专利名称：主轴装置的制作方法
主轴装置本申请请求2009年7月21日申请的日本专利申请号2009-169754的优先权的权 利，在本申请中援引其日本专利申请的说明书、附图以及摘要的全部内容。技术区域本发明涉及在机床等中使用的主轴装置。
背景技术：
例如，在加工中心(machining center)中的主轴装置中，为了维持主轴的旋转精 度和主轴的刚性，对轴支承主轴的轴承赋予轴线方向的预压。作为赋予该预压的方式，提出 有根据主轴的旋转速度切换预压的预压切换方式。例如，在日本特开昭60-139911号公报 中公开了如下的预压切换方式设置根据主轴的旋转速度沿轴向推压轴承的外圈的驱动单 元，仅当主轴的旋转速度比预定值大时利用驱动单元推压轴承的外圈而使驱动轴承的外圈 变位，使内外隔圈(spacer)的尺寸差减少，从而使施加于轴承的预压减少。在日本特开昭60-139911号公报所记载的预压切换方式中，仅伴随着主轴的旋转 速度的上升使预压阶段性地下降，完全没有考虑装配于主轴的刀具所进行的加工的种类或 加工的状态。
发明内容
本发明就是鉴于上述情形而做出的，本发明的目的在于提供一种通过赋予与装配 于主轴的刀具所进行的加工的种类、加工的状态对应的最佳的预压，能够确保必要的刚性， 并且能够实现轴承的长寿命化的主轴装置。本发明的特征在于，通过根据实际加工中的主轴的状态变化控制对用于轴支承主 轴的滚动轴承赋予的预压量，能够以最佳的状态对主轴的旋转进行驱动控制。由此，能够确 保必要的刚性，并且能够实现轴承的长寿命化。本发明的第二特征在于，由于能够测定主轴的各种状态变化，因此，通过根据该状 态变化对预压量进行控制，能够以最佳的状态对主轴的旋转进行驱动控制。本发明的第三特征在于，当利用从加工信息求出的预压量的初始值对滚动轴承赋 予预压时，根据实际加工中的主轴的状态变化对预压量的初始值进行修正，并对预压量进 行控制而使其成为修正预压量。由此，能够以最佳的状态对主轴的旋转进行驱动控制从而 进行高精度的加工。本发明的第四特征在于，在修正预压量从作为可控区域的预压的范围脱离的情况 下，对修正预压量进行修正以使其包含在预压的范围内。即，由于实际上被控制的预压被限 制在预先设定的预压的范围内，因此能够确保滚动轴承的刚性，或者防止滚动轴承的发热 或面压力过度增加。本发明的第五特征在于，在修正预压量低于作为可控区域的预压的范围中的最小 预压的情况下，对修正预压量进行修正而使其包含在预压的范围内。即，由于实际上被控制 的预压被限制在预先设定的预压的范围内，因此能够确保滚动轴承的刚性，或者防止滚动
4轴承的发热或面压力过度增加。并且，由于在修正预压量超过作为可控区域的预压的范围 中的最大预压的情况下使主轴的旋转停止等，因此能够对主轴进行保护，即防止主轴的热
胶着等。本发明的第六特征在于，由于在对当前的预压量进行修正的过程中使用预先设定 的上升率或者下降率，因此能够在短时间内生成可得到最大效果的预压指令值。进而，由于 上升率或者下降率都根据旋转刀具的各个种类变化，因此能够分别提高利用不同的旋转刀 具加工的工件的各部位的加工精度。本发明的第七特征在于，最大预压是滚动轴承能够正常轴支承的预压，最小预压 是主轴能够正常旋转的预压，通过在最大预压和最小预压之间的范围对预压进行控制，能 够使主轴的旋转稳定，并且能够实现轴承的长寿命化。本发明的第八特征在于，由于主轴装置具有前侧滚动轴承和后侧滚动轴承，因此 能够通过控制对至少一方的轴承赋予的预压量而以最佳的状态对主轴的旋转进行驱动控 制，能够进行高精度的加工。本发明的第九特征在于，由于主轴装置具有前侧滚动轴承和后侧滚动轴承，因此， 通过以使对各轴承赋予预压量不同的方式进行控制，能够选择的主轴特性的范围进一步扩 大，因此能够得到更适合各种加工的主轴特性。本发明的上述以及其它的特征和优点能够通过参照附图的以下对实施方式的说 明变得明确，对于相同或相当的要素标注相同或相似的符号。
图I(A)是示出本发明的实施方式的主轴装置的整体构造的纵剖视图，图I(B)是 图I(A)的A部的放大剖视图。图2是图1 (A)的主轴装置的预压赋予控制装置的框图。图3是按照主轴的旋转速度设定轴承能够正常地轴支承主轴的最大预压和主轴 能够正常旋转的最小预压的图。图4是用于对图2的预压赋予控制装置的动作进行说明的流程图。图5是示出图2的预压赋予控制装置中的预压指令值的生成例的图。图6是图1 (A)的主轴装置的其他例的预压赋予控制装置的框图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的各实施方式进行说明。图1 (A)是示出本发明的实施方式的主轴装置的整体构造的纵剖视图，图1 (B)是 图I(A)的A部的放大剖视图，图2是图KA)的主轴装置的预压赋予控制装置的框图。另 外，在图KA)中，左右方向为轴线方向，设左方为前方。如图I(A)所示，基于本实施方式的 主轴装置1具有大致圆筒状的主轴壳体11，该主轴壳体11在内周部具有收容空间110 ；主 轴12，该主轴12配设在收容空间110内；以及用于轴支承该主轴12的前侧部的两对第一 前侧滚动轴承131、第二前侧滚动轴承132和用于轴支承主轴12的后侧部的后侧滚动轴承 133。进一步，该主轴装置1还具有作为主轴状态测定单元的变位传感器2，该变位传感器 2用于测定伴随着旋转刀具T所进行的加工的主轴12的状态变化；预压赋予装置3 (相当于本发明的“预压赋予单元”)，该预压赋予装置3用于对第一和第二前侧滚动轴承131、132 赋予轴线方向的预压；以及预压赋予控制装置4(相当于本发明的“预压赋予控制单元”)， 该预压赋予控制装置4用于控制根据利用变位传感器2测定的主轴状态由预压赋予装置3 赋予第一和第二前侧滚动轴承131、132的预压量。在主轴12的旋转轴中心形成有沿轴线方向延伸的杆孔(rod hole) 121。杆孔121 沿轴线方向贯通主轴12，且在前端形成有刀具安装用锥部121a。在刀具安装用锥部121a 的后方形成有开口夹(collet)收容部121b，在开口夹收容部121b的后方形成有直径比开 口夹收容部121b的直径大的弹簧收容孔121c。在弹簧收容孔121c的前端部固定有套筒 (sleeve) 122。杆15以能够沿轴线方向移动的方式收容在杆孔121内。杆15在长条状的 轴部件151的后端部固定有直径比轴部件151的直径达的止挡件152。进一步，在杆15的 前端装配有开口夹153。开口夹153设置成能够在半径方向扩大或缩小，从而形成为能够把 持旋转刀具T。在杆15被收容在杆孔121内的状态下，轴部件151的前端部能够与套筒122的 内周面进行滑动，止挡件152能够与弹簧收容孔121c进行滑动。并且，在弹簧收容孔121c 内的套筒122的后端部与止挡件152的前端面之间夹装有多个碟形弹簧(belleville spring) 16，从而杆15相对于主轴12始终被朝后方施力。在主轴12的后方设有液压缸17， 该液压缸17具有缸壳(cylinder housing) 171和活塞172，缸壳171与主轴壳体11 一体 化，活塞172以能够沿轴向移动的方式设在缸壳171内。当活塞172朝后方移动从而活塞 172与杆15之间的卡合被解除时，利用开口夹153把持旋转刀具T的杆15通过碟形弹簧 16的作用力相对于主轴12后退。进而，旋转刀具T嵌装于主轴12的刀具安装用锥部121a 并固定于主轴12。当活塞172朝前方移动从而活塞172与杆15卡合时，把持旋转刀具T的 杆15克服碟形弹簧16的作用力相对于主轴12前进。进而，开口夹153的直径扩大从而解 除对旋转刀具T的把持。变位传感器2由用于检测主轴12的半径方向的变位的径向变位传感器21和用于 检测主轴12的轴线方向的变位的轴向变位传感器22构成，根据这些变位传感器21、22的 检测值和主轴12的刚性等诸参数计算并求出作用于主轴12的负载。另外，也可以代替该 变位传感器2采用力传感器这样的能够直接测定负载的传感器。并且，作为用于测定伴随 着利用旋转刀具T进行的加工的主轴12的状态变化的主轴状态测定单元，除了利用变位传 感器21、22检测作用于主轴12的负载之外，也可以利用振动传感器检测主轴12的振动，或 者利用声音传感器检测由旋转刀具T所进行的加工产生的声音。第一和第二前侧滚动轴承131、132是角接触轴承，它们在前侧主轴壳体Ila的收 容空间110内的前方侧沿轴线方向并列设置，后侧滚动轴承133是圆柱滚子轴承，且配设在 收容空间110内的后方侧。第一和第二前侧滚动轴承131、132轴支承主轴12的旋转刀具 T侧即前侧部，后侧滚动轴承133轴支承主轴12的相对于旋转刀具T位于比主轴12的前 侧部更靠后侧的后侧部。在一对第一前侧滚动轴承131的内圈之间、一对第二前侧滚动轴 承132的内圈之间、以及第一前侧滚动轴承131和第二前侧滚动轴承132的内圈之间配设 有圆筒状的隔圈112a、112b、112c。主轴12的外周面嵌合于第一和第二前侧滚动轴承131、 132以及隔圈112a、112b、112c的内周部。进而，位于最前方的第一前侧滚动轴承131的内 圈抵接于形成在主轴12的前方端的凸缘部12a，螺合于主轴12的外周面的圆筒状的内圈按压件113抵接于位于最后方的第二前侧滚动轴承132的内圈。由此，第一和第二前侧滚动 轴承131、132以及隔圈112a、112b、112c被固定于主轴12的外周面。在一对第一前侧滚动轴承131的外圈之间、以及一对第二前侧滚动轴承132的外 圈之间配设有圆筒状的隔圈112d、112e。第一和第二前侧滚动轴承131、132以及隔圈112d、 112e由轴承支承筒111支承。该轴承支承筒111由大致圆筒状的套筒114、大致圆环状的 外圈按压件115以及大致圆筒状的活塞116构成。在套筒114的大致中央内周部形成有朝内侧突出的圆周凸部114a，在套筒114的 大致中央外周部形成有朝外侧突出的凸缘部114c。套筒114的比圆周凸部114a更靠前方 侧的内周部的内径形成为与第一前侧滚动轴承131以及隔圈112d的外径大致相同，套筒 114的比圆周凸部114a更靠后方侧的内周部的内径形成为与活塞116的外径大致相同。套 筒114的比凸缘部114c更靠前方侧的外周部的外径形成为与被分成两部分的前侧主轴壳 体Ila的一方(第一前侧主轴壳体llaa)的内径大致相同，套筒114的比凸缘部114c更靠 后方侧的外周部的外径形成为与比分成两部分的前侧主轴壳体Ila的另一方(第二前侧主 轴壳体Ilab)的内径大致相同。在外圈按压件Il5的一方的端面形成有沿轴向突出的凸台部115a。外圈按压件 115的凸台部115a的外径形成为与套筒114的比圆周凸部114a更靠前方侧的内周部的内 径(第一前侧滚动轴承131以及隔圈112d的外径)大致相同。外圈按压件115的外径形 成为与第一前侧主轴壳体Ilaa的外径大致相同。在活塞116的前侧内周部形成有朝内侧 突出的圆周凸部116a。活塞116的比圆周凸部116a更靠后方侧的内周部的内径形成为与 第二前侧滚动轴承132以及隔圈112e的外径大致相同。进而，第一前侧滚动轴承131以及隔圈112d嵌合在套筒114的比圆周凸部114a 更靠前方侧的内周部。第二前侧滚动轴承132以及隔圈112e嵌合在活塞116的比圆周凸 部116a更靠后方侧的内周部。进而，活塞116的外周面液密地嵌合在套筒114的比圆周凸 部114a更靠后方侧的内周部。第一前侧主轴壳体Ilaa嵌合在套筒114的比凸缘部114c 更靠前方侧的外周部，第二前侧主轴壳体Ilab嵌合在套筒114的比凸缘部114c更靠后方 侧的外周部。通过形成为上述结构，位于前方的第一前侧滚动轴承131的外圈抵接于外圈按压 件115的凸台部115a，位于后方的第一前侧滚动轴承131的外圈抵接于套筒114的圆周凸 部114a。位于前方的第二前侧滚动轴承132的外圈抵接于活塞116的圆周凸部116a，位于 后方的第二前侧滚动轴承132的外圈为自由状态。进而，套筒114、第一前侧主轴壳体llaa、 第二前侧主轴壳体Ilab以及外圈按压件115由从外圈按压件115的前端面贯穿装配的省 略图示的螺栓紧固并一体化，第二前侧主轴壳体Ilab通过省略图示的螺栓被紧固于用于 收容机内电动机(built in motor) 14的后侧主轴壳体lib并与之一体化。如图I(B)的A部放大剖视图所示，在活塞116的前方外周面形成有由小径部和大 径部构成的阶梯差116b，在套筒114的比圆周凸部114a更靠后方侧的内周面形成有由能够 与活塞116的小径部和大径部嵌合的大径部和小径部构成的阶梯差114b。进而，在各阶梯 差116b、114b之间形成有环状的液压缸31。从形成于套筒114的大致中央外周侧的凸缘部 114c的外周面穿设的油路32与该液压缸31连通。与预压赋予装置3连接的管路33连接 于该油路32。
预压赋予装置3由液压泵34、减压阀35以及安全阀36构成，该预压赋予装置3在 预压量控制单元40的控制下对液压缸31供给与主轴12的旋转速度等对应的液压。即，来 自液压泵34的最高液压由安全阀36控制，直到最高液压为止的范围内的任意的液压都由 减压阀35控制，并通过管路33和油路32供给至液压缸31。由此，在液压缸31中产生轴线 方向(前方和后方)的液压，活塞116被朝后方侧推压而推压第二前侧滚动轴承132的外 圈，因此对第二前侧滚动轴承132赋予预压，进一步，由于主轴12朝后方移动并推压第一前 侧滚动轴承131的内圈，因此也对第一前侧滚动轴承131赋予预压。机内电动机14的定子141安装于主轴壳体11的内周面。在定子141的半径方向 内侧，形成于主轴12的外周面的转子142与定子141对置。通过对由定子141和转子142 形成的机内电动机14供给电力，主轴12与定子142 —起旋转。主轴装置1在将旋转刀具T 安装于顶端的状态下使主轴12旋转，从而对未图示的工件实施加工。主轴12的旋转速度 由配设在主轴12的后方的非接触型的速度检测器123检测。如图2所示，预压赋予控制装置4具有预压初始值决定部41 (相当于本发明的 “预压初始值决定单元”)，该预压初始值决定部41根据主轴12的旋转数等决定利用预压赋 予装置3对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予的预压量的初始值；预压修正部42(相 当于本发明的“预压修正单元”)，该预压修正部42根据利用变位传感器2测定的负载对从 预压初始值决定部41输入的预压量的初始值进行修正从而得到修正预压量；预压指令值 生成部43(相当于本发明的“预压指令值生成单元”)，该预压指令值生成部43对从预压修 正部42输入的修正预压量进行修正，以使其包含在从预压范围存储部45 (相当于本发明 的“预压范围存储单元”)读取的赋予预压的范围内，并生成预压指令值；以及预压控制部 44 (相当于本发明的“预压控制单元”)，该预压控制部44利用来自预压指令值生成部43的 预压指令值对预压赋予装置3进行控制。预压初始值决定部41根据主轴12的旋转数、所使用的旋转刀具T的刀具信息、利 用旋转刀具T加工的工件(workpiece)的种类以及加工条件等中的一个条件或者多个条件 的组合决定预压量的初始值，并作为最适合上述各种条件的预压量。从键盘(keyboard)等 手动输入主轴12的旋转数、所使用的旋转刀具T的刀具信息、工件的种类以及加工条件等， 或者预先直接或间接地将上述条件写入数控程序，并根据这些信息利用预压初始值决定部 41计算预压量的初始值。另外，也可以预先求出最佳的预压量的初始值，并从键盘等直接输 入该预压量的初始值、或者经由数控程序等间接地输入该预压量的初始值。并且，当按照该 预压量的初始值利用预压赋予装置3对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予预压，并利 用旋转刀具T进行加工时，作用于主轴12的负载的适当值也与预压量的初始值一起被预先 输入预压控制装置4。预压修正部42对从变位传感器2得到的实际作用于主轴12的负载 和相对于预压量的初始值预先设定的预定的适当负载进行比较，并根据该比较结果在必要 的时候对从预压初始值决定部41输入的预压量的初始值进行修正从而得到修正预压量。例如当作用于主轴12的负载比预定的负载大时，预压修正部42进行使预压量按 照预先设定的上升率上升的修正，当作用于主轴12的负载比预定的负载小时，预压修正部 42进行使预压量按照预先设定的下降率下降的修正。作为预压量的初始值，虽然根据主轴 12的旋转数、所使用的旋转刀具T的刀具信息、利用旋转刀具T加工的工件的种类以及加工 条件等设定为最适合上述各种条件的预压量，但是，例如在旋转刀具T的锋利度下降、或者
8由于坯料形状的尺寸精度的偏差等导致加工余量(切削量，stock removal)变化从而主轴 12的状态变化时，预压量的初始值未必是最佳的预压量。因此，能够捕捉如上所述的主轴 12的状态变化、例如作用于主轴12的负载的变化，并根据负载的变化进行修正以使预压量 最佳。作为主轴12的状态变化，除了测定作用于主轴12的负载之外，还能够测定主轴12的 振动或者由旋转刀具T所进行的加工产生的声音。对于预压量的修正，例如，在加工负载较 大的铣削刀具中加大下降率(上升率)，在加工负载较小的球头立铣刀(ball end mill)中 减小下降率(上升率)。并且，即便是相同种类的刀具，针对直径大的刀具增大下降率(上 升率)，针对直径小的刀具减小下降率(上升率)。如图3所示，按照主轴12的旋转速度设定第一和第二前侧滚动轴承131、132能够 正常地轴支承主轴12的最大预压Pmax以及主轴12能够正常旋转的最小预压Pmin，并将 最大预压Pmax和最小预压Pmin之间的区域设定成预压赋予装置3的可控区域的表预先存 储在预压范围存储部45中。最大预压Pmax设定成随着主轴12的旋转速度变大而变小，最 小预压Pmin设定成随着主轴12的旋转速度变大而变大。由于最佳的预压根据主轴12的 旋转速度而不同，因此，作为可控区域的预压的范围也设定成根据主轴12的旋转速度而不 同，由此，能够对轴承赋予与主轴12的旋转速度对应的适当的预压。按照主轴12的旋转速度设定的最大预压Pmax是能够确保第一和第二前侧滚动轴 承131、132的刚性并使主轴12的刚性最高的极限值，按照主轴12的旋转速度设定的最小 预压Pmin是能够防止发热或面压力过度增加、并使第一和第二前侧滚动轴承131、132的寿 命最长的极限值。由此，预压赋予控制装置4对预压赋予装置3进行控制并对第一和第二 前侧滚动轴承131、132赋予如下的预压，由此能够以最佳的状态对主轴12的旋转进行驱动 控制，所述预压是根据主轴12的刚性以及第一和第二前侧滚动轴承131、132的长寿命化的 要求程度决定的最小预压Pmin以上最大预压Pmax以下的范围内的预压。当从预压修正部42输入的修正预压量脱离从预压范围存储部45读取的作为可控 区域的预压范围时，预压指令值生成部43对修正预压量进行修正而使其包含在预压范围 内，并生成作为预压指令值。预压控制部44对预压赋予装置3进行控制，以使对第一和第二 前侧滚动轴承131、132赋予的预压与从预压指令值生成部43输入的预压指令值一致。由 此，由于由预压控制部44实际控制的预压被限制在预先设定的预压的范围内，因此能够确 保第一和第二前侧滚动轴承131、132的刚性、或者防止第一和第二前侧滚动轴承131、132 的发热或面压力过度增加。在上述结构的主轴装置1中，参照图4的流程图对预压赋予控制装置4的动作进 行说明。首先，根据主轴12的旋转数、所使用的旋转刀具T的刀具信息、工件的种类以及加 工条件中的一个条件或者多个条件的组合决定利用预压赋予装置3对第一和第二前侧滚 动轴承131、132赋予的预压量的初始值(步骤1)。利用决定的预压量的初始值对预压赋予 装置3进行控制从而对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予轴线方向的预压(步骤2)。 当根据来自减压阀35的信号判定对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予的预压达到预 压量的初始值之后(步骤3)，利用指令的旋转速度指令值对机内电动机14进行驱动控制 而使主轴12旋转(步骤4)。当根据来自速度传感器123的测定信号判定主轴12的旋转 速度达到旋转速度指令值之后(步骤5)，利用来自变位传感器2的检测信号测定使主轴12 旋转时作用于主轴12的负载(步骤6)，并对测定负载和预先确定的预定的负载进行比较以
9判断二者的大小(步骤7)。当测定负载比预定的负载小时，求出使预压量以预先设定的下降率减少后的修正 预压量(步骤8)。此处，作为下降率，例如根据旋转刀具的种类设定成几％至几十％的范 围。另外，也可以并不设定比率而是设定绝对值。由此，能够在短时间内修正至能够得到最 大效果的修正预压量。进而，参照预压范围的表判断修正预压量是否在最小预压Pmin以上 (步骤9)。当修正预压量在最小预压Pmin以上时前进至步骤14，对预压赋予装置6进行控制 而将沿轴线方向对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予的预压量变更成修正预压量。进 而，在根据来自减压阀35的信号判断出对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予的预压达 到修正预压量之后(步骤15)，返回步骤6并根据来自变位传感器2的检测信号再次测定作 用于主轴12的负载并进行步骤7以后的处理。另一方面，在步骤9中，当修正预压量比最 小预压Pmin小时前进至步骤10，以最小预压Pmin作为修正预压量并前进至步骤14并进行 上述的处理。另外，在步骤9中，当修正预压量比最小预压Pmin小时，也可以不变更修正预 压量而是在保持低于最小预压Pmin的刚才的修正预压量的状态下返回步骤6并进行上述 的处理。另一方面，在步骤7中，当测定负载比预定的负载大时，求出使预压量以预先设定 的上升率增加后的修正预压量(步骤11)。此处，作为上升率，例如根据旋转刀具的种类设 定成几％至几十％的范围。另外，也可以不设定比率而是设定绝对值。由此，能够在短时间 内修正至能够得到最大效果的修正预压量。进而，参照预压范围的表判断修正预压量是否 在最大预压Pmax以下(步骤12)。当修正预压量在最大预压Pmax以下时前进至步骤14，对预压赋予装置6进行控制 而将沿轴线方向对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予的预压量变更成修正预压量。进 而，在根据来自减压阀35的信号使对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予的预压达到修 正预压量之后(步骤15)，返回步骤6并根据来自变位传感器2的检测信号再次测定作用于 主轴12的负载并进行步骤7以后的处理。另一方面，在步骤12中，当修正预压量比最大预 压Pmax大时前进至步骤13，将修正预压量作为最大预压Pmax并前进至步骤14进行上述的 处理。另外，在步骤12中，当修正预压量比最大预压Pmax大时，也可以不变更预压量而是 在保持超过最大预压Pmax的刚才的修正预压量的状态下返回步骤6并进行上述的处理。另一方面，在步骤7中，当测定负载与预定的负载大致相同即为适当时，判断主轴 12的旋转速度是否发生变更(步骤16)。当主轴12的旋转速度并未变更时，最小预压Pmin 和最大预压Pmax也不会变化因此预压量位于该区域内，故返回步骤6并进行上述的处理。 另一方面，在步骤16中，例如当由于在加工工序中利用主轴倍率修调(override)功能从而 主轴12的旋转速度变更时，最小预压Pmin和最大预压Pmax也变化，因此，参照预压范围的 表判断预压量是否在最小预压Pmin以上(步骤17)。当预压量在最小预压Pmin以上时， 进一步判断预压量是否在最大预压Pmax以下(步骤18)。当预压量在最大预压Pmax以下 时，由于预压量在预压赋予装置3的可控区域(最大预压Pmax和最小预压Pmin之间的区 域)的预压范围内，因此返回步骤6并进行上述的处理。另一方面，在步骤17中，当预压量比最小预压Pmin小时，前进至步骤10，以最小预 压Pmin作为预压量，前进至步骤14并进行上述的处理。另一方面，在步骤18中，当预压量比最大预压Pmax大时，前进至步骤13，以最大预压Pmax作为预压量，前进至步骤14并进行 上述的处理。另外，在一个加工工序结束，进行其他的加工工序的情况下，包含主轴旋转速 度的加工条件变化，在该情况下，返回步骤1并重新设定初始预压量。
根据图5对以上的各步骤进行简单地说明。当赋予预压量Pll的预压时的测定 负载比相对于预压量Pll预先设定的预定的负载小时(步骤7)，按照设定下降率对预压量 Pll进行修正并作为修正预压量P12 (步骤8)。进而，当修正预压量P12在最小预压PlO以 上时(步骤9)，按照修正预压量P12对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予轴线方向的 预压(步骤14、15)。进而，当赋予该预压时的测定负载与刚才所说的预定的负载大致相同 时(步骤7)，在该预压状态下对主轴12进行旋转控制。并且，当赋予预压量P21的预压时的测定负载比相对于预压量P21预先设定的预 定的负载小时(步骤7)，按照设定下降率对预压量P21进行修正并作为修正预压量P22 (步 骤8)。进而，当修正预压量P22在最小预压P20以上时(步骤9)，利用修正预压量P22对 第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予轴线方向的预压(步骤14、15)。进一步，当赋予该 预压时的测定负载比刚才所说的预定的负载小时(步骤7)，再次按照设定下降率对修正预 压量P22进行修正并作为修正预压量P23 (步骤8)。然而，当修正预压量P23低于最小预 压P20时(步骤9)，以最小预压P20作为修正预压量P22 (步骤10)，并在该预压状态下对 主轴12进行旋转控制。并且，当赋予预压量P31的预压时的测定负载比相对于预压量P31预先设定的预 定的负载大时(步骤7)，按照设定上升率对预压量P31进行修正并作为修正预压量P32 (步 骤11)。进而，当修正预压量P32在最大预压P30以下时(步骤12)，利用修正预压量P32 对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予轴线方向的预压(步骤14、15)。进而，当赋予该 预压时的测定负载与刚才所说的预定的负载大致相同时(步骤7)，在该预压状态下对主轴 12进行旋转控制。并且，当赋予预压量P41的预压时的测定负载比相对于预压量P41预先设定的预 定的负载大时(步骤7)，按照设定上升率对预压量P41进行修正并作为修正预压量P42 (步 骤11)。进而，当修正预压量P42在最大预压P40以下时(步骤12)，利用修正预压量P42 对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予轴线方向的预压(步骤14、15)。进一步，当赋予 该预压时的测定负载比刚才所说的预定的负载大时(步骤7)，再次以设定上升率对修正预 压量P42进行修正并作为修正预压量P43 (步骤11)。然而，当修正预压量P33超过最大预 压P40时(步骤12)，以最大预压P40作为修正预压量P43 (步骤13)，并在该预压状态下对 主轴12进行旋转控制。并且，当赋予预压量Pl的预压时的测定负载与相对于Pl预先设定 的预定的负载大致相同(步骤7)、且预压量Pl在预压范围内时(步骤17、18)，在该预压状 态下对主轴12进行旋转控制。此处，在图4的步骤12中，判断修正预压量是否比最大预压Pmax大，当修正预压 量比最大预压Pmax大时前进至步骤13，将修正预压量设为最大预压Pmax并前进至步骤14 进行上述的处理。但是，当修正预压量比最大预压Pmax大时，由于负载过大使得预压上升 而处于极限的状态，因此也可以发出异常警报，并通过采用使主轴12的旋转停止、或者使 主轴12的旋转数下降等方法实现对主轴12的保护、即防止主轴12的热胶着等。图6是与图2对应地示出能够进行主轴的保护的预压赋予控制装置的框图，对相同结构部赋予相同标号并省略详细的说明。该预压赋予控制装置5(相当于本发明的“预压 赋予控制单元”)形成为在图2所示的预压赋予控制装置4的结构上进一步附加主轴保护 部46(相当于本发明的“主轴保护单元”)的结构。当从预压修正部42输入的修正预压量 比从预压范围存储部45读取的最大预压Pmax大时，主轴保护部46发出异常警报，并使主 轴12的旋转停止、或者使主轴12的旋转数下降。伴随着附加这种主轴保护部46，预压指令 值生成部43中的处理以下述方式进行变更。即，在从预压修正部42输入的修正预压量比 从预压范围存储部45读取的最小预压Pmin小的情况下，预压指令值生成部43对修正预压 量进行修正使修正预压量在预压范围内再生成预压指令值。
另外，在上述的实施方式中，根据作用于主轴12的负载，以当负载变大时使预压 上升、当负载变小时使预压下降的方式进行控制。这是因为，针对作用于主轴12的负载增 大的情况，想要通过增大预压量而增加主轴12的刚性的方法进行应对。作为与此不同的途 径(approach)，能够通过不仅增大主轴12的刚性、还改变主轴12的刚性和衰减性的组合 的方法进行应对。该方法特别是在通过主轴12的振动、旋转刀具T进行加工而产生的声音 捕捉主轴12的状态变化的情况下是特别有效的。作为具体的应对的方法，如后面所述，对 第一和第二前侧滚动轴承131、132以及后侧滚动轴承133赋予不同的预压量，例如作为主 轴12的状态变化在振动增加的情况下，适当地组合通过增加对第一和第二前侧滚动轴承 131、132赋予的预压量使主轴12的刚性增加的作用和通过减少对后侧滚动轴承133赋予的 预压量使主轴12的衰减性增加的作用。并且，在上述的实施方式中，对下述结构的主轴装置1进行了说明作为轴支承主 轴12的旋转刀具T侧即前侧部的轴承配置两对第一和第二前侧滚动轴承131、132，作为对 主轴12的相对于旋转刀具T位于比主轴12的前侧部更靠后侧的后侧部进行轴支承的轴承 配置后侧滚动轴承133，并对第一和第二前侧滚动轴承131、132赋予预压，但是，也可以是 下述结构的主轴装置将后侧滚动轴承133由圆柱滚子轴承变更为角接触轴承或者圆锥滚 子轴承、并且设置用于对变更后的后侧滚动轴承133也赋予预压的活塞等液压系统。根据这种结构的变形例的主轴装置，能够分别控制对第一和第二前侧滚动轴承 131、132赋予的预压和对后侧滚动轴承133赋予的预压，因此例如能够进行如下的控制对 第一和第二前侧滚动轴承131、132以及后侧滚动轴承133双方赋予相同的预压的控制；对 第一和第二前侧滚动轴承131、132以及后侧滚动轴承133双方赋予不同的预压的控制；或 者是不对第一和第二前侧滚动轴承131、132以及后侧滚动轴承133中的一方赋予预压，仅 对另一方赋予预压的控制。由此，能够选择的主轴特性的范围进一步扩大，因此能够得到更 适合于各种加工的主轴特性。并且，对将两对第一和第二前侧滚动轴承131、132配置在比机内电动机14更靠前 方的位置，并将后侧滚动轴承133配置在后方的位置，由此来支承主轴12的结构的主轴装 置1进行了说明，但是，也可以形成为将一对前侧滚动轴承配置在比机内电动机更靠前方 的位置，并将一对后侧滚动轴承配置在后方的位置，由此来支承主轴的结构的主轴装置。在 该情况下构成为以使配置在比机内电动机更靠前方的位置的一对圆锥滚子轴承的圆锥方 向相反的方式进行配置，用于赋予预压的活塞等液压系统以与上述实施方式同样的方式构 成。位于比机内电动机更靠后方的位置的一对圆锥滚子轴承也以同样的方式构成。另外， 作为前侧和后侧滚动轴承，可以是与实施方式同样的角接触轴承，但是，优选后侧滚动轴承是圆锥滚子轴承。根据这种结构的变形例的主轴装置，由于能够分别控制对配设在比机内电动机更 靠前方的位置的前侧滚动轴承赋予的预压和对配设在比机内电动机更靠后方的位置的后 侧滚动轴承赋予的预压，因此例如能够进行如下的控制对前侧滚动轴承和后侧滚动轴承 的双方赋予相同的预压的控制；对前侧滚动轴承和后侧滚动轴承的双方赋予不同的预压的 控制；或者是不对前侧滚动轴承和后侧滚动轴承的一方赋予预压，仅对另一方赋予预压的 控制。由此，能够选择的主轴特性的范围进一步扩大，因此能够得到更适合于各种加工的主 轴特性。并且，即便是在像本实施方式 这样的将第一和第二前侧滚动轴承131、132配置在 比机内电动机14更靠前方的位置从而支承主轴12的结构的主轴装置中，也能够形成为分 别控制对第一前侧滚动轴承131赋予的预压和对第二前侧滚动轴承132赋予的预压的结 构。即，形成为如下的结构以使一对第一前侧滚动轴承131的圆锥方向相反的方式进行配 置，用于赋予预压的活塞等的液压系统以与上述实施方式同样的方式构成，并以使一对第 一前侧滚动轴承131的外圈离开的方式对一对第一前侧滚动轴承131赋予预压。一对第二 前侧滚动轴承132等也以同样的方式构成。由此，能够得到与变形例的主轴装置同样的作 用效果。
权利要求
一种主轴装置，所述主轴装置被用于机床，具有主轴，该主轴保持旋转刀具，并被驱动而进行旋转；滚动轴承，该滚动轴承将该主轴轴支承为能够旋转；以及预压赋予单元，该预压赋予单元对该滚动轴承赋予沿轴线方向的预压，所述主轴装置的特征在于，具有主轴状态测定单元，该主轴状态测定单元对所述主轴随着所述旋转刀具进行的加工而产生的状态变化进行测定；以及预压赋予控制单元，该预压赋予控制单元根据利用该主轴状态测定单元测定的所述主轴的状态变化来控制所述预压赋予单元赋予给所述滚动轴承的预压量。
2.根据权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，所述主轴的状态变化是下述变化中的至少一个作用于所述主轴的负载发生的变化； 在所述主轴产生的振动发生的变化；以及由所述旋转刀具产生的加工声音发生的变化， 所述主轴状态测定单元是负载传感器、振动传感器、声音传感器中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的主轴装置，其特征在于， 所述预压赋予控制单元具有预压初始值决定单元，该预压初始值决定单元根据所述主轴的旋转数、所使用的所述 旋转刀具的刀具信息、利用所述旋转刀具加工的工件的种类、以及加工条件中的至少一个 条件来决定所述预压量的初始值；以及预压修正单元，该预压修正单元根据利用所述主轴状态测定单元测定的所述主轴的状 态变化来对从所述预压初始值决定单元输入的所述预压量的初始值进行修正，得到修正预 压量。
4.根据权利要求3所述的主轴装置，其特征在于， 所述预压赋予控制单元具有预压范围存储单元，该预压范围存储单元存储所述轴承能够正常轴支承的最大预压 和所述主轴能够正常旋转的最小预压，作为预先设定的所述预压赋予单元的可控区域的范 围；以及预压指令值生成单元，在从所述预压修正单元输入的所述修正预压量超过从所述预压 范围存储单元读取的所述最大预压或者低于从所述预压范围存储单元读取的所述最小预 压的情况下，所述预压指令值生成单元对所述修正预压量进行修正，以使该修正预压量包 含在所述预压量的范围内，进而生成作为预压指令值。
5.根据权利要求3所述的主轴装置，其特征在于， 所述预压赋予控制单元具有预压范围存储单元，该预压范围存储单元存储所述轴承能够正常轴支承的最大预压 和所述主轴能够正常旋转的最小预压，作为预先设定的所述预压赋予单元的可控区域的范 围；预压指令值生成单元，在从所述预压修正单元输入的所述修正预压量低于从所述预压 范围存储单元读取的所述最小预压的情况下，所述预压指令值生成单元对所述修正预压量 进行修正，以使该修正预压量包含在所述预压量的范围内，进而生成作为预压指令值；以及主轴保护单元，在从所述预压修正单元输入的所述修正预压量超过从所述预压范围存 储单元读取的所述最大预压的情况下，所述主轴保护单元使所述主轴的旋转停止、或者使 所述主轴的旋转速度下降。
6.根据权利要求4或5所述的主轴装置，其特征在于，所述预压指令值生成单元通过对当前的预压量乘以相对于该预压量预先设定的上升 率或者下降率而生成所述预压指令值，并且使所述上升率和所述下降率根据所述旋转刀具 的各个种类而不同。
7.根据权利要求4 6中的任一项所述的主轴装置，其特征在于，所述最大预压设定成随着所述主轴的旋转速度变大，所述最大预压变小，所述最小预 压设定成随着所述主轴的旋转速度变大，所述最小预压变大。
8.根据权利要求1 7中的任一项所述的主轴装置，其特征在于，所述滚动轴承包括前侧滚动轴承，该前侧滚动轴承对所述主轴的所述旋转刀具侧即 前侧部进行轴支承；以及后侧滚动轴承，该后侧滚动轴承对所述主轴的相对于所述旋转刀 具位于比所述主轴的前侧部更靠后侧的后侧部进行轴支承，所述预压赋予单元对所述前侧滚动轴承和所述后侧滚动轴承中的至少一方赋予预压。
9.根据权利要求1 7中的任一项，其特征在于，所述滚动轴承包括前侧滚动轴承，该前侧滚动轴承对所述主轴的所述旋转刀具侧即 前侧部进行支承；以及后侧滚动轴承，该后侧滚动轴承对所述主轴的相对于所述旋转刀具 位于比所述主轴的前侧部更靠后侧的后侧部进行轴支承，所述预压赋予单元以使对所述前侧滚动轴承赋予的预压量和对所述后侧滚动轴承赋 予的预压量不同的方式对所述前侧滚动轴承和所述后侧滚动轴承双方赋予预压。全文摘要
本发明提供主轴装置，通过根据实际加工中的主轴的状态变化控制对用于轴支承主轴的滚动轴承赋予的预压量，能够以最佳的状态对主轴的旋转进行驱动控制，能够确保必要的刚性，并且能够实现轴承的长寿命化。在修正预压量从作为可控区域的预压的范围脱离的情况下对修正预压量进行修正而使其包含在预压的范围内。即，由于实际上被控制的预压被限制在预先设定的预压的范围内，因此能够确保滚动轴承的刚性，或者防止滚动轴承的发热或面压力过度增加。
文档编号B23B19/02GK101961792SQ201010216300
公开日2011年2月2日 申请日期2010年6月29日 优先权日2009年7月21日
发明者中嶋邦道, 大川雄司, 梅木贵仁, 芝田贵雅 申请人:株式会社捷太格特