JP2008100326A

JP2008100326A - 主軸装置

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Publication number: JP2008100326A
Application number: JP2006286054A
Authority: JP
Inventors: Naomitsu Yanohara; 直充矢野原; Tomoharu Ando; 知治安藤; Takashi Norihisa; 孝志則久
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-05-01
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: DE102007050743B4; JP4993680B2; DE102007050743A1; US20080093175A1; ITTO20070744A1; CN101164724A

Abstract

【課題】軸受に供給する流体又はエアの量を最小限で保持器がアンバランスな状態で回転している場合でも保持器を安定させる主軸装置を提供する。
【解決手段】主軸装置は、主軸11を支持している軸受21〜23の外輪41および内輪42間に、これの周方向に間隔をおいた３カ所以上からエアを供給する供給手段と、供給手段によって供給されるエアの供給量を各供給カ所毎に個別に変化させうるように制御する制御手段とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、マシニングセンター等の工作機械における主軸装置、とくに、主軸回転時に、主軸を支持している転がり軸受の転動体を保持している保持器を安定して回転させるための主軸装置に関する。

工作機械の主軸は、複数個の転がり軸受によって回転可能に支持されている。転がり軸受は内輪、外輪、転動体および保持器で構成されている。内輪は主軸に圧入され、主軸と共に回転し、外輪はハウジングに組み込まれ、軸方向に押え蓋によって押えることで固定されている。内輪と外輪の間には、複数個の転動体が移動可能に組み込まれ、その転動体を等間隔に保つために保持器によって保持されている。保持器は転動体、もしくは外輪の内周面で案内され、転動体と共に回転する。Dn値が150万を越えるような高速回転の軸受では外輪内周面を案内とする保持器が組み込まれた軸受が多く用いられる。外輪内周面を案内とする保持器が組み込まれた軸受では、外輪内周面の面粗度、外輪内周面の形状精度、保持器外周面の面粗度、保持器の形状精度、保持器の重量、転動体の形状精度、軸受に組み込まれた転動体の寸法誤差、外輪内周面と保持器外周面の隙間量、外輪内周面と保持器外周面の油膜量の影響を受ける。これらが適正に保たれていない状態で主軸を回転させた場合、保持器が不安定な状態で回転し、異常音や異常振動が発生し、加工面に影響を与え、最悪、軸受の損傷を引き起こす可能がある。

このような状態から主軸を改善するための装置としては、軸受の外輪に配設した複数個の孔から保持器に圧力流体を流入する軸受がある。(特許文献１参照)
また、軸受の内輪に配設した複数個の孔から、主軸の貫通孔に充填された潤滑油を、主軸の孔から保持器に供給する装置を備えた主軸装置が知られている。（特許文献２参照）
従来の装置では、軸受の外輪内周面と保持器外周面の隙間を一定に保つために、流体を常時供給する必要があるため、流体の消費量が多くなる。また、供給する流体を潤滑油とすると、油膜によって隙間を一定に保つことはできるかもしれないが、軸受内の潤滑油量が過多となり、異常発熱する可能性がある。また、保持器外径の真円度が悪い場合や、回転によって不均一に変形した場合、全周域において、軸受の外輪内周面と保持器の外周面の隙間を一定に保つことが困難な可能性があり、潤滑油によって、その隙間の油膜量を一定に保っても、局所的に保持器に摩擦力が発生し、振動が発生する可能性がある。
実公平６−４５６９７号公報特開平１１−１６６５号公報

この発明の目的は、供給する流体の量を最小限で保持器を安定させ、また、主軸の回転速度、主軸の姿勢、主軸に取り付けたセンサからの値より、保持器に供給する流体の流量と方向を変化させることが可能な主軸装置を提供することにある。

この発明による主軸装置は、主軸を支持している軸受の外輪および内輪間に、これの周方向に間隔をおいた３カ所以上から流体を供給する供給手段と、供給手段によって供給される流体の供給量を各供給カ所毎に個別に変化させうるように制御する制御手段とを備えているものである。

この発明による主軸装置では、例えば、保持器がアンバランスな状態で回転している場合でも、それぞれ独立に流体を供給可能な3ヶ所以上ある孔からの流体流量を調整することで、アンバランス量がキャンセルされる方向に力をかけることが可能である。そのため、少ない流体流量で保持器のアンバランスを小さくできる。

さらに、前記軸受装置に、主軸の回転速度に基づいて、制御手段によって制御される流体の供給量が決定されるようになされていてもよい。

前記主軸装置において、保持器に流体を供給する流量、位置の決定を、主軸の回転速度に基づいて決定する機能が備わっていると、回転速度毎に設定値が決定できるため、回転速度の影響による保持器の変形、保持器の振れが発生しても保持器を安定に保つことが可能である。例えば、主軸の回転速度領域を、低速、中速、高速と分けて、それぞれの速度領域において最適な流体流量を決定することで、全速度領域において保持器を安定に保てる。

また、前記主軸装置に、主軸の傾斜角度に基づいて、制御手段によって制御される流体の供給量が決定されるようになされていてもよい。

前記主軸装置において、主軸の姿勢によって前記保持器と外輪の隙間に供給する流体の流量、位置を決定する機能が備わっていると、主軸の姿勢が変化して、主軸自身の重量や保持器自身の重力の影響で保持器の挙動が変化しても、保持器を安定に保つことができる。例えば、主軸装置を任意の角度に回転可能な機械の場合、基準位置に対する主軸の傾き量によって、流体流量を決定する。

また、前記主軸装置に、主軸の振動を検出するセンサが備わっており、センサの検出値に基づいて、制御手段によって制御される流体の供給量が決定されるようになされていてもよい。

前記主軸装置において、主軸装置に取り付けられた1つ以上のセンサから得られる情報から予め設定した周波数範囲における値を抽出し、その値をもとに前記保持器と外輪の隙間に供給する流体の流量、位置を変化させる機能が備わっていると、センサからの値をリアルタイムに分析し、その値が条件を満たした場合、適切な流体の流量を供給する。この装置の場合、センサの特徴によってあらゆる条件に設定可能となる。例えば、高精度な加工を行う場合は、加速度センサ用いて、設定した周波数範囲の振動が最小になるよう流体を供給する。

この発明によれば、複数個の流体供給孔の流量、供給個所を独立に設定可能であるため、主軸の回転速度、姿勢が変化しても保持器を安定して回転させることが可能である。また、主軸装置取り付けたセンサからの値を最適にするように流体流量、位置を調整可能であるため、主軸に回転精度が要求される仕上げ加工にて効果があり、また、保持器の磨耗による軸受の損傷を防ぐのにも効果がある。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

以下の説明において、左右とは、図１を基準として、その左側を左、これと反対側を右というものとする。また、左側がフロント側、右側がリヤ側である。

主軸装置は、水平中空軸状主軸11と、主軸11を取り囲んでいる水平筒状スリーブ12と、主軸11の左側を軸方向に間隔をおいて支持している第１軸受21および第２軸受22と、主軸11の右側を支持している第３軸受23と、第１軸受21および第２軸受22を取り囲んでスリーブ12内面に固定されている左側ハウジング24と、第３軸受23を取り囲んでスリーブ12内面に固定されている右側ハウジング25とを備えている。

主軸11の外面には左から右にかけて段を介して順次連なる大径部31、中径部32および小径部33が設けられている。

第２軸受22および第３軸受23間におけるスリーブ12内面にモータ34のステータ35が固定されている。ステータ35に対応するように主軸11外面にモータ34のロータ36が固定されている。

左側ハウジング24内面の右端には左側内方環状突出部37が設けられている。右側ハウジング25内面の右端には右側内方環状突出部38が設けられている。

第１〜第３軸受21〜23は、同一構造のものである。図３に、第２軸受22が詳細に示されている。第２軸受22は、左側ハウジング24内面に固定されている外輪41と、主軸11外面に固定されている内輪42と、外輪41および内輪42間に介在させられている複数の転動体43と、外輪41内面を案内面として転動体43とともに回転して、転動体43を一定間隔に保持する保持器44とよりなる。

再び図１を参照すると、第１軸受21および第２軸受22の外輪41の間には、左側ハウジング24内面に固定された外輪間座45が介在させられている。同両軸受21、22の内輪42の間には、主軸11外面に固定された内輪間座46が介在させられている。

スリーブ12の左側開口には左側押え蓋51が施されている。左側押え蓋51によって、第１軸受21および第２軸受22の外輪41が外輪間座45とともに左側内方環状突出部37に押圧されている。第２軸受22の右側に左側押えナット52がネジ嵌められている。左側押えナット52によって、第１軸受21および第２軸受22の内輪42が内輪間座46とともに大径部31および中径部32の段に押圧されている。スリーブ12の右側開口には右側押え蓋53が施されている。右側押え蓋53によって、第３軸受23の外輪41が右側内方環状突出部38に押圧されている。第３軸受23の右側に右側押えナット54がネジ嵌められている。右側押えナット54によって、第３軸受23の内輪42が中径部32および小径部33間の段に押圧されている。

再び、図３を参照すると、外輪間座45の右側面に、内方開放環状溝61が第２軸受22の外輪41および内輪42間の間隙と相対させられるように形成されている。第２軸受22のすぐ左側の部分において、スリーブ12に外エア供給孔62が、左側ハウジング24に内エア供給孔63が、外輪間座45に内エア供給孔64が内外方向に一直線状に連なるようにそれぞれ形成されている。環状溝61および内エア供給孔64の底部とは連通孔65によって接続されている。これらの外エア供給孔62、内エア供給孔63、内エア供給孔64および連通孔65は、第１軸受21の右側および第３軸受23の左側にもそれぞれ同じように形成されている。各軸受21〜23に対応する外エア供給孔62、内エア供給孔63、内エア供給孔64および連通孔65は、図２に示すように、スリーブ12、ハウジングおよび外輪間座45を周方向に等分する４カ所Ｉ〜IVにそれぞれ形成されている。

図４は、図３に示す環状溝61、外エア供給孔62、内エア供給孔63、内エア供給孔64および連通孔65の変形例を示すものである。この変形例は、環状溝61および連通孔65を連絡することなく、第２軸受22の外輪41および内輪42間にエアを直接供給するようにしたものであって、外エア供給孔66、内エア供給孔67および内エア供給孔68が第２軸受22の外輪41および内輪42間に通じるように形成されている。内エア供給孔68は、第２軸受22の外輪41に内外方向に貫通させられている。

図１に戻ると、各外エア供給孔62は、流量調整装置71を介してエア供給装置のコンプレッサ72に接続されている。各流量調整装置71は、制御装置73によって制御される。

主軸11の右側端部を臨むように回転速度検出センサ74が右側押え蓋53の側面に取付られている。スリーブ12の外面長さ方向中間部に加速度検出センサ75が取付られている。

つぎに、エアの供給動作について説明する。

まずは、回転速度検出センサ74によって主軸11の回転速度を検出する。これは、主軸制御指令値を利用しても良い。回転速度を検出すると、図５に示すように、あらかじめ作成したテーブルを参照して、エア流量を決定する。テーブルには、各軸受21〜23に対応する外エア供給孔62、内エア供給孔63および内エア供給孔64の図２に示す位置Ｉ〜IVに対応する主軸回転速度ｒｐｍ毎の供給量を、０〜５の６段階に分けて示されている。図５のテーブルには、２０００ｒｐｍ毎に設定されているが、さらに細かく設定しても良い。また、０〜２０００ｒｐｍ、２０００〜４０００ｒｐｍなどの中間の回転速度となった場合、例えば０〜９９９ｒｐｍは０ｒｐｍの設定値、１０００〜１９９９ｒｐｍは２０００ｒｐｍの設定値とする。図５のテーブルの設定値は、０〜６０００ｒｐｍの低速回転では、保持器44の遠心力や熱による膨張分が少ないため、外輪41と保持器44の隙間が大きく、保持器44が振れて、アンバランスが生じやすいため、１方向のエア流量を多くしてバランスを保つように設定してある。８０００ｒｐｍ以上の高速回転になると、外輪41と保持器44の隙間が小さくなるため、保持器44の振れが小さくなるためエアの流量を小さくなるよう設定してある。それぞれの設定値は制御装置73から、それぞれの流量調整装置71に指令が送られ、エア流量が調整される。

図６に、主軸11の姿勢、すなわち、傾斜角度θ1〜θ4が示されている。傾斜角度θ1〜θ4は、主軸11が垂直下向きの状態を基準として、そこからの角度で示している。まず、主軸11の傾斜角度θ1〜θ4を検出する。検出は、主軸角度指令値を用いるか、主軸装置に取付られた角度検出センサの検出値を用いても良い。傾斜角度θ1〜θ4が検出されると、図５に準じて、あらかじめ作成したテーブル（図示略）を参照して、エア流量を決定する。

テーブルの作成のためには、以下のことが考慮される。外輪41を案内する保持器44は外輪41内周面、転動体43の間に隙間があるため、保持器44の重さによって姿勢が変化する。例えば、主軸11１の傾斜角度が９０度、すなわち、θ2またはθ4の場合は、保持器44の回転中心位置が下に移動するため、そのまま回転させるとアンバランスが発生し、異常音や異常振動が発生する可能性がある。これを防止するように各位置Ｉ〜IV毎のエア流量が設定される。テーブルの作成には、回転速度を加味してもよい。また、回転速度毎に作成した図５に相当するテーブルの両方を同時に利用しても良い。

つぎに、主軸に生じた振動を検出して、これを抑制するようにエア流量を設定する場合、ここではその一例として回転速度検出センサ74および加速度検出センサ75を用いて、各位置Ｉ〜IV毎のエア流量を設定する場合について説明する。

加速度検出センサ75によって、スリーブ12の軸心と垂直方向の加速度が検出される。加速度検出センサ75から得られる信号をリアルタイム、もしくはメモリに収集して周波数分析し、回転周波数の倍数成分のみを抽出する。何倍成分まで抽出するかは任意に決定可能とする。主軸11の回転周波数成分は、回転速度検出センサ74より得られる。抽出した倍数成分信号の大きさを、予め設定した、しきい値と比較して大きい場合に、回転速度検出センサ74から主軸回転方向の振動の大きい位相を特定し、その位相の振動が小さくなるように、エアの流量、方向を決定する。軸心と水平方向の振動も考慮する場合は、２軸加速度検出センサ75を用いて、それぞれの値が小さくなるような値に設定しても良い。また、振動が小さくなるように、数種類のエア供給パターンを用意し、それぞれのパターンを順番に試すことによって決定しても良い。さらに、振動の値をモニタリングしながら、振動センサの値が小さくなるように、手動でエア流量を調整しても良い。

本実施例では、振動を求める一例として加速度検出センサ75を使用しているが、振動に対応する情報を検出する手段としては、音圧センサ、変位センサ、また、それらを組み合わせて使用しても良い。

この発明による主軸装置の縦断面図である。同主軸装置の横断面図である。図１の一部を拡大して示す断面図である。図３に示す部分の変形例を示す図３相当の断面図である。エア供給量を示すテーブルである。主軸の傾斜角度を示す説明図である。

符号の説明

11 主軸
21〜23 軸受
41 外輪
42 内輪
62〜64 エア供給孔

Claims

主軸を支持している軸受の外輪および内輪間に、これの周方向に間隔をおいた３カ所以上から流体を供給する供給手段と、供給手段によって供給される流体の供給量を各供給カ所毎に個別に変化させうるように制御する制御手段とを備えている主軸装置。
主軸の回転速度に基づいて、制御手段によって制御される流体の供給量が決定されるようになされている請求項１に記載の主軸装置。
主軸の傾斜角度に基づいて、制御手段によって制御される流体の供給量が決定されるようになされている請求項１に記載の主軸装置。
主軸の振動を検出するセンサを備えており、センサの検出値に基づいて、制御手段によって制御される流体の供給量が決定されるようになされている請求項１に記載の主軸装置。