JP2010284773A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】流体圧シリンダによって移動体を支える場合に移動体のコンパクト化を図ることができる工作機械を提供する。
【解決手段】工作機械１は、コラム１２と、コラム１２に上下方向に移動自在に設けられる主軸頭１３と、主軸頭１３の移動を案内する案内機構２０と、主軸頭１３を移動させる送り機構２５と、上下方向に沿うように配置され、主軸頭１３を支えるガスシリンダ５０であって、高圧の窒素ガスが内部に充填されたシリンダ本体５１と、このシリンダ本体５１から一端が突出し、往復動自在に設けられるロッド５２とを有し、シリンダ本体５１が主軸頭１３に固設されるとともに、ロッド５２の一端がコラム１２に接続されたガスシリンダ５０とを備える。主軸頭１３は、シリンダ本体５１の少なくとも一部が収容される収容部を備え、シリンダ本体５１は、その少なくとも一部が前記収容部内に配置された状態で主軸頭１３に取り付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、支持体と、前記支持体に上下方向に移動自在に設けられる移動体と、前記移動体の移動を案内する案内機構と、前記移動体を移動させる送り機構とを備えた工作機械において、前記移動体の重量の少なくとも一部を流体圧シリンダによって支えるように構成された工作機械に関する。

前記工作機械として、従来、例えば、特開２００７−９８４９４号公報に開示されたものが知られている。この工作機械は、ベースと、ベースの上面に一定間隔を隔てて立設された一対のコラムと、一対のコラム間に上下方向に移動自在に設けられる主軸ヘッドと、主軸ヘッドによって、垂直な軸線中心に回転自在に支持される主軸と、主軸ヘッドを移動させる送り機構などを備える。

前記送り機構は、軸線が上下方向に沿うように且つ軸線中心に回転自在となるように各コラムに支持された一対のボールねじと、各ボールねじに螺合し、主軸ヘッドの両側面に固設された一対のナットと、各ボールねじを軸線中心に回転させる一対のサーボモータとから構成される。

前記一対のコラムには、その前記主軸ヘッド側の面に、該主軸ヘッドの移動を案内するためのレールがそれぞれ形成され、一対のコラムの両外側には、一対のガスシリンダが上下方向に沿うように設けられる。このガスシリンダは、高圧ガスが封入されたシリンダ本体と、このシリンダ本体内から下端が突出し、上下動自在に設けられるロッドとをそれぞれ有しており、前記各シリンダ本体は、前記各ナットにそれぞれ接続され、前記各ロッドは、その下端が前記ベースの上面にそれぞれ接続されている。

そして、このように構成された工作機械では、主軸ヘッドが送り機構だけでなく、ガスシリンダによっても支持されるので、主軸ヘッドが重量物であったとしても送り機構に掛かる負荷が軽減される。これにより、サーボモータの消費電力及び発熱、ナットの発熱が抑制されるとともに、サーボモータ及びナットの発熱によりボールねじが伸びて位置決め精度が低下するのが防止される。

特開２００７−９８４９４号公報

しかしながら、上記従来の工作機械では、ガスシリンダがコラムの両外側に配置されているため、主軸ヘッドの横幅が大きく、そのコンパクト化を図ることができないという問題があった。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、流体圧シリンダによって移動体を支える場合に、移動体のコンパクト化を図ることができる工作機械の提供をその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
支持体と、前記支持体に上下方向に移動自在に設けられる移動体と、案内方向が上下方向に沿うように前記支持体に設けられる支持体側案内部、及び、前記移動体に設けられて前記支持体側案内部と係合した移動体側案内部を有し、これらの案内部の係合関係によって前記移動体の上下方向の移動を案内する案内機構と、前記移動体を移動させる送り機構と、上下方向に沿うように配置され、前記移動体を支える流体圧シリンダであって、作動流体が内部に充填されたシリンダ本体と、このシリンダ本体から一端が突出し、往復動自在に設けられるロッドとを有し、前記シリンダ本体が前記移動体に固設されるとともに、前記ロッドの一端が前記支持体に接続される流体圧シリンダとを備えた工作機械において、
前記移動体は、前記シリンダ本体が収容される収容部を備え、
前記シリンダ本体は、その少なくとも一部が前記収容部内に配置された状態で前記移動体に取り付けられてなることを特徴とする工作機械に係る。

この発明では、シリンダ本体の収容部を移動体に形成し、この収容部内にシリンダ本体の少なくとも一部を配置して該シリンダ本体を移動体に取り付けたので、移動体の内部（内側）にシリンダ本体を設けることができ、主軸ヘッドの両外側にシリンダ本体が設けられていた従来に比べ、移動体の横幅を小さくして移動体をコンパクトにすることができる。

尚、前記移動体は、前記移動体側案内部の近傍に前記収容部を備えていても良い。移動体の移動時に支持体側案内部及び移動体側案内部で抵抗が生じる点（部分）と、流体圧シリンダによって移動体が支えられている点（部分）とがそれぞれ接近していると、これらが離れているときよりも、移動体の駆動時に生じるモーメントを小さくして移動体を円滑に移動させることができる。したがって、このような観点から前記移動体側案内部の近傍に前記収容部を形成することが好ましい。

また、前記支持体側案内部及び移動体側案内部は滑り案内部から構成されていても良い。特に滑り案内では、転がり案内などに比べて、移動体の移動時に生じる抵抗（摩擦力）が大きいことから上述の効果をより顕著に得ることができる。

また、前記工作機械は、冷却流体を循環させる冷却流体循環機構を更に備え、前記収容部は、その内径が前記シリンダ本体の外径よりも大きく形成され、前記シリンダ本体は、その外周面が前記収容部の内周面と間隔を隔てて配置され、前記冷却流体循環機構は、前記シリンダ本体と取付穴との間に形成される空間内に冷却流体を供給して循環させるように構成されていても良い。

シリンダ本体及びロッドは、これらの間の摺動抵抗による摩擦熱によって温度上昇し、これらの熱が移動体や工作機械の各部に伝わると、これらが熱変形して加工精度が低下する。また、シリンダ本体内の作動流体は、ロッドの往復動によって圧縮と膨張を繰り返すために発熱して温度上昇し、作動流体の温度が上昇すると、シリンダ本体内の作動流体の圧力が高くなって流体圧シリンダの移動体支持力が大きくなり、例えば、送り機構を構成するボールねじに掛かる負荷が変化する。そして、ボールねじに掛かる負荷が変化すると、例えば、ボールねじの補正量を、ある基準状態における負荷に応じて設定しているような場合には位置決め精度が低下することになる。特に、本発明のように、移動体の収容部内に流体圧シリンダを設けると、ガスシリンダが主軸ヘッドの両外側に設けられていた従来に比べて、当該流体圧シリンダの冷却効果が得られ難くなることから、このような問題がより顕著に現れる。

そこで、冷却流体によってシリンダ本体を冷却すれば、このような問題が生じるのを防止することができる。また、前記収容部を前記移動体側案内部の近傍に設けている場合には、流体圧シリンダだけでなく、移動体側案内部も合わせて冷却することができる。

斯くして、本発明に係る工作機械によれば、流体圧シリンダによって移動体を支えた場合であっても、移動体のコンパクト化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る工作機械の概略構成を示した斜視図である。 図１における矢示Ａ−Ａ方向の断面図である。 図２における矢示Ｂ−Ｂ方向の断面図である。 本発明の他の実施形態に係るＺ軸案内機構を示した断面図である。 本発明の他の実施形態に係るガスシリンダ取付状態を示した断面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。尚、図１は、本発明の一実施形態に係る工作機械の概略構成を示した斜視図であり、図２は、図１における矢示Ａ−Ａ方向の断面図であり、図３は、図２における矢示Ｂ−Ｂ方向の断面図である。

図１に示すように、本例の工作機械１は、矩形状をしたベッド１１と、ベッド１１の上面に立設された矩形状のコラム１２と、コラム１２の前面に上下方向（Ｚ軸方向）に移動自在に配設される主軸頭１３と、軸線がＺ軸と平行且つ軸線中心に回転自在に主軸頭１３によって支持され、下端部に工具（図示せず）が装着される主軸１４と、ベッド１１の上面に水平方向（Ｙ軸方向）に移動自在に配設されたサドル１５と、サドル１５上にＺ軸及びＹ軸の双方と直交するＸ軸方向に移動自在に配設され、上面にワーク（図示せず）が載置されるテーブル１６と、主軸頭１３のＺ軸方向への移動を案内するＺ軸案内機構２０と、主軸頭１３をＺ軸方向に移動させるＺ軸送り機構２５と、サドル１５のＹ軸方向への移動を案内するＹ軸案内機構３０と、サドル１５をＹ軸方向に移動させるＹ軸送り機構３５と、テーブル１６のＸ軸方向への移動を案内するＸ軸案内機構４０と、テーブル１６をＸ軸方向に移動させるＸ軸送り機構４５と、上下方向に沿うようにそれぞれ設けられ、主軸頭１３を支える一対のガスシリンダ５０などから構成される。

前記Ｚ軸案内機構２０は、コラム１２の前面にＺ軸に沿って形成されたコラム側滑り案内部２１と、主軸頭１３の後部にＺ軸に沿って形成された主軸頭側滑り案内部２２とからなり、これらの滑り案内部２１，２２の係合関係によって主軸頭１３の移動を案内する。尚、前記主軸頭側滑り案内部２２は、Ｘ軸方向における主軸頭１３の両側に間隔を隔てて設けられており、これに対応して前記コラム側滑り案内部２１が設けられている。また、コラム側滑り案内部２１は主軸頭側滑り案内部２２を保持するように形成されている。

前記Ｚ軸送り機構２５は、コラム１２に配設された駆動モータ２６と、コラム１２にＺ軸に沿って配設され、駆動モータ２６によって軸中心に回転せしめられるボールねじ２７と、主軸頭１３の後面のＸ軸方向における中央部に固設され、ボールねじ２７と螺合したナット２８とからなる。尚、前記ボールねじ２７は、各コラム側滑り案内部２１の間に設けられ、前記ナット２８は、各主軸頭側滑り案内部２２の間に設けられている。

前記コラム１２の前面下部には、Ｘ軸方向に間隔を隔ててブラケット１２ａが固設され、前記主軸頭１３の各主軸頭側滑り案内部２２の近傍には、収容穴１３ａが上下に貫通するように形成される。

前記一対のガスシリンダ５０は、内部に高圧の窒素ガスが封入されたシリンダ本体５１と、このシリンダ本体５１内に上端が挿入されて下端がシリンダ本体５１内から突出し、上下方向に往復動自在に設けられるロッド５２とを備え、ロッド５２の上端面に作用するガス圧力によって主軸頭１３の重量の少なくとも一部を受けるようになっている。

尚、前記ガスシリンダ５０は、上記構成のものに限定されるのではなく、シリンダ本体５１の内部にピストンが摺動可能に嵌入されるとともに、このピストンにロッド５２の上端が固設され、このピストン端面に作用するガス圧力によって主軸頭１３の重量の少なくとも一部を受けるように構成されていても良い。

前記各シリンダ本体５１は、その外径が前記収容穴１３ａの内径よりも小さく形成され、その上部が前記収容穴１３ａ内から突出するように、且つ外周面が前記収容穴１３ａの内周面と間隔を隔てるようにこの収容穴１３ａ内に配置される。また、各シリンダ本体５１の下端には、フランジ部５１ａがそれぞれ形成されており、このフランジ部５１ａが前記主軸頭１３の下面に取り付けられている。一方、前記各ロッド５２は、その下端が前記ブラケット１２ａにそれぞれ取り付けられている。

前記シリンダ本体５１の外周面と収容穴１３ａの内周面との間に形成された空間Ｓは、前記主軸頭１３の上面に設けられた封止リング５３と、フランジ部５１ａに設けられたシール部材（図示せず）とによって気密に保たれている。

また、前記主軸頭１３には、更に、前記空間Ｓの下部に接続した供給路１３ｂと、前記空間Ｓの上部に接続した排出路１３ｃとが形成されており、この供給路１３ｂ及び排出路１３ｃには、冷却油を循環させる冷却油循環装置６０が接続されている。

前記冷却油循環装置６０は、冷却油を供給する供給源６１と、供給源６１と供給路１３ｂとを接続する供給管６２と、供給源６１と排出路１３ｃとを接続する回収管６３とから構成されており、供給源６１から供給管６２及び供給路１３ｂを介して前記空間Ｓ内に冷却油を供給するとともに、供給した冷却油をこの空間Ｓ内から排出路１３ｃ及び回収管６３を介し回収して、前記空間Ｓと供給源６１との間で冷却油を循環させる。

前記Ｙ軸案内機構３０は、ベッド１１の上面にＹ軸に沿って配設されたガイドレール３１と、サドル１５の下面に固設され、ガイドレール３１に移動自在に係合したスライダ３２とからなる。尚、前記ガイドレール３１は、Ｘ軸方向に間隔を隔てて設けられている。

前記Ｙ軸送り機構３５は、ベッド１１に配設された駆動モータ３６と、ベッド１１にＹ軸に沿って配設され、駆動モータ３６によって軸中心に回転せしめられるボールねじ３７と、サドル１５の下面のＸ軸方向における中央部に固設され、ボールねじ３７と螺合したナット（図示せず）とからなる。

前記Ｘ軸案内機構４０は、サドル１５の上面にＸ軸に沿って配設されたガイドレール４１と、テーブル１６の下面に固設され、ガイドレール４１に移動自在に係合したスライダ４２とからなる。尚、前記ガイドレール４１は、Ｙ軸方向に間隔を隔てて設けられている。

前記Ｘ軸送り機構４５は、サドル１５に配設された駆動モータ４６と、サドル１５にＸ軸に沿って配設され、駆動モータ４６によって軸中心に回転せしめられるボールねじ４７と、テーブル１６の下面のＸ軸方向における中央部に固設され、ボールねじ４７と螺合したナット（図示せず）とからなる。

以上のように構成された本例の工作機械１によれば、主軸頭１３をＺ軸送り機構２５（駆動モータ２６，ボールねじ２７及びナット２８）及び一対のガスシリンダ５０によって支持するようにしたので、主軸頭１３の重量が重い場合であっても、駆動モータ２６，ボールねじ２７及びナット２８に掛かる負荷を軽減することができる。これにより、駆動モータ２６の消費電力及び発熱、ナット２８の発熱を抑制することができるとともに、駆動モータ２６及びナット２８の発熱によりボールねじ２７が伸びて位置決め精度が低下するのを防止することができる。

また、主軸頭１３に収容穴１３ａを形成し、この収容穴１３ａ内にシリンダ本体５１の一部が配置されるようにこのシリンダ本体５１を主軸頭１３に取り付けたので、主軸頭１３の内部（内側）にシリンダ本体５１を設けることができ、主軸ヘッドの両外側にシリンダ本体が設けられていた従来に比べ、主軸頭１３の横幅（Ｘ軸方向の幅）を小さくして主軸頭１３をコンパクトにすることができる。

また、収容穴１３ａを主軸頭側滑り案内部２２の近傍に形成するようにしたので、次のような効果を得ることができる。即ち、主軸頭１３の移動時にコラム側滑り案内部２１と主軸頭側滑り案内部２２との間で摩擦抵抗が生じる点と、ガスシリンダ５０によって主軸頭１３が支えられている点とがそれぞれ離れていると、これらが接近しているときに比べ、主軸頭１３の駆動時に生じるモーメントが大きくなって主軸頭１３を円滑に移動させることができないが、上記のように、収容穴１３ａを主軸頭側滑り案内部２２の近傍に形成すれば、前記摩擦抵抗が生じる点と、ガスシリンダ５０で支えられている点とを接近させることができ、主軸頭１３の駆動時に生じるモーメントを小さくして主軸頭１３を円滑に移動させることができる。また、更に、主軸頭側滑り案内部２２がボールねじ２７及びナット２８の両側に形成されていることから、収容穴１３ａを主軸頭側滑り案内部２２に形成することで、ガスシリンダ５０で支えられている点をボールねじ２７及びナット２８（即ち、駆動点）に接近させることもでき、このことによっても、主軸頭１３の駆動時に生じるモーメントを小さくしてより円滑に主軸頭１３を移動させることができる。

また、本例では、シリンダ本体５１の外周面と収容穴１３ａの内周面との間に空間Ｓを形成してこの空間Ｓに冷却油を供給している。冷却油により冷却する必要があるのは、シリンダ本体５１及びロッド５２の摺動抵抗による摩擦熱によってシリンダ本体５１及びロッド５２が温度上昇し、これらの熱が主軸頭１３や工作機械１の各部に伝わると、これらが熱変形して加工精度が低下するからである。また、シリンダ本体５１内の窒素ガスは、ロッド５２の往復動によって圧縮と膨張を繰り返すために発熱して温度上昇し、窒素ガスの温度が上昇すると、シリンダ本体５１内の窒素ガスの圧力が高くなってガスシリンダ５０の支持力が大きくなり、ボールねじ２７に掛かる負荷が変化する。そして、ボールねじ２７に掛かる負荷が変化すると、例えば、ボールねじ２７の補正量を、ある基準状態における負荷に応じて設定しているような場合には位置決め精度が低下することになる。特に、本例のように、収容穴１３ａ内にガスシリンダ５０を設けた場合には、ガスシリンダが主軸ヘッドの両外側に設けられていた従来に比べ、当該ガスシリンダ５０の冷却効果が得られ難くなることから、このような問題がより顕著に現れる。また、更に、コラム側滑り案内部２１及び主軸頭側滑り案内部２２で生じた摩擦熱がシリンダ本体５１や工作機械１の各部に伝わっても、上述のような問題を生じる。

したがって、前記空間Ｓ内に冷却油を供給して循環させれば、ガスシリンダ５０とコラム側滑り案内部２１及び主軸頭側滑り案内部２２との両方を同時に冷却することができ、上記問題が生じるのを防止することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

上例では、移動体の一例として主軸頭１３を挙げたが、これに限定されるものではなく、また、Ｚ軸案内機構２０やＺ軸送り機構２５の構造についても、上例のものに限定されるものではない。例えば、上例では、コラム側滑り案内部２１が主軸頭側滑り案内部２２を保持するように形成されていたが、図４に示すように、主軸頭側滑り案内部２２がコラム側滑り案内部２１を保持するように形成されていても良い。また、上例では、Ｚ軸案内機構２０を滑り案内としたが、転がり案内としても良い。

また、前記収容穴１３ａに代えて、図５に示すような収容溝１３ｄを主軸頭１３に形成し、この収容溝１３ｄ内にシリンダ本体５１を設けるようにしても良い。但し、この場合、シリンダ本体５１の外周面と収容穴１３ａの内周面との間の空間Ｓに冷却油を供給することはできない。

また、前記ガスシリンダ５０の機能を、単に主軸頭１３を支えるものとしたが、単に支えるだけでなく、バランサとしての機能をガスシリンダ５０に持たせるようにしても良い。単に主軸頭１３を支えるだけでは、主軸頭１３を下方に移動させるときにＺ軸送り機構２５に掛かる負荷が主軸頭１３を上方に移動させるときよりも大きくなるが、バランサとしての機能を持たせるようにすれば、主軸頭１３を上方に移動させるとき及び下方に移動させるときにＺ軸送り機構２５に掛かる負荷をそれぞれ同じにすることができる。また、更に、ガスシリンダ５０の配置数は、何ら限定されるものではない。

１ 工作機械
１２ コラム
１２ａ ブラケット
１３ 主軸頭
１３ａ 収容穴
２０ Ｚ軸案内機構
２１ コラム側滑り案内部
２２ 主軸頭側滑り案内部
２５ Ｚ軸送り機構
２６ 駆動モータ
２７ ボールねじ
２８ ナット
５０ ガスシリンダ
５１ シリンダ本体
５１ａ フランジ部
５２ ロッド
６０ 冷却油循環装置

Claims (4)

1. 支持体と、前記支持体に上下方向に移動自在に設けられる移動体と、案内方向が上下方向に沿うように前記支持体に設けられる支持体側案内部、及び、前記移動体に設けられて前記支持体側案内部と係合した移動体側案内部を有し、これらの案内部の係合関係によって前記移動体の上下方向の移動を案内する案内機構と、前記移動体を移動させる送り機構と、上下方向に沿うように配置され、前記移動体を支える流体圧シリンダであって、作動流体が内部に充填されたシリンダ本体と、このシリンダ本体から一端が突出し、往復動自在に設けられるロッドとを有し、前記シリンダ本体が前記移動体に固設されるとともに、前記ロッドの一端が前記支持体に接続される流体圧シリンダとを備えた工作機械において、
   前記移動体は、前記シリンダ本体が収容される収容部を備え、
   前記シリンダ本体は、その少なくとも一部が前記収容部内に配置された状態で前記移動体に取り付けられてなることを特徴とする工作機械。
2. 前記移動体は、前記移動体側案内部の近傍に前記収容部を備えてなることを特徴とする請求項１記載の工作機械。
3. 前記支持体側案内部及び移動体側案内部は滑り案内部から構成されてなることを特徴とする請求項２記載の工作機械。
4. 冷却流体を循環させる冷却流体循環機構を更に備え、
   前記収容部は、その内径が前記シリンダ本体の外径よりも大きく形成され、
   前記シリンダ本体は、その外周面が前記収容部の内周面と間隔を隔てて配置され、
   前記冷却流体循環機構は、前記シリンダ本体と収容部との間に形成される空間内に冷却流体を供給して循環させるように構成されてなることを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかの工作機械。

Images