JP2000019078A - 回転軸装置の負荷能力決定方法および回転軸装置の保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】静圧軸受と回転軸との接触による損傷を発生さ
せない回転軸の軸方向の各位置での印加可能な負荷（荷
重）を比較的簡単にかつ精度良く決定することが可能な
回転軸装置の負荷能力決定方法および回転軸装置の負荷
能力に基づいて回転軸への過負荷による回転軸および軸
受の損傷を防止する回転軸装置の保護装置を提供する。 【解決手段】軸受内の軸受端面位置ＰT における回転軸
の変位量Ｚの最大値Ｚmax が軸受と回転軸との所定の隙
間量に対して所定の割合となるときの負荷の大きさを当
該負荷の印加位置における印加可能な許容負荷とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静圧軸受に回転自
在に保持された回転軸に印加可能な負荷を決定する回転
軸装置の負荷能力の決定方法および前記回転軸の過負荷
による回転軸および静圧軸受の損傷を防止する回転軸の
保護装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、マシニングセンタ等の工作機
械では、工具を回転させる回転軸は軸受によって回転自
在に保持されている。回転軸に装着された工具でワーク
の切削加工を行なうと、工具の先端に切削力が集中して
作用する。この切削力は、回転軸に対して回転負荷トル
ク、曲げモーメント等として作用する。工具に作用する
切削力が増大すると、主軸に作用する負荷トルクも増大
するため、主軸が負担できる定格トルクを越えない範囲
で切削加工を行う必要がある。このため、たとえば、回
転軸に印加される負荷トルクまたは負荷動力を回転軸を
駆動する駆動電動機の駆動電流から検出し、このいずれ
かが所定の値を越えた場合に駆動電動機に対する電力の
供給を遮断することで回転軸を保護する方法が取られて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】たとえば、マシニング
センタ等の工作機械では、加工するワークの加工形状等
に応じて様々な種類の工具が回転軸に着脱されるため、
工具の長さを特定することはできない。切削力は、工具
の先端付近に集中して作用するため、切削力が回転軸を
回転保持する軸受に及ぼす曲げモーメントは工具の長さ
に応じて異なり、同じ切削力でも切削点が軸受から離れ
るほど大きな曲げモーメントが回転軸および軸受に作用
する。したがって、工具の切削点が軸受に近い位置で
は、回転軸に印加できる負荷は、軸受のラジアル方向の
負荷能力に相当する大きな値とすることができるが、工
具の長さが長くなり切削点が軸受から離れるにしたがっ
て回転軸に印加できる負荷は小さくなる。たとえば、軸
受内に空気や油等の流体を加圧して供給し、流体の静圧
によって回転軸を保持する静圧軸受では、回転軸に大き
な曲げモーメントが作用すると、回転軸に印加される負
荷トルクが許容負荷トルクを越える前に、軸受に対する
回転軸のたわみおよび変位によって回転軸と軸受とが接
触し、軸受および回転軸が損傷することがある。このよ
うな回転軸および静圧軸受の損傷を防止するためには、
回転軸の軸方向の各位置に応じた（工具の長さに応じ
た）回転軸の許容負荷能力を予め求めておく必要があ
る。

【０００４】従来においては、静圧軸受によって回転自
在に保持された回転軸の軸方向の各位置に応じた回転軸
装置の負荷能力を、たとえば、実際に回転軸上の各位置
に所定の負荷を印加して当該各位置での回転軸のたわみ
量（変位）を測定し、これらの各たわみ量に基づいて求
めていた。しかし、回転軸の各位置でのたわみ量の測定
は時間を要する、たわみ量の測定に用いる測定治具等の
特性が含まれるため回転軸の各位置でのたわみ量に基づ
いて求めた回転軸装置の負荷能力が実際の回転軸装置の
負荷能力に合致しているか疑わしい等の問題があり、回
転軸の許容負荷能力を求め得ない場合が多かった。この
ため、従来においては、工具の長さに応じた回転軸装置
の負荷能力を判断する判断材料がないため、静圧軸受に
よって保持された回転軸装置の負荷能力を十分に生かし
た能率的な加工条件を設定することが難しく、また、回
転軸装置の負荷能力を越える切削力による回転軸および
静圧軸受の損傷が発生することもあった。

【０００５】本発明は、上述の問題に鑑みてなされたも
のであって、静圧軸受と回転軸との接触による損傷を発
生させない回転軸の軸方向の各位置での印加可能な負荷
（荷重）を比較的簡単にかつ精度良く決定することが可
能な回転軸装置の負荷能力決定方法および回転軸装置の
負荷能力に基づいて回転軸への過負荷による回転軸およ
び軸受の損傷を防止する回転軸装置の保護装置を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定圧力の流
体が軸受内部に供給される軸受と、前記軸受との間に供
給される流体の静圧によって前記軸受に対して所定の隙
間量をもって回転自在に支持された回転軸とを有する回
転軸装置の前記回転軸の軸方向の各位置において印加可
能な負荷を決定する回転軸装置の負荷能力決定方法であ
って、前記回転軸の前記軸受内における変位量の最大値
が前記軸受と回転軸との所定の隙間量に対して所定の割
合となるときの前記負荷の大きさを当該負荷の印加位置
における印加可能な許容負荷とする。

【０００７】本発明では、回転軸の前記軸受内における
変位量の最大値が前記軸受と回転軸との所定の隙間量に
対して所定の割合となるときの負荷を当該負荷の印加位
置における印加可能な許容負荷とすることにより、回転
軸と軸受とが接触しない負荷を回転軸の軸方向の各位置
で決定することができる。

【０００８】前記回転軸の変位量は、前記回転軸に発生
する前記軸受内におけるたわみ量と前記回転軸を剛体と
仮定した場合の前記軸受内における前記回転軸の変位量
との合計から算出する。

【０００９】前記回転軸のたわみ量は、前記回転軸が前
記軸受内の所定の位置で拘束支持されていると仮定して
算出する。

【００１０】前記剛体と仮定した回転軸の変位量は、前
記軸受に供給される流体の静圧剛性を算出し、前記剛体
と仮定した回転軸が前記軸受内の拘束支持位置から受け
る反力と前記静圧剛性とから前記回転軸の変位量を算出
する。

【００１１】前記静圧剛性の算出は、前記回転軸の所定
の位置に所定の負荷を印加し、当該負荷印加位置におけ
る前記回転軸の変位量を測定し、前記前記回転軸の変位
量から当該回転軸のたわみ量を差し引いた値を前記剛体
と仮定した回転軸の変位量とし、前記所定の負荷の値、
前記剛体と仮定した回転軸の変位量および前記拘束支持
位置と前記負荷印加位置との位置関係から前記静圧剛性
を算出する。

【００１２】前記軸受と前記回転軸との間に供給される
流体の圧力に応じて、前記剛体と仮定した回転軸の変位
量を算出し、前記回転軸の軸方向の各位置における印加
可能な負荷を求める。

【００１３】前記回転軸は、回転軸の軸方向に離間して
配置された第１および第２の軸受によって回転自在に保
持されており、前記第１および第２の軸受は、所定圧力
の流体を供給する当該軸受の周方向に均等に形成された
細孔列がそれぞれ２列設けられており、前記第１の軸受
から前記第２の軸受の反対側に突き出した回転軸の軸方
向の各位置に印加可能な負荷を決定する。

【００１４】前記回転軸の拘束支持位置を前記第１およ
び第２の軸受における前記２列の細孔列の中央位置とし
て前記回転軸のたわみ量を算出し、前記剛体と仮定した
回転軸は、前記中央位置から反力を受けると仮定して変
位量を算出する。

【００１５】前記剛体と仮定した回転軸の変位量を、前
記回転軸が前記第１および第２の軸受の前記各細孔列の
形成位置から反力を受けると仮定して補正する。

【００１６】前記回転軸の先端には当該回転軸の軸方向
に切削工具が装着され、前記切削工具の切削点の前記軸
受からの距離に応じて当該切削点に印加可能な負荷の大
きさを決定し、決定された負荷に応じて前記切削工具の
切削条件を決定する。

【００１７】本発明の回転軸装置の保護装置は、所定圧
力の流体が軸受内部に供給される軸受と、前記軸受との
間に供給される流体の静圧によって前記軸受に対して所
定の隙間量をもって回転自在に支持された回転軸と、前
記回転軸を駆動する駆動手段とを有する回転軸装置の保
護装置であって、前記回転軸の軸方向における負荷が印
加される負荷位置を設定保持する負荷位置設定保持手段
と、前記回転軸の回転数を設定保持する回転数保持手段
と、前記回転軸の回転数と負荷位置に基づいて、前記回
転軸の変位による当該回転軸と前記軸受とを接触させな
い前記回転軸の負荷位置に応じた許容負荷動力を算出す
る許容負荷動力算出手段と、前記回転軸に印加される負
荷動力を検出する負荷動力検出手段と、前記許容負荷動
力算出手段によって算出された許容負荷動力と前記負荷
動力検出手段によって検出された負荷動力を比較し、前
記検出された負荷動力が許容負荷動力を越える場合に前
記駆動手段の前記回転軸への駆動力の供給を遮断する遮
断手段とを有する。

【００１８】前記許容負荷動力算出手段は、前記回転軸
の前記軸受内における変位量の最大値が前記軸受と回転
軸との所定の隙間量に対して所定の割合となるときの前
記回転軸に対する負荷の大きさを当該負荷の印加位置に
おける印加可能な許容負荷とした許容負荷データを保持
しており、この許容負荷データに基づいて前記許容負荷
動力を決定する。

【００１９】前記駆動手段は、駆動電動機からなり、前
記負荷動力検出手段は、前記駆動電動機の駆動電流およ
び回転数に基づいて前記回転軸に印加される負荷動力を
検出する。

【００２０】前記回転軸の一端には切削工具が装着さ
れ、前記負荷位置設定保持手段は、前記切削工具の長さ
に応じた当該切削工具の切削点の位置を設定保持する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１および図２は、本発明
が適用される回転軸装置である主軸装置を具備する工作
機械の一例としての立形マシニングセンタを示す説明図
であって、図１は斜視図であり、図２は断面図である。
図１および図２に示す立形マシニングセンタにおいて、
ベッド７１には、その上面にテーブル７２が駆動機構７
３を介して左右方向（Ｘ軸方向）および前後方向（Ｙ軸
方向）へ移動可能に設けられているとともに、後端部に
コラム７４が立設されている。

【００２２】駆動機構７３は、ベッド７１上にＹ軸方向
に対して平行に設けられた一対のガイドレール６７と、
ガイドレール６７上をＹ軸方向へ移動自在に設けられた
Ｙ軸スライダ６８と、Ｙ軸スライダ６８上にＸ軸方向に
対して平行に設けられたテーブル７２をＸ軸方向に移動
自在に支持する一対のガイドレール７０とを含んで構成
される。なお、駆動機構７３は、この他に図示していな
いが、Ｙ軸スライダ６８をＹ軸方向に移動させる送り機
構およびこの送り機構を駆動するＹ軸サーボモータと、
テーブル７２をＸ軸方向に移動させる送り機構およびこ
の送り機構を駆動するＸ軸サーボモータとを有する。

【００２３】コラム７４は、ベッド７１の後端部に垂直
に立設された垂直コラム部材５１と、垂直コラム部材５
１の上部前面に一体的に固定された水平コラム部材５２
とを有する。水平コラム部材５２には、主軸頭６４がテ
ーブル７２に対して昇降自在（Ｚ軸方向へ移動自在）に
設けられているとともに、主軸頭６４を昇降させる図示
しない送り機構およびＺ軸サーボモータ５３とが設けら
れている。主軸頭６４内には、後述するように、モータ
が主軸８２と一体に作り付けられビルトインモータ式の
主軸装置が設けられており、この主軸装置によって主軸
８２の先端に装着された工具８１を回転駆動する。工具
８１は、たとえば、ドリルやエンドミル等の各種回転切
削工具が用いられ、工具８１の長さは、被加工物の加工
形状等に応じて種々の長さのものが選択される。コラム
７４の上部とベッド７１の端部とは、サポート６１で連
結されている。サポート６１は、コラム７４の上部両側
（水平コラム部材５２の両側）とベッド７１の前端部両
側とをそれぞれ連結するとともに、コラム７４の上部両
側からベッド７１の前端部両側に向かうに従って、間隔
が次第に広くなるように配置された一対のサポート部材
６２，６３によって構成されている。

【００２４】上記構成の立形マシニングセンタは、被加
工物をテーブル７２に載置した後、主軸８２を所定の回
転数で駆動させて工具８１を回転させ、Ｘ軸、Ｙ軸サー
ボモータの駆動制御を行なってテーブル７２を駆動機構
７３を介してＸ軸およびＹ軸方向に位置および速度制御
し、Ｚ軸サーボモータ５３を駆動して主軸頭６４をＺ軸
方向に位置および速度制御しながら、工具８１によって
被加工物の表面加工や穴あけ加工等の切削加工を行な
う。

【００２５】主軸装置の構成 図３は、上記構成の立形マシニングセンタの主軸頭６４
内に設けられる主軸装置１０１の一構成例を示す断面図
である。主軸装置１０１は、大きく分けて主軸８２をラ
ジアル方向およびスラスト方向に保持する主軸保持部１
０２と、モータ部１０３とからなる。主軸保持部１０２
は、主軸８２と、前方軸受部材８３と、後方軸受部材８
４と、軸受保持部材８５と、軸方向軸受部材８６と、オ
イルジャケット９０とを有する。

【００２６】主軸８２は、一方の軸端８２ａ側に工具８
１を装着するための装着用孔８２ｂが形成され、主軸保
持部１０２とモータ部１０３との境界付近の軸部に両側
面がそれぞれ被保持面８２ｄ、８２ｅとなっている鍔部
８２ｃが形成されており、モータ部１０３側にはロータ
嵌合部８２ｆが形成されている。

【００２７】軸受保持部材８５は、筒状の部材であっ
て、内周に段差部を有し、この段差部によって前方軸受
部材８３および後方軸受部材８４の軸方向の移動を規制
するように、前方軸受部材８３および後方軸受部材８４
を内周に嵌合保持している。軸受保持部材８５には、外
周に所定の圧力の圧縮空気Ａを外部から供給するための
圧縮空気供給口８５ｃが形成され、この圧縮空気供給口
８５ｃに連通する圧縮空気供給管８５ａが軸方向内部に
形成されているとともに、供給された圧縮空気を排出す
るための圧縮空気排出管８５ｂが軸方向に形成されてい
る。

【００２８】前方軸受部材８３は、軸受保持部材８５の
内周に嵌合固定されており、主軸８２との間に所定の大
きさの隙間量Ｓ1 が形成されるように主軸８２が内周に
挿入されている。前方軸受部材８３の外周側には、軸受
保持部材８５に形成された圧縮空気供給管８５ａと連通
する圧縮空気供給穴８３ａおよび８３ｂが周方向に等間
隔に、たとえば、それぞれ８個ずつ２列に形成されてい
る。圧縮空気供給穴８３ａおよび８３ｂは、前方軸受部
材８３の内周側に形成された細孔８３ｒ1 および細孔８
３ｒ2 とそれぞれ連通している。前方軸受部材８３の軸
方向の細孔８３ｒ1 および細孔８３ｒ2 の間の中央部に
は、前方軸受部材８３の内周側と外周側とで貫通する圧
縮空気排出孔８３ｃが周方向に複数形成されている。こ
の圧縮空気排出孔８３ｃは軸受保持部材８５に形成され
た圧縮空気排出管８５ｂと連通している。

【００２９】後方軸受部材８４は、前方軸受部材８３と
同様に、軸受保持部材８５の内周に嵌合固定されてお
り、主軸８２との間に所定の大きさの隙間量Ｓ1 が形成
されるように主軸８２が内周に挿入されている。後方軸
受部材８４の外周側には、軸受保持部材８５に形成され
た圧縮空気供給管８５ａに連通する圧縮空気供給穴８４
ａおよび８４ｂが周方向に等間隔に、たとえば、それぞ
れ８個ずつ２列に形成されている。圧縮空気供給穴８４
ａおよび８４ｂは、後方軸受部材８４の内周側に形成さ
れた細孔８４ｒ1 および細孔８４ｒ2 とそれぞれ連通し
ている。後方軸受部材８４の軸方向の細孔８４ｒ1 およ
び細孔８４ｒ2 の間の中央部には、後方軸受部材８４の
内周側と外周側とで貫通する圧縮空気排出孔８４ｃが周
方向に複数形成されている。後方軸受部材８４の主軸８
２の鍔部８２ｃに対向する端部には、軸受保持部材８５
に形成された圧縮空気供給管８５ａに連通する圧縮空気
供給穴８４ｄが主軸８２に沿って周方向に等間隔に、た
とえば、８個形成されている。圧縮空気供給穴８４ｄ
は、後方軸受部材８４の主軸８２の鍔部８２ｃの被保持
面８２ｄ側に形成された細孔８４ｓ1 と連通している。

【００３０】軸方向軸受部材８６は、主軸８２が挿入さ
れ主軸８２の鍔部８２ｃの外周との間に隙間をもって鍔
部８２ｃ囲むように形成されており、軸受保持部材８５
の端部に固着されている。軸方向軸受部材８６には、軸
受保持部材８５に形成された圧縮空気供給管８５ａ連通
する圧縮空気供給管８６ａが形成されているとともに、
圧縮空気供給管８６ａに連通する圧縮空気供給穴８６ｂ
およびこれに連通する細孔８６ｃが後方軸受部材８４の
圧縮空気供給穴８４ｄおよび細孔８４ｓ1 に対応して主
軸８２に沿う方向に形成されている。軸方向軸受部材８
６には、軸受保持部材８５に形成された圧縮空気排出管
８５ｂに連通する圧縮空気排出管８６ｃが形成されてい
るとともに、圧縮空気排出管８６ｃに連通する圧縮空気
排出孔８６ｄが主軸８２の鍔部８２ｃの外周に複数形成
されている。

【００３１】オイルジャケット９０は、軸受保持部材８
５の外周に嵌合固着されている。オイルジャケット９０
には、両端側の外周にオイル供給部９０ａとオイル排出
部９０ｂとが形成され、オイル排出軸受保持部材８５と
嵌合する内周にオイル供給部９０ａから供給されたオイ
ルＯを軸受保持部材８５の外周を通じてオイル排出部９
０ｂに導くオイル用通路９０ｃが形成されている。

【００３２】モータ部１０３は、ロータ８７と、ステー
タ８８と、ステータ保持部材８９と、回転速度検出器１
０６と、オイルジャケット９１と、カバー部材９２とを
有する。ロータ８７は、主軸８２のロータ嵌合部８２ｆ
に嵌合固着されており、たとえば、永久磁石または界磁
巻線からなる。ステータ８８は、たとえば、電機子鉄心
に３相の電機子巻線が巻回されており、ロータ８７との
間に所定のギャップをもつように、ステータ保持部材８
９に固着保持されている。ステータ保持部材８９は、一
端側が軸方向軸受部材８６の後端部に固着されており、
内部に空洞Ｈを有している。オイルジャケット９１は、
ステータ保持部材８９の外周に嵌合固着されており、オ
イルジャケット９１には、両端側の外周にオイル供給部
９１ａとオイル排出部９１ｂとが形成され、ステータ保
持部材８９と嵌合する内周にオイル供給部９１ａから供
給されたオイルＯをステータ保持部材８９の外周を通じ
てオイル排出部９１ｂに導くオイル用通路９１ｃが形成
されている。カバー部材９２は、ステータ保持部材８９
の他端側に固着され、ステータ保持部材８９内の空洞Ｈ
を通じて圧縮空気Ａを外部に排出するための排出孔９２
ａが形成されている。

【００３３】上記構成の主軸装置１０１の動作について
説明する。軸受保持部材８５の圧縮空気供給口８５ｃか
ら供給された所定圧力の圧縮空気Ａは、圧縮空気供給管
８５ａを通じて前側軸受部材８３の圧縮空気供給穴８３
ａ、８３ｂと後側軸受部材８４の圧縮空気供給穴８４
ａ、８４ｂに供給され、各細孔８３ｒ1 、８３ｒ2 と８
４1 、８４ｒ2 を通じて前側軸受部材８３および後側軸
受部材８４と主軸８２との間に供給される。この供給さ
れた圧縮空気Ａの静圧によって、主軸８２は前側軸受部
材８３および後側軸受部材８４に対して浮上し、ラジア
ル方向に回転自在に保持される。

【００３４】また、軸受保持部材８５の圧縮空気供給口
８５ｃから供給された所定圧力の圧縮空気Ａは、後側軸
受部材８４の圧縮空気供給穴８４ｄおよび軸方向軸受部
材８６の圧縮空気供給穴８４ｄに供給され、それぞれの
細孔８４ｓ1 および８６ｓ2を通じて、主軸８２の鍔部
８２ｃの被保持面８２ｄと後方軸受部材８４との間およ
び主軸８２の鍔部８２ｃの被保持面８２ｅと軸方向軸受
部材８６との間に供給される。これにより、主軸８２は
圧縮空気Ａの静圧によってスラスト方向に保持される。

【００３５】前側軸受部材８３、後側軸受部材８４およ
び軸方向軸受部材８６に供給された圧縮空気Ａは、前側
軸受部材８３、後側軸受部材８４および軸方向軸受部材
８６に形成された圧縮空気排出孔８３ｃ、８４ｃおよび
８６ｄを通じて圧縮空気排出管８５ｄおよび８６ｃに流
入し、ステータ保持部材８９内の空洞Ｈに流れ込み、カ
バー部材９２の排出孔９２ａから外部に排出される。ス
テータ保持部材８９内の空洞Ｈに供給される圧縮空気Ａ
は、ロータ８７およびステータ８８に発生する熱を冷却
する役割も果たす。

【００３６】モータ部１０３のステータ８８の電機子巻
線には、後述する電力変換回路において位相調整された
駆動電流が供給され、ロータ８７に回転駆動力が発生
し、主軸８２が回転する。オイルジャケット９０、９１
にはそれぞれ冷却用オイルＯがオイル供給部９０ａ，９
１ａから供給され、冷却用オイルＯがオイル用通路９０
ｃおよび９１ｃを流れることにより、主軸装置１０１の
外周を冷却する。これにより、主軸装置１０１の高速回
転によって発生する熱を冷却することができる。

【００３７】負荷能力決定方法 次に、主軸装置１０１の主軸８２の先端に装着される工
具８１も含めた軸方向の各位置における曲げ方向に印加
可能な負荷を決定する方法について説明する。主軸装置
１０１の主軸８２の前方軸受部材８３の端部から突出し
た軸端８２ａには、被加工物の加工形状等に応じて種々
の長さの工具が装着される。したがって、前方軸受部材
８３からの工具の切削点の位置は、工具の長さによって
異なり、同じ切削力でも主軸に作用する曲げモーメント
は異なるため、主軸８２の軸方向の各位置（工具の長
さ）に応じて、主軸８２に印加可能な負荷も異なる。本
実施形態では、主軸８２の軸方向の各位置に印加される
曲げ方向の負荷によって発生する前側および後側軸受部
材８３および８４内における主軸８２の所定の位置から
の変位量の最大値が前側および後側軸受部材８３および
８４と主軸との間の隙間量Ｓ1 に対して所定の割合とな
るときの負荷の大きさを、主軸８２の軸方向の各位置に
おける印加可能な許容負荷とする。このとき、主軸８２
の前側および後側軸受部材８３および８４内における変
位量は、主軸８２に印加される負荷によって発生する主
軸８２の前側および後側軸受部材８３および８４内にお
けるたわみ量と主軸８２が剛体と仮定した場合の前側お
よび後側軸受部材８３および８４内における主軸８２の
変位量との合計から算出する。以下に、主軸８２のたわ
み量の算出方法と、主軸８２が剛体と仮定した場合の前
側および後側軸受部材８３および８４内における主軸８
２の変位量の算出方法とに分けてそれぞれ説明する。

【００３８】主軸のたわみ量の算出 まず、主軸８１の軸方向の各位置に負荷が印加されたそ
れぞれの場合の主軸８２に発生するたわみ量の算出方法
について説明する。主軸８２はラジアル方向において前
側軸受部材８３および後側軸受部材８４との間の静圧に
よって支持されているが、前側軸受部材８３および後側
軸受部材８４に形成された２列の細孔８３ｒ1 ，８３ｒ
2 および８４ｒ1 ，８４ｒ2 のそれぞれの中央位置Ｐ1
およびＰ2 （図３参照）で主軸８２が拘束支持されてお
り、これらの位置に反力が集中していると仮定する。こ
の拘束支持モデルを図４に示す。

【００３９】図４に示すように、前側軸受部材８３の拘
束支持位置Ｐ1 から主軸８２上の距離Ｌ₁ の位置に負荷
Ｗが印加されるものとする。また、図４におけるｘは、
負荷Ｗの印加位置から主軸８２の任意の位置までの距離
であり、Ｌ1 は負荷Ｗが作用する位置から拘束支持位置
Ｐ1 までの距離であり、Ｌ2 は拘束支持位置Ｐ1 とＰ2
との距離であり、Ｌは負荷Ｗが作用する位置から拘束支
持位置Ｐ2 までの距離であり、主軸８２は反力Ｒ1 およ
びＲ2 を受けるものとする。この状態で、主軸８２の作
用するせん断力Ｆは、図５に示すように、距離ｘが０＜
ｘ＜Ｌ1 では、Ｆ＝−Ｗとなり、Ｌ1 ＜ｘ＜Ｌ2 の領域
では、Ｆ＝Ｒ2 となる。

【００４０】図４に示すせん断力図に基づいて、主軸８
２に作用するモーメントＭを求めると、図６に示すよう
になる。図６では、距離ｘが０＜ｘ＜Ｌ1 の領域では、
Ｍ＝−Ｗ・ｘとなり、Ｌ1 ＜ｘ＜Ｌ2 の領域では、Ｍ＝
−Ｒ2 ・（Ｌ−ｘ）となる。

【００４１】図６に示したモーメント図から主軸８２の
負荷Ｗの印加位置からの任意の距離ｘにおけるたわみ量
ｖ〔μｍ〕は次式（１）によって求めることができる。
なお、Ｗは負荷〔Ｎ〕であり、Ｅは主軸８２の縦弾性係
数〔ＧＰａ〕であり、Ｉは主軸８２の断面２次モーメン
ト〔ｍｍ⁴ 〕である。

【００４２】 ｖ＝（Ｗ・Ｌ1 ² ・Ｌ2 ／６・Ｅ・Ｉ） ×｛（２Ｌ−３ｘ）／Ｌ2 −２ｘ／Ｌ1 ＋ｘ／Ｌ2 （ｘ／Ｌ2)² ｝…（１）

【００４３】本実施形態では、たとえば、主軸８２の軸
端８２ａから９５ｍｍの位置に２５０〔Ｎ〕の負荷をか
けた場合のたわみ量ｖを算出した。主軸８２の軸端８２
ａから前側軸受部材８３の拘束支持点Ｐ1 までの距離は
７２．５ｍｍであり、Ｗ＝２５０〔Ｎ〕、Ｌ1 ＝１６
７．５ｍｍ、Ｌ2 ＝１６８ｍｍ、Ｌ＝３３５．５ｍｍで
あり、また、Ｅ＝１５０〔ＧＰａ〕、Ｉ＝６３６１７
２．５ｍｍ⁴ として算出した結果を図７の実線に示す。
なお、図７では、主軸８２の軸端８２ａから工具の向き
をマイナス方向としており、横軸は主軸８２の軸端８２
ａを基準としている。

【００４４】主軸の変位量の算出 次に、主軸８２が剛体と仮定した場合の前側および後側
軸受部材８３および８４内の各位置における主軸８２の
変位量δの算出方法について説明する。本発明では、前
側軸受部材８３および後側軸受部材８４に供給される圧
縮空気Ａの拘束支持位置Ｐ1 およびＰ2 における静圧剛
性を算出し、拘束支持位置Ｐ1およびＰ2 における反力
Ｒ1 およびＲ2 による剛体と仮定した主軸８２の変位量
を算出する。

【００４５】前側軸受部材８３および後側軸受部材８４
の静圧剛性は、主軸８２が剛体と仮定した場合に、主軸
８２に所定量の変位を生じさせる主軸８２に作用する力
である。圧剛性は、圧縮空気Ａの圧力に応じて異なる。
まず、主軸８２の軸方向の後側軸受部材８４の支持点Ｐ
2 から所定の位置に所定の負荷Ｗを実際に印加して負荷
位置での変位量ＤL を測定する。この主軸８２の距離Ｌ
の位置での変位量ＤL には、主軸８２の負荷位置におけ
るたわみ量ｖL と剛体と仮定した主軸８２の静圧に対す
る変位量ＣL とが含まれる。負荷位置での主軸８２のた
わみ量ｖL は、上記した（１）式のｘを０として算出す
ることができる。このため、負荷位置での剛体と仮定し
た主軸８２の静圧に対する変位量ＣL は、変位量ＤL か
らたわみ量ｖL を除いた値（ＤL −ｖL ）となる。

【００４６】負荷Ｗを印加した位置での静圧剛性をＫｐ
とすると、Ｋｐは次式（２）により算出できる。

【００４７】Ｋｐ＝Ｗ／ＣL …（２）

【００４８】次に、負荷Ｗを印加した主軸８２の負荷位
置での静圧剛性Ｋｐに基づいて前側軸受部材８３および
後側軸受部材８４の各拘束支持位置Ｐ1 およびＰ2 にお
ける静圧剛性を求める。前側軸受部材８３および後側軸
受部材８４は同一の寸法であり、各拘束支持位置Ｐ1 お
よびＰ2 における静圧剛性は等しいとしてこれをＫｂと
すると、次式（３）によって静圧剛性Ｋｂが算出され
る。なお、負荷Ｗの印加位置と拘束支持位置Ｐ1 との距
離をＬ1 、拘束支持位置Ｐ2 との距離をＬとしている。

【００４９】 Ｋｂ＝Ｋｐ・（Ｌ² ＋Ｌ1 ² ）／Ｌ2 ² …（３）

【００５０】また、前側軸受部材８３および後側軸受部
材８４の各拘束支持位置Ｐ1 およびＰ2 から剛体と仮定
した主軸８２が受ける反力Ｒ１およびＲ2 は、次式
（４），（５）によって算出される。

【００５１】Ｒ1 ＝Ｗ・Ｌ／Ｌ2 …（４） Ｒ2 ＝Ｗ・Ｌ1 ／Ｌ2 …（５）

【００５２】したがって、反力Ｒ１およびＲ2 による主
軸８２の拘束支持位置Ｐ1 およびＰ2 における変位量δ
1 およびδ2 は、次式（６），（７）によって算出する
ことができる。

【００５３】 δ1 ＝（Ｗ・Ｌ／Ｌ2 ）／Ｋｂ＝Ｒ1 ／Ｋｂ …（６） δ2 ＝（Ｗ・Ｌ1 ／Ｌ2 ）／Ｋｂ＝Ｒ2 ／Ｋｂ …（７）

【００５４】拘束支持位置Ｐ1 およびＰ2 における変位
量δ1 およびδ2 が算出されると、剛体と仮定した主軸
８２の負荷位置からの距離ｘの位置での変位量δは、次
式（８）によって算出することができる。

【００５５】 δ＝Ｗ／（Ｋｂ・Ｌ2 ² ） ×｛（Ｌ＋Ｌ1 ）ｘ＋Ｌ・Ｌ2 −Ｌ1 ・（Ｌ＋Ｌ1 ）｝…（８）

【００５６】本実施形態では、主軸８２の距離Ｌの位置
での変位量ＤL の測定は、たとえば、前側軸受部材８３
および後側軸受部材８４に供給する圧縮空気Ａの圧力を
６ｋｇｆとし、主軸８２の軸端８２ａから１５ｍｍの前
側軸受部材８３寄りの位置（Ｌ1 ＝５７．５ｍｍ、Ｌ＝
２２５．５ｍｍ）に１１．０ｋｇｆ（１０７．８
〔Ｎ〕）の負荷Ｗを掛けた。このときの、負荷位置での
主軸８２の変位量ＤL は５．０μｍであった。また、負
荷位置での主軸８２のたわみ量ｖL は上記（１）式よ
り、０．２８０７μｍであり、剛体と仮定した主軸８２
の静圧に対する変位量ＣL は４．７１９３μｍとなっ
た。したがって、負荷位置での主軸８２の静圧剛性Ｋｐ
は、（２）式より、２．３３０８〔ｋｇｆ／μｍ〕とな
り、（３）式より、前側軸受部材８３および後側軸受部
材８４の各拘束支持Ｐ1 およびＰ2 での静圧剛性Ｋｂ
は、４３．８３〔ＭＮ／ｍ〕となった。

【００５７】この結果、主軸８２の軸端８２ａから９５
ｍｍの位置に２５０〔Ｎ〕の負荷をかけた場合（Ｗ＝２
５０〔Ｎ〕、Ｌ1 ＝１６７．５ｍｍ、Ｌ2 ＝１６８ｍ
ｍ、Ｌ＝３３５．５ｍｍ）には、（４）および（５）式
より、拘束支持位置Ｐ1 ，Ｐ2から主軸８２が受ける反
力Ｒ１およびＲ2 は、それぞれ４９９．２５６〔Ｎ〕、
２４９．２５６〔Ｎ〕となり、剛体と仮定した主軸８２
の拘束支持位置Ｐ1 ，Ｐ2 における変位量δ1 ，δ2 は
それぞれ１１．３９１μｍ、５．６８７μｍとなった。
この結果を、図７に示す。図７では、剛体と仮定した主
軸８２の拘束支持位置Ｐ1 ，Ｐ2 における変位量δ1 ，
δ2 の各位置を点線で示す直線で結んでおり、この点線
で示す直線が剛体と仮定した主軸８２の軸方向の各位置
での変位量δを示している。上述した主軸８２の軸方向
の各位置でのたわみ量ｖと剛体と仮定した主軸８２の軸
方向の各位置での変位量δとの合計である主軸８２の変
位量Ｚは、図７の破線で示すように変形した曲線とな
る。

【００５８】図７からわかるように、本実施形態に係る
主軸装置１０１の構造では、前側軸受部材８３および後
側軸受部材８４内で変位量Ｚが最大値Ｚmax となるの
は、前側軸受部材８３の工具側の端面位置ＰT である。
すなわち、主軸８２の軸方向の各位置に過大な負荷Ｗが
印加された場合に、前側軸受部材８３の工具側の端面位
置ＰT で、主軸８２と前側軸受部材８３とが最初に接触
し、これにより主軸８２および前側軸受部材８３が損傷
してしまうことがわかる。

【００５９】次に、主軸８２の軸方向の負荷Ｗを印加す
る負荷位置を種々変更して、前側軸受部材８３の端面位
置ＰT における主軸８２のたわみ量ｖおよび剛体と仮定
した主軸８２の変位量δを上記（１）式および（８）式
に基づいて求める。たとえば、負荷Ｗを１ｋｇｆとし、
主軸８２の軸端８２ａから工具方向の各位置に負荷Ｗを
印加して求めた前側軸受部材８３の端面位置ＰT におけ
る主軸８２のたわみ量ｖおよび剛体と仮定した主軸８２
の変位量δを図８に示す。図８において、横軸はプラス
方向が主軸８２の軸端８２ａから工具方向の負荷位置ま
での距離を示しており、実線で示す直線が前側軸受部材
８３の端面位置ＰT における主軸８２のたわみ量ｖを示
しており、点線で示す直線が剛体と仮定した主軸８２の
変位量δである。

【００６０】次に、図８に示したデータに基づいて、負
荷Ｗの印加位置を主軸８２の軸端８２ａから工具方向に
種々変えて、前側軸受部材８３の端面位置ＰT における
主軸８２のたわみ量ｖと剛体と仮定した主軸８２の変位
量δとの合計が主軸８２と前側軸受部材８３との間の隙
間量Ｓ1 の半分および１／４とする限界負荷Ｗmax およ
び許容負荷Ｗｐをそれぞれ求める。このようにして限界
負荷Ｗmax および許容負荷Ｗｐを求めると、図９に示す
ように、主軸８２の軸方向の各位置での限界負荷Ｗmax
および許容負荷Ｗｐを示す負荷能力曲線図が得られる。
なお、図９の横軸は、主軸８２の軸端８２ａから工具方
向に向かう軸方向の位置を示しており、縦軸は軸方向の
各位置における限界負荷Ｗmax および許容負荷Ｗｐを示
している。

【００６１】一方、図８に示した前側軸受部材８３の端
面位置ＰT における主軸８２のたわみ量ｖおよび剛体と
仮定した主軸８２の変位量δは、圧縮空気Ａの供給圧力
が６ｋｇｆ／ｃｍ² の場合であるが、圧縮空気Ａの供給
圧力を変化させた場合のたわみ量ｖおよび変位量δを図
１０に示す。図１０に示すように、圧縮空気Ａの供給圧
力を変化させても、前側軸受部材８３の端面位置ＰT に
おける主軸８２のたわみ量ｖは変化しないが、剛体と仮
定した主軸８２の変位量δは、前側軸受部材８３および
後側軸受部材８４の静圧剛性が変化するため、圧縮空気
Ａの供給圧力に応じて変化する。

【００６２】図１０に示したデータに基づいて、負荷Ｗ
の印加位置を主軸８２の軸端８２ａから工具方向に種々
変えて、前側軸受部材８３の端面位置ＰT における主軸
８２のたわみ量ｖと剛体と仮定した主軸８２の変位量δ
との合計が主軸８２と前側軸受部材８３との間の隙間量
Ｓ1 の半分および１／４とする限界負荷Ｗmax および許
容負荷Ｗｐをそれぞれ求めると、図１１に示す圧縮空気
Ａの供給圧力に応じた主軸８２の軸方向の各位置での限
界負荷Ｗmax および許容負荷Ｗｐを示す負荷能力曲線図
が得られる。

【００６３】本実施形態によれば、負荷能力曲線図に基
づいて、主軸８２に装着される種々の工具８１の切削点
の位置（主軸８２の軸方向の負荷位置）に印加可能な許
容負荷を求めることができ、この許容負荷を越えない範
囲で工具８１の切り込み量、送り速度、回転速度等の切
削条件を決定することにより、主軸８２への過負荷によ
る主軸８２および前側軸受部材８３の損傷を未然に防止
することができる。また、主軸８２に装着される種々の
工具８１の切削点の位置に応じた負荷能力を求めること
により、工具８１の長さに応じた許容負荷の限界で切削
加工することができるため、切削効率を大幅に向上させ
ることができる。さらに、本実施形態では、軸受に供給
される圧縮空気Ａの供給圧力に応じて主軸８２の軸方向
の各位置における印加可能な負荷を求めることができ、
静圧軸受の剛性に応じた切削条件を設定することができ
る。

【００６４】なお、本実施形態では、回転工具８１を装
着する主軸８２の軸方向の各位置における負荷能力を決
定する場合について説明したが、本発明はこれに限定さ
れるわけではなく、静圧軸受によって保持される種々の
回転軸に適用可能である。また、本実施形態に係る主軸
装置１０１では、流体として空気を使用した場合につい
て説明したが、本発明はこれに限定されるわけではな
く、流体として、たとえば、油、水等の液体を用いた静
圧軸受にも適用可能である。

【００６５】変形例 上述した実施形態に係る負荷能力決定方法では、主軸８
２が支持拘束位置Ｐ1、Ｐ2 の２点で拘束支持され、支
持拘束位置Ｐ1 、Ｐ2 に反力Ｒ1 およびＲ2 が集中して
いると仮定して、主軸８２のたわみ量ｖおよび剛体と仮
定した主軸８２の変位量δを求めた。しかしながら、前
側軸受部材８３および後側軸受部材８４は、軸方向に幅
を有しており、主軸８２はこの前側軸受部材８３および
後側軸受部材８４の幅の範囲で反力を受けることから、
支持拘束位置Ｐ1 、Ｐ2 での拘束支持を仮定したのでは
主軸８２のたわみ量ｖおよび剛体と仮定した主軸８２の
変位量δに誤差が生じる場合も存在すると考えられる。

【００６６】一方、前側軸受部材８３および後側軸受部
材８４には、それぞれ２列の細孔８３ｒ1 ，８３ｒ2 お
よび８４ｒ1 ，８４ｒ2 が形成され、これら細孔８３ｒ
1 ，８３ｒ2 および８４ｒ1 ，８４ｒ2 は自生絞りを形
成しており、これら４箇所においてそれぞれ反力ＦＡ，
ＦＢ，ＦＣ，ＦＤが集中して発生していると仮定するこ
とができる。これらの反力ＦＡ，ＦＢ，ＦＣ，ＦＤの大
きさは、図７に示した主軸８２のたわみ曲線の細孔８３
ｒ1 ，８３ｒ2 および８４ｒ1 ，８４ｒ2 の形成位置に
おけるたわみ量に比例すると近似できる。これらの反力
ＦＡ，ＦＢ，ＦＣ，ＦＤのそれぞれによる剛体と仮定し
た主軸８２の変位量δを算出し、図７に示した主軸８２
の変位量Ｚに加えることにより、主軸８２の変位量Ｚを
補正することができる。このように、主軸８２を２点の
拘束支持ではなく、さらに４点で拘束支持されていると
仮定することにより、主軸８２の軸方向の各位置で、印
加可能な負荷をさらに正確に決定することができる。

【００６７】なお、本実施形態では、２点の拘束支持と
仮定した場合と４点で拘束支持されていると仮定した場
合とで、算出した主軸８２の変位量Ｚにほとんど差がな
かった。このことから、軸受部材８３，８４の幅の中で
反力がさらに細かく分布していたとしても、主軸８２に
発生する曲げモーメントはさらに小さいので、大きな変
化は起こらない。

【００６８】回転軸の保護装置 次に、本発明の回転軸の保護装置の一実施形態に係る上
記構成の主軸装置１０１の駆動制御を行なう制御装置に
ついて説明する。図４は、本発明の回転軸の保護装置の
一実施形態に係る主軸装置の駆動制御を行なう制御装置
の一構成を示す構成図である。制御装置１は、主制御部
２と、負荷位置設定保持部３と、負荷能力データ保持部
４と、回転数設定保持部５と、許容負荷動力算出部６
と、負荷動力検出部７と、比較判断部８と、遮断信号出
力部９とを有する。

【００６９】主制御部２は、上記構成の主軸装置１０１
の速度制御を行なう指令を、主軸装置１０１のモータ部
１０３を駆動する主軸ドライバ１１に対して出力する。
なお、主制御部２は、上記立形マシニングセンタのＸ軸
サーボモータ、Ｙ軸サーボモータの位置制御および速度
制御等を行なうが、詳細については省略する。

【００７０】負荷位置設定保持部３は、主軸８２に装着
される工具８１の負荷が印加される負荷位置を設定し、
この負荷位置データを保持する。負荷位置は、工具８１
の長さに応じて決定されるものであり、具体的には、主
軸８２の軸端８２ａや、前側軸受部材８３の端面等の基
準位置から工具８１の負荷位置までの距離として設定す
る。

【００７１】負荷能力データ保持部４は、たとえば、上
述の実施形態において図８に示した負荷能力線図デー
タ、すなわち、主軸８２の軸方向の各位置における印加
可能な許容負荷Ｗｐのデータを保持している。

【００７２】回転数データ保持部５は、工具８１（主軸
８２）の切削加工時の回転数データを保持する。回転数
データは、制御装置１で記憶されている加工プログラム
においてあらかじめ設定された回転数が保持されてい
る。

【００７３】許容負荷動力算出部６は、負荷位置設定保
持部３からの負荷位置データと、負荷能力データ保持部
４からの許容負荷Ｗｐのデータと、回転数設定保持部５
からの主軸８１の回転数データとに基づいて、工具８１
を通じて主軸８２に印加可能な許容負荷動力Ｅｐを算出
する。具体的には、たとえば、工具８１の負荷位置デー
タから主軸８２の軸方向の位置が決定され、この位置で
の許容負荷Ｗｐと工具８１の回転数とに基づいて許容負
荷動力Ｅｐを算出する。

【００７４】負荷動力検出部７は、主軸装置１０１のモ
ータ部１０３の回転速度検出器１０６によって検出され
た主軸８２の回転数Ｖとモータ部１０３に流れる駆動電
流Ｉから主軸８２に印加される負荷動力Ｅを検出する。

【００７５】比較判断部７は、許容負荷動力算出部６で
算出された許容負荷動力Ｅｐと負荷動力検出部７で検出
された負荷動力Ｅとを比較し、負荷動力Ｅが許容負荷動
力Ｅｐを越えていないかを判断し、越えている場合に
は、遮断信号出力部８に対して遮断指令８ｓを出力す
る。

【００７６】遮断信号出力部８は、比較判断部７からの
遮断指令８ｓの入力に応じて、主軸ドライバ１１に対し
て主軸装置１０１のモータ部１０３への電力を遮断させ
る遮断信号ＳＴを出力する。

【００７７】図１２は、図１１に示した制御装置を実現
するハードウエアの一例を示す構成図である。図１２に
おいて、マイクロプロセッサ４１は、ＲＯＭ（Read Onl
y Memory) ４２、ＲＡＭ（Random Access Memory) ４
３、インターフェース回路４８，４９、グラフィック制
御回路４４、表示装置４５、キーボード４７、ソフトウ
エアキー４６等とバスを介して接続されている。マイク
ロプロセッサ４１は、ＲＯＭ４２に格納されたシステム
プログラムにしたがって、制御装置１全体を制御する。

【００７８】ＲＯＭ４２には、上記の制御装置１の有す
る各機能を実現するプログラムや、制御装置１全体を制
御するためのシステムプログラムが格納される。ＲＡＭ
２３は、ＲＯＭ２２に格納されたプログラムがダウンロ
ードされたり、各種のＮＣプログラム、データなどが格
納される。

【００７９】グラフィック制御回路４４は、ディジタル
信号を表示用の信号に変換し、表示装置４５に与える。
表示装置４５には、例えば、ＣＲＴ表示装置や液晶表示
装置が使用される。表示装置４５は、ソフトウエアキー
４６またはキーボード４７を用いて作業者が対話形式で
加工プログラムを作成していくときに、形状、加工条件
および生成された加工プログラム等を表示したり、作業
者が必要なデータを入力する際に入力データなどを表示
する。作業者は、表示装置４５に表示される内容（対話
形データ入力画面）にしたがってデータを入力すること
により、加工プログラムなどを作成することができる。
表示装置４５の画面には、その画面で受けられる作業ま
たはデータがメニュー形式で表示される。メニューのう
ちどの項目を選択するかは、メニューの下のソフトウエ
アキー４６を押すことにより行う。また、ソフトウエア
キー４６およびキーボード４７は、制御装置１に必要な
データを入力するのにも使用される。インターフェース
回路４９は、マイクロプロセッサ４１から出力された主
軸装置１０１のモータ部１０３に対する速度指令やＩ／
Ｏ信号等を主軸ドライバ１１に出力する。また、インタ
ーフェース回路４９は、主軸装置１０１に備わった回転
速度検出器１０６からの、たとえば、電圧信号からなる
速度検出値を所定のディジタル信号に変換してマイクロ
プロセッサ４１に出力したり、主軸ドライバ１１からの
異常信号等をマイクロプロセッサ４１に出力したりす
る。

【００８０】図１３は、主軸ドライバ１１の構成例を示
すブロック図である。主軸ドライバ１１は、速度制御部
１２と、電流制御部１３と、電力変換部１４とを有して
おり、主軸装置１０１のモータ部１０３に備わった回転
速度検出器１０６の検出値Ｖおよびモータ部１０３の駆
動電流を検出する電流センサ１５の検出値がフィードバ
ックされる。

【００８１】速度制御部１２は、制御装置１から入力さ
れた速度指令Ｖｒと回転速度検出器１０６の検出値とか
ら速度偏差を生成し、この速度偏差に、たとえば、比例
動作、積分動作および微分動作を施し、主軸装置１０１
のモータ部１０３が加速あるいは減速するための電流振
幅を決定し、これを電流指令Ｉｒとして電流電流制御部
１３に出力する。

【００８２】電流制御部１３は、電流指令Ｉｒとモータ
部１０３の回転角度信号からモータ部１０３の各相の電
流基準信号を生成し、この電流基準信号と電流センサ１
５からフィードバックされた電流値とから電力変換部１
４を駆動制御する駆動信号Ｄｒを出力する。

【００８３】電力変換部１４は、主軸装置１０１のモー
タ部１０３の各相巻線に任意の周波数の駆動電流を供給
する。電力変換部１４は、たとえば、直流電源から任意
の周波数の正弦波電流をＰＷＭ制御によって生成するイ
ンバータ回路を有しており、電流制御部１３から入力さ
れた駆動信号Ｄｒによってインバータ回路の各相トラン
ジスタがオン、オフ制御されることにより、モータ部１
０３へ任意の周波数の駆動電流が供給される。

【００８４】次に、上記構成の制御装置１による主軸装
置１０１の駆動制御の一例について説明する。まず、図
１２に示した制御装置１の表示装置４５、ソフトウェア
キー４６、キーボート４７等を使用して、制御装置１に
主軸装置１０１に装着される工具８１の長さに応じた負
荷位置を入力する。これにより、制御装置１の負荷位置
設定保持部３には、工具８１の負荷位置データが記憶さ
れる。制御装置１の許容負荷動力算出部６では、工具８
１の負荷位置データが入力されると、工具８１の負荷位
置データ、加工プログラムで設定された主軸８２の回転
数、負荷能力データ保持部４の許容負荷Ｗｐから工具８
１を通じて主軸８２に印加可能な許容負荷動力Ｅｐを算
出する。

【００８５】次いで、主軸装置１０１を駆動して主軸８
１の先端に装着された工具８２によって切削加工が開始
されると、制御装置１の負荷動力検出部７によって、主
軸８１に印加されている負荷動力Ｅが検出される。

【００８６】たとえば、工具８１に対する被加工物の送
り速度が過大であったり、工具８１による被加工物の切
り込み量が過大であると、工具８１の切削点には大きな
切削力が作用し、これに応じて主軸８２に印加される負
荷動力も増大する。比較判断部８では、負荷動力検出部
７で検出される負荷動力Ｅが許容負荷動力算出部６で算
出された許容負荷動力Ｅｐを越えると、遮断信号出力部
９に対して遮断指令８ｓを出力する。遮断信号出力部９
は、遮断指令８ｓの入力に応じて、図１３に示した主軸
ドライバ１１の電力変換部１４に対して遮断信号ＳＴを
出力する。主軸ドライバ１１の電力変換部１４では、遮
断信号ＳＴによって主軸装置１０１のモータ部１０３へ
の電力の供給を遮断する。これにより、主軸８２への回
転駆動力の供給が遮断され、工具８１を通じて過大な負
荷が主軸８２に印加されなくなる。

【００８７】以上のように、本実施形態によれば、工具
８１の長さに応じて許容負荷動力が算出できるので、種
々の長さの工具８１を使用しても主軸装置１０１におけ
る主軸８２と前側軸受部材８３の一端部が接触すること
はなく、主軸８２が過大な負荷によって変位して前側軸
受部材８３と接触することによって主軸８２および前側
軸受部材８３が損傷することが未然に防止される。

【００８８】なお、本実施形態に係る制御装置１では、
許容負荷動力算出部６では、許容負荷動力Ｅｐの算出を
負荷能力データ保持部４にあらかじめ保持された許容負
荷Ｗｐのデータに基づいて算出する構成としたが、本発
明はこれに限定されない。たとえば、主軸装置１０１の
寸法データ、静圧軸受の特性データおよび上述した主軸
８２の変位量Ｚを算出する式を制御装置１内にあらかじ
め保持しておき、制御装置１内において許容負荷Ｗｐを
算出することも可能である。また、本実施形態では、主
軸８２の回転数データと負荷位置データとから許容負荷
動力を算出する構成としたが、負荷位置データから許容
負荷トルクを算出し、主軸装置１０１のモータ部１０３
の駆動電流の検出値から主軸８２に掛かる負荷トルクを
検出し、許容負荷トルクと主軸８２に掛かる負荷トルク
とを比較する構成とすることも可能である。

【００８９】

【発明の効果】本発明の回転軸装置の負荷能力決定方法
によれば、静圧軸受と回転軸との接触による損傷を発生
させない回転軸の軸方向の各位置での印加可能な負荷
（荷重）を比較的簡単にかつ精度良く決定することが可
能となる。

【００９０】本発明の回転軸装置の保護装置によれば、
回転軸への過負荷に起因する回転軸および軸受の接触に
よる回転軸および軸受の損傷を確実に回避することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される回転軸を具備する工作機械
の一例としての立形マシニングセンタを示す斜視図であ
る。

【図２】図１に示す立形マシニングセンタの断面図であ
る。

【図３】図１に示す立形マシニングセンタに適用される
主軸装置の一例を示す断面図である。

【図４】主軸の軸受による拘束支持状態をモデル化した
図である。

【図５】主軸に作用するせん断応力の状態を示す図であ
る。

【図６】主軸に作用するモーメントの状態を示す図であ
る。

【図７】主軸の所定の位置に負荷を印加した場合の主軸
たわみおよび剛体と仮定した主軸の変位を示す図であ
る。

【図８】主軸に対する負荷位置を種々変化させた場合の
軸受端面位置での主軸たわみ量および剛体と仮定した主
軸の変位量を示す図である。

【図９】主軸の各位置に対する負荷能力を示す図であ
る。

【図１０】種々の圧縮空気の圧力に対応する、主軸に対
する負荷位置を種々変化させた場合の軸受端面位置での
主軸のたわみ量と剛体と仮定した主軸の変位量を示す図
である。

【図１１】種々の圧縮空気の圧力に対応する、主軸の各
位置に対する負荷能力を示す図である。

【図１２】本発明の回転軸の保護装置の一実施形態に係
る主軸装置の制御装置の構成を示す構成図である。

【図１３】本実施形態に係る制御装置のハードウエア構
成の一例を示す構成図である。

【図１４】本実施形態に係る主軸ドライバの一構成例を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１…制御装置 ２…主制御部 ３…負荷位置設定保持部 ４…負荷能力データ保持部 ５…回転数データ保持部 ６…許容負荷動力算出部 ７…負荷動力検出部 ８…比較判断部 ９…遮断信号出力部 １１…主軸ドライバ １０１…主軸装置

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定圧力の流体が内部に供給される軸受
   と、前記軸受との間に供給される流体の静圧によって前
   記軸受に対して所定の隙間量をもって回転自在に支持さ
   れた回転軸とを有する回転軸装置の前記回転軸の軸方向
   の各位置において印加可能な負荷を決定する回転軸装置
   の負荷能力決定方法であって、 前記回転軸の前記軸受内における変位量の最大値が前記
   軸受と回転軸との所定の隙間量に対して所定の割合とな
   るときの前記負荷の大きさを当該負荷の印加位置におけ
   る印加可能な許容負荷とする回転軸装置の負荷能力決定
   方法。
2. 【請求項２】前記回転軸の変位量は、前記回転軸に発生
   する前記軸受内におけるたわみ量と前記回転軸を剛体と
   仮定した場合の前記軸受内における前記回転軸の変位量
   との合計から算出する請求項１に記載の回転軸装置の負
   荷能力決定方法。
3. 【請求項３】前記回転軸のたわみ量は、前記回転軸が前
   記軸受内の所定の位置で拘束支持されていると仮定して
   算出する請求項２に記載の回転軸装置の負荷能力決定方
   法。
4. 【請求項４】前記剛体と仮定した回転軸の変位量は、前
   記軸受に供給される流体の静圧剛性を算出し、前記剛体
   と仮定した回転軸が前記軸受内の拘束支持位置から受け
   る反力と前記静圧剛性とから前記回転軸の変位量を算出
   する請求項３に記載の回転軸装置の負荷能力決定方法。
5. 【請求項５】前記静圧剛性の算出は、前記回転軸の所定
   の位置に所定の負荷を印加し、当該負荷印加位置におけ
   る前記回転軸の変位量を測定し、 前記前記回転軸の変位量から当該回転軸のたわみ量を差
   し引いた値を前記剛体と仮定した回転軸の変位量とし、
   前記所定の負荷の値、前記剛体と仮定した回転軸の変位
   量および前記拘束支持位置と前記負荷印加位置との位置
   関係から前記静圧剛性を算出する請求項４に記載の回転
   軸装置の負荷能力決定方法。
6. 【請求項６】前記軸受と前記回転軸との間に供給される
   流体の圧力に応じて、前記剛体と仮定した回転軸の変位
   量を算出し、前記回転軸の軸方向の各位置における印加
   可能な負荷を求める請求項２〜５のいずれかに記載の回
   転軸装置の負荷能力決定方法。
7. 【請求項７】前記回転軸は、回転軸の軸方向に離間して
   配置された第１および第２の軸受によって回転自在に保
   持されており、 前記第１および第２の軸受は、所定圧力の流体を供給す
   る当該軸受の周方向に均等に形成された細孔列がそれぞ
   れ２列設けられており、 前記第１の軸受から前記第２の軸受の反対側に突き出し
   た回転軸の軸方向の各位置に印加可能な負荷を決定する
   請求項１〜６のいずれかに記載の回転軸装置の負荷能力
   決定方法。
8. 【請求項８】前記回転軸の拘束支持位置を前記第１およ
   び第２の軸受における前記２列の細孔列の中央位置とし
   て前記回転軸のたわみみ量を算出し、 前記剛体と仮定した回転軸は、前記中央位置から反力を
   受けると仮定して変位量を算出する請求項７に記載の回
   転軸装置の負荷能力決定方法。
9. 【請求項９】前記剛体と仮定した回転軸の変位量を、前
   記回転軸が前記第１および第２の軸受の前記各細孔列の
   形成位置から反力を受けると仮定して補正する請求項８
   に記載の回転軸装置の負荷能力決定方法。
10. 【請求項１０】前記回転軸の先端には当該回転軸の軸方
    向に切削工具が装着され、 前記切削工具の切削点の前記軸受からの距離に応じて当
    該切削点に印加可能な負荷の大きさを決定し、 決定された負荷に応じて前記切削工具の切削条件を決定
    する請求項１〜９のいずれかに記載の回転軸装置の負荷
    能力決定方法。
11. 【請求項１１】所定圧力の流体が軸受内部に供給される
    軸受と、前記軸受との間に供給される流体の静圧によっ
    て前記軸受に対して所定の隙間量をもって回転自在に支
    持された回転軸と、前記回転軸を駆動する駆動手段とを
    有する回転軸装置の保護装置であって、 前記回転軸の軸方向における負荷が印加される負荷位置
    を設定保持する負荷位置設定保持手段と、 前記回転軸の回転数を設定保持する回転数保持手段と、 前記回転軸の回転数と負荷位置に基づいて、前記回転軸
    の変位による当該回転軸と前記軸受とを接触させない前
    記回転軸の負荷位置に応じた許容負荷動力を算出する許
    容負荷動力算出手段と、 前記回転軸に印加される負荷動力を検出する負荷動力検
    出手段と、 前記許容負荷動力算出手段によって算出された許容負荷
    動力と前記負荷動力検出手段によって検出された負荷動
    力を比較し、前記検出された負荷動力が許容負荷動力を
    越える場合に前記駆動手段の前記回転軸への駆動力の供
    給を遮断する遮断手段とを有する回転軸装置の保護装
    置。
12. 【請求項１２】前記許容負荷動力算出手段は、前記回転
    軸の前記軸受内における変位量の最大値が前記軸受と回
    転軸との所定の隙間量に対して所定の割合となるときの
    前記回転軸に対する負荷の大きさを当該負荷の印加位置
    における印加可能な許容負荷とした許容負荷データを保
    持しており、この許容負荷データに基づいて前記許容負
    荷動力を決定する請求項１１に記載の回転軸装置の保護
    装置。
13. 【請求項１３】前記駆動手段は、駆動電動機からなり、 前記負荷動力検出手段は、前記駆動電動機の駆動電流お
    よび回転数に基づいて前記回転軸に印加される負荷動力
    を検出する請求項１１または１２に記載の回転軸装置の
    保護装置。
14. 【請求項１４】前記回転軸の一端には切削工具が装着さ
    れ、 前記負荷位置設定保持手段は、前記切削工具の長さに応
    じた当該切削工具の切削点の位置を設定保持する請求項
    １１〜１３に記載の回転軸装置の保護装置。