JP2012091282A - 主軸装置及び主軸装置の軸受予圧制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受の予圧を制御することで主軸周りの動特性のバラツキを最小限に抑えることを可能とし、更に切削力方向も加味して予圧を制御することで、切削形態に関わらず安定した切削を可能とする主軸装置を提供する。
【解決手段】 主軸２がアンギュラ玉軸受を介してハウジングに回転可能に支持され、アンギュラ玉軸受の間座に予圧が付与されて成り、間座の一部である外輪間座８を軸受円周方向に対して８等分に分割し、夫々の分割間座８ａ〜８ｈに対して付与する予圧を制御する予圧制御部を備え、予圧制御部が主軸２のコンプライアンスとクロスコンプライアンスと切削動作中の主軸２に加わる切削力方向とを求め、個々の分割間座８ａ〜８ｈの予圧を変更して主軸２の動特性を制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、マシニングセンタ等の工作機械において転がり軸受を備えた主軸装置に関し、詳しくは転がり軸受に加える予圧を制御する主軸装置の軸受予圧制御方法に関する。

マシニングセンタ等の工作機械では、主軸を回転可能にハウジングに支持する軸受として転がり軸受が広く使用されている。この場合、主軸が高速で回転しても安定して支持できるよう転がり軸受の間座には予圧が加えられている。このような主軸装置の中で、回転数に因らず主軸の安定した回転を可能とするために、予圧を変更できるよう構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

一方で、主軸に工具を取り付けて回転させて切削加工やボーリング加工が行われるが、ワークの動剛性が小さい場合はびびり振動が発生してワーク加工面の仕上げ精度を悪化させたり、切削工具を損傷させる場合がある。そのため、振れ止め装置をワークに当接させて振動の発生を防止したり、主軸の回転速度を周期的に変化させて振動の発生を防止する方法が従来は採用されていた。
しかし、振れ止め装置を設ける構成は小型化に不向きであったし、回転速度を変化させるものはワークの仕上げ精度が劣化するといった問題があった。そのため、本出願人は特許文献２において、ワークの動コンプライアンスが最小（動剛性が最大）となる主軸角度を求め、その角度に工具の切り込み角度を合わせることでびびり振動を抑制し、上述したような振れ止め装置や回転速度の変化等を必要としない精度の高い加工を実施する技術を提案した。

特開２００２−５４６３１号公報 特開２０１０−１７８０１号公報

しかしながら、主軸に工具を装着して切削加工やボーリング加工を行う場合、主軸の切削角度に関係なく、切削能力が低下する問題があった。これは、工具固定形態によって主軸の動特性が変化すること、更に加工中の加工方向等の変化により主軸に加わる切削力方向が変化することで、動特性が変化することが原因であった。この動特性の変化は、上記特許文献２の動コンプライアンスを求めて加工角度を決定する方式では対応できなかった。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、軸受の予圧を制御することで主軸周りの動特性のバラツキを最小限に抑えることを可能とし、更に切削力方向も加味して予圧を制御することで、工具や加工形態に関わらず安定した切削を可能とする主軸装置及び主軸装置の軸受予圧制御方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、主軸が複数の転がり軸受を介してハウジングに回転可能に支持され、前記転がり軸受の間座に予圧が付与されて成る主軸装置であって、前記間座を軸受の周方向に対して複数に分割し、分割した分割間座の夫々に対して付与する予圧を制御する予圧制御手段を備え、前記予圧制御手段は、分割した分割間座の夫々に対して付与する予圧を与えた時の主軸周りのコンプライアンス及びクロスコンプライアンス測定とその演算結果を有して、測定した動特性に基づいて個々の前記分割間座に付与する予圧を制御することを特徴とする。
この構成によれば、軸受の間座を複数に分割し、主軸の動特性を基に分割した個々の間座の予圧を決定するので、主軸周りの動特性ばらつきを小さくすることが可能となる。また、動特性のばらつきを任意の方向に制御できるので、旋削加工のように工具が固定で切削方向が一方向の場合、切削方向に合わせて動特性の高い方向を配置することも可能となる。その結果、工具や加工形態によらずワークに対するびびり振動の発生を抑制でき、精度の高い安定した加工が可能となる。

尚、コンプライアンスとは力が加えられる時に弾性的に服従する物体の能力であり、値が小さいほど剛性が高く外力に服従し難いことを示す。また、クロスコンプライアンスも同様に値が小さいほど剛性が高く外力に服従し難いことを示し、コンプライアンスが力が加えられる方向の値であるのに対し、クロスコンプライアンスは力の方向に対して直交する方向の特性である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成において、前記予圧制御手段は、切削動作中に前記主軸に加わる切削力方向を判断する切削力方向判断部を有し、前記予圧制御手段は、求めた切削力方向を加味して個々の前記分割間座に付与する予圧を制御することを特徴とする。
この構成によれば、主軸の動特性に加えて切削力方向も加味して予圧を決定するので、切削時に変化する主軸の動特性も改善することができ、更に安定した加工を実現できる。

請求項３の発明は、主軸が複数の転がり軸受を介してハウジングに回転可能に支持され、前記転がり軸受の間座に予圧が付与されて成り、前記間座を軸受円周方向に対して複数に分割した主軸装置において、夫々の分割間座に対して付与する予圧を制御する軸受予圧制御方法であって、前記主軸の動特性と切削動作中の前記主軸に加わる切削力方向とを求め、前記主軸の動特性及び切削力方向の情報を基に個々の前記分割間座の予圧を変更して、前記動特性を制御することを特徴とする。
この方法によれば、軸受の間座を複数に分割して分割間座の個々の予圧を、主軸の動特性と切削力方向を基に決定するので、主軸周りの動特性ばらつきを小さくすることが可能となる。また、動特性のばらつきを任意の方向に制御できるので、旋削加工のように工具が固定で切削方向が一方向の場合、切削方向に合わせて動特性の高い方向を配置することも可能となる。よって、工具や加工形態によらずワークに対するびびり振動の発生を抑制でき、精度の高い安定した加工が可能となる。

請求項４の発明は、請求項３に記載の方法において、前記動特性が、前記主軸のコンプライアンス及びクロスコンプライアンスであることを特徴とする。
この方法によれば、コンプライアンスとクロスコンプライアンスを求めて双方の値が最小となるよう分割間座の予圧を制御することができ、精度の高い安定した加工を実施できる。

本発明によれば、軸受の間座を複数に分割し、個々の間座の予圧印加方法により主軸周りのコンプライアンス分布を自由に変更できるので、切削力方向に応じて最適なコンプライアンス分布を得ることができる。その結果、工具や加工形態によらずワークに対するびびり振動の発生を抑制でき、精度の高い安定した加工が可能となる。そして、加工中は主軸の切削力方向も加味して予圧が決定されるので、更に安定した加工を実現できる。

本発明に係る主軸装置の一例を示す断面説明図である。 Ａ部を拡大した軸受部の断面説明図である。 Ａ部を備えた軸受全体の斜視説明図である。 Ｂ−Ｂ線断面で示す間座の断面説明図であり、外輪間座全体を示している。 主軸制御回路のブロック図である。 コンプライアンス測定の説明図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る主軸装置の一例を示す断面説明図である。主軸装置は、ワーク１を装着する主軸２と、複数の軸受３を介して主軸２を回転可能に支持するハウジング４とを備え、５はワーク１を主軸２に取り付けるためのチャックである。
主軸２は、複数の軸受３，３・・を介して筒状のハウジング４内に支持され、上部に設置された図示しないモータにより回転することでワーク１を回転させ、図示しない刃物台に取り付けられた工具で切削等を行う。

図２はＡ部を拡大した説明図であり、一対の軸受３，３を備えた軸受装置の断面説明図である。この図２に示すように、軸受３はアンギュラ玉軸受で構成され、中央の対を成す軸受３，３は、間座６を介して対称に構成されている。間座６は、内輪間座７と外輪間座８とで構成され、外輪間座８は更に中央外輪間座８Ａ、左外輪間座８Ｂ、右外輪間座８Ｃとで構成されている。そして、外輪間座８には予圧供給部１０が設けられている。
予圧供給部１０は、ハウジング４を介して外部から圧油の供給を受けるために中央外輪間座８Ａに形成された油供給路１１と、左右の外輪間座８Ｂ，８Ｃに形成された油室１２と、油室１２と油供給路１１とを接続するために中央外輪間座８Ａに形成された油通路１３とで構成され、左右の軸受３に対して圧油による予圧を印加する構成となっている。左右の油室１２，１２に圧油が供給されることで、左右外輪間座８Ｂ，８Ｃは双方のアンギュラ玉軸受３，３を押圧し、軸受３に予圧が付与される。

図３は図２に示す一対の軸受３，３の全体を示す説明図であり、図４はＢ−Ｂ線で示す間座６の断面を示している。特に図４では、間座６の一部である外輪間座８の全体の断面説明図を示している。この図３、図４に示すように、外輪間座８は円周方向に８等分に分割した第１〜第８分割間座８ａ〜８ｈで構成されている。分割間座８ａ〜８ｈの夫々の左右外輪間座８Ｂ，８Ｃに油室１２が設けられ、１つの間座６に対して８箇所の独立した予圧供給部１０が設けられている。尚、Ｍは軸受３の中心でもある主軸２の中心を示している。

図５は、主軸２を制御する主軸制御回路のブロック図を示している。先ず、加工制御を具体的に説明する。入力部２０において、旋削やボーリング等の加工内容の各種設定データが入力され、パラメータ記憶部２８に入力されたデータは記憶される。解釈部２１は、プログラム記憶部２２に記憶されたプログラムに従い、入力されたデータに基づいて切削制御等を実施する。また、関数発生部２３は、位置指令を生成し、Ｘ，Ｚ各軸のモータ制御部２４へ生成したデータを送る。

Ｘ，Ｚの各軸のモータ制御部２４（２４ａ，２４ｂ）は、関数発生部２３からの制御信号を受けて、夫々の軸を駆動するモータ２５（２５ａ，２５ｂ）を制御する。具体的にはモータ２５の印加電圧を制御する。この結果、入力されたプログラムに従い主軸２が動作し、図示しないワークの切削等の加工が行われる。

次に、軸受３の予圧制御を具体的に説明する。予圧制御は予圧制御部３２で実施される。予圧情報記憶部２７には、８分割された分割間座８ａ〜８ｈの角度情報や、分割間座８ａ〜８ｈの個々の予圧情報が記憶される。プログラム記憶部２２には、予圧を制御するための所定のプログラムが記憶される。また、パラメータ記憶部２８には、後述する方法により切削前に求めたコンプライアンス及びクロスコンプライアンス等のデータが記憶される。

切削力方向判断部２９は、各軸モータ２５に供給されている電流情報を基に軸モータ２５に加えられているトルクを求め、パラメータ記憶部２８に記憶されている切削方向情報、及び求めたトルク情報を用いて、切削力方向を判断する。
予圧量決定部３０は、コンプライアンス及びクロスコンプライアンス情報と、切削力方向判断部２９で判定された切削力方向情報とに基づき、該当する予圧情報を予圧情報記憶部２７から読み取り予圧印加部３１に送り、予圧印加部３１は与えられた情報に基づき個々の分割間座８ａ〜８ｈの予圧を制御する。

以下、予圧制御の流れを説明する。まず、ワーク１を主軸２に取り付けたら、切削工程に入る前に主軸２のコンプライアンス、及びクロスコンプライアンスを求める。図６は、主軸２のコンプライアンス及びクロスコンプライアンスを求める説明図を示している。
図６に示すように、主軸２のコンプライアンスの測定は、任意の１方向側面から主軸２をインパルスハンマ等で加振（図６では矢印Ｐで示す第１分割間座８ａを加振）し、主軸２の反対側に設けられた第１センサ３４により主軸２の振動を検知して実施される。

一方、クロスコンプライアンスの測定は、加振方向に対して９０度の角度（第１センサ３４からも９０度）に配置した第２センサ３５により振動を検知して実施される。
このコンプライアンス及びクロスコンプライアンスの測定は、加振角度及びセンサ角度を、第１〜第８分割間座８ａ〜８ｈの各角度に合わせて変更して実施され、計８回測定される。こうして測定したデータは、パラメータ記憶部２８等に記憶される。

次に、求めたコンプライアンス及びクロスコンプライアンス情報を基に、各分割間座８ａ〜８ｈの予圧が調整される。予圧量決定部３０は、コンプライアンス及びクロスコンプライアンス情報を基に、主軸２の周囲の動特性が均一化されるよう各分割間座８ａ〜８ｈに加える予圧を演算する。例えば第１分割間座８ａの方向のコンプライアンスが大きい場合、第１分割間座８ａに印加する予圧を大きくする。これは、例えば予圧のレベルを、圧力の低いレベル１から圧力の高いレベル５の５段階に設定した場合、第１分割間座８ａの予圧をレベル５に設定し、他の第２〜第８分割間座８ｂ〜８ｈの予圧をレベル１に設定する。この結果、主軸２の周囲の各方向の動特性が均一化する方向へ変化させることができ、安定した加工を実現できる。

この予圧印加状態で切削等の加工動作に入ると、次に切削力方向が加味されて予圧が制御される。切削力方向判断部２９が、Ｘ，Ｚの各軸モータ２５に流れる電流情報を入手し、この電流情報を基にトルクを求め、切削力方向を判断する。この切削力方向を加味して予圧量が決定される。
例えば、切削力方向が第２分割間座８ｂと第３分割間座８ｃの間の方向と判断されたら、予圧量決定部３１は、第２分割間座８ｂと第３分割間座８ｃの双方の予圧を上げる指示を出す。但し、上述したように、既に第１分割間座８ａ方向に大きな予圧を印加しているため、一例として第１分割間座８ａにレベル５、第２及び第３分割間座８ｂ，８ｃの双方にレベル３、その他の第４〜第８分割間座８ｄ〜８ｈにレベル１の圧油を印加して加工を継続させる。

切削力方向判断部２９は、加工動作中は常時切削力方向を監視し、加工内容の変化等で切削力方向が変化する度にその情報を予圧量決定部３０に送る。予圧量決定部３０は、この切削力方向情報を基に予圧情報記憶部２７から予圧情報を読み込み、各分割間座８ａ〜８ｈに印加する予圧を変更する。

このように、軸受３の間座を複数に分割し、具体的には外輪間座８を第１〜第８分割間座８ａ〜８ｈと８等分し、分割した夫々に独立して予圧を付与することで、予圧を調整して主軸周りの動特性を調整することが可能となる。そして、コンプライアンスとクロスコンプライアンスの特性を求めて、この動特性が最良且つ均一となるよう予圧を制御することで、主軸周りの動特性ばらつきを小さくすることができ、ワークに対するびびり振動の発生をし難くでき、精度の高い安定した加工を実現できる。
また、主軸２のコンプライアンス及びクロスコンプライアンス特性に加えて、切削力方向も加味して予圧を決定するので、切削時に変化する主軸２の動特性も改善することができ、更に安定した加工を実現できる。

尚、上記実施形態では、８等分した分割間座８ａ〜８ｈのうち動特性が好ましくない方向の予圧を高めて動特性を上げているが、その両側の分割間座の予圧も合わせて上げても良い。例えば、第１分割間座８ａの動特性が好ましくない場合は第２分割間座８ｂと第８分割間座８ｈの予圧も合わせて上げて対応させても良い。
また、間座８を８等分しているが、分割数は任意であり、６等分しても１０等分しても良い。
更には、本発明の分割間座とは、間座を等分に区分けした各々の部分が実質的に独立して予圧を変更できるように動作できるのであれば良く、例えば分割間座を弾性の高い素材で連結した構成、間座自身を分割間座間に相当する部分のみ薄肉とすることで独立した変形を容易とした構成、更に間座８の、軸受と油室１２とに挟まれる部分を薄肉とすることによって予圧による変形を容易化する構成等も、実質的に間座を分割した見ることができ、本発明の主旨に含まれるものであることは言うまでもない。
また、上記実施形態では、アンギュラ玉軸受を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、円錐ころ軸受などの他のアンギュラコンタクト軸受や、深溝玉軸受などのラジアル軸受、さらにはスラスト玉軸受などのスラスト軸受等、種々の転がり軸受において適用可能である。

２・・主軸、３・・軸受（アンギュラ玉軸受）、４・・ハウジング、６・・間座、７・・内輪間座、８・・外輪間座、１０・・予圧供給部、１２・・油室、２１・・解釈部、２７・・予圧情報記憶部、２６・・パラメータ記憶部、２９・・切削力方向判断部、３０・・予圧量決定部、３１・・予圧印加部、３２・・予圧制御部（予圧制御手段）。

Claims (4)

1. 主軸が複数の転がり軸受を介してハウジングに回転可能に支持され、前記転がり軸受の間座に予圧が付与されて成る主軸装置であって、
   前記間座を軸受の周方向に対して複数に分割し、分割した分割間座の夫々に対して付与する予圧を制御する予圧制御手段を備え、
   前記予圧制御手段は、分割した分割間座の夫々に対して付与する予圧を与えた時の主軸周りのコンプライアンス及びクロスコンプライアンス測定とその演算結果を有して、測定した動特性に基づいて個々の前記分割間座に付与する予圧を制御することを特徴とする主軸装置。
2. 前記予圧制御手段は、切削動作中に前記主軸に加わる切削力方向を判断する切削力方向判断部を有し、
   前記予圧制御手段は、求めた切削力方向を加味して個々の前記分割間座に付与する予圧を制御することを特徴とする請求項１記載の主軸装置。
3. 主軸が複数の転がり軸受を介してハウジングに回転可能に支持され、前記転がり軸受の間座に予圧が付与されて成り、前記間座を軸受円周方向に対して複数に分割した主軸装置において、夫々の分割間座に対して付与する予圧を制御する軸受予圧制御方法であって、
   前記主軸の動特性と切削動作中の前記主軸に加わる切削力方向とを求め、前記主軸の動特性及び切削力方向の情報を基に個々の前記分割間座の予圧を変更して、前記動特性を制御することを特徴とする主軸装置の軸受予圧制御方法。
4. 前記動特性が、前記主軸のコンプライアンス及びクロスコンプライアンスであることを特徴とする請求項３記載の主軸装置の軸受予圧制御方法。

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