JP7486362B2

JP7486362B2 - 工作機械の精度診断装置及び精度診断方法

Info

Publication number: JP7486362B2
Application number: JP2020117310A
Authority: JP
Inventors: 祐司溝口
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: DE102021206632A1; US12013233B2; US20220011100A1; JP2022014772A; CN113909992A

Description

本発明は、工作機械自身の温度又は工作機械が置かれた環境の温度が変化した場合の工作機械の精度への影響を予測、診断する装置及び方法に関する。

工作機械を用いて加工を行う場合、工場内の室温が変化すると、工作機械の構造が膨張したり曲がったりする熱変形が生じ、その結果工作機械に取り付けられた工具とワークとの位置関係が変化する熱変位が生じて、ワークの加工精度が悪化してしまう。
工作機械の熱変位を抑制する方法として、工作機械の構造体各部に温度センサを取り付け、測定した温度を元に変位量を計算し、それに応じて軸移動量を変化させる熱変位補正が広く用いられている。しかし、熱変位補正の精度には限界があり、温度変化が大きい場合には誤差が生じる。特に空調の立ち上げ時などで急激に室温が変化した場合には、熱変位補正の誤差が大きくなることが考えられる。
以上の問題に対する対策として、特許文献１には、工作機械の所定の部位における温度変化の速度を算出し、それに応じて熱変位による工作機械の精度への影響度を算出する方法が開示されている。この方法では、急な温度変化等が生じたときは、工作機械の精度が悪化していると診断してその旨を報知する。一方、温度変化が穏やかになったときは、工作機械の精度が安定となり加工開始可能であると診断する。これにより加工精度不良を防止できるようにしている。

特開２０１９－１３６８４６号公報

特許文献１の方法は、急な温度変化等が生じて工作機械の精度が悪化していると診断された場合、その間は加工を行わないようにすることで加工精度不良を防止できる。しかし、精度が悪化していると診断されているときは加工を行うことができず、いつ工作機械の精度が再び安定し加工を開始できるか分からないため、生産の計画を立てることができなくなってしまう。

そこで、本発明は、温度変化による工作機械の精度への影響をリアルタイムで予測し、熱変位が大きくなる状況を適切に診断すると共に、生産の計画を立てやすくすることができる工作機械の精度診断装置及び精度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、本発明のうち、第１の発明は、工作機械において、熱変形による精度への影響を診断する精度診断装置であって、
工作機械の所定の部位における温度変化の速度を温度変化速度として算出する温度変化速度算出手段と、
温度変化速度に基づいて、熱変形による工作機械の精度への影響度を精度影響度として算出する精度影響度算出手段と
温度変化速度に基づいて、工作機械の精度が安定するまでの時間を精度安定時間として算出する精度安定時間算出手段と、
算出された精度安定時間を出力する精度安定時間出力手段と、を備え、
精度安定時間算出手段は、
現在の精度影響度をあらかじめ定められた精度影響度の許容値と比較し、
現在の精度影響度が許容値から外れた場合には、精度影響度が再び許容値以内に入るまでの時間を精度安定時間として算出することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明のうち、第２の発明は、工作機械において、熱変形による精度への影響を診断する精度診断方法であって、
工作機械の所定の部位における温度変化の速度を温度変化速度として算出する温度変化速度算出ステップと、
温度変化速度に基づいて、熱変形による工作機械の精度への影響度を精度影響度として算出する精度影響度算出ステップと
温度変化速度に基づいて、工作機械の精度が安定するまでの時間を精度安定時間として算出する精度安定時間算出ステップと、
算出された精度安定時間を出力する精度安定時間出力ステップと、を実行すると共に、
精度安定時間算出ステップでは、
現在の精度影響度をあらかじめ定められた精度影響度の許容値と比較し、
現在の精度影響度が許容値から外れた場合には、精度影響度が再び許容値以内に入るまでの時間を精度安定時間として算出することを特徴とする。

本発明によれば、工作機械の熱変位による精度への影響を適切に予測するとともに、精度が不安定になっていると診断される場合に、精度が安定するまでの時間を精度安定時間として予測することができる。
予測した結果を表示し、オペレータに知らせることにより、いつ工作機械の精度が再び安定し加工を開始できるか分かるようになる。これにより、必要な精度を確保して生産するための計画が立てやすくなる。例えば、精度安定時間が短ければ精度が安定するまで待って加工を再開する計画とし、精度安定時間が長ければ要求精度が高くない加工を先に行うように計画を変更したりすることができる。

工作機械（立形マシニングセンタ）及び精度診断装置の概念図である。精度診断方法のフローチャートである。精度診断結果及び精度安定時間の表示例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を適用した工作機械（立形マシニングセンタ）の一例である。なお、図１においては、機械の構造を分かりやすく示すために、工作機械Ｍの外周を覆うカバー等の記載が省略されている。また、適用する工作機械は立形マシニングセンタ以外の形態のマシニングセンタ、旋盤、研削盤など他の形態の工作機械でもよい。
工作機械Ｍには、機体温度センサ１０と、周囲の室温や切削液の温度を測定する環境温度センサ２０とが取り付けられ、制御装置Ｃと接続された状態になっている。機体温度センサ１０と環境温度センサ２０とは図１では１箇所ずつとなっているが、必要に応じて複数箇所に設置してもよい。環境温度センサ２０は省略してもよい。

一方、制御装置Ｃは、ＣＰＵ、記憶手段、タイマー、入力手段（キーボード、タッチパネル等）、出力手段（モニタ等）、それらの入力手段や出力手段とＣＰＵを繋ぐインターフェイス等を備えている。
そして、制御装置Ｃには、上記した機体温度センサ１０、環境温度センサ２０の検出温度に基づき、記憶手段に記憶されている精度診断プログラムに従って、工作機械Ｍの所定の部位における温度変化の速度を推定する温度変化速度算出手段３１が構成されている。
また、制御装置Ｃには、精度診断プログラムに従い、温度変化速度算出手段３１で推定された温度変化速度に基づいて、熱変位による工作機械Ｍの精度への影響度を算出する精度影響度算出手段３２が構成されている。
さらに、制御装置Ｃには、工作機械Ｍの精度への影響度が大きく、精度が悪化していると診断される場合には、精度診断プログラムに従い、温度変化速度算出手段３１で推定された温度変化速度に基づいて、精度が再び安定するまでに要する時間を精度安定時間として算出する精度安定時間算出手段３３が構成されている。
加えて、制御装置Ｃには、精度診断プログラムに従い、算出した精度安定時間をモニタに表示する精度安定時間表示手段３４が構成されている。すなわち、機体温度センサ１０、環境温度センサ２０、制御装置Ｃによって、工作機械Ｍの精度診断装置Ｄが構成される。

次に、精度診断装置Ｄで行われる各処理の流れ、及び温度変化速度、精度影響度、精度安定時間の算出の各方法を、図２のフローチャートに基づいて説明する。
工作機械Ｍの精度変化を診断する場合には、Ｓ（ステップ）１で、作業者が診断開始信号を入力すると精度診断処理を開始する。続くＳ２で、工作機械Ｍの各所に設置された温度センサ１０，２０により温度検出を行う。但し、Ｓ１は省略し、診断開始信号を入力することなく所定の時間周期で自動的に精度診断処理Ｓ２～Ｓ７が実行されるようにしても良い。
Ｓ３では、工作機械Ｍの各部位における機体温度の変化速度を算出する（温度変化速度算出ステップ）。温度変化速度は、例えば以下の式１のように、現在の温度と時間Δｔ前の温度との差分を算出して単位時間当たりの温度変化に換算して求める。

式１は計算方法の一例であり、フィルタ付きの数値微分の方法や、先に挙げた特許文献１に記載の機体温度と周囲気温との差から求める方法など、他の計算方法により温度変化速度を求めてもよい。
Ｓ４では、Ｓ３で算出した温度変化速度の結果から、以下の式２のように、関数ｆで精度影響度Ｅを算出する（精度影響度算出ステップ）。続いてＳ５で、算出した精度影響度Ｅを出力する。出力の方法については、後で詳細を説明する。

Ｓ６では、Ｓ３で算出した温度変化速度の結果から、次に精度が安定するまでの時間すなわち精度安定時間Ｔｓを求める（精度安定時間算出ステップ）。続いてＳ７で、算出した精度安定時間Ｔｓを出力する（精度安定時間表示ステップ）。出力の方法については、後で詳細を説明する。精度安定時間Ｔｓも以下の式３のように、精度影響度Ｅと同様に温度変化速度の関数として表すことができる。

精度安定時間Ｔｓの具体的な計算の例を、以下の式４ａ～式４ｃに示す。式４ａ～式４ｃの例では、精度影響度Ｅは、精度が不安定であるとき値が大きく、精度が安定であるとき値が小さくなるように定義されているものとする。このとき、精度影響度Ｅの変化速度を求める。現在の精度影響度Ｅが、精度安定とみなすしきい値（許容値）Ｅ_limitを超えており、尚且つ精度影響度Ｅの変化速度が正、すなわち精度がさらに不安定になり精度影響度Ｅの値が大きくなっていく過程においては、精度安定時間を計算することができず無限大となる（式４ａ）。一方、現在の精度影響度Ｅがしきい値Ｅ_limitを超えていても、精度影響度Ｅの変化速度が負、すなわち精度が安定化していき、精度影響度Ｅの値が小さくなっていく過程においては、現在の速さで精度影響度Ｅが変化していったと仮定して、再びしきい値Ｅ_limit以下になるまでの時間を計算することができる（式４ｂ）。現在の精度影響度Ｅの値がしきい値Ｅ_limit以下であれば、精度安定時間は０となる（式４ｃ）。

式４ａ～式４ｃの精度影響度Ｅは、式２で示したように温度変化速度の関数であるから、精度安定時間Ｔｓは温度変化速度から計算することができる。また、しきい値を設定せず、Ｅ_limit＝０として、計算することもできる。また、精度影響度Ｅを精度が不安定であるとき値が小さく、精度が安定であるとき値が大きくなるように定義した場合には、式４ａ～４ｃの不等号の大小関係を逆にして計算すればよい。

次に図３により、「Ｓ５：精度影響度出力」及び「Ｓ７：精度安定時間出力」の例を説明する。
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は、精度診断装置Ｄの表示画面の例である。この表示画面は、工作機械Ｍの制御装置Ｃのモニタに表示される。但し、工作機械Ｍに接続されたＰＣなどの画面に表示するようにしても良い。精度診断装置Ｄの表示画面には、診断結果をＯＫまたはＮＧで表示する診断結果表示欄Ｍ１、精度安定時間の表示欄Ｍ２、精度影響度の表示欄Ｍ３、しきい値設定欄Ｍ４を設ける。さらに結果を分かりやすくするため、必要に応じてグラフの表示欄Ｍ５、メッセージの表示欄Ｍ６を設ける。

精度影響度の表示欄Ｍ３には、式２で算出した精度影響度Ｅを表示する。しきい値設定欄Ｍ４では、精度を安定とみなすしきい値Ｅ_limitの設定及び表示を行う。診断結果表示欄Ｍ１では、精度影響度Ｅがしきい値Ｅ_limitより大きい場合はＮＧ、しきい値Ｅ_limitより小さい場合はＯＫと表示する（精度影響度Ｅが、精度が不安定であるとき値が大きく、精度が安定であるとき値が小さくなるように定義されている場合）。この例ではＯＫまたはＮＧとして画面に文字で表示しているが、色を変化させるなど他の方法で表示してもよい。さらに、ＮＧの場合にはアラームを発生して、警報音やメール通知などにより報知したり、機械を停止させたりする方法も考えられる。また、しきい値Ｅ_limitは固定値として、しきい値設定欄Ｍ４を省略することもできる。
精度安定時間の表示欄Ｍ２には、精度安定時間Ｔｓを表示する。このとき、式４ａ～式４ｃの結果をそのまま表示してもよいし、以下の式５ａ～式５ｂに示すようにＴｓ（ｔ）を変換したＴｓ’（ｔ）を表示してもよい。

Ｔｓ’（ｔ）は、式４ａ～式４ｃで計算した値があらかじめ設定した上限値Ｔｓ_limitよりも大きい場合は、Ｔｓ_limitとする。つまり、精度影響度Ｅの値が悪化していく場合や、回復していく場合でも非常に緩やかで、回復までに非常に長い時間がかかると予測される場合には、精度安定時間を精度よく算出することは難しいため、一定値以上として表示する。
式５ｂの場合の表示画面の例を図３（Ａ）に、式５ａの場合の表示画面の例を図３（Ｂ）に示す。この例ではＴｓ_limit＝１２０とし、図３（Ｂ）では精度安定時間を「１２０分以上」と表示している。また、精度影響度Ｅがしきい値よりも小さいとき、すなわち診断結果表示欄Ｍ１にＯＫと表示される場合には、精度安定時間を表示する必要がない。この場合の表示の例を図３（Ｃ）に示す。

図３（Ａ）～図３（Ｃ）のように、精度診断結果をＯＫまたはＮＧとして表示するとともに、診断結果がＯＫになるまでの予想時間（精度安定時間）を表示することで、オペレータは精度を維持して生産するための計画を立てることが容易になる。例えば、診断結果がＮＧの場合でも、精度安定時間が短ければ精度が安定するまで待って加工を再開する計画とすることができる。もし精度安定時間が長ければ、要求精度が高くない加工を先に行うように計画を変更したり、空調などの工場環境を見直して工作機械の精度が安定するように対策を行ったりすることができる。

上記形態の精度診断装置Ｄ及び精度診断方法によれば、工作機械Ｍの所定の部位における温度変化の速度を温度変化速度として算出し、温度変化速度に基づいて、熱変形による工作機械Ｍの精度への影響度を精度影響度Ｅとして算出すると共に、温度変化速度に基づいて、工作機械Ｍの精度が安定するまでの時間を精度安定時間Ｔｓとして算出する。
この構成により、工作機械Ｍの熱変位による精度への影響を適切に予測するとともに、精度が不安定になっていると診断される場合に、精度が安定するまでの時間を精度安定時間Ｔｓとして予測することができる。よって、予測した結果を表示し、オペレータに知らせることにより、いつ工作機械Ｍの精度が再び安定し加工を開始できるか分かるようになる。これにより、必要な精度を確保して生産するための計画が立てやすくなる。

なお、上記形態では、温度変化速度の関数で精度影響度及び精度安定時間を算出しているが、温度変化速度の数値或いは所定の範囲と、対応する精度影響度及び精度安定時間との関係を設定したデータベースを予め作成しておき、データベースを参照して温度変化速度に基づく精度影響度及び精度安定時間を算出してもよい。
また、精度診断装置は、工作機械の制御装置を利用して構成するものに限らず、例えば外部のサーバコンピュータに温度変化速度算出手段と精度影響度算出手段と精度安定時間算出手段と精度安定時間表示手段とを設けて、温度センサの検出温度を当該サーバコンピュータに送信して精度診断を行うようにしてもよい。この場合、複数の工作機械を一箇所で診断可能となる。精度診断の一部、例えば精度安定時間の算出までを外部で行って、精度安定時間等の表示を各工作機械で行うようにすることもできる。

Ｍ・・工作機械（立形マシニングセンタ）、Ｃ・・制御装置、Ｄ・・精度診断装置、１０・・機体温度センサ、２０・・環境温度センサ、３１・・温度変化速度算出手段、３２・・精度影響度算出手段、３３・・精度安定時間算出手段、３４・・精度安定時間表示手段。

Claims

工作機械において、熱変形による精度への影響を診断する精度診断装置であって、
前記工作機械の所定の部位における温度変化の速度を温度変化速度として算出する温度変化速度算出手段と、
前記温度変化速度に基づいて、熱変形による前記工作機械の精度への影響度を精度影響度として算出する精度影響度算出手段と
前記温度変化速度に基づいて、前記工作機械の精度が安定するまでの時間を精度安定時間として算出する精度安定時間算出手段と、
算出された前記精度安定時間を出力する精度安定時間出力手段と、
を備え、
前記精度安定時間算出手段は、
現在の前記精度影響度をあらかじめ定められた前記精度影響度の許容値と比較し、
現在の前記精度影響度が前記許容値から外れた場合には、前記精度影響度が再び前記許容値以内に入るまでの時間を前記精度安定時間として算出することを特徴とする工作機械の精度診断装置。
工作機械において、熱変形による精度への影響を診断する精度診断方法であって、
前記工作機械の所定の部位における温度変化の速度を温度変化速度として算出する温度変化速度算出ステップと、
前記温度変化速度に基づいて、熱変形による前記工作機械の精度への影響度を精度影響度として算出する精度影響度算出ステップと
前記温度変化速度に基づいて、前記工作機械の精度が安定するまでの時間を精度安定時間として算出する精度安定時間算出ステップと、
算出された前記精度安定時間を出力する精度安定時間出力ステップと、
を実行すると共に、
前記精度安定時間算出ステップでは、
現在の前記精度影響度をあらかじめ定められた前記精度影響度の許容値と比較し、
現在の前記精度影響度が前記許容値から外れた場合には、前記精度影響度が再び前記許容値以内に入るまでの時間を前記精度安定時間として算出することを特徴とする工作機械の精度診断方法。