JP2009055777A - Spindle device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静圧気体軸受によって回転自在に支持されたスピンドルを電動モータによって回転駆動し、スピンドルの回転力を精密な計測器や加工器などに伝達するのに好適なスピンドル装置に関する。 The present invention relates to a spindle device suitable for rotating a spindle rotatably supported by a static pressure gas bearing by an electric motor and transmitting the rotational force of the spindle to a precision measuring instrument, a processing machine, or the like.
スピンドル装置は、切削、研削などの工具を回転駆動する工作機械の一要素として、あるいは磁気ヘッドや磁気ディスクなどを回転駆動する検査機械の一要素として用いられている。この種のスピンドル装置は、円筒状のハウジングに、回転軸であるスピンドル(スピンドルシャフト)が静圧気体軸受を介して支持され、スピンドルには電動モータのモータ回転軸が連結され、電動モータの駆動によってスピンドルが回転駆動されるようになっている。この際、静圧気体軸受は、エアの供給を受けてスピンドルとの間に隙間を形成し、スピンドルを非接触で回転自在に支持し、スピンドルが高速で回転できるようになっている。 The spindle device is used as one element of a machine tool that rotationally drives tools such as cutting and grinding, or as one element of an inspection machine that rotationally drives a magnetic head, a magnetic disk, and the like. In this type of spindle device, a spindle (spindle shaft), which is a rotating shaft, is supported by a cylindrical housing via a static pressure gas bearing, and a motor rotating shaft of an electric motor is connected to the spindle to drive the electric motor. Thus, the spindle is driven to rotate. At this time, the static pressure gas bearing is supplied with air to form a gap with the spindle, and supports the spindle in a non-contact manner so that the spindle can rotate at high speed.
しかし、静圧気体軸受として、空気軸受を用いた場合、空気の圧縮性に起因するエアハンマーと呼ばれる自励振動が発生することがある。この振動は、空気軸受としてオリフィス絞り軸受のように、軸受部に空気溜りとなるポケットが設けられていると発生し易くなる。また空気軸受に多孔質軸受を用いた場合、多孔質自体が空気溜りとなり、軸受表面の絞りが小さいとエアハンマーがより発生し易くなる。 However, when an air bearing is used as the static pressure gas bearing, self-excited vibration called an air hammer may occur due to air compressibility. This vibration is likely to occur when a pocket serving as an air reservoir is provided in the bearing portion, such as an orifice throttle bearing as an air bearing. Further, when a porous bearing is used as the air bearing, the porous itself becomes an air reservoir, and if the aperture on the bearing surface is small, an air hammer is more likely to occur.
そのため、空気軸受を用いるに際しては、オリフィス絞りの代わりに自成絞りを形成したものを用いてエアハンマーの発生を防止する場合あるもある。また空気軸受として多孔質軸受を用いるに際しては、軸受表面を封孔剤で目潰しして絞りを大きくし、エアハンマーの発生を抑制するようにしたものが提案されているとともに(特許文献1参照)、多孔質部材の表面に別の多孔板を取付けて2層からなる軸受絞りを構成し、エアハンマーの発生を抑制するようにしたものが提案されている(特許文献2参照)。 For this reason, when an air bearing is used, there is a case where an air hammer is prevented from being generated by using a self-formed throttle instead of the orifice throttle. Further, when using a porous bearing as an air bearing, there has been proposed one in which the surface of the bearing is crushed with a sealing agent to increase the restriction so as to suppress the generation of an air hammer (see Patent Document 1). There has been proposed a structure in which another porous plate is attached to the surface of a porous member to form a two-layered bearing throttle so as to suppress the occurrence of an air hammer (see Patent Document 2).
すなわち、従来技術においては、エアハンマーの原因である空気の圧縮性の影響を弱めて、エアハンマーの発生を抑制する工夫がなされている。 That is, in the prior art, a device has been devised to suppress the generation of the air hammer by weakening the influence of the compressibility of the air that is the cause of the air hammer.
従来技術においては、空気軸受として多孔質軸受を用いることで、エアハンマーの発生を抑制するようにしているが、多孔質軸受の場合、エアハンマーの発生に関するパラメータは、軸受の通気性、給気圧力、軸受隙間、回転体の固有振動数など、多くの要因があるので、これらの要因を考慮しなければエアハンマーの発生を確実に抑制することはできない。 In the prior art, a porous bearing is used as an air bearing to suppress the occurrence of an air hammer. However, in the case of a porous bearing, parameters relating to the occurrence of an air hammer include the air permeability of the bearing, the air supply Since there are many factors such as pressure, bearing clearance, and natural frequency of the rotating body, the occurrence of an air hammer cannot be reliably suppressed unless these factors are taken into consideration.
例えば、軸受表面の絞りを強くすると、エアハンマーの発生を抑制するには効果はあるが、条件によってはエアハンマーが発生し、エアハンマーの発生を確実に抑制することができないことがある。 For example, when the throttle on the bearing surface is strengthened, there is an effect to suppress the generation of the air hammer, but depending on the conditions, the air hammer may be generated, and the generation of the air hammer may not be reliably suppressed.
具体的には、空気軸受の剛性を高めるため、給気圧力を高めたり、スピンドルに細長く固有振動数の低い部材を取付けたりすると、使用条件によってはエアハンマーの発生を確実に抑制することができないことがある。特に、電動モータのモータ回転軸として、細長く固有振動数が低いものが用いられると、よりエアハンマーが発生し易くなり、エアハンマーの発生を確実に抑制できないことがある。 Specifically, in order to increase the rigidity of the air bearing, if the air supply pressure is increased or a long and thin member with a low natural frequency is attached to the spindle, the generation of the air hammer cannot be reliably suppressed depending on the use conditions. Sometimes. In particular, when an elongated motor rotation shaft of an electric motor having a low natural frequency is used, an air hammer is more likely to be generated, and the generation of the air hammer may not be reliably suppressed.
使用条件によってエアハンマーが発生するということは、スピンドル装置の製作においては、最終的に全ての部品を組み立て、各種の使用条件についてエアハンマーの発生の有無の試験を行わなければ、エアハンマーの発生の有無を確認することができないことを意味している。しかも、最終工程でエアハンマーが発生した場合は、スピンドル装置を分解し、空気軸受の部分を修理して再度組み立て、その後エアハンマーの発生の有無の試験を行うことが余儀なくされる。エアハンマーの発生の有無の試験でエアハンマーが発生したときにはスピンドル装置の分解・組み立てをさらに繰り返すことが必要となる。スピンドル装置の分解・組み立てを繰り返してもエアハンマーの発生を抑制できないときには、空気軸受について再度製作することが余儀なくされる。 The fact that an air hammer is generated depending on the usage conditions means that in the manufacture of a spindle device, if all parts are finally assembled and testing is not performed for the occurrence of an air hammer under various usage conditions, the generation of an air hammer will occur. It means that the presence or absence of can not be confirmed. In addition, when an air hammer occurs in the final process, it is necessary to disassemble the spindle device, repair the air bearing portion and reassemble it, and then test whether the air hammer is generated. When the air hammer is generated in the test for the occurrence of the air hammer, it is necessary to repeat the disassembly and assembly of the spindle device. If the generation of the air hammer cannot be suppressed even after repeated disassembly and assembly of the spindle device, the air bearing must be manufactured again.
すなわち、使用条件によってエアハンマーが発生するということでは、生産性が悪く、コストダウンが困難となる。また高剛性のスピンドル装置を製作するにも、エアハンマーの発生を確実に抑制できないことになる。 That is, if an air hammer is generated depending on the use conditions, productivity is poor and cost reduction is difficult. Moreover, even when a highly rigid spindle device is manufactured, the generation of an air hammer cannot be reliably suppressed.
そこで、この発明の目的は、使用条件によらずエアハンマーの発生を確実に抑制することができる、スピンドル装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a spindle device that can reliably suppress the occurrence of an air hammer regardless of use conditions.
前記目的を達成するために、本発明は、筒状のハウジングに、スピンドルが静圧気体軸受を介して回転自在に支持され、前記ハウジングに電動モータが並設され、前記スピンドルの長手方向一端側に、前記電動モータのモータ回転軸が連結されてなるスピンドル装置において、前記モータ回転軸には、エアハンマーの発生に伴う振動を吸収する吸振器が装着されてなることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a spindle is rotatably supported by a cylindrical housing via a static pressure gas bearing, and an electric motor is provided in parallel in the housing, and one end side in the longitudinal direction of the spindle. In addition, in the spindle device in which the motor rotation shaft of the electric motor is connected, the motor rotation shaft is mounted with a vibration absorber that absorbs vibration caused by the generation of an air hammer. .
本発明によれば、モータ回転軸にはエアハンマーの発生に伴う振動を吸収する吸振器が装着されているため、静圧気体軸受として高剛性のオリフィス軸受や多孔質軸受を用い、静圧気体軸受を高い給気圧力で使用しても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができ、高剛性で安価なスピンドル装置を実現できる。 According to the present invention, since the motor rotating shaft is equipped with a vibration absorber that absorbs vibration caused by the generation of the air hammer, a highly rigid orifice bearing or porous bearing is used as the static pressure gas bearing. Even if the bearing is used at a high air supply pressure, the generation of an air hammer can be reliably suppressed, and a highly rigid and inexpensive spindle device can be realized.
前記スピンドル装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。好適には、前記吸振器は、前記モータ回転軸外周に弾性体を介して装着されてなる。 In configuring the spindle device, the following elements can be added. Preferably, the vibration absorber is attached to the outer periphery of the motor rotation shaft via an elastic body.
係る構成によれば、吸振器をモータ回転軸外周に弾性体を介して装着することで、エアハンマーの発生に伴う振動をより吸収することができる。 According to this configuration, the vibration associated with the generation of the air hammer can be further absorbed by mounting the vibration absorber on the outer periphery of the motor rotation shaft via the elastic body.
好適には、前記吸振器は、前記モータ回転軸両端部のうち前記スピンドルから離れた部位となるモータ回転軸端部に装着されてなる。 Preferably, the vibration absorber is attached to an end portion of the motor rotation shaft that is a part away from the spindle among both end portions of the motor rotation shaft.
係る構成によれば、吸振器を、モータ回転軸両端部のうちスピンドルから離れた部位となるモータ回転軸端部に装着することで、モータ回転軸として、径が細く固有振動数が低いものを用いても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができる。 According to such a configuration, by attaching the vibration absorber to the end of the motor rotation shaft which is a part away from the spindle among the both ends of the motor rotation shaft, the motor rotation shaft has a small diameter and a low natural frequency. Even if it uses, generation | occurrence | production of an air hammer can be suppressed reliably.
また、本発明は、筒状のハウジングに、スピンドルが静圧気体軸受を介して回転自在に支持され、前記ハウジングに電動モータが並設され、前記スピンドルの長手方向一端側に、前記電動モータのモータ回転軸が連結されてなるスピンドル装置において、前記モータ回転軸には、エアハンマーの発生に伴う振動を吸収するダンパ調整機能付き吸振器が装着されてなることを特徴とするものである。 In the present invention, a spindle is rotatably supported by a cylindrical housing via a hydrostatic gas bearing, an electric motor is provided in parallel with the housing, and one end of the electric motor in the longitudinal direction of the spindle is provided. In the spindle device in which the motor rotation shaft is connected, the motor rotation shaft is mounted with a damper having a damper adjusting function for absorbing vibration caused by the generation of the air hammer.
本発明によれば、モータ回転軸にはエアハンマーの発生に伴う振動を吸収するダンパ調整機能付き吸振器が装着されているため、静圧気体軸受として高剛性のオリフィス軸受や多孔質軸受を用い、静圧気体軸受を高い給気圧力で使用しても、スピンドルの回転に伴うエアハンマーの発生を確実に抑制することができ、高剛性で安価なスピンドル装置を提供することができる。 According to the present invention, the motor rotating shaft is equipped with a damper with a damper adjusting function that absorbs vibration caused by the generation of the air hammer. Therefore, a highly rigid orifice bearing or porous bearing is used as the static pressure gas bearing. Even when the static pressure gas bearing is used at a high supply pressure, the generation of an air hammer accompanying the rotation of the spindle can be reliably suppressed, and a highly rigid and inexpensive spindle device can be provided.
前記スピンドル装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。好適には、前記吸振器は、前記モータ回転軸外周に弾性体を介して装着されてなる。 In configuring the spindle device, the following elements can be added. Preferably, the vibration absorber is attached to the outer periphery of the motor rotation shaft via an elastic body.
係る構成によれば、吸振器をモータ回転軸外周に弾性体を介して装着することで、エアハンマーの発生に伴う振動をより吸収することができる。 According to this configuration, the vibration associated with the generation of the air hammer can be further absorbed by mounting the vibration absorber on the outer periphery of the motor rotation shaft via the elastic body.
好適には、前記吸振器は、略環状に形成されて、その周方向の一部にすり割りを有する制振リングを備え、前記制振リングには、その周方向におけるすり割りの幅を調整するねじが装着されてなる。 Preferably, the vibration absorber is provided with a vibration damping ring that is formed in a substantially annular shape and has a slit in a part of its circumferential direction, and the vibration damping ring has an adjustable width in the circumferential direction. The screw to be attached is installed.
係る構成によれば、防振リングにはその周方向におけるすり割の幅を調整するねじが装着されているので、ねじによって防振リングの周方向におけるすり割の幅を調整することで、最適なばね常数となるように組み立てることができる。 According to such a configuration, the vibration isolating ring is equipped with a screw that adjusts the width of the slit in the circumferential direction, so it is optimal to adjust the width of the slit in the circumferential direction of the vibration isolating ring with the screw. It can be assembled to have a large spring constant.
好適には、前記ねじは、前記制振リングの周方向におけるすり割の幅を調整し、前記弾性体の締め代を変えて、ばね常数を調整してなる。 Preferably, the screw is formed by adjusting the width of the slit in the circumferential direction of the damping ring, changing the tightening margin of the elastic body, and adjusting the spring constant.
係る構成によれば、ねじにより、防振リングの周方向におけるすり割の幅を調整し、弾性体の締め代を変えてばね常数を調整することで、最適なばね常数となるように組み立てることができ、エアハンマーの発生をより確実に抑制することができる。 According to such a configuration, the screw is adjusted by adjusting the width of the slit in the circumferential direction of the vibration isolation ring, and the spring constant is adjusted by changing the tightening margin of the elastic body, thereby assembling the spring constant to be optimum. And generation of an air hammer can be more reliably suppressed.
好適には、前記吸振器は、前記モータ回転軸両端部のうち前記スピンドルから離れた部位となるモータ回転軸端部に装着されてなる。 Preferably, the vibration absorber is attached to an end portion of the motor rotation shaft that is a part away from the spindle among both end portions of the motor rotation shaft.
係る構成によれば、吸振器を、モータ回転軸両端部のうちスピンドルから離れた部位となるモータ回転軸端部に装着することで、モータ回転軸として、径が細く固有振動数が低いものを用いても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができる。 According to such a configuration, by attaching the vibration absorber to the end of the motor rotation shaft which is a part away from the spindle among the both ends of the motor rotation shaft, the motor rotation shaft has a small diameter and a low natural frequency. Even if it uses, generation | occurrence | production of an air hammer can be suppressed reliably.
好適には、前記吸振器は、前記モータ回転軸外周に第1の弾性体を介して装着され、前記吸振器には、前記吸振器を覆うカバーが第2の弾性体を介して装着され、前記カバーは、前記モータ回転軸外周に固定されたリングに連結されてなる。 Preferably, the vibration absorber is attached to an outer periphery of the motor rotation shaft via a first elastic body, and a cover that covers the vibration absorber is attached to the vibration absorber via a second elastic body, The cover is connected to a ring fixed to the outer periphery of the motor rotation shaft.
係る構成によれば、吸振器にはカバーが第2の弾性体を介して装着され、カバーが、モータ回転軸外周に固定されたリングに連結されているため、電動モータが加減速したときでも吸振器が動くのを防止することができる。 According to such a configuration, since the cover is attached to the vibration absorber via the second elastic body, and the cover is connected to the ring fixed to the outer periphery of the motor rotation shaft, even when the electric motor is accelerated or decelerated. It is possible to prevent the vibration absorber from moving.
好適には、前記吸振器は、前記リングとピンを介して連結されてなる。 Preferably, the vibration absorber is connected to the ring via a pin.
係る構成によれば、吸振器がリングとピンを介して連結されているため、電動モータの急加速・減速時に吸振器がスリップするのを防止することができる。 According to such a configuration, since the vibration absorber is connected to the ring and the pin, it is possible to prevent the vibration absorber from slipping during sudden acceleration / deceleration of the electric motor.
好適には、前記吸振器は、前記モータ回転軸の長手方向端部に固定された押さえ板と前記モータ回転軸のフランジとの間に配置されて、前記モータ回転軸外周に第1の弾性体を介して装着され、前記押さえ板と前記吸振器との間に第2の弾性体が装着され、前記フランジと前記吸振器との間に第3の弾性体が装着されてなる。 Preferably, the vibration absorber is disposed between a pressing plate fixed to a longitudinal end of the motor rotation shaft and a flange of the motor rotation shaft, and a first elastic body is provided on an outer periphery of the motor rotation shaft. The second elastic body is mounted between the pressing plate and the vibration absorber, and the third elastic body is mounted between the flange and the vibration absorber.
係る構成によれば、吸振器が、押さえ板とモータ回転軸のフランジとの間に配置されて、モータ回転軸外周に第1の弾性体を介して装着され、押さえ板と吸振器との間に第2の弾性体が装着され、フランジと吸振器との間に第3の弾性体が装着されているため、電動モータの急加速・減速時に吸振器が動くのを防止することができる。 According to such a configuration, the vibration absorber is disposed between the pressing plate and the flange of the motor rotating shaft, and is mounted on the outer periphery of the motor rotating shaft via the first elastic body, and between the pressing plate and the vibration absorber. Since the second elastic body is attached to the flange, and the third elastic body is attached between the flange and the vibration absorber, it is possible to prevent the vibration absorber from moving during sudden acceleration / deceleration of the electric motor.
好適には、前記吸振器は、前記フランジとピンを介して連結されてなる。 Preferably, the vibration absorber is connected to the flange via a pin.
係る構成によれば、吸振器がフランジとピンを介して連結されているため、電動モータの急加速・減速時に吸振器がスリップするのを防止することができる。 According to such a configuration, since the vibration absorber is connected to the flange via the pin, it is possible to prevent the vibration absorber from slipping during sudden acceleration / deceleration of the electric motor.
好適には、前記第1の弾性体は、単一又は複数のOリングの中から選択された個数のOリングで構成されてなる。 Preferably, the first elastic body is configured by a number of O-rings selected from a single or a plurality of O-rings.
係る構成によれば、第1の弾性体を用いるに際して、単一または複数のOリングの中から選択された個数のOリングを用いることで、吸振器のダンパ効果(減衰性)を調整することができる。 According to such a configuration, when the first elastic body is used, the damper effect (damping property) of the vibration absorber is adjusted by using the number of O-rings selected from a single or a plurality of O-rings. Can do.
好適には、前記静体気体軸受は、多孔質空気軸受で構成されているともに、その表面に樹脂含浸層が形成され、樹脂含浸前の流量をQ1とし、樹脂を含浸した後の流量をQ2としたときの、Q2/Q1が0.4以下に調整されてなる。 Preferably, the static gas bearing is composed of a porous air bearing, and a resin-impregnated layer is formed on the surface thereof. The flow rate before impregnation with the resin is Q1, and the flow rate after impregnation with the resin is Q2. Q2 / Q1 is adjusted to 0.4 or less.
係る構成によれば、多孔質空気軸受の表面に樹脂含浸層を形成し、樹脂含浸前の流量をQ1とし、樹脂を含浸した後の流量をQ2としたときの、Q2/Q1を0.4以下に調整することで、樹脂含浸層内部のポケットとして作用する容積が小さくなり、空気の圧縮・膨張する体積も小さくなるので、エアハンマーの発生を抑制することができる。 According to such a configuration, the resin impregnated layer is formed on the surface of the porous air bearing, the flow rate before impregnation with the resin is Q1, and the flow rate after impregnation with the resin is Q2, Q2 / Q1 is 0.4. By adjusting to the following, the volume acting as a pocket inside the resin-impregnated layer is reduced and the volume of air compression / expansion is also reduced, so that the occurrence of an air hammer can be suppressed.
また、本発明は、筒状のハウジングに、スピンドルが静圧気体軸受を介して回転自在に支持され、前記ハウジングに電動モータが並設され、前記スピンドルの長手方向一端側に、前記電動モータのモータ回転軸が連結され、前記モータ回転軸には、エアハンマーの発生に伴う振動を吸収する吸振器が装着されているスピンドル装置の調整方法において、前記モータ回転軸を含む主振動系の変位と前記吸振器の変位を含む前記主振動系の運動方程式と、前記主振動系の変位と前記吸振器の変位を含む前記吸振器の運動方程式をそれぞれ規定し、前記各運動方程式における前記主振動系の変位が最小となるように、前記吸振器の質量と前記主振動系の質量との質量比を変数とする前記吸振器の弾性体のばね常数を調整することを特徴とする。 In the present invention, a spindle is rotatably supported by a cylindrical housing via a hydrostatic gas bearing, an electric motor is provided in parallel with the housing, and one end of the electric motor in the longitudinal direction of the spindle is provided. In a method for adjusting a spindle device in which a motor rotating shaft is connected, and a vibration absorber that absorbs vibration caused by the generation of an air hammer is attached to the motor rotating shaft, the displacement of the main vibration system including the motor rotating shaft An equation of motion of the main vibration system including displacement of the vibration absorber, a movement equation of the vibration absorber including displacement of the main vibration system and displacement of the vibration absorber, respectively, and the main vibration system in each of the movement equations The spring constant of the elastic body of the vibration absorber is adjusted by using the mass ratio of the mass of the vibration absorber and the mass of the main vibration system as a variable so that the displacement of the vibration absorber is minimized.
本発明によれば、モータ回転軸を含む主振動系の変位と吸振器の変位を含む主振動系の運動方程式と、主振動系の変位と吸振器の変位を含む吸振器の運動方程式をそれぞれ規定し、各運動方程式における主振動系の変位が最小となるように、吸振器の質量と主振動系の質量との質量比を変数とする吸振器の弾性体のばね常数を調整することで、 According to the present invention, the equation of motion of the main vibration system including the displacement of the main vibration system including the motor rotating shaft and the vibration absorber, and the equation of motion of the vibration absorber including the displacement of the main vibration system and the vibration absorber are respectively represented. By adjusting the spring constant of the elastic body of the vibration absorber with the mass ratio of the mass of the vibration absorber and the mass of the main vibration system as a variable so that the displacement of the main vibration system in each equation of motion is minimized ,
本発明によれば、静圧気体軸受に高剛性のオリフィス軸受や多孔質軸受を用い、静圧気体軸受を高い給気圧力で使用してもエアハンマーの発生を確実に抑制することができ、高剛性で安価なスピンドル装置を提供できる。 According to the present invention, a highly rigid orifice bearing or a porous bearing is used as a static pressure gas bearing, and even if the static pressure gas bearing is used at a high supply pressure, the generation of an air hammer can be reliably suppressed. A highly rigid and inexpensive spindle device can be provided.
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。(第1実施例)図1は、本発明の一実施例を示すスピンドル装置の断面図である。図1において、スピンドル装置10は、ほぼ円筒状に形成された金属製ハウジング12を備えており、ハウジング12内には円筒状のスピンドル(スピンドルシャフト)が回転軸として回転自在に収納されている。ハウジング12とスピンドル14との間には、静圧気体軸受として、一対の空気軸受16、18がスピンドル14の長手方向(軸方向)に沿って配置されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a sectional view of a spindle apparatus showing an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a
ハウジング12の長手方向両端部には円筒状のフランジ20、22が配置されており、各フランジ20、22はスピンドル14の長手方向両端部にそれぞれボルト(図示せず)を介して連結されている。フランジ20、22には、スピンドル14の貫通孔24に連なる貫通孔26、28がそれぞれ形成されており、貫通孔26または貫通孔24は、例えば、チャック機構として機能し、貫通孔26または貫通孔24には、切削、研磨などの工具、あるいは磁気ディスクや磁気ヘッドなどが連結されるようになっている。
またハウジング12には、エア通路30、32が形成されており、エア通路30の給気口34にはエア供給源からのエアが供給されるようになっている。給気口34に導入されたエアは、エア通路30、32を介して排気口36から排出されるようになっている。エア供給源からのエアがエア通路30、32を介して排気口36から排気される過程では、エアの一部がスピンドル14外周と各空気軸受16、18との間の軸受隙間から排出されるとともに、空気軸受16とフランジ20との軸受隙間および空気軸受18とフランジ22との間の軸受隙間から排出される。この際、空気軸受16、18のうちスピンドル14との対向面は、ラジアル荷重を受けるラジアル受面16a、18aとして機能し、軸受16、18のうちフランジ20、22との対向面は、アキシアル荷重を受けるアキシアル受面16b、18bとして機能し、各空気軸受16、18はスピンドル14とフランジ20、22を非接触状態で回転自在に支持するようになっている。
一方、ハウジング12には、ハウジング12に隣接して電動モータ38が並設されており、電動モータ38は円筒状のモータブラケット40内に収納されて固定されている。モータブラケット40は、その長手方向一端部がハウジング12に連結され、長手方向他端部がカバー42によって閉塞されている。
On the other hand, an
電動モータ38は、モータ回転軸44、ロータ46、ステータ48を備え、モータ回転軸44の長手方向(軸方向)一端側がフランジ22にボルト(図示せず)を介して連結され、モータ回転軸44の外周にはロータ46が圧入されて固定されている。ロータ46の外側には回転磁界を発生するステータ48が配置されており、ステータ48は、モータブラケット40内壁面に固定されている。この電動モータ38は、ロータ46の回転に伴う回転力をモータ回転軸44を介してフランジ22に伝達し、スピンドル14を回転駆動するようになっている。
The
ここで、スピンドル装置10は、高精度の加工機械に使用されるため、空気軸受16、18としては高剛性のものが要求される。空気軸受16、18の剛性を高めるために、給気口34に供給されるエアの給気圧力は通常よりも2倍(1Mpa)ほど高くして使用される。またスピンドル14を電動モータ38によってダイレクトで回転駆動する構成を採用しているため、モータ回転軸44として、径が小さく、細長いもの(固有振動数が低いもの)が用いられている。
Here, since the
上記構成によるスピンドル装置10において、スピンドル14に、電動モータ38が連結されていないときには、給気口34に供給するエアの給気圧力を高くしてもエアハンマーは発生しないが、スピンドル14にフランジ22を介して電動モータ38を連結した場合、給気口34に供給するエアの吸気圧力を高くするとエアハンマーが発生した。
In the
そこで、本実施例においては、空気軸受16、18として、高剛性のオリフィス軸受や多孔質軸受を用いるに際して、モータ回転軸44の軸方向端部に、エアハンマーの発生に伴う振動を吸収する吸振器50を装着する構成を採用した。
Therefore, in this embodiment, when a highly rigid orifice bearing or a porous bearing is used as the
吸振器50は、ほぼ円筒状に形成された制振リング52から構成されており、この制振リング52は、弾性体であるゴムリング54を介してモータ回転軸44外周面に固定されている。制振リング52やゴムリング54を用いるに際しては、制振リング52の質量やゴムリング54のばね常数として、エアハンマーの振動周波数や電動モータ38の回転部の質量を基に最適の値を設定する。そして制振リング52をモータ回転軸44のうちスピンドル14からより離れた部位に固定することで、より吸振効果を高めることができる。
The
一方、ゴムリング54としては、入手が容易なOリングを用いることができる。ゴムリング54としてOリングを使用した場合、Oリングはモータ回転軸44の外周面に、締め代を持って固定され、制振リング52で支持されるので、ずれたり、動いたりすることはない。
On the other hand, as the
本実施例によれば、空気軸受16、18として、高剛性のオリフィス軸受や多孔質軸受を用い、高い給気圧力で使用しても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができ、高剛性で安価なスピンドル装置を実現できる。
According to the present embodiment, high-rigidity orifice bearings and porous bearings are used as the
また、本実施例によれば、制振リング52がゴムリング54を介してモータ回転軸44外周に装着されているので、エアハンマーの発生に伴う振動をより吸収することができる。
Further, according to the present embodiment, since the damping
さらに、本実施例によれば、吸振器50がモータ回転軸54両端部のうちスピンドル14から離れた部位となるモータ回転軸54端部に装着されているので、モータ回転軸54として、径が細く固有振動数が低いものを用いても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the
(第2実施例)
一方、ゴムリング54としては、入手が容易なOリングを用いることができる。ゴムリング54としてOリングを使用した場合、Oリングはモータ回転軸44の外周面に固定されるが、Oリングのばね常数は重要なパラメータであり、Oリングの締め代でばね常数が変わるため、最適な常数で組み立てることは困難となる。
(Second embodiment)
On the other hand, as the
そこで、第2実施例においては、図2に示すように、制振リング52として、その周方向の一部にすり割り56を有するものを用い、すり割り56とほぼ直交する部位にねじ孔58を形成するとともに、ねじ孔58内にねじ60を装着し、ねじ60によってすり割り56の幅を調整し、Oリングの締め代を変えてばね常数を調整可能とした。すなわち、吸振器50は、ダンパ調整可能な吸振器として機能するようになっている。このため、ねじ60により、すり割り56の幅を調整し、Oリングの締め代を変えてばね常数を調整することで、最適なばね常数となるように組み立てることができ、エアハンマーの発生をより確実に抑制することができる。
Therefore, in the second embodiment, as shown in FIG. 2, as the damping
さらに、制振リング52の内周側にOリング溝62、64を形成し、Oリング溝62、64内にOリングを装着することで、制振リング52を用いてOリングをモータ回転軸44外周面に固定した際に、Oリングがずれて動くことはなく、Oリングを確実にモータ回転軸44外周面に固定することができる。
Further, by forming O-
本実施例によれば、空気軸受16、18として、高剛性のオリフィス軸受や多孔質軸受を用い、高い給気圧力で使用しても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができ、高剛性で安価なスピンドル装置を実現できる。
According to the present embodiment, high-rigidity orifice bearings and porous bearings are used as the
また、本実施例によれば、ねじ60により、すり割り56の幅を調整し、Oリングの締め代を変えてばね常数を調整することで、最適なばね常数となるように組み立てることができ、エアハンマーの発生をより確実に抑制することができる。
Further, according to the present embodiment, it is possible to assemble the spring constant by adjusting the width of the
また、本実施例によれば、吸振器50がモータ回転軸54両端部のうちスピンドル14から離れた部位となるモータ回転軸54端部に装着されているので、モータ回転軸54として、径が細く固有振動数が低いものを用いても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができる。
Further, according to the present embodiment, the
(第3実施例)
次に、本発明の第3実施例を図3にしたがって説明する。本実施例は、モータ回転軸44の軸方向端部に、モータ回転軸44の大径部44aに隣接して小径部44bを形成し、小径部44bに鉄製のバランスリング80を装着し、バランスリング80に隣接して、制振リング52を配置し、制振リング52を第1の弾性体としてのOリング82、84を介して小径部44bに装着し、制振リング52の周囲を、ほぼ椀形状に形成されたカバー86で覆い、バランスリング80とカバー86とをボルト88を介して連結したものであり、スピンドル14および電動モータ38の構成は第1実施例と同様である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a small-
この際、制振リング52には、Oリング82、84を装着するためのOリング溝62、64が形成されているとともに、カバー86と接触する部位にOリング溝66、68、70が形成され、バランスリング80と接触する部位にOリング溝72が形成されている。Oリング66、68、70には、第2の弾性体としてのOリング90、92、94が装着され、Oリング溝72には第3の弾性体としてのOリング96が装着されている。またカバー86の中心部にはモータ回転軸44を挿通するための貫通孔98が形成されている。
At this time, the damping
本実施例によれば、空気軸受16、18として、高剛性のオリフィス軸受や多孔質軸受を用い、高い給気圧力で使用しても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができ、高剛性で安価なスピンドル装置を実現できる。
According to the present embodiment, high-rigidity orifice bearings and porous bearings are used as the
また、本実施例によれば、制振リング52がOリング82、84を介してモータ回転軸44の小径部44bに装着され、カバー86がOリング90、92、94を介して制振リング52に装着され、カバー86がボルト88を介してバランスリング80に連結されているため、電動モータ38の急加速・減速時に吸振器50が動くのを防止することができる。なお、Oリング90、92、94、96は全て用いる必要はなく、Oリングによるダンパ効果を考慮して任意に組合せて用いることができる。
Further, according to this embodiment, the damping
次に、第3実施例の吸振器(ダイナミックダンパ)50を対象として、吸振器50の変位を最小とするための調整方法について説明する。まず、図3に示すカバー86を、矢印A方向からインパクトハンマーで叩き、吸振器50の振動の状態を、矢印B方向から加速度ピックアップで検出し、加速度ピックアップの検出出力を監視しながら吸振器50の剛性を調整する。
Next, an adjustment method for minimizing the displacement of the
この際、モータ回転軸44に吸振器50を取付けたときの振動系モデルを図4に示す。図4において、m1は、モータ回転軸44を含む主振動系の質量、k1は、主振動系の剛性、m2は、吸振器50の質量、k2は、吸振器の剛性、cは、吸振器50の減衰係数、Pは、インパクトハンマーによる外力であると仮定すると、主振動系の運動方程式は、次の(数1)式で表される。
At this time, a vibration system model when the
一方、吸振器50の運動方程式は、次の(数2)式で表される。
On the other hand, the equation of motion of the
数1および数2の連立微分方程式により、x1が最小となる条件を与えれば、エアハンマーによる吸振器50の振動も最小となる。なお、m1およびk1の値はモデルの1自由度系に置き換えた場合の等価質量、等価剛性として、インパクト加振の伝達関数(変位/力)より求めた。
If the conditions for minimizing x 1 are given by the simultaneous differential equations of Equations 1 and 2, the vibration of the
主振動系の変位x1が最小となる条件は、質量比;μ=m2/m1とすると、k2=μ・k1/(1+μ)2となる。 The condition for minimizing the displacement x 1 of the main vibration system is k 2 = μ · k 1 / (1 + μ) 2 when the mass ratio is μ = m 2 / m 1 .
すなわち、各運動方程式における主振動系の変位x1が最小となるように、吸振器50の弾性体のばね常数、すなわちk2を調整する。
That is, the spring constant of the elastic body of the
図5に、モータ回転軸44に吸振器50を装着しないときのインパクトハンマーによる加振試験結果の特性図を示す。また図6に、モータ回転軸44に吸振器50を装着したときのインパクトハンマーによる加振試験結果の特性図を示す。
FIG. 5 shows a characteristic diagram of a vibration test result using an impact hammer when the
図5および図6から、モータ回転軸44にOリング82、84を介して吸振器50を装着することで、吸振器50を装着しないときよりも24dB程度減衰効果を高められることが分かる。
5 and 6, it can be seen that the damping effect can be improved by about 24 dB by attaching the
(第4実施例)
次に、本発明の第4実施例を図7にしたがって説明する。本実施例は、制振リング52の一部に貫通孔100を形成し、この貫通孔100と相対向して、バランスリング80に穴102を形成し、貫通孔100と穴102内に回り止め用のピン104を挿入し、制振リング52とバランスリング80とをピン104を介して連結したものであり、他の構成は第3実施例と同様である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, a through
本実施例によれば、空気軸受16、18として、高剛性のオリフィス軸受や多孔質軸受を用い、高い給気圧力で使用しても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができ、高剛性で安価なスピンドル装置を実現できる。
According to the present embodiment, high-rigidity orifice bearings and porous bearings are used as the
また、本実施例によれば、制振リング52がピン104を介してバランスリング80に連結されているため、電動モータ38の急加速・減速時に吸振器50がスリップするのを防止することができる。
Further, according to the present embodiment, since the damping
(第5実施例)
次に、本発明の第5実施例を図8にしたがって説明する。本実施例は、モータ回転軸44の長手方向端部に連結板108を介して、補助モータ回転軸としてのリング110を連結し、リング110のフランジ112とリング110の軸方向端部にボルト114で固定された押さえ板116との間に制振リング52を配置し、制振リング52を第1の弾性体としてのOリング118、120、122を介してリング110の外周に装着し、制振リン52と押さえ板116との間に第2の弾性体としてのOリング124を装着し、フランジ112と制振リング52との間に第3の弾性体としてのOリング126を装着したものであり、他の構成は第1実施例と同様である。
(5th Example)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a
この際、制振リング52には、リング110と接触する部位にOリング溝128、130、132が形成され、押さえ板116と接触する部位にはOリング溝134が形成され、フランジ112と接触する部位にはOリング溝136が形成され、各Oリング溝128〜136にはそれぞれOリング118〜126が装着されている。
At this time, in the damping
本実施例によれば、空気軸受16、18として、高剛性のオリフィス軸受や多孔質軸受を用い、高い給気圧力で使用しても、エアハンマーの発生を確実に抑制することができ、高剛性で安価なスピンドル装置を実現できる。
According to the present embodiment, high-rigidity orifice bearings and porous bearings are used as the
また、本実施例によれば、制振リング52がOリング118、120、122を介してリング110の外周に装着され、制振リング52がOリング124を介して押さえ板116で支持されているため、電動モータ38の急加速・減速時に吸振器50が動くのを防止することができる。
Further, according to the present embodiment, the damping
また、本実施例においては、弾性体としてのOリング128、130、132は必ずしも3本用いる必要はなく、弾性体としてのダンパ効果(減衰性)を確認しながら本数を調整することができる。すなわちOリングを1本あるいは2本あるいは3本用いることが可能である。
In the present embodiment, it is not always necessary to use three O-
(第6実施例)
スピンドル装置10に用いられる空気軸受16、18は、静圧空気軸受として、高圧空気を、絞りを通して軸受隙間に供給することで、負荷能力を得ることができる。したがって、スピンドル14は、空気軸受16、18と非接触で回転するため、極低摩擦、低振動、低発熱、低発塵、高回転精度などの優れた特性を示し、精密な計測器や加工機に使用されている。エア通路30に設けられる絞り(図示せず)は空気膜に剛性を与えて負荷能力を得るために装着される。この絞りの方式によって空気軸受16、18は分類される。
(Sixth embodiment)
The
この種の絞りとしては、例えば、複数の細い孔を設けて絞り作用を与える自成絞りやオリフィス絞りが最も多く用いられている。また、焼結材などの通気性の材料自体で絞り作用を与える多孔質絞りは、軸受面に無数の微細孔が形成され、絞りとしては理想的で、軸受性能が最も優れているところから、前記各実施例においてはこの種の空気軸受が用いられている。 As this type of restriction, for example, a self-contained restriction or an orifice restriction that provides a narrowing action by providing a plurality of narrow holes is most often used. In addition, the porous diaphragm that gives a squeezing action with a breathable material itself such as a sintered material has numerous fine holes formed on the bearing surface, making it ideal as a diaphragm and having the best bearing performance. In each of the above embodiments, this type of air bearing is used.
一方、空気軸受16、18を用いた場合、エアハンマーが発生することがある。エアハンマーは空気軸受特有の振動現象であって、その原因は空気の圧縮性にある。
On the other hand, when the
具体的には、空気軸受では、絞りから軸受隙間への流路の中に、空気溜りとなるポケットが存在すると、条件によっては、ポケットへの空気流入量とポケットからの流出量に差が生じ、その結果、ポケット内で空気がその圧縮性により、膨張、収縮を始めようとする。これがエアハンマーと呼ばれる現象で、異音を伴った大きな振動となる。すなわち、エア通路30中にオリフィス絞りを設けた場合、絞りの後のポケット容積と軸受隙間の容積の比が大きくなると、圧力の粗密に伴って空気が膨張・収縮を繰り返し、エアハンマーが発生する。
Specifically, in air bearings, if there is a pocket that collects air in the flow path from the throttle to the bearing gap, there will be a difference between the amount of air flowing into the pocket and the amount of outflow from the pocket depending on the conditions. As a result, air tends to expand and contract in the pocket due to its compressibility. This is a phenomenon called an air hammer, which causes large vibrations accompanied by abnormal noise. That is, when an orifice restrictor is provided in the
一方、エアハンマーに関するパラメータとしては、給気圧力、軸受隙間、ポケット容積、絞り抵抗の大きさ、回転部分の小用振動などがある。これらパラメータを考慮し、本実施例では、図9に示すように、空気軸受16、18を多孔質軸受として構成する際に、その軸受表面に樹脂含浸層17、19を形成し、絞り抵抗を大きくすることとしている。
On the other hand, parameters relating to the air hammer include an air supply pressure, a bearing gap, a pocket volume, a size of a throttle resistance, and a small vibration for a rotating part. In consideration of these parameters, in this embodiment, as shown in FIG. 9, when the
すなわち、多孔質軸受に樹脂を含浸しないと、多孔質の中で絞りとポケットが混在することになってハンマーが発生する。これに対して、多孔質軸受に樹脂を含浸すると、樹脂の含浸したところが絞りとなり、絞りより後にポケットがない構造となり、エアハンマーが起きないと考えられる。 That is, if the porous bearing is not impregnated with resin, the aperture and the pocket are mixed in the porous, and a hammer is generated. On the other hand, if the porous bearing is impregnated with resin, the resin-impregnated portion becomes an aperture, and there is no pocket after the aperture, and it is considered that no air hammer occurs.
また空気軸受16、18を多孔質軸受としたときにエアハンマーが発生する要因の1つは、樹脂含浸層17、19の中で最も絞りが強くなっている部分から、軸受面までの経路がポケットとなっていることである。
In addition, one of the factors that cause an air hammer when the
そこで、本実施例では、空気軸受16、18に樹脂含浸層17、19を形成するに際して、樹脂含浸前の流量(素材流量)をQ1とし、空気軸受16、18に樹脂を含浸した後の流量をQ2としたときに、Q2/Q1が小さく、樹脂含浸量が多いものを用いた。これにより、樹脂含浸層17、19内部のポケットとして作用する容積が小さくなり、空気の圧縮・膨張する体積を小さくすることができた。これによりエアハンマーを回避できたものと想定される。
Therefore, in this embodiment, when the resin impregnated
次に、空気軸受16、18として、径方向の長さが90mm、内径が200mm、外径が320mmであって、その表面に樹脂含浸層17、19を形成したものを用いてエアハンマー発生の有無の相関関係を確認するために、流量Q1、Q2に関する特性を測定したところ、Q2/Q1に関しては、図10に示すような結果が得られた。
Next, as the
これに対して、図10からは、Q2/Q1が小さく、例えば0.4以下であって、質量増加率が高い(樹脂含浸量が多い)ときにはエアハンマー抑制効果があることが確認された。 On the other hand, from FIG. 10, it was confirmed that when Q2 / Q1 is small, for example, 0.4 or less, and the mass increase rate is high (the resin impregnation amount is large), there is an air hammer suppressing effect.
本実施例によれば、空気軸受16、18を多孔質軸受として用いるときに、空気軸受16、18の軸表面に樹脂含浸層17、19を形成し、Q2/Q1を0.4以下にすることで、エアハンマーを抑制することができる。
According to the present embodiment, when the
10 スピンドル装置、12 ハウジング、14 スピンドル、16、18 軸受、20、22 フランジ、30、32 エア通路、38 電動モータ、44 モータ回転軸、46 ロータ、48 ステータ、50 吸振器、52 制振リング、54 ゴムリング、56 すり割り、60 ねじ、62、64、68、70、72 Oリング溝、80 バランスリング、82、84 Oリング、86 カバー、90、92、94、96 Oリング、104 ピン、116 押さえ板、118、120、122 Oリング 10 Spindle device, 12 Housing, 14 Spindle, 16, 18 Bearing, 20, 22 Flange, 30, 32 Air passage, 38 Electric motor, 44 Motor rotating shaft, 46 Rotor, 48 Stator, 50 Vibration absorber, 52 Damping ring, 54 Rubber ring, 56 Slot, 60 Screw, 62, 64, 68, 70, 72 O-ring groove, 80 Balance ring, 82, 84 O-ring, 86 Cover, 90, 92, 94, 96 O-ring, 104 pin, 116 Presser plate, 118, 120, 122 O-ring
Claims (15)
前記モータ回転軸を含む主振動系の変位と前記吸振器の変位を含む前記主振動系の運動方程式と、前記主振動系の変位と前記吸振器の変位を含む前記吸振器の運動方程式をそれぞれ規定し、前記各運動方程式における前記主振動系の変位が最小となるように、前記吸振器の質量と前記主振動系の質量との質量比を変数とする前記吸振器の弾性体のばね常数を調整することを特徴とするスピンドル装置の調整方法。 A spindle is rotatably supported by a cylindrical housing via a static pressure gas bearing, an electric motor is arranged in parallel with the housing, and a motor rotation shaft of the electric motor is connected to one end side in the longitudinal direction of the spindle. In the adjusting method of the spindle device in which the motor rotating shaft is equipped with a vibration absorber that absorbs vibration caused by the generation of the air hammer,
Equations of motion of the main vibration system including displacement of the main vibration system including the motor rotation shaft and displacement of the vibration absorber, and equations of motion of the vibration absorber including displacement of the main vibration system and displacement of the vibration absorber, respectively And the spring constant of the elastic body of the vibration absorber with the mass ratio of the mass of the vibration absorber and the mass of the main vibration system as a variable so that the displacement of the main vibration system in each equation of motion is minimized. A method for adjusting a spindle device, comprising adjusting
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