JP2002286032A - 主軸ユニットのアンギュラ軸受予圧測定ツールおよび同測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主軸が回転している状態でも回転中のアンギ
ュラ軸受の予圧の変化を測定できるようにする。 【解決手段】 主軸１４の先端部に着脱自在なシャンク
部２２を一体的に有し内部に振動子を内蔵する予圧測定
ツール１２を主軸１４に装着し、主軸１４を回転させた
状態で振動子を振動させて主軸１４を加振し、主軸１４
の振動変位を検出するとともに振動変位信号を周波数分
析して固有振動数を求め、固有振動数から前記アンギュ
ラ軸受１５の振動系のばね定数を算出し、このばね定数
に基づいて予圧荷重の変化特性を評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の主軸ユ
ニットにおいて、主軸を支持するアンギュラ軸受にかか
っている予圧を測定するための予圧測定装置および同測
定方法に係り、特に、主軸が回転中でも予圧を測定する
ことのできる主軸ユニットのアンギュラ軸受予圧測定装
置および同測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械の主軸ユニットでは、主軸用の
軸受にはアンギュラ軸受が用いられている。このアンギ
ュラ軸受には予圧をかけておくことが一般に行われてお
り、これにより、アンギュラ軸受の回転速度を高めると
ともにその剛性を高め、また振動の発生を抑制してい
る。予圧の方法には、定位置予圧と定圧予圧がある。

【０００３】切削加工を行う工作機械の主軸ユニットで
は、一般に、定位置予圧が採用されている。

【０００４】予圧の大きさは、上記した予圧の目的を達
成するためには、出来るだけ初期予圧は大きい方が好ま
しい。ところが定位置予圧は定圧予圧と異なってかける
予圧の大きさに変動が生じ得るため、例えば、高速回転
時では、遠心力によりアンギュラ軸受内部に発生するス
ラスト荷重が加わって重予圧となってしまい、温度上昇
に基づき軸受の焼き付きなどの損傷が発生する虞があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、主軸の
回転中には予圧がどのように変化するかが測定できれば
重予圧を防止する上で役立つデータを得ることが可能と
なるが、これまでのところ、主軸が高速回転している状
態で、そのアンギュラ軸受の予圧を測定する技術は確立
していないのが現状である。

【０００６】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、主軸が回転している状態でも回
転中の予圧を測定することを可能とする主軸ユニットの
アンギュラ軸受予圧測定ツールおよび同測定方法を提供
することにある。

【０００７】

【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、本発明は、主軸を支持するアンギュラ軸受に予圧
を加えた主軸ユニットにおいて、前記予圧荷重の変化を
測定するために主軸に取り付けられるアンギュラ軸受予
圧測定ツールであって、前記主軸の先端部に着脱自在な
シャンク部を一体的に有するツール本体部に、前記主軸
を加振するための振動子と、前記振動子に振動を励起さ
せる発振回路と、前記発振回路に給電するバッテリーと
を内蔵することを特徴とするものである。

【０００８】また、本発明は、主軸を支持するアンギュ
ラ軸受に予圧を加えた主軸ユニットにおいて、前記予圧
荷重の変化を測定するためのアンギュラ軸受予圧測定方
法であって、前記主軸の先端部に着脱自在なシャンク部
を一体的に有し内部に振動子を内蔵する予圧測定ツール
を前記主軸に装着し、前記主軸を回転させた状態で前記
振動子を振動させて前記主軸を加振し、主軸の振動変位
を検出するとともに振動変位信号を周波数分析して固有
振動数を求め、前記固有振動数から前記アンギュラ軸受
の振動系のばね定数を算出し、このばね定数に基づいて
予圧荷重の変化特性を評価することを特徴とするもので
ある。

【０００９】本発明によれば、主軸を加振するための振
動子を内蔵するツール本体にシャンク部を取り付けるこ
とで、予圧測定ツールを主軸に直接装着できるので、回
転中の主軸であっても、振動子で主軸を加振して、その
振動変位信号を変位センサなどで検出して、周波数分析
を施すことでアンギュラ軸受のばね定数を求めることで
きる。このばね定数が判れば、主軸回転中の予圧荷重の
変化を調べることで、重予圧の防止に有効なデータを得
ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による主軸ユニット
のアンギュラ軸受予圧測定ツールおよび同測定方法の一
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、本発明を適用してンギュラ軸受の予圧を測
定する主軸ユニット１０と、予圧測定ツール１２を示
す。１１は主軸ユニットの外筒部で、１４は主軸であ
る。この主軸ユニット１０の内部において、主軸１４は
アンギュラ軸受１５によって回転自在に支持され、アン
ギュラ軸受１５は主軸１４に作用するラジアル荷重とス
ラスト荷重を支持するようになつている。

【００１１】主軸１４に軸方向に形成されている軸穴に
は、ドローバー１６が挿入され、このドローバー１６の
先端部にはコレット１７が取り付けられている。コレッ
ト１７をツールのシャンク部のプルスタッドで把持して
ツールを主軸にクランプする機構は、この種の主軸ユニ
ット１０で一般に採用されている機構である。

【００１２】主軸１４の先端部には、テーパ穴１８が形
成され、このテーパ穴１８を利用して、切削加工用の各
種ツール等と同じようにして予圧測定ツール１２を装着
するようになっている。

【００１３】予圧測定ツール１２は、ツール本体部２０
と、これと一体的なテーパシャンク部２２とからなって
いる。テーパシャンク部２２の末尾部には、コレット１
７により把持されるプルスタッド２３が取り付けられて
いる。

【００１４】一方、図２に示されるように、ツール本体
部２０の内部には、振動子２４と、この振動子２４に振
動を励起させるための発振回路２６と、発振回路２６に
給電するバッテリー２８が内蔵されている。振動子２４
では、重り２５がばね２７ａ、２７ｂにより両側から主
軸１４と同軸に支持されており、発振回路２６では発生
した電気振動によりコイル２９が励磁されてその磁力の
変化によって重り２５が軸方向に振動するようになって
いる。

【００１５】本実施の形態による主軸ユニット１０のア
ンギュラ軸受予圧測定ツール１２は、以上のように構成
されるものであり、次に、この予圧測定ツール１２を用
いて行う予圧測定方法について説明する。図１におい
て、参照符号３０は非接触型の変位センサで、３２は高
速フーリエ変換装置である。変位センサ３０は、主軸１
４の端面の近傍に配置され、主軸端面の変位を検出す
る。変位センサ３０は、前記高速フーリエ変換装置３２
と接続されている。

【００１６】そこで、予圧測定ツール２０は、そのシャ
ンク部２２をテーパ穴１８に挿入すると、図１に示すよ
うに、主軸１４の先端部に装着することができる。この
とき、図示しない皿ばねの発生する引張力でドローバー
１６はプルスタッド２３を把持したコレット１７を引き
込むので、予圧測定ツール２０のシャンク部２２はテー
パ穴１８の内周面に密着した状態で固定される。

【００１７】こうして予圧測定ツール２０を主軸１４に
装着した後、主軸１４を所定の回転数で回転させる。そ
して予圧測定ツール２０では、振動子２４の軸方向の振
動が開始され、主軸１４が加振される。

【００１８】予圧測定ツール２０の内部の振動子２４の
振動により、アンギュラ軸受１５によって支持された主
軸１４も軸方向に振動を開始し、主軸１４は軸方向の固
有振動を励起される。この時の主軸１４の振動は、主質
量を主軸１４、ばねをアンギュラ軸受１５として図３に
示すような１自由度の振動系にモデル化することができ
る。この図３において、Ｍは主軸１４の質量で、Ｋはア
ンギュラ軸受１５のばね定数である。

【００１９】主軸１４が固有振動をしている間、その振
動変位は変位センサ３０によって検出することができ
る。この振動変位信号を高速フーリエ変換装置３２に導
入することにより、以下のような周波数分析を行って固
有振動数を求める。

【００２０】ここで、図４は、変位センサ３０によって
検出した主軸１４の振動変位の波形を示す図である。図
５（ａ）は、図４の振動波形ついて高速フーリエ変換装
置３２でフーリエ変換処理した後の振動周波数データを
示す図である。この図５（ａ）のように加振した状態で
は、固有振動による振動とその他の外力による振動とが
混じり合った振動となり、どの山が固有振動数であるか
が判別がつかない。

【００２１】そこで、主軸１４を加振したときの図５
（ａ）に示す振動周波数データを得たのち、予圧測定ツ
ール２０による加振を停止して、加振停止状態の振動変
位信号を高速フーリエ変換装置３２で周波数分析を行
い、図５（ｂ）に示すような振動周波数データを得てか
ら、図５（ａ）の波形と図５（ｂ）の波形の差を取る
と、図６に示すように波形になり、固有振動数ｆを求め
ることができる。

【００２２】次いで、式（１）からアンギュラ軸受１５
のばね定数を算出することができる。

【００２３】

【数１】 ここで、主軸回転中のアンギュラ軸受１５の予圧荷重の
変化と、アンギュラ軸受１５のばね定数との間には所定
の関係があり、これに関する技術データは軸受メーカに
よって提供されている。したがって、上述のようにして
アンギュラ軸受１５のばね定数が求まれば、主軸回転中
のアンギュラ軸受１５の予圧荷重の変化を調べて評価す
ることが可能となる。

【００２４】

【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、予圧測定ツールを主軸に直接装着できるの
で、回転中の主軸であっても、振動子で主軸を加振し
て、その振動変位信号を変位センサなどで検出して、周
波数分析を施すことでアンギュラ軸受のばね定数を求
め、主軸回転中の予圧荷重の変化を調べることで、重予
圧の防止に有効なデータを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアンギュラ軸受予圧測定方法が適
用される主軸ユニットを示す断面図。

【図２】本発明による主軸ユニットのアンギュラ軸受予
圧測定ツールの一実施形態を示す断面図。

【図３】主軸とアンギュラ軸受が構成する振動系のモデ
ルを示す図。

【図４】加振された主軸の振動変位の波形図。

【図５】振動変位を周波数分析した結果を示す図。

【図６】図５（ａ）の波形と図５（ｂ）の波形の差を示
す図。

【符号の説明】

１０ 主軸ユニット １１ 外筒部 １２ 予圧測定ツール １４ 主軸 １５ アンギュラ軸受 １６ ドローバー １７ コレット １８ テーパ穴 ２０ ツール本体部 ２２ テーパシャンク部 ２４ 振動子 ２６ 発振回路 ２８ バッテリー ３０ 変位センサ ３２ 高速フーリエ変換装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅野目 裕 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株式 会社内 (72)発明者 矢 野 貴 生 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株式 会社内 Ｆターム(参考） 3J012 AB20 BB03 FB10 HB02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主軸を支持するアンギュラ軸受に予圧を加
   えた主軸ユニットにおいて、前記予圧荷重の変化を測定
   するために主軸に取り付けられるアンギュラ軸受予圧測
   定ツールであって、前記主軸の先端部に着脱自在なシャ
   ンク部を一体的に有するツール本体部に、前記主軸を加
   振するための振動子と、前記振動子に振動を励起させる
   発振回路と、前記発振回路に給電するバッテリーとを内
   蔵することを特徴とする主軸ユニットのアンギュラ軸受
   予圧測定ツール。
2. 【請求項２】主軸を支持するアンギュラ軸受に予圧を加
   えた主軸ユニットにおいて、前記予圧荷重の変化を測定
   するためのアンギュラ軸受予圧測定方法であって、 前記主軸の先端部に着脱自在なシャンク部を一体的に有
   し内部に振動子を内蔵する予圧測定ツールを前記主軸に
   装着し、 前記主軸を回転させた状態で前記振動子を振動させて前
   記主軸を加振し、 主軸の振動変位を検出するとともに振動変位信号を周波
   数分析して固有振動数を求め、 前記固有振動数から前記アンギュラ軸受の振動系のばね
   定数を算出し、 このばね定数に基づいて予圧荷重の変化特性を評価する
   ことを特徴とする主軸ユニットのアンギュラ軸受予圧測
   定方法。