JP2601131B2 - 主軸ユニットの始動運転制御方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マシニングセンタ等に
おける主軸ユニットの始動運転制御方法及びその装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、マシニングセンタでは、加工時
間の短縮のため、主軸の回転数の高速化をはじめとし
て、切削送り速度の高速化、工具交換の高速化等と、各
機能の向上が図られている。

【０００３】マシニングセンタの運転を行なう時、毎日
の始業時には、機械及び主軸を支持するベアリングが冷
えた状態にあるので、運転開始から一定時間は、主軸を
無負荷で回転させ、潤滑油を主軸に送ったり、ベアリン
グを暖めるという主軸の始動運転を行なうことが要求さ
れている。

【０００４】従来、主軸の始動運転を行なうための主軸
ユニットの運転制御装置として、例えば図５に示すもの
が知られている。図において、符号１０１は主軸ユニッ
トで、主軸１０２を有し、この主軸１０２は、ベアリン
グ１０３，１０３に回転自在に支持されている。

【０００５】１０４はＮＣ装置で、このＮＣ装置１０４
に、外部からの主軸回転数指令を受けて主軸モータの回
転数を制御する主軸モータ制御装置１０５が接続され、
主軸モータ制御装置１０５の指令により主軸モータ１０
６が駆動され、この主軸モータ１０６により主軸１０２
が回転し、被加工物を機械加工するようになっている。

【０００６】そして、ＮＣ装置１０４内の制御回路のメ
モリに始動運転用として、図６に示す加速パターンのプ
ログラムが記憶され、作業者が、このプログラムを選択
して起動させて運転を開始するという操作により、主軸
ユニット１０１の始動運転が行なわれていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の主軸
ユニット１０１の始動運転の制御では、主軸１０２の回
転速度の加速パターンがＮＣ装置１０４の始動運転プロ
グラムによって固定され、従って、主軸１０２の回転の
加速待ち時間，加速度が固定されている。また、主軸１
０２の回転数を変化させるタイミングを時間経過でしか
判断管理できないので、工作機械の温度変化に適応した
主軸１０２の回転数制御は不可能であった。また、主軸
１０２の加速時間は、定格トルクで加速した場合、主軸
モータ１０６及び主軸１０２のイナーシャによって決定
されるため、従来はマシニングセンタの状態（温度）に
従って加速時間を可変にする制御装置がなかった。

【０００８】かかる状況下、作業開始時に作業者が、始
動運転のプログラムを選択しないで、加工用のプログラ
ムを実行した場合には、始動運転無しで主軸ユニット１
０１の運転が開始されることになる。始動運転無しに主
軸１０２を高速回転させると、ベアリング１０３，１０
３内部に急激な温度上昇を招き、また、一方では主軸１
０２の温度変化は緩やかなため、ベアリング１０３が膨
張することにより焼き付きを起こし、ベアリング１０３
及び主軸１０２を損傷する虞がある。

【０００９】かかる始動運転の選択が作業者に任されて
いるため、始動運転無しでのマシニングセンタの運転開
始を防止する有効な手段がなかった。本発明は、上述の
問題点を解決するためになされたもので、その目的は、
始動運転無しで主軸を高速回転させる結果生じるベアリ
ングの損傷を未然に防止することができる主軸ユニット
の始動運転制御方法及びその装置を提供することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
主軸ユニットの主軸を回転自在に支持するベアリングの
近傍における温度が上昇する間は主軸の回転速度は一定
でその温度が定常状態に入ると増加する構成の加速パタ
ーンに従って、主軸の回転速度を可変にすることを特徴
とする。

【００１１】請求項２記載の発明は、主軸モータにより
主軸ユニットの主軸の回転速度を、ＮＣ装置の加速パタ
ーンにより変化させて、主軸を回転自在に支持するベア
リングを暖める主軸ユニットの運転制御装置において、
ベアリング近傍の温度を検出する温度計測回路と、温度
計測回路により検出された温度の変化に応じて始動運転
の要否を判断し、かつ始動運転の所要時には、上記温度
が始動運転途中の主軸回転数に対応する基準値に略安定
するときのタイミングで、主軸回転数の増速指令を出力
する温度安定度演算回路と、温度安定度演算回路から出
力された増速指令に基づき、上記始動運転途中の主軸回
転数に加算する速度を演算して、その演算結果をＮＣ装
置に送る主軸加速パターン切換回路とを備えていること
を特徴とする。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明においては、主軸ユニット
の主軸を回転自在に支持するベアリングの近傍における
温度が上昇し、温度が上昇する間は主軸の回転速度は一
定でその温度が定常状態に入ると増加する構成の加速パ
ターンに従って、主軸の回転速度を可変にする。そし
て、温度の変化率に従って、主軸の速度変更のタイミン
グが決められ、主軸の加速度が可変にされる。

【００１３】請求項２記載の発明においては、温度計測
回路により、ベアリング近傍の温度が検出される。この
温度信号は温度安定度演算回路に送られる。 温度安定度
演算回路において、温度計測回路により検出された温度
の変化に応じて始動運転の要否を判断し、かつ始動運転
の所要時には、上記温度が始動運転途中の主軸回転数に
対応する基準値に略安定するときのタイミングで主軸回
転数の増速指令が主軸加速パターン切換回路に出力され
る。 主軸加速パターン切換回路においては、温度安定度
演算回路から出力された増速指令に基づき、上記始動運
転途中の主軸回転数に加算する速度を演算して、主軸の
加速パターンを決定し、その演算結果がＮＣ装置に送ら
れる。

【００１４】ＮＣ装置は、主軸の回転速度を上記加速パ
ターンに基づいて加速させ、所要回転数まで上昇させ
る。

【００１５】

【実施例】以下、図面により本発明の実施例について説
明する。図１において、符号１は主軸ユニットで、主軸
２を有し、この主軸２は、ベアリング３，３に回転自在
に支持されている。

【００１６】符号４は温度計測回路で、主軸２とベアリ
ング３自体の温度を検出するようになっている。主軸２
とベアリング３の両方を測定するのは、温度が違うと熱
膨張の度合いが異なるためである。この場合、熱電対を
用いて温度を測定し、主軸２とベアリング３の温度差か
ら主軸２とベアリング３の熱膨張の違いを推定し、主軸
２の焼き付き防止を行なう。また、主軸２の温度を基準
としてベアリング３の温度を測定するので、外気の温度
に依存しない制御が行われる。

【００１７】５は温度安定度演算回路で、温度計測回路
４からのデータを蓄積する温度データバッファ６と、主
軸２及びベアリング３，３の温度上昇差を計算する温度
上昇計算回路７と、主軸２及びベアリング３，３の温度
が安定しているか否かを判断し、始動運転が必要か否か
を判断する温度安定度判定回路８と、主軸加速パターン
切換回路１０に対して始動運転時の主軸回転速度の増速
のタイミング指示またはＮＣ装置１１の主軸回転指令を
主軸モータ制御装置１２に直結させるための主軸加速パ
ターン切換回路１０にバイパス指示（主軸２及びベアリ
ング３，３の許容誤差，単位時間当たりの温度上昇率及
び温度変化のうねり状態が許容値以下になっている時、
温度が安定していると判断する。）を出力する主軸加速
タイミング指示回路９とから構成され、温度計測回路４
により検出された温度の変化に応じて始動運転の要否を
判断し、かつ始動運転の所要時には、上記温度が始動運
転途中の主軸回転数に対応する基準値に略安定するとき
のタイミングで主軸回転数の増速指令を出力する。

【００１８】主軸加速パターン切換回路１０は、温度安
定度演算回路５から出力された増速指令に基づき、上記
始動運転途中の主軸回転数に加算する速度を演算して、
主軸の加速パターンを決定し、その演算結果をＮＣ装置
１１にフィードバックするもので、このＮＣ装置１１に
主軸モータ制御装置（外部からの主軸回転数指令を受
け、主軸モータ１３の回転数を制御する装置）１２が接
続され、主軸モータ制御装置１２の指令により主軸モー
タ１３が駆動され、この主軸モータ１３により主軸２が
回転し、被加工物を機械加工するようになっている。

【００１９】なお、ＮＣ装置１１は、機械加工用のプロ
グラム内で指令されている主軸２の回転指令を主軸加速
パターン切換回路１０へ出力する制御を受け、主軸加速
パターンは、主軸加速パターン切換回路１０で制御され
るための特別な始動運転用プログラムは必要なしとな
る。

【００２０】上記の主軸加速パターン切換回路１０は、
温度安定度演算回路５からの指示によりＮＣ装置１１へ
のフィードバック情報を切り換える始動運転判定回路１
４と、始動運転判定回路１４からの始動運転実行指令に
より主軸２の増加速度の大きさを決定する主軸加速決定
回路１５と、始動運転判定回路１４に従って始動運転中
ならば、現在の主軸２の回転数に主軸加速決定回路１５
にて決定された速度を加算し、ＮＣ装置１１に指示を出
すとともに、始動運転が必要でないならば、ＮＣ装置１
１からの指令値をそのままＮＣ装置１１へフィードバッ
クする主軸速度指令回路１６とから構成されている。

【００２１】しかして、本実施例においては、温度計測
回路４により、ベアリング近傍の温度が検出され、この
温度信号は温度安定度演算回路５に送られ、温度安定度
演算回路５は、ベアリング３，３の温度が、許容温度内
か急激な温度上昇が発生していないか温度のうねりがな
いかを調べて安定しているか否かを判断し、主軸２とベ
アリング３，３の温度が始動運転途中の主軸回転数の基
準内に安定すると、主軸加速パターン切換回路１０に命
令を出力し、主軸加速パターン切換回路１０では、図
２，図３，図４に示すような主軸２の加速パターンを決
定する演算を行ない、その演算結果がＮＣ装置１１に送
られる。なお、図２，図３，図４において、Ｘは速度変
更のタイミング点を示し、図２において、Ａは温度上昇
時間を、Ｂは定常温度時間を示している。

【００２２】図２，図３，図４の加速パターンは、縦軸
に主軸回転数，温度を取り、従来例の加速パターンにお
ける一定の長さの加速待ち時間に対して、主軸２の速度
変更のタイミング（Ｘ点）が温度状態によって制御さ
れ、従って、加速待ち時間の長さが結果的に変更され、
また、主軸加速度の勾配を急にしている。例えば、温度
状態によって図２，図３，図４の如き加速パターンが得
られる。

【００２３】図２のように、主軸２の回転数を変化させ
ると、ベアリング近傍の温度は、温度が指数関数的に上
昇する時間Ａを経て、現在の回転数における定常状態に
落ち着いた時間Ｂに安定する。よって、領域Ｂに温度が
入った事を検出することにより、主軸２の回転数を増速
させると、最短の時間で始動運転を行なうことができ
る。主軸２の回転数変化後、温度が領域Ｂに速く入れ
ば、速度変更のタイミングＸ点は速くなるまた、図３に
おいては、図２に比して加速待ち時間が少ないので、そ
れだけ、主軸２の速度変更のタイミング（Ｘ点）が速く
なる。

【００２４】そして、図４のように、温度のうねり，上
昇勾配が安定しなければ、主軸２の保護（焼き付き防
止）のため、速度変更のタイミングＸ点は遅くなるま
た、主軸２の回転数を変化させた時の温度上昇が小さい
場合は、次の主軸回転数を大きくすることにより加速度
勾配を急にでき、始動運転の短縮に繋げることができ
る。

【００２５】また、ベアリング３の近傍温度と主軸２を
比較することにより、夏場，冬場等外気温度に影響され
ないで始動運転を実現している。ＮＣ装置１１は、主軸
加速パターン切換回路１０の演算結果を受け、その演算
結果を主軸モータ制御装置１２に出力し、主軸モータ制
御装置１２は、ＮＣ装置１１の指令に従って主軸モータ
１３を作動させる。

【００２６】そして、始動運転が終了し、マシニングセ
ンタの温度状態が定常状態に達した後、温度安定度演算
回路５のＮＣ装置１１の主軸回転指令を主軸モータ制御
装置１２に直結させる主軸加速パターン切換回路１０の
バイパス指令により、温度安定度演算回路５からの指令
値をＮＣ装置１１に直接にフィードバックする。これに
より、マシニングセンタが定常状態では、所定の加速が
可能になる。

【００２７】以上の如き構成によれば、始動運転のパタ
ーンを可変にでき、例えば、主軸２の加速度を可変にで
き、主軸２の速度変更のタイミングを温度によって決め
ることができる。

【００２８】そして、主軸２のベアリング近傍の温度を
監視しながら温度の変化を検出して主軸２の加速パター
ンを可変にし、主軸２の始動運転を行なうので、ＮＣ装
置１１によるプログラムの選定作業という人間の操作に
依存せず、マシニングセンタの温度状態に合わせた始動
運転の自動化を図ることができる。

【００２９】この結果、始動運転無しで主軸２を高速回
転させる結果生じるベアリング３，３の損傷を未然に防
止でき、主軸２の保護が可能になり、主軸２の寿命を伸
ばすことができる。

【００３０】また、加速待ち時間が主軸２とベアリング
近傍の温度状態により決定されるので、夏場のように外
気が高い場合，冬場のように外気が低い度合いに関係な
く無駄な待ち時間を発生させることを防止できる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
によれば、ベアリングの温度の変化率，うねり，安定度
に従って、主軸の回転数をその増速のタイミングを適切
に捉えて変化させ、主軸の回転速度を加速させることに
より、最短の時間で始動運転を行なうことができる。 詳
しく説明すると、主軸の回転数を変化させると、ベアリ
ング近傍の温度は、温度が上昇する時間を経て、現在の
回転数における定常状態に落ち着いた時間に安定する。
温度が安定領域に入った事を検出することにより、主軸
の回転数を増速し、最短の時間で始動運転を行なうこと
ができる。主軸の回転数変化後、温度が安定領域に速く
入れば、速度変更のタイミングを速くてきる。加速待ち
時間が少なければ、それだけ、主軸の速度変更のタイミ
ングを速くできる。さらに、温度のうねり，上昇勾配が
安定しなければ、速度変更のタイミングを遅くして、焼
き付き防止等の主軸の保護を確保できる。 そして、ベア
リングの温度変化により加速パターンの要素の１つであ
る加速待ち時間が決定されるので、例えば、夏場，冬場
のような外気温度に無関係に、無駄な待ち時間を発生さ
せることを防止できる。請求項２記載の発明によれば、
温度安定度演算回路により、ベアリングの温度が、許容
温度内か急激な温度上昇が発生していないか温度のうね
りがないかを調べて安定しているか否かが判断され、主
軸とベアリングの温度が始動運転途中の主軸回転数の基
準内に安定すると、主軸加速パターン切換回路に増速指
令が出力され、主軸加速パターン切換回路では、主軸回
転数の増加速度が演算されて加速パターンが決定される
ので、この加速パターンにより、ベアリングの温度の変
化率，うねり，安定度に従って主軸回転速度を加速させ
ることにより、主軸の回転数をその増速のタイミングを
確実に捉えて変化させて、最短の時間で始動運転を行な
うことができ、始動運転無しで主軸を高速回転させる結
果生じるベアリングの損傷を未然に防止して主軸の保護
を可能にし、主軸の寿命を伸ばすことができる効果を奏
する。

【００３２】これにより、始動運転無しで主軸を高速回
転させる結果生じるベアリングの損傷を未然に防止で
き、主軸の保護が可能になり、主軸の寿命を伸ばすこと
ができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わる主軸ユニットの始動運
転制御装置を示す構成図である。

【図２】同始動運転制御装置による効果の説明図であ
る。

【図３】同始動運転制御装置による効果の説明図であ
る。

【図４】同始動運転制御装置による効果の説明図であ
る。

【図５】従来における主軸ユニットの運転制御装置を示
す構成図である。

【図６】同主軸ユニットの運転制御装置による効果の説
明図である。

【符号の説明】

１ 主軸ユニット ２ 主軸 ４ 温度計測回路 １０ 主軸加速パターン切換回路 １１ ＮＣ装置 １２ 主軸モータ制御装置 １３ 主軸モータ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸ユニットの主軸を回転自在に支持す
   るベアリングの近傍における温度が上昇する間は主軸の
   回転速度は一定でその温度が定常状態に入ると増加する
   構成の加速パターンに従って、主軸の回転速度を可変に
   することを特徴とする主軸の始動運転制御方法。
2. 【請求項２】 主軸モータにより主軸ユニットの主軸の
   回転速度を、ＮＣ装 置の加速パターンにより変化させて、主軸を回転自在に
   支持するベアリングを暖める主軸ユニットの運転制御装
   置において、 ベアリング近傍の温度を検出する温度計測回路と、 温度計測回路により検出された温度の変化に応じて始動
   運転の要否を判断し、かつ始動運転の所要時には、上記
   温度が始動運転途中の主軸回転数に対応する基準値に略
   安定するときのタイミングで、主軸回転数の増速指令を
   出力する温度安定度演算回路と、 温度安定度演算回路から出力された増速指令に基づき、
   上記始動運転途中の主軸回転数に加算する速度を演算し
   て、 その演算結果をＮＣ装置に送る主軸加速パターン切
   換回路とを備えていることを特徴とする主軸の始動運転
   制御装置。