JP2002263989A - 工作機械 - Google Patents

工作機械

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JP2002263989A
JP2002263989A JP2001063305A JP2001063305A JP2002263989A JP 2002263989 A JP2002263989 A JP 2002263989A JP 2001063305 A JP2001063305 A JP 2001063305A JP 2001063305 A JP2001063305 A JP 2001063305A JP 2002263989 A JP2002263989 A JP 2002263989A
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JP
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spindle
housing
machine tool
thermal displacement
temperature
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JP2001063305A
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Hiroshi Mizuguchi
博 水口
Masaaki Yokoyama
正明 横山
Muneo Wakizaka
宗生 脇坂
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DMG Mori Co Ltd
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Mori Seiki Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】主軸自体の温度を直接且つ正確に測定すること
ができ、主軸の熱変位を正確に補正することができる工
作機械を提供する。 【解決手段】主軸20と、収容部17a,19a内に主
軸20を収容するハウジング16と、ハウジング16の
収容部17a内に設けられ、主軸20を回転自在に支持
する軸受21とを備える。ハウジング19には、一方が
収容部19a内周面に開口し、他方がハウジング外面に
開口した貫通孔19bが形成される。非接触式温度計の
少なくとも検出部31が貫通孔19bに挿入され、検出
部31が主軸20の外周面と対向するように配設され
る。主軸20の回転/停止に拘わらず、直接且つ正確
に、主軸20の温度を計測することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主軸と、収容部内
に前記主軸を収容するハウジングと、該ハウジングの収
容部内に設けられ、前記主軸を回転自在に支持する軸受
とを備えて構成される主軸装置を具備した工作機械に関
し、更に詳しくは、前記主軸の温度を直接測定すること
ができるようになった工作機械に関する。
【0002】
【従来の技術】工作機械は各部に熱源を備えており、こ
の熱源から機体各部に熱が伝導して当該工作機械の各部
が熱変形を来す。特に、主軸を回転自在に保持するベア
リングは転動体の転動によって発熱し、生じた熱が主軸
に伝動して当該主軸が伸張するため、加工誤差を生じる
原因となっている。図3に、主軸回転後の時間経過に伴
って主軸が熱変位(伸長)する様子を示している。図示
するように、回転開始後、主軸は所定の時定数でもって
伸長し、やがて定常状態となる。
【0003】そこで、従来、主軸を保持するハウジング
内に冷却液を供給,循環させてベアリングを冷却した
り、更に、これに加えて、主軸を保持するハウジングの
温度を熱電対などの温度計によって測定し、測定された
温度から主軸の熱変位量(伸長量)を推定し、推定され
た熱変位量を基に補正量を算出し、算出された補正量で
もって工具補正を行い、前記熱変位をキャンセルするよ
うにしていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、工作機械の
主電源が投入された運転状態では、主軸は常に回転して
いるのではなく、当然に回転が停止した状態となる場合
がある。例えば、マシニングセンタでは、摩耗限界に達
した工具を新しい工具に交換する際、交換した工具の工
具補正量を設定するために主軸を停止させることがあ
る。また、加工後のワークを機上で測定する場合にも主
軸を停止させる必要がある。そして、回転が停止すると
主軸が冷却され、図3において、2点鎖線で示すよう
に、その熱変位量が減少する、即ち、収縮する。
【0005】ところが、上記のように、冷却液によって
ベアリングを冷却するように構成された工作機械では、
計測対象となっているハウジングの冷却状態と主軸自体
の冷却状態とが必ずしも一致せず、主軸が遅れて冷却さ
れる現象を生じる。従って、実際の主軸の収縮量は、ハ
ウジングの測定温度から推定された収縮量より小さいも
のとなっている。言い換えれば、実際の主軸の収縮は、
ハウジングの測定温度から推定された収縮よりも遅れた
状態で収縮する。この様子を図4に示す。尚、図4で
は、実際の主軸の収縮状態を2点鎖線で示し、ハウジン
グの測定温度から推定された収縮状態を実線で示してい
る。
【0006】この後、主軸を再回転させると、ベアリン
グの発熱によって主軸が再度昇温する。この様子を図5
に示す。尚、図5においても同様に、実際の主軸の収
縮,伸長状態を2点鎖線で示し、ハウジングの測定温度
から推定された収縮,伸長状態を実線で示している。同
図5に示すように、主軸を再回転させた状態では、実際
の主軸の収縮量は、ハウジングの測定温度から推定され
た収縮量よりもΔZの遅れ量を有しており、以後、時間
の経過に伴って主軸温度とハウジングの温度とが同温と
なり、前記遅れ量は0に収束する。
【0007】このように、主軸を再回転させたときに
は、実際の主軸の収縮量は、ハウジングの測定温度から
推定された収縮量に対してΔZの遅れ量を生じている。
したがって、前記推定収縮量から前記補正量を求める
と、実際の主軸の収縮量に対して遅れ量ΔZ分だけの誤
差量を生じ、正確な補正を行うことができない。
【0008】また、主軸の停止中に、工具交換した工具
の工具補正量を設定したり、或いは加工後のワークを機
上で測定する場合に、実際の主軸の収縮量に対し誤差を
有する前記推定収縮量を基にして補正された状態では、
正確な工具補正量の設定やワークの測定を行うことがで
きない。
【0009】本発明は、以上の実情に鑑みなされたもの
であって、主軸自体の温度を直接且つ正確に測定するこ
とができ、主軸の熱変位を正確に補正することができる
工作機械の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段及びその効果】上記課題を
解決するための本発明の請求項1に記載した発明は、主
軸と、収容部内に前記主軸を収容するハウジングと、該
ハウジングの収容部内に設けられ、前記主軸を回転自在
に支持する軸受とを備えて構成される主軸装置を具備し
た工作機械であって、非接触式温度計を備えてなり、そ
の検出部が前記主軸の外周面に対向して配設されてなる
ことを特徴とする工作機械に係る。
【0011】この発明によれば、非接触式温度計によっ
て温度を計測するようにしているので、主軸が回転して
いると、停止しているとに拘わらず、直接、主軸の温度
を計測することができ、主軸の温度を正確に測定するこ
とができる。
【0012】また、本発明の請求項2に記載した発明
は、前記ハウジングに、一方が前記収容部内周面に開口
し、他方がハウジング外面に開口した貫通孔が形成され
てなり、前記非接触式温度計の少なくとも前記検出部が
前記貫通孔に挿入され、該検出部が前記主軸外周面と対
向するように配設された工作機械に係る。
【0013】工作機械の加工領域内にある主軸周辺は、
切屑や切削液などが飛散しており、かかる加工領域内に
非接触式温度計を配設したのでは、切屑や切削液などの
影響を受けて正確な温度測定をすることができない。請
求項2に記載した発明によれば、ハウジングに、その収
容部内周面に開口する貫通孔を形成し、非接触式温度計
の少なくとも検出部を貫通孔に挿入して、当該検出部が
主軸外周面と対向するようにこれを配設しているので、
非接触式温度計の検出部が切屑や切削液などの影響を受
けることが無く、主軸温度を正確に測定することができ
る。
【0014】本発明の請求項3に記載した発明は、上記
請求項1又は2に記載の発明において、前記非接触式温
度計によって検出された主軸温度を基に、前記主軸の軸
線方向の熱変位量を推定し、推定された熱変位量から該
熱変位を補正するための補正量を算出する補正量算出装
置を備えた工作機械に係る。
【0015】本発明によれば、前記非接触式温度計によ
って検出された主軸温度を基に、前記主軸の軸線方向の
熱変位量が推定され、推定された熱変位量から該熱変位
を補正するための補正量が算出される。そして、この補
正量を基に、NC装置において工具補正や原点位置補正
といった前記熱変位をキャンセルする対応を採ることが
可能となる。
【0016】非接触式温度計によって計測される温度は
主軸自体の温度であり、したがって、推定される熱変位
量は、主軸自体の熱変位量を正確に表すものである。斯
くして、本発明によれば、主軸が回転していると、停止
しているとに拘わらず、正確な主軸熱変位を推定するこ
とが可能であり、正確な熱変位補正が可能である。
【0017】尚、上記各発明における非接触式温度計
は、請求項4に記載した発明のように、放射温度計とす
ることができる。この放射温度計には、全放射温度計,
狭帯域放射温度計,2色温度計及び温度パターン型など
が含まれる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施形態
について添付図面に基づき説明する。図1は、本実施形
態に係る工作機械の概略構成を示したブロック図であ
り、図2は、本実施形態に係る主軸装置の一部を示した
断面図である。
【0019】図1に示すように、本例の工作機械1は、
加工機構部10,NC装置25,非接触式の放射温度計
30,補正量算出装置40などから構成される、所謂立
形のマシニングセンタであり、言うまでも無くNC装置
25は、加工機構部10を数値制御する。
【0020】前記加工機構部10は、ベッド11と、こ
のベッド11上に立設されたコラム12と、前記ベッド
11上に配設されたテーブル13と、前記コラム12に
付設された主軸装置15などからなり、主軸装置15
は、図2に示すように、内ハウジング17,外ハウジン
グ18及び前蓋19からなるハウジング部16と、内ハ
ウジング17の収容部17a内に設けられたベアリング
21と、このベアリング21によって回転自在に支持さ
れた主軸20などからなる。
【0021】尚、図2中、Tは工具であり、22はベア
リング21と図示しないベアリングとの間に配設された
間座であり、23は内ハウジング17の外周面に形成さ
れた螺旋溝である。この螺旋溝23には、図示しない冷
却液供給源から冷却液が供給され、螺旋溝23内を循環
する冷却液によって主軸装置15が冷却されるようにな
っている。また、前蓋19には、その外周面から収容部
19aの内周面に貫通した貫通孔19bが形成されてい
る。
【0022】前記放射温度計30は、前蓋19の貫通孔
19bに挿入された検出部31と、ケーブル33を介し
て検出部31に接続された温度算出部32からなる。検
出部31は、光−電気変換素子を内蔵しており、その先
端面が主軸20の外周面と対向するように、前記貫通孔
19b内に挿入され、主軸20から発せられる赤外線を
捕捉して、光−電気変換処理を行なう。この検出部31
によって変換された電気信号は温度算出部32に送信さ
れ、温度算出部32は受信した電気信号をA/D変換し
た後、適宜較正処理などを施して主軸20の温度を算出
し、算出された温度データを前記補正量算出装置40に
送信する。尚、この放射温度計30には、全放射温度
計,狭帯域放射温度計,2色温度計及び温度パターン型
など各種のものを用いることができる。
【0023】前記補正量算出装置40は、前記温度算出
部32から逐次受信した主軸20の温度データと予め設
定された熱変位量算出式とを基に、主軸20の軸線方向
の熱変位量を推定する熱変位量推定部41、及び推定さ
れた熱変位量に応じた補正量を算出し、算出された補正
量をNC装置25に送信する補正量算出部42を備えて
なる。
【0024】前記熱変位量推定部41の推定処理で用い
る熱変位量算出式は、これを次のようにして設定するこ
とができる。即ち、まず、主軸20を回転させ、前記放
射温度計30によって主軸20の温度を計測するととも
に、変位計を用いて当該温度に対応した主軸20の変位
を測定し、ついで、得られた温度データと変位データの
関係から、近似式として、δ=α×ΔK+βなる熱変位
量算出式を得る。尚、δは熱変位量、αは係数、ΔKは
所定の基準温度に対する時刻tにおける上昇温度、βは
定数(補正項)である。
【0025】前記補正量算出部42は、前記熱変位量推
定部41によって推定された主軸20の熱変位量から、
この熱変位量をキャンセルするための補正量を算出し、
算出した補正量データをNC装値25に送信する処理を
行う。尚、通常、主軸20の推定熱変位量δが正の値で
あるときには、主軸20が下側に伸びるので、前記補正
量算出部42によって算出される補正量は、主軸20を
ワークから遠ざける方向、即ち、Zプラス方向の値とな
り、前記推定熱変位量δと同じ値となる。
【0026】そして、NC装置25では、前記補正量算
出部42によって算出された補正量を基に、工具補正や
原点位置補正といった前記主軸20の熱変位をキャンセ
ルする対応が採られる。
【0027】以上詳述したように、本例の工作機械1に
よれば、非接触式の放射温度計30によって主軸20の
温度を計測するようにしているので、主軸20が回転し
ていると、停止しているとに拘わらず、直接且つ正確
に、主軸20の温度を計測することができる。そして、
このように直接且つ正確に計測された主軸20の温度を
基に、主軸20の軸線方向の熱変位量を推定するように
しているので、主軸20が回転していると、停止してい
るとに拘わらず、推定される熱変位量は極めて正確なも
のとなり、これを基に行なわれる補正も正確なものとな
る。
【0028】また、本例では、前蓋19に、その収容部
19a内周面に開口する貫通孔19bを形成し、放射温
度計30の検出部31を貫通孔19b内に挿入して、当
該検出部31の先端面が主軸20の外周面と対向するよ
うにこれを配設しているので、検出部31が切屑や切削
液などの外乱の影響を受けることが無く、この意味にお
いても、主軸20の温度を正確に測定することができ
る。
【0029】以上、本発明の一実施形態について詳述し
たが、本発明の具体的な態様は何らこれに限定されるも
のではない。例えば、上記の例では、前蓋19に放射温
度計30の検出部31を配設したが、内ハウジング17
及び外ハウジング18に貫通孔を形成し、この貫通孔に
検出部31を挿入して、主軸20の温度を計測するよう
にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る工作機械の概略構成
を示したブロック図である。
【図2】本実施形態に係る主軸装置の一部を示した断面
図である。
【図3】工作機械の熱変位を説明するための説明図であ
る。
【図4】工作機械の熱変位を説明するための説明図であ
る。
【図5】工作機械の熱変位を説明するための説明図であ
る。
【符号の説明】
1 工作機械 10 加工機構部 15 主軸装置 16 ハウジング部 17 内ハウジング 17a 収容部 18 外ハウジング 19 前蓋 19a 収容部 19b 貫通孔 20 主軸 25 NC装置 30 放射温度計 31 検出部 32 温度算出部 40 補正量算出装置 41 熱変位量推定部 42 補正量算出部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 脇坂 宗生 奈良県大和郡山市北郡山町106番地 株式 会社森精機製作所内 Fターム(参考) 3C001 KA05 KB10 TA01 TB10 3C029 AA00

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主軸と、収容部内に前記主軸を収容する
    ハウジングと、該ハウジングの収容部内に設けられ、前
    記主軸を回転自在に支持する軸受とを備えて構成される
    主軸装置を具備した工作機械であって、 非接触式温度計を備えてなり、その検出部が前記主軸の
    外周面に対向して配設されてなることを特徴とする工作
    機械。
  2. 【請求項2】 前記ハウジングに、一方が前記収容部内
    周面に開口し、他方がハウジング外面に開口した貫通孔
    が形成されてなり、 前記非接触式温度計の少なくとも前記検出部が前記貫通
    孔に挿入され、該検出部が前記主軸外周面と対向するよ
    うに配設されてなる請求項1記載の工作機械。
  3. 【請求項3】 前記非接触式温度計によって検出された
    主軸温度を基に、前記主軸の軸線方向の熱変位量を推定
    し、推定された熱変位量から該熱変位を補正するための
    補正量を算出する補正量算出装置を備えてなる請求項1
    又は2記載の工作機械。
  4. 【請求項4】 前記非接触式温度計が放射温度計である
    請求項1乃至3記載のいずれかの工作機械。
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