JP2015006700A - スピンドルモータを備えた加工機械とその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンを内蔵したスピンドルモータを備えた加工機械において、モータの性能や寿命に悪影響を及ぼすことなく当該モータの停止中における無駄な電力消費を避ける。【解決手段】冷却ファンを内蔵したスピンドルモータを備えた加工機械の運転時、特に手動運転時に、当該モータの内部温度、外装表面温度及び外気温を検出し、内部温度及び外装表面温度並びに当該内部温度及び外装表面温度と外気温の差が、それぞれについて予め設定した設定温度以下となったときにスピンドルモータに内蔵の冷却ファンの運転を停止し、スピンドルモータの運転を開始したときに冷却ファンの運転も開始する。【選択図】図１

Description

この発明は、金属やガラス板の加工機械、特に冷却ファンを内蔵したスピンドルモータを備えた加工機械に関するもので、無駄な電力の消費を避ける制御手段を備えた上記機械とその運転方法に関するものである。

加工機械には、旋盤の主軸、マシニングセンタの工具軸、研削装置の砥石駆動軸などを駆動する主軸モータとしてスピンドルモータを備えた機械が多く存在する。ＮＣ装置を備えたこれらの加工機械は、通常は加工プログラムに従って自動運転されるが、機械動作の確認、テスト加工、加工プログラムの動作確認などを行うときは手動で運転される。手動運転には、指令する動作毎に操作盤のキーボードから切込み量や送り速度などを指定する純粋な手動運転や、操作盤のスイッチを押す毎に加工プログラムの１ステップないし１ブロック毎の動作を実行する半自動とも言えるような手動運転もあるが、いずれの手動運転においても、操作盤のスイッチなどによって開始された動作が終了すると、機械は次の動作指令を受けるまで停止状態で待機する。

機械やＮＣ装置は、オペレータが操作盤の前にいるかどうかを認識していないし、たとえカメラなどを設置してオペレータの存否を認識させたとしても、オペレータの意図までを察知することはできない。例えばオペレータが指令した機械動作の結果から機械や加工プログラムに設定するパラメータ（定数）を変更する操作を行っている場合などは、機械が停止した状態で長い時間待機するということが起こる。

この待機時、機械やＮＣ装置の電源は投入された状態となっているが、主軸は停止しているので、それを駆動するスピンドルモータ自体は殆ど電力を消費していない。しかし、連続回転することが本来の運転形態であるスピンドルモータは、温度上昇に起因する定格出力の低下を避けるために、内部に冷却ファンを設けてモータ内部の冷却を行っている。そのため、スピンドルモータを備えた加工機械では、機械が停止していても冷却フアンは回り続けているので、電力を消費している。

前述したように、手動運転中にあっては、オペレータによる動作指令の入力を待って機械が停止状態で待機するという状況が常に生じ、オペレータが次の動作のためのパラメータの演算や設定変更に手間取るとか、機械動作が正しいかどうかを確認するために加工プログラムの作成者と打合せをするとかのために機械の停止状態が長時間になるということも起こる。

そこでこのような長時間の機械の停止時には、その停止の間も電力を消費し続ける冷却ファンの運転を停止して省エネを図ることが考えられる。この場合、スピンドルモータは回転と停止のデューティ比により定格出力が相違し、機械の設計者はデューティ比を考慮して負荷が定格出力以下となる大きさのモータを選択して機械に搭載しているので、モータが停止してから冷却ファンの運転を停止するまでの時間間隔を一定時間に設定することはできない。

スピンドルモータには、過負荷で使用されることによる故障や寿命低下を避けるために、モータ内部の温度を計測するサーミスタが設けられているので、このサーミスタの検出温度が設定値以下になったときに冷却ファンの運転を停止するということも考えられる。しかし、モータ内部の冷却は冷却ファンのみに依存している訳ではないと考えられ、また停止後に運転を開始したときにどのようなカーブを描いて温度が上昇するかによっても、冷却ファンの運転を停止することができるモータ内部温度が変わると考えられ、モータ内部の温度のみによって冷却ファンの運転を停止するのは、モータの保護と省エネの両方を満足させる手段としては不適当であると考えられる。

そこでこの発明は、手動運転中のスピンドルモータが停止している間における無駄な電力消費を避け、モータの性能や寿命に悪影響を及ぼすことなく、スピンドルモータ内の冷却ファンの運転の停止を合理的に行うことによって電力の消費を低減する手段を提供することを課題としている。

この発明は、冷却ファン１３を内蔵したスピンドルモータ１を備えた加工機械の運転時、特に手動運転時において、当該モータの内部温度Ｔ２、外装表面温度Ｔ１及び外気温Ｔａを検出し、当該内部温度Ｔ２及び外装表面温度Ｔ１並びに当該内部温度及び外装表面温度と外気温の差Ｔ２−Ｔａ、Ｔ１−Ｔａが、それぞれについて予め設定した設定温度Ｔ２max、Ｔ１max、Ｔ２ａmax、Ｔ１ａmax以下となったときに当該スピンドルモータ１に内蔵の冷却ファン１３の運転を停止し、この停止時に、スピンドルモータ１の運転を開始したときに冷却ファン１３の運転も開始することにより、上記課題を解決したものである。

具体的には、モータ内部を通風冷却する冷却ファン１３と当該モータの内部温度を検出する内部センサ１２とを有するスピンドルモータ１を備えた加工機械に、当該モータ１の外装表面温度を検出する外装センサ１１と、外気温を検出する外部センサａと、冷却ファン１３の電源をオンオフする電磁開閉器１４を設置する。そして、加工機械を制御する制御器２に、モータ外装表面温度の設定値Ｔ１max、内部温度の設定値Ｔ２max、モータ外装表面温度Ｔ１と外気温Ｔａの差の設定値Ｔ１ａmax、内部温度Ｔ２と外気温Ｔａの差の設定値Ｔ２ａmaxを登録する設定器２１〜２４と、ファン制御手段２５とを設ける。

ファン制御手段２５は、各センサ１１、１２の検出温度及び温度差Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１−Ｔａ、Ｔ２−Ｔａが対応する設定器２１、２２及び２３、２４の設定値Ｔ１max、Ｔ２max、Ｔ１ａmax、Ｔ２ａmax以下になったときに冷却ファン１３の運転を停止する。

更に、制御器２に時間設定器２６とタイマ２７とを設け、時間設定器２６にはスピンドルモータ１が停止してから内部温度Ｔ２が外気温に達する時間ｔｄを予め計測して登録し、スピンドルモータ１が停止したときにタイマ２７の計時を開始し、タイマ２７の計時時間が時間設定器２６に登録された時間に達したときにも、当該冷却ファンの運転を停止する。そして、冷却ファン１３が停止しているときにスピンドルモータ１が回転を開始したときに、冷却ファン１３の運転も開始する。

スピンドルモータのデューティサイクルに影響を与えることなく、通風冷却が必要なときにモータ内蔵の冷却用ファンを運転し、通風冷却が必要ないときは冷却ファンの運転を停止することで効果的に省エネを図ることができる。

スピンドルモータを備えた旋盤における要部のブロック図 スピンドルモータの運転と停止の際の内部温度上昇と低下パターンを示すグラフ 制御手順を示すフローチャート 他の制御手順を示すフローチャート

以下、図面を参照して、この発明の実施形態を説明する。図１は、この発明の加工機械の一例としての旋盤を模式的に示した図である。主軸台３に軸支された主軸（図には表われていない）は、先端にワークを把持するチャック４を備え、プーリ５、Ｖベルト６及びプーリ７を介してスピンドルモータ（主軸モータ）１で回転駆動される。符号８は、タレット刃物台である。

スピンドルモータ１は、機械の主開閉器１５、モータオンオフ用の電磁開閉器１６及び速度制御器１７を介して運転されている。スピンドルモータ１には、モータ内部を通風冷却する冷却ファン１３と、内部温度を検出するサーミスタ１２が設けられており、サーミスタ１２の検出温度Ｔ２が制御器２に入力されている。この発明の加工装置では、スピンドルモータ１の外装表面に温度センサ１１が装着され、その検出温度Ｔ１が制御器２に入力されている。また、制御器２の制御によりモータ内蔵の冷却ファン１３の電源をオンオフする電磁開閉器１４が追加設置されている。更に、機械周囲の外気温を検出する温度センサａが設けられ、この温度センサの検出温度Ｔａも制御器２に入力されている。

制御器２に設けた設定器２１〜２４には、温度センサ１１で検出されるモータ外装表面温度Ｔ１と比較する設定値Ｔ１max、モータ内蔵のサーミスタ１２が検出した温度Ｔ２と比較する設定値Ｔ２max、外装表面温度Ｔ１と外気温Ｔａの差、すなわちＴ１−Ｔａと比較する設定値Ｔ１ａmax及び内部温度Ｔ２と外気温Ｔａとの差と比較する設定値Ｔ２ａmaxが予め登録されている。これらの設定値の値は、使用されるスピンドルモータ１の仕様及び運転実績等から導き出された値である。

更に図の例では、スピンドルモータ１が停止したときに計時を開始するタイマ２７と、モータ１が停止してからモータの内部温度が外気温になるまでの時間ｔｄを登録する時間設定器２６が設けられている。時間ｔｄは、種々の条件及び外気温の下でモータを運転して、モータが停止してからモータ内蔵のサーミスタで検出される温度が外気温になるまでの時間を計測して、例えばその平均値を設定してやればよい。

図３は、上記のように構成された旋盤におけるファン制御手段２５の手順を示したフローチャートである。この手順は、手動運転モードで主軸モータの運転が停止したときに呼び出される。なお、主軸モータ１は、コイルに通電されて電機子の回転角が固定されていることもあるが、ここで言う停止は、コイルへの通電が遮断されて電機子が自由回転可能な状態になっていることを言う。

手順が呼び出されると、まずタイマをリセットしてそのカウントを開始し、手動運転モードが継続していること、モータに通電されていないこと及び停止時間が時間ｔｄに達していないことを条件として、モータの外装表面温度Ｔ１、内部温度Ｔ２、外装表面温度と外気温の差Ｔ１−Ｔａ及び内部温度と外気温の差Ｔ２−Ｔａがそれぞれの設定値Ｔ１max、Ｔ２max、Ｔ１ａmax及びＴ２ａmaxより大きいかどうかを比較し、これらの温度及び温度差の全てがそれらの設定値より小さくなったときに、スピンドルモータ１に内蔵された冷却ファン１３の運転を停止する。また、これらの値が設定値以上であっても、タイマのカウント値がｔｄ以上になれば、同様に冷却ファン１３の運転を停止する。そして、冷却ファンの運転を停止したときは、運転モードの切換とスピンドルモータの通電とを監視し、手動運転モードでなくなったとき及びモータに通電されたときには冷却ファン１３の運転を開始して手順を終了する。

スピンドルモータの放熱は、冷却ファン１３でモータ内部を通風冷却することによる放熱の他に、モータの外装表面からの輻射や外気への伝熱による放熱がある。この発明では、モータの内部温度のみでなく、外装表面からの放熱も考慮して冷却ファン１３の運転を停止しているので、より合理的な冷却ファンの運転の停止による省エネを図ることができ、停止後の運転再開時における負荷の大きさ（モータ内部温度の上昇率の程度）をも考慮した省エネ運転が可能である。

図３の例では、モータの外装表面温度、内部温度、外装表面温度と外気温の差及び内部温度と外気温の差の全てがそれらの設定値より小さくなったときに、冷却ファン１３の運転を停止しているが、図４に示すように、モータの外装表面温度Ｔ１、内部温度Ｔ２、外装表面温度と外気温の差Ｔ１−Ｔａ及び内部温度と外気温の差Ｔ２−Ｔａがそれぞれの設定値Ｔ１max、Ｔ２max、Ｔ１ａmax及びＴ２ａmaxより大きいかどうかを比較し、これらの温度及び温度差のいずれかが設定値より小さくなったときに、スピンドルモータに内蔵された冷却ファン１３の運転を停止するようにすることもできる。更に、制御器に図３の手順を実行するファン制御手段と、図４の手順を実行するファン制御手段と、その選択手段とを設けて、加工装置の設置環境やスピンドルモータの使用状況に応じて、いずれかの手順を選択させることもできる。

１ スピンドルモータ
２ 制御器
１０ 加工機械
１１ 温度センサ
ａ 温度センサ
Ｔ１ 外装表面温度
Ｔ１max 設定値
Ｔ２ 内部温度
Ｔ２max 設定値
Ｔ２max 第２設定値
Ｔ２ａmax 設定値
Ｔａ 外気温
ｔｄ 時間

Claims (4)

1. モータ内部を通風冷却する冷却ファンと当該モータの内部温度を検出する内部センサとを有するスピンドルモータを備えた加工機械において、
   前記冷却ファンの電源をオンオフするスイッチと、前記モータの外装表面温度を検出する外装センサと、外気温を検出する外部センサと、温度及び温度差の設定器と、ファン制御手段とを備え、ファン制御手段は、検出された前記内部温度及び外装表面温度並びに当該内部温度及び外装表面温度と外気温の差が、それぞれについて前記設定器に予め登録した設定温度ないし温度差以下となったときに、前記冷却ファンの運転を停止し、この運転の停止時に、当該モータが通電されたときにその冷却ファンの運転を開始する、スピンドルモータを備えた加工機械。
2. 前記ファン制御手段が、当該加工機械の手動運転時にのみ呼び出される、請求項１記載の加工機械。
3. 前記モータが停止してから内部温度が外気温に達する時間を登録する時間設定器と、前記モータが停止してからの経過時間を計時するタイマとを備え、前記フアン制御手段が、当該タイマの計時時間が前記時間設定器に登録した時間を経過したときにも当該冷却ファンの運転を停止する、請求項１又は２記載の加工機械。
4. モータ内部を通風冷却するための冷却ファン及び当該モータ内部の温度検出手段を内蔵したスピンドルモータを備えた加工機械の手動運転時における運転方法において、
   前記モータの外装の表面温度を検出するセンサと外気温を検出するセンサとを設け、検出した前記内部温度及び外装表面温度並びに当該内部温度及び外装表面温度と外気温の差が、それぞれについて前記加工機械の制御器に予め登録した設定温度以下となったときに、当該モータに内蔵した冷却ファンの運転を停止し、この運転の停止時に、当該モータが通電されたときにその冷却ファンの運転を開始する、加工機械の運転方法。

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