JP5438109B2 - ビーム加工のための数値制御工具保持装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビーム加工のための数値制御工具保持装置に関する。

厚板状部材のビーム加工の要求に対して設計される装置があり、それは、ガントリ型ロボット機械の構成要素として理解されている。この装置により、ビーム生成工具の方向を部材と相対的に変更でき、上記板厚の範囲で普遍的なベベル（典型的には、長大で非常にフラットなベベル）が生成される。このベベルの生成は、衝突のリスクなしに、特に高精度をもってなされる。上記装置は、厚板状部材をビーム加工する際に発生する、周囲のストレス（即ち、多量の熱および多量のダスト生成）に耐えることができるように設計される。

産業ロボットまたはロボット機械において、工具を旋回させるための装置は、ロボット手首として参照されている。５軸フライス盤にて同様の装置が使用されており、そこでは旋回ヘッドと称呼される。

通常、ロボット手首は３軸動作で構成される。フライスと同様にカットについては、工具の回転対称性により２軸動作で十分となる。

ロボット手首は、長年に亘り、様々な運動と構造的設計で知られている（Hesse, St.ten Industrieroboterpraxis.「実用的産業用ロボット」 Vieweg-Verlag Braunschweig, Wiesbaden, 1998）, (Rosheim, M.E.ten Robot Wrist Actuator.「ロボット手首アクチュエータ」 John Wiley & Sons, New York, 1989）。概してこれらの手首は、特定の技術的機能のに向けた設計がなされておらず、種々の用途に適応できる普遍的な装置であるが、結果として、これらの手首は、技術工程の全ての特殊要求にはマッチしないおそれがある。

DE 10 2005 041 462には、カットのための手首が記載されている。この手首では、出力要素（即ち、切断トーチ）に円運動させるため、比較的高い剛性を維持しつつ、多くのギヤ要素が用いられる。この円運動にて描かれる円の中心点には、TCP（工具中心点、即ち、トーチ先端）が位置する。同時に、第２移動ユニットの垂直軸がこの点を通過する。このようにして、トーチがこの点を中心に制限なく回転可能となっている。多くの機械要素は、トーチ先端に近接しており、カット部材から短い距離のみをもって離間する。上記要素に作用する熱的ストレスを制限するには、手首には小容量のプラズマトーチおよび酸素燃焼ガストーチが使用されるにすぎず、このため、カット厚みを小さくせざるを得ない。トーチ近傍の手首の衝突領域はかなり広く（特に、搬送ベルトとして参照される構成要素による）、このため、ベベル角が４５度よりも大きいフラットベベルがカットできなくなっている。

DE9416957には、同等の手法（パラレルクランク機構に基づく）が記載されており、それは、医療技術におけるツールガイドおよび保持装置として使用される。上記円運動の中心点は、この手法における不変点として参照される。

US5286006には、２つのトーチを備えたベベルカット装置（関節式アーム機構による）が記載されており、少なくとも１つのトーチが、軌跡正接に沿った軸の周りで旋回する。加えて垂直方向にも移動可能となっており、これは、「屋根形」のカット端を生成するためである。旋回する機構設計のため、広い衝突領域が存在し、多くの機械要素が上記ＴＣＰに近接する（上述した手法と同様）ようになっている。

JP02229670には、ベベルカットの方法およびそれに関連する装置が記載されている。トーチを旋回させるため、トーチが曲線ガイド要素上で移動させられる。これにより、衝突領域が大幅に拡大し、完全にトーチに略１５０度を超える作動範囲をもたせることができない。ストレートなカット端（既にカットされた）に水平作用する距離センサにより、部材の位置が感知される。上記ＴＣＰおよびセンサは、カット方向において、それぞれ順番に配置される。このため、この手法は、ストレートな部材端でのベベルカット生成に適しているが、輪郭カットの生成には適さない。

US6201207には、他の同様な技術的手法が記載されている。２つの数値制御軸が、以下の様に配設されている。２つの平面パラレルクランク機構で、上記制御軸が連続的に配設されるため、トーチ先端に位置する定点の周りをトーチが旋回する。このため、トーチに至るケーブルやホースを慎重に扱うことができる。いずれにしても、この手法では、非常に多くの多関節ジョイントおよびギヤ要素が必要とされる。このため、バックラッシの悪影響および製造上の公差が増大するだけでなく、製品製造において複雑かつ高コストになる。全ての要素および多関節ジョイントは、当然ながら空間的にトーチ近接に配置されなければならず、これらは、一方では高い熱的ストレスに曝され、他方ではダストおよびスパッタに曝される。更に、カット部材への機構の近接により、衝突リスクが増大する。

関節式アームの産業ロボットを、過酷な環境下（ダスト、熱、湿気）での使用に適応させるため、標準的なロボットに更なる開発がなされてきた。例えば、末端部位（特にロボット手首）の修正による特殊設計が提供されている（KUKA-Roboter fur die Gieserei- und Schmiede-Industrie. 「ＫＵＫＡ−鋳造用ロボットおよび鋳造産業」出版：ＫＵＫＡロボット社 Hery-Park 3000, 86368 Gersthofen, 2005）。これにおいては、防塵および高圧耐水のシール、強化ハウジング、及び熱輻射を反射する耐熱コーティングが備えられている。切断トーチを上記ロボットに適応させ、高性能の酸素燃焼ガスカットに使用可能となる。これは、実際に幾つかの場面で実施されている。手首を保護しフラットなベベルカットをするため、手首からトーチ先端までの距離は、比較的長くなるように設計されなければならない。このため、ロボットの動作範囲が劇的に減少し、大きな作動範囲をもつロボットさえも、非常に小さな部位寸法のみに適することになる。手首の回転軸の交点からの、上記ＴＣＰまでの距離が比較的長いことにより、ロボットの位置決め精度が低下して、ロボットの参照間でＴＣＰの位置に公差が生じる。この公差は、許容できない大きさとなる場合がある。

DE69210201には、カット材を吸引するのと同時に工具を冷却する手法が記載されている。この冷却システムは２要素からなっている。密閉されたインナハウジング側には、装置要素（この場合、高速作動するスピンドル）を閉じられた冷却回路により冷却するために、オイル入口およびオイル出口が備えられている。有口分離壁には、一定の冷却を目的とするラビリンスが形成されている。第２の冷却回路により、上記スピンドルにより駆動される工具が空気で冷却される。この空気は、ハウジング内部の分配回路との接続を介し供給されるものであり、このハウジング外部の工具に均一分配されるようになっている。ハウジング内部では冷媒が膨張せず、冷却効果は、一方でオイル、他方で空気のそれぞれの熱容量のみに基づいている。

例示として挙げた上述の技術文献によれば、ビーム加工に適した手法の記述は見られない。特に、ガントリ型ロボット機械によるもので、ダストおよび熱に関して好適な条件にて、非常に肉厚な板を酸素燃焼ガスカットする手法はない。

このため、本発明の目的は、非常に肉厚な部材のビーム加工に要求される仕様を備えた、工具保持装置を提供することにある。ここにおいて、工具保持装置は、非常に肉厚な（＞１００ｍｍ）部材の酸素燃焼ガスカットにより発生する熱（即ち、カット工程の他方で、結果的に要素が加熱される）に耐えることができるように、設計および寸法決めされる。また、上記工具保持装置により、板状部材において衝突なく非常に大きいベベル角（＞６０度）を生成可能とし、工具保持装置に装着されるビーム加工具、及び工具保持装置そのものの両方とも、衝突のダメージから包括的かつ完全に保護することを目的とする。

適切な技術的手法により、ギヤバックラッシ（工具保持装置の駆動系にて発生する）が、工具の上記ＴＣＰでの位置決め精度に影響を及ぼさないようにすることも目的とする。

参照（即ち、工具保持装置の作動範囲のゼロ点の認識）は、マシン起動時に実行される。これは、工具の有効長（旋回軸と切り口下縁の間の距離）が非常に長い場合であっても、切り口下縁において高い位置決め精度を達成できるようにするためである。

本発明によれば、下記のように上述の目的が達成される。基本的な発明思想は、請求項１にて記載されている。更なる発明の発展形は、請求項２から請求項９にて記載されている。

下記の捕捉事項は、本発明の内容をより理解しやすくする上で必要となるものである。

本発明にかかる工具保持装置は、ビーム加工用のガントリ型ロボット機械に適用され、このビーム加工は、非常に肉厚な板状部材を機械加工する働きをもつものである。酸素燃焼ガストーチ（即ち、ビーム生成工具）は、原則的には部材の非常に近くに位置する。酸素燃焼ガストーチは、移動可能に構成される。これは、最も高い位置決め精度を維持した上で、ビーム加工技術の要求にマッチさせるためである。更に、上記トーチと、機械加工される部材または周辺機器との間で生じ得る衝突が、工具保持装置に深刻な影響を及ぼさないようになっている。

本工具保持装置は、以下の構成を有する。

回転装置は、クランク接続要素により旋回装置を支持する。この旋回装置は、その傍らで仮想旋回軸上に配設された工具支持要素により、トーチ（即ち、ビーム生成工具）を保持する。このトーチは、１８０度以上の角度で旋回可能である。上記旋回軸は、水平面に対して３０度以下の角度にて傾斜している。

上記旋回装置は、上記回転装置の底部側において存在する軸周りを、３６０度回転可能に設計される。この回転装置は、ガイド機械（例えば、ガントリロボット）の遠位端に配設される。

上記旋回装置は、完全駆動および測定システム、減速ギヤ（旋回ギヤ）、及び上記ギヤの入出力シャフトに配置されるスイッチフラグを含む。このスイッチフラグは、参照（即ち本工具保持装置のゼロ点認識）のためのスイッチ手段と有効に接触する。ここにおいて、上記測定システムは、この旋回ギヤを介して、ビーム生成工具を支持する要素の位置を増分的に操作および制御する。

定常トルクを生成する機械装置は、上記旋回装置のハウジング内部における旋回軸上であって、工具支持要素に向かって同ハウジングの出口手前に配設される。これは、旋回モータとビーム生成工具の間の駆動系における、多関節ジョイントのバックラッシを補償するためである。このトルクは、ビーム生成工具の工学的な力および慣性力に起因するものよりも大きくなるようになっている。

ビーム生成工具を支持する要素は、衝突保護装置として設計され、この保護機能は、スナグフィット接続により達成されるものである。この接続は、スプリングまたは永久磁石により繋ぎとめられるとともに、保持力を上回る外力が存在する場合には、開放されて機械を停止させる電気スイッチ要素を作動させるようになっている。

他の保護機構としては、上記旋回装置が、かご形状の保護装置により囲われることで保護が達成される。この保護装置は、全面を密閉された旋回装置のハウジング表面から、法線距離にて配設される。この「かご」が接触されると、スイッチピンを押下げている１つまたは幾つかのクローズフラグが移動し、遮断電源により緊急停止がなされる。

上記ビーム生成工具はクランク設計を採ることができるが、この他にストレート設計が好ましい。

上記旋回装置のハウジングは、好適には金属材料で構成される。この材料は、例えば酸素燃焼ガスカットにて、作業スペースで生成する強熱を反射し、スパッタをはじくものが好ましい。旋回装置は、ガス（特に空気）による適切な手法により冷却される。

以下、実施形態を参照しつつ、本発明を説明する。

図１：工具保持装置の全体斜視図である。
図２：工具保持装置のハウジングの断面図である。
図３：クランクトーチを用いたフラットベベル切削時における工具保持装置を示す図である。
詳細「Ｘ」：かご状保護装置の詳細である。

本工具保持装置は、ビーム加工（例えば、非常に厚肉な板状部材の酸素燃焼ガスカット）用に設計される。これに加え、とりわけ輪郭カット、ベベルカット（しばしば非常に大きいベベル角をもたせたもの）を行うことができる。

回転装置１は、デカルトガイド機械（例えばガントリ型ロボット）に直交するように配設され、その近位方向にてこの機械と接続されるようになっている。この回転装置１は、クランク接続要素５により、旋回装置２に添え付けられている。旋回装置２の旋回軸４は、水平面上に位置するか又は同水平面から微小角度をもって位置する。少なくとも、回転装置１の軸と略同軸的となるように、ビーム生成工具３は、トーチホルダ２１により旋回装置２の旋回軸４上に添え付けられている。ビーム生成工具３の軸１９は、正常位置では回転装置１の軸と平行となる。全ての機械要素および測定要素は、回転装置１の数値制御操作を必要とし、それらはハウジング８に組み込まれている。ここにおいて、旋回モータ１５は、増分測定システム１４を含んでおり、トーチホルダ２１およびトルクを生成する機械装置７に固定連結された旋回ギヤ１６を作動させる。この装置は、空気圧式回転翼モータとして設計されるか、又はトーションスプリングまたはヘリカルスプリングで作動するようになっている。機械装置７は、一方向に作用する略一定のトルクを、旋回装置２のフレームと旋回ギヤ１６の出力シャフトの間に生成するようになっている。また、このトルクは、ビーム生成工具３の操作で、トーチホルダ２１を介した旋回ギヤ１６の出力シャフトへの伝達により生じ得る、工学的な力よりも常に大きい。

起動時における旋回装置２の参照精度を向上させるために、スイッチフラグ１７が旋回ギヤ１６の入出力シャフトそれぞれに配設されている。このスイッチフラグは、スイッチ手段１８（例えば、機械的押しボタンまたは近接スイッチ）に従ってその都度作動する。両スイッチ手段１８は、遮断器として機能して（スイッチフラグ１７による作動時）電流が遮断されるようになっている。旋回装置２の参照位置を認識するために、これらは平行となるように接続されている。

ビーム加工（例えば酸素燃焼ガスカット）の際、不可避的に生成する多量のダストやスラグから保護するために、ハウジング８は完全密閉されている。その側表面および底部側は、熱輻射を反射し且つスラグのスパッタをはじく材料で構成されている。ハウジング８の上面には、ガス冷媒（好適には空気）の供給パイプ１３が配設されており、冷媒は高圧で噴射されてハウジング８の内部流路を通じて膨張し、ハウジング８の上面にて大気圧で流出するようになっている。冷媒においては、一方で熱容量、他方で膨張による温度低下により、ハウジング８とともに、このハウジング８内に配置されている全部品を冷却することができる。

ハウジング８自身は、ＴＣＰ６が旋回軸４の周りを旋回するときに描かれる円周表面からはみ出さないように形成される。クランク接続要素の実質的に水平な部位５ａは、旋回軸４からＴＣＰ６までの距離を超える距離で、旋回軸４から最小距離となるように構成されている。

旋回装置２を衝突から保護するために、トーチホルダ２１は衝突保護のための設計がなされている。一方では、ビーム生成工具３が衝突した場合、永久磁石またはスプリングでバイアスされたスナグフィット接続が開放されて、スイッチ要素が作動するようになっている。他方、上面およびトーチホルダ２１側の端面を除く、ハウジング８の全外表面は、かご形状保護装置９により包含されている。かご形状保護装置９のハウジング８からの間隙距離は、機械の緊急停止の場合の制動距離よりも大きくなっている。かご形状保護装置９は、ハウジング８の上面に、少なくとも１つの永久磁石１０で固定されている。このハウジングは、２つのスイッチピン１２を備え、これらはスプリングでバイアスされてハウジング８から突き出しており、更に電気スイッチ要素を作動させるようになっている。これらのスイッチピン１２は、２つのテーパ状クローズフラグ１１（かご形状保護装置９に配設されている）により、ハウジング８内に押し込まれることで、電気スイッチ要素をクローズするようになっている。衝突が発生した場合、かご形状保護装置９（１つ又は複数の永久磁石で留められている）がハウジング８上で変位するか、又は場合によってはハウジングから逸れる。ここで、テーパ状クローズフラグ１１は、スイッチピン１２との接触を失い、このスイッチピン１２が外側へ移動することで、電気スイッチ要素のクローズ状態を維持できなくなる。この結果、機械は、緊急停止信号により停止される。

１ 回転装置
２ 旋回装置
３ ビーム生成工具
４ 旋回軸
５ クランク接続要素
５ａ クランク接続要素の実質的に水平な部位
５ｂ クランク接続要素の実質的に垂直な部位
６ 工具中心点（ＴＣＰ）
７ トルクを生成する機械装置
８ ハウジング
９ かご状保護装置
１０ 永久磁石
１１ テーパ状クローズフラグ
１２ スイッチピン
１３ 供給パイプ
１４ 増分測定システム
１５ 旋回モータ
１６ 旋回ギヤ
１７ スイッチフラグ
１８ スイッチ手段
１９ トーチ軸
２０ 回転装置軸
２１ トーチホルダ
２２ ワーク

Claims (8)

1. 数値制御され且つ少なくとも３６０度回転可能な垂直回転装置（１）に添え付けられるとともに、トーチホルダ（２１）によりビーム生成工具（３）を支持するビーム加工用の数値制御工具保持装置であって、
   前記工具の動作範囲の中心位置におけるこの工具の対称軸が、前記回転装置（１）の軸と、平行かつ少なくとも略一致するように構成されており、
   旋回軸（４）が水平面に対して３０度以下の角度に傾斜した旋回装置（２）と、
   前記旋回軸（４）を囲うとともに、主要寸法がこの旋回軸（４）に沿って延長したハウジング（８）と、
   剛体的に相互接続された実質的に垂直な部位（５ｂ）および実質的に水平な部位（５ａ）を有し且つ前記旋回装置（２）と前記回転装置（１）の間に配設されたクランク接続要素（５）と、
   を備えた数値制御工具保持装置において、
   前記ビーム生成工具（３）のトーチ先端すなわちＴＣＰ（６）は、前記旋回軸（４）からの法線距離が、前記旋回軸（４）と垂直な平面上における前記ハウジング（８）の寸法範囲よりも大きく、
   前記クランク接続要素における実質的に水平な部位（５ａ）は、この部位の前記旋回軸（４）からの距離が、前記ＴＣＰ(６)と前記旋回軸（４）の間の距離よりも大きくなるように設計され、
   前記旋回軸（４）周りにおける前記ビーム生成工具（３）の作動範囲が、１８０度よりも十分に大きく、
   前記ハウジング（８）および前記クランク接続要素（５）が、前記旋回装置（２）の数値制御操作に必要な全ての部品を包含しており、
   前記ハウジング（８）の底部側および側壁が、高温のスラグスパッタを付着させず、且つ表面にて熱輻射を強く反射する材料からなっていることを特徴とする数値制御工具保持装置。
2. トルクを生成する機械装置（７）が、前記旋回軸（４）のシャフトに配設され、且つ前記トーチホルダ（２１）と固定連結されており、
   前記装置が、一方向に作用する略定常のトルクを前記旋回軸（４）のシャフトに伝達するようになされ、このトルクの大きさが、前記ビーム生成工具（３）の工学的な力および慣性力によって前記シャフトに伝達されるものよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の数値制御工具保持装置。
3. トルクを生成する前記機械装置（７）が、空気圧式回転翼モータとして設計されるか、又はトーションスプリングまたはヘリカルスプリングとして設計されることを特徴とする請求項２に記載の数値制御工具保持装置。
4. 前記ハウジング（８）が、かご状保護装置（９）により包含されており、
   前記かご状保護装置（９）は、前記かご状保護装置（９）の前記ハウジング（８）の底部側および側壁からの距離が、ガントリ式ロボット機械の緊急停止距離よりも大きくなるように配設され、
   少なくとも１つの永久磁石（１０）によって、前記ハウジング（８）の上面にてこのハウジングと接続されるとともに、テーパ状クローズフラグ（１１）を用いて、前記ハウジング（８）から突き出た少なくとも１つのスイッチピン（１２）を押し続け、
   前記ピンは、緊急停止回路に組み込まれたスイッチ装置をクローズすることを特徴とする請求項１に記載の数値制御工具保持装置。
5. 前記ハウジング（８）自身およびこのハウジング内に位置する部品がガスにより冷却され、
   前記ガスが、供給パイプ（１３）を介して高圧でこのハウジング（８）を通過可能であるとともに、膨張しながら規定の通路を通過できるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の数値制御工具保持装置。
6. 増分測定システム（１４）を備え、
   前記測定システムが、旋回モータ（１５）のシャフトにフランジ状に装着され、
   前記モータの参照のため、スイッチフラグ（１７）が、旋回ギヤ（１６）の入出力シャフトのそれぞれに添え付けられており、
   前記各スイッチフラグが、遮断器として作動する各スイッチ手段（１８）に従ってその都度作動し、
   前記各スイッチ手段が、平行に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の数値制御工具保持装置。
7. 前記回転装置（１）の参照のため、スイッチフラグが、その減速ギヤの入出力シャフトのそれぞれに添え付けられており、
   前記各スイッチフラグが、遮断器として作動する各スイッチ手段に従ってその都度作動し、
   ２つの前記スイッチ手段が、平行に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の数値制御工具保持装置。
8. 前記ビーム生成工具（３）は、このビーム生成工具（３）の非クランク部が、正常位置にて前記回転装置（１）の軸と平行になるようにクランク状に構成され、
   前記非クランク部の軸が、前記ビーム生成工具（３）のＴＣＰ（６）へ移動したとき、前記旋回軸（４）と交差することを特徴とする請求項１に記載の数値制御工具保持装置。