JP2020504020A - ５軸加工用マシニングセンター - Google Patents

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Abstract

本発明はマシニングセンターに関するものであり、より具体的には、ベッドとコラムが一体化され、全体装置のサイズを減らすことができ、製作コストを節減することもでき、５軸それぞれから発生する振動及び変位が他の軸に素早く伝達されて軸間の相対的な振動及び変位を最小化することによって高精密加工を行うことができる５軸加工用マシニングセンターに関する。

Description

本発明は５軸加工用マシニングセンターに関するものであり、より具体的には、ベッドとコラムが一体化され、全体装置のサイズを減らすことができ、製作コストを節減することもでき、５軸それぞれから発生する振動及び変位が他の軸に素早く伝達されて軸間の相対的な振動及び変位を最小化することによって高精密加工を行うことができる５軸加工用マシニングセンターに関する。
一般的にマシニングセンターは３軸で動く主軸を利用して加工物を加工する加工機である。
また、マシニングセンターは５軸加工のために加工物を回転軸と回転軸に垂直のチルト軸を中心に回転させるテーブルを備え、主軸が３軸で動き、加工物が２軸で動いて計５軸方向に加工を行うことができる。
このように５軸加工を遂行できるマシニングセンターを一般に５軸加工機とも言う。
図１は、従来の５軸加工用マシニングセンターを示す図である。
図１を参照すると、従来の５軸加工用マシニングセンター１０は地面に置かれるベッド（ｂｅｄ）１１、前記ベッド１１上に立つコラム（ｃｏｌｕｍｎ）１２、前記コラム１２上に具備されて前記カラム１２上からＹ軸方向に上下に動くことができ、加工物を加工する工具（ｔｏｏｌ）を取り付けられる主軸１３及び加工物が置かれ加工物を回転軸ｂに対して回転させることができ、前記回転軸ｂに垂直のチルト軸ａを中心にチルトさせることができるテーブル１４が具備される。
また、図示してなかったが、前記ベッド１１と前記コラム１２の間には、前記コラム１２をＸ軸とＹ軸の平面上で動かすことができるサドル（ｓａｄｄｌｅ）が具備される。
すなわち、前記主軸１３は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸上で直線移動でき、加工物は前記回転軸ｂと前記チルト軸ａを中心に回転できるので加工物を５軸加工することができる。
一方、従来の５軸加工用マシニングセンター１０は、前記コラム１２が前記ベッド１１から分離されており、主軸１３が３軸上で移動すべきであるので、加工領域で他の構造物との干渉を減らすために動的性能が増大されるべきである。
このような動的性能の増大のためには、必然的に付加装置が追加されなければならないが、これにより装置のコストが上昇し、嵩張る問題がある。
また、従来の５軸加工用マシニングセンター１０はコラム１２とベッド１１がお互い分離されているので、主軸１３で発生する振動や（熱）変位などがテーブル１４に届きにくいため、軸間の相対的な変位差が大きいという問題がある。
言い換えれば、主軸１３がある原因によって振動し、テーブル１４の加工物が相対的に固定されていれば、主軸１３と加工物間の相対的な変位差は大きくなり、これにより加工精度が低くなるという問題が発生する。
本発明は、上述した問題点を解決するため安出されたものであって、本発明の目的は、構造を単純化して製作コストを節減でき、小型化が可能な５軸加工用マシニングセンターを提供することにある。
また、本発明は５軸加工の際、各軸間の相対的な変位を最小化して加工精度を非常に向上させる５軸加工用マシニングセンターを提供することにある。
また、本発明は加工物から発生するチップの排出性能を向上させる５軸加工用マシニングセンターを提供することにある。
前記の目的を達成するために、本発明は、地面にＹ軸方向に立てられるベースと、前記ベースの第１側面に取り付けられてＹ軸方向に移動できるサドルと、前記サドルにＺ軸方向に移動できるように結合し先端に工具を取り付けられる主軸を有するＺ軸ラム（ｒａｍ）と、前記ベースの第１側面と直交する第２側面に取り付けられ、Ｘ軸方向に移動することができ、前記主軸に向かう先端に加工物を取り付けられるテーブルを有するＸ軸ラムと、を含み、前記テーブルはＸ軸と並ぶａ軸を中心に回転できるテーブル本体と前記テーブル本体上でａ軸と垂直のｂ軸を中心にして回転することができ加工物が取り付けられるテーブル面を含み、前記ベースは前記主軸が移動できるカラムの機能と前記テーブルが置かれるベッドの機能を兼ねることを特徴とする。
好ましい実施例において、前記加工物から発生するチップ（ｃｈｉｐ）は地面に自由落下する。
好ましい実施例において、前記ベースは前記第１側面と前記第２側面の間に第３側面を有し、前記第３側面は前記第１側面及び前記第２側面とそれぞれ所定の角度を形成する。
好ましい実施例において、上部から前記ベースを見たとき、前記第３側面を通る水平線とＺ軸及びＸ軸は三角形を形成する。
好ましい実施例において、前記ベースは前記第１側面と接する第４側面及び一側は前記第４側面と接し、他側は前記第２側面と接する第５側面を含み、前記第１側面、前記第２側面、前記第４側面または前記第５側面の内面には前記ラムらが直線移動するとき、荷重を支持するリブ（ｒｉｂ）が具備される。
好ましい実施例において、前記リブはＸ字形状を有する。
好ましい実施例において、前記第１側面にＹ軸方向に取り付けられて前記サドルがＹ軸方向に直線移動できるようにするＹ軸ガイダと、前記ベースの所定部分に固定されるＹ軸モーターと、前記Ｙ軸モーターによって回転され、前記サドルと連結されて回転により前記サドルがＹ軸方向に直線移動するようにするＹ軸ボールスクリューと、前記サドルにＺ軸方向に取り付けられて、前記Ｚ軸ラムがＺ軸方向に直線移動できるようにするＺ軸ガイダと、前記Ｚ軸ラムに固定されるＺ軸モーターと、前記Ｚ軸モーターにより回転し、前記サドルと連結されて、回転により前記Ｚ軸ラムがＺ軸方向に直線移動するようにするＺ軸ボールスクリューと、を含む。
好ましい実施例において、前記第２側面にＸ軸方向に取り付けられ前記Ｘ軸ラムがＸ軸方向に直線移動できるようにするＸ軸ガイダと、前記ベースの所定部分に固定されるＸ軸モーターと、前記Ｘ軸モーターによって回転し、前記Ｘ軸ラムと連結されており、回転によって前記Ｘ軸ラムをＸ軸方向に直線移動させるＸ軸ボールスクリューと、を含む。
好ましい実施例において、前記ベースの所定部分に具備され、前記主軸に取り付けられる工具が据え置かれる工具マガジンを含む。
好ましい実施例において、前記工具マガジンは前記主軸の上部に位置し、前記Ｚ軸と並ぶ回転軸を中心に複数の工具を回転させて取り替えようとする工具を特定の工具交換位置に位置させる。
本発明は、以下のような優れた効果を有する。
まず、本発明による５軸加工用マシニングセンターによると、一つのベースがベッドとコラムの機能を兼ねるので、構造を単純化して制作コストを節減でき、剛性の低下を最小限に抑えられる長所がある。
また、本発明の５軸加工用マシニングセンターによると、ある一つのラムから発生する振動や変位が他のラムに素早く伝達されるので、ラム間の変位差が減少し、加工精度を非常に向上させる長所がある。
また、本発明の５軸加工用マシニングセンターによると、加工物から発生するチップが装置に溜まらず地面に自由落下できるため、チップの回収が非常に容易な長所がある。
また、本発明の５軸加工用マシニングセンターによると、主軸の工具と工作物との間の力の移動経路を最小化できるため動的性能を極大化できる。
従来の５軸加工用マシニングセンターを示す図である。 本発明の一実施例による５軸加工用マシニングセンターを示す図である。 本発明の一実施例による５軸加工用マシニングセンターの平面図である。 本発明の一実施例による５軸加工用マシニングセンターの正面図である。
本発明で使用される用語はできるだけ現在広く使われる一般的な用語を選択したが、特定の場合は出願人が任意に選定した用語もあるが、その場合には単なる用語の名称ではなく、発明の詳細な説明の部分に記載するか、使用された意味を考慮してその意味を把握しなければならない。
以下、添付の図面に示された好ましい実施例を参照し、本発明の技術的構成を詳細に説明する。
しかし、本発明はここで説明される実施例に限らず、他の形で具体化されてもよい。明細書全体にわたって同一の参照番号は同一の構成要素を表す。
図２は本発明の一実施例による５軸加工用マシニングセンターを示す図、図３は本発明の一実施例による５軸加工用マシニングセンターの平面図、図４は本発明の一実施例による５軸加工用マシニングセンターの正面図である。
図２ないし図４を参照すると、本発明の一実施例による５軸加工用マシニングセンター（以下‘マシニングセンター’という）１００は、ベース１１０（ｂａｓｅ）、サドル１２０、Ｚ軸ラム１３０及びＸ軸ラム１４０を含み、前記Ｚ軸ラム１３０の先端には工具を取り付けられる主軸１３１が具備され、前記Ｘ軸ラム１４０の先端には加工物を取り付けられるテーブル１５０が具備される。
また、前記ベース１１０は他の構成要素を支持するための構造物であり、地面に立てられる。
また、前記ベース１１０は５角柱の形状を有し、第１側面１１１、第２側面１１２、第３側面１１３、第４側面１１４及び第５側面１１５を有する。
また、前記第１側面１１１は前記第４側面１１４と接し、前記第４側面１１４は前記第５側面１１５と接し、前記第２側面１１２は前記第５と接する。
また、前記第３側面１１３は、一側が前記第１側面１１１と接し、他側は前記第２側面１１２と接する。
また、前記第１側面１１１と前記第４側面１１４、前記第４側面１１４と前記第５側面１１５、前記第５側面１１５と前記第２側面１１２はそれぞれお互い９０度の角度をなし、前記第１側面１１１と前記第３側面１１３、前記第２側面１１２と前記第３側面１１３はそれぞれ互いに１３５度の角度をなすことができる。
しかし、前記側面がなしている角度は、必ずしも前述した角度に限られるわけではない。
ただし、前記第３側面１１３を通る水平線ｈとＸ軸及びＹ軸が合う点を連結した時、三角形ｔをなすべきである。
これは前記第１側面１１１と前記第２側面１１２との間で加工物が加工されるとき、テーブル１５０や主軸１３１または加工物が前記のベース１１０に干渉されないようにするためであり、後述のＺ軸ラム１３０またはＸ軸ラム１４０が駆動されるとき、発生する力が前記第３側面１１３に沿って他のラムに伝達されることによって力の移動経路を最初化して動的性能を極大化するためである。
前記サドル１２０は前記ベース１１０の第１側面１１１に結合し、Ｙ軸方向に移動する。
また、前記第１側面１１１には前記第１側面１１１と前記サドル１２０を互いに締結し、前記サドル１２０がＹ軸方向に直線移動できるようにするＹ軸ガイダ１６０が具備される。
例えば、前記Ｙ軸ガイダ１６０はＬＭガイド（Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｉｏｎ Ｇｕｉｄｅ）であってもよい。
また、前記ベース１１０の上端にはＹ軸モーター１６１が備えられ、前記Ｙ軸モーター１６１の回転軸と前記のサドル１２０はＹ軸ボールスクリュー１６２を利用して互いに連結される。
また、前記Ｙ軸ボールスクリュー１６２は一側が前記Ｙ軸モーター１６１の回転軸に連結され、他側は前記サドル１２０にねじ結合する。
すなわち、前記Ｙ軸ボールスクリュー１６２の回転により、前記サドル１２０はＹ軸方向に直線移動できる。
また、前記Ｙ軸ボールスクリュー１６２の一側と前記Ｙ軸モーター１６１の回転軸の間には、動力伝達をコントロールできるクラッチが具備されてもよい。
前記Ｚ軸ラム１３０は前記サドル１２０上においてＺ軸方向に直線移動できるように結合する。
また、前記サドル１２０には前記Ｚ軸ラム１３０がＺ軸方向に移動できるように締結するＺ軸ガイダ１６３が具備される。
また、前記Ｚ軸ガイダ１６３はＬＭガイドであってもよい。
また、前記Ｚ軸ラム１３０の先端には加工物を加工できる工具が取り付けられ、取り付けられた工具を回転させることができる主軸１３１が具備される。
また、前記Ｚ軸ラム１３０の後端にはＺ軸モーター１６４が備えられ、前記Ｚ軸モーター１６４の回転軸と前記サドル１２０はＺ軸ボールスクリュー１６５を介して連結される。
すなわち、前記Ｚ軸ラム１３０、前記Ｚ軸モーター１６４及び前記Ｚ軸ボールスクリュー１６５は互いに相対的に位置が固定される。
また、前記Ｚ軸ールスクリュー１６５は一側が前記Ｚ軸モーター１６４の回転軸と連結され、他側は前記サドル１２０とねじ結合する。
すなわち、前記Ｚ軸ボールスクリュー１６５が回転する場合、前記Ｚ軸ボールスクリュー１６５は前記サドル１２０上にてＺ軸方向に直線移動し、前記Ｚ軸ボールスクリュー１６５の移動により、前記Ｚ軸ラム１３０がＺ軸方向に直線移動するようになる。
また、前記Ｚ軸モーター１６４と前記Ｚ軸ボールスクリュー１６５との間には、前記Ｚ軸モーター１６４の動力が前記Ｚ軸ボールスクリュー１６５に伝達されることを調節できるクラッチが具備されてもよい。
また、図示していないが、前記Ｚ軸ラム１３０の内部には前記主軸１３１を回転させるためのモーターが具備されてもよい。
前記Ｘ軸ラム１４０は、前記ベース１１０の第２側面１１２にＸ軸方向に直線移動できるように取り付けられ、前記主軸１３１に向かう先端に加工物を取り付けられるテーブル１５０が具備される。
また、前記テーブル１５０は前記Ｚ軸ラム１3０の先端でＺ軸と並んだａ軸を中心に回転できるテーブル本体１５１と前記のテーブル本体１５１上で前記のａ軸と垂直のｂ軸を中心に回転でき、加工物を取り付けられるテーブル面１５２を含めて構成される。
すなわち、本発明のマシニングセンター１００は前記Ｚ軸ラム１３０がＹ軸及びＺ軸方向に直線移動でき、前記Ｘ軸ラム１４０がＸ軸方向に移動することができ、前記テーブル１５０が加工物をａ軸及びｂ軸を中心に回転できるので５軸加工が可能である。
また、図４に示したように、前記テーブル１５０の下方には他の構造物が存在しない。
すなわち、前記テーブル１５０に据え置かれた加工物を加工する際に発生するチップが、垂直下方ｆに自由落下して地面に落ちることができるので、チップの回収を容易に行える。
また、図３に示したように、前記テーブル面１５２は下端が前記テーブル本体１５１の回転軸であるａ軸に近接して位置する。
これは前記テーブル面１５２の上端とａ軸との距離であるオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）距離ｄを最小化できることを意味し、加工物の位置がａ軸に近くなり動的挙動性能を増大させることできる。
また、前記ベース１１０の第２側面１１２にはＸ軸方向に取り付けられ、前記Ｘ軸ラム１４０と連結され、前記Ｘ軸ラム１４０がＸ軸方向に直線移動できるようにするＸ軸ガイダ１７０が具備される。
また、前記Ｘ軸ガイダ１７０はＬＭガイドであってもよい。
また、前記ベース１１０の側面には、Ｘ軸モーター１７１が備えられ、前記Ｘ軸モーター１７１の回転軸と前記Ｘ軸ラム１４０はＸ軸ボールスクリュー（図示せず）を介して連結される。
すなわち、前記Ｘ軸ボールスクリューの一側は前記Ｘ軸モーター１７１の回転軸に連結され、他側は前記Ｘ軸ラム１４０とねじ結合し、回転するとき、前記Ｘ軸ラム１４０がＸ軸方向に直線移動するようにする。
ここで、前記Ｘ軸ボールスクリューが別途のサドルを利用せず、前記Ｘ軸ラム１４０に直接締結される理由は、Ｘ軸とａ軸間の距離を最小化し、動的挙動性能を増大させるためである。
また、前記Ｘ軸モーター１７１の回転軸と前記Ｘ軸ボールスクリューとの間には、動力伝達を調節するためのクラッチが具備されてもよい。
したがって、本発明の一実施例によるマシニングセンター１００は、従来のマシニングセンター１０と比較して一つのベース１１０がベッド１１とコラム１２の機能を兼ねるため、装置の構造を簡素化でき嵩を減らすことができる長所がある。
また、本発明の一実施例によるマシニングセンター１００によると、前記Ｚ軸ラム１３０と前記Ｘ軸ラム１４０が前記ベース１１０に一緒に連結されているので、ある一つのラムから発生する振動や（熱）変位が他のラムに素早く伝達されてラム間の相対的位置及び変位、温度の差が最小化されて加工精度を非常に向上し得る長所がある。
また、図示していないが本発明の一実施例によるマシニングセンター１００は前記第１、２、３、４、５側面１１１、１１２、１１３、１１４、１１５の内面にリブがさらに具備されてもよく、前記リブは前記Ｚ軸ラム１３０と前記Ｘ軸ラム１4０が駆動されるとき、荷重を支持して前記ベース１１０の歪を防止する。
また、前記リブは前記のベース１１０の各側面にすべて具備されてもよく、選択的に特定の面にのみ具備されてもよい。
また、前記リブはＸ字の形状を有してもよいが、これは前記ラム１３０、１４０が直線移動するとき、どの方向に直線移動しても荷重を支えることができる形態であり、前記リブから発生する力がＸ軸、Ｙ軸またはＺ軸に集中できるようにして動的性能を向上することができる。
また、図示していないが、本発明の一実施例によるマシニングセンター１００は前記ベース１１０の上端に具備され、前記主軸１３１に取り付けられる工具を据え置く工具マガジン（ｍａｇａｚｉｎｅ）がさらに具備されてもよい。
また、前記工具マガジンは円形に具備され、Ｚ軸と並んだＣ軸を中心に回転でき、外周に放射状に工具を据え置く。
また、前記工具マガジンはＣ軸を中心に回転し、特定の工具を所望の工具交換位置に位置させた後、前記主軸１３１に工具を取り付けるか、取り付けられた工具を取り替えることができるようにする。
上述したように、本発明は構造を単純化して製作コストを節減でき、小型化可能な５軸加工用マシニングセンターを提供することにある。
そして本発明は、前述の実施例及び添付された図面により限定されず、本発明の技術的事象を逸脱しない範囲内において、様々な置き換え、変形及び均等な他の実施例への変更が可能であることは、本発明の属する技術分野にて通常の知識を有する者にとって明確であるだろう。

Claims (1)

  1. ５軸加工用マシニングセンターにおいて、
    主軸が移動できるカラム（ｃｏｌｕｍｎ）機能とベッド（ｂｅｄ）機能を兼ねるように第１側面、第２側面、第３側面、第４側面、及び第５側面の５角柱の形状を形成し、地面にＹ軸方向に立てられるベースと、
    前記ベースの第１側面に取り付けられてＹ軸方向に移動できるサドル（ｓａｄｄｌｅ）と、
    前記サドルにＺ軸方向に移動できるように結合され、先端には工具を取り付けられ、取り付けられた工具を回転させる主軸を有するＺ軸ラム（ｒａｍ）と、
    前記ベースの第１側面と直交する第２側面にＸ軸方向に移動できるように取り付けられ、前記主軸に向かう先端に加工物を取り付けられるテーブルを有するＸ軸ラム（ｒａｍ）と、を含んで形成され、
    前記ベースは上部から見たとき、第３側面を通る水平線ｈとＸ軸及びＹ軸が合う点を連結したとき、三角形ｔをなすように形成され、前記テーブルはＸ軸と並んだａ軸を中心に回転できるテーブル本体と、前記テーブル本体上においてａ軸と垂直のｂ軸を中心に回転でき加工物が取り付けられるテーブル面で構成され、前記テーブルの下方には他の構造物を形成しないようにすることによって加工物を加工するときに発生するチップ（ｃｈｉｐ）が地面に自由落下するようにすることを特徴とする５軸加工用マシニングセンター。
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