JP2008137086A - 主軸装置 - Google Patents

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Abstract


【課題】 主軸の軸方向の伸びによる内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触不具合を未然に回避することができる主軸装置を提供する。
【解決手段】 円筒ころ軸受3に隣接してハウジング4に設置されるノズル間座14は、突起部15およびノズル16を有し、被検出部材19はノズル間座14の近傍で主軸1に外嵌され、非接触センサ20は、被検出部材19の主軸軸方向の変位を検出する。
【選択図】 図1

Description

この発明は、たとえば工作機械主軸リア側円筒ころ軸受の内輪とノズル間座との接触不具合を防止する主軸装置に関する。
軸受の温度上昇を抑える構造として、多量の油を軸受内に噴射し、軸受の潤滑と冷却を同時に行うジェット潤滑がある。ジェット潤滑により発熱を低減し、かつ軸受内部に入る潤滑油量を制限することにより、油による攪拌抵抗を小さくした新しいジェット潤滑構造も提案されている(例えば、特許文献1)。
上記新しいジェット潤滑構造を円筒ころ軸受に適用する場合、主軸の回転中の熱膨張による軸方向の伸びにより、上記円筒ころ軸受の外輪と内輪の軸方向位置にずれが生じる。この円筒ころ軸受は、主軸の熱膨張による伸びを許容させる側の支持に用いられており、玉軸受に比べて、工作機械主軸(単に、「主軸」という)の熱膨張による軸方向伸びによる内輪と外輪の軸方向位置の変化が大きい。
特開2005−180703号公報
図5〜図7と共に、特許文献1等の新ジェット潤滑構造を円筒ころ軸受に応用したスピンドル装置の場合の課題を説明する。
ノズル間座が内輪移動側に隣接して位置している場合、主軸50の軸方向伸びにより内輪が軸方向に大きく移動すると、内輪51とノズル間座52とが回転時に接触し不具合を生じる。そのため、内輪51とノズル間座52との間の隙間δは、予め主軸50の伸びを予想し、さらに余裕を持たせた隙間設定とする必要がある。ただし、隙間δをあまり大きく設定すると、軸受内部への潤滑油の流入も多くなってしまい、低動力損失を狙った軸受が、多量の潤滑油流入による攪拌抵抗増大により、本来の機能を果たせなくなる場合がある。そのため、隙間δの余裕はできるだけ抑えなければならない(つまり隙間δをあまり大きく設定できない)。
主軸50が特に異常もなく運転されていればよいが、たとえば主軸50を回転させるモータの異常発熱が生じた場合に、主軸50もその発熱の影響により軸方向(図4矢符yで表記)に予想以上に伸びることになる。その場合に、内輪51とノズル間座52とが接触して焼き付き不具合が生じてしまう。
本発明の目的は、主軸の軸方向の伸びによる内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触不具合を未然に回避することができる主軸装置を提供することである。
この発明の主軸装置は、主軸と、ハウジングに設置されて上記主軸を回転可能に支持する転がり軸受と、この転がり軸受に隣接して上記ハウジングに設置され上記転がり軸受の内輪の外径面に設けられた斜面部に潤滑油通過用の隙間を介して対面する突起部およびこの突起部の内径側で上記内輪に対し潤滑油を吐出するノズルを有するノズル間座と、このノズル間座の近傍で上記主軸に設けられた被検出部材と、上記ハウジングに設置され上記被検出部材の主軸軸方向の変位を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
この構成によると、転がり軸受はハウジングに設置されて主軸を回転可能に支持する。ノズル間座は突起部およびノズルを有する。突起部は、転がり軸受の内輪の外径面に設けられた斜面部に潤滑油通過用の隙間を介して対面し、ノズルは、突起部の内径側で内輪に対し潤滑油を吐出する。被検出部材は、ノズル間座の近傍で主軸に設けられる。検出手段は、被検出部材の主軸軸方向の変位を検出するので、主軸の異常発熱等に起因する主軸の軸方向の伸びによる内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触不具合を未然に回避することができる。
この発明において、上記検出手段は非接触センサであり、上記被検出部材は、主軸の軸方向に垂直な基準面が設けられ、上記非接触センサは、上記基準面との距離を監視するものであることが好ましい。この構成によると、検出手段は、被検出部材の軸方向に沿った面の変位を検出するのではなく、被検出部材のうち、主軸の軸方向に垂直な基準面との距離を監視する。したがって被検出部材の主軸軸方向の変位を確実にかつ正確に検出することができる。
この発明において、上記転がり軸受として、ハウジングに対して主軸を軸方向移動不能に支持する固定側軸受と、軸方向移動可能に支持する自由側軸受とを設け、上記被検出部材を上記自由側軸受に隣接して設けたノズル間座の近傍で上記主軸に取付けることが好ましい。主軸の異常発熱等に起因して、主軸が軸方向に伸びると、主軸を軸方向移動可能に支持する自由側軸受の内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との間の隙間が変化するとともに、被検出部材が主軸軸方向に変化する。したがって被検出部材の主軸軸方向の変位を検出することで、内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触不具合を未然に回避することができる。
この発明において、上記主軸は工作機械主軸であり、検出手段によって検出される被検出部材の変位が、斜面部とノズル間座との間で予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の工作機械主軸の回転を停止させる制御手段を備えることが好ましい。上記隙間設定量に近似するか否かの判定は、例えば、上記隙間設定量に対応して定めた設定値に、検出された変位が達すると近似したと判定するようにする。この構成によると、制御手段は、主軸の回転中、常に、検出される被検出部材の変位が、予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し得る。制御手段は、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の工作機械主軸の回転を停止させるように制御するので、内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触を確実に防止できる。
この発明の主軸装置によると、被検出部材は、ノズル間座の近傍で主軸に設けられ、検出手段は、被検出部材の主軸軸方向の変位を検出するので、主軸の異常発熱等に起因する主軸軸方向の伸びによる内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触不具合を未然に回避することができる。よって、内輪の斜面部とノズル間座の突起部とが、不所望に接触して焼き付くことを防止することができる。したがって、転がり軸受、ノズル間座等を交換する費用、工数の低減を図ることが可能となる。
この発明の第1の実施形態を図1ないし図4と共に説明する。図1は、本発明の第一の実施形態に係る主軸装置の断面図であり、図2は、同主軸装置を備えたスピンドル装置の一例を示す。このスピンドル装置は工作機械に応用されるものであり、主軸1のフロント側端部である一端部に工具TLまたはワークのチャックが取付けられている。主軸1は、固定側軸受となるアンギュラ玉軸受2,2と、自由側軸受となる円筒ころ軸受3とで、フロント側部分およびリア側部分が回転可能に支持されている。
固定側軸受は、ハウジング4に対して主軸1を軸方向移動不能に支持する転がり軸受であり、2個のアンギュラ玉軸受2,2が背面組合わせで配置されている。各アンギュラ玉軸受2の内輪5は主軸1の外径面に嵌合し、外輪6はハウジング4の内径面4aに嵌合している。一方のアンギュラ玉軸受2の内輪5に、内輪間座7を介して、他方のアンギュラ玉軸受2の内輪5が並べられている。他方のアンギュラ玉軸受2の外輪6の軸方向一端部(一側面)は、ハウジング4の軸方向を向く段面4bに当接され、一方のアンギュラ玉軸受2の内輪5の軸方向一端部は、主軸1の一端部に形成されて軸方向を向く段面8に当接される。主軸1には、他方のアンギュラ玉軸受2の内輪5に当接させて、これらアンギュラ玉軸受2,2を固定する軸受固定ナット9が螺着されている。
一方のアンギュラ玉軸受2の軸方向一端側に隣接する第1ノズル間座10Aが、ハウジング4に設置されている。この第1ノズル間座10Aは、突起部10a(「鍔状突起」ともいう)と、ノズル10bとを有する。突起部10aは、一方のアンギュラ玉軸受2の内輪5の外径面に設けられた斜面部に、潤滑油通過用の隙間を介して対面する。ノズル10bは、突起部10aの内径側で前記内輪5に対し潤滑油を吐出するように構成されている。他方のアンギュラ玉軸受2の軸方向他端側に隣接する第2ノズル間座10Bが、ハウジング4に設置され、この第2ノズル間座10Bも突起部10aとノズル10bとを有する。前記突起部10aは、他方のアンギュラ玉軸受2の内輪5の外径面に設けられた斜面部に、潤滑油通過用の隙間を介して対面する。前記ノズル10bは、前記突起部10aの内径側で前記内輪5に対し潤滑油を吐出するように構成されている。
自由側軸受は、ハウジング4に対して主軸1を軸方向移動可能に支持する自由側軸受であり、前記のように円筒ころ軸受3からなる。円筒ころ軸受3の内輪11は主軸1の外径面に嵌合し、外輪12はハウジング4の内径面に嵌合している。この外輪12の軸方向一端部(一側面)は、ハウジング4のフランジ部4cに当接され、前記内輪11の軸方向一端部は、主軸1の段部13(軸受固定ナットでもよい)に当接されている。
円筒ころ軸受3の外輪12の軸方向他端側に隣接するノズル間座14が、ハウジング4に締り嵌め状態に設置されている。このノズル間座14は、突起部15(「鍔状突起」ともいう)と、ノズル16とを有する。円筒ころ軸受3の内輪11の外径面に、該内輪11の軌道面側に近づくに従って大径となる斜面部11aが設けられている。突起部15は、この斜面部11aに、潤滑油通過用の隙間δ1を介して対面する。ノズル16は、突起部15の内径側で前記内輪11に対し潤滑油を吐出する。内輪11にノズル16に対向する円周溝11bが設けられている。
この円周溝11bは、内輪間座17に臨む内輪11の端面から斜面部11aにわたって形成される。ノズル16は、前記円周溝11bに潤滑油を吐出するものであり、かつその吐出口が軸心側に向く傾斜角度とされている。本実施形態では、ノズル16の傾斜角度に合わせて、内輪11の円周溝11bも傾斜させてあるが、円周溝11bは内輪11の端面に対して垂直な溝としても良い。ノズル間座14には、該ノズル間座14の外径面から内径側に向けて延び、前記ノズル16に連通する給油路18が形成されている。
ノズル間座14のうち、突起部15およびノズル16は、このノズル間座14の円周方向の等配位置に複数個(たとえば3個)が分配して設けられている。ただし、これら突起部15およびノズル16の配設位置は、円周方向の等配位置に限定されるものではなく、配設個数も3個に限定されるものではない。また、突起部15は、内輪11の外周の全周に連続したものであってもよい。ノズル間座14は、環状本体14aと、この環状本体14aの円周方向の等配位置で内径側に突出した複数のノズル形成突部14bとを有する。各ノズル形成突部14bに、突起部15およびノズル16が設けられている。ノズル間座14の円周方向のたとえば1ヶ所には、円筒ころ軸受3の内部に供給された潤滑油を外部に排出する図示外の排油口が設けられている。
被検出部材19および検出手段20について説明する。
主軸1には、ノズル間座14および内輪間座17の近傍で被検出部材19を外嵌している。被検出部材19は、後述する検出手段20によって当該被検出部材19の主軸軸方向の変位が検出される。この被検出部材19は、金属から成りフランジ付きの円筒形状に形成されている。被検出部材19の軸方向一端部19a(前端部)は、内輪間座17の端面に当接され、被検出部材19の軸方向他端部19b(後端部)は、規制されず後方に臨む自由端となっている。被検出部材19の軸方向中間付近部に、その外周面から半径方向外方に向かうフランジ19cが付設されている。前記半径方向とは、主軸軸方向に垂直な方向と同義である。
被検出部材19において、後方に臨むフランジ19cの軸方向一端面部は、主軸1の軸方向に垂直な基準面19dをなす。この基準面19dとの距離d1を検出手段20で常時監視するようになっている。検出手段20は、ハウジング4に固着されるセンサ取付部材21の内径に設けられる。この検出手段20は、たとえば変位センサ等の非接触センサ(変位センサに限定されない)であり、フランジ19cの基準面19dに対し非接触状態で設置される。非接触センサ20は、センサ取付け部材21に対し、たとえば主軸軸方向に位置調整可能に設けられる。本実施形態では、被検出部材19を内輪間座17と別体に設けているが、被検出部材19と内輪間座17とを一体に設けても良い。
制御手段22等について説明する。
制御手段22は、この主軸装置を装備した工作機械を制御するコンピュータ式の数値制御装置やプログラマブルコントローラからなる制御装置(図示せず)の一部として設けられ、または工作機械の制御装置とは独立したコンピュータ式のものとされる。制御手段22は、この主軸装置の運転中は、非接触センサ20の検出信号を常時監視し、非接触センサ20によって検出される被検出部材19の変位が、斜面部11aとノズル間座14との間で予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定する。制御手段21は、その判定結果に基づき被検出部材19の変位が隙間設定量に近似するとの判定で、回転中の主軸1の回転を停止させるように制御する。または制御手段22は、回転停止している主軸1が回転することを禁止するようにインターロック制御する。このように主軸1の回転を停止する(または主軸1の回転を禁止する)プログラム23が、制御手段22に格納されている。制御手段22の図示外の入出力インターフェースに、非接触センサ20が電気的に接続されている。この入出力インターフェースに、駆動回路等を介して、主軸1を回転させるモータ部24が電気的に接続されている。
主軸1の軸方向の伸びは、次のように求められる。すなわち固定側軸受と自由側軸受の取り付けスパンに、主軸1の温度上昇分を乗じ、さらに主軸1の線膨張係数を乗じると、主軸1の軸方向の伸びが求められる。たとえば固定側軸受と自由側軸受の取り付けスパンは、例えば固定側軸受の中心と自由側軸受の中心間距離が700mm、主軸1の温度上昇分が40℃、主軸1の材料である鉄の線膨張係数を12.5×10−6/℃の場合、主軸1は700×40×12.5×10−6=0.35mm軸方向一方に伸びる。余裕をみて隙間(すなわち距離d1)の初期設定値を0.45とした場合、非接触センサ20での変位感知をたとえば0.4mmに設定しプログラムする。このようなプログラム23を制御手段22に格納しておく。前記初期設定値から変位感知する値を減じた値が、被検出部材19の主軸軸方向の変位(移動量)に相当する。軸受内輪11とノズル間座14との初期隙間設定量に近い(近似する)変位は、例えば、前記初期隙間設定量の何%であるかを任意に定めればよい。プログラム23における、隙間の初期設定および変位感知する値は、それぞれ書き換え可能になっている。
以上説明した主軸装置によると、いわゆる主軸リア軸受である円筒ころ軸受3に隣接してハウジング4に設置されるノズル間座14は、突起部15およびノズル16を有する。突起部15は、円筒ころ軸受3の内輪11の斜面部11aに潤滑油通過用の隙間δ1を介して対面し、ノズル16は、突起部15の内径側で内輪11に対し潤滑油を吐出する。被検出部材19は、ノズル間座14の近傍で主軸1に外嵌される。非接触センサ20は、被検出部材19の主軸軸方向の変位を検出するので、主軸1の異常発熱等に起因する主軸1の軸方向の伸び(図1矢符y1で表記)による内輪11の斜面部11aと、ノズル間座14の突起部15との接触不具合を未然に回避することができる。
被検出部材19に、その外周面から半径方向外方に向かうフランジ19cであって、主軸1の軸方向に垂直な基準面をなすフランジ19cが付設されている。非接触センサ20は、被検出部材19の軸方向に沿った面の変位を検出するのではなく、主軸1の軸方向に垂直な基準面をなすフランジ19cとの距離を監視する。したがって被検出部材19の主軸軸方向の変位を確実にかつ正確に検出することができる。それ故、内輪11の斜面部11aとノズル間座14の突起部15とが接触する前に、主軸1の回転を確実にかつ自動的に停止させることが可能となる。
検出される被検出部材19の変位が、斜面部11aとノズル間座14との間で予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の主軸1の回転を停止させる制御手段22を主軸装置は備えるので、次のような作用、効果を奏する。制御手段22は、主軸1の回転中、常に、検出される被検出部材19の変位が、予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し得る。制御手段22は、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の主軸1の回転を停止させるように制御するので、内輪11の斜面部11aと、ノズル間座14の突起部15との接触を確実に防止できる。したがって両者の接触による焼き付きを防止することができる。
主軸1の回転を停止する(または主軸1の回転を禁止する)プログラムにおいて、固定側軸受と自由側軸受の取り付けスパン、主軸1の温度上昇分、主軸1の線膨張係数、および隙間の初期設定値等は書き換え可能になっている。したがって、使用条件の異なる主軸装置、サイズの異なる主軸装置等にもこのプログラム23を容易に適用することができる。したがって、このプログラム23の汎用性を高めることができる。
本実施形態では、主軸装置を工作機械に適用しているが、内輪の斜面部およびこれに対面する上記突起部を有する潤滑構造を適用し得るロボット、産業機械、搬送装置にも、この主軸装置を適用可能である。このような工作機械以外の装置においても、本実施形態と同様の効果を奏する。本発明の他の実施形態として、円筒ころ軸受の外輪の軸方向一端側に隣接するノズル間座を、ハウジングに設置してもよい。この場合、内輪間座も円筒ころ軸受の内輪の軸方向一端側に隣接する。さらに、この場合、被検出部材の軸方向一端部(前端部)は、円筒ころ軸受の内輪の端面に当接するように設置される。この場合であっても、ハウジングに設置される非接触センサは、主軸の軸方向の伸びに基づく、前記被検出部材の主軸軸方向の変位を検出することが可能となる。
本実施形態では、転がり軸受として円筒ころ軸受および複列のアンギュラ玉軸受を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、この発明は、種々の形式、列数の転がり軸受を適用可能である。固定側軸受、自由側軸受共、ノズル間座は、種々の構造のものを適用し得る。その他本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本実施形態に種々の変更を行っても良い。
本発明の第一の実施形態に係る主軸装置の要部の断面図である。 同主軸装置を備えたスピンドル装置の固定側軸受等の断面図である。 同主軸装置の要部の拡大断面図である。 同主軸装置を備えたスピンドル装置の断面図である。 提案例に係るスピンドル構造を表す断面図である。 提案例に係る標準ノズル間座付円筒ころ軸受の断面図であり、図6(a)は主軸の伸びがない場合の円筒ころ軸受等の断面図、図6(b)は主軸がX伸びた場合の円筒ころ軸受等の断面図である。 提案例に係る新ジェット潤滑円筒ころ軸受の断面図であり、図7(a)は主軸の伸びがない場合の円筒ころ軸受等の断面図、図7(b)は内輪とノズル間座とが接触した状態を表す断面図である。
符号の説明
1…主軸
2…アンギュラ玉軸受
3…円筒ころ軸受
4…ハウジング
11…内輪
14…ノズル間座
15…突起部
16…ノズル
19…被検出部材
19d…基準面
20…検出手段
22…制御手段

Claims (4)

  1. 主軸と、
    ハウジングに設置されて上記主軸を回転可能に支持する転がり軸受と、
    この転がり軸受に隣接して上記ハウジングに設置され上記転がり軸受の内輪の外径面に設けられた斜面部に潤滑油通過用の隙間を介して対面する突起部およびこの突起部の内径側で上記内輪に対し潤滑油を吐出するノズルを有するノズル間座と、
    このノズル間座の近傍で上記主軸に設けられた被検出部材と、
    上記ハウジングに設置され上記被検出部材の主軸軸方向の変位を検出する検出手段と、
    を備えることを特徴とする主軸装置。
  2. 請求項1において、上記検出手段は非接触センサであり、上記被検出部材は、主軸の軸方向に垂直な基準面が設けられ、上記非接触センサは、上記基準面との距離を監視するものである主軸装置。
  3. 請求項1または請求項2において、上記転がり軸受として、ハウジングに対して主軸を軸方向移動不能に支持する固定側軸受と、軸方向移動可能に支持する自由側軸受とを設け、上記被検出部材を上記自由側軸受に隣接して設けたノズル間座の近傍で上記主軸に取付けた主軸装置。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、上記主軸は工作機械主軸であり、検出手段によって検出される被検出部材の変位が、斜面部とノズル間座との間で予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の工作機械主軸の回転を停止させる制御手段を、備える主軸装置。
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