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工作機械 - 特開2008−866 | j-tokkyo
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【発明の名称】 工作機械
【発明者】 【氏名】塩崎 正人

【氏名】▲濱▼村 実

【要約】 【課題】経済的負担をかけることなく、高精度な加工を実現できる工作機械を提供する。

【構成】ベッド1と、このベッド上に第1の駆動手段16を介してY方向へ移動可能に支持されたYステージ11と、このYステージ11に第2の駆動手段を介してX方向へ移動可能に支持されたXステージ31と、このXステージ31に第3の駆動手段56を介してZ方向へ移動可能に支持された加工ステージ51Aおよび計測ステージ51Bとを備える。加工ステージ51Aには、ベッド1上に載置されたワークを加工する主軸ヘッド61が設けられている。計測ステージ51Bには、ベッド1との間で、ベッドおよびXステージの振動を検出する振動検出手段が設けられている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ベッドと、
このベッド上に第1の駆動手段を介して前記ベッドの上面と平行な方向へ移動可能に支持された第1ステージと、
この第1ステージに第2の駆動手段を介して前記ベッドの上面と平行な方向でかつ第1ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された第2ステージと、
この第2ステージに第3の駆動手段を介して前記第1ステージの移動方向および第2ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された加工ステージおよび計測ステージとを備え、
前記加工ステージには、前記ベッド上に載置されたワークを加工する加工手段が設けられ、
前記計測ステージには、前記ベッドとの間で、前記ベッドおよび前記第2ステージの振動を検出する振動検出手段が設けられていることを特徴とする工作機械。
【請求項2】
請求項1に記載の工作機械において、
前記振動検出手段は、前記ベッド上に載置された計測テーブルまでの距離を非接触で測定するレーザ変位計によって構成されていることを特徴とする工作機械。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載の工作機械において、
前記加工ステージと前記計測ステージとは、前記第2ステージ上でかつ前記第2ステージの移動軸線を中心とする対称位置に設けられていることを特徴とする工作機械。
【請求項4】
請求項1〜請求項3のいずれかに記載の工作機械において、
前記第2ステージ、前記加工ステージおよび前記計測ステージは、前記第2ステージの移動軸線を中心として対称構造に構成されていることを特徴とする工作機械。
【請求項5】
請求項1〜請求項4のいずれかに記載の工作機械において、
前記各駆動手段は、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されていることを特徴とする工作機械。
【請求項6】
請求項1〜請求項5のいずれかに記載の工作機械において、
前記第1ステージ、第2ステージ、加工ステージおよび計測ステージの少なくともいずれかは、制振材によって構成されていることを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、工作機械に関する。詳しくは、加工精度の向上や工具の損傷防止に寄与可能な工作機械に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、工作機械などにおいて、ワークの加工中に発生する振動は、加工精度に影響を与えるだけでなく、時に、工具の損傷を早める。
従来、ワーク加工中の振動を検出するものとして、特許文献1に記載の「工作機械及び工作機械による加工方法」、あるいは、特許文献2に記載の「工作機械における主軸の回転速度制御装置」などが知られている。
【0003】
特許文献1に記載の工作機械は、加工物に加速度ピックアップを取り付け、この加速度ピックアップによって検出された振動が、正常時の振動と比較して異常か否かを判断し、異常振動の発生が判断された場合に、加工物に当接する当接手段を加工物に対して接離させ、異常振動を抑制するようにしたものである。
特許文献2に記載の工作機械は、工作機械の主軸の回転速度を検出する速度検出器と、主軸頭の振動を検出する振動検出器とをそれぞれ設け、速度検出器によって検出された主軸の回転速度に対し、振動検出器で検出された振動が許容値内にあるか否かを判定し、この判定結果に基づいて、主軸の回転速度と、ワークおよび工具の相対移動速度を設定するようにしたものである。
【0004】
【特許文献1】特開平10−328966号公報
【特許文献2】特開平11−33879号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述した工作機械は、加工物(ワーク)の振動を検出するもの、あるいは、工具側の振動を検出するものであるため、つまり、ワークと工具とのいずれか一方の振動を検出するものであるため、高精度な加工が期待できない。とくに、微細な加工では、ワークと工具との両者の振動状態が正確に把握できないと、高精度な加工は到底望めない。
最近、ナノメートルオーダの加工精度が要求される超精密加工機械にあっては、振動の影響を無視できない。そこで、ワークと工具とのそれぞれに振動検出手段を設けることが考えられるが、このようにすると、経済的負担が大きい。
【0006】
本発明の目的は、経済的負担をかけることなく、高精度な加工を実現できる工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の工作機械は、ベッドと、このベッド上に第1の駆動手段を介して前記ベッドの上面と平行な方向へ移動可能に支持された第1ステージと、この第1ステージに第2の駆動手段を介して前記ベッドの上面と平行な方向でかつ第1ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された第2ステージと、この第2ステージに第3の駆動手段を介して前記第1ステージの移動方向および第2ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された加工ステージおよび計測ステージとを備え、前記加工ステージには、前記ベッド上に載置されたワークを加工する加工手段が設けられ、前記計測ステージには、前記ベッドとの間で、前記ベッドおよび前記第2ステージの振動を検出する振動検出手段が設けられていることを特徴とする。
【0008】
この発明によれば、加工手段によってベッド上に載置されたワークを加工しながら、振動検出手段によってベッドおよび第2ステージの振動を検出することができる。つまり、ワークが載置されたベッドと加工手段が設けられた第2ステージの振動を検出することができる。従って、ワークと加工手段の振動を1つの振動検出手段で検出できるから、それぞれ別々に振動検出手段を設ける場合に比べ、経済的負担が少ない。
しかも、加工手段および振動検出手段が設けられた第2ステージの移動位置や、第1ステージの移動位置によって振動状態が変化しても、振動検出手段も加工手段とともに一緒に移動するので、振動状態の変化を的確に検出することができる。
従って、検出した振動状態を基に、加工手段側の加工条件などを制御することによって高精度な加工を実現することができる。たとえば、主軸の回転速度や、ワークおよび工具の相対移動速度、工具の切込量などを制御して、振動状態が予め設定した範囲内に収まるようにすることにより、高精度な加工を実現することができる。
【0009】
本発明の工作機械において、前記振動検出手段は、前記ベッド上に載置された計測テーブルまでの距離を非接触で測定するレーザ変位計によって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、振動検出手段をレーザ変位計によって構成したので、ベッド上に載置された計測テーブルまでの距離の変化から、ベッドと第2ステージの振動状態、つまり、ワークと加工手段との振動状態を非接触で検出することができる。そのため、第2ステージの移動を円滑に行いつつ、ワークと加工手段との振動状態を高精度に検出することができる。
【0010】
本発明の工作機械において、前記加工ステージと前記計測ステージとは、前記第2ステージ上でかつ前記第2ステージの移動軸線を中心とする対称位置に設けられていることが好ましい。
この発明によれば、加工ステージと計測ステージとが、第2ステージの移動軸線を中心とする対称位置に設けられているから、つまり、第2ステージを中心として対称的に配置されているから、機械的に対称構造とすることができる。従って、第2ステージを傾くことなく、円滑に移動させることができる。
【0011】
本発明の工作機械において、前記第2ステージ、前記加工ステージおよび前記計測ステージは、前記第2ステージの移動軸線を中心として対称構造に構成されていることが好ましい。
この発明によれば、加工ステージおよび計測ステージが、第2ステージの移動軸線を中心として対称構造に構成されているから、第2ステージを傾くことなく、円滑に移動させることができる。
【0012】
本発明の工作機械において、前記各駆動手段は、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されていることが好ましい。
ここで、リニアモータとしては、リニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニア直流モータ、リニアパルスモータなど任意のものを採用することができる。
この発明によれば、駆動手段の各々が、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されているから、ステージを高精度に移動させることができるとともに、所定位置に高精度に位置決めすることができる。また、加工ステージに加工手段を取り付けて加工を行う場合であっても、加工時の振動などの影響を極力低減することができるから、高精度な加工を実現できる。
【0013】
本発明の工作機械において、前記第1ステージ、第2ステージ、加工ステージおよび計測ステージの少なくともいずれかは、制振材によって構成されていることが好ましい。
この発明によれば、第1ステージ、第2ステージ、加工ステージおよび計測ステージの少なくともいずれかは、制振材によって構成されているから、振動を抑制でき、高精度な加工を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
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>
図1は本実施形態の工作機械を正面から見た斜視図、図2は同工作機械を背面から見た斜視図、図3は同工作機械の正面図、図4は同工作機械の側面図、図4は同工作機械の平面図である。
【0015】
本実施形態の工作機械は、ベッド1と、このベッド1上にベッド1の上面と平行な方向でかつ前後方向(Y軸方向)へ移動可能に支持された第1ステージとしてのYステージ11と、このYステージ11上にベッド1の上面と平行な方向でかつYステージ11の移動方向に対して直交する左右方向(X軸方向)へ移動可能に支持された第2ステージとしてのXステージ31と、このXステージ31上にYステージ11およびXステージ31の移動方向に対して直交する上下方向(Z軸方向)へ移動可能に支持された加工ステージ51Aおよび計測ステージ51Bとを備える。
【0016】
これらの主要構造材、つまり、ベッド1、Yステージ11,Xステージ31、加工ステージ51Aおよび計測ステージ51Bは、鋳鉄、あるいは、制振金属や制振セラミックスなどの制振材によって構成されている。制振金属としては、たとえば、サイレンタロイ(登録商標)などを用いることができる。
【0017】
ベッド1には、その上面両側に断面矩形状の突条2がY軸方向に沿って形成されているとともに、この両側の突条2の間に平面状のテーブル載置部3が設けられている。テーブル載置部3には、Zステージ51Aの真下位置にワーク載置テーブル4が、Zステージ51Bの真下位置に計測テーブル5がそれぞれ配置されている。ワーク載置テーブル4は、単なる台でもよいが、X,Y,Z軸方向へ移動可能な移動機構を備える構造であってもよい。計測テーブル5は、上面が鏡面仕上げされた円盤状に形成されているが、Zステージ51BがX軸方向の任意の位置に移動してもZステージ51Bに対向できる形状であれば、任意の形状であってもよい。
【0018】
Yステージ11は、ベッド1の両側突条2にガイド手段12を介して移動可能に支持され、かつ、2つの駆動手段16を介してY軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール20を介してY軸方向位置が検出される。
ガイド手段12は、突条2の上端面にY軸方向に沿って固定されたガイドレール13と、このガイドレール13に沿って摺動可能でかつYステージ11の下面にブラケット14を介して固定されたスライダ15とから構成されている。
駆動手段16は、Yステージ11をY軸方向(同方向)へ駆動するもので、ベッド1の両側突条2の外側位置にY軸方向に沿って設けられた固定子17と、Yステージ11の下面両側にブラケット18を介して取り付けられかつ固定子17に対して隙間を隔てて対向配置された可動子19とを有するリニアモータによって構成されている。なお、固定子17はコイルによって、可動子19はマグネットによって構成されているが、これとは逆でもよい。
リニアスケール20は、ベッド1の片側突条2の外側位置にY軸方向に沿って設けられたスケール部材21と、Yステージ11の下面に取り付けられかつスケール部材21に対して隙間を隔てて対向配置された検出ヘッド22とから構成されている。
【0019】
Xステージ31は、Yステージ11の上端面にガイド手段32を介して移動可能に支持され、かつ、駆動手段36を介してX軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール40を介してX軸方向位置が検出される。
ガイド手段32は、Yステージ11の上端面にX軸方向に沿って形成されたガイドレール33と、このガイドレール33に沿って摺動可能でかつXステージ31の下面に固定されたスライダ35とから構成されている。
駆動手段36は、Yステージ11の上面中央にX軸方向に沿って固定された固定子37と、Xステージ31の下面に取り付けられかつ固定子37に対して隙間を隔てて対向配置された可動子39とを有するリニアモータによって構成されている。
リニアスケール40は、固定子37の側面にX軸方向に沿って設けられたスケール部材41と、Xステージ31の下面に取り付けられかつスケール部材41に対して隙間を隔てて対向配置された検出ヘッド42とから構成されている。
【0020】
加工ステージ51Aおよび計測ステージ51Bは、Xステージ31上で、かつ、Xステージ31の移動軸線を中心とする対称位置に、かつ、Xステージ31の移動軸線を中心として対称構造に構成されている。つまり、Xステージ31の移動軸線を中心とした対称位置に対称構造のガイドブロック43A、43Bが固定され、この各ガイドブロック43A,43Bに同一構造の加工ステージ51Aおよび計測ステージ51Bが上下方向へ昇降可能に設けられている。
【0021】
加工ステージ51Aは、Xステージ31のガイドブロック43Aの正面にガイド手段52を介してZ軸方向へ移動可能に支持され、かつ、駆動手段56を介してZ軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール(図示省略)を介してZ軸方向位置が検出される。
加工ステージ51Aには、(図1参照)、ワーク載置テーブル4上に載置されたワークに対して加工を施す工具を備えた加工手段としての主軸ヘッド61が搭載されているとともに、滑車57や紐部材58を介してガイドブロック43Aの背面に昇降可能に設けられたバランスウエイト59が連結されている。主軸ヘッド61は、工具を取り付けるスピンドルが非接触軸受(空気静圧軸受)によって回転可能に支持された構造で、スピンドルが10,000rpm以上で回転できるものが用いられている。バランスウエイト59は、主軸ヘッド61を含む加工ステージ51Aの重量にバランスする重さに構成され、加工ステージ51Aを軽い力で昇降できるように構成されている。
【0022】
計測ステージ51Bは、Xステージ31のガイドブロック43Bの正面にガイド手段52を介してZ軸方向へ移動可能に支持され、かつ、駆動手段56を介してZ軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール(図示省略)を介してZ軸方向位置が検出される。
計測ステージ51Bには、計測テーブル5の上面との間で、計測テーブル5および計測ステージ51Bの振動を検出する振動検出手段71が搭載されているとともに、滑車57および紐部材58を介してガイドブロック43Bの背面に昇降可能に設けられたバランスウエイト59が連結されている。
【0023】
振動検出手段71は、ベッド1上に載置された計測テーブル5の上面までの距離を非接触で測定するレーザ変位計によって構成されている。
バランスウエイト59は、振動検出手段71を含む計測ステージ51Bの重量にバランスする重さに構成され、計測ステージ51Bを軽い力で昇降できるように構成されている。
【0024】
ガイド手段52は、Xステージ31の正面にZ軸方向に沿って形成されたガイドレール53と、このガイドレール53に沿って摺動可能で加工ステージ51Aや計測ステージ51Bの裏面に固定されたスライダ55とから構成されている。
駆動手段56は、シャフト型リニアモータによって構成されているが、これに限られない。他のリニアモータであってもよく、あるいは、ボールねじ軸と、このボールねじ軸を回転させるモータと、ボールねじ軸に螺合され加工ステージ51Aや計測ステージ51Bの裏面に固定されたナット部材などを備えるボールねじ送り機構から構成してもよい。
【0025】
<実施形態の作用・効果>
ワーク載置テーブル4上にワークを載置したのち、Yステージ11をY方向へ、Xステージ31をX方向へ、加工ステージ51AをZ軸方向へそれぞれ移動させながら、主軸ヘッド61に取り付けられた工具によってワークを加工する。
この加工中において、振動検出手段71によって、計測ステージ51Bから計測テーブル5上面までの距離を測定し、その測定結果から計測テーブル5と計測ステージ51Bの振動状態を検出する。振動検出手段71は、計測ステージ51Bに設けられ、計測テーブル5上面までの距離を測定し、その測定結果から計測テーブル5と計測ステージ51Bの振動状態を検出するから、つまり、ベッド1と主軸ヘッド61との振動を1つの振動検出手段71で検出できるから、それぞれに振動検出手段を設けて行う場合に比べて、経済的負担が少ない。
【0026】
主軸ヘッド61がXY方向へ移動すると、振動検出手段71も一緒に移動される。つまり、主軸ヘッド61と振動検出手段71とは、Xステージ31に搭載されているから、XY平面において、常に一定の距離を保ちつつ移動される。従って、Yステージ11の移動位置、あるいは、Xステージ31の移動位置によって振動状態が変化しても、振動検出手段71も主軸ヘッド61とともに一緒に移動するので、振動状態の変化を正確に検出することができる。そのため、検出した振動状態を基に、主軸ヘッド61側の加工条件などを制御することによって高精度な加工を実現することができる。
【0027】
たとえば、主軸ヘッド61の回転速度や、ワークおよび工具の相対移動速度、工具の切込量などを制御して、振動状態が予め設定した範囲内に収まるようにすることにより、高精度な加工を実現することができる。
あるいは、振動検出手段71は、計測ステージ51Bから計測テーブル5上面までの距離を測定しているから、その距離からXステージ31の傾き、つまり、Xステージ31の移動軸線を中心とするXステージ31の幅方向の傾きを検出することができるから、その傾き角に応じて工具の切込量を多くするなどして加工することができる。
【0028】
また、本実施形態では、加工ステージ51Aと計測ステージ51Bとは、Xステージ31上で、かつ、Xステージ31の移動軸線を中心とする対称位置に、かつ、Xステージ31の移動軸線を中心として対称構造に構成されているから、機械的に対称構造とすることができる。従って、Xステージ31を傾くことなく、円滑に移動させることができる。
その際、振動検出手段71は、計測テーブル5までの距離を非接触で測定するレーザ変位計によって構成されているから、Xステージ31の移動に抵抗を与えることがないから、円滑に移動を確保しつつ、ワークと主軸ヘッド61との振動状態を高精度に検出することができる。
【0029】
また、駆動手段16,36,56は、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されているから、Yステージ11、Xステージ31および加工ステージ51A,計測ステージ51Bを高精度に移動させることができるとともに、所定位置に高精度に位置決めすることができる。また、加工時の振動などの影響を極力低減することができるから、高精度な加工を実現できる。
【0030】
<変形例>
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、Yステージ11を駆動する駆動手段16、Xステージ31を駆動させる駆動手段36、加工ステージ51Aおよび計測ステージ51Bを駆動する駆動手段56を、それぞれリニアモータで構成したが、必ずしも、リニアモータでなくてもよい。ボールねじ軸を用いた送り機構であってもよい。
【0031】
前記実施形態では、主軸ヘッド61を、主軸がモータやエアータービンなどで高速回転する構造であったが、必ずしも、回転工具を用いて加工するものに限られない。たとえば、工具が軸方向あるいは軸と直交方向に振動しながら加工する振動工具であってよい。
【0032】
前記実施形態では、振動検出手段71を、非接触式のレーザ変位計としたが、これに限られない。たとえば、計測ステージ51Bにおいて計測テーブル5上面までの距離を計測できるものであれば、他の形式であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【0033】
本発明は、微細で、かつ、ナノメートルオーダの加工精度が要求される超精密加工機械として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】本発明の実施形態に係る工作機械を正面から見た斜視図。
【図2】同上実施形態の工作機械を背面から見た斜視図。
【図3】同上実施形態の工作機械の正面図。
【図4】同上実施形態の工作機械の側面図。
【図5】同上実施形態の工作機械の平面図。
【符号の説明】
【0035】
1…ベッド
11…Yステージ(第1ステージ)
16…第1の駆動手段(リニアモータ)
17…固定子
18…可動子
31…Xステージ(第2ステージ)
36…第2の駆動手段
37…固定子
39…可動子
51A…加工ステージ
51B…計測ステージ
56…第3の駆動手段
61…主軸ヘッド(加工手段)
71…振動検出手段。
【出願人】 【識別番号】000003458
【氏名又は名称】東芝機械株式会社
【出願日】 平成18年6月26日(2006.6.26)
【代理人】 【識別番号】110000637
【氏名又は名称】特許業務法人樹之下知的財産事務所

【識別番号】100079083
【弁理士】
【氏名又は名称】木下 實三

【識別番号】100094075
【弁理士】
【氏名又は名称】中山 寛二

【識別番号】100106390
【弁理士】
【氏名又は名称】石崎 剛


【公開番号】 特開2008−866(P2008−866A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2006−175192(P2006−175192)