JP2011104692A

JP2011104692A - 工作機械

Info

Publication number: JP2011104692A
Application number: JP2009260981A
Authority: JP
Inventors: Yu Goto; 悠後藤; Toshihiro Suenaga; 敏博末永; Seishiro Araya; 政志朗荒谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】筒型で内面が矩形状に形成された被加工物の前記内面を、設置エリア等を増大させることなく、低コスト且つ高精度に加工できること。
【解決手段】テーブルユニット１３にコラム１４が立設され、このコラムに、工具１５を取り付け可能なヘッド１６が設けられて工作機械本体１１が構成され、テーブルユニット１３は、水平面内のＸ方向に移動可能なＸ軸テーブル２１と、このＸ軸テーブルに設置され、水平面内でＸ方向に直交するＹ方向に移動可能なＹ軸テーブル２４と、このＹ軸テーブルに設置されると共にコラム１４が立設され、水平面内で回転可能な回転テーブル２７とを備え、ヘッド１６は、コラム１４に対し水平面に直交するＺ方向に移動可能に設けられると共に、工具１５を取り付ける工具取付部３１がヘッド本体３０に対し水平面内で揺動可能に設けられ、工作機械本体１１は、筒型で内面が矩形状に形成された被加工物Ｗの内側に設置されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒型で内面が矩形状に形成された被加工物の前記内面を加工する工作機械に関する。

円筒形状の被加工物（ワーク）の内面を加工する工作機械が、例えば特許文献１に開示されている。この工作機械は、ターニングテーブルに対して立設されたコラムに、交差状態で設けられた水平クロスレール及び縦クロスレールを介してヘッド（刃物台）が左右方向及び上下方向に移動可能に設けられ、このヘッドに、工具を取り付ける工具取付部が回動可能に設けられると共に、上下方向に移動可能にラムが設けられ、このラムの下端に他の工具が取り付けられたものである。

ターニングテーブルに固定された被加工物は、ターニングテーブル、水平クロスレール、縦クロスレールにより位置合せされた後、ラムの昇降動作によって、他の工具により内面が加工される。但し、この特許文献１に記載の工作機械は円筒形状の被加工物の内面を他の工具により加工するものであり、筒型で内面が矩形の階段形状に形成された被加工物の前記内面を上記他の工具により加工可能な構造に構成されていない。

筒型で内面が矩形の階段形状に形成された被加工物の前記内面を加工可能な工作機械としては、特許文献２に記載のような門型マシニングセンタが想定される。この門型マシニングセンタは、テーブルの両側にコラムベースが設置され、これらのコラムベースのそれぞれにコラムが水平方向に移動可能に立設され、これら一対のコラムにクロスレールが上下方向に移動可能に設けられ、このクロスレールにヘッドが左右方向に移動可能に設けられ、このヘッドの主軸に工具が取り付けられたものである。テーブルに固定された被加工物は、テーブル、コラム、クロスレール及びヘッドの移動により位置合せされた後、工具により加工される。

特開２００７−７５９９５号公報特開平８−１５０５３４号公報

ところで、特許文献２に記載の門型マシニングセンタを使って、筒型で内面が矩形の階段形状に形成された被加工物の前記内面を加工する場合、この被加工物の直径が約４ｍで高さが約５ｍの場合には、門型マシニングセンタも大型になり、設備コストが増大してしまう。しかも、テーブルに取り付けられた被加工物の両側にコラムが配置されているため、大きな設置エリアが必要になる。

更に、被加工物の下部を加工する場合にはヘッドに取り付けられた工具をその位置まで移動させなければならないが、このときの加工精度は被加工物の下端ほど低下する傾向にある。そこで、被加工物の天地を反転させて加工を２ステップに分けて行う方法が考えられる。しかしこの場合には、２ステップの加工による加工面の繋ぎ部分に段差が生じやすいので、加工精度が低下してしまう。更に、被加工物を反転させるためのスペースを確保する必要があるため、加工エリアが増大してしまう。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、筒型で内面が矩形状に形成された被加工物の前記内面を、設置エリア等を増大させることなく、低コスト且つ高精度に加工することができる工作機械を提供することにある。

本発明は、テーブルユニットにコラムが立設され、このコラムに、工具を取り付け可能なヘッドが設けられて工作機械本体が構成され、前記テーブルユニットは、水平面内のＸ方向に移動可能なＸ軸テーブルと、このＸ軸テーブルに設置され、前記水平面内で前記Ｘ方向に直交するＹ方向に移動可能なＹ軸テーブルと、このＹ軸テーブルに設置されると共に前記コラムが立設され、前記水平面内で回転可能な回転テーブルとを備え、前記ヘッドは、前記コラムに対し前記水平面に直交するＺ方向に昇降可能に設けられると共に、前記工具を取り付ける工具取付部が、ヘッド本体に対し前記水平面内で揺動可能に設けられ、前記工作機械本体は、筒型で内面が矩形状に形成された被加工物の内側に設置可能に構成されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、工作機械本体が、筒型で内面が矩形状に形成された被加工物の内側に設置されることで、例えば門型のマシニングセンタ等を用いる場合に比べ、工作機械の設置エリア等を増大させることなく、低コスト化を実現できる。また、テーブルユニットによるＸ方向及びＹ方向の移動と回転、ヘッドによるＺ方向の昇降、工具取付部による揺動によって、筒型で内面が矩形状の被加工物の前記内面に工具を追従させることができるので、この被加工物の内面を高精度に加工できる。

本発明に係る工作機械の一実施形態を示す側面図。図１の工作機械を示す平面図。図１の被加工物である加圧水型原子炉のシュラウドを示す斜視図。図３の被加工物を工作機械のヘッド等と共に示す平面図。図１の一部を拡大して示す部分拡大側面図。（Ａ）、（Ｂ）は、図２のＶＩＡ−ＶＩＡ線、ＶＩＢ−ＶＩＢ線にそれぞれ沿う断面図。（Ａ）〜（Ｆ）は、図１の工作機械に装備された工具による被加工物の加工状況を示す作用図。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。

図１は、本発明に係る工作機械の一実施形態を示す側面図である。図２は、図１の工作機械を示す平面図である。これらの図１及び図２に示す工作機械１０は、テーブルユニット１３にコラム１４が立設され、このコラム１４に、工具１５を取り付け可能なヘッド１６が設けられた工作機械本体１１と、クランプアーム１７を備える補助コラムユニット１２とを有し、更に積載台座１８、工具交換装置１９及びＮＣ制御装置２０を有して構成される。

この工作機械１０は、例えば筒型で内面Ｗ１が矩形の階段形状に形成された被加工物Ｗの前記内面Ｗ１を加工するものである。この被加工物Ｗは、具体的には、図３及び図４に示すような加圧水型原子炉のシュラウドである。このシュラウドは、平面視コ字形状で長尺状のＣ形パネル１と、平面視階段形状で長尺状のＷ形パネル２とが溶接等により接合され、複数のリングセグメント３により全体として円筒形状に位置規制され、Ｃ形パネル１及びＷ形パネル２の上端、下端のそれぞれにトッププレート４、ボトムプレート５が溶接されて構成されたものである。Ｃ形パネル１及びＷ形パネル２の内面が被加工物Ｗの内面Ｗ１となっている。

さて、前記工作機械本体１１のテーブルユニット１３は、図１及び図２に示すように、Ｘ軸テーブル２１、Ｙ軸テーブル２４及び回転テーブル２７を備えてなる。つまり、Ｘ軸テーブル２１は、基台２９に設置されたＸ軸ベース２２に水平面内でＸ方向に移動可能に嵌合される。このＸ軸テーブル２１の移動は、Ｘ軸ベース２２に設置されたＸ軸駆動モータ２３の駆動によりなされる。また、Ｙ軸テーブル２４は、Ｘ軸テーブル２１に設置されたＹ軸ベース２５に、水平面内で前記Ｘ方向に直角なＹ方向に移動可能に嵌合される。このＹ軸テーブル２４の移動は、Ｙ軸ベース２５に設置されたＹ軸駆動モータ２６の駆動によりなされる。

更に、回転テーブル２７は、Ｙ軸テーブル２４に設置されると共にコラム１４が立設され、前記水平面内でθ方向に回転可能に設けられる。この回転テーブル２７の回転は、Ｙ軸テーブル２４に設置された回転駆動モータ２８の駆動によりなされ、回転テーブル２７は正または逆方向に所定角度（例えば±１８０度）回転される。

前記ヘッド１６は、ヘッド本体３０及び工具取付部３１を有してなる。コラム１４の一側面には案内レール３２が略全長に亘って延設され、この案内レール３２にヘッド本体３０のスライダ３３が嵌合されて、ヘッド本体３０（つまりヘッド１６）は、コラム１４に対し前記水平面に直交するＺ方向に昇降可能に設けられる。このヘッド本体３０（ヘッド１６）の昇降は、コラム１４の上端部に設置された昇降駆動モータ３４の駆動によりなされる。

また、工具取付部３１は、主軸３５を駆動する主軸駆動源３６（図５）を備えてなり、主軸３５に工具１５が着脱可能に取り付けられる。工具取付部３１は、ヘッド本体３０に設置された揺動モータ３７によって、ヘッド本体３０に対し前記水平面内で正または逆方向（α方向）に所定角度（例えば±９０度）揺動される。このようにして工具取付部３１に取り付けられる工具１５は、テーブルユニット１３によるＸ方向及びＹ方向の移動とθ方向の回転、ヘッド本体３０のＺ方向の昇降、工具取付部３１のα方向の揺動によって５軸に移動可能に構成される。

前記積載台座１８は、中央部分に開口３９が形成された積載プレート３８が、多数本の支柱４０により基台２９に支持されて構成され、被加工物Ｗを載置して固定する。そして、積載プレート３８の開口３９内に前記工作機械本体１１（テーブルユニット１３、コラム１４及びヘッド１６）が配置される。これにより、この工作機械本体１１は、積載台座１８の積載プレート３８に積載された被加工物Ｗの内側に設置されることになる。

また、被加工物Ｗが積載台座１８の積載プレート３８に積載されたとき、被加工物Ｗは、図５に示すように、その外周部分が積載プレート３８に当接するように積載されることで、被加工物Ｗの内面Ｗ１が積載プレート３８の開口３９を臨む内面３９Ａによりも所定寸法Ｔだけ内側にくるように位置付けられる。これにより、工作機械本体１１のヘッド１６に取り付けられた工具１５が被加工物Ｗの内面Ｗ１の最下端に到達した際にも、この工具１５と積載プレート３８との干渉が回避される。

前記補助コラムユニット１２は、工作機械本体１１及び積載台座１８に隣接して基台２９に設置され、複数本（例えば４本）の補助コラム４１の上端部に、クランプアーム１７が水平面内で所定角度（例えば９０度）回動可能に設けられたものである。このクランプアーム１７が、コラム１４の上端部に設置された可動ユニット４２にクランプ部材４３を用いて固定される。これにより、コラム１４は、上端部が可動ユニット４２を介して補助コラムユニット１２のクランプアーム１７に支持され、下端部がテーブルユニット１３に支持されることで、両端支持構造に構成されて剛性が確保される。

前記可動ユニット４２は、図６に示すように、回転プレート４４、Ｙ方向プレート４５、Ｘ方向プレート４６を有してなる。回転プレート４４は、コラム１４の上端部に、このコラム１４に対し水平面内でθ方向に回転自在に支持される。また、Ｙ方向プレート４５は、回転プレート４４の上面に、水平面内でＹ方向に移動自在に嵌合される。更にＸ方向プレート４６は、Ｙ方向プレート４５の上面に、水平面内でＸ方向に移動自在に嵌合される。このＸ方向プレート４６に、クランプアーム１７を固定するクランプ部材４３が設置されている。

これにより、可動ユニット４２は、水平面内でＸ方向及びＹ方向の移動並びにθ方向の回転が許容可能に構成される。従って、コラム１４の下端部がテーブルユニット１３の作用によって水平面内でＸ方向もしくはＹ方向に移動しまたはθ方向に回転したとき、コラム１４の上端部も、テーブルユニット１３の移動または回転に追従して移動または回転することになる。

前記工具交換装置１９は、図１及び図２に示すように、補助コラムユニット１２に昇降可能に設けられ、芯出し工具や面加工用工具などの各種工具１５を収納する。この工具交換装置１９は、工具交換時には工具交換位置まで上昇し、支点Ａを中心に工作機械本体１１側へ約９０度回動する。このとき、工作機械本体１１のヘッド１６は、工具交換位置まで上昇すると共に、テーブルユニット１３の作用でθ方向に回転し且つＸ方向及びＹ方向に移動して、ヘッド１６と工具交換装置１９との間で工具１５の交換がなされる。

前記ＮＣ制御装置２０は、Ｘ軸駆動モータ２３、Ｙ軸駆動モータ２６及び回転駆動モータ２８に指令信号を出力して、テーブルユニット１３によるコラム１４のＸ方向及びＹ方向の移動とθ方向の回転を制御し、昇降駆動モータ３４及び揺動モータ３７に指令信号を出力して、ヘッド１６のＺ方向の昇降と工具取付部３１のα方向の揺動を制御し、主軸駆動源３６（図５）に指令信号を出力して工具１５の回転を制御し、クランプアーム１７の回動駆動源（不図示）に指令信号を出力して、クランプアーム１７によるコラム１４の上端部の支持を制御し、工具交換装置１９に指令信号を出力して、この工具交換装置１９による工具１５の交換を制御する。これらの制御は、予め定められたＮＣプログラムに基づいて実行される。

本実施の形態では更に、ヘッド１６、コラム１４のそれぞれの上端部に、監視手段としての加工用監視カメラ４７、ヘッド監視カメラ４８が設置されて、加工状況が監視される。加工用監視カメラ４７は、工具１５による被加工物Ｗの内面Ｗ１の加工状況を監視する。ヘッド監視カメラ４８は、工具１５の加工時におけるヘッド１６及び工具１５の状況を、ヘッド１６の上方から監視する。これらの加工用監視カメラ４７、ヘッド監視カメラ４８による監視画像は、図示しないモニタに表示されて、工作機械１０の作業者に提供される。尚、加工用監視カメラ４７とヘッド監視カメラ４８はいずれか一方であってもよい。

次に、被加工物Ｗへの加工動作を説明する。

作業者は、まず、工作機械１０の近傍に仮置きされた被加工物Ｗを積載台座１８の積載プレート３８上に積載し、レベルの確認を行って固定する。このとき、被加工物Ｗの内面Ｗ１は、積載プレート３８の開口３９を臨む内面３９Ａよりも所定寸法Ｔだけ内側にくるように位置決めされる。

次に、作業者はＮＣ制御装置２０を動作させる。すると、このＮＣ制御装置２０は、まず、補助コラムユニット１２のクランプアーム１７を工作機械本体１１のコラム１４側へ回動させ、このクランプアーム１７を可動ユニット４２のクランプ部材４３により固定させる。これにより、コラム１４の上端部が、可動ユニット４２を介してクランプアーム１７により支持される。

ＮＣ制御装置２０は、次にテーブルユニット１３、ヘッド１６及び工具交換装置１９を作動させ、ヘッド１６の工具取付部３１に工具１５（芯出し工具）を取り付ける。そして、ＮＣ制御装置２０は、テーブルユニット１３及びヘッド１６を作動させて、工具１５（芯出し工具）により被加工物Ｗの内面Ｗ１の加工前寸法を計測する。作業者は、この計測値から、被加工物Ｗの内面Ｗ１における対面寸法Ｌ（図４）に十分な加工代があることを確認し、被加工物の全ての内面Ｗ１に加工が可能であることを確認する。

ＮＣ制御装置２０は、作業者からの指令により、テーブルユニット１３、ヘッド１６及び工具交換装置１９を作動させ、ヘッド１６の工具取付部３１に工具１５（面加工用工具）を取り付ける。その後、ＮＣ制御装置２０は、予め設定されたＮＣ加工プログラムに基づいて、工作機械１０に被加工物Ｗの内面Ｗ１を加工させる。

つまり、ＮＣ制御装置２０は、まず、ヘッド１６を被加工物Ｗの内面Ｗ１の上部近傍に位置決めし、コラム１４の中心Ｐ（図４）を被加工物Ｗの中心Ｏに一致させた状態で、テーブルユニット１３の回転テーブル２７によるコラム１４のθ方向の回転と、ヘッド１６における工具取付部３１のα方向の揺動とを組み合わせて、工具１５（面加工用工具）の接触面を被加工物Ｗの内面Ｗ１における所望の被加工面に対向させる。

ＮＣ制御装置２０は、次に工具１５を回転させ、図７（Ａ）に示すように、テーブルユニット１３のＸ軸テーブル２１及びＹ軸テーブル２４を移動させて、ヘッド１６に取り付けられた工具１５により、被加工物Ｗの内面Ｗ１の上記被加工面に所定の切り込み量まで切削を行う。ＮＣ制御装置２０は、この状態でヘッド１６を下降させて、被加工物Ｗの内面Ｗ１の上記被加工面を長手方向に加工する。必要な場合には、ＮＣ制御装置２０は、テーブルユニット１３のＸ軸テーブル２１またはＹ軸テーブル２４を移動させて工具１５の位置をずらした後、ヘッド１６を上昇させて上記被加工面を長手方向に加工する。

ＮＣ制御装置２０は、その同様にして、被加工物Ｗの上部または下部近傍において、テーブルユニット１３の回転テーブル２７によるコラム１４のθ方向の回転と、ヘッド１６における工具取付部３１のα方向の揺動とを組み合わせて、工具１５の切削面を被加工物Ｗの内面Ｗ１における所望の加工面に対向させ、更に、テーブルユニット１３のＸ軸テーブル２１及びＹ軸テーブル２４を移動させ、ヘッド１６を昇降させることで、図７（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）の順に、被加工物Ｗの内面Ｗ１における隣接する被加工面を順次加工する。上述の加工時に、作業者は加工用監視カメラ４７及びヘッド監視カメラ４８による画像を観察して、工作機械１０による加工状況を監視する。

以上のように構成されたことから、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。

（１）テーブルユニット１３、コラム１４及びヘッド１６を備えた工作機械本体１１が、筒型で内面Ｗ１が矩形の階段形状に形成された被加工物Ｗの内側に設置されることで、例えば門型のマシニングセンタを用いる場合に比べ、工作機械１０の設置エリアを増大させることなく、低コスト化を実現できる。

（２）テーブルユニット１３のＸ軸テーブル２１によるＸ方向移動、Ｙ軸テーブル２４によるＹ方向移動及びθ方向の回転テーブル２７による回転と、ヘッド１６によるＺ方向の昇降と、ヘッド１６の工具取付部３１によるα方向の揺動とによって、筒型で内面Ｗ１が矩形の階段形状に形成された被加工物Ｗの前記内面Ｗ１に、工具取付部３１に取り付けられた工具１５を追従させることができる。この結果、工作機械１０によって、被加工物Ｗの内面Ｗ１を高精度に加工することができる。

（３）補助コラムユニット１２のクランプアーム１７によってコラム１４の上端部が可動ユニット４２を介して支持され、コラム１４の下端部がテーブルユニット１３により支持され、これらにより、コラム１４が両端支持構造に構成されたので、このコラム１４の剛性を向上させることができる。この結果、ヘッド１６の昇降時における振れを抑制でき、ヘッド１６に取り付けられた工具１５により被加工物Ｗの内面Ｗ１を高精度に加工できる。

（４）ヘッド１６の昇降時における振れが抑制されて加工精度が向上したので、被加工物Ｗを天地反転させて加工する必要がない。このため、被加工物Ｗを反転させるためのスペースが不要となり、加工エリアの増大を防止できる。

以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

例えば、コラム１４の上端部に可動ユニット４２が設置されず、補助コラムユニット１２のクランプアーム１７は、テーブルユニット１３によるＸ方向またはＹ方向の移動と回転時にはコラム１４の上端部を支持せず、ヘッド１６のＺ方向の昇降による加工時にコラム１４の上端部をクランプ部材４３により直接支持するようにしてもよい。この場合にも、ヘッド１６の昇降による加工時における振れを抑制でき、被加工物Ｗの内面Ｗ１を高精度に加工できる。

１０工作機械
１１工作機械本体
１２補助コラムユニット
１３テーブルユニット
１４コラム
１５工具
１６ヘッド
１７クランプアーム
１８積載台座
２１Ｘ軸テーブル
２４Ｙ軸テーブル
２７回転テーブル
３０ヘッド本体
３１工具取付部
３８積載プレート
４１補助コラム
４２可動ユニット
４４回転プレート
４５Ｙ方向プレート
４６Ｘ方向プレート
４７加工用監視カメラ（監視手段）
４８ヘッド監視カメラ（監視手段）
Ｗ被加工物
Ｗ１内面

Claims

テーブルユニットにコラムが立設され、このコラムに、工具を取り付け可能なヘッドが設けられて工作機械本体が構成され、
前記テーブルユニットは、水平面内のＸ方向に移動可能なＸ軸テーブルと、このＸ軸テーブルに設置され、前記水平面内で前記Ｘ方向に直交するＹ方向に移動可能なＹ軸テーブルと、このＹ軸テーブルに設置されると共に前記コラムが立設され、前記水平面内で回転可能な回転テーブルとを備え、
前記ヘッドは、前記コラムに対し前記水平面に直交するＺ方向に昇降可能に設けられると共に、前記工具を取り付ける工具取付部が、ヘッド本体に対し前記水平面内で揺動可能に設けられ、
前記工作機械本体は、筒型で内面が矩形状に形成された被加工物の内側に設置可能に構成されたことを特徴とする工作機械。
前記コラムは、上端部に設置された可動ユニットがクランプアームを介し補助コラムにより支持されて両端支持構造に構成され、前記可動ユニットが、水平面内でのＸ方向及びＹ方向の移動と回転とを許容可能に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記コラムは、ヘッドのＺ方向の昇降による加工時に、上端部がクランプアームを介し補助コラムにより支持されて両端支持構造に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記ヘッドとコラムとの少なくとも一方には、加工状況を監視する監視手段が設置されたことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。