JP2005246554A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 ワークテーブル及びワークの往復移動に伴って発生するワークテーブルの走行面の変位、及びコラムの傾きを適正に矯正することができて、ワークの加工精度を向上させることができる工作機械を提供する。
【解決手段】 ベッド１１と、そのベッド１１の上面に敷設されたレール１３に沿って往復動可能なワークテーブル１２と、工具２０を支持するコラム１４とを備える。ワークテーブル１２の走行面の変位を検出するための走行面変位検出装置２１、及びコラム１４の傾きを検出するためのコラム傾き検出装置２６を設ける。ベッド１１とその設置面Ｓとの間には、走行面変位検出装置２１及びコラム傾き検出装置２６の検出結果に基づいて、走行面の変位及びコラム１４の傾きを矯正するための矯正支持装置３０を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、平面研削盤等の工作機械に係り、特に精密加工機における各種の機械部品を加工するためのマザーマシン等の精密工作機械に関するものである。

例えば、平面研削盤等の工作機械においては、ベッドの上面にワークを支持するためのワークテーブルが往復移動可能に配設されている。ベッド上にはコラムが立設され、そのコラムには加工ヘッドがワークテーブルの移動方向と直交する２方向へ移動可能に配設されている。加工ヘッドには工具としての回転砥石が支持されている。そして、この回転砥石がワークの上面に接触されながら回転されるとともに、ワークテーブルが往復移動されることにより、ワークの加工面が研削されるようになっている。

ところが、この種の平面研削盤等の工作機械において、ワークテーブルやワーク等が大重量であると、ワークの加工に際してそれらの重量物が往復移動されるとき、ベッドの撓み量及びコラムの傾き量が変動し、ワークの加工精度が低下して加工誤差が大きくなるという問題があった。

特に、マザーマシンとして使用される精密工作機械においては、ベッドの走行面が長くなるとともに、ワークテーブル及びワークの重量が大きくなるため、これらの問題点が顕著に現れた。よって、ワークの高い加工精度が要求されるこの種のマザーマシンとして使用される精密工作機械では、ワークを研削加工した後、その加工面をきさげ作業等により修正加工するという面倒な作業を行う必要があった。

このような問題点に対処するために、例えばベッドの高さを大きく確保して、要するに厚みを確保して、ワークテーブル及びワークの往復移動時における撓み量の変動を抑制することも考えられる。しかしながら、このように構成した場合、例えばマザーマシンにおいて、精密加工機の長さ１〜２ｍのベッドの案内面を加工する際に、サブμｍオーダの加工精度を得るためには、マザーマシンのベッドの高さを３ｍ以上に設定する必要があって、その実現が困難であった。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、ワークテーブル及びワークの往復移動に伴って発生するワークテーブルの走行面の変位を適正に矯正することができて、ワークの加工精度を向上させることができる工作機械を提供することにある。

また、この発明のその他の目的は、ワークテーブル及びワークの往復移動に伴って発生するコラムの傾きを適正に矯正することができて、ワークの加工精度を向上させることができる工作機械を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ベッドと、そのベッドの上面に敷設されたレールに沿って往復動可能なワークテーブルとを備えた工作機械において、前記ワークテーブルの走行面の変位を検出するための走行面変位検出手段と、その走行面変位検出手段の検出結果に基づいて走行面の変位を矯正するための走行面矯正手段を設けたことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、ベッドと、そのベッドの上面に設けられたワークテーブルと、工具を支持するコラムとを備えた工作機械において、前記コラムの傾きを検出するためのコラム傾き検出手段と、そのコラム傾き検出手段の検出結果に基づいてコラムの傾きを矯正するためのコラム矯正手段を設けたことを特徴とするものである。

（作用）
請求項１に記載の発明においては、ワークの加工時に、ワークテーブル及びワークの往復移動に伴って発生するワークテーブルの走行面の変位が、走行面変位検出手段により検出される。そして、この検出結果に基づいて、走行面矯正手段により走行面の変位が矯正される。よって、ワークテーブルの走行面の変位を適正に矯正することができて、ワークの加工精度を向上させることができ、加工誤差を低減することができる。

請求項２に記載の発明においては、ワークの加工時に、ワークテーブル及びワークの往復移動に伴って発生するコラムの傾きが、コラム傾き検出手段により検出される。そして、この検出結果に基づいて、コラム矯正手段によりコラムの傾きが矯正される。よって、コラムの傾きを適正に矯正することができて、ワークの加工精度を向上させることができ、加工誤差を低減することができる。

以上のように、この発明によれば、ワークテーブル及びワークの往復移動に伴って発生するワークテーブルの走行面の変位、及びワークの傾きを適正に矯正することができて、ワークの加工精度を向上させることができる。

（第１実施形態）
以下に、この発明の第１実施形態を、図１〜図８に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、この実施形態の平面研削盤においては、ベッド１１の上面にワークテーブル１２が一対のレール１３を介してＸ方向へ往復移動可能に配設され、そのワークテーブル１２上にワークＷが支持されるようになっている。ベッド１１上のワークテーブル１２の走行面を跨ぐように、ベッド１１の両側上部には門型のコラム１４が立設固定されている。

前記コラム１４にはクロスバー１５が架設され、そのクロスバー１５の側面には支持板１６が一対のレール１７を介してＹ方向へ移動可能に支持されている。支持板１６の側面には加工ヘッド１８が一対のレール１９を介してＺ方向へ移動可能に支持され、その加工ヘッド１８には工具としての回転砥石２０が装着されている。そして、この回転砥石２０がワークＷの上面に接触されながら回転されるとともに、ワークテーブル１２が往復移動されることにより、ワークＷの加工面が研削加工されるようになっている。

図１〜図３に示すように、前記ベッド１１には、ワークテーブル１２の走行面の変位を検出するための走行面変位検出手段としての走行面変位検出装置２１が設けられている。この走行面変位検出装置２１は、ベッド１１の両側面に同一高さ位置で所定間隔おきに配設された複数のビームスプリッタ２２と、それらのビームスプリッタ２２に対応するように、ベッド１１の側部近傍の支持台２３上に配設された一対の投光器２４と、各ビームスプリッタ２２に対応して配設された複数の検出器２５とを備えている。

前記各ビームスプリッタ２２は一対のプリズム２２ａ，２２ｂから構成され、投光器２４から照射されるレーザ光ＬＢ１の一部を検出器２５側に分光させるようになっている。そして、図３に示すように、ワークＷの研削加工に際して、ワークテーブル１２及びワークＷの往復移動に伴いベッド１１の撓み量が変動して、ワークテーブル１２の走行面が垂直方向に変位したとき、その変位がビームスプリッタ２２の位置変化による検出器２５へのレーザ光ＬＢ１の分光位置の変化として検出されるようになっている。

図１、図２及び図４に示すように、前記コラム１４には、その傾きを検出するためのコラム傾き検出手段としてのコラム傾き検出装置２６が設けられている。このコラム傾き検出装置２６は、コラム１４の基部両側面に配設された一対のビームスプリッタ２７と、それらのビームスプリッタ２７に対応するように、前記支持台２３上に配設された一対の投光器２８と、各ビームスプリッタ２７に対応して配設された一対の検出器２９とを備えている。

前記各ビームスプリッタ２７は一対のプリズム２７ａ，２７ｂから構成され、投光器２８から照射されるレーザ光ＬＢ２の一部を検出器２９側に分光させるようになっている。そして、図４に示すように、ワークＷの研削加工に際して、ワークテーブル１２及びワークＷの往復移動に伴いコラム１４に傾きが生じたとき、その傾きがビームスプリッタ２７の傾動変化による検出器２９へのレーザ光ＬＢ２の分光位置の変化として検出されるようになっている。

図１及び図２に示すように、前記ベッド１１の下面とその設置面Ｓとの間には、走行面矯正手段及びコラム矯正手段を構成する矯正支持装置３０が設けられている。この矯正支持装置３０は、ベッド１１の下面両側と設置面Ｓとの間に所定間隔おきで介装された高さ調整可能な複数の矯正用油圧シリンダ３１から構成されている。そして、これらの油圧シリンダ３１が各別に作動されることにより、ベッド１１が複数箇所において高さ調整されて、ワークテーブル１２の走行面の変位及びコラム１４の傾きが矯正されるようになっている。

次に、前記のように構成された平面研削盤の回路構成について説明する。
図５に示すように、制御手段としての制御装置３４にはメモリ３５が接続され、このメモリ３５には加工運転や変位矯正の制御に必要な各種データ等が記憶されている。制御装置３４には、前記走行面変位検出装置２１の各検出器２５からの検出データ、コラム傾き検出装置２６の各検出器２９からの検出データ、及び操作パネル３６からの入力データが入力される。制御装置３４からは、ワークテーブル１２をＸ方向に移動させるためのＸ方向移動用モータ３７、支持板１６をＹ方向に移動させるためのＹ方向移動用モータ３８、加工ヘッド１８をＺ方向に移動させるためのＺ方向移動用モータ３９、及び回転砥石２０を回転させるための砥石回転用モータ４０に駆動停止信号が出力される。

また、前記制御装置３４は、ワークＷの研削加工に際して、走行面変位検出装置２１の各検出器２５及びコラム傾き検出装置２６の各検出器２９から検出データを入力したとき、それらの検出結果に応じて矯正支持装置３０の各矯正用油圧シリンダ３１を作動制御する。これにより、ワークテーブル１２及びワークＷの往復移動に伴うベッド１１の撓み量及びコラム１４の傾きの変動に応じて、ワークテーブル１２の走行面の変位及びコラム１４の傾きを随時矯正するようになっている。

次に、前記のように構成された平面研削盤の動作を説明する。
さて、この平面研削盤の加工運転時には、Ｙ方向移動用モータ３８及びＺ方向移動用モータ３９により、加工ヘッド１８がＹ方向及びＺ方向に移動されて、回転砥石２０がワークＷの加工面上の所定位置に接触される。この状態で、砥石回転用モータ４０により回転砥石２０が回転されるとともに、Ｘ方向移動用モータ３７によりワークテーブル１２及びワークＷがＸ方向に往復移動されて、ワークＷの加工面が研削加工される。

このワークＷの研削加工時には、大重量のワークテーブル１２及びワークＷの往復移動に伴いベッド１１に撓みが生じて、ワークテーブル１２の走行面が垂直方向に変位するとともに、コラム１４に傾きが発生する。そして、この走行面の変位及びコラム１４の傾きが、ベッド１１上におけるワークテーブル１２及びワークＷのＸ方向への位置変化に応じて変動する。

そこで、この平面研削盤においては、ワークＷの研削加工中に、走行面変位検出装置２１によりワークテーブル１２の走行面の変位が検出されて、その走行面変位検出装置２１の各検出器２５から制御装置３４に検出データが出力される。また、コラム傾き検出装置２６によりコラム１４の傾きが検出されて、そのコラム傾き検出装置２６の各検出器２９から制御装置３４に検出データが出力される。

そして、制御装置３４の制御により、各検出器２５，２９からの検出結果に基づいて、矯正支持装置３０の各矯正用油圧シリンダ３１が作動される。すなわち、走行面の変位やコラム１４の傾きが大きい箇所ほど、矯正用油圧シリンダ３１が大きく作動されて、ベッド１１の支持高さが変更される。この場合、例えばベッド１１の長さ方向の端部等においては、矯正用油圧シリンダ３１が引き込み作動されることもある。これにより、ワークテーブル１２の走行面の変位及びコラム１４の傾きが適正に矯正される。よって、ワークＷを大きな加工誤差が生じることなく高精度に研削加工することができる。

ちなみに、前記実施形態の構成及び従来構成の平面研削盤について、有限要素法を用いてベッド１１の撓み等をシミュレーションし、加工精度等を求めたところ、次のような結果が得られた。

すなわち、設定条件として、ベッド１１、ワークテーブル１２及びワークＷの材質は鋳鉄とする。ベッド１１の寸法（長さ、高さ、幅）は５０００ｍｍ×１０００ｍｍ×１５００ｍｍ、ワークテーブル１２の寸法（長さ、高さ、幅）は２５００ｍｍ×３００ｍｍ×１５００ｍｍ、ワークＷの寸法（長さ、高さ、幅）は２０００ｍｍ×１０００ｍｍ×１５００ｍｍとする。ベッド１１に対するコラム１４の接続部の寸法（長さ、高さ、幅：前記ベッド１１と同方向寸法）は７００ｍｍ×１０００ｍｍ×４００ｍｍとする。ワークテーブル１２はベッド１１上のレール１３に対して、ヤング率０．４７８ＧＰａの静圧案内構成にて支持する。また、ベッド１１は下面両側において長手方向の９か所で、設置面Ｓ上に高さ調整不能な支持脚または高さ調整可能な油圧シリンダ３１を介して支持する。

この設定条件の下で、ワークテーブル１２及びワークＷを２５０ｍｍずつ２０００ｍｍ移動させた場合において、ワークテーブル１２の走行面の垂直変位及び傾きを求めたところ、図６に示すようなシミュレーション結果が得られた。従来構成においては、走行面の垂直変位が−１４．３μｍ〜−１３．６μｍ、傾きが−０．３３ｓｅｃ〜−０．０５ｓｅｃであったものが、実施形態の構成では、垂直変位が−３．０μｍ、傾きが−０．０４ｓｅｃ〜−０．０１ｓｅｃとなった。この結果から、ベッド１１の高さの撓みを矯正することで、ワークＷの送り精度を改善できることが分かった。

また、同様にワークテーブル１２及びワークＷを２５０ｍｍずつ２０００ｍｍ移動させた場合において、コラム１４の接合部中心の垂直変位及びコラム１４の垂直中心線の傾きを求めたところ、図７に示すようなシミュレーション結果が得られた。従来構成においては、コラムの垂直変位が−１０．２μｍ〜−８．９μｍ、傾きが−０．５２ｓｅｃ〜０．２６ｓｅｃであったものが、実施形態の構成では、垂直変位が０．０μｍ、傾きが−０．０４ｓｅｃ〜−０．００ｓｅｃとなった。この結果から、ベッド１１の高さの撓みを矯正することで、コラム１４の傾き及び垂直変位を改善できることが分かった。

以上のシミュレーションのシミュレーション結果に基づいて、ワークテーブル１２及びワークＷが往復移動される際の、各移動位置におけるワークＷの送り精度による誤差と、コラム１４の傾きに起因した回転砥石２０の位置変動による誤差とを勘案して、ワークＷの加工誤差を求めたところ、図８に示すような結果が得られた。従来構成においては、加工誤差が−０．５μｍ〜２．０μｍあったものが、実施形態の構成では、±０．１μｍ以内になった。この結果から、ベッド１１の高さの撓みを矯正することで、加工誤差を改善できることが分かった。

（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心にして説明する。

さて、この第２実施形態においては、図９に示すように、走行面変位検出手段としての走行面変位検出装置２１の構成が前記第１実施形態と相違している。すなわち、この走行面変位検出装置２１には、ベッド１１の側部近傍の支持台４１上に載置された１つの基準液面計４２と、ベッド１１の両側面に同一高さ位置で所定間隔おきに配設された複数の測定液面計４３とが装備されている。基準液面計４２と複数の測定液面計４３とは連結パイプ４４により連結され、その連結パイプ４４の途中には微差圧計４５が設けられている。

そして、基準液面計４２は、予め微差圧計４５の指示に基づいて、支持台４１上で各測定液面計４３と同一高さ位置となるように調節配置される。この状態で、ワークＷの研削加工中に、ワークテーブル１２及びワークＷの往復移動に伴って、ワークテーブル１２の走行面に垂直方向の変位が生じたとき、各測定液面計４３から基準液面計４２を基準位置とした変位検出信号が出力されるようになっている。

従って、この第２実施形態においても、前記第１実施形態の場合と同様に、走行面変位検出装置２１の検出結果に応じて矯正支持装置３０の各矯正用油圧シリンダ３１が作動されて、ワークテーブル１２の走行面の変位を適正に矯正することができる。

（変更例）
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 前記各実施形態において、走行面変位検出装置２１、コラム傾き検出装置２６、矯正支持装置３０の構成を任意に変更すること。

・ この発明をマザーマシンとして使用される他の種類の工作機械に応用すること。

第１実施形態の工作機械を示す正面図。 図１の工作機械の側面図。 走行面変位検出装置の検出動作を示す部分拡大正面図。 コラム傾き検出装置の検出動作を示す部分拡大正面図。 工作機械の回路構成を示すブロック図。 ワークテーブルの走行面の変位及び傾きのシミュレーション結果を示すグラフ。 コラムの変位及び傾きのシミュレーション結果を示すグラフ。 加工誤差のシミュレーション結果を示すグラフ。 第２実施形態の工作機械を示す正面図。

符号の説明

１１…ベッド、１２…ワークテーブル、１３…レール、１４…コラム、１８…加工ヘッド、２０…工具としての回転砥石、２１…走行面変位検出手段としての走行面変位検出装置、２２…ビームスプリッタ、２４…投光器、２５…検出器、２６…コラム傾き検出手段としてのコラム傾き検出装置、２７…ビームスプリッタ、２８…投光器、２９…検出器、３０…走行面矯正手段及びコラム矯正手段を構成する矯正支持装置、３１…矯正用油圧シリンダ、３４…制御手段としての制御装置、４２…基準液面計、４３…測定液面計、Ｗ…ワーク。

Claims (2)

1. ベッドと、そのベッドの上面に敷設されたレールに沿って往復動可能なワークテーブルとを備えた工作機械において、前記ワークテーブルの走行面の変位を検出するための走行面変位検出手段と、その走行面変位検出手段の検出結果に基づいて走行面の変位を矯正するための走行面矯正手段を設けた工作機械。
2. ベッドと、そのベッドの上面に設けられたワークテーブルと、工具を支持するコラムとを備えた工作機械において、前記コラムの傾きを検出するためのコラム傾き検出手段と、そのコラム傾き検出手段の検出結果に基づいてコラムの傾きを矯正するためのコラム矯正手段を設けた工作機械。

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