JP2011051026A - 精密加工機械 - Google Patents

Abstract

【課題】機械本体、スケール、ワーク等の各温度を制御することにより高い加工精度が安定的に得られる精密加工機械を提供する。
【解決手段】主ベッド部２、副ベッド部３、コラム４等のブロック体に設けられた油静圧摺動面９、１０、１１に供給される静圧油の温度を調節するに際し、それぞれのブロック体の測定点２０、３０、４０で、ブロック体の室温の環境下に置かれた部分の温度を測定し、その温度を基に調節するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密加工機械に係り、詳しくは、油静圧摺動面に供給される静圧油が、ブロック体において室温の環境下に置かれた部分の温度を基に温度調節される精密加工機械に関する。

平面研削盤等においては、Ｘ軸方向に往復動する加工テーブル上にワークを載置した状態で、Ｙ軸方向に往復動するコラムに装着され上下方向に往復動するＺ軸サドルにスピンドルを回転自在に支持すると共に、そのスピンドルの先端部に砥石を装着している。そして、スピンドル及び砥石を回転させて加工テーブル上のワークを研削加工する。

一般に、平面研削盤に限らず、精密加工を要する加工機械においては、機械の各部位において加工テーブル、コラム及びＺ軸サドル等が油静圧摺動面に往復動可能に支持されている。そして、この油静圧摺動面では少なからず発熱があるため、油静圧摺動面及びその近傍の温度上昇が抑えられるようにされている。また、油静圧摺動面の近傍に設けられたスケールの温度が、精密加工おける許容温度範囲を外れる虞もあり、温度補正が行われたりしている。

特許文献１に開示されている「ＮＣ工作機械装置」においては、デジタルスケールに温度検出手段を設け、その温度検出手段により検出されたデジタルスケールの温度を基に、クーラント液の温度を制御している。そして、その温度制御されたクーラント液により、ワークの温度を制御し、ワークの温度とデジタルスケールの温度とが等しくなるようにしている。更に、デジタルスケールの温度と、デジタルスケール及びワークの線膨張係数とを基にデジタルスケールの計測値補正を演算し、その補正された計測値によりＮＣ工作機械を制御している。

特許文献２に開示されている「精密加工機用静圧主軸の熱変形低減法」では、精密加工機の全体を温度管理した恒温環境に設置し、静圧主軸の流体潤滑を行う作動流体として、周囲の恒温環境の温度よりも低い温度のものを用い、静圧主軸の熱変形を制御するようにしている。このようにして、作動流体に発生する熱の影響を有効に除去して、静圧主軸の熱変形を効果的に低減するようになっている。

特開平４−７５８５１号公報（［特許請求の範囲］を参照） 特開平６−１９８５３９号公報（［要約］、発明の詳細な説明［００１０］を参照）

近年、精密機械加工は、１０ｎｍレベルの超精密機械加工も可能となっているが、定常的に１μｍ以下の加工精度が得られる精密機械加工の実現が求められている。そして、機械を単に恒温室に設置するだけでは足りず、機械の各部位ごとの細かな温度制御をすると共に、全体的に調和の取れた温度制御をして、定常的な高精度加工が得られることが明らかとなってきた。

ところが、特許文献１の装置では、ワークの温度とデジタルスケールの温度とが等しくなるようにしているが、デジタルスケールとワークとの間には、デジタルスケールが設けられた機械本体、その機械本体上に往復動可能に支持された加工テーブル等が存在する。これらは、恒温室の環境下にあっても、異なる温度条件に置かれる場合が常である。例えば、機械本体と加工テーブルとの間の摺動面には必ず発熱があり、その熱による変形は、精密加工においては無視できないものである。従って、ワークの温度とデジタルスケールの温度とを等しくし、線膨張係数等を基に計測値を補正しても、得られる加工精度には限度がある。

特許文献２の熱変形低減法は、作動流体に発生する熱の影響を除去するものであり、個別の温度制御を行う点では優れていると思われる。しかし、この低減法は、周囲の恒温環境の温度よりも低い（５〜１０度Ｃ低い）温度の作動流体を用いて、静圧主軸の熱変形を抑制するものに止まっている。即ち、熱変形をゼロにするものでもなければ、熱変形を一定値に制御するものでもない。従って、この熱変形低減法においても、得られる加工精度には限度があると思われる。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、機械本体、スケール、ワーク等の各温度を制御することにより高い加工精度が安定的に得られる精密加工機械を提供することにある。

上記問題を解決するために請求項１に記載の精密加工機械の発明は、サドルを油静圧摺動面で往復動可能に支持するブロック体が備えられた精密加工機械において、前記油静圧摺動面に供給される静圧油は、前記油静圧摺動面に供給される際、その油静圧摺動面が設けられた前記ブロック体において室温の環境下に置かれた部分の温度を基に温度調節されることを特徴とするものである。

上記構成によれば、静圧油の温度調節を、油静圧摺動面が設けられたブロック体において室温の環境下に置かれた部分の温度を基に行うようにした。このため、油静圧摺動面に発熱があったとしても、その発熱の影響を除去するための静圧油の温度調節を、ブロック体の温度条件に合わせて行うことができる。従って、温度分布が異なることによりブロック体が全体として曲がる等して変形することを未然に防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の精密加工機械において、前記静圧油は、前記ブロック体において、前記油静圧摺動面が設けられた面から最も遠い面またはその近傍において測定された温度を基に温度調節されることを特徴とするものである。

上記構成によれば、ブロック体の温度測定を、油静圧摺動面が設けられた面から最も遠い面またはその近傍において行うようにした。このため、油静圧摺動面が設けられて静圧油の温度の影響を受ける面とは異なる面であって、機械が設置された室内の温度環境下にあって静圧油の温度の影響を受けない面の温度を基に、静圧油の温度調節を行うことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の精密加工機械において、前記静圧油は、温度調節された後に、前記サドルの位置を測定するスケールを支持する支持板に形成された回路中を流通し、前記スケールの温度を調節することを特徴とするものである。

上記構成によれば、スケールを支持する支持板に回路を形成し、その回路中を、温度調節された静圧油が流通するようにした。このため、スケールの温度条件は、温度調節された支持板と機械が設置された室内の雰囲気とにより決定される。従って、スケールの温度を安定的に調節することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の精密加工機械において、前記スケールは、その目盛りを読み取るヘッドの移動を許容するスリットが形成された断熱材でカバーされていることを特徴とするものである。

上記構成によれば、スケールは断熱材でカバーされているので、機械が設置された室内の温度環境に乱れがあったとしても、静圧油によるスケールの温度調節を効率的に行うことができる。

本発明によれば、油静圧摺動面に供給される静圧油の温度を、油静圧摺動面が設けられたブロック体において室温の環境下に置かれた部分の温度を基に調節するようにした。このため、ブロック体の各部位における温度が異なることによる変形等を抑えることができるので、高い加工精度が安定的に得られる精密加工機械を提供するができる。

実施形態の精密加工機械を示す斜視図。 スケールを用いた位置測定装置を示す一部断面の斜視図。 各部位の温度に基づく制御を説明する関係図。

（実施形態）
以下、本発明を具体化した実施形態を図１〜図３を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態の精密加工機械としての平面研削盤１は、Ｘ軸方向に沿って延長配置された主ベッド部２と、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に沿って延長配置された副ベッド部３とでベッドが形成されている。主ベッド部２の上面の主面２１に設けられた２列の油静圧摺動面９上には、サドルを構成する加工テーブル５が往復動可能に支持されている。加工テーブル５の上にはワーク６が載置される。なお、主ベッド部２と副ベッド部３とは、それぞれがブロック体を構成する。

主ベッド部２の前面に当たる側面２２の上端側には位置測定装置１２がＸ軸方向に延びるように設けられ、その位置測定装置１２のスケール５０（図２参照）の目盛りを光学的に読み取るための読取ヘッド１３が加工テーブル５に備えられている。主ベッド部２において、主面２１から最も遠い面である底面２３には、静圧油の温度調節の基になる温度を測定するための測定点２０が、図示しないセンサと共に設けられている。なお、測定点２０に替えて、側面２２の下端側、即ち、底面２３近傍の側面２２に測定点４４をセンサと共に設けることもできる。この測定点２０又は測定点４４は、主ベッド部２において、室温の環境下に置かれ、温度制御を受けていない部分としての温度を測定するためのポイントである。

図２に示すように、位置測定装置１２は、主ベッド部２の側面２２に取り付けられた支持板５１と、その支持板５１に支持されたスケール５０と、スケール５０を囲むように配置された断熱材５３とで構成されている。本実施形態においては、支持板５１の取付面に静圧油の回路の一部として、長手方向に沿う２本の溝５２が形成され、その溝５２内を静圧油が流通することにより、支持板５１を介してスケール５０の温度が調節されるようになっている。

断熱材５３には、側面２２に沿う長手方向にスリット５４が形成され、読取ヘッド１３の読取部５５を内部に収容した状態で、読取ヘッド１３がスリット５４に沿って移動可能となっている。読取部５５は、スケール５０に接近配置され、スケール５０の目盛りを光学的に読み取る部分である。

副ベッド部３の上面の主面３１には、サドルを構成するコラム４をＹ軸方向に往復動可能に支持する２列の油静圧摺動面１０が設けられている。また、副ベッド部３の側面３２の上端側には位置測定装置１４がＹ軸方向に延びるように設けられ、その位置測定装置１４に対応する読取ヘッド１５がコラム４の側面４２の下端側に備えられている。副ベッド部３の主面３１から最も遠い面である底面３３には、静圧油の温度調節の基になる温度を測定するための測定点３０が、図示しないセンサと共に設けられている。なお、測定点３０に替えて、側面３２の下端側、即ち、底面３３近傍の側面３２に測定点４５をセンサと共に設けることもできる。この測定点３０又は測定点４５は、副ベッド部３において、室温の環境下に置かれ、温度制御を受けていない部分としての温度を測定するためのポイントである。位置測定装置１４は、前記位置測定装置１２と同一の構成となっているので、その説明を省略する。

ブロック体を構成するコラム４の主ベッド部２側の主面４１には、サドル８をＺ軸方向に往復動可能に支持する２列の油静圧摺動面１１が設けられている。サドル８に連結されたフレーム８１には、図示しないスピンドルが回転自在に支持され、そのスピンドルの先端に砥石７が装着されている。砥石７をカバーするカバー７１には、クーラント液をワーク６に対して吐出するための吐出ヘッド７２が設けられている。

また、コラム４の側面４２の主面４１側の端部には位置測定装置１６がＺ軸方向に延びるように設けられ、その位置測定装置１６に対応する読取ヘッド１７がサドル８に備えられている。位置測定装置１６は、前記位置測定装置１２と同一の構成となっているので、その説明を省略する。

コラム４の主面４１から最も遠い面である背面４３には、静圧油の温度調節の基になる温度を測定するための測定点４０が、図示しないセンサと共に設けられている。なお、測定点４０に替えて、側面４２の背面側、即ち、背面４３近傍の側面４２に測定点４６をセンサと共に設けることもできる。この測定点４０又は測定点４６は、コラム４において、室温の環境下に置かれ、温度制御を受けていない部分としての温度を測定するためのポイントである。

次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態の精密加工機械としての平面研削盤１は、設置される場所、例えば恒温室の温度環境下において、機体が安定的に温度管理されている。しかし、機体の各部位には、安定的な温度管理を乱す種々外乱要素が加わる。本実施形態では、その外乱要素のうち最も影響が大きなものである静圧油の発熱による影響を除去するために、温度上昇した静圧油の温度を調節すると共に、その温度調節された静圧油によりスケール５０の温度調節を行うようにした。

更に、図３を用いて、スケール５０の温度調節及び関連する部位について作用を説明する。なお、説明は、主ベッド部２に関わるものであるが、図３の二点鎖線で囲った部分において、副ベッド部３、コラム４等のそれぞれに関わるものを当てはめることにより、それぞれについての説明に置き換えることができる。また、静圧油の流れは太い実線で示し、データ及び信号の電気的流れは細い実線で示している。

静圧油タンク６０の静圧油は、静圧油ポンプ６１により送り出される。そして、静圧油は、図示しない圧力制御弁等により制御された後、温度調節装置６２により温度調節されて油静圧摺動面９に供給される。同時に、温度調節された静圧油は、位置測定装置１２のスケール５０の温度調節に供される。そして、余剰となった静圧油は、静圧油タンク６０に回収される。

温度調節装置６２は、静圧油の回路中にあって、機体温度６４、即ち測定点２０で測定された主ベッド部２の温度を基に、その温度と油静圧摺動面９の温度６５との差をなくすように制御装置６３で制御されて、静圧油の温度を調節するものである。通常、静圧油は粘性による摩擦熱等で温度が上昇するので、前記主ベッド部２の温度まで静圧油の温度を下げる方向で温度調節が行われる。そして、油静圧摺動面９の温度と主ベッド部２の温度との差が常に所定範囲内となるように温度調節される。この時、油静圧摺動面９の近くに配置され、油静圧摺動面９の温度上昇の影響を受けていたスケール５０も、主ベッド部２の温度と同一の温度となるように調節される。このため、主ベッド部２の温度と、油静圧摺動面９の温度と、スケール５０の温度とのそれぞれが略同一となるので、スケールによる計測値を補正する際、各部位間の温度差の影響を最小限とすることができる。

また、ワーク６及びスケール５０のそれぞれの温度７０、６６と線膨張係数６７とから、制御部６８において補正値を演算して軸位置補正値６９としてアウトプットされるようになっている。このため、コラム４の主面４１において、ワーク６の高さと略同一の高さの部分の温度を基に、クーラント液は温度調節される。そして、温度調節されたクーラント液がワーク６に対して吐出ヘッド７２から吐出され、ワーク６の温度が調節されるようになっている。

なお、上記したように、図３で示されるものは、機体温度６４として副ベッド部３の測定点３０の温度を基にする場合、油静圧摺動面１０と位置測定装置１４のスケール５０との関係とすることができる。また、図３で示されるものは、機体温度６４としてコラム４の測定点４０の温度を基にする場合、油静圧摺動面１１と位置測定装置１６のスケール５０との関係とすることができる。

また、上記構成に加えて、砥石７を先端に装着した図示しないスピンドルの温度調節をして、スピンドルの温度が、その軸方向において異なることがないようにすれば、より一層高い加工精度が安定的に得られる平面研削盤１とすることができる。このため、スピンドル或いはスピンドルを支持するクイルの先端側及び後端側の少なくとも２ヶ所の温度を測定し、その温度を基に、クイルに供給される冷却油の温度及び流量を制御することが好ましい。

従って、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、油静圧摺動面９、１０、１１が設けられたコラム４、主ベッド部２、副ベッド部３等のブロック体の温度を基に、静圧油の温度調節を、静圧油が供給される油静圧摺動面９、１０、１１ごとに行うようにした。このため、油静圧摺動面９、１０、１１に発熱があったとしても、その発熱の影響を除去するための静圧油の温度調節を、各ブロック体の温度条件に合わせて行うことができる。従って、各ブロック体において、部位により温度が異なるための変形を未然に防止することができるので、高い加工精度が安定的に得られる精密加工機械を提供するができる。

（２）上記実施形態では、コラム４、主ベッド部２、副ベッド部３等のブロック体の温度測定を、油静圧摺動面９、１０、１１が設けられた主面２１、３１、４１から最も遠い面である底面２３、３３、背面４３の測定点２０、３０、４０において行うようにした。このため、静圧油の温度の影響を受ける主面２１、３１、４１とは異なり、平面研削盤１が設置された室内の温度環境下にあって静圧油の温度の影響を受けない底面２３、３３、背面４３の温度を基に、静圧油の温度調節を行うことができる。

（３）上記実施形態では、スケール５０を支持する支持板５１に回路としての溝５２を形成し、その溝５２内を温度調節された静圧油が流通するようにした。このため、スケール５０の温度条件は、温度調節された支持板５１と平面研削盤１が設置された室内の雰囲気とにより決定される。従って、スケール５０の温度を安定的に調節することができる。

（４）上記実施形態では、スケール５０を断熱材５３でカバーしたので、平面研削盤１が設置された室内の温度環境に乱れがあったとしても、静圧油によるスケール５０の温度調節を効率的に行うことができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ スケール５０を支持する支持板５１を設けたが、支持板５１を設けずにスケール５０を直接主ベッド部２、副ベッド部３、コラム４の側面２２、３２、４２に取り付けること。その際、側面２２、３２、４２に静圧油の流通を可能とする溝等の回路を形成する。
・ 支持板５１に長手方向に沿う２本の溝５２を形成したが、２本の溝５２を蛇行させて複数ヶ所で交差させること。
・ Ｘ軸方向に沿って配置された主ベッド部２とＹ軸方向に沿って配置された副ベッド部３とからなるベッドとし、それぞれにおいて加工テーブル５とコラム４とを往復動可能に支持したが、一つのベッド上において、加工テーブル５とコラム４とを、それぞれが直交する方向に往復動可能に支持すること。
・ 平面研削盤１に適用した構成を円筒研削盤に適用すること。

さらに、上記実施形態より把握できる技術的思想について、それらの効果と共に以下に記載する。
（イ）サドルを往復動可能に支持するブロック体に、そのブロック体に設けられた油静圧摺動面に支持されて移動する前記サドルの位置をスケールにより測定する位置測定装置を備えた精密加工機械において、前記油静圧摺動面に供給される静圧油により前記スケールの温度が調節されることを特徴とする精密加工機械。このような構成にした場合、静圧油の温度と略同一の温度となるブロック体の油静圧摺動面が設けられた部分と、スケールとは、温度が略同一となるので、スケールによる計測値の補正において、温度の影響を最小限に止めることができる。

４…コラム、５…加工テーブル、８…サドル、９，１０，１１…油静圧摺動面、１２，１４，１６…位置測定装置、５０…スケール、５１…支持板、５３…断熱材、５４…スリット、６５，７０…温度、７１…カバー。

Claims (4)

1. サドルを油静圧摺動面で往復動可能に支持するブロック体が備えられた精密加工機械において、前記油静圧摺動面に供給される静圧油は、前記油静圧摺動面に供給される際、その油静圧摺動面が設けられた前記ブロック体において室温の環境下に置かれた部分の温度を基に温度調節されることを特徴とする精密加工機械。
2. 前記静圧油は、前記ブロック体において、前記油静圧摺動面が設けられた面から最も遠い面またはその近傍において測定された温度を基に温度調節されることを特徴とする請求項１に記載の精密加工機械。
3. 前記静圧油は、温度調節された後に、前記サドルの位置を測定するスケールを支持する支持板に形成された回路中を流通し、前記スケールの温度を調節することを特徴とする請求項１又は２に記載の精密加工機械。
4. 前記スケールは、その目盛りを読み取るヘッドの移動を許容するスリットが形成された断熱材でカバーされていることを特徴とする請求項３に記載の精密加工機械。

Images