JP6007953B2 - 送りねじ装置の軸方向剛性変化抑制方法 - Google Patents

Description

この発明は送りねじ装置に関する。

送りねじ装置は、ねじ軸と、ねじ軸が挿通され、ねじ軸の螺旋溝と面接触するか転動体（ボールまたはローラ）を介して点接触する螺旋溝を有するナットと、ねじ軸の軸方向一端に軸継手を介して結合されたモータと、を有し、モータの回転をナットの直線運動に変換する装置である。
工作機械等で使用される一般的な送りねじ装置は、例えば図１０に示すように、ねじ軸１の螺旋溝１１とナット２の螺旋溝がボールを介して点接触するボールねじ送り構造を有する。

この送りねじ装置１００では、ねじ軸１の軸方向一端部であるモータ側端部１２が、複列アンギュラ玉軸受６とハウジング７により、基台８に対して、軸方向変位が拘束された状態で回転自在に支持されている。また、ねじ軸１の軸方向他端部である反モータ側端部１３が、深溝玉軸受４とハウジング５により、基台８に対して、軸方向変位が許容された状態で回転自在に支持されている。

このような従来の送りねじ装置には、軸方向剛性がナットのストローク位置（ナットが直線移動する範囲での位置）で大きく変化するという問題点がある。
この問題点を解消するために、特許文献１には、送りねじを両端支持し（ねじ軸の軸方向両端を、基台に対して軸方向変位が拘束された状態で回転自在に支持し）、送りねじの両端（ねじ軸の軸方向両端）に各々サーボモータを駆動連結して、両サーボモータを相互に同期駆動する送りねじの駆動方法が提案されている。

特開平１０−８６０２７号公報

特許文献１に記載された提案では、モータをねじ軸の軸方向両端に設ける必要があることや、モータを同期駆動するための複雑な制御機構が必要であること等により、従来の送りねじ装置よりもコストが高くなることは避けられない。
この発明の課題は、従来の送りねじ装置と比較して大きなコスト増とならない（従来の送りねじ装置と同じコストかより低いコスト、あるいは特許文献１の方法との比較で低コストな）方法で、軸方向剛性のストローク位置による変化が抑制された送りねじ装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明の一態様の送りねじ装置は、下記の構成(1) 〜(3) を有することを特徴とする。
(1) ねじ軸と、前記ねじ軸が挿通され、前記ねじ軸の螺旋溝と面接触するか転動体を介して点接触する螺旋溝を有するナットと、前記ねじ軸の軸方向一端に軸継手を介して結合されたモータと、を有し、前記モータの回転を前記ナットの直線運動に変換する。
(2) 前記ねじ軸の軸方向一端部であるモータ側端部は、基台に対して、軸方向変位が許容された状態で回転自在に支持されている。

(3) 前記ねじ軸の軸方向他端部である反モータ側端部は、基台に対して、軸方向変位が拘束された状態で回転自在に支持されている。
この送りねじ装置は、上記構成(1) 〜(3) を有することで、従来の送りねじ装置と比較して、軸方向剛性のストローク位置による変化が抑制される。また、この送りねじ装置は、従来の送りねじ装置と同じ構成部品を用い、従来の送りねじ装置におけるねじ軸のモータ側端部での基台に対する支持状態と反モータ側端部での基台に対する支持状態を反対にして組み立てることで得られる。
この発明の別の態様の送りねじ装置は、上記構成(1) (3) と下記の構成(4) を有することを特徴とする。

(4) 前記ねじ軸の軸方向一端部であるモータ側端部は、基台に対して支持されていない。
この送りねじ装置は、上記構成(1)(3)(4) を有することで、従来の送りねじ装置と比較して、軸方向剛性のストローク位置による変化が抑制される。また、この送りねじ装置は、モータが結合される側を支持する部品が不要なため、従来の送りねじ装置よりも低いコストで得ることができる。

上記各態様の送りねじ装置は、下記の構成(5) または(6) を有することができる。
(5) 前記ねじ軸のリード（Ｌ）とねじ軸の外径（Ａ）との関係が下記の(1) 式を満たす。
０．８６Ａ≦Ｌ≦１．７５Ａ…(1)
(6) 前記軸継手は、前記ねじ軸の軸方向変位を吸収可能な構造を有する。

この発明によれば、従来の送りねじ装置と比較して大きなコスト増とならない方法で、軸方向剛性のストローク位置による変化が抑制された送りねじ装置が提供される。

第一実施形態の送りねじ装置を示す概略構成図である。 送りねじ装置を有する工作機械を示す平面図である。 図１の送りねじ装置について、軸方向変位および軸方向剛性とストローク位置との関係を示すグラフである。 実施形態の送りねじ装置のストローク位置での軸方向剛性の変化（Ｇ１）と、従来の送りねじ装置のストローク位置での軸方向剛性の変化（Ｇ２）を比較したグラフである。 図３に示す(c) の変位による剛性（Ｇｃ）と(d) の変位による剛性（Ｇｄ）との比（Ｇｄ／Ｇｃ）が０．４以上１．６以下の範囲となる、ねじ軸の外径とリードとの関係を示すグラフである。 第二実施形態の送りねじ装置（図２の工作機械を構成する送りねじ装置の一例）を示す側面図である。 第三実施形態の送りねじ装置（図２の工作機械を構成する送りねじ装置の一例）を示す側面図である。 第三実施形態の送りねじ装置を構成するモータ側端部を支持する軸受の一例を示す断面図である。 第三実施形態の送りねじ装置を構成するモータ側端部を支持する軸受の一例を示す断面図である。 従来の送りねじ装置を示す概略構成図である。 図１０の送りねじ装置について、軸方向変位および軸方向剛性とストローク位置との関係を示すグラフである。

以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
［第一実施形態］
図１に示すように、この実施形態の送りねじ装置１０は、ねじ軸１と、ナット２と、モータ３と、深溝玉軸受４と、深溝玉軸受４のハウジング５と、複列アンギュラ玉軸受６と、複列アンギュラ玉軸受６のハウジング７を有する。この送りねじ装置１０は、ねじ軸１がナット２に挿通され、ねじ軸１の螺旋溝１１とナット２の螺旋溝がボール（転動体）を介して点接触するボールねじ送り構造を有する。

ねじ軸１の軸方向一端に、軸継手３１を介してモータ３が結合されている。軸継手３１は、ねじ軸１の軸方向変位が吸収できる構造を有する。軸継手３１としては、板ばね式カップリング、オルダムカップリング（中間体の突出部とこれが嵌まる溝との間に軸方向隙間を設けて設置）、キー固定されたリジットカップリングが例示できる。軸継手３１によるねじ軸１とモータ３との結合部分は、基台８に固定されたハウジング３２内に配置されている。

深溝玉軸受４の内輪が、ねじ軸１の軸方向一端部であるモータ側端部１２に固定され、深溝玉軸受４の外輪が固定されたハウジング５の下部が、基台８に固定されている。これにより、ねじ軸１のモータ側端部１２が、基台８に対して、軸方向変位が許容された状態で回転自在に支持されている。
複列アンギュラ玉軸受６は、ＤＦ形（正面組合せ）で組み合わされた二個のアンギュラ玉軸受からなる。ハウジング７は、複列アンギュラ玉軸受６の外輪の軸方向端面を拘束する肩部を有する。複列アンギュラ玉軸受６の内輪が、ねじ軸１の軸方向他端部である反モータ端部１３に固定され、複列アンギュラ玉軸受６の外輪が固定されたハウジング７の下部が、基台８に固定されている。これにより、ねじ軸１の反モータ側端部１３が、基台８に対して、軸方向変位が拘束された状態で回転自在に支持されている。

この送りねじ装置１０は、例えば図２に示す工作機械２０において、テーブル１５を往復移動する移動機構として使用される。図２に示す工作機械２０は、テーブル１５の往復移動を案内する一対のリニアガイド装置を有する。各リニアガイド装置は案内レール３４と二個のスライダ３５を有する。
送りねじ装置１０のナット２に、円筒部９１と円筒部９１の径方向に延びるテーブル取付部９２とを有するブラケット９を介して、テーブル１５が固定されている。テーブル取付部９２を基台８の反対側に向けて、ブラケット９の円筒部９１がナット２の外側に嵌合され、テーブル取付部９２にテーブル１５が固定されている。

モータ３を所定の制御プログラムで駆動することにより、ねじ軸１が回転し、ボールねじ機構によりナット２がストローク範囲で往復直線運動する。これに伴って、テーブル１５がねじ軸１に沿って往復移動し、各リニアガイド装置がテーブル１５の往復移動を案内する。

＜送りねじ装置の軸方向剛性について＞
送りねじ装置の送り系全体における軸方向剛性は、送り系を構成する部品の軸方向変位の和によって決まる。構成部品の変位としては、(a) 固定軸受の軸方向変位と、(b) ナットとねじ軸との間に作用する力に伴うナットの軸方向変位と、(c) ねじ軸に圧縮力または引張力が作用することで生じるねじ軸の軸方向変位と、(d) ねじ軸のねじり変形に伴うナットの軸方向変位がある。

(d) の変位は、ねじ軸が回転しない状態でナットに固定されたテーブルに軸方向荷重が加わった場合に、ねじ軸がナットからトルクを受けてねじり変形することに伴ってナットに生じる軸方向変位である。
ここで、図１の送りねじ装置１０に、１０ｋＮの軸方向荷重を加えた場合の(a) 〜(d) の軸方向変位および軸方向剛性と、ストローク位置との関係を調べた。送りねじ装置１０の構成は、ねじ軸１の外径が４０ｍｍでリードが４０ｍｍ、ナット２のストロークが１０００ｍｍ、深溝玉軸受４が日本精工（株）の型番６２０６（許容ラジアル荷重１９５００Ｎ、許容回転数７５００ｒｐｍ）、複列アンギュラ玉軸受６が同型番３０ＴＡＣ６２Ｂ（許容アキシャル荷重４３０００Ｎ、許容回転数３０００ｒｐｍ）とした。

その結果を図３に示す。図３のストローク位置は、反モータ側（図１の左側）のストローク端を「０」とし、モータ側（図１の右側）のストローク端を「１」とした相対位置を示す。
図３に示すように、(a) および(b) の軸方向変位は、全ストローク範囲でそれぞれ１０μｍ程度で一定であるが、(c) の軸方向変位は、左端が０で右に向かうにつれて直線状に増加して右端で最大の５２μｍ程度となっている。(d) の軸方向変位は、左端が５２μｍ程度で最大となり、右に向かうにつれて直線状に減少して右端で最小の１５μｍ程度となっている。また、構成部品の軸方向変位の和は、左端で７２μｍ程度、右端で８７μｍ程度となり、その差は５μｍ程度と小さい。

図３のラインＧ１は、ストローク範囲での軸方向剛性の変化を示す。ラインＧ１を見ると、軸方向剛性の最低値は１１６Ｎ／μｍ程度、最大値は１４０Ｎ／μｍ程度であり、軸方向剛性のストローク範囲での変化量は２４Ｎ／μｍ程度になっている。
比較例として、図１０に示す従来の送りねじ装置１００についても同じ条件での(a) 〜(d) の軸方向変位および軸方向剛性と、ストローク位置との関係を調べた。その結果を図１１に示す。

図１０に示す従来の送りねじ装置１００では、図１１に示すように、(a) 〜(c) の軸方向変位は図２と同じであるが、(d) の軸方向変位は、左端が最小の１５μｍ程度で、右に向かうにつれて直線状に増加して右端で最大の５２μｍ程度となっている。また、構成部品の軸方向変位の和は、左端で３４μｍ程度、右端で１２４μｍ程度となり、その差は９０μｍ程度と大きい。

図１１のラインＧ２は、ストローク範囲での軸方向剛性の変化を示す。ラインＧ２を見ると、軸方向剛性の最低値は８３Ｎ／μｍ程度、最大値は２９０Ｎ／μｍ程度であり、軸方向剛性のストローク範囲での変化量は２０７Ｎ／μｍ程度になっている。図４のグラフにおいて、ラインＧ１とラインＧ２が比較できる。
以上のことから、図１に示す第一実施形態の送りねじ装置１０は、図１０に示す従来の送りねじ装置１００と比較して、軸方向剛性のストローク位置による変化が小さくなっていると共に、軸方向剛性の最低値が大きくなっていることが分かる。

また、図１に示す送りねじ装置１０は、図１０に示す送りねじ装置１００と同じ構成部品からなり、モータ側と反モータ側とで軸受およびハウジングを逆に設置したものであるため、従来の送りねじ装置１００と同じコストで得られる。
なお、図３の結果は、外径とリードが同じねじ軸を用いた場合の結果であるが、(c) の変位で決まる剛性はねじ軸の外径に応じて変化し、(d) の変位で決まる剛性はねじ軸の外径とリードに応じて変化する。(d) の変位による剛性Ｇｄが(c) の変位による剛性Ｇｃの０．４倍以上１．６倍以下の範囲であれば、軸方向剛性のストローク位置による変化を抑制する効果が高いと考えられる。剛性の比（Ｇｄ／Ｇｃ）が０．４以上１．６以下の範囲となるねじ軸の外径（Ａ）とリード（Ｌ）との関係を計算した。

その結果、ねじ軸の外径（Ａ）とリード（Ｌ）との関係で０．４≦Ｇｄ／Ｇｃ≦１．６を満たす範囲は、図５のグラフで、Ｌ＝αＡのライン（α＝０．８６）上およびＬ＝βＡのライン（β＝１．７５）上となる関係と、両ラインの間の範囲となる関係であることが分かった。よって、ねじ軸のリード（Ｌ）とねじ軸の外径（Ａ）との関係が下記の(1) 式を満たす送りねじ装置であれば、軸方向剛性のストローク位置による変化を抑制する効果が高い。
０．８６Ａ≦Ｌ≦１．７５Ａ…(1)

［第二実施形態］
図６に示す送りねじ装置１０Ａは、図２の工作機械を構成する送りねじ装置であって、ねじ軸１と、ナット２と、モータ３と、ハウジング７と、ハウジング７とねじ軸１との間に配置された軸受を有する。この送りねじ装置１０Ａは、ねじ軸１がナット２に挿通され、ねじ軸１の螺旋溝とナット２の螺旋溝がボール（転動体）を介して点接触するボールねじ送り構造を有する。ねじ軸１の軸方向一端に、軸継手３１を介してモータ３が結合されている。

ねじ軸１の軸方向一端部であるモータ側端部１２と基台８との間には、軸受およびハウジングが設置されていない。つまり、ねじ軸１のモータ側端部１２は、基台８に対して支持されていない。ねじ軸１の軸方向他端部である反モータ側端部１３は、図１の送りねじ装置１０と同様に、複列アンギュラ玉軸受６と、その外輪の軸方向端面を拘束する肩部を有するハウジング７により、基台８に対して、軸方向変位が拘束された状態で回転自在に支持されている。

そのため、第二実施形態の送りねじ装置１０Ａは、図１０に示す従来の送りねじ装置１００と比較して、軸方向剛性のストローク位置による変化が小さくなっていると共に、軸方向剛性の最低値が大きくなっている。
また、第二実施形態の送りねじ装置１０Ａは、ねじ軸１のモータ側端部１２を支持する軸受およびハウジングが不要であるため、図１０に示す送りねじ装置１００よりも低いコストで得られる。

［第三実施形態］
図７に示す送りねじ装置１０Ｂは、図２の工作機械を構成する送りねじ装置であって、ねじ軸１と、ナット２と、モータ３と、ハウジング７，５０と、ハウジング７，５０とねじ軸１との間に配置された各軸受を有する。この送りねじ装置１０Ｂは、ねじ軸１がナット２に挿通され、ねじ軸１の螺旋溝とナット２の螺旋溝がボール（転動体）を介して点接触するボールねじ送り構造を有する。ねじ軸１の軸方向一端に、軸継手３１を介してモータ３が結合されている。

ねじ軸１の軸方向一端部であるモータ側端部１２は、複列の玉軸受とそのハウジング５０により、基台８に対して、軸方向変位が許容された状態で回転自在に支持されている。複列の玉軸受の具体例としては、図８に示すＤＢ形（背面組合せ）で組み合わされた二個のアンギュラ玉軸受６０と、図９に示す二個の深溝玉軸受４０が例示できる。ハウジング５０は、アンギュラ玉軸受６０の外輪の軸方向端面を拘束する肩部を有さない。

ねじ軸１の軸方向他端部である反モータ側端部１３は、図１の送りねじ装置１０と同様に、複列アンギュラ玉軸受６と、その外輪の軸方向端面を拘束する肩部を有するハウジング７により、基台８に対して、軸方向変位が拘束された状態で回転自在に支持されている。
そのため、第三実施形態の送りねじ装置１０Ｂは、図１０に示す従来の送りねじ装置１００と比較して、軸方向剛性のストローク位置による変化が小さくなっていると共に、軸方向剛性の最低値が大きくなっている。

また、ねじ軸１のモータ側端部１２が、一個の深溝玉軸受４で支持されている第一実施形態の送りねじ装置１０と、軸受で支持されていない第二実施形態の送りねじ装置１０Ａでは、モータ３の振動が送り系へ伝播し易い。これに対して、第三実施形態の送りねじ装置１０Ｂは、ねじ軸１のモータ側端部１２が複列の玉軸受で支持されていることにより、モータ３の振動が送り系へ伝播することが防止できる。
さらに、第三実施形態の送りねじ装置１０Ｂは、図１０に示す送りねじ装置１００に対しては僅かなコスト増で得られ、特許文献１の方法で得られる送りねじ装置よりも低コストで得られる。

１ ねじ軸
１０ 送りねじ装置
１０Ａ 送りねじ装置
１０Ｂ 送りねじ装置
１００ 送りねじ装置
１１ ねじ軸の螺旋溝
１２ ねじ軸の軸方向一端（モータ側端部）
１３ ねじ軸の軸方向他端（反モータ側端部）
１５ テーブル
２ ナット
２０ 工作機械
３ モータ
３１ 軸継手
３２ ハウジング
３４ 案内レール
３５ スライダ
４ 深溝玉軸受
４０ 複列の深溝玉軸受
５ ハウジング
５０ ハウジング
６ ＤＦ形の複列アンギュラ玉軸受
６０ ＤＢ形の複列アンギュラ玉軸受
７ ハウジング
８ 基台
９ ブラケット
９１ 円筒部
９２ テーブル取付部

Claims (2)

1. ねじ軸と、前記ねじ軸が挿通され、前記ねじ軸の螺旋溝と面接触するか転動体を介して点接触する螺旋溝を有するナットと、前記ねじ軸の軸方向一端に軸継手を介して結合されたモータと、を有し、前記モータの回転を前記ナットの直線運動に変換する送りねじ装置の、軸方向剛性のストローク位置による変化を抑制する方法であって、
   前記ねじ軸のリード（Ｌ）と前記ねじ軸の外径（Ａ）との関係が下記の(1) 式を満たすものとすることに加えて、
   前記ねじ軸の軸方向一端部であるモータ側端部を、基台に対して、軸方向変位が許容された状態で回転自在に支持することと、前記ねじ軸の軸方向他端部である反モータ側端部を、前記基台に対して、軸方向変位が拘束された状態で回転自在に支持することにより、前記送りねじ装置の軸方向剛性のストローク位置による変化を抑制する送りねじ装置の軸方向剛性変化抑制方法。
   ０．８６Ａ≦Ｌ≦１．７５Ａ…(1)
2. ねじ軸と、前記ねじ軸が挿通され、前記ねじ軸の螺旋溝と面接触するか転動体を介して点接触する螺旋溝を有するナットと、前記ねじ軸の軸方向一端に軸継手を介して結合されたモータと、を有し、前記モータの回転を前記ナットの直線運動に変換する送りねじ装置の、軸方向剛性のストローク位置による変化を抑制する方法であって、
   前記ねじ軸のリード（Ｌ）と前記ねじ軸の外径（Ａ）との関係が下記の(1) 式を満たすものとすることに加えて、
   前記ねじ軸の軸方向一端部であるモータ側端部を、基台に対して支持しないことと、前記ねじ軸の軸方向他端部である反モータ側端部を、前記基台に対して、軸方向変位が拘束された状態で回転自在に支持することにより、前記送りねじ装置の軸方向剛性のストローク位置による変化を抑制する送りねじ装置の軸方向剛性変化抑制方法。
   ０．８６Ａ≦Ｌ≦１．７５Ａ…(1)

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