JP2017161044A - 主軸軸受保護装置及びそれを備えた工作機械 - Google Patents

主軸軸受保護装置及びそれを備えた工作機械 Download PDF

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Abstract

【課題】工作機械の主軸軸受の故障の兆候を捕らえ、主軸が焼き付くまでの時間を延命できる主軸軸受保護装置を提供すること。
【解決手段】主軸１５３を回転可能に支持する軸受１４を保護する主軸軸受保護装置１であって、軸受１４よりも軸方向外側に設けられ且つ主軸１５３とともに回転する回転翼１５１を有する回転部１５と、回転翼１５１と軸受１４の間に冷媒又は潤滑剤を供給する供給部１２と、軸受１４の異常を検出する検出部１３と、検出部１３が軸受１４の異常を検出した場合に、供給部１２による冷媒又は潤滑剤の供給と主軸１５３の回転数を制御する制御部１１と、を備える主軸軸受保護装置１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、主軸軸受保護装置及びそれを備えた工作機械に関する。
従来、工作機械や電動機の主軸が故障した場合、その原因は軸受の劣化や破損であることが多い。主軸が故障した状態で工作機械や電動機を使用して加工を行うと、ワークの精度が低下して不良となる。また、主軸の復旧に時間がかかることで大きなダウンタイムが発生し、工作機械の稼働率が低下する。
そこで、主軸の振動の悪化を計測したり、温度上昇を検出した後、振動や温度上昇の大きさに応じて軸受に供給する潤滑剤の量を調整し、主軸が焼き付くことを防止する技術が開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。また、回転翼によって電動機内部に冷却媒体を循環させる技術も開示されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００８−０４５６８１号公報 特開昭５５−５２９２７号公報 特開２０１３−０５０１９３号公報 特開平０９−１６３６８３号公報
しかしながら、冷媒又は潤滑剤を効率的に軸受内部に供給するためには、軸受に特殊な構造が必要であった。このような特殊な構造を持つ軸受は、コストがかかると同時に、延命機能を持たない主軸と部品を共通化することができなかった。
また、安価でメンテナンス性の高い非接触シール付きグリース潤滑軸受を使用することはできなかった。なぜなら、通常の非接触シール付き軸受に外部から冷媒又は潤滑剤を供給しようとすると、軸受シールと軸受の隙間が小さく、高圧を必要としたためである。このような場合、高圧を用いて冷媒又は潤滑剤を供給しても、冷媒又は潤滑剤の一部は軸受シールに跳ね返され、軸受内部に至らなかった冷媒又は潤滑剤が、工作機械や電動機の電気部品等に付着し、逆に主軸の寿命を縮めてしまうおそれがあった。
また、オイルシール等の接触式シールでは、工作機械の主軸が高速回転をするため、冷媒又は潤滑剤の流出防止を抑制することができなかった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、工作機械の主軸軸受の故障の兆候を捕らえ、主軸が焼き付くまでの時間を延命できる主軸軸受保護装置を提供することを目的とする。
本発明に係る主軸軸受保護装置（例えば、後述の主軸軸受保護装置１，２）は、主軸（例えば、後述の主軸１５３）を回転可能に支持する軸受（例えば、後述の軸受１４，２４）を保護する主軸軸受保護装置であって、前記軸受よりも軸方向外側に設けられ且つ前記主軸とともに回転する回転翼（例えば、後述の１５１，２５１）を有する回転部（例えば、後述の１５，２５）と、前記回転翼と前記軸受の間に冷媒又は潤滑剤を供給する供給部（例えば、後述の供給部１２，２２）と、前記軸受の異常を検出する検出部（例えば、後述の検出部１３，２３）と、前記検出部が前記軸受の異常を検出した場合に、前記供給部による冷媒又は潤滑剤の供給と前記主軸の回転数を制御する制御部（例えば、後述の制御部１１，２１）と、を備える。
前記検出部は、前記軸受の振動数、前記軸受の温度及び前記軸受から発する音の音量のうち少なくとも１つが、所定の閾値又は所定の変化率を超えて変化した場合に、前記軸受の異常を検出することが好ましい。
前記冷媒又は潤滑剤は、油、水、グリース及び圧縮気体のうち少なくとも１つであることが好ましい。
前記回転部は、電動機（例えば、後述の電動機３）の電動機ロータ（例えば、後述の電動機ロータ１５２）を含んで構成されていても良い。
前記回転部は、主軸本体（例えば、後述の主軸頭２５６）の主軸ロータ（例えば、後述の主軸ロータ２５２）を含んで構成されていても良い。
また、本発明に係る工作機械（例えば、後述の工作機械４）は、上記いずれかの主軸軸受保護装置を備える。
本発明によれば、工作機械の主軸軸受の故障の兆候を捕らえ、主軸が焼き付くまでの時間を延命できる主軸軸受保護装置を提供できる。
第１実施形態に係る主軸軸受保護装置の構成を示す図である。 本発明の主軸軸受保護方法の概念図である。 本発明の主軸軸受保護装置における処理を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る主軸軸受保護装置の構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、第２実施形態の説明において、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る主軸軸受保護装置１の構成を示す図である。
本実施形態に係る主軸軸受保護装置１は、電動機３に設けられ、該電動機３の主軸１５３を回転可能に支持する軸受１４を保護する。この主軸軸受保護装置１は、回転翼１５１を有する回転部１５と、軸受１４の異常を検出する検出部１３と、冷媒又は潤滑剤を供給する供給部１２と、供給部１２による冷媒又は潤滑剤の供給及び回転部１５の回転数を制御する制御部１１と、を備える。
供給部１２は、貯蔵部１２１と、開放弁１２２と、圧縮部１２３と、供給管１２４と、を含んで構成される。
貯蔵部１２１に貯蔵された冷媒又は潤滑剤は、制御部１１によって開放弁１２２が開放されている際は、該開放弁１２２を経由して圧縮部１２３に導入される。圧縮部１２３は、制御部１１によって指定された圧縮率で、供給管１２４を介して冷媒又は潤滑剤を主軸１５３近傍に供給する。制御部１１が圧縮率を上昇させると、それに応じて主軸１５３近傍に供給される冷媒又は潤滑剤の供給量が増加し、制御部１１が圧縮率を下降させると、それに応じて主軸１５３近傍に運搬される冷媒又は潤滑剤の供給量は減少する。
より詳しくは、供給管１２４の先端は、回転翼１５１と軸受１４（上方の軸受１４１）との間に配置される。これにより、供給部１２は、回転翼１５１と軸受１４との間に冷媒又は潤滑剤を供給する。
軸受１４は、高速回転に適した非接触シール付き軸受が好ましく用いられる。図１に見られるように、軸受１４は、電動機ステータ１７を挟んで、図１の紙面に向かって上方（以下同様）に配置された軸受１４１と下方に配置された軸受１４２とを含んで構成される。上方の軸受１４１は上部ブラケット１８に支持され、下方の軸受１４２は下部ブラケット１９に支持される。
回転部１５は、回転翼１５１と、電動機ロータ１５２と、主軸１５３と、を含んで構成される。回転翼１５１は、上方に配置された軸受１４１よりも軸方向外側（上方）に設けられ、主軸１５３周りに円環状に形成される。また、上方から回転翼１５１及び電動機ロータ１５２が、主軸１５３に対して一体化される。すなわち、これらの回転軸は一致し、一体的に回転する。
より詳しくは、回転翼１５１は、供給部１２に含まれる供給管１２４の上方であって、回転部１５の回転数を検知する電動機回転センサ１６の下方に、主軸１５３と一体に設置される。上記のように、供給部１２が備える供給管１２４によって、回転翼１５１の下側に冷媒又は潤滑剤が供給されるが、主軸１５３の回転に伴い回転翼１５１が回転することで、上方から下方に向かう冷媒又は潤滑剤の流れが形成される。これにより、回転翼１５１によって下方に指向される冷媒又は潤滑剤は、上方の軸受１４１を通って電動機ステータ１７を経由し、下方の軸受１４２に至る。
検出部１３は、軸受１４の振動数、軸受１４の温度及び軸受１４から発する音の音量のうち少なくとも１つを検知する。この検知結果を基に、軸受１４の異常を検出し、上記の検知結果と、異常を検出した場合は異常検出結果とを制御部１１に送信する。
制御部１１は、検出部１３から受信した検知結果及び異常検出結果に基づき、供給部１２による冷媒又は潤滑剤の供給と主軸１５３（回転部１５）の回転数を制御する。
なお、上記の冷媒又は潤滑剤としては、例えば油、水、グリース及び圧縮気体のうち少なくとも１つであって良い。
図２は、制御部１１による、冷媒又は潤滑剤の供給及び主軸１５３（回転部１５）の回転数の制御の概念図を示す図である。
ここで、軸受（主軸軸受）１４の保護量は、冷媒又は潤滑剤の流量に比例する。また、冷媒又は潤滑剤の最大流量は、圧縮率を一定とした場合、回転翼１５１の回転数、すなわち主軸１５３（回転部１５）の回転数に比例する。すなわち軸受１４の保護量は、モータ回転数に比例する。これを示すのが、図２内の点線で描かれたグラフである。
一方で、軸受１４へのダメージ量は、軸受転動体への圧力（遠心力）に比例するため、主軸１５３（回転部１５）の回転数の二乗に比例する。これを示すのが、図２内の実線で描かれたグラフである。
具体的に述べると、軸受１４の軸受シールを冷媒又は潤滑剤が貫通するような高圧で、軸受１４に冷媒又は潤滑剤を供給する際、主軸１５３及び回転翼１５１の回転数が高いほど、冷媒又は潤滑剤の高い圧力に対抗することができるため、軸受１４の内部に多量の冷媒又は潤滑剤を供給でき、軸受１４の延命効果は高まる。一方で、主軸１５３の回転数が高いほど、軸受１４は壊れやすくなる。そこで、軸受１４の異常量（軸受１４の振動数、温度、軸受から発する音の音量の異常量）の上昇が最小となるように、異常量を制御部１１にフィードバックさせ、冷媒又は潤滑剤の供給量と主軸１５３の回転数とを制御する。
図２において、回転数＝ａで軸受１４の保護量とダメージ量とが釣り合うため、検出部１３によって検出される軸受１４の異常量は、回転数＝ａよりも右、すなわちａよりも高い回転数では上昇する。逆に、回転数＝ａよりも左、すなわちａよりも少ない回転数では、軸受１４の保護量がダメージ量を上回るため、異常量は下降する。とりわけ、回転数＝ａ／２の場合は、軸受１４の保護量から軸受１４のダメージ量を引いた差分Ｄが最大となるため、軸受１４の異常量の増加を最大限防止することが可能となる。
そこで、本実施形態においては、主軸１５３をできるだけ長く回転させるため、上記の異常量が所定の閾値を超えて、又は、所定の変化率を超えて変化した場合、軸受１４に冷媒又は潤滑剤を供給する。最大流量供給しても異常量が増加する場合は、制御部１１が、主軸１５３（回転部１５）の回転を、検出部１３により検知される異常量が上昇しなくなる回転数まで落とす。異常量の上昇の停止を確認後、制御部１１が、異常量上昇停止時の回転数の半分の回転数まで主軸１５３（回転部１５）の回転数を落とすことにより、異常量の上昇を最大限防止し、主軸１５３を可能な限り最も長く使用することができる。なお、最大流量の冷媒又は潤滑剤を供給することのみにより、異常量が上昇しなくなったものの、しばらくしてから異常量が再び上昇に転じた場合は、異常量の上昇が一旦停止した時点の回転数の半分の回転数まで、主軸１５３（回転部１５）の回転数を落とすようにしても良い。
上述のとおり、回転翼１５１には、冷媒又は潤滑剤の最大流量がその回転数に比例するという特性があると同時に、軸受１４へのダメージ量が主軸１５３の回転数の二乗に比例することを勘案して、主軸１５３及び軸受１４を最も長持ちさせるために、制御部１１は上記の冷媒又は潤滑剤の供給量及び回転数の制御を実行する。
図３は、本実施形態に係る主軸軸受保護装置１における処理を示すフローチャートである。
先ず、ステップＳ１において、検出部１３が軸受１４の異常を検出する。
次に、ステップＳ２において、供給部１２が軸受１４に冷媒又は潤滑剤を供給する。
次に、ステップＳ３において、検出部１３が、軸受１４の異常量（軸受１４の振動数、温度、軸受から発する音の音量の異常量）が上昇しているか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ４に移る。この判定がＮＯの場合、処理はステップＳ２に戻り、供給部１２による冷媒又は潤滑剤の供給を継続する。
次に、ステップＳ４において、制御部１１が圧縮部１２３における圧縮率を高める。
次に、ステップＳ５において、現時点での圧縮率が最高圧縮率か否かを制御部１１が判定する。この判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ６に移る。この判定がＮＯの場合、処理はステップＳ２に戻り、供給部１２による冷媒又は潤滑剤の供給を継続する。
次に、ステップＳ６において、制御部１１が主軸１５３の回転数を落とす。
次に、ステップＳ７において、主軸１５３の回転数が０になったか否かについて、制御部１１が判定する。この判定がＹＥＳの場合は、本実施形態に係る主軸軸受保護装置１の処理を終了する。この判定がＮＯの場合、処理はステップＳ８に移る。
次に、ステップＳ８において、検出部１３が、軸受１４の異常量が上昇しているか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ６に戻り、制御部１１が主軸１５３の回転数を更に落とす。この判定がＮＯの場合、すなわち異常量の上昇が停止した場合、処理はステップＳ９に移る。
次に、ステップＳ９において、制御部１１が主軸１５３の回転数を、異常量上昇停止時点での主軸１５３の回転数の１／２の回転数に落とす。
その後、処理はステップＳ２に戻り、供給部１２による冷媒又は潤滑剤の供給を継続する。
以上のように、本実施形態の主軸軸受保護装置１においては、検出部１３で検出される軸受１４での異常量に基づいて、制御部１１が冷媒又は潤滑剤の供給量及び主軸１５３の回転数を制御する。また上記のように、冷媒又は潤滑剤は、複数の軸受１４のうち、供給部の上方であって、回転部の回転数を検知する電動機回転センサ等の電気部品の下方に設けられた回転翼１５１を用いて軸受１４に供給される。従って、通常の非接触シール付き軸受に特殊な構造を付与することなく、該軸受１４の焼き付けを防止しながら、該軸受１４を延命させることが可能となる。これにより、主軸１５３にダメージが発生した場合の修理を、加工ラインのメンテナンス期間中に実施できる可能性が高まる。また、特殊な構造を持つ軸受１４を使用する必要性がないので、部品を共通化できコストアップを最小限にできる。
更には、回転翼１５１が回転することで、上方から下方へ冷媒や潤滑剤の流れが形成され、冷媒や潤滑剤は電気部品に付着することがない。これにより、軸受１４内部に冷媒や潤滑剤を効率よく供給することができる。
［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る主軸軸受保護装置２の構成を示す図である。
第２実施形態に係る主軸軸受保護装置２の構成要素のうち、制御部２１、供給部２２、検出部２３、軸受２４の各々は、第１実施形態に係る主軸軸受保護装置１の構成要素のうち、制御部１１、供給部１２、検出部１３、軸受１４の各々と同様の構成を有する。
第１実施形態に係る主軸軸受保護装置１は、電動機３の主軸１５３を回転可能に支持する軸受１４の異常を検知するものであるが、第２実施形態に係る主軸軸受保護装置２は、主軸電動機２６に連結された工作機械４の、主軸２５３（主軸ロータ２５２）の回転に用いる軸受２４の異常を検知するものである。
なお、軸受２４としては、上方に配置された軸受２４１と、中段に配置された軸受２４２と、下方に配置された軸受２４３を含んで構成され、これら軸受の異常が検知される。また、回転翼２５１の配置は、第１実施形態と同様に上方に配置された軸受２４１の上方に配置される。
具体的には、第２実施形態に係る主軸軸受保護装置２は、第１実施形態に係る主軸軸受保護装置１に比較して、主として、回転部２５が主軸ロータ２５２及び結合ギア２５４を備える点と、主軸頭２５６に回転部２５及び検出部２３が備わる点で相違する。
具体的には、図４に示すように回転部２５は、工作機械４のハウジング２０内の主軸頭２５６に回転可能に支持されている。回転部２５においては、主軸２５３に対して結合ギア２５４が一体化されており、これら各々の回転軸は一致する。更に、主軸電動機２６側の結合ギア２７と、工作機械４側の回転部２５に含まれる結合ギア２５４とが互いに係合することにより、主軸電動機２６のロータの回転は、回転部２５の回転に伝達される。
検出部２３は、主軸電動機２６ではなく、工作機械４側の主軸２５３を回転させるための軸受２４の異常を検出する。
軸受２４の異常を検出した後の動作フロー自体は、図３に記載の主軸軸受保護装置１の動作フローと同一である。
第２実施形態においても第１実施形態と同様に、通常の非接触シール付き軸受に特殊な構造を付与することなく、該軸受２４の焼き付けを防止しながら、該軸受２４を延命させることが可能となる。これにより、主軸２５３にダメージが発生した場合の修理を、加工ラインのメンテナンス期間中に実施できる可能性が高まる。また、特殊な構造を持つ軸受を使用する必要性がないので、部品を共通化できコストアップを最小限にできる。
また、回転翼２５１が回転することで、上方から下方へ冷媒の流れが形成され、冷媒は電気部品に付着することがない。これにより、軸受２４の内部に冷媒や潤滑剤を効率よく供給することができる。
また、電動機に連結して用いられる工作機械４の主軸２５３のダメージを最大限防止することが可能となる。
以上、本発明の第１及び第２の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限るものではない。また、これらの実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、これらの実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
本発明の第１及び第２の実施形態において、検出部は、軸受の振動数、軸受の温度及び軸受から生じる音の音量のいずれか１つ又はその組み合わせの検知を基に、軸受の異常を検出するとしたが、軸受の異常の検出方法はこれに限られない。例えば、軸受から生じる音の周波数の検知を基に、軸受の異常を検出しても良い。
主軸軸受保護装置１又は２による制御方法は、ソフトウェアにより実現される。ソフトウェアによって実現される場合には、このソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータ（主軸軸受保護装置１又は２）にインストールされる。また、これらのプログラムは、リムーバブルメディアに記録されてユーザに配布されてもよいし、ネットワークを介してユーザのコンピュータにダウンロードされることにより配布されてもよい。更に、これらのプログラムは、ダウンロードされることなくネットワークを介したＷｅｂサービスとしてユーザのコンピュータ（主軸軸受保護装置１又は２）に提供されてもよい。
１，２ 主軸軸受保護装置
３ 電動機
４ 工作機械
１１，２１ 制御部
１２，２２ 供給部
１３，２３ 検出部
１４，２４ 軸受
１５，２５ 回転部
１２１，２２１ 貯蔵部（供給部）
１２２，２２２ 開放弁（供給部）
１２３，２２３ 圧縮部（供給部）
１２４，２２４ 供給管（供給部）
１５１，２５１ 回転翼
１５２ 電動機ロータ
１５３，２５３ 主軸
２５２ 主軸ロータ
２５６ 主軸頭（主軸本体）

Claims (6)

  1. 主軸を回転可能に支持する軸受を保護する主軸軸受保護装置であって、
    前記軸受よりも軸方向外側に設けられ且つ前記主軸とともに回転する回転翼を有する回転部と、
    前記回転翼と前記軸受の間に冷媒又は潤滑剤を供給する供給部と、
    前記軸受の異常を検出する検出部と、
    前記検出部が前記軸受の異常を検出した場合に、前記供給部による冷媒又は潤滑剤の供給と前記主軸の回転数を制御する制御部と、を備える主軸軸受保護装置。
  2. 前記検出部は、前記軸受の振動数、前記軸受の温度及び前記軸受から発する音の音量のうち少なくとも１つが、所定の閾値又は所定の変化率を超えて変化した場合に、前記軸受の異常を検出する請求項１に記載の主軸軸受保護装置。
  3. 前記冷媒又は潤滑剤は、油、水、グリース及び圧縮気体のうち少なくとも１つである請求項１又は２に記載の主軸軸受保護装置。
  4. 前記回転部は、電動機の電動機ロータを含んで構成される請求項１から３のいずれかに記載の主軸軸受保護装置。
  5. 前記回転部は、主軸本体の主軸ロータを含んで構成される請求項１から３のいずれかに記載の主軸軸受保護装置。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の主軸軸受保護装置を備える工作機械。
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