JP2000105170A - 主軸ユニットの耐久試験装置 - Google Patents

主軸ユニットの耐久試験装置

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JP2000105170A
JP2000105170A JP10276705A JP27670598A JP2000105170A JP 2000105170 A JP2000105170 A JP 2000105170A JP 10276705 A JP10276705 A JP 10276705A JP 27670598 A JP27670598 A JP 27670598A JP 2000105170 A JP2000105170 A JP 2000105170A
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spindle
main shaft
spindle unit
main
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Yoshiaki Akamatsu
良昭 赤松
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Mori Seiki Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】主軸に高荷重を作用させ、しかもこれを高速回
転させた状態で主軸ユニットの耐久性能を確認すること
ができる耐久試験装置を提供する。 【解決手段】2台の主軸ユニットUを、それぞれの主軸
S先端部を対向させ、かつ、主軸Sの軸線を相互に一致
させた状態で搭載するベッド2と、主軸S同士を結合す
る結合手段30と、一方の主軸ユニットUをベッド2上
に固定する固定手段40,45と、他方の主軸ユニット
Uにラジアル方向及び/又はアキシアル方向の荷重を負
荷する荷重負荷手段50,55と、他方の主軸ユニット
Uをベッド2上で荷重負荷手段50,55の荷重負荷方
向へ移動可能に支持する支持手段20とを設ける。荷重
負荷手段50,55により他方の主軸ユニットUに荷重
を負荷させることにより、2台の主軸Sの相互間に荷重
を作用させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主軸と、該主軸を
回転自在に支持する主軸受と、前記主軸を回転させる駆
動モータとを備えた主軸ユニットの耐久性能を試験する
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】工作機械を長期にわたり運転した場合、
主軸を支持する主軸受に疲れ損傷を生じ、これにより加
工精度が悪化したり、騒音が大きくなったりすることが
ある。更に、主軸受に焼き付きを生じて主軸が回転しな
くなることがある。このため、新たに設計された主軸ユ
ニット等についてはその主軸受の耐久性能を確認すべ
く、従来から耐久試験が行われている。
【0003】この耐久試験は、主軸に荷重を負荷しない
無負荷の状態で行われることもあるが、主軸ユニットの
実際の使用状態においては、加工に伴う切削抵抗が主軸
に作用することから、主軸に切削抵抗に相当する荷重を
作用させた状態で当該耐久試験を行うのが好ましい。こ
のように主軸に荷重を作用させた状態で主軸ユニットの
耐久試験を行うことができる試験装置の一例を図2に示
す。
【0004】この耐久試験装置60は、主軸ユニット9
0を搭載するベッド(図示せず)と、主軸ユニット90
に装着されたダミー工具61と、ダミー工具61の先端
に嵌挿された軸受ユニット70と、軸受ユニット70に
荷重を負荷する2つの油圧シリンダ80,82と、軸受
ユニット70と各油圧シリンダ80,82との間に配設
されたロードセル81,83とから構成されている。
尚、主軸ユニット90は、主軸91と、主軸91を回転
自在に支持する主軸受92と、主軸91を回転させる駆
動モータ(図示せず)とを備えており、この主軸91の
先端に前記ダミー工具61が装着されている。また、主
軸ユニット90には、その状態を検出するための温度セ
ンサ、振動センサ等(図示せず)が取り付けられてい
る。
【0005】前記軸受ユニット70は、ダミー工具61
の先端に嵌挿されたベアリング72と、ベアリング72
を保持するベアリングカバー73とから構成されてい
る。また、ベアリングカバー73の外周面及び端面に
は、前記ロードセル81,83がそれぞれ固定されてい
る。
【0006】前記油圧シリンダ80,82は、それぞれ
図示しないブラケット等を介して前記ベッド(図示せ
ず)上に固定されると共に、そのシリンダの先端部がそ
れぞれ前記ロードセル81,83に当接するように設け
られており、このロードセル81,83、軸受ユニット
70及びダミー工具61を介して、主軸91に対しラジ
アル方向及びアキシアル方向に荷重を負荷することがで
きるようになっている。
【0007】以上の構成を備えた耐久試験装置60を用
いて主軸ユニット90の耐久試験を行うには、まず、油
圧シリンダ80,82を動作させてロードセル81,8
3に荷重を負荷する。これにより、ロードセル81,8
3、軸受ユニット70及びダミー工具61を介して、油
圧シリンダ80,82からの荷重が主軸91に作用す
る。尚、主軸91に作用する荷重はロードセル81,8
3によって検出され、このロードセル81,83が所定
の荷重を検出するように、油圧シリンダ80,82に供
給される油圧を調節する。
【0008】このようにして、主軸91に荷重を作用さ
せた後に主軸91を所定時間回転させ、その間、主軸ユ
ニット90の温度や振動などを検出する。そして、この
測定結果を分析することにより、主軸受92における疲
れ損傷や焼き付き等の発生状況を把握することができ、
主軸ユニット90の耐久寿命を知ることができる。
【0009】このように、この耐久試験装置60によれ
ば、ベアリング72を介して主軸91に荷重を負荷させ
るようにしているので、主軸91が回転しても当該主軸
91に所定の荷重を安定して作用させることができ、実
際の使用状態と略同じ状態で、主軸ユニット90の耐久
試験を行うことができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の耐久
試験装置60は実際の使用状態に近い状態で主軸ユニッ
ト90の耐久試験を行うことができるものの、未だ次の
ような解決すべき問題があった。
【0011】即ち、主軸91に荷重を作用させるべくダ
ミー工具61の先端部に設けた軸受ユニット70は、そ
の構造面から高剛性にダミー工具61を支持することが
できず、主軸ユニット90の主軸受92よりも軸受ユニ
ット70のベアリング72の方が先に寿命に至り、前記
主軸受92の耐久試験を行うには、試験途中でベアリン
グ72を交換しなければならないという問題があった。
【0012】例えば、耐荷重の高いものを前記ベアリン
グ72に用いると、耐回転速度の面で前記主軸受92よ
りも当該ベアリング72の性能が劣り、逆に、耐回転速
度の高いものを前記ベアリング72に用いると、耐荷重
の面で前記主軸受92よりも当該ベアリング72の性能
が劣るため、いずれのものを用いても主軸受92よりも
ベアリング72の方が先に寿命に至り、試験途中で当該
ベアリング72を交換しなければならないのである。
【0013】このため、従来の耐久試験装置60におい
ては、ベアリング72の状態を常に監視しておく必要が
あり、また、ベアリング72が寿命に達した場合にはこ
れをすぐに交換する必要があり、その作業が非常に煩雑
なものとなっていた。また、ベアリング72を交換する
ために試験を中断しなければならないので、連続的な試
験を行うことができないという問題もある。
【0014】また、最近では工作機械の高速化、高精度
化が求められており、これを受けて前記主軸ユニット9
0には、高回転性能及び高トルク性能が求められてい
る。このため、上述した主軸ユニット90の耐久試験を
高回転且つ高荷重の下で行う必要があり、上述した問題
が更に重要な問題となっている。
【0015】本発明は以上の問題点を解決すべくなされ
たものであり、主軸に高荷重を作用させ、しかもこれを
高速回転させた状態で主軸ユニットの耐久性能を確認す
ることができる耐久試験装置の提供を目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段及びその効果】上記課題を
解決するための本発明の請求項1に係る発明は、主軸
と、該主軸を回転自在に支持する主軸受と、前記主軸を
回転させる駆動モータとを備えた主軸ユニットの耐久性
能を試験する装置であって、2台の前記主軸ユニット
を、それぞれの主軸先端部を対向させ、かつ、該主軸の
軸線を相互に一致させた状態で搭載するベッドと、前記
主軸同士を結合する結合手段と、一方の前記主軸ユニッ
トを前記ベッド上に固定する固定手段と、他方の前記主
軸ユニットにラジアル方向及び/又はアキシアル方向の
荷重を負荷する荷重負荷手段と、前記他方の主軸ユニッ
トを、前記ベッド上で前記荷重負荷手段の荷重負荷方向
へ移動可能に支持する支持手段とを備えてなり、前記他
方の主軸ユニットに荷重を負荷することにより、前記両
主軸ユニットの主軸相互間に荷重を作用させるように構
成したことを特徴とするものである。
【0017】この発明によれば、まず、2台の主軸ユニ
ットをそれぞれ上述した状態でベッド上に載置し、一方
の主軸ユニットを固定手段によりベッド上に固定すると
ともに、他方の主軸ユニットを支持手段により支持す
る。ついで、前記2台の主軸ユニットの主軸同士を結合
手段により結合し、各主軸をそれぞれ回転させた後、荷
重負荷手段により前記他方の主軸ユニットに荷重を負荷
する。前記他方の主軸ユニットは前記支持手段によって
荷重負荷方向に移動可能に支持されているので、荷重負
荷方向に沿った荷重が前記主軸相互間に作用する。
【0018】こうして、主軸相互間に荷重を作用させた
状態で、それぞれの主軸を所定時間回転させる。尚、そ
の際、結合された主軸に捻れが生じないように、それぞ
れの主軸の回転数を一致させるようにする。
【0019】このように、この発明によれば、主軸同士
を結合した状態で主軸ユニットに荷重を負荷することに
より、主軸相互間に荷重を作用させるように構成してい
るので、従来のように荷重負荷用のベアリングを介する
ことなく、直接主軸に荷重を作用させることができる。
【0020】したがって、従来のように試験途中で荷重
負荷用のベアリングを交換しなければならないといった
煩わしい作業が不要であり、主軸に高荷重を負荷し、し
かもこれを高速で回転させた状態で、連続的に当該耐久
試験を行うことができる。
【0021】また、結合された主軸の双方に同じ方向及
び大きさの荷重を作用させることができるので、全く同
じ条件の下で2台の主軸ユニットの耐久試験を行うこと
ができ、また、同時に2台の主軸ユニットについて耐久
試験を行うことができるので、効率の良い試験を行うこ
とができる。
【0022】本発明の請求項2に係る発明は、上記請求
項1に係る発明において、前記他方の主軸ユニットに作
用する荷重を検出する荷重検出手段を備えたことを特徴
とするものである。
【0023】この発明によれば、主軸ユニットに作用す
る荷重を荷重検出手段により検出するように構成したの
で、荷重検出手段により検出される荷重が所定の荷重と
なるように主軸ユニットに負荷する荷重を調節すること
で、当該主軸に作用する荷重を容易に所定の大きさに設
定することができる。
【0024】本発明の請求項3に係る発明は、上記請求
項1または2に係る発明において、前記荷重負荷手段
を、トルク制御可能な駆動モータと、前記トルクを推力
に変換して前記他方の主軸ユニットに伝達する荷重伝達
手段とから構成したことを特徴とするものである。
【0025】この発明によれば、駆動モータから出力さ
れるトルクが、荷重伝達手段により推力に変換され、他
方の主軸ユニットに伝達される。そして、この推力によ
って主軸相互間に荷重が作用する。
【0026】したがって、予め測定した前記出力トルク
と推力との関係に基づいて駆動モータの出力トルクを調
節することにより、主軸に作用する荷重を所定の大きさ
に設定することができる。また、上記請求項2の発明に
おけるように、前記他方の主軸ユニットに作用する荷重
を荷重検出手段により検出するようにすれば、当該荷重
検出手段によって検出される荷重が所定の荷重となるよ
うに前記出力トルクを調節することで、当該主軸に作用
する荷重を容易に所定の大きさに設定することができ
る。
【0027】また、トルク制御可能な駆動モータを用い
ているので、出力トルクを連続的に変化させることがで
き、主軸に作用させる荷重を連続的に変化させることが
できる。したがって、加工中に変動する切削抵抗に応じ
た荷重を主軸に作用させることができ、更に実際の使用
状態に近い状態での耐久試験を行うことができる。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施形態
について添付図面に基づき説明する。図1は、本発明の
一実施形態に係る主軸ユニットの耐久試験装置を示す斜
視図である。尚、本実施形態において用いられる主軸ユ
ニットUは、主軸Sと、主軸Sを回転自在に支持する主
軸受(図示せず)と、これらを収容するハウジングH
と、主軸Sを回転させる駆動モータ(図示せず)とから
構成されている。
【0029】同図1に示すように、本実施形態に係る耐
久試験装置1は、ベッド2と、ベッド2上に並設され、
2台の主軸ユニットUをそれぞれ移動可能に支持する支
持手段10,20と、前記2台の主軸ユニットの主軸S
同士を結合する結合手段30と、支持手段10に支持さ
れた一方の前記主軸ユニットUを移動させる2つのサー
ボ機構部40,45と、支持手段20に支持された他方
の前記主軸ユニットUに荷重を負荷する2つの油圧シリ
ンダ50,55と、油圧シリンダ50,55により負荷
される荷重の大きさをそれぞれ検出する2つのロードセ
ル51,56とから構成されている。
【0030】前記支持手段10は、ベッド2上に平行に
配設された2本のガイドレール11と、ガイドレール1
1に係合し、ガイドレール11に沿って移動可能に設け
られたテーブル12と、テーブル12上に前記ガイドレ
ール11に対して直交する方向に配設された2本のガイ
ドレール13と、ガイドレール13に係合し、ガイドレ
ール13に沿って移動可能に設けられたテーブル14と
を備えている。また、前記テーブル14は、上面にハウ
ジングHを取り付け可能になっており、主軸Sの軸線が
直動ガイド13と平行になるように主軸ユニットUを支
持する。
【0031】前記支持手段20は、前記支持手段10と
同様の構成からなり、ベッド2上に前記ガイドレール1
1と平行に配設された2本のガイドレール21と、ガイ
ドレール21に係合し、ガイドレール21に沿って移動
可能に設けられたテーブル22と、テーブル22上に前
記ガイドレール21に対して直交する方向に配設された
2本のガイドレール23と、ガイドレール23に係合
し、ガイドレール23に沿って移動可能に設けられたテ
ーブル24とを備えている。また、前記テーブル24
は、上面にハウジングHを取り付け可能になっており、
主軸Sの軸線が直動ガイド23と平行になるように、且
つ、前記支持手段10に支持された主軸ユニットUと主
軸Sの高さが一致するように、主軸ユニットUを支持す
る。
【0032】前記結合手段30は、両方の主軸Sの先端
部にそれぞれ装着される一対のダミー工具31,31
と、両方のダミー工具31,31の先端部同士をリジッ
ドに結合するカップリング32とから構成されている。
【0033】前記サーボ機構部40,45は、ベッド1
0上及びテーブル12上のそれぞれに固設されたサーボ
モータ41,46と、サーボモータ41,46に接続さ
れて、サーボモータ41,46の出力トルクをそれぞれ
推力に変換してテーブル12,14に伝達するボールね
じ42,47及びボールナット(図示せず)とを備えて
いる。このサーボ機構部40,45は、速度及び位置検
出器41a,46aのフィードバック信号に基づいてサ
ーボモータ41,46の駆動を制御することにより、テ
ーブル12,14をそれぞれガイドレール11,13に
沿って位置決めできるようになっている。
【0034】前記油圧シリンダ50,55は、それぞれ
ベッド2上及びテーブル22上に固設されており、ロー
ドセル51,56を介して、テーブル22,24をそれ
ぞれガイドレール21,23に沿って押圧する。即ち、
油圧シリンダ50,55は、支持手段20に支持された
主軸ユニットUにラジアル方向及びアキシアル方向の荷
重を負荷する。また、前記ロードセル51,56は、テ
ーブル22の側面及びテーブル24の側面にそれぞれ固
設されている。
【0035】以上の構成を備えた耐久試験装置1により
主軸ユニットUの耐久試験を行うには、まず、2台の主
軸ユニットUを、それぞれ支持手段10,20に取り付
け、その各主軸Sにダミー工具31,31を装着する。
【0036】ついで、サーボモータ41,46を駆動し
てテーブル12,14を移動させ、両主軸ユニットUの
主軸Sの軸線を相互に一致させながら、ダミー工具3
1,31の先端部同士を接近させる。そして、サーボモ
ータ41,46の駆動を停止して、支持手段10に支持
された主軸ユニットUを固定する。即ち、サーボ機構部
40,45を固定手段として機能させる。
【0037】つぎに、ダミー工具31の先端部同士をカ
ップリング32により結合する。また、各主軸ユニット
Uの所定の個所に熱電対などの温度センサ(図示せず)
を取り付けるとともに、各主軸ユニットUの近傍に集音
計を設置する等して、それぞれの主軸ユニットUの温度
測定や騒音測定などの準備を行う。
【0038】このようにして試験準備を完了した後、油
圧シリンダ50,55を動作させてテーブル22,24
を押圧し、支持手段20に支持された主軸ユニットUに
荷重を負荷する。即ち、油圧シリンダ50,55を荷重
負荷手段として機能させる。このとき、押圧されたテー
ブル22,24は、それぞれガイドレール21,23に
沿って、即ち、油圧シリンダ50,55が押圧する方向
に沿って移動可能に設けられているので、この押圧方向
に沿った荷重が主軸Sの相互間に作用する。
【0039】こうして、主軸Sの相互間に荷重を作用さ
せた後、両方の主軸Sを所定の時間回転させ、その間、
主軸ユニットUの温度や騒音などを測定する。そして、
この測定結果を分析し、主軸ユニットUの耐久寿命を確
認する。尚、試験中は主軸Sに捻れが発生しないように
両方の主軸Sの回転数を一致させる。
【0040】このように、本実施形態に係る耐久試験装
置1によれば、主軸S同士を結合した状態で主軸ユニッ
トUに荷重を負荷することにより、主軸Sの相互間に荷
重を作用させるように構成しているので、従来のように
荷重負荷用のベアリングを介することなく、直接主軸S
に荷重を作用させることができる。
【0041】したがって、従来のように試験途中で荷重
負荷用のベアリングを交換しなければならないといった
煩わしい作業が不要であり、主軸Sに高荷重を負荷し、
しかもこれを高速で回転させた状態で、連続的に耐久試
験を行うことができる。
【0042】また、主軸ユニットUに作用する荷重を、
ロードセル51,56により検出するように構成したの
で、ロードセル51,56により検出される荷重が所定
の荷重となるように油圧シリンダ50,55に供給され
る油圧を調節することで、主軸Sに作用する荷重を容易
に所定の大きさに設定することができる。
【0043】また、結合された主軸Sの双方に同じ方向
及び大きさの荷重を作用させることができるので、全く
同じ条件の下で2台の主軸ユニットUの耐久試験を行う
ことができ、また、同時に2台の主軸ユニットUについ
て耐久試験を行うことができるので、効率の良い試験を
行うことができる。
【0044】また、本実施形態においては、上述したよ
うにサーボ機構部40,45を固定手段として機能させ
るとともに、油圧シリンダ50,55を荷重負荷手段と
して機能させているが、これとは逆に、サーボ機構部4
0,45を荷重負荷手段として機能させ、油圧シリンダ
50,55を固定手段として機能させることも可能であ
る。
【0045】即ち、この場合には、油圧シリンダ50,
55の作動を停止して、支持手段20により支持された
主軸ユニットUを固定する一方、サーボモータ41,4
6を駆動して、ボールねじ42,47及びボールナット
(図示せず)によりその出力トルクを推力に変換して、
テーブル12,14に伝達する。これにより、支持手段
10に支持された主軸ユニットUに前記推力が伝達さ
れ、主軸Sの相互間に荷重が作用する。そして、ロード
セル51,56により検出される荷重が所定のものとな
るようにサーボモータ41,46の出力トルクを調節し
て、主軸Sに作用する荷重を所定の大きさに調節する。
尚、サーボモータ41,46の出力トルクはこれを微調
節することができるので、主軸Sに作用する荷重を設定
した荷重に正確に合わせることができる。
【0046】ところで、実際の加工においては、切削抵
抗によって主軸Sに作用する荷重は必ずしも一定してい
ない。この例によれば、サーボモータ41,46に供給
される駆動電力を制御することにより、その出力トルク
を連続的に変化させることができるので、主軸Sに作用
する荷重を連続的に変化させることができ、これによ
り、加工中に変動する切削抵抗に応じた荷重を主軸Sに
作用させることができる。したがって、更に実際の使用
状態に近い状態で耐久試験を行うことができる。
【0047】以上、本発明の実施形態について詳述した
が、本発明の具体的な態様がこれに限定されるものでな
いことは言うまでもない。
【0048】例えば、本実施形態においては、荷重検出
手段としてロードセル51,56を設けているが、必ず
しもこのロードセル51,56を設ける必要はなく、油
圧シリンダ50,55に供給される油圧と主軸Sに作用
する荷重との関係が予め測定されている場合には、この
測定結果に基づいて主軸Sに所定の荷重が作用するよう
に油圧シリンダ50,55に供給される油圧を調節する
ようにしても良い。サーボモータ41,46の駆動によ
って主軸Sに荷重を作用させる場合も、同様に必ずしも
ロードセル51,56を設ける必要はなく、出力トルク
と荷重との関係が予め測定されている場合には、この測
定結果に基づいて主軸Sに所定の荷重が作用するように
サーボモータ41,46の出力トルクを調節するように
しても良い。
【0049】また、サーボ機構部40,45を固定手段
としてのみ機能させる場合には、本実施形態におけるよ
うに支持手段10及びサーボ機構部40,45を設けて
主軸ユニットUを移動可能に設ける必要はなく、これら
に代えて、主軸ユニットUを取付台などを介してベッド
2上に固定するようにしても良い。
【0050】また、サーボ機構部40,45を荷重負荷
手段としてのみ機能させ、油圧シリンダ50,55を固
定手段としてのみ機能させる場合には、油圧シリンダ5
0,55は必ずしも必要ではない。この場合は、テーブ
ル22,24を、それぞれロードセル51,56を介し
てベッド2上及びテーブル22上に設けられたブラケッ
ト等に固着することにより、支持手段20に支持された
主軸ユニットUを固定することができる。
【0051】また、サーボ機構部40,45を荷重負荷
手段として機能させる場合の前記サーボモータ41,4
6は、これに限定されるものではなく、出力トルクを制
御することができるものであれば、例えばステッピング
モータ等の各種電動モータをこれに採用することができ
る。また、結合手段30についても同様に、前記主軸S
同士をしっかりと結合することができればどのような構
成のものでも良く、上述したカップリング32に限られ
るものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る主軸ユニットの耐久試験装置
を示す斜視図である。
【図2】従来の主軸ユニットの耐久試験装置を示す断面
図である。
【符号の説明】 1 耐久試験装置 2 ベッド 10,20 支持手段 11,21 ガイドレール 12,22 テーブル 13,23 ガイドレール 14,24 テーブル 30 結合手段 31 ダミー工具 32 カップリング 40,45 サーボ機構部 41,46 サーボモータ 42,47 ボールねじ 50,55 油圧シリンダ 51,56 ロードセル U 主軸ユニット S 主軸

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主軸と、該主軸を回転自在に支持する主
    軸受と、前記主軸を回転させる駆動モータとを備えた主
    軸ユニットの耐久性能を試験する装置であって、 2台の前記主軸ユニットを、それぞれの主軸先端部を対
    向させ、かつ、該主軸の軸線を相互に一致させた状態で
    搭載するベッドと、 前記主軸同士を結合する結合手段と、 一方の前記主軸ユニットを前記ベッド上に固定する固定
    手段と、 他方の前記主軸ユニットにラジアル方向及び/又はアキ
    シアル方向の荷重を負荷する荷重負荷手段と、 前記他方の主軸ユニットを、前記ベッド上で前記荷重負
    荷手段の荷重負荷方向に移動可能に支持する支持手段と
    を備えてなり、 前記他方の主軸ユニットに荷重を負荷することにより、
    前記両主軸ユニットの主軸相互間に荷重を作用させるよ
    うに構成したことを特徴とする主軸ユニットの耐久試験
    装置。
  2. 【請求項2】 前記他方の主軸ユニットに作用する荷重
    を検出する荷重検出手段を備えたことを特徴とする請求
    項1記載の主軸ユニットの耐久試験装置。
  3. 【請求項3】 前記荷重負荷手段を、トルク制御可能な
    駆動モータと、前記トルクを推力に変換して前記他方の
    主軸ユニットに伝達する荷重伝達手段とから構成したこ
    とを特徴とする請求項1又は2記載の主軸ユニットの耐
    久試験装置。
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