JP6021984B2 - 自動化方式で結合可能なチャック - Google Patents

Description

本発明は、把持空間においてワークピースまたは工具を把持力Ｆで把持する請求項１に記載のチャック、ならびにこのチャックおよび駆動モータからなる請求項８に記載のシステムに関する。

工具技術、特に旋削およびフライス加工では、把持空間において様々なワークピースまたは工具を保持するためにチャックが使用され、こうした把持空間は、チャックのジョーによって形成される。工具は、例えばフライス加工ヘッドまたはドリルでよく、こうした工具は、マガジン内に格納されており、例えば、同じ構成要素に対して様々なプロセス段階を実施することができるように、それぞれのマガジンから自動化操作によって取り出され、コンピュータ制御方式でチャックに把持される。

特に、液圧または空気圧によって駆動されないチャックにおいて、例えば、チャックが必要となる精度でもはや作動しない場合には、および、チャックの寸法が使用に適していない場合には、定期的な間隔でチャックを取り替える必要がある。チャックでは、工具もしくは機械構成要素または機械加工されるワークピースが、旋盤チャックの中心にある、チャックジョーの面によって形成された把持空間において把持される。

例えば、液圧チャックおよび空気圧チャックは、自動的にかつ迅速に切り換えることができるという利点を有する。液圧チャックおよび空気圧チャックで実現することができる、チャックジョーのチャック動程は比較的小さく、例えばほんの＋／−１０ｍｍにすぎず、したがって、こうしたチャックの変動範囲を表す把持空間の最小直径および最大直径は限られている。いずれにせよ、チャックは、チャックジョーの配置を変更するまたはチャックジョーを取り替えることによって大型の工具またはワークピースを収容することができる。

こうした理由で、これらのチャックで達成できる把持力は、非常に強い。したがって、様々な寸法、特に様々な直径の工具またはワークピースを収容することができるようにするには、チャックを取り替えるか、またはチャックジョーを変位させなければならない。

チャックは、例えば、ヘッドチャック、ドリルチャック、旋盤チャック、または焼嵌めチャックである。

さらに、チャックの取替えは、一般に手動で行われるものであり、専門家が工作機械を停止してその機械を開き、チャックのジョーを開いてワークピースを取り外し、その後、チャックを新しいチャックと取り替える。

したがって、本発明の目的は、より効率良く使用することができるチャック、特に高い把持力に達し、広いチャック動程を有し、それと同時に構成が可能な限りコンパクトなチャックを提供することである。

本発明の基礎を成す技術的課題は、請求項１および８に記載の特徴によって解決される。本発明の有利な発展形態が、従属請求項に記載されている。本明細書、特許請求の範囲、および／または図面に記載の特徴のうちの任意の少なくとも２つの組合せもやはり、本発明の範囲内に含まれる。また、所与の値範囲において、指示された限界内の値は、境界値として開示されるものと考えられることになり、いかなる組合せにおいても特許請求されることになる。

本発明は、特に、チャックの状態を判定する動力計手段および／もしくは変位測定手段ならびに／または他の電気構成要素を排除することによってチャックを設計するというアイデアに基づいており、それにより、一方で、チャックを自動化方式で取替え可能となる、または、駆動モータからチャックジョーまで駆動トルクを伝達するためにのみチャックを使用する。その代替となるまたはそこに追加されるように意図された別の設計アプローチは、把持空間の最大寸法から把持空間の最小寸法までの移動を、チャック内部に配置された歯車列とその歯車列に連結することができる駆動モータとによって、自動的に、その駆動モータと駆動モータによって歯車列を介して実行されるチャックジョーの移動とだけによって実施することができるというものである。したがって、このチャックは、より多数のワークピースについて、より融通性が高く使用することができる。

特に、駆動モータとチャックジョーを直接駆動するチャックジョー駆動部との間にある歯車列、特に螺旋リングが、純粋に機械的に、かつ／または純粋に確動的に(positive)作成されることを規定する。さらに、複数のチャックジョーまたは各チャックジョーを正確に調節するために、液圧駆動部または空気圧駆動部をチャックジョー駆動部にさらに設けることができる。この追加の駆動部は、チャックジョー動程の細かい位置決めに特に有利であり、一方、チャックジョー駆動部を備えた歯車列は、少なくとも１ｃｍ、特に少なくとも２ｃｍ、好ましくは少なくとも５ｃｍの比較的大きい動程の位置決め向けのものである。

把持空間は、チャックジョーの個数によって画定され、この把持空間は、様々な外形のワークピースおよび／または工具を、その工具／ワークピースの把持区画において収容するように使用される。一般に、把持区画は、ワークピース／工具の１つの把持端部が多角形の筒状区画として設けられる。チャックジョーは、把持区画のジャケット表面を、駆動モータによって供給される把持力Ｆで、ジャケット表面側部の少なくとも２ヶ所、一般には３または４ヶ所から押圧して工具／ワークピースを把持し、その結果、チャックと工具／ワークピースとの間で付着作用が生じる。

本発明で規定することは、特許請求されるように、チャックジョーが、特に各チャックジョーに一体的に設けられた駆動部、特に案内溝によって、それぞれのチャックのチャックジョーの最大位置から最小位置まで把持面Ｅに沿って並進移動することができ、そのため、例えば液圧または空気圧で移動可能なチャックジョーでは必要となるチャックジョーの移送を省略できるということである。したがって、このチャックジョーは、それぞれのチャックのチャックジョーによって形成されるチャック動程全体にわたって移送することなく動かすことができる。

これまでチャックに含まれてきた機能部品を排除することによって、チャックの費用が削減されるだけでなく、チャックの操作、具体的には、ワークピースまたは工具を正確に把持し、固定して、チャックに変位および／または回転が確実に生じないようにする操作も、必須のものにまで減少させることができる。

本発明は、特に、旋盤チャックまたはフライス加工チャックに適している。

本発明の一実施形態によれば、チャックが純粋に機械的に作成されると特に有利であり、その理由は、１つには、チャックの製造が簡易になり、チャックの信頼性が増すからである。

少なくとも２つのチャックジョー間の開口幅Ｄが調節可能であることによって、かつ／または、特にサーボモータとして作成された駆動モータにより把持力Ｆが直接調節可能であることによって、ワークピースまたは工具を把持する際のチャックの制御／調節は、駆動モータによって直接実施され、追加のセンサまたは測定手段が不要となる。駆動モータは、特にトルク制御および／または位置制御のものでよく、サーボモータおよびサーボモータの閉制御ループにおけるそれぞれのチャックに対する較正が必要となる。このようにすると、チャックの特に簡易で、効率が良く、かつ非常に正確な制御／調節が可能となる。

本発明の有利な一実施形態によれば、チャックの前面に把持空間があり、チャックの前面とは反対側を向く背面に結合手段があることを規定する。この構成によって、チャックの交換および使用が容易になり、かつ空間を節約した構造が可能となる。

この結合手段は、特に弾性的に取り付けられた駆動軸であって、確動的に作用し、かつ背面に配置された結合要素、特に駆動軸の駆動側に設けられた内歯システムを備える、駆動軸を有し、この内歯システムが、駆動モータ軸の対応する結合要素と確動的に係合するという点において、対応する結合要素にチャックを配置することによって結合が可能となる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、この結合手段は、チャックを駆動モータに結合させるときの自動位置合せのための機械的位置合せ手段を、特に少なくとも１つの、好ましくは１つの、特に周縁が閉じたかつ／またはリング形の駆動軸を取り囲む進入傾斜部(approach bevel)の形で有することを規定する。結合工程の信頼性がより高まり、結合要素ならびに対応する結合要素が、この手段によって保護される。

駆動モータ軸を弾性的に取り付けることによって、結合要素が、対応する結合要素に対してずれている場合も、駆動モータの始動後、結合要素と対応する結合要素との間のずれを駆動部の動作によって解放し、対応する結合要素を、バネ力によって結合要素と係合させることによって、結合を行うことができる。

本発明で特許請求するように、一実施形態によれば、歯車列は、少なくとも２本の軸を有し、一方は駆動側に、もう一方は出力側にそれぞれあることをさらに規定する。さらに、少なくとも２本の軸は、一方向の回転方向を有し、その方向は、互いに異なるように、特に直交するように位置合せすることが有利と考えられる。本発明の他の一実施形態によれば、軸の少なくとも１本、特に駆動軸は、チャックの一長手軸Ｌに平行に、特に長手軸Ｌと一致して延在する。

本発明の他の利点、特徴、および詳細は、以下の例示的な好ましい実施形態の説明、および図面を用いることによって明白となるであろう。

本発明の特許請求された第１の実施形態におけるチャックおよびチャック受部の断面図である。 本発明の特許請求された第２の実施形態におけるチャックおよびチャック受部の断面図である。

図面において、同じ構成要素、または同じ作用を有する構成要素には、同じ参照番号を付す。

図１の上側は、チャック受部１３に収容されるチャック１を示し、この受部１３は、チャック１を軸に連結された駆動モータ２０に結合させるために下側に示されている。

チャック１は、その前面１ｖに複数のチャックジョー２を有し、これらのチャックジョー２は、その下に位置する螺旋リング３により、把持面Ｅに沿って直線移動、または並進移動することができる。螺旋リング３は、その表面３ｏに位置する螺旋部３ｓで、チャックジョーの対応する案内溝２ｆと係合する。チャックジョー２は、直線案内部４によって直線方向に案内される。

螺旋リング３の底部３ｕには、その周縁部全体にわたって冠歯システム３ｋが延在している。螺旋リング３の冠歯システム３ｋは、駆動モータ２０の駆動トルクをチャックジョー２に伝達するための、純粋に機械的な歯車列の構成要素であり、この駆動モータ２０は、歯車列に結合させることができる。さらに、この歯車列の構成要素は、出力軸として働くスプライン軸５であり、このスプライン軸５は、螺旋リング３の冠歯システム３ｋと係合して、螺旋リング３を回転させることになる。チャックジョー２は、螺旋リング３の回転によって、一様に並進移動する。

スプライン軸５は、駆動側に傘歯車７を有し、また、このスプライン軸５は、玉軸受６に取り付けられており、これは、理想的な取付けの形を成すものである。より簡易なバージョンが、軸受または摩擦軸受として存在する。スプライン軸５の回転軸Ｒは、把持面Ｅに平行であり、スプライン軸５の傘歯車７と係合する駆動軸８の別の傘歯車９を介して、回転駆動運動は、チャック１の１つの長手軸Ｌに変換され、この軸Ｌは、本実施形態では回転軸Ｒまたは把持面Ｅに直交し、さらにチャック１の中心に位置し、本実施形態では、この位置は把持空間２１の中心Ｚに一致する。駆動軸８の回転軸は、長手軸Ｌに一致する。

一方、駆動軸８には、玉が取り付けられ、その駆動側は、内歯システム１１を有し、この内歯システム１１は、チャック１の内部に配置された孔１２内に設けられる。

駆動軸８の駆動側は、凹部２４で終端し、この凹部２４は、少なくとも一部には、チャック１を駆動モータ２０またはチャック受部１３に結合させるときの自動位置合せのための位置合せ手段２２として使用される。このために、駆動軸８を取り囲むリング形の進入傾斜部２３があり、この進入傾斜部２３は、対応する凸部２６におけるリング形の進入傾斜部２５と実接合(tongue-in-groove connection)の形で結合させるときの位置合せ手段２２として働く。

チャック１と駆動モータ２０またはチャック受部１３との間にある結合部１０は、孔１２内に設けられた内歯システム１１と１つの結合要素１５に設けられた頭部歯システム１６とを有し、これらは双方ともモータ軸１４に設けられている。さらに、結合連結部としてのモータ軸１４は、結合要素１５および頭部歯システム１６に加えて、スリーブ１７を有し、このスリーブ１７には、頭部歯システム１６があり、この頭部歯システム１６が結合要素１５として使用される。スリーブ１７内では、弦巻バネ１８が案内され、そのバネ力に対抗してモータ軸１４が支持されている。スリーブ１７のモータ軸１４に対する最大移動は、スロット２７内で案内されるピン１９によって制限される。

モータ軸１４は、サーボモータ２０によって駆動される。

したがって、サーボモータ２０は、一方で、モータ軸１４を駆動し、結合部１０を介して、駆動軸８およびそこに結合されたスプライン軸５を駆動し、ひいては螺旋リング３およびチャックジョー２を駆動する。他方、サーボモータを介して電流および電圧を継続的に読み取ることができ、したがってワークピースによってチャックジョー２にかかる抵抗について、サーボモータ２０をチャック１に対して事前に較正した後、サーボモータ２０の出力または電流曲線および／もしくは電圧曲線の変動を介して把持力Ｆの制御／調節が可能となる。サーボモータ２０の代わりに、機械的／電気的フィードバックを有する駆動モータをやはり使用することができる。

図２は、２つのジョー２’を有する万力のチャック１’を示し、それらのジョー２’の面２ｓ’間には、開口幅Ｄの、ワークピースを把持することができる把持空間２１が形成されている。ジョー２’の把持面Ｅに沿った並進移動は、スピンドル３２を介して行われ、このスピンドル３２が回転するとすぐに、その出力側が２つのチャックジョー２’のうちの一方を並進移動させる。スピンドル３２の回転は、その出力側で、スピンドル３２に結合されたチェーン駆動部３１によって行われ、このチェーン駆動部３１は、その駆動側が軸３３によって駆動される。一方、軸３３は、軸３３の歯車３５にある傘歯車３４によって駆動される。傘歯車３４は、駆動軸８’の出力側に配置され、この駆動軸８’の駆動側は、図１に示す実施形態と同様に作成されている。

チャック受部１３および駆動モータ２０ならびに結合部１０は、第１の実施形態のものと同一に作成されている。

さらに、図１および図２に示す２つの実施形態に共通することは、チャック受部１３の外形と、チャック１の外形とは同一面上にあり、そのため、チャック１がチャック受部１３に正しく着座していない場合には、外側から見て直ちに認識することができる。

特に、ロボットアームが、チャック１の取替えに適している。

１、１’ チャック
１ｖ、１ｖ’ 前面
１ｒ、１ｒ’ 背面
２、２’ チャックジョー
２ｓ、２ｓ’ 面
２ｆ 案内溝
３ 螺旋リング
３ｏ 上面
３ｋ 冠歯システム
３ｓ 螺旋部
４ 直線案内
５ スプライン軸
６ 玉軸受
７ 傘歯車
８、８’ 駆動軸
９ 傘歯車
１０ 結合部
１１ 内歯システム
１２ 孔
１３ チャック受部
１４ モータ軸
１５ 結合要素
１６ 頭部歯システム
１７ スリーブ
１８ バネ
１９ ピン
２０ サーボモータ
２１ 把持空間
２２ 位置合せ手段
２３ 進入傾斜部
２４ 凹部
２５ 進入傾斜部
２６ 凸部
２７ スロット
３１ チェーン駆動部
３２ スピンドル
３３ 軸
３４ 傘歯車
３５ 歯車
Ｅ 把持面
Ｆ 把持力
Ｄ 開口幅
Ｚ 中心
Ｒ 回転軸
Ｌ 長手軸

Claims (9)

1. 把持空間（２１）においてワークピースまたは工具を把持力（Ｆ）で把持するチャック（１）であって、
   １つの把持面（Ｅ）に沿って前記把持空間（２１）の１つの中心Ｚの方向に並進移動することができる少なくとも２つのチャックジョー（２）であって、前記把持空間（２１）が前記チャックジョー（２）の面（２ｓ）によって形成される、少なくとも２つのチャックジョー（２）と、
   純粋に確動的な歯車列であって、前記歯車列が、前記チャックジョー（２）を動かすために、前記歯車列の結合手段によって前記歯車列に結合される駆動モータ（２０）の駆動トルクを前記チャックジョー（２）に伝達するために少なくとも主に前記チャック（１）内に配置され、純粋に確動的な前記結合手段が、自動化操作によって、かつ前記駆動モータ（２０）だけによって前記駆動モータ（２０）の対応する結合連結部に結合させることが可能であり、前記把持空間（２１）の最大寸法から前記把持空間（２１）の最小寸法までの移動であって前記駆動モータ（２０）から前記歯車列を介して実行される移動を実施できる、純粋に確動的な歯車列と、
   を備え、
   前記少なくとも２つのチャックジョー（２）間にある開口幅（Ｄ）および／または前記把持力（Ｆ）が、前記駆動モータ（２０）によって直接調節可能である、チャック（１）。
2. 純粋に確動的な前記結合手段が、純粋に機械的に構成される、請求項１に記載のチャック。
3. 前記駆動モータがサーボモータとして構成されている、請求項１または２に記載のチャック。
4. 前記サーボモータを介して電流および電圧が継続的に読取り可能である、請求項３に記載のチャック。
5. 前記駆動モータが、トルク制御および／または位置制御されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のチャック。
6. 前記チャック（１）の前面（１ｖ）には、把持空間（２１）があり、
   前記チャック（１）の前記前面（１ｖ）とは反対側を向く背面（１ｒ）には、結合手段がある、請求項１から５のいずれか一項に記載のチャック。
7. 前記結合手段が、弾性的に取り付けられた駆動軸（８）であって、確動的に作用し、かつ前記背面（１ｒ）に配置された結合要素を有する、駆動軸（８）を有し、
   前記結合要素が、前記駆動モータ（２０）のモータ軸（１４）の対応する結合要素（１５）と確動的に係合する、請求項１から６のいずれか一項に記載のチャック。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のチャック（１）と、
   前記チャック（１）および／または前記駆動モータ（２０）を収容するためのチャック受部（１３）に設けられた前記駆動モータ（２０）と、
   前記チャック（１）を取り替えるための取替え手段と、を有し、
   前記取替え手段は、前記チャック（１）を自動で交換するロボットアームであるシステム。
9. 前記モータ軸（１４）が、弾性的に取り付けられる、請求項８に記載のシステム。

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