JPH0463660A - 工作機械の主軸温度制御方法並びに装置 - 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、運転中の工作機械の主軸の発熱を循環する冷
却液によって吸収し、主軸の温度を目標値と一致するよ
うに制御する方法とこれを実現するための装置に関する
。

〔従来の技術〕

一般に、工作機械は主軸の回転速度やワークの切削抵抗
等の加工条件に応じて発熱し、主軸頭とこれを支持して
いる機台部との温度に差を生じる。

これによって工作機械の各部に熱歪みを生じ、加工精度
の低下を招（ので、これを防止するために主軸頭に冷却
液を循環させて発熱を吸収し、主軸温度と機台部の温度
との差を常に一定値に維持するようにフィードバック制
御する冷却システムが設けられている。

従来の主軸温度の制御方式は、例えば特公昭４８３７９
７号公報に開示されているように、主軸の予想最大発熱
量を充分に冷却し得る能力を有する冷却機を具え、主軸
温度と基準温度（大気温度又は機台温度）との差が所定
値を越えて上昇した場合には、冷却機を作動させて冷却
液を冷却し、低温となった冷却液を循環させて主軸温度
を低下させ、これが所定の値にまで低下すると冷却機の
作動を停止するように構成されている。又、この系では
冷却液の温度を上昇させる必要がある場合に具えてヒー
ターも設けられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、この方式においては、大量の冷却液を栄、速に
冷却／加熱する必要があるため、ヒーター並びに冷却機
甚大容量のものとならざるを得ない。

従って、これらのヒーター並びに冷却機がオン・オフ作
動するとかなりのヒートショックが工作機械に加わり、
かえって加工精度に悪影響を及ぼしている。

主軸の発熱量はその回転速度と正の相関を有することは
周知である。例えば、第７図に示すように、主軸を支持
するベアリングの発熱量は、主軸回転速度のほぼ二乗に
比例して増大する。このため、主軸回転速度が高速域か
ら低速域まで広い範囲にわたって変化する加ニブログラ
ムに従って作業が行われる工作機械の場合、前述の系に
おいては、冷却機やヒーターは主軸の最高回転時の発熱
量に対応する非常に大規模なものとなり、オン・オフ時
のヒートショックは益々増大する傾向にある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決し、低速
域から高速域まで広い範囲にわたる主軸回転速度に対応
可能で、しかも機械に与えるヒートショックの少ない主
軸温度制御方法並びにこれを実現するための装置を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的は、工作機械の主軸装置に冷却液を循環させる
循環回路の途中に、比例制御弁を通じて冷媒ガスの流量
を調節することにより前記冷却液の液温を調節可能な液
温調節機を設け、検出された前記主軸の主軸温度に基づ
いて前記比例制御弁の開度を調節するフィードバック制
御１；よ、って、前記主軸温度を目標値に維持するよう
にした工作機械の主軸温度制御方法イあ、て、前記主軸
回転速度とこれに対応する発熱を補償するのに必要な冷
却容量との関係並びに前記比例制御弁の開度と前記液温
調節機の冷却容量との関係を予め記憶しておき、主軸の
回転速度が変化した時点で、新たな回転速度による予想
発生熱量を補償する冷却容量となるように前記記憶に基
づいて前記比例制御弁の基準開度を変更して、前記液温
調節機の基本冷却容量を、変更することを特徴とする工
作機械の主軸温度制御方法によって達成される。

又、この方法を実行するための装置として、工作機械の
主軸装置に冷却液を循環させ、前記主軸装置の主軸温度
を目標値に維持するようにした工作機械の主軸温度制御
装置において、前記冷却液の循環路の途中に設けられた
開度の調節によって冷媒ガスの流量を制御可能な比例制
御弁を具えた液温調節機と、主軸の回転速度とこれに対
応する発熱を補償するのに必要な冷却容量との関係並び
に前記比例制御弁の開度と前記液温調節機の冷却容量と
の関係を予め記憶する記憶手段と、主軸回転速度が変化
した際に、前記記憶手段に記憶されている関係に基づい
て、新たな主軸回転速度に対応する冷却容量が得られる
ように前記液温調節機の比例制御弁の基準開度を調節す
る第１制御手段と、主軸の温度を検出する温度検出手段
と、該温度検出手段によって検出された主軸温度が前記
目標値と一致するように前記液温調節機を作動させる第
２制御手段とを具えたことを特徴とする工作機械の主軸
温度制御装置も提供される。

〔作　用］ 工作機械が一定の主軸回転速度で運転されている間は、
検出手段によって検出された主軸温度に基づいて、これ
が目標値に一致するように液温調節機の比例制御弁の開
度が第２制御手段からの指令によって調節されるフィー
ドバック制御が行われる。加ニブログラムによって主軸
の回転速度が変更されると、このフィードバック制御と
は無関係に、前記記憶手段に記憶されている主軸回転速
度とこれに対応する必要冷却容量との関係並びに比例制
御弁の開度と冷却容量との関係に基づいて、前記第１制
御手段は直ちに比例制御弁に指令を発してその基準開度
を変更し、液温調節機の基本冷却容量を新たな主軸回転
速度による予想発熱量に対応可能な値に修正する。そし
て、再び主軸回転速度が変更されるまで、この基準開度
を中心とする比例制御弁の開度の調節によるフィードバ
ック制御が行われる。

本発明によれば、主軸回転速度の変更に即応して比例制
御弁の基準開度を変更し、液温調節機の基本冷却容量を
新たな主軸回転速度による発熱量に対応するように調整
するので、従来のフィードバック制御のみによる方式に
比して、制御対象である主軸温度のオーバーシュートや
アンダーシュートが少ない、精度のよい制御が可能にな
る。

以下、図面に示す好適実施例に基づいて、本発明を更に
詳細に説明する。

〔実施例〕

第１図は、本発明にかかる工作機械の主軸温度制御の原
理を示す模式図である。

工作機械の主軸装置１には、回転時の発熱を冷却するた
めに、その軸受２の領域に対して循環路３を通じてタン
ク４内の冷却液がポンプ５によって供給されている。

この循環路３の途中には液温調節機Ａが配置されている
。この液温調節機Ａは、冷凍圧縮機９によって冷却され
た冷媒ガスを、冷媒ガス循環路ＩＯを通じて前記熱交換
機８に供給し、ここを通る循環路３内の冷却液を冷却す
る機能を有する。この液温ｍ節機Ａの冷却容量は、冷媒
ガス循環路１０の途中に設けられている比例制御弁１１
の開度を調節することによって変更可能となっている。

これについて、第２図に基づいて更に詳しく説明すると
、この比例制御弁１１は、冷媒ガスの循環路１０にそれ
ぞれ接続された入口１２と出口１３を有するバルブ本体
１４を有する。バルブ本体１４内には入口１２側からハ
ウジング１５が入り込み、該ハウジング１５の側壁を上
下に貫通して流量制御開口１６が設けられている。この
構成によって、循環路１０を流れる冷媒ガスは入口１２
からバルブ本体１４内に導入され、流量制御開口１６を
経て出口１３から排出される。

前記流量制御開口１６には制御ロッド１７が垂直方向に
可動に貫通し、その上下の位置によって流量制御開口１
６を通過する冷媒ガスの流量を制御するように構成され
ている。

この制御ロッド１７の上方のバルブケーシング内には中
心に垂直貫通孔２０を有する電磁石１８が設置され、そ
の貫通孔２０内にはピストンロッド１９が上下動可能に
設置されている。そしてピストンロッド１９の下端は前
記制御ローラド１７の上端に固定されている。制御ロッ
ド１７はスプリング２１によって上方に付勢されており
、電磁石１８による反発力が作用していない場合には最
高位置を占めて、その弁体２２は流量制御開口１６から
遠（離れるので、該制御開口１６は最大の開度となって
いる。

ｔｆａ石１８のコイルにケーブル３５から電力が供給さ
れると反発力が発生し、ピストンロッド１９はスプリン
グ２１の上方付勢力に打ち勝って下降し、これと共に制
御ロッド１７゛も下がって、その弁体２２は制御開口１
６に接近してその開度を小さくする。電磁石１８の反発
力はコイルに印加される電圧の値に応じて変化するので
、印加電圧の制御によって流量制御間ロ１６０開度を比
例的に制御可能である。

循環路１０内を流れる冷媒ガスの流量が減少すれば液温
調節機Ａの冷却容量は減少し、逆に冷媒ガスの流量が増
大すれば冷却容量は増加することは明らかであろう。従
って、印加電圧の制御によって液温調節機の冷却容量を
比例制御可能である。

本発明の主軸温度の制御方式によれば、定常運転時、即
ち一定の主軸回転速度での工作機械の運転時には、タン
ク４に戻る直前の冷却液の温度が、主軸温度の代表値と
して温度検出器２３によって検出され、コンピュータ２
４に内蔵された第２制御手段２５にリアルタイムで人力
される。第２制御手段２５には予め主軸温度の目標値が
記憶されており、検出された主軸温度はこの目標値と比
較され、差がある場合には電磁石１８に印加されている
電圧が調節される。これによって比例制御弁１１の開度
が修正されて液温調節機Ａの冷却容量が微調節されて、
主軸温度が目標値に接近する。

この定常運転時のフィードバック制御に際しては、比例
制御弁１１に対して基準開度を中心に目標温度と検出温
度との差に応じて比例的に開度の調節が行われる。この
基準開度は、定常状態における通常のフィードバック制
御においては、成る程度の時間が経過すれば第３図に示
すような主軸回転速度とこれによる主軸の発熱量を打ち
消すのに必要な冷却容量との関係に応じて、必然的に一
定の値に収斂してくるが、主軸の回転速度がステップ状
に急激に変化するような加ニブログラムの場合には、主
軸回転速度の変更に伴って新たな基準開度が自然に定ま
るまでかなり長い時間がかかり、その間、制御結果にか
なりのオーバーシュートやアンダーシュートが生じる傾
向がある。

本発明においては、こうした主軸回転速度の急激な変更
があった場合には、−旦このフィードバック制御を打切
り、直ちに液温調節機Ａの冷却容量が新たな主軸回転速
度によって発生が予想される熱量を補償するのに必要な
値となるように、前記比例制御弁１１の基準開度を変更
する。この基準開度の調節指令は、コンピュータ２４の
メモリ２６に予め記憶されている第３図に示すような主
軸の回転速度とこれに応じて予測される発生熱量を冷却
するのに必要な冷却容量との関係、並びに第４図に示す
ような比例制御弁の電磁石に印加される電圧とこれによ
る液温調節機Ａの冷却容量との関係により、前記コンピ
ュータ２４に内蔵されている第１制御手段２７から比例
制御弁１１の操作回路２８に対して発せられる。

この新たな基準開度の設定が終了した後、再び主軸温度
の計測とこれに基づく比例制御弁１１の開度の調節によ
る前述のフィードバック制御が復活する。

上述の本発明による制御を第５図に示す流れ図で説明す
ると、符号３０で示すように、ＮＣ装置に内蔵されてい
る加ニブログラムから主軸の回転速度変更指令が発せら
れると、符号３１に示すように新たに設定された主軸回
転速度が第１制御手段２７に入力される。そして第１制
御手段２７はメモリ２６に記憶されている主軸回転速度
と必要冷却容量との関係並びに比例制御弁１１の電磁石
１８に印加される電圧と液温調節機の冷却容量との関係
から、新たな主軸回転速度に対応する冷却容量を得るた
めに比例制御弁の電磁石に印加すべき基準電圧を選定し
、符号３２に示すようにこれを指令信号として比例制御
弁１１の操作回路２８に発する。これによって比例制御
弁１１の基準開度が新たに設定され、液温調節機Ａの冷
却容量が主軸回転速度の変更に即応して調整される。

系全体が安定するまでの符号３３で示す僅かな時間経過
の後、符号３４で示すフィードバック制御が復活し、検
出された主軸温度と目標温度との差に基づいて前記基準
電圧を加減して比例制御弁１１の開度を調節する比例制
御が続行される。

第６図（ａ）は、本発明の制御システムによる主軸回転
速度の変更時における主軸温度の制御結果を示す。これ
を第６図（ｂ）に示すフィードバックのみによる制御結
果と比べれば、本発明の効果は更に明瞭になるであろう
。

〔発明の効果〕 以上、詳述したように、本発明によれば、液温調節機の
比例制御弁の開度の調節による主軸温度のフィードバッ
ク制御に際し、主軸回転速度が変更された場合には一旦
フイードバック制御を中断して、直ちに比例制御弁の基
準開度を新たな主軸回転速度に対応して変更し、以て予
測される主軸の発熱を補償するのに必要な冷却容量を出
力できるように液温調節機の設定を変更し、その後、新
たな基準開度を中心として再び前記フィードバック制御
を続行するようにしたので、従来のオン・オフ式のフィ
ードバック制御において生じやすかった、主軸回転速度
変更時の制御のオーバーシュートやアンダーシュートが
減少し、きめの細かい主軸温度の制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による工作機械の主軸温度制御システム
の構成を示す冷却液循環路の模式図、第２図は本発明に
利用される比例制御弁の構成を示す側断面図、 第３図は主軸の回転速度とこれによる発熱を補償するの
に要する冷却容量との関係図、第４図は比例制御弁の電
磁石に印加される電圧とこれによる液温調節機Ａの冷却
容量との関係図、第５図は本発明の制御手順を示す流れ
図、第６図（ａ）、（ｂ）は本発明による主軸温度の制
御結果と従来の方式による制御結果とを示す実験データ
のグラフ図、 第７図は主軸の回転速度とこれによる主軸軸受の発熱量
との関係図である。 Ａ・・−液温調節機 ｌ・・−主軸装置 ３−冷却液循環路 １〇−冷媒ガス循環路 比例制御弁 流量制御開口 電磁石 一温度検出器 コンピュータ 第２制御手段 メモリ ・−第１制御手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、工作機械の主軸装置に冷却液を循環させる循環回路
   の途中に、比例制御弁を通じて冷媒ガスの流量を調節す
   ることにより前記冷却液の液温を調節可能な液温調節機
   を設け、検出された前記主軸の主軸温度に基づいて前記
   比例制御弁の開度を調節するフィードバック制御によっ
   て、前記主軸温度を目標値に維持するようにした工作機
   械の主軸温度制御方法であって、前記主軸回転速度とこ
   れに対応する発熱を補償するのに必要な冷却容量との関
   係並びに前記比例制御弁の開度と前記液温調節機の冷却
   容量との関係を予め記憶しておき、主軸の回転速度が変
   化した時点で、新たな回転速度による予想発生熱量を補
   償する冷却容量となるように前記記憶に基づいて前記比
   例制御弁の基準開度を変更して、前記液温調節機の基本
   冷却容量を変更することを特徴とする工作機械の主軸温
   度制御方法。 ２、工作機械の主軸装置に冷却液を循環させ、前記主軸
   装置の主軸温度を目標値に維持するようにした工作機械
   の主軸温度制御装置において、前記冷却液の循環路の途
   中に設けられた開度の調節によって冷媒ガスの流量を制
   御可能な比例制御弁を具えた液温調節機と、主軸の回転
   速度とこれに対応する発熱を補償するのに必要な冷却容
   量との関係並びに前記比例制御弁の開度と前記液温調節
   機の冷却容量との関係を予め記憶する記憶手段と、主軸
   回転速度が変化した際に、前記記憶手段に記憶されてい
   る関係に基づいて、新たな主軸回転速度に対応する冷却
   容量が得られるように前記液温調節機の比例制御弁の基
   準開度を調節する第１制御手段と、主軸の温度を検出す
   る温度検出手段と、該温度検出手段によって検出された
   主軸温度が前記目標値と一致するように前記液温調節機
   を作動させる第２制御手段とを具えたことを特徴とする
   工作機械の主軸温度制御装置。