JPH04164547A

JPH04164547A - 加工機械

Info

Publication number: JPH04164547A
Application number: JP28796490A
Authority: JP
Inventors: Yotaro Hatamura; 洋太郎畑村
Original assignee: Hamai Co Ltd
Current assignee: Hamai Co Ltd
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1992-06-10
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: JPH0811348B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、マシニングセンタ、旋盤、プレス成形機等の
加工機械に関する。

（従来の技術）マシニングセンタ等の加工機械では、加工精度を向上さ
せて超精密な加工をしようとした場合にその障害になる
のが、加工中の被加工物、加工具からの発熱、および加
工機械に備えられているモータ等の駆動源からの発熱で
ある。これらの発熱は被加工物、加工具の温度を上昇さ
せて熱膨張を引き起こし、さらには被加工物と加工具を
支持する加工機械そのものの構造体にも発熱が伝えられ
て同様に熱膨張を生じさせる。これらの熱変位の発生に
際し、加工機械全体が同時に−様な割合で膨張するので
あれば、被加工物と加工具との間の相対位置は変化せず
に正規な状態に保たれるので問題にならない、しかし、
実際には各部の熱膨張により発生する変位がまちまちで
あるため、被加工物と加工具との相対位置に狂いが生じ
てくる。

この熱膨張をはじめとする、加工機械の精度向上を阻害
するメカニズムを概念的に示したのが第８図のモデルで
ある。

図はマシニングセンタにおいて、工具（加工具）が被削
物（被加工物）を加工する場合を示す。

工具と被削物を所定の相対位置に保つため、工具から被
割物まで順に配設された工具ホルダ、主軸、歯車群、ヘ
ッド、ヘッド送り装置、コラム、ベース、サドル送り装
置、サドル、テーブル送り装置、テーブル、固定具によ
り連続した構造体が構成される。これらの連続した構造
体の全体はＣ形のフレームとみなすことができ、工具と
被削物はそれぞれＣ形フレームの両端に片持ち支持され
ることになる。

図示されたこのモデルでは、ヘッド上部のモータおよび
その回転を主軸に伝達する歯車群からの発熱および工具
と被割物との間に発生する加工発熱が順にとなりの構造
部へと伝えられる。これらの発熱部、および熱が伝えら
れた各構造部は温度が上昇すると熱膨張を生じてＣ形フ
レームの形状を変形させる。このとき、Ｃ形フレームの
各部は発熱の有無、他の部分からの伝熱量の大小により
、均一な温度分布にはならず、各部ごとの膨張の割合が
異なって、Ｃ形フレーム全体の形状はゆかんだものとな
る。

また、加工が開始されると工具と被削物とにはそれぞれ
相反する加工反力が発生し、Ｃ形フレームの両端から全
体に伝えられる。それにより、Ｃ形フレームの各部は加
工反力の大きさに応じた曲げモーメント等の外力を受け
て弾性変形を生じる。

この場合も、Ｃ形フレームの各部が−様な曲げモーメン
トを受けたとしても、各部はそれぞれ剛性が異なること
により、それぞれに発生する変形量が異なり、Ｃ形フレ
ーム全体の変形後の形状は複雑なものとなる。

これら局部ごとに変位の割合が異なる熱膨張と弾性変形
とが合成された結果、Ｃ形フレーム先端の工具と被割物
との相対位置にずれを生じる。これらの相対位置のずれ
に対しては、各部の発熱部に冷却装置を設置したり、各
構造部の剛性を増すことにより小さくするようにしてい
る。しかしさらに加工精度を高めようとした場合には、
これらの発生変位が大きな障害となってくる。

そこでこれらの問題を根本的に解消するため、Ｃ形フレ
ーム各部の温度、加工反力および変形量を各種センサを
用いて検出して間接的に工具と被削物との相対位置ずれ
量を推定し、得られた値にもとづ＜ＮＣにより相対位置
ずれを補正したり、Ｃ形フレームにアクチュエータを設
けて変形を強制的に補正する装置が、本出願の発明者に
より特願平２−１９８４７９号「工作機械の姿勢制御装
置」、および平成２年９月２６日出願の「加工機械」と
して提案された。

これら提案の解決方法を用いることで、はぼ所期の加工
寸法精度を得ることが可能である。特に加工反力の補正
については、工具および被削物が加工開始とともに発生
した加工反力の値および変形量を検出し、ＮＣソフトに
よりｘ、ｙ、ｚ軸の送り量を瞬時に補正して応答性の良
い制御が可能である。

同様に発熱によるＣ形フレーム各部の温度変化も温度セ
ンサにより検出し、また温度上昇による変形も変位セン
サにより検出し、それらの検出値から総合的にＣ形フレ
ームの形状変化を推定してアクチュエータを作動させ、
Ｃ形フレームの両端値１を正規の位置に戻すことが可能
である。

なお、第８図に示したモデルは、例えばプレス成形機の
ように、加工具をＣ型フレームまたは門型フレームの両
端に配設して加工具の相対位置を所定間隔まで移動しな
がら加工具の間に置かれた被加工物を加工する加工機に
ついても当てはまる。

その場合は図に示すＣ型フレーム端部はいずれも加工具
とし、さらに加工具を所定位置まで移動させる機構が必
要となる。

（発明が解決しようとする課題）ところで、Ｃ形フレーム全体の形状変化を正確に把握し
ようとすると、各構成部ごとに正確に変位量を検出しな
ければならない、とくにＣ形フレームの温度変化による
変位は、各発熱源の発熱量が加工状況に応じて不規則に
変化し、さらにその発熱の各構成部への伝達も非常に複
雑な様相を示すので、簡単なモデルを想定しただけでは
熱変位量を正確に把握することが困難である。そのため
、実際に各部の変位を正確に測定する必要が住じ、各部
に一様でしかも多数の変位センサを設置しなければなら
ない。

しかしながら、現実の工作機械等では、各構造部の配置
、動作、スペース、配線等に制約があり、必ずしも充分
な数の変位センサを設置できない。

そこで変位センサを設置する余裕のない部分については
、変位センサよりも小型である温度センサを設置して全
体の温度分布により変位量を推定するようにした。この
ように変位量を直接検出できる部分については変位セン
サを用い、直接検出できない部分については温度センサ
により温度分布を検出し、それらの値を総合してＣ形フ
レーム全体の形状変化を把握し補正処理をおこなうよう
にした。そのため、検出された温度分布から各構成部ご
とに変位量を得ようとすると、予め各種の条件を設定し
て温度分布と発生変位の対応関係を測定してデータとし
て蓄積しておかなければならない。

これらのデータをできる限り高精度な値で収集しておく
ことにより、初めてアクチュエータを精密に作動させて
、Ｃ形フレーム先端の工具および被割物を高精度に補正
することが可能になる。

このように提案された方法は、高精度に補正することが
可能であるもののそれに要するデータの収集が煩わしい
という問題がある。

そのため、Ｃ形フレーム全体について、それぞれの部分
に発生する熱変位を補正する制御を簡単にしようとする
と、Ｃ形フレームに生じる熱変位量の上限をできる限り
低くして制御対象となる熱変位範囲を小さくし、収集デ
ータ量を少なくすれば良いことになる。

このように変位センサや温度センサを設置しても各部の
温度変化自体が大きいと補正量も多くなり、結果として
所望の精度を確保することが難しい、これらのことはプ
レス成形機のように加工具と加工具とを支持し、両加工
具の間に置かれた被加工物を加工する加工機械について
も同様にあてはまる。

本発明はこれらの点に着目してなされたものでその目的
とするところは、加工機械における加工具と被加工物と
の間、または加工具と加工具との間の相対的な位置ずれ
を少なくするため、加工具と被加工物または加工物との
間を支持する構造体に発生する熱変位を少なくした加工
機械を提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、第１の発明は、連続した構
造物により相対位置が変更可能に支持された加工具と被
加工物とを指定された相対位置に保ちながら加工具が被
加工物を加工する加工機械において、所定温度の流体が
供給される管路を前記構造物の長手方向と交差する面内
の構造物中に形成したことを特徴とする。

第２の発明は、連続した構造物により支持された加工具
と加工具とを指定された相対位置に移動して加工具と加
工具との間に置かれた被加工物を加工する加工機械にお
いて、所定温度の流体が供給される管路を前記構造物の
長手方向と交差する面内の構造物中に形成したことを特
徴とする。

（作　用）第１および第２の発明においては、構造物の長手方向と
交差する面内の構造物中に形成された管路に所定温度の
流体を供給すると、管路前後の構造物は供給流体とほぼ
同じ温度になる。

また、管路前後の片方または両方の構造物が発熱または
伝熱により温度が上昇した場合は、構造物の管路に近い
部分が供給流体に吸熱・冷却されて、供給流体に近い温
度となり、管路の反対側の構造物にまで伝熱されること
がない。

その結果、管路が形成された面前後の構造物は、相互間
が熱的に絶縁されて面の前後間での熱の授受がおこなわ
れなくなる。

（実施例）以下、図に沿って本発明の詳細な説明する。

第１図は第１の発明をマシニングセンタに適用した第１
の実施例を示す外観図である。

図において、ベースｌの右側上部には水平面上の移動が
可能なテーブル２が配設され、被加工物３はテーブル２
上に固定される。他方、ベース１の左側上部にはコラム
４が設置され、このコラム４の上部右側には上下動自在
にヘッド５が取付けられる。ヘッド５の先端下部にはス
ピンドルへラド６が設けられてスピンドル７を軸支する
。スピンドル７には加工具８が取付けられて、下方のテ
ーブル２に固定されている被加工物３を切削加工する。

すなわち、このマシニングセンタは加工をおこなう加工
具８と加工される被加工物３とが各構成部によりＣ形に
支持される。

第２図は第１図■−■線上の断面図であり、第３図は第
２図ｍ−■線上の断面図である。

第２図、第３図に示すように、コラム４は中空の箱形構
造であり、このコラム４の下端に熱遮断部９が形成され
る。この熱遮断部９はコラム４の内側を厚肉部とし、冷
却油を循環させるための管路１０を形成したものである
。この管路１０の入口１１から所定温度の冷却油が注入
され、コラム４の内部を一周してから出口１２より排出
される。

循環される冷却油は図示しないオイルクーラ等により、
所定温度に保たれる。ここで言う冷却油の所定温度とは
、マシニングセンタが設置されているところの雰囲気と
同程度の温度である。

同様にコラム４の中間よりやや上方の位置にも熱遮断部
１３が形成される。

さらにヘッド５も中空の箱形構造であり、コラム４に接
続・支持される左端近くに、熱遮断部１４が形成される
。また、ヘッド５の先端下部に突出するスピンドルヘッ
ド６の根本部分にも熱遮断部１５が形成される。

各部に形成される熱遮断部１３〜１５の内部構造は熱遮
断部９とほぼ同一であり、それぞれの内部を同じ温度の
冷却油が循環する。

ここで、加工具８が被加工物３を加工する際の加工発熱
の一部は、加工具８の温度を上昇させるとともにスピン
ドル７、スピンドルへラド６へと順に伝わり、スピンド
ル７、スピンドルヘッド６の温度を上昇させる。各部は
それぞれ温度が上昇した分、膨張して寸法が増加する。

しかし、スピンドルへラド６とへラド５の間には熱遮断
部１５が設けられているため、スピンドルヘッド６から
ヘッド５側へ熱が伝えられることはない。

また、ヘッド５内には、図示しないがスピンドル７を駆
動するモータおよびその回転を伝達するための歯車群が
あることにより、スピンドル７の駆動中は発熱がある。

この発熱はへラド５の温度を上昇させるが、スピンドル
ヘッド６側へは熱遮断部１５があるため熱が伝わらない
、同様に、コラム４側へも熱遮断部１４があるため熱が
伝わらない、さらに、コラム４にもベースｌとの境界部
に熱遮断部９が、上部に熱遮断部１３がそれぞれあるた
め、コラム４またはベースｌに温度変動があっても相互
間での熱移動はない。

実施例のマシニングセンタは、このように加工具８と被
加工物３とを支持するＣ形のフレームの支持方向に直交
する面内に複数の熱遮断部を設置したことにより、各部
の発熱が他の部分に伝えられることが防止されて発熱に
よる熱変位の発生が特定区間のみに限定される。それに
より、Ｃ形をしたフレーム構造全体の変形が小さくおさ
えられて被加工物３と加工具８との相対的な位置ずれ量
が減少し、加工精度が向上する。

すなわち、実施例に示すように加工具８と被加工物３と
を支持するＣ形フレームをその支持方向に直交する熱遮
断部により複数に区分すると、各構造部は他の構造部と
熱的に絶縁され、特定の区分内で発熱しても、その発熱
による温度上昇および熱膨張はその区分内にとどまり、
他の区分は全く影響を受けることがない、その結果、発
熱によるＣ形フレームの変形の発生場所が限定され、し
かもＣ形フレーム全体に発生する変形量も小さい値とな
る。

また、さらには本出順の発明者がすでに提案した前述の
加工機械のようにＣ形フレーム全体の形状変化を温度分
布をも参照して正確に把握しようとした場合は、対象の
加工機械をこのように構成することで、熱変位の発生箇
所が特定の構成部に限られて制御用のモデル構築を容易
にすることができる。

もちろん、構造部の微小な変位を補正する制御装置を有
しない従来型の加工機についても、実施例のように構造
部を構成することで、被加工物と加工具との相対的な位
置ずれ量が減少し、加工精度が向上する。

なお、熱遮断部の設置位置および設置数は適用する加工
機械の物理的構造、各熱源の発熱量、各部の伝熱特性等
に応じ、さらには設置する熱遮断部の吸熱容量、要求さ
れる加工精度等も考慮して決定されるものである。

第４図は第１の発明を旋盤に適用した第２の実施例を示
す外観図である。

図において、ベツド２１の左側上部には主軸台２２が設
けられ、上部右側に突設されたスピンドルヘッド２４が
スピンドル２５を軸支する。スピンドル２５はチャック
２６が締め付けられることにより被加工物２３を把持す
る。被加工物２３が長尺である場合は被加工物２３の他
端を、心神台２７が軸支した心押軸２８により支持する
。

ベツド２１の中央上部には往復台２９が左右に移動自在
に支持され、その上部に設置された刃物台３０が前後に
移動することにより、刃物台３０に取付けられているバ
イト３１が、回転する被加工物２３を切削加工する。

この旋盤も、上述したマシニングセンタと同様に、加工
をおこなうバイト３１と加工される被加工物２３とが各
構成部によりＣ形に支持される。

また、各構成部であるヘッド２１、主軸台２２、スピン
ドルヘッド２４、心神台２７、往復台２９は、中空の箱
形または円筒形の形状をしており、それぞれの端部また
は中間部に長手方向と垂直に熱遮断部を３２〜３８を形
成している。

熱遮断部３２〜３８は、第１図に示すマシニングセンタ
に設置した熱遮断部９等とほぼ同一の構造をしており、
それぞれに同一温度の冷却油を循環させてその前後の間
で熱が伝わることを防止する。このようにして、上述し
たマシニングセンタの場合と同様、加工中の発熱は熱遮
断部３６〜３８が設けられたことによりベツド２１およ
び主軸台２２側へ伝わることが防止される。

また、スピンドル２５を駆動するモータは、図示しない
が熱遮断部３３より左側のベツド２１の内部に、また回
転を変速するギヤボックスは、やはり図示しないがモー
タの上部にあたる熱遮断部３３と熱遮断部３４との間の
主軸台２２内部に収納されている。これらの発熱は、そ
れぞれ熱遮断部３３と熱遮断部３４、または熱遮断部３
４と熱遮断部３５に囲まれているので、他の部分へ伝わ
ることが防止される。

実施例の旋盤は、このように被加工物２３とハイド３１
とを支持するＣ形のフレーム各部の支持方向と直交する
面内に複数の熱遮断部を設置して、各部の発熱が他の部
分に伝えられることを防止したため、発熱による熱変位
の発生が特定区間のみに限定されるので、Ｃ形をしたフ
レーム構造全体の発熱による変形を小さくおさえること
ができる。

その結果、被加工物２３とバイト３１との相対的な位置
ずれの量が減少して加工精度が向上する。

第５図は第１の発明を門形構造をしたマシニングセンタ
に適用した第３の実施例を示す外観図である。

この門形構造をしたマシニングセンタは、第１図に示し
たマシニングセンタのＣ形のフレーム構造を左右対称に
組合わせたものである。

図において、ベース４１の中央上部には水平面上の移動
が可能なテーブル４２が配設され、被加工物４３はテー
ブル４２上に固定される。他方、ベース４１の両側上部
にはコラム４４．４５が設置され、さらにコラム４４．
４５の上部内側にはヘッド４６が取付けられる。ヘッド
４６の下部にはスピンドルへラド４７が設けられスピン
ドル４８を軸支する。スピンドル４８には加工具４９が
取付けられて、下方のテーブル４２に固定されている被
加工物４３を切削加工する。

ベース４１両側のコラム４４．４５の設置位置内側には
熱遮断部５１．５２が形成される。

また、コラム４４．４５は、下端のベース４１との境界
部分にそれぞれ熱遮断部５３．５４が形成され、さらに
上部のへラド４６の設置位置手前にもそれぞれ熱遮断部
５５．５６が形成される。

さらに、コラム４４．４５とへラド４６の境界部分にも
熱遮断部５７．５８が形成される。

これら各熱遮断部５１〜５８は上述した熱遮断部９等と
ほぼ同じ構造である。

この実施例の場合も各構造部の発熱が他の部分に伝わる
ことが防止されるため、熱変位の発生による加工精度の
低下を最小限におさえることができる。

第６ＦｇＪは第２の発明をプレス成形機に適用した実施
例を示す外観図である。

このプレス成形機は、加工部を除く全体構造が第５図に
示した門形構造のマシニングセンタと同様に構成されて
いる。

図において、ベース７１の中央上部にはグイ固定台７２
が配設され、その上面に加工具であるダイア３が固定さ
れる。他方、ベース７１の両側上部にはコラム７４．７
５が設置され、さらにコラム７４．７５の上部内側には
ヘッド７６が取付けられる。ヘッド７６の下部には上下
動するラム７７が支持される。ラム７７には加工具であ
るポンチ７８が取付けられて、下方のダイア３との間に
セットされた被加工物７９を塑性加工する。

ベース７１両側のコラム７４．７５の設置位置内側には
熱遮断部８１．８２が形成される。

また、コラム７４．７５は、下端のベース７１との境界
部分にそれぞれ熱遮断部８３．８４が形成され、さらに
上部のヘッド７６の設置位置手前にもそれぞれ熱遮断部
８５．８６が形成される。

さらに、コラム７４．７５とヘッド７６の境界部分にも
熱遮断部８７．８８が形成される。

これら各熱遮断部８１〜８８は上述した熱遮断部９等と
ほぼ同し構造である。

この実施例の場合も各構造部の発熱が他の部分に伝わる
ことが防止されるため、加工具であるダイア３が下降し
て同じく加工具であるポンチ７８に最も近づいたときの
両者の間隔の変動が最小限におさえられて、加工寸法を
高精度に保つことができる。

第７図は熱遮断部の他の実施例を示す断面図である。

この熱遮断部は箱形構造をしたコラム等の構成部６１の
外周にリング状の熱交換バイブロ２を巻付けたものであ
る。熱交換バイブロ２と構成部６１との間の伝達熱量を
向上させるため、構成部６１の外側表面と接触する熱交
換バイブロ２の内側部分の形状を平面にして接触面積を
大きくしている。

このように熱遮断部を構成すると任意の位置に熱遮断部
の設置可能であり、また移設することも可能になる。

なお、この図では熱交換バイブロ２を外部に巻付けたが
、構成部６１の内部に設置することも可能であり、とく
に両面から設置すると熱の遮断効果が増す。

また、第２図、第３図に示した熱遮断部９の実施例は、
管路１０のパス数が１であるが、加工や強度の点で可能
であれば管路１０を複数形成して、冷却油の接触面積を
大きくし、熱交換の効率を増すことができる。同様に、
管路ｌＯの断面形状も円形以外にしたり溝等を形成して
接触面積を大きくし、熱交換される熱量を増すことがで
きる。

さらに、管路１０を通過させる流体としては、冷却油以
外に冷却水、または冷媒ガス等を用いることも可能であ
る。とくに冷媒を供給して管路をエバポレータとして冷
却する場合は、常時冷媒を供給するのでなくサーモセン
サを用いて流量制御をして効率的に熱遮断することがで
きる。

なお、熱遮断部での熱交換は、設定温度を特に高温に設
定しない限り、管路内を通過する一定温度の流体が周囲
から熱を吸収する冷却となる。

また、実施例の熱遮断部はいずれも箱形または円筒状を
した中空の構造部を熱遮断するものであるが、構造部が
中貰である場合は熱遮断する面全体に管路を配置して熱
遮断部を構成する。

さらにまた、実施例として説明した工作機以外の加工具
と被加工物、または加工具と加工具間を支持する構造を
した各種加工機械についても、それらの構造部を同様に
構成して加工精度を高めることができる。

（発明の効果）以上述べたように第１および第２の発明によれば、加工
機械の加工具と被加工物または加工具とを支持する連続
した構造物において、管路が形成された面の前後の構造
物は熱的に絶縁され、両者の間では熱の授受がおこなわ
れることがない。

その結果、加工機械を構成する構造物の適当な位置の面
に管路を形成しておくと、各部の発熱が他の構造物まで
伝わることなく、その部分だけの温度が上昇して熱膨張
する。このように構造物の限られた部分のみに熱変位を
生じ、他の部分は一定した温度に保たれることにより、
加工具と被加工物または加工具との間に発生する位置ず
れが少なくなり、その分、加工精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明における第１の実施例を示す外観図
、第２図は第１図■−■線上の断面図、第３図は第２図
■−■線上の断面図、第４図は第１の発明における第２
の実施例を示す外観図、第５図は第１の発明における第
３の実施例を示す外観図、第６図は第２の発明における
実施例を示す外観図、第７図は熱遮断部の他の実施例を
示す断面図、第８図は従来の加工機械における精度決定
のメカニズムを概念的に示した説明図である。１・・・ベース　２・・・テーブル　３・・・被加工物
　４・・・コラム　５・・・ヘッド　６・・・スピンド
ルへンド７・・・スピンドル　８・・・加工具　　９・
・・熱遮断部１０・・・管路　１３〜１５・・・熱遮断
部　２１・・・ベンド　２２・・・主軸台　２３・・・
被加工物　２４・・・スピンドルヘッド　２５・・・ス
ピンドル　２７・・・心神台　２８・・・心押軸　２９
・・・往復台　３０・・・刃物台　３１・・・バイト　
３２〜３８・・・熱遮断部４１・・・ベース　４２・・
・テーブル　４３・・・被加工物　４４．４５・・・コ
ラム　４６・・・ヘッド　４７・・・スピンドルヘッド
　４８・・・スピンドル　４９・・・加工具　５１〜５
８・・・熱遮断部　６２・・・熱交換バイブ　７１・・
・ベース　　７２・・・グイ固定台７３・・・ダイ　７
４．７５・・・コラム　７６・・・ヘッド　７７・・・
ラム　７８・・・ポンチ　７９・・・被加工物　８１〜
８８・・・熱遮断部第４図第７図第５図第６図（−一一一一□−一）ど−一一一一一

Claims

【特許請求の範囲】

（１）連続した構造物により相対位置が変更可能に支持
された加工具と被加工物とを指定された相対位置に保ち
ながら加工具が被加工物を加工する加工機械において、
所定温度の流体が供給される管路を前記構造物の長手方
向と交差する面内の構造物中に形成したことを特徴とす
る加工機械。
（２）連続した構造物により支持された加工具と加工具
とを指定された相対位置に移動して加工具と加工具との
間に置かれた被加工物を加工する加工機械において、所
定温度の流体が供給される管路を前記構造物の長手方向
と交差する面内の構造物中に形成したことを特徴とする
加工機械。