TWI520810B

TWI520810B - 工作機械之製造方法及工作機械

Info

Publication number: TWI520810B
Application number: TW102127253A
Authority: TW
Inventors: 田中克敏; 山西紀男; 大曽根渡
Original assignee: 東芝機械股份有限公司
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2016-02-11
Also published as: US20140037397A1; JP5972702B2; CN103659293A; KR20140016832A; TW201424919A; KR101474656B1; JP2014028414A

Description

工作機械之製造方法及工作機械

本發明是關於工作機械之製造方法及工作機械。更詳細地說是關於具備有工件載置用之工作台和主軸頭及使上述主軸頭相對上述工作台移動之相對移動機構的工作機械之製造方法及工作機械。

近年來，對於工作機械，基於生產性提昇的要求，高速化的訴求增加。

應對該訴求，工作機械當中，已知有以輕型化及高剛性為目的，將一部份的零件例如橫樑由碳纖維強化塑膠(carbon fiber reinforced plastics：CFRP)一體成型的工作機械(參閱專利文獻1：日本特開2000-263356號公報)。

然而，就微細加工執行用的工作機械而言，特別是主軸頭必須輕型化。於是，就考量到對於主軸頭構成用的主體部份也需要由CFRP構成。

CFRP的成型方法，已知有下述成型法：將碳纖維往一方向拉齊之帶物或織物浸漬塑膠後製成的中間素材(預浸布)重疊成好幾片，放入加壓容器即壓熱器內，在高溫下加壓使其硬化的預浸布疊層法；及於模具內鋪設預浸布等中間素材，對該中間素材重覆進行混合有硬化劑之熔融塑膠樹脂的塗敷、浸漬、脫泡的同時逐漸使其成型為指定厚度的手工敷層法，或者是，在模具內配置碳纖維的織物之後，使其浸漬母材即樹脂之後硬化的RTM法(樹脂轉注成型法)等。

但是，上述的成型法，由於裝置大規模，或製造上費工費時，因此就會有製造成本昂貴的課題。

本發明之目的，在於針對上述所示之先前技術的課題，提供一種能夠使主軸頭價格便宜且輕型化的工作機械之製造方法及工作機械。

本發明的工作機械之製造方法，其為下述工作機械的製造方法，即，該工作機械，具備：具有工件載置用之工件載置面的工作台；主軸頭；及使上述主軸頭相對上述工作台移動的相對移動機構，上述主軸頭構成為包括：主軸頭主體；透過軸承機構可旋轉地支撐在該主軸頭主體且於前端具有工具的主軸；及使該主軸旋轉驅動的旋轉驅動源，於該工作機械之製造方法中，其特徵為，事先準備好由碳纖維強化塑膠所構成之不同形狀的複數種構造材，接著將上述不同形狀之構造材組合藉此構成上述主軸頭主體。

於此，碳纖維強化塑膠，其可以是聚丙烯腈纖維燒成的聚丙烯腈類或者可以是石碳暨石油化學之殘渣呈現的瀝青於熔融仿絲後燒成的瀝青類。

根據上述構成時，基於事先準備好由碳纖維強化塑膠所構成之不同基本形狀的複數種構造材，因此將該等構造材經組合成接合例如利用黏著劑或鉚釘等接合，藉此就能夠構成主軸頭主體。基於此，主軸頭就能夠價格便宜且輕型化，因此就能夠實現主軸頭的高速化，其結果，能夠應用在微細加工並且能夠有助於生產性的提昇。

於本發明的工作機械之製造方法中，以下述構成為佳，即，上述主軸頭主體，其為正面、兩側面及背面當中至少3個面乃由面材形成之構造材所包圍形成的角筒形狀，且形成為該角筒形狀的下面由下面材形成之構造材所封閉後的構造，構成為透過上述軸承機構使上述主軸頭可旋轉地支撐在上述下面材。

根據上述構成時，主軸頭主體，其為正面、兩側面及背面當中至少3個面乃由面材形成之構造材所包圍形成的角筒形狀，且形成為該角筒形狀的下面由下面材形成之構造材所封閉後的構造，因此就可形成為變形或歪斜現象較少的構造。基於此，就能夠維持工作機械的高精度化。

於本發明的工作機械之製造方法中，以下述構成為佳，即，於上述角筒形狀內，在上下方向的中間位置，設有由補強面材形成的構造材且設置成與上述下面材大致平行。

根據上述構成時，由於在角筒形狀內的中間位置設有由補強面材形成的構造材，因此利用該補強面材就能夠提高主軸頭本體的剛性，能夠抑制變形或歪斜等現象產生。

於本發明的工作機械之製造方法中，以下述構成為佳，即，上述構造材，其與上述面材都是備有剖面C形、I形、L形、H形、T形、四角形、三角形、圓形當中至少1種類的型材。

根據上述構成時，只要將剖面C形、I形、L形、H形、T形、四角形、三角形、圓形當中至少1種類的型材和面材組合，就能夠簡單構成為具有任意之形狀暨構造暨強度的主軸頭主體。

於本發明的工作機械之製造方法中，以下述構成為佳，即，上述相對移動機構，具備：可使上述工作台相對工件載置面朝平行之X軸方向移動的X軸移動機構；跨置在上述工作台的門型立柱；於該門型立柱的橫樑設置成相對上述工作台的工件載置面可朝平行且對上述X軸方向成正交的Y軸方向移動並支撐著上述主軸頭的滑動座架；可使該滑動座架朝Y軸方向移動的Y軸移動機構；及可使上述主軸頭相對上述滑動座架朝上述X、Y軸方向之正交的Z軸方向昇降的Z軸移動機構，此外，上述工作台及滑動座架由上述不同之形狀的構造材所組合構成。

根據上述構成時，由於工作台及滑動座架都是由碳纖維強化塑膠所構成之構造材所組合構成，因此能夠維持高強度、高彈性率的同時實現輕型化。基於此，工作機械全體就能夠維持高精度化的同時能夠高速化，因此就能夠期待生產性的提昇。

本發明的工作機械，其特徵為，其利用上述記載之任何一種的工作機械之製造方法製成。

根據上述構成時，就能夠期待製造方法所述之效果。

1‧‧‧底座

11‧‧‧X軸引導機構

11A‧‧‧導軌

11B‧‧‧滑動構件

12‧‧‧X軸線性馬達機構

12A‧‧‧磁鐵

12B‧‧‧線圈

13‧‧‧工作台

13A‧‧‧構造材

13B‧‧‧補強構造材

13C‧‧‧面材

13D‧‧‧補強面材

20‧‧‧門型立柱

20A‧‧‧橫樑

21‧‧‧Y軸引導機構

21A‧‧‧導軌

21B‧‧‧滑動構件

22‧‧‧Y軸線性馬達機構

22A‧‧‧磁鐵

22B‧‧‧線圈

30‧‧‧主軸裝置

33‧‧‧滑動座架

33A‧‧‧構造材

33B‧‧‧側面材

33C‧‧‧上面材

33D‧‧‧下面材

41‧‧‧Z軸引導機構

41A‧‧‧導軌

41B‧‧‧滑動構件

42‧‧‧Z軸線性馬達機構

42A‧‧‧磁鐵

42B‧‧‧線圈

42C‧‧‧隔熱構件

43‧‧‧主軸頭

44‧‧‧平衡缸筒

44A‧‧‧缸筒主體

44B‧‧‧活塞桿

51‧‧‧主軸頭主體

51A‧‧‧側面材

51B‧‧‧背面材

51C‧‧‧上面材

51D‧‧‧下面材

51E‧‧‧補強面材

51F‧‧‧補強面材

51G‧‧‧孔

51H‧‧‧正面材

51I‧‧‧構造材

52‧‧‧主軸

53‧‧‧旋轉驅動源

54‧‧‧工具

55‧‧‧托座

56‧‧‧軸承機構

W‧‧‧工件

第1圖為表示本發明實施形態相關的工作機械立體圖。

第2圖為表示上述實施形態中主軸裝置及其周邊部份的圖。

第3圖為表示上述實施形態中工作台的構成圖。

第4圖為表示上述實施形態中滑動座架的構成圖。

第5圖為表示上述實施形態中主軸頭主體的構成圖。

第6A圖為表示上述實施形態中構造材的一例圖。

第6B圖為表示上述實施形態中構造材的一例圖。

第6C圖為表示上述實施形態中構造材的一例圖。

第6D圖為表示上述實施形態中構造材的一例圖。

第6E圖為表示上述實施形態中構造材的一例圖。

第6F圖為表示上述實施形態中構造材的一例圖。

第6G圖為表示上述實施形態中構造材的一例圖。

第6H圖為表示上述實施形態中構造材的一例圖。

第6I圖為表示上述實施形態中構造材的一例圖。

第7圖為表示上述主軸頭主體的另一例圖。

[發明之實施形態]

以下，根據圖面對本發明的實施形態進行說明。

<實施形態的構成>

本工作機械，如第1圖所示，其由下述構件所構成，即，本工作機械具備：底座1和於該底座1設置成透過做為X軸移動機構的X軸引導機構11及X軸線性馬達機構12可朝X軸方向移動且於上面具有工件W載置用之工件載置面的工作台13；跨置在該工作台13的門型立柱20；及於該門型立柱20之橫樑20A設置成透過做為Y軸移動機構的Y軸引導機構21及Y軸線性馬達機構22可朝Y軸方向移動的主軸裝置30。

X軸引導機構11，其構成包括：沿著X軸方向成彼此平行配置在底座1上面的導軌11A；及於工作台13的下面設置成可沿著導軌11A滑動的滑動構件11B。

X軸線性馬達機構12，其由下述構成的線性馬達所構成，即，該線性馬達包括：於底座1的上面在導軌11A之間排列成與該等導軌11A平行的磁鐵12A；及於該磁鐵12A隔著間隙安裝在工作台13下面的線圈12B。

Y軸引導機構21，如第2圖中也有圖示，其構成包括：在門型立柱20之橫樑20A上面沿著Y軸方向配置成彼此平行的導軌21A；及於主軸裝置30的下面設置成可沿著導軌21A滑動的滑動構件21B。

Y軸線性馬達機構22，其由下述構成的線性馬達所構成，即，該線性馬達包括：於門型立柱20之橫樑20A上面在導軌21A之間排列成與該等導軌21A平行的磁鐵22A；及於該磁鐵22A隔著間隙安裝在主軸裝置30下面的線圈22B。

<主軸裝置之說明：參閱第2圖>

主軸裝置30，如第2圖中也有圖示，其由下述構件所構成，即，主軸裝置30具備：於門型立柱20的橫樑20A設置成透過Y軸引導機構21及Y軸線性馬達機構22可朝Y軸方向移動之做為主軸頭支撐構件的滑動座架33；於該滑動座架33設置成透過做為Z軸移動機構的Z軸引導機構41及做為昇降機構的Z軸線性馬達機構42可昇降的主軸頭43；及可產生彈推力至少支撐該主軸頭43之重量一部份的平衡缸筒44。

Z軸引導機構41，其構成包括：沿著Z軸方向成彼此平行配置在主軸頭43之背面的導軌41A；及固定在滑動座架33的正面且將導軌41A引導成可滑動的滑動構件41B。

Z軸線性馬達機構42，其由下述構成的線性馬達所構成，即，該線性馬達包括：於主軸頭43之背面在導軌41A之間排列成與該等導軌41A平行的磁鐵42A；及於該磁鐵42A隔著間隙安裝在滑動座架33正面的線圈42B。

於此，線圈42B的周圍由隔熱構件42C包覆著。隔熱構件42C，由鋁或塑膠等材料形成箱形。

主軸頭43，如第1圖所示，其構成包括：主軸頭主體51和於該主軸頭主體51透過軸承機構56支撐成可旋轉的主軸52；及可使該主軸52旋轉驅動的旋轉驅動源53。於主軸52安裝有可裝卸的工具54。旋轉驅動源53由馬達構成。

平衡缸筒44，分別設置在彼此之間夾著主軸頭43的兩側。

各平衡缸筒44由：上端透過托座55支撐在滑動座架33的缸筒主體44A；及於上端具有可滑動收納在缸筒主體44A內的活塞且下端連結在主軸頭43下端的活塞桿44B所構成。

於活塞所區劃之缸筒主體44A的下部腔室，透過壓力調節器等從省略圖示之空氣供應源供應有空氣。其結果，利用平衡缸筒44，就可朝上對主軸頭43施加有與主軸頭43重量平衡的彈推力。

於本實施形態中，可使工作台13和主軸頭43相對移動的相對移動機構當中，活動側構件是於事先藉由將碳纖維強化塑膠(CFRP)所構成之不同基本形狀的複數種構造材經組合後構成。

於此，工作機械構成用的構成要素當中，工作台13、滑動座架33及主軸頭主體51，是藉由將碳纖維強化塑膠(以下說明中，有時會直接稱CFRP)所構成之不同形狀的複數種構造材經組合後構成。其次，針對該等的製造方法及構造進行說明。

(工作台13的製造方法)

工作台13，如第3圖所示，其由：配置在四角形狀工作台13四邊之剖面C形的CFRP製構造材13A；由該構造材13A所包圍且架設在前後的構造材13A之間的剖面I形之CFRP製補強構造材13B；配置在構造材13A、13B上下面之四角形的CFRP製面材13C；及黏接在下面的CFRP製補強面材13D所構成。

(滑動座架33的製造方法)

滑動座架33，如第4圖所示，其由：配置在箱形狀之滑動座架33其四角隅的剖面L形狀之CFRP製構造材33A；黏接在各構造材33A之間的四角形之CFRP製側面材33B；黏接在上面之四角形的CFRP製上面材33C；及黏接在底面之CFRP製下面材33D所構成。

(主軸頭主體51的製造方法)

主軸頭主體51，如第5圖所示，其由：配置成彼此平行之CFRP製側面材51A；黏接在該側門材51A之背面的CFRP製背面材51B；黏接在側面材51之上面及底面的CFRP製上面材51C及CFRP製下面材51D；插入在側面材51A之中間的CFRP製補強面材51E；及黏接在側面材51A及背面材51B之下面的CFRP製補強面材51F所構成。即，主軸頭主體51，形成為正面及上面之前半部為開放的縱長箱形。於下面材51D的中心，形成有主軸52插入用的孔51G。

<實施形態的作用、效果>

於上述所示構成之工作機械中，於工件W加工時，是將工件W配置在工作台13上之後，在使工作台13朝X軸方向移動，使滑動座架33朝Y軸方向移動，使主軸頭43朝Z軸方向移動的同時，利用工具54對工件W進行加工。

於本實施形態，該等活動側構件，即，工作台13、滑動座架33及主軸頭43構成用的主軸頭主體51，都是由碳纖維強化塑膠所構成，因此，就能夠使該等構件輕型化。基於此，就能夠使該等構件的移動速度高速化，因此就能夠期待生產性的提昇。

再加上，工作台13、滑動座架33及主軸頭43構成用的主軸頭主體51，都是由碳纖維強化塑膠所構成之不同形狀的複數種構造材經組合製成，因此就能夠便宜製造。

特別是，主軸頭主體51，其為正面、兩側面及背面當中至少3個面(兩側面及背面)乃由CFRP製的側面材51A、背面材51B形成之構造材所包圍形成的角筒形狀，且形成為上面及下面由CFRP製的上面材51C及下面材51D形成之構造材所封閉後的構造，因此就可形成為變形或歪斜現象較少的構造。基於此，就能夠維持工作機械的高精度化。

此外，由於在角筒形狀內的中間位置設有由CFRP製的補強面材51E形成的構造材，因此利用該補強面材51E就能夠提高主軸頭本體51的剛性，能夠抑制變形或歪斜等現象產生。

另，由於主軸頭主體51的正面為開放，因此其優點為當支撐有主軸52的軸承機構56或旋轉驅動源53要組裝在主軸頭主體51內時組裝作業容易。

此外，主軸頭43昇降用的昇降機構，包含Z軸線性馬達機構42所構成，該線性馬達機構包括：沿著主軸頭43之昇降方向設置在主軸頭43的磁鐵42A；及配置在滑動座架33且與磁鐵42A相向的線圈42B，因此就能夠順暢並且高精度使主軸頭43昇降動作。

再加上，Z軸線性馬達機構42構成用之線圈42B的周圍由隔熱構件42C包覆著，因此就能夠防止線圈的發熱導致主軸頭主體51等產生熱變形。基於此就能夠維持高精度。

<變形例>

另，本發明並不限於上述的實施形態，只要能夠達成本發明之目的範圍內的變形、改良等都包括在本發明。

上述實施形態中，構造材，雖然使用剖面C形、I形、L形的型材和面材，但並不限於此。例如：除了使用如第6A圖~第6D圖所示之剖面C形、I形、L形的型材和面材以外，也可事先準備如第6E圖~第6I圖所示之剖面H形、T形、三角形、圓形、四角形等的構造材，從當中選出需要的構造材，藉此構成機械的零件。

另，於事先要製造該等構造材時，需執行適合構造材之剖面形狀的成型法。例如：當要製造三角形、圓形、四角形等的構造材時，以連續之碳纖維浸染有樹脂的預浸布捲繞在芯具藉此成型為筒狀的成型法為佳。

上述實施形態中，主軸頭主體51，其僅以面材(側面材51A、背面材51B、上面材51C、下面材51D及補強面材51E、51F)構成，但並不限於此，其也可形成為如第7圖所示之構造。即，如第7圖所示，主軸頭主體51也可形成為下述構造：除了使用側面材51A、背面材51B以外，組合有CFRP製構造材形成的正面材51H藉此形成四角筒狀，於該等四角隅接合有剖面L形狀的CFRP製構造材511。

主軸頭主體51為上述構造時，由於主軸頭主體51的正面由正面材51H封閉著，即，主軸頭主體51形成為封閉的角筒形狀，因此其就有剛性更高的優勢。

上述實施形態中，使工作台13和工具54相對移動的相對移動機構當中，針對活動側構件，乃事先藉由碳纖維強化塑膠構成之不同形狀的複數種構造材之組合所構成，但並不限於此。

例如：門型立柱20之橫樑20A也可藉由碳纖維強化塑膠構成之不同形狀的複數種構造材經組合後所構成，或者，也可又包括底座1，將工作機械的主要構造材全部都藉由碳纖維強化塑膠構成之不同形狀的複數種構造材經組合後所構成。

上述實施形態中，工作機械，其構成為工作台13可朝X軸方向移動，並且主軸頭43可朝Y軸方向及Z軸方向移動，但並不限於此。工作機械只要構成為其主軸頭43至少可往一次元(1軸方向)以上移動的構造即可，並不拘任何構造。

此外，上述實施形態中，各軸移動機構由線性馬達機構所構成，即，分別由X軸線性馬達機構12、Y軸線性馬達機構22、Z軸線性馬達機構42所構成，但並不一定非要由線性馬達機構所構成不可。各軸移動機構也可以是使用滾珠螺桿的進給機構。

另外，上述實施形態中，主軸52的旋轉驅動源53乃使用馬達，但並不限於此，其也可以為例如氣動渦輪機構。

此外，上述實施形態中，乃利用平衡缸筒44產生可與主軸頭43之重量平衡的彈推力，但平衡缸筒44並不一定非要構成為可產生有與主軸頭43之重量平衡的彈推力不可，其也可以構成為只產生有至少能夠支撐主軸頭43之重量一部份的彈推力。