特開 2023-129065 ドリル加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023129065

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】ドリル加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23B 39/00 20060101AFI20230907BHJP

   B23Q 5/34 20060101ALI20230907BHJP

   B23Q 17/09 20060101ALI20230907BHJP

【ＦＩ】

B23B39/00 Z

B23Q5/34 510F

B23Q17/09 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022033832

(22)【出願日】2022-03-04

(71)【出願人】

【識別番号】000191009

【氏名又は名称】新東工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】田名網 克周

(72)【発明者】

【氏名】林 美由希

(72)【発明者】

【氏名】小河路 隆裕

【テーマコード（参考）】

3C029

3C036

【Ｆターム（参考）】

3C029CC05

3C036BB11

(57)【要約】

【課題】加工時のドリルの曲がりの低減を図る。
【解決手段】ドリル加工装置（１０）は、ドリル（Ｔ）を回転して、対象物（Ｏ）を加工させるためのスピンドル（１２）と、スピンドルの向きを調節するパラレルリンク機構（１８）と、対象物を加工中に対象物からスピンドルの軸線方向と垂直な軸の周りのモーメント（Ｍｘ、Ｍｙ）を検出する力覚センサ（２３）と、力覚センサが検出したモーメントに基づいて、パラレルリンク機構を制御して、スピンドルの向きを調節させる制御部（３０）と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ドリルを回転して、対象物を加工させるためのスピンドルと、
前記スピンドルの向きを調節するパラレルリンク機構と、
前記スピンドルに印加される前記スピンドルの軸線方向と垂直な軸の周りのモーメントを検出する力覚センサと、
前記力覚センサが検出したモーメントに基づいて、前記パラレルリンク機構を制御して、前記スピンドルの向きを調節させる制御部と、
を備える、ドリル加工装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記モーメントが所定の閾値以上の場合に、前記モーメントが低減されるように前記パラレルリンク機構を制御する、
請求項１に記載のドリル加工装置。

【請求項3】

前記スピンドルを回転可能に保持する保持部を備え、
前記パラレルリンク機構は、
前記保持部に固定される第１のステージと、
前記第１のステージと対向する第２のステージと、
前記第１のステージと前記第２のステージとを自由度を有して接続する複数のリンクと、
前記複数のリンクを駆動する駆動部と、を有する、
請求項１または２に記載のドリル加工装置。

【請求項4】

前記第１のステージは、前記スピンドルが挿通される第１の挿通部を有し、
前記第２のステージは、前記スピンドルが挿通される第２の挿通部を有し、
前記複数のリンクは、前記スピンドルの周りに配置される、
請求項３に記載のドリル加工装置。

【請求項5】

前記力覚センサは、前記スピンドルが挿通される挿通部を有する、
請求項１から４のいずれか１項に記載のドリル加工装置。

【請求項6】

前記スピンドルと前記対象物との間の距離を調節する距離調節機構を備え、
前記力覚センサは、前記スピンドルの軸線方向の力を検出し、
前記制御部は、前記力に基づいて、前記距離調節機構を制御して、前記スピンドルと前記対象物との間の距離を調節させる、
請求項請求項１から５のいずれか１項に記載のドリル加工装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記力が所定の閾値以上の場合に、前記力が低減されるように前記距離調節機構を制御する、
請求項６に記載のドリル加工装置。

【請求項8】

前記スピンドルと前記対象物との間の距離を調節する距離調節機構を備え、
前記力覚センサは、前記スピンドルの軸線の周りのモーメントを検出し、
前記制御部は、前記スピンドルの軸線の周りのモーメントに基づいて、前記距離調節機構を制御して、前記スピンドルと前記対象物との間の距離を調節させる、
請求項請求項１から７のいずれか１項に記載のドリル加工装置。

【請求項9】

前記制御部は、前記スピンドルの軸線の周りのモーメントが所定の閾値以上の場合に、前記スピンドルの軸線の周りのモーメントが低減されるように前記距離調節機構を制御する、
請求項８に記載のドリル加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ドリル加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ドリルを用いて加工対象に穴を形成するドリル加工装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、加工対象にドリルを押し付けたときに、ドリルにブレが生じ、ドリルが曲がることがある。このようなドリルの曲がりは、加工穴の曲がり、さらには、ドリルの破損を引き起こす可能性がある。この対策として、曲がり、および折れが生じ難い高強度のドリルを用いることが考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１３６７８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、ドリル自体の強度の向上には一定の限界がある。また、強度の向上を図らない一般的なドリルにおいても折れ、曲がりを低減することが好ましい。

【0005】

本発明の一態様は、加工時のドリルの曲がりの低減を図ったドリル加工装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るドリル加工装置は、スピンドルと、パラレルリンク機構と、力覚センサと、制御部と、を備える。スピンドルは、ドリルを回転して、対象物を加工させる。パラレルリンク機構は、スピンドルの向きを調節する。力覚センサは、対象物を加工中に対象物からスピンドルの軸線方向と垂直な軸の周りのモーメントを検出する。制御部は、力覚センサが検出したモーメントに基づいてパラレルリンク機構を制御して、スピンドルの向きを調節させる。

【発明の効果】

【0007】

本発明の一態様によれば、加工時のドリルの曲がりの低減を図ったドリル加工装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施形態に係るドリル加工装置を表す図である。

【図2】本発明の実施形態に係るドリル加工装置の一部を切断した状態を表す一部断面図である。

【図3】ドリル加工装置の動作手順の一例を表すフロー図である。

【図4】対象物を切削加工中のドリル加工装置を表す一部拡大図である。

【図5】本発明の変形例に係るドリル加工装置を表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

〔実施形態〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るドリル加工装置１０を表す図である。上下方向をＺ軸とし、上下方向に垂直な平面上の直交する方向をＸ軸、Ｙ軸とするＸＹＺ座標を設定する。以下、図１に基づき、ドリル加工装置１０を説明する。

【0010】

ドリル加工装置１０は、チャック１１、スピンドル１２、シャフト１３、プーリ１４、スピンドル保持部１５、パラレルリンク機構１８、取付ステー２１、サーボシリンダ２２、力覚センサ２３、および制御部３０を有する。

【0011】

チャック１１は、ドリルＴをチャッキングして保持する。スピンドル１２は、チャック１１に接続され、シャフト１３およびプーリ１４を介して、モータおよびベルトによって、回転される。この結果、ドリルＴは、回転され、対象物（加工対象）Ｏを切削して、対象物Ｏに穴Ｈを形成する。すなわち、スピンドル１２は、ドリルＴを回転して、対象物Ｏを加工させる。

【0012】

スピンドル保持部（保持部）１５は、スピンドル１２を回転可能に保持する。なお、この詳細は後述する。

【0013】

パラレルリンク機構１８は、力覚センサ２３を介して取付ステー２１に接続される。パラレルリンク機構１８は、取付ステー２１に対して、傾きを調節可能に、スピンドル保持部１５を保持する。すなわち、パラレルリンク機構１８は、スピンドル保持部１５を介して、スピンドル１２の向き、結局は、対象物Ｏに対するスピンドル１２の角度（結局は、ドリルＴの角度）を調節する。なお、図１では、スピンドル１２の軸線Ａの方向（以下、軸線方向ともいう）をＺ軸に合わせた状態を表している。

【0014】

取付ステー２１は、力覚センサ２３、パラレルリンク機構１８に接続され、サーボシリンダ２２によって昇降される。サーボシリンダ２２は、シリンダ機構を有し、取付ステー２１を昇降させる。この結果、サーボシリンダ２２は、取付ステー２１、力覚センサ２３、パラレルリンク機構１８、およびスピンドル保持部１５を介して、対象物Ｏに対するスピンドル１２（結局は、ドリルＴ）の距離を調節する。すなわち、サーボシリンダ２２は、スピンドル１２と対象物Ｏとの間の距離を調節する距離調節機構として機能する。

【0015】

図２は、ドリル加工装置１０の一部を切断した状態を表す一部断面図である。以下、図２に基づき、ドリル加工装置１０の詳細を説明する。なお、判りやすさのため、図２において、パラレルリンク機構１８の詳細は記載を省略している。

【0016】

図２に示すように、スピンドル１２は、部材１２ａ～１２ｃを有する。部材１２ａ～１２ｃは、同軸の略円柱形状を有し、一体的に形成される。部材１２ｂは、部材１２ａ、部材１２ｃよりも径が大きく、スピンドル保持部１５の内部に保持される。

【0017】

スピンドル保持部１５は、底部材１５ａ、筒状部材１５ｂ、潤滑機構１５ｃ、１５ｄ、押さえ部１５ｅ、１５ｆを有する。底部材１５ａは、パラレルリンク機構１８に接続され、パラレルリンク機構１８によって傾きが調節される。筒状部材１５ｂは、スピンドル１２の部材１２ｂの外周に対応する内周を有し、部材１２ｂを収納する。潤滑機構１５ｃ、１５ｄは、例えば、ベアリング機構であり、筒状部材１５ｂ内のスピンドル１２（部材１２ｂ）を回転可能に、上下から保持する。押さえ部１５ｅ、１５ｆは、潤滑機構１５ｃ、１５ｄを筒状部材１５ｂ内に保持するための固定部材である。

【0018】

図１に戻って、説明を続ける。パラレルリンク機構１８は、ステージ１８ａ、１８ｂ、複数のリンク１８ｃ、複数の駆動部１８ｄ、複数の接続部材１８ｅ、１８ｆを有し、ステージ１８ｂに対するステージ１８ａの向きを調節する。

【0019】

ステージ１８ａは、スピンドル保持部１５に固定される第１のステージとして機能し、ステージ１８ｂは、ステージ１８ａと対向する第２のステージとして機能する。ステージ１８ａ、１８ｂは、略リング形状を有し、スピンドル１２、スピンドル保持部１５が配置される開口Ｓ１、Ｓ２を有する。開口Ｓ１、Ｓ２は、スピンドル１２が挿通される第１、第２の挿通部として機能する。

【0020】

複数（例えば、６つ）のリンク１８ｃは、並んで配置され、接続部材１８ｅ、１８ｆを介して、ステージ１８ａ、ステージ１８ｂを接続する。複数のリンク１８ｃは、スピンドル１２、スピンドル保持部１５の外周の周りに配置される。これにより、パラレルリンク機構１８の動作は、スピンドル１２の回転を妨げることがなくなる。

【0021】

複数のリンク１８ｃは、互いにスライド可能な筒状部材１８１、棒状部材１８２を有し、その長さを調節できる。複数のリンク１８ｃの長さを調節することで、ステージ１８ｂに対するステージ１８ａの向きを調節できる。複数のリンク１８ｃは、ステージ１８ａ（第１ステージ）とステージ１８ｂ（第２のステージ）とを自由度（ここでは、長さ可変）を有して接続する。駆動部１８ｄは、リンク１８ｃを駆動し、その長さを変化させる。これにより、複数のリンク１８ｃを用いて、ステージ１８ａ，１８ｂ間の角度を調節できる。

【0022】

再び図２に戻って、説明を続ける。力覚センサ２３は、コア部２３ａ、フレーム部２３ｂ、複数のビーム部２３ｃ、複数の歪検出素子２３ｄ、およびカバー２３ｅ、２３ｆを有する。コア部２３ａ、フレーム部２３ｂ、ビーム部２３ｃの全体は、応力によって歪む起歪体として機能する。

【0023】

コア部２３ａおよびフレーム部２３ｂは、略リング形状を有し、スピンドル１２、スピンドル保持部１５が配置される開口Ｓ３（内周）を有する。開口Ｓ３は、スピンドル１２が挿通される挿通部として機能する。これにより、力覚センサ２３は、スピンドル１２の回転を妨げることがない。コア部２３ａは、カバー２３ｅを介して、パラレルリンク機構１８のステージ１８ｂに接続される。フレーム部２３ｂは、カバー２３ｆを介して、取付ステー２１に接続される。図示はしないが、コア部２３ａとカバー２３ｆとの間に、取付ステー２１からの力がコア部２３ａに印加されないためのギャップが設けられる。同様に、フレーム部２３ｂとカバー２３ｅとの間に、パラレルリンク機構１８（ステージ１８ｂ）からの力がフレーム部２３ｂに印加されないためのギャップが設けられる。複数（例えば、４つ）のビーム部２３ｃは、コア部２３ａとフレーム部２３ｂとの間をスピンドル１２の軸線Ａと垂直な方向（径方向）に接続する棒状の部材であり、コア部２３ａとフレーム部２３ｂ間の相対変位に応じて変形する。複数の歪検出素子２３ｄは、複数のビーム部２３ｃに配置され、複数のビーム部２３ｃの歪みを検出する。

【0024】

力覚センサ２３は、パラレルリンク機構１８、スピンドル保持部１５を介して、スピンドル１２に印加される（対象物Ｏの加工中に対象物ＯからドリルＴに印加される）モーメントＭ（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）、および力Ｆ（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）を検出する。モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚはそれぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りのモーメントであり、力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚはそれぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の力である。ここでは、モーメントＭｘ、Ｍｙは、スピンドル１２の軸線Ａの方向と垂直な軸の周りのモーメントを意味する。モーメントＭｚは、スピンドル１２の軸線Ａの周りのモーメントを意味する。また、力Ｆｚは、スピンドル１２の軸線方向の力を意味する。

【0025】

制御部３０は、力覚センサ２３によって検出されたモーメントＭ、力Ｆに応じて、次のような制御を行う。

【0026】

制御部３０は、モーメントＭｘ、Ｍｙに基づいて、パラレルリンク機構１８を制御して、スピンドル１２の向きを調節させる。これにより、加工時のドリルＴの曲がりの低減が図られる。より具体的には、制御部３０は、モーメントＭｘ、Ｍｙが閾値Ｔｈ１以上になると、モーメントＭｘ、Ｍｙが低減されるように（閾値Ｔｈ１より小さくなるように）、パラレルリンク機構１８を制御する。これにより、閾値に基づいて、モーメントを低減できる。

【0027】

制御部３０は、力Ｆｚに基づいて、サーボシリンダ２２を制御して、スピンドル１２と対象物Ｏとの間の距離を調節させる。これにより、切りくずの詰まり等に起因するドリルＴの破損防止が図られる。より具体的には、制御部３０は、力Ｆｚが閾値Ｔｈ２以上になると、力Ｆｚが低減されるように（閾値Ｔｈ２より小さくなるように）、サーボシリンダ２２を制御する。これにより、閾値Ｔｈ２に基づいて、力を低減できる。

【0028】

制御部３０は、モーメントＭｚに基づいて、サーボシリンダ２２を制御して、スピンドル１２と対象物Ｏとの間の距離を調節させる。これにより、切りくずの詰まり等に起因するドリルの破損防止が図られる。より具体的には、制御部３０は、モーメントＭｚが閾値Ｔｈ３以上になると、モーメントＭｚが低減されるように（閾値Ｔｈ３より小さくなるように）、サーボシリンダ２２を制御する。これにより、閾値Th3に基づいて、スピンドル１２の軸線の周りのモーメントを低減できる。

【0029】

以下、ドリル加工装置１０の動作を説明する。図３は、ドリル加工装置１０の動作手順の一例を表すフロー図である。

【0030】

ドリル加工装置１０が起動され、加工が開始される（ステップＳ１）。すなわち、ドリル加工装置１０は、ドリルＴを保持して回転することによって、対象物Ｏに穴Ｈを形成する。このとき、対象物ＯからドリルＴにモーメントＭ、力Ｆが印加される。

【0031】

モーメントＭｘ、Ｍｙは、例えば、対象物Ｏに対して、ドリルＴが完全には直交していないこと、何らかの不均一性（例えば、対象物Ｏの材質または表面形状の不均一性）によって生じ得る。

【0032】

力覚センサ２３は、スピンドル１２に印加されるモーメントＭ、力Ｆを検出する（ステップＳ２）。結局は、対象物ＯからドリルＴに印加されるモーメントＭ（Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ）、力Ｆ（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）が検出される。

【0033】

このうち、モーメントＭｘ、Ｍｙは、ドリルＴの曲がり、さらには、穴Ｈの曲がり、ドリルＴの破損の原因となり得る。特に、（１）穴Ｈを深くしたいとき、（２）径の小さな穴Ｈを形成したいときに、モーメントＭｘ、Ｍｙは問題になり易い。穴Ｈを深くしたいときには、長いドリルＴを用いることになり、モーメントＭｘ、ＭｙによるドリルＴの曲がりが大きくなる。径の小さな穴Ｈを形成したいときには、細いドリルＴ（例えば、φ０．２ｍｍ、φ０．０１ｍｍ）を用いることになり、モーメントＭｘ、ＭｙによるドリルＴの曲がりが大きくなる。

【0034】

図４は、対象物Ｏを切削加工中のドリル加工装置を表す一部拡大図である。対象物Ｏの切削中に、モーメントＭｙによりドリルＴが曲がっている。曲がったドリルＴの先端は、スピンドル１２の軸線Ａ（本来のドリルＴの軸線）に対して、角度θを有する。穴Ｈを掘り進むことで、この角度θが大きくなると、ドリルＴの曲げの限界に達して、ドリルＴは破損する。

【0035】

このように、加工開始当初の僅かな不具合（対象物ＯへのドリルＴの僅かな非直交、対象物Ｏの僅かな不均一性）がモーメントＭｘ、Ｍｙの発生原因となる。その結果、ドリルＴの曲がりを生じ、その曲がりが是正されずに大きな不具合（例えば、ドリルＴの破損）を招く可能性がある。本実施形態のドリル加工装置１０は、このような場合に、ドリルＴの曲がりを低減して、大きな不具合の発生を防止する。

【0036】

このため、制御部３０は、モーメントＭｘ、Ｍｙが所定の閾値Ｔｈ１以上か（Ｍｘ、Ｍｙ≧Ｔｈ１）を判断し（ステップＳ３）、この判断がＹＥＳの場合、パラレルリンク機構１８を制御して、スピンドル１２の向きを調節する（ステップＳ３）。この結果、モーメントＭｘ、Ｍｙが低減され、ドリルＴの曲がりが低減される。この結果、ドリルＴの破損を防止できる。

【0037】

また、このような制御が、加工の当初から行われると、ドリルＴが常時真っすぐな状態を維持することが容易となる。この場合、穴Ｈの曲がりが低減される。すなわち、図４の角度θが０に近い状態を維持し易くなり、加工精度の向上に寄与し得る。

【0038】

また、制御部３０は、力Ｆｚ、モーメントＭｚがそれぞれ所定の閾値Ｔｈ２、Ｔｈ３以上か（Ｆｚ≧Ｔｈ２、Ｍｚ≧Ｔｈ３）を判断し（ステップＳ５）、この判断がＹＥＳの場合、サーボシリンダ２２を制御して、スピンドル１２と対象物Ｏとの間の距離（結局は、スピンドル１２の押し込み量）を調節する（ステップＳ６）。この結果、力Ｆｚ、モーメントＭｚが低減され、ドリルＴの破損を防止できる。

【0039】

力Ｆｚ、モーメントＭｚは、例えば、切りくずにドリルＴが接触することで発生する。穴Ｈの中に詰まった切りくずにドリルＴが接触して、大きな力Ｆｚ、モーメントＭｚが印加されると、ドリルＴが破損する怖れがある。特に、穴Ｈを深くしたいときに、力Ｆｚ、モーメントＭｚが問題となり易い。穴Ｈを掘り進んで深くなると、切削時に形成された切りくずが穴Ｈに詰まりやすくなる。

【0040】

ここでは、判りやすさのために、モーメントＭｘ、Ｍｙに基づく制御と、力Ｆｚ、モーメントＭｚに基づく制御とを順に行った例を示している。この順序は逆でも良いし、同時並行的に行ってもよい。

【0041】

以上のように、本実施形態では、スピンドル１２に印加されるモーメントＭｘ、Ｍｙを閾値Ｔｈ１より小さくして、ドリルＴの曲がりを低減し、ひいては、ドリルＴの破損を防止できる。さらに、加工の当初から、ドリルＴの曲がりを低減することで、形成される穴Ｈの直進性（加工精度）の向上が図られる。

【0042】

また、本実施形態では、スピンドル１２に印加される力Ｆｚ、モーメントＭｚを閾値Ｔｈ２、Ｔｈ３より小さくして、切りくずの詰まりに起因するドリルＴの破損を防止できる。

【0043】

（変形例）
以下、変形例に係るドリル加工装置１０を説明する。図５は、本発明の変形例に係るドリル加工装置１０を表す図である。変形例に係るドリル加工装置１０は、取付ステー２１を折り曲げて、部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃに区分し、部材２１ｂをスピンドル保持部１５とサーボシリンダ２２の間に垂直に配置している。この結果、スピンドル保持部１５とサーボシリンダ２２の間の距離が低減され、ドリル加工装置１０がコンパクト化されている。

【0044】

実施形態では、モーメントＭｚ、力Ｆｚが閾値Ｔｈ２、Ｔｈ３以上の場合、制御部３０は、サーボシリンダ２２を制御している。これに替えて、サーボシリンダ２２の動作を停止し、それ以上のスピンドル１２（ドリルＴ）の押し込みを防止してもよい。また、音声出力装置、表示装置を用いて、音声または光を発して、ドリル加工装置１０のオペレータに警告を発してもよい。

【0045】

実施形態では、リンク１８ｃを長さ調節可能としているが、折り曲げ可能としてもよい。この場合、リンク１８ｃ折り曲げの角度を調節することで、ステージ１８ｂに対するステージ１８ａの向きを調節できる。

【0046】

実施形態では、力覚センサ２３は、取付ステー２１とパラレルリンク機構１８の間に配置されているが、他の箇所に配置してもよい。力覚センサ２３は、ドリルＴから、スピンドル１２、スピンドル保持部１５、パラレルリンク機構１８を経由して、取付ステー２１に至る経路上、例えば、スピンドル保持部１５とパラレルリンク機構１８の間に配置できる。

【0047】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0048】

１０……ドリル加工装置、１２ スピンドル、１５……スピンドル保持部、１８……パラレルリンク機構、２２……サーボシリンダ、２３……力覚センサ、３０……制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】