机床的制作方法

本发明涉及机床，该机床具有控制刀具的姿势的2个旋转进给轴和相对于刀具相对地移动工件的位置的3个直线进给轴。

背景技术：

在除了正交3轴的直线进给轴以外还具有2个旋转进给轴的5轴的机床中，在机器的动作范围中存在特异点。当进给轴通过特异点时，存在如下的情况：即使加工程序指令的刀具姿势变化小，实际上刀具姿势也变化得大，旋转进给轴及直线进给轴的速度急剧地变高。

在专利文献1中，记载了如下的5轴加工机用数值控制装置，该5轴加工机用数值控制装置在刀具姿势控制中判断为通过特异点的情况下，可避免旋转轴的在特异点的速度、加速度非常大的移动。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-140312号公报

技术实现要素：

专利文献1的5轴加工机用数值控制装置，通过基于加工程序的在指令块始点的指令和在指令块终点的指令的计算，判断旋转刀具的主轴是否通过特异点或是否通过特异点附近，在判断为主轴通过该特异点或者该特异点附近的情况下，通过在该特异点及该特异点附近变更刀具路径，在软件中避开特异点。然而，在专利文献1的发明中，由于在特异点或者特异点附近变更了刀具路径，所以存在加工面可能成为与期望形状不同的形状的问题。

本发明将解决这样的现有技术的问题作为技术课题，其目的不是在软件中解决特异点的问题，而是提供一种在硬件中解决了特异点的问题的机床。

为了解决课题的手段

为了达到上述的目的，根据本发明，提供一种机床，其具有控制刀具的姿势的2个旋转进给轴和相对于刀具相对地移动工件的位置的直线进给轴，其中，具备将刀具安装在前端部的主轴；可绕主轴旋转轴线旋转地支承上述主轴的主轴头；可绕相对于上述主轴旋转轴线垂直地延伸的第一轴线旋转地支承上述主轴头的主轴头支承部；设置在上述主轴头支承部，绕上述第一轴线旋转进给上述主轴头的第一旋转进给轴装置；可绕相对于上述第一轴线垂直且相对于铅直方向以规定的倾斜角交叉的第二轴线旋转地支承上述主轴头支承部的床鞍；设置在上述床鞍上，绕上述第二旋转轴线旋转进给上述主轴头支承部的第二旋转进给轴装置；和以上述主轴旋转轴线不与上述第二轴线平行或者一致的方式限制上述第一旋转进给轴装置的旋转进给范围的限制组件。

发明的效果

根据本发明，由于以主轴的旋转轴线相对于作为主轴头的旋转轴的第一轴线垂直且不与相对于铅直方向以规定的倾斜角交叉的第二轴线平行或者一致的方式设置了限制主轴头的旋转进给范围的限制组件，，在硬件中解决了特异点的问题，所以可防止在特异点的刀具姿势变化得大，旋转进给轴及直线进给轴的速度急剧地变高，可防止在加工面上形成加工痕迹，并且在加工程序中不包含通过特异点的指令的情况下，旋转进给轴装置顺利地动作，可得到良好的加工面。

附图说明

图1是将本发明的优选的实施方式的机床的一部分剖开表示的侧视图。

图2是图1的机床的主视图。

图3是处于原点位置的a轴及c轴的旋转进给轴的局部放大剖视图。

图4是a轴处于最大旋转位置时的与图3同样的局部放大剖视图。

图5是a轴处于最小旋转位置时的与图3同样的局部放大剖视图。

图6是表示a轴及c轴的旋转进给轴处于原点位置时的刀具的前端方向的矢量的略图。

图7是表示a轴的旋转进给轴的可动范围的与图6同样的略图。

图8是表示a轴及c轴的旋转进给轴的可动范围的与图6同样的略图。

图9是表示本实施方式中的可配置刀具的前端的范围的略图。

图10是表示另一个实施方式的限制组件的与图3同样的局部放大剖视图。

具体实施方式

为了实施发明的方式

下面，说明本发明的优选的实施方式。

图1、2表示具有控制刀具的姿势的2个旋转进给轴和相对于刀具相对地移动工件的位置的3个直线进给轴的机床的一例。机床10具备作为被固定在工厂的地板面上的基台的底座12；在底座12的后端侧(在图1中为右侧)，直立设置并固定在该底座12的上面上的立柱14；在底座12的前方部分(在图1中为左侧)的上面中可在前后方向或者y轴方向(在图1中为左右方向)移动地设置的固定工件w的工作台26；设置在工作台26的上方，可旋转地支承主轴24的主轴头22；在立柱14的顶部，可在左右方向或者x轴方向(在图1中为与纸面垂直的方向)移动地设置的床鞍16；和设置在床鞍16上，以旋转轴线oa为中心可旋转地支承主轴头22的主轴头支承部60。主轴头支承部60具备在床鞍16的前面中可在上下方向或者z轴方向移动地安装的z轴滑块18；和以作为第二旋转轴线的倾斜轴线oc为中心，可在c轴方向旋转地支承在z轴滑块18上的c轴旋回轴20。

在立柱14的上端部，在水平的x轴方向(图1的与纸面垂直的方向)延伸设置了一对x轴导轨28，在立柱14上安装了可在该x轴导轨28上滑动的导向块30。作为沿x轴导轨28往复驱动床鞍16的x轴进给装置，设置了在x轴方向上延伸设置的滚珠丝杠32和与该滚珠丝杠的一端连结的x轴伺服马达34，在床鞍16上安装了与滚珠丝杠32卡合的螺母(未图示)。另外，在立柱14的上端形成了倾斜面14a。倾斜面14a相对于x轴平行地从机床10的前面侧向背面侧向斜上方延伸。倾斜面14a的角度，例如能相对于水平面(xy平面)做成45°。

在床鞍16的前面上，在作为铅直方向的z轴方向(在图1、2中为上下方向)延伸设置了一对z轴导轨36，在z轴滑块18上安装了可在该z轴导轨36上滑动的导向块38。在床鞍16上，作为沿z轴导轨36往复驱动z轴滑块18的z轴进给装置，设置了在z轴方向延伸设置的滚珠丝杠40和与该滚珠丝杠40的一端连结的z轴伺服马达44，在z轴滑块18上，安装了与滚珠丝杠40卡合的螺母(在图1中，图示了安装该螺母的托架42)。

在z轴滑块18的下端部，由轴承50以倾斜轴线oc为中心可旋转地支承c轴旋回轴20。倾斜轴线oc，相对于x轴垂直地从机床10的前面侧向背面侧向斜上方相对于倾斜面14a大致平行地延伸。倾斜轴线oc和倾斜面14a只要向相同的方向倾斜即可，但接近平行是更有效的。另外，z轴滑块18作为对c轴旋回轴20进行旋转驱动的c轴进给装置或者第二旋转进给轴装置内置了c轴伺服马达52。在c轴旋回轴20的正面侧的前端部，形成了相对于倾斜轴线oc平行地延伸的左右一对的臂部20a、20b。另外，c轴旋回轴20以倾斜轴线oc为中心在规定的角度范围内，例如以c轴进给装置的原点为中心在±60°的旋转角度范围内可以旋转。

主轴头22可绕主轴轴线os旋转地支承主轴24，在该主轴24的前端部安装刀具t。在c轴旋回轴20的左右一对的臂部20a、20b之间配设主轴头22。主轴头22由形成在两侧部的a轴旋回轴22a、22b以相对于倾斜轴线oc垂直的作为第一旋转轴线的旋转轴线oa为中心可在a轴方向旋转地支承在主轴头支承部60的c轴旋回轴20的臂部20a、20b。作为a轴进给装置或者第一旋转进给轴装置，在臂部20a、20b的一方(在本实施方式中为臂部20a)装入了与a轴旋回轴22a、22b的一方(在本实施方式中为a轴旋回轴22a)结合的a轴伺服马达21。

另外，倾斜轴线oc通过主轴24的主轴轴线os和旋转轴线oa的交点o的附近。另外，如图2所示，将旋转轴线oa成为与水平的x轴平行的c轴进给装置的旋转位置作为c轴的原点位置。进而，当c轴处于原点位置时，将主轴24的主轴轴线os成为垂直的(与z轴平行)a轴进给装置的旋转位置作为a轴的原点位置。当a轴处于原点位置时，主轴24以与工作台26面对的方式朝向下方。

当a轴及c轴处于原点位置时，主轴24的端面及被安装在该主轴24上的刀具t与安装工件(未图示)的工作台26面对。在底座12的上面上，在水平的y轴方向(图1的左右方向)延伸设置了一对y轴导轨46，在工作台26上安装了可在该y轴导轨46上滑动的导向块48。另外，在底座12上，作为沿y轴导轨46往复驱动工作台26的y轴进给装置，设置了在y轴方向延伸设置的滚珠丝杠(未图示)和与该滚珠丝杠的一端连结的y轴伺服马达(未图示)，在工作台26上，安装了与上述滚珠丝杠卡合的螺母(未图示)。最好是，能在床鞍16的前面上形成凹部16b，在该凹部16b内配置z轴的滚珠丝杠40。

x轴伺服马达34、y轴伺服马达、z轴伺服马达44、a轴伺服马达21及c轴伺服马达52，与机床10的nc装置100(图2)连接，由该nc装置100控制。

在机床10中，通过使c轴旋回轴20向立柱14侧倾斜，可减小包含a轴进给装置和c轴进给装置的2个旋转进给轴和主轴头22在内的移动体的相对于立柱14的突出，可向立柱14侧移动该移动体的重心位置，由此可降低立柱14、床鞍16的变形。另外，当进给上述移动体时，可在加减速时降低床鞍16、z轴滑块18的变形。另外，能将主轴头支承部60的至少一部分配置在床鞍16的凹部16b内。因此，能进一步减小上述移动体的相对于立柱14的突出。

在此，如果主轴轴线os与作为c轴旋回轴20的旋转轴线的倾斜轴线oc一致，则存在如下情况：即使加工程序指令的刀具姿势变化小，实际上刀具姿势也变化得大，旋转进给轴及直线进给轴的速度急剧地变高。这样的问题一般被称为机床的特异点问题。在本发明中，为了避免这样的特异点问题，设置了限制a轴的旋转进给范围的限制组件。在上述的实施方式中，机床10作为以主轴轴线os与作为c轴旋回轴20的旋转轴线的倾斜轴线oc不一致的方式进行限制的限制组件，具备设置在c轴旋回轴20上的停止部54。

参照图3～图5，机床10还具备停止部54，该停止部54作为限制a轴的旋回范围的限制组件设置在c轴旋回轴20上。停止部54具有限制a轴的正的方向的旋转范围的第一抵接触面54a和限制a轴的负的方向的旋转范围的第二抵接触面54b。在图3～图5的例子中，将a轴的旋转角度作为α，当a轴从原点(α＝0)向正的方向处于角度α＝α1(图4)的旋转位置时，停止部54的第一抵接触面54a与主轴头22的侧面抵接，使主轴头22的旋转动作停止并规定a轴的旋转动作的上限，相反，当a轴从原点(α＝0)向负的方向处于角度α＝－α2(图5)的旋转位置时，停止部54的第二抵接触面54a与主轴头22的侧面抵接，使主轴头22的旋转动作停止并规定a轴的旋转动作的下限，这样，a轴在α1≦α≦α2的范围内对主轴头22进行旋转驱动。这样，主轴头22在a轴方向在第一旋转位置(α＝α1)和第二旋转位置(α＝－α2)之间被进行旋转进给。

在本实施方式中，因为作为a轴的旋转中心的作为第一旋转轴线的旋转轴线oa与倾斜轴线oc交叉，所以如果α1＝θ，则主轴轴线os和倾斜轴线oc一致，但在旋转轴线oa没有与倾斜轴线oc交叉的情况下，不存在主轴轴线os与倾斜轴线oc一致的情况。在这样的情况下，作为限制组件的停止部54被形成为防止主轴轴线os成为与倾斜轴线oc平行。

另外，在本实施方式中，如图3所示，从以主轴24的安装刀具t的端面与工作台26面对的方式朝向下方的a轴的原点，如图4所示，将刀具t以在机床10的前方(在图3～图5中为左方)向上动的方式进行旋转的方向(在图3～图5中为顺时针旋转的方向)作为a轴的正的方向。

在此，参照图6，作为a轴的旋转中心的第一旋转轴线的旋转轴线oa与x轴平行地延伸，作为c轴的旋转中心的第二旋转轴线的倾斜轴线oc相对于旋转轴线oa垂直且相对于作为铅直方向的z轴以倾斜角θ倾斜。即，在图6中，左侧是机床10的前方，上侧是机床10的朝向工作台26的方向。c轴的倾斜角，例如能做成30°＜θ＜45°。另外，在图6～图8中，箭头表示沿着将刀具t的前端方向作为正的方向的主轴轴线os的单位矢量。

参照图7，a轴的旋转进给范围α夹着原点(作为铅直方向的z轴)地成为α＝α1+α2。从a轴的原点向正的方向的最大的旋转角度α1和向负的方向的最大的旋转角度α2能做成不同的值，但也可以做成α1＝α2。作为一例，能做成α1＝α2＝30°。在此情况下，a轴的旋转进给范围成为－30°≦α≦30°。

进而，参照图8，矢量v1表示当a轴处于成为α＝0的原点且c轴处于最小的旋转角度位置时的刀具t的前端方向，矢量v2表示当a轴处于成为α＝0的原点且c轴处于最大的旋转角度位置时的刀具t的前端方向，矢量v3表示当a轴处于最小的旋转角度位置或者成为α＝－α2的第二旋转位置且c轴处于最小的旋转角度位置时的刀具t的前端方向，矢量v4表示当a轴处于最小的旋转角度位置或者成为α＝－α2的第二旋转位置且c轴处于最大的旋转角度位置时的刀具t的前端方向，矢量v5表示当a轴处于最大的旋转角度位置或者成为α＝α1的第一旋转位置且c轴处于最大的旋转角度位置时的刀具t的前端方向。另外，表示当a轴处于最大的旋转角度位置或者成为α＝α1的第一旋转位置且c轴处于最小的旋转角度位置时的刀具t的前端方向的矢量，为了清楚地表示附图，在图8中省略了。这样，在本实施方式中，可配置刀具t的前端的范围在图9中由范围r表示。

在上述的实施方式中，由于工作台26配置在c轴旋回轴20的下侧，所以刀具t被配置在倾斜轴线oc的下侧。因此，如果以成为α1＜θ的方式形成停止部54的第一抵接触面54a，则不会产生特异点的问题。

在上述的实施方式中，限制组件具备设置在c轴旋回轴20上的停止部54，但本发明不被限定于此。限制组件，例如也可以具备设置在c轴旋回轴20上并与nc装置100连接的限位开关56(图10)。在此情况下，当c轴进给装置处于α＝α1及α＝α2的旋转位置时，基于来自限位开关56的信号，机床10的nc装置100能停止c轴伺服马达52的动作。

在上述的实施方式中，规定c轴进给装置的旋转进给的上限或者第一旋转位置的角度α1，能扩大与倾斜轴线oc的倾斜角θ接近的一方可配置刀具t的前端的范围r，能由实验等预先决定不产生特异点问题的范围。

符号的说明：

10：机床

12：底座

14：立柱

14a：倾斜面

16：床鞍

16b：凹部

18：z轴滑块

20：c轴旋回轴

20a：臂部

20b：臂部

21：a轴伺服马达

22：主轴头

22a：a轴旋回轴

22b：a轴旋回轴

24：主轴

26：工作台

28：x轴导轨

34：x轴伺服马达

36：z轴导轨

42：托架

44：z轴伺服马达

46：y轴导轨

50：轴承

52：c轴伺服马达

54：停止部

56：限位开关

60：主轴头支承部。