JPH0835520A - 主軸軸受の予荷重調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外輪体やスペーサスリーブの熱歪みによる影
響を受けにくく正確な実予荷重値を求めることができる
うえ、長期間の使用にも十分に耐えることができ、信頼
性の高い主軸の予荷重調整装置を提供する。 【構成】 外輪体４ａを側面から押圧して所定の予荷重
を付与する予荷重付与装置５と、この予荷重付与装置５
と同一の軸線上に設けられ、前記予荷重付与装置によっ
て前記外輪体に付与される実予荷重値を検出する予荷重
検出装置６と、主軸回転数に最適の予荷重値を記憶する
記憶手段と、主軸回転数に応じて前記記憶装置から読み
出された最適予荷重値と前記予荷重検出手段が検出した
実予荷重値とを比較する比較手段と、この比較結果が一
致しないときに前記予荷重付与装置を駆動させて前記予
荷重値を増減させる駆動制御手段とからなる制御装置２
０とからなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の主軸回転数
の変化に応じて、主軸軸受に付与される予荷重を前記主
軸回転数に応じた最適な値に増減調整できる主軸軸受の
予荷重調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械の主軸を回転自在に支持する転
がり軸受（以下、軸受と記載）は、その剛性を高めるた
めに、また、主軸軸線方向および半径方向の位置決めを
正確にするとともに回転精度を高めるために、軸受に予
荷重を付与することが一般的に行われている。そして、
高速回転時における軸受の焼付けや温度上昇を防止する
ために、主軸回転速度の増大に伴って前記予荷重を減少
させる予荷重の調整装置が、例えば、実開昭６４−３１
１９号公報や特開平３−９１１６号公報等で開示されて
いる。これらの公報で開示されている予荷重調整装置
は、電圧を印加すると軸方向に延伸するという性質を有
する電歪素子からなるアクチュエータで軸受の外輪体を
側面から押圧するとともに、前記アクチュエータにより
付与される予荷重値を検出するために、外輪体の外周面
や外輪体に外嵌したスペーサスリーブの表面に、軸方向
の変位を検出できるように歪みゲージを取り付け、この
歪みゲージの検出信号を演算処理して求めた実際の予荷
重値（実予荷重値）に基づいてアクチュエータの駆動を
制御し、主軸回転速度に応じた最適な予荷重値に補正で
きるようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の予荷重調整装置においては、外輪体やスペーサスリ
ーブの軸方向の変位に基づいて予荷重値を求めているた
め、主軸回転速度の増大に伴い軸受の温度が上昇する
と、外輪体やスペーサスリーブに生じる軸方向の熱変位
も検出してしまい、正確な実予荷重値を求めることが困
難になるという問題がある。また、外輪体やスペーサス
リーブの外周面に歪みゲージを取り付けているため、歪
みゲージが剥がれたり断線したりして、長期間の使用に
は不向きであるうえ信頼性に乏しいという問題がある。
また、軸受交換時頭による組立作業時に、特殊な技術を
要するという問題点もある。本発明は上記の問題点に鑑
みてなされたもので、その目的とするところは、外輪体
やスペーサスリーブの熱歪みによる影響を受けにくく正
確な実予荷重値を求めることができるうえ、長期間の使
用にも十分に耐えることができ、信頼性の高い主軸軸受
の予荷重調整装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明の工作機械の主軸軸受の予荷重調整装置は、工
作機械の主軸を回転自在に支持する転がり軸受の外輪体
に予荷重を付与するとともに、前記主軸の回転数の変化
に応じて前記予荷重を増減調整することのできる主軸軸
受の予荷重調整装置であって、前記外輪体の一側面から
付勢力を常時一方向側に付与する付勢手段と、この付勢
手段に抗して前記外輪体の他側面を他方向側に押圧し、
前記外輪体を通じて前記転がり軸受に所定の予荷重を付
与する予荷重付与装置と、この予荷重付与装置と同一の
軸線上に設けられ、前記予荷重付与装置によって前記外
輪体に付与される実予荷重値を検出するための予荷重検
出装置と、主軸回転数に最適の予荷重値を記憶する記憶
手段と、主軸回転数に応じて前記記憶手段から読み出さ
れた最適予荷重値と前記予荷重検出手段が検出した実予
荷重値とを比較する比較手段と、この比較結果が一致し
ないときに前記実予荷重値に基づいて前記予荷重付与装
置の駆動を制御する駆動制御手段とからなる制御装置と
からなることを特徴とする。また、前記予荷重付与装置
は、電圧を印加または電荷量を注入することにより軸線
方向に延伸する電歪素子としてもよい。さらに、前記予
荷重検出装置は、圧力を加えることにより電極間に電荷
を生じる電歪素子としてもよい。

【０００５】

【作用】本発明は上述のように構成されているので以下
のように作用する。ピエゾアクチュエータや流体圧シリ
ンダなどの予荷重付与装置は、付勢手段の付勢力に抗し
て外輪体を側面から押し、予荷重を付与する。前記予荷
重付与装置により付与される実予荷重値は、予荷重付与
装置と同軸上に設けられた圧力センサなどの予荷重検出
装置からの検出信号を演算処理して求められる。主軸回
転数に応じた最適予荷重値は、制御装置内の記憶手段か
ら比較手段に読み出され、この比較手段で実予荷重値と
の比較が行われる。両者が一致しないときには、比較手
段は比較結果を駆動制御手段に出力し、駆動制御手段は
予荷重付与装置の駆動を制御して外輪体に付与する予荷
重値を増減調整する。上記動作の繰り返しにより、軸受
の外輪体に付与される実予荷重値は主軸の回転数に応じ
た最適のものにすることができる。

【０００６】

【実施例】本発明の好適な一実施例を図面に従って詳細
に説明する。図１は本発明の予荷重調整装置を設けた主
軸頭の主要部の断面図である。先端にツールＴが着脱自
在に装着される主軸２は、軸受３，４によりハウジング
１内で回転自在に支持されている。軸受３，４として
は、主軸２に外嵌された内輪体４ｂと外輪体４ａとの間
に回転自在なローラやボールである転動体４ｃを介在さ
せてなる玉軸受（アンギュラ玉軸受やみぞ玉軸受等）や
ころ軸受（円筒ころ軸受や円すいころ軸受等）が一般的
である。外輪体４ａは、ハウジング１内に設けられた戻
しばねやゴムなどの弾性体からなる付勢手段９により、
外輪体４ａの一側面と係合する係合部材９ａを介して、
一側面側から常時主軸先端に向けて付勢されている。こ
の付勢手段９は、外輪体４ａの一側面に沿って均等間隔
で複数箇所（この実施例では３か所）に設けられてい
る。また、軸受４の外輪体４ａには、外輪体４ａの他側
面と係合できるつば部７ａを有する環状のリテーナ７
が、軸受４と同心状に外嵌されている。

【０００７】軸受４を挟んで付勢手段９の反対側には、
リテーナ７のつば部７ａを介して外輪体４ａの他側面を
押圧し、付勢手段９の付勢力に抗して外輪体４ａに所定
の予荷重を付与する予荷重付与装置５が設けられてい
る。この予荷重付与装置５は、軸受４よりも主軸先端側
のハウジング１内に形成された挿着部１ａに嵌装されて
いるとともに、付勢手段９と同様に外輪体４の他側面に
沿って均等間隔で３か所に設けられている。なお、図１
において符号８ａは予荷重付与装置５を駆動するための
リード線や圧力流体の供給管である。

【０００８】前記した予荷重付与装置５としては、電圧
を印加または電荷量を注入することにより軸方向に延伸
する性質を有する電歪素子からなる公知のピエゾアクチ
ュエータとしてもよいし、ハウジング１外に設けられた
コンプレッサや油圧ポンプなどの図示しない流体供給装
置により所定圧力の圧力流体を発生させ、前記圧力流体
を供給されることにより駆動するエアシリンダや油圧シ
リンダなどの流体圧シリンダとしてもよい。このような
ピエゾアクチュエータを用いたものは、印加電圧または
注入電荷量を変化させることにより外輪体４ａに付与す
る予荷重値を微細に調整することができ、主軸回転数の
変化に応じて予荷重値を精密に調整できるという利点が
ある。

【０００９】予荷重付与装置５の一端は挿着部１ａ内で
ハウジング１の内壁に当接し、他端は圧力センサなどの
予荷重検出装置６を挟んでリテーナ７のつば部７ａに当
接している。予荷重検出装置６としては、セラミックや
水晶などピエゾ効果を有する物質間に電極を配置してな
る圧力センサ（ピエゾセンサ）を使用することができ
る。予荷重付与装置５により予荷重検出装置６に押圧力
が付与されると、電極間に電荷を生じる。この電荷によ
り電圧が発生し、この電圧は前記押圧力に比例してい
る。リード線８ｂを介して電圧信号または電荷を送出し
演算処理することにより、外輪体４ａに付与される実際
の予荷重値（実予荷重値）を求めることができる。な
お、予荷重検出装置６はリテーナ７と予荷重付与装置５
との間に限らず、ハウジング１の内壁と予荷重付与装置
５との間に設けるものとしてもよい。

【００１０】また、予荷重検出装置６を前記したような
ピエゾセンサとした場合には、同様の電歪素子からなる
ピエゾアクチュエータと組み合わせることにより、予荷
重付与装置５と予荷重検出装置６を一体に構成すること
ができるようになる。図２は、予荷重検出装置を一体に
内蔵した予荷重付与装置の説明図にかかり、その縦断面
図である。薄肉円筒状のケース体１０内には、ピエゾ効
果を有する物質の両側を薄膜状の電極１１，１１・・で
挟んでなる電歪素子１２，１２・・が非常に薄肉の円筒
体であるケース体１０の軸線に沿って複数個積層されて
いる。積層された電歪素子１２，１２・・の一端は絶縁
板１３を介してボルト１５によりケース体１０の底部に
固定され、他端はケース体１０内に嵌装された支持部材
１７にボルト１６によって固定されている。また、外輪
体４ａ側に開口するケース体１０の開口部１０ａにはキ
ャップ１８が螺入され、支持部材１７と当接している。
すなわち、電歪素子１２，１２・・は、両端を拘束され
た状態でケース体１０内に封入されているわけである。

【００１１】積層された複数個の電歪素子１２，１２・
・のうち、一端側から所定長さ部分は，電圧の印加また
は電荷量の注入により軸線方向に延伸するアクチュエー
タ部Ａで、他端側の残りの部分は、アクチュエータ部Ａ
の延伸により付与される押圧力に比例して電圧または電
荷を生じさせるセンサ部Ｂである。アクチュエータ部Ａ
とセンサ部Ｂとは絶縁板１３によって仕切られている。
また、アクチュエータ部Ａおよびセンサ部Ｂを構成する
各電歪素子１２，１２・・の電極１１，１１には、それ
ぞれリード線１８ａ，１８ｂが接続されている。一方の
リード線１８ａからアクチュエータ部Ａを構成する電歪
素子１２，１２・・に電圧が印加または電荷量が注入さ
れると、アクチュエータ部Ａが軸方向に延伸し、ケース
体１０を軸方向に膨張させるとともにリテーナ７を介し
て外輪体４ａの他側面を押圧する。これにより、センサ
部Ｂに押圧力が付与されるので、センサ部Ｂを構成する
電歪素子１２，１２・・の電極１１，１１間に電圧また
は電荷が生じる。この電圧または電荷信号は、他方のリ
ード線１８ｂを経て増幅器等に送出される。発生する電
圧の大きさと実予荷重値とは比例関係にあるので、前記
電圧信号を演算処理することにより実予荷重値を求める
ことができる。このように、予荷重検出装置６を一体に
組み込んだ予荷重付与装置５によれば、工作機械の組み
立て時における予荷重調整装置の取り付けが容易になる
ほか、故障等が生じた場合にも予荷重付与装置５および
予荷重検出装置６を一体として交換すればよいので、保
守，点検が極めて容易になるという特徴がある。

【００１２】次に、予荷重検出装置６により検出された
実予荷重値に基づいて予荷重付与装置の作動を制御する
制御手順を、図３の制御ブロック図に従って説明する。
図３において（ａ）は予荷重付与装置がピエゾアクチュ
エータ５ａである場合の制御ブロック図の一例で、
（ｂ）は予荷重付与装置が流体圧シリンダ５ｂである場
合の制御ブロック図の一例である。まず、図３（ａ）で
示すピエゾアクチュエータ５ａの場合について説明す
る。制御装置２０内に設けられた記憶手段としてのメモ
リ２１には、主軸回転数に応じた最適予荷重値が予め記
憶されている。主軸回転数と最適予荷重値とは反比例の
関係にあり、主軸回転数と最適予荷重値との関係を示す
データから主軸回転数に応じた最適予荷重値を容易に求
めることができる。主軸回転数が制御装置２０に入力さ
れると、制御装置２０はメモリ２１から当該主軸回転数
に応じた最適予荷重値を読み出して比較回路２２に送信
する。一方、予荷重検出装置６から出力された電圧信号
は、増幅器２４で増幅され、演算処理部２５で実予荷重
値が求められる。なお、予荷重検出装置６からの出力が
電荷の場合には、チャージアンプ（電荷増幅器）により
電荷が電圧に変換されるとともに増幅され、演算処理部
２５で実予荷重が求められる。

【００１３】この実予荷重値は比較回路２２で最適予荷
重値と比較される。この比較結果が、実予荷重値＜最適
予荷重値の場合には、電荷注入回路２３ａがピエゾアク
チュエータ５ａに電荷量を注入し、ピエゾアクチュエー
タ５ａによる外輪体４ａ（図１参照）の押圧力を増大さ
せる。一方、実予荷重値＞最適予荷重値の場合には、電
荷放出回路２３ｂがピエゾアクチュエータ５ａの注入電
荷量を減少させて前記押圧力を低減させる。図において
符号２３ｃは、電荷注入回路２３ａおよび電荷放出回路
２３ｂの高圧電源である。ピエゾアクチュエータ５ａの
駆動による押圧力の増減調整結果は、予荷重検出装置６
により検出され、演算処理部２５を経て比較回路２２に
フィードバックされる。そして、上記した動作は、実予
荷重値と最適予荷重値が一致するまで繰り返される。

【００１４】次に、図３（ｂ）で示す流体圧シリンダ５
ｂの場合について説明する。なお、この場合、流体圧シ
リンダ５ｂを駆動させる部分（図において符号２３
ａ′，２３ｃ′で示す部分）を除いては、図３（ａ）の
ピエゾアクチュエータ５ａの場合と変わりがないので、
図３（ａ）と同一の部分には同一の符号を付して詳しい
説明は省略する。比較回路２２による比較結果が、実予
荷重値＜最適予荷重値の場合には、比例電磁式リリーフ
弁や比例電磁式減圧弁等からなる比例電磁式圧力調整弁
２３ａ′が流体圧シリンダ５ｂにエアや圧油などの圧力
流体を供給し、流体圧シリンダ５ｂによる外輪体４ａ
（図１参照）の押圧力を増大させる。一方、実予荷重値
＞最適予荷重値の場合には、比例電磁式圧力調整弁２３
ａ′が流体圧シリンダ５ｂに供給する流体の圧力を減少
させて前記押圧力を低減させる。図において符号２３
ｃ′は、流体圧シリンダに圧力流体を供給するための圧
力流体供給装置である。上記した動作は、図３（ａ）の
場合と同様、実予荷重値と最適予荷重値が一致するまで
繰り返される。

【００１５】本発明の好適な実施例を説明してきたが、
本発明はこの実施例に限定されるものではない。例え
ば、予荷重付与装置５や付勢手段９は外輪体４ａの側面
に沿って均等間隔で３か所に設けるものとしたが、外輪
体４ａに均等に予荷重を付与できるものであれば２か所
でもよく、また、４か所以上であっても構わない。

【００１６】

【発明の効果】本発明は上記のように構成されているの
で、以下のような効果を奏する。実予荷重値を検出する
ための予荷重検出装置を、外輪体の側面を通して軸受を
押圧して予荷重を付与する予荷重付与装置と同一の軸線
上に設けたので、主軸回転数の増加にともなう軸受の温
度上昇による軸方向の熱変位の影響を受けることがな
く、正確な実予荷重値を求めることができ、主軸回転数
に応じた最適な予荷重を外輪体に付与して高精度な加工
を行うことができる。また、圧力センサを用いることに
より予荷重検出装置の寿命が長くなって信頼性の高い主
軸軸受の予荷重調整装置を得ることができる。そのう
え、予荷重調整装置の組み付けを容易に行うことができ
る。また、電歪素子からなるピエゾアクチュエータやピ
エゾセンサを用いることにより、予荷重検出装置を内蔵
した両者一体型の予荷重付与装置を得ることができ、構
成が極めて簡素なものになるうえ、精密な予荷重の調整
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかり、予荷重調整装置を設
けた主軸主要部の断面側面図である。

【図２】電歪素子からなる予荷重検出装置を一体に内蔵
した予荷重付与装置の一実施例にかかり、その縦断面図
である。

【図３】予荷重付与装置の駆動を制御する制御ブロック
図で、（ａ）は予荷重付与装置がピエゾアクチュエータ
の場合、（ｂ）は予荷重付与装置が流体圧シリンダの場
合である。

【符号の説明】

１ ハウジング ２ 主軸 ３，４ 転がり軸受 ４ａ 外輪体 ５ 予荷重付与装置 ６ 予荷重検出装置 ７ リテーナ ９ 付勢手段 １０ ケース体 １１ 電極 １２ 電歪素子 ２０ 制御装置 ２１ メモリ（記憶手段） ２２ 比較回路（比較手段） ２３ａ 電荷注入回路 ２３ａ′ 比例電磁式圧力調整弁 ２３ｂ 電荷放出回路 ２３ｃ 高圧電源 ２３ｃ′ 圧力流体供給装置 ２４ 増幅器 ２５ 演算処理部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作機械の主軸を回転自在に支持する転
   がり軸受の外輪体に予荷重を付与するとともに、前記主
   軸の回転数の変化に応じて前記予荷重を増減調整するこ
   とのできる主軸軸受の予荷重調整装置であって、 前記外輪体の一側面から付勢力を常時一方向側に付与す
   る付勢手段と、 この付勢手段に抗して前記外輪体の他側面を他方向側に
   押圧し、前記外輪体を通じて前記転がり軸受に所定の予
   荷重を付与する予荷重付与装置と、 この予荷重付与装置と同一の軸線上に設けられ、前記予
   荷重付与装置によって前記外輪体に付与される実予荷重
   値を検出するための予荷重検出装置と、 主軸回転数に最適の予荷重値を記憶する記憶手段と、主
   軸回転数に応じて前記記憶手段から読み出された最適予
   荷重値と前記予荷重検出手段が検出した実予荷重値とを
   比較する比較手段と、この比較結果が一致しないときに
   前記実予荷重値に基づいて前記予荷重付与装置の駆動を
   制御する駆動制御手段とからなる制御装置と、 からなることを特徴とする主軸軸受の予荷重調整装置。
2. 【請求項２】 前記予荷重付与装置は、電圧を印加また
   は電荷量を注入することにより軸線方向に延伸する電歪
   素子であることを特徴とする請求項１に記載の主軸軸受
   の予荷重調整装置。
3. 【請求項３】 前記予荷重検出装置は、圧力を加えるこ
   とにより電極間に電荷を生じる電歪素子であることを特
   徴とする請求項１または請求項２に記載の主軸軸受の予
   荷重調整装置。