JP6694779B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工具によりワークを除去加工する工作機械に関する。

従来から、工具によりワークを除去加工する工作機械が知られている。かかる工作機械において、自動化や高性能化に対する要求はますます高まっており、自動化を実現するためにロボットを設けることが一部で提案されている。

特許文献１には、工作機械の外に設置されたロボットを用いて、工作機械へのワークの着脱を行う技術が開示されている。

特許文献２には、工作機械の上部に取り付けられたガントリレール上に走行する多関節ロボットを設け、当該多関節ロボットで複数の工作機械間のワークの搬送等を行う技術が開示されている。しかし、通常、工作機械の本体部は、安全性や環境性などへの対応から、カバーで覆われる。したがって、特許文献１，２のように、工作機械の本体部以外の箇所に設けられたロボットを用いて加工室の内部へアクセスしようとすると、加工室のドアを開く必要がある。そのため、特許文献１，２のロボットでは、ワークを加工していないときにワークの着脱等を行うことはできる。しかし、加工中、すなわち、加工室のドアを閉めた状態においては、ロボットが、ワークや工具にアクセスすることができない。その結果、特許文献１，２の技術では、ロボットの用途が限られていた。そこで、一部では、ロボットを、加工室内に設けることも提案されている。

特許文献３，４には、把持器の開閉動作によりワークの搬送を行う、ワークの搬送具が開示されている。この搬送具は、アーム状であり、本体機能箱に取り付けられている。また、当該本体機能箱は、主軸を支持する主軸頭の右側部に設けられている。搬送具は、主軸の長軸と略直交する軸回りに旋回可能となっている。そして、搬送具は、旋回することでそのアームが略水平となる状態と略垂直となる状態とに変化できるようになっている。

特開２０１０−３６２８５号公報 特開２０１０−６４１５８号公報 特開平５−３０１１４１号公報 特開平５−３０１１４２号公報

工作機械を用いた高度な自動化、例えばロボットによる加工補助や加工中のセンシングを行うためには、ロボットはなるべく高剛性、高精度なものが求められる。その解決法として、パラレルリンク型ロボットが有効である。

しかしながら、従来においては工作機械の機内ロボットとしてパラレルリンク型ロボットはあまり用いられてこなかった。その理由は、リンク機構が他の構造体と干渉しやすいからである。パラレルリンク機構以外の構造体が周辺になければ干渉問題が生じないが、加工補助等を目的とした機内ロボットでは干渉問題が生じ易い。

本発明の目的は、加工中でもワークや工具等へアクセスでき、他の構造体との干渉問題を回避できる高剛性かつ高精度な機内ロボットを備える工作機械を提供することにある。

本発明は、ワークまたは工具を回転させる回転装置を有する工作機械であって、ベース部と、中空部を有するエンド部と、一端が前記ベース部に接続され、他端が前記エンド部に接続され、前記回転装置の回転軸を囲むように前記回転軸に沿って配置された複数の並列リンク部とを備え、前記回転装置の回転軸の軸線周囲に配置され、前記ベース部が前記回転装置の回転軸の軸線周囲に配置され、前記ベース部が前記回転装置の非回転部の周囲に接続され、前記エンド部の前記中空部は、前記回転軸に取り付けられた前記ワークが貫通するように配置され、前記回転装置と前記エンド部の相対位置を変更可能な機内ロボットを有することを特徴とする工作機械である。

本発明の１つの実施形態では、前記エンド部に複数のエンドエフェクタが設けられる。

本発明の他の実施形態では、前記複数の並列リンク部を駆動することで前記エンドエフェクタの前記ワークに対する位置を可変とする駆動手段を有する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記エンドエフェクタに設けられ、加工中における前記ワークの状態を検出するセンサを有する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記エンドエフェクタに設けられ、加工中における前記ワークを支持するローラを有する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記エンドエフェクタに設けられ、加工中に切削水を供給するノズルを有する。

本発明のさらに他の実施形態では、前記駆動手段は、前記ワークの加工補助又はセンシングを行う場合に前記エンド部を前記ワークに対向する第１の位置まで移動させ、使用しない場合に前記エンド部を前記ワークに対向しない第２の位置まで退避させる。

本発明によれば、加工中でもワークや工具等へアクセスでき、他の構造体との干渉問題を回避できる高剛性かつ高精度な機内ロボットを備える工作機械を得ることができる。

工作機械の概略構成図である。 実施形態の機内ロボットの斜視図である。 実施形態の退避時の機内ロボットの斜視図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜基本構成＞
まず、本実施形態の前提となる基本構成について概説する。

図１は、工作機械１０の概略構成を示す図である。なお、以下の説明では、ワーク主軸３２の回転軸方向をＺ軸、刃物台４のＺ軸と直交する移動方向をＸ軸、Ｘ軸及びＺ軸に直交する方向をＹ軸と呼ぶ。また、Ｚ軸においては、ワーク主軸３２から心押台５に近づく方向をプラス方向、Ｘ軸においては、ワーク主軸３２から刃物台４に向かう方向をプラス方向、Ｙ軸においては、ワーク主軸３２から上に向かう方向をプラス方向とする。

工作機械１０は、工具でワークを切削加工する機械である。具体的には、ワークを回転させながら旋削工具を当ててワークを切削する旋盤である。

工作機械１０の周囲は、カバー（図示せず）で覆われている。このカバーで区画される空間が、ワークの加工が行われる加工室となる。カバーを設けることで、切り屑等が外部に飛散することが防止される。カバーには、少なくとも一つの開口部と、当該開口部を開閉するドア（いずれも図示せず）が設けられている。オペレータは、この開口部を介して、工作機械１０の内部やワーク等にアクセスする。加工中、開口部に設けられたドアは、閉鎖される。これは、安全性や環境性等を担保するためである。

工作機械１０は、ワークを自転可能に保持するワーク主軸装置１４と、旋削工具を保持する刃物台４を備えている。ワーク主軸装置１４は、基台２２に設置された主軸台と、当該主軸台に取り付けられたワーク主軸３２を備えている。ワーク主軸３２は、ワークを着脱自在に保持するチャック３３やコレットを備えており、保持するワークを適宜、交換することができる。また、ワーク主軸３２は、水平方向（図１におけるＺ軸方向）に延びるワーク回転軸を中心として自転する。

刃物台４は、旋削工具、例えば、バイトと呼ばれる工具を保持する。この刃物台４およびバイトは、駆動機構により、ＸＺ軸方向に直線移動可能となっている。

加工室内の底部には、切削加工の際に飛散した切り屑を、回収して排出する排出機構が設けられている。排出機構としては、種々の形態が考えられるが、例えば、排出機構は、重力により落下した切り屑を、外部に搬送するコンベア等で構成される。

工作機械１０は、さらに、各種演算を行う制御装置も備えている。工作機械１０における制御装置は、数値制御装置（ＮＣ）とも呼ばれており、オペレータからの指示に応じて、工作機械１０の各部の駆動を制御する。この制御装置は、例えば、各種演算を行うＣＰＵと、各種制御プログラムや制御パラメータを記憶するメモリと、入出力インタフェースと、入力装置及び出力装置で構成される。入力装置は例えばタッチパネルやキーボードであり、出力装置は液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等である。入力装置と出力装置をともにタッチパネルで構成してもよい。また、制御装置は、通信機能を有しており、他の装置との間で各種データ、例えば、ＮＣプログラムデータ等を授受できる。この制御装置は、例えば、工具やワークの位置を随時演算する数値制御装置を含んでもよい。制御装置は、単一の装置でもよいし、複数の演算装置を組み合わせて構成されてもよい。

以上のような構成の工作機械において、本実施形態では、所定形状のパラレルリンク型ロボットを加工室内の所定位置に配置することで、他の構造体との干渉問題を回避しつつ、加工補助や加工中のセンシングを実現する。

本実施形態では、加工室内の所定位置に配置されたロボットを機内ロボットと称する。所定位置は必ずしも固定位置を意味するものではなく、初期状態ではある位置に配置されていても、ワークの加工中その他において所望の位置まで移動し得るものをその概念に含むものとする。

＜実施形態の構成＞
図２は、本実施形態における工作機械１０の一部拡大斜視図を示す。主軸装置１４はチャック３３で保持するワーク３を回転させて切削する。切削加工は、ワーク３の径方向と軸方向（Ｚ方向）に移動する刃物台４に取り付けられた工具によって行われる。また、心押台５は、高推力でワーク３の中心を支持することでワーク３を安定して保持する。

主軸装置１４には、機内ロボット６が取り付けられている。機内ロボット６は、ベース部６ａと、並列リンク構造（並列リンク部）６ｂと、エンド部６ｃから構成されるパラレルリンク型の機内ロボットである。ベース部６ａは、主軸装置１４の周囲に設置される。並列リンク構造６ｂは、複数の並列リンクを備え、主軸装置１４の回転軸の周囲に設置される。図では、合計６本の並列リンクが主軸装置１４の回転軸の周囲に設置される。並列リンク構造６ｂの一端はベース部６ａに接続され、他端はエンド部６ｃに接続される。エンド部６ｃは、外形形状が円環状であり、その中央には空洞部を有する中空構造となっている。ワーク３は、エンド部６ｃの空洞部を貫通するように配置される。エンド部６ｃの円環部には複数のエンドエフェクタ７が内側（リングの中心側）に向かって取り付けられており、すなわちワーク３に向かって取り付けられている。

このように、機内ロボット６の並列リンク構造６ｂは、主軸装置１４の回転軸の周囲に接続されているので、並列リンク構造６ｂの回転角を制御することで、エンド部６ｃをワーク３の軸方向（Ｚ方向）および径方向に移動させることができる。

従って、エンドエフェクタ７として振動センサ、温度センサ、カメラなどのセンサを取り付けておくことで、並列リンク構造６ｂの回転角を制御してセンサの位置を任意の位置に制御し、ワーク３の加工中の情報を取得することが可能である。各種センサで得られた情報、及びカメラで撮影して得られた画像は制御装置に供給され、得られた情報及び画像を解析してワークの加工状態を判定する。制御装置は、得られた情報や画像、さらには判定結果を適宜ディスプレイに表示し、オペレータに報知する。これにより、オペレータは、加工中の状態をリアルタイムで知ることができる。特に、エンドエフェクタ７はエンド部６ｃの円環部に所定間隔で全方位に設けられているから、加工中のワーク３の状態を全方位的に検出することが可能であり、従来よりも高精度に加工中の状態をセンシングし得る。

また、エンドエフェクタ７としてローラを取り付け、並列リンク構造６ｂの回転角を制御してローラの位置を任意の位置に制御してワーク３を支える振れ止め装置として用いて加工補助を行うことが可能である。

また、エンドエフェクタ７としてノズルを付け、並列リンク構造６ｂの回転角を制御してノズルの位置を任意の位置に制御して切削水の制御を行うことも可能である。この場合、ワーク３に対して互いに対向する位置にある２つのエンドエフェクタ７にノズルを取り付け、互いに対向する位置から同時に切削水を供給してもよく、あるいは任意の複数のエンドエフェクタ７にノズルを取り付けて同時に、若しくは順次、切削水を供給してもよい。複数のエンドエフェクタ７のいずれか一つ又は複数にノズルを取り付け、いずれか一つまたは複数にセンサあるいはカメラを取り付け、切削水の供給状態を検出若しくは撮影してもよい。

さらに、ベース部６ａやエンド部６ｃの円環部に回転機構を設けることで、複数のエンドエフェクタ７を切り替えて使用することもできる。例えば、複数のエンドエフェクタ７のいずれかに振動センサを設け、他に温度センサを設け、ワークの特定位置における振動を検出し、その後にベース部６ａあるいはエンド部６ｃを回転させてエンドエフェクタ７を切り替え、ワーク３の同一位置における温度を検出する等である。

本実施形態における並列リンク構造６ｂは、主軸装置１４の周囲に放射状に広がって配置されており、この位置には空間のみが存在して他の構造体が存在していないので、機内ロボット６と他の構造体との干渉を効果的に回避できる。

図３は、機内ロボット６を使用しない場合の斜視図である。機内ロボット６を使用しない場合、エンド部６ｃをベース部６ａに接近させて所定の退避位置まで退避することができる。本実施形態では、主軸装置１４の先端が円筒形状となっているので、円環状のエンド部６ｃを加工の邪魔にならない位置まで退避可能となっている。この意味で、エンド部６ｃは主軸装置１４の外形と相似形となっていることが望ましい。

機内ロボット６は、加工補助又はセンシングを行う場合、ワーク３の任意の位置にアクセスし得るとともに、使用しない場合にはワーク３の交換や工具の交換等の障害にならない位置に待避することが望ましい。本実施形態では、加工補助又はセンシングを行う場合に、並列リンク構造６ｂを駆動してエンド部６ｃ及びエンドエフェクタ７をワーク３の任意の第１の位置、例えば加工位置に対向させ、非使用時には図３に示すように並列リンク構造６ｂを駆動して主軸装置１４の周囲の第２の位置まで退避させることで、極めて使い勝手のよい構造となっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず種々の変形が可能である。以下に変形例について説明する。

＜変形例１＞
実施形態では、機内ロボット６は、３自由度（Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向）のパラレルリンク型ロボットとしているが、自由度はこれに限られない。例えば、６自由度のパラレルリンク型ロボットとしてもよい。この場合、エンドエフェクタ７のワーク３に対する位置だけでなくその姿勢も制御することができる。並列リンク構造６ｂについても、実施形態では回転型の関節で説明したが、シリンダやボールネジといった直動型のアクチュエータにしてもよい。

＜変形例２＞
実施形態では、エンド部６ｃは円環状としているが、空洞部を有していればこれに限定されない。例えば、エンド部６ｃとしてＣ形状のように一部が開いた構造であってもよい。また、円形状でなく角形形状であってもよい。

＜変形例３＞
実施形態では、機内ロボット６は主軸装置１４側に配置されているが、心押台５側に配置してもよい。すなわち、機内ロボット６のベース部６ａを心押台５の周囲に設置し、並列リンク構造６ｂを心押台５の周囲に設置する。心押台５は、主軸装置１４の回転軸の軸線上に配置されているから、この場合においても、実施形態と同様に、ベース部６ａは主軸装置１４の回転軸の周囲に設置されることになる。

＜変形例４＞
実施形態では、工作機械の一例として旋盤を例示したが、マシニングセンタのような工作機械にも適用可能である。この場合、工具主軸装置や回転テーブル等に機内ロボット６を取り付けることができる。すなわち、本発明では、ワークや工具を回転させる回転装置の回転軸の軸線周囲にパラレルリンク型の機内ロボット６を配置すればよい。

＜変形例５＞
実施形態では、機内ロボット６としてパラレルリンク型のロボットを用いているが、これはパラレルリンク構造を備えたロボットの意味であり、例えばパラレルリンク構造にシリアルリンク構造を接続した複合型ロボットとしてもよい。

３ ワーク、４ 刃物台、５ 心押台、６ 機内ロボット、６ａ ベース部、６ｂ 並列リンク構造、６ｃ エンド部、７ エンドエフェクタ、１４ 主軸装置、３２ ワーク主軸、３３ チャック。

Claims (7)

1. ワークまたは工具を回転させる回転装置を有する工作機械であって、
   ベース部と、
   中空部を有するエンド部と、
   一端が前記ベース部に接続され、他端が前記エンド部に接続され、前記回転装置の回転軸を囲むように前記回転軸に沿って配置された複数の並列リンク部と、
   を備え、
   前記回転装置の回転軸の軸線周囲に配置され、前記ベース部が前記回転装置の回転軸の軸線周囲に配置され、前記ベース部が前記回転装置の非回転部の周囲に接続され、前記エンド部の前記中空部は、前記回転軸に取り付けられた前記ワークが貫通するように配置され、前記回転装置と前記エンド部の相対位置を変更可能な機内ロボット
   を有することを特徴とする工作機械。
2. 請求項１に記載の工作機械において、
   前記エンド部に複数のエンドエフェクタが設けられる
   ことを特徴とする工作機械。
3. 請求項２に記載の工作機械において、
   前記複数の並列リンク部を駆動することで前記エンドエフェクタの前記ワークに対する位置を可変とする駆動手段
   を有することを特徴とする工作機械。
4. 請求項３に記載の工作機械において、
   前記エンドエフェクタに設けられ、加工中における前記ワークの状態を検出するセンサ
   を有することを特徴とする工作機械。
5. 請求項３に記載の工作機械において、
   前記エンドエフェクタに設けられ、加工中における前記ワークを支持するローラ
   を有することを特徴とする工作機械。
6. 請求項３に記載の工作機械において、
   前記エンドエフェクタに設けられ、加工中に切削水を供給するノズル
   を有することを特徴とする工作機械。
7. 請求項１に記載の工作機械において、
   前記駆動手段は、前記ワークの加工補助又はセンシングを行う場合に前記エンド部を前記ワークに対向する第１の位置まで移動させ、使用しない場合に前記エンド部を前記ワークに対向しない第２の位置まで退避させる
   ことを特徴とする工作機械。

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