JPH0742730A - 予圧可変スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】軸部の振動や変位を検出し、これに応じて軸部
の固有振動数を変え、ころがり軸受の振動との共振をな
くし、軸部のあらゆる回転数で回転精度を確保できる予
圧可変スピンドル装置を提供する。 【構成】軸部とハウジング間に装着された軸受の外輪に
軸方向力を加えて該軸受の予圧量を変える油圧ピストン
機構と、ハウジングに設けられた振動又は変位センサ
と、このセンサの検出値に応じて油圧ピストン機構の油
圧力を調整するコントローラとを有している。このコン
トローラは軸部の回転による振動と共振を起す固有振動
数を変えるように油圧ピストン機構の油圧力を調整す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は予圧可変スピンドル装置
に関し、特にサブミクロンの加工精度を有した精密旋盤
のワーク主軸に用いられ、主軸回転による軸受発生振動
と軸部との共振をなくした予圧可変スピンドル装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】軸部を複数のころがり軸受を介してハウ
ジングに支持したスピンドル装置において、軸部の使用
回転数に応じてころがり軸受の予圧を変えることが従来
から行われている。ころがり軸受の予圧は、例えばハウ
ジング内周面に螺入した外輪押え部材の締付によってこ
ろがり軸受の外輪を軸方向に押圧することにより行われ
ている。一般に切削加工を行う工作機械のスピンドルユ
ニットにおいては、低速回転用として構成するときは軸
受外輪の軸方向押圧力を強くして高予圧とし、高速回転
用には逆に軸受外輪の軸方向押圧力を弱くして低予圧と
している。

【０００３】スピンドル装置のころがり軸受の予圧量
は、軸受剛性のみならず該軸受で支承される軸部の固有
振動数にも影響を与える。後述の如く、ころがり軸受は
回転することにより回転周波数に関係した種々の周波数
の振動を発生する。この軸受回転に基づく振動周波数と
軸部の固有振動数が一致すると、軸部は径方向および軸
方向に大きな振動を発生する。従来はスピンドル装置を
組み込んだ機械の運転に当り、この軸部の固有振動数に
対して共振の基になる回転数を避けた回転数でスピンド
ル装置を使用していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如くころがり軸
受は、回転することによりその回転数に関係した種々の
周波数の振動を発生する。これらの発生振動の中で回転
数の約１０倍の周波数の振動がかなり大きく発生するこ
とが確認されている。この回転数の約１０倍の振動周波
数とスピンドル装置の軸部の固有振動数が一致したとき
最大で１μｍ程度の振幅で軸部が軸方向または径方向に
振動する。このような振動があると、ワークの端面平面
度や真円度に悪影響を及ぼし、ワークの仕上り精度を悪
くする原因となる。このような固有振動数に対し共振の
原因となる回転数は、加工内容によっては必要とするワ
ーク周速を変えることもできないため、どうしても変え
たくない場合がある。

【０００５】本発明は、回転精度に影響を与える要素、
例えば軸部の径方向または軸方向変位あるいは振動を検
出し、これに基いて軸部の固有振動数を変えるように軸
受の予圧力を自動的に調整し、これによって回転精度を
確保するとともに使用回転数に制限を受けないようにし
た予圧可変スピンドル装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、軸部と
ハウジング間に装着された軸受の外輪に軸方向力を加え
て該軸受の予圧を変える油圧ピストン機構と、前記ハウ
ジング側に設けられ前記軸部の回転精度を検出するセン
サと、前記センサの検出値に基づいて前記油圧ピストン
機構の油圧力を調整するコントローラとを有し、前記コ
ントローラは前記軸受の回転数に依存する振動周波数と
共振を起す軸部の固有振動数を変えるように前記油圧ピ
ストン機構の油圧力を調整する予圧可変スピンドル装置
が提供される。

【０００７】

【作用】本発明による予圧可変スピンドル装置を精密旋
盤のワーク主軸に用いた場合、ワークチャックに近い側
のハウジング端部のころがり軸受の外輪押えに油圧ピス
トン機構を設け、そのシリンダ室に外部から油圧をかけ
ることにより前記ころがり軸受の外輪を軸方向に押圧す
る。ころがり軸受の外輪を軸方向に押すことで該ころが
り軸受の予圧量を決定している外輪間座が径方向にたわ
み、ころがり軸受にかかる予圧量が減少する。この軸受
予圧量の減少により、ころがり軸受の軸方向剛性，径方
向剛性が減少し、軸部の固有振動数が低い方へ変化す
る。装置の運転に際し、予め使用回転数が決められ、実
際にその回転動作における回転精度がチェックされ、振
動または変位が出ていればその振動が小さくなるように
自動的に予圧量が調整される。

【０００８】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は本発明の実施例に係る精密旋盤用予圧可
変スピンドル装置の縦断面図である。ハウジング１０は
軸受を嵌合させる円筒状の内面を有している。このハウ
ジング１０内に一対の前側ころがり軸受３，５および一
対の後側ころがり軸受１１，１３を介して中空の軸部７
が回転自在にかつ該ハウジング７を貫通するように支承
されている。軸部７の前端部にはワークチャック（図示
省略）が装着され、また後端部には駆動用プーリ１６が
キー１４および締付ナット１７によって固定され、該プ
ーリ１６を介して図示しない回転駆動源により軸部７の
回転がなされる。

【０００９】一方の前側ころがり軸受３はその内輪３Ａ
の前端面が軸部７の前側段差部に接当し、他方の前側こ
ろがり軸受５はその外輪５Ｂの後端面がハウジング１０
の段差部に接当して後方への移動が拘束され、両軸受
３，５間に配置された外輪間座４および内輪間座６によ
り予め大き目の予圧がかけられて背面組合せの組み付け
とされている。外輪間座４は外周部中央に凹形の周溝４
ａが形成され断面略Ｕ字形とされた環状の部材で、これ
によって軸方向の荷重により軸方向に変形し易くなって
おり所望のばね定数が与えられている。なお実施例では
外輪間座４は２５０ｋｇｆ／μｍ程度の軸方向剛性値を
有している。前側ころがり軸受３，５の各内輪３Ａ，５
Ａは軸部７に螺着されたナット９により、カラー８を介
して、軸部７に固定されている。ハウジング１０の前端
部にボルト締め等で固着した外輪押え部材１の内端面に
は環状の外輪押付ピストン２が軸方向に出入可能に嵌合
されている。外輪押付ピストン２は前側ころがり軸受３
の外輪３Ｂを軸方向に押圧するようにハウジング１０の
前端に挿入される。外輪押付ピストン２の基端と外輪押
え部材１との間には油圧ポケット２１が形成され、該油
圧ポケット２１は外輪押え部材１に形成した油圧供給穴
１９を介して油圧供給部を含む油圧制御装置２３に連通
しており、前記油圧供給部により導入される油圧の大き
さに比例した力が外輪押付ピストン２に与えられ、これ
によって前側ころがり軸受３，５の予圧量が調整される
ようになっている。なお油圧ポケット２１は前記ピスト
ン２の外周および内周に装着されたＯリング２０により
シールされている。

【００１０】外輪押え部材１には軸部７の外周面に近接
して変位センサ２４が取り付けられている。変位センサ
２４は非接触で軸部７の変位を検出するもので、その検
出信号は検出回路２５を介してコントローラ２６に入力
される。コントローラ２６は変位センサ２４の検出信号
に基づいて外輪押付ピストン２の押付力を加減し、予圧
量の変化によって軸部７の固有振動数を変えるように油
圧制御装置２３をコントロールする。２７はころがり軸
受３の近傍に設けられた温度センサであり、この温度セ
ンサ２７の検出値は温度検出回路２８により検出されコ
ントローラ２６に入力される。軸部７の回転によりころ
がり軸受の温度が変化すると、それにより予圧が変化す
るので、温度と予圧との関係により軸受予圧とか固有振
動数がずれることを防止するため予め補正値を入力して
おくことにより、使用中に起る変動を極力少くすること
ができる。

【００１１】一対の後側ころがり軸受１１，１３はその
間に配置された内輪間座１８および外輪間座１２によっ
て背面組合せとされ適正な予圧が与えられ、これらの軸
受１１，１３の内輪は軸部７に締代を有して嵌合される
とともに軸部７の後側段差部とナット１５により固定さ
れ、また外輪はハウジング１０に適正な隙間で組み込ま
れ、ハウジング１０に対して軸方向に移動可能とされて
いる。

【００１２】この実施例で油圧ポケット２１に油圧を与
えない作動前の状態では、前後ころがり軸受３，５の外
輪３Ｂ，５Ｂには外輪押え部材１により前記ピストン２
を介して５０ｋｇｆ程度の軸方向力で押し付けられるよ
うに押え代が設定されている。油圧ポケット２１に油圧
を与えると、この油圧に比例した最大３０００ｋｇｆ程
度の軸方向力が外輪押付ピストン２を介して軸受予圧量
を減じる方向に外輪３Ｂ，５Ｂに与えられ、その結果外
輪間座４は軸方向に最大１２μｍ程度変形し、ころがり
軸受３，５に与えられていた予圧量が変化（減少）し、
これに伴なって軸受剛性および軸部７の固有振動数も変
化する。具体的には、加工条件に合せて設定された回転
数において変位センサ２４により軸部７の変位を検出
し、この値が予め設定された値を越える場合にはコント
ローラ２６で油圧制御装置２３を制御し、外輪押付ピス
トン２に加わる油圧を加減してピーク値を避ける。この
ようにして軸部７の固有振動数を軸受３，５の回転で発
生する振動数からずらせることにより共振が避けられ、
過大な振動発生が防止される。

【００１３】上述の実施例は、回転精度の判断要素とし
てハウジングに対する軸部の変位を検出する場合である
が、回転動作中に生じる装置の振動によって回転精度を
判断するようにしてもよい。例えばハウジング１０の適
当な位置に直接振動測定子を取り付け、その検出振動値
と使用回転数のデータをコントローラ２６に取り込み、
固有振動数と共振しない時の振動値と前記検出振動値を
常に比較し、共振振動の発生を検出した時はコントロー
ラ２６から油圧制御装置２３に信号を出し、振動値が設
定レベルより小さくなるよう外輪押付ピストン２への供
給油圧を調整する。なお、使用回転数を変えた時は予圧
量は一度元の基準値へ戻し、共振の発生を再チェックす
る。

【００１４】実際の精密旋盤のワーク主軸に用いる場
合、加工に入る前に油圧により適当な予圧を与えてお
く。加工時にはセンサに大きな外乱が入ることが多い
が、この時は制御のフィードバックはかからないように
しておく。センサから或る設定値以上の値（振動、変位
等）が検出された場合（加工異常の場合）、次のワーク
加工前に軸受予圧をさらに変更（２次修正）する。前記
センサの検出値が過大でワーク不良となるような場合は
警報を発し、機械を停止させる。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、回
転精度に関係する軸部の径方向または軸方向の変位ある
いは振動をセンサで検出し、この検出値に応じて外部の
油圧供給源からの油圧付加によって軸部を支承するころ
がり軸受の予圧量を変化させ、軸受剛性の変化で軸部の
固有振動数を変えるようにしたので、前記ころがり軸受
から発生する振動と軸部の固有振動数との共振を避ける
ことができ、使用回転数に制限を受けることなくあらゆ
る回転数で精密な加工を行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る精密旋盤用予圧可変スピ
ンドル装置の部分的な縦断面図である。

【符号の説明】

１ 外輪押え部材 ２ 外輪押付ピストン ３，５ 前側ころがり軸受 ４，１２ 外輪間座 ６，１８ 内輪間座 ７ 軸部 １０ ハウジング １１，１３ 後側ころがり軸受 ２１ 油圧ポケット ２３ 油圧制御装置 ２４ 変位センサ ２５ 検出回路 ２６ コントローラ ２７ 温度センサ ２８ 温度検出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸部とハウジング間に装着されたころがり
   軸受の外輪に軸方向力を加えて該ころがり軸受の予圧を
   変える油圧ピストン機構と、前記ハウジング側に設けら
   れ前記軸部の変位または振動を検出するセンサと、前記
   センサの検出値に基づいて前記油圧ピストン機構の油圧
   力を調整するコントローラとを有し、前記コントローラ
   は前記軸部の回転数に依存する振動周波数と共振を起す
   軸部の固有振動数を変えるように前記油圧ピストン機構
   の油圧力を調整することを特徴とする予圧可変スピンド
   ル装置。