JP4538285B2 - 加工システム - Google Patents

Description

本発明は、加工システムに関する。たとえば、工具を互いに直交する二方向へ移動させる直線駆動機構を備えた加工システムに関する。

工作機械や測定装置では、ワークに対して工具や測定子などを移動させながら、加工や測定を行う。
従来、工具や測定子などを移動させる機構としては、ボールねじを用いた送り機構が多用されてきたが、最近では、高精度、高速化の要請から、固定子と可動子とからなるリニアモータが採用されるようになってきた。

送り機構としてリニアモータを用いる場合、通常、固定子はベースなどに固定され、可動子は工具や測定子などが取り付けられる可動部材側に取り付けられる。可動子を加速させると、その反力がベースに加わる。高速化の要請から、可動子を急激に加減速させると、ベースに加わる反動も大きくなるので、ベースを含む機械本体が撓んだり傾く。このような現象は、精度面からは無視できない問題であるため、機械本体の剛性を高くする方法が採られる。しかし、これでは、機械本体が重く大きくなってしまう。

機械本体の剛性を高くすることなく、機械本体の撓みや傾きを抑えるものとして、直線駆動装置（特許文献１参照）が提案されている。これは、ベースと、このベースに搭載されたステータと、このステータにより駆動されて移動するスライダとを備えた直線駆動装置において、ベースに対してステータが直線方向に移動可能に支持され、かつ、スライダがステータに対して前記直線方向と同一方向に移動可能に支持された構造である。

この構成の場合、スライダが加速すると、その反力を受けてステータが逆方向に加速される。ステータはベースに対して直線方向へ移動可能に支持されているから、ステータがベースに対して逆方向へ移動される。従って、スライダの駆動による反動で移動したステータからベースに力が伝えられない。つまり、スライダの加速によっても、ベースには影響が及ばないので、機械本体を重く大きくしなくてもすむ。

特開２００２−２８３１７４号公報

ところが、特許文献１に記載の直線駆動装置では、スライダの移動方向が一方向のみであるため、比較的コンパクトに構成できるが、スライダが二次元あるいは三次元方向へ移動する場合、上述した直線駆動装置を各軸毎（たとえば、Ｘ,Ｙ,Ｚ軸毎）に構成するとともに、これらを順次積み重ねなければならないため、構造が複雑化するという課題が生じる。

本発明の目的は、可動部が移動しても、その反動によって本体が撓んだりすることがなく、しかも、比較的簡単な構成で、可動部を異なる二方向へ高速で移動させることが可能な加工システムを提供することにある。

本発明の加工システムは、工具を保持した工具保持手段を少なくとも異なる二方向へ移動させる直線駆動機構と、ワークを保持するワーク保持手段とを備えた加工システムであって、前記直線駆動機構およびワーク保持手段を支持した支持プレートと、前記支持プレートを支持する本体と、前記支持プレートを、前記本体に対して、少なくとも前記工具保持手段が移動される異なる二方向を含む方向へ移動可能に支持する支持手段とを備え、前記本体は、上部に吊下部材を有する構造体によって構成され、前記支持手段は、前記構造体の吊下部材に前記支持プレートを吊り下げ支持する吊下手段によって構成されていることを特徴とする。
ここで、構造体は、少なくとも支持プレートおよびその上に搭載される直線駆動機構などの重量を支持できる剛性を備える構造であれば、どのような構造であってもよく、例えば、箱形構造体や門型構造体などでもよい。
この発明によれば、直線駆動機構によって工具保持手段が移動されると、その反力として反対方向の力が支持プレートに加わる。すると、支持プレートは、工具保持手段の移動方向とは反対方向へ移動される。このとき、支持プレートは、本体に対して、少なくとも工具保持手段が移動される異なる二方向を含む方向へ移動可能に支持されているので、工具保持手段が直線駆動機構によって異なる二方向へ移動されても、工具保持手段の移動とは反対方向の反力の全てが支持プレートの移動によって吸収される。つまり、工具保持手段の移動に伴う反力が、支持プレートの移動によって吸収、減衰されるので、工具保持手段が移動しても、その反動によって本体が撓んだりすることがなく、しかも、比較的簡単な構成で、可動部を異なる二方向へ高速で移動させることができる。
また、支持プレートが、構造体の吊下部材に吊り下げ支持された構成であるため、工具保持手段が直線駆動機構によって異なる二方向へ移動されると、その工具保持手段の移動方向に対して反対方向に支持プレートが揺動される。つまり、工具保持手段の移動とは反対方向の反力の全てが支持プレートの揺動によって吸収、減衰されるので、工具保持手段が移動しても、その反動によって構造体が撓んだりすることがなく、しかも、比較的簡単な構成で、可動部を異なる二方向へ高速で移動させることができる。

本発明の加工システムにおいて、前記吊下手段は、前記構造体に前記支持プレートを吊り下げ支持する複数本の吊下ワイヤと、この吊下ワイヤの途中または端部に設けられたショックアブゾーバとを含んで構成されていることが好ましい。
この発明によれば、工具保持手段が垂直方向へ移動される場合でも、その工具保持手段の移動に伴う反力が各吊下ワイヤの途中または端部に設けられたショックアブゾーバによって吸収されるから、工具保持手段が垂直方向へ移動する場合でも、構造体が撓んだりすることなく、工具保持手段を高速で移動させることができる。

本発明の加工システムにおいて、前記直線駆動機構は、前記可動部を互いに直交する三軸方向へ移動させる３つの直線駆動機構を備え、各直線駆動機構はリニアモータによって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、工具保持手段を互いに直交する三軸方向へ移動させる３つの直線駆動機構を備え、各直線駆動機構がリニアモータによって構成されているから、工具保持手段を三次元方向へ高速化で移動させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
図１には、本発明の駆動システムを適用した第１実施形態の加工システムが示されている。第１実施形態の加工システムは、本体としての構造体３０と、この構造体３０に支持手段５０を介して支持された支持プレート４０と、この支持プレート４０の上面に搭載されたワーク保持手段６０と、支持プレート４０の上面に搭載されワークを加工する工具を三次元方向へ移動させる直線駆動機構としての三次元駆動機構１０とを備える。

構造体３０は、一対の側壁体３１,３２と、後壁体３３と、天井壁体３４とを備え、前面に開口３５を有する箱形形状に形成され、全体が鋳鉄などの金属（あるいは金属に限らない）によって高い剛性を備えた構造に形成さている。つまり、支持プレート４０、その支持プレート４０上に搭載される三次元駆動機構１０およびワーク保持手段６０などの重量を支持できる剛性を備えた構造に形成されている。

支持プレート４０は、ワーク保持手段６０および三次元駆動機構１０を載置できる大きさの矩形板状に形成され、四隅に支柱４１を備えている。

支持手段５０は、構造体３０に対して、支持プレート４０を少なくとも可動部（後述するＺ軸スライダ１１や工具保持手段２５）が移動される異なる二方向を含む方向へ移動可能に支持するもので、ここでは、構造体３０の吊下部材（天井壁体３４）に、支持プレート４０を吊り下げ支持する吊下手段５１によって構成されている。吊下手段５１は、構造体３０の天井壁体３４に支持プレート４０を吊り下げ支持する複数本の吊下ワイヤ５２と、この吊下ワイヤ５２の途中（あるいは端部）に設けられたショックアブゾーバ５３とを含んで構成されている。各吊下ワイヤ５２は、構造体３０の天井壁体３４に設けられたフック５４と、支持プレート４０の支柱４１の上端面に設けられたフック５５とに両端が引っ掛けられている。

ワーク保持手段６０は、ワークを保持するためのもので、取付プレート６１と、この取付プレート６１上に設けられたワークを保持するワークチャック機構６２とを備えている。

三次元駆動機構１０は、工具を保持する工具保持手段を少なくとも異なる二方向へ移動させる直線駆動機構を備えている。ここでは、図２に示すように、ワーク保持手段６０に対して、Ｚ軸スライダ１１（工具保持手段２５が取り付けられる部材）を互いに直交する三軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向）へ移動させる３つの直線駆動機構を備えて構成されている。つまり、Ｘ軸駆動機構１２Ｘ、Ｙ軸駆動機構１２ＹおよびＺ軸駆動機構１２Ｚを備えて構成されている。

Ｙ軸駆動機構１２Ｙは、前後方向に沿って配置された左右一対のガイドレール１３と、このガイドレール１３間に掛け渡されたＹ軸ビーム１４と、このＹ軸ビーム１４をガイドレール１３に沿って前後方向（Ｙ軸方向）へ移動させるリニアモータ１５とから構成されている。一方のガイドレール１３とＹ軸ビーム１４の一端側との間には、Ｙ軸ビーム１４のＹ軸方向の位置（移動変位量）を検出する変位検出器１６が設けられている。変位検出器１６は、一方のガイドレール１３に沿って配設されたスケール１７と、Ｙ軸ビーム１４の一端側にスケール１７に対して僅かなギャップを介して対向配置された検出ヘッド１８とから構成されている。

Ｘ軸駆動機構１２Ｘは、Ｙ軸ビーム１４上に移動可能に設けられたＸ軸スライダ１９と、このＸ軸スライダ１９をＹ軸ビーム１４に沿って左右方向（Ｘ軸方向）へ移動させるリニアモータ２０とから構成されている。Ｘ軸スライダ１９とＹ軸ビーム１４との間には、Ｘ軸スライダ１９のＸ軸方向の位置（移動変位量）を検出する変位検出器（図示省略）が設けられている。この変位検出器は、変位検出器１６と同じ構成であるため、説明を省略する。

Ｚ軸駆動機構１２Ｚは、Ｘ軸スライダ１９に取り付けられ上下方向に沿って伸びるＺ軸ガイドプレート２１と、このＺ軸ガイドプレート２１に沿って移動可能に設けられたＺ軸スライダ１１と、このＺ軸スライダ１１をＺ軸ガイドプレート２１に沿って上下方向へ移動させるリニアモータ２２とから構成されている。Ｚ軸スライダ１１とＺ軸ガイドプレート２１との間には、Ｚ軸スライダ１１のＺ軸方向の位置（移動変位量）を検出する変位検出器（図示省略）が設けられている。この変位検出器も、変位検出器１６と同じ構成であるため、説明を省略する。

Ｚ軸スライダ１１には、工具を交換可能に取り付けるための工具保持手段２５が設けられている。工具保持手段２５には、工具を回転させる主軸装置２６が保持されている。
また、三次元駆動機構１０のＹ軸ビーム１４の重量およびそれよりも上方部材の重量の総和に対して、そのＹ軸ビーム１４のガイドレール１３の重量およびこれより下方部材の重量の総和が十分大きくなるように、支持プレート４０の重量が設定されている。

なお、リニアモータ１５，２０，２２は、公知のリニアモータと同じ構造で、静止部材側に固定される固定子と、可動部材側に固定される可動子とを備え、固定子の磁石と、可動子側のコイルに電流を流したときに生じる磁界との間で発生する力で、可動部側を駆動させる構造である。

次に、本実施形態の作用を説明する。
三次元駆動機構１０の工具保持手段２５に工具を有する主軸装置２６取り付けるとともに、ワーク保持手段６０にワークを取り付けたのち、加工を行う。
加工は、三次元駆動機構１０を三次元方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向）へ移動させ、工具保持手段２５に保持された工具をワーク保持手段６０に保持されたワークを対して相対移動させながら、加工を行う。

加工終了後、必要に応じて、測定を行う。測定では、工具保持手段２５に測定機器を取り付け、この状態において、三次元駆動機構１０を三次元方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向）へ移動させ、工具保持手段２５に保持された測定機器をワークに対して相対移動させながら、測定を行う。

これらの加工または測定において、Ｙ軸ビーム１４がＹ軸方向へ、Ｘ軸スライダ１９がＸ軸方向へ、Ｚ軸スライダ１１がＺ軸方向へ移動すると、その反力が支持プレート４０に加わる。
たとえば、Ｙ軸ビーム１４がＹ＋方向（ここでは、図１中右上方向）へ移動すると、その反力がガイドレール１３に加わる。すると、ガイドレール１３と一体となった支持プレート４０が、Ｙ−方向（図１中左下方向）へ揺動される。つまり、Ｙ軸ビーム１４の移動に伴う反力が支持プレート４０の揺動によって吸収、減衰されるから、構造体３０への影響を低減できる。

また、Ｘ軸スライダ１９がＸ＋方向（ここでは、図１中右下方向）へ移動すると、その反力がガイドレール１３に加わる。すると、ガイドレール１３と一体となった支持プレート４０が、Ｘ−方向（図１中左上方向）へ揺動される。つまり、Ｘ軸スライダ１９の移動に伴う反力が支持プレート４０の揺動によって吸収、減衰されるから、構造体３０への影響を低減できる。

また、Ｚ軸スライダ１１がＺ＋方向（図１中上方）へ移動すると、その反力がＹ軸ビーム１４を介してガイドレール１３に加わる。すると、ショックアブゾーバ５３によって、ガイドレール１３と一体となった支持プレート４０が、Ｚ−方向（図１中下方向）へ移動される。つまり、Ｚ軸スライダ１１の移動に伴う反力が支持プレート４０の下降によって吸収、減衰されるから、構造体３０への影響を低減できる。

第１実施形態によれば、次の作用効果が期待できる。
（１）各駆動機構１２Ｘ，１２Ｙによって工具保持手段２５が移動されると、その反力として反対方向の力が支持プレート４０に加わる。支持プレート４０は、構造体３０の天井壁体３４に吊下手段５１を介して吊下支持された構成であるため、工具保持手段２５が駆動機構１２Ｘ，１２ＹによってＸ軸方向およびＹ軸方向へ移動されると、その移動方向に対して反対方向に支持プレート４０が揺動される。つまり、工具保持手段２５の移動に伴う反力が、支持プレート４０の揺動によって吸収、減衰されるから、工具保持手段２５が移動しても、その反動によって構造体３０が撓んだりすることがない。しかも、比較的簡単な構成で、工具保持手段２５をＸ軸方向およびＹ軸方向へ高速で移動させることができる。

（２）吊下手段５１は、構造体３０に支持プレート４０を吊り下げ支持する複数本の吊下ワイヤ５２と、この吊下ワイヤ５２の途中または端部に設けられたショックアブゾーバ５３とを含んで構成されているから、工具保持手段２５が垂直方向へ移動される場合でも、その工具保持手段２５の移動に伴う反力が各吊下ワイヤ５２の途中または端部に設けられたショックアブゾーバ５３によって吸収されるから、工具保持手段２５が垂直方向へ移動する場合でも、工具保持手段２５を高速で移動させることができる。

（３）三次元駆動機構１０のＹ軸ビーム１４の重量およびそれよりも上方部材の重量の総和に対して、そのＹ軸ビーム１４のガイドレール１３の重量およびこれより下方部材の重量の総和が十分大きくなるように、支持プレート４０の重量が設定されているから、Ｙ軸ビーム１４、Ｘ軸スライダ１９およびＺ軸スライダ１１の移動量に対して、支持プレート４０の揺動量を小さくできる。
つまり、Ｙ軸ビーム１４より上の重量総和とガイドレール１３より下の重量総和との割合に応じて、支持プレート４０の揺動量を小さくできる。

＜第２実施形態＞
図３には、本発明の第２実施形態の加工システムが示されている。第２実施形態の加工システムは、第１実施形態の加工システムに対し、支持プレート４０が吊下手段５１を介して構造体３０に支持されているのではなく、ボールベアリング手段７０を介して本体としてのベッド７１に支持されている点、および、支持プレート４０の振動を抑制するダンピング手段８０が付加されている点が異なる。

ボールベアリング手段７０は、ベッド７１の上面に一定ピッチ間隔で設けられた回転可能な複数のボールベアリング７２によって構成され、支持プレート４０をベッド７１の上面と平行面内で任意の方向へ移動可能に支持している。
ダンピング手段８０は、ベッド７１の上面において、Ｘ軸およびＹ軸方向に沿ってかつ支持プレート４０を挟んだ両側にそれぞれ２箇所設けられている。各ダンピング手段８０は、ベッド７１の上面に回転可能に設けられたプーリ８１と、このプーリ８１に巻回され一端を支持プレート４０に固定するとともに他端をベッド７１に固定したワイヤ８２と、このワイヤ８２の途中に設けられたスプリング８３とから構成されている。

第２実施形態によれば、次の効果が期待できる。
（４）支持プレート４０が、ベッド７１の上面にボールベアリング手段８０を介してベッド７１の上面と平行面内で任意の方向へ移動可能に支持された構成であるため、工具保持手段２５がＸ，Ｙ軸方向へ移動されると、その工具保持手段２５の移動方向に対して反対方向に支持プレート４０が移動される。つまり、工具保持手段２５の移動に伴う反力が支持プレート４０の移動によって吸収、減衰されるから、ベッド７１への影響を低減できる。従って、工具保持手段２５が移動しても、その反動によってベッド７１が撓んだり振動することがない。

（５）ベッド７１の上面にボールベアリング手段８０を設けた構成であるから、簡単に構成できる。
（６）支持プレート４０の振動を抑制するダンピング手段８０が付加されているから、支持プレート４０がＸ、Ｙ軸方向に移動しても、その移動に際して発生する振動も、ダンピング手段８０によって抑制されるから、工具保持手段２５を所定位置に正確に位置決めできる。よって、高精度な位置決めが可能である。また、工具保持手段２５の移動に伴う反力が支持プレート４０の移動によって吸収されたのち、つまり、工具保持手段２５の移動が停止されたのちは、ダンピング手段８０のスプリング８３によって支持プレート４０は元の位置に復帰される。

＜第３実施形態＞
図４には、本発明の第３実施形態の加工システムが示されている。第３実施形態の加工システムは、第２実施形態の加工システムに対し、支持プレート４０がボールベアリング手段７０を介して本体としてのベッド７１に支持されているのではなく、エアーベアリング手段９０を介して支持されている点が異なる。
エアーベアリング手段９０は、図５に示すように、支持プレート４０の内部に形成されたエアー供給流路９１と、このエアー供給流路９１にエアーを供給するエアー供給配管９２と、エアー供給流路９１から支持プレート４０の底面に開口されたエアー噴出孔９３とを含んで構成されている。

従って、エアー供給配管９２を通じてエアー供給流路９１にエアーを供給すると、エアーは、エアー噴出孔９３からベッド７１の上面に向けて噴出される。これにより、ベッド７１と支持プレート４０との間に空気層が形成され、つまり、支持プレート４０がベッド７１の上面から浮上した状態に保たれるため、支持プレート４０はベッド７１の上面内の任意の方向へ自由に移動できる状態になるから、第２実施形態と同様な作用を奏することができる。

第３実施形態によれば、次の作用効果が期待できる。
（７）支持プレート４０が、ベッド７１の上面にエアーベアリング手段９０を介してベッド上面と平行面内で任意の方向へ移動可能に支持された構成であるため、工具保持手段２５がＸ、Ｙ軸方向へ移動されると、その工具保持手段２５の移動方向に対して反対方向に支持プレート４０が移動される。つまり、工具保持手段２５の移動に伴う反力が支持プレート４０の移動によって吸収、減衰されるから、工具保持手段２５が移動しても、その反動によってベッド７１が撓んだり振動することがない。
なお、上記第３実施形態において、エアー供給流路９１、エアー供給配管９２、エアー噴出孔９３を、ベッド７１側に設けるようにしてもよい。

なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、第１実施形態では、支持プレート４０を４本の吊下ワイヤ５２で構造体３０に吊り下げ支持したが、３本、あるいは、５本以上の吊下ワイヤ５２で吊り下げ支持してもよい。
また、第１実施形態では、構造体３０を箱形構造体としたが、これに限られず、門型構造体でもよい。要は、支持プレート４０およびこれに搭載される駆動機構１０を支持できる構造であれば、他の構造でもよく、また、クレーンなどの構造でもよい。

また、第２実施形態では、ベッド７１の上面に多数のボールを配置したボールベアリング手段８０を、また、第３実施形態では、ベッド７１の上面にエアーベアリング手段９０をそれぞれ設けたが、ベッド７１の上面に対して、支持プレート４０を磁気によって浮上させるようにしてもよい。

本発明は、工作機械などの加工システムに利用できる。

本発明の第１実施形態に係る加工システムを示す斜視図。 同上実施形態の三次元駆動機構およびテーブル手段を示す斜視図。 本発明の第２実施形態に係る加工システムを示す斜視図。 本発明の第３実施形態に係る加工システムを示す斜視図。 同上実施形態のエアーベアリング手段を示す図。

符号の説明

１０…三次元駆動機構
１１…Ｚ軸スライダ（可動部）
１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚ…Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動機構
２２…リニアモータ
２５…工具保持手段
３０…構造体
３４…天井壁体（吊下部材）
４０…支持プレート
５０…支持手段
５１…吊下手段
５２…吊下ワイヤ
５３…ショックアブゾーバ
６０…ワーク保持手段
７０…ボールベアリング手段
８０…ダンピング手段
９０…エアーベアリング手段

Claims (3)

1. 工具を保持した工具保持手段を少なくとも異なる二方向へ移動させる直線駆動機構と、ワークを保持するワーク保持手段とを備えた加工システムであって、
   前記直線駆動機構およびワーク保持手段を支持した支持プレートと、
   前記支持プレートを支持する本体と、
   前記支持プレートを、前記本体に対して、少なくとも前記工具保持手段が移動される異なる二方向を含む方向へ移動可能に支持する支持手段とを備え、
   前記本体は、上部に吊下部材を有する構造体によって構成され、
   前記支持手段は、前記構造体の吊下部材に前記支持プレートを吊り下げ支持する吊下手段によって構成されていることを特徴とする加工システム。
2. 請求項１に記載の加工システムにおいて、
   前記吊下手段は、前記構造体に前記支持プレートを吊り下げ支持する複数本の吊下ワイヤと、この吊下ワイヤの途中または端部に設けられたショックアブゾーバとを含んで構成されていることを特徴とする加工システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の加工システムにおいて、
   前記直線駆動機構は、前記可動部を互いに直交する三軸方向へ移動させる３つの直線駆動機構を備え、各直線駆動機構はリニアモータによって構成されていることを特徴とする加工システム。

Images