JPH09253975A - ねじ軸の熱変形低減装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ねじ軸とこれに螺合するナット部材との間の
摩擦により生ずる発熱を圧縮冷却空気の供給量とタイミ
ングのコントロールにより所定値に抑え、ねじ軸の熱変
位を低減し、位置決め精度の向上を図る簡便構造のねじ
軸の熱変形低減装置及び方法を提供する。 【解決手段】 ボールねじ９に螺合するボールナット７
を内部に空気流入路を形成したナットカバー部材１４で
囲み、コンプレッサ２１からの圧縮冷却空気をナットカ
バー部材１４の空気流入路に供給し、ボールナット７お
よびそれに接触するボールねじ９の接触部位を冷却す
る。一方、ナットカバー部材１４とテーブル６等との温
度差を熱電対２６等により検出し、その差が基準値を越
えたか否かにより圧縮冷却空気のオンオフ制御を行な
う。以上によりボールナット７およびボールねじ９の発
熱を低減し位置決め精度の向上を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種工作機械等に
使用され、機械の移動部の移動位置決めを行なう送りね
じ軸の熱膨脹による変形を低減させる簡便なねじ軸の熱
変形低減装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械のように、移動体を所定位置に
高精度に移動位置決めする必要のある部位にはボールね
じのような送りねじ軸が使用されている。この送りねじ
軸による位置決め精度を向上させるにはこの熱変形を防
止することが必要である。この手段としては従来より各
種の熱変形低減手段が採用されている。例えば、過大な
予圧を避けるもの、リードの大きなボールねじを選定し
回転数を下げるもの、温度上昇による熱膨脹量を予め見
込み、その分だけ累積基準リード誤差を所定量だけマイ
ナスさせて製作するもの、予め若干短く作ったねじ軸に
熱応力より大きな内部応力を生じるように予張力を加え
るもの、適切な潤滑剤を選定使用するもの、ウォーミン
グアップを行ない温度が安定してから使用するもの、ね
じ軸を中空にしその中に冷却媒体を流通させるもの、ね
じ軸の外周面に空気や潤滑油を流してねじ軸を冷却する
もの、ダブルナット予圧ボールねじの間座に設けた穴か
ら空気やオイルミストを流して冷却するもの、クローズ
トループ制御方式による熱膨脹量補完制御を行なうもの
等各種手段が工夫され、具体的に適用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来のねじ軸
の発熱低減手段は夫々効果を有するものであるが、特殊
形状のねじ軸が必要であったり、その制御手段について
も複雑であり、コストアップによる問題点がある。ま
た、安直に、且つ安価に適用しにくい問題点を有してい
る。一方、ねじ軸の熱変形の原因となる主なる熱源は、
ボールねじにおけるナット状部材とねじ軸およびその間
のボールとの間の駆動時における摩擦熱によるものが殆
どであり、この部分の熱を強制的に、且つ安直な手段で
低減させることができればねじ軸の熱変形が大幅に低減
されることができる。工場ではコンプレッサは常設され
るものであり、その圧縮空気を所定温度に冷却させる冷
却器も一般に常設される場合が多い。なお、ボルテック
スチューブ等を用いる場合には特設が必要である。そこ
でこの圧縮冷却空気を用いてねじ軸に接しているナット
状部材を直接冷却することにより前記問題点が解決され
ることが予備実験の段階で明らかになった。即ち、互い
に係合する部材間ではヒートシンクすることにより低温
側に多くの熱が流れる。従って、ナット状部材を冷却す
るとナット状部材がねじ軸よりも低温になり、ナット状
部材側に熱が流れる。ナット状部材に伝導された熱は外
部に放散される。以上により、ナット状部材の温度コン
トロールを行なうことにより、それに螺合しているねじ
軸側への熱の伝導が少なくなりその温度コントロールが
行なわれることが解った。

【０００４】ねじ軸とこれに螺合するナット状部材との
接触部位に生ずる発熱量Ｑは一般に次の式により求めら
れる。 Ｑ∝ｎ・Ｔ・・・（１） ここで、ｎはねじ軸の回転数であり、Ｔは螺合部位に負
荷されるトルク値である。また、この場合におけるねじ
軸の温度上昇Δθは次の式により求められる。 Δθ＝Ｑ／β［１−ｅｘｐ（１−ｔ・β／ＣＭ）］・・・（２） ここで、βは放熱量，ＣＭは熱容量，ｔは経過時間であ
る。ここで経過時間ｔを大きくするとΔθ＝Ｑ／βとな
り飽和する。一方、ねじ軸の長さをＬとし、熱膨脹率を
αとするとねじ軸の熱膨脹量ΔＬは次の式のようにな
る。 ΔＬ＝α・Δθ・Ｌ・・・（３） 図７は前記の（１）乃至（３）式を基にした時間ｔとね
じ軸の伸びとの関係を示すもので、曲線Ａにより従来の
ねじ軸の変化が示されている。

【０００５】以上のことから発熱量Ｑを強制的に低減
し、ＱからＱｊ分の熱を除去しＱ′＝Ｑ−ＱｊとしΔＬ
＝α・Ｑ′／β・ＬとすることによりΔＬの値を大幅に
小さくすることができる。

【０００６】本発明は、以上の事情に鑑みて創案された
ものであり、ナット状部材にコンプレッサおよび冷却器
による常設の圧縮冷却空気を供給し、ナット状部材を強
制的に冷却し、その温度を所定の基準値内に保持するよ
うに圧縮冷却空気の供給のオンオフ制御をする簡便な手
段および方法によりねじ軸の熱変形を大幅に低減するよ
うにしたねじ軸の熱変形低減装置及び方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するために、機械の移動側に保持されるナット状部
材と前記機械の不動側に保持され前記ナット状部材に螺
合して回転駆動されるねじ軸との駆動時における発熱を
低減させるための熱変形低減装置であって、コンプレッ
サおよび冷却器からの圧縮冷却空気を前記ナット状部材
の外面に均一に接触係合させて該ナット状部材を冷却す
るナット状部材冷却手段と、前記ナット状部材側と前記
機械側との温度差を検出すると共に該検出値に基づき前
記ナット状部材冷却手段の圧縮冷却空気の供給をオンオ
フ制御する制御部とを設けてなるねじ軸の熱変形低減装
置を構成するものである。更に具体的に、前記ナット状
部材冷却手段が、前記ナット状部材の外周を被包するナ
ットカバー部材と、該ナットカバー部材と前記ナット部
材との接触部位に形成され該ナット状部材の外周に沿っ
て均一に形成される空気流入路と、該空気流入路に圧縮
冷却空気を出入させるコンプレッサおよび冷却器とから
なり、前記制御部が、前記空気流入路と前記コンプレッ
サとの間に介設される制御弁と、前記ナット状部材及び
／又は前記ナットカバー部材の温度とこれ等が連結され
る機械側との温度との差を基にして前記制御弁のオンオ
フ制御を行なうコントロール部とからなるねじ軸の熱変
形低減装置を特徴とするものである。また、機械の移動
側に保持されるナット状部材と前記機械の不動側に保持
され前記ナット状部材に螺合して回転駆動されるねじ軸
の駆動時における発熱を低減させるための熱変形低減方
法であって、前記ねじ軸とナット状部材の係合部位とこ
れ等が保持される機械側との温度差を検出し、該検出値
を基にして前記係合部位に供給される圧縮冷却空気をオ
ンオフ制御し、前記温度差を基準値以内に保持するねじ
軸の熱変形低減方法を特徴とするものである。

【０００８】ナット状部材に係合するナット状部材冷却
手段によりナット状部材の外周に均一に圧縮冷却空気を
供給し、ナット状部材を均一に冷却する。機械の駆動時
に、ナット状部材の温度を計測し、その温度が所定の基
準値に保持されるように圧縮冷却空気の供給をオンオフ
制御する。以上により、極めて簡便な手段と方法により
ナット状部材およびそれに螺合するねじ軸の螺合部まわ
りに発生する発熱を低減させることが確実にできる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るねじ軸の熱変
形低減装置及び方法の実施の形態を図面を参照して詳述
する。まず、図１により本発明の熱変形低減装置の実施
の形態の構成を説明する。熱変形低減装置１は、大別し
てナット状部材冷却手段２と、圧縮冷却空気供給部３
と、圧縮冷却空気の供給量を制御する制御部４等からな
る。

【００１０】まず、熱変形低減装置１が適用される機械
の送り機構部５を図１により説明する。図略の加工物等
を搭載するテーブル６には図２に示すようにボールナッ
ト７が固定される。一方、機械の不動側の支持台８，８
間にはボールねじ９の両端が枢支され、ボールねじ９の
一端側にはサーボモータ１０が連結される。サーボモー
タ１０はサーボアンプ１１を介してＮＣ装置１２に連結
する。ＮＣ装置１２はサーボモータ１０の回転数を制御
する。以上の構造により、サーボモータ１０を回転する
ことによりボールねじ９が回転し、これに螺合するボー
ルナット７およびテーブル６がボールねじ９の軸線に沿
って移動される。なお、テーブル６の移動位置決めはＮ
Ｃ装置１２によるサーボモータ１０の回転数制御により
行なわれる。以上の構造により、前記したようにボール
ねじ９が熱変形するとサーボモータ１０の回転数が同一
であってもボールナット７およびテーブル６の移動長さ
が変化し、正しい位置への位置決めが出来ない問題点が
生ずる。

【００１１】次に、ナット状部材冷却手段２の一例を説
明する。図２に示すように、本例における前記ナット状
部材の一例であるボールナット７はフランジ部７ａと軸
部７ｂからなり、その内周側にはねじ軸の一例であるボ
ールねじ９に螺合する内ねじが形成されると共に軸部７
ｂの外周には円周方向に等分割された長溝１３が軸線方
向に沿って複数本凹設される。一方、ナットカバー部材
１４はボールナット７の主に軸部７ｂを被包する筒体で
あり、フランジ部１４ａと軸部７ｂに嵌まり込む筒状体
１４ｂとからなり、カバー１５を付設する。

【００１２】図３および図４はボールナット７にナット
カバー部材１４を嵌め込んだ状態を示す。ナットカバー
部材１４はそのフランジ部１４ａがボールナット７のフ
ランジ部７ａに当接するまでボールナット７に嵌め込ま
れ、その筒状体１４ｂはボールナット７の軸部７ｂを被
包する。なお、図２に示すようにＯリング１６，１７が
ボールナット７側に嵌め込まれ、ボールナット７とナッ
トカバー部材１４との両端側のシールを行なう。また、
カバー１５をナットカバー部材１４側に固定することに
よりボールナット７の長溝１３の両端はシールされる。

【００１３】図３乃至図５に示すように、ナットカバー
部材１４のフランジ部１４ａと軸部筒状体１４ｂの一端
側には内部に連通する空気入口部１８と空気出口部１９
が設けられている。ボールナット７にナットカバー部材
１４を嵌め込むことにより長溝１３とその両端側と空気
入口部１８および空気出口部１９とを連通させる空気流
入路２０が形成される。以上の構造により、空気入口部
１８に空気を導入すると図５に示すように空気は矢印方
向に進み、長溝１３を通り、空気出口部１９から排出さ
れる。

【００１４】次に、圧縮冷却空気供給部３を説明する。
図１に示すように圧縮冷却空気供給部３はコンプレッサ
２１と、その圧縮空気を所望の温度に冷却する冷却器２
２と、コンプレッサ２１および冷却器２２からの冷却空
気をナットカバー部材１４の空気入口部１８に導入する
ための導入通路２３と、導入通路２３内に介設される制
御弁の一例である電磁弁２４等とからなる。なお、コン
プレッサ２１，冷却器２２および電磁弁２４はＮＣ装置
１２側に連結されコントロールされる。

【００１５】制御部４は本例では温度測定・冷却空気制
御用コンピュータ２５と、温度検出器の一例である熱電
対２６等とからなり、ＮＣ装置１２と連結される。な
お、レーザ測長器２７や伸び測定用コンピュータ２８が
付設され、伸び測定用コンピュータ２８は温度測定・冷
却空気制御用コンピュータ２５側と連結される。また、
熱電対２６は本例ではナットカバー部材１４，空気入口
部１８，テーブル６およびボールねじ９を支持する支持
台８に連結され、それ等の部位における温度検出を行な
う。この検出値は温度測定・冷却空気制御用コンピュー
タ２５に入力される。一方、レーザ測長器２７はナット
カバー部材１４に係合し、ナットカバー部材１４の位置
測定を行なうものであり、その測定値は伸び測定用コン
ピュータ２８に入力される。なお、実際時においてはレ
ーザ測長器２７は不要であり、温度測定・冷却空気制御
用コンピュータは小さなＩＣデバイスに変更可能であ
る。

【００１６】次に、本発明の熱変形低減装置１の作用を
説明する。サーボモータ１０を駆動し、ボールねじ９を
回転し、ボールナット７がボールねじ９に沿って移動す
るとボールねじ９とボールナット７との間に摩擦力が生
じ、その接触部位が発熱する。その発熱によりボールナ
ット７の温度が上昇する。熱電対２６はボールナット７
の温度上昇の度合をナットカバー部材１４を介して検出
すると共に熱電対２６はテーブル６等の温度変化の比較
的低い部分の温度測定を行なう。一方、ボールナット７
まわりの温度上昇によるナットカバー部材１４等の位置
ずれ量はレーザ測長器２７により測定され、伸び測定用
コンピュータ２８に入力される。一方、コンプレッサ２
１からの圧縮空気は冷却器２２を介しナットカバー部材
１４の空気入口部１８に送られ、その空気流入路２０に
導入される。この圧縮冷却空気はボールナット７の軸部
７ｂの外周に均一に形成された長溝１３内を流れ、その
流通中にボールナット７とボールねじ９との接触部位に
発生した熱量を吸収する。なお、長溝１３は軸部７ｂの
円周に等分割に形成されているため、ボールナット７お
よびボールねじ９は均一に冷却される。ボールナット７
とボールねじ９の摩擦熱を吸収した圧縮冷却空気は空気
出口部１９からコンプレッサ２１側に戻入され再循環さ
れる。コンプレッサ２１からの圧縮冷却空気の供給量を
コントロールすると共に、その供給時間やタイミングを
コントロールすることによりナットカバー部材１４の温
度を所望の温度にコントロールすることができる。この
ためにボールねじに伝導される熱量が大巾に低減されて
ボールねじの熱変形が最小に抑えられる。また、コント
ロール後における位置ずれ量の変化はレーザ測長器２７
により測定される。

【００１７】次に、本発明の熱変形低減装置１における
ボールねじ９等の熱変形低減方法の一例を図６乃至図８
により説明する。図６は縦軸にボールねじ９の伸び［μ
ｍ］をとり、横軸に経過時間［ｍｉｎ］をとり、ボール
ねじ９の駆動を１時間行ない、その後３０分駆動停止を
行なう動作パターンを繰返し行なった場合の伸び時間線
図を示す。図において曲線Ｃは、圧縮冷却空気をボール
ねじ９側に供給しなかった場合を示し、Ｄ曲線は、圧縮
冷却空気を本発明の熱変形低減方法に基づきコントロー
ルして供給した場合を示し、Ｅ曲線は、制御なしで常時
圧縮冷却空気を供給した場合を夫々示す。線図で明らか
なように、本発明の熱変形低減方法によれば、伸びを極
めて小さい範囲に抑え込むことが可能になる。

【００１８】図８は本発明の熱変形低減方法の具体例を
示すフローチャートである。まず、機械起動を行なう
（ステップ１００）。機械駆動に伴ってコンプレッサ２
１がＯＮされ、電磁弁２４が開いて圧縮冷却空気が供給
される。即ち、空気ＯＮ（ステップ１０１）が行なわれ
る。次に、機械が停止しない場合（ｎｏの場合）はステ
ップ１０３に進み、機械の温度（例えば、テーブル６の
温度）とボールねじ９との温度（具体的にはナットカバ
ー部材１４の温度）が比較される。一方、機械が停止し
ている場合（ｙｅｓの場合）はコンプレッサ２１の作動
を停止し、電磁弁２４が閉じて空気ＯＦＦとなる（ステ
ップ１０４）。次に、機械側とボールねじ９側との温度
比較がなされその温度差が求められ、その温度差が基準
値以内か否かが判断される（ステップ１０５）。基準値
以内の場合（ｙｅｓの場合）は過冷却を防止するためス
テップ１０４に進み空気の供給を停止し、基準値以上の
場合（ｎｏの場合）は、冷却不足と判断し空気ＯＮを続
行する（ステップ１０６）。以上のコントロールを繰返
し行なうことにより、ボールねじ９の温度上昇は一定値
以内に抑制される。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、次のような顕著な効果
を奏する。 １）ボールねじでの荒加工を想定したときの発熱を強制
冷却により吸収することで、軸温度を元の温度に保ち、
熱膨脹を約１０［μｍ］以下（測定軸長５００［ｍｍ］
において）に抑えて制御することができた（構造用炭素
鋼の線膨脹係数は１．２×１０−６［ｍｍ／℃］である
ことから軸温を２［℃］以内で制御されていることが示
された）。なお、冷却器の能力を大きくすることにより
荒加工においても更に高精度の軸温コントロールが可能
になる。 ２）仕上げ加工を想定したときの発熱に対しては冷却能
力の方が上回っており、ＯＮ・ＯＦＦ制御を行なうこと
で±２［μｍ］以内に抑えることができた。 ３）ナットカバー部材表面の温度を測定しオンオフする
ので、制御が簡単でオンオフの温度幅を小さく設定する
ことで軸の伸びをある程度一定に抑えることができた。 ４）本発明は常設のコンプレッサや簡便構造のナット状
冷却手段を用いるだけの簡単なもので安価に、且つ安直
に実施できる。 ５）強制冷却を行なうことは直接発熱量を奪うので、他
の方法に比べて熱を残さない。 ６）既設の機械に対しても適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱変形低減装置の全体構造を示す構成
図。

【図２】本発明のナット状部材冷却手段の詳細構造を示
す平面図。

【図３】本発明のナット状部材冷却手段の外観図。

【図４】図３の矢視Ｆの正面図。

【図５】本発明のナット状部材冷却手段の空気流入路を
示す模式図。

【図６】本発明と従来技術との効果を比較表示した伸び
時間線図。

【図７】本発明と従来技術との効果を比較表示した伸び
時間線図。

【図８】本発明の熱変形低減方法を説明するためのフロ
ーチャート。

【符号の説明】

１ 熱変形低減装置 ２ ナット状部材冷却手段 ３ 圧縮冷却空気供給部 ４ 制御部 ５ 送り機構部 ６ テーブル ７ ボールナット ７ａ フランジ部 ７ｂ 軸部 ８ 支持台 ９ ボールねじ １０ サーボモータ １１ サーボアンプ １２ ＮＣ装置 １３ 長溝 １４ ナットカバー部材 １４ａ フランジ部 １４ｂ 筒状体 １５ カバー １６ Ｏリング １７ Ｏリング １８ 空気入口部 １９ 空気出口部 ２０ 空気流入路 ２１ コンプレッサ ２２ 冷却器 ２３ 導入通路 ２４ 電磁弁 ２５ 温度測定・冷却空気制御用コンピュータ ２６ 熱電対 ２７ レーザ測長器 ２８ 伸び測定用コンピュータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機械の移動側に保持されるナット状部材
   と前記機械の不動側に保持され前記ナット状部材に螺合
   して回転駆動されるねじ軸との駆動時における発熱を低
   減させるための熱変形低減装置であって、コンプレッサ
   および冷却器からの圧縮冷却空気を前記ナット状部材の
   外面に均一に接触係合させて該ナット状部材を冷却する
   ナット状部材冷却手段と、前記ナット状部材側と前記機
   械側との温度差を検出すると共に該検出値に基づき前記
   ナット状部材冷却手段の圧縮冷却空気の供給をオンオフ
   制御する制御部とを設けることを特徴とするねじ軸の熱
   変形低減装置。
2. 【請求項２】 前記ナット状部材冷却手段が、前記ナッ
   ト状部材の外周を被包するナットカバー部材と、該ナッ
   トカバー部材と前記ナット部材との接触部位に形成され
   該ナット状部材の外周に沿って均一に形成される空気流
   入路と、該空気流入路に圧縮冷却空気を出入させるコン
   プレッサおよび冷却器とからなり、前記制御部が、前記
   空気流入路と前記コンプレッサとの間に介設される制御
   弁と、前記ナット状部材及び／又は前記ナットカバー部
   材の温度とこれ等が連結される機械側との温度との差を
   基にして前記制御弁のオンオフ制御を行なうコントロー
   ル部とからなることを特徴とする請求項１に記載のねじ
   軸の熱変形低減装置。
3. 【請求項３】 機械の移動側に保持されるナット状部材
   と前記機械の不動側に保持され前記ナット状部材に螺合
   して回転駆動されるねじ軸の駆動時における発熱を低減
   させるための熱変形低減方法であって、前記ねじ軸とナ
   ット状部材の係合部位とこれ等が保持される機械側との
   温度差を検出し、該検出値を基にして前記係合部位に供
   給される圧縮冷却空気をオンオフ制御し、前記温度差を
   基準値以内に保持することを特徴とするねじ軸の熱変形
   低減方法。