JP2004144020A

JP2004144020A - 高圧クーラント供給装置

Info

Publication number: JP2004144020A
Application number: JP2002310040A
Authority: JP
Inventors: Kazunobu Tomota; 友田　和伸; Yasuyuki Murakami; 村上　康之; Tetsuo Nakada; 仲田　哲雄; Yasuto Yanagida; 柳田　靖人
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】必要なクーラント吐出量、圧力に応じた電力を消費する。
【解決手段】タンク１からクーラントを吐出してドリル等４に供給する固定容積ポンプ２を有し、固定容積ポンプ２から吐出されるクーラントの圧力を検出する圧力センサ９と、ＡＣ電源６、外部運転指令信号、および検出圧力を入力とするコントローラ７により制御されるモータ５とを有し、モータ５と固定容積ポンプ２とを直結している。
【選択図】　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は高圧クーラント供給装置に関し、さらに詳細にいえば、十分な量であり、かつ無駄のない量の高圧クーラントを供給するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ドリルなどの切削工具を使用するに当たって、焼きつき防止、切削屑の迅速かつスムーズな排出などのためにクーラントポンプを用いてクーラントを供給することが一般的である。
【０００３】
図１は従来のクーラント供給装置の構成を示す概略図である。
【０００４】
このクーラント供給装置は、タンク１０１からクーラントを送り出すクーラントポンプ１０２と、送り出されたクーラントの一部をタンク１０１に戻すリリーフ弁１０３と、クーラントが吐出されるドリルまたはノズル等１０４と、クーラントポンプ１０２を駆動するモータ１０５と、ＡＣ電源１０６とモータ１０５との間に接続される開閉器１０７とを有している。また、必要に応じてオンロード弁１０８を設けている。
【０００５】
このクーラントポンプ１０２はモータ１０５に直結され、モータ１０５はＡＣ電源１０６を開閉器１０７によりＯＮ／ＯＦＦすることで発停を行う。
【０００６】
また、オンロード弁１０８が装着されていない場合には、モータ１０５の消費電力はリリーフ弁１０３の設定圧力のみに依存し、クーラントの吐出が必要でない場合にのみモータ１０５を停止する。
【０００７】
モータ１０５の頻度の高いＯＮ／ＯＦＦはクーラントポンプ１０２にストレスをかけ、寿命を短くするので、比較的長時間にわたって吐出を停止させる場合にのみモータ１０５を停止することが多い（図２参照）。
【０００８】
逆に、オンロード弁１０８が装着されている場合には、モータ１０５を運転したままの状態で吐出圧力をほぼ０にすることができるため、モータ１０５の消費電力を大幅に低減することが可能となり、しかも、オンロード弁１０８のＯＮ／ＯＦＦ操作は電磁弁のＯＮ／ＯＦＦ操作となるため、クーラントポンプ１０２にストレスをかけることなく高頻度なＯＮ／ＯＦＦが可能となり、こまめな消費電力削減が可能となる（図３参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の何れの場合にも、クーラントの吐出が必要でない場合における消費電力の削減を達成することができる。
【００１０】
しかし、クーラントの吐出が必要な場合には、モータ１０５は最大電力を消費し、クーラントポンプ１０２から吐出されるクーラントは、ドリル等１０４から必要量が吐出される以外はリリーフ弁１０３を通してタンク１０１に戻るのであるから、この戻り分は実質的な仕事を行わず、無駄な消費電力を伴うことになる（図４参照）。
【００１１】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、必要なクーラント吐出量、圧力に応じた電力を消費することができる高圧クーラント供給装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の高圧クーラント供給装置は、モータにより駆動されてクーラントを吐出する固定容量ポンプと、モータを変速させるためのモータ制御手段と、固定容量ポンプから吐出されるクーラントの圧力を検出する圧力検出手段と、検出圧力が所定圧力になるようにモータ制御手段を制御する圧力制御を行う圧力制御手段とを含むものである。
【００１３】
請求項２の高圧クーラント供給装置は、圧力検出手段として、圧力センサを採用するものである。
【００１４】
請求項３の高圧クーラント供給装置は、圧力検出手段として、モータの回転数、電流値、モータ特性およびポンプ特性のモデルを用いてクーラントの圧力を算出するものを採用するものである。
【００１５】
請求項４の高圧クーラント供給装置は、前記圧力制御手段として、所定圧力を選択する圧力選択手段を含むものを採用するものである。
【００１６】
請求項５の高圧クーラント供給装置は、前記圧力制御手段として、予め設定された吐出流量−吐出圧力特性を保持し、この吐出流量−吐出圧力特性を満足するようにモータ制御手段を制御するものを採用するものである。
【００１７】
請求項６の高圧クーラント供給装置は、前記モータとしてブラシレスＤＣモータを採用するものである。
【００１８】
【作用】
請求項１の高圧クーラント供給装置であれば、モータにより駆動されてクーラントを吐出する固定容量ポンプと、モータを変速させるためのモータ制御手段と、固定容量ポンプから吐出されるクーラントの圧力を検出する圧力検出手段と、検出圧力が所定圧力になるようにモータ制御手段を制御する圧力制御を行う圧力制御手段とを含むのであるから、吐出されるクーラントの圧力が所定圧力になるように固定容量ポンプを駆動することができ、必要なクーラント吐出量、圧力に応じた電力を消費することにより、無駄な電力消費を防止できる。
【００１９】
請求項２の高圧クーラント供給装置であれば、圧力検出手段として、圧力センサを採用するのであるから、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００２０】
請求項３の高圧クーラント供給装置であれば、圧力検出手段として、モータの回転数、電流値、モータ特性およびポンプ特性のモデルを用いてクーラントの圧力を算出するものを採用するのであるから、圧力センサを用いることなく、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００２１】
請求項４の高圧クーラント供給装置であれば、前記圧力制御手段として、所定圧力を選択する圧力選択手段を含むものを採用するのであるから、クーラントの圧力を選択することができるほか、請求項１から請求項３の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００２２】
請求項５の高圧クーラント供給装置であれば、前記圧力制御手段として、予め設定された吐出流量−吐出圧力特性を保持し、この吐出流量−吐出圧力特性を満足するようにモータ制御手段を制御するものを採用するのであるから、ドリル等を用いての作業途中におけるドリル等からの吐出抵抗の変化に対処できるほか、請求項１から請求項４の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００２３】
請求項６の高圧クーラント供給装置であれば、前記モータとしてブラシレスＤＣモータを採用するのであるから、電力消費を一層低減できるほか、請求項１から請求項５の何れかと同様の作用を達成することができる。。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明の高圧クーラント供給装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
図５はこの発明の高圧クーラント供給装置の一実施形態を示す概略図である。
【００２６】
この高圧クーラント供給装置は、タンク１からクーラントを吐出してドリル等４に供給する固定容積ポンプ２を有している。そして、固定容積ポンプ２から吐出されるクーラントの圧力を検出する圧力センサ９と、ＡＣ電源６、外部運転指令信号、および検出圧力を入力とするコントローラ７により制御されるモータ５とを有し、モータ５と固定容積ポンプ２とを直結している。また、必要に応じて、固定容積ポンプ２から吐出されるクーラントをタンク１に戻すためのリリーフ弁３を設けている。
【００２７】
図６はコントローラ７の構成の一例を詳細に示すブロック図である。
【００２８】
このコントローラ７は、ＡＣ電源６を入力として直流電力を生成するコンバータ部１１と、生成された直流電力を入力として交流電力を生成し、モータ５に供給するインバータ部１２と、圧力設定値と検出圧力との差を算出する差算出部１３と、算出された差を入力としてＰＩ制御演算を行って速度指令を出力する圧力制御部１４と、モータ５に接続されたパルス発生器５ａから出力されるパルス信号を入力として速度を検出する速度検出部１６と、速度指令および検出速度を入力としてＰＩ制御演算を行って電流指令を出力する速度制御部１５と、電流指令および電流検出部５ｂにより検出されたモータ電流を入力としてＰＩ制御演算を行ってスイッチング指令を生成し、インバータ部１２に供給する電流制御部１７とを有している。
【００２９】
上記の構成のクーラント供給装置を採用すれば、常に必要とする圧力が発生するポンプ吐出量を確保するようにモータ５の回転数を制御することができ、余剰流量を大幅に削減することができる（図７参照）。したがって、原理的にはリリーフ弁３は不要であるが、圧力センサ９の故障などが生じた場合における異常昇圧を考慮すれば、リリーフ弁３を設けることが好ましい。
【００３０】
また、高圧クーラント供給装置全体としての省エネ性を考慮すれば、モータ５としてブラシレスＤＣモータを採用し、ブラシレスＤＣモータに正弦波電圧を印加すべくインバータ部１２を制御することが好ましい。
【００３１】
もちろん、モータ５として誘導機を採用してインバータで駆動し、またはサイリスタで駆動してモータの回転数を可変速化することも可能であり、同様の作用を達成することができる。
【００３２】
上記の実施形態においては、圧力センサ９を用いて吐出圧力を検出しているが、図８に示すように、モータ特性およびポンプ特性をコントローラ７内に持ち、モータの回転数、および電流値からモデルを逆演算することによって吐出圧力を推定することが可能である。この場合に、モータの回転数、および電流値を検出するための特別のセンサを設ける必要はない。
【００３３】
したがって、圧力センサ９を省略することができ、しかも信頼性を向上させることができる。
【００３４】
上記吐出圧力の推定処理は、例えば、次のようにして行うことができる。
【００３５】
ポンプ２が固定容積型であるから、Ｐ・Ｑ＝α・β・Ｎ・Ｔの関係が成立する。
【００３６】
ここで、Ｐは吐出圧力、Ｑは吐出流量、Ｎはモータ回転数、Ｔはモータトルク、αは１回転当たりのポンプ容積、βは機械損失などである。
【００３７】
そして、ポンプ２の容積効率を無視すれば、Ｑ＝α・Ｎの関係が成立するので、Ｐ＝β・Ｔとなる。
【００３８】
したがって、コントローラ７でモータの回転数、および電流値を検出することにより、吐出圧力を推定することができ、ポンプ２をフィードバック制御することができる。
【００３９】
また、油粘度が高い場合には、機械損失などβが油温により変動するため、ポンプ２の吐出口にサーミスタなどの温度センサを取り付けて油温を検出し、油温を用いて補正をかけることによって、吐出圧力推定値の精度を確保することができる。
【００４０】
ただし、クーラント液は洗い流し性が要求されるため、一般に低粘度のものが使用されることが多く、この場合には、液温度によるポンプ効率の変化や通路圧損の影響はほぼ無視できるレベルとなるので、温度センサを不要にできる。
【００４１】
また、以上の実施形態においては、吐出圧力が予め設定された１つの圧力値になるようにモータ５を制御するようにしている。
【００４２】
しかし、例えば、ドリル等４が加工物に食い付く前と加工中とでは必要な圧力が異なる（図９参照）。したがって、このような状態に対処するために、例えば、アナログ圧力指令をコントローラ７に供給し、またはデジタル入力指令によりコントローラ７の内部に記憶した複数の圧力値の１つを選択し、または有線もしくは無線の通信によりコントローラ７に圧力値を直接指令し、または有線もしくは無線の通信によりコントローラ７の内部に記憶している圧力値のテーブルを書き換え、デジタル入力指令によりコントローラ７の内部に記憶した複数の圧力値の１つを選択することが可能であり、多段の吐出圧力を選択することができる。
【００４３】
具体的には、食い付き前と加工中とで図１０中▲２▼▲１▼に示すように設定圧力を切り替えることにより、食い付き前と加工中とにおけるクーラントの吐出流量を一定にすることができる。
【００４４】
しかし、この場合には、設定圧力をいつ切り替えるかを指示しなければならない。換言すれば、設定圧力の切り替えをドリル作業毎に主機のＮＣプログラムに記述しなければならない。
【００４５】
図１１は自律的圧力・流量制御を説明する図である。
【００４６】
図１１にａで示す流量−吐出圧力特性をコントローラ７の内部に記憶させておけば、ドリル作業に伴って▲３▼から▲２▼に自動的に圧力、流量が変化するので、設定圧力の切り替えをＮＣプログラムに記述する必要をなくすることができる。
【００４７】
さらに説明する。
【００４８】
（１）吐出圧力が設定圧力になるようにモータの回転数を上昇させる。
【００４９】
（２）ドリルが食い付き前であれば、ドリルの吐き出し負荷が少ないため、吐出圧力が設定圧力になる前に設定流量までモータの回転数が上昇する。
【００５０】
（３）この場合、モータの回転数がそれ以上の回転数にならないように流量制限が働く。これにより、必要以上のクーラントがドリル先端から吐出するのを防止できる。
【００５１】
（４）ドリルが食い付き、ドリルの吐き出し負荷が上昇すると、ドリルの吐き出し圧力損失が増加するため、現状の圧力では設定流量が確保できなくなる。
【００５２】
（５）この場合、吐出圧力を上昇させ、設定流量を達成するように自動調整を行う。
【００５３】
（６）ドリル加工が進み、ドリルが奥に進んで、ドリルの吐き出し負荷がさらに上昇すると、吐出圧力は設定と出圧力に達する。これ以降は、圧力上昇させず、設定圧力で運転し、流量は負荷とのバランスで成り行きとする。
【００５４】
（７）これらの制御を行っている間、モータの回転数とポンプの負荷圧力とからモータにかかる馬力を常に演算し、モータの定馬力領域を超える場合には、回転数または吐出圧力に制限をかけ、常に定馬力以内で運転を行うようにする。
【００５５】
このようにして、クーラントの吐出圧力、吐出流量を常に最適な状態に制御することができる。
【００５６】
また、複数の流量−吐出圧力特性を設定可能とするとともに、所望の流量−吐出圧力特性を選択可能とすることが好ましく、種々の負荷特性を持つドリルやノズルなどに対して、常に適切な吐出流量、吐出圧力を達成することを可能にすることができる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、吐出されるクーラントの圧力が所定圧力になるように固定容量ポンプを駆動することができ、必要なクーラント吐出量、圧力に応じた電力を消費することにより、無駄な電力消費を防止できるという特有の効果を奏する。
【００５８】
請求項２の発明は、請求項１と同様の効果を奏する。
【００５９】
請求項３の発明は、圧力センサを用いることなく、請求項１と同様の効果を奏する。
【００６０】
請求項４の発明は、クーラントの圧力を選択することができるほか、請求項１から請求項３の何れかと同様の効果を奏する。
【００６１】
請求項５の発明は、ドリル等を用いての作業途中におけるドリル等からの吐出抵抗の変化に対処できるほか、請求項１から請求項４の何れかと同様の効果を奏する。
【００６２】
請求項６の発明は、消費電力を一層低減できるほか、請求項１から請求項５の何れかと同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のクーラント供給装置の構成を示す概略図である。
【図２】オンロード弁がない場合のモータのＯＮ／ＯＦＦおよび消費電力を説明する図である。
【図３】オンロード弁がある場合のモータのＯＮ／ＯＦＦ、オンロード弁のＯＮ／ＯＦＦ、および消費電力を説明する図である。
【図４】ドリル等から吐き出される流量とリリーフ弁を通過する流量との関係を示す図である。
【図５】この発明の高圧クーラント供給装置の一実施形態を示す概略図である。
【図６】コントローラの構成の一例を示すブロック図である。
【図７】ドリル等から吐き出される流量と削減される流量との関係を示す図である。
【図８】吐出圧力の推定処理を説明する概略図である。
【図９】ドリルの食い付き前、および加工中における吐出抵抗の相違を説明する概略図である。
【図１０】２つの圧力の設定を説明する図である。
【図１１】自律的圧力・流量制御を説明する図である。
【符号の説明】
２　固定容積ポンプ　　５　モータ
７　コントローラ　　９　圧力センサ

Claims

モータ（５）により駆動されてクーラントを吐出する固定容量ポンプ（２）と、モータ（５）を変速させるためのモータ制御手段（７）と、固定容量ポンプ（２）から吐出されるクーラントの圧力を検出する圧力検出手段（７）（９）と、検出圧力が所定圧力になるようにモータ制御手段（７）を制御する圧力制御を行う圧力制御手段（７）とを含むことを特徴とする高圧クーラント供給装置。
圧力検出手段（９）は、圧力センサ（９）である請求項１に記載の高圧クーラント供給装置。
圧力検出手段（７）は、モータの回転数、電流値、モータ特性およびポンプ特性のモデルを用いてクーラントの圧力を算出するものである請求項１に記載の高圧クーラント供給装置。
前記圧力制御手段（７）は、所定圧力を選択する圧力選択手段（７）を含む請求項１から請求項３の何れかに記載の高圧クーラント供給装置。
前記圧力制御手段（７）は、予め設定された吐出流量−吐出圧力特性を保持し、この吐出流量−吐出圧力特性を満足するようにモータ制御手段（７）を制御するものである請求項１から請求項４の何れかに記載の高圧クーラント供給装置。
前記モータ（５）はブラシレスＤＣモータである請求項１から請求項５の何れかに記載の高圧クーラント供給装置。