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JP2010173026A - 門型工作機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】 加工精度、特に平面度に影響を及ぼすことなく、振動の問題を引き起こすモード(周波数)に対して吸振機能を発揮できる門型工作機械を提供する。
【解決手段】 2本のコラム10−1、10−2とこれら2本のコラムで支持されたクロスレール20とによる門型工作機械において、前記コラムとクロスレールがクロスする箇所に動吸振器60−1、60−2を設置した。
【選択図】 図2

Description

本発明は、少なくとも2本のコラムによって支持されたクロスレールに工作用のヘッドを取り付け、2本のコラムの間に、被工作物を載せるためのテーブルを配置した門型工作機械に関する。
門型工作機械の一例として、クロスレールを少なくとも2本のコラムで支持する構造とした、いわゆる門型構造を有し、クロスレール(天井部)に取り付けた工作具(例えば砥石)によって被工作物(工作対象物)を工作(例えば研削)する工作機械がある(例えば特許文献1参照)。
図9を参照して、図面の表裏方向に延びるベッド100上にテーブル110が設置されている。テーブル110はベッド100上を図面の表裏方向に移動可能である。ベッド100の両側には図面の表裏方向に延びるコラムベース120が設けられ、コラムベース120上にはこれに沿って移動可能にコラム130が設定されている。2本のコラム130にはクロスレール140が掛け渡されている。クロスレール140には、下端部に工作具160を装着した主軸ヘッド150が取り付けられている。主軸ヘッド150は、クロスレール140に沿って図面の左右方向に移動可能である。被工作物は、テーブル110に搭載される。
この種の工作機械には様々なタイプのものがある。すなわち、図9に示された工作機械は、テーブル110だけでなく、2本のコラム130が同期して移動可能であるが、コラムは固定式の場合もある。また、主軸ヘッドをクロスレールに対して上下方向に移動可能としたり、クロスレールを2本のコラムに対して上下方向にスライド可能にしたりするものもある。
いずれにしても、上記のような、クロスレールを少なくとも2本のコラムで支持する構造とした工作機械が門型工作機械と呼ばれる。図9のものは門型というよりは、H型に近いが、本発明ではこのようなH型も、門型に含まれるものとする。
このような門型工作機械は、クロスレールを2本のコラムで支持するという構造上、図9の表側あるいは裏側に倒れようとする前後倒れモード、図9の左側あるいは右側に倒れようとする横倒れモード、一方のコラムが図9の表側(あるいは裏側)に倒れ、他方のコラムが図9の裏側(あるいは表側)に倒れようとする捩れモードによる振動が想定される。
この種の門型工作機械は、また、被工作物を回転する砥石で研削する際、砥石の回転による強制振動、回転砥石が被工作物に接触した時に生ずる衝撃による自由振動等によって、門型工作機械の装置全体が共振してしまうことがある。共振によって装置全体が大きく振動すると、砥石部分も大きく振動してしまい、被工作物の研削された表面に「びびり模様」と呼ばれる好ましくない模様が生じてしまう。
特開平8−150534
従来、門型工作機械における装置全体の共振を避けるために、以下のような手法が採用されている。
門型工作機械の装置に錘を付加する。
門型工作機械の装置を補強して剛性を増す(装置の固有振動数を変化させる)。
門型工作機械の装置の設置の境界条件を変える(装置の固有振動数を変化させる)。
砥石の回転数を変更する(加振側の振動数を変化させる)。
クロスレールに動吸振器を取り付ける(振動レベルを低減)などが行われてきた。
しかし、以下のような問題点があった。
錘の付加、装置の補強による方法では、装置の大型化に加えて、振動モードが変わる度に錘、補強材の変更を必要とする。
設置の境界条件を変更する方法では、振動モードが変わる度に境界条件の変更を必要とする。
砥石の回転数を変更する方法では、砥石の回転数は工作精度に影響するので変更に限度がある。
動吸振器を取り付ける方法では、振動の問題を引き起こす低次のいくつかの振動モードにわたって対応できないだけでなく、動吸振器の重量によりクロスレールがたわみ、工作精度(平面度)に影響を及ぼす。
本発明の課題は、加工精度、特に平面度に影響を及ぼすことなく、振動の問題を引き起こすモード(周波数)に対して吸振機能を発揮できる門型工作機械を提供することにある。
本発明は、少なくとも2本のコラムとこれら2本のコラムで支持されたクロスレールとによる門型構造を有する工作機械において、前記コラムとクロスレールがクロスする少なくとも2箇所の少なくとも一方に動吸振器を設置したことを特徴とする。
なお、前記動吸振器は、前記クロスレール又は前記コラムの内部又は外部のいずれに設置されても良い。
前記動吸振器は、前記クロスレールの延在方向である第1の方向の振動に対する吸振機能を持つもの、または前記クロスレールの延在方向である第1の方向に対して直角かつ水平な第2の方向の振動に対する吸振機能を持つもの、あるいは前記クロスレールの延在方向である第1の方向の振動に対する吸振機能と前記クロスレールの延在方向に対して直角かつ水平な第2の方向の振動に対する吸振機能とを持つものである。
本発明による門型工作機械は、クロスレールとコラムの付け根部分(クロスする位置)に動吸振器を設置することにより、クロスレールには余計な荷重が作用しないので、クロスレールの撓みの影響を回避できる。これによって、クロスレールに水平方向に移動可能に設けられる工作具用の主軸ヘッドの水平方向の高さの精度が維持できるため、研削等の加工に伴う被工作物の平面度も維持できる。
本発明による門型工作機械はまた、クロスレールとコラムの付け根部分(クロスする位置)に動吸振器を設置することにより、門型部の制振だけでなく、主軸ヘッドにおける振動も低減することができ、加工(研削)精度の向上、問題となるびびり振動の低減、びびり模様を抑制することができる。
本発明が適用される門型工作機械について説明するための斜視図である。 図1に示した門型工作機械に本発明を適用した第1の実施形態を背面側から見た図である。 図2の実施形態の変形例を示した図である。 図1に示した門型工作機械に本発明を適用した第2の実施形態を示す。 門型工作機械に動吸振器を取り付けた場合と取り付けていない場合の比較データを示した図である。 門型工作機械に動吸振器を取り付けた場合と取り付けていない場合の比較データを示した図である。 本発明の実施形態に用いられる動吸振器の構造について説明するための図である。 本発明の実施形態に用いられる動吸振器の構造の他の例について説明するための図である。 門型工作機械の一般的な例を説明するための図である。
図1を参照して、本発明が適用される門型工作機械の一例を説明する。
図1に示した門型工作機械は、コラムが10−1、10−2の2本でこれらが固定式のものである。便宜上、被工作物を載せるテーブルは図示を省略しているが、2本のコラム10−1、10−2の間に配置される。通常、テーブルは、2本のコラム10−1、10−2を結ぶ線分に対して直交する水平方向に移動可能にされる。
2本のコラム10−1、10−2の上端部にはクロスレール20が掛け渡されて固定されている。クロスレール20の側面にはその延在方向(第1の方向)に上下2本のレール20−1が設けられ、更にこの2本のレール20−1に沿ってスライド可能なようにサドル30が取り付けられている。サドル30には、これと一体にスライド可能な主軸ヘッド40が取り付けられている。主軸ヘッド40は、その下端側に、ここでは砥石による工作具50を有し、サドル30に対し、上下方向にスライド可能にされている。以下では、主軸ヘッド40が取り付けられているクロスレール20の側面を前面側と呼び、反対側の面を背面側と呼ぶことがある。
なお、図示しないテーブルの駆動源は、油圧シリンダ機構、あるいはモータとラック・ピニオン機構の組み合わせにより実現できる。また、サドル30と一体の主軸ヘッド40の水平スライド駆動、主軸ヘッド40の上下スライド駆動はサーボモータとボールネジの組み合わせにより実現できる。更に、工作具50(砥石)の回転駆動はモータで実現できる。勿論、これらは一例にすぎず、リニアモータ、空気圧シリンダ機構等、様々な駆動源を用いることができる。
また、図1に示した門型工作機械は、クロスレール20の一端側が、一方のコラム10−1の上端から張り出した部分(以下、オーバーハング部と呼ぶ)を持つように構成されているが、これは以下の理由によるものである。
クロスレール20には異なる種類の主軸ヘッドが2つ装着(2ヘッド式)される場合がある。この場合、一方の主軸ヘッドを使用している際は、他方の主軸ヘッドが邪魔になる。このため、クロスレール20のオーバーハング部を、他方の主軸ヘッドを退避させるための退避部として利用できるようにしている。
勿論、主軸ヘッドが1つの場合であっても、オーバーハング部を、段取り換え(テーブルの高さを変える)の際や、被工作物に対する測定の際などにテーブル上から主軸ヘッドを逃すための退避場所として利用できる。従って、オーバーハング部が、両側に確保されている機種もある。しかしながら、オーバーハング部は本発明に必須の要素ではなく、省略されても良い。
本発明は、上記のような門型工作機械に動吸振器(制振装置)を設置することにより、前述した振動に起因する問題を解消できるようにしている。特に、前述した振動に起因する問題を効率よく解消するためには、動吸振器の設置箇所が重要であり、以下に幾つかの実施形態をあげて説明する。なお、動吸振器の構造については後述する。
動吸振器の設置箇所は、クロスレール20とコラム(10−1、10−2の少なくとも一方)がクロスする部分が好ましく、クロスレールの内部、外部、コラムの内部、外部のいずれでも良い。
図2は、図1に示した門型工作機械に本発明を適用した第1の実施形態を示し、クロスレール20の背面側から見た図である。本実施形態では、クロスレール20とコラム10−1、10−2がクロスする2箇所であって、しかもクロスレール20の外側に動吸振器60−1、60−2を設置している。動吸振器をクロスレール20の外側に設置する場合には、主軸ヘッド40のスライドを妨げないようにするために、クロスレール20の背面側に設置する。動吸振器の設置箇所が外側であれば、動吸振器の取り付け及び取り外しを容易に行うことができる。
図2の実施形態の変形例として、動吸振器は、クロスレール20とコラム10−1、10−2がクロスする2箇所のうちの一方で、しかもクロスレール20の外側に設置するようにしても良い。図3は、この変形例を示し、本例では、クロスレール20とコラム10−2がクロスする箇所であって、しかもクロスレール20の外側(背面側)に動吸振器60−2を設置している。
本発明の第2の実施形態として、動吸振器は、クロスレール20とコラム10−1、10−2がクロスする2箇所の少なくとも一方で、しかもクロスレール20の内側に設置されても良い。
図4(a)〜(d)は、図1に示した門型工作機械に本発明を適用した第2の実施形態を示す。本実施形態では、クロスレール20とコラム10−1、10−2がクロスする2箇所であって、しかもクロスレール20の内側に動吸振器60−1、60−2を設置している。なお、図4(a)、図4(c)は、動吸振器60−1、60−2の内蔵形態を理解し易くするために、動吸振器60−1、60−2の周囲のクロスレール20を一部除去した状態で、それぞれ前面側、背面側から見た門型工作機械を示している。図4(b)、図4(d)はそれぞれ、門型工作機械の外観を図4(a)、図4(c)に対応する図面として示し、クロスレール20に内蔵された動吸振器は外からは見えない。
動吸振器は、第2の実施形態のように、クロスレール20と両側のコラム10−1、10−2の付け根部分の内側に設けるのが好ましい。両側が好ましいのは、前述した前倒れモード、横倒れモード、捩れモードのどのモードに対しても制振効果を発揮できるためであり、両側に同じ動吸振器を配置する方がバランスが良いためである。一方、内側が好ましいのは、クロスレール20の内側の空いたスペースを有効に利用でき、装置全体がコンパクトになり、外観も良くなるためであり、加えて、動吸振器はコラムの中心軸上に位置する内側の方がバランスが良いためである。
但し、上記実施形態はあくまでも好ましい形態であって、動吸振器の設置箇所は、上記の例に限定されず、例えば、クロスレールとコラムがクロスする箇所に近い場所であれば良い。
図5、図6には門型工作機械に動吸振器を取り付けた場合と取り付けていない場合の比較データを示す。
これらの比較データは、動吸振器を片側に取り付け、工作具50として装着した砥石を鉛直方向に加振したときの、砥石の鉛直方向の応答データである。特に、図5が解析結果、図6が実験データであり、実験は実研削時の波形ではなく、加振試験時の結果である。また、応答データの縦軸は周波数応答関数(伝達関数)となっている(加振力あたりの加速度)。
これらの比較データによれば、特定の周波数領域にピークを持つ振動が大きく抑制されていることが理解できる。
次に、図7、図8を参照して、本実施形態に用いられる動吸振器の構造についていくつかの例を説明する。
図7は動吸振器の第1の例を示し、一方向の吸振(制振)機能を持つタイプである。図7(a)は第1の実施形態における動吸振器60−2をクロスレール20の上面側から見た図であり、図7(b)は動吸振器60−2を側面、つまりクロスレール20の端部側から見た図である。図7(c)は動吸振器60−2の上部側を分解して示した図であるが、図7(a)、図7(b)に示された一部の構成要素は図示を省略している。動吸振器60−2の下部側も上下逆にした同じ構造を有し、動吸振器60−1もまったく同じ構造を持つ。
動吸振器60−2は、断面略コ字形状の支持板61、支持板61のコ字形状内に間隔をおいて入り込むことができる形状の補助質量62、ゴム材等によるばね部材(ダンパ)63、押圧板64、ボルト等の締め金具65から成る。
支持板61は、コ字形状の閉端側がクロスレール20に接するようにボルト等(図示せず)でクロスレール20に取り付けられる。補助質量62は、その上下方向に平行な一面の上下両側に、支持板61のコ字形状の上下の開放端に対向することのできる略L字形状部62−21を有する。L字形状部62−21は、厳密に言えば、その中間部に切り欠き(穴でも良い)62−22を持つ。
ばね部材63は、図7(c)で示す上部側について言えば、支持板61のコ字形状の開放端とこれに対向するL字形状部62−21との間に介在するように設置される2枚(図7(c)では図示省略)と、このL字形状部62−21とこれに対向する押圧板64との間に介在するように設置される2枚の合計4枚からなる。なお、支持板61のコ字形状の内部と補助質量62の下端面との間にもばね部材63と同様の複数のばね部材66を介在させている。
支持板61のコ字形状の開放端の中間部とこれに対応する押圧板64の中間部にはそれぞれネジ穴61−21、穴64−21を有する。
上記のように4枚のばね部材63を介在させた状態で穴64−21を通してネジ穴61−21にボルト等の締め金具65を螺入することにより、ばね部材63、L字形状部62−21、ばね部材63、押圧板64が、矢印Aで示す方向(前後方向、第2の方向)に重ねられた状態で支持板61の開放端に押圧される。クロスレール20が振動して支持板61が振動すると、補助質量62も振動する。上記のように各要素を前後方向に重ねることで、特に前後倒れモード、捩れモードに対して顕著な制振効果を得ることができる。
ここで、締め金具65の螺入量を調整してばね部材63の厚さ(初期縮み量)、すなわち支持板61のコ字形状の開放端と押圧板64との間の間隔を調整することでばね部材63の剛性が変化し、矢印Aで示す方向の振動に対して吸振(制振)を行なう共振周波数(図5、図6に実線で示す特性のピークに対応する周波数)を調整、設定することができる。
なお、ばね部材63、L字形状部62−21、ばね部材63、押圧板64の重ね方向は、前後方向(第2の方向)に限らず、クロスレールの延在方向(第1の方向)に重ねられても良い。この場合は、特に横倒れモード、捩れモードに対して顕著な制振効果を得ることができる。2つのばね部材63、63は一方のみでも良く、絞め金具は押圧力を調整できるものであれば良くボルトに限らない。更に、図7(c)に一点鎖線で示すように支持板61を中空とした場合には穴64−21をネジ穴とし、ネジ穴61−21を穴としても良いし、64−21と61−21の双方を穴として寸切りボルトとナットで締めても良い。
図8は動吸振器の第2の例を示し、二方向の吸振(制振)機能を持つタイプである。図8(a)は動吸振器60−2’をクロスレール20の上面側から見た図であり、図8(b)は動吸振器60−2’を側面、つまりクロスレール20の端部側から見た図である。図7と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。
第2の例が図7に示した第一の例と異なる点は以下の通りである。第2の例による動吸振器60−2’は、第1の例で説明した矢印Aで示す方向(前後方向、第2の方向)の振動に対する吸振(制振)機能に加えて、矢印Bで示す方向(左右方向、つまりクロスレール20の延在方向、第1の方向)の振動に対する吸振(制振)機能を持つ。すなわち、前後倒れモード、横倒れモード、捩れモードのいずれに対しても顕著な制振効果を得ることができる。
このために、補助質量62’は、その上下方向に平行な一面の上下両側に第1の例で説明したのと同じ略L字形状部62−21を有するほか、前記一面に隣接する上下方向に平行な他の一面の上下両側にも略L字形状部62−21’を有する。上下の略L字形状部62−21’は、支持板61のコ字形状の上下の側端に対向する。L字形状部62−21’は、前述したL字形状部62−21と同様、その中間部に切り欠き(穴でも良い)62−22’を持つ。
ばね部材63は、図8(a)に示される上部側について言えば、支持板61のコ字形状の上側の側端とこれに対向するL字形状部62−21’との間に介在するように設置される2枚と、このL字形状部62−21’とこれに対向する押圧板64との間に介在するように設置される2枚の合計4枚からなる。なお、図示していないが、支持板61のコ字形状の内部と補助質量62’の下端面との間にも、第1の例のばね部材66と同様の複数のばね部材を介在させている。
支持板61のコ字形状の側端の中間部にはネジ穴を有し、これに対応する押圧板64の中間部には穴(いずれも図示省略)を有する。第1の実施形態と同様、ネジ穴と穴の関係は逆であっても良いし、寸切りボルトとナットを用いるのであれば双方とも穴にしても良い。
上記のように4枚のばね部材63を介在させた状態で、A方向、B方向のそれぞれについて押圧板64の穴を通して支持板61のネジ穴に締め金具65を螺入する。締め金具65の螺入量を調整して支持板61のコ字形状の開放端あるいは側端と押圧板64との間の間隔を調整することでばね部材63の剛性が変化し、矢印Aで示す方向(前後方向)と矢印Bで示す方向(左右方向)の二方向の振動に対して吸振(制振)を行なう共振周波数を調整、設定することができる。
以上説明した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
上記実施形態による門型工作機械は、クロスレール20とコラム10−1、10−2の付け根部分に動吸振器(制振装置)60−1、60−2を設置することにより、クロスレール20には余計な荷重が作用しないので、クロスレール20の撓みの影響を回避できる。これによって、クロスレール20に水平方向に移動可能に設けられた移動体(サドル30、主軸ヘッド40、工作具60)の水平方向の高さの精度が維持できるため、研削等の加工に伴う被工作物の平面度も維持できる。
上記実施形態による門型工作機械はまた、クロスレール20とコラム10−1、10−2の付け根部分(クロスする位置)にそれぞれ動吸振器(制振装置)60−1、60−2(60−2’)を設置することにより、振動の問題を引き起こす低次のいくつかの振動モードにわたって制振効果が発揮できる。すなわち、本実施形態における動吸振器の設置箇所は、低次のモードとして現れ、振動の問題となりやすい、門型工作機械の前後倒れモード、横倒れモード、捩れモードに対して効果的な場所である。加えて、第2の実施形態のような複数方向に制振効果が得られる動吸振器を設置することで、これらのモード全てに対して制振効果を発揮することが可能となる。
上記実施形態による門型工作機械は更に、クロスレール20とコラム10−1、10−2の付け根部分(クロスする位置)に動吸振器(制振装置)60−1、60−2(60−2’)を設置することにより、門型部(クロスレールとコラム)の制振だけでなく、主軸ヘッドにおける振動も低減することができ、加工(研削)精度の向上、問題となるびびり振動の低減、びびり模様を抑制することができる。
加えて、クロスレール20やコラム10−1、10−2は鋳物製であるため中にスペース(空間)が存在することが多く、この場合、動吸振器60−1、60−2(60−2’)はクロスレール20やコラム10−1、10−2の内側に設置することができるので、空いているスペースを有効に利用することができる。
上記実施形態の説明中にも記載したように、動吸振器(制振装置)の設置場所は、クロスレールとコラムの付け根部分(クロスする位置)で、外側(クロスレールやコラムの外側であって、背面側だけでなく、上面、下面、前面、側端面に設置しても同様の効果を発揮する)、内側(クロスレールやコラムの内部)、両側(クロスレールと2本のコラムの付け根部分の両側)、片側(クロスレールと2本のコラムの付け根部分の片側)のいずれでも良く、外側で両側、外側で片側、内側で両側、内側で片側の4種類の組み合わせで提供され得る。
本発明は、少なくとも2本のコラムとこれら2本のコラムの間に掛け渡されたクロスレールとによる門型構造(H型を含む)を有する工作機械全般に適用可能であり、工作具は実施形態で説明した砥石に限らず、ドリル、エンドミル、バイトなども適用できる。
10−1、10−2 コラム
20 クロスレール
20−1 レール
30 サドル
40 主軸ヘッド
50 工作具
60−1、60−2、60−2’ 動吸振器

Claims (8)

  1. 少なくとも2本のコラムとこれら2本のコラムで支持されたクロスレールとによる門型構造を有する工作機械において、
    前記コラムとクロスレールがクロスする少なくとも2箇所の少なくとも一方に動吸振器を設置したことを特徴とする門型工作機械。
  2. 前記動吸振器を、前記クロスレール又は前記コラムの内部又は外部に設置したことを特徴とする請求項1に記載の門型工作機械。
  3. 前記動吸振器は、前記クロスレールの延在方向である第1の方向の振動に対する吸振機能を持つものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の門型工作機械。
  4. 前記動吸振器は、前記クロスレールの延在方向である第1の方向に対して直角かつ水平な第2の方向の振動に対する吸振機能を持つものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の門型工作機械。
  5. 前記動吸振器は、前記クロスレールの延在方向である第1の方向の振動に対する吸振機能と前記クロスレールの延在方向に対して直角かつ水平な第2の方向の振動に対する吸振機能とを持つものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の門型工作機械。
  6. 前記動吸振器は、前記クロスレール又は前記コラムに取付けられる支持部材と、該支持部材からの振動を受けて振動する質量部材と、ばね部材と、前記支持部材に対して前記ばね部材、前記質量部材の一部の順序で前記第1の方向に関して重ねた状態で押圧部材を介して前記支持部材に押圧する金具とを含み、前記金具による押圧調整により前記ばね部材の厚さを調整してその剛性を変化させることにより、前記第1の方向の振動に対して吸振を行なう共振周波数を調整することを特徴とする請求項2に記載の門型工作機械。
  7. 前記動吸振器は、前記クロスレール又は前記コラムに取付けられる支持部材と、該支持部材からの振動を受けて振動する質量部材と、ばね部材と、前記支持部材に対して前記ばね部材、前記質量部材の一部の順序で前記第2の方向に関して重ねた状態で押圧部材を介して前記支持部材に押圧する金具とを含み、前記金具による押圧調整により前記ばね部材の厚さを調整してその剛性を変化させることにより、前記第2の方向の振動に対して吸振を行なう共振周波数を調整することを特徴とする請求項3に記載の門型工作機械。
  8. 前記動吸振器は、前記クロスレール又は前記コラムに取付けられる支持部材と、該支持部材からの振動を受けて振動する質量部材と、ばね部材と、前記支持部材に対して前記ばね部材、前記質量部材の一部の順序で前記第2の方向に関して重ねた状態で押圧部材を介して前記支持部材に押圧する金具と、別のばね部材と、前記支持部材に対して前記別のばね部材、前記質量部材の他の一部の順序で前記第1の方向に関して重ねた状態で別の押圧部材を介して前記支持部材に押圧する別の金具とを含み、
    前記金具による押圧調整により前記ばね部材の厚さを調整してその剛性を変化させることにより、前記第2の方向の振動に対して吸振を行なう共振周波数を調整し、
    前記別の金具による押圧調整により前記別のばね部材の厚さを調整してその剛性を変化させることにより、前記第1の方向の振動に対して吸振を行なう共振周波数を調整することを特徴とする請求項4に記載の門型工作機械。
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