KR100493596B1

KR100493596B1 - 공작 기계

Info

Publication number: KR100493596B1
Application number: KR10-2002-0070551A
Authority: KR
Inventors: 와따나베아끼라; 이데겐스께; 이찌끼자끼데쯔오; 호리우찌세이지
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2005-06-03
Also published as: JP2003145374A; KR20030040151A; EP1312439A1; TW526118B; US20030091405A1; US6698982B2

Abstract

공작 기계는 테이블 본체와 베드 상의 구동계를 갖는다. 테이블 본체는 활주 또는 구름 안내면을 갖는 안내 부재를 통해 선형으로 이동 가능하다. 구동계는 볼 나사 등을 갖고 안내면을 따라 테이블 본체를 이동시킨다. 한 쌍의 안내 부재가 테이블 본체의 무게 중심의 위치에 점 대칭되는 위치에 제공된다. 더욱이, 볼 나사 등을 갖는 한 쌍의 구동계가 테이블 본체의 무게 중심의 위치에 점 대칭되는 위치에 제공된다. 다르게는, 볼 나사 등을 갖는 구동계가 테이블 본체의 무게 중심의 위치에 제공된다. 공작 기계는 구동계에 의한 구조체에 대한 이동 물체(예컨대, 테이블 본체)의 상대 이동 중에 발생하는 구조체(예컨대, 베드)의 진동을 효과적으로 억제하여, 기계 가공 시간을 단축시켜서 생산성을 향상시킨다.

Description

공작 기계 {MACHINE TOOL}

본 발명은 작업 테이블과 공구용 메인 스핀들을 서로에 대해 이동시키면서 기계 가공을 수행하는 복합 공작 기계와 같은 공작 기계에 관한 것이다.

2001년 11월 15일에 출원된 일본 특허 출원 제2001-349811호의 명세서, 청구범위, 도면 및 요약서를 포함하는 전체 개시 내용이 참고로서 본 명세서에 포함되었다.

복합 공작 기계와 같은 공작 기계에서, 테이블 또는 스핀들 헤드와 같은 이동 물체는 베드 또는 프레임과 같은 구조체 상에서 활주 또는 구름 안내면을 통해 선형으로 이동 가능하게 지지되고, 안내면의 방향으로 상대 운동을 일으키는 구동계(driving line)에 의해 구동(상대적으로 이동)된다.

이러한 형태의 공작 기계에서, 이동 물체의 무게 중심과 안내면 사이의 위치 관계는 고려되지 않았고, 이동 물체의 무게 중심과 안내면은 이동 방향에 평행한 동일 평면 내에 있지 않고, 이들은 상대적으로 떨어진 위치에 위치된다. 따라서, 이동 물체가 구동계의 작동에 의해 이동을 개시하거나 또는 정지할 때 구조체를 변형시키는 가진력이 구동계에 의해 구조체 내에 발생된 반력과 이동 물체의 관성력에 의해 증가된다. 그 결과, 진동이 발생되기 쉽다.

만일 진동의 진정 전에 기계 가공이 개시된다면, 작업편의 표면 조도(roughness)는 증가될 것이다(즉, 이의 기계 가공 정밀도는 감소된다). 따라서, 이동 물체가 이동을 개시하거나 정지할 때 가속 또는 감속을 완화시키거나 진동이 진정된 후 기계 가공을 개시하는 것이 종래의 관례이다. 따라서, 기계 가공 시간을 단축시켜서 생산성을 향상시키는 것은 불가능했다.

공작 기계에서 급속한 가속 및 감속을 이루기 위한 기술이 예를 들면, 일본 특허 출원 공개 공보 제1996-318445호 및 일본 특허 출원 공개 공보 제1999-235631호가 제안되었다. 전자의 기술은 박스 프레임형 공작 기계에서 구동원으로 선형 모터를 사용한다. 후자의 기술은 작업 테이블의 이동으로서 메인 스핀들의 제1 및 제2 슬라이드의 이동 방향의 각각에 직각인 방향으로 이동을 부여하여, 제1 슬라이드 상에서 작업편을 향해 그리고 이격되게 이동하는 공구용 메인 스핀들이 어떠한 위치를 취하더라도 균일한 이송 부하가 메인 스핀들의 제1 슬라이드를 구동하기 위한 한 쌍의 구동 기구에 작용하도록 한다. 그러나, 이들 기술들 모두는 한 쌍의 안내면과 이동 물체의 무게 중심 사이의 위치 관계를 고려하지 않았다. 따라서, 전술된 문제는 해결되지 않고 있다.

본 발명은 종래의 공작 기계의 전술된 문제점을 고려하여 이뤄졌다. 본 발명의 목적은 구동계에 의한 구조체의 대한 이동 물체의 이동 중에 발생되는 구조체의 진동을 효과적으로 억제하여, 기계 가공 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 공작 기계를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 구조체 내에 제공된 안내면을 따라 이동 가능한 이동 물체와,

상기 이동 물체를 이동시키기 위한 구동계를 포함하고,

상기 안내면은 이동 물체의 무게 중심의 위치에 대해 점 대칭인 위치에 제공되고,

상기 구동계는 이동 물체의 무게 중심의 위치와 일치하는 위치에 또는 이동 물체의 무게 중심의 위치에 대해 점 대칭인 위치에 제공되는 공작 기계가 제공된다.

본 발명의 공작 기계에 따르면, 이동 물체가 구동계에 의해 구조체에 대해 이동될 때 발생하는 구조체의 진동이 효과적으로 억제될 수 있고, 기계 가공 시간이 생산성을 향상시키도록 단축될 수 있다.

공작 기계에서, 이동 물체의 무게 중심의 위치, 안내면 및 구동계는 이동 물체의 이동 방향에 평행한 동일한 평면 내에 설치될 수 있다, 이 경우, 본 발명의 효과가 더욱 향상될 수 있다.

공작 기계에서, 이동 물체에 연결된 구동계의 연결부는 이동 물체의 무게 중심의 위치를 통과하고 이동 물체의 이동 방향으로 향하는 선 상에 설치될 수 있다. 이 경우, 구동계의 설치 조건은 더욱 용이하게 만족될 수 있다.

공작 기계에서, 이동 물체에 연결된 구동계의 한 쌍의 연결부가 제공되고, 한 쌍의 연결부 사이의 중간점은 이동 물체의 무게 중심의 위치와 일치할 수 있다. 이 경우, 구동계의 설치 조건은 용이하게 만족될 수 있다.

공작 기계에서, 4개의 안내면이 제공될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 효과는 더욱 향상될 수 있고, 안내 부재의 설치 조건은 용이하게 만족될 수 있다.

본 발명은 아래에 주어진 상세한 설명 및 오직 예로서 주어지고 따라서 본 발명의 제한이 아닌 첨부 도면으로부터 완전히 더욱 완전히 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 공작 기계가 첨부된 도면을 참조하여 실시예로서 상세히 설명될 것이고, 이는 본 발명을 결코 제한하지 않는다.

[실시예]

도1은 본 발명의 실시예에 따른 수평 복합 공작 기계의 사시도이다. 도2는 수평 복합 공작 기계의 종방향 측단면도이다. 도3은 도2의 선 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 단면도이다. 도4는 도3의 선Ⅳ-Ⅳ을 따라 취한 단면도이다. 도5는 도2의 선Ⅴ-Ⅴ을 따라 취한 단면도이다. 도6은 랙 앤 피니언부의 확대 단면도이다. 도7a 및 도7b는 본 발명의 다양한 사시도이다. 도8은 스핀들 헤드를 위한 X축 평형추 작동 설명도이다.

도1 내지 도5에 도시된 바와 같이, 게이트형 컬럼(2)은 (구조체로서) 베드의 후방부에서 일체식으로 직립되어 수평 복합 공작 기계를 구성한다. 베드(1)에서 (이동 물체로서) 테이블 본체(3)는 활주 또는 구름 안내면을 갖는 한 쌍의 우측 및 좌측 안내 부재(4)를 통해, 한 쌍의 우측 및 좌측 볼 나사(5)에 의해 전후 방향(Z축 방향)으로 이동 가능하게 배치된다. 도면에서, 참조 부호 6은 볼 나사(5)용 서보 모터를 가르킨다. 작업편(도시 생략)을 지지하는 회전 테이블(7)을 회전 가능하게 지지하는 틸트 테이블(8)은 기울어질 수 있게 테이블 본체(3) 상에 조립되어 지지된다.

본 실시예에서, 한 쌍의 우측 및 좌측 안내 부재(4) 및 한 쌍의 좌측 및 우측 볼 나사(5)와 테이블 본체(3)의 무게 중심의 위치가 테이블 본체(3)의 이동 방향에 평행한 동일 평면 내에 있고, 한 쌍의 우측 및 좌측 안내 부재(4) 사이의 중심점 및 한 쌍의 우측 및 좌측 볼 나사(5)의 중심점이 테이블 본체(3)의 무게 중심의 위치에 위치하도록 제공된다.

즉, 도7b에 도시된 바와 같이, 베드(1) 상의 한 쌍의 우측 및 좌측 안내 부재(4)의 안내면은 테이블 본체(3)의 무게 중심(G)의 위치를 포함하고 테이블 본체(3)의 이동 방향에 평행한 제1 평면(A) 내에 있도록 제공된다. 안내면은 또한 테이블 본체(3)의 양 측부에 근접하고 테이블 본체(3)의 무게 중심(G)으로부터 개별 안내면까지의 거리가 동일하도록 제공된다. 더욱이, 테이블 본체(3) 옆의 볼 나사(5)의 너트부(9)(즉, 이동 물체에 연결된 구동계의 연결부)는 테이블 본체(3)의 무게 중심(G)의 위치를 포함하고 이동 방향으로의 테이블 본체(3)의 축에 직교하는 제2 평면(B) 내에서 한 쌍의 위치에 설치되고, 한 쌍의 위치의 중간점은 테이블 본체(3)의 무게 중심(G)의 위치에 위치된다.

도시된 실시예에서, 한 쌍의 우측 및 좌측 볼 나사(5)의 너트부(9)가 테이블 본체(3)의 무게 중심(G)과 안내 부재(4)와 함께 제1 평면(A) 내에 또한 제공된다. 그러나, 볼 나사(5)의 너트부(9)는 제2 평면(B) 내의 테이블 본체(3)의 무게 중심(G)의 위치에 대해 대칭인 지점 내의 임의의 위치에 제공될 수 있다.

도7a에 도시된 바와 같이, 더욱이, 만일 테이블 본체(3)가 단일 볼 나사(5)로 구동된다면 테이블 본체(3) 옆의 볼 나사(5)의 너트부(9)는 테이블 본체(3)의 무게 중심(G)의 위치를 포함하고 테이블 본체(3)의 이동 방향으로 방향 벡터를 갖는 직선(C) 상에 설치될 수 있다.

(구조체로서) 게이트형 컬럼(2)에서, (이동 물체로서) 상자형 새들(saddle)(10)은 두 쌍의 좌측 및 우측, 전방 및 후방 안내 부재(11)(활주 또는 구름 안내면을 가짐)를 통해 한 쌍의 우측 및 좌측 볼 나사(12)에 의해 상하 방향(Y축 방향)으로 이동 가능하도록 배치된다.

도7b와 연결해서 설명된 방식과 유사한 방식으로, 한 쌍의 우측 및 좌측 볼 나사(12)의 너트부(도시 생략)는 새들(10)의 무게 중심의 위치를 포함하고 이동 방향으로 새들(10)의 축에 직교하는 평면 내에서 한 쌍의 위치에 설치되고, 이 한 쌍의 위치의 중간점은 새들(10)의 무게 중심의 위치에 위치된다.

평면도에서 4개의 안내 부재(11)는 새들(10)의 무게 중심의 위치에서 교차하는 대각선 상에 있고 새들(10)의 무게 중심의 위치로부터 동일한 거리에 있는 위치에 제공된다.

(구조체로서) 상자형 새들(10)에서 (이동 물체로서) 스핀들 헤드(15)는 두 쌍의 상부 및 하부, 전방 및 후방 안내 부재(16)(활주 또는 구름 안내면을 가짐)를 통해 한 쌍의 전방 및 후방 볼 나사(17)에 의해 좌우측 방향(X축 방향)으로 이동 가능하도록 배치된다.

도7b와 연결하여 설명된 방식과 유사한 방식으로, 한 쌍의 전방 및 후방 볼 나사(17)의 너트부(도시 생략)는 스핀들 헤드(15)의 무게 중심의 위치를 포함하고 이동 방향으로 스핀들 헤드(15)의 축에 직교하는 평면 내의 한 쌍의 위치에 설치되고, 이 한 쌍의 위치의 중간점은 스핀들 헤드(15)의 무게 중심의 위치에 위치된다.

측면에서 볼 때(도2 참조), 4개의 안내 부재(16)는 스핀들 헤드(15)의 무게 중심의 위치에서 교차하는 대각선 상에 있고 스핀들 헤드(15)의 무게 중심의 위치로부터 동일한 거리에 있는 위치에 제공된다.

도면에서, 참조 부호 18은 컬럼(2)의 상부 표면부 상에 설치된 공구 매거진을 나타내고, 참조 부호 19는 컬럼(2)의 전방 표면부 상에 설치된 공구 교체 아암을 나타낸다.

본 실시예에서, 도3에 도시된 바와 같이 Y축 평형추(20)는 Y축 방향으로 이동 가능하도록 두 쌍의 우측 및 좌측, 전방 및 후방 안내 부재(21, 도1 참조)를 거쳐 컬럼(2)의 우측 및 좌측 측벽의 외측 표면 상에 제공된다. 새들(10)의 우측 및 좌측 측벽의 외측 표면 및 Y축 평형추(20)의 내측 표면 상에 새겨진 랙(23a, 23b)으로 우측 및 좌측 측벽에 의해 회전 가능하게 지지되는 피니언(22a, 22b)의 결합에 의해, Y축 평형추(20)가 새들(10)의 이동 방향에 대향되는 방향으로 이동될 수 있다. 즉, Y축 평형추(20)는 Y축 방향으로 새들(10)의 이동 중 무게 균형을 이룰 수 있다.

더욱이, 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 X축 평형추(25)는 X축 방향으로 이동 가능하도록 좌우 방향으로 신장된 오목한 안내부(26)를 통해 새들(10)의 상부 및 하부 벽부의 외측 표면 상에 제공된다. 스핀들 헤드(15)의 상부 및 하부 표면 및 X축 평형추(25)의 내측 표면 상에 새겨진 랙(28a, 28b)과 상부 및 하부 벽부에 의해 회전 가능하게 지지되는 피니언(27a, 27b)의 결합에 의해, X축 평형추(25)가 스핀들 헤드(15)의 이동 방향에 대향되는 방향으로 이동될 수 있다.

도시된 실시예에서, 피니언(27a, 27b)은 새들(10)의 좌우 방향으로 중심부 내에 제공된다. 스핀들 헤드(15) 옆에 랙(28a)의 좌우 방향으로 중심부가 피니언(27a, 27b)에 결합될 때 X축 평형추(25) 옆의 랙(28b)의 좌우 방향으로의 중심부는 또한 피니언(27a, 27b)에 결합한다.

따라서, 도8에 도시된 바와 같이, 스핀들 헤드(15)의 각 측의 X축 평형추(25)의 질량은 스핀들 헤드(15)의 질량의 절반으로 설정함으로써, 스핀들 헤드(15)가 볼 나사(17)를 거쳐 서보 모터(29)에 의해 X축 방향(도면에서 좌우 방향)으로 이동할 때 X축 평형추(25)의 수동 반대 위상 운동이 얻어져서, 진동력이 상쇄되는 완충 작용을 제공한다. 또한, 전술된 바와 같이, 피니언(27a, 27b)과의 스핀들 헤드(15) 상의 랙(28a) 및 X축 평형추(25) 상의 랙(28b)과의 결합의 위치가 설정됨으로써, 스핀들 헤드(15)가 X축 방향으로 이동하는 경우에도 X축 방향으로의 스핀들 헤드(15)의 무게 중심의 위치가 변경되지 않는다(일정하다).

피니언(22a, 22b) 및 피니언(27a, 27b) 중에서, 적어도 피니언(27a, 27b)과 이들과 맞물리는 랙(28a, 28b)은 도6에 도시된 바와 같이 헬리컬 기어 및 헬리컬 랙으로 형성된다. 피니언(27a 또는 27b)은 이의 회전 축의 방향으로 2개의 부분으로 분할되고, 이들 부분들 중 하나는 항상 원뿔형 디스크 스프링(33)에 의해 내향으로 가압되기 때문에 기어의 결합에 기인한 백래시를 제거할 수 있다.

전술된 구성 때문에, 기계 가공 중의 스핀들 헤드(15)의 위치 제어는 X축 방향으로의 스핀들 헤드(15) 그 자체의 이동 및 Y축 방향으로의 새들(10)의 이동에 의해 수행된다.

이 때, 전술된 바와 같은 스핀들 헤드(15) 및 새들(10)은 무게 중심에 대해 점 대칭인 위치에 배치된 두 쌍의 안내 부재(16, 11)에 의해 안내되는 동안 무게 중심에 대해 점 대칭인 위치에 배치된 한 쌍의 볼 나사(12) 및 한 쌍의 볼 나사(17)를 통해 구동된다. 이들 동작은 이동의 개시 또는 정지 시의 스핀들 헤드(15) 및 새들(10)의 관성력 및 볼 나사(17, 12)의 구동으로 인해 이들을 지지하는 컬럼(2) 및 새들(10)에서 발생하는 반력을 감소시킨다.

더욱이, 전술된 바와 같이, 스핀들 헤드(15)에서 진동력이 X축 평형추(25)의 수동 반대 위상 운동에 의해 상쇄되고, X축 방향으로의 무게 중심의 위치는 전술된 바와 같이 변경되지 않는다. 한편, 새들(10)에서 무게 균형은 전술된 바와 같이 Y축 평형추(20)의 반대 위상 운동에 의해 수행된다.

그러므로, 새들(10) 및 컬럼(2)을 변형시키는 변형 진동력은 현저하게 감소하고 X축 방향으로의 스핀들 헤드(15)의 이동 중의 진동 및 Y축 방향으로 새들(10)의 이동 중의 진동은 효과적으로 억제된다. 부수적으로, 스핀들 헤드(15)가 X축 방향으로 이동될 때 이의 무게 중심의 위치는 변경되지 않기에 X축 방향으로의 새들(10)의 이동 중의 부과되는 하중은 항상 한 쌍의 우측 및 좌측 볼 나사(12)에 대해 동일하다.

기계 가공 중의 회전 테이블(7) 상에서 작업편의 위치 제어는 회전 테이블(7)의 회전 및 틸트 테이블(8)의 기울어짐에 부가하여 Z축 방향으로의 테이블 본체(3)의 이동(이송)에 의해 수행된다.

이 때, 테이블 본체(3)는 전술된 바와 같이 무게 중심(G)으로부터 측방향으로 동일하게 이격된 위치들에서 테이블 본체(3)의 무게 중심(G)과 동일한 평면에 배치된 한 쌍의 안내 부재(4) 및 한 쌍의 볼 나사(5)에 의해 구동된다. 이 동작은 이동의 개시 또는 정지 시에 테이블 본체(3)의 관성력 및 볼 나사(5)의 구동으로 인해 테이블 본체(3)를 지지하는 베드(1)에 발생하는 반력을 감소시킨다.

그러므로, 베드(1)를 변형시키는 변형 진동력은 현저하게 감소되고, Z축 방향으로의 테이블 본체(3)의 이동 중의 진동은 효과적으로 억제된다.

결과적으로, 본 복합 공작 기계로, 기계 가공 시간이 생산성을 향상시키도록 감소될 수 있다. 또한, 스핀들 헤드(15)를 수용하는 새들(10)이 컬럼(2) 내부에서 이동될 때 다양한 형태의 제어를 수행하는 것이 용이하다.

본 발명이 전술된 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명은 그에 의해 제한되지 않고 많은 다른 방법으로 변경될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들면, 구동계는 볼 나사 및 서보 모터로 제한되지 않고 다른 수단일 수 있다. 안내 부재는 선형 안내부 등일 수 있다. 이러한 변경은 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나는 것으로 간주되지 않고, 이러한 모든 변경은 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함된다는 것이 해당 기술 분야의 숙련자에게 명백하다.

본 발명에 의해 구동계에 의한 구조체의 대한 이동 물체의 이동 중에 발생되는 구조체의 진동을 효과적으로 억제하여, 기계 가공 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있는 공작 기계가 제공될 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수평 복합 공작 기계(machining center)의 사시도.

도2는 수평 복합 공작 기계의 종방향 단면도.

도3은 도2의 선 Ⅲ-Ⅲ을 따라 취한 단면도.

도4는 도3의 선 Ⅳ-Ⅳ을 따라 취한 단면도.

도5는 도2의 선Ⅴ-Ⅴ을 따라 취한 단면도.

도6은 랙 앤 피니언부의 확대 단면도.

도7a 및 도7b는 본 발명의 다양한 개략도.

도8은 스핀들 헤드를 위한 X축 평형추의 작동 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 베드

2 : 컬럼

3 : 테이블 본체

4, 21, 31 : 안내 부재

5, 17 : 볼 나사

6 : 서보 모터

7 : 회전 테이블

8 : 틸트 테이블

9 : 너트부

15 : 스핀들 헤드

18 : 공구 매거진

19 : 공구 교체 아암

20 : Y축 평형추

25 : X축 평형추

30 : Z축 평형추

A : 제1 평면

B : 제2 평면

Claims

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구조체 상에 구비된 안내면을 따라 이동 가능한 이동 물체와,

상기 이동 물체를 이동시키기 위한 구동계를 포함하며,

상기 안내면은 이동 물체의 무게 중심의 위치에 대해 점 대칭인 위치에 제공되고,

상기 구동계는 이동 물체의 무게 중심의 위치와 일치하는 위치 또는 이동 물체의 무게 중심의 위치에 대해 점 대칭인 위치에 제공되며,

이동 물체의 무게 중심의 위치, 안내면 및 구동계가 이동 물체의 이동 방향에 평행한 동일 평면 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
제2항에 있어서, 이동 물체에 연결된 구동계의 연결부는 이동 물체의 무게 중심의 위치를 통과하고 이동 물체의 이동 방향을 지시하는 선 상에 설치된 것을 특징으로 하는 공작 기계.
제2항에 있어서, 이동 물체에 연결된 구동계의 한 쌍의 연결부가 제공되며, 상기 한 쌍의 연결부 사이의 중간점은 이동 물체의 무게 중심의 위치와 일치하는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
제2항에 있어서, 4개의 안내면이 제공되는 것을 특징으로 하는 공작 기계.