JP3540091B2 - 工作機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータを利用した工作機械に関し、特にコラムに対して軸線方向に移動可能としたスライドの支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＴＬ（フレキシブル・トランスファー・ライン）においては、最近従来以上に工作機械の生産性が要求されるようになった。そこで、従来のトランスファマシンと同等の生産性を上げるためには、現状の２倍乃至３倍の高速化を図る必要があり、主軸とともに送りの高速化が課題となっている。
【０００３】
ところで、工作機械における送り駆動手段は、一般にボールねじとサーボモータが用いられているが、ボールねじを使用するもので高速化を図ろうとすると、ＤｍＮの限界、振動や騒音の増大、危険速度、温度上昇による熱膨張の増大、ハイリード化による剛性の低下等の問題があり、高速送り、高加減速送りを行うには限界がある。そのため、最近では摩擦がなく、しかも高剛性なリニアモータが工作機械の駆動手段に採用されつつある。
【０００４】
この工作機械の駆動手段としてリニアモータを使用するものにおいては、特に垂直軸の駆動部では、リニアモータが被駆動部を直接駆動することから常に被駆動部の全重力負荷がモータに作用することになり、モータ発熱や電源遮断時の落下等の問題のため、一般にカウンタバランスが採用されている。
【０００５】
例えば、特開平６−２９７２８６号の発明は、工作機械の駆動手段としてリニアモータを採用したものに関するものであって、その公報には、Ｘ軸方向に移動可能に案内支持されるＸスライドと、そのＸスライドの２つの垂直コラムにＹ軸方向に移動可能に案内支持されるＹスライドを備え、上記両垂直コラムの互いに背向する側面と、Ｙスライドの本体部に一端が支持され他端がＸスライドにガイドレールを介して支持されている保持フランジ部との間にリニアモータを配設するとともに、Ｙスライドの中央上部にカウンタバランス用シリンダを配設したものが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の装置では、リニアモータを保持する保持フランジはその一端がＹスライドに固定され、他端はガイドを介してＸスライドの側面に相対移動可能に支持されているとともに、Ｙスライドに作用する重力を油圧シリンダによりスライド前面中央上部で支持するようにしただけのものにすぎないため、リニアモータによるＹスライドへの駆動力は、保持フランジが固定されているＹスライドの末端のみに作用し、駆動時にはＹスライドに偶力（モーメント）が作用し、Ｙスライドに歪みが生じ、ひいては主軸先端位置が変位して加工精度が低下する。特に、円弧形状をコンタリング加工する際には像限切替部で問題が生じる。また、Ｙスライド重心位置がＹスライド前面より後方にあり、しかもＹスライドの前方部で駆動されるため、Ｙ軸方向の起動停止を行う場合にＹスライドの後方突出部側に残留振動が発生し、加工精度が低下する等の問題がある。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑み、リニアモータとバランス用シリンダ取付位置の違いによって生じる偶力を無くするとともに、Ｙ軸スライドの重心位置に近い位置を駆動するようにして、Ｙ軸スライドの変形や振動を少なくして、加工精度を向上し得るようにした工作機械を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ベッドの一側面に配設されＸ軸方向に移動可能に案内支持されたＸスライドと、そのＸスライドに互いに平行に設けられた２つの垂直コラムに対して垂直方向に移動可能に案内支持されたＹスライドと、水平主軸が回転可能に支持され、上記Ｙスライドに対してＺ軸方向に移動可能に案内支持されているＺスライドとを備えた工作機械において、そのＹスライドの前面に設けられ、上記Ｚスライドが挿通されている前面板部の左右両側部の背面にそれぞれモータ取付板の一辺を固着するとともに、そのモータ取付板の他辺を上記Ｙスライドの本体部の側面に固着し、上記Ｙスライドの前面板の背面と、上記モータ取付板と、Ｙスライドの本体部の側面とにより上記コラムをそれぞれ囲繞する枠部を構成し、上記垂直コラムの互いに背向する側面とそのコラム側面に相対する前記枠部内面との間にリニアモータを配設したことを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、請求項１に係る発明において、上記Ｙスライドに設けられた枠部におけるリニアモータ取付面の背面側と上記垂直コラムが立設されているＸスライドの側面との間にカウンタバランス用シリンダを配設したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の工作機械全体を示す正面斜視図、図２は同背面斜視図である。図１及び図２において符号１は工作機械の垂直ベッドであり、その垂直ベッド１の前面側下部には水平ベッド２が配設され、その水平ベッド２上に図示しない被加工物を載置固定するテーブル３が固定されている。
【００１２】
上記垂直ベッド１の前面には、Ｘスライド４がＸ軸方向（水平方向）に移動可能に支持されており、そのＸスライド４にはＹスライド５がＹ軸方向（垂直方向）に移動可能に支持され、さらに上記Ｙスライド５には水平主軸６を回転自在に軸承するラムを構成するＺスライド７がＺ軸方向（前後方向）に移動可能に支持されている。しかして、上記垂直ベッド１に対してＸスライド４、Ｙ軸スライド５及びＺスライド７をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向或はＺ軸方向に移動させることにより、主軸６を前記テーブル３上に載置固定された被加工物に対して互いに直交する３軸方向に移動位置決めすることができる。
【００１３】
ところで、上記Ｘスライド４、Ｙスライド５及びＺスライド７はそれぞれ互いに平行に配設された２本のリニアモータによって軸送り駆動が行われるようにしてある。
【００１４】
上記リニアモータは積層鋼板よりなる２枚の平板であって、表面に長手方向に直交する方向に同一ピッチで等間隔に全長にわたって形成された断面コ字状の磁極歯が形成され、ストローク長にわたって敷設された長尺平板状の固定子と、その固定子の磁極歯に対向して配置され、表面に長手方向に直交する方向に同一ピッチで等間隔に全長にわたって永久磁石及びコイルを配置した短尺平板状の移動子より構成され、移動子と固定子とは所定の間隙（０．０５〜０．２ｍｍ）を有して各駆動部に配設されている。
【００１５】
上記垂直ベッド１は、図３及び図４に示すように、正面視中央に貫通穴１ａを有する横長の矩形枠状をしており、下部前面側に水平ベッド２（図示せず）が連結されている。上記垂直ベッド１の正面側には上記貫通穴１ａを挟んで上下位置に、Ｘ軸方向に延びる２本のレールＲ１ａ，Ｒ１ｂが敷設されており、そのレールＲ１ａの上方及びレールＲ１ｂの下方にはＸスライド４駆動用のリニアモータ固定子Ｌ１ａ，Ｌ１ａがそれぞれ上記各レールＲ１ａ，Ｒ１ｂと平行に配設されている。
【００１６】
一方、Ｘスライド４は、図５及び図６に示すように、アルミ合金等の軽合金から形成され、正面視中央に貫通穴４ａを有する縦長の矩形枠状をしている。すなわち、Ｘスライド４は左右の断面四角形の垂直コラム部４ｂ，４ｂの上、下両端部をそれぞれ横桁部４ｃ，４ｃで互いに連結した構造としてある。上記両横桁部４ｃ，４ｃの背面には前記垂直ベッド１に敷設されたＸ軸方向に延びる上下のレールＲ１ａ，Ｒ１ｂにそれぞれ係合する複数のガイドＧ１ａ，Ｇ１ｂが装着されており、上記上下のガイドＧ１ａ，Ｇ１ｂが上記垂直ベッド１に敷設されている上下のレールＲ１ａ，Ｒ１ｂにそれぞれ係合され、Ｘスライド４が垂直ベッド１に対して上記レールＲ１ａ，Ｒ１ｂに沿ってＸ軸方向に摺動可能に支持されている。
【００１７】
また、上記Ｘスライド４の両横桁部４ｃ，４ｃの背面には、上記ガイドＧ１ａの上方及びガイドＧ１ｂの下方にそれぞれ上記各ガイドＧ１ａ，Ｇ１ｂに隣接してＸ軸方向に延びるリニアモータ移動子Ｌ１ｂ，Ｌ１ｂが装着され、垂直ベッド１に装着されているリニアモータ固定子Ｌ１ａ，Ｌ１ａに対向配置されている。
【００１８】
上記リニアモータ移動子Ｌ１ｂ，Ｌ１ｂとＸスライド４のモータ装着面との間には、リニアモータ固定子Ｌ１ａとリニアモータ移動子Ｌ１ｂ間の間隙調整用のライナ８が介装され、そのライナ８の内部には格子状に冷却油流路が穿設され、図示しない管路により冷却油源に連通されている。
【００１９】
また、Ｘスライド４の前面側には左右の垂直コラム部４ｂ，４ｂの前面に垂直方向（Ｙ軸方向）に延びるレールＲ２ ，Ｒ２ がそれぞれ敷設されており、さらに上記垂直コラム部４ｂ，４ｂの互いに背向する各外側面にはＹ軸方向に延びるＹスライド駆動用のリニアモータ固定子Ｌ２ａ，Ｌ２ａが設けられている。
【００２０】
また、図７は上記Ｘスライド４に取り付けられるＹスライド５の正面斜視図、図８はそのＹスライド５の背面下方斜視図であって、正面視中央に円形の貫通穴５ａ１を設けた横長の矩形状の前面板部５ａと、その前面板部５ａと一体に形成されその背面中央より後方に突出した下方に開口する断面コ字状の箱枠部５ｂとによってＹスライド５の本体部５ｃが形成されている。
【００２１】
上記Ｙスライドの本体部５ｃの前部両側にはそれぞれ断面Ｌ字状のモータ取付板５ｄ，５ｄが装着されている。すなわち、上記Ｙスライド本体部５ｃの前面板部５ａの背面に上記断面Ｌ字状のモータ取付板５ｄの一辺が固着され、そのモータ取付板５ｄの他片が前記箱枠部５ｂの側面に固着され、上記前面板部５ａ、箱枠部５ｂの側面及び断面Ｌ字状のモータ取付板５ｄによって垂直方向に貫通する断面四角形の枠部５ｅが形成されている。
【００２２】
上記前面板部５ａの背面には箱枠部５ｂの両側面と隣接した位置にそれぞれＹ軸方向に複数のガイドＧ２ ，Ｇ２ が装着されている。
【００２３】
しかして、Ｙスライド５の断面四角形の枠部５ｅが前記Ｘスライド４の垂直コラム部４ｂを囲繞するように遊嵌され（図９）、ガイドＧ２ ，Ｇ２ がＸスライド４の垂直コラム部４ｂの前面に敷設されているレールＲ２ ，Ｒ２ にそれぞれ係合され、Ｙスライド５がＸスライド４に対してＹ軸方向に摺動可能に支持されている。この場合前面板部５ａの背面側に突出するコ字状の箱枠部５ｂは、垂直ベッド１及びＸスライド４の各貫通穴１ａ，４ａを挿通して先端部が垂直ベッド１内に突入されており、Ｘスライド４及びＹスライド５の移動に伴って、上記箱枠部５ｂが移動範囲にわたって垂直ベッド１及びＸスライド４に干渉することはない。
【００２４】
また、上記各モータ取付板５ｄの内面には、Ｘスライド４の両垂直コラム部４ｂに設けられている各リニアモータ固定子Ｌ２ａとそれぞれ対向しそのリニアモータ固定子Ｌ２ａと所定の間隙を維持するようにリニアモータ移動子Ｌ２ｂが固着されている。そして、上記モータ取付板内部には格子状に冷却油流路が穿設され、図示しない管路により冷却油源に連通されている。
【００２５】
Ｙスライド５の箱枠部５ｂの互いに対向する側壁部内面には、図８に示すように、左右対称に箱部５ｆ，５ｆが形成されており、その箱部５ｆ，５ｆの下面にはそれぞれＺ軸方向に延びるレールＲ３ ，Ｒ３ が敷設されており、また上記箱部５ｆ，５ｆの対向内側面にはＺスライド駆動用リニアモータ固定子Ｌ３ａ，Ｌ３ａがそれぞれ配設固定されている。また、上記箱枠部５ｂの天板部にはリニアモータによって箱枠部５ｂ内で発生する熱を除去するための複数の通気孔５ｇが穿設されており、必要に応じてファンを設けることにより上記リニアモータ部の冷却効果を増加し得るようにしてある。
【００２６】
Ｙスライド５の左右両モータ取付板５ｄには、リニアモータ移動子Ｌ２ｂが取付けられている面の背面側すなわち外面側に、上記リニアモータ移動子Ｌ２ｂと対応する位置にそれぞれブラケット９が設けられており、そのブラケット９にＹ軸方向のカウンタバランス用シリンダ１０のピストンロッド１０ａの先端が枢着され、一方上記カウンタバランス用シリンダ１０のシリンダ本体１０ｂがＸスライド４の下部側面にブラケット１１を介して枢着され（図１０参照）、各シリンダ本体１０ｂは図示しない管路によエア源に連通されている。
【００２７】
図１１は水平主軸６を回転自在に軸承したラムを構成するＺスライド７の側面斜視図であり、Ｚスライド７はアルミ合金等の軽合金からなる円筒形状のＺスライド本体７ａを有しており、Ｚスライド本体７ａの外面にはクロムメッキのコーティングが施された保護筒が外嵌されている。上記Ｚスライド本体７ａの後部には、その両側面にそれぞれ軸方向に離間した複数個ずつのガイド取付部７ｂがＺスライドの軸芯を含む面に対して左右対称に突出形成されており、そのガイド取付部７ｂ上にＺ軸方向のガイドＧ３ が固着されている。
【００２８】
さらに上記Ｚスライド本体７ａの後部上面には、垂直方向に直立する矩形状箱部７ｃが一体的に突出形成されており、その箱部７ｃの両側面に、前記Ｙスライド５のＺスライド駆動用リニアモータ固定子Ｌ３ａ，Ｌ３ａと所定の間隙を維持して対向するようにリニアモータ移動子Ｌ３ｂ，Ｌ３ｂが間隙調整用ライナ１２を介して固着されている。上記ライナ１２の内部には格子状に冷却油流路が穿設されており、図示しない管路により冷却油源に連通されている。さらに、上記Ｚスライド本体７ａの前端部には、先端に工具Ｔを着脱自在に装着する水平主軸６が複数の軸受けにより回転自在に軸支され、同軸上に設けられた図示しないモータによって回転駆動されるようにしてある。
【００２９】
ところで、図１２に示すように、Ｚスライド７の先端はＹスライド５の前面板部５ａに形成された円形貫通穴５ａ１に挿通され、工具Ｔを装着した主軸６がＹスライド５の前方の加工領域に突出するようにしてあり、また、各ガイドＧ３ がそれぞれＹスライド５の箱枠部５ｂ内に敷設されたレールＲ３ ，Ｒ３ に係合され、Ｚスライド７がＹスライド５に対してＺ軸方向に摺動可能に支持されるとともに、Ｚスライド駆動用リニアモータ移動子Ｌ３ｂがＹスライド５に設けられた対応するリニアモータ固定子Ｌ３ａに所定の間隙をもって対向せしめられている。
【００３０】
また、Ｙスライドの貫通穴５ａ１の前面内周縁部にはＺスライド７先端の円筒状外周部を外嵌する環状シールが配設され、Ｙスライド５内への切粉の侵入が防止されている。なお、上記シールに替えて、貫通穴内周よりエアを常時噴出させてもよい。
【００３１】
上記各スライドにはリニアモータに平行して位置検出用リニアスケールが設けられ、各リニアモータ移動子とともに各位置検出用リニアスケールはケーブルによってＮＣ装置に接続されている。上記ＮＣ装置は上記リニアスケールの位置検出信号に基づいて各軸リニアモータ移動子に供給する電流を制御することによって軸駆動を行う。
【００３２】
次に、上述のように構成された工作機械の作用について説明する。
【００３３】
Ｘスライド４の背面に固着された上下のリニアモータ移動子Ｌ１ｂ，Ｌ１ｂに電流が供給されると、そのリニアモータ移動子Ｌ１ｂ，Ｌ１ｂに対向して垂直ベッド１の前面に固着されているリニアモータ固定子Ｌ１ａ，Ｌ１ａとの間に長手方向の推力が発生され、垂直ベッド１に敷設されたレールＲ１ａ，Ｒ１ｂに沿ってＸスライド４がＸ軸方向に駆動される。
【００３４】
また、モータ取付板５ｄ，５ｄに固着されたリニアモータ移動子Ｌ２ｂ，Ｌ２ｂに電流が供給されると、上記移動子Ｌ２ｂ，Ｌ２ｂに対向してＸスライド４の垂直コラム部４ｂ，４ｂの外側面に固着されているリニアモータ固定子Ｌ２ａ，Ｌ２ａとの間に長手方向の推力が発生され、Ｘスライド４の前面に敷設されたレールＲ２ ，Ｒ２ に沿ってＹスライド５がＹ軸方向に駆動される。
【００３５】
また、上記Ｙスライド５のＬ形のモータ取付板５ｄ，５ｄとＸスライド４にブラケット９，１１を介して枢着されたカウンタバランス用シリンダ１０，１０のボアには一定圧のエアが供給されており、シリンダロッド１０ａ、ブラケット９を介してＹスライド５をＹ軸方向上方に常時押し上げ、Ｙスライド５に作用する重力を相殺するよう作用する。これによって、Ｙスライド上昇駆動時においてはリニアモータ固定子Ｌ２ａと移動子Ｌ２ｂとからなるリニアモータＬ２ に過大な推力を必要とせずモータを小型化することができ、また移動停止時においては常時多量の電流を供給する必要が無いためにモータ発熱を低減でき、さらにはリニアモータＬ２ への電力供給が停止した場合においてもＹスライド５が落下することがない。
【００３６】
しかもリニアモータＬ２ の取付背面にカウンタバランス用シリンダ１０がそれぞれ装着してあるため、モータ駆動位置と重力支持位置とが一致しており、Ｙスライド５に偶力が作用することはない。また、Ｙスライド５をＹ軸方向に駆動するためのモータ取付板５ｄ，５ｄがＹスライド前方の矩形状の前面板部５ａとＹスライド中央の箱部側面とに渡して固着してあるため、Ｙスライド５の重心位置に近い位置に駆動力が作用し、駆動時にＹスライド５に作用する偶力を低減することができ、ひいては起動停止時に生ずる振動が最小限に抑えられる。
【００３７】
また、Ｚスライド本体上部の矩形状箱部７ｃの両側面に固着されたリニアモータ移動子Ｌ３ｂ，Ｌ３ｂに電流が供給されると、その移動子に対向して配置されたＹスライド内のリニアモータ固定子Ｌ３ａに対して長手方向に推力を発生し、Ｚスライド７がＹスライド内の箱部５ｆ，５ｆに敷設されたレールＲ３ ，Ｒ３ にならってＺ軸方向に駆動される。
【００３８】
上記Ｚスライド７の駆動にあたっては、上記リニアモータ移動子Ｌ３ｂ，Ｌ３ｂと固定子Ｌ３ａ，Ｌ３ａとの間には長手方向の推力とともに、その推力の数倍におよび吸引力が同時に作用し、Ｙスライド５のコ字形箱枠部５ｂの下方開口部を閉口する方向に変形作用させるが、リニアモータ移動子の長さに合わせたガイドＧ３ の配置および取付間隔とすることでＹスライドの箱枠部５ｂの変形を最小にすることができる。
【００３９】
また、Ｚスライド７は、後方上部に矩形状箱部７ｃを設け、該箱部にリニアモータ移動子Ｌ３ｂ，Ｌ３ｂを取り付けることによって、Ｙスライド５の矩形状の前面板部５ａの中央に設けられた貫通穴５ａ１から加工領域に突出するＺスライド先端部を円筒形にして外径を小さくすることができ、ひいては被加工物への接近性を向上することができる。また、円筒形であるため上部に切粉が堆積しにくく、シールも容易であるので、加工領域と機械領域とに隔離するカバーをＹスライド前面に設けることにより切粉や切削油の機械領域への侵入を防止することができる。さらに、万一切削油や切粉が侵入したとしてもＹスライドのリニアモータは上部に配置されているためモータ内部への侵入を防ぐことができる。
【００４０】
Ｘスライド４およびＺスライド７のリニアモータの移動子Ｌ１ｂ，Ｌ３ｂとその取付面との間に介装されたライナ８，１２およびＹスライド５のＬ形モータ取付板５ｄに設けられた各冷却油路には、機体温度或は外気温に同調して温度制御された冷却油を常時流すことによって、上記移動子Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ，Ｌ３ｂの発熱による各スライドの熱変位を防止することができる。
【００４１】
上記実施例では、各軸送り駆動にそれぞれ２本のリニアモータを並列使用して推力を確保するとともに、被駆動部であるＺスライド、ＹスライドおよびＸスライドには軽量材（例えばアルミ合金）を使用してイナーシャの低減をはかることによって、送り速度および加速度を向上することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、コラム部を囲繞する枠部の内面とコラム部の側面との間にリニアモータを配設したので、上記枠部を構成するモータ取付板の両辺がスライド前部と中央部とに固着されることになり、上記リニアモータによる駆動力がコラムに沿って移動されるスライドの前部のみでなく、スライドの重心位置に近い位置に駆動力が作用し駆動時に作用する偶力を低減することができ、起動停止時に生ずる残留振動を最小限に抑え、ひいては加工精度を向上させる等の効果を奏する。また、モータ取付板におけるリニアモータ取付面の背面側にカウンタバランスシリンダを装着したものにおいては、モータ駆動位置と重力支持位置とが一致して、スライドに作用する偶力がなくなり、スライドの変形を少なくし、ひいては加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工作機械の一実施の形態を示す正面全体の斜視図。
【図２】図１の工作機械の背面斜視図。
【図３】本発明の工作機械の垂直ベッドの正面斜視図。
【図４】図３の垂直ベッドの背面斜視図。
【図５】Ｘスライドの正面斜視図。
【図６】Ｘスライドの背面斜視図。
【図７】Ｙスライドの正面斜視図。
【図８】Ｙスライドの背面斜視図。
【図９】ＹスライドをＸスライドに取付けた状態を示す部分断面図。
【図１０】図９の側面図。
【図１１】Ｚスライドの正面斜視図。
【図１２】ＺスライドをＹスイラドに装着した状態を示す背面斜視図。
【符号の説明】
１ 垂直ベッド
３ テーブル
４ Ｘスライド
４ａ 貫通穴
４ｂ 垂直コラム部
４ｃ 横桁部
５ Ｙスライド
５ａ 前面板部
５ｂ 箱枠部
５ｃ Ｙスライド本体部
５ｄ モータ取付板
５ｅ 枠部
６ 主軸
７ Ｚスライド
７ａ Ｚスライド本体
７ｂ ガイド取付部
１０ カウンタバランス用シリンダ
Ｇ１ａ，Ｇ１ｂ，Ｇ２ ，Ｇ３ ガイド
Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ ，Ｒ３ レール
Ｌ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ３ａ リニアモータ固定子
Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ，Ｌ３ｂ リニアモータ移動子
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータを利用した工作機械に関し、特にコラムに対して軸線方向に移動可能としたスライドの支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＴＬ（フレキシブル・トランスファー・ライン）においては、最近従来以上に工作機械の生産性が要求されるようになった。そこで、従来のトランスファマシンと同等の生産性を上げるためには、現状の２倍乃至３倍の高速化を図る必要があり、主軸とともに送りの高速化が課題となっている。
【０００３】
ところで、工作機械における送り駆動手段は、一般にボールねじとサーボモータが用いられているが、ボールねじを使用するもので高速化を図ろうとすると、ＤｍＮの限界、振動や騒音の増大、危険速度、温度上昇による熱膨張の増大、ハイリード化による剛性の低下等の問題があり、高速送り、高加減速送りを行うには限界がある。そのため、最近では摩擦がなく、しかも高剛性なリニアモータが工作機械の駆動手段に採用されつつある。
【０００４】
この工作機械の駆動手段としてリニアモータを使用するものにおいては、特に垂直軸の駆動部では、リニアモータが被駆動部を直接駆動することから常に被駆動部の全重力負荷がモータに作用することになり、モータ発熱や電源遮断時の落下等の問題のため、一般にカウンタバランスが採用されている。
【０００５】
例えば、特開平６−２９７２８６号の発明は、工作機械の駆動手段としてリニアモータを採用したものに関するものであって、その公報には、Ｘ軸方向に移動可能に案内支持されるＸスライドと、そのＸスライドの２つの垂直コラムにＹ軸方向に移動可能に案内支持されるＹスライドを備え、上記両垂直コラムの互いに背向する側面と、Ｙスライドの本体部に一端が支持され他端がＸスライドにガイドレールを介して支持されている保持フランジ部との間にリニアモータを配設するとともに、Ｙスライドの中央上部にカウンタバランス用シリンダを配設したものが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の装置では、リニアモータを保持する保持フランジはその一端がＹスライドに固定され、他端はガイドを介してＸスライドの側面に相対移動可能に支持されているとともに、Ｙスライドに作用する重力を油圧シリンダによりスライド前面中央上部で支持するようにしただけのものにすぎないため、リニアモータによるＹスライドへの駆動力は、保持フランジが固定されているＹスライドの末端のみに作用し、駆動時にはＹスライドに偶力（モーメント）が作用し、Ｙスライドに歪みが生じ、ひいては主軸先端位置が変位して加工精度が低下する。特に、円弧形状をコンタリング加工する際には像限切替部で問題が生じる。また、Ｙスライド重心位置がＹスライド前面より後方にあり、しかもＹスライドの前方部で駆動されるため、Ｙ軸方向の起動停止を行う場合にＹスライドの後方突出部側に残留振動が発生し、加工精度が低下する等の問題がある。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑み、リニアモータとバランス用シリンダ取付位置の違いによって生じる偶力を無くするとともに、Ｙ軸スライドの重心位置に近い位置を駆動するようにして、Ｙ軸スライドの変形や振動を少なくして、加工精度を向上し得るようにした工作機械を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、ベッドの一側面に配設されＸ軸方向に移動可能に案内支持されたＸスライドと、そのＸスライドに互いに平行に設けられた２つの垂直コラムに対して垂直方向に移動可能に案内支持されたＹスライドと、水平主軸が回転可能に支持され、上記Ｙスライドに対してＺ軸方向に移動可能に案内支持されているＺスライドとを備えた工作機械において、そのＹスライドの前面に設けられ、上記Ｚスライドが挿通されている前面板部の左右両側部の背面にそれぞれモータ取付板の一辺を固着するとともに、そのモータ取付板の他辺を上記Ｙスライドの本体部の側面に固着し、上記Ｙスライドの前面板の背面と、上記モータ取付板と、Ｙスライドの本体部の側面とにより上記コラムをそれぞれ囲繞する枠部を構成し、上記垂直コラムの互いに背向する側面とそのコラム側面に相対する前記枠部内面との間にリニアモータを配設したことを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、請求項１に係る発明において、上記Ｙスライドに設けられた枠部におけるリニアモータ取付面の背面側と上記垂直コラムが立設されているＸスライドの側面との間にカウンタバランス用シリンダを配設したことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の工作機械全体を示す正面斜視図、図２は同背面斜視図である。図１及び図２において符号１は工作機械の垂直ベッドであり、その垂直ベッド１の前面側下部には水平ベッド２が配設され、その水平ベッド２上に図示しない被加工物を載置固定するテーブル３が固定されている。
【００１２】
上記垂直ベッド１の前面には、Ｘスライド４がＸ軸方向（水平方向）に移動可能に支持されており、そのＸスライド４にはＹスライド５がＹ軸方向（垂直方向）に移動可能に支持され、さらに上記Ｙスライド５には水平主軸６を回転自在に軸承するラムを構成するＺスライド７がＺ軸方向（前後方向）に移動可能に支持されている。しかして、上記垂直ベッド１に対してＸスライド４、Ｙ軸スライド５及びＺスライド７をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向或はＺ軸方向に移動させることにより、主軸６を前記テーブル３上に載置固定された被加工物に対して互いに直交する３軸方向に移動位置決めすることができる。
【００１３】
ところで、上記Ｘスライド４、Ｙスライド５及びＺスライド７はそれぞれ互いに平行に配設された２本のリニアモータによって軸送り駆動が行われるようにしてある。
【００１４】
上記リニアモータは積層鋼板よりなる２枚の平板であって、表面に長手方向に直交する方向に同一ピッチで等間隔に全長にわたって形成された断面コ字状の磁極歯が形成され、ストローク長にわたって敷設された長尺平板状の固定子と、その固定子の磁極歯に対向して配置され、表面に長手方向に直交する方向に同一ピッチで等間隔に全長にわたって永久磁石及びコイルを配置した短尺平板状の移動子より構成され、移動子と固定子とは所定の間隙（０．０５〜０．２ｍｍ）を有して各駆動部に配設されている。
【００１５】
上記垂直ベッド１は、図３及び図４に示すように、正面視中央に貫通穴１ａを有する横長の矩形枠状をしており、下部前面側に水平ベッド２（図示せず）が連結されている。上記垂直ベッド１の正面側には上記貫通穴１ａを挟んで上下位置に、Ｘ軸方向に延びる２本のレールＲ１ａ，Ｒ１ｂが敷設されており、そのレールＲ１ａの上方及びレールＲ１ｂの下方にはＸスライド４駆動用のリニアモータ固定子Ｌ１ａ，Ｌ１ａがそれぞれ上記各レールＲ１ａ，Ｒ１ｂと平行に配設されている。
【００１６】
一方、Ｘスライド４は、図５及び図６に示すように、アルミ合金等の軽合金から形成され、正面視中央に貫通穴４ａを有する縦長の矩形枠状をしている。すなわち、Ｘスライド４は左右の断面四角形の垂直コラム部４ｂ，４ｂの上、下両端部をそれぞれ横桁部４ｃ，４ｃで互いに連結した構造としてある。上記両横桁部４ｃ，４ｃの背面には前記垂直ベッド１に敷設されたＸ軸方向に延びる上下のレールＲ１ａ，Ｒ１ｂにそれぞれ係合する複数のガイドＧ１ａ，Ｇ１ｂが装着されており、上記上下のガイドＧ１ａ，Ｇ１ｂが上記垂直ベッド１に敷設されている上下のレールＲ１ａ，Ｒ１ｂにそれぞれ係合され、Ｘスライド４が垂直ベッド１に対して上記レールＲ１ａ，Ｒ１ｂに沿ってＸ軸方向に摺動可能に支持されている。
【００１７】
また、上記Ｘスライド４の両横桁部４ｃ，４ｃの背面には、上記ガイドＧ１ａの上方及びガイドＧ１ｂの下方にそれぞれ上記各ガイドＧ１ａ，Ｇ１ｂに隣接してＸ軸方向に延びるリニアモータ移動子Ｌ１ｂ，Ｌ１ｂが装着され、垂直ベッド１に装着されているリニアモータ固定子Ｌ１ａ，Ｌ１ａに対向配置されている。
【００１８】
上記リニアモータ移動子Ｌ１ｂ，Ｌ１ｂとＸスライド４のモータ装着面との間には、リニアモータ固定子Ｌ１ａとリニアモータ移動子Ｌ１ｂ間の間隙調整用のライナ８が介装され、そのライナ８の内部には格子状に冷却油流路が穿設され、図示しない管路により冷却油源に連通されている。
【００１９】
また、Ｘスライド４の前面側には左右の垂直コラム部４ｂ，４ｂの前面に垂直方向（Ｙ軸方向）に延びるレールＲ２ ，Ｒ２ がそれぞれ敷設されており、さらに上記垂直コラム部４ｂ，４ｂの互いに背向する各外側面にはＹ軸方向に延びるＹスライド駆動用のリニアモータ固定子Ｌ２ａ，Ｌ２ａが設けられている。
【００２０】
また、図７は上記Ｘスライド４に取り付けられるＹスライド５の正面斜視図、図８はそのＹスライド５の背面下方斜視図であって、正面視中央に円形の貫通穴５ａ１を設けた横長の矩形状の前面板部５ａと、その前面板部５ａと一体に形成されその背面中央より後方に突出した下方に開口する断面コ字状の箱枠部５ｂとによってＹスライド５の本体部５ｃが形成されている。
【００２１】
上記Ｙスライドの本体部５ｃの前部両側にはそれぞれ断面Ｌ字状のモータ取付板５ｄ，５ｄが装着されている。すなわち、上記Ｙスライド本体部５ｃの前面板部５ａの背面に上記断面Ｌ字状のモータ取付板５ｄの一辺が固着され、そのモータ取付板５ｄの他片が前記箱枠部５ｂの側面に固着され、上記前面板部５ａ、箱枠部５ｂの側面及び断面Ｌ字状のモータ取付板５ｄによって垂直方向に貫通する断面四角形の枠部５ｅが形成されている。
【００２２】
上記前面板部５ａの背面には箱枠部５ｂの両側面と隣接した位置にそれぞれＹ軸方向に複数のガイドＧ２ ，Ｇ２ が装着されている。
【００２３】
しかして、Ｙスライド５の断面四角形の枠部５ｅが前記Ｘスライド４の垂直コラム部４ｂを囲繞するように遊嵌され（図９）、ガイドＧ２ ，Ｇ２ がＸスライド４の垂直コラム部４ｂの前面に敷設されているレールＲ２ ，Ｒ２ にそれぞれ係合され、Ｙスライド５がＸスライド４に対してＹ軸方向に摺動可能に支持されている。この場合前面板部５ａの背面側に突出するコ字状の箱枠部５ｂは、垂直ベッド１及びＸスライド４の各貫通穴１ａ，４ａを挿通して先端部が垂直ベッド１内に突入されており、Ｘスライド４及びＹスライド５の移動に伴って、上記箱枠部５ｂが移動範囲にわたって垂直ベッド１及びＸスライド４に干渉することはない。
【００２４】
また、上記各モータ取付板５ｄの内面には、Ｘスライド４の両垂直コラム部４ｂに設けられている各リニアモータ固定子Ｌ２ａとそれぞれ対向しそのリニアモータ固定子Ｌ２ａと所定の間隙を維持するようにリニアモータ移動子Ｌ２ｂが固着されている。そして、上記モータ取付板内部には格子状に冷却油流路が穿設され、図示しない管路により冷却油源に連通されている。
【００２５】
Ｙスライド５の箱枠部５ｂの互いに対向する側壁部内面には、図８に示すように、左右対称に箱部５ｆ，５ｆが形成されており、その箱部５ｆ，５ｆの下面にはそれぞれＺ軸方向に延びるレールＲ３ ，Ｒ３ が敷設されており、また上記箱部５ｆ，５ｆの対向内側面にはＺスライド駆動用リニアモータ固定子Ｌ３ａ，Ｌ３ａがそれぞれ配設固定されている。また、上記箱枠部５ｂの天板部にはリニアモータによって箱枠部５ｂ内で発生する熱を除去するための複数の通気孔５ｇが穿設されており、必要に応じてファンを設けることにより上記リニアモータ部の冷却効果を増加し得るようにしてある。
【００２６】
Ｙスライド５の左右両モータ取付板５ｄには、リニアモータ移動子Ｌ２ｂが取付けられている面の背面側すなわち外面側に、上記リニアモータ移動子Ｌ２ｂと対応する位置にそれぞれブラケット９が設けられており、そのブラケット９にＹ軸方向のカウンタバランス用シリンダ１０のピストンロッド１０ａの先端が枢着され、一方上記カウンタバランス用シリンダ１０のシリンダ本体１０ｂがＸスライド４の下部側面にブラケット１１を介して枢着され（図１０参照）、各シリンダ本体１０ｂは図示しない管路によエア源に連通されている。
【００２７】
図１１は水平主軸６を回転自在に軸承したラムを構成するＺスライド７の側面斜視図であり、Ｚスライド７はアルミ合金等の軽合金からなる円筒形状のＺスライド本体７ａを有しており、Ｚスライド本体７ａの外面にはクロムメッキのコーティングが施された保護筒が外嵌されている。上記Ｚスライド本体７ａの後部には、その両側面にそれぞれ軸方向に離間した複数個ずつのガイド取付部７ｂがＺスライドの軸芯を含む面に対して左右対称に突出形成されており、そのガイド取付部７ｂ上にＺ軸方向のガイドＧ３ が固着されている。
【００２８】
さらに上記Ｚスライド本体７ａの後部上面には、垂直方向に直立する矩形状箱部７ｃが一体的に突出形成されており、その箱部７ｃの両側面に、前記Ｙスライド５のＺスライド駆動用リニアモータ固定子Ｌ３ａ，Ｌ３ａと所定の間隙を維持して対向するようにリニアモータ移動子Ｌ３ｂ，Ｌ３ｂが間隙調整用ライナ１２を介して固着されている。上記ライナ１２の内部には格子状に冷却油流路が穿設されており、図示しない管路により冷却油源に連通されている。さらに、上記Ｚスライド本体７ａの前端部には、先端に工具Ｔを着脱自在に装着する水平主軸６が複数の軸受けにより回転自在に軸支され、同軸上に設けられた図示しないモータによって回転駆動されるようにしてある。
【００２９】
ところで、図１２に示すように、Ｚスライド７の先端はＹスライド５の前面板部５ａに形成された円形貫通穴５ａ１に挿通され、工具Ｔを装着した主軸６がＹスライド５の前方の加工領域に突出するようにしてあり、また、各ガイドＧ３ がそれぞれＹスライド５の箱枠部５ｂ内に敷設されたレールＲ３ ，Ｒ３ に係合され、Ｚスライド７がＹスライド５に対してＺ軸方向に摺動可能に支持されるとともに、Ｚスライド駆動用リニアモータ移動子Ｌ３ｂがＹスライド５に設けられた対応するリニアモータ固定子Ｌ３ａに所定の間隙をもって対向せしめられている。
【００３０】
また、Ｙスライドの貫通穴５ａ１の前面内周縁部にはＺスライド７先端の円筒状外周部を外嵌する環状シールが配設され、Ｙスライド５内への切粉の侵入が防止されている。なお、上記シールに替えて、貫通穴内周よりエアを常時噴出させてもよい。
【００３１】
上記各スライドにはリニアモータに平行して位置検出用リニアスケールが設けられ、各リニアモータ移動子とともに各位置検出用リニアスケールはケーブルによってＮＣ装置に接続されている。上記ＮＣ装置は上記リニアスケールの位置検出信号に基づいて各軸リニアモータ移動子に供給する電流を制御することによって軸駆動を行う。
【００３２】
次に、上述のように構成された工作機械の作用について説明する。
【００３３】
Ｘスライド４の背面に固着された上下のリニアモータ移動子Ｌ１ｂ，Ｌ１ｂに電流が供給されると、そのリニアモータ移動子Ｌ１ｂ，Ｌ１ｂに対向して垂直ベッド１の前面に固着されているリニアモータ固定子Ｌ１ａ，Ｌ１ａとの間に長手方向の推力が発生され、垂直ベッド１に敷設されたレールＲ１ａ，Ｒ１ｂに沿ってＸスライド４がＸ軸方向に駆動される。
【００３４】
また、モータ取付板５ｄ，５ｄに固着されたリニアモータ移動子Ｌ２ｂ，Ｌ２ｂに電流が供給されると、上記移動子Ｌ２ｂ，Ｌ２ｂに対向してＸスライド４の垂直コラム部４ｂ，４ｂの外側面に固着されているリニアモータ固定子Ｌ２ａ，Ｌ２ａとの間に長手方向の推力が発生され、Ｘスライド４の前面に敷設されたレールＲ２ ，Ｒ２ に沿ってＹスライド５がＹ軸方向に駆動される。
【００３５】
また、上記Ｙスライド５のＬ形のモータ取付板５ｄ，５ｄとＸスライド４にブラケット９，１１を介して枢着されたカウンタバランス用シリンダ１０，１０のボアには一定圧のエアが供給されており、シリンダロッド１０ａ、ブラケット９を介してＹスライド５をＹ軸方向上方に常時押し上げ、Ｙスライド５に作用する重力を相殺するよう作用する。これによって、Ｙスライド上昇駆動時においてはリニアモータ固定子Ｌ２ａと移動子Ｌ２ｂとからなるリニアモータＬ２ に過大な推力を必要とせずモータを小型化することができ、また移動停止時においては常時多量の電流を供給する必要が無いためにモータ発熱を低減でき、さらにはリニアモータＬ２ への電力供給が停止した場合においてもＹスライド５が落下することがない。
【００３６】
しかもリニアモータＬ２ の取付背面にカウンタバランス用シリンダ１０がそれぞれ装着してあるため、モータ駆動位置と重力支持位置とが一致しており、Ｙスライド５に偶力が作用することはない。また、Ｙスライド５をＹ軸方向に駆動するためのモータ取付板５ｄ，５ｄがＹスライド前方の矩形状の前面板部５ａとＹスライド中央の箱部側面とに渡して固着してあるため、Ｙスライド５の重心位置に近い位置に駆動力が作用し、駆動時にＹスライド５に作用する偶力を低減することができ、ひいては起動停止時に生ずる振動が最小限に抑えられる。
【００３７】
また、Ｚスライド本体上部の矩形状箱部７ｃの両側面に固着されたリニアモータ移動子Ｌ３ｂ，Ｌ３ｂに電流が供給されると、その移動子に対向して配置されたＹスライド内のリニアモータ固定子Ｌ３ａに対して長手方向に推力を発生し、Ｚスライド７がＹスライド内の箱部５ｆ，５ｆに敷設されたレールＲ３ ，Ｒ３ にならってＺ軸方向に駆動される。
【００３８】
上記Ｚスライド７の駆動にあたっては、上記リニアモータ移動子Ｌ３ｂ，Ｌ３ｂと固定子Ｌ３ａ，Ｌ３ａとの間には長手方向の推力とともに、その推力の数倍におよび吸引力が同時に作用し、Ｙスライド５のコ字形箱枠部５ｂの下方開口部を閉口する方向に変形作用させるが、リニアモータ移動子の長さに合わせたガイドＧ３ の配置および取付間隔とすることでＹスライドの箱枠部５ｂの変形を最小にすることができる。
【００３９】
また、Ｚスライド７は、後方上部に矩形状箱部７ｃを設け、該箱部にリニアモータ移動子Ｌ３ｂ，Ｌ３ｂを取り付けることによって、Ｙスライド５の矩形状の前面板部５ａの中央に設けられた貫通穴５ａ１から加工領域に突出するＺスライド先端部を円筒形にして外径を小さくすることができ、ひいては被加工物への接近性を向上することができる。また、円筒形であるため上部に切粉が堆積しにくく、シールも容易であるので、加工領域と機械領域とに隔離するカバーをＹスライド前面に設けることにより切粉や切削油の機械領域への侵入を防止することができる。さらに、万一切削油や切粉が侵入したとしてもＹスライドのリニアモータは上部に配置されているためモータ内部への侵入を防ぐことができる。
【００４０】
Ｘスライド４およびＺスライド７のリニアモータの移動子Ｌ１ｂ，Ｌ３ｂとその取付面との間に介装されたライナ８，１２およびＹスライド５のＬ形モータ取付板５ｄに設けられた各冷却油路には、機体温度或は外気温に同調して温度制御された冷却油を常時流すことによって、上記移動子Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ，Ｌ３ｂの発熱による各スライドの熱変位を防止することができる。
【００４１】
上記実施例では、各軸送り駆動にそれぞれ２本のリニアモータを並列使用して推力を確保するとともに、被駆動部であるＺスライド、ＹスライドおよびＸスライドには軽量材（例えばアルミ合金）を使用してイナーシャの低減をはかることによって、送り速度および加速度を向上することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、コラム部を囲繞する枠部の内面とコラム部の側面との間にリニアモータを配設したので、上記枠部を構成するモータ取付板の両辺がスライド前部と中央部とに固着されることになり、上記リニアモータによる駆動力がコラムに沿って移動されるスライドの前部のみでなく、スライドの重心位置に近い位置に駆動力が作用し駆動時に作用する偶力を低減することができ、起動停止時に生ずる残留振動を最小限に抑え、ひいては加工精度を向上させる等の効果を奏する。また、モータ取付板におけるリニアモータ取付面の背面側にカウンタバランスシリンダを装着したものにおいては、モータ駆動位置と重力支持位置とが一致して、スライドに作用する偶力がなくなり、スライドの変形を少なくし、ひいては加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工作機械の一実施の形態を示す正面全体の斜視図。
【図２】図１の工作機械の背面斜視図。
【図３】本発明の工作機械の垂直ベッドの正面斜視図。
【図４】図３の垂直ベッドの背面斜視図。
【図５】Ｘスライドの正面斜視図。
【図６】Ｘスライドの背面斜視図。
【図７】Ｙスライドの正面斜視図。
【図８】Ｙスライドの背面斜視図。
【図９】ＹスライドをＸスライドに取付けた状態を示す部分断面図。
【図１０】図９の側面図。
【図１１】Ｚスライドの正面斜視図。
【図１２】ＺスライドをＹスイラドに装着した状態を示す背面斜視図。
【符号の説明】
１ 垂直ベッド
３ テーブル
４ Ｘスライド
４ａ 貫通穴
４ｂ 垂直コラム部
４ｃ 横桁部
５ Ｙスライド
５ａ 前面板部
５ｂ 箱枠部
５ｃ Ｙスライド本体部
５ｄ モータ取付板
５ｅ 枠部
６ 主軸
７ Ｚスライド
７ａ Ｚスライド本体
７ｂ ガイド取付部
１０ カウンタバランス用シリンダ
Ｇ１ａ，Ｇ１ｂ，Ｇ２ ，Ｇ３ ガイド
Ｒ１ａ，Ｒ１ｂ，Ｒ２ ，Ｒ３ レール
Ｌ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ３ａ リニアモータ固定子
Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ，Ｌ３ｂ リニアモータ移動子
Claims (2)
- ベッドの一側面に配設されＸ軸方向に移動可能に案内支持されたＸスライドと、そのＸスライドに互いに平行に設けられた２つの垂直コラムに対して垂直方向に移動可能に案内支持されたＹスライドと、水平主軸が回転可能に支持され、上記Ｙスライドに対してＺ軸方向に移動可能に案内支持されているＺスライドとを備えた工作機械において、そのＹスライドの前面に設けられ、上記Ｚスライドが挿通されている前面板部の左右両側部の背面にそれぞれモータ取付板の一辺を固着するとともに、そのモータ取付板の他辺を上記Ｙスライドの本体部の側面に固着し、上記Ｙスライドの前面板の背面と、上記モータ取付板と、Ｙスライドの本体部の側面とにより上記コラムをそれぞれ囲繞する枠部を構成し、上記垂直コラムの互いに背向する側面とそのコラム側面に相対する前記枠部内面との間にリニアモータを配設したことを特徴とする工作機械。
- 上記Ｙスライドに設けられた枠部におけるリニアモータ取付面の背面側と上記垂直コラムが立設されているＸスライドの側面との間にカウンタバランス用シリンダを配設したことを特徴とする、請求項１記載の工作機械。
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