JP5601091B2 - Spindle device for machine tool - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械の主軸に作用するアキシャル荷重を測定可能な工作機械のスピンドル装置に関する。   The present invention relates to a machine tool spindle device capable of measuring an axial load acting on a spindle of a machine tool.

工作機械において、主軸に作用するアキシャル荷重を測定することは、大きなメリットを有する。即ち、工作機械の主軸に働くアキシャル荷重は、加工精度、加工効率、工具寿命等に与える影響が大きい重要なパラメータである。従って、アキシャル荷重を知ることにより、適正な加工条件の選定が可能となる。例えば、加工条件は、一般的に工具の回転数や、送り速度によって決められているが、摩擦や、加工によって発生する熱等の制御し難い要因の影響も受けるので、回転数や送り速度を一定に設定しても、常に同じ加工精度が得られることはない。加工面の変化に対応する切削荷重(即ち、主軸のアキシャル荷重)を新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度の向上が期待される。   In a machine tool, measuring an axial load acting on a main shaft has a great merit. That is, the axial load acting on the spindle of the machine tool is an important parameter that has a great influence on machining accuracy, machining efficiency, tool life, and the like. Accordingly, knowing the axial load makes it possible to select an appropriate machining condition. For example, machining conditions are generally determined by the rotation speed and feed rate of the tool, but are also affected by factors that are difficult to control, such as friction and heat generated by machining. Even if set to a constant value, the same machining accuracy is not always obtained. Considering the cutting load (that is, the axial load of the spindle) corresponding to the change of the machining surface as a new parameter, it becomes possible to select a more strict machining condition and to improve the machining accuracy.

具体的には、切り屑排出量が同じであれば、切削荷重の小さい加工条件の方が効率的な加工条件であり、省エネルギ、工具寿命の延長に有利となる。また、切削荷重の増加から、工具の切削性(切れ味)の低下や、刃先摩耗等の発生を推測することができ、工具寿命や、工具交換時期を知ることが可能となる。更に、切削荷重の変化の履歴を管理することによって、無理な切削加工条件や工具とワークとの衝突(衝撃荷重)等の軸受損傷要因を推定することができ、また把握した工具の寿命特性から工具の改良、改善が可能となる。   Specifically, if the chip discharge amount is the same, the machining condition with a small cutting load is an efficient machining condition, which is advantageous for saving energy and extending the tool life. Further, from the increase in the cutting load, it is possible to estimate the deterioration of the cutting property (sharpness) of the tool and the occurrence of cutting edge wear and the like, and it becomes possible to know the tool life and the tool replacement time. Furthermore, by managing the history of changes in cutting load, it is possible to estimate bearing damage factors such as unreasonable cutting conditions and collisions (impact load) between the tool and workpiece, and from the grasped tool life characteristics The tool can be improved and improved.

上記したように、工作機械において切削荷重を知ることは重要である。しかし、工具が回転するタイプの工作機械において、工具や主軸に作用する荷重を検出することは、工具が回転しないタイプの工作機械と比較して困難が伴う。   As described above, it is important to know the cutting load in a machine tool. However, in a machine tool of a type in which the tool rotates, it is difficult to detect a load acting on the tool and the spindle as compared with a machine tool of a type in which the tool does not rotate.

工作機械の主軸にかかる荷重を検出することができる従来の装置として、特許文献1に記載された装置が従来から知られている。   As a conventional apparatus capable of detecting a load applied to a spindle of a machine tool, an apparatus described in Patent Document 1 is conventionally known.

この特許文献1に記載された装置は、水晶圧電式の荷重センサを複数個、荷重の作用方向に対して直列に配置し、この荷重センサの測定信号に基づいて、切削工具を支持固定した主軸(スピンドル)に加わる荷重(切削抵抗)を測定する様に構成している。このような装置の場合、高価な水晶圧電式の荷重センサを使用するため、荷重測定装置全体としてのコストが嵩むことが避けられない。   The apparatus described in Patent Document 1 includes a plurality of quartz piezoelectric load sensors arranged in series with respect to the direction of load application, and a spindle that supports and fixes a cutting tool based on a measurement signal of the load sensor. The load (cutting resistance) applied to the (spindle) is measured. In the case of such an apparatus, since an expensive quartz piezoelectric load sensor is used, it is inevitable that the cost of the entire load measuring apparatus increases.

一方、特許文献2には、水晶圧電式の荷重センサに比べて低コストな磁気式のエンコーダとセンサを使用した荷重測定装置付転がり軸受ユニットに関する発明が記載されている。このユニットは、ハブに配置したエンコーダと、このエンコーダの被検出面に近接対向させたセンサとにより、外輪とハブ間に加わる荷重を求めるようにしたものである。   On the other hand, Patent Document 2 describes an invention relating to a rolling bearing unit with a load measuring device that uses a magnetic encoder and sensor that are less expensive than a quartz piezoelectric load sensor. In this unit, a load applied between the outer ring and the hub is obtained by an encoder disposed in the hub and a sensor in close proximity to the detection surface of the encoder.

図10〜12は、特許文献2に記載された従来の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの一例を示している。
この荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、使用時にも回転しない外輪301の内径側に、使用時に車輪を支持固定した状態で車輪と共に回転するハブ302を、複列に配置された転動体303を介して回転自在に支持している。これら各転動体303には、予圧が付与されており、両列同士の間で互いに逆向きの(図示の場合には背面組み合わせ型の)接触角を持って転動する。
10 to 12 show an example of a conventional rolling bearing unit with a load measuring device described in Patent Document 2. FIG.
In this rolling bearing unit with a load measuring device, a hub 302 that rotates together with a wheel while supporting and fixing the wheel in use is fixed to a radially inner side of an outer ring 301 that does not rotate even when used via rolling elements 303 arranged in double rows. And is supported rotatably. Each of the rolling elements 303 is provided with a preload, and rolls with contact angles opposite to each other (in the illustrated case, a combination of the back surfaces) between the two rows.

また、ハブ302の内端部には、円筒状のエンコーダ304をハブ302と同心に支持固定している。また、外輪301の内端開口を塞ぐ有底円筒状のカバー305の内側に、1対のセンサ306a、306bを支持すると共に、これら両センサ306a、306bの検出部を、エンコーダ304の被検出面である外周面に近接対向させている。エンコーダ304は磁性金属板製であり、被検出面であるエンコーダ304の外周面の先半部(軸方向内半部)には、透孔307(第1特性部)と柱部308(第2特性部)とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。これら各透孔307と各柱部308の境界は、エンコーダ304の軸方向に対し同じ角度だけ傾斜させると共に、この軸方向に対する傾斜方向を、エンコーダ304の軸方向中間部を境にして互いに逆向きとしている。従って、各透孔307と各柱部308とは、軸方向中間部が、円周方向に関して最も突出した「く」字形となっている。そして、上記境界の傾斜方向が互いに異なる被検出面の軸方向外半部と軸方向内半部のうち、軸方向外半部を第1の特性変化部309とし、軸方向内半部を第2の特性変化部310としている。   A cylindrical encoder 304 is supported and fixed concentrically with the hub 302 at the inner end of the hub 302. A pair of sensors 306 a and 306 b are supported inside a bottomed cylindrical cover 305 that closes the inner end opening of the outer ring 301, and the detection portions of both the sensors 306 a and 306 b are used as the detected surface of the encoder 304. It is made to face and oppose to the outer peripheral surface. The encoder 304 is made of a magnetic metal plate, and a through hole 307 (first characteristic portion) and a column portion 308 (second portion) are formed in the first half portion (the inner half portion in the axial direction) of the outer peripheral surface of the encoder 304 that is a detection surface. Characteristic portions) are alternately arranged at equal intervals in the circumferential direction. The boundaries between the through holes 307 and the pillars 308 are inclined by the same angle with respect to the axial direction of the encoder 304, and the inclined directions with respect to the axial direction are opposite to each other with the intermediate portion in the axial direction of the encoder 304 as a boundary. It is said. Therefore, each through-hole 307 and each column part 308 has a “<” shape with the axially intermediate portion protruding most in the circumferential direction. Of the outer half and the inner half of the detected surface, the inclination directions of the boundaries are different from each other, the outer half in the axial direction is the first characteristic changing portion 309, and the inner half in the axial direction is the first half. 2 characteristic changing section 310.

また、1対のセンサ306a、306bはそれぞれ、永久磁石と、検出部を構成する磁気検出素子とから成る。これら両センサ306a、306bは、カバー305の内側に支持固定した状態で、一方のセンサ306aの検出部を第1の特性変化部309に、他方のセンサ306bの検出部を第2の特性変化部310にそれぞれ近接対向させている。これら両センサ306a、306bの検出部が第1、第2の特性変化部309、310に対向する位置は、エンコーダ304の円周方向に関して同じ位置としている。また、外輪301とハブ302との間にアキシャル荷重が作用しない状態で、各透孔307及び柱部308の軸方向中間部で円周方向に関して最も突出した部分(境界の傾斜方向が変化する部分)が、両センサ306a、306bの検出部同士の間の丁度中央位置に存在するように、各部材の設置位置を規制している。   Each of the pair of sensors 306a and 306b includes a permanent magnet and a magnetic detection element that constitutes a detection unit. These two sensors 306a and 306b are supported and fixed inside the cover 305, the detection part of one sensor 306a is the first characteristic change part 309, and the detection part of the other sensor 306b is the second characteristic change part. 310 are closely opposed to each other. The positions where the detection units of both the sensors 306a and 306b face the first and second characteristic change units 309 and 310 are the same in the circumferential direction of the encoder 304. Further, in the state where an axial load is not applied between the outer ring 301 and the hub 302, a portion that protrudes most in the circumferential direction in the axial middle portion of each through hole 307 and the column portion 308 (a portion in which the tilt direction of the boundary changes) ) Regulates the installation position of each member so that it exists just in the center position between the detection parts of both sensors 306a and 306b.

上述のように構成した荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合、外輪301とハブ302との間にアキシャル荷重が作用し、外輪301とハブ302とがアキシャル方向に相対変位すると、両センサ306a、306bの出力信号が変化する位相がずれる。   In the case of the rolling bearing unit with a load measuring device configured as described above, when an axial load is applied between the outer ring 301 and the hub 302 and the outer ring 301 and the hub 302 are relatively displaced in the axial direction, the two sensors 306a and 306b. The phase at which the output signal changes is shifted.

即ち、外輪301とハブ302との間にアキシャル荷重が作用していない中立状態では、両センサ306a、306bの検出部は、図12の(A)の実線イ、イ上、即ち、上記最も突出した部分から軸方向に同じだけずれた部分に対向する。従って、両センサ306a、306bの出力信号の位相は、同図の(C)に示すように一致する。   In other words, in a neutral state where no axial load is applied between the outer ring 301 and the hub 302, the detection portions of both sensors 306a and 306b are on the solid lines a and b in FIG. It faces a portion that is shifted in the axial direction by the same amount. Therefore, the phases of the output signals of both sensors 306a and 306b coincide as shown in FIG.

これに対して、エンコーダ304を固定したハブ302に、図12の(A)で下向きのアキシャル荷重が作用した場合には、両センサ306a、306bの検出部は、図12の(A)の破線ロ、ロ上、即ち、上記最も突出した部分からの軸方向に関するずれが互いに異なる部分に対向する。この状態では両センサ306a、306bの出力信号の位相は、同図の(B)に示すようにずれる。   On the other hand, when a downward axial load is applied to the hub 302 to which the encoder 304 is fixed in FIG. 12A, the detection units of both sensors 306a and 306b are shown by broken lines in FIG. B, opposite to the upper part, that is, the part different from each other in the axial direction from the most protruding part. In this state, the phases of the output signals of both sensors 306a and 306b are shifted as shown in FIG.

更に、エンコーダ304を固定したハブ302に、図12の(A)で上向きのアキシャル荷重が作用した場合には、両センサ306a、306bの検出部は、図12の(A)の鎖線ハ、ハ上、即ち、上記最も突出した部分からの軸方向に関するずれが、前述の場合と逆方向に互いに異なる部分に対向する。この状態では両センサ306a、306bの出力信号の位相は、同図の(D)に示すようにずれる。   Furthermore, when the upward axial load in FIG. 12A is applied to the hub 302 to which the encoder 304 is fixed, the detecting portions of both sensors 306a and 306b are shown by chain lines C and C in FIG. The deviation in the axial direction from the uppermost part, that is, the most protruding part, is opposed to different parts in the opposite direction to the case described above. In this state, the phases of the output signals of both sensors 306a and 306b are shifted as shown in FIG.

上述のように、両センサ306a、306bの出力信号の位相が、外輪301とハブ302との間に加わるアキシャル荷重の作用方向(これら外輪301とハブ302とのアキシャル方向の相対変位の方向)に応じた向きにずれる。また、このアキシャル荷重(相対変位)により両センサ306a、306bの出力信号の位相がずれる程度は、アキシャル荷重(相対変位)が大きくなる程大きくなる。   As described above, the phases of the output signals of the sensors 306a and 306b are in the direction of the action of the axial load applied between the outer ring 301 and the hub 302 (the direction of relative displacement between the outer ring 301 and the hub 302 in the axial direction). The direction is shifted. Further, the degree to which the phases of the output signals of the sensors 306a and 306b are shifted by this axial load (relative displacement) increases as the axial load (relative displacement) increases.

従って、両センサ306a、306bの出力信号の位相ずれが存在する場合は、その向き及び大きさに基づいて、外輪301とハブ302とのアキシャル方向の相対変位の向き及び大きさ、ひいては、外輪301とハブ302との間に作用しているアキシャル荷重の作用方向及び大きさを求めることができる。   Therefore, if there is a phase shift between the output signals of the sensors 306a and 306b, the direction and magnitude of the relative displacement in the axial direction between the outer ring 301 and the hub 302 based on the direction and magnitude, and consequently the outer ring 301. It is possible to determine the acting direction and magnitude of the axial load acting between the hub 302 and the hub 302.

なお、両センサ306a、306bの出力信号の位相差に基づいてアキシャル方向の相対変位及び荷重を算出する処理は、図示しない演算器により行う。このため、この演算器には、予め理論計算や実験により調べておいた上記位相差と上記アキシャル方向の相対変位及び荷重との関係を計算式やマップ等の型式で組み込んでおく。   The processing for calculating the relative displacement and the load in the axial direction based on the phase difference between the output signals of both sensors 306a and 306b is performed by a calculator (not shown). For this reason, in this computing unit, the relationship between the phase difference, which has been examined in advance by theoretical calculation or experiment, and the relative displacement and load in the axial direction is incorporated in a form such as a calculation formula or a map.

以上の例の他に、特許文献2には、エンコーダの軸方向に対する傾斜方向が互いに異なる1対の凹溝を、エンコーダの回転方向に隣り合わせて対にして「ハ」の字形に配置した構造も記載されている。   In addition to the above example, Patent Document 2 also includes a structure in which a pair of concave grooves having different inclination directions with respect to the axial direction of the encoder are arranged in a pair of “C” adjacent to each other in the rotational direction of the encoder. Have been described.

図13(A)はそのエンコーダの構成を示し、(B)はそのエンコーダを作るための長孔を加工した板金の構成を示している。被検出面である円筒状のエンコーダ320の外周面には、複数の被検出部324が、円周方向に等間隔で配置されている。これら各被検出部324は、それぞれが他の部分とは特性が異なる1対の個性化部分325により構成されている。各個性化部分325として、本例では、スリット状の長孔が採用されている。このような各個性化部分325を有するエンコーダ320は、予め各長孔を打ち抜き形成した帯状の磁性金属板を丸め、円周方向両端縁同士を突き合わせ溶接することにより作られている。なお、各個性化部分325としては、凹溝や凸部を採用することも可能である。   FIG. 13A shows the configuration of the encoder, and FIG. 13B shows the configuration of a sheet metal with a long hole for making the encoder. A plurality of detected portions 324 are arranged at equal intervals in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the cylindrical encoder 320 that is the detected surface. Each of these detected portions 324 includes a pair of individualized portions 325 having different characteristics from the other portions. In this example, slit-like long holes are employed as the individualized portions 325. The encoder 320 having such individualized portions 325 is made by rounding a belt-like magnetic metal plate in which each long hole is previously punched and butt-welding the circumferential edges. In addition, as each individualization part 325, it is also possible to employ | adopt a ditch | groove or a convex part.

各被検出部324を構成する1対ずつの個性化部分325同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出部324で軸方向に連続的に変化させてある。即ち、各被検出部324を構成する1対ずつの個性化部分325同士の円周方向に関する間隔が、エンコーダ320の軸方向一端程小さくなり、円周方向に隣り合う各被検出部324を構成する個性化部分325同士の円周方向に関する間隔が、エンコーダ320の軸方向他端程小さくなる方向に傾斜している。   The interval in the circumferential direction between the pair of individualized portions 325 constituting each detected portion 324 is continuously changed in the axial direction in all the detected portions 324. That is, the interval in the circumferential direction between the pair of individualized portions 325 constituting each detected portion 324 becomes smaller at one end in the axial direction of the encoder 320, and each detected portion 324 adjacent in the circumferential direction is configured. The intervals in the circumferential direction between the individualized portions 325 to be inclined are inclined so as to become smaller toward the other axial end of the encoder 320.

このようなエンコーダ320の被検出面である外周面に検出部を対向させたセンサの出力信号は、各個性化部分325に対向する瞬間に変化する。変化する間隔(周期)は、センサの検出部が対向する部分の軸方向位置の変化に伴って変化する。即ち、エンコーダ320を固定した主軸に作用する荷重に基づく被検出面と検出部のアキシャル方向相対変位に基づいて、センサの出力信号が変化するタイミングが1周期の間でずれる。   The output signal of the sensor in which the detection unit is opposed to the outer peripheral surface, which is the detection surface of the encoder 320, changes at the moment of facing each individualization portion 325. The changing interval (cycle) changes with a change in the axial position of the portion of the sensor facing the detecting portion. That is, the timing at which the output signal of the sensor changes in one cycle based on the axial relative displacement between the detection surface and the detection unit based on the load acting on the main shaft to which the encoder 320 is fixed.

従って、単一のセンサのみで、出力信号の1周期に対する上記タイミングの比に基づき、主軸に作用する荷重を求めることができる。つまり、センサの出力信号のパターンを見れば、主軸がハウジングに対して軸方向にずれている程度(軸方向変位量)を求めることができ、更にこのずれている程度から、主軸に作用するアキシャル荷重を求めることができる。   Therefore, the load acting on the main shaft can be obtained with only a single sensor based on the ratio of the timing to one cycle of the output signal. That is, from the output signal pattern of the sensor, it is possible to determine the degree of displacement of the main shaft in the axial direction with respect to the housing (axial displacement), and from this degree of displacement, the axial acting on the main shaft. The load can be determined.

特開2002−187048号公報JP 2002-187048 A 特開2006−317420号公報JP 2006-317420 A

ところで、特許文献2に記載の荷重測定装置付転がり軸受ユニットのように、自動車の車輪を支持するための車輪支持用転がり軸受ユニットに加わるアキシャル荷重を測定して走行安定性のための制御を行う場合は、アキシャル荷重の値が車輪支持部の構造等、本来の測定すべきアキシャル荷重以外の要因で、規則的に変化することは無い。これに対して、工作機械の主軸に適用する場合は、先端部に支持固定した加工工具の種類によっては、主軸に加わる荷重が規則的(正弦波的)に変化することが起こり得る。   By the way, like the rolling bearing unit with a load measuring device described in Patent Document 2, the axial load applied to the wheel supporting rolling bearing unit for supporting the wheel of the automobile is measured to control for running stability. In this case, the value of the axial load does not change regularly due to factors other than the axial load to be measured, such as the structure of the wheel support portion. On the other hand, when applied to the spindle of a machine tool, the load applied to the spindle may change regularly (sinusoidally) depending on the type of processing tool supported and fixed at the tip.

例えば、ドリルやエンドミル等の切削工具(加工工具)の場合、外周面や先端面に複数の切削部(加工部)を、円周方向に関して等間隔に設けている。これら各切削部の総てが被加工物の被加工面を均等に切削等の加工をし続けるのであれば、切削工具の形状に起因して主軸に加わる荷重が変動することは無いが、実際には、各切削部の総てが被加工物の被加工面を均等に切削加工することは希であり、切削工具の形状に起因して、主軸に加わる荷重が規則的に変動する。   For example, in the case of a cutting tool (working tool) such as a drill or an end mill, a plurality of cutting parts (working parts) are provided at equal intervals in the circumferential direction on the outer peripheral surface or the tip surface. If all of these cutting parts continue to process the work surface of the work piece evenly, the load applied to the spindle will not fluctuate due to the shape of the cutting tool. Therefore, it is rare that all of the cutting parts cut the work surface of the work piece evenly, and the load applied to the main shaft fluctuates regularly due to the shape of the cutting tool.

図14は、外周面に10箇所の切削部を有するエンドミル(ドリルでも同様)を工作機械の主軸の先端部に該主軸と同心に結合固定し、主軸を定速で回転させつつ、被加工物に向け定速で前進させて、被加工物に切削加工を施した場合における、主軸に関する物理量の変動状況を示している。図14(A)は主軸に加わる荷重の変動状況を、図14(B)は主軸の変位状況をそれぞれ表している。荷重と変位とは比例するので、図14の(A)、(B)は、縦軸の値が異なるだけで、実質的に同じ図である。   FIG. 14 shows an end mill (similar to a drill) having 10 cutting portions on the outer peripheral surface, coupled and fixed to the tip of the main spindle of the machine tool concentrically with the main spindle, and rotating the main spindle at a constant speed, This shows the fluctuation state of the physical quantity related to the spindle when the workpiece is cut at a constant speed toward. FIG. 14A shows a fluctuation state of the load applied to the main shaft, and FIG. 14B shows a displacement state of the main shaft. Since the load and the displacement are proportional, (A) and (B) in FIG. 14 are substantially the same except that the values on the vertical axis are different.

図14の(A)、(B)に示すように、被加工物を複数の切削部を有する切削工具により加工する場合には、本来は主軸に加わる荷重が一定となるべき定速回転及び定速前進状態でも、主軸に加わる荷重が規則的に変動する。   As shown in FIGS. 14A and 14B, when a workpiece is machined with a cutting tool having a plurality of cutting portions, a constant-speed rotation and a constant load that should be constant for the load applied to the main shaft should be constant. Even in the fast forward state, the load applied to the main shaft fluctuates regularly.

このため、荷重測定のタイミングを考慮しないと、図14の(A)、(B)に示した変動に基づき、主軸に加わる荷重の測定精度が悪化する。   For this reason, if the timing of load measurement is not taken into account, the measurement accuracy of the load applied to the main shaft is deteriorated based on the fluctuations shown in FIGS.

例えば、前述の図10〜12に示した荷重測定のための構造で、エンコーダ304の外周面に設ける(1周当りの)透孔の数を、切削工具の切削部の数と同じ10個とした場合、図14の(A)、(B)に黒丸印で示した部分(測定点)で、センサ306a、306bの出力信号の位相差を求め、この位相差に基づいて主軸に加わる荷重を求めることになる。   For example, in the structure for measuring a load shown in FIGS. 10 to 12 described above, the number of through holes (per circumference) provided on the outer peripheral surface of the encoder 304 is set to 10 which is the same as the number of cutting parts of the cutting tool. In this case, the phase difference between the output signals of the sensors 306a and 306b is obtained at the portions (measurement points) indicated by black circles in FIGS. 14A and 14B, and the load applied to the spindle based on the phase difference is calculated. Will be asked.

図14の(A)、(B)の黒丸印で示した部分は、正弦波上の同じ位相部分である。このため、上述のように、透孔307の数を切削工具の切削部の数と同じ10個とした場合には、図14の(A)、(B)の記載から明らかな通り、δなる値(DC成分のオフセット)が、前記変動に基づく誤差成分となる。   The portions indicated by black circles in FIGS. 14A and 14B are the same phase portions on the sine wave. For this reason, as described above, when the number of the through holes 307 is ten, which is the same as the number of the cutting parts of the cutting tool, δ is obtained as is apparent from the description of FIGS. The value (DC component offset) is an error component based on the variation.

特許文献2に示されるように、エンコーダ304の被検出面に存在する透孔307及び柱部308等の被検出部の組数の数を、切削工具の切削部の数よりも十分に多く(自動車の車輪支持用の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合のように数十個と)し、荷重測定を複数回行ってその平均値を取れば、前記誤差成分δの影響を排除できる。但し、工作機械の主軸の回転速度は、自動車用車輪の回転速度よりも桁違いに速いため、センサの出力信号を入力した演算器(CPU)の処理速度を考慮した場合、前記被検出部の組数の数を、切削部の数を越えて多くすることは難しい。極端に処理速度が速い高価なCPUを使用せずに工作機械の主軸に加わる荷重を測定することを考慮した場合、工作機械用荷重測定装置を構成するエンコーダでは、被検出部の組数は、1桁からせいぜい10組程度とすることが現実的である。   As shown in Patent Document 2, the number of sets of detected parts such as the through holes 307 and the pillars 308 existing on the detected surface of the encoder 304 is sufficiently larger than the number of cutting parts of the cutting tool ( The influence of the error component δ can be eliminated by measuring the load several times as in the case of a rolling bearing unit with a load measuring device for supporting a wheel of an automobile and measuring the load a plurality of times. However, since the rotational speed of the spindle of the machine tool is orders of magnitude faster than the rotational speed of the wheels for automobiles, when considering the processing speed of the computing unit (CPU) that has input the sensor output signal, It is difficult to increase the number of sets beyond the number of cutting parts. In consideration of measuring the load applied to the spindle of the machine tool without using an expensive CPU with extremely high processing speed, in the encoder constituting the machine tool load measuring device, the number of sets of detected parts is It is realistic to set the number from one digit to at most about 10 sets.

ところが、エンコーダの被検出面に設けた被検出部の組数を1桁からせいぜい10組程度とした場合には、切削工具の切削部の数mと被検出部の組数nとが一致(m=n)したり、切削工具の切削部の数mが被検出部の組数nの整数倍(m/n=整数)となる場合が生じる。これら両数m、nが一致した場合は勿論、これら両数の比m/nが整数の場合も、上記誤差成分δの影響を排除できない。被検出部の組数nを切削工具の切削部の数mよりも多くすれば、仮にこれら両数n、mの比n/mが2以上の整数となっても、荷重測定を複数回行ってその平均値を取ることにより上記誤差成分δの影響を排除できる。但し、被検出部の組数nは、上述のような理由により多くすることは難しいため、現実的な対応方法とは言えない。また、回転方向に関して、切削工具とセンサの検出部との位相を適切に規制し、図14に示した測定点を正弦波曲線の中央位置にすれば、上記誤差成分δが生じることを防止することは不可能ではない。但し、工具交換の度に上記位相を一致させることは、何らかの位置決め用の印や、位置決め用の係合部を設けたとしても面倒で、やはり現実的な対応方法とは言えない。   However, when the number of detected parts provided on the detected surface of the encoder is changed from one digit to at most about 10 sets, the number m of cutting parts of the cutting tool matches the number n of detected parts ( m = n), or the number m of cutting parts of the cutting tool may be an integral multiple of the number n of sets of detected parts (m / n = integer). The influence of the error component δ cannot be excluded not only when the numbers m and n match, but also when the ratio m / n of these numbers is an integer. If the number n of sets of detected parts is larger than the number m of cutting parts of the cutting tool, load measurement is performed a plurality of times even if the ratio n / m of these numbers n and m is an integer of 2 or more. By taking the average value, the influence of the error component δ can be eliminated. However, since it is difficult to increase the number n of sets of detected parts for the reasons described above, it cannot be said that this is a realistic countermeasure. In addition, if the phase between the cutting tool and the detection unit of the sensor is properly regulated with respect to the rotation direction, and the measurement point shown in FIG. It is not impossible. However, it is troublesome to make the above phases coincide each time the tool is changed, even if some positioning mark or positioning engaging portion is provided, and it cannot be said that it is a realistic countermeasure.

また、工作機械のスピンドル装置に上述のセンサ及びエンコーダを組み込む場合、センサとエンコーダ間の軸方向位置のズレが大きくなると荷重検出ができなくなったり、検出誤差が過大となったりする。このため、センサ及びエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジ(許容度)が小さいと、部品単体の一般仕上加工では満足できず、精密な仕上加工が要求されると共に、部品同士を選択嵌合するなど組付時に特別な調整工程が必要となる。このため、部品加工コスト高や組立調整コスト高を招きやすくなる上、補修時に簡単に部品交換ができなくなる可能性がある。   Further, when the above-described sensor and encoder are incorporated in the spindle device of a machine tool, load detection cannot be performed or detection error becomes excessive if the axial position deviation between the sensor and encoder increases. For this reason, if the range (tolerance) of the axial relative position accuracy of the sensor and encoder is small, general finishing machining of a single component is not satisfactory, and precise finishing is required, and the components are selectively fitted together. A special adjustment process is required during assembly. For this reason, it becomes easy to invite high parts processing cost and assembly adjustment cost, and there is a possibility that parts cannot be easily replaced at the time of repair.

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、極端に処理速度が速い高価なCPUを使用しなくても、複数の切削部を円周方向に関して等間隔に設けた切削工具を使用する工作機械の主軸に加わる荷重を、精度良く測定できると共に、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを小さくせず、部品加工や組立調整の負担を軽減しつつ、該荷重を検出する上で必要とされる検出精度を確保することのできる工作機械のスピンドル装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object thereof is to provide a plurality of cutting parts at equal intervals in the circumferential direction without using an expensive CPU with extremely high processing speed. The load applied to the spindle of the machine tool that uses the cutting tool can be measured with high accuracy, and the load of the machining and assembly adjustment can be reduced while reducing the relative position accuracy range of the sensor and encoder in the axial direction. It is an object of the present invention to provide a spindle device for a machine tool capable of ensuring the detection accuracy required for detecting the above.

上記目的を達成するために、本発明は下記の構成によって達成される。
(1) 回転しないハウジングと、
軸方向に予圧が付与された転がり軸受により前記ハウジングに回転自在に支持された主軸と、
前記主軸の先端部に前記主軸と同心に支持固定され、複数の切削部が円周方向に関して等間隔に設けられた切削工具と、
前記主軸と一体に回転すると共に、前記主軸と同心の被検出面を有するエンコーダと、
前記エンコーダの被検出面に検出部を対向させた状態で前記ハウジングに支持され、前記被検出面の特性の変化に応じた信号を出力するセンサと、
前記センサの出力信号が変化するパターンに基づいて前記主軸に作用するアキシャル荷重を算出する演算手段と、
を備えた工作機械のスピンドル装置において、
前記エンコーダの被検出面には、それぞれが他の部分とは特性が異なる1対の個性化部分より成る複数組の被検出部が円周方向に等間隔で形成され、
前記各1対の個性化部分は、前記1対の個性化部分同士の円周方向に関する間隔が軸方向に連続的に変化するように、前記エンコーダの軸方向に対して互いに逆方向に略同じ角度で傾斜したハの字状に形成され、
前記切削工具に設けられた切削部の数mを前記エンコーダの被検出面に存在する被検出部の組数nで除した数m/nは、非整数に設定され、且つ、
前記各個性化部分が円周方向に平行な線と交差する傾斜角度は30°〜70°の範囲に設定されていることを特徴とする工作機械のスピンドル装置。
(2) 前記転がり軸受の内径が40mm〜120mmであることを特徴とする(1)に記載の工作機械のスピンドル装置。
In order to achieve the above object, the present invention is achieved by the following constitution.
(1) a non-rotating housing;
A main shaft rotatably supported on the housing by a rolling bearing provided with a preload in the axial direction;
A cutting tool which is supported and fixed concentrically with the main shaft at the tip of the main shaft, and a plurality of cutting portions are provided at equal intervals in the circumferential direction;
An encoder that rotates integrally with the main shaft and has a detected surface concentric with the main shaft;
A sensor that is supported by the housing in a state in which a detection unit faces the detection surface of the encoder, and outputs a signal according to a change in characteristics of the detection surface;
Arithmetic means for calculating an axial load acting on the spindle based on a pattern in which the output signal of the sensor changes;
In a spindle device of a machine tool equipped with
On the detected surface of the encoder, a plurality of sets of detected portions each formed of a pair of individualized portions having different characteristics from the other portions are formed at equal intervals in the circumferential direction,
Each of the pair of individualized portions is substantially the same in the opposite direction to the axial direction of the encoder so that the interval in the circumferential direction between the pair of individualized portions continuously changes in the axial direction. It is formed in a square shape that is inclined at an angle,
The number m / n obtained by dividing the number m of cutting parts provided in the cutting tool by the number n of detected parts present on the detected surface of the encoder is set to a non-integer, and
A spindle device for a machine tool, wherein an inclination angle at which each individualized portion intersects a line parallel to the circumferential direction is set in a range of 30 ° to 70 °.
(2) The spindle device of the machine tool according to (1), wherein an inner diameter of the rolling bearing is 40 mm to 120 mm.

本発明によれば、極端に処理速度が速い高価なCPUを使用しなくても、複数の切削部を円周方向に関して等間隔に設けた切削工具を使用する工作機械の主軸に加わるアキシャル荷重の平均値を精度良く測定できる。即ち、複数の切削部を備えた切削工具を主軸の先端部に結合固定した状態で被加工物の加工を行うと、この切削工具を介して主軸に加わる荷重は細かく変動する。工作機械の主軸の送り速度等を制御するには、この細かく変動する値ではなく、平均値を求める必要がある。切削工具の切削部の数mがエンコーダの被検出面に設けた被検出部の組数nの整数倍の場合には、前述したように、上記平均値中に、上記変動に基づく誤差成分δが入り込み易く、入り込んだ場合には、これを除去できない。   According to the present invention, the axial load applied to the spindle of a machine tool using a cutting tool in which a plurality of cutting portions are provided at equal intervals in the circumferential direction without using an expensive CPU with extremely high processing speed. The average value can be measured with high accuracy. That is, when a workpiece is processed in a state where a cutting tool having a plurality of cutting parts is coupled and fixed to the tip of the main shaft, the load applied to the main shaft through the cutting tool varies finely. In order to control the feed speed or the like of the spindle of the machine tool, it is necessary to obtain an average value instead of this finely varying value. When the number m of cutting parts of the cutting tool is an integer multiple of the number n of detected parts provided on the detected surface of the encoder, as described above, the error component δ based on the fluctuation is included in the average value. Is easy to enter, and when it enters, it cannot be removed.

これに対して本発明の場合には、切削工具の切削部の数mがエンコーダの被検出面に設けた被検出部の組数nの整数倍ではない(m/n≠整数)ため、上記誤差成分の影響を除去して、上記平均値を精度良く求められる。即ち、本発明の場合でも、或る1組の被検出部を利用して測定した1回の荷重測定の結果には、前述の図14に正弦波曲線で示した様な荷重変動の影響が出る可能性が高い。但し、「m/n≠整数」なる要件を満たすため、この影響の程度及び方向、即ち、上記誤差成分δの大きさ、並びに、当該誤差成分δが平均値に足される状態で生じるか、逆に平均値から減じる状態で生じるかは、測定毎に異なる。このため、連続して求めた複数の測定値の平均値を求めれば、上記誤差成分δの影響をなくすか、または減じて、上記平均値を精度良く求められる。連続して求めた複数の測定値の平均値を求めることにより、上記主軸に加わる荷重の平均値を求めるタイミングが多少遅れるが、本発明の対象となる工作機械用荷重測定装置に関して、この遅れが問題になることはない。この理由は、工作機械の主軸の回転速度は数万回/分にも達するため、この主軸が数回転する間の平均値を求めるとしても、それに要する時間は数msec乃至は数十msec程度に過ぎないことによる。このように平均値を求めるために要する時間が、極く短時間で済むのに対して、上記主軸の送り速度の制御等は、数百msec乃至は数sec毎に行えば十分であり、工具の寿命検出等に関しては、これよりも遥かに長い時間的余裕があるためである。以上の理由により、本発明によれば、上記主軸に加わる荷重の平均値を、測定のタイミングに関して特に問題を生じることなく、精度良く求められる。   On the other hand, in the case of the present invention, the number m of cutting parts of the cutting tool is not an integral multiple of the number n of detected parts provided on the detected surface of the encoder (m / n ≠ integer). The average value can be accurately obtained by removing the influence of the error component. That is, even in the case of the present invention, the influence of load fluctuations as shown by the sine wave curve in FIG. 14 described above is included in the result of one load measurement measured using a certain set of detected parts. There is a high possibility of going out. However, in order to satisfy the requirement that “m / n ≠ integer”, the degree and direction of this influence, that is, the magnitude of the error component δ, and whether the error component δ is added to the average value, Conversely, whether it occurs in a state where it is subtracted from the average value differs for each measurement. Therefore, if an average value of a plurality of measurement values obtained continuously is obtained, the average value can be obtained with high accuracy by eliminating or reducing the influence of the error component δ. By obtaining an average value of a plurality of measurement values obtained continuously, the timing for obtaining the average value of the load applied to the spindle is somewhat delayed, but this delay is related to the load measuring device for machine tools that is the subject of the present invention. There is no problem. The reason for this is that the rotational speed of the spindle of the machine tool reaches several tens of thousands of times / minute, so even if an average value is obtained during several revolutions of the spindle, the time required for it is about several milliseconds to several tens of milliseconds. By not too much. In this way, the time required for obtaining the average value is very short, but it is sufficient to control the feed speed of the spindle every several hundreds of milliseconds or several seconds. This is because there is a much longer time margin than this for the life detection. For the above reasons, according to the present invention, the average value of the load applied to the main shaft can be obtained with high accuracy without causing any particular problems with respect to the timing of measurement.

また、本発明によれば、エンコーダの被検出面に設けてある被検出部を構成する1対の個性化部分が円周方向に平行な線と交差する傾斜角度を30°〜70°の範囲に限定したので、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを小さくせず、部品加工や組立調整の負担を軽減しつつ、該荷重を検出する上で必要とされる検出精度を確保することができる。   Further, according to the present invention, the inclination angle at which the pair of individualized portions constituting the detected portion provided on the detected surface of the encoder intersects the line parallel to the circumferential direction is in the range of 30 ° to 70 °. As a result, the detection accuracy required to detect the load is ensured while reducing the load of parts processing and assembly adjustment without reducing the range of the relative position accuracy in the axial direction of the sensor and encoder. Can do.

即ち、傾斜角度を30°以上に限定することで、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを広くすることができるようになり、部品現合合わせなど、特別な選別嵌合調整が不要で、一般加工公差の部品の積み重ねで該レンジを満足することができる。また、傾斜角度を70°以下に限定することで、工作機械において、最適加工条件(切削送りや加工回転数)の設定・刃物切れ味の変化や工具寿命の検出の判断基準となる加工時荷重を検出する上で必要とされる検出精度を確保できる。   In other words, by limiting the tilt angle to 30 ° or more, it becomes possible to widen the range of the relative positional accuracy of the sensor and encoder in the axial direction, and no special sorting and fitting adjustments such as component matching are required. The range can be satisfied by stacking parts with general processing tolerances. In addition, by limiting the tilt angle to 70 ° or less, the machine tool can be used to set the optimum machining conditions (cutting feed and machining rotation speed), change the cutting edge sharpness, and determine the load during machining that is a criterion for detecting tool life. The detection accuracy required for detection can be ensured.

本発明の実施形態の軸受装置を組み込んだ工作機械のスピンドル装置の断面図である。It is sectional drawing of the spindle apparatus of the machine tool incorporating the bearing apparatus of embodiment of this invention. 図1の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of FIG. 図1に示すエンコーダの斜視図である。It is a perspective view of the encoder shown in FIG. 図3のエンコーダの展開図である。FIG. 4 is a development view of the encoder of FIG. 3. 図1に示すセンサを取り出して、検出部を被覆する前の状態(A)と被覆した後の状態(B)を示す斜視図である。It is a perspective view which takes out the sensor shown in FIG. 1, and shows the state (A) before coat | covering a detection part, and the state (B) after coat | covering. 同センサの要部の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the principal part of the sensor. 荷重測定の原理を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the principle of load measurement. 上記エンコーダに形成したハの字状の1対の凹溝(個性化部分)のハの字の角度(凹溝の傾斜角度)とセンサとエンコーダの軸方向相対位置レンジの関係を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a C-shaped angle (inclination angle of a ditch) of a pair of C-shaped concave grooves (individualized portions) formed in the encoder and an axial relative position range of the sensor and the encoder. is there. 上記エンコーダに形成したハの字状の1対の凹溝(個性化部分)のハの字の角度(凹溝の傾斜角度)と検出精度との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the C-shaped angle (inclination angle of a ditch | groove), and detection accuracy of a pair of ditch | groove (individualization part) of C-shape formed in the said encoder. 従来の荷重測定装置付き転がり軸受ユニットの断面図である。It is sectional drawing of the conventional rolling bearing unit with a load measuring apparatus. 同ユニットに使用されているエンコーダの被検出面の一部を径方向から見た図である。It is the figure which looked at a part of the to-be-detected surface of the encoder used for the unit from radial direction. 同エンコーダのアキシャル方向の変位により、1対のセンサの出力信号に位相差が生じる状況を説明するための模式図である。It is a mimetic diagram for explaining the situation where a phase difference arises in the output signal of a pair of sensors due to the displacement of the encoder in the axial direction. (A)は従来のエンコーダの他の例を示す斜視図、(B)はそれを展開して示す斜視図である。(A) is a perspective view which shows the other example of the conventional encoder, (B) is a perspective view which expands and shows it. (A)及び(B)は、主軸の先端部に結合固定した切削工具の形状に起因し、主軸に加わる荷重及び主軸の変位が変動して、荷重測定に誤差が生じる状況を説明するための線図である。(A) and (B) are due to the shape of the cutting tool coupled and fixed to the tip of the main shaft, and explain the situation in which the load applied to the main shaft and the displacement of the main shaft fluctuate, resulting in an error in load measurement. FIG.

以下、本発明の実施形態の軸受装置を組み込んだ工作機械のスピンドル装置を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, a spindle device of a machine tool incorporating a bearing device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1及び図2に示すように、実施形態の工作機械のスピンドル装置10は、モータビルトイン方式のものであり、その中心部には主軸11が設けられている。主軸11の軸方向の一端部(図1において左端部)には、工具ホルダ2を介してエンドミルやドリル等の切削工具3が取り付けられている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the spindle device 10 of the machine tool according to the embodiment is of a motor built-in type, and a main shaft 11 is provided at the center thereof. A cutting tool 3 such as an end mill or a drill is attached to one end portion of the main shaft 11 in the axial direction (left end portion in FIG. 1) via a tool holder 2.

主軸11は、工具側を支承する前側軸受群20と、反工具側を支承する後側軸受40とによって、回転しない静止部材であるハウジング50に回転自在に支持されている。   The main shaft 11 is rotatably supported by a housing 50, which is a stationary member that does not rotate, by a front bearing group 20 that supports the tool side and a rear bearing 40 that supports the counter tool side.

前側軸受群20と後側軸受40間における主軸11の外周面には、ロータ61が外嵌されている。また、ロータ61の周囲に配置されるステータ62は、ハウジング50に固定されており、ステータ62に電力を供給することで、ロータ61に回転力を発生させて、主軸11を回転させるようになっている。なお、ハウジング50は、複数の分割ハウジング51〜53や外輪押え54、カバー55、56などを順次結合させることによって構成されている。   A rotor 61 is fitted on the outer peripheral surface of the main shaft 11 between the front bearing group 20 and the rear bearing 40. The stator 62 disposed around the rotor 61 is fixed to the housing 50. By supplying electric power to the stator 62, a rotational force is generated in the rotor 61 to rotate the main shaft 11. ing. The housing 50 is configured by sequentially connecting a plurality of divided housings 51 to 53, an outer ring retainer 54, covers 55 and 56, and the like.

前側軸受群20は、工具3側(前側)から順番に配した4列の同一サイズのアンギュラ玉軸受21〜24によって構成されている。前側2つのアンギュラ玉軸受21、22と後側2つのアンギュラ玉軸受23、24は、背面組み合わせで配置されており、それぞれのアンギュラ玉軸受21〜24は、外輪26と、内輪27と、外輪26の外輪軌道溝及び内輪27の内輪軌道溝間に接触角を持って配置された転動体としての複数の玉28と、を備えている。   The front bearing group 20 includes four rows of angular ball bearings 21 to 24 having the same size arranged in order from the tool 3 side (front side). The front two angular ball bearings 21 and 22 and the rear two angular ball bearings 23 and 24 are arranged in a rear combination, and each of the angular ball bearings 21 to 24 includes an outer ring 26, an inner ring 27, and an outer ring 26. And a plurality of balls 28 as rolling elements disposed with a contact angle between the outer ring raceway groove and the inner ring raceway groove of the inner ring 27.

前側軸受群20の各アンギュラ玉軸受21〜24の外輪26は、ハウジング50に内嵌され、ハウジング50にボルト締結された外輪押え54によって、外輪間座70,81,82を介してハウジング50に固定されている。前側から2番目のアンギュラ玉軸受22と3番目のアンギュラ玉軸受23の外輪26間に配置された外輪間座70には、センサ取付孔70aが形成されている。   The outer ring 26 of each of the angular ball bearings 21 to 24 of the front bearing group 20 is fitted into the housing 50 by an outer ring presser 54 that is fitted inside the housing 50 and bolted to the housing 50 via the outer ring spacers 70, 81, and 82. It is fixed. A sensor mounting hole 70 a is formed in the outer ring spacer 70 disposed between the outer rings 26 of the second angular ball bearing 22 and the third angular ball bearing 23 from the front side.

また、前側軸受群20の各アンギュラ玉軸受21〜24の内輪27は、主軸11に外嵌され、主軸11に締結されたナット85によって、内輪間座71,83,84を介して主軸11に固定されている。前側から2番目のアンギュラ玉軸受22と3番目のアンギュラ玉軸受23の内輪27間に、外輪間座70と対向するように配置された内輪間座71は、後述するエンコーダ72を兼ねるものである。   Further, the inner ring 27 of each angular ball bearing 21 to 24 of the front bearing group 20 is externally fitted to the main shaft 11 and is attached to the main shaft 11 via inner ring spacers 71, 83, 84 by a nut 85 fastened to the main shaft 11. It is fixed. An inner ring spacer 71 arranged between the inner ring 27 of the second angular ball bearing 22 and the third angular ball bearing 23 from the front side so as to face the outer ring spacer 70 also serves as an encoder 72 described later. .

また、前側軸受群20のアンギュラ玉軸受21〜24は、ナット85によって定位置予圧が負荷されており、それにより、主軸11がハウジング50に対して、ラジアル荷重及び両方向のスラスト荷重を支承する状態で、がたつきなく、回転自在に支持されている。   In addition, the angular ball bearings 21 to 24 of the front bearing group 20 are loaded with a fixed position preload by the nut 85, whereby the main shaft 11 supports a radial load and a thrust load in both directions with respect to the housing 50. And it is supported so that it can rotate freely.

また、後側軸受40は、円筒ころ軸受であり、図中符号は付さないが、外輪と、内輪と、転動体としての複数の円筒ころと、を有する。後側軸受40の外輪はハウジング50に内嵌され、ハウジング50にボルト締結された外輪押えやスペーサなどによってハウジング50に固定されている。後側軸受40の内輪も、主軸11に締結された他のナットやスペーサなどによって主軸11に固定されている。   Further, the rear bearing 40 is a cylindrical roller bearing and is not denoted by a reference numeral in the drawing, but has an outer ring, an inner ring, and a plurality of cylindrical rollers as rolling elements. The outer ring of the rear bearing 40 is fitted in the housing 50 and is fixed to the housing 50 by an outer ring presser or a spacer bolted to the housing 50. The inner ring of the rear bearing 40 is also fixed to the main shaft 11 by other nuts or spacers fastened to the main shaft 11.

また、この工作機械では、運転時に、エンドミルやドリル等の切削工具3を高速で回転しつつ被加工物に押し付けて被加工物に切削加工を施すので、主軸11に、反力としてのアキシャル荷重が作用する。そこで、このアキシャル荷重を測定できるように、前側軸受群20を構成する前側から2番目のアンギュラ玉軸受22と3番目のアンギュラ玉軸受23の間に、図3に示すような円筒形状のエンコーダ72(内輪間座71)が外嵌されると共に、外輪間座70の位置でハウジング50側に、図5及び図6に示すようなセンサ100が支持固定されている。   Further, in this machine tool, during operation, the cutting tool 3 such as an end mill or a drill is pressed against the work piece while rotating at a high speed to cut the work piece, so that the axial load as a reaction force is applied to the spindle 11. Act. Therefore, a cylindrical encoder 72 as shown in FIG. 3 is interposed between the second angular ball bearing 22 and the third angular ball bearing 23 from the front side of the front bearing group 20 so that this axial load can be measured. The inner ring spacer 71 is externally fitted, and a sensor 100 as shown in FIGS. 5 and 6 is supported and fixed on the housing 50 side at the position of the outer ring spacer 70.

エンコーダ72は、主軸11と一体に回転するもので、図3に示すように、磁性金属材からなる内輪間座71の外周面に、複数組の被検出部75を、円周方向に等間隔で配置した構成を備えている。これら各被検出部75は、それぞれが他の部分とは特性が異なる1対の個性化部分75a、75bにより構成されており、各個性化部分75a、75bとして、本実施形態では、凹溝が削り出し加工により形成されている。   The encoder 72 rotates integrally with the main shaft 11, and as shown in FIG. 3, a plurality of sets of detected portions 75 are equally spaced in the circumferential direction on the outer peripheral surface of an inner ring spacer 71 made of a magnetic metal material. It has a configuration arranged in. Each of these detected portions 75 is configured by a pair of individualized portions 75a and 75b each having a characteristic different from that of the other portions. In this embodiment, each of the individualized portions 75a and 75b has a concave groove. It is formed by machining.

なお、凹溝の代わりにエンコーダ72を貫通する長孔や凸条を採用することもできるし、センサ100の種類によっては、それ以外の要素を採用することもできる。例えば、光学式のセンサの場合は、光の反射率が周囲と異なる部分を設けて、その部分を個性化部分とすることも可能である。   Instead of the concave groove, a long hole or a protruding line penetrating the encoder 72 can be adopted, and other elements can be adopted depending on the type of the sensor 100. For example, in the case of an optical sensor, it is possible to provide a portion having a light reflectance different from that of the surrounding area and to make the portion a personalized portion.

個性化部分75a、75bを凹溝や凸条で構成した場合、それら凹溝や凸条が、センサ100の検出部との距離が残部と異なる距離変化部に相当する。   When the individualized portions 75a and 75b are constituted by concave grooves or ridges, the concave grooves and ridges correspond to distance changing portions that are different in distance from the detection portion of the sensor 100 from the remaining portions.

図4に示すように、各被検出部75を構成する1対の個性化部分75a、75bは、エンコーダ72の軸方向に対して互いに逆方向に略同じ角度で傾斜して延びたハの字状に形成されており、それにより、1対の個性化部分75a、75b同士の円周方向に関する間隔が軸方向に連続的に変化している。   As shown in FIG. 4, the pair of individualized portions 75 a and 75 b constituting each detected portion 75 extend in a slanted manner at substantially the same angle in opposite directions with respect to the axial direction of the encoder 72. As a result, the distance between the pair of individualized portions 75a and 75b in the circumferential direction continuously changes in the axial direction.

このエンコーダ72は、センサ100と共にセンサユニットを構成しており、センサ100は、エンコーダ72の被検出面に検出部を対向させた状態でハウジング50に支持されている。センサ100は、エンコーダ72の被検出面の特性が円周方向に交互に変化することにより、エンコーダ72の回転に応じてパルス信号を出力する。即ち、センサ100は、エンコーダ72の回転に伴って各個性化部分75a、75bに検出部が対向する瞬間に、変化する信号を出力する。そして、その信号が変化する間隔(周期)は、センサ100の検出部が対向する部分の軸方向位置の変化に伴って変化する。センサ100の信号は図示略の演算器に入力され、演算器は、センサ100の出力信号が変化するパターンに基づいて、主軸11に作用するアキシャル荷重を算出する。   The encoder 72 constitutes a sensor unit together with the sensor 100, and the sensor 100 is supported by the housing 50 in a state where the detection unit faces the detection surface of the encoder 72. The sensor 100 outputs a pulse signal according to the rotation of the encoder 72 by alternately changing the characteristics of the detection surface of the encoder 72 in the circumferential direction. That is, the sensor 100 outputs a signal that changes as the detector 72 faces the individualized portions 75a and 75b as the encoder 72 rotates. The interval (cycle) at which the signal changes varies with the change in the axial position of the portion of the sensor 100 where the detection unit faces. A signal from the sensor 100 is input to a calculator (not shown), and the calculator calculates an axial load acting on the main shaft 11 based on a pattern in which the output signal from the sensor 100 changes.

センサ100は、図5に示すように、ホールIC105を樹脂製のホルダ101の先端に配置して埋め込んだ構造をなしており、図6に示すように、ホールIC105の背面(エンコーダ72と反対側)に配置された永久磁石107を有して構成されている。永久磁石107の着磁方向は、センサ100を構成するホールIC105がエンコーダ72の被検出面に対向している方向とする。そして、これらセンサ100とエンコーダ72との相対変位に伴って、パルスの間隔が変化する。   As shown in FIG. 5, the sensor 100 has a structure in which the Hall IC 105 is disposed and embedded at the tip of the resin holder 101. As shown in FIG. 6, the rear surface of the Hall IC 105 (the side opposite to the encoder 72). ) Is provided with a permanent magnet 107. The magnetization direction of the permanent magnet 107 is a direction in which the Hall IC 105 constituting the sensor 100 faces the detected surface of the encoder 72. Then, with the relative displacement between the sensor 100 and the encoder 72, the pulse interval changes.

なお、1対の磁気検出素子105a、105bは差動式素子として機能して、エンコーダ72の被検出面の性状変化を高精度に検出する。このために、両素子105a、105bを、エンコーダ72の回転方向に配列している。エンコーダ72が多極磁石エンコーダの場合には、1個のホール素子のホールICを使用することもできる。   The pair of magnetic detection elements 105a and 105b function as differential elements, and detect the change in the properties of the detection surface of the encoder 72 with high accuracy. For this purpose, both elements 105 a and 105 b are arranged in the rotation direction of the encoder 72. When the encoder 72 is a multi-pole magnet encoder, a Hall IC having one Hall element can be used.

また、センサ100の構造は、永久磁石を組み込んだものであれば、特にその形式を問わない。即ち、永久磁石から出る磁束の流れを導くポールピースの周囲にコイルを巻回して成る所謂パッシブ型のものであっても、磁束の密度に応じて特性を変化させる磁気検出素子を組み込んだ所謂アクティブ型のものであっても使用することができる。また、本実施形態のセンサ100としては、長尺の溝とした個性化部分75a、75bのエッジを検出可能なものであればよく、光学センサ等の使用も可能である。   The structure of the sensor 100 is not particularly limited as long as it incorporates a permanent magnet. In other words, even a so-called passive type in which a coil is wound around a pole piece that guides the flow of magnetic flux from a permanent magnet, a so-called active element incorporating a magnetic detection element that changes its characteristics according to the density of the magnetic flux. Even mold types can be used. The sensor 100 according to the present embodiment may be any sensor that can detect the edges of the individualized portions 75a and 75b that are long grooves, and an optical sensor or the like can also be used.

センサ100とエンコーダ72の被検出面との相対位置は、磁気検出素子105a、105bが被検出面の軸方向中間部に位置するように設定されている。具体的には、磁気検出素子105a、105bの位置は、定位置予圧が付与された前側軸受群のアンギュラ軸受22、23間に配置された内輪間座71の軸方向中間位置となるエンコーダ72の軸方向中間部と一致するように設定されている。   The relative position between the sensor 100 and the detection surface of the encoder 72 is set so that the magnetic detection elements 105a and 105b are located in the intermediate portion in the axial direction of the detection surface. Specifically, the positions of the magnetic detection elements 105a and 105b are the positions of the encoder 72 which is the intermediate position in the axial direction of the inner ring spacer 71 disposed between the angular bearings 22 and 23 of the front bearing group to which the fixed position preload is applied. It is set so as to coincide with the intermediate portion in the axial direction.

センサ100の出力信号は、センサ100の検出部(磁気検出素子105a、105bの配置された部分)をエンコーダ72の個性化部分75a、75bが通過するのに伴って変化する(パルス信号を出力する)。この変化のタイミング(パルスが発生する位相)は、センサ100の検出部が、エンコーダ72の被検出面のうち、軸方向に関して何れの部分を走査するかによって変化する。そして、この変化に基づいて、エンコーダ72の軸方向変位量を求められる。この点について、図7を用いて説明する。   The output signal of the sensor 100 changes as the individualized portions 75a and 75b of the encoder 72 pass through the detection portion (the portion where the magnetic detection elements 105a and 105b are disposed) of the sensor 100 (outputs a pulse signal). ). The timing of the change (the phase at which the pulse is generated) varies depending on which part of the detection surface of the encoder 72 scans the detected surface of the encoder 72 with respect to the axial direction. Based on this change, the axial displacement amount of the encoder 72 can be obtained. This point will be described with reference to FIG.

例えば、エンコーダ72を外嵌した主軸11にアキシャル荷重が加わらず、エンコーダ72が軸方向中立位置に存在する場合、センサ100の検出部は、図7の(A)に実線aで示すように、エンコーダ72の外周面のうちで、ほぼ軸方向中央部を走査する。この結果、センサ100の出力信号は、例えば、図7の(C)に示すよう変化する。   For example, when an axial load is not applied to the main shaft 11 fitted with the encoder 72 and the encoder 72 is in the neutral position in the axial direction, the detection unit of the sensor 100, as shown by a solid line a in FIG. Of the outer peripheral surface of the encoder 72, the central portion in the axial direction is scanned. As a result, the output signal of the sensor 100 changes, for example, as shown in FIG.

これに対して、エンコーダ72(主軸11)に、図7の(A)で下向きのアキシャル荷重が作用し、エンコーダ72が、この図7の(A)で下方に変位すると、センサ100の検出部は、図7の(A)に鎖線bで示すように、エンコーダ72の被検出面のうち、軸方向片側{図7の(A)の上側}に偏った部分を走査する。   In contrast, when a downward axial load is applied to the encoder 72 (main shaft 11) in FIG. 7A and the encoder 72 is displaced downward in FIG. Scans a portion of the detected surface of the encoder 72 that is biased toward one side in the axial direction {upper side in Fig. 7A), as indicated by a chain line b in Fig. 7A.

この結果、センサ100の出力信号は、例えば、図7の(B)に示すように変化する。アキシャル荷重の作用方向が逆向きの場合には、出力信号は逆方向に変化する。これら図7の(B)、(C)に記載した各周期α、β、Lのうち、全周期Lは、円周方向に隣り合う1対の被検出部75に関するセンサ100の出力信号の周期である。   As a result, the output signal of the sensor 100 changes as shown in FIG. When the acting direction of the axial load is reverse, the output signal changes in the reverse direction. Among the periods α, β, and L described in FIGS. 7B and 7C, the total period L is the period of the output signal of the sensor 100 related to the pair of detected parts 75 adjacent in the circumferential direction. It is.

具体的には、回転方向前側(図7の左側)の被検出部75に関する所定部分(図示の例では、被検出部75を構成する1対の個性化部分75a、75bのうち、回転方向前側の個性化部分75aの回転方向後端縁)での出力信号の立ち上がり部から回転方向後側(図7の右側)の被検出部75に関する同等部分での出力信号の立ち上がり部までの時間である。また、第1部分周期αは、回転方向前側の被検出部75を構成する1対の個性化部分75a、75bのうち、回転方向前側の個性化部分75aに関する(上記所定部分での)上記出力信号の立ち上がり部から回転方向後側の個性化部分75bに関する出力信号の立ち上がり部までの時間である。更に、第2部分周期βは、回転方向前側の被検出部75を構成する1対の個性化部分75a、75bのうち、回転方向後側の個性化部分75bに関する出力信号の立ち上がり部から回転方向後側の被検出部75を構成する1対の個性化部分75a、75bのうち、回転方向前側の個性化部分75aに関する(上記同等部分での)上記出力信号の立ち上がり部までの時間である。   Specifically, a predetermined portion related to the detected portion 75 on the front side in the rotational direction (left side in FIG. 7) (in the illustrated example, of the pair of individualized portions 75a and 75b constituting the detected portion 75, the front side in the rotational direction. Is the time from the rising portion of the output signal at the rear end edge in the rotation direction of the individualized portion 75a to the rising portion of the output signal at the equivalent portion of the detected portion 75 on the rear side in the rotation direction (right side in FIG. 7) . Further, the first partial period α is the output related to the individualization portion 75a on the front side in the rotation direction (in the predetermined portion) among the pair of individualization portions 75a and 75b constituting the detected portion 75 on the front side in the rotation direction. This is the time from the rising edge of the signal to the rising edge of the output signal related to the individualized portion 75b on the rear side in the rotation direction. Further, the second partial period β is the rotation direction from the rising portion of the output signal related to the individualization portion 75b on the rear side in the rotation direction among the pair of individualization portions 75a and 75b constituting the detected portion 75 on the front side in the rotation direction. Of the pair of individualized portions 75a and 75b constituting the rear-side detected portion 75, this is the time to the rising portion of the output signal (in the equivalent portion) related to the individualized portion 75a on the front side in the rotational direction.

上記各周期α、β、Lのうちの全周期Lは、上記第1部分周期αと第2部分周期βとの和(L=α+β)になる。また、タイミング比は、α/L(又はβ/L)となる。なお、各周期のうちの全周期Lは、出力信号が2回変化する周期(2パルス分の周期)であり、エンコーダ72の回転速度が一定である限り、一定である。また、第1部分周期α及び第2部分周期βが、出力信号が1回変化する周期(1パルス分の周期)であり、エンコーダ72の回転速度が一定であっても、エンコーダ72の軸方向位置が変化すると変化する。   The total period L of the periods α, β, L is the sum of the first partial period α and the second partial period β (L = α + β). The timing ratio is α / L (or β / L). The total period L of each period is a period in which the output signal changes twice (a period corresponding to two pulses), and is constant as long as the rotation speed of the encoder 72 is constant. The first partial cycle α and the second partial cycle β are cycles in which the output signal changes once (cycle for one pulse). Even if the rotation speed of the encoder 72 is constant, the axial direction of the encoder 72 It changes when the position changes.

図7から明らかな通り、タイミング比α/Lまたはβ/L(出力信号が1回変化する周期/出力信号が2回変化する周期)は、エンコーダ72の軸方向位置に伴って変化し、このタイミング比α/L又はβ/Lの変化量は、軸方向位置の変化量(軸方向変位量)が大きくなる程大きくなる。また、この軸方向変位量は、エンコーダ72を外嵌固定した、主軸11に加わるアキシャル荷重が大きくなる程大きくなる。また、アキシャル荷重に基づく軸方向変位量は、前側軸受群20を構成する各アンギュラ玉軸受21〜24のうち、アキシャル荷重を支承する転がり軸受の剛性が大きくなる程小さくなる。また、このアキシャル荷重と前記軸方向変位量との関係は、この剛性を勘案した計算により、あるいは既知のアキシャル荷重と軸方向変位量との関係を測定する実験により、予め求めておくことができる。   As is clear from FIG. 7, the timing ratio α / L or β / L (cycle in which the output signal changes once / cycle in which the output signal changes twice) changes with the axial position of the encoder 72. The amount of change in the timing ratio α / L or β / L increases as the amount of change in the axial position (axial displacement) increases. The axial displacement amount increases as the axial load applied to the main shaft 11 with the encoder 72 fitted and fixed increases. Further, the amount of axial displacement based on the axial load decreases as the rigidity of the rolling bearing that supports the axial load among the angular ball bearings 21 to 24 constituting the front bearing group 20 increases. In addition, the relationship between the axial load and the axial displacement amount can be obtained in advance by a calculation that takes this rigidity into account, or by an experiment that measures the relationship between the known axial load and the axial displacement amount. .

従って、本実施形態によれば、低コストで、しかも小型に構成できる構造で、工作機械の主軸11に加わるアキシャル荷重を求めることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the axial load applied to the spindle 11 of the machine tool can be obtained with a structure that can be configured at low cost and in a small size.

上述の説明から明らかな通り、本例の工作機械のスピンドル装置によれば、各被検出部75を、エンコーダ72の外周面のn箇所に設けたとすれば、主軸11に加わるアキシャル荷重を、この主軸11が1回転する間にn回求められる。一方、主軸11の先端部に結合固定した切削工具3の先端面または外周面には、m箇所の切削部3aが存在する。そして、これらm箇所の切削部3aに基づいて、主軸11に加わる荷重が、前述の図14に破線で示したように、主軸11が1回転する間に、m回変動する。この変動に基づいて、主軸11に加わる荷重の測定値の平均値に誤差を生じないようにするべく、切削工具3に設けられた切削部3aの数mを、エンコーダ72の外周面に設けた各被検出部75の組数nの非整数倍(m/n≠整数)としている。   As is clear from the above description, according to the spindle device of the machine tool of this example, if each detected portion 75 is provided at n locations on the outer peripheral surface of the encoder 72, the axial load applied to the spindle 11 is It is obtained n times while the main shaft 11 rotates once. On the other hand, there are m cutting portions 3 a on the tip surface or the outer peripheral surface of the cutting tool 3 that is coupled and fixed to the tip portion of the main shaft 11. Then, based on these m cut portions 3a, the load applied to the main shaft 11 fluctuates m times while the main shaft 11 makes one rotation as shown by the broken line in FIG. Based on this variation, the number m of the cutting portions 3 a provided in the cutting tool 3 is provided on the outer peripheral surface of the encoder 72 so as not to cause an error in the average value of the measured values of the load applied to the spindle 11. A non-integer multiple (m / n ≠ integer) of the number n of sets of each detected portion 75 is used.

このために本例の場合には、前述した理由により、極端に処理速度が速い高価なCPUを使用しなくても、複数の切削部3aを円周方向に関して等間隔に設けた切削工具3を先端部に結合固定した主軸11に加わるアキシャル荷重の平均値を精度良く測定できる。   For this reason, in the case of this example, for the reasons described above, the cutting tool 3 in which a plurality of cutting portions 3a are provided at equal intervals in the circumferential direction without using an expensive CPU with extremely high processing speed. The average value of the axial load applied to the main shaft 11 coupled and fixed to the tip can be measured with high accuracy.

また、上記したように、センサ100の出力信号は、主軸11に作用するアキシャル荷重の方向に応じて、また、アキシャル荷重の大きさに比例して変化する。従って、定位置予圧が負荷されている前側軸受群20の剛性(ばね定数)を予め測定あるいは計算して、アキシャル荷重の大きさと主軸11の変位量との関係を求めておけば、センサ100からの出力信号のパターンに基づいて、主軸11に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが演算手段によって求められる。   Further, as described above, the output signal of the sensor 100 changes in accordance with the direction of the axial load acting on the main shaft 11 and in proportion to the magnitude of the axial load. Therefore, if the relationship between the magnitude of the axial load and the displacement amount of the main shaft 11 is obtained by measuring or calculating in advance the rigidity (spring constant) of the front bearing group 20 loaded with the fixed position preload, the sensor 100 can obtain the relationship. Based on the output signal pattern, the direction and magnitude of the axial load acting on the main shaft 11 are obtained by the calculation means.

また、エンコーダ72を構成する内輪間座71は、背面組合せで配置された一対のアンギュラ玉軸受22、23間に配置されているので、内輪間座71の軸方向中間位置が主軸11の熱によって伸縮する場合の軸方向中心となるため、主軸11の伸縮による影響が抑制され、精度のよい荷重測定が可能となる。   Further, since the inner ring spacer 71 constituting the encoder 72 is arranged between the pair of angular ball bearings 22 and 23 arranged in the rear combination, the intermediate position in the axial direction of the inner ring spacer 71 is caused by the heat of the main shaft 11. Since it becomes the center in the axial direction when expanding and contracting, the influence of expansion and contraction of the main shaft 11 is suppressed, and accurate load measurement becomes possible.

また、本実施形態では、エンコーダ72の被検出面は、円周方向に関して変化する特性のピッチが、軸方向に連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成しており、センサ100を一つのホールICのみによって構成することができる。これにより、センサユニットのコスト低減が図られると共に、センサ100及びエンコーダ72を構成する内輪間座71の軸方向幅も狭くすることができる。これにより、スピンドル装置10の軸方向長さも短くすることができる。特に、5軸加工機などで主軸が旋回する(例えば、±120°前後で旋回)方式の場合、主軸長が短くなれば、旋回半径を小さくすることができ、工作機械全体の省スペース化や加工スペースを確保でき、3次元加工を行う場合など、主軸装置10の動作が容易となり、加工プログラム作成の容易性や加工性が向上できるメリットがある。   Further, in the present embodiment, the surface to be detected of the encoder 72 is configured by a single row in the axial direction where the pitch of the characteristic that changes in the circumferential direction continuously changes in the axial direction. It can be configured by only one Hall IC. As a result, the cost of the sensor unit can be reduced, and the axial width of the inner ring spacer 71 constituting the sensor 100 and the encoder 72 can be reduced. Thereby, the axial direction length of the spindle apparatus 10 can also be shortened. In particular, in the case of a method in which the main spindle turns with a 5-axis machine or the like (for example, turns around ± 120 °), if the main spindle length is shortened, the turning radius can be reduced, and space saving of the entire machine tool can be achieved. There is a merit that the machining space can be secured, the operation of the spindle device 10 becomes easy, for example, when three-dimensional machining is performed, and the ease of machining program creation and machinability can be improved.

また、一般的な工作機械のスピンドル装置、特に旋盤やマシニングセンタなど切削型の工作機械のスピンドル装置の場合、内径がφ40mm以上φ120mm以下のアンギュラ玉軸受21〜24が主に使用されている。また、アンギュラ玉軸受22,23間に組み込まれるエンコーダ72は、強度保持や加工寸法精度を確保する面などから、径方向肉厚が5mm以上、即ち、外径がφ50mm以上であることが好ましい。さらに、エンコーダ外径部に対向するセンサの配置スペースやエンコーダと外輪間座との干渉を考えると、エンコーダ72の径方向肉厚が10mm以下であることが好ましく、アンギュラ玉軸受21〜24の内径がφ40mmの場合には、外径がφ60mm以下であることが好ましい。   Further, in the case of a spindle device for a general machine tool, particularly a spindle device for a cutting type machine tool such as a lathe or a machining center, angular ball bearings 21 to 24 having an inner diameter of φ40 mm to φ120 mm are mainly used. In addition, the encoder 72 incorporated between the angular ball bearings 22 and 23 preferably has a radial thickness of 5 mm or more, that is, an outer diameter of φ50 mm or more from the viewpoint of maintaining strength and ensuring processing dimensional accuracy. Furthermore, considering the arrangement space of the sensor facing the outer diameter part of the encoder and interference between the encoder and the outer ring spacer, the radial thickness of the encoder 72 is preferably 10 mm or less, and the inner diameters of the angular ball bearings 21 to 24 Is φ40 mm, the outer diameter is preferably φ60 mm or less.

また、エンコーダ72の被検出面に設けた被検出部75の組数(=ペアパルス数)を多くすると、変位検出精度は向上するが、溝加工コストが増えることと、軸受内径がφ120mm以下とした場合のエンコーダ72の円周方向スペースを考慮すると、被検出部75は13組数以下であることが望ましい。さらに、上述した切削工具3の切削部3aの刃数mとの干渉を避ける意味で、被検出部75は3組数を越えることが好ましく、5組数以上であることがより好ましい。   In addition, if the number of detected portions 75 provided on the detected surface of the encoder 72 (= number of pair pulses) is increased, the displacement detection accuracy is improved, but the groove machining cost is increased and the bearing inner diameter is set to 120 mm or less. In consideration of the circumferential space of the encoder 72 in this case, it is desirable that the number of detected portions 75 is 13 sets or less. Furthermore, in order to avoid interference with the number m of blades of the cutting part 3a of the cutting tool 3 described above, the detected part 75 preferably exceeds the number of 3 sets, and more preferably the number of sets of 5 or more.

ここで、外径がφ50mm以上のエンコーダ72が使用される場合において、1対のハの字状に配置された個性化部分75a、75bが円周方向に平行な線S1と交差する傾斜角度θは、センサ100とエンコーダ72の軸方向相対位置精度のレンジ、及び、荷重を検出する上で必要とされる検出精度の両方を考慮して、30°〜70°の範囲に設定されている。   Here, when the encoder 72 having an outer diameter of φ50 mm or more is used, the inclination angle θ at which the individualized portions 75a and 75b arranged in a pair of C-shapes intersect the line S1 parallel to the circumferential direction. Is set in the range of 30 ° to 70 ° in consideration of both the range of the relative positional accuracy of the sensor 100 and the encoder 72 in the axial direction and the detection accuracy required for detecting the load.

図8は、センサ100とエンコーダ72の軸方向相対位置のレンジと、エンコーダ72の各被検出部75を構成する1対の個性化部分75a,75bの傾斜角度θとの関係を示す。また、図8及び後述の図9中、1ペアパルスとは、1対の個性化部分75a,75bに対応した1組の被検出部75を示し、5ペアパルスとは、5組の被検出部75をあらわす。   FIG. 8 shows the relationship between the range of the relative position in the axial direction of the sensor 100 and the encoder 72 and the inclination angle θ of the pair of individualized portions 75a and 75b constituting each detected portion 75 of the encoder 72. Further, in FIG. 8 and FIG. 9 described later, one pair pulse indicates one set of detected portions 75 corresponding to one pair of individualized portions 75a and 75b, and five pair pulses indicate five sets of detected portions 75. Is expressed.

軸受の内外輪幅寸法精度、ハウジング深さ精度、内外輪間座幅寸法精度、センサ取付穴位置精度などを含む一般的な加工部品の公差を積み重ねると、センサ100とエンコーダ72の軸方向相対位置精度のレンジは、±0.5mmが限界である。このため、図8に示すように、5組の被検出部75を有するエンコーダ72の外径をφ50mm以上とした場合、個性化部分75a,75bの傾斜角度θが30°以上であれば、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを±0.5mm以上とすることができる。従って、スピンドル装置を構成する各部品を一般的な加工精度レベルで加工し組み立てるだけで、つまり、一般的な加工精度の部品の公差の積み重ねだけで、その精度レンジを確保することができる。そのため、加工コストを抑えつつ、部品間の現合合わせを行なうことなく、容易な組み立てが可能になる。   When the tolerances of general processed parts including bearing inner and outer ring width dimensional accuracy, housing depth accuracy, inner and outer ring spacer width dimensional accuracy, sensor mounting hole position accuracy, etc. are stacked, the relative axial position of sensor 100 and encoder 72 The accuracy range is limited to ± 0.5 mm. Therefore, as shown in FIG. 8, when the outer diameter of the encoder 72 having five sets of detected portions 75 is 50 mm or more, if the inclination angle θ of the individualized portions 75a and 75b is 30 ° or more, the sensor And the range of the axial relative position accuracy of the encoder can be set to ± 0.5 mm or more. Therefore, the accuracy range can be ensured only by processing and assembling each component constituting the spindle device at a general processing accuracy level, that is, by stacking tolerances of components having a general processing accuracy. Therefore, it is possible to easily assemble without reducing the processing cost and performing the current joining between the parts.

なお、被検出部75の組数が増加すると、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジが低下する。このため、図示しないが、例えば、13組数以下の被検出部75を有する、外径φ50mm以上のエンコーダにおいて、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを±0.5mm以上とするには、個性化部分75a,75bの傾斜角度θが35°以上とすることが好ましい。   In addition, when the number of sets of the detected parts 75 increases, the range of the axial relative position accuracy of the sensor and the encoder decreases. For this reason, although not shown, for example, in an encoder having an outer diameter of φ50 mm or more having 13 sets or less of the detected parts 75, the range of the axial relative position accuracy between the sensor and the encoder is ± 0.5 mm or more. The inclination angle θ of the individualized portions 75a and 75b is preferably 35 ° or more.

また、センサ100が、最適加工条件(切削送りや加工回転数)の設定・工具切れ味悪化の検出・工具寿命の検知などに使用される場合、軸方向荷重500N前後を最低検知する必要があり、変位検出精度(検出感度)は、組み込まれた軸受の剛性(軸方向ばね定数は、概ね100〜200N/μm)より換算すると、4μm以下であることが必要となる。   In addition, when the sensor 100 is used for setting optimum machining conditions (cutting feed and machining rotation speed), detecting tool sharpness deterioration, detecting tool life, etc., it is necessary to detect at least an axial load of about 500 N, The displacement detection accuracy (detection sensitivity) needs to be 4 μm or less in terms of the rigidity of the incorporated bearing (the axial spring constant is approximately 100 to 200 N / μm).

図9はセンサ100の検出精度と各被検出部75を構成する1対の個性化部分75a、75bの傾斜角度θの関係をグラフにしたものである。図9からわかるように、個性化部分75a,75bの傾斜角度が大きい程、変位の検出精度が広く(悪く)なる。つまり、個性化部分75a,75bの傾斜角度が小さい(ハの字が開いている)と、軸方向変位が微小でも大きなセンサ信号変化を生むことができるので、変位の可能検出精度が高くなる。一方、個性化部分75a,75bの傾斜角度が大きい(ハの字が閉じている)と、軸方向変位が大きくても、小さなセンサ信号変化しか生むことができないので、変位の可能検出精度が低くなる。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between the detection accuracy of the sensor 100 and the inclination angle θ of the pair of individualized portions 75a and 75b constituting each detected portion 75. As can be seen from FIG. 9, the greater the inclination angle of the individualized portions 75a and 75b, the wider (deteriorates) the displacement detection accuracy. In other words, if the inclination angle of the individualized portions 75a and 75b is small (the cross-section is open), a large sensor signal change can be produced even if the axial displacement is small, so that the possible detection accuracy of the displacement is increased. On the other hand, if the individualized portions 75a and 75b have a large inclination angle (the cross-section is closed), even if the axial displacement is large, only a small change in the sensor signal can be generated. Become.

ここで、上述した5〜13組数の被検出部75を有する外径がφ80mmのエンコーダ72は、変位検出精度を4μm以下とするために、図9に示すように、個性化部分75a,75bの傾斜角度θは70°以下とする必要がある。また、変位検出精度を、より好ましい3μm以下とするには、個性化部分75a,75bの傾斜角度θは65°以下とする必要がある。   Here, the encoder 72 having an outer diameter of φ80 mm having the 5 to 13 sets of the detected portions 75 described above has individualized portions 75a and 75b as shown in FIG. 9 in order to make the displacement detection accuracy 4 μm or less. It is necessary that the inclination angle θ be 70 ° or less. In order to make the displacement detection accuracy more preferably 3 μm or less, the inclination angle θ of the individualized portions 75a and 75b needs to be 65 ° or less.

なお、エンコーダ72の外径が大きくなると、変位検出精度が大きくなる。このため、図示しないが、例えば、5〜13組数の被検出部75を有する、外径φ130mm以下のエンコーダにおいて、変位検出精度を4μm以下とするためには、個性化部分75a,75bの傾斜角度θを60°以下とすることが好ましい。   Note that as the outer diameter of the encoder 72 increases, the displacement detection accuracy increases. For this reason, although not shown, for example, in an encoder having 5 to 13 sets of detected portions 75 and having an outer diameter of φ130 mm or less, in order to set the displacement detection accuracy to 4 μm or less, the individualized portions 75a and 75b are inclined. The angle θ is preferably 60 ° or less.

例えば、実施例としてのスピンドル装置では、アンギュラ軸受21〜24の内径をφ70mm、アンギュラ玉軸受22、23間のエンコーダ72の外径をφ80mm(径方向肉厚5mm)とし、被検出部75の組数を5組、各個性化部分75a,75bの傾斜角度θを45°としている。また、一般的な仕上加工による部品を積み重ねた、エンコーダ72の幅方向の中心位置とセンサ100の中心位置の軸方向相対位置の誤差が、基準セット位置に対して±2mmとなっている。   For example, in the spindle apparatus as an embodiment, the inner diameter of the angular bearings 21 to 24 is φ70 mm, the outer diameter of the encoder 72 between the angular ball bearings 22 and 23 is φ80 mm (diameter thickness 5 mm), The number of sets is 5, and the inclination angle θ of each individualized portion 75a, 75b is 45 °. Further, an error in the axial relative position between the center position of the encoder 72 in the width direction and the center position of the sensor 100 obtained by stacking parts by general finishing is ± 2 mm with respect to the reference set position.

このようなスピンドル装置では、検出精度(検出感度)が図9から1.5μmであり、また、実際の軸方向相対位置の誤差±2mmが、図8から与えられる軸方向相対位置のレンジ±3.6mm以下であるので、検出装置としての機能を満足することができる。   In such a spindle apparatus, the detection accuracy (detection sensitivity) is 1.5 μm from FIG. 9, and the actual axial relative position error ± 2 mm is the axial relative position range ± 3 given from FIG. 8. Since it is .6 mm or less, the function as a detection device can be satisfied.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like can be made as appropriate. In addition, the material, shape, dimensions, number, arrangement location, and the like of each component in the above-described embodiment are arbitrary and are not limited as long as the present invention can be achieved.

3 切削工具
3a 切削部
10 スピンドル装置
11 主軸
72 エンコーダ
50 ハウジング
75 被検出部
75a,75b 個性化部分(距離変化部)
100 センサ
105 ホールIC(検出部)
105a,105b 磁気検出素子
107 永久磁石
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Cutting tool 3a Cutting part 10 Spindle apparatus 11 Spindle 72 Encoder 50 Housing 75 Detected part 75a, 75b Individualization part (distance changing part)
100 sensor 105 Hall IC (detector)
105a, 105b Magnetic detection element 107 Permanent magnet

Claims (2)

回転しないハウジングと、
軸方向に予圧が付与された転がり軸受により前記ハウジングに回転自在に支持された主軸と、
前記主軸の先端部に前記主軸と同心に支持固定され、複数の切削部が円周方向に関して等間隔に設けられた切削工具と、
前記主軸と一体に回転すると共に、前記主軸と同心の被検出面を有するエンコーダと、
前記エンコーダの被検出面に検出部を対向させた状態で前記ハウジングに支持され、前記被検出面の特性の変化に応じた信号を出力するセンサと、
前記センサの出力信号が変化するパターンに基づいて前記主軸に作用するアキシャル荷重を算出する演算手段と、
を備えた工作機械のスピンドル装置において、
前記エンコーダの被検出面には、それぞれが他の部分とは特性が異なる1対の個性化部分より成る複数組の被検出部が円周方向に等間隔で形成され、
前記各1対の個性化部分は、前記1対の個性化部分同士の円周方向に関する間隔が軸方向に連続的に変化するように、前記エンコーダの軸方向に対して互いに逆方向に略同じ角度で傾斜したハの字状に形成され、
前記切削工具に設けられた切削部の数mを前記エンコーダの被検出面に存在する被検出部の組数nで除した数m/nは、非整数に設定され、且つ、
前記各個性化部分が円周方向に平行な線と交差する傾斜角度は30°〜70°の範囲に設定されていることを特徴とする工作機械のスピンドル装置。
A non-rotating housing,
A main shaft rotatably supported on the housing by a rolling bearing provided with a preload in the axial direction;
A cutting tool which is supported and fixed concentrically with the main shaft at the tip of the main shaft, and a plurality of cutting portions are provided at equal intervals in the circumferential direction;
An encoder that rotates integrally with the main shaft and has a detected surface concentric with the main shaft;
A sensor that is supported by the housing in a state in which a detection unit faces the detection surface of the encoder, and outputs a signal according to a change in characteristics of the detection surface;
Arithmetic means for calculating an axial load acting on the spindle based on a pattern in which the output signal of the sensor changes;
In a spindle device of a machine tool equipped with
On the detected surface of the encoder, a plurality of sets of detected portions each formed of a pair of individualized portions having different characteristics from the other portions are formed at equal intervals in the circumferential direction,
Each of the pair of individualized portions is substantially the same in the opposite direction to the axial direction of the encoder so that the interval in the circumferential direction between the pair of individualized portions continuously changes in the axial direction. It is formed in a square shape that is inclined at an angle,
The number m / n obtained by dividing the number m of cutting parts provided in the cutting tool by the number n of detected parts present on the detected surface of the encoder is set to a non-integer, and
A spindle device for a machine tool, wherein an inclination angle at which each individualized portion intersects a line parallel to the circumferential direction is set in a range of 30 ° to 70 °.
前記転がり軸受の内径が40mm〜120mmであることを特徴とする請求項1に記載の工作機械のスピンドル装置。   2. The spindle device for a machine tool according to claim 1, wherein an inner diameter of the rolling bearing is 40 mm to 120 mm.
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