JP2008030190A

JP2008030190A - 同心性を向上させた工作機械

Info

Publication number: JP2008030190A
Application number: JP2007193471A
Authority: JP
Inventors: Heinz Haeckh; ヘッケハインツ; Paul Helmut Nebeling; ヘルムートネベリングポール
Original assignee: Walter Maschinenbau GmbH
Current assignee: Walter Maschinenbau GmbH
Priority date: 2006-07-29
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2008-02-14
Also published as: KR20080011266A; US7546787B2; DE102006035164A1; BRPI0703271A; ATE450342T1; CN101121235B; ES2336956T3; EP1882548B1; US20080022818A1; EP1882548A1; TW200824838A; DE102006035164B4; DE502007002152D1; CN101121235A

Abstract

【課題】工作主軸の工具又は製品の不整合の補正性能を向上させる。
【解決手段】工作機械１の主軸軸受上に備えた工作主軸によって保持された製品又は工具の本体の揺れを補正する、調整移動を可能とする動的な主軸調整。回転する工作主軸３を追跡する調整を少なくとも十分に動的とするように調整を構成する。これにより、固設された機械本体に対して一つ又は複数の主軸を移動可能にして、工作主軸上に保持された本体の経路が、所望の本体の軸（対称軸）に関して理想的な回転を示すようにする。補正の移動は、シヌソイド及びコシヌソイド状の調整信号を、軸受装置の適当な作動部に伝えることで達成でき、上記信号は、実行される軸受装置に円形状の移動を生じさせるように重ね合わせられる。この円形状の移動は、工作主軸上に保持された本体の移動を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも一つの工作主軸（ワークスピンドル）を含む工作機械（マシンツール）と、工作主軸上に保持された製品又は工具を移動させるための方法に関する。

今日、主に減摩玉軸受（アンチフリクションボールベアリング）を備えた、高精度な主軸軸受（スピンドルベアリング）が用いられている。そして、精度、回転率、潤滑及び耐用年数について達成できるように、上記主軸軸受の開発が続けられている。それでも、このように、開発が続けられているものの、現在の製造能力では、運転の径方向と軸方向の滑らかさと支持された軸の整合（アラインメント）に関して、さらなる向上ができていない。また、製造の不規則さも残されていると考えられている。

この問題に対処するため、特許文献１で提案されている工作研削盤（ツールグリンダー）では、適当な測定装置を用いて、半製品の不整合を初めに定めるように機械調整装置を含んでおり、次に、工作主軸上の製品取付け部によって半製品を取付けている。半製品又は製品が磨かれる際、この不整合を考慮して、補正しており、このような不整合にかかわらず、寸法的に安定して、かつ同心状に、製品が機械加工されるように、製品に続いて研削工具を案内している。

例えば、円筒形状の製品の揺動を補正するために、研削工具の供給移動上に移動を重ねており、この重ねられる移動を、製品と工具の間の軸方向の係合位置の関数としている。但し、工具が、点状だけでなく、線状、さらには面状に、製品と係合する場合、回転する工作主軸上で製品を保持して、工具の移動により製品の揺れを補正する際、補正が困難か、もしくは不可能になることがあった。
ドイツ国特許公開第１０３４４２９３号公報（ＤＥ１０３４４２９３Ａ１）

上記に鑑みて、本発明は、工作主軸上の工具又は製品の不整合の補正性能をより向上させることを目的とする。

上記目的は、添付した請求の範囲の請求項１に従う工作機械と、請求項２２に従う方法によって達成することができる。

本発明の工作機械は、調整装置と接続された工作主軸を含み、工作主軸の回転軸の整合を動的に調整する。この調整装置を用いることで、工作主軸の回転角度の関数として、工作主軸の整合を行う。この結果、工作主軸は、固設された機械の本体に対して相対的に移動でき、工作主軸に対してクランプされた本体（製品又は工具）の移動が、偏心又は軌道成分を含まない、理想的な回転移動を行えるようにして、また選択的に、軸成分も含まないようにする。これは、径方向及び／又は軸方向での工作主軸の整合の動的調整として参照でき、この調整は、回転角度の関数となり、従って、これは動的主軸軸受（アクティブスピンドルベアリング）として参照できる。この動的主軸軸受は、通常の補正装置、例えば、特許文献１に開示されたものと組み合わせることができ、この際、回転する本体の不整合を修正するために、他の機械の軸を用いる。

調整装置を用いることで、回転軸の整合を動的に調整することは、例えば、理想的な円筒形状面の近くで研削するか、又は、所望の回転軸に対して、ほぼ理想的に、同心状に、他の形成部を工作して、例えば、クランプチャック中や、他の影響の結果のような、任意の潜在的な不整合にかかわらないようにする。

基本的に、軸受装置の一部として、調整装置を構成することは可能である。好ましくは、軸受装置は非接触式の軸受装置であり、例えば、静圧軸受装置、空気軸受装置、磁気軸受装置又は同様物でもよい。個々の軸受媒体（オイル、空気又は磁場）の影響により、軸受装置を、少なくとも回転軸に対して横切る方向で、回転軸に対して位置決めすることができ、好ましくは、回転軸に対して横切る方向と互いに対して直角の角度の二つの方向で位置決めできるようにする。しかしながら、調整装置を、軸受装置を支持するように構成して、これを所望のように位置決めすることは可能である。利用可能な調整装置は、例えばピエゾ調整装置のような、電気調整装置でもよく、さらには、例えば油圧調整装置のような、他の媒体で駆動される調整装置でもよい。

好ましくは、調整装置は、制御装置によって作動されるが、これは、センサ装置や他の適当な手段を介して、工作主軸の回転位置を検出して、これに従って調整装置を制御する。さらに、制御装置は、工作主軸上の本体の不整合を定めたデータに関するデータソースと接続される。データソースは、工作主軸上の二つの軸方向に離れた点で本体の偏心度を検出する測定装置でもよく、例えば、レーザー測定装置や、触知測定装置や、他の同様物でもよい。また、データソースは、測定したデータを記憶できる記憶装置でもよい。

好ましくは、調整装置は、工作主軸の所望な操作回転率に相当するか、これよりも大きい、達成可能な調整頻度を示す。これにより、工作機械の操作速度を減速することなく、調整装置や動的主軸軸受を用いて、工作主軸上の本体の潜在的な不整合を補正できるようにする。調整装置の最大調整頻度が、工作主軸の所望の操作回転率よりも低い場合、不整合の補正を可能とするために主軸の操作回転率を減らすことがある。しかし、この場合、機械加工の精度の向上が、機械加工の速度を損うことがある。

本体の不整合の検出は、実際の機械加工の前、又は最中に、行われることがある。このため、接触式と非接触式のセンサを用いてもよい。この場合、好ましくは、調整移動は、主軸の回転率と独立して行われて、工作主軸の位置にのみ基づく。

不整合を補正するため、調整装置の適当な部品が径方向の調整移動を行ってもよく、また、望ましければ、軸方向の調整移動を行ってもよい。不整合の補正に用いられるデータは、工作機械自身の中に設けてもよく、又は、例えば、測定機械のような外部のデータソース内に設けてもよい。

また、本発明の方法では、工作主軸に対してクランプされた本体の不整合を検出し、工作主軸の回転中、この主軸の回転移動を揺動運動により重ねて、好ましくは、製品の不整合を所定の位置で補正するが、全体的に補正する。この結果、機械加工の精度の向上を達成できる。

本発明の好適な実施形態のさらなる詳細は、添付した図面、以下の明細書、及び請求の範囲に記載されている。

添付した図面には、本発明の実施形態が例示されている。
図１を参照すると、回転軸４に関し回転可能となるように、工作主軸３を工作フレーム２上に支持している工作機械１が示されている。工作主軸３は、静止では、工作フレーム２上で支持されていてもよく、つまり図示するように支持されて、空間内で線形に配置されていたり、又は、一つ又は複数のスライダ５を用いて、他の経路上に配置されていてもよい。工作主軸３を回転駆動するため、工作主軸には駆動部６が関係している。工作主軸３は、製品又は工具に合わせて配置できる。図１を参照すると、円筒形状の半製品７が、製品に相当している。この製品を機械加工するため、図１に示された工具８は、研削ホイール９を用いている。この研削ホイールは、研削ヘッド１０により駆動されるが、これは、例えば、複合スライダ１１等の位置決め装置を介して、工作フレーム２により支持されていてもよい。複合スライダを用いることで、研削ヘッド１０を様々な空間内の方向で位置決めできる。さらに、一つ又は複数の軸に関して、研削ヘッド１０を回転させてもよい。

本体７の整合について決定するため、測定装置１２を用いるが、この装置は、二つの軸方向に離れた点１３、１４で、本体８の同心性を測定する。このため、例えば、二つのレーザー測定ヘッド１５、１６を用いたり、又は、他の適当な測定手段を用いてもよい。この測定は、本体７を機械加工する前、及び／又は、この機械加工中に、行ってもよい。

図２を参照すると、概略的ではあるけれども、工作主軸３についてより詳しく示している。この主軸は、軸受装置１８によって回転自在に支持されている軸１７と関係し、この自由端部に本体７の取付け装置が備えられており、例えば、この取付け装置は、クランプチャック１９として構成できる。軸受装置１８は、少なくとも二つの軸方向に離れた軸受２０、２１を含み、これらは互いに整列して、回転軸４を定める。軸受２０、２１は、任意に構成できる。しかし、好ましくは、これらは非接触式の軸受であり、例えば、空気軸受、静圧軸受又は磁気軸受である。

軸受装置１８には調整装置２２が関係し、これには、二つの軸方向に離れた調整部２３、２４が関連する。これらは、少なくとも径方向で、支持された軸１７の回転中心をシフトできる。例示した実施形態では、全ての径方向で、シフト可能となっている。さらに図３を参照して、調整部２３についてより詳しく説明する。

軸受２０は、この外輪２５上で、複数、例えば４つの、作動部（アクチュエータ）、例えばピエゾ作動部２６、２７、２８、２９により、中心に合わせて保持される。このため、夫々二つのピエゾ作動部２６、２８；２７、２９が、対をなして、互いに向かい合うように配置されている。合わせて、ピエゾ作動部２６〜２９は、第一調整方向Ｔ１と第二調整方向Ｔ２を定めるピエゾ調整装置を示し、これら二つの方向は、回転軸４に向って径方向に配向されている。ピエゾ調整装置によって示される調整部２３は、図６に示すように、制御装置３０と接続される。同様に、調整部２４も制御装置３０と接続される。制御装置３０は、測定装置１２と、軸１７の回転位置を検出する角度発信器（アングルトランスミッター）３１から信号を受取る。角度発信器３１は、例えば、駆動部６の中や、図２を参照して、軸１７の近くに適用されて、軸１７上に備えられたマーク３２を検出してもよい。好ましくは、角度発信器３１は、絶対的な仕方で、軸１７の回転角度を定める信号を生じさせる。あるいは、増分発信器（インクリメントトランスミッター）を用いることも可能である。

好ましくは、制御装置３０は、例えばマイクロプロセッサのような計算機（コンピューター）に基づく。この制御装置は、演算処理（プロセッシング）装置３３と記憶（メモリー）装置３４を含み、適当な機械加工プログラムを備えて、選択的に、本体７の不整合に関するデータを記憶する。

以上、説明した工作機械は、次のように操作できる。
機能について例示するため、まず、工作主軸３上で本体７が不整合で保持されていると仮定する（尚、ここではかなり誇張して示す）。つまり、工作主軸の回転軸４と本体７の対称（シンメトリー）軸３５は一致しない。これら軸は、不規則的に、互いに対して隣り合ったり、相互作用することが有り得る。さらに、これらは、互いに対して並行になったり、鋭角を定めることが有り得る。図４を参照すると、回転軸４と対称軸３５が、交わらずに、互いに対して対角状に通過する場合が示されている。

工作主軸３が回転軸４の周りで回転する場合、本体７は、図４の矢印３６に示すように、揺動する。対称軸３５上の各点は、これにより、対称軸３５の周りで軌道を描くように移動する。対称軸３５上の選択された点の偏心は、図４では、矢印３７で示されている。図４を参照すると、対称軸３５はまた、軸受２０、２１の領域内で、径方向の矢印３８、３９で示すように、軌道を描くように移動するが、これは、参照用の矢印を用いて、概念的に示されている。これは、静止時、つまり、軸１７が径方向の移動を全く行わない時、調整部２３、２４に適用される。

工作機械１をキャリブレートする時、本体７の揺動を追跡するが、この際、軸１７が回転軸４の周りで回転して、点１３、１４で本体７の移動を追跡する。この結果のデータは、例えば、記憶装置３４内に記憶される。

データが範囲内で記録されると、つまり、点１３、１４における偏心が決定されると、これは、径方向の矢印３８、３９から理解できるように偏心を計算するのに用いることができる。これらは逆であり、つまり、径方向の矢印３８、３９を補正するように、計算によって径方向の矢印４０、４１に転換される。少なくとも簡単な場合には、回転軸４と対称軸３５が交差する時、回転軸４に関して径方向の矢印３８を１８０°回転するように、径方向の矢印４０を得る。同様に、これは、径方向の矢印３９、４１にも適用できる。この後、制御装置３０によって調整部２３が駆動されて、径方向の矢印４０、４１で前もって特定したように、軸１７を径方向にシフトする。径方向の矢印４０、４１で示されたシフトは、軸１７が回転するにつれて回転し、つまり、軸１７の現在の回転角度に従って、ピエゾ作動部２６〜２９が駆動される。従って、軸１７は、揺動を行って、これにより、この軸の軸線４２が、図５に示すように、円錐形又は円錐台形の経路上を移動する。この結果、対称軸３５と回転軸４が一致するようになる。従って、本体７は、全く理想的な回転移動を行うことができる。

上述した説明では、軸受装置と調整装置は、別体のモジュラーユニットを構成すると仮定している。但し、図７を参照すると、修正された実施形態が示されており、この例では、軸受装置１８と調整装置２２は、一体のユニットを形成している。この例では、図示された軸受装置１８は静圧軸受を構成して、軸１７を支持する。少なくとも３つ、好ましくは４つのポケット４３、４４、４５、４６が、軸受ボアの周囲に分配されて設けられており、これらポケットは、オイル補給ライン４７によって、加圧オイルが満たされる。ポケット４３〜４６の縁は、軸１７と狭い隙間を形成する。ポケット４３〜４６の間には、オイルキャッチポケット４８、４９、５０、５１が設けられており、これらポケットは、隙間を流れるオイルをドレインする。二つの対向して配置されたポケット４４、４６は、弁装置５２を介して、加圧作動油、つまりオイルの源と接続され、これにはより大きな圧力が及ぼされる。ポケット４４又はポケット４６に増大された圧力を及ぼすために、軸１７をこの中心位置から外すようにシフトできる。達成可能な調整ストロークは、単に、ミリメーターのわずかな部分でしかないが、この調整経路は、精密な適用に十分となる。同様に、調整が水平方向で行われる場合と、垂直方向で行われる場合に、所望なように、弁を介して、ポケット４３、４５に交互の圧力を及ぼしてもよい。

上述した説明では、本体７は製品を示し、研削ホイール８は工具を示している。しかしながら、研削ホイール８の替わりに、製品を備えてもよく、この場合、本体７が工具、例えば、研削機械に対応する。

上述した実施形態の例では、本体７の揺動は、全ての径方向で補正される、つまり、理想的な回転移動を得るために、完全に補正が行われる、と仮定している。しかしながら、不完全な場合を考慮すると、図８及び９に示すように、一つ又は複数の選択点でのみ、揺動を補正することが十分な場合がある。図８及び９を参照すると、矢印５３は、材料が除かれる点を示しており、例えば、切削型の機械加工プロセスによって、材料を除く。図８に示すように、偏心５４が存在する場合、本体７の精密な機械加工が不可能になる。しかしながら、矢印５３に従う工具の進行方向と同一な一方向で偏心５４が補正されると、本体７は、図９に示すように、進行方向５３に対して横切る方向で揺動を行うものの、進行方向５３で作用する成分は除かれる。このタイプの補正は、選択された径方向でのみ調整移動を行う調整装置によって達成できる。しかしながら、好ましくは、上述したような完全な補正を行う。

工作機械の主軸軸受上に、工作主軸によって保持される本体の揺れを補正するための調整移動を行う動的主軸調整を備える。回転する工作主軸を信頼性があるように追跡する調整に少なくとも十分に動的となるように、調整を構成する。この結果、一つ又は複数の主軸が、固設された機械本体に対して移動でき、このため、工作主軸上に保持された本体の経路が、所望の本体の軸（対称軸）に関して理想的な回転を示すようにする。補正の移動は、シヌソイド及びコシヌソイド状の調整信号を、軸受装置の適当な作動部に伝えることで達成でき、上記信号は、実行される軸受装置に円形状の移動を生じさせるように重ね合わせられる。この円形状の移動は、工作主軸上に保持された不整合な本体７の軌道を描く移動を補正する。

工作機械を概略的に示した側面図である。図１に示した、工作主軸、この軸受、工作機械の関連した調整装置を概略的に示した軸方向断面図である。図２に従う装置の断面図である。工作主軸上の不整合にクランプされた本体の回転中の幾何学的な関係を概略的に示した斜視図である。不整合を補正した、回転中の、図４に従う本体を示した図である。不整合の補正用の装置を概略的に示したダイアグラム図である。少なくとも一つの方向で不整合を補正する静圧軸受を概略的に示した図である。円筒形状の不整合な本体に関して概略的に幾何学的に示した図である。少なくとも不整合を一つの方向で補正した、不整合な円筒形状の本体に関して概略的に幾何学的に示した図である。

符号の説明

１工作機械
２工作フレーム
３工作主軸
４回転軸
５スライダ
６駆動部
７本体
８製品
９研削ホイール
１０研削ヘッド
１１複合スライダ
１２測定装置
１３点
１４点
１５レーザー測定装置
１６レーザー測定装置
１７軸
１８軸受装置
１９クランプチャック
２０軸受
２１軸受
２２調整装置
２３調整部
２４調整部
２５外輪
２６ピエゾ作動部
２７ピエゾ作動部
２８ピエゾ作動部
２９ピエゾ作動部
３０制御装置
３１角度発信器
３２マーク
３３演算処理装置
３４記憶装置
３５対称軸
３６矢印
３７径方向の矢印
３８径方向の矢印
３９径方向の矢印
４０径方向の矢印
４１径方向の矢印
４２軸
４３ポケット
４４ポケット
４５ポケット
４６ポケット
４７ライン
４８ポケット
４９ポケット
５０ポケット
５１ポケット
５２弁装置
５３矢印／進行移動

Claims

工作フレーム（2）、少なくとも一つの工作主軸（3）、軸受装置（18）、調整装置（22）を含む工作機械（1）であって、
前記工作フレーム（2）は、少なくとも一つの製品（7）又は少なくとも一つの工具（7）を支持するための手段（19）を備え、
前記少なくとも一つの工作主軸（3）は、前記工具（7）及び／又は前記製品（7）に合わせて配置されて、前記工作フレーム（2）に関して回転するように駆動され、
前記軸受装置（18）は、前記工作主軸（3）を支持するように構成されて、所定の回転軸（4）に関して前記軸受を回転可能にし、
前記調整装置（22）は、調整信号によって制御されて、前記回転軸（4）の整合を動的に調整する、ことを特徴とする工作機械。
前記軸受装置（18）は、前記工作フレーム（2）によって支持されることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記軸受装置（18）は、位置決め装置（5）によって支持されることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）は、前記回転軸（4）に対し横切る第一方向（T1）で、前記回転軸（4）を移動させるために、少なくとも第一作動部（27、29；44、46）を有することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）は、前記回転軸（4）に対し横切る方向で、かつ前記第一方向（T1）とは異なる第二方向（T2）で、前記回転軸（4）を移動させるために、少なくとも一つの作動部（28）を有することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）は、二つの調整部（23、24）を、前記回転軸（4）に関して互いに軸方向に離して配置するように有することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）は、前記工作主軸（3）の回転率に相当するか、これよりも大きな調整頻度を示すことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）の操作は、前記工作主軸（3）の回転と同期して行われることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）は、揺れの調整装置であり、前記工作主軸（3）の回転移動と重ねるように、前記工作主軸に揺動を伝えることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記工作主軸（3）は、前記製品（7）及び／又は前記工具（7）の取付け装置（19）を有することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記工作主軸（3）による前記回転軸（4）に関する回転中になされる前記工具（7）又は前記製品（7）の行う揺動に対して逆に、前記調整装置（22）が調整移動を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記軸受装置（18）は、非接触式の軸受装置であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記軸受装置（18）は、空気軸受装置であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記軸受装置（18）は、静圧軸受装置であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記軸受装置（18）は、磁気軸受装置であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）は、前記軸受装置（18）の内部に備えられて、前記調整装置が、調整信号によって調整可能な偏心を示すことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）は、前記軸受装置（18）を支持することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）は、ピエゾ調整装置（26、27、28、29）であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記調整装置（22）は、磁気調整装置であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記工作主軸（3）の回転位置を検出する位置検出装置（31）と接続された制御装置（30）と、前記調整装置（22）を接続することを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記工作主軸（3）と接続された前記製品（7）の不整合を決定する測定装置（18）と、前記調整装置（22）を接続して、前記不整合は、回転位置の関数であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
工作主軸（3）を用いて、工作機械（1）内の製品又は工具を移動させる方法であって、
前記工作機械（1）の前記工作主軸（3）に対して、前記製品又は前記工具をクランプさせて、
前記製品又は前記工具の所望の回転軸（4）に対する前記製品又は前記工具の不整合を決定して、
少なくとも一つの固定位置（53）で前記製品又は前記工具の不整合を補正するように、前記工作主軸（3）の回転中に、前記製品又は前記工具にさらなる揺動を加える、ことを特徴とする方法。
前記固定位置（53）は点であり、ここで前記製品が工具と係合するか、又は前記工具が製品と係合することを特徴とする請求項２２に記載の方法。