JP2006055934A - Machine tool - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a configuration of a moving shaft for reducing the machine width of a machine tool.
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。
When configuring a production line consisting of a plurality of machine tools, the machine tools that are the constituent elements are arranged neatly along the production line, but from the viewpoint of logistics and workability for work pieces, installation space, The line is required to be shorter.
Since the length of the line is roughly determined by the sum of the widths of each machine tool, a machine tool with a small lateral width is desired. However, machine tool manufacturers respond to such customer demands. I have tried to make a machine tool with a small width.
For example, the size of the moving body has been reduced, and the cover and the drive motors and support parts at both ends of the ball screw have been devised. However, the moving axes of conventional general machine tools consist of three orthogonal axes. Therefore, further miniaturization has not been easy under this basic shaft configuration.
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。
FIG. 1 shows a shaft configuration of a machine tool that is generally considered.
Since the processing table 5 is mounted on the
However, in this conventional configuration, as is apparent from the drawing, gaps that increase the machine width as shown by D1 and D2 are formed on both sides of the moving stroke of the table. Inevitable.
The gap portion indicated by D1 includes the folded slide cover 4 (or bellows), the pointing
That is, the machine tool designer must consider the machine width in consideration of the gaps D1, D2 and the like with respect to the original X-axis movement stroke.
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。
FIG. 2 shows an example in which the X-axis driving motor 1 is housed inside the
In this case, the rotational force of the X-axis driving motor 1 is transmitted to the
However, since the
And even with such a structure, it is impossible to eliminate the gap shown by D1.
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。
1 and 2 shown above, it is difficult to solve the problems in the mechanical structure derived from the structure and the drive motor derived from both ends of the
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。 As described above, in a generally used three-axis orthogonal coordinate system machine tool, the machine width is the size of the moving body, the stroke of the X axis, the telescopic cover (or bellows) at both ends of the moving body, and both ends of the ball screw. The dimensions of the installed drive motor and support must be taken into consideration, and in general machine configurations, even if an attempt is made to reduce the machine width, the inevitable limit on the machine configuration is faced. Will be.
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。
When the X-axis is not the table movement but the main-axis movement, the machine configuration is as shown in FIG. 3, but the mechanical elements such as the
As described above, in either the table side movement or the spindle side movement, the gap that is inevitably generated by the conventional movement axis configuration and driving method is unavoidable. The situation was that it became quite large.
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。
That is, in the conventional apparatus configuration of the moving shaft, necessary structural members have to be arranged at both ends of the X axis, so that the machine width is surely increased by this amount.
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。 The problem to be solved is to consider the slide cover, bellows, support parts at both ends of the ball screw, X-axis drive motor, etc. in addition to the movement stroke in the X-axis direction in the X-axis direction that determines the machine width of the machine tool. It is necessary to increase the machine width greatly.
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。
The present invention does not use a member for a linear movement axis such as a ball screw, a guide rail, or a slide cover (bellows) in the X axis related to the machine width in order to suppress the machine width of the machine tool.
As an alternative, the most important feature is that the support body has a rotation movable part around the Z axis, and the rotation movable part of the support body and the main shaft are joined by a link mechanism so that the main shaft can freely move in an arc. And
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。
The structure of the moving shaft according to the present invention is to support the ball screw which has been conventionally provided at both ends of the X axis while securing the moving stroke in the X axis direction by replacing the linear movement in the X axis direction indicating the machine width of the machine tool with an arc movement. By eliminating the need for servo motors, etc., for driving parts and ball screws, and slide covers (bellows), it is possible to provide machine tools with reduced machine width, and a production line consisting of multiple machine tools There is an advantage that the line length can be shortened.
According to the first aspect, the width of the machine body in the width direction can be narrowed, and it can be applied to a processing line composed of a large number of units.
Furthermore, the X axis has been linearly moved. “Slide covers, bellows, ball screws, ball screw support portions and other members can be omitted, and the cost of the machine can be reduced and the configuration can be simplified.”
As a result, the machine width can be made as close as possible to the size of the X-axis stroke + the spindle head diameter.
Further, the present invention can be used for both a vertical machining center and a horizontal machining center.
According to
According to
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。 Conventional machine tools perform three-dimensional positioning freely by a combination of three orthogonal linear axes of movement with the X, Y, and Z axes, but without sacrificing the degree of freedom of positioning. A component member that increases the size of the machine in the X-axis direction is unnecessary, and the machine width of the machine tool can be suppressed.
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。
As shown in FIG. 4, the configuration of the present invention includes a
Since this configuration does not have a ball screw, a guide rail or the like for horizontal linear movement, the accessibility of the
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。
The position of the X and Y axes of a general machine tool is controlled in a Cartesian coordinate system by ball screw driving. The position control according to the present invention includes a Y axis driven by a
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。
An example in which the shaft configuration according to the present invention is mounted on a machine tool is shown in FIGS.
6 shows a case where it is mounted on a vertical machining center, and FIG. 7 shows a case where it is mounted on a vertical machining center.
In either case, since there is no linear movement axis constituted by a ball screw or the like in the X-axis direction indicating the machine width, the ball screw support portion, slide cover, bellows, or the like, which is an additional material, is unnecessary.
Accordingly, there is no interference at both ends in the X-axis direction, and the side cover of the machine can be brought close to the movement stroke in the X-axis direction, and the machine width can be suppressed.
FIG. 7 is an example of mounting the
It is desirable to increase the rigidity of the outer periphery of the
With respect to securing the rigidity of the circular cover, it is possible to increase the rigidity by thickening the steel sheet, bonding a plurality of steel sheets as a composite steel sheet, or increasing the rigidity three-dimensionally by inserting ribs.
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。
FIG. 14 shows the circular cover as viewed from the direction of the extension line of the rotating shaft.
The center of the
This circular cover functions as a shield, and can protect various drive units and the like on the back side from chips and cutting fluid.
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。
FIG. 8 is viewed from the direction of the extension line of the rotation shaft of the link mechanism, and the
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。
FIG. 9 shows the positioning control.
Since the main shaft turns and positions, if the X-axis coordinate moves, the Y-axis coordinate changes accordingly.
Therefore, in positioning, the turning angle is obtained, and correction of the Y axis that moves due to this turning is performed together.
First, considering the X axis, the turning angle with respect to the X coordinate to be positioned is uniquely obtained as shown in Formula C1.
Next, a movement amount Y1 in the Y-axis direction that is moved together by positioning the X coordinate is obtained by Expression C2.
Next, a numerical value obtained by subtracting Y1 that has been swung from the Y coordinate Y to be positioned is a coordinate command for the Y axis, which is shown in Expression C3.
With regard to the above movement route, if the movement route is divided into minute sections and coordinated control of the turning angle and linear movement is performed for each minute section, linear movement can be performed with accuracy according to the width of the minute section. Is possible.
As described above, the movement command is unique and can be processed, and real-time processing can be performed while maintaining sufficiently high accuracy if the processing capability of a recent computer or control device is used.
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。
Next, the possible range of the XY plane according to the present invention is shown in FIG.
Unlike the conventional combination of linear axes, a turning element is added, so the area that can be moved as a rectangular area is area A2.
A region obtained by combining the areas A1 and A3 having strong meanings of the turning elements is the movable range.
In actual operation, a rectangular area is easy to handle in the movable range, so the area shown in area A2 in FIG. 11 is considered to be used for general purposes during processing.
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。
Next, the setting of the link length will be described.
As for the link length, as shown in FIG. 12, a half length of the required movement stroke of the X axis is required at a minimum, but the shorter one is advantageous in terms of rigidity. It seems that it is better to set the length to exactly half of the moving stroke.
However, in the case of such a link length setting, since the X-axis coordinate = link length × COS (angle), even at the same rotational speed, the actual feed speed in the X-axis direction of the main shaft is low at both ends, and the center The change in the moving speed peculiar to the cosine function appears remarkably as the part is high speed.
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。
On the other hand, FIG. 13 shows a setting where the length of the link length is set somewhat longer.
When the link length is increased, the angle control with respect to the stroke width becomes less than 180 degrees, and accordingly, the change in the feed speed for each angle is also reduced.
Further, even if the rotational speed is the same, if the link length is increased, the spindle can be positioned at a higher speed.
In addition, since the support and the main shaft are further separated from each other, they are less likely to interfere with a workpiece or a jig.
If the link length is increased, the amount of displacement in the Y-axis direction that occurs when moving in the X-axis direction is reduced, so that it is possible to cope with a smaller correction amount.
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。
According to the machine configuration of the embodiment of the present invention, the following effects can be obtained.
The main shaft can move at both ends of the X axis by rotation of 180 degrees or less, which is clearly faster than the linear movement speed of the X axis by the conventional ball screw.
This high speed becomes more prominent as the link length becomes longer, and is particularly advantageous in shortening the positioning time for drilling, tapping and other hole processing.
In addition, the mechanical configuration according to the present invention is not suitable for heavy cutting with a high load because the structure tends to have low rigidity, but conversely, if it is used only for drilling with a small cutting load, the cycle time is excellent with high speed. Can contribute to reduction.
Conventionally, a large slide cover or bellows has been used in accordance with the X-axis stroke as a measure against chips during cutting. However, the shaft configuration according to the present invention eliminates the need for a large slide cover as described above, and is round, semi-circular. Since it can be handled with a simple cover in the shape of a circle or a fan, the production cost can be reduced, and troubles such as chips clogging in the slide cover can be avoided.
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。 Although the present invention has been described as an example of a vertical and horizontal three-axis machining center as a general machine tool, it can also be applied to a processing machine having a linear movement axis.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 X
Claims (3)
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。 The axis of movement of the main shaft in the horizontal direction of the machine body is the X axis, the movement axis of the main shaft in the direction of the rotation axis is the Z axis, and the movement axis of the main shaft in the front-rear direction or the vertical direction is the Y axis. In machine tools with linear movement axes,
In order to make the movement path in the X-axis direction into an arc, the main shaft is supported by the machine body and pivoted to a movable body that moves in the Z-axis direction and a link mechanism that swings in the X-axis direction. A shaft motor is arranged, and the main shaft is supported by a support provided at the free end of the link mechanism,
Further, a machine tool characterized in that the main shaft includes a Y-axis motor and a Z-axis motor that linearly drive in the Y-axis direction and the Z-axis direction, respectively.
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