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    公开号:WO1989012527A1
    申请号:PCT/JP1989/000553
    申请日:1989-06-01
    公开日:1989-12-28
    发明作者:Junji Chigira；Koichi Urano
    申请人:Kanto Seiki Co., Ltd.；
    IPC主号:F28F27-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 工作機械の温度制御方法及びその装置
    [0003] 技 術 分 野
    [0004] この発明は、 工作機械の温度制御方法及びその装置に関する。 更に詳しくは、 ェ 作機械の機体の温度制御において、 過渡偏差および定常偏差の大きさを小さくした 工作機械の温度制御方法とその装置に関する。
    [0005] 技 林 J
    [0006] 工作機械の機体は、 環境温度、 発熱部からの熱などにより変形する。 機体の変形 は、 加工精度に影響をおよぼすので、 従来から機体各部の温度を一定温度にコント ロールすることが行われている。 この温度制御の方法は、 種々提案されているが通 常温度制御された液体を工作機械の発熱部に流して、 発熱部を冷却する間接制御方 法が行われいる。 この液体の設定温度は、 室温または構成要素中の時定数が最大の ものに追従させて制御されている。 この方法は、 工作機械の熟変形を最小にし、 加 ェ誤差を小さくする。 このことは公知の技術であり、 これらの方式は室温追従制御 または機体温度追従制御と呼ばれている。
    [0007] 従来は、 工作機械の液温による間接制御を室温追従制御または機体温度追従制御 で行う場合の制御動作として、 2位置制御が用いられてきた。 2位置制御の場合、 制御される液体温度の温度変動幅 (k)は次のようになる。
    [0008] σ= (QR /K r ) { 1 - exP (-L/T) } +ΔεχΡ ( -L/T) ··■ ( 1 ) ただし、 QR ：温度制御装置の冷却容量で単位は（Kcal/h) ， Kr ： 放熱係数 で単位は（ Kcal/h ·βΟ ， △： 2位置（ON— OFF動作）温度調節器の動作隙 間で単位は（ ） ， L：制御動作を開始してから、 その温度変化を温度検出器（セ ンサ一） で検知するまでの無駄時間であり、 単位は （h) ， T：温度制御対象の時 定数であり、 単位は（h) ， ァ：負荷率（発熱量と冷却容量との比） ， exp ： 自然 対数である。
    [0009] また、 2位置制御では、 次式で表せる制御量（制御された液温） の定常偏差 Δ^> (°C) を生じる。
    [0010] Δ^0 = (r-0.5 ) ( QR /K r ) { 1 -exp (-L/T) } - ( 2 ) 温度変動幅 ， 定常偏差 Α ο のいずれも QR が大きくなる程大きくなる。 QR は、 工作機械の発熱量が大きくなれば当然大きくするから、最近の発熱量が大きい 工作機械では温度変動幅 と定常偏差 Δ ^0 が許容値を越えてしまうことがある。 積分動作を含む P I D制御を用いれば、 定常備差 Δ Ο は 0となるが、 P I D制 御は、無駄時間が最小になる点（工作機械の温度制御の場合は熱交換器出口） を検 知しなければ制御量の過渡優差が大きくなり整定時間が長くなる。 しかし、 熱交換 器出口液温を検知して制御する間接制御では、 次式で示される機体の定常偏差（機 壁温度と熱媒体液温との差） oを生じる。
    [0011] A^W! =Q/aF + Q/ (2W) - ( 3 ) ただし、 Q：機壁から熟媒体液に伝達される熱負荷（kcal/h ) ， a：機壁と熱 媒体液との間の平均熱伝達率 (kcal/ m2 h。C) ， F：伝熱面積（ m2 ) ， W：熱 媒体液の水当量で体積流量， 液の密度および液の比熱の積（kcal/h °C) である。
    [0012] もしも工作機械出口液温を検知して制御すれば襪体の定常偃差 A w2 CC)は 次のようになる。
    [0013] A^w2 =Q/ (aF) -Q/ ( 2W) - ( 3 ) すなわち、熱交換器出口液温を検知して制御する場合に比べて機壁の定常優差が Q/W (00だけ小さくなる。 このことは、 工作機械の熱変形を小さくして加工誤 差を小さくするといえる。
    [0014] 以上を総合して考えると、 ON · OFF制御より P I D制御の方が液温の定常優 差が 0であることで優れているが、 従来の P I D制御では、 制御液温の過渡僵差を 小さくすれば機体の定常偏差が大きくなり、 機体の定常偏差を小さくすれば制御液 温の過渡偏差が大きくなるという矛盾がある。 この発明は、 、 こうした従来の 2位 置動作め間接制御と、 従来の P I D制御による間接制御の問題点を解決するもので ある。
    [0015] 発 明 の 開 示
    [0016] この発明の目的は、 工作機械の温度制御方法において、液温の定常偏差を 0 ( 零） にする工作機械の温度制御方法およびその装置を提供することにある。
    [0017] この発明の他の目的は、 工作機械の温度制御方法において、 機体の定常偏差を小 さくする工作機械の温度制御方法およびその装置を提供することにある。 この発明の他の目的は、 工作機械の温度制御方法において、 液温の過渡偏差を小 さくして整定時間を短くする工作機械の温度制御方法およびその装置を提供するこ とにある。
    [0018] 前記目的を達成するための主 要旨は、
    [0019] 工作機械を構成し発熱する構成要素に熱媒体液を接触させて前記構成要素の温度 を一定温度に間接温度制御する工作機械の温度制御方法において、 前記熱媒体液を 前記構成要素に接触させて熱交換し、 この熱交換後前記熱媒体液を冷却媒体で冷却 し、 この冷却後前記熱媒体液の顕熱温度上昇値を測定し、 この顕熱温度上昇値によ り前記熱媒体液の冷却温度を制御したことを特徴とする工作機械の温度制御方法で ある。 - 前記顕熱温度上昇した結果の温度を基準温度との差温で検出すると良い。
    [0020] この発明の他の要旨は、 工作機械を構成しかつ熱発生源を有する構成要素と、 こ の構成要素に熱媒体液を接触させて前記構成要素を冷却するための熱媒体液と、 こ の熱媒体液の熟を冷却媒体で冷却するための熱交換器とからなる間接制御方式によ る工作機械の温度制御装置において、 基準温度を検知する基準温度センサーと、 前 記熱交換器の出口の前記熱媒体液の温度を検知する熱交換器出口温度センサ一と、 前記構成要素の出口の前記熱媒体液の温度を検知する構成要素出口温度センサー と、 前記基準温度センサーと前記熱交換器出口温度センサーと構成要素出口温度セ ンサ一とで構成される差温度検知手段と、 この差温度検知手段の出力信号の値で作 動し前記熱媒体液の温度を制御する操作手段とで構成される工作機械の温度制御装 置である。
    [0021] 前記構成要素の前記熱媒体液の入口温度を検知する構成要素入口温度センサ一を 設けるとなお良い。 更に、 前記差温度検知手段が前記各温度センサ一を内部に組み 込んだプリッジ回路であり、 前記操作手段が比例積分微分動作を行う P I D回路か らなると更に効果的である。 更に好ましくは、 前記構成要素入口温度センサーの時 定数を前記熱交換器出口温度センサーの時定数より大きくするとより効果的であ る。
    [0022] 図面の簡単な説明
    [0023] 第 1図は、 この発明の温度制御方法およびその装置の実施例を示す系統図であ る。 第 2図は、 温度コントローラ部の詳細機能を示す系統図である。 第 3図は、 実 験例の実験装置の流路を示す系統図である。
    [0024] 発明を実施するための最良の形態
    [0025] 以下、 この発明に係る好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 この実施 例は工作機械の主軸頭を制御対象とし、熱媒体として油を用いたものである。 第 1 図は、 この発明の温度制御方法を実施する工作機械の温度制御装置の一例を示す系 統図である。 最初に、 第 1図を参照して温度制御装置の概略構成について説明す る。周図は、 マシニング'センター 4 0の主軸頭 4 1の温度制御装置を示すもので ある。 温度制御装置は、 おおよそ冷却媒体流路部 1、 熱媒体流路部 2および温度コ ントローラ部 3からなる。熟媒体液は、油（冷却油〉 を用い、冷却媒体は、 冷媒 (フロン） を用いる。
    [0026] 温度コントローラ部 3は、冷媒流路 1 3に設けた電磁式膨張弁 1 5の弁開度を、 主軸頭 4 1での発熱量（熱負荷)の大きさに応じて比例積分微分制御、すなわち P I D制御し、 熱媒体液の液温を直接制御し、 それによつて、主軸頭 4 1の温度の間 接制御を行っている。 次に、 個々の構成部について詳述する。熱媒体流路部 2は、 主軸頭 4 1で発生する熱量を主軸頭 4 1内にジャケット 2 5を設けて、 そこに熱媒 液である冷却油を流し、熱交換を行わせることで発生した熱量を奪い冷 せる ものであり、 その構成機器には次に挙げるものがある。
    [0027] 熱交換器（蒸発器） 1 0は、主軸頭 4 1での発熱量を奪って昇温した冷却油を冷 却するものである。 この冷却は、冷却媒体流路 1 3を流れる冷媒との間で熱交換さ せて、設定した温度に冷却して行うものである。 また、熱媒体流路部 2は、冷却油 を循環させる冷却油ポンプ 2 0、減衰タンク 2 2および冷却油配管 2 1 , 2 3 , 2 4， 2 6 , 2 7などより構成されている。 減衰タンク 2 2は、後述する理由で主軸 頭入口油温検知センサー S 3 の時定数を大きくする目的で設けたものである。 セン サー S 3の時定数をセンサー S 2 より大きくするためには、 減衰タンク 2 2を設け る代わりに、 センサ一 S 3 を流路の壁に if させるか、 センサー S 3 を適度の時定 数をもつ鞘に納めて流路の中に入れても良い。 または、 時定数の大きい特性のセン サーを用いても良い
    [0028] 工作機械と熱媒体液との簡の熟交換を行うには、 主軸頭 4 1である場合は、本例 のように空間であるジャケット 2 5を設けるかまたは主軸頭 4 1の内壁面にシャ ヮーのように冷却油をそそぎかけ、 これを回収して主軸頭 4 1外に排出す方法があ る。
    [0029] 冷却媒体流路 1は、 一般の冷凍回路と同じ回路である。 ただし、 張弁または キヤビラリ一チューブの作用をするものとして、 冷媒流量を強制的に自動制御でき る電磁膨張弁 1 5を用いる。 電磁膨張弁 1 5の代りにキャタピラーチューブを用 い、 熱交換器（蒸発器） 1 0の出口に電磁蒸発圧力調整弁を設けて冷媒流量を制御 しても良い。
    [0030] 次に、 温度コントローラ部 3は、 先ず基準温度^ i (室温または機体温度） 、 熱 交換器 1 0の出力油温 ^2 ， 主軸頭 4 1の入口 24の油温 ^3 ， 主軸頭 4 1の出口 26の油温<94 などを検出するための各温度検出器として， 4個のセンサ一 〜 S4 が配置してある。 この 4個のセンサー S! 〜S4 の出力は、 第 2図のようにホ ィ一トストンプリッジ回路に入力される。
    [0031] 検知端の出力 ΔΕ (V) は、 ブリッジ回路の計算式（公知の計算式〉から次のよ うになる。
    [0032] AE = 〔 [ { R + Ro ( 1 + e 02 ) ) · { R4 +Ro ( 1 + ε θ4 ) } - { ( R + Ro ( 1 + ε θ3 ) } · { Ri +R0 ( 1 +ε θι ) } ] / [ { Ri +R0 ( 1 +ε ) +R + R0 ( 1 +ε θ2 ) } ■ < R4 +Ro ( 1十 ε <94 ) 十 R + Ro ( 1 +ε <93 ) } ] 3 ■ Eo … （4 ) ただし、 R：固定抵抗の抵抗値（ Ω ) ， Rj ：基準温度を検知するセンサー Si に接続されるポテンショメータ VR 1の抵抗値（Ω) , R4 ：工作機械出口液温を 検知するセンサ一 S4 に接続するポテンショメータ VR2の抵抗値 < Ω〉 ， Θ, ： センサー が検出する温度（ C) , θζ ：センサー S2 が検知する温度（°C) ， 0 ：センサー S3 が 4 はセンサー S 4 が検知するそれぞれの温度（ ） ， ε ： センサー抵抗の温度係数（ 1Z。C) である。
    [0033] この制御は、 基準温度 と工作機械出口温度 4 の温度差を目標値として ^4 を制御することが主目的であるが、 2 =θ3 になるまでは e 2 も制御の対象とな る。 この場合に式（4〉で理解されるように、 ^2 と 4 が式（4 ) 中の分子の第 1項の中にあるから <92 の増加は ΔΕの増加となり、 Θ の増加も ΔΕの増加とな る。 したがって 1つの操作で矛盾なく 2つの温度を制御することができる。
    [0034] センサー S2 とセンサ一 S3 は、 共に熱交換器と工作機械入口の間にあり、 セン サー S2 の時定数がセンサー S3 のそれより小さくなつているから熱負荷が変った り、 基準温度が変わったりすれば出力 ΔΕは式（4 ) となるが、 ある時閩経適して θ2 =θ3 になる。 式 （4 ) の分子と分母を [R + R0 ( 1 +ε θζ ) 1で割る と、 式（4 )の分子の項のみ着目すると、
    [0035] AE = R4 — Ri 十 R0 ε ( Θ ~θι ) ― ( 5 ) となり、 この ΔΕを 0にするように Ρ I D温度制御部 32は作動するので、
    [0036] すなわち
    [0037]
    [0038] となるように制御され、 S4は に常に等しい温度差で追従する。
    [0039] 入力取込処理部 31は、 前記したようにセンサー Si〜S4で温度を電気的信号 に変換された値を入力信号として取り込み、 それら 4個の信号を電気的に処理して 目標値と制御量の差を出力とする。 その偏差電圧出力 ΔΕは、 アナログ電圧として 取り出され、 ノイズ成分を CRフィルター 52で取り除き、直流増幅部 53によつ て、 P I D温度制御部 32の制御用入力レベルまで増幅される。 P I D温度制御部 32は、 この増幅された儷差入力信号が前記記載で説明した 0 (零） になるように 比例 +積分 +微分制御（P I D)動作を行うものである。 この動作は、 外乱あるい は目標値変更に対して最も速やかに系を安定させる制御動作を行う公知の制御回路 の動作であり、 ここではこの回路、 その動作を開示をしない。
    [0040] P I D温度制御部 32の出力は、 制御出力操作部 33に入力される。制御出力操 作部 33は、 は、 出力電圧または出力電流の形で電磁膨張弁 1 5の弁を操作できる 信号レベルに増幅する出力増幅回路である。
    [0041] 温度制御装置の動作
    [0042] 次にこの発明にかかる温度制御動作について第 1， 2図を用いて説明する。 第 1 図において主軸頭 41の発熱量が増加し、 したがって熱媒体油に対する熱負荷が増 大した場合を想定する。 熟負荷の増加による油温の上昇は直ちにセンサー S4が検 出して冷却操作が開始される すなわち、熟交換器 10に流れるフロンの量が増し て油温を降下させる。 この油温降下は、 この発明の 4センサー方式では、熟変換器 1 0の出口センサー S2 が遅れがなく検知して補正するので過渡偏差が小さくな り、 したがって整定時間が短くなる。 なお、 従来方式は、 冷却操作による油温降下 をセンサー S4が検知して補正することになるので、 時間の遅れがあり温度のォー バーシュートすなわち過渡偏差が大きくなる。
    [0043] このときセンサー S 2 とセンサー S 3 に時定数の差がなければ、 ^ 2 = θ 3 とな るので前記した式（ 5 )で理解されるように、 分子の中に 02 も 3 もないからセ ンサー S 2 とセンサー S 3 が単なる等しい 2個の固定抵抗と変わりなく、 <92 の温 度変化は制御に関与しない。 すなわち遅れなく補正を行うことができない。 制御操 作を開始してから短時間の後に^ 2 = θ 3 になるがこのときは式（ 6 ) の如く <94 は 1 と一定の温度差を保って安定する。 すなわち主軸頭出口温度 4 が基準温度 θ ι と常に一定の温度差を保つように制御されるから機体の定常偏差が小さい。 熱負荷が減少した場合も上述の増加した場合に準じて考えればよく、 熱負荷の減 少による油温降下は直ちにセンサー S 4 が検知して熱交換器 1 0の冷却容量を減少 させ、 このことによる温度上昇は直ちにセンサー S 2 が検知して補正する。
    [0044] 熟負荷が一定で基準温度 3 が上がると、 主軸頭出口の設定温度を上げたことに なり、 ホイートストンブリッジ 5 1の出力が負側に大きくなり、 制御操作は冷却容 量を小さくする方向に働く。 この場合もセンサー S 2 で遅滞なく補正が行われる。 熱負荷が一定で基準温度が下がると、 主軸頭出口の設定温度を下げたことなり、 ホイートストンプリッジ 5 1の出力が正側に大きくなり、 制御操作は冷却容量を大 きくする方向に働く。 この場合もセンサー S 2 で遅滞補正が行われる。
    [0045] 他の実施例
    [0046] 前記実施例では、 4つのセンサーを用いたが、 前記センサー中のセンサー S 3 は ある時間経過後に最終的にセンサー S 2 の出力値と一致する。 したがって、 前記セ ンサー S 3 と同様の機能を果たす補償回路などの代替手段を用いれば、 前記セン サー S 3 は必ずしも設ける必要はない。 すなわち、 前記した動作原理と同様にセン サー S 2 の出力値によって、 経時的に変化する値をマイクロコンピュータによるソ フトウェアまたはハードである補償回路などで人工的に作り出して作動させる方法 である。
    [0047] この方法も前記実施例と同様な効果が得られる。 この方法は、 工作機械の特性、 発熱容量などに応じて簡単にセンサーの時定数を変更できる。 また、 この本実施例 では、 熱媒体液として油を用いているが、 用途によっては切削液、 水、 ガスなど他 の代替物を用いても良い。 温度コントローラに関しても前記実施例では P I Dコン トローラを採用しているが、 それ以外にも多段設定のできるすなわち、 冷却媒体の 流量をステッァ式に制御できる多位置 O N-OF F動作温度コントローラを用いる こともできる。
    [0048] 前記実施例では、 冷却媒体の流量を増減する操作体として電磁式膨張弁を用いた が、 その他にも、 蒸発器出口の低圧冷媒ガス流量を差圧によって制御する方法の電 磁式蒸発圧力調整弁を用いても良い。 冷凍機の回転数をィンバータを用いて回転数 制御する方法などを用いることもできる。 あるいは、 この実施例は、 制御操作が冷 却であつたが加熱操作であっても良い。 また、 前記した温度コントローラ部 3は、 アナログ式であるがデジタルで信号を処理する制御装置でも良い。 例えば、 前記電 磁式膨張弁 15の開弁時間でデューティ制御する方法などである。
    [0049] 前記実施例では、 ホイートストンプリッジ回路を用いたが、 この回路と同様な機 能を行う回路である橋絡 T形ブリッジ回路など他の公知の回路でも良い。
    [0050] その他、 細部の構成、条件などにおいて、 この発明の精神を逸脱しない範囲で任 意に変更実施できる。 以下に示す実験例は、 負荷により実際に近いモデル主軸頭を用いたものである。 第 3図は、実験機を示す。 実験機の仕様および実験条件は次の通りである。
    [0051] ( 1 )制御対象物：モデル主軸頭の重量 65kgf
    [0052] 王軸径 50 mm
    [0053] 軸受:前部 7010 C D B B (日本工業規格） ，
    [0054] 後部 NU209 (日本工業規格）
    [0055] (2 ) 回転数： 8000 rpm
    [0056] ( 3 )冷却油：カントーネ 16 , 10 ^Xm i n
    [0057] (4)冷凍圧縮機出力： 500w， 冷却能力 820kcal/h
    [0058] ( 5 )室温： 22〜25°C
    [0059] ( 6 )制御方式
    [0060] ( k )従来法 ( I ) ：主軸頭出口油温検知の 2位置制御
    [0061] ( b )従来法（ Π ) ：熱交換出口油温検知の P I D制御
    [0062] (c ) この発明の方法： 4センサを用いる P ID制御
    [0063] 実験結果を表 1に示す。 表 1 実験結果
    [0064] この制御では、 過渡偏差， 油温の定常偏差及び機体の定常偏差がいずれも 0. 5 (°C)以下を目標としている。 表 2から理解されるように、 従来法（ I )の 2位置 制御では、 機体の定常偏差は 0. 15 ( ） と小さいが油温の定常偏差が一 0. 0 5 Oあり、 過渡僵差びは 1. 24 CC) と大きい。 従来法（ Π ) は、 油温の定 常偏差は 0であり、 過渡偏差も 0. 3 (V) と小さいが、 機体の定常偏差は 2. 3 (°C) と大きい。 これらに対して本発明の適用したものは、 油温の定常偏差が 0 で過渡偏差は 0. 3 (°C) と小さく、 機体の定常偏差も 0. 1 (。C) と 3者のうち では最も小さい。
    [0065] すなわち、 従来法（ I ) と （ Π ) では目標を達成できないが、 本発明によれば十 分目標を達成することができる。
    [0066] 産業上の利用可能性
    [0067] この発明は、 実施例のような工作機械のマシニングセンタの主軸頭の冷却に限定 されるものではない。 例えば、 適用する工作機械は、 NC (数値制御）旋盤、 （N C)研削盤、 放電加工機械…など多種多用の工作機械、 産業機械に適用できる。 ま た冷却制御の対象となる機械の構成要素も主軸頭のみならず、 ボールネジを用いた 駆動系、 駆動モータ部、 コラム、 ベッド…など工作機械の各部の冷却に適用でき る。
    权利要求:
    Claims 請 求 の 範 囲
    1 . 工作機械を構成し発熱する構成要素に熟媒体液を接触させて前記構成要素の 温度を一定温度に間接温度制御する工作機械の温度制御方法において、 前記熱媒体 液を前記構成要素に接触させて熱交換し、 この熱交換後前記熱媒体液を冷却媒体で 冷却し、 この冷却後前記熱媒体液の顕熟温度上昇値を測定し、 この顕熱温度上昇値 により前記熱媒体液の冷却温度を制御したことを特徴とする工作機械の温度制御方 法。
    2 . 第 1項記載において、 前記顕熱温度上昇した前記熱媒体液の温度を基準温度 との差温で検出することを特徴とする工作機械の温度制御方法。
    3 . 工作機械を構成し、 かつ熱発生源を有する構成要素と、 この構成要素に熱媒 体液を接触させて前記構成要素を冷却するための熱媒体液と、 この熱媒体液の熱を 冷却媒体で冷却するための熱交換器とからなる間接制御方式による工作機械の温度 制御装置において、基準溢度を検知する基準温度センサーと、前記熱交換器の出口 の前記熱媒体液の温度を検知する熱交換器出口温度センサーと、前記構成要素の出 口の前記熱媒体液の温度を検知する構成要素出口温度センサーと、 前記基準温度セ ンサ一と前記熱交換器出口温度センサーと構成要素出口温度センサーとで構成され る差温度検知手段と、 この差温度検知手段の出力信号の値で作動し前記熱媒体液の 温度を制御する操作手段とで構成される工作機械の温度制御装置。
    4 · 請求項 3において、 前記構成要素の前記熱媒体液の入口温度を検知する構成 要素入口温度センサーとを有することを特徴とする工作機械の温度制御装置。
    5 . 請求項 3または 4において、 前記差温度検知手段が前記各温度センサーを内 部に組み込んだプリッジ回路であり、前記操作手段が比例積分微分動作を行う P I D回路からなることを特徴とする工作機械の温度制御装置。
    6 . 請求項 4または 5において、前記構成要素入口温度センサーの時定数を前記 熱交換器出口温度センサーの時定数より大きくした工作機械の温度制御装置。
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    EP0409989A1|1991-01-30|
    US5197537A|1993-03-30|
    EP0409989B1|1994-08-24|
    DE68917724T2|1994-12-15|
    EP0409989A4|1991-12-11|
    引用文献:
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