JP2004181541A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ボールネジ駆動方式やリニアモータ駆動方式の両駆動方式のメリットを最大限に発揮できる送り装置を混合使用した工作機械を提供する。
【解決手段】第１水平方向に高速送りするアルミ複合鋳物材のガントリ５には、上下一対のリニアモータ駆動手段ＬＭを備え、上下方向に昇降移動されるサドル（ラムと主軸を備える）６には、ボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙを備え、ラム７と主軸８を第２水平方向に送り制御する駆動系にはボールネジ進退駆動手段ＢＳｚを備えた工作機械である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主軸先端に取付けた工具をＮＣ制御装置により三次元方向に直交移動させて被加工物を加工する工作機械の送り装置に係り、特に、各軸送り装置の方式を最適化させるとともに高剛性で軽量化したガントリを備えた工作機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、主軸先端の工具をＮＣ制御装置により三次元方向に直交移動させて被加工物を加工する工作機械の送り装置には、ボールネジとナット及びこのボールネジを回転駆動する送りモータとで構成されたボールネジ駆動方式が古くから採用されている。このボールネジ駆動方式において、主軸頭等をコラム内で上下方向に昇降させるべく垂直軸に１本の送りねじ軸だけで構成すると、この送りねじ軸の配置が左右非対称となる。これがために、コラムの熱分布の非対称性や送りねじ軸の熱膨張による荷重分布の非対称性が起きる。また、制御機構の３軸方向制御によっても補正困難な回転成分の変位を含むＸ軸方向およびＺ軸方向の倒れがコラムに生じ、あるいは、これらの熱変形を防止するためには機構的な制約が大きく、主軸頭の正確な位置および姿勢の制御が困難になる。このような問題の解消策として、主軸頭の上下移動用の送りねじ軸をコラム断面の図心軸に対し、ほぼ面対称位置に複数本配置（通常は２本）するとともに、主軸頭や駆動モータ等の熱源を図心位置に取付けることで、コラムの構造的や熱的対称性を確保し、コラムに倒れや曲がりなどの軸方向と異なる方向の熱変位が発生することを防止し，且つ軸方向の熱変位を３軸制御によって補正している。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平２−３８３３５号公報 （第１図と第７図〜第９図、明細書の第２ページの第４欄の第１１行目〜第１９行目に記載）
【０００４】
上記主軸頭の上下移動用の送りねじ軸をコラム断面の図心軸に対し、ほぼ面対称位置に複数本配置したものにおいて、主軸頭にクイル（ラム）を備えていると、水平方向となる主軸の軸心方向にクイル（ラム）を進退移動させると、主軸頭には前撓みや後撓みを生じさせる荷重と変形（静的変位）が起き、主軸頭を支持するコラムにも前後方向の撓み変位を起こさせて加工精度の低下原因になっている。この根本的な解決策は、クイル（ラム）が進退移動してもコラムやサドルの前後変位（静的変位）が生じないように、サドルの前後両側（４箇所）に、主ガイド機構と副ガイド機構と更に変位吸収機構のスライド機構を配置した昇降支持手段を備えたものがある。これにより、静的剛性と動的剛性とを高めている。（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献２】
特開２０００−２４８５３号公報 （図１、明細書の段落「００２４」〜「００３６」に記載）
【０００６】
そして、上記ボールネジ駆動方式の最大のメリットは、送り機構がボールネジとナットと送りモータとの動力伝達系からなるシンプル構成であり、且つ製造コストも安く、制御系も容易で、移動体の位置決め制御が比較的に正確に行えることにある。このため、工作機械の送り機構と言えば、ほとんどの工作機械がボールネジ方式を採用している。また、ボールネジ方式のメリットとして、移動体を垂直上下方向に位置決め移動する垂直送り系において、ボールネジとナット間の螺合関係にあって、移動体の自重によりナットに掛かる垂直下方の押下力ではボールネジを回転させ難いから、モータがサーボオフとなっても移動体を自然落下させないブレーキ機能の対策が施し易い利点がある。従って、特別に垂直移動体の重力バランサーを装備しなくても良く、工作機械全体のコストパーフォーマンスにも大きく貢献している。更に、コラムに支持されている主軸頭の上下送りねじ軸をコラム断面の図心軸に対し、ほぼ面対称位置に２本配置することで、コラムの熱変位を防止し、主軸頭の正確な位置および姿勢の制御ができる。
【０００７】
上記ボールネジ駆動方式には、デメリットも存在する。例えば、ボールネジとナット間が螺合接続され、ボールネジの両端部も軸受支持された接触構造であるために、接合部での摩耗が避けられない。この摩耗がバックラッシュ、ピッチ誤差の原因となり、使用頻度が多くなると移動体に送り誤差を生じさせて正確な位置決め制御が困難になる。その対策として、各軸独立したフィードバック制御を盛り込まなければならず、制御系の複雑化とコストアップ要因になっている。また、ボールネジは重量物で、その両端部を軸受で支持する構成となっている。特に、ボールネジを水平姿勢に配置すると、ボールネジの中腹部が自重で撓み変形し、この中間部にナットが螺合されるから、ナットに大きな撓み荷重が掛かって円滑な送りが実行できず、偏摩耗を早める。特に、主軸やラム、サドル等を搭載した移動体（ガントリ等）をＸ軸線の水平方向へ移動させる送りは、長いストロークを要求されるために、他の２軸線方向（上下・前後方向）に比べてボールネジの撓みが最も深刻な問題になる。更に、横形工作機械において、主軸頭にクイル（ラム）を備えたものでは、主軸頭に左右の熱変位や前撓み・後撓みを生じさせる。この荷重変位と撓み変形を防止するために、前後方向に長いコラムの前後端にサドルとの主ガイド機構と副ガイド機構とを設け、更にコラムの前後吸収機構及び２本の上下送りねじ軸とを装備しものでは、コラムの前後吸収機構のために、コラムに発生する前後方向への偏荷重や熱変位を許容してしまう。これがため、サドルやクイル（ラム）は、前後４本のレール部材による支持でありながらも、コラムの前後方向への変位により、静的剛性・動的剛性が得られない。
【０００８】
他方、最近では、加工時間の短縮化のために、例えば、移動体（ガントリ等）は、Ｘ軸線の水平方向への移動速度を、少なくとも３８１０ｃｍ／分の速度および１Ｇの加速度・減速度で前進動・後退動させなければならない要求がある。このような移動体（ガントリ）の高速移動は、上記ボールネジ方式では実施不可能であり、何らかの新方式に切換えなければならない事態になっている。
【０００９】
そこで、加工時間の短縮化のための１つの解決策として、各軸の送り速度をより一層高速化させるべく、永久磁石と励磁用巻線コイルを移動体（ガントリ等）の移動方向に１直線状に配置させ、この推進力により移動体を高速移動させるリニアモータ駆動方式が採用されている。（例えば、特許文献３参照。）。
【００１０】
【特許文献３】
特開平９−２６２７２７公報 （図１、明細書の第３ページに記載）
【００１１】
上記移動体（ガントリ等）を高速移動させるリニアモータ駆動方式は、各軸に一対のリニアモータを配置し、早送りバランスが良好に取れる構成としている。このリニアモータ駆動方式の最大のメリットは、移動体（ガントリ等）を、少なくとも３８１０ｃｍ／分の速度および１Ｇの加速度・減速度で前進動・後退動させられることにある。更に、駆動機構は、接触部を持たない「非接触の駆動系」となり、ボールネジのような摩擦・摩耗現象が無く、何時までも初期設定した条件での送り性能・精度が維持できることである。そして、長いストロークとなるＸ軸線の水平方向への移動に際しても、移動体（ガントリ等）は、円滑なハイスピード送りが実行できる。
【００１２】
しかし、上記リニアモータ駆動方式には、その反面のデメリットも存在する。例えば、移動体（ガントリ等）は、１Ｇ以上の加速度・減速度を受けるから、高剛性で軽量化が要求される。リニアモータは、線形方向（移動方向）の推力以外に、永久磁石と励磁用巻線コイルとの対向面に対して垂直な磁気垂直力を発生する。この磁気垂直力は、永久磁石と励磁用巻線コイルとの間に吸引力として作用する。この吸引力は定格推力の約１０倍と非常に大きい数値を示すから、移動体となるガントリやサドル及びラム、固定フレームや各軸のガイドレールとレール案内部材等に大きな歪み力として与える。これらのことは、必然的に各部の剛性強化を余儀なくされて工作機械の大型化が免れないし、大型化を図ると必要推力を大きくしなければならない。即ち、リニアモータ駆動部は、非接触のためその耐久性が向上するが、磁気垂直力のために各軸のガイドレールとレール案内部材の摩耗が激しくなり、この部材の寿命を縮める。これを防止させるべく、各部の剛性強化の対策を採ると、機械の大型化により益々磁気垂直力が増大すると言う悪循環を生じさせている。
【００１３】
また、リニアモータ駆動方式を、サドル等の移動体を垂直軸線方向（Ｙ軸方向）に昇降移動させるものに採用すると、リニアモータがサーボオフになった時、吸引磁気力が消滅して移動体が重力で自然落下し、不慮の事故の原因になる。そこで、リニアモータ駆動方式を垂直軸線方向（Ｙ軸方向）に採用する場合は、このサドル等の移動体に、重力バランスシリンダ等の均衡装置を設置させる必要が生じる。この重力バランスシリンダ等の均衡装置の設備費やメンテナンス費等が工作機械に上乗せされ、高価なリニアモータとともに均衡装置の追加で、工作機械全体の製造コストを非常に高いものにする問題がある。（例えば、特許文献３参照。）。
【００１４】
【特許文献３】
特開平９−２６２７２７公報 （図１、明細書の段落「００２６」に記載）
【００１５】
更に、上記リニアモータ駆動方式では、励磁用巻線コイルに大電流を流す関係から、励磁用巻線コイルや磁化される鉄心が発熱し、この発熱が移動体となるガントリやサドル及びラム、固定フレーム等を加熱して熱歪みを発生させる。この熱歪み抑制対策として、励磁用巻線コイルや磁化される鉄心の発熱を、冷却装置により強制冷却する実施が余儀なくされる。この冷却装置の装備で加工精度が維持されるものの、機械の設備費や運転コスト（ランニングコスト）を大幅に引上げる要因となる。これがために、工作機械の製造コストやランニングコストのみならず、この工作機械で製造された加工品の加工コストを引き上げてしまうと言う問題がある。この問題は、３軸をリニアモータ駆動方式とした工作機械において、非常に深刻で顕徴に現われる。
【００１６】
そこで、上記ボールネジ駆動方式および上記リニアモータ駆動方式が持つ、それぞれのメリットを生かした両駆動方式を混合使用した工作機械の開発が、上記問題の解決に結び付くのではないかと言う発想がある。その様な発想による工作機械の一例として、例えば、横型工作機械において、Ｘ軸線方向（水平方向）の移動体の移動とＹ軸線方向（垂直上下方向）の移動体との移動には、リニアモータ駆動方式を採用し、Ｚ軸線方向（主軸の軸芯方向）の送りにボールネジ駆動方式を採用したものが提供されている。（例えば、特許文献４参照。）。
【００１７】
【特許文献４】
特開２０００−２３７９２３公報 （図１〜図３、明細書の段落「０００９」〜「００１１」に記載）
【００１８】
しかし、上記両駆動方式を混合使用した工作機械は、Ｚ軸線方向の移動コラムと、この移動コラム内に配置したＹ軸移動体と、このＹ軸移動体内に配置したＸ軸移動体と、このＸ軸移動体の前端部に主軸を配置した構成をなしている。このため、Ｙ軸線方向（垂直上下方向）の移動体にはリニアモータ駆動方式を採用している関係から、一対のカウンタバランスの設置が必須になる。更に、全ての移動体を搭載したＺ軸線方向の移動コラムは、その質量が最大でありながら下部に設けただけのボールネジ駆動方式であるため、少なくとも３８１０ｃｍ／分の速度および１Ｇの加速度・減速度で高速移動させることが困難である。上記両駆動方式を混合使用した工作機械の機械構成では、工作機械に求められるトータルバランスとして好ましくない実施例と言える。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本願出願人は、上記ホールネジ駆動式工作機械やリニアモータ駆動式工作機械に見られる問題点、更に、両駆動方式を混合使用した工作機械における問題点から導き出される問題解決のための課題を、下記のように整理した。即ち、▲１▼リニアモータ駆動式工作機械の製造コストやランニングの低減を図ることが求められること。▲２▼そのために、移動体の高速移動をリニアモータだけに頼らず、ボールネジ駆動方式との混合使用における最適化された組合わせの追及が求められること。▲３▼鉄鋼材で造られていた各種移動体（ガントリやサドル・ラム）について、高速移動に耐えられるように、重量軽減化と剛性強化や振動に対する減衰性の向上、リニアモータからの伝熱を放熱冷却する為に熱伝導率の良い材質の選択が求められること。▲４▼主軸にクイル（ラム）を備えた横形工作機械において、ガントリ及びサドルの静的剛性と動的剛性の向上が、送り構成の簡素化と言う条件で求められる。
【００２０】
本発明は上記課題を解決せんとするもので、第１の目的は、両駆動方式のメリットを最大限に発揮できる条件のもとに送り装置を混合使用し、製造コストやランニングコストの低減を図った工作機械を提供することにある。また、本発明の第２の目的は、工作機械の特に、ガントリとサドル等の軽量化と剛性（静的・動的）と放熱性を高めた工作機械を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１及び第２目的を達成する請求項１の工作機械は、ベッドと、このベッド上面に垂直姿勢に固定されその中央部に矩形窓を開けた固定枠体と、矩形の開口窓を中央部に設けて上記ベッド上面を第１水平方向に移動するガントリと、上記ガントリの矩形の開口窓内で上下方向に案内されるサドルと、上記サドルにより第１水平方向と直交する第２水平方向に移動するよう案内されたラムと、上記ラムにより第２水平方向に延設された軸線の周りに回転するように支持され前端部に工具を着脱可能に装着する主軸と、上記主軸を回転させる主軸回転モータと、上記主軸の前方ベッド等の上にワークを搭載したワークテーブルとからなる工作機械において、上記ガントリはアルミ複合鋳物材により鋳物一体構造に形成され、このガントリは固定枠体の前面側に重複した関係で移動できるように配置され、更に、上記ガントリの下面とベッド上面との間に配置した下部ガイド手段と上記固定枠体の前面上部と上記ガントリの背面上部との間に配置した上部ガイド手段とで上記ガントリを第１水平方向に案内する第１ガイド手段を構成するとともに、下部ガイド手段の近傍にこれと平行に設けた下部リニアモータと上部ガイド手段の近傍にこれと平行に設けた上部リニアモータとで第１水平方向に駆動するリニアモータ駆動手段を構成し、上記ガントリの矩形の開口窓内で上下方向に案内されるサドルをアルミ複合鋳物材で構成し、このサドルの両外側とガントリの両内側にニ対の第２ガイド手段を構成し、上記ガントリの両側柱材の前面とサドルの左右両外側との間に２本のボールネジからなるボールネジ昇降駆動手段を構成し、上記サドル内のラムをアルミ複合鋳物材で構成するとともに、このラムには第２水平方向に案内する第３ガイド手段と、第２水平方向に前後駆動させるボールネジ進退駆動手段とを構成したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の第２の目的を達成する請求項２の工作機械は、上記請求項１記載の工作機械において、上記ガントリのアルミ複合鋳物材及びサドル及びラムのアルミ複合鋳物材は、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ）に２０％〜３５％の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を添加させた素材であることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第２の目的を達成する請求項３の工作機械は、上記請求項１記載の工作機械において、上記ガントリは、この両側柱材の断面形状を略正方形管とするとともに、第１ガイド手段を介して固定枠体にその背面上部を保持し、上記ガントリ内のサドルを上下方向に案内する第２ガイド手段は、上記ガントリの両側柱材の前面および後面に上下方向に向けて取付けた４本のレール部材と、この４本のレール部材を含めたガントリの重心位置にサドルの重心位置を一致させるとともに、第２水平方向に移動するラムを内装したサドルの左右側面４箇所に配置したレール案内部材とを係合せてなり、更に、上記サドルのボールネジ昇降駆動手段は、上記ガントリの両側柱材の前面における上下部に支持され且つサドルの左右両外側との間に２本のボールネジを垂直姿勢に配置し、この２本のボールネジに螺合するナットをサドルのナット受部に連結して昇降モータで昇降駆動する構成としたことを特徴とする。
【００２４】
【作用】
上記請求項１の工作機械は、ベッド上面の固定枠体の前面側に配置されたガントリは、アルミ複合鋳物材により鋳物一体構造に形成されており、この下面とベッド上面との間に下部ガイド手段と下部リニアモータが配置され、固定枠体の前面上部とガントリの背面上部との間に上部ガイド手段と上部リニアモータが配置されて第１水平方向に案内する第１ガイド手段とリニアモータ駆動手段を配備し、第１水平方向に駆動される。また、上記ガントリの矩形の開口窓内で上下方向に案内するサドルは、アルミ複合鋳物材で構成されており、この両外側にはガントリとの間に第２ガイド手段とボールネジ昇降駆動手段が配備され、これにより前後・左右の静的剛性と動的剛性が高められて、ヨーイング（変位・撓み）を起すことなく円滑に昇降駆動される。更に、上記サドル内に備えるラムは、アルミ複合鋳物材で構成されており、このラムには第２水平方向に案内する第３ガイド手段とラムを第２水平方向に駆動するボールネジ進退駆動手段を配備し、第２水平方向に前後駆動される。上記のように、各軸が異なる駆動方式の送り駆動装置により、ガントリやサドル・ラムが最適な送り機構の条件のもとに各軸方向に適切に送り制御される。
【００２５】
その具体的な作用とメリットは、第１水平方向に長いストロークで高速送りを要求される重量の大きなガントリは、アルミ複合鋳物材による鋳物一体構造であるから、軽量でありながら剛性が高く、熱伝導効率も良いら熱変位が抑えられる。それに加えて、上下一対のリニアモータ駆動手段により、バランスの取れた送り推力が得られて安定した早送りと位置決め制御ができる。
【００２６】
また、上記ガントリ内に備えるサドル（ラムと主軸を備える）は、アルミ複合鋳物材（軽量・高剛性）からなり、上下方向に昇降移動されるニ対の第２ガイド手段（４本のレール部材）と２本のボールネジ昇降駆動手段により昇降送りと位置決め制御が行われる。これにより、サドルの昇降時及びこの切り返えし動作時において、このサドルに前後・左右のヨーイング（変位・撓み）を起こさせない。そして、ワークの加工時にもアルミ複合鋳物材の高い動的剛性によりガントリとサドルの変位が見られず、高精度加工が行える。
【００２７】
また、ボールネジ昇降駆動手段のサーボモータがサーボオフされても、ボールネジ昇降駆動手段とこの簡単な拘束手段によりサドルの落下事故を防止できる。即ち、リニアモータ駆動手段を昇降送りに採用した時に必須であったバランスシリンダの均衡装置が省略できる。この均衡装置の省略効果と安価なボールネジ昇降駆動手段とにより、上下方向の送り系は構造の簡素化と低コスト化とを可能にする送り系の実現に貢献している。
【００２８】
更に、ラムにアルミ複合鋳物材を採用し、ラムと主軸を第２水平方向に送り制御する駆動系には、ボールネジ進退駆動手段を採用したことにより、この進退送りと位置決め制御が高い剛性と軽量化のもとに安定して行われる。
【００２９】
以上のように、上記請求項１の工作機械は、ボールネジ駆動方式が持つメリットである工作機械全体のトータルな製造コスト（イニシャルコスト）の大幅な削減及び稼動時のランニングコストの大幅な低減が図れる。そして、リニアモータ駆動方式が持つメリットである特定軸となる第１水平方向（Ｘ軸線方向）の高速送り制御と高精度な位置決め制御が実施できる。更には、両駆動方式を混合使用したことにより得られる複合的なメリットが発揮される。そして、ガントリやサドル・ラムにアルミ複合鋳物材を採用することで、これら部材の軽量・高剛性・熱変位の低減が図れる。
【００３０】
上記請求項２の工作機械は、請求項１において、ガントリのアルミ複合鋳物材及びサドル及びラムもアルミ複合鋳物材は、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ）に、２０％〜３５％の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を添加させた素材による鋳物一体構造としたから、鋳造時の湯流れが良くて高品質のアルミ複合鋳物が得られるとともに、高剛性で軽量（比重は鋳鉄の１／３）、熱伝導率の良好（鋳鉄の４倍）、振動減衰率の良好（鋳鉄より１５％高い）な効果が得られる。しかして、ガントリは、この軽量化と高剛性化および振動に対する減衰特性の改善が図られる。また、サドル及びラムの剛性アップは、工作機械全体の剛性アップにつながり、一層円滑なサドル・主軸の高速送りが可能となり加工精度の改善と加工効率が高められる。
【００３１】
上記請求項３の工作機械は、請求項１において、ガントリの両側柱材の前面および後面に上下方向に向けて４本のレール部材が取付けられ、この４本のレール部材に対して、サドルの左右側面４箇所に配置したレール案内部材となるベアリングブロツクを係合させて上下方向に摺動可能に支持されている。この支持状態は、４本のレール部材を含めたガントリの重心位置にサドルの重心位置が一致する関係になっている。この立体的な４点支持により、ガントリ上の４箇所でサドルの重心位置が四方から囲まれて支持されから、サドルの静的剛性と動的剛性が高められる。これでサドルは、前後・左右にヨーイング（撓み変位）することなく円滑に移動されるとともに、垂直姿勢に精密に保持される。
【００３２】
更に、サドル上のラムが主軸頭の軸心方向となる前後に移動して偏荷重がサドルの前側・後側に撓みモーメントとして作用しても、４本のレール部材に支持されたサドルは、このヨーイング（撓みモーメント）による変位を起こさせない。これにより、サドルは、４本のレール部材により前後・左右の剛性の取れたバランスが保証される。
【００３３】
更に、ガントリは、その上部がガイド手段を介して固定枠体に強固に保持されているから，ラムおよび主軸の進退位置による前後方向への撓みにも高剛性なもとにサドルを支持することができる。
【００３４】
また、ガントリは、この両側柱材の断面形状を略正方形管としたから、重量の一層の軽減効果と前後寸法幅を狭くできて工作機械の前後寸法をコンパクトにまとめられる。
そして、２本のボールネジは、ガントリの左右前面に配置されているから、このメンテナンス性や組立・分解の作業性にも優れている。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る工作機械の最良の実施形態を図面により説明する。図１は工作機械の外観を示す斜視図、図２は工作機械の右側面図、図３は工作機械の正面図、図４はガントリの斜視図、図５はサドルの斜視図、図６はラムの斜視図、図７はガントリおよサドルの平断面図である。
【００３６】
図１〜図７により、本発明に係る工作機械１００の実施形態を説明する。先ず、その概容は、ベッド１と、このベッド上面に垂直姿勢に固定され、その中央部に矩形窓３Ａを開けた固定枠体（鋼板の溶接構造体で高剛性を確保）３と、矩形の開口窓５Ａを中央部に設けて上記ベッド１上で第１水平方向（Ｘ軸線方向）に移動するガントリ５（アルミ複合鋳物材による一体構造体、詳細は後記）と、上記ガントリ５の矩形の開口窓５Ａ内で上下方向（Ｙ軸線方向）に案内されるサドル６（アルミ複合鋳物材による一体構造体、詳細は後記）と、上記サドル６により第１水平方向と直交する第２水平方向（Ｚ軸線方向）に移動するよう案内されたラム７（アルミ複合鋳物材による一体構造体、詳細は後記）と、上記ラム７により第２水平方向に延設された軸線（Ｚ軸線）の周りに回転するように支持され、主軸８の前端部８Ａに工具Ｔを着脱可能に装着する主軸装置８Ｂと、上記主軸８を回転させる主軸回転モータ（ビルトインモータ）Ｍ１と、上記主軸８の前方ベッド１Ａ等の上に搭載したワークテーブル（ターンテーブル）９とからなる。このワークテーブルには、ワークが搭載される。また、主軸８の前端部８Ａの上方空間には、装架枠体１０に支持された工具交換装置のマガジンドラムＭＤを配置しており、各種工具Ｔ１〜Ｔｎと交換動作される。
【００３７】
上記工作機械１００において、ガントリ５は固定枠体３の前面３Ｂ側に重複した関係で移動できるように配置されている。更に、上記ガントリ５の下面部５Ｂとベッド１との間に配置した下部ガイド手段Ｇ１と、上記固定枠体３の前面上部３Ｃと一体構造をなす上記ガントリ５の背面上部５Ｃ´との間に配置した上部ガイド手段Ｇ２とで、このガントリ５を第１水平方向に案内する第１ガイド手段Ｇｘを構成する。また、下部ガイド手段Ｇ１の近傍にこれと前後平行に設けた下部リニアモータＬＭ１と上部ガイド手段Ｇ２の近傍にこれと上下平行に設けた上部リニアモータＬＭ２とで第１水平方向にガントリを駆動するリニアモータ駆動手段ＬＭを構成している。尚、上記ガントリ５は、下部ガイド手段Ｇ１に支持された状態において、前後方向の重量バランスが確実に保証されるように、その形状が前後及び左右対称形になるように工夫されている。
【００３８】
続いて、上記ガイド手段Ｇｘの詳細構成を説明する。図１〜図３において、上記下部ガイド手段Ｇ１は、上記ベッド１の上面における前後方向に適宜間隔に離間して固定された２本のレール部材Ｌ１，Ｌ１と、このレール部材上を走行自在で上記ガントリ５の下面５Ｂの前後両端に取付けられた４つのレール案内部材のベアリングブロツクＢ１とで構成されている。また、上記上部ガイド手段Ｇ２は、上記固定枠体３の前面上部３Ｃに固定されたレール部材Ｌ２と、このレール部材Ｌ２上を走行自在で上記ガントリ５の背面上部５Ｃ´に取付けられた左右のレール案内部材となるベアリングブロツクＢ２とで構成されている。従って、図２に示すように、上記下部リニアモータＬＭ１に発生する下向きの吸引力Ｆｙの作用中心点（Ｏ１）は、ガントリ５の重心点（Ｏ２）或いはこのガントリ内で上下動するサドルの重心点（Ｏ２）を含む同一の垂直面内に位置し、高剛性のガントリ５に縦方向の歪みを起させない。また、上記上部リニアモータＬＭ２に発生する後向きの吸引力Ｆｚの作用中心点（Ｏ３）は、上記下部リニアモータＬＭ１の吸引力Ｆｙの作用中心点（Ｏ１）から距離Ｌだけ離れた後方の固定枠体３側に位置する。しかし、上記吸引力Ｆｚは、固定枠体３と上部ガイド手段Ｇ２とにより受け止められ、高剛性の構造体とした固定枠体３や高剛性の構造体としたガントリ５の上部を後方向に歪ませることが出来ない。この結果、上記ガントリ５（アルミ複合鋳物材の一体構造体）と三次元的に立体配置した第１ガイド手段Ｇｘ（Ｇ１とＧ２）は、リニアモータ駆動手段ＬＭの駆動により歪んだり捻られたりのガタツキが無く安定吸引され、円滑な第１水平方向への移動を実現させている。
【００３９】
即ち、上記ガントリ５には、下向きの吸引力Ｆｙと後向きに吸引力Ｆｚが働くものの、後向きに吸引力Ｆｚは固定枠体３によってその力のほとんど全てが吸収され、ガントリ５も高剛性体（詳細は後記）であることから、ガントリの上方を後方に歪ませない。また、下向きの吸引力Ｆｙはベッド上面が吸収してガントリを下方に歪ませない。然るに、２つの吸引力Ｆｙ，Ｆｚは、ガイド手段Ｇｘのガタツキを解消する力として作用するものの、ガントリを歪ませる後向きの吸引力Ｆｚが実質的に打消されているから、合成ベクトルの吸引力Ｆｏがガントリを斜め後方下向きに引張る作用力として発生せず、ガントリ５やガイド手段Ｇｘに吸引力Ｆｏを発生さない関係構造体となっている。尚、上記ガントリ５の高さ寸法ｈ１に対し、上部ガイド手段Ｇ２のレール部材Ｌ２の取付位置が僅かに高く抑えられていて、ガントリの全高寸法ｈ３を限りなくｈ１に接近させており、ガントリの剛性アップと機械の背丈を低くすることに貢献している。
【００４０】
更に、上記各レール部材Ｌ１，Ｌ２は、その両端部が固定枠体３の矩形窓３Ａを越えて両端部まで延設されている。勿論、矩形窓３Ａの両隅付近まで延設させた若干短い構成としても良い。これにより、ガントリ５は第１水平方向に安定した走行状態で高速移動されるとともに、ガントリ５が長いストロークの左右端部に位置するときも高い剛性が得られる関係を保証している。即ち、狭い間口寸法の工作機械であっても、第１水平方向に対するガントリの長いストロークが得られる。
【００４１】
上記リニアモータ駆動手段ＬＭは、上記リニアモータ駆動手段ＬＭのにおける永久磁石ＭＭは、固定側のベッド上面１および固定枠体３の前面上部３Ｃに取付けられている。また、励磁用巻線コイルＭＣは、移動体となるガントリ５の背面上部とガントリの下面部５Ｂとに取り付けられている。Ｓ，Ｓはガントリの左右エンド用のストッパーである。上記下部リニアモータＬＭ１と上部リニアモータＬＭ２における永久磁石ＭＭには、ここからの発熱を冷却する複数本の冷却管（図示なし）が取付けられている。この冷却管内に冷媒液を通過させ、励磁用巻線コイルＭＣへの通電による発熱を抑える。これにより、熱膨張を嫌う、ガントリやサドル、ベッド等の冷却効果が得られる。
【００４２】
上記ガントリ５の詳細構成と技術的事項を、図１と図４とにより説明する。まず、ガントリ５の形状は、下部ガイド手段Ｇ１および下部リニアモータＬＭ１を配置できる台型の下面部５Ｂと、この下面部５Ｂから直立された左右柱部（角パイプ状の両側部は、略正方形管を呈している）５Ｄ，５Ｅと、この頂部間を連結する上下に肉厚で高剛性が得られる上面部（クロスビーム）５Ｃを備えている。これにより、上記ガントリ５は、前後方向と左右方向の重量バランスと高剛性（静的剛性と動的剛性）が確実に保証される前後・左右対称形に工夫されている。そして、上面部の背面上部５Ｃ´は、上部ガイド手段Ｇ２と上部リニアモータＬＭ２とを配置できる面積と高剛性（静的・動的剛性）とを有している。勿論、図示のように、背面上部５Ｃ´に上部ガイド手段Ｇ２の取付座体（イ，ロ）を設けても良いし、この取付座体を省略して直接に背面上部５Ｃ´に上部ガイド手段Ｇ２を取付けても良い。上記ガントリ５の中央位置には、矩形の開口窓５Ａが開けられている。この内部にサドル６が配置される（詳細は後記する）。上記ガントリ５を構成するアルミ複合鋳物材は、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ）に、２０％〜３５％の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を添加させた素材の鋳物材である。上記炭化ケイ素（ＳｉＣ）の含有量は、２０％〜３５％が最適値であり、この数値より少ないと含有効果が薄れ、多すぎると鋳造時の湯流れを悪くして鋳物内に巣が出来てしまう。上記アルミ複合鋳物材の特徴は、鋳鉄と同じ高剛性でありながら軽量（比重は鋳鉄の１／３）であり、熱伝導率が良好（鋳鉄の４倍）であり、振動減衰率が良好（鋳鉄より１５％高い）である。これにより、機械振動の吸収効率が良く、リニアモータから受ける熱の放射性にも優れているから、慣性モーメントを小さくでき、熱変形も抑えられる。このため、ガントリの高速送りが可能となり、ワークの精密加工、高速加工を実現させている。
【００４３】
次に、上記ガントリ５の矩形の開口窓５Ａ内において、上下方向（Ｙ軸線方向）に案内されるサドル６の構成を説明する。上記サドル６は、図３と図５〜図７に示すように、ガントリ５の矩形の開口窓５Ａ内に僅かな隙間Ｃで収納できる横幅寸法Ａと、上下方向に大きく移動できる縦寸法Ｂとを略同一とした箱型断面形状を成している。サドル６の後方には、同型断面の筒体部６Ａが形成されている。また、サドル６の前端には、リブで剛性を高めた上下左右の四方に拡大したフランジ部６Ｂを形成している。このフランジ部６Ｂの左右位置には、ボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙのナットＮを支持するナット受部６Ｃ，６Ｄを付設している。また、フランジ部６Ｂの前面中央位置と筒体部６Ａ内の後端中央位置には、ラム７を第２水平方向に駆動するボールネジＢＳの両端をベアリングを介して支持する軸受部６Ｅ，６Ｆが付設されている。更に、サドル６内の軸受部６Ｅ，６Ｆを挟んだ左右両側の上面には、４つの取付座面６Ｇ，６Ｈが形成されている。この取付座面６Ｇ，６Ｈには、後記するラム７の下面両側に設けたレール部材Ｌ５，Ｌ６を第２水平方向に摺動支持する４つのレール案内部材となるベアリングブロツクＢ３が取付けられる。更に、フランジ部６Ｂの左右裏側で上下位置には、４つの取付座面６Ｉ，６Ｊが垂直方向に形成されている。また、筒体部６Ａの左右壁面には、２つの取付座面６Ｋ，６Ｌが垂直方向に形成されている。上記サドル６は、上記ガントリ５と同一材料からなるアルミ複合鋳物材により一体構造体の高剛性な構成としている。従って、機械振動の吸収効率が良く、モータ類から受ける熱の放射性にも優れているから、慣性モーメントが小さくなり熱変形も抑えられる。
【００４４】
続いて、上記サドル６の支持手段となる第２ガイド手段Ｈ２と、このボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙを、図１と図２と図４と図５と図７により説明する。先ず、簡単に要約すると、サドル６の支持構成は、上記ガントリ５の両側柱材の前面および後面に上下方向に向けて取付ける４本のレール部材Ｌ３，Ｌ４に係合さるために、サドル６の左右側面の４箇所には、フランジ部６Ｂ，６Ｂと取付座面６Ｋ，６Ｌとを備えている。そして、上記ガントリ５の両側柱材の前面および後面に取付けた４本のレール部材に対するサドルの取付けとなる上記第２ガイド手段Ｈ２の構成は、ガントリ５の重心位置にサドル６の重心位置を一致させるべく、上記サドル６のフランジ部６Ｂの裏側上下位置に配置した４つの取付座面６Ｉ，６Ｊにレール案内部材となるベアリングブロツクＢ４が取り付けられている。このベアリングブロツクＢ４がガントリ５の左右柱部（両側柱部となる略正方形管）５Ｄ，５Ｅの前面に垂直固定したレール部材Ｌ３，Ｌ３に摺動自在に嵌合支持させている。更に、上記サドル６の左右壁面の取付座面６Ｋ，６Ｌに取付けたレール案内部材となるベアリングブロツクＢ５をガントリ５の左右柱部（両側柱部）５Ｄ，５Ｅの裏面に垂直固定したレール部材Ｌ４，Ｌ４に摺動自在に嵌合支持させている。これで、上記サドル６は、第２ガイド手段Ｈ２により、前後４箇所での支持構成を成し、前後・左右への撓みを無くした高剛性（静的剛性）の安定姿勢で支持された状態で昇降動できる。勿論、サドルは、上記４箇所での支持構成により、高い静的剛性と動的剛性が保証れる。上記ガントリに対するサドルの支持構成により、サドルはラムおよび主軸の進退位置による前後方向への撓みにも高剛性のもとに支持される。また、ガントリは、この両側柱材の断面形状を略正方形管としているから、重量の一層の軽減効果と前後寸法幅を狭くできて、サドル及びラムの前後寸法も短く構成でき、工作機械の前後寸法をコンパクトにまとめている。
【００４５】
上記サドル６の左右両側には、対称形に一対のボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙが配置されている。一対のボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙは、ガントリ５の左右柱部（両側柱部）５Ｄ，５Ｅの前面上下位置に固着した上下軸受部５Ｍ，５Ｎと、この軸受部５Ｍ，５Ｎに両端をベアリングを介在さて承持されたボールネジＢＳと、このボールネジＢＳに螺合させたナットＮと、このナットＮを固定支持したナット受部６Ｃ，６Ｄと、上側の軸受部５Ｍに連設されたブラケットＢＲ，ＢＲに搭載しボールネジＢＳの上端と接続する昇降モータＭｙ，Ｍｙとから構成されている。
【００４６】
以上の構成からなる上記サドル６は、第２ガイド手段Ｈ２によりバランスが完全に保たれた状態で昇降可能に支持され、左右に配置したボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙに備える昇降モータＭｙ，Ｍｙにより上下方向に送り制御されるとともに所定位置に正確な位置決め制御が行われる。その昇降ストロークは、図２に示すように、ワークの加工最下位置（ｉ）から、工具交換すべき最上位置（ｉｉ）の間に設定されている。また、昇降モータＭｙ，Ｍｙがサーボオフによっても、サーボモータ及びボールネジとナットとのブレーキ機能（図示なし）が働き、サドル６を自然落下させる危険から回避できる。このため、リニアモータで構成する場合に絶対的に必要であった重量バランス装置が省略化できる。従って、この重量バランス装置の取付スペースを必要としないから、工作機械の小型・コンパクト化と製造コストダウンが積極的に図られている。
【００４７】
次に、上記サドル６内のラム７を第２水平方向に案内する第３ガイド手段Ｈ３と、ラム７を第２水平方向に駆動するボールネジ進退駆動手段ＢＳｚを、図１と図２と図５〜図７により説明する。先ず、ラム７の構成は、図６に示すように、前後方向に延設された本体部７Ｃと、主軸装置８Ｂを挿入する穴部７Ａと、主軸装置８Ｂを取付けるフランジ部７Ｂと、レール部材Ｌ５，Ｌ６を取付ける底板部７Ｄとからなる。このラム７は、上記ガントリ５と同一材料からなるアルミ複合鋳物材により一体構造体の高剛性な構成としている。従って、機械振動の吸収効率が良く、モータ類から受ける熱の放射性にも優れているから、慣性モーメントが小さくなり熱変形も抑えられる。
【００４８】
続いて、ラム７と第３ガイド手段Ｈ３との構成を説明する。この第３ガイド手段Ｈ３は、サドル６内の前後端に配置した軸受部６Ｅ，６Ｆを挟んだ左右両側の４つの取付座面６Ｇ，６Ｈに、レール案内部材となるベアリングブロツクＢ３が取付けられており、これに、ラム７の下面両側に設けたレール部材Ｌ５，Ｌ６を上方から嵌合支持させ、第２水平方向に摺動可能としている。上記ラム７の下面中央位置とサドル６の上面中央位置には、第２水平方向に向けたボールネジ進退駆動手段ＢＳｚが配置されている。このボールネジ進退駆動手段ＢＳｚの構成は、サドル６内の前後位置に付設されている軸受部６Ｅ，６ＦにボールネジＢＳの両端がベアリングを介在して支持されている。このボールネジＢＳに螺合するナットＮは、ラムの底板部７Ｄにおける前後中央位置に付設するナット受部７Ｅに取付けられている。上記ボールネジＢＳの後端は、進退モータＭｚの回転軸が接続されている。そして、この進退モータＭｚは、サドル６の後端部６Ｘに取付けられている。しかして、ラム７は、進退モータＭｚの回転駆動により、ザドル７内を第２水平方向に進退移動される。このラム７の進退移動位置に関係無く、高剛性のガントリ５及び高剛性のサドル６により、バランスは崩れない関係になっている。これで、ガントリ及びサドルの静的・動的剛性が保証れる構成になっている。
【００４９】
尚、上記ガントリ５とサドル６とは、図１〜図３に示すように、ラム７に取付けられた主軸８だけを露出した縦方向及び横方向に伸縮自在のカバー部材Ｋｏによって保護されている。このカバー部材Ｋｏは、装架枠体１０に支持されている。このカバー部材Ｋｏにより、切削加工により排出れる切粉の侵入を防止する。
【００５０】
本発明に係る送り装置を装備した工作機械１００は、上記のように構成されており、以下のように作用する。先ず、本発明の工作機械１００は、ベッド上面１の固定枠体３の前面側に配置されたガントリ５は、アルミ複合鋳物材により鋳物一体構造に形成されており、この下面５Ｂとベッド上面１との間に下部ガイド手段Ｇ１と下部リニアモータＬＭ１が配置され、固定枠体３の前面上部３Ｃとガントリ５の背面上部５Ｃ´との間に上部ガイド手段Ｇ２と上部リニアモータＬＭ２が配置されて第１水平方向に案内する第１ガイド手段ＧＸとリニアモータ駆動手段ＬＭを配備している。これにより、ガントリは第１水平方向に駆動される。また、上記ガントリ５の矩形の開口窓５Ａ内で上下方向に案内するサドル６は、アルミ複合鋳物材で構成されており、この両外側にはガントリとの間に第２ガイド手段Ｈ２とボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙが配備されている。このボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙにより前後・左右のヨーイング（変位・撓み）を起すことなく円滑に昇降駆動される。更に、上記サドル６内に備えるラム７は、アルミ複合鋳物材で構成されており、このラムには第２水平方向に案内する第３ガイド手段Ｈ３とラムを第２水平方向に駆動するボールネジ進退駆動手段ＢＳｚを配備し、第２水平方向に前後駆動される。かくして、上記のように、各軸が異なる駆動方式の送り駆動装置により、ガントリ５やサドル６やラム７が最適な送り機構の条件のもとに各軸方向に適切に送り制御される。
【００５１】
その具体的な作用とメリットは、第１水平方向に長いストロークで高速送りを要求される重量の大きなガントリ５は、アルミ複合鋳物材による鋳物一体構造であるから、軽量でありながら剛性が高く、熱伝導効率も良いら熱変位が抑えられる。それに加えて、上下一対のリニアモータ駆動手段ＬＭにより、バランスの取れた送り推力が得られて安定した早送りと位置決め制御ができる。
【００５２】
また、上記ガントリ５内において、上下方向に昇降移動されるアルミ複合鋳物材（軽量・高剛性）のサドル（ラムと主軸を備える）６は、ニ対の第２ガイド手段（４本のレール部材）Ｈ２と２本のボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙにより昇降送りと位置決め制御されるから、昇降時及びこの切り返えし動作時にサドル６に前後・左右のヨーイング（変位・撓み）を起さない。そして、ワークの加工時にもアルミ複合鋳物材の高い動的剛性によりガントリ５とサドル６の変位が見られず、高精度加工が行える。
【００５３】
また、ボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙのサーボモータがサーボオフされても、ボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙとこの簡単な拘束手段によりサドル６の落下事故を防止できる。即ち、リニアモータ駆動手段を昇降送りに採用した時に必須であったバランスシリンダの均衡装置が省略できる。この均衡装置の省略効果と安価なボールネジ昇降駆動手段ＢＳｙとにより、上下方向の送り系は構造の簡素化と低コスト化とを可能にする送り系の実現に貢献している。
【００５４】
更に、アルミ複合鋳物材のラム７と主軸８を第２水平方向に送り制御する駆動系にもボールネジ進退駆動手段ＢＳｚにより進退送りと位置決め制御されるから、この送り系の安定した進退送りと低コストが図れる。
【００５５】
以上のように、工作機械１は、ボールネジ駆動方式が持つメリットである工作機械全体のトータルな製造コスト（イニシャルコスト）の大幅な削減及び稼動時のランニングコストの大幅な低減が図れる。そして、リニアモータ駆動方式が持つメリットである特定軸となる第１水平方向（Ｘ軸線方向）の高速送り制御と高精度な位置決め制御が実施できる。更には、両駆動方式を混合使用したことにより得られる複合的なメリットが発揮される。そして、ガントリ５やサドル６，ラム７にアルミ複合鋳物材を採用することで、これら部材の軽量・高剛性・熱変位の低減が図られている。
【００５６】
そして、上記ガントリ５のアルミ複合鋳物材及びサドル６及びラム７のアルミ複合鋳物材は、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ）に、２０％〜３５％の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を添加させた素材による鋳物一体構造としたから、鋳造時の湯流れが良くて高品質のアルミ複合鋳物が得られるとともに、高剛性で軽量（比重は鋳鉄の１／３）、熱伝導率の良好（鋳鉄の４倍）、振動減衰率の良好（鋳鉄より１５％高い）な効果が得られる。しかして、ガントリ５は、この軽量化と高剛性化および振動に対する減衰特性の改善が図られる。また、サドル６及びラム７の剛性アップにより工作機械全体の剛性アップにつながり、一層円滑なサドル・主軸の高速送りが可能となり加工精度の改善と加工効率が高められる。
【００５７】
更に、上記工作機械１は、ガントリ５の両側柱材５Ｄ，５Ｅの前面および後面に上下方向に向けて４本のレール部材Ｌ３，Ｌ４が取付けられ、この４本のレール部材に対して、サドル６の左右側面４箇所に配置した取付座面６Ｌ，６Ｋ，６Ｊ，６Ｉに取付けたガイド受けとなるベアリングブロツクＢ４、Ｂ５を係合して上下方向に摺動可能に支持されている。この支持状態は、４本のレール部材Ｌ３，Ｌ４を含めたガントリ５の重心位置にサドル６の重心位置が一致する関係になっている。この立体的な４点支持により、ガントリ上の４箇所でサドルの重心位置が四方から囲まれて支持されから、サドルの静的剛性と動的剛性が高められる。これでサドルは、前後・左右にヨーイング（撓み変位）することなく円滑に移動されるとともに、垂直姿勢に精密に保持される。
【００５８】
更に、サドル６上のラム７が主軸頭の軸心方向となる前後に移動して偏荷重がサドル６の前側・後側に撓みモーメントとして作用しても、４本のレール部材Ｌ３，Ｌ４に支持されたサドル６は、このヨーイング（撓みモーメント）による変位を起こさせない。これにより、サドルは、４本のレール部材により前後・左右のバランスが保証される。
【００５９】
更に、ガントリ５は、その上部がガイド手段Ｇ２を介して固定枠体３に強固に保持されているから、ラム７および主軸８の進退位置による前後方向への撓みにも高剛性のもとにサドルを支持することができる。また、ガントリ５は、この両側柱材５Ｄ，５Ｅの断面形状を略正方形管としたから、重量の一層の軽減効果と前後寸法幅を狭くできて工作機械１の前後寸法をコンパクトにまとめられる。そして、２本のボールネジＢＳは、ガントリ５の左右前面に配置されているから、このメンテナンス性や組立・分解の作業性にも優れている。
【００６０】
また、上記工作機械１００において、ガントリ５は、上部ガイド手段Ｇ２及び下部ガイド手段Ｇ１がベアリングブロックＢ２，Ｂ１とこれに係合するレール部材Ｌ２，Ｌ１からなり、このレール部材の第１水平方向となる上部レール部材Ｌ２と下部レール部材Ｌ１の両端部は固定枠体３の矩形窓３Ａを越えて両端部まで延設され、且つその配置が前後方向にずれている。これにより、ガントリ５は捻れることなく高剛性のもとに第１水平方向に安定した走行状態で高速移動できる。また、ガントリ５は長いストロークの左右端部に位置するときも高い剛性が得られる。更に、狭い間口寸法の工作機械でもガントリの長いストロークが得られる。
【００６１】
また、上記工作機械１００のリニアモータＬＭ１，ＬＭ２において、定格推力の約１０倍も働く垂直な磁気垂直力（リニアモータの吸引力）Ｆｙ，Ｆｚは、下記のように処理される。まず、上部リニアモータＬＭ２の吸引力作用中心点Ｏ３が下部リニアモータＬＭ１の吸引力作用中心点Ｏ１よりも後方の固定枠体側に位置され、且つ上部リニアモータＬＭ２の吸引力Ｆｚはガントリ５に歪み応力を与えることなく固定枠体３の前面上部３Ｃで吸収される。これにより、上部リニアモータＬＭ２の吸引力Ｆｚはガントリ５に歪み応力を与えない。しかも、下部リニアモータＬＭ１の吸引力Ｆｙだけがガントリ５の垂直下向きに働き、ガントリ５を安定した姿勢で支持する。しかして、ガントリ５は、この高速送り時や高負荷切削時の捻れ撓み変形が抑られるとともに、蛇行することなく円滑な移動が保証される。
【００６２】
また、上記工作機械１００は、下部リニアモータＬＭ１について、ガントリ５の下面５Ｂをベッド１に対して下方向の吸引力Ｆｙを作用させ、上部リニアモータＬＭ２について、鋳物一体構造をなすガントリの背面上部５Ｃ´を固定枠体３の上部に向けた後方向に吸引力Ｆｚを作用させる配置になっている。これにより、上部リニアモータＬＭ２の吸引力Ｆｚはガントリ５に歪み応力を与えることなく固定枠体３の前面上部３Ｃで吸収され、上部リニアモータＬＭ２の吸引力Ｆｚはガントリに歪み応力を与えない。そして、下部リニアモータＬＭ１の吸引力Ｆｙだけがガントリ５の垂直下向きに働き、ガントリを安定した姿勢で支持する。これにより、ガントリ５の高速送りや切削加工時に発生するあらゆる方向の外力に対して、安定した保持力で対応できる。
【００６３】
更に、上記工作機械１００は、上部レール手段Ｌ２を固定枠体３の上部間に連結した上面部（クロスビーム）の前端面３Ｃと、第２水平方向における鋳物一体構造をなすガントリ５の背面上部５Ｃ´との間に配置させたから、上下のレール手段Ｌ２，Ｌ１は前後の立体的な配置となり、ガントリ５に加わる捻れ荷重に対して大きな剛性抵抗が得られる。これで、ガントリ５は、安定した垂直姿勢が維持されて、この高速送り時や高負荷切削時の捻れ撓み変形が抑られ、第１水平方向への移動に際して、蛇行することなく円滑な移動が得られる。
【００６４】
更に、上記工作機械１００は、下部リニアモータＬＭ１が上部レール手段Ｌ２の前方における下方位置にあってガントリ５の下面５Ｂとベッド１の上面との間に配置され、更に下部レール手段Ｌ１が下部リニアモータＬＭ１を間に置いた状態でベッド１上に固定され、第２水平方向において前後に離間した一対のガイドレールＬ１，Ｌ１を含んでいるものである。これにより、ガントリ５は、安定した垂直姿勢が維持されて、この高速送り時や高負荷切削時の捻れ撓み変形が抑られる。また、第１水平方向への移動に際して、蛇行することなく円滑な移動が得られる。
【００６５】
そして、上記工作機械１００は、ガントリ５がアルミ複合鋳物材による鋳物の一体構造体により高剛性で軽量（比重は鋳鉄の１／３）、熱伝導率の良好（鋳鉄の４倍）、振動減衰率の良好（鋳鉄より１５％高い）な構成である。これにより、ガントリ５は、この軽量化と高剛性化および振動に対する減衰特性の改善が図られ、工作機械の全体の剛性アップによる加工精度の改善により一層円滑な高速送りが可能となり加工効率が高められる。更に、下部ガイド手段Ｇ１がベッド１の上面に固定されたレール部材Ｌ１と、このレール部材上を走行自在でガントリの下面両端に取付けられた少なくとも２つのベアリングブロツクＢ１により構成されているから、ガントリ５は、この高速送り時や高負荷切削時の捻れ撓み変形が抑られ、第１水平方向への移動に際して、蛇行することなく円滑な移動が得られる。
【００６６】
そして、上記工作機械１００は、ガントリ５がアルミ複合鋳物材による鋳物の一体構造体により高剛性で軽量（比重は鋳鉄の１／３）、熱伝導率の良好（鋳鉄の４倍）、振動減衰率の良好（鋳鉄より１５％高い）な構成であるから、ガントリはこの軽量化と高剛性化および振動に対する減衰特性の改善が図られ、工作機械の全体の剛性アップによる加工精度の改善により一層円滑な高速送りが可能となり加工効率が高められる。更に、上部ガイド手段Ｇ２が固定枠体３の前面上部３Ｃに固定されたレール部材Ｌ２と、このレール部材上を走行自在でガントリ５の背面上部５Ｃ´に取付けられたベアリングブロツクＢ２により構成されているから、ガントリ５は、この高速送り時や高負荷切削時の捻れ撓み変形が抑られ、第１水平方向移動に際して、蛇行することなく円滑な移動が得られる。
【００６７】
以上、説明したように、上記実施形態による工作機械１００は、第１の目的である両駆動方式のメリットを最大限に発揮できる条件のもとに送り装置を混合使用して、工作機械全体のトータルな製造コスト（イニシャルコスト）の大幅な削減及び稼動時のランニングコストの大幅な低減を図った工作機械を提供する。更に、第２の目的である工作機械の特にガントリとサドルの軽量化と剛性（静的・動的剛性）と放熱性を高めた工作機械を提供すること。を何れも達成させている。
【００６８】
尚、本発明は上記実施形態に限定されることなく、発明の要旨内での機械構成上の細部についての設計変更が可能である。例えば、ガントリだけにアルミ複合鋳物材を使用した実施形態としても、本発明の最少限の作用・効果は期待できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項１によると、第１水平方向に長いストロークで高速送りを要求される重量の大きなガントリは、上下一対のリニアモータ駆動手段により、バランスの取れた送り推力が得られて安定した早送りと位置決め制御ができる。また、上下方向に昇降移動されるサドル（ラムと主軸を備える）は、ニ対の第２ガイド手段と２本のボールネジ昇降駆動手段により昇降送りと位置決め制御されるから、昇降時及びこの切り返し動作時にサドルにヨーイング（変位・撓み）を起さない。また、サーボモータがサーボオフされてもサドルの落下事故を防止できる。即ち、リニアモータ駆動手段を昇降送りに採用した時に必須であったバランスシリンダの均衡装置が省略できる。この均衡装置の省略効果と安価なボールネジ昇降駆動手段とにより、上下方向の送り系は構造のシンプル化で製造コスト（イニシャルコスト）とランニングコストの低減ができる。更に、ラムと主軸を第２水平方向に送り制御する駆動系にもボールネジ進退駆動手段により進退送りと位置決め制御されるから、この送り系の製造コスト（イニシャルコスト）とランニングコストの低減ができる。
【００７０】
更に、ボールネジ駆動方式が持つメリットである工作機械全体のトータルな製造コスト（イニシャルコスト）の大幅な削減及び稼動時のランニングコストの大幅な低減を図った工作機械が提供できる。そして、リニアモータ駆動方式が持つメリットである特定軸となる第１水平方向（Ｘ軸線方向）の高速送り制御と高精度な位置決め制御が実施できる。更には、両駆動方式を混合使用したことにより得られる複合的なメリットが発揮できる。
【００７１】
また、請求項２によると、ガントリのアルミ複合鋳物材及びサドル及びラムもアルミ複合鋳物材は、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ）に、２０％〜３５％の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を添加させた素材による鋳物一体構造としたから、鋳造時の湯流れが良くて高品質のアルミ複合鋳物が得られるとともに、高剛性で軽量（比重は鋳鉄の１／３）、熱伝導率の良好（鋳鉄の４倍）、振動減衰率の良好（鋳鉄より１５％高い）な効果が得られる。しかして、ガントリは、この軽量化と高剛性化および振動に対する減衰特性の改善ができる。更には、サドル及びラムの剛性アップにより工作機械全体の剛性アップにもつながって、一層円滑なサドル・主軸の高速送りが可能となり、加工精度の改善と加工効率を高める効果が発揮できる。
【００７２】
更に、請求項３によると、ガントリの両側柱材の前面および後面に上下方向に向けて設けた４本のレール部材に対して、サドルの左右側面４箇所に配置したガイド受を係合して上下方向に摺動可能に支持し、４本のレール部材を含めたガントリの重心位置にサドルの重心位置が一致する関係としたから、ガントリ上の立体的な４点支持でサドルの重心位置が四方から囲まれて支持され、サドルの静的剛性と動的剛性を高めることができる。これでサドルは、前後・左右にヨーイング（撓み変位）することなく円滑に移動されるとともに、垂直姿勢に精密に保持できる。
【００７３】
また、サドル上のラムが主軸頭の軸心方向となる前後に移動して偏荷重がサドルの前側・後側に撓みモーメントとして作用しても、４本のレール部材に支持されたサドルは、このヨーイング（撓みモーメント）による変位を起こさせず、サドルは４本のレール部材により前後・左右のバランスが保証される。
【００７４】
そして、ガントリは、この両側柱材の断面形状を略正方形管としたから、重量の一層の軽減効果と前後寸法幅を狭くして工作機械の前後寸法をコンパクトにまとめることができる。更に、２本のボールネジは、ガントリの左右前面に配置されているから、このメンテナンス性や組立・分解の作業性にも優れた工作機械とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態となる工作機械の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態となる工作機械の右側面図である。
【図３】本発明の実施形態となる工作機械の正面図である。
【図４】本発明の実施形態となるガントリの斜視図である。
【図５】本発明の実施形態となるサドルの斜視図である。
【図６】本発明の実施形態となるラムの斜視図である。
【図７】本発明の実施形態となるガントリおよサドルの平断面図である。
【符号の説明】
１ ベッド
３ 固定枠体
３Ａ 矩形窓
３Ｃ 前面上部
５ ガントリ
５Ａ 開口窓
５Ｂ 下面部
５Ｃ´ 背面上部
６ サドル
６Ｃ，６Ｄナット受部
７ ラム
８ 主軸
８Ａ 前端部
８Ｂ 主軸装置
９ ワークテーブル（ターンテーブル）
１０ 装架枠体
Ｂ１〜Ｂ５ベアリングブロック
ＢＳｙ ボールネジ昇降駆動手段
ＢＳｚ ボールネジ進退駆動手段
Ｆｙ 吸引力
Ｆｚ 吸引力
Ｇｘ 第１ガイド手段
Ｇ１ 下部ガイド手段
Ｇ２ 上部ガイド手段
Ｈ２ 第２ガイド手段
Ｈ３ 第３ガイド手段
Ｌ１〜Ｌ６レール部材
ＬＭ リニアモータ駆動手段
ＬＭ１ 下部リニアモータ
ＬＭ２ 上部リニアモータ
ＭＭ 励磁用巻線コイル
ＭＣ 永久磁石
Ｍ１ 主軸回転モータ（ビルトインモータ）
ＭＤ マガジンドラム
Ｔ１〜Ｔｎ各種工具
１００ 工作機械

Claims (3)

1. ベッドと、このベッド上面に垂直姿勢に固定されその中央部に矩形窓を開けた固定枠体と、矩形の開口窓を中央部に設けて上記ベッド上面を第１水平方向に移動するガントリと、上記ガントリの矩形の開口窓内で上下方向に案内されるサドルと、上記サドルにより第１水平方向と直交する第２水平方向に移動するよう案内されたラムと、上記ラムにより第２水平方向に延設された軸線の周りに回転するように支持され前端部に工具を着脱可能に装着する主軸と、上記主軸を回転させる主軸回転モータと、上記主軸の前方ベッド等の上にワークを搭載したワークテーブルとからなる工作機械において、上記ガントリはアルミ複合鋳物材により鋳物一体構造に形成され、このガントリは固定枠体の前面側に重複した関係で移動できるように配置され、更に、上記ガントリの下面とベッド上面との間に配置した下部ガイド手段と上記固定枠体の前面上部と上記ガントリの背面上部との間に配置した上部ガイド手段とで上記ガントリを第１水平方向に案内する第１ガイド手段を構成するとともに、下部ガイド手段の近傍にこれと平行に設けた下部リニアモータと上部ガイド手段の近傍にこれと平行に設けた上部リニアモータとで第１水平方向に駆動するリニアモータ駆動手段を構成し、上記ガントリの矩形の開口窓内で上下方向に案内されるサドルをアルミ複合鋳物材で構成し、このサドルの両外側とガントリの両内側にニ対の第２ガイド手段を構成し、上記ガントリの両側柱材の前面とサドルの左右両外側との間に２本のボールネジからなるボールネジ昇降駆動手段を構成し、上記サドル内のラムをアルミ複合鋳物材で構成するとともに、このラムには第２水平方向に案内する第３ガイド手段と、第２水平方向に前後駆動させるボールネジ進退駆動手段とを構成したことを特徴とする工作機械。
2. 上記ガントリのアルミ複合鋳物材及びサドル及びラムのアルミ複合鋳物材は、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ）に２０％〜３５％の炭化ケイ素（ＳｉＣ）を添加させた素材であることを特徴とする請求項１記載の工作機械。
3. 上記ガントリは、この両側柱材の断面形状を略正方形管とするとともに、第１ガイド手段を介して固定枠体にその背面上部を保持し、上記ガントリ内のサドルを上下方向に案内する第２ガイド手段は、上記ガントリの両側柱材の前面および後面に上下方向に向けて取付けた４本のレール部材と、この４本のレール部材を含めたガントリの重心位置にサドルの重心位置を一致させるとともに、第２水平方向に移動するラムを内装したサドルの左右側面４箇所に配置したレール案内部材とを係合せてなり、更に、上記サドルのボールネジ昇降駆動手段は、上記ガントリの両側柱材の前面における上下部に支持され且つサドルの左右両外側との間に２本のボールネジを垂直姿勢に配置し、この２本のボールネジに螺合するナットをサドルのナット受部に連結して昇降モータで昇降駆動する構成としたことを特徴とする請求項１記載の工作機械。

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