WO2009098931A1 - 工作機械 - Google Patents

Abstract

　主軸の各軸方向への移動によりコラムが変形しても、加工精度の低下を防止することができる工作機械を提供する。そのため、工具（Ｔ）とワーク（Ｗ）とを相対移動させて当該ワーク（Ｗ）を加工する工作機械（１）であって、工具（Ｔ）を着脱可能に装着する主軸（１９）を回転可能に支持するサドル（１６）と、サドル（１６）を移動可能に支持し、且つ、移動可能に設けられるコラム（１４）と、サドル（１６）及びコラム（１４）の少なくともいずれか一方の移動により発生したコラム（１４）の変形を検出するコラム変形検出装置（３０）とを備え、コラム変形検出装置（３０）の検出結果に基づいて、工具（Ｔ）及びワーク（Ｗ）の少なくともいずれか一方の移動に補正を行う。

Description

工作機械

　本発明は、工具と被加工物とを相対移動させて当該被加工物を加工する工作機械に関する。

　近年、工作機械に対する高精度加工の要求がますます高まってきている。工作機械の加工精度は、ワークが取り付けられるテーブルや主軸を支持するサドル等の移動の平滑さ、移動の真直度、移動と主軸中心線との平行度及び直角度等、機械本体の幾何学的精度に大きく左右され、加工中における工具とワークとの相対位置の精度によって決定される。

　また、ワークを高精度に加工するためには、工作機械自体が高い寸法精度を維持することが必要である。つまり、工作機械を構成するテーブルやサドル等の構造体だけでなく、これらの移動を支持すると共にその移動の基準となるベッドやコラム等の構造体の位置精度も重要となっている。そのため、これら工作機械を構成する構造体は、応力等により変形しないように、高い剛性を持って設計され、且つ、振動の影響を受けないように工夫されている。

　ところが、工作機械は、それ自体から発生する熱の影響や、周囲の温度の影響を受けて、それを構成する構造体が熱膨張して、変形してしまうことがある。つまり、工作機械では、その運転により、各種モータ、工具、ワーク等が熱の発生源となり、その熱が構造体に伝達して熱変形が生じてしまう。また、工作機械の設置雰囲気の温度変化や温度分布の差により、構造体も前後左右上下の各部で温度差が生じ、倒れや反り等の熱変形が生じてしまう。このように、構造体に熱変形が生じると、主軸が傾いてしまい、ワークの加工精度を低下させるおそれがある。

　そこで、従来から、工作機械自体の発熱や工作機械周辺の温度環境に起因するワークの加工精度に対して、種々の対策が講じられている。そして、このような問題を解決するようにした工作機械は、例えば、特許文献１，２に開示されている。

特開平４－８２６４９号公報 特開平６－３９６８２号公報

　ここで、工作機械においては、工具を支持する主軸は、複数の構造体により、その各軸方向に移動可能となっており、この主軸の移動によっては構造体に変形が生じてしまうことがある。

　例えば、横形中ぐり盤のような工作機械においては、主軸を支持するサドルをコラムの側面で移動可能に支持すると共に、コラム自体も移動可能となっている。このため、特に大型のものになると、コラムの高さが高く、且つ、サドルの重量が重くなることから、サドルが上方に移動するのに従って、コラムの変形（傾き）が大きくなり、サドルの上下移動の真直度を保つことが困難となる。また、コラムを移動させる場合には、その移動を支持するベッドの真直度に影響して、コラムは角度偏差（ピッチ、ロール、ヨー）をしながら移動することになり、当該コラムに変形（傾き）が生じてしまう。この結果、主軸の先端位置に誤差が発生し、ワークの加工精度を低下させるおそれがある。

　しかしながら、従来の工作機械においては、上述したような、主軸の各軸方向への移動に起因するコラムの変形については何ら講じておらず、加工精度の低下を招くおそれがある。即ち、より高い加工精度を実現するためには、工作機械自体の発熱や工作機械周辺の温度環境に起因する構造体の熱変形だけでなく、主軸の各軸方向への移動に起因する構造体の変形も考慮する必要があると考えられる。

　従って、本発明は上記課題を解決するものであって、主軸の各軸方向への移動によりコラムが変形しても、加工精度の低下を防止することができる工作機械を提供することを目的とする。

　上記課題を解決する第１の発明に係る工作機械は、
　工具と被加工物とを相対移動させて当該被加工物を加工する工作機械であって、
　前記工具を着脱可能に装着する主軸を回転可能に支持するサドルと、
　前記サドルを移動可能に支持し、且つ、移動可能に設けられるコラムと、
　前記サドル及び前記コラムの少なくともいずれか一方の移動により発生した前記コラムの変形を検出するコラム変形検出手段と、
　前記コラム変形検出手段の検出結果に基づいて、前記工具及び被加工物の少なくともいずれか一方の移動に補正を行う補正手段とを備えた
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第２の発明に係る工作機械は、
　前記コラム変形検出手段は、
　前記コラムに鉛直に吊り下げられる被計測部と、
　前記コラムと前記被計測部との間の距離を計測する計測手段とを備える
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第３の発明に係る工作機械は、
　前記コラム変形検出手段は、前記被計測部の揺れを減衰させる減衰手段を備える
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第４の発明に係る工作機械は、
　前記コラム変形検出手段は、
　前記コラムに取り付けられ、粘性流体を収容する容器と、
　前記コラムにワイヤを介して鉛直に吊り下げられる吊り下げ部材と、
　前記吊り下げ部材に球面ブッシュを介して上端が支持され、被計測部を有する第１棒状部材と、
　前記吊り下げ部材に球面ブッシュを介して上端が支持され、下端が前記容器の粘性流体中に入れられた第２棒状部材と、
　前記コラムに取り付けられ、前記被計測部までの距離を計測する距離センサとを備える
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第５の発明に係る工作機械は、
　前記コラム変形検出手段を前記コラム内に設ける
　ことを特徴とする。

　従って、本発明に係る工作機械によれば、主軸の各軸方向への移動によりコラムが変形しても、検出したコラムの変形量に基づいて、工具及び被加工物の少なくともいずれか一方の移動を補正することにより、加工精度の低下を防止することができる。

本発明の一実施例に係る工作機械の概略斜視図である。 コラム変形検出装置の概略構成図である。 コラムの横断面図である。 コラムのＸ軸方向への変形の様子を示した概略図である。 コラムのＺ軸方向への変形の様子を示した概略図である。

　以下、本発明に係る工作機械について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例に係る工作機械の概略斜視図、図２はコラム変形検出装置の概略構成図、図３はコラムの横断面図、図４はコラムのＸ軸方向への変形の様子を示した概略図、図５はコラムのＺ軸方向への変形の様子を示した概略図である。なお、各図に記載される、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及び、Ｚ（Ｗ）軸方向は、それぞれが直交する直交３軸方向を示すものであって、機械前後方向、機械上下方向、及び、機械幅方向を示している。また、下記に記載した本実施例は、本発明に係る工作機械を、大型の横形中ぐり盤に適用したものである。

　図１に示すように、大型の横形中ぐり盤である工作機械１には、床面に固定されるベッド１１が設けられており、このベッド１１の上面には、Ｘ軸方向に延在する左右一対のガイドレール１２ａ，１２ｂが設けられている。ガイドレール１２ａ，１２ｂには、コラムベース１３がＸ軸方向に摺動可能に支持されており、このコラムベース１３の上面には、中空状のコラム１４が立設されている。従って、図示しないコラム駆動モータやコラム送りねじ機構等からなるコラム駆動手段を駆動させることにより、コラムベース１３（コラム１４）はＸ軸方向に移動可能となっている。

　コラム１４の前面（後述する側壁１４ｂ）には、Ｙ軸方向に延在する左右一対のガイドレール１５ａ，１５ｂが設けられており、このガイドレール１５ａ，１５ｂには、サドル１６がＹ軸方向に摺動可能に支持されている。従って、図示しないサドル駆動モータやサドル送りねじ機構等からなるサドル駆動手段を駆動させることにより、サドル１６はＹ軸方向に移動可能となっている。

　サドル１６には、Ｚ軸方向に貫通するガイド部１７が形成されており、このガイド部１７内には、ラム１８がＺ軸方向に摺動可能に支持されている。従って、図示しないラム駆動モータやラム送りねじ機構等からなるラム駆動手段を駆動させることにより、ラム１８はＺ軸方向に移動可能となっている。

　ラム１８内には、主軸１９が回転可能に、且つ、Ｗ軸方向に摺動可能に支持されており、この主軸１９の先端には、所定の加工を行う工具Ｔが着脱可能に装着されている。従って、図示しない主軸回転モータ等からなる主軸回転手段を駆動させることにより、主軸１９はＷ軸周りに回転可能となっており、更に、図示しない主軸駆動モータや主軸送りねじ機構等からなる主軸駆動手段を駆動させることにより、主軸１９はＷ軸方向に移動可能となっている。

　また、ベッド１１の側方には、床面に固定されるテーブルベッド２１が設けられており、このテーブルベッド２１の上面には、Ｚ軸方向に延在する前後一対のガイドレール２２ａ，２２ｂが設けられている。ガイドレール２２ａ，２２ｂには、テーブルベース２３がＺ軸方向に摺動可能に支持されており、更に、このテーブルベース２３の上部には、回転テーブル２４が回転可能に支持されている。そして、回転テーブル２４の上面には、ワーク（被加工物）Ｗが着脱可能に装着されている。従って、図示しないテーブル駆動モータやテーブル送りねじ機構等からなるテーブル駆動手段を駆動させることにより、テーブルベース２３（回転テーブル２４）はＺ軸方向に移動可能となっており、更に、図示しないテーブル回転モータ等からなるテーブル回転手段を駆動させることにより、回転テーブル２４はＹ軸周りに回転可能となっている。

　そして、工作機械１には、当該工作機械１全体を制御するためのＮＣ装置（補正手段）５０が設けられている。このＮＣ装置５０は、上述した各駆動手段及び各回転手段等に接続されており、工具Ｔ及びワークＷの移動方向や移動速度を切り替えると共に、それらの移動量や回転量を調整して、当該工具Ｔ及びワークＷの位置決め制御やワークＷの割出制御を行うようになっている。これにより、工具ＴとワークＷとが相対的に移動されて、ワークＷに所定の形状が加工されることになる。

　図２及び図３に示すように、コラム１４は、上壁１４ａ及び側壁１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅを有し、中空状に形成されている。このようなコラム１４内には、コラム変形検出装置（コラム変形検出手段）３０が上壁１４ａの下面に鉛直に垂れ下がるように支持されている。

　コラム変形検出装置３０は、柔らかい２本のワイヤ３１を有しており、これらワイヤ３１の両端部は、上壁１４ａの下面に取り付けられている。ワイヤ３１には、通し部材３２を介して吊り下げ部材３３が吊り下げられており、この吊り下げ部材３３には、球面ブッシュ３４を介して懸垂棒（第１棒状部材，第２棒状部材）３５，３６が取り付けられている。なお、ワイヤ３１については、任意にその材質や太さを設定することが可能であるが、コラム１４が変形して傾いても、常に鉛直に垂れ下がることができるような低剛性のものであればよい。

　懸垂棒３５の軸方向中間部及び下端には、被計測部材３７，３８が設けられている。被計測部材３７には、被計測面（被計測部）３７ａ，３７ｂが形成されており、被計測部材３８には、被計測面（被計測部）３８ａ，３８ｂが形成されている。被計測面３７ａ，３８ａは、Ｘ軸方向と直交するような平面に形成される一方、被計測面３７ｂ，３８ｂは、Ｚ軸方向と直交するような平面に形成されている。また、懸垂棒３６の下端には、重り３９が設けられている。

　そして、側壁１４ｂの内面には、上下一対の距離センサ（計測手段）４０ａ，４０ｂが被計測面３７ａ，３８ａと対向するように設けられると共に、側壁１４ｅの内面には、上下一対の距離センサ（計測手段）４１ａ，４１ｂが被計測面３７ｂ，３８ｂと対向するように設けられている。距離センサ４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂは、非接触式のセンサであって、このうち距離センサ４０ａ，４０ｂは被計測面３７ａ，３８ａまでの距離を常に計測すると共に、距離センサ４１ａ，４１ｂは被計測面３７ｂ，３８ｂまでの距離を常に計測するようになっている。更に、距離センサ４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂには、ＮＣ装置５０が接続されており、これら距離センサ４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂにより計測された計測距離（検出結果）は、ＮＣ装置５０に入力されるようになっている。

　また、側壁１４ｄの内面には、図示しない支持部材を介して、オイルパン（容器）４２が支持されている。オイルパン４２には、高粘性流体であるオイル４３が貯溜されており、このオイルパン４２のオイル４３の中には、懸垂棒３６が入れられている。なお、オイルパン４２及びオイル４３は、減衰手段を構成するものである。

　即ち、ＮＣ装置５０においては、距離センサ４０ａ，４０ｂにより計測された被計測面３７ａ，３８ａまでの計測距離の差から、コラム１４のＸ軸方向への変形量（傾き量）を演算すると共に、距離センサ４１ａ，４１ｂにより計測された被計測面３７ｂ，３８ｂまでの計測距離の差から、コラム１４のＺ軸方向への変形量（傾き量）を演算する。そして、演算したコラム１４のＸ軸方向及びＺ軸方向への変形量に基づいて、各駆動手段の駆動を補正して、ワークＷに所定の形状が加工されるように、工具Ｔ及びワークＷの位置制御を行うようになっている。

　また、外乱振動等によって懸垂棒３５，３６が吊り下げ部材３３と共に揺れたとしても、懸垂棒３６の揺れがオイルパン４２のオイル４３により速やかに減衰されるため、懸垂棒３５の揺れも短時間で減衰されるようになっている。

　従って、ワークＷを工作機械１により加工する場合には、ワークＷを回転テーブル２４の上面に装着し、テーブルベース２３をＺ軸方向に移動させて、ワークＷを加工位置に移動させる。次いで、主軸１９により工具Ｔを回転させながら、コラム１４をＸ軸方向に移動させたり、サドル１６をＹ軸方向に移動させたり、ラム１８をＺ軸方向に移動させたり、主軸１９をＷ軸方向に移動させたりする。また、必要に応じて回転テーブル２４を回転させて、ワークＷの割出回転を行う。これにより、工具ＴによるワークＷに対する加工が行われる。

　ここで、上述したように、ワークＷの加工時においては、工具ＴをＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｗ軸方向の少なくともいずれか１方向に移動させる必要があるが、特に、工具ＴをＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる場合には、コラム１４が変形し易くなる。これにより、コラム１４が変形した分、主軸１９の先端位置に誤差が発生し、加工精度が低下するおそれがある。

　つまり、横形中ぐり盤のような工作機械１においては、主軸１９を回転可能に支持するサドル１６をコラム１４の側壁１４ｂで移動可能に支持する構造になっているため、図４に示すように、サドル１６をＹ軸方向に移動させると、コラムベース１３とコラム１４との接合点を基準として、コラム１４はＸ軸方向に傾いてしまう。特に、工作機械１が大型のものになると、コラム１４の高さが高く、且つ、サドル１６の重量が重くなることから、サドル１６が上方に移動するに従って、コラム１４の変形が多くなり、サドル１６の上下移動の真直度が保てなくなってしまう。

　また、コラム１４（コラムベース１３）をベッド１１上でＸ軸方向に移動させる場合には、ベッド１１やガイドレール１２ａ，１２ｂの真直度に影響して、コラム１４は角度偏差（ピッチ、ロール、ヨー）をしながら移動することになる。これにより、図５に示すように、コラムベース１３とコラム１４との接合点を基準として、コラム１４はＺ軸方向に傾いてしまう。

　更に、図３に示すように、コラム１４の側壁１４ｂ，１４ｄの厚さは、ガイドレール１５ａ，１５ｂが側壁１４ｂに形成される分だけ異なっており、厚肉の側壁１４ｂと薄肉の側壁１４ｄとでは、熱容量に差が生じてしまう。これにより、各駆動手段及び回転手段、工具Ｔ、ワークＷ等が発熱したり、工作機械１の設置雰囲気の温度が変化したりすると、熱容量が大きい側壁１４ｂよりも、熱容量が小さい側壁１４ｄの方が、熱変形し易くなり、結果として、コラム１４はＸ軸方向に傾いてしまう。

　このように、コラム１４にＸ軸方向及びＺ軸方向への変形が発生すると、主軸１９の先端位置に誤差が発生し、ワークＷの加工精度を低下させるおそれがある。そこで、工作機械１においては、コラム１４内に設けたコラム変形検出装置３０によって、当該コラム１４に複合的に発生する変形を、直接的に常時検出するようにしている。

　即ち、サドル１６をＹ軸方向に移動してコラム１４にＸ軸方向への変形が発生した場合、及び、工作機械１自体の発熱や設置雰囲気の温度変化によりコラム１４にＸ軸方向への熱変形が発生した場合には、先ず、距離センサ４０ａ，４０ｂにより被計測面３７ａ，３８ａまでの距離が計測される。そして、これら計測された計測距離がＮＣ装置５０に入力されると、当該ＮＣ装置５０によりその差が演算される。次いで、ＮＣ装置５０は、この演算した計測距離の差から、コラム１４のＸ軸方向への変形量を演算し、この変形量に基づいて、各駆動手段の駆動を補正して工具Ｔ及びワークＷの位置制御を行う。

　また、コラム１４をＸ軸方向に移動してコラム１４にＺ軸方向への変形が発生した場合には、先ず、距離センサ４１ａ，４１ｂにより被計測面３７ｂ，３８ｂまでの距離が計測される。そして、これら計測された計測距離がＮＣ装置５０に入力されると、当該ＮＣ装置５０によりその差が演算される。次いで、ＮＣ装置５０は、この演算した計測距離の差から、コラム１４のＺ軸方向への変形量を演算し、この変形量に基づいて、各駆動手段の駆動を補正して工具Ｔ及びワークＷの位置制御を行う。

　従って、本発明に係る工作機械によれば、工具ＴによるワークＷの加工時において、コラム変形検出装置３０により、コラム１４やサドル１６が移動する際に発生するコラム１４のＸ軸方向及びＺ軸方向への変形を検出した後、ＮＣ装置により、この検出結果に基づいて各駆動手段の駆動を補正して工具Ｔ及びワークＷの位置制御を行うようにしたことにより、加工精度の低下を防止することができる。

　また、コラム変形検出装置３０においては、ワイヤ３１により吊り下げた吊り下げ部材３３に、球面ブッシュ３４を介して懸垂棒３５，３６の上端を支持すると共に、懸垂棒３６の下端をオイルパン４２のオイル４３に入れることにより、外乱振動がコラム１４に発生しても、懸垂棒３５，３６の揺れを短時間で減衰させるだけでなく、当該懸垂棒３５，３６を常に鉛直方向に静止した状態に保持することができる。この結果、距離センサ４０ａ，４０ｂ，４１ａ，４１ｂにより、被計測部材３７，３８の被計測面３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂまでの距離を、直接的に素早く正確に計測することができる。更に、コラム変形検出装置３０をコラム１４内に設けることにより、省スペース化を図ることができるので、工作機械１を必要以上に大型にする必要もない。

　本発明は、マシニングセンタ等の工作機械おいて、固定されたコラムの熱変形に起因する加工精度の低下を防止する熱変形防止構造に適用可能である。
                                                                                    

Claims (5)

1. 　工具と被加工物とを相対移動させて当該被加工物を加工する工作機械であって、
   　前記工具を着脱可能に装着する主軸を回転可能に支持するサドルと、
   　前記サドルを移動可能に支持し、且つ、移動可能に設けられるコラムと、
   　前記サドル及び前記コラムの少なくともいずれか一方の移動により発生した前記コラムの変形を検出するコラム変形検出手段と、
   　前記コラム変形検出手段の検出結果に基づいて、前記工具及び被加工物の少なくともいずれか一方の移動に補正を行う補正手段とを備えた
   　ことを特徴とする工作機械。
2. 　請求項１に記載の工作機械において、
   　前記コラム変形検出手段は、
   　前記コラムに鉛直に吊り下げられる被計測部と、
   　前記コラムと前記被計測部との間の距離を計測する計測手段とを備える
   　ことを特徴とする工作機械。
3. 　請求項２に記載の工作機械において、
   　前記コラム変形検出手段は、前記被計測部の揺れを減衰させる減衰手段を備える
   　ことを特徴とする工作機械。
4. 　請求項１に記載の工作機械において、
   　前記コラム変形検出手段は、
   　前記コラムに取り付けられ、粘性流体を収容する容器と、
   　前記コラムにワイヤを介して鉛直に吊り下げられる吊り下げ部材と、
   　前記吊り下げ部材に球面ブッシュを介して上端が支持され、被計測部を有する第１棒状部材と、
   　前記吊り下げ部材に球面ブッシュを介して上端が支持され、下端が前記容器の粘性流体中に入れられた第２棒状部材と、
   　前記コラムに取り付けられ、前記被計測部までの距離を計測する距離センサとを備える
   　ことを特徴とする工作機械。
5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の工作機械において、
   　前記コラム変形検出手段を前記コラム内に設ける
   　ことを特徴とする工作機械。
                                                                                       

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