JP2018164954A - 工作機械及び工作機械の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１コラムと第２コラムとに差異があっても、熱の影響で第１コラムと第２コラムとに高低差が生じ難い工作機械及び工作機械の調整方法を提供する。【解決手段】この工作機械は、第１コラム及び第２コラムと、第１コラム及び第２コラムに支持されたクロスレールと、第１コラムの周囲に配置され、第１コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第１断熱材と、第２コラムの周囲に配置され、第２コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第２断熱材とを備え、第１断熱材の断熱能力と第２断熱材の断熱能力とが、第１コラムと第２コラムとの熱特性の差及び温度環境の差の一方又は両方に応じて設定されている。【選択図】図４

Description

本発明は、工作機械及び工作機械の調整方法に関する。

第１コラム、第２コラム、これらに支持されたクロスレール、及びクロスレールに支持された主軸頭を備える工作機械（「門形工作機械」とも呼ばれる）がある。主軸頭には、研削盤又は切削装置などの加工装置が設けられ、クロスレールに沿った方向および鉛直方向に移動可能に構成される。第１コラムと第２コラムとの間には、ワークをクロスレールと交差する方向に移動可能なテーブルが設けられる。主軸頭の移動とテーブルの移動により、加工装置及びワークの相対位置を変化させながらワークの加工を行うことができる。

このような構造の工作機械においては、第１コラム及び第２コラムに熱膨張又は熱収縮（以下、「熱伸縮」と言う）が生じると、クロスレールの高さが変化し、加工精度に影響を及ぼす。従来、このような工作機械において熱に起因する不具合を解消する幾つかの発明がなされている。例えば特許文献１（第３ページの左下欄の５−８行）には、コラムとクロスレールとを左右方向に対称な配置とすることで熱変位の影響を小さくすることが示されている。特許文献２には、装置の冷却に関する技術が示されている。

特開昭６２−１７３１２８号公報 特開２０１３−１６９６４１号公報

上述した工作機械においては、主軸頭に支持される加工装置として、加工点又は重心が主軸頭の中心から比較的大きく偏った位置に設定される装置が適用されることがある。このような構成では、工作機械の使用時に第１コラムと第２コラムとに加わる荷重に大きな差が生じる。このような場合、第１コラムと第２コラムとには、各々の荷重に対応した剛性が得られるよう、異なる構造が要求されることがある。

第１コラムと第２コラムとが非対称な構造を有すると、周囲温度の変化により第１コラム及び第２コラムに生じる熱伸縮の量が等しくならず、クロスレールが水平方向から僅かに傾斜してしまうという課題が生じる。熱伸縮があっても、第１コラムと第２コラムとの伸縮量が同等であれば、主軸頭の昇降により加工精度の低下を避けることができるが、クロスレールに傾斜が生じると、調整により加工精度の低下を避けることが困難となる。

また、第１コラムと第２コラムとが同一の構造であっても、工作機械の使用時、発熱又は冷却される機器が第１コラムの近傍に配置されるなど第１コラムと第２コラムとで周囲温度が均等にならないことがある。このような場合にも、第１コラム及び第２コラムの熱伸縮により、クロスレールが水平方向から僅かに傾斜してしまうという課題が生じる。

本発明は、第１コラムと第２コラムとに非対称な状況があっても、熱の影響によりクロスレールの傾斜が生じ難い工作機械及び工作機械の調整方法を提供することを目的とする。

本発明に係る工作機械は、
第１コラム及び第２コラムと、
前記第１コラム及び前記第２コラムに支持されたクロスレールと、
前記第１コラムの周囲に配置され、前記第１コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第１断熱材と、
前記第２コラムの周囲に配置され、前記第２コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第２断熱材と、
を備え、
前記第１断熱材の断熱能力と前記第２断熱材の断熱能力とが、前記第１コラムと前記第２コラムとの熱特性の差及び温度環境の差の一方又は両方に応じて設定されている構成とした。

本発明に係る工作機械の調整方法は、
第１コラム及び第２コラムと、前記第１コラム及び前記第２コラムに支持されたクロスレールと、前記第１コラムの周囲に配置され、前記第１コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第１断熱材と、前記第２コラムの周囲に配置され、前記第２コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第２断熱材とを備える工作機械の調整方法であって、
前記第１コラムと前記第２コラムとの熱特性の差及び温度環境の差の一方又は両方に応じて、前記第１断熱材の断熱能力と前記第２断熱材の断熱能力とを設定する方法とした。

本発明によれば、第１コラムと第２コラムとに非対称な状況があっても、熱の影響によりクロスレールの傾斜が生じ難いという効果が得られる。

本発明の第１実施形態に係る工作機械を示す斜視図である。 第１コラムを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。 第２コラムを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。 周囲温度の変化と第１コラム及び第２コラムの温度変化とを概念的に説明するグラフであり、（ａ）は第１コラムに関するグラフ、（ｂ）は第２コラムに関するグラフである。 第２実施形態の工作機械について周囲温度の変化と第１コラム及び第２コラムの温度変化とを概念的に説明するグラフであり、（ａ）は第１コラムに関するグラフ、（ｂ）は第２コラムに関するグラフである。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る工作機械を示す斜視図である。図中、Ｘ方向及びＹ方向は水平かつ互いに直交する方向を示し、Ｚ方向は鉛直方向を示す。

本発明の第１実施形態に係る工作機械１は、ワークの一面を研削する装置であり、基部３１、第１コラム１０、第２コラム２０、クロスレール３２、サドル３３ａ、主軸頭３３、加工装置３４、ならびにワークが配置されるテーブル３６及びベッド３５を備える。工作機械１は、使用者が容易に設置箇所を変更できない大型の装置であり、例えば工場に据え付けられて使用される。

第１コラム１０及び第２コラム２０は、鋼材などの金属を材料とした支柱であり、Ｙ方向に並列されてクロスレール３２を支持する。第１実施形態において第１コラム１０と第２コラム２０とは、工作機械１の動作中に平均してかかる荷重が異なるため、第１コラム１０よりも第２コラム２０の剛性が高くなるよう、互いに異なる幅寸を有する。

クロスレール３２は、Ｙ方向に延伸された形状を有し、サドル３３ａをＹ方向に移動可能に支持する。クロスレール３２はブラケット３２ａを介して第１コラム１０及び第２コラム２０に固定される。クロスレール３２は第１コラム１０及び第２コラム２０に直接に固定されて支持されてもよい。サドル３３ａをＹ方向（左右）に移動させるモータは、サドル３３ａ又はクロスレール３２に設けられる。

サドル３３ａは、主軸頭３３をＺ方向（鉛直方向）に沿って昇降させる役割を担うものである。すなわち、サドル３３ａは、主軸頭３３をＺ方向に移動可能に支持する。主軸頭３３をＺ方向に移動させるモータは、主軸頭３３又はサドル３３ａに設けられる。

主軸頭３３は、加工装置３４を保持する。本実施形態では主軸頭３３は砥石頭と呼んでもよい。

加工装置３４は、回転駆動される砥石３４ａを有する研削盤であり、特に制限されないが、主軸頭３３の中心よりもＹ方向に異なる位置に加工点を有する。

ベッド３５は、Ｘ方向に延伸された形態を有し、Ｚ方向に見てクロスレールと交差するように、第１コラム１０と第２コラム２０との間、加工装置３４よりも下方に配置される。テーブル３６は、ワーク（加工対象物）を保持し、Ｘ方向に移動可能にベッド３５に支持される。

＜コラムの構造＞
図２は、第１コラムを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。図３は、第２コラムを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。

第１コラム１０は、図２（ａ）〜図２（ｄ）に示すように、周囲を枠１１に覆われ、枠１１と第１コラム１０との間に熱伝達を減少させる第１断熱材１２が設けられている。枠１１はスペーサ１３を介して第１コラム１０に固定されている。

同様に、第２コラム２０は、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、周囲を枠２１に覆われ、枠２１と第２コラム２０との間に熱伝達を減少させる第２断熱材２２が設けられている。枠２１はスペーサ２３を介して第２コラム２０に固定されている。

なお、図２及び図３では、第１コラム１０及び第２コラム２０を簡略化して中空でない密な構造物のように描いているが、第１コラム１０及び第２コラム２０は例えば骨組構造等の中空部分を有する構造であってもよい。

＜断熱能力の設定＞
第１実施形態おいて、第１断熱材１２及び第２断熱材２２は、第１コラム１０と第２コラム２０の熱特性の差に応じて各断熱能力が設定される。具体的には、第１コラム１０の熱容量と第２コラム２０の熱容量との差に応じて、第１断熱材１２の断熱能力が第２断熱材２２の断熱能力より高くなるように調整される。本明細書において断熱能力とは、断熱材を挟んだ一方と他方とに温度差が生じた場合に、断熱材の全体を通して、断熱材を挟んだ一方から他方へ伝達される熱量を減少させる能力を意味する。断熱能力は、断熱材が直方体形状で厚み方向（一方の側面から他方の側面に向かう方向）に熱勾配が生じた場合に、ｄ／（σ・ｓ）［Ｋ／Ｗ］で表わされる量を意味する。ここで、ｓは断熱材の側面の面積［ｍ^２］、ｄは断熱材の厚み［ｍ］、σは断熱材の熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］を表わす。

より具体的には、第１断熱材１２及び第２断熱材２２の断熱能力は、次のように設定される。すなわち、熱伝達が生じる状況で第１コラム１０に流入する熱量及び第１コラム１０の熱容量の比と、熱伝達が生じる状況で第２コラム２０に流入する熱量及び第２コラム２０の熱容量の比とが、ほぼ等しくなるように設定される。熱伝達が生じる状況とは、第１コラム１０及び第２コラム２０の温度と、第１断熱材１２及び第２断熱材２２の外側の温度とに、差が生じた状況を指す。

このような断熱能力の設定は、第１断熱材１２と第２断熱材２２との体積と、断熱材の種類との、一方又は両方を異ならせることで実現できる。断熱材の体積を調整する際には、これに伴って枠１１と第１コラム１０との間隔、あるいは枠２１と第２コラム２０との間隔も調整される。工作機械の調整方法として、工作機械１を工場へ設置した後に、調整員が断熱能力の設定を行うという方法が採用されてもよい。

＜断熱材の作用＞
図４は、周囲温度の変化と第１コラム及び第２コラムの温度変化とを概念的に説明するグラフであり、（ａ）は第１コラムに関するグラフ、（ｂ）は第２コラムに関するグラフである。

ここでは、例えば日中と夜間とで周囲温度に変化が生じ、夜間に冷えていた第１コラム１０と第２コラム２０とが日中に僅かに温まる場合について説明する。周囲温度の上昇及び下降に伴い、第１コラム１０の温度と周囲温度とに温度差が生じると、温度差に応じた熱量が第１断熱材１２を通過して第１コラム１０に流入又は流出され、第１コラム１０の温度が僅かに変化する。同様に、周囲温度の上昇及び下降に伴い、第２コラム２０の温度と周囲温度とに温度差が生じると、温度差に応じた熱量が第２断熱材２２を通過して第２コラム２０に流入又は流出され、第２コラム２０の温度が変化する。

ここで、第１断熱材１２の断熱能力は第２断熱材２２の断熱能力よりも高いため、周囲温度の変化が等しくても、第１コラム１０に流入又は流出する移動熱量は、第２コラム２０に流入又は流出する移動熱量よりも小さくなる。さらに、上述した第１断熱材１２及び第２断熱材２２の断熱能力の調整によって、これらの移動熱量の比は、第１コラム１０の熱容量と第２コラム２０の熱容量の比とほぼ等しくなる。それ故、第１コラム１０の温度変化量と第２コラム２０の温度変化量とがほぼ等しくなる。この結果、温度変化により第１コラム１０及び第２コラム２０に熱伸縮が生じても、両者の膨張量又は収縮量は等しくなる。よって、温度変化によりクロスレール３２の高さが僅かに変化するものの、クロスレール３２の水平度は高い精度で維持される。

以上のように、第１実施形態の工作機械１によれば、第１コラム１０及び第２コラム２０の周囲温度の変化があってもクロスレール３２の水平度を高い精度で維持することができる。従って、第１コラム１０及び第２コラム２０を異なる構造としても、周囲温度の変化により加工精度が低下するという不具合を避けることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の工作機械は、第１コラム１０と第２コラム２０との間に温度環境の差がある場合に対応したものである。具体的には、例えば第１コラム１０の近傍又は第２コラム２０の近傍に発熱体又は冷却体等があり、第１コラム１０の周囲温度の変化が第２コラム２０の周囲温度の変化よりも大きい場合に対応したものである。発熱体又は冷却体は、工作機械に付属されるもの、工作機械の近傍の別の機械に付属されるもの、あるいは、工作機械が設置される工場内の冷暖房機器などであってもよい。第２実施形態は、第１コラム１０と第２コラム２０とが同一サイズ及び同一の構造である点が、第１実施形態と異なる。また、第２実施形態は、第１断熱材１２と第２断熱材２２との断熱能力の設定方法が、第１実施形態と異なる。

第２実施形態においては、第１断熱材１２及び第２断熱材２２が、第１コラム１０の周囲温度の変化量と第２コラム２０の周囲温度の変化量との差に応じて、異なる断熱能力を有するように調整される。より具体的には、熱伝達が生じる状況で第１コラム１０に流入する熱量と、熱伝達が生じる状況第２コラム２０に流入する熱量とが、ほぼ等しくなるように第１断熱材１２及び第２断熱材２２の断熱能力が調整される。ここで、熱伝達が生じる状況とは、第１コラム１０の温度とその周囲の周囲温度とに差が生じ、第２コラム２０の温度とその周囲の周囲温度とに差か生じた状況を指す。第１コラム１０の周囲温度と第２コラム２０の周囲温度とは異なる。

工作機械の調整方法として、工作機械１を工場へ設置した後、調整員が、工作機械１の使用状況を調査し、この調査結果に基づいて断熱能力の設定を行うという方法が採用されてもよい。

＜断熱材の作用＞
図５は、周囲温度の変化と第１コラム及び第２コラムの温度変化とを概念的に説明するグラフであり、（ａ）は第１コラムに関するグラフ、（ｂ）は第２コラムに関するグラフである。

ここでは、例えば工作機械１の利用開始から終了時にかけて、第１コラム１０の周辺の周囲温度が第２コラム２０の周辺の周囲温度よりも高くなり、第１コラム１０と第２コラム２０とに周囲温度に応じた僅かな温度変化が生じる場合について説明する。周囲温度の上昇及び下降に伴い、第１コラム１０の温度と周囲温度とに温度差が生じると、温度差に応じた熱量が第１断熱材１２を通過して第１コラム１０へ流入又は流出され、第１コラム１０の温度が僅かに変化する。同様に、周囲温度の上昇及び下降に伴い、第２コラム２０の温度と周囲温度とに温度差が生じると、温度差に応じた熱量が第２断熱材２２を通過して第２コラム２０へ流入又は流出され、第２コラム２０の温度が変化する。

ここで、第１断熱材１２の断熱能力は第２断熱材２２の断熱能力より高い。このため、第１コラム１０側と第２コラム２０側とで周囲温度の変化量に差があっても、第１コラム１０に流入又は流出する移動熱量は、第２コラム２０に流入又は流出する移動熱量とほぼ等しくなる。それ故、第１コラム１０の温度変化量と第２コラム２０の温度変化量とはほぼ等しくなり、第１コラム１０及び第２コラム２０に熱伸縮が生じても、両者の膨張量又は収縮量は等しくなる。従って、温度変化によりクロスレール３２の高さが僅かに変化するものの、クロスレール３２の水平度は高い精度で維持される。

以上のように、第２実施形態の工作機械１によれば、第１コラム１０及び第２コラム２０に異なる周囲温度の変化が生じても、クロスレール３２の水平度を高い精度で維持することができる。従って、周囲温度の変化によって加工精度が低下するという不具合を避けることができる。

以上、本発明の各実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、加工装置として研削盤を適用した例を示したが、例え切削装置など様々な加工装置を適用してもよい。また、研削盤の取付け位置及び取付け向きについても様々に変更可能である。

また、上記実施形態では、第１コラム及び第２コラムの温度環境が等しく、これらの熱容量が異なる場合と、第１コラム及び第２コラムの構成が等しく、これらの温度環境が異なる場合とに、それぞれ対応する２つの実施形態を示した。しかしながら、本発明は、第１コラム及び第２コラムの温度環境が異なりかつこれらの熱容量が異なる工作機械に対しても適用可能である。このような工作機械の場合、温度環境の差及び熱容量の差に応じて、第１断熱材及び第２断熱材の断熱能力を調整すればよい。

また、第１実施形態では、第１コラムと第２コラムとの熱特性の差として、熱容量の差を一例にとって説明した。しかし、第１コラムと第２コラムとに、例えば熱伸縮の量に影響する材質の差又は構造の差がある場合も想定できる。このような場合には、これらを熱特性の差として、これらに応じて、第１断熱材の断熱能力と第２断熱材の断熱能力との調整を行ってもよい。また、第１断熱材及び第２断熱材の断熱能力は、第１コラム及び第２コラムの温度変化量又は熱伸縮量が完全に等しくなるように調整されなくてもよい。例えば、第１断熱材の断熱能力と第２断熱材の断熱能力とがほぼ等しい場合と比較して、第１コラムと第２コラムとの温度変化量の差又は熱伸縮量の差が小さくなるように各断熱能力が設定されていれば、本発明の特有の効果が奏される。

また、上記実施形態では、第１コラム及び第２コラムの周囲に枠を設け、枠の内側に断熱材を配置する構成を示したが、断熱材を配置するための形態は様々に変更可能である。例えば、枠は完全に第１コラムの周囲あるいは第２コラムの周囲を覆う形態とせずに、隙間が生じるように周囲に配置されてもよい。その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 工作機械
１０ 第１コラム
１１ 枠
１２ 第１断熱材
２０ 第２コラム
２１ 枠
２２ 第２断熱材
３２ クロスレール
３３ 主軸頭
３４ 加工装置
３４ａ 砥石
３５ ベッド
３６ テーブル

Claims (6)

1. 第１コラム及び第２コラムと、
   前記第１コラム及び前記第２コラムに支持されたクロスレールと、
   前記第１コラムの周囲に配置され、前記第１コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第１断熱材と、
   前記第２コラムの周囲に配置され、前記第２コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第２断熱材と、
   を備え、
   前記第１断熱材の断熱能力と前記第２断熱材の断熱能力とが、前記第１コラムと前記第２コラムとの熱特性の差及び温度環境の差の一方又は両方に応じて設定されている、
   工作機器。
2. 前記第１断熱材の断熱能力と前記第２断熱材の断熱能力とが、周囲温度の変化に伴う前記第１コラムの熱伸縮の量及び前記第２コラムの熱伸縮の量が等しくなるように設定されている、
   請求項１記載の工作機器。
3. 周囲温度の変化に伴う前記第１コラムの熱伸縮の量及び前記第２コラムの熱伸縮の量の差が、前記第１断熱材及び前記第２断熱材の断熱能力が同一である場合と比較して小さくなるように、前記第１断熱材の断熱能力と前記第２断熱材の断熱能力とが異なるように設定されている、
   請求項１記載の工作機械。
4. 前記熱特性の差とは、前記第１コラムの熱容量と前記第２コラムの熱容量との差である請求項１から請求項２のいずれか一項に記載の工作機械。
5. 前記第１断熱材及び前記第２断熱材は、断熱材の量と種類の一方又は両方が異なる、
   請求項３に記載の工作機械。
6. 第１コラム及び第２コラムと、前記第１コラム及び前記第２コラムに支持されたクロスレールと、前記第１コラムの周囲に配置され、前記第１コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第１断熱材と、前記第２コラムの周囲に配置され、前記第２コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第２断熱材とを備える工作機械の調整方法であって、
   前記第１コラムと前記第２コラムとの熱特性の差及び温度環境の差の一方又は両方に応じて、前記第１断熱材の断熱能力と前記第２断熱材の断熱能力とを設定する、
   工作機械の調整方法。

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