JPH0239644B2

JPH0239644B2 - Kukijikukesochi

Info

Publication number: JPH0239644B2
Application number: JP8074282A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Nagashima
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1982-05-13
Filing date: 1982-05-13
Publication date: 1990-09-06
Anticipated expiration: 2002-05-13
Also published as: JPS58196319A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、軸受〓間を運転条件に合わせて設定
可能にした空気軸受装置に関するものである。空
気軸受は、摩擦が非常に小さいため、高速用『高
精度の軸受』として用いられる。空気軸受の長所
は、潤滑材である空気の粘性が油などの液体潤滑
材に比較して非常に小さい点にあり、短所として
は前記のように粘性が小さいため、軸受面の面積
度を高くして軸受〓間を小さくする必要がある。
また、各々の空気軸受の形状、大きさ、使用供給
圧力などの条件によつて具体的な数値は異なる
が、空気軸受の軸受剛性は、第１図に示すよう
に、軸受〓間の大小によつて敏感に変化し、軸受
〓間が所定の値に達するとピーク値を示す。そこ
で、空気軸受を使用する場合は、軸受〓間の設定
が重要な問題となる。さらにまた、軸受〓間と空
気の吐出流量との関係は、第２図に示すような傾
向にあり、軸受〓間の小さい場合には、吐出流量
すなわち軸受〓間を流れる空気の流量が減少す
る。この軸受〓間を流れる空気は、軸受の発熱を
押える作用を持つているため、低速の場合は軸受
〓間が小なくても発熱の問題はないが、高速の場
合には軸受〓間をある程度大きくして吐出流量を
多くしなければ発熱してしまう。このように、空
気軸受においては軸受〓間の大小が重要なポイン
トとなる。

本発明の第１目的は、軸受〓間をコントロール
することにより、特定の回転軸を低速と高速など
異なつた運転条件のもとで最適な軸受クリアラン
スを設定し得るように構成し、回転軸の回転が低
速域と高速域の間で文化しても、その回転数に追
従して前記軸受〓間を自動的に調整可能とした空
気軸受装置を提供することにある。

本発明の構成を述べれば下記の通りである。本
発明の空気軸受装置は、回転軸の両端部に形成し
たテーパ軸部と、同テーパ軸部と同一のテーパ角
度のテーパ穴を形成し、前記テーパ軸部に対しそ
れぞれ対向して設けたテーパ軸受と、前記テーパ
軸受を回転軸の軸線方向に移動する移動機構と、
軸受〓間を検知するセンサとによつて構成した。

なお、軸受部材を移動させる手段としては、ネ
ジ、流体圧、磁力またはこれらとバネなどの組合
せなど種々の手段を採用できる。

また、前記本発明の空気軸受装置において、テ
ーパ状の空気軸受〓間を検知するセンサー手段を
付加し、その出力信号に関連して軸受部材を自動
的に移動させるようにすれば、運転中の熱変位に
よる軸受〓間の変化を補償したり、または指令値
に従つて軸受〓間を自動的に変更するなどの適応
制御が可能となる。

なお、軸受〓間を検知する手段としては、圧力
センサによる空気軸受内の圧力検知、前述した空
気軸受に供給する流量検知ならびに回転軸の変位
検知など種々の手段を採用できる。

以下本発明の一実施例を示す第３図参照しなが
ら説明する。

１はメインモータ２によつて可変駆動される回
転軸で、回転軸１は両端部にテーパ軸を設けてい
る。３，４は軸受部材、５はベースである。６，
７は回転軸１と軸受部材３，４との間に形成され
た空気軸受で、図示しない圧力制御装置によつて
所定の圧力P₀に定められた加圧空気を、軸受部
材３，４にそれぞれ設けた流路８，９から供給さ
れるようになつている。前記一対の空気軸受部材
３，４は、テーパ穴６，７を形成され、互いに逆
向き、すなわち本実施例においては大径側が向い
合うようになつている。前記軸受部材３，４のう
ち第３図において左方の軸受部材４はベース５に
固定されているが、右方の軸受部材３はベース５
に設けたガイド１０により回転軸１の軸方向に移
動可能に設けられている。この軸受部材３には、
回転軸１と平行に配置され、軸受１１，１２に回
転可能に支持されたボールネジまたはバツクラツ
シユを除去するように構成したネジなどのネジ１
３がネジ係合されている。ネジ１３は、送りモー
タ１４に連結され、正逆の回転を与えられるよう
になつている。

軸受部材３の軸受面には、空気軸受６内の圧力
Ｐを検知する圧力センサ１５が埋設されている。
圧力センサ１５からの出力信号Ｐは、制御部１６
へ伝達される。制御部１６は、前記圧力Ｐを軸受
〓間Ｃの値に換算するかもしくはそのまま制御用
の信号として用い、出力信号Ｐが予じめ定めた値
になるように送りモータ１４にて軸受部材３を第
３図において右または左へ移動させ、回転数に同
調して軸受〓間Ｃの値を変化させるようになつて
いる。なお、この制御部１６は、前記出力信号Ｐ
を常に一定に保つように送りモータ１４を駆動す
るか、または回転軸１の回転数に応じて予じめ定
めた関係をもつて前記出力信号Ｐを変化させるよ
うに送りモータ１４を駆動するか、さらには回転
軸１の回転数が予じめ定めた値以上になると出力
信号Ｐを急速に所定量小さくするように送りモー
タ１４を駆動するかのうちのいずれか１つないし
は複数を組合せて行ない得るように構成されてい
る。

次いで本装置の作用について説明する。第１図
および第２図に示したように、空気軸受の特性は
それぞれの空気軸受の形状、寸法によつて定まる
ので、予じめ空気軸受５，６の最適軸受〓間C₁
を求め、そのときの空気軸受６内の圧力P₁を求
めておく。制御部１６には前記最適軸受〓間C₁
またはP₁を設定値として入力しておく。次いで
流路８，９から加圧空気を供給すると、空気軸受
６に設けた圧力センサ１５が圧力Ｐを感知してそ
の出力信号Ｐを制御部１６へ伝える。前記圧力Ｐ
は、軸受〓間Ｃが小さいときには高く、大きい場
合には低い傾向を取るので、前記出力信号Ｐが小
さい場合には制御部１６によつて送りモータ１４
を正回転させてネジ１３により軸受部材３を第３
図において左方へ移動させる。この移動により、
軸受〓間Ｃは小さくされ、圧力Ｐが上昇する。前
記出力信号Ｐが大きい場合には前記とは逆に軸受
部材３を右方へ移動させて軸受〓間Ｃを増加させ
れば、圧力Ｐが降下する。こうして圧力Ｐすなわ
ち軸受〓間Ｃが制御部１６に入力されている最適
軸受〓間C₁になり、圧力ＰがP₁になると、制御
部１６は送りモータ１４を停止させ、軸受部材３
をその位置に保持する。

このとき、第３図において左方の空気軸受７は
右方の空気軸受６と対称的に形成されているの
で、この左方の空気軸受７の軸受〓間Ｃも最適軸
受〓間C₁になされる。

そこで、空気軸受６，７は、回転軸１および軸
受部材３，４の加工および組立誤差を補償して、
確実に所期の特性を備えた空気軸受となつて回転
軸１を支持する。

なお、本実施例のように一方の軸受部材３のみ
を移動可能にした場合は、その移動量の1/2だけ
回転軸１が軸方向へ移動するが、前記軸受部材３
の移動量はわずかであるから前記回転軸１の移動
は無視し得る程度のものである。ただし、前記回
転軸１の移動を押えたい場合には、左方の軸受部
材４を右方の軸受部材３と対称的に移動させるよ
うに構成すればよい。

前記空気軸受６，７の軸受〓間Ｃは、回転軸１
の回転による該軸受部の昇温や他の要因により変
化することがある。この軸受〓間Ｃの変化により
圧力Ｐが変化し、出力信号Ｐが変化する。このよ
うに出力信号Ｐが変化すると制御部１６によつて
送りモータ１４が作動され、軸受部材３を移動さ
せて軸受〓間Ｃを最適軸受〓間C₁に保つ。そこ
で、空気軸受６，７は、運転中の熱変位等による
変化をも補償して回転軸１を最適状態で支持し続
ける。

また、制御部１６に設定する最適軸受〓間C₁
を回転軸１の回転数の変化に応じた値、たとえば
回転数が高い場合には軸受〓間Ｃを大きくして空
気の吐出流量を多くして冷却機能を増加させるよ
うな値に修正するように構成しておけば、回転数
の変化にも対応した状態で運転することができ
る。

さらにまた、回転軸１を超高速回転させる場合
には、軸系の固有振動数に対し回転軸１の回転数
が下（剛性ロータの域）か上（弾性ロータの域）
であつて前記固有振動数を中心とする危険領域か
ら離れた範囲で使用しなければならず、剛性ロー
タの域で使用する場合は、軸系の固有振動数を上
げて危険速度から十分下の回転数で使用しなけれ
ばならないため、回転数の増加には限界があり、
他方、弾性ロータの域で使用する場合は、危険速
度を超過させなければならないため、危険を伴
い、回転軸１のアンバランスを十分に除去する必
要があり、かつ大きなトルクで危険速度を瞬時に
通過させる必要があるが、本装置によれば、ほと
んど危険を伴なうことなく、容易に超高速回転が
可能となる。すなわち回転軸１の起動時には、軸
受〓間Ｃを軸受剛性が高くなる値に定めておく。
このときの回転軸１の回転数Ｎと振巾δの関係は
第４図の右の山を形成する曲線Ａで示す関係にあ
るとする。なお、第４図において、δmaxは限界
振巾、Nn₁は前記のように軸受剛性を高くしたと
きの軸系の固有振動数、Nn₁を含む斜線部はその
前後に及ぶ危険領域である。

こうして回転軸１を起動すれば、振動振巾は回
転数の増加に伴ない曲線A₁に沿つてゆるやかに
上昇する。曲線Ａの危険領域に至らない所定の回
転数Ωに達したところで、送りモータ１４を作動
させ、軸受〓間Ｃを増加させた軸受剛性を低下さ
せる。この低下した軸受剛性のもとでの回転数Ｎ
と振動振巾δの関係を、第４図に曲線Ｂで示すよ
うに、固有振動数Nn₂が、前記切換時の回転数Ω
より相当低くなるように定め、その前後に及ぶ危
険領域が前記回転数Ωに達しないようにしておけ
ば、軸系の固有振動数Nn₁からNn₂へ切換えるこ
とは、軸受部材３をわずかに移動するだけで瞬時
のうちに行なわれるので、危険領域の通過が簡単
にできる。この後の回転軸１の回転数の増加に伴
なう振動振巾は、曲線B₁で示すように次第に低
下していく。このように本装置によれば、低速域
から超高速域までの回転数が可能となり、しかも
超高速域では軸受〓間Ｃを大きくしているので、
発熱の問題に対しても有利である。

第５図は空気軸受の移動機構の他の実施例を示
すもので、軸受部材３ａをベース５のガイド溝１
７によつて回転軸１の軸方向にのみ移動可能に設
け、軸受部材３ａをバネ１８により常に第５図に
おいて右方へ押圧すると共に、バネ１８によつて
押圧される側すなわち第５図において右側の軸受
部材３ａとベース５の対向面間に流路１９にて加
圧空気を供給して空気軸受的な機能を持たせるよ
うにし、この流路１９から加圧空気の圧力変化ま
たは供給のON、OFFにより軸受部材３ａを移動
させるようにしたものである。この場合、第５図
に示すように、軸受部材３ａの前後にストツパ２
０，２１を設け、それらの寸法d₁，d₂により軸受
部材３ａの前進限位置と後退限位置を定め、両位
置において軸受〓間Ｃが所定の値になるように定
めておけば、回転軸１を高速と低達に切換えて回
転させる場合の軸受〓間Ｃの変更や、前述したよ
うに超高速回転させる場合の軸受〓間Ｃの変更な
どのように予じめ最適軸受〓間を設定できるとき
には、単に流路１９からの加圧空気のON、OFF
のみでよく、第３図に示した圧力センサ１５のよ
うな軸受〓間Ｃの検知手段を用いることなしに、
所期の目的を達成することができ、さらに非常に
迅速に切換えられるので、超高速回転の場合の切
換えに適している。

第６図は空気軸受の移動機構のさらに他の実施
例を示すもので、第５図に示したと同様に設けら
れた軸受部材３ａの前後の面とこれらに対向する
ベース５の面間に流路１９ａ，１９ｂから加圧空
気を供給し、加圧空気の圧力を前後で高低逆に変
化させたり、ON、OFFさせることにより、軸受
部材３ａを移動させるようにしたものである。

なお、軸受部材３，３ａを移動させる手段とし
ては、前述した実施例のほか、シリンダ方式によ
る油圧力や磁力などの他の手段を採用でき、ま
た、場合によつては手動で設定するようにしても
よい。また、軸受〓間Ｃの検知は、圧力センサ１
５に限られるものでなく、この軸受〓間Ｃと加圧
空気の吐出流量とは第２図に示したように各々の
空気軸受において一定の関係を有するので、吐出
流量から軸受〓間Ｃを検知するようにしてもよ
い。

また、空気軸受６，７のテーパ向きを、第３図
とは逆に、大径側をそれぞれ外側に向けてもよ
い。このようにすれば、回転軸１が熱膨張によつ
て伸びたとき、軸受〓間Ｃが大きくなる方向であ
るため、焼付きを起こす心配がなく、特に軸受〓
間Ｃを手動で設定する場合に適している。さらに
前述した実施例は、回転軸１を対をなす２つのテ
ーパ状の空気軸受６，７にて支持するようにし
て、両方の軸受〓間Ｃを同時に調整し得るように
した例を示したが、回転軸を支持する複数の空気
軸受のうち熱膨張などによつて軸受〓間が変化を
起こす可能性のある箇所の空気軸受のみに本発明
を適用してもよい。

以上述べたように、本発明によれば、下記の効
果が得られる。本発明の空気軸受装置は、回転軸
を支持する空気軸受装置において、回転軸と軸受
部材との間に形成される空気軸受をテーパ穴と
し、同テーパ穴を備えた空気軸受を形成している
軸受部材を前記回転軸の軸方向へ移動可能に設け
た、前記軸受部材の軸方向を変えることにより軸
受〓間を適宜に設定もしくは変更したので、回転
軸を軸承することにより、回転軸に合わせた最適
な軸受〓間を自動的に設定するもので高速域でも
低速域でも安定した運転条件で使用できる。

したがつて、本発明の空気軸受装置によれば、
回転軸の増速途中で軸受〓間を変化させて軸受剛
性を変えることにより、軸系の固有振動数をより
短時間のうちに変化させ、危険速度の通過を容易
にして超高速回転を可能にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空気軸受の軸受〓間と軸受静剛性との
関係の一例を示す曲線図、第２図は空気軸受の軸
受〓間と加圧空気の吐出流量との関係の一例を示
す曲線図、第３図は本発明の一実施例を示す断面
図、第４図は軸系の高低２つの固有振動数の変化
に基づく回転数と振巾との関係を示す曲線図、第
５図および第６図は本発明の他の実施例を示す要
部断面図である。１……回転軸、３，３ａ，４……軸受部材、５
……ベース、６，７……空気軸受、８，９，１
９，１９ａ，１９ｂ……流路、１０，１７……ガ
イド、１３……ネジ、１４……送りモータ、１５
……圧力センサ、１６……制御部、１８……バ
ネ、２０，２１……ストツパ、Ｃ……軸受〓間。

Claims

【特許請求の範囲】１テーパ軸とテーパ穴の〓間に圧縮空気を供給
し、回転軸を支持するように構成した空気軸受装
置において、回転軸の両端部に形成したテーパ軸
部と、同テーパ軸部と同一のテーパ角度のテーパ
穴を形成し、前記テーパ軸部に対しそれぞれ対向
して設けたテーパ軸受と、前記テーパ軸受を回転
軸の軸線方向に移動する移動機構と、軸受〓間を
検知するセンサを備えたことを特徴とする空気軸
受装置。２移動機構はテーパ軸受部材に設けためねじ部
と同めねじ部に螺合する送りねじと同送りねじを
回転駆動する駆動装置によつて構成したことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の空気軸受装
置。３移動機構はテーパ軸受部材の一側を押圧する
バネとテーパ軸受部材を挾んで同バネに対向する
他側から流体圧によつて押圧する押圧機構とによ
つて構成したことを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の空気軸受装置。４移動機構は前記テーパ軸受部材を挾んで相対
向する方向に供給される空気の圧力により移動自
在としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の空気軸受装置。５センサは圧力センサであることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の空気軸受装置。６センサはテーパ軸受に流入する空気の流量を
測定する流量計であることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の空気軸受装置。７センサは送りねじと平行に配設したリニアス
ケールによつてテーパ軸受の位置を検知する位置
計測装置を設けたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の空気軸受装置。