專利名稱：機(jī)床的主軸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在機(jī)床等中使用的主軸裝置。
技術(shù)背景
為了提高生產(chǎn)率，機(jī)床的主軸裝置的主軸由高剛性且高精度的滾動軸承軸支承。 但是，例如在加工中心中，由于使用銑刀、立銑刀(endmill)、鏜刀等多種多樣的刀具對被切 削材料(workpiece，工件)進(jìn)行加工，因此在各個(gè)刀具中產(chǎn)生的切削阻力不同。此外，刀具 的剛性或重量、主軸的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度(feedrate，進(jìn)給率)、切入量(feed amount，進(jìn)給量) 等各種各樣的因素也不同。因此，在由高剛性的滾動軸承軸支承的主軸中，根據(jù)刀具的不 同，存在產(chǎn)生所謂的高頻振動(chattering，顫振)的情況。
因此，例如在日本特開2007-44852號公報(bào)中提出有通過變更加工條件來抑制加 工時(shí)的高頻振動的產(chǎn)生的主軸裝置。即，預(yù)先求出主軸的轉(zhuǎn)速與不會發(fā)生高頻振動的刀具 的極限(upper limit)切入量之間的關(guān)系，通過變更主軸的轉(zhuǎn)速或刀具的切入量來抑制加 工時(shí)的高頻振動的產(chǎn)生。但是，主軸的轉(zhuǎn)速與刀具的極限切入量之間的關(guān)系根據(jù)刀具的種 類或被切削材料的材質(zhì)等而不同，進(jìn)一步，還根據(jù)刀具的磨損等的劣化程度而變化。因此， 加工條件的變更大多基于操作者的技能或者經(jīng)驗(yàn)，比較困難。
此處，在高頻振動中，特別是再生型自激振動(regenerative chatter，再生型切 削顫振)的產(chǎn)生極限是通過由機(jī)械系統(tǒng)的固有振動產(chǎn)生的動態(tài)剛性(compliance，動柔度) 決定的，因此為了大幅地變更該產(chǎn)生極限，僅僅借助剛性的變更是很困難的，還需要衰減 性。因此，在日本特開2004-150563號公報(bào)中提出有通過利用具有緩沖器部的軸承軸支承 主軸的后端部側(cè)而使該主軸具有衰減性，由此抑制由共振引起的振動的產(chǎn)生的主軸裝置。 并且，在日本特開平6-8005號公報(bào)中提出有如下的主軸裝置通過利用由靜壓墊和節(jié)流孔 (orifice)構(gòu)成的靜壓軸承軸支承主軸的前端部側(cè)而使該主軸具有衰減性，利用振動傳感 器檢測主軸的振動并利用壓力調(diào)整閥控制朝靜壓軸承供給油的供給油壓，由此來抑制加工 時(shí)的高頻振動的產(chǎn)生。
在日本特開2004-150563號公報(bào)所記載的主軸裝置中，緩沖器部是針對由特定頻 率的共振引起的振動、即由在某種刀具產(chǎn)生的共振引起的振動發(fā)揮衰減性的部分，因此難 以抑制由多種多樣的刀具的共振引起的振動的產(chǎn)生。并且，在日本特開平6-8005號公報(bào)所 記載的主軸裝置中，由于僅根據(jù)主軸的振動進(jìn)行變更朝靜壓軸承供給的供給油壓的控制， 因此無法擔(dān)保加工狀態(tài)和主軸狀態(tài)的穩(wěn)定性，在加工精度的提高方面存在極限。并且，由于 僅對朝靜壓軸承供給的供給油壓進(jìn)行控制，因此只能大略地進(jìn)行變更，難以抑制多種多用 的刀具的高頻振動的產(chǎn)生。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是鑒于上述情形而完成的，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠抑制多種多 樣的刀具的高頻振動的產(chǎn)生的機(jī)床的主軸裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)特征，由于根據(jù)刀具的種類等對利用衰減賦予 單元賦予的衰減力進(jìn)行控制而變更后側(cè)滾動軸承的衰減性，因此，能夠?qū)逃姓駝硬煌?各種刀具賦予最佳的衰減性，能夠抑制多種多樣的刀具的高頻振動的產(chǎn)生。由此，能夠增大 每單位時(shí)間的切削量，能夠提高生產(chǎn)率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)特征，由于根據(jù)刀具的種類等對利用衰減賦 予單元賦予的衰減力和利用預(yù)壓賦予單元賦予的預(yù)壓力進(jìn)行控制，因此，除了能夠變更后 側(cè)滾動軸承的衰減性以外還能夠變更前側(cè)滾動軸承的剛性。由此，能夠進(jìn)一步抑制由多種 多樣的刀具引起的加工中的高頻振動的產(chǎn)生，能夠增大每單位時(shí)間的切削量，能夠進(jìn)一步提高生產(chǎn)率。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)進(jìn)一步的特征，由于作為衰減賦予單元設(shè)置靜 壓軸承，因此能夠進(jìn)行高精度的控制，能夠抑制由多種多樣的刀具引起的加工中的高頻振 動的產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)特征，通過示例的方式，由于對靜壓軸承的壓力比(pressure ratio)和供給油壓進(jìn)行控制，因此能夠精密地變更衰減性，進(jìn)一步，通過壓力比的控制，剛 性也變更，因此能夠抑制由多種多樣的刀具引起的加工中的高頻振動的產(chǎn)生。
進(jìn)一步，通過示例的方式，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，由于可以根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速等 對利用衰減賦予單元賦予的衰減力等進(jìn)行控制，因此能夠簡化控制單元的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的進(jìn)一步的特征，由于預(yù)先將刀具的種類等記述于NC 程序，因此能夠進(jìn)一步簡化控制單元的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的進(jìn)一步的特征，由于能夠利用傳感器高精度地檢測 主軸的轉(zhuǎn)速等，因此能夠進(jìn)一步簡化控制單元的結(jié)構(gòu)。
從以下的參照附圖對具體實(shí)施方式
進(jìn)行的說明能夠清楚本發(fā)明的上述的和進(jìn)一 步的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中，對相同或相似的要素標(biāo)注相同或相似的標(biāo)號。


圖I(A)是示出本發(fā)明的實(shí)施方式的主軸裝置的整體構(gòu)造的縱剖視圖，圖I(B)是 圖1㈧的A部的放大剖視圖，圖1 (C)是圖1㈧的B部的放大立體圖。
圖2是圖1 (A)的主軸裝置的控制裝置的框圖。
圖3是將主軸的形狀、各個(gè)軸承的位置以及各個(gè)軸承的剛性模型化后的圖。
圖4是針對主軸的各個(gè)轉(zhuǎn)速設(shè)定軸承能夠正常地軸支承主軸的最大預(yù)壓和主軸 能夠正常旋轉(zhuǎn)的最小預(yù)壓的圖。
圖5是對圖2的控制裝置的第一動作例進(jìn)行說明的流程圖。
圖6是針對主軸的各個(gè)轉(zhuǎn)速示出不會產(chǎn)生高頻振動的刀具切入被加工物的極限 切入量的圖。
圖7是對圖2的控制裝置的第二動作例進(jìn)行說明的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
以下，根據(jù)附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖I(A)是示出本發(fā)明的實(shí)施方式的主軸裝置的整體構(gòu)造的縱剖視圖，圖I(B)是 圖I(A)的A部的放大剖視圖，圖2是圖I(A)的主軸裝置的控制裝置的框圖。另外，在圖 I(A)中，左右方向?yàn)檩S線方向，并設(shè)左方為前方。如圖I(A)所示，基于本實(shí)施方式的主軸 裝置1具備大致圓筒狀的主軸殼體11，該主軸殼體11在內(nèi)周部具有收納空間110 ；主軸 12，該主軸12配設(shè)在收納空間110內(nèi)；以及用于軸支承該主軸12的前側(cè)部的兩對第一前側(cè) 滾動軸承131和第二前側(cè)滾動軸承132以及用于軸支承主軸12的后側(cè)部的后側(cè)滾動軸承 133。
進(jìn)一步，本發(fā)明的主軸裝置1還具備預(yù)壓賦予裝置3 (相當(dāng)于本發(fā)明的“預(yù)壓賦 予單元”)，該預(yù)壓賦予裝置3對第一前側(cè)滾動軸承131和第二前側(cè)滾動軸承132賦予軸線 方向的預(yù)壓；靜壓軸承134(相當(dāng)于本發(fā)明的“衰減賦予單元”)，該靜壓軸承134支承后側(cè) 滾動軸承133 ；靜壓賦予裝置5(相當(dāng)于本發(fā)明的“衰減賦予單元”)，該靜壓賦予裝置5對該 靜壓軸承134賦予油壓；以及控制裝置4，該控制裝置4對預(yù)壓賦予裝置4和靜壓賦予裝置 5進(jìn)行控制。
此處，詳細(xì)情況后述，控制裝置4具備用于測定作用于主軸12的負(fù)載的負(fù)載傳感 器。但是，在本實(shí)施方式中，作為負(fù)載傳感器具備用于檢測主軸12的徑向的變位的徑向變 位傳感器21和用于檢測主軸12的軸向的變位的軸向變位傳感器22，通過后述的處理測定 作用于主軸12的負(fù)載。并且，還具備用于檢測主軸12的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器123。
在主軸12的旋轉(zhuǎn)軸中心形成有沿軸線方向延伸的桿孔(rod hole) 121。桿孔121 沿軸線方向貫通主軸12，且在前端形成有刀具安裝用錐部121a。在刀具安裝用錐部121a 的后方形成有開口夾(collet)收容部121b，在開口夾收容部121b的后方形成有直徑比開 口夾收容部121b的直徑大的彈簧收容孔121c。在彈簧收容孔121c的前端部固定有套筒 (sleeve) 1220桿15以能夠沿軸線方向移動的方式收容在桿孔121內(nèi)。桿15在長條狀的 軸部件151的后端部固定有直徑比軸部件151的直徑達(dá)的止擋件152。進(jìn)一步，在桿15的 前端裝配有開口夾153。開口夾153設(shè)置成能夠在半徑方向擴(kuò)大或縮小，從而形成為能夠把 持刀具T。
在桿15被收容在桿孔121內(nèi)的狀態(tài)下，軸部件151的前端部能夠與套筒122的 內(nèi)周面進(jìn)行滑動，止擋件152能夠與彈簧收容孔121c進(jìn)行滑動。并且，在彈簧收容孔121c 內(nèi)的套筒122的后端部與止擋件152的前端面之間夾裝有多個(gè)碟形彈簧(belleville spring) 16，從而桿15相對于主軸12始終被朝后方施力。在主軸12的后方設(shè)有液壓缸17， 該液壓缸17具有缸殼(cylinder housing) 171和活塞172，缸殼171與主軸殼體11 一體 化，活塞172以能夠沿軸向移動的方式設(shè)在缸殼171內(nèi)。當(dāng)活塞172朝后方移動從而活塞 172與桿15之間的卡合被解除時(shí)，利用開口夾153把持刀具T的桿15通過碟形彈簧16的 作用力相對于主軸12后退。進(jìn)而，刀具T嵌裝于主軸12的刀具安裝用錐部121a并被固定 于主軸12。當(dāng)活塞172朝前方移動從而活塞172與桿15卡合時(shí)，把持刀具T的桿15克服 碟形彈簧16的作用力相對于主軸12前進(jìn)。進(jìn)而，開口夾153的直徑擴(kuò)大從而解除對刀具 T的把持。
兩對第一前側(cè)滾動軸承131和第二前側(cè)滾動軸承132是角接觸軸承，它們在前側(cè) 主軸殼體Ila的收容空間110內(nèi)的前方側(cè)沿軸線方向并列設(shè)置，后側(cè)滾動軸承133是圓柱 滾子軸承，且配設(shè)在收容空間110內(nèi)的后方側(cè)。第一前側(cè)滾動軸承131和第二前側(cè)滾動軸 承132軸支承主軸12的刀具T側(cè)即前側(cè)部，后側(cè)滾動軸承133軸支承主軸12的相對于刀 具T位于比主軸12的前側(cè)部更靠后側(cè)的后側(cè)部。在一對第一前側(cè)滾動軸承131的內(nèi)圈之 間配設(shè)有圓筒狀的隔圈112a，在一對第二前側(cè)滾動軸承132的內(nèi)圈之間配設(shè)有圓筒狀的隔 圈112b，在第一前側(cè)滾動軸承131和第二前側(cè)滾動軸承132的內(nèi)圈之間配設(shè)有圓筒狀的隔 圈112c。主軸12的外周面嵌合于第一前側(cè)滾動軸承131和第二前側(cè)滾動軸承132以及隔 圈llh、112b、112c的內(nèi)周部。進(jìn)而，位于最前方的第一前側(cè)滾動軸承131的內(nèi)圈抵接于形 成在主軸12的前方端的凸緣部12a，螺合于主軸12的外周面的圓筒狀的內(nèi)圈按壓件113抵 接于位于最后方的第二前側(cè)滾動軸承132的內(nèi)圈。由此，第一前側(cè)滾動軸承131和第二前 側(cè)滾動軸承132以及隔圈112a、112b、112c被固定于主軸12的外周面。
在一對第一前側(cè)滾動軸承131的外圈之間配設(shè)有圓筒狀的隔圈112d，在一對第二 前側(cè)滾動軸承132的外圈之間配設(shè)有圓筒狀的隔圈112e。第一前側(cè)滾動軸承131和第二前 側(cè)滾動軸承132以及隔圈112d、ll&由軸承支承筒111支承。該軸承支承筒111由大致圓 筒狀的套筒114、大致圓環(huán)狀的外圈按壓件115以及大致圓筒狀的活塞116構(gòu)成。
在套筒114的大致中央內(nèi)周部形成有朝內(nèi)側(cè)突出的圓周凸部114a，在套筒114的 大致中央外周部形成有朝外側(cè)突出的凸緣部114c。套筒114的比圓周凸部11 更靠前方 側(cè)的內(nèi)周部的內(nèi)徑形成為與第一前側(cè)滾動軸承131以及隔圈112d的外徑大致相同，套筒 114的比圓周凸部IHa更靠后方側(cè)的內(nèi)周部的內(nèi)徑形成為與活塞116的外徑大致相同。套 筒114的比凸緣部IHc更靠前方側(cè)的外周部的外徑形成為與被分成兩部分的前側(cè)主軸殼 體Ila的一方(第一前側(cè)主軸殼體llaa)的內(nèi)徑大致相同，套筒114的比凸緣部IHc更靠 后方側(cè)的外周部的外徑形成為與被分成兩部分的前側(cè)主軸殼體Ila的另一方(第二前側(cè)主 軸殼體Ilab)的內(nèi)徑大致相同。
在外圈按壓件Il5的一方的端面形成有沿軸向突出的凸臺部115a。外圈按壓件 115的凸臺部11 的外徑形成為與套筒114的比圓周凸部11 更靠前方側(cè)的內(nèi)周部的內(nèi) 徑(第一前側(cè)滾動軸承131以及隔圈112d的外徑)大致相同。外圈按壓件115的外徑形 成為與第一前側(cè)主軸殼體Ilaa的外徑大致相同。在活塞116的前側(cè)內(nèi)周部形成有朝內(nèi)側(cè) 突出的圓周凸部116a?；钊?16的比圓周凸部116a更靠后方側(cè)的內(nèi)周部的內(nèi)徑形成為與 第二前側(cè)滾動軸承132以及隔圈11 的外徑大致相同。
進(jìn)而，第一前側(cè)滾動軸承131以及隔圈112d嵌合在套筒114的比圓周凸部11 更靠前方側(cè)的內(nèi)周部。第二前側(cè)滾動軸承132以及隔圈11 嵌合在活塞116的比圓周凸 部116a更靠后方側(cè)的內(nèi)周部。進(jìn)而，活塞116的外周面液密地嵌合在套筒114的比圓周凸 部IHa更靠后方側(cè)的內(nèi)周部。第一前側(cè)主軸殼體Ilaa嵌合在套筒114的比凸緣部IHc 更靠前方側(cè)的外周部，第二前側(cè)主軸殼體Ilab嵌合在套筒114的比凸緣部IHc更靠后方 側(cè)的外周部。
通過形成為上述結(jié)構(gòu)，位于前方的第一前側(cè)滾動軸承131的外圈抵接于外圈按壓 件115的凸臺部115a，位于后方的第一前側(cè)滾動軸承131的外圈抵接于套筒114的圓周凸 部114a。位于前方的第二前側(cè)滾動軸承132的外圈抵接于活塞116的圓周凸部116a，位于后方的第二前側(cè)滾動軸承132的外圈配置成能夠與位于前方的第二前側(cè)滾動軸承132的外 圈以及隔圈11 一體地通過活塞116朝軸線方向的后方移動。進(jìn)而，套筒114、第一前側(cè)主 軸殼體llaa、第二前側(cè)主軸殼體Ilab以及外圈按壓件115由從外圈按壓件115的前端面貫 穿裝配的省略圖示的螺栓緊固并一體化，第二前側(cè)主軸殼體Ilab通過省略圖示的螺栓被 緊固于用于收容機(jī)內(nèi)電動機(jī)(built in motor) 14的后側(cè)主軸殼體lib并與之一體化。
如圖I(B)的A部放大剖視圖所示，在活塞116的前方外周面形成有由小徑部和大 徑部構(gòu)成的臺階116b，在套筒114的比圓周凸部11 更靠后方側(cè)的內(nèi)周面形成有能夠與活 塞116的小徑部和大徑部嵌合的由大徑部和小徑部構(gòu)成的臺階114b。進(jìn)而，在各臺階116b、 114b之間形成有環(huán)狀的液壓缸31。從形成于套筒114的大致中央外周側(cè)的凸緣部IHc的 外周面穿設(shè)的油路32與該液壓缸31連通。與預(yù)壓賦予裝置3連接的管路33連接于該油 路32 ο
預(yù)壓賦予裝置3由液壓泵34、減壓閥35以及安全閥36構(gòu)成，該預(yù)壓賦予裝置3在 預(yù)壓量控制單元40的控制下對液壓缸31供給液壓。S卩，來自液壓泵34的最高液壓由安全 閥36控制，直到最高液壓為止的范圍內(nèi)的任意的液壓都由減壓閥35控制，并通過管路33 和油路32供給至液壓缸31。由此，在液壓缸31中產(chǎn)生軸線方向(前方和后方)的液壓， 活塞116被朝后方側(cè)推壓而推壓第二前側(cè)滾動軸承132的外圈，因此對第二前側(cè)滾動軸承 132賦予預(yù)壓，進(jìn)一步，由于主軸12朝后方移動并推壓第一前側(cè)滾動軸承131的內(nèi)圈，因此 也對第一前側(cè)滾動軸承131賦予預(yù)壓。
靜壓軸承134嵌合在嵌合于后側(cè)滾動軸承133的外圈的套筒117的外周。在該靜 壓軸承134的內(nèi)周面以一定的角度間隔形成有在槽底開設(shè)有油供給孔的矩形狀或者U字形 狀的凹部即儲油箱(pocket) 134a，并且，在儲油箱13 的兩側(cè)形成有排油槽。油從油供給 孔流入儲油箱134a，在充滿由儲油箱13 和套筒117的外周面形成的空間并產(chǎn)生靜壓之 后，在靜壓軸承134的內(nèi)周面和套筒117的外周面之間被節(jié)流并流入排油槽，并被排出至外 部。
靜壓賦予裝置5由液壓泵51、壓力調(diào)整閥52、以及設(shè)在各個(gè)儲油箱13 的油供給 孔的附近的可變節(jié)流閥(省略圖示)構(gòu)成，在控制裝置4的控制下對靜壓軸承134供給油 壓。即，來自液壓泵51的油壓的供給壓力由壓力調(diào)整閥52控制，并通過油供給孔M從靜壓 軸承134的油供給孔被供給至儲油箱13如。此時(shí)，利用內(nèi)置于靜壓軸承134的可變節(jié)流閥 對壓力比(靜壓軸承134的儲油箱13 的內(nèi)壓/來自液壓泵51的供給壓力)進(jìn)行控制。 由此，對靜壓軸承134的衰減性進(jìn)行調(diào)整。另外，作為可變節(jié)流閥能夠使用利用隔膜或壓電 元件等改變節(jié)流閥開度的已有的可變節(jié)流閥。
圖I(C)的B部放大立體圖中所示的止轉(zhuǎn)件53具有圓筒狀的銷部531 ；第一板 簧532，該第一板簧532從銷部531的一側(cè)面突出設(shè)置；第二板簧534，該第二板簧534在第 一板簧532的末端隔著圓筒狀部件533突出設(shè)置；以及圓筒狀螺紋部件535，該圓筒狀螺紋 部件535設(shè)在第二板簧534的末端。第一板簧532以相對于第二板簧534錯(cuò)開90度的角 度的方式設(shè)置。止轉(zhuǎn)部53以螺紋部件535突出的方式插入沿軸向穿設(shè)于靜壓軸承134的 貫通孔內(nèi)，并將螺母536螺合于螺紋部件535以進(jìn)行止轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)的止轉(zhuǎn)件535具有限 制套筒117相對于主軸殼體11旋轉(zhuǎn)的功能。如果止轉(zhuǎn)件53為剛體，則不僅能夠限制套筒 117的旋轉(zhuǎn)，還會限制套筒117的朝向半徑方向的移動，因此，正交的第一板簧532、第二板7簧534就是用于避免該止轉(zhuǎn)件53限制套筒117的朝向半徑方向的移動的部件。
機(jī)內(nèi)電動機(jī)14的定子141安裝于主軸殼體11的內(nèi)周面。在定子141的半徑方向 內(nèi)側(cè)，形成于主軸12的外周面的轉(zhuǎn)子142與定子141對置。通過對由定子141和轉(zhuǎn)子142 形成的機(jī)內(nèi)電動機(jī)14供給電力，主軸12與轉(zhuǎn)子142 —起旋轉(zhuǎn)。主軸裝置1在將刀具T安 裝于末端的狀態(tài)下使主軸12旋轉(zhuǎn)，從而對未圖示的被切削材料實(shí)施加工。主軸12的轉(zhuǎn)速 由配設(shè)在主軸12的后方的非接觸型的轉(zhuǎn)速傳感器123檢測。
徑向變位傳感器21是用于檢測主軸12的半徑方向的變位的非接觸型的傳感器。 軸向變位傳感器22是用于檢測主軸12的軸線方向的變位的非接觸型的傳感器。徑向變位 傳感器21配設(shè)在從外圈按壓件115的外周面沿徑向穿設(shè)的孔內(nèi)。軸向變位傳感器22配設(shè) 在從外圈按壓件115的前側(cè)端面沿著內(nèi)周面沿軸向設(shè)置的槽內(nèi)。徑向變位傳感器21優(yōu)選 配設(shè)在比第一前側(cè)滾動軸承131更靠前側(cè)且盡可能接近刀具T的位置。并且，優(yōu)選堵塞槽 和孔的開口部，以免兩個(gè)變位傳感器21、22受到冷卻劑(coolant)的影響。另外，代替徑向 變位傳感器22，也可以使用力傳感器這樣的直接測定負(fù)載的傳感器。
如圖2所示，控制裝置4具備徑向負(fù)載運(yùn)算部41和軸向負(fù)載運(yùn)算部42，徑向負(fù)載 運(yùn)算部41根據(jù)徑向變位傳感器21的檢測值運(yùn)算并求出作用于兩對第一前側(cè)滾動軸承131、 第二前側(cè)滾動軸承132以及后側(cè)滾動軸承133的徑向的負(fù)載作為作用于主軸12的負(fù)載，軸 向負(fù)載運(yùn)算部42根據(jù)軸向變位傳感器22的檢測值運(yùn)算并求出作用于兩對第一前側(cè)滾動軸 承131、第二前側(cè)滾動軸承132以及后側(cè)滾動軸承133的軸向的負(fù)載作為作用于主軸12的 負(fù)載；靜壓控制部43和預(yù)壓控制部44，靜壓控制部43根據(jù)刀具的種類或者由刀具進(jìn)行的 加工的加工條件、以及利用各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、42運(yùn)算出的各個(gè)負(fù)載對利用靜壓賦予裝置 5賦予靜壓軸承134的靜壓進(jìn)行控制，預(yù)壓控制部44根據(jù)刀具的種類或者由刀具進(jìn)行的加 工的加工條件、以及利用各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、42運(yùn)算出的各個(gè)負(fù)載對利用靜壓賦予裝置3 賦予前側(cè)滾動軸承131、132的預(yù)壓進(jìn)行控制；存儲部45，該存儲部45能夠收納各種數(shù)據(jù)； 以及NC程序解析部48，該NC程序解析部48輸入NC程序并進(jìn)行解讀。
在存儲部45中存儲有與刀具T的種類或加工條件，例如主軸12的轉(zhuǎn)速、刀具T 相對于被加工物(workpiece，工件)的進(jìn)給速度、刀具T相對于被加工物的切入量(feed amount，進(jìn)給量)等對應(yīng)的數(shù)據(jù)表(以下稱為衰減力、預(yù)壓力表)；預(yù)先求出的表示作用于 主軸12的負(fù)載與主軸12的變位之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)表(以下稱為負(fù)載、變位表)；表示主軸 12的轉(zhuǎn)速與作用于主軸12的極限負(fù)載(不會產(chǎn)生高頻振動的最大的負(fù)載)之間的關(guān)系的 數(shù)據(jù)表(以下稱為轉(zhuǎn)速、極限負(fù)載表)；以及表示主軸12的轉(zhuǎn)速與利用預(yù)壓賦予裝置3賦 予的預(yù)壓之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)表(以下稱為轉(zhuǎn)速、預(yù)壓力表)等。
如圖3所示，負(fù)載、變位表是將主軸12的形狀、各個(gè)軸承131、132、133的位置以 及各個(gè)軸承131、132、133的剛性模型化后的圖。通過利用傳遞矩陣法(transfer matrix method)對該模型進(jìn)行解析，能夠從利用1個(gè)徑向變位傳感器21檢測到的當(dāng)在主軸12作用 有徑向的載荷(F)時(shí)的主軸12的徑向的變位求出各個(gè)軸承131、132、133的配設(shè)位置P1、 P2、P3、P4、P5處的變位。進(jìn)一步，通過從求出的各個(gè)軸承131、132、133的變位求出作用于 各個(gè)軸承131、132、133的徑向的負(fù)載，并對求出的負(fù)載附加由預(yù)壓賦予裝置3賦予的預(yù)壓 中的作用于徑向的預(yù)壓，能夠求出最終作用于各個(gè)軸承131、132、133的徑向的負(fù)載。由此， 在利用刀具T進(jìn)行的加工中，能夠正確地把握作用于軸支承主軸12的各個(gè)軸承131、132、133的徑向和軸向的負(fù)載。
如圖4所示，轉(zhuǎn)速、預(yù)壓力表是針對主軸12的各個(gè)轉(zhuǎn)速設(shè)定第一前側(cè)滾動軸承131 和第二前側(cè)滾動軸承132能夠正常地軸支承主軸12的最大預(yù)壓Pmax和主軸12能夠正常旋 轉(zhuǎn)的最小預(yù)壓Riiin、并將最大預(yù)壓Pmax和最小預(yù)壓Rnin之間的區(qū)域設(shè)定為預(yù)壓賦予裝置 3的可控制區(qū)域的表。最大預(yù)壓Pmax設(shè)定成以隨著主軸12的轉(zhuǎn)速增大而減小的方式變化， 最小預(yù)壓Pmin設(shè)定成以隨著主軸12的轉(zhuǎn)速增大而增大的方式變化。針對主軸12的各個(gè)轉(zhuǎn) 速設(shè)定的最大預(yù)壓Pmax是能夠確保第一前側(cè)滾動軸承131和第二前側(cè)滾動軸承132的剛 性且能夠使主軸12的剛性最高的極限值，針對主軸12的各個(gè)轉(zhuǎn)速設(shè)定的最小預(yù)壓Rnin是 能夠防止發(fā)熱或面壓力過度增加且能夠使第一前側(cè)滾動軸承131和第二前側(cè)滾動軸承132 的壽命最長的極限值。
徑向負(fù)載運(yùn)算部41從存儲部45讀出負(fù)載、變位表，利用傳遞矩陣法對利用徑向變 位傳感器21檢測到的主軸12的徑向的變位進(jìn)行解析，并附加由預(yù)壓賦予裝置3賦予的預(yù) 壓，由此求出作用于各個(gè)軸承131、132、133的徑向的負(fù)載。軸向負(fù)載運(yùn)算部42使用由軸向 變位傳感器22檢測到的主軸12的軸向的變位并利用虎克定律(Hooke’ s law)進(jìn)行運(yùn)算， 并附加由預(yù)壓賦予裝置3賦予的預(yù)壓，由此求出作用于各個(gè)軸承131、132、133的軸向的負(fù) 載(在各個(gè)軸承131、132、133中相同)。
靜壓控制部43具備供給油壓控制部46和壓力比控制部47。進(jìn)而，根據(jù)刀具T的 種類或者由刀具T進(jìn)行的加工的加工條件，參照存儲部45的衰減力、預(yù)壓力表對靜壓賦予 裝置5的壓力調(diào)整閥52和可變節(jié)流閥進(jìn)行控制，從而對靜壓軸承134的供給油壓和壓力比 進(jìn)行控制?；蛘?，針對利用轉(zhuǎn)速傳感器123檢測到的主軸12的轉(zhuǎn)速，根據(jù)從存儲部45讀出 的轉(zhuǎn)速、極限負(fù)載表求出來自各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、42的作用于主軸12的各個(gè)負(fù)載是否合 適，對靜壓賦予裝置5的壓力調(diào)整閥52和可變節(jié)流閥進(jìn)行控制，從而對靜壓軸承134的供 給油壓和壓力比進(jìn)行控制。
預(yù)壓控制部44根據(jù)刀具T的種類或者由刀具T進(jìn)行的加工的加工條件，參照存儲 部45的衰減力、預(yù)壓力表對減壓閥35和安全閥36進(jìn)行控制，從而對預(yù)壓賦予裝置3的賦 予預(yù)壓進(jìn)行控制。或者，針對利用轉(zhuǎn)速傳感器123檢測到的主軸12的轉(zhuǎn)速，根據(jù)從存儲部 45讀出的轉(zhuǎn)速、極限負(fù)載表求出來自各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、42的作用于主軸12的各個(gè)負(fù)載是 否合適，對減壓閥35和安全閥36進(jìn)行控制，從而在從存儲部45讀出的賦予預(yù)壓的范圍內(nèi) 對預(yù)壓賦予裝置3的賦予預(yù)壓進(jìn)行控制。
參照圖5的流程圖對形成為以上的結(jié)構(gòu)的主軸裝置1中的控制裝置4的第一動作 例進(jìn)行說明。首先，輸入NC程序并進(jìn)行解讀(Sll)，讀取刀具T的種類和加工條件(S12)。 然后，參照存儲部45的衰減力、預(yù)壓力表(S13)，根據(jù)刀具T的種類和加工條件中的至少1 個(gè)決定最佳的衰減力、預(yù)壓力(S14)。然后，對靜壓賦予裝置5、預(yù)壓賦予裝置3進(jìn)行控制而 賦予決定了的衰減力、預(yù)壓力(S15)。
此處，圖6是示出主軸12的轉(zhuǎn)速與刀具T相對于被加工物的切入量之間的關(guān)系 的圖。比圖示的實(shí)線更靠上方側(cè)的區(qū)域是會產(chǎn)生高頻振動的不穩(wěn)定區(qū)域，比圖示的實(shí)線 更靠下方側(cè)的區(qū)域是不會產(chǎn)生高頻振動的穩(wěn)定區(qū)域。即，圖示的實(shí)線表示穩(wěn)定極限曲線 (stability limit diagram) 0另外，比圖示的虛線更靠下方側(cè)的區(qū)域是即便主軸12的轉(zhuǎn) 速變化也絕對不會發(fā)生高頻振動的絕對穩(wěn)定區(qū)域。以往，當(dāng)相對于主軸12的轉(zhuǎn)速的刀具T相對于被加工物的切入量位于不穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，以通過變更加工條件而使其進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域的 方式進(jìn)行控制。
但是，在本實(shí)施方式中以下述方式進(jìn)行控制著眼于穩(wěn)定極限曲線針對刀具T的 各個(gè)種類而不同這點(diǎn)，通過對衰減力、預(yù)壓力進(jìn)行控制而使穩(wěn)定極限曲線自身變更從而使 此時(shí)的加工條件進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)域。由此，能夠?qū)逃姓駝硬煌母鞣N刀具T賦予最佳的衰減 性，能夠抑制多種多樣的刀具的高頻振動。由此，能夠增大單位時(shí)間的切削量，能夠提高生 產(chǎn)率。另外，穩(wěn)定極限曲線不僅能夠從主軸12的轉(zhuǎn)速與刀具T的切入量之間的關(guān)系求出， 例如也可以從主軸12的轉(zhuǎn)速和刀具T相對于被加工物的進(jìn)給速度等其他的因數(shù)(factor) 求出。
對于靜壓控制部43和預(yù)壓控制部44的具體的控制，例如，當(dāng)?shù)毒逿的種類是徑向 的切入大的立銑刀或鏜刀時(shí)，靜壓控制部43以使供給油壓變小、使壓力比變大的方式進(jìn)行 控制，預(yù)壓控制部44以使預(yù)壓變小的方式進(jìn)行控制。通過以這種方式使其具有衰減性，能 夠提高切削性能。并且，當(dāng)?shù)毒逿的種類是想要抑制刀尖的跳動(runout)的鉆頭或銑刀時(shí)， 靜壓控制部43以使供給油壓變大、使壓力比變小的方式進(jìn)行控制，預(yù)壓控制部44以使預(yù)壓 變大的方式進(jìn)行控制。通過以這種方式使其具有剛性，能夠提高切削性能。
并且，例如，當(dāng)進(jìn)行由刀具T進(jìn)行的加工的加工條件是助長高頻振動的連續(xù)切削 時(shí)，靜壓控制部43以使供給油壓變小、使壓力比變大的方式進(jìn)行控制，預(yù)壓控制部44以使 預(yù)壓變小的方式進(jìn)行控制。通過以這種方式使其具有衰減性，能夠提高切削性能。并且，當(dāng) 進(jìn)行由刀具T進(jìn)行的加工的加工條件是助長由大的激振力引起的高頻振動的斷續(xù)切削時(shí)， 靜壓控制部43以使供給油壓變大、使壓力比變小的方式進(jìn)行控制，預(yù)壓控制部44以使預(yù)壓 變大的方式進(jìn)行控制。通過以這種方式使其具有剛性，能夠提高切削性能。
其次，參照圖7的流程圖對控制裝置4的第二動作例進(jìn)行說明。首先，對靜壓賦予 裝置5、預(yù)壓賦予裝置3進(jìn)行控制而賦予初始預(yù)壓力，并且，對靜壓賦予裝置5進(jìn)行控制而賦 予初始靜壓力(Si)。接著，在由NC程序制定的加工條件下開始進(jìn)行被加工物的加工(S2)。 進(jìn)而，輸入利用徑向變位傳感器21和軸向變位傳感器22檢測到的主軸12的徑向的變位和 軸向的變位(S； )。參照存儲部45的負(fù)載、變位表利用傳遞矩陣法對主軸12的徑向的變位 進(jìn)行解析，并附加預(yù)壓，由此，作為作用于主軸12的徑向的負(fù)載求出作用于各個(gè)軸承131、 132,133的徑向的負(fù)載，并且，使用主軸12的軸向的變位利用虎克定律進(jìn)行運(yùn)算，并附加預(yù) 壓，由此，作為作用于主軸12的軸向的負(fù)載求出作用于各個(gè)軸承131、132、133的軸向的負(fù) 載(S4)。
進(jìn)而，根據(jù)從存儲部45讀出的轉(zhuǎn)速、極限負(fù)荷表判斷來自各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、42 的作用于主軸12的各個(gè)負(fù)載是否位于不會產(chǎn)生高頻振動的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)(S5)。當(dāng)來自各個(gè) 負(fù)載運(yùn)算部41、42的作用于主軸12的各個(gè)負(fù)載位于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)時(shí)，返回S3并繼續(xù)進(jìn)行加 工。另一方面，當(dāng)來自各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、42的作用于主軸12的各個(gè)負(fù)載位于穩(wěn)定區(qū)域外 時(shí)，判斷是否能夠進(jìn)行靜壓力的調(diào)整(S6)。當(dāng)能夠進(jìn)行靜壓力的調(diào)整時(shí)，利用靜壓賦予裝置 5對靜壓軸承134的壓力調(diào)整閥52和可變節(jié)流閥進(jìn)行控制而對靜壓力進(jìn)行調(diào)整(S7)，并返 S3執(zhí)行上述處理直至S5。進(jìn)而，通過靜壓賦予裝置5的控制，當(dāng)來自各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、42 的作用于主軸12的各個(gè)負(fù)載位于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)時(shí)，返S3并繼續(xù)進(jìn)行加工。
此處，靜壓的衰減系數(shù)C以下式(1)表示。
C = aA2P(y /kc)— (1)
其中，a 面積系數(shù)；A 軸承面積；P 壓力比；μ 潤滑油粘度；k。節(jié)流閥的流量系數(shù)。
此處，P = Pr/Ps
其中，Pr 儲油箱的內(nèi)壓力；I^s 供給壓力。
由此，能夠通過利用可變節(jié)流閥改變壓力比P自身、或者改變I3S而對衰減力進(jìn)行 控制。
另一方面，在S6中，當(dāng)即便利用靜壓賦予裝置5進(jìn)行控制來自各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、 42的作用于主軸12的各個(gè)負(fù)載仍位于穩(wěn)定區(qū)域外時(shí)，判斷為不可進(jìn)行靜壓力的調(diào)整，前進(jìn) 至S8并判斷是否能夠進(jìn)行預(yù)壓力的調(diào)整(S8)。當(dāng)能夠進(jìn)行預(yù)壓力的調(diào)整時(shí)，利用預(yù)壓賦予 裝置3對減壓閥35和安全閥36進(jìn)行控制而在從存儲部45讀出的轉(zhuǎn)速、預(yù)壓力表的賦予預(yù) 壓的范圍內(nèi)對預(yù)壓力進(jìn)行調(diào)整(S9)，并返S3執(zhí)行上述處理直到S6。進(jìn)而，當(dāng)通過預(yù)壓賦予 裝置3的控制而使來自各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、42的作用于主軸12的各個(gè)負(fù)載位于穩(wěn)定區(qū)域 內(nèi)時(shí)，返S3并繼續(xù)進(jìn)行加工。
另一方面，在S8中，當(dāng)即便利用預(yù)壓賦予裝置3進(jìn)行控制來自各個(gè)負(fù)載運(yùn)算部41、 42的作用于主軸12的各個(gè)負(fù)載仍位于穩(wěn)定區(qū)域外時(shí)，判斷為不可進(jìn)行預(yù)壓力的調(diào)整，前進(jìn) 至S10，發(fā)出異常警報(bào)，對機(jī)床的主控制裝置發(fā)出指令而使主軸12停止，結(jié)束所有的處理。 如上所述，由于在加工過程中檢測負(fù)載，在工序中(in process)對衰減力、預(yù)壓力進(jìn)行控 制，因此能夠抑制多種多樣的刀具T的高頻振動的產(chǎn)生，能夠增大每單位時(shí)間的切削量，能 夠提高生產(chǎn)率。
另外，對于刀具的種類，即便是相同的種類也可能由于直徑或長度不同而不同。 并且，根據(jù)刀具的制造商不同，加工性能也不同，因此，即便是相同種類、相同長度、相同直 徑也可以改變最佳的衰減力或預(yù)壓力。并且，除了轉(zhuǎn)速或加工條件、負(fù)載之外，也可以檢 測通過加工在主軸產(chǎn)生的振動。能夠使用振動傳感器、加速度傳感器、或者AE傳感器(AE sensor)檢測振動。并且，作為衰減賦予單元使用了靜壓軸承134和靜壓賦予裝置5，但是， 只要是能夠賦予衰減力的裝置即可。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)床的主軸裝置，其具備 殼體；主軸，該主軸保持刀具，且被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動；前側(cè)滾動軸承，該前側(cè)滾動軸承相對于所述殼體對所述主軸的接近所述刀具一側(cè)的前 側(cè)部進(jìn)行軸支承；以及后側(cè)滾動軸承，該后側(cè)滾動軸承相對于所述殼體對所述主軸的遠(yuǎn)離所述刀具一側(cè)的后 側(cè)部進(jìn)行軸支承，所述機(jī)床的主軸裝置的特征在于，包括預(yù)壓賦予單元，該預(yù)壓賦予單元用于對所述前側(cè)滾動軸承賦予預(yù)壓力； 衰減賦予單元，該衰減賦予單元用于對所述后側(cè)滾動軸承賦予衰減力；以及 控制單元，該控制單元根據(jù)所述刀具的種類、由所述刀具進(jìn)行的加工的加工條件、作用 于所述主軸的負(fù)載、以及在所述主軸產(chǎn)生的振動中的至少1個(gè)，對利用所述衰減賦予單元 賦予的衰減力進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)床的主軸裝置，其特征在于所述控制單元根據(jù)所述刀具的種類、由所述刀具進(jìn)行的加工的加工條件、作用于所述 主軸的負(fù)載、以及在所述主軸產(chǎn)生的振動中的至少1個(gè)，對利用所述預(yù)壓賦予單元賦予的 預(yù)壓力和利用所述衰減賦予單元賦予的衰減力的組合進(jìn)行控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)床的主軸裝置，其特征在于所述衰減賦予單元是設(shè)在所述后側(cè)滾動軸承的外圈和所述殼體之間的靜壓軸承。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)床的主軸裝置，其特征在于所述控制單元通過對所述靜壓軸承所具備的節(jié)流單元的壓力比和向所述靜壓軸承供 給的液壓油的供給油壓的至少1個(gè)進(jìn)行調(diào)整而對衰減力進(jìn)行控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的機(jī)床的主軸裝置，其特征在于所述加工條件包含所述主軸的轉(zhuǎn)速、所述刀具相對于被加工物的進(jìn)給速度、以及所述 刀具相對于被加工物的切削量中的至少1個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的機(jī)床的主軸裝置，其特征在于從對所述機(jī)床進(jìn)行控制的NC程序解讀所述刀具的種類、以及所述加工條件中的至少1 個(gè)并輸入所述控制單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)床的主軸裝置，其特征在于所述機(jī)床的主軸裝置具備用于檢測所述主軸的轉(zhuǎn)速、作用于所述主軸的負(fù)載、以及在 所述主軸產(chǎn)生的振動中的至少1個(gè)的傳感器，利用該傳感器檢測上述值并輸入所述控制單兀。
全文摘要
本發(fā)明提供一種機(jī)床的主軸裝置。根據(jù)刀具(T)的種類等對利用衰減賦予單元(5、134)賦予的衰減力進(jìn)行控制而變更后側(cè)滾動軸承(133)的衰減性，由此，能夠?qū)逃姓駝硬煌母鞣N刀具賦予最佳的衰減性，能夠抑制多種多樣的刀具的高頻振動的產(chǎn)生。能夠增大每單位時(shí)間的切削量，能夠提高生產(chǎn)率。
文檔編號B23B19/02GK102029407SQ201010293519
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月6日
發(fā)明者中嵨邦道, 堀伸充, 大川雄司, 小椋一成, 芝田貴雅 申請人:株式會社捷太格特