JP2537158Y2 - 予圧可変スピンドル装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、スピンドル軸を支承す
るころがり軸受に付与する予圧を調整する予圧調整手段
を有する予圧可変スピンドル装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械の主軸を支承する軸受の予圧
は、重切削を行う低速回転時に合せて通常高剛性となる
ように設定される。このようなスピンドル装置では、高
速回転時に軸受の回転摩擦により軸受が発熱し軸が膨張
する結果、軸受の予圧が過大となり、早期に軸受が焼付
を起こすという問題があるので軸受の予圧が過大となら
ないように軸受に加える予圧力を調整するようにした予
圧可変型のスピンドル装置が提案されている。従来、予
圧力を可変とする為に油圧を用いることも提案されてい
るが、このものは油圧ユニットが必要となりスピンドル
装置が大型化すると共に油温によりスピンドル装置の温
度上昇をもたらし又、精密な油圧のコントロールが難し
いという欠点がある。このような欠点を解消した予圧可
変スピンドル装置としては、ハウジング内に嵌合された
ころがり軸受により主軸の両端が支承され、主軸を支承
する一対のころがり軸受のうち、可動スリーブに嵌合さ
れた一方の軸受がハウジングに対して軸方向に相対移動
可能とされている。そしてハウジングの内面にはめねじ
溝が形成され、このめねじ溝に螺合してすべりねじ係合
するおねじ溝が設けられた可動スリーブが螺合され、こ
の可動スリーブに形成された歯車の歯を、モータによっ
て駆動されるピニオンの歯に噛合させ、モータを駆動す
ることによって可動スリーブを回動させ、可動スリーブ
が嵌合された一方のころがり軸受の外輪を軸方向に付勢
することによって予圧を付与するようにされている。こ
の押圧は可動スリーブを回動させることによって可動ス
リーブが軸方向に移動することによって行われる。（例
えば、特開昭６１−２２３３２４号公報及び特開昭６４
−４０２０３号公報。）

【０００３】また、従来の予圧可変スピンドル装置とし
ては、可動スリーブの外周にボールねじのねじ溝を形成
し、そのねじ溝に対向するねじ溝をナットの内周に形成
し、両ねじ溝の間にボールを嵌合させナットを直接モー
タで駆動することによって軸受の予圧を可変とするスピ
ンドル装置も知られている。（例えば、特開平３−７９
２０５号公報。）

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、可動ス
リーブをすべりねじにより移動させ軸受に予圧を与える
ようにした従来の予圧可変スピンドル装置にあっては、
ねじ部の接触が面接触でありねじ部の摩擦が大きい為、
予圧を調整するとき可動スリーブがスティックスリップ
により可動スリーブの微小な調整が得られず、軸受の予
圧を増加させる調整時には可動スリーブを回動するとき
大きく動きすぎてしまい、予圧が過大となりやすく予圧
が過大となったものは早期に軸受の焼付が起きるという
問題があり軸受の予圧を減少させる調整時には同様に可
動スリーブを回転させるとき大きく動きすぎてしまい予
圧が過小となりスピンドル装置の剛性が所定の値よりも
極端にさがってしまい重切削が出来なくなるし、ビビリ
が生じてしまうという問題がある。特開平３−７９２０
５号公報に示されているような予圧可変スピンドル装置
は可動スリーブを軸方向に移動する手段としてすべりね
じの代りにボールねじを用い、ナットの駆動を駆動モー
タにより直接駆動するようにしているので、ボールねじ
のピッチが大きいことと相まってモータの回転角が直接
ナットの回転角となるものであるからモータの出力が大
きなものが必要となると共に予圧の微調整には高分解能
のモータが必要となる結果モータが大型化すると共にモ
ータが高価なものとなる問題がある。そして軸を支承す
る軸受の外輪は、後部側のハウジング内に嵌合された後
蓋に形成された内孔に嵌合され、同一セットによって加
工されたハウジング内面に嵌合されるのでは無いから、
主軸ハウジングと後蓋とに心ずれが生じやすく、精度の
良いスピンドル装置を製作するのは容易ではなく、又、
コストが高くなってしまうという問題が有る。

【０００５】そこで本考案は、軸受の予圧調整が精密に
出来、コンパクトかつ安価な予圧可変スピンドル装置を
提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この考案の予圧可変スピ
ンドル装置は、ハウジングの内孔に嵌合されたころがり
軸受により主軸の両端が支承され、前記ころがり軸受の
軌道輪が押圧力調整可能な押圧手段により軸方向に押圧
される予圧可変スピンドル装置において、前記押圧手段
は、ボールねじ溝を有し一方の端面が一方のころがり軸
受の軌道輪に当接された円筒状の第１の軸受間座と、該
第１の軸受間座のボールねじ溝とねじれ方向が同一方向
でピッチがわずかに異なるボールねじ溝を有し一方の端
面が他方のころがり軸受の軌道輪に当接された円筒状の
第２の軸受間座と、該第２の軸受間座のボールねじ溝と
前記第１の軸受間座のボールねじ溝にそれぞれ対向する
ボールねじ溝を有する円筒状の予圧調整間座と、前記第
１の軸受間座のボールねじ溝と前記第２の軸受間座のボ
ールねじ溝とに対向する前記予圧調整間座のボールねじ
溝のそれぞれの間に転動自在に嵌合された多数のボール
と、前記第１の軸受間座及び前記第２の軸受間座に対し
て前記予圧調整間座を相対的に回動させる予圧調整間座
駆動手段とを備えた構成とすることによって前記目的を
達成したものである。

【０００７】

【作用】この考案の予圧可変スピンドル装置は第１の軸
受間座及び第２の軸受間座に同一のねじれ方向で互いに
わずかにピッチの異なるボールねじのボールねじ溝を形
成すると共に、そのボールねじ溝にそれぞれ対向するボ
ールねじ溝を有して両軸受間座にボールを介して螺合さ
れ、回動自在とされた予圧調整間座とにより差動ねじ部
を構成しこの予圧調整間座を回動させて両軸受間座同士
の相対位置を変化させる予圧調整間座駆動手段とを設け
ることとした。このような構成となっているので予圧調
整間座を回動させるとボールが両軸受間座のボールねじ
溝と予圧調整間座のボールねじ溝との間を転動しながら
移動すると共にボールの移動に応じ、第２の軸受間座に
対して第１の軸受間座は軸方向に相対移動する。軸受軌
道輪に当接する第１の軸受間座と第２の軸受間座の両端
面間の長さ寸法は、予圧調整間座の回動量に応じて変化
する。本考案の場合、両ボールねじ溝のピッチはわずか
に異なるようにしてあり、差動ねじ部は、すべりねじで
はなくボールねじである為、非常に摩擦が少なく、すべ
りねじを用いた場合に生じやすいスティックスリップが
生じないので、予圧調整間座の単位回転角度当りの両軸
受間座の端面間の寸法変化は、極めて小さく精密にする
ことが出来る。

【０００８】

【実施例】以下、本考案の実施例を図と共に説明する。
図１は本考案に係る予圧可変スピンドルの一実施例の縦
断面図であり、角形ブロック状のハウジング２の内孔に
は軸方向の間隔を置いてころがり軸受３、４が介装され
ている。この軸受３、４に主軸１が挿通され、主軸１は
軸受３、４により回転自在に支承されている。軸受３、
４は夫々アンギュラ玉軸受であり前方（図１の左方）の
軸受３の内輪３Ａの前側の端面は主軸１の段部１Ａに当
接している。軸受４は、間座５を介して主軸１に後方よ
り嵌合され、主軸１に螺合されたナット３５により間座
７を介して軸方向に締めつけられ軸受３と軸受４は主軸
１に固定されている。軸受３の外輪３Ｂの前側の端面は
ハウジング２の端面にボルトＢ１で取り付けた前蓋６に
当接している。間座７の外径部はハウジング２に形成し
た小径部２Ａとごくわずかな隙間を有し軸受４に外部よ
り異物が侵入するのを防止している。軸受４の外輪４Ｂ
の後ろ側の端面はハウジング２に設けた段部８に当接し
ている。

【０００９】第１の軸受間座１０は段付きの円筒状部材
で大径部４４の端面４５は軸受３の外輪３Ｂの後ろ側の
端面と当接している。この大径部の外周面４６は第１の
軸受間座１０が軸方向に移動する際の案内面としてハウ
ジング２の内周面に滑合されており、この外周面４６に
は凹部が設けられ、センサ１１（歪ゲージ）が取り付け
られている。また、第１の軸受間座１０の小径部４７の
外周面には断面がゴシックアーチ状の溝である第１のボ
ールねじ溝１２が設けられている。第２の軸受間座１３
は第１の軸受間座１０と同様の段付きの円筒状部材で小
径部の端面は第１の軸受間座１０の小径部の端面と対向
するように配され、大径部４８の端面４９は軸受４の外
輪４Ｂの前側の端面と当接している。

【００１０】第２の軸受間座１３の大径部の外周面５０
はハウジング２の内周面に滑合されており、この外周面
には等分割に多数の凹溝１７が設けられハウジング２に
設けられた貫通穴１４に嵌入された回り止めピン１５を
所定の位置の凹溝１７に係合させることにより回り止め
手段を形成し第２の軸受間座１３は回動不能とされてい
る。図示は省略したが第１の軸受間座にも同様な回り止
め手段が設けられている。第２の軸受間座１３の小径部
の外周面には断面がゴシックアーチ溝である第２のボー
ルねじ溝１６が設けられ、このボールねじ溝１６は第１
のボールねじみぞ１２と同じねじ方向でピッチが異なる
ようにされている。

【００１１】予圧調整間座２０は、リング状の部材でそ
の内周面には第１のボールねじ溝１２及び第２のボール
ねじ溝１６に対向するボールねじ溝３６，３７を有し、
外周面にはナット駆動レバー２１がボルトＢ２により固
定されている。予圧調整間座のボールねじ溝３６と第１
のボールねじ溝１２及び予圧調整間座のボールねじ溝３
７と第２のボールねじ溝１６との間にはボール２３が転
動自在に嵌合されている。ハウジング２の上部には角形
状の開口部が形成されており、その開口部中央にナット
駆動レバー２１が位置している。そしてこの開口部に近
接する位置にサポートユニットハウジング２５が取り付
けられている。

【００１２】レバー駆動用ボールねじ軸２６は段付のね
じ軸で大径部のねじ部にはレバー駆動用ボールねじナッ
ト２７が螺合され中間段付部がサポートユニットハウジ
ング２５内に嵌合させたころがり軸受２８に挿通され、
ロックナット３３によって固定され軸方向の移動不能か
つ回転自在に軸支されている。レバー駆動用ボールねじ
軸２６の小径部の軸端はカップリング２９を介してサポ
ートユニットハウジング２５に固定された駆動モータ３
０（例えばサーボモータ）の出力軸３９と連結されてい
る。レバー駆動用ボールねじナット２７の対向する両側
面には軸心と直角かつ同一軸心を有して２つのレバー駆
動ピン３１、３１が固定されている。レバー駆動ピン３
１、３１は夫々ナット駆動レバー２１に設けた上部に開
口するＵ字型の切り欠き部３２に係合しレバー駆動用ボ
ールねじナット２７の直進移動によってナット駆動レバ
ー２１が押され予圧調整間座２０が回動される。このと
きレバー駆動ピン３１はナット駆動レバー２１のＵ溝の
平面と当接しているのでレバー駆動用ボールねじナット
２７の直進運動が妨げられることは無い。

【００１３】駆動モーター３０により回転されるレバー
駆動用ボールねじ軸２６に螺合されたレバー駆動用ボー
ルねじナット２７を予圧調整間座２０に固定されたナッ
ト駆動レバー２１に係合させることにより予圧調整間座
２０を回動させる予圧調整間座駆動手段が構成される。
第１の軸受間座１０及び第２の軸受間座１３と予圧調整
間座２０をボール２３を介して螺合することにより差動
ねじ部が構成され、予圧調整間座２０を予圧調整間座駆
動手段により回動させ第２の軸受間座１３に対し第１の
軸受間座１０を軸方向に所定量移動させて外輪３Ｂの軸
方向の押圧力を調整し、その結果軸受３及び４に所定の
予圧を与える構成とされている。第１の軸受間座１０及
び予圧調整間座２０とボール２３で構成されるボールね
じ部は右ねじでピッチは１０ｍｍであり、第２の軸受間
座１３及び予圧調整間座２０とボール２３で構成される
ボールねじ部は右ねじでピッチは７ｍｍとされている。
ナット駆動レバー２１を図１に於いて紙面の手前側とな
る方向、すなわちスピンドルを右方から見た場合、予圧
調整間座２０を左回転させる方向に、例えば１°左回転
させると、ボール２３の転動を介して第１の軸受間座１
０は予圧調整間座２０に対し図１に於いて左へ１０ｍｍ
×１°÷３６０°＝０．０２７８ｍｍ移動し、予圧調整
間座２０は第２の軸受間座１３に対して右へ７ｍｍ×１
°÷３６０°＝０．０１９４ｍｍ移動する。それゆえ第
１の軸受間座及び第２の軸受間座の端面間の長さ寸法は
０．０２７８ｍｍ−０．０１９４ｍｍ＝０．００８４ｍ
ｍ増加する。その結果、軸受３と軸受４には夫々４．２
μｍに相当する予圧量が加えられる。逆に予圧調整間座
２０を１°右回転させると第１の軸受間座１０は予圧調
整間座２０に対して右へ０．０２７８ｍｍ移動し、予圧
調整間座２０は第２の軸受間座１３に対して左へ０．０
１９４ｍｍ移動し、結局第１の軸受間座と第２の軸受間
座の両端面間の寸法は０．００８４ｍｍ減少する。その
結果、軸受３と軸受４には夫々４，２μｍづつに相当す
る予圧量が減少することになる。ちなみに、上記の軸受
予圧を軽切削から重切削の範囲で適切に調整するにあた
っては、軸受外輪３Ｂ、４Ｂに加える合計軸方向移動量
として２０〜５０μｍ程度の範囲、又その移動量の精度
としては２μｍ程度が必要になる。この位置決め精度の
２μｍは予圧調整間座の回転角度０．２４゜に相当し、
特に高い位置決め精度を有する駆動モータでなくても十
分確保出来る精度である。この実施例の場合、予圧調整
間座２０の駆動は予圧調整間座２０に取り付けられたナ
ット駆動レバー２１をボールねじで駆動する構成とされ
ている為、第１の軸受間座１０を２μｍ移動させるのに
必要な駆動モータ３０の回転角度はナット駆動レバー２
１を０．２４°回転させればよく、レバー駆動用ボール
ねじナット２７の移動量に換算すると０．３８ｍｍとな
り、レバー駆動用ボールねじのピッチが４ｍｍとなって
いるので駆動モータ３０の回転角度は０．３８ｍｍ÷４
ｍｍ×３６０゜＝３４．２゜となるので例えば５００分
割の駆動モータを使用した場合０．０４２μｍの精度で
軸受間座の位置決めが出来ることになる。

【００１４】次に軸受３、４に加えるべき予圧を得る為
の駆動モータ３０の必要駆動トルクについて検討する。
この実施例のスピンドル装置に於いて、軽切削から重切
削の範囲での軸受の予圧は３０〜３００ｋｇｆ程度の範
囲となる。３００ｋｇｆの予圧を第１の軸受間座１０及
び第２の軸受間座１３の軸方向移動によって得るには変
換効率を０．９とすると予圧調整間座２０を回転トルク
Ｔｂ＝３００ｋｇｆ×０．３ｃｍ×０．９÷２π＝１
２．９ｋｇｆｃｍ以上で回転させる必要が有る。予圧調
整間座２０を１２．９ｋｇｆｃｍ以上で回転させるには
レバー駆動ピン３１がナット駆動レバー２１に対して主
軸１の軸心から半径９０ｍｍの位置に作用する為、Ｆ×
９ｃｍ＝１２．９ｋｇｆｃｍよりＦ＝１．４３ｋｇｆの
力がレバー駆動ピン３１によってナット駆動レバー２１
に加えれば良い。１．４３ｋｇｆの軸力を得るに必要な
レバー駆動用ボールねじ軸２６の回転トルクはＴｂ′＝
１．４３ｋｇｆ×０．４ｃｍ×０．９÷２π＝０．０８
１９ｋｇｆｃｍとなる。この程度の起動トルクを生じる
サーボモータは外径６０ｍｍ，全長４０ｍｍ位の大きさ
で十分であり、したがって予圧可変スピンドル装置自体
をコンパクトかつ安価にすることが出来る。

【００１５】また、軸受３と軸受４は同一セットにより
加工されたハウジング２の内径面に嵌合されているの
で、従来のこの種のスピンドルと比べて軸受３と軸受４
の同心度が極めて容易に確保出来、安価にして精度の良
いスピンドル装置を提供出来る。更に第１の軸受間座及
び第２の軸受間座の軸方向の移動は、ボール２３の転動
をを介して行われボールには予圧が付加されていると共
にころがり摩擦が非常に小さいので、従来のすべりねじ
を用いた場合のように、スティックスリップにより不具
合が生じる事がなく、軸受間座の移動による予圧調整を
精密に行なうことができる。

【００１６】前蓋６はリング状の部材でハウジング２の
内径面に嵌合する小径部とハウジング２の端面に当接す
るフランジ部を有している。小径部の外面部には半径方
向のスリット３８が周方向に形成され、このスリット３
８から軸方向に近接した内面部には半径方向のスリット
が周方向に形成されている。これらの半径方向のスリッ
トは前蓋６の小径部の肉厚の中心よりも深く設けられて
いる。また前蓋６の内径部は主軸１の段部１Ａに続く大
径部とごくわずかな隙間を有して異物が軸受３に侵入し
ない様にされている。ハウジング２に固定した前蓋６の
小径部の端面は軸受の外輪３Ｂに当接している。前蓋６
の軸受３に当接する側の端部は互い違いに形成されたス
リット３８、３８により軸方向に所定のバネ効果を有し
て軸受３を所定のバネ力により奥側方向に押圧してい
る。軸受３に予圧を加える際、予圧調整間座２０により
前蓋に加えられる力以上の力で外輪３Ｂを押圧すること
により外輪３Ｂは軸方向に移動させることができる。外
輪３Ｂの外周面とハウジング２の内周面の嵌合は予圧調
整時にころがり軸受の外輪が移動出来るようにわずかな
隙間が設けられているが軸受３の外輪３Ｂの外側の端面
は前蓋６により押圧され外輪３Ｂの半径方向の動きを拘
束されているので軸受３の支持剛性が大きくされてい
る。

【００１７】また、軸受間座１０を軸受３より遠ざかる
方向に移動して予圧を減少させるとき外輪３Ｂに前蓋６
による戻り力が付加されているので外輪３Ｂの移動が外
輪３Ｂとハウジング２の間の摩擦力によって妨げられる
ことが無く外輪３はスムーズに動くことが出来、軸受の
予圧調整が精密に行える。

【００１８】主軸１には後端にプーリ（不図示）が取り
付けられこのプーリを主軸モータ（不図示）により回転
駆動することによって主軸１に回転が伝達される。軸受
３及び軸受４の予圧は一般に低速重切削が行なわれる場
合には、必要な高剛性を得るべく大きな予圧を付与し、
一方、高速で軽切削が行なわれる場合には、軸受の発熱
を抑えるべく小さな予圧に切換えることが行われる。ス
ピンドル使用中に軸受の発熱により予圧が変化した場合
には、圧力センサ１１からの信号に応じて予め定められ
ている予圧調整指令が制御手段４１から目標位置指令と
してドライブユニット４０に入力される。これを受け
て、ドライブユニット４０の電流制御部からパワーアン
プ回路を経てモータ駆動電流が駆動モータ３０に出力さ
れ、駆動モータ３０の出力軸の回転角度が制御される。
かくして駆動モータ３０の出力軸にカップリング２９を
介して接続されているレバー駆動用ボールねじ軸２６が
所定量回転しその回転量に応じてレバー駆動用ボールね
じナット２７が軸方向に移動し、ナット駆動用レバー２
１を介して所定角度、予圧調整間座２０が回動される。
予圧調整間座２０が回動するとボール２３の転動を介し
て第１の軸受間座１０が第２の軸受間座１３に対して軸
方向に所定量移動し、軸受の外輪３Ｂが前記詳述したよ
うに第１の軸受間座１０により軸方向に押圧され所定の
位置で位置決めがなされ、その結果軸受予圧が所定の値
に調整される。このとき、この予圧調整結果は圧力セン
サ１１により検出され、その検出値は制御手段４１に入
力される。この入力値が予圧調整指令値に対応しない場
合には、必要補正値分再び目標位置指令がドライブユニ
ット４０に入力され予圧の調整が行なわれ、この調整の
繰り返しによって高精度な予圧制御が行われる。

【考案の効果】本考案は予圧可変スピンドル装置に於い
て、第１の軸受間座及び第２の軸受間座に同一のねじ方
向で互いにわずかにピッチの異なるボールねじのねじ溝
を形成すると共に、そのねじ溝に夫々対応するボールね
じ溝を有して両軸受間座にボールを介して螺合し、回動
自在とされた予圧調整間座と、この予圧調整間座を回動
させて両軸受間座を軸方向に移動させて軸受の予圧を調
整する予圧調整間座駆動手段とを設けた構成とした。そ
の結果、軸受の予圧調整がスピンドル回転中に於いても
簡単且つ精密に出来、コンパクトかつ安価にして主軸の
回転精度の良い予圧可変スピンドル装置が得られるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る予圧可変スピンドル装置の縦断面
図。

【図２】図１のＣ−Ｃ線断面図で右上部はレバー駆動用
ボールねじ軸の中心線に沿った断面となっている。

【符号の説明】

１ 主軸 ２ ハウジング ３ ころがり軸受 ４ ころがり軸受 ６ 前蓋 １０ 第１の軸受間座 １３ 第２の軸受間座 ２０ 予圧調整間座 ２３ ボール ３０ 駆動モータ ４０ ドライブユニット ４１ 制御手段

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングの内孔に嵌合されたころがり
   軸受により主軸の両端が支承され、前記ころがり軸受の
   軌道輪が押圧力調整可能な押圧手段により軸方向に押圧
   される予圧可変スピンドル装置において、前記押圧手段
   は、ボールねじ溝を有し一方の端面が一方のころがり軸
   受の軌道輪に当接された円筒状の第１の軸受間座と、該
   第１の軸受間座のボールねじ溝とねじれ方向が同一方向
   でピッチがわずかに異なるボールねじ溝を有し一方の端
   面が他方のころがり軸受の軌道輪に当接された円筒状の
   第２の軸受間座と、該第２の軸受間座のボールねじ溝と
   前記第１の軸受間座のボールねじ溝にそれぞれ対向する
   ボールねじ溝を有する円筒状の予圧調整間座と、前記第
   １の軸受間座のボールねじ溝と前記第２の軸受間座のボ
   ールねじ溝とに対向する前記予圧調整間座のボールねじ
   溝のそれぞれの間に転動自在に嵌合された多数のボール
   と、前記第１の軸受間座及び前記第２の軸受間座に対し
   て前記予圧調整間座を相対的に回動させる予圧調整間座
   駆動手段とを備えて成る予圧可変スピンドル装置。