(57)【要約】      （修正有）【課題】主軸先端の熱変位を任意の値となるように制御する方法、及び制御された主軸装置を提供する。【解決手段】主軸装置１は、主軸３、ハウジング２、ハウジング２内で主軸３を支持する軸受１１，１４を備える。主軸装置１は、主軸３の線膨張係数α１、引張弾性率Ｅ１及び断面積Ａ１、ハウジング２の線膨張係数α２、引張弾性率Ｅ２及び断面積Ａ２、運転開始から平衡状態に至るまでの主軸３の温度変化ΔＴ１及びハウジング２の温度変化ΔＴ２、ベアリング１１，１４間の距離Ｌ、ベアリング１１から主軸３の先端までの距離Ｌｓ、ハウジング２の先端までの距離Ｌｈの中から選択される一以上について、その値が、以下の算出式により算出される主軸３先端の熱変位量Ｄが所定の値となるように設定される。Ｄ＝α１ＬｓΔＴ１−α２ＬｈΔＴ２＋（ＬＥ１Ｅ２Ａ１Ａ２（α１ΔＴ１−α２ΔＴ２））／（２Ｅ１Ｅ２Ａ１Ａ２＋ｋＬ（Ｅ１Ａ１＋Ｅ２Ａ２））【選択図】図２
2020171986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸、該主軸が収容されるハウジング、及び前記ハウジング内に所定間隔で設けられて、前記主軸を回転自在に支持する一対の軸受を備えた主軸装置の熱変位量を、予め定めた変位量となるように制御する方法であって、
前記主軸の線膨張係数α１、前記主軸の引張弾性率Ｅ１、前記主軸の断面積Ａ１、前記主軸の運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ１、前記ハウジングの線膨張係数α２、前記ハウジングの引張弾性率Ｅ２、前記ハウジングの断面積Ａ２、前記ハウジングの運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ２、一対のベアリング間の距離Ｌ、先端側のベアリングから主軸先端までの距離Ｌｓ、並びに先端側のベアリングからハウジング先端までの距離Ｌｈの中から選択される一以上について、その値を、以下の算出式により算出される主軸先端の熱変位量Ｄが予め定めた値となるように設定したことを特徴とする主軸装置の熱変位制御方法。
Ｄ＝α１ＬｓΔＴ１−α２ＬｈΔＴ２＋（ＬＥ１Ｅ２Ａ１Ａ２（α１ΔＴ１−α２ΔＴ２））／（２Ｅ１Ｅ２Ａ１Ａ２＋ｋＬ（Ｅ１Ａ１＋Ｅ２Ａ２））
但し、ｋは前記ベアリングについて設定されるバネ定数である。
【請求項２】
主軸、該主軸が収容されるハウジング、及び所定の間隔で前記ハウジング内に設けられて、前記主軸を回転自在に支持する一対の軸受を備え、その熱変位量が予め定めた変位量となるように設定された主軸装置であって、
前記主軸の線膨張係数α１、前記主軸の引張弾性率Ｅ１、前記主軸の断面積Ａ１、前記主軸の運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ１、前記ハウジングの線膨張係数α２、前記ハウジングの引張弾性率Ｅ２、前記ハウジングの断面積Ａ２、前記ハウジングの運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ２、一対のベアリング間の距離Ｌ、先端側のベアリングから主軸先端までの距離Ｌｓ、並びに先端側のベアリングからハウジング先端までの距離Ｌｈの中から選択される一以上について、その値が、以下の算出式によって算出される主軸先端の熱変位量Ｄが予め設定された値となるように設定されていることを特徴とする主軸装置。
Ｄ＝α１ＬｓΔＴ１−α２ＬｈΔＴ２＋（ＬＥ１Ｅ２Ａ１Ａ２（α１ΔＴ１−α２ΔＴ２））／（２Ｅ１Ｅ２Ａ１Ａ２＋ｋＬ（Ｅ１Ａ１＋Ｅ２Ａ２））
但し、ｋは前記ベアリングについて設定されるバネ定数である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主軸、該主軸が収容されるハウジング、及び前記ハウジング内に所定間隔で設けられて、前記主軸を回転自在に支持する一対の軸受を備えた主軸装置において、その熱変位量が予め定めた変位量となるように制御する方法、並びに熱変位量が予め定めた変位量となるように制御された主軸装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、工作機械に設けられる一般的な主軸装置は、ワークや工具を保持する主軸、この主軸を収容するハウジング、並びにハウジング内に所定間隔で設けられて、前記主軸を回転自在に支持する一対の軸受等を備えて構成される。そして、このような構成の主軸装置においては、主軸が回転することにより、これを支持するベアリング等が発熱し、この発熱によって主軸やこれを保持するハウジングが熱変位することが知られている。斯くして、このような熱変位が生じると、工具とワークとの相対的な位置関係が変動して、加工精度が悪化することになる。
【０００３】
そこで、従前より、下記特許文献１に開示されるように、工作機械の主軸近傍の温度とベッドの温度とを測定し、測定された温度に基づいて、工作機械で生じる熱変位量を推定し、推定された熱変位量に基づいて、工具とワークとの相対的な位置関係を補正するといった試みがなされている。
【０００４】
或いは、主軸やハウジングの熱変位によって生じる工具とワークとの相対的な位置関係の変動を補正するのではなく、適宜冷却システムを用いて当該主軸やハウジングを冷却して、これらが熱変位するのを抑制するといった試みもなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０１５０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上述の特許文献１に開示された熱変位推定方法においては、これを実行するために、温度を測定するための温度センサを主軸近傍やベッドに取り付ける必要があり、また、温度センサによって検出される信号を適宜演算装置に入力するための信号線を配設する必要があるなど、工作機械の電気配線上の構造が複雑になり、このために当該工作機械の製造コストが増大する、或いは、メンテナンスが煩わしいものになるといった諸問題があった。
【０００７】
また、適宜冷却システムを用いて主軸やハウジングを冷却する態様においては、主軸が熱変位するのを防止するために、冷却のための相当量のエネルギーが必要であり、省力化の観点からすると、必ずしも好ましい解決策であるとは言い切れない。
【０００８】
そこで、本発明者等は、主軸装置の構造について鋭意研究を重ね、その理論的な考察を行った結果、主軸先端部の熱変位を、主軸の線膨張係数、主軸の引張弾性率、主軸の断面積、主軸の運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化、ハウジングの線膨張係数、ハウジングの引張弾性率、ハウジングの断面積、ハウジングの運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化、一対のベアリング間の距離、先端側のベアリングから主軸先端までの距離、並びに先端側のベアリングからハウジング先端までの距離の各パラメータによって同定することができることを見出した。
【０００９】
言い換えれば、本発明者等は、上記パラメータを適宜設定することにより、主軸先端部の熱変位を任意に設定（制御）し得ることを見出した。
【００１０】
本発明は以上の実情に鑑みなされたものであって、主軸装置における主軸先端部の熱変位を任意の変位量となるように制御する方法、及び主軸先端部が特定の熱変位量を示すように設定（制御）された主軸装置の提供を、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明は、
主軸、該主軸が収容されるハウジング、及び前記ハウジング内に所定間隔で設けられて、前記主軸を回転自在に支持する一対の軸受を備えた主軸装置の熱変位量を、予め定めた変位量となるように制御する方法であって、
前記主軸の線膨張係数α１、前記主軸の引張弾性率Ｅ１、前記主軸の断面積Ａ１、前記主軸の運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ１、前記ハウジングの線膨張係数α２、前記ハウジングの引張弾性率Ｅ２、前記ハウジングの断面積Ａ２、前記ハウジングの運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ２、一対のベアリング間の距離Ｌ、先端側のベアリングから主軸先端までの距離Ｌｓ、並びに先端側のベアリングからハウジング先端までの距離Ｌｈの中から選択される一以上について、その値を、以下の算出式により算出される主軸先端の熱変位量Ｄが予め定めた値となるように設定したことを特徴とする主軸装置の熱変位制御方法に係る。
Ｄ＝α１ＬｓΔＴ１−α２ＬｈΔＴ２＋（ＬＥ１Ｅ２Ａ１Ａ２（α１ΔＴ１−α２ΔＴ２））／（２Ｅ１Ｅ２Ａ１Ａ２＋ｋＬ（Ｅ１Ａ１＋Ｅ２Ａ２））
【００１２】
また、本発明は、主軸、該主軸が収容されるハウジング、及び所定の間隔で前記ハウジング内に設けられて、前記主軸を回転自在に支持する一対の軸受を備え、その熱変位量が予め定めた変位量となるように設定された主軸装置であって、
前記主軸の線膨張係数α１、前記主軸の引張弾性率Ｅ１、前記主軸の断面積Ａ１、前記主軸の運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ１、前記ハウジングの線膨張係数α２、前記ハウジングの引張弾性率Ｅ２、前記ハウジングの断面積Ａ２、前記ハウジングの運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ２、一対のベアリング間の距離Ｌ、先端側のベアリングから主軸先端までの距離Ｌｓ、並びに先端側のベアリングからハウジング先端までの距離Ｌｈの中から選択される一以上について、その値が、以下の算出式によって算出される主軸先端の熱変位量Ｄが予め設定された値となるように設定された主軸装置に係る。
Ｄ＝α１ＬｓΔＴ１−α２ＬｈΔＴ２＋（ＬＥ１Ｅ２Ａ１Ａ２（α１ΔＴ１−α２ΔＴ２））／（２Ｅ１Ｅ２Ａ１Ａ２＋ｋＬ（Ｅ１Ａ１＋Ｅ２Ａ２））
但し、ｋは前記ベアリングについて設定されるバネ定数である。
【００１３】
本発明者等が主軸装置の構造について鋭意研究を重ね、その理論的な考察を行った結果、主軸先端の熱変位量Ｄは上述した算出式によって算出できることを見出した。そして、この算出式に従えば、主軸の線膨張係数α１、主軸の引張弾性率Ｅ１、主軸の断面積Ａ１、主軸の運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ１、ハウジングの線膨張係数α２、ハウジングの引張弾性率Ｅ２、ハウジングの断面積Ａ２、ハウジングの運転開始から平衡状態に至るまでの温度変化ΔＴ２、一対のベアリング間の距離Ｌ、先端側のベアリングから主軸先端までの距離Ｌｓ、並びに先端側のベアリングからハウジング先端までの距離Ｌｈといったパラメータ中から選択される一以上について、その値を任意に設定することにより、主軸及びハウジングの温度が平衡状態に至ったとき、言い換えれば、主軸及びハウジングが熱平衡状態となったときの主軸先端の熱変位量Ｄを任意の値に設定することができる。
【００１４】
斯くして、このようにして主軸先端の熱変位量Ｄを任意の値に予め設定することにより、主軸及びハウジングの温度が平衡状態に至ったときの主軸先端の熱変位を、温度測定などの特別な作業を伴うことなく、容易に補正することができる。そして、最も好ましい態様としては、以下の態様をとることができる。即ち、主軸及びハウジングの温度が平衡状態に至ったときの主軸先端の熱変位が０になるように、言い換えれば、主軸先端の熱変位が生じないように、上記パラメータの値を適宜設定する。このようにすることで、熱変位のための補正を回避することができ、主軸の位置制御の簡略化を図ることができる。
【００１５】
また、近年では、各技術分野において、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）が用いられており、本発明者等の知見によれば、この繊維強化プラスチックを主軸やハウジングに適用することが可能であると考えられる。そして、このような繊維強化プラスチックの単体、或いは繊維強化プラスチックと鋼との複合材を用い、繊維の種類、繊維の配向方向や含有される繊維の量などを適宜設定することで、主軸の線膨張係数α１及び引張弾性率Ｅ１、並びにハウジングの線膨張係数α２及び引張弾性率Ｅ２を任意の値に設定することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、主軸及びハウジングの温度が平衡状態に至ったときの主軸先端の熱変位量を任意の値に設定することができ、このように主軸先端の熱変位量を任意の値に予め設定することにより、主軸及びハウジングの温度が平衡状態に至ったときの主軸先端の熱変位を、温度測定などの特別な作業を伴うことなく、容易に補正することができる。そして、主軸及びハウジングの温度が平衡状態に至ったときの主軸先端の熱変位が０になるように、即ち、主軸先端の熱変位が生じないように、上記パラメータを適宜設定することで、熱変位のための補正を回避することができ、主軸の位置制御の簡略化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。
【図２】図１に示した主軸装置の構造を簡略して作成したモデルを示す説明図である。
【図３】本実施形態における主軸装置の諸元の一例を示した説明図である。
【図４】本実施形態に係る主軸装置の主軸先端の熱変位量について、本実施形態に係る算出式を用いた推定値、実験によって得られた実験値、及びＦＥＭ解析を用いて推定したＦＥＭ解析値を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。尚、この図１は、あくまでも説明のための概略図であって、厳密な意味において現実の主軸装置に則したものではない。
【００１９】
図１に示すように、本例の主軸装置１は、主軸３、この主軸３が収容されるハウジング２、ハウジング２内に所定間隔で設けられて主軸３を回転自在に支持する二組の前部ベアリング１１，１４、及び後部ベアリング１７などを備えている。主軸３は大径の前部４及びこれより小径の後部５から成り、軸方向に沿って形成された中心穴７、及びこれと同軸上に且つ前端部に開口するように形成された、工具Ｔを保持するテーパ状の保持穴６を備えている。また、中心穴７にはドローバ１０が配設されており、保持穴６に装着された工具Ｔはこのドローバ１０によって後部側に引き込まれる。
【００２０】
また、主軸３の後部５にはロータ９が嵌合されており、一方、ハウジング２には、ステータ８が設けられており、ロータ９はその外周面がステータ８の内周面と対向するように、当該ステータ８内に挿通された状態になっている。斯くして、このステータ８及びロータ９は主軸３を軸中心に回転させる駆動モータを構成する。
【００２１】
前記前部ベアリング１１は軸方向に並設された２個のベアリング１２，１３から構成され、同様に前部ベアリング１４は軸方向に並設された２個のベアリング１５，１６から構成される。これらの前部ベアリング１１，１４は主軸３を安定した状態で回転自在に支持するもので、所定の間隔を空けて配設された対をなす、即ち、一対となるベアリングである。
【００２２】
そして、本発明者等は、このような構造の主軸装置１について、その構造を簡略して、これと等価なモデルを作成した。このモデルを図２に示す。図２に示したモデルは、主軸３とハウジング２とが前部ベアリング１１，１４に相当するバネ体２１，２２によって連結された構造を有する。
【００２３】
そして、本発明者等は、このモデルについて鋭意考察を行ったところ、ハウジング２の先端を固定したとして、主軸３の先端に生じる熱変位量Ｄは、以下の算出式により算出できることを見出した。
Ｄ＝α１ＬｓΔＴ１−α２ＬｈΔＴ２＋（ＬＥ１Ｅ２Ａ１Ａ２（α１ΔＴ１−α２ΔＴ２））／（２Ｅ１Ｅ２Ａ１Ａ２＋ｋＬ（Ｅ１Ａ１＋Ｅ２Ａ２））
但し、α１は主軸３の線膨張係数、Ｅ１は主軸３の引張弾性率、Ａ１は主軸３の平均断面積（主軸３の体積をその長さで除して算出される断面積）、α２はハウジング２の線膨張係数、Ｅ２はハウジング２の引張弾性率、Ａ２はハウジング２の平均断面積（ハウジング２の体積をその長さで除して算出される断面積）、Ｌはベアリング１１の軸方向における中心位置と，ベアリング１４の軸方向における中心位置との間の距離、Ｌｓは先端側のベアリング１１の軸方向における中心位置から主軸３の先端までの距離、Ｌｈは先端側のベアリング１１の軸方向における中心位置からハウジング２の先端までの距離、ΔＴ１は主軸３を回転させるその運転開始から平衡状態に至るまでの主軸３の温度変化、ΔＴ２は同じくハウジング２の温度変化、ｋはベアリング１１，１４について設定されるバネ定数である。
【００２４】
尚、この図２のモデルを用いた上記熱変位量Ｄの推定では、主軸３及びハウジング２は軸方向にのみ変位すると仮定し、また、ベアリング１１，１４のバネ作用は軸方向のみに作用すると仮定し、また、主軸３及びハウジング２の温度分布はそれぞれ均一であると仮定し、後部ベアリング１７についてはこれを無視した。
【００２５】
そして、本発明者等は、この算出式の妥当性についての検証を行った。図３には、検証した主軸装置１の主軸３及びハウジング２における上述した各パラメータの値、並びにベアリング１１，１４が有するバネ定数ｋを示している。また、図４には検証の結果として、この主軸装置１の主軸３先端に生じる熱変位量Ｄについて、本例の算出式を用いた推定値、実験によって得られた実験値、及びＦＥＭ解析を用いて推定されたＦＥＭ解析値を示している。
【００２６】
尚、主軸３及びハウジング２には、それぞれ最外層及び最内層にＳＣＭ４１５から構成される鋼管を配置し、これら間の中空部分に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）層を配置した構造とした。この主軸３及びハウジング２の引張弾性率Ｅ１，Ｅ２、及び線膨張係数α１，α２はＦＥＭ解析を用いて算出し、ベアリング１１，１４のバネ定数はカタログ値を用いた。また、この主軸３及びハウジング２の大まかな寸法は、図１に示す通りである。この主軸装置１は適宜冷却装置よって冷却されており、主軸３及びハウジング２の温度上昇ΔＴ１及びΔＴ２は、ベアリング１１，１４の外輪近傍、主軸３の先端、ハウジング２の表面における温度の実測値を基に、ＦＥＭ解析によって推定した。
【００２７】
図４に示すように、本例の算出式によって算出された推定値は、実験値と略同じ値であり、ＦＥＭ解析値もこれらに近似している。この結果から、本例の算出式は実際に則した妥当なものと言うことができる。
【００２８】
斯くして、本例の算出式を用いて、当該算出式に含まれる各パラメータの値を適宜設定することにより、主軸３及びハウジング２の温度が平衡状態に至ったときの主軸３の先端に生じる熱変位量Ｄが所定の値となるように設定することができる、言い換えれば、主軸３の先端に生じる熱変位量Ｄが所定の値となるように、当該熱変位量Ｄを制御することができる。そして、このようにして各パラメータの値が設定された主軸装置１は、その主軸３及びハウジング２の温度が平衡状態に至ったときの主軸３の先端に生じる熱変位量Ｄが所定の値となるように制御（設定）されているので、温度測定などの特別な作業を伴うことなく、当該熱変位を容易に補正することができる。
【００２９】
そして、最も好ましい態様としては、主軸３及びハウジング２の温度が平衡状態に至ったときの主軸３の先端の熱変位が０になるように、言い換えれば、主軸３の先端に熱変位が生じないように、上記パラメータの値を設定することで、熱変位のための補正を回避することができ、主軸３の位置制御の簡略化を図ることができる。
【００３０】
本例の算出式に従った主軸３の先端の熱変位量Ｄの制御は、当該算出式に含まれる少なくとも一つのパラメータを変化させることによって、他のパラメータについては固定させた状態として実行することができるが、二以上のパラメータを変化させることによっても実行することができる。
【００３１】
特に、近年では、各分野において、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）が用いられており、本発明者等の知見によれば、この繊維強化プラスチックを主軸３やハウジング２に適用することが可能であると考えられるが、このような繊維強化プラスチックの単体、或いは繊維強化プラスチックと鋼との複合材を用いることで、主軸３の線膨張係数α１及び引張弾性率Ｅ１、並びにハウジング２の線膨張係数α２及び引張弾性率Ｅ２を任意の値に設定することができ、これらを任意の値に設定することで、上述した熱変位量Ｄの多様な制御が可能となる。
【００３２】
以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、上述した実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
【符号の説明】
【００３３】
１    主軸装置
２    ハウジング
３    主軸
６    保持穴
８    ステータ
９    ロータ
１０  ドローバ
１１，１４  前部ベアリング
１７  後部ベアリング
Ｔ    工具
【図１】
2020171986.tif 000003
【図２】
2020171986.tif 000004
【図３】
2020171986.tif 000005
【図４】
2020171986.tif 000006