JP4880634B2 - 工作機械の熱変位推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、マシニングセンタ等の工作機械において、回転軸の熱変位を推定する熱変位推定方法に関するものである。

一般に、工作機械は、機械の特性上各部に熱源（例えば主軸の転がり軸受）を持っており、この熱源によって発生した熱が機械各部に伝わることで、機体の熱変位を引き起こす。機体の熱変位は加工精度に大きく影響するため、その防止対策として、従来から、発熱部を冷却する方法、或いは、機体温度情報から熱変位を推定して補正する方法が広く採用されている。

後者の熱変位推定方法として、従来、本出願人は、特許文献１において、回転速度変化後の過渡状態から定常状態に至るまで、測定された温度変化を基に、回転時の相当発熱量を算出し、該算出値から熱変位を算出することで、あらゆる運転状況において熱変位を正確に推定する技術を提案している。さらに、特許文献２では、ムダ時間に対応するため発熱量が変化した後に、計測温度の複数回前との温度変化に基づいて相当発熱量を算出する方法を提案している。また、特許文献３では、過渡状態における温度と熱変位の時間応答が同様となるように時間 或いは補正回数に応じて熱変位推定演算式の係数を変化させながら主軸の熱変位を求める熱変位推定演算を提案し、あらゆる運転状況において正確に補正することを提案している。これについては、特許文献４において、ムダ時間をキャンセルするため、温度及び熱変位の時間応答を等しくする関数で対応することを提案している。
また、本出願人は、先願である特願２００７−１８３１４において、発熱量が急激に変化し、測定温度のムダ時間が大きい場合には、過渡状態の極初期において、温度変化が測定されない状態で、熱変位が発生する場合に、推定値に誤差が発生するという問題点に対して、予め設定した主軸回転速度と設定−相当発熱量の関係から、主軸回転速度変化前後での回転速度から算出される設定−相当発熱量と温度測定位置から算出される相当発熱量の差と回転速度変化後の経過時間から求めた補償量を、温度データに基づく温度−相当発熱量に加えることで、測定段階における測定ムダ時間を補償する提案をしている。

特開２００６−０１５４６１号公報 特開２００７−０１５０９４号公報 特許第３１５１６５５号公報 特許第３４２２４６２号公報

ところが、これらの従来技術では、補償量算出のための基準となる設定−相当発熱量に回転速度に対する固定値を使用している。そのため、工作機械の環境温度変化により潤滑粘度が変化し回転速度に対する発熱量が変化した場合や、経時劣化による発熱量の変化があった場合に、設定−相当発熱量が実際と合わなくなり推定値に誤差が発生するという問題点があった。

そこで、本発明では上記問題点を鑑み、回転速度に対する発熱量が変化した場合や、経時劣化による発熱量の変化があった場合であっても、設定−相当発熱量を修正して推定値の誤差をなくし、熱変位の推定精度を向上できる工作機械の熱変位推定方法の提供を課題とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、工作機械の温度上昇をセンサで測定する段階と、測定した温度を数値化する段階と、数値化された温度データに基づき温度−相当発熱量を推定演算する段階と、該相当発熱量から熱変位を推定演算する段階と、予め設定した主軸回転速度と設定−相当発熱量の関係式をもとに主軸回転速度が変わる前の設定−相当発熱量の値と主軸回転速度が変化した後の設定−相当発熱量の値との差を求め、その差をもとに回転速度変化後の経過時間から求めた補償量を温度データに基づく温度−相当発熱量に加える段階とからなり、設定−相当発熱量の関係を、回転速度変化後で計測温度遅れ応答時定数の３倍以上経過した時間の温度−相当発熱量の値をもとに修正することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、設定−相当発熱量の関係を、過去の複数回の値をもとに算出して修正することを特徴とする。

請求項１、２の発明によれば、温度センサの時定数や取付位置によって生じる測定温度のムダ時間により、温度変化が測定される前に熱変位現象が発生する場合の補償に於いて、環境温度や経時劣化によって主軸の状態が変化し、回転速度に対する発熱量が変化した場合に特に優れた効果が期待でき、熱変位の推定精度を向上できるという優れた効果を奏する。また、設定−相当発熱量の修正に用いる温度−相当発熱量において、回転速度変更後の修正値を求めるまでの時間を短くできる。

以下に、本発明の熱変位推定方法を図面に基づいて詳細に説明する。図１はマシニングセンタにおける主軸回転速度の経時変化を示している。図２は図１の運転条件下における主軸の実際の熱変位、図３は測定温度の経時変化の一例である。図２の熱変位は非接触式変位センサを用いて１０秒間隔で測定し、図３の温度は主軸軸受の近傍に設置した温度センサで測定したものである。ここでは本発明の特徴を明らかにするために、同じ種類の主軸において十分な慣らし運転を行った後１５０００ｍｉｎ^−１で運転した場合の軸受の温度変化を測定する統計調査を行った。図４は計４４台を測定した統計調査結果である。これより軸受の温度変化は４．０〜６．５℃の範囲で分布し、平均５．１３℃、標準偏差０．５８８℃であったことから、組立直後においても組立状況や環境温度状態の影響で発熱量が変化していることが分かる。これより回転速度と設定−相当発熱量の関係は、全ての機械や状況において必ずしも同じ係数にならないことを示している。

次に、図５のように主軸を回転させた場合の温度上昇と熱変位量の測定結果を図６に示す。さらに、式１は一定間隔の離散的に測定された温度上昇値に対して、温度−相当発熱量を求める伝達関数であり、実験に用いた機台の応答特性係数を代入し、式１’により求めた温度−相当発熱量の算出結果を図７に示す。ここでは、図５に示すように１３０００ｍｉｎ^−１を基準とした温度上昇に対して温度−相当発熱量を算出したが、機械の基準温度に対する主軸軸受の近傍温度との差で温度−相当発熱量を算出してもよい。
ＴＸ_ｎ＝ＴＹ_ｎ−１＋（ＴＹ_ｎ−ＴＹ_ｎ−１）／α_Ｔ 式１
ＴＸ_ｎ：ｎ回目の温度−相当発熱量 ＴＹ_ｎ：ｎ回目の温度変化
α_Ｔ ：応答特性係数
ＴＸ_ｎ＝ＴＹ_ｎ−１＋（ＴＹ_ｎ−ＴＹ_ｎ−１）／０．９１ 式１’

ここで、主軸回転速度と設定−相当発熱量の関係式を式２に示す。
Ａ_Ｓ＝Ｃ・Ｎ_Ｓ ^γ 式２
Ａ_Ｓ：回転速度と設定−発熱量の関係 Ｃ，γ：近似係数
Ｎ_Ｓ：主軸指令回転速度

回転速度が変化する前の設定−相当発熱量をＡ_ｓ０、回転速度が変化した後での設定−相当発熱量をＡ_ｓ１とすると、回転速度が変化する前と後での差 Ａｓｄは、式３で求めることができる。
Ａ_Sｄ ＝ Ａ_S１−Ａ_S０ 式３
次に、式４を用いて回転速度変化後の経過時間から補償量を求め、式１のＴＸｎに加えることで、温度測定におけるムダ時間が補償された図８の結果を得る。
ＬＴ_ｎ＝ Ａ_sｄ・ｅｘｐ（−ｔ／β） 式４
ＬＴ_ｎ： 回転速度変化後ｎ回目の補償量
Ａ_sｄ ：回転速度が変化する前と後での差
ｔ：回転速度変化後の経過時間あるいは回転速度変化後の回数
β：温度検出の遅れを表す時定数
ここで、ＬＴ_ｎが小さくなった場合には補償量の計算を終了することができる。

ところで、設定−相当発熱量は先に記しているとおり、組立状況や環境温度状態の影響で発熱量が変化するため、式２の近似係数Ｃは出荷時の既定値として設定することができない。そこで、近似係数Ｃを逐次変更することとする。具体的には、図６では温度変化、熱変位ともに飽和点に達していないのに対して、図７は回転速度変化後１分程度の短時間で飽和しているため、情報を得るのに都合がよいことが分かる。

つまり設定−相当発熱量を求める場合には、熱変位や温度の飽和点まで待つことなく、短時間で必要な情報が得られることを示している。ここで必要な情報を得るまでの待ち時間としては、温度−相当発熱量の算出結果から回転速度変化に対するステップ応答として時定数を算出し、該時定数の3倍程度の時間が経過した以降の値を用いるとよい。また、近似係数の精度を高くするためには、回転速度に対する相当発熱量の値を複数点もとめ、式２にあてはめて最小二乗法などを用いて係数を決定することが望ましい。ここで使用する温度上昇は機械の基準温度に対する主軸軸受の近傍温度との差を用いる。

なお、この場合用いるデータは運転中に得られた情報であっても、特別に本目的のために設定する運転条件によって得られた結果、或いはその組合せの何れの場合でも良い。

次に、本発明をマシニングセンタに具体化した一実施形態を適宜図面に基づいて説明する。図９は立形マシニングセンタにおける熱変位補正システムを示すものであるが、これと同様のシステムを横形マシニングセンタに適用してもよい。マシニングセンタは、周知のように、主軸ヘッド１、コラム２、主軸３、ベッド４、移動テーブル５等から構成されている。主軸３の近傍にはその発熱温度を測定するための第１温度センサ６が取り付けられている（図１０参照）。ベッド４には基準温度を測定する第２温度センサ７が取り付けられている。

温度測定装置８は各温度センサ６，７からのアナログ信号をデジタル信号に変換し、数値化された温度データを熱変位推定演算器９に出力する。記憶装置１０には補正パラメータ、および回転速度と設定−相当発熱量のパラメータが予め記憶されている。熱変位推定演算器９は温度データと補正パラメータとから熱変位を推定して補正値を算出する。そして、この補正値に基づいてＮＣ装置１１が周知の方法により位置補正を実行するようになっている。

次に、熱変位補正システムについて、図１１をもとに説明する。まず、熱変位補正プログラムが開始されると、温度センサ６，７による温度測定が実行される（Ｓ１１）。そして、この間に主軸３の回転数が変化する（Ｓ１２）とカウンタがスタート（Ｓ１３）し、式３にて回転速度が変化する前の設定−相当発熱量Ａ_ｓ0と回転速度が変化した後の設定−相当発熱量をＡ_ｓ１との差Ａ_ｓｄを算出する。ムダ時間補償量が小さくない間は、式４にて補償量を演算（Ｓ１６）し、式１による相当発熱量演算（Ｓ１７）に加算される。その後、熱変位相当温度変化を演算（Ｓ１８）し、熱変位量に換算（Ｓ１９）され、ＮＣ装置１１が補正処理（Ｓ２０）を行う。

次に、本発明のフローチャートを示す図１２をもとに説明する。温度−相当発熱量の修正を行う処理がはじまり、回転速度が発熱量変化時定数の３倍以上の時間が経過(Ｓ１)すると、機械の基準温度に対する軸受近傍の温度との差を算出し（Ｓ２）式１に基づく補償量を用いた演算により温度−相当発熱量の算出を行う（Ｓ３）。その結果を回転速度との関係で記録する（Ｓ４）。予め設定した設定−相当発熱量の更新に十分な情報が得られる（Ｓ５）と式２により設定−相当発熱量の修正演算（Ｓ６）が行われ、処理を完了する。そして、この修正演算結果に相当する補正量が演算器９からＮＣ装置１１に出力され、該装置１１によって位置補正が実行される。

このように、本発明の熱変位推定方法を採用した上記実施例のマシニングセンタによれば、環境温度や経時劣化によって主軸の状態が変化し、回転速度に対する発熱量が変化した場合であっても、設定−相当発熱量の関係を、回転速度変化後で計測温度遅れ応答時定数の３倍以上経過した時間の温度−相当発熱量の値をもとに修正することで、熱変位の推定精度を向上できるという優れた効果を奏する。また、設定−相当発熱量の修正に用いる温度−相当発熱量において、回転速度変更後の修正値を求めるまでの時間が短いメリットもある。

マシニングセンタにおける主軸回転速度の経時変化を示す特性図である。 主軸熱変位の経時変化を示す特性図である。 主軸温度の経時変化を示す特性図である。 主軸温度上昇のばらつきを示す分布図である。 主軸回転速度の経時変化を示す特性図である。 主軸の熱変位及び温度上昇値の経時変化を示す特性図である。 測定温度から算出される温度−相当発熱量を示す特性図である。 ムダ時間補償の相当発熱量を示す特性図である。 本発明の方法が実施される立形マシニングセンタの熱変位補正システムを示す概略図である。 温度センサの設置箇所を例示する主軸ヘッドの詳細図である。 マシニングセンタの温度をもとに熱変位を推定し、補正する方法を示すフローチャートである。 温度−相当発熱量をもとに設定−温度発熱量の修正をおこなうフローチャートである。

符号の説明

１・・主軸ヘッド、３・・主軸、４・・ベッド、６・・第１温度センサ、７・・第２温度センサ、８・・温度測定装置、９・・熱変位推定演算器、１０・・記憶装置、１１・・ＮＣ装置。

Claims (2)

1. 工作機械の温度上昇をセンサで測定する段階と、測定した温度を数値化する段階と、数値化された温度データに基づき温度−相当発熱量を推定演算する段階と、該相当発熱量から熱変位を推定演算する段階と、予め設定した主軸回転速度と設定−相当発熱量の関係式をもとに主軸回転速度が変わる前の設定−相当発熱量の値と主軸回転速度が変化した後の設定−相当発熱量の値との差を求め、その差をもとに回転速度変化後の経過時間から求めた補償量を温度データに基づく温度−相当発熱量に加える段階とからなり、
   設定−相当発熱量の関係を、回転速度変化後で計測温度遅れ応答時定数の３倍以上経過した時間の温度−相当発熱量の値をもとに修正する、
   ことを特徴とする工作機械の熱変位推定方法。
2. 設定−相当発熱量の関係を、過去の複数回の値をもとに算出して修正する、
   請求項１に記載の工作機械の熱変位推定方法。

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