JP4763938B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つのワーク・スピンドルを備える機械加工ユニットの支持体として工作機械テーブルの上で／に沿ってモータによって移動可能なツール・スライドと、機械加工すべき工作物を受けるための工作物テーブルとを備える工作物を切削するための工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の工作機械では、多軸機械加工に要する工具と工作物の間の相対運動は概ね、相互に対して主座標軸に沿って直線移動可能な３つの機械部品によって可能になる。たとえば、ＥＰ０７２１８１９Ａ１により公知の工作機械では、垂直方向切削ヘッドとして形成される機械加工ユニットが、複合スライドによって相互に直角を成す２つの水平軸線に移動可能に工作機械テーブルに配置される。複合スライドは、工作機械テーブル上で第１のガイド・レール上で移動可能なクロス・スライドと、前記クロス・スライド上で第２のガイド・レール上で移動可能な長手方向スライドとから成る。垂直軸線沿いの送り運動のため、切削ヘッドは長手方向スライド上に第３のガイド・レール上で垂直移動可能に配置される。このように設計された工作機械では、主座標軸のうち１つの軸線に沿って移動可能な３つの機械部品それぞれに関してそれぞれ別個のリニア・ガイドが必要とされる。しかし、それらは設計が複雑であり、かつ相応に高額の投資コストおよび設置コストを要する。その上、各座標軸に沿って移動すべき質量がそのような工作機械では比較的に大きく、それによって機械加工ユニットの運動速度が限定され、ガイドおよびドライブに対する要求事項も相応に高くなる。
【０００３】
ＤＥ１９８０６０８５Ａ１には工作物を３軸で機械加工する工作機械が記載され、これではそれぞれ１つのスライドがフレーム形状の工作機械テーブルの２つの横ビームのガイドで移動可能である。揺動アームにより形成される連結装置が別のスライド並びにそれとともに移動可能なツール・ヘッドを備える機械加工ユニットに２つのスライドをそれぞれに連結する。２つのスライドの長手方向スリーパでの制御された運動により、機械加工ユニットは四角形の機械加工領域内でいずれの位置にも移動可能である。しかし、機械加工ユニットの一定の位置では、揺動アームの対応する角度位置において極度の高負荷が連結装置に掛かり、そのためにこの工作機械は高度の切削性能を伴う荒削り作業中等の高負荷に関しては適さない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、始めに述べたタイプの工作機械を提供し、機械加工ユニットの正確かつ迅速な位置決めをはじめとして極力直線案内の少ない安定した構造による高速機械加工を可能にすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、前記目的は、ツール・スライドが工作機械テーブルの上で／に沿って摺動可能に案内される横方向支持体を備え、かつモータによって長手方向に移動可能な２つのクロス・スライドを含み、加工ユニットは、連結されて前記クロス・スライド間に配置され、少なくとも２つの寸法的に剛な揺動アームを備える連結機構によってワーク・スピンドルの軸方向移動を可能にすることによって解決される。
【０００６】
本発明のマシン・コンセプトは、高度に動的かつ同時に高度に正確な移動運動を可能にする簡潔な構造のきわめて堅固な機械設計によって特徴付けられる。横方向支持体が工作機械テーブル上または沿いの第１の座標軸に沿って移動できることにより、かつ２つのクロス・スライドが第２の座標軸に沿って簡単に運動することにより、加工ユニットを可動質量の少ない簡潔な構造の連結機構によって迅速かつ正確に空間内に位置決めすることが可能である。クロス・スライドもまた軽量かつ簡素にすることができ、それによって高速移動および高い加速が可能である。さらに本発明による工作機械の重要な利点は、２つの軸線における移動運動に１つのガイドしか要さないことである。
【０００７】
本発明の適切な実施形態およびさらに有利な発展形態は従属請求項に規定してある。
【０００８】
たとえば、ガントリー構造を有する工作機械では、横方向支持体を工作機械の２つの側部に配置し、水平移動可能にすることができる。しかし、横方向支持体は、工作機械テーブルの前面または側壁に沿って案内して垂直移動可能にすることもできる。両者いずれの実施形態においても、ワーク・スピンドルの高速な軸方向移動が連結機構によって得られる。
【０００９】
効率的設計の実施形態では、連結機構は、たとえば、２つの揺動アームであって、その一方の端がそれぞれクロス・スライドに蝶着され、他方の端が機械加工ユニットの対向側部に蝶着された揺動アームを備える。２つの揺動アームのうち一方に隣接してもう１つの揺動アームが設けられ、それによって機械加工ユニットがクロス・スライドの１つに連結される。こうして、一種の平行ロッドまたは剪断運動機構が得られ、それによってクロス・スライドが互いに反対方向に同期移動する場合にはワーク・スピンドルの軸方向移動が可能となり、クロス・スライドが互いに同じ方向に同期移動する場合にはワーク・スピンドルの軸方向に対する横方向の移動が可能となる。
【００１０】
軽量でありながら安定した実施形態では、揺動アームはサイド・プレートおよび横支柱から溶接された連結ビームでもよい。揺動アームはまた、円形または方形断面を有する支持体等として形成することもできる。
【００１１】
別の有利な実施形態は、少なくとも上方揺動アームの長さが調節可能であることを特徴とする。こうして機械加工ユニットの傾斜姿勢が可能になり、それによって、たとえば、傾斜面形状等を単純な方法で機械加工することができる。揺動アームの長さ調節を迅速かつ適切に自動的に行うには、揺動アームを相互に対して移動可能な内側および外側アーム部を備える伸縮アームとして設計することによって実現される。アーム部の運動は、リニア・ドライブまたはこの場合に適切な他のドライブによって達成されよう。
【００１２】
機械加工ユニットの傾斜姿勢を得られる別の方法は、２つのクロス・スライドのうち少なくとも１つに横方向支持体上で水平方向に移動可能な第１の摺動部と、これに載ってガイド・レールで摺動可能に案内されるモータ駆動の第２の摺動部とを設け、上方揺動アームの上端を前記第２の摺動部に蝶着する方法である。こうして、揺動アームの長さ調節は無しでも機械加工ユニットの傾斜姿勢を得ることができる。
【００１３】
小型から中間サイズの工作物の迅速な機械加工に特に適した実施形態では、工作物支持体がモータにより垂直軸線回りに回転可能な支柱と、前記支柱（６１）に周囲方向に等間隔に配置され中心軸線回りに回転可能に配置されたクランピング・ブロック等とを備える。それによって工作物の迅速な交換を過剰な停滞時間無く行うことができる。他方、大型および重量工作物の機械加工のためには、工作物支持体を剛性の円形テーブルまたは垂直軸線回りに回転可能な円形テーブルとすることができる。
【００１４】
迅速な工具交換は、工作機械テーブルの後部に配置された少なくとも２つの対向する工具マガジンを備える工具格納手段を設けることによって特に有利な態様で達成することができる。工具交換のためには、機械加工ユニットを２つの工具マガジン間で移動することができるが、その場合には使用済み工具は一方のマガジンに片づけ、新しい工具を対向のマガジンから最小限の移動距離で取るようにすることができる。
【００１５】
特に有効な実施形態では、機械加工スピンドルが２つ以上のワーク・スピンドルを備える。こうして、数個の工作物を同時加工することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のさらに他の特徴および長所は、有利な実施形態に関して図面を参照する以下の説明によって理解されよう。
【００１７】
図１から図３に概略を示す工作機械は、寸法的に剛な工作機械テーブル１を備え、テーブル１は２つの対向する側部２、３を含み、その上に２つの平行なガイド・レール５、６に載ってドライブ（図示せず）により第１の移動軸線（Ｘ軸）に沿って水平方向に移動可能な横方向支持体４が配置される。工作機械テーブル１の側部２、３は側壁として形成され、横向き後部壁７によって相互に強固に連結されるが、後部壁７は、図示の実施形態では、工作機械テーブル１に、上面から見て、その前面側に、側部２、３の間にほぼ半円形の凹所８が設けられるように形成される。前記凹所８内側には、ベース９の上面から見て円形の後部片側半分が配置される。ベース９上部に配置される切削および穿孔マシンのワーク・エリアは、横方向壁７の半円形側面によって後部側に限定される。工作機械テーブル１に強固に連結され、もしくはテーブル１と一体形成されるベース９上に、詳細を後述する機械加工すべき工作物を受けるための工作物支持体１０が設けられる。ベース９の上部側は、機械加工中にできるチップ等の受皿として形成される。
【００１８】
横方向支持体４の上側には、ガイド・レール５、６に対して直角に２つのガイド・レール１１、１２が取り付けられ、このガイド・レール１１、１２上に２つのクロス・スライド１３、１４が第１の移動軸線（Ｘ軸）に対して直角な第２の移動軸線（Ｙ軸）方向に水平可動に配置される。
【００１９】
特に図１および図３から分かるように、横方向支持体４は、寸法的に剛な方形フレーム構造で、ガイド・レール５、６を走行する２つの短めの側部１５、１６と、開口を備える長めの前後横方向バー１７、１８とから成る。クロス・スライド１３、１４のガイド・レール１１、１２は、２つの平行な離間した横方向バー１７、１８に取り付けられる。図３によれば、クロス・スライド１３、１４は、それぞれ２つの案内要素１９、２０によってガイド・レール１１または１２の一方に案内され、長手方向に延在する案内ボディ２１または２２と、これに対して９０度に設けられ、端側が１つの案内要素２５によってそれぞれ他方のガイド・レール１２または１１に沿って案内される水平方向支持ボディ２３または２４とから成る。２つのクロス・スライド１３、１４は、互い違いに配置され、一方のクロス・スライドの案内ボディと他方のクロス・スライドの支持ボディがそれぞれ一方のガイド・レールに案内される。溶接構造等の箱形に設計されたクロス・スライド１３、１４の側壁には開口が設けられ、それによって移動すべき質量が減少する。２つの支持ボディ２３、２４には、機械加工ユニット２６が２つの離間した横方向バー１７、１８間の空きスペースに配置され、この場合は、ハウジング内に支持され少なくとも１つの駆動モータ２８によって駆動される２つのワーク・スピンドル２９、３０を備え、揺動アーム３１、３２および３３を介して蝶着され、したがって、機械加工ユニット２６はクロス・スライド１３、１４の反対方向移動によりＹおよびＺ面上で動くことができる。２つのクロス・スライド１３、１４の同方向移動により、機械加工ユニット２６はＹ軸に沿って移動する。
【００２０】
図２から分かるように、２つの下方揺動アーム３１、３２の上端は、２つの支持ボディ２３、２４の下向き突出部３６、３７に継手３４、３５により蝶着される。揺動アーム３１、３２の下端は機械加工ユニット２６のハウジング２７の２つの横向きショルダ４０、４１に継手３８、３９を介して蝶着される。図２によれば、下方左揺動アーム３２の上方に上方揺動アーム３３が設けられ、上端が支持ボディ２４の横向きショルダ４３に継手４２により蝶着され、下端が機械加工ユニット２６のハウジング２７の上端に蝶着される。図２に示す実施形態では、上方揺動アーム３３は相互に移動可能な２つの内側および外側アーム部４４、４５を備える伸縮アームとして形成される。外側アーム部４５を適当なリニア・ドライブ等（図示せず）により伸縮させることによって、機械加工ユニット２６を傾斜させ、かつ図示の垂直姿勢に戻すことができる。
【００２１】
上方揺動アーム３３は、図１および特に図３に示すように長さ固定の剛性ビームであってもよい。ここで図示の実施形態では、たとえば、三角形状の上方揺動アーム３３の狭い上端４６が支持ボディ２４の中央凹所４７に蝶着され、かつ２つの横向き下方脚部４８、４９によって、ハウジング２７の左側（図３において）に蝶着される。しかし、この実施形態では、機械加工ユニットが傾斜姿勢をとることはできない。
【００２２】
図４に別の実施形態として示す連結機構では、機械加工ユニット２６が以下のようにして傾斜姿勢をとることができる。即ち、同図で、左クロス・スライド１４には、横方向支持体４のガイド・レール１１、１２上で水平方向に摺動可能な下方摺動部５０と、下方摺動部５０のガイド・レール５２上で駆動モータ（図示せず）によって摺動可能に案内される上方摺動部５１とが設けられる。揺動アーム３２の上端は下方摺動部５０に蝶着され、揺動アーム３３の下端は上方摺動部５１に蝶着される。下方摺動部５０上を上方摺動部５２を移動させることによって機械加工ユニット２６の傾斜姿勢を得ることができる。
【００２３】
図示の工作機械では、２つのクロス・スライド１３、１４の駆動は図１および図２に示すボール・スピンドル・ドライブによって達成され、ボール・スピンドル・ドライブは各クロス・スライド１３、１４の案内ボディ２１、２２に配置されたスピンドル・ナット５３と、ベルト・ドライブ５４を介しモータ５５または５６によって駆動されるねじ付きスピンドル５７、５８とを備える。ねじ付きスピンドル５７、５８の端部は横方向支持体４でアングル・ブラケット５９、６０により支持され、右クロス・スライド１３は前面側のねじ付きスピンドル５７によって駆動され、左クロス・スライド１４は後部側のねじ付きスピンドル５８によって駆動される。しかし、２つのクロス・スライド１３、１４は、リニア・ドライブその他の適切なドライブにより移動することができる。図３では、クロス・スライド１３、１４のドライブは簡潔にするために省略してある。
【００２４】
図１および図３に示す工作物支持体１０は、ベース９のほぼ中央にドライブ（図示せず）によりその垂直中心軸線回りに回転可能に配置された垂直支柱６１を備える。支柱６１には、その周囲に沿って等間隔に配置された角状支持体６２が配置され、垂直上向きに突出するその端部６３で四角形クランピング・ブロック６５の側端ベアリング・ジャーナル６４、クランピング・プレート等が支持される。クランピング・ブロック６５は、その他端に配置されたフランジ６６により、その水平方向中心軸線回りにドライブ（図示せず）によって回転可能に支柱６１に取り付けられる。機械加工すべき工作物は、各クランピング・ブロック６５の４つの側面にクランプすることができる。図１の後部側に突出するクランピング・ブロック６５は、機械加工ポジションにあり、一方前面に斜めに突出するクランピング・ブロックは新たに機械加工すべき工作物がクランプされ、仕上り工作物が取り外されるセットアップ・ポジションにある。２つのクランピング・ブロック６５へのアクセスを向上するため、ベース９の前面側に上面から見て弓形形状の凹所６７が設けられる。さらに、図１から図３に示す工作機械は、周囲環境保全のために保護キャビン内に収容される。
【００２５】
横方向支持体４の移動により、図１の機械加工ユニットは２つの平行なワーク・スピンドル２９、３０を含めてＸ軸に沿って移動することができる。２つのクロス・スライド１３、１４が同一方向に同期移動中に、機械加工ユニットは水平方向Ｙ軸に沿って調節され、クロス・スライド１３、１４が相互に近寄るか離間するときには、垂直方向Ｚ軸に沿って調節される。他方、機械加工ユニット２６の傾斜姿勢は、伸縮アームとして設計された揺動アーム３３を伸ばすか、あるいは下方摺動部５０上を上方摺動部５１を移動させることによって達成することができる。
【００２６】
工作機械テーブル１の横方向壁７の上部には、方形の凹所６８が設けられ、これを経て機械加工ユニット２６をその背後に用意された工具格納手段６９に移動させることができる。図３から分かるように、工具格納手段６９は、横方向壁６の背後、２つの側壁２、３の間に配置された４つの工具マガジン７０から成り、工具マガジンの２つがそれぞれに対向配置され、使用後の工具を一方の側に配置された工具マガジンに返し、新しい工具を対向側の工具マガジンから取り出すことができ、工具マガジン７０の間の中間位置に配置された機械加工ユニット２６の側面方向移動は最小限で済む。図示の実施形態では、工具マガジンは２つの駆動ホイールまたはディスク７１、７２で案内されるチェーン・マガジンとして形成される。しかし、ディスク・マガジン等を用いることも考えられる。
【００２７】
図５に、本発明による工作機械の別の実施形態を示す。この実施形態では、横方向支持体４は工作機械テーブルの縦方向前面または側壁７５に配置され、縦方向ガイド・レール７３、７４で縦軸線に沿って移動可能である。横方向支持体４の２つの横方向壁１７、１８の間に、機械加工ユニット２６が２つの水平方向ワーク・スピンドル７６、７７を含めて２つのクロス・スライド１３、１４に３つの揺動アーム３１、３２、３３を備える連結機構を介して蝶着される。上述実施形態におけるように、この場合は、２つのクロス・スライド１３、１４を適当なドライブにより移動可能に横方向支持体４に配置することもできる。したがって、２つのクロス・スライド１３、１４を反対方向に同期移動し、２つのワーク・スピンドル７６、７７の水平方向への軸移動を連結機構により達成することができる。他方、２つのクロス・スライド１３、１４を同一方向に同期移動し、２つのワーク・スピンドル７６、７７を軸方向に対して横方向に水平移動することができる。
【００２８】
本発明は以上に詳述し図面に示した実施形態に限定されない。複数のワーク・スピンドルを一種のフレーム、スライド等に設けて、スピンドル間の間隔を変更可能もしくは調節可能にすることもできる。このように、機械加工間隔の制御が可能であり、応用範囲の拡張が可能である。さらに、機械加工ユニットを縦軸線回りに回転可能に設計し、それによって個々のワーク・スピンドルの姿勢を変更することもできる。共用モータによって駆動するワーク・スピンドルに代えて、１つまたは複数の個別駆動モータ・スピンドルを使用することもできる。実用上特に有利な変形例は、マルチ・スピンドル機械加工ユニットの１つまたはすべてのワーク・スピンドルをそれぞれ工具毎に長さ調節して設け、それよって摩耗、再研磨等により生じる個々の工具間の僅かな長さの差を簡潔かつ時間損失無く補償することができる。長さ補償は、手動により、あるいはより効率的には、モータにより達成することができ、かつアクチュエータを備えることにより、クランプされた工具を含む個々のワーク・スピンドルの位置補正を対応する制御を行った上で実施することができる。
【００２９】
さらに、以上に詳述し複数の回転可能なクランプを備えるクランピング手段を剛性または、たとえば、モータ駆動式円形テーブル等により代えることもできる。
【００３０】
最後に、図５に示す実施形態の変形では、横方向支持体４を上下水平方向面側ガイド・レール７３、７４で水平方向移動可能に、他の構成品を図５に示すように９０度回転して形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による工作機械の基本設計の概略斜視図である。
【図２】横方向支持体および工作物支持体の前面を省略した本発明の工作機械の概略正面図である。
【図３】図１の工作機械の概略上面図である。
【図４】クロス・スライドと機械加工ユニットの間の連結機構の別の実施形態を示す詳細図である。
【図５】本発明による工作機械の別の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 工作機械テーブル
２、３ 側部
４ 横方向支持体
７ 後部壁
９ ベース
１０ 工作物支持体
１３、１４ クロス・スライド
１５ 側部
１７、１８ 横方向バー
２６ 機械加工ユニット
２９、３０ ワーク・スピンドル
３１、３２、３３ 揺動アーム
４４、４５ 内側および外側アーム部
５０ 下方摺動部
５１ 上方摺動部
５２ ガイド・レール
５３ スピンドル・ナット
５７、５８ ねじ付きスピンドル
６１ 支柱
６５ クランピング・ブロック
６８ 凹所
６９ 工具格納手段
７５ 垂直壁
７６、７７ 水平方向ワーク・スピンドル

Claims (11)

1. 少なくとも１つのワーク・スピンドル（２９、３０、７６、７７）を備える機械加工ユニット（２６）の支持体として工作機械テーブル（１）上で工作機械テーブル（１）に沿ってモータによって移動可能なツール・スライド（４、１３、１４）と、
   加工すべき工作物を受ける工作物支持ユニット（１０）と
   を備え、
   前記ツール・スライド（４、１３、１４）が、前記工作機械テーブル（１）上で工作機械テーブル（１）に沿って前記工作機械テーブル（１）の横手方向に移動可能に案内される横方向支持体（４）と、モータによって前記工作機械テーブル（１）の長手方向に移動可能な２つのクロス・スライド（１３、１４）とを備え、
   前記機械加工ユニット（２６）が、前記クロス・スライド（１３、１４）間に配置されて、少なくとも２つの揺動アーム（３１、３２）を備える連結機構を介して前記ワーク・スピンドル（２９、３０、７６、７７）を前記ワーク・スピンドルの軸方向に移動させる工作物を切削するための工作機械において、
   前記横方向支持体（４）が、より短い側部（１４、１５）およびより長い支持バー（１７、１８）からなる横長の方形フレーム構造であり、長い支持バー間に前記機械加工ユニット（２６）が配置されていて、
   前記連結機構が、前記少なくとも２つの揺動アーム（３１、３２）であって、一方の端でそれぞれ１つの前記クロス・スライド（１３、１４）に蝶着され、他方の端で前記機械加工ユニット（２６）の対向側部に蝶着された前記少なくとも２つの揺動アームと、一方の端で前記クロス・スライド（１３、１４）の１つに蝶着され、他方の端で前記機械加工ユニット（２６）に蝶着された付加揺動アーム（３３）とを備えていることを特徴とする工作機械。
2. 請求項１による工作機械において、前記横方向支持体（４）が、水平方向に移動可能に前記工作機械テーブル（１）の２つの側部（２、３）上で案内されることを特徴とする工作機械。
3. 請求項１による工作機械において、前記横方向支持体（４）が、垂直方向または水平方向に移動可能に前記工作機械テーブル（１）の前面または側壁（７５）上で案内されることを特徴とする工作機械。
4. 請求項１による工作機械において、前記付加揺動アーム（３３）が長さが調節可能であり、相互に対して移動可能な内側および外側アーム部（４４、４５）を備える伸縮アームであることを特徴とする工作機械。
5. 請求項１から４のいずれか１項による工作機械において、前記クロス・スライド（１３、１４）が、それぞれリニア・ドライブ（５３、５７、５８）によって駆動されることを特徴とする工作機械。
6. 請求項１から５のいずれか１項による工作機械において、前記機械加工ユニット（２６）が、２つ以上のワーク・スピンドル（２９、３０）を備えることを特徴とする工作機械。
7. 請求項６による工作機械において、前記ワーク・スピンドル（２９、３０）のうち少なくとも１つには、各工具の長さを補償する機構が備えられていることを特徴とする工作機械。
8. 請求項１による工作機械において、前記工作機械テーブル（１）の前記２つの側部（２、３）が、ほぼ半円形の側面を有する横方向壁（７）によって連結されていて、前記２つの側部（２、３）を連結するベース（９）が、前記連結によって形成された空間に設けられ、前記ベース（９）はチップ収集器となり、かつその上に配置された前記工作物支持ユニット（１０）を備えることとを特徴とする工作機械。
9. 請求項８による工作機械において、前記工作物支持ユニット（１０）が、モータにより垂直軸線回りに回転可能な支柱（６１）と、前記支柱（６１）に円周方向に等間隔に配置されたクランピング・ブロック（６５）にして、水平方向中心軸線回りに回転可能に配置された工作物クランプとなるクランピング・ブロック（６５）とを備えることを特徴とする工作機械。
10. 請求項８による工作機械において、前記工作物支持ユニット（１０）が、固定円形テーブルまたはモータによって垂直軸線回りに回転可能な円形テーブルであることを特徴とする工作機械。
11. 請求項８から１０のいずれか１項による工作機械において、工具格納部（６９）が、前記横方向壁（７）の背後に設けられ、前記横方向壁（７）の上部が、凹所（６８）を備え、その凹所を前記機械加工ユニット（２６）が通過して工具を交換することとを特徴とする工作機械。

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