(57)【要約】【課題】回転軸の回転速度または負荷の変動があっても、回転軸を支持する転がり軸受の温度を安定化させることができ、また省エネルギが図れる回転機械の冷却システムを提供する。【解決手段】この冷却システムは、回転軸１を支持する転がり軸受２、および転がり軸受２に冷却用流体を供給して冷却する冷却装置を有する回転機械５と、冷却制御装置６とを備える。回転機械５は、例えば工作機械である。冷却制御装置６は、回転軸１の回転速度、または回転機械５に作用する負荷のいずれか一方または両方を入力パラメータとして冷却装置４が流す流量を変化させる。冷却制御装置６は、回転速度、温度、流量等の各種関係を記憶したデータベース８を用いて制御するようにしてもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を支持する転がり軸受、および前記転がり軸受に冷却用流体を供給して前記転がり軸受を冷却する冷却装置を有する回転機械と、前記冷却装置を制御する冷却制御装置とを備える回転機械の冷却システムであって、
前記冷却制御装置は、前記回転軸の回転速度、または前記回転機械に作用する負荷のいずれか一方または両方を入力パラメータとして前記冷却装置が流す流量を変化させる回転機械の冷却システム。
【請求項２】
請求項１に記載の回転機械の冷却システムにおいて、前記回転速度と前記転がり軸受の温度の上昇との関係、および前記冷却用流体の流量と冷却能力との関係を記憶したデータベースを備え、
前記冷却制御装置は、前記入力パラメータとなる前記回転速度から、前記データベースに記憶されている前記回転速度と前記転がり軸受の温度の上昇との関係を用いて冷却目標温度を算出し、この冷却目標温度から前記データベースに記憶されている冷却用流体の流量と冷却能力との関係を用いて冷却用流体の流量を算出し、前記冷却装置の前記流量を制御する回転機械の冷却システム。
【請求項３】
請求項１に記載の回転機械の冷却システムにおいて、前記回転速度と前記回転軸の負荷ごとの、前記冷却用流体の流量と前記転がり軸受の温度との関係を記憶したデータベースを備え、
前記冷却制御装置は、前記入力パラメータである前記回転速度と前記負荷から、前記データベースを照合して前記冷却用流体の目標流量を求め、前記冷却装置の前記流量を制御する回転機械の冷却システム。
【請求項４】
請求項３に記載の回転機械の冷却システムにおいて、前記回転機械が工作機械、前記転がり軸受の温度が前記転がり軸受の内外輪の温度差、前記負荷が切り込み深さであり、前記工作機械の運転中の前記回転速度と前記内外輪の温度差の実測値から前記データベースの記憶内容を更新する更新手段を備える回転機械の冷却システム。
【請求項５】
請求項１に記載の回転機械の冷却システムにおいて、前記回転機械の運転条件に係わる複数のパラメータの測定値を変数とし、前記転がり軸受の温度および前記回転軸に取付けられた物の位置精度のいずれか一方または両方を関数値とし、前記関数値が安定化する前記冷却用流体の流量を学習してデータベースに記憶する学習手段を有し、前記冷却制御装置は前記入力パラメータを前記データベースの記憶内容と照合して前記冷却用流体の目標流量を求め、前記冷却装置の前記流量を制御する回転機械の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械や産業機械等の回転機械の冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械主軸用アンギュラ玉軸受は、剛性を確保するため軸方向に予圧を付与して使用する。重切削する場合は、低速で重予圧であるほうが望ましく、高速切削する場合は、高速回転時に軽予圧であるほうが望ましい。
一般的に転がり軸受は内輪の方が温度が高くなるため、軸、軸受、間座の熱膨張により、外輪より内輪の方が半径方向の変位が大きくなり、予圧が増加する。したがって、重切削用に初期予圧を設定すると、高速回転時の予圧が過大となり、高速切削用に初期予圧を設定すると重切削時に予圧不足となる。
【０００３】
この課題に対し、内輪を冷却し、内外輪温度差を低減することで解決する方法が開示されている。特許文献１，２には、主軸内部に冷却液を循環させ冷却する方法が示されている。特許文献３，４には、空気で主軸に取り付けられた内輪間座を冷却する方法が示されており、空気で冷却すればシール構造等も簡略化でき、高速まで簡便に冷却できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８４１６３１号公報
【特許文献２】特許第４６７９４９３号公報
【特許文献３】特許第６１４４０２４号公報
【特許文献４】特許第６０１３１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２の方法では、冷却液を使用するためシール構造が複雑となり、また、静止空間から回転する主軸に冷却液を導入するためのロータリージョイントによって回転速度が制限される。
特許文献３，４の方法では、冷却手段による回転速度の制限はないが、冷却空気は一定量を供給しており、全運転条件にわたって一定の冷却能力はあるものの、冷却不要な低速領域であっても多量の冷却空気を供給することになり、損失が大きい。
温度を測定し、目標の温度となるようフィードバック制御によって冷却空気量を制御する方法も考えられるが、空気の熱容量は小さいため、温度上昇を検知してから冷却しても温度制御に遅れが生じることは容易に予想できる。
【０００６】
この発明の目的は、回転軸の回転速度または負荷の変動があっても、回転軸を支持する転がり軸受の温度を安定化させることができ、また省エネルギが図れる回転機械の冷却システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の回転機械の冷却システムは、回転軸を支持する転がり軸受、および前記転がり軸受に冷却用流体を供給して前記転がり軸受を冷却する冷却装置を有する回転機械と、前記冷却装置を制御する冷却制御装置とを備える回転機械の冷却システムであって、
前記冷却制御装置は、前記回転軸の回転速度、または前記回転機械に作用する負荷のいずれか一方または両方を入力パラメータとして冷却装置が流す流量を変化させる。
【０００８】
この構成によると、冷却制御装置が、回転軸の回転速度、または前記回転機械に作用する負荷のいずれか一方または両方を入力パラメータとして冷却装置が流す流量を変化させる。そのため、回転軸の回転速度または負荷の変動があっても、その変動する回転速度または負荷に応じた適切な冷却が行えて、回転軸を支持する転がり軸受の温度が安定する。また、低温度上昇時の必要以上の冷却用流体を削減できるため、省エネルギになる。
前記回転機械が工作機械である場合は、主軸温度が安定し、熱膨張の変化が小さくなることで、高品位な加工面を得ることができる。
なお、前記入力パラメータとする「負荷」は、負荷に影響する任意の因子の物理量を含む意味である。
【０００９】
この発明において、前記回転速度と前記転がり軸受の温度の上昇との関係、および前記冷却用流体の流量と冷却能力との関係を記憶したデータベースを備え、
前記冷却制御装置は、前記入力パラメータとなる前記回転速度から、前記データベースに記憶されている前記回転速度と前記転がり軸受の温度の上昇との関係を用いて冷却目標温度を算出し、この冷却目標温度から前記データベースに記憶されている冷却用流体の流量と冷却能力との関係を用いて冷却用流体の流量を算出し、前記冷却装置の前記流量を制御するようにしてもよい。
この構成によると、データベースに記憶されている前記回転速度と前記転がり軸受の温度の上昇との関係、冷却用流体の流量と冷却能力との関係を用いて冷却装置の前記流量を制御する。
そのため、データベースの記憶内容を適宜更新することなどで、より適切な冷却が行え、回転軸を支持する転がり軸受の温度をさらに適切な温度に保つことができる。
なお、前記「冷却能力」は、単位時間当たりの低下温度等であってもよい。
【００１０】
この発明において、前記回転速度と前記回転軸の負荷ごとの、前記冷却用流体の流量と前記転がり軸受の温度との関係を記憶したデータベースを備え、
前記冷却制御装置は、前記入力パラメータである前記回転速度と前記負荷から、前記データベースを照合して前記冷却用流体の目標流量を求め、前記冷却装置の前記流量を制御するようにしてもよい。
転がり軸受の発熱を支配する重要な因子として回転速度のほかに荷重等の負荷がある。例えば工作機械等では、転がり軸受の温度変化の主な要因は、回転速度と負荷である。そのため、回転軸の回転速度と負荷ごとの、冷却用流体の流量と転がり軸受の温度との関係を用いて冷却を行うことで、回転速度および負荷のいずれが変動しても、その変動に応じた適切な冷却が行える。また、低温度上昇時の必要以上の冷却用流体をより適切に削減できて、さらに省エネルギが図れる。
【００１１】
この構成の場合に、前記回転機械が工作機械、前記転がり軸受の温度が前記転がり軸受の内外輪の温度差、前記負荷が切り込み深さであり、前記工作機械の運転中の前記回転速度と前記内外輪の温度差の実測値から前記データベースの記憶内容を更新する更新手段を備えるようにしてもよい。
【００１２】
前記のように、工作機械では、転がりの発熱を支配する重要な因子として回転速度のほかに荷重がある。工作機械主軸の場合、軸受荷重は予圧に加え、加工時の切削力がある。すなわち、工具の切込み量と転がりの発熱には密接な関係がある。そこで、回転速度と切込み深さの２変数に対する発熱量の関係をデータベース化し、上記のような冷却を行うことで、より一層、主軸温度が安定する。主軸温度の安定により、熱膨張の変化が小さくなることで、高品位な加工面を得ることができる。
また、工作機械において、回転軸である主軸を支持する転がり軸受は、一般的に予圧が与えられており、その冷却は、予圧を制御することが大きな目的である。そのためには内外輪温度差を小さくするように制御することが望ましい。そこで、転がり軸受の温度として、実機運転中に内外輪温度差を計測し、データベースを修正することで、実際の加工時の制御精度を向上させることができる。
【００１３】
この発明において、前記回転機械の運転条件に係わる複数のパラメータの測定値を変数とし、前記転がり軸受の温度および前記回転軸に取付けられた物の位置精度のいずれか一方または両方を関数値とし、前記関数値が安定化する前記冷却用流体の流量を学習してデータベースに記憶する学習手段を有し、前記冷却制御装置は前記入力パラメータを前記データベースの記憶内容と照合して前記冷却用流体の目標流量を求め、前記冷却装置の前記流量を制御するようにしてもよい。
【００１４】
回転速度や切込み深さのみを変数として冷却用空気量を制御するのであれば、上記の構成で容易に制御精度を向上できるが、回転速度のほかに、内外輪温度差、切込み量、送り速度、外気温、潤滑油粘度、加工物の材料、工具など多数のパラメータを変数とし、例えば幾何公差や表面粗さのような加工品位を関数値とする場合、これらの関係を数式化することは容易ではない。その場合、学習手段を設けて学習機能を持たせることで、次回運転時の制御精度を向上させることができる。前記学習手段には、例えばＡＩ（人工知能）を用いる。ＡＩによってデータベースを改良してもよいが、ＡＩが運転条件を基に直接冷却制御装置に指示を与えてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の回転機械の冷却システムは、回転軸を支持する転がり軸受、および前記転がり軸受に冷却用流体を供給して前記転がり軸受を冷却する冷却装置を有する回転機械と、前記冷却装置を制御する冷却制御装置とを備える回転機械の冷却システムであって、前記冷却制御装置は、前記回転軸の回転速度、または前記回転機械に作用する負荷のいずれか一方または両方を入力パラメータとして冷却装置が流す流量を変化させるため、回転軸の回転速度または負荷の変動があっても、回転軸を支持する転がり軸受の温度を安定化させることができ、また省エネルギが図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る回転機械の冷却システムの概念構成を示す説明図である。
【図２】この発明の他の実施形態に係る回転機械の冷却システムの概念構成を示す説明図である。
【図３】この発明の他のさらに他の実施形態に係る回転機械の冷却システムの概念構成を示す説明図である。
【図４】この発明の他のさらに他の実施形態に係る回転機械の冷却システムの概念構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
この発明の第１の実施形態を図１と共に説明する。この回転機械の冷却システムは、回転軸１を支持する転がり軸受２，３、および前記転がり軸受２，３のうちの前部の転がり軸受２を冷却する冷却装置４を有する回転機械５と、前記冷却装置４を制御する冷却制御装置６とを備える。この冷却システムは、この他に主軸制御装置７およびデータベース８を備える。
【００１８】
回転機械５は、この実施形態ではマシニングセンタまたは旋盤等の工作機械であり、ハウジング１０内に前後の前記転がり軸受２，３が設置され、主軸となる前記回転軸１は、モータ９によって回転駆動される。モータ９は、図示の例では、ハウジング１０の内周に設けられたステータ９ａと回転軸１の外周に設けられたロータ９ｂとでなるビルトインモータとされているが、ハウジング１０の外部にモータ９が設けられていてもよい。前記ハウジング１０、軸受２，３、およびモータ９により、前記工作機械からなる回転機械５のスピンドル装置５ａが構成される。回転軸１の先端（図１左側端）には、工具またはワークを保持するチャック（いずれも図示せず）が設けられる。
【００１９】
前記転がり軸受２，３のうち、前側の転がり軸受２は、予圧の付与が可能な軸受であり、図示の例ではアンギュラ玉軸受が用いられ、間座装置１１を介して背面組み合わせで複列に設けられている。これら複列の転がり軸受２，２は、その並びの両側で回転軸１およびハウジング１０に設けられた係合部（図示せず）に係合し、定位置予圧によって予圧されている。後ろ側の転がり軸受３は、回転軸１の伸縮を許容できるように円筒ころ軸受３が用いられている。
【００２０】
前記間座装置１１は、内輪間座１１ａと外輪間座１１ｂとで構成される。外輪間座１１ｂには、冷却用流体として圧縮空気を内輪間座１１ａに向けて噴射するノズル４ａが設けられている。噴射する圧縮空気は、常温以下であることが好ましい。噴射された空気は、内輪間座１１ａの外周に沿って周方向に流れながら、内輪間座１１ａとの間で熱交換し、その後、間座装置１１に設けられた排気口（図示せず）あるいは転がり軸受２内を通過して外部に排出される。間座装置１１の内輪間座１１ａが冷却されることで、熱伝導により両側の転がり軸受２の内輪が冷却される。冷却用空気量が多いほど冷却能力が高い。前記前側の複列の転がり軸受２，３と前記間座装置１１とで、冷却機能付きの軸受装置１２が構成される。
【００２１】
前記冷却装置４は、冷却用流体を転がり軸受２に供給して転がり軸受２を冷却する装置であり、前記のように冷却用流体として圧縮空気が用いられている。この冷却装置４は、ブロワー等の空圧源４ｂａおよびバルブ４ｂｂからなる圧縮空気供給装置４ｂと、前記ノズル４ａと、これらノズル４ａと圧縮空気供給装置４ｂとの間で冷却空気である圧縮空気を流す流体経路４ｃとで構成される。前記バルブ４ｂｂは、例えば電磁バルブからなる流量調整弁である。冷却装置４は、この例では流体経路４ｃの圧縮空気を常温以下に冷却する冷却手段（図示せず）を備えている。
【００２２】
前記主軸制御装置７は、工作機械からなる回転機械５を数値制御するコンピュータ式のＮＣ装置の一部である。主軸制御装置７は、前記回転軸１を駆動するモータ９を制御する装置であって、回転速度の指令を生成し、回転速度指令に応じた電流をモータ９に印加する。
【００２３】
冷却制御装置６は、回転軸１の回転速度、または回転機械５に作用する負荷のいずれか一方または両方を入力パラメータとして冷却装置４が流す流量を変化させる装置であり、この例ではバルブ４ｂｂの開度を調整することで、冷却用流体である圧縮空気の流量を調整する。
【００２４】
データベース８は、記憶内容８ａ、換言すれば登録内容として、「回転軸１の回転速度と転がり軸受２の温度の上昇との関係」、および「冷却用流体の流量と冷却能力との関係」を記憶している。前記「冷却用流体の流量」は、圧縮空気の流量である。なお、空圧源４ｂａから吐出する空気の圧力は一定である。
【００２５】
データベース８の前記各関係等の記憶内容８ａは、例えば、この冷却システムの実用運転よりも前に予め調査して記憶させておく。
通常、ＮＣ工作機は、プログラムによって加工状況が予め決められており、温度上昇を事前に推定することができる。数値解析によって求めてもよく、これまでの加工実績をデータベース化してもよい。また、都度計算することは困難であるから、事前に種々のパターンで計算した結果をデータベース８に記憶させておいてもよい。
【００２６】
冷却制御装置６は、前記入力パラメータとなる回転速度から、データベース８に記憶されている前記「回転速度と転がり軸受の温度の上昇との関係」を用いて冷却目標温度を算出し、この冷却目標温度からデータベース８に記憶されている「冷却用流体の流量と冷却能力との関係」を用いて冷却用流体の流量を算出し、冷却装置４の流量を制御する。前記入力パラメータとなる回転速度は、この例では主軸制御装置７が生成する回転速度指令から得る。入力パラメータとなる回転速度は、実測値であってもよい。
【００２７】
この構成の回転機械の冷却システムによると、冷却制御装置６が、回転軸１の回転速度を入力パラメータとして冷却装置４が流す圧縮空気の流量を変化させる。そのため、回転軸１の回転速度変動があっても、その変動する回転速度に応じた適切な冷却が行えて、回転軸１を支持する転がり軸受２の温度が安定する。そのため、回転軸１の温度が安定し、回転軸１の熱膨張の変化が小さくなることで、高品位な加工面を得ることができる。また、低温度上昇時の必要以上の圧縮空気を削減できるため、省エネルギになる。
【００２８】
なお、加工量が大きくなるか、あるいは高速で回転する際には、冷却制御装置６は、現状の冷却能力から予想される温度上昇に応じて空気量を増やようにし、これとは逆に、加工量が小さくなるか、あるいは低速で回転する際には冷却制御装置６は空気量を減らすようにしてもよい。このような増減は、データベース８の記憶内容によって定めても、また冷却制御装置６がデータベース８の記憶内容を用いて制御するときに行うようにしてもよい。
【００２９】
図２〜図４は、それぞれこの発明の他の実施形態を示す。これらの実施形態において、特に説明する事項の他は、図１と共に説明した第１の実施形態と同様である。
【００３０】
図２の実施形態では、データベース８に、回転軸１の回転速度と回転軸１の負荷の組み合わせごとの、「冷却用流体（圧縮空気）の流量と転がり軸受２の温度との関係」を、記憶内容８ａとして記憶しておく。例えば、回転速度および負荷を、それぞれ複数の回転速度領域および負荷領域に適宜分割し、その回転速度領域と負荷領域の組み合わせごとに、
前記流量と温度との関係を記憶内容８ａとして記憶しておく。
冷却制御装置６は、入力パラメータとして回転軸１の回転速度と回転軸１の負荷から、データベース８を照合して、冷却用流体の目標流量を求め、冷却装置６の流量を制御する。
【００３１】
転がり軸受２の発熱を支配する重要な因子として回転速度の他に荷重等の負荷がある。例えば工作機械等では、転がり軸受の温度変化の主な要因は、回転速度と負荷である。そのため、回転軸１の回転速度と負荷の組み合わせごとの、冷却用流体（圧縮空気）の流量と転がり軸受２の温度との関係を用いて冷却を行うことで、回転速度および負荷のいずれが変動しても、その変動に応じた適切な冷却が行える。また、低温度上昇時の必要以上の冷却用流体をより適切に削減できて、さらに省エネルギが図れる。
【００３２】
図３はさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、図２の実施形態において、回転機械５が工作機械であり、前記転がり軸受２の温度を、転がり軸受１の内外輪の温度差、前記負荷を切り込み深さとし、工作機械である回転機械５の運転中の前記回転速度と前記内外輪の温度差の実測値からデータベース８の記憶内容を更新する更新手段１５を備える。      
【００３３】
この実施形態の場合、冷却装置４の冷却は転がり軸受２の予圧を制御することが目的であり、そのため、内外輪温度差を小さくするように制御することが望ましい。そこで、実機運転中に、内外輪温度差を計測し、データベース８の記憶内容を修正することで、実際の加工時の制御精度を向上させるようにしている。
また、転がり軸受２の発熱を支配する重要な因子として回転速度のほかに荷重がある。工作機械主軸の場合、軸受荷重は、予圧に加え加工時の切削力がある。すなわち、工具の切込み量と軸受の発熱には密接な関係がある。そこで、図２の実施形態と同様に、回転速度と切込み深さの２変数に対する発熱量の関係をデータベース化し上記のような冷却を行っている。
【００３４】
図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図３の実施形態における更新手段１５の代わりに、学習手段１６を設けている。学習手段１６は、回転機械１の運転条件に係わる複数のパラメータの測定値を変数とし、転がり軸受２の温度および前記回転軸１に取付けられた物の位置精度（例えば工具の刃先の位置精度）のいずれか一方または両方を関数値とし、前記関数値が安定化する冷却用流体の流量を学習してデータベース８を更新し、記憶させる。
冷却制御装置６は、入力パラメータをデータベース８の記憶内容と照合して冷却用流体（この例では圧縮空気）の目標流量を求め、冷却装置４の前記流量を制御する。
【００３５】
回転速度や切込み深さのみを変数として冷却用空気量を制御するのであれば、図３等の構成で容易に制御精度を向上できる。しかし、回転速度のほかに、内外輪温度差、切込み量、送り速度、外気温、潤滑油粘度、加工物の材料、工具など多数のパラメータを変数とし、例えば幾何公差や表面粗さのような加工品位を関数値とする場合、これらの関係を数式化することは容易ではない。
そこで、ＡＩによる学習機能を持たせるようにしており、これにより次回運転時の制御精度を向上させることができる。
なお、ＡＩによってデータベース８を改良してもよく、またＡＩが運転条件を基に直接に冷却制御装置６に指示を与えてもよい。
【００３６】
上記各実施形態では、回転機械５が工作機械であり、回転軸１が主軸である場合を対象としたが、この発明は工作機械主軸用に限定されることはなく、流体で転がり軸受を冷却する構造の回転機械一般に広く適用可能であり、切込み量を一般化して負荷、加工精度を一般化して位置精度としてもよい。
また、前記実施形態では冷却用流体が圧縮空気である場合につき説明したが、冷却用流体は水等の冷却液であってもよい。
【００３７】
以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３８】
１…回転軸
２，３…転がり軸受
４…冷却装置
４ａ…ノズル
５…回転機械
６…冷却制御装置
７…主軸制御装置
８…データベース
９…モータ
１０…ハウジング
１１…間座装置
１５…更新手段
１６…学習手段
【図１】
2020049571.tif 000003
【図２】
2020049571.tif 000004
【図３】
2020049571.tif 000005
【図４】
2020049571.tif 000006