JP2010216654A - Bearing assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は複数の軸受を使用した軸受組立体に関するものである。 The present invention relates to a bearing assembly using a plurality of bearings.
例えば旋盤やフライス盤、マシニングセンタなどの切削加工を行う工作機械にあって、切削時の荷重を検出することができると、工具寿命を向上できるような最適な加工条件を把握することができ、省エネルギー化などに貢献することができる。例えば、切粉排出量が同じで、切削荷重が小さいという加工条件を見出すことが可能になれば、その加工条件は効率的な加工条件であり、省エネルギーや工具寿命の延長につながる。 For example, in a machine tool that performs cutting such as a lathe, milling machine, machining center, etc., if the load during cutting can be detected, the optimum machining conditions that can improve the tool life can be grasped and energy saving can be achieved. Can contribute. For example, if it becomes possible to find a machining condition in which the amount of chips discharged is the same and the cutting load is small, the machining condition is an efficient machining condition, which leads to energy saving and extension of the tool life.
例えば、下記特許文献1では、水晶圧電式のセンサや市販の荷重センサを用いて、切削荷重の検出を行っている。しかしながら、市販のセンサ、例えば水晶圧電椎センサは高価であると共に、例えばアキシャル方向の荷重検出のみであれば1つの荷重センサでよいが、ラジアル方向の荷重検出を行おうとすると、複数の荷重センサが必要となり、より一層コストが嵩んでしまう。 For example, in Patent Document 1 below, the cutting load is detected using a crystal piezoelectric sensor or a commercially available load sensor. However, a commercially available sensor, such as a quartz piezoelectric vertebra sensor, is expensive, and for example, only one load sensor may be used if only axial direction load detection is performed. However, when performing load detection in the radial direction, a plurality of load sensors are used. This is necessary and further increases the cost.
そこで、本出願人は、下記特許文献2に記載される荷重検出機能付きの軸受組立体を提案した。この軸受組立体は、2列の異なる周方向境界特性を有するエンコーダを回転部材に設置する共に、そのエンコーダの2列の異なる周方向境界特性の夫々を回転センサで検出し、それら回転センサで検出された周方向境界特性の位相差から回転部材に作用する荷重を算出するものである。この軸受組立体によれば、高価な荷重センサを用いることなく、回転部材に作用する荷重を求めることができる。
Therefore, the present applicant has proposed a bearing assembly with a load detection function described in
しかしながら、前記特許文献2に記載される軸受組立体は、あくまでも自動車の車輪のハブに用いるためのものであり、工作機械に適用するためには、何らかの工夫が必要である。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、回転部材に作用する荷重を求めることができ且つ工作機械に好適な軸受組立体を提供することを目的とするものである。
However, the bearing assembly described in
The present invention has been made paying attention to the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a bearing assembly suitable for a machine tool that can determine a load acting on a rotating member. is there.
上記課題を解決するため、本発明の軸受組立体は、複数の軸受を使用した軸受組立体において、2列の異なる周方向境界特性を有する円環状エンコーダを複数の軸受の間で回転部材に設置し、前記円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性を夫々検出する回転センサを少なくとも2カ所以上静止部材に設置し、前記回転センサで検出された円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性のパルス信号の位相差の変化を検出することを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, a bearing assembly according to the present invention is a bearing assembly using a plurality of bearings, and two rows of annular encoders having different circumferential boundary characteristics are installed on the rotating member between the plurality of bearings. And at least two rotation sensors for detecting different circumferential boundary characteristics of the two annular encoders on the stationary member, and two circumferential boundaries of the annular encoders detected by the rotation sensor. A change in the phase difference of the characteristic pulse signal is detected.
また、前記検出されたパルス信号の位相差の変化から演算によって回転部材に作用する荷重を算出することを特徴とするものである。
また、前記回転センサで前記円環状エンコーダの周方向境界特性に基づいて発生するパルス数を前記回転部材に入力される荷重変動周期の整数倍とは異なる値に設定したことを特徴とするものである。
Further, a load acting on the rotating member is calculated by calculation from a change in the phase difference of the detected pulse signal.
Further, the number of pulses generated by the rotation sensor based on the circumferential boundary characteristics of the annular encoder is set to a value different from an integral multiple of a load fluctuation period input to the rotating member. is there.
また、前記回転部材に装着される切削工具の切削刃数を、前記回転センサで前記円環状エンコーダの周方向境界特性に基づいて発生するパルス数の整数倍とは異なる値となるように設定したことを特徴とする。
また、前記円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性のうち、少なくとも1列は、円環状エンコーダの回転に伴って境界特性が軸線方向に斜めに変化するものであることを特徴とするものである。
Further, the number of cutting blades of the cutting tool attached to the rotating member is set to be different from an integer multiple of the number of pulses generated by the rotation sensor based on the circumferential boundary characteristics of the annular encoder. It is characterized by that.
Further, among the two different circumferential boundary characteristics of the annular encoder, at least one of the annular encoders is characterized in that the boundary characteristics change obliquely in the axial direction as the annular encoder rotates. It is.
また、前記円環状エンコーダと回転センサとの組合せが回転部材の軸線方向又はほぼ軸線方向に2組配設されていることを特徴とするものである。
また、前記円環状エンコーダと回転センサとの組合せが回転部材の周方向に複数配設されていることを特徴とするものである。
また、前記円環状エンコーダは、複数の軸受の間の間座に溝又は突起を形成して前記2列の異なる周方向境界特性としたものであることを特徴とするものである。
Further, two combinations of the annular encoder and the rotation sensor are arranged in the axial direction or substantially in the axial direction of the rotating member.
Further, a plurality of combinations of the annular encoder and the rotation sensor are arranged in the circumferential direction of the rotating member.
The annular encoder is characterized in that grooves or projections are formed in the spacers between a plurality of bearings to provide the two rows of different circumferential boundary characteristics.
また、前記円環状エンコーダは、複数の軸受の間の間座に2列の異なる周方向境界特性を有するエンコーダリングを取付けたものであることを特徴とするものである。
また、前記円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性を回転部材の軸線方向に離して配列したことを特徴とするものである。
また、前記回転部材と円環状エンコーダとの間に回転規制部材を介装したことを特徴とするものである。
また、前記円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性の位相を周方向にずらしたことを特徴とするものである。
The annular encoder is characterized in that two rows of encoder rings having different circumferential boundary characteristics are attached to the spacers between a plurality of bearings.
Further, the two circumferential boundary characteristics of the annular encoder are arranged apart from each other in the axial direction of the rotating member.
Further, a rotation restricting member is interposed between the rotating member and the annular encoder.
Further, the phases of the two circumferential boundary characteristics of the two annular encoders are shifted in the circumferential direction.
而して、本発明の軸受組立体によれば、2列の異なる周方向境界特性を有する円環状エンコーダを複数の軸受の間で回転部材に設置し、回転センサで検出された円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性のパルス信号の位相差の変化を検出することとしたため、このパルス信号の位相差から回転部材に作用する荷重を算出することができると共に、円環状エンコーダを軸受間の間座に設けることにより工作機械に好適に用いることができる。 Thus, according to the bearing assembly of the present invention, two annular encoders having different circumferential boundary characteristics are installed on the rotating member between the plurality of bearings, and the annular encoder detected by the rotation sensor is used. Since the change in the phase difference of the pulse signals having two different circumferential boundary characteristics is detected, the load acting on the rotating member can be calculated from the phase difference of the pulse signals, and the annular encoder is connected between the bearings. By providing in the spacer, it can be suitably used for a machine tool.
また、検出されたパルス信号の位相差の変化から演算によって回転部材に作用する荷重を算出することとしたため、工作機械の回転部材に作用する荷重を適正に求めることができる。
また、前記回転部材に入力される1回転当たりの荷重変動数を、前記回転センサで前記円環状エンコーダの周方向境界特性に基づいて発生するパルス数の整数倍とは異なる値となるように設定することにより、サンプリング定理のエリアジングの影響を排除して正確なパルス検出を行うことができる。
Moreover, since the load acting on the rotating member is calculated by calculation from the change in the phase difference of the detected pulse signal, the load acting on the rotating member of the machine tool can be obtained appropriately.
In addition, the number of load fluctuations per rotation input to the rotating member is set to be different from an integer multiple of the number of pulses generated by the rotation sensor based on the circumferential boundary characteristics of the annular encoder. By doing so, it is possible to eliminate the influence of aliasing in the sampling theorem and perform accurate pulse detection.
また、回転部材に装着される切削工具の切削刃数を、回転センサで前記円環状エンコーダの周方向境界特性に基づいて発生するパルス数の整数倍とは異なる値となるように設定することにより、サンプリング定理のエリアジングの影響を排除して正確なパルス検出を行うことができる。
また、円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性のうち、少なくとも1列は、円環状エンコーダの回転に伴って境界特性が軸線方向に斜めに変化するものであることとしたため、異なる周方向境界特性を容易に得ることができる。
In addition, by setting the number of cutting blades of the cutting tool mounted on the rotating member to a value different from an integer multiple of the number of pulses generated based on the circumferential boundary characteristics of the annular encoder by the rotation sensor. Thus, accurate pulse detection can be performed by eliminating the influence of aliasing in the sampling theorem.
Also, among the two circumferential boundary characteristics of two different annular encoders, at least one of the circumferential characteristics is such that the boundary characteristics change obliquely in the axial direction as the annular encoder rotates. The boundary characteristics can be easily obtained.
また、円環状エンコーダと回転センサとの組合せが回転部材の軸線方向又はほぼ軸線方向に2組配設されていることとしたため、これらの組合せにより回転部材の軸線方向に作用する荷重を求めることができる。
また、円環状エンコーダと回転センサとの組合せが回転部材の周方向に複数配設されていることとしたため、これらの組合せにより回転部材の径方向に作用する荷重を求めることができる。
Further, since two combinations of the annular encoder and the rotation sensor are arranged in the axial direction of the rotating member or substantially in the axial direction, the load acting in the axial direction of the rotating member can be obtained by these combinations. it can.
In addition, since a plurality of combinations of the annular encoder and the rotation sensor are arranged in the circumferential direction of the rotating member, a load acting in the radial direction of the rotating member can be obtained by these combinations.
また、円環状エンコーダは、複数の軸受の間の間座に溝又は突起を形成して2列の異なる周方向境界特性としたことにより、間座に円環状エンコーダの機能を容易に付加することができ、工作機械に好適に用いることができる。
また、円環状エンコーダは、複数の軸受の間の間座に2列の異なる周方向境界特性を有するエンコーダリングを取付けたことにより、間座に円環状エンコーダの機能を容易に付加することができ、工作機械に好適に用いることができる。
In addition, the annular encoder can easily add the function of the annular encoder to the spacer by forming grooves or protrusions in the spacer between the plurality of bearings to have two different circumferential boundary characteristics. Can be suitably used for machine tools.
In addition, the annular encoder can easily add the function of the annular encoder to the spacer by attaching two rows of encoder rings having different circumferential boundary characteristics to the spacer between the bearings. It can be suitably used for machine tools.
また、円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性を回転部材の軸線方向に離して配列したことにより、2つの軸受間の間座の幅が小さい場合でも、好適に用いることができる。
また、回転部材と円環状エンコーダとの間に回転規制部材を介装したことにより、円環状エンコーダの回転部材に対する相対回転を規制することができると共に、円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性を回転部材の軸線方向に離して配列したとき、それらの2列の異なる周方向境界特性同士の位相を合わせることができる。
また、円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性の位相を周方向にずらしたことにより、回転センサのレイアウトの自由度が高まる。
Further, the two circumferential boundary characteristics of the two annular encoders are arranged apart from each other in the axial direction of the rotating member, so that even when the width of the spacer between the two bearings is small, it can be used suitably.
In addition, since a rotation restricting member is interposed between the rotating member and the annular encoder, relative rotation of the annular encoder with respect to the rotating member can be restricted, and two circumferential boundaries between the annular encoders are different. When the characteristics are arranged apart from each other in the axial direction of the rotating member, the phases of the two circumferential boundary characteristics in the two rows can be matched.
In addition, by shifting the phases of the two different circumferential boundary characteristics of the annular encoder in the circumferential direction, the degree of freedom in layout of the rotation sensor is increased.
次に、本発明の軸受組立体の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の軸受組立体の第1実施形態を示す縦断面図である。この軸受組立体は、例えば工作機械の主軸などの回転部材を支持するための4つの軸受1a〜1dを備えている。4つの軸受1a〜1dの間には、夫々、間座2a〜2cが介装されている。間座は、周知のように、軸受間の寸法を規制するものであると共に、例えば軸受に予圧が与えられている場合には、その予圧を確保するためのものでもある。
Next, an embodiment of the bearing assembly of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a bearing assembly of the present invention. The bearing assembly includes four
本実施形態では、このうち、中央の2つの軸受1b、1c間の間座2bに円環状エンコーダの機能を付加した。この円環状エンコーダ機能付き間座2bは、例えば図2に示すように、軸受1b、1c間の距離を規制するために所定の幅(軸線方向長さ)が与えられた鋼製円筒リングであり、その外周には、所定周長毎或いは所定位相毎に、幅方向中央部を先細りの先端とする対象形のV溝3が同方向に向けて形成されている。このV溝3は、例えば後述する回転センサによって、回転しているV溝の間座幅方向両端部の斜め部分3a、3bの磁束密度の変化をパルス信号として検出するためのものである。つまり、鋼製の間座2bは磁性体なので、回転センサから磁力を付与し、回転センサ側に発生する電流を検出すると、凹部であるV溝3が近接し、次いで離間するときに、正弦波状の電流変化が生じる。この電流値を所定の閾値でオン・オフすればパルス信号が得られる。このため、回転センサ4はV溝3に対向する例えばホール素子のような磁電変換素子と、この磁電変換素子の背面側すなわちV溝3とは反対側に配設した永久磁石とで構成されている。勿論、パルス信号への変換機能を、センサ以外の部分に持たせてもよい。また、回転センサ4は、前述したパッシブ型の回転センサに加え、例えば特開2006−317420号公報に記載されるようなホール素子に対向させてV状に着磁した永久磁石を配置した構成を有するアクティブ型の回転センサを用いることも可能である。本発明では、種々の形態の回転センサを適用することができる。なお、溝に変えて凸部としても、ほぼ同様の作用が得られる。
In this embodiment, the function of the annular encoder is added to the
図1に戻って、この円環状エンコーダ機能付き間座2bの外周には、複数の回転センサ4が配設されている。この実施形態では、1つのセンサ筐体5に対して、2つの回転センサ4を回転部材6の軸線方向に並べて(後述するように実際には少しずれている)配設している。つまり、1つのセンサ筐体5に設けられている2つの回転センサ4のうち、一方の回転センサ4は、前記円環状エンコーダ機能付き間座2bのV溝3の一方の斜め部分3aに対向し、他方の回転センサ4は、当該V溝3の他方の斜め部分3bに対向している。
Returning to FIG. 1, a plurality of
図3には、回転センサ4及びセンサ筐体5の一例を示す。回転センサ4は、前述したように、鋼製の円環状エンコーダ機能付き間座2bに磁力を付与し、且つ当該円環状エンコーダ機能付き間座2bが回転したときにV溝3部分で生じる磁束密度の変化を電流値の変化として捉え、それを所定の閾値でオン・オフしてパルス信号を出力する。勿論、パルス信号への変換機能を、センサ以外の部分に持たせてもよい。センサ筐体5は、回転センサ4を先端部に保持する小径部5bと、小径部5bの後端部に連設された大径部5aを備え、大径部5aには、センサ筐体5を静止部材7に固定するための凹部5cが設けられている。この凹部5cに支持具8を収納し、その支持具8をボルトなどの固定具9で静止部材7に固定する。なお、センサ筐体5は、図3の左右方向が回転部材6の軸線方向と平行になるように静止部材7に固定されるので、回転センサ4は、回転部材6の軸線方向に対して少しずれている。この回転センサ4の軸線方向のズレは、即ち円環状エンコーダ機能付き間座2bの周方向へのズレになる。その理由については後段に説明する。
FIG. 3 shows an example of the
本実施形態では、図4に示すように、回転部材6の周囲に、120°毎に、計3つのセンサ筐体5が配設されている。即ち、1つの円環状エンコーダ機能付き間座2bの周囲には、回転部材6の軸線方向に2つの回転センサ4の対が並んで配設され、その対が、当該円環状エンコーダ機能付き間座2bの周囲に3対等間隔に配設されていることになる。
これらの回転センサ4の出力から回転部材6に作用する荷重を求める方法について簡潔に説明する。例えば、回転部材6にアキシャル方向(軸線方向)の荷重が作用する場合、当該アキシャル方向の荷重がないときに、前記回転部材6の軸線方向に配設された2つの回転センサ4のパルス信号にズレがない、つまり2つの回転センサ4の夫々が、前記円環状エンコーダ機能付き間座2bのV溝3の2つの斜め部分3a、3bを位相ズレなく検出している状態から回転部材6にアキシャル方向の荷重が作用すると、円環状エンコーダ機能付き間座2bの位置が回転部材6の軸線方向の何れか一方にずれる、即ち変位する。このように円環状エンコーダ機能付き間座2bの位置が回転部材6の軸線方向にずれると、2つの回転センサ4の夫々が検出している円環状エンコーダ機能付き間座2bのV溝3の2つの斜め部分3a、3bに位相ズレが生じる。このように2つの回転センサ4の夫々が検出している円環状エンコーダ機能付き間座2bのV溝3の2つの斜め部分3a、3bに位相ズレが生じると、2つの回転センサ4から出力されるパルス信号に位相差の変化が発生する。この位相差の変化は、回転部材6のアキシャル方向への荷重による円環状エンコーダ機能付き間座2bの変位量と等価なので、後述する制御装置によって、パルス信号の位相差から回転部材6のアキシャル方向への荷重を算出することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, a total of three
A method for obtaining the load acting on the rotating
また、例えば、回転部材6にラジアル方向(径方向)の荷重が作用する場合、当該ラジアル方向の荷重がないときに、前記回転部材6の周方向に配設された3対(対のうちの1つを代表して3つと考えても同じ)の回転センサ4のパルス信号にズレがない、つまり3対(又は3つ)の回転センサ4の夫々が、前記円環状エンコーダ機能付き間座2bのV溝3の2つ(又は何れか一方)の斜め部分3a、3bを位相ズレなく検出している状態から回転部材6にラジアル方向の荷重が作用すると、円環状エンコーダ機能付き間座2bの位置が回転部材6の径方向の何れか一方にずれる、即ち変位する。このように円環状エンコーダ機能付き間座2bの位置が回転部材6の径方向にずれると、3対(又は3つ)の回転センサ4の夫々が検出している円環状エンコーダ機能付き間座2bのV溝3の2つ(又は何れか一方)の斜め部分3a、3bに位相ズレが生じる。このように3対(又は3つ)の回転センサ4の夫々が検出している円環状エンコーダ機能付き間座2bのV溝3の2つ(又は何れか一方)の斜め部分3a、3bに位相ズレが生じると、3対の回転センサ4から出力されるパルス信号に位相差の変化が発生する。この位相差の変化は、回転部材6のラジアル方向への荷重による円環状エンコーダ機能付き間座2bの変位量と等価なので、後述する制御装置によって、パルス信号の位相差から回転部材6のラジアル方向への荷重を算出することができる。
Further, for example, when a radial (radial) load is applied to the rotating
これらのことから、本実施形態では、V溝3の2つの斜め部分3a、3bを、2列の異なる周方向境界特性と定義した。周方向境界特性は、例えば検出されるパルス信号のエッジを示す。即ち、回転部材6にアキシャル方向、或いはラジアル方向の荷重が付加されると、検出される2列の時間軸上の検出パルスに時間差、つまり2つの検出パルスの位相差に変化が生じる。この2つの検出パルスの位相差の変化を検出するためのものであることから、V溝3の2つの斜め部分3a、3bを2列の異なる周方向境界特性とした。なお、V溝に変えてV字状の凸部であっても、同様の機能を有することから、この場合も2列の異なる周方向境界特性と言える。また、後述するように、V字状の磁極を回転させ、その斜め部分の近接、離間によって生じる正弦波状電流を所定の閾値でオン・オフしても、同様の機能を有することから、この場合も2列の異なる周方向境界特性とする。
Therefore, in the present embodiment, the two
図5には、更なる2列の異なる周方向境界特性の形態を示す。図5aは、図2のV溝3に類似しているが、V溝3の端部を間座2bの幅方向端部に貫通させていない。つまり、V溝3の部分も間座2bの厚さ(径方向長さ)が確保されている。間座は、軸受間の寸法を規制するためのものであり、また軸受の予圧を確保するためのものでもあるから、厚さが重要である。V溝3を幅方向端部に貫通させないことにより、間座2bの厚さを確保することができる。
FIG. 5 shows two additional rows of different circumferential boundary characteristic configurations. FIG. 5 a is similar to the V-
また、図5bは、前記図5aと同様に、V溝の2つの斜め部分3a、3bを間座2bの幅方向端部に貫通させないだけでなく、V溝を連結せず、中央部分で分断して、斜め部分3a、3bのみを形成した。検出対象となるのは、前述のように斜め部分3a、3b、つまり2列の異なる周方向境界特性の部分であるから、V溝を連結させる必要はない。
図5cは、間座2bに大径部2baと小径部2bbを形成し、その夫々に、V溝の斜め部分3a、3bを形成した。結果的には、V溝は連結されていない。この形態は、間座2bを挟んだ両側の軸受の外径が異なる場合や、軸受の種類が異なる場合、例えば図の右側に配設される軸受がラジアル軸受、左側に配設される軸受がアキシャル軸受であるような場合に好適である。また、この場合には、回転センサの位置を、夫々の斜め部分3a、3bに対向するように設定する必要がある。
5b, as in FIG. 5a, not only does not allow the two
Figure 5 c forms a large diameter portion 2ba and a small diameter portion 2bb between
また、図5dは、図7cと同様に、間座2bに大径部2baと小径部2bbを形成し、小径部2bbには、前記V溝の他方の斜め部分3bのみを形成する(つまり「V」字は表れない)。一方、大径部2baには、その小径部2bb側の軸線方向端面に、斜め部分3bに対向する放射状の溝12を形成する。この場合も、斜め部分3b及び溝12に対向する方に回転センサの位置を設定する必要がある。本実施形態の場合、図示しない回転部材のアキシャル方向に荷重が付加されても、溝12の検出パルスには位相ズレが生じない。これに対して、回転部材にアキシャル方向の荷重が付加されると、斜め部分3bの検出パルスには位相ズレが生じる。従って、溝12の検出パルスを基準に斜め部分3bの検出パルスの位相差の変化を検出し、その位相差の変化から荷重を算出することができる。
5d, similarly to FIG. 7c, a large diameter portion 2ba and a small diameter portion 2bb are formed in the
図6には、更なる2列の異なる境界特性の形態を示す。この実施形態は、間座2bの外周面に形成すべきV溝の2つの斜め部分3a、3bを、本来のV溝のピッチの半分ずつ、位相をずらして形成する(つまり「V」字は表れない)。ここで、前記対をなす2つの回転センサ4が間座2bの周方向にずれている理由について説明する。この対をなす2つの回転センサ4では、例えば前述した回転部材へのアキシャル方向への荷重による検出パルスの位相差の変化を検出することができる。この検出パルスの位相差の変化検出に際し、どちらか先に発生したパルスを検出し、その先発パルスから後発のパルスまでの位相差を検出するのは、円環状エンコーダの絶対的な位相を設定しない限り、困難であるし、仮に絶対位相を設定しても、メモリやカウンタの容量や演算負荷が増すだけで現実的でない。
FIG. 6 shows another two rows of different boundary characteristic configurations. In this embodiment, the two
そこで、一般的には、前記図5dの実施形態からも推察されるように、何れか一方の検出パルスを基準とし、他方の検出パルス到達までの時間を計測する。このとき、2つの検出パルスが位相ズレしていないことを前提に一方の検出パルスから他方の検出パルスまでの時間を計測すると、例えば一方の検出パルスに対する他方の検出パルスの位相ズレがないときに「0」、一方の検出パルスに対して他方の検出パルスがパルス1波長分位相ズレしているとき時間が「1」であるとすると、計測される時間は「0」から最大で「1」まで及ぶ。実質的にパルス1波長分位相ズレすることがなくても、値は「0」近傍と「1」近傍に現れるため、メモリやカウンタに容量の大きなものが必要となり、演算負荷も増大する。これに対し、初期設定として一方の検出パルスに対して他方の検出パルスが、例えば0.5パルス波長分位相ズレして検出されるようにしておけば、値は「0.5」近傍にのみ現れ、メモリやカウンタの容量や演算負荷を低減することができる。 Therefore, in general, as inferred from the embodiment of FIG. 5d, the time until the other detection pulse is reached is measured using either one of the detection pulses as a reference. At this time, if the time from one detection pulse to the other detection pulse is measured on the assumption that the two detection pulses are not out of phase, for example, when there is no phase deviation of the other detection pulse from one detection pulse If the time is “1” when the phase of the other detection pulse is shifted by one wavelength with respect to one detection pulse, the time to be measured is “1” up to “1”. It extends to. Even if the phase does not substantially shift by one wavelength, the values appear in the vicinity of “0” and “1”, so that a memory and a counter need to have a large capacity, and the calculation load increases. On the other hand, if the other detection pulse is detected with a phase shift of 0.5 pulse wavelength, for example, with respect to one detection pulse as an initial setting, the value is only in the vicinity of “0.5”. As a result, the capacity of the memory and the counter and the calculation load can be reduced.
これを実現するために、例えば前記2列の異なる周方向境界特性がV溝の2つの斜め部分である場合、前記対をなす2つの回転センサ4を間座2bの周方向に、「0.5」パルス波長分ずらし、位相ズレの初期値を「0.5」に設定し、その初期値からの位相差の変化を2つの検出パルスの位相差の変化として検出する。これに対し、図6のように、2つの斜め部分3a、3bを、本来のV溝のピッチの半分ずつ、位相をずらして形成すると、例えば回転センサ4が間座2bの周方向にずれていない、つまり回転部材に軸線方向に正しく並んでいても、検出パルスは最初から「0.5」パルス波長分ずれている。従って、この初期値からの位相差を2つの検出パルスの位相差の変化として検出すればよい。
In order to realize this, for example, when the different circumferential boundary characteristics of the two rows are two oblique portions of the V-groove, the pair of two
なお、円環状エンコーダ機能付き間座2bを回転部材6に取付ける場合には、図7に示すように、例えば円環状エンコーダ機能付き間座2bの内周及び回転部材6の外周にキー溝10を形成し、それらのキー溝10にキー11を嵌入して、円環状エンコーダ機能付き間座2bの回転部材6に対する相対回転を規制するようにしてもよい。ちなみに、キーなどの回転規制部材によって円環状エンコーダ機能付き間座の相対回転を規制する場合には、後述するように円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性、具体的には円環状エンコーダ機能付き間座を回転部材の軸線方向に離して配列したとき、それらの周方向境界特性同士の位相を合わせることができる。なお、回転規制部材には、キー以外にも、あらゆる周知の回転規制部材を適用することができる。
In addition, when attaching the
図8は、本実施形態の軸受組立体が適用された工作機械の主軸装置のユニット全体構成図であり、例えば旋盤やフライス盤、マシニングセンタなどの高速回転型汎用工作機械を始め、種々の高速回転型専用工作機械にも用いられるものである。回転部材6は主軸であり、静止部材7はハウジングである。回転部材6である主軸は、図の左方から静止部材7であるハウジング内に差し込まれ、ハウジングの左端開口部にキャップを固定して抜けないようにしてある。
FIG. 8 is an overall configuration diagram of a spindle unit of a machine tool to which the bearing assembly of the present embodiment is applied. For example, various high-speed rotation types such as a high-speed rotation type general-purpose machine tool such as a lathe, a milling machine, and a machining center are illustrated. It is also used for dedicated machine tools. The rotating
回転センサ4の出力は、信号ケーブル19を介して、外部の制御装置20で読込まれる。制御装置20では、例えば予めサンプリングした回転センサ4からのパルス信号の位相差と回転部材6に作用するラジアル方向の荷重、アキシャル方向の荷重の関係を記憶しておき、検出される回転センサ4からのパルス信号の位相差から、演算によって回転部材6に作用するラジアル方向の荷重、アキシャル方向の荷重を算出する。なお、本実施形態の回転センサ4によれば、同様の手法を用いて、他の方向からの荷重を算出することも可能であり、その場合も、予めサンプリングした各方向からの荷重と、その際に発生する回転センサ4からのパルス信号の位相差を記憶しておき、検出される回転センサ4からのパルス信号の位相差から、演算によって回転部材6に作用する荷重を算出すればよい。
The output of the
このように、本実施形態の軸受組立体では、V溝3が2つの斜め部分(2列の異なる周方向境界特性)3a、3bを有する円環状エンコーダ機能付き間座2bを2つの軸受1b、1cの間で回転部材6に設置し、回転センサ4で検出された円環状エンコーダ機能付き間座2bの2つの斜め部分(2列の異なる周方向境界特性)3a、3bのパルス信号の位相差の変化を検出することにより、このパルス信号の位相差から回転部材6に作用する荷重を算出することができると共に、円環状エンコーダを軸受1b、1c間の間座2bに設けることにより工作機械に好適に用いることができる。
As described above, in the bearing assembly of the present embodiment, the V-
また、検出されたパルス信号の位相差の変化から演算によって回転部材6に作用する荷重を算出することにより、工作機械の回転部材6に作用する荷重を適正に求めることができる。
また、円環状エンコーダ機能付き間座2bの2列の異なる周方向境界特性のうち、少なくとも1列を、円環状エンコーダ機能付き間2bの回転に伴って境界特性が軸線方向に斜めに変化する斜め部分3a、3bとしたため、異なる周方向境界特性を容易に得ることができる。
Further, by calculating the load acting on the rotating
In addition, among the two different circumferential boundary characteristics of the
また、円環状エンコーダ機能付き間座2bと回転センサ4との組合せが回転部材6の軸線方向又はほぼ軸線方向に2組配設されていることとしたため、これらの組合せにより回転部材6のアキシャル方向(軸線方向)に作用する荷重を求めることができる。
また、円環状エンコーダ機能付き間座2bと回転センサ4との組合せが回転部材6の周方向に複数配設されていることとしたため、これらの組合せにより回転部材6の等字圧方向(径方向)に作用する荷重を求めることができる。
In addition, since two combinations of the
In addition, since a plurality of combinations of the
また、円環状エンコーダは、2つの軸受1b、1cの間の間座2bにV溝(又はV字状突起)3を形成して2列の異なる周方向境界特性としたことにより、間座2bに円環状エンコーダの機能を容易に付加することができ、工作機械に好適に用いることができる。
また、回転部材6と円環状エンコーダ機能付き間座2bとの間に回転規制部材11を介装したことにより、円環状エンコーダ機能付き間座2bの回転部材6に対する相対回転を規制することができる
また、円環状エンコーダ機能付き間座2bの2つの斜め部分(2列の異なる周方向境界特性)3a、3bの位相を周方向にずらしたことにより、回転センサ4のレイアウトの自由度が高まる。
In addition, the annular encoder is formed by forming a V groove (or V-shaped projection) 3 in the
In addition, since the
次に、本発明の軸受組立体の第2実施形態について、図9、図10を用いて説明する。本実施形態の軸受組立体が適用される工作機械の主軸装置は、前記第1実施形態の図1のものに類似しており、同じ構成には同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。本実施形態では、2つの軸受1b、1c間の間座2bに直接円環状エンコーダ機能を付加するのではなく、円環状エンコーダ機能が予め付加されたエンコーダリング13を間座2bに被嵌する。このエンコーダリング13は、間座2bの外周面に緊密に嵌入する小径部13aと、この小径部13aから立ち上げられて、間座2bの外周面との間に所定の隙間を開けて当該外周面を覆う大径部13bとを備えて構成され、この大径部13bに、前記第1実施形態と同様に、2つの斜め部分3a、3bを有するV溝3が開設されている。
Next, 2nd Embodiment of the bearing assembly of this invention is described using FIG. 9, FIG. The spindle device of the machine tool to which the bearing assembly of the present embodiment is applied is similar to that of FIG. 1 of the first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof will be given. Omitted. In the present embodiment, instead of directly adding the annular encoder function to the
このエンコーダリング13は、例えばプレス加工などによって非切削に形成することができる。そこで、エンコーダリング13を予め形成しておき、同じ外径の間座2bにエンコーダリング13を緊密に被嵌して円環状エンコーダ機能を付加するようにすれば、切削工程を必要としない。また、間座2bを切削加工しないことから、間座の強度を確保することができる。
The
次に、本発明の軸受組立体の第3実施形態について、図11、図12を用いて説明する。本実施形態の軸受組立体が適用される工作機械の主軸装置は、前記第1実施形態の図1のものに類似しており、同じ構成には同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。本実施形態では、2つの軸受1b、1c間の間座2bに直接円環状エンコーダ機能を付加するのではなく、円環状エンコーダ機能が予め付加されたエンコーダリング13を間座2bに被嵌する。このエンコーダリング13は、間座2bの外周面に緊密に嵌入する小径部13aと、この小径部13aから立ち上げられて、間座2bの外周面との間に所定の隙間を開けて当該外周面を覆う大径部13bと、前記大径部13bに被嵌された多極磁石型エンコーダ14を備えて構成される。
Next, 3rd Embodiment of the bearing assembly of this invention is described using FIG. 11, FIG. The spindle device of the machine tool to which the bearing assembly of the present embodiment is applied is similar to that of FIG. 1 of the first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof will be given. Omitted. In the present embodiment, instead of directly adding the annular encoder function to the
この多極磁石型エンコーダ14は、V字状の薄いV型N極14Nと同じくV字状の薄いV型S極14Sを交互に周方向に配列したリング状である。回転センサ4は、このV型N極14N及びV型S極14Sの2つの斜め部分を、2つの異なる周方向境界特性として検出し、それらの接近、離間によって生じる正弦波状電流値を所定の閾値でオン・オフしてパルス信号を出力する。なお、前記第1及び第2実施形態の回転センサ4と異なり、エンコーダ14側が磁力を有するので、回転センサ4側に磁力は必要ない。
This multi-pole
前記エンコーダリング13は、例えばプレス加工などによって非切削に形成することができる。そこで、多極磁石型エンコーダ14を外周に被嵌したエンコーダリング13を予め形成しておき、同じ外径の間座2bにエンコーダリング13を緊密に被嵌して円環状エンコーダ機能を付加するようにすれば、前記第2実施形態と同様に、切削工程を必要としない。また、間座2bを切削加工しないことから、間座の強度を確保することができる。
このように、本実施形態の軸受組立体では、2つの軸受1b、1cの間の間座2bに2列の異なる周方向境界特性を有するエンコーダリング13を取付けたことにより、間座2bに円環状エンコーダの機能を容易に付加することができ、工作機械に好適に用いることができる。
The
As described above, in the bearing assembly of this embodiment, the
次に、本発明の軸受組立体の第4実施形態について、図13、図14を用いて説明する。本実施形態の軸受組立体が適用される工作機械の主軸装置は、前記第1実施形態の図8のものに類似しており、同じ構成には同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。なお、本実施形態では、制御装置は図示を省略している。前記第1及び第2実施形態では、2つの軸受1b、1cの間の間座2bに、2列の異なる周方向境界特性を付与したが、本実施形態では、軸受1a、1bの間の間座2aと、軸受1c、1dの間の間座2cの夫々に異なる周方向境界特性を付与し、回転部材6の軸線方向に離間した2つの間座2a、2cによって2列の異なる周方向境界特性を得る。また、回転センサ4及び当該回転センサ4を保持するセンサ筐体5は、前記2つの間座2a、2cに対向するように配設されている。なお、センサ筐体5には回転センサ4が1つしか搭載されていない。また、本実施形態でも、回転部材6の軸線方向に離間した回転センサ4及び2列の異なる周方向境界特性の組合せの対を、回転部材6の周方向に複数対配設するようにしても構わない。
Next, 4th Embodiment of the bearing assembly of this invention is described using FIG. 13, FIG. The spindle device of the machine tool to which the bearing assembly of this embodiment is applied is similar to that of FIG. 8 of the first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof will be given. Omitted. In the present embodiment, the control device is not shown. In the first and second embodiments, two rows of different circumferential boundary characteristics are given to the
複数の軸受1a〜1dの隣合う軸受間の距離は短く、間座2a〜2cの幅(軸線方向長さ)も短い。この幅の狭い間座2a〜2cの何れかに、前記第1及び第2実施形態のようなV溝3やV型N極14N、V型S極14Sを配設するのが困難な場合もある。また、回転センサ4は、例えばV溝3の2つの斜め部分3a、3bに対向するように配設しなければならないが、軸受間の距離が短いために、それらを適正に配設できない恐れもある。このような場合には、本実施形態のように、2つの間座2a、2cの夫々にV溝を構成する斜め部分3a、3bを1つずつ設け、その夫々を回転センサ4で検出するようにすることで、軸受間の距離が短い場合に対応することができる。なお、このような場合に、間座2a、2cと回転部材6との間に、キーなどの回転規制部材を介装することで、2つの間座2a、2c、即ち2つの斜め部分3a、3bの位相を適正な状態とすることができる。
The distance between adjacent bearings of the plurality of
次に、本発明の軸受組立体の第5実施形態について、図15を用いて説明する。本実施形態の軸受組立体が適用される工作機械の主軸装置は、前記第1実施形態の図8のものに類似しており、同じ構成には同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。なお、本実施形態では、制御装置は図示を省略している。本実施形態では、前記第4実施形態と同様に、回転部材6の軸線方向に離れた間座2a、2cの夫々に、V溝を構成する斜め部分3a、3bを設け、それらの間座2a、2cの斜め部分3a、3bを個別の回転センサ4で検出する。前記第4実施形態では、これらの回転センサ4を保持するセンサ筐体5が別体であったのに対し、本実施形態では、回転センサ4自体を保持する小径部5bは別体であるが、それら小径部5bの根幹部を連結部5cで連結して、センサ筐体5を一体化した。
Next, a fifth embodiment of the bearing assembly of the present invention will be described with reference to FIG. The spindle device of the machine tool to which the bearing assembly of this embodiment is applied is similar to that of FIG. 8 of the first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof will be given. Omitted. In the present embodiment, the control device is not shown. In the present embodiment, as in the fourth embodiment, the
前述したように、対をなす回転センサ4は、検出される2つの検出パルスの位相差の変化を検出するためのものであるから、2列の異なる周方向境界特性もそうであるが、2つの回転センサ4同士の位相を適正な状態としなければならない。前記第4実施形態のように、回転センサ4を保持するセンサ筐体5が別体の場合、2つのセンサ筐体5の固定状態を規制するための手段を別途用いる必要があるが、センサ筐体5を一体化してしまえば、そうした規制手段を講じる必要がない。
このように、本実施形態の軸受組立体では、円環状エンコーダの2列の異なる周方向境界特性を回転部材6の軸線方向に離して配列したことにより、2つの軸受間の間座の幅が小さい場合でも、好適に用いることができる。
As described above, since the paired
As described above, in the bearing assembly of the present embodiment, the two circumferential boundary characteristics of the two annular encoders are arranged apart from each other in the axial direction of the rotating
次に、本発明の軸受組立体の第6実施形態を図16及び図17について説明する。本実施形態の軸受組立体が適用される工作機械の主軸装置は、前記第1実施形態の図8のものに類似しており、同じ構成には同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。
この第6実施形態では、工作機械の主軸装置を構成する回転部材6に例えばドリルなどの切削工具40を装着して被加工物を切削するようにしている。
Next, a sixth embodiment of the bearing assembly of the present invention will be described with reference to FIGS. The spindle device of the machine tool to which the bearing assembly of this embodiment is applied is similar to that of FIG. 8 of the first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals, and the detailed description thereof will be given. If you omit.
In the sixth embodiment, a
このような工作機械の主軸装置では、切削工具40を装着する回転部材6の回転速度が速くなるため、回転センサ4から出力されるパルス信号を入力する演算器の処理速度を考慮した場合、円環状エンコーダ2bのV溝数すなわち1つの回転センサ4から出力される回転部材6の1回転当たりのパルス数nは1桁台で多くても十数個程度であり、一般的な切削工具40の刃数よりは少なく設定される。
In such a spindle device of a machine tool, the rotational speed of the
そして、切削工具40の被加工物の加工時に回転部材6の1回転当たりに回転部材6に入力される荷重変動となる切削工具の刃数をmとし、円環状エンコーダ2bのV溝数すなわち回転センサ4から出力される回転部材6の1回転当たりのパルス数をnとしたとき、切削工具の刃数mを、回転センサ4から出力される回転部材6の1回転当たりのパルス数nの整数倍とは異なる値となるように設定している(m≠an aは任意の整数)。つまり、切削工具40の1回転当たりの切削刃数mが例えば10であるとしたときに、円環状エンコーダ2bのV溝3のV溝数nを整数倍が10となる1、2及び5を除く値例えば7に設定する。
Then, when the workpiece of the
このように、円環状エンコーダ2bのV溝3の数を切削工具40の切削刃数mを、回転センサ4から出力される回転部材6の1回転当たりのパルス数nの整数とは異なる値に設定する理由は、切削工具40の1回転当たりの切削刃数mが10である場合には、回転部材6の1回転に10回の荷重変動が発生する。このとき、円環状エンコーダ2bのV溝数nを例えば10に設定すると、回転部材6の1回転当たりに1つの回転センサ4から出力されるパルス信号数が10パルスとなって、切削工具40の切削刃数mが回転センサ4から出力される回転部材6の1回転当たりのパルス信号のパルス数nの1倍と等しくなる。
Thus, the number of
このとき、切削工具40による加工時に生じる変動荷重は、図17の特性曲線L1に示すように、回転部材6の一回転に10回振動する正弦波のような波形となる。この際に、円環状エンコーダ2bのV溝数が10であって、回転センサ4で検出した回転部材6の1回転当たりのパルス数n=10であるときには、回転センサ4で検出したパルス数に基づいて算出される荷重検出値は図17で●で示すように1回転に付き10回のサンプリングが可能になる。この図17で明らかなように、●で表される荷重検出値は、太い実線で示す実荷重平均値に比較してDC(直流)成分のオフセットが発生し、荷重が正確に検出できない現象が発生する。
At this time, the fluctuating load generated during machining by the cutting
このような現象が発生するのは、切削工具40の切削刃数mが、円環状エンコーダ2bのV溝数すなわち回転部材6の1回転当たりの1つの回転センサ4から出力されるパルス数nの整数倍となったときである。この現象は、サンプリング定理(エリアジング)の影響により、荷重変動成分がDC成分として付加されていることが考えられる。
そこで、円環状エンコーダ2bのV溝数すなわち回転センサ4から出力される回転部材6の1回転当たりのパルス数nを、その整数倍が切削工具40の切削刃数mと一致しない値に設定することにより、サンプリング定理(エリアジング)の影響を受けないようにすることができ、正確な荷重検出を行うことができる。
Such a phenomenon occurs when the number m of cutting blades of the
Therefore, the number of V grooves of the
なお、上記第6実施形態においては、切削工具40の切削刃数mを10とし、円環状エンコーダ2bのV溝数に応じた回転センサ4から出力される回転部材6の1回転当たりのパルス数を7に設定した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、要は、切削工具40の刃数mを、回転センサ4から出力される回転部材6の1回転当たりのパルス数nの整数倍とは異なる値となるように設定すればよい。
In the sixth embodiment, the number m of cutting blades of the
また、切削工具40としてはドリルに限定されるものではなく、フライス切削歯などの任意の工具を適用することができる。
また、上記第6実施形態においては、切削工具40を回転部材6に装着した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、切削工具40に限らず回転部材6の1回転当たりで周期的に軸方向の荷重変動が加えられる場合に、回転部材6の1回転当たりの軸方向の荷重変動数を、回転センサ4から出力される回転部材6の1回転当たりのパルス数の整数倍とは異なる値となるように設定すればよいものである。
Moreover, as the cutting
Moreover, in the said 6th Embodiment, although the case where the
1a〜1dは軸受、2a〜2cは間座、3はV溝、3a、3bは斜め部分、4は回転センサ、5はセンサ筐体、6は回転部材、7は静止部材、8は支持具、9は固定具、10はキー溝、11はキー、12は溝、13はエンコーダリング、14は多極磁石型エンコーダ、15は保持器、19は信号ケーブル、20は制御装置 1a to 1d are bearings, 2a to 2c are spacers, 3 is a V groove, 3a and 3b are oblique portions, 4 is a rotation sensor, 5 is a sensor housing, 6 is a rotating member, 7 is a stationary member, and 8 is a support. , 9 is a fixture, 10 is a keyway, 11 is a key, 12 is a groove, 13 is an encoder ring, 14 is a multi-pole magnet encoder, 15 is a cage, 19 is a signal cable, and 20 is a control device.
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