JPH11114759A

JPH11114759A - 工作機械

Info

Publication number: JPH11114759A
Application number: JP27474297A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Morishita; 敏昭森下; Itaru Kokusho; 格国生
Original assignee: Shin Nippon Koki KK
Current assignee: Shin Nippon Koki KK
Priority date: 1997-10-07
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 1999-04-27

Abstract

(57)【要約】【課題】大型金型等の加工を行うため、大きなストロ
ークと高い加工精度が求められる工作機械において、送
り駆動の高加速度化を図り、高い加工効率を得る。【解決手段】加工領域全体に亘る大きなストロークを
有する親送り駆動系と、ストロークを小さくすることで
被駆動部を軽量化して高速で駆動させることのできる子
送り駆動系の２段階の工具送り駆動系を備え、子送り駆
動系により高効率で加工が行われる領域を親送り駆動系
によりずらし、加工領域全体を効率的に加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大型金型等の加工
を行う工作機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１３に、従来のガントリー形工作機械
の一例を示す。この工作機械はサイドレール１２に沿っ
てＸ軸方向にサドル１３を送り駆動し、このサドル１３
に取り付けられたクロスレース１４に沿ってＹ軸方向に
ラムサドル１５を送り駆動し、このラムサドル１５に設
けられたＺ軸方向の案内穴１６に沿ってラム１７を送り
駆動することにより、ボールエンドミル等の回転形工具
３５が取り付けられる主軸３をＸ，Ｙ，Ｚ軸の３方向に
移動して、定盤４上に載置される大型金型等の切削加工
を行うものである。

【０００３】このような大型の被加工物を加工する工作
機械では、工具３５を被加工物の全体に亘って移動させ
るために大きなストロークが必要であり、このストロー
クを形成するサイドレール１２、クロスレール１４およ
びラム１７等は長大なものとなり、したがって、各方向
に駆動される被駆動部の重量が大きなものとなってく
る。例えば、Ｘ軸に沿って駆動される被駆動部の一部で
あるクロスレール１４は、Ｙ軸方向のストロークを確保
するために大きな長さ寸法をもつ必要があり、また、加
工精度を確保するための高い剛性が得られるように、こ
の大きな長さ寸法に応じてその断面も大きく構成する必
要があることから、重量が大きなものとなっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、送り駆動され
る被駆動部の重量が増大すれば、重量に比例してこの被
駆動部を駆動させる際の慣性力が増大するため、機械構
造に変位や振動が発生し、加工面の形状精度、面粗さを
悪化させる弊害を招きやすい。したがって、被駆動部重
量が大きくなってしまう大型機械においては、送り駆動
系の加速度を大きくすることは難しく、送り駆動動作の
加速・減速に時間を要し平均送り速度が低下し、生産効
率の低下を招いている。

【０００５】また、このような重量の大きい被駆動部を
許容される最大限の速度・高い加速度で駆動するために
は大出力の送り駆動モータが必要であり、送り駆動に多
大なエネルギーを要する。

【０００６】本発明は、上記のような課題に鑑みてなさ
れたものであり、大きなストロークを有しつつ、高効率
な加工ができる工作機械を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明にかかる
工作機械は、回転形工具を保持する主軸を回転させなが
ら被加工物に対して相対移動させることにより、この被
加工物の加工を行うように構成された工作機械におい
て、前記主軸または前記被加工物を送り駆動することに
より、前記主軸を前記被加工物に対して互いに直交する
３方向に相対移動させる親送り駆動系と、前記主軸を少
なくとも互いに直交する２方向に前記親送り駆動系より
も小さなストロークで送り駆動する子送り駆動系とを備
えたものである。

【０００８】この発明では、回転形工具が保持される主
軸と被加工物との相対移動は、親送り駆動系と子送り駆
動系の２つの系による移動を組合せることにより行われ
る。この子送り駆動系は少なくとも互いに直交する２方
向に主軸を送り駆動をするものであるから、この子送り
駆動系のみで少なくとも２次元の領域を加工することが
できる。また、この子送り駆動系はストロークが小さい
ため送り駆動される被駆動部の重量が小さく、高速で送
り駆動を行うことができる。したがって、子送り駆動系
によりその小さなストロークの範囲内で主軸を高速送り
することにより効率的な加工を行うとともに、この子送
り駆動系による加工領域を親送り駆動系により移動させ
ることにより効率的に広い領域が加工される。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１記載の構成に
おいて、前記子送り駆動系が前記主軸を互いに直交する
３方向に送り駆動するように構成されたものである。

【００１０】この発明では、子送り駆動系のみで３次元
の領域を加工することができるため、３次元的な複雑な
形状も子送り駆動系のみで効率的に行うことができる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１または２記載
の構成において、前記親送り駆動系が前記主軸も含めて
前記子送り駆動系を送り駆動するように構成されたもの
である。

【００１２】親送り駆動系は主軸または被加工物を送り
駆動することによりこれらの相対移動を行うものである
が、この請求項３の発明では、親送り駆動系は主軸とと
もに子送り駆動系を送り駆動する。

【００１３】請求項４の発明は、請求項３記載の構成に
おいて、前記親送り駆動系と前記主軸との間に前記子送
り駆動系が介在するように配置されたものである。

【００１４】この発明では、主軸を駆動する子送り駆動
系が主軸と親送り駆動系との間に配置されているのであ
るから、請求項３の発明と同様に、親送り駆動系は主軸
とともに子送り駆動手段を移動する。

【００１５】請求項５の発明は、請求項１〜４のうちい
ずれかに記載の構成において、前記親送り駆動系が、互
いに直交する３方向のうちそれぞれ異なる１方向への送
り駆動を行う３つの親送り駆動手段を備えたものであ
る。

【００１６】この発明では、これら３つの親送り駆動手
段の送り方向が直交座標系をなす。

【００１７】請求項６の発明は、請求項５記載の構成に
おいて、前記子送り駆動系が、前記親送り駆動手段の互
いに直交する３つの送り方向のいずれかの方向への送り
駆動を行う子送り駆動手段を少なくとも１つ備えたもの
である。

【００１８】この発明では、同一の送り方向を有する親
送り駆動手段と子送り駆動手段が少なくとも１組存在す
るため、この方向の移動については、その送り駆動に必
要なストロークや送り速度に応じて親送り駆動手段また
は子送り駆動手段が使い分けられる。

【００１９】請求項７の発明は、請求項５記載の構成に
おいて、前記子送り駆動系が、前記親送り駆動手段の互
いに直交する３つの送り方向のうちそれぞれ異なる１方
向へ送り駆動を行う３つの子送り駆動手段を備えたもの
である。

【００２０】この発明では、互いに直交する３方向のい
ずれの方向についても、同一の送り駆動方向を有する親
送り駆動手段と子送り駆動手段が存在するため、３次元
的な全方向の移動について、その送り駆動に必要なスト
ロークや送り速度に応じて親送り駆動手段または子送り
駆動手段が使い分けられる。

【００２１】請求項８の発明は、請求項１〜７のうちい
ずれかに記載の構成において、前記主軸の軸方向を変動
させる主軸傾斜角形成手段を備えたものである。

【００２２】この発明では、主軸傾斜角形成手段によ
り、被加工物に対する主軸の相対移動方向に応じて最適
な工具傾斜角が形成される。

【００２３】請求項９の発明は、請求項１〜８のうちい
ずれかに記載の構成において、前記主軸と前記子送り駆
動系とが、工作機械本体に対して着脱可能な１つのユニ
ットとして構成されたものである。

【００２４】この発明では、主軸と子送り駆動系とが着
脱可能な１つのユニットとして構成されているため、従
来の親子構造を有しない工作機械に対し、その主軸部分
に代えてこのユニットを取り付けることで容易かつ安価
に加工能率の高い親子構造の工作機械が構成できる。

【００２５】請求項１０の発明は、請求項１〜９のうち
いずれかに記載の構成において、自由曲面の加工を行う
ための制御手段を備え、この制御手段が子送り駆動系に
対して走査送りを行わせるように構成されたものであ
る。

【００２６】この発明では、自由曲面の加工において、
その送り速度が加工効率に大きな影響を与える走査送り
を子送り駆動系により行い、この走査送りは自由曲面の
加工を行うために備えられた制御手段によって制御され
る。

【００２７】請求項１１の発明は、請求項１０記載の構
成において、前記制御手段が、前記子送り駆動系に対し
て、走査送りを行わせながら、所望の曲面形状に応じて
切込み深さを変動させるための切込み送りを行わせると
ともに、前記親送り駆動系に対して、前記走査送りの位
置をずらしていくため加工送りを行わせるように構成さ
れたものである。

【００２８】この発明では、自由曲面の加工において、
子送り駆動系によって切込み送りを行うため、親送り駆
動系による場合に比べて切込み送り動作の応答が速く、
また走査送りも子送り駆動系によって行うため、走査送
りを高速化することができる。このように子送り駆動系
が走査送りを行いながら切込み送りを行うことで、この
子送り駆動系のストロークの範囲内で効率的に所望の曲
面形状の一部の加工を行うとともに、この子送り駆動系
による加工の領域を、親送り駆動系が加工送りによりず
らしていくことにより所望の曲面形状の全体が加工され
る。

【００２９】請求項１２の発明は、請求項１０記載の構
成において、前記制御手段が、前記子送り駆動系に対し
て、円形または略円形の走査送りを行わせながら、所望
の曲面形状に応じて切込み深さを変動させるためこの走
査送り面に略垂直な方向の切込み送りを行わせるととも
に、前記親送り駆動系に対して、前記走査送りの位置を
ずらしていくため前記走査送り面に略平行な方向の加工
送りを行わせるように構成されたものである。

【００３０】この発明では、走査送りを円形または略円
形としたため、送り動作が連続的に滑らかな曲線を画
き、その方向は連続的に変化することとなるので、送り
動作の最大加速度に対して加速度の変化率である躍動が
小さくなる。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図１〜図１
２に基づいて説明する。

【００３２】図１および図２に示す親子構造の工作機械
は、高速回転する主軸３を備えた子マシン２が親マシン
１上に配置されて構成されており、親マシン１に備えら
れた互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの３方向の親送り駆動手
段からなる親送り駆動系により、子マシン２が主軸３と
ともに送り駆動されるとともに、図２に示すように子マ
シン２もまた子送り駆動系としてＸ’，Ｙ’，Ｚ’の３
方向の子送り駆動手段を備えており、この子送り駆動系
により主軸３が送り駆動され、定盤４上に載置される被
加工物の加工を行うものである。

【００３３】まず、親マシン１の具体的構成から説明す
る。

【００３４】この親マシン１は、基礎５上に設置されて
いる。この基礎５の左右両側部には複数本のコラム１１
が立設され、これらコラム１１によってその並び方向に
延びるサイドレール１２が水平に支持されている。左右
のサイドレール１２には、その長手方向に沿ってモータ
により送り駆動されるサドル１３が装架され、両サドル
１３に、サイドレール１２と直交するクロスレール１４
の両端が固着されている。このサイドレール１２、サド
ル１３およびモータがＸ軸方向の送り駆動を行う第１の
親送り駆動手段を構成しており、そのストロークは、こ
のX 軸方向について定盤４の全域に亘っている。

【００３５】クロスレール１４には、その長手方向に沿
ってモータにより送り駆動されるラムサドル１５が装架
されている。このクロスレール１４、ラムサドル１５お
よびモータがＹ軸方向の送り駆動を行う第２の親送り駆
動手段を構成しており、そのストロークは、このY 軸方
向について定盤４の全域に亘っている。

【００３６】このラムサドル１５には上下方向に貫通す
る案内穴１６が設けられており、ここにラム１７が貫挿
され、このラム１７がモータによる送り駆動により昇降
可能に案内されている。このラムサドル１５、ラム１７
およびモータがＺ軸方向の送り駆動を行う第３の親送り
駆動手段を構成しており、そのストロークは、このZ軸
方向、すなわち、上下方向について定盤４上に載置され
る被加工物の大きさをカバーしている。

【００３７】このように大きなストロークを有する親送
り駆動手段では、従来公知の工作機械と同様に、被駆動
部重量は大きいものとなっているため、これら親送り駆
動手段の送り駆動を行うモータは、高加速送りができな
い、駆動に多大なエネルギーを要することのない低出力
のモータが用いられている。

【００３８】以上のように構成された親マシン１によれ
ば、３つの親送り駆動手段によるＸ，Ｙ，Ｚの３方向の
送り動作が合成されるラム１７の下側の先端は、定盤４
上に載置される被加工物の加工領域全体に亘って移動で
きる。この工作機械においては、このラム１７の先端に
着脱可能な状態で主軸３を備えた子マシン２が取り付け
られている。

【００３９】次に、この子マシン２について図２により
説明する。

【００４０】ラム１７の先端に、着脱可能な状態でベー
ス２１が水平に取り付けられている。このベース２１の
下面には、２本のレール２１１が平行に設けられてい
る。このレール２１１は、中間プレート２３の上面に設
けられたガイドブラケット２３１によって挟み込まれる
ことで案内面を構成し、ベース２１に取付けられたモー
タ２２により中間プレート２３をレール２１１の長手方
向に送り駆動されるようになっている。このベース２
１、中間プレート２３およびモータ２２が、Ｘ’軸方向
の送り駆動を行う第１の子送り駆動手段を構成してい
る。

【００４１】中間プレート２３の下面には、その上面と
同様のガイドブラケット２３２が上面側のガイドブラケ
ット２３１と直交する方向に設けられており、このガイ
ドブラケット２３２は、トップテーブル２４の上面に設
けられた２本のレール２４１を挟み込んで案内面を構成
し、トップテーブル２４に取付けられたモータ２５によ
りトップテーブル２４をレール２４１の長手方向に送り
駆動されるようになっている。この中間プレート２３、
トップテーブル２４およびモータ２５が、Ｙ’軸方向の
送り駆動を行う第２の子送り駆動手段を構成している。

【００４２】トップテーブル２４の下面には、上下方向
に貫通する案内穴が設けられたラムサポート２６が取り
付けられている。このラムサポート２６の案内穴には、
主軸頭支持ラム２８が貫挿され、この主軸頭支持ラム２
８がモータ２７による送り駆動により昇降可能に案内さ
れている。このラムサポート２６、主軸頭支持ラム２８
およびモータ２７が、Ｚ’軸方向の送り駆動を行う第３
の子送り駆動手段を構成している。

【００４３】これら３つの子送り駆動手段の送り駆動方
向であるＸ’，Ｙ’，Ｚ’軸方向は、３つの親送り駆動
手段の送り方向であるＸ，Ｙ，Ｚ軸方向にそれぞれ平行
に配置されている。

【００４４】主軸頭支持ラム２８の下面には、モータ３
６により鉛直方向の旋回軸Ｃを中心として水平に旋回可
能な状態で主軸頭サドル３１が装着されている。この主
軸頭支持ラム２８、主軸頭サドル３１および主軸頭支持
ラム２８に内蔵されたモータ３６が、旋回軸Ｃまわりの
旋回動作を行う第１の主軸傾斜角形成手段を構成してい
る。

【００４５】この主軸頭サドル３１は、縦断面が下方に
開く略コの字型に形成され、その下端部において、モー
タ３２により水平方向の旋回軸Ａを中心として旋回可能
な状態で主軸ヘッド３３が取り付けられている。この主
軸頭サドル３１、主軸ヘッド３３およびモータ３２が、
旋回軸Ａまわりの旋回動作を行う第２の主軸傾斜角形成
手段を構成している。

【００４６】これらの旋回軸Ａおよび旋回軸Ｃまわりの
旋回動作を行う２つの主軸傾斜角形成手段によれば、主
軸ヘッド３３を旋回軸Ａまわり旋回することによって、
主軸ヘッド３３を水平面に対して任意の角度に傾斜させ
ることができるとともに、さらにこの状態で旋回軸Ｃま
わりに主軸頭サドル３１とともに主軸ヘッド３３を旋回
させることによって、主軸ヘッド３３の傾斜角を任意の
方向に向けることができる。

【００４７】主軸ヘッド３３はモータを内蔵しており、
このモータにより主軸３を高速で回転駆動する。この主
軸３の先端部には工具を保持するチャック３４が設けら
れ、ここに回転形工具３５が取り付けられる。回転形工
具３５としては、ボールエンドミルや研削砥石などを用
いることができる。

【００４８】このような子マシン２に備えられた３つの
子送り駆動手段のストロークは、子マシン２は親マシン
１のラム１７の先端に取り付けられたものであることか
らも当然に、親マシン１に備えられた親送り駆動手段の
ストロークに比べて小さい。したがって、親送り駆動手
段における被駆動部が、例えば、Ｘ軸方向の第１の親送
り駆動手段では、大きなストロークを有しながら所定の
剛性を備えるため、クロスレール１４のような重量の大
きなものを含んでしまうことに対し、子送り駆動手段
は、そのストロークが小さく、３つの子送り駆動手段は
いずれもその被駆動部が軽量なものとなっている。した
がって、子送り駆動手段では、親送り駆動手段と比べ大
きな加速度をもって高速送り駆動を行っても慣性力は小
さく、このため、加工効率を向上することができる。３
つの子送り駆動手段のモータは小容量でも、被駆動部の
重量が小さいため高速送りが可能であり、消費エネルギ
ーも小さいものとなる。

【００４９】このような親子構造の工作機械によって金
型などの自由曲面の加工を行う場合、切削加工の能率に
直接的な影響を与える走査送りを高速の送り駆動ができ
る子マシン２の子送り駆動系により行うことが望まし
い。そこで、この親子構造の工作機械は、図３に示すよ
うに、親送り駆動系９１、子送り駆動系９２、主軸傾斜
角形成手段９３、主軸の回転駆動９４のすべてを制御す
るＣＮＣ装置である全体制御手段９０により制御され
る。

【００５０】次に、上述の金型等の自由曲面の加工を行
う場合を例として、この親子構造の工作機械の制御系に
ついて説明する。

【００５１】まず、このような自由曲面の加工法として
一般的な、矩形走査送りによる加工を行う場合について
説明する。矩形走査送り加工法とは、加工の行われる走
査送りを含む送り動作が、加工面に対して垂直な面内で
略矩形をなすもので、この略矩形の送り動作の行われる
面をずらしながら繰り返すことによって所望する曲面形
状を切削するものである。具体的には、図４に示すよう
なＸＹ平面におよそ平行な曲面Ｓを加工する場合を例と
すると、例えば、Ｙ軸方向に直線状の走査送りを行い
ながら、Ｚ軸方向に工具刃先の切込み深さを変動させる
切込み送りを行うことにより所望の曲面形状Ｓの一部と
なる曲線を形成する加工を行い、この後、リトラクト動
作により工具刃先を被加工物から離間させ、加工送り
動作であるピックフィード動作により工具刃先を次の
走査送りを行う位置までＸ軸方向にずらし、リターン
動作により工具刃先を走査送りの開始位置まで戻し
て、アプローチ動作により再び工具刃先を被加工物に
切り込み、こうして次の走査送りにつなげることで一
連の送り動作をなし、この一連の送り動作を繰り返すこ
とによって所望の曲面形状Ｓを形成するものである。

【００５２】このような矩形走査送りにおける動作〜
のうち、加工送り動作（ピックフィード動作）は、
この加工を行う領域の長さ（図４ではＸ軸方向の長さ）
に応じて長いストロークを有することが望まれるため、
親送り駆動系９１により行い、その他の走査送り動作
、リトラクト動作、リターン動作およびアプロー
チ動作は短いストロークであっても、すばやい動作を
行うことより加工効率を向上させることができるため子
送り駆動系９２により行う。ただし、子送り駆動系９２
のストロークは加工領域全体に亘るものではないため、
通常、一連の加工送り動作では子送り駆動系９２のスト
ロークに応じた幅の領域を加工し、これを複数回繰り返
すことによって加工領域全体の加工を行う。

【００５３】このような加工工程全体はＣＮＣ装置であ
る全体制御手段９０によって制御される。図３に示すよ
うに、ＣＡＤにより設計し、出力された所望の曲面形状
データをＣＡＭにより加工用ＮＣプログラムに変換し、
全体制御手段９０はそのＮＣプログラムにより、親送り
駆動系９１、子送り駆動系９２、主軸傾斜角形成手段９
３，主軸の回転駆動９４を直接に制御する。

【００５４】以下、加工工程全体の制御手順を説明す
る。

【００５５】まず、矩形走査送りによる加工の準備とし
て、主軸３への工具３５の取付け、工具長測定、主軸傾
斜角形成、工具長のオフセット作業を行う。この主軸傾
斜角形成動作は、主軸傾斜角形成手段９３により行われ
る。

【００５６】この後、分割された複数の加工領域のうち
第１に加工を行う加工領域へ子マシン２を移動させるた
め、親送り駆動系９１により移動送り動作が行われる。
この移動送り動作は親送り駆動系９１により行われる。

【００５７】続いて、この第１の加工領域を上述の矩形
走査送り加工法により実際に加工する。この加工におい
ては、図４に示した動作〜を行う。

【００５８】これらのうち、走査送り動作および切込み
送り動作は、子送り駆動系９２により行われる。なお、
この走査送り動作とは、図４において動作として示し
た実際の加工の行われる動作だけではなく、加工送り動
作を除く、リトラクト動作、リターン動作および
アプローチ動作をも含むもので、加工面に対して略垂
直な一平面内での矩形を画く動作をいい、全体制御手段
９０が各子送り駆動手段のモータ２２，２５，２７（図
２参照）を制御して繰り返し行われるものである。

【００５９】また、図４において動作として示した加
工送り動作は、走査送りに合わせて、親送り駆動系９１
により行われる。

【００６０】こうして、一連の加工送り動作に対応する
領域Ｓの加工が終了すれば、全体制御手段９０は、再び
親送り駆動系９１による移動送り動作により次の加工領
域に子マシン２を移動させて上述の動作を繰り返す。こ
うして所望の曲面形状の全体が加工される。

【００６１】なお、図４では、各動作〜の方向を説
明の便宜のため、親送り駆動系９１および子送り駆動系
９２の送り駆動の座標軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｘ’，
Ｙ’，Ｚ’）にとっているため、各動作は親送り駆動系
９１または子送り駆動系９２を構成する１つの親送り駆
動手段または子送り駆動手段によって行うことができる
が、一般には、加工する曲面形状に応じて、走査送り面
をこの座標軸方向に対して斜めに傾いた面にとるなど、
加工する曲面形状に応じてこれらは任意に選べばよい。
なお、走査送り面をこの座標軸方向に対して斜めに傾い
た面にとった場合には、矩形走査送りの各動作は２また
は３の親送り駆動手段または子送り駆動手段の送り動作
を合成することによって実現される。

【００６２】次に、自由曲面の切削加工法として、円形
走査送りによる切削加工を行う場合について説明する。
円形走査送り加工法とは、円形または略円形の走査送り
を行いながら、この走査送り面に垂直な方向の切込み送
りにより所望の曲面形状に応じた切込み深さを変動させ
るとともに、前記走査送り面に平行な方向の加工送りに
より前記走査送りの位置をずらしていくことによって、
自由曲面の切削を行う加工法である。

【００６３】ここでは、図５に示すようなＸＹ平面にお
よそ平行な曲面Ｓを加工する場合を例とする。この図は
円形走査送り加工法を概念的に示したもので、同図下側
の曲線６０は工具刃先の動作軌跡を示しており、同図上
側の曲線６１はこの工具刃先の動作軌跡からＺ軸成分で
ある切込み送りを除いた軌跡、すなわち、走査送りと加
工送りを合成したＸＹ平面上の軌跡を概念的に示してい
る。

【００６４】同図上側の曲線６１として示した走査送り
および加工送りは、図６に示すように、ＸＹ平面上で円
がＸ軸方向にずれながら連続して画かれた曲線である。
この円をなす送り動作が走査送り動作であり、この円を
Ｘ軸方向にずらしている送り動作が加工送り動作であ
る。走査送り動作が１つの円を画く１サイクルに対し
て、加工送り動作は所定のピックフィード量ｐだけ走査
送りの行われる位置をずらしている。この加工送り動作
は長いストロークを有する親送り駆動系９１により行
い、走査送り動作はすばやい動作が可能な子送り駆動系
９２で行う。

【００６５】図５に戻って、同図下側に示す工具刃先の
動作を示す曲線６０は、上述の走査送り動作および加工
送り動作（曲線６１）にＺ軸方向の切込み送り動作を合
成した動きとなる。この切込み送りは、走査送り動作お
よび加工送り動作によって刻々変化する工具刃先のＸ座
標位置およびＹ座標位置に応じて、所望の曲面形状Ｓに
おけるＺ座標位置に工具刃先を切り込ませるもので、子
送り駆動系９２によって行われる。このように、切込み
送り動作を子送り駆動系９２で行うこととすれば、上述
のように子送り駆動系９２はすばやい動作が可能である
から、走査送り動作および加工送り動作に対する切込み
送り動作の応答性が高くなり、走査送り動作を高速化す
ることができる。

【００６６】走査送りおよび加工送りにこのような切込
み送りを加えると、被加工物表面には、走査送りの行わ
れる円周上に切り込み送りの方向であるＺ軸方向、すな
わち、深さ方向に起伏を有する溝が円形を画く走査送り
の１サイクルごとに加工される。そして、この起伏を有
する円形の溝が加工送りによってＸ軸方向にずれていく
ことにより所望の曲面形状Ｓが形成される。

【００６７】なお、円形の走査送りを行いながら加工送
りを行うため、主として加工が行われるのは走査送りの
円のうち、加工送りの進行方向前側の半円部分であり、
後ろ側の半円部分は前側の半円部分が既に加工した領域
を通過するため、空転域となっている。

【００６８】このように、加工が行われるのは、加工送
りの進行方向前側の半円部分だけであるから、この前側
半円部分での切削性能を考えて、工具は加工送りの方向
に傾斜する状態に設定されている。この傾斜角は、旋回
軸Ａおよび旋回軸Ｃの主軸傾斜角形成手段により形成さ
れる。なお、このように工具に傾斜角を与えるのは、回
転形工具（ボールエンドミル）においては、工具の回転
中心の周速度が無い部分では切削能力を有しないため、
周速度の有る工具の円周面で切削するためである。

【００６９】以上のような円形走査送り加工法において
も、全体制御手段９０で子送り駆動系９２に円形走査送
りを行わせるものとして構成した図３に示すような制御
系によって工程全体が管理される。

【００７０】この円形走査送り加工では、走査送りを図
７に示すような楕円形状や、図８に示すような陸上トラ
ックのような一部に直線部分を有する形状等の略円形と
してもよい。すなわち、全周にわたって、方向の変化が
連続的である閉曲線であればよい。

【００７１】また、加工送り動作を図６に示したように
連続的に行うこととせず、例えば図９に示すように工具
が空転域を走査しているときにのみ必要量の加工送りを
行うものとしてもよい。

【００７２】工具傾斜角は、刻々変化する切削方向に合
わせて変化させることとしてもよく、このようにすれ
ば、常に能率的な切削が可能になるとともに、加工精度
の向上も図ることができる。

【００７３】走査送りの速度は、走査送りを滑らかなも
のとするために周方向の速度を一定にすることが望まし
いが、所望する曲面形状が複雑な場合などは、走査送り
速度を変動させてもよい。

【００７４】なお、図５では、説明の便宜上、加工面が
およそＸＹ平面に平行なものとして走査送りをＸＹ平面
内で行うものとしたため、この走査送りは、子送り駆動
系の子送り駆動手段のうち、Ｘ’軸方向の第１の子送り
駆動手段と、Ｙ’軸方向の第２の子送り駆動手段とを連
動させることで行うことができるが、一般には、加工す
る曲面形状に応じて、走査送り面を子送り駆動系の座標
軸方向（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）に対して斜めに傾いた面に
とるなど、これらは任意に選べばよい。走査送り面をこ
の座標軸方向に対して斜めに傾いた面にとった場合に
は、円形走査送りは３つの子送り駆動手段を連動させて
行い、加工送り、切込み送りは、２または３の親送り駆
動手段または子送り駆動手段の送り動作を合成すること
によって行なえばよい。

【００７５】この円形走査加工法によれば、矩形走査送
り加工法に比べ送り駆動系の最大加速度に対して躍動の
最大値を小さくすることができる。これにより、送り速
度の加減速による振動の発生を防止することができ、高
い表面加工精度も実現しうる。さらに、躍動による機械
構造体への衝撃力も小さいものとなるため、工作機械に
やさしい加工が実現でき、工具寿命や機械寿命も延ばす
ことができる。

【００７６】以上のようにして、本発明にかかる親子構
造の工作機械を用い、矩形走査加工法あるいは円形走査
加工法における走査送り動作を高速度かつ高加速度で駆
動しうる子マシン２の子送り駆動手段によって行うこと
により、自由曲面の切削加工は従来の工作機械による加
工と比較して効率的になる。

【００７７】そこで、従来の一般的な工作機械を用いた
矩形走査送り加工法による仕上げ加工と、親子構造の工
作機械を用いた円形走査加工法による仕上げ加工とを、
具体的に加工に要する時間で比較することにより検証す
る。加工領域は、２０００ｍｍ×３００ｍｍとし、親子
構造の工作機械の子送り駆動速度は４２ｍ／ｍｉｎ、従
来の一般的な工作機械の切削送り速度は１０ｍ／ｍｉｎ
とした。その他の加工条件は、図１０に示す。

【００７８】この加工では、親子構造の工作機械を用い
て円形走査送りを行った場合、加工に要した時間は１８
９分であったのに対し、従来の一般的な工作機械を用い
て矩形走査送りを行った場合、加工に要した時間は６０
０分である。このように、親子構造の工作機械を用いた
円形走査送り加工は、従来の一般的な工作機械を用いた
矩形走査送り加工に比べ３分の１以下の時間で、すなわ
ち、３倍以上の効率で切削加工を行うことができること
が分かる。

【００７９】この工作機械においては、子マシン２は、
主軸３、主軸傾斜角形成手段９３および子送り駆動系９
２を備えた１つのユニットとして構成され、親マシン１
のラム１７の端部に着脱可能な状態で取り付けられてい
るものであるから、ラム１７の端部に直接主軸３が取り
付けられている図１３に示すしたような従来の工作機械
に、この直接取り付けられた主軸３に代えて、上述のよ
うな子マシン２を取り付けることによって、従来の工作
機械を用いて本発明にかかる親子構造の工作機械を構成
することができる。

【００８０】あるいは、このような着脱可能なユニット
として構成された子マシン２は、他の構成による子マシ
ンと交換することにより、この親子構造の工作機械を様
々な加工態様に適したものとすることができる。

【００８１】たとえば、子マシンを、図１１に示すよう
に、ラム１７にベース８１をモータに８８より旋回軸
Ｃ’を中心に旋回可能な状態で取り付け、さらにベース
８１とトップテーブル８２とにより矩形走査送りのため
のＸ’軸方向の送り駆動を行い、ラムサポート８３と主
軸頭支持ブロック８４とにより切込み送りのためのＺ’
軸方向の送り駆動を行うものとして構成して、この子マ
シンを取り付けることにより、矩形走査送り加工に適し
た構成をとることができる。なお、旋回軸Ｃ’による旋
回動作は、走査送り方向であるＸ’軸方向を変更するこ
とができるものである。

【００８２】あるいはまた、子マシンを、図１２に示す
ように、ラム１７にアーム８５の一端をモータにより旋
回可能な状態で取り付けることによって旋回軸Ｃ’まわ
りに円形走査送り動作を行うものとし、このアーム８５
に主軸頭支持ブロック８６を取り付けてＺ’軸方向の切
込み送り動作を行うように構成し、この子マシンを取り
付けることにより、円形走査送り加工に適した構成をと
ることができる。なお、この主軸頭ブロック８６は、旋
回軸Ｃ’との距離を調整することができるようにアーム
８５に取り付けられており、これにより、円形走査送り
の旋回半径を調整することができるものとなっている。

【００８３】以上、実施形態に即してこの発明を説明し
たが、この発明は上記実施形態に限定されるものではな
く、以下のように構成してもよい。

【００８４】（１）上記実施形態では、被加工物を定盤
４上に載置して、主軸３を含む子マシン２を駆動するも
のとして親送り駆動系を構成したが、親送り駆動系の親
送り駆動手段の全部または一部を定盤４をテーブルとし
て送り駆動することにより被加工物と主軸３との相対移
動を行うものとしてもよい。

【００８５】（２）上記実施形態では、親送り駆動系を
互いに直交する３方向のうちそれぞれ異なる１方向への
送り駆動を行う親送り駆動手段を備えたものとして構成
したが、親送り駆動手段は主軸を被加工物に対して互い
に直交する３方向に相対移動させるものであれば、すな
わち、３次元的な送り駆動を行うことができるものであ
ればよい。したがって、直線状の送り駆動動作を行う親
送り駆動手段と旋回送り駆動動作を行う親送り駆動手段
とを組合せたものでもよい。また、４以上の親送り駆動
手段を備えたものでもよい。

【００８６】（３）上記実施形態では、子送り駆動系を
３つの親送り駆動手段の送り駆動方向と同じ方向に送り
駆動する３つの子送り駆動手段を備えたものとして構成
したが、子送り駆動系の子送り駆動手段は親送り駆動手
段の送り方向とは異なる方向に送り駆動するものとして
構成してもよい。

【００８７】

【発明の効果】以上のように、本発明にかかる工作機械
は、ストロークが小さいために送り駆動される被駆動部
の重量が小さく、主軸を高速で送り駆動を行うことがで
きる子送り駆動系を備えており、この子送り駆動系は少
なくとも２次元の領域を効率的に加工を行うことができ
るため、この加工領域を親送り駆動系により被加工物上
を移動させることにより、効率的に広い領域を加工する
ことができる。

【００８８】また、被駆動部重量が大きなものとなる親
送り駆動系は高速の送り駆動をする必要がなく、かつ、
子送り駆動系も被駆動部の重量が小さいため、ともに高
出力のモータを必要とせず、多大なエネルギーを要する
ことなく、効率的な加工を行うことができる。

【００８９】また、請求項２の発明では、子送り駆動系
のみで３次元の領域を加工することができるため、３次
元的な複雑な形状が求められる被加工物に対しても効率
的に加工することができる。

【００９０】また、請求項５の発明では、３つの親送り
駆動手段の送り方向が直交座標系をなすため、親送り駆
動系の動作を制御することが容易である。

【００９１】また、請求項６の発明では、同一の送り駆
動方向を有する親送り駆動手段と子送り駆動手段が少な
くとも１組存在するため、この方向の送り駆動について
は、その送り駆動に必要なストロークや送り速度に応じ
て親送り駆動手段または子送り駆動手段を使い分けて、
効率的な加工を行うことができる。

【００９２】さらに、請求項７の発明では、互いに直交
する３方向のいずれの方向についても、同一の送り駆動
方向を有する親送り駆動手段と子送り駆動手段が存在す
るため、３次元的な全方向の送り駆動について、その送
り駆動に必要なストロークや送り速度に応じて親送り駆
動手段または子送り駆動手段を使い分けて、効率的な加
工を行うことができる。

【００９３】また、請求項８の発明では、軸傾斜角形成
手段を備えているため、被加工物に対する主軸の相対移
動方向に応じて最適な工具傾斜角を形成することができ
る。

【００９４】また、請求項９の発明では、主軸と子送り
駆動系とが工作機械本体に対して着脱可能な１つのユニ
ットとして構成されているため、従来の親子構造を有し
ない工作機械に対し、その主軸部分に代えてこのユニッ
トを取り付ければ容易かつ安価に加工能率の高い親子構
造の工作機械を構成することができる。

【００９５】また、請求項１０の発明では、自由曲面の
加工を行うための制御手段により、その送り速度が加工
効率に大きな影響を与える走査送りを子送り駆動系によ
って行わせるため、自由曲面の加工を効率的に行うこと
ができる。

【００９６】さらに、請求項１１の発明では、自由曲面
の加工において、高速の送り駆動ができる子送り駆動系
により走査送りと切込み送りを行うことで、この子送り
駆動系のストロークの範囲内の領域を効率的に加工する
とともに、この領域を親送り駆動系が加工送りによりず
らしていくことにより、効率的に所望の曲面形状の全体
を加工することができる。

【００９７】またさらに、請求項１２の発明では、走査
送りを円形または略円形としたため、送り動作が連続的
に滑らかな曲線を画き、その方向は連続的に変化するこ
ととなるので、送り動作の最大加速度に対して加速度の
変化率である躍動を小さくすることができる。これによ
り、振動の発生を防止できるため、高い表面加工精度も
実現しうる。さらに、躍動による機械構造体への衝撃力
も小さいものとなるため、工作機械にやさしい加工が実
現でき、工具寿命や機械寿命も延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる工作機械の一実施形態を示す斜
視図である。

【図２】同工作機械の子マシン２の拡大斜視図である。

【図３】同工作機械の制御系の概念図である。

【図４】矩形走査送り加工の概念図である。

【図５】円形走査送り加工の概念図である。

【図６】円形走査送り加工における走査送りと加工送り
とを合成した軌跡を示す概念図である。

【図７】円形走査送り加工において、楕円形の走査送り
を行った場合の走査送りおよび加工送りを合成した軌跡
を示す概念図である。

【図８】円形走査送り加工法において、陸上トラックの
ような一部に直線部分を有する形状の走査送りを行った
場合の走査送りおよび加工送りを合成した軌跡を示す概
念図である。

【図９】円形走査送り加工において断続的に加工送りを
行った場合の走査送りと加工送りとを合成した軌跡であ
る。

【図１０】親子構造の工作機械を用いた円形走査送り加
工と従来の工作機械を用いた矩形走査送り加工との加工
能率を比較するための説明図である。

【図１１】矩形走査送り加工に適した子マシンの斜視図
である。

【図１２】円形走査送り加工に適した子マシンの斜視図
である。

【図１３】従来の工作機械を示す斜視図である。

【符号の説明】

１親マシン１１コラム１２サイドレール１３サドル１４クロスレール１５ラムサドル１７ラム２子マシン２１ベース２４トップテーブル２３中間プレート２６ラムサポート２８主軸頭支持ラム３主軸３３主軸ヘッド３５回転形工具４定盤５基礎

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転形工具を保持する主軸を回転させな
がら被加工物に対して相対移動させることにより、この
被加工物の加工を行うように構成された工作機械におい
て、前記主軸または前記被加工物を送り駆動することによ
り、前記主軸を前記被加工物に対して互いに直交する３
方向に相対移動させる親送り駆動系と、前記主軸を少なくとも互いに直交する２方向に前記親送
り駆動系よりも小さなストロークで送り駆動する子送り
駆動系とを備えたことを特徴とする工作機械。
【請求項２】前記子送り駆動系が前記主軸を互いに直
交する３方向に送り駆動するように構成されたことを特
徴とする請求項１記載の工作機械。
【請求項３】前記親送り駆動系が前記主軸も含めて前
記子送り駆動系を送り駆動するように構成されたことを
特徴とする請求項１または２記載の工作機械。
【請求項４】前記親送り駆動系と前記主軸との間に前
記子送り駆動系が介在するように配置されたことを特徴
とする請求項３記載の工作機械。
【請求項５】前記親送り駆動系が、互いに直交する３
方向のうちそれぞれ異なる１方向への送り駆動を行う３
つの親送り駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１
〜４のうちいずれかに記載の工作機械。
【請求項６】前記子送り駆動系が、前記親送り駆動手
段の互いに直交する３つの送り駆動方向のいずれかの方
向への送り駆動を行う子送り駆動手段を少なくとも１つ
備えたことを特徴とする請求項５記載の工作機械。
【請求項７】前記子送り駆動系が、前記親送り駆動手
段の互いに直交する３つの送り駆動方向のうちそれぞれ
異なる１方向へ送り駆動を行う３つの子送り駆動手段を
備えたことを特徴とする請求項５記載の工作機械。
【請求項８】前記主軸の軸方向を変動させる主軸傾斜
角形成手段を備えたことを特徴とする請求項１〜７のう
ちいずれかに記載の工作機械。
【請求項９】前記主軸と前記子送り駆動系とが、工作
機械本体に対して着脱可能な１つのユニットとして構成
されたことを特徴とする請求項１〜８のうちいずれかに
記載の工作機械。
【請求項１０】自由曲面の加工を行うための制御手段
を備え、この制御手段が子送り駆動系に対して走査送り
を行わせるように構成されたことを特徴とする請求項１
〜９のうちいずれかに記載の工作機械。
【請求項１１】前記制御手段が、前記子送り駆動系に
対して、走査送りを行わせながら、所望の曲面形状に応
じて切込み深さを変動させるための切込み送りを行わせ
るとともに、前記親送り駆動系に対して、前記走査送り
の位置をずらしていくため加工送りを行わせるように構
成されたことを特徴とする請求項１０記載の工作機械。
【請求項１２】前記制御手段が、前記子送り駆動系に
対して、円形または略円形の走査送りを行わせながら、
所望の曲面形状に応じて切込み深さを変動させるためこ
の走査送り面に略垂直な方向の切込み送りを行わせると
ともに、前記親送り駆動系に対して、前記走査送りの位
置をずらしていくため前記走査送り面に略平行な方向の
加工送りを行わせるように構成されたことを特徴とする
請求項１０記載の工作機械。