JP5359262B2 - 工作機械の主軸装置及び工作機械 - Google Patents

Description

本発明は工作機械の主軸装置に関し、特に旋盤、フライス盤、マシニングセンタなどの切削加工を行う工作機械の主軸に好適なものである。

特に、旋盤やフライス盤、マシニングセンタなどの切削加工を行う工作機械の中には、２００００ｒｐｍといった高速で主軸を回転するものがある。このような高速で回転する主軸を支持する軸受では、潤滑油が遠心力作用によって、内輪軌道輪から外輪軌道輪に移動してしまい、内輪と転動体との転がり接触面の潤滑油膜が不足して金属接触となり、焼付などの異常が発生する恐れがある。焼付きが発生すると、軸受が損傷するばかりでなく、主軸やハウジングなどの周辺部材が高温となり、モータ（ロータ・ステータ・巻線）など、その他の部品への悪影響が発生する。
そこで、下記特許文献１では、軸受が組込まれた主軸ユニットのハウジングに温度センサを取付け、この温度センサで検出される温度が閾値以上になったら、軸受などに異常が発生したとして工作機械を停止するなどの方法が採られている。
特開平９−７９９１５号公報

しかしながら、主軸ユニットのハウジング温度だけでは、異常箇所の特定が困難なため、主軸ユニットを分解するなどせざるを得ず、異常箇所の特定に時間がかかる。また、工作機械の回転速度の上昇時や、潤滑環境の変化によっても温度は上昇するため、異常時と正常時の区別がつかず、異常状態と正常状態との判断を誤る恐れもある。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、軸受内部の異常を予見したり、発生した異常を速やかに検出したりすることが可能な工作機械の主軸装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本発明の工作機械の主軸装置は、二個以上の複数の軸受を備えた工作機械の主軸装置であって、軸受の転動体を保持する保持器に設けられたエンコーダと、非回転部材に取付けられ且つ前記エンコーダの回転速度を検出する回転センサと、前記回転センサで検出されたエンコーダの回転速度から前記保持器の回転速度の変化を検出し、その回転速度の変化から軸受内外輪の温度差を算出する検出装置を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明の工作機械の主軸装置は、前記回転速度の変化を、主軸の回転速度に対する保持器の回転速度の比としたことを特徴とするものである。
また、本発明の工作機械の主軸装置は、前記検出装置は、主軸内部の軸受異常を検出するものであることを特徴とするものである。
また、本発明の工作機械の主軸装置は、高速回転する工作機械の主軸に用いたことを特徴とするものである。

而して、本発明の工作機械の主軸装置によれば、軸受内部の異常を予見したり、発生した異常を速やかに検出したりすることが可能となる。

次に、本発明の工作機械の主軸装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の工作機械の主軸装置のユニット全体構成図であり、例えば旋盤やフライス盤、マシニングセンタなどの高速回転型汎用工作機械を始め、種々の高速回転型専用工作機械にも用いられるものである。図中の符号１が主軸、符号２はユニットのハウジングである。主軸１は、図の左方からハウジング２内に差し込まれ、ハウジング２の左端開口部にキャップ３を固定して密閉されている。また、差し込まれた主軸１の右方端部にはストッパ４が取付けられ、抜けが防止されている。

主軸１とハウジング２との間には、図示右方の駆動側に二個、図示左方の作動側に二個、夫々軸受５〜８が介装されている。このうち、最も図示右方端の軸受５及び最も図示左方端の軸受８の保持器にはエンコーダ９が取付けられ、ハウジング２には、それらのエンコーダ９の回転速度を検出する回転センサ１０が取付けられている。回転センサ１０の出力は検出装置１１で読込まれる。

図２は、本発明の工作機械の主軸装置の異なる実施形態を示すユニット全体構成図であり、図１の実施形態と同様に、旋盤やフライス盤など、高速回転型工作機械に用いられるものである。この実施形態では、主軸１にロータ４１を取付け、ハウジング２内のロータ４１外周部にはステータ４２を配設した、所謂モータ内蔵型（モータビルトインタイプ）の工作機械主軸ユニットである。この実施形態でも、図示右方の支持側に二個、図示左方の作動側に二個、夫々軸受５〜８が介装され、本実施形態の場合、図示右方の右から２番目の軸受６及び図示左方の左から２番目の軸受７の保持器にエンコーダ９が取付けられ、ハウジング２には、それらのエンコーダの回転速度を検出する回転センサ１０が取付けられている。回転センサ１０の出力は検出装置１１で読込まれる。

モータ内蔵型の主軸ユニットでは、ロータやステータの熱が軸受に伝達され、内外輪温度差が発生し易く、軸受が焼付き易い。また、モータの発熱による主軸の昇温を抑制する目的で軸受やステータの周辺部に冷却液を通す、所謂外筒冷却などが行われるため、外輪外径に温度センサなどを付けても、センサ近傍部の発熱分を冷却液が吸収し、軸受の昇温を検出しにくい場合がある。このような場合、本実施形態の温度検出装置が有効に機能する。

図３には、エンコーダ９が取付けられた軸受５，８の詳細を示す。図の符号１２は外輪、符号１３は内輪、符号１４は転動体、符号１５は、転動体１４を保持する保持器である。前述したように、主軸１を支持する両端の軸受５，８では、保持器１４にエンコーダ９が取付けられ、その対向部分に、エンコーダ９の回転速度を検出する回転センサ１０が設けられている。エンコーダ９は、例えば多極磁石エンコーダであり、例えば保持器１４が所定角度回転する毎にパルスを発生するものである。このような多極磁石エンコーダとしては、例えば本出願人が先に提案した特開２００８−２６０４２号公報に詳細に記載されている。具体的には、例えば保持器１４の軸方向端面に設けられたエンコーダ９の軸方向端面を所定角度毎にＮ極及びＳ極に交互に着磁し、これらの磁極が通過するときの電流の変化を回転センサ１０で検出し、そのとき生じる正弦波形の電流値からパルスを生成出力する。

例えば、軸受が正常に運転しているときの転動体と軌道輪の接触角の角度を図３とすると、例えば内輪温度が外輪温度より高くなったときのように軸受に内外輪温度差が生じたときの転動体と軌道輪の接触角の角度を図４に示す。この場合、外輪に比べて内輪の温度が高くなるため、内外輪に熱膨張差が発生し、軸受内部ラジアル隙間が減少する。軸受内部ラジアル隙間が減少すると、図４に示すように接触角の角度が小さくなる。接触角が小さくなると、正常時に比べて転動体の自転速度が小さくなり、保持器の回転速度も小さくなる。なお、このとき保持器の回転速度のみを検出すると、主軸の回転速度が変化することに伴って回転速度が変化することも考えられるため、主軸の回転速度に対する保持器の回転速度の比（以下、回転速度比とも記す）で評価することが望ましい。

例えば工作機械の運転時に、潤滑油の量が変化すると、軸受の温度も変化する。潤滑油の量が多いと、軸受内部で冷却効果が得られ、温度が下がる。逆に、潤滑油の量が少ないと、軸受内部の冷却効果が失われ、温度が上昇する。このとき、軸受内部の潤滑油での冷却効果となるため、内外輪の温度の影響は等価であるため、内外輪温度差は発生しにくい。そのため、異常の発生検出や早期予測には、軸受の特性を利用した方法が望ましい。

軸受で焼付きが発生する場合、前述のように、潤滑油の不足によって、転動体と軌道輪溝との転がり接触面間に油膜が形成できず、金属接触が発生する。そのため、軸受の温度上昇が高くなるが、回転軸に同期して回転している内輪側の温度が外輪側の温度より高くなることは周知である。これは、静止輪である外輪側は熱容量のあるハウジングやその他の部材と接触しており、放熱し易いのに対し、回転輪である内輪側は熱容量の小さい主軸と同期回転しており、放熱しにくいためである。

内輪温度が外輪温度より高いという内外輪の温度差が発生すると、前述したように、熱膨張量が外輪に比べて内輪の方が大きくなるため、軸受内部のラジアル隙間が減少する。ラジアル隙間が減少することで、転動体と軌道輪溝が接触する接触角が小さくなるため、転動体の自転速度が小さくなり、保持器の回転速度が小さくなるという特性を持っている。この特性を利用することで、内外輪温度差−ラジアル隙間変化量−接触角変化−回転速度比の換算データを予め取得しておくことによって、回転速度比から内外輪の温度差を検出することが可能になる。また、内外輪温度差に閾値を設けることによって、焼付きが発生する前に機械を停止させて焼付きを未然に防いだり、焼付き発生時に直ちに機械を停止させて、二次被害を防いだりすることが可能となる。具体的には、工作機械の制御装置側に内外輪温度差情報を伝え、焼付き発生を予兆する閾値、又は焼付き発生を検出する閾値を予め設定しておき、その閾値を超えたら回転速度を減少したり回転を停止したりすればよい。
軸受の内部ラジアル隙間と接触角の関係は、下記１式で表れる。この１式中の変化した内部ラジアル隙間Δｒから接触角αの変化値を算出できる。

図５には、回転速度比と内外輪温度差の関係を示す。同図より明らかなように、内外輪の温度差が大きくなると回転速度比が小さくなっていることが分かる。従って、予め図５のような内外輪温度差と回転速度比の関係を事前にデータ取得しておくことによって、回転速度比から内外輪の温度差を検出することが可能となる。
また、回転速度比を測定することによって、軸受に作用するアキシャル荷重の検出が可能となる。正常運転時であれば、内外輪の温度変化が小さいため、内外輪の熱膨張差によるラジアル隙間の変化は少ない。ここで、アキシャル荷重が発生した場合を考える。図６、図７に示すように、アキシャル荷重が発生すると、内輪と外輪にアキシャル方向の相対変位が発生する。このアキシャル変位によって、転動体と転動輪との接触角が変化する。この接触角の変化に伴い、転動体の自転速度が変化し、保持器の回転速度が変化する。

工作機械において、切削時の荷重を検出することは、以下の理由から有益であると考えられる。つまり、切削荷重が判明すると、適正な加工条件を選定することが可能となる。例えば、切粉排出量が同じで、切削荷重が小さいという加工条件を見出すことが可能になれば、それは効率的な加工条件となり、省エネや工具寿命の延長につながる。また、同じ加工条件のときに、切削荷重が増加した場合、工具の切削性、所謂切れ味の低下や摩耗などが発生したことが推定され、工具交換時期や工具寿命の判断が可能になる。加えて、検出した切削荷重の履歴を保存することによって、軸受が損傷した際に、損傷要因を推定することが可能になる。履歴の検索から得られる損傷要因の例としては、無理な荷重条件での切削や、工具先端がワークなどに衝突した衝撃荷重などである。

工作機械の切削荷重を検出する方法として、軸受異常が発生した際に用いた方法と同様に、回転速度比の変化を読み取る。軸受異常が発生した際は、内外輪温度差が発生するために、内外輪の熱膨張差によって軸受内部ラジアル隙間が減少し、接触角が小さくなるため、回転速度比が小さくなると説明した。ここでは、切削荷重を検出する方法について以下に示す。

正常運転時であれば、内外輪の温度変化は小さいため、内外輪の熱膨張差によるラジアル隙間の変動は少ない。即ち、ラジアル隙間の減少による接触角の変化はなくなるため、接触角が変化する要因としては、アキシャル荷重が変化したときのみになる。アキシャル荷重が作用すると、転動輪と軌道輪溝の接触角は大きくなる方向に作用し、回転速度比が大きくなる。予めアキシャル荷重と接触角の関係を取得しておけば、回転速度比を検出することでアキシャル荷重の検出が可能になる。図８に、回転速度比とアキシャル荷重の関係の一例を示す。

但し、焼付き異常発生時は正確な荷重検出ができないが、異常時のみの問題であるから、通常時は活用可能である。逆に荷重による回転変化が存在する場合でも、焼付きなどの異常検出は可能である。これは、内外輪温度差とアキシャル荷重とでは、回転速度比の変化しろが異なるためである。図９には、内外輪温度差とアキシャル荷重による回転速度比の変化しろを示す。この図から明らかなように、内外輪温度差による回転速度比の変化しろの方が、アキシャル荷重による回転速度比の変化しろに比べると約５〜６倍大きい。この特性を利用し、例えば図９に示す回転速度比が温度以上の閾値以上に到達したら内外輪温度差が大きくなり、軸受異常が発生したとして、機械を停止させるなどすればよい。

このように本実施形態の工作機械の主軸装置によれば、軸受５〜８の転動体１４を保持する保持器１５にエンコーダ９を設け、非回転部材には、エンコーダ９の回転速度を検出する回転センサ１０を設け、回転センサ１０で検出されたエンコーダ９の回転速度から保持器１４の回転速度比（回転速度の変化）を検出し、その回転速度比（回転速度の変化）から軸受内外輪の温度差を算出する構成としたため、軸受内部の異常を予見したり、発生した異常を速やかに検出したりすることができる。

また、軸受５〜８の転動体１４を保持する保持器１５にエンコーダ９を設け、非回転部材には、エンコーダ９の回転速度を検出する回転センサ１０を設け、回転センサ１０で検出されたエンコーダ９の回転速度から保持器１４の回転速度比（回転速度の変化）を検出し、その回転速度比（回転速度の変化）から主軸１の荷重を算出する構成としたため、適正な加工条件の設定や工具摩耗の適正な判断を行うことができる。
また、回転速度の変化を、主軸１の回転速度に対する保持器１５の回転速度の比としたことにより、軸受内外輪の温度差や主軸の荷重を適正に検出することができる。

本発明の工作機械の主軸装置を用いたユニットの一実施形態を示す全体構成図である。 本発明の工作機械の主軸装置を用いたユニットの異なる実施形態を示す全体構成図である。 図１、図２の軸受の詳細図である。 図１、図２の軸受の詳細図である。 図１、図２の軸受の詳細図である。 図１、図２の軸受の詳細図である。 保持器の回転速度比と荷重の関係を示す説明図である。 保持器の回転速度比と荷重の関係を示す説明図である。

符号の説明

１は主軸、２はハウジング、５〜８は軸受、９はエンコーダ、１０は回転センサ、１１は検出装置、１２は外輪、１３は内輪、１４は転動体、１５は保持器

Claims (6)

1. 二個以上の複数の軸受を備えた工作機械の主軸装置であって、軸受の転動体を保持する保持器に設けられたエンコーダと、非回転部材に取付けられ且つ前記エンコーダの回転速度を検出する回転センサと、前記回転センサで検出されたエンコーダの回転速度から前記保持器の回転速度の変化を検出し、その回転速度の変化から軸受内外輪の温度差を算出する検出装置を備えたことを特徴とする工作機械の主軸装置。
2. 前記回転速度の変化を、主軸の回転速度に対する保持器の回転速度の比としたことを特徴とする請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
3. 予め取得した回転速度比と内外輪温度差との関係から、前記回転速度の比に基づいて内外輪温度差を求め、予め設定された閾値を前記内外輪温度差が超えたら前記主軸の回転を止める又は前記主軸の回転速度を小さくすることを特徴とする請求項２に記載の工作機械の主軸装置。
4. 前記検出装置は、主軸内部の軸受異常を検出するものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の工作機械の主軸装置。
5. 高速回転する工作機械の主軸に用いたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の工作機械の主軸装置。
6. 前記請求項１乃至５の何れか一項に記載の工作機械の主軸装置を備えた工作機械。

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