JP2011011306A - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の加工全てに満足する主軸特性を得ることができる工作機械の主軸装置を提供する。
【解決手段】ＮＣプログラムには種々の加工に関する情報を記述しておくことができるので、このＮＣプログラムに基づいて予圧付与手段を制御することにより転がり軸受に付与される予圧量を種々の加工全てに満足する主軸特性を得ることができる予圧量に制御することができ、高精度な加工が可能となる。そして、予圧指令値が制御可能領域としての予圧の範囲を外れている場合には予圧の範囲内に含まれるように補正される。つまり、実際に制御される予圧は、予め設定された予圧の範囲内に規制されるので、転がり軸受の剛性を確保し、あるいは転がり軸受の発熱や面圧過増加を防止することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、工作機械に使用される主軸装置に関する。

例えば、マシニングセンタにおける主軸装置では、主軸の回転精度及び主軸の剛性を維持するために、主軸を軸承する軸受に軸線方向の予圧を付与している。この予圧を付与する方式としては、主軸の回転速度に応じて予圧を切り替える予圧切替方式が提案されている。例えば、特許文献１には、主軸の回転速度に応じて軸受の外輪を軸方向に押圧する駆動手段を設け、主軸の回転速度が所定値よりも大きくなったときのみ、駆動手段で軸受の外輪を押圧して変位させ、内外スペーサの寸法差を減少させて軸受に加わっている予圧を減少させる予圧切替方式が開示されている。また、特許文献２には、主軸が低速回転しているときは油圧により軸受に予圧を付与し、所定の高速回転に達すると自動的に油圧を解除して付勢部材により軸受に予圧を付与する予圧切替方式が開示されている。

また、特許文献３には、軸受を軸方向に押圧する軸受箱と、この軸受箱を軸方向に押圧する中間リングとを、外筒内に軸方向に移動自在となるように配置し、さらに軸受箱及び中間リングの移動量を制限する調整部材を外筒に固定し、主軸が低速回転のときは軸受箱を油圧で直接移動させて軸受に高い予圧を付与し、主軸の回転速度が上昇するにつれて軸受箱への油圧を抜いて中間リングを油圧で移動させて軸受に付与する予圧を低下させ、主軸が高速回転になると中間リングへの油圧を抜いて軸受に付与する予圧を更に低下させる予圧切替方式が開示されている。

特開昭６０−１３９９１１号公報（第２頁右下段第１７行〜第３頁左上段第１行〜第４行、第２図） 特開昭６２−１２４８０５号公報（第２頁左下段第５行〜第１２行、第４図） 特開平２−２７９２０３号公報（第２頁右下段第５行〜第３頁左上段第２行、第７図）

特許文献１〜３に記載の予圧切替方式では、主軸の回転速度の上昇に伴って予圧を段階的に下降させているのみであるため、種々の加工全てに満足する主軸特性となっていない。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、種々の加工全てに満足する主軸特性を得ることができる工作機械の主軸装置を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、
回転工具を保持して回転駆動される主軸と、
該主軸を回転可能に軸承する転がり軸受と、
該転がり軸受に軸線方向の予圧を付与する予圧付与手段と、
を備えた工作機械の主軸装置であって、
前記工作機械を制御する制御装置は、入力されるＮＣプログラムに基づいて前記予圧付与手段により前記転がり軸受に付与される予圧量を制御する予圧量制御手段を備えることである。

請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、
前記予圧量が前記ＮＣプログラムに直接記述されていることである。

請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、
前記予圧量制御手段は、
前記ＮＣプログラムに記述された使用される前記回転工具の工具情報、被削材の種類及び加工条件の少なくとも１つに基づいて前記予圧量を制御することである。

請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１〜３の何れか一項において、
前記予圧量制御手段は、
前記ＮＣプログラムに基づいて前記予圧の指令値を生成する予圧指令値生成手段と、
予め設定された前記予圧付与手段の制御可能領域としての前記予圧の範囲を記憶する予圧範囲記憶手段と、
前記予圧指令値生成手段からの前記予圧指令値が前記予圧範囲記憶手段から読み出した前記予圧の範囲を超えている場合には前記予圧指令値を前記予圧の範囲内に含まれるように補正する予圧指令値補正手段と、
を備えることである。

請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、請求項４において、
前記予圧の範囲は、前記軸受が正常軸承可能な最大予圧と前記主軸が正常回転可能な最小予圧との間であり、前記最大予圧は、前記主軸の回転速度が大きくなるにつれて小さく変化するように設定され、前記最小予圧は、前記主軸の回転速度が大きくなるにつれて大きく変化するように設定されていることである。

請求項６に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１〜５の何れか一項において、
前記転がり軸受は、前記主軸の前記回転工具側である前側部を軸承する前側転がり軸受と、前記回転工具に対して前記主軸の前側部より後側の後側部を軸承する後側転がり軸受とを含み、
前記予圧付与手段は、前記前側転がり軸受及び前記後側転がり軸受の少なくとも一方に予圧を付与することである。

請求項７に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１〜５の何れか一項において、
前記転がり軸受は、前記主軸の前記回転工具側である前側部を軸承する前側転がり軸受と、前記回転工具に対して前記主軸の前側部より後側の後側部を軸承する後側転がり軸受とを含み、
前記予圧付与手段は、前記前側転がり軸受に付与する予圧量と前記後側転がり軸受に付与する予圧量とを異ならせて、前記前側転がり軸受及び前記後側転がり軸受の両方に予圧を付与することである。

請求項１に係る発明によれば、ＮＣプログラムには種々の加工に関する情報を記述しておくことができるので、このＮＣプログラムに基づいて予圧付与手段を制御することにより転がり軸受に付与される予圧量を種々の加工それぞれに最適な主軸特性を得ることができる予圧量に制御することができ、高精度な加工が可能となる。

請求項２に係る発明によれば、ＮＣプログラムに加工工程毎に最適な予圧量を記述しておくことで、加工工程毎に容易に最適な予圧量への変更が可能となる。また、直接予圧量を記述することで、工作機械側に特別な予圧量の演算手段を設ける必要がない。

請求項３に係る発明によれば、加工に直接的に影響する工具情報、被削材種類、加工条件の少なくとも一つに基づいて予圧量を制御するので、工具や被削材に最適な予圧が付与された状態で加工を行うことができ、被削材の加工精度を高めることができる。

請求項４に係る発明によれば、予圧指令値が制御可能領域としての予圧の範囲を外れている場合には予圧の範囲内に含まれるように補正される。つまり、実際に制御される予圧は、予め設定された予圧の範囲内に規制されるので、転がり軸受の剛性を確保し、あるいは転がり軸受の発熱や面圧過増加を防止することができる。

請求項５に係る発明によれば、最大予圧は転がり軸受が正常軸承可能な予圧であり、最小予圧は主軸が正常回転可能な予圧であり、最大予圧と最小予圧との範囲で予圧を制御することで、主軸の回転を安定させつつ、軸受の長寿命化を図ることができる。

請求項６に係る発明によれば、前側転がり軸受と後側転がり軸受の少なくとも一方の軸受に付与される予圧量を制御することにより、選択し得る主軸特性の範囲が広がるので、種々の加工にさらに適した主軸特性を採ることができる。

請求項７に係る発明によれば、前側転がり軸受と後側転がり軸受に付与される予圧量を異なるように制御することにより、選択し得る主軸特性の範囲がさらに広がるので、種々の加工にさらに適した主軸特性を採ることができる。

（Ａ）は本発明の実施の形態の主軸装置の全体構造を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ部の拡大断面図である。 図１の転がり軸受に付与する予圧量を制御する予圧量制御手段のブロック図である。 軸受が主軸を正常に軸承可能な最大予圧及び主軸が正常に回転可能な最小予圧を主軸の回転速度毎に設定した図である。 図２の制御装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）は、本発明の実施の形態の主軸装置の全体構造を示す縦断面図、図１（Ｂ）は（Ａ）のＡ部の拡大断面図、図２は、転がり軸受に付与する予圧量を制御する予圧量制御手段のブロック図である。尚、図１において、左右方向が軸線方向であり、左方を前方とする。図１（Ａ）に示すように、本実施形態による主軸装置１は、例えば、マシニングセンタ等の工作機械に備えられており、内周部に収容空間１１０を有する略円筒状の主軸ハウジング１１と、収容空間１１０内に配設された主軸１２と、この主軸１２の前側部を軸承する二対の第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２及び主軸１２の後側部を軸承する後側転がり軸受１３３とを備えている。さらに、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に軸線方向の予圧を付与する予圧付与装置３（本発明の「予圧付与手段」に相当する）と、工作機械の制御装置４に備えられて予圧付与装置３により第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に付与される予圧量を制御する予圧量制御手段４０とを備えている。

主軸１２の回転軸中心には、軸線方向に延びるロッド孔１２１が形成されている。ロッド孔１２１は、主軸１２を軸線方向に貫通しており、前端には工具取付用テーパ部１２１ａが形成されている。工具取付用テーパ部１２１ａの後方には、コレット収容部１２１ｂが形成され、コレット収容部１２１ｂの後方には、コレット収容部１２１ｂよりも大径のばね収容孔１２１ｃが形成されている。ばね収容孔１２１ｃの前端部には、スリーブ１２２が固定されている。ロッド孔１２１内には、ロッド１５が軸線方向に移動可能に収容されている。ロッド１５は、長尺状の軸部材１５１の後端部に、軸部材１５１よりも大径のストッパ１５２が固着されている。さらに、ロッド１５の前端には、コレット１５３が装着されている。コレット１５３は、半径方向に拡縮可能に設けられており、回転工具Ｔを把持可能に形成されている。

ロッド孔１２１内にロッド１５が収容された状態で、軸部材１５１の前端部はスリーブ１２２の内周面と摺動可能であり、ストッパ１５２はばね収容孔１２１ｃと摺動可能である。また、ばね収容孔１２１ｃ内におけるスリーブ１２２の後端部とストッパ１５２の前端面との間には、複数の皿ばね１６が介装されており、ロッド１５は主軸１２に対して後方に常時付勢されている。主軸１２の後方には、主軸ハウジング１１と一体化されたシリンダハウジング１７１と、シリンダハウジング１７１内に軸方向に移動可能に設けられたピストン１７２とを有する油圧シリンダ１７が設けられている。ピストン１７２が後方に移動してピストン１７２とロッド１５との係合が解除されると、回転工具Ｔをコレット１５３で把持したロッド１５は皿ばね１６の付勢力により主軸１２に対し後退する。そして、回転工具Ｔは主軸１２の工具取付用テーパ部１２１ａに嵌着されて主軸１２に固定される。ピストン１７２が前方に移動してピストン１７２とロッド１５とが係合されると、回転工具Ｔを把持したロッド１５は皿ばね１６の付勢力に抗して主軸１２に対し前進する。そして、コレット１５３は拡径して回転工具Ｔの把持を解除する。

第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２は、アンギュラーコンタクト軸受であり、前側主軸ハウジング１１ａ（１１）の収容空間１１０内の前方側にて軸線方向に並設され、後側転がり軸受１３３は、円筒ころ軸受であり、収容空間１１０内の後方側に配設されている。第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２は主軸１２の回転工具Ｔ側である前側部を軸承し、後側転がり軸受１３３は回転工具Ｔに対して主軸１２の前側部より後側の後側部を軸承する。一対の第１前側転がり軸受１３１の内輪間、一対の第２前側転がり軸受１３２の内輪間、及び第１前側転がり軸受１３１と第２前側転がり軸受１３２の内輪間には、円筒状のスペーサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃが配設されている。第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２並びにスペーサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃの内周部には、主軸１２の外周面が嵌合されている。そして、最前方に位置する第１前側転がり軸受１３１の内輪は、主軸１２の前方端に形成されたフランジ部１２ａに当接され、最後方に位置する第２前側転がり軸受１３２の内輪には、主軸１２の外周面に螺合される円筒状の内輪押え１１３が当接されている。これにより、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２並びにスペーサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃは主軸１２の外周面に固定される。

一対の第１前側転がり軸受１３１の外輪間、及び一対の第２前側転がり軸受１３２の外輪間には、円筒状のスペーサ１１２ｄ，１１２ｅが配設されている。第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２並びにスペーサ１１２ｄ，１１２ｅは、軸受支持筒１１１に支承されている。この軸受支持筒１１１は、略円筒状のスリーブ１１４と、略円環状の外輪押え１１５と、略円筒状のピストン１１６とにより構成されている。

スリーブ１１４の略中央内周部には内側に突出した円周凸部１１４ａが形成され、略中央外周部には外側に突出したフランジ部１１４ｃが形成されている。スリーブ１１４の円周凸部１１４ａよりも前方側の内周部の内径は、第１前側転がり軸受１３１及びスペーサ１１２ｄの外径と略同一に形成され、円周凸部１１４ａよりも後方側の内周部の内径は、ピストン１１６の外径と略同一に形成されている。スリーブ１１４のフランジ部１１４ｃよりも前方側の外周部の外径は、２分割された前側主軸ハウジング１１ａ（１１）の一方（第１前側主軸ハウジング１１ａａ）の内径と略同一に形成され、フランジ部１１４ｃよりも後方側の外周部の外径は、２分割された前側主軸ハウジング１１ａ（１１）の他方（第２前側主軸ハウジング１１ａｂ）の内径と略同一に形成されている。

外輪押え１１５の一方の端面には軸方向に突出したボス部１１５ａが形成されている。外輪押え１１５のボス部１１５ａの外径は、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａよりも前方側の内周部の内径（第１前側転がり軸受１３１及びスペーサ１１２ｄの外径）と略同一に形成されている。外輪押え１１５の外径は、第１前側主軸ハウジング１１ａａの外径と略同一に形成されている。ピストン１１６の前側内周部には内側に突出した円周凸部１１６ａが形成されている。ピストン１１６の円周凸部１１６ａよりも後方側の内周部の内径は、第２前側転がり軸受１３２及びスペーサ１１２ｅの外径と略同一に形成されている。

そして、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａよりも前方側の内周部には、第１前側転がり軸受１３１及びスペーサ１１２ｄが嵌合されている。ピストン１１６の円周凸部１１６ａよりも後方側の内周部には、第２前側転がり軸受１３２及びスペーサ１１２ｅが嵌合されている。そして、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａよりも後方側の内周部には、ピストン１１６の外周面が液密に嵌合されている。スリーブ１１４のフランジ部１１４ｃよりも前方側の外周部には、第１前側主軸ハウジング１１ａａが嵌合され、フランジ部１１４ｃよりも後方側の外周部には、第２前側主軸ハウジング１１ａｂが嵌合されている。

以上により、前方に位置する第１前側転がり軸受１３１の外輪は、外輪押え１１５のボス部１１５ａに当接され、後方に位置する第１前側転がり軸受１３１の外輪は、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａに当接されている。前方に位置する第２前側転がり軸受１３２の外輪は、ピストン１１６の円周凸部１１６ａに当接され、後方に位置する第２前側転がり軸受１３２の外輪は、フリー状態となっている。そして、スリーブ１１４、第１前側主軸ハウジング１１ａａ、第２前側主軸ハウジング１１ａｂ及び外輪押え１１５は、外輪押え１１５の前端面から貫装される図略のボルトにより締結され一体化され、第２前側主軸ハウジング１１ａｂが、電動モータ１４を収容している後側主軸ハウジング１１ｂ（１１）に図略のボルトにより締結され一体化されている。

図１（Ｂ）のＡ部拡大断面図に示すように、ピストン１１６の前方外周面には、小径部と大径部とでなる段差１１６ｂが形成され、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａより後方側の内周面には、ピストン１１６の小径部と大径部が嵌合可能な大径部と小径部とでなる段差１１４ｂが形成されている。そして、各段差１１６ｂ、１１４ｂ間には、環状の油圧シリンダ３１が形成されている。この油圧シリンダ３１には、スリーブ１１４の略中央外周側に形成されたフランジ部１１４ｃの外周面から穿設された油路３２が連通されている。この油路３２には、予圧付与装置３と接続された管路３３が接続されている。

予圧付与装置３は、油圧ポンプ３４と、減圧弁３５と、リリーフ弁３６とから構成されており、予圧量制御手段４０による制御により、主軸１２の回転速度等に応じた油圧を油圧シリンダ３１に供給するようになっている。即ち、油圧ポンプ３４からの最高油圧がリリーフ弁３６により制御され、最高油圧までの範囲内において任意の油圧が減圧弁３５により制御され、管路３３及び油路３２を通して油圧シリンダ３１に供給される。これにより、油圧シリンダ３１では軸線方向（前方及び後方）の油圧が発生し、ピストン１１６が後方側に押圧されて第２前側転がり軸受１３２の外輪を押圧するので、第２前側転がり軸受１３２には予圧が付与され、さらに主軸１２が後方に移動して第１前側転がり軸受１３１の内輪を押圧するので、第１前側転がり軸受１３１にも予圧が付与される。

主軸ハウジング１１の内周面には、電動モータ１４のステータ１４１が取り付けられている。ステータ１４１の半径方向内方には、主軸１２の外周面に形成されたロータ１４２が対向している。ステータ１４１とロータ１４２とにより形成された電動モータ１４に電力が供給されることによって、主軸１２はロータ１４２とともに回転する。主軸装置１は、先端に回転工具Ｔを取り付けた状態で主軸１２を回転させ、図示しない被削材に加工を施す。主軸１２の回転速度は、主軸１２の後方に配設されている非接触型の速度センサ１２３により検出される。

制御装置４は、図２に示すように、ＮＣプログラムを入力して解読し、予圧付与装置３により第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に付与される予圧量の予圧指令値を予圧量制御手段４０で演算する。予圧量制御手段４０は、予圧指令値生成部４１（本発明の「予圧指令値生成手段」に相当する）と、予圧指令値生成部４１から入力した予圧指令値を予圧範囲記憶部４２（本発明の「予圧範囲記憶手段」に相当する）から読み出した付与予圧の範囲内に含まれるように補正する予圧指令値補正部４３（本発明の「予圧指令値補正手段」に相当する）と、予圧指令値補正部４３から入力した予圧指令値により予圧付与装置３を制御する予圧制御部４４（本発明の「予圧制御手段」に相当する）と、を備えている。

予圧指令値生成部４１は、入力したＮＣプログラムを解読し、ＮＣプログラムに直接記述されて予圧付与装置３により第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に付与される予圧量に基づいて、もしくはＮＣプログラムに記述された使用される回転工具Ｔの工具情報、被削材の種類、加工条件の少なくとも一つに基づいて予圧指令値を生成する。ここで、回転工具Ｔの工具情報としては、工具種類、工具諸元、切削特性等がある。工具種類としては、砥石、フライス、エンドミル、ドリルや刃先の材質等がある。工具諸元としては、工具長、工具径等がある。切削特性としては、例えば、フライス加工におけるアップカット、ダウンカット、ドリル加工におけるステップ送り等がある。また、被削材の種類としては、被削材質、径、長さ等がある。また、加工条件としては、回転工具Ｔ（主軸１２）の回転速度、送り速度、切込量、切削幅等がある。

具体的には、加工工程毎に最適な主軸特性となるような予圧量を予め解析や実験等により求めておき、ユーザはＮＣプログラムを作成する際に、加工工程毎に最適な予圧量をＮＣプログラムに記述する。加工に際しては、制御装置４はＮＣプログラムを解析し、そこに記述されている予圧量を読み込み、予圧指令値生成部４１は読み込んだ予圧量を予圧指令値補正部４３に出力する。

また、別の例では、使用される回転工具Ｔの工具情報、被削材の種類及び加工条件等に応じて最適な主軸特性となるような予圧量を予め解析や実験等により求め、データベース形式やマップ形式として制御装置４の図略の記憶装置に記憶しておき、加工に際しては、制御装置４はＮＣプログラムを解析し、そこに記述されている情報から工具情報、被削材の種類及び加工条件等を読み取り、予圧指令値生成部４１は上述のデータベースやマップを参照することで予圧指令値を生成する。ここで、工具情報、被削材の種類及び加工条件等の中には、例えば送り速度のように通常のＮＣプログラムから読み取れるものもあるし、例えば被削材の種類のように通常のＮＣプログラムには得られない情報もある。通常のＮＣプログラムからは得られないものについて、ＮＣプログラムを作成する際に、予め記載しておき、制御装置４のマクロ機能等を活用して解析できるようにしておけばよい。

ＮＣプログラムには種々の加工に関する情報を記述しておくことができるので、このＮＣプログラムに基づいて予圧付与装置３を制御することにより第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に付与される予圧量を種々の加工それぞれに最適な主軸特性を得ることができる予圧量に制御することができ、高精度な加工が可能となる。例えばＮＣプログラムに加工工程毎に最適な予圧量を記述しておくことで、加工工程毎に容易に最適な予圧量への変更が可能となる。また、直接予圧量を記述することで、工作機械側に特別な予圧量の演算手段を設ける必要がない。また、加工に直接的に影響する工具情報、被削材種類、加工条件の少なくとも一つに基づいて予圧量を制御するので、回転工具Ｔや被削材に最適な予圧が付与された状態で加工を行うことができ、被削材の加工精度を高めることができる。

予圧範囲記憶部４２には、図３に示すように、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２が主軸１２を正常に軸承可能な最大予圧Ｐｍａｘ及び主軸１２が正常に回転可能な最小予圧Ｐｍｉｎを主軸１２の回転速度毎に設定し、最大予圧Ｐｍａｘと最小予圧Ｐｍｉｎとの間の領域を予圧付与装置３の制御可能領域として設定したテーブルが予め記憶されている。最大予圧Ｐｍａｘは、主軸１２の回転速度が大きくなるにつれて小さく変化するように設定され、最小予圧Ｐｍｉｎは、主軸１２の回転速度が大きくなるにつれて大きく変化するように設定されている。最適な予圧は、主軸１２の回転速度に応じて異なるので、制御可能領域としての予圧の範囲を、主軸１２の回転速度に応じて異なるように設定することで、主軸１２の回転速度に応じた適切な予圧を軸受に付与することができる。

主軸１２の回転速度毎に設定した最大予圧Ｐｍａｘは、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２の剛性を確保して主軸１２の剛性を最も高くできる限界値であり、主軸１２の回転速度毎に設定した最小予圧Ｐｍｉｎは、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２の発熱や面圧過増加を防止して第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２の寿命を最も長くできる限界値である。よって、予圧量制御手段４０は、主軸１２の剛性と第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２の長寿命化の要求度合いによって決定した最小予圧Ｐｍｉｎ以上最大予圧Ｐｍａｘ以下の範囲内の予圧を、予圧付与装置３を制御して第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に付与することにより、主軸１２の回転を最適な状態で駆動制御することができる。

予圧指令値補正部４３は、予圧指令値生成部４１から入力した予圧指令値が、予圧範囲記憶部４２から読み出した予圧範囲内に含まれるように該予圧指令値を補正する。予圧制御部４４は、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に付与する予圧が、予圧指令値補正部４３から入力した補正予圧指令値に一致するように予圧付与装置３を制御する。これにより、予圧指令値が制御可能領域としての予圧の範囲を超えている場合には、予圧指令値が制御可能領域としての予圧の範囲内に含まれるように補正される。つまり、予圧制御部４４で実際に制御される予圧は、予め設定された予圧の範囲内に規制されるので、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２の剛性を確保し、あるいは第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２の発熱や面圧過増加を防止することができる。

以上のような構成の主軸装置１において、制御装置４及び与圧量制御手段４０の動作について図４のフローチャートを参照して説明する。先ず、ＮＣプログラムを入力して解読する（ステップ１，２）。そして、ＮＣプログラムに直接記述されて予圧付与装置３により第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に付与される予圧量に基づいて、もしくはＮＣプログラムに記述された使用される回転工具Ｔの工具情報、被削材の種類、加工条件の少なくとも一つに基づいて予圧指令値を生成する（ステップ３）。

生成した予圧指令値が主軸１２の回転速度に対応する最大予圧を上回っているか否かを判断する（ステップ４）。そして、生成した予圧指令値が主軸１２の回転速度に対応する最大予圧を上回っていないときは、更に主軸１２の回転速度に対応する最小予圧を下回っているか否かを判断する（ステップ５）。生成した予圧指令値が主軸１２の回転速度に対応する最小予圧を下回っていないときは、該予圧指令値が制御可能領域としての予圧の範囲内に含まれているので、生成した予圧指令値により予圧付与装置３を駆動制御して第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に軸線方向の予圧を付与する（ステップ６）。減圧弁３５からの信号により第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２への予圧が予圧指令値に達したら（ステップ７）、該予圧状態で主軸１２を回転制御する（ステップ８）。

一方、ステップ５において、生成した予圧指令値が主軸１２の回転速度に対応する最小予圧を下回っているときは、該予圧指令値を主軸１２の回転速度に対応する最小予圧の予圧指令値に補正する（ステップ９）。そして、補正した予圧指令値により予圧付与装置３を制御して第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に軸線方向の予圧を付与する（ステップ６）。減圧弁３５からの信号により第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２への予圧が予圧指令値に達したら（ステップ７）、該予圧状態で主軸１２を回転制御する（ステップ８）。

一方、ステップ４において、生成した予圧指令値が主軸１２の回転速度に対応する最大予圧を上回っているときは、該予圧指令値を主軸１２の回転速度に対応する最大予圧の予圧指令値に補正する（ステップ１０）。そして、補正した予圧指令値により予圧付与装置３を制御して第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に軸線方向の予圧を付与する（ステップ６）。減圧弁３５からの信号により第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２への予圧が予圧指令値に達したら（ステップ７）、該予圧状態で主軸１２を回転制御する（ステップ８）。

なお、上述の実施の形態では、主軸１２の回転速度が速度センサ１２３により検出され、予圧指令値補正部４３は予圧量が最大予圧Ｐｍａｘと最小予圧Ｐｍｉｎの間の領域に入るように予圧指令値を補正するようにしているが、主軸１２の回転速度としては速度センサ１２３による実測値を用いる以外に、主軸１２に対する指令回転速度を用いることもできる。この場合、主軸１２の指令回転速度はＮＣプログラム等により決まっているので、この指令回転速度も加味した最適な予圧量（すなわち、最大予圧Ｐｍａｘと最小予圧Ｐｍｉｎの間の領域に入るような予圧量）をＮＣプログラムに記述しておけば、上述の実施の形態における予圧指令値補正部４３を省略することが可能である。ただし、実際の工作機械の使用においては作業者が主軸オーバライド機能を用いることによりプログラムで指令された回転速度とは異なる主軸回転速度に変更することがあるので、そのような場合を想定すれば、速度センサ１２３により検出された実測値を用い、予圧指令値補正部４３により予圧量が最大予圧Ｐｍａｘと最小予圧Ｐｍｉｎの間の領域に入るように予圧指令値を補正することが好ましい。

また、上述の実施の形態では、主軸１２の回転工具Ｔ側である前側部を軸承する軸受として二対の第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２を配置し、回転工具Ｔに対して主軸１２の前側部より後側の後側部を軸承する軸受として後側転がり軸受１３３を配置し、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に予圧を付与する構成の主軸装置１について説明したが、後側転がり軸受１３３を円筒ころ軸受からアンギュラーコンタクト軸受もしくはテーパころ軸受に変更すると共に、変更した後側転がり軸受１３３にも予圧を付与するためのピストン等の油圧系を設けた構成の主軸装置としても良い。

このような構成の変形例の主軸装置によれば、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に付与する予圧と後側転がり軸受１３３に付与する予圧とを夫々制御することができるので、例えば第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２と後側転がり軸受１３３の両方に同一の予圧を付与する制御、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２と後側転がり軸受１３３の両方に異なる予圧を付与する制御、あるいは第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２と後側転がり軸受１３３の一方には予圧を付与せず、他方のみに予圧を付与する制御を行うことができる。これにより、選択し得る主軸特性の範囲がさらに広がるので、種々の加工にさらに適した主軸特性を採ることができる。

また、電動モータ１４よりも前方に二対の第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２を配置し、後方に後側転がり軸受１３３を配置して主軸１２を支承した構成の主軸装置１について説明したが、電動モータよりも前方に一対の前側転がり軸受を配置し、後方に一対の後側転がり軸受を配置して主軸を支承した構成の主軸装置としても良い。この場合、電動モータよりも前方の一対のテーパ転がり軸受をテーパ方向が逆になるように配置して構成し、予圧を付与するためのピストン等の油圧系は上記実施形態と同様に構成する。電動モータよりも後方の一対のテーパ転がり軸受等も同様に構成する。なお、前側及び後側転がり軸受としては、実施形態と同様なアンギュラーコンタクト軸受で良いが、後側転がり軸受は、テーパころ軸受が好ましい。

このような構成の変形例の主軸装置によれば、電動モータよりも前方及び後方に配設する前側及び後側転がり軸受に付与する予圧を夫々制御することができるので、例えば前側及び後側転がり軸受の両方に同一の予圧を付与する制御、前側及び後側転がり軸受の両方に異なる予圧を付与する制御、あるいは前側及び後側転がり軸受の一方には予圧を付与せず、他方のみに予圧を付与する制御を行うことができる。これにより、選択し得る主軸特性の範囲がさらに広がるので、種々の加工にさらに適した主軸特性を採ることができる。

また、本実施形態のような電動モータ１４よりも前方に第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２を配置して主軸１２を支承した構成の主軸装置においても、第１前側転がり軸受１３１に付与する予圧と第２前側転がり軸受１３２に付与する予圧とを夫々制御する構成とすることができる。即ち、一対の第１前側転がり軸受１３１をテーパ方向が逆になるように配置して構成し、予圧を付与するためのピストン等の油圧系は上記実施形態と同様に構成して一対の第１前側転がり軸受１３１の外輪が離間するように予圧を付与する構成とする。一対の第２前側転がり軸受１３２等も同様に構成する。これにより、変形例の主軸装置と同様の作用効果を得ることができる。

１…主軸装置、３…予圧付与装置（予圧付与手段）、４…制御装置、１２…主軸、４０…予圧量制御手段、４１…予圧指令値生成部（予圧指令値生成手段）、４２…予圧範囲記憶部（予圧範囲記憶手段）、４３…予圧指令値補正部（予圧指令値補正手段）、４４…予圧制御部（予圧制御手段）、１３１…第１前側転がり軸受、１３２…第２前側転がり軸受、１３３…後側転がり軸受。

Claims (7)

1. 回転工具を保持して回転駆動される主軸と、
   該主軸を回転可能に軸承する転がり軸受と、
   該転がり軸受に軸線方向の予圧を付与する予圧付与手段と、
   を備えた工作機械の主軸装置であって、
   前記工作機械を制御する制御装置は、入力されるＮＣプログラムに基づいて前記予圧付与手段により前記転がり軸受に付与される予圧量を制御する予圧量制御手段を備えることを特徴とする工作機械の主軸装置。
2. 請求項１において、
   前記予圧量が前記ＮＣプログラムに直接記述されていることを特徴とする工作機械の主軸装置。
3. 請求項１において、
   前記予圧量制御手段は、
   前記ＮＣプログラムに記述された使用される前記回転工具の工具情報、被削材の種類及び加工条件の少なくとも１つに基づいて前記予圧量を制御することを特徴とする工作機械の主軸装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項において、
   前記予圧量制御手段は、
   前記ＮＣプログラムに基づいて前記予圧の指令値を生成する予圧指令値生成手段と、
   予め設定された前記予圧付与手段の制御可能領域としての前記予圧の範囲を記憶する予圧範囲記憶手段と、
   前記予圧指令値生成手段からの前記予圧指令値が前記予圧範囲記憶手段から読み出した前記予圧の範囲を超えている場合には前記予圧指令値を前記予圧の範囲内に含まれるように補正する予圧指令値補正手段と、
   を備えることを特徴とする工作機械の主軸装置。
5. 請求項４において、
   前記予圧の範囲は、前記軸受が正常軸承可能な最大予圧と前記主軸が正常回転可能な最小予圧との間であり、前記最大予圧は、前記主軸の回転速度が大きくなるにつれて小さく変化するように設定され、前記最小予圧は、前記主軸の回転速度が大きくなるにつれて大きく変化するように設定されていることを特徴とする工作機械の主軸装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項において、
   前記転がり軸受は、前記主軸の前記回転工具側である前側部を軸承する前側転がり軸受と、前記回転工具に対して前記主軸の前側部より後側の後側部を軸承する後側転がり軸受とを含み、
   前記予圧付与手段は、前記前側転がり軸受及び前記後側転がり軸受の少なくとも一方に予圧を付与することを特徴とする工作機械の主軸装置。
7. 請求項１〜５の何れか一項において、
   前記転がり軸受は、前記主軸の前記回転工具側である前側部を軸承する前側転がり軸受と、前記回転工具に対して前記主軸の前側部より後側の後側部を軸承する後側転がり軸受とを含み、
   前記予圧付与手段は、前記前側転がり軸受に付与する予圧量と前記後側転がり軸受に付与する予圧量とを異ならせて、前記前側転がり軸受及び前記後側転がり軸受の両方に予圧を付与することを特徴とする工作機械の主軸装置。

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