(57)【要約】【課題】加工機の加工ヘッドの移動を精度よく高速化できるようにする。【解決手段】  ２モータ駆動式加工機１であって、フレーム１に移動コラム３をフレーム２のＸ軸方向に往復移動自在に設け、この移動コラム３に加工ヘッド５を位置制御可能に取り付けると共に、移動コラム３に移動方向の前後位置に２台の駆動モータ１３、１４を取り付け、２台の駆動モータ１３、１４の各出力軸１７、１８に連結されたピニオン２１、２２またはピニオン２１、２２に代わるシザーズギヤ２７、２８をフレーム２に取り付けられた共通のラック２０にかみ合わせ、２台の駆動モータ１３、１４をコントローラ１９により同期状態として位置決め制御により駆動することによって移動コラム３をフレーム２のＸ軸方向に位置決めしながら往復移動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームに移動コラムを上記フレームのＸ軸方向に往復移動自在に設け、上記移動コラムに加工ヘッドを位置制御可能に取り付けると共に、上記移動コラムに移動方向の前後位置に２台の駆動モータを取り付け、上記２台の駆動モータの各出力軸により回転するピニオンを上記フレームに上記フレームのＸ軸方向に取り付けられた共通のラックにかみ合わせ、上記２台の駆動モータをコントローラにより同期状態として軌跡制御により駆動することによって、上記移動コラムを上記フレームのＸ軸方向に軌跡制御を行いながら往復移動させる、ことを特徴とする２モータ駆動式加工機。
【請求項２】
上記２台の駆動モータを上記コントローラによりマスタースレーブ方式のモータ制御により駆動する、ことを特徴とする請求項１記載の２モータ駆動式加工機。
【請求項３】
上記移動コラムの重心を通り上記フレームのＸ軸方向に対して直交するＹ軸方向の水平な直線を対称軸として、上記移動コラムの対称位置に上記２台の駆動モータを取り付け、上記コントローラにより上記２台の駆動モータを同じ回転力として駆動する、ことを特徴とする請求項１記載の２モータ駆動式加工機。
【請求項４】
上記移動コラムの重心位置に対する上記２台の駆動モータの非対称な取り付け位置に応じて、上記２台の駆動モータの回転力を取り付け距離に対して反比例のもとに配分することによって、上記移動コラムの重心位置付近を駆動する効果を持たせる、ことを特徴とする請求項１記載の２モータ駆動式加工機。
【請求項５】
上記２つのピニオンのうち、一方のピニオンの歯先をかみ合い中心位置で上記ラックの歯底に対応させると共に、他方のピニオンの歯底をかみ合い中心位置で上記ラックの歯先に対応させ、上記２つのピニオンと上記ラックとの間でかみ合いの位相をずらしておく、ことを特徴とする請求項１記載の２モータ駆動式加工機。
【請求項６】
上記２つのピニオンをそれぞれ出力軸に回り止めされたメインギヤ、このメインギヤと同じ寸法でメインギヤに対して相対的に回転可能に取り付けたサブギヤおよびサブギヤを円周方向に付勢するスプリングからなるシザーズギヤにより構成し、それらの２つのシザーズギヤの間で上記スプリングによる付勢方向を逆に設定することによって、上記移動コラムの往復移動の往行および復行時にいずれの移動時にも、必ずいずれかのメインギヤの歯面をラックの歯面に接触させる、ことを特徴とする請求項１記載の２モータ駆動式加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工機、主としてレーザ加工機において、２つの駆動モータを利用して移動コラムの移動を高速化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工機において、加工ヘッドの移動の高速化は、加工ヘッドの移動時の振動を許容値以下に抑えつつ、加工ヘッドの加工点の運動制御をしなければならない。
【０００３】
大ストローク・高速加工型のレーザ加工機では、加工ヘッドの移動案内のためにフレームにラックを固定し、フレームに対して往復移動可能な移動コラムにピニオンモータを取り付け、ラック・ピニオンのかみ合いによる駆動方式のものがある。このような駆動方式により高速移動が可能となっている。
【０００４】
さらなる高速化を目指す場合に、加速度の変化にともなう移動コラムのピッチング、ヨーイング、ローリングの挙動を許容値以下に収めることが重要となる。従来の駆動方式のものによると、移動コラムに対するモータの設置位置に制限があり、必ずしも移動コラムの重心位置の近くにおいて駆動できず、移動コラムの挙動を許容値以下に収めることができない。
【０００５】
一方、特許文献１は、工作機械のワークテーブルとベース台との間に２本の送りねじユニットを設け、それぞれの送りねじユニットを対応の回転駆動モータに連結し、合計２台の回転駆動モータでワークテーブルを駆動することによって、ワークテーブルの移動を高速化すること、を開示している。
【０００６】
上記特許文献１の技術は、移動コラムに相当するワークテーブルに回転駆動モータを搭載するものではなく、相対移動のないベース台に２台の回転駆動モータを取り付ける駆動方式であるから、移動コラムに駆動モータを取り付ける駆動方式のものにそのまま適用できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２５９３６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の課題は、移動コラムの移動を精度よく高速化できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題のもとに、本発明は、２モータ駆動式の加工機において、フレームに対して往復移動可能な移動コラムを２台の駆動モータにより駆動する方式とし、移動コラム上の各駆動モータの出力軸に連結されたピニオンをフレームに取り付けられたラックにかみ合わせ、２台の駆動モータの回転力により移動コラムを高速で移動させるようにしている。
【００１０】
具体的に記載すると、本発明は、フレームに移動コラムを上記フレームのＸ軸方向に往復移動自在に設け、上記移動コラムに加工ヘッドを位置制御可能に取り付けると共に上記移動コラムに移動方向の前後位置に２台の駆動モータを取り付け、上記２台の駆動モータの各出力軸により回転するピニオンを上記フレームに上記フレームのＸ軸方向に取り付けられた共通のラックにかみ合わせ、上記２台の駆動モータをコントローラにより同期状態として軌跡制御により駆動することによって、上記移動コラムを上記フレームのＸ軸方向に軌跡制御を行いながら往復移動させる、２モータ駆動式加工機を構成している（請求項１）。
【００１１】
上記２モータ駆動式加工機において、本発明は、上記２台の駆動モータを上記コントローラによりマスタースレーブ方式のモータ制御により駆動している（請求項２）。
【００１２】
上記２モータ駆動式加工機において、本発明は、上記移動コラムの重心を通り上記フレームのＸ軸方向に対して直交するＹ軸方向の直線を対称軸として、上記移動コラムの対称位置に上記２台の駆動モータを取り付け、上記コントローラにより上記２台の駆動モータを同じ回転力として駆動している（請求項３）。
【００１３】
上記２モータ駆動式加工機において、本発明は、上記移動コラムの重心位置に対する上記２台の駆動モータの非対称な取り付け位置に応じて、上記２台の駆動モータの回転力を取り付け距離に対して反比例のもとに配分することによって、上記移動コラムの重心位置付近を駆動する効果を持たせている（請求項４）。
【００１４】
上記２モータ駆動式加工機において、本発明は、上記２つのピニオンのうち、一方のピニオンの歯先をかみ合い中心位置で上記ラックの歯底に対応させると共に、他方のピニオンの歯底をかみ合い中心位置で上記ラックの歯先に対応させ、上記２つのピニオンと上記ラックとの間でかみ合いの位相をずらしている（請求項５）。
【００１５】
さらに、上記２モータ駆動式加工機において、本発明は、上記２つのピニオンをそれぞれ出力軸に回り止めされたメインギヤ、このメインギヤと同じ寸法でメインギヤに対して相対的に回転可能に取り付けたサブギヤおよびサブギヤを円周方向に付勢するスプリングからなるシザーズギヤにより構成し、それらの２つのシザーズギヤの間で上記スプリングによる付勢方向を逆に設定することによって、上記移動コラムの往復移動の往行および復行時にいずれの移動時にも、必ずいずれかのメインギヤの歯面をラックの歯面に接触させている（請求項６）。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る２モータ駆動式加工機によると、移動コラムが２台の駆動モータによって駆動されるから、移動コラムの高速での移動制御が可能となり、しかも２台の駆動モータが移動コラムの移動方向の前後位置に取り付けられているから、移動コラムの往復移動の移動開始時や移動終了時に加速度の変化にともなう移動コラムのピッチング、ヨーイング、ローリングの挙動を許容値以下に収めることができ、さらに２台の駆動モータが同期状態で駆動され、各駆動モータにより回転するピニオンがフレームに取り付けられた共通のラックにかみ合っているから、２台の駆動モータの間で回転量すなわち移動コラムの移動量に誤差が現れにくく、移動コラムの往復移動の過程で、正確な位置決め制御が実現できる（請求項１）。
【００１７】
上記２モータ駆動式加工機において、２台の駆動モータが共にコントローラによりマスタースレーブ方式のモータ制御により駆動されると、位置制御自体は１つのコントローラで行えるようになる（請求項２）。
【００１８】
上記２モータ駆動式加工機において、２台の駆動モータが移動コラムの対称位置に取り付けられていると、２台の駆動モータの回転力を同じに設定し、等価的に移動コラムの重心位置付近を駆動できるから、回転力制御が簡単になり、きわめて安定な駆動、往復移動が実現できる（請求項３）。
【００１９】
上記２モータ駆動式加工機において、２台の駆動モータの非対称な取り付け位置に応じて、上記２台の駆動モータの回転力が反比例のもとに配分されると、これによって疑似的に移動コラムの重心位置付近の駆動と同じ効果が得られ、このような取り付け態様でも安定な駆動、往復移動が実現できる（請求項４）。
【００２０】
上記２モータ駆動式加工機において、一方のピニオンの歯先がかみ合い中心位置でラックの歯底に対応し、他方のピニオンの歯底がかみ合い中心位置でラックの歯先に対応するように、２つのピニオンの間でかみ合いの位相がずれていると、同じかみ合いの位相のラック・ピニオンに比較してバックラッシュが軽減できる（請求項５）。
【００２１】
さらに、上記２モータ駆動式加工機において、２つのピニオンがシザーズギヤにより構成され、２つのシザーズギヤの間でスプリングによる付勢方向を逆に設定されていると、移動コラムの往行移動および復行移動のいずれの移動時にも、必ずいずれかのメインギヤすなわち出力軸に直接または間接的に回り止めされているメインギヤの歯面がラックの歯面に接し、２つのシザーズギヤの不安定なサブギヤのみがラックの歯面に接することもなくなり、２つのシザーズギヤの間で駆動位相のずれが可能な限り少なくできる（請求項６）。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る２モータ駆動式加工機の平面図である。
【図２】本発明に係る２モータ駆動式加工機の一部の正面図である。
【図３】本発明に係る２モータ駆動式加工機の左側から見た一部の斜面図である。
【図４】本発明に係る２モータ駆動式加工機の右側から見た一部の斜面図である。
【図５】ラックと２つのピニオンとのかみ合い状態の平面図および駆動モータのコントローラのブロック線図である。
【図６】ラックと２つのピニオンとのかみ合い状態の一部の拡大平面図である。
【図７】２つのピニオンに代わる２つのシザーズギヤの説明図であり、それぞれのシザーズギヤにおいて、左側はその平面図、右側はそれぞれのＡ−Ａ、Ｂ−Ｂに沿った階段状の断面図である。
【図８】ラックと２つのピニオンに代わるシザーズギヤとのかみ合い状態の一部の拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１ないし図４は、本発明に係る２モータ駆動式加工機１の具体的な例として三次元５軸制御方式レーザ加工機を示している。２モータ駆動式加工機１は、フレーム２の斜面で移動コラム３をフレーム２の長手方向すなわちＸ軸方向に往復移動自在に備えており、移動コラム３は、フレーム２の斜面において平行で水平な２本のリニアガイドユニット４によりＸ軸方向に往復移動できるように支持され、移動コラム３の移動時の前後位置の２台の駆動モータ１３、１４により駆動されるようになっている。なお、移動コラム３のＸ軸方向の最大移動量は、ストッパ１５、１６によって規制されている。また、移動コラム３の支持面は、フレーム２の斜面ではなく、フレーム２の水平な面あるいは垂直な面として構成することもできる。
【００２４】
移動コラム３は、一例として片持ち状態のアーム６によって、加工ヘッド５を移動コラム３のＸ軸方向に対する水平面上の直交方向すなわちＹ軸方向および水平面に対する垂直方向すなわちＺ軸方向に高い剛性のもとに往復移動自在に保持している。そして、移動コラム３は、傾斜面上でＹ軸方向のアーム６の一端を支持しており、アーム６は、一方の側面において水平で平行なリニアガイドユニット７によりサドル８をＹ軸方向に往復移動自在に保持し、さらにサドル８は、前面で平行なＺ軸方向のリニアガイドユニット９によりラム１０をＺ軸方向に往復移動自在に保持している。なお、サドル８は、リニアガイドユニット７に対する駆動用モータ７１によって駆動され、ラム１０は、リニアガイドユニット９に対する駆動用モータ９１によって駆動されるようになっている。
【００２５】
ラム１０は、内蔵の垂直なＣ軸１１およびＣ軸１１に対して４５度の交角で交差する方向または平行な方向のＡ軸１２によって加工ヘッド４を支えており、内蔵の駆動手段によってＣ軸１１およびＡ軸１２を回転中心として加工ヘッド５の姿勢を制御可能な状態として保持している。レーザや電力線、信号線などは、固定のフレーム２側からケーブルベア（登録商標）３５、３６、３７を介して加工ヘッド４やリニアガイドユニット７の駆動用モータ７１、リニアガイドユニット９の駆動用モータ９１、加工ヘッド４の姿勢制御用の内蔵の駆動手段などに導かれている。
【００２６】
移動コラム３、アーム６、リニアガイドユニット７、サドル８、リニアガイドユニット９、ラム１０、Ｃ軸１１およびＡ軸１２は、加工ヘッド５をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に軌跡制御により移動させ、Ｃ軸１１およびＡ軸１２を回転中心として加工ヘッド５の姿勢を制御する。このような移動の過程で、加工ヘッド４は、軌跡制御のもとにレーザビームをワークに照射し、ワークに所定の加工を行う。
【００２７】
図５は、２台の駆動モータ１３、１４により移動コラム３を往復移動させるための駆動制御の部分を示している。移動コラム３は、移動方向の前後位置に取り付けられた２台の駆動モータ１３、１４により同時にコントローラ１９により駆動されるようになっている。２台の駆動モータ１３、１４の出力軸１７、１８の回転は、直接または必要に応じて中間の減速機などにより間接的に対応のピニオン２１、２２に伝達される。ピニオン２１、２２は、同じ寸法のものであり、フレーム２に対してＸ軸方向に取り付けられた共通のラック２０にかみ合っている。
【００２８】
コントローラ１９は、マスタースレーブ方式のモータ制御を行い、図示しない主制御装置（ＮＣ装置）からの指令データにもとづいてマスター側の駆動モータ１３を移動コラム３の移動に必要な回転量だけ駆動すると同時に、駆動モータ１３の位置検出器２３の位置データとスレーブ側の駆動モータ１４の位置検出器２４の位置データとを比較し、その差を解消する方向にスレーブ側の駆動モータ１４を駆動モータ１３と同じ回転量で駆動する。
【００２９】
このようにして、２台の駆動モータ１３、１４は、マスタースレーブ方式のモータ制御によって同期状態として回転し、移動コラム３を目標の位置へ位置決めしながら移動させる。この制御によって、移動コラム３の位置制御自体は、１つのコントローラ１９により実現できる。移動コラム３の移動時に、２台の駆動モータ１３、１４が同時に起動するため、最高速度の向上、加速度の増大を達成しつつ、振動を低く抑えることが期待できる。
【００３０】
図１に示すように、２台の駆動モータ１３、１４は、可能な限り、移動コラム３の重心２６、正確には移動コラム３によって支えられている部分全体の重心２６を通るＹ軸方向の直線２５を対称軸として、移動コラム３の対称位置に取り付けられる。２台の駆動モータ１３、１４が対称に取り付けられているとき、コントローラ１９は、２台の駆動モータ１３、１４を同じ回転力として駆動する。これによって、２台の駆動モータ１３、１４の回転力があたかも重心２６の位置に作用するようになる。
【００３１】
このため、移動コラム３の移動の加速度の変動時、特に移動の初期加速時、移動の終期の減速時に、きわめて安定な駆動、往復移動が実現でき、しかも、回転力制御が簡単になる。したがって、移動コラム３の高速移動が可能となり、加速度の変化にともなう移動コラム３のピッチング、ヨーイング、ローリングの挙動は、低くなり、許容値以下に抑えられる。
【００３２】
一方、２台の駆動モータ１３、１４が移動コラム３の重心２６を通るＹ軸方向の直線２５を対称軸として、移動コラム３の対称位置に取り付けられず、非対称な取り付けとなるときには、移動コラム３の重心２６の位置に対する２台の駆動モータ１３、１４の取り付け位置、つまり重心２６とそれぞれの駆動モータ１３、１４の取り付け位置との間の距離に応じて、２台の駆動モータ１３、１４の回転力をそれらの距離に反比例するように配分すれば、２台の駆動モータ１３、１４は、疑似的に移動コラム３の重心位置付近を駆動しているように作用する。
【００３３】
また、図６に示すように、本発明は、ラック２０とピニオン２１、２２との間のバックラッシュを軽減するために、一方例えばピニオン２１の歯先をかみ合いの中心位置でラック２０の歯底に対応させると共に、他方のピニオン２２の歯底をかみ合いの中心位置でラック２０の歯先に対応させ、ラック２０を２つのピニオン２１、２２で挟み込むように配置し、必要に応じて挟み込み方向の予圧を与えながら、２つのピニオン２１、２２とラック２０との間でかみ合いの位相をずらしている。このように、２つのピニオン２１、２２の間でかみ合いの位相がずれていると、同じかみ合いの位相のラック・ピニオンに比較してバックラッシュが軽減できるから、有利となる。
【００３４】
さらに、図７および図８は、２つのピニオン２１、２２をバックラッシュ軽減用のシザーズギヤ２７、２８により構成し、ラック２０を２つのシザーズギヤ２７、２８で挟み込むように配置し、必要に応じて挟み込み方向の予圧を与える例を示している。各シザーズギヤ２７、２８は、メインギヤ２９、３０、これらと同じ寸法のサブギヤ３１、３２およびサブギヤ３１、３２を円周方向に付勢する例えばコイル状のスプリング３３、３４から構成されている。メインギヤ２９、３０は、それぞれ出力軸１７、１８またはこれに連動する軸にキーなどにより回り止めされているが、サブギヤ３１、３２は、出力軸１７、１８またはこれに連動するメインギヤ２９、３０に対してスプリング３３、３４の付勢力により周方向に回転できるように取り付けられている。
【００３５】
各スプリング３３、３４は、それぞれメインギヤ２９、３０とこれに重ねられているサブギヤ３１、３２との間に設けられ、メインギヤ２９、３０とサブギヤ３１、３２との間で、重なり合う歯を周方向にずらし、重なり合う歯の歯厚を大きくしている。これによってメインギヤ２９、３０、サブギヤ３１、３２の歯面（歯末面・歯元面）は、ラック２０の歯とかみ合うときに、ラック２０の向き合う歯面（歯末面・歯元面）に接触し、バックラッシュを軽減する。
【００３６】
スプリング３３、３４の付勢力は、シザーズギヤ２７、２８のいずれの回転方向のときにもラック２０に回転力を伝達できるように、その回転力に打ち勝つような大きな値に設定されている。このため、それぞれのシザーズギヤ２７、２８は、回転方向にかかわらず出力軸１７、１８の回転力をラック２０に伝達できることになる。
【００３７】
そして、スプリング３３、３４の付勢方向は、一方のシザーズギヤ２７と他方のシザーズギヤ２８との間で逆に設定されている。このような逆の設定は、移動コラム３の往復移動の往行および復行時のいずれの移動時にも、メインギヤ２９、３０のうち少なくとも１つのものの歯面をラック２０の歯面に接触させ、出力軸１７、１８の回転力をラック２０に確実に伝達するために行われる。
【００３８】
もし、スプリング３３、３４の付勢方向が一方のシザーズギヤ２７と他方のシザーズギヤ２８との間で同じ方向に設定されているとすれば、移動コラム３の往復移動の往行または復行時に、両方のサブギヤ３１、３２が共に回転力の伝達に関与することになる。このような回転力の伝達によると、駆動中に、何らかの外力が移動コラム３に作用して、サブギヤ３１、３２がスプリング３３、３４の付勢力に抗して変位して不安定になることもあり、そのときに正確な位置決め制御は不可能となることも予測され、正確な位置制御は実現できなくなる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
図示の例は、レーザ加工機であるが、本発明は、同じ形式の熱加工機、例えば放電加工機などにも利用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１  ２モータ駆動式加工機
２  フレーム
３  移動コラム
４  リニアガイドユニット
５  加工ヘッド
６  アーム
７  リニアガイドユニット  ７１  駆動用モータ
８  サドル
９  リニアガイドユニット  ９１  駆動用モータ
１０  ラム
１１  Ｃ軸
１２  Ａ軸
１３  駆動モータ
１４  駆動モータ
１５  ストッパ
１６  ストッパ
１７  出力軸
１８  出力軸
１９  コントローラ
２０  ラック
２１  ピニオン
２２  ピニオン
２３  位置検出器
２４  位置検出器
２５  直線
２６  重心
２７  シザーズギヤ
２８  シザーズギヤ
２９  メインギヤ
３０  メインギヤ
３１  サブギヤ
３２  サブギヤ
３３  スプリング
３４  スプリング
３５  ケーブルベア（登録商標）
３６  ケーブルベア（登録商標）
３７  ケーブルベア（登録商標）
【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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