JP5972702B2

JP5972702B2 - 工作機械の製造方法

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Publication number: JP5972702B2
Application number: JP2012169952A
Authority: JP
Inventors: 克敏田中; 紀男山西; 渡大曽根
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: KR101474656B1; KR20140016832A; TW201424919A; JP2014028414A; US20140037397A1; TWI520810B; CN103659293A

Description

本発明は、工作機械の製造方法に関する。詳しくは、ワークを載置するテーブルと、主軸ヘッドと、前記テーブルに対して前記主軸ヘッドを相対対移動させる相移動機構とを備えた工作機械の製造方法に関する。

近年、工作機械において、生産性向上の要求から、高速化の要請が高まっている。
この要請に応えるべく、工作機械のなかには、軽量化および高剛性を目的として、一部の部品、例えば、クロスレールを炭素繊維強化プラスチック（carbon fiber reinforced plastics:ＣＦＲＰ）で一体成形したものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０００−２６３３５６号公報

ところで、微細加工を行う工作機械にあっては、特に、主軸ヘッドの軽量化が必須である。そこで、主軸ヘッドを構成する本体部分についてもＣＦＲＰで構成することが考えられる。

ＣＦＲＰの成形法としては、炭素繊維を一方向に引き揃えたテープや織物にプラスチックを含浸させて作った中間素材（プリプレグ）を何枚も積層して、加圧容器であるオートクレーブに入れ、高温下で加圧、硬化させたプリプレグ法、型内にプリプレグ等の中間素材を敷き、硬化剤を混合した溶融プラスチック樹脂の塗布、含浸、脱泡を繰り返しながら所定厚さに成形していくハンドレイアップ法、あるいは、型内に炭素繊維の織物をセットした後、母材となる樹脂を含浸させた後、硬化させるＲＴＭ法などの成形法が知られている。
しかし、上述した成形法は、装置が大掛かりになったり、製造に手間と時間が掛かるため、極めて高価になるという課題がある。

本発明の目的は、このような従来の課題に対して、主軸ヘッドを安価にして軽量化できる工作機械の製造方法を提供することにある。

本発明の工作機械の製造方法は、ワークを載置するワーク載置面を有するテーブルと、主軸ヘッドと、前記テーブルに対して前記主軸ヘッドを移動させる相対移動機構とを備え、前記主軸ヘッドは、主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に軸受機構を介して回転可能に支持され先端に工具を有する主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成された工作機械の製造方法において、炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を予め用意し、前記異なる形状の構造材を組み合わせて、前記主軸ヘッド本体を構成し、前記主軸ヘッド本体は、正面、両側面および背面のうち少なくとも３つの面が面材からなる構造材で囲まれた角筒形状で、この角筒形状の下面が下面材からなる構造材で塞がれた構造に形成され、前記下面材に前記軸受機構を介して前記主軸が回転可能に支持されていることを特徴とする。

このような構成によれば、炭素繊維強化プラスチックによって構成されるとともに、異なる基本的形状の複数種の構造材が予め用意されているから、これらの構造材を組み合わせて接合、例えば、接着剤やリベットなどによって接合して、主軸ヘッド本体を構成することができる。従って、主軸ヘッドを安価にして軽量化できるから、主軸ヘッドの高速化が実現でき、その結果、微細可能に適用できるとともに、生産性の向上に寄与できる。

さらに、本発明では、主軸ヘッド本体は、正面、両側面および背面のうち少なくとも３つの面が面材からなる構造材で囲まれた角筒形状で、下面が下面材からなる構造材で塞がれた構造に形成されているから、変形や歪みなどが生じることが少ない構造にできる。従って、工作機械の高精度化を維持できる。

本発明の工作機械の製造方法において、前記角筒形状内において、上下方向の中間位置に、補強面材からなる構造材が前記下面材と略平行に介在されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、角筒形状内の中間位置に、補強面材からなる構造材が介在されているから、この補強面材によって主軸ヘッド本体の剛性を高めることができ、変形や歪みなどの発生を抑制できる。

本発明の工作機械の製造方法において、前記構造材として、前記面材とともに、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形、Ｈ形、Ｔ形、四角形、三角形、丸形の少なくとも１種類の形材が用意されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形、Ｈ形、Ｔ形、四角形、三角形、丸形の少なくとも１種類の形材と、面材とを組み合わせれば、任意の形状・構造・強度を有する主軸ヘッド本体を簡単に構成することができる。

本発明の工作機械の製造方法において、前記相対移動機構は、前記テーブルをワーク載置面に対して平行なＸ軸方向へ移動させるＸ軸移動機構と、前記テーブルを跨いで設けられた門形コラムと、この門形コラムの水平ビームに前記テーブルのワーク載置面に対して平行で前記Ｘ軸方向に対して直交するＹ軸方向へ移動可能に設けられ前記主軸ヘッドを支持したサドルと、このサドルをＹ軸方向へ移動させるＹ軸移動機構と、前記サドルに対して前記主軸ヘッドを前記Ｘ，Ｙ軸方向に対して直交するＺ軸方向へ昇降させるＺ軸移動機構とを備え、前記テーブルおよびサドルを、前記異なる形状の構造材を組み合わせて構成した、ことが好ましい。
このような構成によれば、テーブルおよびサドルも、炭素繊維強化プラスチックによって構成された構造材を組み合わせて構成されているから、高強度、高弾性率を維持しつつ、軽量化が図れる。従って、工作機械全体として、高精度化を維持しつつ高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。

本発明の実施形態に係る工作機械を示す斜視図。前記実施形態において、主軸装置およびその周辺部分を示す図。前記実施形態において、テーブルの構成を示す図。前記実施形態において、サドルの構成を示す図。前記実施形態において、主軸ヘッド本体の構成を示す図。前記実施形態において、構造材の例を示す図。前記主軸ヘッド本体の他の例を示す図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜実施形態の構成＞
本工作機械は、図１に示すように、ベース１と、このベース１にＸ軸移動機構としてのＸ軸ガイド機構１１およびＸ軸リニアモータ機構１２を介してＸ軸方向へ移動可能に設けられ上面にワークＷを載置するワーク載置面を有するテーブル１３と、このテーブル１３を跨いで設けられた門形コラム２０と、この門形コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸移動機構としてのＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸装置３０とから構成されている。

Ｘ軸ガイド機構１１は、ベース１の上面にＸ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール１１Ａと、テーブル１３の下面にガイドレール１１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材１１Ｂとを含んで構成されている。
Ｘ軸リニアモータ機構１２は、ベース１の上面においてガイドレール１１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット１２Ａと、このマグネット１２Ａに隙間を隔ててテーブル１３の下面に取り付けられたコイル１２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。

Ｙ軸ガイド機構２１は、図２にも示すように、門形コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面にＹ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール２１Ａと、主軸装置３０の下面にガイドレール２１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材２１Ｂとを含んで構成されている。
Ｙ軸リニアモータ機構２２は、門形コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面においてガイドレール２１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット２２Ａと、このマグネット２２Ａに隙間を隔てて主軸装置３０の下面に取り付けられたコイル２２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。

（主軸装置の説明：図２参照）
主軸装置３０は、図２にも示すように、門形コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸ヘッド支持部材としてのサドル３３と、このサドル３３にＺ軸移動機構としてのＺ軸ガイド機構４１および昇降機構としてのＺ軸リニアモータ機構４２を介して昇降可能に設けられた主軸ヘッド４３と、この主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダ４４とから構成されている。

Ｚ軸ガイド機構４１は、主軸ヘッド４３の裏面にＺ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール４１Ａと、サドル３３の正面に固定されガイドレール４１Ａをスライド可能に案内するスライド部材４１Ｂとを含んで構成されている。
Ｚ軸リニアモータ機構４２は、主軸ヘッド４３の裏面においてガイドレール４１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット４２Ａと、このマグネット４２Ａに隙間を隔ててサドル３３の正面に取り付けられたコイル４２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
ここで、コイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われている。遮熱部材４２Ｃとしては、アルミニウムまたはプラスチックスなどの材料によって箱状に形成されている。

主軸ヘッド４３は、図１に示すように、主軸ヘッド本体５１と、この主軸ヘッド本体５１に軸受機構５６を介して回転可能に支持された主軸５２と、この主軸５２を回転駆動させる回転駆動源５３とを含んで構成されている。主軸５２には工具５４が着脱可能に取り付けられる。回転駆動源５３は、モータによって構成されている。

バランスシリンダ４４は、主軸ヘッド４３を挟んだ両側にそれぞれ設けられている。
各バランスシリンダ４４は、上端がブラケット５５を介してサドル３３に支持されたシリンダ本体４４Ａと、上端にシリンダ本体４４Ａ内に摺動可能に収納されたピストンを有し下端が主軸ヘッド４３の下端に連結されたピストンロッド４４Ｂとから構成されている。
ピストンで区画されたシリンダ本体４４Ａの下室には、図示省略の空気供給源からのエアーが圧力レギュレータ等を介して供給されている。その結果、バランスシリンダ４４によって、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力が主軸ヘッド４３に上向きに与えられている。

本実施形態においては、テーブル１３と主軸ヘッド４３とを相対移動させる相対移動機構のうち、可動側部材が、予め、炭素繊維強化プラスチック(ＣＦＲＰ)によって構成された異なる基本的形状の複数種の構造材の組み合わせによって構成されている。
ここでは、工作機械を構成する構成要素のうち、テーブル１３と、サドル３３と、主軸ヘッド本体５１が、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰという場合もある）によって構成された異なる形状の複数種の構造材の組み合わせによって構成されている。次に、これらの製造方法および構造について説明する。

（テーブル１３の製造方法について）
テーブル１３は、図３に示すように、四角形状のテーブル１３の４辺に配置された断面Ｃ形のＣＦＲＰ製の構造材１３Ａと、この構造材１３Ａで囲まれた前後の構造材１３Ａの間に掛け渡された断面Ｉ形のＣＦＲＰ製の補強構造材１３Ｂと、構造材１３Ａ，１３Ｂの上下面に配置された四角形のＣＦＲＰ製の面材１３Ｃと、下面に接着されたＣＦＲＰ製の補強面材１３Ｄとから構成されている。

（サドル３３の製造方法について）
サドル３３は、図４に示すように、箱形状のサドル３３の四隅に配置された断面Ｌ形状のＣＦＲＰ製の構造材３３Ａと、各構造材３３Ａの間に接着された四角形のＣＦＲＰ製の側面材３３Ｂと、上面に接着された四角形のＣＦＲＰ製の上面材３３Ｃと、底面に接着されたＣＦＲＰ製の下面材３３Ｄとから構成されている。

（主軸ヘッド本体５１の製造方法について）
主軸ヘッド本体５１は、図５に示すように、互いに平行に配置されたＣＦＲＰ製の側面材５１Ａと、この側面材５１Ａの背面に接着されたＣＦＲＰ製の背面材５１Ｂと、側面材５１Ａの上面および底面に接着されたＣＦＲＰ製の上面材５１Ｃおよび下面材５１Ｄと、側面材５１Ａの中間に挿入されたＣＦＲＰ製の補強面材５１Ｅと、側面材５１Ａおよび背面材５１Ｂの下端部に接着されたＣＦＲＰ製の補強面材５１Ｆとから構成されている。つまり、正面および上面の前半分が開放された縦長箱形状に形成されている。下面材５１Ｄの中心には、主軸５２を挿入するための孔５１Ｇが形成されている。

＜実施形態の作用、効果＞
このような構成の工作機械において、ワークＷを加工するには、ワークＷをテーブル１３上にセットしたのち、テーブル１３をＸ軸方向へ、サドル３３をＹ軸方向へ、主軸ヘッド４３をＺ軸方向へ移動させながら、工具５４によってワークＷを加工する。
本実施形態では、これらの可動側部材、つまり、テーブル１３、サドル３３、主軸ヘッド４３を構成する主軸ヘッド本体５１が、炭素繊維強化プラスチックによって構成されているから、これら部材を軽量化することができる。そのため、これら部材の移動速度を高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。

しかも、テーブル１３、サドル３３、主軸ヘッド４３を構成する主軸ヘッド本体５１は、炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を組み合わせ製造されているから、安価に製造できる。

特に、主軸ヘッド本体５１は、正面、両側面および背面のうち少なくとも３つの面（両側面および背面）がＣＦＲＰ製の側面材５１Ａ，背面材５１Ｂからなる構造材で囲まれた角筒形状で、上面および下面がＣＦＲＰ製の上面材５１Ｃおよび下面材５１Ｄからなる構造材で塞がれた構造に形成されているから、変形や歪みなどが生じることが少ない構造にできる。従って、工作機械の高精度化を維持できる。
また、角筒形状内の中間位置には、ＣＦＲＰ製の補強面材５１Ｅが介在されているから、この補強面材５１Ｅによって主軸ヘッド本体５１の剛性を高めることができ、変形や歪みなどの発生を抑制できる。
なお、主軸ヘッド本体５１の正面は開放されているから、主軸５２を支持した軸受機構５６や回転駆動源５３を主軸ヘッド本体５１内に組み付ける際に、作業しやすい利点がある。

また、主軸ヘッド４３を昇降させる昇降機構が、主軸ヘッド４３に主軸ヘッド４３の昇降方向に沿って設けられたマグネット４２Ａと、サドル３３にマグネット４２Ａに対向して配置されたコイル４２Ｂとを含むＺ軸リニアモータ機構４２を含んで構成されているから、主軸ヘッド４３を円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。
しかも、Ｚ軸リニアモータ機構４２を構成するコイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体５１などが熱変形を起こすのを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。

＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、構造材として、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形の形材と、面材とを用いたが、これに限られない。例えば、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形の形材と、面材のほかに、図６（Ｅ）〜（Ｉ）に示すように、断面Ｈ形、Ｔ形、三角形、丸形、四角形などの構造材を用意しておき、これらの中から必要な構造材を選択して、機械の部品を構成するようにしてもよい。
なお、予め、これらの構造材を製造するには、構造材の断面形状に適した成形法で行う。例えば、三角形、丸形、四角形などの構造材の場合、連続した炭素繊維に樹脂を染み込ませたものを芯金に巻き付けて筒状に成形するのが好ましい。

前記実施形態では、主軸ヘッド本体５１を、面材（側面材５１Ａ，背面材５１Ｂ，上面材５１Ｃ，下面材５１Ｄ，補強面材５１Ｅ，５１Ｆ）のみによって構成したが、これに限らず、図７に示すような構造に形成してもよい。つまり、図７に示すように、側面材５１Ａ，背面材５１Ｂのほかに、ＣＦＲＰ製の構造材からなる正面材５１Ｈを組み合わせて四角筒形状に形成し、これらの四隅に断面Ｌ形状のＣＦＲＰ製の構造材５１Ｉを接合した構造であってもよい。
このような構造であれば、主軸ヘッド本体５１の正面が正面材５１Ｈによって塞がれているので、つまり、主軸ヘッド本体５１が閉じた角筒形状に形成されているので、より高剛性にできる利点がある。

前記実施形態では、テーブル１３と工具５４とを相対移動させる相対移動機構のうち、可動側部材について、予め、炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材の組み合わせによって構成したが、これに限られない。
例えば、門形コラム２０の水平ビーム２０Ａを炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を組み合わせて構成してもよく、あるいは、ベース１も含めて、工作機械の主要構造材の全てを炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を組み合わせて構成してもよい。

前記実施形態では、工作機械として、テーブル１３がＸ軸方向へ、主軸ヘッド４３がＹ軸方向およびＺ軸方向へ移動可能であったが、これに限られない。要は、主軸ヘッド４３が少なくとも一次元（１軸方向）以上へ移動可能な構造であれば、どのような構造であってもよい。

また、前記実施形態では、各軸移動機構をリニアモータ機構、つまり、Ｘ軸リニアモータ機構１２、Ｙ軸リニアモータ機構２２、Ｚ軸リニアモータ機構４２によって構成したが、必ずしも、リニアモータ機構でなくてもよい。ボールねじを用いた送り機構であってもよい。
また、前記実施形態では、主軸５２の回転駆動源５３として、モータを用いたが、これに限らず、例えば、エアータービン機構などであってもよい。

また、前記実施形態では、バランスシリンダ４４によって主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力を発生させるようにしたが、必ずしも、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力でなくてもよく、主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生する構成であってもよい。

本発明は、一般的な工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。

１２…Ｘ軸リニアモータ機構（Ｘ軸移動機構）、
１３…テーブル、
１３Ａ〜１３Ｄ…構造材、
２０…門形コラム（相対移動機構）、
２０Ａ…水平ビーム、
２２…Ｙ軸リニアモータ機構（Ｙ軸移動機構）、
３３…サドル、
３３Ａ〜３３Ｄ…構造材、
４２…Ｚ軸リニアモータ機構（Ｚ軸移動機構）、
４３…主軸ヘッド、
５１…主軸ヘッド本体、
５１Ａ〜５１Ｆ，５１Ｈ，５１Ｉ…構造材、
５２…主軸、
５３…回転駆動源、
５４…工具、
５６…軸受機構、
Ｗ…ワーク。

Claims

ワークを載置するワーク載置面を有するテーブルと、主軸ヘッドと、前記テーブルに対して前記主軸ヘッドを移動させる相対移動機構とを備え、前記主軸ヘッドは、主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に軸受機構を介して回転可能に支持され先端に工具を有する主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成された工作機械の製造方法において、
炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を予め用意し、
前記異なる形状の構造材を組み合わせて、前記主軸ヘッド本体を構成し、
前記主軸ヘッド本体は、正面、両側面および背面のうち少なくとも３つの面が面材からなる構造材で囲まれた角筒形状で、この角筒形状の下面が下面材からなる構造材で塞がれた構造に形成され、前記下面材に前記軸受機構を介して前記主軸が回転可能に支持されている、
ことを特徴とする工作機械の製造方法。
請求項１に記載の工作機械の製造方法において、
前記角筒形状内において、上下方向の中間位置に、補強面材からなる構造材が前記下面材と略平行に介在されている、
ことを特徴とする工作機械の製造方法。
請求項１または請求項２に記載の工作機械の製造方法において、
前記構造材として、前記面材とともに、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形、Ｈ形、Ｔ形、四角形、三角形、丸形の少なくとも１種類の形材が用意されている、
ことを特徴とする工作機械の製造方法。
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の工作機械の製造方法において、
前記相対移動機構は、前記テーブルをワーク載置面に対して平行なＸ軸方向へ移動させるＸ軸移動機構と、前記テーブルを跨いで設けられた門形コラムと、この門形コラムの水平ビームに前記テーブルのワーク載置面に対して平行で前記Ｘ軸方向に対して直交するＹ軸方向へ移動可能に設けられ前記主軸ヘッドを支持したサドルと、このサドルをＹ軸方向へ移動させるＹ軸移動機構と、前記サドルに対して前記主軸ヘッドを前記Ｘ，Ｙ軸方向に対して直交するＺ軸方向へ昇降させるＺ軸移動機構とを備え、
前記テーブルおよびサドルを、前記異なる形状の構造材を組み合わせて構成した、
ことを特徴とする工作機械の製造方法。