KR20190068445A - 주축 장치 및 공작 기계 - Google Patents

Abstract

이 주축 장치는, 주축과, 비접촉으로 주축을 회전 가능하게 지지하는 비접촉 베어링과, 구동부와, 주축의 일단부에 마련되고, 공구 또는 접촉 센서를 착탈 가능하게 보유 지지하는 공구 보유 지지부를 구비한다. 비접촉 베어링은, 접촉 센서의 장착 시에, 주축을 접촉 상태로 지지함으로써 주축의 이동을 억제하는 측정 상태로 전환 가능하게 구성되어 있다.

Description

주축 장치 및 공작 기계 {MAIN SPINDLE DEVICE AND MACHINE TOOL}

이 발명은, 주축 장치 및 공작 기계에 관한 것으로, 특히, 공구 대신에 워크를 측정하기 위한 센서를 장착 가능한 주축을 구비한 주축 장치 및 공작 기계에 관한 것이다.

종래, 공구 대신에 워크를 측정하기 위한 센서를 장착 가능한 주축을 구비한 주축 장치가 알려져 있다. 이러한 주축 장치는, 예를 들어 일본 특허 공개 제2006-326804호 공보에 개시되어 있다.

상기 일본 특허 공개 제2006-326804호 공보에는, 주축과, 주축을 회전 지지하는 베어링과, 주축을 회전 구동시키는 모터와, 주축의 선단부에 마련된 공구 클램프 기구를 구비한 주축 장치가 개시되어 있다. 주축의 선단부에는, 공구 클램프 기구에 의해, 워크의 가공을 행하는 공구와, 워크의 가공 개소의 직경을 측정하기 위한 측정 헤드 중 어느 하나를 교환해서 착탈할 수 있다.

상기 일본 특허 공개 제2006-326804호 공보에는 명기되어 있지 않지만, 주축의 베어링은 접촉식의 볼 베어링이라고 생각된다.

여기서, 주축 장치의 베어링에는, 볼 베어링 등의 접촉식 구름 베어링 외에, 정압 유체 베어링 등의 비접촉 베어링이 채용되는 경우가 있다. 비접촉 베어링에는, 접촉식 베어링과 비교하여, 베어링 마찰 계수가 작고 발열이 작은 반면, 베어링 강성이 낮고, 외력에 의해 주축이 베어링과의 간극 분만큼 이동하기 쉽다는 특징이 있다. 그 때문에, 비접촉 베어링을 채용한 주축 장치에 있어서, 측정 헤드로서 접촉 센서를 주축에 장착해서 워크의 측정을 행하고자 하는 경우, 워크로부터의 접촉 반력에 의해 주축이 위치 어긋남 되어 버려, 정확한 측정이 곤란해진다는 문제점이 있다. 그 때문에, 비접촉 베어링을 채용한 주축 장치에 있어서, 접촉 센서를 주축에 장착해서 워크의 측정을 행하는 경우에도, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있도록 하는 것이 요망되고 있다.

이 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 이 발명의 하나의 목적은, 비접촉 베어링을 채용한 주축 장치에 있어서, 접촉 센서를 주축에 장착해서 워크의 측정을 행하는 경우에도, 측정 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 주축 장치 및 공작 기계를 제공하는 것이다.

이 발명의 제1 국면에 의한 주축 장치는, 주축과, 비접촉으로 주축을 중심축선 주위로 회전 가능하게 지지하는 비접촉 베어링과, 주축을 회전 구동하는 구동부와, 주축의 일단부에 마련되고, 워크의 가공을 행하는 공구 또는 워크의 측정을 행하는 접촉 센서를 착탈 가능하게 보유 지지하는 공구 보유 지지부를 구비하고, 비접촉 베어링은, 접촉 센서의 장착 시에, 주축을 접촉 상태로 지지함으로써 주축의 이동을 억제하는 측정 상태로 전환 가능하게 구성되어 있다.

이 주축 장치에서는, 상기와 같이 비접촉 베어링을 구성함으로써, 접촉 센서를 공구 보유 지지부에 장착해서 워크의 측정을 행하는 경우에, 비접촉 베어링을 측정 상태로 전환시키고, 비접촉 베어링에 의해 주축을 접촉 상태로 지지할 수 있다. 그 때문에, 접촉 센서의 접촉 반력이 주축에 작용하는 경우에, 비접촉 상태인 채로 주축을 보유 지지하는 경우에 비하여, 접촉 반력에 의한 주축의 위치 어긋남을 억제할 수 있다. 위치 어긋남의 억제 방법으로서는, 비접촉 베어링과 주축과의 접촉 방향과 접촉 반력의 작용 방향의 관계에 따라 다양하지만, 접촉 반력을 베어링면에서 직접 지지하는 것에 의한 이동 규제, 접촉에 수반되는 마찰 저항의 증대, 베어링면과 주축측의 대향면의 면 접촉에 의한 밀착력의 발생 등이 있다.

즉, 접촉 반력의 작용 방향을 향해서 주축을 비접촉 베어링에 접촉시킨 경우, 비접촉 베어링의 베어링면에 지지된 주축이 그 이상 움직이지 않게 되기 때문에, 접촉 반력에 의한 주축의 위치 어긋남을 효과적으로 억제할 수 있다. 접촉 반력과 교차하는 방향을 향해서 주축을 비접촉 베어링에 접촉시킨 경우, 접촉 개소에 있어서의 마찰력의 증대에 의해 주축의 이동을 억제할 수 있다. 접촉 반력과 반대 방향을 향해서 주축을 비접촉 베어링에 접촉시킨 경우, 베어링면과 주축측의 대향면의 밀착력의 발생에 의해 주축을 지지할 수 있다. 즉, 일반적으로, 베어링면 및 주축측의 대향면은 랩처리 등에 의해 평활로 되기 때문에, 베어링면 및 대향면이 한번 면 접촉하면 강력하게 밀착되어, 주축의 이동을 억제할 수 있다. 이들의 결과, 비접촉 베어링을 측정 상태로 전환시킨 상태로 측정을 행함으로써, 비접촉 베어링을 채용한 주축 장치에 있어서, 접촉 센서를 주축에 장착해서 워크의 측정을 행하는 경우라도, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

상기 제1 국면에 의한 주축 장치에 있어서, 바람직하게는 비접촉 베어링은, 주축을 축방향의 양측에서 축방향으로 지지하는 액셜 베어링부와, 주축을 반경 방향으로 지지하는 레이디얼 베어링부를 포함하고, 측정 상태에 있어서, 액셜 베어링부의 액셜 베어링면과, 주축의 액셜 대향면이, 축방향으로 접촉하도록 구성되어 있다. 이렇게 구성하면, 액셜 베어링면과 주축의 액셜 대향면을 축방향으로 면 접촉시킬 수 있다. 그 결과, 면끼리의 밀착에 의해, 접촉 센서로부터의 축방향의 접촉 반력에 대하여도, 직경 방향의 접촉 반력에 대하여도, 주축의 위치 어긋남을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 주축의 축방향 위치가 비접촉 베어링의 액셜 베어링면과의 접촉 위치에 위치 결정되므로, 주축의 축방향의 위치 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그 결과, 보다 고정밀도로 워크의 측정을 행할 수 있다.

이 경우, 바람직하게는 액셜 베어링부는, 주축을 일단부측으로부터 지지하는 일방측 액셜 베어링면과, 주축을 일단부측과는 반대인 타단부측으로부터 지지하는 타방측 액셜 베어링면을 포함하고, 비접촉 베어링은, 측정 상태에 있어서, 일방측 액셜 베어링면이 주축으로부터 이격되고, 타방측 액셜 베어링면이 주축의 액셜 대향면과 접촉하도록 구성되어 있다. 이렇게 구성하면, 타방측 액셜 베어링면이 타단부측으로부터 주축의 액셜 대향면과 접촉하므로, 접촉 센서로부터의 축방향의 접촉 반력이 주축을 압입하는 방향(주축의 타단부측을 향하는 방향)에 작용한 경우에도, 주축이 이동하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 그리고, 주축의 축방향 위치를 타방측 액셜 베어링면과의 접촉 위치에서 위치 결정할 수 있다. 그 결과, 접촉 반력에 의한 위치 어긋남의 방지와, 측정 상태에 있어서의 주축의 축방향의 위치 정밀도의 향상 양쪽을 실현할 수 있다.

상기 비접촉 베어링이 액셜 베어링부와 레이디얼 베어링부를 포함하는 구성에 있어서, 바람직하게는 비접촉 베어링은, 정압 유체 베어링이며, 정압 유체 베어링으로의 압력 공급을 제어하는 유체 회로를 더 구비하고, 유체 회로는, 액셜 베어링부의 일단부측 및 타단부측 중, 어느 한쪽의 공급 압력을 다른 한쪽보다도 약화시키거나 또는 차단함으로써, 액셜 베어링면과 액셜 대향면을 접촉시키게 구성되어 있다. 이렇게 구성하면, 정압 유체 베어링으로의 공급 압력을 조절(약화시키거나 또는 차단)하는 것만으로, 용이하게 액셜 베어링면과 액셜 대향면을 접촉시킬 수 있다. 또한, 정압 유체 베어링에 의해 주축을 비접촉으로 지지하기 위한 유체 회로를 사용하는 것만으로 되므로, 액셜 베어링면과 액셜 대향면을 접촉시키는 경우에도, 장치 구성이 복잡화되지 않는다.

이 경우, 바람직하게는 정압 유체 베어링은, 정압 공기 베어링이며, 유체 회로는, 액셜 베어링부의 어느 한쪽에 대한 공기압의 공급과 차단을 전환시키는 전환 밸브를 포함한다. 이렇게 구성하면, 전환 밸브를 마련하기만 하는 간단한 구성으로, 용이하게 액셜 베어링면과 액셜 대향면을 접촉시키는 측정 상태로 전환시킬 수 있다.

상기 제1 국면에 의한 주축 장치에 있어서, 바람직하게는 측정 상태에 있어서, 주축을 축 방향으로 가압함으로써, 주축과 비접촉 베어링을 접촉시키는 가압부를 더 구비한다. 이렇게 구성하면, 가압부에 의해, 용이하게 측정 상태로 전환시킬 수 있다. 또한, 주축과 비접촉 베어링을 접촉시키기 위해서 전용의 가압부를 마련하는 경우에는, 접촉 센서로부터의 접촉 반력의 크기에 따라서 가압력을 설정함으로써, 주축의 위치 어긋남을 충분히 억제할 수 있다.

상기 제1 국면에 의한 주축 장치에 있어서, 바람직하게는 공구 교환 장치에서 공구 보유 지지부로 접촉 센서가 장착된 것을 판별하는 판별부와, 공구 보유 지지부에 접촉 센서가 장착된 경우에, 비접촉 베어링을 측정 상태로 전환시키는 제어를 행하는 제어부를 더 구비한다. 이렇게 구성하면, 공구에 의한 가공의 개시 전의 측정에서도, 가공 도중에서의 측정에서도, 공구 보유 지지부에 접촉 센서가 장착된 것이 판별되었을 경우에는 측정 상태로 전환시킬 수 있다. 그 결과, 유저가 측정 상태로 전환시킬 필요가 없고, 확실하게 접촉 센서에 의한 측정 시에 비접촉 베어링을 측정 상태로 전환시킬 수 있다.

상기 제1 국면에 의한 주축 장치에 있어서, 바람직하게는 공구 보유 지지부는, 스트레이트 섕크형의 공구 및 접촉 센서를 직접 보유 지지 가능한 콜릿 부재를 갖는다. 이렇게 구성하면, 콜릿 구비 공구(접촉 센서)를 탈착하는 경우와 상이하고, 개개의 공구(접촉 센서)에 콜릿 척을 마련할 필요가 없는 만큼, 부품 개수를 삭감하면서 공구를 소형화할 수 있다. 그 때문에, 공구 교환 장치에 접촉 센서를 마련하는 경우에도, 장치 구성이 대형화되지 않는다.

상기 제1 국면에 의한 주축 장치에 있어서, 바람직하게는 구동부는, 유도 모터를 포함하고, 비접촉 베어링은, 측정 상태에 있어서, 주축과의 접촉에 의해 주축의 회전을 정지시키도록 구성되어 있다. 여기서, 유도 모터를 채용하는 경우에 주축을 구동하지 않으면, 주축은 공회전한다. 그 때문에, 공구 보유 지지부에 접촉 센서를 장착한 경우에, 주축의 중심축과 접촉 센서의 중심축이 엄밀하게 일치하지 않으면, 접촉 센서의 선단이 진동 회전하게 되고, 접촉 위치가 변동됨으로써 측정 정밀도를 저하시키는 요인이 된다. 그래서, 상기 구성에 의하면, 측정 상태로 주축의 회전을 확실하게 정지시킨 상태로, 접촉 센서에 의한 워크의 측정을 행할 수 있으므로, 유도 모터를 채용하는 구성에 있어서, 특별한 모터 제어를 행하지 않고 용이하게 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이 발명의 제2 국면에 의한 공작 기계는, 상기 제1 국면의 어느 하나의 주축 장치와, 주축 장치와 워크를 상대 이동시키는 이동 기구와, 공구 및 접촉 센서를 주축 장치의 주축에 대하여 착탈 가능하게 보유 지지하는 공구 교환 장치를 구비한다.

이 공작 기계에서는, 상기와 같이 구성함으로써, 상기 제1 국면에 의한 주축 장치와 마찬가지로, 접촉 센서를 공구 보유 지지부에 장착해서 워크의 측정을 행하는 경우에, 비접촉 베어링을 측정 상태로 전환시키고, 주축을 접촉 상태로 지지시킬 수 있으므로, 접촉 센서의 접촉 반력이 주축에 작용하는 경우에, 비접촉 상태인 채로 주축을 보유 지지하는 경우에 비하여, 접촉 반력에 의한 주축의 위치 어긋남을 억제할 수 있다. 그 결과, 비접촉 베어링을 채용한 주축 장치를 구비하는 공작 기계에 있어서, 접촉 센서를 주축에 장착해서 워크의 측정을 행하는 경우에도, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 1은, 제1 실시 형태에 따른 주축 장치를 구비한 공작 기계의 전체 구성을 나타낸 모식도이다.
도 2는, 제1 실시 형태에 따른 주축 장치를 나타낸 모식적인 종단면도이다.
도 3은, 공구 보유 지지부의 구성 및 공구 교환을 설명하기 위한 공구 보유 지지부의 모식적인 확대 단면도이다.
도 4는, 가공 상태를 설명하기 위한 주축 장치의 모식도이다.
도 5는, 측정 상태를 설명하기 위한 주축 장치의 모식도이다.
도 6은, 접촉 센서를 사용한 측정 처리의 흐름을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은, 기준 게이지의 측정을 나타내는 도면 (A) 및 워크의 측정을 나타내는 도면 (B)이다.
도 8은, 제2 실시 형태에 따른 주축 장치를 나타낸 모식적인 종단면도이다.
도 9는, 제2 실시 형태에 있어서의 측정 상태를 설명하기 위한 주축 장치의 모식도이다.
도 10은, 공구 보유 지지부의 제1 변형예를 나타낸 모식도이다.
도 11은, 공구 보유 지지부의 제2 변형의 파지 상태 (A) 및 해제 상태 (B)를 나타낸 모식도이다.
도 12는, 도 5에 나타낸 측정 상태의 변형예를 나타낸 모식도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.

[제1 실시 형태]

도 1 내지 도 5를 참조하여, 제1 실시 형태에 따른 주축 장치(100) 및 주축 장치(100)를 구비한 공작 기계(200)에 대하여 설명한다.

(주축 장치 및 공작 기계의 개요)

도 1에 나타내는 바와 같이, 주축 장치(100)는, 주축(10)(도 2 참조)을 중심축 주위에 회전 구동시킴으로써, 주축(10)의 일단부에 장착되는 공구(1)를 회전시켜서, 피가공물인 워크(3)의 가공을 행하기 위한 장치이다. 주축 장치(100)는, 공작 기계(200)에 조립 장착되고, 공작 기계(200)가 구비하는 이동 기구(110)에 의해, 워크(3)에 대하여 상대 이동된다. 공작 기계(200)는, 수치 제어(NC) 공작 기계이며, 공구(1)와 워크(3)의 상대 운동(위치 및 속도)을 수치 정보에 의해 제어하고, 가공에 관계되는 일련의 동작을 프로그램(132)에 의해 실행한다. 구체적으로는, 공작 기계(200)는, 주축 장치(100)와 공구 교환 장치(120)를 구비한 머시닝 센터이며, 주축 장치(100)에 대한 공구(1)의 갈아 끼움에 의해, 천공, 보링, 밀링 절삭 등 각종의 가공을 행할 수 있다.

제1 실시 형태에서는, 일례로서, 워크(3)가 광학 렌즈용 금형이고, 공작 기계(200)에 의해 금형의 정밀 가공을 행하는 예에 대하여 설명한다. 제1 실시 형태의 주축 장치(100) 및 공작 기계(200)는, 접촉 센서(2)에 의한 워크(3)의 고정밀도 측정이 가능하기 때문에, 금형의 제작 등 고정밀도가 요구되는 정밀 가공을 행하는 경우에 특히 적합하다.

공작 기계(200)는, 주축 장치(100)와, 이동 기구(110)와, 공구 교환 장치(120)를 구비한다. 또한, 공작 기계(200)(주축 장치(100))는, 이들의 각 부를 제어하는 제어부(130)를 구비한다.

이동 기구(110)는, 주축 장치(100)와 워크(3)를 상대 이동시키도록 구성되어 있다. 공작 기계(200)는, 주축 장치(100)와 워크(3)를, 적어도 상하 방향과, 수평면 내에서 직교하는 2방향의, 직교 3축 방향으로 상대 이동시킨다. 주축 장치(100)와 워크(3)의 상대 이동은, 주축 장치(100) 및 워크(3)의 한쪽만이 이동해도 되고, 주축 장치(100) 및 워크(3) 양쪽이 이동해도 된다. 도 1의 예에서는, 이동 기구(110)는, 주축 장치(100)를 상하 방향인 Z 방향과, 수평면 내의 Y 방향(도 1의 좌우 방향)으로 이동시키고, 워크(3)를 수평면 내에서 Y 방향과 직교하는 X 방향(도 1의 지면에 수직인 앞 및 안측 방향)으로 이동시킨다.

도 1에서는, 공작 기계(200)가 문형 머시닝 센터인 예를 나타낸다. 공작 기계(200)는, 워크(3)가 설치되는 테이블(140)과, 테이블(140)을 X 방향으로 이동 가능하게 지지하는 베드(141)를 구비한다. 공작 기계(200)는, 베드(141)의 Y 방향 양측에 배치된 한 쌍의 컬럼(142)과, 한 쌍의 컬럼(142)의 상단부에 걸쳐진 크로스바(143)를 구비한다. 크로스바(143)는, 테이블(140) 및 베드(141)의 상방을 걸치게 Y 방향으로 연장되어 있다. 크로스바(143)는, 새들(144)을 Y 방향으로 이동 가능하게 지지한다. 새들(144)은, 주축 장치(100)가 마련된 헤드(145)를 Z 방향으로 이동 가능하게 지지한다.

이동 기구(110)는, 헤드(145)를 Z 방향으로 이동시키는 Z축 이동 기구(111)와, 새들(144)을 Y 방향으로 이동시키는 Y축 이동 기구(112)와, 테이블(140)을 X 방향으로 이동시키는 X축 이동 기구(113)를 구비한다. Z축 이동 기구(111), Y축 이동 기구(112) 및 X축 이동 기구(113) 각각은, 예를 들어 위치 검출기를 내장했던 서보 모터(114)와, 서보 모터(114)에 의해 구동시키는 직선 구동 기구(미도시)를 포함한다. 또한, 이동 기구(110)는, 3축보다도 많은 이동 축을 구비하고 있어도 된다. 예를 들어, 이동 기구(110)는, 헤드(145)를 X 방향의 축 중심으로 회동시키는(주축 장치(100)의 공구(1)를 수평면에 대하여 경사지게 한다) 회동 축이나, 테이블(140)을 Z축 중심으로 회전시키는(워크(3)를 수평면 내에서 회전시킨다) 회전축을 구비하고 있어도 된다.

공구 교환 장치(120)는, 복수종의 공구(1)를 취출 가능하게 보유 지지하고, 주축 장치(100)의 주축(10)에 장착하는 공구(1)를 교환시키는 기능을 갖는다. 제1 실시 형태에서는, 공구 교환 장치(120)는, 공구(1)에 더하여, 접촉 센서(2)를 취출 가능하게 보유 지지한다. 즉, 공구 교환 장치(120)는, 공구(1) 및 접촉 센서(2)를 주축 장치(100)의 주축(10)에 대하여 착탈 가능하게 보유 지지하게 구성되어 있다.

도 1에 나타내는 공구 교환 장치(120)는, 공구(1) 및 접촉 센서(2)를 보유 지지하는 매거진(121)과, 매거진(121)을 구동시키는 모터(122)를 포함한다. 매거진(121)은, 원반 형상으로 형성되고, 외주부에 둘레 방향을 따라 복수의 보유 지지 구멍(미도시)을 갖는다. 매거진(121)은, 각각의 보유 지지 구멍에 공구(1) 또는 접촉 센서(2)를 상방으로 인발 가능한 상태로 보유 지지할 수 있다. 모터(122)는, 매거진(121)을 중심의 회전축 주위로 회전시키게 구성되어 있다.

매거진(121)의 회전에 의해, 매거진(121)이 원하는 보유 지지 구멍을 주축 장치(100)에 대한 공구 교환 위치로 위치 부여할 수 있다. 이에 의해, 공작 기계(200)는, 주축 장치(100)를 매거진(121)의 상방의 공구 교환 위치로 이동시키고, 주축 장치(100)에 장착된 공구(1) 또는 접촉 센서(2)를 빼서 공구 교환 위치의 보유 지지 구멍에 세트하는 것 및, 공구 교환 위치로 이동된 보유 지지 구멍에 보유 지지된 공구(1) 또는 접촉 센서(2)를 주축 장치(100)에 장착하는 것이 가능하다.

제어부(130)는, 공작 기계(200)의 전체의 동작 제어를 행하게 구성되어 있다. 제어부(130)는, CPU 등의 프로세서에 의해 구성되어 있다. 제어부(130)는, 워크(3)의 가공 프로그램을 포함하는 공작 기계(200)를 제어하기 위한 각종 프로그램(132)이 기억된 기억부(131)을 구비한다. 기억부(131)에 기억된 프로그램을 프로세서가 실행함으로써, 프로세서가 공작 기계(200)의 제어부(130)로서 동작한다. 이에 의해, 제어부(130)는, 주축 장치(100)의 동작 제어, 이동 기구(110)의 동작 제어, 공구 교환 장치(120)의 동작 제어를 행한다. 제어부(130)는, 예를 들어 공작 기계(200)의 제어반에 마련되어 있고, 제어반의 표시부(미도시)나 입력부(미도시)와 접속되어 있다.

(주축 장치)

도 2에 나타내는 바와 같이, 주축 장치(100)는, 주축(10)과, 비접촉 베어링(20)과, 구동부(30)와, 공구 보유 지지부(40)를 구비한다. 주축 장치(100)는, 이들의 각 부를 하우징(50) 내에 수용한 어셈블리로서 패키지화되어 있다.

주축(10)은, 개략 원통형인 하우징(50)의 중심에, 상하로 연장되게 마련된 축 부재이다. 주축(10)은, 중실의 축 부재여도 되지만, 도 2의 예에서는, 중공(도 3 참조)의 원통 형상을 갖는다. 주축(10)은, 구동부(30)에 의해 중심축 주위에 회전 구동되어, 주축(10)의 일단부(주축 단)에 마련된 공구 보유 지지부(40)에 장착된 공구(1)를 회전시킨다. 이하에서는, 편의적으로, 주축(10)의 공구 보유 지지부(40)가 배치되는 측을 일단부측(Z1 방향)으로 하고, 주축(10)의 공구 보유 지지부(40)와는 반대측을 타단부측(Z2 방향)으로 한다.

주축(10)에는, 외주면에 직경 방향 외측으로 돌출된 플랜지부(11)가 마련되어 있다. 플랜지부(11)는, 일정한 두께를 가지고, 원판 형상으로 형성되어 있다. 플랜지부(11)에 있어서, 축방향의 일단부측(Z1 방향측) 및 타단부측(Z2 방향측)의 각 표면에는, 비접촉 베어링(20)과 축방향으로 대향하는 액셜 대향면(11a)이 형성되어 있다. 주축(10)에는, 외경이 일정한 축부(12)가 마련되어 있다. 축부(12)에는, 비접촉 베어링(20)과 직경 방향으로 대향하는 레이디얼 대향면(12a)이 마련되어 있다. 또한, 플랜지부(11)의 위치는 특별히 한정되지 않고, 플랜지부(11)가 축부(12)에 대하여 일단부측(Z1 방향측)에 배치되어 있어도 된다.

공구 보유 지지부(40)는, 주축(10)의 일단부에 마련되고, 워크(3)의 가공을 행하는 공구(1) 또는 워크(3)의 측정을 행하는 접촉 센서(2)를 착탈 가능하게 보유 지지하게 구성되어 있다. 공구 보유 지지부(40)는, 중공의 주축(10)의 일단부에 있어서, 삽입된 공구(1) 또는 접촉 센서(2)와 걸림 결합함으로써, 공구(1) 또는 접촉 센서(2)를 보유 지지한다. 공구 보유 지지부(40)의 상세에 대해서는 후술한다.

비접촉 베어링(20)은, 비접촉으로 주축(10)을 중심축선 주위에 회전 가능하도록 지지하게 구성되어 있다. 비접촉 베어링(20)은, 적어도 주축(10)의 회전 구동 시에 있어서, 비접촉으로 주축(10)을 중심축선 주위에 회전 가능하도록 지지하게 구성되어 있다. 바꾸어 말하면, 비접촉 베어링(20)은, 공구(1)의 장착 시에, 주축(10)을 비접촉 상태로 회전 가능하게 지지하는 가공 상태(P1)(도 4 참조)가 되게 구성되어 있다. 그리고, 제1 실시 형태에서는, 비접촉 베어링(20)은, 접촉 센서(2)의 장착 시에, 주축(10)을 접촉 상태로 지지함으로써 주축(10)의 이동을 억제하는 측정 상태(P2)(도 5 참조)로 전환 가능하게 구성되어 있다. 비접촉 베어링(20)으로서는, 기름이나 공기를 작동 유체로 한 정압 유체 베어링이나, 자기 베어링을 채용할 수 있다. 제1 실시 형태에서는, 비접촉 베어링(20)은, 정압 유체 베어링이며, 특히 정압 공기 베어링에 의해 구성되어 있다. 정압 공기 베어링은, 가압된 기체를 베어링과 주축의 간극(CL)으로 도입하고, 기체 압력의 균형에 의해 주축(10)에 작용하는 부하(자중 및 접촉 반력)를 비접촉으로 지지하는 베어링이다.

비접촉 베어링(20)은, 주축(10)을 축방향의 양측으로부터 지지하는 액셜 베어링부(21)와, 주축(10)을 반경 방향으로 지지하는 레이디얼 베어링부(22)를 포함한다.

액셜 베어링부(21)는, 주축(10)의 플랜지부(11)에 대하여 축방향 양측에 배치된 한 쌍의 액셜 베어링면을 갖는다. 즉, 액셜 베어링부(21)는, 주축(10)을 일단부측으로부터 지지하는 일방측 액셜 베어링면(21a)과, 주축(10)을 타단부측으로부터 지지하는 타방측 액셜 베어링면(21b)을 포함한다. 또한, 일방측 액셜 베어링면(21a) 및 타방측 액셜 베어링면(21b)은, 모두 특허 청구 범위의 「액셜 베어링면」의 일례이다. 일방측 액셜 베어링면(21a) 및 타방측 액셜 베어링면(21b)은, 각각, 축방향시로 원환 형상으로 형성되고, 플랜지부(11)의 액셜 대향면(11a)으로부터 미소한 간극(CL)을 두고 축방향으로 대향되게 마련되어 있다. 액셜 베어링부(21)에는, 공압원(정압원)(60)으로부터 후술하는 유체 회로(70) 및 하우징(50)의 통로부(51)를 통해 압축 공기가 공급된다. 일방측 액셜 베어링면(21a)과, 타방측 액셜 베어링면(21b)에는, 각각, 액셜 대향면(11a)과의 간극(CL)에 압축 공기를 방출하는 도시하지 않은 스로틀 구멍이 마련되어 있다. 이에 의해, 액셜 베어링부(21)는, 일방측 액셜 베어링면(21a) 및 타방측 액셜 베어링면(21b)으로부터 플랜지부(11)의 축방향 양측에 각각 공급된 작동 유체(공기)의 압력의 균형에 의해, 주축(10)의 축방향(액셜 방향)의 지지를 비접촉으로 행하는 것이 가능하다.

레이디얼 베어링부(22)는, 주축(10)의 축부(12)에 대하여 동심원 형상으로 형성된 레이디얼 베어링면(22a)을 갖는다. 레이디얼 베어링면(22a)은, 주축(10)의 레이디얼 대향면(12a)으로부터 미소한 간극(CL)을 두고 대향되게 마련되어 있다. 레이디얼 베어링부(22)에는, 통로부(51)를 통해 압축 공기가 공급된다. 레이디얼 베어링면(22a)에는, 레이디얼 대향면(12a)과의 간극(CL)에 압축 공기를 방출하는 도시하지 않은 스로틀 구멍이 마련되어 있다. 이에 의해, 레이디얼 베어링부(22)는, 레이디얼 베어링면(22a)으로부터 레이디얼 대향면(12a)과의 사이의 간극(CL)에 공급된 작동 유체(공기)의 압력의 균형에 의해, 주축(10)의 직경 방향(레이디얼 방향)의 지지를 비접촉으로 행하는 것이 가능하다.

또한, 레이디얼 베어링부(22)는, 주축(10)의 축방향을 따라 이격하는 위치에, 2개 마련되어 있다. 이에 의해, 주축(10)의 기욺이 방지된다. 축방향 타단부측의 레이디얼 베어링부(22)는, 액셜 베어링부(21)와 공통인 단면 L자 형상의 베어링 본체에 마련되어 있다.

주축(10)의 회전 구동 시에 있어서의 압력 변동이나 압력 불균일을 억제하기 위해서, 이들의 베어링면(일방측 액셜 베어링면(21a), 타방측 액셜 베어링면(21b), 레이디얼 베어링면(22a))과, 주축(10)의 대향면(액셜 대향면(11a), 레이디얼 대향면(12a))은, 랩 마무리면에 의해 구성되어 있다. 즉, 이들의 베어링면 및 대향면은, 각각 극히 작은 표면 조도로, 또한, 높은 치수 정밀도로 형성되어 있다. 액셜 베어링부(21) 및 레이디얼 베어링부(22)의 주축(10)과의 간극(CL)의 크기는, 예를 들어 8㎛ 이상 20㎛ 이하 정도로 되어 있다. 액셜 베어링부(21)와 주축(10)의 간극(CL)의 크기와, 레이디얼 베어링부(22)와 주축(10)의 간극(CL)의 크기는, 상이해도 된다.

또한, 주축 장치(100)는, 정압 유체 베어링인 비접촉 베어링(20)으로의 압력 공급을 제어하는 유체 회로(70)를 구비하고 있다. 유체 회로(70)는, 비접촉 베어링(20)에 연통됨과 함께, 압력 조정 밸브(71)(도 4 참조)를 통해 외부의 공압원(60)과 접속되어 있다. 이에 의해, 유체 회로(70)를 통해 비접촉 베어링(20)에 소정의 압력의 압축 공기가 공급된다. 공급되는 공기압으로서는, 예를 들어 약0.3MPa 이상, 약 0.7MPa 이하이다.

구동부(30)는, 주축(10)을 회전 구동하게 구성되어 있다. 구동부(30)는, 주축(10)의 타단부에 연결되어, 주축(10)을 직접, 중심축선 주위에 회전 구동하게 구성되어 있다. 구동부(30)는, 60000rpm 정도의 고속 회전이 가능한 전동 모터이며, 하우징(50)의 내부에 내장된 빌트인 모터이다. 모터는, 동기 모터나 유도 모터 등을 채용하는 것이 가능하지만, 제1 실시 형태에서는, 구동부(30)는, 유도 모터에 의해 구성되어 있다. 유도 모터는, 스테이터(31)에 있어서 발생시킨 회전 자계에 의해 로터(32)로 유도 전류를 발생시켜, 유도 전류에 의해 발생되는 자계와 스테이터(31)의 회전 자계의 상호 작용에 의해 로터(32)를 회전시키는 것이다. 로터(32)는, 주축(10)에 고정되어 있다. 스테이터(31)는, 로터(32)의 직경 방향 외측을 둘러싸게 하우징(50)에 고정되어 있다.

또한, 도 2의 예에서는, 주축 장치(100)는, 공구 보유 지지부(40)에 의한 공구(1)의 척(파지)과 릴리스(파지 해제)를 전환시키기 위한 전환 기구(80)를 구비하고 있다. 전환 기구(80)는, 주축(10)에 대하여 타단부측(Z2 방향측)에 마련된 액추에이터(81)와, 중공의 주축(10)의 내부로 삽입되고, 타단부측으로부터 공구 보유 지지부(40)의 근방까지 연장되는 푸시로드(82)를 포함한다. 액추에이터(81)는, 예를 들어 공압식 또는 유압식의 피스톤이나, 전동의 솔레노이드 등에 의해 구성되어, 푸시로드(82)를 축방향으로 진퇴시킨다.

(공구의 교환)

도 3에 나타내는 제1 실시 형태의 구성예에서는, 공구 보유 지지부(40)는, 공구(1) 또는 접촉 센서(2)의 섕크부(1a(2a))를 직접 파지해서, 공구(1) 또는 접촉 센서(2)를 유지 가능하게 구성되어 있다. 즉, 공구 보유 지지부(40)는, 스트레이트 섕크형의 공구(1) 및 접촉 센서(2)를 직접 보유 지지 가능한 콜릿 부재(41)를 갖는다.

구체적으로는, 공구 보유 지지부(40)는, 콜릿 부재(41)와, 주축(10)의 일단부에 고정되는 중공 통상의 슬리브(42)와, 접시 스프링(43)과, 콜릿 너트(44)를 포함한다. 슬리브(42)의 일단부측은, 타단부측(Z2 방향측)을 향함에 따라 내경이 작아지게 테이퍼 형상으로 형성된 척 구멍으로 되어 있어, 콜릿 부재(41)가 삽입된다. 콜릿 부재(41)는, 내주측에서 섕크부(1a(2a))를 보유 지지 가능한 통상 형상을 가지고, 슬리브(42)의 일단부측(Z1 방향측)에서 슬리브(42) 내로 삽입되어 있다. 콜릿 부재(41)의 일단부측 부분은, 슬리브(42)의 척 구멍에 대응하고, 타단부를 향함에 따라 외경이 작아지게 테이퍼 형상으로 형성되어 있다.

콜릿 부재(41)에는, 중간 위치로부터 일단부에 걸쳐, 축방향으로 연장되는 절결(41a)이 형성되어 있다. 콜릿 부재(41)는, 슬리브(42) 내를 관통해서 타단부측으로 연장되어 있고, 콜릿 부재(41)의 타단부에 콜릿 너트(44)가 마련되어 있다. 그리고, 슬리브(42)와 콜릿 너트(44) 사이에 마련된 접시 스프링(43)에 의해, 콜릿 부재(41)가 타단부측(Z2 방향측)을 향해서 가압되어 있다. 접시 스프링(43)에 의해 콜릿 부재(41)가 슬리브(42)의 테이퍼 형상의 척 구멍의 안측(Z2 방향측)에 가압되는 결과, 콜릿 부재(41)의 일단부(절결(41a)이 형성된 부분)가 직경 방향 내측으로 압축 변형되어서 내경을 축소시킨다. 콜릿 부재(41)의 일단부 내에 삽입된 공구(1) 또는 접촉 센서(2)의 섕크부(1a(2a))에, 직경 방향의 압축력이 작용함으로써, 공구(1) 또는 접촉 센서(2)가 파지(클램프) 된다.

전환 기구(80)의 액추에이터(81)에 의해 푸시로드(82)가 공구 보유 지지부(40)측으로 전진되면, 푸시로드(82)의 선단이 콜릿 부재(41)의 타단부와 접촉하고, 콜릿 부재(41)가 일단부측(Z1 방향측)을 향해서 압박된다. 전환 기구(80)는, 접시 스프링(43)의 가압력보다도 큰 압박력을 부여함으로써, 접시 스프링(43)을 압축해서 콜릿 부재(41)를 소정량만 일단부측에 압출한다. 콜릿 부재(41)는, 테이퍼 형상의 척 구멍으로부터 압출된 분만큼 직경 방향의 압축력이 약해지기 때문에, 공구(1) 또는 접촉 센서(2)의 섕크부(1a(2a))의 파지력이 약해진다. 그 결과, 액추에이터(81)의 동작에 의해, 공구(1) 또는 접촉 센서(2)의 보유 지지가 해제(릴리즈) 가능하다.

공구(1) 및 접촉 센서(2)는, 공구 교환 장치(120)의 매거진(121)에 있어서, 섕크부(1a(2a))를 상방(Z1 방향)을 향한 자세로 보유 지지된다. 공구 교환 시에, 공작 기계(200)는, 제어부(130)의 제어에 의해, 주축 장치(100)를 공구 교환 위치의 보유 지지 구멍 상방까지 이동시키고, 푸시로드(82)를 전진시킨 상태로 섕크부(1a(2a))를 콜릿 부재(41)의 내부로 삽입시킨다. 그리고, 공작 기계(200)는, 푸시로드(82)를 후퇴시킴으로써, 공구(1) 또는 접촉 센서(2)의 섕크부(1a(2a))를 콜릿 부재(41)에 파지시킨다. 이에 의해, 공구 보유 지지부(40)에 공구(1) 또는 접촉 센서(2)가 보유 지지된다. 공구(1) 또는 접촉 센서(2)를 공구 교환 장치(120)로 되돌리는 경우, 공작 기계(200)는, 공구 교환 위치에 있어서, 원래의 보유 지지 구멍에 공구(1) 또는 접촉 센서(2)를 배치한 상태로, 푸시로드(82)를 전진시켜서 공구 보유 지지부(40)에 의한 파지를 해제시킨다.

공구(1)는, 일단부(Z1 방향측)에 워크(3)의 가공용 날부(1b)가 형성되고, 타단부(Z2 방향측)에 섕크부(1a)가 마련되어 있다. 접촉 센서(2)는, 일단부에 터치 프로브(2b)를 가지고, 접촉 센서(2)의 타단부에는, 섕크부(2a)가 마련되어 있다. 접촉 센서(2)는, 터치 프로브(2b)의 피측정물과의 접촉을 검지한다. 접촉 센서(2)는, 예를 들어 변형 게이지를 내장하고, 터치 프로브(2b)와 피측정물의 접촉에 의해 발생한 응력에 의한 변형에 기초하여 접촉을 검지한다. 접촉 센서(2)는, 무선 통신부를 내장하고, 공작 기계(200) 내의 소정 위치에 배치된 도시하지 않은 수신부에 대하여, 검지 신호를 출력한다. 접촉 센서(2)의 출력에 기초하여, 터치 프로브(2b)와 피측정물의 접촉 위치를 정밀하게 측정하는 것이 가능하다.

(가공 상태 및 측정 상태)

이어서, 주축 장치(100)에 공구(1)를 장착해서 가공을 행할 때의 가공 상태와, 주축 장치(100)에 접촉 센서(2)를 장착해서 워크(3)의 측정을 행하는 측정 상태에 대하여 설명한다.

상기한 바와 같이 제1 실시 형태에서는, 비접촉 베어링(20)은, 공구(1)의 장착 시에, 주축(10)을 비접촉 상태로 회전 가능하게 지지하는 가공 상태(P1)(도 4 참조)가 되고, 접촉 센서(2)의 장착 시에, 주축(10)을 접촉 상태로 지지함으로써 주축(10)의 이동을 억제하는 측정 상태(P2)(도 5 참조)로 전환 가능하게 구성되어 있다.

<가공 상태>

먼저, 가공 상태(P1)에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 유체 회로(70)에 의해, 공압원(60)으로부터의 압축 공기가, 액셜 베어링부(21)의 일방측 액셜 베어링면(21a)과, 타방측 액셜 베어링면(21b) 양쪽에 공급된다. 이에 의해, 주축(10)이 액셜 베어링부(21)에 대하여 비접촉 상태로 축방향으로 지지된다. 또한, 가공 상태(P1)에서는, 공압원(60)으로부터의 압축 공기가, 2개의 레이디얼 베어링부(22)의 각 레이디얼 베어링면(22a)에 공급된다. 이에 의해, 주축(10)이, 레이디얼 베어링부(22)에 대하여 비접촉 상태로 직경 방향으로 지지된다. 이들의 결과, 주축(10)은, 비접촉 베어링(20)과의 간극(CL)에 공급된 공기압에 의해, 축방향(Z 방향) 및 직경 방향(XY 방향)의 이동이 비접촉으로 구속된 상태로, 중심축 주위로 회전 가능하게 지지된다.

이 상태로, 구동부(30)에 의해 주축(10)이 회전 구동되어 주축(10)에 장착된 공구(1)가 고속 회전된다. 그리고, 이동 기구(110)가 구비하는 Z축 이동 기구(111)와, Y축 이동 기구(112)와, X축 이동 기구(113)에 의해 주축 장치(100)와 워크(3)가 상대 이동되고, 공구(1)를 워크(3)에 접촉시킴으로써, 절삭 가공이 행하여진다.

<측정 상태>

한편, 도 5에 나타내는 바와 같이, 비접촉 베어링(20)은, 측정 상태(P2)에 있어서, 액셜 베어링부(21)의 액셜 베어링면(타방측 액셜 베어링면(21b))과, 주축(10)의 액셜 대향면(11a)이, 축방향으로 접촉하도록 구성되어 있다.

즉, 주축(10)과 비접촉 베어링(20)이 접촉하게, 비접촉 베어링(20)에 대한 공급 압력이 조절된다. 유체 회로(70)는, 측정 상태(P2)에서는, 액셜 베어링부(21)의 일단부측(Z1 방향측) 및 타단부측(Z2 방향측) 중 어느 한쪽의 공급 압력을 다른 한쪽보다도 약화시키거나 또는 차단함으로써, 액셜 베어링면과 액셜 대향면(11a)을 접촉시키게 구성되어 있다.

보다 구체적으로는, 제1 실시 형태에서는, 유체 회로(70)가, 액셜 베어링부(21)의 어느 한쪽에 대한 공기압의 공급(온)과 차단(오프)을 전환시키는 전환 밸브(72)를 포함한다. 즉, 측정 상태(P2)에서는, 전환 밸브(72)에 의해 액셜 베어링부(21)의 어느 한쪽에 대한 공기압의 공급이 차단됨으로써, 차단된 측에 주축(10)이 이동하고, 액셜 베어링면과 액셜 대향면(11a)이 접촉한다.

유체 회로(70)에는, 일방측 액셜 베어링면(21a)의 스로틀 구멍에 연통하는 유로(73)와, 타방측 액셜 베어링면(21b)의 스로틀 구멍에 연통하는 유로(74)가 제각기 마련되어 있다. 전환 밸브(72)는, 타방측 액셜 베어링면(21b)의 스로틀 구멍에 연통하는 유로(74) 상에 배치되어 있다. 그 때문에, 전환 밸브(72)에 의해, 일방측 액셜 베어링면(21a)에는 압축 공기의 공급을 계속한 채, 타방측 액셜 베어링면(21b)에 대한 압축 공기의 공급 및 차단을 전환시킬 수 있다. 타방측 액셜 베어링면(21b)에 대한 압축 공기의 공급이 차단됨으로써, 일방측 액셜 베어링면(21a)과의 사이의 간극(CL)의 부분만이 고압이 되고, 주축(10)이 타방측 액셜 베어링면(21b) 측으로 이동한다.

이와 같은 구성에 의해, 도 5에 나타내는 제1 실시 형태에서는, 비접촉 베어링(20)은, 측정 상태(P2)에 있어서, 일방측 액셜 베어링면(21a)이 주축(10)으로부터 이격되고, 타방측 액셜 베어링면(21b)이 주축(10)의 액셜 대향면(11a)과 접촉하도록 구성되어 있다. 주축(10)은, 타방측 액셜 베어링면(21b)과 액셜 대향면(11a) 사이의 간극(CL)의 크기 분(약 8㎛ 내지 약 20㎛ 정도)만큼 축방향 타단부측(Z2 방향)으로 이동한다. 그 결과, 타방측 액셜 베어링면(21b)과 액셜 대향면(11a)이 면 접촉한다.

측정 상태(P2)에서는, 타방측 액셜 베어링면(21b)에 대하여 주축(10)의 액셜 대향면(11a)이 접촉하기 때문에, 주축(10)의 축방향(Z 방향) 위치가, 타방측 액셜 베어링면(21b)과 액셜 대향면(11a)의 접촉 위치에 의해 정확하게 위치 결정된다. 또한, 주축(10)의 축방향 타단부측(Z2 방향)으로의 외력이 액셜 베어링부(21)에 의해 지지되고, 주축(10)이 그 이상 타단부측으로는 이동할 수 없게 주축(10)의 이동이 규제된다.

여기서, 유도 모터는, 로터에 영구 자석을 마련하는 동기 모터와 상이하고, 도체가 마련되는 것뿐이기 때문에, 모터의 비구동 시에 로터(32)(주축(10))가 자유 회전의 상태가 된다. 이에 대해, 상기한 바와 같이, 비접촉 베어링(20)의 베어링면과 주축(10)의 대향면은, 각각 랩 처리에 의해 평활하게 마무리되어 있기 때문에, 면 접촉 상태로, 타방측 액셜 베어링면(21b)과 액셜 대향면(11a)이 강력하게 밀착된다. 이 때문에, 측정 상태(P2)에서는, 주축(10)의 회전이 정지된다. 이와 같이, 비접촉 베어링(20)은, 측정 상태(P2)에 있어서, 주축(10)의 접촉에 의해 주축(10)의 회전을 정지시키도록 구성되어 있다. 마찬가지로, 측정 상태(P2)에서는, 타방측 액셜 베어링면(21b)과 액셜 대향면(11a)의 밀착에 의해, 주축(10)의 레이디얼 방향으로의 이동이 억제된다.

이 상태로, 이동 기구(110)에 의해 주축 장치(100)와 워크(3)가 상대 이동되고, 접촉 센서(2)를 워크(3) 등의 피측정물에 접촉시킴으로써, 피측정물의 치수나, 이동 기구(110)의 좌표계에 있어서의 접촉 위치의 정밀 측정이 행하여진다.

접촉 센서(2)에 의한 측정으로서는, 예를 들어 워크(3)(도 7 참조)의 외형 형상 및 위치의 측정과, 피가공면의 형상 측정이 행하여진다. 예를 들어 직육면체 형상의 워크(3)의 외형 형상은, 수평 방향의 4측면에 대한 수평 방향(주축(10)의 레이디얼 방향)의 접촉과, 상면에 대한 상하 방향(주축(10)의 액셜 방향)의 접촉에 의해 측정된다. 예를 들어 워크(3)의 상면에 형성된 피가공면의 형상은, 피가공면의 면 내의 복수의 측정점에 대하여 상하 방향(주축(10)의 액셜 방향)의 접촉을 행하고, 얻어진 복수의 측정점의 3차원 위치의 분포를 근사하고, 피가공면의 형상을 구함으로써 측정된다.

이 때문에, 특히 접촉 센서(2)를 피측정물의 상방에서 축방향(Z 방향)으로 접촉시킬 경우에, 접촉 센서(2)와 피측정물의 접촉에 기인해서 축방향 타단부측(Z2 방향)으로 향하는 접촉 반력(FR)(도 5 참조)이 주축(10)에 작용한다. 접촉 센서(2)의 구조상, 피측정물에 대한 압박력은, 수평 방향에서 약 0.1N 내지 1N 정도인 것에 비해, 축방향에서는 약 1N 내지 약 7N 정도로 커진다. 제1 실시 형태에서는, 측정 상태(P2)에 있어서 타방측 액셜 베어링면(21b)과 액셜 대향면(11a)을 접촉시킴으로써, 축방향의 접촉 반력(FR)을 지지해서 주축(10)의 위치 어긋남이 방지된다. 또한, 수평 방향의 측정에서는, 압박력이 작기 때문에, 타방측 액셜 베어링면(21b)과 액셜 대향면(11a)의 밀착에 의해, 레이디얼 방향의 위치 어긋남이 충분히 방지된다.

측정 상태(P2)로 전환된 후, 가공 상태(P1)로 되돌리는 경우, 도 4에 나타내는 바와 같이, 타방측 액셜 베어링면(21b)에 압축 공기를 공급하게 전환 밸브(72)를 전환시킴으로써, 타방측 액셜 베어링면(21b)과 액셜 대향면(11a)의 접촉을 해제하고, 가공 상태(P1)로 전환시킬 수 있다.

가공 상태(P1)와 측정 상태(P2)의 전환은, 주축(10)에 장착된 장착물이 공구(1)인지 접촉 센서(2)인지에 따라, 제어부(130)에 의해 제어된다. 즉, 제1 실시 형태에서는, 주축 장치(100)는, 공구 교환 장치(120)로부터 공구 보유 지지부(40)에 접촉 센서(2)가 장착된 것을 판별하는 판별부(133)를 구비한다. 그리고, 제어부(130)는, 공구 보유 지지부(40)에 접촉 센서(2)가 장착된 경우에, 비접촉 베어링(20)을 측정 상태(P2)로 전환시키는 제어를 행하게 구성되어 있다.

공작 기계(200)에 의한 가공 동작을 규정한 프로그램(132)에 따라 제어부(130)가 일련의 가공 동작을 실행하게 제어할 때, 판별부(133)는, 공구(1)가 장착되어 있는지, 접촉 센서(2)가 장착되어 있는지를 판별한다. 접촉 센서(2)가 장착되어 있다고 판별부(133)가 판별하면, 제어부(130)는, 유체 회로(70)의 전환 밸브(72)를 제어하고, 타방측 액셜 베어링면(21b)으로의 압축 공기를 차단시킨다. 공구(1)가 장착되어 있다고 판별부(133)가 판별하면, 제어부(130)는, 유체 회로(70)의 전환 밸브(72)를 제어하고, 타방측 액셜 베어링면(21b)에 압축 공기를 공급시킨다.

제1 실시 형태에서는, 판별부(133)는, 제어부(130)가 제어 프로그램을 실행하는 것에 의한 기능 블록의 1개로서 구성되고, 소프트웨어에 의해 실현되어 있다. 제어부(130)와는 별개의 프로세서를 마련하고, 판별부(133)를 하드웨어에 의해 구성해도 된다.

<측정 동작 제어>

이어서, 도 6을 참조하여, 접촉 센서(2)를 사용하여 측정 동작 제어에 대하여 설명한다. 여기에서는, 공작 기계(200)에 의한 워크(3)의 가공 시에 워크(3)의 위치 및 형상의 측정을 행하는 예에 대하여 설명한다.

스텝 S1에 있어서, 제어부(130)는, 프로그램(132)에 따라 접촉 센서(2)를 공구 보유 지지부(40)에 장착시킨다.

스텝 S2에 있어서, 판별부(133)가, 주축(10)의 공구 보유 지지부(40)에 접촉 센서(2)가 장착되었는지 여부를 판별한다. 접촉 센서(2)가 장착되지 않는 경우, 측정 동작은 개시되지 않는다.

접촉 센서(2)가 장착된 경우, 제어부(130)는, 스텝 S3으로 진행하고, 비접촉 베어링(20)을 측정 상태(P2)로 전환시킨다. 즉, 전환 밸브(72)를 전환시키고, 타방측 액셜 베어링면(21b)의 스로틀 구멍으로의 압축 공기의 공급을 차단시킨다. 이 결과, 비접촉 베어링(20)과 주축(10)이 접촉해서 주축(10)의 이동이 억제된다.

이어서, 스텝 S4 및 S5에 있어서, 제어부(130)는, 접촉 센서(2)를 사용해서 기준 게이지(4)을 측정함으로써, 제로점 조정(캘리브레이션)을 실행한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 기준 게이지(4)는, 예를 들어 워크(3)가 설치된 테이블(140) 상에 배치된다. 도 1에서는, 도시의 사정상, 워크(3)에 대하여 Y 방향으로 나열시키는 위치에 기준 게이지(4)를 나타내고 있지만, 예를 들어 워크(3)에 대하여 X 방향으로 나열시키는 위치에 기준 게이지(4)이 배치되어도 된다.

도 7의 (A)에 나타내는 기준 게이지(4)는, 세라믹 등에 의해 미리 높은 치수 정밀도로 제작된 지그이며, 예를 들어 원환 형상을 갖는다. 제어부(130)는, 측정 상태(P2)로, 이동 기구(110)를 제어하고, 접촉 센서(2)의 터치 프로브(2b)를 기준 게이지(4)의 내주면의 복수 개소에 접촉시켜, 수평면 내(XY 면 내)의 기준 위치 좌표를 취득한다. 또한, 제어부(130)는, 접촉 센서(2)의 터치 프로브(2b)를 기준 게이지(4)의 상면에 접촉시켜, Z 방향의 기준 위치 좌표를 취득한다.

스텝 S5에 있어서, 제어부(130)는, 취득한 기준 게이지(4)의 기준 위치 좌표에 기초하여, 수평 방향(XY 방향) 및 상하 방향(Z 방향)의 제로점을 설정한다. 이 제로점이, 워크(3)의 위치 및 형상 측정에 있어서의 기준 위치가 된다.

스텝 S6에 있어서, 제어부(130)는, 접촉 센서(2)를 사용해서 워크(3)의 위치 및 형상을 측정한다. 제어부(130)는, 측정 상태(P2)로 이동 기구(110)를 제어하고, 도 7의 (B)에 나타내는 바와 같이, 접촉 센서(2)의 터치 프로브(2b)를 워크(3)의 각각의 외측면(4측면)에 접촉시켜, 각 측면의 워크(3)의 수평 방향 위치를 측정한다. 또한, 제어부(130)는, 접촉 센서(2)의 터치 프로브(2b)를 워크(3)의 상면에 접촉시켜, 워크(3)의 상면의 높이 위치(Z 방향 위치)를 측정한다. 또한, 제어부(130)는, 접촉 센서(2)의 터치 프로브(2b)를 워크(3)의 피가공면에 설정한 복수의 측정점에 접촉시켜, 피가공면의 형상을 측정한다. 이에 의해, 기준 게이지(4)에 의해 설정한 제로점을 기준으로 해서, 워크(3)의 위치 및 형상이 정밀하게 측정된다.

측정이 완료된 후, 제어부(130)는, 스텝 S7에 있어서, 보정 가공을 행할지 여부를 판단한다. 예를 들어 도 7의 (B)에 있어서, 가공 후의 워크(3)가 원하는 형상으로 형성되어 있는 것이 측정 결과에 의해 확인된 경우, 보정 가공이 불필요하기 때문에, 제어부(130)는, 측정 처리를 종료시킨다. 워크(3)가 원하는 형상으로 형성되어 있지 않은 경우, 제어부(130)는, 처리를 스텝 S8로 진행시킨다.

스텝 S8에 있어서, 제어부(130)는, 접촉 센서(2)를 대신하여, 공구 교환 장치(120)로부터 공구(1)를 공구 보유 지지부(40)에 장착시킨다. 스텝 S9에 있어서, 판별부(133)가, 주축(10)의 공구 보유 지지부(40)에 공구(1)가 장착되었는지 여부를 판별한다. 공구(1)가 장착되지 않는 경우, 가공 동작은 개시되지 않는다.

공구(1)가 장착된 경우, 제어부(130)는, 스텝 S10에 있어서, 비접촉 베어링(20)을 측정 상태(P2)에서 가공 상태(P1)로 전환시킨다. 즉, 전환 밸브(72)를 전환시키고, 타방측 액셜 베어링면(21b)의 스로틀 구멍으로 압축 공기를 공급시킨다. 이 결과, 비접촉 베어링(20)과 주축(10)이 이격해서 주축(10)이 비접촉 상태로 회전 가능하게 지지된다.

그 후, 제어부(130)는, 제어 프로그램에 따라, 가공 동작 제어를 실행한다. 즉, 제어부(130)는, 구동부(30)에 의해 주축(10)을 고속 회전시켜, 측정에 의해 얻어진 위치 정보 및 형상 정보에 기초하여, 워크(3)의 가공을 실시하게 한다.

또한, 워크(3)의 측정은, 가공 중의 소정 타이밍에서 실시될 수 있다. 워크(3)의 측정을 어느 타이밍에서 실시할지는, 가공 동작을 규정하는 프로그램(132)에 의해 정해져 있다. 그 때문에, 가공 중에 워크(3)의 측정을 행하기 위해서 주축(10)에 접촉 센서(2)가 장착(스텝 S1)되면, 상기 스텝 S2 내지 S6이 실시됨으로써, 워크(3)가 측정된다. 또한, 워크(3)의 가공 전에 미가공의 워크(3)의 위치 및 형상의 측정을 행하는 경우에는, 스텝 S1 내지 S6을 행해서 워크(3)의 위치 및 형상을 측정하고, 스텝 S8 내지 S10을 행해서 공구를 교환한 후, 측정 결과에 기초하여 워크(3)의 가공이 개시된다.

(제1 실시 형태의 효과)

제1 실시 형태에서는, 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.

제1 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 비접촉 베어링(20)을 접촉 센서(2)의 장착 시에, 주축(10)을 접촉 상태로 지지함으로써 주축(10)의 이동을 억제하는 측정 상태(P2)로 전환 가능하게 구성함으로써, 접촉 센서(2)를 공구 보유 지지부(40)에 장착해서 워크(3)의 측정을 행하는 경우에, 비접촉 베어링(20)을 측정 상태(P2)로 전환시키고, 비접촉 베어링(20)에 의해 주축(10)을 접촉 상태로 지지할 수 있다. 그 때문에, 접촉 센서(2)의 접촉 반력(FR)이 주축(10)에 작용하는 경우에, 비접촉 상태인 채로 주축(10)을 보유 지지하는 경우에 비하여, 접촉 반력(FR)에 의한 주축(10)의 위치 어긋남을 억제할 수 있다.

구체적으로는, 예를 들어 주축 회전수가 60000rpm 정도인 고속 회전을 행하는 주축 장치(100)에서는, 통상, 정압 공기 베어링의 강성이 축방향(액셜 방향)에서 약 10N/㎛ 내지 약 20N/㎛ 정도로 된다. 한편, 피측정물에 대하여 축방향으로 터치 프로브(2b)가 압박되는 경우, 압박력은 상기한 바와 같이 약 1N 내지 약 7N 정도가 된다. 강성이 10N/㎛, 압박력이 7N인 경우, 주축(10)이 0.7㎛ 변위하게 되고, 금형에 요구되는 정밀도에서의 정밀 측정은 곤란해진다. 이에 대해, 상기 제1 실시 형태의 구성에 의하면, 접촉 반력(FR)의 작용 방향을 향해서 주축(10)을 비접촉 베어링(20)에 기계적으로 접촉시키므로, 주축(10)의 위치 어긋남을 효과적으로 억제할 수 있다. 그 결과, 비접촉 베어링(20)을 측정 상태(P2)로 전환시킨 상태로 측정을 행함으로써, 비접촉 베어링(20)을 채용한 주축 장치(100)에 있어서, 접촉 센서(2)를 주축(10)에 장착해서 워크(3)의 측정을 행하는 경우에도, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 측정 상태(P2)에 있어서, 액셜 베어링부(21)의 액셜 베어링면(타방측 액셜 베어링면(21b))과, 주축(10)의 액셜 대향면(11a)이 축방향으로 접촉하게, 비접촉 베어링(20)을 구성하므로, 액셜 베어링면(타방측 액셜 베어링면(21b))과 주축(10)의 액셜 대향면(11a)을 축방향으로 면 접촉시킬 수 있다. 그 결과, 면끼리의 밀착에 의해, 접촉 센서(2)로부터의 축방향의 접촉 반력(FR)에 대하여도, 직경 방향의 접촉 반력에 대하여도, 주축(10)의 위치 어긋남을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 주축(10)의 축방향 위치가 비접촉 베어링(20)의 액셜 베어링면과의 접촉 위치에 위치 결정되므로, 주축(10)의 축방향의 위치 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그 결과, 보다 고정밀도로 워크(3)의 측정을 행할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 측정 상태(P2)에 있어서, 일방측 액셜 베어링면(21a)이 주축(10)으로부터 이격되고, 타방측 액셜 베어링면(21b)이 주축(10)의 액셜 대향면(11a)과 접촉하게 비접촉 베어링(20)을 구성한다. 이에 의해, 타단부측(Z2 방향측)의 타방측 액셜 베어링면(21b)이 주축(10)의 액셜 대향면(11a)과 접촉하므로, 접촉 센서(2)로부터의 축방향의 접촉 반력(FR)(도 5 참조)이 주축(10)을 압입하는 방향(Z2 방향)으로 작용한 경우에도, 주축(10)이 이동하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 그리고, 주축(10)의 축방향 위치를 타방측 액셜 베어링면(21b)과의 접촉 위치에서 위치 결정할 수 있다. 그 결과, 접촉 반력(FR)에 의한 위치 어긋남의 방지와, 측정 상태(P2)에 있어서의 주축(10)의 축방향의 위치 정밀도의 향상 양쪽을 실현할 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 유체 회로(70)를 액셜 베어링부(21)의 일방측 및 타방측 중, 어느 한쪽(타방측)의 공급 압력을 차단함으로써, 액셜 베어링면(타방측 액셜 베어링면(21b))과 액셜 대향면(11a)을 접촉시키게 구성한다. 이에 의해, 정압 유체 베어링으로의 공급 압력을 조절(차단)하는 것만으로, 용이하게 액셜 베어링면과 액셜 대향면(11a)을 접촉시킬 수 있다. 또한, 정압 유체 베어링에 의해 주축(10)을 비접촉으로 지지하기 위한 유체 회로(70)를 사용하는 것만으로 되므로, 액셜 베어링면과 액셜 대향면(11a)을 접촉시키는 경우에도, 장치 구성이 복잡화되지 않는다. 또한, 타방측으로의 공급 압력을 차단하는 대신, 타방측으로의 공급 압력을 일방측으로의 공급 압력보다도 약화시키는 것만으로도 된다. 타방측으로의 공급 압력을 일방측으로의 공급 압력보다 충분히 작게 하면, 압력차에 의해, 액셜 베어링면과 액셜 대향면(11a)을 접촉시킬 수 있다. 따라서, 액셜 베어링면과 액셜 대향면(11a)을 접촉시킬 수 있으면, 타방측으로의 공급 압력을 완전히 차단할 필요는 없다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 유체 회로(70)에, 액셜 베어링부(21)의 어느 한쪽에 대한 공기압의 공급과 차단을 전환시키는 전환 밸브(72)를 마련한다. 이에 의해, 전환 밸브(72)를 마련하기만 하는 간단한 구성으로, 용이하게 액셜 베어링면과 액셜 대향면(11a)을 접촉시키는 측정 상태(P2)로 전환시킬 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 공구 교환 장치(120)로부터 공구 보유 지지부(40)에 접촉 센서(2)가 장착된 것을 판별하는 판별부(133)와, 공구 보유 지지부(40)에 접촉 센서(2)가 장착된 경우에, 비접촉 베어링(20)을 측정 상태(P2)로 전환시키는 제어를 행하는 제어부(130)를 설치한다. 이에 의해, 공구(1)에 의한 가공의 개시 전의 측정에서도, 가공 도중에서의 측정에서도, 공구 보유 지지부(40)에 접촉 센서(2)가 장착된 것이 판별된 경우에는 측정 상태(P2)로 전환시킬 수 있다. 그 결과, 유저가 측정 상태(P2)로 전환시킬 필요가 없고, 확실하게 접촉 센서(2)에 의한 측정 시에 비접촉 베어링(20)을 측정 상태(P2)로 전환시킬 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 공구 보유 지지부(40)에, 스트레이트 섕크형의 공구(1) 및 접촉 센서(2)를 직접 보유 지지 가능한 콜릿 부재(41)를 마련한다. 이에 의해, 콜릿 구비 공구(1)(접촉 센서(2))를 탈착하는 경우와 상이하고, 개개의 공구(1)(접촉 센서(2))에 콜릿 척를 마련할 필요가 없는 만큼, 부품 개수를 삭감하면서 공구(1)를 소형화할 수 있다. 그 때문에, 공구(1) 교환 장치에 접촉 센서(2)를 마련하는 경우에도, 장치 구성이 대형화되지 않는다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 구동부(30)를 유도 모터에 의해 구성하고, 비접촉 베어링(20)을 측정 상태(P2)에 있어서, 주축(10)과의 접촉에 의해 주축(10)의 회전을 정지시키도록 구성한다. 상기한 바와 같이, 유도 모터를 채용하는 경우에 주축(10)을 구동하지 않으면, 주축(10)은 공회전한다. 그 때문에, 공구 보유 지지부(40)에 접촉 센서(2)를 장착한 경우에, 주축(10)의 중심축과 접촉 센서(2)의 중심축이 엄밀하게 일치하지 않으면, 접촉 센서(2)의 선단이 진동 회전하게 되고, 워크(3)나 기준 게이지(4)의 접촉 위치가 변동되어서 측정 정밀도를 저하시키는 요인이 된다. 그래서, 상기 구성에 의해, 측정 상태(P2)로 주축(10)의 회전을 확실하게 정지시킨 상태로, 접촉 센서(2)에 의한 워크(3)의 측정을 행할 수 있으므로, 유도 모터를 채용하는 구성에 있어서, 특별한 모터 제어를 행하지 않고 용이하게 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 상기와 같이 구성된 주축 장치(100)를 구비하는 공작 기계(200)를 구성함으로써, 비접촉 베어링(20)을 채용한 주축 장치(100)를 구비하는 공작 기계(200)에 있어서, 접촉 센서(2)를 주축(10)에 장착해서 워크(3)의 측정을 행하는 경우에도, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

[제2 실시 형태]

이어서, 도 8 및 도 9를 참조하여, 제2 실시 형태에 따른 주축 장치(101)에 대하여 설명한다. 제2 실시 형태에서는, 액셜 베어링부(21)의 타방측 액셜 베어링면(21b)으로의 압력 공급을 차단함으로써 측정 상태(P2)로 전환시키는 구성인 제1 실시 형태와 상이하게, 주축(10)을 축 방향으로 가압하는 가압부(210)를 마련하는 구성에 대하여 설명한다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서, 주축 장치(101) 이외의 구성은 상기 제1 실시 형태와 마찬가지이므로, 설명을 생략한다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서, 상기 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는, 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 제2 실시 형태의 주축 장치(101)에서는, 측정 상태(P2)(도 9 참조)에 있어서, 주축(10)을 축방향(Z 방향)으로 가압함으로써, 주축(10)과 비접촉 베어링(20)을 접촉시키는 가압부(210)가 마련되어 있다.

가압부(210)는, 주축(10)에 외력을 부여해서 비접촉 베어링(20)에 압박한다. 이에 의해, 측정 상태(P2)(도 9 참조)에 있어서, 주축(10)과 비접촉 베어링(20)이 접촉한다. 주축(10)과 비접촉 베어링(20)의 접촉에 의해, 터치 프로브(2b)의 접촉 반력(FR)이 주축(10)에 작용해도, 주축(10)의 이동이 억제된다.

가압부(210)는, 주축(10)에 외력을 부여 가능한 구성이라면 특별히 한정되지 않는다. 도 8의 예에서는, 가압부(210)는, 구동부(30)에 대하여 축방향의 타단부측(Z2 방향측)에 배치되고, 공기압에 의해 주축(10)을 가압하도록 구성되어 있다. 즉, 가압부(210)에는, 유체 회로(70)를 통해 압축 공기가 공급된다. 가압부(210)는, 로터(32)의 축방향 타단부에 마련된 밸런스 링(33)과 대향함과 함께, 내측을 푸시로드(82)가 삽입 관통된 환상의 공급면(211)을 갖는다. 가압부(210)는, 공급면(211)에 마련된 도시하지 않은 스로틀 구멍으로부터 밸런스 링(33)에 대하여 압축 공기를 토출하도록 구성되어 있다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 유체 회로(70)는, 전환 밸브(220)에 의해, 가압부(210)로의 압력 공급과 차단을 전환시킬 수 있다. 그 결과, 전환 밸브(220)의 온(공급) 상태에서는, 가압부(210)로부터 공급된 공기압에 의해, 밸런스 링(33), 로터(32) 및 이들에 연결된 주축(10)이, 축방향 일단부측(Z1 방향)을 향해서 가압된다. 이에 의해, 비접촉 베어링(20)은, 전환 밸브(220)가 온 상태로 전환되면, 주축(10)을 접촉 상태로 지지함으로써 주축(10)의 이동을 억제하는 측정 상태(P2)로 전환되게 구성되어 있다.

전환 밸브(220)의 오프(차단) 상태에서는, 압축 공기의 공급이 차단됨으로써 가압이 해제되고, 주축(10)이 비접촉 베어링(20)에 비접촉 상태로 회전 지지된다. 이에 의해, 비접촉 베어링(20)은, 전환 밸브(220)가 오프 상태로 전환되면, 도 8과 같이, 주축(10)을 비접촉 상태로 회전 가능하게 지지하는 가공 상태(P1)로 전환되게 구성되어 있다.

이와 같이, 도 9의 예에서는, 가압부(210)는, 주축(10)을 일단부측(Z1 방향)에 가압함으로써, 일방측 액셜 베어링면(21a)과 액셜 대향면(11a)을 접촉시키도록 구성되어 있다.

그 때문에, 제2 실시 형태의 경우, 측정 상태(P2)에 있어서, 주축(10)의 플랜지부(11)에 대하여, 축방향의 접촉 반력(FR)의 작용 방향인 타단부측(Z2 방향측)에는, 타방측 액셜 베어링면(21b)과의 사이에 간극이 발생한다. 따라서, 접촉 반력(FR)이 가압부(210)의 가압력(FF)보다도 큰 경우, 주축(10)이 타단부측에 변위할 가능성이 있다.

그 경우, 타방측 액셜 베어링면(21b)과 액셜 대향면(11a)의 간극(CL)의 감소에 수반하여 액셜 베어링부(21)의 타단부측의 압력이 상승하므로, 주축(10)의 자중, 가압력(FF) 및 타단부측의 압력(FP)의 합력과, 접촉 반력(FR)이 균형이 잡히는 위치에서 주축(10)의 변위가 정지한다고 생각된다. 이러한 케이스에서는, 일방측 액셜 베어링면(21a)과 액셜 대향면(11a)의 접촉 위치에서 주축(10)이 축방향에 위치 결정된 상태로, 소정의 접촉 반력(FR)에 의한 변위가 발생하기 때문에, 동일한 크기의 접촉 반력(FR)이 작용하면, 변위량도 동일해진다.

그 때문에, 기준 게이지(4)의 측정 시(도 7의 (A) 참조)와, 워크(3)의 측정 시(도 7의 (B) 참조)에서, 터치 프로브(2b)에 의한 압박력이 동등한 경우, 접촉 반력(FR)도 동등해져, 주축(10)의 변위량도 동등해진다. 즉, 기준 게이지(4)의 측정 시에, 접촉 반력(FR)에 의해 주축(10)이 축방향에 소정량만 변위된 상태로 제로점 조정이 행하여져, 다음 워크(3)의 측정 시에도, 동일한 접촉 반력(FR)에 의해 소정량만 변위된 상태로 측정을 행하게 되므로, 결과적으로, 주축(10)의 축방향의 변위의 영향을 받지 않고 워크(3)의 측정이 가능하다.

따라서, 제2 실시 형태에서는, 제어부(130)는, 기준 게이지(4)의 측정 시와, 워크(3)의 측정 시에서, 동일한 압박력으로 접촉 센서(2)에 의한 측정을 행하게, 이동 기구(110)(도 1 참조)를 제어한다.

또한, 제2 실시 형태에서는, 제어부(130)는, 측정 상태(P2)에 있어서, 액셜 베어링부(21) 중, 일방측 액셜 베어링면(21a)의 스로틀 구멍으로의 공급 압력을 약화시키거나 또는 차단한다. 이에 의해, 일방측 액셜 베어링면(21a)과 액셜 대향면(11a)을 밀착시켜, 양자 간에 밀착력을 발생시킬 수 있으므로, 접촉 반력(FR)에 의한 주축(10)의 이동을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 바람직하게는 가압부(210)는, 접촉 센서(2)에 의한 워크(3)의 측정 시의 워크(3)에 대한 축방향의 압박력보다도 큰 가압력(FF)으로 가압하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 터치 프로브(2b)의 접촉 반력(FR)이 주축(10)에 작용해도, 주축(10)의 이동을 확실하게 억제할 수 있다.

제2 실시 형태의 기타 구성은, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지이다.

(제2 실시 형태의 효과)

제2 실시 형태에서는, 이하와 같은 효과를 얻을 수 있다.

제2 실시 형태에서는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 비접촉 베어링(20)을 접촉 센서(2)의 장착 시에, 주축(10)을 접촉 상태로 지지함으로써 주축(10)의 이동을 억제하는 측정 상태(P2)로 전환 가능하게 구성함으로써, 접촉 센서(2)를 공구 보유 지지부(40)에 장착해서 워크(3)의 측정을 행하는 경우에, 비접촉 베어링(20)을 측정 상태(P2)로 전환시키고, 비접촉 베어링(20)에 의해 주축(10)을 접촉 상태로 지지할 수 있다. 그 때문에, 접촉 센서(2)의 접촉 반력(FR)이 주축(10)에 작용하는 경우에, 비접촉 상태인 채로 주축(10)을 보유 지지하는 경우에 비하여, 접촉 반력(FR)에 의한 주축(10)의 위치 어긋남을 억제할 수 있다.

또한, 제2 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 측정 상태(P2)에 있어서, 주축(10)을 축 방향으로 가압함으로써, 주축(10)과 비접촉 베어링(20)을 접촉시키는 가압부(210)를 마련한다. 이에 의해, 가압부(210)에 의해, 용이하게 측정 상태(P2)로 전환시킬 수 있다. 또한, 주축(10)과 비접촉 베어링(20)을 접촉시키기 위해서 전용의 가압부(210)를 마련하는 경우에는, 접촉 센서(2)로부터의 접촉 반력(FR)의 크기에 따라 가압력(FF)을 설정함으로써, 주축(10)의 위치 어긋남을 충분히 억제할 수 있다.

제2 실시 형태의 기타 효과는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지이다.

(변형예)

또한, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이지 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시 형태의 설명이 아닌, 특허 청구 범위에 의해 나타나고, 또한 특허 청구 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경(변형예)이 포함된다.

예를 들어, 상기 제1 및 제2 실시 형태에서는, 공구 보유 지지부(40)가, 공구(1) 및 접촉 센서(2)의 스트레이트 섕크[섕크부(1a(2a))]를 직접 보유 지지 가능한 콜릿 부재(41)를 갖는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 공구 보유 지지부(40)는, 콜릿 부재(41)를 가지고 있지 않아도 된다. 예를 들어, 주축 장치에서는, 콜릿 부재가 공구 보유 지지부가 아닌, 공구 측에 마련되어 있는 구성이 알려져 있다.

도 10에서는, 공구 보유 지지부(40)는, 공구(1)가 고정적으로 설치된 공구 보유 지지 콜릿(310)을 삽입하는 보유 지지 구멍을 가지고, 회전식의 외통(320)을 주축(10)에 나사 설치해서 체결함으로써, 공구 보유 지지 콜릿(310)을 보유 지지하게 구성되어 있다.

도 11에서는, 공구 보유 지지부(40)는, 공구(1)가 고정적으로 설치된 공구 보유 지지 콜릿(330)을 삽입하는 보유 지지 구멍을 가지고, 주축(10)의 내부에 마련된 드로우 바(340)의 진퇴에 의해, 공구 보유 지지 콜릿(330)의 파지 및 파지의 해제를 전환시키도록 구성되어 있다. 공구 보유 지지 콜릿(330)은, 테이퍼 형상의 섕크부(331)를 가지고, 공구 보유 지지부(40)의 내부로 삽입될 때 테이퍼면이 접촉함으로써 축심 위치 및 축심의 방향이 규제된다. 드로우 바(340)는, 도 2에 나타낸 푸시로드(82)를 대신해서 마련된다. 도 11의 (A)와 같이, 드로우 바(340)를 후퇴시키면, 드로우 바(340)에 마련된 로크 로트(341)가 클램프 갈고리(350)를 직경 방향 외측으로 압박하고, 외주측의 섕크부(331)에 클램프 갈고리(350)를 걸림 결합시켜서 공구(1)를 파지(클램프)한다. 도 11의 (B)와 같이, 드로우 바(340)를 전진시키면, 로크 로트(341)에 의한 클램프 갈고리(350)의 압박이 해제됨으로써, 섕크부(331)와 클램프 갈고리(350)의 걸림 결합이 해제(릴리즈)된다.

본 발명에서는, 상기의 도 10 또는 도 11의 구성의 공구 보유 지지부(40)를 구비하고 있어도 된다. 단, 공구 보유 지지부(40)가, 공구(1) 및 접촉 센서(2)의 스트레이트 섕크[섕크부(1a(2a))]를 직접 보유 지지 가능한 콜릿 부재(41)를 갖는 구성에서는, 개개의 공구(1)나 접촉 센서(2)에 1개씩 공구 보유 지지 콜릿을 마련하지 않아도 된다는 점과, 정확하게 위치 결정한 상태로 주축(10)에 설치된 콜릿 부재(41)에 의해 공구(1)나 접촉 센서(2)를 직접 파지한다는 점에서, 축심 위치 및 축심 방향의 어긋남을 억제하여, 고정밀도로 고정하는 것이 가능하다는 점에서 바람직하다.

또한, 상기 제1 및 제2 실시 형태에서는, 비접촉 베어링(20)에 대하여 주축(10)을 축방향(액셜 방향)으로 접촉시키는 예(액셜 베어링부에 접촉시키는 예)를 나타냈지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 비접촉 베어링(20)에 대하여 주축(10)을 직경 방향(레이디얼 방향)으로 접촉시켜도 된다. 즉, 레이디얼 베어링부(22)에는, 복수의 스로틀 구멍이 전체 둘레에 걸쳐서 동일한 각도 간격으로 마련되고, 각각의 스로틀 구멍으로부터 토출되는 압축 공기에 의한 정압의 균형에 의해 주축(10)이 직경 방향으로 비접촉 지지된다. 그 때문에, 레이디얼 베어링부(22)의 복수의 스로틀 구멍 중, 어느 1개 또는 복수에 대한 압력 공급을 차단함으로써, 주축(10)의 레이디얼 대향면(12a)을 레이디얼 베어링부(22)의 레이디얼 베어링면(22a)에 접촉시킬 수 있다. 이 경우, 레이디얼 대향면(12a)과 레이디얼 베어링면(22a)의 접촉 개소에 있어서의 마찰력의 증대에 의해 주축(10)의 이동을 억제할 수 있다. 또한, 제1 또는 제2 실시 형태에 있어서 나타낸 구성과 조합하여, 주축(10)을 액셜 베어링부(21) 및 레이디얼 베어링부(22) 양쪽에 접촉시켜도 된다.

또한, 상기 제1 실시 형태에서는, 타방측 액셜 베어링면(21b)의 스로틀 구멍에 대한 압력 공급을 차단함으로써, 타방측 액셜 베어링면(21b)에 대하여 주축(10)의 액셜 대향면(11a)을 접촉시키는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 일방측 액셜 베어링면(21a)의 스로틀 구멍에 대한 압력 공급을 차단함으로써, 일방측 액셜 베어링면(21a)에 대하여 주축(10)의 액셜 대향면(11a)을 접촉시켜도 된다.

또한, 상기 제2 실시 형태에서는, 가압부(210)가 주축(10)을 일단부측(Z1 방향)으로 가압함으로써, 일방측 액셜 베어링면(21a)과 액셜 대향면(11a)을 접촉시키는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 상기 제2 실시 형태에 있어서, 반대로, 가압부(210)가 주축(10)을 타단부측(Z2 방향)으로 가압하도록 구성함으로써, 타방측 액셜 베어링면(21b)에 대하여 주축(10)의 액셜 대향면(11a)을 접촉시켜도 된다. 이 경우, 주축(10)과 비접촉 베어링(20)은, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 접촉 상태(도 5 참조)가 된다.

또한, 상기 제2 실시 형태에서는, 가압부(210)가 공기압에 의해 비접촉으로 주축(10)을 가압하도록 구성되어 있는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 가압부(210)는, 예를 들어 공압식 또는 유압식의 피스톤이나, 전동의 솔레노이드 등에 의해, 주축(10)과 직접 접촉해서 주축(10)을 가압하도록 구성되어도 된다.

또한, 상기 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 측정 상태(P2)에 있어서, 액셜 베어링부(21)의 일방측 및 타방측 중, 어느 한쪽의 공급 압력을 다른 한쪽보다도 약화시키거나 또는 차단하는 예를 나타냈지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 본 발명에서는, 예를 들어 공압원(60)에 있어서 정압원과는 별개로 부압원을 마련하고, 액셜 베어링부(21)의 일방측 및 타방측 중, 어느 한쪽에는 부압을 공급하고, 다른 한쪽에는 정압을 공급해도 된다. 이것에 의해서도, 비접촉 베어링(20)에 대하여 주축(10)을 접촉시킬 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 실시 형태에서는, 문형 머시닝 센터의 예를 나타냈지만, 이 발명의 공작 기계는, 문형 구조를 갖지 않는 입형 머시닝 센터나, 주축(10)이 수평 방향에 마련되는 횡형 머시닝 센터여도 된다.

Claims (10)

1. 주축과,
   비접촉으로 상기 주축을 중심축선 주위로 회전 가능하게 지지하는 비접촉 베어링과,
   상기 주축을 회전 구동하는 구동부와,
   상기 주축의 일단부에 마련되고, 워크의 가공을 행하는 공구 또는 워크의 측정을 행하는 접촉 센서를 착탈 가능하게 보유 지지하는 공구 보유 지지부를 구비하고,
   상기 비접촉 베어링은, 상기 접촉 센서의 장착 시에, 상기 주축을 접촉 상태로 지지함으로써 상기 주축의 이동을 억제하는 측정 상태로 전환 가능하게 구성되어 있는, 주축 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 비접촉 베어링은,
   상기 주축을 축방향의 양측에서 축방향으로 지지하는 액셜 베어링부와, 상기 주축을 반경 방향으로 지지하는 레이디얼 베어링부를 포함하고,
   상기 측정 상태에 있어서, 상기 액셜 베어링부의 액셜 베어링면과, 상기 주축의 액셜 대향면이, 축방향으로 접촉하도록 구성되어 있는, 주축 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 액셜 베어링부는, 상기 주축을 일단부측으로부터 지지하는 일방측 액셜 베어링면과, 상기 주축을 일단부측과는 반대인 타단부측으로부터 지지하는 타방측 액셜 베어링면을 포함하고,
   상기 비접촉 베어링은, 상기 측정 상태에 있어서, 상기 일방측 액셜 베어링면이 상기 주축으로부터 이격되고, 상기 타방측 액셜 베어링면이 상기 주축의 액셜 대향면과 접촉하도록 구성되어 있는, 주축 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 비접촉 베어링은, 정압 유체 베어링이며,
   상기 정압 유체 베어링으로의 압력 공급을 제어하는 유체 회로를 더 구비하고,
   상기 유체 회로는, 상기 액셜 베어링부의 일단부측 및 타단부측 중, 어느 한쪽의 공급 압력을 다른 한쪽보다도 약화시키거나 또는 차단함으로써, 상기 액셜 베어링면과 상기 액셜 대향면을 접촉시키게 구성되어 있는, 주축 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 정압 유체 베어링은, 정압 공기 베어링이며,
   상기 유체 회로는, 상기 액셜 베어링부의 어느 한쪽에 대한 공기압의 공급과 차단을 전환시키는 전환 밸브를 포함하는, 주축 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 측정 상태에 있어서, 상기 주축을 축 방향으로 가압함으로써, 상기 주축과 상기 비접촉 베어링을 접촉시키는 가압부를 더 구비하는, 주축 장치.
7. 제1항에 있어서,
   공구 교환 장치에서 상기 공구 보유 지지부에 상기 접촉 센서가 장착된 것을 판별하는 판별부와,
   상기 공구 보유 지지부에 상기 접촉 센서가 장착된 경우에, 상기 비접촉 베어링을 상기 측정 상태로 전환시키는 제어를 행하는 제어부를 더 구비하는, 주축 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 공구 보유 지지부는, 스트레이트 섕크형의 상기 공구 및 상기 접촉 센서를 직접 보유 지지 가능한 콜릿 부재를 갖는, 주축 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 구동부는, 유도 모터를 포함하고,
   상기 비접촉 베어링은, 상기 측정 상태에 있어서, 상기 주축과의 접촉에 의해 상기 주축의 회전을 정지시키도록 구성되어 있는, 주축 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 주축 장치와,
    상기 주축 장치와 워크를 상대 이동시키는 이동 기구와,
    상기 공구 및 상기 접촉 센서를 상기 주축 장치의 상기 주축에 대하여 착탈 가능하게 보유 지지하는 공구 교환 장치를 구비하는, 공작 기계.

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