JP7109769B2 - 機械加工装置 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 株式会社アイテックは、発明の発明の新規性の喪失の例外の規定の適用を受けるための証明書に記載のとおり、２０１７年１１月２９日～２０１７年１２月２日開催のの展示会「２０１７国際ロボット展」にて、本件発明の実施品を展示公開した。

本発明は、機械加工装置、特に研磨や研削加工に適する機械加工装置に関するものである。

今日は研磨や研削などの機械加工は、回転や前後動を行うエアツールなどの加工用ツールの加工軸の先端に加工工具を着脱可能に取り付け、その加工軸を、フローティング構造によって、所定の圧力で前記加工軸のスラスト方向に付勢して工作物に対する機械加工を行うようにした機械加工装置が広く用いられている。

特許文献１にあっては、ロボットの手首部先端に取付けられた工具によって、工作物を加工する作業工具装置であって、前記ロボットの手首部に取付けられた筒体と、この筒体内部に摺動可能に嵌挿された摺動部材と、この摺動部材を所定押圧力で付勢する付勢手段と、前記摺動部材に取付けられたフレームと、このフレームに固定された球面軸受と、この球面軸受によって傾動可能に支持された工具ホルダと、この工具ホルダに取り付けられた工具ならびにこの工具を回転駆動する駆動装置と、前記工具ホルダが傾動する角度を制限する第１ストッパと、前記工具ホルダが前記工具の軸方向と同じ軸回りに回転する角度を制限する第２ストッパとを備えたことを特徴とする機械加工装置が提案されており、これを改良するものとして特許文献２に示される提案もなされている。

特許文献１の提案がなされた段階の従来の機械加工装置（作業工具装置）は、特許文献１の第６図に示されたように、「先端に取付けられた回転砥石（工具）２７を駆動モータ６０によって駆動し、フローティング構造２６によって、回転砥石２７を所定の圧力で工作物５０に押しつけて工作物５０の研磨作業を行う。ここでフローティング構造２６は、空気の圧力によってピストン６１を押圧することにより回転砥石２７を所定押圧力で一定方向に付勢して保持すると同時に、工作物５０の形状の誤差、工作物毎に変化する加工面の状態、工作物５０を設置する位置のずれ等から、工作物５０が基準工作物との間に生じる変位を、回転砥石２７がピストン６１の移動する方向にフローティングすることによって吸収する効果も兼ね備えていた」（特許文献１の発明の詳細な説明〈従来の技術〉参照）ものであり、ピストンの軸方向であるスラスト方向の自由度のみが与えられていたに止まる。

特許文献１は、この課題を解決するもので、その発明の詳細な説明〈発明が解決しようとする課題〉に示されているように、「かかる従来の技術の様な作業工具装置では、工作物５０の加工面におけるピストン６１が移動する方向と同方向の変位は吸収できるが、自動車のボディの様な自由曲面を研磨する時には、変位が多方向に生じているため、これら全ての変位を吸収することはできない。このため回転砥石２７の回転中心軸１０１と加工面の法線１０２の方向が同一方向でない状態、即ち、回転砥石２７の砥石面９０が工作物５０の目的とする加工位置に適切に面接触していない状態となり易く、加工後の工作物５０の加工状態が不均一となったり、工作物５０を必要以上に加工して品質が劣化するという問題があった。また、このような問題を避けるために自由曲面に合わせた加工軌跡をロボットに教示することが行われるが、この作業は非常に時間を要する反面、十分な効果が得られていない」点に着目し、球面軸受によって傾動可能に支持された工具ホルダを用いることで、その課題を解決するものであった。
具体的には、特許文献１は、その図１や図５に示されているように、付勢状態下で加工軸を軸方向（スラスト方向）に移動させるフローティング構造を採ることに加えて、付勢状態下で加工軸を傾斜させる構造を併用することによって、自由曲面を研磨するときにも、工具を適切に工作物の加工面に倣わせて移動することができるようにしたものであった。

ところが、このように加工軸を傾斜揺動させる特許文献１や２の機械加工装置では、工作物の被加工面が曲面であれば有利ではあるが、垂直な平面の場合には、逆に次のような問題が生じる。
垂直面に対しての研磨などの機械加工について産業用ロボットでのティーチングを行う場合、図５（Ａ）に示す加工工具（研磨材）１０１を被加工面１０２に対して平行に持っていくと、図５（Ｂ）に示すように、点あたりになってしまう。その結果、図１（Ｃ）に示すように、あらかじめ角度を考慮してティーチングする必要が生じてしまう。このためティーチング作業が煩雑になり、多くの時間がかかってしまうという課題が生じる。さらに、図１（Ｄ）（Ｅ）に示すように、ー般に加工工具（研磨材）１０１の研磨材は被加工面と接触したところから磨耗していく。特許文献１や２の機械加工装置では、研磨材が傾斜揺動するため斜めに減って、図１（Ｄ）（Ｅ）の先端側のＢ寸法部が早く滅ってしまう。このため、まだ使える後端側のＡ寸法部を残して研磨材を交換することになり、研磨材の無駄使いから加工コスト高を招く結果となっている。

特開平３－２８１１８９号公報 特許第６０４１３１７号公報

本発明が解決しようとする課題は、垂直面などの平面の被加工面に対して適正な動きを実現し、また、そのティーチングを効率的に行うことができる機械加工装置の提供を図ることにある。

本発明は、加工工具を平面移動可能に支持し、平面移動の際に研磨工具を押し戻す力を与える手段を備えた機械加工装置を提供することによって上記の課題を解決する。
即ち、先端に設けられた加工工具を作動させるための加工軸を、フローティング構造によって、所定の圧力で前記加工軸のスラスト方向に付勢して工作物に対する機械加工を行うようにした加工装置において、前記加工軸と直交するラジアル方向に沿って移動可能に前記加工軸を支持する支持部と、前記加工軸に対してその周囲の複数方向から前記ラジアル方向の力を加える加圧部とを備え、前記加圧部からの力によって、前記加工軸が前記ラジアル方向と直交する状態を保って、前記ラジアル方向へ移動可能に付勢されるよう構成されたことを特徴とする機械加工装置を提供する。

前記加圧部は、前記加工軸の周囲に放射状に配置された複数の流体圧アクチュエータと、前記流体圧アクチュエータにより加えられるラジアル方向の力を調整する圧力調整部とを備えたものとして実施することができる。
前記支持部は、前記ラジアル方向に沿った基準面を備えた基準部材と、前記基準面に沿って相対的にラジアル方向へ移動する案内部材と、前記基準部材と前記案内部材との間に配置された滑動部材とを備え、前記基準部材と前記案内部材との何れか一方が前記加工軸を支持することにより、前記加工軸が前記ラジアル方向へ移動するように構成することができる。

より具体的には、前記加工軸は、加工用ツールに備えられた回転もしくは前後動をなす前記加工用ツールの出力軸であり、前記支持部は、前記加工用ツールのボディを前記ラジアル方向に沿って移動可能に支持することによって、前記加工軸を支持するものであり、前記加圧部は、前記加工用ツールの前記ボディに対してその周囲の複数方向から前記ラジアル方向の力を加えることによって、前記加工軸に対して前記ラジアル方向の力を加えるものであり、前記フローティング構造は、産業用ロボットのアームに支持されたエアシリンダと、前記エアシリンダ内に摺動可能に挿入された筒状ピストンとを備え、前記加工用ツールの前記ボディが前記筒状ピストンの筒内に前記スラスト方向及び前記ラジアル方向へ移動可能に挿通されている機械加工装置を提供する。

本発明は、垂直面などの平面の被加工面に対して適正な動きを実現することができる機械加工装置を提供することができたものである。
また本発明は、このような適切な動きを実現するティーチングを効率的に行うことができる機械加工装置を提供することができたものである。

本発明の実施の形態に係る機械加工装置の正面図。 同機械加工装置の縦断面図。 図１の矢視断面図。 同機械加工装置の要部斜視図。 従来の機械加工装置を示すもので、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は使用状態を示す要部正面図、（Ｃ）は適正なティーチングを行うための使用状態を示す要部正面図、（Ｄ）は同使用状態の課題を示す正面図、（Ｅ）は同使用状態の課題を示す要部正面図。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
(概要)
この実施の形態にかかる機械加工装置１０は、先端に設けられた研磨具などの加工工具４２を作動させるための加工軸４１を、フローティング構造によって、所定の圧力で加工軸４１のスラスト方向に付勢して、研磨や研削などの機械加工を行うようにした加工装置である。

この機械加工装置１０は、手で持つことも可能であるが、この例では、図１に示すように、産業用ロボットのアーム１１などの加工用マシーンに取り付けられて使用されるものとして説明する。
この機械加工装置１０は、アーム１１に対して、加工軸４１及び加工工具４２を、付勢状態下で軸方向（スラスト方向Ｚ）に移動させるフローティング構造を採ることに加えて、付勢状態下で加工軸を水平移動（スラスト方向Ｚと直交する方向であるラジアル方向ＸＹ）に移動させる構造を併用するもので、スラスト方向Ｚとラジアル方向ＸＹとの二つの方向に付勢されながら移動可能な状態を保つことによって、工作物５１の垂直な被加工面５２に加工工具４２を加工できるようにティーチングさせるようにしたものである。このように加工工具４２は、上記二つの方向に付勢状態下で移動可能としながら、エアツールなどの加工用ツール３２によって、被加工面５２の研磨や研削のための回転や前後動を行うことで、被加工面５２に対して機械加工を行うものである。

（動きの要素）
この機械加工のための動きは、次の四つの動きによって実現される。
第一要素（図２の右上がり細斜線にてその主要部分を示す）
第一要素は、産業用ロボットのアーム１１に対して固定されてこれと一体的に動く要素であり、アーム１１に対して不動であって、アーム１１共に移動する。

具体的にはアーム１１に対する接続部材１２と、これに固定されたフローティング構造１３のエアシリンダ１４（シリンダボディ）である。

第二要素 （図２の右下がり太斜線にてその主要部分を示す）
第二要素は、第一要素に対してスラスト方向Ｚに移動可能な要素である。
具体的にはフローティング構造１３の筒状ピストン２１と、筒状ピストン２１の先端側に固定された取付け部２２と、取付け部２２に固定されて支持された加圧部２３のエアアクチュエータ２４のシリンダ本体２５）である。なお、取付け部２２の先端には、筒状のケーシング２０の先端が固定されており、この筒状のケーシング２０は後端側の接続部材１２付近にまで伸びているが、接続部材１２とは固定されていない。

第三要素 （図２の右下がり細斜線にてその主要部分を示す）
第三要素は、第二要素に対してラジアル方向ＸＹに移動可能な要素であり、機械加工装置１０のアーム１１に対してはスラスト方向Ｚとラジアル方向ＸＹに移動する。
具体的には、エアアクチュエータ２４のシリンダ本体２５から出没するピストン３１と、ピストン３１によって付勢された加工用ツール３２である。

第四要素（図２の右上がり太斜線にてその主要部分を示す）
第四要素は、具体的には前述した加工用ツール３２の出力軸である加工軸４１と加工工具４２であり、第三要素に対しては加工のための動き（回転や前後動）を行う要素である。従って、アーム１１に対しては、スラスト方向Ｚとラジアル方向ＸＹに移動して付勢されながら工作物５１の被加工面５２に対する機械加工のための直接の動きをなす。

次にこれらの各要素について順に説明する。
（第一要素について）
まず第一要素は、アーム１１に対する接続部材１２と、これに固定されたフローティング構造１３のエアシリンダ１４（シリンダボディ）である。エアシリンダ１４は、内部のシリンダ空間１５にエアを供給するための供給路１６を備えており、供給路１６から筒状ピストン２１を作動するための所定圧力のエアが供給される。

（第二要素について）
第二要素は、フローティング構造１３の筒状ピストン２１と、筒状ピストン２１の先端側に固定された取付け部２２と、取付け部２２に固定されて支持された加圧部２３を構成する複数のエアアクチュエータ２４のシリンダ本体２５である。

筒状ピストン２１は、第一要素の供給路１６からの加圧エアによってシリンダ空間１５内の圧力が高まることで先端方向に付勢されるものである。筒状ピストン２１のストロークは加工工具４２の付勢のためのものであり、工具の大きさにもよるが、わずかな寸法で足りる。具体的には３～１０ｍｍ程度であれば良い。

供給路１６は、図示は省略するが、圧力調整バルブなどの圧力調整部を備えたコンプレッサなどのエア供給源に接続されており、所定の値に設定されたエアが供給される。エアによる付勢の圧力は、加工工具４２による研磨や研削が有効に行える程度の力であればよい。具体的には0.1MPa～0.2MPa程度であればよく、圧力調整部はこの圧力を可変に調整できるものであることも好ましい。

筒状ピストン２１は、その先端がエアシリンダ１４から突出しており、この先端に取付け部２２を介して加圧部２３が取り付けられている。加圧部２３は、図３及び図４に示すように、複数のエアアクチュエータ２４が加工用ツール３２の周囲に放射状に配置されたもので、各エアアクチュエータ２４により加えられるラジアル方向ＸＹの力により、加工用ツール３２をラジアル方向ＸＹに付勢された状態で同方向に移動可能に支持するものである。エアアクチュエータ２４の数は、円滑にラジアル方向ＸＹに付勢する観点から３つ以上であればよいが、６つ以上が好ましく、図の例では１２個が設けられている。これらのエアアクチュエータ２４のシリンダ本体２５は、例えばリングシリンダのような１つの部材に複数のシリンダ空間２６を放射状に設けたものとして実施することもできる。
それぞれのエアアクチュエータ２４は、シリンダ本体２５の内部のシリンダ空間２６にエアを供給するための供給路２７を備えており、供給路２７からピストン３１を作動するための所定圧力のエアが供給される。

また、加工用ツール３２をラジアル方向ＸＹに確実に移動させるために、支持部を備えたものとすることが好ましい。図２に示すように、支持部は、第二要素としての案内部材２８と、第三要素としての基準部材３３を備える。
案内部材２８は、この例では環状の板材として実施されており、その後端側の面がシリンダ本体２５に固定されている。そしてこれらの案内部材２８は、その先端側の面または後端側の面に円滑な移動を促すための滑動部材としてベアリング２９を備えている。

（第三要素について）
第三要素は、第二要素のエアアクチュエータ２４のシリンダ本体２５から突出して摺動するピストン３１と、ピストン３１によって付勢された加工用ツール３２と、基準部材３３を含む。

加工用ツール３２には、上記の案内部材２８に対応して、基準部材３３が固定されており、基準部材３３及び加工用ツール３２は、案内部材２８によって案内されながら、ラジアル方向ＸＹに移動する。具体的には、基準部材３３は環状の板材として実施されており、ベアリング２９に対向して接している面（後端側の面または先端側の面）が基準面となっている。この基準面はラジアル方向ＸＹに沿った環状の平面であり、この基準面に沿って、加工用ツール３２は確実且つ円滑にラジアル方向ＸＹに移動することができる。
なお基準面を設ける部材は、案内部材２８などの第二要素側の部材であってもよい。また滑動部材は、ベアリング２９の他、滑り性の良い材質で構成しても構わない。

ピストン３１は、供給路２７からのエアによってシリンダ空間２６内の圧力が高まることで、シリンダ本体２５から突出した先端が、加工用ツール３２をラジアル方向ＸＹに付勢するものである。ピストン３１のストロークは加工工具４２の付勢のためのものであり、工具の大きさにもよるが、わずかな寸法で足りる。具体的には３～１０ｍｍ程度であれば良い。供給路２７は、図示は省略するが、圧力調整バルブなどの圧力調整部を備えたコンプレッサなどのエア供給源に接続されており、所定の値に設定されたエアが供給される。エアによる付勢の圧力は、加工工具４２による研磨や研削が有効に行える程度の力であればよく、具体的には0.1MPa～0.2MPa程度であれば良く、圧力調整部はこの圧力を可変に調整できるものであることも好ましい。なお、加工用ツール３２と前述の第一要素、第二要素の各部材との間には上記の動きを実現するクリアランスが設けられている。

加工用ツール３２には、スピンドルエアモーターなどのエア工具を採用することができるほか、電動工具であってもよく、前後に繰り返し摺動する工具であってもよい。なお加工用ツール３２の形状は問わないが、ピストン３１の先端に当接する部分は断面真円形状であったり正多角形であることがラジアル方向ＸＹへ均等な動きを実現する点で好ましい。

（第四要素について）
第四要素は、加工用ツール３２の出力軸である加工軸４１と、加工軸４１に対してチャックなどの取付部材を介して設けられた加工工具４２である。加工軸４１は前述の加工用ツール３２の具体的な工具の種類に応じた形態と動きを示すものが採用される。加工工具４２には砥石や研磨ペーパーなどの研磨用工具や、切削能力を備えた刃物などが採用される。

（変更例）
本発明は種々変更して実施することができるものであり、上記の実施の形態ではスラスト方向Ｚに移動可能な第二要素の次に、ラジアル方向ＸＹに移動可能な第三要素を設けたが、第二要素を第一要素に対してラジアル方向ＸＹへ移動可能なものとし、第三要素をスラスト方向Ｚへ移動可能なものとしても構わない。またフローティング構造１３のエアシリンダ１４や加圧部２３エアアクチュエータ２４などの付勢手段は、流体圧を用いた流体圧アクチュエータが圧力の可変的な調整を行える点で有利であるが、その他バネなどの弾性変形による付勢、磁石などの磁力による付勢などの手段に変更したり併用したりしても構わない。

（使用方法）
この実施の形態に係る機械加工装置１０にあっては、加工工具４２をラジアル方向ＸＹへ平面移動可能に支持したため、工作物５１の垂直な被加工面５２に対して面直に 、ティーチングする場合、加工工具４２を被加工面５２と平行に接近させるようにすることができる。これによって、研磨材はその全体が被加工面５２に対してほぼ均等に当たるようになり、ティーチング作業が簡易になり、時間短縮、ティーチングコストの削減が可能となる。また従来のように研磨材が斜めに減るのではなく、平行して減っていくので、減りムラがなく、研磨材が無駄なく使えるため、研磨材のコストを減らすことができる。

１０ 機械加工装置
１１ アーム
１２ 接続部材
１３ フローティング構造
１４ エアシリンダ
１５ シリンダ空間
１６ 供給路
２０ ケーシング
２１ 筒状ピストン
２２ 取付け部
２３ 加圧部
２４ エアアクチュエータ
２５ シリンダ本体
２６ シリンダ空間
２７ 供給路
２８ 案内部材
２９ ベアリング
３１ ピストン
３２ 加工用ツール
３３ 基準部材
４１ 加工軸
４２ 加工工具
５０ 工作物
５２ 被加工面
Ｚ スラスト方向
ＸＹ ラジアル方向

Claims (4)

1. 先端に設けられた加工工具を作動させるための加工軸を、フローティング構造によって、所定の圧力で前記加工軸のスラスト方向に付勢して工作物に対する機械加工を行うようにした加工装置において、
   前記加工工具の加工軸を前記スラスト方向と直交する平面に沿ってラジアル方向へ移動可能に支持し、前記ラジアル方向への移動の際に前記加工工具を押し戻す力を前記加工軸に与えて付勢する構造を備えたものであり、
   第一要素、第二要素、第三要素及び第四要素を備え、
   前記第一要素は、産業用ロボットのアームに対して固定されて一体的に動く要素であり、前記アームに対する接続部材と、これに固定されたフローティング構造のエアシリンダのシリンダボディとを備え、
   前記第二要素は、第一要素に対してスラスト方向に移動可能な要素であり、前記フローティング構造の筒状ピストンと、前記筒状ピストンの先端側の取付け部と、前記取付け部に支持された加圧部のエアアクチュエータのシリンダ本体を備え、
   前記取付け部の先端には、筒状のケーシングの先端が固定されており、前記筒状のケーシングは後端側の前記接続部材付近にまで伸びているが、前記接続部材とは固定されていないものであり、
   前記シリンダ本体に、環状の板材である前後２つの案内部材が、固定され、
   前記第三要素は、前記第二要素に対してラジアル方向に移動可能な要素であり、前記アームに対してはスラスト方向とラジアル方向に移動するものであり、前記エアアクチュエータの前記シリンダ本体から出没する複数のピストンと、前記ピストンによってラジアル方向に付勢された加工用ツールと、前後２つの基準部材とを備え、
   前記加工用ツールのボディは、前記筒状ピストンの筒内にスラスト方向及びラジアル方向へ移動可能に挿通されており、
   前後２つの前記基準部材は、前後２つの前記案内部材に対応して、前記加工用ツールに固定され、
   前記基準部材は、ラジアル方向に沿った環状の平面である基準面を備え、
   前記シリンダ本体は、前後２つの前記基準部材のそれぞれの前記基準面に挟まれた状態で、前記加工用ツールに対してラジアル方向に沿って相対的に移動可能であり、
   前記第四要素は、前記加工用ツールの出力軸である加工軸を備え、
   前記加工用ツールの前記出力軸は、前記第三要素に対しては加工のための動き行う要素であり、前記アームに対しては、スラスト方向とラジアル方向に移動して付勢されながら機械加工のための直接の動きをなすように構成されたことを特徴とする機械加工装置。
2. 前記ピストンからの力によって、前記加工軸が前記ラジアル方向と直交する状態を保って、前記ラジアル方向へ移動可能に付勢されるよう構成されたことを特徴とする請求項１記載の機械加工装置。
3. 前記加圧部は、前記加工軸の周囲に放射状に配置された複数の前記エアアクチュエータと、前記エアアクチュエータにより加えられるラジアル方向の力を調整する圧力調整部とを備えたことを特徴とする請求項２記載の機械加工装置。
4. 前記フローティング構造は、前記アームに支持された前記エアシリンダと、前記エアシリンダ内に摺動可能に挿入された前記筒状ピストンとを備えることを特徴とする請求項３に記載の機械加工装置。

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