JP2016515948A - マイクロ旋盤機械 - Google Patents

Abstract

モノリシックベースを有する工作機械が開示される。モノリシックベースは、相互に直交するとともに互いに凸型の少なくとも２つの平坦な面を有する。工作機械は、少なくとも２つの可動ステージを有する。可動ステージのそれぞれは、平坦な面のうちの１つに取り付けられており相互に直交している。

Description

関連出願の参照

本願は、２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第６１／７８７，４８８号の非仮出願である。米国特許出願第６１／７８７，４８８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。

本願は、一般的に工作機械に関し、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。

切削工具を用いて、機械的な切削加工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）を介したデジタル的な自動化により行われる。工作機械の１つの種類として、マイクロ旋盤機械（micro turning machine）がある。マイクロ旋盤機械によれば、多くの小スケールかつ高精度の加工作業又は旋盤動作を実行することができる。工作機械は、ベース上に取り付けられた１つ又は複数の可動ステージを含む場合がある。ベースは、１つの主平面あるいは「Ｌ」字状の２つの主平面を有する。一般的にステージは、１つの主表面上あるいは「Ｌ」字状の凹型直交面の内部若しくはその上に取り付けられる。

本願は、工作機械を開示するものである。工作機械は、モノリシックベースと、第１のステージと、第２のステージとを備える。モノリシックベースは、相互に直交するとともに互いに凸型（convex）の少なくとも２つの平坦な面を有する。第１のステージは、モノリシックベースの１つの平坦な面に取り付けられている。第２のステージは、モノリシックベースのもう一方の平坦な面に取り付けられており、第１のステージに対して直交している。

別の実施形態では、工作機械は、モノリシックベースと、第１のステージと、第２のステージとを備える。モノリシックベースは、互いに直交する２つの第１の外側表面および第２の外側表面を少なくとも有する。第１のステージは、モノリシックベースの第１の外側表面に取り付けられており、Ｚ軸に沿って移動する。第２のステージは、モノリシックベースの第２の外側表面に取り付けられており、第１のステージに対して直交するとともに、Ｘ軸に沿って移動する。

本発明の実施の形態が図面を参照しながら本明細書に記載されている。
一実施形態における工作機械の斜視図 図１に示す工作機械の別の図 筐体内における本願の工作機械を示す図 図３のクローズアップ図 一実施形態におけるコンピューティングデバイスのブロック図

本明細書には、工作機械の実施形態が開示される。工作機械は一般的に、小スケールかつ高精度が求められる機械操作を行うように構成される。そのような機械操作には例えば、小型のねじの作成や、小型の整形外科用インプラントの作成や、低侵襲性外科デバイスの作成や、燃料噴射用ノズル穴のような小型の自動車パーツの作成や、その他の小型部品を作成することが含まれる。工作機械は、少なくとも２つの平坦な面を有するモノリシックベース（monolithic base）を有する。当該２つの平坦な面は、互いに直交して配置されるとともに、ベースの凸部（convex portion）のメンバーである（すなわち、これらの面によって「Ｌ」字状の内側表面に反して、「Ｌ」字状の外側表面を形成している）。本願においては、このような種類の一対の面を「凸型直交」ペアと称する。そのようなベースの一例は、複数の凸型直交面のペアを有する矩形状角柱ベース（rectangular-prismatic base）である。しかしながら、少なくとも１つの凸型直交面ペアを含むものであれば、その他の形状・材料のベースも可能である。工作機械は、少なくとも２つの可動ステージを備える。当該可動ステージの各々は、平坦な凸型直交面の１つに取り付けられるとともに、互いに直交するように設けられている。一実施形態では、ベースは例えば、ベースの表面のうちの１つに取り付けられたＺステージを有しており、ＸステージおよびＹステージは、ベースの表面の別の面に取り付けられる。しかしながら、他の実施形態ではその他の構成によるステージも可能である。

上述したベースを用いて工作機械を構築する方法には、性能的にいくつかの利点がある。第１に、凸型直交面は高精度に製造することが比較的簡単である。第２に、上述したようなモノリシックベースは比較的高い剛性を有する。第３に、上述したようにステージを構成することは、ステージの進行が比較的小さいためにそれぞれの取付面におけるステージのオーバーハングを比較的小さく保つことができる小スケールの機械加工作業において特に有用であり、これにより、ステージの精度、単純性および剛性を向上させることができる。

図を参照すると、図１は、一実施形態における例示的な工作機械１００を示す。図示されるように、工作機械１００は、モノリシックベース１０１を備え、モノリシックベース１０１は、第１のステージ１０２および第２のステージ１０４を有する。第１のステージ１０２はＺステージとも呼ばれ、ベースの上面である第１の外側平坦面１０３上に設けられている。第２のステージ１０４はＸステージとも呼ばれ、ベース１０１の側面である第２の外側平坦面１０５上に設けられている。図示されるように、Ｚステージ１０２およびＸステージ１０４はともに、モノリシックベース１０１における凸型直交面ペアの外側平坦面に取り付けられており、互いに直交するように設けられている。いくつかの実施形態では、図１に示すように、Ｙステージと呼ばれる第３のステージ１０６がＸステージ１０４に取り付けられてもよい。一実施形態では、Ｙステージは、Ｘステージの平面に平行な面に配置されてもよい。

さらに図示されるように、ステージは、レール１０８上に取り付けられており、各軸に沿った移動が促進される。 Ｘステージ１０４は、Ｘステージ１０４上に取り付けられた工具ホルダ１１２を有するものとして示されるのに対し、Ｚステージ１０２は、Ｚステージ１０２上に取り付けられたメインスピンドル（主軸）１１０を有するものとして示されている。スピンドル１１０は、ワークピースを保持するとともに、場合によってはワークピースを軸の周りに回転させるものである。あるいは、Ｚステージ１０２自体が、切削工具を保持するとともに、場合によっては切削工具を軸の周りに回転させるように構成される。Ｚステージ１０２はまた、１つの軸に沿って移動するように構成されてもよい。この軸は、説明のために本明細書でＺ軸として言及される。

さらに、本実施形態では、Ｘステージ１０４およびＹステージ１０６は、何らかの形でそれらのステージに固定された１つ又は複数のツールを有してもよい。あるいは、ＸステージおよびＹステージは、何らかの形でそれらのステージに取り付けられたワーク材料を有していてもよい。一般的に、Ｘステージ１０４およびＹステージ１０６は、２つの軸のいずれか一方又は両方に沿って移動する。これら２つの軸は、説明のために、それぞれが互いに略垂直かつ上述したＺ軸に対しても垂直なＸ軸およびＹ軸として本明細書で言及される。Ｘステージ１０４およびＹステージ１０６は、当該ステージに固定されたツールがワークピースに接触し、場合によってはワークピースを操作するように、これらの軸に沿って移動するように構成される。単一のモノリシックベースに取り付けられたステージの他の構成も可能である。

工作機械１００はまた、ツールセンサ１１４および／又はビジョンカメラ１１６（図３）を含んでもよい。ツールセンサ１１４および／又はビジョンカメラ１１６は、旋盤操作を行うためにオペレータによる機械の視認を可能とし、ステージの移動を促進し、かつ関連ツールの計測を促進するものである。図２は、工作機械１００の別の図を示す。

他の実施形態では、互いに直交してベースの平坦面の凸型直交ペア上に取り付けられた少なくとも２つのステージが存在する限り、ベース１０１は任意の数のステージを搭載していてもよい。いくつかの実施形態では、ＸステージおよびＹステージは、同一の時点又は異なる時点でそれぞれの軸に沿って移動するように構成されている。いくつかの実施形態では、Ｘステージ又はＹステージに回転ステージが取付けられるとともに、回転ステージがそれぞれの軸の周りを回転するように構成される。その他の可能性も同様に存在する。

一般的に、それぞれのステージは、機械加工作業を行うために複数のステージの移動と調整を促進するように関連付けられた１つ又は複数のその他のコンポーネントを有してもよい。いくつかの実施形態では、例えばＺステージ、Ｘステージおよび／又はＹステージを含む各ステージはアクチュエータに接続される。アクチュエータは例えば、高精度のボールねじとモータ若しくはリニアモータ、高精度のリニアエンコーダ若しくはその他の種類のエンコーダ、および、高精度のリニアモーションガイドである。これらのコンポーネントの各々は、１つ又は複数のコンピューティングデバイス（例えば、マイクロコントローラ又は特殊目的プロセッサなど）によって調整されてもよい。当該コンピューティングデバイスは、所望の旋盤又は粉砕の作業を行うために、ステージおよびスピンドルをコンポーネントに操作させるプログラミング命令を実行するように構成される。

一実施形態では、ティースロットツールテーブル１１２が、ＸステージかＹステージの一方、および／又は、Ｘ-Ｙステージに取り付けられるように構成される。ツールテーブルは、ツール搭載用の２つのティースロット（Tee-slot）を含んでもよく、かつ、容易に利用可能な又はカスタムメイドの任意のツールホルダを使用可能に構成されている。ティースロットツールテーブルは、３つの静止（非回転）旋盤／切断ツールと、６つのライブ（回転）ツールと、ワーク材料をメインスピンドルの外へ引くための１つのグリッパーとを有してもよい。これらは単なる例示的な仕様に過ぎず、その他の実施形態では他の仕様も可能である。ツールテーブル１１２は、ＸステージおよびＹステージの一方又は両方に取り付けられており、複数のライブツール、ドリルツール、切断ツール、又は旋盤作業を実行するために使用されるその他の種類のツールを保持可能に構成される。工作機械は、ツールテーブルに保持されたツールの位置合わせを容易に行うためのツールセンサを有してもよい。当該構成およびその他の構成によれば、工作機械はその他の旋盤よりも小さなスペースで、より多くのツールを適合させることができる。

いくつかの実施形態では、工作機械は、ツールセンサ１１４又は３Ｄツールセンサのような、その他の補助的コンポーネントを含む。ツールセンサ１１４によってツールの位置合わせが容易となるため、工作機械は比較的小さい面積で、より多くのツールを利用することができる。その他の利点も同様に、当業者には明らかである。

一実施形態では、ツールセンサ１１４は、メインスピンドルに隣接してＺステージに搭載されている。しかしながら、他の実施形態では、ツールセンサは他の位置に取り付けられている。工作機械はさらに、メインスピンドルに隣接して取り付けられたビジョンカメラ１１６、および／又は、１つ又は複数の固定又はライブのツールやワーク材料を保持するようにＸステージ又はＹステージに取り付けられたＴスロットテーブル１１２を備えてもよい。工作機械はさらに、スタンド内に取り付けられてもよい。当該スタンドは、フラッシュ冷却剤システムおよび／又はユーザインタフェースを含む。当該ユーザインタフェースは、工作機械の１つ又は複数のコンポーネントと交信するためのものである。

一般的に、上述した構成のうちの１つ又は複数（および、記載していないが本開示の一般的範囲内における代替的構成）によれば、工作機械によってワークピースにより複雑な機械加工作業を行うことを可能にしながら、オープンかつ容易にアクセス可能なレイアウトを提供することができる。さらにモノリシックベース１０１によれば、コンパクトで剛性が高く高精度な線形移動ステージの実施形態を提供する。

工作機械１００に関連して、モーションプラットフォーム技術を使用することもできる。例えば一実施形態において、各ステージは、ステージの移動を容易にするための１つ又は複数のサーボモータ駆動の高精度のボールねじやリニアモータを含む、又はそれらに結合されている。図示されるベアリングおよびレールは、精密リニアガイドレールを表すものであり、当該リニアガイドレールは、再循環するボールキャリッジ（ball carriages）を含んでもよい。ステージは、ライブでのツール加工を容易にするためのインデックス作成機能を有するサーボモータ駆動のスピンドルを備えた摺動主軸台（sliding headstock）を含んでもよい。メインスピンドルはさらに、空気圧コレットなどの任意の種類の部品ホルダを含んでもよい。

図３は、一実施形態における閉位置に示される筐体３００および対応するユーザインタフェース３０２を示している。一例では、工作機械の筐体３００は成形された筐体である。図示されるように、工作機械１００のコンパクトな構成により、工作機械１００を筐体内に収容することができる。いくつかの実施形態では、筐体はユーザインタフェース３０２を含む。図３に示すように、工作機械１００は、筐体内に角度を付けて取り付けられる。角度を付けることにより、切削による液体およびチップが切断ゾーンから離れて移動することを促進することができる。角度は、約２０度から約９０度のどこであってもよい。ユーザインタフェース３０２は、制御ソフトウェアと交信することで、自律的な旋盤操作を選択する又はその他の方法で当該操作を提供するものとして使用されてもよい。工作機械のその他の一般的な特徴には、５０００ＲＰＭスピンドル、２００ＩＰＭ供給速度、および３軸ステージ移動（Ｘ軸沿いに１５’’、Ｙ軸沿いに５’’、Ｚ軸沿いに８’’）が含まれる。工作機械のさらなる例示的な機能には、デルタタウ社の４軸コントローラ、ＸレールおよびＺレールを表面に直接取り付けて精密製造されたグラニットベース（granite base）、冷却液の流れとチップの除去を可能とするように角度の付いた位置（傾斜位置）を有するテーブルオリエンテーション、手動ツール設定の入力のためのカメラシステムおよびそれとは分離したユーザインタフェース、ハイデンハイン社のガラススケール、空気圧式バーフィード（bar feed）、および／又は、パーツ除去システムが含まれる。テーブルオリエンテーションの傾斜位置は、水平方向に対して３５°の角度であってもよい。これらは単なる例示的な仕様であり、その他の実施形態では他の仕様も可能である。

ユーザインタフェース３０２は、パーソナルコンピュータ、タブレットコンピュータ、又はその他のコンピューティングデバイスを含んでもよい。ユーザインタフェース３０２はさらに、ユーザからの入力を受信して筐体３００の各種構成要素を制御してもよい。筐体３００は、図１―２および／又は図４―５に関連して説明したコンポーネントの一部又は全部を含んでもよい。筐体３００内のコンポーネントは、ユーザインタフェース３０２への入力に基づいて制御信号を受信してもよい。コンピューティングシステムとユーザインタフェース３０２について図５を参照しながらさらに説明する。図４は、筐体３００内に取り付けられた工作機械１００のクローズアップ図を示す。

図５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５００のブロック図である。例えば、コンピューティングデバイス５００は、図３に示すユーザインタフェース３０２を含んでもよい。コンピューティングデバイス５００は、ユーザインタフェースモジュール５０１と、通信インタフェースモジュール５０２と、１つ又は複数のプロセッサ５０３と、データストレージ５０４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５０５を介してリンクすることができる。

ユーザインタフェースモジュール５０１は、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動作可能とすることができる。例えば、ユーザインタフェースモジュール５０１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５０１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／又はその他の類似のデバイスに出力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１００１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５０１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。

ネットワーク通信インタフェースモジュール５０２は、ネットワークを介して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５０７および／又は有線インタフェース５０８を含むことができる。無線インタフェース５０７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５０８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。

１つ又は複数のプロセッサ５０３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５０３は、データストレージ５０４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５１０および／又は本明細書に記載されたその他の命令を実行するように構成することができる。

データストレージ５０４は、プロセッサ５０３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５０３のうちの少なくとも１つに全体的に又は部分的に統合可能である。いくつかの実施形態では、データストレージ５０４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。

データストレージ５０４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また、レジスタメモリ、プロセッサキャッシュおよび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５０４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５０４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５０４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。

データストレージ５０４は、コンピュータ読み取り可能プログラム命令５１０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。いくつかの実施形態では、データストレージ５０４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。

本明細書において特定の実施形態および用途に関連して発明を記載したが、当業者であれば発明の概念に関する精神の範囲内で、変化、修正、変更を当然に認識する。そのような変化、修正、変更は本願の範囲に含まれる。

Claims (15)

1. 相互に直交するとともに互いに凸型の少なくとも２つの平坦な面を有するモノリシックベースと、
   モノリシックベースの１つの平坦な面に取り付けられた第１のステージと、
   モノリシックベースのもう一方の平坦な面に取り付けられ、第１のステージに対して直交する第２のステージと、
   を備える、工作機械。
2. 第１のステージは第１の軸に沿って移動可能であり、第２のステージは１つ又は複数のその他の軸に沿って移動可能であり、その他の軸のそれぞれは、第１の軸に対して直交している、請求項１に記載の工作機械。
3. （ｉ）第１のステージを第１の軸に沿って移動させる、あるいは（ｉｉ）第２のステージを１つ又は複数の他の軸のいずれか又は両方に沿って移動させるためのプログラム命令を実行するプロセッサをさらに備える、請求項２に記載の工作機械。
4. 第１のステージ上に取り付けられるとともに、ワークピース又は切断ツールを保持および回転させるスピンドルと、第２のステージ上に取り付けられるツールテーブル又はワークピースと、をさらに備え、
   ツールテーブルにおける少なくとも１つのツールがワークピースに接触することにより旋盤操作を実行する、あるいは、切断ツールがワークピースに接触することにより粉砕操作を実行するように、第１のステージおよび第２のステージのいずれか又はその両方をそれぞれの軸に沿って移動させるようにプロセッサが構成されている、請求項３に記載の工作機械。
5. 第２のステージは、モノリシックベースの表面に取り付けられた第１のサブステージと、第１のサブステージに取り付けられた第２のサブステージとを備え、
   第１のサブステージは、第１の軸に対して実質的に垂直な第２の軸に沿って移動し、第２のサブステージは、第１の軸および第２の軸のそれぞれに対して実質的に垂直な第３の軸に沿って移動する、請求項２に記載の工作機械。
6. 第１のステージ上に取り付けられたスピンドルをさらに備え、
   スピンドルは、ワークピース又は切断ツールを保持および回転させるように構成される、請求項１に記載の工作機械。
7. 第２のステージ上に取り付けられたツールテーブル又はワークピースをさらに備える、請求項１に記載の工作機械。
8. モノリシックベースを内部に取り付けた筐体をさらに備える、請求項１に記載の工作機械。
9. モノリシックベースは、成形された筐体内に角度を付けて取り付けられている、請求項８に記載の工作機械。
10. 第１のステージ上に取り付けられたツールセンサをさらに備え、
    ツールセンサは、同じ工作機械内における複数の切断ツールを測定するように構成される、請求項１に記載の工作機械。
11. 第１のステージ上に取り付けられたカメラシステムをさらに備え、
    カメラシステムは、スピンドル内に保持されたワークピース又は切断ツールを視認可能に構成される、請求項１に記載の工作機械。
12. 互いに直交する２つの第１の外側表面および第２の外側表面を少なくとも有するモノリシックベースと、
    モノリシックベースの第１の外側表面に取り付けられており、Ｚ軸に沿って移動する第１のステージと、
    モノリシックベースの第２の外側表面に取り付けられており、第１のステージに対して直交するとともに、Ｘ軸に沿って移動する第２のステージと、
    を備える、工作機械。
13. 第２のステージに取り付けられ、Ｙ軸に沿って移動する第３のステージをさらに備える、請求項１２に記載の工作機械。
14. 工作機械を内部に取り付けた筐体をさらに備える、請求項１３に記載の工作機械。
15. （ｉ）第１のステージをＺ軸に沿って移動させ、（ｉｉ）第２のステージをＸ軸に沿って移動させ、（ｉｉｉ）第３のステージをＹ軸に沿って移動させるためのプログラム命令を実行するプロセッサをさらに備える、請求項１４に記載の工作機械。

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