(57)【要約】  工作機械アクセサリは、モノリシック屈曲移動ガイドと、モータと、位置フィードバックセンサとを備える。工作機械アクセサリはさらに、モノリシック屈曲移動ガイド内に配置され、ツールを回転させるように構成されたアクセサリツールスピンドルを備える。モータは、モノリシック屈曲移動ガイドを移動させ、位置フィードバックセンサは、モノリシック屈曲移動ガイドの位置を測定する。ある実施形態では、工作機械アクセサリはさらに、コントローラを備え、コントローラは、（ｉ）モータと通信接続し、（ｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスと通信接続し、（ｉｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスから受信した信号に応じてモータによってアクセサリツールスピンドルを移動させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシック屈曲移動ガイドと、
モノリシック屈曲移動ガイド内に配置され、ツールを回転させるように構成されたアクセサリツールスピンドルと、
モノリシック屈曲移動ガイドを移動させるモータと、
モノリシック屈曲移動ガイドの位置を測定する位置フィードバックセンサと、を備える、工作機械アクセサリ。
【請求項２】
モノリシック屈曲移動ガイドは、工作機械アクセサリのベースとして機能する、請求項１に記載の工作機械アクセサリ。
【請求項３】
モータは、ボイスコイルモータである、請求項１に記載の工作機械アクセサリ。
【請求項４】
コントローラをさらに備え、
コントローラは、（ｉ）モータと通信接続し、（ｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスと通信接続し、（ｉｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスから受信した信号に応じてモータによってアクセサリツールスピンドルを移動させる、請求項１に記載の工作機械アクセサリ。
【請求項５】
コントローラはさらに、（ｉｖ）位置フィードバックセンサからツールスピンドルのリニア位置を示す信号を受信し、（ｖ）リニア位置フィードバックデバイスから受信した信号および１つ又は複数の外部デバイスから受信した信号に応じて、リニアアクチュエータによってアクセサリツールスピンドルを移動させる、請求項４に記載の工作機械アクセサリ。
【請求項６】
１つ又は複数の外部デバイスは、工作機械のメインコントローラを備える、請求項１に記載の工作機械アクセサリ。
【請求項７】
非一時的コンピュータ読み取り可能媒体（ＣＲＭ）と、
１つ又は複数のプロセッサと、
ＣＲＭ上に記憶されるとともにプロセッサによって実行されると機能を発揮させる命令とをさらに備え、
命令が発揮する機能には、
メイン工作機械コントローラからメインスピンドルの位置又は速度を示す第１の情報を受信するステップと、
リニア位置フィードバックデバイスからツールスピンドルおよび／又はメインステージのリニア位置又は速度を示す第２の情報を受信するステップと、
第１および第２の情報に基づき、リニアアクチュエータに対して１つ又は複数の切削命令を送信するステップであって、当該切削命令は、機械加工作業を実行するようにリニアアクチュエータにアクセサリツールスピンドルを移動させるものであるステップと、が含まれる、請求項４に記載の工作機械アクセサリ。
【請求項８】
メインスピンドルはワークピースを含み、
アクセサリツールスピンドルはツールを含み、
切削命令は、ツールがワークピースに接触するようにアクセサリツールスピンドルをモータによって移動させるものであり、これにより、機械加工作業が実行される、請求項７に記載の工作機械アクセサリ。
【請求項９】
工作機械アクセサリはメイン工作機械コントローラと通信し、
メイン工作機械コントローラは、（ｉ）モータと通信接続し、（ｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスと通信接続し、（ｉｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスから受信した信号に応じてモータによってアクセサリツールスピンドルを移動させる、請求項１に記載の工作機械アクセサリ。
【請求項１０】
工作機械アクセサリは、分離して移動可能なツールステージ上に載置される、請求項１に記載の工作機械アクセサリ。
【請求項１１】
ツールを回転させるように構成され、モノリシック屈曲ガイド内に配置されたアクセサリスピンドルと、
アクセサリスピンドルの軸に対して横方向にアクセサリスピンドルを移動させるボイスコイルモータであって、モノリシック屈曲ガイドを移動させることによりスピンドルを移動させるように構成されたボイスコイルモータと、
（ｉ）ボイスコイルモータと通信接続し、（ｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスと通信接続し、（ｉｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスから受信した信号に応じてボイスコイルモータによってアクセサリスピンドルを移動させるように構成されたコントローラと、
ボイスコイルモータおよびモノリシック屈曲ガイドの位置を測定し、当該位置をコントローラに通信する位置フィードバックセンサと、を備える、工作機械アクセサリ。
【請求項１２】
モノリシック屈曲ガイドは、工作機械アクセサリのベースとして機能する、請求項１１に記載の工作機械アクセサリ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の参照】
【０００１】
本願は、２０１３年４月４日に出願された米国特許出願第６１／８０８，２９７号の非仮出願である。米国特許出願第６１／８０８，２９７号の内容は参照されることによりその全体が本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本願は、一般的に工作機械（machine tool）に関し、より具体的には、小スケールかつ高精度の機械加工又は旋盤操作を実行する工作機械に関する。
【背景技術】
【０００３】
切削工具を用いて、機械的な切削プロセスにより部品を製造する際に、工作機械が使用される。工作機械を操作する際には、手動での操作、機械的な自動化、あるいは、デジタルコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）を介したデジタルな自動化により行われる。工作機械は、工作機械とともに用いる複数の工作機械アクセサリ（tool accessories）を備える。
【発明の概要】
【０００４】
本願は、工作機械アクセサリを開示するものである。工作機械アクセサリは、モノリシック屈曲移動ガイドを備える。工作機械アクセサリはさらに、モノリシック屈曲移動ガイド内に配置され、ツール（tool）を回転させるように構成されたアクセサリツールスピンドルを備える。工作機械アクセサリはさらに、モノリシック屈曲移動ガイドを移動させるモータを備える。工作機械アクセサリはさらに、モノリシック屈曲移動ガイドの位置を測定する位置フィードバックセンサを備える。ある実施形態では、工作機械アクセサリはさらに、コントローラを備える。コントローラは、（ｉ）モータと通信接続する。コントローラはさらに、（ｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスと通信接続する。コントローラはさらに、（ｉｉｉ）１つ又は複数の外部デバイスから受信した信号に応じてモータによってアクセサリツールスピンドルを移動させる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の例示的な実施形態が図面を参照しながら本明細書に記載される。
【図１】一実施形態による工作機械内の例示的なシステムレイアウトを示す図
【図２Ａ】工作機械アクセサリの斜視図
【図２Ｂ】図２Ａに示す工作機械アクセサリの横断面図
【図３】図２Ａに示す工作機械アクセサリの分解図
【図４Ａ】コントローラを含む工作機械アクセサリを備えるシステムの一実施形態を示す図
【図４Ｂ】工作機械のコントローラを使用する工作機械アクセサリを備えるシステムの一実施形態を示す図
【図５Ａ】切削プログラムの一例による工作機械アクセサリの例示的な移動経路を示すグラフ
【図５Ｂ】切削プログラムの一例による工作機械アクセサリの移動経路を、対応する工作機械のメインスピンドルおよびＺステージの移動経路と組み合わせた３Ｄのグラフ
【図６】一実施形態によるコンピューティングデバイスのブロック図
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本明細書には、工作機械の実施形態が開示される。工作機械アクセサリは一般的に、工作機械（旋盤や、フライス盤や、高速かつ高精度が求められる機械的操作を行う類似の機械など）の移動可能なツールステージ上に設けられている。工作機械アクセサリは、スピンドルと、小さなリニアアクチュエータとを備える。スピンドルは、切削工具を保持し、場合によっては軸を中心として切削工具を回転させる。リニアアクチュエータは、アクセサリのスピンドルを保持し、場合によってはスピンドルの軸に対して横方向にスピンドルを移動させる。
【０００７】
一般的な事項として、工作機械は通常、メインスピンドル（主軸、main spindle）を備える。メインスピンドルは、ワークピース又は切削工具を保持し、場合によってはそれを回転させる。ある実施形態では、メインスピンドルは、１つ又は複数の軸に沿って移動可能なメインステージ上に設けられている。通常の場合、メインスピンドルの軸方向に移動するステージはＺステージと称される。工作機械はまた、通常の場合、少なくとも１つの他のステージを含む。ステージは通常、テーブルを有する。テーブル上には、１つ又は複数の切削工具、工作機械アクセサリおよび／又はワークピースが固定されており、テーブルが１つ又は複数の軸に沿って移動可能であることにより、固定された工作機械、アクセサリおよび／又はワークピースは、静止した又は回転しているワークピースに接触し、場合によってはそれを操作する、あるいは、静止した又は回転している切削工具によって操作される。
【０００８】
一実施形態によれば、図１に示すように、工作機械アクセサリは、ツールテーブル上に載置されるとともに、スピンドルを備える。当該スピンドルはツールを保持し、場合によってはツールを回転させるように構成される。動作中において、ツールアクセサリをワークピースと接触させるためにツールテーブルは工作機械を中心として移動し、それによって、ワークピースに対してミリングあるいはドリルなどの特定のタイプの機械加工を行う。ある実施形態では、ツールステージは比較的大きいため、追従精度が比較的悪く、速度も比較的遅くなり、結果的に、その上に載置されるツールは、小スケール又は高精度の旋盤動作を実施することができない。これらの実施形態では、ツールステージは静止しながらも、アクセサリスピンドルは回転し、アクセサリリニアアクチュエータはワークピースの操作ために移動するように工作機械アクセサリは構成されている。
【０００９】
図２Ａ、図２Ｂ、図３は、一実施形態による例示的な工作機械アクセサリ１００を示す。図示するように、工作機械アクセサリ１００は、リニアアクチュエータを備える。リニアアクチュエータは、スピンドルクランプを有したアクセサリのベースとして機能するモノリシック屈曲移動ガイド（monolithic flexure travel guide）１０２と、モータ１０４と、位置フィードバックセンサ１０６とを備える。工作機械アクセサリ１００は、シートメタルカバー１０８と、１つ又は複数の機械加工されたカバー１１０とを含む。一例として、モノリシック屈曲ガイド／ベース１０２は、１ｍｍの変位を可能にする。しかしながら、他の実施形態では、その他の変位も可能である。モノリシック屈曲ガイド／ベース１０２は、スチール又はその他の材料で形成されてもよい。図２Ａ、２Ｂに示すように、屈曲ガイド／ベース１０２は、モノリシック四節リンク機構として設計されており、当該機構には、他の方向には動かずに一方向の動きを可能にする柔軟セクション（flexible section）１０３が四節の端部に設けられている。屈曲型のデザインにより、デバイスはコンパクトでありながらも正確な動きを実現することができる。その他のモノリシック屈曲デザインを使用してもよい。
【００１０】
また、工作機械アクセサリ１００は、高精度かつ小スケールの機械加工作業での使用に適したスピンドル１１２を備える。工作機械アクセサリに使用されるスピンドルは例えば、全体サイズが小さく、最高速度（ｒｐｍ）が速く、電力容量も中程度であり高精度という特徴を備えている。図示されるスピンドルは一例であり、１９．０５ｍｍの直径および０．００２ｍｍのＴＩＲ（total indicated runout）を有し、１２５Ｗ、８００００ｒｐｍで動作可能である。他の例では、スピンドルは概ね、直径が１５ｍｍ〜３０ｍｍ、ＴＩＲが０．００１ｍｍ〜０．００５ｍｍ、２００００ＲＰＭ〜１０００００ＲＰＭおよび１０Ｗ−３００Ｗで動作する。
【００１１】
さらに図示するように、工作機械アクセサリは、２０ポンドのピーク力で動作可能なモータ（ボイスコイルなど）１０４を含む。しかしながら、他の実施形態では、その他の種類のモータも可能であり、例えばＡＣリニアモータ、圧電モータ、キャプスタン駆動又はその他の駆動によるデバイスなどがある。図２Ａ、図２Ｂは、ボイスコイルモータ１０４の場所の一例を示す。ここでは、ボイルコイルモータ１０４はリンク機構を介してメカニズムに接続されており、アクチュエータをモノリシック屈曲ガイド／ベース１０２によって提供される方向に移動させることができる。ボイルコイルモータ又は類似のモータは、全体のサイズが小さく、アクチュエータを高速かつ高加速度で移動させることができる。
【００１２】
工作機械アクセサリ１００はまた、位置フィードバックセンサ（渦電流センサや静電容量方式変位センサなど）１０６を含む。位置フィードバックセンサ１０６は、モータ１０４およびモノリシック屈曲ガイド／ベース１０２の変位を測定するようにアクセサリ１００に接続される。使用され得るその他の種類のフィードバックセンサには、一例として、誘導センサ、光センサ、磁気センサ、あるいは、ツールアクセサリアクチュエータの変位を測定するように構成された既知の又は後発的に開発されるその他の種類のセンサが含まれる。
【００１３】
図４Ａに示す別の実施形態によれば、工作機械アクセサリはさらに、１つ又は複数のアクセサリコントローラ１１４を備える。アクセサリコントローラは、（ｉ）メインスピンドルの位置および／又は速度を示す情報、並びにメイン工作機械ツールステージの位置および／又は速度を示す情報をメイン工作機械コントローラから受信するステップを実施する。アクセサリコントローラはさらに、この情報に基づいて、（ｉｉ）工作機械アクセサリおよびその回転ツールを適切な時間に適切な位置に配置して、小スケールおよび／又は高精度の機械加工を行うために工作機械アクセサリのスピンドルおよび小リニアアクチュエータの調整を行うステップを実施する。他の実施形態では、図４Ｂに示すように、工作機械アクセサリ１００は、アクセサリコントローラを使用することなくメイン工作機械コントローラと直接通信する。
【００１４】
動作中において、一実施形態によれば、アクセサリコントローラ１１４は、所望の切削プログラムを実行するように構成されている。切削プログラムは一般的に、１セットのコンピュータプログラムコード又は命令であり、工作機械アクセサリコントローラによって実行されると、工作機械アクセサリリニアアクチュエータをワークピースに対して適切な位置に移動させるとともに、適切な時間にアクセサリスピンドルをワークピースに接触させる。
【００１５】
切削プログラムの一例による制御ループの実行中において、工作機械アクセサリコントローラ１１４は、リニアアクチュエータに指令信号を送信することにより、モータおよび移動ガイドさらにはアクセサリのスピンドル１１２にワークピースを移動させて、係合させる。この移動中、位置フィードバックセンサ１０６は種々の測定を行うとともに、フィードバック信号をアクセサリコントローラ１１４に返す。フィードバック信号に応じたアクセサリコントローラによるコマンド信号の調整とともに、制御ループが繰り返される。一実施形態では、工作機械アクセサリのスピンドル１１２は、前後に移動してワークピースに係合および離脱するのに対して、工作機械アクセサリ１００が載置されたツールステージは静止している。
【００１６】
さらに、制御ループの間に、工作機械アクセサリコントローラ１１４は、メイン工作機械コントローラからメインスピンドルの位置および／又は速度を示す情報を受信し、工作機械コントローラから工作機械ステージの位置および／又は速度を示す情報を受信する。一実施形態によれば、工作機械アクセサリコントローラ１１４は、メイン工作機械コントローラから受信した情報に基づいてその制御信号を調整することにより、電子カム（electronic camming）に従事する。そうすることによって、工作機械アクセサリコントローラ１１４は、工作機械のメインスピンドルおよびステージの位置や速度の小さな変化を補償するように、アクセサリスピンドル１１２および回転ツールを調整することができる。このため、工作機械アクセサリ１００は、小スケールかつ高精度の機械加工作業に従事することができる。
【００１７】
上述の実施形態の利点の１つは、工作機械アクセサリ１００は、メインスピンドル、ツールステージおよびその他のステージと連携した多くの異なる種類の機械および機能とともに使用することができるということである。例えば、１つの動作例では、メインステージおよびメインスピンドルは特定の位置に移動され、メインコントローラからアクセサリコントローラへ開始信号（例えば、Ｍコード）が送信される。この信号を受信すると、アクセサリコントローラはメインスピンドルとの同期を開始し、メインスピンドルは、略一定の速度で回転するように命令を受ける。アクセサリコントローラは、フィードバックセンサからメインスピンドルの位置を示す情報を受信し、上記の説明に従って切削プログラムを実行する。
【００１８】
図５Ａは、切削プログラムの一例による工作機械アクセサリ１００の例示的な工具経路を示すグラフである。図示の例では、アクセサリコントローラは、約１．７５秒で工作機械に切削作業を開始させる。約３秒のスパンの間、工作機械は、初期のＸ方向位置（０．６ｍｍ）とＸ方向総変位の間で往復移動し、約３．５秒のときに総変位０．４ｍｍで終了する。次の約１．０秒の間、工作機械は０．６ｍｍと０．４ｍｍの位置の間で振動する。これは単に工具経路の一例である。他の実施形態では、その他の工具経路および切削作業も可能である。
【００１９】
図５Ｂは、切削プログラムの一例に従ってメインスピンドルおよび工作機械ステージの１つの動作と組み合わされた工作機械アクセサリ１００の工具経路の一例を示す３次元グラフである。図示の例では、図５Ａに示される工作機械アクセサリの移動が、メインスピンドルおよび工作機械のＺステージによる一定速度の移動と組み合わされる。図示するように、工作機械のＺステージがアクセサリをワークピース内に深く移動させると、工作機械アクセサリの振動によってローブ形状（lobed shape）が生成される。これは工具経路の一例である。他の実施形態では、その他の工具経路および切削作業も可能である。
【００２０】
図６は、例示的な実施形態におけるコンピューティングデバイス４００のブロック図である。コンピューティングデバイス４００は、上述した工作機械アクセサリコントローラ１１４又はメインスピンドルコントローラを具現化することができる。コンピューティングデバイス４００は、ユーザインタフェースモジュール４０１と、通信インタフェースモジュール４０２と、１つ又は複数のプロセッサ４０３と、データストレージ４０４とを含むことができる。これらは全て、システムバス、ネットワーク又はその他の接続機構４０５を介してリンク付けすることができる。
【００２１】
ユーザインタフェースモジュール４０１は一般的に、外部ユーザ入力／出力デバイスにデータを送信および／又は当該デバイスからデータを受信するように構成される。例えば、ユーザインタフェースモジュール４０１は、キーボード、キーパッド、タッチスクリーン、コンピュータマウス、トラックボール、ジョイスティック、および／又は既知のあるいは後発的に開発されるその他の類似のデバイスなどのユーザ入力デバイスに／から、データを送信／受信するように構成することができる。ユーザインタフェースモジュール４０１はさらに、１つ又は複数の陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）若しくはデジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）技術を使用したディスプレイなどのユーザディスプレイデバイス、プリンタ、電球、および／又はその他の既知のあるいは後発的に開発される類似のデバイスに出力を提供するように構成することもできる。ユーザインタフェースモジュール４０１はまた、スピーカ、スピーカジャック、オーディオ出力ポート、オーディオ出力デバイス、イヤホン、および／又は既知の又は後発的に開発されるその他の類似のデバイスに可聴出力を生成するように構成することができる。ユーザインタフェースモジュール４０１は、本明細書に開示される方法およびシステムで使用するためのデータを入力するために使用することができる。
【００２２】
通信インタフェースモジュール４０２は、１つ又は複数の他のコントローラ又はコンポーネントと通信するように構成可能な１つ又は複数の無線インタフェース４０６および／又は有線インタフェース４０８を含むことができる。通信インタフェースモジュール４０２は例えば、工作機械アクセサリのリニアアクチュエータ、リニア位置フィードバックデバイス、移動ガイドおよび／又はスピンドルと通信するように構成される。通信インタフェースモジュール４０２は、コンピューティングデバイス４００に類似する１つ又は複数のコンピューティングデバイス（メインスピンドルコントローラなど）と通信するように構成される。無線インタフェース４０６は、ブルートゥーストランシーバや、Ｗｉ−Ｆｉトランシーバや、その他の無線トランシーバなどの、１つ又は複数の無線トランシーバを含むことができる。有線インタフェース４０８は、イーサネットトランシーバや、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）トランシーバや、ワイヤ、ツイストペアのワイヤ、同軸ケーブル、光リンク、光ファイバーリンク、又はその他の有線ネットワークへの物理的接続を介して通信するように構成可能な類似のトランシーバなど、１つ又は複数の有線トランシーバを含むことができる。
【００２３】
１つ又は複数のプロセッサ４０３は、１つ又は複数の汎用プロセッサおよび／又は１つ又は複数の専用プロセッサ（例えば、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路など）を含むことができる。１つ又は複数のプロセッサ４０３は、データストレージ４０４内に収容されたコンピュータ読み取り可能プログラム命令４０６および／又は本明細書に記載された１つ又は複数の機能を発揮するための命令を実行するように構成することができる。
【００２４】
データストレージ４０４は、プロセッサ４０３のうちの少なくとも１つによって読み取り可能又はアクセス可能な１つ又は複数のコンピュータ読み取り可能記憶媒体を含むことができる。１つ又は複数のコンピュータ読み取り可能記憶媒体は、光学的、磁気的、有機、又はその他のメモリやディスク記憶装置などの、揮発性および／又は不揮発性の記憶コンポーネントを含むことができ、これらは、１つ又は複数のプロセッサ４０３のうちの少なくとも１つと全体的に又は部分的に統合可能である。ある実施形態では、データストレージ４０４は単一の物理的デバイス（例えば、１つの光学的、磁気的、有機、又はその他のメモリやディスク記憶ユニット）を使用して実現することができる一方で、その他の実施形態では、２つ以上の物理的デバイスを使用して実現することができる。
【００２５】
データストレージ４０４に関連付けられたコンピュータ読み取り可能記憶媒体および／又は本明細書に記載されたその他のコンピュータ読み取り可能媒体は、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のような、データを短期間格納するコンピュータ読み取り可能媒体などの、非一時的コンピュータ読み取り可能媒体を含むことができる。データストレージ４０４に関連付けられたコンピュータ読み取り可能記憶媒体および／又は本明細書に記載のその他のコンピュータ読み取り可能媒体はまた例えば、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、光学若しくは磁気ディスク、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ―ＲＯＭ）のような、プログラムコードおよび／又はデータを長期間記憶する（二次的又は永続的な長期間記憶を行う）非一時的コンピュータ読み取り可能媒体を含むことができる。データストレージ４０４に関連付けられたコンピュータ読み取り可能記憶媒体および／又は本明細書に記載のその他のコンピュータ読み取り可能媒体は、その他の任意の揮発性又は不揮発性の記憶システムであってもよい。データストレージ４０４に関連付けられたコンピュータ読み取り可能記憶媒体および／又は本明細書に記載のその他のコンピュータ読み取り可能媒体は例えば、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体又は有形記憶デバイスと見なすことができる。
【００２６】
データストレージ４０４は、コンピュータ読み取り可能プログラム命令４４および場合によっては追加のデータを含むことができる。ある実施形態では、データストレージ４０４はさらに、本明細書に記載された技術および方法の少なくとも一部、および／又は、本明細書に記載されたデバイスおよびネットワークの機能の少なくとも一部を実行するために必要なストレージを含むことができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2016521213.tif 000008
【図５Ａ】
2016521213.tif 000009
【図５Ｂ】
2016521213.tif 000010
【図６】
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【国際調査報告】
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