JP7302301B2 - 工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械に関する。

従来、横型マシニングセンタ等の工作機械において、ベッド上に載置されたテーブルを、ボールねじ機構により主軸装置の回転軸線方向に移動させる構成が多く採用されている。このような工作機械では、ボールねじが軸線方向において主軸に近い第１端側が回転可能に支持され且つ軸線方向に移動不能に固定され、主軸から遠い第２端側が回転可能に支持され且つ軸線方向に移動可能に支持する構成となっている。

このようにボールねじの主軸に近い側を固定側とする構成によれば、次のような利点がある。第１に、ボールねじの伸び方向が主軸の伸び方向と同一のため、熱変位による双方の伸びが打ち消し合う関係となる。第２に、多くの場合、工作物の加工位置は主軸に近い場所となるため、固定側である第１端から加工位置に対応するボールねじナットまでの距離が短くなり、軸方向の剛性を大きく確保することができる。さらに、ボールねじの熱変位による位置決め精度の悪化に対しては、ボールねじに予め引っ張り力を加えてボールねじの伸びをキャンセルするプリテンション方式によって対策が図られている。

特開２０１５－３００８３号公報

しかしながら、ボールねじによる送り速度の一層の高速化を行うと、発熱量の増大によってボールねじの伸び量がプリテンション量を上回ることが想定され、位置決め精度の悪化に対して十分に対応できなくなることが懸念される。このため、発熱量が大きい場合においても位置決め精度を安定化させることが求められている。

本発明は、主軸の回転軸線方向に沿うボールねじを主軸に近い側で固定する構成を採用しつつ熱変位の影響を低減して位置決め精度を安定化できる工作機械を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様は、ベッドと、回転する主軸を有し前記ベッド上に載置される主軸装置と、前記主軸の回転軸線方向に移動可能に前記ベッド上に載置されたテーブルと、前記テーブルを前記主軸の回転軸線方向に移動させる送り装置と、前記送り装置を制御する制御装置とを備え、前記送り装置が、前記ベッドに両端で回転可能に支持されるボールねじと、前記ボールねじに連結されるサーボモータとを備えて構成される工作機械であって、
前記ボールねじの前記主軸に近い側である第１端を回転可能且つ軸方向移動不能に支持するラジアルスラスト支持部と、
前記ボールねじの前記主軸から遠い側である第２端を回転可能且つ軸方向移動可能に支持するラジアル支持部と、
前記ベッドにおいて前記ボールねじの前記第２端に近い側に設けられ、前記ボールねじの軸方向の熱変位を検知する変位検知部と、
を備え、
前記制御装置は、前記変位検知部により検知された前記熱変位に基づいて、前記テーブルの位置を補正する熱変位補正部を備え、
前記変位検知部は、前記ボールねじ側の測定対象に対向するように配置され、前記測定対象との離間距離を測定するギャップセンサを有し、
前記測定対象は、前記ボールねじの前記第２端近傍に取付けられた鍔付きのカラー部材であり、
前記ギャップセンサは、前記カラー部材に対向するように配置される、工作機械にある。

本発明の第二の態様は、ベッドと、回転する主軸を有し前記ベッド上に載置される主軸装置と、前記主軸の回転軸線方向に移動可能に前記ベッド上に載置されたテーブルと、前記テーブルを前記主軸の回転軸線方向に移動させる送り装置と、前記送り装置を制御する制御装置とを備え、前記送り装置が、前記ベッドに両端で回転可能に支持されるボールねじと、前記ボールねじに連結されるサーボモータとを備えて構成される工作機械であって、
前記ボールねじの前記主軸に近い側である第１端を回転可能且つ軸方向移動不能に支持するラジアルスラスト支持部と、
前記ボールねじの前記主軸から遠い側である第２端を回転可能且つ軸方向移動可能に支持するラジアル支持部と、
前記ベッドにおいて前記ボールねじの前記第２端に近い側に設けられ、前記ボールねじの軸方向の熱変位を検知する変位検知部と、
を備え、
前記制御装置は、前記変位検知部により検知された前記熱変位に基づいて、前記テーブルの位置を補正する熱変位補正部を備え、
前記変位検知部は、前記ボールねじ側の測定対象に対向するように配置され、前記測定対象との離間距離を測定するギャップセンサを有し、
前記測定対象は、前記テーブルに固定され且つ前記ボールねじに螺合するボールねじナットであり、
前記ギャップセンサは、前記テーブルが移動方向における特定位置に位置する時に前記ボールねじナットとの離間距離を測定する、工作機械にある。

この構成によれば、ボールねじの伸び方向が主軸の伸び方向と同一のため、熱変位による双方の伸びが打ち消し合う関係となると共に、ボールねじにおいて軸方向移動不能な第１端から加工位置までの距離が短くなって軸方向の剛性を大きく確保できるという効果を奏する。さらに、ベッドにおいてボールねじの第２端に近い側に設けられた変位検知部が、ボールねじの軸方向の熱変位を検知し、制御装置の熱変位補正部が変位検知部により検知された熱変位に基づいて、テーブルの位置を補正することができる。よって、主軸の回転軸線方向に沿うボールねじを主軸に近い側で固定する構成を採用しつつ熱変位の影響を低減して位置決め精度を安定化できるという効果を奏する。

実施形態に係る工作機械の全体構成を示す概略側面図である。 変形例に係る工作機械の全体構成を示す概略側面図である。

以下、本発明の工作機械の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（１．工作機械の全体構成）
まず、本発明を適用する工作機械１の全体構成について説明する。工作機械１の一例として、横型マシニングセンタを例に挙げ、図１を参照しつつ説明する。つまり、当該工作機械１は駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）および鉛直方向の回転軸（Ｂ軸）を有する工作機械である。なお、本発明は、横型マシニングセンタ以外の工作機械に対しても適用可能である。

工作機械１は、図１に示すように、ベッド１０と、コラム２０と、主軸４０を有する主軸装置３０と、テーブル５０と、回転台６０と、制御装置８０とを備えて構成される。

ベッド１０は、設置面上に配置される。コラム２０は、主軸装置３０を有しベッド１０上に載置される。すなわち、ベッド１０の上面には、コラム２０がＸ軸方向に直動可能に設けられている。コラム２０は、Ｘ軸モータ２１によりＸ軸ボールねじ（図示せず）を介して駆動される。コラム２０の側面には、主軸装置３０がＹ軸方向に直動可能に設けられている。すなわち、主軸装置３０は、コラム２０を介してベッド１０上に載置される。主軸装置３０は、Ｙ軸モータ３１によりＹ軸ボールねじ（図示せず）を介して駆動される。主軸装置３０には、主軸４０が回転可能に設けられている。主軸４０は、Ｚ軸方向を回転軸線方向とし、主軸モータ４１により駆動される。主軸４０の先端には、回転工具４２が固定されている。回転工具４２は、例えば、ボールエンドミル、エンドミル、ドリル、タップ等である。

また、テーブル５０は、主軸４０の回転軸線方向に移動可能にベッド１０上に載置される。すなわち、ベッド１０の上面には、テーブル５０がＺ軸方向に直動可能に設けられている。テーブル５０は、Ｚ軸モータ５１及びＺ軸ボールねじ５２を有するＺ軸送り装置５を介してＺ軸方向に駆動される。Ｚ軸送り装置５の構成については、後述の（２．Ｚ軸送り装置５の構成）で詳細に説明する。テーブル５０の上面には、回転台６０がＢ軸回転（Ｙ軸回りの回転）を可能に設けられている。回転台６０の上面には、工作物Ｗが固定される。回転台６０は、Ｂ軸モータ６１により駆動される。

制御装置８０は、Ｚ軸送り装置５を含む工作機械１各部を制御する装置であって、主軸モータ４１を制御して回転工具４２を回転させ、かつ、各軸モータ２１，３１，５１，６１を制御して、工作物Ｗと回転工具４２とを相対移動させることにより、工作物Ｗの加工を行う。以下、Ｚ軸送り装置５の制御に関連する構成についてのみ述べる。制御装置８０は、指令部８１と、熱変位補正部８２とを備えている。指令部８１は、Ｚ軸送り装置５における距離Ｌの移動指令を熱変位補正部８２に対して送信する。熱変位補正部８２は、後述するギャップセンサ５８からの信号に基づいてＺ軸ボールねじ５２の熱変位補正を行い、Ｚ軸駆動回路７０を介してＺ軸モータ５１を駆動する。

（２．Ｚ軸送り装置５の構成）
次に、Ｚ軸送り装置５の構成について、図１を参照しつつ説明する。Ｚ軸送り装置５は、テーブル５０を主軸４０の回転軸線方向に移動させる送り装置であって、Ｚ軸モータ５１と、Ｚ軸ボールねじ５２と、ボールねじナット５３と、ラジアルスラスト支持部５４と、ラジアル支持部５５と、カップリング５６と、鍔付きカラー５７と、ギャップセンサ５８とを備えて構成される。尚、以下の説明では、Ｚ軸ボールねじ５２において、主軸４０を備えるコラム２０に近接する側の軸方向端部を第１端５２ａと呼び、その反対側の軸方向端部を第２端５２ｂと呼ぶ。

Ｚ軸モータ５１は、Ｚ軸ボールねじ５２を回転駆動するためのモータであって、サーボモータによって構成され、エンコーダ５１ｅを備えている。Ｚ軸モータ５１は、Ｚ軸ボールねじ５２の第２端５２ｂにカップリング５６を介して連結される。エンコーダ５１ｅは、Ｚ軸ボールねじ５２の現在位置を検出し、検出信号をＺ軸駆動回路７０へ送信する。Ｚ軸駆動回路７０は、熱変位補正部８２からの補正指令だけＺ軸モータ５１が動いたかどうかを、エンコーダ５１ｅからの信号に基づいて監視している。Ｚ軸モータ５１は、ベッド１０においてコラム２０から遠い側の端部に配置されている。すなわち、Ｚ軸モータ５１をベッド１０の端部に配置することで効率的に排熱できるのに加え、コラム２０から遠い側に配置することでＺ軸モータ５１の熱がコラム２０やテーブル５０に及ぼす影響を少なくすることができる。

Ｚ軸ボールねじ５２は、主軸４０の軸線と同一方向であるＺ軸方向に沿ってベッド１０内に配置され、両端で回転可能に支持される。ボールねじナット５３は、テーブル５０の下面に固定されると共に、Ｚ軸ボールねじ５２に螺合している。尚、図１では、ボールねじナット５３の移動先の位置を一点鎖線にて示している。

ラジアルスラスト支持部５４は、Ｚ軸ボールねじ５２の主軸４０に近い側である第１端５２ａを回転可能且つ軸方向移動不能に支持する部材であって、複列背面合わせアンギュラベアリングを備える。ラジアルスラスト支持部５４は、ベッド１０側のハウジングと、ハウジングの内周及びＺ軸ボールねじ５２の外周の間に介挿される一対のアンギュラベアリングと、アンギュラベアリングの外輪を挟み込むハウジングの段部及びハウジングに螺合されたナットと、アンギュラベアリングの内輪を挟み込むＺ軸ボールねじ５２の段部及びＺ軸ボールねじ５２に螺合されたナットとを有する。

ラジアル支持部５５は、Ｚ軸ボールねじ５２の主軸４０から遠い側である第２端５２ｂを回転可能且つ軸方向移動可能に支持する部材であって、ラジアルベアリングを備える。ラジアル支持部５５は、ベッド１０側のハウジングと、ハウジングの内周及びＺ軸ボールねじ５２の外周の間に介挿されるラジアルベアリングと、ラジアルベアリングの内輪を挟み込むＺ軸ボールねじ５２の段部に係合する鍔付きカラー５７及びＺ軸ボールねじ５２に螺合されたナットとを有する。よって、カップリング５６は、Ｚ軸ボールねじ５２とＺ軸モータ５１のモータ軸との芯ずれを吸収するのに加え、ラジアル支持部５５によって軸方向移動可能に支持される第２端５２ｂ側に配置されることで、Ｚ軸ボールねじ５２の熱による軸方向の伸びを吸収する役割をも有している。尚、本実施形態は、Ｚ軸ボールねじ５２の第２端５２ｂがラジアル支持部５５によって軸方向移動可能に支持される構成であるため、従来技術で述べたボールねじに予め引っ張り力を加えてボールねじの伸びをキャンセルするプリテンション方式を採用できない構造である。

鍔付きカラー５７は、円筒部と、円筒部の一端で径方向へ板状に延びる鍔部とを有するカラー部材であって、Ｚ軸ボールねじ５２の図略の段部及びラジアル支持部５５のラジアルベアリングの内輪の間に介挿される。ギャップセンサ５８は、非接触で測定対象との微小な離間距離を検出する公知のセンサである。ギャップセンサ５８としては、磁力式や差動トランス式等の公知の物を用いることができる。ギャップセンサ５８は、鍔付きカラー５７に対向する位置で、ベッド１０に対して取付け固定されている。ギャップセンサ５８は、アンプ５９を介して制御装置８０と電気的に接続されている。アンプ５９は、基準値設定回路５９ａと、減算器５９ｂとを有している。基準値設定回路５９ａは、熱膨張が無い時の鍔付きカラー５７とギャップセンサ５８との距離が基準距離ΔＬとして設定される。減算器５９ｂは、ギャップセンサ５８から出力された検出距離ΔＬ１から基準距離ΔＬを減算し、その結果が制御装置８０の熱変位補正部８２に送信される。

（３．熱変位補正の内容）
次に、Ｚ軸ボールねじ５２の熱変位に対するテーブル５０の位置補正の内容について説明する。ギャップセンサ５８が鍔付きカラー５７との離間距離を検出距離ΔＬ１として検出すると、アンプ５９へ信号送信される。ギャップセンサ５８による検出は任意のタイミングで実行可能であるが、鍔付きカラー５７の鍔部の形状や取付け上の誤差の影響を排除するために常に同一回転位相で検出することが好ましい。例えば、Ｚ軸駆動回路７０にエンコーダ５１ｅからの信号を加減算するカウンタを設け、カウンタの値が所定の値になった時にギャップセンサ５８による検出を行うようにしてもよい。Ｚ軸駆動回路７０のカウンタが所定の値となった時は鍔付きカラー５７は常に同一回転位相となるので、鍔付きカラー５７の鍔部の形状や取付け上の誤差の影響を排除することができる。

上述したように、基準値設定回路５９ａには、熱膨張の無い基準温度時のギャップセンサ５８の検出値が基準距離ΔＬとして設定されている。ギャップセンサ５８は、工作機械１運転時の検出値を検出距離ΔＬ１としてアンプ５９に送信する。検出距離ΔＬ１は、Ｚ軸ボールねじ５２が熱膨張によって軸方向に伸びた量（すなわち熱変位）を含んでいる。アンプ５９では、減算器５９ｂによって、ギャップセンサ５８から送信された検出距離ΔＬ１から基準距離ΔＬを減算し、減算結果、すなわち検出値と基準値との差分（ΔＬ１－ΔＬ）が制御装置８０の熱変位補正部８２に送信される。

制御装置８０の熱変位補正部８２は、熱変位補正後の移動距離Ｌｈを、指令部８１による移動指令の距離Ｌ（指令距離Ｌとも称する）と、基準温度時のボールねじ５２の全長Ｌ０（第１端５２ａから鍔付きカラー５７までの距離）と、減算器５９ｂから送られたギャップセンサ５８検出値と基準値との差分ΔＬ１－ΔＬとに基づいて、Ｌｈ＝Ｌ＋（ΔＬ１－ΔＬ）×Ｌ／Ｌ０と算出する。すなわち、差分ΔＬ１－ΔＬに、ボールねじ５２の全長に対する移動指令の距離の比率Ｌ／Ｌ０を乗ずることで移動指令の距離Ｌにおける熱変位量を算出し、その結果を指令距離Ｌに加算することで熱変位補正後の移動距離Ｌｈを求める。そして、制御装置８０の熱変位補正部８２は、熱変位補正後の移動距離Ｌｈに基づいてＺ軸モータ５１を駆動してテーブル５０の位置制御を行う。このようにギャップセンサ５８の検出結果を用いてテーブル５０の位置を熱変位補正することができる。

（４．まとめ）
上述したように、本実施形態によれば、Ｚ軸ボールねじ５２の伸び方向が主軸４０の伸び方向と同一のため、熱変位による双方の伸びが打ち消し合う関係となると共に、Ｚ軸ボールねじ５２において軸方向移動不能な第１端５２ａから加工位置であるテーブル５０の位置までの距離が短くなって軸方向の剛性を大きく確保できるという効果を奏する。

さらに、ベッド１０においてＺ軸ボールねじ５２の第２端５２ｂに近い側に設けられた変位検知部としての鍔付きカラー５７及びギャップセンサ５８により、Ｚ軸ボールねじ５２の軸方向の熱変位を検知し、制御装置８０の熱変位補正部８２が検知された熱変位に基づいて、テーブル５０の位置を補正することができる。よって、主軸４０の回転軸線方向にテーブル５０を移動させるＺ軸ボールねじ５２の熱変位の影響を低減して位置決め精度を安定化することができるという効果を奏する。

また、本実施形態では、Ｚ軸ボールねじ５２側の測定対象に対向するように配置され、測定対象との離間距離を測定するギャップセンサ５８によって、第２端５２ｂ側でＺ軸ボールねじ５２の熱変位を簡単な構成で確実に検知することができる。特に、Ｚ軸ボールねじ５２側の測定対象が第２端５２ｂ近傍に取付けられた鍔付きカラー５７であり、ギャップセンサ５８は、鍔付きカラー５７に対向するように配置されている。よって、Ｚ軸モータ５１が連結されて端面が露出しない第２端５２ｂ側において、鍔付きカラー５７を介してＺ軸ボールねじ５２の熱変位を確実に検出することができる。

（５．変形例）
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々に変更を施すことが可能である。例えば、上記実施形態において、Ｚ軸ボールねじ５２の第２端５２ｂ近傍に鍔付きカラー５７を取付けてギャップセンサ５８により離間距離を測定してテーブル５０の位置を熱変位補正する例を示したが、これには限られない。例えば、図２に示す変形例のように、鍔付きカラー５７を省略し、ボールねじナット５３をギャップセンサ５８の測定対象とする構成としてもよい。尚、図２では、ボールねじナット５３の移動先の位置を一点鎖線にて示し、原点復帰時の位置を破線で示している。テーブル５０が移動方向における特定位置に位置する時（例えば、原点復帰時）に、ギャップセンサ５８がボールねじナット５３との離間距離を測定することにより、Ｚ軸ボールねじ５２の熱変位を検出することができる。

本変形例では、上記実施形態と同様に、熱膨張の無い基準温度時のギャップセンサ５８の検出値が基準距離ΔＬとして設定されている。ギャップセンサ５８は、工作機械１運転時における原点復帰時の検出値を検出距離ΔＬ１としてアンプ５９に送信する。アンプ５９では、減算器５９ｂによって、ギャップセンサ５８から送信された検出距離ΔＬ１を基準距離ΔＬから減算し、減算結果、すなわち検出値と基準値との差分（ΔＬ－ΔＬ１）が制御装置８０の熱変位補正部８２に送信される。そして、熱変位補正後の移動距離Ｌｈを、Ｌｈ＝Ｌ＋（ΔＬ－ΔＬ１）×Ｌ／Ｌ０と算出する。すなわち、差分ΔＬ－ΔＬ１に、ボールねじ５２の全長に対する移動指令の距離の比率Ｌ／Ｌ０を乗ずることで移動指令の距離Ｌにおける熱変位量を算出し、その結果を指令距離Ｌに加算することで熱変位補正後の移動距離Ｌｈを求める。そして、制御装置８０の熱変位補正部８２は、熱変位補正後の移動距離Ｌｈに基づいてＺ軸モータ５１を駆動してテーブル５０の位置制御を行う。このようにギャップセンサ５８の検出結果を用いてテーブル５０の位置を熱変位補正することができる。

また、上記実施形態では、サーボモータであるＺ軸モータ５１をＺ軸ボールねじ５２の第２端５２ｂ側に連結する構成としたが、これには限られず、Ｚ軸モータ５１を第１端５２ａ側に連結する構成としてもよい。この構成では、Ｚ軸ボールねじ５２の第２端５２ｂの端面が露出するので、当該端面に対向するようにギャップセンサ５８を配置して離間距離を測定し、熱変位補正を行うように構成してもよい。

Ｗ…工作物、１…工作機械、１０…ベッド、３０…主軸装置、４０…主軸、５０…テーブル、５１…Ｚ軸モータ（サーボモータ）、５２…Ｚ軸ボールねじ（ボールねじ）、５２ａ…第１端、５２ｂ…第２端、５３…ボールねじナット、５７…鍔付きカラー（変位検知部、測定対象、カラー部材）、５８…ギャップセンサ（変位検知部）、８０…制御装置、８２…熱変位補正部。

Claims (4)

1. ベッドと、回転する主軸を有し前記ベッド上に載置される主軸装置と、前記主軸の回転軸線方向に移動可能に前記ベッド上に載置されたテーブルと、前記テーブルを前記主軸の回転軸線方向に移動させる送り装置と、前記送り装置を制御する制御装置とを備え、前記送り装置が、前記ベッドに両端で回転可能に支持されるボールねじと、前記ボールねじに連結されるサーボモータとを備えて構成される工作機械であって、
   前記ボールねじの前記主軸に近い側である第１端を回転可能且つ軸方向移動不能に支持するラジアルスラスト支持部と、
   前記ボールねじの前記主軸から遠い側である第２端を回転可能且つ軸方向移動可能に支持するラジアル支持部と、
   前記ベッドにおいて前記ボールねじの前記第２端に近い側に設けられ、前記ボールねじの軸方向の熱変位を検知する変位検知部と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記変位検知部により検知された前記熱変位に基づいて、前記テーブルの位置を補正する熱変位補正部を備え、
   前記変位検知部は、前記ボールねじ側の測定対象に対向するように配置され、前記測定対象との離間距離を測定するギャップセンサを有し、
   前記測定対象は、前記ボールねじの前記第２端近傍に取付けられた鍔付きのカラー部材であり、
   前記ギャップセンサは、前記カラー部材に対向するように配置される、工作機械。
2. 前記ギャップセンサは、前記カラー部材との離間距離を常に同一の回転位相で測定する、請求項１に記載の工作機械。
3. ベッドと、回転する主軸を有し前記ベッド上に載置される主軸装置と、前記主軸の回転軸線方向に移動可能に前記ベッド上に載置されたテーブルと、前記テーブルを前記主軸の回転軸線方向に移動させる送り装置と、前記送り装置を制御する制御装置とを備え、前記送り装置が、前記ベッドに両端で回転可能に支持されるボールねじと、前記ボールねじに連結されるサーボモータとを備えて構成される工作機械であって、
   前記ボールねじの前記主軸に近い側である第１端を回転可能且つ軸方向移動不能に支持するラジアルスラスト支持部と、
   前記ボールねじの前記主軸から遠い側である第２端を回転可能且つ軸方向移動可能に支持するラジアル支持部と、
   前記ベッドにおいて前記ボールねじの前記第２端に近い側に設けられ、前記ボールねじの軸方向の熱変位を検知する変位検知部と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記変位検知部により検知された前記熱変位に基づいて、前記テーブルの位置を補正する熱変位補正部を備え、
   前記変位検知部は、前記ボールねじ側の測定対象に対向するように配置され、前記測定対象との離間距離を測定するギャップセンサを有し、
   前記測定対象は、前記テーブルに固定され且つ前記ボールねじに螺合するボールねじナットであり、
   前記ギャップセンサは、前記テーブルが移動方向における特定位置に位置する時に前記ボールねじナットとの離間距離を測定する、工作機械。
4. 前記サーボモータは、前記ボールねじの前記第２端側に連結される、請求項１乃至３の何れか一項に記載の工作機械。

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