WO2011037140A1

WO2011037140A1 - 工作機械の主軸装置

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Publication number: WO2011037140A1
Application number: PCT/JP2010/066415
Authority: WO
Inventors: 松永　茂
Original assignee: 株式会社ジェイテクト
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2011-03-31
Also published as: JP5418110B2; EP2481941A1; US9020629B2; CN102510956B; EP2481941B1; JP2011069405A; US20120173012A1; EP2481941A4; CN102510956A

Abstract

主軸（１２）の状態変化により主軸を軸承する全ての軸受（１３１，１３２，１３３）に作用する負荷を導出し、さらに各軸受の軌道面接触面圧を解析しているので、各軸受の状態を正確に把握することができる。そして、軌道面接触面圧が閾値を超えたときは加工条件を変更して軌道面接触面圧が閾値を超えないように制御し、さらに加工条件を変更しても軌道面接触面圧が閾値を超えたときは主軸を停止させるように制御しているので、各軸受の焼き付きを防止することができる。よって、主軸を高精度に制御して加工精度を向上させることができる。

Description

工作機械の主軸装置

本発明は、工作機械等に使用される主軸装置に関する。

例えば、マシニングセンタ等の工作機械において不適切な加工条件で被削材を加工した場合、工具を搭載した主軸に異常負荷が発生して被削材の加工精度が低下するおそれがある。そこで、例えば、特許文献１には、主軸もしくは送り軸の駆動モータに負荷センサを設け、検出した負荷と予め設定された負荷の閾値とを比較し、検出負荷が負荷の閾値を超えた場合は主軸を停止させるようにした主軸装置が提案されている。しかし、主軸に異常負荷が発生した場合、主軸を軸承する軸受が最もダメージを受けるが、上記主軸装置では駆動モータに作用する負荷は検出できても軸受に作用する負荷は検出できないため、軸受の状態を正確に把握できず、最悪の場合は軸受が焼き付くおそれがある。

そこで、例えば、特許文献２には、主軸と軸受を支持する固定体との間にラビリンス部を形成して変位センサを設け、検出した変位と予め設定された変位の閾値とを比較する。そして、検出変位が変位の閾値を超えた場合は軸受にラジアル方向の過大な負荷が作用していると推定し、主軸を停止させるようにした主軸装置が提案されている。この主軸装置によれば、軸受に過大な荷重が作用することを回避して軸受の焼き付きを防止できる。

特開２００２－１６３３号公報特開２００９－６１５７１号公報

特許文献２に記載の主軸装置では、主軸と固定体との間にラビリンス部を形成して変位センサを設けるための大きなスペースが必要であるため、スペースに余裕がある主軸の先端部側にラビリンス部を形成して変位センサを設けている。よって、単に主軸の変位に応じて主軸に作用する負荷を推定しているに過ぎず、軸受の状態を正確に把握できず、軸受が焼き付くおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、主軸を軸承する全ての軸受に作用する負荷を正確に把握して軸受の焼き付きを防止できる工作機械の主軸装置を提供することである。

  上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、
  工具を保持して回転駆動される主軸と、
  該主軸を回転可能に軸承する複数の軸受と、
  を備えた工作機械の主軸装置であって、
  前記工具による加工に伴う前記主軸の状態変化から前記各軸受に作用する負荷を導出する負荷導出手段と、
  該負荷導出手段で導出される前記各軸受に作用する負荷に基づいて前記各軸受の軌道面接触面圧を解析する面圧解析手段と、
  該面圧解析手段で解析される前記各軸受の軌道面接触面圧と予め設定された前記各軸受の軌道面接触面圧の閾値とを比較し、前記軌道面接触面圧の少なくとも１つが前記軌道面接触面圧の閾値を超えたときは、加工条件の変更を指令し、もしくは前記主軸の停止を指令する制御指令手段と、
  を備えることである。

  請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、
  前記負荷導出手段は、
  前記主軸のラジアル方向の変位を検出する第１変位検出手段と、
  前記主軸のアキシャル方向の変位を検出する第２変位検出手段と、
  前記第１変位検出手段で検出される前記主軸のラジアル方向の変位に基づいて前記各軸受に作用するラジアル方向の負荷を演算する第１負荷演算手段と、
  前記第２変位検出手段で検出される前記主軸のアキシャル方向の変位に基づいて前記各軸受に作用するアキシャル方向の負荷を演算する第２負荷演算手段と、
  を備えることである。

  請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項２において、
  前記第１負荷演算手段は、
  予めモデル化された前記主軸の形状、前記各軸受の位置及び前記各軸受の剛性に基づいて、前記第１変位検出手段で検出される前記主軸のラジアル方向の変位を伝達マトリックス法で解析することにより、前記各軸受に作用するラジアル方向の負荷を演算することである。

  請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１～３の何れか一項において、
  前記軸受に軸線方向の予圧を付与する予圧付与手段、を備え、
  前記負荷導出手段は、前記予圧付与手段で付与される前記軸受に作用する予圧も加味して前記各軸受に作用するラジアル方向の負荷及びアキシャル方向の負荷を導出することである。

  請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１～４の何れか一項において、
  前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段、を備え、
  前記面圧解析手段は、前記回転速度検出手段で検出される前記主軸の回転速度も加味して前記各軸受の軌道面接触面圧を解析することである。

請求項１に係る発明によれば、主軸の状態変化、例えば検出した主軸の変位から求めた主軸に作用する荷重、もしくは直接検出した主軸に作用する荷重等により主軸を軸承する全ての軸受に作用する負荷を導出し、さらに各軸受の軌道面接触面圧を解析しているので、各軸受の状態を正確に把握することができる。そして、軌道面接触面圧が閾値を超えたときは加工条件を変更して軌道面接触面圧が閾値を超えないように制御し、さらに加工条件を変更しても軌道面接触面圧が閾値を超えたときは主軸を停止させるように制御しているので、各軸受の焼き付きを防止することができる。よって、主軸を高精度に制御して加工精度を向上させることができる。

請求項２に係る発明によれば、各軸受に作用するラジアル方向の負荷及びアキシャル方向の負荷を演算しているため、各軸受の状態を正確に把握することができ、各軸受の焼き付きを防止することができる。また、主軸のラジアル方向の変位及びアキシャル方向の変位を検出する手段は各１個配設すれば良いため、構造が単純となり部品点数の増加によるコストアップを抑えることができる。

請求項３に係る発明によれば、検出した主軸のラジアル方向の変位を、主軸の形状等をモデルしたものと伝達マトリックス法を用いて解析しているので、各軸受に作用するラジアル方向の正確な負荷を演算することができる。

請求項４に係る発明によれば、軸受に作用する予圧も加味しているので、各軸受に作用する各負荷をさらに正確に導出することができる。

請求項５に係る発明によれば、主軸の回転により軸受に作用する遠心力も加味できるので、各軸受の軌道面接触面圧をさらに正確に解析することができる。

図１Ａは本発明の実施の形態の主軸装置の全体構造を示す縦断面図である。図１Ｂは図１ＡのＡ部の拡大断面図である。図２は図１Ａの主軸装置の制御装置のブロック図である。図３は主軸の形状、各軸受の位置及び各軸受の剛性をモデル化した図である。図４は軸受が主軸を正常に軸承可能な最大予圧及び主軸が正常に回転可能な最小予圧を主軸の回転速度毎に設定した図である。図５は図２の主軸制御装置の動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１Ａは、本発明の実施の形態の主軸装置の全体構造を示す縦断面図、図１Ｂは図１ＡのＡ部の拡大断面図、図２は、図１Ａの主軸装置の制御装置のブロック図である。尚、図１Ａにおいて、左右方向が軸線方向であり、左方を前方とする。図１Ａに示すように、本実施形態による主軸装置１は、内周部に収容空間１１０を有する略円筒状の主軸ハウジング１１と、収容空間１１０内に配設された主軸１２と、この主軸１２の前側部を軸承する二対の第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２及び主軸１２の後側部を軸承する後側転がり軸受１３３と、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２に軸線方向の予圧を付与する予圧付与装置３（本発明の「予圧付与手段」に相当する）と、主軸装置１を制御する主軸制御装置４と、を備えている。

さらに、工具Ｔによる加工に伴う主軸１２のラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位センサ２１（本発明の「第１変位検出手段」に相当する）及びアキシャル方向の変位を検出するアキシャル方向変位センサ２２（本発明の「第２変位検出手段」に相当する）と、主軸１２の回転速度を検出する速度センサ１２３（本発明の「回転速度検出手段」に相当する）と、を備えている。

主軸１２の回転軸中心には、軸線方向に延びるロッド孔１２１が形成されている。ロッド孔１２１は、主軸１２を軸線方向に貫通しており、前端には工具取付用テーパ部１２１ａが形成されている。工具取付用テーパ部１２１ａの後方には、コレット収容部１２１ｂが形成され、コレット収容部１２１ｂの後方には、コレット収容部１２１ｂよりも大径のばね収容孔１２１ｃが形成されている。ばね収容孔１２１ｃの前端部には、スリーブ１２２が固定されている。ロッド孔１２１内には、ロッド１５が軸線方向に移動可能に収容されている。ロッド１５は、長尺状の軸部材１５１の後端部に、軸部材１５１よりも大径のストッパ１５２が固着されている。さらに、ロッド１５の前端には、コレット１５３が装着されている。コレット１５３は、半径方向に拡縮可能に設けられており、工具Ｔを把持可能に形成されている。

ロッド孔１２１内にロッド１５が収容された状態で、軸部材１５１の前端部はスリーブ１２２の内周面と摺動可能であり、ストッパ１５２はばね収容孔１２１ｃと摺動可能である。また、ばね収容孔１２１ｃ内におけるスリーブ１２２の後端部とストッパ１５２の前端面との間には、複数の皿ばね１６が介装されており、ロッド１５は主軸１２に対して後方に常時付勢されている。主軸１２の後方には、主軸ハウジング１１と一体化されたシリンダハウジング１７１と、シリンダハウジング１７１内に軸方向に移動可能に設けられたピストン１７２とを有する油圧シリンダ１７が設けられている。ピストン１７２が後方に移動してピストン１７２とロッド１５との係合が解除されると、工具Ｔをコレット１５３で把持したロッド１５は皿ばね１６の付勢力により主軸１２に対し後退する。そして、工具Ｔは主軸１２の工具取付用テーパ部１２１ａに嵌着されて主軸１２に固定される。ピストン１７２が前方に移動してピストン１７２とロッド１５とが係合されると、工具Ｔを把持したロッド１５は皿ばね１６の付勢力に抗して主軸１２に対し前進する。そして、コレット１５３は拡径して工具Ｔの把持を解除する。

二対の第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２は、アンギュラーコンタクト軸受であり、前側主軸ハウジング１１ａの収容空間１１０内の前方側にて軸線方向に並設され、後側転がり軸受１３３は、円筒ころ軸受であり、収容空間１１０内の後方側に配設されている。第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２は主軸１２の工具Ｔ側である前側部を軸承し、後側転がり軸受１３３は工具Ｔに対して主軸１２の前側部より後側の後側部を軸承する。一対の第１前側転がり軸受１３１の内輪間、一対の第２前側転がり軸受１３２の内輪間、及び第１前側転がり軸受１３１と第２前側転がり軸受１３２の内輪間には、円筒状のスペーサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃが配設されている。第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２並びにスペーサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃの内周部には、主軸１２の外周面が嵌合されている。そして、最前方に位置する第１前側転がり軸受１３１の内輪は、主軸１２の前方端に形成されたフランジ部１２ａに当接され、最後方に位置する第２前側転がり軸受１３２の内輪には、主軸１２の外周面に螺合される円筒状の内輪押え１１３が当接されている。これにより、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２並びにスペーサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃは主軸１２の外周面に固定される。

一対の第１前側転がり軸受１３１の外輪間、及び一対の第２前側転がり軸受１３２の外輪間には、円筒状のスペーサ１１２ｄ，１１２ｅが配設されている。第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２並びにスペーサ１１２ｄ，１１２ｅは、軸受支持筒１１１に支承されている。この軸受支持筒１１１は、略円筒状のスリーブ１１４と、略円環状の外輪押え１１５と、略円筒状のピストン１１６とにより構成されている。

スリーブ１１４の略中央内周部には内側に突出した円周凸部１１４ａが形成され、略中央外周部には外側に突出したフランジ部１１４ｃが形成されている。スリーブ１１４の円周凸部１１４ａよりも前方側の内周部の内径は、第１前側転がり軸受１３１及びスペーサ１１２ｄの外径と略同一に形成され、円周凸部１１４ａよりも後方側の内周部の内径は、ピストン１１６の外径と略同一に形成されている。スリーブ１１４のフランジ部１１４ｃよりも前方側の外周部の外径は、２分割された前側主軸ハウジング１１ａの一方（第１前側主軸ハウジング１１ａａ）の内径と略同一に形成され、フランジ部１１４ｃよりも後方側の外周部の外径は、２分割された前側主軸ハウジング１１ａの他方（第２前側主軸ハウジング１１ａｂ）の内径と略同一に形成されている。

外輪押え１１５の一方の端面には軸方向に突出したボス部１１５ａが形成されている。外輪押え１１５のボス部１１５ａの外径は、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａよりも前方側の内周部の内径（第１前側転がり軸受１３１及びスペーサ１１２ｄの外径）と略同一に形成されている。外輪押え１１５の外径は、第１前側主軸ハウジング１１ａａの外径と略同一に形成されている。ピストン１１６の前側内周部には内側に突出した円周凸部１１６ａが形成されている。ピストン１１６の円周凸部１１６ａよりも後方側の内周部の内径は、第２前側転がり軸受１３２及びスペーサ１１２ｅの外径と略同一に形成されている。

そして、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａよりも前方側の内周部には、第１前側転がり軸受１３１及びスペーサ１１２ｄが嵌合されている。ピストン１１６の円周凸部１１６ａよりも後方側の内周部には、第２前側転がり軸受１３２及びスペーサ１１２ｅが嵌合されている。そして、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａよりも後方側の内周部には、ピストン１１６の外周面が液密に嵌合されている。スリーブ１１４のフランジ部１１４ｃよりも前方側の外周部には、第１前側主軸ハウジング１１ａａが嵌合され、フランジ部１１４ｃよりも後方側の外周部には、第２前側主軸ハウジング１１ａｂが嵌合されている。

以上により、前方に位置する第１前側転がり軸受１３１の外輪は、外輪押え１１５のボス部１１５ａに当接され、後方に位置する第１前側転がり軸受１３１の外輪は、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａに当接されている。前方に位置する第２前側転がり軸受１３２の外輪は、ピストン１１６の円周凸部１１６ａに当接され、後方に位置する第２前側転がり軸受１３２の外輪は、フリー状態となっている。そして、スリーブ１１４、第１前側主軸ハウジング１１ａａ、第２前側主軸ハウジング１１ａｂ及び外輪押え１１５は、外輪押え１１５の前端面から貫装される図略のボルトにより締結され一体化され、第２前側主軸ハウジング１１ａｂが、ビルトインモータ１４を収容している後側主軸ハウジング１１ｂ（１１）に図略のボルトにより締結され一体化されている。

図１ＢのＡ部拡大断面図に示すように、ピストン１１６の前方外周面には、小径部と大径部とでなる段差１１６ｂが形成され、スリーブ１１４の円周凸部１１４ａより後方側の内周面には、ピストン１１６の小径部と大径部が嵌合可能な大径部と小径部とでなる段差１１４ｂが形成されている。そして、各段差１１６ｂ、１１４ｂ間には、環状の油圧シリンダ３１が形成されている。この油圧シリンダ３１には、スリーブ１１４の略中央外周側に形成されたフランジ部１１４ｃの外周面から穿設された油路３２が連通されている。この油路３２には、予圧付与装置３と接続された管路３３が接続されている。

予圧付与装置３は、油圧ポンプ３４と、減圧弁３５と、リリーフ弁３６とから構成されており、油圧を油圧シリンダ３１に供給するようになっている。即ち、油圧ポンプ３４からの最高油圧がリリーフ弁３６により制御され、最高油圧までの範囲内において任意の油圧が減圧弁３５により制御され、管路３３及び油路３２を通して油圧シリンダ３１に供給される。これにより、油圧シリンダ３１では軸線方向（前方及び後方）の油圧が発生し、ピストン１１６が後方側に押圧されて第２前側転がり軸受１３２の外輪を押圧するので、第２前側転がり軸受１３２には予圧が付与され、さらに主軸１２が後方に移動して第１前側転がり軸受１３１の内輪を押圧するので、第１前側転がり軸受１３１にも予圧が付与される。

主軸ハウジング１１の内周面には、ビルトインモータ１４のステータ１４１が取り付けられている。ステータ１４１の半径方向内方には、主軸１２の外周面に形成されたロータ１４２が対向している。ステータ１４１とロータ１４２とにより形成されたビルトインモータ１４に電力が供給されることによって、主軸１２はロータ１４２とともに回転する。主軸装置１は、先端に工具Ｔを取り付けた状態で主軸１２を回転させ、図示しない被削材に加工を施す。主軸１２の回転速度は、主軸１２の後方に配設されている非接触型の速度センサ１２３により検出される。

ラジアル方向変位センサ２１は、工具Ｔによる加工に伴う主軸２の状態変化、すなわち主軸１２の半径方向の変位を検出する非接触型のセンサである。アキシャル方向変位センサ２２は、工具Ｔによる加工に伴う主軸２の状態変化、すなわち主軸１２の軸線方向の変位を検出する非接触型のセンサである。ラジアル方向変位センサ２１は、外輪押え１１５の外周面から径方向に穿設された孔内に配設されている。アキシャル方向変位センサ２２は、外輪押え１１５の前側端面から内周面に沿って軸方向に設けられた溝内に配設されている。ラジアル方向変位センサ２１は、第１前側転がり軸受１３１よりも前側であって工具Ｔにできる限り近い位置に配設することが望ましい。また、両変位センサ２１，２２がクーラントの影響を受けないように、溝及び孔の開口部は塞ぐことが望ましい。なお、アキシャル方向変位センサ２２の代わりに、力センサのような直接負荷を測定するアキシャル方向負荷センサを第１前側転がり軸受１３１の外輪近傍に配設してもよい。

主軸制御装置４は、図２に示すように、ラジアル方向変位センサ２１及びアキシャル方向変位センサ２２の各検出値に基づいて二対の第１、第２前側転がり軸受１３１，１３２及び後側転がり軸受１３３に作用しているラジアル方向及びアキシャル方向の負荷を演算して求めるラジアル方向負荷演算部４１（本発明の「第１負荷演算手段」に相当する）及びアキシャル方向負荷演算部４２（本発明の「第２負荷演算手段」に相当する）と、各負荷演算部４１，４２で演算される負荷に基づいて各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面圧を解析する面圧解析部４３（本発明の「面圧解析手段」に相当する）と、該面圧解析部４３で解析される各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面圧に基づいて所定の制御指令を出力する制御指令部４４（本発明の「制御指令手段」に相当する）と、各種データの格納が可能な記憶部４５と、を備えている。なお、ラジアル方向変位センサ２１、アキシャル方向変位センサ２２、ラジアル方向負荷演算部４１及びアキシャル方向負荷演算部４２が、本発明の「負荷導出手段」に相当する。

記憶部４５には、図３に示す主軸１２に作用する負荷と主軸１２の変位との関係を示すデータと、各軸受１３１，１３２，１３３の外輪及び内輪とボール（円筒ころ）との軌道面接触面の面積のデータと、各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面圧の閾値のデータと、図４に示す予圧付与装置３の制御可能領域として設定したテーブル等とが記憶されている。

図３に示すデータは、主軸１２の形状、各軸受１３１，１３２，１３３の位置及び各軸受１３１，１３２，１３３の剛性をモデル化したものである。このモデルを伝達マトリックス法で解析することにより、１つのラジアル方向変位センサ２１で検出される主軸１２にラジアル方向の負荷（Ｆ）が作用したときの主軸１２のラジアル方向の変位から、各軸受１３１，１３２，１３３の配設位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５における変位を求め、さらに各軸受１３１，１３２，１３３に作用するラジアル方向の負荷を求めることができる。よって、工具Ｔによる加工において主軸１２を軸承する各軸受１３１，１３２，１３３に作用する負荷を正確に把握することができる。

図４に示すテーブルは、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２が主軸１２を正常に軸承可能な最大予圧Ｐｍａｘ及び主軸１２が正常に回転可能な最小予圧Ｐｍｉｎを主軸１２の回転速度毎に設定し、最大予圧Ｐｍａｘと最小予圧Ｐｍｉｎとの間の領域を予圧付与装置３の制御可能領域として設定したものである。最大予圧Ｐｍａｘは、主軸１２の回転速度が大きくなるにつれて小さく変化するように設定され、最小予圧Ｐｍｉｎは、主軸１２の回転速度が大きくなるにつれて大きく変化するように設定されている。主軸１２の回転速度毎に設定した最大予圧Ｐｍａｘは、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２の剛性を確保して主軸１２の剛性を最も高くできる限界値であり、主軸１２の回転速度毎に設定した最小予圧Ｐｍｉｎは、発熱や面圧過増加を防止して第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２の寿命を最も長くできる限界値である。

ラジアル方向負荷演算部４１は、記憶部４５から上記モデルを読出し、ラジアル方向変位センサ２１で検出される主軸１２のラジアル方向の変位を伝達マトリックス法で解析し、さらに予圧付与装置３により付与される予圧を加味することにより、各軸受１３１，１３２，１３３に作用するラジアル方向の負荷を求める。アキシャル方向負荷演算部４２は、アキシャル方向変位センサ２２で検出される主軸１２のアキシャル方向の変位を用いてフックの法則で演算し、さらに予圧付与装置３により付与される予圧を加味することにより、各軸受１３１，１３２，１３３に作用するアキシャル方向の負荷（各軸受１３１，１３２，１３３において同一とする）を求める。

面圧解析部４３は、各負荷演算部４１，４２からの各軸受１３１，１３２，１３３に作用する負荷に、速度センサ１２３により検出される主軸１２の回転速度から求めた各軸受１３１，１３２，１３３のボール（円筒ころ）に作用する遠心力を加味し、記憶部４５から読出した各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面の面積を用いて各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面圧を求める。なお、主軸１２の回転速度が一定速度以下の低速の場合は遠心力の影響は小さいため該遠心力を加味しなくても良い。

制御指令部４４は、面圧解析部４３からの各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面圧と記憶部４５から読出した各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面圧の閾値とを比較する。そして、例えば工具Ｔの切れ味が低下したり、素材形状の寸法精度のばらつきにより取り代が変化したりして主軸１２の状態が変わることにより、求めた軌道面接触面圧の少なくとも１つが閾値を超えたときは、加工条件の変更を工作機械の主制御装置に指令し、さらに加工条件を変更しても求めた軌道面接触面圧の少なくとも１つが閾値を超えたときは、主軸１２の停止を工作機械の主制御装置に指令する。よって、各軸受１３１，１３２，１３３の焼き付きを防止することができる。

以上のような構成の主軸装置１において、主軸制御装置４の動作について図５のフローチャートを参照して説明する。先ず、ＮＣプログラムにより指令された加工条件、例えば工具Ｔ（主軸１２）の回転速度、予圧、送り速度、切込量、切削幅等の下で被削材の加工を開始する（ステップ１）。そして、ラジアル方向及びアキシャル方向変位センサ２１，２２で検出した主軸１２のラジアル方向及びアキシャル方向の変位を入力する（ステップ２）。主軸１２のラジアル方向の変位をモデルに基づいて伝達マトリックス法で解析し、さらに予圧を加味することにより、各軸受１３１，１３２，１３３に作用するラジアル方向の負荷を求めると共に、主軸１２のアキシャル方向の変位を用いてフックの法則で演算し、さらに予圧を加味することにより、各軸受１３１，１３２，１３３に作用するアキシャル方向の負荷を求める（ステップ３）。

そして、各軸受１３１，１３２，１３３に作用するラジアル方向及びアキシャル方向の負荷に、主軸１２の回転速度から求めた各軸受１３１，１３２，１３３のボール（円筒ころ）に作用する遠心力を加味し、各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面の面積を用いて各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面圧を求める（ステップ４）。そして、各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面圧と各軸受１３１，１３２，１３３の軌道面接触面圧の閾値との大きさを比較する（ステップ５）。ステップ５において、求めた軌道面接触面圧の少なくとも１つが閾値を超えたときは、加工条件を変更するか否かを判断し（ステップ６）、加工条件を変更する場合は工作機械の主制御装置に加工条件の変更を指令し（ステップ７）、ステップ１に戻って上述した処理を繰り返す。

例えば工具Ｔ（主軸１２）の回転速度を予め設定された低下率で低下させる変更、予圧を予圧範囲内で予め設定された下降率で下降させる変更、送り速度を予め設定された低下率で低下させる変更、切込量を予め設定された減少率で減少させる変更、切削幅を予め設定された減少率で減少させる変更等を指令する。そして、以上のような加工条件の変更を行っても、ステップ５において、求めた軌道面接触面圧の少なくとも１つが閾値を超えたときは、ステップ６において、加工条件を変更せずに主軸１２の停止を工作機械の主制御装置に指令し（ステップ８）、全ての処理を終了する。以上の制御により、主軸１２を軸承する各軸受１３１，１３２，１３３に作用する負荷を正確に把握して各軸受１３１，１３２，１３３の焼き付きを防止することができ、主軸１２を高精度に制御して加工精度を向上させることができる。

なお、上述の実施の形態においては、予圧を制御する予圧付与装置３を備えた主軸装置１について説明したが、予圧付与装置３を備えていない主軸装置に対しても本発明を適用して同様の効果を得ることができる。

Claims

  工具を保持して回転駆動される主軸と、
  該主軸を回転可能に軸承する複数の軸受と、
  を備えた工作機械の主軸装置であって、
  前記工具による加工に伴う前記主軸の状態変化から前記各軸受に作用する負荷を導出する負荷導出手段と、
  該負荷導出手段で導出される前記各軸受に作用する負荷に基づいて前記各軸受の軌道面接触面圧を解析する面圧解析手段と、
  該面圧解析手段で解析される前記各軸受の軌道面接触面圧と予め設定された前記各軸受の軌道面接触面圧の閾値とを比較し、前記軌道面接触面圧の少なくとも１つが前記軌道面接触面圧の閾値を超えたときは、加工条件の変更を指令し、もしくは前記主軸の停止を指令する制御指令手段と、
  を備えることを特徴とする工作機械の主軸装置。
  請求項１において、
  前記負荷導出手段は、
  前記主軸のラジアル方向の変位を検出する第１変位検出手段と、
  前記主軸のアキシャル方向の変位を検出する第２変位検出手段と、
  前記第１変位検出手段で検出される前記主軸のラジアル方向の変位に基づいて前記各軸受に作用するラジアル方向の負荷を演算する第１負荷演算手段と、
  前記第２変位検出手段で検出される前記主軸のアキシャル方向の変位に基づいて前記各軸受に作用するアキシャル方向の負荷を演算する第２負荷演算手段と、
  を備えることを特徴とする工作機械の主軸装置。
  請求項２において、
  前記第１負荷演算手段は、
  予めモデル化された前記主軸の形状、前記各軸受の位置及び前記各軸受の剛性に基づいて、前記第１変位検出手段で検出される前記主軸のラジアル方向の変位を伝達マトリックス法で解析することにより、前記各軸受に作用するラジアル方向の負荷を演算することを特徴とする工作機械の主軸装置。
  請求項１～３の何れか一項において、
  前記軸受に軸線方向の予圧を付与する予圧付与手段、を備え、
  前記負荷導出手段は、前記予圧付与手段で付与される前記軸受に作用する予圧も加味して前記各軸受に作用するラジアル方向の負荷及びアキシャル方向の負荷を導出することを特徴とする工作機械の主軸装置。
  請求項１～４の何れか一項において、
  前記主軸の回転速度を検出する回転速度検出手段、を備え、
  前記面圧解析手段は、前記回転速度検出手段で検出される前記主軸の回転速度も加味して前記各軸受の軌道面接触面圧を解析することを特徴とする工作機械の主軸装置。