JP2007061960A - 主軸を気体軸受で支承する主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 主軸に設けられた重量物の重量アンバラスを相殺するバランス力を主軸に作用させることにより、主軸を水平状態を保持して高精度に回転可能に気体軸受で支承する主軸装置を提供する。
【解決手段】 主軸に工作物等を取り付けることにより主軸に設けられた重量物に重量アンバラスが生じると、主軸が傾斜し回転精度が低下するが、本発明では、バランス力付与装置がかかる重量アンバラスを相殺するバランス力を主軸に作用させるので、主軸は、水平状態を保持して極めて高い回転精度で、かつスラスト方向に変位することなく気体軸受によって回転可能に支承され、電気モータにより回転駆動される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作物が着脱され電気モータにより回転駆動される主軸が気体軸受で支承された主軸装置に関するものである。

工作物が取り付けられる主軸を静圧気体軸受で支承する主軸装置は広く知られており、特許文献１に記載された主軸装置では、特許文献１の図１に示されるように、主軸１にラジアルシャフトとスラストプレート２が設けられ、ラジアルシャフトが軸受スリーブ４，５に設けられたラジアル静圧気体軸受７，８により半径方向に支承され、スラストプレート２がこれを両面から挟み込む軸受スリーブ５，６に設けられたスラスト静圧気体軸受９，１０によりスラスト方向に支承されている。電気モータのロータ１１がスラストプレート２の後方に突設され、ステータ１２がハウジングに固定されている。

特許文献１に記載された主軸装置では、軸受スリーブ４，５および６を設けるので、軸受および主軸の長さが長くなり、軸受の構造が複雑、大型化し、高精度を確保するための調整に長時間を要する問題があった。

かかる問題を解消するために、特許文献２に記載された主軸装置では、特許文献２の図１に示されるように、主軸３にラジアルシャフトと該ラジアルシャフトの両端部に半径方向に突設された一対のスラストプレート４が設けられ、軸受スリーブ２には、ラジアルシャフトをラジアル方向に支承するラジアル静圧気体軸受および一対のスラストプレート４の互いに対向する端面をスラスト方向に支承するスラスト静圧気体軸受が設けられている。
特開２００３−３０１８４１号公報（第４，５頁、図１） 特開２００１−４１２４２号公報（第３，４頁、図１）

上記特許文献１および２に記載された軸受装置は、主軸先端に工作物を取り付けると、工作物の重量により主軸が傾斜し回転精度が低下するとともに、スラスト方向に変位することがあった。特に、特許文献２に記載された軸受装置は、軸受の構造を簡素にして小型化することができる反面、工作物の重量により主軸が傾斜する傾向が大きい。

本発明は、主軸に設けられた重量物の重量アンバラスを相殺するバランス力を主軸に作用させることにより、主軸を水平状態を保持して高精度に回転可能に気体軸受で支承する主軸装置を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の構成上の特徴は、ハウジングに主軸がラジアル気体軸受およびスラスト気体軸受により回転可能に支承され、前記主軸に、工作物を保持する工作物保持装置および該主軸を回転駆動する電気モータのロータが設けられ、該モータのステータが前記ハウジングに固定された主軸装置において、前記主軸を水平状態に維持するために、前記主軸に設けられた重量物の重量アンバラスを相殺するように前記主軸に非接触でバランス力を作用させるバランス力付与装置を設けたことである。

請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、ハウジングに固定された軸受スリーブに主軸が回転可能に支承され、前記主軸はラジアルシャフトと該ラジアルシャフトの両端部に半径方向に突設された一対のスラストプレートとを有し、前記軸受スリーブには、前記ラジアルシャフトをラジアル方向に支承するラジアル気体軸受および前記一対のスラストプレートの互いに対向する端面をスラスト方向に支承するスラスト気体軸受が設けられ、前記主軸には、工作物を保持する工作物保持装置および該主軸を回転駆動する電気モータのロータが前記一対のスラストプレートの前方および後方で夫々設けられ、該モータのステータが前記ハウジングに固定された主軸装置において、前記主軸を水平状態に維持するために、前記主軸に設けられた重量物の重量アンバラスを相殺するように前記主軸に非接触でバランス力を作用させるバランス力付与装置を設けたことである。

請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１または２において、前記バランス力付与装置は、前記主軸を吸引する電磁石であることである。

請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１または２において、前記バランス力付与装置は、前記主軸を支持する静圧気体軸受であることである。

請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記主軸の変位を検出する変位センサを設け、前記バランス力付与装置は、前記変位センサにより検出された主軸の変位量に基づいて前記主軸にバランス力を作用させることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、主軸は、ラジアル気体軸受およびスラスト気体軸受により回転可能に支承される。そして、主軸に工作物等を取り付けることにより主軸に設けられた重量物に重量アンバラスが生じると、主軸が傾斜し回転精度が低下するが、本発明では、バランス力付与装置がかかる重量アンバラスを相殺するバランス力を主軸に作用させるので、主軸は、水平状態を保持して極めて高い回転精度で、かつスラスト方向に変位することなく気体軸受によって回転可能に支承され、電気モータにより回転駆動される。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、主軸は、そのラジアルシャフトおよび該ラジアルシャフトの両端部に設けられた一対のスラストプレートの互いに対向する端面で、ラジアル気体軸受およびスラスト気体軸受により回転可能に支承されているので、軸受の構造を簡素にして小型化することができる。そして、主軸に工作物等を取り付けることにより主軸に設けられた重量物に重量アンバラスが生じると、主軸が傾斜し回転精度が低下するが、本発明では、バランス力付与装置がかかる重量アンバラスを相殺するバランス力を主軸に作用させるので、主軸は、水平状態を保持して極めて高い回転精度で、かつスラスト方向に変位することなく気体軸受によって回転可能に支承され、電気モータにより回転駆動される。

上記のように構成した請求項３に係る発明によれば、電磁石により主軸を吸引することにより、重量アンバラスを相殺するバランス力を主軸に作用させるので、構成が簡素で安価なバランス力付与装置により主軸を水平状態に保持することができる。

上記のように構成した請求項４に係る発明によれば、静圧気体軸受により主軸を支持することにより、重量アンバラスを相殺するバランス力を主軸に作用させるので、気体軸受をバランス力付与装置として追加するだけで主軸を水平状態に保持することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明によれば、バランス力付与装置は、変位センサにより検出された主軸の変位量に基づいて主軸にバランス力を作用させるので、主軸を高精度に水平状態に保持することができる。

以下、本発明に係る主軸を静圧気体軸受で支承する主軸装置の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、レンズやレンズ用の金型を加工する超精密加工装置に装備される主軸装置１は、ハウジング２に固定された軸受スリーブ３に主軸４がラジアル静圧気体軸受５およびスラスト静圧気体軸受６により回転可能に支承されている。主軸４はラジアルシャフト７と該ラジアルシャフト７の両端部に半径方向に突設された一対のスラストプレート８，９とを有している。ラジアルシャフト７をラジアル方向に支承するラジアル静圧気体軸受５および一対のスラストプレート８，９の互いに対向する端面８ａ，９ａをスラスト方向に支承するスラスト静圧気体軸受６は、軸受スリーブ３の内周面３ａおよび両端面３ｂに形成されている。

即ち、ラジアルシャフト７と軸受スリーブ３の内周面３ａとの間には、微小なラジアル軸受隙間が設けられ、一対のスラストプレート８，９の端面８ａ，９ａと軸受スリーブ３の両端面３ｂとの間には、微小なスラスト軸受隙間が設けられている。軸受スリーブ３には、内周面３ａに開口するラジアル軸受用ノズル１０および両端面３ｂに開口するスラスト軸受用ノズル１１が設けられ、ノズル１０，１１は給気穴を介して一定圧力の気体を供給する気体源１２に接続されている。気体源１２から供給される気体がラジアル軸受用およびスラスト軸受用ノズル１０，１１から噴射されて、ラジアル軸受隙間およびスラスト軸受隙間に気体膜が形成され、この気体膜によりラジアルシャフト７およびスラストプレート８，９はラジアル方向およびスラスト方向に支承される。このようにして主軸４は、ラジアル静圧気体軸受５およびスラスト静圧気体軸受６によりハウジング２に回転可能に支承される。

主軸４には中心穴１３が貫通して穿設され、一対のスラストプレート８，９の両外端面に開口している。１５は主軸４を回転駆動する電気モータ１４のロータ１６が設けられた回転軸で、その前端面に突設された位置決め突起が中心穴１３に嵌合され、フランジ部で後側スラストプレート９の後端面に固定されている。電気モータ１４のステータ１７は、ロータ１６の外周でハウジング２の内孔に固定されている。ハウジング２の後端面には回転検出器１８が固着され、その入力軸が回転軸１５の後端に連結されている。

１９は工作物Ｗを保持する工作物保持装置で、その後端面に突設された位置決め突起が中心穴１３に嵌合され、フランジ部で前側スラストプレート８の前端面に固定されている。工作物保持装置１９としては、真空吸引力で工作物を吸着する周知の真空チャックやボルトによる固定などの方法が用いられる。

前側スラストプレート８の外周面８ｂは主軸４と同軸に形成され、この外周面８ｂと上方から対向する電磁石２０が軸受スリーブ３に固定されたハウジング２のフロント部２ｆに固定されている。主軸４を水平状態に維持するために、主軸４に設けられた重量物の重量アンバラスを相殺するように主軸４に非接触でバランス力を作用させるバランス力付与装置として機能する電磁石２０は、主軸４に設けられた回転軸１５、工作物保持装置１９および工作物Ｗ等の重量物の重量アンバラスを相殺するように、主軸４を吸引して主軸４を水平状態に維持する。２１は主軸４の変位を測定する変位センサで、ハウジング２の前端部上方に前側スラストプレート８の外周面８ｂに対向して設けられている。２２は、主軸４に設けられた重量物の重量アンバランスに応じた吸引力を電磁石２０に発生させて主軸４を水平状態に維持するために、電磁石２０に供給する電流およびそのときの主軸４の中心位置からの目標変位量δｔを演算し、変位センサ２１により測定された主軸４の変位量δが目標変位量δｔとなるように電磁石２０に供給される電流をフィードバック制御する制御装置である。制御装置２２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置および入出力装置等を有するコンピュータを主体に構成されている。

次に、上記実施形態の作動について説明する。図２に示すように、ロータ１６と回転軸１５との重量Ｗ１に、その重心のラジアル静圧気体軸受５の中心Ｏからの距離Ｌ１を乗じたモーメントＭ１から、工作物保持装置１９の重量Ｗ２に、その重心のラジアル静圧気体軸受５の中心Ｏからの距離Ｌ２を乗じたモーメントＭ２を減じた差モーメントＭｄが求められ、この差モーメントＭｄを相殺するために主軸４に作用させる電磁石２０の基礎吸引力Ｗｏが、差モーメントＭｄをラジアル静圧気体軸受５の中心Ｏと電磁石２０の中心との間の距離Ａで除して求められる。この基礎吸引力Ｗｏおよびラジアル静圧気体軸受５の軸受剛性ｋが制御装置２２に記憶されている。なお、ロータ１６が設けられた回転軸１５および工作物保持装置１９が主軸４に固定された状態で、主軸４にラジアル静圧気体軸受５の中心Ｏ回りに作用する時計方向および反時計方向のモーメントが等しい場合、差モーメントＭｄ延いては基礎吸引力Ｗｏは０となる。

実際の工作物Ｗが工作物保持装置１９によって主軸４の先端に取り付けられると、図３に示すように、この工作物Ｗの形状寸法および質量が制御装置２２に入力される（ステップＳ１）。制御装置２２は、工作物Ｗの形状寸法および質量に基づいて工作物Ｗの重量Ｗｗおよび重心位置Ｌｗを演算する（ステップＳ２）。工作物Ｗが工作物保持装置１９に保持されたときの工作物Ｗの重心のラジアル静圧気体軸受５の中心Ｏからの距離Ｌｒが工作物Ｗの重心位置Ｌｗから演算され、工作物Ｗの重量Ｗｗに距離Ｌｒが乗算されて工作物モーメントＭｒが演算される（ステップＳ３）。

この工作物モーメントＭｒが、ラジアル静圧気体軸受５の中心Ｏと電磁石２０の中心との間の距離Ａで除され、主軸４に装着された工作物Ｗによる重量アンバラスを相殺するために主軸４に作用させる電磁石２０の吸引力Ｗｒが演算される。そして、電磁石２０の基礎吸引力Ｗｏと工作物吸引力Ｗｒが加算され、主軸４に設けられた重量物の重量アンバランスを相殺するように主軸４に非接触で作用する電磁石２０の総吸引力Ｗｃがバランス力として演算される（ステップＳ５）。そして、総吸引力Ｗｃを発生するために電磁石２０に供給する電流が演算される（ステップＳ６）。このときの主軸４の変位量は、主軸４の重量Ｗｓ、回転軸１５とロータ１６との重量Ｗ１、工作物保持装置１９の重量Ｗ２、工作物Ｗの重量Ｗｗおよび電磁石２０の総吸引力Ｗｃの合計重量をラジアル静圧気体軸受５の軸受剛性ｋで除して目標変位量δｔとして演算される（ステップＳ７）。

制御装置２２は、変位センサ２１により測定された主軸４の変位量δが目標変位量δｔとなるように電磁石２０に供給される電流をフィードバック制御するので、工作物保持装置１９により工作物Ｗが取り付けられた主軸４は、該主軸４に設けられた重量物の重量アンバラスを相殺する吸引力Ｗｃで電磁石２０により吸引され、水平状態に高剛性で維持される（ステップＳ８）。

上記実施の形態では、主軸４の変位量δを変位センサ２１で測定し、測定された変位量δが目標変位量δｔとなるようにフィードバック制御しているが、主軸４を水平状態に維持するために、主軸４を吸引する電磁石２０の吸引力Ｗｃを上述のように演算し、この吸引力Ｗｃを発生するための電流を電磁石２０に供給するようにしてもよい。この場合、変位センサ２１は不要となる。

上記実施の形態では、電磁石２０は、前側スラストプレート８の外周面８ｂと上方から対向するようにハウジング２のフロント部２ｆに固定されているが、後側スラストプレート９の外周面８ｂと下方から対向するようにハウジング２に固定されるようにしてもよい。

上記実施の形態では、主軸４を吸引する電磁石２０によりバランス力付与装置が構成されているが、前側スラストプレート８の外周面８ｂの下面部分と対向する軸受面を備えた軸受スリーブがハウジング２の前端面下方部分に固定され、この軸受面に開口する複数のノズルから噴出される圧縮エアにより主軸４を支持する静圧気体軸受によってバランス力付与装置が構成されるようにしてもよい。

上記実施の形態では、気体軸受として、静圧気体軸受を用いた例で説明しているが、これに限ったものではなく、例えば、動圧気体軸受を用いたものでも構わない。

本実施の形態に係る主軸を静圧気体軸受で支承する主軸装置の縦断面図。 主軸に設けられた重量物によるモーメントを示す図。 主軸にバランス力を作用させる制御プログラムを示す図。

符号の説明

１…主軸装置、２…ハウジング、３…軸受スリーブ、３ａ…軸受スリーブの端面、４…主軸、５…ラジアル静圧気体軸受、６…スラスト静圧気体軸受、７…ラジアルシャフト、８，９…スラストプレート、１０，１１…ノズル、１２…気体源、１４…電気モータ、１５…回転軸、１６…ロータ、１９…工作物保持装置、２０…電磁石、２１…変位センサ、２２…制御装置。

Claims (5)

1. ハウジングに主軸がラジアル気体軸受およびスラスト気体軸受により回転可能に支承され、前記主軸に、工作物を保持する工作物保持装置および該主軸を回転駆動する電気モータのロータが設けられ、該モータのステータが前記ハウジングに固定された主軸装置において、
   前記主軸を水平状態に維持するために、前記主軸に設けられた重量物の重量アンバラスを相殺するように前記主軸に非接触でバランス力を作用させるバランス力付与装置を設けたことを特徴とする主軸を気体軸受で支承する主軸装置。
2. ハウジングに固定された軸受スリーブに主軸が回転可能に支承され、前記主軸はラジアルシャフトと該ラジアルシャフトの両端部に半径方向に突設された一対のスラストプレートとを有し、前記軸受スリーブには、前記ラジアルシャフトをラジアル方向に支承するラジアル気体軸受および前記一対のスラストプレートの互いに対向する端面をスラスト方向に支承するスラスト気体軸受が設けられ、前記主軸には、工作物を保持する工作物保持装置および該主軸を回転駆動する電気モータのロータが前記一対のスラストプレートの前方および後方で夫々設けられ、該モータのステータが前記ハウジングに固定された主軸装置において、
   前記主軸を水平状態に維持するために、前記主軸に設けられた重量物の重量アンバラスを相殺するように前記主軸に非接触でバランス力を作用させるバランス力付与装置を設けたことを特徴とする主軸を気体軸受で支承する主軸装置。
3. 請求項１または２において、前記バランス力付与装置は、前記主軸を吸引する電磁石であることを特徴とする主軸を気体軸受で支承する主軸装置。
4. 請求項１または２において、前記バランス力付与装置は、前記主軸を支持する静圧気体軸受であることを特徴とする主軸を気体軸受で支承する主軸装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、前記主軸の変位を検出する変位センサを設け、前記バランス力付与装置は、前記変位センサにより検出された主軸の変位量に基づいて前記主軸にバランス力を作用させることを特徴とする主軸を気体軸受で支承する主軸装置。
   

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