特開 2024-49138 工作機械の製造方法

(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】P2024049138

(43)【公開日】2024-04-09

(54)【発明の名称】工作機械の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23Q 1/00 20060101AFI20240402BHJP

   B23Q 1/01 20060101ALI20240402BHJP

   G06F 30/10 20200101ALI20240402BHJP

   G06F 30/20 20200101ALI20240402BHJP

【ＦＩ】

B23Q1/00 S

B23Q1/01 G

G06F30/10 100

G06F30/20

B23Q1/00 T

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022155418

(22)【出願日】2022-09-28

(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】松本 晃

【テーマコード（参考）】

3C048

5B146

【Ｆターム（参考）】

3C048AA03

3C048BB01

3C048EE06

5B146DC04

5B146DJ02

5B146EA07

5B146EA18

(57)【要約】

【課題】工作機械の支持部の最適化により、加工精度の向上が図られた工作機械の製造方法を提供する。
【解決手段】工作機械本体と該工作機械本体の底部に設けられた支持部とを備える工作機械の製造方法であって、平面領域設定工程Ｓ１、対象領域設定工程Ｓ２、荷重条件設定工程Ｓ３、最適化工程Ｓ４を含む。平面領域設定工程Ｓ１では、工作機械本体の底部の少なくとも一部を平面状にして平面領域を設定する。対象領域設定工程Ｓ２では、平面領域から高さ方向下方に向けて上記支持部の高さ分引き延ばして、トポロジー最適化の対象領域を設定する。荷重条件設定工程Ｓ３では、工作機械本体から上記支持部に作用する荷重条件を設定する。最適化工程Ｓ４では、上記対象領域において、荷重条件に基づいてトポロジー最適化処理を行って上記支持部の数及び配置の最適化をする。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

工作機械本体と該工作機械本体の底部に設けられた支持部とを備える工作機械の製造方法であって、
上記工作機械本体の底部の少なくとも一部を平面状にして平面領域を設定する平面領域設定工程と、
上記平面領域から高さ方向下方に向けて上記支持部の高さ分引き延ばして、トポロジー最適化の対象領域を設定する対象領域設定工程と、
上記工作機械本体から上記支持部に作用する荷重条件を設定する荷重条件設定工程と、
上記対象領域において、上記荷重条件に基づいてトポロジー最適化処理を行って上記支持部の数及び配置の最適化をする最適化工程と、を含む、工作機械の製造方法。

【請求項2】

上記最適化工程において、上記荷重の負荷点の変位を最小化することを目的関数として上記トポロジー最適化を行う、請求項１に記載の工作機械の製造方法。

【請求項3】

上記荷重条件設定工程において、上記荷重条件は、上記工作機械本体に取り付けられた可動部の移動に伴う荷重の変化を含む、請求項１又は２に記載の工作機械の製造方法。

【請求項4】

上記最適化工程において、上記対象領域の体積削減率を制約条件として、上記トポロジー最適化を行う、請求項１又は２に記載の工作機械の製造方法。

【請求項5】

上記体積削減率は８０％以上である、請求項４に記載の工作機械の製造方法。

【請求項6】

上記対象領域は、上記高さ方向において２層以上１０層未満のメッシュモデルからなる、請求項１又は２に記載の工作機械の製造方法。

【請求項7】

上記メッシュモデルは、６面体のメッシュを組み合わせてなる、請求項６に記載の工作機械の製造方法。

【請求項8】

上記支持部は、高さ調整可能な支持軸を有する、請求項１又は２に記載の工作機械の製造方法。

【請求項9】

上記最適化工程において、上記対象領域のうち最下層の変位を規制することを制約条件として、上記トポロジー最適化を行う、請求項１又は２に記載の工作機械の製造方法。

【請求項10】

上記トポロジー最適化の結果に基づいて上記支持部の配置及び数を設定する支持部配置工程を含む、請求項１又は２に記載の工作機械の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工作機械の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、工作機械における加工精度を向上するために、トポロジー最適化によりトレードオフの関係にある工作機械の剛性と質量との最適化を図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】

一方、工作機械の加工精度を高めるには、工作機械の底部に備えられる支持部の数や配置も重要な要素となるが、特許文献１に開示の構成では、当該支持部の数や配置については何ら検討されていない。そこで、特許文献１に開示の構成において、支持部についても工作機械本体の場合と同様にトポロジー最適化を適用して支持部の数や配置を最適化することが考えられる。しかしながら、この場合、支持部の数や配置について膨大なパターンの評価が必要となり、過度の計算負荷が生じるため現実的ではないため、工作機械の加工精度をさらに高めるには改善の余地がある。

【0005】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、工作機械の支持部の最適化により、加工精度の向上が図られた工作機械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、工作機械本体と該工作機械本体の底部に設けられた支持部とを備える工作機械の製造方法であって、
上記工作機械本体の底部の少なくとも一部を平面状にして平面領域を設定する平面領域設定工程と、
上記平面領域から高さ方向下方に向けて上記支持部の高さ分引き延ばして、トポロジー最適化の対象領域を設定する対象領域設定工程と、
上記工作機械本体から上記支持部に作用する荷重条件を設定する荷重条件設定工程と、
上記対象領域において、上記荷重条件に基づいてトポロジー最適化処理を行って上記支持部の数及び配置の最適化をする最適化工程と、を含む、工作機械の製造方法にある。

【発明の効果】

【0007】

上記一態様によれば、トポロジー最適化の対象領域は、工作機械本体の底部に設定された平面領域を支持部の高さ分下方に引き延ばした領域として設定され、工作機械本体から支持部に対する荷重条件に基づいてトポロジー最適化を行う。そのため、トポロジー最適化において、工作機械本体の形状を変更することなく、支持部の配置及び数の最適化を図ることができることから、計算負荷を低減することができ、加工精度の向上が図られた工作機械を製造することができる。

【0008】

以上のごとく、上記態様によれば、工作機械の支持部の最適化により、加工精度の向上が図られた工作機械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、工作機械の斜視図。

【図2】実施形態１における、（ａ）第１状態の工作機械の側面、（ｂ）第２状態の工作機械の側面図、（ｃ）第３状態の工作機械の側面図。

【図3】実施形態１における、支持部の斜視図。

【図4】実施形態１における、工作機械の製造装置のブロック図。

【図5】実施形態１における、工作機械の一部における底面斜視図。

【図6】実施形態１における、トポロジー最適化の対象領域の概念斜視図。

【図7】実施形態１における、（ａ）トポロジー最適化結果の例、（ｂ）トポロジー最適化結果の他の例。

【図8】実施形態１における、荷重負荷点の変位量と支持部の数との関係を示す概念図。

【図9】実施形態１における、製造方法のフロー図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（実施形態１）
１．工作機械１
上記工作機械１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。図１に示すように、工作機械１は、汎用的な工作機械とすることができ、本実施形態１では、マシニングセンタを適用する。マシニングセンタは、工具交換可能に構成されており、装着された工具に応じた加工が可能である。また、本形態においては、工作機械１としてのマシニングセンタは、横形マシニングセンタを基本構成とする。ただし、立形マシニングセンタなど、他の構成を適用することもできる。

【0011】

図１に示すように、工作機械１は、例えば、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を駆動軸として有する。工作機械１は工作機械本体として、ベッド１０、工作物保持装置２０及び工具保持装置３０を備え、さらに支持部４０を有する。ベッド１０は設置面上に設置され、工作物保持装置２０が載置される工作物側ベッド１０ａと、工具保持装置３０が載置される工具側ベッド１０ｂとを含む。工作物側ベッド１０ａ及び工具側ベッド１０ｂの形状は限定されないが、それぞれの外径は略直方体となっており、必要な剛性が確保される範囲で軽量化を図るために一部が肉抜きされている。工作物側ベッド１０ａの上面には、Ｘ軸方向に延在する一対のＸ軸ガイドレール１１が形成されている。また、工具側ベッド１０ｂの上面には、Ｚ軸方向に延在する一対のＺ軸ガイドレール１２が形成されている。

【0012】

工作物保持装置２０は、工作物側ベッド１０ａ上に設けられ、テーブル２１と図示しない工作物主軸装置を主に備える。テーブル２１は、Ｘ軸ガイドレール１１を介してＸ軸方向へ移動可能に構成されている。工作物主軸装置は、テーブル２１上に設けられ、工作物を回転可能に保持する。

【0013】

工具保持装置３０は、工具側ベッド１０ｂ上に設けられ、コラム３１、サドル３２、工具主軸装置３３を主に備える。図２（ａ）～（ｃ）に示すように、コラム３１は、Ｚ軸ガイドレール１２を介してＺ軸方向へ移動可能に構成されている。コラム３１の上下方向に延びる面（図１の左面）には、Ｙ軸ガイドレール３１ａが成されている。サドル３２はＹ軸ガイドレール３１ａを介してＹ軸方向へ移動可能に構成されている。工具主軸装置３３は工具Ｔを保持するものであって、サドル３２に設けられると共に、サドル３２と一体的にＹ軸方向へ移動する。工具主軸装置３３には、工具を回転させる回転モータ（図示せず）が備えられている。

【0014】

支持部４０は複数備えられ、工作機械本体１０～３０を支持する。支持部４０の数及び配置は後述するトポロジー最適化により決定させる。支持部４０は、工作機械本体１０～３０のレベリングを行って水平状態となるように支持することができるように構成されている。支持部４０は、例えば、ジャッキボルト、レベリングボルト、レベリングフット、アジャスタボルトなどを採用することができ、本実施形態１では、図３に示すように、支持部４０は、ベース４１、支持軸４２、固定ナット４３を備えるアジャスタボルトからなる。ベース４１は接地面Ｆに載置され、支持軸４２はベース４１に接続されて高さ調整可能なっており、固定ナット４３は工具側ベッド１０ｂを支持軸４２の先端の所定高さの位置にて固定する。

【0015】

２．工作機械１の製造装置１００（設計装置）
次に、工作機械１の製造装置１００について説明する。本実施形態１における工作機械１の製造装置１００は、主に、支持部４０の数及び配置についてのシミュレーションを行って、シミュレーション結果に基づいて支持部４０を形成する。図４に示すように、工作機械１の製造装置１００は、平面領域設定部１０１、対象領域設定部１０２、荷重条件設定部１０３、目的関数設定部１０４、制約条件設定部１０５、最適化処理部１０６、支持部配置設定部１０７を備える。

【0016】

平面領域設定部１０１は、予め所定の形状として設定された工作機械本体における工具側ベッド１０ｂの底部の少なくとも一部を平面状にして平面領域Ｐを設定する。本実施形態１では、図５に示すように、工具側ベッド１０ｂの底面全体を平面状として平面領域Ｐを設定する。工具側ベッド１０ｂの底面の所定領域のみ平面状としてもよい。平面領域設定部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。

【0017】

対象領域設定部１０２は、平面領域から高さ方向Ｙの下方に向けて上記支持部の高さ分引き延ばして、トポロジー最適化の対象領域Ｔを設定する。本実施形態１では、図５に示すように、工具側ベッド１０ｂの底面全体の平面領域Ｐのうち、工具側ベッド１０ｂの幅方向Ｘの両端に沿って所定範囲から、高さ方向Ｙの下方に向けて支持部４０の高さ分引き延ばして、トポロジー最適化の対象領域Ｔを設定する。支持部４０の高さは限定されず、適宜設定することができるが、例えば、工具側ベッド１０ｂの高さの５～３０％とすることができ、本実施形態１では、工具側ベッド１０ｂの高さの１５％としている。また、それぞれの対象領域Ｔの幅方向Ｘの大きさも限定されないが、支持部４０の幅方向Ｘの大きさと同等又はそれ以上とすることができる。対象領域設定部１０２は、それぞれ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】

トポロジー最適化の対象領域Ｔは、３次元形状を表すメッシュモデルにより規定することができる。対象領域Ｔのメッシュモデルは、高さ方向Ｙにおいて２層以上１０層未満とすることができ、好ましくは２層以上５層未満、より好ましくは２層又は３層とすることができる。これにより、対象領域Ｔの高さ方向Ｙの自由度が小さくなるため、計算負荷を低減できるとともに、支持部４０の形状により適した形状とすることができる。

【0019】

後述のように、制約条件として対象領域Ｔの最下層の変位が規制されるため、対象領域Ｔのメッシュモデルは、高さ方向Ｙにおいて少なくとも最下層メッシュＴｂ及び最上層メッシュＴｔの２層備えることを要する。本実施形態１では、図６（ａ）に示すように、対象領域Ｔのメッシュモデルは、最下層メッシュＴｂ及び最上層メッシュＴｔと両者の間に中間層メッシュＴｍの３層からなる。

【0020】

トポロジー最適化の対象領域Ｔを規定するメッシュモデルは、多数の多面体を組み合わせて形成することができ、例えば、４面体や６面体を組み合わせて形成することができる。本実施形態１では、図６（ａ）に示すように、対象領域Ｔを規定するメッシュモデルは、６面体のメッシュを組み合わせて形成している。

【0021】

荷重条件設定部１０３は、工作機械本体１０～３０から支持部４０に作用する荷重の条件である荷重条件を設定する。工作機械本体１０～３０から支持部４０に作用する荷重は、工作機械本体１０～３０の重量、可動部である工作物保持装置２０及び工具保持装置３０の移動に伴って変化する。例えば、工具側ベッド１０ｂにおける支持部４０に対する荷重条件は、工具側ベッド１０ｂ及び工具保持装置３０の重量を含み、さらに、図２（ａ）～（ｃ）に示すように、工具側ベッド１０ｂ上での工具保持装置３０の変位条件を含む。例えば、工具側ベッド１０ｂにおいて工具保持装置３０が、図２（ａ）に示すようにＺ方向の一端にある場合、図２（ｂ）にようにＺ方向中央位置にある場合、及び図２（ｃ）に示すようにＺ方向の他端にある場合のそれぞれを含む。なお、荷重条件設定部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。

【0022】

目的関数設定部１０４は、後述のトポロジー最適化処理における目的関数を設定する。本実施形態１では、目的関数として、荷重の負荷点の変位を最小化することを採用する。例えば、荷重の負荷点は、工具側ベッド１０ｂの底面の平面領域Ｐとすることができる。なお、目的関数設定部１０４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。

【0023】

制約条件設定部１０５は、後述のトポロジー最適化における制約条件を設定する。本実施形態１では、制約条件として、トポロジー最適化の対象領域Ｔにおける最下層の変位を規制することとする。さらに、制約条件として、対象領域Ｔの体積削減率を設定する。当該体積削減率は８０％以上とすることができ、好ましくは８５％以上、より好ましくは９０％以上とすることができる。制約条件としての体積削減率をより大きくすることで、トポロジー最適化により導き出された支持部４０の最適化形状が複数の領域に分離して形成されることとなり、最適化形状に合わせて支持部４０を配置させやすくなる。なお、制約条件設定部１０５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。

【0024】

最適化処理部１０６は、対象領域Ｔにおいて、上述の荷重条件、制約条件に基づいてトポロジー最適化処理を行って、荷重の負荷点の変位を最小化するように支持部４０の数及び配置の最適化をする。なお、最適化処理部１０６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。

【0025】

例えば、図７（ａ）に示すように、制約条件として体積削減率を９２％とした場合のトポロジー最適化により、左右のそれぞれの領域において、最適化形状として独立した複数の領域Ｓが導出された。また、図７（ｂ）に示すように、制約条件として体積削減率を８６％とした場合のトポロジー最適化により、左右のそれぞれの領域において、最適化形状として独立した複数の領域Ｑが導出された。

【0026】

支持部配置設定部１０７は、トポロジー最適化処理により最適化形状として独立した複数の領域Ｑに支持部４０が配置されるように設定する。支持部４０は、平面視において領域Ｑの中央位置に重なるように支持部４０の配置を設定する。そして、図８に示すように、トポロジー最適化処理の結果に基づいて得られた、荷重負荷点の変位量と支持部４０の個数との対応関係から、荷重負荷点の変位量が目標値Ｌ以となるように支持部４０の数を設定することができる。本実施形態１では、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、破線で示すように支持部４０の数及び配置を設定する。

【0027】

３．支持部配置設定のフロー
次に、本実施形態１における工作機械１の製造方法による支持部４０の配置設定のフローについて説明する。図７に示すように、まず、平面領域設定工程Ｓ１において、図４に示す平面領域Ｐを設定した後、図７に示す対象領域設定工程Ｓ２において、図４に示す対象領域Ｔを設定する。そして、図７に示す荷重条件設定工程Ｓ３において、トポロジー最適化における荷重条件を上述の通り設定し、最適化工程Ｓ４において、上述のように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制約条件は上述の通り制約条件設定部１０５により設定する。その後、支持部配置工程Ｓ５において、支持部４０の最適化形状に基づいて支持部４０を配置する。

【0028】

４．作用効果
本実施形態１の工作機械１の製造方法によれば、トポロジー最適化の対象領域Ｔは、工作機械本体１０の底部に設定された平面領域Ｐを支持部４０の高さ分下方に引き延ばした領域として設定され、工作機械本体１０から支持部４０に対する荷重条件に基づいてトポロジー最適化を行う。そのため、トポロジー最適化において、工作機械本体１０の形状を変更することなく、支持部４０の配置及び数の最適化を図ることができることから、計算負荷を低減することができ、加工精度の向上が図られた工作機械１を製造することができる。

【0029】

また、本実施形態１では、最適化工程Ｓ４において、荷重の負荷点の変位を最小化することを目的関数としてトポロジー最適化を行う。これにより、工作機械本体１０の形状を変更することなく、支持部４０の配置及び数の最適化を一層図ることができる。

【0030】

また、本実施形態１では、荷重条件設定工程Ｓ３において、荷重条件は、工作機械本体１０に取り付けられた可動部としての工具保持装置３０の移動に伴う荷重の変化を含む。これにより、当該トポロジー最適化により配置された支持部４０によれば、工具保持装置３０の移動によって荷重の変化が生じても、工作機械本体１０を十分に支持することができる。

【0031】

また、本実施形態１では、最適化工程Ｓ４において、対象領域Ｔの体積削減率を制約条件として、トポロジー最適化を行う。これにより、工作機械全体として必要な剛性を維持しつつ軽量化を図ることができる。

【0032】

また、本実施形態１では、体積削減率は８０％以上である。これにより、最適化工程Ｓ４において最適化された形状が複数の領域に分離して形成されることとなり、当該形状に合わせて支持部４０を配置させやすくなる。

【0033】

また、本実施形態１では、対象領域Ｔは、高さ方向Ｙにおいて２層以上１０層未満のメッシュモデルからなる。これにより、最適化形状に高さ方向Ｙの自由度を小さくすることができ、計算負荷を低減できる。

【0034】

また、本実施形態１では、対象領域Ｔのメッシュモデルは６面体のメッシュを組み合わせてなる。これにより、トポロジー最適化による最適化形状を、図５（ｂ）に示すように、上面から高さ方向Ｙに平行に下面に向けてまっすぐ引き延ばした柱形状とすることができ、支持部４０の形状に適した形状とすることができる。

【0035】

また、本実施形態１では、支持部４０は、高さ調整可能な支持軸４２を有する。これにより、工作機械本体１０が水平状態となるように工作機械本体１０を支持することができる。

【0036】

また、本実施形態１では、最適化工程Ｓ４において、対象領域Ｔのうち最下層Ｔｂの変位を規制することを制約条件として、上記トポロジー最適化を行う。これにより、荷重の負荷点の変位が最小化になるように支持部４０を高精度に最適化することができる。

【0037】

また、本実施形態１では、トポロジー最適化の結果に基づいて支持部４０の配置及び数を設定する支持部配置工程Ｓ５を含む。これにより、支持部４０の配置及び数の最適化が図られた工作機械１の製造が容易となる。

【0038】

以上のごとく、本実施態様１によれば、工作機械の支持部の最適化により、加工精度の向上が図られた工作機械の製造方法を提供することができる。また、上述した工作機械の製造方法を、工作機械の設計方法として捉えることもできる。さらに、上述した工作機械の製造装置１００を、工作機械の設計装置として捉えることもできる。

【0039】

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は、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る。

【符号の説明】

【0040】

１ 工作機械
１０ ベッド
２０ 工作物保持装置
３０ 工具保持装置
４０ 支持部
４１ ベース
４２ 支持軸
４３ 固定ナット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】