JP2529905B2

JP2529905B2 - 工作機械の温度制御方法

Info

Publication number: JP2529905B2
Application number: JP3171954A
Authority: JP
Inventors: 恭一 ▲えび▼沢; 好市浦野
Original assignee: Kanto Seiki Co Ltd
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 1991-06-18
Filing date: 1991-06-18
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JPH04372328A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工作機械の温度制御
方法に関する。更に詳しくは、工作機械の機体の温度制
御において、工作機械の熱変形を抑制し、精度を維持す
るために過渡偏差および定常偏差の大きさを小さくした
工作機械の温度制御方法に関する。

【０００２】

【従来技術】工作機械の機体は、環境温度、発熱部から
の熱などにより変形する。機体の変形は、加工精度に影
響を及ぼすので、従来から機体各部の温度を一定温度に
コントロールすることが行われている。この温度制御の
方法は、種々提案されているが通常温度制御された一定
流量の冷却油を工作機械の発熱部に常時流して、発熱部
を冷却している。この冷却油は、熱交換器を介して冷媒
ガスにより冷却されるものであり、いわゆる間接温度制
御方法である。この冷却油の設定温度は、室温または工
作機械の構成要素中の時定数が最大のものの温度であ
り、冷却油の工作機械発熱部の出口油温をこの温度に追
従させて制御する。この方法は、工作機械の熱変形を最
小にし、加工誤差を小さくするものである。この方法は
公知の技術であり、これらの方式は室温追従制御または
機体温度追従制御と呼ばれている。

【０００３】従来は、この間接温度制御を室温追従制御
又は機体温度追従制御で行う場合の制御動作として、２
位置制御が用いられてきた。２位置制御の場合、制御さ
れる冷却温度に温度変動幅がある。また、２位置制御で
は制御される油温に定常偏差を生じる。ところが、最近
の発熱量が大きい工作機械では、温度変動幅と定常偏差
が許容値を越えてしまうことがある。このため、積分動
作を含むＰＩＤ制御を行い定常偏差をなくする制御など
も行われている。

【０００４】更に、冷凍機、すなわち圧縮機の回転数を
インバータで周波数可変に調節することにより、冷却液
温度の変化を平滑にするものも提案されている（例え
ば、特開平２−１０４９９４号公報）。しかし、工作機
械の主軸は、停止状態から毎分数千回転以上変動するの
で、従来のインバータ周波数制御だけでは、冷却能力の
可変範囲に限界がある。この可変範囲は、最低周波数か
ら最高周波数の比でいうと、冷凍機の性能上の制約もあ
って１：４位であった。取り分け、低負荷領域（無負荷
も含む）での冷却能力の可変範囲に限界がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、以上のよ
うな技術的背景で発明されたものであり、次の目的を達
成するものである。

【０００６】この発明の目的は、工作機械側の発熱が無
負荷から最大負荷まで変化してもインバータ周波数制御
でリニアーに冷却能力を可変に調整することができる工
作機械の温度制御方法を提供することにある。

【０００７】この発明の他の目的は、精密な温度コント
ロールができる工作機械の温度制御方法を提供すること
にある。

【０００８】

【発明課題を解決するための手段】前記課題を解決する
ために次のような主に手段を採る。

【０００９】この第１の工作機械温度制御方法は、工具
又は工作物を取り付けて回転させるための主軸を備えて
いる工作機械の主軸頭と、前記主軸に接触させて前記構
主軸頭を冷却するための冷却油と、冷媒ガスを圧縮する
ための冷凍機と、前記冷凍機で圧縮された前記冷媒ガス
の熱を放熱して液化するための凝縮器と、液化された前
記冷媒ガスを絞り膨脹させるための膨脹弁と、絞り膨脹
された低圧低温の気液混合状態の前記冷媒ガスにより前
記冷却油から熱を奪って気化させるための熱交換器と、
前記冷凍機を出た直後の前記冷媒ガスをバイパスして前
記冷凍機の前記冷媒ガスの供給管に戻すためのバイパス
と、前記バイパスの途中に設けた電磁弁と、基準温度を
設定するための基準温度設定手段と、前記熱交換器の出
口の前記冷却油の送油温度を検知するための送油温度セ
ンサと、前記主軸頭の出口から出た前記冷却油の戻り油
温を検知するための戻り油温度センサと、前記戻り油温
度センサが検出した戻り油温と、前記基準温度との温度
差が一定になるように前記冷凍機の回転速度をインバー
タ制御するためのインバータ制御手段とからなる工作機
械の温度制御装置において、前記主軸の回転速度があら
かじめ設定された回転速度以下のとき、前記電磁弁を開
いた状態で前記冷凍機をインバータ制御して運転するこ
とを特徴とする工作機械の温度制御方法である。

【００１０】この第２の工作機械の温度制御方法は、前
記構成要素が工具又は工作物を取り付けて回転させるた
めの主軸を備えている主軸頭であり、前記主軸への回転
速度の指令信号を前記工作機械を制御する数値制御装置
から受取り、前記回転速度の指令信号に基づいて前記主
軸の回転による前記主軸頭の温度上昇を見越した温度の
訂正動作を前記冷却油に対して行い前記戻り油温が目標
温度に近づくように行うためのフィードフォワード制御
と、前記フィードフォワード制御の後、前記予め設定さ
れた前記冷凍機の回転速度と前記冷却油の目標温度との
関係式にしたがって前記冷凍機の回転速度又は前記イン
バータ周波数を決定するフィードバック制御とからな
る。

【００１１】更に、第３の工作機械の温度制御方法は、
前記主軸への回転速度の指令信号を前記工作機械を制御
する数値制御装置から受取り、前記回転速度の指令信号
に基づいて前記主軸の回転による前記主軸頭の温度上昇
を見越した温度の訂正動作を前記冷却油に対して行い前
記負荷出口油温が目標温度に近づくように行うためのフ
ィードフォワード制御と、前記フィードフォワード制御
の後、前記予め設定された前記冷凍機の回転速度と前記
熱媒体液の目標温度との関係式にしたがって前記膨脹弁
の開度を決定するフィードバック制御とからなる。

【００１２】

【作用】主軸への回転速度の指令信号を工作機械を制
御する数値制御装置から受取り、回転速度の指令信号に
基づいて主軸の回転による主軸頭の温度上昇を見越した
温度の訂正動作を冷却油に対して行い戻り油温が目標温
度に近づくように行うためのフィードフォワード制御を
まず行う。

【００１３】このフィードフォワード制御の後、予め設
定された冷凍機の回転速度と冷却油の目標温度との関係
式にしたがって冷凍機の回転速度又はインバータ周波数
を決定するフィードバック制御とからなる。

【００１４】

【実施例】以下、この発明に係る好適な実施例を図面に
基づいて説明する。図１は、この発明の温度制御方法を
実施した工作機械の温度制御装置の一例を示す機能ブロ
ック図である。この実施例は工作機械の主軸頭を制御対
象とし、冷却油を用いて一定温度に冷却するものであ
る。図１を参照して温度制御装置の概略構成について説
明する。同図は、マシニングセンタ３０の主軸頭３１の
温度制御装置を示すものである。ＮＣ装置３４は、プロ
グラマブルコントローラ３５を介して主軸頭３１及びテ
ーブル３２の移動を制御する周知のものである。温度制
御装置全体は、おおよそ冷媒流路部１、冷却油流路部２
および温度コントローラ部３から構成されている。冷却
油流路部２の液体は、油（冷却油）を用い、冷媒流路部
１の冷却媒体は、フロンを用いる。

【００１５】プログラマブルコントローラ３５は、Ｓコ
ード指令、すなわち主軸３６の回転速度を指定するコー
ドであるが、加工プログラム上にこの主軸回転指令がな
されていると温度コントローラ３に割込み命令で出力す
る。主軸頭３１の発熱量は、主に主軸３６の回転速度の
約１．５乗に比例することが知られているので、この回
転速度の変動に応じて発熱を以下に示す方法、装置で最
適に冷却する。温度コントローラ部３は、インバータ出
力操作部１１に指令して冷凍機１２の回転速度を制御し
て冷却油の温度を間接的にコントロールする。次に、各
構成部について詳述する。冷却油流路部２は、主軸頭３
１内にジャケット２３を設けて、そこに熱媒体液である
冷却油を流し、熱交換を行わせることで発生した熱量を
奪い冷却するものである。

【００１６】熱交換器（蒸発器）１０は、主軸頭３１で
発生した熱を奪って昇温した冷却油を冷却するためのも
のである。この冷却は、配管１３を流れる冷媒との間で
熱交換させて、設定した温度に冷却して行うものであ
る。また、冷却油流路部２は、冷却油を循環させる冷却
油ポンプ２０、熱交換器１０、これらを結ぶ配管２２，
２４などにより構成されている。本例では、冷却油の流
量は一定である。マシニングセンタ３０の主軸頭３１と
冷却油との間の熱交換を行うには、図１の実施例のよう
に空間であるジャケット２３を設ける。しかし、冷却の
方法は、主軸頭３１に内壁面のシャワーのように冷却油
をそそぎかけ、これを回収して主軸頭３１外に排出する
方法でも良い。熱交換器１０の出口には、温度センサＴ
_Oが配置されており、熱交換器１０の出口の冷却油の温
度、すなわち工作機械に送る送油温度を計測する。ポン
プ２０の冷却油の入口、言い換えるとジャケット２３か
らの戻り油温を計測するのに、温度センサＴ_Iが配置さ
れている。

【００１７】マシニングセンタ３０の近傍には、室温を
計測するための室温センサＴ_Rが配置されている。室温
センサＴ_Rの計測温度は、膨脹弁１７の開度の調節に利
用される。これは、室温すなわちマシニングセンタ３０
の周囲の環境温度により、冷媒の流量を調節して、冷凍
の能力を調節する必要があるからである。更に、マシニ
ングセンタ３０の機体の温度を計測するための基準温度
センサＴ_Mが、温度を計測している。例えば、工作機械
の構成要素の内、時定数の大きいベッドやコラム等の機
体温度または室温を基準温度とし、その基準温度を検知
するための基準温度センサＴ_Mである。

【００１８】冷媒流路部１は、基本的な回路構成に関し
ては、一般の冷凍回路と同じ回路である。インバータ出
力操作部１１は、商用の交流電源を可変電圧・可変周波
数に変換して、インバータ冷凍機１２内のモータを負荷
に応じて回転数を変えて駆動するものである。

【００１９】インバータ出力操作部１１への指令は、温
度コントローラ３の出力操作部６から出力される。イン
バータ冷凍機１２により圧縮され吐出された冷媒ガス
は、配管１３を通り凝縮器１４内に入り、放熱され液化
される。配管１３の途中から配管１５がバイパスされ、
電磁弁１６を介してインバータ冷凍機１２の冷媒の入力
用の配管１８に接続されている。配管１５は、液化して
いない高温のガス状の冷媒をバイパスさせてインバータ
冷凍機１２にフィードバックするためのものである。こ
の配管１５中に電磁弁１６を設けることで、圧縮された
冷媒の流量を制御し無負荷を含む低負荷領域での冷却能
力の可変範囲を拡げることができるものである。

【００２０】凝縮器１４を出た冷媒ガスは、配管１６か
ら膨脹弁１７を通り蒸発器（冷却器とも言える）、すな
わち熱交換器１０に入る。膨脹弁１７は、液化された冷
媒を断熱膨脹させ、圧力と温度を下げるための弁であ
る。熱交換器１０に供給された冷媒ガスは、熱交換器１
０内の冷却油を冷却した後、配管１８を通りインバータ
冷凍機１２に戻される。なお、図示していないが凝縮器
１４を出た液化冷媒は、気ほう状の冷媒ガスと液化され
た冷媒ガスが混合されているので、受液器を設け分離す
ると冷凍サイサイクル効率が良い。

【００２１】温度コントローラ３次に、温度コントローラ３の概要を説明する。プログ
ラマブルコントローラ３５からのＳ指令信号、主軸回転
指令は、フォト・カプラ４１を介してＣＰＵ（中央処理
装置）４２に入力される。Ｓ指令が変えられると、言い
換えるとマシニングセンタ３０の主軸３６の回転速度が
変えられると、割込み処理によりＣＰＵ４２に主軸３６
の回転速度変更が入力される。フォト・カプラ４１は、
発光素子と受光素子を組み合わせて一つの素子を構成し
た公知のものであり、入出力信号は電気的に絶縁されて
いて、光により信号を伝えることができる素子である。
入出力間が電気的に完全に絶縁されているので、ノイズ
を排除できる。ＣＰＵ４２は、直流電源４３、クロック
４４などで駆動される周知のワンチップタイプのマイク
ロコンピュータである。

【００２２】設定用スイッチ４５は、制御モードの選
択、目標温度の設定、制御用パラメータの設定等をイン
ターフェイス４６を介して行うものである。リニアライ
ズ回路４４は、各温度センサＴ_O，Ｔ_I，Ｔ_R，Ｔ_Mに
よって検出された温度を電圧として取り出すものであ
る。しかし、この電圧は、その各温度センサＴ_O，
Ｔ_I，Ｔ_R，Ｔ_Mの特性から検出される温度と必ずしも
比例関係にはない。そこで、リニアライズ回路４７は、
各温度センサＴ_O，Ｔ_I，Ｔ_R，Ｔ_Mの計測信号を補正
して直線関係になるように出力するための回路である。
リニアライズ回路４７からの出力信号は、Ａ／Ｄコンバ
ータ４８によりデジタル信号に変換されて、ＣＰＵ４２
に取り込み可能な信号になる。

【００２３】ＲＯＭ４９は、ＣＰＵ４２を動作させるた
めの後述するプログラムを書き込み記憶しておくための
ものである。このプログラムにより、ＣＰＵ４２の基本
的な動作が決定され、すなわち温度コントローラ３全体
が統括制御される。ＲＡＭ５０は、ＣＰＵ４２の演算途
中のデータなどを一時的に記憶保持しておくための書き
込み、読み出し可能なメモリ用素子である。

【００２４】ＣＰＵ４２の出力信号は、フォトカプラー
５１を介して電磁弁１６を駆動する。更に、ＣＰＵ４２
の出力信号は、フォトカプラ５２を介してパルスモータ
駆動回路５３に入力される。パルスモータ駆動回路５３
は、パルスモータ膨脹弁１７に組み込まれたパルスモー
タを駆動するために電力を発生させるためのアンプであ
る。パルスモータ膨脹弁１７に使用されるパルスモータ
は、パルス信号を与えて回転子をステップ状に回転させ
るモータであり、ステッピングモータとも呼ばれている
ものである。このパルスモータ膨脹弁１７は、フィード
バックなしの開ループ制御で使用できる利点がある。こ
の実施例では、パルスモータ膨脹弁１７の弁の開度をパ
ルスモータで駆動し制御する。

【００２５】表示回路５４は、温度コントローラ３に必
要な設定用データや各部温度情報等をＬＥＤ、ＣＲＴな
どに表示させるための回路である。Ｄ／Ａコンバータ５
５は、ＣＰＵ４２からの指令、すなわちインバータ冷凍
機１２のインバータモータへの回転速度等のディジタル
指令を受け、この指令をアナログ信号に変換してインバ
ータ出力操作部１１に出力するものである。

【００２６】図２は、温度制御装置の制御にたずさわる
制御信号の流れを示すブロック線図である。最初にＳコ
ード指令で指示された主軸回転数相当の発熱量に見合っ
た冷却能力を有する一定のインバータ周波数で冷凍機を
ある時間フィードフォワード制御により運転する。それ
と並列して基準温度センサＴ_MおよびＱ／Ｗで最初の送
油温度の目標値Ｔ_O,INIを決める。

【００２７】

【数１】ただし、Ｑ：発熱量、Ｗ：水当量［流量×比重×比熱］
この値は流量が一定の場合は一義的に決まる値である。

【００２８】次に、フィードフォワード制御しているあ
る時間が経過すると、短周期のフィードバック制御に移
行するわけであるが、その場合、まず最初の送油温度目
標値Ｔ_O,NEWをＴ_O,INIとおき、次に示す（２）式の関
係式に従って、インバータ周波数を変更し、送油温度Ｔ
_Oが目標温度Ｔ_O,NEWに等しくなるように制御する。

【００２９】

【数２】ただし、Ｆ_NEW：更新後の周波数、Ｆ_OLD：更新前の周
波数、ａ：比例ゲイン、ｋ：パラメータこのｋは、例えば図３に示す表を用いて行う。この表は
あらかじめ制御装置のメモリに記憶されている。この表
から理解されるように、温度差が大きく、かつその変化
率が大きい場合はｋを大きく、温度差が小さく変化率も
小さい場合は、ｋの値は小さくするようにして演算を行
う。

【００３０】そして、この短周期のフィードバックグル
ープを何回か繰り返すことで、Ｔ_OＴ_O,NEWとなり、か
つ、もう一つの長周期のフィードバックグループのサン
プリング周期と重なった時点で次の（３）式に示すよう
に、送油温度の目標値が更新される。

【００３１】

【数３】この長周期のフィードバックループは、目的とする工作
機械からの戻り油温Ｔ_Iが基準温度Ｔ_Mに等しくなるよ
うに、送油温度の目標値Ｔ_O,NEWに修正をかけるための
ものである。

【００３２】以上概略説明したこの制御系は、冷却油の
送油温度Ｔ_O,NEWを設定値に保つためにフィードバック
ループ（短周期）と、基準温度を戻り油温度との温度偏
差を送油温度設定値にフィードバックして更新するため
フィードバックループ（長周期）の２重のフィードバッ
クループを有しているので精密な制御が可能になった。

【００３３】フィードフォワード及びフィードバック制
御図４及び図６は、工作機械の温度制御装置の動作順序の
概要を示すフローチャートである。制御装置がスタート
され、異常チェック、ポンプ、パルス膨脹弁などを初期
位置にセットする。Ｓコードモード制御、すなわち主軸
の回転速度により制御を行うモードを選択すると、ＣＰ
Ｕ４２はプログラマブルコントローラ３５からＳコード
信号を受信する。Ｓコード信号が低負荷領域、すなわち
主軸３６の回転速度があらかじめ設定された回転速度以
下のとき、電磁弁１６を開く。この電磁弁１６を開く
と、冷凍機１２で圧縮された冷媒ガスの一部は、凝縮器
１４に送られることなく冷凍機１２に戻される。この電
磁弁１６の開の状態が設定時間以上連続すると、言い換
えると無負荷又は低負荷の状態が続くと冷凍機１２の運
転を一時的に停止させる。

【００３４】Ｓコードが最大負荷領域、すなわちあらか
じめ設定された回転速度の領域であればインバータ出力
操作部１１に指令して、最大周波数の出力を行う。冷凍
機１２はその能力の最大の回転速度で回転を開始する。
最大と最小周波数の中間では、そのまま運転継続中の周
波数により運転を行う。ただし、最初のときは主軸の回
転速度に応じてあらかじめ設定された周波数で冷凍機１
２の運転を行う。

【００３５】パルスモータ膨脹弁１７の開度を周波数に
応じて設定する。このとき、室温Ｔ_Mの温度により弁の
開度を補正する。周波数に応じて、パルスモータ膨脹弁
１７の開度を変える理由は、蒸発温度をほぼ一定にし、
温度制御領域を広くするためである。すなわち周波数は
冷凍機１２の冷媒ガス排出体積流量が変わるため、パル
ス膨脹弁１７を流れる冷媒量も変化させて、その体積流
量とつりあう冷却能力とする必要があるからである。

【００３６】次に、送油温度の目標温度Ｔ_O,INIを前記
（１）式で算出する。ただし、運転開始時には、工作機
械の発熱量Ｑは既知であるが、油に対する熱負荷は、機
械全体の温度分布に支配されるので、正確なことは不明
である。したがって、これらの値は、あらかじめ予測し
た近似的な数値で運転を開始する。このフィードフォワ
ード制御を開始するにあたりタイマーｔ₁をスタートさ
せる。タイマーｔ₁は、主軸３６の回転速度により規定
される発熱量をフィードフォワード制御により制御する
時間である。この時間ｔ₁がタイムアップするか、又は
Ｔ_OとＴ_{O ,NEW}がほぼ等しくなると次のフィードバック
制御に移る。

【００３７】フィードバック制御に移ると、制御装置内
のサンプリング制御周期タイマーｔ₂をスタートさせる
（図５参照）。このサンプリング周期用タイマーｔ
₂は、負荷の大きさにより工作機械からの戻り油温Ｔ_I
を基準温度Ｔ_Mに追従制御するための送油温度の目標温
度Ｔ_O,OLDをＴ_O,NEWに更新するをための長周期フィー
ドバック用タイマーである（図２参照）。タイマーｔ₂
と同時にフィードバック制御周期用タイマーｔ₃もスタ
ートする。次に、送油温度Ｔ₀がＴ_O＝Ｔ_O,NEWか否か
を判断する。

【００３８】目標温度Ｔ_O,NEWに送油温度Ｔ_Oが一致し
ていなければ、前記した計算式（２）によりインバータ
周波数を更新する。この更新したインバータ周波数が設
定されたレベル以下の低負荷領域であれば、電磁弁１６
を開にする。この低負荷運転が設定時間以上連続すれ
ば、冷凍機１２の運転を一旦停止する。

【００３９】一方、近似的にＴ_O＝Ｔ_O,NEWであれば、
インバータ周波数及びパルスモータ膨脹弁１７の開度は
変更せず、そのままタイマーｔ₃がタイムアップするま
で運転を続ける。タイマーｔ₃がタイムアップすると、
タイマーｔ₂がタイムアップしているか否かを判断す
る。タイマーｔ₂、すなわちサンプリング周期時間（長
周期のフィードバック）に達していなければ前記同様の
フィードバックループ（短周期のフィードバック）を繰
り返す。サンプリングタイマーｔ₂がタイムアップして
いれば、前記した計算式（３）のような補正を行う。

【００４０】すなわち、工作機械からの戻り油温Ｔ
_Iと、基準温度Ｔ_Mとの温度偏差を演算し、送油温度Ｔ
₀の設定値に、その偏差分（Ｔ_M−Ｔ_I）を加えて更新
する。この補正は、工作機械へ流せる冷却油の流量が変
化した場合でも発熱量Ｑと顕熱温度上昇値から水当量Ｗ
を逆算することで、送油温度の設定値に補正をかけるも
のである。前記したように、最初のＷは予想値であり、
実際に測定した値ではない。したがって、このステップ
での補正は、水当量Ｗを実際に近いものに補正するもの
である。この補正が終了すると、サンプリング制御周期
用タイマーｔ₂を再びスタートさせ前記したフィードバ
ック制御を繰り返す。

【００４１】フィードバック制御前記した制御は、フィードフォワード制御の後、フィ
ードバック制御に切り換えていた。図６に示す制御は、
フィードフォワード制御がなくフィードバック制御のみ
を行う場合の制御動作である。制御装置の設定用スイッ
チ４５を操作し、戻り油温度制御を選択し、スタートさ
せるとサンプリング制御周期用タイマーｔ₂をスタート
させる。更に、フィードバック制御周期用タイマーｔ₃
をスタートさせる。次に、各温度センサーＴ_I，Ｔ_O，
Ｔ_M，Ｔ_Rの温度を読み込む。送油油温Ｔ₀の目標値を
次式により算出する。

【００４２】

【数４】次に、Ｔ_O＝Ｔ_{O ,NEW}か否か判断し、目標温度Ｔ_O,NEW
にＴ_Oが達していなければ、前記した計算式（２）でイ
ンバータ周波数を計算し、更新する。次に、主軸３６の
回転数があらかじめ設定された低負荷領域であると電磁
弁１６を開く。一定時間以上低負荷運転が続くと冷凍機
１２を停止させる。タイマーｔ₃がタイムアップする
と、前記した計算式（２）により補正を行った後、前記
制御を繰り返す。送油油温制御モードを選択した場合、
フィードバック制御周期用タイマーｔ₃をスタートさせ
る。温度センサーＴ_I，Ｔ_O，Ｔ_M，Ｔ_Rの各温度を読
み込む。工作機械への送油油温Ｔ_Oが基準温度Ｔ_Mと同
一であるか否かを判断する。送油油温が目標値に達して
いないようであるならば、次の演算式で変更する。

【００４３】

【数５】次に、主軸３６の回転数があらかじめ設定された低負荷
領域であると電磁弁１６を開く。一定時間以上低負荷運
転が続くと冷凍機１２を停止させる。タイマーｔ₃がタ
イムアップすると、前記した計算式（５）により補正を
行った後、前記制御を繰り返す。

【００４４】

【第２実施例】前記した第１実施例は、冷凍機１２の周
波数を制御して冷却油の温度を制御している。しかし、
温度コントローラ部３は、冷媒流路１３のバイパス１５
に設けたパルスモータによって駆動される膨脹弁１７の
弁開度を主軸頭３１での発熱量（熱負荷）の大きさに応
じて制御し、冷却油の温度を間接的に制御し、これによ
って主軸頭３１の温度を制御しても良い。図７は、この
第２実施例の温度制御装置の制御に携わる制御信号の流
れを示すブロック線図である。図２に示す第１実施例の
ブロック線図と基本的には同一であるが、前記実施例で
は、冷凍機２０の回転速度を制御するものであったが、
この第２実施例ではパルスモータ膨脹弁１７の弁開度を
変更する点で第１実施例と異なる。

【００４５】図８に示すフロー図は、第２実施例の制御
装置の動作の概要を示すフロー図である。第１実施例と
異なる点は、パルスモータ膨脹弁１７の開度である。こ
の開度の計算は次式により行う。

【００４６】

【数６】ただし、ｃ：定数、ｆ_F：フィードフォワード制御時の
周波数、ｋ：温度偏差と変化率によって変わるパラメー
タ（図３参照）第２実施例の他の動作については、同一
である。

【００４７】

【発明の効果】以上詳記したように、この発明は、主軸
の回転速度が設定値以下のとき、冷媒ガスをバイパスさ
せるので低負荷領域から高負荷領域まで冷却能力を可変
にできる。また、フィードフォワード制御とフィードバ
ック制御を組み合わせて制御するので制御遅れをなく
し、応答性を非常に高めることができるようになった。
更に、送油温度を設定値に保つための短周期のフィード
バックループと、基準温度と戻り油温との温度偏差を送
油温度設定値にフィードバックし変更するための長周期
のフィードバックループとの二重のフィードバックルー
プを有するので、より精度が高く応答性の良い制御が可
能になった。

【００４８】また、冷凍機の出口の冷媒ガスを戻り側に
接続したバイパスを設け、そこに電磁弁を配置したの
で、低負荷領域の制御が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、工作機械の温度制御装置の第１実施例
を示す機能ブロック線図である。

【図２】図２は、第１実施例の温度制御装置の制御信号
の流れを示すブロック線図である。

【図３】図３は、インバータ周波数の演算式に使用する
パラメータｋのテーブルである。

【図４】図４は、第１実施例の温度制御装置の制御動作
を示すフローチャートである。

【図５】図５は、図４の制御動作の続きを示すフローチ
ャートである。

【図６】図６は、第１実施例の温度制御装置の他の制御
動作を示すフローチャートである。

【図７】図７は、第２実施例の温度制御装置の制御信号
の流れを示すブロック線図である。

【図８】図８は、第２実施例の制御装置の動作を示すフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１…冷媒流路部、２…冷却油流路部、３…温度コントロ
ーラ部、１０…熱交換器、１１…インバータ出力部、１
２…冷凍機、１４…凝縮器、１６…電磁弁、１７…膨脹
弁、２０…ポンプ、３０…マシニングセンタ、３６…主
軸、４２…ＣＰＵ、４７…リニアライズ回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】工具又は工作物を取り付けて回転させるた
めの主軸を備えている工作機械の主軸頭と、前記主軸に接触させて前記構主軸頭を冷却するための冷
却油と、冷媒ガスを圧縮するための冷凍機と、前記冷凍機で圧縮された前記冷媒ガスの熱を放熱して液
化するための凝縮器と、液化された前記冷媒ガスを絞り膨脹させるための膨脹弁
と、絞り膨脹された低圧低温の気液混合状態の前記冷媒ガス
により前記冷却油から熱を奪って気化させるための熱交
換器と、前記冷凍機を出た直後の前記冷媒ガスをバイパスして前
記冷凍機の前記冷媒ガスの供給管に戻すためのバイパス
と、前記バイパスの途中に設けた電磁弁と、基準温度を設定するための基準温度設定手段と、前記熱交換器の出口の前記冷却油の送油温度を検知する
ための送油温度センサと、前記主軸頭の出口から出た前記冷却油の戻り油温を検知
するための戻り油温度センサと、前記戻り油温度センサが検出した戻り油温と、前記基準
温度との温度差が一定になるように前記冷凍機の回転速
度をインバータ制御するためのインバータ制御手段とか
らなる工作機械の温度制御装置において、前記主軸の回転速度があらかじめ設定された回転速度以
下のとき、前記電磁弁を開いた状態で前記冷凍機をイン
バータ制御して運転することを特徴とする工作機械の温
度制御方法。
【請求項２】工具又は工作物を取り付けて回転させるた
めの主軸を備えている工作機械の主軸頭と、前記主軸に接触させて前記主軸頭を冷却するための冷却
油と、冷媒ガスを圧縮するための冷凍機と、前記冷凍機で圧縮された前記冷媒ガスの熱を放熱して液
化するための凝縮器と、液化された前記冷媒ガスを絞り膨脹させるための膨脹弁
と、絞り膨脹された低圧低温の気液混合状態の前記冷媒ガス
により前記冷却油から熱を奪って気化させるための熱交
換器と、前記冷凍機を出た直後の前記冷媒ガスをバイパスして前
記冷凍機の前記冷媒ガスの供給管に戻すためのバイパス
と、前記バイパスの途中に設けた電磁弁と、基準温度を設定するための基準温度設定手段と、前記熱交換器の出口の前記冷却油の送油温度を検知する
ための送油温度センサと、前記主軸頭の出口から出た前記冷却油の戻り油温を検知
するための戻り油温度センサと、前記戻り油温度センサが検出した戻り油温と、前記基準
温度との温度差が一定になるように前記冷凍機の回転速
度をインバータ制御するためのインバータ制御手段とか
らなる工作機械の温度制御装置において、前記主軸への回転速度の指令信号を前記工作機械を制御
する数値制御装置から受取り、前記回転速度の指令信号
に基づいて前記主軸の回転による前記主軸頭の温度上昇
を見越した温度の訂正動作を前記冷却油に対して行い前
記戻り油温が目標温度に近づくように行うためのフィー
ドフォワード制御と、前記フィードフォワード制御の後、前記予め設定された
前記冷凍機の回転速度と前記冷却油の目標温度との関係
式にしたがって前記冷凍機の回転速度又は前記インバー
タ周波数を決定するフィードバック制御とからなること
を特徴とする工作機械の温度制御方法。
【請求項３】請求項２おいて、前記フィードフォワード制御から前記フィードバック制
御への移行は、前記主軸頭へ供給される前記冷却油の温
度が目標値の予め決められた誤差内か又は予め設定され
た時間を越したか否かで決定することを特徴とする工作
機械の温度制御方法。
【請求項４】請求項２又は３において、前記関係式によるフィードバック制御動作の後、前記戻
り油温と前記基準温度との温度偏差を演算し、前記送り
油温の設定値に前記温度偏差分を加えて前記送り油温の
前記目標温度を更新するサンプリング周期が長い二重の
フィードバックループを有し、その結果、前記戻り油温
が前記基準温度に追従するように制御することを特徴と
する工作機械の温度制御方法。
【請求項５】工具又は工作物を取り付けて回転させるた
めの主軸を備えている工作機械の主軸頭と、前記主軸に接触させて前記主軸頭を冷却するための冷却
油と、冷媒ガスを圧縮するための冷凍機と、前記冷凍機で圧縮された前記冷媒ガスの熱を放熱して液
化するための凝縮器と、液化された前記冷媒ガスを絞り膨脹させるための膨脹弁
と、絞り膨脹された低圧低温の気液混合状態の前記冷媒ガス
により前記冷却油から熱を奪って気化させるための熱交
換器と、前記冷凍機を出た直後の前記冷媒ガスをバイパスして前
記冷凍機の前記冷媒ガスの供給管に戻すためのバイパス
と、前記バイパスの途中に設けた電磁弁と、基準温度を設定するための基準温度設定手段と、前記熱交換器の出口の前記冷却油の送油温度を検知する
ための送油温度センサと、前記主軸頭の出口から出た前記冷却油の戻り油温を検知
するための戻り油温度センサと、前記戻り油温度センサが検出した戻り油温と、前記基準
温度との温度差が一定になるように前記冷凍機の回転速
度をインバータ制御するためのインバータ制御手段とか
らなる工作機械の温度制御装置において、前記主軸への回転速度の指令信号を前記工作機械を制御
する数値制御装置から受取り、前記回転速度の指令信号
に基づいて前記主軸の回転による前記主軸頭の温度上昇
を見越した温度の訂正動作を前記冷却油に対して行い前
記負荷出口油温が目標温度に近づくように行うためのフ
ィードフォワード制御と、前記フィードフォワード制御の後、前記予め設定された
前記冷凍機の回転速度と前記熱媒体液の目標温度との関
係式にしたがって前記膨脹弁の開度を決定するフィード
バック制御とからなることを特徴とする工作機械の温度
制御方法。
【請求項６】請求項５において、前記フィードフォワード制御から前記フィードバック制
御への移行は、前記主軸頭へ供給される冷却油が目標値
の予め決められた誤差内か又は予め設定された時間を越
したか否かで決定することを特徴とする工作機械の温度
制御方法。
【請求項７】請求項５又は６において、前記関係式によるフィードバック制御動作の後、前記戻
り油温と前記基準温度との温度偏差を演算し、前記送り
油温の設定値に前記偏差分を加えて前記送り油温の目標
の油温を更新するサンプリング周期が長い二重のフィー
ドバックループを有し、その結果、前記戻り油温が前記
基準温度に追従するように制御することを特徴とする工
作機械の温度制御方法。