JP6821433B2 - ５軸加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工装置に関し、特に、５軸加工装置、例えばＣＮＣ装置に関する。

製品の加工のための伝統的な加工装置は、手動で操作されるため、ジョブの精密さは操作者の技量および専門技術に依存する。操作者の役割を最小限にするために、コンピュータ数値制御（Computer Numerical Control、以下「ＣＮＣ」という）装置が開発された。ＣＮＣ装置はコンピュータを含み、操作者は単に製品を要求どおりに切断することを命令するためのプログラムをコンピュータに供給し、加工装置内の要求された工具を装填すれば、残りの仕事はコンピュータによって自動的に行われる。典型的なＣＮＣ装置は、２軸または３軸の移動を支持する。技術における最近の進歩は、５軸ＣＮＣ装置の開発につながった。

現在利用可能な５軸ＣＮＣ装置は、Ｘ軸方向に移動するテーブル上にＡ軸及びＢ軸を取り付けるように設計されている。時計ケース、小さなインペラ、宝石部品または100ミリメートル以下の大きさを有する歯科用ブリッジのような小さいジョブの部品を処理する場合、移動テーブルとＸ軸の構築は必須でない一部となり、不必要に加工装置のサイズと重量を増加させ、それにより加工装置をかなりかさばるものとする。さらに、これらの設計は、テーブルを移動させるために大容量リニアモーションガイド（LMGs）とボールねじを使用し、それにより構築の費用と機械の費用を増加させる。

特に小さいジョブの部品を保持し、処理するための、コンパクトな５軸ＣＮＣ装置を設計する多くの試みが過去になされている。しかしながら、このような試みは、ＣＮＣ機械の強度及び剛性を低減し、金属のジョブの処理を無効にした。

従って、従来技術の欠点を克服するコンパクトな５軸加工装置が必要とされている。

本発明の目的は、小さいジョブ部品を保持し、処理するためのテーブルの上に容易に実装可能であるコンパクトな５軸加工装置を提供することにある。

従って、本発明は、５軸加工装置を提供する。５軸加工装置は、第１の側、及び、前記第１の側と反対側の第２の側のそれぞれに向かって延びる水平なＹ軸が定められており、ベース部材と、支持部材と、固定ベース、第１の移動板、第２の移動板、第３の移動板、第４の移動枠、第５の移動枠、およびコントローラを含む。

支持部材は、Ｙ軸と平行な方向に延び、上方を向く上面を有する第１の部分と、前記第１の部分の前記第２の側の端部から上方に延びる第２の部分と、を有するベース部材の前記第２の部分の上端部から、前記第１の部分の延在方向に対し垂直にさらに上方に延び、支持部材の下部に、Ｙ軸方向に延びる第１の軸が通り、前記第１の軸を支持する軸用開口が設けられている。固定ベースは、ベース部材の前記第１の部分の前記上面に取り付けられている。第１の移動板は固定ベース上にＹ軸方向に設定されている。第１の移動板は、第１の駆動機構によってＹ軸方向に移動するよう駆動されることが可能である。第２の移動板は、支持部材に装着されている。第２の移動板は、第２の駆動機構によって、水平方向に延在する平面内でＹ軸と直交するＸ軸方向に移動するよう駆動されることが可能である。第３の移動板は、第２の移動板上に、Ｘ軸及びＹ軸と直交するＺ軸方向に取り付けられている。第３の移動板は、第３の駆動機構によって、Ｚ軸方向に移動するよう駆動されることが可能である。

第３の移動板は、その上に搭載されるＺ軸方向に延びる回転軸（spindle）を含む。回転軸は、その中に構成された切削工具を含む。第３の移動板が第３の駆動機構によって駆動されるとき、回転軸は直線状の垂直運動を受ける。第２の移動板が第２の駆動機構によって駆動されるとき、回転軸は直線状の水平方向の移動を受ける。

第４の移動枠は、第１の移動板に設けられている。第４の移動枠は、第１の軸（shaft）をＹ軸方向に移動するように駆動する第１の移動板の移動に応じてＹ軸方向に駆動されるように構成されている。第４の移動枠は、第１の軸をさらにＹ軸回りの回転中心線であるＢ軸回りに回転させるように構成された第4の駆動機構を備える。第１の軸は、その一端を介して支持部材の下部上に構成されている。

第５の移動枠は、前記第２の側の第１の軸の他端に装着されている。第５の移動枠は、第１の移動板の移動に応じてＹ軸方向に移動し、第１の軸の回転に応じてＢ軸回りに揺動するように構成されている。第５の移動枠は、第２の軸、チャック及び第５の駆動機構を備える。チャックは、ワークピースを保持し、第２の軸に取り付けられ、第５の駆動機構は、第２の軸を回転させ、次にＤ軸回りにワークピースを回転させる。Ｙ軸に沿った第５の移動枠の直線運動、Ｂ軸回りの第５の枠の揺動運動、およびＤ軸回りのチャックの回転は、切削工具に対する様々な位置でのジョブの位置決めをもたらす。

典型的には、第１の移動板、第２の移動板および第３の移動板は、滑らかな剛体運動を受けるための、直線運動（LM）レール、軸受筒（bush）、蟻継（dovetail）とローラガイドのいずれかで構成されている。各駆動機構は、モータとそれに接続された駆動ユニットを含む。第１、第２及び第３の駆動機構のモータは、回転モータおよびリニアモータのいずれかから選択される。第４及び第５の駆動機構のモータは回転モータである。駆動部は、タイミングベルトとプーリ、ハーモニックドライブ、サイクロイドドライブ、ウォームホイールギヤボックス、ウォームホイールとシャフト部のいずれかから選択される。

コントローラ、例えば、コンピュータ数値制御コントローラは、第１の移動板、第２の移動板、第３の移動板、第１の軸及び第２の軸の動きを制御するように構成されている。

本発明の目的および利点は、添付の図面に従って読まれる以下の説明から明らかになるであろう。

本発明にかかる、ゼロ度の回転位置にあるＢ軸を示した５軸加工装置の等角図である。 ４５度の回転位置にあるＢ軸を示す図１の５軸加工装置の別の等角図である。 図１の５軸加工装置の概略図を示す。 図１の５軸加工装置のＸ軸に取り付けられた第２の移動板の概略図である。 図１の５軸加工装置のＹ軸に設けられた第１の可動板の概略図である。

本発明の上記目的が達成され、好ましい実施形態において、以下に記載されるように、従来技術やアプローチに関連する問題や欠点が本発明によって克服される。

本発明は、小さいジョブ部品を保持し、処理するためのテーブルの上に容易に実装可能であるコンパクトな５軸加工装置を提供する。５軸加工装置は、ジョブの処理中に５軸の独立ならびに同時制御を可能にする。

添付図面を参照して本発明を説明する。添付図面において、参照番号は様々な図において対応する部分を示している。これらの参照番号は、以下の説明で括弧に示されている。

図１〜５を参照すると、本発明にかかる５軸加工装置（100）（以下、「装置（100）」）が示されている。装置（100）はＹ、Ｘ、Ｚ、ＢおよびＤ軸の動きを可能にすることによって動作する。好ましい実施形態では、装置（100）は、５軸コンピュータ数値制御機械である。装置（100）は、ベース部材（10）、支持部材（20）、固定ベース（30）、第１の移動板（40）、第２の移動板（50）、第３の移動板（60）、第４の移動枠（70）、第５の移動枠（80）、および制御器（図示せず）を含む。

具体的には、装置（100）の上記部分は、金属部品から作られている。しかしながら、装置（100）の上記部分は、様々な形状および寸法の当該分野で公知の任意の適切な材料から作ることができることが理解される。装置（100）は、適切に自動工具交換装置、自動潤滑システム、集塵システム、ミスト冷却システムなどを含むように、本発明の様々な代替の実施形態に従って変更することが可能である。

ベース部材（10）は、その一端（番号が付けられていない）から垂直に延びる支持部材（20）およびその上に搭載された固定ベース（30）を含む。具体的には、固定ベース（30）は、ベース部材（10）の上にＹ軸方向に取り付けられている。

第１の移動板（40）は、固定ベース（30）上でＹ軸方向に設定されている。第１の移動板（40）は、第１の駆動機構（符号なし）によって駆動可能である。第１の駆動機構は、第１の移動板（40）と固定ベース（30）の間に配置される。第１の駆動機構は、第１のモータ（31）とこれに接続された第１の駆動部（34）を含む。第１のモータ（31）は、回転モータ、リニアモータ、および当技術分野で公知の他のタイプのデジタル位置決めモータのいずれかから選択される。回転モータは、サーボモータ、ステッパー、マイクロステッパー、回転デジタル位置決めモータなどからなる群から選択されるが、これらに限定されるものではない。好ましくは、第１の駆動部（34）は、少なくとも1つのタイミングベルトと、少なくとも１つのプーリから成る。しかしながら、第１の駆動部（34）は、ハーモニックドライブ（登録商標）、サイクロイドドライブ、ウォームホイールギヤボックス、ウォームホイールとシャフト部などからなる群から選択されるが、これらに限定されるものではない。もう１つの実施形態では、第１のモータ（31）は、カップリングまたはボールねじを駆動するための任意の他の手段を使用してボールねじに直接接続することができる。

第２の移動板（50）は、支持部材（20）の上部（番号なし）のＸ軸に装着されている。第２の移動板（50）は、第２の駆動機構（符号なし）によって駆動可能である。第２の駆動機構は、第２のモータ（41）とこれに接続された第２の駆動部（44）を含む。第２のモータ（41）は、回転モータ、リニアモータ、および当技術分野で公知の他のタイプのデジタル位置決めモータのいずれかから選択される。回転モータは、サーボモータ、ステッパー、マイクロステッパー、回転デジタル位置決めモータなどからなる群から選択されるが、これらに限定されるものではない。好ましくは、第２の駆動部（44）は、少なくとも1つのタイミングベルトと、少なくとも１つのプーリから成る。しかしながら、第２の駆動ユニット（44）は、ハーモニックドライブ（登録商標）、サイクロイドドライブ、ウォームホイールギヤボックス、ウォームホイールとシャフト部などからなる群から選択できるが、これらに限定されるものではない。もう１つの実施形態では、第２のモータ（41）は、カップリングまたはボールねじを駆動するための任意の他の手段を使用してボールねじに直接接続することができる。

第３の移動板（60）は、Ｘ軸に設けられた第２の移動板（50）上のＺ軸（Ｘ軸とＺ軸は直交する）に装着されている。第３の移動板（60）は、第３の駆動機構（符号なし）によって駆動されることが可能である。第３の駆動機構は、第３モータ（51）と、これに接続された第３の駆動手段（54）を含む。第３モータ（51）は、回転モータ、リニアモータ、および当技術分野で公知の他のタイプのデジタル位置決めモータのいずれかから選択される。回転モータは、サーボモータ、ステッパー、マイクロステッパー、回転デジタル位置決めモータなどからなる群から選択されるが、これらに限定されるものではない。好ましくは、第３の駆動手段（54）は、少なくとも1つのタイミングベルトと、少なくとも１つのプーリから成る。しかしながら、第３の駆動手段（54）は、ハーモニックドライブ（登録商標）、サイクロイドドライブ、ウォームホイールギヤボックス、ウォームホイールとシャフト部などからなる群から選択されうるが、これらに限定されるものではない。もう１つの実施形態では、第３モータ（51）は、カップリングまたはボールねじを駆動するための任意の他の手段を使用してボールねじに直接接続することができる。

第３の移動板（60）は、その上に搭載された回転軸（55）を含む。回転軸（55）は、ワークピース／ジョブ（番号なし）（以下「ジョブ」という）の加工のために、回転軸（55）の中に構成された切削工具（53）（以下「工具（53）という）を備える。一実施形態では、ジョブは、時計ケース、インペラ、ジュエリーブリッジ、歯科用ブリッジなどから選択される。第３の移動板（60）が第３の駆動機構によって駆動されるとき、回転軸（55）は直線状の垂直運動をする。第２の移動板（50）が第２の駆動機構によって駆動されるとき、回転軸（55）は直線状の水平方向の移動をする。ジョブ上の異なる場所にツール（53）を位置決めするために、回転軸（55）は直線的に移動する。好ましい実施形態では、回転軸（55）は、毎分24000回転（RPM）で又はそれ以上のRPMで回転して、Ｚ軸上及びＸ軸上を独立してまたは同時にツール（53）を移動させる。ジョブと接触しあるいは離れるために、ツール（53）はＺ軸上を上下に直線的に移動する。ツール（53）は、ジョブを加工するために、Ｘ軸上を左右に移動する。

また、第１の移動板（40）、第２移動板（50）と第３の移動板（60）のどちらか一方の側（符号なし）は、スムーズな剛体運動とするための、リニアモーションレール（番号なし）（以下、「LMレール」という）で構成されている。本発明の別の実施形態では、軸受筒（bush）、蟻継（dovetail）、ローラガイド、または当技術分野で公知の任意の他の適切な手段によって、移動板（40、50、および60）の滑らかな剛体運動を達成することができる。

Ｙ軸に設けられた第１の移動板（40）のＢ軸に、第４移動枠（70）が設けられている。第１の駆動機構によって駆動される、Ｙ軸における第１の移動板（40）の移動に応じて、第４の移動枠（70）はＹ軸方向に駆動可能である。第４の移動枠（70）の移動は、第１の軸（90）をＹ軸方向に移動させる。第１の軸（90）は、一方の端部（符号なし）を介して支持部材（20）の下側部分（符号なし）に設けられ、Ｙ軸方向の入れる直線運動および出す直線運動を行う。

第４の移動枠（70）は、第4駆動機構（番号なし）を含む。第４の駆動機構は、第４のモータ（61）と第4の駆動部（64）を含む。第４のモータ（61）は、回転モータおよび当該分野で公知の他のタイプのデジタル位置決めモータのいずれかから選択される。回転モータは、サーボモータ、ステッパー、マイクロステッパー、回転デジタル位置決めモータなどからなる群から選択されるが、これらに限定されるものではない。好ましくは、第４の駆動部（64）は、ウォームホイールとシャフト部である。しかしながら、第４の駆動部（64）は、ハーモニックドライブ、サイクロイドドライブ、ウォームホイールギアボックス、タイミングベルトとプーリ等からなるグループから選択できるが、これらに限定されないことが理解される。

第４の移動枠（70）の第４の駆動機構は、さらに、第１の軸（90）をＢ軸回りに回転させる。したがって、第１の軸（90）は、Ｂ軸およびＹ軸上の同時にならびに独立した動きが可能である。

第５の移動枠（80）は、第１の軸（90）の他方の端においてＤ軸に装着されている。第５の移動枠（80）は、Ｙ軸方向ならびにＢ軸方向に駆動されることが可能である。第１の駆動機構による第１の移動板（40）の移動に応じて、第５の移動枠（80）はＹ軸方向に移動する。第4の駆動機構による第１の軸（90）のＢ軸回りの回転に応じて、第５の移動枠（80）はＢ軸回りに揺動する。第５の移動枠（80）は、第２の軸（72）と、チャック（75）及び第５駆動機構（番号なし）を含む。チャック（75）は、ジョブを保持するように構成されている。チャック（75）は、第２の軸（72）の端部（符号なし）に取り付けられている。第２の軸（72）は、第５の駆動機構によって駆動可能である。駆動された第２の軸（72）は回転し、チャック（75）をＤ軸回りに回転させる。従って、第５フレーム（80）のＹ軸における直線運動、第５の枠（80）のＢ軸回りの揺動運動、ならびに、第２の軸（72）およびチャック（75）のＤ軸回りの回転に起因して、チャック（75）上のジョブは、ツール（53）に対して様々な位置に配置される。

第５の駆動機構は、第５のモータ（71）及び第５の駆動部（74）を含む。第５のモータ（71）は、回転モータおよび当該分野で公知の他のタイプのデジタル位置決めモータのいずれかから選択される。回転モータは、サーボモータ、ステッパー、マイクロステッパー、回転デジタル位置決めモータなどからなる群から選択されるが、これらに限定されるものではない。好ましくは、第５の駆動部（74）は、少なくとも1つのタイミングベルトと、少なくとも１つのプーリから成る。しかしながら、第５の駆動装置（74）は、ハーモニックドライブ、サイクロイドドライブ、ウォームホイールギヤボックス、ウォームホイールとシャフト部などからなる群から選択できるが、これらに限定されるものではないことが理解される。それぞれの駆動機構の駆動部（34、44、54、64及び74）の種類の選択は、切断されるジョブ材料および必要な精度に依存する。

コントローラは、第１の移動板（40）、第２の移動板（50）、第３の移動板（60）、第１の軸（90）および第２の軸の動きを制御するように構成される。好ましい実施形態では、コントローラは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）コントローラである。

図１から図５を再び参照して、本発明にかかる装置（100）の機械加工操作を示す。機械加工操作は、ツール（53）およびジョブの動きをもたらす。

ツール（53）の動き：第２の駆動機構がＸ軸方向に第２移動板（50）を駆動するとき、第２の移動板（50）は、LMレール上を摺動することによって移動し、回転軸（55）によりツール（53）をＸ軸方向に水平に動かす。

第３の駆動機構が第３の移動板（60）をＺ軸方向に駆動するとき、第３の移動板（60）はLMレール上を摺動することにより移動し、回転軸（55）によりツール（53）を、以下のようにＺ軸方向に垂直に動かす。すなわち、ジョブに接触するようにツール（53）を下方向に垂直に移動させ、ジョブから離れるようにツール（53）を上方向に垂直に移動させる。このように、ツール（53）は、Ｚ軸方向の垂直方向の直線運動だけでなく、Ｘ軸方向の水平方向の直線運動を行い、ジョブ上の位置を決めジョブの加工を行う。

ジョブの移動：第１の駆動機構が第１の移動板（40）をＹ軸方向に駆動するとき、第４の移動枠（70）をＹ軸方向に移動させるLMレール上を第１の移動板（40）が摺動し、それによって第１の軸（90）にＹ軸方向の入れる直線運動および出す直線運動をさせる。また、第1の軸（90）のＹ軸方向の移動は、第1の軸（90）の端部に搭載された第５の移動枠（80）の移動をもたらす。第５の移動枠（90）のＹ軸方向の動きは、チャック（75）に保持されたジョブを移動させる。

第４の駆動機構がＢ軸回りに第１の軸（90）を回転させると、第５の移動枠（80）はＢ軸回りに揺動を開始して、ツール（53）に対するジョブの位置決めをする。

第５の駆動機構が第２の軸（72）をＤ軸方向に駆動するとき、第２の軸（72）が回転し、チャック（75）をＤ軸回りに回転させ、それによって、ツール（53）による加工のためのツール（53）に対するジョブの位置決めが行われる。

本発明の利点
１．装置（100）は、第１の軸（90）が3つ（Ｂ、ＤおよびＹ）の軸を保持するように設計されており、金属ジョブ部品を処理するために必要とされる剛性を損なうことなく小型化をもたらす。
２．装置（100）は、デスクトップまたはテーブルの上に簡単に装着するのに十分に小さい。
３．装置（100）は、より小さいサイズのジョブを快適に保持する。
４．装置（100）は、Ｙ、Ｘ、Ｚ、Ｂ及びＤ軸の独立ならびに同時制御を可能にする。
５．装置（100）は、他の５軸加工装置に比べて費用対効果が高い。

本発明の上記目的が達成され、従来技術やアプローチに関連する問題や欠点が本実施の形態で説明した本発明によって克服される。好ましい実施形態の詳細な説明は、本明細書に提供される。しかしながら、本発明は種々の形態で実施することができることが理解される。したがって、開示された具体的な詳細は、本明細書において限定としてではなく、特許請求の範囲の根拠として、及び、実際の他の適切かつ詳細なシステム、構造または状況に当業者が本発明を採用する代表的な根拠として、解釈されるべきである。本発明の上述の実施形態およびここで開示された方法は、当業者にさらなる修正及び変更を提案する。このような更なる修正および変更は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行うことができる。

Claims (9)

1. 第１の側、及び、前記第１の側と反対側の第２の側のそれぞれに向かって延びる水平なＹ軸が定められた５軸加工装置（100）であって、
   Ｙ軸と平行な方向に延び、上方を向く上面を有する第１の部分と、前記第１の部分の前記第２の側の端部から上方に延びる第２の部分と、を有するベース部材（10）；
   前記第２の部分の上端部から、前記第１の部分の延在方向に対し垂直にさらに上方に延びる支持部材（20）であって、前記支持部材（20）の下部に、Ｙ軸方向に延びる第１の軸（90）が通り、前記第１の軸（90）を支持する軸用開口が設けられた支持部材（20）；
   前記第１の部分の前記上面に取り付けられた固定ベース（30）；
   前記固定ベース（30）に設けられ、第１の駆動機構によってＹ軸方向に移動するよう駆動されることが可能な第１の移動板（40）；
   前記支持部材（20）に設けられ、第２の駆動機構によって、水平方向に延在する平面内でＹ軸と直交するＸ軸方向に移動するよう駆動されることが可能な第２の移動板（50）；
   前記第２の移動板（50）に設けられ、第３の駆動機構によって、Ｘ軸及びＹ軸と直交するＺ軸方向に移動するよう駆動されることが可能な第３の移動板（60）であって、切削工具（53）が設けられＺ軸方向に延びる回転軸（55）が搭載された第３の移動板（60）；
   前記第1の移動板（40）に設けられた第４の移動枠（70）であって、前記第１の軸（90）をＹ軸方向に移動させる前記第１の移動板（40）の移動に応じて前記第４の移動枠（70）はＹ軸方向に駆動され、前記第１の軸（90）をＹ軸回りの回転中心線であるＢ軸回りに回転させる第４の駆動機構を備える第４の移動枠（70）；
   前記第２の側の前記第１の軸（90）の端部に設けられ、前記第１の移動板（40）の移動に応じてＹ軸方向に移動するよう駆動されるとともに、前記第１の軸（90）の回転に応じてＢ軸回りに揺動される第２の軸（72）であって、前記第２の軸（72）回りの回転中心線であるＤ軸回りに回転する第２の軸（72）と、前記第２の軸（72）に設けられワークピースを保持するためのチャック（75）と、前記第２の軸（72）を駆動して前記チャック（75）をＤ軸回りに順回転および反回転させる第５の駆動機構とを備える第５の移動枠（80）であって、前記第５の移動枠（80）のＹ軸方向の直線運動、前記第５の移動枠（80）のＢ軸回りの揺動および前記チャック（75）のＤ軸回りの回転により前記切削工具（53）に対して前記ワークピースを種々の位置に位置決めする第５の移動枠（80）；及び
   前記第１の移動板（40）、前記第２の移動板（50）、前記第３の移動板（60）、前記第１の軸（90）及び前記第２の軸（72）の動きを制御するためのコントローラ、を備える５軸加工装置（100）。
2. 前記コントローラは、コンピュータ数値制御コントローラである、請求項１に記載の５軸加工装置（100）。
3. 前記第１の移動板（40）、前記第２の移動板（50）および前記第３の移動板（60）は、滑らかな剛体運動を行うための１つの直線運動レール、軸受筒（bush）、蟻継（dovetail）、ローラガイドのいずれかで構成されている、請求項１に記載の５軸加工装置（100）。
4. 前記駆動機構は、モータ（31、41、51、61及び71）と、前記モータに接続された駆動部（34、44、54、64及び74）を含む、請求項１に記載の５軸加工装置（100）。
5. 前記駆動機構は、回転モータおよびリニアモータのいずれかから選択されたモータ（31、41及び51）を含む、請求項１に記載の５軸加工装置（100）。
6. 前記駆動機構は、回転モータであるモータ（61及び71）を含む、請求項1に記載の５軸加工装置（100）。
7. 前記駆動機構は、タイミングベルトとプーリ、ハーモニックドライブ（登録商標）、サイクロイドドライブ、ウォームホイールギヤボックス、ウォームホイールとシャフト部のいずれかから選択された駆動部（34、44、54、64及び74）を含む、請求項１に記載の５軸加工装置（100）。
8. 前記第３の移動板（60）が前記第３の駆動機構によって駆動されたとき、前記回転軸（55）は直線状の垂直運動をする、請求項１に記載の５軸加工装置（100）。
9. 前記第２の移動板（50）が前記第２の駆動機構によって駆動されるとき、前記回転軸（55）は直線状の水平方向の移動をする、請求項1に記載の５軸加工装置（100）。

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