JP2010201587A

JP2010201587A - 主軸装置

Info

Publication number: JP2010201587A
Application number: JP2009051843A
Authority: JP
Inventors: Toru Nakagawa; 亨中川; Isao Tashiro; 功田代
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】主軸の１次曲げ固有角周波数の振動を減衰させる。
【解決手段】ドローバー１７の曲げ剛性をばね要素とし、ドローバー１７と両螺旋皿ばね２０，２２と中間間座２１を質量要素とし、緩衝部材２５を減衰要素とした主軸内蔵部材の振動系の固有角周波数を、主軸１２の１次曲げ固有角周波数近傍の値に設定する。これにより、主軸１２の動吸振器とすることができ、加工外乱などに誘発される主軸１２の１次曲げ固有角周波数の振動を大幅に低減することができ、安定して良好な加工面品位を維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械に適用される主軸装置に係り、特に、加工外乱による主軸の１次曲げ固有角周波数における振動の減衰を促進することが必要とされる主軸装置に関するものである。

従来の主軸装置としては、ツールを保持するホルダを先端に嵌合させると共に主軸台に回転自在に支承され軸方向に中空穴が設けられた主軸と、軸方向に摺動可能とされて前記主軸の前記中空穴内に配設されたドローバーと、該ドローバーの外周に微小な隙間をもって設置して前記ドローバーを前記ホルダから離間する軸方向に付勢する複数の皿ばねとを備えた主軸装置において、軸方向に移動可能に前記ドローバーに嵌合され、両端面が隣接する２枚の前記皿ばねに個別に当接し、内外周面が前記ドローバーの外周面および前記軸穴に当接するとともに、半径方向に弾性を有する吸振伝達部材を具備し、前記ドローバー自体の振動を低減する構成のものがあった（例えば、特許文献１参照）。

図７は特許文献１に記載された従来の主軸装置の構成を示すものである。

図７に示す主軸装置は、軸穴１０１を有する主軸１０２，軸穴１０１内に挿入されたドローバー１０３，ドローバー１０３に嵌装された複数の皿ばね１０４，複数の皿ばね１０４の中間部に介設され、かつドローバー１０３に軸方向自在に嵌着された輪板１０５、輪板１０５の内外周面に嵌装された半径方向吸振部材のＯリング１０６，１０７を有している。

輪板１０５は複数の皿ばね１０４の中間部に設けられているため、Ｏリング１０６，１０７はドローバーの１次の曲げ固有角周波数のダンパーとして作用し、その結果、ドローバー１０３の振動低減が可能となる。
特開平０３−２１３２０２号公報

しかしながら、前記従来の主軸装置の構成では、主軸内に設置されたドローバーの１次曲げ固有角周波数にのみ着目し、その振動の腹の位置に吸振部材を設置しただけであるため、ドローバーの１次曲げ固有角周波数の振動を低減することは可能であるが、加工により大きな影響を及ぼす主軸本体の曲げ振動を減衰させることは考慮されていなかった。

本発明は、前記従来の技術の課題に鑑み、主軸の１次曲げ固有角周波数の振動を減衰させることができる主軸装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の主軸装置は、ツールを保持するホルダが先端に嵌合され、軸方向に中空孔が設けられ、主軸台に回転自在に支承される主軸と、前記主軸の前記中空孔内に、軸方向に摺動可能に配設されるドローバーと、前記ドローバーの外周に微小な隙間をもって設置され、前記ドローバーを前記ホルダから離間する軸方向に付勢する螺旋皿ばねとを備えた主軸装置において、前記螺旋皿ばねを、前記ドローバーの外周に設置し該ドローバーの一方側に配設される右巻き螺旋皿ばねと、前記ドローバーの外周に設置し該ドローバーの他方側に配設される左巻き螺旋皿ばねとし、前記左巻き螺旋皿ばねと前記右巻き皿ばねとの間に配置され、前記両螺旋皿ばねの端部にそれぞれ当接し、前記ドローバーの外周に摺動可能に設置される中間間座と、前記中間間座と前記主軸の前記中空孔との間に設置される緩衝部材とを備え、前記ドローバーの曲げ剛性をばね要素とし、前記ドローバーと前記両螺旋皿ばねと前記中間間座とを質量要素とし、前記緩衝部材を減衰要素とした振動系の固有角周波数を、前記主軸の１次曲げ固有角周波数近傍の値に設定したものである。

本構成によって、主軸の１次曲げ固有角周波数における振動に対して、主軸内に設置されたドローバーの曲げ剛性をばね要素とし、ドローバーと一対の螺旋皿ばねと中間間座を質量要素とし、中間間座と主軸の間に介設された緩衝部材を減衰要素とした振動系が反共振することになり、主軸の１次曲げ固有角周波数における振動を大幅に減衰させることができる。

本発明の主軸装置によれば、主軸の１次曲げ固有角周波数における振動に対して、主軸内に設置されたドローバーの曲げ剛性をばね要素とし、ドローバーと一対の螺旋皿ばねと中間間座を質量要素とし、中間間座と主軸の間に介設された緩衝部材を減衰要素とした振動系が反共振することにより、主軸の１次曲げ固有角周波数における振動を大幅に減衰させることができる。このため、加工外乱によって主軸が１次曲げ固有角周波数で振動した結果、加工面品位が著しく劣化するという問題を解決することができる。よって、加工面品位を良好な状態に安定維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における主軸装置の要部断面図である。

図１において、複数の軸受１１によって支承された主軸１２が、主軸台１３に回転自在に配設されている。この主軸１２は、軸方向に中空孔１４が形成され、先端にツール１５を保持したホルダ１６のテーパー面に嵌合するテーパー孔が形成されている。主軸１２の中空孔１４内には、ドローバー１７が軸方向に移動可能に配設され、該ドローバー１７の先端にホルダ１６の後端に係合する連結部材１８が連結して配設されている。

ドローバー１７には、先端側（図１の下方側）から第１のカラー１９，右螺旋皿ばね２０，中間間座２１，左螺旋皿ばね２２，第２のカラー２３，ナット２４が前記の順序で互いに当接して軸方向に挿入されている。第１のカラー１９と中間間座２１はドローバー１７と軸方向に摺動可能に嵌合されている。右螺旋皿ばね２０と左螺旋皿ばね２２は、ドローバー１７と軸方向に摺動可能に、該ドローバー１７の外周に微小な隙間をもって設置されている。

ナット２４はドローバー１７の後端部に螺合されており、該ナット２４によって第２のカラー２３が、両螺旋皿ばね２０，２２を圧縮させるために、ドローバー１７に軸方向に対して摺動可能に嵌合されている。緩衝部材２５は、中間間座２１と主軸１２の中空孔１４の内壁間に、該中空穴１４に対して摺動可能に設置されている。

前記各部材が組み付けられると、第１のカラー１９が中空孔１４内に形成された段部に当接し、ホルダ１６のクランプ時にドローバー１７は、両螺旋皿ばね２０，２２のばね力（圧縮状態を開放する力）によって、軸方向後方（図１の上方向）に付勢され、これにより、ホルダ１６が連結部材１８を介して主軸１２に固定される。

主軸１２には、モータロータ２６が外嵌固定され、モータロータ２６の外周面側には、主軸台１３に固定されたモータステータ２７が同軸上に配置されている。このモータトルクにより、主軸１２の先端部のツール１５が回転し、機械加工を実施することが可能となる。

また、ドローバー１７の後方には駆動装置（図示せず）が配設されており、ホルダ１６のクランプ／アンクランプ時に、前記駆動装置により両螺旋皿ばね２０，２２のばね力に抗して、ドローバー１７を軸方向に押圧して前進（図１の下方向）させ、連結部材１８に係合しているホルダ１６の把持を解除することができるようになっている。

次に、ドローバー１７の曲げ剛性をばね要素とし、ドローバー１７と両螺旋皿ばね２０，２２と中間間座２１を質量要素とし、緩衝部材２５を減衰要素とした主軸内蔵部材の振動系の固有角周波数を、主軸１２の１次曲げ固有角周波数近傍の値に設定し、主軸１２の動吸振器とする方法について説明する。

図２は実施の形態１における動吸振器の力学モデルを示す図であり、主軸１２を制御対象とし、主軸内蔵部材の振動系を動吸振器として扱う方法を考える。

まず、主軸１２の１次の曲げ固有角周波数ω_１は、主軸１２の材料あるいは形状が決定されれば、有限要素法を用いた数値計算により求めることができる。主軸１２の質量をｍ_１とすれば、ばね定数ｋ_１は下式（数１）から求めることができる。

主軸１２の内蔵部材の振動系の１次の曲げ角周波数ω_２は、中央に質量を持つ単純支持はりと考えて、下式（数２）から求めることができる。

ｇ：重力加速度
Ｅ：ドローバーの縦弾性係数
Ｉ：ドローバーの断面２次モーメント
Ｗ：中間間座の質量
Ｌ：ドローバーの長さ
α：ドローバーと螺旋皿ばねの質量和と中間間座の質量の比の値
したがって、主軸１２の内蔵部材の振動系の総質量をｍ_２とすれば、ばね定数ｋ_２は、下式（数３）から求めることができる。

動吸振器の定点理論によれば、下式（数４），（数５）とした場合、下式（数６），（数７）となるように、主軸１２の内蔵部材の振動系の１次の曲げ角周波数ω_２と緩衝部材２５の減衰比ζ_ａを決定することができる。

ζ_ａ：減衰比
ｃ_２：緩衝部材２５の減衰係数

かかる構成によれば、ドローバー１７の曲げ剛性をばね要素とし、ドローバー１７と両螺旋皿ばね２０，２２と中間間座２１を質量要素とし、緩衝部材２５を減衰要素とした主軸内蔵部材の振動系の固有角周波数を、主軸１２の１次曲げ固有角周波数近傍の値に設定し、主軸１２の動吸振器とすることができ、加工外乱などに誘発される主軸１２の１次曲げ固有角周波数の振動を大幅に低減することができる。よって、安定して良好な加工面品位を維持することができる。

なお、本実施の形態において、動吸振器の定点理論により、上式（数６），（数７）としたが、動吸振器の最小分散規範に基づいた方法により、下式（数８），（数９）としてもよい。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における主軸装置の要部断面図である。なお、以下の説明において、既に説明した構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付して詳しい説明は省略する。

図３において、ドローバー１７には、先端側から第１のカラー２１９，右螺旋皿ばね２０，中間間座２２１，左螺旋皿ばね２２，第２のカラー２２３が前記の順序で互いに当接して軸方向に挿入されている。第１のカラー２１９と中間間座２２１と第２のカラー２２３はドローバー１７と軸方向に摺動可能に嵌合されている。両螺旋皿ばね２０，２２は、ドローバー１７と軸方向に摺動可能に、該ドローバー１７の外周に微小な隙間をもって設置されている。

中間間座２２１と第１のカラー２１９と第２のカラー２２３における螺旋皿ばね２０，２２と当接する部分に、それぞれドローバー１７と同軸の斜面形状を形成している。

前記実施の形態１においては、第１のカラー１９，右螺旋皿ばね２０，中間間座２１，左螺旋皿ばね２２，第２のカラー２３は互いに当接している。またこれらは、ホルダ１６のクランプ時、両螺旋皿ばね２０，２２のばね力（圧縮状態を開放する力）によって互いに押圧されているため、ドローバー１７の外周に微小な隙間をもって設置されている両螺旋皿ばね２０，２２は半径方向にも保持されている。

しかし、例えば、より高速回転，高能率加工を求められるような場合、ドローバー１７の外周に微小な隙間をもって設置されている両螺旋皿ばね２０，２２は、より大きな半径方向振動を受け、第１のカラー１９，中間間座２１，第２のカラー２３との間に微小なずれ振動が発生することになる。

前記ずれ振動により、主軸内蔵部材の振動系の動吸振器の能力が低下することになる。具体的には、上式（数２）で設定した主軸内蔵部材の振動系の固有角周波数がずれていくことになり、所望の動吸振器性能が低下する場合が発生する。

実施の形態２の構成によれば、中間間座２２１と第１のカラー２１９と第２のカラー２２３とにおける各螺旋皿ばね２０，２２と当接する部分に、ドローバー１７と同軸の斜面形状を形成しているため、より高速回転，高能率加工が求められるような場合においても、ドローバー１７の外周に微小な隙間をもって設置された右螺旋皿ばね２０と左螺旋皿ばね２２は、第１のカラー２１９，中間間座２２１、第２のカラー２２３との間に微小なずれ振動が発生することはない。

したがって、主軸内蔵部材の振動系の固有角周波数を、主軸１２の１次曲げ固有角周波数近傍の値に設定し、主軸１２の動吸振器とすることができ、加工外乱などに誘発される主軸１２の１次曲げ固有角周波数の振動を大幅に低減することができる。よって、安定して良好な加工面品位を維持することができる。

（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３における主軸装置の要部断面図である。

図４において、ドローバー１７には、先端側から第１のカラー３１９，右螺旋皿ばね２０，中間間座３２１，左螺旋皿ばね２２，第２のカラー３２３が前記の順序で互いに当接して軸方向に挿入されている。第１のカラー３１９と中間間座３２１と第２のカラー３２３はドローバー１７と軸方向に摺動可能に嵌合されている。両螺旋皿ばね２０，２２は、ドローバー１７と軸方向に摺動可能に、該ドローバー１７の外周に微小な隙間をもって設置されている。

中間間座３２１と第１のカラー３１９と第２のカラー３２３の螺旋皿ばね２０，２２と当接する部分に、それぞれドローバー１７と同軸の斜面形状を形成している。

上記までの基本構成は実施の形態２と同様な構成になっている。

中間間座３２１と第１のカラー３１９の螺旋皿ばね２０，２２との当接部の斜面形状に起因して、両螺旋皿ばね２０，２２の付勢力の主軸半径方向成分が発生する。この半径方向の力により第１のカラー３１９とドローバー１７との間の摺動抵抗の増加、および両螺旋皿ばね２０，２２とドローバー１７との間の摺動抵抗の増加、および中間間座３２１とドローバー１７との間の摺動抵抗の増加が伴っても、ホルダ１６から離間する軸方向の付勢力が規定のホルダ引き込み力を確保でき、かつドローバー１７と微小な隙間をもって設置した両螺旋皿ばね２０，２２の端部が、主軸１２の回転に伴う遠心力によっても中間間座３２１と第１のカラー３１９と第２のカラー３２３の斜面形状の当接部と相対移動しないという条件の基に、中間間座３２１と第１のカラー３１９と第２のカラー３２３の斜面形状が決定されている。

図４において、前記方法で決定された中間間座３２１と第１のカラー３１９の斜面は、第２のカラー３２３の斜面より緩やかに形成されている。

ここで、図５を参照して、中間間座３２１と第１のカラー３１９の斜面形状を決定する方法について詳細に説明する。

図５は螺旋皿ばね（ここでは螺旋皿ばねを右螺旋皿ばね２０とする）が中間間座３２１あるいは第１のカラー３１９の斜面に当接した状態を示しており、螺旋皿ばね２０とドローバー１７との摺動抵抗について検討した説明図である。

図５において、一対の螺旋皿ばね２０の付勢力をＦ、中間間座３２１あるいは第１のカラー３１９の斜面からの抗力をＮ，螺旋皿ばね２０のドローバー１７から受ける抗力をＲ、半径方向と中間間座３２１あるいは第１のカラー３１９における斜面とのなす角度をθとすると、力の釣り合いから下式（数１０）〜（数１２）が成立する。

ここで、螺旋皿ばね２０とドローバー１７との間の摩擦係数をν、規定のホルダ引き込み力Ｔ_ｓｔとすると、ホルダ１６の引き込み力Ｔは下式（数１３）を満足しなければならない。

図６は螺旋皿ばね２０が中間間座３２１あるいは第１のカラー３１９の斜面に当接した状態を示す説明図であり、遠心力による螺旋皿ばね２０の斜面からの滑りについて検討した説明図である。

両螺旋皿ばね２０，２２の付勢力をＦ、中間間座３２１あるいは第１のカラー３１９の斜面からの抗力をＮ，螺旋皿ばね２０の遠心力をＰ，静止摩擦力をＱ、半径方向中間間座３２１あるいは第１のカラー３１９における斜面とのなす角度をθとすると、力の釣り合いから下式（数１４）〜（数１７）が成立する。

静止摩擦係数をν_１とすると、螺旋皿ばねが斜面から滑り出さない条件は下式（数１８）となる。

上式（数１６）〜（数１８）により下式（数１９）となる。

また、螺旋皿ばね２０の遠心力Ｐは、螺旋皿ばね２０の回転軸からの偏心量をドローバー１７との間の微小隙間ｅとし、螺旋皿ばね２０の質量をＭ、主軸１２の回転角周波数をω_ｓｐとすると、下式（数２０）により求めることができる。

上式（数１３），（数１９），（数２０）を同時に満足するように、中間間座３２１あるいは第１のカラー３１９の斜面の角度θ、螺旋皿ばね２０，２２の付勢力Ｆなどを決定することによって、中間間座３２１と第１のカラー３１９の螺旋皿ばね２０との当接部の斜面形状に起因したホルダ１６の引き込み力低下があっても、規定のホルダ引き込み力を損なわず、かつドローバー１７と微小な隙間をもって設置した両螺旋皿ばね２０，２２の端部が、主軸１２の回転に伴う遠心力によっても中間間座３２１と第１のカラー３１９と第２のカラー３２３の斜面形状の当接部と相対移動しないという条件を満たすことができる。

なお、第２のカラー３２３の斜面形状の決定において、第２のカラー３２３およびこの近傍の螺旋皿ばね（本例では左螺旋皿ばね２２）は、ホルダ１６のクランプ／アンクランプ動作時には、ドローバー１７と摺動せず、摺動抵抗が発生しないので、上記（数１９），（数２０）を満足するだけでよいので、図４に示すように、中間間座３２１あるいは第１のカラー３１９より斜面の角度θを大きく設定することができる。

以上のように、実施の形態３によれば、ホルダ１６の引き込み力を規定値以上に保った上に、主軸内蔵部材の振動系の固有角周波数を、主軸１２の１次曲げ固有角周波数近傍の値に設定することにより、主軸１２の動吸振器とすることができる。このため、加工外乱などに誘発される主軸１２の１次曲げ固有角周波数の振動を大幅に低減することができる。よって、安定して良好な加工面品位を維持することができる。

本発明の主軸装置は、主軸内蔵部材の振動系を主軸の動吸振器とすることができ、加工外乱などに誘発される主軸の１次曲げ固有角周波数の振動を大幅に低減できて、安定して良好な加工面品位を維持できるものであって、振動の小さな高精度回転を要求される各分野の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における主軸装置の要部断面図実施の形態１における動吸振器の力学モデルを示す図本発明の実施の形態２における主軸装置の要部断面図本発明の実施の形態３における主軸装置の要部断面図実施の形態３における螺旋皿ばねとドローバーの摺動抵抗の検討についての説明図実施の形態３における遠心力による螺旋皿ばねの斜面からの滑りの検討についての説明図従来の主軸装置の要部断面図

１１軸受
１２主軸
１３主軸台
１４中空孔
１５ツール
１６ホルダ
１７ドローバー
１８連結部材
１９，２１９，３１９第１のカラー
２０右螺旋皿ばね
２１，２２１，３２１中間間座
２２左螺旋皿ばね
２３，２２３，３２３第２のカラー
２４ナット
２５緩衝部材
３１９第１のカラー

Claims

ツールを保持するホルダが先端に嵌合され、軸方向に中空孔が設けられ、主軸台に回転自在に支承される主軸と、
前記主軸の前記中空孔内に、軸方向に摺動可能に配設されるドローバーと、
前記ドローバーの外周に微小な隙間をもって設置され、前記ドローバーを前記ホルダから離間する軸方向に付勢する螺旋皿ばねとを備えた主軸装置において、
前記螺旋皿ばねを、前記ドローバーの外周に設置し該ドローバーの一方側に配設される右巻き螺旋皿ばねと、前記ドローバーの外周に設置し該ドローバーの他方側に配設される左巻き螺旋皿ばねとし、
前記左巻き螺旋皿ばねと前記右巻き皿ばねとの間に配置され、前記両螺旋皿ばねの端部にそれぞれ当接し、前記ドローバーの外周に摺動可能に設置される中間間座と、
前記中間間座と前記主軸の前記中空孔との間に設置される緩衝部材とを備え、
前記ドローバーの曲げ剛性をばね要素とし、前記ドローバーと前記両螺旋皿ばねと前記中間間座とを質量要素とし、前記緩衝部材を減衰要素とした振動系の固有角周波数を、前記主軸の１次曲げ固有角周波数近傍の値に設定したことを特徴とする主軸装置。
前記ホルダ側に配設された前記螺旋皿ばねにおける一方の前記ホルダ側端部に当接し、前記ドローバーの外周に摺動可能に設置される第１のカラーと、
他方の螺旋皿ばねの前記ホルダと反対側の端部と当接し、前記ドローバーの外周に設置される第２のカラーとを備え、
前記中間間座と前記第１のカラーと前記第２のカラーとが前記螺旋皿ばねとに当接する部分に、それぞれ前記ドローバーと同軸の斜面形状を形成したことを特徴とする請求項１記載の主軸装置。
前記中間間座と前記第１のカラーとにおける前記螺旋皿ばねとの当接部の斜面形状に起因して、
前記両螺旋皿ばねの付勢力の主軸半径方向成分による前記第１のカラーと前記ドローバーとの間の摺動抵抗の増加、および前記両螺旋皿ばねと前記ドローバーとの間の摺動抵抗の増加、および前記中間間座と前記ドローバーとの間の摺動抵抗の増加が伴っても、
前記ホルダから離間する軸方向の付勢力が所定の前記ホルダの引き込み力を確保することができ、かつ前記ドローバーと微小隙間をもって設置した前記両螺旋皿ばねの端部が、前記主軸の回転に伴う遠心力によっても、前記中間間座と前記第１のカラーと前記第２のカラーとの前記斜面形状の当接部と相対移動しないという条件の基で、
前記中間間座と前記第１のカラーと前記第２のカラーとの前記斜面形状を決定することを特徴とする請求項２記載の主軸装置。