特開 2024-3700 工作機械の構成部品の製造方法

(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】P2024003700

(43)【公開日】2024-01-15

(54)【発明の名称】工作機械の構成部品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23Q 1/01 20060101AFI20240105BHJP

   B23Q 1/25 20060101ALI20240105BHJP

   G06F 30/10 20200101ALI20240105BHJP

   G06F 30/20 20200101ALI20240105BHJP

【ＦＩ】

B23Q1/01 H

B23Q1/01 F

B23Q1/25

G06F30/10 100

G06F30/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022103024

(22)【出願日】2022-06-27

(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】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼林 巨樹

(72)【発明者】

【氏名】アビド ムハマド アリ ラザ

【テーマコード（参考）】

3C048

5B146

【Ｆターム（参考）】

3C048BB01

3C048BC03

3C048BC06

3C048BC08

3C048DD06

3C048EE06

5B146DC04

5B146DJ02

5B146EA15

(57)【要約】

【課題】工作機械の使用中に変動する要素を有する構成部品について、形状の最適化をより高精度に行うことができる工作機械の構成部品の製造方法を提供する。
【解決手段】工作機械の構成部品の製造方法は、応力解析工程Ｓ３と最適化工程Ｓ４とを含む。応力解析工程Ｓ３では、構成部品において変動する要素に基づいて応力解析する。最適化工程Ｓ４では、応力解析工程Ｓ３の結果に基づいて、トポロジー最適化処理を行って構成部品の最適化形状を決定する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工作機械の構成部品の製造方法であって、
上記構成部品において変動する要素に基づいて上記構成部品の応力解析をする応力解析工程と、
上記応力解析工程の結果に基づいて、トポロジー最適化処理を行って上記構成部品の最適化形状を決定する最適化工程と、を含む、工作機械の構成部品の製造方法。

【請求項2】

上記最適化工程において作成された上記最適化形状に基づいて、上記構成部品を作成する作成工程を含む、請求項１に記載の工作機械の構成部品の製造方法。

【請求項3】

上記構成部品において変動する要素は、上記構成部品に取り付けられる移動機構の位置状態に応じて変動する上記構成部品にかかる荷重の位置を含む、請求項１又は２に記載の工作機械の構成部品の製造方法。

【請求項4】

上記最適化工程において、上記トポロジー最適化処理における目的変数は、上記構成部品の変位及び質量の少なくとも一つの最小化を含む、請求項１又は２に記載の工作機械の構成部品の製造方法。

【請求項5】

上記最適化工程において、上記トポロジー最適化処理における制約条件は、上記構成部品の質量を含む、請求項４に記載の工作機械の構成部品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械の構成部品の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械における加工精度を向上するために、当該工作機械の構成部品において高い剛性が求められるが、当該剛性を高めるとこれに相反して構成部品は大質量化することとなる。このようにトレードオフの関係にある剛性と質量との最適化を図る手法は種々検討されており、例えば特許文献１には、トポロジー最適化手法を用いて構成部品の形状を最適化する構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－６６１０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、工作機械の使用中にその構成部品において変動する要素が存在する場合については何ら考慮されていない。そのため、工作機械の使用中にその構成部品において変動する要素が存在する場合には、特許文献１に開示のトポロジー最適化手法を用いて最適化した構成部品の形状は必ずしも最適化されたものとはならない場合があり、改善の余地がある。

【0005】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、工作機械の使用中に変動する要素を有する構成部品について、形状の最適化をより高精度に行うことができる工作機械の構成部品の製造方法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、工作機械の構成部品の製造方法であって、
上記構成部品においてに基づいて上記構成部品の応力解析をする応力解析工程と、
上記応力解析工程の結果に基づいて、トポロジー最適化処理を行って上記構成部品の最適化形状を決定する最適化工程と、を含む、工作機械の構成部品の製造方法にある。

【発明の効果】

【0007】

上記一態様によれば、工作機械の構成部品において変動する要素に基づいて応力解析した後、当該応力解析の結果に基づいてトポロジー最適化処理を行って上記構成部品の最適化形状を決定する。これにより、最適化された構成部品の形状は、構成部品において変動する要素を考慮したものとなっているため、変動する要素を含む構成部品の形状をより高精度に最適化することができる。また、当該最適化をトポロジー最適化処理により行っているため、短時間で最適化処理を行うことができる。

【0008】

以上のごとく、上記態様によれば、工作機械の使用中に変動する要素を有する構成部品について、形状の最適化をより高精度に行うことができる工作機械の構成部品の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態１における、工作機械及び工作物の背面側斜視図。

【図2】実施形態１における、（ａ）第１状態の工作機械及び工作物の正面図、（ｂ）第２状態の工作機械及び工作物の正面図、（ｃ）第３状態の工作機械及び工作物の正面図。

【図3】実施形態１における、（ａ）第４状態の工作機械及び工作物の正面図、（ｂ）第５状態の工作機械及び工作物の正面図、（ｃ）第６状態の工作機械及び工作物の正面図。

【図4】実施形態１における、工作機械の構成部品の製造装置のブロック図。

【図5】実施形態１における、製造方法のフロー図。

【図6】実施形態１における、（ａ）ビームの中実モデルの正面側斜視図、（ｂ）中実モデルの背面側斜視図。

【図7】実施形態１における、（ａ）第１状態でのビームの正面側コンター図及び背面側コンター図、（ｂ）第２状態でのビームの正面側コンター図及び背面側コンター図、（ｃ）第３状態でのビームの正面側コンター図及び背面側コンター図。

【図8】実施形態１における、（ａ）第４状態でのビームの正面側コンター図及び背面側コンター図、（ｂ）第５状態でのビームの正面側コンター図及び背面側コンター図、（ｃ）第６状態でのビームの正面側コンター図及び背面側コンター図。

【図9】（ａ）実施形態１のビームの最適化形状、（ｂ）比較形態におけるビームの形状。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（実施形態１）
上記工作機械の構成部品の製造方法に係る実施形態１について、図１～図９を参照して説明する。実施形態１は、図１に示す工作機械１の構成部品であるビーム１０の製造方法である。

【0011】

１－１．工作物Ｗ
工作機械１の工作物Ｗは限定されないが、本実施形態１では、図１に示すように、工作物Ｗとして立方体部材である。工作物Ｗは、例えば、20,000～30,000kgの質量を有するものとすることができる。

【0012】

１－２．工作機械１
図１に示すように、工作機械１は、ビーム１０、左ユニット２０、右ユニット３０、左支柱４１、右支柱４２、中央支柱４３を備える。ビーム１０の外形は略棒状をなしている。本実施形態１では、ビーム１０の長手方向をＸ方向、重力方向であってビーム１０の高さ方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向であってビーム１０の厚さ方向をＺ方向とする。図２（ａ）に示すように、ビーム１０には下方左側に左支柱４１が取り付けられており、下方右側に右支柱４２が取り付けられている。さらに、図１に示すように、ビーム１０の背面中央には、中央支柱４３が取り付けられている。ビーム１０は、各支柱４１～４３により支持されている。

【0013】

また、図２（ａ）に示すように、ビーム１０には移動機構として、正面右側に左ユニット２０が取り付けられており、正面左側に右ユニット３０が設けられている。左ユニット２０及び右ユニット３０は、ビーム１０の正面に設けられたレール２１、３１を介してＸ方向に移動可能なように取り付けられている。なお、左ユニット２０及び右ユニット３０のＸ方向の位置は、図示しない制御装置により制御される。

【0014】

また、左ユニット２０及び右ユニット３０には、工作物Ｗを加工するための所定の工具が設けられている。左ユニット２０は、例えば、図２（ａ）に示す初期位置から図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように工作物Ｗの上方位置に移動して、工作物Ｗに所定の加工を行うように構成されている。また、右ユニット３０は、例えば、図３（ａ）に示す初期位置から図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように工作物Ｗの上方位置に移動して、工作物Ｗに所定の加工を行うように構成されている。なお、図２（ａ）と図３（ａ）では、左ユニット２０及び右ユニット３０ともに初期位置にあり、同じ状態を示している。

【0015】

本実施形態１では、左ユニット２０及び右ユニット３０は大型となっており、左ユニット２０の質量は約20,000kgであり、右ユニット３０の質量は約15,000kgである。そして、ビーム１０は、Ｘ方向に移動する左ユニット２０及び右ユニット３０を支持する梁として機能する。そのため、左ユニット２０及び右ユニット３０がＸ方向に移動するとこれに応じて、ビーム１０に対する荷重のかかる位置が変化することとなる。具体的には、図２（ａ）～（ｃ）及び図３（ａ）～（ｃ）に示すように、左ユニット２０の重心位置Ｇａ及び右ユニットの重心位置Ｇｂはそれぞれの状態に応じて変化している。

【0016】

１－３．工作機械１の構成部品の製造装置１００
次に、工作機械１の構成部品の製造装置１００について説明する。図４に示すように、工作機械１の構成部品の製造装置１００は、応力解析部１０１、最適化処理部１０２、判定部１０３、構成部品作成部１０４を含む。

【0017】

応力解析部１０１は、構成部品の形状モデルにおける応力解析を行う。当該応力解析は、構成部品において変動する要素に基づいて行う。構成部品において変動する要素は限定されず、当該構成部品に取り付けられる移動機構の位置状態に応じて変動する上記構成部品にかかる荷重の位置、当該構成部品の温度変化などを例示できる。本実施形態１では、構成部品において変動する要素として、構成部品であるビーム１０における移動機構である左ユニット２０及び右ユニット３０の位置状態に応じて変動するビーム１０にかかる荷重の位置を採用する。なお、応力解析部１０１は所定のプログラムを実行するコンピュータにより構成することができる。

【0018】

最適化処理部１０２は、トポロジー最適化処理を行う。トポロジー最適化処理における目的変数及び制約条件は、最適化の対象となる工作機械１の構成部品に応じて適宜設定することができ、例えば、目的変数として、構成部品の変位及び質量の少なくとも一つの最小化を含むものとすることができる。複数位置の変位に基づいて構成部品のコンプライアンス（剛性の逆数）を導出し、当該コンプライアンスを目的変数に含むこととしてもよい。また、トポロジー最適化処理における制約条件は構成部品の質量を含むことができ、また、これに替えて、制約条件はなしとしてもよい。なお、最適化処理部１０２は所定のプログラムを実行するコンピュータにより構成することができる。

【0019】

判定部１０３は、最適化処理部１０２による処理結果として作成された形状モデルが設定された目標値を満たすか否か判定する。判定部１０３による判定結果に基づいて、再度応力解析を行うことができる。すなわち、応力解析部１０１による応力解析と最適化処理部１０２によるトポロジー最適化処理とを繰り返し行うことで、最適化形状の決定を高精度に行うことができる。なお、判定部１０３は所定のプログラムを実行するコンピュータにより構成することができる。

【0020】

構成部品作成部１０４は、判定部１０３により目標値を満たすと判定された最適化形状に基づいて、構成部品の作成を行う。構成部品作成部１０４の構成は限定されず、所定の工作機械により構成することができる。

【0021】

１－４．ビーム１０の形状の最適化と製造
次に、ビーム１０の形状の最適化と製造について図５のフロー図に従って説明する。まず、図５のステップＳ１において、ビーム１０の初期形状の設定を行う。本実施形態１では、ビーム１０の背面及びＸ方向の両面は最適化処理において変更しないものとし、ビーム１０の初期形状として、図６（ａ）及び（ｂ）に示す中実のモデルであるソリッドコンポーネントを採用する。

【0022】

次に、図５のステップＳ２において、トポロジー最適化処理における目的変数、制約条件、目標値の設定を行う。本実施形態１では、目的変数としてビーム１０の変位の最小化及び質量の最小化を設定し、制約条件はなしと設定する。目標値としてビーム１０におけるＹ方向の変位量が所定値以下であること、かつ、ビーム１０の質量が30,000kg以下であることを設定する。

【0023】

その後、ステップＳ３において、応力解析部１０１により、ビーム１０の初期形状の応力解析を実行する応力解析工程を行う。本実施形態１では、左ユニット２０が図２（ａ）に示す初期位置である第１状態、初期位置から図２（ｂ）に示すようにＸ方向の右方に所定距離移動した第２状態、図２（ｃ）に示すようにさらにＸ方向の右方に移動して終端位置まで移動した第３状態についての応力解析を行う。さらに、右ユニット３０が図３（ａ）に示す初期位置である第４状態、初期位置から図３（ｂ）に示すようにＸ方向の左方に所定距離移動した第５状態、図３（ｃ）に示すようにさらにＸ方向の左方に移動して終端位置まで移動した第６状態についての応力解析を行う。

【0024】

そして、本実施形態１では、ビーム１０において変動する要素とは、ビーム１０において左ユニット２０及び右ユニット３０の位置状態に応じて変動する荷重の位置である。図２（ａ）～（ｃ）に示す第１状態～第３状態及び図３（ａ）～（ｃ）に示す第４状態～第６状態における変動する荷重の位置は、各状態における左ユニット２０の重心位置Ｇａ及び右ユニット３０の重心位置Ｇｂである。

【0025】

応力解析部１０１による応力解析の結果として、図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に第１状態、第２状態及び第３状態のコンター図をそれぞれ示し、図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に第４状態、第５状態及び第６状態のコンター図をそれぞれ示した。図７（ａ）～（ｃ）及び図８（ａ）～（ｃ）に示すように、左ユニット２０及び右ユニット３０の移動に伴ってビーム１０にかかる荷重Ｇ１～Ｇ３の位置には偏りがあり、応力解析の結果としての応力の分布に変化が生じている。なお、応力解析部１０１による応力解析の結果はビーム１０の３次元形状に沿って３次元データとして取得されるものであり、図７及び図８は、当該３次元データの応力解析結果の一部として２次元のコンター図を代表的に示したものである。

【0026】

その後、ステップＳ４において、最適化処理部１０２により、応力解析部１０１による応力解析結果に基づいてトポロジー最適化処理を行う。そして、ステップＳ５において、判定部１０３により、トポロジー最適化処理により作成された形状が上記目標値を満たすか否かを判定する。判定部１０３により目標値を満たさないと判定された場合は、ステップＳ５のＮｏに進み、ステップＳ３において、トポロジー最適化処理により作成された形状について応力解析を行い、再度以降のステップを行う。

【0027】

一方、ステップＳ５において、判定部１０３により目標値を満たすと判定された場合は、ステップＳ５のＹｅｓに進み、ステップＳ６において、トポロジー最適化処理により作成された形状をビーム１０の最適化形状として決定する。本実施形態１では、図９（ａ）に示すように、ビーム１０の最適化形状は、ビーム１０の内部において発生する応力が比較的高い領域である高応力領域に複数のリブ１１が設けられ、発生する応力が比較的低い部分である低応力領域にはリブ１１が設けられない形状となった。なお、複数のリブ１１には、必要な剛性を確保するために互いに形状が異なるものが含まれていてもよい。

【0028】

その後、ステップＳ７において、構成部品作成部１０４により図９（ａ）に示す最適化形状に基づいてビーム１０を作成する作成工程Ｓ７を実施し、当該フローを終了する。

【0029】

１－５．確認試験
図９（ａ）に示す最適化形状を有する実施形態１のビーム１０と、図９（ｂ）に示す比較形態のビーム９０とについて、質量の比較を行った。なお、比較形態のビーム９０は、図９（ｂ）に示すように内部にリブ９１が所定の繰り返し単位で一定の割合で設けられている。

【0030】

実施形態１のビーム１０と比較形態のビーム９０とを比較したところ、両者は同等の強度を有しており、実施形態１のビーム１０の質量は比較形態のビーム９０の質量よりも約２５％削減されたことが確認された。

【0031】

１－６．作用効果
本実施形態１によれば、構成部品において変動する要素に基づいて応力解析した後、当該応力解析の結果に基づいてトポロジー最適化処理を行ってビーム１０の最適化形状を決定する。これにより、最適化されたビーム１０の形状は、ビーム１０の変動する要素を考慮したものとなっているため、変動する要素を有するビーム１０について、より高精度に最適化を図ることができる。また、最適化をトポロジー最適化処理により行っているため、短時間で最適化処理を行うことができる。

【0032】

また、本実施形態１では、最適化工程Ｓ４において作成された最適化形状に基づいて、ビーム１０を作成する作成工程Ｓ７を含む。これにより、当該最適化形状を有するビーム１０を取得することができる。

【0033】

また、本実施形態１では、構成部品において変動する要素は、ビーム１０に取り付けられる移動機構である両ユニット２０、３０の位置状態に応じて変動するビームにかかる荷重を含む。これにより、移動機構である両ユニット２０、３０を備えるビーム１０について、より高精度に最適化を図ることができる。

【0034】

また、最適化工程Ｓ４において、トポロジー最適化処理における目的変数は、ビーム１０の変位の最小化及び質量の少なくとも一つの最小化を含み、本実施形態１では、両者を含む。これにより、トレードオフの関係にあるビーム１０の変位と質量について最適化を図ることができる。

【0035】

以上のごとく、本実施形態１によれば、変動する要素を有するビーム１０について、形状の最適化をより高精度に行うことができる。

【0036】

なお、本実施形態１では、最適化工程Ｓ４におけるトポロジー最適化処理の制約条件をなしに設定したがこれに限らず、所望の制約条件を設定することとしてもよい。

【0037】

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。工作機械１の構成部品１０として、実施形態１に示すものに限定されず、例えば、工作機械１として、マニシングセンター、立型研削盤、円筒研削盤、平面研削盤、センター研削盤、内径研削盤などを採用することができ、構成部品１０として、これらの工作機械の各種構成部品を採用することができる。

【符号の説明】

【0038】

１…工作機械、１０…ビーム（構成部品）、１１…リブ、１２…取り付け部、２０…左ユニット（移動機構）、３０…右ユニット（移動機構）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】