JP4505385B2

JP4505385B2 - 工作機械の熱変位推定方法

Info

Publication number: JP4505385B2
Application number: JP2005202120A
Authority: JP
Inventors: 治光千田
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-07-11
Also published as: JP2007015094A

Description

本発明は、マシニングセンタ等の工作機械において、回転軸の熱変位を推定する方法に関するものである。

一般に、工作機械は、機械の特性上各部に熱源（例えば主軸の転がり軸受）を持っており、この熱源によって発生した熱が機械各部に伝わることで、機体の熱変位を引き起こす。機体の熱変位は加工精度に大きく影響するため、その防止対策として、従来から、発熱部を冷却する方法、或いは、機体温度情報から熱変位を推定して補正する方法が広く採用されている。後者の熱変位推定方法としては、例えば本件出願人が先に提示した特許文献１に開示の如く、回転数変化後の過渡状態から定常状態に至るまで、回転数と時間或いは補正回数に応じて演算式の係数を変化させることで、あらゆる運転状況において熱変位を正確に推定する技術が知られている。

特開平９−２２５７８１号公報

ところが、この従来技術では、温度センサの時定数や取付位置（熱源からの距離）によって生じる測定温度のムダ時間（追従遅れ）について考慮されていなかった。このため、高速回転域で定常状態から過渡状態に移行した直後に、主軸の温度が急激に変化した場合、測定温度のムダ時間によって過渡状態の極初期における推定値に誤差が発生するという問題点があった。

そこで、本発明は、温度センサの時定数や取付位置によって生じる測定温度のムダ時間を補正して、熱変位の推定精度を向上できる工作機械の熱変位推定方法を提供することを目的としたものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、工作機械の温度上昇をセンサで測定する段階と、測定した温度を数値化する段階と、数値化された温度データに基づき相当発熱量を推定演算する段階と、該相当発熱量から熱変位量を推定演算する段階とからなり、それら演算式が離散値を用いて演算する方式である工作機械の熱変位推定方法であって、数値化された温度データに基づき相当発熱量を推定演算する段階では、発熱状態が変化した後の所定の時間或いは所定の演算回数内でのみ複数回前の温度変化に基づいて相当発熱量を推定演算し、測定温度のムダ時間を補正するムダ時間補正演算処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、温度センサの時定数や取付位置によって生じる測定温度のムダ時間を補正して、熱変位の推定精度を向上できるという優れた効果を奏する。
また、複数回前の温度変化データの使用により、ムダ時間補正演算処理を簡単且つ的確に行うことができる。

以下に、本発明の熱変位推定方法を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、マシニングセンタにおける主軸回転数の経時変化を示し、ここでは本発明の特徴を明らかにするために、主軸回転数には定常状態を作る１３，０００ｍｉｎ^−１と過渡状態を作る２５，０００ｍｉｎ^−１とを考える。図２は、図１の運転条件下における主軸の実際の熱変位量及び温度上昇値（機体温度からの相対値）の経時変化を示し、熱変位量は非接触式変位センサを用いて１０秒間隔で測定し、温度上昇値は主軸軸受の近傍に設置した温度センサで測定したものである。図３は、従来方法で推定した熱変位量と図２に示した実際の熱変位量との誤差を示すものである。

従来の推定方法によると、図１に示す運転パターンにおいては、定常状態からの急激な変化にかかわらず、温度データに基づき相当発熱量を推定演算し、該相当発熱量から熱変位量を推定することを行っている。すなわち、主軸の回転速度が変化した後の過渡状態において、温度及び熱変位の時間応答を、主軸回転速度に対する一次遅れ系で表現して、一次遅れ系の応答処理に、離散値（デジタル）で一次遅れ応答を表現した下記の式１〜３を用いるようにしている。式１は、式２を変形し、応答特性係数αを温度応答特性係数αＴとして得たもので、測定が容易な温度変化ＴＹ_ｎから、相当発熱量ＴＸ_ｎを求めることができる。
なお、図３で推定した熱変位量は、各係数を具体的に定めた下記の式１’〜式３’により求められている。

ＴＸ_ｎ＝ＴＹ_ｎ−１＋（ＴＹ_ｎ−ＴＹ_ｎ−１）／αＴ式１
ＴＸ_ｎ：ｎ回目の相当発熱量ＴＹ_ｎ：ｎ回目の温度変化
αＴ：温度応答特性係数
Ｙ_ｎ＝Ｙ_ｎ−１＋（Ｘ_ｎ−Ｙ_ｎ−１）・α 式２
Ｘ_ｎ：ｎ回目の相当発熱量Ｙ_ｎ：ｎ回目の一次遅れ応答処理演算値（熱変位相当温度変化）
α ：応答特性係数
推定熱変位＝Ｋ・Ｙ_ｎ式３
Ｋ：熱変位変換係数（μｍ／℃）

ＴＸ_ｎ＝ＴＹ_ｎ−１＋（ＴＹ_ｎ−ＴＹ_ｎ−１）／０．９１式１’
Ｙ_ｎ＝Ｙ_ｎ−１＋（Ｘ_ｎ−Ｙ_ｎ−１）・０．０３８式２’
推定熱変位＝５・Ｙ_ｎ式３’

図４は、測定温度の即時値を用いて推定した熱変位量と実際の熱変位量との誤差を示すものであるが、図４と図３とを比較して明らかなように、従来方法によれば、式１で発熱量を推定し、該発熱量の変化から式２と式３で熱変位量を推定して、実際の熱変位形態に近い推定方法を行っているので、定常状態から過渡状態、過渡状態から過渡状態並びに過渡状態から定常状態に移行したときの熱変位を高精度に推定することができる。
しかしながら、図５に示すように、測定温度の変化を拡大して見ると、回転数変化直後にムダ時間があり、この部分が熱変位推定精度に悪影響を及ぼしていることが分かる。ムダ時間は、温度センサの応答時定数並びに温度センサの設置位置（熱源である軸受からセンサまでの距離、図６参照）によって発生する。図７は、熱源からセンサまでの距離とムダ時間との関係を示すものである。

従って、測定温度のムダ時間を考慮した演算式を使用すれば、熱変位をより高精度に推定することができる。ところが、演算式自体に常にムダ時間を考慮すると、発熱量推定時にばらつきが多くなり、推定時の安定性が悪くなる。そこで、本発明は、式１の係数関数に着目し、回転数変化直後にムダ時間を補正するため、演算時にｎ−１回目の温度変化データを用いるところで、ムダ時間補正演算処理として、下記の式１”のように一時的にｎ−２回目の温度変化データを用いて数回処理することにより、熱変位の推定精度を容易に向上できる方法を提案する。すなわち、式１”のＴＹ_ｎに最新の温度変化データを適用し、ＴＹ_ｎ−２として前々回の温度変化データを適用することで、今回（ｎ回目）の推定発熱量ＴＸ_ｎを得るようにしたものである。ここで、回転速度変更後に式１”を用いる回数は、実験あるいはシミュレーション解析から求めることになる。

ＴＸ_ｎ＝ＴＹ_ｎ−２＋（ＴＹ_ｎ−ＴＹ_ｎ−２）／αＴ式１”
ＴＸ_ｎ：ｎ回目の相当発熱量ＴＹ_ｎ：ｎ回目の温度変化
αＴ：応答特性係数

図８は、本発明の方法で推定した熱変位量と実際の熱変位量との誤差を示すものである。ここでは、具体的に、図１の運転条件において、ムダ時間を補正する処理回数は、回転変化後の３回とした。図８と図３とを比較して明らかなように、本発明の方法によれば、推定誤差を従来の１／２以下に減少させることができる。

次に、本発明の熱変位推定方法を工作機械の一例であるマシニングセンタに具体化した一実施例を図９及び図１０に基づいて説明する。
図９は、縦形マシニングセンタにおける熱変位補正システムを示すものであるが、これと同様のシステムを横形マシニングセンタに適用してもよい。マシニングセンタは、周知のように、主軸ヘッド１、コラム２、主軸３、ベッド４、移動テーブル５等から構成されている。主軸３の近傍にはその発熱温度を測定するための第１温度センサ６が取り付けられている（図６参照）。ベッド４には基準温度を測定する第２温度センサ７が取り付けられている。

温度測定装置８は、各温度センサ６，７からのアナログ信号をデジタル信号に変換し、数値化された温度データを熱変位推定演算器９に出力する。記憶装置１０には補正パラメータが予め記憶されている。熱変位推定演算器９は、温度データと補正パラメータとから熱変位量を推定して補正値を算出する。そして、この補正値に基づいてＮＣ装置１１が周知の方法により位置補正を実行するようになっている。

図１０は、上記マシニングセンタの熱変位補正方法を示すフローチャートである。
まず、熱変位補正プログラムが開始されると、温度センサ６，７による温度測定が実行される（Step1）。そして、この間に主軸３の回転数が変化する（Step2）と、カウンタがスタート（Step3）する。予め設定したカウント回数内（Step4でYesの場合）では、ムダ時間対応の相当発熱量演算（ムダ時間補正演算処理、Step6）を式１”で行い、それ以外（Step4でNoの場合）は式１による通常の相当発熱量演算（Step5）を行う。そして、式２にて熱変位相当温度変化を演算（Step7）し、式３で推定熱変位量に換算する（Step8）。その後、これに相当する補正量が入力されたＮＣ装置１１が補正出力処理（Step9）を行い、適宜補正処理が続行される（Step10）。

このように、本発明の熱変位推定方法を採用した上記実施例のマシニングセンタによれば、温度センサ６，７の時定数や取付位置によって生じる測定温度のムダ時間を補正して、熱変位の推定精度を向上できる。よって、熱変位補正の精度も向上し、精度の高い加工が可能となる。特に、Step６でのムダ時間補正演算処理を、前々回の温度変化データを用いた式１”にて行っていることから、ムダ時間補正演算処理が簡単且つ的確に行えるようになっている。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、マシニングセンタ以外の他の工作機械に適用したり、主軸以外の構成部を対象にして熱変位推定を実施したりしても差し支えない。

マシニングセンタにおける主軸回転数の経時変化を示す特性図である。主軸の実際の熱変位量及び温度上昇値の経時変化を示す特性図である。従来方法による熱変位量の推定誤差を示す特性図である。測定温度の即時値を用いた場合の推定誤差を示す特性図である。回転数変化直後における測定温度変化の応答性を示す特性図である。温度センサの設置箇所を例示する主軸ヘッドの詳細図である。熱源から温度センサまでの距離とムダ時間との関係を示す特性図である。本発明の方法による推定誤差を示す特性図である。本発明の方法が実施される縦形マシニングセンタの熱変位補正システムを示す概略図である。同マシニングセンタの熱変位補正方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・主軸ヘッド、３・・主軸、４・・ベッド、６・・第１温度センサ、７・・第２温度センサ、８・・温度測定装置、９・・熱変位推定演算器、１０・・記憶装置、１１・・ＮＣ装置。

Claims

工作機械の温度上昇をセンサで測定する段階と、測定した温度を数値化する段階と、数値化された温度データに基づき相当発熱量を推定演算する段階と、該相当発熱量から熱変位量を推定演算する段階とからなり、それら演算式が離散値を用いて演算する方式である工作機械の熱変位推定方法であって、
数値化された温度データに基づき相当発熱量を推定演算する段階では、発熱状態が変化した後の所定の時間或いは所定の演算回数内でのみ複数回前の温度変化に基づいて相当発熱量を推定演算し、測定温度のムダ時間を補正するムダ時間補正演算処理を行うことを特徴とする工作機械の熱変位推定方法。