JP2002160142A

JP2002160142A - 工作機械の数値制御装置

Info

Publication number: JP2002160142A
Application number: JP2000356298A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Mizuguchi; 博水口; Masaaki Yokoyama; 正明横山; Muneo Wakizaka; 宗生脇坂
Original assignee: Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-06-04
Also published as: EP1215550A2; US20020060541A1; EP1215550A3; US6605915B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】予圧切換え、及び回転速度に応じた主軸の軸
方向を補正することのできる工作機械の数値制御装置を
提供する。【解決手段】主軸５を回転自在に支持する軸受３６，
３７に、回転速度に応じて異なる大きさの予圧を作用さ
せる主軸頭２の移動を数値制御するもので、数値制御部
６と、数値制御部からの回転指令に基づき、主軸５の回
転を制御する主軸制御部７と、数値制御部からの回転指
令に基づき、その回転速度に応じて軸受に作用する予圧
を切換える予圧切換制御部８と、数値制御部からの回転
指令に基づき、予圧切換えに伴う主軸の軸方向の変位及
び主軸の回転速度に応じた主軸の軸方向の変位を補正す
るための補正データａ１〜ａ１３，ｂ１〜ｂ８を数値制
御部６に出力する補正処理部９とを設け、主軸の回転速
度に応じた主軸の軸方向の変位及び予圧切換えに伴う主
軸５軸方向の変位を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主軸を回転自在に
支持する軸受に、回転速度に応じて異なる大きさの予圧
を作用させる主軸頭を備えた工作機械の数値制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械は、被加工物を加工する工具を
支持する主軸を有し、該主軸は軸受（アンギュラ玉軸
受）により回転自在に支持されている。この工作機械で
は、主軸（工具）を回転して被加工物を加工するとき、
通常、軸受に予圧を作用させている。この予圧の大きさ
は、主軸の回転速度に応じて異なる大きさとなるように
切換えられる。即ち、主軸の低速回転時には、大きな予
圧（重予圧）を軸受に作用させて、主軸の剛性や回転精
度を高め、一方、主軸の高速回転時には、小さな予圧
（軽予圧）を軸受に作用させて、軸受の摩擦熱による焼
き付き等を防いでいる。

【０００３】この予圧を切換える技術としては、例え
ば、特開昭６２−１２４８０５号公報、特開平２−２７
９２０３号公報等に開示されたものがある。これらの技
術では、主軸の回転速度をセンサ等で検出し、該センサ
の検出に基づいて油圧機構を駆動することにより、軸受
に作用する予圧の大きさを回転速度に応じて切換えるよ
うにしている。ところで、上述した技術では、予圧を切
換えると、主軸の位置が軸方向に変位することになる。
このことは、被加工物に対する主軸（工具）の相対的な
位置が、予圧切換えにより変わってしまうことであり、
このために加工精度が低下するという問題を生じてい
た。

【０００４】この問題を解決するため、予圧切換えに伴
う主軸の変位を補正する技術として、例えば、特開２０
００−８４７０２号公報等に記載されたものが提案され
ている。この特開２０００−８４７０２号公報に記載さ
れたスピンドル装置は、主軸先端の位置変化を検出する
非接触変位検出手段と、軸受の予圧切換え時に非接触変
位手段の位置変位量に基づいて主軸の軸方向の移動量を
補正する移動量補正手段とを備えている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このス
ピンドル装置では、予圧切換えに伴う主軸の移動量を補
正できるものの、主軸の回転速度に応じた主軸の変位を
補正することができないという問題があった。被加工物
を加工するとき、主軸を回転すると、主軸は回転遠心力
により、径方向には膨張する一方、軸方向には収縮し
て、その先端部が変位する。この主軸の変位は、回転速
度により異なるものであり、高速回転になる程、顕著な
ものとなる。したがって、主軸の回転速度に応じた変位
を補正しなければ、被加工物に対する主軸（工具）の相
対的な位置が、回転速度によって変わってしまい、加工
精度が低下する。

【０００６】本発明の目的は、予圧切換えに伴う主軸の
軸方向の変位、及び回転速度に応じた主軸の軸方向の変
位を補正することのできる工作機械の数値制御装置を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及びその効果】本発明の請
求項１に記載の工作機械の数値制御装置は、主軸を回転
自在に支持する軸受に、回転速度に応じて異なる大きさ
の予圧を作用させる主軸頭を備えた工作機械の、主軸頭
の移動を数値制御するものである。そして、請求項１に
記載の工作機械の数値制御装置は、主軸頭の移動を数値
制御する数値制御部と、数値制御部からの回転指令に基
づき、主軸の回転を制御する主軸制御部と、数値制御部
からの回転指令に基づき、その回転速度に応じて軸受に
作用する予圧を切換える予圧切換制御部と、数値制御部
からの回転指令に基づき、予圧切換えに伴う主軸の軸方
向の変位及び主軸の回転速度に応じた主軸の軸方向の変
位を補正するための補正データを数値制御部に出力する
補正処理部とを設け、数値制御部が補正データに基づい
て、主軸の回転速度に応じた主軸の軸方向の変位、及び
予圧切換えに伴う前記主軸の軸方向の変位を補正するよ
うに構成したものである。

【０００８】請求項１に記載の工作機械の数値制御装置
では、まず、予圧切換えに伴う主軸の軸方向の変位及び
回転速度に応じた主軸の軸方向の変位を予め測定し、予
圧の大きさと回転速度の双方に対応した補正データを補
正処理部に予め格納する。そして、補正処理部では、数
値制御部からの回転指令に基づいて、補正データを検索
し、数値制御部に出力する。この数値制御部は、補正デ
ータに基づいて、予圧切換えに伴う主軸の軸方向の変位
及び回転速度に応じた主軸の変位を補正する。なお、予
圧切換制御部は、数値制御部からの回転指令に基づい
て、予圧切換えを判断して軸受の予圧を切換える。

【０００９】このように、請求項１に記載の工作機械の
数値制御装置によれば、予圧切換えに伴う主軸の軸方向
の変位と、回転速度に応じた主軸の軸方向の変位を補正
することができるので、工作機械による加工精度を向上
することが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の工作機械の数値制御装置
について、図面を参照して説明する。本発明の工作機械
の数値制御装置は、主軸を回転して被加工物（ワーク）
を加工するとき、主軸を回転自在に支持する軸受に作用
する予圧の大きさを切換えるものである。例えば、主軸
の回転速度が０〜１３０００ｍｉｎ^−１となる低速回転
で重予圧を作用させ、回転速度が１４０００〜２０００
０ｍｉｎ^−１となる高速回転で軽予圧を作用させ、１３
０００〜１４０００ｍｉｎ^−１の範囲、例えば、１３５
００ｍｉｎ^−１で予圧の切換えを行う。そして、工作機
械の数値制御装置では、予圧切換えに伴う主軸の軸方向
の変位と、回転速度に応じた主軸の軸方向の変位とを補
正することにより、加工精度を高めるものである。

【００１１】以下、本発明の実施形態における工作機械
の数値制御装置を、図１〜図７により説明する。図１
は、工作機械の概略構成を示したブロック図であり、図
２は、主軸ユニット４の構成を示した断面図である。

【００１２】図１において、工作機械１は、立形マシニ
ングセンタであり、主軸頭２と、数値制御装置３等を備
えて構成される。主軸頭２は、ベッド３１上のコラム３
２に配設され、ころがり案内手段等によりＺ軸方向に移
動可能となっている。この主軸頭２は、被加工物Ｗ（以
下、「ワークＷ」という）を加工する工具Ｔを保持する
主軸ユニット４を備え、該主軸ユニット４はモータ３３
に連結されている。この主軸ユニット４には、図２に示
した構成を採用している。

【００１３】図２に示すように、主軸ユニット４は、工
具Ｔを保持する主軸５と、予圧切換えする油圧機構３４
等を備えている。主軸５は、ハウジング３５内に収納さ
れ、複数の軸受３６，３７により回転自在に支持されて
いる。また、主軸５は、モータ３３（図１に示す）に連
結され、該モータ３３の駆動により回転される。各軸受
３６，３７は、ハウジング３５内の前後部に２個づつ配
設（以下、「前部軸受３６、後部軸受３７」という）さ
れ、複数の内輪間座３８ａ及び外輪間座３８ｂにより位
置決めされている。また、各軸受３６，３７は、予圧ス
リーブ３９と、予圧ナット４０により、軽予圧が付与さ
れている。この予圧スリーブ３９は、ハウジング３５の
後端側から後部軸受３７に当接して、主軸５外周に嵌め
込まれている。予圧ナット４０は、予圧スリーブ３９の
後側で主軸５外周に螺着されている。そして、予圧ナッ
ト４０を回動し、予圧スリーブ３９を軸方向に摺動させ
ることにより、後部軸受３７に軽予圧が作用し、各内輪
間座３８ａを介して前部軸受３６にも作用する。一方、
油圧機構３４は、前後部の軸受３６，３７の間に配設さ
れ、リング部材４１及び可動スリーブ４２等を備えてい
る。リング部材４１は、主軸５外周に嵌め込まれてハウ
ジング３５内に収納されている。このリング部材４１
は、ハウジング３５内周の中央段部３５ａに当接して、
位置決めされている。可動スリーブ４２は、リング部材
４１と後部軸受３７との間に配設され、主軸５外周に嵌
め込まれている。この可動スリーブ４２は、ハウジング
３５内周に対してシール部材を介在して摺動自在に嵌挿
されており、リング部材４１との間に油圧室４３を形成
している。この油圧室４３は、油圧回路１２（図１に示
す）に接続され、作動油が給排される。また、可動スリ
ーブ４２の内周は、後部軸受３７側で拡径する段付き形
状にされており、その内周段部３４ａが後部軸受３７の
外輪間座３８ｂに当接している。そして、油圧機構３４
は、油圧室４３への作動油の導入により、可動スリーブ
４２を軸方向に摺動させる。これにより、可動スリーブ
４２は、外輪間座３８ｂを介して後部軸受３７を押し付
け、該後部軸受３７の予圧を軽予圧から重予圧に切換え
る。この可動スリーブ４２による作用は、予圧スリーブ
３９、予圧ナット４０、主軸５及び内輪間座３８ａを介
して前部軸受３６にも伝達され、該前部軸受３６の予圧
を切換える。また、油圧機構３４では、油圧室４３から
作動油を排出することにより、可動スリーブ４２を復帰
バネ４５のバネ力により後部軸受３７から離間するよう
に摺動させ、これにより各軸受３６，３７の予圧を重予
圧から軽予圧に切換える。

【００１４】図１に示すように、数値制御装置３は、数
値制御部６と、主軸制御部７と、予圧切換制御部８及び
補正処理部９とを備えて構成される。数値制御部６は、
ＮＣプログラム等に基づいて主軸頭２等の移動を制御
し、主軸制御部７、予圧切換制御部８及び補正処理部９
の夫々に指令信号を出力する。主軸制御部７は、数値制
御部６からの指令信号（回転速度信号）に基づいて、モ
ータ３３の駆動を制御することにより、主軸５を指令の
回転速度で回転させる。予圧切換制御部８は、数値制御
部６からの指令信号（回転速度信号）に基づいて、予圧
切換えを判断し、油圧回路１２の作動を制御することに
より、図２に示す油圧機構３４の油圧室４３内に作動油
を給排させる。

【００１５】図１に示すように、補正処理部９は、数値
制御部６からの指令信号（回転速度信号）に基づいて、
主軸５の軸方向の変位に対する補正データを検索し、該
補正データを数値制御部６に出力する。この補正処理部
９は、データテーブル記憶部１０と、補正データ検索部
１１とを有している。なお、主軸５の軸方向とは、主軸
頭２が移動されるＺ軸方向である。

【００１６】図１に示すように、データテーブル記憶部
１０は、予圧切換えに伴う主軸５の軸方向の変位、及び
回転速度に応じた主軸５の軸方向の変位を補正するため
の補正データを記憶している。このデータテーブル記憶
部１０は、図３に示すように、データテーブル１，２を
有している。図３に示すように、データテーブル１は、
重予圧時における低速回転（０〜１３０００ｍｉ
ｎ^−１）に応じた補正データを有し、例えば、１０００
ｍｉｎ^−１ごとに補正データａ１〜ａ１３を記憶してい
る。データデーブル２は、軽予圧時における高速回転
（１４０００〜２００００ｍｉｎ^−１）に応じた補正デ
ータを有し、例えば、１０００ｍｉｎ^−１ごとに補正デ
ータｂ１〜ｂ８を記憶している。そして、各補正データ
ａ１〜ａ１３，ｂ１〜ｂ８は、予め測定した予圧切換え
に伴う主軸５の軸方向の変位と、回転速度に応じた主軸
５の軸方向の変位との関係により設定される。

【００１７】補正データａ１〜ａ１３を設定する一例と
しては、図４に示すように、主軸５に重予圧を作用さ
せ、主軸５の回転速度を零にした状態で、主軸５に装着
したテストツール６１の先端にピックアップインジケー
タ５５を当接させる。この状態を、主軸５の変位零とす
る基準点Ｃとし、重予圧時における低速回転の範囲内
（０〜１３０００ｍｉｎ^−１）で、主軸５を回転速度１
０００ｍｉｎ^−１ごとに変化させて回転させ、各回転速
度に応じた主軸５の軸方向（Ｚ軸方向）の変位を測定す
る。また、補正データｂ１〜ｂ８では、主軸５の回転速
度を零にした状態で、予圧を重予圧から軽予圧に切換え
る。この状態で、軽予圧時における高速回転の範囲内
（１４０００〜２００００ｍｉｎ^−１）で、主軸５を１
０００ｍｉｎ⁻ ^１ごとに変化させて回転させ、各回転速
度に応じた主軸５の軸方向（Ｚ軸方向）の変位を測定す
る。なお、軽予圧への予切換えにおいては、予め初期補
正量としてＰ（例えば、２０μｍ）だけ補正している。
この測定結果は、図５に示すように、主軸５の回転速度
と変位との関係により示され、各補正データａ１〜ａ１
３，ｂ１〜ｂ８は、基準点Ｃに対する変位量を補正デー
タとする。図５から明らかなように、基準点Ｃに対する
変位量を補正データａ１〜ａ１３，ｂ１〜ｂ８とする
と、各回転速度における主軸５は、基準点Ｃに補正され
る。また、補正データｂ１〜ｂ８は、予圧を切換えた状
態で、各回転速度（１４０００〜２００００ｍｉ
ｎ^−１）に応じた主軸５の変位を測定しているので、該
予圧に伴う主軸５の変位と各回転速度に応じた主軸５の
変位とが補正される。

【００１８】図１に示すように、補正データ検索部１１
は、数値制御部６からの指令信号（回転速度信号）に基
づいて、該回転速度信号に応じた補正データをデータテ
ーブル記憶部１０から検索し、該補正データを数値制御
部６に出力する。これにより、数値制御部６は、補正デ
ータに基づいて、主軸５の軸方向の変位を補正する。

【００１９】次に、工作機械の数値制御装置による補正
手順を、図６及び図７等により説明する。図６は、補正
手順を示すフローチャートであり、図７は、補正する基
準を示す拡大図である。なお、図２に示すように、各軸
受３６，３７には、予圧ナット４０により軽予圧が作用
されているものとする。

【００２０】図１に示すように、工作機械１による加工
は、数値制御装置３にストアされたＮＣプログラム等を
実行することにより開始される。数値制御部６は、ＮＣ
プログラム等に基づいて指令信号を主軸制御部７、予圧
切換制御部８及び補正処理部９の夫々に出力する。主軸
制御部７は、指令信号（回転速度信号）に基づいて、モ
ータ３３の駆動を制御し、主軸５を指令の速度で回転さ
せる。また、予圧切換制御部８は、指令信号（回転速度
信号）に基づいて、予圧切換えを判断し、油圧回路１２
の作動を制御することにより、図２に示す油圧機構３４
の油圧室４３内に作動油を導入させる。図２に示すよう
に、可動スリーブ４２は、作動油にてよって軸方向に摺
動され、各軸受３６，３７の予圧を軽予圧から重予圧に
切換える。

【００２１】これと同時に、数値制御装置３は、図６に
示す補正プロセス（ステップＳ１〜Ｓ５）を実行する。
即ち、まず、ステップＳ１において、補正処理部９は、
数値制御部６から回転速度信号を入力すると、該回転速
度信号に基づいて、予圧の大きさを判断する。続いて、
ステップＳ２において、予圧が重予圧であると、補正デ
ータ検索部１１は、図３に示すデータデーブル記憶部１
０のデータデーブル１（重予圧）から回転速度信号に応
じた補正データを検索する。例えば、主軸５に対する回
転速度が１３０００ｍｉｎ^−１であると、データテーブ
ル１の補正データａ１３を選択する（ステップＳ３）。
また、ステップＳ２において、予圧が軽予圧であると、
補正データ検索部１１は、図３に示すデータテーブル記
憶部１０のデータテーブル２（軽予圧）から回転速度信
号に応じた補正データを検索する。例えば、主軸に対す
る回転速度が２００００ｍｉｎ^−１であると、テーブル
２の補正データｂ８を選択する（ステップＳ４）。

【００２２】そして、補正処理部９は、補正データａ１
３（又はｂ８）を数値制御部６に出力し、数値制御部６
は、補正データａ１３（又はｂ８）に基づいて、主軸５
のＺ軸方向の変位を補正する。この補正は、図７に示す
ように、数値制御部６において、ＮＣプログラム等の機
械原点又はワーク原点を補正データａ１３（又はｂ８）
だけ変動することにより行われる。これにより、回転速
度に応じた主軸５の変位、予圧切換えに伴う主軸５の変
位とが基準点Ｃに補正される（ステップＳ５）。

【００２３】続いて、主軸５が指令の回転速度になる
と、数値制御部６はＮＣプログラム等に基づいて、主軸
頭２等をＺ軸方向に移動させることにより、工具Ｔによ
るワークＷの加工を行わせる。また、数値制御部６は、
予圧切換制御部８に回転速度信号を出力する。予圧切換
制御部８は、回転速度信号に基づいて、予圧切換えを判
断し、油圧回路１２の作動を停止することにより、図２
に示す油圧機構３４の油圧室４３から作動油を排出させ
る。これにより、可動スリーブ４２は、復帰バネ４５の
バネ力により摺動され、各軸受３６，３７の予圧を重予
圧から軽予圧に切換える。

【００２４】このように、本発明の実施形態における工
作機械の数値制御装置によれば、予圧切換えに伴う主軸
５の軸方向の変位と、回転速度に応じた主軸５の軸方向
の変位を補正することができるので、工作機械による加
工精度を向上することが可能となる。

【００２５】なお、本発明の実施形態における工作機械
の数値制御装置では、図１〜図７で説明したものに限定
されるものでなく、次のような態様も採用できる。（１）データテーブル記憶部１０の補正データｂ２〜ｂ
８は、基準点Ｃに対する主軸５の変位量を補正データと
するものに限定されない。例えば、補正データｂ２とｂ
８の差値ｆ＝ｂ８−ｂ２を演算し、この差値ｆを６等分
することにより比例値ｇ＝ｆ／６を求める。そして、各
回転速度に応じた補正データを、Ｎ×ｇ（但し、Ｎ＝
１，２，３，・・・・）とすることで比例的なものとす
ることもできる。即ち、補正データｂ１＝ｇ，ｂ２＝２
×ｇ、ｂ３＝３×ｇ，・・・とする。（２）重予圧、軽予圧の予圧切換えについて説明した
が、これに限定されるものでなく、重予圧、中予圧及び
軽予圧の３段階で切換えるもの等にも適用できる。（３）予圧切換えの回転速度は、１３５００ｍｉｎ^−１
に限定されず、各軸受３６，３７のサイズ等によって適
宜選択されるものである。また、主軸の回転速度の範囲
も、０〜２００００ｍｉｎ^−１に限定されるものでな
い。（４）主軸５の補正は、機械原点又はワーク原点を変動
するものに限定されず、図７に示すように、主軸５の補
正量δを補正データに基づいて、長短することにより、
該主軸５の軸方向の変位を補正しても良い。この補正量
δとは、機械原点からワークＷまで、主軸頭２（主軸５
の工具Ｔ）を移動させる距離である。（５）軽予圧時
に、主軸５の変位を測定するとき、必ずしも、初期補正
量Ｐで補正する必要はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における工作機械の概略構成
図である。

【図２】図１における主軸ユニットの構成を示す断面図
である。

【図３】図１におけるデータテーブル記憶部のデータテ
ーブルを示す図である。

【図４】主軸の変位を測定する構成を示す拡大図であ
る。

【図５】主軸の変位を測定したグラフである。

【図６】補正手順を説明するためのフローチャートであ
る。

【図７】補正する基準を示す拡大図である。

【符号の説明】

１工作機械２主軸頭３数値制御装置４主軸ユニット５主軸６数値制御部７主軸制御部８予圧切換制御部９補正処理部１０データデーブル記憶部１１補正データ検索部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者脇坂宗生奈良県大和郡山市北郡山町106番地株式会社森精機製作所内Ｆターム(参考） 3C001 KA02 KB02 KB04 TA03 TB05 3C045 FD13 3C048 DD11 5H269 AB01 BB03 EE05 FF06 NN04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主軸を回転自在に支持する軸受に、回転
速度に応じて異なる大きさの予圧を作用させる主軸頭を
備えた工作機械の、前記主軸頭の移動を数値制御する数
値制御装置において、前記主軸頭の移動を数値制御する数値制御部と、前記数
値制御部からの回転指令に基づき、前記主軸の回転を制
御する主軸制御部と、前記数値制御部からの回転指令に
基づき、その回転速度に応じて前記軸受に作用する予圧
を切換える予圧切換制御部と、前記数値制御部からの回
転指令に基づき、前記予圧切換えに伴う前記主軸の軸方
向の変位及び前記主軸の回転速度に応じた主軸の軸方向
の変位を補正するための補正データを前記数値制御部に
出力する補正処理部とを設け、前記数値制御部が前記補正データに基づいて、前記主軸
の回転速度に応じた主軸の軸方向の変位、及び前記予圧
切換えに伴う前記主軸の軸方向の変位を補正するように
構成したことを特徴とする工作機械の数値制御装置。