JP2011079099A

JP2011079099A - 工作機械

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Publication number: JP2011079099A
Application number: JP2009233977A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Onozuka; 英明小野塚; Koji Uchiumi; 幸治内海; Toshio Yamanaka; 敏夫山中; Masayuki Kyoi; 正之京井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2009-10-08
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2029-10-08
Also published as: JP5358388B2; US20110085869A1; US8967927B2

Abstract

【課題】
テーブルの内部にばねと減衰器を用いて接続された錘を内蔵することで，大形あるいは長尺の部材を加工する際のテーブルの自励振動を効果的に抑制する。
【解決手段】
被削材を搭載するテーブルはガイドレール機構上を走行し、切削工具を搭載した加工ヘッドと相対移動することが可能になっている。テーブルはナットを介してボールねじ部に連結されており、ボールねじ部の回転に伴ってその軸方向に移動する。ボールねじ部の一端は軸受けで支持され、他端はサーボモータに連結されて回転駆動を行う。テーブルには中空部分が設けられ、ばね、減衰器及び錘で構成されたダンパ機構部が内蔵されており、テーブルと錘は個別にガイドレール上を走行可能なように配置されている。これにより被削材が重量物であっても錘はテーブルとは相対的に移動し、テーブルの送り方向における振動を効率よく減衰させることが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転する切削工具と被削材が搭載されたテーブルとを相対的に移動させることにより被削材を加工する装置であって、特に大形あるいは長尺の被削材を加工する場合、その加工精度の低下や切削工具の破損などの不具合を齎すテーブルの振動を抑制する方法に関する。

回転する切削工具を用いた被削材の切削加工において、工作機械や被削材の動剛性（動作中の剛性）が小さい場合あるいは切削工具と被削材の間に作用する切削力が大きい場合に工作機械を構成する部品の自励振動が生じる。そして、発生した自励振動が切削工具に伝播し、その結果被削材の加工面にうねりが生じ、また、その表面粗さが増大し、所望の加工精度を得ることが出来なくなる。更にまた、上記した自励振動が大きくなると切削工具自身の切れ刃が欠損する、あるいはその摩耗が増大するなどの不具合が生じ、最終的には切削工具自身の寿命に至ることになる。

被削材が大形あるいは長尺の部材であるような場合、例えば２０ｍを超える鉄道レールの切削加工、液晶パネルの製造に使用される搬送ステージの高精度ガイドレール（５〜８ｍ）の加工などに使用される工作機械は必然的にその構造体が大きくなり、加工時における自励振動を発生させない構成部材の動剛性の向上が望まれる。

一般に、上記した大型の切削加工機械では被削材を搭載するテーブルの移動を回転機と組み合わせたボールねじ方式を採用することが多い。当然のことながら、このボールねじ自身の長さも長大化するため、被削材の加工時においてはボールねじ自身に自励振動が発生しやすく、その振動がテーブルに伝播して被削材の高精度加工を困難にする。

このような場合における対応策のひとつは、工作機械を構成する部品の肉厚を大きくすることで工作機械自身の動剛性を向上させることである。しかしながら、この方法では工作機械が大型化、重量化するため、例えば、重いテーブルを移動させるために大きなエネルギーを必要とするばかりでなく、装置のランニングコストに多大な経費を必要とする。

他の対応策として、特許文献１に記載の方法が提案されている。即ち、切削工具を搭載した加工ヘッドをボールねじによって駆動する場合、ボールねじの加工ヘッドとは反対側を逆方向のねじとしておき、錘を加工ヘッドとは逆方向に移動させることで加工ヘッドが駆動する際に発生する反動をキャンセルさせ、ボールねじに働く振動を抑制する。

また、特許文献２には切削工具を搭載したテーブル上に錘とばねで構成されたダンパを搭載し、そのダンパの動きによってテーブルに作用する振動を抑制する方法が提案されている。

そして、特許文献３にはテーブルが静止部材（土台）のレール上をボールねじを用いて走行し、その時の振動をテーブル内に設置したダンパを用いて吸収させる構造が開示されている。

特開２００７−２０３４３５号公報特開平１０−２０２４６１号公報特開平０２−２４３２６５号公報

Ａｌｔｉｎｔａｓ：ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，ｐ．１０４（２０００）．

上記した特許文献１ではボールねじによる駆動での加工ヘッドの移動速度の変化をキャンセルするものであり、加工において被削材が受ける振動を抑制する機構を備えたものではない。また、特許文献２はテーブル上に設けた振動吸収体、即ち錘と弾性体（スプリング）で構成されたダンパを用いてボールねじの可動に伴う振動を抑制するものである。この時、振動の減衰効果はダンパを構成する錘の重量が大きいほど効果的であるが、テーブル自身の支持部材はテーブルの送りを実現するためのボールねじそのものであるため、本発明の加工対象物である大形、あるいは長尺の重量物の加工時における振動の抑制が困難であると言わざるを得ない。

一方、特許文献３は特許文献２における隘路事項を解決する構造体を示している。即ち、重量物の加工に対処すべくテーブルは静止部材の設けられたレール溝上を走行する。この時、テーブルに伝播した振動の抑制はテーブル内の設けられたダンパ（錘とスプリングとで構成されている）が担うことになる。しかしながら、錘は振動方向に対して不要な抵抗を受けることなく動くことが必要であるため、テーブル内壁に接することなく配置しなければならず、錘の重量を大きくして振動の減衰効果を向上させることが甚だ困難であるという欠点を有していた。

以上に述べたように、大形あるいは長尺の重量物である被削材を搭載したテーブルをボールねじ方式を用いて搬送しながら切削加工を行う場合、必然的にボールねじ自身も長くなり、その稼動時におけるボールねじ自身の空間的変位がテーブルに振動として伝播し、加工精度の低下等を引き起こすという大きな課題があった。

上記の課題を解決するために、被削材を搭載したテーブルの重量がこのテーブルを搬送させるボールねじ部の動作に影響を及ぼさないように独立して設けられたガイドレール上を走行させる構造とし、そして、重量の大きいテーブルに作用する振動を効果的に減衰させるため、重量の大きな錘を支え、自在に移動させるためにガイドレール上を走行可能なダンパ機構部をテーブルに連結させて設ける構造とした。より具体的には以下に述べる構成を備えた工作機械である。

ボールねじ部の回転力を利用してガイドレール上を走行する切削加工用テーブルの上に搭載した被削材を回転切削工具を用いて加工する工作機械であって、このテーブルの被削材の搭載された面に対して反対側に設けられた空洞部に錘とばねと減衰器で構成されたダンパ機構部が設置され、ばね及び減衰器の一端はばねの振動方向とテーブルの移動方向とを一致させて上記したテーブルの内壁に接続され、ばね及び減衰器の他端が錘に接続され、この錘がガイドレール上を走行するように配置した。

重量物である被削材の加工時に受ける振動を効率よく減衰させるためには上記した錘の重量を大きくすることが必要であり、その重量を確実に支えつつ自在に可動させるためのガイドレールを配置したが、このガイドレールは切削加工用テーブルの走行用ガイドレールを兼用してもよく、個別に設けてもよい。

また、ダンパ機構部はテーブルに内蔵させてもよく、テーブルの走行方向に一致させて連結させてもよい。具体的には、テーブルが走行する方向に直交するテーブルの面にばねと減衰器とを介して錘が接続され、この錘が上記したガイドレール上を走行するように配置した。

上記したように、ダンパ機構部を構成する錘が独立させてガイドレール上を走行させる構成を用いることによって、重量の大きい錘をボールねじ部の駆動に影響を与えることなく自在に可動可能となる。これにより、テーブルに伝播した振動を極めて効果的に減衰させることが出来、重量物である被削材を精度よく加工することが可能になった。

長尺のボールねじ方式を用いた場合に発生する振動について説明するための概略図である。本発明の第１の実施の形態を説明するための概要図である。本発明の第１の実施の形態である工作機械を説明するため、斜め上方から見たときの斜視図である。本発明の第１の実施の形態である工作機械を説明するため、斜め下方（裏側）から見たときの斜視図である。本発明の第１の実施の形態で用いたダンパ機構部における振動系モデルを説明するための等価回路図である。テーブルの送り方向における振動の周波数特性を説明するための図であり、ダンパ機構部を搭載しない場合の例である。（比較例）テーブルの送り方向における振動の周波数特性を説明するための図であり、ダンパ機構部を搭載した場合の例である。本発明の第１の実施の形態における被削材に対する工具の径方向切込み量及び軸方向切込み量を説明するための概略図である。本発明の第１の実施の形態における切削加工例を説明するための概略図であって、切削加工条件とテーブルに発生した振動の有無との関係を表わす。ダンパ機構部を搭載しない場合の例である。（比較例）本発明の第１の実施の形態における切削加工例を説明するための概略図であって、切削加工条件とテーブルに発生した振動の有無との関係を表わす。ダンパ機構部を搭載した場合の例である。本発明の第２の実施の形態を説明するための概要図である。本発明の第３の実施の形態を説明するための概要図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
一般に、切削加工用テーブルを移動させてこのテーブル上に搭載させた被削材を全長に亘って加工する場合、必然的にテーブルの移動距離も長くなり、また、テーブルを送るためのボールねじ部も長くしなければならない。例えば、図１に長尺のボールねじ方式を用いた工作機械において発生する振動を説明するための概略図である。被削材６１は切削加工用テーブル１１上に搭載されており、このテーブル１１がガイドレール１２上を走行することで別途設けられた切削工具５１との相対的移動によって切削加工される。テーブル１１の下部面にはナット２１が取付けられており、このナット２１に嵌め込まれたボールねじ２２が回転することにより、その回転角度とボールねじのリードに対応した距離だけテーブル１１が移動する。尚、ボールねじ２２はサーボモータ２４に接続されており、正方向もしくは逆方向に回転させることでテーブル１１の前進もしくは後進が行われる。

この例からも明らかのように、ボールねじ２２の長さが増大するに従って、ボールねじ２２自身の剛性が低くなるため、図示したように上下方向にボールねじ２２が撓みやすくなる。これが原因となって切削工具５１を用いて被削材６１を加工するとき、テーブル１１に力が作用するとボールねじ２２の撓みによってテーブル１１の送り方向（テーブルの進行、後退方向）に振動が発生することになる。

上記したテーブル１１の振動を抑制させる方法として、図２に本発明の第１の実施の形態を示す。
図１と同一の構成部材については同一の記号を用い、その説明を省略した。図１に記載の工作機械との違いは、テーブル１１に設置したダンパ機構部３００及び４００である。ダンパ機構部３００及び４００は夫々錘３１及び４１、ばね３２及び４２、減衰器３３及び４３で構成されている。そして、テーブル１１の内部は中空であって、テーブル１１の走行する方向の内壁にばね３２、４２及び減衰器３３、４３を介して錘３１、４１が接続されている。

テーブル１１の裏面側にはガイドレール１２上を走行するための車輪１０１、１０２が装着されており、同様に錘３１及び４１にもガイドレール１２上を走行するための車輪１１１、１２１及び１３１、１４１が取付けられている。ガイドレール１２はテーブル１１と錘錘３１及び４１とで兼用してもよいし、夫々個別に設けてもよい。また、本発明の目的に適合するのであればガイドレール上を走行するための部品は車輪に限定されるものではない。

被削材６１を搭載したテーブル１１と錘３１及び４１とをガードレール１２で支える構造にすることによって、被削材６１が大形あるいは長尺の重量の大きな部材の場合にはそれに応じた重量の大きな錘３１及び４１を用いることが可能となり、これによってテーブル１１において受けた振動を極めて効果的に減衰させることが出来る。

図３は、第１の実施の形態である工作機械を斜め上方から見たときの斜視図である。同図において、テーブル１１上に搭載された被削材６１を回転切削工具５１を駆動する工具主軸５２を用いて加工する。また、テーブル１１は凹部の形状を有する土台１０の上部（淵の部分）に設置されたガイドレール１２上を走行し、ボールねじ部２２はその両端が軸受け部２３及びサーボモータ２４に接続されて、上記した土台１０の溝部分に格納されている。

テーブル１１の内部は隠れて見えないが、図２で説明したようにその内部は中空になっており、ダンパ機構部３００及び４００が内蔵されている。尚、この中空部において、錘３１及び錘４１はテーブル１１の内壁面と接触しないように設置されている。

図４は、第１の実施の形態である工作機械を斜め下方から見たときの斜視図である。２本のガイドレール１２を挟む形でボールねじ部２２が配置され、このボールねじ部２２はテーブル１１の下部面に取付けられたナット２１を介してその回転力がテーブル１１の可動を行うことになる。図２でも説明したように、テーブル１１の下部面に取付けられた車輪１００、１０１及び１０２、錘３１及び４１に取付けられた車輪１１１と１２１、及び１３１と１４１はガイドレール１２上を個別に走行するように配置されている。テーブル１１上に搭載した被削材６１あるいは錘３１及び４１の加重がテーブル１１の下部面に取付けられたナット２１を介してボールねじ２２の可動に影響を及ぼさないようにガイドレール１２とボールねじ部２２の位置関係を配慮して設置されている。

錘３１及び錘４１はテーブル１１と接触しないように配置され、テーブル１１に振動が加わった場合、ばね（３２、４２）及び減衰器（３３、４３）の伸縮によってテーブル１１とは相対的に変位するようになっている。テーブル１１と錘３１及び錘４１の相対的な振動は減衰器３３及び４３、更にガイドレール１２と車輪との摩擦によってのみ減衰される。従って、テーブル内面と錘が接すると摺動による摩耗や摩耗粉の発生によってガイドレール面への異物噛み込みなどが発生し、ガイドレールの寿命劣化が齎されることになる。また、固体同士の摩擦係数は温度や湿度などの雰囲気などによって変化するので安定な減衰係数を得ることはできず、テーブルの振動を安定的に抑制することが困難となるので、ばね、減衰器、錘等とテーブルとの位置関係に細心の注意を払う必要がある。

次に、ふたつのダンパ機構部（３００及び４００）を用いた場合のテーブル１１に発生する振動特性について説明する。
図５は振動特性を解析するための等価回路図である。テーブル１１は質量ｍ０を持つ質点であり、ばね定数ｋ０を有するばね、減衰係数ｃ０を有する減衰器によって支持されている。錘３１は質量ｍ１を持つ質点であり、ばね定数ｋ１なるばね、減衰係数ｃ１なる減衰器によってテーブル１１に接続されている。そして、錘４１は質量ｍ２を持つ質点であり、ばね定数ｋ２なるばね、減衰係数ｃ２なる減衰器によってテーブル１１に接続されている。

テーブル１１の走行に伴う変位は除外し、振動によるテーブル１１の変位をｘ０、錘３１の変位をｘ１、錘４１の変位をｘ２と仮定すれば、テーブル１１に外力Ｆ０が作用したときの運動方程式は次式（１）で表される。

ここで、Ｆ１０は錘３１からテーブル１１に作用する力、Ｆ２０は錘４１からテーブル１１に作用する力である。

次に、錘３１および錘４１について、下記の数式（２）及び（３）を数式（１）へ代入して整理すれば、数式（４）が得られる。

次に、上記した数式（４）を解き、テーブル１１への外力Ｆ０に対する振動変位ｘ０の周波数応答特性ｘ０／Ｆ０を求め、その結果を図６及び図７に示す。尚、図６は図２におけるダンパ機構部３００及び４００を設置しない場合の結果であり、図７はダンパ機構部を備えた場合の結果である。
ここで、解析には次の諸元を用いた。即ち、テーブル１１の寸法は幅２ｍ、長さ６ｍ、高さ１ｍの直方体であり、その内部は中空になっている。また、テーブル１１の質量ｍ０は２００００（ｋｇ）、テーブル１１を支持するばねのばね定数ｋ０は２．０×１０^８（Ｎ／ｍ）、減衰係数ｃ０は２０００００（Ｎｓ／ｍ）である。また、錘３１の質量ｍ１及び錘４１の質量ｍ２は両方とも５０００（ｋｇ）である。また、ばね３２のばね定数ｋ１及びばね４２のばね定数ｋ２は両者とも２．２×１０^７（Ｎ／ｍ）、減衰器３３の減衰係数ｃ１及び減衰器４３の減衰係数ｃ２は両方とも１９９０００（Ｎｓ／ｍ）である。

図６から明らかのように、テーブル１１にダンパ機構部を取付けていない場合、固有振動数が約１６（Ｈｚ）の大きな振幅が観察される。言い換えれば、被削材の切削加工の過程において、上記した固有振動数を有する振動をテーブル自身が受けることになり、これによって加工精度等が著しく阻害される危険性のあることを示している。一方、図７に示した結果を見れば、テーブル１１にダンパ機構部を内蔵することによって如何なる周波数帯域においてもテーブルが受ける振動を効果的に減衰させることが可能であることを示している。図６の結果との比較において、テーブルが受ける振動は約１／５に抑制されている。

以上に説明したように、大形あるいは長尺の被削材を切削加工する場合、必然的にテーブルを送るためのボールねじ部のシャフトも長尺化を余儀なくされる。そして、この長尺化に伴って切削加工中に自励振動を発生させる場合がある。この自励振動の発生のし易さは工作機械を構成する構造体の動剛性、即ち、上記で得られた振動の周波数応答、切削工具の刃数、切削加工条件などによって決定される。そこで、非特許文献１に開示された方法を用いて切削工具で被削材を切削加工する際の自励振動安定性評価を、本発明で提案しているダンパ機構部の有無と関連付けて検討した。

図８は被削財６１を切削工具５１を用いて加工するときの加工条件等を説明するための概略図である。図８において、切削工具５１を時計方向に回転させて被削材６１を図面の左端から切削加工を行う場合である。そのときの加工条件は、径方向の切込み量Ｒｄ（ｍｍ）、軸方向切込み量Ａｄ（ｍｍ）、切削工具の回転数Ｓ（ｒｐｍ）とし、具体的には直径２５０ｍｍ、１６枚の回転工具を用いて、径方向切込みＲｄを２００（ｍｍ）とした。また、切削力の計算に用いる定数として、単位面積当りの切削除去量に対して工具回転の接線方向に３０００（Ｎ／ｍｍ^２）、工具回転の径方向に２０００（Ｎ／ｍｍ^２）の力が作用するものとした。

図９及び図１０は各々ダンパ機構部を設置しない場合とした場合とにおける工作機械の自励振動の安定性の状況を纏めた結果である。いずれの図においても、切削工具の回転数Ｓと軸方向の切り込み量Ａｄとの関係において、自励振動がなく安定に切削加工が行われている場合には白丸の記号で示し、不安定である場合には黒丸の記号で示した。

その結果、例えば、ダンパ機構部を用いない場合には図９から明らかのように、工具回転数Ｓを１００（ｒｐｍ）、軸方向切込み量Ａｄ１．０（ｍｍ）以上の加工条件では容易に自励振動が発生し、安定な加工が出来ないことがわかる。一方、図１０の解析結果から明らかのように、ダンパ機構部を採用することによって安定した状態で切削加工の行われる領域（加工条件）が増大する。具体的には上記した工具回転数Ｓが１００（ｒｐｍ）である場合、軸方向切り込み量Ａｄは１．０（ｍｍ）から２．５（ｍｍ）に増大し、それだけ短時間の切削加工が可能になることを示している。

図９及び図１０に示した結果から言えば、大形あるいは長尺の重量の大きな被削材の加工であっても、図２に示したようなダンパ機構部を加工用テーブルに設置し、しかもダンパ機構部を構成する錘とテーブル夫々がガイドレール上を自在に走行可能な状態を実現するように構成することによって、総じて加工効率を上げてしかも安定的に切削加工が出来ることを示している。

（第２の実施の形態）
図１１は第２の実施の形態であり、ボールねじ方式を用いた切削工作機械の概略図である。第１の実施の形態（図２参照）との違いは被削材６１を搭載した切削加工用テーブル２００は平板であって、図２に示したテーブル１１の内部に空洞を形成する代わりに平板のテーブル２００と支柱２０１及び２０２を用いてその空洞を形成した。

第１の実施の形態と同様に高効率で安定した切削加工が可能である。更にはテーブルに設ける空洞部分を自由に設計することが出来、より大形の錘を使用しなければならない場合にも好適である。

（第３の実施の形態）
図１２は第３の実施の形態であり、ボールねじ方式を用いた切削工作機械の概略図である。第１の実施の形態（図２参照）との違いはダンパ機構部５００をテーブル１１の内部に設けるのではなく、テーブル１１に連結させる方法である。ダンパ機構部５００を構成する錘３１は第１の実施の形態と同様にガイドレール１２上を走行することは言うまでもない。

本方式の切削効果は第１の実施の形態の場合と同様であるが、これに比較して被削材６１の重量等によってその減衰特性の最適化を図るための錘３１を自由に調整可能なことである。

本発明は大形あるいは長尺の重量の大きな被削材を効率よく、しかも安定して切削加工を行う工作機械を提供するものであり、その結果として部材のコスト低減に寄与することが可能であって、工業産業利用上に貢献すること大である。

１１・・・テーブル、１２・・・ガイドレール、２１・・・ナット、２２・・・ボールねじ部、２３・・・軸受け、２４・・・サーボモータ、３１、４１・・・錘、３２、４２・・・ばね、３３、４３・・・減衰器、５１・・・切削工具、５２・・・回転主軸、６１・・・被削材、１０１、１０２、１１１、１２１、１３１、１４１…車輪、２００…テーブル（平板）、２０１、２０１…支柱、３００、４００、５００…ダンパ機構部

Claims

ボールねじ部の回転力を利用してガイドレール上を走行する切削加工用テーブルの上に搭載した被削材を、回転切削工具を用いて加工する工作機械であって、前記テーブルの前記被削材の搭載された面に対して反対側に設けられた空洞部に錘とばねと減衰器で構成されたダンパ機構部が設置され、前記ばね及び減衰器の一端は該ばねの振動方向と前記テーブルの移動方向とを一致させて該テーブルの内壁に接続され、前記ばね及び減衰器の他端が前記錘に接続され、該錘が前記ガイドレール上を走行するように配置したことを特徴とする工作機械。
前記ガイドレールは、前記テーブルと前記錘とが走行するレールを兼用していることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記錘は、前記テーブルの内壁に接しないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
ボールねじ部の回転力を利用してガイドレール上を走行する切削加工用テーブルの上に搭載した被削材を、回転切削工具を用いて加工する工作機械であって、前記テーブルが走行する方向に直交する前記テーブルの面にばねと減衰器とを介して錘が接続され、該錘が前記ガイドレール上を走行するように配置したことを特徴とする工作機械。
前記ガイドレールは、前記テーブルと前記錘とが走行するレールを兼用していることを特徴とする請求項４に記載の工作機械。