JP7637600B2 - Air Spindle Device - Google Patents
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Description
本開示はハウジングと、ハウジング内にエアを介して回転自在に支持されたスピンドルとを備えたエアスピンドル装置に関する。 This disclosure relates to an air spindle device that includes a housing and a spindle that is rotatably supported within the housing via air.
従来、ハウジングと、ハウジング内にエアを介して回転自在に支持されたスピンドルとを備えたエアスピンドル装置が知られている。 Conventionally, an air spindle device is known that has a housing and a spindle that is supported within the housing so that it can rotate freely via air.
エアスピンドル装置は、その構造上、スピンドルに剛性をもたせて高速回転することはむずかしい。このため、加工中にスピンドルがハウジング内で変位することがあるが、従来よりハウジング内でのスピンドルの変位を求める技術は開発されておらず、加工中に生じるスピンドルの変位に伴って、精度の高い加工作業を行うことができない場合がある。 Due to the structure of the air spindle device, it is difficult to give the spindle rigidity and rotate it at high speed. For this reason, the spindle may displace within the housing during machining, but no technology has been developed to measure the displacement of the spindle within the housing, and the displacement of the spindle that occurs during machining may make it impossible to perform machining work with high precision.
本開示はこのような点を考慮してなされたものであり、加工中にスピンドルの変位量を測定することができ、このスピンドルの変位量を利用して、精度の高い加工作業を実行することができるエアスピンドル装置を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of these points, and aims to provide an air spindle device that can measure the amount of spindle displacement during machining and use this amount of spindle displacement to perform machining operations with high precision.
本開示は、エアスピンドル装置において、ハウジングと、前記ハウジング内に回転自在に設けられるとともに工具を保持するスピンドルと、前記ハウジングに設けられ、エアを介して前記スピンドルを半径方向に支持するラジアル軸受と、前記ハウジングに設けられ、エアを介して前記スピンドルを軸方向に支持するスラスト軸受と、前記ハウジングに対する前記スピンドルのx方向、y方向、およびz方向の各々の変位量を求めるx方向変位計、y方向変位計およびz方向変位計と、前記ハウジングを駆動する移動機構と、制御部とを備え、前記制御部は前記x方向変位計、前記y方向変位計および前記z方向変位計からの信号に基づいて、前記スピンドルのx方向、y方向、およびz方向の各々の変位量を補正する方向に前記移動機構を制御する、エアスピンドル装置である。 The present disclosure relates to an air spindle device comprising a housing, a spindle rotatably provided within the housing and holding a tool, a radial bearing provided in the housing and supporting the spindle in the radial direction via air, a thrust bearing provided in the housing and supporting the spindle in the axial direction via air, an x-direction displacement meter, a y-direction displacement meter, and a z-direction displacement meter that determine the amount of displacement of the spindle in each of the x-direction, y-direction, and z-direction relative to the housing, a movement mechanism that drives the housing, and a control unit, wherein the control unit controls the movement mechanism in a direction that corrects the amount of displacement of the spindle in each of the x-direction, y-direction, and z-direction based on signals from the x-direction displacement meter, the y-direction displacement meter, and the z-direction displacement meter.
本開示は、前記制御部は前記x方向変位計、前記y方向変位計および前記z方向変位計からの信号に基づいて前記工具にかかる負荷を求める、エアスピンドル装置である。 The present disclosure relates to an air spindle device in which the control unit determines the load on the tool based on signals from the x-direction displacement gauge, the y-direction displacement gauge, and the z-direction displacement gauge.
本開示は、前記x方向変位計および前記y方向変位計は、前記ハウジングに設けられた前記ラジアル軸受内に埋め込まれ、前記スピンドルの外周面との間の距離を求める、エアスピンドル装置である。 The present disclosure relates to an air spindle device in which the x-direction displacement gauge and the y-direction displacement gauge are embedded in the radial bearing provided in the housing and measure the distance between the outer peripheral surface of the spindle.
本開示は、前記z方向変位計は、前記ハウジングに設けられた前記スラスト軸受内に埋め込まれ、前記スピンドルに設けられたフランジとの間の距離を求める、エアスピンドル装置である。 The present disclosure relates to an air spindle device in which the z-direction displacement meter is embedded in the thrust bearing provided in the housing and determines the distance between the thrust bearing and a flange provided on the spindle.
本開示は、前記z方向変位計は、前記スピンドル上端の変位を求める、エアスピンドル装置である。 The present disclosure is an air spindle device in which the z-direction displacement meter determines the displacement of the upper end of the spindle.
以上のように、本開示によれば、加工中、エアスピンドルの変位量を測定することができ、この変位量を用いて精度の高い加工を実行できる。 As described above, according to the present disclosure, the amount of displacement of the air spindle can be measured during machining, and this amount of displacement can be used to perform machining with high precision.
まず本開示によるエアスピンドル装置を備えた工作機械全体について述べる。 First, we will describe the entire machine tool equipped with the air spindle device disclosed herein.
図1および図2に示すように、エアスピンドル装置100は、スピンドル10を中心軸回りに回転駆動することにより、スピンドル10の一端部に装着される工具1を回転させて、被加工物であるワーク3の加工を行うための装置である。エアスピンドル装置100は、工作機械200に組み付けられ、工作機械200が備える移動機構110によって、ワーク3に対して相対移動する。工作機械200は、数値制御(NC)工作機械であり、工具1とワーク3との相対運動(位置および速度)を数値情報によって制御し、加工に関わる一連の動作をプログラム132により実行する。具体的には、工作機械200は、エアスピンドル装置100と工具交換装置120とを備えたマシニングセンタであり、エアスピンドル装置100に対する工具1の付け替えによって、穴あけ、中ぐり、フライス削りなどの各種の加工を行うことができる。 As shown in Figs. 1 and 2, the air spindle device 100 is a device for machining a workpiece 3, which is a workpiece, by rotating the tool 1 attached to one end of the spindle 10 by driving the spindle 10 to rotate around its central axis. The air spindle device 100 is attached to a machine tool 200, and moves relative to the workpiece 3 by a moving mechanism 110 provided in the machine tool 200. The machine tool 200 is a numerically controlled (NC) machine tool, which controls the relative motion (position and speed) between the tool 1 and the workpiece 3 by numerical information, and executes a series of operations related to machining by a program 132. Specifically, the machine tool 200 is a machining center equipped with the air spindle device 100 and a tool exchange device 120, and various types of machining such as drilling, boring, and milling can be performed by replacing the tool 1 with the air spindle device 100.
本実施の形態において、例えばワーク3の一例として光学レンズ用の金型が考えられ、工作機械200によって金型の精密加工を行う。エアスピンドル装置100および工作機械200は、ワーク3の高精度測定が可能であるため、金型の製作などの高精度が要求される精密加工を行う場合に特に好適である。 In this embodiment, for example, a mold for an optical lens is considered as an example of the workpiece 3, and the mold is precisely machined by the machine tool 200. The air spindle device 100 and the machine tool 200 are capable of highly accurate measurement of the workpiece 3, and are therefore particularly suitable for precision machining that requires high accuracy, such as the manufacture of molds.
図2に示す工作機械200は、エアスピンドル装置100と、移動機構110と、工具交換装置120とを備える。また、工作機械200およびエアスピンドル装置100はこれらの各部を制御する制御部130を備える。 The machine tool 200 shown in FIG. 2 includes an air spindle device 100, a movement mechanism 110, and a tool exchange device 120. The machine tool 200 and the air spindle device 100 also include a control unit 130 that controls each of these components.
移動機構110は、エアスピンドル装置100とワーク3とを相対移動させるように構成されている。この場合、移動機構110はエアスピンドル装置100とワーク3を、少なくとも、上下方向と、水平面内で直交する2方向との直交3軸方向に相対移動させることができる。エアスピンドル装置100とワーク3を相対移動させる場合、エアスピンドル装置100およびワーク3の一方のみが移動してもよいし、エアスピンドル装置100およびワーク3の両方が移動してもよい。本実施の形態においては、図2に示すように移動機構110は、エアスピンドル装置100を保持するとともに、このエアスピンドル装置100を上下方向であるz方向と、水平面内のx方向(図2の左右方向)に移動させ、ワーク3を、水平面内でx方向と直交するy方向(図2の紙面に垂直な手前および奥方向)に移動させる。 The moving mechanism 110 is configured to move the air spindle device 100 and the workpiece 3 relative to each other. In this case, the moving mechanism 110 can move the air spindle device 100 and the workpiece 3 relative to each other in at least three orthogonal axial directions, which are the up-down direction and two orthogonal directions in a horizontal plane. When moving the air spindle device 100 and the workpiece 3 relative to each other, only one of the air spindle device 100 and the workpiece 3 may move, or both the air spindle device 100 and the workpiece 3 may move. In this embodiment, as shown in FIG. 2, the moving mechanism 110 holds the air spindle device 100 and moves the air spindle device 100 in the z direction, which is the up-down direction, and in the x direction in a horizontal plane (left-right direction in FIG. 2), and moves the workpiece 3 in the y direction (forward and backward directions perpendicular to the paper surface in FIG. 2) perpendicular to the x direction in the horizontal plane.
以下、移動機構110の具体的構成を述べる。図2に示すように、工作機械200は門型マシニングセンタからなる。工作機械200は、ワーク3が設置されるテーブル140と、テーブル140をy方向に移動可能に支持するベッド141とを備える。また工作機械200は、ベッド141のx方向両側に配置された一対のコラム142と、一対のコラム142の上端部に掛け渡されたクロスバー143とを備え、クロスバー143は、テーブル140およびベッド141の上方を跨ぐようにx方向に延びている。クロスバー143は、サドル144をx方向に移動可能に支持する。サドル144は、エアスピンドル装置100を保持するヘッド145をz方向に移動可能に支持する。 The specific configuration of the movement mechanism 110 will be described below. As shown in FIG. 2, the machine tool 200 is a gate-type machining center. The machine tool 200 includes a table 140 on which the workpiece 3 is placed, and a bed 141 that supports the table 140 so that it can move in the y direction. The machine tool 200 also includes a pair of columns 142 arranged on both sides of the bed 141 in the x direction, and a crossbar 143 that is hung across the upper ends of the pair of columns 142. The crossbar 143 extends in the x direction so as to straddle the top of the table 140 and the bed 141. The crossbar 143 supports a saddle 144 so that it can move in the x direction. The saddle 144 supports a head 145 that holds the air spindle device 100 so that it can move in the z direction.
本実施の形態において、移動機構110は、ヘッド145をz方向に移動させるz軸移動機構111と、サドル144をx方向に移動させるx軸移動機構112と、テーブル140をy方向に移動させるy軸移動機構113と、を備える。z軸移動機構111、x軸移動機構112およびy軸移動機構113の各々は、たとえば位置検出器を内蔵したサーボモータ114と、サーボモータ114により駆動させる直動機構(図示せず)とを含む。なお、移動機構110は、3軸よりも多い移動軸を備えていてもよい。たとえば、移動機構110は、ヘッド145をy方向の軸中心に回動させる(エアスピンドル装置100の工具1を水平面に対して傾斜させる)回動軸や、テーブル140をz軸中心に回転させる(ワーク3を水平面内で回転させる)回転軸を備えていてもよい。 In this embodiment, the moving mechanism 110 includes a z-axis moving mechanism 111 that moves the head 145 in the z direction, an x-axis moving mechanism 112 that moves the saddle 144 in the x direction, and a y-axis moving mechanism 113 that moves the table 140 in the y direction. Each of the z-axis moving mechanism 111, the x-axis moving mechanism 112, and the y-axis moving mechanism 113 includes, for example, a servo motor 114 with a built-in position detector, and a linear motion mechanism (not shown) driven by the servo motor 114. The moving mechanism 110 may have more than three moving axes. For example, the moving mechanism 110 may have a rotation axis that rotates the head 145 around the axis in the y direction (tilting the tool 1 of the air spindle device 100 with respect to the horizontal plane) and a rotation axis that rotates the table 140 around the z axis (rotating the workpiece 3 in the horizontal plane).
工具交換装置120は、複数種の工具1を取り出し可能に保持し、エアスピンドル装置100のスピンドル10に装着する工具1を交換させる機能を有する。また、工具交換装置120は、工具1に加えて、接触センサ2を取り出し可能に保持する。すなわち、工具交換装置120は、工具1および接触センサ2をエアスピンドル装置100のスピンドル10に対して着脱可能に保持するように構成されている。 The tool exchange device 120 has the function of removably holding multiple types of tools 1 and replacing the tools 1 attached to the spindle 10 of the air spindle device 100. The tool exchange device 120 also removably holds the contact sensor 2 in addition to the tool 1. In other words, the tool exchange device 120 is configured to removably hold the tool 1 and the contact sensor 2 on the spindle 10 of the air spindle device 100.
図2に示すように制御部130は、工作機械200の全体の動作制御を行うように構成されている。制御部130は、CPUなどのプロセッサにより構成されている。具体的には制御部130は、ワーク3の加工プログラムを含む工作機械200を制御するための各種プログラム132が記憶された記憶部131を備える。記憶部131に記憶されたプログラムをプロセッサが実行することにより、プロセッサが工作機械200の制御部130として動作する。これにより、制御部130は、エアスピンドル装置100の動作制御、移動機構110の動作制御、工具交換装置120の動作制御を行う。制御部130は、たとえば工作機械200の制御盤に設けられており、制御盤の表示部(図示せず)や入力部(図示せず)と接続されている。 As shown in FIG. 2, the control unit 130 is configured to control the overall operation of the machine tool 200. The control unit 130 is configured with a processor such as a CPU. Specifically, the control unit 130 has a memory unit 131 in which various programs 132 for controlling the machine tool 200, including a machining program for the workpiece 3, are stored. The processor executes the programs stored in the memory unit 131, causing the processor to operate as the control unit 130 of the machine tool 200. As a result, the control unit 130 controls the operation of the air spindle device 100, the movement mechanism 110, and the tool exchange device 120. The control unit 130 is provided, for example, in a control panel of the machine tool 200, and is connected to a display unit (not shown) and an input unit (not shown) of the control panel.
次に本開示によるエアスピンドル装置100について述べる。図1に示すように本開示によるエアスピンドル装置100は、ハウジング50と、ハウジング50内に回転自在に設けられたスピンドル10と、スピンドル10の下端に保持された工具1とを備えている。この場合、工具1はスピンドル10の下端に工具保持部40を介して取り付けられて保持される。 Next, the air spindle device 100 according to the present disclosure will be described. As shown in FIG. 1, the air spindle device 100 according to the present disclosure includes a housing 50, a spindle 10 rotatably provided within the housing 50, and a tool 1 held at the lower end of the spindle 10. In this case, the tool 1 is attached and held at the lower end of the spindle 10 via a tool holder 40.
このうちスピンドル10は、ハウジング50内に設けられたラジアル軸受31により空気(エアともいう)を介して半径方向に支持されている。また同様にスピンドル10は、ハウジング50内に設けられたスラスト軸受32により空気(エアともいう)を介して軸方向に支持されている。 The spindle 10 is supported in the radial direction by a radial bearing 31 provided in the housing 50 through air (also called air). Similarly, the spindle 10 is supported in the axial direction by a thrust bearing 32 provided in the housing 50 through air (also called air).
そしてスラスト軸受32とラジアル軸受31とによりエアベアリング機構20が構成される。 The thrust bearing 32 and the radial bearing 31 form the air bearing mechanism 20.
本実施の形態において、スピンドル10は、図1に示すように、所定長さの軸部11と、この軸部11の途中に設けられ軸部11の径よりも大きな径を有するフランジ部12とを有する。そしてスピンドル10はハウジング50内の収納孔50A内に配置されている。 In this embodiment, as shown in FIG. 1, the spindle 10 has a shaft portion 11 of a predetermined length and a flange portion 12 that is provided midway along the shaft portion 11 and has a diameter larger than that of the shaft portion 11. The spindle 10 is disposed in a storage hole 50A in the housing 50.
そしてエアベアリング機構20は、図1に示すように、ハウジング50の収納孔50A内に固定され、スピンドル10を空気隙間を介して回転可能に支持する軸受部材30を有し、この軸受部材30は、上述したラジアル軸受31とスラスト軸受32とからなる。このうちラジアル軸受31は、軸部11の外周面との間に所定のラジアル隙間33を有する内径をもつとともに、ラジアル隙間33に空気を噴出するエア噴出孔34を有する。またスラスト軸受32はラジアル軸受31と一体的に形成され、フランジ部12の端面との間に所定のスラスト隙間35をもつとともに、このスラスト隙間35に空気を噴出するエア噴出孔36を有する。 As shown in FIG. 1, the air bearing mechanism 20 has a bearing member 30 that is fixed in the storage hole 50A of the housing 50 and rotatably supports the spindle 10 via an air gap, and this bearing member 30 consists of the above-mentioned radial bearing 31 and thrust bearing 32. Of these, the radial bearing 31 has an inner diameter with a predetermined radial gap 33 between it and the outer circumferential surface of the shaft portion 11, and has air outlet holes 34 that blow air into the radial gap 33. The thrust bearing 32 is formed integrally with the radial bearing 31, has a predetermined thrust gap 35 between it and the end face of the flange portion 12, and has air outlet holes 36 that blow air into this thrust gap 35.
上述のようにハウジング50には、中心軸方向にスピンドル10を収納する収納孔50Aが形成され、ハウジング50外部にエアベアリング用エア供給口23が形成されている。また、ハウジング50内部には、エアベアリング用エア供給口23からラジアル軸受31およびスラスト軸受32のエア噴出孔34およびエア噴出孔36に連通するエア供給路25が形成されている。 As described above, the housing 50 is formed with a storage hole 50A that stores the spindle 10 in the central axial direction, and an air supply port 23 for the air bearing is formed on the outside of the housing 50. In addition, an air supply passage 25 is formed inside the housing 50, which connects the air supply port 23 for the air bearing to the air outlet holes 34 and 36 of the radial bearing 31 and thrust bearing 32.
またエアスピンドル装置100は、ラジアル軸受31およびスラスト軸受32側へエアを供給する空気源60と、空気源60とエアベアリング用エア供給口23との間に接続され、エアベアリング用エア供給口23へのエアの圧力供給を制御する流体回路70とを備えている。これにより、空気源60から流体回路70を介してラジアル軸受31およびスラスト軸受32側へ所定の圧力の圧縮空気が供給される。供給される空気圧としては、たとえば約0.3MPa以上、約0.7MPa以下の圧力が考えられる。 The air spindle device 100 also includes an air source 60 that supplies air to the radial bearing 31 and thrust bearing 32, and a fluid circuit 70 that is connected between the air source 60 and the air bearing air supply port 23 and controls the pressure supply of air to the air bearing air supply port 23. This allows compressed air at a predetermined pressure to be supplied from the air source 60 to the radial bearing 31 and thrust bearing 32 via the fluid circuit 70. The supplied air pressure may be, for example, about 0.3 MPa or more and about 0.7 MPa or less.
次にスピンドル10を駆動する駆動部80について述べる。駆動部80は、スピンドル10を回転駆動するものである。駆動部80は、スピンドル10の上端部に連結され、スピンドル10を直接、中心軸線回りに回転駆動するように構成されている。駆動部80は、60000rpm程度の高速回転が可能な電動モータであり、ハウジング50の内部に組み込まれたビルトインモータである。モータは、同期モータや誘導モータなどを採用することが可能であるが、具体的には駆動部80は、このような誘導モータにより構成されている。誘導モータは、ステータ81において発生させた回転磁界によってロータ82に誘導電流を発生させ、誘導電流によって発生する磁界とステータ81の回転磁界との相互作用によってロータ82を回転させるものである。ロータ82は、スピンドル10に固定され、他方、ステータ81は、ロータ82の径方向外側を取り囲むようにハウジング50内に固定されている。 Next, the drive unit 80 that drives the spindle 10 will be described. The drive unit 80 drives the spindle 10 to rotate. The drive unit 80 is connected to the upper end of the spindle 10 and is configured to directly drive the spindle 10 to rotate around the central axis. The drive unit 80 is an electric motor capable of high-speed rotation of about 60,000 rpm, and is a built-in motor built into the housing 50. The motor can be a synchronous motor or an induction motor, but specifically, the drive unit 80 is configured by such an induction motor. The induction motor generates an induced current in the rotor 82 by a rotating magnetic field generated in the stator 81, and rotates the rotor 82 by the interaction between the magnetic field generated by the induced current and the rotating magnetic field of the stator 81. The rotor 82 is fixed to the spindle 10, while the stator 81 is fixed inside the housing 50 so as to surround the radial outside of the rotor 82.
また、図1乃至図4に示すように、ハウジング50の下方部には、ハウジング50に対するスピンドル10のx方向およびy方向の各変位量を求めるx方向変位計41およびy方向変位計42が各々設けられている。 As shown in Figures 1 to 4, an x-direction displacement meter 41 and a y-direction displacement meter 42 are provided on the lower part of the housing 50 to measure the amount of displacement of the spindle 10 in the x and y directions relative to the housing 50.
x方向変位計41とy方向変位計42は、スピンドル10のx方向およびy方向の変位量を求めるものであり、図1および図3においてスピンドル10の外周に平面視で90°離間した位置に配置されている。x方向変位計41はハウジング50およびラジアル軸受31を水平方向に貫通して形成された開口41A内に水平方向に延びるよう配置され、x方向変位計41によりスピンドル10の軸部11の外周面との間の水平方向距離を求めるようになっている。 The x-direction displacement gauge 41 and the y-direction displacement gauge 42 are used to measure the displacement of the spindle 10 in the x and y directions, and are arranged at positions spaced 90° apart in a plan view on the outer periphery of the spindle 10 in Figures 1 and 3. The x-direction displacement gauge 41 is arranged to extend horizontally within an opening 41A formed by penetrating the housing 50 and the radial bearing 31 in the horizontal direction, and the x-direction displacement gauge 41 is used to measure the horizontal distance between the outer periphery of the shaft portion 11 of the spindle 10.
そしてx方向変位計41からの信号は制御部130へ送られる。 The signal from the x-direction displacement meter 41 is then sent to the control unit 130.
y方向変位計42は、x方向変位計41に対して平面視で90°離間した位置に配置されている。本実施の形態において、ハウジング50およびラジアル軸受31を水平方向に貫通して、開口41Aと平面視で90°離間した位置に開口42Aが形成されている。そしてこの開口42A内にy方向変位計42が水平方向に延びるよう設けられ、このy方向変位計42によりスピンドル10の軸部11の外周面との間の水平方向距離を求めることができる。y方向変位計42からの信号は制御部130へ送られる。 The y-direction displacement gauge 42 is disposed at a position 90° apart from the x-direction displacement gauge 41 in a plan view. In this embodiment, an opening 42A is formed at a position 90° apart from the opening 41A in a plan view, penetrating the housing 50 and the radial bearing 31 in the horizontal direction. The y-direction displacement gauge 42 is provided to extend horizontally within this opening 42A, and the horizontal distance between the outer circumferential surface of the shaft portion 11 of the spindle 10 can be determined by this y-direction displacement gauge 42. A signal from the y-direction displacement gauge 42 is sent to the control unit 130.
またハウジング50のうち、フランジ部12より上方部分には、ハウジング50に対するスピンドル10のz方向の変位量を求めるz方向変位計43が設けられている。 A z-direction displacement meter 43 is provided in the housing 50 above the flange portion 12 to measure the amount of displacement of the spindle 10 in the z direction relative to the housing 50.
本実施の形態において、スピンドル10のフランジ部12の上方において、ハウジング50およびスラスト軸受32を垂直方向に貫通して開口43Aが設けられ、この開口43A内にz方向変位計43が垂直方向に延びるよう配置されている。そしてこのz方向変位計43によりスピンドル10のフランジ部12との間の垂直方向距離を求めることができる。z方向変位計43からの信号は制御部130へ送られる。 In this embodiment, an opening 43A is provided above the flange portion 12 of the spindle 10, penetrating the housing 50 and the thrust bearing 32 in the vertical direction, and a z-direction displacement meter 43 is arranged to extend vertically within this opening 43A. The z-direction displacement meter 43 can be used to determine the vertical distance between the flange portion 12 of the spindle 10. A signal from the z-direction displacement meter 43 is sent to the control unit 130.
なお、ハウジング50に対するスピンドル10のx方向、y方向、z方向の変位量を求めるx方向変位計41、y方向変位計42およびz方向変位計43としては、スピンドル10との間の距離を測定することができれば、どのような変位計を用いてもよい。 In addition, any displacement gauges can be used as the x-direction displacement gauge 41, y-direction displacement gauge 42, and z-direction displacement gauge 43, which are used to determine the displacement of the spindle 10 in the x-direction, y-direction, and z-direction relative to the housing 50, as long as they can measure the distance between the spindle 10.
例えば、x方向変位計41、y方向変位計42あるいはz方向変位計43としては、静電容量型センサ、渦電流型センサ、あるいはレーザ光照射型センサを用いることができる。 For example, the x-direction displacement gauge 41, the y-direction displacement gauge 42, or the z-direction displacement gauge 43 can be a capacitance sensor, an eddy current sensor, or a laser light irradiation sensor.
また、本実施の形態において、z方向変位計43として、ハウジング50内に設けられて、スピンドル10のフランジ部12との間の距離を求める例を示したが、これに限らず、ハウジング50の上部にz方向変位計43を設け、このz方向変位計43によりスピンドル10上端との間の垂直方向距離を求めてもよい。 In addition, in this embodiment, an example has been shown in which the z-direction displacement meter 43 is provided inside the housing 50 to measure the distance between the flange portion 12 of the spindle 10, but this is not limiting. The z-direction displacement meter 43 may be provided on the upper part of the housing 50, and the vertical distance between the upper end of the spindle 10 may be measured using this z-direction displacement meter 43.
次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。 Next, we will explain the operation of this embodiment with such a configuration.
まず、図1に示すように、空気源60からの圧縮空気(圧縮エアともいう)が、流体回路70を介してハウジング50側へ送られ、圧縮エアはハウジング50のエアベアリング用エア供給口23からラジアル軸受31およびスラスト軸受32の両方に供給される。これにより、スピンドル10はラジアル軸受31により半径方向にエアを介して非接触状態で支持され、スラスト軸受32により軸方向にエアを介して非接触状態で支持される。これらの結果、スピンドル10は、ラジアル軸受31およびスラスト軸受32に供給された空気圧によって、軸方向(Z方向)および半径方向(XY方向)の移動が非接触で拘束された状態で、中心軸回りに回転可能に支持される。 First, as shown in FIG. 1, compressed air (also called compressed air) from an air source 60 is sent to the housing 50 side via a fluid circuit 70, and the compressed air is supplied to both the radial bearing 31 and the thrust bearing 32 from the air bearing air supply port 23 of the housing 50. As a result, the spindle 10 is supported in a non-contact state in the radial direction by the radial bearing 31 via air, and in a non-contact state in the axial direction by the thrust bearing 32 via air. As a result, the spindle 10 is supported rotatably around the central axis by the air pressure supplied to the radial bearing 31 and the thrust bearing 32, with movement in the axial direction (Z direction) and radial direction (XY direction) restricted in a non-contact state.
この状態で、駆動部80によってスピンドル10が回転駆動され、スピンドル10に装着された工具1が高速回転する。そして、移動機構110によってエアスピンドル装置100とワーク3とが相対移動され、工具1をワーク3に接触させることにより、ワーク3に対する切削加工が行われる。 In this state, the spindle 10 is rotated by the drive unit 80, and the tool 1 attached to the spindle 10 rotates at high speed. Then, the air spindle device 100 and the workpiece 3 are moved relative to each other by the movement mechanism 110, and the tool 1 is brought into contact with the workpiece 3, thereby performing cutting on the workpiece 3.
この間、x方向変位計41によりスピンドル10の軸部11の外周面との間の水平方向距離が測定され、y方向変位計42によりスピンドル10の軸部11の外周面との間の水平方向距離が測定され、z方向変位計43によりスピンドル10のフランジ部12との間の垂直方向距離が測定される。x方向変位計41からの信号、y方向変位計42からの信号およびz方向変位計43からの信号は制御部130へ送られる。 During this time, the x-direction displacement meter 41 measures the horizontal distance between the outer circumferential surface of the shaft portion 11 of the spindle 10, the y-direction displacement meter 42 measures the horizontal distance between the outer circumferential surface of the shaft portion 11 of the spindle 10, and the z-direction displacement meter 43 measures the vertical distance between the flange portion 12 of the spindle 10. The signals from the x-direction displacement meter 41, the y-direction displacement meter 42, and the z-direction displacement meter 43 are sent to the control unit 130.
制御部130へ送られたx方向変位計41からの測定結果、y方向変位計42からの測定結果およびz方向変位計43からの測定結果は、ハウジング50に対するスピンドル10のx方向変位量、y方向変位量、およびz方向変位量に各々対応し、これらのx方向変位量、y方向変位量およびz方向変位量は、制御部130の記憶部131内に格納される。 The measurement results from the x-direction displacement meter 41, the y-direction displacement meter 42, and the z-direction displacement meter 43 sent to the control unit 130 correspond to the x-direction displacement amount, the y-direction displacement amount, and the z-direction displacement amount of the spindle 10 relative to the housing 50, respectively, and these x-direction displacement amount, y-direction displacement amount, and z-direction displacement amount are stored in the memory unit 131 of the control unit 130.
次に制御部130の判別部133は、記憶部131内のx方向変位量、y方向変位量およびz方向変位量に基づいて、ワーク3から工具1に加わる負荷を求める。 Next, the discrimination unit 133 of the control unit 130 determines the load applied from the workpiece 3 to the tool 1 based on the x-direction displacement amount, the y-direction displacement amount, and the z-direction displacement amount in the memory unit 131.
ここでx方向変位計41により求めたx方向変位量の具体的結果を図5Aおよび図5Bに示す。 The specific results of the x-direction displacement measured by the x-direction displacement meter 41 are shown in Figures 5A and 5B.
このうち図5Aはx方向変位量の変化を示す図、図5Bは図5Aの拡大図である。 Figure 5A shows the change in displacement in the x direction, and Figure 5B is an enlarged view of Figure 5A.
図5Aおよび図5Bに示すように、工具1を用いてワーク3に対して加工作業を行う際、工具1がワーク3に接触した直後からワーク3から工具1に加わる負荷に応じてx方向変位量が急上昇し、このx方向変位量は一定の値をとる。 As shown in Figures 5A and 5B, when machining workpiece 3 using tool 1, the amount of x-direction displacement increases sharply in response to the load applied to tool 1 from workpiece 3 immediately after tool 1 comes into contact with workpiece 3, and this amount of x-direction displacement remains a constant value.
次に工具1がワーク3から離れて接触終了すると、x方向変位量が低下する。 Next, when the tool 1 leaves the workpiece 3 and contact ends, the amount of displacement in the x direction decreases.
この場合、x方向変位量は、ワーク3から工具1に加わるx方向の負荷に応じて比例することが分かっている。このため制御部130の判別部133は、x方向変位量に基づいて、ワーク3から工具1に加わるx方向の負荷を求めることができる。 In this case, it is known that the amount of x-direction displacement is proportional to the load in the x-direction applied from the workpiece 3 to the tool 1. Therefore, the discrimination unit 133 of the control unit 130 can determine the load in the x-direction applied from the workpiece 3 to the tool 1 based on the amount of x-direction displacement.
同様にして制御部130の判別部133は、y方向変位計42から送られたy方向変位量に基づいて、ワーク3から工具1に加わるy方向の負荷を求めることができる。 In the same manner, the discrimination unit 133 of the control unit 130 can determine the load in the y direction applied to the tool 1 from the workpiece 3 based on the amount of y direction displacement sent from the y direction displacement meter 42.
同様にして制御部130の判別部133は、z方向変位計43から送られたz方向変位量に基づいて、ワーク3から工具1に加わるz方向の負荷を求めることができる。 In the same manner, the discrimination unit 133 of the control unit 130 can determine the z-direction load applied to the tool 1 from the workpiece 3 based on the z-direction displacement amount sent from the z-direction displacement meter 43.
本実施の形態において、制御部130の判別部133は更に、x方向変位量、y方向変位量およびz方向変位量に基づいて、ワーク3に対する工具1の位置ずれを修正する。 In this embodiment, the discrimination unit 133 of the control unit 130 further corrects the positional deviation of the tool 1 relative to the workpiece 3 based on the amount of displacement in the x direction, the amount of displacement in the y direction, and the amount of displacement in the z direction.
すなわち、ハウジング50に対してスピンドル10が、x方向変位量、y方向変位量およびz方向変位量をもっている場合、ワーク3に対する工具1の位置がずれていることを意味する。 In other words, when the spindle 10 has an x-direction displacement, a y-direction displacement, and a z-direction displacement relative to the housing 50, this means that the position of the tool 1 relative to the workpiece 3 is misaligned.
本実施の形態において、制御部130の判別部133は、上記x方向変位量、y方向変位量およびz方向変位量に基づいて、移動機構110を駆動制御する。この場合、移動機構110はハウジング50を含むエアスピンドル装置100全体をx方向、y方向およびz方向にわずかに移動させる。 In this embodiment, the discrimination unit 133 of the control unit 130 drives and controls the movement mechanism 110 based on the x-direction displacement amount, the y-direction displacement amount, and the z-direction displacement amount. In this case, the movement mechanism 110 moves the entire air spindle device 100 including the housing 50 slightly in the x-direction, y-direction, and z-direction.
具体的には、移動機構110のx軸移動機構112により、ハウジング50を含むエアスピンドル装置100全体を、x方向変位量を補正する方向に(x方向変位量を相殺する方向に)わずかに移動させ、このことによりワーク3に対する工具1のx方向の位置ずれを修正する。 Specifically, the x-axis movement mechanism 112 of the movement mechanism 110 moves the entire air spindle device 100, including the housing 50, slightly in a direction that corrects the amount of x-direction displacement (a direction that offsets the amount of x-direction displacement), thereby correcting the x-direction positional deviation of the tool 1 relative to the workpiece 3.
例えばハウジング50に対するスピンドル10のx方向変位量が「+a」の場合、ハウジング50を含むエアスピンドル装置100全体をx方向へ「-a」だけわずかに移動させる。このことによりワーク3に対する工具1のx方向の位置ずれを修正することができる。 For example, if the displacement of the spindle 10 in the x direction relative to the housing 50 is "+a", the entire air spindle device 100 including the housing 50 is moved slightly in the x direction by "-a". This makes it possible to correct the positional deviation of the tool 1 in the x direction relative to the workpiece 3.
同様に移動機構110のy軸移動機構113により、ハウジング50を含むエアスピンドル装置100全体を、y方向変位量を補正する方向に(y方向変位量を相殺する方向に)わずかに移動させ、このことによりワーク3に対する工具1のy方向の位置ずれを修正する。 Similarly, the y-axis movement mechanism 113 of the movement mechanism 110 moves the entire air spindle device 100, including the housing 50, slightly in a direction that corrects the amount of displacement in the y direction (a direction that offsets the amount of displacement in the y direction), thereby correcting the positional deviation of the tool 1 in the y direction relative to the workpiece 3.
また移動機構110のz軸移動機構111により、ハウジング50を含むエアスピンドル装置100全体を、z方向変位量を補正する方向に(z方向変位量を相殺する方向に)わずかに移動させ、このことによりワーク3に対する工具1のz方向の位置ずれを修正する。 The z-axis movement mechanism 111 of the movement mechanism 110 also moves the entire air spindle device 100, including the housing 50, slightly in a direction that corrects the amount of z-direction displacement (a direction that offsets the amount of z-direction displacement), thereby correcting the positional deviation of the tool 1 in the z direction relative to the workpiece 3.
以上のように本実施の形態によれば、制御部130によって、x方向変位計41から送られてきたx方向変位量に基づいて、ワーク3から工具1に加わるx方向の負荷を求めることができ、y方向変位計42から送られてきたy方向変位量に基づいて、ワーク3から工具1に加わるy方向の負荷を求めることができ、かつz方向変位計43から送られてきたz方向変位量に基づいて、ワーク3から工具1に加わるz方向の負荷を求めることができる。 As described above, according to this embodiment, the control unit 130 can determine the x-direction load applied from the workpiece 3 to the tool 1 based on the x-direction displacement amount sent from the x-direction displacement meter 41, can determine the y-direction load applied from the workpiece 3 to the tool 1 based on the y-direction displacement amount sent from the y-direction displacement meter 42, and can determine the z-direction load applied from the workpiece 3 to the tool 1 based on the z-direction displacement amount sent from the z-direction displacement meter 43.
また制御部130によって、x方向変位量、y方向変位量、およびz方向変位量に基づいて移動機構110を制御して、移動機構110によりハウジング50を含むエアスピンドル装置100全体をx方向、y方向、およびz方向にわずかに移動させる。この場合、移動機構110により、ハウジング50を含むエアスピンドル装置100全体を、x方向変位量、y方向変位量およびz方向変位量を補正する方向に(相殺する方向に)わずかに移動させる。このため、ワーク3に対する工具1のx方向の位置ずれ、y方向の位置ずれおよびz方向の位置ずれを修正することができる。このことによりワーク3に対して工具1を用いて高精度の加工を実施することができる。 The control unit 130 also controls the movement mechanism 110 based on the x-direction displacement amount, y-direction displacement amount, and z-direction displacement amount, and the movement mechanism 110 moves the entire air spindle device 100 including the housing 50 slightly in the x-direction, y-direction, and z-direction. In this case, the movement mechanism 110 moves the entire air spindle device 100 including the housing 50 slightly in a direction that corrects (cancels) the x-direction displacement amount, y-direction displacement amount, and z-direction displacement amount. This makes it possible to correct the positional deviation in the x-direction, y-direction, and z-direction of the tool 1 relative to the workpiece 3. This makes it possible to perform high-precision machining of the workpiece 3 using the tool 1.
なお、上記実施の形態に示すx方向変位計41、y方向変位計42およびz方向変位計43に加えて、ハウジング50に対するスピンドル10のy方向の軸を中心とする回動変位を求めるy方向回動変位計、ハウジング50に対するスピンドルのz方向の軸を中心とする回動変位を求めるz方向回動変位計を設置してもよい。この場合はy方向回動位計およびz方向回動変位計からの信号に基づいて移動機構110によりy方向の軸を中心とする回動変位およびz方向の軸を中心とする回動変位をなくすよう、ハウジング50を有するエアスピンドル装置100全体をわずかに移動させて、y方向の軸を中心とする回動方向の位置ずれ、およびz方向の軸を中心とする回動方向の位置ずれを修正することができる。 In addition to the x-direction displacement gauge 41, y-direction displacement gauge 42, and z-direction displacement gauge 43 shown in the above embodiment, a y-direction rotational displacement gauge for determining the rotational displacement of the spindle 10 relative to the housing 50 around the y-direction axis, and a z-direction rotational displacement gauge for determining the rotational displacement of the spindle relative to the housing 50 around the z-direction axis may be installed. In this case, the entire air spindle device 100 having the housing 50 can be moved slightly based on the signals from the y-direction rotational displacement gauge and the z-direction rotational displacement gauge to eliminate the rotational displacement around the y-direction axis and the z-direction axis by the movement mechanism 110, thereby correcting the positional deviation in the rotational direction around the y-direction axis and the z-direction axis.
1 工具
3 ワーク
10 スピンドル
11 軸部
12 フランジ部
20 エアベアリング機構
23 エアベアリング用エア供給口
25 エア供給路
30 軸受部材
31 ラジアル軸受
32 スラスト軸受
33 ラジアル隙間
34 エア噴出孔
35 スラスト隙間
36 エア噴出孔
40 工具保持部
41 x方向変位計
41A 開口
42 y方向変位計
42A 開口
43 z方向変位計
43A 開口
50 ハウジング
50A 収納孔
60 空気源
70 流体回路
80 駆動部
81 ステータ
82 ロータ
110 移動機構
111 z軸移動機構
112 x軸移動機構
113 y軸移動機構
130 制御部
REFERENCE SIGNS LIST 1 Tool 3 Workpiece 10 Spindle 11 Shaft portion 12 Flange portion 20 Air bearing mechanism 23 Air supply port for air bearing 25 Air supply path 30 Bearing member 31 Radial bearing 32 Thrust bearing 33 Radial gap 34 Air ejection hole 35 Thrust gap 36 Air ejection hole 40 Tool holding portion 41 x-direction displacement meter 41A Opening 42 y-direction displacement meter 42A Opening 43 z-direction displacement meter 43A Opening 50 Housing 50A Storage hole 60 Air source 70 Fluid circuit 80 Drive portion 81 Stator 82 Rotor 110 Movement mechanism 111 Z-axis movement mechanism 112 X-axis movement mechanism 113 Y-axis movement mechanism 130 Control portion
Claims (5)
ハウジングと、
前記ハウジング内に回転自在に設けられるとともに工具を保持するスピンドルと、
前記ハウジングに設けられ、エアを介して前記スピンドルを半径方向に支持するラジアル軸受と、
前記ハウジングに設けられ、エアを介して前記スピンドルを軸方向に支持するスラスト軸受と、
前記ハウジングに対する前記スピンドルのx方向、y方向、およびz方向の各々の変位量を求めるx方向変位計、y方向変位計およびz方向変位計と、
前記ハウジングを駆動する移動機構と、
制御部とを備え、
前記移動機構は、x軸移動機構と、y軸移動機構と、z軸移動機構とを有し、
前記制御部は前記x方向変位計、前記y方向変位計および前記z方向変位計からの信号に基づいて、前記スピンドルのx方向、y方向、およびz方向の各々の変位量を補正する方向に前記移動機構の前記x軸移動機構と、前記y軸移動機構と、前記z軸移動機構を制御する、エアスピンドル装置。 In the air spindle device,
Housing and
a spindle rotatably mounted within the housing and configured to hold a tool;
a radial bearing provided in the housing and supporting the spindle in a radial direction via air;
a thrust bearing provided in the housing and supporting the spindle in the axial direction via air;
an x-direction displacement meter, a y-direction displacement meter, and a z-direction displacement meter for determining displacement amounts in an x-direction, a y-direction, and a z-direction of the spindle relative to the housing;
A moving mechanism that drives the housing;
A control unit.
the moving mechanism includes an x-axis moving mechanism, a y-axis moving mechanism, and a z-axis moving mechanism;
An air spindle device in which the control unit controls the x-axis movement mechanism, the y-axis movement mechanism, and the z-axis movement mechanism of the movement mechanism in directions that correct the displacement amounts of the spindle in each of the x-direction, y-direction, and z-direction based on signals from the x-direction displacement meter, the y-direction displacement meter, and the z-direction displacement meter.
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