特開 2024-123680 工作装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024123680

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】工作装置

(51)【国際特許分類】

   B23Q 11/00 20060101AFI20240905BHJP

   F16F 15/02 20060101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

B23Q11/00 A

F16F15/02 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023031291

(22)【出願日】2023-03-01

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中野 幸人

(72)【発明者】

【氏名】今西 耕造

(72)【発明者】

【氏名】澁川 大朗

【テーマコード（参考）】

3C011

3J048

【Ｆターム（参考）】

3C011AA06

3J048AD07

3J048BF01

3J048CB22

3J048EA07

(57)【要約】

【課題】工作装置の振動を効果的に低減する。
【解決手段】工作装置１２は、工作物を保持する工作物保持部材１６と、工具を保持する主軸２８と、主軸２８を工作物保持部材１６に対し相対移動可能に保持する主軸保持体２６と、主軸保持体２６に備えられる動吸振器３８と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工作物を保持する工作物保持部材と、
工具を保持する主軸と、
前記主軸を前記工作物保持部材に対し相対移動可能に保持する主軸保持体と、
前記主軸保持体に備えられる動吸振器と、
を有する工作装置。

【請求項2】

前記動吸振器は、前記主軸保持体の外面を部分的に凹ませた凹部内に取り付けられる、請求項１に記載の工作装置。

【請求項3】

前記動吸振器は、前記主軸保持体に対する質量体の併進運動により振動を吸収する、請求項１に記載の工作装置。

【請求項4】

前記動吸振器は、前記主軸保持体に対する質量体の回転運動により振動を吸収する、請求項１に記載の工作装置。

【請求項5】

前記主軸保持体を前記工作物保持部材に対し接離する方向へスライド可能とするスライド部材を備え、
前記動吸振器は、前記接離する方向での振動を吸収する、請求項１に記載の工作装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、工作装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、動吸振器を、アダプターを介して工作機械の主軸の周囲に取り付けた構造が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－１２６１０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の構造では、動吸振器が工作機械の主軸の周囲に取り付けられており、構造及び配置の制約が多いことから、十分に振動を吸収できない場合がある。すなわち、工作機械の振動をより効果的に抑制するには、改善の余地がある。

【0005】

本開示の目的は、工作装置の振動を効果的に低減することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第一態様の工作装置は、工作物を保持する工作物保持部材と、工具を保持する主軸と、前記主軸を前記工作物保持部材に対し相対移動可能に保持する主軸保持体と、前記主軸保持体に備えられる動吸振器と、を有する。

【0007】

この工作装置では、主軸保持体に主軸が保持されており、主軸を工作物保持部材に対し相対移動させることで、工作物に対し工具により加工が可能である。主軸保持体には動吸振器が備えられており、動吸振器により主軸保持体の振動を吸収できる。動吸振器が主軸保持体に備えられることで、動吸振器が主軸に備えられている構成と比較して、動吸振器の構造及び配置を、より振動吸収に適したものとすることができ、工作装置の振動をより効果的に低減できる。

【0008】

第二態様の工作装置は、第一態様において、前記動吸振器は、前記主軸保持体の外面を部分的に凹ませた凹部内に取り付けられる。

【0009】

動吸振器は凹部に取り付けられるので、主軸保持体からの動吸振器の出っ張りを少なくできる。

【0010】

第三態様の工作装置は、第一態様において、前記動吸振器は、前記主軸保持体に対する質量体の併進運動により振動を吸収する。

【0011】

質量体の併進運動、すなわち主軸保持体の振動方向と平行な方向の運動によって、工作装置の振動を低減できる。

【0012】

第四態様の工作装置は、第一態様において、前記動吸振器は、前記主軸保持体に対する質量体の回転運動により振動を吸収する。

【0013】

質量体の回転運動によって、工作装置の振動を低減できる。

【0014】

第五態様の工作装置は、前記主軸保持体を前記工作物保持部材に対し接離する方向へスライド可能とするスライド部材を備え、前記動吸振器は、前記接離する方向での振動を吸収する。

【0015】

主軸保持体が工作物保持部材に対し接離する方向に振動した場合に、この振動を動吸振器により吸収できる。

【発明の効果】

【0016】

本開示の技術では、工作装置の振動を効果的に低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は第一実施形態の工作装置を示す斜視図である。

【図2】図２は第一実施形態の工作装置を示す正面図である。

【図3】図３は第一実施形態の工作装置を部分的に示す平面図である。

【図4】図４は第一実施形態の工作装置を部分的に示す斜視図である。

【図5】図５は第一実施形態の変形例の工作装置を部分的に示す斜視図である。

【図6】図６は第一実施形態の工作装置の振動系を示す概念図である。

【図7】図７は工作装置における振動の周波数とコンプライアンスとの関係を示すグラフである。

【図8】図８は工作装置における振動の周波数とイナータンスとの関係を示すグラフである。

【図9】図９は第二実施形態の工作装置を部分的に示す斜視図である。

【図10】図１０は第二実施形態の工作装置を部分的に示す分解斜視図である。

【図11】図１１は第三実施形態の工作装置を部分的に示す斜視図である。

【図12】図１２は第三実施形態の工作装置の動吸振器を示す正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して第一実施形態の工作装置１２について説明する。

【0019】

図１～図３には、工作装置１２が示されている。本開示の技術の工作装置１２は、いわゆるギアスカイビング装置であり、たとえば、円柱状の工作物ＷＫ（図２参照）に、工具ＴＬ（図２参照）によって所定のギア加工を施す装置である。

【0020】

以下、図面において、工作装置１２の幅方向、奥行方向及び上下方向をそれぞれ矢印Ｗ、矢印Ｄ及び矢印Ｈで示す。ただし、これらの方向は説明の便宜上の方向であり、実際の工作装置１２の使用時における方向を制限するものではない。

【0021】

工作装置１２は、支持台１４、工作物保持部材１６及び工具保持部材１８を有している。支持台１４の上面には第一レール２０及び第二レール２２が設けられている。工作物保持部材１６は第一レール２０に沿って矢印Ｄ方向にスライド可能であり、工具保持部材１８は第二レール２２に沿って矢印Ｗ方向にスライド可能である。特に、工具保持部材１８はこのスライドにより工作物保持部材１６に対し相対移動可能、すなわち接近及び離隔可能である。第二レール２２はスライド部材の一例である。

【0022】

工作物保持部材１６は、工作物保持具２４を有している。工作物保持具２４を介して、工作物保持部材１６は工作物ＷＫを保持する。

【0023】

工具保持部材１８は、主軸保持体２６及び主軸２８を有している。主軸保持体２６は、一対の側壁３０と、上壁３２及び下壁３４を有する枠状の部材である。側壁３０の間に主軸２８が固定されており、これによって主軸２８が主軸保持体２６に保持されている。

【0024】

主軸２８は、工具ＴＬを回転可能に保持する。工具ＴＬは、図示しない回転駆動装置（モータ等）によって、回転可能である。そして、工具保持部材１８が工作物保持部材１６に対し接近及び離隔しつつ工具ＴＬが回転することで、工具ＴＬによって工作物ＷＫを加工することができる。また、主軸２８は、同じく図示しないアクチュエータにより、上下方向に移動可能とされていてもよい。

【0025】

側壁３０及び上壁３２の外面には、１つ又は複数の孔部３６が形成されている。孔部３６は、たとえば、主軸保持体２６を組み立てる場合に、組立作業を行うために使用される。

【0026】

図３及び図４にも示すように、上壁３２の上面には、動吸振器３８が備えられている。動吸振器３８は、ハウジング４０、質量体４２及び弾性支持体４４を有している。図３及び図４に示す例では、ハウジング４０は、上面が開放された箱状の部材である。質量体４２は、ハウジング４０の内部に収容された直方体状の部材である。質量体４２とハウジング４０との間には、矢印Ｗ方向に間隙ＧＰ１が構成されている。この間隙ＧＰ１に、複数の弾性支持体４４が備えられている。弾性支持体４４は、質量体４２をハウジング４０に対し支持しており、質量体４２とハウジング４０との間には、矢印Ｈ方向にも間隙ＧＰ２が構成されている。換言すれば、質量体４２はハウジング４０に対し浮いた状態で支持されている。

【0027】

弾性支持体４４は所定の弾性を有しており、この弾性の範囲で、質量体４２はハウジング４０に対し矢印Ｗ方向の相対移動が可能である。この相対移動は、後述する主軸保持体２６の振動方向と平行、すなわち併進運動となっている。

【0028】

なお、質量体４２をこのように支持できれば、弾性支持体４４の数は特に限定されないが、図３及び図４に示す例では、それぞれの間隙ＧＰ１に２個ずつ、合計で４個の弾性支持体４４を有する構成である。これに代えて、たとえば図５に示す変形例のように、それぞれの間隙ＧＰ１に４個ずつ、合計で８個の弾性支持体４４を有する構成でもよい。

【0029】

次に、本実施形態の作用を説明する。

【0030】

図６は、第一実施形態の工作装置１２において、主軸保持体２６を主系５２Ａ、動吸振器３８を副系５２Ｂとしてモデル化した振動系５２の力学的な概念図である。この振動系５２の主系５２Ａには固有の振動モードがある。そして、たとえば工作物ＷＫに対し工具ＴＬを用いて加工を行っている状態で、工具ＴＬから主軸２８に作用した振動が増幅されると、加工精度の低下を招く。たとえば、図２に矢印Ｖ１で示すように、振動がさらに主軸保持体２６に作用し、主軸保持体２６が、第二レール２２の一部を支点として矢印Ｗ方向の成分を有する振動を生じることがある。

【0031】

本実施形態の工作装置１２では、主軸保持体２６に動吸振器３８が備えられている。動吸振器３８は、主軸保持体２６の振動時に、質量体４２の振動により、主軸保持体２６の振動エネルギーの一部を吸収する。

【0032】

図６に示したように、本開示の技術では、主軸保持体２６は質量ｍ１を有すると共に、支持台１４に対しバネ定数ｋ１の弾性体５４によって支持されているとしてモデル化している。また、質量体４２は質量ｍ２を有しており、弾性支持体４４はバネ定数ｋ２、減衰定数ｃ２を有している。なお、弾性体５４のバネ定数ｋ１は、実質的には主軸保持体２６を第二レール２２に取り付ける取付具等によって発現される。また、弾性体５４も所定の減衰定数を有しているが、弾性支持体４４の減衰定数ｃ２と比較して小さいので、ここでは無視できる。

【0033】

ここで、動吸振器３８を有さない構成の主軸保持体２６を想定する。この構成では、主軸保持体２６が弾性体５４の弾性によって振動する。そして、振動が増幅した場合には、上記したように、工作物ＷＫに対する加工精度の低下を招くことがある。

【0034】

これに対し、本実施形態の工作装置１２では、主軸保持体２６に動吸振器３８が備えられている。主軸保持体２６が振動した場合に、動吸振器３８の質量体４２も振動する。しかも、動吸振器３８の振動は、弾性支持体４４によって減衰される。これにより、振動エネルギーが主軸保持体２６と質量体４２とに分散すると共に弾性支持体４４に吸収されるので、主軸保持体２６自体の振動エネルギーとしては小さくなる。主軸保持体２６の振動が抑制されるので、工作装置１２において工作物ＷＫを加工する場合の加工精度が高くなる。

【0035】

図７には、本実施形態のように動吸振器３８を備えた工作装置１２と、動吸振器３８を備えていない工作装置のそれぞれにおける、振動の周波数と機械的コンプライアンスとの関係が示されている。図７において、動吸振器３８を備えた工作装置１２の場合が実線で、動吸振器３８を備えていない工作装置の場合が一点鎖線で、それぞれ示されている。このグラフから分かるように、動吸振器３８を備えている本実施形態の工作装置１２では、動吸振器３８を備えていない工作装置と比較して、機械的コンプライアンスの極大値が小さくなっており、振動を抑制する効果、特に振幅を低減する効果が高いことが分かる。

【0036】

ここで、さらに比較例として、動吸振器が、主軸保持体２６ではなく、たとえば主軸２８に備えられた構成を想定する。動吸振器が主軸２８に設けられた比較例の構成では、動吸振器の構造や配置に生じる制約が大きい。

【0037】

これに対し、本実施形態の工作装置１２では、動吸振器３８が主軸保持体２６に備えられており、比較例の構成と比較して、動吸振器３８の構造及び配置に対する制約が少ない。このため、主軸保持体２６に作用した振動を減衰させるために、より好ましい構造及び配置とすることが可能である。たとえば、動吸振器３８では図６に示したように、振動の副系５２Ｂとして所定のバネ定数ｋ２及び減衰定数ｃ２を有するが、本実施形態では、これらの数値の設定範囲が広くなる。このため、動吸振器３８の固有振動に対し、この固有振動を効果的に減衰させることが可能なバネ定数ｋ２及び減衰定数ｃ２に設定できる。また、質量体４２の形状変更等により、質量ｍ２を調整することも容易である。

【0038】

図８には、第一実施形態の工作装置１２において、質量体４２の質量の設定を変更した場合の、振動の周波数とイナータンスとの関係が示されている。このグラフにおける「質量比」は、主軸保持体２６に対する質量体４２の質量の比である。主軸保持体２６の質量は一定であるため、質量体４２の質量によって、この「質量比」を容易に所望の値に設定できる。

【0039】

このグラフから分かるように、質量体４２の質量の値を変更することで、イナータンスの極大値は異なる値となっている。本実施形態の工作装置１２では、質量体４２の形状の制約が少ないことにより質量の設定の自由度も高いので、所望のイナータンスを得やすい構成である。

【0040】

第一実施形態の工作装置１２において、動吸振器３８の取付位置は、上壁３２の上面に限らず、たとえば、側壁３０の側面（奥行方向の手前側又は奥側の面）であってもよい。いずれにしても、主軸保持体２６の形状を変更することなく、動吸振器３８を主軸保持体２６に取り付けることが可能である。

【0041】

次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同様の要素、部材等については、第一実施形態を同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

【0042】

図９及び図１０に示すように、第二実施形態の工作装置６２では、主軸保持体２６の上壁３２の上面に、凹部６４が形成されている。この凹部６４内には、動吸振器３８が収容されて取り付けられている。なお、主軸保持体２６としては、上壁３２が部分的に薄肉になるが、全体としては所望の強度及び剛性が得られるように、凹部６４の形状及び位置が設定されている。

【0043】

このような構成とされた第二実施形態の工作装置６２においても、動吸振器３８を有しているので、主軸保持体２６が振動した場合に、この振動が弾性支持体４４によって減衰される。

【0044】

特に第二実施形態の工作装置６２では、上壁３２が部分的に薄肉になっていることで、主軸保持体２６の質量が第一実施形態の主軸保持体２６と比較して小さい。そして主軸保持体２６と動吸振器３８とを合わせた質量が、動吸振器３８を設けない場合の主軸保持体２６の質量に近くなるように設定することが可能である。すなわち、動吸振器３８の質量を有効に活用して、主軸保持体２６と動吸振器３８との全体で所望の質量を有する構造にすることが可能である。

【0045】

また、第二実施形態の工作装置６２では、主軸保持体２６の凹部６４に動吸振器３８が収容されている。このため、主軸保持体２６から動吸振器３８が出っ張らない構造を実現できる。

【0046】

次に、第三実施形態について説明する。第三実施形態において、第一実施形態又は第二実施形態と同様の要素、部材等については、第一実施形態又は第二実施形態と同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

【0047】

第三実施形態の工作装置７２では、主軸保持体２６の側壁３０のそれぞれに形成された孔部３６内に、動吸振器７４が収容されて取り付けられている。第三実施形態では、このように孔部３６内に動吸振器７４が取り付けられており、これにより孔部３６は凹部の一例を成している。

【0048】

図１１に示す例では、それぞれの側壁３０における上下２つの孔部３６のうち、上側の孔部３６に動吸振器７４が取り付けられている。上側の孔部３６は、主軸保持体２６が支持台１４側を中心として回転振動する場合に、振幅の大きい側である。また、２つの側壁３０のそれぞれに対し１つずつ動吸振器７４が備えられており、合計で動吸振器７４は２つである。

【0049】

図１２に詳細に示すように、第三実施形態に係る動吸振器７４は、孔部３６と同芯に配置される内筒７６及び外筒７８を有している。内筒７６は主軸保持体２６に溶接又はネジ留め等により固定されている。あるいは、内筒７６を主軸保持体２６と一体で成形してもよい。これに対し、外筒７８は、図示しないブラケットにより、内筒７６との同芯を維持したまま回転可能に保持されている。

【0050】

内筒７６と外筒７８の間には、弾性支持体８０が配置されている。弾性支持体８０は、内筒７６の外周面及び外筒７８の内周面に固着されている。外筒７８が内筒７６に対し相対回転すると、弾性支持体８０が弾性変形する。この弾性変形により、外筒７８の内筒７６に対する相対回転に弾性力（回転に対する反力）を作用させると共に、この相対回転を減衰させる。

【0051】

外筒７８の外周面と孔部３６の内周面との間には、質量体８２が配置されている。第三実施形態の質量体８２は、外筒７８の外周面及び孔部３６の内周面に沿った円弧状に形成されている。質量体８２は、外筒７８の外周面に接着剤８４、接着シート又はゴム等により固定されている。

【0052】

このような構成とされた第三実施形態の工作装置７２においても、主軸保持体２６に動吸振器７４が備えられている。主軸保持体２６が振動した場合に、動吸振器３８の質量体８２及び外筒７８が内筒７６を中心として回転運動し、この振動は弾性支持体８０によって減衰される。

【0053】

第三実施形態の工作装置７２では、動吸振器７４が、孔部３６に収容されている。このため、主軸保持体２６から動吸振器３８が出っ張らない構造を実現できる。

【0054】

第一実施形態及び第二実施形態では、主軸保持体２６の振動方向は、図２に矢印Ｗ１で示したように、実質的に工具保持部材１８のスライド方向（矢印Ｗ方向）が主である。これに対し、動吸振器３８における質量体４２の移動方向も矢印Ｗ方向である。このため、工作物保持部材１６に対し主軸保持体２６がスライド方向に振動した場合に、この振動を動吸振器３８によって効果的に吸収できる。

【0055】

第三実施形態では、主軸保持体２６の２つの側壁３０のそれぞれに孔部３６が形成されているので、２つの動吸振器７４を搭載した構成にすることが可能である。１つの側壁３０に複数の孔部３６が形成された構成では、さらに多くの動吸振器７４を搭載した構成にすることも可能である。このように、第三実施形態の工作装置７２では、孔部３６を有効に活用して省スペースで、複数の動吸振器７４が搭載された構成を実現できる。

【0056】

本開示の技術において、工作装置としては、上記したギアスカイビング装置に限定されず、たとえば、旋盤、ボール盤、中ぐり盤、フライス盤等を挙げることができる。

【0057】

さらに、以下の付記を開示する。
（付記１）
工作物を保持する工作物保持部材と、
工具を保持する主軸と、
前記主軸を前記工作物保持部材に対し相対移動可能に保持する主軸保持体と、
前記主軸保持体に備えられる動吸振器と、
を有する工作装置。
（付記２）
前記動吸振器は、前記主軸保持体の外面を部分的に凹ませた凹部内に取り付けられる、付記１に記載の工作装置。
（付記３）
前記動吸振器は、前記主軸保持体に対する質量体の併進運動により振動を吸収する、付記１又は付記２に記載の工作装置。
（付記４）
前記動吸振器は、前記主軸保持体に対する質量体の回転運動により振動を吸収する、付記１又は付記２に記載の工作装置。
（付記５）
前記主軸保持体を前記工作物保持部材に対し接離する方向へスライド可能とするスライド部材を備え、
前記動吸振器は、前記接離する方向での振動を吸収する、付記１～付記４のいずれか１項に記載の工作装置。

【符号の説明】

【0058】

１２ 工作装置
１４ 支持台
１６ 工作物保持部材
１８ 工具保持部材
２０ 第一レール
２２ 第二レール
２４ 工作物保持具
２６ 主軸保持体
２８ 主軸
３０ 側壁
３２ 上壁
３４ 下壁
３６ 孔部
３８ 動吸振器
４０ ハウジング
４２ 質量体
４４ 弾性支持体
５２ 振動系
５２Ａ 主系
５２Ｂ 副系
５４ 弾性体
６２ 工作装置
６４ 凹部
７２ 工作装置
７４ 動吸振器
７６ 内筒
７８ 外筒
８０ 弾性支持体
８２ 質量体
８４ 接着剤

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】