(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6850652
(24)【登録日】2021年3月10日
(45)【発行日】2021年3月31日
(54)【発明の名称】工作機械及び工作機械の調整方法
(51)【国際特許分類】
B23Q 1/01 20060101AFI20210322BHJP
B23Q 1/72 20060101ALI20210322BHJP
B23Q 1/58 20060101ALI20210322BHJP
【FI】
B23Q1/01 H
B23Q1/72 B
B23Q1/58 A
【請求項の数】5
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2017-62247(P2017-62247)
(22)【出願日】2017年3月28日
(65)【公開番号】特開2018-164954(P2018-164954A)
(43)【公開日】2018年10月25日
【審査請求日】2019年11月15日
(73)【特許権者】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100090033
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 博司
(74)【代理人】
【識別番号】100093045
【弁理士】
【氏名又は名称】荒船 良男
(72)【発明者】
【氏名】原田 真
【審査官】
久保田 信也
(56)【参考文献】
【文献】
特開2010−240815(JP,A)
【文献】
特開昭61−038832(JP,A)
【文献】
特開2006−341328(JP,A)
【文献】
実開昭60−127834(JP,U)
【文献】
特開2007−175818(JP,A)
【文献】
米国特許出願公開第2017/0072522(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23Q 1/01
B23Q 1/58
B23Q 1/72
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1コラム及び第2コラムと、
前記第1コラム及び前記第2コラムに支持されたクロスレールと、
前記第1コラムの周囲に配置され、前記第1コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第1断熱材と、
前記第2コラムの周囲に配置され、前記第2コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第2断熱材と、
を備え、
前記第1コラムあるいは前記第2コラムの近傍に発熱体又は冷却体があり、
前記第1断熱材の断熱能力と前記第2断熱材の断熱能力とが、前記第1コラムと前記第2コラムとの温度環境の差に応じて、あるいは、前記第1コラムと前記第2コラムとの熱特性の差及び温度環境の差に応じて、前記発熱体又は前記冷却体による温度変化を含んだ周囲温度の変化に伴う前記第1コラムの熱伸縮の量及び前記第2コラムの熱伸縮の量が等しくなるように設定されている工作機器。
【請求項2】
周囲温度の変化に伴う前記第1コラムの熱伸縮の量及び前記第2コラムの熱伸縮の量の差が、前記第1断熱材及び前記第2断熱材の断熱能力が同一である場合と比較して小さくなるように、前記第1断熱材の断熱能力と前記第2断熱材の断熱能力とが異なるように設定されている、
請求項1記載の工作機械。
【請求項3】
前記熱特性の差とは、前記第1コラムの熱容量と前記第2コラムの熱容量との差である請求項1又は請求項2に記載の工作機械。
【請求項4】
前記第1断熱材及び前記第2断熱材は、断熱材の量と種類の一方又は両方が異なる、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の工作機械。
【請求項5】
第1コラム及び第2コラムと、前記第1コラム及び前記第2コラムに支持されたクロスレールと、前記第1コラムの周囲に配置され、前記第1コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第1断熱材と、前記第2コラムの周囲に配置され、前記第2コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第2断熱材とを備え、前記第1コラムあるいは前記第2コラムの近傍に発熱体又は冷却体がある工作機械の調整方法であって、
前記第1コラムと前記第2コラムとの温度環境の差に応じて、あるいは、前記第1コラムと前記第2コラムとの熱特性の差及び温度環境の差に応じて、前記発熱体又は前記冷却体による温度変化を含んだ周囲温度の変化に伴う前記第1コラムの熱伸縮の量及び前記第2コラムの熱伸縮の量が等しくなるように、前記第1断熱材の断熱能力と前記第2断熱材の断熱能力とを設定する、
工作機械の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、工作機械及び工作機械の調整方法に関する。
【背景技術】
【0002】
第1コラム、第2コラム、これらに支持されたクロスレール、及びクロスレールに支持された主軸頭を備える工作機械(「門形工作機械」とも呼ばれる)がある。主軸頭には、研削盤又は切削装置などの加工装置が設けられ、クロスレールに沿った方向および鉛直方向に移動可能に構成される。第1コラムと第2コラムとの間には、ワークをクロスレールと交差する方向に移動可能なテーブルが設けられる。主軸頭の移動とテーブルの移動により、加工装置及びワークの相対位置を変化させながらワークの加工を行うことができる。
【0003】
このような構造の工作機械においては、第1コラム及び第2コラムに熱膨張又は熱収縮(以下、「熱伸縮」と言う)が生じると、クロスレールの高さが変化し、加工精度に影響を及ぼす。従来、このような工作機械において熱に起因する不具合を解消する幾つかの発明がなされている。例えば特許文献1(第3ページの左下欄の5−8行)には、コラムとクロスレールとを左右方向に対称な配置とすることで熱変位の影響を小さくすることが示されている。特許文献2には、装置の冷却に関する技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開昭62−173128号公報
【特許文献2】特開2013−169641号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述した工作機械においては、主軸頭に支持される加工装置として、加工点又は重心が主軸頭の中心から比較的大きく偏った位置に設定される装置が適用されることがある。このような構成では、工作機械の使用時に第1コラムと第2コラムとに加わる荷重に大きな差が生じる。このような場合、第1コラムと第2コラムとには、各々の荷重に対応した剛性が得られるよう、異なる構造が要求されることがある。
【0006】
第1コラムと第2コラムとが非対称な構造を有すると、周囲温度の変化により第1コラム及び第2コラムに生じる熱伸縮の量が等しくならず、クロスレールが水平方向から僅かに傾斜してしまうという課題が生じる。熱伸縮があっても、第1コラムと第2コラムとの伸縮量が同等であれば、主軸頭の昇降により加工精度の低下を避けることができるが、クロスレールに傾斜が生じると、調整により加工精度の低下を避けることが困難となる。
【0007】
また、第1コラムと第2コラムとが同一の構造であっても、工作機械の使用時、発熱又は冷却される機器が第1コラムの近傍に配置されるなど第1コラムと第2コラムとで周囲温度が均等にならないことがある。このような場合にも、第1コラム及び第2コラムの熱伸縮により、クロスレールが水平方向から僅かに傾斜してしまうという課題が生じる。
【0008】
本発明は、第1コラムと第2コラムとに非対称な状況があっても、熱の影響によりクロスレールの傾斜が生じ難い工作機械及び工作機械の調整方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る工作機械は、
第1コラム及び第2コラムと、
前記第1コラム及び前記第2コラムに支持されたクロスレールと、
前記第1コラムの周囲に配置され、前記第1コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第1断熱材と、
前記第2コラムの周囲に配置され、前記第2コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第2断熱材と、
を備え、
前記第1コラムあるいは前記第2コラムの近傍に発熱体又は冷却体があり、
前記第1断熱材の断熱能力と前記第2断熱材の断熱能力とが、前記第1コラムと前記第2コラムとの
温度環境の差に応じて、あるいは、前記第1コラムと前記第2コラムとの熱特性の差及び温度環境の差に応じて、
前記発熱体又は前記冷却体による温度変化を含んだ周囲温度の変化に伴う前記第1コラムの熱伸縮の量及び前記第2コラムの熱伸縮の量が等しくなるように設定されている構成とした。
【0010】
本発明に係る工作機械の調整方法は、
第1コラム及び第2コラムと、前記第1コラム及び前記第2コラムに支持されたクロスレールと、前記第1コラムの周囲に配置され、前記第1コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第1断熱材と、前記第2コラムの周囲に配置され、前記第2コラムの内と外との間の熱伝達を減少させる第2断熱材とを備え
、前記第1コラムあるいは前記第2コラムの近傍に発熱体又は冷却体がある工作機械の調整方法であって、
前記第1コラムと前記第2コラムとの
温度環境の差に応じて、あるいは、前記第1コラムと前記第2コラムとの熱特性の差及び温度環境の差に応じて、
前記発熱体又は前記冷却体による温度変化を含んだ周囲温度の変化に伴う前記第1コラムの熱伸縮の量及び前記第2コラムの熱伸縮の量が等しくなるように、前記第1断熱材の断熱能力と前記第2断熱材の断熱能力とを設定する方法とした。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、第1コラムと第2コラムとに非対称な状況があっても、熱の影響によりクロスレールの傾斜が生じ難いという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】本発明の第1実施形態に係る工作機械を示す斜視図である。
【
図2】第1コラムを示すもので、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は(a)のA−A線断面図、(d)は(b)のB−B線断面図である。
【
図3】第2コラムを示すもので、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は(a)のA−A線断面図、(d)は(b)のB−B線断面図である。
【
図4】周囲温度の変化と第1コラム及び第2コラムの温度変化とを概念的に説明するグラフであり、(a)は第1コラムに関するグラフ、(b)は第2コラムに関するグラフである。
【
図5】第2実施形態の工作機械について周囲温度の変化と第1コラム及び第2コラムの温度変化とを概念的に説明するグラフであり、(a)は第1コラムに関するグラフ、(b)は第2コラムに関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0014】
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る工作機械を示す斜視図である。図中、X方向及びY方向は水平かつ互いに直交する方向を示し、Z方向は鉛直方向を示す。
【0015】
本発明の第1実施形態に係る工作機械1は、ワークの一面を研削する装置であり、基部31、第1コラム10、第2コラム20、クロスレール32、サドル33a、主軸頭33、加工装置34、ならびにワークが配置されるテーブル36及びベッド35を備える。工作機械1は、使用者が容易に設置箇所を変更できない大型の装置であり、例えば工場に据え付けられて使用される。
【0016】
第1コラム10及び第2コラム20は、鋼材などの金属を材料とした支柱であり、Y方向に並列されてクロスレール32を支持する。第1実施形態において第1コラム10と第2コラム20とは、工作機械1の動作中に平均してかかる荷重が異なるため、第1コラム10よりも第2コラム20の剛性が高くなるよう、互いに異なる幅寸を有する。
【0017】
クロスレール32は、Y方向に延伸された形状を有し、サドル33aをY方向に移動可能に支持する。クロスレール32はブラケット32aを介して第1コラム10及び第2コラム20に固定される。クロスレール32は第1コラム10及び第2コラム20に直接に固定されて支持されてもよい。サドル33aをY方向(左右)に移動させるモータは、サドル33a又はクロスレール32に設けられる。
【0018】
サドル33aは、主軸頭33をZ方向(鉛直方向)に沿って昇降させる役割を担うものである。すなわち、サドル33aは、主軸頭33をZ方向に移動可能に支持する。主軸頭33をZ方向に移動させるモータは、主軸頭33又はサドル33aに設けられる。
【0019】
主軸頭33は、加工装置34を保持する。本実施形態では主軸頭33は砥石頭と呼んでもよい。
【0020】
加工装置34は、回転駆動される砥石34aを有する研削盤であり、特に制限されないが、主軸頭33の中心よりもY方向に異なる位置に加工点を有する。
【0021】
ベッド35は、X方向に延伸された形態を有し、Z方向に見てクロスレールと交差するように、第1コラム10と第2コラム20との間、加工装置34よりも下方に配置される。テーブル36は、ワーク(加工対象物)を保持し、X方向に移動可能にベッド35に支持される。
【0022】
<コラムの構造>
図2は、第1コラムを示すもので、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は(a)のA−A線断面図、(d)は(b)のB−B線断面図である。
図3は、第2コラムを示すもので、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は(a)のA−A線断面図、(d)は(b)のB−B線断面図である。
【0023】
第1コラム10は、
図2(a)〜
図2(d)に示すように、周囲を枠11に覆われ、枠11と第1コラム10との間に熱伝達を減少させる第1断熱材12が設けられている。枠11はスペーサ13を介して第1コラム10に固定されている。
【0024】
同様に、第2コラム20は、
図3(a)〜
図3(d)に示すように、周囲を枠21に覆われ、枠21と第2コラム20との間に熱伝達を減少させる第2断熱材22が設けられている。枠21はスペーサ23を介して第2コラム20に固定されている。
【0025】
なお、
図2及び
図3では、第1コラム10及び第2コラム20を簡略化して中空でない密な構造物のように描いているが、第1コラム10及び第2コラム20は例えば骨組構造等の中空部分を有する構造であってもよい。
【0026】
<断熱能力の設定>
第1実施形態おいて、第1断熱材12及び第2断熱材22は、第1コラム10と第2コラム20の熱特性の差に応じて各断熱能力が設定される。具体的には、第1コラム10の熱容量と第2コラム20の熱容量との差に応じて、第1断熱材12の断熱能力が第2断熱材22の断熱能力より高くなるように調整される。本明細書において断熱能力とは、断熱材を挟んだ一方と他方とに温度差が生じた場合に、断熱材の全体を通して、断熱材を挟んだ一方から他方へ伝達される熱量を減少させる能力を意味する。断熱能力は、断熱材が直方体形状で厚み方向(一方の側面から他方の側面に向かう方向)に熱勾配が生じた場合に、d/(σ・s)[K/W]で表わされる量を意味する。ここで、sは断熱材の側面の面積[m
2]、dは断熱材の厚み[m]、σは断熱材の熱伝導率[W/(m・K)]を表わす。
【0027】
より具体的には、第1断熱材12及び第2断熱材22の断熱能力は、次のように設定される。すなわち、熱伝達が生じる状況で第1コラム10に流入する熱量及び第1コラム10の熱容量の比と、熱伝達が生じる状況で第2コラム20に流入する熱量及び第2コラム20の熱容量の比とが、ほぼ等しくなるように設定される。熱伝達が生じる状況とは、第1コラム10及び第2コラム20の温度と、第1断熱材12及び第2断熱材22の外側の温度とに、差が生じた状況を指す。
【0028】
このような断熱能力の設定は、第1断熱材12と第2断熱材22との体積と、断熱材の種類との、一方又は両方を異ならせることで実現できる。断熱材の体積を調整する際には、これに伴って枠11と第1コラム10との間隔、あるいは枠21と第2コラム20との間隔も調整される。工作機械の調整方法として、工作機械1を工場へ設置した後に、調整員が断熱能力の設定を行うという方法が採用されてもよい。
【0029】
<断熱材の作用>
図4は、周囲温度の変化と第1コラム及び第2コラムの温度変化とを概念的に説明するグラフであり、(a)は第1コラムに関するグラフ、(b)は第2コラムに関するグラフである。
【0030】
ここでは、例えば日中と夜間とで周囲温度に変化が生じ、夜間に冷えていた第1コラム10と第2コラム20とが日中に僅かに温まる場合について説明する。周囲温度の上昇及び下降に伴い、第1コラム10の温度と周囲温度とに温度差が生じると、温度差に応じた熱量が第1断熱材12を通過して第1コラム10に流入又は流出され、第1コラム10の温度が僅かに変化する。同様に、周囲温度の上昇及び下降に伴い、第2コラム20の温度と周囲温度とに温度差が生じると、温度差に応じた熱量が第2断熱材22を通過して第2コラム20に流入又は流出され、第2コラム20の温度が変化する。
【0031】
ここで、第1断熱材12の断熱能力は第2断熱材22の断熱能力よりも高いため、周囲温度の変化が等しくても、第1コラム10に流入又は流出する移動熱量は、第2コラム20に流入又は流出する移動熱量よりも小さくなる。さらに、上述した第1断熱材12及び第2断熱材22の断熱能力の調整によって、これらの移動熱量の比は、第1コラム10の熱容量と第2コラム20の熱容量の比とほぼ等しくなる。それ故、第1コラム10の温度変化量と第2コラム20の温度変化量とがほぼ等しくなる。この結果、温度変化により第1コラム10及び第2コラム20に熱伸縮が生じても、両者の膨張量又は収縮量は等しくなる。よって、温度変化によりクロスレール32の高さが僅かに変化するものの、クロスレール32の水平度は高い精度で維持される。
【0032】
以上のように、第1実施形態の工作機械1によれば、第1コラム10及び第2コラム20の周囲温度の変化があってもクロスレール32の水平度を高い精度で維持することができる。従って、第1コラム10及び第2コラム20を異なる構造としても、周囲温度の変化により加工精度が低下するという不具合を避けることができる。
【0033】
(第2実施形態)
第2実施形態の工作機械は、第1コラム10と第2コラム20との間に温度環境の差がある場合に対応したものである。具体的には、例えば第1コラム10の近傍又は第2コラム20の近傍に発熱体又は冷却体等があり、第1コラム10の周囲温度の変化が第2コラム20の周囲温度の変化よりも大きい場合に対応したものである。発熱体又は冷却体は、工作機械に付属されるもの、工作機械の近傍の別の機械に付属されるもの、あるいは、工作機械が設置される工場内の冷暖房機器などであってもよい。第2実施形態は、第1コラム10と第2コラム20とが同一サイズ及び同一の構造である点が、第1実施形態と異なる。また、第2実施形態は、第1断熱材12と第2断熱材22との断熱能力の設定方法が、第1実施形態と異なる。
【0034】
第2実施形態においては、第1断熱材12及び第2断熱材22が、第1コラム10の周囲温度の変化量と第2コラム20の周囲温度の変化量との差に応じて、異なる断熱能力を有するように調整される。より具体的には、熱伝達が生じる状況で第1コラム10に流入する熱量と、熱伝達が生じる状況第2コラム20に流入する熱量とが、ほぼ等しくなるように第1断熱材12及び第2断熱材22の断熱能力が調整される。ここで、熱伝達が生じる状況とは、第1コラム10の温度とその周囲の周囲温度とに差が生じ、第2コラム20の温度とその周囲の周囲温度とに差か生じた状況を指す。第1コラム10の周囲温度と第2コラム20の周囲温度とは異なる。
【0035】
工作機械の調整方法として、工作機械1を工場へ設置した後、調整員が、工作機械1の使用状況を調査し、この調査結果に基づいて断熱能力の設定を行うという方法が採用されてもよい。
【0036】
<断熱材の作用>
図5は、周囲温度の変化と第1コラム及び第2コラムの温度変化とを概念的に説明するグラフであり、(a)は第1コラムに関するグラフ、(b)は第2コラムに関するグラフである。
【0037】
ここでは、例えば工作機械1の利用開始から終了時にかけて、第1コラム10の周辺の周囲温度が第2コラム20の周辺の周囲温度よりも高くなり、第1コラム10と第2コラム20とに周囲温度に応じた僅かな温度変化が生じる場合について説明する。周囲温度の上昇及び下降に伴い、第1コラム10の温度と周囲温度とに温度差が生じると、温度差に応じた熱量が第1断熱材12を通過して第1コラム10へ流入又は流出され、第1コラム10の温度が僅かに変化する。同様に、周囲温度の上昇及び下降に伴い、第2コラム20の温度と周囲温度とに温度差が生じると、温度差に応じた熱量が第2断熱材22を通過して第2コラム20へ流入又は流出され、第2コラム20の温度が変化する。
【0038】
ここで、第1断熱材12の断熱能力は第2断熱材22の断熱能力より高い。このため、第1コラム10側と第2コラム20側とで周囲温度の変化量に差があっても、第1コラム10に流入又は流出する移動熱量は、第2コラム20に流入又は流出する移動熱量とほぼ等しくなる。それ故、第1コラム10の温度変化量と第2コラム20の温度変化量とはほぼ等しくなり、第1コラム10及び第2コラム20に熱伸縮が生じても、両者の膨張量又は収縮量は等しくなる。従って、温度変化によりクロスレール32の高さが僅かに変化するものの、クロスレール32の水平度は高い精度で維持される。
【0039】
以上のように、第2実施形態の工作機械1によれば、第1コラム10及び第2コラム20に異なる周囲温度の変化が生じても、クロスレール32の水平度を高い精度で維持することができる。従って、周囲温度の変化によって加工精度が低下するという不具合を避けることができる。
【0040】
以上、本発明の各実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、加工装置として研削盤を適用した例を示したが、例え切削装置など様々な加工装置を適用してもよい。また、研削盤の取付け位置及び取付け向きについても様々に変更可能である。
【0041】
また、上記実施形態では、第1コラム及び第2コラムの温度環境が等しく、これらの熱容量が異なる場合と、第1コラム及び第2コラムの構成が等しく、これらの温度環境が異なる場合とに、それぞれ対応する2つの実施形態を示した。しかしながら、本発明は、第1コラム及び第2コラムの温度環境が異なりかつこれらの熱容量が異なる工作機械に対しても適用可能である。このような工作機械の場合、温度環境の差及び熱容量の差に応じて、第1断熱材及び第2断熱材の断熱能力を調整すればよい。
【0042】
また、第1実施形態では、第1コラムと第2コラムとの熱特性の差として、熱容量の差を一例にとって説明した。しかし、第1コラムと第2コラムとに、例えば熱伸縮の量に影響する材質の差又は構造の差がある場合も想定できる。このような場合には、これらを熱特性の差として、これらに応じて、第1断熱材の断熱能力と第2断熱材の断熱能力との調整を行ってもよい。また、第1断熱材及び第2断熱材の断熱能力は、第1コラム及び第2コラムの温度変化量又は熱伸縮量が完全に等しくなるように調整されなくてもよい。例えば、第1断熱材の断熱能力と第2断熱材の断熱能力とがほぼ等しい場合と比較して、第1コラムと第2コラムとの温度変化量の差又は熱伸縮量の差が小さくなるように各断熱能力が設定されていれば、本発明の特有の効果が奏される。
【0043】
また、上記実施形態では、第1コラム及び第2コラムの周囲に枠を設け、枠の内側に断熱材を配置する構成を示したが、断熱材を配置するための形態は様々に変更可能である。例えば、枠は完全に第1コラムの周囲あるいは第2コラムの周囲を覆う形態とせずに、隙間が生じるように周囲に配置されてもよい。その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【0044】
1 工作機械
10 第1コラム
11 枠
12 第1断熱材
20 第2コラム
21 枠
22 第2断熱材
32 クロスレール
33 主軸頭
34 加工装置
34a 砥石
35 ベッド
36 テーブル