JPH0487703A - 工作機械における主軸の位置制御装置 - 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） この発明は、フライス盤や研削盤等の工作機械の主軸の
位置制御装置に関し、さらに詳細には、軸受予圧の制御
を通して主軸の軸方向位置を制御する位置制御装置に関
するものである。

（従来の技術） 近時の工作機械は、駆動モータや刃具などを含めた構成
機器の高性能化に伴い、主軸の高速化による生産性およ
び加工精度の大幅な向上が図られており、上記主軸を支
承する軸受の予圧設定にも高い精度が要求されるに至っ
ている。

（発明が解決しようとする課Ｒ） しかしながら、従来の予圧設定方法では以下に述べるよ
うな問題があり、その改良が要望されていた。

すなわち、軸受予圧の管理においては、初期予圧は、主
軸の高速回転を可能とすべく、低く設定されるのが一般
である。しかし、上記加工精度に影響する大きな要因と
して、主軸の剛性があげられるところ、このように初期
予圧を低く抑えてしまうと、主軸の剛性、特に軸方向の
′ｖ４１１性が低くなってしまい、これにより加工精度
が低下するとし−う問題が生じていた。

例えば、第５図に示すようなフライス盤によるフライス
加工を考えた場合、主軸１の先端に装着されたフェイス
ミル２は、矢符Ｘ方向へ送られてワークＷの表面を切削
する。この場合、その加工前期Ａおよび後期Ｃにおいて
は、フェイスミル２全体でワークＷを切削していないた
め、主軸ＩＧこかかる切削抵抗は小さく、よって該主軸
１の軸方向位置も初期位置にある。ところが、加工中期
Ｂになると、フェイスミル２全体でワークＷを切削して
いるため、主軸１にかかる切削抵抗は上記加工前記・後
期に比べて大きく、これにより主軸１が初期の軸方向位
置から若干後退する。つまり、主軸１の軸方向位置は加
工中に変動して一定せず、ワークＷの仕上がり形状は、
図示のごとく中央部分ｍが盛り上がった凸形状になって
しまい、高い加工精度を得ることができなかった。

なお、第５図は理解を容易にするため、主軸１の軸方向
変位を実際よりも大幅に誇張して描いている。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので
あって、軸受予圧を主軸の軸方向変位を打ち消すように
制御することにより、主軸の軸方向位置を一定に保つよ
うに構成された主軸の位置制御装置を提供することを目
的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明の主軸の位置制御装
置は、主軸が少なくとも前後一対の軸受により回転可能
に軸承されてなる工作機械の主軸部において、前記軸受
の軸方向側方に隣接して設けられ、印加電圧により軸方
向変位が生ずる圧電アクチュエータを備えてなる軸受予
圧装置と、前記主軸の軸方向位置を検出する位置センサ
と、該位置センサからの検出信号に応じて、前記圧電ア
クチュエータに印加する電圧を制御する制御装置とを備
えてなり、前記主軸の軸方向変位に応じて軸受の予圧を
調整することにより、主軸の軸方向位置を一定に保つよ
うに構成されたことを特徴とする。

（作用） 加工作業開始前においては、軸受予圧装置の圧電アクチ
ュエータにより、主軸を軸承する軸受に初期予圧が与え
られて、主軸の軸方向位置は、予め設定された位置に保
持されているが、一方、加工作業が開始して、主軸に軸
方向の切削抵抗が加わると、主軸は軸方向へわずかに後
退される。しかし、この主軸の軸方向位置は、制御装置
により、位置センサを介して常時監視されており、主軸
が少しでも後退すると、制御装置は、これを打ち消すべ
く上記圧電アクチュエータの印加電圧を調整して、軸受
の予圧を増減させ、主軸の軸方向位置を初期の位置へ復
帰させる。この動作は瞬時に実行され、主軸の軸方向位
置は実質的に一定に保たれることとなる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基いて説明する。

本発明に係る主軸の位置制御装置を備えた工作機械の主
軸部を第１図に示し、該主軸部は具体的にはフライス盤
のものであって、主軸１が、前後１対の複列アンギュラ
玉軸受３，４を介して、主軸ケース５の支持穴６内に回
転可能に軸承されているとともに、該主軸１の軸方向位
置を一定に保持するための位置制御装置７を備えている
。

主軸１の先端部１ａは、テーバ状の刃具取付穴とされ、
これにフェイスミル２が着脱可能に取り付けられている
。また、主軸１の後端部１ｂは、上記主軸ケース５の後
方へ突出されており、ここにベルト車８が固定的に取り
付けられている。該ベルト車８は、図示しないが伝導ベ
ルトを介して駆動源である駆動モータに連係されている
。

前側の軸受３は、内輪３ａ、３ａが主軸１の外周面に固
定されるとともに、外輪３ｂ、３ｂが主軸ケース５の支
持穴６の前端部６ａに固定され、これら内外輪間に、多
数の鋼球３ｃ、３ｃ・・・が転動可能に装填されている
。３０は上記外輪３ｂ。

３ｂを固定するための固定部材である。

一方、後側の軸受４は、内輪４ａ、４ａが主軸１の外周
面に固定されるとともに、外輪４ｂ、４ｂが軸受ケース
９に固定されており、これら内外輪間に、多数の鋼球４
ｃ、４ｃ・・・が転動可能に装填されている。なお、上
記軸受ケース９は後述するように、主軸ケース５の支持
穴６の後端部６ｂに軸方向へ移動可能に収納されている
。また、前後軸受３．４の内輪３ａ、４ａ間には間座３
１゜３２が介装されている。３３は上記内輪４ａ、４ａ
を固定するための固定部材である。

上記軸受ケース９は、軸受４の外輪４ｂ、４ｂを主軸ケ
ース５に対し軸方向へ移動可能に保持するためのもので
、その外周面９ａの前後両端部に、環状溝１０．１０が
円周方向へ全周にわたり平行して設けられ、これら環状
１１０．１０内に、多数の鋼球１１１１・・・が装填さ
れている。そして、これら鋼球１１．１１・・・が、上
記環状溝１０と主軸ケース５の支持穴６の後端部６ｂと
の間で転勤可能とされて、上記軸受ケース９つまり外輪
４ｂ４ｂは、主軸ケース５に対して、軸方向へ移動可能
に支承されている。すなわち、外輪４ｂ、４ｂは、主軸
ケース５の当り端面５ｃと、主軸ケース５に取り付けら
れた固定部材３４との間に設定された間隔の範囲内で、
軸方向へ移動可能とされている。このように、上記外輪
４ｂ、４ｂが主軸ケース５に対して軸方向へ移動可能と
されることにより、後述する圧電アクチュエータ１８の
圧電素子２１．２１の軸方向変位が、確実かつ円滑に上
記外輪４ｂ、４ｂに伝達されて、高精度な予圧設定が行
われる。

位置制御装置７は、軸受予圧装置１５、位置センサ１６
および制御装置１７を主要部として備えてなる。

軸受予圧装置１５は、第２図に示すように、後側の軸受
４の予圧を設定するためのもので、圧電アクチュエータ
１８を主要部として備えなり、上記一対の軸受３，４間
において、間座３１の外周面と上記主軸ケース５の支持
穴６の中間部６ｃとの間に設置されている。

圧電アクチュエータ１８は、後側の軸受４の前側に隣接
するとともに、歪ゲージ４ｏを備える筒体１９と一体的
に設けられている。圧電アクチュエータ１８は、第３図
および第４図に示すように、環状本体２０と、これに設
けられた一対の圧電素子２１．２１とを備えてなる。

上記環状本体２０は、上記支持穴６の中間部６Ｃと間座
３１との間に納まる程度の内外径寸法を有する円筒状の
もので、その前側面２０ａの外周部には係合段部２０ｂ
が全周にわたって設けられている。また、前側面２０ａ
の一直径線上には、後述する第１突子２１ａ、２１ａと
協働する一対の第２突子２０ｃ、２０ｃが突設されてお
り、その先端部は先細のくさび形状とされている。

上記圧電素子２１は、リード線２２を介して上記制御装
置１７に連結されており、後述するように、予圧設定器
２３により予め設定された予圧値に対応した印加電圧に
より、あるいは、位置センサ１６により検出された主軸
１の軸方向変位に対応した印加電圧により、軸方向へ所
定量変位するように構成されている。また、これら一対
の圧電素子２１．２１は、上記環状本体２０の後側面２
０ｄにおいて、上記第二突子２０ｃ、２０ｃを結ふ直径
線に対して直交する直径線上に配置されている。該圧電
素子２１の先端部２１ａは先細の（さび形状とされて、
上記第二突子２０ｃ、２０ｃと協働する第一突子とされ
ている。

すなわち、これら第一突子２１ａ、２１ａが、上記軸受
ケース９と一体とされた間座３５の前側面３５ａに当接
する一方、上記第二突子２０ｃ２０ｃが筒体１９の後側
面１９ａに当接されて、圧電アクチュエータ１８が、こ
れら突子を支点として揺動する。そして、この圧電アク
チュエータ１８のいわゆるシーソー運動により、上記圧
電素子２１．２１個々の寸法差や変位量差の釣合いが保
たれ、これら寸法差・変位量差が予圧設定へ悪影響を及
ぼすのが防止される。

上記歪ゲージ４０は、圧電アクチュエータ１８の軸方向
変位量を検出して、これを上記制御装置１７にフィート
ハックするもので、筒体１９の外周部に設けられるとと
もに、リード線２４を介して上記制御装置１７と連結さ
れている。筒体１９は、上記圧電アクチュエータ１８と
同心状の円筒形状で、その後側面１９ａの外周部に係合
突部１９ｂが全周にわたって設けられ、これが上記圧電
アクチュエータ１８の係合段部２０ｂに、若干の隙間を
もって係合するようにされている。一方、筒体１９の前
側面１９Ｃは、主軸ケース５の固定部分つまり支持穴６
の中間部６Ｃの段部６ｄに当接されている。

位置センサ１６は、主軸１の軸方向位置を検出するため
のもので、上記圧電アクチュエータ１８の環状本体２０
に一体的に設けられている。該位置セン−＋１６は、具
体的には、間座３５の前側面３５ａに対向して、この間
の距離を常時検出し、この検出結果が上記制御装置１７
へ送られる。すなわち、主軸１の軸方向変位は、上記間
座３５、つまり軸受４の外輪４ｂとの対向距離を検出す
ることにより、制御装置１７によって間接的に算出され
るように構成されている。

制御装置１７は、第２図に示すように、予圧設定器２３
により設定された初期設定値と、上記位置センサ１６か
らの検出結果とに従い、駆動装置２５を介して、上記圧
電アクチュエータ１８の圧電素子２１．２１に印加する
電圧を制御するためのものである。該制御装置１７は、
具体的にはマイクロコンピュータからなり、記憶部、比
較演算部および制御部を主要部として備える。

上記記憶部は、主軸１の初期軸方向位置、つまり軸受４
の初期予圧を設定したときの主軸１の軸方向位置り。（
位置センサ１６と間座３５の対向距離）を記憶設定する
。

上記比較演算部は、上記記憶部に設定された主軸１の初
期軸方向位置し口と、主軸１の現在軸方向位置、つまり
フライス盤作動中に検出される主軸１の軸方向位置りと
を比較して、これら両位置の間隔差ε　（＝ＬＬｏ）を
算出する。

また、上記制御部は、上記比較演算部により算出された
間隔差εを補正量として、これに対応した制御信号を駆
動装置２５へ送る。該駆動装置２５は、上記補正量εに
対応して増減された電圧を上記圧電素子２１．２１に印
加し、これにより、軸受４の予圧が調整される。

しかして、以上のような位置制御装置７を備えたフライ
ス盤においては、加工作業開始前後および加工作業中を
問わず、主軸１の軸方向位置は常に一定に保たれ、高い
加工精度が安定して確保される。

次に、この位置制御装置７の作用を説明する。

（１１加工作業開始前および終了後、つまり、フェイス
ミル２にワークＷからの切削抵抗が加わらない状態にお
いては、軸受４には、予圧設定器２３により予め設定さ
れた初期予圧が与えられており、主軸１は初期軸方向位
置り、にある。

（２）一方、加工作業が開始すると、フエイスミル２に
はワークＷから切削抵抗が作用して、主軸１を軸方向へ
進退させようとする。

つまり、第５図に示すように、フェイスミル２は、加工
作業開始に伴い矢符Ｘ方向へ送られて、ワークＷの表面
を切削する。この場合、もし軸受４の予圧が初期予圧の
まま一定に保たれていると、その加工前期へにおいては
、フェイスミル２全体でワークＷを切削していないため
、主軸１にかかる切削抵抗は小さく、よって主軸１は初
期軸方向位置Ｌｏに保持される。加工中期Ｂになると、
フェイスミル２全体でワークＷを切削しているため、主
軸１にかかる切削抵抗は上記加工初期Ａに比べて大きく
、主軸１は初期軸方向位置り、から後退する。さらに、
加工後期Ｃにおいては、上記加工前期Ａと同様、フェイ
スミル２全体でワークＷを切削していないため、主軸１
にかかる切削抵抗は小さ（、よって主軸１は再び初期軸
方向位置し。

に復帰して保持される。

（３）シかしながら、実際には、主軸１の軸方向位置り
が、位置センサ１６を介して、制御装置１７により常時
監視されており、加工前期Ａから加工中期Ｂへ移行する
につれて、主軸１が少しでも後退すると、制御装置１７
が、これを打ち消すべく、軸受予圧装置１５の圧電素子
２１２１の印加電圧を低下させて、軸受４の予圧を減少
させる。この結果、主軸１に作用する軸方向後方への負
荷（切削抵抗子予圧）は一定に保たれることとなり、主
軸ｌは初期の位置り、に保持される。

一方、加工中期Ｂから加工後期Ｃへ移行するにつれて、
主軸１が上記と逆に少しでも前進すると、制御装置１７
が、これを打ち消すべく、軸受予圧装置１５の圧電素子
２１２１の印加電圧を増加させて、軸受４の予圧を増大
させる。この予圧の増大により、主軸１に作用する軸方
向後方への負荷はやはり一定に保たれて、主軸１は初期
の位置り、に保持される。

なお、主軸１の軸方向位置りは、実際には微妙に変化す
るが、上述した動作は瞬時に実行されて、変位量も加工
精度に影響しないほどきわめて小さく、実質的に初期軸
方向位置し０に一定に保たれることとなる。

図示例はフライス盤の主軸部に本発明を通用したもので
あるが、研削盤など他の工作機械にも適用可能なことば
もろちんであり、また、図示例にオイては、主軸ｌの軸
方向変位のみに基づいて軸受４の予圧制御を行っている
が、このほか、軸受等の温度変化や回転数の変化なども
、付加的な制御因子として取り入れることが可能である
。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、以下に列挙する
ような種々のすぐれた効果が得られる。

（１）印加電圧により軸方向変位を生ずる圧電アクチュ
エータを備えてなる軸受予圧装置が駆動部として使用さ
れ、制御装置が、この軸受予圧装置により付与される軸
受予圧を調整することにより、主軸の軸方向位置の変動
を防止する構成とされているから、加工開始前後および
加工中のいずれにおいても、主軸の先端に取り付けられ
た刃具の軸方向位置が一定に保たれ、加工精度が大幅に
向上する。

（２）駆動部が軸受予圧装置からなり、軸受予圧を調整
することにより、主軸の軸方向位置を一定に保つ構成で
あるから、主軸の剛性保持のために初期予圧を極端に高
める必要もなく、高い加工精度を保ちつつ、従来同様の
主軸の高速回転化が可能である。

（３）圧電アクチュエータが、その一方の軸方向側部に
、上記軸受の外輪の軸方向側部に当接する一対の第一突
子を備えるとともに、その他方の軸方向側部に、第一突
子と円周方向へ交互に配列された一対の第二突子を備え
てなり、これにより、圧電アクチュエータが、上記突子
を支点として揺動可能に配設されていれば、均一で高精
度な予圧制御が可能となる。

（４）位置センサが、圧電アクチュエータと一体的に設
けられるとともに、予圧を設定すべき軸受の外輪との対
向距離を検出することにより、主軸の軸方向位置を間接
的に検出する構成であれば、主軸の軸方向位置の検出が
確実で、その構造もきわめてコンパクトなものとするこ
とができる。

（５）制御装置としてマイクロコンピュータを用いれば
、装置の小型化および動作の確実化・高速化が可能とな
り、特に、精密加工を行う工作機械において顕著な効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例である主軸の位置制御装
置を備えた、フライス盤の主軸部を一部断面で示す側面
図、第２図は同位置制御装置の電気回路構成を示すブロ
ック図、第３図は同位置制御装置における軸受予圧装置
の圧電アクチュエータを示す正面図、第４図は第３図に
おけるＩｆ−ＩＶ線に沿った同圧電アクチュエータの断
面図、第５図はフライス加工におけるフェイスミルとワ
ークとの相対的な関係を示す平面図である。 １・・・主軸、２・・・フェイスミル、４・・・複列ア
ンギュラ玉軸受、４ａ・・・内輪、４ｂ・・・外輪、５
・・・主軸ケース、７・・・位置制御装置、９・・・軸
受ケース、１５・・・軸受予圧装置、１６・・・位置セ
ンサ、１７・・・制御装置、１８・・・圧電アクチュエ
ータ、２０ｃ・・・第２突子、２１・・・圧電素子、２
１ａ・・・第１突子、２３・・・予圧設定器、 ５・・・駆動装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）主軸が少なくとも前後一対の軸受により回転可能
   に軸承されてなる工作機械の主軸部において、 前記軸受の軸方向側方に隣接して設けられ、印加電圧に
   より軸方向変位が生ずる圧電アクチュエータを備えてな
   る軸受予圧装置と、 前記主軸の軸方向位置を検出する位置センサと、 該位置センサからの検出信号に応じて、前記圧電アクチ
   ュエータに印加する電圧を制御する制御装置とを備えて
   なり、 前記主軸の軸方向変位に応じて軸受の予圧を調整するこ
   とにより、主軸の軸方向位置を一定に保つように構成さ
   れていることを特徴とする工作機械における主軸の位置
   制御装置。
2. （２）前記圧電アクチュエータは、その一方の軸方向側
   部に、前記軸受の外輪の軸方向側部に当接する一対の第
   一突子を備えるとともに、その他方の軸方向側部に、前
   記第一突子と円周方向へ交互に配列された一対の第二突
   子を備え、 これにより、前記圧電アクチュエータが、前記突子を支
   点として揺動可能に配設されている請求項第１項記載の
   工作機械における主軸の位置制御装置。
3. （３）前記位置センサは、前記圧電アクチュエータと一
   体的に設けられるとともに、前記予圧を設定すべき軸受
   の外輪との対向距離を検出することにより、前記主軸の
   軸方向位置を間接的に検出する請求項第１項記載の工作
   機械における主軸の位置制御装置。
4. （４）前記制御装置は、軸受の初期予圧を設定したとき
   の主軸の軸方向位置を記憶設定する記憶部と、 該記憶部に設定された主軸の軸方向位置と工作機械作動
   中に検出される主軸の軸方向位置とを比較して、その差
   を算出する比較演算部と、該比較演算部により算出され
   た差に対応して前記圧電アクチュエータの印加電圧を制
   御する制御部とからなる請求項第１項記載の工作機械に
   おける主軸の位置制御装置。
5. （５）前記制御装置はマイクロコンピュータである請求
   項第４項記載の工作機械における主軸の位置制御装置。