JP6538786B2

JP6538786B2 - 温度推定装置および温度推定方法

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Publication number: JP6538786B2
Application number: JP2017171697A
Authority: JP
Inventors: 学五十部; 雄三稲口
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: US20190072458A1; JP2019045435A; CN109470379A; US10514320B2; DE102018007047A1; DE102018007047B4; CN109470379B

Description

本発明は、主軸を回転可能に支持する軸受の温度を推定する温度推定装置および温度推定方法に関する。

下記に示す特許文献１には、温度センサによって主軸の軸受の温度を計測することが開示されている。

特開２００２−３４６８８４号公報

しかしながら、上記した特許文献１のように温度センサを取り付けるとコストが高くなる。

そこで、本発明は、温度センサを用いることなく、低コストで軸受の温度を精度よく推定（算出）する温度推定装置および温度推定方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、工作機械の主軸を回転可能に軸支する軸受の温度を算出する温度推定装置であって、前記主軸の回転速度を取得する回転速度取得部と、予め決められた一定時間における前記主軸の回転による前記軸受の上昇温度と前記主軸の回転速度とを対応付けて記憶した上昇温度テーブルと、前記一定時間における放熱による前記軸受の低下温度と前記軸受の温度とを対応付けて記憶した低下温度テーブルと、前記上昇温度テーブルおよび前記低下温度テーブルを用いて、前記一定時間が経過する度に、前記主軸の回転速度から前記軸受の温度を算出する軸受温度算出部と、を備える。

本発明の第２の態様は、工作機械の主軸を回転可能に軸支する軸受の温度を算出する温度推定方法であって、前記主軸の回転速度を取得する回転速度取得ステップと、予め決められた一定時間における前記主軸の回転による前記軸受の上昇温度と前記主軸の回転速度とを対応付けて記憶した上昇温度テーブルと、前記一定時間における放熱による前記軸受の低下温度と前記軸受の温度とを対応付けて記憶した低下温度テーブルとを用いて、前記一定時間が経過する度に、前記主軸の回転速度から前記軸受の温度を算出する軸受温度算出ステップと、を含む。

本発明によれば、温度センサを用いることなく、低コストで軸受の温度を精度よく推定（算出）することができる。

主軸装置の主軸を回転可能に支持する軸受の温度を推定する温度推定装置の構成図である。主軸を回転させたときの、時間と回転速度との関係の一例を示すグラフである。図１に示す温度推定装置による軸受の温度推定の動作を示すフローチャートである。

本発明に係る温度推定装置および温度推定方法について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

図１は、主軸装置１０の主軸１２を回転可能に支持する軸受１４の温度Ｔを推定する温度推定装置１６の構成図である。

主軸装置１０は、筒状のハウジング１８と、主軸１２と、ハウジング１８の内側で、ハウジング１８に対して主軸１２を回転可能に支持する軸受１４とを有する。この主軸装置１０は、工作機械に設けられ、例えば、主軸１２の一端には、工具ＴＯが取り付けられる。主軸装置１０には、主軸１２の回転速度（回転数）Ｓを検出する速度センサ２０が設けられている。

温度推定装置１６は、回転速度取得部３０、上昇温度テーブル３２、低下温度テーブル３４、軸受温度算出部３６、および、出力部３８を備える。温度推定装置１６は、ＣＰＵ等のプロセッサおよびメモリを有するコンピュータによって構成される。

回転速度取得部３０は、速度センサ２０が検出した検出信号に基づいて、主軸１２の回転速度（回転数）Ｓを取得する。なお、回転速度取得部３０は、主軸１２を回転させるスピンドルモータに設けられたエンコーダ（回転位置センサ、速度センサ）の検出信号に基づいて、主軸１２の回転速度Ｓを取得してもよい。回転速度取得部３０が取得した回転速度Ｓは、軸受温度算出部３６に送られる。なお、主軸１２の回転速度Ｓは、時間の経過とともに変化する。例えば、主軸１２の回転速度Ｓは、工作機械を制御するための加工プログラムにしたがって変化する。

上昇温度テーブル３２は、予め決められた一定時間（微小時間、例えば、１秒以下）ΔＴｄにおける、主軸１２の回転による軸受１４の上昇温度ΔＴｐと主軸１２の回転速度Ｓとを対応付けて記憶している記憶媒体である。主軸１２の回転速度Ｓが高くなる程、発熱量が大きくなるので、回転速度Ｓが高くなる程、上昇温度ΔＴｐが大きくなるように、回転速度Ｓと上昇温度ΔＴｐとが対応付けられて上昇温度テーブル３２に記憶されている。

低下温度テーブル３４は、予め決められた一定時間ΔＴｄにおける放熱による軸受１４の低下温度ΔＴｍと軸受１４の温度Ｔとを対応付けて記憶している記憶媒体である。軸受１４の温度Ｔが高くなる程、放熱量は大きくなるので、軸受１４の温度Ｔが高くなる程、低下温度ΔＴｍが大きくなるように、温度Ｔと低下温度ΔＴｍとが対応付けられて低下温度テーブル３４に記憶されている。なお、主軸１２を一定期間（例えば、３時間）回転させていないときの軸受１４の温度Ｔを初期温度Ｔｓと呼ぶ。したがって、軸受１４の温度Ｔと初期温度Ｔｓとの差が大きくなる程、放熱量が大きくなる。

軸受温度算出部３６は、上昇温度テーブル３２および低下温度テーブル３４を用いて、一定時間ΔＴｄが経過する度に、回転速度取得部３０が取得した主軸１２の回転速度Ｓから軸受１４の温度Ｔを算出する。つまり、軸受温度算出部３６は、軸受１４の初期温度Ｔｓに対して、一定時間ΔＴｄが経過する度に、上昇温度ΔＴｐの加算と、低下温度ΔＴｍの減算とを行うことで、軸受１４の温度Ｔを算出する。

具体的には、軸受温度算出部３６は、一定時間ΔＴｄが経過する度に、現在の軸受１４の温度Ｔに、現在の主軸１２の回転速度Ｓに応じた上昇温度ΔＴｐを上昇温度テーブル３２から取得して加算するとともに、現在の軸受１４の温度Ｔに応じた低下温度ΔＴｍを低下温度テーブル３４から取得して減算することで、一定時間ΔＴｄ経過後の軸受１４の温度Ｔを算出する。軸受温度算出部３６が算出した軸受１４の温度Ｔは、出力部３８に送られる。なお、軸受温度算出部３６は、時刻を計時する図示しないタイマーを有する。

出力部３８は、軸受温度算出部３６が算出した軸受１４の温度Ｔを外部装置（例えば、工作機械を制御する制御装置）に出力する。これにより、外部装置は、送られてきた軸受１４の温度Ｔに基づいて、所定の処理を行うことができる。所定の処理としては、軸受１４の温度Ｔに基づく動作制御処理、軸受１４の温度Ｔを表示する表示制御処理、または、軸受１４の温度Ｔに基づく軸受１４の劣化度合い若しくは残寿命の判定処理等がある。

ここで、図２に示すグラフを用いて、軸受温度算出部３６による軸受１４の温度Ｔの算出について詳しく説明する。図２に示すグラフは、主軸１２を回転させたときの、時間と回転速度Ｓとの関係の一例を示すグラフである。

ｔ_iは、今回の軸受１４の温度Ｔを推定（算出）するタイミングを示し、ｉは、ａ≧ｉ≧０の整数とする。したがって、タイミングｔ_i-1は前回の軸受１４の温度Ｔを推定（算出）したタイミングを表し、タイミングｔ_i+1は次回の軸受１４の温度Ｔを推定（算出）するタイミングを表している。そのため、タイミングｔ_iと、タイミングｔ_iより１つ前のタイミングｔ_i-1および１つ後のタイミングｔ_i+1とは、一定時間ΔＴｄずれている。また、タイミングｔ_iにおける主軸１２の回転速度ＳをＳ_i、タイミングｔ_iにおける軸受１４の温度ＴをＴ_iで表す。軸受１４の温度Ｔが初期温度Ｔｓの状態で、主軸１２の回転を開始したタイミングｔ_iをｔ_i=0とする。したがって、Ｔｓ＝Ｔ₀となる。なお、ｔ_aは、軸受１４の温度Ｔの算出を終了するタイミングを示す。

軸受温度算出部３６は、タイミングｔ_iにおける主軸１２の回転速度Ｓ_iに応じた上昇温度ΔＴｐを上昇温度テーブル３２から取得するとともに、タイミングｔ_iにおける軸受１４の温度Ｔ_iに応じた低下温度ΔＴｍを低下温度テーブル３４から取得する。そして、軸受温度算出部３６は、温度Ｔ_i、上昇温度ΔＴｐ、および、低下温度ΔＴｍを用いて、タイミングｔ_i+1における軸受１４の温度Ｔ_i+1を算出する。軸受温度算出部３６は、Ｔ_i+1＝Ｔ_i＋ΔＴｐ−ΔＴｍ、の関係式を用いて、温度Ｔ_i+1を算出する。このことから分かるように、軸受温度算出部３６は、現在（タイミングｔ_i）から一定時間ΔＴｄ経過後の軸受１４の温度Ｔ_i+1を算出（推定）する。

次に、温度推定装置１６による軸受１４の温度推定の動作を図３のフローチャートにしたがって説明する。図３に示す動作は、軸受１４の温度Ｔが初期温度Ｔｓのときに主軸１２を回転させたときに実行される。また、速度センサ２０は、一定時間ΔＴｄ以下の周期で回転速度Ｓを検出するものとする。

ステップＳ１で、軸受温度算出部３６は、ｉ＝０に設定し、ステップＳ２で、軸受温度算出部３６は、タイマーをスタートする。

次いで、ステップＳ３で、回転速度取得部３０は、タイミングｔ_iにおける主軸１２の回転速度Ｓ_iを取得し、ステップＳ４で、軸受温度算出部３６は、ステップＳ３で取得された回転速度Ｓ_iに応じた軸受１４の上昇温度ΔＴｐを上昇温度テーブル３２から取得する。

次いで、ステップＳ５で、軸受温度算出部３６は、タイミングｔ_iにおける軸受１４の温度Ｔ_iに応じた軸受１４の低下温度ΔＴｍを低下温度テーブル３４から取得する。ここで、ｉ＝０の場合は、初期温度Ｔｓがタイミングｔ_i=0における軸受１４の温度Ｔ_i=0となる。この初期温度Ｔｓは、軸受温度算出部３６の図示しないメモリに記憶されている。また、ｉ＞０の場合は、後述するステップＳ６で軸受温度算出部３６が前回のタイミングｔ_i-1で算出した温度Ｔが、タイミングｔ_iにおける軸受１４の温度Ｔ_iとなる。

次いで、ステップＳ６で、軸受温度算出部３６は、タイミングｔ_iにおける軸受１４の温度Ｔ_iに、ステップＳ４で取得した上昇温度ΔＴｐを加算するとともに、ステップＳ５で取得した低下温度ΔＴｍを減算することで、タイミングｔ_i+1における軸受１４の温度Ｔ_i+1を算出する。

次いで、ステップＳ７で、軸受温度算出部３６は、ｉ＝ａ、であるか否かを判断する。ステップＳ７で、ｉ＝ａ、でないと判断されると、ステップＳ８に進み、ｉ＝ａ、であると判断されると、本動作が終了する。

ステップＳ８に進むと、軸受温度算出部３６は、タイマーが計時した時間が一定時間ΔＴｄを経過したか否かを判断する。一定時間ΔＴｄが経過するまでステップＳ８に留まり、一定時間ΔＴｄが経過するとステップＳ９に進む。

ステップＳ９に進むと、軸受温度算出部３６は、タイマーをリセットし、ステップＳ１０で、軸受温度算出部３６は、ｉをインクリメント（ｉ＝ｉ＋１）して、ステップＳ２に戻る。

なお、出力部３８は、ステップＳ６で算出された温度Ｔ_i+1を外部装置に出力する。出力部３８は、ステップＳ６で温度Ｔ_i+1が算出される度に、温度Ｔ_i+1を出力してもよいし、ステップＳ７でｉ＝ａと判断されたときに、直前のステップＳ６で算出されたタイミングｔ_i(=a)+1における軸受１４の温度Ｔ_i(=a)+1を出力してもよい。

主軸１２の回転速度Ｓは、時間の経過とともに変化していくので、単に、主軸１２の回転速度Ｓだけでは軸受１４の温度Ｔを精度よく判定することができないが、本実施の形態では、一定時間ΔＴｄ毎に、回転による温度上昇と放熱による温度低下も考慮して、軸受１４の温度Ｔを算出していくので、温度センサを用いることなく、低コストで軸受１４の温度Ｔを精度よく推定（算出）することができる。

また、一定時間ΔＴｄにおける回転速度Ｓに応じた上昇温度ΔＴｐを記憶した上昇温度テーブル３２を用いて、軸受１４の温度Ｔを算出するので、軸受１４の温度Ｔを精度よく推定（算出）することができる。一定時間ΔＴｄにおける軸受１４の温度Ｔに応じた放熱による低下温度ΔＴｍを記憶した低下温度テーブル３４を用いて、軸受１４の温度Ｔを算出するので、軸受１４の温度Ｔを精度よく推定（算出）することができる。

なお、本実施の形態では、現在のタイミングｔ_iから一定時間ΔＴｄ経過後のタイミングｔ_i+1における軸受１４の温度Ｔ_i+1を算出したが、現在のタイミングｔ_iにおける軸受１４の温度Ｔ_iを算出するようにしてもよい。この場合は、前回のタイミングｔ_i-1における軸受１４の温度Ｔ_i-1と、前回のタイミングｔ_i-1における回転速度Ｓ_i-1に応じた上昇温度ΔＴｐと、温度Ｔ_i-1に応じた低下温度ΔＴｍとを用いて、現在のタイミングｔ_iにおける軸受１４の温度Ｔ_iを算出する。つまり、Ｔ_i＝Ｔ_i-1＋ΔＴｐ−ΔＴｍ、の関係式を用いて、温度Ｔ_i+1を算出する。この温度Ｔの算出方法は、温度Ｔの算出タイミングが異なるだけでだけ、実質的に上記実施の形態で説明した温度Ｔの算出方法と同一である。

また、前回のタイミングｔ_i-1における軸受１４の温度Ｔ_i-1と、前回のタイミングｔ_i-1からタイミングｔ_iまでの一定時間ΔＴｄにおける回転速度Ｓの平均値に応じた上昇温度ΔＴｐと、温度Ｔ_i-1に応じた低下温度ΔＴｍとを用いて、現在のタイミングｔ_iにおける軸受１４の温度Ｔ_iを算出してもよい。さらに、前回のタイミングｔ_i-1における軸受１４の温度Ｔ_i-1と、現在のタイミングｔ_iにおける回転速度Ｓ_iに応じた上昇温度ΔＴｐと、温度Ｔ_i-1に応じた低下温度ΔＴｍとを用いて、現在のタイミングｔ_iにおける軸受１４の温度Ｔ_iを算出してもよい。

〔実施の形態から得られる技術的思想〕
上記実施の形態から把握しうる技術的思想について、以下に記載する。

＜第１の技術的思想＞
温度推定装置（１６）は、工作機械の主軸（１２）を回転可能に軸支する軸受（１４）の温度（Ｔ）を算出する。温度推定装置（１６）は、主軸（１２）の回転速度（Ｓ）を取得する回転速度取得部（３０）と、予め決められた一定時間（ΔＴｄ）における主軸（１２）の回転による軸受（１４）の上昇温度（ΔＴｐ）と主軸（１２）の回転速度（Ｓ）とを対応付けて記憶した上昇温度テーブル（３２）と、一定時間（ΔＴｄ）における放熱による軸受（１４）の低下温度（ΔＴｍ）と軸受（１４）の温度（Ｔ）とを対応付けて記憶した低下温度テーブル（３４）と、上昇温度テーブル（３２）および低下温度テーブル（３４）を用いて、一定時間（ΔＴｄ）が経過する度に、主軸（１２）の回転速度（Ｓ）から軸受（１４）の温度（Ｔ）を算出する軸受温度算出部（３６）と、を備える。

これにより、温度センサを用いることなく、低コストで軸受（１４）の温度（Ｔ）を精度よく推定（算出）することができる。

軸受温度算出部（３６）は、軸受（１４）の初期温度（Ｔｓ）に対して、一定時間（ΔＴｄ）が経過する度に、上昇温度（ΔＴｐ）の加算と、低下温度（ΔＴｍ）の減算とを行うことで、軸受（１４）の温度を算出してもよい。これにより、温度センサを用いることなく、低コストで軸受（１４）の温度（Ｔ）を精度よく推定（算出）することができる。

軸受温度算出部（３６）は、一定時間（ΔＴｄ）が経過する度に、現在の軸受（１４）の温度（Ｔ）に、現在の主軸（１２）の回転速度（Ｓ）に応じた上昇温度（ΔＴｐ）を上昇温度テーブル（３２）から取得して加算するとともに、現在の軸受（１４）の温度（Ｔ）に応じた低下温度（ΔＴｍ）を低下温度テーブル（３４）から取得して減算することで、一定時間（ΔＴｄ）経過後の軸受（１４）の温度（Ｔ）を算出してもよい。これにより、温度センサを用いることなく、低コストで軸受（１４）の温度（Ｔ）を精度よく推定（算出）することができる。

＜第２の技術的思想＞
温度推定方法は、工作機械の主軸（１２）を回転可能に軸支する軸受（１４）の温度（Ｔ）を算出する。温度推定方法は、主軸（１２）の回転速度（Ｓ）を取得する回転速度取得ステップと、予め決められた一定時間（ΔＴｄ）における主軸（１２）の回転による軸受（１４）の上昇温度（ΔＴｐ）と主軸（１２）の回転速度（Ｓ）とを対応付けて記憶した上昇温度テーブル（３２）と、一定時間（ΔＴｄ）における放熱による軸受（１４）の低下温度（ΔＴｍ）と軸受（１４）の温度（Ｔ）とを対応付けて記憶した低下温度テーブル（３４）とを用いて、一定時間（ΔＴｄ）が経過する度に、主軸（１２）の回転速度（Ｓ）から軸受（１４）の温度（Ｔ）を算出する軸受温度算出ステップと、を含む。

軸受温度算出ステップは、軸受（１４）の初期温度（Ｔｓ）に対して、一定時間（ΔＴｄ）が経過する度に、上昇温度（ΔＴｐ）の加算と、低下温度（ΔＴｍ）の減算とを行うことで、軸受（１４）の温度を算出してもよい。これにより、温度センサを用いることなく、低コストで軸受（１４）の温度（Ｔ）を精度よく推定（算出）することができる。

軸受温度算出ステップは、一定時間（ΔＴｄ）が経過する度に、現在の軸受（１４）の温度（Ｔ）に、現在の主軸（１２）の回転速度（Ｓ）に応じた上昇温度（ΔＴｐ）を上昇温度テーブル（３２）から取得して加算するとともに、現在の軸受（１４）の温度（Ｔ）に応じた低下温度（ΔＴｍ）を低下温度テーブル（３４）から取得して減算することで、一定時間（ΔＴｄ）経過後の軸受（１４）の温度（Ｔ）を算出してもよい。これにより、温度センサを用いることなく、低コストで軸受（１４）の温度（Ｔ）を精度よく推定（算出）することができる。

１０…主軸装置１２…主軸
１４…軸受１６…温度推定装置
１８…ハウジング２０…速度センサ
３０…回転速度取得部３２…上昇温度テーブル
３４…低下温度テーブル３６…軸受温度算出部
３８…出力部

Claims

工作機械の主軸を回転可能に軸支する軸受の温度を算出する温度推定装置であって、
前記主軸の回転速度を取得する回転速度取得部と、
予め決められた一定時間における前記主軸の回転による前記軸受の上昇温度と前記主軸の回転速度とを対応付けて記憶した上昇温度テーブルと、
前記一定時間における放熱による前記軸受の低下温度と前記軸受の温度とを対応付けて記憶した低下温度テーブルと、
前記上昇温度テーブルおよび前記低下温度テーブルを用いて、前記一定時間が経過する度に、前記主軸の回転速度から前記軸受の温度を算出する軸受温度算出部と、
を備える、温度推定装置。
請求項１に記載の温度推定装置であって、
前記軸受温度算出部は、前記軸受の初期温度に対して、前記一定時間が経過する度に、前記上昇温度の加算と、前記低下温度の減算とを行うことで、前記軸受の温度を算出する、温度推定装置。
請求項１または２に記載の温度推定装置であって、
前記軸受温度算出部は、前記一定時間が経過する度に、現在の軸受の温度に、現在の前記主軸の回転速度に応じた前記上昇温度を前記上昇温度テーブルから取得して加算するとともに、現在の前記軸受の温度に応じた前記低下温度を前記低下温度テーブルから取得して減算することで、前記一定時間経過後の前記軸受の温度を算出する、温度推定装置。
工作機械の主軸を回転可能に軸支する軸受の温度を算出する温度推定方法であって、
前記主軸の回転速度を取得する回転速度取得ステップと、
予め決められた一定時間における前記主軸の回転による前記軸受の上昇温度と前記主軸の回転速度とを対応付けて記憶した上昇温度テーブルと、前記一定時間における放熱による前記軸受の低下温度と前記軸受の温度とを対応付けて記憶した低下温度テーブルとを用いて、前記一定時間が経過する度に、前記主軸の回転速度から前記軸受の温度を算出する軸受温度算出ステップと、
を含む、温度推定方法。
請求項４に記載の温度推定方法であって、
前記軸受温度算出ステップは、前記軸受の初期温度に対して、前記一定時間が経過する度に、前記上昇温度の加算と、前記低下温度の減算とを行うことで、前記軸受の温度を算出する、温度推定方法。
請求項４または５に記載の温度推定方法であって、
前記軸受温度算出ステップは、前記一定時間が経過する度に、現在の軸受の温度に、現在の前記主軸の回転速度に応じた前記上昇温度を前記上昇温度テーブルから取得して加算するとともに、現在の前記軸受の温度に応じた前記低下温度を前記低下温度テーブルから取得して減算することで、前記一定時間経過後の前記軸受の温度を算出する、温度推定方法。