JP5912756B2

JP5912756B2 - 工作機械の環境及び機械状態診断方法

Info

Publication number: JP5912756B2
Application number: JP2012074303A
Authority: JP
Inventors: 裕典舩口
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP2013206119A

Description

本発明は、工作機械の環境及び機械状態を診断する方法に関する。

工作機械での加工の際には、室温変化や切削液の影響により構造体温度が変化し加工寸法誤差が生じる。この寸法誤差を抑制するために、室温や、機械各部に設置した温度センサによって検出した構造体温度から、変換係数等を用いるなどして熱変位を推定し補正を行う方法がよく知られている。また、工作機械を恒温室等の温度制御された部屋へ設置したり、特許文献１に開示のように温度センサの近傍に温度調整手段（冷却配管）を設けて温度変化を抑制したりする方法も知られている。

特開２００１−５４８３９号公報

しかし、熱変位を推定して補正を行う方法において、各構造体周りの室温はカバーや軸移動などに影響され一様ではないことに加え、測定値も瞬時値のためばらつきやすく、熱変位推定誤差の要因となっている。また、冷房や暖房及び日差しなどの不安定要因の影響により室温が一様に変化しない場合や、周囲の温度変化は同じでも風の流れなどによって構造体の一部の熱伝導率が変化する場合には、構造体に温度分布が生じる。この温度分布は、温度変化による単純な熱膨張や熱収縮とは別に反りやねじれといった熱変形の原因となり、加工寸法の不安定化に繋がっていた。さらに、工作機械の使用開始前に室温が変化している場合には、周囲温度は変化しなくても構造体温度が変化して熱変位が発生するため、現在の室温からの熱変位及び環境の診断では同様に推定誤差が生じる場合がある。
一方、恒温室等への設置や特許文献１のような構造体への冷却配管の付加については、前述のような外乱の影響は少なくなるがコストアップとなることは明らかである。
よって、熱変位を推定して補正を行う方法を実施する前提として、多くのコストをかけずに機械の周辺環境や状態を診断する方法の提供が望まれていた。

そこで、本発明は、特別な装備を必要とせずに安価に周辺環境及び機械状態を診断することができる工作機械の環境及び機械状態の診断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、構造体各部に複数の温度センサを設置し、前記温度センサで検出した前記構造体各部の温度から工作機械の環境及び機械状態を診断する方法であって、各前記温度センサから得られる検出温度に基づいて現在の室温をそれぞれ推定し、少なくとも２つの前記温度センサにおいて推定された前記現在の室温間の差を、予め設定された閾値と比較することを特徴とするものである。

本発明によれば、特別な装備を必要とすることなく、機械が安定した熱変位をしているかの機械状態の診断が安価に可能となる。また、各構造体の温度変化より使用開始前の機械の周辺環境を診断することもできる。

形態１のマシニングセンタの説明図である。形態１の診断方法のフローチャートである。形態１の室温と構造体の温度変化とを示すグラフである。形態１の室温と構造体の温度変化とを示すグラフである。形態１の推定室温を示す表である。形態２の診断方法のフローチャートである。形態２の室温変化、推定温度変化及びその許容範囲を示すグラフである。形態３の室温変化、推定温度変化及びその許容範囲を示すグラフである。形態４の室温変化、閾値、温度差の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［形態１］
図１は、工作機械の一例であるマシニングセンタの説明図である。マシニングセンタ１は、ベッド２上に、ワークを載置するテーブル３と、コラム４とが設置され、コラム４には、主軸６を備えた主軸頭５が設けられている。これらの各構造体には、温度センサｃｈ１〜ｃｈ７が設けられている。このうち温度センサｃｈ１は主軸６に、温度センサｃｈ２は主軸頭５に、温度センサｃｈ３はテーブル３にそれぞれ設けられる一方、温度センサｃｈ４，ｃｈ５はテーブル３の上下に分けて、温度センサｃｈ６，ｃｈ７はコラム４の前後に分けてそれぞれ設けられている。

また、マシニングセンタ１には、温度センサｃｈ１〜ｃｈ７が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換して数値化する温度測定装置１０と、数値化された測定値から予め設定された構造体の温度時定数を用いて室温を推定する温度推定装置１１と、推定室温の変化と温度測定装置１０に測定された温度変化とを比較して、周辺環境を診断する診断装置１２と、診断結果に基づいて周辺環境をオペレータに報知したり、診断結果に基づいてマシニングセンタ１を停止させたりするＮＣ装置１３とが備えられている。

このように構成されたマシニングセンタ１は、図２に示すように、温度測定装置１０によって各構造体の温度を測定した後（Ｓ１）、温度推定装置１１が温度センサ周りの室温を推定し（Ｓ２）、診断装置１２が環境及び機械状態を診断する（Ｓ３）という処理を、所定間隔で繰り返し（Ｓ４でＮＯとなるまで）行うようになっている。
以下、温度推定装置１１における室温の推定処理を説明する。

図３において、直線Ａは、時刻ｔ_Ｏにおいてステップ的に温度Ｔに変化した室温を想定したモデル、曲線ａは、室温変化にある時定数で遅れて温度変化する構造体の温度である。ここで室温変化から時間ｔ_１後に機械の電源を投入して環境診断が開始されたとしてそのときの温度がＴ_１、１回目の環境診断サイクルｔ_２での温度がＴ_２であったとすると、現在の構造体の温度Ｔ_２は、室温との温度差をΔＴ、室温との温度差に対する各構造体の温度時定数を加味した係数をｋとすると、以下の式（１）で求めることができる。
Ｔ_２＝ΔＴ×ｋ＋Ｔ_１・・・（１）
これにより温度差ΔＴを算出することで、推定室温Ｔｅを求めることができる。

同様に各温度センサから室温を推定し、周辺環境が近い温度センサの少なくとも２つ（好ましくは３つ以上）の推定室温を比較することにより、例えば暖房などの風が直接当たっていた場合は１つの温度センサが他と異なる推定室温となることで、環境の異常としてオペレータに知らせることができる。

次に、具体的な診断例を図４，５に基づいて説明する。
図４において、Ａ’は、ある構造体周りの室温変化、ａ’〜ｃ’は、環境が同じ程度の位置で測定した構造体温度で、図５は、電源投入を想定した室温変化３時間後の各構造体温度Ｔ_１と３０分後の温度Ｔ_２及びそのときの推定室温である。すなわち、室温変化開始後３時間で機械の電源が投入され、３．５時間後に環境診断を行ったとすると、Ｔ_１及びＴ_２より式（１）を用いて現在の室温との温度差ΔＴを算出することで各構造体からの推定室温を求めることができる。

そして、得られた各推定室温の差を算出し、算出された各推定室温の差を予め設定された閾値と比較する。例えば推定室温の差の閾値を０．５℃とすると、図５での各推定室温の差は何れも閾値以下となるため、比較した構造体の周辺環境は安定であると判断することになる。逆に、推定室温の差が閾値を超えていれば、例えば推定室温が高い側の構造体に暖房の風が直接当たっているといった局所的な環境変化を特定することができる。この場合、ＮＣ装置１３が比較結果を表示してオペレータに報知すると共に、加工を中断する。

このように、上記形態１のマシニングセンタ１の環境及び機械状態の診断方法によれば、各温度センサから得られる検出温度に基づいて現在の室温をそれぞれ推定し、少なくとも２つの温度センサにおいて推定された現在の室温間の差を、予め設定された閾値と比較することで、特別な装備を必要とすることなく、機械が安定した熱変位をしているかの機械状態の診断が安価に可能となる。また、各構造体の温度変化より使用開始前の機械の周辺環境を診断することもできる。

次に、本発明の他の形態を説明する。但し、マシニングセンタ１の構成は形態１と同じであるので、異なる部分のみ説明して重複する説明は省略する。
［形態２］
この形態２において、マシニングセンタ１の温度推定装置１１は、温度測定装置１０で数値化された測定値から予め設定された構造体の温度時定数を用いて温度変化を推定するようになっている。以下、本形態２における環境及び機械状態の具体的な診断方法を、コラム４の前後に配置された温度センサｃｈ６及びｃｈ７から得られる温度を例にして説明する。

まず、温度試験室などの外乱の影響がないところでの予備試験や解析等により予め各構造体の温度時定数を設定しておく。
そして、図６に示すようにＳ１１で機械各部の温度を測定した後、Ｓ１２において、室温から各部の温度変化を推定すると共に、推定温度変化の許容範囲を演算する。次に、診断装置１２が環境及び機械状態を診断する（Ｓ１３）という処理を、所定間隔で繰り返し（Ｓ１４でＮＯとなるまで）行うようになっている。
以下、温度推定装置１１における温度変化の推定と許容範囲の設定とについて説明する。

図７において、直線で示すａは室温変化を想定したモデル、ｂは、室温変化と構造体の温度時定数により演算した推定温度変化、ｂ１，ｂ２は、熱変位への影響を考慮して設定した推定温度変化ｂの上側の許容範囲と下側の許容範囲、曲線で示すｃは、温度センサｃｈ６により測定した構造体の測定温度変化である。

ここで求められる推定温度変化ｂは、温度センサｃｈ６の温度時定数をτ１、測定間隔をｔ、測定室温をＴ、前回の測定温度をＴ_ｎ−１とすると、次の式（２）で求めることができる。
推定温度変化ｂ＝Ｔ_ｎ−１＋（Ｔ−Ｔ_ｎ−１）×ｔ１／（ｔ１＋τ１）・・・（２）
そして、許容範囲ｂ１，ｂ２は、推定温度変化ｂに予め設定した係数を乗じることで設定する。例えば、上側の許容範囲を１．２倍、下側の許容範囲を０．８倍とすると、それぞれ次の式（３）（４）で許容範囲が決定される。
許容範囲ｂ１＝ｂ×１．２・・・（３）
許容範囲ｂ２＝ｂ×０．８・・・（４）

次に、診断装置１２における機械周囲の環境及び機械状態の診断について説明する。
この診断は、例えば以下の式（５）（６）を両方満たすかによって推定温度変化ｂの上下の許容範囲に測定温度変化ｃが入っているか否かを判定する。すなわち、図７のように両方満たす場合は許容範囲内に入っているため安定していると判断し、一方でも満たさない場合は不安定であると判断してオペレータに報知すると共に加工を中断する。
ｂ１−ｃ≧０・・・（５）
ｃ−ｂ２≧０・・・（６）

このように、上記形態２のマシニングセンタ１の環境及び機械状態の診断方法においても、予め設定した構造体各部の時定数と室温変化とから当該構造体の推定温度変化を演算すると共に、演算された推定温度変化に許容範囲を設定し、温度センサで検出される構造体各部の温度変化が、推定温度変化の許容範囲内にあるか否かを判断することで、特別な装備を必要とすることなく、機械が安定した熱変位をしているかの機械状態の診断が安価に可能となる。また、各構造体の温度変化より使用開始前の機械の周辺環境を診断することもできる。

［形態３］
上記形態２では、１つの温度センサについて推定温度変化を求めて診断する方法となっているが、ここでは対となる２つの温度センサについて推定温度変化を求めて診断する方法を説明する。
図８において、直線で示すａは室温変化を想定したモデル、ｄ１，ｄ２は、式（２）において演算した温度センサｃｈ６及びｃｈ７の推定温度変化の平均値ｄから求めた上側の許容範囲及び下側の許容範囲、曲線で示すｃは、コラム前側の温度変化、ｅは、コラム後側の温度変化である。

ここでは、測定温度変化ｃ及びｅが許容範囲内に入っているか否かで機械状態を判定する。図８のように測定温度変化ｃ及びｅの両方が推定温度変化の許容範囲内で変化しているため、コラムの前後の温度変化は安定していると判断することができる。

このように、上記形態３のマシニングセンタ１の環境及び機械状態の診断方法においても、特別な装備を必要とすることなく、機械が安定した熱変位をしているかの機械状態の診断が安価に可能となる。また、各構造体の温度変化より使用開始前の機械の周辺環境を診断することもできる。
特にここでは、対となる位置での測定温度が許容範囲内で変化しているかを判定することで、構造体の傾きや反りに影響する位置の周囲環境が想定以内であるか否かを診断することができる。

［形態４］
図９は、室温変化を想定したモデルａに対し、予め設定した熱変位への影響を考慮したコラム前後温度差の変化に対する閾値と、温度センサｃｈ６及びｃｈ７によって測定したコラム前後温度差ｆの変化とを表している。ここで、温度差の変化は、開始時のコラム前後温度をそれぞれＴｆ１及びＴｒ１、測定時のコラム前後温度をそれぞれＴｆ２及びＴｒ２とすると、以下の式（７）によって演算することができる。
温度差の変化＝（Ｔｒ２−Ｔｆ２）−（Ｔｒ１−Ｔｆ１）・・・（７）

得られた温度差の変化が閾値以内であるか否かの判定を行う。図９では温度差の変化は閾値以内での変化であるため、安定と判断できる。
このように、上記形態４のマシニングセンタ１の環境及び機械状態の診断方法においても、特別な装備を必要とすることなく、機械が安定した熱変位をしているかの機械状態の診断が安価に可能となる。また、各構造体の温度変化より使用開始前の機械の周辺環境を診断することもできる。

なお、上記各形態では、それぞれ単独で環境及び機械状態の診断を行うようにしているが、各形態を並行して実施することで環境及び機械状態の最終診断を行うようにしてもよい。例えば形態３，４の診断方法をそれぞれ実行し、下記の表１に示すように何れも安定と判断されれば最終診断を安定とし（判定Ａ）、何れか一方で温度変化が不安定であれば最終診断を要注意とし（判定Ｂ）、何れも温度変化が不安定であれば最終診断を不安定とする（判定Ｃ）ことが考えられる。この場合、診断結果をオペレータに報知して、判定Ｃの場合は加工を中断する。
要注意と判定された場合には加工を継続しても問題ない場合がある。例えば、形態３が許容範囲外で形態４が許容範囲内であると、構造体の前後の温度差は小さいが温度変化は推定値よりも大きいので、想定している環境と異なるため時間経過により前後のバランスが崩れたり、時間経過による熱変位が大きくなったりする可能性があるが、加工時間の短いワークや要求精度が低いワークであれば加工を続行することが可能である。
また、形態３が許容範囲内で形態４が許容範囲外であると、構造体が傾いているが熱変位は推定の範囲にあるので、フライスでの上面加工であれば加工しても問題ないが、ドリルでの穴あけ加工では、穴が楕円になったり工具折損の原因となったりする可能性があるため加工を中断する必要がある。
このように、要求される加工条件により加工を続けても良い場合と悪い場合があるので、表示された診断結果からオペレータが判断する材料としたり、所定の判定の場合は加工を中断するようにしたりすることで、不必要な加工の中断を避けることができる。

また、形態３では、測定温度変化が許容範囲内に入っているか否かで機械状態を判定するようにしているが、２つの温度センサの温度差が許容範囲内に入っているか否かで機械状態を判定するようにしても良い。この場合も、形態４の診断方法と合わせてそれぞれ実行し、何れも安定と判断されれば最終診断を安定とし、何れか一方で温度変化が不安定であれば最終診断を要注意とし、何れも温度変化が不安定であれば最終診断を不安定とする段階的な診断方法が採用できる。

さらに、各形態においては、不安定と判断された場合には、当該判断に係る温度センサを表示してオペレータに知らせるようにしてもよい。このように診断した温度センサを表示すれば、温度変化が大きい箇所を知ることができ、周辺環境（空調の向きや日差し等）を改善させるための手掛かりになる。
そして、上記形態ではコラム前後温度ｃｈ６及びｃｈ７を例にしているが、ベッド上下温度ｃｈ４及びｃｈ５など他の位置での温度センサにおいても同様の診断が可能である。

１・・マシニングセンタ、２・・ベッド、３・・テーブル、４・・コラム、５・・主軸頭、６・・主軸、ｃｈ１〜ｃｈ７・・温度センサ。

Claims

構造体各部に複数の温度センサを設置し、前記温度センサで検出した前記構造体各部の温度から工作機械の環境及び機械状態を診断する方法であって、
各前記温度センサから得られる検出温度に基づいて現在の室温をそれぞれ推定し、少なくとも２つの前記温度センサにおいて推定された前記現在の室温間の差を、予め設定された閾値と比較することを特徴とする工作機械の環境及び機械状態の診断方法。