JP2007090412A - 精密加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークにおいて、水平度、直角度、円筒度、輪郭度等について「狂い」が生じている場合であっても、それらを考慮しつつ高い精度で溶接（或いはその他の加工）を行うことができる精密溶接機（精密加工機）を提供する。
【解決手段】ワーク４を回転させるための手段（支持ローラ５）と、回転中のワーク４の開先加工部２２の三次元位置情報を経時的に取得するセンサー部２と、センサー部によって得られた加工対象部分の三次元位置情報に基づいて制御を行う制御部と、制御部による制御下において動作するトレーサー部とによって構成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属材料やその他の材料に対して、精密な加工を施すことができる精密加工機に関し、特に、加工対象物（ワーク）において、水平度、直角度、円筒度、輪郭度等について「狂い」が生じている場合であっても、それらを考慮しつつ高い精度で加工を行うことができる精密加工機に関する。

今日では様々な種類の自動溶接機が知られている。例えば、ワークを適正な位置にセットし、その開先加工部の三次元座標を入力し、入力された三次元位置情報に基づいて溶接トーチを動作させることにより、溶接トーチの先端を開先加工部に追従させ、自動的に溶接を行えるようにしたものや、溶接棒の先端がセンサーとして機能するように構成したものや、光センサーを用いて開先加工部の三次元位置情報を取得するように構成したものなどがある。
特開平７−１００６４６号公報

しかしながら、従来の自動溶接機を用いて溶接加工を行う場合において、ワークの表面がフラットでなく、局所的に凹凸が存在していたり、円筒度、輪郭度等について「狂い」が生じているような場合には、溶接トーチを正確に動作させることが難しく、精密な溶接加工を行うことができないという問題がある。

また、開先加工部の三次元座標を入力するタイプの自動溶接機は、入力に時間がかかり、実際の加工時間と同程度の時間損失が生じてしまうという問題がある。更に、入力ミスが発生したような場合には、製品としては致命的な欠陥を蒙ることになる。

また、溶接棒の先端をセンサーとして機能させるタイプの自動溶接機においては、開先の間隔が狭いために、溶接棒の先端を開先に入り込ませることができないような場合や、仮溶接部が存在しているような場合があり、このような場合には、溶接棒の先端を数ミクロンの精度で当てることができないという問題がある。

更に、光センサーを用いる方式では、分解能によっては精度が期待できないという問題があり、また、溶接のアークによる外乱が生じることがあり、用途が限定されてしまうという問題がある。

本発明は、上記のような従来技術における課題を欠点を解消するためになされたもので、ワークにおいて、水平度、直角度、円筒度、輪郭度等について「狂い」が生じている場合であっても、それらを考慮しつつ高い精度で溶接（或いはその他の加工）を行うことができる精密溶接機（精密加工機）を提供することを目的とする。

本発明の精密加工機は、ワークを回転させるための手段（回転手段）と、回転中のワークの加工対象部分（例えば、開先加工部）の三次元位置情報を経時的に取得するセンサー部と、センサー部によって得られた加工対象部分の三次元位置情報に基づいて制御を行う制御部と、制御部による制御下において動作するトレーサー部とによって構成されていることを特徴としている。

尚、センサー部は、ワークの半径方向についてのワーク外周面の変位量を検出する第１スタイラスと、ワークの軸線方向についての加工対象部分の変位量を検出する第２スタイラスとを有していることが好ましく、また、各スタイラスの先端に取り付けられる部材（先端部）として、ファインセラミックス製の材料が用いられていることが好ましい。一方、トレーサー部には、溶接トーチ、切削加工手段（レーザー発振器、フライスなど）或いは穿孔手段（ドリルなど）を装備することができる。

また、本発明の計測機は、対象物を回転させるための手段（回転手段）と、回転中の対象物における計測対象部分の三次元位置情報を経時的に取得するセンサー部とによって構成され、センサー部が、対象物の半径方向についての計測対象部分の変位量を検出する第１スタイラスと、対象物の軸線方向についての計測対象部分の変位量を検出する第２スタイラスとを有していることを特徴としている。

本発明の精密加工機によれば、加工対象物（ワーク）において、水平度、直角度、円筒度、輪郭度等について「狂い」が生じている場合であっても、それらを考慮しつつ高い精度で加工を行うことができる。また、構造がシンプルで、取り扱いが容易であり、従来の装置と比べ製造コスト、及び、ランニングコストを低減できる。

本発明の計測機によれば、対象物における計測対象部分の輪郭度、円筒度等を簡単な操作で正確に計測することができる。

以下、本発明「精密加工機」を実施するための最良の形態について説明する。まず、本発明の好適な実施形態として、トレーサー部に溶接トーチを備え、溶接機として機能する精密加工機（以下、単に「溶接機」と称する。）について説明する。

図１及び図２は、当該溶接機の要部を示す図であり、図１はセンサー部２の斜視図、図２はセンサー部２及びトレーサー部３の側面図である。この溶接機は、主として円筒状或いは円柱状のワークの外周面に対して溶接加工を施すためのものであり、ワークの外周面に予め形成されている開先加工部（加工対象部分）の三次元位置を、センサー部によって経時的に正確に把握するとともに、得られた開先加工部の位置情報に基づいて溶接トーチを的確に動作させることにより、開先加工部に対して溶接棒の先端を正確に追従させることができ、これにより、数ミクロンオーダーの精密な溶接を実現することができる、というものである。

図１及び図２に示されているように、ワーク４は、複数組の支持ローラ５（５ａ〜５ｄ）上に載置され、安定的に支持される。これらの支持ローラ５は、図示しない駆動モータの駆動力を受けて任意の条件（速度、方向）にて回転するようになっており、それらの上に載置されたワーク４を自在に回転させることができるように構成されている。

センサー部２は、固定板６、Ｚ軸レール７、Ｚ軸ステージ８、Ｘ軸レール９、Ｘ軸ステージ１０、第１スタイラス１１、第２スタイラス１２、サーボモータ１３，１４によって構成されている。これらのうち、固定板６は、図示しない支持機構により、三次元空間において固定されている。尚、支持機構は調節機能を有しており、固定板６の三次元位置を、ワーク４の大きさや特性に合わせて適宜調節できるようになっている。

Ｚ軸レール７は、長手方向が鉛直方向と一致する向きで固定板６の一方の側面に固定されており、Ｚ軸ステージ８は、Ｚ軸レール７内に保持された状態において、サーボモータ１３の駆動力を受けて回転するボールネジ（図示せず）により、鉛直方向（Ｚ軸方向）へ移動可能なように構成されている。また、Ｘ軸レール９は、長手方向が水平方向と一致する向きでＺ軸ステージ８の側面に固定されており、Ｘ軸ステージ１０は、Ｘ軸レール９内に保持された状態において、サーボモータ１４の駆動力を受けて回転するボールネジ（図示せず）により、水平方向（ワーク４の長手軸線方向、Ｘ軸方向）へ移動可能なように構成されている。

第１スタイラス１１は、Ｘ軸ステージ１０の側面に固定されているホルダ１５と、このホルダ１５内に挿通されるとともにホルダ１５の取付位置から下方へ延在するアーム１６と、その下端に固定されている先端部１７とによって構成されている。尚、先端部１７は、熱膨張による精度の低下を好適に回避できるように、ファインセラミックス製のものが使用されており、その最下端は、図示されているように半球状となっている。

アーム１６は、ホルダ１５に対して固定されておらず、基本位置から上方へ向かって所定量（約２ｃｍ）スライド可能なように構成されている。但し、ホルダ１５内に備えられている付勢手段により、下方へ向かって常時付勢されているため、付勢力に対抗する力が解除された場合には、アーム１６は、直ちに基本位置へ復帰する。また、ホルダ１５内には、検出器が配置されており、アーム１６乃至は先端部１７の上下方向への移動量が常時検出され、図示しない制御部へ、その検出結果（検出値）が伝達されるようになっている。

第２スタイラス１２は、Ｘ軸ステージ１０の垂直な側面から水平方向へ突出するように固定されているシャフト１８と、このシャフト１８を中心としてＸ軸方向へ揺動可能なように軸支されたアーム１９と、その下端に固定されている先端部２０とによって構成されている。尚、先端部２０は、熱膨張による精度の低下を好適に回避できるように、ファインセラミックス製のものが使用されており、その最下端は、錐のように尖った鋭利な形状となっている。

アーム１９の上端部は、内側に検出器が配置されたカバー２１に覆われており、アーム１９が揺動した場合、その揺れ具合に応じて動作するアーム１９の上端部の移動量が常時検出され、図示しない制御部へ、その検出結果（検出値）が伝達されるようになっている。

尚、サーボモータ１３，１４は、図示しない操作コンソールのキーボード、或いは、ジョイスティック型の入力装置によって、自在に駆動させることができるように構成されており、操作者が当該入力装置を操作することにより、サーボモータ１３，１４をそれぞれ適宜駆動させて、Ｚ軸ステージ８乃至スタイラス１１，１２をＺ軸方向へ移動させ、また、Ｘ軸ステージ１０乃至スタイラス１１，１２をＸ軸方向へ移動させることができる。

例えば、操作者がジョイスティックを手前側（操作者側）へ２秒間だけ傾けた場合には、Ｚ軸ステージ８のサーボモータ１３が所定方向へ２秒間だけ回転し、これに応じて、Ｚ軸ステージ８、Ｘ軸レール９、Ｘ軸ステージ１０、スタイラス１１，１２が鉛直下方向へ所定量移動することになり、ジョイスティックを左右いずれかの方向へ１秒間だけ傾けた場合には、Ｘ軸ステージ１０のサーボモータ１４が所定方向へ１秒間だけ回転し、これに応じてＸ軸ステージ１０、スタイラス１１，１２が水平方向へ所定量移動することになる。

トレーサー部３（図２参照）は、固定板２６、Ｚ軸レール２７、Ｚ軸ステージ２８、Ｘ軸レール２９、Ｘ軸ステージ３０、溶接トーチ３１、サーボモータ３３，３４によって構成されている。これらのうち、溶接トーチ３１以外の要素は、センサー部２の各要素と同等の機能を有している。即ち、固定板２６は、調節機能を有する支持機構により三次元空間において固定されており、Ｚ軸ステージ２８は、Ｚ軸レール２７内に保持された状態において、Ｚ軸方向へ移動可能なように構成され、Ｘ軸ステージ１０は、Ｘ軸レール９内に保持された状態において、Ｘ軸方向へ移動可能なように構成されている。但し、サーボモータ３３，３４は、操作者（入力装置）によって操作されるのではなく、図示しない制御部によって自動操作されるようになっている。

この溶接機は、上述したような構成に係るものであるところ、ワーク４において、水平度、直角度、円筒度、輪郭度等について「狂い」が生じているような場合であっても、それらを考慮しつつ高い精度で加工を行うことができる。以下、この溶接機の使用方法及び動作態様について説明する。まず、図１に示すように、ワーク４（円筒状の溶接加工物）を支持ローラ５の上に載置する。そして、支持機構（図示せず）によって支持される固定板６の三次元位置を調節する。このとき、固定板６が、ワーク４の斜め上方の位置であって、スタイラス１１，１２の先端が、ワーク４の外周面に形成されている開先加工部２２に近接した位置となるように調整を行う。

次に、スタイラス１１，１２の正確な位置合わせを行う。具体的には、操作コンソールの入力装置を操作して、Ｘ軸ステージ１０、及び、その側面に取り付けられているスタイラス１１，１２をＺ軸方向、及び、Ｘ軸方向へ適宜移動させ、第１スタイラス１１の先端部１７の半球状部分を、ワーク４の外周面に接触させ、かつ、第２スタイラス１２の先端部２０を、ワーク４の開先加工部２２の最奥部まで進入させる。

尚、このスタイラス１１，１２の位置合わせは、操作コンソールの入力装置による手動操作によらず、第１スタイラス１１の先端部１７（又は、第２スタイラス１２の先端部２０、或いは、その他のセンサー）をワーク４の外周面に接触させた状態でＸ軸方向へ自動的に走査させ、開先加工部２２の位置情報を、ホルダ１５内の検出器による検出結果、即ち、第１スタイラス１１の変位量（或いは、その他の検出器による検出結果）から取得し、得られた開先加工部２２の位置情報に基づいて、Ｘ軸ステージ１０、及び、その側面に取り付けられているスタイラス１１，１２を自動的に移動させることによって行うこともできる。

上記のような作業を行うことにより、スタイラス１１，１２の位置合わせが完了したら、自動溶接工程を開始する。自動溶接工程が開始されると、まず、制御部による制御下において支持ローラ５に駆動力が供給されて各支持ローラ５ａ〜５ｄが回転し、それらの上に載置されているワーク４が、所定の速度で所定の方向へ回転する。

ここで、ワーク４の外周面（特に、開先加工部２２付近におけるワーク４の外周面）の輪郭形状が真円である場合には、ワーク４の外周面と接触している第１スタイラス１１の先端部１７の位置は、ワーク４が回転している間に変動することはないが、輪郭形状が真円ではなく、歪んでいたり、凹凸が存在しているような場合には、ワーク４が回転して一周する間に、歪みや凹凸に応じて第１スタイラス１１が上下方向へ変位することになる。

また、ワーク４に形成されている開先加工部２２の中心線が、ワーク４の軸線と直交する一つの仮想平面上に存在している場合には、開先加工部２２の最奥部まで進入させた第２スタイラス１２の先端部２０の位置は、ワーク４が回転している間に変動することはないが、開先加工部２２の中心線が当該仮想平面から一部でも外れている場合には、ワーク４が回転して一周する間に、第２スタイラス１２はワーク４の長手軸線方向（Ｘ軸方向）へ変位することになる。

そして、この溶接機においては、第１スタイラス１１における上下方向への変位量（移動量）が、ホルダ１５内に配置されている検出器によって常時検出されるとともに、第２スタイラス１２におけるワーク４の軸線方向への変位量（移動量）が、カバー２１内に配置されている検出器によって常時検出され、それらの検出値が制御部に伝達されるようになっており、スタートからの経過時間、及び、スタートからのワーク４の回転角度との関係で、第１スタイラス１１の変位量（ワーク４の半径方向についての外周面の変位量）、及び、第２スタイラス１２の変位量（ワーク４の軸線方向についての開先加工部２２の変位量）が制御部のメモリーに記憶されるように構成されている。

このように、ワーク４を支持ローラ５上において一回転させ、その間における二つのスタイラス１１，１２の変位量を調べることにより、ワーク４の外周面に形成されている開先加工部２２の三次元位置を正確に把握することができる。

そして、この開先加工部２２の三次元位置情報に基づき、制御部による制御下においてトレーサー部３のサーボモータ３３，３４を的確に動作させ、ワーク４の回転に合わせて溶接トーチ３１をＺ軸方向及びＸ軸方向へ変位させる。これにより、開先加工部２２に対して溶接棒３２の先端を正確に追従させることができ、数ミクロンオーダーの精密な溶接を実現することができる。尚、この溶接棒３２は、広義には、溶接トーチ３１先端の電極と、外部から供給される溶接材の溶接箇所と考えても良い。

尚、開先加工部２２に対する溶接棒３２の追従及び溶接は、図２に示すように、センサー部２とトレーサー部３をＹ軸方向（水平方向であって、ワーク４の軸線と直交する方向）に並列させ、スタイラス１１，１２からＹ軸方向へ所定距離を置いた位置に（ワーク４の中心軸Ｏを基準として、スタイラス１１，１２の先端から所定角度θの位置に溶接棒３２の先端が位置するように）溶接トーチ３１を配置し、センサー部２によって得られた開先加工部２２の三次元位置情報、角度θの値、ワークの回転速度、スタートからの経過時間、その他のパラメータに基づいて、溶接棒３２の直近における開先加工部２２の三次元位置を算出するとともに、開先加工部２２に対して溶接棒３２の先端を追従させるために必要なサーボモータ３３，３４の駆動量を計算して、制御部からサーボモータ３３，３４に対して制御信号を発するようにしてもよいし、センサー部２によって開先加工部２２の位置情報を基準位置において取得した後に、センサー部２を待避させ、入れ替わりにその基準位置へトレーサー部３をセットして、ワーク４を回転させるとともに、取得された開先加工部２２の位置情報をそのままトレーサー部３へ与えるようにしてもよい。

この溶接機によれば、ワークに形成された開先の広狭に関係なく、従来の装置と比べ、追従性と溶接精度を飛躍的に向上させることができる（最大追従能力：２０ｍｍ／秒以上、倣い精度：±０．０５ｍｍ、倣いの遅れ時間：０．０３秒、検出精度：±０．０５ｍｍ、最小出精度：０．０１ｍｍ）。

尚、図１及び図２では、ワーク４の外周面において環状の開先加工部２２が形成されている例を示したが、ワーク４の外周面において螺旋状の開先加工部２２が形成されているような場合であっても、好適に溶接を行うことができる。また、開先加工を行わず、すみ肉溶接によって二つの部材を溶接する場合（例えば、円柱状或いは円筒状の部材の外周面に、所定幅のフィンを一定のピッチで螺旋状に周回させ、それら二つの部材を溶接して、アースオーガードリルを形成するような場合）にも使用することができる。

以上、本発明の実施形態として、トレーサー部に溶接トーチを備えた溶接機について説明したが、本発明「精密加工機」は、この溶接機に限定されるものではなく、例えば、溶接トーチの替わりに切削加工手段（レーザー発振器、フライスなど）或いは穿孔手段（ドリルなど）をトレーサー部に装備した精密加工機に適用することもできるし、また、トレーサー部を省略し、主としてセンサー部（或いはセンサー部と制御部）からなる計測機（三次元立体カムの外周面や溝など、対象物における計測対象部分の輪郭度、円筒度等を計測する機械）として構成することもできる。

また、センサー部及びトレーサー部はいずれも、単一である必要はなく、それぞれ複数設置することもできる。

本発明の第１の実施形態に係る溶接機におけるセンサー部２の斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る溶接機におけるセンサー部２及びトレーサー部３の側面図。

符号の説明

２：センサー部、
３：トレーサー部、
４：ワーク、
５，５ａ〜５ｄ：支持ローラ、
６，２６：固定板、
７，２７：Ｚ軸レール、
８，２８：Ｚ軸ステージ、
９，２９：Ｘ軸レール、
１０，３０：Ｘ軸ステージ、
１１：第１スタイラス、
１２：第２スタイラス、
１３，１４，３３，３４：サーボモータ、
１５：ホルダ、
１６，１９：アーム、
１７，２０：先端部、
１８：シャフト、
２１：カバー、
２２：開先加工部、
３１：溶接トーチ、
３２：溶接棒

Claims (5)

1. ワークを回転させるための手段と、回転中のワークの加工対象部分の三次元位置情報を経時的に取得するセンサー部と、このセンサー部によって得られた加工対象部分の三次元位置情報に基づいて制御を行う制御部と、当該制御部による制御下において動作するトレーサー部とによって構成されていることを特徴とする精密加工機。
2. 前記センサー部が、ワークの半径方向についてのワーク外周面の変位量を検出する第１スタイラスと、ワークの軸線方向についての加工対象部分の変位量を検出する第２スタイラスとを有していることを特徴とする請求項１に記載の精密加工機。
3. 前記第１スタイラス及び第２スタイラスの先端に、ファインセラミックス製の先端部が取り付けられていることを特徴とする、請求項３に記載の精密加工機。
4. 前記トレーサー部に、溶接トーチ、切削加工手段、及び／又は、穿孔手段を備えていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の精密加工機。
5. 対象物を回転させるための手段と、回転中の対象物における計測対象部分の三次元位置情報を経時的に取得するセンサー部とによって構成され、
   前記センサー部が、対象物の半径方向についての計測対象部分の変位量を検出する第１スタイラスと、対象物の軸線方向についての計測対象部分の変位量を検出する第２スタイラスとを有していることを特徴とする計測機。