JP7397989B2 - 多自由度数値制御ターンテーブル - Google Patents

Description

本発明は工作機械技術分野に関し、具体的には、多自由度数値制御ターンテーブルに関する。

現在、ブリスク類部品は航空宇宙、船舶、自動車エンジン等の分野で一般的な重要部品であり、ロケットエンジン、航空機エンジン等の主な構成部品の一つである。この種類の部品は複雑な螺旋曲面を有し、加工精度、加工効率に対して高い要件を有する。ブリスク類部品の加工は一般的に高精度５軸マシニングセンタのような工作機械を選択して使用し、このタイプの高精度５軸マシニングセンタの一般的な回転軸構造は、２軸クレードルターンテーブルである。クレードルターンテーブルは一般的に水平に配置され、クレードルが０度の時にテーブルが水平である。一般的なターンテーブルであるＡＣ軸２軸ターンテーブル、ＢＣ軸２軸ターンテーブル、単軸ターンテーブル等は、ブリスク類部品の一般的な加工装置であり、軸系の制御点の相対位置はいずれも一定であり、通常はブリスク類部品をクランプする場合、ワークの軸心と回転軸心を合わせる必要があるが、被加工領域と制御回転軸との間に大きな距離があり、大径のブリスクを加工する場合、テーブルが水平である５軸マシニングセンタを使用すると、刃先点の位置が制御軸系から離れすぎて、工作機械でＲＴＣＰ（Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ、工具中心点）動作を実行する時、直線軸の位置補償値を増大させるため、効率及び加工表面の品質にいずれも大きな影響を及ぼす。制御上の欠陥以外に、構造においては、大径ブリスク類部品を加工するターンテーブルのロッカーアームは水平に配置され、ロッカーアーム回転軸全体の動力に対してより高い要件が求められ、構造のサイズが大きく、工作機械の型が大きく、ターンテーブルの干渉空間がより大きく、製品全体のコストが高くなる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、多自由度数値制御ターンテーブルを提供する。

本発明が提供する技術的解決手段は以下のとおりである。

多自由度数値制御ターンテーブルは、Ｂ軸回転アセンブリと、Ｃ１軸テーブル揺動アセンブリと、Ｃ２軸テーブル回転アセンブリと、Ｓ軸テーブル移動アセンブリと、を含み、
前記Ｂ軸回転アセンブリは、回転接続ディスクと、Ｂ軸線を中心に回転接続ディスクを駆動して回転させるためのＢ軸動力制御機構と、を含み、
前記Ｃ２軸テーブル回転アセンブリは、移動ベースと、テーブルと、テーブルを駆動して移動ベース上でＣ２軸線を中心に回転させるためのＣ２軸動力制御機構と、を含み、
前記Ｓ軸テーブル移動アセンブリは、揺動ベースと、Ｓ軸動力制御機構と、を含み、
前記Ｃ１軸テーブル揺動アセンブリは、ロッカーアームと、揺動ベースを駆動してＣ１軸線を中心にロッカーアーム上で揺動させるためのＣ１軸動力制御機構と、を含み、
前記ロッカーアームは回転接続ディスクに固定され、前記Ｃ１軸線はＢ軸線と交差し、
前記Ｓ軸動力制御機構は移動ベースを駆動して揺動ベース上でＳ軸線に沿って移動させることにより、ワークの被加工領域をＣ１軸線とＢ軸線との交点に近づけることができる。

さらに、前記Ｓ軸線はＣ１軸線に垂直である。

さらに、前記Ｃ１軸線は前記Ｂ軸線と相互に垂直であり、Ｂ軸とＣ１軸及び工作機械直線軸は５軸ＲＴＣＰ（Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ、工具中心点）動作を共同で実行する。

さらに、Ｓ軸テーブル移動アセンブリは揺動ベースに設置されたＳ軸ガイドレールを含み、前記Ｓ軸動力制御機構は移動ベースを駆動してＳ軸ガイドレール上で移動させる。

さらに、前記Ｂ軸回転アセンブリは工作機械のＸ軸運動ベースに取り付けられ、前記Ｂ軸は工作機械のＸ軸及びＺ軸に垂直であり、前記ロッカーアームはロッカーアームベースと、扇形ロッカーアームと、を含み、前記扇形ロッカーアームとロッカーアームベースは接続されてＬ形構造を呈し、前記ロッカーアームベースは回転接続ディスクに固定され、前記扇形ロッカーアームの扇形面に前記ロッカーベースを補助支持するためのＣ１軸円弧ガイドレールが設けられ、前記扇形ロッカーアームの扇形面はＢ軸線に平行であり、前記テーブルのテーブル面はＢ軸線に平行である。

さらに、前記Ｂ軸線は垂直軸線であり、前記扇形ロッカーアームの扇形面は垂直面であり、前記Ｃ１軸線及びＣ２軸線はいずれも水平軸線であり、前記テーブルのテーブル面は垂直面である。

さらに、前記扇形ロッカーアームの円弧形部分は工具から遠い側に向いている。

さらに、前記Ｂ軸動力制御機構及びＣ２軸動力制御機構はトルクモータ・ダイレクトドライブ動力機構であり、前記Ｃ１軸動力制御機構はサーボモータ・ダブルギヤバックラッシ除去結合構造であり、前記Ｓ軸動力制御機構はサーボモータ・リードスクリュー機構である。

従来技術に比べて、本発明に記載の多自由度数値制御ターンテーブルは以下の利点を有する。

１、本発明は従来の５軸マシニングセンタが使用する２軸ターンテーブルの形式を変更することにより、４つの軸系の連携制御を採用し、Ｃ１軸及びＢ軸をＲＴＣＰ動作を実行する軸系として選択し、Ｃ１軸及びＳ軸を追加することで、回転加工時に工具の刃先点をＲＴＣＰ動作の実行に関与する軸線にできるだけ近づけることができ、刃先点の位置を５軸制御軸にできるだけ近づけるか又は合わせることができ、それを動作に関与させることで、直線軸座標の変化がより小さく、直線軸補償の幅がより小さく、加工効率がより高く、表面品質及び加工精度が直線軸の精度から受ける影響をより小さくする。

２、軸系を介して部品の位置を調整することにより、工作機械の限られた空間内で、より大きなサイズの部品を加工することができ、設備コストを削減し、同時にサイズが大きな部品の加工精度を保証することができ、複雑な曲面ブリスク類部品の特徴により適し、生産のニーズを満たす。

３、垂直ターンテーブルの構造形式は、従来の水平ターンテーブルの構造に比べて、ブリスク類等の複雑な曲面を有する部品の加工に適し、横型マシニングセンタと組み合わせて、高温合金、ステンレス鋼等の各種の金属材質のブリスクを加工することができ、一回のクランプで旋削加工、フライス加工、ドリル加工、ボーリング加工、タッピング加工等の方式の加工を完了することができる。

図１は本発明の実施例の構造概略図である

図１に示すように、Ｂ軸回転アセンブリ１と、Ｃ１軸テーブル揺動アセンブリ２と、Ｃ２軸テーブル回転アセンブリ３と、Ｓ軸テーブル移動アセンブリ４と、を含む多自由度数値制御ターンテーブルであって、前記Ｂ軸回転アセンブリ１は回転接続ディスク１１と、Ｂ軸線１２を中心に回転接続ディスク１１を回転させるためのＢ軸動力制御機構１３と、を含み、前記Ｃ２軸テーブル回転アセンブリ３は移動ベース３３と、テーブルと、テーブルを駆動して移動ベース３３上でＣ２軸線３１を中心に回転させるためのＣ２軸動力制御機構３２と、を含み、前記Ｓ軸テーブル移動アセンブリ４は揺動ベース４３と、テーブルを駆動して揺動ベース４３上でＳ軸線に沿って移動させるためのＳ軸動力制御機構４１とを含み、前記Ｃ１軸テーブル揺動アセンブリ２はロッカーアーム２１と、揺動ベース４３を駆動してロッカーアーム２１上でＣ１軸線２２を中心に揺動させるためのＣ１軸動力制御機構２３と、を含み、前記Ｃ１軸線２２はＢ軸線１２と交差する。前記Ｓ軸動力制御機構４１は移動ベース３３を駆動して揺動ベース４３上でＳ軸線に沿って移動させることにより、ワークの被加工領域をＣ１軸線とＢ軸線との交点に近づけることができ、Ｓ軸線はＳ軸方向の軸線である。数値制御工作機械はＢ軸回転アセンブリ１を介してロッカーアーム２１に接続され、被加工ワーク（本実施例ではブリスク５である）は移動ベース３３上のテーブルにクランプされる。具体的には、Ｂ軸とＣ１軸及び工作機械直線軸は５軸ＲＴＣＰ（Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ、工具中心点）動作を共同で実行し、Ｃ１軸はテーブル揺動回転軸系であり、Ｂ軸は垂直部分全体の各アセンブリ回転運動制御軸系であり、Ｃ２軸はテーブル回転運動軸系であり、Ｓ軸は、テーブルが移動可能な位置であり、Ｃ１軸線及びＢ軸線に対するテーブルの位置を調整するためのものであり、刃先点の位置をＲＴＣＰ動作の実行に関与する軸線にできるだけ近づけるか又は合わせることができ、それを動作に関与させることで、直線軸座標の変化がより小さく、直線軸補償の幅がより小さく、加工効率がより高く、表面品質及び加工精度が直線軸の精度から受ける影響をより小さくし、軸系を介して部品の位置を調整することにより、工作機械の限られた空間内で、より大きなサイズの部品を加工することができ、設備コストを削減し、同時にサイズが大きな部品の加工精度を保証することができ、複雑な曲面ブリスク類部品の特徴により適し、生産のニーズを満たす。

好ましい解決手段として、前記Ｓ軸線はＣ１軸線２２及びＢ軸線１２が共に位置する平面に垂直であり、前記Ｃ１軸線２２と前記Ｂ軸線１２は互いに垂直である。

前記揺動ベース４３にＳ軸ガイドレール４２が設けられ、Ｃ２軸テーブル回転アセンブリ３と揺動ベース４３はＳ軸ガイドレール４２を介して接続され且つＳ軸動力制御機構４１に接続され、ブリスク５、Ｃ２軸テーブル回転アセンブリ３、Ｓ軸ガイドレール４２及びＳ軸動力制御機構４１はいずれも揺動ベース４３に取り付けられる。Ｃ２軸テーブル回転アセンブリ３は、ブリスク５を動かしてＣ２軸動力制御機構３２を介して３６０°の回転割り出しを行うことができる。ブリスク５をクランプするＣ２軸テーブル回転アセンブリ３は、Ｓ軸ガイドレール４２の方向に、Ｓ軸動力制御機構４１を介して、軸方向に沿って移動運動することができる。

前記Ｂ軸線１２は垂直軸線であり、前記Ｓ軸線、Ｃ１軸線２２及びＣ２軸線３１はいずれも水平軸線であり、前記ロッカーアーム２１はロッカーアームベース２１１と、ロッカーアームベース２１１に固定された扇形ロッカーアーム２１２と、を含み、前記扇形ロッカーアーム２１２とロッカーアームベース２１１は接続されてＬ形構造の一体部材を呈し、前記ロッカーアームベース２１１は回転接続ディスク１１に固定され、前記Ｂ軸動力制御機構１３はロッカーアームベース２１１を駆動して回転させ、前記扇形ロッカーアーム２１２の扇形面に前記揺動ベース４３を補助支持するためのＣ１軸円弧ガイドレール２１３が設けられ、前記揺動ベース４３を扇形ロッカーアーム２１２の扇形輪郭に沿って揺動させることができる。垂直ロッカーアーム構造は、大径のブリスクを加工する場合、干渉空間を減少させ、角度回転の制限が小さく、ターンテーブルの幅寸法を短縮し、回転軸の動力制御に対する要件を低下させ、適用する工作機械の幅寸法を縮小し、工作機械のコストを削減するが、扇形ロッカーアーム２１２は干渉空間をさらに減少させる。本実施例において、前記扇形ロッカーアーム２１２の円弧形部分は工具６から遠い側に向いており、前記Ｂ軸線１２は前記扇形ロッカーアーム２１２の扇形面に平行で、前記扇形ロッカーアーム２１２の扇形面はＢ軸線１２に平行であり、すなわち、Ｂ軸線１２はロッカーアームベース２１１の回転中心であり、扇形ロッカーアーム２１２とＢ軸線１２との間に距離が存在し、ロッカーアームベース２１１の縁部に設置することができ、それによりワークをテーブルに積載した時、ワークの被加工領域をＢ軸線１２の対応する位置に到達させることができる。

本実施例において、前記Ｂ軸回転アセンブリは工作機械のＸ軸運動ベースに取り付けられ、前記Ｂ軸線は工作機械のＸ軸及びＺ軸に垂直であり、前記Ｂ軸線は工作機械のＹ軸に平行である。具体的には、前記Ｂ軸線１２は垂直軸線であり、前記扇形ロッカーアーム２１２の扇形面は垂直面であり、前記Ｃ１軸線２２及びＣ２軸線３１はいずれも水平軸線であり、前記テーブルのテーブル面は垂直面である。

前記Ｂ軸動力制御機構１３及びＣ２軸動力制御機構３２はトルクモータ・ダイレクトドライブ動力機構結合エンコーダであり（動力機構はウォームギヤ、ローラカム等の形式を採用してもよい）、高精度、高安定性、機械構造がコンパクトであるなどの利点を実現する。揺動軸の揺動運動の動力機構は、揺動軸が駆動する必要がある重量が大きいことから、その大きな慣性モーメントを考慮して、前記Ｃ１軸動力制御機構２３はサーボモータ・ダブルギヤバックラッシ除去結合構造及びエンコーダであり（動力機構はダイレクトドライブモータ、リンク機構、リードスクリュー等の形式を採用してもよい）、サーボモータ及びダブルギヤバックラッシ除去構造を用いてサイズ空間を縮小すると同時に大きなトルクを出力して揺動軸の動作を保証することができ、本実施例において、前記Ｃ１軸動力制御機構２３は扇形ロッカーアームに設置され、Ｃ１軸動力制御機構２３及び揺動ベース４３はそれぞれ扇形ロッカーアーム２１２の裏面及び前面に位置する。前記Ｓ軸動力制御機構４１はサーボモータ・リードスクリュー、エンコーダであり（動力機構は油圧シリンダ、電気シリンダ、リニアモータ等の形式を採用してもよい）、サーボモータ・リードスクリューのセルフロック剛性が高いという利点を十分に利用し、ストロークの正確な制御を実現する。トルクモータ・ダイレクトドライブ動力機構、サーボモータ・ダブルギヤバックラッシ除去構造及びサーボモータ・リードスクリュー機構自体の構造原理はいずれも従来技術であり、ここでは説明を省略する。

５軸マシニングセンタにおいて、本実施例はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｂ軸及びＣ１軸を用いて５軸ＲＴＣＰ動作を共同で実行し、Ｃ１軸は揺動制御が可能であり、テーブルをＣ１軸線２２の周りで揺動運動させ、Ｃ２軸をテーブル割り出し軸とし、Ｓ軸をテーブル位置調整軸として、Ｃ１軸線２２に対するテーブルの位置を調整することができる。本実施例はワークを加工する時、ワークの加工領域をＣ１軸線２２とＢ軸線１２にできるだけ近づけるか又は合わせ、被加工物としてブリスクを例にすると、外縁は複雑な曲面であり、Ｃ２軸テーブル回転アセンブリ３の位置を調整し、及びブリスクのクランプ高さを調整することにより、加工時に外縁の加工領域をＣ１軸線２２とＢ軸線１２にできるだけ近づけるか又は合わせ、それにより加工時に工具の刃先点を５軸ＲＴＣＰ動作の実行に関与するＣ１軸線２２及びＢ軸線１２にできるだけ近づけることができ、本実施例のＣ１軸線２２はＢ軸線１２と同一平面上にあり、ＲＴＣＰ動作を実行する時、数値制御システムの軸系偏差に対する補償が小さく、加工精度を向上させる。

前述した実施例は、本発明の好ましい実施態様を説明するものに過ぎず、本発明の保護範囲を限定するものではなく、本発明の主旨から逸脱しない前提で、当業者が本発明の技術案に対してなされた変形及び改良は、いずれも本発明の特許請求の範囲に収まる。

１ Ｂ軸回転アセンブリ
１１ 回転接続ディスク
１２ Ｂ軸線
１３ Ｂ軸動力制御機構
２ Ｃ１軸テーブル揺動アセンブリ
２１ ロッカーアーム
２１１ ロッカーアームベース
２１２ 扇形ロッカーアーム
２１３ 円弧ガイドレール
２２ Ｃ１軸線
２３ Ｃ１軸動力制御機構
３ Ｃ２軸テーブル回転アセンブリ
３１ Ｃ２軸線
３２ Ｃ２軸動力制御機構
３３ 移動ベース
４ Ｓ軸テーブル移動アセンブリ
４１ Ｓ軸動力制御機構
４２ Ｓ軸ガイドレール
４３ 揺動ベース
５ ワーク
６ 工具
７ ベッド
Ｘ Ｘ軸方向
Ｙ Ｙ軸方向
Ｚ Ｚ軸方向
Ｂ Ｂ軸回転方向
Ｃ１ Ｃ１軸揺動方向
Ｃ２ Ｃ２軸回転方向
Ｓ Ｓ軸方向

Claims (7)

1. 回転接続ディスクと、Ｂ軸線を中心に回転接続ディスクを駆動して回転させるためのＢ軸動力制御機構と、を含むＢ軸回転アセンブリと、
   移動ベースと、テーブルと、テーブルを駆動して移動ベース上でＣ２軸線を中心に回転させるためのＣ２軸動力制御機構と、を含むＣ２軸テーブル回転アセンブリと、
   揺動ベースと、Ｓ軸動力制御機構と、を含むＳ軸テーブル移動アセンブリと、
   ロッカーアームと、揺動ベースを駆動してＣ１軸線を中心にロッカーアーム上で揺動させるためのＣ１軸動力制御機構と、を含み、前記ロッカーアームは回転接続ディスクに固定され、Ｃ１軸線はＢ軸線と交差するＣ１軸テーブル揺動アセンブリと、を含み、
   前記Ｓ軸動力制御機構は移動ベースを駆動して揺動ベース上でＳ軸線に沿って移動させることにより、ワークの被加工領域をＣ１軸線とＢ軸線との交点に近づけることができ、
   前記Ｂ軸回転アセンブリは工作機械のＸ軸運動ベースに取り付けられ、Ｂ軸は工作機械のＸ軸及びＺ軸に垂直であり、前記ロッカーアームはロッカーアームベースと、扇形ロッカーアームと、を含み、前記扇形ロッカーアームとロッカーアームベースは接続されてＬ形構造を呈し、前記ロッカーアームベースは回転接続ディスクに固定され、前記扇形ロッカーアームの扇形面に前記ロッカーアームベースを補助支持するためのＣ１軸円弧ガイドレールが設けられ、前記扇形ロッカーアームの扇形面はＢ軸線に平行であり、前記テーブルのテーブル面はＢ軸線に平行であることを特徴とする多自由度数値制御ターンテーブル。
2. 前記Ｓ軸線はＣ１軸線に垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の多自由度数値制御ターンテーブル。
3. 前記Ｃ１軸線は前記Ｂ軸線と相互に垂直であり、Ｂ軸とＣ１軸及び工作機械直線軸は５軸ＲＴＣＰ（Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ、工具中心点）動作を共同で実行することを特徴とする、請求項１に記載の多自由度数値制御ターンテーブル。
4. Ｓ軸テーブル移動アセンブリは揺動ベースに設置されたＳ軸ガイドレールを含み、前記Ｓ軸動力制御機構は移動ベースを駆動してＳ軸ガイドレール上で移動させることができることを特徴とする、請求項１に記載の多自由度数値制御ターンテーブル。
5. 前記Ｂ軸線は垂直軸線であり、前記扇形ロッカーアームの扇形面は垂直面であり、前記Ｃ１軸線及びＣ２軸線はいずれも水平軸線であり、前記テーブルのテーブル面は垂直面であることを特徴とする、請求項１に記載の多自由度数値制御ターンテーブル。
6. 前記扇形ロッカーアームの円弧形部分は工具から遠い側に向いていることを特徴とする、請求項５に記載の多自由度数値制御ターンテーブル。
7. 前記Ｂ軸動力制御機構及びＣ２軸動力制御機構はトルクモータ・ダイレクトドライブ動力機構であり、前記Ｃ１軸動力制御機構はサーボモータ・ダブルギヤバックラッシ除去結合構造であり、前記Ｓ軸動力制御機構はサーボモータ・リードスクリュー機構であることを特徴とする、請求項６に記載の多自由度数値制御ターンテーブル。

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