JPH0379205A - 予圧可変スピンドル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、スピンドルを支持する軸受に４１与する予圧
の大きさを変え得るようにした予圧可変スピンドルの改
良に関する。

〔従来の技術〕

工作機械の主軸を支持する軸受の予圧は、通常、重切削
を行う低速回転時に高剛性となるように設定されている
。しかし高速回転時には、軸受の回転摩擦の発熱による
軸の伸び膨張等により、軸受の予圧が一般に過大となる
ため、早期に焼付を起こすという問題がある。そこで、
予圧を必要なときに変化させるようにした予圧可変型の
スピンドルが用いられている。

従来のこの種の予圧可変スピンドルとしては、例えば特
開昭６１−２２３３２４号公報や特開昭６４−４０２０
３号公報に提示されたものがある。

これらは、主軸と主軸ハウジングを同軸に設け、いずれ
か一方を回転可能とし、両者の間には軸方向に間隔を置
いて一対のころがり軸受を配している。それらの軸受の
うち、少なくとも一方の軸受は軌道輪が軸方向に相対移
動可能に支持される。

この軸方向に相対移動可能な軸受の近傍において、主軸
の外径又は主軸ハウジングの内径面にすべりねじが形成
され、そのねじに螺合するすべりねじを有する回転体と
この回転体に形成されたすべりねじに螺着されて軸方向
に移動可能とされた移動体とが、主軸と主軸ハウジング
との間に配設されている。前記回転体には回転駆動用の
歯車が設けられ、この歯車に噛み合う小歯車を電動機で
回転させるように構成されている。

そして、小歯車を回転させることにより前記回転体を回
転させて、移動体を軸方向に移動させる。

これにより、軸方向に間隔を置いて配した一対のころが
り軸受の一方の軸受につき、その軌道輪を軸方向に相対
移動させて、軸受に付与する予圧の大きさを回転速度に
対応させて制御する。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例にあっては、回転体が主軸ま
たは主軸ハウジングにすべりねじを介して螺合されてい
る。その回転体に、移動体が同じくすべりねじを介して
螺合されている。そこで、回転時にいわゆるスティック
スリップが起きやすく、また回転方向を逆転する際にが
たを生じやすいため、作動が円滑さを欠き精度が低下す
るという問題点があった。

また、回転体に回転駆動用の歯車が設けられ、これに噛
み合う小歯車を介して電動機で回転させるように構成さ
れているため、歯車間のバックラッシュにより移動体の
移動精度が低下し、結局精密な予圧制御が困難になると
いう問題点があった。

そこで本発明は、上記従来の問題点に着目してなされた
ものであり、その目的とするところは、ねじのがたや歯
車のバックラッシュがなく、高精度の予圧制御が可能な
予圧可変スピンドルを提供して上記従来の問題点を解決
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、主軸と主軸ハウジングとの間に、軸方向の間
隔をおいて前後の軸受が介装され、後方の軸受の一方の
軌道輪を軸方向に移動可能な可動スリーブに係合せしめ
てなる予圧可変スピンドルにおいて、　前記可動スリー
ブにボールねじのねじ溝を形成すると共に、該ねじ溝に
対応する螺旋溝を有して前記可動スリーブにボールを介
して螺合し軸方向移動は阻止されて回転自在に前記ハウ
ジングの後部に取付けられたナツトと、該ナツトを回転
させて前記可動スリーブを軸方向に移動せしめ軸受の予
圧を制御する駆動手段とを設けたことを特徴とする。

前記ボールねじのねじ溝は前記可動スリーブの外周に形
成し、前記ねし溝に対応する螺旋溝は前記ナツトの内周
に形成することができる。

前記駆動手段は、円筒状のステータに対して円筒状のロ
ータを周面対向に配設してなる直接駆動形モータであり
、該ロータが前記ナツトに直結されダイレクトドライブ
とされているものとすることができる。

また、前記可動スリーブを軸方向に弾圧して前記後方の
軸受に定圧予圧を負荷する弾性部材を設けることができ
る。

〔作用］ 可動スリーブとこれに螺合するナツトとの間に介在する
ボールねじはボールの転勤を介した螺合であり、摩擦抵
抗はすべりねじに比しはるかに少ない。これがため可動
スリーブの極めて円滑で高精度な軸方向作動を実現する
ことができる。

また、ナツトを回転駆動する手段としてバックラッシュ
の大きい歯車を介することなく直接駆動形モータを利用
することにより、ナツトの回転精度、可動スリーブの軸
方向移動精度をきわめて高精度に維持することができる
。　その結果、軸受予圧を主軸の回転数に応じて高精度
で最適に調整することが可能である。

更に、可動スリーブを軸方向に弾圧する弾性部材を設け
ることで、軸受予圧を必要に応じて定圧予圧と定位置予
圧とに自在に切り換え、最適の予圧状態で使用すること
が可能である。

〔実施例］ 以下、本発明の実施例を図とともに説明する。

第１図は、本発明の一実施例の縦断面図であり、モータ
ビルトイン形予圧可変スピンドルを表している。主軸ｌ
と主軸ハウジング２との間に、軸方向の間隔をおいて前
後の軸受３，４が介装されている。各軸受３，４は、そ
れぞれ２個の例えばアンギュラ玉軸受のような転がり軸
受を間座５を介して並列に組み合わせたものである。

先方の軸受３は主軸１の先端から挿入され、内輪３Ａの
一側面が軸段部１ａに係止している。軸受３の外輪３Ｂ
の一側面は、前軸受ハウジング６の端面にポル１−Ｂｌ
で取付けた前Ｍ７に係止している。８Ａは軸受３の内輪
３Ａの一側面を押さえる内輪押さえ、８Ｂはカバーであ
る。また９は前軸受ハウジング６に埋設された給油ノズ
ル、またｌＯは主軸ｌに嵌合された先方のバランスリン
グである。

主軸１の外径面に締りばめで固定されたロータ１１は、
主軸１の後端から挿入されている。ロータ１１に周面対
向させて同軸に配設されたステータ１２は、外筒１３の
内周面に、ステータスリープ１４を介して固着されてい
る。なお、ステータスリーブ１４の外周面は、外筒１３
の内径面に形成された環状空間からなる冷却ジャケット
１５に面しており、冷却流体で強制冷却されるようにし
である。１６は冷却流体の漏れ止め川の０リングシール
である。

上記外筒１３の前端には前記前軸受ハウジング６がポル
１−８２で取付けられる。一方、外筒１３の後端には後
１［１７が取付けられて、前軸受ハウジング６と外筒１
３と後蓋１７とで主軸ハウジング２を構成している。主
軸ｌがこの主軸ハウジング２で囲まれたスペース内に、
先方のバランスリング１０と、ロータ１１およびステー
タ１２からなるモータと、後方のバランスリング１８と
が内蔵された構成になっている。後方のバランスリング
１８は、主軸１の段部に係止することにより、軸方向に
位置決めされている。

後１１７の内径面は小径面と大径面とされ、その内径面
と主軸１との間に段付のスペースが形成されて、そこに
後方の軸受４及びその予圧調整手段等が配設されている
。すなわち、後！！１７の小径の内径面１７ａに、主軸
１の後端から可動スリーブ１９が挿入され、可動スリー
ブ案内ボールブツシュ２３を介して軸方向可動に取付け
られている。可動スリーブ１９の端面には、後蓋１７の
対向面に植設された回り止めビンＰが遊嵌されている。

そのため可動スリーブ１９の回転は阻止され、軸方向に
のみ移動可能である。

この可動スリーブ１９と主軸１との間の環状空間に、更
に内輪間座２０．軸受４．内輪間座２１が挿入されてい
る。そしてこれらの後に、内輪押さえナツト２２が挿通
されている。このナツト２２は、主軸ｌの外径面に形成
された雄ねじ２５に螺合して止めねじＢ３で固定されて
いる。かくして軸受４の内輪４Ａは、後方のバランスリ
ング１８と、内輪押さえナツト２２との間に前記内輪間
座２０．２１を介して挟持され、軸方向に不動に位置決
めして固定される。一方、軸受４の外輪４Ｂは、可動ス
リーブ１９の内径面に挿入されてボルト止めされた外輪
押さえ２４で固定されており、可動スリーブ１９と一体
的に軸方向移動可能である。

２６は主軸ハウジング２を外径面から軸心に向かって貫
通する取付は穴に挿通して小ねじＢ４で固定支持された
給油ノズルであり、その先端から軸受４に潤滑油が噴射
される。したがって、給油ノズル２６は上記可動スリー
ブ１９をも軸直角の方向に貫通しているが、貫通孔を太
き（して可動スリーブ１９の必要な軸方向の変位が妨げ
られないようにしている。なお、２６Ａは給油路、３４
は軸受に噴射された後の潤滑油を戻すためのドレン抜き
孔である。

上記の可動スリーブ１９は、その径大の頭部の外周にボ
ールねじのねじ溝２７を有するねじ軸として形成されて
いる。そして、このねじ軸である可動スリーブ１９に、
ボール２８を介して予圧調整用のナツト２９が螺合され
ている。このナツト２９と可動スリーブ１９との関係は
、第２図ないし第５図に示すように、周知の内部循環式
のボールねしにおけるとほぼ同様に構成されている。

すなわち、ナツト２９は可動スリーブ１９に遊嵌する内
周面を有し、この内周面に可動スリーブ１９のねし溝２
７と対応する螺旋溝３０が形成されている。また、ナツ
ト内周面には、螺旋溝３０より深い部分を有する長Ｓ字
状のボール循環溝３１が螺旋溝３０に接続されている。

このボール循環溝３１は、可動スリーブ１９とは別体の
こま３２に形成されており、そのこま３２が可動スリー
ブ１９の側壁に一体的に嵌め込まれている。可動スリー
ブ１９とナツト２９の相対螺旋運動時には、可動スリー
ブ１９のねじ溝２７とナツト２９の螺旋溝３０に沿って
転勤移動する多数のボール２８が、長Ｓ字状のボール循
環溝３１により可動スリーブ１９の相隣るねし溝２７を
隔てている峰部（ねじランド部）２７Ｌを乗り越えて隣
のねし溝２７に戻され循環可能となっている。

上記ナツト２９は、後蓋１７の大径の内径面１７ｂで囲
まれたスペース内に主軸１の後端から挿入され、内径面
１７ｂとの間にはナツト案内ボールブツシュ３３が介装
されて、滑らかに軸回転可能に支持されている。

主軸１の後端には、回転位置センサとして例えば磁気式
ロークリエンコーダ３５の検出リング３６が嵌め込まれ
、主軸１の後端に形成されている雄ねじ３７に締付はナ
ツト３８を螺合して固定されている。前記ロータリエン
コーダ３５の検出リング３６の外周は一定間隔の歯が形
成されており、磁気読み取りヘッド３９は可動スリーブ
１９に取付けて支持されている。このロークリエンコー
ダ３５の位置検出信号に基づいて、前記ステータ１２と
ロータ１１とからなるサーボモータの回転を制御するよ
うになっている。

なお、主軸ｌの軸心部には軸方向に貫通孔１ｂが設けら
れ、工具着脱機構４１が装着されている。

これは、先端に工具端末を把持するボール弐把持部４２
を備えて、常時は皿ばね４３の付勢力で図の右方に押さ
れて後端が主軸１の後端から突出している長尺の着脱駆
動棒４４を有する。

前記予圧調整用のナツト２９は、フランジ部２９ａにお
いてボルトＢ５で取付けられた取付部材４６を介して直
接駆動形モータ（ダイレクトドライブモータ）５０の出
力軸５１にボルトＢＩＯで接続されている。この直接駆
動形モータ５０は、ナツト２９を回転させてねじ軸であ
る可動スリーブ１９を軸方向に移動させ軸受４の予圧を
制御する際の駆動手段であり、基台１００の内部スペー
ス１０１内に収納され、取付はフランジ５２に挿通した
ボルトＢ６で固定されている。一方、予圧可変スピンド
ルの外筒１３は、外筒フランジ１３ａに挿通したポルＩ
−ＢＴで基台１００の外面に固定支持されている。

第６図は、直接駆動型モータ５０の詳細を示す図である
。

すなわち、中心部に軸方向の空孔５４を有する２重筒型
形状のハウジング５５の内部に、モータステータ５６と
、これに同軸に配設されたモータロータ５７とが対向す
る構造のモータＭを内臓している。この実施例のモータ
Ｍは、２基のモータステータ５６を配した高トルク型の
場合を示したが、モータステーク５６は１　基のみでも
よい。

各モータステータ５６は、コイルＣＡと共に図示されな
い複数の歯をもった磁極を複数有しており、それぞれハ
ウジング５５の内筒５５Ａと外筒５５Ｂの内面に圧入固
着されている。その２基のモータステータ５６に挟まれ
て、モータステータと同ピツチの歯を設けたモータロー
タ５７が回転自在に配設されている。そしてモータステ
ータ５６の各磁極を順次励磁することにより、モータロ
ータ５７を回転させるようになっている。モータステー
タ５６の磁極相互では位相変化させである。

モータロータ５７の一端側には、軸方向に延びる円環状
の出力軸５１が延設されて、ポル）Ｂｌ０で一体回転可
能に固着されている。その出力軸５１の中間部分にはク
ロスローラ軸受６１の外輪６１ａが嵌めこまれ、固定部
材６２を固定ボルトＢｌｌで締めつけることによって固
定されている。

また上記クロスローラ軸受６１の内輪６１ｂは、ハウジ
ング内筒５５Ａの周面の上部に嵌めこまれ、ハウジング
内筒５５Ａの上端面にボルトＢ１２で固着された環状の
軸受押え６５で固定されている。

ハウジング外筒５５Ｂの上端面には上Ｍ６１がボルトＢ
１３で固着され、その上１６７の裏面に取付けたシール
部材６９で、出力軸５１の外周面がシールされる。

上蓋６７、ハウジング外筒５５Ｂ及び出力軸５１により
囲まれた空間Ｓには、モータロータ５７を高精度に位置
決めするべく、高分解能の回転検出器であるレゾルバ７
０が内臓されている。コイルＣＬを有するレゾルバのス
テータ７１は、ハウジング外筒５５Ｂの内面にボルトＢ
１４で固着されている。これに対してレゾルバのロータ
７３は、前記レゾルバのステータ７１に対向させて出力
軸５１の段部に固定されている。レゾルバのステータ７
１は、モータステータ５６と同様の歯を備えた複数の磁
極を有し、コイルＣＬは各磁極に巻回されている。レゾ
ルバのロータ７３は、モータロータ５７と同様にレーゾ
ルバのステータ７１と同一ピッチの歯を有している。

モータロータ５７が回転するとレゾルバ７０のロータ７
３も回転するから、レゾルバのステータ７１との歯間の
リラクタンスが変化する。その変化をドライブユニット
７５のレゾルバ制御回路によりデジタル化し、位置信号
および速度信号として利用することで、レゾルバのロー
タ７３の回転角ひいては出力軸５１の回転位置１回転速
度を検出するようになっている。

これらの検出信号と、制御手段７６（シーケン９．位！
決めコントローラ、パーソナルコンピュータ等）からの
指令入力とによりクローズド・ループ・サーボシステム
による制御を行うように構成されている。なお、７７は
レゾルバ７０とドライブユニット７５間の電気配線を接
続するレゾルバコネクタ、７８はモータＭとドライブユ
ニット７５間の電気配線を接続するモータコネクタであ
る。

このように構成された直接駆動形モータ５０は、その出
力軸の軸心を主軸１の軸心と同心に合わせて、取付はフ
ランジ５２により基台１００の内部スペース１０１の内
壁面に取付けられる。

次に作用を説明する。

主軸１の回転速度１回転方向は、ロークリエンコーダ３
５の検出信号に基づいて、ステータ１２のコイルへの通
電を制御することで低速、高速。

正逆自在に制御される。しかして、主軸ｌの回転状態に
応じて、主軸１を支承する軸受４の予圧が制御される。

例えば、低速重切削が行われる場合には、必要な高剛性
を得るべく大きな予圧を付与し、一方、高速で軽切削が
行われる場合には、軸受の発熱を抑えるべく小さな予圧
に切り換える。

この予圧調整の際は、ロークリエンコーダ３５からの回
転信号に応じて、予め定められている予圧調整指令が、
制御手段７６から目標位置指令入力としてドライブユニ
ット７５に入力される。これを受けて、ドライブユニッ
ト７５の図示されない電流制御部からは、パワーアンプ
回路を経てモータ電流出力が直接駆動形モータ５０のモ
ータステータ５６のコイルＣＡに出力される。

モータステータ５６のコイルＣＡに、モータ電流を通電
すると、モータステータ５６の各歯が所定の順序に励磁
されてモータロータ５７が回転する。モータロータ５７
が回転するとレゾルバ７０のロータ７３も回転して、レ
ゾルバのステータ７１との歯間のリラクタンスが変化す
る。その変化をドライブユニット７５のレゾルバ制御回
路を経て位置信号としてフィードバックすることでレゾ
ルバのロータ７３の回転角ひいては出力軸５１の回転角
度を制御する。かくして、出力軸５１に接続されている
ナツト２９がモータロータ５７によりダイレクトドライ
ブされ、制御された所定角度だけ正確に転勤する。

ナツト２９が転勤する際には、ボール２８がナツト２９
の螺旋溝３０と可動スリーブ１９のねじ溝２７との間を
転勤しつつ移動する。そして、螺旋溝３０のＡ点（第５
図参照）からこま３２の溝に入り、可動スリーブ１９の
ねじランド部２７Ｌを斜めに乗り越え、Ｂ点で隣接する
螺旋溝３０に入り、もとのＡ点に戻って循環する。

ボール２８の転勤に応じて、ねじ軸である可動スリーブ
１９が軸方向に所定量移動すると共に、軸受４の外輪４
Ｂが可動スリーブ１９と一体的に移動し、位置決め制御
がなされ、その結果軸受予圧が調整される。この場合、
可動スリーブ１９、したがって外輪４Ｂを内輪４Ａに対
して第１図で右方に変位させれば軸受４の予圧が増大す
る。反対に、第１図で左方に変位させれば軸受４の予圧
は減少する。ちなみに、上記の軸受予圧を重切削から軽
切削の範囲で適切に調整するにあたっては、軸受外輪４
Ｂの軸方向可動量として０〜５０μｍ程度の範囲、又そ
の位置決め精度としては２μｍ程度が必要になる。いま
、上記ねじ溝２７及び螺旋溝３０からなるボールねじの
リードを１０ａｏｓとすると２μｍの位置決め精度に相
当する回転精度は２Ｘ１０−’回転すなわち回転角度に
して０．０７゜になる。この高い回転精度は、第６図に
示した直接駆動形モータ５０により十分に達成可能であ
った。この直接駆動形モータ５０は、歯車等の減速機構
を必要としないゼロ・バックラッシュでしかも高トルク
が得られ、且つ内蔵のロークリエンコーダ３５を用いて
完全なりローズド・ループ・サーボシステムが得られる
から、負荷と直結して高い回転位置決め精度、繰り返し
精度を確保することができるためである。

又、直接駆動形モータ５０の回転出力を直線駆動出力に
変換する手段として、可動スリーブ１９とナツト２９と
がボール２８を介して螺合したボールねじを用いたので
、従来のすべりねじや歯車を使用したもののように、ス
ティックスリップやがたを生じることがないためである
。

なお、直接駆動形モータ５０には、軸心部を貫通して空
孔５４が設けられている。図示しないが、この空孔５４
を利用して空圧シリンダ装置を組み込み、その出力ロン
ドを工具着脱機構４１の着脱駆動棒４４に連結すること
により、主軸１に対する工具の着脱を容易に自動化でき
る利便もある。

第７図に第２実施例を示す。

この実施例は、可動スリーブ１９の先端部と後蓋１７の
対向面との間に予圧用コイルばね９０を介装して、定位
置予圧と定圧予圧とを切り換え可能にした点が上記第１
実施例と異なっている。

この場合、高剛性の必要な重切削時には、第１実施例と
同じく駆動手段５０によりナラ）ｚ９を回動させて可動
スリーブ１９を図の右方に移動せしめ、その軸方向位置
を調整することで、軸受４に大きな定位置予圧を負荷す
る。一方、高速軽切削に切り換えたときは、回転数の変
化を検知し、駆動手段５０によりナツト２９を逆転させ
て、可動スリーブ１９を図の左方に移動させる。可動ス
リーブ１９のねじ溝２７の中心線がナツト２９の螺旋溝
３０の中心線に合致した位置関係のとき、ボール２８と
各溝との軸方向すきまが最大となり可動スリーブ１９は
フリーになる。その結果、予圧用ばね９０の弾性付勢力
のみが可動スリーブ１９に作用することとなり、軸受４
にはトルク変動が抑制できる安定した定圧予圧が付与さ
れる。

かくして、低速から中速にかけては可変定位置予圧とし
、高速では定圧予圧に自在に切り換え、全ての速度範囲
をカバーすることが可能になる。

なお、上記各実施例ではナツト２９の回転駆動手段とし
て直接駆動形モータ５０を使用した場合を述べたが、そ
の他の周知の直流サーボモータ。

交流サーボモータ、パルスモータを利用することもでき
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、予圧可変スピン
ドルにおける可動スリーブの外周にボールねじのねじ溝
を形成すると共に、該ねじ溝に対応する螺旋溝を内周に
有して前記可動スリーブにボールを介して螺合し軸方向
移動は阻止されて回転自在に前記ハウジングの後部に取
付けられたナツトと、該ナツトを回転させて前記可動ス
リーブを軸方向に移動せしめ軸受の予圧を制御する駆動
手段とを設けた構成とした。そのため、がたやバツクラ
ッシュがなく、可動スリーブの極めて円滑で高精度な軸
方向作動が実現され、その結果高精度の予圧制御が可能
な予圧可変スピンドルを提供することができるという効
果が得られる。

また、ナツトを回転駆動する手段として直接駆動形モー
タを利用することにより、ナツトの回転精度、可動スリ
ーブの軸方向移動精度をきわめて高精度に維持すること
ができ、その結果、軸受予圧を主軸の回転数に応じて高
精度で最適に調整することが可能な予圧可変スピンドル
を提供することができるという効果が得られる。

更に、可動スリーブを軸方向に弾圧する弾性部材を設け
ることで、軸受予圧を必要に応じて定圧予圧と定位置予
圧とに自在に切り換え、最適の予圧状態で加工すること
が可能な予圧可変スピンドルを提供することができると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の縦断面図、第２図は予圧
調整手段の部分縦断面図、第３図は第２図の外形図、第
４図は第２図のＩＶ−ＩＶ断面図、第５図はナツトの斜
面図、第６図は直接駆動形モータの半縦断面で示す側面
図、第７図は第２実施例の要部を示す縦断面図である。 図中、ｌは主軸、２は主軸ハウジング、３，４は軸受、
１９は可動スリーブ、２７はねし溝、２８はボール、２
９はナツト、３ｏは螺旋溝、５゜は直接駆動形モータ、
９ｏは弾性部材。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）主軸と主軸ハウジングとの間に、軸方向の間隔を
   おいて前後の軸受が介装され、後方の軸受の一方の軌道
   輪を軸方向に移動可能な可動スリーブに係合せしめてな
   る予圧可変スピンドルにおいて、前記可動スリーブにボ
   ールねじのねじ溝を形成すると共に、該ねじ溝に対応す
   る螺旋溝を有して前記可動スリーブにボールを介して螺
   合し軸方向移動は阻止されて回転自在に前記ハウジング
   の後部に取付けられたナットと、該ナットを回転させて
   前記可動スリーブを軸方向に移動せしめ軸受の予圧を制
   御する駆動手段とを設けたことを特徴とする予圧可変ス
   ピンドル。
2. （２）前記ボールねじのねじ溝を前記可動スリーブの外
   周に形成し、前記ねじ溝に対応する螺旋溝を前記ナット
   の内周に形成した請求項（１）記載の予圧可変スピンド
   ル。
3. （３）前記駆動手段は、円筒状のステータに対して円筒
   状のロータを周面対向に配設してなる直接駆動形モータ
   であり、該ロータが前記ナットに直結されダイレクトド
   ライブとされている請求項（１）記載の予圧可変スピン
   ドル。
4. （４）前記可動スリーブを軸方向に弾圧して前記後方の
   軸受に定圧予圧を負荷する弾性部材を備えたことを特徴
   とする請求項（１）記載の予圧可変スピンドル。