JP2009202275A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 停電時の動圧軸受けにおけるかじり現象を回避することを可能とした工作機械を提供する。
【解決手段】 工作機械は、砥石１１を砥石軸９回りへ回転させる砥石モータ７と、砥石軸９に潤滑油を圧送する潤滑油ポンプ１３とを備える。停電が発生し、砥石モータ７への電力供給が止まった後も、砥石１１の慣性モーメントが大きいため砥石モータ７は慣性回転を続ける。この間に砥石モータ７が生成した回生電力を潤滑油ポンプ１３に供給し、動圧軸受けへの潤滑油の供給を継続させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、停電時において動圧軸受けを有する工作機械を安全に停止させる技術に関する。

近年、工作機械において油を使用した動圧軸受けを利用するものがある。動圧軸受けは、重力により油を軸受け部に滴下するものや軸受に潤滑油を圧送する潤滑油ポンプを備え、軸を油に浮かせた状態で回転させる技術である。このような動圧軸受けを有する工作機械として、砥石を回転させる軸を動圧軸受けとした研削盤がある。

通常、砥石を回転させる回転数としては、１０００ｒｐｍ程度のものが多く、中には６０００ｒｐｍの高速回転をするものが現れて来ている。高速度に砥石を回転させる装置においては、油の供給が重力による滴下では足りない状況が発生し、潤滑油ポンプを用いて強制的に油を軸受け部へ送っている。

この種の研削盤の使用中において、砥石モータ及び潤滑油ポンプへの電力供給が電気供給系統の停電が起こったとき、回転中の砥石はこれに連動する慣性モーメントが比較的大きいことから、砥石モータから駆動力を付与されないでも、数分程度フリーランする。一方、潤滑油ポンプは慣性モーメントが比較的小さいことや送液負荷が大きいため、殆ど一瞬のうちにその回転が停止する。

潤滑油ポンプの回転が停止すると、潤滑油ポンプから砥石軸の軸受への潤滑油の圧送が直ちに停止されるため、回転中の砥石軸の円滑な回転を確保する上で必要となる砥石軸と軸受との間の油量が不足し、両者が直接接触することとなって、砥石軸と軸受との間にかじり現象が発生する。

なお、本発明の技術水準を示す公知資料として、次の特許文献１〜４などがある。
特開２０００−６１７８８号公報 特開２００１−１７９５７９号公報 特開２００２−３３１４４１号公報 特開２００４−１０６１１９号公報

本発明は上記のような問題点に鑑みて創案したものであって、砥石モータや潤滑油ポンプへの給電停止による砥石軸とその軸受との間のかじり現象を防止することを可能とした工作機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明に係る工作機械は、交流電力供給系統から給電を受け砥石を砥石軸回りへ回転させる電動機と、砥石軸を支承する動圧軸と、交流電力供給系統から給電を受け前記動圧軸受内に潤滑油を圧送する電動機と交流電力供給系統の給電停止に応答して前記電動機の逆起電力を直流電圧に変換する交直変換回路と、前記交直変換回路から給電を受け、前記交流電力供給系統からの給電に変えて潤滑油を圧送する電動機に給電する回路を有することを特徴とする。

この発明によれば、砥石モータや潤滑油ポンプへの給電停止時における砥石軸とその軸受との間のかじり現象を防止することができる。

以下、図面を以ってこの発明の実施の形態を説明する。
図１は本実施例に係る研削盤の平面図である。
この図において、１はベッド、２はワークテーブル、３はベッド１上にて動力による図中Ｘ、Ｚ方向の送り移動を行う砥石台である。

ワークテーブル２の一端には動力で回転される主軸４と、ワークｗの一端を支持するための主軸センタ５が設けられており、またワークテーブル２の他端には、主軸センタ５との間にワークｗを挟み支持するための心押しセンタ６がＺ方向に押圧調整可能に設けられている。

砥石台３上には砥石モータ７及び軸受８が固定されると共に砥石モータ７の出力軸と、軸受８に回転自在に支承された砥石軸９とがベルト伝動機構１０を介して連動可能に結合されている。なお、砥石モータ７で砥石軸９をダイレクトドライブしても差し支えない。

軸受９は公知の非真円楔型動圧軸受である。砥石軸９の一端には砥石軸９と同心状に円盤状の砥石１１が固定されている。１２はベッド１の近傍に設置された潤滑油タンクであり、これの上面には軸受８などに潤滑油タンク１２内の潤滑油を供給するための送液ポンプである潤滑油ポンプ１３が設けられている。１４は研削液タンクであり、これの上面には研削液タンク１４内の研削液を砥石１１近傍に流出させるための送液ポンプである研削液ポンプ１５が設けられると共に研削液を洗浄液としてベッド頂面（床面）１ａ上に開口１４ａ、１４ｂ（図中、ベッド頂面１ａ上下の端部）から流出させるための洗浄液ポンプ１６が設けられている。

図２は砥石モータ７及び潤滑油ポンプ１３及びその給電系統を示す説明図である。
１７は第１電源回路であり、三相の商用電源ライン（電力供給系統）１８から電源スイッチ１９及び電磁スイッチ２０を経てこれの入力端子ａ１に給電される。第１電源回路１７の出力端子ａ２は、任意な周波数で交流電圧が砥石モータ７に供給される。

第１電源回路１７には、指令入力端子ａ３には操作盤ＳＢ（図１）からの指令が入力され、内部の周波数変換回路（交直変換回路４０、直交変換回路４１）により出力端子ａ２からこの指令に対応した周波数の交流電圧を出力する。交流電圧は三相であり、回転磁界を作るものである。砥石モータ７は、三相電動機であり、第１電源回路１７からの交流周波数によって回転速度が制御される。このように、商用の交流電圧の周波数を変換しているのは、研削加工により砥石の半径が減少して砥石の周速が変化することを防止し、一定の周速を保つためである。

第１電源回路１７内には、さらに交直変換回路２２を有しており、第１電源回路１７への給電停止（端子ａ１の電源の消失）に応答して、砥石モータ７の逆起電力により生成された交流電圧を入力し、これを直流電圧に変換し、出力端子ａ４へ出力する。変換された直流電圧は、交直変換回路２２の電源としても利用される。

給電停止検出回路３８は、電磁リレーで構成されたスイッチであり、第１電源回路１７の出力端子ａ４からの直流を通常時には出力端子ｃ１へ、停電時にはこれを検出して出力端子ｃ２へ結合する。

第２電源回路２３は、三相の商用電源ライン１８から電磁スイッチ２４を経てこれの入力端子ｂ１に給電される。そして出力端子ｂ２から出力された任意周波数の交流電圧が潤滑油ポンプ１３の駆動モータ１３ａに供給する。

第２電源回路の指令入力端子ｂ３には操作盤ＳＢからの指令が入力され、内部の交直変換回路４２及び直交変換回路４３により出力端子ｂ２からこの指令に対応した周波数の交流電圧を出力する。この交流電圧も三相であり、回転磁界を作るものである。また、駆動モータ１３ａも三相電動機であってこの周波数によって回転速度を決定される。

第２電源回路２３には、補助電源入力端子ｂ５が設けられており、給電停止検出回路３８の出力端子ｃ２に接続されている。入力端子ｂ５からの直流電圧は、逆流防止回路を経由して直交変換回路４３に接続している。従って、停電時において交直変換回路４２が停止した時に、直交変換回路４３は直流電圧を補助電源入力端子ｂ５から入力し出力端子ｂ２へ交流電圧を出力し続けることができる。

２６ａは潤滑油ポンプ１３により潤滑油を圧送される潤滑油系統で、２６ｂは軸受８から漏れ出た潤滑油を潤滑油タンク１２内へ戻す系統であり、２７は潤滑油系統２６ａの末端で軸受８内の潤滑油の圧力を検出する圧力検出スイッチである。

第３電源回路３４は、電磁スイッチ３５を経由して三相交流が入力端子ｄ１に供給されている。第３電源回路３４の指令入力端子ｄ３には操作盤ＳＢからの指令が入力され、内部の交直変換回路３６及び直交変換回路３７により出力端子ｄ２からこの指令に対応した周波数の交流電圧を出力する。この交流電圧は三相であり、回転磁界を作るものである。また、洗浄液ポンプ１６の駆動モータ１３ｂは三相電動機であってこの周波数によって回転速度を決定される。

第３電源回路３４には、補助電源入力端子ｄ５が設けられており、給電停止検出回路の出力端子ｃ1に接続されている。入力端子ｄ５からの直流電圧は、逆流防止回路を経由して直交変換回路３７に接続している。

２９ａは洗浄液ポンプ１６により洗浄液としての研削液を圧送される研削液系統で、２９ｂはベッド頂面１ａの研削屑や洗浄液を研削液タンク１４内へ戻す系統である。

研削盤で複数のワークｗを加工する場合の使用例について説明する。

電源スイッチ１９を投入する。これに連動して、操作盤ＳＢは、電磁スイッチ２０、２４、３５をオンさせる。操作盤ＳＢの砥石モータ７用の始動スイッチが入ると、先ず電磁スイッチ２４が入り作動されて潤滑油ポンプ１３の駆動モータ１３ａを始動させる。これにより、潤滑油系統２６ａや圧力スイッチ２７位置を経て潤滑油が軸受８内に供給される。そして、軸受８内において潤滑油の圧力が上昇し、圧力検出スイッチ２７が入り作動したことを検出すると、操作盤ＳＢは砥石モータ７の起動指令が指令入力端子ａ３を経て第１電源回路１７に入力する。これにより、第１電源回路１７は出力端子ａ２から交流電圧を出力し、砥石モータ７を交流周波数に対応した回転速度で回転する。

操作盤ＳＢは、研削開始スイッチがオンされたことを検出すると、砥石台３が初期位置から前進し、ワークｗの研削を実行する。そして第１ワークｗの研削が終了した時、操作盤ＳＢは砥石台３を初期位置へ向け後退させる。

この後退が開始されたことに関連して操作盤ＳＢは、電磁スイッチ２０、３５を同時に切り作動させ、砥石モータ７への商用電源ライン１８からの電力供給が同時に停止させる。

この状態では、第１電源回路１７及び第２電源回路３４への電力供給が停止される。これにより、砥石モータ７は逆起電力による回生交流電圧を生成する。この回生交流電圧は第１電源回路１７の交直変換回路２２に供給される。交直変換回路２２はこの回生交流電圧を直流電圧に変換し、出力端子ａ４へ出力する。

交直変換回路２２の生成した直流電圧は電線２１及び給電停止検出回路３８へ送られる。給電停止検出回路３８は、停電状態を検出していないので、端子ｃ１を経て第３電源回路３４の補助入力端子ｄ5に接続する。交直変換回路２２からの直流電圧を交流電圧に直交変換回路３７により変換し、洗浄液ポンプ１６の駆動モータ１３ｂに供給する。これにより、砥石モータ７の運転停止中に洗浄液は開口１４ａ（１４ｂ）からベッド頂面１ａ上へ連続的に供給される。

回生電圧による洗浄液ポンプ１６の回転は、砥石１１の回転速度が低下するに伴って減速していく。この回生電圧が一定程度以下になると洗浄液ポンプ１６は停止する。この結果、砥石モータ７の停止時に砥石モータ７による回生電圧により洗浄液ポンプ１６への給電行われることにより、無駄な電力消費が回避される。

次に、操作盤ＳＢは、砥石モータ７用の停止スイッチのオンを検出すると、砥石モータ７の停止指令が指令入力端子ａ３を経て第１電源回路１７に入力される。これにより、第１電源回路１７は交流電圧の出力を停止し、砥石モータ７への電力供給が停止される。

一方では、砥石モータ７用の停止スイッチが入り作動されたことに関連して、操作盤ＳＢ内のタイマーが作動して、タイマーの設定秒数が経過した後、電磁スイッチ２４を切り状態とする。タイマーには、砥石軸９の回転が停止あるいは、砥石軸９の焼き付きに支障の無い回転速度まで減速する時間が予め設定されており、タイマーの設定時間の間は軸受８内には必要な潤滑油が継続的に供給されることにより軸受８内での砥石軸９の焼き付きが回避される。

次に研削盤の砥石モータ７の回転作動中において、停電により商用電源ライン１８からの電力供給が絶たれたときの作動について説明する。停電は、電源スイッチ１９よりも上流側で起こるものであるが、本装置においては、商用給電ライン１８上での電位消失として扱う。

停電により第１電源回路１７及び第２電源回路２３は電力供給ができなくなる。これにより、砥石モータ７は大きな回転質量により慣性回転状態となる。この状態の下で、砥石モータ７は、逆起電力による交流電圧を生成する。この逆起電力は、第１電源回路１７の出力端子ａ２を経て交直変換回路２２に入力される。交直変換回路２２は直流電圧に変換し、出力端子ａ４へ出力する。

一方、交直変換回路２２の生成した直流電圧は電線２１を経由して給電停止検出回路３８に与えられる。交直変換回路２２は、停電を検出しているので、これを端子ｃ２へ接続する。この結果、補助入力端子ｂ５を経て直交変換回路４３に直流電圧が入力される。直交変換回路４３はこの直流電圧を、停電直前まで第２電源回路２３が供給していた周波数を引き継いで交流に変換し出力端子ｂ２に出力する。この交流電圧は潤滑油ポンプ１３に供給され、潤滑油ポンプ１３は商用電源ライン１８の給電停止前から連続して回転作動し、潤滑油は軸受８へ連続的に供給される。

回生電力による潤滑油ポンプ１３の回転は、砥石１１の回転速度が低下するに伴って減速するものの、例えば３０秒間以上に亘って継続される。一方、砥石モータ７の回生電圧が潤滑油ポンプ１３の駆動に消費されることよる制動を受け、砥石軸９の回転は減速される。この結果、軸受８内での砥石軸９の焼き付きが防止される。特に砥石軸９のかじり現象が生じ易い領域である砥石軸９の高速回転領域において砥石軸９のかじりの防止が、砥石１１などの慣性エネルギーを回収し、かつ制動をかけることができる。

なお、商用電源ライン１８の電力供給が復帰したときには、砥石モータ７用の始動スイッチが再び入り作動されるまでは、商用電源ライン１８の電力が砥石モータ７や潤滑油ポンプ１３に供給されない回路構成としておくのがよい。

〈実験例〉
研削盤の実験機を製作して停電時の性能の確認を行った。本実験例においては第１電源回路１７として、汎用インバータ７．５ｋｗ用を使用した。この製品は上記した入力端子ａ１、出力端子ａ２、指令入力端子ａ３及び出力端子ａ４を具備している。また、第２電源回路２３として、汎用インバータ０．４ｋｗ用を使用した。この製品は上記した入力端子ｂ１、出力端子ｂ２、指令入力端子ｂ３を具備するほか、補助入力端子として使用し得る端子ｂ５を具備している。

図３は、砥石モータ７及び滑油ポンプ１３に入力される電源位置での周波数を示している。図中、ＳＬ１は砥石モータ７の電源周波数変化を示しており、ＳＬ２は、滑油ポンプ１３の電源周波数変化を示している。尚、ＳＬ３は両者のＴ２以降の変化である。時刻Ｔ１において、商用電源ライン１８からの給電により砥石モータ７及び潤滑油ポンプ１３が回転作動している状態の下で商用電源ライン１８が送電を停止する。時刻Ｔ２は、砥石モータ７による逆起電力が消失した時点を示している。

潤滑油モータ１３ａは回生電圧により略３７秒間回転作動することが確認された。このさい、砥石モータ７の生成する交流電圧の周波数Ｈｚは、時点Ｔ１では５０ヘルツであるが、時間経過により直線的に低下し時点Ｔ２では５０ヘルツ〜１５ヘルツの範囲内で低下した。また砥石モータ７の回生電力により潤滑油ポンプ１３に供給される交流電力の周波数Ｈｚは直線ＳＬ２で示すように、時点Ｔ１では６０ヘルツであるが、時間経過により直線的に低下し時点Ｔ２では約４０ヘルツ程度に留まっており、潤滑油ポンプの運転への影響は少ない。直線ＳＬ２が低下したのは、本実験例で使用した汎用インバータが、補助入力端子ｂ５の直流電圧の低下に伴い、出力周波数が低下する特性を持つためである。

時点Ｔ２以後は、潤滑油ポンプを回転作動させ得る電力は消失しているが、砥石モータ７の回転数は３分の１程度に低下しているので、油圧ポンプ潤滑油ポンプを可動させなくてもかじりの現象を避けることができた。尚、時刻Ｔ２以降は、砥石１１はフリーラン状態となり、しばらく回転した後に停止した。上記のように回生電力が潤滑油ポンプの作動に消費されることにより、回転速度を十分に低下させるまで潤滑油の供給を継続できることが確認された。

また、上記実施例においては、砥石モータ７を一旦、直流に変換した後に交流に変換したが、これは砥石モータ７と潤滑油ポンプ１３の電動機への電源周波数が異なるためである。本実施例においては、直交変換回路４３の入力に直接加えることにより、直交変換回路４３は三相の商用電源ライン１８が停電状態となったことに寄らないで、そのまま同じ周波数を引き継いで可動している。これにより、潤滑油ポンプ１３の周波数が激減することが無い。

潤滑油ポンプ１３が直流電動機である場合には、交直変換回路４２から潤滑油ポンプ１３を駆動することとなるが、回転数は電圧によるものとなるため、交直変換回路４２からの直流電圧と交直変換回路２２からの直流電圧とは、停電時において同一のものとなるように設定しておけば良い。洗浄液ポンプ１６が直流電動機である場合も同様である。

また、上記実施例においては、給電停止検出回路を設けて、交流電力供給系統の停電停止時以外は砥石モータの回生電力を洗浄液ポンプへ送るものとしたが、給電停止検出回路を省いて出力端子ａ４と補助入力端子ｂ５とを直接接続して、交流電力供給系統の給電停止時に砥石モータの回生電力を潤滑油ポンプで利用するものとしても良い。あるいは、逆に、出力端子ａ４と補助入力端子ｄ５とを直接接続して、交流電力供給系統の給電停止時に砥石モータの回生電力を、交流電力供給系統の停電停止時に砥石モータの回生電力を洗浄液ポンプで利用するものとしても良い。

尚、上記実施例においては、三相の商用電源ライン１８を交流電力供給系統としたが、二相の商用電源ラインであっても良く、この場合は、直交変換器４１、４３及び３７は三相以上の回転磁界を作る回路を利用する。

本発明の実施形態に係る研削盤の平面図である。 上記研削盤の給電系統を示す説明図である。 研削盤の実験機の性能を示す説明図である。

符号の説明

１ａ ベッド頂面
７ 砥石モータ
８ 軸受
９ 砥石軸
１１ 砥石
１３ 潤滑油ポンプ
１６ 洗浄液ポンプ
１７ 第１電源回路
２２ 交直変換回路
２３ 第２電源回路
３４ 第３電源回路
３８ 給電停止検出回路

Claims (4)

1. 交流電力供給系統から給電を受け砥石を砥石軸回りへ回転させる電動機と、
   砥石軸を支承する動圧軸と、
   交流電力供給系統から給電を受け前記動圧軸受内に潤滑油を圧送する電動機と
   交流電力供給系統の給電停止に応答して前記砥石軸回りへ回転させる電動機の逆起電力を直流電圧に変換する交直変換回路と、
   前記交直変換回路から給電を受け、前記交流電力供給系統からの給電に変えて潤滑油を圧送する電動機に給電する回路を有することを特徴とする工作機械。
2. 請求項１記載の工作機械において、前記交流電力供給系統からの交流電流を直流に変換する第２交直変換回路と、前記直流に変換された逆起電力と前記第２交直変換回路による直流電圧を入力し、交流電圧に変換する直交変換回路とを有し、前記直交変換回路の出力により潤滑油を圧送する電動機を有することを特徴とする工作機械。
3. 請求項１記載の工作機械において、前記砥石によるワークの研削で生成された研削屑を受け止めるベッド頂面に洗浄液を供給する洗浄液ポンプと、砥石モータの停止指令に応答し、前記直流に変換された逆起電力を洗浄液ポンプの駆動電力として供給する回路とを有することを特徴とする工作機械。
4. 請求項２記載の工作機械において、前記砥石によるワークの研削で生成された研削屑を受け止めるベッド頂面に洗浄液を供給する洗浄液ポンプと、前記交流電力供給系統の給電停止を検出する検出回路であって、砥石モータの停止指令を受けた際には、前記直流に変換された逆起電力を前記洗浄液ポンプに供給し、前記交流電力供給系統の給電停止を検出した際は前記直交変換回路に供給する検出回路を有することを特徴とする工作機械。

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