JP3519050B2 - 回動可能な軸を軸方向に移動するための工具保持アセンブリ内の装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【本発明の属する技術分野】本発明は、回動可能な軸を
軸方向に移動するための工具保持アセンブリ内の装置で
あって、該装置は、前記軸の回転中仕事を行うための、
第１の端部に配設された手段を保持し、かつ、前記回転
のための、電動機等の駆動装置および少なくとも一つの
軸受を含み、該軸受は、軸を半径方向に支持し、かつ、
軸の軸方向における移動を許す装置に関わる。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】穴を研
削するための機械において、研削砥石が、回転仕事の際
も、軸方向に前進、後退できるならば、品質の上から有
利である。品質、すなわち、表面粗さおよび穴の真直度
が、非往復運動軸の場合に比べて、向上する。研削砥石
の摩耗も、より一様になり、ドレッシングの必要も、よ
り少なくなる。

【０００３】従来のこの種の機械においては、回転する
軸を、その軸方向に変位させるためには、主軸および研
削砥石を有する工作主軸台全体が、軸方向に動かなけれ
ばならないような構成になっている。非常に迅速で短い
軸方向の移動を行うことが目的である以上、この種従来
の機械は、不満足である。工作主軸台、主軸および研削
砥石の質量全部が、迅速に変位しなければならず、それ
には、剛性が非常に高く、かつ、隙間のない軸受構成並
びに強力な駆動電動機が必用である。また、工作主軸台
および駆動機構の摩耗が大きく、これは、少なからぬ保
守が必要であることを意味する。

【０００４】今日、製造工程においては、生産速度は高
く、また、回転速度は、優に100,000 回転／分以上であ
る場合が多く、これは、従来の機械においては、回動可
能な軸は、十分な高速度で軸方向に移動または往復運動
できないこと、すなわち、高品質の加工仕事を成し遂げ
るためには、生産速度が高ければ高いほど、それだけ軸
運動の速度を高くしなければならないことを意味してい
る。

【０００５】従来の機械においては、移動しなければな
らない質量の大きさは、50〜100 kg台であり、この質量
では、振動が生じ、往復運動の速度が限定され、それに
より、生産速度が限定される。

【０００６】上記の問題を満足に解決したいという業界
の強い要望が、長い間存在しており、この問題は、研削
砥石との関連で論じられて来た。しかしながら、この問
題は、軸の回転中に仕事を行うための手段を保持する回
動可能な軸を有する他の機械類に関連して存在してい
る。その一例を挙げれば、非常に小さく、かつ、急速な
軸方向移動を行うよう意図された、回路カード加工のた
めのボール盤がある。

【０００７】ドイツ特許公報DE 31 23 199 A1 において
は、研削砥石などの加工工具が配設されている回転軸
を、軸方向に往復運動させるための構造が示されてい
る。この往復運動は、軸に配設されたディスクの両側に
配設された二つのばねにより成し遂げられる。すなわ
ち、ばねは、互いに他に対して作用して、共振を生じ、
それにより、軸の軸方向の往復運動が生じる。しかし、
このドイツ特許公報による装置には、幾つかの欠点があ
る。往復運動させる質量は、どちらかと言えば大きく、
これは、上述したように、大きな問題である。もう一つ
の大きな欠点は、往復運動の速度は、ばね系の共振周波
数に制約されることである。

【０００８】日本の特許公報 1-240266 には、別の解決
法が示されている。この構造では、回動可能な軸は、半
径方向に伸長する回転子が付いており、前記回転子の各
側には電磁石が配設されている。軸は、電磁石のそれぞ
れへの電流の大きさを制御し、それにより、回転子に対
する磁力を制御することによって、軸方向の往復運動が
与えられる。この構造の一つの欠点は、軸に配設された
回転子は、どちらかと言えば重く、そのため、回転軸が
より重くなり、その結果、軸の回転速度が制約されるこ
とである。もう一つの欠点は、二つの電磁石を有する構
造が、どちらかと言えば高価であることである。この日
本の特許公報による構造のまた別の大きな欠点は、電磁
石および回転子が、少なからぬ空間を必要とすることで
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】本発明で
は、上記の全ての問題が解決された装置が達成されてい
る。

【００１０】本発明による装置では、軸は、自由な第２
の端部を有し、前記第２の端部に影響を与え、かつ、前
記軸を、第１の端部から第２の端部への軸方向に、前記
第２の端部に対して反対の軸方向に作用する圧力の影響
に対抗して、引く電磁手段が配設されており、かつ、前
記電磁手段を制御して、軸の回転中、軸の前記軸方向移
動を成し遂げる手段が配設されている。

【００１１】本発明による好適な例では、前記電磁手段
は、自由な端部が軸の前記第２の端部に隣接するよう配
設された軸状部および前記軸状部の軸方向に磁界を発生
するよう前記軸状部の周りに配設された磁気コイルを含
み、前記軸状部、磁気コイルおよび第２の端部の周りの
軸の端部は、前記磁界を、前記端部および前記軸状部、
および軸の第２の端部と軸状部の自由な端部の間の間隙
を含む閉ループ内に案内するよう配設されたハウジング
内に収容されており、それにより、磁界は、軸状部の自
由な端部に対向する方向の力で、軸の前記端部に作用す
る。

【００１２】本発明による装置においては、回動可能な
軸は、軸方向に移動あるいは往復運動する。本発明によ
る装置において移動（往復運動）する質量は、小さく、
したがって、高加速度および最適化された移動パターン
の可能性が増大する。

【００１３】軸の軸方向移動は、したがって、穴の形態
に制約されない。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、付図に示した例を参照し
て、本発明をさらに詳しく説明する。

【００１５】本発明の実施形態は、研削盤の工作主軸台
等の定置機械ユニット２において、回動可能な軸１の軸
方向移動および高精度位置決めを行うという文脈で開示
される。電動機３は、回動可能な軸に動力を伝達して、
回転中仕事を行うよう、配設されている。

【００１６】軸１は、軸の第１の端部４において、研削
砥石（図示せず）等の工具１を保持するよう設計されて
いる。軸１は、二つの軸受、すなわち、転がり軸受５
（例えば、CARB（スウェーデン国、SKF社製）の商標で
発売されている転がり軸受）およびガス軸受６により支
持されている。これら軸受は、例えば軸方向の軸受遊び
によって、軸方向に変位可能に配設されている。

【００１７】軸受５および６は、封止機能を有し、軸方
向移動が可能な静圧または動圧軸受でよい。軸受６は、
磁界により生じる軸への半径方向力を減らすため、非磁
気材料製であるか、あるいは、軸の周りにある厚さまで
非磁気材料を含んでいる。

【００１８】軸は、第２の端部７を有している。軸状部
８は、その自由な端部が軸１の第２の端部７に隣接して
配設されており、磁気コイル９は、前記軸状部の周りに
配設されて、前記軸状部の軸方向に磁界を発生する。該
磁界は、図において、Ｂの符号で示してある。軸状部
８、磁気コイル９および第２の端部７の周りの軸１の端
部は、ハウジング１０内に収容されており、該ハウジン
グは、コイル９により発生する磁界を、前記端部、前記
軸状部８、および軸の第２の端部と軸状部の自由な端部
の間の間隙１１を含む閉ループ内に案内するよう、配設
されている。該磁界は、軸状部８の自由な端部に対向す
る方向の力で、軸の前記端部に作用する。

【００１９】ハウジング１０は、軸の第２の端部７と軸
状部の自由な端部の間の前記間隙１１を含む空間１２を
囲んである。ガス軸受６からのガスは、前記空間に漏れ
るが、該空間は、前記空間内で過圧が生じるよう、封止
されている。前記過圧の大きさは、バルブ（図示せず）
で調整する。

【００２０】軸は、第１の端部から第２の端部まで、軸
の第２の端部７に対して作用する過圧の力に対抗する磁
界によって引かれる。

【００２１】位置検知手段１３は、図１に示した実施形
態においては、軸状部８を通る穴１４内に配設されてい
る。該位置検知手段は、軸１の軸方向位置を検知するよ
う配設されており、対応する信号を制御手段１５に送
る。制御手段１５は、位置検知手段からの前記信号に応
答して、電磁コイル９に流れる電流を制御し、軸１の運
動を制御するよう配設されている。

【００２２】該制御手段は、電磁コイル９における電流
の大きさを制御して、軸１および研削砥石を最適なやり
方で移動または往復運動させ、表面粗さ、穴の真直度の
点で最高品質の研削、かつ、研削砥石の摩耗が一様で、
ドレッシング間の時間間隔が長い研削ができるようプロ
グラムされている。

【００２３】前記過圧調整バルブは、故障により磁界が
消滅した時、開いて過圧を無くすよう配設された安全手
段としても働く。望ましくは、前記安全手段は、前記制
御手段１５により制御される磁気バルブである。

【００２４】本発明による装置の大きな利点は、軸の軸
方向に研削砥石を移動／往復運動させるのに、最小限の
質量の移動で済むことである。軸１および研削砥石のみ
が動かされる。このように可動質量が小さいため、制御
手段をプログラムして、最適なパターンの移動が行われ
るよう、軸を案内することが可能である。移動は、穴の
形態に制約されず、研削砥石を持つ軸１の高加速度が、
軸の軸方向に可能である。

【００２５】軸１の第２の端部７と軸状部８の自由な端
部の間の磁力は、前記端部の間の距離が減ると増大す
る。好適な一実施形態によれば、軸の自由な端部の端面
および（または）軸状部の自由な端部の端面に、スラス
ト軸受が配設されている。図１に示した実施形態におい
ては、スラスト軸受は、軸状部の自由な端部の端面に施
されたグラファイト層または被膜１６を含み、万一磁気
制御装置が誤動作した場合でも、軸の第２の端部が軸状
部の自由な端部に直接接触することを防いでいる。前記
グラファイト層は、ある厚さ有するようにするか、ある
いは、非磁性材料の層または座金（図示せず）に施し
て、組合せられた厚さが十分高くなるようにしなければ
ならない。作業回転中、前記端部同士が直接接触する
と、あるいは前記端部の間の距離が短すぎると、制御シ
ステムが故障した場合、主軸が破壊されることになる。
グラファイト層は、耐摩耗面として役立ち、他の非磁性
材料と組み合わせて、磁力を限定するようにしてもよ
い。グラファイト層および、可能性としての、別の非磁
性層または座金との組合せにより、前記端部は、少なく
とも短時間、主軸が損傷される危険無しに、接触でき
る。

【００２６】スラスト軸受は、グラファイト層または被
膜の代わりに、グラファイトで形成した座金でもよい。
層、被膜あるいは座金用の他の適当な材料は、合成ダイ
ヤモンド等の低摩擦の非磁性材料である。非磁性材料の
別の例は、空気の層あるいはセラミックボールで形成さ
れた層である。

【００２７】図２の実施形態においては、ガス軸受１７
が、軸１の第２の端部７と軸状部８の間に配設されてい
る。該ガス軸受は、軸の第２の端部に対して働くよう配
設されており、ピストン１８は、軸のガス軸受を介し
て、ばね１９からの力を伝達するよう配設されている。
この実施形態は、本発明が、ボール盤で使用される場合
等、高い軸方向力が必要な場合に適する。図２の実施形
態においては、第２の端部に近いラジアル軸受は、円筒
軸受２０である。

【００２８】エアピストン装置（図示せず）を使用する
場合は、図２に示したばねの助け無しに、高い軸方向力
の伝達が可能である。

【００２９】図２の実施形態では、磁界Ｂを発生してい
る電磁手段が、故障あるいは作動を停止した場合、迅速
に軸方向力を減らすことができねばならない。前記磁界
により発生する力に対抗して働く軸方向力が、図２に示
すように、ばねで生じる場合には、ばねの作用は、磁気
手段により制御可能である。すなわち、前記電磁手段が
故障あるいは作動を停止した場合、ばねは、該磁気手段
により、無効位置を取ることになる。

【００３０】ばねの代わりにエアピストンを使用する場
合は、磁気バルブを配設して、電磁手段が故障あるいは
作動を停止した場合、空気圧を減らすことができる。

【００３１】軸の自由な第２の端部の端面および（また
は）軸状部の自由な端部の端面のスラスト軸受は、上記
の被膜あるいは座金である必要はない。他の適当なスラ
スト軸受の例としては、ガス軸受、静空圧軸受、動空圧
軸受等がある。

【００３２】動空圧軸受は、例えば、図３に示すよう
に、軸１の第２の端部７の端面にスパイラル溝を配設す
ることにより、実現できる。この場合、空気圧は、軸１
が回転すると、端面の外に生じる。

【００３３】例えば、図３に示すようなスパイラル溝の
形の動空圧軸受は、軸の第２の自由な端部７に対して働
く圧力を作り出すのにも使用可能である。

【００３４】溝はもちろん、スパイラル溝以外の形を取
ってよく、例えば、へリングボーンの形を取ってもよ
い。

【００３５】主軸アセンブリ全体を工作物に向けて動か
して、例えば、工作物の穴を研削する場合、主軸は、従
来の装置では、高速度を有する主軸が、穴で止まらず、
工作物の端面に衝突した場合、破壊されてしまうであろ
う。好適な実施形態では、例えば、図１に示した実施形
態の検知手段１３が配設されていて、工作物に向かう主
軸アセンブリの移動中、軸の実際の軸方向位置が、基準
位置と異なる場合、それを検知し、基準位置からの該逸
脱は、予期しない力が軸に働いていることを示す。本発
明による装置の軸は、主軸との関係において、ある距
離、軸方向に移動できるので、主軸がひどい状態で衝突
する、すなわち、軸の自由な端部が、工作物に向かう
際、恐らく中間のスラスト軸受を有する軸状部の自由な
端部に直接当たる前に、検知手段から制御手段に信号が
送られて、主軸の前進を停止する時間が有る。

【００３６】本発明は、上記の実施形態に限定されず、
クレームの範囲を逸脱しない限り、多数の変形例が可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の概略横断面図を示
す。

【図２】第２の実施形態の概略横断面図を示す。

【図３】軸の軸方向の力を吸収するスラスト軸受の一例
の原理を図解するための概略図である。

【符号の説明】

１ 軸 ３ 電動機 ４ 第１の端部 ５ 軸受 ６ 軸受 ７ 第２の端部 ８ 軸状部 ９ 磁気コイル １０ ハウジング １１ 間隙 １２ 空間 １３ 位置検知装置 １５ 制御手段 １６ スラスト軸受 １７ スラスト軸受 １９ ばね

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23B 47/18 B23Q 5/28 B24B 47/16 H02K 7/12

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回動可能な軸（１）を軸方向に移動する
   ための工具保持アセンブリ内の装置であって、該装置
   は、前記軸の回転中仕事を行うための、第１の端部
   （４）に配設された手段を保持し、かつ、前記回転のた
   めの、電動機（３）等の駆動装置および少なくとも一つ
   の軸受（５、６）を含み、該軸受は、軸（１）を半径方
   向に支持し、かつ、軸の軸方向における移動を許す装置
   において、軸（１）は、自由な第２の端部（７）を有
   し、前記第２の端部に影響を与え、かつ、前記軸を、第
   １の端部（４）から第２の端部（７）への軸方向に、前
   記第２の端部に対して反対の軸方向に作用する圧力の影
   響に対抗して、引く電磁手段が配設されており、かつ、
   前記電磁手段を制御して、軸の回転中、軸（１）の前記
   軸方向移動を成し遂げる手段（１５）が配設されている
   ことを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 電磁手段は、自由な端部が軸（１）の第
   ２の端部（７）に隣接するよう配設された軸状部（８）
   および前記軸状部（８）の軸方向に磁界（Ｂ）を発生す
   るよう前記軸状部（８）の周りに配設された磁気コイル
   （９）を含み、前記軸状部（８）、磁気コイル（９）お
   よび軸（１）の第２の端部（７）は、前記磁界（Ｂ）
   を、前記軸（１）の第２の端部および前記軸状部
   （８）、および軸（１）の第２の端部と軸状部（８）の
   自由な端部の間の間隙（１１）を含む閉ループ内に案内
   するよう配設されたハウジング（１０）内に収容されて
   おり、それにより、磁界は、軸状部（８）の自由な端部
   に対向する方向の力で、軸（１）の前記第２の端部に作
   用することとする請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 ハウジング（１０）は、軸（１）の第２
   の端部（７）と軸状部（８）の自由な端部の間の間隙
   （１１）を含む空間（１２）を囲み、軸（１）の第２の
   端部（７）に対して作用する圧力を前記空間（１２）内
   に作り出す手段（６）が配設されていることとする請求
   項２に記載の装置。
4. 【請求項４】 軸受（６）が配設されていて、回動可能
   な軸（１）の第２の端部を支持し、前記軸受は、前記軸
   （１）の周りにある厚さの非磁性材料を含んでいて、回
   動可能な軸（１）の前記第２の端部への半径方向の磁力
   を限定することとする請求項３に記載の装置。
5. 【請求項５】 軸（１）の第２の端部における軸受
   （６）は、ガス軸受であって、軸（１）の第２の端部
   （７）の端面に対して作用する圧力は、前記ガス軸受か
   ら漏れるガスを用いることにより与えられることとする
   請求項４に記載の装置。
6. 【請求項６】 安全のため、スラスト軸受（１６または
   １７）が、回動可能な軸（１）の第２の端部の端面およ
   び（または）軸状部（８）の自由な端部の端面に配設さ
   れていることとする請求項２ないし請求項５のいずれか
   一つに記載の装置。
7. 【請求項７】 スラスト軸受（１６または１７）は、低
   摩擦の耐摩耗座金または被膜を含み、座金または被膜
   は、グラファイトまたは合成ダイヤモンド等の低摩擦の
   他の非磁性材料で形成されていることとする請求項６に
   記載の装置。
8. 【請求項８】 スラスト軸受は、ガス軸受（１７）であ
   ることとする請求項６に記載の装置。
9. 【請求項９】 スラスト軸受（１６または１７）は、静
   空気軸受であることとする請求項６に記載の装置。
10. 【請求項１０】 スラスト軸受（１６または１７）は、
    動空気軸受であることとする請求項６に記載の装置。
11. 【請求項１１】 動空気軸受は、軸（１）の第２の端部
    （７）の端面に、あるいは軸状部の端面に、半径方向に
    伸長するスパイラル溝（２１）あるいはへリングボーン
    の形で配設されており、それにより、前記溝（２１）
    は、軸（１）が回転する時、軸の第２の端部（７）の端
    面の外に増大した空気圧を生ずることとする請求項１０
    に記載の装置。
12. 【請求項１２】 動空気軸受は、軸（１）の第２の端部
    （７）に対して働く圧力も作り出すよう配設されている
    こととする請求項１０に記載の装置。
13. 【請求項１３】 位置検知装置（１３）が配設されてい
    て、少なくとも軸（１）の軸方向の位置を検知し、か
    つ、対応する信号を制御手段（１５）に送って電磁手段
    を制御し、前記制御手段（１５）は、位置検知手段（１
    ３）からの前記信号に対応して、電磁手段に流れる電流
    を制御して、軸（１）の移動を制御するよう配設されて
    いることとする請求項１ないし請求項１２のいずれか一
    つに記載の装置。
14. 【請求項１４】 ガス軸受または静圧軸受（１７）が、
    軸（１）の第２の端部（７）と軸状部（８）の間に配設
    されており、前記ガス軸受または静圧軸受（１７）は、
    軸（１）の第２の端部（７）に対して働くよう配設され
    ており、かつ、前記軸受（１７）を介して、前記第２の
    端部に対して力を加えて、前記第２の端部に対して働く
    圧力を発生する圧力発生手段が配設されていることとす
    る請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の装
    置。
15. 【請求項１５】 圧力発生手段は、ばね（１９）または
    エアピストンであることとする請求項１４に記載の装
    置。
16. 【請求項１６】 工作物に向かう主軸アセンブリの移動
    中、軸（１）の実際の軸方向位置が、基準位置と異なる
    場合、それを検知し、基準位置からの該逸脱は、予期し
    ない力が軸（１）に働いていることを示す手段（１３）
    が配設されており、かつ、制御手段は、逸脱が生じた場
    合、工作物に向かう主軸アセンブリの前進を停止するよ
    う配設されていることとする請求項１ないし請求項１５
    のいずれか一つに記載の装置。