JP6785055B2 - 加工機械 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、加工機械に関し、より特定的には、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械に関する。

従来の加工機械に関して、たとえば、特開２００４−３１４１６８号公報には、母材に割れを発生させることなく、迅速かつ正確に肉盛することを目的とした、ポンプ機器類のレーザ肉盛装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示されたレーザ肉盛装置は、アルゴンガスをキャリアガスとして金属材料（粉末）を供給する粉末供給機と、供給された金属材料をアルゴンガスと均一に混合し、同時にシールドガスとしてアルゴンおよび窒素の混合ガスを用いる過流式粉末供給ノズルと、過流式粉末供給ノズルを移動させる多軸ロボットとを有する。

また、特開２０１２−２０６１３７号公報には、人手を介さずに容易に肉盛溶接することを目的とした、補修装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された補修装置は、材料供給部と、レーザスポット光を照射するレーザ装置と、多関節のアームを有し、レーザスポット光を３次元方向に移動させる溶接ロボットとを有する。

特開２００４−３１４１６８号公報 特開２０１２−２０６１３７号公報

材料を付着することによってワークに３次元形状を作成するものとして、付加加工法（Additive manufacturing）がある。他方、材料を除去することによってワークに３次元形状を作成するものとして、除去加工法（Subtractive manufacturing）がある。付加加工では、加工前後でワークの質量が増加し、除去加工では、加工前後でワークの質量が減少する。

一方、ワークの除去加工のための除去加工用ヘッドと、ワークの付加加工のための付加加工用ヘッドとを備えたＡＭ／ＳＭハイブリッド式の加工機械がある。付加加工法として、ワークに対して材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する指向性エネルギ堆積法（Directed Energy Deposition）を用いる場合、付加加工用ヘッドに材料粉末およびエネルギー線を供給するため、ケーブル等のライン体を設ける必要がある。

しかしながら、付加加工用ヘッドの姿勢や位置は、付加加工の進行とともに変化する。この場合、曲げや撓みなどの過度な変形がライン体に生じると、付加加工用ヘッドに向けた材料粉末やエネルギー線の供給状態に変化が生じ、付加加工時のワークの造形品質が変動する懸念がある。また、ライン体の過度な変形を防ぐためにライン体の全長に余裕を持たせると、加工機械におけるライン体の引き回し領域が大きくなってしまう。この場合、加工機械をコンパクトに構成することができない。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、コンパクトであり、かつ、付加加工時のワークの造形品質に変動が生じることを抑制する加工機械を提供することである。

この発明の１つの局面に従った加工機械は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械は、ワークの除去加工のための回転工具を保持し、回転工具の回転軸に直交する第１軸を中心に回動可能なように駆動される除去加工用ヘッドと、除去加工用ヘッドに接続され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する付加加工用ヘッドと、付加加工用ヘッドに材料粉末およびエネルギー線を供給するためのライン体と、付加加工用ヘッドに向けて繰り出されるライン体を支持する第１支持部材と、付加加工用ヘッドに、第１軸に平行な第２軸を中心に回動可能に接続されるとともに、第１支持部材に、第１軸に平行な第３軸を中心に回動可能に接続され、第１支持部材から付加加工用ヘッドに向かうライン体を支持する第２支持部材とを備える。除去加工用ヘッドは、さらに、第１軸に直交する平面内で移動可能なように駆動される。第１支持部材は、第２支持部材が接続される接続部と、接続部を、第３軸に直交する平面内で移動可能なように駆動する駆動機構部とを有する。
この発明の別の局面に従った加工機械は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械は、ワークの除去加工のための回転工具を保持し、回転工具の回転軸に直交する第１軸を中心に回動可能なように駆動される除去加工用ヘッドと、除去加工用ヘッドに接続され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する付加加工用ヘッドと、付加加工用ヘッドに材料粉末およびエネルギー線を供給するためのライン体と、付加加工用ヘッドに向けて繰り出されるライン体を支持する第１支持部材と、付加加工用ヘッドに、第１軸に平行な第２軸を中心に回動可能に接続されるとともに、第１支持部材に、第１軸に平行な第３軸を中心に回動可能に接続され、第１支持部材から付加加工用ヘッドに向かうライン体を支持する第２支持部材とを備える。除去加工用ヘッドは、さらに、第１軸の軸方向に移動可能なように駆動される。第１支持部材は、第２支持部材が接続され、第３軸の軸方向に移動可能なように構成される接続部を有する。
この発明のさらに別の局面に従った加工機械は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械は、ワークの除去加工のための回転工具を保持し、回転工具の回転軸に直交する第１軸を中心に回動可能なように駆動される除去加工用ヘッドと、除去加工用ヘッドに接続され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する付加加工用ヘッドと、付加加工用ヘッドに材料粉末およびエネルギー線を供給するためのライン体と、付加加工用ヘッドに向けて繰り出されるライン体を支持する第１支持部材と、付加加工用ヘッドに、第１軸に平行な第２軸を中心に回動可能に接続されるとともに、第１支持部材に、第１軸に平行な第３軸を中心に回動可能に接続され、第１支持部材から付加加工用ヘッドに向かうライン体を支持する第２支持部材と、付加加工用ヘッドに向けて繰り出されるライン体を収納する収納部とを備える。収納部は、鉛直方向成分を含む方向に移動可能に構成され、鉛直下側からライン体が架け回される滑車部を有する。
この発明のさらに別の局面に従った加工機械は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械は、ワークの除去加工のための回転工具を保持し、回転工具の回転軸に直交する第１軸を中心に回動可能なように駆動される除去加工用ヘッドと、除去加工用ヘッドに接続され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する付加加工用ヘッドと、付加加工用ヘッドに材料粉末およびエネルギー線を供給するためのライン体と、付加加工用ヘッドに向けて繰り出されるライン体を支持する第１支持部材と、付加加工用ヘッドに、第１軸に平行な第２軸を中心に回動可能に接続されるとともに、第１支持部材に、第１軸に平行な第３軸を中心に回動可能に接続され、第１支持部材から付加加工用ヘッドに向かうライン体を支持する第２支持部材とを備える。

このように構成された加工機械によれば、除去加工用ヘッドの第１軸を中心とする回動により付加加工用ヘッドの姿勢が変化すると、付加加工用ヘッドと第２支持部材との間、および／または、第２支持部材と第１支持部材との間に、それぞれ、第２軸および第３軸を中心する回動運動が生じる。これにより、付加加工用ヘッドに向かうライン体の配索経路が、付加加工用ヘッドの姿勢に合わせて変化するため、ライン体に過度な変形が生じることを防止できる。この際、ライン体の過度な変形を防ぐために、ライン体の全長に過分な余裕を持たせる必要がない。したがって、本発明によれば、コンパクトであり、かつ、付加加工時のワークの造形品質に変動が生じることを抑制する加工機械を実現できる。

また好ましくは、第２支持部材は、第２軸および第３軸の間の距離が変化するように変形する変形機構部を有する。

このように構成された加工機械によれば、除去加工用ヘッドの第１軸を中心とする回動により付加加工用ヘッドの姿勢が変化すると、変形機構部が、第２軸および第３軸の間の距離が変化するように変形する。これにより、ライン体に過度な変形が生じることをより効果的に防止できる。

また好ましくは、除去加工用ヘッドは、さらに、第１軸に直交する平面内で移動可能なように駆動される。第１支持部材は、第２支持部材が接続される接続部と、接続部を、第３軸に直交する平面内で移動可能なように駆動する駆動機構部とを有する。

このように構成された加工機械によれば、除去加工用ヘッドの第１軸に直交する平面内における移動により付加加工用ヘッドの位置が変化すると、駆動機構部による駆動によって、接続部が、第３軸に直交する平面内で移動する。これにより、ライン体に過度な変形が生じることをより効果的に防ぐことができる。

また好ましくは、第１軸、第２軸および第３軸は、水平方向に延びる。接続部は、駆動機構部による駆動によって、第１軸および第３軸の間の水平方向における距離が一定となるように、第３軸に直交し、水平方向に延びる第４軸の軸方向に移動する。

このように構成された加工機械によれば、ライン体に過度な変形が生じることをさらに効果的に防ぐことができる。

また好ましくは、除去加工用ヘッドは、さらに、第１軸の軸方向に移動可能なように駆動される。第１支持部材は、第２支持部材が接続され、第３軸の軸方向に移動可能なように構成される接続部を有する。

このように構成された加工機械によれば、除去加工用ヘッドの第１軸の軸方向における移動により付加加工用ヘッドの位置が変化すると、接続部が第３軸の軸方向に移動する。これにより、ライン体に過度な変形が生じることをより効果的に防ぐことができる。

また好ましくは、加工機械は、付加加工用ヘッドに向けて繰り出されるライン体を収納する収納部をさらに備える。収納部は、鉛直方向成分を含む方向に移動可能に構成され、鉛直下側からライン体が架け回される滑車部を有する。

このように構成された加工機械によれば、滑車部の重量によってライン体に常に張力が作用するため、付加加工用ヘッドの姿勢に合わせて、余分なライン体を収納部に収納することができる。これにより、ライン体の引き回し領域を過分に確保する必要がなくなるため、加工機械をさらにコンパクトに構成することができる。

以上に説明したように、この発明に従えば、コンパクトであり、かつ、付加加工時のワークの造形品質に変動が生じることを抑制する加工機械を提供することができる。

この発明の実施の形態における加工機械を示す正面図である。 図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。 除去加工用ヘッドに対する付加加工用ヘッドの装着状態を示す図である。 付加加工時のワーク表面を拡大して示す断面図である。 図１中の加工機械が備えるケーブルの支持構造を示す斜視図である。 付加加工用ヘッドがＸ軸方向に移動した場合の第２支持部材の動きを示す正面図である。 付加加工用ヘッドの旋回時の第２支持部材の動きを説明するための正面図である。 付加加工用ヘッドの旋回時の第２支持部材の動きを説明するための正面図である。 付加加工用ヘッドの旋回時の第２支持部材の動きを説明するための正面図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、この発明の実施の形態における加工機械を示す正面図である。図１中には、加工機械の外観をなすカバー体を透視することにより、加工機械の内部が示されている。図２は、図１中の加工機械において、付加加工時の加工エリア内の様子を示す斜視図である。

図１および図２を参照して、加工機械１００は、ワークの付加加工（ＡＭ（Additive manufacturing）加工）と、ワークの除去加工（ＳＭ（Subtractive manufacturing）加工）とが可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機である。加工機械１００は、ＳＭ加工の機能として、固定工具を用いた旋削機能と、回転工具を用いたミーリング機能とを有する。

まず、加工機械１００の全体構造について説明すると、加工機械１００は、ベッド１３６、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、除去加工用ヘッド１２１および下刃物台１３１を有する。

ベッド１３６は、第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、除去加工用ヘッド１２１および下刃物台１３１を支持するためのベース部材であり、工場などの据付け面に設置されている。第１主軸台１１１、第２主軸台１１６、除去加工用ヘッド１２１および下刃物台１３１は、スプラッシュガード２１０により区画形成された加工エリア２００に設けられている。

第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、水平方向に延びるＺ軸方向において、互いに対向して設けられている。第１主軸台１１１および第２主軸台１１６は、それぞれ、固定工具を用いた旋削加工時にワークを回転させるための第１主軸１１２および第２主軸１１７を有する。第１主軸１１２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０１を中心に回転可能に設けられ、第２主軸１１７は、Ｚ軸に平行な中心軸２０２を中心に回転可能に設けられている。第１主軸１１２および第２主軸１１７には、ワークを着脱可能に保持するためのチャック機構が設けられている。

第２主軸台１１６は、各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｚ軸方向に移動可能に設けられている。

除去加工用ヘッド１２１は、回転工具を用いたミーリング加工時に回転工具を回転させる工具主軸（不図示）を有する。その工具主軸は、鉛直方向に延びるＸ軸に平行な中心軸２０３を中心に回転可能に設けられている。除去加工用ヘッド１２１には、回転工具を着脱可能に保持するためのクランプ機構が設けられている。

除去加工用ヘッド１２１は、図示しないコラム等によりベッド１３６上に支持されている。除去加工用ヘッド１２１は、コラム等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向、水平方向に延び、Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向、およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。除去加工用ヘッド１２１に装着された回転工具による加工位置は、３次元的に移動する。

除去加工用ヘッド１２１は、さらに、Ｙ軸に平行な中心軸２５１を中心に回動可能に設けられている（Ｂ軸旋回）。除去加工用ヘッド１２１の旋回範囲は、除去加工用ヘッド１２１の主軸端面１２３が下方を向く姿勢（図１中に示す姿勢）を基準にして±１２０°の範囲である。除去加工用ヘッド１２１の旋回範囲は、図１中に示す姿勢から±９０°以上の範囲であることが好ましい。（以下、図１中に示す除去加工用ヘッド１２１の姿勢を、「基準姿勢」ともいう。）
なお、図１中には示されていないが、第１主軸台１１１の周辺には、除去加工用ヘッド１２１に装着された工具を自動交換するための自動工具交換装置と、除去加工用ヘッド１２１に装着する交換用の工具を収容する工具マガジンとが設けられている。

下刃物台１３１は、旋削加工のための複数の固定工具を装着する。下刃物台１３１は、いわゆるタレット形であり、複数の固定工具が放射状に取り付けられ、旋回割り出しを行なう。

より具体的には、下刃物台１３１は、旋回部１３２を有する。旋回部１３２は、Ｚ軸に平行な中心軸２０６を中心に旋回可能に設けられている。中心軸２０６を中心にその周方向に間隔を隔てた位置には、固定工具を保持するための工具ホルダが取り付けられている。旋回部１３２が中心軸２０６を中心に旋回することによって、工具ホルダに保持された固定工具が周方向に移動し、旋削加工に用いられる固定工具が割り出される。

下刃物台１３１は、図示しないサドル等によりベッド１３６上に支持されている。下刃物台１３１は、サドル等に設けられた各種の送り機構や案内機構、サーボモータなどにより、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に移動可能に設けられている。

加工機械１００は、付加加工用ヘッド２１をさらに有する。付加加工用ヘッド２１は、ワークに対して材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射することにより付加加工を行なう（指向性エネルギ堆積法（Directed Energy Deposition））。エネルギー線としては、代表的に、レーザ光および電子ビームが挙げられる。本実施の形態では、付加加工にレーザ光が用いられる。

付加加工用ヘッド２１は、ヘッド本体（本体部）２２と、レーザツール（出射部）２６とを有する。

ヘッド本体２２には、加工エリア２００の外部からレーザ光および材料粉末が導入される。レーザツール２６は、ワークに向けてレーザ光を出射するとともに、ワークにおけるレーザ光の照射領域を定める。付加加工用ヘッド２１に導入された材料粉末は、ノズル（不図示）を通じてワークに向けて吐出される。

加工機械１００は、材料粉末供給装置７０、レーザ発振装置７６およびケーブル３１をさらに有する。材料粉末供給装置７０およびレーザ発振装置７６は、加工エリア２００の外部に設置されている。

材料粉末供給装置７０は、付加加工に用いられる材料粉末を付加加工用ヘッド２１に向けて送り出す。材料粉末供給装置７０は、付加加工に用いられる材料粉末を貯留する材料粉末タンク７２と、材料粉末とキャリアガスとを混合する混合部７１とを有する。レーザ発振装置７６は、付加加工に用いられるレーザ光を発振する。

ケーブル３１は、付加加工用ヘッド２１にレーザ光および材料粉末を供給するためのライン体として設けられている。ケーブル３１は、可撓性を有しており、外力が受けた場合に曲げ可能である。ケーブル３１には、レーザ発振装置７６から付加加工用ヘッド２１に向けてレーザ光を導くための光ファイバと、材料粉末供給装置７０から付加加工用ヘッド２１に向けて材料粉末を導くための配管とが収容されている。

図３は、除去加工用ヘッドに対する付加加工用ヘッドの装着状態を示す図である。図１から図３を参照して、付加加工用ヘッド２１は、除去加工用ヘッド１２１に接続されている。特に本実施の形態では、付加加工用ヘッド２１が、除去加工用ヘッド１２１に着脱可能に設けられている。付加加工用ヘッド２１のうちのヘッド本体２２が、除去加工用ヘッド１２１に着脱可能に設けられている。

付加加工時、付加加工用ヘッド２１は、除去加工用ヘッド１２１に装着される。除去加工用ヘッド１２１が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動することによって、付加加工用ヘッド２１による付加加工の加工位置が３次元的に変位する。さらに、除去加工用ヘッド１２１が、中心軸２５１を中心に旋回することによって、付加加工用ヘッド２１も除去加工用ヘッド１２１と一体となって中心軸２５１（第１軸に対応）を中心に旋回する。これにより、付加加工用ヘッド２１による付加加工の向き（ワークに対するレーザ光の照射方向）を自在に変化させることができる。

除去加工時、付加加工用ヘッド２１は、除去加工用ヘッド１２１から分離され、図示しないヘッドストッカに格納される。

除去加工用ヘッド１２１には、クランプ機構が設けられており、除去加工用ヘッド１２１に対する付加加工用ヘッド２１の装着時、そのクランプ機構が動作することによって、付加加工用ヘッド２１が除去加工用ヘッド１２１に連結される。クランプ機構の一例として、バネ力によりクランプ状態を得て、油圧によりアンクランプ状態を得る機構が挙げられる。

さらに本実施の形態では、ヘッド本体２２に、実行する付加加工の条件に合わせて、複数のレーザツール２６（図３中では、レーザツール２６Ａ、レーザツール２６Ｂおよびレーザツール２６Ｃ）のうちいずれか１つのレーザツール２６が選択的に装着される。複数のレーザツール２６は、ワーク上に定められるレーザ光の照射領域の形状や大きさが互いに異なる。

図４は、付加加工時のワーク表面を拡大して示す断面図である。図２および図４を参照して、付加加工時、付加加工用ヘッド２１が装着された除去加工用ヘッド１２１の移動、および／または、ワーク４００を保持する第１主軸台１１１の第１主軸１１２の回転によって、レーザツール２６をワーク４００に対向させつつ、付加加工用ヘッド２１およびワーク４００を相対的に移動させる。このとき、付加加工用ヘッド２１（レーザツール２６）からワーク４００に向けて、レーザ光３１１と、材料粉末３１２と、シールドおよびキャリア用のガス３１３とが吐出される。これにより、ワーク４００の表面に溶融点３１４が形成され、その結果、材料粉末３１２が溶着する。

具体的には、ワーク４００の表面に肉盛層３１６が形成される。肉盛層３１６上には、肉盛素材３１５が盛られる。肉盛素材３１５が冷却されると、ワーク４００の表面に加工可能な層が形成された状態となる。材料粉末としては、アルミニウム合金およびマグネシウム合金等の金属粉末や、セラミック粉末を利用することができる。

図５は、図１中の加工機械が備えるケーブルの支持構造を示す斜視図である。続いて、図１中の加工機械１００が備えるケーブル３１の支持構造について説明する。

図１および図５を参照して、加工機械１００は、第１支持部材５１、第２支持部材４１、ガイド部材６５およびケーブル収納部６１をさらに有する。

ケーブル収納部６１は、付加加工用ヘッド２１に向けて繰り出されるケーブル３１を収納するように構成されている。ケーブル収納部６１は、加工エリア２００の外部に設置されている。ガイド部材６５は、ケーブル収納部６１および第１支持部材５１の間でケーブル３１を案内するように構成されている。

ケーブル３１は、ケーブル収納部６１および付加加工用ヘッド２１の間でライン状に延びている。図５中では、第２主軸台１１６等の干渉物が配置される干渉領域９０が２点鎖線により示されている。ケーブル収納部６１は、干渉領域９０を挟んで加工エリア２００の反対側に設置されている。ケーブル３１は、ケーブル収納部６１から鉛直上方向に延出し、その先で、ガイド部材６５によって略水平方向に方向転換されている。ケーブル３１は、略水平方向に延びながら干渉領域９０よりも上方の空間を通り、その先で、加工エリア２００内に侵入している。

第１支持部材５１は、付加加工用ヘッド２１に向けて繰り出されるケーブル３１を支持するように設けられている。第１支持部材５１は、ケーブル収納部６１および付加加工用ヘッド２１の間のケーブル３１の経路上において、ケーブル収納部６１側に設けられている。第１支持部材５１は、干渉領域９０よりも上方の空間においてケーブル３１を支持するように設けられている。

第２支持部材４１は、第１支持部材５１から付加加工用ヘッド２１に向かうケーブル３１を支持するように設けられている。第２支持部材４１は、ケーブル収納部６１および付加加工用ヘッド２１の間のケーブル３１の経路上において、付加加工用ヘッド２１側に設けられている。第２支持部材４１は、干渉領域９０よりも上方の空間と、付加加工用ヘッド２１との間でケーブル３１を支持するように設けられている。

第２支持部材４１は、付加加工用ヘッド２１に対して、Ｙ軸に平行な中心軸２５２（第２軸に対応）を中心に回動可能に接続されている。中心軸２５２は、除去加工用ヘッド１２１の旋回中心である中心軸２５１と平行であって、水平方向に延びる。第２支持部材４１は、付加加工用ヘッド２１のうちのヘッド本体２２に接続されている。第２支持部材４１は、第１支持部材５１に対して、Ｙ軸に平行な中心軸２５３（第３軸に対応）を中心に回動可能に接続されている。中心軸２５３は、除去加工用ヘッド１２１の旋回中心である中心軸２５１と平行であって、水平方向に延びる。第２支持部材４１は、全体として、中心軸２５２および中心軸２５３の間でアーム状に延びる形状を有する。

図５中に示すように除去加工用ヘッド１２１が基準姿勢である場合に、中心軸２５２は、中心軸２５１よりも高い位置にあり、中心軸２５３は、中心軸２５２よりもさらに高い位置にある。中心軸２５２は、Ｚ軸方向において、中心軸２５１および中心軸２５３の間に位置する。

なお、上記の第２支持部材４１および付加加工用ヘッド２１の間の回動軸と、第２支持部材４１および第１支持部材５１の間の回動軸とには、外部から機械的な駆動力が付与されない。第２支持部材４１は、付加加工用ヘッド２１および第１支持部材５１に対して、付加加工用ヘッド２１、第２支持部材４１および第１支持部材５１の相互の位置関係の変化に追従して回動する。

第２支持部材４１の構造についてより具体的に説明すると、第２支持部材４１は、カバー体４２およびリニアガイド部４３を有する。

カバー体４２は、付加加工用ヘッド２１および第１支持部材５１の間のケーブル３１の経路上において、ケーブル３１を覆うように設けられている。リニアガイド部４３は、中心軸２５２および中心軸２５３の間の距離が変化するように変形する変形機構部として設けられている。リニアガイド部４３は、中心軸２５３から中心軸２５２に向かう方向において伸縮可能に組み合わされた複数のリニアガイドの多段構造を有する。

第１支持部材５１の構造についてより具体的に説明すると、第１支持部材５１は、接続部５２、移動体５４、リニアガイド部５５、モータ５６、支持体５７およびリニアガイド部５８を有する。

接続部５２には、第２支持部材４１が接続されている。すなわち、中心軸２５３は、接続部５２に配されている。接続部５２は、第１支持部材５１から第２支持部材４１に向けて延出するケーブル３１を支持するように構成されている。ケーブル３１は、干渉領域９０よりも上方の空間で略水平方向に延びる区間において、その両端をガイド部材６５および接続部５２により支持されている。

接続部５２は、リニアガイド部５５を介して移動体５４に接続されている。接続部５２は、リニアガイド部５５によって、中心軸２５３の軸方向（Ｙ軸方向）に移動可能に構成されている。

なお、上記のリニアガイド部５５には、外部から機械的な駆動力が付与されない。接続部５２は、付加加工用ヘッド２１および接続部５２のＹ軸方向における位置関係の変化に追従して、Ｙ軸方向に移動する。

移動体５４には、モータ５６が搭載されている。移動体５４は、リニアガイド部５８を介して支持体５７に接続されている。支持体５７は、Ｚ軸方向が長手方向となる柱形状を有する。移動体５４は、リニアガイド部５８およびモータ５６による駆動によって、Ｚ軸方向に移動可能なように構成されている。移動体５４は、干渉領域９０よりも上方の空間において、Ｚ軸方向に往復移動する。

このような構成により、接続部５２は、リニアガイド部５８およびモータ５６による駆動によって、移動体５４と一体となってＺ軸方向に移動する。すなわち、リニアガイド部５８およびモータ５６は、接続部５２をＺ軸方向（第４軸の軸方向に対応）に移動可能なように駆動する駆動機構部として設けられている。本実施の形態では、接続部５２が、リニアガイド部５８およびモータ５６による駆動によって、中心軸２５１および中心軸２５３の間の水平方向（Ｚ軸方向）における距離が一定となるように、Ｚ軸方向に移動する。

図５を参照して、除去加工用ヘッド１２１が、Ｘ軸方向（矢印２４２に示す方向）、Ｙ軸方向（矢印２４３に示す方向）およびＺ軸方向（矢印２４１に示す方向）に移動すると、付加加工用ヘッド２１も除去加工用ヘッド１２１と一体となってＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる３次元空間を移動する。除去加工用ヘッド１２１が、矢印２４４に示すように、中心軸２５１を中心に旋回すると、付加加工用ヘッド２１も除去加工用ヘッド１２１と一体となって中心軸２５１を中心に旋回（公転）する。以下、これらの場合における第１支持部材５１および第２支持部材４１の動きについて説明する。

図６は、付加加工用ヘッドがＸ軸方向に移動した場合の第２支持部材の動きを示す正面図である。図５および図６を参照して、付加加工用ヘッド２１が、Ｘ軸方向における上方（実線で示す付加加工用ヘッド２１）から下方（２点鎖線で示す付加加工用ヘッド２１）に移動した場合を想定する。

付加加工用ヘッド２１の上方から下方への移動に伴って、第２支持部材４１は、第１支持部材５１に対して、中心軸２５３を中心に矢印２５６に示す反時計方向に回動する。第２支持部材４１は、付加加工用ヘッド２１に対して、中心軸２５２を中心に矢印２５８に示す反時計方向に回動する。付加加工用ヘッド２１の上方から下方への移動に伴い中心軸２５２および中心軸２５３間の距離が大きくなるのに合わせて、第２支持部材４１におけるリニアガイド部４３が矢印２５７に示す方向に伸長する。

図５を参照して、次に、付加加工用ヘッド２１がＹ軸方向に移動した場合を想定する。この場合、接続部５２は、付加加工用ヘッド２１の移動に同期して、Ｙ軸方向（矢印２４６に示す方向）に移動する。

次に、付加加工用ヘッド２１がＺ軸方向に移動した場合を想定する。この場合、リニアガイド部５８およびモータ５６による駆動によって、中心軸２５１および中心軸２５３の間の水平方向（Ｚ軸方向）における距離が一定となるように、接続部５２がＺ軸方向（矢印２４５に示す方向）に移動する。

なお、ここでは、付加加工用ヘッド２１が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各方向に移動する場合について説明したが、付加加工用ヘッド２１は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる３次元空間を自在に移動する。この際、第１支持部材５１および第２支持部材４１は、付加加工用ヘッド２１、第１支持部材５１および第２支持部材４１の相互の位置関係に合わせて適宜、動作する。

図７から図９は、付加加工用ヘッドの旋回時の第２支持部材の動きを説明するための正面図である。図７中には、除去加工用ヘッド１２１の基準姿勢における付加加工用ヘッド２１が示され、図８中には、除去加工用ヘッド１２１が基準姿勢から時計方向に１２０°旋回した場合の付加加工用ヘッド２１が示され、図９中には、除去加工用ヘッド１２１が基準姿勢から反時計方向に１２０°旋回した場合の付加加工用ヘッド２１が示されている。

図７および図８を参照して、除去加工用ヘッド１２１が基準姿勢から時計方向に１２０°旋回した場合、付加加工用ヘッド２１の旋回に伴って、第２支持部材４１は、図７中に示す初期形態および図８中に示す最終形態の間において、第１支持部材５１に対して矢印２６２に示す反時計方向に回動することになる。第２支持部材４１は、図７中に示す初期形態および図８中に示す最終形態の間において、付加加工用ヘッド２１に対して矢印２６１に示す反時計方向に回動することになる。付加加工用ヘッド２１の旋回に伴い中心軸２５２および中心軸２５３間の距離が大きくなるのに合わせて、第２支持部材４１におけるリニアガイド部４３が矢印２６３に示す方向に伸長する。

図７および図９を参照して、除去加工用ヘッド１２１が基準姿勢から反時計方向に１２０°旋回した場合、付加加工用ヘッド２１の旋回に伴って、第２支持部材４１は、図７中に示す初期形態および図９中に示す最終形態の間において、第１支持部材５１に対して矢印２６５に示す時計方向に回動することになる。第２支持部材４１は、図７中に示す初期形態および図９中に示す最終形態の間において、付加加工用ヘッド２１に対して矢印２６４に示す時計方向に回動することになる。付加加工用ヘッド２１の旋回に伴い中心軸２５２および中心軸２５３間の距離が大きくなるのに合わせて、第２支持部材４１におけるリニアガイド部４３が矢印２６６に示す方向に伸長する。

付加加工用ヘッド２１の旋回時、リニアガイド部５８およびモータ５６による接続部５２の駆動は行なわれない。これにより、中心軸２５１および中心軸２５３の間の水平方向（Ｚ軸方向）における距離Ｌは、付加加工用ヘッド２１のＸ軸方向における移動の前後において一定に維持される。

なお、レーザ光を導くための光ファイバと、材料粉末を導くための配管とを収容するケーブル３１が設けられない場合、第１支持部材５１および第２支持部材４１によって、上記光ファイバおよび配管を直接支持する構成としてもよい。

以上に説明したように、本実施の形態では、第１支持部材５１および第２支持部材４１の動作によって、付加加工用ヘッド２１に向かうケーブル３１の配索経路が、付加加工用ヘッド２１の位置や姿勢に合わせて変化するため、ケーブル３１に無理な曲げや撓みなどが生じることを防止できる。これにより、ケーブル３１内部において、材料粉末供給用の配管やレーザ光供給用の光ファイバが過度に変形することを防ぎ、付加加工時の造形品質の変動を抑制することができる。また、ケーブル３１の過度な変形を防ぐことを目的にケーブル３１の全長に過分な余裕を持たせる必要がないため、加工機械１００をコンパクトに構成することができる。

本実施の形態では、リニアガイド部５８およびモータ５６による接続部５２の駆動によって、中心軸２５１および中心軸２５３の間のＺ軸方向における距離が一定に維持される。これにより、付加加工用ヘッド２１の位置によって中心軸２５１および中心軸２５３の相互の位置関係が大きく変化することを防ぎ、第１支持部材５１および第２支持部材４１の間において、ケーブル３１を意図した通りの経路で配索することができる。

なお、付加加工用ヘッド２１の位置によって中心軸２５１および中心軸２５３の相互の位置関係が大きく変化することを防ぐという上記目的が達成されるのであれば、接続部５２の移動方向は、Ｚ軸方向に限られず、Ｘ軸−Ｚ軸平面における任意の方向であってもよい。

続いて、ケーブル収納部６１の構造についてより具体的に説明する。
図１および図５を参照して、ケーブル収納部６１は、筐体６２と、レール部６４と、滑車部６３とを有する。

筐体６２は、ケーブル３１を収納可能に構成された筐体形状を有する。ケーブル３１は、Ｕ字状に湾曲した状態で筐体６２に収納されている。ケーブル３１の端部３１ｍは、筐体６２に対して固定されている。

レール部６４は、筐体６２の内部で鉛直方向成分を含む方向に延びている。本実施の形態では、レール部６４が、鉛直方向（Ｘ軸方向）に延びている。滑車部６３は、筐体６２の内部に設けられている。滑車部６３は、レール部６４によって、Ｘ軸方向（図１中の矢印２７１に示す方向）に移動可能に設けられている。滑車部６３には、鉛直下側からケーブル３１が架け回されている。

このような構成により、滑車部６３の重量によって、ケーブル３１には常に図１中の矢印２７２に示す方向の張力が作用する。このため、余分な長さのケーブル３１を加工エリア２００内に留めることなく、ケーブル３１をケーブル収納部６１に収納することができる。これにより、ケーブル３１の引き回し領域を過分に確保する必要がなくなるため、加工機械１００をさらにコンパクトに構成することができる。

以上に説明した、この発明の実施の形態における加工機械１００の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における加工機械１００は、ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械である。加工機械１００は、ワークの除去加工のための回転工具を保持し、回転工具の回転軸（中心軸２０３）に直交する第１軸（中心軸２５１）を中心に回動可能なように駆動される除去加工用ヘッド１２１と、除去加工用ヘッド１２１に接続され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線としてのレーザ光を照射する付加加工用ヘッド２１と、付加加工用ヘッド２１に材料粉末およびレーザ光を供給するためのライン体としてのケーブル３１と、付加加工用ヘッド２１に向けて繰り出されるケーブル３１を支持する第１支持部材５１と、付加加工用ヘッド２１に、第１軸（中心軸２５１）に平行な第２軸（中心軸２５２）を中心に回動可能に接続されるとともに、第１支持部材５１に、第１軸（中心軸２５１）に平行な第３軸（中心軸２５３）を中心に回動可能に接続され、第１支持部材５１から付加加工用ヘッド２１に向かうケーブル３１を支持する第２支持部材４１とを備える。

このように構成された、この発明の実施の形態における加工機械１００によれば、コンパクトであり、かつ、付加加工時のワークの造形品質に変動が生じることを抑制する加工機械を実現することができる。

なお、本実施の形態では、旋削機能とミーリング機能とを有する複合加工機をベースにＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機を構成した場合について説明したが、このような構成に限られず、たとえば、ミーリング機能を有するマシニングセンタをベースにＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機を構成してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、主に、ワークの除去加工および付加加工が可能なＡＭ／ＳＭハイブリッド加工機に適用される。

２１ 付加加工用ヘッド、２２ ヘッド本体、２６，２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ レーザツール、３１ ケーブル、３１ｍ 端部、４１ 第２支持部材、４２ カバー体、４３，５５，５８ リニアガイド部、５１ 第１支持部材、５２ 接続部、５４ 移動体、５６ モータ、５７ 支持体、６１ ケーブル収納部、６２ 筐体、６３ 滑車部、６４ レール部、６５ ガイド部材、７０ 材料粉末供給装置、７１ 混合部、７２ 材料粉末タンク、７６ レーザ発振装置、９０ 干渉領域、１００ 加工機械、１１１ 第１主軸台、１１２ 第１主軸、１１６ 第２主軸台、１１７ 第２主軸、１２１ 除去加工用ヘッド、１２３ 主軸端面、１３１ 刃物台、１３２ 旋回部、１３６ ベッド、２００ 加工エリア、２０１，２０２，２０３，２０６，２５１，２５２，２５３ 中心軸、２１０ スプラッシュガード、３１１ レーザ光、３１２ 材料粉末、３１３ ガス、３１４ 溶融点、３１５ 肉盛素材、３１６ 肉盛層、４００ ワーク。

Claims (4)

1. ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械であって、
   ワークの除去加工のための回転工具を保持し、前記回転工具の回転軸に直交する第１軸を中心に回動可能なように駆動される除去加工用ヘッドと、
   前記除去加工用ヘッドに接続され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する付加加工用ヘッドと、
   前記付加加工用ヘッドに材料粉末およびエネルギー線を供給するためのライン体と、
   前記付加加工用ヘッドに向けて繰り出される前記ライン体を支持する第１支持部材と、
   前記付加加工用ヘッドに、前記第１軸に平行な第２軸を中心に回動可能に接続されるとともに、前記第１支持部材に、前記第１軸に平行な第３軸を中心に回動可能に接続され、前記第１支持部材から前記付加加工用ヘッドに向かう前記ライン体を支持する第２支持部材とを備え、
   前記除去加工用ヘッドは、さらに、前記第１軸に直交する平面内で移動可能なように駆動され、
   前記第１支持部材は、前記第２支持部材が接続される接続部と、前記接続部を、前記第３軸に直交する平面内で移動可能なように駆動する駆動機構部とを有する、加工機械。
2. 前記第１軸、前記第２軸および前記第３軸は、水平方向に延び、
   前記接続部は、前記駆動機構部による駆動によって、前記第１軸および前記第３軸の間の水平方向における距離が一定となるように、前記第３軸に直交し、水平方向に延びる第４軸の軸方向に移動する、請求項１に記載の加工機械。
3. ワークの除去加工および付加加工が可能な加工機械であって、
   ワークの除去加工のための回転工具を保持し、前記回転工具の回転軸に直交する第１軸を中心に回動可能なように駆動される除去加工用ヘッドと、
   前記除去加工用ヘッドに接続され、ワークの付加加工時に材料粉末を吐出するとともにエネルギー線を照射する付加加工用ヘッドと、
   前記付加加工用ヘッドに材料粉末およびエネルギー線を供給するためのライン体と、
   前記付加加工用ヘッドに向けて繰り出される前記ライン体を支持する第１支持部材と、
   前記付加加工用ヘッドに、前記第１軸に平行な第２軸を中心に回動可能に接続されるとともに、前記第１支持部材に、前記第１軸に平行な第３軸を中心に回動可能に接続され、前記第１支持部材から前記付加加工用ヘッドに向かう前記ライン体を支持する第２支持部材とを備え、
   前記除去加工用ヘッドは、さらに、前記第１軸の軸方向に移動可能なように駆動され、
   前記第１支持部材は、前記第２支持部材が接続され、前記第３軸の軸方向に移動可能なように構成される接続部を有する、加工機械。
4. 前記第２支持部材は、前記第２軸および前記第３軸の間の距離が変化するように変形する変形機構部を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の加工機械。

Images