JP4449583B2 - マシニングセンタおよびマシニングセンタのコラム支持方法 - Google Patents

Description

本発明は、工具を回転支持するスピンドルが取り付けられて、マシンベッドに対して移動可能なコラムを備えたマシニングセンタおよびマシニングセンタのコラム支持方法に関する。

従来のマシニングセンタ（例えば下記特許文献１参照）で、特に自動車のエンジン部品加工ラインに多く使用されるものは、コラム移動タイプと呼ばれ、工具を高速回転させるスピンドルがコラムに取り付けられ、このコラムが互いに直交する３軸方向に移動可能となっている。

このような高速タイプのマシニングセンタは、非加工時間をも短縮するために、コラム移動時の加減速度も高めるようにしているが、そのためには、駆動用サーボモータを大きな出力のものにする必要がある。
特開平８−２６７３３０号公報

ところが、モータサイズが大きくなると、モータ自身のロータイナーシャが大きくなり、さらにその大きな出力を受け止めるために、カップリングやボールねじなどの付属部品のサイズも大きくなり、出力を上げた分だけの加減速度向上にはならず、加減速度向上には限界がある。

また、モータサイズが大きくなることで、電力消費量が大きくなって、モータなどからの発熱量も多くなり、マシンの熱膨張による加工精度悪化を招く上、省エネルギにも反し、設備全体も大きくなって設置スペース的にも不利になる。

一方、サーボモータの出力は極端に大きくせず、コラムを軽量化して加減速度を高める方法もある。

ところが、軽量化したコラムは、機械的剛性が低下し、切削加工時の負荷変動によってコラム自体が振動しやすくなり、加工面にビビリが発生し、加工精度が悪くなったり、特に重切削加工では、工具がその振動で破損あるいは寿命低下を招くものとなる。

そこで、本発明は、軽量化したコラムの加工時での振動を防止することを目的としている。

本発明は、工具を回転支持するスピンドルが取り付けられて、マシンベッドに対して水平方向における互いに直交する２方向に移動可能なコラムを備えたマシニングセンタにおいて、前記コラムを、その下部に設けたマシンベッド上の下部スライド機構によって前記互いに直交する２方向に移動可能とし、前記コラムの上部に錘を配置し、この錘と前記コラムとの間に、前記コラムを前記錘に対して前記互いに直交する２方向と同等の２方向にスライド移動させる上部スライド機構を設けたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、コラムを軽量化しても、コラムの上部に設けた錘が、上部スライド機構および下部スライド機構に作用するので、コラムの高加減速度による移動を可能としつつ、加工時でのコラムの振動を抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すマシニングセンタの正面図、図２は図１のＡ矢視図、図３は図１の上平面図である。このマシニングセンタは、工具１を回転支持するスピンドル３を、図２に示すコラム７に取り付け、このコラム７を、図１中でマシンベッド９に対し、水平方向における互いに直交する２方向および上下方向の互いに直交する３軸方向に移動可能としている。

上記した互いに直交する２方向とは、図１中で左右方向および紙面に直交する方向で、ここではこれら各方向を、それぞれＺ軸およびＸ軸とし、上下方向をＹ軸とする。

なお、ここでのコラム７は、極力軽量化することで、互いに直交する３軸方向へ、ボールねじ機構などを介してそれぞれ移動させる図示しないサーボモータの出力を抑え、コラム移動時の加減速度を高めている。

図１において、マシンベッド９上におけるコラム７の設置部より左側には、インデックステーブル１１を設置し、インデックステーブル１１上のワーク取付治具であるイケール１３の側面にワークＷを取り付ける。インデックステーブル１１は、ベース部１１ａとベース部１１ａに対して図１中で上下方向の軸を中心として回転する回転部１１ｂとを備え、回転部１１ｂをイケール１３とともに適宜位置に回転停止させることで、ワークＷの所定部位を工具１によって切削加工する。

マシンベッド９上におけるコラム７の設置部位には、図１中で左右方向に延びる下部Ｚ軸リニアガイド１５を図２に示すように一対設け、この下部Ｚ軸リニアガイド１５上には、外側底板１７を、その下部に設けたガイド部１９を介してＺ軸方向に移動可能に設置する。

上記した外側底板１７上には、図２中で左右方向に延びる下部Ｘ軸リニアガイド２１を図１に示すように一対設け、この下部Ｘ軸リニアガイド２１上には、内側底板２３および後述する側板２７を、これらの下部に設けたガイド部２５を介してＸ軸方向に移動可能に設置する。

上記した下部Ｚ軸リニアガイド１５およびガイド部１９と、下部Ｘ軸リニアガイド２１およびガイド部２５とにより、下部スライド機構２６を構成する。

図２に示すように、内側底板２３の両端には、側板２７の下部側面の内側を接続し、各側板２７の上部側面の内側には、内側上板２９の両端を接続する。

また、図２中で左側の側板２７のコラム７に対向する面には、上下方向に延びるＹ軸リニアガイド３１を設け、コラム７に対してＹ軸リニアガイド３１と反対側には上下方向に延びるＹ軸可動リニアガイド３３を配置する。これらＹ軸リニアガイド３１とＹ軸可動リニアガイド３３との間にてコラム７が、その両側面に設けたガイド部３５，３７を介してＹ軸方向に移動可能である。なお、Ｙ軸リニアガイド３１およびＹ軸可動リニアガイド３３は、いずれも図２中で紙面に直交する方向に一対設けてあるものとする。

Ｙ軸可動リニアガイド３３は、図２中で右側の側板２７に対して離間して配置してあり、この側板２７の外側に取り付けてある押圧手段としての押圧シリンダ３９によってコラム７に向けて押し付けられる。すなわち、押圧シリンダ３９のピストンロッド４１が、側板２７を貫通してＹ軸可動リニアガイド３３に連結しており、ピストンロッド４１の前方への移動により、Ｙ軸可動リニアガイド３３をガイド部３７を介してコラム７に押し付ける。

上記したＹ軸リニアガイド３１およびガイド部３５と、Ｙ軸可動リニアガイド３３およびガイド部３７により、上下スライド機構３８を構成する。

一方、コラム７の上方には、図２に示すように、図２中で左右方向に延びる上部Ｘ軸リニアガイド４３を配置し、この上部Ｘ軸リニアガイド４３に対し、ガイド部４５を介して内側上板２９および両側板２７が、その内側のコラム７とともにＸ軸方向に移動する。

上部Ｘ軸リニアガイド４３は、図１に示すように一対設けられ、その上部に配置してある外側上板４７の下面に取り付ける。そして、この外側上板４７の上部に錘４９を配置する。錘４９の下面には図１中で左右方向延びる上部Ｚ軸リニアガイド５１を設け、前記した外側上板４７は、その上部に設けたガイド部５３を介して錘４９に対しＺ軸方向に移動する。

上記した上部Ｘ軸リニアガイド４３およびガイド部４５と、上部Ｚ軸リニアガイド５１およびガイド部５３とにより、上部スライド機構５４を構成する。

マシンベッド９における、コラム７設置部位のインデックステーブル１１と反対側の側面およびＹ軸リニアガイド３１側の側面には、錘支持部材としての錘支持板５５および５７の下端側部をそれぞれ固定する。各錘支持板５５，５７の上端側部には、錘４９の側部がそれぞれ緩衝材５９，６１を介して固定される。緩衝材５９，６１としては、例えばゴムやウレタンを使用する。

上記した錘４９により、下部スライド機構２６および上部スライド機構５４に対して荷重を付加し、これにより切削加工時に負荷変動があっても、軽量化したコラム７自体の振動を抑え、加工精度を高めることができ、特に重切削加工であっても、工具１の破損や寿命低下を防止することができる。

ここで、錘４９を設けることによってコラム７が移動するために必要となるモータ推力の増分は、
モータ推力：Ｆ
錘の質量：Ｗ
リニアガイドの摩擦係数：μ
とすると、
Ｆ＝Ｗ×μであり、μ＝０．０１〜０．０５であることから、錘４９を１０００ｋｇにしたとしても、Ｆ＝９８Ｎ〜４９０Ｎの推力に止まる。

また、早送り速度６０ｍ／ｍｉｎ程度のマシニングセンタのボールねじリードＬは、２０ｍｍ程度であるので、１０００ｋｇの錘４９によるフリクション増大分をモータトルクＴに換算すると、
Ｔ＝Ｆ×Ｌ／２π
であるから、
最大で、Ｔ＝４９０Ｎ×０．０２ｍ／２π＝１．５６Ｎｍ
となる。

また、１０００ｋｇを錘４９として追加することによって、コラム７の質量Ｍを１００ｋｇに軽量化できたとすると、１Ｇの加速ａを得るのに必要なモータトルクＴは、
Ｆ＝Ｍ×ａ
であるから、
Ｔ＝Ｍ×ａ×Ｌ／２π＝９８０Ｎ×０．０２ｍ／２π＝３．１２Ｎｍ
となる。

したがって、全モータトルクは、
１．５６＋３．１２＝４．６８Ｎｍ
となる。

一方、従来のようにコラム自体を高剛性にしたものが、１０００ｋｇであるとすると、１Ｇの加速を得るのに必要なモータトルクＴは、
Ｔ＝９８００Ｎ×０．０２ｍ／２π＝３１．２Ｎｍ
となる。

以上より、前記した本発明の第１の実施形態によれば、従来の高剛性のコラムを使用した場合に比較して、圧倒的に小さなモータトルクで、加工時の振動を抑えつつ高加減速度によりコラム７を移動させることができる。

なお、上記の計算では、モータイナーシャやボールねじイナーシャは、本発明と従来とで同じとして計算から除外したが、必要なモータトルクが小さくてよければ、モータサイズが小さくなってモータそのもののロータイナーシャが小さくなり、さらにボールねじサイズも小さくできるため、モータ必要トルクの差はさらに大きくなる。

また、Ｙ（上下）軸方向については、錘４９によるコラム移動部分への予圧は不可能であるため、図２に示した押圧シリンダ３９によって、錘４９に相当する予圧を上下スライド機構３８に付与する。これにより、Ｙ軸方向についても、加工時でのコラム７自体の振動を抑えつつ、小さなモータトルクで、高加減速度によりコラム７を移動させることができる。

なお、錘４９と錘支持板５５，５７との間に介装した緩衝材５９，６１は、下部スライド機構２６と上部スライド機構５４との相互間の組付精度の誤差を吸収するものであるため、この組付精度が充分であれば、剛体に代えてもよい。

図４は、本発明の第２の実施形態を示すマシニングセンタの一部を示す正面図、図５は図４のＢ矢視図である。

この実施形態は、マシンベッド９上に、第１の実施形態と同様な下部Ｚ軸リニアガイド１５および下部Ｘ軸リニアガイド２１を有する下部スライド機構２６を備えており、第１の実施形態における上部スライド機構５４および錘４９は備えていない。

図５に示すように、マシンベッド９の上部両側面に外側底板１７を両側から挟むようにして一対のガイドプレート６３を設け、この各ガイドプレート６３と外側底板１７との間の１０μｍ〜２０μｍの隙間に、ある程度の粘度を有した油膜６５を形成し、この油膜６５をＺ軸方向の摺動面としている。

また、図４に示すように、外側底板１７の両端上面に側板２７および内側底板２３を両側から挟むようにして一対のガイドプレート６７を設け、この各ガイドプレート６７と側板２７との間の１０μｍ〜２０μｍの隙間に、ある程度の粘度を有した油膜６９を形成し、この油膜６９をＸ軸方向の摺動面としている。

図６は図４のＣ矢視図、図７は図４のＤ矢視図である。ここでは図６中で上下両側のＹ軸リニアガイド３１，３２をそれぞれ対応する側板２７に固定してあり、この各側板２７の図６中で左右両端に、スピンドル３側に向けて突出する一対のガイドプレート７１を設け、この各ガイドプレート７１とコラム７との間の１０μｍ〜２０μｍの隙間に、ある程度の粘度を有した油膜７３を形成し、この油膜７３をＹ軸方向の摺動面としている。

上記した第２の実施形態では、Ｘ軸，Ｚ軸の各軸方向の移動は下部スライド機構２６に、Ｙ軸方向の移動は上下スライド機構３８に、それぞれ依存するものの、転がり点接触のリニアガイドでは、加工によって発生したコラム７の振動を速やかに地面に伝えて吸収することができない。

そこで、油膜６５，６９，７３を摺動面とすることで、加工時にコラム７で発生する振動を、これら各油膜６５，６９，７３を経てマシンベッド９へ伝達しさらに地面に逃がすことで、軽量化したコラム７の振動を抑えると同時に、油膜６５，６９，７３自体が弾性体の作用を発揮してコラム７の振動を吸収する。

これにより、第１の実施形態と同様に、高加減速度によりコラム９を移動させるべくコラム７を軽量化しても、加工時のコラム７の振動を抑えることができ、加工精度を高めることができる。

なお、錘４９を用いた第１の実施形態と、油膜６５，６９，７３を用いた第２の実施形態とを組み合わせて使用することもでき、これによりコラム７の振動抑制効果をより一層高めることができる。

本発明によれば、前記マシンベッドに錘支持部材を立設し、この錘支持部材の上部に前記錘を設けたので、前記錘をマシンベッドに対して移動を規制しつつ、コラムを移動させることができる。

前記錘支持部材と前記錘との間に緩衝材を設けたので、下部スライド機構と上部スライド機構との間に組付精度の誤差があっても、緩衝材によってその誤差を吸収して、コラムをスムーズに移動させることができる。

前記コラムを、前記下部スライド機構と前記上部スライド機構との間で、上下方向に移動可能に両側から支持する一対の上下スライド機構を設け、この上下スライド機構を前記コラムに押し付ける押圧手段を設けたので、上下方向についても、加工時でのコラム自体の振動を抑えつつ、小さなモータトルクで、高加減速度によりコラムを移動させることができる。

工具を回転支持するスピンドルが取り付けられて、マシンベッドに対して水平方向における互いに直交する２方向に移動可能なコラムを備えたマシニングセンタのコラム支持方法において、前記コラムを、その下部に設けたマシンベッド上の下部スライド機構により、前記互いに直交する２方向に移動可能に支持すると同時に、前記コラムの上部に配置した錘と前記コラムとの間に設けた上部スライド機構により、前記コラムを前記錘に対して前記互いに直交する２方向と同等の２方向に移動可能に支持するようにしたので、コラムを軽量化しても、コラムの上部に設けた錘が、上部スライド機構および下部スライド機構に作用するので、コラムの高加減速度による移動を可能としつつ、加工時でのコラムの振動を抑えることができる。

また、工具を回転支持するスピンドルが取り付けられて、マシンベッドに対して移動可能なコラムを備えたマシニングセンタにおいて、前記コラムを、スライド機構によって前記マシンベッドに対して移動可能に支持するとともに、前記コラムを、油膜を介して前記マシンベッドに対して移動可能に支持するので、加工時にコラムから発生する振動を、油膜を経てマシンベッドへと伝達し、軽量化したコラムの振動を抑えるとともに、油膜自体が弾性体の作用を発揮して振動吸収を行い、コラムの高加減速度による移動を可能としつつ、加工時でのコラムの振動を抑えることができる。

本発明の第１の実施形態を示すマシニングセンタの正面図である。 図１のＡ矢視図である。 図１の上面図である。 本発明の第２の実施形態を示すマシニングセンタの一部を示す正面図である。 図４のＢ矢視図である。 図４のＣ矢視図である。 図４のＤ矢視図である。

符号の説明

１ 工具
３ スピンドル
７ コラム
９ マシンベッド
２６ 下部スライド機構
３８ 上下スライド機構
３９ 押圧シリンダ（押圧手段）
４９ 錘
５４ 上部スライド機構
５５，５７ 錘支持板（錘支持部材）
５９，６１ 緩衝材
６５，６９，７３ 油膜

Claims (5)

1. 工具を回転支持するスピンドルが取り付けられて、マシンベッドに対して水平方向にお
   ける互いに直交する２方向に移動可能なコラムを備えたマシニングセンタにおいて、前記
   コラムを、その下部に設けたマシンベッド上の下部スライド機構によって前記互いに直交
   する２方向に移動可能とし、前記コラムの上部に錘を配置し、この錘と前記コラムとの間
   に、前記コラムを前記錘に対して前記互いに直交する２方向と同等の２方向にスライド移
   動させる上部スライド機構を設けたことを特徴とするマシニングセンタ。
2. 前記マシンベッドに錘支持部材を立設し、この錘支持部材の上部に前記錘を設けたこと
   を特徴とする請求項１に記載のマシニングセンタ。
3. 前記錘支持部材と前記錘との間に緩衝材を設けたことを特徴とする請求項２に記載のマ
   シニングセンタ。
4. 前記コラムを、前記下部スライド機構と前記上部スライド機構との間で、上下方向に移
   動可能に両側から支持する一対の上下スライド機構を設け、この上下スライド機構を前記
   コラムに押し付ける押圧手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
   載のマシニングセンタ。
5. 工具を回転支持するスピンドルが取り付けられて、マシンベッドに対して水平方向にお
   ける互いに直交する２方向に移動可能なコラムを備えたマシニングセンタのコラム支持方
   法において、前記コラムを、その下部に設けたマシンベッド上の下部スライド機構により
   、前記互いに直交する２方向に移動可能に支持すると同時に、前記コラムの上部に配置し
   た錘と前記コラムとの間に設けた上部スライド機構により、前記コラムを前記錘に対して
   前記互いに直交する２方向と同等の２方向に移動可能に支持することを特徴とするマシニ
   ングセンタのコラム支持方法。
   
   

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