JP2020059102A - 主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械構造を変更することなく加工品質の安定性を高めることができる主軸装置を提供する。【解決手段】主軸装置１は、先端である前側に工具Ｔを取り付け可能な主軸２と、主軸２の径方向外側に配置されたハウジング３と、主軸２を回転させるモータ５とを備える。モータ５は、主軸２の外周面に外嵌されたロータ５１、および該ロータ５１の周囲に配置されハウジング３に固定されたステータ５２を有する。また、主軸装置１は、モータ５の前および後のいずれか一方の側に配置された軸受４と、モータ５の前および後のうちの他方の側に配置された半径方向力発生装置８と、半径方向力発生装置８を制御するコントローラとを備える。軸受４は、ころがり軸受または流体軸受であり、主軸２をハウジング３に対して回転自在に支持する。半径方向力発生装置８は、主軸２に対して半径方向力を可変にして発生し得る。【選択図】図２

Description

本発明は、主軸装置に関する。

工作機械の主軸装置は、先端に工具を取り付け可能な主軸と、主軸をハウジングに対して回転自在に支持する軸受と、主軸を回転させるモータとを備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１５０５６３号公報

特許文献１に記載の主軸装置では、主軸を回転させるモータとして、主軸の外周面に外嵌されたロータと該ロータの周囲に配置されたステータとを有するモータが使用されている。そして、主軸は、モータの前側および後側において、それぞれ軸受で回転自在に支持されており、後側の軸受が、主軸の径方向の振動を減衰する振動減衰部を備えている。この主軸装置によれば、特に工具を装着する先端部側での主軸の振動を有効に抑制することが可能となる。

このように、主軸装置は、主軸のビビリ振動が発生すると加工面が乱れて加工品質が悪化してしまうため、主軸の支持部において適切な動剛性を持つ構造となるように設計する必要がある。動剛性とは、動的な変位・変形と力との関係で表される比をいい、例えば振動の特性を表す。

しかし、加工条件によって、必要とされる動剛性が異なる場合がある。したがって、特許文献１に記載の主軸装置では、ある加工条件において振動減衰部を備えた軸受によって主軸の振動を抑制することができたとしても、加工条件が変われば、主軸の振動を抑制できないおそれがある。このため、加工条件が変わる場合には、適切な動剛性が得られるまで軸受等の機械構造を変更した試作を繰り返すことで、加工品質の安定性を確保しなければならなかった。

本発明は、機械構造を変更することなく加工品質の安定性を高めることができる主軸装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の主軸装置は、先端である前側に工具を取り付け可能な主軸と、前記主軸の径方向外側に配置されたハウジングと、前記主軸を回転させるモータとを備える。前記モータは、前記主軸の外周面に外嵌されたロータ、および該ロータの周囲に配置され前記ハウジングに固定されたステータを有する。また、前記主軸装置は、前記モータの前および後のいずれか一方の側に配置された軸受と、前記モータの前および後のうちの他方の側に配置された半径方向力発生装置と、前記半径方向力発生装置を制御するコントローラとを備える。前記軸受は、ころがり軸受または流体軸受であり、前記主軸を前記ハウジングに対して回転自在に支持する。前記半径方向力発生装置は、前記主軸に対して半径方向力を可変にして発生し得る。

本発明によれば、機械構造を変更することなく加工品質の安定性を高めることができる主軸装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る主軸装置が搭載された工作機械の概略構成を示す側面図である。 主軸装置の構成を示す断面図である。 半径方向力発生装置の構成を模式的に示す軸直角断面図である。 主軸装置における主軸の回転動作の制御に関する概略ブロック図である。 加工の安定限界線の一例を模式的に示す図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る主軸装置１が搭載された工作機械１００の概略構成を示す側面図である。以下、説明の都合上、工具Ｔが取り付けられる側を「先端」側または「前」側、その反対側を「基端」側または「後」側と呼ぶ場合がある。

図１に示すように、本実施形態では、工作機械１００は、主軸装置１の主軸２（図２参照）が水平方向に沿うように配置される横形の工作機械である。工作機械１００は、ベース１０１と、コラム１０２と、主軸装置１と、ワーク支持装置１０３と、制御盤１０４とを備えている。

ベース１０１上には、コラム１０２がベース１０１に対してＸ軸方向（図１の紙面に直交する方向）に移動可能に設けられている。このコラム１０２は、ベース１０１に取り付けられたモータ（図示せず）によるねじ軸（図示せず）の正逆回転によってねじ送りされることで、Ｘ軸方向に沿って移動させられる。主軸装置１は、コラム１０２に対してＹ軸方向（上下方向）に移動可能に設けられている。この主軸装置１は、コラム１０２に取り付けられたモータ（図示せず）によるねじ軸（図示せず）の正逆回転によってねじ送りされることで、Ｙ軸方向に沿って移動させられる。

ワーク支持装置１０３は、加工対象のワークＷを支持する。ワーク支持装置１０３は、ベース１０１に対してＺ軸方向（前後方向）に移動可能に設けられている。このワーク支持装置１０３は、ベース１０１に取り付けられたモータ（図示せず）によるねじ軸（図示せず）の正逆回転によってねじ送りされることで、Ｚ軸方向に沿って移動させられる。また、ワーク支持装置１０３は、Ｚ軸方向に移動可能なキャリッジ（図示せず）と、キャリッジに取り付けられてワークＷを保持するＸ軸に平行な軸のまわりで回転可能な保持部（図示せず）とを備えている。

工作機械１００は、主軸装置１の回転する主軸２の先端に取り付けた工具Ｔによって、ワークＷに対して加工を行う。制御盤１０４は、工作機械１００の各部の動作を統括的に制御する。

図２は、主軸装置１の構成を示す断面図である。
図２に示すように、主軸装置１は、先端に工具ホルダ１１を介して工具Ｔを取り付け可能な主軸２を備えている。主軸２の先端部には工具Ｔを固定した工具ホルダ１１が取り外し可能に装着されている。

また、主軸装置１は、主軸２の径方向外側に配置された円筒状を呈するハウジング３と、主軸２を回転させるモータ５とを備えている。モータ５は、主軸２の外周面に外嵌されたロータ５１と、該ロータ５１の周囲に配置されハウジング３の内周面に固定されたステータ５２とを有している。モータ５は、主軸２に対してトルクを発生し得る。

また、主軸装置１は、モータ５の前側のみに配置された軸受４と、モータ５の後側のみに配置された半径方向力発生装置８とを備えている。ここで、前側とは、主軸２の工具Ｔが取り付けられる側である。軸受４は、主軸２をハウジング３に対して回転自在に支持する。半径方向力発生装置８は、主軸２に対して半径方向力を発生し得る。半径方向力発生装置８による半径方向力の大きさおよび作用方向（Ｘ−Ｙ平面内）は、可変とされている。

軸受４は、複数個（ここでは４個）設置されるのが好ましい。軸受４としては、確実な静剛性が得られることから、玉軸受やころ軸受等のころがり軸受が使用されている。静剛性とは、静的な変位・変形との関係で表される剛性をいい、例えば静的な荷重や曲げ力に対する剛性をいう。ただし、流体軸受が使用されてもよく、この流体軸受でも確実な静剛性が得られる。流体軸受は、薄い流体の膜によって支持される軸受であり、例えば、静圧軸受、動圧軸受等が挙げられる。

主軸２の内部には、中心軸上に貫通した軸孔２１が形成されている。この軸孔２１の先端部（図２において左側）に、工具ホルダ１１のテーパ形状のシャンク部１２と相補形状を呈するテーパ孔２２が形成されている。

主軸２は、その内部に挿入されたプルロッド６を有している。プルロッド６の先端部は、工具ホルダ１１の基端部に設けられたプルスタッド１３に対して、鋼球６１を介して係止可能に構成されている。プルロッド６の基端部には金具６２が固定されている。この金具６２と、主軸２の軸孔２１の内周面に形成された係止段部２３との間には、リテーナ部材６３等を介して、皿バネ６４が装着されている。

皿バネ６４の弾性力によりプルロッド６が図２の右方に移動されると、鋼球６１によってプルスタッド１３が引き込まれ、工具ホルダ１１のシャンク部１２が主軸２のテーパ孔２２に圧接されて把持される。一方、金具６２が皿バネ６４の弾性力に抗して前方に押動されると、プルロッド６の先端部および鋼球６１による工具ホルダ１１のプルスタッド１３の保持が解除される。そして、図示しない自動工具交換装置によって、工具Ｔおよび工具ホルダ１１の交換動作が行われるようになっている。

主軸装置１は、主軸２の所定部位の半径方向位置を検出する変位センサ７を備えている。変位センサ７は、主軸２の外周面や主軸２に固定された部材等の被検出部に対向して径方向外側に設置されている。ここで、変位センサ７は、主軸２に対して、該主軸２の中心軸に垂直な互いに直交する２方向（例えば上方および右方）に計２個設置されている。これにより、主軸２に垂直な平面内（Ｘ−Ｙ平面内）の任意の方向において、主軸２の所定部位の半径方向位置が把握され得る。ただし、変位センサ７は、例えば上下左右に計４個設置されてもよい。

また、変位センサ７は、加工位置に近い部位を検出するために、ここでは、半径方向力発生装置８の工具Ｔに近い側である前側に設置されている。ただし、変位センサ７は、半径方向力発生装置８の後側に設置されていてもよい。変位センサ７としては、非接触で被検出部の変位を測定可能な渦電流式のものを好適に使用することができる。ただし、変位センサ７は、これに限定されるものではなく、例えば、静電容量センサ、レーザ変位計、超音波式変位計等であってもよい。

図３は、半径方向力発生装置８の構成を模式的に示す軸直角断面図である。
図３に示すように、半径方向力発生装置８は、主軸２の周囲に複数（図３では４個）配置された電磁石８１を備えている。電磁石８１は、主軸２を電磁力で吸引可能である。電磁石８１は、ハウジング３の内周面に固定されたコア８２と、コア８２に巻回されたコイル８３とを有している。コア８２の先端には、主軸２の外周面に対応した円弧面８４が設けられている。円弧面８４と主軸２の外周面との間には、所定の間隙が形成されている。

電磁石８１は、主軸２の周方向において９０度毎に４個配設されている。電磁石８１のコイル８３に流す電流が制御されることで、所定の大きさおよび作用方向の半径方向力が発生する。つまり、各電磁石８１のコイル８３への通電を制御することによって、各電磁石８１の主軸２に対する吸引力の調整を行うことができる。例えば、半径方向力は、４個の電磁石８１の各コイル８３に流す電流をアンバランスにすることで、一定方向（例えばＸ方向）に生じ得る。また、電磁石８１のコイル８３に流す電流の大きさを制御することで、主軸２に対して作用する半径方向力の大きさが調整され得る。

なお、図３に示す半径方向力発生装置８の構成は、一例に過ぎない。例えば、電磁石８１の設置個数や、コア８２の形状等は、適宜変更可能である。

図４は、主軸装置１における主軸２の回転動作の制御に関する概略ブロック図である。
図４に示すように、主軸装置１は、モータ５および半径方向力発生装置８の各動作を制御するコントローラ９を備えている。具体的には、コントローラ９は、モータ５に流す電流をアンプ９１を介して制御する。また、コントローラ９は、半径方向力発生装置８における各電磁石８１のコイル８３に流す電流をアンプ９４を介して制御する。コントローラ９は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）およびメモリを備えている。コントローラ９は、制御盤１０４に設けられている。

コントローラ９は、モータ５に流す電流を制御することで、主軸２に対して必要なトルクを発生させる。そして、コントローラ９は、図示しないエンコーダによって検出されるロータ５１（主軸２）の回転角に基づいて、ロータ５１の回転速度および回転方向位置を制御する。

また、コントローラ９は、変位センサ７による検出値に基づいて、主軸２の支持に関する動特性を規定する半径方向力発生装置８による半径方向力を発生させる。主軸２の支持に関する動特性は、バネ定数および減衰係数を含む。減衰係数は、速度に比例する抵抗力の比例係数である。すなわち、主軸２の所定部位の半径方向位置に比例する適当な半径方向力を発生させることで、所定のバネ定数が設定可能となっている。また、主軸２の所定部位の半径方向位置の変化速度に比例する適当な半径方向力を発生させることで、所定の減衰係数が設定可能となっている。ここで、減衰係数は、速度に比例する抵抗力の比例係数である。ただし、バネ定数および減衰係数の一方が設定可能とされていてもよい。

コントローラ９には、操作部９２が接続されている。操作部９２は、ユーザの操作に基づいて、加工条件の設定、運転の開始および停止等の指示を行う。また、コントローラ９には、記憶部９３が接続されている。記憶部９３には、動作プログラム等の各種のプログラムや、バネ定数および減衰係数に関するデータ等の各種のデータが記憶されている。

コントローラ９は、操作部９２を通して入力されて記憶部９３に予め記憶されているバネ定数および減衰係数に関するデータに応じて、主軸２の支持に関する動特性を設定する。ただし、コントローラ９は、例えば、記憶部９３に予め記憶されている所定のプログラムを実行することによって、主軸２の支持に関する動特性を自動的に変化させて必要な値に設定するように構成されてもよい。

次に、主軸装置１が搭載された工作機械１００の動作について説明する。
まず、ワークＷに対する加工条件が操作部９２等を通して設定される。加工条件には、主軸２の回転速度、切込み量、送り速度、加工の種類（孔あけ、研削等）、工具Ｔの種類等が含まれ得る。

続いて、操作部９２を通して運転開始が指示されると、コントローラ９は、アンプ９１を介してモータ５を駆動させる。すなわち、モータ５は、主軸２を回転させる。ここで、工具Ｔに近い主軸２のモータ５よりも前側は、軸受４によって支持されており、静剛性が保たれている。一方、主軸２のモータ５よりも後側は、変位センサ７による検出値に基づいて、半径方向力発生装置８による半径方向力が加えられる。そして、ワークＷと工具Ｔとが相対移動することによって、ワークＷに対する加工が行われる。

前記したように本実施形態の主軸装置１は、先端である前側に工具Ｔを取り付け可能な主軸２と、主軸２の径方向外側に配置されたハウジング３と、主軸２を回転させるモータ５とを備える。モータ５は、主軸２の外周面に外嵌されたロータ５１、および該ロータ５１の周囲に配置されハウジング３に固定されたステータ５２を有する。また、主軸装置１は、モータ５の前側のみに配置された軸受４と、モータ５の後側のみに配置された半径方向力発生装置８と、半径方向力発生装置８を制御するコントローラ９とを備える。軸受４は、ころがり軸受または流体軸受であり、主軸２をハウジング３に対して回転自在に支持する。半径方向力発生装置８は、主軸２に対して半径方向力を可変にして発生し得る。

このような構成では、コントローラ９は、半径方向力発生装置８の動作を制御することで、主軸２に対して半径方向力を発生させることができる。この場合、主軸２の前側を軸受４によって支持しつつ、主軸２の後側に対して半径方向力を付加することによって、動剛性を効果的に変化させることが可能となる。したがって、例えば加工条件が変わることによって主軸２のビビリ振動が生じる場合でも、軸受等の機械構造を変更した試作を行うことなく、動剛性を変化させることでビビリ振動を抑えることが可能となる。
また、軸受４は、ころがり軸受または流体軸受であるため、主軸２の工具Ｔに近い前側は、軸受４によって確実な静剛性を保持しつつ支持され得る。このため、より負荷がかかる重切削が可能となる。一方、主軸２の後側に作用する半径方向力発生装置８による半径方向力は、動剛性を変化させる力として効果的に用いられ、ビビリ振動の抑制に寄与し得る。
また、主軸２に対して半径方向力を発生させることで、工具Ｔの先端の変位をコントロールできる。この場合、前記した実施形態では前側から工具Ｔ、軸受４、モータ５、半径方向力発生装置８の順に配置されているが、前側から工具Ｔ、半径方向力発生装置８、モータ５、軸受４の順に配置してもよい。このように構成すれば、工具Ｔの先端を、より大きく変位させることができる。
すなわち、本実施形態によれば、機械構造を変更することなく加工品質の安定性を高めることができる主軸装置１を提供できる。

また、本実施形態では、半径方向力発生装置８は、主軸２の周囲に複数配置され主軸２を電磁力で吸引可能な電磁石８１を備え、コントローラ９は、電磁石８１のコイル８３に流す電流を制御するように構成されている。このような構成によれば、主軸２に対して、非接触で、より正確に半径方向力を発生させることができる。

また、本実施形態では、コントローラ９は、変位センサ７による検出値に基づいて、主軸２の支持に関する動特性を規定する半径方向力発生装置８による半径方向力を発生させる。このような構成によれば、コントローラ９は、主軸２の支持に関する動特性を、適切な値に調整して設定することが可能となる。これにより、効果的にビビリ振動を抑えることが可能となる。

また、本実施形態では、主軸２の支持に関する動特性は、バネ定数および減衰係数を含む。このような構成によれば、主軸２の振動系の運動に大きな影響を与えるバネ定数および減衰係数を適切な値に調整して設定できるため、より効果的にビビリ振動を抑えることが可能となる。

図５は、加工の安定限界線の一例を模式的に示す図である。
図５に示す例において、主軸２の回転速度、および切込み量によって決まる運転点Ｐが、加工の安定領域Ａにあるか、または、ビビリ振動等を伴う不安定領域Ｂにあるかがわかる。図５に示す破線は、半径方向力発生装置８によって例えば或るバネ定数Ｋ１が設定された場合の、安定領域Ａと不安定領域Ｂとの境界である安定限界線Ｌ１である。この場合、運転点Ｐは、不安定領域Ｂにある。一方、図５に示す実線は、半径方向力発生装置８によってバネ定数Ｋ１とは異なるバネ定数Ｋ２が設定された場合の安定限界線Ｌ２である。この場合、運転点Ｐは、安定領域Ａにある。つまり、半径方向力発生装置８によってバネ定数を適切な値に調整することにより、安定限界線Ｌ１が矢印Ｃ方向にスライドさせられて安定限界線Ｌ２となる結果、運転点Ｐを安定領域Ａに移すことが可能となる。

以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではない。本発明は、前記実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。また、前記実施形態の構成の一部について、追加、削除、置換をすることができる。

例えば、前記した実施形態では、半径方向力発生装置８は、主軸２を電磁力で吸引可能な電磁石８１を備える構成とされているが、これに限定されるものではない。例えば、半径方向力発生装置８は、主軸２の周囲に配置された流体圧付与手段であってもよい。この場合、流体圧付与手段は、主軸２の外周面に対して、周方向で異なる流体圧を付加し得るように構成される。

また、前記した実施形態では、軸受４はモータ５の前側のみに配置されていて、半径方向力発生装置８はモータ５の後側のみに配置されているが、これに限定されない。軸受４はモータ５の後側のみに配置されていて、半径方向力発生装置８はモータ５の前側のみに配置されていてもよい。すなわち、主軸装置１は、モータ５の前および後のいずれか一方の側に配置された軸受４と、モータ５の前および後のうちの他方の側に配置された半径方向力発生装置８とを備えている。

モータ５の前側に半径方向力発生装置８がある場合には、モータ５の前側の範囲で半径方向力発生装置８の位置を、加工の条件によって移動可能とすることができる。また、モータ５の後側に半径方向力発生装置８がある場合には、モータ５の後側の範囲で半径方向力発生装置８の位置を、加工の条件によって移動可能とすることができる。これにより、半径方向力発生装置８は、よりダンパとしての機能を果たせる。

また、前記した実施形態では、主軸装置１が横形の工作機械１００に搭載される場合について説明したが、これに限定されない。主軸装置１は、縦形の工作機械等の各種の工作機械に搭載可能である。

１ 主軸装置
２ 主軸
３ ハウジング
４ 軸受
５ モータ
５１ ロータ
５２ ステータ
７ 変位センサ
８ 半径方向力発生装置
８１ 電磁石
８３ コイル
９ コントローラ
Ｔ 工具

Claims (4)

1. 先端である前側に工具を取り付け可能な主軸と、
   前記主軸の径方向外側に配置されたハウジングと、
   前記主軸の外周面に外嵌されたロータ、および該ロータの周囲に配置され前記ハウジングに固定されたステータを有し、前記主軸を回転させるモータと、
   前記モータの前および後のいずれか一方の側に配置され、前記主軸を前記ハウジングに対して回転自在に支持するころがり軸受または流体軸受である軸受と、
   前記モータの前および後のうちの他方の側に配置され、前記主軸に対して半径方向力を可変にして発生し得る半径方向力発生装置と、
   前記半径方向力発生装置を制御するコントローラと、
   を備えることを特徴とする主軸装置。
2. 前記半径方向力発生装置は、前記主軸の周囲に複数配置され該主軸を電磁力で吸引可能な電磁石を備え、
   前記コントローラは、前記電磁石のコイルに流す電流を制御することを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記主軸の所定部位の半径方向位置を検出するセンサを備え、
   前記コントローラは、前記センサによる検出値に基づいて、前記主軸の支持に関する動特性を規定する前記半径方向力発生装置による半径方向力を発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の主軸装置。
4. 前記動特性は、バネ定数および減衰係数を含むことを特徴とする請求項３に記載の主軸装置。

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