JP4874756B2

JP4874756B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP4874756B2
Application number: JP2006274427A
Authority: JP
Inventors: 直充矢野原
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2006-10-05
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-10-05
Also published as: DE102007047145B4; CN101158372A; ITMI20071879A1; CN101158372B; US20080083585A1; DE102007047145A1; JP2008093738A; US7997385B2

Description

本発明は、主軸を回転可能に備える工作機械に関するものである。

軸受等により主軸を回転可能に支持してなる工作機械（たとえば、特許文献１に記載されているような工作機械）は、従来一般的に見受けられるものである。そして、このような工作機械では、主軸を回転させて加工を開始する、すなわち主軸を立ち上げる際に、軸受内の潤滑状態を安定化させたり、主軸の熱バランスを整えたりするため、ある一定の時間、ある回転速度で主軸を回転させるといった立ち上げ運転（以下、暖機運転と称す）を行う必要がある。

特開２００６−７３２９号公報

しかしながら、従来では、軸受内の残留潤滑油量や軸受温度等といった主軸の状態に何ら関わりなく、どのような状況であっても所定時間、所定の回転速度で主軸を回転させるといった暖機運転を実施していた（すなわち、暖機運転としての主軸の回転動作は、一パターンしか設定されていなかった）。したがって、加工前に無駄に長い時間をかけて暖機運転を行っていたり、暖機運転により軸受が損傷してしまう事態が生じることもあった。

そこで、本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであって、主軸の状態に応じた適当な暖機運転を行う（時には暖機運転を行わないようにする）ことができ、加工前の暖機運転時間を無駄に増やすことなく、又、暖機運転により軸受を損傷させることもない工作機械を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、軸受を介して主軸を回転可能に支持してなり、前記軸受内へ潤滑油を供給可能となっているとともに、前記主軸の回転動作及び前記軸受内への潤滑油の供給動作を制御する制御部を備えた工作機械であって、前記制御部は、前記軸受内への潤滑油の供給量と前記主軸の回転速度とを時系列データとして記憶手段に記憶しており、前記主軸を立ち上げるにあたり、前記記憶手段に記憶されている時系列データを用いて前記軸受内の残留潤滑油量を算出するとともに、該残留潤滑油量に基づいて暖機運転の要否を判断し、該判断結果に応じて前記主軸の立ち上げ時の回転速度を制御することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、制御部は、潤滑油の供給量と主軸の回転速度とに加え、軸受の温度である軸受温度、主軸機体の温度である機体温度、及び主軸が設置されている環境の温度である周囲温度のうちの少なくとも一つを時系列データとして記憶し、残留潤滑油量の算出に用いることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、制御部は、算出した残留潤滑油量にもとづいて、主軸の立ち上げ時における軸受内への潤滑油の供給量を制御することを特徴とする。
尚、本発明で言うところの「主軸を立ち上げる」とは、「加工開始に伴って主軸を回転させ始める」といった意味に加え、「加工途中において主軸の回転速度を変化させる場合に、新たな回転速度にて主軸を回転させ始める」といった意味をも含む。

本発明によれば、制御部が、軸受内への潤滑油の供給量と主軸の回転速度とを時系列データとして記憶手段に記憶しており、主軸を立ち上げるにあたり、記憶手段に記憶されている時系列データを用いて軸受内の残留潤滑油量を算出するとともに、該残留潤滑油量に基づいて暖機運転の要否を判断し、該判断結果に応じて主軸の立ち上げ時の回転速度を制御する。つまり、算出した残留潤滑油量に基づく判断の結果、暖機運転を行う必要がないと判断した場合には、加工を行うための使用回転速度にて主軸を回転させる一方、暖機運転を行う必要があると判断した場合には暖機運転を行うための回転速度にて主軸を回転させる。したがって、暖機運転の要否を適確に判断することができ、必要がないにも拘わらず加工前に無駄に暖機運転を行って加工効率を悪化させるようなことがなく、効率の良い加工を行うことができる。さらに、立ち上げ時の回転速度を制御するにあたり、軸受内の残留潤滑油量にもとづいて主軸の回転速度を制御するため、暖機運転により軸受が損傷してしまう事態の発生を避けることができ、工作機械の耐久性の向上、加工精度の向上等を図ることができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、軸受内への潤滑油の供給量と主軸の回転速度とに加え、軸受の温度である軸受温度、主軸機体の温度である機体温度、及び主軸が設置されている環境の温度である周囲温度のうちの少なくとも一つを時系列データとして記憶し、残留潤滑油量の算出に用いる。つまり、より複数の要素をもとにして残留潤滑油量を算出するため、残留潤滑油量にもとづく主軸の回転速度の制御を、より最適に実施することができる。したがって、加工効率、工作機械の耐久性、加工精度等の更なる向上を図ることができる。
加えて、請求項３に記載の発明によれば、算出した残留潤滑油量にもとづいて、主軸の立ち上げ時における軸受内への潤滑油の供給量を制御する。したがって、主軸の立ち上げ時における軸受内の潤滑状態を良好なものとすることができ、ひいては加工効率、工作機械の耐久性、加工精度等の一層の向上を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態となる工作機械について、図面をもとに説明する。

図１は、工作機械１の暖機運転に係る制御機構を示した説明図である。
工作機械１は、ハウジング３に複数の軸受４、４・・を介して回転可能に軸支された主軸２を備えており、ステータ５及びロータ６からなる駆動部によって主軸２を回転駆動するようになっている。また、工作機械１には、上記駆動部の動作を制御する等して主軸２の回転動作を制御する制御部７が備えられている。さらに、主軸２を支持する軸受４、４・・へは、潤滑油供給装置８により油量を調整しながら潤滑油を供給可能としている。該潤滑油供給装置８は、上記制御部７と電気的に接続されており、潤滑油の供給油量及び供給時間に関する信号を制御部７へ送信するようになっている。

また、工作機械１の主軸２及び／又は主軸２近傍には、各軸受４の温度を測定するための軸受温度センサ１１、ハウジング２の温度を測定するための機体温度センサ１２、及び周囲（主軸２が設置されている環境）の温度を測定するための周囲温度センサ１３といった各種温度センサが設置されているとともに、主軸２の回転速度を検出可能な回転速度検出センサ１４が設置されている。そして、これら各センサは、上記制御部７と電気的に接続されており、制御部７へ軸受温度、機体温度、周囲温度、及び主軸２の回転速度に係る信号を送信するようになっている。

一方、制御部７は、各センサから受信した信号から潤滑油供給量、供給時間、軸受温度、機体温度、周囲温度、及び主軸２の回転速度等を数値化するための変換部２１と、該変換部２１により数値化された数値を時系列データとして記憶するためのメモリ部２２と、時系列データを用いて、主軸２を立ち上げ時における軸受４、４・・内の残留潤滑油量を算出するための演算部２３と、該演算部２３における演算結果により、軸受４、４・・内へ供給する潤滑油量、主軸２の回転速度、及び主軸２の回転時間を決定するための動作制御部２４と、該動作制御部２４にて決定された回転速度及び回転時間に応じて主軸２の駆動部を動作させる（駆動部へ回転指令を送信する等）駆動制御部２５とを備えてなる。

ここで、演算部２３における軸受４内の残留潤滑油量の算出方法について説明する。
まず、軸受４に供給する潤滑油量（潤滑油供給量）と、軸受４に残留する潤滑油量の関係のみを考える。軸受４に潤滑油を供給すると、その全てが軸受４に残留するわけではなく、主軸２の構造、軸受４の種類等によって決まる割合の潤滑油量が軸受４に残留し、残りはドレンや主軸２における回転部と固定部との隙間等から外部へ排出される。そして、単位時間当たりのの潤滑油供給量が一定の場合、単位時間当たりの残留潤滑油量も一定となる。そのため、現在の残留潤滑油量は、それまでの残留潤滑油量を合計した数値となる。次に、主軸２が回転する場合を考慮すると、主軸２の回転による遠心力や、圧力の変化に伴う空気の流れの変化等により、供給する潤滑油量が一定であっても軸受４内に残留する潤滑油量は変化することになる。そこで、上記単位時間当たりの供給潤滑油量から算出される単位時間当たりの残留潤滑油量を、その単位時間における回転速度の変化を考慮した係数で補正して合計することにより、主軸２の回転をも考慮した現在の残留潤滑油量を得ることができる。
さらに、各部の温度と残留潤滑油量との関係を考える。潤滑油は、温度変化によりその粘度が変化するという特性を有している。そこで、軸受４の温度（軸受温度）の影響を考えると、主軸２が高速で回転する場合、軸受４の温度が上昇して軸受４内の潤滑油の粘度が低下する。潤滑油の粘度が低下すると、外部へ排出されやすくなるため、軸受４内における残留潤滑油量は減少する。一方、主軸２が停止している又は低速で回転している場合、軸受温度は、機体温度や周囲温度に近い値となる。そして、機体温度や周囲温度が低い場合には、潤滑油の粘度が上昇し、残留潤滑油量は増加することになる。さらにまた、機体温度や周囲温度の影響について考える。潤滑油は、機械に取り付けられた潤滑油供給装置８によって供給され、主軸２の近傍に取り付けられている配管と、主軸２のハウジング内の経路を介して軸受４、４・・へ供給されるものであるため、軸受４、４・・に供給されるまでの経路や配管の温度である機体温度や周囲温度の影響を受けることになる。加えて、潤滑油供給装置８によって供給される前の潤滑油の粘度（周囲温度等に影響を受ける）も残留潤滑油量に影響を及ぼすことになる。したがって、軸受温度、機体温度、及び周囲温度により、潤滑油供給量と主軸２の回転速度とから算出される上記残留潤滑油量を更に補正することで、より正確な残留潤滑油量を算出することができるようになる。

以下、上述したような工作機械１における主軸２の立ち上げ動作について、図２をもとに説明する。図２は、主軸２を立ち上げる際の制御について示したフローチャート図である。
主軸２を立ち上げるに際し、工作機械１は、メモリ部２２に記憶されている前回の運転の時系列データ（すなわち、潤滑油供給量、供給時間、軸受温度、機体温度、周囲温度、及び主軸２の回転速度）をもとにして、演算部２３で現在（立ち上げ時）の軸受４、４・・内の残留潤滑油量を算出し、該算出値をメモリ部２２に記憶する（Ｓ１）。次に、工作機械１は、現在の軸受４、４・・の軸受温度、機体温度、周囲温度を各センサ１１、１２、１３にて検出するとともに、検出した軸受温度、機体温度、及び周囲温度と、Ｓ１にて算出した残留潤滑油量と、前回残留潤滑油量を算出した時刻から現在までの経過時間とがそれぞれ所定の閾値を満たしているか否かを判断する（Ｓ２）。そして、Ｓ２における判断の結果、全て満たしていると判断した場合には、後述するような暖機運転の必要なしとして、検出した軸受温度、機体温度、及び周囲温度と、Ｓ１にて算出した残留潤滑油量とから潤滑油供給量を決定し（Ｓ３）て軸受４、４・・内へ供給した後、加工するための使用回転速度にて主軸２を回転させ（Ｓ７）て加工を開始する。

一方、Ｓ２における判断の結果、一つでも閾値を満たしていない場合には、暖機運転の必要ありとして、検出した軸受温度、機体温度、及び周囲温度と、Ｓ１にて算出した残留潤滑油量とから、その主軸２に最適な暖機運転の運転プログラム（すなわち、軸受等を損傷させることなく、且つ、かかる時間も最小となる主軸２の回転速度及び回転時間）と潤滑油供給量とを決定する（Ｓ４）。そして、Ｓ４で決定された量の潤滑油を軸受４、４・・内へ供給するとともに、Ｓ４で決定された運転プログラムにて主軸２の暖機運転を行った（Ｓ５）後、一旦主軸２の回転を停止させる（Ｓ６）。それから、今度は使用回転速度にて主軸２を回転させ（Ｓ７）て加工を開始する。
以上のようにして工作機械１は主軸２の立ち上げ動作を行う。

尚、主軸２の回転中には、軸受温度、機体温度、周囲温度、主軸２の回転速度、潤滑油供給量、及び供給時間とが、時系列データとして、各センサ１１、１２、１３、１４等により時系列的に検出され、メモリ部２２に記憶される。また、加工を終了する際には、主軸２の駆動部へ回転停止指令を与えるとともに、上記時系列データの記憶も停止する。

ここで、図３にもとづき、暖機運転の要否について説明する。図３（ａ）は、低速回転後（残留潤滑油量が多い状態）に主軸２を立ち上げた際の機体温度の温度上昇量（単位は℃）と時間（単位はｍｉｎ）との関係を示した図であり、図３（ｂ）は、高速回転後（残留潤滑油量が少ない状態）に主軸２を立ち上げた際の機体温度の温度上昇量と時間との関係を示した図である。
図３（ａ）に示す如く、低速回転後の立ち上げでは、残留潤滑油量が多いため、立ち上げ後に機体温度が飽和するまで時間がかかってしまう。したがって、主軸を立ち上げる前に主軸の温度バランスを安定化し、軸受の潤滑状態を良好とするための暖機運転が必要となる。一方、高速回転後の立ち上げでは、残留潤滑油量が適正なため、図３（ｂ）に示す如く、立ち上げ後すぐに主軸の温度バランスが安定し、暖機運転を行う必要がない。このように、立ち上げ前に主軸２がどのように運転されていたかによって暖機運転が必要であったり不要であったりする。そこで、本実施形態の工作機械１は、メモリ部２２に記憶されている前回の運転時における時系列データをもとにして上述したような暖機運転の要否を適確に判断するようになっている。

上記構成を有する工作機械１によれば、主軸２を立ち上げる際に、メモリ部２２に記憶されている前回の運転時における時系列データをもとにして残留潤滑油量を算出するとともに、該残留潤滑油量と、検出した軸受温度、機体温度、及び周囲温度とを用いて暖機運転の要否を判断する。したがって、暖機運転の要否を適確に判断することができ、加工前に無駄に暖機運転を行って加工効率を悪化させるようなことがなく、効率の良い加工を行うことができる。

また、暖機運転を行うにあたっては、算出した残留潤滑油量と、検出した軸受温度、機体温度、及び周囲温度とから、その主軸に最適な運転プログラム（特に主軸の回転速度及び回転時間）と潤滑油供給量とを決定し、決定された運転プログラムにもとづいて暖機運転を実施するとともに軸受内へ潤滑油を供給するようになっている。つまり、複数の要素をもとにして運転プログラムや潤滑油供給量を決定する構成であるため、確実に最適な運転プログラム及び潤滑油供給量を確実に決定することができるし、決定された最適な運転プログラムにより暖機運転を行うとともに潤滑油を供給するため、軸受内を良好な潤滑状態とすることができるし、無駄に長い時間暖機運転を行ったり、不適な暖機運転により軸受が損傷してしまうといった事態が起こりえない。したがって、加工効率の向上、工作機械の耐久性の向上、加工精度の向上等といった効果を図ることができる。

なお、本発明の工作機械に係る構成は、上記実施形態に記載の態様に何ら限定されるものではなく、工作機械の制御部、暖機運転の要否判断に係る構成、立ち上げ動作に係る制御等を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、上記実施形態では、軸受温度、機体温度、周囲温度、及び残留潤滑油量にもとづいて暖機運転の要否を判断したり、暖機運転としての運転プログラムを決定するような構成としているが、その全てを判断要素として用いる必要はなく、そのうちのいずれかにより暖機運転の要否判断や運転プログラムの決定を行うようにしてもよい。
また、残留潤滑油量を算出するにあたっても、記憶部に記憶されている時系列データのうちの全ての要素を用いる残留潤滑油量を算出する必要はなく、そのいずれかの要素から残留潤滑油量を算出するように構成することも可能である。
さらに、上記実施形態では、主軸の立ち上げ時のみに暖機運転の要否判断を行うようにしているが、加工動作中に主軸の使用回転速度を変更する場合（たとえば、使用回転速度を上げる場合）にも、上述したような暖機運転の要否判断を行うように構成することも可能である。

工作機械の暖機運転に係る制御機構を示した説明図である。主軸を立ち上げる際の制御について示したフローチャート図である。（ａ）は、低速回転後に主軸を立ち上げた際の機体温度の温度上昇量と時間との関係を示した図であり、（ｂ）は、高速回転後に主軸を立ち上げた際の機体温度の温度上昇量と時間との関係を示した図である。

符号の説明

１・・工作機械、２・・主軸、３・・ハウジング、４・・軸受、７・・制御部、８・・潤滑油供給装置、１１・・軸受温度センサ、１２・・機体温度センサ、１３・・周囲温度センサ、１４・・回転速度検出センサ、２１・・変換部、２２・・メモリ部、２３・・演算部、２４・・動作制御部、２５・・駆動制御部。

Claims

軸受を介して主軸を回転可能に支持してなり、前記軸受内へ潤滑油を供給可能となっているとともに、前記主軸の回転動作及び前記軸受内への潤滑油の供給動作を制御する制御部を備えた工作機械であって、
前記制御部は、前記軸受内への潤滑油の供給量と前記主軸の回転速度とを時系列データとして記憶手段に記憶しており、前記主軸を立ち上げるにあたり、前記記憶手段に記憶されている時系列データを用いて前記軸受内の残留潤滑油量を算出するとともに、該残留潤滑油量に基づいて暖機運転の要否を判断し、該判断結果に応じて前記主軸の立ち上げ時の回転速度を制御することを特徴とする工作機械。
制御部は、潤滑油の供給量と主軸の回転速度とに加え、軸受の温度である軸受温度、主軸機体の温度である機体温度、及び主軸が設置されている環境の温度である周囲温度のうちの少なくとも一つを時系列データとして記憶し、残留潤滑油量の算出に用いることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
制御部は、算出した残留潤滑油量にもとづいて、主軸の立ち上げ時における軸受内への潤滑油の供給量を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。