピストンの斜視図である。 位置決め・クランプ装置に対して相補的なワーク用又は工具用ホルダの斜視図である。 相補的なワーク用又は工具用ホルダを示す斜視図である。

符号の説明

１ 位置決め・クランプ装置
２ 基台
３ 受け部
４ ピストン
８ ピン
９ ねじ領域
１０ ショルダ領域
１１ ヘッド領域
１２ スラストワッシャ
１３ クランプコーン
１５ ロック手段
１６，１７，１８ 制御面
２１ 中心孔
２２ キャップ
２５ ストッパ
２６ Ｚ軸方向の支持部
２７ ブローアウト開口
２８，３３ センタリング面
３０ 工具用又はワーク用ホルダ
３１ 円錐面
３２ 中心孔
３４ 防護リム
３６ プレゼンス制御用の孔
６１ 基台の外面

Claims (17)

1. 工具用又はワーク用の位置決め・クランプ装置（１）であって，基台（２）と，基台（２）内に変位可能に配置されたピストン（４）と，ピストン（４）に対して接続可能に配置されたピン（８）と，位置決め・クランプ装置（１）を，基台（２）と相補的に構成された工具用又はワーク用ホルダ（３０）に対してロックするための少なくとも１つのロック手段（１５）とを具える位置決め・クランプ装置（１）において，
   ・ 基台（２）に円筒状の受け部（３）を形成してピストン（４）を受入れ可能とし，
   ・ ピストン（４）及びピン（８）の間にクランプコーン（１３）を配置し，
   ・ クランプコーン（１３）及びピストン（４）にそれぞれ制御面（１７，１８）を形成し，
   ・ クランプコーン（１３）及びピストン（４）の制御面（１７，１８）と協働する更なる制御面（１６）をロック手段（１５）に形成し，
   ・ ロック手段（１５）を基台（２）に対して半径方向に変位可能に配置し，
   ・ 基台（２）を，工具用又はワーク用ホルダ（３０）が基台（２）に被さるように基台（２）周りに配置されるときに工具用又はワーク用ホルダ（３０）と適合するように相補的に構成し，
   ・ ロック手段（１５）を，円形又は矩形断面を有するスライダ又はロッドとして構成し，
   ・ ロック手段（１５）を，基台（２）の開口部（１４）内を半径方向に可動に配置し，
   ・ クランプコーン（１３），ピストン（４），及びロック手段（１５）の制御面（１６，１７，１８）を，互いに平行に延在させたことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
2. 請求項１に記載の装置であって，ロック手段（１５）における制御面（１６）を，クランプコーン（１３）及びピストン（４）における制御面（１７，１８）と協働させることにより，半径方向内向きと半径方向外向きにおけるロック手段（１５）の移動を制御することを特徴とする位置決め・クランプ装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置であって，ピン（８）を，ヘッド領域（１１）と，ショルダ領域（１０）と，ねじ領域（９）とを有するソケットヘッド型ショルダボルト（８）として構成したことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
4. 請求項３に記載の装置であって，クランプコーン（１３）に，ソケットヘッド型ショルダボルト（８）におけるショルダ領域（１０）よりも大径の中心孔（３２）を形成したことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の装置であって，クランプコーン（１３）に，その最大径領域で，Ｚ軸に対して１０°未満の角度で延在する第１円錐面（３１）を設けたことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の装置であって，基台（２）の外周にＺ軸方向の支持部（２６）を設けたことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
7. 請求項６に記載の装置であって，基台（２）内にブローアウト開口（２７）を，Ｚ軸方向の支持部（２６）に隣接させて平行に配置したことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
8. 請求項７に記載の装置であって，ブローアウト開口（２７）を下向きに僅かに傾斜させ，かつ，スロット形状としたことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の装置であって，基台（２）の外側に円錐形状のセンタリング面（２８）を設けたことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
10. 請求項９に記載の装置であって，基台（２）における円錐形状のセンタリング面（２８）を，基台（２）の円筒外面（６１）に対して同心的に配置したことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置であって，基台（２）に円筒状の受け部（３）を貫通する中心孔（２１）を形成したことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
12. 請求項１１に記載の装置であって，中心孔（２１）内にキャップ（２２）を，Ｚ軸方向に可動に係合させて配置したことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
13. 請求項３又は４に記載の装置であって，ソケットヘッド型ショルダボルト（８）におけるヘッド領域（１１）とクランプコーン（１３）との間に環状のスラストワッシャ（１２）を配置したことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
14. 請求項１３に記載の装置であって，
    基台（２）に円筒状の受け部（３）を貫通する中心孔（２１）を形成し，
    中心孔（２１）内にキャップ（２２）を，Ｚ軸方向に可動に係合させて配置し，
    キャップ（２２）の一部を，スラストワッシャ（１２）と，中心孔（２１）の下端において基台（２）の受け部（３）に形成されたストッパ（２５）との間に配置したことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
15. 請求項１〜１４の何れか一項に記載の装置であって，相補的なワーク用又は工具用ホルダ（３０）に保護リム（３４）を設けたことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
16. 請求項１〜１５の何れか一項に記載の装置であって，Ｚ軸方向の支持部（２６）の少なくとも１つに，Ｚ軸方向に延びる孔（３６）を設けたことを特徴とする位置決め・クランプ装置。
17. 請求項１〜１６の何れか一項に記載の装置であって，円筒状の受け部（３）に至る清掃気流の流路を基台（２）内に設けたことを特徴とする位置決め・クランプ装置。

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