JP5336042B2

JP5336042B2 - 工作機械における温度センサの異常検知方法

Info

Publication number: JP5336042B2
Application number: JP2006340429A
Authority: JP
Inventors: 礼士佐藤
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: CN101206146A; US7766541B2; DE102007058870A1; JP2008149415A; CN101206146B; US20080144693A1; ITMI20072305A1

Description

本発明は、工作機械の熱変位補正に用いられる温度センサの異常を検知する方法に関する。

工作機械においては、環境室温変化や切削熱によって生じる加工寸法誤差を補正する熱変位補正方法がよく用いられている。これは、熱電対やサーミスタ等の温度センサを工作機械の構成要素に設け、電圧計や電流計等の温度測定装置によって温度センサからの温度情報を得て、得られた温度情報から熱変位量を推定して主軸や刃物台等の移動体の補正量を演算し、補正量に基づいて移動体を制御するものである（特許文献１〜３参照）。

特公昭６１−５９８６０号公報特公平６−６１６７４号公報特開２００１−３４１０４９号公報

この場合、温度センサの断線・短絡等の異常や温度測定装置の故障等により異常な温度を検知すると、正常な補正ができずに加工寸法誤差が大きくなったり、異常な補正量によって機械の移動体が工作物などに衝突する可能性があるため、温度センサの異常を検知可能とする必要がある。ここで、温度センサの断線・短絡等の異常については、夫々個別の温度センサの温度情報を監視することで容易に検知できる。しかし、例えばサーミスタの経年劣化に伴う異常等については、温度センサや温度測定装置単独での検知ができず、同一箇所に複数の温度センサを設置して互いの温度情報を比較して異常を検知するといった方法が採られている。このため、温度センサや温度測定装置の数が増えてしまい、コストアップに繋がっていた。

そこで、本発明は、温度センサの異常をより簡単に検知できる方法を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、予め温度センサを、軸受やモータ等の熱源の近傍で熱源の影響を受け、各熱源ごとに区分されるエリア（第１エリア）と、熱源の近傍になく熱源の影響を受けず、切削液温度の影響を受ける加工空間内にあるか又は当該加工空間に面しているエリア（第２エリア）と、熱源の近傍になく熱源の影響を受けず、且つ加工空間内にないか又は当該加工空間に面しておらずに切削液温度の影響を受けず、床面からの高さで分けられる複数のエリア（第３、第４エリア）とに区分される複数の設置エリアにグループ分けしておき、設置エリアに属する複数の温度センサの検知温度のばらつきを求め、そのばらつきを予め設定した制限値と比較して、ばらつきが制限値を超えている場合には、当該ばらつきに係る温度センサを異常と判断することを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の目的に加えて、異常検知を早期に判断可能とするために、検知温度のばらつきは、設置エリア内での複数の温度センサの検知温度を高い順あるいは低い順に並べた時に隣り合う検知温度間の差としたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の目的に加えて、異常な補正量による加工時の不具合の発生を防止するために、温度センサを異常と判断した際には、工作機械の熱変位補正において補正量の変更を禁止させる構成としたものである。

請求項１に記載の発明によれば、検知温度の異常検知を手間をかけずに簡単に実施することができる。よって、異常検知のために温度センサや温度測定装置を増やす必要がなく、コストアップも抑制される。
また、熱源の影響の有無や床面からの高さといった外観から判断可能な設置エリアで温度センサをグループ分けしているので、各部の検知温度を計測することなく温度センサを容易に区別可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、異常判断に用いる検知温度差の制限値を温度センサ数に関係なく簡易的に設定でき、且つ必要最小限の値とすることができる。よって、異常検知を早期に判断可能となる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加えて、異常な補正量により機械の移動体が工作物等に衝突する等の不具合の発生を防止可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例である立形マシニングセンタを側方から見た概略図である。ベッド１の右側には、コラム２が固設され、ベッド１上面に設けたレールには、テーブル３が紙面の左右方向へ移動可能に載置され、ワーク４をテーブル３の上面に固定することが可能となっている。コラム２の左側面に設けたレールには、サドル５が紙面に垂直方向へ移動可能に架設され、サドル５の左側面に、主軸頭６が紙面の上下方向へ移動可能に架設されている。
また、破線７は、カバーで囲まれる加工空間を示している。この加工空間７において、切削液は、主軸頭６下端の主軸に設けた図示していないノズルより吐出し、テーブル３、ワーク４にかかった後、ベッド１上面の図示していない樋部を切粉と共に流れて、外部へ放出される。

８〜１５は夫々温度センサで、温度センサ８は、ベッド１の上面温度を測定するためベッド１上面に、温度センサ９は、テーブル３の温度を測定するためテーブル３に、温度センサ１０は、ワーク４の温度を測定するためワーク４に、温度センサ１１は、ベッド１下部温度を測定するためベッド１下部に、温度センサ１２は、コラム２下部の温度を測定するためコラム２下部に、温度センサ１３は、コラム２上部の温度を測定するためコラム２上部に、温度センサ１４は、サドル５の温度を測定するためサドル５に、温度センサ１５は、主軸頭６の温度を測定するため主軸頭６に、夫々取り付けられている。

各温度センサ８〜１５の温度検出信号は、温度測定装置１６に入力され、公知の方法によってアナログ信号からデジタル信号化されて温度数値として得られる。１７はパラメータ記憶装置で、予め各温度センサの設置位置から設定したグループ分けに係る区分情報と、各区分における制限値とが夫々設定されている。検知温度判定装置１８は、温度測定装置１６から得られた検知温度を、パラメータ記憶装置１７での区分情報に基づいて区分し、各区分に応じた制限値と比較して、温度センサの異常を判断し、判断結果を補正装置１９に出力する。補正装置１９は、検知温度判定装置１８から得られた検知温度から補正値を演算し、ＮＣ装置２０へ出力する。ＮＣ装置２０は、得られた補正値に従ってテーブルや主軸頭等の送り指令を変更することになる。

ここで、パラメータ記憶装置１７には、各温度センサを、温度が同じように変化する設置位置を目安に以下の４つの設置エリアに区分するようにしている。
Ａ．軸受やモータなどの各熱源の影響を受ける位置（第１エリア）
Ｂ．熱源の影響を受けないが、切削液温度の影響を受ける加工空間内または加工空間に面している位置（第２エリア）
Ｃ．熱源の影響も切削液温度の影響を受けない位置で、室温変化の小さい床面に比較的近い位置（第３エリア）
Ｄ．熱源の影響も切削液温度の影響も受けない位置で、室温変化の大きい床面から離れた位置（第４エリア）

従って、温度センサ８〜１５にこれを当てはめると、上記Ａの条件に設置された温度センサはなく、上記Ｂの条件に設置された温度センサは、温度センサ８〜１０となり、上記Ｃの条件に設置された温度センサは、温度センサ１１，１２となり、上記Ｄの条件に設置された温度センサは、温度センサ１３〜１５となる。
この内、Ｂ〜Ｄの条件においては、同じ区分の温度センサが複数であるため、Ｂ〜Ｄの条件の温度センサ８〜１５について本発明の異常検知が可能である。このＢ〜Ｄの条件でグループ分けした温度センサにおいて、図５の室温変化、切削液温度変化時における検知温度は、図２、図３、図４となり、区分が同じ温度センサの検知温度は同じように変化することがわかる。
そして、パラメータ記憶装置１７には、区分Ｂに対応する制限値γ２と、区分Ｃに対応する制限値γ３と、区分Ｄに対応する制限値γ４とが夫々設定されている。

以上の如く構成された立形マシニングセンタにおける温度センサの異常検知方法を、図６のフローチャートに基づいて説明する。
まず、各温度センサ８〜１５によって温度計測を行い、得られた検出信号を温度測定装置１６によりデジタル信号化して温度数値として得る（Ｓ１）。なお、この処理は予め設定された間隔（例えば１０秒）ごとに実行される。次に、Ｓ２において、検知温度判定装置１８にて、パラメータ記憶装置１７での区分情報に基づき、検知温度を以下の３つの区分にグループ分けする。
区分Ｂ：温度センサ８、温度センサ９、温度センサ１０の検知温度
区分Ｃ：温度センサ１１、温度センサ１２の検知温度
区分Ｄ：温度センサ１３、温度センサ１４、温度センサ１５の検知温度

そして、Ｓ３では、各区分の検知温度を高い順に並び替え、Ｓ４で隣り合った検知温度の差ΔＴを夫々算出する。
例えば、図２、図３、図４にて、２Ｈの時点における、温度センサ８〜１５の検知温度Ｔ_８〜Ｔ_１５は、以下の通りとなる。
Ｔ_８＝２５．０℃ Ｔ_９＝２７．３℃ Ｔ_１０＝２９．６℃ Ｔ_１１＝２１．２℃
Ｔ_１２＝２０．５℃ Ｔ_１３＝２１．３℃ Ｔ_１４＝２１．９℃ Ｔ_１５＝２２．３℃

これより、区分Ｂの検知温度Ｔ_８、Ｔ_９、Ｔ_１０を高い順に並べてＴＢ_１、ＴＢ_２、ＴＢ_３とすると、
ＴＢ_１＝Ｔ_１０＝２９．６℃
ＴＢ_２＝Ｔ_９＝２７．３℃
ＴＢ_３＝Ｔ_８＝２５．０℃
となり、検知温度のばらつきとなる各検知温度差ΔＴは、
ΔＴＢ_{（１−２）}＝ＴＢ_１−ＴＢ_２＝２．３℃
ΔＴＢ_{（２−３）}＝ＴＢ_２−ＴＢ_３＝２．３℃
となる。

同様に、区分Ｃの検知温度Ｔ_１１、Ｔ_１２を高い順に並べてＴＣ_１、ＴＣ_２とすると、
ＴＣ_１＝Ｔ_１１＝２１．２℃
ＴＣ_２＝Ｔ_１２＝２０．５℃
となり、検知温度差ΔＴは、
ΔＴＣ_{（１−２）}＝ＴＣ_１−ＴＣ_２＝０．７℃
となる。

同様に、区分Ｄの検知温度Ｔ_１３、Ｔ_１４、Ｔ_１５を高い順に並べてＴＤ_１、ＴＤ_２、ＴＤ_３とすると、
ＴＤ_１＝Ｔ_１５＝２２．３℃
ＴＤ_２＝Ｔ_１４＝２１．９℃
ＴＤ_３＝Ｔ_１３＝２１．３℃
となり、検知温度差ΔＴは、
ΔＴＤ_(１−２)＝ＴＤ_１−ＴＤ_２＝０．４℃
ΔＴＤ_(２−３)＝ＴＤ_２−ＴＤ_３＝０．６℃
となる。

そして、Ｓ５では、区分Ｂの検知温度差ΔＴＢと制限値γ２、区分Ｃの検知温度差ΔＴＣと制限値γ３、区分Ｄの検知温度差ΔＴＤと制限値γ４とを夫々比較し、ΔＴ＞γとなった場合には、当該検知温度差に係る両温度センサの何れかにおいて異常があったと判断する。そして、異常と判断した場合は、Ｓ６で当該温度センサに係る検知温度異常のアラームを表示し、Ｓ７で補正装置１９に異常となる前の補正量から変更しない様に指令する。一方、Ｓ５の判別でΔＴ＞γでない場合、及びＳ７での指令後は、Ｓ８において引き続いて異常検知を行うか否かを判別し、続行する場合はＳ１へ戻る。

このように、上記形態の温度センサの異常検知方法によれば、予め温度センサを所定の設置エリアごとにグループ分けしておき、各設置エリアに属する複数の温度センサの検知温度のばらつきを求め、そのばらつきを予め設定した制限値と比較して、制限値を超えている場合には、当該ばらつきに係る設置エリアの温度センサを異常と判断することで、検知温度の異常検知を手間をかけずに簡単に実施することができる。よって、異常検知のために温度センサや温度測定装置を増やす必要がなく、コストアップも抑制される。
特に、熱源や切削液温度の影響の有無と床面からの高さといった外観から判断可能な設置エリアで温度センサをグループ分けしているので、各部の検知温度を計測することなく温度センサを容易に区分可能となっている。
そして、温度センサを異常と判断した際には、熱変位補正において補正量の変更を禁止させるので、異常な補正量により機械の移動体が工作物等に衝突する等の不具合の発生を防止可能となる。

また、ここでは、検知温度のばらつきは、設置エリア内での複数の温度センサの検知温度を高い順或いは低い順に並べた時に隣り合う検知温度間の差としているので、異常判断に用いる検知温度差の制限値を温度センサ数に関係なく簡易的に設定でき、且つ必要最小限の値とすることができる。よって、異常検知を早期に判断可能となる。これは、温度センサの劣化などによる検知温度の異常は、１カ所で生じることが多いため、使用する制限値を出来る限り小さく、且つ温度センサの総数に関係なく同じ値にしても、設置エリアでの異常検知が可能だからである。

なお、区分した温度センサ間のばらつきを求める方法として、標準偏差、中央値、範囲といった統計量を用いることもできる。標準偏差または範囲を用いる場合は、区分した検知温度から公知の式で標準偏差または範囲を求め、標準偏差または範囲とあらかじめ設定した制限値とを比較することになる。
中央値を用いる場合は、区分した検知温度から公知の方法で中央値を求め、中央値と検知温度との差とあらかじめ設定した制限値とを比較することになる。
但し、標準偏差はサンプル総数によって値が異なるため、標準偏差と比較する制限値は、区分した温度センサの総数によって値を変えるのが望ましい。また、区分した温度センサの中でも、図２、図３、図４に示す様に温度センサ位置の違いによる検知温度のばらつきがあるため、範囲および中央値と検知温度との差と比較する制限値は、温度センサの総数や同じ区分の温度センサの取付位置によって値を変えるのが望ましい。

また、上記形態では、４つに区分した設置エリアのうち、熱源の影響を受けない区分Ｂ〜Ｄの場合を示したが、熱源の影響を受ける区分Ａにおいて、各熱源ごとに区分する場合は、例えば以下のようになされる。
図７は、図１の立形マシニングセンタの主軸頭６内部の主軸構造及びサドル５内部の上下移動軸構造を示す概略図である。主軸２１は軸受２２〜２６によって軸支されており、モータ２７によって駆動される。主軸頭６はボールねじ２８によって上下方向へ移動する。このボールねじ２８は軸受２９，３０によって軸支されており、モータ３１によって駆動されるものである。

ここで、温度センサ３２〜３４は、主軸２１を軸支する軸受２２，２４，２６の温度を測定するため各軸受の近傍に、温度センサ３５，３６は、ボールねじ２８を軸支する軸受２９，３０の温度を測定するため各軸受の近傍に夫々取り付けられている。
主軸２１を軸支する軸受２２，２４，２６は、主軸２１の回転に伴って発熱するため、熱源として扱うことができ、温度センサ３２〜３４で１つの設置エリア（上記形態での区分Ａ、本発明での第１エリア）に区分できる。
一方、ボールねじ２８を軸支する軸受２９，３０は、主軸頭６が上下移動する際の回転によって発熱するため、これも熱源として扱うことができ、温度センサ３５，３６で１つの設置エリア（区分Ａ、第１エリア）に区分できる。
以上のようにして熱源ごとの区分がなされる。後の区分ごとの温度センサの異常検知処理は上記形態と同様である。

その他、温度センサの数や設置位置、グループ分けの態様等は、上記形態に限らず、例えば床面からの高さで分けるエリアを３以上のさらに多段階に区分する等、適宜変更可能である。但し、設置エリアは、複数である必要はなく、一つであってもよい。勿論適用する工作機械も、温度センサを用いて熱変位補正を実行するものであれば、マシニングセンタに限定されない。

立形マシニングセンタの概略図である。区分Ｂの温度センサの検知温度の変化を示すグラフである。区分Ｃの温度センサの検知温度の変化を示すグラフである。区分Ｄの温度センサの検知温度の変化を示すグラフである。室温及び切削液温度の変化を示すグラフである。温度センサの異常検知方法のフローチャートである。図１の立形マシニングセンタの主軸頭内部の主軸構造及びサドル内部の上下移動軸構造を示す概略図である。

符号の説明

１・・ベッド、２・・コラム、３・・テーブル、５・・サドル、６・・主軸頭、７・・加工空間、８〜１５，３２〜３６・・温度センサ、１６・・温度測定装置、１７・・パラメータ記憶装置、１８・・検知温度判定装置、１９・・補正装置、２０・・ＮＣ装置、２１・・主軸、２２〜２６，２９，３０・・軸受、２８・・ボールねじ。

Claims

複数の温度センサを異なる位置に配置した工作機械において、前記温度センサの異常を検知する方法であって、
予め前記温度センサを、軸受やモータ等の熱源の近傍で前記熱源の影響を受け、前記各熱源ごとに区分されるエリア（第１エリア）と、前記熱源の近傍になく前記熱源の影響を受けず、切削液温度の影響を受ける加工空間内にあるか又は当該加工空間に面しているエリア（第２エリア）と、前記熱源の近傍になく前記熱源の影響を受けず、且つ前記加工空間内にないか又は当該加工空間に面しておらずに前記切削液温度の影響を受けず、床面からの高さで分けられる複数のエリア（第３、第４エリア）とに区分される複数の設置エリアにグループ分けしておき、前記設置エリアに属する複数の前記温度センサの検知温度のばらつきを求め、そのばらつきを予め設定した制限値と比較して、前記ばらつきが前記制限値を超えている場合には、当該ばらつきに係る前記温度センサを異常と判断することを特徴とする工作機械における温度センサの異常検知方法。
検知温度のばらつきは、設置エリア内での複数の温度センサの検知温度を高い順あるいは低い順に並べた時に隣り合う検知温度間の差とする請求項１に記載の工作機械における温度センサの異常検知方法。
温度センサを異常と判断した際には、工作機械の熱変位補正において補正量の変更を禁止させる請求項１又は２に記載の工作機械における温度センサの異常検知方法。