JP2004314257A

JP2004314257A - Spindle device

Info

Publication number: JP2004314257A
Application number: JP2003113504A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Nakao; 陽一中尾; Akira Hayashi; 亮林
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: JP3935857B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spindle device to be used for a machine tool for high precision machining, which does not generate friction and a mechanical play, causes no seizure at the time of high speed rotation, and has no mechanical vibration transmitting element. <P>SOLUTION: A fluid flowpath 21 extending in an axial direction is formed in a center of a spindle 2, and a fluid inflow port 6, a fluid outflow port 7, and a thrust static bearing 4 and a journal static bearing 3 supporting the spindle 2 are provided so as to communicate with the fluid flowpath 21. The fluid outflow port 7 has an outflow path in a shape of changing in angular momentum of the fluid when the fluid flows in, and a motor part 1 is formed by the fluid inflow port 6 and the fluid outflow port 7 and the fluid flow path 21 between both ports, and the motor part 1, the thrust static bearing 4, and the journal static bearing 3 are arranged in parallel to the flow of the fluid. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械、医療用機器等に用いるためのスピンドル装置に関し、特に流体のエネルギーを利用したモータ機能と静圧軸受け機能を一体化したスピンドル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な工作機械のスピンドル装置の多くは、転がり軸受で支持され、スピンドル装置とは別に設けられた電気駆動モータの回転運動をベルトやプーリのような伝達要素を介して伝達している。このような構成のスピンドル装置を精密な工作機械システムに用いられる場合には、以下のような問題が発生する。
第１に、転がり軸受における摩擦や機械的なガタによって高精度の回転運動の実現が難しいだけでなく、超精密加工において要求される高速回転時には転がり軸受の焼き付きが発生しやすくなる。したがって、静圧軸受によってスピンドルを支持する方式にする必要がある。
第２に、スピンドルの高速回転時にはベルトやプーリのような伝達要素で発生する振動がスピンドルに伝わり、スピンドル自体の振動を引き起こすので、スピンドル自体にタービンを取付け、これに流体を吹き付ける方式により、ベルト等の機械的な伝達要素を必要としない方式にする必要がある。
第３に、スピンドルが工作機械に用いられる場合、加工中に工具と被削材間で発生する摩擦熱がスピンドルに伝わり、スピンドルの熱膨張を引き起こし、これによって加工誤差が発生するので、スピンドル装置を冷却する必要がある。
これらに対処するスピンドル装置として、本発明者は先に非特許文献１に示すモータ一体型スピンドルを提案した。
【０００３】
【非特許文献１】
神奈川大学工学研究所所報Ｎｏ．２４、２００１年１１月、第７３頁〜７６頁（第７３頁右欄１４行〜第７４頁左欄第１６行、図２および図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、高精度加工を行う工作機械に用いられるスピンドル装置として、静圧軸受による支持機能、流体のエネルギーによってスピンドルに回転動作を発生させるモータ機能、および冷却機能を備えていることが必要になる。非特許文献１に提案したスピンドルは、流体のエネルギーによってスピンドルに回転動作を発生させるモータ機能および冷却機能を備えているが、静圧軸受の構成については提案していない。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、高精度加工を行う工作機械に用いられるスピンドル装置に要求される上記３つの機能をすべて満たし、これらを有機的に一体化した簡単かつ高性能な構成のスピンドル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】
請求項１記載の本発明のスピンドル装置は、スピンドルの中央部に形成された軸方向に伸びる流体流路と、この流体流路に連通した流体流入ポートと、流体流路に連通した流体流出ポートと、流体流路に連結しスピンドルを支持するスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受を具備したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスピンドル装置において、流体流出ポートまたは流体流入ポートは流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状の流出路を有しており、流体流入ポートと流体流出ポートおよび両者間の流体流路とによりモータ部を形成し、モータ部とスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受が流体の流れに対して並列に配置されていることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載のスピンドル装置において、流出ポート部の流出路が複数個形成されたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載のスピンドル装置において、流体流入ポートから流入する流体の経路が流体流路部で２分岐され、一方の経路は流体流出ポート、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受に連通し、他方の経路は流体流出ポートおよびジャーナル静圧軸受に連通することを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１、請求項２および請求項４のいずれかに記載のスピンドル装置において、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受が、スピンドルの側壁に形成されたリセスと、リセスおよび流体流路に連通しリセスより小径の貫通孔を有し、このリセス内に絞りが配されたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載のスピンドル装置において、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受が、流体流路から貫通孔およびリセスを介してスピンドル外部へ流出する流体により支持されることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載のスピンドル装置において、流体が温度制御された流体であることを特徴とする。
請求項８記載の本発明のスピンドル装置の設計方法は、スピンドルの基本仕様として定格出力、定格回転数、ジャーナルおよびスラスト静圧軸受の剛性を定めて定格角速度およびスピンドルに一体的に組み込まれたモータの定格トルクを求め、これとスピンドル各部の寸法から（数２２）により流体の流量を定めることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態によるスピンドル装置は、スピンドルの中央部に形成された軸方向に伸びる流体流路と、この流体流路に連通した流体流入ポートと、流体流路に連通した流体流出ポートと、流体流路に連結しスピンドルを支持するスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受を設けることで、流体によるモータ部とスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受を並列に配列することができる。したがって、高精度加工を行う工作機械に用いられるスピンドル装置に必要な、摩擦や機械的なガタがなく、高速回転時においても焼き付きがなく、かつ、ベルトやプーリのような機械的な振動伝達要素がない条件をすべて満たすことができる。また、モータ部とスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受を有機的に一体化した小型で、簡単かつ高性能な構成のスピンドル装置を得ることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるスピンドル装置において、モータ部とスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受を流体の流れに対して並列に配置しているので、設計が容易であり、かつスピンドルの性能を高くすることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態によるスピンドル装置において、流出ポート部の流出路が複数個形成されているので、回転数の高い流体モータを容易に実現することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１または第２の実施の形態によるスピンドル装置において、流体流入ポートから流入する流体の経路を流体流路部で２分岐しているので、モータ部の両側に静圧軸受を設けることができる。したがって、静圧軸受による安定した高精度の支持が可能になる。
本発明の第５の実施の形態は、第１、第２または第４の実施の形態によるスピンドル装置において、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受が、スピンドルの側壁に形成されたリセスと、リセスおよび流体流路に連通しリセスより小径の貫通孔を有し、このリセス内に絞りが配された構成であるので、リセスおよび絞りの加工が容易であり、絞りが詰まった場合などのメンテナンスが容易になる。また、絞りの部品を変えることにより絞り径も自由に変更することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態によるスピンドル装置において、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受がモータ部を流れる流体により支持されるので、流体を共用しつつベルト等の機械的な伝達要素を必要としない安定した高精度の静圧軸受でスピンドルを支持することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１から第６の実施の形態によるスピンドル装置において、流体が温度制御された流体とすることにより、スピンドル装置の駆動と同時に冷却をすることができる。
本発明の第８の実施の形態によるスピンドル装置の設計方法は、スピンドルの基本仕様として定格出力、定格回転数、ジャーナルおよびスラスト静圧軸受の剛性を定めて定格角速度およびスピンドルに一体的に組み込まれたモータの定格トルクを求め、これとスピンドル各部の寸法から（数２２）により流体の流量を定めるようにしたので、スピンドルの加工および組み立てが可能な範囲でスピンドルの効率を最高にするように設計することができる。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明の一実施例によるスピンドル装置を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例であるスピンドル装置の構成を示す断面図、図２は、図１におけるスピンドルの内部構造を説明する分解斜視図である。モータ１が組み込まれたスピンドル２、ジャーナル静圧軸受３およびスラスト静圧軸受４がケーシング５に支持されている。スピンドル２には、中央部に軸方向に伸びる穴を形成して流体の流路２１を形成し、端部をプラグ２２で止栓している。
モータ１は、外部のポンプあるいはコンプレッサー（図示せず）から供給される水などの流体をスピンドル２内に流入させる流入ポート６および流体をスピンドル２から外部へ流出させる流出ポート７から構成される。流出ポート７は、流入ポート６の両側に一対設けられており、流入ポート６から流入した流体の経路は、スピンドル２内で軸方向に伸びる流路２１に沿って２つに分岐され、流出ポート７から流出する。
【０００９】
流出ポート７部の断面図を図３に示す。
スピンドル２の中央部には、流体の流路２１が形成されており、流路２１からスピンドル２の外部に流出流路７１が伸びている。流出流路７１は、流路２１から径方向に伸びる細管部７２と細管部７２から略直角に伸びる経路７３から構成され、流出ポート７部に１箇所形成すればよいが、回転数を高くするためには複数箇所設けることが好ましい。図３では３箇所設けた場合を示す。流出流路７１が曲がる角度や形状は、特に直角や直線状である必要はなく、流出流路７１内に流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状であればよく、たとえば、滑らかな曲線に沿っていても構わない。
細管部７２は、スピンドル２の外周から中心に向かって径方向に流路２１を貫通させ、かつ、スピンドル２の反対側に突き抜けないようにドリル加工で穿孔させて形成する。そして、スピンドル２の外方から経路７３を穿孔して細管部７２と連通させる。その後、スピンドル２の外周面に形成された孔にプラグ７４を挿入してこの部分が流路とならないように止栓する。
流出ポート７のスピンドル軸方向外側に、スラスト静圧軸受４が形成される。スラスト静圧軸受４は、スピンドル２の側壁を一部径方向に延長させ、その延長部４１に、リセス４５およびリセス４５に連通してリセス４５より小径の貫通孔４２を形成し、リセス４５内には絞り４３およびプラグ４４を配している。
流出ポート７のスピンドル軸方向のさらに外側に、ジャーナル静圧軸受３が形成される。ジャーナル静圧軸受３は、スピンドル２の側壁からリセス３５およびリセス３５に連通してリセス３５より小径の貫通孔３２を形成し、リセス３５内には絞り３３およびプラグ３４を配している。ジャーナル静圧軸受３は、モータ１の両側に形成することが好ましい。
【００１０】
つぎに動作を説明する。
流入ポート６から流入した流体は、スピンドル２の中央部の流路２１で２方向に分岐し、さらに、流出ポート７近辺で２つに分岐して、一部が流出流路７１からスピンドル２の外部に流出する。このとき、流体は流出流路７１の細管部７２から細管部７３に曲がって流出するので、流体の角運動量が変化し、これに伴ってスピンドル２を回転させるトルクが発生し、モータとして機能する。このモータ機能は、流出流路７１から流体が流出するたびにトルクを発生させることができる。スピンドル２の回転は、流出流路７１の数および流体の流量により調整することができる。
流出ポート７近辺で分岐した他方の流体は、スラスト静圧軸受４付近でさらに２つに分岐し、一方は、スラスト静圧軸受４に供給され、スピンドル２をスラスト方向に支持し、スピンドル２の外部に流出する。また、他方は、ジャーナル静圧軸受３に供給されてスピンドル２をジャーナル方向に支持し、スピンドル２の外部に流出する。
【００１１】
上述したように、本発明においては、モータ１とジャーナル静圧軸受３およびスラスト静圧軸受４が流体の流れに対して並列に配置されている。したがって、流体の流量を制御することにより、モータ１とジャーナル静圧軸受３およびスラスト静圧軸受４に対して最適な流量を供給することができ、スピンドル装置の高性能化を図ることができる。
また、モータ機能によりスピンドルが高速に回転するので、軸受面の圧力分布が均一化され、負荷の方向による軸受け性能の差がない。
また、ジャーナル静圧軸受３のリセス３５およびスラスト静圧軸受４のリセス４５をスピンドル２に配置しているので、リセスの加工をスピンドル２の加工時に行うことができ、リセスの加工が容易である。さらに、絞り３３、４３をスピンドル２とは別の部品で形成し、リセス３５、４５の各々に挿入するようにしているので、絞り３３、４３の加工が容易であり、絞り３３、４３が詰まった場合などの交換が容易であるので、メンテナンスが容易になる。また、絞り３３、４３の部品を変えることにより絞り径も自由に変更することができる。
スピンドル２に供給される流体は、水が最適であるが、空気や油などその他の流体を使用することができる。なお、流体はスピンドル２の外周および内部を流れるため、流体の温度を制御することにより、スピンドル２の温度変化を一定にすることができる。したがって、スピンドル２の熱膨張を最小限にすることが可能になり、熱膨張によって発生する加工誤差をなくすことができる。
【００１２】
スピンドル装置の回転数とトルク出力は、流体の流量により自由に変化させることができる。図４は、流体の流量を変化させたときの回転数とトルクの特性である。流量が２０リットル／分のとき、回転数２０００ｒｐｍでトルク５０ｍＮｍ、回転数５０００ｒｐｍでトルク２５ｍＮｍが得られる。また、流量が３６リットル／分では、回転数５０００ｒｐｍでトルク１４０ｍＮｍ、回転数１００００ｒｐｍでトルク８０ｍＮｍが得られる。
図５は、流体の流量を変化させたときの回転数と出力の特性、図６は、回転数と効率の特性である。流量が２０リットル／分のとき、回転数３８００ｒｐｍで最大出力３０Ｗ、効率５％、流量が３６リットル／分のとき、回転数８５００ｒｐｍで最大出力９０Ｗ、効率６．３％が得られる。このとき、静圧軸受の流量に対する剛性は図７のようになり、流量が２０〜３６リットル／分の範囲では、ジャーナル静圧軸受３では４５〜１２５Ｎ／μｍ、スラスト静圧軸受４では、２３〜６０Ｎ／μｍであり、精度よく支持されていることがわかる。これらの結果から、スピンドルの基本仕様として、定格出力５０Ｗ、定格回転数１００００ｒｐｍ、定格流量３１．５リットル／分のものが得られる。
なお、スピンドルの回転数は、スピンドルの負荷が一定であれば図４に示すように供給される流体の流量に略比例するが、負荷が変化した場合には回転数が変化する。この場合は、スピンドルの回転数を一定にするためにスピンドルの回転数を計測し、制御弁によって流体の流量をフィードバック制御することにより、安定した回転特性を得ることができる。
なお、以上の説明では流体として水を例に説明したが、空気などの気体や油などの液体を使用することも可能である。
また、流体流出ポートに流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状の流路を有する場合について説明したが、流体流入ポートに流体が流れたときに流体の角運動量が変化するようにしてもよい。
【００１３】
つぎに、本発明によるスピンドル装置の設計方法について説明する。
まず、モータの性能を表わす理論式について説明する。
図８は流出ポート７部の寸法を説明する図で、図３に対応する。ただし、図８では流出流路７１を４本形成した例を示している。図８において、スピンドル２の径をＲ_１、流体流路２１の径をＲ_２、細管部７２の長さをｌ_ｍ２、細管部７３の長さをｌ_ｍ１、スピンドル２の中心から細管部７３の中心までの長さをｌ_ｍ３、直径ｄ_ｍの流出流路７１の断面積をＡ_ｍ、流体の供給流量をｑ、モータの角速度をωとしている。
流出流路７１の一本に流量ｑの水が流れるとき、スピンドル２の定常状態を考える。このとき、モータのトルクＴ_ｌは（数２）で表わされる。
【００１４】
【数２】

【００１５】
ここで、ｎはスピンドル２の２箇所の断面に設けられた一断面あたりの流路７１の数、ρは流体の密度、μは流体の粘度である。
流出流路７１とジャーナルおよびスラスト静圧軸受における絞りを除いて、スピンドル内部に設けられた流路は大きな圧力損失が発生しないようにできるだけ大きく作られる。したがって、スピンドル２内の流体の圧力損失は、流出流路７１とそれぞれの静圧軸受において発生すると考えられる。
スピンドル効率の観点からは、トルク発生のための流出流路７１を通過する流量に比べて、それぞれの静圧軸受を流れる流量が十分少なくなるように設計する。この場合、スピンドル２内の流体の圧力損失は、流出流路７１において発生すると見なしてよい。流入ポート６における圧力がｐ_ｓであるとき、流出流路７１を流れる流量ｑは（数３）で与えられる。ただし、κは（数４）で表わされるものである。
【００１６】
【数３】

【００１７】
【数４】

【００１８】
ここでλは流出流路７１の管摩擦係数であり、レイノルズ数Ｒｅによって（数５）、（数６）、（数７）のように表わされる。また、ζ_１は流出流路７１における管路の縮小による損失係数、ζ_２は流出流路７１における曲がりによる損失係数を表わす。
【００１９】
【数５】

【００２０】
【数６】

【００２１】
【数７】

【００２２】
スピンドル２の流入ポート６から、スピンドル２内を流れずにスピンドル２とケーシング５間を流れる流体は、スピンドル２の動作に対して有効利用されない漏れとなる。これをｑ_ｌで表すと、ｑ_ｌは（数８）で与えられる。
【００２３】
【数８】

このとき、静圧軸受以外に供給される流量Ｑ_ｍは、（数９）で与えられる。
【００２４】
【数９】

【００２５】
つぎに、ジャーナルおよびスラスト静圧軸受の性能を表わす理論式について説明する。ジャーナル軸受における負荷容量Ｗ_ｊは（数１０）のように表わされる。ここで、Ωは無次元負荷容量、Ｂはジャーナル軸受の長さ、Ｄはスピンドル直径で、Ｄ＝２Ｒ_１である。
【００２６】
【数１０】

【００２７】
ジャーナル軸受１つあたりの剛性Ｋ_ｊは（数１１）のように表わされる。（数１１）で、Γは無次元剛性、ｈ_ｊはジャーナル軸受における平均隙間である。
【００２８】
【数１１】

【００２９】
１つのジャーナル軸受を流れる流量Ｑ_ｊと供給圧力ｐ_ｓの関係は（数１２）で表わされる。
【００３０】
【数１２】

【００３１】
（数１２）において、Θ_ｊはジャーナル軸受における圧力・流量特性を表す係数である。なお、（数１０）、（数１１）、（数１２）におけるΩ、Γ、Θ_ｊはレイノルズ方程式の数値計算結果から求められる静圧軸受の特性値であり、リセス数および軸の偏心率を決めればランド幅比Ｌ_ｊ／Ｂと軸受形状比Ｂ／Ｄの関数として与えられる。Ｌ_ｊはランド幅である。
一方、軸受に設けられた毛細管絞りの毛細管定数ｋ_ｃｊは（数１３）で与えられる。ここで、ｎ_ｊは各ジャーナル軸受におけるリセス数、ｕ_ｃｊは絞りパラメータと呼ばれ、（数１４）で定義される。絞りパラメータはリセス圧力と供給圧力を関係付ける定数であり、ここではｕ_ｃｊ＝１とする。これは、リセス圧力を供給圧力の半分にすることを意味する。
【００３２】
【数１３】

【００３３】
【数１４】

【００３４】
（数１３）で求められる毛細管定数ｋ_ｃｊから、（数１５）によって毛細管絞りの長さｌ_ｃｊと絞り直径ｄ_ｃｊの関係が与えられる。
【００３５】
【数１５】

【００３６】
つぎに、スラスト静圧軸受の特性を表す関係式を説明する。スラスト軸受の設計においてもジャーナル軸受の場合と同様に、スラスト軸受に組み込む毛細管絞りの絞りパラメータを１とする。
まず、スラスト軸受の剛性Ｋ_ｔｈは（数１６）で与えられる。ここで、Π_ｔｈは面積係数、ｈ_ｔｈはスラスト軸受部の隙間、Ａ_ｐｔｈは軸受面の面積であり、（数１７）で表わされる。（数１７）において、αは軸受半径比であり、α＝Ｒ_１／Ｒ_ｔｈである。
【００３７】
【数１６】

【００３８】
【数１７】

【００３９】
つぎに、スラスト静圧軸受の両面を流出する流量Ｑ_ｔｈは、（数１８）で表わされる。ここで、Θ_ｔｈはスラスト軸受面における圧力・流量特性を表わすための係数である。なお、Π_ｔｈとΘ_ｔｈは軸受半径比αおよびランド幅比β＝Ｃ_Ｌ／（Ｒ_ｔｈ−Ｒ_１）の関数である。Ｃ_Ｌはスラスト軸受のランド幅である。このとき、Π_ｔｈとΘ_ｔｈは、Ω、Γ、Θ_ｊと同様にレイノルズ方程式の数値計算結果より求められる。
【００４０】
【数１８】

【００４１】
スラスト静圧軸受の毛細管定数ｋ_ｃｔｈは（数１９）で表わされる。また、スラスト静圧軸受部における毛細管長さと絞り直径ｄ_ｃｔｈの関係は（数２０）で与えられる。
【００４２】
【数１９】

【００４３】
【数２０】

【００４４】
つぎに、以上で説明したスピンドルの理論式を用いてスピンドル２の設計を行う方法を説明する。以下の説明では、スピンドル２の基本仕様として、定格出力Ｐ_ｒ、定格回転数Ｎ_ｒ、ジャーナルおよびスラスト静圧軸受の剛性Ｋ_ｊｒ、およびＫ_ｔｈｒを与え、スピンドル２の加工および組み立てが可能な範囲でスピンドルの効率を最高にするように設計する方法を説明する。
まず、設計するスピンドル２の基本仕様を定める。このとき定格角速度ω_ｒとスピンドル２に一体的に組み込まれたモータの定格トルクＴ_ｒが求められる。これらを（数２）におけるωとＴ_ｌに代入すると、要求されるモータ性能を出すために必要な流量ｑは（数２１）により求められる。すなわち、要求される流量ｑは（数２２）のようになる。ここで、α_０、β_０およびγ_０は、それぞれ（数２３）、（数２４）および（数２５）で表わされる。
【００４５】
【数２１】

【００４６】
【数２２】

【００４７】
【数２３】

【００４８】
【数２４】

【００４９】
【数２５】

【００５０】
（数２２）の計算を行うためには、スピンドル２の半径や長さ等のスピンドル各部の寸法が必要になる。スピンドル各部の寸法を以下のように表わす。まず、ｌ_１＝ｃＲ_１と表わし、ｃの取りうる値は以下のすべての条件を満たすように決定する。
（１）細管部７３の長さｌ_ｍ１は細管部７３直径ｄ_ｍの２倍以上とする。すなわち（数２６）を満足する。
【００５１】
【数２６】

（２）加工上の制約から細管部７３の壁面からスピンドル外周面までの距離が１ｍｍ以上であること、すなわち、（数２７）を満足する。
【００５２】
【数２７】

【００５３】
このとき、ｌ_ｍ２は細管部直径ｄ_ｍの２倍とする。この場合、スピンドル中心に設けられる流路半径Ｒ_２は（数２８）で表わされる。
【００５４】
【数２８】

【００５５】
さらにＲ_２に関しては、この流路を流れる流体の流速が細管部７３の流速よりも大きくならないように（数２９）の条件を設定する。このとき、スピンドル２に供給される水の圧力ｐ_ｓは（数３０）のようになる。
【００５６】
【数２９】

【００５７】
【数３０】

【００５８】
また、漏れ流量ｑ_ｌは（数３０）で求められるｐ_ｓを（数８）に代入すれば求められる。
つぎに、与えられた条件の下でジャーナル軸受のΩ、Γ、Θ_ｊを求める。この結果から、ジャーナル軸受の負荷容量Ｗ_ｊと剛性Ｋ_ｊがそれぞれスピンドル２に作用する重力と仕様で与えられた定格剛性Ｋ_ｊｒよりも大きいことを確認する。また、ｐ_ｓを（数１２）に代入することによりジャーナル静圧軸受から流出する流量Ｑ_ｊが求められる。さらに、毛細管絞りの長さｌ_ｃｊを１ｍｍとする。このとき、必要な絞り直径ｄ_ｃｊは（数１３）から（数１５）より計算される。
スラスト軸受についてもΓ、Θ_ｔｈを計算し、これからスラスト軸受の剛性Ｋ_ｔｈを求める。このとき、Ｋ_ｔｈが定格剛性Ｋ_ｔｈｒよりも大きいことを確認する。
さらに、ｐ_ｓを（数１８）に代入することによりスラスト静圧軸受から流出する流量が求められる。ジャーナル軸受の場合と同様に、毛細管絞りの長さｌ_ｃｔｈを１ｍｍとする。このとき、必要な絞り直径ｄ_ｃｔｈは（数１９）および（数２０）より計算される。このとき、スピンドル全体を流れる流量Ｑ_ｔは（数３１）で与えられる。したがって、スピンドル２の効率は（数３２）で与えられる。
【００５９】
【数３１】

【００６０】
【数３２】

【００６１】
なお、冷却装置の能力Ｐ_ｃは（数３３）より求められる。
【００６２】
【数３３】

【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、高精度加工を行う工作機械に用いられるスピンドル装置に必要な、摩擦や機械的なガタがなく、高速回転時においても焼き付きのない静圧軸受を有し、ベルトやプーリのような機械的な振動伝達要素がなく、かつ、スピンドル装置自体の冷却が可能なスピンドル装置を実現することができる。
また、静圧軸受とモータの配列を流体の流れに対して並列に配置しているので、設計が容易であり、かつスピンドルの性能を高くすることができる。
また、静圧軸受のリセスをスピンドル側に設けているので、軸受剛性の方向による変化を平均化させることができる。したがって、ジャーナル荷重の方向によらず高い支持精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるスピンドル装置の構成を示す断面図
【図２】図１におけるスピンドル装置の内部構造を説明する分解斜視図
【図３】図１におけるスピンドル装置の流出ポート部の断面図
【図４】本発明の一実施例におけるスピンドル装置の流体の流量を変化させたときの回転数とトルクの特性図
【図５】本発明の一実施例におけるスピンドル装置の流体の流量を変化させたときの回転数と出力の特性図
【図６】本発明の一実施例におけるスピンドル装置の流体の流量を変化させたときの回転数と効率の特性図
【図７】本発明の一実施例におけるスピンドル装置の静圧軸受の流量に対する剛性の特性図
【図８】本発明によるスピンドル装置の設計方法を説明するための図で、スピンドル装置の流出ポート部の断面図
【符号の説明】
１モータ
２スピンドル
３ジャーナル静圧軸受
４スラスト静圧軸受
５ケーシング
６流入ポート
７流出ポート
２１流路
２２、３４、４４、７４プラグ
３２４２貫通孔
３３、４３絞り
３５、４５リセス
４１延長部
７１流出流路
７２、７３細管部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a spindle device for use in machine tools, medical equipment, and the like, and more particularly, to a spindle device that integrates a motor function using fluid energy and a hydrostatic bearing function.
[0002]
[Prior art]
Many spindle devices of general machine tools are supported by rolling bearings, and transmit the rotational motion of an electric drive motor provided separately from the spindle device via a transmission element such as a belt or a pulley. When the spindle device having such a configuration is used in a precision machine tool system, the following problems occur.
First, not only is it difficult to realize high-precision rotary motion due to friction and mechanical play in the rolling bearing, but also at the time of high-speed rotation required in ultra-precision machining, seizure of the rolling bearing tends to occur. Therefore, it is necessary to adopt a system in which the spindle is supported by the hydrostatic bearing.
Secondly, when the spindle rotates at high speed, vibration generated by a transmission element such as a belt or a pulley is transmitted to the spindle, causing the spindle itself to vibrate. It is necessary to adopt a method that does not require a mechanical transmission element such as
Third, when a spindle is used in a machine tool, frictional heat generated between a tool and a workpiece during machining is transmitted to the spindle, causing thermal expansion of the spindle, thereby causing a machining error. Need to be cooled.
The present inventor has previously proposed a motor-integrated spindle shown in Non-Patent Document 1 as a spindle device that addresses these problems.
[0003]
[Non-patent document 1]
Kanagawa University Institute of Engineering Report No. 24, November 2001, pages 73 to 76 (page 73, right column, line 14 to page 74, left column, line 16, FIG. 2 and FIG. 3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, a spindle device used in a machine tool that performs high-precision machining needs to have a support function using a hydrostatic bearing, a motor function that causes a spindle to rotate by fluid energy, and a cooling function. become. The spindle proposed in Non-Patent Document 1 has a motor function of causing the spindle to rotate by the energy of fluid and a cooling function, but does not propose a configuration of a hydrostatic bearing.
[0005]
The present invention has been made in view of the above points, and satisfies all of the above three functions required for a spindle device used in a machine tool for performing high-precision machining, and organically integrates these into a simple and high-performance. An object of the present invention is to provide a spindle device having a configuration.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The spindle device according to the first aspect of the present invention includes a fluid flow path formed in a central portion of the spindle and extending in an axial direction, a fluid inflow port communicating with the fluid flow path, and a fluid outflow port communicating with the fluid flow path. And a thrust hydrostatic bearing and a journal hydrostatic bearing which are connected to the fluid flow path and support the spindle.
According to a second aspect of the present invention, in the spindle device according to the first aspect, the fluid outflow port or the fluid inflow port has an outflow path in which the angular momentum of the fluid changes when the fluid flows, The motor portion is formed by the fluid inflow port and the fluid outflow port and the fluid flow path therebetween, and the motor portion and the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing are arranged in parallel to the fluid flow. And
According to a third aspect of the present invention, in the spindle device according to the second aspect, a plurality of outflow paths of the outflow port portion are formed.
According to a fourth aspect of the present invention, in the spindle device according to the first or second aspect, the path of the fluid flowing from the fluid inflow port is branched into two in the fluid flow path portion, and one of the paths is a fluid outflow port. The thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing communicate with each other, and the other path communicates with the fluid outflow port and the journal hydrostatic bearing.
According to a fifth aspect of the present invention, in the spindle device according to any one of the first, second and fourth aspects, the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing are formed with a recess formed in a side wall of the spindle. , A through hole communicating with the recess and the fluid flow path, the through hole having a smaller diameter than the recess, and a throttle is arranged in the recess.
According to a sixth aspect of the present invention, in the spindle device according to the fifth aspect, the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing are supported by a fluid flowing out of the spindle from the fluid flow path through the through hole and the recess. It is characterized by that.
According to a seventh aspect of the present invention, in the spindle device according to any one of the first to sixth aspects, the fluid is a fluid whose temperature is controlled.
The design method of the spindle device according to the present invention is characterized in that the rated output, the rated rotation speed, the rigidity of the journal and the thrust hydrostatic bearing are determined as basic specifications of the spindle, and the rated angular velocity and the motor integrated into the spindle are integrated. , And the flow rate of the fluid is determined by (Equation 22) from this and the dimensions of each part of the spindle.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The spindle device according to the first embodiment of the present invention includes an axially extending fluid passage formed at the center of the spindle, a fluid inflow port communicating with the fluid passage, and a fluid communicating with the fluid passage. By providing the outflow port, the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing that are connected to the fluid flow path and support the spindle, the motor unit using fluid and the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing can be arranged in parallel. . Therefore, there is no friction or mechanical backlash required for the spindle device used for machine tools that perform high-precision machining, there is no seizure even at high speed rotation, and mechanical vibration transmission elements such as belts and pulleys Can meet all the conditions. Further, it is possible to obtain a small, simple and high-performance spindle device in which the motor unit, the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing are organically integrated.
According to the second embodiment of the present invention, since the motor unit, the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing are arranged in parallel to the flow of the fluid in the spindle device according to the first embodiment, the design is improved. And the performance of the spindle can be enhanced.
According to the third embodiment of the present invention, in the spindle device according to the second embodiment, since a plurality of outflow paths of the outflow port portion are formed, a fluid motor having a high rotation speed can be easily realized. it can.
According to the fourth embodiment of the present invention, in the spindle device according to the first or second embodiment, the path of the fluid flowing from the fluid inflow port is branched into two at the fluid flow path portion. Hydrostatic bearings can be provided on both sides. Therefore, stable high-precision support by the hydrostatic bearing becomes possible.
According to a fifth embodiment of the present invention, there is provided a spindle device according to the first, second or fourth embodiment, wherein the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing are formed in a recess formed in a side wall of the spindle; It has a through-hole smaller than the recess communicating with the fluid flow path, and a throttle is arranged in this recess, so that the recess and the throttle can be easily processed and maintenance such as when the throttle is clogged is performed. It will be easier. Also, the diameter of the aperture can be freely changed by changing the parts of the aperture.
According to the sixth embodiment of the present invention, in the spindle device according to the fifth embodiment, since the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing are supported by the fluid flowing through the motor section, the belt and the like are shared while sharing the fluid. The spindle can be supported by a stable high-precision hydrostatic bearing that does not require any mechanical transmission element.
According to the seventh embodiment of the present invention, in the spindle device according to the first to sixth embodiments, the fluid can be cooled simultaneously with driving the spindle device by using a fluid whose temperature is controlled.
The design method of the spindle device according to the eighth embodiment of the present invention is that the rated output, the rated rotation speed, the rigidity of the journal and the thrust hydrostatic bearing are determined as the basic specifications of the spindle, and the spindle is integrated with the rated angular velocity and the spindle. The motor's rated torque is determined and the flow rate of the fluid is determined from this and the dimensions of each part of the spindle according to (Equation 22). Therefore, the spindle is designed to maximize the efficiency of the spindle as far as it can be processed and assembled. can do.
[0008]
【Example】
Hereinafter, a spindle device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a spindle device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating an internal structure of the spindle in FIG. A casing 2 in which a motor 1 is incorporated, a journal hydrostatic bearing 3 and a thrust hydrostatic bearing 4 are supported by a casing 5. A hole is formed in the center of the spindle 2 so as to extend in the axial direction to form a fluid flow path 21, and the end is plugged with a plug 22.
The motor 1 includes an inflow port 6 through which fluid such as water supplied from an external pump or a compressor (not shown) flows into the spindle 2 and an outflow port 7 through which fluid flows out of the spindle 2 to the outside. The outflow port 7 is provided in a pair on both sides of the inflow port 6, and the path of the fluid flowing from the inflow port 6 is branched into two along a flow path 21 extending in the spindle 2 in the spindle direction. Outflow from 7.
[0009]
FIG. 3 shows a sectional view of the outflow port 7.
A fluid channel 21 is formed in the center of the spindle 2, and an outflow channel 71 extends from the channel 21 to the outside of the spindle 2. The outflow channel 71 is composed of a thin tube portion 72 extending in the radial direction from the flow channel 21 and a route 73 extending substantially perpendicularly from the thin tube portion 72, and may be formed at one location in the outflow port 7 portion, but the number of rotations is increased. Therefore, it is preferable to provide a plurality of locations. FIG. 3 shows a case where three portions are provided. The angle or shape of the outflow channel 71 need not be a right angle or a straight line, but may be any shape as long as the angular momentum of the fluid changes when the fluid flows in the outflow channel 71. It may be along a simple curve.
The thin tube portion 72 is formed by penetrating the flow path 21 in the radial direction from the outer periphery of the spindle 2 toward the center and by drilling so as not to penetrate to the opposite side of the spindle 2. Then, a path 73 is pierced from the outside of the spindle 2 to communicate with the thin tube portion 72. Thereafter, a plug 74 is inserted into a hole formed on the outer peripheral surface of the spindle 2 and the plug is stopped so that this portion does not become a flow path.
A thrust hydrostatic bearing 4 is formed outside the outflow port 7 in the spindle axial direction. The thrust hydrostatic bearing 4 partially extends the side wall of the spindle 2 in the radial direction, and a recess 45 is formed in the extension portion 41 so as to communicate with the recess 45 and a through hole 42 smaller in diameter than the recess 45 is formed. Is provided with an aperture 43 and a plug 44.
The journal hydrostatic bearing 3 is formed further outside the outflow port 7 in the spindle axial direction. The journal hydrostatic bearing 3 communicates with the recess 35 and the recess 35 from the side wall of the spindle 2 to form a through hole 32 having a smaller diameter than the recess 35, and a throttle 33 and a plug 34 are arranged in the recess 35. The journal hydrostatic bearing 3 is preferably formed on both sides of the motor 1.
[0010]
Next, the operation will be described.
The fluid that has flowed in from the inflow port 6 branches in two directions in the flow path 21 at the center of the spindle 2, and further branches into two near the outflow port 7, and a part of the fluid flows from the outflow flow path 71 to the spindle 2. Spill outside. At this time, the fluid bends and flows out of the thin tube portion 72 of the outflow channel 71 into the thin tube portion 73, so that the angular momentum of the fluid changes, and accordingly, a torque for rotating the spindle 2 is generated, thereby functioning as a motor. . This motor function can generate torque every time a fluid flows out of the outflow channel 71. The rotation of the spindle 2 can be adjusted by the number of the outflow channels 71 and the flow rate of the fluid.
The other fluid branched near the outflow port 7 is further branched into two near the thrust hydrostatic bearing 4, one of which is supplied to the thrust hydrostatic bearing 4 and supports the spindle 2 in the thrust direction. Spill outside. The other is supplied to the journal static pressure bearing 3 to support the spindle 2 in the journal direction, and flows out of the spindle 2.
[0011]
As described above, in the present invention, the motor 1, the journal hydrostatic bearing 3, and the thrust hydrostatic bearing 4 are arranged in parallel to the flow of the fluid. Therefore, by controlling the flow rate of the fluid, an optimal flow rate can be supplied to the motor 1, the journal hydrostatic bearing 3, and the thrust hydrostatic bearing 4, and the performance of the spindle device can be improved.
Further, since the spindle rotates at high speed by the motor function, the pressure distribution on the bearing surface is made uniform, and there is no difference in bearing performance depending on the direction of load.
Further, since the recess 35 of the journal hydrostatic bearing 3 and the recess 45 of the thrust hydrostatic bearing 4 are arranged on the spindle 2, the recess can be processed at the time of processing the spindle 2, and the recess can be easily processed. . Further, since the

apertures

33 and 43 are formed of a component different from the spindle 2 and inserted into each of the

recesses

35 and 45, machining of the

apertures

33 and 43 is easy, and the

apertures

33 and 43 are clogged. In such a case, the replacement is easy, so that the maintenance is easy. Also, by changing the components of the

apertures

33 and 43, the aperture diameter can be freely changed.
The fluid supplied to the spindle 2 is optimally water, but other fluids such as air and oil can be used. Since the fluid flows on the outer periphery and the inside of the spindle 2, the temperature change of the spindle 2 can be made constant by controlling the temperature of the fluid. Therefore, thermal expansion of the spindle 2 can be minimized, and machining errors caused by thermal expansion can be eliminated.
[0012]
The rotation speed and torque output of the spindle device can be freely changed according to the flow rate of the fluid. FIG. 4 shows the characteristics of the rotation speed and the torque when the flow rate of the fluid is changed. When the flow rate is 20 liters / minute, a torque of 50 mNm is obtained at a rotation speed of 2000 rpm, and a torque of 25 mNm is obtained at a rotation speed of 5000 rpm. At a flow rate of 36 l / min, a torque of 140 mNm is obtained at a rotation speed of 5000 rpm, and a torque of 80 mNm is obtained at a rotation speed of 10,000 rpm.
FIG. 5 shows the characteristics of the rotation speed and the output when the flow rate of the fluid is changed, and FIG. 6 shows the characteristics of the rotation speed and the efficiency. When the flow rate is 20 liters / minute, a maximum output of 30 W and an efficiency of 5% are obtained at a rotation speed of 3800 rpm, and when the flow rate is 36 liters / minute, a maximum output of 90 W and an efficiency of 6.3% are obtained at a rotation speed of 8500 rpm. At this time, the rigidity of the hydrostatic bearing with respect to the flow rate is as shown in FIG. 7, and when the flow rate is in the range of 20 to 36 l / min, the journal hydrostatic bearing 3 has a rigidity of 45 to 125 N / μm, and the thrust hydrostatic bearing 4 has a rigidity of 23 to 23 N / μm. ６０60 N / μm, which indicates that the support is accurate. From these results, as the basic specifications of the spindle, a spindle having a rated output of 50 W, a rated rotation speed of 10,000 rpm, and a rated flow rate of 31.5 liter / min can be obtained.
The rotational speed of the spindle is substantially proportional to the flow rate of the supplied fluid as shown in FIG. 4 if the load on the spindle is constant, but the rotational speed changes when the load changes. In this case, the rotational speed of the spindle is measured to keep the rotational speed of the spindle constant, and the flow rate of the fluid is feedback-controlled by the control valve, whereby stable rotational characteristics can be obtained.
Although water has been described as an example of the fluid in the above description, a gas such as air or a liquid such as oil can be used.
Also, a case has been described in which the flow path has a shape in which the angular momentum of the fluid changes when the fluid flows into the fluid outflow port, but the angular momentum of the fluid changes when the fluid flows in the fluid inflow port. You may.
[0013]
Next, a method of designing a spindle device according to the present invention will be described.
First, a theoretical expression representing the performance of the motor will be described.
FIG. 8 is a view for explaining the dimensions of the outflow port 7 and corresponds to FIG. However, FIG. 8 shows an example in which four outflow channels 71 are formed. In FIG. 8, the diameter of the spindle 2 is R ₁ , The diameter of the fluid flow path 21 is R ₂ , The length of the thin tube portion 72 _m2 , The length of the thin tube portion 73 is l _m1 , The length from the center of the spindle 2 to the center of the thin tube portion 73 is l _m3 , Diameter d _m The cross-sectional area of the outflow channel 71 of A _m , And the angular velocity of the motor is ω.
When water at the flow rate q flows through one of the outflow channels 71, a steady state of the spindle 2 is considered. At this time, the motor torque T _l Is represented by (Equation 2).
[0014]
(Equation 2)

[0015]
Here, n is the number of flow channels 71 per one section provided at two sections of the spindle 2, ρ is the density of the fluid, and μ is the viscosity of the fluid.
Except for the outflow passage 71 and the restriction in the journal and the thrust hydrostatic bearing, the passage provided inside the spindle is made as large as possible so as not to cause a large pressure loss. Therefore, it is considered that the pressure loss of the fluid in the spindle 2 occurs in the outflow channel 71 and the respective hydrostatic bearings.
From the viewpoint of spindle efficiency, the design is made such that the flow rate flowing through each hydrostatic bearing is sufficiently smaller than the flow rate passing through the outflow channel 71 for generating torque. In this case, the pressure loss of the fluid in the spindle 2 may be considered to occur in the outflow channel 71. The pressure at the inflow port 6 is p _s , The flow rate q flowing through the outflow channel 71 is given by (Equation 3). Here, κ is represented by (Equation 4).
[0016]
[Equation 3]

[0017]
(Equation 4)

[0018]
Here, λ is the coefficient of friction of the pipe of the outflow channel 71, and is expressed by the Reynolds number Re as (Equation 5), (Equation 6), and (Equation 7). Also, ζ ₁ Is the loss factor due to the contraction of the conduit in the outflow channel 71, ζ ₂ Represents a loss coefficient due to bending in the outflow channel 71.
[0019]
(Equation 5)

[0020]
(Equation 6)

[0021]
(Equation 7)

[0022]
Fluid flowing from the inflow port 6 of the spindle 2 to the space between the spindle 2 and the casing 5 without flowing in the spindle 2 becomes a leak that is not effectively used for the operation of the spindle 2. This is q _l Expressed by, q _l Is given by (Equation 8).
[0023]
(Equation 8)

At this time, the flow rate Q supplied to parts other than the hydrostatic bearing _m Is given by (Equation 9).
[0024]
(Equation 9)

[0025]
Next, a theoretical expression representing the performance of the journal and the thrust hydrostatic bearing will be described. Load capacity W in journal bearing _j Is expressed as (Equation 10). Where Ω is the dimensionless load capacity, B is the length of the journal bearing, D is the spindle diameter, and D = 2R ₁ It is.
[0026]
(Equation 10)

[0027]
Stiffness K per journal bearing _j Is expressed as (Equation 11). In (Equation 11), Γ is dimensionless rigidity, h _j Is the average clearance in the journal bearing.
[0028]
(Equation 11)

[0029]
Flow rate Q flowing through one journal bearing _j And supply pressure p _s Is represented by (Equation 12).
[0030]
(Equation 12)

[0031]
In (Equation 12), Θ _j Is a coefficient representing pressure / flow rate characteristics in the journal bearing. Note that Ω, Γ, Θ in (Equation 10), (Equation 11), and (Equation 12) _j Is the characteristic value of the hydrostatic bearing obtained from the numerical calculation result of the Reynolds equation, and if the number of recesses and the eccentricity of the shaft are determined, the land width ratio L _j / B and the bearing shape ratio B / D. L _j Is the land width.
On the other hand, the capillary constant k of the capillary restrictor provided in the bearing _cj Is given by (Equation 13). Where n _j Is the number of recesses in each journal bearing, u _cj Is called an aperture parameter and is defined by (Equation 14). The throttle parameter is a constant that relates the recess pressure to the supply pressure, where u _cj = 1. This means that the recess pressure is reduced to half of the supply pressure.
[0032]
(Equation 13)

[0033]
[Equation 14]

[0034]
Capillary constant k obtained by (Equation 13) _cj From equation (15), the length l of the capillary restrictor is given by _cj And aperture diameter d _cj Is given.
[0035]
(Equation 15)

[0036]
Next, a relational expression representing characteristics of the thrust hydrostatic bearing will be described. In the design of the thrust bearing, as in the case of the journal bearing, the throttle parameter of the capillary throttle incorporated in the thrust bearing is set to 1.
First, the thrust bearing rigidity K _th Is given by (Equation 16). Where Π _th Is the area coefficient, h _th Is the clearance of the thrust bearing, A _pth Is the area of the bearing surface and is represented by (Equation 17). In (Equation 17), α is a bearing radius ratio, and α = R ₁ / R _th It is.
[0037]
(Equation 16)

[0038]
[Equation 17]

[0039]
Next, the flow rate Q flowing out on both sides of the thrust hydrostatic bearing _th Is represented by (Equation 18). Where Θ _th Is a coefficient for expressing the pressure / flow rate characteristics on the thrust bearing surface. Note that Π _th And Θ _th Is the bearing radius ratio α and the land width ratio β = C _L / (R _th -R ₁ ). C _L Is the land width of the thrust bearing. At this time, _th And Θ _th Is Ω, Γ, Θ _j Is obtained from the numerical calculation result of the Reynolds equation.
[0040]
(Equation 18)

[0041]
Capillary constant k of thrust hydrostatic bearing _cth Is represented by (Equation 19). Also, the capillary length and the throttle diameter d in the thrust hydrostatic bearing portion _cth Is given by (Equation 20).
[0042]
[Equation 19]

[0043]
(Equation 20)

[0044]
Next, a method of designing the spindle 2 using the above-described theoretical formula of the spindle will be described. In the following description, the rated output P _r , Rated speed N _r , Journal and thrust hydrostatic bearing rigidity K _jr , And K _thr And a method of designing the spindle 2 so as to maximize the efficiency of the spindle within a range where the machining and the assembly of the spindle 2 is possible.
First, the basic specifications of the spindle 2 to be designed are determined. At this time, the rated angular velocity ω _r And the rated torque T of the motor integrated into the spindle 2 _r Is required. These are expressed as ω and T in (Equation 2). _l Then, the flow rate q required to obtain the required motor performance is obtained by (Equation 21). That is, the required flow rate q is as shown in (Equation 22). Where α ₀ , Β ₀ And γ ₀ Are represented by (Equation 23), (Equation 24) and (Equation 25), respectively.
[0045]
(Equation 21)

[0046]
(Equation 22)

[0047]
[Equation 23]

[0048]
(Equation 24)

[0049]
(Equation 25)

[0050]
In order to calculate (Equation 22), the dimensions of each part of the spindle such as the radius and length of the spindle 2 are required. The dimensions of each part of the spindle are represented as follows. First, l ₁ = CR ₁ And the possible value of c is determined so as to satisfy all the following conditions.
(1) Length l of the thin tube portion 73 _m1 Is the diameter d of the thin tube section 73 _m More than twice. That is, (Equation 26) is satisfied.
[0051]
(Equation 26)

(2) Due to processing restrictions, the distance from the wall surface of the thin tube portion 73 to the outer peripheral surface of the spindle is 1 mm or more, that is, (Equation 27) is satisfied.
[0052]
[Equation 27]

[0053]
At this time, l _m2 Is the capillary diameter d _m Twice as large as In this case, the flow path radius R provided at the center of the spindle ₂ Is represented by (Equation 28).
[0054]
[Equation 28]

[0055]
Further R ₂ With regard to (2), the condition of (Equation 29) is set so that the flow velocity of the fluid flowing through this flow path does not become higher than the flow velocity of the thin tube portion 73. At this time, the pressure p of the water supplied to the spindle 2 _s Becomes (Equation 30).
[0056]
(Equation 29)

[0057]
[Equation 30]

[0058]
Also, the leak flow rate q _l Is p obtained by (Equation 30) _s Is substituted into (Equation 8).
Next, Ω, Γ, Θ of the journal bearing under given conditions _j Ask for. From this result, the load capacity W of the journal bearing _j And rigidity K _j Is the gravity acting on the spindle 2 and the rated rigidity K given by the specifications. _jr Make sure it is bigger than. Also, p _s Is substituted into (Equation 12) to obtain the flow rate Q flowing out of the journal hydrostatic bearing. _j Is required. In addition, the length l of the capillary restrictor _cj Is 1 mm. At this time, the required aperture diameter d _cj Is calculated from (Equation 13) to (Equation 15).
Thrust bearings are also Γ and Θ _th And calculate the thrust bearing rigidity K _th Ask for. At this time, K _th Is the rated rigidity K _thr Make sure it is bigger than.
Furthermore, p _s Is substituted into (Equation 18) to determine the flow rate flowing out of the thrust hydrostatic bearing. As with journal bearings, the length of the capillary restriction l _cth Is 1 mm. At this time, the required aperture diameter d _cth Is calculated from (Equation 19) and (Equation 20). At this time, the flow rate Q flowing through the entire spindle _t Is given by (Equation 31). Therefore, the efficiency of the spindle 2 is given by (Equation 32).
[0059]
[Equation 31]

[0060]
(Equation 32)

[0061]
The capacity P of the cooling device _c Is obtained from (Equation 33).
[0062]
[Equation 33]

[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention, a spindle device used for a machine tool that performs high-precision machining does not have friction or mechanical backlash, has a static pressure bearing that does not seize even at high speed rotation, and has a belt or pulley. A spindle device without such a mechanical vibration transmission element and capable of cooling the spindle device itself can be realized.
Further, since the arrangement of the hydrostatic bearing and the motor is arranged in parallel with the flow of the fluid, the design is easy and the performance of the spindle can be enhanced.
Further, since the recess of the hydrostatic bearing is provided on the spindle side, it is possible to average changes in the bearing rigidity due to the direction. Therefore, high support accuracy can be obtained regardless of the direction of the journal load.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a spindle device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating the internal structure of the spindle device in FIG.
FIG. 3 is a sectional view of an outflow port of the spindle device in FIG. 1;
FIG. 4 is a characteristic diagram of the number of rotations and the torque when the flow rate of the fluid of the spindle device in one embodiment of the present invention is changed.
FIG. 5 is a characteristic diagram of the rotation speed and the output when the flow rate of the fluid of the spindle device is changed in one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram of the number of revolutions and the efficiency when the flow rate of the fluid of the spindle device is changed in one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a characteristic diagram of rigidity with respect to flow rate of a hydrostatic bearing of a spindle device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view for explaining a design method of the spindle device according to the present invention, and is a cross-sectional view of an outflow port portion of the spindle device.
[Explanation of symbols]
1 motor
2 spindle
3 Journal hydrostatic bearing
4 Thrust hydrostatic bearing
5 Casing
6 Inflow port
7 Outflow port
21 Channel
22, 34, 44, 74 plug
32 42 Through hole
33, 43 aperture
35, 45 recess
41 Extension
71 Outflow channel
72, 73 Thin tube section

Claims

An axially extending fluid flow path formed at the center of the spindle, a fluid inflow port communicating with the fluid flow path, a fluid outflow port communicating with the fluid flow path, and the spindle connected to the fluid flow path A spindle device comprising a thrust hydrostatic bearing and a journal hydrostatic bearing for supporting the shaft.

The fluid outflow port or the fluid inflow port has an outflow path having a shape in which the angular momentum of the fluid changes when the fluid flows, and the fluid inflow port and the fluid outflow port and the fluid flow path therebetween. 2. The spindle device according to claim 1, wherein the motor unit is formed by: and the motor unit, the thrust hydrostatic bearing, and the journal hydrostatic bearing are arranged in parallel to the flow of the fluid. .

The spindle device according to claim 2, wherein a plurality of the outflow passages of the fluid outflow port are formed.

The path of the fluid flowing from the fluid inflow port is branched into two at the fluid flow path portion, one of the paths is in communication with the fluid outflow port, the thrust static pressure bearing, and the journal static pressure bearing, and the other path is the 3. The spindle device according to claim 1, wherein the spindle device communicates with a fluid outflow port and the journal hydrostatic bearing.

The thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing have a recess formed in a side wall of the spindle, a through hole communicating with the recess and the fluid flow path, and having a smaller diameter than the recess. The spindle device according to any one of claims 1, 2 and 4, wherein

The spindle according to claim 5, wherein the thrust hydrostatic bearing and the journal hydrostatic bearing are supported by a fluid flowing out of the spindle from the fluid flow passage through the through hole and the recess. apparatus.

The spindle device according to any one of claims 1 to 6, wherein the fluid is a fluid whose temperature is controlled.

Determine the rated output, the rated speed, the rigidity of the journal and the thrust hydrostatic bearing as the basic specifications of the spindle, determine the rated angular velocity and the rated torque of the motor integrated into the spindle. A method for designing a spindle device, wherein a flow rate of a fluid is determined by the following.