JP5734388B2 - 暖機運転を自動的に開始する制御装置 - Google Patents

Description

本発明は機械の暖機運転を制御する制御装置に関する。

高い動作精度が要求される機械において、その機械の動作精度又は動作結果を安定させることを目的として暖機運転が実行される。これは、機械の動作中における温度変化に起因して機械の駆動要素の伸縮が生じ、それにより機械の動作精度が影響を被るのを防止することを意図したものである。一般的に、機械の駆動要素の温度が上昇するのに従って、機械の駆動要素は膨張するので、動作開始直後の比較的低温の機械の駆動要素と、十分に暖機された機械の駆動要素とではその挙動（例えば、動作軌跡）に差が生じる。その結果、動作が開始されてから十分に暖機されるまでの間、機械の安定した動作精度が保証されない。

通常、意図される本来の作業（工作機械の場合は加工処理）を実行する前に、暖機運転を完了しておくのが好ましい。しかしながら、暖機運転を実行するためには、実際の作業時間を削減する必要が生じて生産効率が低下する虞がある。或いは、オペレータが通常の労働時間外で暖機運転を実行する場合には、人件費がそれに応じて増大する。

特許文献１には、暖機運転がいったん終了した後に、工作機械が放置された場合であっても自動的に暖機運転を再度実行するように構成された暖機運転制御装置が開示されている。また、特許文献１に開示される制御装置は、時間の経過とともに変化する熱変位量に基づいて、暖機運転を再度実行するか否かを判定できるように構成されている。

特許文献２には、作業者が作業開始時刻において直ちに加工作業を開始できるように構成された放電加工装置が開示されている。特許文献２に記載の放電加工装置においては、通常モードと省電力モードとの間を切換えることによって不必要な消費電力を抑えることが意図されており、予め設定可能な時刻にそれらモード間の切換えが行われる。

特開２０１３−１６３２５５号公報 特開２０１０−１０５１０１号公報

しかしながら、特許文献２に記載された放電加工装置では、機械の準備工程を所定の開始時刻において自動的に実行できるものの、構成部位の熱変位を防止する目的で、外部に加工液を循環させる装置を要するので機械のコストが増大する。また、制御対象の機械の駆動要素（ボールネジなど）に加工液を循環させるためには、構造が複雑になり、その実現も困難である。したがって、追加の装置を必要とせず、安価かつ単純な構造で暖機運転を効率的に自動的に実行できる制御装置が求められている。

本願の１番目の発明によれば、動作プログラムに従って機械の暖機運転を制御する制御装置であって、前記制御装置は、暖機運転終了時刻を記憶する記憶部と、現在の時刻を測定する時間測定部と、前記機械の温度を測定する温度測定部と、前記機械の動作を制御する制御部と、を備えており、前記制御部は、前記温度測定部によって測定された前記機械の温度と、前記機械の固有の飽和温度との間の差に基づいて、前記機械の暖機運転に必要な暖機運転時間を推定する推定部と、前記記憶部によって記憶された前記暖機運転終了時刻、及び前記推定部によって推定された前記暖機運転時間に基づいて、暖機運転開始時刻を決定する開始時刻決定部と、前記時間測定部によって測定された現在の時刻、及び前記開始時刻決定部によって決定される前記暖機運転開始時刻に基づいて、前記機械の暖機運転を開始する暖機運転開始部と、前記時間測定部によって測定された現在の時刻が、前記記憶部によって記憶される暖機運転終了時刻と一致したときに前記機械の暖機運転を終了する暖機運転終了部と、を備える、制御装置が提供される。
本願の２番目の発明によれば、１番目の発明に係る制御装置において、前記開始時刻決定部は、前記暖機運転開始時刻が、前記暖機運転終了時刻から前記暖機運転時間を減算して得られる時刻となるように構成される。
本願の３番目の発明によれば、１番目又は２番目の発明に係る制御装置において、前記暖機運転開始部は、前記時間測定部によって測定される現在の時刻が、前記暖機運転終了時刻から前記暖機運転時間を減算して得られる時刻と一致したときに前記機械の暖機運転を開始するように構成される。
本願の４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明に係る制御装置において、前記推定部が、前記機械の動作速度に応じて前記暖機運転時間を補正するように構成される。
本願の５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明に係る制御装置において、記制御部が、外乱が発生したことを検出する外乱検出部をさらに備えていて、前記外乱検出部によって外乱が検出されたときに、前記外乱の影響を補償して前記暖機運転終了時刻までに前記機械の暖機運転を完了するよう前記機械の動作条件を変更するように構成される。

上記構成を備えた制御装置によれば、機械固有の飽和温度を考慮して、暖機運転に必要な時間が推定される。そして、推定された暖機運転時間に基づいて、所定の暖機運転終了時刻までに暖機運転を完了できるように暖機運転が開始される。したがって、機械のタイプ又は状態に応じて、対象となる機械（特に、駆動要素など）にとって最適な暖機運転を自動的に実行できるようになる。また、追加の装置等を準備する必要もなく、安価かつ単純な構造で所期の暖機運転の制御が可能になる。その結果、作業効率が向上し、また、暖機運転に必要な人件費が削減されるようになる。

本発明の第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 第２の実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。 機械の温度と熱容量との間の関係を表す図である。 暖機運転時間を推定する処理を説明する図である。 暖機運転時間を推定する処理を説明する図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御装置１０の構成を示す機能ブロック図である。制御装置１０は、機械、例えば工作機械の暖機運転を制御するように構成されている。本発明に係る制御装置１０によって制御されうる機械は、任意の形態を有する公知の機械でありうる。以下、本明細書においては、工作機械の駆動軸に付与された動力系の動作を制御する制御装置１０を例にして説明する。

制御装置１０は、各種演算処理を実行するＣＰＵ、演算結果を一時的に記憶するＲＡＭ、動作プログラム等を記憶するＲＯＭ、電源装置、無線又は有線の信号送受信手段などの公知の構成要素が組み合わされた任意のハードウェア構成を有する。また、制御装置１０は、インタフェースを介して図示されない外部装置に接続され、必要な情報が制御装置１０に入力されたり、制御装置１０から外部装置に出力したりできるようになっている。

図１に示されるように、制御装置１０は、温度測定部１２と、記憶部１４と、時間測定部１６と、制御部２０と、を備えている。制御部２０は、推定部２２と、開始時刻決定部２４と、暖機運転開始部２６と、暖機運転終了部２８と、をさらに備えている。

温度測定部１２は、制御対象の機械（電動機などを含む）の温度を取得するように機能する。機械の温度は、例えば機械に取付けられた温度センサ（図示せず）によって検出される。温度測定部１２は、温度センサの検出値を直接的又は間接的に取得できるように構成される。

記憶部１４は、暖機運転が終了されるべき時刻（暖機運転終了時刻）を記憶するように機能する。暖機運転終了時刻は、通常、予定された通常の加工工程を開始する時刻に概ね一致するように定められる。例えば、加工工程が午前８時に開始される必要がある場合、暖機運転終了時刻は遅くとも午前８時に設定される。必要に応じて暖機運転終了時刻が加工工程の開始予定時刻から前後するように設定されてもよい。暖機運転終了時刻は、予めプログラムに組込まれたスケジュールに従って自動的に設定されてもよいし、オペレータが手動で入力するようになっていてもよい。

時間測定部１６は、現在の時刻を測定するように機能する。時間測定部１６は、それ自体が実際の時刻を測定できるように形成されていてもよいし、外部の計時手段と協働して、現在の時刻を取得できるように形成されていてもよい。

推定部２２は、温度測定部１２によって測定された機械の温度と、機械の固有の飽和温度と、に基づいて、機械の暖機運転を完了するのに要する時間（暖機運転時間）を推定するように機能する。推定部２２が暖機運転時間を推定する推定方法の具体例については後述する。

開始時刻決定部２４は、記憶部１４において記憶された暖機運転終了時刻と、推定部２２によって推定される暖機運転時間と、に基づいて、暖機運転が開始されるべき時刻（暖機運転開始時刻）を決定するように機能する。暖機運転開始時刻は、例えば暖機運転終了時刻から暖機運転時間を差し引くことによって得られる。

暖機運転開始部２６は、時間測定部１６によって測定される現在の時刻と、開始時刻決定部２４によって決定される暖機運転開始時刻と、に基づいて、機械の暖機運転を開始させるように機能する。暖機運転開始部２６は、例えば、測定された現在の時刻が暖機運転開始時刻から所定の範囲内に含まれる場合に、機械の暖機運転を開始させる。

暖機運転終了部２８は、時間測定部１６によって測定される現在の時刻と、記憶部１４において記憶された暖機運転終了時刻と、に基づいて、暖機運転を終了させるように機能する。例えば、暖機運転終了部２８は、現在の時刻が暖機運転終了時刻に達した場合に、機械の暖機運転を速やかに終了させる。

ここで、図５〜図７を参照して、前述した制御部２０の推定部２２の機能についてより詳細に説明する。図５は、機械の温度と熱容量との間の関係を表す図である。図５の横軸は、対象の機械を概ね連続的に動作させる場合の動作時間を示している。また、縦軸は、機械温度を示す。図示されるように、機械が動作を開始すると、最初は徐々にその温度が上昇していくものの、ある所定の温度（図中のＸ１又はＸ２）に達すると、それ以上温度が実質的に上昇しなくなる。そのときの温度は飽和温度Ｘと称される。飽和温度Ｘは、機械の熱容量に応じて定まるその機械固有の値である。

図５には、第１の機械Ｍ１及び第２の機械Ｍ２の例を対比させるためにそれぞれ示している。この場合、第１の機械Ｍ１は第２の機械Ｍ２よりも熱容量が大きい。したがって、第１の機械Ｍ１の飽和温度Ｘ１は、第２の機械Ｍ２の飽和温度Ｘ２よりも大きい値をとる。

一般的に、機械の温度を一定の目標温度に維持しながら、所定の動作を実行するのは困難である。したがって、機械が飽和温度に達した状態で機械を動作させることによって、機械の動作精度が安定的に得られることが経験的に分かっている。

図６及び図７は暖機運転時間を推定する処理を説明する図である。図５に関連して例示したように、第１の機械Ｍ１及び第２の機械Ｍ２の場合を考える。図６及び図７の横軸は、実験的に求められる機械の飽和温度と、測定される機械の温度との間の温度差を示している。また、縦軸は、機械を飽和温度Ｘまで暖機するのに必要な暖機運転時間を示している。

図６は、飽和温度と測定された温度との間の温度差に比例して、暖機運転時間が決定される場合を表している。例えば、第１の機械Ｍ１の場合において、上記温度差がＹ１であったとき、それに対応する暖機運転時間Ｚ１が推定される。実際には、暖機運転時間Ｚ１よりも長い暖機運転時間が設定されてもよい。同様に、第２の機械Ｍ２の場合において、上記温度差がＹ２であった場合、それに対応する暖機運転時間Ｚ２が推定される。同様に、暖機運転時間Ｚ２よりも長い暖機運転時間が設定されてもよい。このような温度差と、それに対応する暖機運転時間との関係は、制御装置１０に記憶されるか、又は動作プログラムに組込まれるか、或いは手動で設定可能である。

図７は、機械の飽和温度と測定された機械の温度との間の温度差について、それに対応する暖機運転時間が実験的に定められる場合を表している。すなわち、図７のグラフは、実験的に定まる両者の関係を表している。この場合も、図６に関連して説明したように、温度差Ｙ’１及びＹ’２と、それに対応するＺ’１及びＺ’２と、の関係を利用して暖機運転時間が推定される。

次に、図２を参照して、本実施形態に係る制御装置１０によって実行される処理について説明する。図２は、前述した構成を有する制御装置１０によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。

まず、準備段階であるステップＳ１０１において、暖機運転が終了されるべき時刻である暖機運転終了時刻Ａを記憶部１４に記憶させる。温度測定部１２が起動され、機械の温度Ｘを測定する（ステップＳ１０２）。

続いて、制御部２０の推定部２２が起動され、暖機運転時間Ｂが推定される（ステップＳ１０３）。暖機運転時間Ｂは、前述したように、暖機運転されるべき機械に固有の飽和温度と、ステップＳ１０２で測定された機械の温度Ｘとの間の差分に基づいて推定されうる。また、ステップＳ１０４において、現在の時刻Ｃが時間測定部１６によって測定される。

続いてステップＳ１０５において、現在の時刻Ｃが暖機運転開始時刻を経過しているか否かが判定される。暖機運転開始時刻は、暖機運転終了時刻Ａから暖機運転時間Ｂを差し引くことによって計算される。ステップＳ１０５において、暖機運転開始時刻に至っていないと判定された場合、ステップＳ１０４及びステップＳ１０５の処理が繰返される。

ステップＳ１０５において、現在の時刻Ｃが暖機運転開始時刻を経過していると判定された場合、ステップＳ１０６に進み、暖機運転を開始する。暖機運転は、予め記憶された所定の動作プログラムに従って実行される。

いったん暖機運転が開始されると、所定のサンプリング周期で現在の時刻Ｃが時間測定部１６によって測定される（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７で取得された現在の時刻Ｃは、次のステップＳ１０８において、記憶部１４に記憶された暖機運転終了時刻Ａを経過したか否かを判定するのに使用される。

ステップＳ１０８において、現在の時刻Ｃが暖機運転終了時刻Ａを経過していないと判定された場合、ステップＳ１０７及びステップＳ１０８における処理が繰返される。ステップＳ１０８において、現在の時刻Ｃが暖機運転終了時刻Ａを経過したと判定されると、ステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、暖機運転終了部２８が起動され、暖機運転の終了処理が実行される。このようにして、所定の暖機運転終了時刻Ａまでに暖機運転を効率的に実行できる。

続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。以下の説明において、第１の実施形態に関連して既に述べた内容と重複する事項については説明を適宜省略する。また、同一又は対応する構成要素には同一の参照符号が使用される。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る制御装置１０’の構成を示す機能ブロック図である。図示されるように、制御装置１０’の制御部２０’は、第１の実施形態に係る制御部２０の構成に加えて、外乱検出部３０をさらに備えている。

外乱検出部３０は、暖機運転中に発生した外乱を検出するように機能する。外乱の例としては、暖機運転中の周囲温度の変化又は暖機運転の一時停止などが挙げられる。このような外乱を生じさせる要因としては、例えば、何らかの理由で暖機運転中に機械保護用の扉が開閉された場合などが考えられる。

外乱検出部３０によって外乱が検出された場合、その外乱の影響を考慮して暖機運転の動作条件を変更するようにすれば、暖機運転を所定の時間内に完了できるようになる。例えば、機械の動作が一時停止した場合、それに伴う機械の温度の低下量を算出する。そして、温度の低下量に応じて定まる所定の係数を暖機運転時の機械の動力系に対する速度指令に乗算する。このようにして、外乱発生の影響を考慮した暖機運転時の動作条件が変更されうる。また、機械固有の飽和温度に対する温度の低下量の割合を考慮して係数が調整されるようにしてもよい。

図４は、第２の実施形態に係る制御装置１０’によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。図４に示されるステップＳ２０１，Ｓ２０２，Ｓ２０４〜Ｓ２０６、Ｓ２０９〜Ｓ２１１における処理は、図２を参照して説明したステップＳ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０４〜Ｓ１０９における処理とそれぞれ同様である。したがって、図４に示されるステップＳ２０１〜Ｓ２１１のうち、ステップＳ２０３、Ｓ２０７及びＳ２０８の処理についてのみ説明する。

本実施形態においては、ステップＳ２０３において、推定部２２が、機械の温度に加えて、暖機運転時の機械の動作条件、例えば動作速度（指令速度を含む。）を考慮して暖機運転時間Ｂが推定される。すなわち、この推定方法は、機械の動作速度と、暖機運転時間との間の相関関係を付加的に考慮する。このことは、動作速度が速くなるのに従って、機械の負荷（例えば、機械の動摩擦力などに相当するもの）が大きくなって機械の温度が短時間で上昇する事実に基づく。そして、そのような場合は暖機運転に必要な時間が短縮されうる。

そこで、図６又は図７を参照して説明した態様によって推定される暖機運転時間（ここでは「仮推定暖機運転時間」と便宜上称する。）は、例えば次のような数式で補正することができる。
（仮推定暖機運転時間）×（基準速度／動作速度）×係数＝（推定暖機運転時間）
このようにして、機械の動作速度を考慮して補正された推定暖機運転時間が算出される。このような推定方法を利用すれば、暖機運転時の機械の動作速度が基準速度から変更された場合であっても、暖機運転時間Ｂがより正確に推定されるようになる。

また、本実施形態においては、暖機運転の開始後において、外乱が発生したか否かを判定するステップＳ２０７が実行される。外乱の発生の有無は、前述した外乱検出部３０によって検出される。ステップＳ２０７において外乱が発生したと判定された場合、ステップＳ２０８に進み、暖機運転の動作条件が変更される。動作条件は、暖機運転終了時刻Ａまでに暖機運転を完了することができるように選択される。例えば外乱に起因して生じた温度の低下量を補償するように動作速度（指令速度を含む）を変更することができる。他方、ステップＳ２０７において外乱が発生していないと判定された場合は、暖機運転終了時刻Ａに至ったか否かを判定するためにステップＳ２０９及びＳ２１０に進む。

以上、本発明の種々の実施形態及び変形例を説明したが、他の実施形態及び変形例によっても本発明の意図される作用効果を奏することができることは当業者に自明である。特に、本発明の範囲を逸脱することなく前述した実施形態及び変形例の構成要素を削除ないし置換することが可能であるし、公知の手段をさらに付加することが可能である。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。

１０ 制御装置
１２ 温度測定部
１４ 記憶部
１６ 時間測定部
２０ 制御部
２２ 推定部
２４ 開始時刻決定部
２６ 暖機運転開始部
２８ 暖機運転終了部
３０ 外乱検出部
Ａ 暖機運転終了時刻
Ｂ 暖機運転時間
Ｃ 現在の時刻
Ｘ 飽和温度

Claims (5)

1. 動作プログラムに従って機械の暖機運転を制御する制御装置であって、
   前記制御装置は、
   暖機運転終了時刻を記憶する記憶部と、
   現在の時刻を測定する時間測定部と、
   前記機械の温度を測定する温度測定部と、
   前記機械の動作を制御する制御部と、を備えており、
   前記制御部は、
   前記温度測定部によって測定された前記機械の温度と、前記機械の固有の飽和温度との間の差に基づいて、前記機械の暖機運転に必要な暖機運転時間を推定する推定部と、
   前記記憶部によって記憶された前記暖機運転終了時刻、及び前記推定部によって推定された前記暖機運転時間に基づいて、暖機運転開始時刻を決定する開始時刻決定部と、
   前記時間測定部によって測定された現在の時刻、及び前記開始時刻決定部によって決定される前記暖機運転開始時刻に基づいて、前記機械の暖機運転を開始する暖機運転開始部と、
   前記時間測定部によって測定された現在の時刻が、前記記憶部によって記憶される暖機運転終了時刻と一致したときに前記機械の暖機運転を終了する暖機運転終了部と、
   を備える、制御装置。
2. 前記開始時刻決定部は、前記暖機運転開始時刻が、前記暖機運転終了時刻から前記暖機運転時間を減算して得られる時刻となるように構成される、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記暖機運転開始部は、前記時間測定部によって測定される現在の時刻が、前記開始時刻決定部によって決定される前記暖機運転開始時刻と一致したときに前記機械の暖機運転を開始するように構成される、請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記推定部が、前記機械の動作速度に応じて前記暖機運転時間を補正するように構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置。
5. 前記制御部が、外乱が発生したことを検出する外乱検出部をさらに備えていて、前記外乱検出部によって外乱が検出されたときに、前記外乱の影響を補償して前記暖機運転終了時刻までに前記機械の暖機運転を完了するよう前記機械の動作条件を変更するように構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の制御装置。

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