JP4923044B2 - 締め付け棒と連結装置とを備えたスピンドル - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の構成を備えたスピンドルに関するものである。

本発明の課題は、締め付け棒を、たとえば工具交換のために別個に駆動することなく変位させることのできるスピンドルを提供することである。

この課題は、請求項１の前記上位概念に記載の構成との関連で、該請求項１の特徴部分により解決される。

スピンドルの有利な実施態様は従属項２−７に記載されている。

本発明によるスピンドルの締め付け棒は、中空軸として構成された作業軸内に軸線方向に変位可能に受容されている。作業軸は、たとえば工具交換のために作業軸の内部で締め付け棒を軸線方向に変位させるため、第１の連結位置において、任意の角度位置で作業軸と結合可能である。

第２の連結位置では、締め付けやっと内に受容されている工具（特に工作物加工用工具）を回転させるために、駆動軸は作業軸および締め付け棒と結合可能である。この場合、駆動軸に対する作業軸の角度位置を任意に選定可能である。したがって、総じて、本発明によるスピンドルは特に適用性に可変性があり、作業軸に対する駆動軸の角度位置を任意に選定して第１の連結位置も第２の連結位置も実現でき、またこれら位置を解除することができる。

有利な実施態様によれば、連結装置は軸線方向に互いに変位可能な連結要素を有し、これら連結要素は軸線方向において距離限定的に互いに変位可能である。この距離限定は、距離限定的に互いに嵌合可能な外側円錐部と内側円錐部とを備えた領域により達成できる。これにより、連結装置は第１の連結位置においても第２の連結位置においても自動的に終端位置へ到達する。連結要素の軸線方向変位距離を付加的に制限させる必要はない。

連結部の具体的な構成は、たとえば欧州特許出願ＥＰ０４００７９１４．７（２００４年４月１日出願）から読み取れる。この欧州特許出願の内容をすべて本特許出願の内容に取り入れるので、当該欧州特許出願に記載されている連結装置のすべての実施態様は本発明によるスピンドルにおいても実現することができる。

特に有利な実施態様では、連結装置は、内側円錐部を備えた第１の連結要素と、外側円錐部および内側円錐部を備えた第２の連結要素と、外側円錐部を備えた第３の連結要素とを有している。

外側円錐部を備えた連結要素が第２の連結要素と係合していない場合も、駆動軸の回転時に遠心力が発生するにもかかわらず、望ましくない力が静止している第２の連結要素の内側にあるクランプ体に作用することはない。

本発明を、図面に図示した実施形態に関しさらに詳細に説明する。
複数の機能を実施しなければならない機械または機械アッセンブリを駆動する場合、従来では、これら機能のそれぞれに固有の駆動部を備えさせねばならない。

通常は、電動機、液圧モータ、或いは空気圧モータにより回転を生じさせ、工具／工作物の締め付け、交換、或いは変位の際の通常の軸線方向および半径方向の運動過程はたとえばストロークシリンダまたは空気圧駆動部を介して実施させる。

本発明によるスピンドルはただ１つの主駆動部を有しており、主駆動部は直接駆動軸に固定されているか、或いは、ベルトドライブまたは伝動装置を用いて駆動軸に駆動が伝えられる。

本発明は、工具または工作物を回転させ、同時に周期的に締め付け運動、交換運動または変位運動を実施することのできるスピンドルに関わる。

本発明によるスピンドルでは、スピンドル軸は分割されて、互いに同軸に配置されている。この場合、２つの軸部分の間の分離隙間は、接触が生じない程度の大きさである。

１つの軸部分、いわゆる作業軸１は、工具または工作物を保持（締め付け）し運動させるための装置と、他のピストン部分とを有している。他の軸部分、いわゆる駆動軸４は、駆動原動機の構成要素であるか、或いは、ベルトプーリ、歯車等の駆動要素を担持している。両軸部分は連結部を用いて切り離しまたは互いに結合させることができ、この場合連結部とシステム全体とは、軸部分を切り離す場合に駆動原動機が作業軸１に第２の機能を生じさせ、すなわち直線的な変位運動および締め付け運動を生じさせるように構成されている。

連結部は自動的に切換えることができ、本発明による構成では非常に短く構成されているので、本発明によるスピンドルシステムはきわめてコンパクトであり、短く実施可能であり、これは締め付けシステムを外部から操作する形式のスピンドルシステムの場合にだけ可能であったものである。

すべての機能が組み込まれているスピンドルは、通常、工具または工作物の締め付け個所とは反対側のスピンドル端部に、締め付け円錐部９の締め付け運動および変位運動用の第２の駆動装置（たとえば液圧または空気圧駆動装置）を有しているが、この第２の駆動装置には供給管を備えさせるのが条件である。

本発明による駆動装置では、前記第２の駆動装置を設ける必要がないので、重量をかなり低減させることができ、このことは高速運度および加速時に有利である。第２の駆動装置用の供給装置および制御装置も必要ない。

図１は自動工具交換システムを備えたフライス削り、研削加工用の工作機械スピンドルを示している。

作業軸１と該作業軸から切り離された駆動軸４との間には連結部が設けられ、連結部は、軸線方向の直線運動を生じさせるためのスクリューシステムと、締め付けやっとこ１１と、締め付け運動および変位運動を監視するための監視システムとを備えている。操作式の連結部は、駆動軸４から作業軸１への伝動のために、短い切換え経路を持ち、いかなる回転位置においてもスムースに係合することができ、わずかな力で操作することができる。

前記両軸の軸部分の突合せ位置における前記スクリューシステム（ねじ装置）は、差動ねじ山での立ち上がりの構成によっては、駆動原動機のトルクから締め付けやっとこ内部の引張り力への付加的な力伝動を生じさせることができる。

図１において、「締め付け要素 閉または締め付け」の状態は中心線よりも上部にＡで示されており、「締め付け要素 開」の状態は中心線よりも下部にＢで示されている。

スピンドルはスピンドルヘッドから成り、スピンドルヘッドは、作業軸１と、締め付け円錐部９に受容されている締め付けやっとこ１１とを備えている。この場合、作業軸１は軸受３を用いてケーシング２内に回転可能に支持されている。駆動軸４は作業軸１とは独立に回転可能であるように軸受６を用いてケーシング５内に支持されている。駆動部は図１の例示によれば電動機２０であり、電動機２０は、駆動軸４に固定されているロータ７と、ケーシング５内に受容されているステータ８とを有している。駆動部は空気圧モータまたは液圧モータ、ベルトプーリ、或いは、外部に駆動原動機を備えた伝動装置であってもよい。

作業軸１は外端中央に開口部を有している。この開口部は、締め付け円錐部９と、締め付けやっとこ１１を差し込む心合わせ穴１０とから成る。図示したＨＳＫ締め付けやっとこ１１の代わりに、締め付けフィンガーを備えた締め付けやっとこまたは締め付けシステム、或いは、スピンドル端部に固定されるマルチジョーチャックを使用してもよい。

スピンドル状態Ａは、作業軸１の中に引き込まれて「工具 締め付け」の位置にある締め付けやっとこ１１を示している。スピンドル状態Ｂでは、締め付けやっとこ１１は締め付け円錐部９から引き出され、工具を備えた締め付けインサートを締め付け円錐部から取り出すことができる。ＨＳＫ締め付けインサートＤＩＮ６９８９３−１は図示していない。スリット付きの締め付けやっとこの場合には締め付けやっとこを半径方向に拡開させて工具を取り出すことができる。位置Ｂで工具を取り出して他の工具を挿着することができる。

上側のスピンドル横断面Ａは作動状態にあるスピンドルシステム、すなわち「工具 締め付け」の状態を示しており、作業軸１は駆動軸４と相対回転不能に結合されている。

両軸の連結は切換え可能な連結装置を用いて行なう。この連結装置は連結フランジ（第３の連結要素）１２から成り、連結フランジ１２は、駆動軸４と相対回転不能に且つ位置固定して連結されている円錐状の外面（外側円錐部）１３を備えている。連結リング（第２の連結要素）１４は、円錐状の外面１３に対し平行に延びている内側円錐部１５と、両円錐面の間に設けられる、クランプ体１６のリム部とを有している。クランプ体１６はケージリング内で保持され、周回するように延びるばね１７により内側円錐部１５に対し押圧される（出願ＥＰ０４００７９１４．７を参照）。

上記ＥＰ０４００７９１４．７に記載されているこの種の連結装置の場合、クランプ体は互いに対を成して作用するように配置されており、その結果両回転方向で遊びのないクランプが与えられている。

連結リング１４が右側へ変位すると、外側円錐部１３と内側円錐部１５とクランプ体１６とが接触し（すなわち第２および第３の連結要素）、相対回転不能連結部を形成する。

連結リング１４の右側への軸線方向運動は圧縮ばね１８によって生じ、維持される。連結リング１４は、軸線方向に変位可能であるが相対回転不能な結合状態にあるたとえば確動性の波形・筋目結合部(Wellen-/Narbenverbindung)１９を介して、作業軸１と結合している。

工具交換時の状況はスピンドル横断面Ｂに図示されている。まず駆動モータ２０を停止させ、接続部３５を介して圧縮空気をピストンシステム内へ誘導する。ピストンはここでは非常に膨張性のある材料から成るチューブリング２１として例示されており、圧縮空気により膨らませて押圧リング２２を、よって連結リング１４を左側へ（矢印Ａとは逆の方向）へ変位させる。リング状のチューブの形態のピストンはコンパクトな構成の一例であるにすぎない。流体または圧縮空気で付勢される、公知の構成のピストン・シリンダシステムでもよく、或いは、磁力を用いたリニアシステムまたは回転システムでもよい。

内側円錐部１５から外側円錐部１３への相対的な軸線方向変位により半径方向に隙間が生じる。この隙間はクランプ体１６と外側円錐部１３との接触を解除させる。したがって駆動軸４と作業軸１との回転結合が中断される。

連結リング１４は、外側円錐部２３が、連結リング１４の他端において、ケーシング２と固定結合されている内側円錐部２４とクランプ体リム部２４（第１の連結要素）を介して接触するまで、左側へ変位する。

したがって、連結リング１４と（よって作業軸１と）ケーシング２との間での相対回転不能な接触が形成され、他方駆動軸４から作業軸１への回転結合は中断される。

いま駆動部（たとえば駆動モータ２０）をオンにすると、駆動軸４は停止している作業軸１に対し相対的に回転し、したがって、部分２７において軸線方向に変位可能に六角異形部材を介して駆動軸４と相対回転不能に結合されているねじ軸２６は、軸線方向に変位可能でスライド楔２９により作業軸１と相対回転不能に結合されているねじブシュ２８に対し係合または係脱することができる。

ねじ軸２６は、その左側部分に、ピッチが異なる雄ねじおよび雌ねじを有している。雄ねじはねじブシュ２８の雌ねじと協働し、ねじ軸２６の雌ねじは締め付け棒３０に設けたねじ山と係合している。ねじ山の異なるピッチを適当に選定することにより、締め付け棒３０の軸線方向の運動を次のように設定でき、すなわちねじ山の慣性が十分であれば、駆動モータのトルクと締め付けやっとこの引き込み力との間で必要な力伝動が達成されるように設定できる。

この締め付けシステムは力の流れに関し閉じたシステムであり、このことは、ねじ山のピッチに自動ロック性があるので、作業軸１の外側から力が作用しないことを意味している。工具を締め付けることにより軸受３は負荷されず、また外部からの支持力を必要としない。締め付け棒３０のスラスト力はねじブシュ２８によって吸収され、圧縮ばね３２を介して作業軸１へ誘導される。その際、圧縮ばね３２は予緊張力で十分の数ミリメートル圧縮される。これは、作業サイクル中の衝撃または振動による締め付けやっとこまたは工具のたるみを補償するには十分であり、よって締め付け力損を補償するには十分である。

工具を交換する場合、すなわち図１のスピンドル横断面Ｂにおいては、圧縮ばね３２はねじブシュ２８を駆動軸４に設けた平面当接部４４に対し押圧させる。この場合、締め付けやっとこ１１を作業軸１から抜き出すために必要なスラスト力も支援する。

したがって工作物の交換は以下のように経過する。
駆動モータ２０を停止させ、次にピストン２２ないし連結部２３，２４の作動を停止させる。電動機を回転方向へオンにし、締め付け棒３０と締め付けやっとこ１１を作業軸１から抜き出す。次に電動機を停止させ、工具を締め付けやっとこ１１内部で交換する。次に電動機を逆の回転方向へ始動させ、締め付けやっとこ１１を引き込んで工具を締め付ける。次に、ピストンストローク用の圧縮空気を遮断する。連結リング１４をばね力１８で変位させて、連結部２３，２４を開き、連結部１３，１５を閉じる。

さらに、ピストンリング２２をばね３１によりさらに変位させると、回転している連結リング１４は停止しているピストンリング２２ともはや接触していない。このとき電動機を作業回転方向へ始動させ、作業サイクルを開始させる。

工作物交換サイクルまたは締め付け棒１１の開閉は監視される。このため、締め付け棒の運動を、連行ピン３３を介して、軸線方向に変位可能に作業軸１上で案内されているコントロールリング３４へ伝える。このコントロールリング３４は外側が円錐形であり、センサ３６を通過し、その際にアナログ信号を発生させる。このアナログ信号は締め付け棒１１の軸線方向位置を表わし、締め付け棒１１がそれぞれの終端位置に達したかどうかを知らせ、工具締め付け運動が終了しなかった場合に機械を止める。これは、工具が適正に締め付けられていないこと、或いは、締め付け棒が終端点をはみ出した場合には工具が締め付けシステム内にないことを意味している。同様に工具の排出過程も監視する。

図２は連結部を操作する他の実施形態を示している。周方向に均等に配分された電磁石が担持リング３７内に固定されている。個々の電磁石は、マグネットコイル３８と、軸線方向に可動で、磁化可能な鋼から成るマグネットコア３９とから成っている。マグネットコア３９は、該マグネットコアの端部に設けたその鍔４０によって、切換えリング４１に掛止され、最も外側の右側の軸受で、担持リング３７で支持されているばね４２を用いて保持されている。

これにより、スピンドルの作業サイクル中に、停止している切換えリング４１と、連結リング１４と固定結合されて回転している切換えブシュ４３との間に接触が生じないよう達成される。

締め付けシステムを開くため、マグネットコイル３８に電流を流し、マグネットコア３９をマグネットコイル３８内へ引き込む。切換えリング４１を一緒に引張る鍔４０を介して、連結リング１４は切換えブシュ４３によりその左側の終端位置へ引張られ、すなわち連結部２３，２４が閉じるまで引張られる。

マグネットコイル３８の電流を切った後、連結リング１４をばね力１８により再びその作業位置へもたらし、ばね力４２は切換えリング４１と切換えブシュ４３とを切り離す用を成す。個々の電磁石の代わりに、小型の液圧シリンダまたは空気圧シリンダを設けてもよい。この場合、ピストン棒の自由端は同様に鍔４０を有し、その結果他の機能は上述の機能に正確に対応している。また、締め付けやっとこ１１を押し出すための締め付け棒３０内のスラスト力は作業軸１で支持される。段状に形成されたねじブシュ２８は、作業軸１に固定されたリングナット４５により、圧縮ばね３２に抗してその軸線方向の位置で保持される。ねじブシュ２８の段部は、４６で示した個所でリングナット４５を押す。この実施形態の利点は、工具交換中も作業軸１から外側へ力が作用しない点にある。

本発明によるスピンドルの断面図である。 連結装置の変形実施形態を備えたスピンドルの図１の拡大図である。

符号の説明

１ 作業軸
２ ケーシング
３ 軸受
４ 駆動軸
５ ケーシング
６ 軸受
７ ロータ
８ ステータ
９ 締め付け円錐部
１０ 心合わせ穴
１１ 締め付けやっとこ
１２ 連結フランジ
１３ 円錐状の外面
１４
１５ 内側円錐部
１６ クランプ体
１７ ばね
１８ 圧縮ばね
１９ 波形・筋目結合部
２０ 駆動モータ
２１ チューブリング
２２ 押圧リング
２３ 外側円錐部
２４ 内側円錐部
２５ クランプ体リム部
２６ ねじ軸
２７ 部分
２８ ねじブシュ
２９ スライド楔
３０ 締め付け棒
３１ ばね
３２ 圧縮ばね
３３ 連行ピン
３４ コントロールリング
３５ 圧縮空気接続部
３６ センサ
３７ 担持リング
３８ マグネットコイル
３９ マグネットコア
４０ 鍔
４１ 切換えリング
４２ ばね
４３ 切換えブシュ
４４ 平面当接部
４５ リングナット
４６ 個所

Claims (7)

1. スピンドルに装着された工具により工作物を加工するためのスピンドルであって、軸線方向に移動可能で、工具をスピンドルに固定するための締め付け棒と駆動軸とを備え、スピンドルの駆動軸が、連結装置を介して、工具交換のために締め付け棒を軸線方向に変位させるために締め付け棒と連結可能であり、或いは、工作物の加工のため工具と結合可能である前記スピンドルにおいて、
   −締め付け棒（３０）が中空軸として構成された作業軸（１）内に軸線方向に変位可能に受容され、
   −作業軸（１）が、駆動軸（４）により作業軸（１）の内部で締め付け棒（３０）を軸線方向に変位させるため、第１の連結位置において、スピンドルのケーシング（２）に対しロック可能であり、前記第１の連結位置における作業軸（１）と駆動軸（４）との角度位置を任意に選定可能であり、
   −第２の連結位置で駆動軸（４）により作業軸（１）と締め付け棒（３０）とを一緒に駆動可能であり、前記第２の連結位置における作業軸（１）と駆動軸（４）との角度位置を任意に選定可能である、
   ことを特徴とするスピンドル。
2. 前記連結装置が軸線方向に互いに変位可能な連結要素を有し、これら連結要素が軸線方向において距離限定的に互いに変位可能であることを特徴とする、請求項１に記載のスピンドル。
3. 前記連結装置が、内側円錐部を備えた第１の連結要素と、外側円錐部および内側円錐部を備えた第２の連結要素と、外側円錐部を備えた第３の連結要素とを有していることを特徴とする、請求項２に記載のスピンドル。
4. 前記連結装置が軸線方向において２つの方向に変位可能であり、両方向において軸線方向の変位の距離限定を行うことを特徴とする、請求項２または３に記載のスピンドル。
5. 前記第１の連結位置において駆動軸（４）内部で締め付け棒（３０）を軸線方向に変位させるため、スピンドルの駆動軸（４）と締め付け棒（３０）との間にねじ装置が設けられていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載のスピンドル。
6. ねじ装置が互いに噛み合っている少なくとも２つのスクリュースリーブを備えた差動ねじを有していることを特徴とする、請求項５に記載のスピンドル。
7. 前記連結装置が、ねじ装置に相対回転不能に且つ軸線方向に変位可能に装着されている連結要素を有していることを特徴とする、請求項５または６に記載のスピンドル。

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