(57)【要約】【課題】生産効率を低下させない超音波振動工具を備えた工作機械を提供する。信頼性を高め、かつ、メンテナンスコストを低減する。【解決手段】工作機械の運動部に設けた超音波振動子に対して、工作機械の固定部に設けた高周波電源から高周波電力を変圧器を介して供給する。この変圧器の１次コイルを固定部に、２次コイルを運動部に配設しているため、非接触（無接触）により電力を供給する。供給電力に基づいて超音波振動子が超音波振動し、振動工具がワークを加工する。非接触給電の構成により、工具交換などでの電源ケーブルの着脱などの手間が省ける。また、１次，２次コイルのギャップを可能な限り狭くすると、電力供給を高効率で行える。複数工具を使用して加工を行う場合その工具交換などが簡単となる。超音波振動工具を備えた工作機械での生産効率を低下させない。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の構造物を構成する固定部と、この工作機械で運動可能に設けられた運動部とを備えた工作機械にあって、
上記運動部に配設された超音波振動子と、
この超音波振動子に保持された振動工具と、
上記固定部に配設された高周波電源と、
この高周波電源から超音波振動子に対して高周波電力を供給する変圧器とを有するとともに、
この変圧器の１次コイルを上記固定部に、この変圧器の２次コイルを上記運動部に設けた超音波振動工具を備えた工作機械。
【請求項２】
上記１次コイルと２次コイルとの間の隙間を調整する調整手段を有する請求項１に記載の超音波振動工具を備えた工作機械。
【請求項３】
上記運動部は複数の工具を備えた請求項１または請求項２に記載の超音波振動工具を備えた工作機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は超音波振動工具を備えた工作機械、詳しくは工具ヘッドの超音波振動子に対して超音波振動エネルギを非接触で伝達可能とした超音波振動工具を備えた工作機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波振動工具を備えた工作機械としては、例えば切削工具取付台に超音波振動子を搭載した汎用旋盤が知られている。この旋盤では、高周波電源を含む超音波発振装置は、超音波振動子に専用ケーブルで接続されている。超音波振動子には、例えば切削工具が取り付けられており、超音波発振装置から供給されたエネルギが超音波振動子において機械振動に変換される。すなわち、切削工具が機械振動し、ワークを加工するものである。
超音波振動子を駆動する高周波電源は、発振回路、電圧増幅器、電力増幅器またはスイッチング回路などで構成される。振動系の機械共振周波数に発振周波数が自動的に追従するように発振回路部分に周波数追尾機能を持たせている。
また、専用ケーブルに替えてスリップリングなどを用いて電源より超音波振動子に対して電力を供給する方式の工作機械も存在した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者にあっては、超音波振動子と高周波電源とは専用ケーブルで接続される構成であったため、１台の旋盤において超音波振動工具と他の工具とを交換して使用する場合、専用ケーブルと工具とを接続・解除する手間が大変であった。すなわち、生産効率が大幅に低下していた。一方、後者にあっては、スリップリングと給電ブラシとが常に接触して給電を行う構成であったため、これら部材の摩耗、損傷などが激しく、信頼性の低下、メンテナンスコストの高騰という問題が生じていた。
【０００４】
【発明の目的】
そこで、この発明の目的は、生産効率を低下させることがない超音波振動工具を備えた工作機械を提供することである。また、この発明は、信頼性を高め、かつ、メンテナンスコストを低減した超音波振動工具を備えた工作機械を提供することを、その目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、工作機械の構造物を構成する固定部と、この工作機械で運動可能に設けられた運動部とを備えた工作機械にあって、上記運動部に配設された超音波振動子と、この超音波振動子に保持された振動工具と、上記固定部に設けられた高周波電源と、この高周波電源から超音波振動子に対して高周波電力を供給する変圧器とを有するとともに、この変圧器の１次コイルを上記固定部に、この変圧器の２次コイルを上記運動部に設けた超音波振動工具を備えた工作機械である。
上記固定部は、工作機械のベッド、コラム、固定主軸台などを含む。また、上記運動部は、工作機械にあってその工具、工作物支持体、テーブル、主軸頭などを含む。
超音波振動子は、高周波電力（例えば１０〜１００ｋＨｚ）を機械的振動パワーに変換し、機械振動を伝送、変成する振動体（固体ホーン）および加工のための振動工具を経て、加工負荷に機械振動パワーを供給する。振動子を駆動する高周波電源は、出力段にパワートランジスタを用いた電力増幅器またはスイッチング回路が使用される。
振動子、固体ホーン、振動工具から構成される振動系は、機械共振を利用して強力な振動を発生する。
機械共振周波数は加工負荷の変動、振動系内の発熱その他の原因により変動することが多いことから、時々刻々の機械共振周波数を適当な方法を用いて検出し、その出力を発振回路に帰還して発振周波数を自動的に所要の周波数に変化させて、効率よく振動系を振動させる周波数自動追尾型発振器が使用される。
また、加工負荷の変動により工具の振動速度が変動して加工効率が低下する場合、工具の振動速度に比例した電圧または電流を適当な検出器を用いて検出し、その出力を電力増幅器の入力に帰還して、工具の振動速度を所要の値に保持することもできる。
振動子としては、電歪振動子、特にボルト締めランジュバン形振動子、磁歪振動子を用いることができる。
超音波振動子を駆動する高周波電源は、発振回路、電圧増幅器、電力増幅器などで構成される。そして、振動系の機械共振周波数に発振周波数が自動的に追従するように発振回路部分に周波数追尾機能を有する発振器を使用することができる。
例えば振動帰還形発振器は、振動子の出力電圧をピックアップなどで取り出して増幅器の入力端子に正帰還させたものである。また、ブリッジ帰還形発振器は、振動系に加工を施さずに、電力増幅器と振動子との間にブリッジ回路を挿入して、振動速度に比例する電圧を取り出して、帰還発振させる。位相同期ループ形発振器は、振動子の動アドミタンスに流れる電流、または、動インピダンスの両端の起電力を検出し、モーショナル電流と振動し駆動電圧との間の、またはモーショナル電圧と振動子駆動電流との間の位相差が所定の大きさに近づくように電圧制御発振回路の発振周波数を制御して、共振周波数あるいはその近傍の適切な周波数を自動的に追尾しながら振動子を駆動する。
変圧器としては、分離型高周波変圧器が用いられる。分離型高周波変圧器では、所定の間隙を介して近接対向する１次コイルと２次コイルとが分離可能に設けられている。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、上記１次コイルと２次コイルとの間の隙間を調整する調整手段を有する請求項１に記載の超音波振動工具を備えた工作機械である。調整手段は、例えばトランス空隙（エアギャップ）を可能な限り狭く調整するもので、具体的には１次コイル保持側にアクチュエータを配設し、アクチュエータにより１次コイルを２次コイルに対して接近動させる構成とすることができる。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、上記運動部は複数の工具を備えた請求項１または請求項２に記載の超音波振動工具を備えた工作機械である。
運動部としては工作機械の主軸ヘッドなどを対象とする。この主軸ヘッドに多数の工具を保持させることができる。工具には超音波振動子により動作する振動工具の他にも、従来型の電動工具などを含めることができる。その工具の作動位置において超音波振動子に対して、高周波電源から高周波電力を供給するよう構成されている。
【０００８】
【作用】
請求項１〜３に記載の発明にあっては、工作機械の運動部に設けた超音波振動子に対して、工作機械の固定部に設けた高周波電源から高周波電力を供給する。この場合、変圧器を介して給電するが、その１次コイルを固定部に、２次コイルを運動部にそれぞれ配設している。よって、非接触（無接触）による電力の供給を行うことができる。供給された高周波電力に基づいて超音波振動子が超音波振動することにより、振動工具がワークに対して作用し、所定の作業を行う。非接触にて電力の供給を行う構成のため、工具交換などでの電源ケーブルの着脱などの手間が省ける。
そして、請求項２に記載の発明にあっては、上記１次コイルと２次コイルとのギャップ（隙間）を可能な限り狭くなるようにこれらを接近させる。例えば１次コイル側に設けたアクチュエータにより１次コイルを２次コイルに対して接近させる。この結果、超音波振動子への高周波電力の供給を高効率にて行うことができる。
また、請求項３に記載の発明にあっては、運動部には複数の工具を備えるため、複数の作業を効率よく行うことができる。複数の工具のすべてを超音波振動工具とすることも可能である。複数の工具のうち少なくとも１つの工具を超音波振動工具とすることが必要である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る超音波振動工具を備えた工作機械の実施例を図面を参照して説明する。
図１〜図４には、この発明に係る超音波振動工具を備えた工作機械の一実施例を示している。この実施例は、タレット型ＮＣ旋盤についてこの発明を適用した例である。すなわち、図１、図４に示すように、タレット型ＮＣ旋盤１０は、構造物を構成するベッド１１を有し、このベッド１１に主軸１２および刃物台１３が搭載されている。刃物台１３にはタレット１４が回転自在に取り付けられ、このタレット１４にはその中心から放射方向に向かって５本の工具１５，１６，１７，１８，１９が取り付けられている。これらの工具１５，１６，１７，１８，１９のうちの少なくとも１つが超音波振動工具１５により構成されている。超音波振動工具１５は他の工具１６，１７，１８，１９とともに、タレット１４の中心孔２０に配置されるワークに対して切削などの加工を施すことが可能に構成されている。
【００１０】
超音波振動工具１５は、図２に示すように、超音波振動子２１と、振動変成器２２と、振動工具２３とを備えた構成であり、分離型高周波変圧器２４を介して高周波電源２５より高周波電力（１２〜６０ｋＨｚ）を供給されている。この場合、高周波電源２５は、発振回路２６、電圧増幅器２７、電力増幅器２８（またはスイッチング回路）を有して構成されている。高周波電源２５と分離型高周波変圧器２４との間（出力端子，入力端子間）にはインピーダンス整合回路２９が介在されている。
分離型高周波変圧器２４は、図３に示すように、１次コイル３０と２次コイル３１とが非接触（無接触）でかつ所定のギャップを介して対向している。この場合、１次コイル３０は上記高周波電源２５とともに電源ユニット３２として、ベッド１１の一部でタレット１４外周部に近接した所定位置に固設されている（図１参照）。一方、２次コイル３１は、上記超音波振動工具１５に内蔵され、その他の通常切削工具１６，１７，１８，１９とともに、タレット１４側に固定されている。したがって、タレット１４が回転して超音波振動工具１５が所定位置に位置したとき、１次コイル３０と２次コイル３１とが所定のギャップを介して対向することとなる。なお、この旋盤１０のベッド１１には、この他にもテールストックなどが配設されている。
【００１１】
上記構成に係るタレット型ＮＣ旋盤１０にあっては、タレット１４に搭載した複数の工具１５，１６，１７，１８，１９を用いてワーク（被加工材）に例えば切削加工を施す。この場合、タレット１４を回転して所定の位置においてワークの切削加工を行うが、超音波振動工具１５を用いた切削加工は、その超音波振動工具１５を電源ユニット３２に対向させた位置において行う。すなわち、この位置においては、１次コイル３０に超音波振動工具１５側の２次コイル３１が近接対向するため、高周波電源２５からの高周波電力が変圧器２４を介して超音波振動子２１に伝達され、機械振動に変換する。その結果、超音波振動する振動子２１およびこれに保持された切削工具２３によりワークに対して切削加工が施される。この超音波振動工具１５を用いた切削加工が終了した場合、タレット１４の回転などにより他の工具１６，１７，１８，１９がワークに対して所定位置を採り、これを用いた切削加工などが行われる。これらの工具１５，１６，１７，１８，１９切替に際しては単にタレット１４を回転などするのみで良く、電源接続ケーブルの着脱などの作業は不要である。量産加工において高効率の切削加工を施すことが可能となる。
【００１２】
図５にはこの発明の他の実施例を示している。この実施例にあっては、上記実施例とは以下の点において異なり、他の構成は実質的に同等である。よって、その相違点を中心に説明を加える。
すなわち、この実施例ではベッドの一部に固設された電源ユニットにあって、保持する１次コイル３０を２次コイル３１に対して接近離隔動可能に構成した点である。アクチュエータ（モータ、シリンダなど）４１により１次コイル３０は２次コイル３１に対して図示矢印方向に可動の構成である。これにより、１次コイル３０と２次コイル３１との間のギャップを可能な限り小さくすることができ（例えば０．１〜０．０１ｍｍ）、両コイル３０，３１の近接によりエネルギの伝送ロスなどを低減することができる。４１Ａはアクチュエータのピストンとコイル保持部材との連結材を示す。なお、アクチュエータ４１の駆動は、センサにより上記ギャップを検出し、検出値に基づいて行うことができる。例えば１次コイル保持部材４２、２次コイル保持部材４３が当接したことをセンサで検出するまで１次コイル３０を２次コイル３１に向かって突出動させることもできる。
【００１３】
図６には、この発明の他の実施例を示している。この実施例ではこの発明を複合加工機（３次元数値制御ポジショニング・移動可能機械）に適用している。少なくとも１の超音波振動工具１５を含む複数の工具１５，１６・・・を、加工機の工具マガジン５１にプリセットしておき、これを交換アームにより工具保持部に交換自在とすることにより、工具交換を自動化したＮＣ表面加工を可能とした例である。これにより、多大な省力を行うことができる。工具保持部には超音波振動工具に電力を供給するための電源ユニットと、それ以外の工具に電力を供給する電源供給部分とが配設されている。
切削加工完了品の表面加工作業にこの超音波振動工具１５を使用する際の、工具交換でのケーブル接続作業などを、この非接触方式により、なくすことができる。
ワーク５２を搭載したテーブル５３の上方にこの工具保持部が配設され、工具保持部には、超音波振動工具１５（上記のように２次コイルを含む）、それ以外の通常の工具１６が複数個保持されている。工具交換アーム５４によりマガジン５１から工具を選択交換することができる。その他の構成は上記実施例と実質的に同じである。
【００１４】
【発明の効果】
この発明によれば、複数の工具を使用して加工を行う場合その工具交換などを簡単に行うことができる。すなわち、超音波振動工具を備えた工作機械での生産効率を低下させることがない。また、工作機械の耐久性、信頼性が高められ、かつ、そのメンテナンスコストも低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る超音波振動工具を備えた工作機械の主要部を示すその斜視図である。
【図２】この発明の一実施例に係る超音波振動工具を備えた工作機械の全体構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の一実施例に係る分離型高周波変圧器部分を示す模式図である。
【図４】この発明の一実施例に係る超音波振動工具を備えた工作機械の一実施例を示す斜視図である。
【図５】この発明の他の実施例に係る超音波振動工具を備えた工作機械の主要部を示す模式図である。
【図６】この発明の他の実施例に係る超音波振動工具を備えた工作機械を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０　旋盤（工作機械）、
１１　ベッド（固定部）、
１４　タレット（運動部）、
１５　超音波振動工具、
１６，１７，１８，１９　工具、
２４　変圧器、
２５　高周波電源、
３０　１次コイル、
３１　２次コイル、
３２　電源ユニット、
４１　アクチュエータ（調整手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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