JP5597520B2

JP5597520B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP5597520B2
Application number: JP2010245375A
Authority: JP
Inventors: 貞之前川
Original assignee: Shin Nippon Koki KK
Current assignee: Shin Nippon Koki KK
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-11-01
Also published as: JP2012096313A

Description

本発明は、水平軸回りに工具を回転駆動しながらワークを加工する横中ぐり盤等の工作機械に関するものである。

従来から、水平軸回りに工具を回転駆動させながらワークを加工するものとして、特許文献１に記載されるような横中ぐり盤が公知である。この横中ぐり盤は、水平方向に延びる主軸及びこの主軸を駆動するモータ等が搭載された主軸装置（ラム）及びこの主軸装置を前記主軸と平行な方向に移動可能に支持するサドルからなる主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを、前記サドルを介して上下方向に移動可能に支持するコラムと、このコラムを水平方向であって前記主軸装置の移動方向と直交する方向に移動可能に支持するベッドとを備えており、前記主軸の先端に切削工具が装着され、かつ、当該切削工具と主軸とが一体に回転駆動された状態で、前記主軸装置、サドル及びコラムの移動が個別に制御されることにより、工作物載置台上に置かれたワークを前記切削工具により加工する。

この横中ぐり盤では、一つのコラムの側面に主軸ヘッドが片持ち状態で支持されており、主軸ヘッドがコラム側面に沿って上下方向に移動するように構成されている。

特開昭４８−２７３８２号公報

上記のように、主軸ヘッドがコラム側面に沿って片持ち状態で案内されながら支持される従来の横ぐり装置では、主軸ヘッドの荷重によりコラムが主軸ヘッド側に撓む（傾く）ことが考えられる。また、主軸ヘッド自体がコラムに対して傾くこと、つまり、主軸ヘッドの上部がコラムから離れる方向に自重で傾くことも考えられる。このようなコラムの傾きや主軸ヘッド自体の傾きは非常に僅かなものであるが、主軸に装着された切削工具に位置誤差をもたらすとともに主軸ヘッドの円滑な移動の妨げとなり、結果的に、ワークの加工精度に影響を与える。そのため、従来は、コラム断面の大型化によりコラムの強度を高め、また、主軸ヘッドの軽量化を図ることにより、コラムの傾き等を抑制して加工精度への影響を抑えることが行われていた。

しかし、コスト面からコラム断面積を十分に確保することができない場合があり、また、主軸ヘッドの軽量化にも自ずと限界があるため、これらの対策では不十分である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、主軸ヘッドの重みでコラムが傾くことや、主軸ヘッド自体がその自重により傾くことを有効に防止して、より高い精度でワークを加工できる工作機械を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、工具を水平軸回りに回転させながら当該工具によりワークを加工する工作機械であって、主軸装置およびこの主軸装置を支持するサドルを備え、かつ、前記主軸装置が、水平方向に延びて前記工具が先端に装着される主軸およびこの主軸の回転駆動機構を含む主軸ヘッドと、前記主軸の軸方向と直交する方向において前記主軸ヘッドをその重心位置の両側の位置でそれぞれ上下方向に案内しながら支持する複数のコラムと、前記主軸ヘッドを前記コラムに沿って移動させる昇降駆動機構とを備え、前記主軸ヘッドのサドルは、前記主軸ヘッドの重心位置の両側の位置にそれぞれ形成され、かつ、前記主軸の軸方向と平行な方向にそれぞれ並ぶ複数の案内用貫通孔を備え、前記複数のコラムは、前記案内用貫通孔にそれぞれ挿通された状態で前記サドルを案内するものである。

このように、主軸ヘッドがその重心位置の両側の位置でそれぞれコラムにより案内されながら移動する工作機械によれば、各コラムは、前記主軸の軸方向と直交する方向に拘束され、同方向への変位が規制される。そのため、主軸ヘッドの荷重に拘わらず各コラムの鉛直状態が良好に保たれる。また、主軸ヘッド自体がその自重によりコラムに対して傾くことも有効に防止される。

特に、前記複数のコラムが、前記案内用貫通孔にそれぞれ挿通された状態で前記サドルを案内するので、主軸ヘッドをより安定的に上下方向に案内することができる。

この場合、前記各案内用貫通孔は断面円形であり、前記各コラムは、前記案内用貫通孔の内周面に摺接する外周面を有し、その全周に亘って一定の肉厚を有する円筒状であるのが好適である。この構成によれば、各コラムが熱変形により撓む（傾く）ことを効果的に抑制でき、各コラムの鉛直状態を良好に保って主軸ヘッドを円滑に案内することが可能となる。すなわち、主軸ヘッドがコラム側面に沿って片持ち状態で案内される従来の工作機械では、例えばコラムは断面矩形の中空形状であり、コラム断面の肉厚は、主軸ヘッドの支持強度を確保すべく、当該主軸ヘッドが支持される側（ヘッド支持側面部という）の肉厚がそれ以外の肉厚よりも大きく設定されている。このようなコラム形状では、コラム断面内の熱容量が偏在する。具体的には、ヘッド支持側面部の熱容量に比べてそれ以外の部分の熱容量が小さい。そのため、機械周囲の外気温度が上昇すると、例えば前記ヘッド支持側面部に比べてこれに対向する側の側面部の伸縮量が大きくなってコラム自体が主軸ヘッド側に撓み（傾く）、逆に機械周囲の外気温度が下降するとコラム自体が主軸ヘッドとは反対側に撓むおそれがある。これに対し、本発明の工作機械では、主軸ヘッドがその重心位置の両側の位置でそれぞれコラムにより支持されるため、上記の通り、コラムが主軸ヘッドの荷重により撓むことがなく、従来のように、強度確保のためにコラム断面の肉厚を局部的に厚くする必要がない。従って、案内貫通孔にコラムが挿通された状態で前記サドルを案内する構成を採用した上で、さらに各案内用貫通孔を断面円形とし、前記各コラムを、前記案内用貫通孔の内周面に摺接する外周面を有し、その全周に亘って一定の肉厚を有する円筒状とすることが可能となる。そして、このような構成によれば、コラム断面内の熱容量が均一となるため、コラム断面内に不均等な熱変形が発生してコラムが撓む（傾く）ことを防止することができ、各コラムの鉛直状態を良好に保って主軸ヘッドを円滑に案内することが可能となる。

なお、この工作機械において、前記主軸装置は、前記主軸の軸方向への移動が可能で、かつ、その一部が前記サドルから外側に突出することが可能となるように前記サドルに支持されており、前記主軸ヘッドは、前記主軸装置を前記軸方向に移動させるための主軸移動機構を備え、前記昇降駆動機構は、前記主軸ヘッドのうち主軸先端側の位置に昇降駆動力を与える第１昇降駆動機構と主軸後端側の位置に昇降駆動力を与える第２昇降駆動機構とからなり、これら第１昇降駆動機構及び第２昇降駆動機構を制御する制御手段をさらに備え、この制御手段は、前記主軸が水平に保たれるように、前記軸方向における主軸装置の配置に応じて、前記第１昇降駆動機構により前記主軸先端側に与えられる駆動量と第２昇降駆動機構により前記主軸後端側に与えられる駆動量とに差を持たせるものであってもよい。この工作機械によれば、主軸装置を前進させ、サドルから主軸装置を突出させた状態で、主軸先端の工具でワークを加工することを可能としながら、このようにサドルから主軸装置が突出することによる主軸の傾き（すなわち主軸先端が下がること）を是正することが可能となる。

以上説明したように、本発明の工作機械によれば、主軸ヘッドの重みでコラムが傾くことや、主軸ヘッド自体がその自重により傾くことを有効に防止して、より高い精度でワークを加工することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる工作機械の全体を示す正面図である。工作機械を示す側面図である。ラム（主軸装置）及びサドルの構成を示す平面図（一部断面図）である。ラム（主軸装置）及びサドルの構成を示す背面図（図３のIV方向矢視図）である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。

図１及び図２は、本発明にかかる工作機械を示しており、図１は正面図で、図２は側面図で工作機械をそれぞれ示している。同図に示す工作機械は、いわゆる床上型中ぐり盤であり、切削工具等の工具を水平軸回りに回転させながら、図外の定盤上に設置されるワークを当該工具により加工するものである。

この工作機械は、同図に示すように、ベッド２と、ベース４と、主軸ヘッド６と、コラム１０と、クロスビーム１２と、主軸ヘッド６の昇降駆動機構１６とを備える。

ベッド２は、当該工作機械が設置される所定の床面上に設置されるものである。このベッド２は、その上面部に、前記床面に沿って互いに平行に真っ直ぐに延びる４本のガイドレール２ａを備えている。そして、これらガイドレール２ａ上に前記ベース４が移動可能に支持されている。

ベース４は、後述するコラム１０を支持するものである。このベース４は、ベース駆動機構により駆動され、上記ガイドレール２ａに沿ってそれらの長手方向、すなわち同図中に示すＸ軸方向に移動する。ベース駆動機械は、上記ガイドレール２ａに加え、図略のモータと、前記ガイドレール２ａと平行に配置されてベッド２のナット部分（図略）に螺合挿入されるボールねじ軸（図略）とを備えており、前記モータの駆動により前記ボールねじ軸をその軸回りに回転させることによりベース４を前記ガイドレール２ａに沿って移動させる。すなわち、このベース駆動機構は、いわゆるねじ送り機構により構成されている。

そして、このベース４上に、前記主軸ヘッド６およびコラム１０等が配されている。

前記主軸ヘッド６は、ラム７（本発明の主軸装置に相当する）と、これを支持するサドル８と、ラム７の前記進退駆動機構１４とを含む。

前記ラム７は、バイトを備えた中ぐり棒等の工具（図示省略）を回転駆動するものである。このラム７は、同図中のＹ軸方向、すなわち前記Ｘ軸方向と水平面内で直交する方向に延び、先端に工具の装着部を備える主軸２０と、この主軸２０をその軸回りに回転可能に支持する図外のクイル及び前記主軸を回転駆動するための図外のモータ及び減速機構等からなる回転駆動機構と、主軸２０を含む前記クイル及び回転駆動機構等を一体にＹ軸方向に移動可能に支持するとともに当該クイル等をＹ軸方向に進退駆動する図外の進退駆動手段等を備えており、前記モータの駆動により主軸２０を回転させることにより、前記装着部に装着された工具を当該主軸２０と一体に回転させる。

前記サドル８は、前記ラム７をＹ軸方向に移動可能に支持するものである。

図３及び図４に示すように、このサドル８には、Ｙ軸方向に貫通する空間Ｓが形成されており、前記ラム７は、この空間Ｓ内に収容された状態で当該サドル８に対してＹ軸方向に移動可能に支持されている。詳しくは、Ｘ軸方向における前記ラム７の両側面にそれぞれＹ軸方向に延びるガイドレール２２が固定される一方、前記空間Ｓを形成するサドル８側の内側面のうち前記ラム７の側面に対向する面に、前記ガイドレール２２をその長手方向の複数の位置でそれぞれ移動可能に保持する保持部２４が設けられている。当実施形態では、この構成により、Ｘ軸方向においてラム７がその重心位置の両側の位置でそれぞれサドル８により支持されている。なお、図示の例では、ラム７の各側面には、それぞれ２本のガイドレール２２が上下に所定間隔を隔てて固定されており、他方、サドル８には、各ガイドレール２２がそれぞれその長手方向の２箇所で保持されるように各ガイドレール２２に対して保持部２４が設けられている。

前記進退駆動機構１４は、ラム７をＹ軸方向に送り駆動するものであり、ラム７を挟んでその両側、具体的にはＸ軸方向の両側にそれぞれ配置されている。

各進退駆動機構１４は、前記ガイドレール２２に加え、このガイドレール２２と平行に延び、ラム７の側面に設けられたナット部分３２に螺合挿入されるボールねじ軸２６と、これを駆動するモータ２８及び減速機構３０とを含み、各昇降駆動機構１６のモータ２８がそれぞれボールねじ軸２６をそれらの軸回りに同期させた状態で駆動することにより、ラム７を図３中に実線及び二点鎖線に示すようにＹ軸方向に移動させる。

前記コラム１０は、前記主軸ヘッド６を上下方向、すなわち図１及び図２に示すＺ軸方向に案内しながら支持するものであり、ベース４上に立設された柱状の部材である。当例では、ベース４上には、Ｘ軸方向に所定の間隔で並ぶ２本のコラム１０、１０（以下、適宜コラム１０ａ、１０ａという）と、これら前側コラム１０ａ、１０ａに対してそれぞれＹ軸方向に当該前側のコラム１０ａ、１０ａと同じ間隔で並ぶ２本のコラム１０、１０（以下、適宜コラム１０ａ、１０ａという）の合計４本のコラム１０が立設されており、これら４本のコラム１０により前記主軸ヘッド６が支持されている。

より具体的には、図２及び図３に示すように、主軸ヘッド６の前記サドル８には、Ｘ軸方向における前記空間Ｓの両側、すなわちラム７の両側であってそれぞれ当該両側の位置においてＹ軸方向に所定間隔を隔てた位置にＺ軸方向に貫通する貫通孔３６（本発明の案内用貫通孔に相当する）が形成され、これら貫通孔３６に対してその内周面に摺接する状態で各コラム１０が挿通されている。この構成により、当例では、主軸ヘッド６がその重心位置よりもＸ軸方向外側の位置でそれぞれ前側のコラム１０ａ、１０ａ及び後側のコラム１０ｂ、１０ｂにより案内されながら支持される。

なお、各コラム１０及び各貫通孔３６は共に断面円形の形状を有している。当例では、コラム１０は、その全周及び全長に亘って一定の肉厚を有する円筒形とされ、これによりコラム１０の熱容量がその全周及び全長に亘って一定となっている。つまり、コラム１０の熱変形がその全周及び全長に亘って均等に生じるようにされており、これにより機械周囲の外気温度の変化に伴う熱変形によりコラム１０が撓む（傾く）ことが抑制される。

そして、これら４本のコラム１０の上端部に、図１及び図２に示すようにクロスビーム１２が結合され、これにより、当該工作機械では、ベース４、コラム１０及びクロスビーム１２からなる高剛性の構造体が構築されている。

前記昇降駆動機構１６は、サドル８をＺ軸方向に移動させる送り機構であり、各コラム１０の近傍の位置にそれぞれ設けられている。図１〜図４に示すように、各昇降駆動機構１６は、コラム１０に沿ってＺ軸方向に延び、かつ、サドル８に設けられたナット部分４４に螺合挿入されるボールねじ軸４０と、これを駆動するモータ４２とを含み、各昇降駆動機構１６のモータ４２がそれぞれボールねじ軸４０を同期させた状態で駆動することにより前記サドル８をＺ軸方向に移動させる。当例では、図３に示すように、各昇降駆動機構１６のボールねじ軸４０は、Ｘ軸方向に並ぶコラム１０ａ、１０ａ（コラム１０ｂ、１０ｂ）の各中心位置よりも外側の位置であって、かつ、Ｙ軸方向に並ぶコラム１０ａ、１０ｂの各中心位置よりも外側の位置に配置されている。

なお、図２中の符号５０は、この工作機械の動作を制御する制御装置であり、この制御装置５０は、前記進退駆動機構１４のモータ２８や昇降駆動機構１６のモータ４２等の各モータを統括的に制御する。特に、ラム７を前進駆動する際には、制御装置５０は、ラム７の位置（Ｙ軸方向の位置）に応じて各昇降駆動機構１６の前記モータ４２を駆動制御する。具体的には、制御装置５０は、主軸２０が水平に保たれるように、ラム７の配置に応じて、前側の昇降駆動機構１６（本発明の第１昇降駆動機構に相当する）により主軸ヘッド６に与える駆動量と後側の昇降駆動機構１６（本発明の第２昇降駆動機構に相当する）により主軸ヘッド６に与えられる駆動量とに差を持たせる。すなわち、図３に示すようにラム７が前進すると、その自重によりラム先端が僅かに下側に傾くため、制御装置５０は、主軸ヘッド６の後側（図３では上側）が前側よりも下がるように前後のモータ４２を駆動制御する。このように主軸ヘッド６の上下方向の傾きが微調整されることにより主軸２０が水平に保たれる。なお、主軸ヘッド６（サドル８）には、上記の通り前記コラム１０が挿通されているため、主軸ヘッド６の傾き調整は僅かな範囲である。

以上のように構成された工作機械では、ベッド２の側方部に設置される図外の定盤上にワークが固定される。そして、主軸２０の先端に装着された工具が当該主軸２０と一体に回転駆動された状態で、当該工具がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向に移動することにより当該工具により前記ワークの加工が行われる。具体的には、ベース４がＸ軸方向に、ラム７がＹ軸方向に、主軸ヘッド６がＺ軸方向にそれぞれ駆動されることにより前記工具がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向に移動する。

そして、このようなワークの加工に際して、当該工作機械によれば、主軸ヘッド６がその重心位置の両側（Ｘ軸方向の両側）の位置でそれぞれコラム１０ａ、１０ｂにより案内されながら支持されるため、各コラム１０ａ、１０ｂは、Ｘ軸方向に拘束される。そのため、主軸ヘッド６の荷重に拘わらず各コラム１０の鉛直状態が良好に保たれる。また、主軸ヘッド６自体がその自重によりコラム１０に対して傾くことも有効に防止される。

特に、この工作機械では、主軸ヘッド６のサドル８に形成された貫通孔３６にコラム１０が挿通され、コラム１０の外周面に沿って貫通孔３６の内周面が摺接することによりサドル８が案内されるため、主軸ヘッド６はその水平姿勢を良好に保った状態で安定的にＺ軸方向に案内される。従って、この工作機械によれば、主軸ヘッド６の重みでコラム１０が傾くことや、主軸ヘッド６自体がその自重によりコラム１０に対して傾くことによる加工誤差を効果的に排除して、より高い精度でワークを加工できるようになる。

しかも、この工作機械では、上記のようにコラム１０がその全周及び全長に亘って一定の肉厚を有する円筒形とされ、これによりコラム１０の熱容量がその全周及び全長に亘って一定となるように各コラム１０が形成されているので、機械周囲の外気温度の変化に伴いコラム１０に不均等な熱変形が生じることが抑制される。よって、各コラム１０が熱変形により水平方向に撓むことが有効に防止される。すなわち、例えばコラムの段面内の形状や肉厚が左右で異なるような場合には、この肉厚等の違いにより左右の熱容量が異なるため、機械周囲の外気温度の変化に伴いコラム長手方向の伸縮量が左右で不均一となり、この伸縮差によりコラムが左側又は右側に撓み変形することが考えられる。しかし、上記の工作機械によれば、コラム１０がその全周及び全長に亘って一定の肉厚を有する円筒形であるため、熱変形により水平方向に撓むことが有効に防止される。従って、機械周囲の外気温度の変化に伴いコラム１０の上記のような撓みに起因して主軸ヘッド６の円滑な移動が妨げられ、また、工具の位置がずれてワークの加工精度に影響を与えるといった不都合を未然に防止することができるという利点もある。

また、この工作機械では、主軸ヘッド６においてラム７を前進させる際には、当該ラム７の自重による傾きを是正するように主軸ヘッド６（サドル８）の上下方向の傾きが調整されるため、ラム７の前進時にその自重により工具の位置が下がるといった現象を抑制することができる。従って、この点でもワークをより高い精度で加工できるようになる。

ところで、以上説明した工作機械（床上型中ぐり盤）は、本発明の好ましい実施形態の例示であってその具体的な構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、主軸ヘッド６のサドル８に形成された貫通孔３６にコラム１０が挿通されることにより各コラム１０がサドル８の内側（サドル８の外縁よりも内側の位置）に配置されているが、各コラム１０はサドル８の外側（サドル８の外縁よりも外側の位置）に配置されていてもよい。この場合には、サドル８は、各コラム１０よりも内側の位置で当該コラム１０に沿ってＺ軸方向に案内される。

また、実施形態では、主軸ヘッド６を案内するコラム１０として、主軸ヘッド６の重心位置の両側（Ｘ軸方向の両側）の位置にそれぞれＹ軸方向に並ぶ三本のコラム１０が配置されているが、勿論、重心位置の両側にそれぞれ三本以上のコラム１０が配置されていてもよい。

また、実施形態では、コラム１０及びその貫通孔３６は断面円形であるが、勿論、これ以外の断面形状であってもよい。但し、コラム１０の熱変形によるワークの加工精度への影響を排除する観点からは、実施形態のように断面円形とするのが望ましい。

また、上記実施形態では、主軸ヘッド６において、ラム７は、Ｘ軸方向における当該ラム７の両外側の位置でサドル８に支持されているが、下側から支持されていてもよい。

２ベッド
４ベース
６主軸ヘッド
７ラム（主軸装置）
８サドル
１０コラム
１２クロスビーム
１４進退駆動機構
１６昇降駆動機構

Claims

工具を水平軸回りに回転させながら当該工具によりワークを加工する工作機械であって、
主軸装置およびこの主軸装置を支持するサドルを備え、かつ、前記主軸装置が、水平方向に延びて前記工具が先端に装着される主軸及びこの主軸の回転駆動機構とを含む主軸ヘッドと、
前記主軸の軸方向と直交する方向において前記主軸ヘッドをその重心位置の両側の位置でそれぞれ上下方向に案内しながら支持する複数のコラムと、
前記主軸ヘッドを前記コラムに沿って移動させる昇降駆動機構と、を備え、
前記主軸ヘッドのサドルは、前記主軸ヘッドの重心位置の両側の位置にそれぞれ形成され、かつ、前記主軸の軸方向と平行な方向にそれぞれ並ぶ複数の案内用貫通孔を備え、
前記複数のコラムは、前記案内用貫通孔にそれぞれ挿通された状態で前記サドルを案内することを特徴とする工作機械。
請求項１に記載の工作機械において、
前記各案内用貫通孔は断面円形であり、前記各コラムは、前記案内用貫通孔の内周面に摺接する外周面を有し、その全周に亘って一定の肉厚を有する円筒状であることを特徴とする工作機械。
請求項１又は２に記載の工作機械において、
前記主軸装置は、前記主軸の軸方向への移動が可能で、かつ、その一部が前記サドルから外側に突出することが可能となるように前記サドルに支持されており、
前記主軸ヘッドは、前記主軸装置を前記軸方向に移動させるための主軸移動機構を備え、
前記昇降駆動機構は、前記主軸ヘッドのうち主軸先端側の位置に昇降駆動力を与える第１昇降駆動機構と主軸後端側の位置に昇降駆動力を与える第２昇降駆動機構とからなり、
これら第１昇降駆動機構及び第２昇降駆動機構を制御する制御手段をさらに備え、
この制御手段は、前記主軸が水平に保たれるように、前記軸方向における主軸装置の配置に応じて、前記第１昇降駆動機構により前記主軸先端側に与えられる駆動量と第２昇降駆動機構により前記主軸後端側に与えられる駆動量とに差を持たせることを特徴とする工作機械。