CN108214087A - 机床的温度估计方法及热位移校正方法 - Google Patents

机床的温度估计方法及热位移校正方法 Download PDF

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Abstract

提供机床的温度估计方法及热位移校正方法，以简易的方法高精度地估计难以直接测定温度的部位的温度。在S1中，取得冷却剂的排出/停止状态的信息。冷却剂的排出/停止状态的信息由将排出的状态设为1、停止的状态设为0的标志表示。接下来，在S2中，从设置于机床的各部分、加工空间以及冷却剂罐的温度传感器取得温度数据。接下来，在S3中，对冷却剂的排出/停止状态标志进行延迟处理，计算与冷却剂及结构体的测定温度对应的系数。接下来，在S4中，各测定温度乘以系数，计算未安装有温度传感器的部位的估计温度。

Description

机床的温度估计方法及热位移校正方法
技术领域
本发明涉及估计在机床中不能由温度传感器等温度检测单元直接检测温度的部位的温度的方法以及根据该估计温度校正热位移的方法。
背景技术
使用机床进行加工的情况下，因主轴、进给轴动作等引起的机床发热、及机床的设置环境的温度变化、冷却剂的温度变化等的影响，使得机床各部分发生热变形。由于这样的热位移使刀具与工件的相对位置变化，因此当在加工中机床产生热位移时，工件的加工精度变差。
在加工中多数情况下使用冷却剂。使用冷却剂的情况下，开始排出时，有时因冷却剂与工件或结构体之间的温度差引起的急剧的温度变化而产生较大的位移。另一方面，在停止排出冷却剂的情况下，因来自工件或结构体的表面的水蒸发产生的汽化热而使得产生急剧的温度变化。在该影响下，再开始加工时，存在产生大的位移的情况。
广泛采用热位移校正作为抑制机床的热位移的方法，该热位移校正是在机床的结构体各部分安装温度传感器，根据测定出的温度计算位移量，并据此使轴移动量变化。但是，机床中，旋转部、可动部多，由于布线等的制约，难以测定温度的部位也多。此外，至于相对于机床拆装的工件或刀具，也难以直接测定温度。因此，代替难以测定的部位而考虑了使用容易测定的部位的温度来进行校正的方法，但由于不同的部位存在温度差，因此有时热位移的估计精度下降，校正误差增大。而且难以测定温度的部位大多是也容易受到冷却剂的影响的部位，存在校正误差进一步增大的趋势。
作为针对以上问题的对策，专利文献1中公开了以下的发明：在旋转部即难以安装温度传感器的转塔头中设置温度模拟块，由温度模拟块间接地测定转塔头的温度。该温度模拟块被设计成热容量接近转塔头，使喷射前的冷却剂热接触。设为通过使用该温度模拟块的温度，能够高精度地估计热位移。
专利文献2中公开了以下的发明：对于主轴热位移的估计，使用在使用冷却剂时与不使用冷却剂时不同的系数，在使用冷却剂时，通过根据主轴与冷却剂之间的温度差调整系数，校正冷却剂的影响所导致的误差。
专利文献3中公开了以下的发明：判定冷却剂的温度变化趋势，按温度上升时和温度下降时分开使用过滤系数，由此高精度地估计受到冷却剂的影响的结构体的温度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第3897884号公报
专利文献2：日本特开2002-301637号公报
专利文献3：日本特开2002-326141号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1的方法中，以使用冷却剂来加工为前提。在以不使用冷却剂的方式进行加工的情况下，考虑到由于转塔头和温度模拟块的周围环境不同，因此温度差增大，校正误差增大。此外，在转塔头的大小不同的机床中，由于必须与此相应地改变温度模拟块，因此机床的设计、制造时的工夫增多。
在专利文献2所述的方法中，关于主轴热位移的估计，由于使用在使用冷却剂时和不使用冷却剂时不同的系数，因此无论使用冷却剂时还是不使用冷却剂时都能够应对。然而，实际应用上还存在困难之处。
此处记载有如下意思：根据主轴与冷却剂之间的温度差来调整系数，但该调整方法基于实验来确定。然而预计实际上难以单纯地根据主轴与冷却剂之间的温度差来调整系数。例如，预计在主轴温度高、冷却剂的温度接近室温的情况下与主轴温度不高但冷却剂的温度比室温低的情况下，即使温度差相同，影响也不同。该情况下，必须对各种主轴温度、冷却剂温度测定热位移而确定系数，需要许多实验数据。此外，关于过渡状态，针对停止使用冷却剂后的变化记载了改善方法，但没有记载开始排出后的变化。
在专利文献3所述的方法中，未考虑使用冷却剂的情况和不使用冷却剂的情况下的区别，认为不使用冷却剂的情况下校正误差增大。
并且，即使使用专利文献2和专利文献3所述的任一方法，也不能应对开始排出时的冷却剂与工件或结构体之间的温度差大的情况下产生的急剧变化。
因此，本发明的目的在于提供机床的温度估计方法和基于估计的温度的热位移校正方法，以简易的方法高精度地估计难以直接测定温度的部位的温度。
用于解决课题的手段
为了达到上述目的，技术方案1所述的发明是一种方法，在具有分别设置有温度传感器的多个设置部位和未设置温度传感器的非设置部位的机床中，估计非设置部位的温度，所述方法的特征在于，执行以下步骤：
温度信息取得步骤，从两个以上的不同的设置部位分别取得温度传感器得到的温度信息；运转信息取得步骤，取得以ON和OFF这两种状态表示的规定的运转信息；系数确定步骤，以运转信息从ON到OFF或者从OFF到ON的切换作为基准时间，以与从基准时间起经过的时间相应地变化的方式分别确定与各温度信息对应的系数；以及温度估计步骤，根据温度信息和与温度信息对应的系数估计非设置部位的温度。
另外，温度传感器的“设置部位”及“非设置部位”也包括加工空间等机床内的空间。
技术方案2所述的发明的特征在于，在技术方案1的结构中，在系数确定步骤中，将运转信息表示为标志，并且预先设定一个以上的时间常数，使用时间常数来对标志进行延迟处理，由此确定与任意时刻的各温度信息对应的系数。
技术方案3所述的发明的特征在于，在技术方案2的结构中，时间常数在运转信息从ON切换到OFF时与从OFF切换到ON时是不同的值。
技术方案4所述的发明的特征在于，在技术方案1至3中的任意一项的结构中，机床能够使用冷却剂，温度信息包括机床的结构体或加工空间的温度和冷却剂温度，运转信息是冷却剂的排出或停止，
在系数确定步骤中，以冷却剂从排出到停止或者从停止到排出的切换作为基准时间，以与从基准时间起经过的时间相应地变化的方式，分别对结构体或加工空间的温度和冷却剂温度确定与温度信息对应的系数，在温度估计步骤中，根据结构体或加工空间的温度、冷却剂温度以及与温度信息对应的系数，估计非设置部位的温度。
技术方案5所述的发明的特征在于，在技术方案4的结构中，在系数确定步骤中，预先设定两个时间常数，对标志分别使用各时间常数进行延迟处理，由此确定与温度信息对应的系数，在温度估计步骤中，进行了延迟处理的两个时间常数之差与规定的系数相乘，由此估计停止冷却剂后的汽化热引起的温度变化，将该温度变化考虑进去而估计非设置部位的温度。
技术方案6所述的发明的特征在于，在技术方案5的结构中，在结构体的周围或者加工空间设置湿度计，与由湿度计测定出的湿度相应地改变时间常数及/或规定的系数。
技术方案7所述的发明的特征在于，在技术方案1至3中的任意一项的结构中，机床具备能够通过对工件的加热来进行加工或者热处理的加热装置，温度信息包括机床的结构体或加工空间的温度、以及对工件的加热温度，运转信息是加热装置的运转或停止，
在系数确定步骤中，以加热装置从运转到停止或者从停止到运转的切换作为基准时间，以与从基准时间起经过的时间相应地变化的方式，分别对结构体或加工空间的温度和加热温度确定与温度信息对应的系数，在温度估计步骤中，根据结构体或加工空间的温度、加热温度以及与温度信息对应的系数，估计非设置部位的温度。
技术方案8所述的发明的特征在于，在技术方案2、3、5、6中的任意一项的结构中，时间常数是根据工件、刀具、夹具、工装中的至少一种来设定的。
为了达到上述目的，技术方案9所述的发明是一种方法，在具有分别设置有温度传感器的多个设置部位和未设置温度传感器的非设置部位的机床中，校正非设置部位的热位移，所述方法的特征在于，执行以下步骤：
非设置部位温度估计步骤，使用权利要求1、2、3、5、6中的任意一项所述的温度估计方法估计非设置部位的温度；热位移计算步骤，使用估计出的温度计算热位移量；以及校正步骤，根据计算出的热位移量校正刀具的刀尖位置。
发明效果
根据本发明，能够以简易的方法，根据温度传感器的设置部位的温度测定结果，高精度地估计难以直接测定温度的非设置部位的温度。
特别是，进行以下处理：使用以ON和OFF这两种状态表示的运转信息，以状态的切换为基准时间，与从基准时间起经过的时间相应地变化的方式求出与两个以上的不同位置的温度分别对应的系数。因此，能够切换运转状态为ON时和OFF时所使用的温度，而且在切换状态的时刻，估计温度不会急剧地变化，而是平稳地变化。
并且，在机床中，使用温度传感器的非设置部位的估计温度来计算热位移量，由此能够使热位移校正的精度即加工精度提高。
根据技术方案2所述的发明，除了上述的效果，还将运转信息表达为标志，设定时间常数，对标志进行延迟处理，由此求出与温度对应的系数，因此能够以时间常数这一参数表达运转状态变化时的温度变化的趋势，能够以简单的形式表达计算式。因而，容易进行用于高精度地估计实际的温度变化的参数调整。
根据技术方案3所述的发明，除了上述的效果，还通过将时间常数设定成在ON→OFF时与OFF→ON时为不同的值，在各自的情况下能够高精度地估计温度。
根据技术方案4所述的发明，除了上述的效果，还适用于冷却剂的影响引起的温度变化，利用冷却剂的排出/停止状态的信息，由此无论是否使用冷却剂都能估计温度。此外，通过使用冷却剂温度和结构体温度这两者，在开始排出冷却剂时两者的温度差大的状况下也能够应对。
并且，进行如下处理：以冷却剂从排出到停止、以及从停止到排出的状态的切换作为基准时间，使结构体温度和冷却剂温度的系数与时间一同变化。因此，在切换状态的时刻，估计温度不会急剧地变化，而是平稳地变化。基于以上的效果，也能够应对冷却剂的状态切换为排出→停止或者停止→排出后的过渡状态下的大幅的温度变化。
根据技术方案5所述的发明，除了上述的效果外，若为了应对使冷却剂停止的情况下产生的汽化热导致的温度急剧下降，适当地设定两个时间常数和系数，则还能够高精度地估计汽化热引起的温度变化。
根据技术方案6所述的发明，除了上述的效果外，即使汽化热的大小受环境的湿度或操作门的开闭的影响而变化，也通过湿度计监测加工空间等的湿度，据此使参数变化，因此即使环境变化，也能够高精度地估计汽化热的影响。
根据技术方案7所述的发明，除了上述的效果外，还适用于激光器等加热装置的影响引起的温度变化，因此能够进行如下处理：使用加热温度和结构体或加工空间的温度这两者，以停止→加热、加热→停止的状态的切换作为基准时间，使加热温度和结构体或加工空间的温度的系数与时间一同变化。由此，在切换状态的时刻，估计温度不会急剧地变化，而是平稳地变化。基于以上的效果，也能够应对切换为停止→加热或者加热→停止后的过渡状态的大幅的温度变化。此外，如果以时间常数这一参数表达使用加热装置时的温度变化的趋势，则能够用简单的形式表达计算式，在作为加工对象的工件发生了变化时等，也容易进行用于高精度地估计实际的温度变化的参数调整。
根据技术方案8所述的发明，通过根据工件或刀具等的种类设定时间常数，能够估计它们的温度变化，即使工件或刀具等改变，也能够高精度地估计温度变化。
附图说明
图1是数控车床的示意图。
图2是温度估计及热位移校正的流程图。
图3是表示某使用条件下的刀架温度、转塔实测温度、罐内冷却剂温度、转塔估计温度的变化的曲线图。
图4是表示求出了估计温度的情况及使用了替代温度的情况下的转塔温度的估计误差的曲线图。
图5是表示对冷却剂的排出/停止执行一阶延迟处理来使各温度的系数变化的情况下的刀架温度和冷却剂温度的系数的曲线图。
标号说明
1：刀架；2：滑动座架；3：基床；4：主轴台；5：转塔；6：冷却剂罐；7：流量传感器；8：冷却剂泵；S：温度传感器
具体实施方式
以下基于附图说明本发明的实施方式。
图1示出作为机床的一个例子的数控车床。当然本发明也能适用于加工中心、多功能机床这样的其他形式的机床。
图1的数控车床上具有刀架1、滑动座架2、作为基座的基床3、主轴台4，它们分别安装有温度传感器S(温度传感器的设置部位)。此外，刀架1上安装有转塔5，转塔5预先安装有多个刀具，能够通过使多个刀具旋转来改变使用的刀具。该转塔5上未安装温度传感器(温度传感器的非设置部位)。这是因为转塔5是旋转部，在通常的温度传感器中布线困难。
此外，在基床3的侧方设置有冷却剂罐6，在冷却剂罐6的内部安装有测定冷却剂的温度的温度传感器S。并且，在从冷却剂罐6到刀架1的管道的中途，安装有流量传感器7，设置于冷却剂罐6的冷却剂泵8的排出/停止的信号被发送到未图示的数控装置。
另外，测定冷却剂的温度传感器也可以设置在管道的中途等敏感地受到冷却剂温度变化的影响的其他部位，代替设置在冷却剂罐6内。此外，作为取得冷却剂的排出/停止的信号的方法，如图1所示，除了由设置于管道的流量传感器7求出的方法之外，还可以使用从数控装置读取针对冷却剂泵8的指令值的方法、由传感器检测冷却剂泵8的旋转的方法等。
接下来，根据热传递的理论，对估计图1的数控车床中未设置有温度传感器的转塔5的温度的方法进行研究。
首先，考虑开始排出冷却剂时的温度变化。
此处，将转塔5的温度设为θt，冷却剂的温度设为θC，若用微分方程式表示转塔5的温度变化和转塔5与冷却剂之间的热交换的关系，则为以下的数学式(1)。
在数学式(1)中，ρ、C、V分别表示转塔5的密度、比热、体积。此外，hC是冷却剂与转塔5之间的热传递系数，A是转塔5的表面积。将与冷却剂对应的温度变化时间常数设为TC而能够如以下的数学式(2)、(3)那样改写数学式(1)。
Tc＝ρCV/hcA··(3)
若解该微分方程式(2)，则能够求出添加冷却剂时的转塔温度θt。如以下的数学式(4)那样假设微分方程式的解的形式(C1、C2、C3：常数)。
若将数学式(4)代入数学式(2)中，则求出C2和C3，得到以下的数学式(5)。
此处，将开始排出冷却剂的时刻设为t＝0，能够假设排出冷却剂前的转塔温度θt(0)与以下的数学式(6)所示的加工室温度θair一致。
θt(0)=G1+θc＝θair··(6)
因而，C1＝θair-θC，若适用于数学式(5)，则得到以下的数学式(7)。
并且，如果对数学式进行变形，则为以下的数学式(8)～(10)。
θt＝pcθc+pair·θair··(8)
此处，在用步进输入(从停止0向排出1变化)表达冷却剂的排出时，θC的系数PC与以冷却剂温度作为输入的时间常数TC的一阶延迟的响应一致。另一方面，θair的系数pair由1-PC表达。如上所述可知，如果用标志表示冷却剂的排出状态，将对标志进行了一阶延迟处理的结果设为系数，则能够模拟添加冷却剂时的温度变化。
另外，在数学式(6)～数学式(8)中，使用了加工室温度θair，但即使使用机体温度θm来代替，同样的计算也成立。
接下来，考虑使排出的冷却剂停止的情况。此时，将转塔5的温度设为θt，加工空间的温度设为θair，以下的数学式(11)(12)的微分方程式成立。
Tair＝ρCV/hairA··(12)
使冷却剂停止时的转塔的温度变化由于受加工空间内的空气与转塔之间的热传递系数hair影响，因此由与排出时不同的时间常数Tair表示。此外，数学式(11)的Q(t)是表示汽化热的函数。根据经验法则，假设该该汽化热
Q(t)/hairA＝-K0e-t/Tv
t＝0(冷却剂刚停止后)的汽化热的影响为-K0，随着水分从转塔表面蒸发消失，每单位时间吸收的热量以时间常数TV的比例接近0。另外，认为常数K0、TV因附着于转塔5的水分的量或冷却剂的种类、湿度等而变化。
若代入微分方程式，则成为以下的数学式(13)。
如以下的数学式(14)那样假设微分方程式的解的形式(K1、K2、K3：常数)
若将数学式(14)代入数学式(13)，则得到数学式(15)、(16)的常量表达式。
K3＝θair··(16)
此处，将停止冷却剂的时刻设为t＝0，假设停止冷却剂前的转塔温度θt如以下的数学式(17)所示，与冷却剂温度θc一致。若决定K1，则为数学式(18)。
θt(0)＝K1+K2+K3＝θc··(17)
如上所述，微分方程式的解为以下的数学式(19)，若简洁地改写该数学式，则能够用以下的数学式(20)～(23)表示。
数学式(21)的e-t/Tair为输入从1阶梯状地变化到0时的一阶延迟。即，可知如果用冷却剂停止0、冷却剂排出1的标志表达冷却剂的排出状态，则与排出冷却剂时同样地，可以将冷却剂的系数表达为标志的一阶延迟。此外，与排出时同样地，第二项的θair的系数P'air由1-P'C表达。
其中，相关的时间常数在排出时是将冷却剂温度作为输入的时间常数TC，停止时是将加工空间的温度作为输入的时间常数Tair。一般而言，与气体相比，将液体作为输入，容易进行热传递，温度变化变快，时间常数减小。因此可知，在排出时与停止时的处理中，最好使用不同的时间常数。
数学式(20)的第一项和第二项与排出时几乎相同，但冷却剂停止时增加了作为汽化热的影响的第三项。该第三项是两个时间常数(与加工空间温度对应的转塔的时间常数Tair和表示汽化热的减少的时间常数TV)的阶跃响应之差乘以某系数α而得的。
根据以上所述，用冷却剂停止0、冷却剂排出1的标志表示冷却剂的排出状态，将标志作为输入，求出三个时间常数(与冷却剂温度对应的转塔的时间常数TC、与加工空间温度对应的转塔的时间常数Tair、表示汽化热的减少的时间常数TV)的一阶延迟响应，进而冷却剂温度θC与加工空间温度θair或机体温度θm相乘，由此能够表示排出时和考虑到汽化热的停止时的温度变化这两者。
若将以上的内容写成流程，则如图2所示。在本实施例中，根据图2的流程，数控装置根据来自温度传感器S或冷却剂泵8的信号估计转塔5的温度(S1～S4：非设置部位温度估计步骤)，根据估计的转塔5的温度进行刀尖位置的热位移校正。
首先，取得冷却剂的排出/停止状态的信息(S1：运转信息取得步骤)。冷却剂的排出/停止状态的信息由将排出的状态设为1、停止的状态设为0的标志表示。
接下来，从设置于机床的各部分、加工空间及冷却剂罐6的温度传感器S取得测定温度数据(S2：温度信息取得步骤)。
接下来，对冷却剂的排出/停止状态标志进行延迟处理，计算与冷却剂和机床结构(本实施例中为刀架1)的测定温度对应的系数(S3：系数确定步骤)。
接下来，各测定温度乘以系数，来计算未安装有温度传感器的部位的估计温度(本实施例中为转塔5的估计温度)(S4：温度估计步骤)。
接下来，使用S4中得到的估计温度来计算估计热位移(S5：热位移计算步骤)。关于该估计热位移，例如在图1的数控车床中，若将估计的转塔温度设为Θ0、刀架测定温度设为θ1、滑动座架测定温度设为θ2、基床测定温度设为θ3、主轴台测定温度设为θ4，将与各个温度对应的系数设为C0～C4，则刀尖处的估计热位移XC通过以下的数学式(24)求出。
并且，在S6中，进行热位移校正，使刀尖位置变化S5中计算出的估计热位移XC的量(校正步骤)。
由此，能够有效地抑制由机床结构的温度变化产生的热位移。
接下来，举例来对计算转塔5的估计温度Θ0的方法和效果进行说明。
在某使用条件下，假设转塔的实测温度θ0、刀架温度θ1、冷却剂温度θC如图3所示那样变化。在该加工中，在从1小时后至11小时后的期间，使用冷却剂来进行加工，除此以外的时间停止加工，也停止冷却剂的排出。开始加工前，冷却剂的温度比转塔5或刀架1的温度低5℃左右。在冬天的早晨等地板附近的温度急剧下降的情况、进行了冷却剂的补给等情况下，产生这样的机体与冷却剂之间的温度差。在该状态下开始排出时，转塔5或刀架1的温度由于添加冷的冷却剂而下降，另一方面，冷却剂的温度从机床吸热而迅速上升。
在从开始排出起的20～30分钟以内，冷却剂与机体的温度达到几乎相同的温度，之后加工热、冷却剂泵8的发热被传递到冷却剂，由此冷却剂罐6内的冷却剂温度θC缓慢上升，与此同时，转塔实测温度θ0、刀架温度θ1也上升。另一方面，停止加工的情况下，各温度下降。
此外，根据转塔5与刀架1的热容量的区别、冷却剂的添加方式的区别，转塔实测温度θ0敏感地变化，如图4的曲线图的虚线所示，θ0与θ1产生温度差。因而，在使用刀架温度代替转塔5的温度来进行热位移校正的情况下，因该温度差的影响而产生校正误差。与冷却剂的排出/停止状态相应地改变估计温度的计算方法，求出转塔5的估计温度Θ0，由此能够减小该误差。
关于估计温度Θ0的具体计算方法，根据图2的流程，首先取得接近于转塔5的部位的刀架温度θ1和冷却剂温度θC作为温度信息。接着，取得冷却剂的排出/停止状态的信息，作为以排出的状态为1、停止的状态为0的标志u。
并且对标志进行延迟处理，计算系数q1、q2、以及与刀架温度对应的系数P1、与冷却剂温度对应的系数PC。将取得数据的时间间隔设为Δt，当前值设为(n)，上次采样的值设为(n-1)，切换标志的值后经过了充分时间时的比例设为k。估计温度Θ0的计算方法由以下的数学式(25)～(27)表示。该数学式是以数学式(8)～(10)及数学式(20)～(23)为基础，通过差分方程式的形式表达的。
q1(1)=0，q2(1)＝0
T1＜T2
··(25)
pc(n)＝kq1(n)
p1(n)＝1-kq1(n)
0≤k≤1··(26)
θ0(n)＝pc(n)θc(n)+p1(n)θ1(n)-α{q1(n)-q2(n)}··(27)
在数学式(25)中，对表示冷却剂的排出状态的标志u(n)进行将时间常数设为T1、T2的一阶延迟的滤波处理。在本实施例中，使用了一阶延迟的数字滤波，但可以用其他方法进行延迟处理。
在数学式(26)中，由数学式(25)求出的系数乘以比例k，计算与冷却剂温度对应的系数PC。此外，数学式(26)表示与各温度对应的系数之和为1的条件。为了使测定温度与估计温度的标度一致，通常确定与各温度对应的系数，使得满足该关系。数学式(26)是使用两个温度进行估计的情况的例子，但如果以满足和为1的条件的方式确定与各温度对应的系数，则也能使用三个以上的温度求出估计温度。
如果用曲线图表示根据冷却剂的排出/停止状态的标志u、以及数学式(25)～(26)计算出的冷却剂温度的系数PC、刀架温度的系数P1，则如图5所示。可以看出，冷却剂未出来时、即u＝0时，接近于PC＝0、P1＝1，转塔5的估计温度Θ0与刀架温度θ1相等。
另一方面，冷却剂排出后经过足够的时间时，PC的值等于k，P1的值等于1-k。k为0至1之间的常数，预先参考实验结果等进行设定。由于通常k为接近1的值，使用冷却剂时的转塔5的估计温度Θ0为接近冷却剂温度θC的值。
此外，切换冷却剂的排出/停止的状态时、即标志u的值变化的情况下，时间常数T1的值越大，系数PC的变化相对于u的变化越延迟。由此能够防止在切换的时刻产生的急剧变化。时间常数T1可以始终设为同一值，但通过在排出时与停止时设定成不同的值，能够更高精度地进行估计。作为时间常数T1的确定方法，考虑了设计时输入预先解析并求出的结果的方法、根据实验结果修整的方法等。
在数学式(26)中，使用由数学式(25)求出的系数来求出温度的线性和，进而减去考虑到汽化热的修正项，由此计算估计温度。修正项是通过以两个时间常数进行滤波处理并取它们的差来计算的。
若使用以上的方法求出转塔5的估计温度Θ0，则如图3的黑实线所示。可以看出，整体上，转塔5的估计温度Θ0很好地遵循转塔的实测温度θ0。并且，若求出转塔5的估计温度Θ0与刀架温度θ1之差，则如图4的黒实线所示。若与用虚线表示该结果的θ1-θ0相比较，则可知排出冷却剂时通过使用冷却剂温度，温度估计误差大幅减少。
此外，在切换冷却剂的排出/停止的时刻，没有急剧的变化，而变为平稳的变化。可知，停止冷却剂时使用机体的温度，排出冷却剂时除了机体的温度外，还使用冷却剂的温度，由此，在开始排出时，即使存在冷却剂与机体之间的温度差，误差也小。
此外，若瞬间切换使用的温度，则产生急剧的变化，但通过进行延迟处理，能够防止该问题。并且可知，关于停止冷却剂后的误差，也大幅地减少，能够高精度地估计温度。
停止冷却剂后，汽化热使得转塔的实测温度θ0急剧变化，变化比刀架温度θ1或冷却剂温度θC快。但是，如数学式(26)所示，如果使用不同的时间常数进行计算，也可以重现汽化热导致的急剧的温度变化。
这样，根据上述方式的温度估计方法及热位移校正方法，能够以简易的方法，根据温度传感器S的设置部位的温度测定结果，高精度地估计难以直接测定温度的非设置部位(此处为转塔5)的温度。
此外，进行如下处理：使用以ON/OFF(排出/停止)这两种状态表示的冷却剂的运转信息，以状态的切换为基准时间，与从基准时间起经过的时间相应地变化的方式求出与两个以上的不同位置的温度分别对应的系数。因此能够切换运转状态为ON时和OFF时所使用的温度，而且在切换状态的时刻，估计温度不会急剧地变化，而是平稳地变化。
并且，在机床中，使用温度传感器的非设置部位的估计温度来计算热位移量，由此能够使热位移校正的精度即加工精度提高。
特别在此处，将运转信息表达为标志，设定时间常数，对标志进行延迟处理，由此求出与温度对应的系数，因此能够以时间常数这一参数表达运转状态已变化时的温度变化的趋势，能够以简单的形式表达计算式。因而，容易进行用于高精度地估计实际的温度变化的参数调整。
此外，因为将时间常数设定成在冷却剂的排出→停止时与停止→排出时为不同的值，因此能够在各自的情况下高精度地估计温度。
并且，适用于冷却剂的影响引起的温度变化，利用冷却剂的排出/停止状态的信息，由此无论是否使用冷却剂，都能估计温度。此外，通过使用冷却剂温度和结构体温度这两者，在开始排出冷却剂时两者的温度差大的状况下也能够应对。
并且，进行如下处理：以冷却剂的从排出到停止、以及从停止到排出的状态的切换作为基准时间，使结构体温度和冷却剂温度的系数与时间一同变化。因此，也能够应对冷却剂的状态切换为排出→停止或者停止→排出后的过渡状态下的大幅温度变化。
另外，为了应对使冷却剂停止的情况下产生的汽化热导致的温度急剧下降，如果适当地设定两个时间常数和系数，则能够高精度地估计汽化热引起的温度变化。
另外，在本实施例中，使用接近转塔的刀架的温度和冷却剂温度进行估计，但也可以测定加工空间内的温度来代替刀架温度，用于估计。并且也能够使用加工空间的温度和机体的温度的平均值等，组合多个温度来用于估计。
并且，汽化热的大小也受加工空间的湿度影响。因此，还考虑的以下的方法：先使得能够与加工空间内的温度一同地测定湿度，使得能够根据湿度调整数学式(25)的T2或数学式(27)的α的值中的一方或双方，从而更高精度地估计汽化热。例如考虑，湿度高时，由于难以汽化、汽化热的影响小，因此减小α的值，湿度低时，由于汽化热的影响大，因此增大α的值。由此，汽化热的大小受环境的湿度或操作门的开闭的影响而变化，也用湿度计监测加工空间等的湿度，据此使参数变化，因此即使环境变化，也能够高精度地估计汽化热的影响。
此外，在本实施例中，以转塔的温度估计为例进行了说明，但估计温度的部位如果是受到冷却剂影响的地方，则任意位置都行。例如也能适用于工作台、托盘、夹具、工件、刀具、工装等。此时，假设数学式(25)的时间常数T1和T2根据工件或刀具等的种类而变化。一般地，如果工件或刀具的体积大，则热容量增大，时间常数增大。因此考虑以下的方法：先使得能够在数控装置上设定与工件或刀具对应的温度变化时间常数作为参数，在安装于机床的工件或刀具改变了的情况下，读取与其种类相应的参数，来进行温度估计和热位移校正。温度变化时间常数的设定方法可以预先根据尺寸等计算并输入。或者，可以根据重量传感器或图像信息等进行估计，自动地设定。这样，通过根据工件或刀具等的种类设定时间常数，能够估计它们的温度变化，即使工件或刀具等改变，也能够高精度地估计温度变化。
并且，在本实施例中以使用冷却剂时的温度估计为例进行了说明，但在通过激光照射等加热工件的情况下，也能够用同样的思考方式估计温度。即，使用加热装置的设定温度等来代替冷却剂温度，用标志表示加热装置的ON/OFF的变化并进行延迟处理，由此能够估计加热的影响引起的温度变化。
由此，在切换状态的时刻，估计温度不会急剧地变化而是平稳地变化，也能够应对切换为停止→加热或者加热→停止后的过渡状态下的大幅的温度变化。此外，如果以时间常数这一参数表达使用了加热装置时的温度变化的趋势，则能够用简单的形式表达计算式，在作为加工对象的工件发生了变化时等，也容易进行用于高精度地估计实际的温度变化的参数调整。

Claims (9)

1.一种机床的温度估计方法，在具有分别设置有温度传感器的多个设置部位和未设置所述温度传感器的非设置部位的机床中，估计所述非设置部位的温度，
所述机床的温度估计方法的特征在于，执行以下步骤：
温度信息取得步骤，从两个以上的不同的所述设置部位分别取得所述温度传感器得到的温度信息；
运转信息取得步骤，取得以ON和OFF这两种状态表示的规定的运转信息；
系数确定步骤，以所述运转信息从ON到OFF或者从OFF到ON的切换作为基准时间，以与从所述基准时间起经过的时间相应地变化的方式分别确定与各所述温度信息对应的系数；以及
温度估计步骤，根据所述温度信息和与所述温度信息对应的系数估计所述非设置部位的温度。
2.根据权利要求1所述的机床的温度估计方法，其特征在于，
在所述系数确定步骤中，将所述运转信息表示为标志，并且预先设定一个以上的时间常数，使用所述时间常数来对所述标志进行延迟处理，由此确定与任意时刻的各所述温度信息对应的系数。
3.根据权利要求2所述的机床的温度估计方法，其特征在于，
所述时间常数在所述运转信息从ON切换到OFF时与从OFF切换到ON时是不同的值。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的机床的温度估计方法，其特征在于，
所述机床能够使用冷却剂，
所述温度信息包括冷却剂温度以及所述机床的结构体或加工空间的温度，
所述运转信息是所述冷却剂的排出或停止，
在所述系数确定步骤中，以所述冷却剂从排出到停止或者从停止到排出的切换作为基准时间，以与从所述基准时间起经过的时间相应地变化的方式，分别对所述冷却剂温度和所述结构体或所述加工空间的温度确定与所述温度信息对应的系数，
在所述温度估计步骤中，根据所述冷却剂温度、所述结构体或所述加工空间的温度以及与所述温度信息对应的系数，估计所述非设置部位的温度。
5.根据权利要求4所述的机床的温度估计方法，其特征在于，
在所述系数确定步骤中，预先设定两个所述时间常数，对所述标志分别使用各所述时间常数进行延迟处理，由此确定与所述温度信息对应的系数，
在所述温度估计步骤中，通过将进行了所述延迟处理的两个所述时间常数之差与规定的系数相乘，来估计停止所述冷却剂后的汽化热引起的温度变化，将该温度变化考虑进去而估计所述非设置部位的温度。
6.根据权利要求5所述的机床的温度估计方法，其特征在于，
在所述结构体的周围或者所述加工空间设置湿度计，与由所述湿度计测定出的湿度相应地改变所述时间常数及/或所述规定的系数。
7.根据权利要求1至3中的任意一项所述的机床的温度估计方法，其特征在于，
所述机床具备能够通过对工件的加热来进行加工或者热处理的加热装置，
所述温度信息包括对所述工件的加热温度以及机床的结构体或加工空间的温度，
所述运转信息是所述加热装置的运转或停止，
在所述系数确定步骤中，以所述加热装置从运转到停止或者从停止到运转的切换作为基准时间，以与从所述基准时间起经过的时间相应地变化的方式，分别对所述加热温度和所述结构体或所述加工空间的温度确定与所述温度信息对应的系数，
在所述温度估计步骤中，根据所述加热温度、所述结构体或所述加工空间的温度以及与所述温度信息对应的系数，估计所述非设置部位的温度。
8.根据权利要求2、3、5、6中的任意一项所述的机床的温度估计方法，其特征在于，
所述时间常数是根据工件、刀具、夹具、工装中的至少一种来设定的。
9.一种机床的热位移校正方法，在具有分别设置有温度传感器的多个设置部位和未设置所述温度传感器的非设置部位的机床中，校正所述非设置部位的热位移，
所述机床的热位移校正方法的特征在于，执行以下步骤：
非设置部位温度估计步骤，使用权利要求1、2、3、5、6中的任意一项所述的温度估计方法估计所述非设置部位的温度；
热位移计算步骤，使用估计出的温度计算热位移量；以及
校正步骤，根据计算出的热位移量校正刀具的刀尖位置。
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