JP4902086B2 - 工作機械およびそれに実装するマニピュレータ装置 - Google Patents
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Description
(技術分野)
先ず第1に、本発明は請求項1前段に記載の工作機械に関する。
【0002】
請求項1の前段による工作機械は、例えばプロッタ、金属板切断用レーザー機械、および3次元表面仕上げ工程をするためのフライス盤といったあらゆる種類の数値的に制御された機械であってよい。
【0003】
(背景技術)
図1はデカルト座標系で動作する周知の種類の工作機械の端部立面図であり、図2はその平面図である。これには、それに付随する本発明によるマニピュレータ装置が備えられ、これについて以下に説明する。
【0004】
この種類の周知の機械には、移動アセンブリ10が備えられており、以下においては従来通り「第1アセンブリ」または「重アセンブリ」と呼び、これは滑り案内面14で構成される固定的フレームに沿って直線方向Xに運動するのに適化したキャリッジ12を有する。
【0005】
キャリッジ12はスライド16を支持し、これは直交する直線方向Yに運動するのに適化している。
【0006】
上記の例ではツール18とは、製図用ペン、レーザー源、フライスであり、周知の機械においては、ツール18はスライドで直接的に支持されている。
【0007】
周知の幾つかの機械においては、ツール18は上記の2つの直線的方向XおよびYと直行する直線的方向Zに運動可能に、スライド16に接続されている。
【0008】
図1および図2においては、符号20で示される作業台が滑り案内面14間に差し挟まれて、ツール18による手段により機械加工される、金属板のような素材を支持するのに適化されている。
【0009】
本発明が適用可能な周知の工作機械の中には、極構成または様々な関節を有する、従来型のロボットのような場合もある。
【0010】
全ての場合において、図1および図2の移動アセンブリ10のスライド16およびキャリッジ12のような移動部材は、図示されていない数値的制御アクチュエータをそれぞれ実装する。
【0011】
当然のことながら、上記の運動方向XおよびYは必ずしも水平でなくともよく、上記の方向Zも必ずしも鉛直でなくともよい。
【0012】
本発明に係る課題を論ずるため、非限定的な例示により、比較的大きな金属板素材を切断するレーザー切断機械を考える。その金属板素材は図3のように、周囲に比較的複雑な形状を有し、その形状は非常に小さな曲率半径のものも含む、凹周部とその中間に位置する凸周部からなる。
【0013】
レーザーの出力、材料の種類および厚さ、ならびに他の周知切断技術に関する要因が許す最大工作速度に等しい、一定接線速度で切断経路を進むことが理想的である。
【0014】
実際面では、切断経路の曲がった部分における切断速度は、その部分の曲率半径に応じて低下する。実際これらの曲がった部分では、XやYといった機械の運動軸のアクチュエータは、切断ヘッドつまりはツール18にA=v2/rに等しい瞬間切断加速度を与える必要があり、ここでvは瞬間接線速度であり、rは曲率半径である。
【0015】
図1および図2に例として示されている具体例においては、特にキャリッジ12が、そしてスライド16もが、むしろ重い構成要素であり、それらには限定的な速度および加速度しか与えられない。
【0016】
従って、切断工程の速度および正確性は、キャリッジ12およびスライド16にかかる強い慣性力によって制限される。
【0017】
(発明の開示)
(発明が解決しようとする技術的課題)
本発明の第1の目的は、キャリッジ12およびスライド16のような重い構成要素も含んでいる工作機械の大きな運動を、機械の全領域または全容積にわたって迅速に行うことを可能にし、大寸法の素材に対してプロット、切断、穴あけ、または成形工程のような精確な工程を可能とすることである。
【0018】
(その解決方法)
本発明により、この目的は請求項に記載された工作機械によって達成される。
【0019】
本発明によれば、第1アセンブリが、図1および図2において符号22で示されている第2アセンブリを運搬しており、その4つの実施形態を以下に記す。
【0020】
図1および図2に記載の典型例において、ツールを備えた第2アセンブリ22は第1アセンブリ10のスライド16に固定され、キャリッジ12が従来的にXと示された方向に運動することと同様に、従来的にYと示された方向へ共に運動する。
【0021】
第2アセンブリは以下で、「軽アセンブリ」とも称する。
【0022】
本発明は、軽アセンブリのみが、従って制限的な行程で高い動的性能を発揮可能であるとの見解に基づいている。この性能の恩恵を軽アセンブリの空間よりも広くするため、図1および図2において符号10で示されている従来的な2軸を有する重アセンブリが切断経路(または別の作業経路)に沿って継続的に移動することが必要である。
【0023】
このことを実現するためには、狭い空間S2における軽アセンブリ22の作業動作と従来的な重アセンブリ10の動作を交代にすることで、図2においてS1と示されている、重アセンブリが動作可能な広い領域において軽アセンブリが点から点へ運動するのでは十分ではない。
【0024】
代わりに、適切なソフトウェアによって、運動の連続性(continuity of the movement)を保証するために含まれる全ての軸を調節する必要がある。
【0025】
これを実現するため、2つのアセンブリ10および22の動的特性には互いに相関性を与える。
【0026】
例によって、軽アセンブリ22および重アセンブリ10の2つのアセンブリが存在する場合の上記の相関性について説明している。後者アセンブリは大きく、従って大きな慣性を有しており、これらアセンブリはXY平面のような1つの平面内で動作する。
【0027】
図2においては、軽アセンブリの運動空間は辺の長さの半分が長さdの矩形であるとする。
【0028】
静止状態において、ツール18は矩形S2の中心、点Aにある。
【0029】
2つのアセンブリ、重アセンブリ10および軽アセンブリ22の運動規則を、図4および図5を参照し、以下に記す。
【0030】
図4および図5の線図それぞれは、空間S1およびS2において、時間と共に2つのアセンブリがどのように速さvと位置を変化させるのかを示している。
【0031】
方向A−Bで点Bを越えて直線的な切断を行うためにツール18およびアセンブリ22は空間S1内をさらに進まなければならないことを考慮すれば、半幅dは、中心Aと狭い空間S2との最短距離に等しいので、軽アセンブリのAからBへの運動が最も大きな(critical)場合である。
【0032】
2つのアセンブリ10および22は同じに運動を開始する。軽アセンブリ22は可能な最大加速度(図4、線v2)で運動を開始し、可能な限り早く最大切断速度vtに到達し、その時刻がt1であり、その後はその速度を一定に保つ。
【0033】
狭い空間S2を移動させるキャリッジ12は、実質的には上記加速度よりも小さい加速度によって運動を開始し、その加速度は第1アセンブリ10の特性とも矛盾しないものである。
【0034】
しかしながら、第1アセンブリ10が到達できる最大速度は実質的には最大切断速度vtよりも大きいことが根本的に重要である。このようにして、重アセンブリ10の運動の速度v1は、時刻t2においてツール18の切断速度に達し、それを超えて、ツール18の位置を狭い空間S2の中心に戻すことで生じる遅れを予め補償する。
【0035】
運動に連続性を具備させることに関し、狭い空間S2の中心が時刻t3においてツール18に追いつき、ツール18が狭い空間S2の限界である距離dに到達する前にツール18を追い越すことが必要である。
【0036】
そのようにならなければ、ツール18の運動は狭い空間S2に関して停止しなければならず、それからはツールは第1アセンブリ10の運動速度で経路を進みつづけることになる。XおよびYのような2つの軸が同じに関与するこの事実によってツールの運動に容認しがたい不連続が生じる。
【0037】
これらの考察に立脚することで、様々な量を含んでいる相互の関係性を記述する方程式を得ることができ、その方程式においては、ツールの最大作業速度ならびに第2アセンブリ22の最大速度および加速度が上手く(prevailingly)割り当てられ、一方では狭い空間S2の寸法および第2アセンブリ22の最大加速度で構成される未知量が生じる。
【0038】
本発明のもう1つの目的は、ツールとして特に効果的なマニピュレータ装置を提供することであり、マニピュレータ装置は比較的小さな素材について独立して使用することができ、比較的大きな素材を操作するために請求項に記載の工作機械の第2アセンブリと同じように実装可能なものである。
【0039】
特に請求項8の前段の定義に従うように適化されているマニピュレータ装置は、様々な形状が知られており、それらの例はUS−A−5 659 905に開示されている。当該装置はいわゆる「共点軸装置(concurrent axes devices)」または「空間ロボット」もしくは「PKMs」(「平行運動機械(Parallel Kinematic Machines」)である。
【0040】
これら周知の装置の大多数においては、運動制御手段およびプラットホーム支持手段は数値的に制御されたアクチュエータを備え、それはプラットホームとリンケージで接続され、そのリンケージはリンケージ両端間の距離の変化に対して適化されている。
【0041】
これら周知の装置は一般にアクチュエータの利用に関して経済性の面で優位性を有し、プラットホームに接続するリンケージはそれぞれ同一であり、それと同時に、アクチュエータおよび位置トランスデューサの設置が移動プラットホーム上というよりもむしろ他の場所でも可能となる。それらは特に装置固定部分(土台)または例えば固定部分を移動プラットホームと接続する部材のように少なくとも固定点を有する部品である。これにより、電気配線が単純化され、運動する質量が軽減される。
【0042】
しかし、周知のPKM装置は、上記リンケージの形状のために、移動プラットホームの運動する空間との比較においては著しく大きい(bulky)という欠点を有している。それは同時にプラットホームの運動を制御するために複雑なアルゴリズムを必要とする欠点を有し、それが複雑なソフトウェアを必要としている。実際、周知の装置においては、移動プラットホームの旋回(evolution)空間は複雑な形状となり、現実的な(トポロジカルな)理由およびこの空間のかなりの部分はリンケージの特異点を通らなければ到達できないものであるという、克服できない理由から、活用できないものである。
【0043】
本発明の別の目的は、共点軸タイプのマニピュレータ装置を提供することであり、これは先ず周知の装置ほどかさばらず、特異点を持たずに運動空間を完全に活用することができ、またプラットホームの運動を制御するソフトウェアは非常にシンプルなものである。
【0044】
本発明によれば、この目的は請求項に記載のマニピュレータ装置によって達成される。
【0045】
請求項に記載した共点軸タイプに関する解決法のおかげで、プラットホームに与えられた運動は、直線的であり、デカルト軸の方向のみである。これらの運動は、装置のフレームから構成される固定的な構造体へ有利に実装可能で、好ましくは周知のPKMsのような数値的に制御された電気モータを構成要素とするアクチュエータによって得ることができる。
【0046】
さらには、軸が水平または同一の傾斜を持てば、全てのアクチュエータは同一でよい。
【0047】
2つの水平軸および1つの鉛直軸の場合、水平軸のアクチュエータは互いに同一でよく、第3のアクチュエータは出力および/または釣り合いおもりの存在のみが異なる。デカルト系のみを取り扱えばよいので使用できるアルゴリズムが単純であるため、アクチュエータは周知の先行技術におけるソフトウェアよりも随分シンプルなもので制御可能である。
【0048】
さらには、直線的な運動をする実情により、プラットホームの運動が可能な空間が同じ容積として、本発明のマニピュレータ装置は周知のPKM技術のリンケージが必要とする容積よりも随分と減少された容積に収まり、特異点の不在のために、その空間を完全に活用できる。
【0049】
本発明の装置は、有利にもデカルト系または極座標系を備えた工作機械の移動部材上の高運動性を有する移動第2アセンブリとして、またはロボットにおいて様々な関節を備えて適用可能である。
【0050】
(発明を実施するための最良の形態)
添付の図面、図6ないし図10を参照し詳細な記述を読み進めることで、本発明はより明らかなものとなる。
【0051】
図6および図7においては、デカルト軸に一致する2つの方向はXおよびYと示されており、当然ながらこれら方向は必ずしも水平ではない。
【0052】
図7においては、ツールはレーザ光源であってもよく、また18と示されており、図6においては同一の参照番号18がその形跡を示す。
【0053】
ツール18は平面図において矩形で示されているブロック24で構成されている支持プラットホームに支えられている。
【0054】
プラットホーム24は一般に26で示されているフレームに支持されている。
【0055】
フレーム26は2つのブランチ28、30を有する硬い部材で構成され、それらは2つの方向に平行な作業面内の2つの直交する方向X、Yに延びている。
【0056】
各ブランチ28、30はそれぞれ滑り案内面32、34を備えている。
【0057】
以下で明らかにされる理由により、滑り案内面32、34は滑り面と直交するZ方向で、交互交代的になっている。
【0058】
各滑り案内面32、34にはそれぞれそれに付属する構造体36、38を有し、それらは滑りによる移動に適している。
【0059】
2つの滑り構造体36、38はそれぞれビームによって構成され、滑り案内面32、34と同様に交互交代的に配され、それぞれの移動を妨げないようになっている。このことは、案内32、34が交互交代的である理由である。
【0060】
図6に示されている実施形態においては、2つのビーム36および38は、片持ち梁風にそれぞれのブランチ28、30から伸びている。
【0061】
各滑り構造またはビーム36、38はそれぞれスライドシューを備え、それらはそれぞれ滑り案内面32、34と連結(couple)している。
【0062】
次に、各滑り構造体またはビーム36、38は、もう一方の滑り構造体またはビームが付属しているフレーム26のブランチ30、28と面する側面にそれぞれ滑り案内面44、46を備えている。
【0063】
次に、プラットホーム24には、その互いに直交する2面にはそれぞれ滑り案内面44、46と連結するスライドシュー48、50が供されている。
【0064】
すべての滑り案内面32、34、44、46の構成、またそれに対してすべてのシュー40、42、44、46の構成は滑り案内面とシューとがぴったりと合う(to provide a form fit)ように構成され、プラットホーム24が支持され、加えてフレーム26により案内される。
【0065】
ビーム36のX方向への運動、その結果生じるプラットホーム24のX方向への運動は、例に示されている電気モータ52で構成される数値的に制御されたアクチュエータが与えている。
【0066】
モータ52が、2つの固定支持体55へ回転可能に装着された送りねじ(lead screw)54を駆動し、ブラケット58が固定されているナットねじ56をX方向に駆動し、そしてブラケットは滑り構造体またはビーム36に固定されている。
【0067】
別の滑り構造体またはビーム38のY方向の運動、その結果生じるプラットホーム24のY方向の運動は、例に示される、モータ52と同一の電気モータ60で構成される数値的に制御されたアクチュエータによって与えられ、そして2つの固定支持体63へ回転可能に装着された送りねじ62を介してブラケット66が固定されたナットねじ64をY方向に駆動し、そしてブラケットは滑り構造体またはビーム38に固定されている。
【0068】
図8ないし10においては、本例において素材に3次元形状を与えるカッタであるツールが118として示され、そのプラットホームは124として示されている。
【0069】
作業面内におけるプラットホーム124の2つの方向は、XおよびYで示し、対してそれらと直行する第3の方向はZとして示される。
【0070】
図8ないし図10に示される実施形態においては、プラットホーム124は、X方向およびY方向に平行な運動面と垂直なZ方向における運動にも適し、Zに関する運動のアクチュエータであるモータ176は固定部に保持されており、X方向およびY方向の運動のためのアクチュエータのようにフレーム126に固定されている。
【0071】
この特徴を得るため、プラットホーム124を動かす、2つの滑り構造体またはビーム136および138はそれぞれに、スライドシュー140、142を有し、それぞれフレーム126のブランチ128、130と連結しているキャリッジ168、170を加えて2重にしている。
【0072】
直行するZ方向へ延びる案内カラム(guide columns)172、174(またはそれと等価の部材)のペアを各キャリッジ168、170が支えている(bear)。図8ないし図10から、より良く理解されるこの解決策によって、Z方向への角柱的(prismatic)な滑りが可能となる。
【0073】
案内カラム172、174のペアのそれぞれは、それぞれのビーム136、138と係合し、従ってそれらは平行に保ったままZ方向に移動が可能である。図6に示されている実施形態のように、2つのビーム136、138はZと垂直をなす方向において、交互交代的に配されている。
【0074】
プラットホーム124にはそれに付随した移動手段により、プラットホームそれ自体および2つのビーム136、138をZ方向に関して一緒に移動し、その方向においては、ビームはXおよびYに関する運動を行う平面におけるプラットホーム124の位置に関わり無くシュー148、150およびそれぞれの滑り案内面144、146で束縛されている。
【0075】
従って、2次元の場合と異なり、3次元の場合においては上記移動手段に支持されているプラットホーム124こそが、ビーム136および138を支持している。
【0076】
Z方向の移動手段は、図示するように数値的に制御されたアクチュエータを備えていることが好ましく、上記のようにポスト178でフレーム126に繋がれて固定されている電気モータ176が望ましい。
【0077】
モータ176のシャフトが、固定支持体181に回転可能に固定されている送りねじ180を介して、Z方向にナットねじ182を動かす。
【0078】
ナットねじ182はZ方向に滑り案内面186に沿って運動するのに適したスライドの形で、駆動部材184に繋がれている。
【0079】
半径−軸ベアリング(radial axial)188を介し、上記スライドまたは駆動部材184はそれに付属するヘッド190を有し、それはX、Yによる運動面に平行な平面内で回転し、また同時にモータ176によりZ方向に運動する。
【0080】
ヘッド190は、X、Yによる運動面と平行な軸を有するガイドブッシュと似た形状を有する。
【0081】
ロッド192はスライド可能にヘッドまたはブッシュ190に装着されている。
【0082】
ロッド192は、プラットホーム124と接する一端において、プラットホーム124に繋がれた環状のフレーム194を有する。
【0083】
ハブ196は、環状フレーム194に収容され、プラットホーム124に繋がれている。
【0084】
軸−半径ベアリング(axial-radial bearing)198は、ハブ196ならびにフレーム194および198の間に差し挟まれている。
【0085】
上記構成のおかげで、モータまたはアクチュエータ176によってZ方向に与えられた運動はプラットホーム124に伝えられ、プラットホーム124のフレーム126内での位置に関わらずにプラットホームを介して2つのビーム136、138に伝えられる。このことは、ヘッド190およびロッド192がZ方向に平行な軸周りの回転が可能であると同時に、ロッド192がヘッドまたはブッシュ190においてスライド可能であるという事実による。
【0086】
図11および図12を参照して、今度は2つのデカルト軸を移動するプラットホームにおけるマニピュレータ装置の第2の実施形態について説明する。
【0087】
図11および図12においては、図6および図7における部品と同一の部品は同じ数に200を加えて記す。
【0088】
図12において、再度レーザ源をツールとして、符号218を付し、図11にはそのトレースを同一の参照符号218で示す。
【0089】
ツール218は、平面図において矩形のブロック224で構成されている支持プラットホームで運搬される。
【0090】
プラットホーム224は一般には226で示されるフレームによって支持されている。
【0091】
図11および図12における実施形態においては、フレーム226は硬い部材で構成され、それは、それぞれのブランチ228aおよび228bならびに230aおよび230bのペアが向き合って正方形(square)または長方形のフレームを形成している。
【0092】
ブランチ228a、228bはX方向に延び、ブランチ230a、230bは直交するY方向に延びている。またさらに方向X、Yは作業面を定めている。
【0093】
各ブランチ228aおよび228bならびに230aおよび230bはそれぞれ、滑り案内面232aおよび232bならびに234aおよび234bを実装している。
【0094】
先ず、滑り案内面232aおよび232bは平行であり、また滑り案内面234a、234bも互いに平行である。
【0095】
図6および図7の実施形態に関連して説明された理由と同様の理由から、滑り案内面232aおよび232b、また滑り案内面234aおよび234bは滑り面と垂直なZ方向に関して交互交代的に配されている。
【0096】
各滑り案内面232aおよび232bならびに234aおよび234bはそれぞれ構造体236および238を有し、それぞれに付属し、スライド方式の移動に適している。
【0097】
滑り構造体236および238は直交するビームで構成され、それはフレーム226に橋渡しする形で相対するブランチ228aおよび228bならびに230aおよび230bの間にそれぞれ延びている。そしてこれらブランチの両方を案内する。
【0098】
2つのビーム236および238には、それぞれ長方形状の軽減窓(lightening window)237および239があり、重量を軽減し、したがって慣性質量を軽減している。
【0099】
2つの滑り構造体またはビーム236および238は、互いの運動を妨げないように、滑り案内面232aおよび232bならびに234aおよび234bのように、交互交代的に配されている。
【0100】
各滑り構造体またはビーム236および238はそれぞれスライドシュー240aおよび240bならびに242aおよび242bを備えており、これらはそれぞれの滑り案内面232aおよび232bならびに234aおよび234bと連結(couple)している。
【0101】
さらには、各滑り構造体またはビーム236および238はそれぞれ滑り案内面244および246を装備している。
【0102】
次に、プラットホーム224の互いに直交する側部にスライドシュー248および250が配され、それらはそれぞれ滑り案内面244および246と連結している。
【0103】
全ての滑り案内面232、234、244、および246の構造、また全てのシュー240、242、244、および246の構造は、ぴったりと合うように構成され、さらに詳しく言えば滑り案内面およびシューとの間に蟻継ぎ(dovetail fit)を構成し、プラットホーム224は両者に支持され、フレーム226に案内される。
【0104】
ビーム236のX方向への運動および、その結果のプラットホーム224の運動は、例においては、2つの電気モータ252a、252bで構成され、並列的に動作する数値的に制御されたアクチュエータのペアによってつくられる。
【0105】
2つのモータ252a、252bは一致して、回転可能に2つ固定支持体255a、255bに備えられたそれぞれの送りねじ254a、254bを駆動する。送りねじ254a、254bは、それぞれのナットねじ256a、256bをX方向に駆動する。これらナットねじは滑り構造体またはビーム236の側部それぞれの付属器258a、258bで構成されるブラケットに固定されている。
【0106】
別の滑り構造体またはビーム238のY方向の運動、およびその結果生じるプラットホーム224の運動は、同様に、この実施形態においても電気モータ260a、260bとして示されている数値的に制御されているモータ252a、252bと同じアクチュエータのペアによってつくられる。
【0107】
モータ260a、260bは一致して、回転可能に2つの固定支持体263a、263bに備えられたそれぞれの送りねじ262a、262bを駆動する。送りねじ262a、262bは、それぞれのナットねじ264a、264bをY方向に駆動する。これらナットねじは滑り構造体またはビーム238の側部それぞれの付属器266a、266bで構成されるブラケットに固定されている。
【0108】
図11および図12に示されているマニピュレータ装置は、図6および図7に示されているものとの比較において、ツール218により精確な運動を与えることができる利点を有する。それは、2つのビーム236、238が両端において平行な滑り案内面に案内されていて、加えてその両端で同期並列的に動作する駆動手段により駆動されることによる。
【0109】
これらの特徴は、2つのビーム236、238それぞれが常に平行で、その運動に僅かなずれも角度のオフセットも無いことにより確保される。
【0110】
継ぎに図13および図14を参照し、マニピュレータ装置の第3実施形態を説明する。これも、2つのデカルト軸を移動するプラットホームを有する。
【0111】
図13および図14においては、図6および図7と同一の部品は同じ数に300を加えて記す。
【0112】
図14において、再度レーザ源をツールとして、符号318を付し、図13にはそのトレースを同一の参照符号318で示す。
【0113】
ツール318は、平面図において矩形のブロック324で構成されている支持プラットホームで運搬される。
【0114】
プラットホーム324は一般には326で示されるフレームによって支持されている。
【0115】
図13および図14における実施形態においては、フレーム326は硬い部材で構成され、それは、ガセット板(gasset)または固定器(brace)329によって硬く相互に連結した長方形の台328、330を有する。
【0116】
台328、330の主軸は直交する方向X、Yに、これらの方向と平行な作業面内においてそれぞれ延びている。
【0117】
各台328、330はその下面において、それぞれの平行な滑り案内面332、334のペアに実装されている。
【0118】
上記にて説明された理由と同様の理由から、滑り案内面332、334は滑り面と直交するZ方向に交互交代的に配されている。
【0119】
滑り案内面332、334の各ペアは、それぞれがそれに付属している構造体336、338を有し、これらはスライド方式で移動するのに適している。
【0120】
2つの滑り構造体336、338は、それぞれに板(plate)を備え、それは滑り案内面332、334のように交互交代的に配されて、互いの運動を妨げないようにしている。
【0121】
2つの滑り板(sliding plate)336および338の各々は、それぞれの台328、330の下に延びており、また台と平行である。
【0122】
各滑り板336、338はそれぞれ、その上面にスライドシュー340、342を備え、これらがそれぞれの滑り案内面332、334と連結する。
【0123】
次に、各滑り板336、338はそれぞれ、滑り案内面344、346に台330、328と相対する面で付けられる。
【0124】
次に、プラットホーム324の互いに直交する2つの面にスライドシュー348、350が備えられ、それらがそれぞれ滑り案内面344、346と連結する。
【0125】
全ての滑り案内面332、334、344、および346、また全てのシュー340、342、344、および346はぴったりと合う構成、より詳細には滑り案内面とシューとの間に蟻継ぎを構成し、フレーム326により、案内し、また支持する。
【0126】
滑り板336のX方向への運動、またその結果のプラットホーム324の運動は、一般的には351で示される第1駆動ユニットによって与えられ、これはもっぱら(entirely)台328の上面に実装される。
【0127】
駆動ユニット351は、例においては電気モータ352で構成される数値的に制御されたアクチュエータを備えている。
【0128】
モータ352、台328の上面によって運ばれる固定支持体355に回転可能に備えられた送りねじ354を駆動する。送りねじ354は、ナットねじ356をX方向に駆動する。これらナットねじはブラケット358に固定され、そのブラケット358は台328の下にある滑り板336に固定されている。
【0129】
別の滑り構造体または滑り板338のY方向の運動、およびその結果生じるプラットホーム324の運動は、一般的に359で示される第2駆動ユニットにより与えられる。これはもっぱら台330の上面に実装される。
【0130】
この駆動ユニットは、例においてはモータ352と同一の電気モータ360で構成される数値的に制御されたアクチュエータを有している。
【0131】
モータ360は、台330の上面によって運搬されている2つの固定的支持体363に回転可能に備えられている。送りねじ362はナットねじ364をY方向に駆動し、それに固定されているブラケット366を有する。またブラケットは滑り板338に固定されている。
【0132】
図13よび図14に示されているマニピュレータは、ツール318の運動に関し、より正確になる可能性がある。なぜなら、滑り構造体336、338は、図6および図7の片持ち梁36、38ならびに図11および図12のように両端を支持されるビームもしくはガーダ(girders)236、238のように、曲げを被りやすいビームではないからである。
【0133】
台328、330および滑り板336、338が適切な寸法であれば、板336、338の曲げは事実上不可能となる。なぜならば、板は台328、330の下面につけられた滑り案内面332、334、344、および346ならびに対応するシュー340、342、344、および346により広く支持されているからである。
【0134】
台328、330の上面に備えられた全駆動ユニット351、359の構成により、図13および図14のマニピュレータはさらに、ツール318が運動するマニピュレータの下方の空間は障害物が完全になくなり、また機械加工または切断操作等のために全面的に活用することができるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 デカルト座標系で動作する周知の種類の工作機械の端部立面図である。
【図2】 デカルト座標系で動作する周知の種類の工作機械の平面図である。
【図3】 金属板素材の図である。
【図4】 空間S1およびS2における、2つのアセンブリの速さvの時間変化を示す図である。
【図5】 空間S1およびS2における、2つのアセンブリの位置dの時間変化を示す図である。
【図6】 2つのデカルト軸を備えたマニピュレータ装置に関する第1実施形態の概略的平面図であり、それは単独での使用または移動構造体上の第2アセンブリ22もしくは図1および図2に記載の第1アセンブリ10としての使用が可能である。
【図7】 同一アセンブリの図6の矢印VIIからの立面図である。
【図8】 3つのデカルト軸を備えたマニピュレータ装置に関する、部分的に切断された概略的平面図であり、それは単独での使用または図1および図2に記載の工作機械と類似の工作機械の移動構造体上の第2アセンブリ22もしくは第1アセンブリ10としての使用が可能である。
【図9】 図8の矢印IXからの、部分的に切断された概略的立面図である。
【図10】 図8の矢印Xからの、部分的に切断された別の概略的立面図である。
【図11】 2つのデカルト軸を備えたマニピュレータ装置に関する第2実施形態の概略的平面図であり、それは単独での使用または図6および図7に記載の第1実施形態の代わりに移動構造体上の第2アセンブリ22もしくは図1および図2に記載の第1アセンブリ10としての使用が可能である。
【図12】 図11の切断線XIIに沿った、第2実施形態の混成断面図である。
【図13】 2つのデカルト軸を備えたマニピュレータ装置に関する第3実施形態の概略的平面図であり、それは単独での使用または図6および図7に記載の第1実施形態もしくは図11および図12に記載の第2実施形態の代わりに移動構造体上の第2アセンブリ22もしくは図1および図2に記載の第1アセンブリ10としての使用が可能である。
【図14】 図13の矢印XIVからの第3実施形態の立面図である。
【符号の説明】
10 ・・・ 第1アセンブリ
12 ・・・ キャリッジ
14 ・・・ 滑り案内面
16 ・・・ スライド
20 ・・・ 作業台
22 ・・・ 第2アセンブリ
Claims (18)
- 素材に関して作業工程を行うために少なくとも運動面内において最大のツール速度でのツールの運動を可能にする移動構造体(10、22)を介し固定的フレーム(14)に支持されているツール(18;118;218;318)、ツールの運動を制御するためのアクチュエータ、およびツール(18;118;218;318)の運動を制御するための制御手段を備えた工作機械において、
移動構造体が、第1移動アセンブリ(10)、及び、該第1移動アセンブリとツール(18;118;218;318)の間に差し挟まれた第2移動アセンブリを有し、第1移動アセンブリと第2移動アセンブリの両方が直線的運動を行うように適化していることを特徴とし、
該第1移動アセンブリ(10)は、固定的フレーム(14)に運搬され、また第2移動アセンブリ(22)を運搬し、かつ、少なくとも上記運動面またはそれと平行な面、比較的広い空間(S1)において、第2移動アセンブリ(22)の位置決めを比較的低加速度で行う、第1直線アクチュエータが供され、第1移動アセンブリが到達し得る最大速度は最大のツールの速度より速いものであり、
また該第2移動アセンブリ(22)は、第1移動アセンブリ(10)に運搬され、またツール(18;118;218;318)を運搬し、かつ、少なくとも上記運動面、比較的狭い空間(S2)において、ツール(18;118;218;318)の位置決めを比較的高速度および高加速度で行う、第2直線アクチュエータ(52、60;152、160;176;252、260;362、360)が供され、
上記制御手段は、素材に対してツール(18;118;218;318)の広範囲な運動ができるように、第1及び第2移動アセンブリ(10、22)の第1及び第2直線アクチュエータを制御するように適化されており、
上記広範囲な運動は、比較的高速度および高加速度により第1移動アセンブリ(10)の全運動空間(S1)において連続的に為されるものであり、
よって、ツールが上記狭い空間(S2)の限界に到達する前に、第1移動アセンブリ(10)と共に動く上記狭い空間(S2)の中心がツール(18;118;218;318)の位置に常に到達し得るように、上記制御手段は、第1及び第2移動アセンブリ(10、22)の運動を制御する、
工作機械。 - 第2移動アセンブリ(22)が、
少なくとも2つのデカルト軸(X、Y)に基づいた運動面を移動するツール(18;118;218;318)のための支持プラットホーム、
それぞれが軸(X、Y)に従う方向を向いている、少なくとも第1および第2滑り案内面(32、34;132、134;232a、232b、234a、234b;332、334)を備えたフレーム(26;126;236;336)、
第1滑り案内面(32;132;232a、232b;332)に沿ってスライド方式で移動することに適した第1構造体(36;136;236;336)、
および第2滑り案内面(34;134;234a、234b;334)に沿ってスライド方式で移動することに適した第2構造体(38;138;238;338)を有し、
ならびに各滑り構造体(36、38;136、138;236、238;336、338)がそれぞれ滑り面(44、46;144、146;244a、244b、246a、246b;344、346)が上記構造体の移動する方向と垂直方向に配され、
プラットホーム(24;124;224;324)が、各滑り構造体(36、38;136、138;236、238;336、338)の滑り案内面(44、46;144、146;244a、244b、246a、246b;344、346)とスライド可能に連結し、上記案内部材により支持され、
第2移動アセンブリ(22)の第2直線アクチュエータ(52、60;152、160;252a、252b、260a、260b;362、360)が、第2移動アセンブリのフレーム(26;126;226;326)に繋がれた機構を有し、駆動部材が滑り構造体それぞれと機械的に接続されていることを特徴とする、請求項1に記載の工作機械。 - 第2移動アセンブリ(22)のフレームが、上記運動面において直交する方向(X、Y)に沿って延びる2つのブランチ(28、30)を有し、各ブランチにはそれぞれ滑り案内面(32、34)が配され、その2つの滑り案内面が運動面と直交する方向(Z)に交互交代的に配されていること、
2つの滑り構造体は上記の直行方向(Z)に交互交代的に配されたビーム(36、38)のそれぞれから構成され、フレーム(26)のブランチ(28、30)それぞれから、互いに直交する移動方向(X、Y)に、上記運動面と平行に延び、ブランチの滑り案内面(32、34)に対応するスライドシュー(40、42)を有していること、
各ビーム(36、38)には、別のビームが付いているフレーム(26)のブランチ(28、30)と相対する面に滑り案内面(44、46)が配されていること、
およびプラットホーム(24)には、互いに直交する2つの側面にプラットホームを支持するビーム(36、38)の滑り案内面(44、46)と連結するスライドシュー(48、50)が配されていることを特徴とする、請求項2に記載の工作機械。 - 第2移動アセンブリ(22)のフレームが、運動面において直交する方向(X、Y)に延びてペアごとに互いに相対するブランチ(228a、228b、230a、230b)を備えた正方形または長方形の硬い部材(226)で構成され、各ブランチにはそれぞれ向かい合う滑り案内面(232a、232b;234a、234b)のペアが配されて、滑り案内面は運動面と直交する方向(Z)に交互交代的に一方のペア(232a、232b)と他方のペア(234a、234b)が配されていること、
2つの滑り構造体が、上記の直交方向(Z)に交互交代的に配された直交するビーム(236、238)のそれぞれで構成され、互いに直交する方向(X、Y)へ上記運動面と平行にフレーム(226)の直交するブランチ(228a、228b、230a、230b)のそれぞれのペアの間を橋渡しする形で延び、ブランチの滑り案内面(232a、232b、234a、234b)と関連するスライドシュー(240a、240b、242a、242b)をそれぞれ有すること、
各ビーム(236、238)は、別のビームが付いているフレーム(226)のブランチ(228a、228b、230a、230b)と対応している端部に滑り案内面(244a、244b、246a、246b)が配されていること、
およびプラットホーム(224)のその互いに直交する側部に、プラットホームを支持するビーム(236、238)の滑り案内面(244、246)と連結するスライドシュー(248、250)が配されていることを特徴とする、請求項2に記載の工作機械。 - 上記直交方向(X、Y)へのビーム(236、238)の運動およびその結果起こるプラットホーム(224)の運動を制御する、数値的に制御されるアクチュエータのペアを各ビーム(236、238)のために有し、
アクチュエータ(252a、252b;260a、260b)が、それぞれ滑り構造体またはビーム(236、238)に固定されているブラケット(258、266)に固定されているナットねじ(256、262)それぞれを、それぞれの方向(X、Y)に駆動し、固定支持体(255、263)に回転可能に装着された送りねじ(254、362)のそれぞれを並列的に一致して駆動することを特徴とする、請求項4に記載の工作機械。 - 第2移動アセンブリのフレームが、2つの台(328、330)を有する硬い部材(326)で構成され、台が硬く相互連結し、上記運動面において直交する2つの方向(X、Y)に延び、各台(328、330)の下面に滑り案内面(332、334)が配され、滑り案内面が運動面に直交する方向(Z)に交互交代的に配されていること、
2つの滑り構造体が、上記直行方向(Z)に交互交代的に配された滑り板(336、338)のそれぞれから構成されていること、
上記交互交代的に配された滑り板(336、338)の各々がそれぞれの台(328、330)の下方で台と平行に延びていること、
上記交互交代的に配された滑り板(336、338)の各々の上面に、それぞれの滑り案内面(332、334)と連結したスライドシュー(340、342)が配されていること、
上記交互交代的に配された滑り板(336、338)の各々の滑り板が関係しているフレーム(326)の台(330、328)と相対する側面に、滑り案内面(344、346)が配されていること、
およびプラットホーム(324)の互いに直交するその側面に、それぞれの滑り案内面(344、346)と連結するスライドシュー(348、350)が配されていることを特徴とする、請求項2に記載の工作機械。 - プラットホーム(124)が、上記運動面と直交する方向(Z)に移動することにも適していることを特徴とする、請求項1または2に記載の工作機械。
- 第2移動アセンブリ(22)のフレームが、それぞれに滑り案内面(132、134)を有する上記運動面にて直交する2つの方向(X、Y)に延びる少なくとも2つのブランチ(128、130)を有する硬い要素(126)から構成されていること、
2つの滑り構造体は各々、
・それぞれのキャリッジ(168、120)は、フレームのブランチ(128、130)のそれぞれと関係しているスライドシュー(140、142)を有し、また1またはより多くの案内カラム(172、174)を運搬し、また
・案内カラム(172、174)にスライド可能に配されたそれぞれのビーム(136、138)は、別のビームと上記の直交方向(Z)に交互交代的に配され、運動面において対応するカラム(172、174)から別のビームと直交する方向に延びていること、
各ビーム(136、138)の別のビームが関係しているフレーム(126)のブランチと相対する側面に滑り案内面が配されていること、
プラットホーム(124)の互いに直交する2つの側面に、プラットホームを支持するビームの滑り案内面(144、146)と連結したスライドシュー(148、150)が配されていること、
ならびに移動手段がプラットホーム(124)に配され、上記運動面内におけるプラットホームの位置に関わり無く、プラットホーム(124)およびビーム(136、138)の両方を上記直行方向(Z)に、同時に移動させることを特徴とする、請求項7に記載の工作機械。 - 直交方向(Z)への移動手段が、
第2移動アセンブリ(22)のフレーム(126)および上記直行方向(Z)に移動する駆動部材(184)に繋がれた固定体を有するアクチュエータ(176)、
運動面と平行な面における回転に適した様式で上記駆動部材(184)と連結し、運動面と平行な軸を備えたガイドブッシュ状の形状を有するヘッド(190)、
ガイドブッシュおよびベアリングにてスライド可能で、先端部がプラットホーム(124)、プラットホームと平行な環状フレーム(194)と接するロッド(192)、
プラットホーム(124)の面につながれ、環状フレーム(194)に含まれているハブ(196)、
ならびにハブ(196)とフレーム(194)との間に配された軸−半径ベアリング(198)を有することを特徴とする、請求項8に記載の工作機械。 - プラットホーム(24;124;224;324)の運動面が水平であることを特徴とする、請求項1ないし9のいずれか1つに記載の工作機械。
- 独立的に使用または運動面内で少なくとも2つのデカルト軸(X、Y)へツールを運動させるために工作機械の移動構造体に実装するマニピュレータ装置において、
上記軸への移動に適した、ツール(18;118;218;318)を支持するためのプラットホーム(24;124;224;324)、
フレーム(22;122)、
プラットホームの運動を制御するためのアクチュエータ(52、60;152、160;252a、252b、260a、260b;362、360)、
およびプラットホームを支持する手段を有し、
フレーム(26;126;226;326)が、少なくとも第1滑り案内面および第2滑り案内面(32、34;132、134;232a、232b、234a、234b)を備え、それぞれが上記軸(X、Y)に向いていること、
上記装置が、
第1滑り案内面(32、132、232a、232b;332)に沿ってスライド方式で移動することに適した第1構造体(36;136;236;336)、
および第2滑り案内面(34;134;234a、234b;334)に沿ってスライド方式で移動することに適した第2構造体(38;138;238;338)を有すること、
各滑り構造体(36、38;136、138;236、238;336、338)がそれぞれ、上記構造体が移動する方向と直交する方向に滑り案内面(44、46;144、146;244a、244b、246a、246b;344、346)を備えていること、
プラットホーム(24;124;224;324)が各滑り構造体(36、38;136、138;236、238;336、338)の滑り案内面(44、46;144、146;244a、244b、246a、246b;344、346)とスライド可能に連結し、上記案内部材によって支持されていること、
ならびにアクチュエータ(52、60;152、160;252a、252b、260a、260b;352、360)の各々が、フレーム(26;126;236;336)およびそれぞれの滑り構造体と機械的に接続されている駆動部材とつながれている本体を有することを特徴とする、マニピュレータ装置。 - 第2移動アセンブリ(22)のフレームが、上記運動面における2つの直交した方向(X、Y)に延びる2つのブランチ(28、30)を有する硬い部材(26)から構成され、各ブランチにはそれぞれ滑り案内面(32、34)が配され、2つの滑り案内面は運動面と直交する方向(Z)に交互交代的に配されていること、
2つの滑り構造体が、上記直交方向(Z)に交互交代的に配され、フレーム(26)のブランチ(28、30)それぞれから上記運動面と平行に、互いに直交する方向(X、Y)に延び、ブランチの滑り案内面(32、34)と関係しているスライドシュー(40、42)を有するビーム(36、38)で構成されていること、
各ビーム(36、38)の、別のビームと関係しているフレーム(26)のブランチ(28、30)と相対する側面に滑り案内面(44、46)が配されていること、
およびプラットホーム(24)の互いに直交する2つの側面に、プラットホームを支持するビーム(36、38)のすべり案内面(44、46)と連結しているスライドシュー(48、50)が配されていることを特徴とする、請求項11に記載のマニピュレータ装置。 - 第2移動アセンブリのフレームが、運動面における直交する2つの方向(X、Y)に延び、ペアが互いに相対するブランチ(228a、228b、230a、230b)で正方形または長方形を形成する硬い部材(226)で構成され、各ブランチのペアには向かい合った滑り案内面(232a、232bおよび234a、234b)のペアがそれぞれ配され、滑り案内面が一方のペア(232a、232b)と他方のペア(234a、234b)とで運動面と直交する方向(Z)に交互交代的に配されていること、
2つの滑り構造体が、上記の直交方向(Z)に交互交代的に配された直交ビーム(236、238)でそれぞれ構成され、それらは運動面と平行に、フレーム(226)の直交するブランチ(228a、228b、230a、230b)のペアそれぞれの間を橋渡しする形で互いに直交して延び、それらがそれぞれにブランチの滑り案内面(232a、232b、234a、234b)と関係するスライドシュー(240a、240b、242a、242b)を有していること、
各ビーム(236、238)が、別のビームと関係しているフレーム(226)のブランチ(228a、228b、230a、230b)と対応する端部に滑り案内面(244a、244b、246a、246b)を有していること、
ならびにプラットホーム(224)の互いに直交する2つの側面に、プラットホームを支持するビーム(236、238)の滑り案内面(244、246)と連結するスライドシュー(248、250)が配されていることを特徴とする、
請求項11に記載のマニピュレータ装置。 - 各ビーム(236、238)に、電気モータ(252a、252b、260a、260b)のような数値的に制御されたアクチュエータのペアを有し、それがビーム(236、238)の上記直行方向への運動を制御し、結果としてプラットホーム(224)の運動を制御し、2つの固定的支持体(255、263)に回転可能に実装された送りねじ(254、362)のそれぞれを一致して並列的に駆動し、その送りねじがそれぞれの方向(X、Y)にそれぞれのナットねじ(256、262)を駆動し、ナットねじが固定されているブラケット(258、266)がそれぞれの滑り構造体またはビーム(236、238)に固定されていることを特徴とする、請求項13に記載のマニピュレータ装置。
- 第2移動アセンブリ(22)のフレームが硬い部材(326)で構成されており、それは2つの台(328、330)を有し、台は上記運動面の直交する2つの方向(X、Y)に従ってしっかりと相互連結し、その下面には滑り案内面(332、334)が配され、その滑り案内面は運動面と直交する方向(Z)に交互交代的に配されていること、
2つの滑り構造体が上記直行方向(Z)に交互交代的に配された板(336、338)のそれぞれから構成されること、
各すべり板(336、338)がそれぞれの台(328、330)の下方に延び、台と平行であること、
各滑り板(336、338)の上面に、滑り案内面(332、334)それぞれと連結するスライドシュー(340、342)が配されていること、
およびプラットホーム(324)の直交する2つの側面に滑り案内面(344、346)それぞれと連結するスライドシュー(348、350)が配されていることを特徴とする、請求項11に記載の工作機械。 - プラットホーム(124)が、上記運動面と直交する方向(Z)に移動することにも適していることを特徴とする、請求項11または12に記載のマニピュレータ装置。
- フレームが、それぞれに滑り案内面(132、134)を有する上記運動面にて直交する2つの方向(X、Y)に延びる少なくとも2つのブランチ(128、130)を有する硬い要素(126)から構成されていること、
2つの滑り構造体は各々、
・それぞれのキャリッジ(168、120)は、フレームのブランチ(128、130)のそれぞれと関係しているスライドシュー(140、142)を有し、また1またはより多くの案内カラム(172、174)を運搬し、また
・案内カラム(172、174)にスライド可能に配されたそれぞれのビーム(136、138)は、別のビームと上記の直交方向(Z)に交互交代的に配され、運動面において対応するカラム(172、174)から別のビームと直交する方向に延びていること、
各ビーム(136、138)の別のビームが関係しているフレーム(126)のブランチと相対する側面に滑り案内面が配されていること、
プラットホーム(124)の互いに直交する2つの側面に、プラットホームを支持するビームの滑り案内面(144、146)と連結したスライドシュー(148、150)が配されていること、
ならびに移動手段がプラットホーム(124)に配され、上記運動面内におけるプラットホームの位置に関わり無く、プラットホーム(124)およびビーム(136、138)の両方を上記直行方向(Z)に、同時に移動させることを特徴とする、請求項16に記載のマニピュレータ装置。 - 直交方向(Z)への移動手段が、
第2移動アセンブリ(22)のフレーム(126)および上記直行方向(Z)への移動に適化されている駆動部材(184)に繋がれた固定体を有するアクチュエータ(176)、
運動面と平行な面における回転に適した様式で上記駆動部材(184)と連結し、運動面と平行な軸を備えたガイドブッシュ状の形状を有するヘッド(190)、
ガイドブッシュおよびベアリングにてスライド可能で、先端部がプラットホーム(124)、プラットホームと平行な環状フレーム(194)と接するロッド(192)、
プラットホーム(124)の面につながれ、環状フレーム(194)に含まれているハブ(196)、
ならびにハブ(196)とフレーム(194)との間に配された軸−半径ベアリング(198)を有することを特徴とする、請求項17に記載のマニピュレータ装置。
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