JP7023670B2 - 加工装置、加工機械、加工装置システム、加工装置の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工対象に対して各種加工をなす加工装置、加工機械、加工装置システムおよび加工装置の設計方法に関する。

台盤に関節を介して枢着されるアームの先端にハンドを設け、組立、溶接等の各種加工を自動的になす装置が知られている。特許文献１には、台盤を中心とした前後荷重モーメントを平衡させる自動バランス装置を具備する多関節ロボット装置が開示されている。

特開昭６１－１５２３８９号公報

本発明者はアームに支持される加工装置について以下の認識を得た。
生産性を向上させるため加工装置はより高速で動作することが望ましい。しかし、アームの剛性が低い場合に、加工装置を高速で動作させると、可動部の移動反力により加工精度が低下することが判明した。剛性の高いアームを使用することも考えられるが、剛性の高いアームはサイズが大きく重いという問題がある。これらから、本発明者は、加工装置には高速動作時の加工精度の低下を抑制する観点で改善する余地があることを認識した。
このような課題は、アームに支持される加工装置に限らず他の構成の加工装置についても生じうる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、加工精度の低下を抑制することができる加工装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の加工装置は、加工対象を加工するための加工モジュールと、回転運動を直線運動に変換して加工モジュールを第１方向に移動させる第１駆動機構と、加工モジュールの第１方向における移動反力の少なくとも一部を打ち消すために、回転運動を直線運動に変換して質量体を移動させる第２駆動機構と、を備える。第２駆動機構が直線運動させる部分の質量は、第１駆動機構が直線運動させる部分の質量と実質的に等しく設定され、第２駆動機構が回転運動させる部分のイナーシャは、第１駆動機構が回転運動させる部分のイナーシャと実質的に等しく設定される。

本発明の別の態様は加工機械である。この加工機械は、上記した加工装置を備える。

本発明のさらに別の態様は加工装置システムである。この加工装置システムは、上記した加工装置と、この加工装置を支持する多関節型ロボットまたは直交座標型ロボットと、を備える。

本発明のさらに別の態様は設計方法である。この設計方法は、上記した加工装置を設計する方法であって、前記第２駆動機構が直線運動させる部分の質量を、前記第１駆動機構が直線運動させる部分の質量と実質的に等しく設定することと、前記第２駆動機構が回転運動させる部分のイナーシャを、前記第１駆動機構が回転運動させる部分のイナーシャと実質的に等しく設定することと、を含む。

本発明によれば、加工精度の低下を抑制することができる加工装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る加工装置を含む加工装置システムの一例を示す平面図である。 図１の加工装置システムを示す側面図である。 図１の加工装置を示す平面図である。 図１の加工装置を示す側面図である。 図１の加工装置を示す正面図である。 本発明の第２実施形態に係る加工装置を含む加工装置システムの一例を示す平面図である。 図６の加工装置を示す平面図である。 図６の加工装置を示す側面図である。 図６の加工装置を示す背面図である。 比較例に係る加工装置を示す平面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施の形態および変形例では、同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
また、第１、第２などの序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために用いられるが、この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る加工装置について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る加工装置１を含む加工装置システム１００の一例を示す平面図である。図２は、加工装置システム１００を示す側面図である。以下、ＸＹＺ直交座標系をもとに説明する。Ｘ軸方向は水平な左右方向に対応し、Ｙ軸方向は水平な前後方向に対応し、Ｚ軸方向は鉛直な上下方向に対応する。Ｙ軸方向およびＺ軸方向はそれぞれＸ軸方向に直交する。Ｘ軸方向は左方向、右方向あるいは横方向と、Ｙ軸方向は前方向あるいは後方向と、Ｚ軸方向は上方向、下方向あるいは縦方向と表記することがある。

（加工装置システム）
図１および図２に示すように、加工装置システム１００は、アーム機構１０２と、アーム機構１０２によって支持される加工装置１を備える。アーム機構１０２は、いわゆる産業用の多関節型ロボットの可動アームである。アーム機構１０２は、関節１０２ｆ、関節１０２ｃ、関節１０２ｅ、関節１０２ｇ、関節１０２ｈおよび関節１０２ｊの６個の関節によって、アーム１０２ｄ、アーム１０２ｋおよびアーム１０２ａを支持する。特に、関節１０２ｆ、関節１０２ｇおよび関節１０２ｊは入力側に対して出力側を回転駆動する。関節１０２ｃ、関節１０２ｅおよび関節１０２ｈは入力側に対して出力側を曲げ駆動する。アーム１０２ｄは関節１０２ｆおよび関節１０２ｃを介して基台１０２ｂに支持される。アーム１０２ｋは関節１０２ｅを介してアーム１０２ｄに支持される。アーム１０２ａは関節１０２ｇ、関節１０２ｈおよび関節１０２ｊを介してアーム１０２ｋに支持される。加工装置１はアーム１０２ａの先端に固定される。加工装置システム１００は、加工装置１の駆動機構によって後述する加工モジュールを駆動してワーク１０８上の所望の軌跡を移動させながら予め定めた加工をなす。

（加工装置）
次に、加工装置１について説明する。図３は第１実施形態に係る加工装置１を示す平面図である。図４は、加工装置１を示す側面図である。図５は、加工装置１を示す正面図である。加工装置１は、加工モジュール１２と、第１駆動機構１４と、第２駆動機構１６と、質量体１８と、支持フレーム２０とを主に含む。支持フレーム２０は、加工モジュール１２と、第１駆動機構１４と、第２駆動機構１６とが搭載されるベース部材として機能し、アーム１０２ａの先端に固定される。

（加工モジュール）
図２も参照しながら、加工モジュール１２について説明する。加工モジュール１２はワーク１０８に対して例えば加工や計測などの各種の加工をなす装置として機能する。加工装置１では、加工モジュール１２はレーザ光１２ｒを出力可能に構成され、レーザ光１２ｒによってワーク１０８に対して切断や溶接などの加工をなす。加工モジュール１２は、上下方向（Ｚ軸方向）に延在する略円筒形状を有し、その下端からワーク１０８に向けてレーザ光１２ｒを出力する。レーザ光１２ｒは図示しない光ケーブルを用いて外部から導入されてもよい。加工モジュール１２は接続部材２６ｆにより後述する変換機構２６の可動部２６ｃに固定されている。

ここで第１実施形態に係る加工装置１を説明する前に、加工装置１から第２駆動機構１６および質量体１８を取外した比較例３０１について説明する。図１０は、比較例３０１を示す平面図である。

比較例３０１では、第１駆動機構１４によって加工モジュール１２を移動させると、その移動反力が第１駆動機構１４に入力される。その移動反力によって第１駆動機構１４が振動することで加工モジュール１２の軌跡が乱れ、加工精度が低下することがある。加工モジュール１２の移動を高速化すると加工精度は一層低下する。加工精度を維持するために、加工モジュール１２を移動させた後、振動が収まるまで待って加工を開始することも考えられるが、この場合にはトータルの加工時間が永くなり高速化に逆行する。つまり、高速化と加工精度の維持とは二律背反の関係にある。

また、加工モジュール１２の移動反力の影響はアーム機構１０２にも及び、関節やアームに撓みを生じさせ、加工精度を一層低下させることがある。特に、加工モジュール１２を目標位置まで移動させながら加工する場合に、その移動途中の加工精度が低下する傾向がある。

アーム機構１０２の各部の撓みを抑制するために、アーム機構１０２の剛性を高くすることが考えられる。剛性の高いアーム機構はサイズが大きく重いという問題がある。例えば、加工精度を維持しながら所望の高速化を実現するために、質量が２０ｋｇの比較例３０１を可搬推力が１５０ｋｇの大型のアーム機構１０２によって支持するべきとの知見を得ている。比較例３０１では、加工を高速化するとアーム機構１０２が大型化して空間効率が低下し投資負担が増大する可能性が高いといえる。

上述した比較例３０１の説明を踏まえて、第１実施形態に係る加工装置１の説明に戻る。

第１駆動機構１４は、モータ２４と、変換機構２６と、を含む。第２駆動機構１６は、モータ２８と、変換機構３０と、を含む。モータ２４、２８としては、ステッピングモータやＤＣモータなど公知の原理に基づいて回転駆動力を発生するモータであれば特に限定されない。この例では、モータ２４、２８には、ＡＣサーボモータが採用されている。

変換機構２６、３０としては、ベルトドライブやラックアンドピニオンなど公知の原理に基づいて回転運動を直線運動に変換可能な機構であれば特に限定されない。この例では、変換機構２６、３０には、ボールねじ機構が採用されている。

（第１駆動機構）
第１駆動機構１４は、加工モジュール１２を第１方向に移動させる動力源として機能する。モータ２４は回転駆動力を発生する。変換機構２６は回転運動を直線運動に変換する機構として機能する。特に、変換機構２６は、回転運動を直線運動に変換して加工モジュール１２を第１方向に移動させる。これらの図において第１方向はＸ軸方向に一致している。この例では、加工モジュール１２は変換機構２６の可動部２６ｃに固定されている。モータ２４が回転するとき、可動部２６ｃは、回転駆動力から変換された直線駆動力によって加工モジュール１２と一体的に移動する。モータ２４と、変換機構２６とは支持フレーム２０に支持される。

変換機構２６は、スピンドル２６ｂと、可動部２６ｃと、カップリング２６ｄと、軸受２６ｅと、接続部材２６ｆと、スラスト軸受２６ｇと、を含む。スピンドル２６ｂは、外周にらせん状のリード溝（不図示）を有し第１方向に延伸する。可動部２６ｃは、ボール（不図示）がリード溝に案内されることによりスピンドル２６ｂに沿って移動可能に設けられる。接続部材２６ｆは、加工モジュール１２を可動部２６ｃに固定するための部材である。軸受２６ｅは、スピンドル２６ｂのモータ２４から遠い側の端部を回転自在に支持する。スラスト軸受２６ｇは、スピンドル２６ｂの軸方向の荷重を受け止める軸受として機能する。カップリング２６ｄは、モータ２４の出力軸（不図示）とスピンドル２６ｂとを連結する。加工モジュール１２は、接続部材２６ｆを介して可動部２６ｃに支持される。モータ２４に回転駆動されることによりスピンドル２６ｂは回転運動する。この回転運動により、可動部２６ｃは直線駆動されスピンドル２６ｂに沿って第１方向に直線運動をする。このとき、加工モジュール１２は可動部２６ｃと一体的に第１方向に移動する。

加工モジュール１２が第１方向に移動するとき、加工モジュール１２は移動反力を生じる。加工精度の低下を抑制するためには、移動反力は小さいことが望ましい。そこで、加工装置１は、移動反力を打ち消すために第２駆動機構１６および質量体１８を含んでいる。

（第２駆動機構）
第２駆動機構１６は、質量体１８を第１方向に移動させる動力源として機能する。第２駆動機構１６は、加工モジュール１２の第１方向における移動反力の少なくとも一部を打ち消すように質量体１８を移動させる。例えば、図３において加工モジュール１２が第１方向で右方（図中で下方）に移動するとき、質量体１８を第１方向で左方（図中で上方）に移動させることにより、質量体１８に加工モジュール１２と反対向きの移動反力を生じさせることができる。つまり、質量体１８を加工モジュール１２と反対向きに移動させることにより、質量体１８の移動反力が加工モジュール１２の移動反力を打ち消すように作用する。

モータ２８は回転駆動力を発生する。変換機構３０は回転運動を直線運動に変換する機構として機能する。特に、変換機構３０は、回転運動を直線運動に変換し、質量体１８を第１方向に移動させる。質量体１８は変換機構３０の可動部３０ｃに固定されている。モータ２８が回転するとき、可動部３０ｃは、回転駆動力から変換された直線駆動力によって質量体１８と一体的に移動する。モータ２８と、変換機構３０とは支持フレーム２０に支持される。

変換機構３０は、スピンドル３０ｂと、可動部３０ｃと、カップリング３０ｄと、軸受３０ｅと、スラスト軸受３０ｇと、を含む。スピンドル３０ｂは、外周にらせん状のリード溝（不図示）を有し第１方向に延伸する。可動部３０ｃは、ボール（不図示）がリード溝に案内されることによりスピンドル３０ｂに沿って移動可能に設けられる。軸受３０ｅは、スピンドル３０ｂのモータ２８から遠い側の端部を回転自在に支持する。スラスト軸受３０ｇは、スピンドル３０ｂの軸方向の荷重を受け止める軸受として機能する。カップリング３０ｄは、モータ２８の出力軸（不図示）とスピンドル３０ｂとを連結する。モータ２８に回転駆動されることによりスピンドル３０ｂは回転運動する。この回転運動により、可動部３０ｃは直線駆動されスピンドル３０ｂに沿って第１方向に直線運動をする。このとき、質量体１８は可動部３０ｃと一体的に第１方向に移動する。

（質量体）
質量体１８は、加工モジュール１２が移動する際の反動を相殺するためのカウンタマスとして機能する。質量体１８の形状としては特に限定されない。この例では、質量体１８は、接続部１８ｂと、一対のオーバーハング部１８ｃと、延在部１８ｄと、を含んでいる。接続部１８ｂのＸ軸方向の中間部は可動部３０ｃに固定されている。接続部１８ｂのＸ軸方向の両端部は、一対のオーバーハング部１８ｃに連結されている。一対のオーバーハング部１８ｃは、接続部１８ｂの両端部から加工モジュール１２を越えてＹ軸方向に伸びている。一対のオーバーハング部１８ｃは、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に延在してＸ軸方向に薄い偏平な部材である。一対のオーバーハング部１８ｃは、加工モジュール１２をＸ軸方向の両側から挟むように配置されている。

延在部１８ｄは、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に延在してＹ軸方向に薄い偏平な部材である。この例では、延在部１８ｄは正面視で略矩形である。延在部１８ｄは、加工モジュール１２の一部を覆うようにＺ軸方向に伸びる。延在部１８ｄのＸ軸方向の両端部は、一対のオーバーハング部１８ｃの接続部１８ｂから遠い方の端部に連結されている。接続部１８ｂと、一対のオーバーハング部１８ｃと、延在部１８ｄと、は別々に形成されて連結されてもよいが、この例では、一体に形成されている。質量体１８は、鉄鋼やアルミニウムなど金属材料、樹脂材料あるいはこれらの複合材料で形成されてもよい。質量体１８の質量や重心の位置は、例えば延在部１８ｄの形状を調整することにより任意に設定することができる。加工モジュール１２は、接続部１８ｂと、一対のオーバーハング部１８ｃと、延在部１８ｄと、により囲まれている。

第２駆動機構１６の回転体のイナーシャは、第１駆動機構１４の回転体のイナーシャと等しいことが望ましい。これらのイナーシャに大きな差があると、その差に起因するモーメントにより加工精度が低下する懸念があるからである。そこで、第１実施形態の加工装置１では、第２駆動機構１６が回転運動させる部分（以下、第２回転体Ｋ２という）のイナーシャＪ２は、第１駆動機構１４が回転運動させる部分（以下、第１回転体Ｋ１という）のイナーシャＪ１と実質的に等しく設定されている。特に、第２回転体Ｋ２は第２駆動機構１６に回転駆動され、第１回転体Ｋ１は第１駆動機構１４に回転駆動される。なお、本明細書において、一方のイナーシャが他方のイナーシャの±３０％の範囲内にあるとき、これらのイナーシャは実質的に等しいという。イナーシャＪ２は、イナーシャＪ１の±２０％の範囲内に設定することが好ましく、イナーシャＪ１の±１０％の範囲内に設定することがより好ましい。第２駆動機構１６の減速比は、第１駆動機構１４の減速比と等しく設定されている。これらの減速比に大きな差があると、その差により加工精度が低下する懸念があるからである。変換機構３０のボールねじ機構のリードは、変換機構２６のボールねじ機構のリードと実質的に等しく設定されている。これらのリードに大きな差があると、その差により加工精度が低下する懸念があるからである。なお、本明細書において、一方のリードが他方のリードの±３０％の範囲内にあるとき、これらのリードは実質的に等しいという。

第１実施形態の加工装置１では、第１回転体Ｋ１は、モータ２４のロータと出力軸（共に不図示）、スピンドル２６ｂおよびカップリング２６ｄを含む。イナーシャＪ１は、モータ２４のロータと出力軸、スピンドル２６ｂおよびカップリング２６ｄのイナーシャを含む。第１回転体Ｋ１には、この明細書に記載されていない他の部材が含まれてもよく、その場合のイナーシャＪ１は、当該他の部材のイナーシャを含む。加工装置１では、第２回転体Ｋ２は、モータ２８のロータと出力軸（共に不図示）、スピンドル３０ｂおよびカップリング３０ｄを含む。イナーシャＪ２は、モータ２８のロータと出力軸、スピンドル３０ｂおよびカップリング３０ｄのイナーシャを含む。第２回転体Ｋ２には、この明細書に記載されていない他の部材が含まれてもよく、その場合のイナーシャＪ２は、当該他の部材のイナーシャを含む。イナーシャＪ２は、これらの部材のイナーシャを調整することによって任意に設定することができる。

第２駆動機構１６が第１方向に直線運動させる部分の質量は、第１駆動機構１４が第１方向に直線運動させる部分の質量と等しいことが望ましい。これらの質量に大きな差があると、その差に起因するモーメントにより加工精度が低下する懸念があるからである。そこで、第１実施形態の加工装置１では、第２駆動機構１６が直線運動させる部分（以下、第２部分Ｐ２という）の質量Ｍ２は、第１駆動機構１４が直線運動させる部分（以下、第１部分Ｐ１という）の質量Ｍ１と実質的に等しく設定されている。特に、第２部分Ｐ２は、第２駆動機構１６に直線駆動され、第１部分Ｐ１は、第１駆動機構１４に直線駆動される。なお、本明細書において、一方の質量他方の質量の±３０％の範囲内にあるとき、これらの質量は実質的に等しいという。質量Ｍ２は、質量Ｍ１の±２０％の範囲内に設定することが好ましく、質量Ｍ１の±１０％の範囲内に設定することがより好ましい。

第１実施形態の加工装置１では、第１部分Ｐ１は、可動部２６ｃ、接続部材２６ｆおよび加工モジュール１２を含む。質量Ｍ１は、可動部２６ｃ、接続部材２６ｆおよび加工モジュール１２の質量を含む。第１部分Ｐ１には、この明細書に記載されていない他の部材が含まれてもよく、その場合の質量Ｍ１は、当該他の部材の質量を含む。第１実施形態の加工装置１では、第２部分Ｐ２は、可動部３０ｃおよび質量体１８を含む。質量Ｍ２は、可動部３０ｃおよび質量体１８の質量を含む。第２部分Ｐ２には、この明細書に記載されていない他の部材が含まれてもよく、その場合の質量Ｍ２は、当該他の部材の質量を含む。質量Ｍ２は、例えば質量体１８の質量を調整することによって任意に設定することができる。

第２駆動機構１６が直線運動させる部分の重心位置は、第１駆動機構１４が直線運動させる部分の重心位置の近くにあることが望ましい。これらの重心位置が離れていると、余計なモーメントが働いて加工精度が低下する懸念があるからである。そこで、第１実施形態の加工装置１では、第１方向に直交する平面（ＹＺ平面）に投影したとき、第２部分Ｐ２の重心Ｇ２は第１部分Ｐ１の重心Ｇ１の近傍に配置されている。図４において、Ｇ２、Ｇ１で示すマークはＹＺ平面に投影したときの重心Ｇ２と重心Ｇ１の位置を示している。なお、本明細書では、平面上に投影した２つの重心の間の距離が５０ｍｍ以内であれば、その平面上において一方の重心が他方の重心の近傍に配置されているという。重心Ｇ２と重心Ｇ１との間の距離は４０ｍｍ以内が好ましく、３０ｍｍ以内がより好ましい。第２部分Ｐ２の重心Ｇ２は、ＹＺ平面において、重心Ｇ１と重なる位置に配置されてもよい。

このように構成された第１実施形態の加工装置１は、以下の作用効果を奏する。

第１実施形態の加工装置１は、加工対象を加工するための加工モジュール１２と、回転運動を直線運動に変換して加工モジュール１２を第１方向に移動させる第１駆動機構１４と、加工モジュール１２の第１方向における移動反力の少なくとも一部を打ち消すために、回転運動を直線運動に変換して質量体１８を移動させる第２駆動機構１６と、を備えている。第２駆動機構１６が直線運動させる部分である第２部分Ｐ２の質量Ｍ２は、第１駆動機構１４が直線運動させる部分である第１部分Ｐ１の質量Ｍ１と実質的に等しく設定され、第２駆動機構１６が回転運動させる部分である第２回転体Ｋ２のイナーシャＪ２は、第１駆動機構１４が回転運動させる部分である第１回転体Ｋ１のイナーシャＪ１と実質的に等しく設定されている。この構成によれば、第２駆動機構１６を備えない場合に比べて、加工モジュール１２の移動反力による加工精度の低下を抑制することができる。この構成によれば、質量Ｍ１と質量Ｍ２との差が大きい場合に比べて、その差に起因する加工精度の低下を抑制することができる。この構成によれば、イナーシャＪ１とイナーシャＪ２との差が大きい場合に比べて、そのイナーシャの差に起因する加工精度の低下を抑制することができる。

第１実施形態の加工装置１では、第１方向に直交する平面に投影したとき、第２駆動機構１６が直線運動させる部分である第２部分Ｐ２の重心Ｇ２は、第１駆動機構１４が直線運動させる部分である第１部分Ｐ１の重心Ｇ１の近傍に配置されている。この構成によれば、重心Ｇ１と重心Ｇ２の間の距離が大きい場合に比べて、この距離が大きいことに起因する加工精度の低下を抑制することができる。

次に、このように構成された第１実施形態の加工装置１を設計する方法について説明する。この方法は、第２駆動機構１６が直線運動させる部分である第２部分Ｐ２の質量Ｍ２を、第１駆動機構１４が直線運動させる部分である第１部分Ｐ１の質量Ｍ１と実質的に等しく設定することと、第２駆動機構１６が回転運動させる部分である第２回転体Ｋ２のイナーシャＪ２を、第１駆動機構１４が回転運動させる部分である第１回転体Ｋ１のイナーシャＪ１と実質的に等しく設定することと、を含んでいる。この方法によれば、第２部分Ｐ２の質量Ｍ２を、第１部分Ｐ１の質量Ｍ１と実質的に等しく設定することを含まない場合に比べて、加工精度の低下を抑制可能な加工装置を設計することができる。この方法によれば、第２回転体Ｋ２のイナーシャＪ２を、第１回転体Ｋ１のイナーシャＪ１と実質的に等しく設定することを含まない場合に比べて、加工精度の低下を抑制可能な加工装置を設計することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る加工装置１０について説明する。第２実施形態の説明では、第１実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第１実施形態と重複する説明を適宜省略し、第１実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

図６は、本発明の第２実施形態に係る加工装置１０を含む加工装置システム２００の一例を示す平面図である。図６は図１に対応する。図７は、加工装置１０を示す平面図である。図８は、加工装置１０を示す側面図である。図９は、加工装置１０を示す背面図である。加工装置システム２００は、第１実施形態に係る加工装置１に代えて第２実施形態に係る加工装置１０を備える。この場合の加工装置システム２００は、加工装置システム１００に対して加工装置の構成が異なり他の構成は同様であり重複する説明を省く。

第２実施形態に係る加工装置１０は、加工モジュール１２と、第１駆動機構１４と、第２駆動機構１６と、質量体１８と、第３駆動機構３４と、第４駆動機構３６と、質量部材３８と、支持フレーム２０と、支持部材４０と、を主に含む。加工モジュール１２と、第１駆動機構１４と、第２駆動機構１６と、質量体１８とについては第１実施形態の加工装置１と同様であり説明を省き、主に第３駆動機構３４と第４駆動機構３６について説明する。

加工装置１０は、第３駆動機構３４によって加工モジュール１２を第２方向に駆動してワーク１０８上の所望の軌跡を移動させながら予め定めた加工をなす。支持部材４０は、支持フレーム２０と、第３駆動機構３４と、第４駆動機構３６と、を搭載するベース部材として機能し、アーム１０２ａの先端に固定される。

第３駆動機構３４は、モータ４４と、変換機構４６と、を含む。第４駆動機構３６は、モータ４８と、変換機構５０と、を含む。

モータ４４、４８としては、ステッピングモータやＤＣモータなど公知の原理に基づいて回転駆動力を発生するモータであれば特に限定されない。この例では、モータ４４、４８には、ＡＣサーボモータが採用されている。

変換機構４６、５０としては、ベルトドライブやラックアンドピニオンなど公知の原理に基づいて回転運動を直線運度に変換可能な機構であれば特に限定されない。この例では、変換機構４６、５０には、ボールねじ機構が採用されている。

（第３駆動機構）
第３駆動機構３４は、加工モジュール１２を第２方向に移動させる動力源として機能する。モータ４４は回転駆動力を発生する。変換機構４６は回転運動を直線運動に変換する機構として機能する。特に、変換機構４６は、回転運動を直線運動に変換し、加工モジュール１２を第２方向に移動させる。これらの図において第２方向はＹ軸方向に一致している。モータ４４が回転するとき、回転駆動力から変換された直線駆動力によって可動部４６ｃは第２方向に移動する。可動部４６ｃが第２方向に移動することにより、支持フレーム２０と、支持フレーム２０に支持される加工モジュール１２と、第１駆動機構１４と、第２駆動機構１６と、は第２方向に移動する。つまり、モータ４４が回転することにより加工モジュール１２は第２方向に移動する。モータ４４と、変換機構４６とは支持部材４０に支持される。

変換機構４６は、スピンドル４６ｂと、可動部４６ｃと、カップリング４６ｄと、軸受４６ｅと、接続部材４６ｆと、スラスト軸受４６ｇと、を含む。スピンドル４６ｂは、外周にらせん状のリード溝（不図示）を有し第２方向に延伸する。可動部４６ｃは、ボール（不図示）がリード溝に案内されることによりスピンドル４６ｂに沿って移動可能に設けられる。接続部材４６ｆは、支持フレーム２０を可動部４６ｃに固定するための部材である。軸受４６ｅは、スピンドル４６ｂのモータ４４から遠い側の端部を回転自在に支持する。スラスト軸受４６ｇは、スピンドル４６ｂの軸方向の荷重を受け止める軸受として機能する。カップリング４６ｄは、モータ４４の出力軸（不図示）とスピンドル４６ｂとを連結する。支持フレーム２０は、接続部材４６ｆを介して可動部４６ｃに支持される。モータ４４に回転駆動されることによりスピンドル４６ｂは回転運動する。この回転運動により、可動部４６ｃは直線駆動されスピンドル４６ｂに沿って第２方向に直線運動する。このとき、支持フレーム２０は、加工モジュール１２と、第１駆動機構１４と、第２駆動機構１６と、を搭載した状態で、可動部４６ｃと一体的に第２方向に移動する。

加工モジュール１２が第２方向に移動するとき、加工モジュール１２は移動反力を生じる。加工精度の低下を抑制するためには、移動反力は小さいことが望ましい。そこで、加工装置１０は、移動反力を打ち消すために第４駆動機構３６および質量部材３８を含んでいる。

（第４駆動機構）
第４駆動機構３６は、質量部材３８を移動させる動力源として機能する。第４駆動機構３６は、加工モジュール１２の第２方向における移動反力の少なくとも一部を打ち消すように質量部材３８を移動させる。例えば、図７において加工モジュール１２が第２方向で前方（図７で上方）に移動するとき、質量部材３８を第２方向で後方（図７で下方）に移動させることにより、質量部材３８は加工モジュール１２と反対向きの移動反力を生じさせることができる。つまり、質量部材３８を加工モジュール１２と反対向きに移動させることにより、質量部材３８の移動反力が加工モジュール１２の移動反力を打ち消すように作用する。

モータ４８は回転駆動力を発生する。変換機構５０は回転運動を直線運動に変換する機構として機能する。特に、変換機構５０は、回転運動を直線運動に変換し、質量部材３８を第２方向に移動させる。質量部材３８は変換機構５０の可動部５０ｃに固定されている。モータ４８が回転するとき、可動部５０ｃは、直線駆動力によって質量部材３８と一体的に移動する。モータ４８と、変換機構５０とは支持部材４０に支持される。

変換機構５０は、スピンドル５０ｂと、可動部５０ｃと、カップリング５０ｄと、軸受５０ｅと、スラスト軸受５０ｇと、を含む。スピンドル５０ｂは、外周にらせん状のリード溝（不図示）を有し第２方向に延伸する。可動部５０ｃは、ボール（不図示）がリード溝に案内されることによりスピンドル５０ｂに沿って移動可能に設けられる。軸受５０ｅは、スピンドル５０ｂのモータ４８から遠い側の端部を回転自在に支持する。スラスト軸受５０ｇは、スピンドル５０ｂの軸方向の荷重を受け止める軸受として機能する。カップリング５０ｄは、モータ４８の出力軸（不図示）とスピンドル５０ｂとを連結する。モータ４８に回転駆動されることによりスピンドル５０ｂは回転運動する。この回転運動により、可動部５０ｃは直線駆動されスピンドル５０ｂに沿って第２方向に直線運動をする。このとき、質量部材３８は可動部５０ｃと一体的に第２方向に移動する。

（質量部材）
質量部材３８は、加工モジュール１２が移動する際の反動を相殺するためのカウンタマスとして機能する。質量部材３８の形状としては特に限定されない。図９に示すように、質量部材３８は、支持部３８ｂと、接続部３８ｃと、一対の延在部３８ｄと、を含んでいる。支持部３８ｂは、質量部材３８を可動部５０ｃに支持する部材である。支持部３８ｂは、一端が可動部５０ｃに固定され、他端が変換機構５０から遠ざかるようにＺ軸方向に延伸する。支持部３８ｂは、例えば角筒状であってもよい。接続部３８ｃは、支持部３８ｂと、一対の延在部３８ｄと、を接続する部材である。接続部３８ｃは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に延在してＺ軸方向に薄い偏平な部材である。支持部３８ｂの他端が、接続部３８ｃのＸ軸方向およびＹ軸方向の中間領域に固定されている。

一対の延在部３８ｄそれぞれは、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に延在してＸ軸方向に薄い偏平な部材である。一対の延在部３８ｄは、第３駆動機構３４および第４駆動機構３６をＸ軸方向に挟む位置に設けられる。一対の延在部３８ｄは、接続部３８ｃのＸ軸方向の両端に固定される。特に、一対の延在部３８ｄは、接続部３８ｃのＸ軸方向の両端からＺ軸方向に延伸している。支持部３８ｂと、接続部３８ｃと、一対の延在部３８ｄと、は別々に形成されて連結されてもよいが、この例では一体に形成されている。

質量部材３８は、鉄鋼やアルミニウムなどの金属材料、樹脂材料あるいはこれらの複合材料で形成されてもよい。質量部材３８の質量や重心の位置は、接続部３８ｃと一対の延在部３８ｄの形状を調整することにより任意に設定することができる。

第４駆動機構３６の回転体のイナーシャは、第３駆動機構３４の回転体のイナーシャと等しいことが望ましい。これらのイナーシャに大きな差があると、その差に起因するモーメントにより加工精度が低下する懸念があるからである。そこで、第２実施形態の加工装置１０では、第４駆動機構３６が回転運動させる部分（以下、第４回転体Ｋ４という）のイナーシャＪ４は、第３駆動機構３４が回転運動させる部分（以下、第３回転体Ｋ３という）のイナーシャＪ３と実質的に等しく設定されている。特に、第４回転体Ｋ４は第４駆動機構３６に回転駆動され、第３回転体Ｋ３は第３駆動機構３４に回転駆動される。イナーシャＪ４は、イナーシャＪ３の±２０％の範囲内に設定することが好ましく、イナーシャＪ３の±１０％の範囲内に設定することがより好ましい。第４駆動機構３６の減速比は、第３駆動機構３４の減速比と等しく設定されている。これらの減速比に大きな差があると、その差により加工精度が低下する懸念があるからである。変換機構５０のボールねじ機構のリードは、変換機構４６のボールねじ機構のリードと実質的に等しく設定されている。これらのリードに大きな差があると、その差により加工精度が低下する懸念があるからである。

第２実施形態の加工装置１０では、第３回転体Ｋ３は、モータ４４のロータと出力軸（共に不図示）、スピンドル４６ｂおよびカップリング４６ｄを含む。イナーシャＪ３は、モータ４４のロータと出力軸、スピンドル４６ｂおよびカップリング４６ｄのイナーシャを含む。第３回転体Ｋ３には、この明細書に記載されていない他の部材が含まれてもよく、その場合のイナーシャＪ３は、当該他の部材のイナーシャを含む。加工装置１０では、第４回転体Ｋ４は、モータ４８のロータと出力軸（共に不図示）、スピンドル５０ｂおよびカップリング５０ｄを含む。イナーシャＪ４は、モータ４８のロータと出力軸、スピンドル５０ｂおよびカップリング５０ｄのイナーシャを含む。第４回転体Ｋ４には、この明細書に記載されていない他の部材が含まれてもよく、その場合のイナーシャＪ４は、当該他の部材のイナーシャを含む。イナーシャＪ４は、これらの部材のイナーシャを調整することによって任意に設定することができる。

第４駆動機構３６が第２方向に直線運動させる部分の質量は、第３駆動機構３４が第２方向に直線運動させる部分の質量と等しいことが望ましい。これらの質量に大きな差があると、その差に起因するモーメントにより加工精度が低下する懸念があるからである。そこで、第２実施形態の加工装置１０では、第４駆動機構３６が直線運動させる部分（以下、第４部分Ｐ４という）の質量Ｍ４は、第３駆動機構３４が直線運動させる部分（以下、第３部分Ｐ３という）の質量Ｍ３と実質的に等しく設定されている。特に、第４部分Ｐ４は、第４駆動機構３６に直線駆動され、第３部分Ｐ３は、第３駆動機構３４に直線駆動される。質量Ｍ４は、質量Ｍ３の±２０％の範囲内に設定することが好ましく、質量Ｍ３の±１０％の範囲内に設定することがより好ましい。

第２実施形態の加工装置１０では、第３部分Ｐ３は、可動部４６ｃ、接続部材４６ｆ、加工モジュール１２、第１駆動機構１４、第２駆動機構１６、質量体１８および支持フレーム２０を含む。質量Ｍ３は、可動部４６ｃ、接続部材４６ｆ、加工モジュール１２、第１駆動機構１４、第２駆動機構１６、質量体１８および支持フレーム２０の質量を含む。第３部分Ｐ３には、この明細書に記載されていない他の部材が含まれてもよく、その場合の質量Ｍ３は、当該他の部材の質量を含む。第２実施形態の加工装置１０では、第４部分Ｐ４は、可動部５０ｃおよび質量部材３８を含む。質量Ｍ４は、可動部５０ｃおよび質量部材３８の質量を含む。第４部分Ｐ４には、この明細書に記載されていない他の部材が含まれてもよく、その場合の質量Ｍ４は、当該他の部材の質量を含む。質量Ｍ４は、質量部材３８の質量を調整することによって任意に設定することができる。

次に、重心の位置について説明する。第２方向に直線運動する部分の重心位置は、第２方向に直線運動する部分の重心位置の近くにあることが望ましい。これらの重心位置が離れていると、余計なモーメントが働いて加工精度が低下する懸念があるからである。そこで、第２実施形態の加工装置１０では、第２方向に直交する平面（ＸＺ平面）に投影したとき、第４部分Ｐ４の重心Ｇ４は第３部分Ｐ３の重心Ｇ３の近傍に配置されている。図９において、Ｇ４、Ｇ３で示すマークはＸＺ平面に投影したときの重心Ｇ４と重心Ｇ３の位置を示している。重心Ｇ４と重心Ｇ３との間の距離は４０ｍｍ以内が好ましく、３０ｍｍ以内がより好ましい。第４部分Ｐ４の重心Ｇ４は、ＸＺ平面において、重心Ｇ３と重なる位置に配置されてもよい。

このように構成された第２実施形態の加工装置１０は、以下の作用効果を奏する。

第２実施形態の加工装置１０は、回転運動を直線運動に変換して加工モジュール１２を第１方向と直交する第２方向に移動させる第３駆動機構３４と、加工モジュール１２の第２方向における移動反力の少なくとも一部を打ち消すために、回転運動を直線運動に変換して質量部材３８を移動させる第４駆動機構３６と、をさらに備え、第４駆動機構３６が直線運動させる部分である第４部分Ｐ４の質量Ｍ４は、第３駆動機構３４が直線運動させる部分である第３部分Ｐ３の質量Ｍ３と実質的に等しく設定され、第４駆動機構３６が回転運動させる部分である第４回転体Ｋ４のイナーシャは、第３駆動機構３４が回転運動させる部分である第３回転体Ｋ３のイナーシャＪ３と実質的に等しく設定されている。この構成によれば、第４駆動機構３６を備えない場合に比べて、加工モジュール１２の移動反力による加工精度の低下を抑制することができる。この構成によれば、質量Ｍ３と質量Ｍ４との差が大きい場合に比べて、その差に起因する加工精度の低下を抑制することができる。この構成によれば、イナーシャＪ３とイナーシャＪ４との差が大きい場合に比べて、その差に起因する加工精度の低下を抑制することができる。

第２実施形態の加工装置１０では、第２方向に直交するＸＺ平面に投影したとき、第４駆動機構３６が直線運動させる部分である第４部分Ｐ４の重心Ｇ４は、第３駆動機構３４が直線運動させる部分である第３部分Ｐ３の重心Ｇ３の近傍に配置されている。この構成によれば、重心Ｇ３と重心Ｇ４の間の距離が大きい場合に比べて、この距離が大きいことに起因する加工精度の低下を抑制することができる。

第２実施形態の加工装置１０では、第１駆動機構１４、第２駆動機構１６、第３駆動機構３４および第４駆動機構３６それぞれは、ボールねじ機構を含んでいる。この構成によれば、駆動剛性が高く、バックラッシュが少ない駆動機構を構成可能であり、剛性やバックラッシュに起因する加工精度の低下を抑制することができる。

次に、このように構成された第２実施形態の加工装置１０を設計する方法について説明する。この方法は、第２駆動機構１６が直線運動させる部分である第２部分Ｐ２の質量Ｍ２を、第１駆動機構１４が直線運動させる部分である第１部分Ｐ１の質量Ｍ１と実質的に等しく設定することと、第２駆動機構１６が回転運動させる部分である第２回転体Ｋ２のイナーシャＪ２を、第１駆動機構１４が回転運動させる部分である第１回転体Ｋ１のイナーシャＪ１と実質的に等しく設定することと、第４駆動機構３６が直線運動させる部分である第４部分Ｐ４の質量Ｍ４を、第３駆動機構３４が直線運動させる部分である第３部分Ｐ３の質量Ｍ３と実質的に等しく設定することと、第４駆動機構３６が回転運動させる部分である第４回転体Ｋ４のイナーシャＪ４を、第３駆動機構３４が回転運動させる部分である第３回転体Ｋ３のイナーシャＪ３と実質的に等しく設定することと、を含んでいる。

この方法によれば、第２部分Ｐ２の質量Ｍ２を、第１部分Ｐ１の質量Ｍ１と実質的に等しく設定することを含まない場合に比べて、加工精度の低下を抑制可能な加工装置を設計することができる。この方法によれば、第２回転体Ｋ２のイナーシャＪ２を、第１回転体Ｋ１のイナーシャＪ１と実質的に等しく設定することを含まない場合に比べて、加工精度の低下を抑制可能な加工装置を設計することができる。この方法によれば、第４部分Ｐ４の質量Ｍ４を、第３部分Ｐ３の質量Ｍ３と実質的に等しく設定することを含まない場合に比べて、加工精度の低下を抑制可能な加工装置を設計することができる。第４回転体Ｋ４のイナーシャＪ４を、第３回転体Ｋ３のイナーシャＪ３と実質的に等しく設定することを含まない場合に比べて、加工精度の低下を抑制可能な加工装置を設計することができる。

以上、本発明を幾つかの実施形態をもとに説明した。これらの実施形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求の範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

以下、変形例について説明する。変形例の図面および説明では、各実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。各実施形態と重複する説明を適宜省略し、各実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

（第１変形例）
各実施形態の説明では、加工装置１、１０が加工モジュール１２を第１、第２方向に駆動する例について説明したがこれに限られない。加工装置１、１０は、加工モジュール１２を第１、第２方向に加えて、第３方向（Ｚ軸方向）に駆動する駆動機構を備えてもよい。

（第２変形例）
各実施形態の説明では、加工装置１、１０がアーム機構１０２によって支持されて使用される例について説明したがこれに限られない。例えば、加工装置１、１０は所定の載置台に設置されて加工機械として使用されてもよい。例えば、樹脂を吐出する機能を有する加工モジュールを備えることにより、２Ｄまたは３Ｄの造形をなす加工機械を構成することができる。

（第３変形例）
各実施形態の説明では、加工装置システム１００、２００が加工装置１、１０と多関節ロボットを備える例について説明したがこれに限られない。加工装置システムは、多関節ロボットに代えてガントリー型やカンチレバー型などの直交座標型ロボットを備えてもよい。

１、１０・・加工装置、 １２・・加工モジュール、 １４・・第１駆動機構、 １６・・第２駆動機構、 １８・・質量体、 ２０・・支持フレーム、 ３４・・第３駆動機構、 ３６・・第４駆動機構、 ３８・・質量部材、 ４０・・支持部材、 １００・・加工装置システム、 １０２・・アーム機構、 １０８・・ワーク。

Claims (8)

1. 加工対象を加工するための加工モジュールと、
   第１モータによって生じる回転運動を直線運動に変換して前記加工モジュールを第１方向に移動させる第１駆動機構と、
   前記加工モジュールの第１方向における移動反力の少なくとも一部を打ち消すために、前記第１モータとは別の第２モータによって生じる回転運動を直線運動に変換して質量体を移動させる第２駆動機構と、
   を備え、
   前記第２駆動機構が直線運動させる部分の質量は、前記第１駆動機構が直線運動させる部分の質量と実質的に等しく設定され、
   前記第２駆動機構が回転運動させる部分の第２イナーシャは、前記第１駆動機構が回転運動させる部分の第１イナーシャと実質的に等しく設定され、
   前記第１イナーシャは、前記第１モータのロータと出力軸のイナーシャを含み、
   前記第２イナーシャは、前記第２モータのロータと出力軸のイナーシャを含み、
   前記第２駆動機構が、前記加工モジュールの第１方向における移動反力の少なくとも一部を打ち消すために質量体を移動させる際の前記第２駆動機構が回転運動させる部分の回転方向は、前記第１駆動機構が回転運動させる部分の回転方向と異なることを特徴とする加工装置。
2. 前記第１方向に直交する平面に投影したとき、前記第２駆動機構が直線運動させる部分の重心は、前記第１駆動機構が直線運動させる部分の重心の近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
3. 回転運動を直線運動に変換して前記加工モジュールを第１方向と直交する第２方向に移動させる第３駆動機構と、
   前記加工モジュールの第２方向における移動反力の少なくとも一部を打ち消すために、
   回転運動を直線運動に変換して質量部材を移動させる第４駆動機構と、
   をさらに備え、
   前記第４駆動機構が直線運動させる部分の質量は、前記第３駆動機構が直線運動させる部分の質量と実質的に等しく設定され、
   前記第４駆動機構が回転運動させる部分のイナーシャは、前記第３駆動機構が回転運動させる部分のイナーシャと実質的に等しく設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の加工装置。
4. 第２方向に直交する平面に投影したとき、前記第４駆動機構が直線運動させる部分の重心は、前記第３駆動機構が直線運動させる部分の重心の近傍に配置されることを特徴とする請求項３に記載の加工装置。
5. 前記第１駆動機構、前記第２駆動機構、前記第３駆動機構および前記第４駆動機構それぞれは、ボールねじ機構を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の加工装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の加工装置を備えることを特徴とする加工機械。
7. 請求項１から５のいずれかに記載の加工装置と、
   前記加工装置を支持する多関節型ロボットまたは直交座標型ロボットと、
   を備えることを特徴とする加工装置システム。
8. 請求項１に記載の加工装置を設計する方法であって、
   前記第２駆動機構が直線運動させる部分の質量を、前記第１駆動機構が直線運動させる部分の質量と実質的に等しく設定することと、
   前記第２イナーシャを、前記第１イナーシャと実質的に等しく設定することと、
   を含むことを特徴とする加工装置の設計方法。
   

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