JP3090255B2 - マシニングセンタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、主軸を支持する
コラムと、被加工物を設定するテーブルを有し、主軸と
テーブルの相対位置を第１〜第６アクチュエータを用い
て制御する構成のマシニングセンタに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のマシニングセンタの主軸とテーブ
ルは、いわゆるシリアルメカニズムを用いて相対移動す
る構成になっていた。すなわち、主軸やテーブルをＸ、
Ｙ、Ｚ軸に移動し、また直交する２軸の回りに回転させ
ることにより、位置決め動作を行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者逹は、シリア
ル方式とは全く異なるパラレルメカニズムを利用して工
作機械を構成することを試みた。

【０００４】本発明は、コンパクトで自由度が大きく、
汎用性のあるパラレル型のマシニングセンタを提供する
ことを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願第１発明は、主軸を
支持するコラムと、被加工物を設定するテーブルを備
え、主軸とテーブルの相対位置を第１〜第６アクチュエ
ータを用いて制御する構成のマシニングセンタにおい
て、コラム（１２、１１２）に支持アーム（１４、１１
４）を設け、リニア型の第６アクチュエータ（３６、１
３６）によって支持アーム（１４、１１４）をコラム
（１２、１１２）に沿って第６軸方向に移動できるよう
にし、支持アーム（１４、１１４）に、ユニバーサルジ
ョイント（１８〜２０、１１８〜１２０）を介してリニ
ア型の第１〜第３アクチュエータ（３１〜３３、１３１
〜１３３）を取り付け、それらの出力部に主軸ヘッド
（２８）を設けてパラレルメカニズムを構成し、主軸ヘ
ッド（２８、１２８）にモータ組込み型の主軸（１６、
１１６）を配置し、回転型の第４・第５アクチュエータ
（３４・３５、１３４・１３５）によって主軸（１６、
１１６）の向きを主軸ヘッド内で第４・第５軸の回りに
回転できるようにし、第１〜第６アクチュエータ（３１
〜３６、１３１〜１３６）を制御するためのサーボコン
トローラ（４１〜４６）を設け、パラレルメカニズムの
原理を利用して主軸（１６，１１６）の位置・姿勢を制
御する構成にしたことを特徴とするマシニングセンタを
要旨としている。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明のマシニングセンタは、主
軸を支持するコラムと、被加工物を設定するテーブルを
備え、主軸とテーブルの相対位置を第１〜第６アクチュ
エータを用いて制御する構成のマシニングセンタにおい
て、コラムに支持アームを設け、リニア型の第６アクチ
ュエータによって支持アームをコラムに沿って第６軸方
向に移動できるようにし、支持アームに、ユニバーサル
ジョイントを介してリニア型の第１〜第３アクチュエー
タを取り付け、それらの出力部に主軸ヘッドを設けてパ
ラレルメカニズムを構成し、主軸ヘッドにモータ組込み
型の主軸を配置し、回転型の第４・第５アクチュエータ
によって主軸の向きを主軸ヘッド内で第４・第５軸の回
りに回転できるようにし、第１〜第６アクチュエータを
制御するためのサーボコントローラを設け、パラレルメ
カニズムの原理を利用して主軸の位置・姿勢を制御する
構成にしたことを特徴とする。

【０００７】パラレルメカニズムの原理を利用する点か
ら、本発明のマシニングセンタは、パラレル型マシニン
グセンタと呼ぶことができる。

【０００８】サーボコントローラに計算部を接続し、計
算部が主軸の目標軌道（目標位置・姿勢）を各アクチュ
エータの目標軌道に分解するための逆運動学計算を行う
構成にすることができる。

【０００９】すなわち、計算部では、逆運動学計算によ
って、主軸の目標軌道（目標位置・姿勢）を各アクチュ
エータの目標軌道（変位）に分解する。そして、得られ
たアクチュエータの目標軌道を各アクチュエータのサー
ボコントローラに目標値として送る。これにより各アク
チュエータは、それぞれのサーボ系で目標軌道に追従す
るように制御される。

【００１０】このような制御は、いわゆるセミクローズ
ドループ制御である。主軸の位置・姿勢は直接フィード
バックされないが、パラレルメカニズムでは各アクチュ
エータの運動誤差が累積しないため、大きな位置決め誤
差は生じない。

【００１１】マシニングセンタが自動工具交換マガジン
を有し、第１〜第６アクチュエータの少なくとも一部の
動作を利用して、主軸と自動工具交換マガジンとの間
で、自動工具交換を行う構成にすることができる。勿
論、自動工具交換アームを設けて、アームを利用してＡ
ＴＣを行うこともできる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１〜図３は、本発明によるマシニングセンタを
示す正面図、側面図、上面図である。

【００１３】マシニングセンタ１０は、ベース１１と、
ベース上に設定されたテーブル１３とコラム１２を有し
ている。

【００１４】コラム１２には、支持アーム１４が上下移
動可能に設けられている。支持アーム１４は、リニアタ
イプの第６アクチュエータ３６によって移動する。図２
では、第６アクチュエータ３６の動作方向が矢印Ｄ６で
示されている。

【００１５】第６アクチュエータ３６は、例えば送りネ
ジとナットを利用して構成できる。好適にはボールネジ
が用いられる。

【００１６】支持アーム材１４は、上から見ると屈曲し
たＣ字形の腕である。両腕の先端及び腕の股部には、リ
ニアタイプの第１〜第３アクチュエータ３１〜３３がユ
ニバーサルジョイント１８を介して支持されている。

【００１７】第１アクチュエータ１８とユニバーサルジ
ョイント１８の様子が図４〜図６に示されている。ユニ
バーサルジョイント１８は回転軸５２と５３を有してい
る。第１アクチュエータは、図５及び図６の矢印で示す
ように、回転軸５２と５３の回りに回転可能である。

【００１８】第１アクチュエータは、伸縮自在な外筒５
６と内筒５７、互いに係合する送りネジ５４とナット５
５、送りネジ５４を駆動するサーボモータから形成され
ている。ナット５５と内筒５７は固定されており、内筒
先端が出力部となる。サーボモータを駆動することによ
って、内筒は第１軸方向Ｄ１に移動する。

【００１９】第２及び第３アクチュエータ３２，３３
も、第１アクチュエータ３１と同様の構成になってい
る。

【００２０】第１〜第３アクチュエータ３１〜３３の出
力部は一体的に支持され、そこに主軸ヘッド２８が設け
られており、いわゆるパラレルメカニズムが形成されて
いる。

【００２１】主軸ヘッド２８は、モータ組込み型の主軸
１６、主軸ステージ１５、ロータリータイプの第４・第
５アクチュエータ３４、３５から構成されている。

【００２２】主軸ステージ１５は断面コの字形であり、
その後部には第４アクチュエータ３４が接続されてい
る。第１〜第３アクチュエータ３１〜３３の出力端は、
主軸ステージ１５の後部に固定されている。

【００２３】第４アクチュエータ３４は、長尺のガイド
バー２１を有する。ガイドバー２１は、第１〜第３アク
チュエータ３１〜３３の間に位置している。図１〜図３
に示すニュートラル状態では、第４軸は鉛直方向を向い
ている。

【００２４】ガイドバー２１の長手方向には案内溝５８
が形成され、案内溝５８には案内ピン５９が係合してい
る。ピン５９はガイドバー案内部材２９に支持されてい
る。ガイドバー案内部材２９も、支持アーム１４に対し
て自在継手式で支持されている。それゆえ、ガイドバー
２９は、第１〜第３アクチュエータの動作に合わせて、
上下移動しながら回転移動を行うことができる。

【００２５】ガイドバー２９の上部には、サーボモータ
が配置されている。このサーボモータの出力軸は、ガイ
ドバー２９を貫通して主軸ステージ１５に接続されてい
る。サーボモータを駆動すると、主軸ステージ１５が図
１の矢印Ｂのように、第４軸回りに回転する。

【００２６】主軸ステージ１５には、ロータリータイプ
の第５アクチュエータが配置されている。第５アクチュ
エータはサーボモータを有し、その出力軸が主軸１６の
側部に接続されている。このサーボモータを駆動する
と、主軸１６は図１の矢印Ａのように第５軸回りに回転
して向きを変える。

【００２７】この実施例では、第４軸と第５軸は主軸ヘ
ッド内で直交している。

【００２８】主軸１６は、前述のようにモータ組込みタ
イプであり、工具Ｔを回転させるための駆動モータを備
えている。工具Ｔ（ツールホルダ）は、通常のやり方で
主軸１６に着脱自在に取付けることができる。

【００２９】第１〜第３アクチュエータ３１〜３３の動
作方向Ｄ１〜Ｄ３、及び第４〜第５アクチュエータ３４
〜３５の回転軸の方向は、第１〜第５アクチュエータ自
体の動作に応じて変化する。一方、第６アクチュエータ
３６の動作方向Ｄ６は、常に上下方向である。

【００３０】図７に示すように、第１〜第６アクチュエ
ータ３１〜３６はサーボコントローラ４１〜４６を備え
ている。

【００３１】サーボコントローラ４１〜４６には、計算
部５０が接続されている。計算部５０では、逆運動学計
算によって、主軸の目標軌道（目標位置・姿勢）から各
アクチュエータの目標軌道（変位）を求める。

【００３２】各サーボコントローラ４１〜４６は、計算
部５０から送られた目標軌道に基づいて各アクチュエー
タ４１〜４６を制御する。

【００３３】このような制御は、いわゆるセミクローズ
ドループ制御である。主軸の位置・姿勢は直接フィード
バックされないが、パラレルメカニズムでは各アクチュ
エータの運動誤差が累積しないため、大きな位置決め誤
差は生じない。

【００３４】テーブル１１の側方には、ＡＴＣマガジン
５１が配置されている。ＡＴＣマガジン５１は、多数の
工具（ツールホルダ）をインデックス可能に収容するこ
とができる。

【００３５】ＡＴＣマガジン５１の側方には、必要に応
じて自動交換アームが配置されるが、図面には示されて
いない。

【００３６】自動交換アームを用いて、ＡＴＣマガジン
５１と主軸１６との間で、工具を交換することができ
る。主軸１６の位置・姿勢を制御するパラレルメカニズ
ムの自由度を大きくした場合には、主軸１６の移動で直
接工具交換を行うことも可能である。

【００３７】次に図８〜図１０を参照して、本実施例の
マシニングセンタを用いた加工例を簡単に説明する。

【００３８】図８は、主軸１６がテーブル面と垂直な方
向に移動する加工例を示している。テーブル１３には、
治具４７で被加工物Ｗが固定されている。この状態で、
第６アクチュエータを下方に駆動することにより、ワー
クＷにテーブル面と垂直方向に穴を形成できる。

【００３９】図９は、第５アクチュエータによって、主
軸１６を９０度回転した状態で行う加工例を示してい
る。この場合の計算部５０に入力する目標軌道は、水平
軌道である。計算結果に基いてサーボコントローラ４１
〜４６から指令が送られ、第１〜第６アクチュエータ３
１〜３６が適宜作動して、テーブル面と水平方向の穴が
加工される。

【００４０】図１０は、５軸加工の例を示している。こ
の場合の目標軌道は、所定の曲面を走査するような軌道
である。計算部５０で行った逆運動学計算の結果に基い
てサーボコントローラ４１〜４６から指令が送られ、第
１〜第６アクチュエータ３１〜３６が適宜作動して、所
定の曲面加工が行われる。

【００４１】次に、図１１と図１２を参照して本発明の
他の実施例を説明する。

【００４２】この実施例では、支持アーム１１４の向き
が前述の実施例と異なっている。すなわち、本実施例の
支持アーム１１４は、ニュートラル位置で第４アクチュ
エータが水平になるように配置されている。

【００４３】他方、支持アーム自体の向きを自由に設定
できるような構成にすることも可能である。

【００４４】また、図１１と図１２の実施例では、ベー
ス１１１にリニアタイプの第７アクチュエータが設けら
れており、コラム（又はテーブル、又はＡＴＣマガジ
ン）を第７軸方向に移動できる構成になっている。

【００４５】

【発明の効果】本発明のマシニングセンタによれば、各
アクチュエータの運動誤差が累積しないというパラレル
メカニズムの長所を生かし、コンパクトで自由度が大き
く、汎用性のある高精度のマシニングセンタを提供でき
る。

【００４６】なお、本発明は前述の実施例に限定されな
い。例えば、ＡＴＣマガジンに収容する工具の向きは、
上下方向でなく横向きにすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のマシニングセンタを示す正面
図。

【図２】図１のマシニングセンタの側面図。

【図３】図１のマシニングセンタの上面図。

【図４】図１の第１アクチュエータとユニバーサルジョ
イントを示す断面図。

【図５】図４の縦方向断面図。

【図６】図４の側面図。

【図７】図１の第１〜第６アクチュエータの制御系を示
す図。

【図８】図１のマシニングセンタを用いた加工例を示す
図。

【図９】別の加工例を示す図。

【図１０】さらに別の加工例を示す図。

【図１１】本発明のマシニングセンタの別の実施例を示
す正面図。

【図１２】図１１のマシニングセンタの側面図。

【符号の説明】

１１、１１１ ベース １２、１１２ コラム １３、１１３ テーブル １４、１１４ 支持アーム １５、１１５ 主軸ステージ １６、１１６ 主軸 １８〜２０、１１８〜１２０ ユニバーサルジョイント ３１〜３６、１３１〜１３６ アクチュエータ ４１〜４６ サーボコントローラ ５０ 計算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北村 耕筰 富山県高岡市戸出光明寺1870番地 キタ ムラ機械株式会社内 (72)発明者 山田 滋 富山県高岡市戸出光明寺1870番地 キタ ムラ機械株式会社内 (72)発明者 斉藤 隆志 富山県高岡市戸出光明寺1870番地 キタ ムラ機械株式会社内 (56)参考文献 特開 平９−136286（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−150333（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−190667（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−500337（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 1/00 - 1/76 B23Q 3/155,3/157 B23Q 15/00 - 15/28

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸を支持するコラムと、被加工物を設
   定するテーブルを備え、主軸とテーブルの相対位置を第
   １〜第６アクチュエータを用いて制御する構成のマシニ
   ングセンタにおいて、 コラム（１２、１１２）に支持アーム（１４、１１４）
   を設け、リニア型の第６アクチュエータ（３６、１３
   ６）によって支持アーム（１４、１１４）をコラム（１
   ２、１１２）に沿って第６軸方向に移動できるように
   し、 支持アーム（１４、１１４）に、ユニバーサルジョイン
   ト（１８〜２０、１１８〜１２０）を介してリニア型の
   第１〜第３アクチュエータ（３１〜３３、１３１〜１３
   ３）を取り付け、それらの出力部に主軸ヘッド（２８）
   を設けてパラレルメカニズムを構成し、 主軸ヘッド（２８、１２８）にモータ組込み型の主軸
   （１６、１１６）を配置し、回転型の第４・第５アクチ
   ュエータ（３４・３５、１３４・１３５）によって主軸
   （１６、１１６）の向きを主軸ヘッド内で第４・第５軸
   の回りに回転できるようにし、 第１〜第６アクチュエータ（３１〜３６、１３１〜１３
   ６）を制御するためのサーボコントローラ（４１〜４
   ６）を設け、パラレルメカニズムの原理を利用して主軸
   （１６，１１６）の位置・姿勢を制御する構成にしたこ
   とを特徴とするマシニングセンタ。
2. 【請求項２】 サーボコントローラ（４１〜４６）に計
   算部（５０）を接続し、計算部（５０）が主軸の目標軌
   道（目標位置・姿勢）を各アクチュエータの目標軌道に
   分解するための逆運動学計算を行う構成になっているこ
   とを特徴とする請求項１に記載のマシニングセンタ。
3. 【請求項３】 マシニングセンタが自動工具交換マガジ
   ン（５１、１５１）を有し、第１〜第６アクチュエータ
   （３１〜３６、１３１〜１３６）の少なくとも一部の動
   作を利用して、主軸（１６、１１６）と自動工具交換マ
   ガジン（５１、１５１）との間で、自動工具交換を行う
   構成にしたことを特徴とする請求項１に記載のマシニン
   グセンタ。