JP3090257B2 - マシニングセンタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、主軸を支持する
コラムと、被加工物を設定するテーブルを有し、主軸と
テーブルの相対位置を第１〜第６アクチュエータを用い
て制御する構成のマシニングセンタに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のマシニングセンタの主軸とテーブ
ルは、いわゆるシリアルメカニズムを用いて相対移動す
る構成になっていた。すなわち、主軸やテーブルをＸ、
Ｙ、Ｚ軸に移動し、また直交する２軸の回りに回転させ
ることにより、位置決め動作を行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者逹は、シリア
ル方式とは全く異なるパラレルメカニズムを利用して工
作機械を構成することを試みた。

【０００４】本発明は、コンパクトで自由度が大きく、
汎用性のあるパラレル型のマシニングセンタを提供する
ことを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願発明は、主軸を支持
するコラムと、被加工物を設定するテーブルを備え、主
軸とテーブルの相対位置を第１〜第６アクチュエータを
用いて制御する構成のマシニングセンタにおいて、コラ
ム（１２、１１２）に支持体（１４、１１４）を移動可
能に設け、リニア型の第６アクチュエータ（３６、１３
６）によって支持体（１４、１１４）をコラム（１２、
１１２）と相対的に第６軸方向に移動できるようにし、
支持体（１４、１１４）に回転体（２１、１２１）を回
転可能に設け、回転型の第４アクチュエータ（３４、１
３４）によって回転体（２１、１２１）を支持体（１
４、１１４）と相対的に第４軸の回りに回転できるよう
にし、回転体（２１、１２１）に、ユニバーサルジョイ
ント（１８〜２０、１１８〜１２０）を介してリニア型
の第１〜第３アクチュエータ（３１〜３３、１３１〜１
３３）を取り付け、それらの出力部に主軸ヘッド（２
８）を設けてパラレルメカニズムを構成し、主軸ヘッド
（２８、１２８）にモータ組込み型の主軸（１６、１１
６）を配置し、回転型の第５アクチュエータ（３５、１
３５）によって主軸（１６、１１６）の向きを主軸ヘッ
ド内で第５軸の回りに回転できるようにし、第１〜第６
アクチュエータ（３１〜３６、１３１〜１３６）を制御
するためのサーボコントローラ（４１〜４６）を設け、
パラレルメカニズムの原理を利用して主軸（１６，１１
６）の位置・姿勢を制御する構成にしたことを特徴とす
るマシニングセンタを要旨としている。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明のマシニングセンタは、主
軸を支持するコラムと、被加工物を設定するテーブルを
備え、主軸とテーブルの相対位置を第１〜第６アクチュ
エータを用いて制御する構成のマシニングセンタにおい
て、コラムに支持体を移動可能に設け、リニア型の第６
アクチュエータによって支持体をコラムと相対的に第６
軸方向に移動できるようにし、支持体に回転体を回転可
能に設け、回転型の第４アクチュエータによって回転体
を支持体と相対的に第４軸の回りに回転できるように
し、回転体に、ユニバーサルジョイントを介してリニア
型の第１〜第３アクチュエータを取り付け、それらの出
力部に主軸ヘッドを設けてパラレルメカニズムを構成
し、主軸ヘッドにモータ組込み型の主軸を配置し、回転
型の第５アクチュエータによって主軸の向きを主軸ヘッ
ド内で第５軸の回りに回転できるようにし、第１〜第６
アクチュエータを制御するためのサーボコントローラを
設け、パラレルメカニズムの原理を利用して主軸の位置
・姿勢を制御する構成にしたことを特徴とする。

【０００７】パラレルメカニズムの原理を利用する点か
ら、本発明のマシニングセンタは、パラレル型マシニン
グセンタと呼ぶことができる。

【０００８】中空シャフトサーボモータを用いて第１〜
第３アクチュエータを構成し、中空（ホロー）シャフト
サーボモータが、中空のロータの内側にナットを取り付
け、そのナットにボールネジを係合させた構成にすると
有利である。

【０００９】ホローシャフトサーボモータを用いること
によって、軸継手が不要となり、また、ボールネジがモ
ータを貫通する形にすることができるため、ボールネジ
の長さを最大限に生かして、コンパクトでかつ稼働長さ
の大きな構造とすることができる。

【００１０】サーボコントローラに計算部を接続し、計
算部が主軸の目標軌道（目標位置・姿勢）を各アクチュ
エータの目標軌道に分解するための逆運動学計算を行う
構成にすることができる。

【００１１】すなわち、計算部では、逆運動学計算によ
って、主軸の目標軌道（目標位置・姿勢）を各アクチュ
エータの目標軌道（変位）に分解する。そして、得られ
たアクチュエータの目標軌道を各アクチュエータのサー
ボコントローラに目標値として送る。これにより各アク
チュエータは、それぞれのサーボ系で目標軌道に追従す
るように制御される。

【００１２】このような制御は、いわゆるセミクローズ
ドループ制御である。主軸の位置・姿勢は直接フィード
バックされないが、パラレルメカニズムでは各アクチュ
エータの運動誤差が累積しないため、大きな位置決め誤
差は生じない。

【００１３】マシニングセンタが自動工具交換マガジン
を有し、第１〜第６アクチュエータの少なくとも一部の
動作を利用して、主軸と自動工具交換マガジンとの間
で、自動工具交換を行う構成にすることができる。勿
論、自動工具交換アームを設けて、アームを利用してＡ
ＴＣを行うこともできる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１〜図３は、本発明によるマシニングセンタを
示す正面図、側面図、上面図である。

【００１５】マシニングセンタ１０は、ベース１１と、
ベース上に設定されたテーブル１３とコラム１２を有し
ている。

【００１６】コラム１２には、支持体１４が上下方向に
移動可能に設けられている。支持体１４は、リニアタイ
プの第６アクチュエータ３６によって移動する。第６軸
方向は上下方向である。図面では、第６アクチュエータ
３６の移動方向が矢印Ｄ６で示されている。

【００１７】第６アクチュエータ３６は、例えば送りネ
ジとナットを利用して構成できる。好適にはボールネジ
が用いられる。

【００１８】支持体１４は、全体的に環状の案内用部材
である。支持体１４には、環状の回転体２１が、支持体
１４に沿って回転可能に案内されている。回転体２１
は、回転型の第４アクチュエータによって、第４軸方向
（矢印Ｄ４）に回転する。

【００１９】第４アクチュエータは、ウォームギアを構
成するウォームホイール５９とウォーム５８、及びウォ
ーム５８を回転駆動するサーボモータ３４からなる。

【００２０】回転体２１は、実質的にウォームホイール
５９として構成されている。ウォーム５８は支持体１４
に回転可能に設けられている。ウォーム５８の一端に
は、サーボモータ３４の出力軸が接続されている。

【００２１】サーボモータ３４が回転すると、ウォーム
ギアの作用によって、回転体２１が第４軸方向（矢印Ｄ
４）に回転する。

【００２２】回転体２１の内側には、リニアタイプの第
１〜第３アクチュエータ３１〜３３がユニバーサルジョ
イント１８〜２０を介して、等間隔に支持されている。

【００２３】第１〜第３アクチュエータは、中空（ホロ
ー）シャフトサーボモータ６０を用いて構成されてい
る。

【００２４】第１アクチュエータ３１とユニバーサルジ
ョイント１８の様子が図４〜図５に示されている。

【００２５】ユニバーサルジョイント１８は回転軸５
２，５３を有している。第１アクチュエータは、これら
の回転軸５２，５３の回りに全体的に回転自在である。

【００２６】ホローシャフトサーボモータ６０は、中空
のロータ６３、ロータ６３を支持するベアリング６１、
ロータ６３に対向するように配置されたステータ６２を
備えている。

【００２７】中空のロータ６３の内側には、ナット５５
が一体的に取り付けてある。ナット５５には、ナット５
５を貫通する形でボールネジ５４が係合されている。

【００２８】ホローシャフトサーボモータ１８の下側に
は、外筒５６と内筒５７が伸縮自在に配置されている。
内筒５７の後端には、ボールネジ５４の先端が固定され
ている。内筒５７の先端がアクチュエータの出力部とな
る。外筒５６は、ホローシャフトモータの下面に固定さ
れている。

【００２９】ホローシャフトサーボモータ１８を駆動す
ると、ボールネジ５４とナット５５の作用により、内筒
５７の先端が第１軸方向（矢印Ｄ１）に移動する。

【００３０】第２及び第３アクチュエータ３２，３３
も、第１アクチュエータ３１と同様の構成になってい
る。

【００３１】第１〜第３アクチュエータ３１〜３３の出
力部は一体的に支持され、そこに主軸ヘッド２８が設け
られている。このような構造は、いわゆるパラレルメカ
ニズムの一種と考えられる。

【００３２】主軸ヘッド２８は、主軸ステージ１５、モ
ータ組込み型の主軸１６、ロータリータイプの第５アク
チュエータ３５から構成されている。

【００３３】主軸ステージ１５は全体的に断面コの字形
であり、その後部には前述したように第１〜第３アクチ
ュエータ３１〜３３の出力端が接続されている。

【００３４】主軸ステージ１５には、ロータリータイプ
の第５アクチュエータが配置されている。第５アクチュ
エータはサーボモータ３５を有し、その出力軸が主軸１
６の側部に接続されている。このサーボモータ３５を駆
動すると、主軸１６は図１の矢印Ｄ５のように第５軸回
りに回転して向きを変える。

【００３５】図１、図２に示すニュートラル位置では、
第４軸と第５軸は直交している。

【００３６】主軸１６は、前述のようにモータ組込みタ
イプであり、工具Ｔを回転させるための駆動モータを備
えている。工具Ｔ（ツールホルダ）は、通常のやり方で
主軸１６に着脱自在に取付けることができる。

【００３７】第１〜第３アクチュエータ３１〜３３の動
作方向Ｄ１〜Ｄ３、及び第５アクチュエータ３５の回転
軸の方向Ｄ５は、第１〜第５アクチュエータ自体の動作
に応じて変化する。

【００３８】一方、第６アクチュエータ３６の動作方向
Ｄ６は、常に上下方向である。また、第４アクチュエー
タ３４の動作方向Ｄ４は、動作方向Ｄ６を中心軸とする
回転方向である。

【００３９】図６に示すように、第１〜第６アクチュエ
ータ３１〜３６はサーボコントローラ４１〜４６を備え
ている。

【００４０】サーボコントローラ４１〜４６には、計算
部５０が接続されている。計算部５０では、逆運動学計
算によって、主軸の目標軌道（目標位置・姿勢）から各
アクチュエータの目標軌道（変位）を求める。

【００４１】各サーボコントローラ４１〜４６は、計算
部５０から送られた目標軌道に基づいて各アクチュエー
タ４１〜４６を制御する。

【００４２】このような制御は、いわゆるセミクローズ
ドループ制御である。主軸の位置・姿勢は直接フィード
バックされないが、パラレルメカニズムでは各アクチュ
エータの運動誤差が累積しないため、大きな位置決め誤
差は生じない。

【００４３】テーブル１１の側方には、ＡＴＣマガジン
５１が配置されている。ＡＴＣマガジン５１は、多数の
工具（ツールホルダ）をインデックス可能に収容するこ
とができる。

【００４４】ＡＴＣマガジン５１の側方には、必要に応
じて自動交換アームが配置されるが、図面には示されて
いない。

【００４５】自動交換アームを用いて、ＡＴＣマガジン
５１と主軸１６との間で、工具を交換することができ
る。主軸１６の位置・姿勢を制御するパラレルメカニズ
ムの自由度を大きくした場合には、主軸１６の移動によ
って直接工具交換を行うことも可能である。

【００４６】次に図７〜図９を参照して、本実施例のマ
シニングセンタを用いた加工例を簡単に説明する。

【００４７】図７は、主軸１６がテーブル面と垂直な方
向に移動する加工例を示している。テーブル１３には、
治具４７で被加工物Ｗが固定されている。この状態で、
第６アクチュエータを下方に駆動することにより、ワー
クＷにテーブル面と垂直方向に穴を形成できる。

【００４８】図８は、第５アクチュエータによって、主
軸１６を９０度回転した状態で行う加工例を示してい
る。この場合の計算部５０に入力する目標軌道は、水平
軌道である。計算結果に基いてサーボコントローラ４１
〜４６から指令が送られ、第１〜第６アクチュエータ３
１〜３６が適宜作動して、テーブル面と水平方向の穴が
加工される。

【００４９】図９は、５軸加工の例を示している。この
場合の目標軌道は、所定の曲面を走査するような軌道で
ある。計算部５０で行った逆運動学計算の結果に基いて
サーボコントローラ４１〜４６から指令が送られ、第１
〜第６アクチュエータ３１〜３６が適宜作動して、所定
の曲面加工が行われる。

【００５０】次に、図１０と図１１を参照して本発明の
他の実施例を説明する。

【００５１】この実施例では、支持体１１４の向きが前
述の実施例と異なっている。すなわち、本実施例の支持
体１１４は、支持面が鉛直方向になるようにコラム１１
２に配置されている。従って、第４アクチュエータの回
転軸は水平になる。

【００５２】他方、支持体自体の向きを、それ用のアク
チュエータによって自由に設定できる構成にすることも
可能である。

【００５３】また、図１１と図１２の実施例では、ベー
ス１１１にリニアタイプの第７アクチュエータが設けら
れており、コラム（又はテーブル、又はＡＴＣマガジ
ン）を第７軸方向に移動できる構成になっている。

【００５４】

【発明の効果】本発明のマシニングセンタによれば、各
アクチュエータの運動誤差が累積しないというパラレル
メカニズムの長所を生かし、コンパクトで自由度が大き
く、汎用性のある高精度のマシニングセンタを提供でき
る。

【００５５】また、請求項２に記載のように、中空（ホ
ロー）シャフトサーボモータを用いて第１〜第３アクチ
ュエータを形成した場合には、軸継手が不要となり、ボ
ールネジの長さを有効に使うことができるため、よりコ
ンパクトなパラレルメカニズムを構成することが可能と
なる。

【００５６】なお、本発明は前述の実施例に限定されな
い。例えば、ＡＴＣマガジンに収容する工具の向きは、
上下方向でなく横向きにすることも可能である。

【００５７】また、支持体の外周に回転体を設け、回転
体の外側に第１〜第３アクチュエータを取り付けても良
い。

【００５８】さらに、回転体（ウォームホイール）を案
内する支持体の形状は、環状である必要はない。例え
ば、円弧状ガイドを有する腕でも良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のマシニングセンタを示す正面
図。

【図２】図１のマシニングセンタの側面図。

【図３】図１のマシニングセンタの上面図。

【図４】図１の第１アクチュエータとユニバーサルジョ
イントを示す断面図。

【図５】図４の側面図。

【図６】図１の第１〜第６アクチュエータの制御系を示
す図。

【図７】図１のマシニングセンタを用いた加工例を示す
図。

【図８】別の加工例を示す図。

【図９】さらに別の加工例を示す図。

【図１０】本発明のマシニングセンタの別の実施例を示
す正面図。

【図１１】図１０のマシニングセンタの側面図。

【符号の説明】 １１、１１１ ベース １２、１１２ コラム １３、１１３ テーブル １４、１１４ 支持体 １５、１１５ 主軸ステージ １６、１１６ 主軸 １８〜２０、１１８〜１２０ ユニバーサルジョイント ３１〜３６、１３１〜１３６ アクチュエータ ４１〜４６ サーボコントローラ ５０ 計算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北村 耕筰 富山県高岡市戸出光明寺1870番地 キタ ムラ機械株式会社内 (72)発明者 山田 滋 富山県高岡市戸出光明寺1870番地 キタ ムラ機械株式会社内 (72)発明者 斉藤 隆志 富山県高岡市戸出光明寺1870番地 キタ ムラ機械株式会社内 (56)参考文献 特開 平９−136286（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−150333（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−190667（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−500337（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 1/00 - 1/76 B23Q 3/155,3/157 B23Q 15/00 - 15/28

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸を支持するコラムと、被加工物を設
   定するテーブルを備え、主軸とテーブルの相対位置を第
   １〜第６アクチュエータを用いて制御する構成のマシニ
   ングセンタにおいて、 コラム（１２、１１２）に支持体（１４、１１４）を移
   動可能に設け、リニア型の第６アクチュエータ（３６、
   １３６）によって支持体（１４、１１４）をコラム（１
   ２、１１２）と相対的に第６軸方向に移動できるように
   し、 支持体（１４、１１４）に回転体（２１、１２１）を回
   転可能に設け、回転型の第４アクチュエータ（３４、１
   ３４）によって回転体（２１、１２１）を支持体（１
   ４、１１４）と相対的に第４軸の回りに回転できるよう
   にし、 回転体（２１、１２１）に、ユニバーサルジョイント
   （１８〜２０、１１８〜１２０）を介してリニア型の第
   １〜第３アクチュエータ（３１〜３３、１３１〜１３
   ３）を取り付け、それらの出力部に主軸ヘッド（２８）
   を設けてパラレルメカニズムを構成し、 主軸ヘッド（２８、１２８）にモータ組込み型の主軸
   （１６、１１６）を配置し、回転型の第５アクチュエー
   タ（３５、１３５）によって主軸（１６、１１６）の向
   きを主軸ヘッド内で第５軸の回りに回転できるように
   し、 第１〜第６アクチュエータ（３１〜３６、１３１〜１３
   ６）を制御するためのサーボコントローラ（４１〜４
   ６）を設け、パラレルメカニズムの原理を利用して主軸
   （１６，１１６）の位置・姿勢を制御する構成にしたこ
   とを特徴とするマシニングセンタ。
2. 【請求項２】 中空シャフトサーボモータを用いて第１
   〜第３アクチュエータ（３１〜３３、１３１〜１３３）
   を構成し、中空シャフトサーボモータが、中空のロータ
   （６３）の内側にナット（５５）を取り付け、そのナッ
   ト（５５）にボールネジ（５４）を係合させた構成にな
   っていることを特徴とする請求項１に記載のマシニング
   センタ。
3. 【請求項３】 サーボコントローラ（４１〜４６）に計
   算部（５０）を接続し、計算部（５０）が主軸の目標軌
   道（目標位置・姿勢）を各アクチュエータの目標軌道に
   分解するための逆運動学計算を行う構成になっているこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載のマシニングセン
   タ。
4. 【請求項４】 マシニングセンタが自動工具交換マガジ
   ン（５１、１５１）を有し、第１〜第６アクチュエータ
   （３１〜３６、１３１〜１３６）の少なくとも一部の動
   作を利用して、主軸（１６、１１６）と自動工具交換マ
   ガジン（５１、１５１）との間で、自動工具交換を行う
   構成にしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１
   項に記載のマシニングセンタ。