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【発明の名称】 工作機械
【発明者】 【氏名】石神 隆之

【要約】 【課題】かつぎ(加工中のクイルの曲げ変位で復元力で元に戻る)を小さくし、これにより、加工精度を向上させた工作機械を提供する。

【構成】砥石2は、クイル12を介して回転軸11に支持されており、クイル12の先端部に、延長軸部28が設けられている。回転軸11を非接触支持する磁気軸受13,14,15とは別に、延長軸部28をラジアル方向に非接触支持する補助ラジアル軸受30が設けられている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ケーシング、ケーシング内に配置された回転軸、および回転軸を支持する複数の軸受を有するスピンドル装置と、回転軸先端にクイルを介して支持される工具とを備えている工作機械において、
工具から軸方向に突出するようにクイルに設けられた延長軸部と、延長軸部をラジアル方向に非接触支持する補助ラジアル軸受とをさらに備えていることを特徴とする工作機械。
【請求項2】
補助ラジアル軸受は、制御型ラジアル磁気軸受であり、その近傍にラジアル変位センサが設けられている請求項1の工作機械。
【請求項3】
スピンドル装置は、ラジアル磁気軸受、ラジアル変位センサおよび制御装置を有する磁気軸受スピンドルであり、スピンドル装置の制御装置によって、補助ラジアル軸受も制御されている請求項2の工作機械。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
この発明は、内面研削盤などの工作機械に関する。
【背景技術】
【0002】
内面研削盤は、図2に示すように、回転軸(41)の先端にクイル(42)を介して取り付けられた円筒状研削砥石(43)を有しており、この砥石(43)の外周面がワーク(W)の内周面に当てられて研削が行われる。すなわち、砥石(43)は、回転軸(41)に片持ち支持された状態でワーク(W)に当てられ、この結果、ワーク(W)から軸方向に対して直交する方向の力を受ける。内面研削盤では、その片持ち支持という特性上、研削精度が悪化するかつぎ(研削抵抗により研削中にクイル(42)が回転中心軸に対して曲がり、研削後に砥石(43)をワーク(W)から離そうとした際、クイル(42)の曲げが復元力で元に戻ることによりワーク(W)を削る現象)の問題が発生する。
【0003】
研削抵抗によるクイルの曲がりに対処する研削盤として、特許文献1には、砥石の前進端と後進端とにおける研削力の差からワークの円筒度を測定する円筒度測定手段と、円筒度測定結果に基づいて砥石が取り付けられた回転軸をワークに対して傾斜させる傾斜手段とを備えたものが提案されている。
【特許文献1】特開平5−16068号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記特許文献1のものは、かつぎの大きさ自体を小さくするものではなく、また、円筒度を実用的に精度よく求めることが困難であるため、かつぎに伴う精度の悪化を十分に解消することができないという問題があった。
【0005】
この発明の目的は、かつぎを小さくし、これにより、加工精度を向上させた工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この発明による工作機械は、ケーシング、ケーシング内に配置された回転軸、および回転軸を支持する複数の軸受を有するスピンドル装置と、回転軸先端にクイルを介して支持される工具とを備えている工作機械において、工具から軸方向に突出するようにクイルに設けられた延長軸部と、延長軸部をラジアル方向に非接触支持する補助ラジアル軸受とをさらに備えていることを特徴とするものである。
【0007】
工作機械は、たとえば内面研削盤などのように、回転駆動される回転軸の先端に砥石(またはその他の工具)が取り付けられたスピンドル装置を備えたものとされる。工作機械は、内面研削盤以外の研削装置や切削装置とすることもできる。
【0008】
スピンドル装置は、例えば、ケーシング、ケーシング内に水平または垂直に配置された回転軸、回転軸を非接触支持する1つの制御型アキシアル磁気軸受および前後または上下の2つの制御型ラジアル磁気軸受、ならびに、回転軸のアキシアル方向の位置を検出するための1つのアキシアル変位センサおよび回転軸のラジアル方向の位置を検出するための前後または上下の2つのラジアル変位センサを備えているものとされる。ここで、各磁気軸受および各変位センサは、公知のものであり、通常、各ラジアル磁気軸受は、X軸方向磁気軸受およびY軸方向磁気軸受からなるものとされ、各ラジアル変位センサは、X軸方向変位センサおよびY軸方向変位センサからなるものとされる。
【0009】
スピンドル装置の軸受装置を構成する軸受は、磁気軸受に限られるものではなく、磁気軸受に代えて、静圧軸受を使用することもできる。
【0010】
砥石は、例えば、クイルに設けられためねじ部に止めネジをねじ込むことでクイルに着脱自在に取り付けられる。クイルは、例えば、おねじ部やテーパ部を有しているものとされ、回転軸の先端に設けられためねじ部またはテーパ孔部にねじ込みまたは嵌め合わせられることによって、回転軸に着脱自在に取り付けられる。
【0011】
延長軸部は、例えば、クイルの全長が長くなされて、その中間部分に工具が取り付けられるようになされることで形成される。延長軸部は、クイルと別体とされて、クイル先端に固定されるようにしてもよい。
【0012】
補助ラジアル軸受は、例えば、磁気軸受とされるが、静圧軸受としてもよい。スピンドル装置の軸受装置を構成するラジアル軸受と補助ラジアル軸受とは、同じ種類とされることが好ましい。
【0013】
加工(例えば研削)中は、工具側ラジアル軸受および反工具側ラジアル軸受が制御装置によって制御されることで、回転軸は、工具側ラジアル軸受および反工具側ラジアル軸受によって、所定位置に非接触支持される。補助ラジアル軸受は、ワークと工具との間に作用する力を減少させるように制御され、この結果、砥石のクイルの曲がりによる復元力は小さくなり、かつぎに伴う加工精度低下が抑えられる。
【0014】
磁気軸受を使用する場合の磁気軸受制御装置は、各制御軸(X軸およびY軸)の電磁石制御信号出力手段、電磁石駆動手段などを有しており、電磁石制御信号出力手段は、各制御軸の1対の電磁石に対する励磁電流信号を出力し、電磁石駆動手段は、該1対の電磁石に対して、励磁電流信号に比例する励磁電流を供給する。各電磁石に対する励磁電流信号は、定常電流信号と制御電流信号を合わせたものであり、各電磁石に供給する励磁電流は、定常電流と制御電流を合わせたものである。定常電流(および定常電流信号)は、回転軸の該制御軸方向の位置にかかわらず、一定の値である。制御電流(および制御電流信号)は、回転軸の該制御軸方向の位置によって変化する。各制御軸の1対の電磁石について、制御電流(および制御電流信号)の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆である。
【0015】
補助ラジアル軸受が制御型ラジアル磁気軸受の場合、その近傍にラジアル変位センサが設けられていることが好ましく、スピンドル装置は、ラジアル磁気軸受、ラジアル変位センサおよび制御装置を有する磁気軸受スピンドルであり、スピンドル装置の制御装置によって、補助ラジアル軸受も制御されているものとすることがより好ましい。
【発明の効果】
【0016】
この発明の工作機械によると、クイル先端部に設けられた延長軸部を補助ラジアル軸受で制御するにより、片持ち支持でなく両持ち支持とすることができ、ワークと工具との間に作用する力を減少させるように補助ラジアル軸受を制御することにより、かつぎが小さくなって、加工精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【0018】
図1は、この発明による工作機械を示している。
【0019】
この工作機械は、内面研削用であり、ワーク(W)の内面を研削する砥石(工具)(2)が取り付けられた磁気軸受スピンドル(1)と、内面が被研削面であるワーク(W)を保持して回転させるワーク保持台(3)と、磁気軸受スピンドル(1)を軸方向に移動させるスピンドル移動手段(図示略)と、ワーク保持台(3)を磁気軸受スピンドル(1)に対して相対的に移動させて砥石(2)にワーク(W)に対する切込み動作を行わせるワーク保持台移動手段(図示略)と、磁気軸受スピンドル(1)の軸方向延長線上に設けられた補助軸受装置(5)とを備えている。
【0020】
磁気軸受スピンドル(1)は、鉛直円筒状のケーシング(10)の内側で鉛直軸状の回転軸(11)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転軸(11)の鉛直な軸方向(アキシアル方向)の制御軸(アキシアル制御軸)をZ軸、Z軸と直交するとともに互いに直交する2つの水平な径方向(ラジアル方向)の制御軸(ラジアル制御軸)をX軸およびY軸とする。
【0021】
砥石(2)は、クイル(12)を介して回転軸(11)下端に支持されている。そして、クイル(12)先端部(下端部)には、延長軸部(28)が設けられている。延長軸部(28)は、回転軸(11)と同軸であり、砥石(2)から軸方向下方に突出させられている。
【0022】
磁気軸受スピンドル(1)の機械本体部分には、回転軸(11)を軸方向に非接触支持する1組の制御型アキシアル磁気軸受(13)、回転軸(11)を径方向に非接触支持する上下2組の制御型ラジアル磁気軸受(14)(15)、回転軸(11)のアキシアル方向の変位を検出するための1個のアキシアル変位センサ(16)と、回転軸(11)のラジアル方向の変位を検出するための上下2組のラジアル変位センサ(17)(18)と、回転軸(11)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(19)、ならびに回転軸(11)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転軸(11)を磁気軸受(13)(14)(15)で支持していないときに回転軸(11)を機械的に支持する上下2組のタッチダウン用の保護軸受(20)(21)が設けられている。
【0023】
磁気軸受スピンドル(1)のコントローラ部分には、センサ回路(22)、AD変換器(23)、DSP(ディジタル信号処理プロセッサ)(24)、DA変換器(25)、電磁石駆動回路(26)およびインバータ(27)が設けられている。
【0024】
アキシアル磁気軸受(13)は、回転軸(11)の中間部に一体に形成されたフランジ部(11a)をZ軸方向の両側から挟むように配置された1対のアキシアル電磁石(13a)(13b)を備えている。
【0025】
アキシアル変位センサ(16)は、回転軸(11)の上端面にZ軸方向の上側から対向するように配置され、回転軸(11)の上端面との距離(空隙)に比例する距離信号を出力する。
【0026】
2組のラジアル磁気軸受(14)(15)は、回転軸(11)の上下端部近傍に配置されており、上側のラジアル磁気軸受(14)とアキシアル磁気軸受(13)との間にモータ(19)が配置されている。各ラジアル磁気軸受(14)(15)は、回転軸(11)をX軸方向の両側からおよびY軸方向の両側から挟むように配置された2対のラジアル電磁石(14a)(15a)を備えている。
【0027】
上側のラジアル変位センサ(17)は、上側のラジアル磁気軸受(14)の近傍上方に配置されており、下側のラジアル変位センサ(18)は、下側のラジアル磁気軸受(7)の近傍下方に配置されており、各ラジアル変位センサ(17)(18)は、回転軸(11)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
【0028】
保護軸受(20)(21)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(20)(21)の外輪がケーシング(10)に固定され、内輪が回転軸(11)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。2組の保護軸受(20)(21)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも1組は軸方向の支持も可能なものである。運転停止あるいは停電などによって磁気軸受(13)(14)(15)が作動していない状態では、回転軸(11)は保護軸受(20)(21)に支持される。
【0029】
センサ回路(22)は、各変位センサ(16)(17)(18)を駆動し、各変位センサ(16)(17)(18)の出力に基づいて、回転軸(11)の軸方向の変位、ならびに上下のラジアル変位センサ(17)(18)の部分におけるX軸方向およびY軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をAD変換器(23)を介してDSP(24)に出力する。
【0030】
DSP(24)は、AD変換器(23)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(13)(14)(15)の各電磁石(13a)(13b)(14a)(15a)に対する制御電流値を求め、一定の定常電流値に制御電流値を加えた励磁電流信号をDA変換器(25)を介して電磁石駆動回路(26)に出力する。そして、駆動回路(26)は、DSP(24)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する各磁気軸受(13)(14)(15)の各電磁石(13a)(13b)(14a)(15a)に供給し、これにより、回転軸(11)が所定の目標位置に非接触される。DSP(24)は、また、モータ(19)に対する回転数指令信号をインバータ(27)に出力し、インバータ(27)は、この信号に基づいて、モータ(19)の回転数を制御する。そして、その結果、回転軸(11)が、磁気軸受(13)(14)(15)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(19)により高速回転させられる。
【0031】
補助軸受装置(5)は、延長軸部(28)と同心の円筒状で磁気軸受スピンドル(1)の支持台(図示略)に固定されているケーシング(29)と、延長軸部(28)を径方向に非接触支持する2組の補助ラジアル磁気軸受(30)と、延長軸部(28)のラジアル方向の変位を検出するための1組のラジアル変位センサ(31)とを備えている。
【0032】
補助ラジアル磁気軸受(30)およびラジアル変位センサ(31)は、磁気軸受スピンドル(1)で使用されているものと同種のもので、補助ラジアル磁気軸受(30)は、延長軸部(28)をX軸方向の両側からおよびY軸方向の両側から挟むように配置された2対のラジアル電磁石(30a)を備えており、ラジアル変位センサ(31)は、補助ラジアル磁気軸受(30)の近傍下方に配置されて、延長軸部(28)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。
【0033】
補助軸受装置(5)は、従来片持ち支持であった砥石を両持ち支持するためのもので、その制御は、磁気軸受スピンドル(1)の制御装置であるDSP(24)によって行われている。
【0034】
すなわち、補助軸受装置(5)のラジアル変位センサ(31)は、センサ回路(22)によって駆動され、センサ回路(22)は、この変位センサ(31)の出力に基づいて、延長軸部(28)のX軸方向およびY軸方向の変位を演算し、その演算結果である変位信号をAD変換器(23)を介してDSP(24)に出力する。そして、DSP(24)は、AD変換器(23)から入力する変位信号に基づいて、補助ラジアル磁気軸受(30)の各電磁石(30a)に対する制御電流値を求め、一定の定常電流値に制御電流値を加えた励磁電流信号をDA変換器(25)を介して電磁石駆動回路(26)に出力する。そして、駆動回路(26)は、DSP(24)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を補助ラジアル磁気軸受(30)の各電磁石(30a)に供給し、これにより、延長軸部(28)が所定の目標位置に非接触される。
【0035】
補助軸受装置(5)は、ワーク(W)と砥石(2)との間に作用する力を減少させるように制御され、この結果、クイル(12)の曲がりによる復元力は小さくなり、かつぎ(クイル(12)の曲げが復元力で元に戻ることによりワーク(W)を削る現象)に伴う加工精度低下が抑えられる。
【0036】
なお、上記実施形態では、回転軸(1)を垂直軸として示しているが、回転軸は水平軸であってもよい。
【0037】
また、スピンドル装置は、磁気軸受スピンドルとしたが、磁気軸受に限られるものではなく、スピンドル装置の軸受は、磁気軸受(14)(15)(16)に代えて静圧軸受を使用し、回転軸(11)を非接触支持する1組のアキシアル静圧軸受と、回転軸(11)を砥石(2)に近い側の位置においてラジアル方向に非接触支持する砥石側ラジアル静圧軸受と、回転軸(11)を砥石(2)から遠い側の位置においてラジアル方向に非接触支持する反砥石側ラジアル静圧軸受と、各静圧軸受を制御する制御装置とからなるものとしてもよい。この場合、補助ラジアル軸受も静圧軸受とされる。
【0038】
また、スピンドル装置を玉軸受などの転がり軸受で回転軸を支持する形式とし、補助軸受装置(5)を上記構成として、これを単独で制御するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】図1は、この発明による工作機械の実施形態を示す主要部の概略構成図である。
【図2】図2は、従来の工作機械の問題点を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【0040】
(1) スピンドル装置
(2) 砥石(工具)
(10) ケーシング
(11) 回転軸
(14) 上側(反工具側)ラジアル軸受
(15) 下側(工具側)ラジアル軸受
(24) DSP(制御装置)
【出願人】 【識別番号】000001247
【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト
【出願日】 平成18年7月25日(2006.7.25)
【代理人】 【識別番号】100083149
【弁理士】
【氏名又は名称】日比 紀彦

【識別番号】100060874
【弁理士】
【氏名又は名称】岸本 瑛之助

【識別番号】100079038
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邊 彰

【識別番号】100069338
【弁理士】
【氏名又は名称】清末 康子


【公開番号】 特開2008−23683(P2008−23683A)
【公開日】 平成20年2月7日(2008.2.7)
【出願番号】 特願2006−201520(P2006−201520)