JPH0811348B2 - 加工機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、マシニングセンタ、旋盤、プレス成形機等
の加工機械に関する。

（従来の技術） マシニングセンタ等の加工機械では、加工精度を向上
させて超精密な加工をしようとした場合にその障害にな
るのが、加工中の被加工物、加工具からの発熱、および
加工機械に備えられているモータ等の駆動源からの発熱
である。これらの発熱は被加工物、加工具の温度を上昇
させて熱膨張を引き起こし、さらには被加工物と加工具
を支持する加工機械そのものの構造体にも発熱が伝えら
れて同様に熱膨張を生じさせる。これらの熱変位の発生
に際し、加工機械全体が同時に一様な割合で膨張するの
であれば、被加工物と加工具との間の相対位置は変化せ
ずに正規な状態に保たれるので問題にならない。しか
し、実際には各部の熱膨張により発生する変位がまちま
ちであるため、被加工物と加工具との相対位置に狂いが
生じてくる。

この熱膨張をはじめとする、加工機械の精度向上を阻
害するメカニズムを概念的に示したのが第８図のモデル
である。

図はマシニングセンタにおいて、工具（加工具）が被
削物（被加工物）を加工する場合を示す。工具と被削物
を所定の相対位置に保つため、工具から被削物まで順に
配設された工具ホルダ、主軸、歯車群、ヘッド、ヘッド
送り装置、コラム、ベース、サドル送り装置、サドル、
テーブル送り装置、テーブル、固定具により連続した構
造体が構成される。これらの連続した構造体の全体はＣ
形のフレームとみなすことができ、工具と被削物はそれ
ぞれＣ形フレームの両端に片持ち支持されることにな
る。

図示されたこのモデルでは、ヘッド上部のモータおよ
びその回転を主軸に伝達する歯車群からの発熱および工
具と被削物との間に発生する加工発熱が順にとなりの構
造部へと伝えられる。これらの発熱部、および熱が伝え
られた各構造部は温度が上昇すると熱膨張を生じてＣ形
フレームの形状を変形させる。このとき、Ｃ形フレーム
の各部は発熱の有無、他の部分からの伝熱量の大小によ
り、均一な温度分布にはならず、各部ごとの膨張の割合
が異なって、Ｃ形フレーム全体の形状はゆがんだものと
なる。

また、加工が開始されると工具と被削物とにはそれぞ
れ相反する加工反力が発生し、Ｃ形フレームの両端から
全体に伝えられる。それにより、Ｃ形フレームの各部は
加工反力の大きさに応じた曲げモーメント等の外力を受
けて弾性変形を生じる。この場合も、Ｃ形フレームの各
部が一様な曲げモーメントを受けたとしても、各部はそ
れぞれ剛性が異なることにより、それぞれに発生する変
形量が異なり、Ｃ形フレーム全体の変形後の形状は複雑
なものとなる。

これら局部ごとに変位の割合が異なる熱膨張と弾性変
形とが合成された結果、Ｃ形フレーム先端の工具と被削
物との相対位置にずれを生じる。これらの相対位置のず
れに対しては、各部の発熱部に冷却装置を設置したり、
各構造部の剛性を増すことにより小さくするようにして
いる。しかしさらに加工精度を高めようとした場合に
は、これらの発生変位が大きな障害となってくる。

そこでこれらの問題を根本的に解消するため、Ｃ形フ
レーム各部の温度、加工反力および変形量を各種センサ
を用いて検出して間接的に工具と被削物との相対位置ず
れ量を推定し、得られた値にもとづくNCにより相対位置
ずれを補正したり、Ｃ形フレームにアクチュエータを設
けて変形を強制的に補正する装置が、本出願の発明者に
より特願平２−198479号「工作機械の姿勢制御装置」、
および平成２年９月26日出願の「加工機械」として提案
された。

これら提案の解決方法を用いることで、ほぼ所期の加
工寸法精度を得ることが可能である。特に加工反力の補
正については、工具および被削物が加工開始とともに発
生した加工反力の値および変形量を検出し、NCソフトに
よりx,y,z軸の送り量を瞬時に補正して応答性の良い制
御が可能である。

同様に発熱によるＣ形フレーム各部の温度変化も温度
センサにより検出し、また温度上昇による変形も変形セ
ンサにより検出し、それらの検出値から総合的にＣ形フ
レームの形状変化を推定してアクチュエータを作動さ
せ、Ｃ形フレームの両端位置を正規の位置に戻すことが
可能である。

なお、第８図に示したモデルは、例えばプレス成形機
のように、加工具をＣ型フレームまたは門型フレームの
両端に配設して加工具の相対位置を所定間隔まで移動し
ながら加工具の間に置かれた被加工物を加工する加工機
についても当てはまる。その場合は図に示すＣ型フレー
ム端部はいずれも加工具とし、さらに加工具を所定位置
まで移動させる機構が必要となる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、Ｃ形フレーム全体の形状変化を正確に把握
しようとすると、各構成部ごとに正確に変形量を検出し
なければならない。とくにＣ形フレームの温度変化によ
る変形は、各発熱源の発熱量が加工状況に応じて不規則
に変化し、さらにその発熱の各構成部への伝達も非常に
複雑な様相を示すので、簡単なモデルを想定しただけで
は熱変形量を正確に把握することが困難である。そのた
め、実際に各部の変形を正確に測定する必要が生じ、各
部に一様でしかも多数の変形センサを設置しなければな
らない。

しかしながら、現実の工作機械等では、各構造部の配
置、動作、スペース、配線等に制約があり、必ずしも充
分な数の変形センサを設置できない。そこで変形センサ
を設置する余裕のない部分については、変形センサより
も小型である温度センサを設置して全体の温度分布によ
り変形量を推定するようにした。このように変形量を直
接検出できる部分については変形センサを用い、直接検
出できない部分については温度センサにより温度分布を
検出し、それらの値を総合してＣ形フレーム全体の形状
変化を把握し補正処理をおこなうようにした。そのた
め、検出された温度分布から各構成部ごとに変形量を得
ようとすると、予め各種の条件を設定して温度分布と発
生変形量の対応関係を測定してデータとして蓄積してお
かなければならない。

これらのデータをできる限り高精度な値で収集してお
くことにより、始めてアクチュエータを精密に作動させ
て、Ｃ形フレーム先端の工具および被削物を高精度に補
正することが可能になる。

このように提案された方法は、高精度に補正すること
が可能であるもののそれに要するデータの収集が煩わし
いという問題がある。

そのため、Ｃ形フレーム全体について、それぞれの部
分に発生する熱変形を補正する制御を簡単にしようとす
ると、Ｃ形フレームに生じる熱変形量の上限をできる限
り低くして制御対象となる熱変形範囲を小さくし、収集
データ量を少なくすれば良いことになる。

このように変形センサや温度センサを設置しても各部
の温度変化自体が大きいと補正量も多くなり、結果とし
て所望の精度を確保することが難しい。これらのことは
プレス成形機のように加工具と加工具とを支持し、両加
工具の間に置かれた被加工物を加工する加工機械につい
ても同様にあてはまる。

本発明はこれらの点に着目してなされたものでその目
的とするところは、加工機械における加工具と被加工物
との間、または加工具と加工具との間の相対的な位置ず
れを少なくするため、加工具と被加工物または加工物と
の間を支持する構造体に発生する熱変位を少なくした加
工機械を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、第１の発明は、連続した
構造物により相対位置が変更可能に支持された加工具と
被加工物とを指定された相対位置に保ちながら加工具が
被加工物を加工する加工機械において、前記構造物をそ
の支持方向と交差する面により複数の分節に区分して、
各分節の境界面内の構造物中に、所定温度の流体が供給
される管路を形成したことを特徴とする。

第２の発明は、連続した構造物により支持された加工
具と加工具とを指定された相対位置に移動して加工具と
加工具との間に置かれた被加工物を加工する加工機械に
おいて、前記構造物をその支持方向と交差する面により
複数の分節に区分して、各分節の境界面内の構造物中
に、所定温度の流体が供給される管路を形成したことを
特徴とする。

（作 用） 第１および第２の発明においては、構造物がその支持
方向と交差する面により複数の分節に区分され、各分節
の境界面内の構造物中に、所定温度の流体が供給される
管路を形成したことにより、管路前後の分節は供給流体
とほぼ同じ温度になる。また、管路前後の片方または両
方の分節が発熱または伝熱により温度が上昇した場合
は、その分節の管路に近い部分が供給流体に吸熱・冷却
されて供給流体に近い温度となり、逆に、一つの分節
が、冷却液などで冷却されて温度が下降した場合は、そ
の分節が供給流体によって加熱されて供給流体に近い温
度となり、管路の反対側の分節にまで伝熱されることが
ない。このように、管路が形成された境界面前後の分節
の間では、相互間が熱的に絶縁されて熱の授受がおこな
われなくなる。

（実施例） 以下、図に沿って本発明の実施例を説明する。

第１図は第１の発明をマシニングセンタに適用した第
１の実施例を示す外観図である。

図において、ベース１の右側上部には水平面上の移動
が可能なテーブル２が配設され、被加工物３はテーブル
２上に固定される。他方、ベース１の左側上部にはコラ
ム４が設置され、このコラム４の上部右側には上下動自
在にヘッド５が取付けられる。ヘッド５の先端下部には
スピンドルヘッド６が設けられてスピンドル７を軸支す
る。スピンドル７には加工具８が取付けられて、下方の
テーブル２に固定されている被加工物３を切削加工す
る。すなわち、このマシニングセンタは加工をおこなう
加工具８と加工される被加工物３とが各構成部によりＣ
形に支持される。

第２図は第１図II−II線上の断面図であり、第３図は
第２図III−III線上の断面図である。

第２図、第３図に示すように、コラム４は中空の箱形
構造であり、このコラム４の下端に熱遮断部９が形成さ
れる。この熱遮断部９はコラム４の内側を厚肉部とし、
冷却油を循環させるための管路10を形成したものであ
る。この管路10の入口11から所定温度の冷却油が注入さ
れ、コラム４の内部を一周してから出口12より排出され
る。循環される冷却油は図示しないオイルクーラ等によ
り、所定温度に保たれる。ここで言う冷却油の所定温度
とは、マシニングセンタが設置されているところの雰囲
気と同程度の温度である。

同様にコラム４の中間よりやや上方の位置にも熱遮断
部13が形成される。

さらにヘッド５も中空の箱形構造であり、コラム４に
接続・支持される左端近くに、熱遮断部14が形成され
る。また、ヘッド５の先端下部に突出するスピンドルヘ
ッド６の根本部分にも熱遮断部15が形成される。

各部に形成される熱遮断部13〜15の内部構造は熱遮断
部９とほぼ同一であり、それぞれの内部を同じ温度の冷
却油が循環する。

ここで、加工具８が被加工物３を加工する際の加工発
熱の一部は、加工具８の温度を上昇させるとともにスピ
ンドル7,スピンドルヘッド６へと順に伝わり、スピンド
ル7,スピンドル６の温度を上昇させる。各部はそれぞれ
温度が上昇した分、膨張して寸法が増加する。しかし、
スピンドルヘッド６とヘッド５の間には熱遮断部15が設
けられているため、スピンドルヘッド６からヘッド５側
へ熱が伝えられることはない。

また、ヘッド５内には、図示しないがスピンドル７を
駆動するモータおよびその回転を伝達するための歯車群
があることにより、スピンドル７の駆動中は発熱があ
る。この発熱はヘッド５の温度を上昇させるが、スピン
ドルヘッド６側へは熱遮断部15があるため熱が伝わらな
い。同様に、コラム４側へも熱遮断部14があるため熱が
伝わらない。さらに、コラム４にもベース１との境界部
に熱遮断部９が、上部に熱遮断部13がそれぞれあるた
め、コラム４またはベース１に温度変動があっても相互
間での熱移動はない。

実施例のマシニングセンタは、このように加工具８と
被加工物３とを支持するＣ形のフレームの支持方向に直
交する面内に複数の熱遮断部を設置したことにより、各
部の発熱が他の部分に伝えられることが防止されて発熱
による熱変形の発生が特定区間のみに限定される。それ
により、Ｃ形をしたフレーム構造全体の変形が小さくお
さえられ被加工物３と加工具８との相対的な位置ずれ量
が減少し、加工精度が向上する。

すなわち、実施例に示すように加工具８と被加工物３
とを支持するＣ形フレームをその支持方向に直交する熱
遮断部により複数に区分すると、各構造部は他の構造部
と熱的に絶縁され、特定の区分内で発熱しても、その発
熱による温度上昇および熱膨張はその区分内にとどま
り、他の区分は全く影響を受けることがない。その結
果、発熱によるＣ形フレームの変形の発生場所が限定さ
れ、しかもＣ形フレーム全体に発生する変形量も小さい
値となる。

また、さらには本出願の発明者がすでに提案した前述
の加工機械のようにＣ形フレーム全体の形状変化を温度
分布をも参照して正確に把握しようとした場合は、対象
の加工機械をこのように構成することで、熱変形の発生
箇所が特定の構成部に限られて制御用のモデル構築を容
易にすることができる。

もちろん、構造部の微小な変形を補正する制御装置を
有しない従来型の加工機についても、実施例のように構
造部を構成することで、被加工物と加工具との相対的な
位置ずれ量が減少し、加工精度が向上する。

なお、熱遮断部の設置位置および設置数は適用する加
工機械の物理的構造、各熱源の発熱量、各部の伝熱特性
等に応じ、さらには設置する熱遮断部の吸熱容量、要求
される加工精度等も考慮して決定されるものである。

第４図は第１の発明を旋盤に適用した第２の実施例を
示す外観図である。

図において、ベッド21の左側上部には主軸台22が設け
られ、上部右側に突設されたスピンドルヘッド24がスピ
ンドル25を軸支する。スピンドル25はチャック26が締め
付けられることにより被加工物23を把持する。被加工物
23が長尺である場合は被加工物23の他端を、心押台27が
軸支した心押軸28により支持する。

ベッド21の中央上部には往復台29が左右に移動自在に
支持され、その上部に設置された刃物台30が前後に移動
することにより、刃物台30に取付けられているバイト31
が、回転する被加工物23を切削加工する。

この旋盤も、上述したマシニングセンタと同様に、加
工をおこなうバイト31と加工される被加工物23とが各構
成部によりＣ形に支持される。

また、各構成部であるベッド21、主軸台22、スピンド
ルヘッド24、心押台27、往復台29は、中空の箱形または
円筒形の形状をしており、それぞれの端部または中間部
に支援方向と垂直に熱遮断部を32〜38を形成している。

熱遮断部32〜38は、第１図に示すマシニングセンタに
設置した熱遮断部９等とほぼ同一の構造をしており、そ
れぞれに同一温度の冷却油を循環させてその前後の間で
熱が伝わることを防止する。このようにして、上述した
マシニングセンタの場合と同様、加工中の発熱は熱遮断
部36〜38が設けられたことによりベッド21および主軸台
22側へ伝わることが防止される。

また、スピンドル25を駆動するモータは、図示しない
が熱遮断部33より左側のベッド21の内部に、また回転を
変速するギャボックスは、やはり図示しないがモータの
上部にあたる熱遮断部33と熱遮断部34との間の主軸台22
内部に収納されている。これらの発熱は、それぞれ熱遮
断部33と熱遮断部34、または熱遮断部34と熱遮断部35に
囲まれているので、他の部分へ伝わることが防止され
る。

実施例の旋盤は、このように被加工物23とバイト31と
を支持するＣ形のフレーム各部の支持方向と直交する面
内に複数の熱遮断部を設置して、各部の発熱が他の部分
に伝えられることを防止したため、発熱による熱変形の
発生が特定区間のみに限定されるので、Ｃ形をしたフレ
ーム構造全体の発熱による変形を小さくおさえることが
できる。その結果、被加工物23とバイト31との相対的な
位置ずれの量が減少して加工精度が向上する。

第５図は第１の発明を門形構造としたマシニングセン
タに適用した第３の実施例を示す外観図である。

この門形構造をしたマシニングセンタは、第１図に示
したマシニングセンタのＣ形のフレーム構造を左右対称
に組合わせたものである。

図において、ベース41の中央上部には水平面上の移動
が可能なテーブル42が配設され、被加工物43はテーブル
42上に固定される。他方、ベース41の両側上部にはコラ
ム44,45が設置され、さらにコラム44,45の上部内側には
ヘッド46が取付けられる。ヘッド46の下部にはスピンド
ルヘッド47が設けられスピンドル48を軸支する。スピン
ドル48には加工具49が取付けられて、下方のテーブル42
に固定されている被加工物43を切削加工する。

ベース41両側のコラム44,45の設置位置内側には熱遮
断部51,52が形成される。

また、コラム44,45は、下端のベース41との境界部分
にそれぞれ熱遮断部53,54が形成され、さらに上部のヘ
ッド46の設置位置手前にもそれぞれ熱遮断部55,56が形
成される。

さらに、コラム44,45とヘッド46の境界部分にも熱遮
断部57,58が形成される。

これら各熱遮断部51〜58は上述した熱遮断部９等とほ
ぼ同じ構造である。

この実施例の場合も各構造部の発熱が他の部分に伝わ
ることが防止されるため、熱変形の発生による加工精度
の低下を最小限におさえることができる。

第６図は第２の発明をプレス成形機に適用した実施例
を示す外観図である。

このプレス成形機は、加工部を除く全体構造が第５図
に示した門形構造のマシニングセンタと同様に構成され
ている。

図において、ベース71の中央上部にはダイ固定台72が
配設され、その上面に加工具であるダイ73が固定され
る。他方、ベース71の両側上部にはコラム74,75が設置
され、さらにコラム74,75の上部内側にはヘッド76が取
付けられる。ヘッド76の下部には上下動するラム77が支
持される。ラム77には加工具であるポンチ78が取付けら
れて、下方のダイ73との間にセットされた被加工物79を
塑性加工する。

ベース71両側のコラム74,75の設置位置内側には熱遮
断部81,82が形成される。

また、コラム74,75は、下端のベース71との境界部分
にそれぞれ熱遮断部83,84が形成され、さらに上部のヘ
ッド76の設置位置手前にもそれぞれ熱遮断部85,86が形
成される。

さらに、コラム74,75とヘッド76の境界部分にも熱遮
断部87,88が形成される。

これら各熱遮断部81〜88は上述した熱遮断部９等とほ
ぼ同じ構造である。

この実施例の場合も各構造部の発熱が他の部分に伝わ
ることが防止されるため、加工具であるダイ73が下降し
て同じく加工具であるポンチ78に最も近づいたときの両
者の間隔の変動が最小限におさえられて、加工寸法を高
精度に保つことができる。

第７図は熱遮断部の他の実施例を示す断面図である。

この熱遮断部は箱形構造をしたコラム等の構成部61の
外周にリング状の熱交換パイプ62を巻付けたものであ
る。熱交換パイプ62と構成部61との間の伝達熱量を向上
させるため、構成部61の外側表面と接触する熱交換パイ
プ62の内側部分の形状を平面にして接触面積を大きくし
ている。

このように熱遮断部を構成すると任意の位置に熱遮断
部の設置可能であり、また移設することも可能になる。

なお、この図では熱交換パイプ62を外部に巻付けた
が、構成部61の内部に設置することも可能であり、とく
に両面から設置すると熱の遮断効果が増す。

また、第２図、第３図に示した熱遮断部９の実施例
は、管路10のパス数が１であるが、加工や強度の点で可
能であれば管路10を複数形成して、冷却油の接触面積を
大きくし、熱交換の効率を増すことができる。同様に、
管路10の断面形状も円形以外にしたり溝等を形成して接
触面積を大きくし、熱交換される熱量を増すことができ
る。

さらに、管路10を通過させる流体としては、冷却油以
外に冷却水、または冷媒ガス等を用いることも可能であ
る。とくに冷媒を供給して管路をエパポレータとして冷
却する場合は、常時冷媒を供給するのでなくサーモセン
サを用いて流量制御をして効率的に熱遮断することがで
きる。

なお、熱遮断部での熱交換は、設定温度を特に高温に
設定しない限り、管路内を通過する一定温度の流体が周
囲から熱を吸収する冷却となる。

また、実施例の熱遮断部はいずれも箱形または円筒状
をした中空の構造部を熱遮断するものであるが、構造部
が中実である場合は熱遮断する面全体に管路を配置して
熱遮断部を構成する。

さらにまた、実施例として説明した工作機以外の加工
具と被加工物、または加工具と加工具間を支持する構造
をした各種加工機械についても、それらの構造部を同様
に構成して加工精度を高めることができる。

（発明の効果） 以上述べたように第１および第２の発明によれば、加
工機械の加工具と被加工物または加工具とを支持する連
続した構造物をその支持方向と交差する面により複数の
分節に区分し、各分節の境界面内の構造物中に、所定温
度の流体が供給される管路を形成したことにより、管路
が形成された境界面前後の分節の間では、相互間が熱的
に絶縁されて熱の授受がおこなわれなくなる。

その結果、構造物の特定部で発熱および冷却があった
場合、発熱・冷却はその分節内だけにしか伝わらず、そ
の分節だけの熱膨張・熱収縮にとどまる。このように構
造物の発熱・冷却箇所の部分のみに熱変形を生じ、他の
部分に変形が及ぶことはないため、加工具と被加工物ま
たは加工具との間に発生する位置ずれが少なくなり、そ
の分、加工精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明における第１の実施例を示す外観
図、第２図は第１図II−II線上の断面図、第３図は第２
図III−III線上の断面図、第４図は第１の発明における
第２の実施例を示す外観図、第５図は第１の発明におけ
る第３の実施例を示す外観図、第６図は第２の発明にお
ける実施例を示す外観図、第７図は熱遮断部の他の実施
例を示す断面図、第８図は従来の加工機械における精度
決定のメカニズムを概念的に示した説明図である。 １……ベース、２……テーブル、３……被加工物、４…
…コラム、５……ヘッド、６……スピンドルヘッド、７
……スピンドル、８……加工具、９……熱遮断部、10…
…管路、13〜15……熱遮断部、21……ベッド、22……主
軸台、23……被加工物、24……スピンドルヘッド、25…
…スピンドル、27……心押台、28……心押軸、29……往
復台、30……刃物台、31……バイト、32〜38……熱遮断
部、41……ベース、42……テーブル、43……被加工物、
44,45……コラム、46……ヘッド、47……スピンドルヘ
ッド、48……スピンドル、49……加工具、51〜58……熱
遮断部、62……熱交換パイプ、71……ベース、72……ダ
イ固定台、73……ダイ、74,75……コラム、76……ヘッ
ド、77……ラム、78……ポンチ、79……被加工物、81〜
88……熱遮断部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】連続した構造物により相対位置が変更可能
   に支持された加工具と被加工物とを指定された相対位置
   に保ちながら加工具が被加工物を加工する加工機械にお
   いて、 前記構造物をその支持方向と交差する面により複数の分
   節に区分して、各分節の境界面内の構造物中に、所定温
   度の流体が供給される管路を形成したことを特徴とする
   加工機械。
2. 【請求項２】連続した構造物により支持された加工具と
   加工具とを指定された相対位置に移動して加工具と加工
   具との間に置かれた被加工物を加工する加工機械におい
   て、 前記構造物をその支持方向と交差する面により複数の分
   節に区分して、各分節の境界面内の構造物中に、所定温
   度の流体が供給される管路を形成したことを特徴とする
   加工機械。