JP6253432B2 - 平面研削装置及び平面研削方法 - Google Patents

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Description

本発明は、平面研削装置及び平面研削方法に関する。
従来、平面研削装置のテーブルは油圧駆動されていた(特許文献1)。テーブルを定速で移動させながら被研削物の上面の研削を行う場合には、油圧駆動されるテーブルを用いることで支障は生じない。近年、加工能率の向上を図るために、被研削物の上面の加工を行うためのテーブルに被研削物を保持した状態で、前後の端面の加工も行う5面加工の要求が高まっている。
被研削物の上面を研削する場合には、テーブルを定速で移動させれば十分であり、テーブルの絶対的な位置精度は求められない。ところが、被研削物の端面の加工を行う場合には、テーブルに高い位置決め精度が求められる。
特許文献2に、ボールねじと油圧シリンダとを組み合わせてテーブルを高速で移動させる高速送り装置が開示されている。この高速送り装置においては、テーブルの起動時及び停止時に、油圧シリンダから大きな駆動力及び制動力をテーブルに作用させる。これにより、テーブルの起動及び停止が、円滑かつ高精度に行われる。
特許文献3に、粗動機構とボイスコイルモータとを用いて、テーブルを高精度に位置決めする装置が開示されている。この装置においては、往復台に、ボイスコイルモータを介してテーブルが取り付けられている。粗動機構が往復台を軸方向に移動させることにより、往復台及びテーブルの粗い位置決めが行われる。粗い位置決め後、ボイスコイルモータを駆動することにより、往復台に対してテーブルの位置を微調整することができる。
特開2013−226634号公報 特開平3−256638号公報 特開2002−355730号公報
平面研削装置に用いられるテーブルは、重量が数十トンに及ぶこともあり、大きな慣性を有する。このテーブルを油圧シリンダで駆動する場合、作動油の体積が大きくなるため、油圧シリンダ系の周波数応答特性は数Hz程度まで低下してしまう。また、テーブルの摺動抵抗が1トンを超えることも珍しくない。これらの特性により、微速領域でいわゆるスティックスリップ現象が発生し、高精度な位置決めを行うことが困難である。
ボールねじと油圧シリンダとを組み合わせた高速送り装置では、ボールねじによるストロークと、油圧シリンダによるストロークとがほぼ等しい。大きなストロークを確保するためには、ボールねじと油圧シリンダとの両方を大型化しなければならない。
粗動機構とボイスコイルモータとを用いた装置では、粗動機構とボイスコイルとテーブルとがシリーズ結合されているため、粗動時の駆動力がボイスコイルに直接加わる。このため、粗動機構と同等の駆動力を持つボイスコイルが必要になる。特に、平面研削装置のようにテーブルの重量が大きい場合はボイスコイルが巨大になる。このため、粗動機構と
ボイスコイルモータとを用いた装置を平面研削装置に適用することは困難である。
本発明の目的は、高精度な位置決めを行うことが可能な平面研削装置、及び平面研削方法を提供することである。
本発明の一観点によると、
被研削物を保持するように構成され、ベースフレームに対して第1の方向に移動可能に支持されたテーブルと、
前記テーブルに保持された被研削物を研削する少なくとも1つの砥石車と、
前記テーブルを前記ベースフレームに対して前記第1の方向に移動させる主駆動装置と、
副駆動装置と、
前記ベースフレームに対して前記第1の方向に移動可能な支持部を含み、前記副駆動装置が前記支持部に支持されており、前記支持部が前記第1の方向に移動可能な解放状態と、前記ベースフレームに対する位置が拘束された拘束状態とを選択することができる支持機構と
を有し、
前記支持機構が前記拘束状態のとき、前記副駆動装置は前記支持部に対して前記テーブルを前記第1の方向に移動させることができ、前記支持機構が前記解放状態のとき、前記副駆動装置は前記テーブルと共に前記第1の方向に移動するように構成され、前記副駆動装置による前記テーブルの位置決め精度が、前記主駆動装置による前記テーブルの位置決め精度より高く、前記主駆動装置による前記テーブルの可動範囲が、前記副駆動装置による前記テーブルの可動範囲より広い平面研削装置が提供される。
本発明の他の観点によると、
主駆動装置を動作させることにより、被研削物が保持されたテーブルを第1の方向に移動させながら、前記被研削物の上面を研削する工程と、
前記主駆動装置を動作させて、前記テーブルを副駆動装置及び前記副駆動装置を支持する支持部と共に前記第1の方向に移動させ、前記テーブルの前記第1の方向に関する粗い位置決めを行う工程と、
前記テーブルの粗い位置決めの後、前記主駆動装置を、前記テーブルの前記第1の方向への移動が自由なニュートラル状態にし、前記副駆動装置を動作させて前記支持部に対して前記テーブルを前記第1の方向に移動させることにより、前記テーブルの前記第1の方向に関する位置を微調整する工程と、
前記テーブルの位置の微調整の後、前記被研削物の、前記第1の方向に直交する表面の研削を行う工程と
を有する平面研削方法が提供される。
主駆動装置でテーブルを移動させながら、被研削物の上面の研削を行うことができる。副駆動装置でテーブルの位置を微調整することにより、テーブルの位置決め精度を高めることができる。
図1は、実施例による平面研削装置の概略斜視図である。 図2は、実施例による平面研削装置の概略平面図である。 図3は、図2の一点鎖線3−3における断面図である。 図4は、実施例による平面研削装置に搭載された副駆動装置の支持機構を解放状態にしたときの平面研削装置の断面図である。 図5は、実施例による平面研削装置に搭載された副駆動装置の支持機構を拘束状態にしたときの平面研削装置の断面図である。 図6は、支持機構が解放状態のときの、図2の一点鎖線6−6における断面図である。 図7は、支持機構が拘束状態のときの、図2の一点鎖線6−6における断面図である。 図8は、実施例による平面研削方法のフローチャートである。 図9は、実施例の変形による平面研削装置の概略平面図である。
図1に、実施例による平面研削装置の概略斜視図を示す。水平面をxy面とし、鉛直下向きをz軸の正方向とするxyz直交座標系を定義する。テーブル10が直動ガイド11によってx方向に移動可能に支持されている。テーブル10の上に、被研削物15が保持される。テーブル10の上方に、第1の砥石ヘッド16がy方向に移動可能に支持されている。第1の砥石ヘッド16は、y軸に平行な回転中心を持つ第1の砥石車17を含む。被研削物15をx方向に定速で移動させながら、第1の砥石車17で被研削物15の上面の研削が行われる。
テーブル10の側方に第2の砥石ヘッド18がy方向に移動可能に支持されている。第2の砥石ヘッド18は、z軸に平行な回転中心を持つ第2の砥石車19を含む。第2の砥石ヘッド18を静止させ、被研削物15をx方向に移動させることにより、第2の砥石車19で被研削物15の、y方向に対して垂直な表面(端面)を研削することができる。被研削物15を静止させ、第2の砥石ヘッド18をy方向に移動させることにより、被研削物15の、x方向に対し垂直な表面(端面)を研削することができる。なお、1つの砥石車で上面と端面とを研削することができるユニバーサル砥石を用いてもよい。
制御装置13が、テーブル10、第1の砥石ヘッド16、第2の砥石ヘッド18の移動を制御する。
図2に、実施例による平面研削装置の平面図を示す。直動ガイド11がベースフレーム12に支持されている。テーブル10が直動ガイド11により、x方向に移動可能に支持されている。主駆動装置20がテーブル10をx方向に移動させる。主駆動装置20には、例えば油圧シリンダ機構が用いられる。
主駆動装置20は、シリンダ21、ピストン22、第1ピストンロッド23F、及び第2ピストンロッド23Bを含む。シリンダ21は、テーブル10の底面に固定されている。シリンダ21内にピストン22が挿入されており、シリンダ21内の空間が、ピストン22により第1圧力室24Fと第2圧力室24Bとに区分される。
ピストン22からx軸の正の方向に第1ピストンロッド23Fが伸び、x軸の負の方向に第2ピストンロッド23Bが伸びる。第1ピストンロッド23F、第2ピストンロッド23B、及びピストン22は、ベースフレーム12に固定されている。第1ピストンロッド23Fに設けられた作動油経路を通して、第1圧力室24Fへの作動油の導入及び排出が行われる。第2ピストンロッド23Bに設けられた作動油経路を通して、第2圧力室24Bへの作動油の導入及び排出が行われる。
テーブル10に副駆動装置30が取り付けられている。副駆動装置30は、電動サーボモータ31及びボールねじ32を含む。ボールねじ32の回転軸はx方向と平行である。電動サーボモータ31はボールねじ32のねじ軸32Aを回転させる。電動サーボモータ31には、例えば誘導モータ、同期モータ、ステッピングモータ等が用いられる。ボールねじ32のナット32Bは、テーブル10に固定されている。
支持機構40が、副駆動装置30をx方向に移動可能に支持している。支持機構40は、ベースフレーム12に取り付けられた直動ガイド41と、直動ガイド41によってx方
向に案内される支持プレート42とを含む。電動サーボモータ31は、支持プレート42に固定されている。電動サーボモータ31を動作させると、支持プレート42とテーブル10とのx方向に関する距離が変動する。
テーブル10の、x方向に平行な側面にリニアスケール50が取り付けられている。センサ51がリニアスケール50を読み取ることにより、テーブル10のx方向に関する位置を検出することができる。センサ51の読み取り結果が制御装置13に入力される。主駆動装置20及び副駆動装置30は、制御装置13によって制御される。
図3に、図2の一点鎖線3−3における概略断面図を示す。テーブル10の底面に、x方向と平行な中心軸を持つシリンダ21が固定されている。シリンダ21内にピストン22が挿入されている。ピストン22により、シリンダ21内の空間が、x軸の正の側の第1圧力室24Fと、x軸の負の側の第2圧力室24Bとに区分されている。ピストン22からx軸の正の方向及び負の方向に、それぞれ第1ピストンロッド23F及び第2ピストンロッド23Bが伸びる。第1ピストンロッド23F及び第2ピストンロッド23Bは、ベースフレーム12に固定されている。
第1ピストンロッド23F内に、第1作動油経路25Fが設けられており、第2ピストンロッド23B内に第2作動油経路25Bが設けられている。第1作動油経路25F及び第2作動油経路25Bは、それぞれ第1圧力室24F及び第2圧力室24Bに連続している。第1作動油経路25F及び第2作動油経路25Bは、それぞれ双方向油圧ポンプ26の第1吐出口26F及び第2吐出口26Bに接続されている。双方向油圧ポンプ26は油圧ポンプ駆動モータ27により駆動される。油圧ポンプ駆動モータ27は、制御装置13により制御される。
双方向油圧ポンプ26を駆動することにより、テーブル10をx軸の正の方向または負の方向に移動させることができる。双方向油圧ポンプ26に代えて、1つの吐出口を持つ油圧ポンプと、作動油の流れの方向を切り替える方向制御弁とを用いてもよい。
支持機構40が、直動ガイド41及び支持プレート42を含む。直動ガイド41により支持プレート42がx方向に移動可能に支持されている。支持機構40は、支持プレート42がx方向に移動可能な解放状態と、支持プレート42の位置が拘束された拘束状態とを選択的に実現することができる。支持機構40が拘束状態のとき、ベースフレーム12に対して支持プレート42の位置が拘束される。
支持プレート42に電動サーボモータ31が固定されている。ボールねじ32のねじ軸32Aが電動サーボモータ31の回転軸に結合し、ナット32Bがテーブル10に固定されている。
図4に、支持機構40が解放状態のときの平板研削装置の断面図を示す。副駆動装置30がx方向に自由に移動可能である。双方向油圧ポンプ26を動作させてテーブル10をx方向に移動させると、副駆動装置30も、テーブル10と共にx方向に移動する。
図5に、支持機構40が拘束状態のときの平板研削装置の断面図を示す。双方向油圧ポンプ26は、第1吐出口26Fと第2吐出口26Bとの間で作動油が自由に流通可能なニュートラル状態になっている。このとき、テーブル10は、主駆動装置20によって拘束されることなく、x方向に自由に移動可能である。
支持プレート42及び電動サーボモータ31がベースフレーム12に対して固定されているため、電動サーボモータ31を動作させると、ボールねじ32によって回転運動が直
線運動に変換され、テーブル10がx方向に移動する。
図6に、図2の一点鎖線6−6における断面図を示す。テーブル10が直動ガイド11によってx方向に移動可能に支持されている。直動ガイド11のレール11Aがベースフレーム12(図2)に固定されている。直動ガイド11の可動部11Bがテーブル10に固定されている。支持プレート42が直動ガイド41によってx方向に移動可能に支持されている。直動ガイド41のレール41Aが、直動ガイド11のレール11Aに固定されている。直動ガイド41の可動部41Bが支持プレート42に固定されている。
支持プレート42に、クランプ機構43及び電動サーボモータ31が取り付けられている。クランプ機構43は、クランプシリンダ43A、クランプピストン43B、及びクランプ部43Cを含む。クランプシリンダ43Aは支持プレート42に固定されており、クランプピストン43Bがクランプシリンダ43A内で上下に移動する。クランプピストン43Bの下端にクランプ部43Cが取り付けられている。
直動ガイド41、支持プレート42、及びクランプ機構43が支持機構40を構成する。図6は、支持機構40が解放状態のときの断面図を示している。支持機構40が解放状態のとき、クランプピストン43Bが下端まで下降しており、クランプ部43Cが直動ガイド41のレール41Aに接触していない。このため、支持プレート42がx方向に自由に移動することができる。
図7に、支持機構40が拘束状態のときの、図2の一点鎖線6−6における断面図を示す。クランプピストン43Bが上方に移動し、クランプ部43Cが直動ガイド41のレール41Aに接触している。クランプ部43Cとレール41Aとの摩擦力により、支持プレート42の位置が拘束される。クランプ機構43は、制御装置13(図2)により制御される。
図8に、実施例による平面研削方法のフローチャートを示す。テーブル10(図1)に被研削物15が保持された状態で、ステップS1において、支持機構40(図4、図6)を解放状態にする。ステップS2において、図4に示したように、主駆動装置20を動作させてテーブル10をx方向に定速で移動させながら、被研削物15の上面を第1の砥石車17(図1)で研削する。テーブル10のx方向への移動と、第1の砥石ヘッド16のy方向への移動とを交互に繰り返すことにより、被研削物15の上面の全域が研削される。
ステップS3において、主駆動装置20(図2)を動作させることにより、第2の砥石車19で被研削物15の側面を研削可能な位置までテーブル10を移動させる。このステップS3で、テーブル10の粗い位置決めが完了する。このとき、支持機構40(図4)が解放状態であるため、副駆動装置30はテーブル10と共にx方向に移動する。
ステップS4において、図5に示したように支持機構40を拘束状態にし、主駆動装置20をニュートラル状態にする。ステップS5において、副駆動装置30を動作させることにより、x方向に関してテーブル10の位置を微調整する。微調整後、電動サーボモータ31をサーボロックする。ステップS6において、テーブル10が静止した状態で、第2の砥石ヘッド18(図1)をy方向に移動させることにより、被研削物15の、x方向に垂直な表面(端面)の研削を行う。
図8では、上面の研削を行った後、端面の研削を行ったが、端面の研削を行った後、上面の研削を行ってもよい。
次に、上記実施例による平面研削装置及び平面研削方法の効果について説明する。上記実施例で用いられるテーブル10(図1)の重量は、一般的に数十トンに及ぶ。また、大きな被研削物15(図1)の研削を行うために、長いストロークを確保する必要がある。このため、主駆動装置20に用いられるシリンダ21内の第1圧力室24F(図3)及び第2圧力室24B(図3)の合計の容積が大きくなる。さらに、テーブル10の摺動抵抗が1トンを超えることも珍しくない。シリンダ21内の作動油の体積、及び摺動抵抗が大きくなることにより、微速領域でスティックスリップ現象が発生しやすくなる。スティックスリップ現象が発生すると、テーブル10の高精度な位置決めを行うことが困難である。
実施例では、ステップS5(図8)において、副駆動装置30によりテーブル10の位置を微調整する。電動サーボモータ31とボールねじ32とを用いた副駆動装置30は、油圧シリンダを用いた主駆動装置20よりも高い応答特性を有する。このため、テーブル10の位置決め時において静止摩擦から動摩擦に遷移する負性抵抗領域でも高精度の位置決め制御を行うことが可能である。このように、副駆動装置30によるテーブル10の位置決め精度が、主駆動装置20によるテーブル10の位置決め精度より高い。これにより、ステップS6(図8)における被研削物15の側面の研削時における研削精度を高めることができる。
さらに、実施例では、テーブル10を定速で移動させながら被研削物15の上面を研削するとき(ステップS2)、及びテーブル10の粗い位置決めを行うとき(ステップS3)に、図4に示したように主駆動装置20が、副駆動装置30を介在させることなくテーブル10を直接駆動する。このため、副駆動装置30に、主駆動時と同等の駆動力は要求されない。副駆動装置に要求される駆動力としては、精密位置決めに必要な低い駆動力で十分である。加えて、位置決め時の速度は微速の方が好ましいため、副駆動装置として、主駆動装置より定格出力が格段に小さなものを用いることができる。主駆動装置と副駆動装置とをシリーズ接続する構成では、副駆動装置として、主駆動装置と同程度の定格出力を持つものを使用しなければならない。これに対し、実施例による装置では、副駆動装置として、主駆動装置より定格出力の小さなものを用いることができるため、装置のコスト低減を図ることができる。
副駆動装置30は、テーブル10の位置の微調整に用いられ、被研削物15の上面を研削するときのテーブル10の定速移動には用いられない。このため、副駆動装置30として、主駆動装置20よりも可動範囲(ストローク)の小さな直動駆動装置を用いることができる。上記実施例では、副駆動装置30に電動サーボモータ31とボールねじ32とを用いたが、主駆動装置20よりも位置決め精度の高い他の直動駆動装置を用いてもよい。例えば、副駆動装置30として、シリンダ内の圧力室の容積が、主駆動装置20のシリンダ21(図3)内の圧力室の容積より小さな油圧駆動装置を用いることも可能である。圧力室の容積を小さくすることにより、圧力に対して高い応答特性が得られ、高い位置決め精度を実現することができる。
図9に、実施例の変形例による平面研削装置の平面図を示す。図1〜図8に示した実施例では、副駆動装置30のボールねじ32が、常にテーブル10に結合されていた。図9に示した変形例では、ボールねじ32のナット32Bが、テーブル10に着脱可能に取り付けられている。このため、テーブル10から副駆動装置30を切り離すことが可能である。このように、副駆動装置30がテーブル10に接続されてテーブル10と共に移動する接続状態と、テーブル10から切り離されて、副駆動装置30が静止した状態でテーブル10を移動させることが可能な切離し状態とが実現可能である。図9では、副駆動装置30がテーブル10から切り離された状態を示している。
この変形例では、被研削物15の上面を研削するとき(ステップS2)に、副駆動装置30がテーブル10から切り離されている。テーブル10の粗い位置決め(ステップS3)を行う前に、副駆動装置30をテーブル10に結合させる。この状態で、図8のステップS3からステップS6までを実行することにより、被研削物15の側面の研削を行うことができる。
被研削物15の上面の研削時に、テーブル10を定速で移動させる期間、副駆動装置30がテーブル10から切り離されているため、主駆動装置20に加わる負荷を軽減することができる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
10 テーブル
11 直動ガイド
11A レール
11B 可動部
12 ベースフレーム
13 制御装置
15 被研削物
16 第1の砥石ヘッド
17 第1の砥石車
18 第2の砥石ヘッド
19 第2の砥石車
20 主駆動装置
21 シリンダ
22 ピストン
23F 第1ピストンロッド
23B 第2ピストンロッド
24F 第1圧力室
24B 第2圧力室
25F 第1作動油経路
25B 第2作動油経路
26 双方向油圧ポンプ
26F 第1吐出口
26B 第2吐出口
27 油圧ポンプ駆動モータ
30 副駆動装置
31 電動サーボモータ
32 ボールねじ
32A ねじ軸
32B ナット
40 支持機構
41 直動ガイド
41A レール
41B 可動部
42 支持プレート
43 クランプ機構
43A クランプシリンダ
43B クランプピストン
43C クランプ部
50 リニアスケール
51 センサ

Claims (6)

  1. 被研削物を保持するように構成され、ベースフレームに対して第1の方向に移動可能に支持されたテーブルと、
    前記テーブルに保持された被研削物を研削する少なくとも1つの砥石車と、
    前記テーブルを前記ベースフレームに対して前記第1の方向に移動させる主駆動装置と、
    副駆動装置と、
    前記ベースフレームに対して前記第1の方向に移動可能な支持部を含み、前記副駆動装置が前記支持部に支持されており、前記支持部が前記第1の方向に移動可能な解放状態と、前記ベースフレームに対する位置が拘束された拘束状態とを選択することができる支持機構と
    を有し、
    前記支持機構が前記拘束状態のとき、前記副駆動装置は前記支持部に対して前記テーブルを前記第1の方向に移動させることができ、前記支持機構が前記解放状態のとき、前記副駆動装置は前記テーブルと共に前記第1の方向に移動するように構成され、前記副駆動装置による前記テーブルの位置決め精度が、前記主駆動装置による前記テーブルの位置決め精度より高く、前記主駆動装置による前記テーブルの可動範囲が、前記副駆動装置による前記テーブルの可動範囲より広い平面研削装置。
  2. 少なくとも1つの前記砥石車は、前記テーブルに保持された被研削物の、前記第1の方向と直交する表面を研削するように構成されている請求項1に記載の平面研削装置。
  3. 前記副駆動装置は、電動サーボモータとボールねじとを含み、前記電動サーボモータは前記支持部に固定されて前記ボールねじを駆動することにより前記テーブルを前記支持部に対して前記第1の方向に移動させる請求項1または2に記載の平面研削装置。
  4. 前記副駆動装置が前記テーブルに接続されて前記テーブルとともに移動する接続状態と、前記テーブルから切り離されて、前記副駆動装置が静止した状態で前記テーブルを移動させることが可能な切離し状態とが実現可能である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の平面研削装置。
  5. 主駆動装置を動作させることにより、被研削物が保持されたテーブルを第1の方向に移動させながら、前記被研削物の上面を研削する工程と、
    前記主駆動装置を動作させて、前記テーブルを副駆動装置及び前記副駆動装置を支持する支持部と共に前記第1の方向に移動させ、前記テーブルの前記第1の方向に関する粗い位置決めを行う工程と、
    前記テーブルの粗い位置決めの後、前記主駆動装置を、前記テーブルの前記第1の方向への移動が自由なニュートラル状態にし、前記副駆動装置を動作させて前記支持部に対して前記テーブルを前記第1の方向に移動させることにより、前記テーブルの前記第1の方向に関する位置を微調整する工程と、
    前記テーブルの位置の微調整の後、前記被研削物の、前記第1の方向に直交する表面の研削を行う工程と
    を有する平面研削方法。
  6. 前記被研削物の上面を研削する工程において、前記テーブルと共に前記副駆動装置も前記第1の方向に移動させる請求項5に記載の平面研削方法。
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