(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動自在に支持された少なくとも１個の機械主軸を有する工作機械又はマシニングセンタの加工ユニット用の工具駆動装置（１）であって、  該機械主軸に接続することができる接続装置（３）、電源エネルギを機械エネルギに変換するように構成された、工具駆動用の制御可能な駆動部（９）を、電源エネルギの該駆動部（９）への伝送を行うための少なくとも１個の電線（２６）と共に、有するアーバ（２）を具備し、
電源と該駆動部（９）との間にエネルギを伝送するための接続及び切断を行うことができる接続手段（１１）を具備し、
該機械主軸の運動を検出するために用いられる検出装置（１４）を具備し、   該機械主軸の運動に応じて該駆動部（９）を制御するように構成されるとともに、該駆動部（９）を制御する信号を前記接続手段（１１）を介して該駆動部（９）に伝達する制御装置（３６）を具備する工具駆動装置。
【請求項２】
前記機械主軸の運動が回転運動であることを特徴とする請求項１に記載の工具駆動装置。
【請求項３】
前記制御装置（３６）が前記機械主軸の運動によってのみ制御される請求項１又は２に記載の工具駆動装置。
【請求項４】
前記接続装置（３）は、前記機械主軸内に組み込むことができるテーパシャンクを有し、及び、自動工具交換のために形成された把持溝を有し該テーパシャンクに隣接するグリップディスク（４）に続いて、反射手段であるマーク（６）用の担体としての円筒形部分（５）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の工具駆動装置。
【請求項５】
前記駆動部（９）が、回転駆動装置として使用される電動機（２２）であり、直流電動機、又は、単相若しくは複相の同期電動機若しくは非同期電動機であることを特徴とする請求項１に記載の工具駆動装置。
【請求項６】
前記駆動部（９）が工具用受け装置（１８）に作動的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の工具駆動装置。
【請求項７】
前記工具用受け装置（１８）が、スピンドル（１７）において、前記接続装置（３）の反対側に前記アーバが有するハウジング（２）から突出し、円錐孔として形成されていることを特徴とする請求項６に記載の工具駆動装置。
【請求項８】
前記スピンドル（１７）が前記機械主軸によって定められている回転軸（２７）に対して回転対称に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の工具駆動装置。
【請求項９】
電線（２６）が、前記アーバが有するハウジング（２）の外側に取り付けられると共に該ハウジング（２）から電気的に絶縁された単数個又は複数個のスライドリング（８）に連通することを特徴とする請求項１に記載の工具駆動装置。
【請求項１０】
前記単数個又は複数個のスライドリング（８）が前記ハウジング（２）の円錐形部分（７）に配設され、その際、最も小さな直径のスライドリング（８）の直径が、接続装置（３）又はこれに隣接するグリップディスク（４）が有する最大直径と少なくとも同じ大きさであることを特徴とする請求項９に記載の工具駆動装置。
【請求項１１】
接続手段（１１）は、前記スライドリング（８）の数に対応する単数個又は複数個の滑り接点（３２a，３２b，３２ｃ）が有る接点座（３２）を有し、該滑り接点は、給電線を介して電源及び／又は制御装置（３６）に接続されることを特徴とする請求項１、９又は１０に記載の工具駆動装置。
【請求項１２】
前記接点座（３２）が移動可能であることを特徴とする請求項１１に記載の工具駆動装置。
【請求項１３】
検出装置（１４）によって前記機械主軸の所定のしきい値である最小回転数での回転運動が検出された時に、前記滑り接点（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）に電圧が印加されることを特徴とする請求項１１に記載の工具駆動装置。
【請求項１４】
前記機械主軸の回転運動の検出が無接触で、光学的又は磁気的に行なわれることを特徴とする請求項１に記載の工具駆動装置。
【請求項１５】
検出装置(１４)が、被検出体への信号発信用の信号発信器（３７）と前記被検出体からの信号検出用の信号受信器（３８）とを有することを特徴とする請求項１４に記載の工具駆動装置。
【請求項１６】
前記信号発信器（３７）は光源であり、前記信号受信器（３８）が光センサであることを特徴とする請求項１５に記載の工具駆動装置。
【請求項１７】
前記信号発信器（３７）及び前記信号受信器（３８）によって形成される前記検出装置(１４)は、高さと位置に関して調整可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１６に記載の工具駆動装置。
【請求項１８】
機械主軸又は工具駆動装置（１）に反射手段（６）が取り付けられ、該反射手段は、前記光源によって送り出された光を前記光センサへ反射するように整列されていることを特徴とする請求項１７に記載の工具駆動装置。
【請求項１９】
前記工具駆動装置(１)には、実質的に円環形で、切れ目又は切欠きを備えた把持体を設けることができ、該把持体はこれを支持し及び保持する面と異なる反射特性を備えた表面を有することを特徴とする請求項１７に記載の工具駆動装置。
【請求項２０】
ハウジング（２）の内部にかつその回転軸（２７）に実質的に平行に配列された少なくとも１個の供給管（２１）と、外部に通じ、回動可能に配設され、冷却液又は圧縮空気を工具に供給するために用いられるノズル（１９）とを有することを特徴とする請求項１に記載の工具駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、そのつど移動可能に支持された少なくとも１個の機械主軸を有する特に工作機械又はマシニングセンタの加工ユニットで使用するために設置された工具駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に、切削作業、例えば、孔あけ、旋削、フライス削り等行うために工作機械が使用される。工具は、当該の工作機械の工作主軸に固定される適切なツールホルダに挿着される。使用されるツールホルダは種々のものがある。
【０００３】
加工過程の間、工作主軸は所属の駆動装置によって駆動される。軸運動、特に、その回転及び／又は変位を制御するために、拡張電子回路又は順序プログラムを含むことができる制御装置が使用される。
【０００４】
主軸の回転数は、制御装置によって、或る回転数範囲に固定される。回転数範囲はもちろん限定されている。ただし、場合によっては、例えば、工具の直径が極めて小さいこと又はその他の理由から、この主軸の回転数範囲外の回転数が必要になることがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、工作機械又は加工ユニットの適用範囲を拡張する工具駆動装置を提供することである。これが既存の制御部になるべく干渉せずに行なわれなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は請求項１の特徴を有する工具駆動装置によって解決される。
【０００７】
本発明に係る工具駆動装置は、望ましくは機械主軸に対して回転不能に取り付けられ、工作物加工用工具を担持することができるアーバを有する。アーバを主軸に固定するために接続装置が使用される。工具を駆動するために、アーバ内に、アーバの外部に配設された電源から給電されて制御装置によって制御され得る駆動部が設けられている。給電は、駆動部の導線に接続し得る接続手段を介して行なわれる。駆動部の制御は、機械主軸の運動に従って行われ、この運動を検出するために工具駆動装置は検出装置を有する。
【０００８】
主軸の運動から、例えば、回転数を特徴づける信号が得られ、工具の駆動及び運動を制御するために、制御装置の入力信号として使用される。回転数の検出は機械制御装置へのアクセスをまったく必要とせず、特に、機械制御装置に由来する制御信号は不要である。制御装置は他の機械制御装置から分離されており、独立であり、従って自立的である。
【０００９】
必要ならば、エネルギ供給は、機械制御装置又は工作機械の電源に接続して行うことができる。しかし、エネルギ供給用の独自の電源を設けることもできる。
【００１０】
工具駆動装置によって機械主軸の回転数を機械主軸の能力以上に増加することが可能である。受動的な補助伝動装置と異なり、この場合は、工具の駆動部に、補助電力供給装置によって全体として工具に機械主軸の出力を超える出力を発生することができる。最大トルクを完全に維持することができる状態で、回転数が増加される。
【００１１】
アーバは、これを機械主軸に、確実に、回転不能に、かつ取り外し可能に結合させることができる接続装置、例えば、テーパシャンクを有する。また、アーバは、駆動部を内設したおおむね円筒形の一体の又は組立式のハウジングを有する。
【００１２】
回転する工具で切削作業を行なおうとするときは、駆動部は回転駆動部として構成される。そこで、工具駆動用のモータ、例えば、電動機が使用される。これは、直流電動機、単相又は多相同期電動機又は非同期電動機であってもよい。工具の回転又は軸方向運動を発生させることができる液圧駆動装置又は空気駆動装置も使用することができる。モータを、直接に又は変速機を介して工具に接続することができる。
【００１３】
本発明の好適な実施形態では、工具を受けるために、工具が回転不能に取り付けられた工具軸を有する保持装置を設ける。工具軸は内部が円錐形状になっていることが望ましい。ここで、工具軸は、回転自在に支持された軸によって形成され、ハウジングから外へ突出する。軸は、モータの回転部（インナロータ又はアウタロータ）に回転不能に固着されている。軸及び工具軸は、機械主軸によって定められる回転軸に対して回転対称に形成されることが望ましい。但し、工具軸は迅速固定具、チャック等を担持することもできる。
【００１４】
ハウジングの外側に、ハウジングから電気的に絶縁されて取り付けられ、結合手段の所属の滑り接点に接触させることができる少なくとも１個のスライドリングが、電動機へエネルギ供給するために設けられている。機械主軸が回転運動すると、滑り接点は、スライドリングを摺動し、こうして駆動部へのエネルギ供給を保証する。滑り接点の代わりにローラを使用することもできる。給電を無接触で、例えば、変成器を用いて行うこともできる。
【００１５】
スライドリングは、ハウジングの円錐形部分に配設することが望ましく、その場合、円錐形部分の直径は機械主軸から遠ざかるにつれて大きくなる。従って、スライドリングは種々異なる直径を有する。最小の直径は、連結装置のどの部分の直径よりも大きい。これによって、接点の位置を変えずに、アーバを機械主軸に挿入することができる。その場合、接点を工作機械に不動に固定することができ、その際、接点を円錐形のハウジング部分の勾配に対応して僅かに傾斜して配設することが望ましい。アーバを挿入すると、スライドリングと滑り接点の間に自然に接触が生じる。また接点を変位させ及び／又は個別に支持することもできる。
【００１６】
加工操作時だけ滑り接点に電圧が送られるようにすると、工具駆動装置の安全性が高められる。検出装置が少なくとも所定のしきい値、特に、３０回転／分のような最大の回転数を検出すると、例えば、スイッチの自動投入によって滑り接点への給電が可能になる。しきい値より低い回転数では電流回路が解放されている。
【００１７】
回転数の検出のために無接触式、磁気的又は光学的方法が望ましい。回転のつど固定コイルに短い電圧パルスを誘導するために、例えば、アーバ又は機械主軸に回転可能に連結された金属部品を使用することができる。
【００１８】
有利な実施形態では、検出装置は、信号発信器、特に光源と、信号受信器特に光センサとを有する。検出装置は、工作機械、例えば、機械主軸を案内する主軸台又は接点支持体に、調整を行うために変位し得るように取り付けることが望ましい。工具ソケット又は機械主軸に、マーク、例えば、光源から送り出される光を反射する幅の狭い金属板片が固定される。それによって生じる機械主軸の回転数を表示する信号、例えば、回転数に比例するパルス信号が制御装置へ送られる。
【００１９】
円環状把持体で、それが固定される部位と異なる光学的性質を有するものをマークとして使用することができる。把持体は切れ目又は切欠きを有することができる。切れ目又は切欠きがセンサの前を通過すると信号が発生する。
【００２０】
また、回転のつど複数個のセンサ信号を生じる複数個のマークを設けることができる。最も簡単な場合には、マークを、均一な間隔で、例えば、接着テープに設けることができる。
【００２１】
制御装置は、駆動に適した給電信号を発生するために、検出装置から到来する信号を利用する。それ故、本発明に係る装置によって工具の回転数範囲を拡張することができる。それで、現にある工作機械を、それの機構や電子装置に手を加えずに、より多面的に使用できるようにする。
【００２２】
制御装置はアーバに組み込むか別個に格納することができる。また、制御装置は、コンピュータで実行される適宜なプログラムによって制御することができる。利用者のために操作面を設けることができる。
【００２３】
工具を冷却するために、工具駆動装置に少なくとも１個の冷却液供給管又は圧縮空気供給管と、外部へ導出される、望ましくは、旋回可能に配設された、例えば、プラスチック製のノズルを設けることが望ましい。また、それによって同時に工具駆動装置から熱を排出することもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態のその他の有利な細部は従属請求項、図面及び／又は当該の説明から明らかである。
【００２５】
図面に本発明の主題の実施例を示す。
【００２６】
図１の概略全体図に示すように、工具駆動装置１は、ほぼ円筒形の基本形状を有するハウジング２を備えている。機械主軸の、詳しく図示しない適宜なチャックに保持するために設けられたテーパシャンク３がハウジング２の一端部に形成されている。テーパシャンク３にグリップディスク４が続く。グリップディスクに直接接続し、これより小さな直径を有する短い円筒形部分５はマーク６の担体として利用される。このマーク６の特性と意義とは後に説明する。
【００２７】
円筒形部分に続いて円錐形の接続部７が形成されており、その最小の直径が円筒形部分５に接続している。しかし、ここで、この直径はグリップディスクの直径より大きくなっている。円錐形の接続部７は、ハウジング２内に収容されて図２から明らかな駆動部９の給電のために使用される単数個又は複数個、本実施形態では３個のスライドリング８（８ａ，８ｂ，８ｃ）を有する。接点担体（接点ヘッド）１２及び検出装置であるセンサユニット（センサヘッド）１４を担持する接続ヘッド１１が、スライドリング８及びマーク６に配設されている。接続ヘッド１１は、工具駆動装置１が使用される工作機械に固定して取り付けられることが望ましい。この代わりに、接続ヘッド１１を半径方向へ移動可能にし工具駆動装置１が機械主軸に取り付けられるときだけ接続位置に持ってくる支持体に、接続ヘッド１１を取り付けるようにすることもができる。他の工具を使用するときは、接続ヘッド１１を工程路から外すことができる。しかし、多くの場合は、その必要はない。
【００２８】
工具駆動装置１は円錐形の接続部７に続いて円筒形のハウジング部分１５を有する。ハウジング部分１５のテーパシャンク３と反対側の端部は、カバー１６で閉鎖されている。カバー１６は中心孔を有し、回転自在に支持されたスピンドル１７がこれを貫いて突出している。スピンドル１７は工具を受けるように設けられ、そのために、図２で明らかなように、円錐孔１８を有する。 移動可能に支持され、冷却剤の供給に使用される通路(供給管)２１に連絡するノズル１９が、スピンドル１７に隣接して配設されていることが望ましい。
【００２９】
図２で明らかなように、ハウジング２の内室内、望ましくは、おおむねハウジング部分１５によって取り囲まれる内室内に、電動機２２の形態の駆動部が配設されている。スピンドル１７は電動機の軸を成し、電動機２２の両端で玉軸受２３，２４によって回転自在に支持されている。電動機２２は、サーボモータ、ステップモータ、三相非同期電動機、同期電動機又はその他の適宜な電動機である。小さな慣性モーメントが必要ならば、この電動機は、回転円盤形電動機又は回転カップ形電動機として構成することができる。また、回転数を変更し、特に増加するため、又は、補助運動、例えば、軸方向運動を生じるために、電動機２２と、工具接続のために円錐孔１８を介して形成されたカップリングとの間に電動装置、例えば、遊星歯車装置を設けることができる。必要ならば、これを別の駆動装置で行うことができる。
【００３０】
回転軸２７に共軸に切れ目なく配列された電線２６が、電動機２２のステータ２５から出てスライドリング８に連通している。同様に、この回転軸２７に共軸にテーパシャンク３、ハウジング２及びスピンドル１７が配列されている。
【００３１】
図３及び４に接続ヘッド１１を別々に示す。それの、工具駆動装置１に面した側３１に滑り接点３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）が配設され、ばね３３によって図４に示した矢印３４の方向へ、回転軸２７に対して半径方向に予圧されている。滑り接点３２は電線３５を経て制御ユニット３６に接続されている。制御ユニット３６は、図５にブロックとして示された駆動部９用の制御信号を発生する。
【００３２】
また、制御ユニット３６はセンサヘッド１４に接続され、これから、機械主軸の回転数に相当する信号を受信する。そのために、センサヘッド１４と相互作用するマーク６が設けられている（図１及び２）。マークは、例えば、工具駆動装置１の部分５にある凹部又は突起部であってもよい。この場合、センサヘッド１４は、これらの凹部又は突起部のための適宜な検出装置、例えば、磁気検出装置を含む。しかし、本実施例の場合、センサヘッド１４は光学原理に基づいている。光源３７が部分５を照明し、反射光がセンサ３８によって記録される。マーク６は部分５の他の部分と異なる反射作用を成す。例えば、マーク６は、部分５の一部を取り囲み切れ目のついたプラスチックリングから成ることができ、相対する２つの自由端の間に開いた小さな部分で形成して、この部分が通過するとセンサヘッド１４によって検出されるようになっている。こうして、機械主軸の１回転毎に、即ち、工具駆動装置１の１回転毎にセンサヘッド１４に１個の信号が発生する。これとは別に、複数個の信号を発生する複数個のマークを設けることができる。マーク６として、プラスチックリングの代わりに、必要に応じて、別の装置、例えば、単色の又はマークを備えた接着テープを使用することができる。
【００３３】
制御ユニット３６は、その入力４２に受信した信号の周波数に対応する信号をその出力４１に発生する。この対応関係、例えば、どのような入力回転数（入力４２）にどのような出力回転数（出力４１）が発生するかを、操作ターミナル４３によって設定することができる。これとは別に、対応関係を、固定的に設定するか、データインタフェースを介してコンピュータを用いて調整することができる。
【００３４】
以上に述べた工具駆動装置１は次のように作動する。
【００３５】
工具駆動装置１を、予め、工作機械のマガジン又は別設の保管装置に保持することができる。例えば、シャンクがスピンドル１７の円錐孔１８に受けられる工具を事前に装備する。本発明に係る工具駆動装置１による操作に備えて、工作機械の主軸の近傍の適当な場所に接続ヘッド１１が取り付けられる。この接続ヘッド１１は、工作機械内又はその側に留まっている。この場合、接続ヘッド１１は、グリップディスク４を自由に通過させる距離だけ工作主軸から離れている。
【００３６】
さらに、工作機械内又はその側に工具駆動装置１の制御装置が設けられている。この制御装置に制御ユニット３６と、必要に応じて設置される操作ユニット４３とが設けられている。そこで、工具駆動装置１を使用するときは、これを従来の工具のように機械主軸に挿着、即ち、接続する。これはおおむね回転軸２７の方向の軸方向運動によって行われる。その際、グリップディスク４は接点ヘッド１２に接触せずに、その側を通過する。テーパシャンク３が対応する受部内にあるとき、接点ヘッド１２の接点３２がスライドリング８に接触するに至る。また、マーク６がセンサヘッド１４の視野に入る。
【００３７】
センサヘッド１４が発生した制御パルスに基づき駆動部９をどのように制御すべきかが、ここで又はあらかじめ、操作ユニット４３において設定される。例えば、固定回転数比を設定することができる。回転数比を、例えば、係数５に設定すれば、機械主軸が１００回転／分で回転すると、制御ユニット３６は５００回転／分に対するパルスが与えられ、駆動部９はそれに対応して制御される。その場合、回転数が加算されるから、スピンドル１７は６００回転／分で回転する。機械主軸の回転数が、例えば、５，０００回転／分に増加すると、駆動部９は５倍の回転数、即ち、２５，０００ 回転／分で駆動される。これがスピンドル回転数に加算されるから、スピンドル１７は、結局、３０，０００回転／分で回転する。
【００３８】
このようにして、他の場合では機械主軸が到達し得ない回転数が得られる。また、必要ならば、操作ユニット４３によってスピンドル１７の回転数を無段階に変更することができる。
【００３９】
上記の実施形態とは別に、本発明の技術思想を逸脱せずに、制御ユニット３６と操作ユニット４０とを工具駆動装置１に組み込むことが可能である。その場合は、マーク６を工具駆動装置１の外側に固定する。また、マーク６の代わりに適宜な読取りヘッドを工具駆動装置１に設けることができる。工具駆動装置１が工作機械から分離されている場合は、例えば、事前にプログラムすることによって制御ユニット３６の調整が行われる。操作要素を、工具駆動ユニット、コンピュータへの接続用インタフェース又はその他の操作ユニットに設けることができる。この実施形態では図１又は２で明らかなように、エネルギ供給を外部から行うことができる。
【００４０】
上記の実施形態は、制御ユニット３６を適宜にプログラムすることによって整数でない回転数比も設定できる利点がある。しかし、必要ならばこのようなプログラムの可能性を取り止めることができる。簡素化した実施形態では、例えば、部分５にあるマーク６の数を変更するだけで回転数を変えることも可能である。このために、マークを備えた適宜な接着テープを使用することができる。マーク自体を接着テープで表示することもできる。いずれにしても工作機械の機械制御装置に干渉せずに、工具駆動装置１の制御が得られる。
【００４１】
特に工作機械用に設けられた工具駆動装置１は、工具駆動用の内部の駆動部９を有する。また、工具駆動装置１の運動を検出し、その駆動部９を適宜に制御する制御装置３６が設けられている。こうして、工具駆動装置１の制御を工作機械のその他の制御から独立に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明に係る工具駆動装置の一部の概略前面図である。
【図２】    図１の工具駆動装置の、一部を切り欠き、一部を概略的に示した前面図である。
【図３】    図１及び２の本発明装置に使用される結合手段の一部の概略側面図である。
【図４】    図１乃至３の結合手段の一部の概略平面図である。
【図５】    本発明の装置の作動原理の概略図である。
【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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