JP4302430B2

JP4302430B2 - 工作機械の主軸バランス取り方法

Info

Publication number: JP4302430B2
Application number: JP2003137245A
Authority: JP
Inventors: 山貴信秋; 木照三鈴
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP2004338034A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主軸の熱変位を短時間にサチュレートさせるための主軸冷却装置を利用しながら主軸のバランス取りを行う方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械では、主軸の軸受部やモータ部などで発生する熱により主軸が伸びるため、主軸先端の実際の位置と位置制御上の位置との間に誤差が生じる。このような現象は熱変位と呼ばれ、数値制御工作機械で高精度の加工をするためには、主軸の熱変位についての対策が必要不可欠である。
【０００３】
一般に工作機械は、主軸の熱変位を抑制するために、発熱部である軸受部あるいはビルトインモータ部に温度管理された冷却液を循環させる主軸冷却装置を備えている。機械で加工工程が進行している間は、主軸の回転、停止に関係なく冷却液を常に循環させるようにして主軸を冷却している。
【０００４】
工作機械では、工具交換や、段取り替えのため、主軸を一時停止させることが頻繁に起こる。この間、冷却液を循環していると、主軸が冷えて縮むため、加工再開時には、熱変位の状態がサチュレートして主軸の伸びが一定になるまでアイドリング運転をする必要がある。
【０００５】
アイドリング運転の時間を短縮するために、主軸の停止時間、主軸回転速度の変化に対して主軸冷却装置の起動タイミング、主軸の起動タイミングや加工開始タイミングを最適制御する冷却装置が知られている（特許文献１）。
【０００６】
上記の引用文献１の冷却装置は、主軸起動時の指令回転数に応じて、主軸冷却装置の冷却液供給開始タイミングを最適制御するというもので、主軸停止後、次の加工が始まるまでに、冷却液供給開始のタイミングをずらすことにより、熱変位が安定するまでの時間を短縮することを狙っている。主軸を停止している間は、次回加工時の指令回転数によっては冷却液は循環されたままの状態となる。
【０００７】
ところで、工作機械の主軸を支持する軸受は、ベアリングを用いた接触型の軸受と、空気軸受などの非接触型の軸受に大別することができる。接触型の軸受は、大型の工作機械のように大きな重量の主軸を支持するのに適しているが、主軸を高速回転させると軸受での発熱量が大きいので、主軸の熱変位が増大する。したがって、このような接触型の軸受を使った主軸頭では、冷却液を常に循環させておく必要性が高い。
【０００８】
一方、空気軸受は、非接触であるから高速回転させても発熱量は小さいが、大きな重量を支持するのには適さないので、小型、高速性を活かして、ワークを精密に加工する精密工作機械に利用されている。
【０００９】
空気軸受で主軸を支持した精密工作機械は、主軸の先端にダイヤモンド砥石、エンドミル等を装着し、主軸を高速で回転させて加工するため、加工精度を向上させるには、取り付けた工具のバランス取りを行うことが不可欠である。主軸に工具を装着することで、回転のバランスが乱れ、高速で回転させると工具が振動してしまうからである。
【００１０】
このようなバランス取りは、できるだけ実際の加工時と同じ条件の下で行う必要がある。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−１１００２１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
主軸のバランス調整は、主軸を停止した状態で、バランスリングにおもりを付加したり、取り外したりしてバランス調整を行っている。そして、バランスが取れたことを確認するために、実際に加工するときの回転速度で主軸を回転し、その回転速度における振動を測定する。
【００１３】
バランス調整の過程では、熱変位が主軸のバランス取りの精度に対して大きく影響する。空気軸受を使用した主軸の場合、モーターで発生する熱を受けて、バランスリングが変形して、時間とともに振動測定値が刻々と変化する。したがって、熱変位がサチュレートして主軸の長さが一定になるまで、そのまま主軸を回してアイドリングをしなければならない。
【００１４】
ところが、従来の主軸冷却方式では、バランス調整をするために主軸を停止している間にも、冷却液は循環されているので、主軸が過冷却されてしまい、再スタート後も、熱変位が安定するまでアイドリングに時間を要し、主軸のバランス取りが完了するまでに非常に時間がかかるという問題がある。
【００１５】
また、実際の加工の段階になった場合でも、空気軸受を使用した主軸では、軸受での発熱が少ないだけに、段取り替え等のため、主軸を一時停止するたびに主軸が過冷却されてしまい、実際に加工を再開する前に、主軸の熱変位が安定するまでアイドリングを十分にしなければならない。空気軸受を使った超精密加工機では、熱変位の状態を主軸停止前と同じ状態にしなければ所期の加工精度を得られないため、とりわけアイドリングに時間を取られるという問題がある。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、短時間で効率良く主軸のバランス取りをできるようにする工作機械の主軸バランス取り方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、主軸を空気軸受により支持する主軸軸受構造を有する主軸頭を備え、前記主軸頭と冷却液供給装置とを冷却液配管で接続して冷却液が循環する冷却回路を構成した工作機械において、前記主軸の回転バランスを調整するバランス取り方法であって、前記主軸の起動と同時に冷却液を循環させながら、主軸の熱変位がサチュレートするまでアイドリング運転を行う工程と、前記主軸の熱変位がサチュレートした後に、加工時と同条件の下で主軸の振動を測定する工程と、前記主軸を停止すると同時に冷却液の循環を停止し、主軸のバランスを調整する工程と、前記主軸を再起動すると同時に冷却液の循環を開始し、加工時と同条件で主軸の振動を測定し振動の大きさが許容範囲に入るかどうかを検査する工程と、からなることを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による工作機械の主軸冷却装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１並びに図２は、本発明による主軸冷却装置が適用される精密加工機である研削盤を示す。図１は、この研削盤の側面図で、図２は研削盤の正面図である。図１、図２において、参照符号１０は、ベッドを示す。１２はコラムで、１４はテーブルを示している。このベッド１０の上には、ガイドレール１１が敷設されており、コラム１２は、ベッド１０上でガイドレール１１（またはＶ溝からなるガイド）を介して摺動可能に設置されている。また、ベッド１０の上面には、ガイドレール１１の延びる方向と直交する方向に延びるＶ溝１３ａ、１３ｂが形成されており、テーブル１４は、このＶ溝１３ａ、１３ｂを案内面として摺動可能に設置されている。コラム１２の側面には上下にガイドレール１５が延びており、このガイドレール１５に沿って主軸頭１６が昇降可能に設置されている。
【００２２】
この研削盤では、テーブル１４の送り運動を制御する軸がＸ軸、コラム１２の送り運動を制御する軸がＹ軸、主軸頭１６の昇降運動を制御する軸がＺ軸である。この実施形態では、これらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に加えて、テーブル１４の上に配置された旋回台２７の旋回運動を制御するＣ軸が設けられている。
【００２３】
Ｘ軸の送り機構は、図２に示すように、Ｘ軸サーボモータ１７により駆動されるＸ軸ボールねじ１８と、テーブル１４の下面に取り付けられている図示しないボールナットとから構成されている。Ｙ軸の送り機構は、図１に示すように、Ｙ軸サーボモータ２０によって駆動されるＹ軸ボールねじ２１と、コラム１２の下面に取り付けられた図示しないボールナットから構成されている。Ｚ軸の送り機構についても同様に、コラム１２の頂部にＺ軸サーボモータ２２が設置されており、Ｚ軸ボールねじ２４が垂下するように延びて、主軸頭１６側に取り付けられた図示しないボールナットがＺ軸ボールねじ２４に螺合するようになっている。
【００２４】
主軸頭１６から延びる主軸２５の先端部には、工具２６として研削砥石が保持されている。この工具２６は、この実施形態では、円盤状の薄刃砥石２８を有し、鉛直面に平行な面内を回転する姿勢で主軸２５に取り付けられている。
【００２５】
図２に示すように、テーブル１４の上に設置された旋回台２７には、加工対象のワークを固定するためのチャック装置２９が載置されている。旋回台２７は、図示しないＣ軸サーボモータにより駆動されるＣ軸旋回機構を内蔵している。また、テーブル１４には、旋回台２７に加えて、加工のじゃまにならない位置にツルーイング装置３０が設置されている。図１に示すように、ツルーイング装置３０は、円柱状のツルーイング砥石３１と、このツルーイング砥石３１を回転駆動する駆動部３２とから構成されている。
【００２６】
図１において、参照符号５４は、ＮＣ装置を示し、参照符号４４は、ＮＣ装置５４から送られる指令に基づいてＸ軸サーボモータ１７、Ｙ軸サーボモータ２０、Ｚ軸サーボモータ２２、Ｃ軸サーボモータをそれぞれ駆動するサーボ駆動回路である。
【００２７】
次に、図３は、主軸頭１６の縦断面および主軸冷却装置の構成を示す図である。この図３に示す主軸頭１６では、主軸２５の先端部２５ａから工具２６は取り外された状態で示されている。参照符号３４は、主軸頭１６の本体を構成するハウジングを示している。このハウジング３４の後部には、主軸２５を駆動するビルトインモータ３６が組み込まれており、３７がステータで、３８がロータである。主軸２５は、２つの空気軸受４０ａ、４０ｂによって回転自在に支承されている。
【００２８】
主軸頭１６のハウジング３４の外周部には、主たる発熱部であるビルトインモータ３６の外側を取り囲むように、カバー４１が取り付けられ、このカバー４１の内側に第１の冷却ジャケット４２が形成されている。同じく発熱部である空気軸受４０ａ、４０ｂを囲むように、ハウジング３４の外周部にはカバー４３が取り付けられ、このカバー４３の内側に第２の冷却ジャケット４４が設けられている。
【００２９】
次に、主軸頭１６の第１冷却ジャケット４２、第２冷却ジャケット４４に冷却液を供給する冷却液供給装置４５および冷却液配管について説明する。この冷却液供給装置４５は、冷却液タンク４６、電動駆動の油圧ポンプ４７を備えている。
【００３０】
冷却液供給装置４５と主軸頭１６とは、冷却液配管である冷却液供給配管４８および戻り配管４９によって接続され、冷却液が循環する冷却回路が構成されている。この冷却液供給配管４８の途中には、切替弁５０が設けられており、切替弁５０の下流で管路は２手に分かれてそれぞれの末端が第１冷却ジャケット４２、第２冷却ジャケット４４の入口ポートに接続されている。
【００３１】
切替弁５０は、２位置３ポートの電磁方向制御弁であって、Ｐポートが油圧ポンプ４７の吐出口に接続しており、ソレノイドがＯＦＦの状態でＰポートとＡポートが連通して、油圧ポンプ４７から吐出された冷却液は冷却液供給配管４８を通じて第１冷却ジャケット４２、第２冷却ジャケット４４に導入され、さらに、戻り配管４９を流れて冷却液タンク４６に還流するようになっている。
一方、切替弁５０のＴポートからは配管５２が冷却液タンク４６まで延び、ソレノイドがＯＮになると、油圧ポンプ４７から吐出された冷却液は、主軸頭１６には送られずに配管５２を通って冷却液タンク４６に戻されるようになっている。
【００３２】
このような切替弁５０を制御する制御装置がＮＣ装置５４である。このＮＣ装置５４は、油圧ポンプ４７のモータの起動、停止を制御するともに、主軸２５の停止と同時に切替弁５０のソレノイドを励磁し、主軸２５の起動と同時にソレノイドを消磁するようになっている。本実施の形態では、油圧ポンプ４７のモータは、主軸２５の起動、停止と関わりなく、研削盤が稼働している間は常に回ったままである。なお、図３において、５６は、冷却液の温度を設定値に維持する冷却液冷却装置を示し、この冷却液冷却装置５６は、それ自身単独で冷却液の温度を一定に管理できるようになっている。
【００３３】
次に、主軸２５のバランス取り方法との関連において、主軸冷却装置の作用並びに効果について説明する。
図３に示すように、主軸２５から先端部２５ａにかけての段差のある端面２５ｂには、バランス調整用のねじ５７を取り付けるねじ穴が複数が設けられている。同様に、ビルトインモータ３６と結合している主軸２５の後端部には、おなじく端面にバランス調整用のねじ５７を取り付けるねじ穴を有するバランスリング５８が取り付けられている。
【００３４】
Ａ．主軸２５単体のバランス取り
主軸２５には工具は取り付けないで、段差面２５ｂには、主軸２５の回転速度を検出する回転センサ用のシールを貼っておく。また、主軸頭１６には、振動センサを取り付けておく。
【００３５】
ここで、図４は、バランス取りを行う過程での主軸２５の起動、停止のタイミングおよび主軸頭１６への冷却液の供給の停止、再開のタイミングを示すタイムチャートと、主軸２５のＹ軸熱変位の変化とを対照させて示す図である。この図４で縦軸はＹ軸熱変位（μｍ）を示し、横軸は時間（分）を示す。
【００３６】
まず、ビルトインモータ３６を起動し、ワークを加工するときの回転速度まで主軸２５の回転速度を上げ、その回転速度を保ってしばらくアイドリングをする。この間、冷却液は主軸頭１６と冷却液供給装置４５との間を循環している。
【００３７】
主軸２５が回転を続けていると、発熱源（主としてビルトインモータ３６）から発生する熱と、冷却液に奪われる熱が平衡してやがて熱変位はサチュレートして一定になる。この状態が加工時と同条件である。一定になったところで、振動測定を行い、振動センサの出力をバランス測定器に取り込んで周波数分析をする。
【００３８】
振動測定が終了したら主軸２５は停止する。このとき、ＮＣ装置５４は、ビルトインモータ３６を停止させると同時に切替弁５０のソレノイドをＯＮにするので、冷却液の流路が切り替わり、それまで供給配管４８を通って主軸頭１６送られ、戻り配管４９から冷却液タンク４６に戻る冷却液の循環は停止し、冷却液は、配管５２を流れて直ちに冷却タンク４６に戻される。
【００３９】
主軸２５が停止したら、振動測定結果に基づいて、バランスが悪いと推定される位置にバランス調整用のねじ５７を取り付けたり、取り外したりしてバランスを調整する。この間（図４にＡで示す区間）、主軸頭１６では、主軸２５の停止とともに第１冷却ジャケット４２、第２冷却ジャケット４４を冷却液が流れなくなるので、主軸２５の温度は緩やかに下がり、それと並行してＹ軸熱変位も緩やかに低下する。
【００４０】
次に、バランスが適正に取れたかどうかを確認するために、再び、主軸２５を起動する。ＮＣ装置５４は、主軸２５の起動と同時に切替弁５０のソレノイドをＯＦＦにするので、それまで冷却液タンク４５に戻されていた冷却液は、供給配管４８を通って再び主軸頭１６に供給され、冷却液の循環が再開される。
【００４１】
主軸２５は、主としてビルトインモータ３６で発生する熱を受けて再び温度上昇する。その間、主軸２５には熱変位による伸びが生じるとともに第１冷却ジャケット４２、第２冷却ジャケット４４を流れる冷却液との間で熱交換が行われることになるが、再起動前は冷却液の循環を停止していることで温度低下を抑えているため、再起動後の主軸２５は、短時間での停止前の熱的平衡状態に到達し、Ｚ軸熱変位は短時間で速やかにサチュレートする（Ｂ区間）。そして、主軸２５のＺ軸熱変位がサチュレートしたら、バランス測定器で主軸２５の振動を計測する。測定した振動の大きさが許容値内に収まっていたら、主軸単体でのバランスは取れていることなる。
【００４２】
これに対して、振動の大きさが許容値よりも大きい場合には、バランス修正が不十分であるから、主軸２５を停止して、上述のバランス調整、振動測定を振動測定値が許容範囲に入るまで繰り返すことになる。
【００４３】
ここで、図５は、冷却液の循環を停止せずにバランス取りをした場合のＺ軸熱変位の変化を示す。図４と対照すると、バランス調整のために主軸２５を停止したＡ区間で、主軸２５が過冷却される結果、再起動後に熱変位がサチュレートするまでのＣ区間が長くなることがわかる。
【００４４】
Ｂ．主軸２５に工具を取り付けた状態でのバランス取り
ここでは、工具２６それ自体のバランス取りは行わない。工具メーカーは、工具のバランスを検査しバランスの取れた工具だけを出荷するからである。
【００４５】
図１に示すように、工具２６には、主軸２５に取り付けたときにバランス調整が可能なようにバランス調整部材６０が取り付けられている。図２には、このバランス調整部材６０の端面が示されており、一定の間隔で複数のねじ穴６１が切られている。このねじ穴６１には、図３に示した主軸２５の場合と同様、バランスを調整するねじ５７を取り付けることができるようになっている。
【００４６】
工具２６を取り付けた状態の主軸２５について行うバランス取りの手順は、前述した主軸単体でのバランス取りの場合と基本的に同じであり、図４に示すタイムチャートが当てはまる。
すなわち、主軸２５を起動して加工時と同じ回転速度で回転させ、Ｙ軸熱変位がサチュレートするまでアイドリングをする。そして、主軸２５の振動を測定してから、主軸２５を停止し、振動測定結果に基づいて、工具２６のバランス調整部材６０のねじ穴６１にねじ５７を取り付けたり、取り外したりしてバランス調整をする。
【００４７】
しかる後、主軸２５の再起動し、加工時の回転速度で回転させ、Ｙ軸熱変位がサチュレートしてから振動を測定する。振動の大きさが許容値よりも大きい場合には、バランス修正が不十分であるから、主軸２５を停止して、上述のバランス調整、振動測定を振動測定値が許容範囲に入るまで繰り返すことになる。
【００４８】
このような工具２６を取り付けた状態での主軸２５のバランス取りが完了するまでに、主軸２５は停止、再起動、再停止、再々起動されることになるが、主軸２５が停止する度に、同時に切替弁５０のソレノイドがＯＮになり冷却液の循環は停止するので、主軸２５のＺ軸熱変位は緩やかに下がる（図４にＡで示す区間）。そして、主軸２５が起動、再起動後は、短時間での停止前の熱的平衡状態に到達し（図４にＢで示す区間Ｂ）、Ｙ軸熱変位は短時間で速やかにサチュレートする。したがって、バランス取りが完了するまでの時間を大幅に短縮化することができる。
【００４９】
以上のようにして、主軸冷却装置を活用して、実際に加工する条件下で主軸２５のバランスを効率よく調整できたので、次に、実際の加工における主軸冷却装置の作用について説明する。
【００５０】
Ｃ．加工中の主軸の冷却
図３において、切替弁５０はノーマルオープン弁であり、主軸２５が回転している間は、常に、冷却液供給装置４５と主軸頭１６をつなぐ冷却回路には冷却液が循環しており、主軸頭１６の第１冷却ジャケット４２、第２冷却ジャケット４４には常に冷却液が流れている状態になっている。
【００５１】
したがって、ワークを加工している間は、主軸２５と第１冷却ジャケット４２、第２冷却ジャケット４４を流れる冷却液との間で熱交換が行われるので、主軸２５のＹ軸熱変位がサチュレートして安定した状態が保たれる。
【００５２】
加工を中断して主軸２５が停止する場合としては、実施形態のような研削盤の場合、次のワークを加工するための段取り替え、工具２６である薄刃砥石２８にツルーイングを行う場合、砥石２８を交換する場合などがある。
【００５３】
いずれの場合であっても、ＮＣ装置５４は、主軸２５の停止と同時に切替弁５０のソレノイドをＯＮにし、ポートＰとポートＴを連通させるので、油圧ポンプ４７から吐出される冷却液は、冷却液供給配管４８を流れずに配管５２を流れて冷却液タンク４６に戻される。
【００５４】
このような流路の切替により、主軸頭１６の第１冷却ジャケット４２、
第２冷却ジャケット４４には冷却液が流れなくなるので、停止している間、主軸２５を冷却し過ぎるのを確実に防止することができる。
【００５５】
ＮＣ装置５４は、主軸２５を再起動すると同時に切替弁５０のソレノイドをＯＦＦにするので、それまで冷却液タンク４６に戻されていた冷却液は、冷却液供給配管４８を通って再び主軸頭１６に供給されて、冷却液の循環が再開される。
【００５６】
再起動前は冷却液の循環を停止していることで温度低下を抑えていたので、Ｙ軸熱変位がサチュレートするまで主軸２５のアイドリング運転の時間が短くて済む。主軸２５のＺ軸変位がサチュレートし次第、加工が再開される。
【００５７】
以上、本発明による工作機械の主軸冷却装置について、本発明を主軸を空気軸受で支持した精密加工機械に適用した実施形態を挙げて説明したが、本発明にかかる主軸冷却装置は、主軸を接触型の軸受で支持した種々の工作機械にも適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、主軸再起動後に主軸停止前と同条件の熱変位状態に短時間に復帰できるようにして、短時間で効率良く主軸のバランス取りを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による主軸バランス取り方法が適用される研削盤を示す側面図。
【図２】図１の研削盤の正面図。
【図３】本発明の主軸バランス取り方法で使用する主軸冷却装置の構成図。
【図４】主軸の熱変位の変化と、主軸の停止、起動、冷却液の停止、供給のタイミングを示す図。
【図５】図４において、冷却液の供給を停止しなかった場合の主軸の熱変位を変化を示す図。
【符号の説明】
１０ベッド
１２コラム
１４テーブル
１６主軸頭
２５主軸
２６工具
４０ａ、４０ｂ空気軸受
４２第１冷却ジャケット
４４第２冷却ジャケット
４５冷却液供給装置
４８冷却液供給管
４９戻り配管
５０切替弁
５４ＮＣ装置（制御装置）

Claims

主軸を空気軸受により支持する主軸軸受構造を有する主軸頭を備え、前記主軸頭と冷却液供給装置とを冷却液配管で接続して冷却液が循環する冷却回路を構成した工作機械において、前記主軸の回転バランスを調整するバランス取り方法であって、
前記主軸の起動と同時に冷却液を循環させながら、主軸の熱変位がサチュレートするまでアイドリング運転を行う工程と、
前記主軸の熱変位がサチュレートした後に、加工時と同条件の下で主軸の振動を測定する工程と、
前記主軸を停止すると同時に冷却液の循環を停止し、主軸のバランスを調整する工程と、
前記主軸を再起動すると同時に冷却液の循環を開始し、加工時と同条件で主軸の振動を測定し振動の大きさが許容範囲に入るかどうかを検査する工程と、
からなることを特徴とする工作機械の主軸バランス取り方法。