(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
回転工具を保持して回転駆動される主軸と、
前記ハウジングに対して前記主軸の前記回転工具に近い側である前側部を軸承する前側転がり軸受と、
前記ハウジングに対して前記主軸の前記回転工具から遠い側である後側部を軸承する後側転がり軸受と、を備えた工作機械の主軸装置であって、
前記前側転がり軸受に予圧力を可変に付与する予圧付与手段と、
前記後側転がり軸受の外輪と前記ハウジングとの間に設けられ、前記後側転がり軸受に減衰力を可変に付与し、予圧可変機構を介さずに設けられる減衰付与手段としての静圧軸受と、
前記回転工具の種類、前記回転工具による加工の加工条件、前記主軸に作用する負荷、前記主軸に生じる振動の少なくとも１つに応じて前記減衰付与手段にて付与する減衰力を制御する制御手段と、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】
請求項１において、
前記制御手段は、前記回転工具の種類、前記回転工具による加工の加工条件、前記主軸に作用する負荷、前記主軸に生じる振動の少なくとも１つに応じて前記予圧付与手段にて付与する予圧力と前記減衰付与手段にて付与する減衰力の組み合わせを制御することを特徴とする工作機械の主軸装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記制御手段は、前記予圧付与手段に供給する圧油の供給油圧を調整することにより予圧を制御するとともに、前記静圧軸受に備えられた絞り手段の絞り比と前記静圧軸受に供給する圧油の供給油圧の少なくとも１つを調整することにより減衰力を制御することを特徴とする工作機械の主軸装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項において、
前記加工条件は、前記主軸の回転数、前記回転工具の被加工物に対する送り速度、前記回転工具の被加工物に対する切込み量の少なくとも１つを含むことを特徴とする工作機械の主軸装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項において、
前記回転工具の種類、前記加工条件の少なくとも１つが前記工作機械を制御するＮＣプログラムから解読されて前記制御手段に入力されることを特徴とする工作機械の主軸装置。
【請求項６】
請求項４において、
前記主軸の回転数、前記主軸に作用する負荷、前記主軸に生じる振動の少なくとも１つを検出するセンサを備え、当該センサによりこれらの値が検出されて前記制御手段に入力されることを特徴とする工作機械の主軸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械等に使用される主軸装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸装置の主軸は、重切削における高い切削抵抗による変形を小さくして生産性を向上させるため高剛性かつ高精度の転がり軸受により軸承されている。しかし、例えば、マシニングセンタでは、フライス工具やエンドミル、ボーリング工具等の多様な回転工具を使用して被削材の加工を行うため、各回転工具で発生する切削抵抗は断続的もしくは連続的となって異なるものとなる。この他、工具の剛性や重量、主軸の回転数、送り速度、切込み量等の様々な要因が異なるものとなる。このため、高剛性の転がり軸受により軸承されている主軸では、回転工具によっては所謂ビビリ振動が発生する場合がある。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１には、加工条件を変更することにより加工時のビビリ振動の発生を抑制する主軸装置が提案されている。すなわち、主軸の回転数とビビリ振動が発生しない回転工具の限界切込量との関係を予め求めておき、主軸の回転数や回転工具の切込量を変更することにより加工時のビビリ振動の発生を抑制する。しかし、主軸の回転数と回転工具の限界切込量との関係は、回転工具の種類や被削材の種類等により異なり、さらに回転工具の摩耗等の劣化度合いによっても変化する。このため、加工条件の変更は作業者の技能や経験に基づくことが多く困難である。
【０００４】
ここで、ビビリ振動の中で特に再生型自励振動は機械系の固有振動にて発生し動剛性（コンプライアンス）により発生限界が決定されるため、この発生限界を大きく変更するには剛性の変更のみでは困難であり減衰性が必要となる。そこで、特許文献２には、主軸の後端部側をダンパ部を有する軸受で軸承して減衰性を持たせることにより共振による振動の発生を抑制する主軸装置が提案されている。また、特許文献３には、主軸の前端部側を静圧パッドと絞りでなる静圧軸受で軸承して減衰性を持たせ、主軸の振動を振動センサで検出して静圧軸受への供給油圧を圧力調整弁で制御することにより加工時のビビリ振動の発生を抑制する主軸装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４４８５２号公報（段落０００７，０００８、図７）
【特許文献２】特開２００４−１５０５６３号公報（段落００１１、図４）
【特許文献３】特開平６−８００５号公報（段落０００４，０００５、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載の主軸装置では、ダンパ部は特定周波数の共振による振動、つまりある種の回転工具で発生する共振による振動に対して減衰性を発揮するものであるため、多様な回転工具の共振による振動の発生を抑制することに対し限界がある。また、特許文献３に記載の主軸装置では、主軸の振動のみによって静圧軸受への供給油圧を変更する制御であるため、加工状態と主軸状態の安定性が担保されておらず、加工精度の向上に限界がある。また、静圧軸受への供給油圧のみを制御しているため減衰性を大まかにしか変更することができず、多様な回転工具のビビリ振動の発生を抑制することに対し限界がある。
【０００７】
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、多様な回転工具のビビリ振動の発生を抑制できる工作機械の主軸装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、ハウジングと、回転工具を保持して回転駆動される主軸と、前記ハウジングに対して前記主軸の前記回転工具に近い側である前側部を軸承する前側転がり軸受と、前記ハウジングに対して前記主軸の前記回転工具から遠い側である後側部を軸承する後側転がり軸受と、を備えた工作機械の主軸装置であって、前記前側転がり軸受に予圧力を可変に付与する予圧付与手段と、前記後側転がり軸受の外輪と前記ハウジングとの間に設けられ、前記後側転がり軸受に減衰力を可変に付与し、予圧可変機構を介さずに設けられる減衰付与手段としての静圧軸受と、前記回転工具の種類、前記回転工具による加工の加工条件、前記主軸に作用する負荷、前記主軸に生じる振動の少なくとも１つに応じて前記減衰付与手段にて付与する減衰力を制御する制御手段と、を備えることである。
【０００９】
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、
前記制御手段は、前記回転工具の種類、前記回転工具による加工の加工条件、前記主軸に作用する負荷、前記主軸に生じる振動の少なくとも１つに応じて前記予圧付与手段にて付与する予圧力と前記減衰付与手段にて付与する減衰力の組み合わせを制御することである。
【００１１】
請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記制御手段は、前記予圧付与手段に供給する圧油の供給油圧を調整することにより予圧を制御するとともに、前記静圧軸受に備えられた絞り手段の絞り比と前記静圧軸受に供給する圧油の供給油圧の少なくとも１つを調整することにより減衰力を制御することである。
【００１２】
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、前記加工条件は、前記主軸の回転数、前記回転工具の被加工物に対する送り速度、前記回転工具の被加工物に対する切込み量の少なくとも１つを含むことである。
【００１３】
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、前記回転工具の種類、前記加工条件の少なくとも１つが前記工作機械を制御するＮＣプログラムから解読されて前記制御手段に入力されることである。
【００１４】
請求項６に記載の発明の構成上の特徴は、請求項４において、前記主軸の回転数、前記主軸に作用する負荷、前記主軸に生じる振動の少なくとも１つを検出するセンサを備え、当該センサによりこれらの値が検出されて前記制御手段に入力されることである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明によれば、減衰付与手段にて付与する減衰力を回転工具の種類等に基づいて制御して後側転がり軸受の減衰性を変更しているので、固有振動が異なる各種回転工具に対して最適な減衰性を与えることができ、多様な回転工具のビビリ振動の発生を抑制することができる。特に、減衰付与手段として静圧軸受を設けているので、高精度な制御が可能となり、多様な回転工具による加工におけるビビリ振動の発生を抑制することができる。よって、単位時間当たりの切削量を大きくして生産性を向上させることができる。
【００１６】
請求項２に係る発明によれば、減衰付与手段にて付与する減衰力に加えて予圧付与手段にて付与する予圧力を回転工具の種類等に基づいて制御しているので、後側転がり軸受の減衰性の変更に加えて前側転がり軸受の剛性を変更することができる。よって、さらに多様な回転工具による加工におけるビビリ振動の発生を抑制することができ、単位時間当たりの切削量を大きくして生産性をより向上させることができる。
【００１８】
請求項３に係る発明によれば、予圧付与手段の供給油圧を制御しているので、剛性を変更することができるとともに、静圧軸受の絞り比及び供給油圧を制御しているので、減衰性を精密に変更することができ、さらに絞り比の制御により剛性も変更することができるので、多様な回転工具による加工におけるビビリ振動の発生を抑制することができる。
【００１９】
請求項４に係る発明によれば、減衰付与手段にて付与する減衰力等を主軸の回転数等に応じて制御すればよいので、制御手段の構成を簡易なものとすることができる。
【００２０】
請求項５に係る発明によれば、回転工具の種類等をＮＣプログラムに予め記述しておくことができるので、制御手段の構成をさらに簡易なものとすることができる。
【００２１】
請求項６に係る発明によれば、主軸の回転数等をセンサにより高精度に検出することができるので、制御手段の構成をさらに簡易なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（Ａ）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、（Ｂ）は（Ａ）のＡ部の拡大断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ部の拡大斜視図である。
【図２】図１の主軸装置の制御装置のブロック図である。
【図３】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】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数毎に設定した図である。
【図５】図２の制御装置の第１の動作例を説明するフローチャートである。
【図６】ビビリ振動を発生しない回転工具の被加工物に対する限界切込み量を主軸の回転数毎に示す図である。
【図７】図２の制御装置の第２の動作例を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）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１（Ｂ）は（Ａ）のＡ部の拡大断面図、図２は、図１の主軸装置の制御装置のブロック図である。尚、図１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１（Ａ）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、を備えている。
【００２４】
さらに、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、後側転がり軸受１３３を支承する静圧軸受１３４（本発明の「減衰付与手段」に相当する）と、この静圧軸受１３４に油圧を付与する静圧付与装置５（本発明の「減衰付与手段」に相当する）と、予圧付与装置３及び静圧付与装置５を制御する制御装置４と、を備えている。
【００２５】
ここで、詳細は後述するが、制御装置４は、主軸１２に作用する負荷を測定する負荷センサを備えている。ただし、本実施形態では、負荷センサとして主軸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を備え、後述する処理により主軸１２に作用する負荷を測定している。また、主軸１２の回転数を検出する回転数センサ１２３を備えている。
【００２６】
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、回転工具Ｔを把持可能に形成されている。
【００２７】
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、回転工具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、回転工具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、回転工具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は拡径して回転工具Ｔの把持を解除する。
【００２８】
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（１１）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の回転工具Ｔ側である前側部を軸承し、後側転がり軸受１３３は回転工具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。
【００２９】
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。
【００３０】
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（１１）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（１１）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、前方に位置する第２前側転がり軸受１３２の外輪及びスペーサ１１２ｅと一体的にピストン１１６により軸線方向の後方に移動可能に配置されている。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、電動モータ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。
【００３４】
図１（Ｂ）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。
【００３５】
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、制御装置４による制御により、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。
【００３６】
静圧軸受１３４は、後側転がり軸受１３３の外輪に嵌合されたスリーブ１１７の外周に嵌合されている。この静圧軸受１３４の内周面には、油供給孔が溝底に開口した矩形状もしくはＵ字形状の凹部であるポケット１３４ａが一定角度間隔で形成されていると共に、ポケット１３４ａの両側には、排油溝が形成されている。油供給孔からは油がポケット１３４ａに流出し、ポケット１３４ａとスリーブ１１７の外周面とによる空間を満して静圧を発生した後、静圧軸受１３４の内周面とスリーブ１１７の外周面との間で絞られて排油溝に流出し、外部に排出される。
【００３７】
静圧付与装置５は、油圧ポンプ５１と、圧力調整弁５２と、各ポケット１３４ａの油供給孔の近傍に設けられた可変絞り（図略）とから構成されており、制御装置４による制御により、油圧を静圧軸受１３４に供給するようになっている。即ち、油圧ポンプ５１からの油圧は、圧力調整弁５２により供給圧力が制御され、油供給穴５４を通して静圧軸受１３４の油供給孔からポケット１３４ａに供給される。このとき、静圧軸受１３４に内蔵された可変絞りにより絞り比（静圧軸受１３４のポケット１３４ａの内圧／供給圧力）が制御される。これにより、静圧軸受１３４の減衰性が調整される。なお、可変絞りとしては、ダイヤフラムや圧電素子等を利用して絞り開度を可変とした既存のものが使用可能である。
【００３８】
図１（Ｃ）のＢ部拡大斜視図に示す回り止め５３は、円筒状のピン部５３１と、ピン部５３１の片側面から突設された第１板バネ５３２と、第１板バネ５３２の先端に円筒状部材５３３を介して突設された第２板バネ５３４と、第２板バネ５３４の先端に円筒状ネジ部材５３５とを有する。第１板バネ５３２は、第２板バネ５３４に対し角度が９０度ずれるように設けられている。回り止め５３は、静圧軸受１３４に軸方向に穿設された貫通孔内にネジ部材５３５が突出するように挿入され、ネジ部部材５３５にナット５３６が羅合されて回り止めされている。このような構成の回り止め５３は、スリーブ１１７がハウジング１１に対して回転することを規制する機能を有する。回り止め５３が剛体であると、スリーブ１１７の回転を規制するのみならず、半径方向への移動を拘束することになるので、直交した第１、第２板バネ５３２，５３４は、この回り止め５３がスリーブ１１７の半径方向への移動の拘束とならないようにするためのものである。
【００３９】
主軸ハウジング１１の内周面には、電動モータ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電動モータ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、先端に回転工具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の回転数は、主軸１２の後方に配設されている非接触型の回転数センサ１２３により検出される。
【００４０】
ラジアル方向変位センサ２１は、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、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回転工具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センサを用いてもよい。
【００４１】
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主軸１２に作用する負荷として演算して求める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と、回転工具の種類又は回転工具による加工条件、及び各負荷演算部４１，４２で演算される各負荷に基づいて、静圧付与装置５により静圧軸受１３４に付与される静圧を制御する静圧制御部４３及び予圧付与装置３により前側転がり軸受１３１，１３２に付与される予圧を制御する予圧制御部４４と、各種データの格納が可能な記憶部４５と、ＮＣプログラムを入力して解読するＮＣプログラム解析部４８と、を備えている。
【００４２】
記憶部４５には、回転工具Ｔの種類や加工条件、例えば主軸１２の回転数、回転工具Ｔの被加工物に対する送り速度、回転工具Ｔの被加工物に対する切込み量等に応じた最適な減衰力及び予圧力のデータテーブル（以下、減衰力・予圧力テーブルという）と、予め求めた主軸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テーブル（以下、負荷・変位テーブルという）と、主軸１２の回転数と主軸１２に作用する限界負荷（ビビリ振動が発生しない最大の負荷）との関係を示すデータテーブル（以下、回転数・限界負荷テーブルという）と、主軸１２の回転数と予圧付与装置３による付与予圧との関係を示すデータテーブル（以下、回転数・予圧力テーブルという）等とが記憶されている。
【００４３】
負荷・変位テーブルは、図３に示すように、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る。さらに、求めた各軸受１３１，１３２，１３３の変位から各軸受１３１，１３２，１３３に作用するラジアル方向の負荷を求め、求めた負荷に予圧付与装置３により付与される予圧のうちラジアル方向に作用する予圧を加えることにより、最終的な各軸受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、回転工具Ｔによる加工において主軸１２を軸承する各軸受１３１，１３２，１３３に作用するラジアル方向及びアキシャル方向の負荷を正確に把握することができる。
【００４４】
回転数・予圧力テーブルは、図４に示すように、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の回転数毎に設定し、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の回転数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の回転数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の回転数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の回転数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。
【００４５】
ラジアル方向負荷演算部４１は、記憶部４５から負荷・変位テーブルを読出し、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。
【００４６】
静圧制御部４３は、供給油圧制御部４６及び絞り比制御部４７を備えている。そして、回転工具Ｔの種類又は回転工具Ｔによる加工条件に基づいて、記憶部４５の減衰力・予圧力テーブルを参照して静圧付与装置５の圧力調整弁５２及び可変絞りを制御して静圧軸受１３４の供給油圧及び絞り比を制御する。あるいは、回転数センサ１２３により検出される主軸１２の回転数に対し、各負荷演算部４１，４２からの主軸１２に作用する各負荷が適正であるかを記憶部４５から読み出した回転数・限界負荷テーブルから求め、静圧付与装置５の圧力調整弁５２及び可変絞りを制御して静圧軸受１３４の供給油圧及び絞り比を制御する。
【００４７】
予圧制御部４４は、回転工具Ｔの種類又は回転工具Ｔによる加工条件に基づいて、記憶部４５の減衰力・予圧力テーブルを参照して減圧弁３５及びリリーフ弁３６を制御して予圧付与装置３の付与予圧を制御する。あるいは、回転数センサ１２３により検出される主軸１２の回転数に対し、各負荷演算部４１，４２からの主軸１２に作用する各負荷が適正であるかを記憶部４５から読み出した回転数・限界負荷テーブルから求め、減圧弁３５及びリリーフ弁３６を制御して予圧付与装置３の付与予圧を記憶部４５から読み出した付与予圧の範囲内で制御する。
【００４８】
以上のような構成の主軸装置１において、制御装置４の第１の動作例について図５のフローチャートを参照して説明する。先ず、ＮＣプログラムを入力して解読し（ステップ１１）、回転工具Ｔの種類及び加工条件を読み取る（ステップ１２）。そして、記憶部４５の減衰力・予圧力テーブルを参照し（ステップ１３）、回転工具Ｔの種類及び加工条件の少なくとも１つに応じて最適な減衰力、予圧力を決定する（ステップ１４）。そして、静圧付与装置５、予圧付与装置３を制御して決定した減衰力、予圧力を付与する（ステップ１５）。
【００４９】
ここで、図６は、主軸１２の回転数と回転工具Ｔの被加工物に対する切込み量との関係を示す図である。図示実線よりも上方側の領域は、ビビリ振動が発生する不安定領域であり、図示実線よりも下方側の領域は、ビビリ振動が発生しない安定領域である。すなわち、図示実線は、安定限界曲線を表している。なお、図示点線よりも下方側の領域は、主軸１２の回転数を変化させてもビビリ振動が絶対に発生しない絶対安定領域である。従来は、主軸１２の回転数に対する回転工具Ｔの被加工物に対する切込み量が不安定領域に位置しているときは、加工条件を変更することにより安定領域に入るように制御していた。
【００５０】
しかし、本実施形態では、安定限界曲線が回転工具Ｔの種類毎に異なる点に着目し、減衰力、予圧力を制御することにより安定限界曲線自体を変更してそのときの加工条件が安定領域に入るように制御している。これにより、固有振動が異なる各種回転工具Ｔに対して最適な減衰性を与えることができ、多様な回転工具のビビリ振動の発生を抑制することができる。よって、単位時間当たりの切削量を大きくして生産性を向上させることができる。なお、安定限界曲線は、主軸１２の回転数と回転工具Ｔの切込み量との関係のみでなく、例えば主軸１２の回転数と回転工具Ｔの被加工物に対する送り速度等の他のファクタから求めるようにしてもよい。
【００５１】
具体的な静圧制御部４３及び予圧制御部４４の制御は、例えば、回転工具Ｔの種類が径方向の切り込みが大きいエンドミルやボーリング工具であるときは、静圧制御部４３は供給油圧が小さく、絞り比が大きくなるように制御し、予圧制御部４４は予圧が小さくなるように制御する。このように減衰性を持たすことで切削性能を向上させることができる。また、回転工具Ｔの種類が刃先の振れを抑えたいドリルやフライス工具であるときは、静圧制御部４３は供給油圧が大きく、絞り比が小さくなるように制御し、予圧制御部４４は予圧が大きくなるように制御する。このように剛性を持たすことで切削性能を向上させることができる。
【００５２】
また、例えば、回転工具Ｔによる加工条件がビビリ振動を助長するような連続切削であるときは、静圧制御部４３は供給油圧が小さく、絞り比が大きくなるように制御し、予圧制御部４４は予圧が小さくなるように制御する。このように減衰性を持たすことで切削性能を向上させることができる。また、回転工具Ｔによる加工条件が大きな加振力によるビビリ振動を助長するような断続切削であるときは、静圧制御部４３は供給油圧が大きく、絞り比が小さくなるように制御し、予圧制御部４４は予圧が大きくなるように制御する。このように剛性を持たすことで切削性能を向上させることができる。
【００５３】
次に、制御装置４の第２の動作例について図７のフローチャートを参照して説明する。先ず、静圧付与装置５、予圧付与装置３を制御して初期予圧力を付与すると共に静圧付与装置５を制御して初期静圧力を付与する（ステップ１）。続いて、ＮＣプログラムにより指令された加工条件の下で被加工物の加工を開始する（ステップ２）。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３）。記憶部４５の負荷・変位テーブル主軸１２のラジアル方向の変位を記憶部４５の負荷・変位テーブルを参照し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主軸１２に作用するラジアル方向の負荷として求めると共に、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主軸１２に作用するアキシャル方向の負荷として求める（ステップ４）。
【００５４】
そして、各負荷演算部４１，４２からの主軸１２に作用する各負荷が記憶部４５から読み出した回転数・限界負荷テーブルからビビリ振動が発生しない安定領域内であるか否かを判断する（ステップ５）。各負荷演算部４１，４２からの主軸１２に作用する各負荷が安定領域内であるときは、ステップ３に戻って加工を継続する。一方、各負荷演算部４１，４２からの主軸１２に作用する各負荷が安定領域外であるときは、静圧力の調整が可能か否かを判断する（ステップ６）。静圧力の調整が可能であるときは、静圧付与装置５により静圧軸受１３４の圧力調整弁５２及び可変絞りを制御して静圧力を調整し（ステップ７）、ステップ３に戻ってステップ５まで上記処理を実行する。そして、静圧付与装置５の制御により各負荷演算部４１，４２からの主軸１２に作用する各負荷が安定領域内になったときは、ステップ３に戻って加工を継続する。
【００５５】
ここで、静圧の減衰係数Ｃは次式（１）で示される。
Ｃ＝ａＡ2Ｐ（μ／ｋc）…（１）
但し、ａ：面積係数、Ａ：軸受面積、Ｐ：絞り比、μ：潤滑油粘度、ｋc：絞りの流量係
ここで、Ｐ＝Ｐｒ／Ｐｓ
但し、Ｐｒ：ポケットの内圧、Ｐｓ：供給圧
よって、可変絞りにより絞り比Ｐ自体を変えるか、供給圧Ｐｓを変えることにより減衰力を制御することができる。
【００５６】
一方、ステップ６において、静圧付与装置５の制御によっても各負荷演算部４１，４２からの主軸１２に作用する各負荷が安定領域外であるときは、静圧力の調整が不可であると判断し、ステップ８に進んで予圧力の調整が可能か否かを判断する（ステップ８）。予圧力の調整が可能であるときは、予圧付与装置３により減圧弁３５及びリリーフ弁３６を制御して記憶部４５から読み出した回転数・予圧力テーブルの付与予圧の範囲内で予圧力を調整し（ステップ９）、ステップ３に戻ってステップ６まで上記処理を実行する。そして、予圧付与装置３の制御により各負荷演算部４１，４２からの主軸１２に作用する各負荷が安定領域内になったときは、ステップ３に戻って加工を継続する。
【００５７】
一方、ステップ８において、予圧付与装置３の制御によっても各負荷演算部４１，４２からの主軸１２に作用する各負荷が安定領域外であるときは、予圧力の調整が不可であると判断し、ステップ１０に進んで異常警報を発して主軸１２の停止を工作機械の主制御装置に指令して全ての処理を終了する。以上のように、加工中に負荷を検出し、インプロセスで減衰力、予圧力を制御しているので、多様な回転工具Ｔのビビリ振動の発生を抑制することができ、単位時間当たりの切削量を大きくして生産性を向上させることができる。
【００５８】
なお、工具の種類は、同じ種類であっても径や長さによって異ならせるようにしてもよい。また、工具のメーカによっても加工性能が異なるので、同じ種類、同じ長さ、同じ径であっても最適な減衰力や予圧力を変えるようにしてもよい。また、回転数や加工条件、負荷の他に、加工によって主軸に生じる振動を検出するようにしてもよい。振動は振動センサや加速度センサ、あるいは音響センサを用いて検出することができる。また、減衰付与手段として静圧軸受１３４及び静圧付与装置５を用いたが、減衰力を付与可能な装置であればよい。
【符号の説明】
【００５９】
１…主軸装置、３…予圧付与装置（予圧付与手段）、４…制御装置、５…静圧付与装置（減衰付与手段）、１２…主軸、２１…ラジアル方向変位センサ、２２…アキシャル方向変位センサ、４１…第１負荷演算部、４２…第２負荷演算部、４３…静圧制御部、４４…予圧制御部、４５…記憶部、４６…供給油圧制御部、４７…絞り比制御部、１２３…回転数センサ、１３１…第１前側転がり軸受、１３２…第２前側転がり軸受、１３３…後側転がり軸受、１３４…静圧軸受（減衰付与手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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