JP2018103274A - 工作機械の温度推定方法及び熱変位補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度を直接測定することが困難な部位の温度を、簡易な方法で精度よく推定する。【解決手段】Ｓ１で、クーラントの吐出/停止状態の情報を取得する。クーラントの吐出/停止状態の情報は、吐出の状態を１、停止の状態を０としたフラグで表す。次に、Ｓ２で、工作機械の各部や加工空間およびクーラントタンクに設けられた温度センサより温度データを取得する。次に、Ｓ３で、クーラントの吐出／停止状態フラグに対して遅れ処理を行い、クーラントおよび構造体の測定温度に対する係数を計算する。次に、Ｓ４で、各測定温度に係数を掛け合わせて、温度センサが取り付けられていない部位の推定温度を計算する。【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械において、温度センサ等の温度検出手段で直接温度を検出できない部位の温度を推定する方法と、その推定温度に基づいて熱変位を補正する方法とに関する。

工作機械を用いて加工を行う場合、主軸や送り軸動作などの機械発熱、及び工作機械の設置環境の温度変化や、クーラントの温度変化などの影響により、工作機械各部が熱変形を起こす。こうした熱変位は、工具とワークとの相対位置を変化させることになるため、加工中に工作機械に熱変位が生じると、ワークの加工精度が悪化してしまう。
加工においては多くの場合クーラントが使用される。クーラントを使用する場合、吐出開始時においてはクーラントとワークや構造体との温度差による急激な温度変化により大きな変位が生じる場合がある。一方、クーラントの吐出を停止した場合には、ワークや構造体の表面からの水の蒸発による気化熱で急激な温度変化が生じる。この影響により加工を再開したときに大きな変位が生じる場合がある。
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、工作機械には回転部や可動部が多く、配線などの制約から温度の測定が困難な部位も多い。また、工作機械へ着脱されるワークや工具に関しても、直接温度を測定することは困難である。そのため、測定困難な部位の代わりに測定が容易な部位の温度を使って補正する方法が考えられるが、異なる部位では温度差があるために熱変位の推定精度が低下し、補正誤差が大きくなってしまうことがある。さらに温度測定が困難な部位はクーラントの影響も受けやすい部位であることが多く、さらに補正誤差が大きくなる傾向がある。

以上の問題に対する対策として、特許文献１には、回転部であり温度センサの取り付けが困難なタレットヘッドに温度模擬ブロックを設けて、温度模擬ブロックによってタレットヘッドの温度を間接的に測定する発明が開示されている。この温度模擬ブロックは、タレットヘッドに近い熱容量になるように設計され、噴射前のクーラントを熱的に接触させている。この温度模擬ブロックの温度を使用することで、精度よく熱変位の推定を行うことができるとしている。
特許文献２には、主軸熱変位の推定について、クーラントを使用しているときと使用していないときで異なる係数を使用し、クーラントの使用時には、主軸とクーラントとの温度差に応じて係数を調整することで、クーラントの影響による誤差を補正する発明が開示されている。
特許文献３には、クーラントの温度変化の傾向を判定し、温度上昇時と温度下降時でフィルタ係数を使い分けることで、クーラントの影響を受ける構造体の温度を精度よく推定する発明が開示されている。

特許第３８９７８８４号公報 特開２００２−３０１６３７号公報 特開２００２−３２６１４１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、クーラントを使用して加工することを前提としている。クーラントを使用せずに加工を行う場合は、タレットヘッドと温度模擬ブロックとで周囲環境が異なるため温度差が大きくなり、補正誤差が大きくなると考えられる。また、タレットヘッドの大きさが異なる機械では、それに合わせて温度模擬ブロックも変更しなければならないため、工作機械の設計や製造時の手間が多くなる。
特許文献２に記載の方法では、主軸熱変位の推定について、クーラントを使用しているときと使用していないときで異なる係数を使用するため、クーラントを使用しているときと使用していないときのどちらにも対応可能である。しかし、実用上は困難な点もある。
ここでは主軸とクーラントとの温度差に応じて係数を調整するが、その調整方法は実験に基づいて決定する旨が記載されている。しかし実際は、単純に主軸とクーラントの温度差を元にした係数の調整は困難であることが予想される。例えば、主軸温度が高くクーラントの温度が室温に近い場合と、主軸温度は高くないがクーラントの温度が室温よりも低い場合とでは、同じ温度差であっても影響が異なることが予想される。その場合、さまざまな主軸温度・クーラント温度に対して熱変位を測定して係数を決めなければならず、多くの実験データが必要となる。また、過渡状態について、クーラントの使用停止後の変化については改善する方法が記載されているが、吐出開始後の変化については記載されていない。
特許文献３に記載の方法では、クーラントを使用する場合と使用しない場合との違いについては考慮されておらず、クーラントを使用しない場合は補正誤差が大きくなると考えられる。
そして、特許文献２と特許文献３に記載のいずれの方法を用いても、吐出開始時のクーラントとワークや構造体との温度差が大きい場合に生じる急激な変化については対応することができない。

そこで、本発明は、温度を直接測定することが困難な部位の温度を、簡易な方法で精度よく推定する工作機械の温度推定方法と、推定した温度に基づく熱変位補正方法と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、温度センサがそれぞれ設置される複数の設置部位と、温度センサが設置されない非設置部位とを有する工作機械において、非設置部位の温度を推定する方法であって、
２以上の異なる設置部位からそれぞれ温度センサによる温度情報を取得する温度情報取得ステップと、ＯＮ・ＯＦＦの２種類の状態で表される所定の運転情報を取得する運転情報取得ステップと、運転情報のＯＮからＯＦＦ或いはＯＦＦからＯＮへの切り替わりを基準時間として、基準時間からの経過時間に応じて変化するように各温度情報に対する係数をそれぞれ決定する係数決定ステップと、温度情報と温度情報に対する係数とに基づいて非設置部位の温度を推定する温度推定ステップと、を実行することを特徴とする。
なお、温度センサの「設置部位」及び「非設置部位」には、加工空間等の工作機械内の空間も含まれる。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、係数決定ステップでは、運転情報をフラグとして表すと共に、１つ以上の時定数を予め設定しておき、フラグに対して時定数を用いて遅れ処理を行うことにより、任意の時点における各温度情報に対する係数を決定することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、時定数は、運転情報がＯＮからＯＦＦに切り替わったときと、ＯＦＦからＯＮに切り替わったときとで異なる値であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、工作機械は、クーラントの使用が可能で、温度情報は、工作機械の構造体又は加工空間の温度と、クーラント温度とを含み、運転情報は、クーラントの吐出・停止であって、
係数決定ステップでは、クーラントの吐出から停止或いは停止から吐出への切り替わりを基準時間として、基準時間からの経過時間に応じて変化するように構造体又は加工空間の温度とクーラント温度とのそれぞれに対して温度情報に対する係数を決定し、温度推定ステップでは、構造体又は加工空間の温度とクーラント温度と、温度情報に対する係数とに基づいて非設置部位の温度を推定することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、係数決定ステップでは、２つの時定数を予め設定しておき、フラグに対して各時定数をそれぞれ用いて遅れ処理を行うことにより、温度情報に対する係数を決定し、温度推定ステップでは、遅れ処理を行った２つの時定数の差分に所定の係数を掛けることにより、クーラントの停止後の気化熱による温度変化を推定し、その温度変化を加味して非設置部位の温度を推定することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５の構成において、構造体の周囲又は加工空間に湿度計を設置し、湿度計で測定された湿度に応じて時定数及び／又は所定の係数を変化させることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかの構成において、工作機械は、ワークへの加熱による加工又は熱処理が可能な加熱装置を備え、温度情報は、工作機械の構造体又は加工空間の温度と、ワークへの加熱温度とを含み、運転情報は、加熱装置の運転・停止であって、
係数決定ステップでは、加熱装置の運転から停止或いは停止から運転への切り替わりを基準時間として、基準時間からの経過時間に応じて変化するように構造体又は加工空間の温度と加熱温度とのそれぞれに対して温度情報に対する係数を決定し、温度推定ステップでは、構造体又は加工空間の温度と加熱温度と、温度情報に対する係数とに基づいて非設置部位の温度を推定することを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項２，３，５，６の何れかの構成において、時定数は、ワーク、工具、治具、ツーリングのうち少なくとも１つの種類に応じて設定されることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項９に記載の発明は、温度センサがそれぞれ設置される複数の設置部位と、温度センサが設置されない非設置部位とを有する工作機械において、非設置部位の熱変位を補正する方法であって、
請求項１乃至８の何れかに記載の温度推定方法を用いて非設置部位の温度を推定する非設置部位温度推定ステップと、推定された温度を用いて熱変位量を計算する熱変位算出ステップと、算出された熱変位量に基づいて工具の刃先位置を補正する補正ステップと、を実行することを特徴とする。

本発明によれば、温度センサの設置部位の温度測定結果に基づいて、温度を直接測定することが困難な非設置部位の温度を、簡易な方法で精度よく推定することができる。
特に、ＯＮ・ＯＦＦの２種類の状態で表される運転情報を用いて、状態の切り替わりを基準時間として基準時間からの経過時間に応じて変化するように２つ以上の異なる位置の温度それぞれに対する係数を求める処理を行うので、運転状態がＯＮのときとＯＦＦのときで使用する温度を切り替えることができ、さらに状態の切り替わりのタイミングで推定温度が急激に変化することがなくなり、滑らかに変化するようになる。
そして、工作機械では、温度センサの非設置部位の推定温度を使用して熱変位量を計算することで、熱変位補正の精度すなわち加工精度を向上させることができる。
請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加えて、運転情報をフラグとして表現し、時定数を設定し、フラグに対して遅れ処理を行うことで温度に対する係数を求めるので、時定数というパラメータで運転状態が変化したときの温度変化の傾向が表現でき、計算式をシンプルな形で表すことができる。よって、実際の温度変化を精度よく推定するためのパラメータ調整が容易になる。
請求項３に記載の発明によれば、上記効果に加えて、時定数をＯＮ→ＯＦＦのときと、ＯＦＦ→ＯＮのときで異なる値に設定することで、それぞれの場合において精度よく温度を推定できる。
請求項４に記載の発明によれば、上記効果に加えて、クーラントの影響による温度変化に適用してクーラントの吐出・停止状態の情報を利用することで、クーラントの使用の有無に関わらず温度を推定できる。また、クーラント温度と構造体温度の両方を用いることで、クーラント吐出開始時において両者の温度差が大きい状況においても対応可能となる。
さらに、クーラントの吐出から停止、および停止から吐出への状態の切り替わりを基準時間として、時間と共に構造体温度とクーラント温度の係数を変化させる処理を行うので、状態の切り替わりのタイミングで推定温度が急激に変化することがなくなり、滑らかに変化するようになる。以上の効果により、クーラントの状態が吐出→停止あるいは停止→吐出に切り替わった後の過渡状態の大きな温度変化にも対応することができる。
請求項５に記載の発明によれば、上記効果に加えて、クーラントを停止させた場合に生じる気化熱による急激な温度の低下に対応するため、２つの時定数および係数を適切に設定すれば、気化熱による温度変化を精度よく推定することが可能となる。
請求項６に記載の発明によれば、上記効果に加えて、気化熱の大きさが環境の湿度や、操作ドアの開閉の影響により変化しても、湿度計により加工空間等の湿度を監視し、それに応じてパラメータを変化させるので、環境が変化しても精度よく気化熱の影響を推定できる。
請求項７に記載の発明によれば、上記効果に加えて、レーザーなどの加熱装置の影響による温度変化に適用するので、加熱温度と構造体または加工空間の温度の両方を用い、停止→加熱、加熱→停止の状態の切り替わりを基準時間として、時間と共に加熱温度と構造体または加工空間の温度の係数を変化させる処理を行うことができる。これにより、状態の切り替わりのタイミングで推定温度が急激に変化することがなくなり、滑らかに変化するようになる。以上の効果により、停止→加熱あるいは加熱→停止に切り替わった後の過渡状態の大きな温度変化にも対応することができる。また、時定数というパラメータで加熱装置を使用したときの温度変化の傾向を表現すれば、計算式をシンプルな形で表すことができ、加工対象のワークが変化したときなどにおいても、実際の温度変化を精度よく推定するためのパラメータ調整が容易になる。
請求項８に記載の発明によれば、ワークや工具等の種類に応じて時定数を設定することで、これらの温度変化を推定することができ、ワークや工具等が変わっても精度よく温度変化を推定することができる。

ＮＣ旋盤の概略図である。 温度推定及び熱変位補正のフローチャートである。 ある使用条件における刃物台温度、タレット実測温度、タンク内クーラント温度、タレット推定温度の変化を表すグラフである。 推定温度を求めた場合及び代用温度を用いた場合のタレット温度の推定誤差を表すグラフである。 クーラントの吐出／停止に対して一次遅れ処理を行って各温度の係数を変化させる場合の刃物台温度とクーラント温度の係数を表すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例であるＮＣ旋盤を示す。勿論本発明はマシニングセンタ、複合加工機のような他の形態の工作機械にも適用可能である。
図１のＮＣ旋盤には、刃物台１、サドル２、土台となるベッド３、主軸台４があり、それぞれに温度センサＳ，Ｓ・・が取り付けられている（温度センサの設置部位）。また、刃物台１には、複数の工具を予め取り付けておき、回転させることで使用する工具を変えることが可能なタレット５が取り付けられている。このタレット５には温度センサは取り付けられていない（温度センサの非設置部位）。これは、タレット５は回転部のため、通常の温度センサでは配線が困難なためである。

また、ベッド３の側方には、クーラントタンク６が設けられて、その内部には、クーラントの温度を測定する温度センサＳが取り付けられている。さらに、クーラントタンク６から刃物台１への配管の途中には、流量センサ７が取り付けられており、クーラントタンク６に設けたクーラントポンプ８の吐出／停止の信号が、図示しないＮＣ装置に送られるようになっている。
なお、クーラントを測定する温度センサは、クーラントタンク６内に設置する代わりに配管の途中などクーラント温度変化の影響を敏感に受ける他の部位に設置しても良い。また、クーラントの吐出／停止の信号を取得する方法としては、図１のように配管に設けた流量センサ７から求める方法の他、ＮＣ装置からクーラントポンプ８への指令値を読み込む方法、クーラントポンプ８の回転をセンサで検知する方法などを用いても良い。

次に、図１のＮＣ旋盤において、温度センサが設置されていないタレット５の温度を推定する方法について、熱伝達の理論に基づいて考察する。
まずはクーラントの吐出を開始したときの温度変化を考える。
ここで、タレット５の温度をθt、クーラントの温度をθ_Ｃとして、タレット５の温度変化と、タレット５とクーラントとの間の熱交換の関係を微分方程式で表すと、以下の式（１）となる。

式（１）において、ρ、Ｃ、Ｖは、それぞれタレット５の密度、比熱、体積を表している。また、ｈ_Ｃは、クーラントとタレット５との間の熱伝達係数、Ａは、タレット５の表面積である。式（１）は、クーラントに対する温度変化時定数をＴ_Ｃとして、以下の式（２）（３）のように書き換えることができる。

この微分方程式（２）を解けば、クーラントがかかったときのタレット温度θ_ｔを求めることができる。微分方程式の解の形を以下の式（４）のように仮定する（Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３：定数）。

式（４）を式（２）に代入すると、Ｃ_２とＣ_３とが求められて、以下の式（５）のようになる。

ここで、クーラントを出し始めるタイミングをｔ＝０として、クーラントを出す前のタレット温度θ_ｔ（０）は、以下の式（６）に示す加工室温度θ_ａｉｒに一致していると仮定できる。

よって、Ｃ_１＝θ_ａｉｒ−θ_Ｃとなり、式（５）に当てはめると以下の式（７）となる。

さらに、式を変形すれば、以下の式（８）〜（１０）となる。

ここで、θ_Ｃの係数ｐ_ｃは、クーラントの吐出をステップ入力（停止０から吐出１に変化）で表したとき、クーラント温度を入力とする時定数Ｔ_Ｃの一次遅れの応答に一致する。一方、θ_ａｉｒの係数ｐ_ａｉｒは、１−ｐ_Ｃで表せる。以上より、クーラントの吐出状態をフラグで表し、フラグに対して一次遅れ処理を行ったものを係数とすれば、クーラントがかかったときの温度変化の模擬が可能となることが分かる。
なお、式（６）〜式（８）では、加工室温度θ_ａｉｒを用いたが、かわりに機体温度θ_ｍを使っても同様の計算が成立する。

次に、吐出していたクーラントを停止させる場合を考える。このとき、タレット５の温度をθ_ｔ、加工空間の温度をθ_ａｉｒとして、以下の式（１１）（１２）の微分方程式が成り立つ。

クーラントを停止させたときのタレットの温度変化には、加工空間内の空気とタレットの間の熱伝達係数ｈ_ａｉｒが影響するため、吐出時と異なる時定数Ｔ_ａｉｒで表される。また、式（１１）のＱ（ｔ）は、気化熱を表す関数である。この気化熱を経験則に基づき、
Ｑ（ｔ）／ｈ_ａｉｒＡ＝−Ｋ_０ｅ^{−ｔ／Ｔｖ}
と仮定する。ｔ＝０（クーラント停止直後）の気化熱の影響は、−Ｋ_０であり、タレット表面から水分が蒸発してなくなるにつれて、単位時間当たりに奪われる熱量は、時定数Ｔ_Ｖの割合で０に近づいていく。なお、定数Ｋ_０やＴ_Ｖは、タレット５に付着した水分の量やクーラントの種類、湿度などにより変化すると考えられる。
微分方程式に代入すると、以下の式（１３）となる。

微分方程式の解の形を以下の式（１４）のように仮定する（Ｋ_１，Ｋ_２，Ｋ_３：定数）

式（１４）を式（１３）に代入すると、式（１５）（１６）の定数の式となる。

ここで、クーラントを止めるタイミングをｔ＝０とし、クーラントを止める前のタレット温度θｔは、以下の式（１７）のようにクーラント温度θｃに一致していると仮定する。Ｋ_１を定めると、式（１８）となる。

以上より、微分方程式の解は、以下の式（１９）となり、この式を簡潔に書き直すと、以下の式（２０）〜（２３）で表すことができる。

式（２１）のｅ^{−ｔ／Ｔａｉｒ}は、入力が１から０にステップ状に変化したときの一次遅れとなっている。つまり、クーラントの吐出状態をクーラント停止０、クーラント吐出１のフラグで表せば、クーラント吐出のときと同様、フラグの一次遅れとしてクーラントの係数を表現できることが分かる。また、吐出のときと同様に、第二項のθ_ａｉｒの係数ｐ'_ａｉｒは、１−ｐ'_Ｃで表せる。
ただし、関係する時定数は、吐出時はクーラント温度を入力とした時定数Ｔ_Ｃ、停止時は加工空間の温度を入力とした時定数Ｔ_ａｉｒである。一般的に、気体よりも液体を入力とした方が熱伝達されやすく温度変化が速くなり、時定数は小さくなる。よって、吐出時と停止時の処理では別の時定数を用いた方がよいことが分かる。
式（２０）の第一項と第二項は吐出時とほぼ同様であるが、クーラント停止時には気化熱の影響である第三項が追加されることになる。この第三項は、２つの時定数（加工空間温度に対するタレットの時定数Ｔ_ａｉｒと、気化熱の減少を表す時定数Ｔ_Ｖ）のステップ応答の差に、ある係数αを掛けたものになっている。

以上より、クーラントの吐出状態をクーラント停止０、クーラント吐出１のフラグで表し、フラグを入力として、３つの時定数（クーラント温度に対するタレットの時定数Ｔ_Ｃ、加工空間温度に対するタレットの時定数Ｔ_ａｉｒ、気化熱の減少を表す時定数Ｔ_Ｖ）での一次遅れ応答を求め、さらにクーラント温度θ_Ｃと加工空間温度θ_ａｉｒまたは機体温度θ_ｍを掛け合わせることで、吐出時と、気化熱を考慮した停止時の温度変化の両方を表すことができる。

以上の内容をフローに書くと図２のようになる。本実施例では、図２のフローに従ってＮＣ装置が、温度センサＳやクーラントポンプ８からの信号に基づいてタレット５の温度を推定し（Ｓ１〜Ｓ４：非設置部位温度推定ステップ）、推定されたタレット５の温度に基づいて刃先位置の熱変位補正を行う。
まず、クーラントの吐出/停止状態の情報を取得する（Ｓ１：運転情報取得ステップ）。クーラントの吐出/停止状態の情報は、吐出の状態を１、停止の状態を０としたフラグで表す。
次に、工作機械の各部や加工空間およびクーラントタンク６に設けられた温度センサＳより、測定温度データを取得する（Ｓ２：温度情報取得ステップ）。

次に、クーラントの吐出／停止状態フラグに対して遅れ処理を行い、クーラントおよび機械構造（本実施例では刃物台１）の測定温度に対する係数を計算する（Ｓ３：係数決定ステップ）。
次に、各測定温度に係数を掛け合わせて、温度センサが取り付けられていない部位の推定温度（本実施例ではタレット５の推定温度）を計算する（Ｓ４：温度推定ステップ）。
次に、Ｓ４で得られた推定温度を使って推定熱変位を算出する（Ｓ５：熱変位算出ステップ）。この推定熱変位は、例えば、図１のＮＣ旋盤において、推定したタレット温度をΘ_０、刃物台測定温度をθ_１、サドル測定温度をθ_２、ベッド測定温度をθ_３、主軸台測定温度をθ_４とし、それぞれの温度に対する係数をＣ_０〜Ｃ_４とすると、刃先での推定熱変位Ｘ_Ｃは、以下の式（２４）で求められる。

そして、Ｓ６で、Ｓ５で計算された推定熱変位Ｘ_Ｃだけ、刃先位置を変化させるように熱変位補正を行う（補正ステップ）。
これにより、機械構造の温度変化によって生じる熱変位を効果的に抑制することができる。

次に、タレット５の推定温度Θ_０を計算する方法および効果について例を挙げて説明する。
ある使用条件において、タレットの実測温度θ_０、刃物台温度θ_１、クーラント温度θ_Ｃが図３のように変化したとする。この加工では、１時間後から１１時間後までの間はクーラントを使用して加工を行い、それ以外の時間は加工を停止し、クーラントの吐出も停止している。加工開始前、クーラントの温度はタレット５や刃物台１の温度より５℃程度低くなっている。このような機体とクーラントとの温度差は、冬の早朝などに床付近の温度が冷え込んだ場合や、クーラントの補給を行った場合などに発生する。この状態で吐出を開始すると、タレット５や刃物台１の温度は冷たいクーラントがかかることによって低下する一方、クーラントの温度は機械からの熱を奪って急速に上昇する。

吐出開始から２０〜３０分以内には、クーラントと機体の温度はほぼ同じ温度となり、その後は加工熱やクーラントポンプ８の発熱がクーラントに伝わることによって、クーラントタンク６内のクーラント温度θ_Ｃが緩やかに上昇し、それとともにタレット実測温度θ_０、刃物台温度θ_１も上昇していく。一方、加工を止めた場合には、各温度は低下していく。
また、タレット５と刃物台１の熱容量の違いや、クーラントのかかり方の違いにより、タレット実測温度θ_０のほうが敏感に変化し、図４のグラフの点線に示すようにθ_０とθ_１に温度差が生じる。よって、タレット５の温度の代わりに刃物台温度を使用して熱変位補正を行った場合には、この温度差の影響により補正誤差が生じることになる。クーラントの吐出／停止状態に応じて推定温度の計算方法を変化させてタレット５の推定温度Θ_０を求めることにより、この誤差を低減することができる。

推定温度Θ_０の具体的な計算方法は、図２のフローに従い、まずタレット５に近い部位の刃物台温度θ_１と、クーラント温度θ_Ｃとを温度情報として取得する。ついでクーラントの吐出／停止状態の情報を、吐出の状態を１、停止の状態を０としたフラグｕとして取得する。
さらにフラグに対して遅れ処理を行い、係数ｑ_１、ｑ_２、さらに刃物台温度に対する係数ｐ_１、クーラント温度に対する係数ｐ_Ｃを計算する。データを取得する時間間隔をΔ_ｔ、現在の値を（ｎ）、一つ前のサンプリングでの値を（ｎ−１） 、フラグの値が切り替わった後充分時間が経過したときの割合をｋとする。推定温度Θ_０の計算方法は以下の式（２５）〜（２７）で表される。この式は、式（８）〜（１０）および式（２０）〜（２３）をもとに差分方程式の形で表したものである。

式（２５）は、クーラントの吐出状態を表すフラグｕ（ｎ）に対し、時定数をＴ_１，Ｔ_２とする１次遅れのフィルタ処理を行っている。本実施例では１次遅れのデジタルフィルタを用いたが、他の方法で遅れ処理を行っても良い。
式（２６）では、式（２５）で求めた係数に割合ｋを掛けて、クーラント温度に対する係数ｐ_Ｃを計算している。また、式（２６）は、各温度に対する係数の和が１となるという条件を表している。測定温度と推定温度とのスケールを一致させるため、通常はこの関係を満たすように各温度に対する係数を決める。式（２６）は２つの温度を使用して推定する場合の例であるが、和が１となる条件を満たすように各温度に対する係数を決定すれば、３つ以上の温度を使用して推定温度を求めることも可能である。

クーラントの吐出/停止状態を表すフラグｕ、および式（２５）〜（２６）より計算したクーラント温度の係数ｐ_Ｃ、刃物台温度の係数ｐ_１をグラフで表すと図５のようになる。これを見ると分かるように、クーラントが出ていないとき、すなわちｕ＝０のときは、ｐ_Ｃ＝０、ｐ_１＝１に近づいていき、タレット５の推定温度Θ_０は、刃物台温度θ_１に等しくなる。
一方、クーラント吐出後十分に時間が経過したとき、ｐ_Ｃの値はｋに、ｐ_１の値は１−ｋに等しくなる。ｋは０から１の間の定数であり、実験結果などを参考に予め設定しておく。通常ｋは１に近い値となるため、クーラントを使用しているときのタレット５の推定温度Θ_０はクーラント温度θ_Ｃに近い値となる。

また、クーラントの吐出・停止の状態が切り替わったとき、すなわちフラグｕの値が変化した場合には、係数ｐ_Ｃの変化は時定数Ｔ_１の値が大きいほど、ｕの変化に対して遅れることになる。これにより切り替えのタイミングで生じる急激な変化を防ぐことができる。時定数Ｔ_１は常に同じ値としても良いが、吐出時と停止時で別の値に設定することでより高精度に推定が可能となる。時定数Ｔ_１の決定方法としては、設計時に予め解析して求めた結果を入力しておく方法、実験結果をもとにフィッティングする方法などが考えられる。
式（２６）では、式（２５）で求めた係数を使って温度の線形和を求め、さらに気化熱を考慮した修正項を引くことで推定温度を計算している。修正項は２つの時定数でフィルタ処理を行い、それらの差を取る事により計算する。

以上の方法を用いて、タレット５の推定温度Θ_０を求めると図３の黒い実線のようになる。これを見ると、全体を通してタレット５の推定温度Θ_０がタレットの実測温度θ_０によく追従していることが分かる。さらに、タレット５の推定温度Θ_０および刃物台温度θ_１の差を求めると図４の黒い実線のようになる。この結果を点線で示すθ_１−θ_０と比較すると、クーラント吐出時にはクーラント温度を使用することで、温度推定誤差が大幅に減少していることが分かる。
また、クーラントの吐出／停止が切り替わるタイミングにおいても、急激な変化はなく滑らかな変化となっている。クーラント停止時には機体の温度、クーラントの吐出時には機体の温度に加えてクーラントの温度を使うことで、吐出開始時にクーラントと機体の温度差があっても誤差が小さくなることが分かる。

また、瞬間的に使用する温度を切り替えると急激な変化が生じてしまうが、遅れ処理を行うことによりその問題を防ぐことができる。さらに、クーラント停止後の誤差についても大幅に減少し、精度よく温度が推定できていることが分かる。
クーラント停止後は気化熱によってタレットの実測温度θ_０が急激に変化し、刃物台温度θ_１やクーラント温度θ_Ｃよりも速い変化となっている。しかし、式（２６）に示すように異なる時定数を使って計算を行えば、気化熱による急激な温度変化についても再現可能である。

このように、上記形態の温度推定方法及び熱変位補正方法によれば、温度センサＳの設置部位の温度測定結果に基づいて、温度を直接測定することが困難な非設置部位（ここではタレット５）の温度を、簡易な方法で精度よく推定することができる。
また、ＯＮ・ＯＦＦ（吐出・停止）の２種類の状態で表されるクーラントの運転情報を用いて、状態の切り替わりを基準時間として基準時間からの経過時間に応じて変化するように２つ以上の異なる位置の温度それぞれに対する係数を求める処理を行うので、運転状態がＯＮのときとＯＦＦのときで使用する温度を切り替えることができ、さらに状態の切り替わりのタイミングで推定温度が急激に変化することがなくなり、滑らかに変化するようになる。
そして、工作機械では、温度センサの非設置部位の推定温度を使用して熱変位量を計算することで、熱変位補正の精度すなわち加工精度を向上させることができる。

特にここでは、運転情報をフラグとして表現して時定数を設定し、フラグに対して遅れ処理を行うことで温度に対する係数を求めるので、時定数というパラメータで運転状態が変化したときの温度変化の傾向が表現でき、計算式をシンプルな形で表すことができる。よって、実際の温度変化を精度よく推定するためのパラメータ調整が容易になる。
また、時定数をクーラントの吐出→停止のときと、停止→吐出のときで異なる値に設定しているので、それぞれの場合において精度よく温度を推定できる。
さらに、クーラントの影響による温度変化に適用してクーラントの吐出・停止状態の情報を利用することで、クーラントの使用の有無に関わらず温度を推定できる。また、クーラント温度と構造体温度の両方を用いることで、クーラント吐出開始時において両者の温度差が大きい状況においても対応可能となる。

さらに、クーラントの吐出から停止、および停止から吐出への状態の切り替わりを基準時間として、時間と共に構造体温度とクーラント温度の係数を変化させる処理を行うので、クーラントの状態が吐出→停止あるいは停止→吐出に切り替わった後の過渡状態の大きな温度変化にも対応することができる。
加えて、クーラントを停止させた場合に生じる気化熱による急激な温度の低下に対応するため、２つの時定数および係数を適切に設定すれば、気化熱による温度変化を精度よく推定することが可能となる。

なお、本実施例では、タレットに近い刃物台の温度とクーラント温度を使用して推定を行ったが、刃物台温度の替わりに加工空間内の温度を測定し、推定に用いても良い。さらに加工空間の温度と機体の温度の平均値を用いるなど、複数の温度を組み合わせて推定に使用することもできる。
さらに、気化熱の大きさは加工空間の湿度によっても影響される。そのため、加工空間内の温度と共に湿度を測定できるようにしておき、湿度に応じて式（２５）のＴ_２や式（２７）のαの値の一方又は両方を調整できるようにして、より高精度に気化熱を推定する方法も考えられる。例えば、湿度が高いときは気化しにくく気化熱の影響が小さいためαの値を小さくし、湿度が低いときは気化熱の影響が大きいためαの値を大きくすることが考えられる。これにより、気化熱の大きさが環境の湿度や、操作ドアの開閉の影響により変化しても、湿度計により加工空間等の湿度を監視し、それに応じてパラメータを変化させるので、環境が変化しても精度よく気化熱の影響を推定できる。

また、本実施例では、タレットの温度推定を例に説明したが、温度を推定する部位はクーラントの影響を受ける場所であればどこでも良い。例えばテーブル、パレット、治具、ワーク、工具、ツーリングなどに対しても適用可能である。このとき、式（２５）の時定数Ｔ_１およびＴ_２は、ワークや工具等の種類によって変化することが想定される。一般にワークや工具の体積が大きければ熱容量が大きくなり、時定数は大きくなる。そのため、ＮＣ装置上でワークや工具に対応する温度変化時定数をパラメータとして設定できるようにしておき、機械に装着しているワークや工具が変わった場合に、その種類に応じたパラメータを読み込んで温度推定と熱変位補正を行う方法が考えられる。温度変化時定数の設定方法は、予め寸法などを元に計算して入力しても良い。あるいは、重量センサや画像情報などから推定し、自動で設定されるようにしても良い。このように、ワークや工具等の種類に応じて時定数を設定することで、これらの温度変化を推定することができ、ワークや工具等が変わっても精度よく温度変化を推定することができる。

さらに、本実施例ではクーラント使用時の温度推定を例に説明したが、レーザー照射などによりワークを加熱する場合にも同様の考え方で温度の推定が可能である。すなわち、クーラント温度の変わりに、加熱装置の設定温度などを用いて、加熱装置のＯＮ・ＯＦＦの変化をフラグで表し遅れ処理を行うことで、加熱の影響による温度変化を推定することができる。
これにより、状態の切り替わりのタイミングで推定温度が急激に変化することがなくなり、滑らかに変化するようになり、停止→加熱あるいは加熱→停止に切り替わった後の過渡状態の大きな温度変化にも対応することができる。また、時定数というパラメータで加熱装置を使用したときの温度変化の傾向を表現すれば、計算式をシンプルな形で表すことができ、加工対象のワークが変化したときなどにおいても、実際の温度変化を精度よく推定するためのパラメータ調整が容易になる。

１・・刃物台、２・・サドル、３・・ベッド、４・・主軸台、５・・タレット、６・・クーラントタンク、７・・流量センサ、８・・クーラントポンプ、Ｓ・・温度センサ。

Claims (9)

1. 温度センサがそれぞれ設置される複数の設置部位と、前記温度センサが設置されない非設置部位とを有する工作機械において、前記非設置部位の温度を推定する方法であって、
   ２以上の異なる前記設置部位からそれぞれ前記温度センサによる温度情報を取得する温度情報取得ステップと、
   ＯＮ・ＯＦＦの２種類の状態で表される所定の運転情報を取得する運転情報取得ステップと、
   前記運転情報のＯＮからＯＦＦ或いはＯＦＦからＯＮへの切り替わりを基準時間として、前記基準時間からの経過時間に応じて変化するように各前記温度情報に対する係数をそれぞれ決定する係数決定ステップと、
   前記温度情報と前記温度情報に対する係数とに基づいて前記非設置部位の温度を推定する温度推定ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械の温度推定方法。
2. 前記係数決定ステップでは、前記運転情報をフラグとして表すと共に、１つ以上の時定数を予め設定しておき、前記フラグに対して前記時定数を用いて遅れ処理を行うことにより、任意の時点における各前記温度情報に対する係数を決定することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の温度推定方法。
3. 前記時定数は、前記運転情報がＯＮからＯＦＦに切り替わったときと、ＯＦＦからＯＮに切り替わったときとで異なる値であることを特徴とする請求項２に記載の工作機械の温度推定方法。
4. 前記工作機械は、クーラントの使用が可能で、
   前記温度情報は、前記工作機械の構造体又は加工空間の温度と、クーラント温度とを含み、
   前記運転情報は、前記クーラントの吐出・停止であって、
   前記係数決定ステップでは、前記クーラントの吐出から停止或いは停止から吐出への切り替わりを基準時間として、前記基準時間からの経過時間に応じて変化するように前記構造体又は前記加工空間の温度と前記クーラント温度とのそれぞれに対して前記温度情報に対する係数を決定し、
   前記温度推定ステップでは、前記構造体又は前記加工空間の温度と前記クーラント温度と、前記温度情報に対する係数とに基づいて前記非設置部位の温度を推定することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械の温度推定方法。
5. 前記係数決定ステップでは、２つの前記時定数を予め設定しておき、前記フラグに対して各前記時定数をそれぞれ用いて遅れ処理を行うことにより、前記温度情報に対する係数を決定し、
   前記温度推定ステップでは、前記遅れ処理を行った２つの前記時定数の差分に所定の係数を掛けることにより、前記クーラントの停止後の気化熱による温度変化を推定し、その温度変化を加味して前記非設置部位の温度を推定することを特徴とする請求項４に記載の工作機械の温度推定方法。
6. 前記構造体の周囲又は前記加工空間に湿度計を設置し、前記湿度計で測定された湿度に応じて前記時定数及び／又は前記所定の係数を変化させることを特徴とする請求項５に記載の工作機械の温度推定方法。
7. 前記工作機械は、ワークへの加熱による加工又は熱処理が可能な加熱装置を備え、
   前記温度情報は、工作機械の構造体又は加工空間の温度と、前記ワークへの加熱温度とを含み、
   前記運転情報は、前記加熱装置の運転・停止であって、
   前記係数決定ステップでは、前記加熱装置の運転から停止或いは停止から運転への切り替わりを基準時間として、前記基準時間からの経過時間に応じて変化するように前記構造体又は前記加工空間の温度と前記加熱温度とのそれぞれに対して前記温度情報に対する係数を決定し、
   前記温度推定ステップでは、前記構造体又は前記加工空間の温度と前記加熱温度と、前記温度情報に対する係数とに基づいて前記非設置部位の温度を推定することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械の温度推定方法。
8. 前記時定数は、ワーク、工具、治具、ツーリングのうち少なくとも１つの種類に応じて設定されることを特徴とする請求項２、３、５、６の何れかに記載の工作機械の温度推定方法。
9. 温度センサがそれぞれ設置される複数の設置部位と、前記温度センサが設置されない非設置部位とを有する工作機械において、前記非設置部位の熱変位を補正する方法であって、
   請求項１乃至８の何れかに記載の温度推定方法を用いて前記非設置部位の温度を推定する非設置部位温度推定ステップと、
   推定された温度を用いて熱変位量を計算する熱変位算出ステップと、
   算出された熱変位量に基づいて工具の刃先位置を補正する補正ステップと、
   を実行することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。

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