JPH1015705A - 工作機械の回転軸予圧調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転軸の軸振れを３点法により正確に測定し
その結果に基づいて予圧を調整し仕上げ粗さを目標範囲
内に制御する。 【解決手段】 回転軸１を予圧式軸受２で軸支した軸受
ユニット３をモータ４で回転駆動し、先端に工具Ｔを装
着した工作機械において、回転軸１の軸振れを変位セン
サＳａ、Ｓｂ、Ｓｃの少なくとも３つのセンサで検出
し、演算制御部１０で３点法に基づいて軸振れ量を正確
に求め、その結果に基づいて目標仕上げ精度の軸振れと
なるように予圧調整ユニット１１へ予圧調整信号を送
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】この発明は、工作機械の予圧式軸受
ユニットで軸支される回転軸の回転振れを予圧の調整に
より制御し、工具による加工面粗さを所定目標範囲内に
制御する工作機械の回転軸予圧調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械においては、工具を回転駆動す
る回転軸の回転精度が被加工物の加工精度と密接な関連
を有するため、被加工物への加工精度の向上を計るため
には回転軸の回転精度の向上を図る必要があり、その１
つの方法として回転軸を予圧式軸受ユニットで軸支しそ
の予圧を調整して回転軸の軸振れを制御することが行な
われている。

【０００３】一方、回転軸の回転精度の向上を図る前提
として回転精度を正確に評価する技術が必要であり、そ
の一例として回転軸の回りに少なくとも３つの変位計を
設け、回転軸の振れを回転軸の形状による影響を取り除
くように補正して正確に測定する方法が知られている
（３点法）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した３点法による
回転軸の回転精度測定方法は、回転軸の軸断面形状によ
る影響を取り除くようにして真の回転中心の振れ量のみ
を測定できる点で極めて高精度の回転精度を得ることが
できるが、この測定方法により回転軸の軸振れを正確に
測定したとしても、予圧式軸受ユニットで回転軸の予圧
を調整する際にその測定結果をどのように予圧を調整す
るのに用いるかについてまでは示されていない。

【０００５】予圧式軸受ユニットを用いた回転軸では、
一般に予圧を大きくすると軸心振れが小さくなり加工面
粗さも小さくなる。しかし、従来の予圧式軸受ユニット
では予圧量の設定は加工面の仕上がり状態に対する作業
員の勘と経験により大雑把に行なわれており、例えば上
記３点法による回転精度測定技術などにより自動制御す
るということは行なわれていない。

【０００６】この発明は、上述した予圧式軸受ユニット
の予圧調整の現状に留意して上記３点法による回転精度
測定技術に基づいて予圧式軸受ユニットの予圧を自動調
整する工作機械の回転軸予圧調整装置を提供することを
課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決する手段として、回転軸を予圧式軸受ユニットで軸
支し、回転軸の振れを検出する変位センサを回転軸外周
の少なくとも３箇所に設け、変位センサによる検出信号
から回転軸振れ量の測定データを所定の演算方法により
演算し、その演算結果に基づいて予圧信号を出力する演
算制御部と、予圧式軸受ユニットへ予圧を供給する経路
に設けられる予圧調整ユニットとを備え、上記演算制御
部は上記測定データの振れ量から回転軸の形状による軸
振れ成分を取り除くように演算をして得られる振れ量が
目標範囲内の面粗さに対応する振れ量となるように予圧
調整ユニットへ予圧調整信号を出力するように構成して
成る工作機械の回転軸予圧調整装置としたのである。

【０００８】上記の構成としたこの発明の回転軸予圧調
整装置では、少なくとも３箇所の変位センサによる検出
信号から演算制御部において回転軸の振れ量の測定デー
タを演算して求める。この測定データには回転軸の軸外
径形状による軸振れ成分も含まれており、演算制御部で
はこの影響成分を取り除くよう３点法に基づいて補正を
行ない真の軸振れ成分のみを取り出す。

【０００９】上記３点法による回転軸の回転精度測定方
法については、既に公知であり、ここでは簡単に結果の
みを示す。回転軸に対する変位センサを図３に示すよう
に配置すると、回転軸の軸心振れのＸ、Ｙ方向成分Ｘ
（θ）、Ｙ（θ）は次式で表される。

【００１０】

【数１】

【００１１】実際の測定データを上式に入れて軸心振れ
Ｘ（θ）、Ｙ（θ）を演算すると、測定誤差やノイズ等
も含まれるから、実際にはフィルタ処理することにより
これらの影響を取り除くようにするのが好ましい。

【００１２】なお、３つの変位計の出力データは各変位
計と回転軸の中心を結ぶ線上での変位計から回転軸表面
までの距離の各時刻毎の値を表すから、これらのデータ
から上記演算式により軸心振れ量を計算することによっ
て、軸心振れに与える回転軸の形状による影響成分も除
かれることになる。

【００１３】以上の演算により回転軸の振れ量が得られ
ると、その振れ量が加工物に対して切削などの加工を行
なう際の目標仕上げ精度以内の振れ量であるかを判定す
る。

【００１４】この判定は予め回転軸の振れ量が加工物の
仕上げ精度に所定の条件下で一定の比例関係にあること
を調べておき、その関係曲線に基づいて行なう。

【００１５】この場合、回転軸の振れ量は回転軸を支持
する予圧式軸受ユニットへの予圧が大きければ振れ量が
小さく、予圧が小さければ振れ量が大きくなることが知
られている。従って、加工物に対して設定される目標仕
上げ精度以内の面粗さの仕上げとなっているかは、目標
仕上げ精度に対応する振れ量以内の振れ量であるかを上
記理論によって得られる測定された振れ量と比較し、目
標振れ量以上の振れ量であれば予圧調整ユニットにおい
て予圧を増大させ、あるいは必要以上に目標振れ量より
測定振れ量が小さければ予圧を減少させ、予圧を目標振
れ量に適合する最適な圧力に保持して加工を行なう。

【００１６】

【実施の形態】以下、この発明の実施形態について図面
を参照して説明する。図１は工作機械の回転軸予圧調整
装置の全体概略ブロック図、図２は予圧式軸受ユニット
で軸支した回転軸の部分断面図である。１は回転軸、２
は予圧式軸受、３は軸受ユニット、４は駆動モータであ
り、工作機械の主要部（図示省略）にこれらが取り付け
られている。

【００１７】図２に示すように、予圧式軸受２は軸受部
２ｂと調整リング２ａとを有し、調整リング２ａに油溝
から液圧力による予圧を加えると半径方向に拡縮し、回
転軸１を軸支する際の軸受剛性が変化するというもので
ある。その詳細については、例えば特願平５−１７４０
１８号に説明されているから参照されたい。

【００１８】軸受ユニット３の下端には切削加工用の工
具Ｔが接続され、その接続端附近に３つの変位センサＳ
ａ、Ｓｂ、Ｓｃが図３に示すように互いに略１２０°の
位相角度をなして取り付けられている。これら変位セン
サＳａ、Ｓｂ、Ｓｃからの検出信号は演算制御部１０へ
送られる。なお、軸受ユニット３の軸受２の数は図示の
例では２組を示しているが、この数は任意である。

【００１９】演算制御部１０は、上記３つの変位センサ
Ｓａ〜Ｓｃの検出信号からその取付位置における回転軸
の中心軸の軸振れ量を３点法の原理に従って演算により
求め、予め内部的に又は外部からの設定信号で設定され
る目標振れ量の範囲内にあるかを比較し、その結果に基
づいて予圧調整信号を出力するように設定されている。

【００２０】予圧式軸受ユニット３への予圧供給は液圧
ポンプＰから作動流体を油溝へ送り込んで行なわれ、そ
の液圧供給経路の途中に設けた予圧調整ユニット１１へ
上記演算制御部１０からの予圧調整信号を送信すること
により予圧を調整する。予圧調整ユニット１１には圧力
センサ（図示省略）が設けられており、その検出信号は
演算制御部１０へ送られて予圧調整ができる。

【００２１】予圧調整ユニット１１の詳細は図示省略し
ているが、この例では重、中、軽の３つの異なる予圧を
軸受ユニット３へ送ることができるように３つの圧力制
御弁が組込まれ、圧力センサも３つの予圧を感知できる
ように対応する圧力ライン中に３つの圧力センサが設け
られている。なお、液圧ポンプＰは液圧可変ポンプとす
る。点線は戻りラインであり、１１ａは３つの圧力制御
弁を手動切換するための手動レバーである。

【００２２】通常は演算制御部１０からの予圧調整信号
により圧力制御弁は自動的に内部切換えして、重、中、
軽のいずれかの予圧を送り出すようにしている。油圧レ
ギュレータ（図示省略）への予圧調整信号に基づく制御
信号により対応する液圧を発生させるものとする。

【００２３】上記の構成とした実施形態の回転軸予圧調
整装置は次のように予圧調整を行なう。以下図４のフロ
ーチャートを参照して説明する。

【００２４】回転軸Ｔを回転させ切削を開始すると（ス
テップＳ₁ ）、３つの変位センサＳａ、Ｓｂ、Ｓｃから
の検出信号が演算制御部１０へ送られ（Ｓ₂ ）、そこで
回転軸の振れ量の測定データが演算される。この演算は
回転軸の外周にそれぞれの変位センサが設けられた位置
での回転軸の外径寸法から中心軸がどれだけ振れている
かを表す実測された振れ量に換算するものであり、この
測定データには形状の変化が振れ量に影響を与える量も
含まれたオーバオール値である。

【００２５】上記測定データからは、中心軸の真の振れ
量を得るため、ステップＳ₄ で前述した３点法に基づい
て形状による振れ量の影響値（形状振れ量）を差し引い
て形状による誤差を取り除く演算が行なわれ、真の振れ
量である実測振れ量が求められる。次に、ステップＳ₅
以下で実測振れ量が目標振れ量より大きいか、小さい
か、又は等しいかの判断が行なわれる。目標振れ量は、
予め工作機械に使用される工具の形状、種類（例えば直
径Ｄｍｍのエンドミル）と加工される材料の材質、形状
などとの関係で特定の加工物に対しては特定の工具が選
定された状態で決められるから、それぞれの加工物に対
してその特定の工具により可能な範囲内で必要な任意の
仕上げ精度（又は表面粗さ）に対応する目標振れ量が予
め設定される。

【００２６】上記目標振れ量が設定されると、この範囲
内での予圧が以後の各ステップで調整される。この場
合、例えば以下の切削条件に適合する工具により予め予
圧と軸心振れ、平均粗さとの関係が測定されており、そ
の測定された予圧と仕上げ精度との可能範囲内の目標振
れ量に適合するように予圧調整が行なわれるものとす
る。

【００２７】切削条件 被削材 ： アルミ 工具 ： １２ｍｍφエンドミル、刃数２ 切削方向 ： アップカット 切込深さ ： ａ＝１０ｍｍ 上記切削条件での予圧荷重（Ｎ）と軸心振れ（μｍ）、
予圧荷重（Ｎ）と中心線平均粗さＲａ（μｍ）との関係
を図５、図６に示す（図７は軸心振れと平均粗さＲａと
の関係のグラフ）。図において、例えば軸心振れ約３μ
ｍ、平均粗さＲａ＝０．５μｍ（図中の×印）を指定し
たとすると、これに適合するように予圧を増減する。

【００２８】図４のフローチャートに戻ると、ステップ
Ｓ₅ の判定で実測振れ量が目標振れ量より大きい場合は
少なくとも予圧が不足していることを意味しているから
ステップＳ₆ で予圧を増加する指令を予圧調整ユニット
１１へ出力して予圧を増大させる。予圧を増大すると軸
心振れ量が小さくなり、目標振れ量に近づいて一致する
と、ステップＳ₅ での判定はＮＯとなり、ステップＳ₇
へ進む。ステップＳ₇では軸心振れ量が目標振れ量に一
致している限り判定はＹＥＳとなり、その結果ステップ
Ｓ₈ で予圧保持指令が出力され、予圧が目標振れ量に対
応する圧力で保持される。

【００２９】一方、予圧を増大する際に予圧調整ユニッ
ト１１での予圧の増大が急激に大きくなった場合、上記
目標振れ量以上に超えて予圧が大きくなることがあり、
この場合は、ステップＳ₅ での判定がＮＯ、ステップＳ
₇ での判定もＮＯとなり、ステップＳ₉ に進んで予圧減
少指令が出力される。

【００３０】以上のように予圧調整ユニット１１で予圧
を調整することにより予圧式軸受ユニット３への予圧が
最適に保持されると、加工物に対する仕上げ精度が目標
粗さ以内の最適粗さに加工が行なわれる。なお、上記予
圧調整は予圧を重、中、軽の３段階に予め設定された圧
力のいずれかに調整するものとする。但し、予圧を無段
階に連続的に変化させるようにしてもよいことは勿論で
ある。

【００３１】上記の予圧調整制御において、予圧を増大
させると軸振れ量が減少し、これに一定の比例関係で仕
上げ面粗さも小さくなるということを前提としている
が、これについては以下の理由による。

【００３２】前述した切削条件に挙げた被削材に対しエ
ンドミルを用いて予圧を種々に変化させ、かつ切削速度
も変化させて予圧（Ｎ）と軸振れ量（μｍ）との関係を
測定したデータをグラフにして図５に示している。

【００３３】さらに、上記測定と並行して行なった仕上
げ粗さ（μｍ）についての測定データを図６に示してい
る。上記２種類の測定データから軸振れ量と仕上げ粗さ
との関係を求めると図７のグラフとなる。なお、切削速
度は図中に示しているように４６８７ｒｐｍと７８１２
ｒｐｍの２種類である。

【００３４】上記図５のグラフから分るように、切削
時、非切削時のいずれの時でも予圧を大きくすると軸振
れ量が小さくなり、予圧を重予圧から中予圧、軽予圧と
減少させると振れ量が大きくなっているのが分る。図６
のグラフからは、同様に重予圧では仕上げ粗さが小さ
く、中予圧、軽予圧に減少させると粗さが大きくなって
いる。

【００３５】なお、回転速度についても、回転を上げる
と軸振れ量、粗さが大きくなり、回転を下げると反対に
なることが分る。

【００３６】以上の結果から軸振れ量と仕上げ粗さの関
係をグラフにすると図７のようになる。このグラフから
軸振れ量と仕上げ粗さが一定の直線関係となって比例し
ていることが分る。

【００３７】さらに、上述した軸振れ量と仕上げ粗さの
関係が得られる理由については次の通りである。

【００３８】上述した切削条件で切削する場合に得られ
る仕上げ粗さを理論と実測の両面から考察する。エンド
ミルによる切削状態をエンドミルの軸と直角な断面で見
ると図８のようになる。図中の刃の軌跡は次式で表され
る。

【００３９】刃の回転角度 αｉ＝２π（ｉ−１）／Ｚ 刃のＸ座標 Ｘｉ＝Ｄ／２・ｓｉｎ（ωｔ−αｉ）＋
Ｖ_f ・ωｔ／ω 刃のＹ座標 Ｙｉ＝Ｄ／２・｛１−ｃｏｓ（ωｔ−α
ｉ）｝ 但し、Ｄ ： エンドミル直径 Ｚ ： 刃数 ω ： 刃の自転角速度 Ｖ_f ： 送り速度 又、刃のＸ、Ｙ座標での位置（Ｘｉ、Ｙｉ）はＸ、Ｙ座
標の原点０から時間ｔに至る座標位置であり、ｉ＝１を
基準として表示している。

【００４０】上述した加工条件から、ω、Ｖ_f などのパ
ラメータは次のように与えられる。

【００４１】

【表１】

【００４２】上式から刃の軌跡を計算し、プロットした
点を連続線で表すと図９に示すようになる。

【００４３】ＸとＹ座標の関係は表中＊を付したパラメ
ータで決まるが、２つの切削条件でこれらの値は同じで
あるため、どちらの刃も同じ軌跡を描く。図中の番号
、、……と矢印は刃でワークを切削する順番と方向
を示している。奇数番はＮo.２の刃の軌跡である。Ｎo.
１とＮo.２の刃の軌跡およびＸ軸で囲まれた斜線部が理
論上の加工面の形状である。

【００４４】図９のグラフから分るように、上述の斜線
部は、長さ０．１２ｍｍの周期で高さ０．３０μｍの加
工面が形成されることを示している。ところが、実際の
加工面の形状の周期は０．２４ｍｍ程度であり、理論周
期の約２倍である。この理由として、刃先と回転中心の
偏りが考えられる。即ち、今回使用したエンドミルの刃
数は２であるが、エンドミルの取り付け偏芯や刃先磨耗
の影響により２枚の刃で加工面が創成されていないから
である。この場合、加工面は回転中心から半径方向に遠
い方の１つの刃で創成される。他方の刃は図９の破線の
ような軌跡をたどり荒削りのみを行っている。加工面の
創成に寄与する刃を仮にＮo.１とすれば、加工面形状は
図９の斜線部となり、その周期は０．２４ｍｍであり、
実際と一致する。この面の高さは１．１９μｍであり、
粗さをＲａ（平均粗さ）で計算すると０．３０μｍとな
る。従って、１枚刃で加工面が創成されると、軸芯振れ
を０とした理論粗さは０．３０μｍ（Ｒａ）となる。こ
の値は、図７で軸芯振れ０の時の粗さ外挿値０．２４μ
ｍと概ね一致している。実際の粗さは図７のように軸芯
振れの影響により、これより大きくなる。

【００４５】以上の考察から分ることは、エンドミルで
切削中に生じる軸振れ量が予圧を大きくして０となるよ
うな場合に理論粗さに合致し、予圧を小さくすれば、軸
受剛性の低下に伴って仕上げ粗さが大きくなるというこ
とが容易に理解される。

【００４６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
予圧調整装置は少なくとも３点の変位センサで回転軸の
軸振れ変位を検出し、演算制御部で３点法により演算し
て軸振れ量を正確に求めこれにより予圧調整ユニットへ
予圧調整信号を出力し軸振れを目標範囲内に制御するよ
うにしたから、軸振れ量を目標範囲内に制御することに
より加工物の仕上げ精度を所望の精度に仕上げ加工でき
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】予圧式軸受ユニットで軸支された回転軸の予圧
調整装置の全体ブロック図

【図２】予圧式軸受ユニット部分の断面図

【図３】図２の矢視III −III から見た拡大断面図

【図４】予圧調整制御のフローチャート

【図５】軸振れ量と予圧の関係を示す実測データのグラ
フ

【図６】仕上げ粗さと予圧の関係を示す実測データのグ
ラフ

【図７】軸振れ量と仕上げ粗さとの関係のグラフ

【図８】切削理論の説明図

【図９】切削断面の拡大図

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ 予圧式軸受 ３ 軸受ユニット ４ モータ １０ 演算制御部 １１ 予圧調整ユニット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸を予圧式軸受ユニットで軸支し、
   回転軸の振れを検出する変位センサを回転軸外周の少な
   くとも３箇所に設け、変位センサによる検出信号から回
   転軸振れ量の測定データを所定の演算方法により演算
   し、その演算結果に基づいて予圧信号を出力する演算制
   御部と、予圧式軸受ユニットへ予圧を供給する経路に設
   けられる予圧調整ユニットとを備え、上記演算制御部は
   上記測定データの振れ量から回転軸の形状による軸振れ
   成分を取り除くように演算をして得られる振れ量が目標
   範囲内の面粗さに対応する振れ量となるように予圧調整
   ユニットへ予圧調整信号を出力するように構成して成る
   工作機械の回転軸予圧調整装置。