(57)【要約】【課題】主軸温度の変化に起因する加工精度及び稼働効率の低下を防止することができ、またコスト的に安価でかつ汎用性に優れた工作機械の主軸冷却装置を提供する。【解決手段】主軸冷却装置２０は、主軸９を回転自在に支持する主軸ヘッド７に供給管２２を介して冷却油を供給して冷却を行うものである。この主軸冷却装置は、供給管に設けられ、冷却油の供給を遮断する遮断位置と冷却油の供給を実行する連通位置とに切換可能な切換弁２４と、主軸の温度を検出する温度センサ２５と、温度センサの検出信号に基づいて切換弁を制御する制御手段２７とを備える。制御手段は、工作機械の作動中に温度センサで検出した主軸温度の最高値を制御温度として記憶する記憶部を有し、温度センサにより検出した現時点の主軸温度が記憶部に記憶している制御温度よりも高いとき切換弁を連通位置に、低いとき切換弁を遮断位置に切り換える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸を回転自在に支持する主軸ヘッドに供給管を介して冷却油を供給して冷却を行う工作機械の主軸冷却装置において、
上記供給管に設けられ、冷却油の供給を遮断する遮断位置と冷却油の供給を実行する連通位置とに切換可能な切換弁と、
上記主軸の温度を検出する温度センサと、
この温度センサの検出信号に基づいて上記切換弁を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、工作機械の作動中に温度センサで検出した主軸温度の最高値を制御温度として記憶する記憶部を有し、温度センサにより検出した現時点の主軸温度が記憶部に記憶している制御温度よりも高いとき切換弁を連通位置に、低いとき切換弁を遮断位置に切り換えるように設けられていることを特徴とする工作機械の主軸冷却装置。
【請求項２】
上記制御手段の記憶部には、工作機械の作動開始時の制御温度として予め設定した規定温度が記憶されている請求項１記載の工作機械の主軸冷却装置。
【請求項３】
主軸温度を検出する温度センサとは別に、工作機械のベース温度を検出する温度センサをも備えており、上記制御手段は、この両温度センサの検出信号に基づいて主軸温度とベース温度との差分を算出し、その差分を基に制御温度の更新及び制御温度との高低比較を行うように設けられている請求項１又は２記載の工作機械の主軸冷却装置。
【請求項４】
上記主軸ヘッドは、主軸ベアリングの潤滑をオイルエアーで行う構成になっており、このオイルエアーの排気口に対向してブロックが取り付けられ、このブロックに主軸温度を検出する温度センサが排気に当たる状態で設けられている請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の工作機械の主軸冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸及び主軸ヘッドが熱によって伸縮するのを抑制するための主軸冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の工作機械の主軸冷却装置は、主軸を回転自在に支持する主軸ヘッドに冷却ジャケット部を形成するとともに、この冷却ジャケット部に冷却油をオイルポンプなどによって定量的に供給して、主軸及び主軸ヘッドが発生する熱を除去するようになっている。
【０００３】
ところが、上記従来の主軸冷却装置では、単に冷却油を定量的に供給しているに過ぎないため、主軸回転の変化に十分に対応できないという問題がある。
【０００４】
すなわち、主軸が一定速度で回転し続けると、主軸及び主軸ヘッドは、熱的に平衡状態（一定熱量）に達し、その伸び量も一定値となって安定するが、主軸回転が変化し又は停止すると、熱量及び伸び量は、その主軸回転に見合った平衡状態まで変化する。この変化の繰り返しが加工精度を悪くし、また平衡状態になるまでは慣らし運転時間が必要で稼働効率を下げる原因となるが、従来の主軸冷却装置は、主軸回転の変化に伴う主軸及び主軸ヘッドの熱量及び伸び量の変化に対しては有効な手段となり得ないのが実情である。
【０００５】
そこで、このような問題を解決するためのものが種々提案され、公知になっている。例えば特許文献１には、オイルポンプと主軸ヘッドとの間で冷却油を循環させる循環回路に、冷却油を冷却するための冷却器と、冷却油の温度を検出する温度検出器とを設け、主軸の温度が一定温度になるように冷却油の温度を制御するものが開示されている。また、特許文献２には、オイルポンプから吐出された冷却油を主軸ヘッドに供給する循環回路の供給側に切換弁を設け、主軸の停止と同時に切換弁を閉じて冷却油の供給ないし循環を停止し、主軸の再起動と同時に切換弁を開いて冷却油の供給ないし循環を再開するようにしたものが開示されている。
【０００６】
しかしながら、前者（特許文献１）のものでは、冷却油の温度を制御することから、冷却油を冷却するための冷却器及びこれを含む冷却装置に、高精度に温度制御が可能なものを使用する必要があり、その分コスト的に高くつくという欠点がある。また、後者（特許文献２）のものでは、主軸の回転を停止時と再起動時しか考慮しておらず、主軸回転が複数段に変化する工作機械などには適用することができず、汎用性に欠けるなどの問題がある。
【特許文献１】特開平５−３２９７４３号公報
【特許文献２】特開２００４−３３８０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、簡便な手段でもって主軸回転の変化に拘わらず主軸の温度を特定温度に一定に維持することにより、主軸温度の変化に起因する加工精度及び稼働効率の低下を防止することができ、またコスト的に安価でかつ汎用性に優れた工作機械の主軸冷却装置を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、主軸を回転自在に支持する主軸ヘッドに供給管を介して冷却油を供給して冷却を行う工作機械の主軸冷却装置において、上記供給管に設けられ、冷却油の供給を遮断する遮断位置と冷却油の供給を実行する連通位置とに切換可能な切換弁と、上記主軸の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検出信号に基づいて上記切換弁を制御する制御手段とを備える。また、この制御手段を、工作機械の作動中に温度センサで検出した主軸温度の最高値を制御温度として記憶する記憶部を有し、温度センサにより検出した現時点の主軸温度が記憶部に記憶している制御温度よりも高いとき切換弁を連通位置に、低いとき切換弁を遮断位置に切り換えるように構成する。
【０００９】
この構成では、工作機械の作動中は常に温度センサにより主軸の温度が検出され、この温度センサの検出信号を受ける制御手段において、現時点の主軸温度と記憶部に記憶している制御温度との高低が比較される。そして、現時点の主軸温度が制御温度よりも高ければ切換弁が連通位置に切り換えられることにより、主軸ヘッドに冷却油を供給して主軸ヘッド及び主軸が冷却される。一方、現時点の主軸温度が制御温度よりも低ければ切換弁が遮断位置に切り換えられることにより、主軸ヘッドへの冷却油の供給が遮断される。このため、工作機械の作業中に主軸の回転が変化したり、停止したりしたときでも主軸及び主軸ヘッドの温度が制御温度に一定に維持されることになり、主軸温度の変化に起因する加工精度及び稼働効率の低下が防止される。
【００１０】
しかも、冷却油の温度を制御することなく、単に主軸ヘッドへの冷却油の供給と遮断とを切換弁により切換制御するだけのものであるため、制御を簡便に行うことができる。また、仮に冷却油を冷却する冷却器及びそれを含む冷却装置の冷却能力が不足して主軸温度が高くなった場合でもその温度を新たに制御温度とし、以後回転数の低下などがあってもその制御温度に維持されるため、冷却器及び冷却装置の冷却能力をそれ程高くする必要はない。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の工作機械の主軸冷却装置において、上記制御手段の記憶部に、工作機械の作動開始時の制御温度として予め設定した規定温度を記憶させておく構成にする。この構成では、工作機械の作動開始時に主軸の温度が規定温度に上昇するまでの間切換弁が遮断位置に維持され、主軸ヘッドへの冷却油の供給を遮断し続けることになり、規定温度に上昇するまでの慣らし運転時間がその分短縮される。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載の工作機械の主軸冷却装置において、主軸温度を検出する温度センサとは別に、工作機械のベース温度を検出する温度センサをも備え、また上記制御手段を、この両温度センサの検出信号に基づいて主軸温度とベース温度との差分を算出し、その差分を基に制御温度の更新及び制御温度との高低比較を行うように構成する。この構成では、切換弁を制御する制御手段が、主軸の絶対温度の代わりに、主軸温度とベース温度との差分つまり、主軸の絶対温度から工作機械のベース温度つまり環境温度を差し引いた相対温度を基に制御温度の更新及び制御温度との高低比較を行っているため、環境温度の変化に影響されることなく制御が適切に行われることになる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の工作機械の主軸冷却装置において、上記主軸ヘッドを、主軸ベアリングの潤滑をオイルエアーで行う構成にし、このオイルエアーの排気口に対向してブロックを取り付け、このブロックに主軸温度を検出する温度センサを排気に当たる状態で設ける構成にする。この構成では、主軸ヘッドのオイルエアーの排気口に対向して取り付けたブロックに主軸温度を検出する温度センサが排気に当たる状態で設けられているため、オイルエアーの排気に支障を来すことなく、その排気温度から主軸温度を時間遅れなく正確に検出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明における工作機械の主軸冷却装置によれば、工作機械の作業中に主軸の回転が変化したり、停止したりしたときでも主軸及び主軸ヘッドの温度を制御温度に一定に維持することができるので、主軸温度の変化に起因する加工精度及び稼働効率の低下を防止することができる。しかも、主軸ヘッドへの冷却油の供給と遮断とを切換弁により切換制御するだけの簡便なものであり、また制御温度を工作機械の作業中に検出される主軸温度の最高値とするため、冷却器及び冷却装置の冷却能力を高くかつ精度良くする必要はない。この結果、コスト的に安価に実施することができ、実用性及び汎用性に優れたものである。
【００１５】
特に、請求項２に係る発明では、工作機械の作動開始時に主軸の温度が規定温度に上昇するまでの間主軸ヘッドへの冷却油の供給が遮断されるため、規定温度に上昇するまでの慣らし運転時間をその分短縮することができ、実施化を図る上で有効なものである。
【００１６】
また、請求項３に係る発明では、切換弁を制御する制御手段が、主軸の絶対温度の代わりに、主軸温度とベース温度との差分を基に制御温度の更新及び制御温度との高低比較を行っているため、環境温度の変化に影響されることなく制御を適切に行うことができ、制御の信頼性を高めることができるという効果を併有する。
【００１７】
さらに、請求項４に係る発明では、主軸ヘッドのオイルエアーの排気口に対向して取り付けたブロックに主軸温度を検出する温度センサが排気に当たる状態で設けられているため、オイルエアーの排気に支障を来すことなく、その排気温度から主軸温度を時間遅れなく正確に検出することができ、制御の信頼性をより高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態である実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係る主軸冷却装置を装備した工作機械の全体構成を示し、１はベースであって、このベース１上にはテーブル２がガイドレール３に沿って水平方向に移動可能に設けられている。
【００２０】
また、４はベース１上に垂直に固定して立てられたコラムであって、このコラム４には水平移動体５がガイドレール６，６に沿って水平面の上記テーブル２の移動方向と直交する方向に移動可能に設けられている。水平移動体５には主軸ヘッド７がガイドレール８に沿って垂直方向に移動可能に設けられ、この主軸ヘッド７には、主軸９がベアリング１０（図２参照）を介して回転自在に支持されているとともに、この主軸９を回転駆動するモータ（図示せず）などが設けられている。主軸９の下端にはチャックなどを介して工具が装着されるようになっている。
【００２１】
上記主軸ヘッド７には主軸９の外周部を囲周するジャケット１１が設けられ、このジャケット１１内に冷却油を供給して主軸ヘッド７及び主軸９を冷却するための主軸冷却装置２０が装備されている。また、主軸ヘッド７には、図２及び図３に示すように、ジャケット１１内に供給された冷却油の一部を利用したオイルエアーにより主軸９のベアリング１０を潤滑するためのオイルエアー通路１２が形成されており、このオイルエアー通路１２の排気口１３は、主軸ヘッド７の下端部に半径方向外向きに開口している。
【００２２】
上記主軸冷却装置２０は、冷却油を送出する冷却油供給源２１と、この供給源２１から送出される冷却油を主軸ヘッド７のジャケット１１内に供給する供給管２２と、このジャケット１１内から冷却油を冷却油供給源２１に戻すための戻し管２３と、上記供給管２２の途中に設けられた電磁式切換弁２４と、主軸９の温度を検出する第１の温度センサ２５と、ベース１の温度を検出する第２の温度センサ２６と、この両温度センサ２５，２６の検出信号に基づいて上記切換弁２４を制御する制御手段としての制御装置２７とを備えている。
【００２３】
上記冷却油供給源２１は、図示していないが、オイルポンプ、オイルタンク及び冷却油冷却装置などを有してなる。また、上記切換弁２４は、主軸ヘッド７のジャケット１１内に対する冷却油の供給を実行する連通位置と、その冷却油の供給を遮断し供給源２１から送出される冷却油を戻し管２３に戻す遮断位置とに切換可能なもので、電磁部がＯＮつまり励磁のとき連通位置に切り換えられる一方、電磁部がＯＦＦのときつまり消磁のとき遮断位置に切り換えられるようになっている。上記第１の温度センサ２５は、図２及び図３に示すように、主軸ヘッド７のオイルエアー通路１２の排気口１３に対向する部位に取り付けたブロック３１に排気に当たる状態で設けられている。
【００２４】
上記制御装置２７は、図示していないが、制御プログラム及び制御データなどを記憶しておく記憶部と、制御プログラムを実行する演算制御部と、制御データなどを入力する入力部とを有しており、この制御装置２７（詳しくはその演算制御部）による切換弁２４の切換制御は、図４に示すフローチャートに従って行われる。
【００２５】
すなわち、図４に示すように、ステップＳ１の電源投入によって実質的な制御を開始した後、ステップＳ２で第１及び第２の温度センサ２５，２６の検出信号に基づいて主軸温度及びベース温度を入力し、ステップＳ３でこの主軸温度とベース温度との差分ないし差分温度Δｔを算出する。
【００２６】
続いて、ステップＳ４で上記差分温度Δｔが記憶部に記憶している制御温度よりも高いか否かを判定する。そして、この判定がＹＥＳの高いときには、ステップＳ５で切換弁２４を連通位置に切り換えて主軸９のジャケット１１内に対する冷却油の供給を実行する一方、判定がＮＯの低いときには、ステップＳ６で切換弁２４を遮断位置に切り換えて冷却油の供給を遮断する。しかる後、ステップＳ７で工作機械の運転が停止か否かを判定し、その判定がＮＯの運転中のときにはステップＳ２に戻る一方、判定がＹＥＳの運転停止のときには制御を終了する。
【００２７】
上記制御温度に関しては、図５に示すフローチャートに従って、工作機械の運転開始時の初期設定及び工作機械の運転中の更新の制御が行われる。この制御は、制御装置２７において、切換弁２４の切換制御と同時並行して行われる。
【００２８】
図５において、工作機械の電源投入などでもってスタートした後、先ず、ステップＳ１１で制御温度の初期値として規定温度を設定する。この規定温度は、工作機械の実測試験などから作業中に主軸温度が最高になる値を求め、この最高値よりも所定温度低い値を基に規定したものであり、制御装置２７の入力部によって予め入力してその記憶部に記憶されている。
【００２９】
続いて、ステップＳ１２で第１及び第２の温度センサ２５，２６の検出信号に基づいて主軸温度及びベース温度を入力し、ステップＳ１３でこの主軸温度とベース温度との差分ないし差分温度Δｔを算出する。更に、ステップＳ１４で測定ノイズの除去などのためにこの差分の一次遅れの値ΔＴを算出する。この一次遅れΔＴは、入力ｘ、出力ｙの時間微分が
【００３０】
ｄｙ／ｄｔ＝（ｘ−ｙ）／ａ
で示される系を通過させることを意味する。但し、ａは時定数である。
【００３１】
そして、ステップＳ１５で差分の一次遅れの値ΔＴが制御温度よりも大きいか否かを判定し、この判定がＹＥＳの大きいときにはステップＳ１６でその値ΔＴを制御温度として更新してステップＳ１７へ移行する一方、判定がＮＯの小さいときにはステップＳ１６をスキップしてステップＳ１７へ移行する。ステップＳ１７では工作機械の運転が停止か否かを判定し、その判定がＮＯの運転中のときにはステップＳ１２に戻る一方、判定がＹＥＳの運転停止のときには制御を終了する。
【００３２】
従って、上記主軸冷却装置２０においては、工作機械の作動中は常に第１の温度センサ２５により主軸９の温度が、第２の温度センサ２６によりベース１の温度がそれぞれ検出され、この両温度センサ２５，２６の検出信号を受ける制御装置２７において、主軸温度とベース温度との差分温度Δｔを算出し、この差分温度Δｔが制御温度よりも高いか否かを判定する（図４のステップＳ４）。そして、この差分温度Δｔが制御温度よりも高いときには、制御装置２７の制御の下に切換弁２４が連通位置に切り換えられることにより、主軸ヘッド７のジャケット１１内に冷却油を供給して主軸ヘッド７及び主軸９が冷却される。一方、差分温度Δｔが制御温度よりも低いときには、切換弁２４が遮断位置に切り換えられ、主軸ヘッド７のジャケット１１内に対する冷却油の供給が遮断される。このため、工作機械の作業中に主軸９の回転が変化したり、停止したりしたときでも主軸９及び主軸ヘッド７の温度を制御温度に一定に維持することができるので、主軸９の温度変化に起因する加工精度及び稼働効率の低下を防止することができる。
【００３３】
しかも、冷却油の温度を制御することなく、単に主軸ヘッド７のジャケット１１内に対する冷却油の供給と遮断とを切換弁２４により切換制御するだけのものであるため、制御を簡便に行うことができる。また、仮に冷却油を冷却する冷却油供給源２１の冷却装置の冷却能力が不足して主軸温度が高くなった場合でもその温度を基に新たに制御温度を変更し（図５のステップＳ１５，Ｓ１６）、以後回転数の低下などがあってもその制御温度に維持されるため、冷却油供給源２１の冷却装置の冷却能力を高くかつ精度良くする必要はない。この結果、主軸冷却装置２０の製品コストをその分安価にすることができ、実施化を図る上で有効なものになる。
【００３４】
その上、本実施形態の場合、主軸９の絶対温度の代わりに、主軸温度とベース温度との差分Δｔつまり、主軸の絶対温度から工作機械のベース温度つまり環境温度を差し引いた相対温度及びその一次遅れΔＴを算出し、この差分Δｔ又はその一次遅れの値ΔＴを基に制御温度の更新及び制御温度との大小比較を行っているため、環境温度の変化及び温度センサ２５，２６の測定ノイズに影響されることなく制御を適切に行うことができ、制御の信頼性を高めることができる。
【００３５】
また、工作機械の作業開始時には、制御温度の初期値として予め設定した規定温度が用いられる（図５のステップＳ１１）ため、主軸温度とベース温度との差分Δｔがこの規定温度に上昇するまでの間切換弁２４が遮断位置に維持され、主軸ヘッド７のジャケット１１内に対する冷却油の供給が遮断され続けることになる。その結果、規定温度に上昇するまでの慣らし運転時間をその分短縮することができる。
【００３６】
さらに、上記第１の温度センサ２５は、主軸ヘッド７のオイルエアー通路１２の排気口１３に対向して取り付けたブロック３１に排気に当たる状態で設けられているため、オイルエアーの排気に支障を来すことなく、その排気温度から主軸温度を時間遅れなく正確に検出することができ、制御の信頼性をより高めることができる。
【００３７】
図６は上記実施形態の工作機械（本発明例）を用いて４時間の実測試験を行った結果を示し、（ａ）は主軸回転数の測定結果を示し、（ｂ）は主軸温度の測定結果を示し、（ｃ）は切換弁２４のＯＮ・ＯＦＦ切換（つまり主軸ヘッドへの冷却油の供給状態）の変化データを示し、（ｄ）は主軸の伸び量の測定結果を示す。尚、（ｂ）及び（ｄ）には、比較のために、従来の主軸冷却装置を装備した工作機械（従来例）を用いて同様の実測試験を行った結果をも併せて表示する。
【００３８】
この図から分かるように、本発明例の場合、主軸温度が安定した状態で主軸回転数が変化したり、停止したりしたときでも主軸温度が変化することはなく、また主軸の伸び量も変化しない。また、実測試験開始時つまり工作機械の運転開始時には、本発明例の場合、冷却油の供給が行われないことから、主軸温度の上昇が速くなる。
【００３９】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の形態を包含するものである。例えば上記実施形態では、供給管２２の途中に設けた切換弁２４の切換を制御するに当たり、主軸温度とベース温度とをそれぞれ温度センサ２５，２６により検出するとともに、主軸温度とベース温度との差分Δｔを算出し、この差分Δｔと制御温度との高低比較により切換弁２４の切換を制御したが、本発明は、主軸温度のみを温度センサ２５により検出し、この主軸温度と制御温度との高低比較により切換弁２４の切換を制御するようにしてもよい。
【００４０】
また、本発明の主軸冷却装置は、上記実施形態の如くテーブル２が水平面の１軸方向のみに移動可能な工作機械に限らず、テーブルが水平面の直交する２軸方向に移動可能な工作機械などにも広く適用することができるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る工作機械の全体構成を示す概略構成図である。
【図２】上記工作機械の主軸ヘッドのオイルエアー通路付近の断面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線における拡大断面図である。
【図４】切換弁の切換制御のフローチャート図である。
【図５】制御温度の初期設定及び更新制御のフローチャート図である。
【図６】４時間の実測試験を行った結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
７    主軸ヘッド
９    主軸
１０    ベアリング
１２    オイルエアー通路
１３    排気口
２０    主軸冷却装置
２２    供給管
２４    切換弁
２５    第１の温度センサ
２６    第２の温度センサ
２７    制御装置（制御手段）
３１    ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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