JP4623040B2 - 加工機械の温度制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工機械の温度を制御する装置に関するものである。

従来、加工機械が、加工による発熱、駆動モータの発熱及び設置場所の温度変化などにより熱変形して加工精度が低下するのを防止するために、機械全体をカバーで覆い、該カバーの内部にフロン等の冷媒を使用した空調装置で温度調整した送風エアを供給するものがあった。

上記従来装置では、工具がワークを加工して発熱量が多い加工エリアと加工エリア以外の後部エリアとを一つのカバーで覆っているので、温度変化が大きい加工エリアに温度調節された大量の送風エアを供給し、容積は大きいが温度変化の小さい後部エリアには小量の送風エアを供給しても送風エアは両エリアを流通するため、カバー内の温度を目標温度に効率的に制御することができなかった。また、主軸及び可動部を駆動する駆動モータなども全体カバーで覆っていたので、駆動モータから発生した熱を除去するために大量の送風エアを供給しなければならない不具合があった。さらに、送風エアの温度を制御する空調装置の冷媒は気体で熱容量が小さいので、送風エアの温度制御が頻繁に行なわれ、カバー内の温度が安定せず、且つ温度分布が不均一になり、送風エアが当る部分が局部的に冷やされ、又は暖められ、機械温度が安定しない問題があった。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、ベッド上に工具を支持する工具支持装置とワークを保持するワーク保持装置とを装架し、前記工具支持装置と前記ワーク保持装置とを相対的に移動させて工具によりワークを加工する加工機械の温度制御装置において、前記加工機械の全体をカバーで覆い、該カバーの内部を工具がワークを加工する加工エリアと加工エリア以外の後部エリアとに仕切り板によって区分し、該仕切り板の一部は水平方向に延在して前記加工エリアの天井を形成しており、温度調節された送風エアを供給するエア供給装置を設け、該エア供給装置を前記加工エリアと後部エリアに夫々接続し、前記後部エリア内に工具交換装置を配置し、前記仕切り板に前記加工エリアと前記後部エリアとを開閉可能に連通する工具交換用の扉を設けたことである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１に記載の加工機械の温度制御装置において、前記工具交換装置は、前記加工エリアより上方で前記後部エリア内に配置され、前記工具交換用の扉は、前記仕切り板の水平方向に延在された部分に前記加工エリアと前記後部エリアとを開閉可能に連通することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、工具によりワークを加工する加工機械の温度制御装置において、加工機械全体を覆うカバーの内部を工具がワークを加工する加工エリアと加工エリア以外の後部エリアとに仕切り板によって区分し、該仕切り板の一部は水平方向に延在して前記加工エリアの天井を形成しており、加工エリアと後部エリアに温度調節された送風エアを夫々供給するようにしたので、各エリアの夫々必要な量の送風エアを供給することにより、加工機械の温度制御を精度よく安定して効率的に行うことができる。
さらに、後部エリア内に工具交換装置を配置し、仕切り板に加工エリアと後部エリアとを開閉可能に連通する工具交換用の扉を設けたので、工具交換装置によって前記扉を通って工具交換するとき以外は、加工エリア及び後部エリアを確実に区分することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、加工エリアより上方で後部エリ ア内に工具交換装置を配置し、仕切り板の水平方向に延在された部分に加工エリアと後部 エリアとを開閉可能に連通する工具交換用の扉を設けたので、工具交換装置によって前記 扉を通って工具交換するとき以外は、加工エリア及び後部エリアを確実に区分することができる。

以下、本発明に係る加工機械の温度制御方法を実施する加工機械の温度制御装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１乃至３において、工場の床面に掘られたピット１内に設置された加工機械であるマシニングセンタ２のベッド３上にはコラム４が水平面内でＺ軸方向に移動可能に支承され、ベッド３に回転可能に軸承された送りネジ５を有する送りネジ機構及び送りネジ５を回転駆動するサーボモータ６によりＺ軸方向に往復移動される。コラム４には、工具を支持する工具支持装置としての主軸台７が上下のＹ軸方向に移動可能に支承され、一対のサーボモータ８及び図略の送りネジ機構によりＹ軸方向に移動される。主軸台７には先端に工具Ｔが着脱自在に装着される主軸９がＺ軸方向に軸承され、主軸モータ１９により回転駆動される。

ベッド３にはテーブル１０がコラム４と対向してＸ軸方向に水平面内で移動可能に装架され、一対のサーボモータ１１及び図略の送りネジ機構によりＸ軸方向に往復移動されるようになっている。テーブル１０上にはチルトテーブル１２がＸ軸と平行なＡ軸回りに回動可能に支承され、サーボモータ１３により旋回駆動される。チルトテーブル１２上には、ワークを保持するワーク保持装置としての回転テーブル１４が回転可能に支承され、サーボモータによりＢ軸回りに割出し回転されるようになっている。回転テーブル１４にはワークＷが取付けられるパレットＰが着脱可能に装着され、回転テーブル１４と主軸台７とのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動及びＡ，Ｂ軸回りの回転によりワークＷが主軸９に装着された工具Ｔにより加工される。

１５はベッド３の前側にピット１内に設置されたパレットチェンジャで、２個のパレット搬入出台１５ａ，１５ｂがＸ軸方向に並んで設けられている。ワークＷの加工が完了すると、テーブル１０がＸ軸方向に移動され、Ａ，Ｂ軸回りに原位置に割り出された回転テーブル１４を一方のパレット搬入出位置と整列する位置に位置決めし、図略の搬入出装置が加工完了したワークＷを載置したパレットＰを空のパレット搬入出位置に搬出し、その後、テーブル１０はＸ軸方向に移動されて回転テーブル１４を他方のパレットＰが搬入出位置と整列する位置に位置決めし、搬入出装置が次に加工するワークＷを載置したパレットＰを回転テーブル１４上に搬入する。

１６は複数の工具Ｔを着脱可能に収納する工具マガジンで、工具マガジン１６は、図２に示すように、ピット１内にコラム３の側方に設置されている。１７はコラム３の上方に装着された工具交換装置で、コラム３が工具マガジン１６と整列する後退位置に後退され、工具ヘッド６が上方の工具交換位置に上昇されたとき、次に使用する工具Ｔを工具マガジン１６から取り出し、使用済みの工具Ｔを主軸９から抜き出して両工具を交換するようになっている。

２０はマシニングセンタ２の全体を覆うカバーで、工具ＴがワークＷを加工する加工エリア２１と加工エリア２１以外の後部エリア２２とに内部が区分されている。即ち、カバー２０の両側壁からコラム４の両側壁に向かって前後仕切り板２３ａ，２３ｂが、ベッド３の下端からコラム４の工具交換装置１７の下方位置まで延在されている。前後仕切り板２３ａ，２３ｂの各内縁はコラム４の両側面に夫々微少隙間を有して対向し、後退端に位置するコラム４の前側が僅かに加工エリア２１に露出する位置に設けられている。

前後仕切り板２３ａ，２３ｂの上端から上下仕切り板２４がテーブル１０側に向けて水平方向に延在され、上方に屈曲されてカバー２０の天井に接続されている。上下仕切り板２４の両端はカバー２０の両側壁に接続されている。上下仕切り板２４にはコラム４が前進するときに侵入する矩形穴２５が前後仕切り板２３ａ，２３ｂの内縁から連続して前方に形成されている。コラム１４の前面には矩形穴２５の一部を閉鎖する庇板２６が、上下仕切り板２４の上方に微小隙間を有して突設されている。上下仕切り板２４の上方には、庇板２６に当接して矩形穴２５を閉鎖する開閉板２７が装架され、開閉板２７はカバー２０の天井に固定されたシリンダ２８のピストンロッドに連結されてシリンダ２８に内臓された圧縮スプリングのばね力により後方に付勢され、庇板２６に当接されて矩形穴２５を常時は閉鎖している。開閉板２７は、コラム４が後退端に位置したとき、シリンダ２８により前方に移動されて庇板２６から開離して矩形穴２５を開放し、工具交換装置１７による工具交換を可能にしている。上下仕切り板２４は開閉板２７の前方への移動を許容するために一部がテーブル１０中央部分まで延在して上方に屈曲され、カバー２０の天井に接続されている。これによりカバー２０の内部は、前後仕切り板２３ａ，２３ｂより前方で、且つ上下仕切り板２４より下方の加工エリア２１と、加工エリア２１以外の後部エリア２２とに区分される。

カバー２０の加工エリア２１及び後部エリア２２に夫々対応する天井には、温度調節された送風エアを供給する開度を調整可能な各一対のポート３０，３１が両側に夫々開口されている。矩形穴２５の両側縁の下方には、矩形穴２５内に侵入したコラム４の側面に上方から下方に向けて送風エアを吹き付けるために多数のエア穴が斜め下方に向けて開口された吹出しダクト３２が夫々配置され、各吹出しダクト３２は前後仕切り板２３ａ，２３ｂに後端部を固定され、パイプによりカバー２０の天井に設けられた開度を調整可能なポート３３に接続されている。カバー２０の天井の一方側に設けられたポート３０，３１，３３はパイプ３４により所定流量の送風エアを送出する空調機３５に接続され、他方側に設けられたポート３０，３１，３３はパイプ３６により空調機３５に接続されている。

ポート３０及び３３の各開口部断面積は、合計断面積が両ポート３０，３３から加工エリア２１に供給される送風エアの流量が加工エリア２１の発熱部の発熱量に基づいて決められた加工エリア流量を満たすとともに、ポート３０，３３の各開口部での流速が０．３ｍ／ｓ〜１．０ｍ／ｓ、好ましくは０．４ｍ／ｓ〜０．５ｍ／ｓとなるように決められている。ポート３１の開口部断面積は、ポート３１から後部エリア２２に供給される送風エアの流量が後部エリア２２の発熱部の発熱量に基づいて決められた後部エリア流量を満たすとともに、開口部での流速が０．３ｍ／ｓ〜１．０ｍ／ｓ、好ましくは０．４ｍ／ｓ〜０．５ｍ／ｓとなるように決められている。さらに、ポート３０，３１，３３の各開口部断面積は、夫々の開口部での流速が略等しくなるように決められている。

カバー２０には、コラム４及びテーブル１０を駆動するサーボモータ６，１１を夫々取り囲むトンネル状のモータ隔離部４０，４１が設けられ、サーボモータ６，１１が発生する熱をサーボモータ６，１１の後端部に設けられたファンによってカバー２０の外部に排熱するようになっている。４２は主軸台７を駆動するサーボモータ８を取り囲み、且つ主軸７を回転駆動する主軸モータ１９が発生する熱を収集するようにコラム４上方を覆う排熱カバーで、カバー２０の天井にＺ軸方向に穿設された長穴４３を覆う巻取り式カバー４４を貫通してカバー外部に開口している。巻取り式カバー４４の中央部分は排熱カバー４２の周囲に気密を保って固定され、両端は長穴４３のＺ軸方向の両端部に装着された巻取り装置４５に巻き取られ、コラム４の移動に伴う排熱カバー４２のＺ方向移動に追従して移動する。

４６は基準温度ブロックで、マシニングセンタ２のベッド３が設置されているピット１のカバー２０の外部に設置されている。これにより基準ブロック４６の設置場所はカバー２０の内部であるか外部であるかの違い以外の点では、ベッド３の設定場所と同じ条件である。基準ブロック４６の内部温度は温度計４７により測定され、その内部温度に基づいてカバー２０に供給される送風エアの温度が調節される。基準ブロック４６は加工による発熱及び駆動モータの発熱などの影響を受けることがなく、ベッド３をピット１内に放置した場合と略同じ温度になる。

５０はカバー２０の天井に加工エリア２１の前方両側の設けられたポートで、バキュームポンプ５１にパイプ５２で接続され、クーラントミスト、切粉等の粉塵を含んだ加工エリア２１内のエアをバキュームポンプ５１で吸い出してフィルタにより濾過してカバー２０の外部に排出する。カバー２０の前面には、パレットＰをテーブル１０とパレットチェンジャ１５との間で搬入出するための搬入出口５３が設けられ、開閉カバー５４により開閉されるようになっている。５５は工具ＴによるワークＷの加工によって生じる切粉をクーラントと分離して回収する切粉回収装置である。切粉はテーブル１０の下方でベッド１に設けられたスクリュウコンベアにより切粉回収装置５５に排出される。

カバー２０内に供給される送風エアを温度調節する空調機３５は、図４に示すように、冷温水を冷媒とする熱交換器６０により送風エアを冷却又は加熱して温度調節し、温度調節された所定流量の送風エアを送風機６６によりパイプ３４，３６に送出するエア温度調節部６１及び熱交換器６０を循環する冷温水の温度を制御する冷温水温度調節部６２及び制御装置６８を含んでいる。冷温水温度調節部６２は、冷温水を収容するタンク６３、タンク６３内の冷温水を冷却する冷凍機６４、過熱する電気ヒータ６５を有する。タンク６３内で温度制御された冷温水はポンプ６５により汲み上げられて熱交換器６０に送られ、空調機３５内の送風エアを温度調節してタンク６３に戻る。タンクとポンプ６５との間には熱交換器６０に送出される水量を調整する流量制御弁６７が介在されている。

制御回路６８には、温度計４７により測定された基準ブロック４６の内部温度Ts及び工場内の温度Trが温度計４７，７０により夫々測定されて入力され、制御回路６８は、基準ブロック４６の内部温度Tsをエア目標温度Tatとし、エア目標温度Tatと工場内温度Trとに基づいて熱交換器６０を循環する冷温水の冷温水目標温度Twtを算出する。タンク６３内の冷温水の温度Twが温度計７１により測定されて制御回路６８に入力され、冷温水目標温度Twtと冷温水実測温度Twとの差に基づいて冷凍機６４、電気ヒータ６５をオンオフ制御して冷温水の温度を目標温度Twtに制御する。制御装置６８にはエア温度調節部６１から送風機６６により送出された送風エアの温度Taが温度計６９により測定されて入力され、制御装置６８はエア実測温度Taとエア目標温度Tatとの差に応じて流量調整弁６７の開度を制御し、熱交換器６０を循環する冷温水の流量を制御してカバー２０内に供給する送風エアの温度を目標温度Tatに調節する。

次に、本発明に係る工作機械の温度制御方法の実施形態を上述の装置の実施形態の作動とともに説明する。回転テーブル１４上にクランプされたパレットＰに取り付けられたワークＷと主軸９に装着された工具Ｔとは、サーボモータ６，８，１１によるコラム４、主軸台７、テーブル１０のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動、サーボモータ１３によるチルトテーブル１２の旋回及び図略のサーボモータによる回転テーブル１４の回転により相対的に移動され、工作物Ｗが工具Ｔにより加工される。加工エリア２１及び後部エリア２２には、空調機３５により温度調整された送風エアがパイプ３４，３６を通ってポート３０，３１から夫々供給される。温度調整された送風エアはパイプ３４，３６を通ってポート３３を経て各吹出しダクト３２からコラム４の両側面に向けて吹き付けられる。加工エリア２１内のクーラントミスト、切粉等の粉塵を含んだエアはバキュームポンプ５１で吸い出され、フィルタにより濾過されてカバー２０の外部に排出される。

基準ブロック４６の内部温度が温度計４７により測定されて目標温度Tatとして制御回路６８に入力され、空調機３５のエア温度調節部６１から送出された送風エアの温度Taが温度計６９により測定されて制御回路６８に入力される。制御回路６８は目標温度Tatとエア実測温度Taとの差に基づいて流量制御弁６７を開閉し、熱交換器６０を循環する水量を制御してエア実測温度Taがエア目標温度Tatになるように制御する。エア目標温度Tatに調節された送風エアが加工エリア２１、後部エリア２２にポート３０，３１から供給され、両エリア２１，２２内の温度がTatに維持されてマシニングセンタ２のコラム４、テーブル１０などの機械温度がTatになる。機械温度Tmはコラム４等に取り付けられた温度計４８により測定され、機械温度Tmとエア目標温度Tatとの差が設定値以下になると制御装置６８は加工準備完了信号を図略の数値制御装置に送出する。

工場内温度Tr及び基準温度Tsが、一例として図５に示すように変化した場合、上記工作機械の温度制御方法により目標温度Tatに制御された送風エアを加工エリア流量及び後部エリア流量づつ加工エリア２１及び後部エリア２２に夫々供給した結果、頭書は基準温度Tsから乖離していた加工エリア２１及び後部エリア２２内の温度延いては機械温度Tmが時間の経過とともに基準温度Tsに良好に追従し、マシニングセンタ２のベッド３、コラム４、テーブル１０等の各部位の温度が基準温度Tsと略等しくなって熱変形が減少し、加工精度が極めて向上した。そして、各ポート３０，３１，３３の開口部での送風エアの流速を０．３ｍ／ｓ〜１．０ｍ／ｓの範囲にある流速のうちの略等しい流速として、送風エアが乱流になる程度を抑えるとともに、送風エアによる機械各部位の冷却態様を同様にしたので、加工エリア２１及び後部エリア２２内の温度ムラを抑えることができて機械温度が局部的に低下することを防止できる。特に、各ポート３０，３１，３３の開口部での送風エアの流速を０．４ｍ／ｓ〜０．５ｍ／ｓの範囲内で略等しくすると、加工エリア２１及び後部エリア２２内の各所での温度ムラを極めて小さくすることができた。

機械温度Tmを基準ブロック４６の内部温度に早く近づけるために、カバーに供給される送風エアの目標温度を、基準ブロック４６の内部温度が工場内温度Trより低い場合は、エア目標温度Tatを基準ブロック４６の内部温度より若干低く、高い場合は若干高く設定してもよい。

空調機３５から送出される送風エアの量をウォームアップ時は多く、定常状態時には少なくするように制御してもよい。また、加工エリア２１及び後部エリア２２の各天井に開口されたポート３０，３１に流量制御弁を設け、この流量制御弁を手動又は自動で開度を調整して各エリア２１，２２に供給される送風エアの量を調整するようにしてもよい。

研削盤、旋盤、フライス盤等の工作機械及びレーザ加工機などに本発明に係る加工機械の温度制御装置を適用してもよい。

本発明に係る工作機械の温度制御装置の実施形態の側面断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 工作機械の温度制御装置の外観斜視図。 空調機を説明する図。 各所の温度変化の実測値を示すグラフ。

符号の説明

１・・・ピット、２・・・マシニングセンタ、３・・・ベッド、４・・・コラム、６，８，１１・・・サーボモータ、７・・・主軸台、９・・・主軸、１０・・・テーブル、１５・・・パレットチェンジャ、１９・・・主軸モータ、２０・・・カバー、２１・・・加工エリア、２２・・・後部エリア、２３ａ，２３ｂ・・・前後仕切り板、２４・・・上下 仕切り板、２７・・・開閉板、３２・・・吹出しダクト、３５・・・空調機、３４，３６・・・パイプ、３５・・・空調機、４０，４１・・・モータ隔離部、４２・・・排熱カバー、４６・・・基準温度ブロック、４７，６９，７０，７１・・・温度計、６１・・・エア温度調節部、６２・・・冷温水温度調節部、６４・・・冷凍機、６５・・・電気ヒータ、６７・・・流量制御弁、６８・・・制御装置、Ｗ・・・ワーク、Ｔ・・・工具。

Claims (2)

1. ベッド上に工具を支持する工具支持装置とワークを保持するワーク保持装置とを装架し、前記工具支持装置と前記ワーク保持装置とを相対的に移動させて工具によりワークを加工する加工機械の温度制御装置において、
   前記加工機械の全体をカバーで覆い、該カバーの内部を工具がワークを加工する加工エリアと加工エリア以外の後部エリアとに仕切り板によって区分し、該仕切り板の一部は水平方向に延在して前記加工エリアの天井を形成しており、温度調節された送風エアを供給するエア供給装置を設け、該エア供給装置を前記加工エリアと後部エリアに夫々接続し、
   前記後部エリア内に工具交換装置を配置し、前記仕切り板に前記加工エリアと前記後部エリアとを開閉可能に連通する工具交換用の扉を設けたことを特徴とする加工機械の温度制御装置。
2. 前記工具交換装置は、前記加工エリアより上方で前記後部エリア内に配置され、
   前記工具交換用の扉は、前記仕切り板の水平方向に延在された部分に前記加工エリアと前記後部エリアとを開閉可能に連通することを特徴とする請求項１に記載の加工機械の温度制御装置。

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