JP5084848B2

JP5084848B2 - 加工機械設備

Info

Publication number: JP5084848B2
Application number: JP2010004979A
Authority: JP
Inventors: 英樹持田; 光蘇
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: JP2011143493A

Description

本発明は、例えば、光学、光通信、医療バイオテクノロジーなどの産業分野の精密部品を加工する加工機械を含んで構成された加工機械設備であって、加工機械の周囲を囲んだカバーの内部の温度を所定値に制御する加工機械設備に関する。

加工機械を連続運転すると、加工機械の各部において発熱がある。また、加工機械は、環境の温度変化の影響も受ける。加工機械の温度が変化して機械各部が熱変形すると、加工機械により加工される製品の加工精度が低下するという問題がある。加工機械の温度変化の問題は、要求精度の高まりにより問題意識が強まり、様々な対策が施されている。一般に、精度の高い加工を行うには、主軸頭に冷却液を循環させて発熱している主軸を冷却したり、加工機械の周囲をカバーで取り囲み、加工室内を温度管理された恒温状態にしたりする方法が採用されている。加工機械自体から生ずる熱を下げる方法としては、主軸の冷却の他に、機械本体内部の冷却、作動油・潤滑油・クーラントの温調管理などが挙げられる。加工室を恒温状態に保つ方法は、空調装置などを使用して加工機械の周囲を取り巻く空気の温度を一定に維持することにより、加工機械の温度変化を抑制する方法である。空調装置の一例としては、インバータ方式のエアコン装置を挙げることができる。このように、加工機械の温度変化を抑制する方法には、加工機械自体を強制的に冷却する方法と、加工機械の周囲の温度を一定に維持する方法とがある。

加工機械の周囲の温度を一定に維持する方法の従来の一例が、特許文献１で開示されている。特許文献１には、加工機械を循環する温度制御液の温度又は加工機械の温度に近付くように、加工室内を加熱、冷却する精密加工装置が開示されている。特許文献１の第２頁の左上欄の第１０行目〜第１７行目には、加工室の室温を制御するエアコン装置を備えた精密加工装置の一実施例を説明する記載、すなわち「４は加工液循環装置で機械の加工部分に水加工液を噴流供給すると共に、機械３のコラム、ヘッド等の構造部分に熱交換器の手段を設けて循環冷却する。５は加工液循環装置の加工液温度制御装置、６は加工室１の室温制御をするエアコン装置、７は加工液循環装置４の液温により前記エアコン装置６を制御し、室温が液温に近付くように制御する温度制御装置である。」がある。また、特許文献１の第２頁の左下欄の第１６行目〜右下欄第１行目には、加工室の室温を制御する室温調整塔を備えた精密加工装置の他の実施例を説明する記載、すなわち「１０が室温調整塔で、内部にコイル状冷却ユニット１１を有し、これにポンプ１２で循環装置内の制御液を循環させ、塔の下方吸入ポートから吸入した空気を冷やし、上方の噴出口から噴出して室内温度を制御する。」がある。

特開昭６３−１４４９１６号公報

特許文献１に開示されている加工室の外にエアコン装置を備えた精密加工装置では、エアコン装置に吸入される空気は加工室外の空気であるため、エアコン装置は加工室外の温度の影響を受けやすく、加工室内の目標設定温度と加工室外の温度との温度差が大きい場合や加工室外の温度変動が大きい場合には、エアコン装置の冷却能力の限界により加工室を設定温度に調整することができなくなる場合があり、高性能のエアコン装置に交換する必要がある。
また、加工室に室温調整塔を備えた精密加工装置では、加工室の空気が室温調整塔に吸入され、低温の制御液が循環するコイル状冷却ユニットとの間で熱交換されて、冷やされた空気が加工室に排出されるようになっているが、加工室内の空気の温度は、加工機械の稼働時間や加工負荷によって変動し、その変動幅が大きくなり、加工室内の温度を設定温度に調整できない場合がある。

本発明は、冷却能力の低い空調装置でも、加工機械を取り囲んだカバー内部を設定温度に応答性良く、かつ、精度良く調整することができる加工機械設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、加工機械を取り囲んだカバーの内部の温度を所定値に制御する加工機械設備であって、ワークを加工する加工機械と、前記加工機械に用いる潤滑油、機械本体の冷却液、加工液又は油圧機器の作動油である液体の温度を制御する液温コントローラと、前記カバー外部の空気を取り込み、前記液温コントローラで温度制御された液体との間で熱交換した空気を送出する熱交換器と、前記熱交換器から送出される空気を取り込み、該空気を蒸発器を通して熱交換し、所定の温度にして前記カバーの内部に吹き出す空調装置と、前記カバーに設けられ、前記カバーの内部の空気を外部に排出する排気口と、を具備する加工機械設備が提供される。

また、本発明によれば、前記空調装置は、前記熱交換器から送出される空気を分岐して冷媒の空冷ファンの吸気口まで導く管路と、冷媒を空冷した後の空気を前記カバーの外部へ排出するダクトとを有する加工機械設備が提供される。

また、本発明によれば、前記液温コントローラは、前記熱交換器から送出される空気を分岐して冷媒の空冷ファンの吸気口まで導く管路と、冷媒を空冷した後の空気を前記カバーの外部へ排出するダクトとを有する加工機械設備が提供される。

以上の如く、本発明の加工機械設備によれば、空調装置には、液温コントローラで温度制御された液体との間で熱交換された目標設定温度に近い温度の空気が供給されるから、加工室内の目標設定温度と加工室外の温度との温度差が大きい場合でも、冷却能力の低い空調装置を使用して、加工室の温度を精度良く調温することができる。また、加工室外の温度の変動幅が大きい場合でも、空調装置には予め熱交換されて温度の変動幅が小さくなった空気が供給されるから、温度制御の応答性を向上することができ、かつ、恒温状態を維持することができる。さらに、空調装置や液温コントローラが有している冷媒の凝縮器の空冷ファンの吸気口に、熱交換されたほぼ一定温度の空気が供給されるから、凝縮器における冷媒の冷却作用が安定し、空調装置や液温コントローラから出力される空気や液体の温度の変動幅がほとんどなくなる。

本発明の加工機械設備の一実施形態を示す図である。図１の加工機械設備の要部を示した詳細図である。

図１には、本発明の加工機械設備の一実施形態を説明するための図が示されている。加工機械１は、直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚを有する立形マシニングセンタある。加工機械１は、ベッド４に対して水平移動可能に支持されたテーブル７と、コラム５に対して紙面に垂直な方向に移動可能に支持されたサドル８と、サドル８に対して上下移動可能に支持された主軸頭９と、を具備している。主軸頭９には、縦向きに主軸１０が回転支持され、主軸１０の下端にはドリルやエンドミルなどの回転工具を保持する図示しない工具ホルダが、回転工具を下向きにした状態で装着されるようになっている。回転工具とテーブル７に保持されたワークとは、直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚを動かすことにより相対的に動作し、ワークが所定の形状に加工されるようになっている。サドル８はＸ軸方向に、テーブル７はＹ軸方向に、主軸頭９はＺ軸方向に、それぞれ直動ガイドに案内されながら、例えばリニアモータにより駆動される。

また、加工機械１は、本体の温度分布を略均一に保つための熱変形防止手段６０を有している。熱変形防止手段６０は、ベッド４とコラム５の内部の空洞に充満させた液体を循環させるポンプと、このポンプを起動、停止して液体の循環時間を制御する循環時間制御部などを備えている。コラム５は、空洞に充満させた液体中に浸漬された温度センサ１１を有している。温度センサ１１は、機械本体の重心の近傍に位置するように、液体中に浸漬されている。温度センサ１１を機械本体の中央位置近傍に位置させることで、機械本体の平均化された温度を機体温度として検出することが可能となる。温度センサ１１により検出された機体温度は、機械各部の温度を制御する際に参照される基準温度として使用することができる。

図２には、液温コントローラ１５、熱交換器２５、空調装置３５の構成が示されている。本実施形態の液温コントローラは、主軸軸受用の潤滑油の温度を調整する制御装置として構成されている。主軸頭９に回転可能に支持される主軸１０は、一定温度の潤滑油により潤滑、冷却され、主軸の発熱が抑制されるようになっている。高速で回転する主軸１０は、加工機械１の主要な発熱源の一つであるため、主軸１０を所定温度に冷却することは、加工精度を高める上で非常に重要である。目標とする主軸の温度には、温度センサ１１により検出された機体温度が参照される。高速回転する主軸軸受を冷却することにより、主軸が軸方向に熱変形（伸長）することが防止され、高能率加工及び高精度加工の課題の一つである主軸の熱変形問題を解決することが可能となる。液温コントローラが温度制御する液体は、主軸用の潤滑油に限らず、他の潤滑油や、機械本体の冷却液、加工液、油圧機器の作動油等がある。加工機械には、これら何らかの液体の液温コントローラが付属している場合が多い。

図示するように、液温コントローラ１５は、タンク１２からポンプ１３により汲み上げられた潤滑油を冷却する冷却部１６を備えている。潤滑油は、主軸に供給されて熱を吸収し、タンク１２に回収されるようになっている。タンク１２に回収される潤滑油は、温度センサ１４（図１）により温度が検出され、冷却部１６の制御部にフィードバックされて、目標温度に冷却されるようになっている。液温コントローラ１５の冷却部１６は、冷却部１６を循環する冷媒と、蒸気の状態の冷媒ガスを圧縮して高温の過熱蒸気にする圧縮器１８と、圧縮器１８から流出する冷媒ガスを冷却して液化する凝縮器２０と、液化した冷媒を低温低圧の冷媒とする膨張弁２２と、低温低圧の冷媒がタンク１２からポンプ１３により汲み上げられた潤滑油から熱を奪い、潤滑油を冷却する蒸発器２４とを有している。蒸発器２４から流出する気化した冷媒は、再び圧縮器１８に流入して冷却部１６内を循環する。圧縮器１８は、インバータ制御され、モータの駆動周波数を変更することにより、回転速度が変更されて冷却能力が調整されるようになっている。圧縮器１８の冷却能力や膨張弁２２の開度は、潤滑油の戻り温度及び加工機械の機体温度に基づいてフィードバック制御により調整されるようになっている。凝縮器２０は、流入する高温の冷媒ガスを冷却する空冷ファン２１と、後述する熱交換器２５により熱交換された空気を流入させる吸気口１９と、冷媒を空冷した後の空気を加工機械１のカバー３の外部へ排出するダクト２３とを有している。凝縮器２０では、空冷ファン２１と流入した冷たい空気とにより、高温の冷媒ガスの奪熱効果が高められ、冷却部１６の冷却能力が向上する。

熱交換器２５は、工場内の暖かい空気と液温コントローラ１５により所定温度に冷却された冷たい潤滑油とが熱交換することにより、工場内から取り込んだ空気を冷却し、冷たい空気を管路２６，２７を介して液温コントローラ１５及び空調装置３５に供給する。液温コントローラ１５には分岐点ａで一方向に分岐した冷たい空気が供給され、空調装置３５には分岐点ａで他方向に分岐した冷たい空気が供給される。空調装置３５に流入した冷たい空気は、分岐点ｂで二方向に分岐し、一方は凝縮器４０に供給され、他方は蒸発器４４に供給される。従来は、工場内の暖かい空気が液温コントローラ１５及び空調装置３５に供給されていたが、本発明では、本実施形態に係る熱交換器２５が新しい設備として付加されているため、冷たい空気が液温コントローラ１５及び空調装置３５に供給されるものとなり、空調装置３５の冷却能力の負荷を軽減することが可能となる。また、液温コントローラ１５及び空調装置３５から出力される液体や空気の温度の変動がほとんどなくなる。

空調装置３５は、冷却部３６内を循環する冷媒と、蒸気の状態の冷媒ガスを圧縮して高温の過熱蒸気にする圧縮器３８と、圧縮器３８から流出する冷媒ガスを冷却して液化する凝縮器４０と、液化した冷媒を低温低圧の冷媒とする膨張弁４２と、加工室２の温度に比べて相対的に温度が高い熱交換器２５から流出する空気と低温低圧の冷媒との間で熱交換し、管路４５を介して冷たい空気を加工室２に吹き出す蒸発器４４とを有している。空気を加工室２に吹き出すためにファン４６が設けられている。凝縮器４０は、流入する高温の冷媒ガスを冷却する空冷ファン４１と、熱交換器２５により熱交換された冷たい空気を流入させる吸気口３９と、冷媒を空冷した後の空気を加工機械１のカバー３の外部へ排出するダクト４３とを有している。凝縮器４０には、熱交換器２５から流出する冷たい空気が管路２７を介して流入し、空冷ファン４１と流入した冷たい空気とにより、高温の冷媒ガスの奪熱効果が高められる。熱交換器２５から流出する冷たい空気は、分岐点ａ，ｂを経由して、ファン４６によって蒸発器４４にも流入する。蒸発器４４に流入した冷たい空気は、冷却部３６内を循環する冷媒との間で熱交換し、管路４５を介して加工室２に供給される。加工室２内の塵埃や油などのミストを含んだ汚れた空気は、カバー３に開口形成された排気口６からカバー３の外部へ、ミストコレクタ５０を経由して排気ダクト５１により排出されるため、加工室２の塵埃や湿気が除かれる。これにより、加工室２の温度が工場内の温度より相対的に低い所定の温度に調整され、加工機械１の発熱が抑制され、精度の良い加工が行われる。

以上のように、本実施形態の加工機械設備１によれば、空調装置３５の凝縮器４０や蒸発器４４には、熱交換器２５から流出する冷たい空気が供給されるから、凝縮器４０や蒸発器４４の負荷が小さくなり、これにより高消費エネルギーで高出力の圧縮器で冷媒ガスを強力に圧縮して高温、高圧の過熱蒸気にする必要性が低減する。このため、相対的に低出力で冷却能力の低い空調装置を使用して、加工室２の温度を応答性良く、かつ、精度良く調温し、加工機械１の熱変形を抑制することができる。また、熱交換器２５から流出する冷たい所定温度の空気が液温コントローラの凝縮器２０に送風されるので、調温される液体の温度の変動がなくなる。

次に、加工機械１の稼働開始時は、加工室２内の温度が目標温度より低い場合がある。その場合は、空調装置３５の冷却部３６内の冷媒を冷凍サイクルの逆サイクル、すなわちヒートポンプサイクルで運転させ、暖かい空気を加工室２内へ供給する。その場合、蒸発器４４は凝縮器として作用し、圧縮器３８で圧縮して高温になった冷媒ガスをファン４６で空冷して液化させる。空冷に用いる空気は、熱交換器２５から送出された空気であり、高温の冷媒ガスを空冷することによって暖まり、管路４５を通って加工室２内へ放出され、加工室２内の温度を上昇させる。凝縮器４０は蒸発器として作用し、周囲又は熱交換器２５からファン４１によって導かれた空気から熱を奪い、冷媒を気化させる。熱を奪われた空気は、ダクト４３を通って排出される。加工機械１が稼働すると加工機械１からの発熱もあって、加工室２内の温度はすぐに目標温度より上昇し、空調装置３５の冷却部３６は冷凍サイクルに切替えられ、上述の温度調整がなされる。なお、ヒートポンプサイクルを採用せず、蒸発器４４から加工室２内へ空気が供給される管路の途中に加熱器を設けて、加熱された空気が加工室２内へ供給されるように構成してもよい。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、加工機械として、横形マシニングセンタ。ターニングセンタ等他の加工機械を用いることができる。本実施形態では、熱交換器２５から流出する冷たい空気は、分岐点ａで二方向に分岐し、一方が液温コントローラ１５に供給され、他方が空調装置３５に供給されているが、熱交換器２５から流出する冷たい空気を空調装置３５だけに供給することも可能である。そのとき、分岐点ｂで分岐せず、蒸発器４４にだけ供給してもよい。

さらに、本実施の形態では、液温コントローラ１５によって所望温度に調整された潤滑油を主軸へ導入する管路から分流して熱交換器２５へ流入させる構成を示したが、分流せずに、蒸発器２４によって冷却された潤滑油をすべて熱交換器２５に流入させ、その後主軸へ循環させるようにしてもよい。この場合は、蒸発器２４を通過した潤滑油はより冷却され、熱交換器２５を通過した後の液温が上述の分流した場合に主軸へ供給させる液温と同じになるように制御される。また、ミストコレクタ５０がなく、加工室２内の空気を排気口６からダクト５１を通して、工場外へ排出してもよい。なお、ダクト２３，４３，５１から加工機械１のカバー３の外部へ空気を排出すると述べたが、熱交換器２５の空気取込み口から離れた場所へ排出するのが望ましい。

１加工機械
２加工室
３カバー
４ベッド
５コラム
７テーブル
８サドル
９主軸頭
１５液温コントローラ
２０，４０凝縮器
２４，４４蒸発器
２５熱交換器
３５空調装置

Claims

加工機械を取り囲んだカバーの内部の温度を所定値に制御する加工機械設備であって、
ワークを加工する加工機械と、
前記加工機械に用いる潤滑油、機械本体の冷却液、加工液又は油圧機器の作動油である液体の温度を制御する液温コントローラと、
前記カバー外部の空気を取り込み、前記液温コントローラで温度制御された液体との間で熱交換した空気を送出する熱交換器と、
前記熱交換器から送出される空気を取り込み、該空気を蒸発器を通して熱交換し、所定の温度にして前記カバーの内部に吹き出す空調装置と、
前記カバーに設けられ、前記カバーの内部の空気を外部に排出する排気口と、
を具備することを特徴とした加工機械設備。
前記空調装置は、前記熱交換器から送出される空気を分岐して冷媒の空冷ファンの吸気口まで導く管路と、冷媒を空冷した後の空気を前記カバーの外部へ排出するダクトとを有する請求項１に記載の加工機械設備。
前記液温コントローラは、前記熱交換器から送出される空気を分岐して冷媒の空冷ファンの吸気口まで導く管路と、冷媒を空冷した後の空気を前記カバーの外部へ排出するダクトとを有する請求項１又は２に記載の加工機械設備。