(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動モータと、
前記駆動モータと連結される第１の送りボールねじと、
前記第１送りボールねじと同一のリードおよび略同じ長さを有し、かつ平行に配置される第２の送りボールねじと、
前記第１送りボールねじを滑動しながら支持する支持点を両端部に有する単一の移動サポート台と、
前記支持点の間に配置され前記第１送りボールねじに螺合する第１の送りナットと、
前記移動サポート台と相対移動可能に配置され第１送りナットが取り付けられる移動体と、
前記移動サポート台に固定され前記第２の送りボールねじに螺合する第２の送りナットと、
前記移動サポート台の支持点の間を前記第１送りナットが移動サポート台の移動と同期して相対移動するように前記第１送りボールネジの回転を第２送りボールねじに伝動する伝動手段と、
を備えることを特徴とするボールねじ送り装置。
【請求項２】
前記第１送りナットは、前記第１送りボールねじおよび第２送りボールねじに共に摺動するガイドブロックと連結されたことを特徴とする請求項１に記載のボールねじ送り装置。
【請求項３】
前記移動サポート台は、第２送りボールねじを滑動しながら支持する支持点と、前記第１送りボールねじの支持点とが隣合う位置にあることを特徴とする請求項１に記載のボールねじ送り装置。
【請求項４】
前記支持点は、第１送りボールねじに摺動自在に嵌合するブッシュと、このブッシュに外嵌するラジアルベアリングとからなることを特徴とする請求項３に記載のボールねじ送り装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械等において移動体の長ストローク送り機構に用いられるボールねじ送り装置に係り、特に、ボールねじの危険速度による制約を少なくし長ストロークでかつ高速な移動を可能とするボールねじ送り装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械では、工具や工作物等を移動させる送り機構に精密ボールねじ機構が採用されており、近年では高精密化とともに高速化が進んでいる。工作機械の生産性向上には、送り機構の性能が大きく関っている。
【０００３】
例えば、ロール旋盤は、バイトを工作物の軸方向に送る長ストロークの送り機構を備えており、このロール旋盤で単結晶ダイヤモンドのバイトを用いて長尺な工作物を加工する場合、単結晶ダイヤモンドは切削性能的には実質的な送り速度の制約を受けないため、バイトを送る速度を可能な限りあげることによって理論上は生産性を上げることができる。
【０００４】
一般に精密ボールねじ機構では、送り速度を上げるには、ねじのリードを大きくするか、あるいは回転速度を大きくすることの２者択一の方法がある。精密な位置制御のためにサーボモータの内蔵エンコーダの機械分解能に０．０１μｍ／パルスが必要な工作機械では、最大ねじリードが１０ｍｍ以下に制限されるため、実際上有効な唯一の手段はねじの高速回転化である。
【０００５】
しかし実際問題として、バイトの送り速度の高速化には、精密ボールねじ機構が内在的にもっている種々の制約を受けるために、一定の限界がある。その制約のなかでもとりわけ重要なのがボールねじの危険速度である。ボールねじは、高速回転すると遠心力によって撓みが生じるため、許容範囲を越える危険速度では正常な動作を確保することができない。理論的には、ボールねじの危険速度からの許容回転速度は、次の式で表わされる。
【０００６】
Ｎmax＝λ2＊（ｄ1／Ｌ2）＊１０7  （min-1）      …（１）
ただし、Ｎmax：危険速度からみたボールねじの最大許容回転数
λ    ：支点支持係数
ｄ1  ：ボールねじの谷径（ｍｍ）
Ｌ    ：支点間距離（ｍｍ）
この（１）式から明らかなように、ボールねじの許容回転数Ｎmaxを上げるには、ボールねじ径を大きくするか、支点間距離を短くするかのいずれかであるが、ねじ径は、１次にしか効かない反面、大きくすると回転イナーシャが急激に増大し、システムとしての動特性が低下するので好ましくない。これに対して、支点間距離の短縮は、２次に効くため極めて理論上は有効な手段ということができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この支点間距離は、機械の最大移動量によって決まるものである。したがって、長ストロークの移動を目的とする送り機構の場合では、長い支点間距離により長ストロークの移動量を実現しなければならないのに、送り速度を高めるために支点間距離を短かくするというのは、矛盾し不合理である。
【０００８】
このため、従来の長ストロークの送り機構では、ボールねじの中間を暫定的に支持する退避型の支持点を送りナットに設けることにより、移動ストロークをそのままに確保したまま、暫定的に支点間距離を短くするものがあるが、支持点のオン、オフの切り替えにより送り系の動特性が急激に変化する欠点があり、超精密工作機械の送り系には適用することができない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、長ストロークかつ精密なボールねじの送り系でありながら、ボールねじの危険速度の制約を回避してボールねじの回転速度を大幅に高めることができ、高速送り性能を達成できるようにしたボールねじ送り装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明に係るボールねじ送り装置は、駆動モータと、前記駆動モータと連結される第１の送りボールねじと、前記第１送りボールねじと同一のリードおよび略同じ長さを有し、かつ平行に配置される第２の送りボールねじと、前記第１送りボールねじを滑動しながら支持する支持点を両端部に有する単一の移動サポート台と、前記支持点の間に配置され前記第１送りボールねじに螺合する第１の送りナットと、前記移動サポート台と相対移動可能に配置され第１送りナットが取り付けられる移動体と、前記移動サポート台に固定され前記第２の送りボールねじに螺合する第２の送りナットと、前記移動サポート台の支持点の間を前記第１送りナットが移動サポート台の移動と同期して相対移動するように前記第１送りボールネジの回転を第２送りボールねじに伝動する伝動手段と、を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるボールねじ送り装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態によるボールねじ送り装置が適用されるロール旋盤を示す平面図で、図２は、このロール旋盤の正面図である。ベッド１０の上には、主軸台１１と心押し台１２が距離をおいて向かい合うようにして配置されており、主軸台１１のチャック１４と心押し台１２のワークセンタ１５とでロール１３を心出しした状態で取り付けられている。主軸台１１は、主軸モータ１６を備えている。
【００１２】
このロール旋盤では、図１において、ベッド１０の上面の案内面１８、１８として移動するように配設されており、本実施形態のボールねじ送り装置２０は、刃物台１７を移動体としてロール軸方向に送る装置として構成されている。刃物台１７は、バイトとしては複数のダイヤモンドバイト２１が取り付けられており、刃物台１７を高速で送ることにより高能率の切削性能を発揮することができるようになっている。刃物台１７は、刃物台本体部２２とスライドベース２３を含み、刃物台本体部２２は、ガイド２４に沿ってロール軸方向と直角な方向である切込み方向にモータ２５により駆動されて移動することができる。スライドベース２３は、ボールねじ送り装置２０の備える移動サポート台２６と同期してロール軸方向に移動可能なようにベッド１０上に搭載されている。
【００１３】
図１並びに図３において、ボールねじ送り装置２０は、移動サポート台２６と、駆動モータであるサーボモータ２７と、刃物台１７の最大移動ストロークＳ1をカバーする長さをもっている２本のボールねじ２８、３０を備えている。このうち、第１のボールねじ２８は、両端部が軸受３１ａ、３１ｂにより回転自在に支持されているとともに、サーボモータ２７に連結されている。この第１ボールねじ２８は、第１の送りナット３２と組み合わされて、刃物台１７を送るボールねじ機構を構成するもので、第１送りナット３２は、刃物台１７のスライドベース２３の底部に固定されている。したがって、サーボモータ２７により第１ボールねじ２８が回転すると、その回転が第１送りナット３２により直線運動に変換されて刃物台１７に伝えられ、刃物台１７は、軸受３１ａ、３１ｂの間を端から端まで移動することができるようになっている。
【００１４】
次に、第２ボールねじ３０は、第１ボールねじ２８と同一のねじリードを有しており、第１ボールねじ３０と平行に配置されて、その両端部を軸受３２ａ、３２ｂによって支持されている。この場合、第２ボールねじ３０は、歯車箱３４に収容されている歯車によって第１ボールねじ２８と連結されており、第１ボールねじ２８の回転が後述する所定の減速比で減速されて第２ボールねじ３０に伝動されるようになっている。第２ボールねじ３０と、これに嵌合する第２の送りナット３６は、前述した移動サポート台２６をロール軸方向に送るボールねじ機構を構成するようになっており、第２送りナット３６は、移動サポート台２６の片方の端部に固定されている。
【００１５】
移動サポート台２６は、刃物台１７の移動ストロークＳ1の略半分の長さをもっており、その両端部には、第１のボールねじ２８を滑動しながら支持する支持点３８ａ、３８ｂが固定されている。この実施形態では、移動サポート台２６には、第２のボールねじ３０を滑動しながら支持する支持点４０も設けられており、支持点３８ａと支持点４０は隣り合うようにしてブラケット３９に取り付けられている。
【００１６】
図４に示すように、支持点３８ｂは、第１ボールねじ２８に摺動自在に嵌合するブッシュ４１と、そのブッシュ４１に外嵌するラジアルベアリング４２が一体に組み合わされ、ブッシュ４１が滑動するだけでなく、ブッシュ４１を回転自在にすることで円滑な支持点となるように構成されたもので、他方の支持点３８ａの方も同様に構成されている。支持点４０の構成も同様であって、ブッシュ４３とラジアルベアリング４４とから構成されている。
【００１７】
次に、歯車箱３４について説明すると、この歯車箱３４の内部では、第１ボールねじ２８の軸端に固着された歯車４６が、第２ボールねじ３０の軸端に固着された歯車４８に噛み合っており、この実施形態では、歯車４６と歯車４８の歯数比は、１：２に設定されている。なお、図３において、参照符号５０は、第１送りナット３２に固定され、第１ボールねじ２８、第２ボールねじ３０に共に摺動するガイドブロックである。
【００１８】
本実施形態によるボールねじ送り装置は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。
【００１９】
第１ボールねじ２８と第２ボールねじ３０のねじリードは同一で、歯車４６、４８の歯数比が１：２であるから、刃物台１７のベッド１０に対する絶対的な移動ストロークＳ1に対して移動サポート台２６の絶対的な移動ストロークＳ2はその半分になっている。しかも、歯車４６、４８の噛み合いで第１ボールねじ２８の回転が第２ボールねじ３０に伝達されることから、刃物台１７の移動と移動サポート台２６の移動が同期し、刃物台１７は移動サポート台２６と相対的に移動していく。すなわち、刃物台１７を中心にみると、この刃物台１７はベッド１０上を移動ストロークＳ1だけ移動しながらロール１３を切削していくと同時に、移動サポート台２６はストロークＳ2で同方向に移動していく。
【００２０】
図３に示すように、このような相対移動を移動サポート台２６を中心にみていくと、移動サポート台２６が支持点３８ａ、３８ｂおよび支持点４０の位置を連続的に変えながら、この移動サポート台２６上を第１送りナット３２が相対的に移動していく。したがって、第１ボールねじ２８は、常に、移動サポート台２６とともに移動していく支持点３８ａ、３８ｂに支えられているため、危険速度からみた許容回転数を決めるボールねじ２８の最大支点間距離は、図３において移動サポート台２６が左端に位置するときの第１送りナット３２と支持点３８ｂとの距離Ｌ1または支持点３８ｂと軸受３１ｂとの距離Ｌ2であり、これらの最大支点間距離は、軸受３１ａ、３１ｂ間の支点間距離Ｌの約半分になる。
【００２１】
これを上述の（１）式の危険速度からみた第１ボールねじ２８の許容回転数として具体的に求めてみると、次のようになる。
【００２２】
支持点がないものとすると、その場合の支点間距離Ｌを３０００ｍｍ、ねじ軸の谷径ｄ1を４４．４ｍｍ、リード１０ｍｍとして支点支持係数λを固定−固定の場合の４．７３０とすると、許容回転数は、（１）式から
Ｎmax＝１１（m/min）である。
これに対して、本実施形態において、Ｌ1を１５００ｍｍ、Ｌ2を１６５０ｍｍ程度とすると、同一の谷径、リードとして支点支持係数λを固定−支持の場合の３．９２７とすると、それぞれＮamax，Ｎbmaxは、
Ｎamax＝４１（m/min）
Ｎbmax＝２８（m/min）
であり、２０（m/min）の送り速度とするにしても、危険速度の制約を受けずに、リード１０ｍｍのボールねじとしては非常に高速の送り速度とすることができ、危険速度の問題を解決することができる。
【００２３】
なお、第２ボールねじ３０についても、移動する支持点４０により支持されるので、同様に高速回転しても問題が生じることがない。ただし、第２ボールねじ３０は、もともと第１ボールねじの１／２の回転数で回転するようになっているので、危険速度の問題が生じることなく細いボールねじにすることができる。
【００２４】
このように本実施の形態によれば、刃物台１７の移動ストロークＳを３０００ｍｍとした長ストロークの送り系であっても、このようにみかけ上の支点間距離を大幅に短くすることができるため、大幅な送り速度の増大によりダイヤモンドバイト２１本来の高い切削能力を活用して高能率の切削を実現することができる。
【００２５】
以上、本発明について、好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明では、ボールねじの最大ストロークＳに対する支持点３８ａ、３８ｂの支点間距離は、実施形態に限定されるものではない。すなわち、第１送りナット３２が最大ストロークＳ1を移動する間に、移動サポート台２６と相対的にストロークＳ2で同期して移動するように、第１ボールねじ２８の回転を所定の減速比で第２ボールねじ３０に伝達するようにすればよい。
【００２６】
また、上述の実施形態は、本発明をロール旋盤の送り機構に適用した例であるが、その外にも工作機械であれば、長尺な工作物の表面にＶ溝等を加工する超精密平面加工機の送り機構として適用しても、高速送りの実現により、高能率の加工を行うことが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、長ストロークかつ精密なボールねじの送り系でありながら、ボールねじの危険速度の制約を回避してボールねじの回転速度を大幅に高めることができ、高速送り性能を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるボールねじ送り装置をロール旋盤に適用した一実施形態を示す平面図。
【図２】同ボールねじ送り装置が適用されたロール旋盤の正面図。
【図３】本発明の実施形態によるボールねじ送り装置の平面図。
【図４】同ボールねじ送り装置の備えるボールねじを支持する支持点を示す断面図。
【符号の説明】
１０  ベッド
１１  主軸台
１２  心押し台
１３  ロール
１４  チャック
１５  ワークセンタ
１６  主軸モータ
１７  刃物台
２０  ボールねじ送り装置
２１  ダイヤモンドバイト
２６  移動サポート台
２７  サーボモータ
２８  第１のボールねじ
３０  第２のボールねじ
３２  第１の送りナット
３４  歯車箱
３６  第２の送りナット
３８ａ、３８ｂ  支持点
４０  支持点
４６  歯車
４８  歯車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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