JP2008000866A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】経済的負担をかけることなく、高精度な加工を実現できる工作機械を提供する。
【解決手段】ベッド１と、このベッド上に第１の駆動手段１６を介してＹ方向へ移動可能に支持されたＹステージ１１と、このＹステージ１１に第２の駆動手段を介してＸ方向へ移動可能に支持されたＸステージ３１と、このＸステージ３１に第３の駆動手段５６を介してＺ方向へ移動可能に支持された加工ステージ５１Ａおよび計測ステージ５１Ｂとを備える。加工ステージ５１Ａには、ベッド１上に載置されたワークを加工する主軸ヘッド６１が設けられている。計測ステージ５１Ｂには、ベッド１との間で、ベッドおよびＸステージの振動を検出する振動検出手段が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械に関する。詳しくは、加工精度の向上や工具の損傷防止に寄与可能な工作機械に関する。

例えば、工作機械などにおいて、ワークの加工中に発生する振動は、加工精度に影響を与えるだけでなく、時に、工具の損傷を早める。
従来、ワーク加工中の振動を検出するものとして、特許文献１に記載の「工作機械及び工作機械による加工方法」、あるいは、特許文献２に記載の「工作機械における主軸の回転速度制御装置」などが知られている。

特許文献１に記載の工作機械は、加工物に加速度ピックアップを取り付け、この加速度ピックアップによって検出された振動が、正常時の振動と比較して異常か否かを判断し、異常振動の発生が判断された場合に、加工物に当接する当接手段を加工物に対して接離させ、異常振動を抑制するようにしたものである。
特許文献２に記載の工作機械は、工作機械の主軸の回転速度を検出する速度検出器と、主軸頭の振動を検出する振動検出器とをそれぞれ設け、速度検出器によって検出された主軸の回転速度に対し、振動検出器で検出された振動が許容値内にあるか否かを判定し、この判定結果に基づいて、主軸の回転速度と、ワークおよび工具の相対移動速度を設定するようにしたものである。

特開平１０−３２８９６６号公報 特開平１１−３３８７９号公報

上述した工作機械は、加工物（ワーク）の振動を検出するもの、あるいは、工具側の振動を検出するものであるため、つまり、ワークと工具とのいずれか一方の振動を検出するものであるため、高精度な加工が期待できない。とくに、微細な加工では、ワークと工具との両者の振動状態が正確に把握できないと、高精度な加工は到底望めない。
最近、ナノメートルオーダの加工精度が要求される超精密加工機械にあっては、振動の影響を無視できない。そこで、ワークと工具とのそれぞれに振動検出手段を設けることが考えられるが、このようにすると、経済的負担が大きい。

本発明の目的は、経済的負担をかけることなく、高精度な加工を実現できる工作機械を提供することにある。

本発明の工作機械は、ベッドと、このベッド上に第１の駆動手段を介して前記ベッドの上面と平行な方向へ移動可能に支持された第１ステージと、この第１ステージに第２の駆動手段を介して前記ベッドの上面と平行な方向でかつ第１ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された第２ステージと、この第２ステージに第３の駆動手段を介して前記第１ステージの移動方向および第２ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された加工ステージおよび計測ステージとを備え、前記加工ステージには、前記ベッド上に載置されたワークを加工する加工手段が設けられ、前記計測ステージには、前記ベッドとの間で、前記ベッドおよび前記第２ステージの振動を検出する振動検出手段が設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、加工手段によってベッド上に載置されたワークを加工しながら、振動検出手段によってベッドおよび第２ステージの振動を検出することができる。つまり、ワークが載置されたベッドと加工手段が設けられた第２ステージの振動を検出することができる。従って、ワークと加工手段の振動を１つの振動検出手段で検出できるから、それぞれ別々に振動検出手段を設ける場合に比べ、経済的負担が少ない。
しかも、加工手段および振動検出手段が設けられた第２ステージの移動位置や、第１ステージの移動位置によって振動状態が変化しても、振動検出手段も加工手段とともに一緒に移動するので、振動状態の変化を的確に検出することができる。
従って、検出した振動状態を基に、加工手段側の加工条件などを制御することによって高精度な加工を実現することができる。たとえば、主軸の回転速度や、ワークおよび工具の相対移動速度、工具の切込量などを制御して、振動状態が予め設定した範囲内に収まるようにすることにより、高精度な加工を実現することができる。

本発明の工作機械において、前記振動検出手段は、前記ベッド上に載置された計測テーブルまでの距離を非接触で測定するレーザ変位計によって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、振動検出手段をレーザ変位計によって構成したので、ベッド上に載置された計測テーブルまでの距離の変化から、ベッドと第２ステージの振動状態、つまり、ワークと加工手段との振動状態を非接触で検出することができる。そのため、第２ステージの移動を円滑に行いつつ、ワークと加工手段との振動状態を高精度に検出することができる。

本発明の工作機械において、前記加工ステージと前記計測ステージとは、前記第２ステージ上でかつ前記第２ステージの移動軸線を中心とする対称位置に設けられていることが好ましい。
この発明によれば、加工ステージと計測ステージとが、第２ステージの移動軸線を中心とする対称位置に設けられているから、つまり、第２ステージを中心として対称的に配置されているから、機械的に対称構造とすることができる。従って、第２ステージを傾くことなく、円滑に移動させることができる。

本発明の工作機械において、前記第２ステージ、前記加工ステージおよび前記計測ステージは、前記第２ステージの移動軸線を中心として対称構造に構成されていることが好ましい。
この発明によれば、加工ステージおよび計測ステージが、第２ステージの移動軸線を中心として対称構造に構成されているから、第２ステージを傾くことなく、円滑に移動させることができる。

本発明の工作機械において、前記各駆動手段は、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されていることが好ましい。
ここで、リニアモータとしては、リニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニア直流モータ、リニアパルスモータなど任意のものを採用することができる。
この発明によれば、駆動手段の各々が、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されているから、ステージを高精度に移動させることができるとともに、所定位置に高精度に位置決めすることができる。また、加工ステージに加工手段を取り付けて加工を行う場合であっても、加工時の振動などの影響を極力低減することができるから、高精度な加工を実現できる。

本発明の工作機械において、前記第１ステージ、第２ステージ、加工ステージおよび計測ステージの少なくともいずれかは、制振材によって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、第１ステージ、第２ステージ、加工ステージおよび計測ステージの少なくともいずれかは、制振材によって構成されているから、振動を抑制でき、高精度な加工を実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜実施形態の構成＞
図１は本実施形態の工作機械を正面から見た斜視図、図２は同工作機械を背面から見た斜視図、図３は同工作機械の正面図、図４は同工作機械の側面図、図４は同工作機械の平面図である。

本実施形態の工作機械は、ベッド１と、このベッド１上にベッド１の上面と平行な方向でかつ前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に支持された第１ステージとしてのＹステージ１１と、このＹステージ１１上にベッド１の上面と平行な方向でかつＹステージ１１の移動方向に対して直交する左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に支持された第２ステージとしてのＸステージ３１と、このＸステージ３１上にＹステージ１１およびＸステージ３１の移動方向に対して直交する上下方向（Ｚ軸方向）へ移動可能に支持された加工ステージ５１Ａおよび計測ステージ５１Ｂとを備える。

これらの主要構造材、つまり、ベッド１、Ｙステージ１１，Ｘステージ３１、加工ステージ５１Ａおよび計測ステージ５１Ｂは、鋳鉄、あるいは、制振金属や制振セラミックスなどの制振材によって構成されている。制振金属としては、たとえば、サイレンタロイ（登録商標）などを用いることができる。

ベッド１には、その上面両側に断面矩形状の突条２がＹ軸方向に沿って形成されているとともに、この両側の突条２の間に平面状のテーブル載置部３が設けられている。テーブル載置部３には、Ｚステージ５１Ａの真下位置にワーク載置テーブル４が、Ｚステージ５１Ｂの真下位置に計測テーブル５がそれぞれ配置されている。ワーク載置テーブル４は、単なる台でもよいが、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動可能な移動機構を備える構造であってもよい。計測テーブル５は、上面が鏡面仕上げされた円盤状に形成されているが、Ｚステージ５１ＢがＸ軸方向の任意の位置に移動してもＺステージ５１Ｂに対向できる形状であれば、任意の形状であってもよい。

Ｙステージ１１は、ベッド１の両側突条２にガイド手段１２を介して移動可能に支持され、かつ、２つの駆動手段１６を介してＹ軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール２０を介してＹ軸方向位置が検出される。
ガイド手段１２は、突条２の上端面にＹ軸方向に沿って固定されたガイドレール１３と、このガイドレール１３に沿って摺動可能でかつＹステージ１１の下面にブラケット１４を介して固定されたスライダ１５とから構成されている。
駆動手段１６は、Ｙステージ１１をＹ軸方向（同方向）へ駆動するもので、ベッド１の両側突条２の外側位置にＹ軸方向に沿って設けられた固定子１７と、Ｙステージ１１の下面両側にブラケット１８を介して取り付けられかつ固定子１７に対して隙間を隔てて対向配置された可動子１９とを有するリニアモータによって構成されている。なお、固定子１７はコイルによって、可動子１９はマグネットによって構成されているが、これとは逆でもよい。
リニアスケール２０は、ベッド１の片側突条２の外側位置にＹ軸方向に沿って設けられたスケール部材２１と、Ｙステージ１１の下面に取り付けられかつスケール部材２１に対して隙間を隔てて対向配置された検出ヘッド２２とから構成されている。

Ｘステージ３１は、Ｙステージ１１の上端面にガイド手段３２を介して移動可能に支持され、かつ、駆動手段３６を介してＸ軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール４０を介してＸ軸方向位置が検出される。
ガイド手段３２は、Ｙステージ１１の上端面にＸ軸方向に沿って形成されたガイドレール３３と、このガイドレール３３に沿って摺動可能でかつＸステージ３１の下面に固定されたスライダ３５とから構成されている。
駆動手段３６は、Ｙステージ１１の上面中央にＸ軸方向に沿って固定された固定子３７と、Ｘステージ３１の下面に取り付けられかつ固定子３７に対して隙間を隔てて対向配置された可動子３９とを有するリニアモータによって構成されている。
リニアスケール４０は、固定子３７の側面にＸ軸方向に沿って設けられたスケール部材４１と、Ｘステージ３１の下面に取り付けられかつスケール部材４１に対して隙間を隔てて対向配置された検出ヘッド４２とから構成されている。

加工ステージ５１Ａおよび計測ステージ５１Ｂは、Ｘステージ３１上で、かつ、Ｘステージ３１の移動軸線を中心とする対称位置に、かつ、Ｘステージ３１の移動軸線を中心として対称構造に構成されている。つまり、Ｘステージ３１の移動軸線を中心とした対称位置に対称構造のガイドブロック４３Ａ、４３Ｂが固定され、この各ガイドブロック４３Ａ，４３Ｂに同一構造の加工ステージ５１Ａおよび計測ステージ５１Ｂが上下方向へ昇降可能に設けられている。

加工ステージ５１Ａは、Ｘステージ３１のガイドブロック４３Ａの正面にガイド手段５２を介してＺ軸方向へ移動可能に支持され、かつ、駆動手段５６を介してＺ軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール（図示省略）を介してＺ軸方向位置が検出される。
加工ステージ５１Ａには、（図１参照）、ワーク載置テーブル４上に載置されたワークに対して加工を施す工具を備えた加工手段としての主軸ヘッド６１が搭載されているとともに、滑車５７や紐部材５８を介してガイドブロック４３Ａの背面に昇降可能に設けられたバランスウエイト５９が連結されている。主軸ヘッド６１は、工具を取り付けるスピンドルが非接触軸受（空気静圧軸受）によって回転可能に支持された構造で、スピンドルが１０，０００ｒｐｍ以上で回転できるものが用いられている。バランスウエイト５９は、主軸ヘッド６１を含む加工ステージ５１Ａの重量にバランスする重さに構成され、加工ステージ５１Ａを軽い力で昇降できるように構成されている。

計測ステージ５１Ｂは、Ｘステージ３１のガイドブロック４３Ｂの正面にガイド手段５２を介してＺ軸方向へ移動可能に支持され、かつ、駆動手段５６を介してＺ軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール（図示省略）を介してＺ軸方向位置が検出される。
計測ステージ５１Ｂには、計測テーブル５の上面との間で、計測テーブル５および計測ステージ５１Ｂの振動を検出する振動検出手段７１が搭載されているとともに、滑車５７および紐部材５８を介してガイドブロック４３Ｂの背面に昇降可能に設けられたバランスウエイト５９が連結されている。

振動検出手段７１は、ベッド１上に載置された計測テーブル５の上面までの距離を非接触で測定するレーザ変位計によって構成されている。
バランスウエイト５９は、振動検出手段７１を含む計測ステージ５１Ｂの重量にバランスする重さに構成され、計測ステージ５１Ｂを軽い力で昇降できるように構成されている。

ガイド手段５２は、Ｘステージ３１の正面にＺ軸方向に沿って形成されたガイドレール５３と、このガイドレール５３に沿って摺動可能で加工ステージ５１Ａや計測ステージ５１Ｂの裏面に固定されたスライダ５５とから構成されている。
駆動手段５６は、シャフト型リニアモータによって構成されているが、これに限られない。他のリニアモータであってもよく、あるいは、ボールねじ軸と、このボールねじ軸を回転させるモータと、ボールねじ軸に螺合され加工ステージ５１Ａや計測ステージ５１Ｂの裏面に固定されたナット部材などを備えるボールねじ送り機構から構成してもよい。

＜実施形態の作用・効果＞
ワーク載置テーブル４上にワークを載置したのち、Ｙステージ１１をＹ方向へ、Ｘステージ３１をＸ方向へ、加工ステージ５１ＡをＺ軸方向へそれぞれ移動させながら、主軸ヘッド６１に取り付けられた工具によってワークを加工する。
この加工中において、振動検出手段７１によって、計測ステージ５１Ｂから計測テーブル５上面までの距離を測定し、その測定結果から計測テーブル５と計測ステージ５１Ｂの振動状態を検出する。振動検出手段７１は、計測ステージ５１Ｂに設けられ、計測テーブル５上面までの距離を測定し、その測定結果から計測テーブル５と計測ステージ５１Ｂの振動状態を検出するから、つまり、ベッド１と主軸ヘッド６１との振動を１つの振動検出手段７１で検出できるから、それぞれに振動検出手段を設けて行う場合に比べて、経済的負担が少ない。

主軸ヘッド６１がＸＹ方向へ移動すると、振動検出手段７１も一緒に移動される。つまり、主軸ヘッド６１と振動検出手段７１とは、Ｘステージ３１に搭載されているから、ＸＹ平面において、常に一定の距離を保ちつつ移動される。従って、Ｙステージ１１の移動位置、あるいは、Ｘステージ３１の移動位置によって振動状態が変化しても、振動検出手段７１も主軸ヘッド６１とともに一緒に移動するので、振動状態の変化を正確に検出することができる。そのため、検出した振動状態を基に、主軸ヘッド６１側の加工条件などを制御することによって高精度な加工を実現することができる。

たとえば、主軸ヘッド６１の回転速度や、ワークおよび工具の相対移動速度、工具の切込量などを制御して、振動状態が予め設定した範囲内に収まるようにすることにより、高精度な加工を実現することができる。
あるいは、振動検出手段７１は、計測ステージ５１Ｂから計測テーブル５上面までの距離を測定しているから、その距離からＸステージ３１の傾き、つまり、Ｘステージ３１の移動軸線を中心とするＸステージ３１の幅方向の傾きを検出することができるから、その傾き角に応じて工具の切込量を多くするなどして加工することができる。

また、本実施形態では、加工ステージ５１Ａと計測ステージ５１Ｂとは、Ｘステージ３１上で、かつ、Ｘステージ３１の移動軸線を中心とする対称位置に、かつ、Ｘステージ３１の移動軸線を中心として対称構造に構成されているから、機械的に対称構造とすることができる。従って、Ｘステージ３１を傾くことなく、円滑に移動させることができる。
その際、振動検出手段７１は、計測テーブル５までの距離を非接触で測定するレーザ変位計によって構成されているから、Ｘステージ３１の移動に抵抗を与えることがないから、円滑に移動を確保しつつ、ワークと主軸ヘッド６１との振動状態を高精度に検出することができる。

また、駆動手段１６，３６，５６は、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されているから、Ｙステージ１１、Ｘステージ３１および加工ステージ５１Ａ，計測ステージ５１Ｂを高精度に移動させることができるとともに、所定位置に高精度に位置決めすることができる。また、加工時の振動などの影響を極力低減することができるから、高精度な加工を実現できる。

＜変形例＞
本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、Ｙステージ１１を駆動する駆動手段１６、Ｘステージ３１を駆動させる駆動手段３６、加工ステージ５１Ａおよび計測ステージ５１Ｂを駆動する駆動手段５６を、それぞれリニアモータで構成したが、必ずしも、リニアモータでなくてもよい。ボールねじ軸を用いた送り機構であってもよい。

前記実施形態では、主軸ヘッド６１を、主軸がモータやエアータービンなどで高速回転する構造であったが、必ずしも、回転工具を用いて加工するものに限られない。たとえば、工具が軸方向あるいは軸と直交方向に振動しながら加工する振動工具であってよい。

前記実施形態では、振動検出手段７１を、非接触式のレーザ変位計としたが、これに限られない。たとえば、計測ステージ５１Ｂにおいて計測テーブル５上面までの距離を計測できるものであれば、他の形式であってもよい。

本発明は、微細で、かつ、ナノメートルオーダの加工精度が要求される超精密加工機械として利用することができる。

本発明の実施形態に係る工作機械を正面から見た斜視図。 同上実施形態の工作機械を背面から見た斜視図。 同上実施形態の工作機械の正面図。 同上実施形態の工作機械の側面図。 同上実施形態の工作機械の平面図。

符号の説明

１…ベッド
１１…Ｙステージ（第１ステージ）
１６…第１の駆動手段（リニアモータ）
１７…固定子
１８…可動子
３１…Ｘステージ（第２ステージ）
３６…第２の駆動手段
３７…固定子
３９…可動子
５１Ａ…加工ステージ
５１Ｂ…計測ステージ
５６…第３の駆動手段
６１…主軸ヘッド（加工手段）
７１…振動検出手段。

Claims (6)

1. ベッドと、
   このベッド上に第１の駆動手段を介して前記ベッドの上面と平行な方向へ移動可能に支持された第１ステージと、
   この第１ステージに第２の駆動手段を介して前記ベッドの上面と平行な方向でかつ第１ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された第２ステージと、
   この第２ステージに第３の駆動手段を介して前記第１ステージの移動方向および第２ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された加工ステージおよび計測ステージとを備え、
   前記加工ステージには、前記ベッド上に載置されたワークを加工する加工手段が設けられ、
   前記計測ステージには、前記ベッドとの間で、前記ベッドおよび前記第２ステージの振動を検出する振動検出手段が設けられていることを特徴とする工作機械。
2. 請求項１に記載の工作機械において、
   前記振動検出手段は、前記ベッド上に載置された計測テーブルまでの距離を非接触で測定するレーザ変位計によって構成されていることを特徴とする工作機械。
3. 請求項１または請求項２に記載の工作機械において、
   前記加工ステージと前記計測ステージとは、前記第２ステージ上でかつ前記第２ステージの移動軸線を中心とする対称位置に設けられていることを特徴とする工作機械。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の工作機械において、
   前記第２ステージ、前記加工ステージおよび前記計測ステージは、前記第２ステージの移動軸線を中心として対称構造に構成されていることを特徴とする工作機械。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の工作機械において、
   前記各駆動手段は、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されていることを特徴とする工作機械。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の工作機械において、
   前記第１ステージ、第２ステージ、加工ステージおよび計測ステージの少なくともいずれかは、制振材によって構成されていることを特徴とする工作機械。

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