JP2018075698A

JP2018075698A - 工作機械

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Publication number: JP2018075698A
Application number: JP2016220993A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　直樹; Naoki Sato; 直樹佐藤
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-05-17
Anticipated expiration: 2036-11-11
Also published as: CN207521715U; CN108067639A; US20180133858A1; DE102017010287B4; US10272533B2; JP6378290B2; DE102017010287A1; CN108067639B

Abstract

【課題】熱変位による支持部の姿勢の変形を抑制することができる工作機械を提供する。【解決手段】刃具１２によりワークＷの切削を行う工作機械１０であって、熱を発する主軸モータ２４と、主軸モータ２４を支持する主軸頭２２と、主軸モータ２４と主軸頭２２との間に設けられたシート状の断熱シート４６と、を有し、主軸頭２２の熱容量が大きい部分に接する断熱シート４６の面積を小さくし、主軸モータ２４から主軸頭２２の熱容量の大きい部分への伝熱量が大きくなるようにして、主軸頭２２の温度分布を均一にする。【選択図】図４

Description

本発明は、工具によりワークの切削を行う工作機械に関する。

特許文献１には、モータ軸に設けられたモータ軸爪と、主軸に設けられた主軸爪との間に、断熱性を有する第１部材と第２部材とが緊密に押し込まれているものが開示されている。特許文献２には、主軸を回転駆動するモータのロータと、主軸との間に断熱部材を設けたものが開示されている。特許文献３には、Ｘ軸テーブルを駆動するボールねじのボールねじナットが断熱材を介してスライダの下面に固定されているものが開示されている。特許文献４には、ヘッド駆動手段とヘッドとの間に断熱部材を設けたものが開示されている。

特開２００５−２９７０７６号公報特開平０４−３４３６３８号公報特開平１１−３２０２１１号公報特開平０２−０７６６０１号公報

特許文献１〜４の技術では、発熱部と、発熱部を支持する支持部の間に断熱材等を設けることにより、発熱部から支持部への熱伝導を抑制し、支持部の熱変位を低減している。しかし、一般的に金属製の断熱材は存在せず、発熱部と支持部とを断熱材を介して完全に分離して結合することは、工作機械の精度を確保できないため、実現は難しい。その結果、一般的には結合部の一部は、発熱部と支持部が直接結合されているため、また、一般的には金属製ボルトを使用して結合するため、発熱部から支持部への熱伝導を完全になくすことはできず、支持部の熱変位は避けることができない。支持部は、形状に応じてその部位ごとに熱容量にバラツキが生じるため、支持部の部位によって熱変位量が異なる。そのため、支持部の軸方向への延びに加えて、軸方向に対しての傾きも生じ、支持部の姿勢が変化して工作機械の精度が悪化する問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、熱変位による支持部の姿勢の変形を抑制することができる工作機械を提供することを目的とする。

本発明の態様は、工具によりワークの切削を行う工作機械であって、熱を発する発熱部と、前記発熱部を支持する支持部と、前記発熱部と前記支持部との間に設けられたシート状の断熱材と、を有し、前記支持部の熱容量が大きい部分に接する前記断熱材の面積を小さくし、前記発熱部から前記支持部の熱容量の大きい部分への伝熱量が大きくなるようにして、前記支持部の温度分布のばらつきを低減する。

本発明によれば、支持部の熱変位による姿勢の変形を抑制することができる。

工作機械の概略正面図である。工作機械の概略側面図である。スペーサの斜視図である。断熱シートの正面図である。主軸頭の熱変位について説明する図である。主軸頭の熱変位について説明する図である。スペーサの変形例を示す斜視図である。断熱シートの変形例を示す正面図である。

本発明に係る工作機械について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

［工作機械の全体構成］
図１は工作機械１０の概略正面図である。図２は工作機械１０の概略側面図である。工作機械１０は、刃具保持工具１３に保持されたドリル等の刃具１２によりワークＷの切削加工を行う。工作機械１０は、ベッド１４、テーブル１６、テーブル駆動機構１８、主軸２０、主軸頭２２、主軸モータ２４、コラム２６、主軸頭駆動機構２８および制御装置３０を有している。

テーブル１６の上には、ワークＷが固定される。テーブル駆動機構１８は、テーブル１６をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる。Ｘ軸およびＹ軸はテーブル１６の上面の平面上に伸びる軸であって、Ｘ軸とＹ軸とは直交している。

テーブル駆動機構１８は、ベッド１４の上に設置されている。テーブル駆動機構１８は、Ｙ軸レール３４、Ｙ軸モータ３６、サドル３８、Ｘ軸レール４０およびＸ軸モータ４２を有している。

Ｙ軸レール３４は、ベッド１４上にＹ軸方向に伸びるように設けられている。サドル３８は、Ｙ軸レール３４上をＹ軸方向に移動可能に設置されている。Ｙ軸モータ３６はサーボモータであり、図示しないボールねじ機構を介してサドル３８に接続している。Ｙ軸モータ３６が駆動することにより、Ｙ軸モータ３６はサドル３８をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸モータ３６はベッド１４に支持されている。

Ｘ軸レール４０は、サドル３８上にＸ軸方向に伸びるように設けられている。テーブル１６は、Ｘ軸レール４０上をＸ軸方向に移動可能に設置されている。Ｘ軸モータ４２は、サーボモータであり、図示しないボールねじ機構を介してテーブル１６に接続している。Ｘ軸モータ４２が駆動することにより、Ｘ軸モータ４２はテーブル１６をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸モータ４２は、サドル３８に支持されている。テーブル駆動機構１８により、テーブル１６に設置されたワークＷはＸ軸方向およびＹ軸方向に移動することが可能となる。

主軸頭２２は、鉄系の金属により形成されている。主軸頭２２は、図示しないベアリングを介して主軸２０をＺ軸周りに回転可能に支持している。主軸２０は主軸モータ２４により回転駆動される。主軸モータ２４は、スペーサ４４および断熱シート４６とともに、主軸頭２２に図示しないボルトにより締結されている。主軸２０は、刃具保持工具１３を脱着可能に保持する。

主軸頭２２の背面２２ａには首部５２が存在する。首部５２は、主軸頭駆動機構２８のＺ軸レール４８に接続している。主軸頭２２は、首部５２と一体の構造である。主軸頭駆動機構２８は、Ｚ軸レール４８、Ｚ軸モータ５４および図示しないボールねじ機構を有している。Ｚ軸レール４８は、コラム２６上にＺ軸方向に伸びるように設けられている。Ｚ軸モータ５４はサーボモータであり、ボールねじ機構を介して主軸頭２２に接続している。Ｚ軸モータ５４が駆動することにより、Ｚ軸モータ５４は主軸頭２２をＺ軸方向に移動させる。Ｚ軸モータ５４はコラム２６に支持されている。主軸頭駆動機構２８により、主軸２０はＺ軸方向に移動することが可能となる。この主軸２０のＺ軸方向の移動と、テーブル１６のＸ軸方向およびＹ軸方向への移動とによって、工作機械１０は、ワークＷを任意の三次元形状に加工することができる。

制御装置３０は処理装置、記憶装置、強電回路等を有し、記憶装置に記憶されているプログラムにしたがって、またはオペレータの操作にしたがって、主軸モータ２４、Ｙ軸モータ３６、Ｘ軸モータ４２およびＺ軸モータ５４等を駆動する制御信号を演算して出力する。制御装置３０は、コラム２６の背面に支持されている。

［スペーサおよび断熱シートの構成］
図３はスペーサ４４の斜視図である。スペーサ４４は、鉄系の金属により形成されている。スペーサ４４は、図３に示すように略直方体に形成されている。スペーサ４４は、軸方向に貫通する貫通孔４４ａが形成されている。貫通孔４４ａには、主軸モータ２４の図示しない回転軸が挿入される。

スペーサ４４の主軸頭２２側の面４４ｋには、４つの脚部４４ｂ〜４４ｅが形成されている。脚部４４ｂ〜４４ｅは、スペーサ４４の主軸頭２２側の面４４ｋに形成された円柱状の突出部である。脚部４４ｂ〜４４ｅには、図示しないボルトが貫通するボルト孔４４ｆが開口している。スペーサ４４が主軸頭２２に締結されている状態で、脚部４４ｂ〜４４ｅは主軸頭２２に直接接する。金属製の主軸頭２２と金属製の脚部４４ｂ〜４４ｅが直接接することにより、主軸モータ２４から主軸頭２２までの軸方向寸法の精度を確保することができる。また、前記脚部４４ｂ〜４４ｅの形状は、円柱状ではなく任意の形状でよい。

主軸頭２２は、形状に応じてその部位ごとに熱容量にバラツキが生じる。主軸頭２２の背面２２ａ側は首部５２が接続されているため、主軸頭２２に伝わった熱の一部が首部５２側に逃げるため熱容量は大きい。一方、主軸頭２２の前面２２ｂ側は、熱が逃げる場所がないため熱容量は小さい。

脚部４４ｂ〜４４ｅの断面積は、主軸頭２２の熱容量の差異に応じて設定される。つまり、首部５２に近い側の脚部４４ｂ、４４ｃの断面積は、首部５２から遠い側の脚部４４ｄ、４４ｅの断面積に比べて大きく形成されている。これにより、主軸モータ２４（スペーサ４４）から主軸頭２２に伝わる熱量は、主軸頭２２の背面２２ａ側で大きく、主軸頭２２の前面２２ｂ側では小さくなり、主軸頭２２の温度分布を均一にし、熱変位量を均一にすることができる。

図４は断熱シート４６の正面図である。断熱シート４６は、例えばシリカ等を含有するシート状の部材である。断熱シート４６の外形は、スペーサ４４の主軸頭２２側の面４４ｋと略同形に形成されている。断熱シート４６には、スペーサ４４の貫通孔４４ａと対応する位置に貫通孔４６ａが形成されている。貫通孔４６ａには、主軸モータ２４の図示しない回転軸が挿入される。断熱シート４６には、スペーサ４４の脚部４４ｂ〜４４ｅと対応する位置に挿入孔４６ｂ〜４６ｅが形成されている。挿入孔４６ｂ〜４６ｅには、脚部４４ｂ〜４４ｅが挿入される。

挿入孔４６ｂ〜４６ｅの断面積は、主軸頭２２の熱容量に応じて設定される。つまり、首部５２に近い側の挿入孔４６ｂ、４６ｃの面積を、首部５２から遠い側の挿入孔４６ｄ、４６ｅの面積に比べて大きく形成されている。これにより、首部５２に近い側の断熱シート４６の面積は、首部５２から遠い側の断熱シート４６の面積よりも小さくなる。したがって、主軸モータ２４（スペーサ４４）から主軸頭２２に伝わる熱量は、主軸頭２２の背面２２ａ側で大きく、主軸頭２２の前面２２ｂ側では小さくなり、主軸頭２２の温度分布を均一にし、熱変位量を均一にすることができる。

本実施の形態では、脚部４４ｂ〜４４ｅの断面積と挿入孔４６ｂ〜４６ｅの断面積を略同一となるように形成している。しかし、挿入孔４６ｂ〜４６ｅの断面積は、脚部４４ｂ〜４４ｅが挿入できればよい。また、前記挿入孔４６ｂ〜４６ｅは、任意の形状でよい。

［作用効果］
図５および図６は主軸頭２２の熱変位について説明する図である。図５は主軸頭２２を正面から見た図、図６は主軸頭２２を側面から見た図である。主軸モータ２４の駆動時に発生する熱は主軸頭２２に伝わり、主軸頭２２には熱変位が生じる。主軸頭２２の熱変位を抑制するために、主軸モータ２４と主軸頭２２との間には断熱シート４６が設けられるが、主軸モータ２４から主軸頭２２への熱の伝達を完全に遮断することはできない。

主軸頭２２の背面２２ａは首部５２が存在するため、主軸頭２２の前面２２ｂ側と比べて熱容量が大きい。主軸頭２２の前面２２ｂ側と背面２２ａ側とに同じ熱量が伝達した場合、主軸頭２２の背面２２ａ側の温度に対して、主軸頭２２の前面２２ｂ側の温度が高くなる。そのため、主軸頭２２の前面２２ｂ側の熱変位量が大きく、主軸頭２２の背面２２ａ側の熱変位量が小さくなる。したがって、図５に示すように正面から主軸頭２２を見ると主軸２０の軸は傾かないが、図６に示すように側面から主軸頭２２を見ると主軸２０の軸が傾くおそれがある。

なお、主軸頭２２がＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸方向に伸縮するような熱変位をしたとしても、主軸２０の軸が傾かなければＺ軸モータ５４、Ｘ軸モータ４２、Ｙ軸モータ３６の駆動量を補正することにより、主軸頭２２の熱変位による影響を解消することができる。しかし、主軸２０の軸の傾きによって生じる、幾何学的精度の悪化は、Ｚ軸モータ５４、Ｘ軸モータ４２、Ｙ軸モータ３６の駆動量では補正を行うことができない。本実施の形態は、主軸頭２２にある程度の熱変位が生じることは許容するものの、主軸２０の軸が傾くような主軸頭２２の熱変位を抑制しようとするものである。

そこで本実施の形態では、熱を発する主軸モータ２４（発熱部）と、主軸モータ２４を支持する主軸頭２２（支持部）と、主軸モータ２４と主軸頭２２との間に設けられたシート状の断熱シート４６（断熱材）と、を有し、主軸頭２２の熱容量が大きい部分に接する断熱シート４６の面積を小さくし、主軸モータ２４から主軸頭２２への伝熱量が大きくなるようにして、主軸頭２２の温度分布が均一になるようにする。断熱シート４６の面積を主軸頭２２の熱容量に応じて設定することにより、主軸頭２２の熱変位が均一となり、主軸２０の軸が傾くことを抑制することができる。

また本実施の形態では、断熱シート４６は複数の挿入孔４６ｂ〜４６ｅ（貫通孔）を有し、挿入孔４６ｂ〜４６ｅに挿入され、主軸モータ２４と主軸頭２２との両方に接する脚部４４ｂ〜４４ｅ（連結部）を有し、主軸頭２２の熱容量が大きい部分に接する脚部４４ｂ〜４４ｅの断面積を大きくし、主軸モータ２４から主軸頭２２への伝熱量が大きくなるようにして、主軸頭２２の温度分布が均一になるようにする。脚部４４ｂ〜４４ｅの断面積を主軸頭２２の熱容量に応じて設定することにより、主軸頭２２の熱変位が均一となり、主軸２０の軸が傾くことを抑制することができる。

〔他の実施の形態〕
以上、本発明の実施の形態に基づいて説明してきたが、各発明の具体的な構成は実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。

例えば、図７に示すように、スペーサ４４の脚部４４ｇ〜４４ｊの断面積を全て同じ大きさに設定し、図８に示すように断熱シート４６の挿入孔４６ｆ〜４６ｉの面積を全て同じ大きさに設定してもよい。この場合、断熱シート４６の首部５２に近い側に、新たな貫通孔４６ｊを形成すればよい。これにより、断熱シート４６の首部５２に近い側の面積を小さくすることができる。

また、図７に示すように、スペーサ４４の脚部４４ｇ〜４４ｊの断面積を全て同じ大きさに設定し、図４に示すように断熱シート４６の挿入孔４６ｂ〜４６ｅの面積を変えるようにしてもよい。

また上記の実施の形態では、スペーサ４４に脚部４４ｂ〜４４ｅを形成したが、主軸頭２２側に脚部を形成するようにしてもよい。また、脚部４４ｂ〜４４ｅに代えて、スペーサ４４とは別体に形成したリング状の部材を設けてもよい。

またスペーサ４４を設けず、主軸モータ２４を断熱シート４６を介して主軸頭２２に取り付けるようにしてもよい。この場合、主軸モータ２４、または主軸頭２２のどちらか一方または両方に脚部を形成するようにしてもよい。

また上記の実施の形態で説明した構造は、主軸モータ２４と主軸頭２２との間に適用するだけでなく、熱を発する発熱部と、発熱部を支持する支持部との間に適用することができる。例えば、上記の実施の形態で説明した構造と同様の構造を、強電回路を有する制御装置３０と、コラム２６との間に適用してもよい。さらに、上記の実施の形態で説明した構造と同様の構造を、Ｙ軸モータ３６とベッド１４との間、Ｘ軸モータ４２とサドル３８との間、Ｚ軸モータ５４とコラム２６との間に適用してもよい。

１０…工作機械１２…刃具
１３…刃具保持工具１４…ベッド
１６…テーブル１８…テーブル駆動機構
２０…主軸２２…主軸頭（支持部）
２２ａ…主軸頭の背面２２ｂ…主軸頭の前面
２４…主軸モータ（発熱部）２６…コラム（支持部）
２８…主軸頭駆動機構３０…制御装置（発熱部）
３４…Ｙ軸レール３６…Ｙ軸モータ（発熱部）
３８…サドル４０…Ｘ軸レール
４２…Ｘ軸モータ（発熱部）４４…スペーサ
４４ａ…貫通孔
４４ｂ〜４４ｅ、４４g〜４４j…脚部（連結部）
４４ｆ…ボルト孔４４ｋ…スペーサの主軸頭側の面
４６…断熱シート（断熱材）４６ａ…断熱シートの貫通孔
４６ｂ〜４６ｉ…挿入孔（貫通孔）４８…Ｚ軸レール
５２…首部５４…Ｚ軸モータ（発熱部）
Ｗ…ワーク

Claims

工具によりワークの切削を行う工作機械であって、
熱を発する発熱部と、
前記発熱部を支持する支持部と、
前記発熱部と前記支持部との間に設けられたシート状の断熱材と、
を有し、
前記断熱材は、前記支持部の温度分布が均一になるように、前記支持部の熱容量の大きさに応じた面積となる形状に形成されている工作機械。
請求項１に記載の工作機械であって、
前記断熱材は複数の貫通孔を有し、
前記貫通孔に挿入され、前記発熱部と前記支持部との両方に接する連結部を有し、
前記連結部は、前記支持部の温度分布が均一になるように、前記支持部の熱容量の大きさに応じた断面積となる形状に形成されている工作機械。
請求項１または２に記載の工作機械であって、
前記発熱部は、前記工具を回転駆動する主軸モータである工作機械。
請求項１または２に記載の工作機械であって、
前記発熱部は、前記工作機械を制御する制御装置である工作機械。
請求項１または２に記載の工作機械であって、
前記発熱部は、前記ワークが装着されるテーブルを駆動する駆動モータである工作機械。