JP2007508154A - 工具を保持し傾ける装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの直交する加工軸の周りにワークピースに関して工具を枢動する能力をユーザーに提供する、工具を保持しまた傾斜させるための廉価な装置を提供すること。
【解決手段】本発明は、傾斜範囲にわたり、実質的に頂点の周りに工具を保持しまた傾ける装置を提供する。この装置は、ベース線とベースピボット間隔とを形成する複数のピボットを有するベースを含む。また、この装置は、ベースピボットに結合された第１及び第２のピボットアームと、これらのピボットアームに結合されたピボットを有する工具ホルダとを含む。工具ホルダピボットは、ベースピボット間隔と異なるピボット間隔を有する工具ホルダ線を形成する。工具ホルダは工具を保持するために配置されている。ベース線と選択されたピボットアームとの交差は、ベース線に関して工具ホルダの傾斜を変更する制御角度を変更し、対応して実質的に頂点の周りに工具の長手方向軸線を傾けるような制御角度を形成する。
【選択図】図６

Description

５軸機械は工具又はワークピースを３つの直交軸（Ｘ、Ｙ及びＺ）に沿って移動し、また第４及び第５の直交軸の周りに傾ける能力を提供する。工具を傾ける能力について、５軸工作機械は機械加工される部品の製造に有用である。例えば、これらの５軸工作機械は、ユーザーが、操作を停止しまた異なる専用工具を据えることなしに材料片に対して多くの切断、研削又は穿孔操作を行うことを可能とする。これは、各専用工具の設定に要する余分な時間と、前記工具を前記５軸機械に据え付けるのに要する余分な時間を除去する。

ワークピースに関して工具を傾ける能力は、ノズルから高速で発射される粒子のアブレーシブ・ウオータ・ジェット(abrasive water jet)を用いたワークピースの機械加工、レーザを用いた機械加工及び塗装において特に有利である。図１Ａは、ワークピース１４を切断するアブレーシブ・ウオータ・ジェット１２と、ジェットの運動１９と反対の方向にジェット１２に偏向距離Ｌを生じさせることとを示す。ノズル１０が運動１９により示された方向へワークピース１４を横切って移動するとき、どのアブレーシブ・ウオータ・ジェットの適用も長手方向軸線５４からのアブレーシブ・ウオータ・ジェット１２の水流の偏向又は偏り１８によって幾分影響を受ける。ノズル１０の速度が増大するほど、アブレーシブ・ウオータ・ジェット１２はワークピースの構造により長手方向軸線５４から離れるようにより曲げられる。ノズル１０の運動１９が直線であるとき、ホイールカッタがワークピース１４に入る衝撃箇所１３の後方の偏向距離Ｌのところでワークピース１４の底部を退出する水流で切断するように、アブレーシブ・ウオータ・ジェット１２の水流はワークピース１４の材料を切断する。水流の偏向１８は衝撃箇所１３と直列でありまたその後方にあるため、直線状の切断部を水流１２が速やかにワークピース１４を横断して移動することができ、また切断の精度に影響を及ぼさない。しかし、コーナーにおいて、偏向距離Ｌがコーナーの外側又は内側に朝顔形に広がるため、偏向距離Ｌは好ましくない偏向テーパを残すか又は切断して切断誤差を生じさせることがある。

どのようなアブレーシブ・ウオータ・ジェットの適用も、ワークピース１４の切り口における傾斜したテーパにより影響を受ける。図１Ｂは、ジェット１２により形成されたワークピース１４の切り口２２ａ，２２ｂにおける傾斜したテーパ２０を示す。ジェット１２は明瞭化のために先端を切られている。ジェット切断、特にアブレーシブ・ウオータ・ジェットを伴うジェット切断は、一般的に、ワークピースに望ましくないテーパの又は斜めの切り口２２ａ，２２ｂを作り出す。傾斜テーパ１８の最も広い部分は、一般的に、衝撃箇所１３を向く。傾斜テーパ１８はワークピース１４中を引きずられた鉛筆の鋭利な端部によく似ている。傾斜テーパ２０は材料厚さに関して変化するものであり、一般的に傾斜テーパ２０が１０度である薄い材料において最も大きい。２インチ鋼のような厚い材料では、傾斜テーパ２０は少ないが、それでもなお著しい。また、傾斜テーパ２０は切断速度に関連する。傾斜テーパ２０は切断速度の低下に従って小さくなり、次いで切断速度があるポイントを超えてさらに低下すると、傾斜テーパ２０は図１Ｂに示されたものと反対になり、衝撃点１３に向けて次第に狭くなる。傾斜テーパ２０は、一般的には、Ｘ軸に沿ったワークピースの表面１５に関してノズル１０を傾けることにより効果的に除去することができる。傾斜テーパを除去するための特定の適用において必要とされる傾斜量の決定は、請求された発明の一部ではない。

傾斜テーパ２０と違い、偏向テーパは、ワークピース１４を横切るノズル１０の運動１９を低速にすることにより低減される。様々なコーナーや曲線を有する複雑な形状を切断するため、運動１９の横断速度は絶えず調整されなければならない。加えて、望ましくない偏向テーパを低減することは、アブレーシブ・ウオータ・ジェット１２がワークピース１４の厚さを貫いた後であってもアブレーシブ・ウオータ・ジェット１２が切断面１６から材料を除去することを継続することを必要とする。望ましくない偏向テーパを低減する他の方法は、アブレーシブ・ウオータ・ジェット１２がワークピース１４を横切る多数の通路を作ることである。これらの方法は、ワークピース１４を切断するのに必要な時間を増大させる。

ワークピースの表面１５に関してノズル１０を傾ける能力は、ジェット切断を有利にする。直線切断のために、ノズル１０とアブレーシブ・ウオータ・ジェット１２とは、偏向テーパは問題でないため、傾斜テーパ２０を最小にするＸ軸に沿った補償傾斜に従いワークピース１５に垂直に向けられる。コーナーにおける望ましくない偏向テーパは、追加としてノズル１０を傾斜させることにより低減することができる。あるいは、ワークピース１４を横切るアブレーシブ・ジェットの運動１９の速度が、第１の切断において、傾斜テーパ２０を最小にする補償傾斜のみに維持され、次いでその後の切断路が先の切断路に形成された偏向テーパを除去するためにさらに傾けられたノズル１０でワークピース１４を横切って形成される。これは、偏向テーパを発生させない１つの低速切断路を形成するよりも迅速にされる。

アブレーシブ・ウオータ・ジェット切断は、ワークピースの表面１５に関して工具１０を傾けることから他の利益を得る。例えば工具１０が内側のコーナーを回るとき、アブレーシブ・ウオータ・ジェット１２が偏向距離Ｌで前記ワークピースへ偏向され、アブレーシブ・ウオータ・ジェット１２は前記コーナーの外側へ移動を始める。これは、ヘッド及びノズル１０が前記ワークピースの方へ偏向されることなしに新たな方向へ移動されるまで、前記ジェットの底部のみを進めるために運動１９の方向にアブレーシブ・ウオータ・ジェット１２の傾斜と共に前記運動を始めることにより最小にされる。したがって、切断面における好ましい角度での高速切断を効果的に行うため、ノズル１０が、水平移動の２つの直交軸（Ｘ及びＹ）と、垂直移動の１つの軸（Ｚ）と、ノズル１０において傾斜した２つの直交軸とを有する５軸機械に据え付けられる。

あいにく、５軸機械は一般的に高価であり、また相当の額の運転資本を縛る。この高価である理由は、高負荷を負担することがワークピースを加工する際に頻繁にある一方、５軸機械は非常に精密な寸法公差内での切断、研削又は穿孔を許すという要件にある。前記高負荷は、ワークピースに対する研削砥石、ドリルビット又は鋸歯の強制接触から生じる。ワークピースから材料を除去するための従来のこれらの工具は工作機械に取り付けられ、実行のためにワークピースとの接触を要するため、前記工作機械はその運転中に生じる負荷に耐えなければならない。その結果として、従来の５軸工作機械は頑丈でなければならず、このため、製造するのに一般的に高価である。

アブレーシブ・ウオータ・ジェットでワークピースを機械加工するとき、ノズル１０はワークピースに接触しないため、５軸機械は切断、研削又は穿孔工程の間に高負荷に耐える必要はない。その代わりに、５軸機械は、高速でノズル１０から吐き出されているアブレーシブ・ウオータ・ジェット１２の反作用の負荷に耐える必要がある。この反作用の負荷は、一般的に、従来の研削砥石、ドリルビット又は鋸歯により生じる強制接触荷重よりも小さく、またそれは切断工程の間に比較的一定に維持される。その結果、従来の５軸機械の強靭性はアブレーシブ・ジェット工具を運転するためには要求されない。

ここに、２つの直交する加工軸の周りにワークピースに関して工具を枢動する能力をユーザーに提供する、工具を保持しまた傾斜させるための廉価な装置を提供する必要がある。

本発明は、工具を保持し及び傾ける装置を提供する。より詳細には、この装置の実施例はベースに対して工具を保持し及び傾けることを提供する。この装置は、機械に据え付け可能であるベースを含み、前記ベースは第１のベースピボットと第２のベースピボットとを有し、これらのベースピボットはベースピボット間隔を有するベース線を形成する。また、前記装置は前記第１のベースピボットに結合された第１のピボットアームと、前記第２のベースピボットに結合された第２のピボットアームとを含む。工具ホルダが前記第１のピボットアームに結合された第１の工具ホルダピボットと、前記第２のピボットアームに結合された第２の工具ホルダピボットとを有し、これらの工具ホルダピボットは、前記ベースピボット間隔とは異なるピボット間隔を有する工具ホルダ線を形成する。前記工具ホルダは前記工具を保持するように配置される。前記ベース線と選択されたピボットアームとの交差は、制御角度であって該制御角度の変更が前記ベース線に関して前記工具ホルダの傾斜を変化させ、また対応して頂点の周りに実質的に前記工具の長手方向軸線を傾斜させるような制御角度を形成する。前記頂点は、前記第１のベースピボットと前記第１の工具ホルダピボットとを通る第１の線と、前記第２のベースピボットと前記第２の工具ホルダピボットとを通る第２の線とを延長することにより形成される。前記ピボットアームは等しい長さを有し、前記ピボットアームに結合された前記ピボットは円筒運動のみを許す。前記装置は、前記制御角度を変更するアクチュエータを含むものとすることができる。少なくとも１つのピボットアーム上の前記ピボットは、前記ベースの周りの前記工具ホルダの回転運動を制限することができる。前記工具は、アブレーシブ・ウオータ・ジェット切断工具を含むジェット切断工具のような切断工具を含む。

本発明の他の実施例は、工具を傾斜範囲にわたってまた実質的に頂点の周りに保持しまた傾斜させる装置を提供する。前記装置は、機械に据え付け可能であるベースを含み、該ベースは第１、第２及び第３のベースピボットを有し、これらのピボットはベース三角形を形成するように配置されている。また、前記装置は、第１、第２及び第３のベースピボットにそれぞれ結合された第１、第２及び第３のピボットアームを含む。さらに、前記装置は、前記第１、第２及び第３のピボットアームにそれぞれ結合された第１、第２及び第３の工具ホルダピボットを有する工具ホルダ含み、これらの工具ホルダピボットは工具ホルダ三角形を形成するように配置され、また前記工具ホルダは前記工具を保持するように配置されている。各対のピボットアームと、該ピボットアームによりつながれた工具ホルダ三角形の一辺及び前記ベース三角形の一辺とが四辺形を形成する。この図形において、前記工具ホルダ三角形の一辺の長さは前記ベース三角形の一辺の長さより短く、また前記ベース三角形の一辺と１つのピボットアームとの交差は、制御角度であって該制御角度の変更が前記ベース三角形に関して前記工具ホルダ三角形を傾斜させ、対応して前記頂点の周りに前記保持された工具の長手方向軸線を実質的に傾斜させるような制御角度を形成する。前記頂点は、前記第１のベースピボット及び前記第１の工具ホルダピボットを通る第１の線と、前記第２のベースピボット及び前記第２の工具ホルダピボットを通る第２の線と、前記第３のベースピボット及び前記第３の工具ホルダピボットを通る第３の線とを延長することにより形成される。傾斜範囲は、保持された工具の長手方向軸線の周りに任意の方向において、０（零）度より大きく２０度より小さい。

本発明の他の実施例は、実質的に頂点の周りに傾斜範囲にわたりＸ−Ｙ軸において工具を保持し及び傾斜させる装置を提供する。この装置は、Ｚ軸の周りに回転しないように固定された機械に据え付け可能であるベースであって前記傾斜範囲をわたって実質的に球形の仮想案内面を形成しまた前記頂点に中心を有する要素を備えるベースを含む。また、前記装置は前記工具を堅固に保持するように配置された工具ホルダと、前記球形の仮想案内面に従うように配置された従動要素とを含み、前記工具ホルダは前記頂点と交わる工具長手方向軸線を有する前記工具を保持するように配置されている。前記球形の仮想案内面を形成する要素は複数のピボットアームを含むものとすることができ、各アームは前記ベースに枢着された第１の端部と、前記工具ホルダに枢着された第２の端部とを有し、前記第２の端部は前記球形の案内面を形成する。前記案内面従動要素は複数の工具ホルダピボットを含むものとすることができ、各工具ホルダピボットは１つのピボットアームの第２の端部に結合されている。前記球形の案内面を形成する要素は、実際の球形の案内面部材を含むものとすることができる。前記工具ホルダの案内面従動部材は実質的に球形の従動面を含むものとすることができる。前記工具は、ジェット切断工具又はアブレーシブ・ウオータ・ジェット切断工具のような切断工具とすることができる。前記傾斜範囲は、前記保持された工具の長手方向軸線の周りの方向において０度より大きく、４５度より小さいものとすることができる。

本発明のこれらの及び種々の他の特徴及び利点は、次の詳細な説明及び添付図面から明らかとなろう。

新規な本発明の特徴は特に特許請求の範囲に記載されている。本発明並びにそのさらなる目的及び利点は、添付図面を参照しての次の詳細な説明を参照することにより最もよく理解されよう。各図において、同様の参照符号は同様のエレメントを示す。

本発明の代表的な実施例の以下の詳細な説明において、その一部をなす添付図面に言及されている。詳細な説明及び図面は、これによって本発明が実施される特定の代表的な実施例を示す。これらの実施例は、当業者が本発明を実施することができるように十分に詳細に記載されている。他の実施例が有用であること、また本発明の精神又は範囲から逸脱することなしに他の変更がなされることは理解されよう。したがって、以下の詳細な説明は限定する趣旨ではなく、また本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により定められる。

図２Ａは、本発明の一実施例に従う、一つの軸線に関して頂点６０の周りに工具５０を保持しまた傾けるための装置３０を示す。装置３０は、保持される工具５０の長手方向軸線５４がワークピース１４の表面１５に垂直である第１の形態で示されている。装置３０は、Ｚ軸の周りに回転しないように固定されたＸ−Ｙテーブルのような機械に据え付け可能であるベース３２と、工具ホルダ４０と、第１のピボットアーム３５と、第２のピボットアーム３７とを含む。ベース３２は、ベース線３１を形成しまたベースピボット間隔３３を置かれた第１のベースピボット３４及び第２のベースピボット３６を含む。工具ホルダ４０は工具ホルダ線４１を形成しまた工具ホルダピボット間隔４３を置かれた第１の工具ホルダピボット４４及び第２の工具ホルダピボット４６を含む。寸法３４６は前記Ｚ軸に沿った、第２のベースピボット３６と第２の工具ホルダピボット４６との間の間隔である。線６２は第１のベースピボット３４から第１の工具ホルダピボット４４を経て突出し、また線６４は第２のベースピボット３５から第２の工具ホルダピボット４５を経て突出している。線６２，６４は頂点６０で交差している。制御角度θはベース線３１と、工具ホルダ線４１と、第１のピボットアーム３５の長手方向軸線と、第２のピボットアーム３７の長手方向軸線とにより形成された４辺形内に形成された角度の任意の１つである。図２Ａは、制御角度θの変更が前記ベース線に関して前記工具ホルダの傾斜を変え、対応して実質的に頂点の周りに前記工具の長手方向軸線を変更させるような、ベース線３１と第２のピボットアーム３７の長手方向軸線との交差により形成された角度としての制御角度θを示す。

ピボット３４，３６，４４，４６は、ヒンジのような、Ｘ−Ｚ平面においてのみ工具ホルダ４０の運動を許す円筒形の軸受からなるものとすることができる。他の例では、ピボット３４，３６，４４，４６は、複数の平面内での運動を許す球面軸受からなるものとすることができる。さらに他の例では、幾分工具ホルダ４０の所望の可動性に負う円筒形及び球面の軸受を含むものとすることができる。例えば、ピボット３６，４６は、工具ホルダ４０の運動をＹ軸の周りにのみ許しかつＸ軸及びＺ軸の周りの回転を制限する円筒形の軸受からなるものとすることができる。残りの軸受は球面のものからなるものとすることができる。図２Ａに示す実施例では、工具ホルダピボット間隔４３はベースピボット間隔３３より小さい。装置３０の構成要素は、装置３０及び保持される工具５０の重量を支持し、工具５０により発生される力に抵抗し、またベース３２に与えられる制御動作を伝えるために十分な剛性を有する材料で形成される。

装置３０は、頂点６０に関して、底辺がベース線３１であり、一辺が第１のベースピボット３２と頂点６０との間に形成された線であり、また第２の辺が第２のベースピボット３６と頂点６０との間に形成された線である三角形として記述されることがある。また、装置３０の構成要素は、底辺がベース線３１であり、第１の辺が第１のピボットアーム３５であり、第２の辺が第２のピボットアーム３７であり、また第３の辺が第１及び第２のピボットアーム３５，３７間を伸びる工具ホルダ線４１であるような四辺形を形成するように記述されることがある。装置３０の前記構成要素により形成された幾何学的関係のため、制御角度の変化Δθはピボット（３４，３６，４４，４６）の周りに前記四辺形内に形成された３つの残りの角度を同様に変化させ、Ｘ−Ｚ平面においてＸ軸に関して工具ホルダ４０を傾ける。これは、また、間隔３４６のような、ベース３２のピボットと工具ホルダ４０のピボットとの間の前記Ｚ軸に沿っての間隔を変化させる。制御角度の変化ΔθによりＸ軸に関して工具ホルダ４０に与えられた傾斜の程度は、ベースピボット間隔３３と、工具ホルダピボット間隔４３と、ベースピボット間隔３３及び工具ホルダピボット間隔４３の差と、ピボットアーム３５，３７の相対長さ及び絶対長さとの効用である。制御角度の変化ΔθによりＸ軸に関して工具ホルダ４０に加えられる傾斜と、Ｚ軸に関する長手方向軸線５４の対応する傾斜と、頂点６０からの工具端５２の変位とを記述するために、多角形を記述するためのこの技術分野において知られている数学モデルを用いることができる。

装置３０の外形は、装置３０の所望の機能性、被保持工具５０及びワークピース１４に従って選択することができる。装置３０とこれに保持される工具５０との間の関係を記述するため、図２は、工具５０を保持する工具ホルダ４０と、ノズル１０に対応する工具端５２を有する被保持工具５０と、長手方向軸線５４とを示す。図２は頂点６０に近接する工具端５２と頂点６０に交差する長手方向軸線５４とを示しているが、工具端５２は頂点６０と任意の空間的関係を有するものとすることができる。図２は、ほぼ等辺の三角形が形成される本発明の実施例を示す。さらに、ピボットアーム３５，３７は等しくまたベースピボットと頂点６０との間の距離のほぼ５０パーセントの長さを有するものとして示されている。ピボットアーム３５，３７が等しい場合、ベース線３１は工具ホルダ線４１とほぼ平行であり、工具ホルダピボット間隔４３はベースピボット間隔３３のほぼ半分であり、また装置３０の構成要素は前記第１の形態において台形を形成する。本発明の他の実施例では、装置３０の構成要素は、工具ホルダピボット間隔４３がベースピボット間隔３３とは常に異なることを除いて、任意の選択された寸法を有する。頂点６０はワークピースの表面１５と工具端５２との間に配置されているように示されているが、頂点６０は所望の機能性に応じてワークピース１４内にあってもよい。さらに、工具端５２は、所望の機能性に応じて、ワークピースの表面１５と頂点６０との間、あるいは頂点６０と工具ホルダ４０との間に配置されていてもよい。

他の実施例では、工具５０がその機能を果たすことが可能である限り、ピボットアーム３５，３７はできるだけ長く形成される。この実施例は、傾斜範囲にわたって頂点６０からの端５２の変位を最小にする。さらに他の実施例では、ピボットアームは２以上の実際のピボットアームの動きにより形成される仮想のピボットアームからなるものとすることができる。例えば、ピボットアーム３５とその結合されたピボット３４，４４とは、２つの間隔をおかれたピボットアームの振る舞いと、Ｙ軸の０の位置からのある距離における２つのＸ平面及びＺ平面内に配置されたこれらの結合されたピボットとにより決定することができる。

また、図２Ａは装置３０の幾何学的モデルを示す。ピボット３４の周りに枢動する第１のピボットアーム３５は円弧Ｒ３５を形成し、またピボット３６の周りに枢動する第２のピボットアーム３７は円弧Ｒ３７を形成する。Ｘ−Ｚ平面において頂点６０の周りに枢動する工具ホルダ４０のピボット４４，４６は、半径Ｒ（図示せず）を有する円弧ＲＶを形成する。前記ピボットアームが同じ長さを有する場合、半径Ｒは、線６４の長さとピボットアームの長さとの差である。円弧Ｒ３５，Ｒ３７は、Ｘ軸に関する工具ホルダ４０の小さい傾斜角度にわたって頂点６０に関して円形の仮想案内線を形成するように組み合わされる。工具ホルダ４０が傾斜されているとき、円弧ＲＶは、円弧Ｒ３５，Ｒ３７により形成された円形の仮想案内線に対して移動しまたこれにより案内されるように、長手方向軸線５４の小さい傾斜角度にわたって理論的に見ることができる。約５度までのような小さい傾斜角度にわたり、工具端５２が、頂点６０からの非常に小さい変位をもって頂点６０の周りに枢動する。傾斜角度が２０度と４５度との間に増大すると、工具端５２がある変位を伴って頂点６０の周りに実質的に枢動する。変位量は装置３０の幾何学的配置の作用である。装置３０及び工具５０は、一般的なＸ−Ｙ−Ｚ軸機械に関して比較的低質量で形成することができるため、前記傾斜角度が２０度から４５度の範囲にあるとき、頂点６０からの工具端５２の変位は迅速にかつ容易に補償される

前記幾何学的モデルを導入すると、装置３０の幾何学的配置は３つのボールとしてモデル化され、各ボールは他の２つに接する円周部を有する。前記ボールのうちの２つのボールの円周部は円弧Ｒ３５，Ｒ３７を形成するように視覚化され、これは２つの仮想案内部材として想像される。第３のボールは半径Ｒ及び円弧ＲＶを形成する円周部を有するように視覚化される。工具ホルダ５０のピボット４４，４６は頂点６０の周りに回転され円弧ＲＶ上にあるように視覚化される。また、前記第３のボールは他の２つのボールより小さい半径を有するように視覚化される。これを考慮に入れて、前記第３のボールの円弧ＲＶの部分は、他の２つのボールの円弧Ｒ３５，３７に対して回転され又は傾けられるように視覚化される。前記第３のボールの中心の頂点６０の位置は移動しない。このモデルを用いると、工具ホルダ４０（第３のボール）により保持された工具５０の長手方向軸線５４が傾斜（又は前記第３のボールの回転）の小さい角度にわたって頂点６０と交差することを見ることができる。前記傾斜が増大すると、この幾何学的モデルにより与えられる近似値は、ピボット４４，４６が構造的にＲ３５及びＲ３７に限定され、円弧ＲＶから離れるため、頂点６０からの工具端５２の変位の増大を表さない。

２軸傾斜装置に関し、後の図に記載されているように、前記幾何学的配置は４つのボールで同様にモデル化され、各ボールは他の３つのボールに接する。３つのピボットアームは３つのボールを形成するように視覚化され、前記３つのボールは球形の仮想案内面を与える。前記工具ホルダは、第４の、好ましくは小さいボールを形成し、また頂点６０である中心を有する半径Ｒの仮想球面を形成するように視覚化される。前記第４のボールは、３つのボールにより形成される仮想案内面に接する構成要素に従動する仮想案内面を形成する３つのピボット部材により視覚化される。前記第４のボールは、接触を維持する間に他の３つのボールに関して回転又は傾斜され、頂点６０の位置は移動しない。このモデルを用いると、１傾斜軸装置によるように、ピボットアームを用いる２傾斜軸装置において、保持された工具の長手方向軸線５４が小さい傾斜角度にわたり頂点６０に交差することが同様に見て取ることができる。傾斜が増大すると、この幾何学モデルにより与えられる近似値は、単一の傾斜装置におけるように、工具端５２の変位の増大を表さない。

図２Ｂは、本発明の一実施例に従う、１軸に関して頂点６０の周りに工具５０を保持しまた傾斜させるための装置７０を示す。装置７０の構成要素は、ベース３２が頂点６０と工具ホルダ４０との間に配置され、工具ホルダピボット間隔４３がベースピボット間隔３３より大きいことを除いて、図２Ａに示された装置のものと実質的に同様である。開口３９がベース３２に設けられ、工具端５２が頂点６０に近接して配置されかつ傾斜範囲にわたって移動されることが可能である。Ｚ軸の周りに回転しないように固定されたＸ−Ｙ−Ｚテーブルのような機械にベース３２を据え付けるための据付部３８が示されている。装置７０は、工具ホルダ４０と頂点６０との間へのベース３２の物理的配置を除き、装置３０と実質的に同じである。

図３は、本発明の一実施例に従い、制御角度変化ΔθがＸ軸に関して工具ホルダ４０を傾ける装置３０の第２の形態を示す。この第２の形態では、工具ホルダ線４１がＸ軸に関して制御角度の変化Δθだけ傾けられている。装置３０の構成要素により設定された幾何学的関係のため、制御角度の変化Δθは装置３０を前記第２の形態に移動させ、工具ホルダ線４１をＸ軸に関して前記第１の形態のそれから傾ける。工具５０のような、工具ホルダ４０に保持された工具は、Ｘ軸に関して及び頂点６０の周りに対応して傾けられた長手方向軸線５４を有する。Ｚ軸に関する傾斜は、Ｘ軸に関する工具ホルダ４０の傾斜に等しい。工具端５２は、装置３０の構成要素と頂点６０に関する工具端５２の位置とにより確立された前記幾何学的関係の作用である小さい傾斜角度のために頂点６０からＸ軸に沿って僅かに対応して移動される。

操作上、装置３０の一実施例は、Ｘ軸及びＺ軸の周りの前記工具ホルダの回転運動に抵抗しかつ（Ｘ−Ｚ平面における）Ｙ軸の周りの制御された運動を許すように、ピボット（３４，４４）又は（３６，４６）について少なくとも一つのピボットアーム（３５，３７）の両端部に円筒形の軸受を使用する。制御角度の変化Δθは、第２のベースピボット３６の周りに第２のピボットアーム３７を回転操作できるようにベース３２と第２のピボットアーム３７との間において結合された回転アクチュエータ（図示せず）により与えることができる。また、制御角度の変化Δθは、寸法３４６を変化させまたＺ軸に関して第２の工具ホルダピボット３７を移動させるために第２の工具ホルダピボット３７とベース３２との間の適当な位置で結合された線形アクチュエータ（図示せず）により与えることができる。代わりに、前記線形アクチュエータは、第２の工具ホルダピボット４６のところに代えた同様の適当な位置において第２のピボットアーム３７又は工具ホルダ４０に結合することができる。工具５０として示されたアブレーシブ・ウオータ・ジェット切断工具が工具ホルダ４０により支持されている。図２に示す前記第１の形態において、ノズル１０はその長手方向軸線５４が第１及び第２の工具ホルダピボット４４，４６間に引かれた線に直角にまた該線の中間点に存するように配置されている。さらに、ノズル１０は、アブレーシブ・ウオータ・ジェット１２が頂点６０の近傍でかつワークピースの表面１５に垂直に退出するように配置され、頂点６０はワークピース１５の表面とノズル１０との間に位置する。前記アブレーシブ・ウオータ・ジェットの運動１９はＹ軸に沿ってノズル１０を進めるように方向付けられる。

図３に示すように、Ｘ軸に沿って及びＺ軸に関してアブレーシブ・ウオータ・ジェット１２の長手方向軸線５２を傾けたいとき、回転アクチュエータ又はリニアアクチュエータを用いて、制御角度の変化Δθが装置３０に与えられる。制御角度の変化Δθの結果として、工具ホルダ線４１がＸ軸に関して傾けられ、Ｚ軸及びワークピースの表面１５に関する長手方向軸線５４の入射角を増大させる。頂点６０からのＸ軸に沿っての工具端５２の対応する変位は、ベース３２を反対方向に移動させることにより補償することができる。

任意の方向における約２０ないし４５度の範囲の傾斜角度に関し、ノズル端１０及びその長手方向軸線５２が実質的に頂点６０の周りに傾き、ノズル端１０は頂点６０におけるその原位置からほんの僅か移動する。装置３０の幾何学的配置は、図が描かれた面に垂直な軸を有する、頂点６０に配置された円柱状の軸受に近い。工具５０は、頂点６０からＸ軸に沿っての工具端５２の比較的小さい変位を補償するベース３２の非常に小さい加速により、頂点６０の周りに迅速に傾斜させることができる。この特徴は、大きい加速が不可能であるか又は構造に振動を引き起こす大きい移動構造によりベース３２が保持される機械において、特に重要である。

それほど好ましいとはいえない実施例では、前記アクチュエータが省略され、第２のピボットアーム３７又は工具ホルダ４０に接続されたハンドル(図示せず）を用いてオペレータにより手動で制御角度の変化Δθが与えられる。また、戻り止め機構のような機構が制御角度θを固定するために設けられる。

他の実施例では、図２及び図３に示すような１つの軸のみに代えて、工具ホルダ４０を傾ける２つの軸を提供すべく２つの装置３０が任意の方法で組み合わされる。例えば、ある組合せは、Ｙ−Ｚ平面にあってベース３２に対して垂直である他の一対のベースピボットを含む他のベースを有する、装置３０と同様でありまたＹ−Ｚ平面に関して方向付けられた他の装置を含む。第２の装置は、Ｙ−Ｚ平面内にある他の一対のピボットを有する第２のホルダを備える。前記第２のホルダは、Ｙ軸に関して前記第２のホルダを傾けることがＹ軸に関してベース３０及び工具ホルダ４０を対応して傾けるように、ベース３０に固定される。

図４は、本発明の実施例に従う、２つの軸に関して工具５０を保持しかつ頂点６０の周りに傾けるための２軸装置１００を示す。２軸装置１００は、保持される工具５０の長手方向軸線５４がワークピース１４の表面１５に垂直である第１の形態で示されている。２軸装置１００は、Ｚ軸の周りに回転しないように固定されたＸ−Ｙテーブルのような機械に据え付け可能であるベース１１０と、工具ホルダ１４０と、ピボットアーム１３２，１３４，１３６とを含む。ベース１１０は、装置３０におけるピボット線を形成するベースピボット間隔でそれぞれ離された第１のベースピボット１１２、第２のベースピボット１１４及び第３のベースピボット１１６とを含む。工具ホルダ１４０は、装置３０におけるようにピボット線を形成するホルダピボット間隔でそれぞれ離された第１の工具ホルダピボット１４２、第２の工具ホルダピボット１４４及び第３の工具ホルダピボット１４６を含む。ピボットアーム１３２，１３４，１３６は、対応するベースピボット１１２，１１４，１１６と、工具ホルダピボット１４２，１４４，１４６との間でそれぞれ結合されている。

前記ピボットは、複数の平面内でベース１１０に関して工具キャリア１４０の運動を許す球面軸受からなるものとすることができる。しかし、球面軸受のみが用いられる場合、工具キャリア１４０は、ベース１１０に関してＺ軸の周りの回転を制限される。このような回転は、従来公知の任意の方法で制限される。回転は、図４に示す実施例では、２つの自由度すなわちＸ軸及びＹ軸の周りの回転を許すがＺ軸の周りの回転を制限するピボット１１６，１４６のような自在継手を用いることにより、制限される。２軸装置１００の要素は、装置１００及び保持される工具５０の重量を支持し、保持される工具５０により発生される力に抵抗し、またベース１１０に与えられる制御動作を伝えるのに適当な、鋼のような任意の実質的に剛性のある材料で形成される。

２軸装置１００は、ピボット１１２，１１４，１１６間に形成された三角形の底面及び頂点６０で会合する３つの側面を有する四面体として記述することができる。前記四面体の第１の面は、装置３０と同様の方法で線３１，６２，６４により形成される。四面体の他の２つ面は、三角形のベースの他の縁とベースピボット１１２及び頂点６０間に引かれた線とにより同様に形成される。工具キャリア１４０は、前記四面体の側面と交差するピボット１４２，１４４，１４６により形成された三角形の工具面として記述することができる。２軸装置１００は、図２及び図３の装置の単一軸傾斜と同様にして、頂点６０の周りにＸ軸及びＹ軸に関して工具キャリア１４０に保持された工具５０を傾ける。

図４の２軸装置１００はＸ方向及びＹ方向における２つの傾斜角度に対応する２つの自由度を有する。２軸装置１００があるロボット機構においてこれらの角度を形成するように作動され得る数多くの方法がある。図５は、本発明の実施例に従う、ピボット１１６に結合された回転アクチュエータ１８０，１８２で駆動される２軸装置１００を示す。回転アクチュエータ１８０，１８２は、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれにおいてピボット１１６の前記自在継手の制御角度θを変更するように配置されている。

図６は、本発明の実施例に従い、リニアアクチュエータ１８６，１８８で駆動される２軸装置１００を示す。ベース１１０は頂板１１５に固定され、また両者は、Ｚ軸の周りに回転しないように固定されたＸ−Ｙ−Ｚテーブルのような機械に据え付けるためのマウントに結合される。工具ホルダ１４０は、リンク端で球面軸受に支持された２つのアクチュエータ・リンク１８７，１８９により、頂板１１５に可動に連結されている。前記したように、ピボットアーム１３６は、上下の自在継手１１６，１４６でベース１１０と工具ホルダ１４０と間で連結されている。可変の寸法３４６ａは、Ｚ軸に沿って頂部リンクピボット１４９ａと工具ホルダリンクピボット１４９との間で測られた、リンク１８７とそのアクチュエータ１８６との長さである。装置３０におけるように、長さの寸法３４６ａの変更は制御角度θ（図示せず）を変える。リンク１８９及びアクチュエータ１８８も、また、装置１００の他の制御角度θ（図示せず）を変更するＺ軸に沿った変更可能の寸法を有する。一方のアクチュエータが長くされこれと等量だけ他方が短くされると、Ｙの次元において傾斜が生じる。両アクチュエータが等量だけ長くされ又は短くされると、Ｘの次元において傾斜が生じる。

自在継手１１６，１４６はヨークであって該ヨークのＸ軸及びＹ軸の周りの回転の自由度を与えるヨークを形成する。したがって、自在継手１１６，１４６は、ベース１１０が工具ホルダ１４０に関するＺ軸に関して回転することができない制限を与える。工具ホルダ１４０は、図２の装置３０の単一方向傾斜と同様の方法で仮想ピボット点６０の周りに２方向に傾斜する。

図７は、本発明に実施例に従い、２軸に関して頂点６０の周りに工具５０を保持しまた傾けるための球形の２軸装置２００の断面図を示す。球形の２軸装置２００は、保持される工具５０の長手方向軸線５４がワークピース１４の表面に垂直である第１の形態と、長手方向軸線５４が頂点６０の周りに傾けられる第２の形態との双方において示されている。ここに使用されるように、球形構造への言及は、部分的な半球体のような完全な球体の一部のみを含む構造を含む。

２軸装置２００は、Ｘ−Ｙテーブルのような機械に据え付け可能であるベース２３２と、工具ホルダ２４０と、工具ホルダガイド２６０とを含む。ベース２３２は、ガイド２６０を運ぶために配置された第１の工具ホルダ支持部材２３４及び第２の工具ホルダ支持部材２３６を含む。工具ホルダガイド２６０は、半径Ｒを有する球形の案内面２６２を有する下サポート２６６と、上サポート２６４と、障害なしに工具ホルダ２４０により保持される工具５０の傾斜運動をそれぞれ許す上サポート２６２及び下サポート２６６に設けられた切り欠き領域２６８，２６９とを含む。工具ホルダ２４０は、下サポート２６６の球形案内面２６２に従う半径Ｒを有する球形案内面２４２を有する。２軸装置２００の要素は、装置２００及び運ばれる工具５０の重量を支持し、運ばれる工具５０により発生される力に抵抗し、またベース２３２に加えられる制御動作を伝えるのに適する、鋼のような任意の実質的に剛性のある材料で形成される。

操作に際し、Ｘ軸及びＹ軸の双方に沿っての傾斜運動２７０を与えるために工具ホルダ２４０とベース２３２の複数部分との間に複数のリニアアクチュエータ（図示せず）が結合される。例えば、Ｘ軸に沿っての傾斜運動を与えるために止め具２４８と支持部材２３４との間に１つのリニアアクチュエータが結合される。Ｙ軸に沿っての傾斜運動２７０を与える方法において止め具２４８とベース２３２の一部との間に他のリニアアクチュエータが結合される。前記球形２軸装置は、ここに記載の他の実施例と実質的に同様に操作される。工具ホルダガイド２６０の球形案内面２６２の中心は、頂点６０の近傍に配置されている。切断工具５０のノズルは、その長手方向軸線５４が初めに頂点に垂直であり、またこれを通るように配置されている。さらに、切断工具５０のノズルは、アブレーシブ・ウオータ・ジェット１２が頂点６０の近傍で退出し、また頂点６０がワークピース１５の表面と前記ノズルとの間にあるように、配置される。

切断を行うため、アブレーシブ・ウオータ・ジェットの運動がノズル１０をＹ軸に沿って進めるように方向付けられる。Ｘ−Ｚ平面内で前記アブレーシブ・ウオータ・ジェットを傾斜させることを欲するときは、適当な量だけ工具ホルダ２６０に対する傾斜運動を与えるためにリニアアクチュエータが用いられる。下サポート２６６の球状の案内面２６２は、傾斜運動２７０の範囲にわたり、工具ホルダ２４０の球形案内面２４２を頂点６０から距離Ｒに維持し、上サポート２６４は、傾斜運動２７０の範囲にわたり、球形案内面２４２を球形案内面２６２と適当な接触状態にあるように維持する。Ｙ−Ｚ平面内に前記アブレーシブ・ウオータ・ジェットを傾斜することを欲するときは、工具ホルダ２６０に適当な量の傾斜運動２７０を与えるために他のリニアアクチュエータが用いられる。装置１００におけるように、装置２００は、切断の要求に合わせて同時に２方向に傾けられる。

他の実施例において、工具ホルダ２６０は、球形案内面２６２に関して及び頂点６０の周りに工具ホルダ２６０の運動を許すように配列された複数の軸受を含むものとすることができる。前記軸受は、球形案内面２４２により与えられる案内作用を行う。

本発明が適当な好ましい実施例に関して詳細に説明されたが、他の実施例も適切である。したがって、添付の特許請求の範囲の精神又は範囲はここに含まれる実施例の説明には限定されない。本発明は特許請求の範囲に存することを意図している。

アブレーシブ・ウオータ・ジェット切断ワークピースと、結果として生じたジェットの偏向とを示す図である。 ジェットにより形成されたワークピースの切断縁における傾斜テーパを示す図である。 本発明の一実施例に従う、一軸に関して頂点の周りに工具を保持しまた傾けるための装置を示す図である。 本発明の一実施例に従う、一軸に関して頂点６０の周りに工具５０を保持しまた傾けるための装置７０を示す図である。 本発明の一実施例に従う、制御角度の変化ΔθがＸ軸に関して工具ホルダを傾ける装置の第２の形態を示す図である。 本発明の一実施例に従う、２軸に関して頂点の周りに工具を保持しまた傾けるための２軸装置を示す図である。 本発明の一実施例に従う、回転アクチュエータで駆動されまたピボットに結合された２軸装置を示す図である。 本発明の一実施例に従う、リニアアクチュエータで駆動される２軸装置を示す図である。 本発明の一実施例に従う、２軸に関して頂点の周りに工具を保持しまた傾けるための球形２軸装置の断面図である。

符号の説明

３０，７０，１００，２００ 装置
３１ベース線
３２ ベース
３３ ベースピボット間隔
３４，１１２ 第１のベースピボット
３６，１１４ 第２のベースピボット
３５，１３２ 第１のピボットアーム
３７，１３４ 第２のピボットアーム
４０，１４０，２４０ 工具ホルダ
４１ 工具ホルダ線
４３ 工具ホルダピボット間隔
４４，１４２ 第１の工具ホルダピボット
４６，１４４ 第２の工具ホルダピボット
５０ 工具
１１６ 第３のベースピボット
１３６ 第３のピボットアーム
１４６ 第３の工具ホルダピボット

Claims (35)

1. ベースに関して工具を保持しまた傾ける装置であって、
   （ａ）前記ベースは機械に据え付け可能であり、また第１のベースピボットと第２のベースピボットとを有し、前記ペースピボットはベースピボット間隔を有するベース線を形成し、
   前記装置は、
   （ｂ）前記第１のベースピボットに結合された第１のピボットアームと、
   （ｃ）前記第２のベースピボットに結合された第２のピボットアームと、
   （ｄ）前記第１のピボットアームに結合された第１の工具ホルダピボット及び前記第２のピボットアームに結合された第２の工具ホルダピボットを有する工具ホルダであって、前記工具ホルダピボットは前記ベースピボット間隔と異なるピボット間隔を有する工具ホルダ線を形成し、前記工具ホルダは工具を保持するように配置されている工具ホルダとを含む、装置。
2. 前記工具ホルダピボット間隔は、前記ベースピボット間隔より小さい、請求項１に記載の装置。
3. 前記工具ホルダピボット間隔は、前記ベースピボット間隔より大きい、請求項１に記載の装置。
4. 前記ベース線と選択されたピボットアームとの交差は、制御角度であって該制御角度の変更が前記ベース線に関して前記工具ホルダの傾斜を変更し、対応して前記工具の長手方向軸線を傾けるような制御角度を形成する、請求項１に記載の装置。
5. 前記ベース線に関して傾斜範囲にわたって前記工具ホルダを傾けることは、対応して、前記第１のベースピボット及び前記第１の工具ホルダピボット間に形成された第１の線と前記第２のベースピボット及び前記第２の工具ホルダピボット間に形成された第２の線との交点により形成された頂点の周りに前記工具の長手方向軸線を傾ける、請求項４に記載の装置。
6. 前記ベースに関する前記工具ホルダの傾斜範囲は４５度より小さい、請求項５に記載の装置。
7. 前記ベースに関する前記工具ホルダの傾斜範囲は２０度より小さい、請求項５に記載の装置。
8. 前記ピボットアームは等しい長さを有する、請求項１に記載の装置。
9. １つのピボットアームに結合された前記ピボットは、円筒の運動のみを許す、請求項１に記載の装置。
10. 少なくとも１つのピボットアーム上の前記ピボットは、前記ベースの周りの前記工具ホルダの回転運動を制限する、請求項１に記載の装置。
11. １つのピボットアームは、２つの他のピボットアームの組合せにより形成された仮想のピボットアームである、請求項１に記載の装置。
12. さらに、前記制御角度を変更するアクチュエータを含む、請求項１に記載の装置。
13. 前記アクチュエータは、リニアアクチュエータである、請求項１２に記載の装置。
14. 前記アクチュエータは、回転アクチュエータである、請求項１２に記載の装置。
15. さらに、第３のベースピボットと第３の工具ホルダピボットとに結合された第３のピボットアームを有する第３のピボット組立体を含む、請求項１に記載の装置。
16. 前記工具は、切断工具を含む、請求項１に記載の装置。
17. 前記切断工具は、ジェット切断工具を含む、請求項１６に記載の装置。
18. 前記工具は、アブレーシブ・ウオータ・ジェット切断工具を含む、請求項１６に記載の装置。
19. 工具を保持し、また傾ける装置であって、
    （ａ）機械に据え付け可能であるベースであって第１のベースピボットと、第２のベースピボットと、第３のベースピボットとを有し、前記ピボットがベース三角形を形成するように配置されているベースと、
    （ｂ）前記第１のベースピボットに結合された第１のピボットアームと、
    （ｃ）前記第２のベースピボットに結合された第２のピボットアームと、
    （ｄ）前記第３のベースピボットに結合された第３のピボットアームと、
    （ｅ）前記第１のピボットアームに結合された第１の工具ホルダピボット、前記第２のピボットアームに結合された第２の工具ホルダピボット及び前記第３のピボットアームに結合された第３の工具ホルダピボットを有する工具ホルダであって、前記工具ホルダピボットが工具ホルダ三角形を形成するように配置され、前記工具ホルダが前記工具を保持するように配置されている工具ホルダとを含み、
    各対のピボットアームと、前記対のピボットアームによりつながれた前記工具ホルダ三角形の辺及び前記ベース三角形の辺とが４辺形を形成し、前記工具ホルダ三角形の辺の長さが前記ベース三角形の辺の長さと異なる、装置。
20. 前記ベース三角形の一辺と１つのピボットアームとの交差は、制御角度であって該制御角度の変更が前記ベース三角形に関して前記工具ホルダ三角形を傾け、対応して前記工具の長手方向軸線を傾けるような制御角度を形成する、請求項１９に記載の装置。
21. 前記第１のベースピボット及び前記第１の工具ホルダピボット間に形成された第１の線と、前記第２のベースピボット及び前記第２の後部ホルダピボット間に形成された第２の線と、前記第３のベースピボット及び前記第３の工具ホルダピボット間に形成された第３の線との交点により頂点が形成され、また前記制御角度を変更することは、傾斜範囲にわたって前記ベース三角形に関して前記工具ホルダ三角形を傾け、対応して実質的に前記頂点の周りに前記保持された工具の長手方向軸線を傾ける、請求項２０に記載の装置。
22. 前記ベース三角形に関する前記工具ホルダ三角形の傾斜範囲は、任意の方向において０より大きく４５度より小さい、請求項２１に記載の装置。
23. 前記ベース三角形に関する前記工具ホルダ三角形の傾斜範囲は、任意の方向において０より大きく２０度より小さい、請求項２１に記載の装置。
24. 前記工具ホルダ三角形の辺の長さは前記ベース三角形の辺の長さより小さい、請求項２１に記載の装置。
25. １つのピボットアームに結合された前記ピボットは、前記ベースの周りの前記工具ホルダの回転運動を制限するように動作可能である、請求項２１に記載の装置。
26. 前記保持された工具は切断ジェットである、請求項１９に記載の装置。
27. 工具を傾斜範囲にわたりＸ軸及びＹ軸において保持しまた傾斜する装置であって、
    （ａ）Ｚ軸の周りに回転しないように固定された機械に据え付け可能であるベースであって頂点に中心を有する前記傾斜範囲にわたって実質的に球形の仮想案内面を形成する要素を含むベースと、
    （ｂ）前記工具を堅固に保持するように配置され、前記球形の仮想案内面に従うように配置された従動要素を含む工具ホルダであって、前記頂点に交差する工具長手方向軸線を有する工具を保持するように配置された工具ホルダとを含む、装置。
28. 前記球形の仮想案内面を形成する要素は複数のピボットアームを含み、各アームは前記ベースに枢動可能に結合された第１の端部と、前記工具ホルダに枢動可能に結合された第２の端部とを有し、前記第２の端部は前記球形の案内面を形成する、請求項２７に記載の装置。
29. 前記案内面従動要素は複数の工具ホルダピボットを含み、各工具ホルダピボットは１つのピボットアームの第２の端部に結合されている、請求項２８に記載の装置。
30. 前記球形の案内面を形成する要素は、実際の球形の案内面部材を含む、請求項２７に記載の装置。
31. 前記工具ホルダ案内面従動部材は、実質的に球形の従動面を含む、請求項３０に記載の装置。
32. 前記工具は切断工具を含む、請求項２７に記載の装置。
33. 前記工具はジェット切断工具を含む、請求項２７に記載の装置。
34. 前記工具はアブレーシブ・ウオータ・ジェット切断工具を含む、請求項２７に記載の装置。
35. 前記傾斜範囲は、前記保持された工具の長手方向軸線の周りに任意の軸線において０より大きく４５度より小さい、請求項２６に記載の装置。
    
    

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