JP7442653B2 - 二軸揺動角主軸ヘッド - Google Patents

Description

本発明は旋盤加工技術分野に関し、特に二軸揺動角主軸ヘッドに関する。

近年、横型フラップ式５軸マシニングセンタはその高精度、高剛性、高効率、５軸連動等の特徴から航空機や宇宙船、防衛軍需産業等のハイエンド産業の分野でますます応用されており、主に航空機構造部品等の複雑な成形面を有する高精度部品の加工に用いられている。

横型フラップ式５軸マシニングセンタは、現在アルミニウム合金及びチタン合金等の材料の複雑な成形面部品を加工するために用いられることが多く、除去率は９０％以上に達する。図６に示すように、従来技術の二軸揺動フライスヘッドの剛性、トルク及び精度はいずれも向上させる必要があり、且つ体積が大きすぎて、動的性能が低く、揺動角の範囲は加工要件を完全に満たすことができない。

従来のフラップ式フライス揺動ヘッドは３つのグリップの並列構造によって実現され、従来技術のうちドイツＤＳＴ社製のＳｐｒｉｎｔ Ｚ３並列主軸ヘッドは、３ロッド並列運動機構を採用し、３ロッド並列運動機構は３つのサーボモータがそれぞれボールねじを介して駆動し、１２０°ごとに配置される３つの移動装置で構成されるものであり、ボールねじの駆動で、スライドプレートはそれぞれベース上のリニアガイドレールに沿って移動し、スライドプレートの移動は揺動可能なロッド部材を推進し、さらにユニバーサルヒンジを介して移動プラットフォームを駆動して、移動プラットフォーム上の主軸にＺ軸方向の移動と、Ａ軸及びＢ軸方向の偏向を行わせ、主軸ヘッドは±４０°の円錐範囲内で揺動することができる。該従来技術は複雑な空間曲面部品の加工における応用に成功したが、全体の体積が大きく、重量が大きく、その３本の分岐ロッド構造が同じであり、対称に配置されており、メカニズムの運動における強い結合性が生じ、制御の難易度を増加させるなどの欠陥が依然として存在する。

本発明は上記技術的課題を克服する二軸揺動角主軸ヘッドを提供する。

本発明は、Ａ軸揺動軸と、Ｂ軸揺動構造と、主軸ヘッドと、直線プッシュプル機構と、ラムと、サドルと、を含み、前記Ｂ軸揺動構造は、Ｂ軸回転軸と、第１回転軸と、第２回転軸と、揺動リンクと、Ｂ軸プッシュプル機構と、筐体と、を含み、前記Ｂ軸プッシュプル機構は、Ｂ軸プッシュプルスライドプレートと、Ｂ軸駆動構造と、を含み、前記Ｂ軸プッシュプルスライドプレートは前記ラムの上方に設置され、前記Ｂ軸プッシュプルスライドプレートの一端と前記揺動リンクの一端は前記第１回転軸を介して可動的に接続され、前記揺動リンクの他端は前記第２回転軸を介して前記筐体に可動的に接続され、前記Ｂ軸駆動構造は前記Ｂ軸プッシュプルスライドプレートを駆動して前記ラムに沿って直線運動させ、前記主軸ヘッドは前記筐体内に位置し、前記主軸ヘッドの軸線は前記Ｂ軸回転軸の軸線と垂直に交差し、前記筐体はＢ軸回転軸を介して前記ラムの前端に可動的に接続され、前記Ａ軸揺動軸はフランジを介して前記主軸ヘッドに接続され、前記Ａ軸揺動軸の軸線とＢ軸回転軸の軸線は同一平面上にあり、前記ラムの下方に前記サドルが設置され、前記サドルに前記直線プッシュプル機構が設けられ、前記直線プッシュプル機構は前記ラムを駆動して前記サドル上で直線運動させる、二軸揺動角主軸ヘッドである。

さらに、前記Ｂ軸プッシュプルスライドプレートの一端と前記揺動リンクの一端は前記第１回転軸を介してヒンジ接続され、前記揺動リンクの他端は前記第２回転軸を介して前記筐体にヒンジ接続され、前記筐体はＢ軸回転軸を介して前記ラムの前端にヒンジ接続される。

さらに、第１回転軸の軸線はＢ軸回転軸と、第２回転軸との間の位置に設置され、筐体がＢ軸回転軸を中心に－３５°から＋３５°を両端とする限界位置を実現する場合、Ｂ軸回転軸と、第１回転軸と、第２回転軸の軸心で構成される三角形における最小の内角の角度は３０°以上である。

さらに、前記主軸ヘッドはＡ軸揺動軸の軸線に対して－４５°から＋４５°の夾角範囲内の回転を実現し、前記主軸ヘッドはＢ軸回転軸を中心に－３５°から＋３５°の夾角範囲内の回転を実現する。

さらに、前記Ｂ軸プッシュプル機構、直線プッシュプル機構、Ａ軸揺動軸にいずれも駆動モータが接続され、前記駆動モータはサーボモータである。

さらに、前記サドルは上下に移動する。

本発明はフランジを介して主軸ヘッドに接続されるＡ軸揺動軸を用い、主軸ヘッドのＸ軸方向における揺動を実現する。第１回転軸、第２回転軸、Ｂ軸回転軸、揺動リンク及び筐体の組み合わせにより、Ｂ軸プッシュプル機構のプッシュプル作用で、主軸ヘッドがＹ軸方向に沿って揺動することを実現する。直線プッシュプル機構の作用で、ラムとサドルとの間の直線送り運動を実現し、主軸ヘッドがＺ軸方向に沿って伸縮することを実現する。これらにより主軸ヘッドの自由度による可動範囲を向上させ、主軸ヘッドの剛性、トルク及び精度を強化し、主軸ヘッド装置の体積及び重量を減少させる。

本発明の実施例又は従来技術における技術的解決手段をより明確に説明するために、以下に実施例又は従来技術の説明に必要な図面を簡単に紹介し、明らかに、以下の説明における図面は本発明の幾つかの実施例であり、当業者であれば、創造的な労力を要することなく、これらの図面に基づいて他の図面を取得することができる。

図１は本発明の二軸揺動角主軸ヘッドの全体構造概略図である。 図２は本発明の二軸揺動角主軸ヘッドの側面図である。 図３は本発明のサドル部分の構造概略図である。 図４は本発明のＡ軸揺動軸線とＢ軸回転軸線の同一平面の構造概略図である。 図５は本発明の筐体がＢ軸回転軸を中心に－３５°から＋３５°を両端とする限界位置を実現する場合の構造概略図である。 図６は従来技術における二軸揺動角フライスヘッドの構造概略図である。

本発明の実施例の目的、技術的解決手段及び利点をより明確にするために、以下に本発明の実施例における図面を参照しながら、本発明の実施例における技術的解決手段を明確、完全に説明するが、明らかな点として、説明される実施例は本発明の実施例の一部であり、全ての実施例ではない。本発明の実施例に基づき、当業者が創造的な労力を要することなく取得した全ての他の実施例は、いずれも本発明の保護範囲に属する。

本発明は、Ａ軸揺動軸１と、Ｂ軸揺動構造２と、主軸ヘッド３と、直線プッシュプル機構４と、ラム５と、サドル６と、を含む二軸揺動角主軸ヘッドであって、前記Ｂ軸揺動構造２は、Ｂ軸回転軸２１と、第１回転軸２２と、第２回転軸２３と、揺動リンク２４と、Ｂ軸プッシュプル機構２５と、筐体２６と、を含み、Ｂ軸プッシュプル機構２５は、Ｂ軸プッシュプルスライドプレート２５１と、Ｂ軸駆動構造２５２と、を含み、Ｂ軸プッシュプルスライドプレート２５１は前記ラム５の上方に設置され、Ｂ軸プッシュプルスライドプレート２５１の一端と揺動リンク２４の一端は第１回転軸２２を介して可動的に接続され、揺動リンク２４の他端は第２回転軸２３を介して筐体２６に可動的に接続され、Ｂ軸駆動構造２５２はＢ軸プッシュプルスライドプレート２５１を駆動してラム５に沿って直線運動させる。主軸ヘッド３は筐体２６内に位置し、主軸ヘッド３の軸線はＢ軸回転軸２１の軸線と垂直に交差する。筐体２６はＢ軸回転軸２１を介してラム５の前端に可動接続される。Ａ軸揺動軸１はフランジを介して主軸ヘッド３に接続され、Ａ軸揺動軸１の軸線とＢ軸回転軸２１の軸線は同一平面上にある。ラム５の下方にサドル６が設置され、サドル６に直線プッシュプル機構４が設けられ、直線プッシュプル機構４はラム５を駆動してサドル６上で直線運動させる。

具体的には、図１に示すように、Ｂ軸回転軸２１は装置の水平上向きに設置され、Ｂ軸回転軸２１、第１回転軸２２、第２回転軸２３、揺動リンク２４、Ｂ軸プッシュプル機構２５、筐体２６はＢ軸揺動構造２を構成し、ここで、Ｂ軸プッシュプル機構２５はＢ軸プッシュプルスライドプレート２５１及びＢ軸駆動構造２５２で構成され、第１回転軸２２、第２回転軸２３、Ｂ軸回転軸２１及び揺動リンク２４は共にクランクリンク機構を構成し、筐体２６はＢ軸回転軸２１を介してラム５に可動的に接続され、Ｂ軸プッシュプルスライド板２５１はＢ軸駆動構造２５２に設置され、Ｂ軸プッシュプルスライドプレート２５１はＢ軸駆動構造２５２の駆動作用でラム５に沿って直線運動することができ、それにより第１回転軸２２、第２回転軸２３、Ｂ軸回転軸２１を駆動して同時に回転させ、さらに筐体及びその内部に設置された主軸ヘッド３を駆動して上下に揺動運動させる。リンク機構はＢ軸の回転を実現する過程において、軌跡を対称的に制御して、主軸ヘッドとＢ軸回転軸２１の偏心によりラム５の軸ストロークが増大し、さらにラムのオーバーハングが増加して、全体の剛性の低下が生じるという課題を回避する。

図１に示すように、Ａ軸揺動軸１は装置の縦方向に設置され、Ａ軸揺動軸１はフランジを介して主軸ヘッド３に接続され、Ａ軸揺動軸１が回転すると主軸ヘッド３を駆動して左右に揺動運動させることができる。

図３に示すように、直線プッシュプル機構４の作用で、ラム５がサドル６に沿って直線送り運動を行うことを実現する。

主軸ヘッド３の軸線がＢ軸回転軸２１の軸線と垂直に交差しない場合、Ｂ軸回転軸２１が主軸ヘッド３の揺動を実現する時に非対称になり、夾角が小さい辺の回転速度が速く、夾角が大きい辺の回転速度が遅くなり、両辺が同じ加工パラメータに達すると、ラムをＺ軸方向に沿って伸縮させる必要があるため、図４に示すように、本実施例においては、主軸ヘッド３の軸線がＢ軸回転軸２１の軸線と垂直に交差するように設置される。本実施例の設置を採用することで、Ｂ軸回転軸２１が主軸ヘッド３を駆動して揺動させる時に、構造が対称で、等速で回転することを保証することができ、それにより主軸ヘッド３が回転する時に、ラムがＺ軸に沿って伸縮する量が常に一致することを保証し、装置全体のレイアウトの合理性を向上させ、主軸ヘッド３の剛性及び精度を強化し、空間を節約する。

さらに、Ｂ軸プッシュプルスライドプレート２５１の一端と揺動リンク２４の一端は第１回転軸２２を介してヒンジ接続され、揺動リンク２４の他端は第２回転軸２３を介して筐体２６にヒンジ接続され、筐体２６はＢ軸回転軸２１を介してラム５の前端にヒンジ接続される。

具体的には、図２に示すように、第１回転軸２２、第２回転軸２３、Ｂ軸回転軸２１及び揺動リンク２４で構成されたクランクリンク機構がヒンジ接続構造を採用しており、せん断力及び軸力に効果的に抵抗することができ、揺動リンク２４が変形しにくくなり、軸受の摩耗を低減し、Ｂ軸揺動構造２の耐用年数を延ばす。

さらに、第１回転軸２２の軸線はＢ軸回転軸２１と、第２回転軸２３との間の位置に設置され、筐体６がＢ軸回転軸２１を中心に－３５°から＋３５°を両端とする限界位置を実現する場合、Ｂ軸回転軸２１と、第１回転軸２２と、第２回転軸２３の軸心で構成される三角形における最小の内角の角度は３０°以上である。

具体的には、図５に示すように、Ｂ軸プッシュプルスライドプレート２５１が移動する距離は３００ｍｍ～３５０ｍｍの間であり、すなわち筐体６がＢ軸回転軸２１を中心に－３５°から＋３５°を両端とする限界位置を実現することができる。Ｂ軸回転軸２１と、第１回転軸２２と、第２回転軸２３の軸心は三角形の３つの頂点を構成することができ、三角形の内角における最小の鋭角は３０度以上である。第２回転軸２３はＢ軸駆動構造２５２のプッシュプル方向の垂直方向に投影し、Ｏ_２ヒンジ点からＯ_１ヒンジ点までの距離Ａは定数であり、構造空間が許容される場合、Ａ値が大きいほど好ましい。Ｏ_３ヒンジ点からＯ_２ヒンジ点までの距離はＢ軸の回転過程において変数であり、２つの限界位置の距離はそれぞれ変数Ｂ及び変数Ｃである。限界位置であるか又は中間過程位置であるかは問わず、Ｏ_１、Ｏ_２、Ｏ_３の３点は三角形を構成し、Ｂ軸駆動構造２５２のプッシュプル方向の垂直方向の投影において、Ｏ_２は必ずＯ_１とＯ_３との間に配置されて共線状態に達することを回避する。本実施例の該三角形における内角の最小の角度は３０度以上である。さらにいくつかの機械構造におけるリンクの等価長さを制約して、合理的な範囲内に制御する。

さらに、主軸ヘッド３はＡ軸揺動軸１の軸線に対して－４５°から＋４５°の夾角範囲内の回転を実現し、主軸ヘッド３はＢ軸回転軸２１を中心に－３５°から＋３５°の夾角範囲内の回転を実現することができる。

具体的には、業界における典型的なＡＢ軸フライスヘッドの揺動角範囲はその大部分が－３０°から＋３０°の間であり、加工要件を完全に満たすことができない。図１に示すように、主軸ヘッド３の外側に固定するための主軸ヘッド筐体を設置することができ、Ａ軸揺動軸１とＢ軸回転軸はそれぞれ主軸ヘッド筐体に接続され、主軸ヘッド筐体と筐体２６はＡ軸揺動軸１の軸方向に沿って接続され、筐体２６に主軸ヘッド筐体を取り付ける開口幅を合理的に設定することによって、Ａ軸揺動軸１が主軸ヘッドをＡ軸揺動軸１の軸線に対して駆動することを制限でき、Ａ軸揺動軸の－４５°～＋４５°の夾角範囲内の回転を実現する。Ｂ軸回転軸２１に対応して主軸ヘッド３を駆動し揺動させる角度は、第１回転軸２２、第２回転軸２３、Ｂ軸回転軸２１及び揺動リンク２４が共にクランクリンク機構を構成することによって決定されるものであり、Ｂ軸プッシュプル機構２５がクランクリンク機構を駆動して直線運動させる場合、Ｂ軸プッシュプルスライドプレート２５１が移動する距離は３００ｍｍ～３５０ｍｍの間であり、すなわちＢ軸揺動筐体を、Ｂ軸回転軸を中心に－３５°～＋３５°の夾角範囲内で回転させることができる。この設計によりフライス加工の範囲を拡大すると同時に占有空間を節約することができる。

さらに、Ｂ軸プッシュプル機構２５、直線プッシュプル機構４、Ａ軸揺動軸１にいずれも駆動モータが接続され、駆動モータはサーボモータである。

具体的には、図１、図３に示すように、Ｂ軸プッシュプル機構２５、直線プッシュプル機構４、Ａ軸揺動軸１はいずれもサーボモータで駆動制御され、サーボモータは軸受カップリングを介して、Ｂ軸プッシュプル機構２５、直線プッシュプル機構４の精密ボールねじに接続され、軸方向トルクを伝達し、それによりＢ軸プッシュプル機構２５、直線プッシュプル機構４に直線運動の推力を伝動させる。サーボモータを採用して位置、速度及びトルクの閉ループ制御を高精度で実現することができ、回転速度は２０００～３０００回転に達し、同時に、過負荷特性が高く、低速運転が安定し、加減速の動きへの反応時間が短く、発熱及び騒音が少ない等の利点を有し、該発明の応用ニーズに適する。

図２に示すように、サドル６の直線プッシュプル機構４に接続される端面に、直線プッシュプル機構４を接続するためのスライドレール接続構造７、リードスクリュー接続構造８を有し、且つ動力装置に接続されて上下の移動を実現し、主軸ヘッドの可動範囲及び機能を大いに発揮する。

最後に説明すべきことは、以上の各実施例は本発明の技術的解決手段を説明するためのものに過ぎず、それを制限するものではない。前記各実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、当業者は以下のことを理解すべきである。それは依然として前記各実施例に記載の技術的解決手段を修正し、又はそのうち一部又は全部の技術的特徴を等価置換することができ、これらの修正又は置換は、対応する技術的解決手段の本質を本発明の各実施例の技術的解決手段の範囲から逸脱させるものではない。

１ Ａ軸揺動軸
２ Ｂ軸揺動構造
３ 主軸ヘッド
４ 直線プッシュプル機構
５ ラム
６ サドル
７ スライドレール接続構造
８ リードスクリュー接続構造
２１ Ｂ軸回転軸
２２ 第１回転軸
２３ 第２回転軸
２４ 揺動リンク
２５ Ｂ軸プッシュプル機構
２６ 筐体
２５１ Ｂ軸プッシュプルスライドプレート
２５２ Ｂ軸駆動構造

Claims (5)

1. Ａ軸揺動軸（１）と、Ｂ軸揺動構造（２）と、主軸ヘッド（３）と、直線プッシュプル機構（４）と、ラム（５）と、サドル（６）と、を含み、
   前記Ｂ軸揺動構造（２）は、Ｂ軸回転軸（２１）と、第１回転軸（２２）と、第２回転軸（２３）と、揺動リンク（２４）と、Ｂ軸プッシュプル機構（２５）と、筐体（２６）と、を含み、
   前記Ｂ軸プッシュプル機構（２５）は、Ｂ軸プッシュプルスライドプレート（２５１）と、Ｂ軸駆動構造（２５２）と、を含み、
   前記Ｂ軸プッシュプルスライドプレート（２５１）は前記ラム（５）の上方に設置され、前記Ｂ軸プッシュプルスライドプレート（２５１）の一端と前記揺動リンク（２４）の一端は前記第１回転軸（２２）を介して可動的に接続され、前記揺動リンク（２４）の他端は前記第２回転軸（２３）を介して前記筐体（２６）に可動的に接続され、前記Ｂ軸駆動構造（２５２）は前記Ｂ軸プッシュプルスライドプレート（２５１）を駆動して前記ラム（５）に沿って直線運動させ、
   前記主軸ヘッド（３）は前記筐体（２６）内に位置し、前記主軸ヘッド（３）の軸線は前記Ｂ軸回転軸（２１）の軸線と垂直に交差し、前記筐体（２６）はＢ軸回転軸（２１）を介して前記ラム（５）の前端に可動的に接続され、
   前記Ａ軸揺動軸（１）はフランジを介して前記主軸ヘッド（３）に接続され、前記Ａ軸揺動軸（１）の軸線とＢ軸回転軸（２１）の軸線は同一平面上にあることにより、前記主軸ヘッド（３）と前記Ｂ軸回転軸（２１）の偏心による前記ラム（５）の軸ストロークの増大を回避することができ、
   前記ラム（５）の下方に前記サドル（６）が設置され、前記サドル（６）に前記直線プッシュプル機構（４）が設けられ、前記直線プッシュプル機構（４）は前記ラム（５）を駆動して前記サドル（６）上で直線運動させ、
   前記第１回転軸（２２）の軸線は前記Ｂ軸回転軸（２１）と前記第２回転軸（２３）との間の位置に設置され、前記筐体（２６）が前記Ｂ軸回転軸（２１）を中心に－３５°から＋３５°を両端とする限界位置を実現する場合、前記Ｂ軸回転軸（２１）と、第１回転軸（２２）と、第２回転軸（２３）の軸心で構成される三角形における最小の内角の角度は３０°以上であることを特徴とする、二軸揺動角主軸ヘッド。
2. 前記Ｂ軸プッシュプルスライドプレート（２５１）の一端と前記揺動リンク（２４）の一端は前記第１回転軸（２２）を介してヒンジ接続され、前記揺動リンク（２４）の他端は前記第２回転軸（２３）を介して前記筐体（２６）にヒンジ接続され、前記筐体（２６）はＢ軸回転軸（２１）を介して前記ラム（５）の前端にヒンジ接続されることを特徴とする、請求項１に記載の二軸揺動角主軸ヘッド。
3. 前記主軸ヘッド（３）は前記Ａ軸揺動軸（１）の軸線に対して－４５°から＋４５°の夾角範囲内の回転を実現し、前記主軸ヘッド（３）はＢ軸回転軸（２１）を中心に－３５°から＋３５°の夾角範囲内の回転を実現することができることを特徴とする、請求項１に記載の二軸揺動角主軸ヘッド。
4. 前記Ｂ軸プッシュプル機構（２５）、直線プッシュプル機構（４）、Ａ軸揺動軸（１）はいずれもサーボモータによって駆動されることを特徴とする、請求項１に記載の二軸揺動角主軸ヘッド。
5. 前記サドル（６）は上下に移動することを特徴とする、請求項１に記載の二軸揺動角主軸ヘッド。

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