JP5748488B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、中繰り主軸を有する主軸装置に関する。

加工対象のワークを加工する工作機械の１つとして、中繰り主軸を有する主軸装置を備えた横中繰り盤等の工作機械が知られている。

ここで、図２〜図３を参照して、横中繰り盤及び中繰り主軸を有する主軸装置について説明する。
図２（ａ）、（ｂ）の概略構成図に示すように、横中繰り盤１０は、床面に固定されたベッド１１上に水平方向（Ｘ軸方向）に移動可能にコラムベース１２が設けられ、コラムベース１２上にコラム１３が立設されている。コラム１３の１つの側面には、鉛直方向（Ｙ軸方向）に移動可能にサドル１４が支持されており、このサドル１４には、水平方向（Ｚ軸方向）に移動可能にラム１５が支持されている。

ラム１５内には、水平方向（Ｚ軸方向）に移動可能、かつ、軸芯周りに回転可能に支持された中繰り主軸１６が設けられており、その先端は、工具（図示省略）が着脱可能となっている。加工を行う際には、装着した工具と共に中繰り主軸１６を回転させながら、コラムベース１２、サドル１４、ラム１５を、各々、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させて、加工対象のワークに所望の加工を行うことになる。この加工の際、中繰り主軸１６は、その軸芯から切削油等を供給できる構造となっている。

中繰り主軸１６は、通常、主軸先端１６ａから１ｍ以上の長さがある。そして、図３の断面図に示すように、中繰り主軸１６は円筒状の主軸サポート１７の内周側に挿入されており、この主軸サポート１７が、軸受１８、１９を介して、ラム１５の筐体１５ａの内側に支持されている。又、中繰り主軸１６の外周面と主軸サポート１７の内周面とは、キー結合又はスプライン結合（図示省略）で連結されている。

又、中繰り主軸１６の後端側は、軸受２０を介して、ガイドブロック２１の内側に支持されており、ガイドブロック２１は、筐体１５ａの内部に設けられたガイドレール２２によりＺ軸方向に移動可能に支持されている。又、ガイドブロック２１は、筐体１５ａ内部に設けられたボールネジ２３を回転させることによりＺ軸方向に移動可能であり、ガイドブロック２１の移動と共に中繰り主軸１６も移動することになる。

従って、軸受１８、２０、１９により、中繰り主軸１６は主軸サポート１７と共に回転可能となっており、又、主軸サポート１７、ガイドブロック２１、ガイドレール２２及びボールネジ２３とにより、中繰り主軸１６はＺ軸方向に移動可能となっている。このような構造により、中繰り主軸１６は、その軸芯周りに高速で回転しながら、Ｚ軸方向に移動可能となっている。

特開平９−２０８４７号公報

中繰り主軸１６には、例えば、以下のような発熱を原因とし、その発熱の影響により熱変位するという問題がある。

（１）中繰り主軸１６が回転した場合、中繰り主軸１６及び主軸サポート１７を支持する軸受１８、２０、１９が発熱し、この熱が中繰り主軸１６に伝わって、中繰り主軸１６が熱変位する。
（２）切削加工の際、中繰り主軸１６に装着したツールが発熱し、この熱が中繰り主軸１６に伝わって、中繰り主軸１６が熱変位する。
（３）中繰り主軸１６の軸芯を通る切削油等は周辺温度に比べ発熱している場合があり、このような場合、この熱が中繰り主軸１６に伝わって、中繰り主軸１６が熱変位する。

前述したように、中繰り主軸１６及び主軸サポート１７は軸受１８、１９、２０により支持されており、中繰り主軸１６の全長に渡って、少なくとも３ケ所以上の位置で支持されている。中でも、軸受２０は、中繰り主軸１６のＺ軸方向の移動を抑制し、切削反力を支持するためのものであり、中繰り主軸１６の主軸先端１６ａと反対側の後端側に配置されている。そのため、中繰り主軸１６が熱変位するときには、後端側の軸受２０を基準として、主軸先端１６ａがＺ軸＋方向に熱変位することになる。例えば、中繰り主軸１６が、主軸先端１６ａから１ｍ程度の長さである場合には、Ｚ軸＋方向に０．５ｍｍ程度の熱変位が生じる。このように、主軸先端１６ａが熱変位することにより、主軸先端１６ａの位置に誤差が生じるため、何らかの補正が必要となる。

ところが、構造上、中繰り主軸１６の主軸先端１６ａの熱変位を直接測定することは困難である。そのため、特許文献１においては、中繰り主軸及び主軸サポートを支持する軸受の温度変化量を測定し、この温度変化量から中繰り主軸の熱変位量を推定し、主軸先端の機械座標位置を補正している。しかしながら、軸受から中繰り主軸への伝熱には遅れが生じるため、主軸先端の熱変位と時間的な誤差が生じてしまう。又、主軸先端の熱変位量は、軸受の温度変化量を用いて、主軸サポートを介した伝熱に基づく伝熱式より推定されるため、実際の値との誤差が生じてしまう。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、中繰り主軸の熱変位量を、応答性良く、より正確に把握し、より高い加工精度を得ることができる主軸装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る主軸装置は、
先端に工具が装着可能な中繰り主軸と、
全長に渡って、前記中繰り主軸と全周で接するように、前記中繰り主軸の外周に設けられ、前記中繰り主軸の前端側の範囲において、前記中繰り主軸を軸方向に摺動可能に支持すると共に前記中繰り主軸と共に回転する主軸サポートと、
前記主軸サポートの外周側を回転可能に支持する筐体と、
前記筐体を冷却する構造と、
前記中繰り主軸の主軸先端の機械座標位置を補正する制御装置とを有する主軸装置において、
前記主軸サポートの端部の軸方向の熱変位量を測定する熱変位量測定手段を設け、
前記制御装置は、前記熱変位量測定手段により測定された前記熱変位量に基づいて、前記主軸先端の機械座標位置を補正することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る主軸装置は、
上記第１の発明に記載の主軸装置において、
前記主軸サポートを回転可能に支持する軸受であって、前記主軸サポートの軸方向への移動を抑制する軸受を前記主軸先端側の前記筐体に設けた場合、前記熱変位量測定手段を前記主軸サポートの後端側の前記筐体へ設け、前記主軸サポートの後端部の軸方向の熱変位量を測定することを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る主軸装置は、
上記第１、第２の発明に記載の主軸装置において、
前記制御装置は、前記熱変位量を減算することにより、前記主軸先端の機械座標位置を補正することを特徴とする。

本発明によれば、中繰り主軸の熱変位量と等しい又は略等しい（少なくとも比例関係にある）主軸サポートの熱変位量を測定し、当該熱変位量を用いて、主軸先端の機械座標位置を補正するので、中繰り主軸の熱変位量を、応答性良く、より正確に把握し、より高い加工精度を得ることができる。

本発明に係る主軸装置の実施形態の一例を示す断面図である。 主軸装置を有する横中繰り盤の概略図であり、（ａ）はＺ軸方向から見た側面図であり、（ｂ）はＸ軸方向から見た側面図である。 従来の主軸装置の断面図である。

本発明においては、加工時の発熱の影響により中繰り主軸の主軸先端の位置がＺ軸方向に熱変位する問題に対して、中繰り主軸の熱変位量と等しい又は略等しい（少なくとも比例関係にある）主軸サポートの熱変位量を直接測定し、測定した主軸サポートの熱変位量を用いて、数値制御（ＮＣ）を行う制御装置により、主軸先端の機械座標位置を補正するようにしている。以下、本発明に係る主軸装置の実施形態について、図１を参照して説明を行う。

（実施例１）
本実施例の主軸装置は中繰り主軸を有するものであり、横中繰り盤等の工作機械に適用されるものである。例えば、前述した図２の横中繰り盤１０等に適用される。従って、ここでは、一例として、図２で示した横中繰り盤１０を前提として説明を行うので、工作機械自体の説明は省略する。又、本実施例の主軸装置は、図３で示した従来の主軸装置と略同等の構成であるので、同等の構成要素には同じ符号を付して説明を行う。

本実施例の主軸装置も、従来の主軸装置と同様に、ラム１５の内部に、水平方向（Ｚ軸方向）に移動可能、かつ、軸芯周りに回転可能に支持された中繰り主軸１６を有する。中繰り主軸１６の主軸先端１６ａは、工具（図示省略）が着脱可能となっており、加工を行う際には、装着した工具と共に中繰り主軸１６を回転させながら、加工対象のワークに所望の加工を行うことになる。又、図示を省略しているが、加工の際に、中繰り主軸１６の軸芯から切削油等を供給できる構造となっている。

又、図１の断面図に示すように、中繰り主軸１６の前端側の外周側は、円筒状の主軸サポート１７の内周側に挿入されており、この主軸サポート１７の外周側が、軸受１８、１９を介して、ラム１５の筐体１５ａの内側に支持されている。又、中繰り主軸１６の外周面と主軸サポート１７の内周面とは、キー結合又はスプライン結合（図示省略）で連結されている。つまり、主軸サポート１７は中繰り主軸１６を支え、その内周面は中繰り主軸１６がＺ軸方向に移動する際の摺動部となり、又、キー結合又はスプライン結合により、中繰り主軸１６及び主軸サポート１７が共に回転することになる。

又、中繰り主軸１６の後端側の外周側は、軸受２０を介して、ガイドブロック２１の内側に支持されており、ガイドブロック２１は、筐体１５ａの内部に設けられたガイドレール２２によりＺ軸方向に移動可能に支持されている。又、ガイドブロック２１は、筐体１５ａ内部に設けられたボールネジ２３を、図示省略したサブモータを用いて回転させることによりＺ軸方向に移動可能であり、ガイドブロック２１の移動と共に中繰り主軸１６も移動することになる。又、図示は省略しているが、中繰り主軸１６は、変速機等を介して、メインモータと接続されており、メインモータを駆動することにより、中繰り主軸１６は回転されることになる。

従って、軸受１８、２０、１９により、中繰り主軸１６は主軸サポート１７と共に回転可能となっており、又、主軸サポート１７、ガイドブロック２１、ガイドレール２２及びボールネジ２３とにより、中繰り主軸１６はＺ軸方向に移動可能（摺動可能）となっている。このような構造により、中繰り主軸１６は、その軸芯周りに高速で回転しながら、Ｚ軸方向に移動可能となっている。

上述したように、中繰り主軸１６及び主軸サポート１７は軸受１８、１９、２０により支持されており、中繰り主軸１６の全長に渡って、少なくとも３ケ所以上の位置で支持されている。本実施例において、軸受１８は、例えば、複数列のアンギュラ軸受であり、主軸サポート１７のＺ軸方向の移動を抑制する。一方、軸受１９は、例えば、複数列の円筒コロ軸受であり、主軸サポート１７のＺ軸方向の移動は抑制していない。又、軸受２０も、複数列のアンギュラ軸受であり、中繰り主軸１６のＺ軸方向の移動を抑制し、かつ、切削反力を支持している。

従って、発熱の影響により熱変位が生じる場合、中繰り主軸１６は、主軸先端１６ａの反対の位置（後端側）に配置された軸受２０を基準として、主軸先端１６ａがＺ軸＋方向に熱変位することになる。一方、主軸サポート１７は、主軸先端１６ａ側に配置された軸受１８を基準として、中繰り主軸１６とは逆に、主軸サポート１７の後端がＺ軸−方向に熱変位することになる。主軸先端１６ａのＺ軸＋方向の熱変位量をδＡ、主軸サポート１７の後端のＺ軸−方向の熱変位量δＢとすると、以下の（式１）又は（式２）に示す関係となる。

δＡ≒δＢ ・・・（式１）
δＡ＝ｋ×δＢ ・・・（式２）
（ｋは１に近い比例係数）

これは、主軸サポート１７が、発熱による影響を最も受ける中繰り主軸１６の範囲を支持しているため、つまり、発熱量が大きい工具や軸受１８、１９がある中繰り主軸１６の前端側の範囲を支持しているため、主軸サポート１７が中繰り主軸１６と同等又は略同等の熱変位量を生じるからである。更に、主軸サポート１７が、その全長に渡って、中繰り主軸１６と全周で接しているため、両者間の熱伝達の遅れが小さい、つまり、中繰り主軸１６と主軸サポート１７との熱変位の時間的ずれが小さいと言う利点もある。従って、測定箇所としては、主軸サポート１７の後端の１ケ所のみで十分である。

以上のことから、本実施例においては、主軸サポート１７の後端のＺ軸方向の熱変位量δＢを測定する熱変位センサ３０を設けており、筐体１５ａの内側であって、主軸サポート１７の後端の熱変位量δＢを測定できる位置に、ブラケット３１を用いて取り付けている。この熱変位センサ３０は、主軸サポート１７の後端に接触して測定するセンサでも良いが、非接触で測定するセンサが望ましく、例えば、レーザ（光学）式変位センサ、渦電流（磁気）式変位センサ、超音波式変位センサ等が適用可能である。

なお、主軸装置においては、通常、ラム１５の筐体１５ａ（外輪側ブラケット）を冷却する構造としているので、熱変位センサ３０を取り付けている筐体１５ａ側の熱変位量は極めて小さい。従って、ラム１５本体が熱変位して、ブラケット３１が動くことはなく、センサ取付部分の熱変位による誤差要因を排除している。

そして、熱変位センサ３０で測定された熱変位量δＢは、ＮＣを行う制御装置３２に入力され、制御装置３２は、入力された熱変位量δＢを用い、上述した（式１）又は（式２）により、主軸先端１６ａの熱変位量δＡを算出し、算出した熱変位量δＡを減算することにより、主軸先端１６ａの機械座標位置を補正している。

主軸サポート１７の後端の熱変位量δＢを測定することは、中繰り主軸１６における熱変位量δＡを略直接的に測定することになり、応答性良く、より正確に、中繰り主軸１６の主軸先端１６ａの熱変位量δＡを把握することとなる。このようにして把握した熱変位量δＡは、実際の値との誤差が小さく、これを、ＮＣによる主軸先端１６ａの熱変位補正に使うことにより、より高い加工精度が得ることができる。

なお、本実施例においては、軸受１８をアンギュラ軸受としているので、この軸受１８を基準として、主軸サポート１７の後端がＺ軸−方向に熱変位するが、例えば、主軸サポート１７の前端側の軸受１８を円筒コロ軸受とし、後端側の軸受１９をアンギュラ軸受とする場合には、軸受１９を基準として、主軸サポート１７の前端がＺ軸＋方向に熱変位するので、その場合には、主軸サポート１７の前端の熱変位量を測定できる位置に、熱変位センサ３０を取り付けるようにすればよい。

本発明は、中繰り主軸を有する主軸装置を備えた工作機械、例えば、横中繰り盤等であれば、どのようなものにも適用可能である。

１０ 横中繰り盤
１５ ラム
１６ 中繰り主軸
１６ａ 主軸先端
１７ 主軸サポート
１８、１９、２０ 軸受
３０ 熱変位センサ
３２ 制御装置

Claims (3)

1. 先端に工具が装着可能な中繰り主軸と、
   全長に渡って、前記中繰り主軸と全周で接するように、前記中繰り主軸の外周に設けられ、前記中繰り主軸の前端側の範囲において、前記中繰り主軸を軸方向に摺動可能に支持すると共に前記中繰り主軸と共に回転する主軸サポートと、
   前記主軸サポートの外周側を回転可能に支持する筐体と、
   前記筐体を冷却する構造と、
   前記中繰り主軸の主軸先端の機械座標位置を補正する制御装置とを有する主軸装置において、
   前記主軸サポートの端部の軸方向の熱変位量を測定する熱変位量測定手段を設け、
   前記制御装置は、前記熱変位量測定手段により測定された前記熱変位量に基づいて、前記主軸先端の機械座標位置を補正することを特徴とする主軸装置。
2. 請求項１に記載の主軸装置において、
   前記主軸サポートを回転可能に支持する軸受であって、前記主軸サポートの軸方向への移動を抑制する軸受を前記主軸先端側の前記筐体に設けた場合、前記熱変位量測定手段を前記主軸サポートの後端側の前記筐体へ設け、前記主軸サポートの後端部の軸方向の熱変位量を測定することを特徴とする主軸装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の主軸装置において、
   前記制御装置は、前記熱変位量を減算することにより、前記主軸先端の機械座標位置を補正することを特徴とする主軸装置。

Images