JPH06155203A - 多重スピンドル機械加工装置のための位置決め装置及び加工方法 - Google Patents
多重スピンドル機械加工装置のための位置決め装置及び加工方法Info
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Abstract
/sec2 )以上の加速度/減速度で可動的な工作要素
を加速、減速するための位置決め組立体を提供する。 【構成】 ±0.0005インチ(0.013mm)の
精度で共通のプラットホームに連結された平行な自立柱
状部(B)と、各々の柱状部の間を延在するレール
(C)と、各々のレールの上で滑動する運動装置と、前
記レールと前記運動装置とを約1〜2g(9.8〜1
9.6m/sec2 )の加速度/減速度で選択的に駆動
するリニアモータと、回転駆動可能なスピンドルとを含
む。
Description
た位置決め組立体に係り、特に加速度工作片要素を1g
(9.8m/sec2 )に近いあるいはそれを越える割
合で加速および減速するそのような組立体に関する。
めには、専用の工具クラスターなしで与えられた工作片
上に各種表面と形状とを機械加工するのに、生産性上の
障壁を乗り越え、独立的に位置してはいるが同時的に制
御される1個以上の切削工具を用いることが必要とな
る。1年間で、50万個あるいはそれ以上の、1つのタ
イプの機械加工されたユニットを生産する、大容積の従
来技術による機械加工ラインは、そのような工作片に対
する市場要求が低下した時には経済的ではない。そのよ
うなラインは多数のスピンドルのターレットヘッドを用
いるが、これは他の工作片を機械加工するのに、ライン
を改善するときに交換するのに費用がかかり、ドリリン
グや、ボアリング、あるいはミリングのいずれか1つだ
けに制限される。
りも何倍も速く、加速的に位置決めする多重スピンドル
を用いることによって解決される。高度の適応性は、製
品独自の工作テーブルをなくし、工作片を交換したとき
に交換を必要とする専用の切削ヘッドをなくし、機械加
工作業を完了するだけでなく、工具あるいは固定体を隣
接の在庫群から交換するために前例のない速度を利用す
ることによって達成される。新しい製品(工作片)に交
換するための時間は、ソフトウェアの制御の修正のみを
必要とするだけでかなり減少させることができる。
めの加速度あるいは減速度を増加させるためには、強い
スラスト力を必要とするが、これは位置決めの精度を落
とす。複数個のスピンドルの正確な寸法整列を維持する
ことは、そのような力によって複雑になる。相対的に可
動な重量物に固さを維持しながら、多重質量を減少させ
ることには、工具をそのような前例のない速度でうま
く、かつ正確に位置決めするという関連的な問題を残し
ている。
上あるいは剛的に連結されたタンデム軸線(これらの軸
線はそれぞれの程度にまで横方向に離隔している)上
に、小さい軽量工具を位置決めするために、リニアモー
タの使用を制限してきた(米国特許第4,102,03
5および第4,359,814参照)。これらの装置に
よると、支持構造物はほとんど歪みを受けず、空気ベア
リングや磁石ベアリングのような、固さにほとんど影響
しないベアリングを用いることができる(米国特許第
4,392,642;第4,571,799;第4,9
85,651;第4,761,876を参照)。前記空
気ベアリングは、それらが、自動車部品製造のための強
力な重量物機械加工の環境の中で保持することのできな
い特別な支持体や案内表面を必要とするので望ましくな
く、また、それらが、大型の工具を大きな加速度あるい
は減速度で動かす場合に、寸法的に十分に固くないので
望ましくない。
の磁石の取付けはスライドベアリングあるいはローラベ
アリングと結合して用いられている(米国特許第4,5
05,464;第4,985,651)。磁石ベアリン
グはそれが不正確かつ弱いので固さをほとんど強化せ
ず、磁石取付けは主として、案内された軌道に対してよ
り密接に追従するのを補助するのに用いるのに適してお
り、したがって、リニアモータ組立体の固さをほとんど
助長しない。
ピンドル機械加工装置のための位置決め装置において、
(a)共通のプラットホームに対して剛的に相互連結さ
れ、±0.0005インチ(0.013mm)の精度で
互いに他に対して平行に整列され、かつ前記プラットホ
ームに対して垂直に整列された、複数個の直立柱状部
と、(b)可動支持体を提供するために、前記柱状部の
足部によって画定された外周に沿って、前記柱状部の各
々の間を延在したレールであって、Y軸線に沿って、各
々のレールの運動のために設けられるベアリング装置を
有している、そのレールと、(c)少なくとも他の運動
軸線に沿って、前記レールの各々の上で滑動することの
できる他の運動装置(駆動装置)と、(d)前記レール
と前記他の運動装置とを、約1〜2g(9.8〜19.
6m/sec2 )のピーク加速度あるいは減速度で、そ
れぞれY軸線および他の軸線に沿って、選択的に駆動す
るためのリニアモータ装置と、(e)各々のラムの上で
支持され、かつS軸線の周りで回転的に駆動されるスピ
ンドルを有するスピンドル装置とを含むことを特徴とす
る多スピンドル機械加工装置のための位置決め装置を提
供する。複数個のスピンドルの各々は、立方体状の機械
加工スペースの中へ、そのようなスペースの異なった露
出側部を介して入るのに、高速で位置決めされる。
他側面の各々における一連の表面を同時に機械加工する
ための方法において、(a)各々が切削工具を支持して
いる複数個の回転駆動されるスピンドルであって、各々
の前記スピンドルが複数個の相対的に動くことのできる
要素によって支持され、前記要素が所定の寸法の、立方
体状の機械加工スペースを出入りし、そのような支持体
は少なくとも互いに直角をなす軸線に沿ったベクトルを
有したスピンドルの動きを提供する、そのスピンドルを
支持することと、(b)前記工作片を前記機械加工スペ
ースの中で所定の位置に位置付けることと、(c)前記
工作片の各々の側部において第1の表面を同時に機械加
工するために、各々のスピンドルを正確に位置決めする
ために、リニアモータを用いることによって前記要素の
相対的運動を付勢することと、(d)前記工作片の各々
の側部において他の表面を同時に機械加工するために、
前記複数個のスピンドルを再位置決めするために、前記
リニアモータを用いることによって前記要素を付勢する
こととを含むことを特徴とする機械加工方法を提供す
る。
スピンドル型位置決め装置10の基礎的な要素と構造と
が図1から図4に示されている。そのような装置は、複
数個の柱状部Bと、前記柱状部間に位置し、Y軸線に沿
って移動可能なレール組立体C(ここでは4個(C−
1)から(C−4)までが示されている)と、各々のレ
ール組立体の上でX軸線に沿って移動可能なサドル組立
体Dと、各々の前記サドル組立体D上のラム組立体E
(スピンドルFを支持していて、立方体状の機械加工ス
ペースIの各々の上方側の中へ入るように、S軸線の周
りで回転可能になっている)と、柱状部の上に交差して
のっており、X軸線およびZ軸線方向およびA軸線の周
りで移動可能な可撓性組立体Hを支持し、機械加工スペ
ースIの頂部側の中へ入り、それを介してスピンドルJ
を支えている上部構造Gと、組立体C、D、EおよびH
を選択的に移動させ、スピンドルF、Jを位置決めし、
送給するためのリニアモータ組立体Mと、調節可能で、
かつ移動可能な工作片支持体Kと、垂直方向スピンドル
Jのための工具収納部Lと、水平方向スピンドルFのた
めの工具収納部Nとを含む。
していることに注意することが重要であり、これは立方
体状の機械加工スペースIの上方側へ独立的に入ってい
くように配置された4個の水平方向スピンドル1〜4
と、立方体状の機械加工スペースIの上方側へ独立的に
入っていくように配置された1個の垂直方向スピンドル
5とからなっている。本装置は各々のそのようなスピン
ドルを、そのようなスペースの中へ、約1〜2g(9.
8〜19.6m/sec2 )の加速度/減速度で、同時
に急速かつ正確に位置決めすることができる。本装置は
またスピンドルをより遅い送り速度で、同時的あるいは
選択的に移動させて、機械加工スペースの各種側部1
3、14、15、16および17の各々と整列あるいは
並置された工作片12の表面11の機械加工を実行する
ことができる。スピンドルFとJとは、スピンドルに関
連したそれぞれの工作片表面11に沿った連続的な機械
加工作業を実行するために、独立的かつ同時的に再度位
置決めされることができる。さらに、前記スピンドル
は、装置LあるいはNを用いて工具を約4秒以下の時間
間隔の間で急速交換するために、立方体状の機械加工ス
ペースIから極めて急速に引抜くことができるようにな
っている。
他の実施例に示したように5個以下であっても、あるい
は5個以上であってもよい。後者の場合には、そのよう
なスピンドルの各々に対する可動性のある支持装置を、
機械加工スペースを取囲んだ与えられた範囲の中で位置
決めすることの困難度が増大する。
接体であるが、どのような剛性のある振動吸収構造を用
いてもよく、それらはプラスマイナス0.0005イン
チ(0.013mm)の精度で整列しなければならな
い。これらの柱状部は、機械基礎の上に位置した正確な
水準装置19上で支持されている。これらの柱状部は全
ての可動組立体C、D、EおよびHを支持するが、その
ような柱状部のがっしりした性質によって歪みも減少さ
れる。柱状部の下にある水準装置は柱状部が互いに他と
整列することを許し、Y軸線方向の滑動路も柱状部の上
で再整列することができる。
の足部外周に沿って延在したビームあるいはレール18
を有し、これらは2つのY軸線方向のスライド20、2
1(図3参照)によって支持されている。各々のビーム
18は三角形断面を有した高強度のグラファイト複合材
料で形成されており(図4参照)、隔壁22は複合材料
でできた布23と対面したハニカム状のセルとして形成
されており、サドル24は固いグラファイトの複合材料
でできた外側のパネルを有している。前記グラファイト
の複合体は、好ましくは、均質的な指向性を与えるよう
に配置されたグラファイト繊維を有しているべきであ
る。上部スピンドルJを支持するために用いられるビー
ム25は、それより短いものを除いて、水平スピンドル
に用いられているビームと同じ構造を有している。
の立方体に関して枢軸運動することができるように、回
転結合体を設けていてもよい。ビームは、ビームの両端
に位置された二重A軸線駆動モータによって回転させる
ことができ、この駆動モータはY軸線方向のスライドの
中に取付けられたウォームギアと係合するウォームを回
転させる。前記ウォームギアは1対の正確なアンギュラ
ーコンタクトボールベアリング上で支持することがで
き、回転フィードバックスケールがビームの両端に取付
けられており、駆動モータは、ビームの最終位置決めの
間に互いに他に対して駆動させ、全てのバックラシを除
去する。このようにしてビームは正確な表面結合によっ
て所定位置に締付けられ、そのような締付けは、A軸線
が輪郭軸線ではないので、A軸線上で行うことができ
る。
イド20、21が位置している。各各のY軸線方向のス
ライド20、21は高強度のアルミニウムの鋳造品とし
て構成されており、各々のスライドはローラベアリング
はダブテール表面30上で作用し、柱状部の上で調節可
能になっていて、ダブテール表面の再整列を、もしそれ
が必要とされる場合には、可能にしているスライドの動
力はリニアモータ(M−1)によって得られ、そのコイ
ル26はY軸線方向のスライド上に取付けられている。
柱状部にはモータのための磁石27が位置している。モ
ータと案内路との間には、Y軸線方向スライドのための
リニアインダクトシン(inductosyn)スケー
ル28が位置している。各々のビームは2つの空気シリ
ンダ−31によって釣合いをとっており、また各々のス
ライドには、動力がスライドから除去された時に、スラ
イドが落下しないようにするためのブレーキが設けられ
ている。スライドは独立的なリニアモータによって付勢
され、必要とされる高加速度/減速度特性と速度特性と
を提供する。リニアモータのためのコントローラのソフ
トは、各々のビームが外れるのを防ぐように設計されて
いる。
周りを独特に包んだX軸線方向のサドル24を有してい
る。前記サドルの高強度のグラファイト複合体のパネル
材料で形成されており、そのパネルは保守を容易にし、
固さを増強させるために、交差部分のところで機械的に
結合されている。前記サドル組立体はまたサドルの上に
固定的に着座したトンネル部32を有しており、これも
またグラファイト複合体材料で形成されている。ラム3
5とサドル24とにそれぞれ動力を与えているリニアモ
ータ33、34はサドル組立体Dの上で支持されてい
る。モータ34は三角形ビーム18の2つの側部36、
37の上で、またサドルをビーム上で支持している三角
形のトンネル部32の2つの側部38、39の上で対称
的になって位置している。サドルのためのリニアフィー
ドバックスケール40(インダクシン(Inducts
yn))がビーム18の第3の側部41の中央部に位置
しており、フィードバックスケール42がトンネル部3
2の内部に同様にして位置している。サドル24は静圧
軸受43を支持し、この軸受はサドルをビーム18の上
で支持し、またラム35を内部で支持するためにトンネ
ル部上で静圧軸受44を支持している。
材料で形成されたラム35を有し、固い複合体でできた
外側のパネルと、複合体の布と対面したハニカム材料の
ような中間隔壁とを備えている。リニアモータ33のた
めの磁石45がラムの三角形構造の2つの表面上に対称
的に位置している。Z軸線方向のラム35が機械加工ス
ピンドルを支持している。ラムのためのリニアモータフ
ィードバックスケール42がラムの第3の側部に取付け
られている。これがスピンドルとモータとに対して直線
的になった中央部配置のフィードバック装置となる。
4個の柱状部によって剛的に支持されている。可撓性組
立体HのためのX軸線方向スライド43が水平方向に移
動し、レール25の両端を剛的な通路47、48に連結
する。前記スライドはレールを通路上で支持するための
ローラベアリングを有している。サドル49とトンネル
部とは他の組立体に用いられるものと同様であるが、サ
ドルA軸線方向の運動をし、トンネル部がZ軸線方向に
運動するという点が異なっている。今まで述べてきた特
徴の全ては、上部の可撓性組立体に対しても当てはま
る。
ルJのための工具取付具あるいは交換具Lは、柱状部8
1と孔82上で回転するように支持された回転工具マガ
ジン80を含み、交換アーム83が84において頭部構
造物85によって180度回転できるようにして支持さ
れている。アーム83の両端におけるグリッパー86、
87は、マガジン80からの工具を場所88においてつ
かむために付勢される。アーム83は180度回転さ
れ、工具をスピンドルJへ移し、前記スピンドルは工具
と整列するために降下され、工具ホルダーの中へ挿入す
ることによって機械的に連結される。
の工具取付具あるいは交換具Nは自立式のトレー構造と
して提供され、機械には物理的に連結されない(図6、
7参照)。これは作業者が24個の工具を有したマガジ
ン52へ床の高さから容易に接近できるように設計され
ている。この工具マガジンはスピンドルFの頭部によっ
て工具を交換し、それに接近するのに必要な高さに関し
て、適当な高さのところで設定される。工具マガジン5
2に到達するのに工具交換アームは必要ではなく、スピ
ンドルFは、それがマガジンのポケット54の中に位置
したときに、工具55のホルダーの中へ挿入されるよう
に位置される。マガジンの中で工具を探し出し、工具を
交換することは、機械加工サイクルの中に含まれる。結
果として、機械加工サイクルの一部分となっている工具
交換サイクルのほんの一部分が、スピンドルを工具ホル
ダーの中へ挿入し、スピンドルをマガジンから引抜くこ
とによって、工具55をスピンドルから取外すことにな
ってくる。1回の工具交換に要する想定時間は約10.
3秒である。
ーブル56が中央に位置している。それはW軸線方向ス
ライド57上に取付けられ、セルの中央から両方の直角
方向において約12インチ(30.5cm)だけ移動す
る。これは工作テーブルがスライドから離れることを要
求してはおらず、単に1つのセル当たり1個のテーブル
を必要とするだけである。工作テーブルは0.5度とい
う水平的に回転する場合の増分の中で調節可能になった
連結部を有している。
は、特定の作業に必要な工具55の全てをパレットの上
で支持し、これを固定工作片に関して工作テーブル上へ
移動させるという点にある。前記パレットはドロワー式
の設計になった工作テーブルの上に取付けられており、
これもまたパレットを工作テーブルに締付けるための機
構である。前記パレットは、電力が喪失してもパレット
の締付けを確実なものにするために、ばねで締付け、電
気で緩めるものになっている。パレットは少なくとも3
本のピンによって工作テーブルの頂部に位置している。
この内の2本のピンはパレットの位置決め用であり、パ
レットを締付ける前に、パレットを位置決め用ピン上の
同じ位置へ取付けるためのものである。このことによっ
て、各々の工具トレーは、工作片の1つの側部に対して
必要な工具を注文設計にすることができるようにしてい
る。工具は工作テーブルの上で工作片と共に回転する。
工具がパレット上で支持されているので、水平スピンド
ルのための工具交換具を有する必要はない。工具の交換
は、スピンドルを必要とされる工具の前に位置付けて、
工具をスピンドル上に締付けて、スピンドルを垂直方向
に移動させて、工具を工具支持体から外へ持上げること
によって行われる。工具は同じようにして工具支持体へ
戻される。この結果、工具交換具なしで急速工具交換が
できるようになる。1回の工具交換に要する想定時間は
約5.7秒である。
対する移送概念は、パレットを機械の中で、一方の側部
から入って他の側部から出ていくように移動させること
にある。これによって、パレットは(低価格のセルオー
トメーション)緩め位置から固定アンロード領域へ移送
することができる。パレットは機械加工セルの外側で移
送台車の上に乗せ、レール上でセル内へ移送される。こ
の移送のための動力は、ボールスクリュー駆動あるいは
電動リニアモータによって得られる。この交換移送機構
は、台車の頂部に位置しており、台車が所定位置にある
時には、パレットは上昇されて工作テーブルと整列さ
れ、工作テーブルの上へ移送され、前述したようにして
テーブル上で締付けられる。パレットの工作テーブルか
らの取外しは、上述したのとは逆の工程で行われる。パ
レット移送には約40秒かかる。
るためにタンデム調整されたスライドを用いている点に
ある。図8に示した他の実施例はタンデム型スライド6
0、61を用いており、コンクリートの柱状部B間に延
在したタンデムレール62、63とともに作動するが、
図8の実施例はまたスピンドルの数を3本に制限してい
る。スライド60、61とレール62、63との間にお
けるベアリングとリニアモータとの境界構造は、好まし
い実施例に関して記述してきたのと同じである。サドル
64と、トンネル部65と、ラム66との構造もまた好
ましい実施例のそれと同じであるが、異なっているの
は、(i)サドル54が、スライド61と62との間に
延在し、かつそれらによって支持された直立ビーム67
上にのっていて、(ii)モータとスケールとがレール
62、63あるいはラム66の1つの表面あるいは外面
に沿って配置されている点である。ラム66は水平方向
に向いたスピンドル73、74を支持している。各々の
上部スライド61にはスタブレール68が連結されてお
り、このレールの上には、水平レール70を支持するた
めの1対のスライド69が取付けられ、前記水平レール
は垂直方向に向かったスピンドル72を有する可動組立
体71を支持するために用いられる。スライド69とレ
ール68との間には、適当なベアリングとリニアモータ
付勢装置が配置されている。
当なリニアモータの構造と制御は、本発明の譲渡人に共
同譲渡された米国特許出願第92−427に開示されて
おり、その開示内容がここでは参考として組込まれてい
る。
を同時に機械加工するための本発明の方法は、(a)各
々が切削工具を支持している複数個の回転駆動されるス
ピンドルであって、各々の前記スピンドルが複数個の相
対的に動くことのできる要素によって支持され、前記要
素が所定の寸法の、立方体状の機械加工スペースを出入
りし、そのような支持体が少なくとも互いに直角をなす
軸線に沿ったベクトルを有したスピンドルの動きを提供
する、そのスピンドルを支持することと、(b)前記工
作片を前記機械加工スペースの中で所定の位置に位置付
けることと、(c)前記工作片の各々の側部において第
1の表面を同時に機械加工するために、各々のスピンド
ルを正確に位置決めするために、リニアモータを用いる
ことによって前記要素の相対的運動を付勢することと、
(d)前記工作片の各々の側部において他の表面を同時
に機械加工するために、前記複数個のスピンドルを再位
置決めするために、前記リニアモータを用いることによ
って前記要素を付勢することを含む。
本発明の機械加工装置の全体的な透視図。
レールと、サドル組立体との拡大平面図。
線方向の運動組立体を用いた、3個のスピンドル機械加
工装置を示した、本発明の他の実施例の図。
Claims (2)
- 【請求項1】 多重スピンドル機械加工装置のための位
置決め装置において、(a)共通のプラットホームに対
して剛的に相互連結され、±0.0005インチ(0.
013mm)以内の精度で前記プラットホームに対して
垂直に整列され且つ相互に平行に整列された、複数個の
直立柱状部と、(b)可動支持体を提供するために、前
記柱状部の足部によって画定された外周に沿って、前記
柱状部の各々の間に延在したレール装置であって、Y軸
線に沿って、各々のレール装置の運動のために設けられ
るベアリング装置を有している、そのレール装置と、
(c)少なくとも他の運動軸線に沿って、前記レールの
各々の上で滑動することのできる他の運動装置と、
(d)前記レール装置と前記他の運動装置とを、約1〜
2g(9.8〜19.6m/sec2 )のピーク加速度
あるいは減速度で、それぞれY軸線および他の軸線に沿
って、選択的に駆動するためのリニアモータ装置と、
(e)各々のラムの上で支持され、かつS軸線の周りで
回転的に駆動されるスピンドルを有するスピンドル装置
とを備えた多重スピンドル機械加工装置のための位置決
め装置。 - 【請求項2】 工作片の多数の側部の各々における一連
の表面を同時に機械加工するための方法において、
(a)各々が切削工具を支持している複数個の回転駆動
されるスピンドルであって、各々の前記スピンドルが複
数個の相対的に動くことのできる要素によって支持さ
れ、前記要素が所定の寸法の、立方体状の機械加工スペ
ースを出入りし、そのような支持が少なくとも互いに直
角をなす軸線に沿ったベクトルを有するスピンドルの動
きを提供する、そのスピンドルを支持することと、
(b)前記工作片を前記機械加工スペースの中で所定の
位置に位置付けることと、(c)前記工作片の各々の側
部において第1の複数の表面を同時に機械加工するため
に、各々のスピンドルを正確に位置決めすべく、リニア
モータを用いることによって前記要素の相対的運動を付
勢することと、(d)前記工作片の各々の側部において
他の複数の表面を同時に機械加工するために、前記複数
個のスピンドルを再位置決めすべく、前記リニアモータ
を用いることによって前記要素を付勢することとを含む
ことを特徴とする機械加工方法。
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