JP2007285386A - Air bearing spindle and control method of air bearing spindle - Google Patents

Air bearing spindle and control method of air bearing spindle Download PDF

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JP2007285386A JP2006112320A JP2006112320A JP2007285386A JP 2007285386 A JP2007285386 A JP 2007285386A JP 2006112320 A JP2006112320 A JP 2006112320A JP 2006112320 A JP2006112320 A JP 2006112320A JP 2007285386 A JP2007285386 A JP 2007285386A
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Shizuka Yamazaki
静 山崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air bearing spindle and a control method of the air bearing spindle, capable of improving detecting sensitivity of a workpiece. <P>SOLUTION: This air bearing spindle 1 has a housing 9 having hollow parts 6 and 11, a main spindle 5 rotatably arranged in the hollow parts 6 and 11, a thrust plate 7 fixed to the main spindle 5 and having a main surface having a normal in the axial direction, and a sensor 4 detecting information on displacement in the axial direction of the thrust plate 7. The thrust plate 7 is supported by thrust air bearings 21a and 21b to the housing 9, and the main spindle 5 is supported by a radial air bearing 22 to the housing 9. The housing 9 is constituted so as to be capable of independently controlling pressure of gas A1 introduced to the thrust air bearings 21a and 21b and pressure of gas A2 introduced to the radial air bearing 22. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、空気軸受スピンドルおよび空気軸受スピンドルの制御方法に関し、より特定的には、回転工具が取り付けられる主軸を空気軸受によって支える空気軸受スピンドルおよび空気軸受スピンドルの制御方法に関する。   The present invention relates to an air bearing spindle and an air bearing spindle control method, and more particularly to an air bearing spindle in which a main shaft to which a rotary tool is attached is supported by the air bearing and an air bearing spindle control method.

空気軸受スピンドルは、通常、ドリルなどの工具が着脱自在に装着された主軸を中空形状のハウジング内に回転可能に保持し、この主軸を空気軸受によりラジアル方向およびスラスト方向に非接触支持した構造を有している。空気軸受スピンドルは、回転時の振動が少なく高精度な回転を実現することができるため、プリント基板の穴開け加工や、溝の加工などに使用されている。   An air bearing spindle normally has a structure in which a main shaft on which a tool such as a drill is detachably mounted is rotatably held in a hollow housing, and the main shaft is supported in a non-contact manner in a radial direction and a thrust direction by an air bearing. Have. The air bearing spindle is used for drilling a printed circuit board, processing a groove, and the like because it can achieve high-precision rotation with little vibration during rotation.

空気軸受スピンドルを用いて小径の穴を開ける場合には、穴の径に合わせた小径の工具を使用する必要があるため、工具の強度が小さくなり、穴開け加工時に工具が折損しやすい。このため、工具に過負荷が加わることを防止したり、工具の折損を検出・予知したりするために、センサを用いて工具に加わる加工反力を検出する技術が提案されている。このような技術はたとえば特開平10−47349号公報(特許文献1)に開示されている。   When a small-diameter hole is drilled using an air bearing spindle, it is necessary to use a small-diameter tool that matches the diameter of the hole. Therefore, the strength of the tool is reduced, and the tool is easily broken during drilling. For this reason, in order to prevent an overload from being applied to the tool or to detect and predict a breakage of the tool, a technique for detecting a machining reaction force applied to the tool using a sensor has been proposed. Such a technique is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-47349 (Patent Document 1).

図16は、特許文献1に記載の静圧軸受スピンドルの構造を示す断面図である。図16を参照して、主軸101はスラスト空気軸受110およびラジアル空気軸受111によってハウジング103に対して非接触で支持されており、ハウジング103に設けられたモータ104によって回転駆動される。主軸101の図中右端にはスラスト板107が固定されており、スラスト板107の図中右側には変位センサ105が設けられている。主軸101の左端にはドリル106が取り付けられている。ハウジング103には互いに連通する注入孔108、通路102aおよび102bが設けられている。注入孔108および通路102aを通じてスラスト軸受隙間(スラスト板107とハウジング103との隙間)に圧縮空気が供給されており、注入孔108および通路102bを通じてラジアル軸受隙間(主軸101とハウジング103との隙間)に圧縮空気が供給されている。変位センサ105は主軸101の軸方向の変位を検出し、これによりドリル106に加わる加工反力が検出される。
特開平10−47349号公報
FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure of the hydrostatic bearing spindle described in Patent Document 1. Referring to FIG. 16, main shaft 101 is supported in a non-contact manner with respect to housing 103 by thrust air bearing 110 and radial air bearing 111, and is rotationally driven by motor 104 provided in housing 103. A thrust plate 107 is fixed to the right end of the main shaft 101 in the drawing, and a displacement sensor 105 is provided on the right side of the thrust plate 107 in the drawing. A drill 106 is attached to the left end of the main shaft 101. The housing 103 is provided with an injection hole 108 and passages 102a and 102b communicating with each other. Compressed air is supplied to the thrust bearing gap (the gap between the thrust plate 107 and the housing 103) through the injection hole 108 and the passage 102a, and the radial bearing gap (the gap between the main shaft 101 and the housing 103) through the injection hole 108 and the passage 102b. Is supplied with compressed air. The displacement sensor 105 detects the displacement of the main shaft 101 in the axial direction, thereby detecting the machining reaction force applied to the drill 106.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-47349

しかしながら、従来の空気軸受スピンドルには被加工物の検出感度が悪いという問題があった。この理由について以下に説明する。   However, the conventional air bearing spindle has a problem that the detection sensitivity of the workpiece is poor. The reason for this will be described below.

空気軸受スピンドルを用いて穴開け加工などを行なう際には、60000〜150000回転/分程度の高速で工具を回転させ、かつ高速でワークに工具を押し付ける。このため、1個の穴を加工する毎に大きなスラスト荷重がスピンドルに加わる。空気軸受スピンドルのスラスト空気軸受はこのスラスト荷重を受け得るだけの高剛性を有している必要がある。従来の空気軸受スピンドルにおいては、スラスト軸受隙間に圧縮空気を供給するための通路102aと、ラジアル軸受隙間に圧縮空気を供給するための通路102bとが連通しており、スラスト空気軸受およびラジアル空気軸受の両方に対して、同じ高圧力の圧縮空気が供給されていた。   When drilling or the like using an air bearing spindle, the tool is rotated at a high speed of about 60,000 to 150,000 revolutions / minute, and the tool is pressed against the workpiece at a high speed. For this reason, a large thrust load is applied to the spindle every time one hole is machined. The thrust air bearing of the air bearing spindle needs to have a high rigidity enough to receive this thrust load. In the conventional air bearing spindle, a passage 102a for supplying compressed air to the thrust bearing gap and a passage 102b for supplying compressed air to the radial bearing gap communicate with each other, and the thrust air bearing and the radial air bearing Both were supplied with the same high pressure compressed air.

一方で、スラスト軸受隙間に高圧力の圧縮空気が供給されると、圧縮空気の圧力によって主軸101の軸方向の移動が抑制されるので、ドリル106が加工反力を受けても主軸101の移動量が少ない。その結果、従来の空気軸受スピンドルには被加工物の検出感度が悪いという問題があった。   On the other hand, when high-pressure compressed air is supplied to the thrust bearing gap, the axial movement of the main shaft 101 is suppressed by the pressure of the compressed air. Therefore, even if the drill 106 receives a processing reaction force, the main shaft 101 moves. The amount is small. As a result, the conventional air bearing spindle has a problem of poor workpiece detection sensitivity.

したがって、本発明の目的は、被加工物の検出感度を向上することのできる空気軸受スピンドルおよび空気軸受スピンドルの制御方法を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an air bearing spindle and a method for controlling the air bearing spindle that can improve the detection sensitivity of a workpiece.

本発明における空気軸受スピンドルは、中空部分を有するハウジングと、中空部分に回転可能に配置される主軸と、主軸に固定され、軸方向の法線を有するスラスト面を有するスラスト部材と、スラスト部材の軸方向の変位に関する情報を検知するセンサとを備えている。スラスト部材はハウジングに対してスラスト空気軸受によって支持されており、かつ主軸はハウジングに対してラジアル空気軸受によって支持されている。スラスト空気軸受に導入する気体の圧力と、ラジアル空気軸受に導入する気体の圧力とを独立して制御可能であるようにハウジングが構成されている。   An air bearing spindle according to the present invention includes a housing having a hollow portion, a main shaft rotatably disposed in the hollow portion, a thrust member fixed to the main shaft and having a thrust surface having an axial normal line, and a thrust member And a sensor for detecting information on displacement in the axial direction. The thrust member is supported on the housing by a thrust air bearing, and the main shaft is supported on the housing by a radial air bearing. The housing is configured such that the pressure of the gas introduced into the thrust air bearing and the pressure of the gas introduced into the radial air bearing can be controlled independently.

本発明の空気軸受スピンドルによれば、検出感度を高めたい場合にはスラスト空気軸受に導入する気体の圧力を低く制御することにより、主軸およびスラスト部材の軸方向への移動が容易になる。その結果、加工反力が主軸に加わると主軸が大きく移動するようになり、被加工物の検出感度が向上する。   According to the air bearing spindle of the present invention, when it is desired to increase the detection sensitivity, the main shaft and the thrust member can be easily moved in the axial direction by controlling the pressure of the gas introduced into the thrust air bearing to be low. As a result, when a machining reaction force is applied to the main shaft, the main shaft moves greatly, and the detection sensitivity of the workpiece is improved.

上記空気軸受スピンドルにおいて好ましくは、ハウジングは、ハウジング外部からスラスト空気軸受に通じるスラスト用給気通路と、ハウジング外部からラジアル空気軸受に通じるラジアル用給気通路とを有しており、スラスト用給気通路とラジアル用給気通路とは互いに分離している。   Preferably, in the air bearing spindle, the housing has a thrust air supply passage communicating with the thrust air bearing from the outside of the housing and a radial air supply passage communicating with the radial air bearing from the outside of the housing. The passage and the radial air supply passage are separated from each other.

これにより、スラスト用給気通路を通じてスラスト空気軸受に一の圧力の気体を注入し、ラジアル用給気通路を通じてラジアル空気軸受に他の圧力の気体を注入することができる。したがって、スラスト空気軸受に導入する気体の圧力と、ラジアル空気軸受に導入する気体の圧力とを独立して制御することができる。   As a result, one pressure gas can be injected into the thrust air bearing through the thrust air supply passage, and another pressure gas can be injected into the radial air bearing through the radial air supply passage. Therefore, the pressure of the gas introduced into the thrust air bearing and the pressure of the gas introduced into the radial air bearing can be controlled independently.

上記空気軸受スピンドルにおいて好ましくは、スラスト部材は、軸方向の法線を有する第1スラスト面と第2スラスト面とを有しており、第1スラスト面およびハウジングの間に導入する気体の圧力と、第2スラスト面およびハウジングの間に導入する気体の圧力とを独立して制御可能であるようにハウジングが構成されている。これにより、中空部分におけるスラスト部材の位置を任意の位置に調節することができる。   Preferably, in the air bearing spindle, the thrust member has a first thrust surface and a second thrust surface having an axial normal line, and a pressure of a gas introduced between the first thrust surface and the housing The housing is configured such that the pressure of the gas introduced between the second thrust surface and the housing can be controlled independently. Thereby, the position of the thrust member in the hollow portion can be adjusted to an arbitrary position.

上記空気軸受スピンドルにおいて好ましくは、スラスト用給気通路は、ハウジング外部から第1スラスト面およびハウジングの間に通じる第1スラスト用給気通路と、ハウジング外部から第2スラスト面およびハウジングの間に通じる第2スラスト用給気通路とを有しており、第1スラスト用給気通路と第2スラスト用給気通路とは互いに分離している。   Preferably, in the air bearing spindle, the thrust air supply passage communicates between the first thrust surface and the housing from the outside of the housing, and between the second thrust surface and the housing from the outside of the housing. The second thrust supply passage is separated from the first thrust supply passage and the second thrust supply passage.

これにより、第1スラスト用給気通路を通じて第1スラスト面およびハウジングの間に一の圧力の気体を注入し、第2スラスト用給気通路を通じて第2スラスト面およびハウジングの間に一の圧力の気体を注入することができる。したがって、第1スラスト面およびハウジングの間に導入する気体の圧力と、第2スラスト面およびハウジングの間に導入する気体の圧力とを独立して制御することができる。   As a result, a gas having a pressure is injected between the first thrust surface and the housing through the first thrust supply passage, and a pressure between the second thrust surface and the housing is injected through the second thrust supply passage. A gas can be injected. Therefore, the pressure of the gas introduced between the first thrust surface and the housing and the pressure of the gas introduced between the second thrust surface and the housing can be controlled independently.

上記空気軸受スピンドルにおいて好ましくは、スラスト部材は主軸の一端に固定されており、かつセンサはスラスト部材を隔てて主軸とは反対側におけるハウジング内に配置されている。   Preferably, in the air bearing spindle, the thrust member is fixed to one end of the main shaft, and the sensor is disposed in the housing on the opposite side of the main shaft across the thrust member.

これにより、スラスト部材の位置が被加工物から離れる。通常、スラスト部材が配置される位置の空気軸受スピンドルの幅は大きくなるので、この幅の大きい部分を被加工物から離すことで、被加工物付近の空間を広くとることができる。   Thereby, the position of a thrust member leaves | separates from a workpiece. Usually, since the width of the air bearing spindle at the position where the thrust member is arranged becomes large, the space near the work piece can be widened by separating the wide portion from the work piece.

本発明の空気軸受スピンドルの制御方法は、中空部分を有するハウジングと、中空部分に回転可能に配置される主軸と、主軸に固定され、軸方向の法線を有するスラスト面を有するスラスト部材と、スラスト部材の軸方向の変位に関する情報を検知するセンサとを備えており、スラスト部材はハウジングに対してスラスト空気軸受によって支持されており、かつ主軸はハウジングに対してラジアル空気軸受によって支持されている空気軸受スピンドルの制御方法である。スラスト空気軸受に導入する気体の圧力をラジアル空気軸受に導入する気体の圧力よりも低くした状態で、スラスト部材の変位に基づいて被加工物の表面を検知する検知工程を備えている。   The air bearing spindle control method of the present invention includes a housing having a hollow portion, a main shaft rotatably disposed in the hollow portion, a thrust member fixed to the main shaft and having a thrust surface having an axial normal line, And a sensor for detecting information on the axial displacement of the thrust member, the thrust member is supported by the thrust air bearing with respect to the housing, and the main shaft is supported by the radial air bearing with respect to the housing. It is a control method of an air bearing spindle. A detection step is provided for detecting the surface of the workpiece based on the displacement of the thrust member in a state where the pressure of the gas introduced into the thrust air bearing is lower than the pressure of the gas introduced into the radial air bearing.

本発明の空気軸受スピンドルの制御方法によれば、検知工程においてスラスト空気軸受に導入する気体の圧力が低くされ、主軸およびスラスト部材の軸方向への移動が容易になる。その結果、検知工程における検出感度が向上する。加えて、検知工程における検出感度が向上するので、被加工物の加工部表面の高さ位置を正確に測定できる。このため、溝等を加工時、上記検知情報によって、加工する箇所の上方からその表面のごく近くまで早送りができ、タクトタイムが向上する。   According to the control method of the air bearing spindle of the present invention, the pressure of the gas introduced into the thrust air bearing in the detection step is lowered, and the main shaft and the thrust member can be easily moved in the axial direction. As a result, the detection sensitivity in the detection process is improved. In addition, since the detection sensitivity in the detection process is improved, the height position of the processed part surface of the workpiece can be accurately measured. For this reason, at the time of processing a groove or the like, it is possible to fast-forward from above the portion to be processed to the very vicinity of the surface by the detection information, and the tact time is improved.

上記制御方法において好ましくは、スラスト空気軸受に導入する気体の圧力を検知工程の際の圧力よりも高くした状態で、被加工物を加工する加工工程もさらに備えられている。   Preferably, the control method further includes a processing step of processing the workpiece in a state where the pressure of the gas introduced into the thrust air bearing is higher than the pressure in the detection step.

これにより、スラスト空気軸受の剛性が向上するので、加工能率の要求される穴加工のように、加工時において大きなスラスト荷重を主軸が受ける場合に、スラスト空気軸受によってこのスラスト荷重を受けることができる。   As a result, the rigidity of the thrust air bearing is improved, so that when the main shaft receives a large thrust load during machining, such as drilling that requires machining efficiency, the thrust air bearing can receive this thrust load. .

上記制御方法において好ましくは、スラスト部材は、軸方向の法線を有する第1スラスト面と第2スラスト面とを有している。第1スラスト面およびハウジングの間に導入する気体の圧力と、第2スラスト面およびハウジングの間に導入する気体の圧力とを独立して制御する。これにより、中空部分におけるスラスト部材の位置を任意の位置に調節することができる。   Preferably, in the above control method, the thrust member has a first thrust surface and a second thrust surface having a normal line in the axial direction. The pressure of the gas introduced between the first thrust surface and the housing and the pressure of the gas introduced between the second thrust surface and the housing are controlled independently. Thereby, the position of the thrust member in the hollow portion can be adjusted to an arbitrary position.

上記制御方法において好ましくは、中空部分におけるスラスト板の軸方向の位置が常に一定になるように、第1スラスト面およびハウジングの間に導入する気体の圧力と、第2スラスト面およびハウジングの間に導入する気体の圧力とを制御する。これにより、被加工物の軸方向の加工精度が向上する。   Preferably, in the above control method, the pressure of the gas introduced between the first thrust surface and the housing and the second thrust surface and the housing so that the axial position of the thrust plate in the hollow portion is always constant. Control the pressure of the gas to be introduced. Thereby, the processing accuracy in the axial direction of the workpiece is improved.

本発明の空気軸受スピンドルおよび空気軸受スピンドルの制御方法によれば、被加工物の検出感度を向上することができる。または、スラスト軸受の剛性を向上させて、高精度の加工が実現できる。   According to the air bearing spindle and the air bearing spindle control method of the present invention, the detection sensitivity of the workpiece can be improved. Alternatively, high-precision machining can be realized by improving the rigidity of the thrust bearing.

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における空気軸受スピンドルの構造を示す断面図である。図2は図1のスラスト板付近の拡大断面図である。図3は図1のIII−III線に沿う断面図であり、図4は図1のIV−IV線に沿う断面図であり、図5は図1のV−V線に沿う断面図であり、図6は図1のVI−VI線に沿う断面図である。始めに、本実施の形態における空気軸受スピンドルの構造について、図1〜図6を用いて説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an air bearing spindle according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the thrust plate of FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 1, FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 1, and FIG. 5 is a sectional view taken along line V-V in FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG. First, the structure of the air bearing spindle in the present embodiment will be described with reference to FIGS.

特に図1を参照して、本実施の形態における空気軸受スピンドル1は、ハウジング9と、主軸5と、スラスト部材としてのスラスト板7と、センサ4とを備えている。ハウジング9は中空部分6および11を有している。主軸5の後端(図中左側)にはスラスト板7が固定されており、主軸5およびスラスト板7は中空部分6および11において回転可能に配置されている。スラスト板7付近のハウジング9にはセンサ4が取り付けられている。スラスト板7はハウジング9に対してスラスト空気軸受21aおよび21bによってスラスト方向に支持されており、主軸5はハウジング9に対してラジアル空気軸受22によってラジアル方向に支持されている。スラスト空気軸受21aはスラスト板7を隔てて工具3とは反対の側(反工具側)に設けられており、スラスト空気軸受21bはスラスト板7を隔てて工具3側に設けられている。なお、主軸5の前端(図中右側)にはたとえばエンドミル、砥石、またはドリルのような工具3が取り付けられる。   With particular reference to FIG. 1, the air bearing spindle 1 in the present embodiment includes a housing 9, a main shaft 5, a thrust plate 7 as a thrust member, and a sensor 4. The housing 9 has hollow portions 6 and 11. A thrust plate 7 is fixed to the rear end (left side in the figure) of the main shaft 5, and the main shaft 5 and the thrust plate 7 are rotatably arranged in the hollow portions 6 and 11. A sensor 4 is attached to the housing 9 near the thrust plate 7. The thrust plate 7 is supported in the thrust direction by the thrust air bearings 21 a and 21 b with respect to the housing 9, and the main shaft 5 is supported by the radial air bearing 22 in the radial direction with respect to the housing 9. The thrust air bearing 21a is provided on the side opposite to the tool 3 (on the opposite tool side) with the thrust plate 7 therebetween, and the thrust air bearing 21b is provided on the tool 3 side with the thrust plate 7 interposed therebetween. A tool 3 such as an end mill, a grindstone, or a drill is attached to the front end (right side in the figure) of the main shaft 5.

ハウジング9は円筒形状を有しており、後端付近の外径が前端付近の外径よりも大きくなっている。中空部分6および11はハウジング9の外形にほぼ沿った形状を有しており、後端付近の中空部分6の径は前端付近の中空部分11の径よりも大きくなっている。中空部分6にはスラスト板7が配置されており、中空部分11には主軸5が配置されている。   The housing 9 has a cylindrical shape, and the outer diameter near the rear end is larger than the outer diameter near the front end. The hollow portions 6 and 11 have a shape substantially along the outer shape of the housing 9, and the diameter of the hollow portion 6 near the rear end is larger than the diameter of the hollow portion 11 near the front end. A thrust plate 7 is disposed in the hollow portion 6, and the main shaft 5 is disposed in the hollow portion 11.

特に図2を参照して、スラスト板7は円盤形状を有しており、軸方向(図中横方向)の法線を有する2つの主面7aおよび7b(スラスト面)を有している。主面7aは空気軸受スピンドル1の後端方向に面しており、中空部分6の壁面6aと対向している。主面7bは空気軸受スピンドル1の前端方向に面しており、中空部分6の壁面6bと対向している。また、スラスト板7の外周面には複数のタービン16が設けられている。   Referring to FIG. 2 in particular, the thrust plate 7 has a disk shape, and has two main surfaces 7a and 7b (thrust surfaces) having normal lines in the axial direction (lateral direction in the figure). The main surface 7 a faces the rear end direction of the air bearing spindle 1 and faces the wall surface 6 a of the hollow portion 6. The main surface 7 b faces the front end direction of the air bearing spindle 1 and faces the wall surface 6 b of the hollow portion 6. A plurality of turbines 16 are provided on the outer peripheral surface of the thrust plate 7.

ハウジング9の後端には中空部分6に通じる溝または穴10が形成されており、溝または穴10内にはセンサ4が配置されている。センサ4はスラスト板7を隔てて反工具側におけるハウジング9内に配置されている。センサ4はコンピュータ12(図1)と電気的に接続されている。センサ4はスラスト板7の軸方向の変位に関する情報を検知するものである。このセンサとしては、静電容量型の変位センサや、渦電流式変位センサが使用される。センサ4はスラスト板の移動量に比例したアナログ信号をデジタル信号に変え、コンピュータ12に出力する。コンピュータ12は、センサ4からの情報に基づいてスラスト板7の軸方向の変位を計算し、出力する。   A groove or hole 10 leading to the hollow portion 6 is formed at the rear end of the housing 9, and the sensor 4 is disposed in the groove or hole 10. The sensor 4 is disposed in a housing 9 on the side opposite to the tool with a thrust plate 7 therebetween. The sensor 4 is electrically connected to the computer 12 (FIG. 1). The sensor 4 detects information related to the axial displacement of the thrust plate 7. As this sensor, a capacitance type displacement sensor or an eddy current type displacement sensor is used. The sensor 4 converts an analog signal proportional to the amount of movement of the thrust plate into a digital signal and outputs it to the computer 12. The computer 12 calculates and outputs the axial displacement of the thrust plate 7 based on the information from the sensor 4.

図1〜図6を参照して、空気軸受スピンドル1においては、スラスト空気軸受21aおよび21bに導入(供給)する気体A1の圧力と、ラジアル空気軸受22に導入する気体A2の圧力とを独立して制御可能であるようにハウジング9が構成されている。すなわち、ハウジング9は、ハウジング9外部からスラスト空気軸受21aおよび21bの各々の軸受隙間に通じるスラスト用給気通路15と、ハウジング9外部からラジアル空気軸受22の軸受隙間に通じるラジアル用給気通路13とを有している。   1 to 6, in the air bearing spindle 1, the pressure of the gas A1 introduced (supplied) into the thrust air bearings 21a and 21b and the pressure of the gas A2 introduced into the radial air bearing 22 are independent. The housing 9 is configured to be controllable. That is, the housing 9 has a thrust air supply passage 15 that leads from the outside of the housing 9 to the bearing clearances of the thrust air bearings 21 a and 21 b, and a radial air supply passage 13 that leads from the outside of the housing 9 to the bearing clearance of the radial air bearing 22. And have.

スラスト用給気通路15は、通路15a〜15gによって構成されている。ハウジング9の後端付近の外径面から内径に向かって通路15aが延びており、通路15cに連通している。通路15cは図3で見て環状であり、たとえば周方向に等間隔に設けられた4つの通路15dに連通している。通路15dの各々は軸に沿って前端方向に延びており、スラスト板7の主面7aおよび中空部分6の壁面6aの間の空間(スラスト空気軸受21aの軸受隙間)に達している。また、ハウジング9の後端付近の外径面から内径に向かう途中において通路15aから通路15bが直角に分岐している。通路15bは軸に沿って前端方向に延びており、通路15eに連通している。通路15eは通路15bから直角に曲がって内径に向かって延びており、通路15fに連通している。通路15fは図4で見て環状であり、たとえば周方向に等間隔に設けられた4つの通路15gに連通している。通路15gの各々は軸に沿って後端方向に延びており、スラスト板7の主面7bおよび中空部分6の壁面6bの間の空間(スラスト空気軸受21bの軸受隙間)に達している。   The thrust air supply passage 15 is configured by passages 15a to 15g. A passage 15a extends from the outer diameter surface near the rear end of the housing 9 toward the inner diameter, and communicates with the passage 15c. The passage 15c is annular as viewed in FIG. 3, and communicates with, for example, four passages 15d provided at equal intervals in the circumferential direction. Each of the passages 15d extends in the front end direction along the axis, and reaches the space between the main surface 7a of the thrust plate 7 and the wall surface 6a of the hollow portion 6 (bearing gap of the thrust air bearing 21a). Further, the passage 15 b branches from the passage 15 a at a right angle on the way from the outer diameter surface near the rear end of the housing 9 toward the inner diameter. The passage 15b extends in the front end direction along the axis and communicates with the passage 15e. The passage 15e is bent at a right angle from the passage 15b and extends toward the inner diameter, and communicates with the passage 15f. The passage 15f is annular as viewed in FIG. 4, and communicates with, for example, four passages 15g provided at equal intervals in the circumferential direction. Each of the passages 15g extends in the rear end direction along the axis, and reaches the space between the main surface 7b of the thrust plate 7 and the wall surface 6b of the hollow portion 6 (bearing gap of the thrust air bearing 21b).

ラジアル用給気通路13は、通路13a〜13fによって構成されている。ハウジング9の後端面から軸に沿って前端方向に向かって通路13aが延びている。通路13aは中空部分6よりも前端方向に達した辺りで直角に曲がって内径に向かって延びており、通路13bに連通している。通路13bは図5で見て環状であり、たとえば周方向に等間隔に設けられた4つの通路13cに連通している。通路13cの各々は内径に向かって延びており、主軸5の外周面5aおよび中空部分11の壁面11aの間の空間(ラジアル空気軸受22の軸受隙間)に達している。また、通路13bおよび通路13cの4つの連通部分の各々において通路13dが分岐している。4つの通路13dの各々は通路13aから直角に曲がって軸に沿って前端方向に延びており、通路13eに連通している。通路13eは図6で見て環状であり、たとえば周方向に等間隔に設けられた4つの通路13fに連通している。通路13fの各々は内径に向かって延びており、ラジアル空気軸受22の軸受隙間に達している。   The radial air supply passage 13 is constituted by passages 13a to 13f. A passage 13a extends from the rear end surface of the housing 9 along the axis toward the front end. The passage 13a is bent at a right angle near the hollow portion 6 in the front end direction, extends toward the inner diameter, and communicates with the passage 13b. The passage 13b is annular as viewed in FIG. 5, and communicates with, for example, four passages 13c provided at equal intervals in the circumferential direction. Each of the passages 13c extends toward the inner diameter and reaches a space between the outer peripheral surface 5a of the main shaft 5 and the wall surface 11a of the hollow portion 11 (bearing gap of the radial air bearing 22). Further, a passage 13d is branched at each of the four communicating portions of the passage 13b and the passage 13c. Each of the four passages 13d bends at a right angle from the passage 13a, extends in the front end direction along the axis, and communicates with the passage 13e. The passage 13e is annular as seen in FIG. 6, and communicates with, for example, four passages 13f provided at equal intervals in the circumferential direction. Each of the passages 13f extends toward the inner diameter and reaches the bearing gap of the radial air bearing 22.

このように、スラスト用給気通路15とラジアル用給気通路13とは、ハウジング9外部から中空部分6および11に達するまで、互いに連通することなく分離している。   Thus, the thrust air supply passage 15 and the radial air supply passage 13 are separated from each other without communicating with each other until they reach the hollow portions 6 and 11 from the outside of the housing 9.

なお、特に図1を参照して、ハウジング9にはハウジング9外部から中空部分6に達する通路17aおよび17b(図中点線)がさらに設けられている。通路17aを通じて流速の速い気体A3をスラスト板7のタービン16に吹きつけることにより、スラスト板7および主軸5が回転する。ハウジング9内に導入された気体A1〜A3は、主に通路17bを通じて、気体Bとして外部へ放出される。   Referring particularly to FIG. 1, the housing 9 is further provided with passages 17 a and 17 b (dotted lines in the figure) reaching the hollow portion 6 from the outside of the housing 9. The thrust plate 7 and the main shaft 5 are rotated by blowing the gas A3 having a high flow velocity to the turbine 16 of the thrust plate 7 through the passage 17a. The gases A1 to A3 introduced into the housing 9 are released to the outside as gas B mainly through the passage 17b.

次に、本実施の形態における空気軸受スピンドル1の制御方法について説明する。
始めに図1、図2および図7を参照して、たとえばZテーブル(図示なし)に空気軸受スピンドル1を取り付け、XYテーブル(図示なし)上に被加工物25を固定する。そして、工具3の真下に被加工物25の加工位置が来るように、XYテーブルで被加工物25の位置を調節する。次に、スラスト空気軸受21aおよび21bに導入する気体A1の圧力をラジアル空気軸受22に導入する気体A2の圧力よりも低くする。これにより、スラスト空気軸受21aおよび21bの圧力P1およびP3がラジアル空気軸受22の圧力P2よりも小さくなる。この状態でZテーブルを操作して空気軸受スピンドル1を降下する。空気軸受スピンドル1を降下する際には工具3の回転を停止する。
Next, a method for controlling the air bearing spindle 1 in the present embodiment will be described.
First, referring to FIGS. 1, 2 and 7, for example, the air bearing spindle 1 is attached to a Z table (not shown), and the workpiece 25 is fixed on the XY table (not shown). Then, the position of the workpiece 25 is adjusted with the XY table so that the machining position of the workpiece 25 comes directly under the tool 3. Next, the pressure of the gas A1 introduced into the thrust air bearings 21a and 21b is made lower than the pressure of the gas A2 introduced into the radial air bearing 22. Thereby, the pressures P1 and P3 of the thrust air bearings 21a and 21b become smaller than the pressure P2 of the radial air bearing 22. In this state, the air bearing spindle 1 is lowered by operating the Z table. When the air bearing spindle 1 is lowered, the rotation of the tool 3 is stopped.

次に図1、図2および図8を参照して、空気軸受スピンドル1を高さh1だけ降下させると、工具3が被加工物25の表面に接触し、被加工物25からの加工反力Fが工具3に加わる。スラスト空気軸受21aおよび21bの圧力P1およびP3は小さいので、加工反力Fを受けるとスラスト板7は直ちに軸に沿って後端方向に変位する。このスラスト板7の変位がセンサ4によって検知され、コンピュータに出力される。その結果、被加工物25の表面が検知される(検知工程)。   Next, referring to FIGS. 1, 2, and 8, when the air bearing spindle 1 is lowered by the height h <b> 1, the tool 3 comes into contact with the surface of the workpiece 25, and the machining reaction force from the workpiece 25 is reached. F joins tool 3. Since the pressures P1 and P3 of the thrust air bearings 21a and 21b are small, the thrust plate 7 is immediately displaced along the axis in the rear end direction when the processing reaction force F is received. The displacement of the thrust plate 7 is detected by the sensor 4 and output to the computer. As a result, the surface of the workpiece 25 is detected (detection process).

次に図1、図2および図9を参照して、たとえば穴開け加工のように、高速で切り込みを行ない、大きなスラスト荷重が発生するような加工を被加工物に施す場合には、スラスト空気軸受21aおよび21bに導入する気体A1の圧力を検知工程の際の圧力よりも高くする。これにより、スラスト空気軸受21aおよび21bの圧力P1およびP3が検知工程の際の圧力よりも大きくなる。この状態で工具3を回転させながら所望の加工深さd1だけ空気軸受スピンドル1をさらに降下させ、被加工物25に深さd1の穴を加工する(加工工程)。加工工程の際のスラスト空気軸受21aおよび21bの圧力P1およびP3は検出工程の際の圧力P1およびP3よりも大きいので、スラスト空気軸受21aおよび21bの剛性が向上し、穴開け加工の際に大きな加工反力Fが発生してもスラスト板7の変位は抑制される。なお、本穴加工において、貫通穴や穴深さの精度が厳しくない場合には、被加工物25の表面を検知する工程を省略するか、またはその回数を減少させてもよい。   Next, referring to FIG. 1, FIG. 2 and FIG. 9, for example, in the case where a workpiece is subjected to machining that generates a large thrust load by cutting at high speed, such as drilling, thrust air The pressure of the gas A1 introduced into the bearings 21a and 21b is set higher than the pressure in the detection step. Thereby, the pressures P1 and P3 of the thrust air bearings 21a and 21b become larger than the pressures in the detection process. In this state, the air bearing spindle 1 is further lowered by a desired machining depth d1 while rotating the tool 3, and a hole having a depth d1 is machined in the workpiece 25 (machining process). Since the pressures P1 and P3 of the thrust air bearings 21a and 21b during the machining process are larger than the pressures P1 and P3 during the detection process, the rigidity of the thrust air bearings 21a and 21b is improved and large during drilling. Even if the processing reaction force F is generated, the displacement of the thrust plate 7 is suppressed. In this hole drilling, if the accuracy of the through hole and the hole depth is not strict, the step of detecting the surface of the workpiece 25 may be omitted or the number of times may be reduced.

なお、図1、図2および図10を参照して、たとえば小径のエンドミルや小径軸の砥石などを用いて軟質材の微細な溝を高精度に加工する場合のように、スラスト荷重があまり発生しないような加工を被加工物に施す場合には、スラスト空気軸受21aおよび21bに導入する気体A1の圧力を高くする必要はない。この場合には、スラスト空気軸受21aおよび21bの圧力P1およびP3を低い状態にしたままで、まず上記によって検知した被加工面のごく近くの高さまで早送りで工具を接近させ、その後主軸5を低速で回転させつつ低速の切り込み送りで深さ要求深さd2の穴を加工した後、水平方向(図10中横方向)に空気軸受スピンドル1を相対的に移動させて、工具3の外形によって被加工物を加工する。   1, 2, and 10, a thrust load is generated so much that a fine groove of a soft material is processed with high accuracy using, for example, a small-diameter end mill or a small-diameter shaft grindstone. When the workpiece is subjected to such processing, it is not necessary to increase the pressure of the gas A1 introduced into the thrust air bearings 21a and 21b. In this case, with the pressures P1 and P3 of the thrust air bearings 21a and 21b kept low, the tool is first approached to a height very close to the surface to be detected as detected above, and then the spindle 5 is moved at a low speed. After the hole having the required depth d2 is machined by a low-speed cutting feed while rotating at a low speed, the air bearing spindle 1 is relatively moved in the horizontal direction (lateral direction in FIG. Process the workpiece.

本実施の形態における空気軸受スピンドル1の制御方法は、中空部分6および11を有するハウジング9と、中空部分6および11に回転可能に配置される主軸5と、主軸5に固定され、軸方向の法線を有する主面7aおよび7bを有するスラスト板7と、スラスト板7の軸方向の変位に関する情報を検知するセンサ4とを備えており、スラスト板7はハウジング9に対してスラスト空気軸受21aおよび21bによって支持されており、かつ主軸5はハウジング9に対してラジアル空気軸受22によって支持されている空気軸受スピンドル1の制御方法である。スラスト空気軸受21aおよび21bに導入する気体A1の圧力をラジアル空気軸受22に導入する気体A2の圧力よりも低くした状態で、スラスト板7の変位に基づいて被加工物25の表面を検知する検知工程を備えている。   The control method of the air bearing spindle 1 in the present embodiment includes a housing 9 having hollow portions 6 and 11, a main shaft 5 rotatably disposed in the hollow portions 6 and 11, and fixed to the main shaft 5 in the axial direction. A thrust plate 7 having main surfaces 7 a and 7 b having normal lines and a sensor 4 for detecting information on the axial displacement of the thrust plate 7 are provided. The thrust plate 7 is a thrust air bearing 21 a with respect to the housing 9. The main shaft 5 is supported by a radial air bearing 22 with respect to the housing 9 and is controlled by the air bearing spindle 1. Detection for detecting the surface of the workpiece 25 based on the displacement of the thrust plate 7 in a state where the pressure of the gas A1 introduced into the thrust air bearings 21a and 21b is lower than the pressure of the gas A2 introduced into the radial air bearing 22. It has a process.

本実施の形態における空気軸受スピンドル1およびその制御方法によれば、スラスト空気軸受21aおよび21bに導入する気体A1の圧力が検知工程において低くされるので、主軸5およびスラスト板7の軸方向への移動が容易になる。その結果、加工反力Fが主軸5に加わると主軸5が大きく移動するようになり、被加工物25の検出感度が向上する。また、検知工程において被加工物25の表面に工具3が加える力は小さいので、被加工物25の表面の損傷を抑止することができる。   According to the air bearing spindle 1 and the control method thereof in the present embodiment, the pressure of the gas A1 introduced into the thrust air bearings 21a and 21b is lowered in the detection step, so that the main shaft 5 and the thrust plate 7 are moved in the axial direction. Becomes easier. As a result, when the processing reaction force F is applied to the main shaft 5, the main shaft 5 moves greatly, and the detection sensitivity of the workpiece 25 is improved. Moreover, since the force which the tool 3 applies to the surface of the workpiece 25 in a detection process is small, damage to the surface of the workpiece 25 can be suppressed.

加えて、検知工程における検出感度が向上するので、被加工物25の表面の検知速度が速くなり、加工のタクトタイムが向上する。すなわち、従来においては被加工物25の表面の検知速度が遅いので、工具3の破損防止および被加工物25の表面の損傷防止のために、空気軸受スピンドル1を高さh0(<h1)だけ降下させた後、空気軸受スピンドル1を低速で降下させて被加工物25の表面に工具3を接触させ、大きな加工反力Fが生じないようにする必要があった。これに対して、本実施の形態における制御方法では被加工物25の検出感度が高いので、高速で工具3を被加工物25の表面に接触させても、工具3の破損や被加工物25の表面の損傷を生じるほどの加工反力Fが生じる前に被加工物25の表面を検知し、空気軸受スピンドル1の下降を停止することができる。   In addition, since the detection sensitivity in the detection process is improved, the detection speed of the surface of the workpiece 25 is increased, and the processing tact time is improved. That is, conventionally, since the detection speed of the surface of the workpiece 25 is slow, the air bearing spindle 1 is moved by a height h0 (<h1) in order to prevent the tool 3 from being damaged and the surface of the workpiece 25 from being damaged. After the lowering, the air bearing spindle 1 is lowered at a low speed so that the tool 3 is brought into contact with the surface of the workpiece 25 so that a large working reaction force F is not generated. In contrast, in the control method according to the present embodiment, the detection sensitivity of the workpiece 25 is high. Therefore, even if the tool 3 is brought into contact with the surface of the workpiece 25 at a high speed, the tool 3 is damaged or the workpiece 25 The surface of the workpiece 25 can be detected before the processing reaction force F that causes damage to the surface of the workpiece is detected, and the lowering of the air bearing spindle 1 can be stopped.

また、ハウジング9は、ハウジング9外部からスラスト空気軸受21aおよび21bに通じるスラスト用給気通路15と、ハウジング9外部からラジアル空気軸受22に通じるラジアル用給気通路13とを有しており、スラスト用給気通路15とラジアル用給気通路13とは互いに分離しているので、スラスト空気軸受21aおよび21bに導入する気体A1の圧力と、ラジアル空気軸受22に導入する気体A2の圧力とを独立して制御することができる。   The housing 9 has a thrust air supply passage 15 that communicates with the thrust air bearings 21a and 21b from the outside of the housing 9, and a radial air supply passage 13 that communicates with the radial air bearing 22 from the outside of the housing 9. Since the supply air passage 15 and the radial supply passage 13 are separated from each other, the pressure of the gas A1 introduced into the thrust air bearings 21a and 21b and the pressure of the gas A2 introduced into the radial air bearing 22 are independent. Can be controlled.

また、スラスト板7は主軸5の後端に固定されており、かつセンサ4はスラスト板7を隔てて主軸5とは反対側におけるハウジング9内に配置されているので、被加工物25付近の空間を広くとることができる。   The thrust plate 7 is fixed to the rear end of the main shaft 5 and the sensor 4 is disposed in the housing 9 on the opposite side of the main shaft 5 with the thrust plate 7 interposed therebetween. A large space can be taken.

また、スラスト空気軸受21aおよび21bに導入する気体A1の圧力を検知工程の際の圧力よりも高くした状態で、被加工物25を加工する加工工程がさらに備えられている。これにより、スラスト空気軸受21aおよび21bの剛性が向上するので、たとえば穴開け加工などを行なう際などに大きなスラスト荷重を主軸5が受ける場合に、スラスト空気軸受21aおよび21bによってこのスラスト荷重を受けることができる。   Further, a processing step for processing the workpiece 25 is further provided in a state in which the pressure of the gas A1 introduced into the thrust air bearings 21a and 21b is higher than the pressure in the detection step. Thereby, since the rigidity of the thrust air bearings 21a and 21b is improved, when the main shaft 5 receives a large thrust load, for example, when drilling or the like, the thrust air bearings 21a and 21b receive this thrust load. Can do.

さらに、スラスト空気軸受21aおよび21bに導入する気体A1の圧力を検知工程の際の圧力よりも高くした状態で、被加工物25を加工する加工工程がさらに備えられている。これにより、スラスト空気軸受の剛性が向上するので、たとえば穴開け加工などを行なう際などに大きなスラスト荷重を主軸5が受ける場合に、スラスト空気軸受21aおよび21bによってこのスラスト荷重を受けることができる。   Further, a processing step for processing the workpiece 25 is further provided in a state where the pressure of the gas A1 introduced into the thrust air bearings 21a and 21b is higher than the pressure in the detection step. Thereby, since the rigidity of the thrust air bearing is improved, when the main shaft 5 receives a large thrust load, for example, when drilling or the like, this thrust load can be received by the thrust air bearings 21a and 21b.

なお、本実施の形態における通路13a〜13fおよび15a〜15gの形状は一例であり、スラスト用給気通路はハウジング外部からスラスト空気軸受に通じていればよく、ラジアル用給気通路はハウジング外部からラジアル空気軸受に通じていればよい。   The shapes of the passages 13a to 13f and 15a to 15g in the present embodiment are merely examples, and the thrust supply passage only needs to communicate with the thrust air bearing from the outside of the housing, and the radial supply passage from the outside of the housing. It only has to communicate with the radial air bearing.

(実施の形態2)
図11は、本発明の実施の形態2における空気軸受スピンドルの構造を示す断面図である。図12は図11のXII−XII線に沿う断面図であり、図13は図11のXIII−XIII線に沿う断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the air bearing spindle in the second embodiment of the present invention. 12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG. 11, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG.

図11〜図13を参照して、本実施の形態における空気軸受スピンドルは、ハウジングに形成されたスラスト用給気通路の形状が、実施の形態1の空気軸受スピンドルと異なっている。本実施の形態においては、スラスト空気軸受21aに導入する気体A1の圧力と、スラスト空気軸受21bに導入する気体A4の圧力とを独立して制御可能であるようにハウジング9が構成されている。すなわち、スラスト用給気通路15は、互いに分離している通路15a、15cおよび15d(第1スラスト用給気通路)と、通路15e〜15g(第2スラスト用給気通路)とを有している。ハウジング9の後端付近の外径面から内径に向かって通路15aが延びており、通路15cに連通している。通路15cは図13で見て環状であり、たとえば周方向に等間隔に設けられた4つの通路15dに連通している。通路15dの各々は軸に沿って前端方向に延びており、スラスト板7の主面7a(第1スラスト面)および中空部分6の壁面6aの間の空間(スラスト空気軸受21aの軸受隙間)に達している。ハウジング9の後端付近の通路15aよりも前端側から内径に向かって通路15eが延びており、通路15fに連通している。通路15fは図14で見て環状であり、たとえば周方向に等間隔に設けられた4つの通路15gに連通している。通路15gの各々は軸に沿って後端方向に延びており、スラスト板7の主面7b(第2スラスト面)および中空部分6の壁面6bの間の空間(スラスト空気軸受21bの軸受隙間)に達している。   11 to 13, the air bearing spindle in the present embodiment is different from the air bearing spindle of the first embodiment in the shape of the thrust air supply passage formed in the housing. In the present embodiment, the housing 9 is configured such that the pressure of the gas A1 introduced into the thrust air bearing 21a and the pressure of the gas A4 introduced into the thrust air bearing 21b can be controlled independently. That is, the thrust air supply passage 15 includes passages 15a, 15c and 15d (first thrust air supply passages) and passages 15e to 15g (second thrust air supply passages) which are separated from each other. Yes. A passage 15a extends from the outer diameter surface near the rear end of the housing 9 toward the inner diameter, and communicates with the passage 15c. The passage 15c is annular as viewed in FIG. 13, and communicates with, for example, four passages 15d provided at equal intervals in the circumferential direction. Each of the passages 15d extends in the front end direction along the axis, and is formed in a space between the main surface 7a (first thrust surface) of the thrust plate 7 and the wall surface 6a of the hollow portion 6 (bearing gap of the thrust air bearing 21a). Has reached. A passage 15e extends from the front end side toward the inner diameter than the passage 15a near the rear end of the housing 9, and communicates with the passage 15f. The passage 15f is annular as viewed in FIG. 14, and communicates with, for example, four passages 15g provided at equal intervals in the circumferential direction. Each of the passages 15g extends in the rear end direction along the axis, and a space between the main surface 7b (second thrust surface) of the thrust plate 7 and the wall surface 6b of the hollow portion 6 (bearing gap of the thrust air bearing 21b). Has reached.

このように、通路15a、15cおよび15dは、ハウジング9外部からスラスト空気軸受21aの軸受隙間に通じる通路を構成しており、通路15e〜15gは、ハウジング9外部からスラスト空気軸受21bの軸受隙間に通じる通路を構成している。通路15a、15cおよび15dと通路15e〜15gとは、ハウジング9外部から中空部分6に達するまで、互いに連通することなく分離している。   Thus, the passages 15a, 15c, and 15d constitute a passage that leads from the outside of the housing 9 to the bearing gap of the thrust air bearing 21a, and the passages 15e to 15g pass from the outside of the housing 9 to the bearing gap of the thrust air bearing 21b. It constitutes a passage that leads to. The passages 15 a, 15 c and 15 d and the passages 15 e to 15 g are separated from each other without communicating with each other until reaching the hollow portion 6 from the outside of the housing 9.

なお、これ以外の構成は、図1〜図6に示す実施の形態1の空気軸受スピンドルと同様であるので、同一部材には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。   Since the other configuration is the same as that of the air bearing spindle of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 6, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.

本実施の形態の空気軸受スピンドル1によれば、気体A1およびA4の各々の圧力を独立して制御することで、中空部分6におけるスラスト板7の位置を任意の位置に調節することができる。図14は図11のスラスト板付近の拡大断面図である。図14を参照して、気体A1の圧力を気体A4の圧力よりも高くすると、スラスト空気軸受21aの圧力P1がスラスト空気軸受21bの圧力P3よりも高くなり、スラスト板7は前端方向に移動する。逆に気体A1の圧力を気体A4の圧力よりも低くすると、スラスト空気軸受21aの圧力P1がスラスト空気軸受21bの圧力P3よりも低くなり、スラスト板7は後端方向に移動する。この現象を利用して、中空部分6におけるスラスト板7の位置を任意の位置に調節することができる。   According to the air bearing spindle 1 of the present embodiment, the position of the thrust plate 7 in the hollow portion 6 can be adjusted to an arbitrary position by independently controlling the pressures of the gases A1 and A4. 14 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the thrust plate of FIG. Referring to FIG. 14, when the pressure of gas A1 is higher than the pressure of gas A4, pressure P1 of thrust air bearing 21a becomes higher than pressure P3 of thrust air bearing 21b, and thrust plate 7 moves in the front end direction. . Conversely, when the pressure of the gas A1 is made lower than the pressure of the gas A4, the pressure P1 of the thrust air bearing 21a becomes lower than the pressure P3 of the thrust air bearing 21b, and the thrust plate 7 moves toward the rear end. By utilizing this phenomenon, the position of the thrust plate 7 in the hollow portion 6 can be adjusted to an arbitrary position.

また、本実施の形態の空気軸受スピンドル1によれば、加工時および非加工時においてスラスト板7を常に一定の軸方向位置に配置することもできる。図14および図15を参照してたとえば被加工物25に深さd1の穴を加工する場合、工具3は被加工物25から加工反力Fを受ける。この加工反力Fを受けて工具3は変位することがある。Δx1:スラスト空気軸受21aの軸受隙間の軸方向の幅、Δx2:スラスト空気軸受21bの軸受隙間の軸方向の幅とし、変位Δx=Δx2−Δx1=0となる位置を基準の位置と仮定する。加工反力Fを受けてスラスト板7がΔx(Δx>0)だけ変位すると、被加工物25に実際に開けられる穴の深さは(d1−Δx)となり、所望の深さよりもΔxだけずれが生じる。そこで、加工時にスラスト板7の変位Δxをセンサ4で検知した場合には、スラスト空気軸受21aの圧力P1がスラスト空気軸受21bの圧力P3よりも高くすることにより、加工反力Fと反対方向の力を発生させ、スラスト板7の変位Δxを0に保つことができる。その結果、所望の深さの穴を正確に加工することができ、その状態で工具3を水平面内で移動させることによって溝を高精度に加工することができる。   Further, according to the air bearing spindle 1 of the present embodiment, the thrust plate 7 can always be arranged at a constant axial position during processing and during non-processing. Referring to FIGS. 14 and 15, for example, when machining a hole having a depth d <b> 1 in the workpiece 25, the tool 3 receives a machining reaction force F from the workpiece 25. The tool 3 may be displaced in response to the processing reaction force F. Δx1: Axial width of the bearing gap of the thrust air bearing 21a, Δx2: Axial width of the bearing gap of the thrust air bearing 21b, and a position where the displacement Δx = Δx2−Δx1 = 0 is assumed as a reference position. When the thrust plate 7 is displaced by Δx (Δx> 0) in response to the processing reaction force F, the depth of the hole that is actually drilled in the workpiece 25 becomes (d1−Δx), which is shifted by Δx from the desired depth. Occurs. Accordingly, when the displacement Δx of the thrust plate 7 is detected by the sensor 4 at the time of machining, the pressure P1 of the thrust air bearing 21a is made higher than the pressure P3 of the thrust air bearing 21b, so that the machining reaction force F is reversed. A force can be generated to keep the displacement Δx of the thrust plate 7 at zero. As a result, a hole having a desired depth can be accurately processed, and the groove can be processed with high accuracy by moving the tool 3 in the horizontal plane in this state.

なお、本実施の形態における15aおよび15c〜15gの形状は一例であり、スラスト用給気通路は、互いに分離した第1スラスト用給気通路と第2スラスト用給気通路とを有していればよい。   The shapes of 15a and 15c to 15g in the present embodiment are examples, and the thrust supply passage may include a first thrust supply passage and a second thrust supply passage that are separated from each other. That's fine.

また、実施の形態1および2においてはスラスト板7が主軸5の後端に固定されているが、スラスト部材の固定位置は任意であり、たとえば主軸の中央部分に固定されていてもよい。センサの位置ついても任意であり、スラスト部材の軸方向の変位に関する情報を検知できる位置に配置されていればよい。   In the first and second embodiments, the thrust plate 7 is fixed to the rear end of the main shaft 5, but the fixing position of the thrust member is arbitrary, and may be fixed to the central portion of the main shaft, for example. The position of the sensor is also arbitrary, and it may be arranged at a position where information on the axial displacement of the thrust member can be detected.

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。   The embodiment disclosed above should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the scope and meaning equivalent to the scope of claims.

本発明は、エンドミルや砥石などを用いた溝の加工などに使用される空気軸受スピンドルおよび空気軸受スピンドルの制御方法に特に適している。   The present invention is particularly suitable for an air bearing spindle used for machining a groove using an end mill, a grindstone, or the like and a method for controlling the air bearing spindle.

本発明の実施の形態1における空気軸受スピンドルの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the air bearing spindle in Embodiment 1 of this invention. 図1のスラスト板付近の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the thrust plate vicinity of FIG. 図1のIII−III線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the III-III line of FIG. 図1のIV−IV線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the IV-IV line of FIG. 図1のV−V線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the VV line of FIG. 図1のVI−VI線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the VI-VI line of FIG. 本発明の実施の形態1における空気軸受スピンドルを用いた被加工物の加工の第1工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 1st process of a workpiece | work using the air bearing spindle in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における空気軸受スピンドルを用いた被加工物の加工の第2工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 2nd process of a workpiece | work using the air bearing spindle in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における空気軸受スピンドルを用いた被加工物の加工の第3工程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 3rd process of a workpiece | work using the air bearing spindle in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における空気軸受スピンドルを用いた被加工物の加工の第3工程の変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the 3rd process of the process of the workpiece using the air bearing spindle in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2における空気軸受スピンドルの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the air bearing spindle in Embodiment 2 of this invention. 図11のXII−XII線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the XII-XII line | wire of FIG. 図11のXIII−XIII線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the XIII-XIII line | wire of FIG. 図11のスラスト板付近の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the thrust plate vicinity of FIG. 加工時に被加工物から加工反力を受けて工具が変位する様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that a tool is displaced in response to a processing reaction force from a workpiece during processing. 特許文献1に記載の静圧軸受スピンドルの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the hydrostatic bearing spindle described in Patent Document 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 空気軸受スピンドル、3 工具、4 センサ、5,101 主軸、5a 主軸外周面、6,11 中空部分、6a,6b,11a 中空部分壁面、7,107 スラスト板、7a,7b スラスト板主面、9,103 ハウジング、10 溝、12 コンピュータ、13 ラジアル用給気通路、13a〜13f,15a〜15g,17a,17b,102a,102b 通路、15 スラスト用給気通路、16 タービン、21a,21b,110 スラスト空気軸受、22,111 ラジアル空気軸受、25 被加工物、104 モータ、105 変位センサ、106 ドリル、108 注入孔、A1〜A4,B 気体、F 加工反力、P1〜P3 圧力。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Air bearing spindle, 3 Tool, 4 Sensor, 5,101 Main shaft, 5a Main shaft outer peripheral surface, 6,11 Hollow part, 6a, 6b, 11a Hollow part wall surface, 7,107 Thrust plate, 7a, 7b Thrust plate main surface, 9, 103 housing, 10 groove, 12 computer, 13 radial air supply passage, 13a-13f, 15a-15g, 17a, 17b, 102a, 102b passage, 15 thrust air supply passage, 16 turbine, 21a, 21b, 110 Thrust air bearing, 22,111 radial air bearing, 25 workpiece, 104 motor, 105 displacement sensor, 106 drill, 108 injection hole, A1-A4, B gas, F processing reaction force, P1-P3 pressure.

Claims (9)

中空部分を有するハウジングと、
前記中空部分に回転可能に配置される主軸と、
前記主軸に固定され、軸方向の法線を有するスラスト面を有するスラスト部材と、
前記スラスト部材の軸方向の変位に関する情報を検知するセンサとを備え、
前記スラスト部材は前記ハウジングに対してスラスト空気軸受によって支持されており、かつ前記主軸は前記ハウジングに対してラジアル空気軸受によって支持されており、
前記スラスト空気軸受に導入する気体の圧力と、前記ラジアル空気軸受に導入する気体の圧力とを独立して制御可能であるように前記ハウジングが構成されていることを特徴とする、空気軸受スピンドル。
A housing having a hollow portion;
A main shaft rotatably disposed in the hollow portion;
A thrust member fixed to the main shaft and having a thrust surface having an axial normal;
A sensor for detecting information on the axial displacement of the thrust member,
The thrust member is supported by a thrust air bearing with respect to the housing, and the main shaft is supported by a radial air bearing with respect to the housing;
The air bearing spindle according to claim 1, wherein the housing is configured such that the pressure of the gas introduced into the thrust air bearing and the pressure of the gas introduced into the radial air bearing can be independently controlled.
前記ハウジングは、前記ハウジング外部から前記スラスト空気軸受に通じるスラスト用給気通路と、前記ハウジング外部から前記ラジアル空気軸受に通じるラジアル用給気通路とを有し、前記スラスト用給気通路と前記ラジアル用給気通路とは互いに分離していることを特徴とする、請求項1に記載の空気軸受スピンドル。   The housing includes a thrust air supply passage that communicates with the thrust air bearing from the outside of the housing, and a radial air supply passage that communicates with the radial air bearing from the outside of the housing, and the thrust air supply passage and the radial air passage The air bearing spindle according to claim 1, wherein the air supply passage is separated from each other. 前記スラスト部材は、軸方向の法線を有する第1スラスト面と第2スラスト面とを有し、前記第1スラスト面および前記ハウジングの間に導入する気体の圧力と、前記第2スラスト面および前記ハウジングの間に導入する気体の圧力とを独立して制御可能であるように前記ハウジングが構成されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の空気軸受スピンドル。   The thrust member has a first thrust surface and a second thrust surface having an axial normal line, a pressure of a gas introduced between the first thrust surface and the housing, the second thrust surface, The air bearing spindle according to claim 1 or 2, wherein the housing is configured such that a pressure of a gas introduced between the housings can be independently controlled. 前記スラスト用給気通路は、前記ハウジング外部から前記第1スラスト面および前記ハウジングの間に通じる第1スラスト用給気通路と、前記ハウジング外部から前記第2スラスト面および前記ハウジングの間に通じる第2スラスト用給気通路とを有し、前記第1スラスト用給気通路と前記第2スラスト用給気通路とは互いに分離していることを特徴とする、請求項3に記載の空気軸受スピンドル。   The thrust air supply passage communicates from the outside of the housing to the first thrust surface and the housing, and from the outside of the housing to the second thrust surface and the housing. 4. The air bearing spindle according to claim 3, further comprising a second thrust air supply passage, wherein the first thrust air supply passage and the second thrust air supply passage are separated from each other. . 前記スラスト部材は前記主軸の一端に固定されており、かつ前記センサは前記スラスト部材を隔てて前記主軸とは反対側における前記ハウジング内に配置されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の空気軸受スピンドル。   The thrust member is fixed to one end of the main shaft, and the sensor is disposed in the housing on the opposite side of the main shaft across the thrust member. An air bearing spindle according to any one of the above. 中空部分を有するハウジングと、前記中空部分に回転可能に配置される主軸と、前記主軸に固定され、軸方向の法線を有するスラスト面を有するスラスト部材と、前記スラスト部材の軸方向の変位に関する情報を検知するセンサとを備え、前記スラスト部材は前記ハウジングに対してスラスト空気軸受によって支持されており、かつ前記主軸は前記ハウジングに対してラジアル空気軸受によって支持されている空気軸受スピンドルの制御方法であって、
前記スラスト空気軸受に導入する気体の圧力を前記ラジアル空気軸受に導入する気体の圧力よりも低くした状態で、前記スラスト部材の変位に基づいて被加工物の表面を検知する検知工程を備えることを特徴とする、空気軸受スピンドルの制御方法。
A housing having a hollow portion, a main shaft rotatably disposed in the hollow portion, a thrust member having a thrust surface fixed to the main shaft and having an axial normal line, and axial displacement of the thrust member And a sensor for detecting information, wherein the thrust member is supported by a thrust air bearing with respect to the housing, and the spindle is supported by a radial air bearing with respect to the housing. Because
A detection step of detecting the surface of the workpiece based on the displacement of the thrust member in a state where the pressure of the gas introduced into the thrust air bearing is lower than the pressure of the gas introduced into the radial air bearing; A method for controlling an air bearing spindle.
前記スラスト空気軸受に導入する気体の圧力を前記検知工程の際の圧力よりも高くした状態で、前記被加工物を加工する加工工程をさらに備えることを特徴とする、請求項6に記載の空気軸受スピンドルの制御方法。   The air according to claim 6, further comprising a processing step of processing the workpiece in a state in which a pressure of a gas introduced into the thrust air bearing is higher than a pressure in the detection step. Control method of bearing spindle. 前記スラスト部材は、軸方向の法線を有する第1スラスト面と第2スラスト面とを有し、
前記第1スラスト面および前記ハウジングの間に導入する気体の圧力と、前記第2スラスト面および前記ハウジングの間に導入する気体の圧力とを独立して制御することを特徴とする、請求項6または7に記載の空気軸受スピンドルの制御方法。
The thrust member has a first thrust surface and a second thrust surface having an axial normal,
The pressure of the gas introduced between the first thrust surface and the housing and the pressure of the gas introduced between the second thrust surface and the housing are independently controlled. Or a method of controlling an air bearing spindle according to 7;
前記中空部分における前記スラスト板の軸方向の位置が常に一定になるように、前記第1スラスト面および前記ハウジングの間に導入する気体の圧力と、前記第2スラスト面および前記ハウジングの間に導入する気体の圧力とを制御することを特徴とする、請求項8に記載の空気軸受スピンドルの制御方法。   Gas pressure introduced between the first thrust surface and the housing and introduction between the second thrust surface and the housing so that the axial position of the thrust plate in the hollow portion is always constant. 9. The method of controlling an air bearing spindle according to claim 8, wherein the pressure of the gas to be controlled is controlled.
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