JP6662500B1 - 軸受装置及び工作機械の主軸装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このような工作機械の運転中の軸荷重を測定する技術は、これまで数多く提案されており、その中でも特許文献1(特開2010−217167号公報)に記載された先行技術のように、軸荷重を直接測定するのではなく、軸のアキシャル方向変位量を計測し、軸受等の剛性値を乗算することで軸荷重量を算出する技術が注目を集めている。
また、特許文献2(特許第3662741号公報)に記載された先行技術には、磁気軸受及び静圧気体軸受によって非接触で支持する静圧磁気複合軸受のロータ変位を測定して磁気軸受のコイルに供給する電流を制御することが記載されている。ここで、ロータ変位の測定は、静圧気体軸受の直径方向の両側に対向する静圧気体軸受面における静圧の圧力差を圧力センサで測定し、この測定値からロータのラジアル方向変位を求めるようにしている。
また、工作機械のスピンドルは切削荷重に対し、高剛性を要求される部位である。また、切削荷重による軸変位も数μm程度であるので、その軸変位測定も高精度、高分解能が要求されるため、コストが嵩むことになる。
そこで、本発明は、上述した先行技術の課題に着目してなされたものであり、回転部材を転がり軸受で支持する場合に、回転部材のアキシャル方向変位を、回転部材の近傍に測定部を配置することなく、非接触で且つ高精度で測定することができる軸受装置及び工作機械の主軸装置を提供することを目的としている。
また、本発明の一態様に係る工作機械の主軸装置は、上記構成を有する軸受装置を備え、この軸受装置によって主軸を回転部材として回転自在に支持し、主軸に負荷されたアキシャル荷重を測定する。
また、本発明に係る工作機械の主軸装置では、上記軸受装置を使用して主軸を回転自在に支持するので、切削時に主軸のアキシャル方向変位を測定することにより、主軸に作用するアキシャル方向の荷重量を求めることができる。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
まず、本発明に係る工作機械の主軸装置の第1実施形態について図1、図2及び図3を伴って説明する。
工作機械の主軸装置10は、モータビルトイン方式であり、固定部材(静止部材)であるハウジング11に回転部材である中空状の回転軸(スピンドル軸)21が軸受装置を構成する前側転がり軸受31及び後側転がり軸受41によって回転自在に支持されている。回転軸21は、前側転がり軸受31と後側転がり軸受41との間に配置された駆動モータ51によって回転駆動される。
前側円筒部12は、外径が小さい前側の小外径部12aと外径が小外径部12aに比較して大きい後側の大外径部12bとで構成されている。これら小外径部12a及び大外径部12bの内周面は、等しい内径に形成されているが、小外径部12aの前端側から後端側にかけて前側転がり軸受31を収納する軸受収納段差部12cが形成されている。
後側円筒部13は、逆に、内径が大きい大内径部13aと内径が大内径部13aより小さい小内径部13bとで形成されている。
各アンギュラ玉軸受31a及び31bは、ハウジング11の前側円筒部12に形成された軸受収納段差部12cに外輪側間座36を介して外輪33が内嵌され、ハウジング11の前側円筒部12にボルト締めされた前側軸受外輪押え37によって固定されている。
また、各アンギュラ玉軸受31a及び31bの内輪34は、回転軸21に内輪側間座38を介して外嵌され、回転軸21に締結されたナット39によって回転軸21に固定されている。アンギュラ玉軸受31a及び31bは、ナット39によって定位置予圧が負荷されている。したがって、前側転がり軸受31によって回転軸21の軸方向位置が位置決めされている。
駆動モータ51は、ハウジング11の後側円筒部13の大内径部13aに内嵌されさたステータ52と、ステータ52の内周側に間隙を介して対向する回転軸21に外嵌されたロータ53とで構成されている。
変位検出部61は、前側転がり軸受31の外輪側間座36及び内輪側間座38を含んで構成されている。すなわち、外輪側間座36は、アンギュラ玉軸受31a及び31bの外輪33の互いに対向する軸方向端面に接触する外周側リング部36aと、外周側リング部36aより幅狭の内周側リング部36bとを備えている。
外周側リング部36aには軸方向の中央部に外側から内側に窪む凹部36cが形成されている。内周側リング部36bには、アンギュラ玉軸受31aの外輪33及び内輪34間に対向する円周溝36dが形成されている。
そして、図2(a)に示すように、外輪側間座36の円周溝36dを形成する左側面と内輪側間座38の環状突条38bの右側面との軸方向の対向面に被測定隙間gが形成されている。
また、円周溝36dの底面と環状突条38bの外周面との間隔も被測定隙間gと同じ隙間に設定され、同様に、外輪側間座36の内周面と、内輪側間座38の円筒部38aの外周面との間隔も被測定隙間gと同じ隙間に形成されている。しかしながら、外輪側間座36と内輪側間座38との間の被測定隙間g以外の隙間については被測定隙間gに合わせる必要はなく、被測定隙間gより大きい隙間とすることができる。
ここで、工作機械のスピンドル軸は、加工効率向上のため、高速回転させることを想定している。このため、特に、スピンドル回転中は、ハウジング11と回転軸21の間で温度差が生じ、多くの場合回転軸21の方が高くなるため、ハウジング11と回転軸21の間の軸方向の隙間量は数〜数10μm程度小さくなる。温度差による軸方向の相対伸びの中心は、軸受などの固定方法により異なるため、大小の方向は都度変わる。また、遠心力の影響により、回転軸21の軸方向の収縮や、軸受(31a,31b)の予圧方式によっては接触角変化によって、回転軸21がハウジング11に対し、軸方向に数〜数10μm程度相対変位する場合もある。
また、工作機械スピンドルにおいて、ハウジングと回転体との間に、スピンドル内部や軸受への異物などの侵入を防ぐ目的で軸方向の隙間(絞り)が形成されることがあるが、その場合、その大きさは大きくてもコンマ数mm程度で設定される。
そこで、外輪側間座36と内輪側間座38との間の被測定隙間gは、回転軸21の静止時において0.05mm〜0.5mmに設定されるが、回転軸21のアキシャル方向変位に対する圧力損失の変化量は、隙間量が小さいほど大きくなるため、被測定隙間gは、0.05mm〜0.2mmに設定することが好ましい。
一方、ハウジング11の小外径部12aには、気体通路36eと同軸的に外周面から外輪側間座36の凹部36cに達して2段階に内径が縮小する円形の開口部63が形成されている。開口部63には、図1に示すように、後側側壁に前側円筒部12に形成された圧縮気体供給通路64の一端が開口されている。圧縮気体供給通路64の他端は、後側円筒部13に形成された後端に開口して軸方向に前方に延長して形成された圧縮気体供給通路65に連通している。
気体接続部66は、開口部63に内嵌可能な形状、例えば開口部63の内周形状と同一形状の外周形状を有し、内部に開口部63に連通する気体通路66a及び気体通路66aに一端が連通し、他端が圧縮気体吐出ノズル62に連通する気体通路66bが形成されている。気体接続部66の側壁と開口部63の内壁との間にはOリング67が配置され、気体接続部66の底面と凹部36cの底面との間にも同様にOリング68が配置され、これらOリング67及び68によって圧縮空気の漏れを防止している。
圧力損失測定部71は、圧縮気体の供給経路に介挿された絞り72と、絞り72の上流側及び下流側の差圧を検出する差圧センサ73とを備えている。尚、第1実施形態ではオイルエア潤滑やオイルミスト潤滑に限定されない。例えば、グリース潤滑などにも適用可能である。
差圧センサ73は、低圧側が絞り72の下流側の配管74に接続され、高圧側が配管75を介してレギュレータ83に接続されている。差圧センサ73では、レギュレータ83から供給される圧縮空気圧と変位検出部61に接続された絞り72の下流側圧力、すなわち変位検出部61での回転軸21のアキシャル方向変位に応じた圧力損失との差圧を検出し、検出した差圧検出値をアナログ値又はデジタル値として出力する。
尚、荷重算出用マップを使用する代わりに荷重算出用マップの特性線の方程式を求め、求めた方程式に差圧センサ73の差圧検出値を代入することによりアキシャル荷重量を算出することもできる。
先ず、圧縮気体供給部80から圧力損失測定部71に圧縮気体を供給し、前述したように、工作機械の主軸装置10の回転軸21を回転させた状態、且つ回転軸21に負荷されるアキシャル荷重が“0”である状態で、圧力損失測定部71の絞り72の絞り量を、差圧センサ73で検出される差圧検出値が予め設定された設定値となるように調整しておく。
そして、主軸装置10の回転軸21が停止している状態で、コンプレッサ81を始動することにより、圧縮気体をレギュレータ82で調圧して、図示しない前側転がり軸受31及び後側転がり軸受41に対する潤滑油供給系統に設定圧の圧縮気体を供給して、前側転がり軸受31及び後側転がり軸受41に対する潤滑剤の供給を開始する。
圧力損失測定部71に供給された圧縮気体は絞り72を介してハウジング11の圧縮気体供給通路65に入力される。圧縮気体供給通路65に入力された圧縮気体は、圧縮気体供給通路65に連結された圧縮気体供給通路64から気体接続部66で軸方向から半径方向に90度方向転換され、気体通路36eを介して圧縮気体吐出ノズル62に供給される。
このため、演算処理部PUでは、差圧センサ73から入力される差圧検出値に基づいて荷重算出用マップを参照することにより、アキシャル荷重量を算出する。算出された荷重量は表示器DPに出力されて表示される。この場合、アキシャル方向変位が“0”であるので、表示器DPに表示されるアキシャル荷重量は“0”となる。
このため、回転軸21のアキシャル方向変位に応じて変位検出部61の圧縮気体吐出ノズル62から吐出される圧縮気体にアキシャル方向変位に応じた圧力損失が生じる。この圧力損失が圧力損失測定部71の差圧センサ73で差圧検出値として検出される。
検出された差圧検出値が演算処理部PUに供給されることにより、この演算処理部PUで荷重算出用マップを参照して回転軸21に負荷されたアキシャル荷重を算出する。算出されたアキシャル荷重は表示器DPに出力されて表示される。
このため、回転軸21を転がり軸受で回転自在に支持する場合に、簡単な構成で、圧縮気体を利用して回転軸21のアキシャル方向変位を算出したり、回転軸21に負荷されるアキシャル荷重を算出したりすることができる。
また、上記第1実施形態では、圧縮気体吐出ノズル62が軸方向に延長している場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図3(a)に示すように、圧縮気体吐出ノズル62を上向きに傾斜させたり、図3(b)に示すように、圧縮気体吐出ノズル62を下向きに傾斜させたり、さらには、図3(c)に示すように、圧縮気体吐出ノズル62を気体通路36eの中心軸回りに旋回させたりすることができる。
次に、本発明に係る軸受装置の第2実施形態について図4を伴って説明する。尚、図4(a)は図4(b)のA−A線に沿った断面構造を示す断面図である。
第2実施形態では、前側転がり軸受への圧縮気体の影響を除去するようにしたものである。
すなわち、第2実施形態では、図4(a)及び(b)に示すように、変位検出部61には、外輪側間座36の円周溝36dの底面に圧縮気体を回収する気体回収溝85aが円周方向に形成されている。また、外輪側間座36の内輪側間座38の外周面と対向する内周面におけるアンギュラ玉軸受31b側の端部に圧縮気体を回収する気体回収溝85bが円周方向に形成されている。そして、図4(a)の下側及び図4(b)に示すように、外輪側間座36の変位検出部61を挟む両側位置に気体回収溝85a及び85bに連通する空洞部86が形成されている。一方、小外径部12aの空洞部86に対向する位置には、空洞部86に連通して半径方向に延長する気体排出通路87aが形成され、この気体排出通路87aに一端が連通し、他端が前端に開口する気体排出通路87bが形成されている。これら気体回収溝85a,85b、空洞部86、気体排出通路87a及び87bが圧縮気体排出路(圧縮気体排出部)となっている。気体排出通路87a及び87bは、圧縮気体を軸受装置の外部に排出するドレン部と称することができる。
したがって、圧縮気体吐出ノズル62から噴射された圧縮気体が外輪側間座36及び内輪側間座38の前後位置に配置されたアンギュラ玉軸受31a及び31bの外輪33と内輪34との間に流れ込むことを防止できる。このため、アンギュラ玉軸受31a及び31bに圧縮気体が流れ込むことによる、アンギュラ玉軸受のオイルエア潤滑やオイルミスト潤滑への影響を防止できる。
次に、本発明に係る軸受装置の第3実施形態について図7を伴って説明する。
第3実施形態では、外輪側間座36の内周面及び内輪側間座38の外周面間に形成する被測定隙間gの軸方向の長さを必要最小限に設定するようにしたものである。
第3実施形態では、変位検出部を前側転がり軸受31間の間座ではなく、前側転がり軸受31に対して軸方向に隣接する位置に変位検出部61を形成したものである。
すなわち、第3実施形態では、図7に示すように、変位検出部61が前側転がり軸受31を構成する後側のアンギュラ玉軸受31bの後側に隣接させて配置されている。
変位検出部61は、軸受収納段差部12cの延長部に、前述した第1実施形態及び第2実施形態における外輪側間座36と同一形状の外輪側間座96を配置し、この外輪側間座96の内周面は回転軸21の外周面に対向されている。
外輪側間座96は、外輪側間座36と同様に外周側リング部96a、内周側リング部96b、凹部96c、円周溝96d、気体通路96e、圧縮気体吐出ノズル97を備えている。
さらに、回転軸21に外輪側間座96の円周溝96d内に突出する環状突条100が形成されている。環状突条100の右側面と、これに対向する外輪側間座96の円周溝96dを形成する左側面との間に被測定隙間gが形成されている。被測定隙間gに外輪側間座96に形成された圧縮気体吐出ノズル97から圧縮気体が吐出される。
尚、上記第3実施形態では、回転軸21に環状突条100を形成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図8に示すように、第1及び第2実施形態と同様に円筒部101aと外輪側間座96の円周溝96d内に突出する環状突条101bとで構成される内輪側間座101を配置するようにしてもよい。
尚、図示していないが、第3実施形態においても、第2実施形態で説明したような圧縮気体を回収する気体回収溝及び圧縮気体を外部に排出する気体排出通路が設けられている。
次に、本発明に係る軸受装置の第4実施形態について図11を伴って説明する。
第4実施形態では、第1〜第3実施形態における気体接続部を可撓性チューブに変更したものである。
すなわち、第4実施形態では、図11に示すように、第1の実施形態における気体接続部66を省略し、これに代えて外輪側間座36の圧縮気体吐出ノズル62とハウジング11の小外径部12aの圧縮気体供給通路64とを気体方向変換部としての可撓性チューブ111で連結するようにしたものである。可撓性チューブ111は、図11に示すように、両端に先端に雄ねじ部を有するチューブ用継手112及び113が気密性を保って取付けられている。
また、小外径部12aには、可撓性チューブ111を収納するL字状の空間部115が形成され、空間部115と圧縮気体供給通路64の終端の上方との間にチューブ用継手113の雄ねじ部が螺合する雌ねじ部116が形成されている。
第4実施形態によると、気体接続部66に代えて可撓性チューブ111を適用しているので、圧縮気体供給通路64と圧縮気体吐出ノズル62とを複雑な構造の気体接続部66を使用することなく容易に連結することができる。このため、ハウジング11と外輪側間座36との円周方向の位相誤差の許容量が大きくなり、製造難度を緩和することができる。
尚、図示していないが、第4実施形態においても、第2実施形態で説明したような圧縮気体を回収する気体回収溝及び圧縮気体を外部に排出する気体排出通路が設けられている。
次に、本発明に係る軸受装置の第5実施形態について図12を伴って説明する。
第5実施形態では、圧力損失測定部71の差圧センサ73に過度の差圧が入力されることを防止するようにしたものである。
すなわち、第5実施形態では、図12に示すように、第1実施形態における圧力損失測定部71の差圧センサ73の高圧側とレギュレータ83とを接続する配管75に圧縮気体圧力の立ち上がり時間を絞り72の下流側の圧縮気体圧力の立ち上がりに合わせて調整する絞り77を設けるようにしたものである。
前述した第1実施形態のように、差圧センサ73の高圧側とレギュレータ83とが配管75で直接接続されている場合には、コンプレッサ81を始動してレギュレータ83から設定圧の圧縮気体を圧力損失測定部71に供給開始する際に、差圧センサ73の高圧側にはレギュレータ83のから出力される立ち上がりの早い圧縮空気が供給される。このため、差圧センサ73の高圧側は所定圧までの立ち上がり時間が短くなる。
したがって、圧力損失測定部71に圧縮気体を供給開始した直後には、差圧センサ73の高圧側と低圧側との差圧が規定値を超えて過度に大きくなる可能性があり、差圧センサ73に悪影響を及ぼす。
この場合、絞り77による差圧センサ73の高圧側における圧縮気体の立ち上がり時間は、絞り72側の圧縮気体の立ち上がり時間に厳密に一致させる必要はなく、圧力損失測定部71にレギュレータ83から圧縮気体を供給した直後の差圧センサ73の高圧側と低圧側との差圧が規定値内に収まればよいものである。
上記の記載において、第5実施形態が第1実施形態に適用される場合を説明したが、第5実施形態は、本明細書にすでに記載されている第2実施形態〜第4実施形態に適用することもでき、さらに、下記においてこれから記載される実施形態の全てにも適用することができる。
次に、本発明に係る軸受装置の第6実施形態について図14を伴って説明する。
第6実施形態では、第1実施形態における高圧側、低圧側の立ち上がり時間差による差圧センサ73への過負荷を緩和するようにしたものである。
すなわち、第6実施形態の圧力損失測定部71は、図14に示すように、ハウジング11に形成された圧縮気体供給通路65の開口とレギュレータ83とを連結する配管74に介挿された弁79を備えている。弁79は、配管74と配管75との連結部よりも圧縮気体供給通路65側(変位検出部61側)で配管74に挿入されている。換言すれば、弁79は、配管74と配管75との連結部よりも下流側で配管74に介挿されている。
第6実施形態では、弁79を閉じた状態で圧縮気体を供給し、圧力損失測定部71の内圧を予め高めた状態で弁79を開放して圧力損失測定を開始することで、第1実施形態における高圧側、低圧側の立ち上がり時間差による差圧センサ73への過負荷を緩和することが可能となる。
上記の記載において、第6実施形態が第1実施形態に適用される場合を説明したが、第6実施形態は、本明細書にすでに記載されている第2実施形態〜第5実施形態に適用することもでき、さらに、下記においてこれから記載される実施形態の全てにも適用することができる。
次に、本発明に係る軸受装置の第7実施形態について図1、図4、図15及び図16を参照して説明する。
第7実施形態は第2実施形態(図4)の変形例である。以下の記載では、第2実施形態との相違点を説明し、第2実施形態と同じ構成については同じ参照符号を用いることにより、説明を省略する。
第7実施形態では、変位検出用の圧縮気体供給系統を介して変位検出部61に圧縮気体を供給すると共に、変位検出用の圧縮気体供給系統とは異なる系統を介して前側転がり軸受31bに潤滑油を供給する構成を説明する。本実施形態では潤滑油を供給する際に、圧縮気体を利用する。潤滑油は、図1に示した圧縮気体供給部80から供給される圧縮気体を用いて、オイルエア潤滑やオイルミスト潤滑により、前側転がり軸受31bに供給される。図15の一点鎖線C1は、回転軸21の中心軸を示している。一点鎖線C1に直交する一点鎖線C2は、気体通路66bの中心を通る線である。本実施形態では、オイルエア潤滑による軸受潤滑を行うとするが、オイルエア潤滑やオイルミスト潤滑に代表されるような、圧縮気体と潤滑剤を用いた潤滑であればよい。尚、以下の記載では、潤滑油供給用の圧縮気体と潤滑油との組み合わせを、オイルエアと称する。また、潤滑油を軸受31に供給する際に使用する圧縮気体の供給源は、図1に示した圧縮気体供給部80とは別に設けた供給源でもよい。変位測定用に使用する圧縮気体と、潤滑油供給に使用する圧縮気体とを区別するために、潤滑油供給に使用する圧縮気体を第2圧縮気体と称してもよい。
エア溜まり120は、回転軸21の周方向に延びる円環状の溝である。図15と図4(a)を比較して見ると分かるように、本実施形態では、図4(a)に示されている気体回収溝85bと重なる位置にエア溜まり120を形成している。つまり、本実施形態のエア溜まり120は、気体回収溝85bと一体になっており、エア溜まり120が気体回収溝85bであると言える。このように、エア溜まり120と気体回収溝81bが同一の溝である場合に、当該溝を共通溝125(図16)と称する。共通溝125には、変位検出用に供給した圧縮気体が流入し、且つ、オイルエア(第2圧縮気体)も流入する。
エア溜まり120と前側転がり軸受31bとの間には、外輪側間座36の内周側リング部36bの一部36b1が位置している。本実施形態では、エア溜まり120に入ったオイルエアはエア溜まり120内で減圧され且つ減速されるので、オイルエアの供給に起因する騒音がエア溜まり120により減少する。より詳しくは、エア溜まり120に入ったオイルエアはエア溜まり120内で減圧、減速されるので、オイルエアが軸受31bに供給される際、軸受31bの転動体や転動体保持器による風切り音が低減される。
図15に示すように、潤滑系統119は、オイルエア供給通路123と、オイルエア吐出ノズル124を有する。オイルエア吐出ノズル124は、エア溜まり120に開口している。潤滑系統123には、オイルエアが供給されている。潤滑系統119は、潤滑油(潤滑剤)を前側転がり軸受31bに供給する潤滑剤供給部である。
オイルエア吐出ノズル124は、オイルエア供給通路123の下流端に形成されており、オイルエア吐出ノズル124の横断面は、オイルエア供給通路123の横断面より小さい。つまり、オイルエア供給通路123を通過したオイルエアは、断面積の小さいオイルエア吐出ノズル124に流入して絞られることになる。
エア溜まり120に入ったオイルエアは、エア溜まり120内で減圧、減速されてから、内周側リング部36bの一部36b1と内輪側間座38との間の隙間を通って、前側転がり軸受31bに供給される。本実施形態では、エア溜まり120に入ったオイルエアは減圧され且つ減速されるので、エア溜まり120が無い場合に比べて、オイルエア潤滑に起因する騒音(軸受31a、31bの転動体や転動体保持器による風切り音)が減少する。
潤滑系統119は、変位測定部61とは異なる位相に設けられている。
図16の一点鎖線C1の上側に示すように、気体排出通路87a、87bがハウジング11内に形成されている。また、空洞部86の右側はエア溜まり120に連通している。本実施形態では、エア溜まり120が気体回収溝85b(図4(b))と一体になることにより、共通溝125が形成される。尚、第2実施形態と同じように、図16においても、気体回収溝85aは空洞部86に連通している。
また、圧縮気体吐出ノズル62から吐出された圧縮気体は、エア溜まり120を通って軸受31bに流れる。その結果、空洞部86から気体排出通路87a、87bを通じて外部に排出されるのみであった圧縮気体(変位検出用)が前側転がり軸受31bにも流入することになり、変位検出用に供給した圧縮気体の圧力が、オイルエア(潤滑油)を前側転がり軸受31b方向に押す圧力となる。つまり、変位検出用に使用した圧縮気体が軸受31bへの潤滑油供給を補助する補助エアとして再利用できる。
さらに、本実施形態では、エア溜まり120は、エア溜まり120本来の機能に加え、気体回収の機能も備えることになる。このように2つの機能を備えるエア溜まり120を、本実施形態では共通溝125と称している。
図16では、空洞部86の右側がエア溜まり120に連通したが、空洞部86の右側はエア溜まり120に連通しなくてもよい。この構成を第7実施形態の変形例1として、図17を参照して説明する。図17は、図16と同じ位相で見た断面図である。図17の一点鎖線C1の下側は、図16の一点鎖線C1の下側と同じ図である。以下の記載では、図17の一点鎖線C1の上側と図16の一点鎖線C1の上側と相違点を説明する。
図18は第7実施形態の第2変形例を示している。図15の構成との相違点は、前側転がり軸受31aの右に空間126が形成されている点である。前側転がり軸受31aの右に形成された空間126は、内輪側間座38が、図15に比べて左に延出されたために形成された空間である。測定用の圧縮気体は、空間126を通って軸受31aに流れる。空間126に流れた測定用の圧縮気体は、空間126内で減圧、減速される。空間126の大きさを適宜変更することで減圧、減速の度合いを制御し、より効果的に、前記補助エアとしての効果および潤滑油の変位検出部61への流入防止の効果を発揮させることが可能となる。
また、オイルエア吐出ノズル124の配置位相と、変位測定部61の配置位相は、回転軸21の軸回りの角度で、10度以上の間隔を空けることが好ましい。これは、オイルエア吐出ノズル124のオイルエアの圧力と、変位測定部61の圧縮気体の圧力を効果的に減圧させるためである。
外輪側間座36の軸方向寸法が大きい場合、エア溜まり120と気体回収溝85bを別々に外輪側間座36に形成してもよい。外輪側間座36の軸方向寸法が大きい場合、一点鎖線C2の右側(もしくは左側)または両側に、エア溜まり120と気体回収溝を別々に外輪側間座36に形成してよい。
本発明に係る軸受装置の第8実施形態について図19及び図20を参照して説明する。
第8実施形態では、第7実施形態と同様に、変位検出用の圧縮気体供給系統を介して変位検出部61に圧縮気体を供給すると共に、変位検出用の圧縮気体供給系統とは異なる系統を介して前側転がり軸受31bに潤滑油(オイルエア)を供給する。以下の記載では、第7実施形態との相違点を中心に説明し、第7実施形態と同じ構成については同じ参照符号を付けて説明を省略する。
図19の一点鎖線C2の右側では、内輪34の外周面34aがエア溜まり120の中に延びている。そして、オイルエア吐出ノズル124は、エア溜まり120の中に延びている外周面34aに向いている。内輪34の外周面34aが傾斜しているので、オイルエア吐出ノズル124からエア溜まり120に向かって供給されるオイルエアに含まれる潤滑油は、回転軸21の回転により生ずる遠心力によって、内輪34の外周面34aに沿って移動し、玉35に供給されることになる。よって、本実施形態によれば、図18に示した構成よりも効率的に玉35に潤滑油を供給することができる。図19の構成でも、エア溜まり120が設けられているので、エア溜まり120に入ったオイルエアは減圧され且つ減速され、オイルエア潤滑における騒音(軸受31a、31bの転動体や転動体保持器による風切り音)がエア溜まり120により低減される。
図20の一点鎖線C1の上側に示すように、気体排出通路87a、87bがハウジング11内に形成されている。また、空洞部86の右側はエア溜まり120に連通している。本実施形態でもエア溜まり120が気体回収溝85b(図4(b))と一体になることにより、共通溝125を形成している。
また、圧縮気体吐出ノズル62から吐出された圧縮気体は、エア溜まり120を通って軸受31bに流れる。その結果、空洞部86から気体排出通路87a、87bを通じて外部に排出されるのみであった圧縮気体(変位検出用)が前側転がり軸受31bにも流入することにより、変位検出用に供給した圧縮気体の圧力が、オイルエア(潤滑油)を前側転がり軸受31b方向に押す圧力となる。つまり、変位検出用に使用した圧縮気体が軸受31bへの潤滑油供給を補助する補助エアとして再利用できる。
さらに、本実施形態では、エア溜まり120は、エア溜まり120本来の機能に加え、気体回収の機能も備えることになる。このように2つの機能を備えるエア溜まり120を、本実施形態では共通溝125と称している。
また、オイルエア吐出ノズル124の配置位相と、変位測定部61の配置位相は、回転軸21の軸回りの角度で、10度以上の間隔を空けることが好ましい。これは、オイルエア吐出ノズル124のオイルエアの圧力と、変位測定部61の圧縮気体の圧力を効果的に減圧させるためである。
図20では、空洞部86の右側がエア溜まり120に連通したが、空洞部86の右側はエア溜まり120に連通しなくてもよい。この構成を第8実施形態の変形例として、図21を参照して説明する。図21は、図20と同じ位相で見た断面図である。図21の一点鎖線C1の下側は、図20の一点鎖線C1の下側と同じ図である。以下の記載では、図21の一点鎖線C1の上側と図20の一点鎖線C1の上側と相違点を説明する。
また、上記第1〜第8実施形態では、変位検出部61でアキシャル方向変位を検出する場合について説明した。アキシャル方向変位を検出するには、回転軸21の軸直角方向に被測定隙間gを形成し、被測定隙間gに圧縮気体吐出ノズル62から圧縮気体を吐出すればよいので、前述した図2(b)に示すように、ハウジング11の円周方向の一箇所に変位検出部61を設ければよい。このため、ハウジング11の円周方向には他の変位検出部を設ける余裕がある。
変位検出部140は、例えば第1実施形態における外輪側間座36と内輪側間座38との間の隙間を被測定隙間gとし、外輪側間座36の凹部36cの底面から内周面に達して半径方向に延長する圧縮気体吐出ノズル142を設け、圧縮気体吐出ノズル142を気体接続部66、圧縮気体供給通路64及び65を通じて圧力損失測定部71に接続すればよい。
すなわち、演算処理部PUは、2つの圧力損失測定部71から出力される差圧検出値に基づいて回転軸21のラジアル方向の換算変位量を算出する。また、演算処理部PUは、算出した回転軸21のラジアル方向の換算変位量に予め算出した圧縮気体吐出ノズル62の軸方向位置における軸剛性値を乗算することにより、回転軸21に与えられる荷重量を演算し、演算結果を表示器DPに出力して表示する。ここで、軸剛性値は、荷重点、前側転がり軸受31の軸受位置、軸受剛性、軸剛性及び変位検出部61の圧縮気体吐出ノズル62の軸方向位置等に基づいて算出する。
尚、上記では変位検出部61を一箇所に、変位検出部140を二箇所に120°間隔で設置する場合について説明しているが、これに限定されず、変位検出部61を一箇所以上に、変位検出部140を二箇所以上に任意の位相(但し変位検出部140が二箇所の場合は対向配置を除く)に配置することで、アキシャル方向変位、ラジアル方向変位の双方を同時に検出することが可能となる。
尚、上記において特定の実施形態が説明されているが、当該実施形態は単なる例示であり、本発明の範囲を限定する意図はない。本明細書に記載された装置及び方法は上記した以外の形態において具現化することができる。また、本発明の範囲から離れることなく、上記した実施形態に対して適宜、省略、置換及び変更をなすこともできる。かかる省略、置換及び変更をなした形態は、請求の範囲に記載されたもの及びこれらの均等物の範疇に含まれ、本発明の技術的範囲に属する。
Claims (22)
- 回転部材を転がり軸受を介して固定部材に支持し、前記回転部材のアキシャル方向変位を前記転がり軸受の周囲で前記回転部材と前記固定部材の間に軸方向に対向するように形成した被測定隙間に圧縮気体を供給して測定する変位測定部を備えた軸受装置であって、
前記変位測定部は、前記被測定隙間に圧縮気体を吐出する圧縮気体吐出ノズルを有する変位検出部と、該変位検出部に供給する圧縮気体の圧力損失を測定する圧力損失測定部とを備え、前記変位検出部は、前記圧縮気体吐出ノズルの軸方向の片側又は両側に、前記圧縮気体吐出ノズルから前記被測定隙間に吐出された圧縮気体を回収する気体回収溝を備えていることを特徴とする軸受装置。 - 前記変位検出部は、前記圧縮気体吐出ノズルに圧縮気体を供給する圧縮気体供給通路を更に備えていることを特徴とする請求項1に記載の軸受装置。
- 前記変位検出部は、前記気体回収溝で回収された圧縮気体を外部に排出する気体排出部を備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の軸受装置。
- 前記回転部材と前記固定部材との間に外輪側間座及び内輪側間座が前記転がり軸受に隣接して配置され、
前記変位検出部は、前記圧縮気体吐出ノズルが前記外輪側間座に形成され、前記被測定隙間が前記外輪側間座と前記内輪側間座との間に形成されていることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の軸受装置。 - 前記回転部材と前記固定部材との間に外輪側間座が前記転がり軸受に隣接して配置され、
前記変位検出部は、前記外輪側間座に軸方向端面に開口するように前記圧縮気体吐出ノズルが形成され、前記外輪側間座の軸方向端面と前記回転部材との間に前記被測定隙間が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の軸受装置。 - 前記圧縮気体吐出ノズルと前記圧縮気体供給通路との間に圧縮気体の方向を変換する気体方向変換部が設けられていることを特徴とする請求項2に記載の軸受装置。
- 前記気体方向変換部は、内部に圧縮気体の方向変化する気体通路が形成された気体接続部で構成されていることを特徴とする請求項6に記載の軸受装置。
- 前記気体方向変換部は、両端にチューブ用継手を有する可撓性チューブで構成されていることを特徴とする請求項6に記載の軸受装置。
- 前記変位検出部は、前記圧縮気体吐出ノズルが、前記転がり軸受の近傍に軸方向端面に開口して形成され、前記圧縮気体吐出ノズルの周囲の前記固定部材の軸方向端面と前記回転部材の軸方向端面との間に前記被測定隙間が形成されていることを特徴とする請求項1記載の軸受装置。
- 前記圧力損失測定部は、圧縮気体供給部から前記変位検出部へ圧縮気体を供給する圧縮気体供給通路に介挿された絞りを備え、該絞りと前記変位検出部との間の圧縮気体の圧力と、前記圧縮気体供給部から出力される圧縮気体の圧力との差圧によって、圧力損失を測定することを特徴とする請求項1から9の何れか一項に記載の軸受装置。
- 前記圧力損失測定部は、低圧側が前記絞りと前記変位検出部との間に接続され高圧側が前記圧縮気体供給部に接続されて前記差圧を測定する差圧センサを備えていることを特徴とする請求項10に記載の軸受装置。
- 前記圧力損失測定部は、前記絞りと前記変位検出部との間に、前記差圧センサの低圧側が連結された連結部よりも前記変位検出部側で介挿され、高圧側、低圧側の立ち上がり時間差による前記差圧センサへの過負荷を緩和する弁を備えていることを特徴とする請求項11に記載の軸受装置。
- 前記差圧センサの高圧側と前記圧縮気体供給部との間に圧力の立ち上がりを調整する絞りが介挿されていることを特徴とする請求項11に記載の軸受装置。
- 前記圧力損失測定部は、前記圧縮気体供給部から出力される圧縮気体の圧力を検出する第1圧力センサと前記絞りと前記変位検出部との間の圧縮気体の圧力を検出する第2圧力センサとを備え、前記第1圧力センサの圧力検出値から前記第2圧力センサの圧力検出値を減算して前記差圧を検出することを特徴とする請求項10に記載の軸受装置。
- 前記圧力損失測定部で検出した前記差圧に基づいて前記回転部材に負荷されるアキシャル荷重を演算する演算処理部を備えていることを特徴とする請求項10から14の何れか一項に記載の軸受装置。
- 前記軸受装置は、前記転がり軸受に潤滑剤と、前記変位測定用の圧縮気体とは異なる第2圧縮気体とを供給する潤滑剤供給部をさらに備え、
前記圧縮気体吐出ノズルと前記転がり軸受との間において、前記第2圧縮気体が流入する凹部が前記外輪側間座に形成されていることを特徴とする請求項4または5に記載の軸受装置。 - 前記凹部は、前記第2圧縮気体を減圧させる減圧部であることを特徴とする請求項16に記載の軸受装置。
- 前記凹部は前記気体回収溝の機能を果たすことを特徴とする請求項16または17に記載の軸受装置。
- 前記潤滑剤供給部は、前記外輪側間座に形成された前記凹部に開口して、前記第2圧縮気体と共に前記潤滑剤を前記凹部に吐出する潤滑剤吐出ノズルを有することを特徴とする請求項16から18の何れか1項に記載の軸受装置。
- 前記軸受装置は、前記外輪側間座に形成された空洞部であって、前記変位検出用の圧縮気体を外部に排出する圧縮気体排出部につながる空洞部を有し、
前記気体回収溝が前記圧縮気体吐出ノズルの両側に形成されている場合、前記空洞部は前記気体回収溝の少なくとも1つに連通することを特徴とする請求項16から19の何れか1項に記載の軸受装置。 - 前記転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に回転可能に配置された複数の転動体とを有し、
前記内輪は前記外輪に比べて、前記回転部材の軸方向寸法が大きく、且つ、前記転動体に向かうにつれ拡径する部分を有することを特徴とする請求項15から20の何れか1項に記載の軸受装置。 - 前記請求項1から21の何れか一項に記載の軸受装置を備え、該軸受装置によって主軸を前記回転部材として回転自在に支持し、前記主軸に負荷されたアキシャル荷重を測定することを特徴とする工作機械の主軸装置。
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