JP5664710B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、主軸装置、特に主軸を回転可能に支承する転がり軸受の異常を検知する主軸装置に関するものである。

従来、転がり軸受の異常の検知手法として、例えば、特開2008-64183号公報（特許文献１）に記載されたものがある。特許文献１には、転がり軸受の温度を検出し、その温度が閾値を超えた場合に、転がり軸受の異常であると判定している。

特開2008-64183号公報

しかし、転がり軸受の温度は、主軸の回転速度に応じて異なるものである。そのため、従来は、主軸の最大回転速度に対して閾値を設定していた。例えば、工作機械の主軸においては、目的に応じた回転速度で使用している。具体的には、工作機械の主軸の最高回転速度を２００００ｒｐｍとした場合に、ある加工工程においては例えば５０００ｒｐｍで使用し、別の加工工程においては例えば１００００ｒｐｍで使用したりする。

このような使用状態において、転がり軸受の温度は、回転速度を上昇させた直後に上昇し、その後、飽和状態となる挙動を示す。つまり、０ｒｐｍから５０００ｒｐｍに上昇させる際に、転がり軸受の温度は、一時的に上昇した後に、５０００ｒｐｍに応じた温度でほぼ一定となる。続いて、５０００ｒｐｍから１００００ｒｐｍに上昇した場合には、転がり軸受の温度は、一時的に上昇した後に、１００００ｒｐｍに応じた温度でほぼ一定となる。

ところで、上述した特許文献１の温度閾値は、最高回転速度に対する閾値であるため、最高回転速度よりも低い回転速度で使用している場合には、その転がり軸受の温度と閾値との温度差が非常に大きくなる。そのため、低回転速度において転がり軸受に異常が生じると、転がり軸受の温度が温度閾値に到達する前に、転がり軸受が異常発熱して焼付きが発生してしまうおそれがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、より高精度に転がり軸受の異常を検出することができる主軸装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、
ハウジングと、
前記ハウジングに対して転がり軸受によって回転可能に支承された主軸と、
を備えた主軸装置において、
前記転がり軸受の温度、または、前記ハウジングおよび前記主軸のうち前記転がり軸受の温度変化の影響を受ける部位の温度を検出する温度センサと、
前記転がり軸受の予圧過大であることの指標となり、前記主軸の回転速度を変化させるたびにリセットされ、前記主軸の回転速度を変化させた時からの経過時間に伴って小さくなるように変化する第２閾値を記憶する第２閾値記憶部と、
前記温度センサにより検出された前記温度の変化速度が前記第２閾値を超えた場合に前記転がり軸受の異常を検知する異常検知部と、
を備えることである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、
前記温度センサにより検出される前記温度の変化速度に応じて大きくなり、且つ、前記主軸の回転速度を変化させた時からの経過時間に伴って大きくなる温度変換値を算出する温度変換値算出部と、
前記転がり軸受の予圧過大であることの指標となる第３閾値を記憶する第３閾値記憶部と、
をさらに備え、
前記異常検知部は、前記温度変換値が前記第３閾値を超えた場合に前記転がり軸受の異常と判定することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明によれば、転がり軸受の温度そのものではなく、転がり軸受の温度の変化速度、すなわち、転がり軸受の温度の一回時間微分値に基づいて、転がり軸受の異常を検知している。正常時における転がり軸受の温度の変化速度の挙動は、回転速度変更直後に上昇し、その直後に低下してほぼ一定の状態となる。この挙動は、回転速度が異なるとしても同様となる。従って、温度の変化速度を利用することで、確実に転がり軸受の異常を検知することができる。
すなわち、正常の場合には、主軸の回転速度を上昇させると、転がり軸受の温度は、一定時間経過後に飽和してほぼ一定の温度となる。しかし、予圧過大の場合には、主軸の回転速度を上昇させると、転がり軸受の温度は、一定時間経過しても飽和状態とならず一定の温度を超えて行ってしまう。このような場合であっても、転がり軸受の予圧過大による異常を確実に検知できる。
そして、第２閾値は、主軸の回転速度を変化させるたびにリセットされ、主軸の回転速度を変化させた時からの経過時間に伴って小さくなるように変化するので、より早期に予圧過大による転がり軸受の異常を検知できる。

請求項２に係る発明によれば、より早期に且つ確実に予圧過大による転がり軸受の異常を検知できる。

図１は、主軸装置の模式的な構成を示す図である。（第一実施形態） 図２は、転がり軸受への潤滑油過剰供給による異常を説明するための、経過時間に対する転がり軸受３１の温度および温度の変化速度を示すグラフである。図２（ａ）は正常時の状態を示し、図２（ｂ）は異常時の状態を示す。実線は温度を示し、一点鎖線は温度の変化速度を示し、二点鎖線は第１閾値Ｔｈ１を示す。（第一実施形態） 図３は、転がり軸受の予圧過大による異常を説明するための、経過時間に対する転がり軸受３１の温度および温度の変化速度を示すグラフである。図３（ａ）は正常時の状態を示し、図３（ｂ）は異常時の状態を示す。実線は温度を示し、一点鎖線は温度の変化速度を示し、破線は第２閾値Ｔｈ２を示す。（第一実施形態） 図４は、主軸装置の模式的な構成を示す図である。（第二実施形態） 図５は、転がり軸受の予圧過大による異常を説明するための、経過時間に対する転がり軸受３１の温度および温度の変化速度を示すグラフである。図５（ａ）は正常時の状態を示し、図５（ｂ）は異常時の状態を示す。実線は温度を示し、一点鎖線は温度の変化速度を示し、二点鎖線は第３閾値Ｔｈ３を示す。（第二実施形態）

以下、本発明の主軸装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。
＜第一実施形態＞
第一実施形態の主軸装置について、図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態の主軸装置は、工作機械、例えば、マシニングセンタにおける工具を回転可能とする主軸装置に適用した場合について説明する。

図１に示すように、主軸装置は、ハウジング１０と、主軸２０と、複数の転がり軸受３１〜３５と、モータ４０と、温度センサ６０と、制御装置１００とを備える。ハウジング１０は、中心に円形断面の貫通孔を備える円筒状に形成されている。主軸２０は、ほぼ円筒状に形成されており、ハウジング１０の貫通孔に挿通されている。この主軸２０の一方端面には、工具５０が着脱可能に設けられている。

転がり軸受３１〜３４は、単列アンギュラ玉軸受であり、転がり軸受３１、３２は、工具５０が装着される主軸２０の一方端面側に所定距離を隔てて設けられている。これら転がり軸受３１、３２の接触角が同方向となるように、組み付けられている。転がり軸受３３、３４は、転がり軸受３２よりも主軸２０の他方端面側に所定距離を隔てて設けられている。これら転がり軸受３３、３４は、その接触角が転がり軸受３１、３２の接触角と逆方向となるように、組み付けられている。そして、転がり軸受３１〜３４には、予圧がかけられており、転がり軸受３１〜３４による支持剛性を高めるように作用している。また、転がり軸受３５は、円筒ころ軸受であり、転がり軸受３４から所定距離を隔てて設けられている。このように、主軸２０は、ハウジング１０に対して転がり軸受３１〜３５によって回転可能に支承されている。

モータ４０は、転がり軸受３４と転がり軸受３５との軸方向間に設けられている。そして、モータ４０のステータがハウジング１０の内周面に固定され、モータ４０のロータが主軸２０の外周面に固定されている。

温度センサ６０は、転がり軸受３１の外輪の温度、または、ハウジング１０および主軸２０のうち転がり軸受３１の温度変化の影響を受ける部位の温度を検出するセンサである。ここでは、温度センサ６０は、例えば、特開2008-64183号公報などに記載の公知のセンサを用い、転がり軸受３１の外輪の温度を検出するセンサとしている。

制御装置１００は、制御部１０１と、第１閾値記憶部１０２と、第２閾値記憶部１０３と、異常検知部１０４と、異常通報部１０５とから構成される。
制御部１０１は、ＮＣデータの回転速度指令値に基づいて、主軸２０の回転速度（単位時間あたりの回転数を意味する。当該技術分野においては回転数とも称する。）を制御する。具体的には、制御部１０１は、モータ４０の制御をすることにより、主軸２０の回転速度の制御を行う。ここで、マシニングセンタの主軸２０は、ある加工工程においては主軸２０の回転速度を一定として行う。つまり、ＮＣデータの回転速度指令値は、それぞれの加工工程における主軸２０の回転速度の指令値となる。

さらに、制御部１０１は、後述する異常検知部１０４の判定結果に基づいて、主軸２０の回転速度制御を行う。具体的には、制御部１０１は、異常検知部１０４により転がり軸受３１〜３５の異常と判定した場合には、主軸２０の回転速度を低下させる、または、主軸２０の回転を停止する。

第１閾値記憶部１０２は、転がり軸受３１への潤滑油過剰供給量であることの指標となる第１閾値Ｔｈ１を記憶する。つまり、第１閾値Ｔｈ１は、転がり軸受３１への潤滑油過剰供給による転がり軸受３１の異常を検知するための閾値である。この第１閾値Ｔｈ１は、一定値としている。

第２閾値記憶部１０３は、転がり軸受３１の予圧過大であることの指標となる第２閾値Ｔｈ２を記憶する。つまり、第２閾値Ｔｈ２は、転がり軸受３１の予圧過大による転がり軸受３１の異常を検知するための閾値である。この第２閾値Ｔｈ２は、主軸２０の回転速度を変化させた時からの経過時間に伴って小さくなるように変化する閾値としている。

異常検知部１０４は、温度センサ６０により検出された転がり軸受３１の温度を入力する。そして、異常検知部１０４は、転がり軸受３１の温度の変化速度、すなわち、転がり軸受３１の温度の一回時間微分値を算出する。続いて、異常検知部１０４は、算出した温度の変化速度に基づいて、転がり軸受３１の異常、具体的には、転がり軸受３１への潤滑油過剰供給による発熱異常および転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常を検知する。そして、異常検知部１０４は、転がり軸受３１が異常であると判定した場合には、制御部１０１に対して主軸２０の回転速度を低下または主軸２０の回転を停止させる信号を出力する。なお、異常検知の詳細については、後述する。

異常通報部１０５は、異常検知部１０４により転がり軸受３１が異常であると判定された場合に、警報音を鳴らし、且つ、警報ランプを点灯または点滅させることにより、作業者に通報する。

次に、図２を参照して、異常検知部１０４による転がり軸受３１への潤滑油過剰供給による発熱異常について詳細に説明する。図２は、以下のように変化させた場合における、転がり軸受３１の温度の挙動（図中、実線にて示す）および当該温度の変化速度（図中、一点鎖線にて示す）について示している。また、図２において、二点鎖線にて、第１閾値Ｔｈ１を示す。すなわち、主軸２０の回転速度を停止状態から回転速度Ａの状態に変更する。続いて、主軸２０の回転速度がＡの状態を３０分間維持した後に、主軸２０の回転速度をＡよりも大きな回転速度であるＢに変更する。続いて、主軸２０の回転速度がＢの状態を３０分間維持した後に、主軸２０の回転速度をＢよりも大きな回転速度であるＣに変更し、５０分間維持する。

図２（ａ）の実線に示すように、正常時においては、回転速度Ａに変更した直後に、転がり軸受３１の温度は徐々に上昇していき、約２０分経過後に飽和状態となり、約１０℃の一定値となる。このとき、転がり軸受３１の温度の変化速度は、図２（ａ）の一点鎖線にて示すように、回転速度Ａに変更した直後に１．５［℃／min］付近まで急激に大きくなり、さらにその直後から徐々に小さくなっていき、ゼロに近づいていく。

続いて、回転速度をＡからＢに変更すると、転がり軸受３１の温度は、回転速度Ａの状態の飽和温度からさらに上昇し、変更から約２０分後には約２５℃にて安定した状態となる。このとき、転がり軸受３１の温度の変化速度は、回転速度Ｂに変更した直後に１．５［℃／min］付近まで急激に大きくなり、さらにその直後から徐々に小さくなっていき、ゼロに近づいていく。

続いて、回転速度をＢからＣに変更すると、転がり軸受３１の温度は、回転速度Ｂの状態の飽和温度からさらに上昇し、変更から約２０分後には約３８℃にて安定した状態となる。このとき、転がり軸受３１の温度の変化速度は、回転速度Ｃに変更した直後に１．５［℃／min］付近まで急激に大きくなり、さらにその直後から徐々に小さくなっていき、ゼロに近づいていく。

ここで、第１閾値記憶部１０２に記憶されている第１閾値Ｔｈ１は、３．０［℃／min］の一定値としている。そして、異常検知部１０４は、算出した転がり軸受３１の温度の変化速度が第１閾値Ｔｈ１を超えたか否かを判定し、算出値が第１閾値Ｔｈ１を超えた場合に転がり軸受３１への潤滑油過剰供給による発熱異常が発生したと判定する。つまり、図２（ａ）に示すように、正常時には、転がり軸受３１の温度の変化速度は、第１閾値Ｔｈ１を超えることはないため、異常検知部１０４は、転がり軸受３１への潤滑油過剰供給による発熱異常が発生していないと判定する。

異常時について、図２（ｂ）に示す。ここでは、主軸２０の回転速度がＢからＣに変更して、その直後に（図中、時刻７５ｍｉｎ付近にて）、転がり軸受３１への潤滑油過剰供給による発熱異常が発生した場合としている。転がり軸受３１への潤滑油の供給量が過剰となると、潤滑油の攪拌作用により急激に転がり軸受３１の温度が上昇する。

図２（ｂ）に示すように、主軸２０の回転速度がＢからＣに変更した後に、転がり軸受３１の温度は、飽和状態に移行するのに反して、急激に８０℃以上にまで上昇している。このとき、転がり軸受３１の温度の変化速度は、転がり軸受３１の温度が異常発熱し始めた瞬間に、急激に大きくなって、７［℃／min］に達している。

第１閾値Ｔｈ１は、３．０［℃／min］であるため、転がり軸受３１への潤滑油過剰供給による発熱異常が発生すると、転がり軸受３１の温度の変化速度は第１閾値Ｔｈ１を超えることになる。具体的には、図２における時刻７５ｍｉｎ付近にて、当該変化速度が第１閾値Ｔｈ１を超えている。従って、この瞬間に、異常検知部１０４は、転がり軸受３１が潤滑油過剰供給による発熱異常を起こしたと判定する。その後、制御部１０１により主軸２０の回転速度を低下させるか、停止させる処理を行う。同時に、異常警報部１０５にて異常警報を行う。

ここで、転がり軸受３１の温度の変化速度が第１閾値Ｔｈ１である３［℃／min］を超えた時点において、転がり軸受３１の温度は、まだ４０℃程度である。転がり軸受３１の温度における４０℃とは、主軸２０の回転速度がＣの状態の飽和温度３８℃に対して僅かに高い程度である。従って、この時点においては、転がり軸受３１はまだ焼き付きを起こしていない状態となる。このように、転がり軸受３１の温度の変化速度に基づいて判定することで、確実に転がり軸受３１の潤滑油過剰供給による発熱異常を検知することができる。

次に、図３を参照して、異常検知部１０４による転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常について詳細に説明する。図３は、上述した図２と同様に、主軸２０の回転速度を変化させた場合における、転がり軸受３１の温度の挙動（図中、実線にて示す）および当該温度の変化速度（図中、一点鎖線にて示す）について示している。また、図３において、破線にて、第２閾値Ｔｈ２を示す。

まず、第２閾値Ｔｈ２について説明する。第２閾値Ｔｈ２は、上述したように、主軸２０の回転速度を変化させた時からの経過時間に伴って小さくなるように変化する閾値としている。この第２閾値Ｔｈ２は、式１に示すような関係式にて表される。なお、式１において、［温度の変化速度］とは、転がり軸受３１の温度の変化速度である。

つまり、図３に示すように、第２閾値Ｔｈ２は、主軸２０の回転速度を変化させるたびにリセットされ、その後減少していく。

そして、正常時における、転がり軸受３１の温度の変化速度の挙動は上述したとおりである。正常時には、転がり軸受３１の温度の変化速度は、第２閾値Ｔｈ２を超えることはない。従って、異常検知部１０４は、転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常が発生していないと判定する。

異常時には、図３（ｂ）に示すように、主軸２０の回転速度がＢからＣに変更した時点において（図中、時刻６０ｍｉｎ付近にて）、転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常が発生した場合としている。

図３（ｂ）に示すように、主軸２０の回転速度がＢからＣに変更した直後から、正常時に比べて、転がり軸受３１の温度の上昇速度が大きくなり、正常時における飽和状態の温度を超えてさらに上昇している。つまり、転がり軸受３１の温度は、飽和状態となることなく、上昇を続けていく。このとき、転がり軸受３１の温度の変化速度は、主軸２０の回転速度がＢからＣに変更した直後に上昇した後、徐々に低下していくものの、正常時に比べて大きな値を維持している。

このような挙動を示す転がり軸受３１の温度の変化速度は、時刻７５ｍｉｎ付近（図中の矢印にて示す位置）にて、第２閾値Ｔｈ２と交差する。つまり、転がり軸受３１の温度の変化速度が、第２閾値Ｔｈ２を超える。このとき、異常検知部１０４は、転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常であると判定する。このように、上述したように第２閾値Ｔｈ２を設定し、且つ、転がり軸受３１の温度の変化速度に基づいて判定することで、確実に且つ早期に、転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常を検知することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の主軸装置について、図４および図５を参照して説明する。第二実施形態における主軸装置は、第一実施形態の主軸装置に対して、制御装置２００のみ相違する。他の構成は共通するため、詳細な説明を省略する。

図４に示すように、制御装置２００は、制御部１０１と、第１閾値記憶部１０２と、第３閾値記憶部２０１と、温度変換値算出部２０２と、異常検知部２０３と、異常通報部１０５とから構成される。なお、制御部１０１および異常通報部１０５は、実質的に、第一実施形態のものと同一であるため、説明を省略する。
第３閾値記憶部２０１は、転がり軸受３１の予圧過大であることの指標となる第３閾値Ｔｈ３を記憶する。つまり、第３閾値Ｔｈ３は、転がり軸受３１の予圧過大による転がり軸受３１の異常を検知するための閾値である。この第３閾値Ｔｈ３は、一定値としている。

温度変換値算出部２０２は、温度センサ６０により検出された転がり軸受３１の温度を入力する。そして、温度変換値算出部２０２は、式２に示す関係式に基づいて、温度変換値Ｘを算出する。なお、式２において、［温度の変化速度］とは、転がり軸受３１の温度の変化速度である。

つまり、図５に示すように、温度変換値Ｘは、転がり軸受３１の温度の変化速度に応じて大きくなり、且つ、主軸２０の回転速度を変化させた時からの経過時間に伴って大きくなる。この温度変換値Ｘは、主軸２０の回転速度を変化させるたびにリセットされる。

正常時には、図５（ａ）に示すように、温度変換値Ｘ［℃］は、主軸２０の回転速度がＡの間、非常に僅かな傾きにて上昇していく。そして、主軸２０の回転速度がＡからＢに変更された直後、一時的に減少した後に、非常に僅かな傾きにて上昇していく。主軸２０の回転速度がＣに変更された後においても同様の挙動を示す。

正常時においては、転がり軸受３１の温度の変化速度が、主軸２０の回転速度の変更直後が最も大きく、その後ゼロに近づく挙動を示すことから、温度変換値Ｘが上記のような挙動を示すことになる。従って、温度変換値Ｘの最大値は、１０℃程度となる。なお、この最大温度は、定数の設定により自由に変更できる。

異常検知部２０３は、温度変換値算出部２０２により算出された温度変換値Ｘが第３閾値Ｔｈ３を超えたか否かを判定する。そして、異常検知部２０３は、温度変換値Ｘが第３閾値Ｔｈ３を超えたと判定した場合には、転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常が発生したと判定する。そして、異常検知部２０３は、制御部１０１および異常通報部１０５へ異常である信号を出力する。

ここで、図５において、第３閾値Ｔｈ３は１５℃と設定していることから、正常時には温度変換値Ｘが第３閾値Ｔｈ３を超えることはない。従って、異常検知部１０４は、転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常が発生していないと判定する。この場合、制御部１０１は、これまでの制御を継続し、異常通報部１０５は何ら処理されない。

一方、異常時には、図５（ｂ）に示すように、主軸２０の回転速度がＢからＣに変更した時点において（図中、時刻６０ｍｉｎ付近にて）、転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常が発生した場合としている。

図５（ｂ）に示すように、主軸２０の回転速度がＢからＣに変更した直後から、正常時に比べて、転がり軸受３１の温度の上昇速度が大きくなり、正常時における飽和状態の温度を超えてさらに上昇している。つまり、転がり軸受３１の温度は、飽和状態となることなく、上昇を続けていく。このとき、転がり軸受３１の温度の変化速度は、主軸２０の回転速度がＢからＣに変更した直後に上昇した後、徐々に低下していくものの、正常時に比べて大きな値を維持している。

そうすると、温度変換値Ｘは、正常時に比べて、時間経過に伴って非常に大きな値となる。従って、温度変換値Ｘは、第３閾値Ｔｈ３を時刻７５ｍｉｎ付近にて超えることになる。このとき、異常検知部２０３は、転がり軸受３１の予圧過大による異常発熱が発生したと判定する。このように、上述したような転がり軸受３１の温度の変化速度に基づく関数からなる温度変換値Ｘを算出することにより、確実に且つ早期に、転がり軸受３１の予圧過大による発熱異常を検知することができる。

＜その他の実施形態＞
上記実施形態においては、温度センサ６０により転がり軸受３１の温度を検出し、当該温度を用いて転がり軸受３１の異常検知を行った。この他に、他の全ての転がり軸受３２〜３５についても同様の異常検知を行うようにしてもよい。また、複数の転がり軸受３１〜３５のうち、機械構成上、最も異常が発生しやすいものが存在する場合には、当該転がり軸受のみに対して異常検知を行うようにしてもよい。

また、転がり軸受の予圧過大による発熱異常については、第一、第二実施形態の例を示した。これらの何れか一方のみを採用してもよいが、その他に、両者を採用しどちらか一方が異常と検知した場合に、異常と判定するようにしてもよい。

１０：ハウジング、 ２０：主軸、 ３１〜３５：転がり軸受、 ４０：モータ
６０：温度センサ、 １００、２００：制御装置

Claims (2)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに対して転がり軸受によって回転可能に支承された主軸と、
   を備えた主軸装置において、
   前記転がり軸受の温度、または、前記ハウジングおよび前記主軸のうち前記転がり軸受の温度変化の影響を受ける部位の温度を検出する温度センサと、
   前記転がり軸受の予圧過大であることの指標となり、前記主軸の回転速度を変化させるたびにリセットされ、前記主軸の回転速度を変化させた時からの経過時間に伴って小さくなるように変化する第２閾値を記憶する第２閾値記憶部と、
   前記温度センサにより検出された前記温度の変化速度が前記第２閾値を超えた場合に前記転がり軸受の異常を検知する異常検知部と、
   を備えることを特徴とする主軸装置。
2. 請求項１において、
   前記温度センサにより検出される前記温度の変化速度に応じて大きくなり、且つ、前記主軸の回転速度を変化させた時からの経過時間に伴って大きくなる温度変換値を算出する温度変換値算出部と、
   前記転がり軸受の予圧過大であることの指標となる第３閾値を記憶する第３閾値記憶部と、
   をさらに備え、
   前記異常検知部は、前記温度変換値が前記第３閾値を超えた場合に前記転がり軸受の異常と判定することを特徴とする主軸装置。

Images