JP7374460B2

JP7374460B2 - 工作機械の制振装置

Info

Publication number: JP7374460B2
Application number: JP2019186829A
Authority: JP
Inventors: 凌司近藤
Original assignee: 安田工業株式会社
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2023-11-07
Anticipated expiration: 2039-10-10
Also published as: JP2021062419A

Description

本発明は、主軸ヘッドの振動を抑制して加工面品位を向上することができる工作機械の制振装置に関する。

近年、切削加工品の手仕上げ作業削減のために、加工面品位を向上させた様々な工作機械が提案されている。

例えば、特許文献１には、工具を装着した工具ホルダを主軸に自動着脱する着脱機構を備えた工作機械において、主軸の回転軸に対する工具の振れを自動的に修正して工具の高精度な取り付けを可能にする工作機械及び工具の振れ修正方法が開示されている。特許文献１に記載の工作機械は、主軸の回転時に、主軸の回転軸に対する主軸、工具ホルダ及び工具で構成される回転系の振れを測定する振れセンサと、工具ホルダを主軸に対して異なる位相で装着する位相制御機構と、を有し、位相制御機構が、二以上の異なる位相において測定した回転系の振れを比較し、該振れが最小となる位相で工具ホルダを主軸に装着する振れ修正機構を備えている。

特開２０１７－７０３０号公報

しかし、工作機械の加工精度が向上すると、機体に生じる僅かな振動も加工面品位に影響を及ぼすという課題が残った。この加工面品位を低下させる振動問題として、発明者らは、主軸を取付けている主軸ヘッドの固有振動に着目した。

本工作機械は、主軸ヘッドの構造として、Ｚ軸のストロークを長く取りながらガイド長を短くするために、Ｚ軸ガイドの支持部より主軸ヘッド及び主軸が突き出した構造にしている。この主軸ヘッドの構造により、部品の小型化と移動体の軽量化に繋がり、工作機械の制御性を向上させることができる。

しかし、本工作機械は、Ｚ軸ガイドの支持部より主軸ヘッド及び主軸が突き出した構造が原因で、主軸ヘッドには特定の周波数で共振する振動モードが存在する。この主軸ヘッドの固有振動は、主軸の回転周波数と一致した場合に共振する他、固有振動と一致する外乱が入ったときも振動する。また、主軸ヘッドの固有振動は、主軸ベアリング保持器の回転周波数と一致した場合も共振する。この主軸ヘッドの固有振動は、加工面品位を低下させる要因の一つになっている。

そこで、本発明は、Ｚ軸ガイドの支持部より主軸ヘッド及び主軸が突き出した構造を維持しつつ、主軸ヘッドの固有振動を抑制して加工面品位を更に向上することができる工作機械の制振装置を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するために、主軸を回転自在に支持すると共に該主軸を鉛直方向に駆動する主軸ヘッドを有する立形の工作機械において、前記主軸ヘッドに固定された金属製の載置板と、該載置板の上面に、鉛直方向に積層された複数の金属製板材と、を備えた工作機械の制振装置を提供するものである。

また、本発明は、前記載置板が、前記主軸ヘッドに前記複数の金属製板材の厚さより筒長の長いスペーサを介して固定されたものである。

また、本発明は、前記複数の金属製板材が、前記主軸又は前記主軸ヘッド及び前記スペーサと水平方向に間隙を有して積層されたものである。

また、本発明は、前記載置板の上面に、２．２～５．０ｍｍの厚さの鋼板４～８枚を鉛直方向に積層したものである。

本発明の工作機械の制振装置は、主軸を回転自在に支持すると共に該主軸を鉛直方向に駆動する主軸ヘッドを有する立形の工作機械において、前記主軸ヘッドに固定された金属製の載置板と、該載置板の上面に、鉛直方向に積層された複数の金属製板材と、を備えた構成を有することにより、主軸ヘッドが特定の周波数で共振する振動を、金属製板材と載置板の間の滑り摩擦、隣り合う金属製板材の間の滑り摩擦で減衰させ、主軸ヘッドの固有振動を抑制することができる効果がある。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記載置板が、前記主軸ヘッドに前記複数の金属製板材の厚さより筒長の長いスペーサを介して固定されたことにより、金属製板材が主軸ヘッド及び載置板に固定されないから、金属製板材と載置板の間と、隣り合う金属製板材の間に滑り摩擦を生じさせ、主軸ヘッドが特定の周波数で共振する振動を減衰させることができる効果がある。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記複数の金属製板材が、前記主軸又は前記主軸ヘッド及び前記スペーサと水平方向に間隙を有して積層されたことにより、金属製板材が主軸ヘッド及び主軸カバーに対して固定されないから、金属製板材と載置板の間と、隣り合う金属製板材の間に滑り摩擦を生じさせ、主軸ヘッドが特定の周波数で共振する振動を減衰させることができる効果がある。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記載置板の上面に、２．２～５．０ｍｍの厚さの鋼板４～８枚を鉛直方向に積層したことにより、主軸ヘッドが特定の周波数で共振する振動を、金属製板材と載置板の間の滑り摩擦だけでなく、隣り合う金属製板材の間の滑り摩擦で確実に減衰させ、主軸ヘッドの固有振動を抑制することができる効果がある。

本発明に係る工作機械の制振装置の一実施例を示す部分断面図。その一実施例の要部を示す拡大断面図。対策前後の主軸の動特性の比較を示す図。

本発明の実施の形態を図示する実施例に基づいて説明する。
本発明の制振装置３は、主軸を回転自在に支持すると共に該主軸を鉛直方向に駆動する主軸ヘッド１０を有する立形の工作機械において、主軸ヘッド１０に固定された金属製の載置板３０と、該載置板３０の上面に、鉛直方向に積層された複数の金属製板材３１と、を備えている。

本発明の制振装置３は、複数の金属製板材３１が載置板３０の上面に固定されることなく積層されているから、主軸ヘッド１０が特定の周波数で共振すると、金属製板材３１と載置板３０の間、隣り合う金属製板材３１の間にそれぞれ相対運動が生じる。本発明の制振装置３は、主軸ヘッド１０が特定の周波数で共振する振動を、金属製板材３１と載置板３０の間、隣り合う金属製板材３１の間の滑り摩擦で吸収し、主軸ヘッド１０の固有振動を抑制する。

本発明の制振装置３は、主軸ヘッド１０に固定された載置板３０の上面に、金属製板材３１を複数枚、好ましくは４～８枚積層することによって、金属製板材３１と載置板３０の間の滑り摩擦だけでなく、隣り合う金属製板材３１の間の滑り摩擦で振動エネルギーを確実に吸収し、主軸ヘッド１０の固有振動を抑制することができる。

図１は、本発明に係る工作機械の制振装置の一実施例を示す部分断面図である。図２は、その一実施例の要部を示す拡大断面図である。図３は、本発明による対策前後の主軸の動特性の比較を示す図である。

本発明の工作機械は、例えば、主軸ユニット１を支えるコラムを有する３軸又は５軸駆動の立形マシニングセンタである。主軸ユニット１は、駆動装置によってＸ軸方向に駆動されると共に、主軸をＺ軸方向（鉛直方向）に駆動し、主軸は工具２を装着して回転させる。主軸は、ボールベアリングなどの軸受（図示しない）で主軸ヘッド１０に回転自在に支持されている。また、主軸ユニット１は、図示しないＺ軸ガイドの支持部より主軸ヘッド１０及び主軸が突き出した構造となっている。

図１及び図２に示すように、載置板３０は、主軸ヘッド１０の下面に円筒状のスペーサ３２を介してボルト３３で取り付けられている。スペーサ３２の筒長は、６枚の金属製板材３１の厚さより大きく形成され、金属製板材３１と主軸ヘッド１０の間に隙間を設けている。図２に示すように、載置板３０の取付部は、平座金３４と、該平座金３４に挿通されるボルト３３と、該ボルト３３の頭部と平座金３４の間に挿入されるスプリングワッシャ３５と、載置板３０と主軸ヘッド１０の間に挿入されると共にボルト３３を挿通する円筒状のスペーサ３２と、を有し、載置板３０が主軸ヘッド１０に固定されている。

図示の実施例において、制振装置３は、主軸ヘッド１０の下面にスペーサ３２を介して固定された載置板３０の上面に、６枚の金属製板材３１を鉛直方向に積層している。金属製板材３１は、ＳＳ４００などの一般構造用圧延鋼材で形成され、厚さ３．２ｍｍの鋼板をレーザー加工で所望の形状に加工している。６枚の金属製板材３１は、主軸又は主軸ヘッド１０及びスペーサ３１と水平方向に間隙を有する形状に切断加工されている。また、載置板３０は、金属製板材３１と同様にＳＳ４００などの一般構造用圧延鋼材で形成されている。

制振装置３は、金属製板材３１と載置板３０の間の滑り摩擦だけでなく、隣り合う金属製板材３１の間の滑り摩擦によって振動エネルギーを確実に吸収することができるように、金属製板材３１は１枚ではなく、複数枚を積層している。制振装置３は、金属製板材３１の枚数を増やすことにより、隣り合う金属製板材３１の間の滑り摩擦によって振動エネルギーを多く吸収することができる。一方、制振装置３は、金属製板材３１が一定数以上では効果に変化がなくなることから、金属製板材３１として２．２～５．０ｍｍの厚さの鋼板４～８枚を鉛直方向に積層していることが好ましい。

本実施例において、制振装置３は、金属製板材３１を直に載置板３０の上面に載置し、その金属製板材３１の上面に他の金属製板材３１を直に載置していき、６枚の金属製板材３１を積層している。金属製板材３１は、表面に付着している汚れなどをウエスで拭き取るのみで、表面処理などの加工は施していない。

本実施例の制振装置３は、載置板３０の上面に、６枚の金属製板材３１を鉛直方向に積層した構成を有することによって、制振対策前との比較で主軸の機械的コンプライアンスが大幅に低減した。図３は、対策前後の主軸の動特性の比較を示す図であり、主軸の工具端で加振試験を実施した結果を表している。図３の横軸は周波数を、縦軸は機械的コンプライアンスを表している。実線で表されている制振対策後の機械的コンプライアンスは、制振対策前の機械的コンプライアンス（破線）に対して１／３程度に低減している。

また、本工作機械は、サーボモータに対するＮＣの位置指令と、リニアスケールで実測される実際に動いた位置と、を比較し、サーボの位置偏差を求める機能を備えていてもよい。本工作機械は、本発明の制振装置と共に、サーボ系の制振フィルタを適用することにより、更に加工面品位を向上させることができる。

１主軸ユニット
２工具
３制振装置
１０主軸ヘッド
３０載置板
３１金属製板材
３２スペーサ
３３ボルト
３４平座金
３５スプリングワッシャ

Claims

主軸を回転自在に支持すると共に該主軸を鉛直方向に駆動する主軸ヘッドを有する立形の工作機械において、
前記主軸ヘッドに固定された金属製の載置板と、
該載置板の上面に、滑り摩擦を生じ得るように、鉛直方向に積層された複数の所定の厚さを有する金属製板材と、
を備えた工作機械の制振装置。
前記載置板は、前記主軸ヘッドに前記複数の金属製板材の厚さより筒長の長いスペーサを介して固定された請求項１に記載の工作機械の制振装置。
前記複数の金属製板材は、前記主軸又は前記主軸ヘッド及び前記スペーサと水平方向に間隙を有して積層された請求項２に記載の工作機械の制振装置。
前記載置板の上面に、２．２～５．０ｍｍの厚さの鋼板４～８枚を鉛直方向に積層した請求項１乃至３の何れか一項に記載の工作機械の制振装置。