(57)【要約】【課題】広範囲な回転速度域にわたり焼きつきの虞をなくして主軸の支持剛性を良好に保つ。【解決手段】予圧が最大の所定値となるまでは所定位置に外輪７，８を移動させた状態でアンギュラ玉軸受３，４に予圧を付与する定位置予圧を実施する一方、予圧が最大の所定値となった際には予圧を最大の所定値以下の所定予圧に保持して外輪７，８の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受３，４に予圧を付与する定圧予圧を実施し、焼きつき等の損傷が生じる虞がない状態で高い支持剛性を確保し、広範囲な回転速度域にわたり焼きつきの虞をなくして主軸の支持剛性を良好に保つ。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪が主軸外周に取り付けられるアンギュラ玉軸受と、
アンギュラ玉軸受の外輪が取り付けられる移動ハウジングと、
移動ハウジングを主軸の軸方向に移動可能に支持する固定ハウジングと、
移動ハウジングと固定ハウジングの間に介在される軸方向移動支持部材と、
移動ハウジングを押圧して外輪を移動させることによりアンギュラ玉軸受に予圧を付与するピストンと、
固定ハウジングに取り付けられピストンの押圧による移動ハウジングの移動端を規制するストッパと、
予圧が最大の所定値となるまではピストンにより移動ハウジングをストッパに当接させて外輪の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定位置予圧を実施すると共に、予圧が最大の所定値となった際に予圧を所定値以下の所定予圧に保持して外輪の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定圧予圧を実施する制御手段と
を備えたことを特徴とする主軸装置。
【請求項２】
請求項１において、
制御手段には、主軸の回転速度を検出することにより予圧が最大の所定値となったことを判断して定圧予圧を実施する機能が備えられていることを特徴とする主軸装置。
【請求項３】
請求項２において、
定位置予圧では所定の油圧力により移動ハウジングが押圧され、
制御手段には、定圧予圧を実施する際に油圧力を低下させる機能が備えられていることを特徴とする主軸装置。
【請求項４】
請求項３において、
移動ハウジングの移動状況を検出する変位検出手段が備えられ、
制御手段には、定圧予圧を実施する際に変位検出手段で検出される移動ハウジングの移動状況を加味して所定予圧を補正する機能が備えられていることを特徴とする主軸装置。
【請求項５】
アンギュラ玉軸受の外輪の移動位置を制御することで予圧を制御する予圧制御方法において、
予圧が最大の所定値となるまでは所定位置に外輪を移動させた状態でアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定位置予圧を実施する一方、予圧が最大の所定値となった際には予圧を最大の所定値以下の所定予圧に保持して外輪の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定圧予圧を実施することを特徴とする予圧制御方法。
【請求項６】
請求項５において、
主軸の回転速度を検出して予圧が最大の所定値となったことを判断して定圧予圧を実施することを特徴とする予圧制御方法。
【請求項７】
請求項６において、
定位置予圧では所定の油圧力により外輪の移動位置が規制され、定圧予圧では油圧力を低下させて予圧を所定予圧に保持することを特徴とする予圧制御方法。
【請求項８】
請求項７において、
定圧予圧を実施する際に移動ハウジングの移動状況を加味して移動が相殺されるように所定予圧を補正することを特徴とする予圧制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械等の主軸が回転自在に支持される主軸装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械の主軸装置には、ボールブッシュを介して固定ハウジングの内周に移動ハウジングを軸方向に移動可能とし、移動ハウジングと主軸との間にアンギュラ玉軸受を取り付け、アンギュラ玉軸受の外輪の主軸の軸方向移動を許容するものが種々提案されている。このような主軸装置では、アンギュラ玉軸受の外輪の位置を調整して予圧調整（切替）が主軸の回転速度に応じて行えるようになっており、主軸の支持剛性が良好に保たれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した主軸装置では、主軸の回転速度の上昇にともない遠心力が増加して遠心膨張及び熱膨張により予圧が高くなるので、初期予圧の設定状況によっては主軸の回転速度が速くなると焼きつきを起こす虞があった。初期予圧を低く設定することで高速回転域まで焼きつきが生じることはないが、所望の支持剛性が得られない虞があった。このため、従来の主軸装置では、予圧調整が行えるものの主軸の支持剛性を広範囲な回転数域にわたり良好に保ちにくいのが現状であった。複数の駆動手段を用いて外輪の移動を制御することで、広範囲な回転数に応じて適切な予圧力を得ることも考えられるが、構造が複雑になりコストが高くなってしまう。
【０００４】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、構造を複雑にすることなく広範囲な回転速度域にわたり焼きつきの虞をなくして主軸の支持剛性を良好に保つことができる主軸装置及び予圧制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の主軸装置は、内輪が主軸外周に取り付けられるアンギュラ玉軸受と、アンギュラ玉軸受の外輪が取り付けられる移動ハウジングと、移動ハウジングを主軸の軸方向に移動可能に支持する固定ハウジングと、移動ハウジングと固定ハウジングの間に介在される軸方向移動支持部材と、移動ハウジングを押圧して外輪を移動させることによりアンギュラ玉軸受に予圧を付与するピストンと、固定ハウジングに取り付けられピストンの押圧による移動ハウジングの移動端を規制するストッパと、予圧が最大の所定値となるまではピストンにより移動ハウジングをストッパに当接させて外輪の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定位置予圧を実施すると共に、予圧が最大の所定値となった際に予圧を所定値以下の所定予圧に保持して外輪の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定圧予圧を実施する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
そして、制御手段には、主軸の回転速度を検出することにより予圧が最大の所定値となったことを判断して定圧予圧を実施する機能が備えられていることを特徴とする。また、定位置予圧では所定の油圧力により移動ハウジングが押圧され、制御手段には、定圧予圧を実施する際に油圧力を低下させる機能が備えられていることを特徴とする。また、移動ハウジングの移動状況を検出する変位検出手段が備えられ、制御手段には、定圧予圧を実施する際に変位検出手段で検出される移動ハウジングの移動状況を加味して所定予圧を補正する機能が備えられていることを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の予圧制御方法は、アンギュラ玉軸受の外輪の移動位置を制御することで予圧を制御する予圧制御方法において、予圧が最大の所定値となるまでは所定位置に外輪を移動させた状態でアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定位置予圧を実施する一方、予圧が最大の所定値となった際には予圧を最大の所定値以下の所定予圧に保持して外輪の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定圧予圧を実施することを特徴とする。
【０００８】
そして、主軸の回転速度を検出して予圧が最大の所定値となったことを判断して定圧予圧を実施することを特徴とする。また、定位置予圧では所定の油圧力により外輪の移動位置が規制され、定圧予圧では油圧力を低下させて予圧を所定予圧に保持することを特徴とする。また、定圧予圧を実施する際に移動ハウジングの移動状況を加味して移動が相殺されるように所定予圧を補正することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１、図２には本発明の第１実施形態例に係る主軸装置の断面を示してあり、図１は定位置予圧状態、図２は定圧予圧状態である。図３、図４には油圧回路の概略構成を示してあり、図３は定位置予圧状態、図４は定圧予圧状態である。また、図５には主軸の回転速度と予圧及び油圧力との関係を表すグラフを示してある。
【００１０】
図１、図２に示すように、主軸ヘッドに固定された固定ハウジング１には主軸２が一対のアンギュラ玉軸受３，４を介して回転自在に支持されている。即ち、主軸２の外周にはアンギュラ玉軸受３，４の内輪５，６が取り付けられている。前側（工具装着側）のアンギュラ玉軸受３の外輪７は固定ハウジング１に取り付けられ、後側のアンギュラ玉軸受４の外輪８は移動ハウジング９の内面に固定されている。
【００１１】
移動ハウジング９は固定ハウジング１の内周面に主軸２の軸方向に移動自在に支持され、移動ハウジング９と固定ハウジング１の間には軸方向移動支持部材としてのボールブッシュ１０が介在している。ボールブッシュ１０は円筒状の保持器１１に多数のボール１２が転動自在に支持されて構成され、ボールブッシュ１０は多数のボール１２が移動ハウジング９の外周と固定ハウジング１の内周とにわたり転動自在に配されている。
【００１２】
移動ハウジング９を図中右側に移動させることにより、外輪７，８に図中左右側の力が作用してアンギュラ玉軸受３，４に予圧が付与される。移動ハウジング９は固定ハウジング１に取り付けられたストッパ１３に当接する位置が移動端となっており、移動ハウジング９がストッパ１３に当接した位置で外輪７，８が所定位置に位置決めされアンギュラ玉軸受３，４に予圧が付与されて主軸２が所定の支持剛性で支持される。
【００１３】
尚、軸方向移動支持部材としては、移動ハウジング９の固定ハウジング１に対する軸方向の移動を支持できるものであれば、ボールブッシュ１０に限定されるものではない。例えば、ころ、磁気軸受、循環型軸受、直線運動用軸受、リニアボールベアリング等を用いて移動ハウジング９の軸方向移動を支持することも可能である。
【００１４】
移動ハウジング９の図中左側、即ち、一対のアンギュラ玉軸受３，４の間における固定ハウジング１の内部にはピストン１４が主軸２の軸方向に移動自在に支持され、ピストン１４の背面側（図中左側）の油室１５には油圧供給手段１６から所定の油圧力の圧油が供給され、ピストン１４が図中右側に駆動して移動ハウジング９がストッパ１４に当接する状態に移動してアンギュラ玉軸受３，４に予圧が付与される（図１の状態：定位置予圧）。この時、油室１５の軸方向の隙間はδ１となる。
【００１５】
ピストン１４の先端部（図中右端部）は移動ハウジング９に当接し、ピストン１４の背面側の油室１５から圧油を排出して所定の油圧力より低い油圧力でピストン１４を所定位置に保持することで、移動ハウジング９がストッパ１３との当接を解除し、移動ハウジング９は所定の力で位置が保持されてアンギュラ玉軸受３，４に予圧が付与される（図２の状態：定圧予圧）。この時、油室１５の軸方向の隙間はδ２となり、移動ハウジング６とストッパ１０との隙間はδ３となり、隙間δ２と隙間δ３との和が定位置予圧の時の油室１５の隙間δ１と等しくなる。
【００１６】
一方、油室１５に圧油を供給する油圧供給手段１６は制御手段１７に指令により制御され、油室１５への所定の油圧力の圧油の供給及び油室１５からの圧油の排出が実施されて定位置予圧と定圧予圧が切り替えられる。制御手段１７には初期予圧の情報及び主軸２の回転速度の情報が入力され、予圧の状況を導出して主軸２の回転速度が所定回転速度になるまでは、即ち、予圧が最大の所定値となる回転速度までは、ピストン１４により移動ハウジング９をストッパ１３に当接させた状態で外輪７，８の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受３，４に予圧を付与する定位置予圧が実施される。また、主軸２の回転速度が所定回転速度になった際に、予圧が最大の所定値となったことを判断し、油室１５からの圧油の排出が実施されて予圧が所定値以下である所定予圧（所定値）に保持された状態で外輪７，８の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受３，４に予圧を付与する定圧予圧が実施される（定圧予圧を実施する機能）。
【００１７】
図３、図４に基づいて油圧供給手段１６の油圧回路を説明する。
【００１８】
油圧ポンプ２１から減圧弁２２及び切替弁２３を介して流路が油室１５につなげられている。切替弁２３の後流側は２系統の流路２４ａ，２４ｂが備えられ、流路２４ａには油室１５側へのみの流通を許容する逆止弁２５が設けられ、流路２４ｂは逆止弁２５の下流側で流路２４ａに合流している。逆止弁２５の上流側の流路２４ａからパイロット流路２６が分岐して設けられ、パイロット流路２６は減圧弁２２につなげられて減圧弁２２を減圧作動させる。
【００１９】
定位置予圧を実施する際には、図３に示すように、切替弁２３がオンされて油圧ポンプ２１からの圧油が減圧作動されていない減圧弁２２を通って流路２４ｂから油室１５に送られる。これにより、油室１５には所定の油圧力の圧油が供給される。
【００２０】
定位置予圧に切り替える際には、図４に示すように、切替弁２３がオフされて油圧ポンプ２１からの圧油が減圧弁２２を通って流路２４ａから油室１５に送られる。この時、パイロット流路２６から減圧弁２２に圧油が供給されて減圧弁２２は減圧動作されている。これにより、油室１５には減圧された、即ち、油室１５からの圧油の排出が実施された状態の油圧力の圧油が供給される（油圧力を低下させる機能）。
【００２１】
上記構成の主軸装置では、図３に示すように、切替弁２３をオン状態にしてピストン１４の背面側の油室１５に圧油を所定の油圧力で供給し、ピストン１１を図中右側に駆動させて移動ハウジング９をストッパ１３に当接する状態に移動させる（図１参照）。この状態で外輪７，８が所定位置に位置決めされてアンギュラ玉軸受３，４に予圧が付与され、ピストン１４の押圧力による移動ハウジング９の位置固定により予圧力がアンギュラ玉軸受３，４に付与されて主軸２の支持剛性が確保される。
【００２２】
図５に示すように、主軸２の回転速度が上昇すると、遠心力が増加して遠心膨張及び熱膨張により、移動ハウジング９の位置が固定されているため、外輪７，８の移動が規制されて予圧が高くなる。予圧が最大の所定値となるまでは移動ハウジング９をストッパ１３に当接させた状態、即ち、外輪７，８を所定位置に移動させた状態でアンギュラ玉軸受３，４に予圧力が付与され焼きつきが生じない高い予圧力で軸受剛性が確保される（定位置予圧）。
【００２３】
主軸２の回転速度が速くなると、更に遠心膨張及び熱膨張により予圧が高くなり、予圧が最大の所定値（例えば、これ以上高くなると焼きつき等の不具合が発生する虞がある値）に達する。予圧が最大の所定値となる回転速度が検出されると、図４に示すように、切替弁２３をオフ状態にして油室１５に減圧した圧油を供給し、ストッパ１３と移動ハウジング９との間に隙間δ３を形成して予圧を所定予圧（最大の所定値）に保持する（図２参照）。この状態で、予圧が所定予圧に保持されるように外輪７，８が移動してアンギュラ玉軸受３，４に予圧が付与され、回転速度が上昇しても予圧が最大の所定値に維持されて軸受剛性が確保される（定圧予圧）。
【００２４】
尚、所定予圧は、最大の所定値以下であれば、図５に二点鎖線で示すように、所定予圧よりも低い任意の値にすることが可能である。
【００２５】
従って、上述した主軸装置では、主軸２の回転速度が上昇して遠心力が増加して遠心膨張及び熱膨張により予圧が高くなっても、焼きつきを起こす虞がない最大の所定予圧以下でアンギュラ玉軸受３，４に予圧が付与される。そして、主軸２の回転速度が上昇して最大の所定予圧になったと判断された場合には、油室１５に減圧した圧油を供給してストッパ１３と移動ハウジング９との間に隙間δ３を形成することで予圧を所定予圧（最大の所定値）に保持するようにしているので、予圧が最大の所定予圧を越えることがない状態でアンギュラ玉軸受３，４に予圧が付与される。
【００２６】
このため、主軸２の回転速度に拘らず、焼きつき等の損傷が生じる虞がない状態で高い支持剛性を確保することができ、構造を複雑にすることなく広範囲な回転速度域にわたり焼きつきの虞をなくして主軸２の支持剛性を良好に保つことができる。
【００２７】
図６、図７に基づいて本発明の第２実施形態例を説明する。図６には本発明の第２実施形態例に係る主軸装置の断面、図７には制御ブロックを示してある。尚、図１、図２に示した主軸装置と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００２８】
図６に示した主軸装置は、移動ハウジング９の移動状況を検出する変位検出手段３１が備えられている。また、制御手段１７には、図７に示すように、主軸２の回転速度と初期予圧とから導出される定圧予圧における油圧力を指令する油圧力指令機能３３が備えられると共に、定圧予圧に切り替えられた時の変位検出手段３１の検出情報に基づいて主軸２のアキシャル移動に相当する油圧の補正状態（ピストン１４に加わる油圧力）を演算するアキシャル補正機能３２が備えられている。その他の構成は、図１、図２に示した主軸装置と同一である。
【００２９】
そして、定圧予圧に切り替えられた時に変位検出手段３１の検出情報が制御手段１７のアキシャル補正機能３２に入力され、アキシャル補正機能３２で移動ハウジング９の移動に応じた主軸２のアキシャル移動に相当する油圧の補正状態（ピストン１４に加わる油圧力）が演算される。アキシャル補正機能３２で演算された補正状態は油圧力指令機能３３に入力され、油圧力指令機能３３で設定された定圧予圧における通常の油圧力の指令に対し補正状態が加味される。油圧供給手段１６には、主軸２のアキシャル移動に相当する油圧の補正状態が加味されて油圧力の指令が出力され、所定予圧が補正される（所定予圧を補正する機能）。その他の定位置予圧・定圧予圧の作用は図１、図２に示した主軸装置と同一である。
【００３０】
上述した主軸装置では、定圧予圧に切り替えられた時に、移動ハウジング９の移動状況に応じて、即ち、アンギュラ玉軸受３，４の移動による主軸２のアキシャル移動に応じて油圧力が補正されて所定予圧が補正されるので、主軸２のアキシャル移動による加工精度の低下を抑制することが可能になる。
【００３１】
尚、主軸２の回転速度（油圧力及び軸受温度）に応じて予圧力は一義的に決まるため、移動ハウジング９の移動状況を検出する手段としては、主軸２の回転速度に対する予圧の状況をマップ化して記憶するかもしくは演算による求める等し、主軸２の回転速度に応じて移動ハウジング９の移動状況を導出する手段とすることも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の主軸装置は、内輪が主軸外周に取り付けられるアンギュラ玉軸受と、アンギュラ玉軸受の外輪が取り付けられる移動ハウジングと、移動ハウジングを主軸の軸方向に移動可能に支持する固定ハウジングと、移動ハウジングと固定ハウジングの間に介在される軸方向移動支持部材と、移動ハウジングを押圧して外輪を移動させることによりアンギュラ玉軸受に予圧を付与するピストンと、固定ハウジングに取り付けられピストンの押圧による移動ハウジングの移動端を規制するストッパと、予圧が最大の所定値となるまではピストンにより移動ハウジングをストッパに当接させて外輪の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定位置予圧を実施すると共に、予圧が最大の所定値となった際に予圧を所定値以下の所定予圧に保持して外輪の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定圧予圧を実施する制御手段とを備えたので、主軸の回転速度が上昇して遠心力が増加して遠心膨張及び熱膨張により予圧が高くなっても、焼きつきを起こす虞がない最大の所定予圧以下でアンギュラ玉軸受に予圧が付与されると共に、主軸の回転速度が上昇して最大の所定予圧になったと判断された場合には、予圧が最大の所定予圧を越えることがない状態でアンギュラ玉軸受に予圧が付与される。
【００３３】
この結果、主軸の回転速度に拘らず、焼きつき等の損傷が生じる虞がない状態で高い支持剛性を確保することができ、構造を複雑にすることなく広範囲な回転速度域にわたり焼きつきの虞をなくして主軸の支持剛性を良好に保つことが可能になる。
【００３４】
本発明の予圧制御方法は、アンギュラ玉軸受の外輪の移動位置を制御することで予圧を制御する予圧制御方法において、予圧が最大の所定値となるまでは所定位置に外輪を移動させた状態でアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定位置予圧を実施する一方、予圧が最大の所定値となった際には予圧を最大の所定値以下の所定予圧に保持して外輪の移動位置を制御することでアンギュラ玉軸受に予圧を付与する定圧予圧を実施するようにしたので、予圧が高くなっても最大の所定予圧以下でアンギュラ玉軸受に予圧が付与されると共に、最大の所定予圧になったと判断された場合には、予圧が最大の所定予圧を越えることがない状態でアンギュラ玉軸受に予圧が付与される。
【００３５】
この結果、主軸の回転速度に拘らず、焼きつき等の損傷が生じる虞がない状態で高い支持剛性を確保することができる予圧制御方法となり、広範囲な回転速度域にわたり焼きつきの虞をなくして主軸の支持剛性を良好に保つことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】定位置予圧状態にある本発明の第１実施形態例に係る主軸装置の断面図。
【図２】定圧予圧状態にある本発明の第１実施形態例に係る主軸装置の断面図。
【図３】定位置予圧状態にある油圧回路の概略構成図。
【図４】定圧予圧状態にある油圧回路の概略構成図。
【図５】主軸の回転速度と予圧及び油圧力との関係を表すグラフ。
【図６】本発明の第２実施形態例に係る主軸装置の断面図。
【図７】制御ブロック図。
【符号の説明】
１　固定ハウジング
２　主軸
３，４　アンギュラ玉軸受
５，６内輪
７，８　外輪
９　移動ハウジング
１０　ボールブッシュ
１１　保持器
１２　ボール
１３　ストッパ
１４　ピストン
１５　油室
１６　油圧供給手段
１７　制御手段
２１　油圧ポンプ
２２　減圧弁
２３　切替弁
２４　流路
２５　逆止弁
２６　パイロット流路
３１　変位検出手段
３２　アキシャル補正機能
３３　油圧力指令機能
【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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