JP2011235363A - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の振動抑制手法の適用が可能となる工作機械の主軸装置を提供する。
【解決手段】ハウジング１０に対して主軸２０の支持におけるバネ定数Ｋ、減衰係数Ｃ、および、主軸２０を含む回転体の質量Ｍのうち少なくとも二つ以上の物理パラメータを変更する物理パラメータ変更手段を備える。そして、変更可能な物理パラメータによる組み合わせ種類の変更優先順位を予め設定し、主軸の振動を検出した場合に、予め設定された変更優先順位に従って物理パラメータ変更手段により変更可能な物理パラメータを変更させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、主軸の振動を抑制することができる工作機械の主軸装置に関するものである。

例えば、特開２００９−７８３５０号公報（特許文献１）に、主軸の振動を抑制する主軸装置について記載されている。この装置は、主軸に振動が発生する場合に、主軸の回転速度を変更するというものである。例えば、主軸の回転速度（一般に回転数ともいう）を低下させることで、主軸の振動を抑制することができる。しかし、主軸の回転速度を低下させることは、加工精度に影響を及ぼすと共に、加工時間が長くなるという問題がある。

また、主軸の回転速度を下げずに主軸の振動を抑制することができる主軸装置について、特開２００８−２２９８０６号公報（特許文献２）に記載されている。この主軸装置は、ラジアル磁気軸受を備えており、ラジアル変位センサの出力に応じて制御する。例えば、ラジアル変位が閾値を超えている場合には、ラジアル磁気軸受の制御ゲインを高めて磁気軸受の剛性値を高くすることで、主軸の振動を抑制する。また、特開２０１０−７１３１０号公報（特許文献３）には、転がり軸受の予圧を調整することにより主軸の振動を抑制できる主軸装置について記載されている。

また、特開２０１０−２３１８７号公報（特許文献４）および特開２０１０−４２４６４号公報（特許文献５）には、主軸に取り付ける錘の質量を任意に設定することにより、主軸の振動を抑制できる主軸装置について記載されている。具体的には、主軸に発生する振動を解析しておき、その振動に応じて主軸に取り付ける錘の質量を変更することで、主軸および錘を含む回転体の共振点を変更することができ、実際に使用している最中に主軸が振動することを抑制するというものである。

特開２００９−７８３５０号公報 特開２００８−２２９８０６号公報 特開２０１０−７１３１０号公報 特開２０１０−２３１８７号公報 特開２０１０−４２４６４号公報

上述したように主軸の振動抑制手法として種々存在する。そして、それぞれの振動抑制手法による他の影響も異なる。しかしながら、これまでは、複数の振動抑制手法について他の影響を考慮して使いこなすまでに至っていないのが実情である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複数の振動抑制手法の適用が可能となる工作機械の主軸装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、円筒形状に形成されたハウジングと、前記ハウジングの内周面に回転可能に支持された主軸と、前記ハウジングに対する前記主軸の振動を検出する振動検出手段と、前記ハウジングに対して前記主軸の支持におけるバネ定数、減衰係数、および、前記主軸を含む回転体の質量のうち少なくとも二つ以上の物理パラメータを変更する物理パラメータ変更手段と、変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類の変更優先順位を予め設定し、前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、予め設定された変更優先順位に従って前記物理パラメータ変更手段により変更可能な前記物理パラメータを変更させる振動抑制手段と、を備えることである。

請求項２に係る発明は、前記物理パラメータ変更手段は、少なくとも前記バネ定数を変更可能であって、前記振動抑制手段は、変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類のうち前記バネ定数の変更を最優先順位に設定し、前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、前記物理パラメータ変更手段により前記バネ定数の変更を最初に変更させることである。

請求項３に係る発明は、前記物理パラメータ変更手段は、さらに前記減衰係数を変更可能であって、前記振動抑制手段は、変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類のうち前記減衰係数の変更を前記バネ定数の変更の次の優先順位に設定し、前記物理パラメータ変更手段により前記バネ定数を変更したときに前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、前記物理パラメータ変更手段により前記減衰係数を次に変更させることである。

請求項４に係る発明は、前記振動抑制手段は、変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類のうち前記バネ定数および前記減衰係数の変更を前記減衰係数の変更の次の優先順位に設定し、前記物理パラメータ変更手段により前記減衰係数を変更したときに前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、前記物理パラメータ変更手段により前記バネ定数および前記減衰係数を次に変更させることである。

請求項５に係る発明は、前記物理パラメータ変更手段は、さらに前記回転体の質量を変更可能であって、前記振動抑制手段は、変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類のうち前記回転体の質量の変更を前記バネ定数および前記減衰係数の変更の次の優先順位に設定し、前記物理パラメータ変更手段により前記バネ定数および前記減衰係数を変更したときに前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、前記物理パラメータ変更手段により前記回転体の質量を次に変更させることである。

請求項６に係る発明は、前記主軸の軸方向一側には、刃具または被加工物が取り付けられ、前記工作機械の主軸装置は、前記ハウジングの内周面に対して前記主軸の外周面を支持する軸受を備え、前記ハウジングのうち前記軸受が配置される軸方向位置よりも軸方向において刃具または被加工物の取付端側に第一エアシール用開口部が形成され、前記ハウジングのうち前記第一エアシール用開口部が形成される軸方向位置よりも軸方向において刃具またはワークの取付端側に第二エアシール用開口部が形成され、前記物理パラメータ変更手段は、前記第二エアシール用開口部にシール用エアと共に油またはクーラントを供給することにより、前記減衰係数を変更することである。

請求項１に係る発明において、変更可能な物理パラメータが二つ以上ある。この場合には、それらの物理パラメータによる組み合わせ種類が複数となる。そして、本発明によれば、物理パラメータによる複数の組み合わせ種類のうち、ユーザにとって影響の少ない組み合わせ種類の変更順位を優先することができる。ここで、振動検出手段は、ハウジングに取り付けられ主軸の実際の振動を検出する振動検出センサを適用することもできるし、加工条件および工作機械の主軸装置の各部の機械構成の情報を用いた振動解析により振動の発生を解析する解析ツールを適用することもできる。

バネ定数の変更は、例えば、転がり軸受の予圧の変更により行うことができる。転がり軸受の予圧の変更は容易に行うことができると共に、発熱が低い変更手段である。従って、請求項２に係る発明によれば、バネ定数を最優先に変更することで、容易に実現できると共に、発熱を抑制することができる。

また、減衰係数の変更は、例えば、主軸の外周面とハウジングの内周面との微小隙間に粘性流体を介在させて、減衰係数を大きな値にできる。減衰係数の変更は、振動の抑制に大きな効果が期待できるが、粘性流体のせん断抵抗による発熱の影響を考慮する必要がある。従って、請求項３に係る発明によれば、減衰係数の変更をバネ定数の変更の次の優先順位とすることで、発熱の影響を軽減できる。

請求項４に係る発明によれば、バネ定数の変更と減衰係数の変更を同時に行うことで、主軸の振動の抑制効果をより発揮できる。ただし、バネ定数のみの変更や減衰係数のみの変更の場合に比べると、調整が容易とはいえない。そこで、両者を含む場合の優先順位をそれぞれの場合の優先順位より下げることで、適切な処理が可能となる。

請求項５に係る発明によれば、回転体の質量を変更することで、主軸の振動を抑制することができる。ここで、回転体の質量を変更する手段としては、例えば、質量部材（マス）を着脱することで実現できる。しかし、回転体の質量を連続的に変更することは容易ではない。そこで、調整の自由度が高いものおよび振動抑制効果が大きいものほど優先順位を上位として、調整の自由度が低い回転体の質量の変更の優先順位を低くすることで、適切に主軸の振動を抑制することができる。

請求項６に係る発明によれば、確実に減衰係数を変更することができる。さらに、油またはクーラントが供給される第二エアシール用開口部は、第一エアシール用開口部より刃具またはワークの取付端側に配置されている。従って、第一エアシール用開口部より刃具またはワークの取付端側の反対側へ、油またはクーラントが侵入することを防止できる。

工作機械の主軸装置における支持構造のモデル図である。 物理パラメータの優先順位を示す図である。 工作機械の主軸装置の制御ブロック図である。 解析部の処理を示すフローチャートである。 第一実施例における工作機械の主軸装置の軸方向断面図である。 図５に示す工作機械の主軸装置の前側部分（刃具の取付端側）の拡大軸方向断面図である。 第二実施例における工作機械の主軸装置の前側部分（刃具の取付端側）の拡大軸方向断面図である。

＜基本構成＞
本実施形態の工作機械の主軸装置における支持構造について、図１を参照して説明する。図１に示すように、主軸２０は、円筒形状に形成されたハウジング１０の内周面に回転可能に支持される。ハウジング１０に対する主軸２０の支持に関する物理パラメータは、バネ定数Ｋおよび減衰係数Ｃにより表される。このバネ定数Ｋは、例えば、主軸２０を支持する軸受装置に付与する予圧を変更することにより変更される。また、減衰係数Ｃは、主軸２０の外周面とハウジング１０の内周面との径方向微小隙間に油を供給することによる油膜ダンピング効果を付加することで変更される。また、主軸２０には、質量部材１４０が着脱可能に設けられており、この質量部材１４０の着脱により主軸２０を含む回転体の質量Ｍを変更できる。

これらの物理パラメータＫ，Ｃ，Ｍを変更することで、ハウジング１０に対して主軸２０のびびり振動の発生を抑制できる。本実施形態においては、軸受装置の予圧を変更するための予圧バルブ２０５（図３に示す）の開度を変更することにより、バネ定数Ｋが変更される。また、主軸２０の外周面とハウジング１０の内周面との径方向微小隙間への油の供給を制御する減衰付加用バルブ２０６（図３に示す）を油供給ＯＮ状態と油供給ＯＦＦ状態とを切り換えることにより、減衰係数Ｃが変更される。また、質量部材連結スイッチ２０７（図１および図３に示す）のＯＮ，ＯＦＦを切り換えることにより、質量部材１４０が主軸２０に対して一体的状態と分離状態とを切り換えられる。つまり、質量部材連結スイッチ２０７をＯＮの場合には、ＯＦＦの場合に比べて、主軸２０を含む回転体の質量Ｍが増加する。

本実施形態においては、変更可能な物理パラメータＫ，Ｃ，Ｍの変更優先順位を決定している。この変更優先順位について、図２を参照して説明する。変更する物理パラメータの第１番目の優先順位は、バネ定数Ｋに設定する。つまり、主軸２０にびびり振動が発生する場合には、バネ定数Ｋを大きくする。例えば、予圧バルブ２０５（図３に示す）の開度を大きくすることにより、軸受装置の予圧を高くすることを最優先に行う。

そして、バネ定数Ｋを大きくしてもなお主軸２０にびびり振動が発生する場合には、バネ定数Ｋを元に戻して、減衰係数Ｃを大きくする。つまり、変更する物理パラメータの第２番目の優先順位は、減衰係数Ｃに設定する。例えば、主軸２０の外周面とハウジング１０の内周面との径方向微小隙間への油の供給を制御する減衰付加用バルブ２０６（図３に示す）を油供給ＯＦＦ状態から油供給ＯＮ状態に切り換える。

そして、減衰係数Ｃを大きくしてもなお主軸２０にびびり振動が発生する場合には、バネ定数Ｋと減衰係数Ｃを共に大きくする。つまり、変更する物理パラメータの第３番目の優先順位は、バネ定数Ｋおよび減衰係数Ｃに設定する。そして、バネ定数Ｋおよび減衰係数Ｃを大きくしたとしてもなお主軸２０にびびり振動が発生する場合には、主軸２０を含む回転体の質量を変更する。本実施形態では、質量部材連結スイッチ２０７をＯＮにすることにより、主軸２０を含む回転体に質量部材１４０を含ませることで、当該回転体の質量を大きくする。つまり、変更する物理パラメータの第４番目の優先順位は、主軸２０を含む回転体の質量Ｍに設定する。

なお、本実施形態においては、上記のように変更する物理パラメータの優先順位を設定したが、例えば、変更する物理パラメータの第５番目以降の優先順位として、回転体の質量Ｍに加えて、バネ定数Ｋや減衰係数Ｃを重畳させるものを設定しても良い。

次に、主軸装置のびびり振動抑制に関する制御ブロックについて、図３および図４を参照して説明する。図３に示すように、びびり振動抑制に関する制御ブロックは、変位センサ２０１、加工条件，刃具ホルダ情報２０２、解析部２０３、制御部２０４、予圧バルブ２０５、減衰付加バルブ２０６、および質量部材連結スイッチ２０７とから構成される。

変位センサ２０１は、図１に示すように、ハウジング１０に固定され、ハウジング１０に対する主軸２０の外周面の径方向変位を検出する。加工条件および刃具ホルダ情報２０２は、作業者によって入力される。解析部２０３は、変位センサ２０１の検出値、または、加工条件，刃具ホルダ情報２０２の何れかを用いて、かつ、物理パラメータＫ，Ｃ，Ｍを適宜変更した状態において、径方向のびびり振動の発生の有無について解析により算出する。制御部２０４は、解析部２０３により得られた解析結果に従って、予圧バルブ２０５の開度、減衰付加バルブ２０６の油供給ＯＮ状態または油供給ＯＦＦ状態への動作、および質量部材連結スイッチ２０７のＯＮまたはＯＦＦ動作を制御する。

この解析部２０３の処理について図４を参照して説明する。図４に示すように、解析部２０３は、作業者によって入力された解析処理の種類を判定する（Ｓ１）。解析処理の種類としては、加工条件，刃具ホルダ情報に基づいた解析と、変位センサ２０１の検出値に基づいた解析とがある。

そして、作業者によって加工条件，刃具ホルダ情報に基づいた解析処理の種類が選択されている場合には、加工条件および刃具ホルダ情報を入力する（Ｓ２）。一方、作業者によって変位センサ２０１に基づいた解析処理の種類が選択されている場合には、変位センサ２０１の検出値、すなわちハウジング１０に対する主軸２０の径方向変位を入力する（Ｓ３）。続いて、入力した主軸２０の径方向変位を元情報として、ＦＦＴ解析を行う（Ｓ４）。

続いて、初期状態における主軸２０の径方向のびびり振動解析を行う（Ｓ５）。初期状態とは、バネ定数Ｋ、減衰係数Ｃを初期設定値に設定しておき、かつ、質量部材連結スイッチ２０７をＯＦＦとした状態である。なお、加工条件および刃具ホルダ情報に基づいた解析処理の場合には、当該情報を用いて、初期状態における主軸２０の径方向のびびり振動解析を行う（Ｓ５）。一方、変位センサの検出値に基づいた解析処理の場合には、ＦＦＴ解析の結果を用いて、初期状態における主軸２０の径方向のびびり振動解析を行う（Ｓ５）。

続いて、初期状態におけるびびり振動解析の結果において、びびり振動の有無を判定して（Ｓ６）、びびり振動が発生していない場合には、その解析結果を記憶する（Ｓ１０）。一方、初期状態におけるびびり振動解析においてびびり振動が発生した場合には、カウンタｉを１に設定する（Ｓ７）。続いて、第ｉ番目の優先順位の物理パラメータを変更した状態で、主軸２０の径方向のびびり振動解析を行う（Ｓ８）。最初は、カウンタｉが１であるので、第１番目の優先順位の物理パラメータであるバネ定数Ｋを所定の範囲内で変更し、主軸２０の径方向のびびり振動解析を行う。

続いて、第ｉ番目の優先順位の物理パラメータを変更した状態におけるびびり振動解析の結果において、びびり振動の有無を判定する（Ｓ９）。その結果、びびり振動が発生していない場合には、その解析結果を記憶する（Ｓ１１）。つまり、第ｉ番目の優先順位の物理パラメータを変更する情報を記憶する。

一方、第ｉ番目の優先順位の物理パラメータを変更した状態におけるびびり振動解析の結果におけるびびり振動解析においてびびり振動が発生した場合には、現在のカウンタｉが最大値ｍａｘであるか否かを判定する（Ｓ１１）。現在のカウンタｉが最大値ｍａｘでない場合には、カウンタｉに１加算する（Ｓ１２）。そして、ステップＳ８に戻り処理を繰り返す。現在のカウンタｉが１であった場合には、次に、第２番目の優先順位の物理パラメータである減衰係数Ｃを大きくした状態で、主軸２０の径方向のびびり振動解析を行う。その結果、びびり振動が無ければその解析結果を記憶する。

一方、びびり振動が発生していれば、次の優先順位（第３番目）の物理パラメータであるバネ定数Ｋを所定の範囲内で変更し且つ減衰係数Ｃを大きくした状態について、主軸２０の径方向のびびり振動解析を行う。その結果、びびり振動が無ければその解析結果を記憶する。一方、びびり振動がまだ発生していれば、次の優先順位（第４番目）の物理パラメータである回転体の質量Ｍを大きくした状態について、主軸２０の径方向のびびり振動解析を行う。その結果、びびり振動が無ければその解析結果を記憶する。

それでもなお、びびり振動が発生している場合には、カウンタｉが最大値ｍａｘになるので（Ｓ１１：Ｙ）、加工条件を変更して（Ｓ１３）、ステップＳ５から繰り返す。例えば、主軸２０の回転速度を低くする。そして、物理パラメータＫ，Ｃ，Ｍを初期状態として、びびり振動解析を行い、びびり振動が発生しない場合には、その解析結果を記憶する。一方、加工条件を変更してもなおびびり振動が発生する場合には、さらに物理パラメータＫ，Ｃ，Ｍを変更優先順位に従って変更し、びびり振動解析を行う。

このように、変更する物理パラメータの優先順位を設定して、その変更優先順位に従って順次物理パラメータを変更していきながら、びびり振動が発生しない状態となるまで解析を行う。さらに、加工条件の変更を最終段階に設定することで、加工条件を変更することなく、物理パラメータＫ，Ｃ，Ｍの変更によりびびり振動の発生を抑制できる状態を得ることができる。

ここで、バネ定数Ｋの変更は、上述したように、例えば、軸受装置の予圧の変更により行うことができる。軸受装置の予圧の変更は容易に行うことができると共に、発熱が低い変更手段である。従って、バネ定数Ｋを最優先に変更することで、容易に実現できると共に、発熱を抑制できる。

また、減衰係数Ｃの変更は、上述したように、例えば、主軸２０の外周面とハウジング１０の内周面との径方向微小隙間に油などの粘性流体を介在させることにより、減衰係数Ｃの値を大きくできる。減衰係数Ｃの変更は、振動の抑制に大きな効果が期待できるが、油などの粘性流体のせん断抵抗による発熱の影響を考慮する必要がある。つまり、粘性流体を径方向微小隙間に介在させると、主軸２０の回転に伴う粘性流体のせん断抵抗により発熱する。そこで、バネ定数Ｋの変更を減衰係数Ｃの変更よりも優先とすることで、発熱の影響を軽減できる。

また、第３番目の優先順位に、バネ定数Ｋの変更と減衰係数Ｃの変更を同時に行うこととすることで、主軸２０の振動の抑制効果をより発揮できる。ただし、バネ定数Ｋのみの変更や減衰係数Ｃのみの変更の場合に比べると、調整が容易とはいえない。そこで、両者を含む場合の優先順位をそれぞれの場合の優先順位より下げることで、適切な処理が可能となる。

さらに、第４番目の優先順位である回転体の質量Ｍの変更により、回転体の共振点を変更することができ、結果として主軸２０のびびり振動を抑制することができる。ただし、回転体の質量Ｍを変更するために質量部材１４０を着脱する場合には、回転体の質量Ｍを連続的に変更することは容易ではない。そこで、この優先順位をバネ定数Ｋおよび減衰係数Ｃの変更よりも低くする。つまり、調整の自由度が高いものおよび振動抑制効果が大きいものほど優先順位を上位として、調整の自由度が低い回転体の質量Ｍの変更の優先順位を低くすることで、適切に主軸２０のびびり振動を抑制することができる。

＜第一実施例＞
上記においては、工作機械の主軸装置の機械構成を図１に示したようにモデル化したものとして説明した。このモデルの具体的な第一実施例として、図５および図６を参照して説明する。本実施例の工作機械の主軸装置は、図５に示すように、主として、ハウジング１０と、主軸２０と、転がり軸受装置３０、４０、５０と、予圧付与ピストン部材６０と、モータ７０と、着脱部材１３０とを備えている。

ハウジング１０は、前側ハウジング１１と、中央ハウジング１２と、第一後側ハウジング１３と、第二後側ハウジング１４と、スリーブ部材１５と、ハウジングキャップ１６とにより構成される。それぞれの部材１１〜１６は略円筒状に形成されており、それらの部材１１〜１６が一体に連結固定されることで、ハウジング１０が略円筒状に形成されている。

スリーブ部材１５は、軸方向中央部に径方向外方へ突出するリング状のフランジ部を有する。このスリーブ部材１５のフランジ部が、前側ハウジング１１と中央ハウジング１２との軸方向間に配置される。さらに、スリーブ部材１５におけるフランジ部の軸方向両側にある円筒部分が、中央ハウジング１２の前側（軸方向において、刃具８１の取付端側、図５において左側）端部の内周と前側ハウジング１１の内周に嵌合されている。スリーブ部材１５の内周面のうち軸方向中央部には、中央ハウジング１２およびスリーブ部材１５に形成された流体供給路９１の油排出開口部が形成されている。この流体供給路９１には、ポンプユニット（図示せず）が接続され、そのポンプユニットより所定の圧力に調整された油が供給される。

ハウジングキャップ１６は、前側ハウジング１１およびスリーブ部材１５の軸方向前側端に取り付けられる。このハウジングキャップ１６とスリーブ部材１５とにより、第一前側転がり軸受装置３０の外輪を軸方向間に挟んでいる。このハウジングキャップ１６には、径方向の変位センサ２０１が固定されている。この変位センサ２０１は、ハウジングキャップ１６に対する主軸２０の外周面の径方向変位を検出する。

第二後側ハウジング１４の内周面のうち軸方向前側は、軸方向前側が大径となるような段差形状に形成されている。この段差部分の大径部に、後述する着脱部材１３０が配置される。この第二後側ハウジング１４には、エア供給路１４ａが形成されている。このエア供給路１４ａのエア排出開口部が、第二後側ハウジング１４の内周面の大径側周面に形成されている。

主軸２０は、略円筒状に形成されており、ハウジング１０の内周面に転がり軸受装置３０，４０，５０を介して回転自在に支持されている。主軸２０の中空内部には、刃具８１が固定されたホルダ８２をクランプするクランプユニット８３や、クランプユニット８３を作動させるプッシュロッド８４およびドローバー８５が収容されている。また、主軸２０の軸方向後側であって、第二後側ハウジング１４の中空内部には、クランプユニット８３を操作するためのシリンダ組立体８６が配置されている。主軸２０の外周面の軸方向中央部には、モータ７０のロータ７１が固定されている。このロータ７１の外周側には、モータ７０のステータ７２が設けられている。このステータ７２は、中央ハウジング１２の内周面に嵌合固定されている。主軸２０は、このモータ７０により回転駆動されるようになっている。

第一，第二前側転がり軸受装置３０，４０は、それぞれ二対のアンギュラ玉軸受を備えて構成されている。第一前側転がり軸受装置３０は、モータ７０の軸方向前側（刃具８１の取付端側）であって、前側ハウジング１１の内周面と主軸２０の外周面との間に嵌合される。第二前側転がり軸受装置４０は、モータ７０の軸方向前側であり、第一前側転がり軸受装置３０の軸方向後側（刃具８１の取付端側とは反対側）に配置される。この第二前側転がり軸受装置４０は、スリーブ部材１５の内周側に設けられた予圧付与ピストン部材６０の内周面と主軸２０の外周面との間に嵌合される。

第一前側転がり軸受装置３０のアンギュラ玉軸受の接触角と、第二前側転がり軸受装置４０のアンギュラ玉軸受の接触角は、軸直交平面に対して対称となるように設けられている。具体的には、第一前側転がり軸受装置３０の外輪と転動体の接点は、当該転動体の中心よりも軸方向後側（第二前側転がり軸受装置４０側）に位置し、第二前側転がり軸受装置４０の外輪と転動体の接点は、当該転動体の中心よりも軸方向前側（刃具８１の取付端側）に位置する。また、第一前側転がり軸受装置３０の内輪と転動体の接点は、当該転動体の中心よりも軸方向前側（刃具８１の取付端側）に位置し、第二前側転がり軸受装置４０の内輪と転動体の接点は、当該転動体の中心よりも軸方向後側（モータ７０側）に位置する。

後側転がり軸受装置５０は、図５に示すように、一個の円筒ころ軸受を備えて構成されている。後側転がり軸受装置５０は、モータ７０の軸方向後側（刃具８１の取付端側と反対側）であって、第一後側ハウジング１３の内周面と主軸２０の外周面との間に嵌合される。

予圧付与ピストン部材６０は、略円筒状に形成されている。この予圧付与ピストン部材６０は、スリーブ部材１５の内周面と第二前側転がり軸受装置４０の外輪の外周面との間に嵌合されている。この予圧付与ピストン部材６０の外周面とスリーブ部材１５に形成された流体供給路９１の油排出開口部との間には、流体供給路９１を介して供給された油が滞留する油滞留部９２が環状に形成されている。この油滞留部９２における油の圧力が高くなると、予圧付与ピストン部材６０には、スリーブ部材１５に対して軸方向後側へ移動する力が発生する。つまり、予圧付与ピストン部材６０は、第二前側転がり軸受装置４０の外輪を軸方向後側へ押圧する力が発生する。

従って、油滞留部９２における油の圧力を高めることで、予圧付与ピストン部材６０により第一，第二前側転がり軸受装置３０，４０に付与される予圧を高くすることになる。逆に、油滞留部９２における油の圧力を低くすることで、第一，第二前側転がり軸受装置３０，４０に付与される予圧を低くすることになる。そして、油滞留部９２には滞留する油の圧力を変更することで、第一，第二前側転がり軸受装置３０，４０には付与される予圧が変更される。これにより、バネ定数Ｋを変更することができる。

また、予圧付与ピストン部材６０の外周面とスリーブ部材１５の内周面との間において、油滞留部９２の軸方向両側には、軸方向への油の漏洩を防止するためにＯリングなどのシール部材が配置されている。

また、図５および図６に示すように、スリーブ部材１５の内周面のうち第一前側転がり軸受装置３０と第二前側転がり軸受装置４０との軸方向間は、軸方向後側に向かって拡径するテーパ状に形成されている。このスリーブ部材１５の内周テーパ面の径方向内側には、第一前側転がり軸受装置３０と第二前側転がり軸受装置４０の軸方向間に挟まれる内輪間座１１０が配置されている。そして、内輪間座１１０の外周面は、スリーブ部材１５の内周テーパ面に対して径方向に対向するように軸方向後側に向かって拡径するテーパ状に形成されている。

スリーブ部材１５の内周テーパ面の軸方向中央には、油供給用環状溝１２１が形成されている。この油供給用環状溝１２１には、図示しないポンプユニットに接続された油供給路１２１ａの油排出開口部が形成されている。そして、油供給用環状溝１２１には、油排出開口部から油またはクーラントが排出される。このように、油供給用環状溝１２１に油またはクーラントを供給すると、油供給用環状溝１２１の軸方向両側に形成される微小隙間部１２２に油またはクーラントが滞留する。これにより、主軸２０に対して減衰効果を発揮する。つまり、油またはクーラントが微小隙間部１２２に滞留することによる油膜ダンピング効果により、減衰係数Ｃが変更される。

また、スリーブ部材１５の内周テーパ面のうち油供給用環状溝１２１より軸方向前側には、エア供給用環状溝１２５が形成されている。このエア供給用環状溝１２５には、図示しないポンプユニットに接続されたエア供給路１２５ａのエア排出開口部が形成されている。つまり、エア供給用環状溝１２５には、エア排出開口部からエアが排出される。そして、エア排出開口部からエア供給用環状溝１２５にエアが排出されることにより、油供給用環状溝１２１に排出される油またはクーラントが第一前側転がり軸受装置３０側へ侵入することを防止するためのエアシールを構成する。

また、図５および図６に示すように、スリーブ部材１５の内周テーパ面のうち油供給用環状溝１２１より軸方向後側には、ドレン用環状溝１２６が形成されている。このドレン用環状溝１２６には、ドレン穴１２６ａが連通している。つまり、油供給用環状溝１２１に供給される油またはクーラントおよびエア供給用環状溝１２５に供給されるエアが、ドレン用環状溝１２６を介してドレン穴１２６ａから排出される。なお、スリーブ部材１５の内周面を軸方向後側に向かって拡径するテーパ状とすることで、主軸２０の中心軸よりも重力方向下側（図５および図６の中心軸より下側）において、エア供給用環状溝１２５の位置よりもドレン用環状溝１２６の位置が重力方向下側となる。これにより、油供給用環状溝１２１に供給される油またはクーラントおよびエア供給用環状溝１２５に供給されるエアを確実にドレンに導くことができる。

着脱部材１３０は、図５に示すように、第二後側ハウジング１４の内周面のうち段差形状の大径部に配置される。着脱部材１３０は、クランプ装置１５０と、質量部材１４０とを備えて構成される。

質量部材１４０は、円環状に形成されており、第二後側ハウジング１４の内周面の段差形状の大径部に配置される。この質量部材１４０は、主軸２０と質量部材１４０の合計質量が主軸２０の質量に対して回転体として影響を及ぼす程度の質量とされている。この質量部材１４０の外周面のうち軸方向前端に周溝１４１が形成されている。

そして、質量部材１４０の最外周面は、第二後側ハウジング１４の内周面の段差形状の大径部との間に、微小隙間を介するように配置されている。さらに、質量部材１４０は、周溝１４１に対して第二後側ハウジング１４のエア供給路１４ａのエア排出開口部が径方向に対向するように配置されている。つまり、周溝１４１は、エア供給路１４ａのエア排出開口部から排出されたエアが滞留するエア滞留領域１４０ａを形成する。

このように、質量部材１４０は、第二後側ハウジング１４に対して、エアを介して配置されている。つまり、質量部材１４０は、第二後側ハウジング１４に対して相対回転可能に支持されていることになる。さらに、質量部材１４０の内部には、周溝１４１から軸方向前側端面に連通する連通路１４４が形成されている。つまり、エア滞留領域１４０ａに滞留するエアは、この連通路１４４に流れ込む。

クランプ装置１５０は、本体部１５１とクランパ１５２とにより構成される。このクランプ装置１５０は、本体部１５１に高圧エアが供給されることで、クランパ１５２の径方向内側の突出量を変化する装置である。このクランプ装置１５０は、質量部材１４０の軸方向前側に固定され、質量部材１４０の連通路１４４の軸方向前側開口部から高圧エアの供給を受ける。そして、クランプ装置１５０の本体部１５１が、エア供給路１４ａおよび質量部材１４０の連通路１４４を介して高圧エアが供給されると、クランプ装置１５０のクランパ１５２の径方向内側への突出量が大きくなる。

このとき、クランパ１５２の内周面は、主軸２０の外周面を押圧する。その結果、クランプ装置１５０は、主軸２０と一体的状態となる。このようにクランプ装置１５０が主軸２０と一体的状態となるとき、着脱部材１３０全体が主軸２０に一体的状態となる。つまり、着脱部材１３０が主軸２０と共に回転する。従って、主軸２０と着脱部材１３０が回転体を構成する。このときの回転体の質量は、主軸２０の質量に加えて、着脱部材１３０の質量が加算される。

一方、クランプ装置１５０の本体部１５１に供給されるエアの圧力が低くなると、クランパ１５２の径方向内側への突出量が小さくなる。そうすると、クランパ１５２の内周面は主軸２０の外周面から離脱する。その結果、クランプ装置１５０を含む着脱部材１３０全体が、主軸２０に対して分離状態となる。つまり、着脱部材１３０は主軸２０と共に回転しない。従って、主軸２０を含む回転体には、着脱部材１３０を含まない。このときの回転体の質量は、着脱部材１３０の質量は含まれない。このように、クランプ装置１５０の本体部１５１に供給されるエアの圧力を変更することにより、主軸２０を含む回転体の質量Ｍを変更することができる。

＜第二実施例＞
また、第二実施例としての工作機械の主軸装置について、図７を参照して説明する。ここで、第二実施例の主軸装置は、第一実施例の主軸装置に対して、軸方向前側のみ相違する。そこで、以下、相違点のみについて説明し、同一構成については同一符号を付して説明を省略する。ここで、第二実施例の主軸装置は、第一実施例の主軸装置に対して、減衰係数Ｃを変更するための構成が相違する。

第二実施例の主軸装置を構成するスリーブ部材３１５は、第一実施例におけるスリーブ部材１５に対して、油供給用環状溝１２１、エア供給用環状溝１２５、油供給路１２１ａ、エア供給路１２５ａが形成されていない構成としている。そして、スリーブ部材３１５の内周面のうち第一前側転がり軸受装置３０と第二前側転がり軸受装置４０との軸方向間は、テーパ状ではなく円筒内周面形状に形成されている。また、第二実施例の主軸装置を構成する第一前側転がり軸受装置３０と第二前側転がり軸受装置４０の軸方向間に挟まれる内輪間座３１０の外周面は、円筒外周面形状に形成されている。

また、ハウジングキャップ３１６の内周面のうち軸方向後側には、エア供給用環状溝３２１が形成されている。このエア供給用環状溝３２１には、図示しないポンプユニットに接続されたエア供給路３２１ａのエア排出開口部が形成されている。そして、エア供給用環状溝３２１には、エア排出開口部からエアが排出される。つまり、エア排出開口部からエア供給用環状溝３２１にエアが排出されることにより、加工領域におけるクーラントや切粉が第一前側転がり軸受装置３０側に侵入することを防止するためのエアシールを構成する。

さらに、ハウジングキャップ３１６の内周面のうち、エア供給用環状溝３２１よりも軸方向前側には、混合流体供給用環状溝３２２が形成されている。この混合流体供給用環状溝３２２には、図示しないポンプユニットに接続された混合流体供給路３２２ａの混合流体排出開口部が形成されている。そして、混合流体供給用環状溝３２２には、混合流体排出開口部から、油またはクーラントと、エアのうち選択された流体が排出される。

ここで、混合流体供給路３２２ａに供給する流体は、切替弁３００によって、油またはクーラントと、エアとの選択が行われる。つまり、切替弁３００によりエア供給源側が選択されている場合には、混合流体供給用環状溝３２２にはエアが排出される。このように、混合流体排出開口部から混合流体供給用環状溝３２２にエアが排出されることにより、加工領域におけるクーラントや切粉が第一前側転がり軸受装置３０側に侵入することを防止するためのエアシールを構成する。つまり、エア供給用環状溝３２１と混合流体供給用環状溝３２２による二段階のエアシールが形成される。

一方、切替弁３００により油またはクーラントの供給源側が選択されている場合には、混合流体供給用環状溝３２２には油またはクーラントが排出される。そして、混合流体供給用環状溝３２２に油またはクーラントを供給すると、混合流体供給用環状溝３２２の軸方向両側に形成される微小隙間部３２３に油またはクーラントが滞留する。これにより、主軸２０に対して減衰効果を発揮する。つまり、油またはクーラントが微小隙間部３２２に滞留することによる油膜ダンピング効果により、減衰係数Ｃが変更される。

ここで、混合流体供給用環状溝３２２は、エア供給用環状溝３２１より第一前側転がり軸受装置３０より軸方向前側に位置する。従って、混合流体供給用環状溝３２２に油またはクーラントが供給されるとしても、エア排出開口部からエア供給用環状溝３２１にエアが排出されることにより、混合流体供給用環状溝３２２に排出される油またはクーラントが第一前側転がり軸受装置３０側へ侵入することを防止するためのエアシールとしても機能する。

１０：ハウジング、 １１：前側ハウジング、 １２：中央ハウジング
１３：第一後側ハウジング、 １４：第二後側ハウジング、 １４ａ：エア供給路
１５：スリーブ部材、 １６：ハウジングキャップ
２０：主軸、 ３０，４０，５０：軸受装置、 ６０：予圧付与ピストン部材
７０：モータ、 ７１：ロータ、 ７２：ステータ
８１：刃具、 ８２：ホルダ、 ８３：クランプユニット、 ８４：プッシュロッド
８５：ドローバー、 ８６：シリンダ組立体
９１：流体供給路、 ９２：油滞留部、 １１０：内輪間座
１２１：油供給用環状溝、 １２１ａ：油供給路、 １２２：微小隙間部
１２５：エア供給用環状溝、 １２５ａ：エア供給路
１２６：ドレン用環状溝、 １２６ａ：ドレン穴
１３０：着脱部材、 １４０：質量部材、 １４０ａ：エア滞留領域
１４１：周溝、 １４４：連通路
１５０：クランプ装置、 １５１：本体部、 １５２：クランパ
２０１：変位センサ、 ２０７：質量部材連結スイッチ
３１０：内輪間座、 ３１５：スリーブ部材、 ３１６：ハウジングキャップ
３２１：エア供給用環状溝、 ３２１ａ：エア供給路
３２２：混合流体供給用環状溝、 ３２２ａ：混合流体供給路
３２３：微小隙間部

Claims (6)

1. 円筒形状に形成されたハウジングと、
   前記ハウジングの内周面に回転可能に支持された主軸と、
   前記ハウジングに対する前記主軸の振動を検出する振動検出手段と、
   前記ハウジングに対して前記主軸の支持におけるバネ定数、減衰係数、および、前記主軸を含む回転体の質量のうち少なくとも二つ以上の物理パラメータを変更する物理パラメータ変更手段と、
   変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類の変更優先順位を予め設定し、前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、予め設定された変更優先順位に従って前記物理パラメータ変更手段により変更可能な前記物理パラメータを変更させる振動抑制手段と、
   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、
   前記物理パラメータ変更手段は、少なくとも前記バネ定数を変更可能であって、
   前記振動抑制手段は、変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類のうち前記バネ定数の変更を最優先順位に設定し、前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、前記物理パラメータ変更手段により前記バネ定数の変更を最初に変更させることを特徴とする工作機械の主軸装置。
3. 請求項２において、
   前記物理パラメータ変更手段は、さらに前記減衰係数を変更可能であって、
   前記振動抑制手段は、変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類のうち前記減衰係数の変更を前記バネ定数の変更の次の優先順位に設定し、前記物理パラメータ変更手段により前記バネ定数を変更したときに前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、前記物理パラメータ変更手段により前記減衰係数を次に変更させることを特徴とする工作機械の主軸装置。
4. 請求項３において、
   前記振動抑制手段は、変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類のうち前記バネ定数および前記減衰係数の変更を前記減衰係数の変更の次の優先順位に設定し、前記物理パラメータ変更手段により前記減衰係数を変更したときに前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、前記物理パラメータ変更手段により前記バネ定数および前記減衰係数を次に変更させ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、
   前記物理パラメータ変更手段は、さらに前記回転体の質量を変更可能であって、
   前記振動抑制手段は、変更可能な前記物理パラメータによる組み合わせ種類のうち前記回転体の質量の変更を前記バネ定数および前記減衰係数の変更の次の優先順位に設定し、前記物理パラメータ変更手段により前記バネ定数および前記減衰係数を変更したときに前記振動検出手段が前記主軸の振動を検出した場合に、前記物理パラメータ変更手段により前記回転体の質量を次に変更させ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、
   前記主軸の軸方向一側には、刃具または被加工物が取り付けられ、
   前記工作機械の主軸装置は、
   前記ハウジングの内周面に対して前記主軸の外周面を支持する軸受を備え、
   前記ハウジングのうち前記軸受が配置される軸方向位置よりも軸方向において刃具または被加工物の取付端側に第一エアシール用開口部が形成され、
   前記ハウジングのうち前記第一エアシール用開口部が形成される軸方向位置よりも軸方向において刃具またはワークの取付端側に第二エアシール用開口部が形成され、
   前記物理パラメータ変更手段は、前記第二エアシール用開口部にシール用エアと共に油またはクーラントを供給することにより、前記減衰係数を変更することを特徴とする工作機械の主軸装置。

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