JP4507787B2

JP4507787B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP4507787B2
Application number: JP2004273248A
Authority: JP
Inventors: 慎二村上; 英樹岩井; 豊稲田
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-09-21
Also published as: JP2006088230A

Description

本発明は、工作機械に関するもので、特に、鉛直方向に移動する鉛直方向移動体の重力による影響を除去するためのカウンタバランサを備えた工作機械に関するものである。

従来より、工作機械では、工具やワークを支持し、鉛直方向に移動する鉛直方向移動体の重力による影響を除去するためのカウンタバランサを備えたものが知られている。このカウンタバランサにより、鉛直方向移動体にかかる重力を支持することで、鉛直方向に移動させるための送り駆動手段に鉛直方向移動体の重量がかかるのを防止し、送り駆動手段の負荷を軽減させて、加工精度の向上や、送り駆動手段の小型化等を可能とすることができる。

このカウンタバランサとしては、例えば、鉛直方向移動体と略同じ重量のバランスウエイトを鉛直方向に移動可能に設け、そのバランスウエイトと鉛直方向移動体とを滑車を介してワイヤ等で連結することで、鉛直方向移動体の重量を支持する形態のものが知られている。

しかしながら、上記の形態のものは、バランスウエイトとそれを移動させるための空間とを必要とするため、工作機械全体が大型化する問題があった。また、鉛直方向移動体の質量に加え、バランスウエイトの質量が加わるので移動質量が増加し悪くなる問題があった。そこで、小型で制御性がよいものとするために、位置固定に配置されたシリンダと、シリンダ内を摺動しピストンロッドを介して鉛直方向移動体に連結されるピストンとで構成し、シリンダ内の流体の圧力により鉛直方向移動体の重量を支持する形態のものも知られている。

本願出願人は、出願時において、上記の背景技術として以下の文献を知見している。
特開平１１−０７７４７１特開２００４−２０９５５０

しかしながら、従来の工作機械では、例えば、鉛直方向移動体を、工具を支持する主軸台とし、その主軸台を円弧運動させて、ワークの円弧加工を行った場合、カウンタバランサの可動部分、詳しくは、シリンダとピストンとのシール部分や、シリンダとピストンロッドとのシール部分で、摩擦抵抗が発生し、その状態で鉛直方向の移動を反転させると、象限切替え付近（ここでは上側と下側）において、その摩擦抵抗による砥石台の追従遅れにより、加工面に突起や窪み、所謂、「象限突起」が現れ加工精度不良の原因となっていた（図３（Ａ）参照）。

詳述すると、送り駆動手段により、鉛直方向移動体が方向反転する際に、カウンタバランサにおける摩擦抵抗は、例えば、＋方向への移動が一旦停止した後に、−方向への移動を開始する場合、＋方向への移動を妨げる方向に働いていた摩擦力（負の摩擦力）が、−方向への移動を妨げる方向（正の摩擦力）に急激に変化する。送り駆動手段は、その方向反転時の急激な変化に見合う追従ができないため、それが、象限突起として現れる。

図３（Ｂ）は、鉛直方向移動体の移動における送り駆動手段の駆動力と、指令位置との関係を示すもので、破線で示すように従来のものは、移動方向が反転する際に、急激に駆動力が大きくなったり、小さくなったりしており、この駆動力が変化する割合が大きいことが、追従遅れとなり、象限突起の原因となっていた。

これらのことから、象限突起を抑制するために、カウンタバランサにおいて、シリンダと、ピストンやピストンロッドとの間の摩擦抵抗を低減させるものとして、シリンダとピストンとのシールを、一端が折り返された二重円筒状の弾性シートの外側開放端をシリンダに、内側開放端をピストンに夫々固定した構造とし、シリンダとピストンとの間をシールすると共に、摺動抵抗を大幅に抑制するもの、例えば、ダイヤフラム型シリンダが考えられるが、この場合でも、シリンダとピストンロッドとの間で摺動抵抗が残ると共に、複雑なシール構造となるため、カウンタバランサのコストが上昇して、高価なものとなる問題があった。

そこで、本発明は、上記の実状を鑑みてなされたものであり、鉛直方向に移動する鉛直方向移動体を有する工作機械において、大幅なコストアップをすることなく、移動方向反転時にカウンタバランサの追従遅れによる象限突起を低減させて、加工精度を高めることのできる工作機械の提供を課題とするものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る工作機械は、「鉛直方向に移動可能な鉛直方向移動体と、該鉛直方向移動体にかかる重力の影響を除去するためのカウンタバランサと、該カウンタバランサと前記鉛直方向移動体との間に配置される緩衝手段とを具備する」構成とするものである。

ここで、「鉛直方向移動体」としては、特に限定するものではないが、工具を支持する主軸台、ワークを支持するワーク支持装置、等を例示することができる。また、「カウンタバランサ」としては、特に限定するものではないが、シリンダ内の流体の圧力により重量を支持するもの、鉛直方向に移動可能なバランスウエイトにより重量を支持するもの、等を例示することができる。

また、「緩衝手段」としては、特に限定するものではないが、ゴム、発泡体、バネ、等の弾性体を例示することができる。なお、バネとしては、板バネ、皿バネ、コイルバネ、空気バネ、等を例示することができ、それらを単体、或いは、複数用いたり、それらを適宜組み合わせて用いたりしても良い。

本発明によると、鉛直方向移動体とカウンタバランサとの間に緩衝手段を備えたもので、これにより、鉛直方向移動体の移動を反転させる際に、カウンタバランサの摩擦抵抗が、鉛直方向移動体の移動を阻止する方向に作用するが、鉛直方向移動体とカウンタバランサとの間の緩衝手段が弾性変形等することで、鉛直方向移動体が移動することが可能となり、追従遅れが低減され、象限突起を抑制することができ、加工精度を向上させることができる。

また、象限突起を抑制することができるので、同じ加工精度のものを得ようとした場合、その加工速度をより速くすることができるので、高速加工をすることができ、加工効率を高めることができる。

更に、緩衝手段を備えるだけで、追従遅れを低減させて、象限突起を抑制することができるので、カウンタバランサに特殊なシリンダ等を用いる必要がなく、簡単な構成で実現することができ、コストが増加するのを抑制することができる。

本発明に係る工作機械は、上記の構成に加えて、「前記カウンタバランサは、流体により駆動されるものである」構成とすることもできる。ここで、「流体」としては、液体、気体等とすることができ、流体として、油やエア等を例示することができる。

本発明によると、流体により駆動するカウンタバランサとしているので、バランスウエイトを用いたカウンタバランサと比較して、工作機械全体を小型化することができると共に、コストを抑制したものとすることができる。

本発明に係る工作機械は、上記の構成に加えて、「前記緩衝手段は、バネからなるものである」構成とすることもできる。

本発明によると、緩衝手段をバネとするもので、これにより、安価な方法で所望の緩衝手段を形成することが可能となり、コストの上昇を抑制することができる他、材質や、弾性係数等を容易に設定することができるので、鉛直方向移動体の重量、工作機械の種類や設置環境、に応じた緩衝手段とすることができる。

上述の通り、本発明によると、鉛直方向に移動する鉛直方向移動体を有する工作機械において、大幅なコストアップをすることなく、移動方向反転時にカウンタバランサの追従遅れによる象限突起を低減させて、加工精度を高めることのできる工作機械を提供することができる。

次に、本発明に係る最良の実施形態である工作機械について、図１乃至図３を基に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である工作機械を概略で示す側面図であり、図２（Ａ）は図１の工作機械におけるカウンタバランサの要部を断面で示す拡大側面図であり、（Ｂ）は本発明に係る緩衝手段を拡大して示す単品断面図である。

本実施形態の工作機械１０は、工具Ｔとして砥石車を用いて、コンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ）により全体の駆動を制御することで、ワークＷに対して数１００ｎｍ〜数１０ｎｍの誤差で軸対称形状や自由曲面形状等に加工することのできる超精密研削盤である。図１に示すように、工作機械１０の基台部分を構成するベッド１１の上面には、Ｘ軸案内手段１２を介してＸ軸方向（紙面に対して垂直方向）に案内されるＸ軸移動体１３が備えられており、Ｘ軸送り駆動手段１４により移動駆動されるようになっている。

このＸ軸移動体１３の上面には、Ｚ軸案内手段１５を介してＺ軸方向（図中左右方向）に案内されるＺ軸移動体１６が備えられており、図示しないＺ軸送り駆動手段により移動駆動されるようになっている。

このＺ軸移動体１６の前面（図中右側）には、ワークＷを保持するワーク保持手段１７が備えられていると共に、ワークＷをＣ軸（Ｚ軸方向の軸）周りに回転駆動するＣ軸回転駆動手段１８が備えられており、ワークＷを保持すると共に、Ｃ軸周りに回転させることができるようになっている。

また、ベッド１１の前方側面（図中右側側面）には、Ｙ軸案内手段１９を介してＹ軸方向（鉛直方向）に案内されるＹ軸移動体２０が備えられており、図示しないＹ軸送り駆動手段により移動駆動されるようになっている。

このＹ軸移動体２０の上部には、Ｂ軸（Ｙ軸方向の軸）周りに回転可能な旋回テーブル２１上に、工具Ｔを支持すると共に回転駆動させる主軸台２２が備えられていると共に、旋回テーブル２１を回転駆動するＢ軸回転駆動手段２３が備えられており、旋回テーブル２１を介して主軸台２２をＢ軸周りに回転させることができるようになっている。

本例では、上記のＸ軸送り駆動手段１４、Ｚ軸送り駆動手段及びＹ軸送り駆動手段は、夫々リニアモータとされており、夫々の可動体と固定体に、リニアモータを構成するためのマグネットとコイルとが備えられている。このリニアモータは、これらコイルに通電することで駆動することができ、ボールネジを用いたものと比較して、遊びが殆どなく、高精度に送ることができるものである。

Ｙ軸移動体２０の下方には、主軸台２２、旋回テーブル２１、Ｂ軸回転駆動手段２３、及びＹ軸移動体２０の重量を支持し、Ｙ軸送り駆動手段の負荷を軽減させるためのカウンタバランサ２４が備えられている。本例の主軸台２２、旋回テーブル２１、Ｂ軸回転駆動手段２３、及びＹ軸移動体２０は、本発明の鉛直方向移動体に相当している。

図２（Ａ）に詳しく示すように、カウンタバランサ２４は、ブラケット２５を介してベッド１１側に固定されたシリンダ２６と、基端がシリンダ２６内に摺動可能に配置された図示しないピストンに固定され先端がシリンダ２６から進退可能に上方へ延び出すピストンロッド２７と、ピストンロッド２７の先端に配置されＹ軸移動体２０の下端部と当接する当接機構２８と、当接機構２８とピストンロッド２７の先端との間に配置された緩衝手段２９とから構成されている。

当接機構２８は、Ｙ軸移動体２０の下端部に点接触で当接する球状の当接部材３０と、当接部材３０を保持する保持部材３１と、保持部材３１をピストンロッド２７の軸直角方向へスライド可能とするスライド機構３２とから構成されており、スライド機構３２は、複数の球状の転動部材３３と、各転動部材３３の相対位置を保持する保持プレート３４とからなっている。

この当接機構２８は、カウンタバランサ２４のシリンダ２６、ピストン、ピストンロッド２７等の寸法公差や、取付け誤差等による、Ｙ軸移動体２０とカウンタバランサ２４とのずれが、Ｙ軸移動体２０の真直度に影響を及ぼさないようにするものである。

緩衝手段２９は、図２（Ｂ）に拡大して示すように、環状の脚部３５と、脚部３５の上部開口を閉鎖する蓋部３６とから構成され、蓋部３６の上面に、当接機構２８のスライド機構３２が載置保持されるようになっている。この蓋部３６は、所定の厚さとされたダイヤフラム式のバネとされており、スライド機構３２、つまり、当接機構２８を介してＹ軸移動体２０等からの荷重がかかると、弾性変形するようになっている。

このカウンタバランサ２４は、そのシリンダ２６内に所定圧力のエアや油等の流体を供給することで、その圧力により主軸台２２、旋回テーブル２１、Ｂ軸回転駆動手段２３、及びＹ軸移動体２０の重量を支持するものである。これにより、Ｙ軸送り駆動手段に、それらの重量がかかるのを阻止し、駆動にかかる負荷が軽減される。

カウンタバランサ２４は、Ｙ軸送り駆動手段の駆動によるＹ軸移動体２０の移動に伴って、そのシリンダ２６内に流体を供給したり、流体を流出させたりして、ピストンロッド２７を進退させて、ピストンロッド２７の先端の当接機構２８をＹ軸移動体２０の下端部に常時当接させると共に、その重量を支持するようになっている。

詳しくは、例えば、Ｙ軸移動体２０が上昇する場合は、シリンダ２６内に流体を供給し、Ｙ軸移動体２０の上昇と共にピストンロッド２７を前進させる。また、Ｙ軸移動体２０が降下する場合は、シリンダ２６内の流体を流出させて、Ｙ軸移動体２０の降下と共にピストンロッド２７を後退させて、重量を支持するようになっている。

次に、本実施形態の工作機械１０におけるカウンタバランサ２４の作用について図３を基に詳細に説明する。図３は、本発明と従来とを比較して示す図であり、（Ａ）は円弧状に加工した時の象限突起の量を比較して示す図であり、（Ｂ）は鉛直方向移動体の送り駆動手段の駆動力と指令位置との関係を比較して示すグラフである。

ここで、図３（Ａ）中、Ｙ軸方向において上方向を＋方向、下方向を−方向とし、Ｘ軸方向において図中右方向を＋方向、左方向を−方向として以下説明する。例えば、ワークＷに対して、所定直径の円形加工を行う場合、本例の工作機械１０では、ワークＷをＸ軸送り駆動手段１４の駆動によりＸ軸方向に移動させながら、工具ＴをＹ軸送り駆動手段の駆動によりＹ軸方向に移動させ、それらＸ軸とＹ軸の送り量及び送り方向を夫々数値制御することで所定直径の円形加工が行われる。

詳述すると、まず、主軸台２２に支持された工具Ｔを所定速度で回転させた上で、Ｘ軸送り駆動手段１４を−方向に、Ｙ軸送り駆動手段を＋方向に、夫々所定の量で駆動させて、図中左端の象限から上側の象限までの円弧形状を加工する。そして、工具Ｔが上側の象限に達すると、Ｙ軸送り駆動手段を反転駆動させて−方向に駆動させ、上側の象限から右側の象限までの円弧形状を加工する。

続いて、工具Ｔが右側の象限に達すると、Ｘ軸送り駆動手段を反転駆動させて＋方向に駆動して、右側の象限から下側の象限までの円弧形状を加工する。そして、工具Ｔが下側の象限に達すると、Ｙ軸送り駆動手段を再び反転駆動させて＋方向に駆動し、下側の象限から左側の象限までの円弧形状を加工することで、所定の円形加工が完了する。

ところで、工具Ｔと共にＹ軸方向に移動するＹ軸移動体２０は、重力の影響を除去するためのカウンタバランサ２４に支持されているものの、カウンタバランサ２４において、シリンダ２６と、ピストンやピストンロッド２７との間に種々の摩擦抵抗があり、上側と下側の象限切替え付近では、Ｙ軸方向の送り方向が反転する際に、Ｙ軸送り駆動手段の送りに対して、Ｙ軸移動体２０の移動に遅れが生じ、それが加工面に象限突起として現れる。

この動きを詳細に説明すると、象限切替え付近において、例えば、Ｙ軸送り駆動手段の送り方向が＋方向から−方向へと反転して、Ｙ軸移動体２０が降下しようとしても、カウンタバランサ２４では、方向反転によって生ずる摩擦力変化に打ち勝つ力が加わるまで、そのピストンロッド２７がシリンダ２６内への後退を開始せず、その位置に留まろうとするが、本例では、ピストンロッド２７とＹ軸移動体２０との間に緩衝手段２９が備えられているので、緩衝手段２９が弾性変形することで、Ｙ軸移動体２０は降下することができ、緩衝手段２９が弾性変形している間に、カウンタバランサ２４では摩擦力に打ち勝つ力が加わり、ピストンロッド２７が後退を開始しＹ軸移動体２０の追従遅れが緩和され、象限突起が抑制される。

図３（Ａ）は、上記の加工による上側の象限突起を拡大して示すもので、同図に実線で示すように、本実施例のものは、破線で示す従来のものと比較して、その象限突起の高さが３０〜４０％ほど低くなっており、緩衝手段２９による効果が判る。更に、緩衝手段２９のバネ定数をもっと小さく設計することで、象限突起高さを低くすることも可能である。

また、図３（Ｂ）に示すように、送り方向を反転した際の、Ｙ軸送り駆動手段の駆動力の変化が、従来と比較すると緩やかな変化となっており、Ｙ軸送り駆動手段にかかる負荷も抑制されていることが判る。

このように、本実施形態の工作機械１０によると、Ｙ軸移動体２０とカウンタバランサ２４との間に緩衝手段２９を備えているので、Ｙ軸移動体２０の送り方向を反転させた際に、緩衝手段２９が弾性変形することで、Ｙ軸移動体２０が移動することが可能となり、追従遅れを低減させて象限突起を抑制することができ、加工精度を向上させることができる。

また、象限突起を抑制することができるので、同じ加工精度のものを得ようとした場合、その加工速度をより速くすることができるので、高速加工をすることができ、高速機械１０の加工効率を高めることができる。

更に、カウンタバランサ２４を流体により駆動するものとしているので、バランスウエイトを用いたカウンタバランサと比較して、工作機械１０全体を小型化することができると共に、コストを抑制したものとすることができる。

また、緩衝手段２９をバネとしているので、安価な方法で所望の緩衝手段２９を形成することができ、コストの上昇を抑制することができる

以上、本発明を実施するための最良の実施の形態を挙げて説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

すなわち、本実施形態の工作機械１０では、緩衝手段２９として、当接機構２８のスライド機構３２を保持する部材と一体とされ、ダイヤフラム式のバネの形態のものを示したが、これに限定するものではなく、例えば、図４に示すような形態のものでも良い。図４（Ａ）の緩衝手段４０は、複数の皿バネを組み合わせたものであり、同図（Ｂ）の緩衝手段４１は、周方向に所定間隔で配置された複数のコイルバネからなるものであり、同図（Ｃ）の緩衝手段４２は、ゴム等により形成された弾性容器からなるものであり、同図（Ｄ）の緩衝手段４３は、ゴムや発泡樹脂等の弾性体からなるものである。同図（Ｅ）の緩衝手段４４は、図示するような弾性リングからなるものである。これらのものでも、上記と同様の作用効果を奏することができる。

また、本実施形態の工作機械１０として、超精密研削盤を示したが、これに限定するものではなく、鉛直方向移動体を備えたものであれば、フライス盤、研削盤、旋盤、マシニングセンタ等、他の形態の工作機械とすることができ、上記と同様の効果を奏することができる。

本発明の一実施形態である工作機械を概略で示す側面図である。（Ａ）は図１の工作機械におけるカウンタバランサの要部を断面で示す拡大側面図であり、（Ｂ）は本発明に係る緩衝手段を拡大して示す単品断面図である。本発明の実施例と従来とを比較して示す図であり、（Ａ）は円弧状に加工した時の象限突起の量を比較して示す図であり、（Ｂ）は鉛直方向移動体の送り駆動手段の駆動力と指令位置との関係を比較して示すグラフである。（Ａ）〜（Ｄ）は、図１の例とは異なる形態の緩衝手段を示す図である。

符号の説明

１０工作機械
２０Ｙ軸移動体（鉛直方向移動体）
２１旋回テーブル（鉛直方向移動体）
２２主軸台（鉛直方向移動体）
２３Ｂ軸回転駆動手段（鉛直方向移動体）
２４カウンタバランサ
２９緩衝手段
４０緩衝手段
４１緩衝手段
４２緩衝手段
４３緩衝手段
４４緩衝手段

Claims

鉛直方向に移動可能な鉛直方向移動体と、
該鉛直方向移動体にかかる重力の影響を除去するためのカウンタバランサと、
該カウンタバランサと前記鉛直方向移動体との間に配置される緩衝手段と
を具備することを特徴とする工作機械。
前記カウンタバランサは、
流体により駆動されるものであることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
前記緩衝手段は、
バネからなるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の工作機械。