JP2010247328A - 工作機械 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】工作機械1は、機械本体11と、工具を保持し機械本体に移動可能に設けられた刃物台14と、機械本体に設けられて工作物を保持可能な主軸台と、この主軸台に対向して機械本体に設けられ、工作物を保持可能な第2主軸台60と、この第2主軸台の下方に左右方向に延びて機械本体に配置されたクーラントタンク80および切り屑用コンベア81の一方または両方とを有する。工作機械1は、第2主軸台60の重心G3のほぼ下方に左右方向に延びて機械本体のベッド17に取付けられ、第2主軸台60を左右方向に移動可能に支持する主ガイドレール66と、この主ガイドレールの後部に左右方向に延びてベッドに取付けられ、第2主軸台60を振れ止めしながら左右方向に移動可能に支持する少なくとも1本の補助ガイドレール67とを備えている。
【選択図】図5
Description
上梁部と下梁部には、上部のガイドレールと下部のガイドレールとがそれぞれ設けられている。この一対のガイドレールに案内支持されて、移動体が左右方向に移動する。
しかしながら、このようなタイプの工作機械で、門形基体を、左右方向に長く延びた形状にするとともに鋼製にすると、左右方向に延びた上梁部が自重により下方に撓む。そうすると、上部ガイドレールも変形し、移動体もこの上部ガイドレールの変形の影響を受ける。その結果、移動体を安定して左右方向にスムーズに且つ高速で移動させるのが困難になり、加工精度が低下してしまう。
その結果、移動体を左右方向に移動させるための力に偏りが生じて、移動体が安定して左右方向にスムーズに且つ高速で移動するのが困難であった。
前記クーラントタンクおよび前記切り屑用コンベアの一方または両方を、前記機械本体の前方から収納引き出し可能にするのが好ましい。
また、前記主ガイドレールは、前記第2主軸台の重心位置を通り上下方向を向く直線を含んで左右方向に延びる平面を中心として、前記第2主軸台の前部分と後部分とをほぼ面対称構造で支持するのが好ましい。
他の発明にかかる工作機械は、正面から見て左右に一対配置され且つベッド上に縦方向に設置されたコラムと、この一対のコラムの上部に左右方向に掛け渡されたビームとにより、左右方向に延びて前記ベッド上に設置された門形基体が構成され、刃物台を有する移動体が左右方向に移動する工作機械であって、左右方向に延びて前後に並んで前記ベッド上に平行に配置され、前記移動体を左右方向に移動可能に支持する一対のガイドレールと、前記門形基体の上部と下部にそれぞれ配置され、且つ左右方向に延びてこの門形基体に支持され、前記移動体を左右方向に移動させるための上部ボールねじおよび下部ボールねじとを備え、前記ビームと前記移動体との間での力の伝達を遮断している。
好ましくは、前記ベッドは、前記移動体の平面視での移動領域におけるベッド上面には若干の段差はあっても傾斜面のほとんどないフラットベッドであり、前記ベッド上面に設置された前記一対のガイドレールは、互いに床面から同一高さまたはほぼ同一高さに設置されている。
たとえば、前記門形基体は、左右方向に長く延びた形状を有するとともに鋼製であるのが好ましい。
好ましい一実施態様として、前記門形基体の左右方向の長さ寸法は約5,000mmないし約9,200mmであり、軸線方向の長さ寸法が約1,000mmないし約6,000mmの工作物も加工可能である。
前記門形基体の上部に取付けられた前記上部ボールねじは、前記門形基体に対して取外し,取付け可能であるのが好ましい。
この工作機械は、主ガイドレールと補助ガイドレールとを備えている。主ガイドレールは、前記第2主軸台の重心のほぼ下方に左右方向に延びて前記機械本体のベッドに取付けられ、前記第2主軸台を左右方向に移動可能に支持している。補助ガイドレールは、主ガイドレールの後部に左右方向に延びて前記ベッドに取付けられ、前記第2主軸台を振れ止めしながら左右方向に移動可能に支持している。これにより、第2主軸台を前後方向に関してバランスよく支持するという目的が実現される。
図1は工作機械の斜視図、図2,図3は、それぞれ工作機械の構造を示す斜視図,正面図である。図4は図3のIV−IV線断面図、図5,図6,図7は、それぞれ図3の右側面図,左側面図,平面図である。
図1ないし図7において、本実施例にかかる工作機械1は複合加工機である。工作機械1は、主軸台6と、工具用主軸15を有する刃物台14とを備えている。主軸台6は、工作物3を把持するチャック5が設けられる工作物用主軸4を回転可能に支持している。
工作機械1は、工作物3を工具2で旋削加工する旋盤の機能と、切削加工するマシニングセンタの機能とを有している。また、工作機械1は、工作物3をボーリングバー(図示せず)で加工するボーリングマシンの機能も有している。
工作機械1で工作物3を旋削加工または切削加工するための工具2は、ATC(自動工具交換装置)10により交換される。工具2は、刃物台14に設けられた工具用主軸15に装着されている。この工具2で、チャック5に把持されている工作物3を加工する。
工具2の種類としては、旋削加工を行うための工具、工具用主軸15で回転駆動される回転工具、工具自体が長寸法のボーリングバーなどがある。
工作機械1を旋盤として使用するときには、工具2は回転せず、工作物3を回転させて工具2で旋削加工を行う。工作機械1をマシニングセンタとして使用するときには、工具用主軸15により工具2を回転させて、非回転の工作物3の切削加工を行う。このときの刃物台14は、マシニングセンタの主軸頭としての機能を発揮することになる。
工作機械1は、NC(数値制御)装置とPLC(プログラマブル・ロジック・コントローラ)とを有する制御装置により制御されている。工作機械1の所定位置には、制御装置の制御盤16が設けられている。
床面FLに対して垂直に設置された一対のコラム18と、この一対のコラム18の上部に左右方向に掛け渡されたビーム19とにより、門形基体7を構成している。門形基体7は、左右方向に延びてベッド17上に設置されている。刃物台14を有する移動体8が、左右方向に移動する。
なお、工作機械1を正面から見て、上下方向,前後方向,左右方向をそれぞれX軸方向,Y軸方向,Z軸方向とする。
一対のZ軸用ガイドレール27,27は、Z軸方向(左右方向)に延びて前後に並んでベッド17上に平行に配置されている。そして、この一対のZ軸用ガイドレール27,27は、移動体8を左右方向に移動可能に支持している。
Z軸用の上部ボールねじ28と、Z軸用の下部ボールねじ29は、門形基体7の上部と下部にそれぞれ配置されている。ボールねじ28,29は、Z軸方向に延びて門形基体7に支持され、移動体8をZ軸方向に移動させるために設けられている。
したがって、移動体8は、安定してZ軸方向にスムーズに且つ高速で移動できる。また、移動体8がZ軸方向のどの位置に移動しても、ビーム19の変形に影響されないで、移動体8の刃物台14で高精度な加工を行うことができる。
クロススライド20は、左右一対の縦部材21と、上の横部材22aと、下の横部材22bとを有する、ボックス状で矩形のフレームである。クロススライド20はZ軸方向に移動可能であり、クロススライド20の下部がベッド17に支持されている。
クロススライド20には、サドル23がX軸方向(上下方向)に移動可能に支持されている。サドル23は、正面から見て矩形状のフレームである。サドル23の前面側には、刃物台14が取付けられている。
刃物台14の工具用主軸15には、工具2が着脱可能に装着される。刃物台14は、旋削加工時には工具2を非回転状態で支持し、切削加工時には工具2を回転駆動する。刃物台14は、Y軸方向(前後方向)を向く中心軸線CL1を中心として、矢印Bに示すように旋回可能で、割出し動作も行う。
刃物台14には、工具用主軸15に装着されている工具2をクランプ・アンクランプするためのクランプ・アンクランプ機構(図示せず)が設けられている。
このようにして、移動体8の全体は所定形状を有して、矢印Dに示すようにZ軸方向に移動する。
クロススライド20の上部と下部には、上部ボールナット40と下部ボールナット41が、それぞれ取付けられている。
Z軸用の上部ボールねじ28のねじ軸28aは、上部ボールナット40を貫通し且つねじ込まれている。Z軸用の下部ボールねじ29のねじ軸29aは、下部ボールナット41を貫通し且つねじ込まれている。上下のねじ軸28a,29aは、長さ寸法がほぼ同じで、直径,形状,材質なども同じである。
右側のコラム18の上部には、上部駆動部31が取付けられている。上部駆動部31は、Z軸用上部サーボモータ32と、Z軸用上部ボールねじ28の右側端部を回動自在に軸支する送り箱33とを有している。Z軸用上部サーボモータ32の駆動力は、送り箱33を介してZ軸用上部ボールねじ28に伝達される。
左側のコラム18の下部またはベッド17(本実施例では、ベッド17)には、ボールねじ29を受けて支持するための受け側34が取付けられている。受け側34は、Z軸用下部ボールねじ29の左側端部を回動自在に軸支している。
右側コラム18の下部またはベッド17(本実施例では、コラム18の下部)には、下部駆動部35が取付けられている。下部駆動部35は、送り箱36とZ軸用下部サーボモータ37とを有している。送り箱36は、Z軸用下部ボールねじ29の右側端部を回動可能に軸支している。Z軸用下部サーボモータ37の駆動力は、送り箱36を介してZ軸用下部ボールねじ29に伝達される。
このとき、上下のボールねじ28,29は、同じ回転方向,回転速度,回転角度,回転数で同期して回転する。
こうして、移動体8は、上部ボールナット40と下部ボールナット41を介して、Z軸方向に移動する。
X軸用ボールねじ43は、X軸用サーボモータ42に駆動されて回転する。すると、サドル23が、X軸用ガイドレール44に案内支持されて、矢印Eに示すようにX軸方向に移動する。
前方側のZ軸用ガイドレール27と、このZ軸用ガイドレール27に係合する前方側スライド本体45とにより、前方側リニアガイド47が構成されている。後方側のZ軸用ガイドレール27と、このZ軸用ガイドレール27に係合する後方側スライド本体46とにより、後方側リニアガイド48が構成されている。
移動体8は、一対のリニアガイド47,48に案内支持されて、Z軸方向に自在に移動することができる。
また、移動体8をZ軸方向に移動させるガイドは、リニアガイド47,48の代わりに滑りガイドであってもよい。
また、門形基体7の上部に取付けられたZ軸用の上部ボールねじ28は、門形基体7に対して取外し,取付け可能にしてもよい。このようにすれば、Z軸用上部ボールねじ28が不要でZ軸用下部ボールねじ29のみを必要とする工作機械であっても、簡単な設計変更で本発明を適用できる。
すなわち、Z軸用下部ボールねじ29のみで移動体8が安定してZ軸方向にスムーズに且つ高速で移動できる場合には、Z軸用上部ボールねじ28やZ軸用上部サーボモータ32などを省略して、機械全体を簡素な構成にすることができる。
工作物3を回転工具(工具2)により切削する場合には、主軸台6を制御して、工作物用主軸4により工作物3を所定角度回転させて割出すこともできる。
第2主軸台60は、リニアガイドによりZ軸方向に移動可能である。ベッド17には、第2主軸台60用のボールねじ63のねじ軸63aが配置されている。ねじ軸63aは、第2主軸台60に固定されたボールナットにねじ込まれている。
ベッド17には、第2主軸台用サーボモータ64が取付けられている。第2主軸台用サーボモータ64に駆動されてねじ軸63aが回転すると、ボールナットが固定されている第2主軸台60が、リニアガイドに案内支持されてZ軸方向に移動する。
なお、工作物3が長寸法の場合には、この工作物3の両端部を主軸台6と第2主軸台60により把持することもできる。この場合、第2主軸台60の第2工作物用主軸61に、第2チャック62の代わりにセンタ65を着脱可能に取付けて工作物3の右側端部を支えるようにすれば、第2主軸台60は心押台の機能を発揮することになる。
これとは別に、第2主軸台60の第2チャック62のみで工作物3を把持して回転状態または非回転状態にすることができる。
さらに、主軸台6のチャック5で工作物3の左側端部を把持し、第2主軸台60の第2チャック62で工作物3の右側端部を支持し、こうして工作物3を両端支持した状態で回転させることもできる。
このロング機の工作機械1では、門形基体7は、その前方から見て左右方向(Z軸方向)に長く延びた形状を有している。そのため、門形基体7を一体的に鋳造することができないので、門形基体7は鋼製である。
門形基体7は、鋼製であれば鋳造品と比べて剛性が低くなる。特に、門形基体7の上部のZ軸方向の水平部を構成しているビーム19が、その自重により下方に撓んで変形する。
これに対して、工作機械1では、門形基体7の左右方向の長さ寸法L0は、約5,000mmないし約9,200mmであり、門形基体7を非常に長くできる。これに対応して、軸線方向の長さ寸法L1が約1,000mmないし約6,000mmの工作物3も、加工可能である。なお、この長さ寸法L1以下の短い工作物3の加工も可能である。
このように、工作機械1では、従来と比べて非常に長い寸法L1の工作物3を高精度に加工することが可能である。
一対のガイドレール(Z軸用ガイドレール27,27)を、フラットなベッド上面17aに設置して、互いに床面FLから同一高さH(または、ほぼ同一高さ)に設置している。したがって、加工時に移動体8にかかる反力を、ベッド上面17aに均等に分散できるので、反力による移動体8自体の変形が減少して高精度な加工ができる。
また、ベッド17において、移動体8の平面視での移動領域(範囲G1×範囲G2の領域)が所定の高さHを保っている。したがって、この移動領域より前方の部分Kも、従来より高さ寸法H1を高くできるので剛性が大幅に向上する。この前方部分Kの内方で且つ下部前方には、クーラントタンク80と切り屑用コンベア81が、左右方向に延びて収納されている。
上述のように、工作機械1は、機械本体11と、刃物台14と、主軸台6と、第2主軸台60と、クーラントタンク80および切り屑用コンベア81の一方または両方(本実施例では、タンク80とコンベア81の両方)とを有している。
刃物台14は、工具2を保持し機械本体11に移動可能に設けられている。主軸台6は機械本体11に設けられて工作物3を保持可能である。第2主軸台60は、主軸台6に対向して機械本体11に設けられて工作物3を保持可能である。クーラントタンク80と切り屑用コンベア81は、第2主軸台60の下方に位置し、左右方向に延びて機械本体11に配置されている。
主ガイドレール66は、第2主軸台60の重心位置G3のほぼ下方に、左右方向に延びて機械本体11のベッド17に取付けられている。主ガイドレール66は、第2主軸台60を左右方向に移動可能に支持している。
本実施例の主ガイドレール66は、第2主軸台60の重心位置G3を通って上下方向を向く直線L2上に配置されている。したがって、主ガイドレール66は、重心位置G3を通る直線L2を含んでZ軸方向に延びる平面を中心として、第2主軸台60の前部分と後部分とをほぼ面対称構造で支持している。
補助ガイドレール67は、主ガイドレール66の後部(本実施例では、後部上方)に、左右方向に延びてベッド17に取付けられている。補助ガイドレール67は、第2主軸台60を振れ止めしながら左右方向に移動可能に支持している。
第2主軸台60の荷重の大部分は、主ガイドレール66で支えられている。補助ガイドレール67は、第2主軸台60が前後方向に傾かないように振れ止めするのが主な機能である。
主ガイドレール66と、この主ガイドレール66に係合する主スライド本体66aとにより、主リニアガイド75が構成されている。後部上方側の補助ガイドレール67と、この補助ガイドレール67に係合する補助スライド本体67aとにより、補助リニアガイド76が構成されている。
主リニアガイド75と補助リニアガイド76は、第2主軸台60が浮き上がったり横揺れしないように、第2主軸台60を上下方向(X軸方向)と前後方向(Y軸方向)に関して拘束している。特に、補助リニアガイド76は振れ止めの機能を発揮する。
したがって、第2主軸台60は、リニアガイド75,76に案内支持されて、左右方向に自在に移動することができる。
また、第2主軸台60をZ軸方向に移動させるガイドは、リニアガイド75,76の代わりに滑りガイドであってもよい。
ところが、補助ガイドレール67は主ガイドレール66の後部に配置されているので、主ガイドレール66の前方にはガイドレールは配置されていない。その結果、ベッド17のうち主ガイドレール66より前方の部位には、大きな荷重は掛からないので縦方向のフレームは設けられていない。
したがって、ベッド17の前方内方には、スペースScが左右方向に延びて形成され、このスペースScの前方側は開放可能になっている。このベッド17のスペースScには、クーラントタンク80と切り屑用コンベア81が収納されている。また、矢印Jに示すように、スペースScの前方の開口から、クーラントタンク80と切り屑用コンベア81を収納引き出し可能にしている。
したがって、主ガイドレール66は、第2主軸台60の荷重を、前後方向に関してバランスよく支持することができる。
ベッド17が温度変化により熱変形したときの影響は、第2主軸台60の荷重の大部分を支える主ガイドレール66を介して第2主軸台60に伝わる。すると、第2主軸台60は、重心位置G3を通る直線L2方向(上下方向)に移動したり伸縮することになる。なお、補助ガイドレール67は第2主軸台60の荷重をほとんど支えていないので、ベッド17の前記熱変形の影響が、補助ガイドレール67を介して第2主軸台60に伝わることは少ない。
他方、第2主軸台60のモータの発熱や室温の変化により、第2主軸台60自体も温度変化する。すると、1本の主ガイドレール66で下部を支持されている第2主軸台60は、重心位置G3を通る直線L2方向(上下方向)に伸びたり縮んだりして熱変形する。
その結果、ベッド17や第2主軸台60自体の熱変形の影響は、第2主軸台60の前部分と後部分とで均等になるので、第2主軸台60を使用して工作物3を精度よく加工することができる。
すなわち、メンテナンス時には、クーラントタンク80や切り屑用コンベア81を、工作機械1から左右方向(本実施例では、右方向)に引き出す必要はない。したがって、クーラントタンク80などを引き出すためのスペースを、工作機械1の左右方向外方(ここでは、右方向外方)に別途確保する必要はない。
特に、本実施例の工作機械1は、左右方向に長く延びた形状を有する「ロング機」であり、クーラントタンク80や切り屑用コンベア81も長いので、この作用効果は有益である。
加工領域SPは、クーラントや切り屑などが外部に飛散しないようにスプラッシュガード70で覆われている。スプラッシュガード70は、開閉可能な扉71などを有している。工具交換を行うために、扉71の天井部にはシャッタ72が開閉可能に設けられている。
シャッタ72が開くと、交換ユニット13が通過可能な開口が形成される。シャッタ72が閉じると、加工領域SPはスプラッシュガード70により覆われる。交換ユニット13は、スプラッシュガード70より外方に配置されて、Z軸方向に走行して工具交換を行う。
工作機械1は旋盤としての機能を発揮する。工作物3が長寸法の場合に、工作物3の左側端部を主軸台6のチャック5で把持し、工作物3の右側端部を第2主軸台60の第2チャック62(または、センタ65)で把持する。このとき、第2工作物用主軸61は、無負荷にして回転自在の状態にしておく。そして、主軸台6の工作物用主軸4を回転駆動すれば、工作物3が回転する。
他方、移動体8を矢印Dに示すようにZ軸方向に移動させ、サドル23を矢印Eに示すようにX軸方向に移動させる。刃物台14を、矢印Bに示すように中心軸線CL1回りに旋回させ、工具2を非回転状態にする。このようにすれば、工具2で工作物3を旋削加工することができる。
この状態で、移動体8を矢印Dに示すようにZ軸方向に移動させ、サドル23を矢印Eに示すようにX軸方向に移動させ、工具2を矢印Bに示すように旋回させる。これにより、工作物3は、回転する工具2により切削加工される。
門形基体7は、左右方向(Z軸方向)に長く延びた形状を有するとともに鋼製である。そのため、上部に掛け渡されたビーム19は、図8(A),(B),(C)に示すように、自重により下方に撓んでいる。
なお、図8では、技術的な理解を容易にするために、ビーム19やボールねじ28,29の下方への変形の度合いを、現実より拡大して模式的に示している。
左右のコラム18,18の間のスパンが長いので、上方に掛け渡されたビーム19は、自重により下方に撓んで変形する。これに対して、下部にある一対のZ軸用ガイドレール27,27は、ベッド17上に直接配置されているので自重で変形することはない。
したがって、移動体8がZ軸方向のどの位置に移動しても(すなわち、左右のコラム18,18に近い位置でも、コラム18,18から遠い位置でも)、移動体8がビーム19から力を受けることはない。
工作物3を加工している間に、移動体8は、工作物3から反力を受けるがビーム19からは力を受けない。その結果、移動体8がZ軸方向のどの位置に移動しても、移動体8はビーム19の変形に影響されない。よって、この移動体8に取付けられた刃物台14により、安定した高精度な加工が行われる。
上下のねじ軸28a,29aは、長さ寸法がほぼ同じで、直径,形状,材質なども同じなので、同じ程度に変形する。そして、両方のねじ軸28a,29aは、その変形の方向(すなわち、下方)に直交するZ軸方向に延びている。上下のボールねじ28,29により、移動体8にはこのZ軸方向の力が加えられる。
したがって、移動体8は、ねじ軸28a,29aの変形に影響されないで、Z軸方向に高精度に移動することができる。
したがって、移動体8は「重心駆動」されることになる。重心駆動された移動体8は、安定してZ軸方向にスムーズに且つ高速で移動することができる。
門形基体7が左右方向に長く延びた形状では、移動体8を重心駆動するのは従来は困難であった。特に、工作機械1が大型の場合には、上部のビーム19が自重により下方に撓むので、移動体8の重心駆動はさらに困難であった。
これに対して、本発明では、ベッド17上に設置された一対のZ軸用ガイドレール27,27のみで移動体8の荷重を支持し、ビーム19と移動体8との間での力の伝達を遮断している。その結果、移動体8を重心駆動することが可能になる。
図9において、横軸は時間,縦軸は振幅量である。実線の曲線M1と破線の曲線M2は、それぞれ、移動体8を重心駆動した場合と非重心駆動の場合の、振幅量の変化を示している。
曲線M1から分かるように、移動体8を重心駆動すれば、移動体8の移動時に発生する振動が抑制されるので、刃物台14に残留振動はほとんど発生しない。その結果、工作機械1は、高速で高品位な加工を実現することができる。
なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。
2 工具
3 工作物
6 主軸台
11 機械本体
14 刃物台
17 ベッド
60 第2主軸台
66 主ガイドレール
67 補助ガイドレール
80 クーラントタンク
81 切り屑用コンベア
G3 第2主軸台の重心
L2 上下方向を向く直線
X軸方向 上下方向
Y軸方向 前後方向
Z軸方向 左右方向
Claims (3)
- 工作機械の機械本体と、工具を保持し前記機械本体に移動可能に設けられた刃物台と、前記機械本体に設けられて工作物を保持可能な主軸台と、この主軸台に対向して前記機械本体に設けられ、前記工作物を保持可能な第2主軸台と、この第2主軸台の下方に左右方向に延びて前記機械本体に配置されたクーラントタンクおよび切り屑用コンベアの一方または両方とを有する工作機械であって、
前記第2主軸台の重心のほぼ下方に左右方向に延びて前記機械本体のベッドに取付けられ、前記第2主軸台を左右方向に移動可能に支持する主ガイドレールと、
この主ガイドレールの後部に左右方向に延びて前記ベッドに取付けられ、前記第2主軸台を振れ止めしながら左右方向に移動可能に支持する少なくとも1本の補助ガイドレールとを備えたことを特徴とする工作機械。 - 前記クーラントタンクおよび前記切り屑用コンベアの一方または両方を、前記機械本体の前方から収納引き出し可能にしたことを特徴とする請求項1に記載の工作機械。
- 前記主ガイドレールは、前記第2主軸台の重心位置を通り上下方向を向く直線を含んで左右方向に延びる平面を中心として、前記第2主軸台の前部分と後部分とをほぼ面対称構造で支持していることを特徴とする請求項1または2に記載の工作機械。
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