卧式机床的制作方法

专利名称：卧式机床的制作方法
技术领域：
本发明涉及卧式镗床等卧式机床。
背景技术：
作为对工件进行加工的机床之一，卧式镗床等卧式机床作为现有技术而众所周知。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2007-216319号公报

发明内容
在图10中表示以往的卧式机床并说明其概略。卧式机床50在床身51的导轨52上沿水平方向(X方向)可移动地设有柱座53，并在柱座53上立设有立柱54。在立柱54的一个侧面设有导轨55，并在导轨55上沿垂直方向(Y方向)可移动地支承滑鞍56，在该滑鞍56上沿水平方向(Z方向)可移动地支承滑枕57。滑枕57具有主轴58，使用安装于主轴58前端的刀具，对加工对象的工件进行加工。在进行加工时，一边使柱座53、滑鞍56、滑枕57分别沿前后方向、上下方向、左右方向进行移动，一边进行所希望的加工。接着，参照图10来说明卧式机床50的问题点。在卧式机床50中，在抽出滑枕57时(例如从Z = O的位置抽出至Z = L的位置时；L为滑枕57的最大抽出量)，将会发生因滑枕57的自重而产生的滑枕57的挠曲(图10中的BI)、因这时的重心变化(G (O)—G (L))所造成的力矩变化而产生的滑鞍56的倾斜(图10中的B2)、立柱54的倾斜(图10中的B3)、床身51的倾斜(图10中的B4)以及千斤顶的倾斜(图示省略)，存在加工精度恶化的问题。本发明就是鉴于上述课题而完成的，其目的是提供一种在使主轴的振摆稳定的基础上校正空间精度而可大幅提高加工精度的卧式机床。解决上述课题的第I发明所涉及的卧式机床具有可水平方向移动地设置在床身上的立柱；可垂直方向移动地支承于所述立柱的侧面的滑鞍；以及可水平方向移动地保持于所述滑鞍并在前端设置有主轴的滑枕，所述卧式机床的特征是具备:校正所述滑枕的挠曲的滑枕拉杆；调整将所述滑鞍吊起的两部位的吊起力并校正所述滑鞍的倾斜的吊起力校正机构；校正所述立柱的弯曲的立柱拉杆；以及控制装置，该控制装置控制所述滑枕拉杆、所述吊起力校正机构以及所述立柱拉杆，并且具有基于数值控制来校正空间精度的空间精度校正功能，所述控制装置使用所述滑枕拉杆、所述吊起力校正机构以及所述立柱拉杆，仅校正所述主轴前端的振摆，并且，使用所述空间精度校正功能来校正因所述床身的沉降造成的空间精度的恶化。解决上述课题的第2发明所涉及的卧式机床，其特征是:在上述第I发明所记载的卧式机床中，在支承所述滑鞍的所述立柱的侧面的相反侧的侧面设置两根所述立柱拉杆。解决上述课题的第3发明所涉及的卧式机床，其特征是:在上述第2发明所记载的卧式机床中，将所述立柱拉杆配置在相对于所述立柱的截面惯性矩的中心与由两个所述吊起力产生的载荷所施加的两个部位的载荷中心成点对称的位置。根据本发明，在卧式机床中，由于仅为了主轴前端的振摆稳定而使用利用滑枕拉杆、吊起力校正机构、立柱拉杆的校正，并且在使主轴前端的振摆稳定的基础上，使用借助于数值控制(NC)的空间精度校正对空间精度进行校正，所以使主轴振摆的稳定性和空间精度的提高得以兼顾，其结果可实现加工精度的大幅提高。


图1是表示本发明所涉及的卧式机床的实施方式的一例的立体图。图2是说明图1所示的卧式机床中的滑枕拉杆的图。图3是说明在图1所示的卧式机床中滑鞍的吊起力校正和在滑鞍的吊起力校正时施加于立柱的力的图。图4是说明图1所示的卧式机床中的立柱拉杆的俯视图。图5是图4所示的立柱的A-A线向视剖面图。图6是表示在图1所示的卧式机床中抽出滑枕时的校正后的滑枕的挠曲量的图表。图7是表示在图1所示的卧式机床中抽出滑枕时的校正后的主轴振摆变化的图表。图8是表示图1所示的卧式机床中的Y直线度(Y-Z垂直度)的变化的图表，(a)是表不校正如的图表，(b)是表不校正后的图表。图9是表示基于有无立柱拉杆的Y滑动面弯曲的图表。图10是说明以往的卧式机床中的问题点的图。
具体实施例方式下面，参照图1 图9，就本发明所涉及的卧式机床的实施方式进行说明。(实施例1)图1所示的卧式机床10在床身11的导轨12上沿水平方向(X方向)可移动地设有柱座13，并在柱座13上立设有立柱14。在立柱14的一个侧面设有导轨15，并在导轨15上沿垂直方向(Y方向)可移动地支承滑鞍16，在该滑鞍16上沿水平方向(Z方向)可移动地保持滑枕17。滑枕17具有主轴18，使用安装于主轴18前端的刀具，对加工对象的工件进行加工。在进行加工时，一边使柱座13、滑鞍16、滑枕17分别沿前后方向、上下方向、左右方向进行移动，一边进行所希望的加工。
如前所述，在卧式机床上会产生(BI)自重所造成的滑枕17的挠曲、(B2)重心变化所造成的滑鞍16的倾斜(旋转)、(B3)重心变化所造成的立柱14的倾斜(弯曲)、以及(B4)重心变化所造成的床身11 (以下还包含千斤顶在内)的倾斜(沉降)，存在加工精度恶化的问题。因此，在卧式机床10中，如图1、图2所示，在滑枕17的内部(滑枕17的中心线的上侧)，沿着滑枕17的抽出方向(Z方向)设有滑枕拉杆20。该滑枕拉杆20包括:在滑枕17的长度方向上配置的圆筒状的杆21 ;配置于滑枕17的后端部的液压缸部22 ；以及配置于滑枕17的前端部的止动器23。然后，使用卧式机床10的控制装置(图示省略)，通过在滑枕17抽出时对液压缸部22供给液压，而借助于液压缸部22和止动器23在滑枕17的两端赋予张力FP，通过用该张力FP将滑枕17的两端朝内侧张紧，而在滑枕17的前端产生弯矩，并借助于该弯矩来校正因滑枕17的自重所造成的挠曲。另外，在卧式机床10中设有在抽出滑枕17时对滑鞍16的吊起力进行校正的吊起力校正机构30。具体而言，如图1、图3所示，在滑鞍16的上部用钢丝绳32a、32b吊起沿着Z方向的两部位的吊起部31a、31b，钢丝绳32a、32b被架设于在立柱14的上部所设置的滑轮33a、33b，并与在立柱14的内部所配置的配重34连接。然后，一方的钢丝绳32a经由液压缸35与吊起部31a相连接，并通过使用控制装置来对该液压缸35进行控制，从而校正吊起部31a的吊起力FSa和吊起部31b的吊起力FSb。例如，如图3所示，在滑枕17处于Z = O的位置时，因滑鞍16以及滑枕17的重心位置位于G (0)，故在这种情况下，通过控制液压缸35以使各吊起力FSa、FSb成为FSa (O)<FSb (O)(参照涂黑箭头)，从而抑制滑鞍16的倾斜(旋转)。另一方面，在滑枕17处于Z = L的位置时(L为滑枕17的最大抽出量；例如Im左右)，因滑鞍16以及滑枕17的重心位置位于G(L)，故在这种情况下，通过控制液压缸35以使各吊起力FSa、FSb成为FSa (L) > FSb (L)(参照露白箭头)来抑制滑鞍16的倾斜(旋转)。这样，对应于与滑枕17的移动相伴的重心G (O)-G (L)的移动，来调整滑鞍16的两部位的吊起力FSa、FSb,由此消除在滑鞍16上发生的力矩变化，保持滑鞍16的水平。其结果是，抑制滑鞍16的倾斜(旋转)并防止在其滑动面上的局部变形。另一方面，若进行上述的吊起力FSa、FSb的校正，则施加于钢丝绳32a、32b的力也会变化，经由滑轮33a、33b而传递到立柱14上部的力也发生变化。参照图3、图4对此进行说明。例如，如图3所示，在滑枕17处于Z = O的位置时，如前所述，以FSa (O) < FSb
(O)的方式来控制液压缸35。通常，配重34为与滑鞍16以及滑枕17的重量相均衡的重量(相同重量)。而且，在卧式机床10中，因根据滑枕17的Z位置来校正吊起力FSa、FSb，故在所述载荷施加的载荷中心41a、41b (基于滑鞍16、滑枕17以及配重34的载荷中心)分别施加FSa (O)、FSb (O)的2倍的载荷，该载荷FLa, FLb为FLa (O) < FLb (O)(参照涂黑箭头)。另一方面，在滑枕17处于Z = L的位置时，如前所述，以FSa (L) > FSb (L)的方式来控制液压缸35，所以在载荷中心41a、41b分别施加FSa (L)、FSb (L)的2倍的载荷，该载荷FLa、FLb为FLa (L) > FLb (L)(参照露白箭头)。
这样，伴随于吊起力FSa、FSb的校正，施加于载荷中心41a、41b的载荷FSa、FSb发生变化，其结果是，在立柱14的上部施加弯矩而产生立柱14的倾斜(弯曲)、床身的倾斜(沉降)。因此，为了抵消因吊起力FSa、FSb的变化而产生的力矩而校正立柱14的弯曲，在卧式机床10中，在与配置有滑鞍16、滑枕17的立柱14的侧面相反侧的侧面一方(背部侧)设有两个立柱拉杆40(40a、40b)。更具体而言，将立柱拉杆40a、40b配置于相对于立柱14的截面惯性矩的中心42与载荷中心41a、41b成点对称的位置。如图5的剖面图所示，立柱拉杆40a沿着立柱14的高度方向而设置于立柱14的内部。具体而言，是与滑枕拉杆20同样的构成，包括:在立柱14的长度方向上配置的圆筒状的杆43a ;配置于立柱14的底部的止动器44a ；以及配置于立柱14的上部的液压缸部45a。然后，通过对液压缸部45a的液压室46a供给液压，而借助于止动器44a和液压缸部45a在立柱14的上下端赋予张力FQa，并用该张力FQa将立柱14的上下端朝内侧进行张紧。立柱拉杆40b也是同样的构成，用张力FQb将该上下端朝内侧进行张紧。然后，通过使用控制装置来控制基于立柱拉杆40a的张力FQa和基于立柱拉杆40b的张力FQb，而在立柱14产生弯矩，并借助于该弯矩来校正立柱14的弯曲。例如，如图3所示，在滑枕17处于Z = O的位置时，如前所述，以FSa (O) < FSb
(O)的方式来控制液压缸35，而且，在载荷中心41a、41b施加成为FLa (0)< FLb (O)的载荷。此时，通过对立柱拉杆40a、40b以FQa (0)< FQb (O)这一方式控制张力，从而校正立柱14的弯曲。另一方面，在滑枕17处于Z = L的位置时，如前所述，以FSa (L) > FSb (L)这一方式来控制液压缸35，而且，在载荷中心41a、41b施加FLa (L) > FLb (L)的载荷。此时，通过对立柱拉杆40a、40b以FQa (L) > FQb (L)这一方式控制张力，从而校正立柱14的弯曲。为了确认上述两个立柱拉杆40a、40b所带来的效果，对于滑枕17处于Z = O时、滑枕17处于Z = L时，将力学上计算出的张力FQa、FQb施加于FEM (有限元法)模型并进行了解析，可确认到力矩变化所造成的立柱14的弯曲几乎不存在，即使是滑枕17处于Z =L的位置也只是12 μ m左右的挠曲，能够高精度地进行校正(参照后述的图9的Y = H的位置)。使用上述的构成亦即立柱拉杆20、吊起力校正机构30、立柱拉杆40a、40b，可校正(BI)自重所造成的滑枕17的挠曲、(B2)重心变化所造成的滑鞍16的倾斜(旋转)、以及(B3)伴随于重心变化的吊起力的变化所引起的立柱14的弯曲。这里，若对于滑枕17为Z = O、Y = H (H为滑枕17的最大高度位置；例如5m左右)时和滑枕17为Z = L、Y = H时，试着使用FEM模型来解析利用滑枕拉杆20、吊起力校正机构30、立柱拉杆40a、40b的校正，则可确认虽然立柱14的弯曲得以校正，其滑动面(例如导轨15)变得大致笔直，但因床身11的倾斜(沉降)而使立柱14的倾斜变化较大(参照后述的图8 (a))。也就是说，对于(B4)重心变化所造成的床身的倾斜(沉降)，无法用上述的构成来进行校正。但是，从上述解析可明白仅立柱14的倾斜根据滑枕17的Z位置而变化。根据这一点，只要使用与滑枕17的Z位置相对应的校正量来校正Y轴的直线度，就可校正空间精度。
卧式机床10的控制装置具有利用NC (数值控制)的空间精度校正功能，具体而言，就是使用该空间精度校正预先制成与Y轴的移动量-Z轴的移动量相对应的校正映射，并基于滑枕17的Y轴上的位置和滑枕17的抽出量(Z轴的移动量)来校正Z坐标，由此来校正Y轴的直线度变化，并且校正重心变化所造成的床身的倾斜(沉降)，使卧式机床10的加工精度得以提高。此外，关于空间精度校正所使用的式子，与后述的图8 —起进行说明。此外，一般而言，在利用NC的空间精度校正中，预先制成与X轴、Y轴、Z轴的移动量(主轴的位置)相对应的校正映射和与A轴(主轴的倾斜)、C轴(主轴的旋转)的移动量(主轴的姿态)相对应的校正映射，并使用它们来校正安装于主轴的刀具的前端位置，提高其加工精度。这样，在卧式机床10中，使用借助于NC的空间精度校正来校正因重心变化所造成的床身倾斜(沉降)而引起的空间精度的恶化(Y轴相对于基准平面的直线度的恶化)。通常，在借助于滑枕拉杆、吊起力校正机构、立柱拉杆来进行各构造体的弯曲(倾斜)的校正时，因空间精度和主轴振摆处于折衷选择的关系，故若使空间精度优先则主轴振摆恶化，若使主轴振摆优先则空间精度恶化。另一方面，因空间精度校正作为NC的功能仅校正位置，故无法校正主轴振摆。因而，在卧式机床10中，用滑枕拉杆20来校正在滑枕17抽出时所发生的滑枕17的挠曲，用吊起力校正机构30来校正重心变化所造成的滑鞍16的倾斜，并用立柱拉杆40a、40b来校正伴随于重心变化的吊起力变化所造成的立柱14的弯曲，由此使主轴18前端的振摆稳定，进而在使主轴18前端的振摆稳定的基础上，利用空间精度校正来校正重心变化所造成的床身11的沉降。根据以上构成，能够将主轴的振摆、加工精度始终保持于稳定的状态，并在卧式机床10的行程整个区域实现加工精度的大幅提高。关于具有上述构成的卧式机床10的精度，使用FEM模型进行了解析的结果是图6 图9所不的图表。例如，图6是表示抽出滑枕17时的滑枕17的挠曲量的图表。在这里，分别就滑枕17的Y轴位置为Y = 0、Y = 0.5H、Y = H时，利用FEM解析来求出滑枕17的抽出量为Z =
O、Z = 0.5L、Z = L时的挠曲量。如图6所示,滑枕17的挠曲量的变化全部都显示出大致同样的变化倾向。若设一般所保证的滑枕直线度的精度为100%，则图6所示的校正后的挠曲量就最大为55%，可知能够确保成为一半程度的挠曲量的高精度。另外，图7是表示抽出滑枕17时的主轴18的振摆变化的图表。在这里，也分别就滑枕17的Y轴位置为Y = O,Y = 0.5H、Y = H时，利用FEM解析来求出滑枕17的抽出量为Z = 0、Z = 0.5L、Z = L时的主轴18的振摆变化。如图7所示，主轴18的振摆的变化全部都显示出大致同样的变化倾向。若设一般所保证的主轴振摆变化的精度为100%，则图7所示的校正后的主轴振摆变化就最大为42%，可知能够确保成为一半以下的主轴振摆变化的高精度。另外，图8是表示根据滑枕17的Z位置的Y轴的直线度(Y轴-Z轴垂直度)的图表，图8 (a)是校正前，图8 (b)是校正后。在这里，分别就滑枕17的抽出量为Z = 0、Z =
0.5L、Z = L时，利用FEM解析来求出Y = O、Y = 0.5H、Y = H的位置处的立柱14的歪斜(滑枕17前端的Z方向位移)。此外，在图8 (a)、(b)中，设一般所保证的立柱歪斜的精度为100%，并将其作为基准来表示横轴。
如图8 (a)所示，在未进行校正(空间精度校正)的情况下(但是进行基于滑枕拉杆20、吊起力校正机构30、立柱拉杆40a、40b的校正)，虽然Y轴相对于基准平面(Z轴)的垂直度根据滑枕17的抽出量而变化较大，其倾斜度与抽出量成比例地变化，但Y轴的直线度自身良好。因此，基于滑枕17的抽出量zs和Y轴坐标y，使用以下式子来求出Z位置的校正量δζ。此外，在下述式子中a是校正系数。δ ζ = (aX zs) Xy图8 (b)是使用上述式子进行了校正后的图表。如图8 (b)所不,若进行校正(空间精度校正)，则除了 Y轴的直线度外，Y轴相对于基准平面(Z轴)的垂直度也得以校正，其精度在ΙΟμπι以下，可知能够确保一般所保证的精度的一半以下的数值的高精度。另外，图9是表示根据有无立柱拉杆40a、40b的Y滑动面弯曲(立柱14的弯曲)的图表。在这里，分别就立柱拉杆40a、40b的有/无的情况，利用FEM解析而求出滑枕17的抽出量为Z = O、Z = L时的Z方向位移。如图9所示，在没有立柱拉杆的情况下，在立柱14的上部(Y位置=1.2H)，在Z方向上变化较大。这被认为是滑鞍16的吊起力校正的影响。这样，在立柱14弯曲较大的情况下，在Y位置的上下，主轴18的振摆发生改变，因此，就必须在Y位置、Z位置各自的位置，改变滑鞍16的吊起力FSa、FSb，并且改变滑枕拉杆20的张力FP，校正变得困难。另一方面，在具有立柱拉杆40a、40b的情况下，在立柱14的上部(Y位置=1.2H)，若设没有立柱拉杆时的变化量为100%，则只是Z方向上最大变化40%左右，为没有立柱拉杆时的一半以下。根据以上结果，就可确认通过滑枕拉杆20、吊起力校正机构30、立柱拉杆40a、40b来进行主轴振摆的校正，并进行空间精度校正，由此能够确保一般所保证的精度的一半程度的数值的高精度，其结果就可确认能够提高加工精度。也就是说，仅为了主轴18前端的振摆的稳定而使用借助于滑枕拉杆20、吊起力校正机构30、立柱拉杆40a、40b的校正，这样，在使主轴18前端的振摆稳定的基础上，使用基于NC的空间精度校正来对空间精度进行校正，从而使主轴振摆的稳定性和空间精度的提闻得以兼顾，其结果就可大幅提闻精度。此外，本实施例的卧式机床10未具备用于抑制机械设备自身的重心移动并保持完全平衡的平衡锤(例如参照日本实开平1-31367号公报)。因此，还能够实现装置自身的成本降低。工业实用性本发明适合于卧式机床。标号说明10卧式机床11 床身14 立柱16 滑鞍17 滑枕18 主轴
20滑枕拉杆30吊起力校正机构40、40a、40b 立柱拉杆
权利要求
1.一种卧式机床，具有可水平方向移动地设置在床身上的立柱；可垂直方向移动地支承于所述立柱的侧面的滑鞍；以及可水平方向移动地保持于所述滑鞍并在前端设置有主轴的滑枕，所述卧式机床的特征在于，具备: 校正所述滑枕的挠曲的滑枕拉杆； 调整将所述滑鞍吊起的两部位的吊起力并校正所述滑鞍的倾斜的吊起力校正机构； 校正所述立柱的弯曲的立柱拉杆；以及 控制装置，该控制装置控制所述滑枕拉杆、所述吊起力校正机构以及所述立柱拉杆，并且具有基于数值控制来校正空间精度的空间精度校正功能， 所述控制装置使用所述滑枕拉杆、所述吊起力校正机构以及所述立柱拉杆，仅校正所述主轴前端的振摆，并且， 使用所述空间精度校正功能来校正因所述床身的沉降造成的空间精度的恶化。
2.如权利要求1所述的卧式机床，其特征在于， 在支承所述滑鞍的所述立柱的侧面的相反侧的侧面设置两根所述立柱拉杆。
3.如权利要求2所述的卧式机床，其特征在于， 将所述立柱拉杆配置在相对于所述立柱的截面惯性矩的中心与由两个所述吊起力产生的载荷所施加的两个部位的载荷中心成点对称的位置。
全文摘要
本发明提供一种在使主轴的振摆稳定的基础上校正空间精度而可以大幅提高精度的卧式机床。为此，在卧式机床(10)中设置校正滑枕(17)的挠曲的滑枕拉杆(20)；调整将滑鞍(16)吊起的两部位的吊起力来校正滑鞍(16)的倾斜的吊起力校正机构(30)；校正立柱(14)的弯曲的立柱拉杆(40)；以及控制装置，控制滑枕拉杆(20)、吊起力校正机构(30)以及立柱拉杆(40)，并且具有利用数值控制来校正空间精度的空间精度校正功能，借助于控制装置，使用滑枕拉杆(20)、吊起力校正机构(30)以及立柱拉杆(40)仅校正主轴(18)的前端的振摆，并且使用空间精度校正功能来校正因床身(11)的沉降所造成的空间精度的恶化。
文档编号B23Q15/24GK103180090SQ20118005165
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月8日 优先权日2010年12月24日
发明者田内拓至 申请人:三菱重工业株式会社