JP2011106530A

JP2011106530A - 油圧供給装置

Info

Publication number: JP2011106530A
Application number: JP2009260546A
Authority: JP
Inventors: Shinobu Katayama; 忍片山; Satoru Kato; 哲加藤; Takanobu Akiyama; 貴信秋山
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: JP5363950B2

Abstract

【課題】高精度の機械加工を行うため、静圧軸受等に供給する圧油に脈動を生じることなく圧送することができる精密加工機の油圧供給装置を提供する。
【解決手段】本願発明の油圧供給装置は、コンプレッサ（第一圧縮空気供給機）３０と、このコンプレッサ３０で得られた圧縮空気を増圧する増圧弁（ブースターシリンダ）３１と、増圧弁３１で得られた圧縮空気を第二圧縮空気として供給装置貯蔵するレシーバタンク（第二圧縮空気供給機）３２と、レシーバタンク３２で得られた圧縮空気を介して圧力を有する油圧に変換して圧力変動を吸収するアキュムレータ３３と、静圧軸受に使用された作動油を回収する圧油タンク３５と、を備えて構成し、油圧の脈動や変動を防止・減少させている。また、さらに湯の温度を安定にするための油温調節ユニットを備え、油温についても安定に供給している。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧供給装置に係り、より一層詳細には、精密加工機に使用される案内面や軸受での使用に適した、圧油の脈動を防止する油圧供給装置に関する。

従来、工作機械のテーブルの静圧案内面または静圧主軸等に持ちにいられる油圧供給装置は、例えば、下記の発明が公開され、公知となっている。
（１）図６は、工作機械のテーブルの静圧案内面に用いられる従来の油圧供給装置を示している。この装置は、油圧供給装置から静圧隙間へ供給する油(静圧油)の流量を制御することにより、静圧隙間内の圧力を制御する圧力制御手段としての工場エア３９と、工場エア３９より発生する第一の空気圧と、第一の空気圧を増幅するブースタ４０と、ブースタ４０より発生する第二の空気圧と、第二の空気圧を貯留するリザーブタンク４１と、リザーブタンク４１から流出する第二の空気圧を減圧するリリーフ機能付減圧弁４４と、リリーフ機能付減圧弁４４より発生する第三の空気圧が作用する静圧油を貯留する加圧タンク３２と、により構成される。また、静圧油供給装置３１は、上記の構成のもとで、次の作用を行う。すなわち、工場エア３９は、ブースタ４０にて加圧後、リザーブタンク４１、エアフィルタ４２、電磁弁４３を経て、減圧弁４４により０．５±０．００１Ｍｐａに設定される。
この設定圧により、加圧タンク３２の油は、静圧油として圧力スィツチ４５を経て流出し、可変絞り４６（４７，４８）にて流量を調整された後、凹部３、３及び静圧隙間２に供給される。すなわち、ここでは、減圧弁４４による厳密な圧力調整により、静圧油には、圧力変動、脈動が抑制され、テーブル５上の加工物の仕上げ加工面に油圧脈動による加工形状に段差を生じさせないようにし、人手および他の機械による後加工については、必要とされないように工夫されている。（特許文献１）

（２）図７は、静圧主軸に用いられる油圧供給装置であって、同図に示すように、装置１０に対し油圧ポンプ２１から油通路２３を介して圧力をかけた圧油すなわち油圧を供給する。油の通路２３の途中に逆止弁２５を設け、油通路２３には、油通路３１を介して圧油貯留容器３２を接続する。さらに圧油貯留容器３２のピストン３４にエアシリンダ３６のピストンロッド３９を連結する。このように油圧回路を構成し、ワークの荒加工中においては、油圧ポンプ２１から供給される圧油を主軸装置１０へ供給するとともに圧油貯留容器３２の圧油貯留室３５に貯留する。また、ワークの仕上げ加工時には、油圧ポンプ２１を停止すると、エアシリンダ３６が作動してエア圧によってピストン３４を下方に押圧して、圧油貯留室３５内の圧油を脈動のない状態で油通路３１および分岐油通路２３ａ，２３ｂから、主軸装置１０の静圧軸受機構に供給するように構成している。

ワークの荒加工時には、荒加工の進行に従って前述の油圧ポンプ２１からの圧油は、前記油通路３１を通って圧油貯留容器３２の圧油貯留室３５内へも圧送される。このためピストン３４は、上方に持ち上げられ、さらにピストンロッド３９およびピストン３８は、上方に同期して移動され、圧油貯留室３５の容積が増大し加圧室４０の容積が減少され、圧油貯留容器３２の上端限までピストン３４は、移動し止まる。ワークの荒加工が終了し、仕上げ加工に移行するときは、前記油圧ポンプ２１の作動を停止すると、エアシリンダ３６内の圧縮空気の圧力によってピストン３８は、ピストンロッド３９とともに下方に押し下げられる。このため、圧油貯留容器３２のピストン３４は、下方に押し下げられ、圧油貯留室３５内に貯留されていた圧油が脈動のない状態で、油通路３１から分岐油通路２３ａ，２３ｂに供給され、供給ポート１９，１９から隙間(ｇ)に供給される。（特許文献２）

特開２００２−０９８０４１号公報特開２００４−２３０５１０号公報

上述のように特許文献１に開示される発明においては、油圧ポンプにより直接作動油を直接供給するため、ポンプの脈動がそのまま工作機械のテーブルの静圧案内面に伝わることを避けるため、空気圧を介して、脈動を減衰するように構成していた。そして、アキュムレータ内の上部油面位置を検知した際は、ポンプを低速で運転し、下部油面位置を検知した際は、ポンプを高速で運転しアキュムレータ内の油量を一定になるように制御している。しかしながら、ポンプを低速域と高速域に切り替える際に例えば、アキュムレータの元圧設定１．３ＭＰａに対し油圧変動は、０．０９ＭＰａの油圧の変動（サージング）が発生し、そのためワークを搭載しているテーブルに微少の変異が生じ、その結果として、加工精度に悪影響を及ぼすこともあった。また、アキュムレータ内に設けたレベルセンサは、油面レベルの変動が多いため検知回数が多く、寿命が短くなり、メンテナンス費用の増大にもつながることもあった。

また、特許文献２に開示される発明では、圧力流体の通路において、圧力流体を貯留するための圧力流体貯留手段と静圧軸受の間に、圧力変動を吸収できないため、前記流体圧機器に圧力流体の脈動を生じることなく圧送することが不可避になることもあり、特に、精密な加工を要請される精密工作機械や精密加工機、さらには、ナノメートルオーダーの位置決め制度を求められる高精・高精密あるいは高精密・超精密と呼ばれる加工を行うための工作機械や加工機械においては、前述のような油圧変動や脈動を防止あるいはより一層の減少・抑制するが課題となっていた。そこで、本発明は、精密な工作機械においてはもとより、その上のさらに精密な位置決め精度を求められても、静圧軸受における脈動を防止して圧油を圧送することができ、レベルセンサの寿命を長くできる精密加工機の圧油供給装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、精密加工機に使用される案内面または軸受部に用いられる圧油を供給する油圧供給装置であって、空気を圧縮して供給する第一圧縮空気供給機と、第一圧縮空気供給機により得られた圧縮空気を増圧する増圧弁と、増圧弁で得られた圧縮空気を貯蔵する第二圧縮空気供給装置と、第二圧縮空気供給装置で得られた圧縮空気を油圧に変換し、圧縮空気の圧力変動を吸収するためのアキュムレータと、前記アキュムレータの貯蔵している油量を検知する油量検知装置と、静圧案内面または軸受部からの戻り油を貯蔵する油タンクと、油量検知装置によりアキュムレータにて油量の不足したときは、前記油タンクから油を前記アキュムレータへ供給するポンプと、を備えて構成し、油圧の脈動を抑制・減少させることを特徴とする精密加工機の圧油供給装置とした。

また、本発明の圧油供給装置は、さらに、油温を調節するための油温調節ユニットを備えて構成し、油圧とともに油温についても安定した油圧を供給することを特徴とする油圧供給装置とした。
さらにまた、上述の油圧供給装置は、さらに、前記ポンプに内臓の電気モータの回転をインバータにより制御する制御部を供え、この制御部は、前記油タンクから油を前記アキュムレータに補給するために、前記電気モータを前記油量検知装置の油量検知信号により補給の油量を、ＰＩＤ制御、ランプ制御、階段的制御のいずれか一つを行い、油補給に起因する油圧の脈動を抑制・減少させたことを特徴とする精密加工機の圧油供給装置とした。

本発明の圧油供給装置によれば、静圧案内面または、静圧軸受に供給する作動油に脈動を従来の装置よりも一層低減して圧送することができるので、精密な精度はもとより、ナノメートルオーダーの高精度、高精密（高精密・超精密）とぃった機械加工にも対応できる。

本発明による高精密または高精密加工機に用いられる圧油供給装置の回路図の一実施形態例を示す図である。増圧弁（ブースターシリンダ）３１の構成を示す概念図である。アキュムレータ３３の構成を示す概念図である。本願発明の油圧の圧力変化を示した図である。従来技術の油圧の圧力変化を示した図である。従来技術（特許文献１）に開示された油圧回路の図である。従来技術（特許文献２）に開示された油圧回路の図である。

以下、本発明による油圧供給装置の一実施形態を図１乃至図３を用いて説明する。

図１は、この発明の適用される精密加工機であるとして、ロールや丸物と呼ばれる円筒形のワークを加工するための精密ロール加工機に例をとって、図の上部にその主軸の主要な装置部分である主軸部１０、芯押軸２５、および同図の下部に、この精密加工機の静圧主軸の主軸部１０等に圧油を供給するための本願発明による油圧供給装置３４の系統図を示す。
同図において、主軸部１０は、前述のように、円筒形状のワークを保持するための構成を示すものであって、この図においては、フランジ１２が主軸１１の端部に固定され、さらに、主軸１１の軸部には、ラジアル静圧軸受１１a、１１ｂが密着して遊合して軸芯を保持し、フランジ１２に設けたリング状のスラスト静圧軸受１１ｃ、１１ｄを密着して遊合し、主軸１１のスラスト方向の移動を規制している。このような構成により、ラジアル静圧軸受１１a、１１ｂおよびスラスト静圧軸受１１ｃ、１１ｄに油圧供給装置３４は、それぞれ圧油を供給し、静圧軸受として機能するよう構成される。

また、主軸１１とワークに対し反対側に位置し主軸１１と協働してワークを保持する芯押軸２５も、主軸部１０と同様に、その端部にフランジ２６が固定され、その軸部には、静圧軸受を構成するラジアル静圧軸受２５a、２５ｂが密着して遊合され、ワークの軸芯を保持するよう構成されている。さらに、フランジ２６に設けたリング状のスラスト静圧軸受２５ｃ、２５ｄを密着して遊合し、芯押軸２５のスラスト方向の移動を規制するよう構成されている。圧油は、芯押軸２５において、油通路２２及び分岐油路２２ｂを介してラジアル静圧軸受２５a、２５ｂおよびスラスト静圧軸受２５ｃ、２５ｄにそれぞれ供給されるように構成されている。

次に、前述の精密加工機の各軸受部に、油圧を供給する本願発明の油圧供給装置３４について説明する。油圧供給装置３４は、コンプレッサ（第一圧縮空気供給機）３０、このコンプレッサ３０で得られた圧縮空気を増圧する増圧弁（ブースターシリンダ）３１、この増圧弁３１で得られた圧縮空気を貯蔵するレシーバタンク（第二圧縮空気供給機）３２、このレシーバタンク３２で得られた圧縮空気を介して油圧に変換し圧力変動を吸収し、機械の駆動に必要な圧力を有する油、すなわち圧油に変換するアキュムレータ３３、このアキュムレータ３３から供給される圧油の温度を制御する油温調節ユニット３７および機械の静圧軸受等に使用された後の油を受けるドレーン受け３６、３７から回収される油タンク３５、等の機器を備えて構成される。

図２は、図１に示された増圧弁３１の構造の詳細を示す図である。同図に示すように、増圧弁３１は、小径部３１a側、大径３１ｂからなり、シリンダー内径差によりコンプレッサ３０からの圧縮空気をさらに増圧するように構成されている。さらにまた、同図において、小径部３１a側は、図１に示すようにレシーバタンク３２（第二圧縮空気供給機）に接続されている。

図３は、アキュムレータ３３、油温調節ユニット３７、および、油の補給のためのポンプなどの、さらに詳細な構成を示す図である。同図で、空圧を有する圧縮空気ＰＡは、レシーバタンク３２からアキュムレータ３３の上部から供給される。さらに、同図に示されるように、アキュムレータ３３における圧油の液面レベルＬＶについての上下の限界、すなわち油量の上限または下限のレベルの見地には、液面センサ３９ａ、上限３９ｂ、および下限３９ｃの各センサを備えており、それらのセンサにより液面の状態が検知され、センサからの信号ＳＳは、液面センサ装置３９に送られるよう構成されている。さらに制御部４０、インバータ５０等を備え、油圧ポンプ３８に内蔵の電気サーボのモータ３８ａを制御部４０により回転制御し、不足した油を油タンク３５からアキュムレータ３３へ供給するよう構成されている。

次に、前記のように構成された油圧体供給装置について、その作用を説明する。精密位置決めされる加工機の図１の主軸部１０と、この加工機に設定された工具（図示せず）とによって、ワーク（図示せず）、例えばロール等の加工を行う場合には、主軸１１および芯押軸２５に図示省略したチャック機構がそれぞれ装着されており、主軸１１と芯押軸２５との間にそのワークを設定・保持する。次に、主軸１１を駆動用の電気サーボのモータ３８ａによって回転し、ワークを回転させ、切削工具等により、ワークを加工する際に、主軸１１と芯押軸２５の前述の各ラジアル静圧軸受およびスラスト静圧軸受には、油圧供装置からの圧油が供給され、これらの各軸受は、静圧軸受として機能する。
この圧油の供給のためには、コンプレッサ（第一圧縮空気供給機）３０で圧縮空気を生成し、このコンプレッサ３０で得られた圧縮空気を、さらに図２に示す増圧弁（ブースターシリンダ）３１により増圧して供給する。
この圧縮空気生成用の増圧弁（ブースターシリンダ）３１は、図２に示すように、小径部３１a側、大径３１ｂからなり、シリンダー内径差により圧縮空気をさらに増圧する。ここで、小径部３１a側は、レシーバタンク３２（第二圧縮空気供給機）に接続され、圧縮空気増圧弁３１で増圧された圧縮空気は、それを貯蔵するレシーバタンク３２へ送出され、さらにレシーバタンク３２から、圧油の変動を吸収する空圧−油圧式のアキュムレータ３３に接続されている。増圧弁３１で得られた圧縮空気ＰＡは、図１に示すように、レシーバタンク３２（第二圧縮空気供給機）に一時貯蔵される。これにより、このレシーバタンク３２は、まず圧縮空気の脈動を防止することに貢献することとなる。

次に、この圧縮空気ＰＡは、アキュムレータ３３上部に送られる。ここで、前述のような油面の液面検出センサ装置３９と液面センサ３９ａ、上限３９ｂ、下限３９ｃの各センサ、さらにモータ３８ａを主にコントロールする制御部４０およびポンプ３８により、液面レベルの下限が検出された後に、このポンプ２８の回転制御は、インバータ５０を使用した制御部４０の制御により、ポンプ３３の内部の電気制御タイプによるサーボタイプのモータ３８ａにより、油量調節をショックのないように滑らかに回転制御される。この制御には、制御部４０によりＰＩＤ制御が行なわれ、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン等の各ゲイン等の設定値を調整することにより、油量の供給開始や供給停止によるショックから，油圧の脈動・変動を防止するよう制御される。このように、内部に蓄えられる油（作動油）を、脈動の少ない安定した圧力を有する油、すなわち圧油は、作動油とも呼ばれて、その流れは、図３でまずＦＡＣと示されて、油圧伝達の流体媒体として使用可能にされる。このように圧力変動を吸収するよう構成され、制御された圧油は、さらに、油温調節ユニット３７に送られる。油温調節ユニット３７は、前述の各軸受へ供給される圧油の油温を一定に保つよう油温の制御を行い、油温調節ユニット３７からの温度制御された圧油の流れＦＴＨは、このようにして圧力および温度とも安定化され、脈動も減少されて、各軸受へ送出される。また、図１に示したドレーン受け３６、３７から静圧軸受に使用された作動油は、図３に示したように油タンク３５に回収され、アキュムレータ３３の油量を検知する液面センサ装置３９の検知により、前述のように油を安定にかつショックの無いように油タンク３３からアキュムレータ３３へ、滑らかに補給される。

このように、油圧供給装置３４では、既に述べたとおり、アキュムレータ３３において、液面センサ装置３９により、油量の上下限を検知し、油タンク３５からの油の供給に伴って発生する脈動を防止するようＰＩＤ制御によりショックのないように制御さる。したがって、圧油は、リリーフ機能付減圧弁機能として圧力調整され、油温度調節ユニット３７により、温度的にも安定されて、図１のように油通路２２および分岐油路２２ａ、２２ｂを介してラジアル静圧軸受１１a、１１ｂおよびスラスト静圧軸受１１ｃ、１１ｄ、ラジアル静圧軸受２５a、２５ｂおよびスラスト静圧軸受２５ｃ、２５ｄに供給される。この油圧供給では、上述のように圧力の脈動・変動は防止され減少し、さらに、温度調整ユニットにより温度制御もされるので、その結果、圧力とともに温度も一層安定した圧油を供給することになる。
なお、ラジアル静圧軸受１１a、１１ｂおよびスラスト静圧軸受１１ｃ、１１ｄ、ラジアル静圧軸受２５a、２５ｂおよびスラスト静圧軸受２５ｃ、２５ｄで漏れた静圧の作動油は、ドレーン受け３６，３７で回収され油タンク３５に回収される。

さらに、圧油がアキュムレータ３３で不足したときは、図３に示すように、圧油となる油は、油タンク３５から供給される。供給の際に、油面ＬＶは、油面ＬＶの下限検知用の下限３９ｃのセンサにより下限が検知され、液面センサ装置３９へ信号ＳＳとして送られる。次に上限３９ａのセンサに検知されるまで、ポンプ３８により油が供給されて、油面ＬＶは、上方に移動する。したがって、このように圧油は、コンプレッサ（第一圧縮空気供給機）３０とこのコンプレッサ３０で得られた圧縮空気を増圧する増圧弁（ブースターシリンダ）３１で発生する脈動を、レシーバタンク３２（第二圧縮空気供給機）およびアキュムレータ３３により、まず吸収される。また、油タンク３５からアキュムレータ３３への油の供給による圧油の変動に伴う油圧の脈動についても、ポンプ３３に使用されるモータ３８ａをＰＩＤ制御したので、その脈動は、減少・防止される。したがって、ラジアル静圧軸受１１a、１１ｂおよびスラスト静圧軸受１１ｃ、１１ｄ、ラジアル静圧軸受２５a、２５ｂおよびスラスト静圧軸受２５ｃ、２５ｄに安定した圧力の油圧を供給することができる。

上の実施例に詳細に述べたように、この実施例の形態による油圧供給装置によれば、圧油は、コンプレッサ（第一圧縮空気供給機）３０とこのコンプレッサ３０で得られた圧縮空気を増圧する増圧弁（ブースターシリンダ）３１とにより発生する脈動を、レシーバタンク３２（第二圧縮空気供給機）とアキュムレータ３３等により吸収するので、空圧の変動による脈動を減少させて、各軸受に脈動の少ない、安定した圧力の油圧を供給できる。さらにまた、温度調整装置を使用したので、より温度についても一層安定して供給することができることとなる。

次に図４および図５を用いて、本願発明による油圧供給装置による脈動の防止・抑制の効果について、油圧回路の出力圧力の測定結果を示し、従来の油圧供給装置とそれと比較した結果について説明する。
図４は、本願発明の構成による油圧供給装置の測定結果のグラフを示したものであって、図３に示すアキュムレータ３３から主軸部等へ供給される油圧を油圧測定装置６０（図３の記号ＰＧ）にて測定した圧力測定結果のグラフである。この実施例においては、油圧の圧力値（油圧元圧）は、１．３ＭＰａであって、油圧の脈動は、およそ０．００４ＭＰａに抑えられてことが理解できる。
しかし一方、図５は、従来の技術レベルの構成による油圧供給装置の油圧の測定結果のグラフを示したものであって、図４と同様に、主軸部などの各軸受へ供給される油圧の測定結果である。この図に測定された従来の技術レベルによる構成のものでは、同様の油圧元圧１．３ＭＰａに対して、油圧の変動幅は、０．００９ＭＰａである。したがって本願発明の油圧供給装置に比較して、倍以上変動の幅が多いことが測定された。
これらの測定結果の比較から、油圧の脈動について、従来の技術レベルにおいては、元圧に対しておよそ７％の値であったものが、本願発明の構成による油圧供給装置によれば、およそ３％に向上していることが明確になり、安定した油圧の供給を目的した本願発明の効果が立証され、精密加工機はもとより、ナノメートルオーダーの位置決め精度を必要とする超精密制御加工機にも適用できる。

なお本発明においては、油のアキュムレータへの補給に、ポンプすなわちモータの制御部４０を備えて、液面検知センサ装置３９により、ＰＩＤ制御を用いてモータ３８ａを制御したが、別な実施形態としても良く、すなわち、下限センサによりポンプ、すなわちモータ３８ａを回転させ、上限センサまで油を静かに補給の開始を行い、補給量を徐々に増加するランプ制御を行い、さらに徐々に補給量を減少するように構成し、すなわち、補給量についてランプ状の停止制御をしてもよい。この場合も、ＰＩＤ制御と同様な効果を期待できる。さらにまた、油量の補給停止について、段階的に増加させ途中から、段階的に減少制御（ステップ制御）しても良く、要は油面に大きな変動のないよう、滑らかに油補給をして、油面の急激な変動をさけることにより、同様な効果か期待できる。
また、この実施形態では静圧の案内や軸受用の油圧供給装置として説明したが、これに限ることなく、油圧供給の際に、油圧の脈動を避けることが望まれる油圧供給装置であれば使用可能であって、動圧用あるいは単に潤滑用であってもかまわない。

本発明の油圧供給装置は、精密加工機に使用される案内面または静圧主軸に用いられる圧油を供給するにてきしており、油圧機器業界、精密加工機、精密加工の業界に大いに貢献できるものである。

１０主軸部
１１主軸
１１ａ、１１ｂ、２５ａ、２５ｂラジアル静圧軸受
１１ｃ、１１ｄ、２５ｃ、２５ｄスラスト静圧軸受
２２油路
２５芯押軸
３０コンプレッサ（第一圧縮空気供給機）
３１増圧弁（ブースターシリンダ）
３２レシーバタンク（第二圧縮空気供給機）
３３アキュムレータ
３４油圧調整ユニット
３５油タンク
３７油温調節ユニット
３８ポンプ
３８ａモータ
３９液面センサ装置
４０制御部
６０油圧測定装置（ＰＧ）

Claims

精密加工機に使用される案内面または軸受部に用いられる圧油を供給する油圧供給装置であって、
空気を圧縮して供給する第一圧縮空気供給機と、
前記第一圧縮空気供給機により得られた圧縮空気を増圧する増圧弁と、
前記増圧弁で得られた圧縮空気を貯蔵する第二圧縮空気供給装置と、
前記第二圧縮空気供給装置で得られた圧縮空気を油圧に変換し、前記圧縮空気の圧力変動を吸収するためのアキュムレータと、
前記アキュムレータの貯蔵している油量を検知する油量検知装置と、
前記静圧案内面または軸受部からの戻り油を貯蔵する油タンクと、
前記油量検知装置によりアキュムレータにて油量の不足したときは、前記油タンクから油を前記アキュムレータへ供給するポンプと、
を備えて構成し、油圧の脈動を抑制・減少させることを特徴とする油圧供給装置。
請求項１の圧油供給装置は、さらに、油温を調節するための油温調節ユニットを備えて構成し、油圧とともに油温についても安定した油圧を供給することを特徴とする油圧供給装置。
請求項１または２の圧油供給装置は、さらに、前記ポンプに内臓の電気モータの回転をインバータにより制御する制御部を供え、この制御部は、前記油タンクから油を前記アキュムレータに補給するために、前記電気モータを前記油量検知装置の油量検知信号により補給の油量を、ＰＩＤ制御、ランプ制御、階段的制御のいずれか一つを行い、油補給に起因する油圧の脈動を抑制・減少させたことを特徴とする圧油供給装置。