JP2022108943A

JP2022108943A - 極座標駆動装置

Info

Publication number: JP2022108943A
Application number: JP2021004193A
Authority: JP
Inventors: 河島壯介; Sosuke Kawashima; 高橋良貴; Yoshiki Takahashi
Original assignee: Coo Space Co Ltd
Current assignee: Coo Space Co Ltd
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2022-07-27

Abstract

【課題】高い真円度保証を要する加工（または測定）を行うための生産装置であって、異種ワークの混載や生産数量の変動に容易に対応可能な生産手段を提供する。【解決手段】マシニングセンタのテーブル面に、ＸＹ移動が自由でＺ軸廻りの回転を拘束した直交ステージ１と、同じくテーブル面に、Ｚ軸廻りに回転するθ軸と、θ軸上に設ける法線方向の距離を決めるＲ軸により構成された極座標駆動機構、を設け、Ｒ軸可動部と直交ステージを回転自在に接続した。これにより直交ステージは、Ｒ軸が決める偏心量を公転半径とする歳差運動をθ軸の駆動によって行う。【選択図】図１

Description

本発明は、直交ステージを極座標で駆動する、極座標駆動装置に関する。

従来、高精度な真円加工を要する量産加工品はNC自動旋盤が使用されている。これは棒材の順送りによって、加工と棒材からの完成品の切り離しを自動的に行うので、早いサイクルタイムが得られる。一方、棒材の送り機構の為に長いスペースが必要なこと、セット換えに手間がかかる問題があった。

よって少量生産の場合は、ワークを１個毎チャックへ着脱するNC旋盤が用いられていたが、NC自動旋盤に比べて生産性は大幅に低いものであった。
一方、ワークをパレット上に多数固定して加工するマシニングセンタは、数量変動に対応しやすい。

しかしながら、高精度の円弧や円加工を含むワークの場合、マシニングセンタの加工は真円度がＸＹ軸の補間精度に依存するために精度保障が困難であることより、当該部のみＮＣ旋盤加工としていた。これにより、加工コスト、必要人員、設備費が皆増加する問題があった。
よって本発明の目的は、高い真円度保証を要する加工（または測定）を行うための生産装置であって、異種ワークの混載や生産数量の変動に容易に対応可能な生産手段を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、少なくともＸＹの２自由度を有し、Ｚ軸廻りの回転自由度を有しない直交ステージ１の駆動手段として、少なくともＲθの２自由度を有する極座標極座標位置決め機構を、Ｚ軸廻りに回転自在に結合したことを特徴とする極座標駆動装置を提供することにある。
換言すれば、ＸＹ平面上を自在に移動でき、かつ前記ＸＹ平面と直交するＺ軸廻りの回転を拘束した直交ステージと、前記ＸＹ平面と並行な回転面を有するθ軸、及び前記θ軸の回転中心からの法線方向の距離を決めるＲ軸により構成された極座標位置決め機構とを、Ｚ軸廻りの回転自在に接続したことを特徴とする極座標駆動装置を提供することにある。

この構成により直交ステージ１は、傾斜運動を伴わない歳差運動を行い、その公転速度はθ軸速度のみで決定され、公転半径はＲ軸位置のみで決定され、さらに公転軌跡精度はθ軸案内機構の案内精度のみで決定されることにより、再現性の確認、ひいては加工精度の保証が容易となる。

例えば、高い真円度保証が必要な部位を含むために加工をマシニングセンタとＮＣ旋盤に分けていた場合でも、マシニングセンタのテーブル面に本極座標駆動装置を設置して複合加工機とすることにより、１台で自動加工できる。即ち、高い真円度保証が必要な部位の基準位置への移動や、その他の加工送りや位置決めをマシニングセンタのＸＹ軸の駆動で行い、真円加工を本発明の極座標駆動装置の駆動で行うことができる。

極座標駆動装置の実施例１の説明図である。図１のＲ軸とθ軸の要部と、工具に対するワーク位置の説明図である。極座標駆動装置の実施例２の説明図である。極座標駆動装置の実施例３の説明図である。極座標駆動装置の実施例４の説明図である。パレットに配置したワークと加工工具の説明図である。

本発明の代表例を以下の実施例と図面によって説明する。

図１は極座標駆動装置の実施例１の説明図、図２は図１のＲ軸とθ軸の要部と、工具に対するワーク位置の説明図である。図２の右図（ｂ）は、（ａ）の小径軸受４０の外輪を１８０°回転させた図である。
図２は、同心状に配置した、θ軸案内である大径軸受１０と、Ｒ軸出力端である小径軸受４０、及びその間を埋める大径偏心軸２０と、小径偏心軸３０の構成を示している。大径軸受１０の軸心をａ、小径軸受４０の軸心をｂ、大径偏心軸２０と小径偏心軸３０とが勘合する摺接面を２５ａ、２５ａの軸心をｃで示している。

大径軸受１０と小径軸受４０はそれぞれ、差幅調整により内部隙間を殺した背面組合せ予圧軸受として２個１組で構成している。
大径偏心軸は、その外径に対し内径摺動面をΔＹだけ偏心させ、小径偏心軸は、その内径に対し外径摺動面をΔＹだけ偏心させている。

図（ａ）は、大径偏心軸２０と小径偏心軸３０の偏心方向が逆位相の場合で、結果的に大径軸受１０と小径軸受４０は同心である。図（ｂ）は、偏心方向が同位相の場合で、結果的に大径軸受１０の軸心に対する小径軸受４０の軸心の偏心量はΔＹの２倍である。

大径偏心軸２０の外径面は大径軸受１０の内輪に勘合固定され、小径偏心軸３０の内径面は小径軸受４０の外輪に勘合固定されている。また、大径偏心軸２０と小径偏心軸３０との摺接面２５ａは滑り軸受を構成し、さらに摩擦上限を抑えるべくＶ溝内の多数の球体２５ｂによる転がり案内も併用している。

この様に構成された要部の、大径軸受１０の外輪はベース９に設置され、マシニングセンタのテーブル面９１に締結されている。大径偏心軸２０は下方に伸延され、θ軸モータ２３のロータに結合され、θ軸モータ２３のステータは、チャンネル材８によってベース９と結合している。

また大径偏心軸２０は、ウォーム歯車２１の軸２２を回転自在に支持していて、軸２２はＲ軸モータ（図中不記）に結合されている。ウォーム歯車２１とかみ合うウォームホイール２４は小径偏心軸３０に締結されている。小径偏心軸３０の位相は図中不記の角度検出手段によって検出され、図２の（ａ）から（ｂ）の間の任意の位置にＲ軸モータによって、大径軸受１０の軸中心に対する小径軸受４０の軸中心の偏心量を可変する様に制御されている。また、連結ピン４１の下端は小径軸受４０の内輪に勘合されて回転自在に支持され、上端は締結具４２で直交ステージ１に固定されている。

換言すれば、大径軸受１０とθ軸モータ２３により構成されたθ軸の回転部分に、大径偏心軸２０とその内部の部品で構成されたＲ軸が搭載されている。
さらに直交ステージ１は、直交ガイド２，３を介してベース９と締結されている。なお、９０、９２はマシニングセンタのＹ軸ベースとＹ軸直動案内である。
また被加工物であるワーク４は図中不記の固定具で直交ステージ１に固定され、加工工具５は直交ステージ１の上部からワークにアクセスする。

次に本実施例のワーク４の内径面を加工工具５で加工する際の作用を説明する。図では、ワークを転がり軸受の外輪とし、その軌道面を高い真円度で加工することを想定している。
最初に、Ｒ軸モータ（図中不記）でウォームホイール２４を駆動して軸受配置を図２（ａ）とした後、マシニングセンタのＸＹ軸によってスピンドル（図中不記）のセンタにワーク４の中心を合わせ、マシニングセンタのＺ軸（図中不記）を下降させて加工工具５を加工する高さに合わせる。

スピンドルを起動後、θ軸モータ２３を起動して大径軸受１０の内輪を回転させた後、２図（ａ）の状態から（ｂ）の状態へ近づけるべく、Ｒ軸モータにより小径偏心軸３０を回転させる。すると直交ステージ１及びワーク４は左方へ移動すると同時に、Ｒ軸が決める偏心量を公転半径とする歳差運動を始め、加工工具との干渉が生じ始め、干渉部分はスピンドルによる加工工具５の回転によって切除される。

切除代が所定量ΔＲに達したらＲ軸を停止することによって公転半径が固定され、θ軸案内である大径軸受の回転精度に倣った真円度の切除加工が完了する。その後Ｒ軸を逆転させて図２（ａ）の状態に戻した後、マシニングセンタのＺ軸を上昇させて加工工具５をワークから退避させて加工が完了する。
本加工は加工送りにマシニングセンタのＸＹ軸を使用せず、切込み動作をＲ軸のみが行い、送り動作をθ軸にみが行うもので、マシニングセンタの機能を残したまま、旋盤に匹敵する高精度な真円度加工を実現する。

図３、極座標駆動装置の実施例２の説明図、実施例１との相違点を説明する。
本例のＲ軸２６はθ軸モータ２３の上部に据え付けられている。Ｒ軸の可動部であるスライダーには、連結ピン４１の下端が締結具４２によって固定されている。連結ピン４１の上端は軸受４０によって回転自在に直交ステージに固定されている。
Ｒ軸スライダーの動作領域の一端は、連結ピン４１の中心が概ねθ軸の回転中心と一致する位置に設置され、他端は連結ピン４１の中心とθ軸の回転中心との距離がΔＸとなるように設定されている。

本実施例の作用は実施例１と同様、歳差運動の公転半径をＲ軸スライダー位置で決め、θ軸モータ２３で歳差運動を駆動する。実施例１と異なり、θ軸の案内である軸受がモータに内蔵されていてＲ軸の軸方向と干渉しないので、Ｒ軸のストロークを長くし易く外径面の加工や測定に好適である。
内径面の加工における歳差運動の公転半径は、ワークの加工部半径から工具半径を減じた値であるが、
外径面の加工における歳差運動の公転半径は、ワークの加工部半径と工具半径の和になるので、大きな公転半径が必要になることによる。

図４、極座標駆動装置の実施例３の説明図、実施例１との相違点は、Ｒ軸駆動機構に実施例１はウォーム＆ホイールを使用したのに対し、本例では平歯車３５，３６を使用している。Ｒ軸は高真円度加工における切込み動作を担っているので、停止時に動かないことが最も重要である。またθ軸は高真円度加工における送り動作を担っているので、高速動作は不要である。これより、Ｒ軸とθ軸のモータを超音波モータとした例である。

図５、極座標駆動装置の実施例４の説明図、実施例３をさらに小型化するため、偏心軸に超音波モータ２８を組み込み、Ｒ軸としたものである。具体的には、実開２－１３６４８７に開示されている超音波リニアモータを大径偏心軸２０に設けた空間に組込み、ボールプランジャ２９で小径偏心軸３０の摺接面２５aに押圧固定し、２個のピエゾ素子２８ａが励起する脚部の楕円振動によって、小径偏心軸３０の摺接表面を周方向に駆動する構成としている。本発明の精度を決める工程がＲ軸非駆動時であることより、超音波モータの、非駆動時に摩擦によるブレーキ力を有する特徴は好適である。

なお超音波モータはこの形態に限らず、ピエゾ素子や磁歪素子などの伸び縮みを直接利用したインチワーム方法（マイクロメカトロニクス誌、日本時計学会 Vol.62. No.218）などでもよい。一般的な生産装置において、工具や測定子などのエンドエフェクタをワークに接近させる工程は非常に低速であり、むしろ高速移動が不可能な本機構は付加価値となる。

以上、実施例によって説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば極座標駆動機構として、油圧を利用してもよいし、手動によるねじ調整でも可能である。回転部と直動部の案内は、空気や油の静圧案内や磁力の利用も可能である。
また図６に示す様にワークを多数セットしたパレットを本装置に搭載し、マシニングセンタに設置することにより、高い真円度工程を含んだワーク加工を、数量変動に対応容易な形態での生産が実現する。

高精度な真円度形成を行う生産装置の駆動装置として広く適用できる。具体的には、機械加工用途ではマシニングセンタへ本発明の駆動装置を付加することにより旋盤と同等の機能を追加する。レーザーによる薄板加工機においては円弧切断部位の高速化を可能にし、さらにＭＥＭＳ機器の製作では電子線やレーザーの直接描画に好適である。また３次元測定機の測定物設置台に本発明の駆動装置を付加することにより、真円度計が付加できる。

１直交ステージ
２，３直交ガイド
１０大径軸受（θ軸案内）
４０小径軸受（Ｒ軸出力端）

Claims

ＸＹ平面上を自在に移動でき、かつ前記ＸＹ平面と直交するＺ軸廻りの回転を拘束した直交ステージと、前記ＸＹ平面と並行な回転面を有するθ軸、及び前記θ軸の回転中心からの法線方向の距離を決めるＲ軸により構成された極座標位置決め機構とを、Ｚ軸廻りの回転自在に接続したことを特徴とする極座標駆動装置。
Ｒ軸の駆動を圧電素子による接触圧による駆動としてことを特徴とする極座標駆動装置。