JP7208151B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工具の姿勢を制御する２つの回転送り軸と、工具に対してワークの位置を相対的に移動する３つの直線送り軸とを有した工作機械に関する。

直交３軸の直線送り軸に加えて２つの回転送り軸を有した５軸の工作機械では、機械の動作範囲中に特異点が存在する。送り軸が特異点を通過する際、加工プログラムが指令する工具姿勢変化が小さくとも、実際には工具姿勢が大きく変化し、回転送り軸および直線送り軸の速度が急激に高くなることがある。

特許文献１には、工具姿勢制御において特異点を通過すると判断した場合には、特異点における回転軸の速度や加速度の非常に大きな移動を回避可能な５軸加工機用数値制御装置が記載されている。

特開２０１０－１４０３１２号公報

特許文献１の５軸加工機用数値制御装置は、加工プログラムの指令ブロック始点での指令と指令ブロック終点での指令に基づく計算によって、工具を回転する主軸が特異点を通過するか否か、または特異点近傍を通過するか否かを判断し、主軸が該特異点または該特異点近傍を通過すると判断された場合には、該特異点および該特異点近傍で工具経路を変更することによって、ソフトウェア的に特異点を回避するようになっている。然しながら、特許文献１の発明では、特異点または特異点近傍で工具経路を変更してしまうので、加工面が所望形状とはことなる形状となり得る問題がある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、ソフトウェア的に特異点の問題を解決するのではなく、ハードウェア的に特異点の問題を解決した工作機械を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、工具の姿勢を制御する２つの回転送り軸と、工具に対してワークの位置を相対的に移動する直線送り軸とを有し、加工プログラムの指令で工具姿勢を変化させる工作機械において、先端部に工具を装着する主軸と、前記主軸を主軸回転軸線周りに回転可能に支持する主軸頭と、前記主軸頭を前記主軸回転軸線に対して垂直に延びる第１の軸線周りに回転可能に支持するＣ軸旋回軸と、前記Ｃ軸旋回軸に設けられ、前記主軸頭を前記第１の軸線周りに回転送りする第１の回転送り軸装置と、前記Ｃ軸旋回軸を前記第１の軸線に対して垂直、かつ、鉛直方向に対して所定の傾斜角で交差する第２の軸線周りに回転可能に支持するＺ軸スライダと、前記Ｚ軸スライダを鉛直方向に往復可能に取り付けたサドルと、前記サドルを左右方向に移動可能に支持するコラムと、前後方向に移動可能に設けられワークＷが固定されるテーブルと、前記Ｚ軸スライダに設けられ、前記Ｃ軸旋回軸を前記第２の軸線周りに回転送りする第２の回転送り軸装置と、前記主軸回転軸線が前記第２の軸線に平行ではなく或いは一致せず、かつ前記主軸回転軸線が鉛直方向に対して形成する角度が、鉛直方向に対する前記第２の軸線の傾斜角よりも小さくなる範囲に、前記第１の回転送り軸装置の回転送り範囲を制限するリミットスイッチとを具備する工作機械が提供される。

本発明によれば、主軸の回転軸線が、主軸頭の回転軸である第１の軸線に対して垂直、かつ、鉛直方向に対して所定の傾斜角で交差する第２の軸線に平行または一致しないように、主軸頭の回転送り範囲を制限する制限手段を設け、ハードウェア的に特異点の問題を解決したので、特異点における工具姿勢が大きく変化し、回転送り軸および直線送り軸の速度が急激に高くなることが防止され、加工面に加工痕が形成されることが防止されると共に、加工プログラムに特異点を通過する指令が含まれない場合には、回転送り軸装置が円滑に動作し、良好な加工面が得られる。

本発明の好ましい実施形態による工作機械の一部を破断して示す側面図である。 図１の工作機械の正面図である。 原点位置にあるＡ軸およびＣ軸の回転送り軸の部分拡大断面図である。 Ａ軸が最大回転位置にあるときの図３と同様の部分拡大断面図である。 Ａ軸が最小回転位置にあるときの図３と同様の部分拡大断面図である。 Ａ軸およびＣ軸の回転送り軸が原点位置にあるときの工具の先端方向を示すベクトルを示した略図である。 Ａ軸の回転送り軸の可動範囲を示した図６と同様の略図である。 Ａ軸およびＣ軸の回転送り軸の可動範囲を示した図６と同様の略図である。 本実施形態における、工具の先端を配置可能な範囲を示した略図である。 他の実施形態による制限手段を示した図３と同様の部分拡大断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１、２を参照すると、工具の姿勢を制御する２つの回転送り軸と、工具に対してワークの位置を相対的に移動する３つの直線送り軸とを有した工作機械の一例が示されている。工作機械１０は、工場の床面に固定された基台としてのベッド１２、ベッド１２の後端側（図１では右側）で同ベッド１２の上面に立設、固定されたコラム１４、ベッド１２の前方部分（図１では左側）の上面で前後方向またはＹ軸方向（図１では左右方向）に移動可能に設けられワークＷが固定されるテーブル２６、テーブル２６の上方に設けられ主軸２４を回転可能に支持する主軸頭２２、コラム１４の頂部で左右方向またはＸ軸方向（図１では紙面に垂直な方向）に移動可能に設けられたサドル１６、サドル１６に設けられ主軸頭２２を回転軸線Ｏaを中心として回転可能に支持する主軸頭支持部６０を具備している。主軸頭支持部６０は、サドル１６の前面で上下方向またはＺ軸方向に移動可能に取り付けられたＺ軸スライダ１８と、Ｚ軸スライダ１８に第２の回転軸線としての傾斜軸線Ｏcを中心としてＣ軸方向に回転可能に支持されたＣ軸旋回軸２０とを具備している。

コラム１４の上端部には一対のＸ軸ガイドレール２８が水平なＸ軸方向（図１の紙面に垂直な方向）に延設されており、コラム１４には、該Ｘ軸ガイドレール２８上を摺動可能なガイドブロック３０が取り付けられている。サドル１６をＸ軸ガイドレール２８に沿って往復駆動するＸ軸送り装置として、Ｘ軸方向に延設されたボールねじ３２と、該ボールねじの一端に連結されたＸ軸サーボモータ３４が設けられており、サドル１６には、ボールねじ３２に係合するナット（図示せず）が取り付けられている。また、コラム１４の上端には傾斜面１４ａが形成されている。傾斜面１４ａはＸ軸に対して平行に工作機械１０の前面側から背面側へ斜め上方に延びている。傾斜面１４ａの角度は、例えば水平面（ＸＹ平面）に対して４５°とすることができる。

サドル１６の前面には、一対のＺ軸ガイドレール３６が鉛直方向であるＺ軸方向に（図１、２では上下方向）に延設されており、Ｚ軸スライダ１８には、該Ｚ軸ガイドレール３６上を摺動可能なガイドブロック３８が取り付けられている。サドル１６には、Ｚ軸スライダ１８をＺ軸ガイドレール３６に沿って往復駆動するＺ軸送り装置として、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ４０と、該ボールねじ４０の一端に連結されたＺ軸サーボモータ４４が設けられており、Ｚ軸スライダ１８には、ボールねじ４０に係合するナットが取り付けられている（図１には、該ナットを取り付けるブラケット４２が図示されている）。

Ｚ軸スライダ１８の下端部には、Ｃ軸旋回軸２０が軸受５０によって傾斜軸線Ｏcを中心として回転可能に支持されている。傾斜軸線Ｏcは、Ｘ軸に対して垂直に工作機械１０の前面側から背面側へ斜め上方に、傾斜面１４ａに対して略平行に延びている。傾斜軸線Ｏcと傾斜面１４ａは同じ方向に傾斜していればよいが、平行に近い方が一層効果的である。Ｚ軸スライダ１８は、また、Ｃ軸旋回軸２０を回転駆動するＣ軸送り装置または第２の回転送り軸装置としてＣ軸サーボモータ５２を内蔵している。Ｃ軸旋回軸２０の正面側の先端部には、傾斜軸線Ｏcに対して平行に延びる左右一対の腕部２０ａ、２０ｂが形成されている。なお、Ｃ軸旋回軸２０は傾斜軸線Ｏcを中心として所定の角度範囲、例えば、Ｃ軸送り装置の原点を中心として±６０°の回転角度範囲で回転可能となっている。

主軸頭２２は、主軸２４を主軸軸線Ｏs周りに回転可能に支持し、該主軸２４の先端部に工具Ｔが装着される。Ｃ軸旋回軸２０の左右一対の腕部２０ａ、２０ｂの間に主軸頭２２が配設される。主軸頭２２は、両側部に形成されたＡ軸旋回軸２２ａ、２２ｂによって、傾斜軸線Ｏcに対して垂直な第１の回転軸線としての回転軸線Ｏaを中心としてＡ軸方向に回転可能に主軸頭支持部６０のＣ軸旋回軸２０の腕部２０ａ、２０ｂに支持される。Ａ軸送り装置または第１の回転送り軸装置として、腕部２０ａ、２０ｂの一方（本実施形態では腕部２０ａ）にＡ軸旋回軸２２ａ、２２ｂの一方（本実施形態ではＡ軸旋回軸２２ａ）に結合されたＡ軸サーボモータ２１が組み込まれている。

なお、傾斜軸線Ｏcは、主軸２４の主軸軸線Ｏsと回転軸線Ｏaとの交点Ｏの近傍を通過する。また、図２に示すように、回転軸線Ｏaが水平のＸ軸と平行となるＣ軸送り装置の回転位置をＣ軸の原点位置とする。更に、Ｃ軸が原点位置にあるとき、主軸２４の主軸軸線Ｏsが鉛直となる（Ｚ軸に平行になる）Ａ軸送り装置の回転位置をＡ軸の原点位置とする。Ａ軸が原点位置にあるとき、主軸２４は、テーブル２６に対面するように下方に向けられている。

Ａ軸およびＣ軸が原点位置にあるとき、主軸２４端面および該主軸２４に装着された工具Ｔは、ワーク（図示せず）を取り付けるテーブル２６に対面する。ベッド１２の上面には、一対のＹ軸ガイドレール４６が水平なＹ軸方向（図１の左右方向）に延設されており、テーブル２６には、該Ｙ軸ガイドレール４６上を摺動可能なガイドブロック４８が取り付けられている。ベッド１２には、また、テーブル２６をＹ軸ガイドレール４６に沿って往復駆動するＹ軸送り装置として、Ｙ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、該ボールねじの一端に連結されたＹ軸サーボモータ（図示せず）が設けられており、テーブル２６には、前記ボールねじに係合するナット（図示せず）が取り付けられている。好ましくは、サドル１６の前面に凹部１６ｂを形成し、該凹部１６ｂ内にＺ軸のボールねじ４０を配置するようにできる。

Ｘ軸サーボモータ３４、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータ４４、Ａ軸サーボモータ２１およびＣ軸サーボモータ５２は、工作機械１０のＮＣ装置１００（図２）に接続されており、該ＮＣ装置１００によって制御される。

工作機械１０では、Ｃ軸旋回軸２０をコラム１４側に傾斜させたことによって、Ａ軸送り装置とＣ軸送り装置の２つの回転送り軸と、主軸頭２２とを含めた移動体のコラム１４に対するオーバーハングを小さくすることが可能となり、該移動体の重心位置をコラム１４側にシフトすることが可能となる。これによって、コラム１４や、サドル１６の変形を低減可能となる。また、前記移動体を送るとき、加減速時にサドル１６やＺ軸スライダ１８の変形が低減される。また、主軸頭支持部６０の少なくとも一部をサドル１６の凹部１６ｂ内に配置するようにできる。これによって、前記移動体のコラム１４に対するオーバーハングを一層小さくすることが可能となる。

ここで、主軸軸線ＯsがＣ軸旋回軸２０の回転軸線である傾斜軸線Ｏcと一致すると、加工プログラムが指令する工具姿勢変化が小さくとも、実際には工具姿勢が大きく変化し、回転送り軸および直線送り軸の速度が急激に高くなることがある。こうした問題は、一般に工作機械の特異点問題と称される。本発明では、こうした特異点問題をハードウェア的に回避するために、Ａ軸の回転送り範囲を制限する制限手段が設けられている。既述の実施形態では、工作機械１０は、主軸軸線ＯsとＣ軸旋回軸２０の回転軸線である傾斜軸線Ｏcとが一致しないように制限する制限手段として、Ｃ軸旋回軸２０に設けられた停止部５４を具備している。

図３～図５を参照すると、工作機械１０は、Ａ軸の旋回範囲を制限する制限手段としてＣ軸旋回軸２０に設けられた停止部５４を更に具備している。停止部５４は、Ａ軸の正の方向の回転範囲を制限する第１の当接面５４ａと、Ａ軸の負の方向の回転範囲を制限する第２の当接面５４ｂとを有している。図３～図５の例では、Ａ軸の回転角度をαとして、Ａ軸が原点（α＝０）から正の方向に角度α＝α1（図４）の回転位置にあるとき、停止部５４の第１の当接面５４ａが主軸頭２２の側面に当接して、主軸頭２２の回転動作を停止させ、Ａ軸の回転動作の上限が規定され、反対にＡ軸が原点（α＝０）から負の方向に角度α＝－α2（図５）の回転位置にあるとき、停止部５４の第２の当接面５４ａが主軸頭２２の側面に当接して、主軸頭２２の回転動作を停止させ、Ａ軸の回転動作の下限が規定され、こうして、Ａ軸はα1≦α≦α2の範囲で主軸頭２２を回転駆動する。こうして、主軸頭２２は、Ａ軸方向に第１の回転位置（α＝α1）と、第２の回転位置（α＝－α2）との間で回転送りされる。

本実施形態では、Ａ軸の回転中心である第１の回転軸線としての回転軸線Ｏaが傾斜軸線Ｏcと交差しているために、α1＝θとなると、主軸軸線Ｏsと傾斜軸線Ｏcとが一致するが、回転軸線Ｏaが傾斜軸線Ｏcと交差していない場合には、主軸軸線Ｏsが傾斜軸線Ｏcに一致することはない。こうした場合には、制限手段としての停止部５４は、主軸軸線Ｏsが傾斜軸線Ｏcに平行となることを防止するように形成される。

なお、本実施形態では、図３に示すように、主軸２４の工具Ｔが装着される端面がテーブル２６に対面するように下方に向けられているＡ軸の原点から、図４に示すように、工具Ｔが工作機械１０の前方（図３～図５では左方）に上動するように回転する方向（図３～図５では時計回りの方向）をＡ軸の正の方向とする。

ここで、図６を参照すると、Ａ軸の回転中心である第１の回転軸線としての回転軸線ＯaはＸ軸に平行に延び、Ｃ軸の回転中心である第２の回転軸線としての傾斜軸線Ｏcは、回転軸線Ｏaに対して垂直で、かつ、鉛直方向であるＺ軸に対して傾斜角θを以て傾斜している。つまり、図６では、左側が工作機械１０の前方であり、上側が工作機械１０のテーブル２６に向かう方向である。Ｃ軸の傾斜角は、例えば３０°＜θ＜４５°とすることができる。なお、図６～図８において、矢印は、工具Ｔの先端方向を正の方向とする主軸軸線Ｏsに沿う単位ベクトルを示している。

図７を参照すると、Ａ軸の回転送り範囲αは、原点（鉛直方向であるＺ軸）を挟んでα＝α1＋α2となっている。Ａ軸の原点から正の方向への最大の回転角度α1と、負の方向への最大の回転角度α2は異なる値とすることができるが、α1＝α2としてもよい。一例として、α1＝α2＝３０°とすることができる。この場合、Ａ軸の回転送り範囲は、－３０°≦α≦３０°となる。

更に、図８を参照すると、ベクトルＶ1は、Ａ軸がα＝０となる原点にあり、かつ、Ｃ軸が最小の回転角度位置にあるときの工具Ｔの先端方向を示し、ベクトルＶ2は、Ａ軸がα＝０となる原点にあり、かつ、Ｃ軸が最大の回転角度位置にあるときの工具Ｔの先端方向を示し、ベクトルＶ3は、Ａ軸が最小の回転角度位置またはα＝－α2となる第２の回転位置にあり、かつ、Ｃ軸が最小の回転角度位置にあるときの工具Ｔの先端方向を示し、ベクトルＶ4は、Ａ軸が最小の回転角度位置またはα＝－α2となる第２の回転位置にあり、かつ、Ｃ軸が最大の回転角度位置にあるときの工具Ｔの先端方向を示し、ベクトルＶ5は、Ａ軸が最大の回転角度位置またはα＝α1となる第１の回転位置にあり、かつ、Ｃ軸が最大の回転角度位置にあるときの工具Ｔの先端方向を示している。なお、Ａ軸が最大の回転角度位置またはα＝α1となる第１の回転位置にあり、かつ、Ｃ軸が最小の回転角度位置にあるときの工具Ｔの先端方向を示すベクトルは、図面を明瞭に示すために図８では省略されている。こうして、本実施形態における、工具Ｔの先端を配置可能な範囲は図９において範囲Ｒで示される。

既述の実施形態では、テーブル２６は、Ｃ軸旋回軸２０の下側に配置されているので、工具Ｔは傾斜軸線Ｏcの下側に配置されている。従って、α1＜θとなるように、停止部５４の第１の当接面５４ａを形成すれば、特異点の問題を生じることはない。

既述の実施形態では、制限手段はＣ軸旋回軸２０に設けた停止部５４を具備しているが、本発明はこれに限定されない。制限手段は、例えばＣ軸旋回軸２０に設けられＮＣ装置１００に接続されたリミットスイッチ５６（図１０）を具備していてもよい。この場合、Ｃ軸送り装置がα＝α1およびα＝α2の回転位置にあるとき、リミットスイッチ５６からの信号に基づいて、工作機械１０のＮＣ装置１００がＣ軸サーボモータ５２の動作を停止するようにできる。

既述の実施形態において、Ｃ軸送り装置の回転送りの上限または第１の回転位置を規定する角度α1は、傾斜軸線Ｏcの傾斜角θに近い方が工具Ｔの先端を配置可能な範囲Ｒを広くすることができ、実験等によって特異点問題を生じない範囲で予め決定することができる。

１０ 工作機械
１２ ベッド
１４ コラム
１４ａ 傾斜面
１６ サドル
１６ｂ 凹部
１８ Ｚ軸スライダ
２０ Ｃ軸旋回軸
２０ａ 腕部
２０ｂ 腕部
２１ Ａ軸サーボモータ
２２ 主軸頭
２２ａ Ａ軸旋回軸
２２ｂ Ａ軸旋回軸
２４ 主軸
２６ テーブル
２８ Ｘ軸ガイドレール
３４ Ｘ軸サーボモータ
３６ Ｚ軸ガイドレール
４２ ブラケット
４４ Ｚ軸サーボモータ
４６ Ｙ軸ガイドレール
５０ 軸受
５２ Ｃ軸サーボモータ
５４ 停止部
５６ リミットスイッチ
６０ 主軸頭支持部

Claims (1)

1. 工具の姿勢を制御する２つの回転送り軸と、工具に対してワークの位置を相対的に移動する直線送り軸とを有し、加工プログラムの指令で工具姿勢を変化させる工作機械において、
   先端部に工具を装着する主軸と、
   前記主軸を主軸回転軸線周りに回転可能に支持する主軸頭と、
   前記主軸頭を前記主軸回転軸線に対して垂直に延びる第１の軸線周りに回転可能に支持するＣ軸旋回軸と、
   前記Ｃ軸旋回軸に設けられ、前記主軸頭を前記第１の軸線周りに回転送りする第１の回転送り軸装置と、
   前記Ｃ軸旋回軸を前記第１の軸線に対して垂直、かつ、鉛直方向に対して所定の傾斜角で交差する第２の軸線周りに回転可能に支持するＺ軸スライダと、
   前記Ｚ軸スライダを鉛直方向に往復可能に取り付けたサドルと、
   前記サドルを左右方向に移動可能に支持するコラムと、
   前後方向に移動可能に設けられワークＷが固定されるテーブルと、
   前記Ｚ軸スライダに設けられ、前記Ｃ軸旋回軸を前記第２の軸線周りに回転送りする第２の回転送り軸装置と、
   前記主軸回転軸線が前記第２の軸線に平行ではなく或いは一致せず、かつ前記主軸回転軸線が鉛直方向に対して形成する角度が、鉛直方向に対する前記第２の軸線の傾斜角よりも小さくなる範囲に、前記第１の回転送り軸装置の回転送り範囲を制限するリミットスイッチと、
   を具備することを特徴とした工作機械。

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