JP2001336596A

JP2001336596A - ボールねじ送り装置

Info

Publication number: JP2001336596A
Application number: JP2000161916A
Authority: JP
Inventors: Shigetaka Akiyama; 山重隆秋; Hiroya Watanabe; 辺紘也渡
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-12-07
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: JP3696480B2

Abstract

(57)【要約】【課題】長ストロークかつ精密なボールねじの送り系
でありながら、ボールねじの危険速度の制約を回避して
ボールねじの回転速度を大幅に高める。【解決手段】駆動モータ２７と、この駆動モータ２７
と連結される第１の送りボールねじ２８と、第１送りボ
ールねじ２８を滑動しながら支持する複数の支持点３８
ａ、３８ｂを有する移動サポート体２６と、支持点３８
ａ、３８ｂの間に配置され第１送りボールねじ２８に螺
合する第１の送りナット３２と、移動サポート体２６上
を移動可能に配置され第１送りナット３２が取り付けら
れる移動体と、第１送りボールねじ２８と同一のリード
を有し、かつ平行に配置される第２の送りボールねじ３
０と、移動サポート体２６に固定され第２の送りボール
ねじ３０に螺合する第２の送りナット３６と、移動サポ
ート体２６の支持点の間を第１送りナット３２が移動サ
ポート体２６の移動と同期して相対移動するように第１
送りボールネジ２８の回転を第２送りボールねじ３０に
伝動する伝動手段４６、４８と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械等におい
て移動体の長ストローク送り機構に用いられるボールね
じ送り装置に係り、特に、ボールねじの危険速度による
制約を少なくし長ストロークでかつ高速な移動を可能と
するボールねじ送り装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械では、工具や工作物等を移動さ
せる送り機構に精密ボールねじ機構が採用されており、
近年では高精密化とともに高速化が進んでいる。工作機
械の生産性向上には、送り機構の性能が大きく関ってい
る。

【０００３】例えば、ロール旋盤は、バイトを工作物の
軸方向に送る長ストロークの送り機構を備えており、こ
のロール旋盤で単結晶ダイヤモンドのバイトを用いて長
尺な工作物を加工する場合、単結晶ダイヤモンドは切削
性能的には実質的な送り速度の制約を受けないため、バ
イトを送る速度を可能な限りあげることによって理論上
は生産性を上げることができる。

【０００４】一般に精密ボールねじ機構では、送り速度
を上げるには、ねじのリードを大きくするか、あるいは
回転速度を大きくすることの２者択一の方法がある。精
密な位置制御のためにサーボモータの内蔵エンコーダの
機械分解能に０．０１μｍ／パルスが必要な工作機械で
は、最大ねじリードが１０ｍｍ以下に制限されるため、
実際上有効な唯一の手段はねじの高速回転化である。

【０００５】しかし実際問題として、バイトの送り速度
の高速化には、精密ボールねじ機構が内在的にもってい
る種々の制約を受けるために、一定の限界がある。その
制約のなかでもとりわけ重要なのがボールねじの危険速
度である。ボールねじは、高速回転すると遠心力によっ
て撓みが生じるため、許容範囲を越える危険速度では正
常な動作を確保することができない。理論的には、ボー
ルねじの危険速度からの許容回転速度は、次の式で表わ
される。

【０００６】Ｎmax＝λ²＊（ｄ1／Ｌ²）＊１０7 （min-1） …（１）ただし、Ｎmax：危険速度からみたボールねじの最大許
容回転数 λ ：支点支持係数ｄ1 ：ボールねじの谷径（ｍｍ）Ｌ：支点間距離（ｍｍ）この（１）式から明らかなように、ボールねじの許容回
転数Ｎmaxを上げるには、ボールねじ径を大きくする
か、支点間距離を短くするかのいずれかであるが、ねじ
径は、１次にしか効かない反面、大きくすると回転イナ
ーシャが急激に増大し、システムとしての動特性が低下
するので好ましくない。これに対して、支点間距離の短
縮は、２次に効くため極めて理論上は有効な手段という
ことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この支
点間距離は、機械の最大移動量によって決まるものであ
る。したがって、長ストロークの移動を目的とする送り
機構の場合では、長い支点間距離により長ストロークの
移動量を実現しなければならないのに、送り速度を高め
るために支点間距離を短かくするというのは、矛盾し不
合理である。

【０００８】このため、従来の長ストロークの送り機構
では、ボールねじの中間を暫定的に支持する退避型の支
持点を送りナットに設けることにより、移動ストローク
をそのままに確保したまま、暫定的に支点間距離を短く
するものがあるが、支持点のオン、オフの切り替えによ
り送り系の動特性が急激に変化する欠点があり、超精密
工作機械の送り系には適用することができない。

【０００９】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、長ストロークかつ精密なボール
ねじの送り系でありながら、ボールねじの危険速度の制
約を回避してボールねじの回転速度を大幅に高めること
ができ、高速送り性能を達成できるようにしたボールね
じ送り装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明に係るボールねじ送り装置は、駆動モータ
と、前記駆動モータと連結される第１の送りボールねじ
と、前記第１送りボールねじを滑動しながら支持する複
数の支持点を有する移動サポート体と、前記支持点の間
に配置され前記第１送りボールねじに螺合する第１の送
りナットと、移動サポート体上を移動可能に配置され第
１送りナットが取り付けられる移動体と、前記第１送り
ボールねじと同一のリードを有し、かつ平行に配置され
る第２の送りボールねじと、前記移動サポート体に固定
され前記第２の送りボールねじに螺合する第２の送りナ
ットと、前記移動サポート体の支持点の間を前記第１送
りナットが移動サポート体の移動と同期して相対移動す
るように前記第１送りボールネジの回転を第２送りボー
ルねじに伝動する伝動手段と、を備えることを特徴とす
るものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるボールねじ送
り装置の一実施形態について、添付の図面を参照しなが
ら説明する。図１は、本実施形態によるボールねじ送り
装置が適用されるロール旋盤を示す平面図で、図２は、
このロール旋盤の正面図である。ベッド１０の上には、
主軸台１１と心押し台１２が距離をおいて向かい合うよ
うにして配置されており、主軸台１１のチャック１４と
心押し台１２のワークセンタ１５とでロール１３を心出
しした状態で取り付けられている。主軸台１１は、主軸
モータ１６を備えている。

【００１２】このロール旋盤では、刃物台１７がロール
１３の軸方向に移動可能に配設されており、本実施形態
のボールねじ送り装置２０は、刃物台１７を移動体とし
てロール軸方向に送る装置として構成されている。刃物
台１７は、バイトとしては複数のダイヤモンドバイト２
１が取り付けられており、刃物台１７を高速で送ること
により高能率の切削性能を発揮することができるように
なっている。刃物台１７は、刃物台本体部２２とスライ
ドベース２３を含み、刃物台本体部２２は、ガイド２４
に沿ってロール軸方向と直角な方向である切込み方向に
モータ２５により駆動されて移動することができる。ス
ライドベース２３は、ボールねじ送り装置２０の備える
移動サポート台２６にロール軸方向に移動可能なように
搭載されている。

【００１３】図１並びに図３において、ボールねじ送り
装置２０は、移動サポート台２６と、駆動モータである
サーボモータ２７と、刃物台１７の最大移動ストローク
Ｓ1をカバーする長さをもっている２本のボールねじ２
８、３０を備えている。このうち、第１のボールねじ２
８は、両端部が軸受３１ａ、３１ｂにより回転自在に支
持されているとともに、サーボモータ２７に連結されて
いる。この第１ボールねじ２８は、第１の送りナット３
２と組み合わされて、刃物台１７を送るボールねじ機構
を構成するもので、第１送りナット３２は、刃物台１７
のスライドベース２３の底部に固定されている。したが
って、サーボモータ２７により第１ボールねじ２８が回
転すると、その回転が第１送りナット３２により直線運
動に変換されて刃物台１７に伝えられ、刃物台１７は、
軸受３１ａ、３１ｂの間を端から端まで移動することが
できるようになっている。

【００１４】次に、第２ボールねじ３０は、第１ボール
ねじ２８と同一のねじリードを有しており、第１ボール
ねじ３０と平行に配置されて、その両端部を軸受３１
ａ、３１ｂによって支持されている。この場合、第２ボ
ールねじ３０は、歯車箱３４に収容されている歯車によ
って第１ボールねじ２８と連結されており、第１ボール
ねじ２８の回転が後述する所定の減速比で減速されて第
２ボールねじ３０に伝動されるようになっている。第２
ボールねじ３０と、これに嵌合する第２の送りナット３
６は、前述した移動サポート台２６をロール軸方向に送
るボールねじ機構を構成するようになっており、第２送
りナット３６は、移動サポート台２６の底部に固定され
ている。

【００１５】移動サポート台２６は、刃物台１７の移動
ストロークＳ1の略半分の長さをもっており、その両端
部には、第１のボールねじ２８を滑動しながら支持する
支持点３８ａ、３８ｂが固定されている。この実施形態
では、移動サポート台２６には、第２のボールねじ３０
を滑動しながら支持する支持点４０も設けられており、
支持点３８ａと支持点４０は隣り合うようにしてブラケ
ット３９に取り付けられている。

【００１６】図４に示すように、支持点３８ｂは、第１
ボールねじ２８に摺動自在に嵌合するブッシュ４１と、
そのブッシュ４１に外嵌するラジアルベアリング４２が
一体に組み合わされ、ブッシュ４１が滑動するだけでな
く、ブッシュ４１を回転自在にすることで円滑な支持点
となるように構成されたもので、他方の支持点３８ａの
方も同様に構成されている。支持点４０の構成も同様で
あって、ブッシュ４３とラジアルベアリング４４とから
構成されている。

【００１７】次に、歯車箱３４について説明すると、こ
の歯車箱３４の内部では、第１ボールねじ２８の軸端に
固着された歯車４６が、第２ボールねじ３０の軸端に固
着された歯車４８に噛み合っており、この実施形態で
は、歯車４６と歯車４８の歯数比は、１：２に設定され
ている。なお、図３において、参照符号５０は、第１送
りナット３２に固定され、第１ボールねじ２８、第２ボ
ールねじ３０に共に摺動するガイドブロックである。

【００１８】本実施形態によるボールねじ送り装置は、
以上のように構成されるものであり、次に、その作用並
びに効果について説明する。

【００１９】第１ボールねじ２８と第２ボールねじ３０
のねじリードは同一で、歯車４６、４８の歯数比が１：
２であるから、刃物台１７のベッド１０に対する絶対的
な移動ストロークＳ1に対して移動サポート台２６の絶
対的な移動ストロークＳ2はその半分になっている。し
かも、歯車４６、４８の噛み合いで第１ボールねじ２８
の回転が第２ボールねじ３０に伝達されることから、刃
物台１７の移動と移動サポート台２６の移動が同期し、
刃物台１７は移動サポート台２６上を相対的に移動して
いく。すなわち、刃物台１７を中心にみると、この刃物
台１７はベッド１０上を移動ストロークＳ1だけ移動し
ながらロール１３を切削していくと同時に、移動サポー
ト台２６上をストロークＳ2で同方向に移動していく。

【００２０】図３に示すように、このような相対移動を
移動サポート台２６を中心にみていくと、移動サポート
台２６が支持点３８ａ、３８ｂおよび支持点４０の位置
を連続的に変えながら、この移動サポート台２６上を第
１送りナット３２が相対的に移動していく。したがっ
て、第１ボールねじ２８は、常に、移動サポート台２６
とともに移動していく支持点３８ａ、３８ｂに支えられ
ているため、危険速度からみた許容回転数を決めるボー
ルねじ２８の最大支点間距離は、図３において移動サポ
ート台２６が左端に位置するときの支持点３８ａ、３８
ｂとの距離Ｌ1または支持点３８ｂと軸受３１ｂとの距
離Ｌ2であり、これらの最大支点間距離は、軸受３１
ａ、３１ｂ間の支点間距離の約半分になる。

【００２１】これを上述の（１）式の危険速度からみた
第１ボールねじ２８の許容回転数として具体的に求めて
みると、次のようになる。

【００２２】支持点がないものとすると、その場合の支
点間距離Ｌを３０００ｍｍ、ねじ軸の谷径ｄ1を４４４
ｍｍ、リード１０ｍｍとして支点支持係数λを固定−固
定の場合の４．７３０とすると、許容回転数は、（１）
式からＮmax＝１１（m/min）である。これに対して、本
実施形態において、Ｌ1を１５００ｍｍ、Ｌ2を１６５０
ｍｍ程度とすると、同一の谷径、リードとして支点支持
係数λを固定−支持の場合の３．９２７とすると、それ
ぞれＮamax，Ｎbmaxは、Ｎamax＝４１（m/min）Ｎbmax＝２８（m/min）であり、２０（m/min）の送り速度とするにしても、危
険速度の制約を受けずに、リード１０ｍｍのボールねじ
としては非常に高速の送り速度とすることができ、危険
速度の問題を解決することができる。

【００２３】なお、第２ボールねじ３０についても、移
動する支持点４０により支持されるので、同様に高速回
転しても問題が生じることがない。ただし、第２ボール
ねじ３０は、もともと第１ボールねじの１／２の回転数
で回転するようになっているので、危険速度の問題が生
じることなく細いボールねじにすることができるように
なるという点の効果の方が大きい。

【００２４】このように本実施の形態によれば、刃物台
１７の移動ストロークＳを３０００ｍｍとした長ストロ
ークの送り系であっても、このようにみかけ上の支点間
距離を大幅に短くすることができるため、大幅な送り速
度の増大によりダイヤモンドバイト２１本来の高い切削
能力を活用して高能率の切削を実現することができる。

【００２５】以上、本発明について、好適な実施形態を
挙げて説明したが、本発明では、ボールねじの最大スト
ロークＳに対する支持点３８ａ、３８ｂの支点間距離
は、実施形態に限定されるものではない。すなわち、第
１送りナット３２が最大ストロークＳ1を移動する間
に、移動サポート台２６上を相対的にストロークＳ2で
同期して移動するように、第１ボールねじ２８の回転を
所定の減速比で第２ボールねじ３０に伝達するようにす
ればよい。

【００２６】また、上述の実施形態は、本発明をロール
旋盤の送り機構に適用した例であるが、その外にも工作
機械であれば、長尺な工作物の表面にＶ溝等を加工する
超精密平面加工機の送り機構として適用しても、高速送
りの実現により、高能率の加工を行うことが可能であ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、長ストロークかつ精密なボールねじの送り系
でありながら、ボールねじの危険速度の制約を回避して
ボールねじの回転速度を大幅に高めることができ、高速
送り性能を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるボールねじ送り装置をロール旋盤
に適用した一実施形態を示す平面図。

【図２】同ボールねじ送り装置が適用されたロール旋盤
の正面図。

【図３】本発明の実施形態によるボールねじ送り装置の
平面図。

【図４】同ボールねじ送り装置の備えるボールねじを支
持する支持点を示す断面図。

【符号の説明】

１０ベッド１１主軸台１２心押し台１３ロール１４チャック１５ワークセンタ１６主軸モータ１７刃物台２０ボールねじ送り装置２１ダイヤモンドバイト２６移動サポート台２７サーボモータ２８第１のボールねじ３０第２のボールねじ３２第１の送りナット３４歯車箱３６第２の送りナット３８ａ、３８ｂ支持点４０支持点４６歯車４８歯車

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年１０月６日（２０００．１０．
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図４】

【図２】

【図３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動モータと、前記駆動モータと連結される第１の送りボールねじと、前記第１送りボールねじを滑動しながら支持する複数の
支持点を有する移動サポート体と、前記支持点の間に配置され前記第１送りボールねじに螺
合する第１の送りナットと、移動サポート体上を移動可能に配置され第１送りナット
が取り付けられる移動体と、前記第１送りボールねじと同一のリードを有し、かつ平
行に配置される第２の送りボールねじと、前記移動サポート体に固定され前記第２の送りボールね
じに螺合する第２の送りナットと、前記移動サポート体の支持点の間を前記第１送りナット
が移動サポート体の移動と同期して相対移動するように
前記第１送りボールネジの回転を第２送りボールねじに
伝動する伝動手段と、を備えることを特徴とするボール
ねじ送り装置。
【請求項２】前記伝動手段は、第１送りナットが最大ス
トロークを絶対移動する間に、移動サポート台上を相対
的に支持点間の所定のストロークで同期して移動するよ
うに、第１ボールねじの回転を所定の減速比で第２ボー
ルねじに伝達する歯車装置からなることを特徴とする請
求項１に記載のボールねじ送り装置。
【請求項３】前記支持点は、第１ボールねじに摺動自在
に嵌合するブッシュと、このブッシュに外嵌するラジア
ルベアリングとからなることを特徴とする請求項１また
は２に記載のボールねじ送り装置。
【請求項４】前記移動サポート体は、第２ボールねじを
滑動しながら支持する支持点をさらに備えることを特徴
とする請求項１または３に記載のボールねじ送り装置。