(57)【要約】      （修正有）【課題】軸方向寸法を短くできるとともに、機械構造を変更することなく加工品質の安定性を高めることができる主軸装置を提供する。【解決手段】主軸装置１は、先端である前側に工具Ｔを取り付け可能な主軸２と、主軸２の径方向外側に配置されたハウジング３とを備える。また、主軸装置１は、ベアリングレスモータ５と、ベアリングレスモータ５の前および後のいずれか一方の側に配置され主軸２をハウジング３に対して回転自在に支持する軸受４と、ベアリングレスモータ５を制御するコントローラとを備える。ベアリングレスモータ５は、主軸２の外周面に外嵌されたロータ５１、およびロータ５１の周囲に配置されハウジング３に固定されたステータ５２を有し、主軸２に対してトルクおよび半径方向力を発生し得る。【選択図】図２
2020059101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端である前側に工具を取り付け可能な主軸と、
前記主軸の径方向外側に配置されたハウジングと、
前記主軸の外周面に外嵌されたロータ、および該ロータの周囲に配置され前記ハウジングに固定されたステータを有し、前記主軸に対してトルクおよび半径方向力を発生し得るモータと、
前記モータの前および後のいずれか一方の側に配置され、前記主軸を前記ハウジングに対して回転自在に支持する軸受と、
前記モータを制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする主軸装置。
【請求項２】
前記軸受は、ころがり軸受または流体軸受であることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
【請求項３】
前記主軸の所定部位の半径方向位置を検出するセンサを備え、
前記コントローラは、前記センサによる検出値に基づいて、記主軸の支持に関する動特性を規定する前記モータによる半径方向力を発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の主軸装置。
【請求項４】
前記動特性は、バネ定数および減衰係数を含むことを特徴とする請求項３に記載の主軸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主軸装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸装置は、先端に工具を取り付け可能な主軸と、主軸をハウジングに対して回転自在に支持する軸受と、主軸を回転させるモータとを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３３３６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の主軸装置では、主軸を回転させるモータとして、主軸の外周面に外嵌されたロータと該ロータの周囲に配置されたステータとを有するビルトインモータが使用されている。そして、主軸は、ビルトインモータの前側と後側との両方において、それぞれ前側軸受と後側軸受とで回転自在に支持されている。
【０００５】
このような主軸装置は、主軸の軸方向に沿って前側軸受、ビルトインモータ、および後側軸受が配置されることになるため、軸方向寸法が長くなるという課題があった。
【０００６】
また、主軸装置は、主軸のビビリ振動が発生すると加工面が乱れて加工品質が悪化してしまうため、主軸の支持部において適切な動剛性を持つ構造となるように設計する必要がある。動剛性とは、動的な変位・変形と力との関係で表される比をいい、例えば振動の特性を表す。しかし、加工条件によって、必要とされる動剛性が異なる。このため、加工条件が変わる場合、適切な動剛性が得られるまで機械構造を変更した試作を繰り返すことで、加工品質の安定性を確保しなければならなかった。
【０００７】
本発明は、軸方向寸法を短くできるとともに、機械構造を変更することなく加工品質の安定性を高めることができる主軸装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明の主軸装置は、先端である前側に工具を取り付け可能な主軸と、前記主軸の径方向外側に配置されたハウジングとを備える。また、前記主軸装置は、モータと、前記モータの前および後のいずれか一方の側に配置され、前記主軸を前記ハウジングに対して回転自在に支持する軸受と、前記モータを制御するコントローラとを備える。前記モータは、前記主軸の外周面に外嵌されたロータ、および該ロータの周囲に配置され前記ハウジングに固定されたステータを有し、前記主軸に対してトルクおよび半径方向力を発生し得る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、軸方向寸法を短くできるとともに、機械構造を変更することなく加工品質の安定性を高めることができる主軸装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る主軸装置が搭載された工作機械の概略構成を示す側面図である。
【図２】主軸装置の構成を示す断面図である。
【図３】ベアリングレスモータにおける巻線配置を模式的に示す図である。
【図４】主軸装置におけるベアリングレスモータの制御に関する概略ブロック図である。
【図５】加工の安定限界線の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る主軸装置１が搭載された工作機械１００の概略構成を示す側面図である。以下、説明の都合上、工具Ｔが取り付けられる側を「先端」側または「前」側、その反対側を「基端」側または「後」側と呼ぶ場合がある。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態では、工作機械１００は、主軸装置１の主軸２（図２参照）が水平方向に沿うように配置される横形の工作機械である。工作機械１００は、ベース１０１と、コラム１０２と、主軸装置１と、ワーク支持装置１０３と、制御盤１０４とを備えている。
【００１４】
ベース１０１上には、コラム１０２がベース１０１に対してＸ軸方向（図１の紙面に直交する方向）に移動可能に設けられている。このコラム１０２は、ベース１０１に取り付けられたモータ（図示せず）によるねじ軸（図示せず）の正逆回転によってねじ送りされることで、Ｘ軸方向に沿って移動させられる。主軸装置１は、コラム１０２に対してＹ軸方向（上下方向）に移動可能に設けられている。この主軸装置１は、コラム１０２に取り付けられたモータ（図示せず）によるねじ軸（図示せず）の正逆回転によってねじ送りされることで、Ｙ軸方向に沿って移動させられる。
【００１５】
ワーク支持装置１０３は、加工対象のワークＷを支持する。ワーク支持装置１０３は、ベース１０１に対してＺ軸方向（前後方向）に移動可能に設けられている。このワーク支持装置１０３は、ベース１０１に取り付けられたモータ（図示せず）によるねじ軸（図示せず）の正逆回転によってねじ送りされることで、Ｚ軸方向に沿って移動させられる。また、ワーク支持装置１０３は、Ｚ軸方向に移動可能なキャリッジ（図示せず）と、キャリッジに取り付けられてワークＷを保持するＸ軸に平行な軸のまわりで回転可能な保持部（図示せず）とを備えている。
【００１６】
工作機械１００は、主軸装置１の回転する主軸２の先端に取り付けた工具Ｔによって、ワークＷに対して加工を行う。制御盤１０４は、工作機械１００の各部の動作を統括的に制御する。
【００１７】
図２は、主軸装置１の構成を示す断面図である。
図２に示すように、主軸装置１は、先端に工具ホルダ１１を介して工具Ｔを取り付け可能な主軸２を備えている。主軸２の先端部には工具Ｔを固定した工具ホルダ１１が取り外し可能に装着されている。
【００１８】
また、主軸装置１は、主軸２の径方向外側に配置された円筒状を呈するハウジング３と、主軸２を回転させるベアリングレスモータ５とを備えている。ベアリングレスモータ５は、主軸２の外周面に外嵌されたロータ５１と、該ロータ５１の周囲に配置されハウジング３の内周面に固定されたステータ５２とを有している。このベアリングレスモータ５は、主軸２に対してトルクおよび半径方向力を発生し得る。つまり、ベアリングレスモータ５は、主軸２を回転させる機能と、主軸２を支持する機能とを併せ持っている。
【００１９】
また、主軸装置１は、ベアリングレスモータ５の前側のみに配置され主軸２をハウジング３に対して回転自在に支持する軸受４を備える。ここで、前側とは、主軸２の工具Ｔが取り付けられる側である。軸受４は、複数個（ここでは４個）設置されるのが好ましい。軸受４としては、確実な静剛性が得られることから、玉軸受やころ軸受等のころがり軸受が使用されている。静剛性とは、静的な変位・変形との関係で表される剛性をいい、例えば静的な荷重や曲げ力に対する剛性をいう。ただし、流体軸受が使用されてもよく、この流体軸受でも確実な静剛性が得られる。流体軸受は、薄い流体の膜によって支持される軸受であり、例えば、静圧軸受、動圧軸受等が挙げられる。
【００２０】
主軸２の内部には、中心軸上に貫通した軸孔２１が形成されている。この軸孔２１の先端部（図２において左側）に、工具ホルダ１１のテーパ形状のシャンク部１２と相補形状を呈するテーパ孔２２が形成されている。
【００２１】
主軸２は、その内部に挿入されたプルロッド６を有している。プルロッド６の先端部は、工具ホルダ１１の基端部に設けられたプルスタッド１３に対して、鋼球６１を介して係止可能に構成されている。プルロッド６の基端部には金具６２が固定されている。この金具６２と、主軸２の軸孔２１の内周面に形成された係止段部２３との間には、リテーナ部材６３等を介して、皿バネ６４が装着されている。
【００２２】
皿バネ６４の弾性力によりプルロッド６が図２の右方に移動されると、鋼球６１によってプルスタッド１３が引き込まれ、工具ホルダ１１のシャンク部１２が主軸２のテーパ孔２２に圧接されて把持される。一方、金具６２が皿バネ６４の弾性力に抗して前方に押動されると、プルロッド６の先端部および鋼球６１による工具ホルダ１１のプルスタッド１３の保持が解除される。そして、図示しない自動工具交換装置によって、工具Ｔおよび工具ホルダ１１の交換動作が行われるようになっている。
【００２３】
主軸装置１は、主軸２の所定部位の半径方向位置を検出する変位センサ７を備えている。変位センサ７は、主軸２の外周面や主軸２に固定された部材等の被検出部に対向して径方向外側に設置されている。ここで、変位センサ７は、主軸２に対して、該主軸２の中心軸に垂直な互いに直交する２方向（例えば上方および右方）に計２個設置されている。これにより、主軸２に垂直な平面内（Ｘ−Ｙ平面内）の任意の方向において、主軸２の所定部位の半径方向位置が把握され得る。ただし、変位センサ７は、例えば上下左右に計４個設置されてもよい。
【００２４】
また、変位センサ７は、加工位置に近い部位を検出するために、ここでは、ベアリングレスモータ５の工具Ｔに近い側である前側に設置されている。ただし、変位センサ７は、ベアリングレスモータ５の後側に設置されていてもよい。変位センサ７としては、非接触で被検出部の変位を測定可能な渦電流式のものを好適に使用することができる。ただし、変位センサ７は、これに限定されるものではなく、例えば、静電容量センサ、レーザ変位計、超音波式変位計等であってもよい。
【００２５】
図３は、ベアリングレスモータ５における巻線配置を模式的に示す図である。
なお、図３に示す巻線配置は、一例に過ぎず、例えばステータ５２のスロット５３の数やロータ５１の極数は適宜変更され得る。
【００２６】
図３に示すベアリングレスモータ５は、９スロット６極構造であり、スロット５３には、トルク発生用と支持力発生用の両機能を兼用した巻線５４が巻かれている。ベアリングレスモータ５は、一種類の巻線５４で、トルクだけでなく、軸支持力（半径方向力）をも発生することができる。
【００２７】
本実施形態では、ベアリングレスモータ５は、ロータに同期して回転するｄｑ座標系を用い、主軸２に対して、電流のｑ軸成分でトルクを発生し、ｄ軸成分で軸支持力（半径方向力）を発生するようになっている。ここで、ロータ５１の中心から外側に向かって、永久磁石５５の磁束が通る方向の軸をｄ軸とし、永久磁石５５の極間を通る方向の軸をｑ軸とする。ステータ５２は３つのセクションα、β、γに区切られている。セクションαには三相の巻線ＮＵ１、ＮＶ１、ＮＷ１、セクションβには三相の巻線ＮＵ２、ＮＶ２、ＮＷ２、セクションγには三相の巻線ＮＵ３、ＮＶ３、ＮＷ３がそれぞれ巻かれている。ロータ５１は、円筒型のコアであり、表面に６極の永久磁石５５が周方向において交互に極性を異ならせてリング状に貼り付けられている。
【００２８】
ベアリングレスモータ５におけるトルクの発生原理は、従来のモータと同様であり、巻線５４のｑ軸電流が制御されることでトルクが発生する。また、巻線５４のｄ軸電流が制御されることで、所定の大きさおよび方向の半径方向力が発生する。例えば、半径方向力は、各セクションα、β、γのｄ軸電流を制御してギャップ磁束密度をアンバランスにすることで、一定方向（例えばＸ方向）に生じ得る。また、ｄ軸電流の大きさを制御することで、主軸２に対する把持力が調整され得る。なお、ベアリングレスモータ５の詳細については、特許第５８９２６２８号公報を参照することができる。
【００２９】
図４は、主軸装置１におけるベアリングレスモータ５の制御に関する概略ブロック図である。
図４に示すように、主軸装置１は、ベアリングレスモータ５に流す電流をアンプ９１を介して制御するコントローラ９を備えている。コントローラ９は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）およびメモリを備えている。コントローラ９は、制御盤１０４に設けられている。
【００３０】
本実施形態では、コントローラ９は、ベアリングレスモータ５の各セクションα、β、γのｄ軸電流を制御することで、主軸２（図３参照）に対して必要な軸支持力（半径方向力）を発生させる。また、コントローラ９は、ベアリングレスモータ５の巻線５４のｑ軸電流を制御することで、主軸２に対して必要なトルクを発生させる。そして、コントローラ９は、図示しないエンコーダによって検出されるロータ５１（主軸２）の回転角に基づいて、ロータ５１の回転速度および回転方向位置を制御する。
【００３１】
さらに、コントローラ９は、変位センサ７による検出値に基づいて、主軸２の支持に関する動特性を規定するベアリングレスモータ５による半径方向力を発生させる。主軸２の支持に関する動特性は、バネ定数および減衰係数を含む。すなわち、主軸２の所定部位の半径方向位置に比例する適当な半径方向力を発生させることで、所定のバネ定数が設定可能となっている。また、主軸２の所定部位の半径方向位置の変化速度に比例する適当な半径方向力を発生させることで、所定の減衰係数が設定可能となっている。ここで、減衰係数は、速度に比例する抵抗力の比例係数である。ただし、バネ定数および減衰係数の一方が設定可能とされていてもよい。
【００３２】
コントローラ９には、操作部９２が接続されている。操作部９２は、ユーザの操作に基づいて、加工条件の設定、運転の開始および停止等の指示を行う。また、コントローラ９には、記憶部９３が接続されている。記憶部９３には、動作プログラム等の各種のプログラムや、バネ定数および減衰係数に関するデータ等の各種のデータが記憶されている。
【００３３】
コントローラ９は、操作部９２を通して入力されて記憶部９３に予め記憶されているバネ定数および減衰係数に関するデータに応じて、主軸２の支持に関する動特性を設定する。ただし、コントローラ９は、例えば、記憶部９３に予め記憶されている所定のプログラムを実行することによって、主軸２の支持に関する動特性を自動的に変化させて必要な値に設定するように構成されてもよい。
【００３４】
次に、主軸装置１が搭載された工作機械１００の動作について説明する。
まず、ワークＷに対する加工条件が操作部９２等を通して設定される。加工条件には、主軸２の回転速度、切込み量、送り速度、加工の種類（孔あけ、研削等）、工具Ｔの種類等が含まれ得る。
【００３５】
続いて、操作部９２を通して運転開始が指示されると、コントローラ９は、アンプ９１を介してベアリングレスモータ５を駆動させる。すなわち、ベアリングレスモータ５は、主軸２の後側を支持するとともに、主軸２を回転させる。一方、工具Ｔに近い主軸２の前側は、軸受４によって支持されており、静剛性が保たれている。そして、ワークＷと工具Ｔとが相対移動することによって、ワークＷに対する加工が行われる。
【００３６】
前記したように本実施形態の主軸装置１は、先端である前側に工具Ｔを取り付け可能な主軸２と、主軸２の径方向外側に配置されたハウジング３とを備える。また、主軸装置１は、ベアリングレスモータ５と、ベアリングレスモータ５の前側のみに配置され主軸２をハウジング３に対して回転自在に支持する軸受４と、ベアリングレスモータ５を制御するコントローラ９とを備える。ベアリングレスモータ５は、主軸２の外周面に外嵌されたロータ５１、および該ロータ５１の周囲に配置されハウジング３に固定されたステータ５２を有し、主軸２に対してトルクおよび半径方向力を発生し得る。
【００３７】
このような構成では、主軸２を支持する軸受４は、主軸２の前側のみに設置されるだけで、主軸２の後側には設置されていない。したがって、従来のように主軸２の軸方向に沿って前側軸受、ビルトインモータ、および後側軸受を配置するために主軸装置１の軸方向寸法が長くなることを防止できる。これにより、主軸装置１が軽量かつ小型化され、主軸装置１が移動する際の応答性も向上する。
また、コントローラ９は、ベアリングレスモータ５に流す電流を制御することで、主軸２に対して半径方向力を発生させることができる。この場合、主軸２の前側を軸受４によって支持しつつ、ベアリングレスモータ５が配置される主軸２の後側に対して半径方向力を付加することによって、動剛性を効果的に変化させることが可能となる。したがって、例えば加工条件が変わることによって主軸２のビビリ振動が生じる場合でも、機械構造を変更した試作を行うことなく、動剛性を変化させることでビビリ振動を抑えることが可能となる。
また、主軸２に対して半径方向力を発生させることで、工具Ｔの先端の変位をコントロールできる。この場合、前記した実施形態では前側から工具Ｔ、軸受４、ベアリングレスモータ５の順に配置されているが、前側から工具Ｔ、ベアリングレスモータ５、軸受４の順に配置してもよい。このように構成すれば、工具Ｔの先端を、より大きく変位させることができる。
すなわち、本実施形態によれば、軸方向寸法を短くできるとともに、機械構造を変更することなく加工品質の安定性を高めることができる主軸装置１を提供できる。
【００３８】
また、本実施形態では、軸受４は、ころがり軸受または流体軸受である。このような構成によれば、主軸２の工具Ｔに近い前側は、軸受４によって確実な静剛性を保持しつつ支持され得る。このため、より負荷がかかる重切削が可能となる。一方、主軸２の後側に作用するベアリングレスモータ５による半径方向力は、軸支持力というよりも、むしろ動剛性を変化させる力として効果的に用いられ、ビビリ振動の抑制に寄与し得る。
【００３９】
また、本実施形態では、コントローラ９は、変位センサ７による検出値に基づいて、主軸２の支持に関する動特性を規定するベアリングレスモータ５による半径方向力を発生させる。このような構成によれば、コントローラ９は、主軸２の支持に関する動特性を、適切な値に調整して設定することが可能となる。これにより、効果的にビビリ振動を抑えることが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態では、主軸２の支持に関する動特性は、バネ定数および減衰係数を含む。このような構成によれば、主軸２の振動系の運動に大きな影響を与えるバネ定数および減衰係数を適切な値に調整して設定できるため、より効果的にビビリ振動を抑えることが可能となる。
【００４１】
図５は、加工の安定限界線の一例を模式的に示す図である。
図５に示す例において、主軸２の回転速度、および切込み量によって決まる運転点Ｐが、加工の安定領域Ａにあるか、または、ビビリ振動等を伴う不安定領域Ｂにあるかがわかる。図５に示す破線は、ベアリングレスモータ５によって例えば或るバネ定数Ｋ１が設定された場合の、安定領域Ａと不安定領域Ｂとの境界である安定限界線Ｌ１である。この場合、運転点Ｐは、不安定領域Ｂにある。一方、図５に示す実線は、ベアリングレスモータ５によってバネ定数Ｋ１とは異なるバネ定数Ｋ２が設定された場合の安定限界線Ｌ２である。この場合、運転点Ｐは、安定領域Ａにある。つまり、ベアリングレスモータ５によってバネ定数を適切な値に調整することにより、安定限界線Ｌ１が矢印Ｃ方向にスライドさせられて安定限界線Ｌ２となる結果、運転点Ｐを安定領域Ａに移すことが可能となる。
【００４２】
以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではない。本発明は、前記実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。また、前記実施形態の構成の一部について、追加、削除、置換をすることができる。
【００４３】
例えば、前記した実施形態では、ベアリングレスモータ５は、１種類の巻線５４に流す電流のｄｑ回転座標系におけるｑ軸成分でトルクを発生し、ｄ軸成分で軸支持力を発生する構成とされているが、これに限定されない。例えば、ベアリングレスモータ５は、ロータ５１の回転角に応じて予め決められた巻線５４により軸支持力とトルクを選択的に発生させるように巻線５４へ供給する電流値を切り換える構成とされてもよい。あるいは、ベアリングレスモータ５は、回転用の巻線が施されたスロットに対して、更に、回転用の巻線とは別の巻線として、軸支持力発生用の巻線が追加して施されるように構成されてもよい。
【００４４】
また、前記した実施形態では、軸受４はベアリングレスモータ５の前側のみに配置されているが、これに限定されない。軸受４はベアリングレスモータ５の後側のみに配置されていてもよい。すなわち、軸受４は、ベアリングレスモータ５の前および後のいずれか一方の側に配置されている。
【００４５】
また、前記した実施形態では、主軸装置１が横形の工作機械１００に搭載される場合について説明したが、これに限定されない。主軸装置１は、縦形の工作機械等の各種の工作機械に搭載可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１    主軸装置
２    主軸
３    ハウジング
４    軸受
５    ベアリングレスモータ
５１  ロータ
５２  ステータ
７    変位センサ
９    コントローラ
Ｔ    工具
【図１】
2020059101.tif 000003
【図２】
2020059101.tif 000004
【図３】
2020059101.tif 000005
【図４】
2020059101.tif 000006
【図５】
2020059101.tif 000007