JPH02109656A - 主軸装置の温度制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は工作機械の主軸装置の温度制御方法とその装置
とに関し、特に主軸装置に供給する冷却液の流量を調節
することにより主軸装置の温度が所定値を保持するよう
に制御する方法と装置とに関する。

〔従来の技術〕

工作機械の主軸装置は、その主軸を回転駆動させるモー
タの発熱や該主軸を軸承する前後のヘアリング・の発熱
等のため、温度上昇が激しい。そして主軸の回転数や加
工負荷の変動によって、その温度上昇の度合いが変化す
る。従ってこの温度変化に基づく主軸装置の変形が生じ
、延いては加工精度に大きく影響する。そこで従来から
、主軸装置の内外周に冷却液の流路を設け、冷却液を循
環させ主軸装置の液体による冷却が行われている。

従来の主軸装置の温度制御方法を第２図に示す。

貯蔵タンク３４に貯蔵された冷却液をポンプ４０で吸い
上げ、冷凍機３２で冷却後主軸装置各部へ供給する。こ
のときの流量は一定である。各部を冷却した液体は吸引
されて回収ライン５０を経て貯蔵タンクに回収される。

なお主軸装置内の構造については後述する。例えば主軸
装置の代表温度として回収ライン５０を通過する液体の
温度を液温センサ３６で測定し、室温または発熱体から
離れた工作機械本体（例えばベツド、コラムなど）の温
度壱基準温度センサ３８で測定し、その値を基準温度と
する。そして主軸装置の代表温度と基準温度との差が所
定値になると冷凍機３２を運転し、別の所定値になると
停止命令を発する制御器３９が設けられている。結局、
冷却液の供給流量は一定にしておき、冷凍機のオン・オ
フによって冷却液の温度を変え、主軸装置の温度を所定
値に保持する温度制御を行っていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

然しなから、冷凍機のオン・オフによって発生させられ
る冷却液の温度差は、主軸装置の温度制御を安定して行
うためには小さく設定することはできず、ある程度の大
きさに設定せざるを得なかった。従って冷却液の温度差
に起因する主軸装置の熱変位量の変動がどうしても発生
した。また−般に、主軸装置の構造は非対称であると共
に、場所によって発熱の度合いが異なる。上述した冷却
液による温度制御方法では、高温部は冷やし足りず低温
部は必要以上に温度が下げられ、主軸頭の姿勢が大きく
変化させられる。このことは延いては工作機械の加工精
度を悪化させることとなり、特に近年の様に高速、高精
度の加工を要求される時代にあっては致命的な課題とな
る。

依って本発明は斯かる課題の解決を図るべく、主軸装置
の温度制御に使用される冷却液の温度変動を可及的に低
減せしめ、冷却液の温度変動に起因する主軸装置の熱変
位量の時間的変動を低減させることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的に迄みて本発明は、冷却液の温度を一定に保持
したままその流量を調節することにより主軸装置の温度
制御を行う方法と装置とを提供する。まず第１に、工作
機械の主軸装置各部の温度を一定に制御する主軸装置の
温度制御方法において、前記主軸装置各部に？８環供給
する冷却液を冷却液貯蔵タンクに貯蔵し、該貯蔵タンク
内の冷却液の温度と基準温度との差が予め定めた第１の
値を保持するように前記貯蔵タンク内の冷却液の液温を
調節し、前記主軸装置の温度と前記基準温度との差が予
め定めた第２の値になる様に前記主軸装置に供給する冷
却液の流量調節を行うことを特徴とする主軸装置の温度
制御方法を提供する。

第２に、工作機械の主軸装置各部の温度を均一かつ一定
に制御する主軸装置の温度制御装置において、前記主軸
装置各部に循環供給する冷却液を貯蔵する冷却液貯蔵タ
ンクと、該貯蔵タンク内の冷却液の温度を予め定められ
た第１の値に保持する液温コントローラと、前記冷却液
貯蔵タンクから冷却液を前記主軸装置の冷却液流路へ供
給する冷却液供給手段と、前記主軸装置の温度を検出す
る温度センサと、該温度センサにより検出された前記主
軸装置の温度と基準温度との差が第２の値になる様に前
記冷却液供給手段の吐出流量を制御する流量コントロー
ラとを具備したことを特徴とする主軸装置の温度制御装
置を提供する。

〔作　用〕

上記方法は１記装置によって達成されるものであり、貯
蔵タンク内に所定温度に保持された冷却液を貯蔵してお
き、温度センサにより主軸装置の温度を検出し、該検出
温度が基準温度に対して所定の温度となる様に流量コン
トローラによって主軸装置の冷却液流路へ供給する冷却
液の量を調節する。主軸装置を冷却して貯蔵タンクに回
収された冷却液は、液温コントローラによって所定温度
に冷却される。この温度制御方法並びに装置では、冷却
液の温度を変化させないため、主軸装置各部のうち発熱
の少ない、即ち温度上昇の小さな部分を必要以上に冷却
することが無く、発熱の多い部分のみを十分に冷却する
ことができるシ従って主軸装置の熱変位量の変動が少な
くてすむ。

〔実施例〕

以下本発明を添付図面に示す実施例に基づいて更に詳細
に説明する。第１図を参照すると、工具主軸１０は工具
ホルダ１５を保持して、前側ベアリング２４と後側ヘア
リング２６により主軸頭ハウジング１２に対して回転可
能に軸承されている。

本実施例では工具主軸の回転駆動用モータはビルトイン
タイブのモータを採用しており、工具主軸１０の中央位
置にロータ１６を固定し、該ロータ１６と対応した主軸
頭ハウジング１２の内側にはステータ１４を固定してい
る。

工具ホルダ１５にはワーク加工用の工具を取り付け、ビ
ルトインモータの駆動力により主軸１゜と共に回転させ
られてワークの機械的加工を行う。

この加工に際し、工具に発生した加工の負荷は工具ホル
ダ１５を介して主軸ＩＯに伝達され、モータの負荷にな
ると共に、前後のベアリング２４　、２６の負荷を増大
させることにもなる。然しなから、ヘアリングへの負荷
は工具に近い前側ベアリンク２４の負荷増大が大部分で
あり、後側へアリング２６においてはあまり負荷の増大
は生じない。更には工具主軸ｌＯを主軸頭ハウジング１
２の中へ組み込む都合上、前側ベアリング２４の外径寸
法は後側へアリング２６のそれよりも大きく、従って周
速も前側ヘアリング２４の方が大きい。従ってワークの
加工中においては、前側ヘアリング２４の温度上昇は後
側へアリング２６のそれよりも相当大きなものとなる。

また負荷を受けながら回転駆動力を発生させるモータは
、その通電電流のため大きな発熱を伴う。

従って、工具主軸１０並びに主軸頭ハウジング１２は上
記の各発生熱の影響により熱変形を生じ、またモータや
ベアリングの性能を十分に発揮させるには、十分な冷却
を効率良く行う必要がある。

そこで、前側ベアリング２４はその外周に環状の冷却液
流路２８を設け、後側ベアリング２６にも同様な環状の
冷却液流路２８を設けている。また、ステータ１４の外
周にも螺旋状の冷却液流路１８を設け、更に、モータの
前側と後側に直接冷却液を流すことによりステータ１４
並びにロータ１６を冷却すべく、主軸頭ハウジング１２
の上側に径方向孔２０と２２を設け、下側のドレイン孔
２０′と２２′から冷却済の液体を回収する構成として
いる。この場合、ロータ１６及びステータ１４に防液対
策を施していることは言うまでもない。

以−りに述べた各冷却液流路を流れて、各部を冷却し終
えた液体は吸引ポンプ（図示せず）多量の冷却液の貯溜
可能な冷却液貯蔵タンク３４に回収される。該冷却液貯
蔵タンク３４内の冷却液は温度センサ３３の出力と基準
温度センサ３８の出力を受けて両者の差が予め決められ
た値になる様制御器３５によって冷凍機３２が作動され
、常に所定温度に保持されている。本実施例ではこの所
定温度は室温−２°Ｃに設定している。工作機械はその
始動前においては室温になっており、加工作業中は発熱
のため室温よりも高い温度となる。従って冷却液を室温
よりも幾分（２°Ｃ）低（維持しておけば、冷却すべき
主軸装置内の冷却液流路に給送する流量を調節すること
により、主軸装置内の発熱を奪い、所定の温度に制御す
ることができる。

さて、室温よりも２“Ｃ低く維持された冷却液をポンプ
４０によって主軸頭ハウジング１２を含む主軸装置内へ
供給するが、主軸装置の温度、即ら、主軸装置内の発熱
量に応じてその供給量を調節し、これにより主軸装置の
温度（正確には温度分布）を所定値に維持する。このた
め、主軸装置を冷却し終えた回収ライン５０内の冷却液
の温度が基準温度（本実施例では室温）よりも所定温度
（本実施例では０．５°Ｃ）だけ低くなる様にポンプ４
０の回転数を制御する。これは、温度センサ３６により
回収ライン５０を帰還している冷却液の温度、即ち、現
時点での主軸装置の代表温度を測定し、他の温度センサ
３８により基準温度としての室温を測定し、制御器３７
が両者の温度差に応じてインバータ制御によってモータ
４２の回転数を略連続的に変化させる。この回転をポン
プ４０に伝達して流量制御を行うことができる。上述し
た温度センサ３８は、工作機械の使用環境が恒温槽的に
温度制御された特殊室内であれば不要であり、この場合
の基準温度はその室の設定温度である。また基準温度と
して発熱源から離れた工作機械本体例えばヘッド、コラ
ムなど）の温度を用いても良い。

次に本発明に係る主軸装置の温度制御を従来の温度制御
と比較することにより、本発明の温度制御の特徴を説明
する。例えば高負荷状態において主軸装置を作動させた
場合、前述の如く前側ベアリング２４は発熱量が多く高
温になるが、後側ベアリング２６は大きな温度変化はな
いと考えられる。この場合、従来の様に流量は常に一定
であるが、室温よりも相当に低い温度の冷却液を主軸装
置内に流した場合、前側ヘアリング２４はその発生熱が
十分に奪われて効率的な冷却が可能となるが、元々大き
な温度変化を生じていない後側ベアリング２６は相当低
温である冷却液の作用により必要以上に冷却されること
となる。従って主軸装置全体としては均一な温度分布と
ならず、主軸頭ハウジング１２並びに工具主軸１０が変
形することとなり、加工精度に悪影響をもたらす。これ
に反して、本発明に係る流量調節による主軸装置の温度
制御においては、その冷却液は室温に対して僅か（２°
Ｃ）に低い温度に設定しであるが、流星を多くすること
によって主軸装置内の多量の発熱にも対応した冷却が行
える。即ち、発熱の多い前側ベアリング２４に対しては
多量の冷却液によって効率的な冷却が可能となり、一方
、温度変化の小さな後側ベアリング２６に対しては室温
と大差のない冷却液故に、多量に流れても該後側ベアリ
ング２６の冷却後の温度は室温程度にまで低下するだけ
である。このことは主軸装置全体として比較的゛均一な
温度分布が得られることを意味し、主軸頭ハウジング１
２並びに工具主軸１０の変形が小さく、延いては加工精
度の低下が防止可能となる。また、低負荷状態において
主軸装置を作動させた場合、従来においては必ずしも冷
凍機は作動せず、従って主軸装置から発熱を奪うことが
できなかったが、本発明によれば、インバータ制御によ
って略連続的に冷却液流量を調節することが可能である
ため、主軸装置の発熱に応じた冷却が行える。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな様に本発明によれば、室温に対
する温度差の小さな冷却液によって主軸装置を冷却する
ため、発熱の小さな所であっても必要以上に冷却するこ
とがなく、また発熱の大きな所は冷却液の流量調節によ
って効率的な冷却が可能となる。従って加工負荷の大小
に拘わらず、また時間に依存することもなく、主軸装置
の姿勢変化を低減することができ、延いては加工精度が
向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る主軸装置の温度制御装置の黙示図
、第２図は従来の温度制御装置の黙示図。 １０・・・工具主軸、　　　１２・・・主軸頭ハウジン
グ、１４・・・ステータ、　　　１６・・・ロータ、１
Ｂ　、　２０　、２２　、２８　、３０・・・冷却液流
路、２４・・・前側ベアリング、 ２６・・・後側ベアリング、 ３２・・・冷凍機、　　　　３４・・・冷却液貯蔵タン
ク、３６・・・回収冷却液の液温センサ、 ３８・・・基準温度センサ、 ４０・・・ポンプ、 ４２・・・インバータ制御モータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、工作機械の主軸装置各部の温度を一定に制御する主
   軸装置の温度制御方法において、前記主軸装置各部に循
   環供給する冷却液を冷却液貯蔵タンクに貯蔵し、該貯蔵
   タンク内の冷却液の温度と基準温度との差が予め定めた
   第１の値を保持するように前記貯蔵タンク内の冷却液の
   液温を調節し、前記主軸装置の温度と前記基準温度との
   差が予め定めた第２の値になる様に前記主軸装置に供給
   する冷却液の流量調節を行うことを特徴とする主軸装置
   の温度制御方法。 ２、工作機械の主軸装置各部の温度を均一かつ一定に制
   御する主軸装置の温度制御装置において、前記主軸装置
   各部に循環供給する冷却液を貯蔵する冷却液貯蔵タンク
   と、該貯蔵タンク内の冷却液の温度を予め定められた第
   １の値に保持する液温コントローラと、前記冷却液貯蔵
   タンクから冷却液を前記主軸装置の冷却液流路へ供給す
   る冷却液供給手段と、前記主軸装置の温度を検出する温
   度センサと、該温度センサにより検出された前記主軸装
   置の温度と基準温度との差が第２の値になる様に前記冷
   却液供給手段の吐出流量を制御する流量コントローラと
   を具備したことを特徴とする主軸装置の温度制御装置。