(57)【要約】【課題】従来の直交３軸からなる工作機械において、機械幅を示すＸ軸方向の移動を旋回移動に置き換えることにより、Ｘ軸の移動ストロークに対し機械幅を最小限に抑制する。【解決手段】  従来の直交３軸の工作機械のＸ軸（機械幅を示す軸）について、直線軸の替わりに、リンク機構の回転駆動部１５と主軸１２をリンク機構１１により接合し、リンク機構の回転中心１１にて角度制御を行うをたものと置き換え、この旋回による位置決めとＹ軸の位置決めの協調制御により自在に位置決めさせる。【選択図】図７
2006055934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸の機械本体横幅方向の移動軸をＸ軸とし、主軸の回転軸芯方向の移動軸をＺ軸とし、主軸の機械本体に対する前後方向もしくは上下方向の移動軸をＹ軸とした３軸直交の直線移動軸を持つ工作機械において、
上記主軸はＸ軸方向への移動軌跡を円弧移動とすべく、機械本体に支持されてＺ軸方向に移動する移動体にＸ軸方向に揺動するリンク機構を枢着させるとともにこの駆動用Ｘ軸モータを配置させ、上記リンク機構の自由端部に設けた支持体に主軸を支持させ、
更に、上記主軸はＹ軸方向及びＺ軸方向に直線駆動するＹ軸モータとＺ軸モータを各々配置してなることを特徴とする工作機械。
【請求項２】
上記主軸のＸ軸方向への移動軌跡を円弧移動から直線移動に補正すべく、主軸を支持するリンク機構をＸ軸モータでＸ軸方向に駆動時に、主軸のＹ軸又はＺ軸方向に発生する変位を打ち消す方向にＹ軸モータ又はＺ軸モータを微小区間毎に分割して補正制御することを特徴とする請求項１記載の工作機械。
【請求項３】
請求項１記載において、上記リンク機構の回転中心と同一の中心を持つ円形カバーをリンク機構と一体化させて設け、上記リンク機構と共に回転運動することを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の機械幅を小さくするための移動軸の構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の工作機械からなる製造ラインを構成する場合、構成要素となる工作機械は生産用ラインに沿って整然と隣接し配置されるが、加工ワークに対する物流や作業性、設置スペースの観点から考えると、ラインはより短かくなることを求められる。
ラインの長さは、概ね各工作機械のそれぞれの幅の合計で決定されるため、横幅の小さい工作機械が望まれることになるが、工作機械メーカーはこのような顧客の要望に対応すべく、横幅の小さい工作機械の製作を試みてきた。
例えば、移動体の大きさを小さくしたり、カバー類やボールネジ両端の駆動モーターや支持部を工夫する等の対応をしてきたが、従来の一般的な工作機械の移動軸は直交３軸で構成されており、この基本的な軸構成のもとでは更なる小型化は容易ではなかった。
【０００３】
図１は一般的に考えられる工作機械の軸構成である。
スライド可能なガイドレール１０上に加工用テーブル５を載せ、この加工用テーブル５とナット３は一体化しているので、Ｘ軸駆動用モータ１の回転力はボールネジ６を介してナット３に伝達されボールネジ６に沿って直線移動を行うことができる。
しかしながら、このような従来の構成では、図から明らかなように、テーブルの移動ストロークの両側にＤ１、Ｄ２で示されるような機械幅を増大させてしまう隙間ができてしまうが、これは構成上不可避である。
Ｄ１で示す隙間の部分には折りたたまれたスライドカバー４（もしくは蛇腹）やボールネジ６の指示部７等が含まれるし、Ｘ軸駆動用モータ１が設置された側はＸ軸駆動用モータ１とカップリング８によるＤ２に示すような隙間が加わることとなる。
つまり、工作機械の設計者は、本来のＸ軸の移動ストロークに対して隙間Ｄ１、Ｄ２等を考慮した上で機械幅を考慮しなくてはならない。
【０００４】
図２は従来例の中でも、Ｘ軸駆動用モータ１をベッド２の内側に収納した例である。
この場合、Ｘ軸駆動用モータ１の回転力はベルト９を介してボールネジ６に伝えられるが、Ｘ軸駆動用モータ１が内側に収納されたため、図１にて示したＸ軸駆動用モータ１の長さＤ２だけ機械幅を抑制することができる。
しかし、ベルト９により間接的にボールネジ６を回転駆動するため、ベルト部周辺では機械的なガタが発生するし、駆動用モータ１をベッド２の内側に収納することによる空間的な干渉は避けられず、部品レイアウト上の大きな制約は避けられない。
そして、このような構造でもＤ１に示すような隙間を解消することは不可能である。
【０００５】
上記に示した図１、図２のいずれにしろスライドカバー４の両端部やボールネジ６の支持部７に由来する構造物及び駆動用モータに由来する機械構成上の問題は解決困難であり、結果的に機械幅の改善はなかなか進まない。
【０００６】
上述したように、一般的に使用される３軸直交座標系の工作機械においては、機械幅は移動体の大きさ、Ｘ軸のストローク、移動体両端のテレスコカバー（もしくは蛇腹）、ボールネジ両端に備え付けられる駆動モータ及び支持部の寸法等を必ず考慮せねばならず、一般的に考えられているような機械構成では、機械幅を小さくしようと試みても機械構成上の必然的な限界に直面することとなる。
【０００７】
Ｘ軸がテーブル移動でなく主軸移動の場合は、図３に示すような機械構成になるが、スライドカバー４やボールネジ６、ナット３などの機械要素は同様であるから、結果的に主軸１２の移動ストロークに対し、主軸からカバー間の距離Ｄ３の分が隙間となり、この分は機械幅が増大することとなる。
このように、テーブル側移動、主軸側移動のいずれの構成であっても、従来の移動軸構成や駆動方法により必然的に発生してしまう隙間はどうしようもなく、移動ストロークに対して機械幅がかなり大きくなってしまうのが実情であった。
【０００８】
従来例の中には、主軸周辺の保護カバーを工夫することにより機械幅を小さくしようとするような試みも見られるが、従来のＸＹＺ軸からなる直交３軸の軸構成を持つ機械構成が前提では、個々の取り組みにとどまるのみであり、効果は限定的となってしまうから大きな改善に至らない。
即ち、従来の移動軸の装置構成では、Ｘ軸の両端部に必要な構成部材を配置せざるを得ないため、この分機械幅は確実に増大してしまう。
【特許文献１】特開２０００−８４７８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
解決しようとする課題は、工作機械の機械幅を決定するＸ軸方向において、Ｘ軸方向の移動ストロークに以外に、スライドカバーや蛇腹、ボールネジ両端の支持部、Ｘ軸駆動用モータ等を考慮しなくてはならず、これにより機械幅が大きく増大してしまう点である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、工作機械の機械幅を抑制するために、機械幅に関わるＸ軸において、ボールネジやガイドレール、スライドカバー（蛇腹）等の直線移動軸のための部材を使用しない。
その代替として、Ｚ軸回りの回転可動部を持つ支持体と、この支持体の回転可動部と主軸とをリンク機構により接合し、主軸を自在に円弧運動できる構成にしたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による移動軸の構成は、工作機械の機械幅を示すＸ軸方向の直線移動を円弧移動に置き換えることによりＸ軸方向の移動ストロークを確保しつつ、従来Ｘ軸両端にあったボールネジの支持部やボールネジを駆動するためのサーボモータ等、及びスライドカバー（蛇腹）を不要にしたことにより、機械幅を抑制した工作機械を提供することが可能となり、複数の工作機械で構成される製造ラインのライン長を短くすることができる利点がある。
請求項１によると、機械本体の横幅方向の寸法を狭くでき、多数台で構成される加工ラインに対応できる。
更に、Ｘ軸を直線移動させていた「スライドカバー、蛇腹、ボールねじ、ボールねじの支持部他の部材が省略でき、機械のコストダウンと構成の簡素化が図れる」。
これにより、機械幅は、Ｘ軸ストローク＋主軸頭径のサイズに限りなく近づけることができる。
また、この発明は立型マシニングセンタ、横型マシニングセンタ共に利用することができる。
請求項２によると、「主軸をＸ軸方向に駆動時において、主軸のＹ軸又はＺ軸方向に発生する変位はＹ軸モータ又はＺ軸モータを微小区間毎に分割して補正制御され、３軸が直線移動できる」。
請求項３によると、円形カバーはリンク機構等の駆動部を切粉や切削液から保護するだけにとどまらず、円形カバー自体がリンク機構と共に回転することにより、その遠心力で円形カバーに付着した切粉は落下するため、円形カバー自身が清浄であることはもちろん、その移動範囲において切粉を周辺の構成部材に持ち出すことが無くなるため、長時間稼動時の切粉処理において大きな安心感を作業者にもたらすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
従来の工作機械は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸による直交３軸の直線移動軸の組み合わせににより、自在に３次元の位置決めを行っているが、この位置決めの自由度を損なうことなく、工作機械のＸ軸方向の寸法を増大させてしまうような構成部材を不要にし、工作機械の機械幅を抑制することを可能にした。
【実施例１】
【００１３】
本発明の構成は、図４に示すように、リンク機構の回転駆動部１５、リンク機構１１、主軸１２からなっており、リンク機構の回転中心１４を基準として主軸１２が円弧軌跡で移動する。
この構成は、水平直線移動のためのボールネジ、ガイドレール等を持たないため、主軸１２と工作機械の側面カバー１３との接近性が著しく改善され、Ｘ軸方向の移動ストロークに対する工作機械の横幅の増大を最小限に抑制することができる。
【００１４】
一般的な工作機械のＸ軸とＹ軸はボールネジ駆動により直交座標系で位置制御されるが、本発明による位置制御は、図５に示すように、ボールネジ６で駆動するＹ軸と、このＹ軸のナット３と一体化して直線移動するリンク機構の回転駆動部１５により構成される。
【００１５】
本発明による軸構成を工作機械に実装し場合の例を図６、図７に示す。
図６は立型マシニングセンタに実装した場合、図７は、立型マシニングセンタに実装した場合である。
いずれも機械幅を示すＸ軸方向において、ボールネジ等により構成される直線移動軸が無いため、この付加物であったボールネジの支持部やスライドカバーや蛇腹等は不要となる。
これによりＸ軸方向の両端部において干渉するものがなくなり、Ｘ軸方向の移動ストロークに対し、機械の側面カバーを近接させることができ、機械幅の抑制が可能となる。
また、図７は円形カバー１７の搭載例であり、図に示されているようにリンク機構１１と一体化して設けられる。
円形カバー１７の外周部は折り曲げにより剛性を高め、移動時もしくは回転時に撓みが発生しないように配慮するのが望ましい。
円形カバーの剛性確保に関しては、鋼板を厚くしたり、複数枚の鋼板を張り合わせ複合鋼板として剛性を高めたり、リブ等を入れ３次元的に剛性を高めたりすることも可能である。
【００１６】
円形カバーについては、回転軸の延長線方向からみたものを図１４に示す。
円形カバー１７の中心はリンク機構回転中心１４に合わせられ、リンク機構と共に回転運動を行う。
この円形カバーは盾として機能し、この裏側にある各種駆動部等を切粉や切削液から保護することが可能となる。
【００１７】
図８は、リンク機構の回転軸の延長線方向から見たものであり、主軸１２はリンク機構１１の長さを半径とした円弧軌跡を自在に位置決めする。
【００１８】
ここで位置決めの制御について、図９に示す。
主軸が旋回し位置決めするため、Ｘ軸座標が移動するとこれに合わせてＹ軸座標も変化する。
従って、位置決めにあたっては、旋回角度を求め、この旋回により移動してしまうＹ軸の補正を合わせて行うこととなる。
まず、Ｘ軸について考えると数式Ｃ１に示すように位置決めしたいＸ座標に対する旋回角度が一意に求められる。
次に、Ｘ座標を位置決めすることにより合わせて移動してしまうＹ軸方向の移動量Ｙ１を式Ｃ２により求める。
次に、位置決めしたいＹ座標Ｙから上記旋回移動してしまったＹ１を引いた数値が、Ｙ軸に対する座標指令となるが、これを式Ｃ３に示す。
上記の移動経路に関しては、移動経路を微小区間に分割し、それぞれの微小区間に対し、旋回角度と直線移動の協調制御を行えば、微小区間の幅に応じた精度で直線移動を行うことも可能である。
上記で述べたように、移動指令は一意で演算処理可能であり、昨今のコンピュータもしくは制御装置の処理能力ならば十分に高精度を維持しながらリアルタイム処理が可能である。
【００１９】
次に、本発明によるＸＹ平面の可能範囲を図１０に示す。
従来の直線軸の組み合わせと異なり、旋回要素が加わるため、矩形領域として可動できるエリアはエリアＡ２となる。
これに旋回要素の意味合いの強いエリアＡ1、Ａ３を合わせた領域が可動範囲となる。
実際の運用においては、可動範囲は矩形エリアが扱いやすいため、図１１のエリアＡ２に示す領域が加工時において汎用的に使用されることになると思われる。
【００２０】
次に、リンク長の設定について述べる。
リンク長については、図１２に示すように、必要とされるＸ軸の移動ストロークの半分の長さが最低限必要であるが、短いほうが剛性的に有利であるから、リンク長に関してはＸ軸の移動ストロークのちょうど半分の長さに設定するのが良いかと思われる。
しかし、このようなリンク長の設定の場合、Ｘ軸座標＝リンク長×ＣＯＳ（角度）であるから、同じ回転速度でも、実際の主軸のＸ軸方向の送り速度は両端部が低速で、中央部が高速というように、コサイン関数特有の移動速度の変化を顕著に表れる。
【００２１】
上記に対し、図１３はリンク長の長さを幾分長く設定を示している。
リンク長を長くすると、ストローク幅に対する角度制御が１８０度未満になり、これに伴い角度ごとの送り速度の変化も小さくなる。
また、同じ回転速度であってもリンク長が長くなれば主軸はより高速に位置決めすることが可能となる。
それに、支持体と主軸がより離れることにより、これらが加工ワークや治具等への干渉しにくくなる。
そして、リンク長が長くなれば、Ｘ軸方向に移動する際に発生するＹ軸方向の変位量が少なくなるため、少ない補正量で対応できるようになる。
【００２２】
本発明は、実施形態の機械構成によれば、下記の効果が得られる。
１８０度以下の回転により主軸はＸ軸の両端を移動できるが、これは従来のボールネジによるＸ軸の直線移動速度に比べると明らかに高速である。
この高速性はリンク長が長くなるほどに顕著になり、特にドリル加工やタップ加工等の穴加工の位置決め時間の短縮において、非常に有利である。
また、本発明による機械構成では構造上剛性が低くなりやすいため負荷の高い重切削には不向きであるが、逆に切削負荷の小さい穴加工に限定した使用ならば優れた高速性でサイクルタイムの削減に貢献できる。
そして、従来は切削時の切粉対策として、Ｘ軸のストロークに合せ大型のスライドカバーや蛇腹を使用してきたが、本発明による軸構成なら上記のような大きなスライドカバーは不要となり、円形、半円、もしくは扇形のシンプルなカバーで対応可能となるため、制作費のコストダウンができるとともに、スライドカバーの隙間に切粉がつまる等のトラブルも発生しなくなる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、一般的な工作機械として立型と横型の３軸構成のマシニングセンタの実施形態により説明したが、直線移動軸を持つ加工機械にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の一般的な工作機械のＸ軸の構成図である。
【図２】従来の一般的な工作機械のＸ軸の構成図である。
【図３】従来の一般的な工作機械のＸ軸の構成図である。
【図４】本発明による、Ｘ軸の構成図である。
【図５】本発明による、Ｘ軸とＹ軸の構成図である。
【図６】本発明による、立型マシニングセンタの構成図である。
【図７】本発明による、横型マシニングセンタの構成図である。
【図８】本発明による、主軸の旋回運動を示す動作図である。
【図９】本発明による、Ｘ軸とＹ軸の位置決めのための座標の計算式である。
【図１０】本発明による、Ｘ軸とＹ軸の可動範囲を示す。
【図１１】本発明による、Ｘ軸とＹ軸の可動範囲の中の矩形エリアである。
【図１２】本発明による、旋回角１８０度で運用した場合の動作図である。
【図１３】本発明による、旋回角１８０度未満で運用した場合の動作図である。
【図１４】本発明による、円形カバーの外観図である。
【符号の説明】
【００２５】
１                    Ｘ軸駆動用モータ
２                    ベッド
３                    ナット
４                    スライドカバー
５                    テーブル
６                    ボールネジ
７                    支持部
８                    カップリング
９                    ベルト
１０                  ガイドレール
１１                  リンク機構
１２                  主軸
１３                  カバー
１４                  リンク機構の回転中心
１５                  リンク機構の回転駆動部
１６                  Ｙ軸駆動用モータ
１７                  カバー
１８                  Ｚ軸駆動用モータ
Ｄ１、Ｄ２            隙間
Ｄ３、Ｄ４            主軸中心からカバー間の距離
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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