JP6858323B2

JP6858323B2 - 工作機械の温度調整装置

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Publication number: JP6858323B2
Application number: JP2016221823A
Authority: JP
Inventors: 直弘池田; 修司藤田
Original assignee: Niigata Machine Techno Co Ltd
Current assignee: Niigata Machine Techno Co Ltd
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2036-11-14
Also published as: JP2018079521A

Description

本発明は、工作機械のベースに備えたコラムが外気温度によって熱変形することを抑制できるようにした工作機械の温度調整装置に関する。

従来、ベースに対して略直角に起立したコラムを備えた工作機械において、床面に設置したベースは熱影響を受けにくい。一方、コラムの上下方向に温度分布が存在すると上下に起立するコラムは外気温度の影響を受け易かった。特に、工具用主軸を備えたコラムの前面に対して後面は外気温度の影響を受け易かった。
外気温度が高温に上昇する際にはコラムの後面が伸びてコラムが前倒れに傾斜し、外気温度が低温に下降する際にはコラムの後面が縮んで後ろ倒れに傾斜するため、工具によるワーク加工精度に悪影響を与えていた。従来、このような工作機械の温度変化を抑制するための温度調整装置が多く提案されている。

例えば、特許文献１に記載された加工機械設備はカバー内部に設置されており、加工機械に用いる潤滑油や機械本体の冷却液等の液体の温度を液温コントローラで制御している。液温コントローラで温度制御した液体をカバー外部から取り込んだ空気と熱交換し、熱交換器から送り出された空気を蒸発器を通して熱交換して所定の温度でカバー内に吹き出すようにしている。

また、特許文献２に記載された工作機械では、ベースに対して一対の筒状のコラムを直交する方向に起立させている。コラムは一方の開口から雰囲気空気をコラム内に取り入れ、他方の開口から排気させる送風手段を備えている。コラムの各周壁に設けた第一温度計と第二温度計で測定した温度の差が予め定めた範囲を超えたときに送風手段を稼働させ、予め定めた範囲を超えない場合には停止させている。
そして、雰囲気温度で測定された温度の単位時間当たりの変化量である温度変化率を求め、温度変化率が予め定めた変化率範囲を超えるとき、また、第一及び第二温度計で測定された各温度の温度差が予め定めた温度差範囲を超えたときに送風手段を稼働させるようにしている。これによって低コストでコラム内の温度差を最小限に抑えるよう制御できるとしている。

特許第５０８４８４８号公報特許第５４４９０８６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の発明では、気体よりも液体の方が熱伝達率が大きいため加工機械設備の温度調整は機器に用いる冷却液等の液体による温度制御が主体になる。そのため、ワークの加工状況や機体の温度変化等で冷却液等の温度が変化するため熱交換器で熱交換した空気の温度をタイムリー且つ最適に制御することが困難であった。
また、特許文献２に記載の発明では、工作機械の機器周辺で現状の温度やその変化率を測定して温度調整のための送風を行っても効果が得られるまでにタイムラグや処理遅れが生じてしまうという欠点があった。そのため、外気温度の変化によって起こり得るコラムの熱変形を迅速に抑制できないという欠点があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、外気温度の変化に遅れることなくコラムの熱変形を効率的に抑制するようにした工作機械の温度調整装置を提供することを目的とする。

本発明に係る工作機械の温度調整装置は、ベースに工具を備えたコラムを設置した工作機械を囲うカバー内の温度を調整するようにした工作機械の温度調整装置において、カバー外部の外気温度を測定する外気温度センサと、外気温度を予め所定時間測定して時間と外気温度の関係を設定し且つ外気温度の平均温度を目標温度とするマスターデータを設定する温調データ設定手段と、外気温度センサで測定した現在の外気温度がマスタ−データの外気温度の許容範囲内である場合にマスターデータに基づいて所定時間先の外気温度と目標温度のデータからコラムに供給する温調エアの温度と流量を設定する温調エア設定手段と、温調エア設定手段で設定された温調エアの温度と流量に基づいて調整した温調エアを吹出す温調装置とを備え、温調装置から温調エアをベース及びコラムに供給することでベース及びコラムの熱変形を抑制するようにし、前記ベース及び前記コラムの内部空間にベースエア流路とコラムエア流路が設置され、前記所定時間先の外気温度が目標温度より高い場合には、前記コラムエア流路に前記温調装置から温調エアを供給して前記コラム内上部の開口を通して前記コラム内の上部から前記ベースエア流路に流通させ、前記所定時間先の外気温度が目標温度より低い場合には、前記ベースエア流路に前記温調装置から温調エアを供給して前記コラム内に流通させることを特徴とする。
本発明による工作機械の温度調整装置によれば、工作機械の稼働時にカバー外部の外気温度を外気温度センサで測定し、現在の外気温度が、温調データ設定手段で設定されたマスターデータの外気温度の許容範囲内である場合に温調エア設定手段によってマスターデータに基づいて所定時間先の外気温度と目標温度のデータを取り出し、コラムに供給する温調エアの温度と流量を設定することができる。

そして、温調装置で例えば外気を温調エアの温度と流量に設定してこの温調エアをベース及びコラムに吹き出して熱伝達することで、外気温度に基づくコラムの下部や上部の前部や後部の熱変形を抑制することができる。しかも、マスターデータから取り出した所定時間先読みした外気温度に基づいて温調エアの温度と流量を先取りして設定できるため、処理遅れがなくコラムの温度制御ができる。
なお、コラムの後面にカバー内でコラム後面の温度を測定する機体温度センサを設置しておけば、温調エアの吹出しによるコラム後面の温度変化を測定してフィードバック制御することができる。

しかも、ベース及びコラムの内部空間にベースエア流路とコラムエア流路が設置され、所定時間先の外気温度が目標温度より高い場合には、コラムエア流路に温調装置から温調エアを供給してコラム内上部の開口を通してベースエア流路に流通させ、所定時間先の外気温度が目標温度より低い場合には、ベースエア流路に温調装置から温調エアを供給してコラム内に流通させることを特徴としている。
本発明では、所定時間先の外気温度によってコラムに温調エアを供給できるため、外気温度の変化に遅れることなくコラムの温度制御を行える。所定時間先の外気温度が目標温度より高い場合には、コラムエア流路を通してコラム内の上部の開口から低温の温調エアを供給してコラム上部の熱膨張を抑えて冷却できる。また、所定時間先の外気温度が目標温度より低い場合には、ベースエア流路を通してコラム内の下部から上部に向けて高温の温調エアを供給してコラム下部の収縮を抑えてタイムリーに温める。

また、コラムには工具を保持する主軸を昇降させるサドルが設置されており、温調装置から供給された温調エアをサドル内に供給する流入口を設けてもよい。
温調エアを流入口からサドルに供給することでサドルの熱変形を抑制できる。

また、温調エア設定手段において、現在の外気温度がマスタ−データの外気温度の許容範囲内である場合に、前記マスターデータに基づいて予め設定した所定時間先の外気温度及び目標温度の温度差と所定時間先の外気温度の温度変化率とからコラムに供給する温調エアの温度と流量を設定するようにしてもよい。
所定時間先の外気温度及び目標温度の温度差と所定時間先の外気温度の傾きである温度変化率からコラムに供給する温調エアの温度と流量を設定することで、外気温度の測定と処理による遅れを生じることなく所定時間先を予測してコラムの温度を調整できる。

また、マスターデータは、予め測定した過去１週間以上の外気温度から所定時間毎の外気温度と目標温度を設定すると共に順次更新するようにしてもよい。
時刻と温度の関係を表すマスターデータを順次更新することで、最新の外気温度変化に基づく所定時間先の外気温度と目標温度を設定できるため、タイムラグを生じることなく所定時間先を予測して温調エアを設定して温度制御できる。

本発明に係る工作機械の温度調整装置によれば、予め作成したマスターデータに基づいて所定時間先の外気温度と目標温度から予測設定して所定時間先の温調エアの温度と流量を設定してベース及びコラムに供給するため、外気温度の変動と測定処理に遅れることなく予測制御によってベース及びコラムの温度を調整して熱変形を抑制することができる。

本発明の第一実施形態による工作機械とその温度調整装置を示す構成図である。図１に示す工作機械をコラムの前側から見た要部斜視図である。図１に示す工作機械をコラムの後側から見た要部斜視図である。温調エアをコラムに供給した場合の温調エアの流れを示す説明図である。温調エアをベースに供給した場合の温調エアの流れを示す説明図である。１日分の外気温度変化と目標温度を示すマスターデータの図である。マスターデータにおける外気温度の変化と目標温度との関係を示す図である。図７に基づく外気温度曲線における温度変化の傾きを示す図である。１週間分の外気温度変化と目標温度を示す測定図である。第一実施形態による温度調整装置における温度制御を示すフローチャートである。本発明の第二実施形態による工作機械と温調エアのエア流れを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態による工作機械とその温度調整装置について添付図面により説明する。
まず、第一実施形態による工作機械１とその温度調整装置５について図１に基づいて説明する。図１に示す工作機械１はベース２の一端部に門型のコラム３が立設されて略Ｌ字型を有し、その周囲がカバー４で囲われている。そして、ベース２にはカバー４の外部のエア(外気)を温度調整してベース２に供給する温度調整装置５が設置されている。
次に、図２及び図３に基づいて工作機械１について説明する。なお、図２及び図３ではカバー4は省略されている。ここで、工作機械１において垂直軸をＹ軸とし、Ｙ軸に直交する水平面内において横方向をＸ軸、Ｘ軸に直交する縦方向をＺ軸とする。ベース２にはワークを把持するためのテーブル２２及びパレット２３ａが設けられている。

コラム３にはＹ軸方向に直交する方向に一対のＸ軸ガイドレール８が上下に分かれて平行に配設され、Ｘ軸ガイドレール８に沿って左右方向（Ｘ軸方向）に移動可能に例えば門型のサドル９が配設されている。サドル９にはＹ軸方向に１対のＹ軸ガイドレール１０が配設され、Ｙ軸ガイドレール１０に沿って上下方向（Ｙ軸方向）に昇降可能な主軸頭１１が設けられている。主軸頭１１には図示しない工具を保持する主軸１３がＺ軸方向に突出し、主軸１３には主軸モータが連結されている。

サドル９には、Ｙ軸ガイドレール１０と平行にＹ軸ボールネジ１５が立設され、Ｙ軸ボールネジ１５の一端部、例えば上端部にはＹ軸駆動源としてＹ軸サーボモータＭｙが連結されている。Ｙ軸ボールネジ１５はサドル９に螺合状態に保持され、Ｙ軸サーボモータＭｙの正逆回転駆動によって主軸頭１１を主軸１３と一体に昇降可能としている。Ｙ軸サーボモータＭｙはカバー４よりも上方に突出して設置されている。
サドル９にはＸ軸ガイドレール８と平行にＸ軸ボールネジ１８が設けられ、Ｘ軸ボールネジ１８の一端部にはＸ軸駆動源としてＸ軸サーボモータＭｘが連結されている。Ｘ軸ボールネジ１８はコラム３に螺合状態に保持され、Ｘ軸サーボモータＭｘの正逆回転駆動によってサドル９をＸ軸ガイドレール８に沿って主軸１３と一体にＸ軸方向に移動可能としている。

ベース２にはＸ軸方向に直交する方向に一対のＺ軸ガイドレール１９が配設されている。ベース２にはＡＰＣ(オートパレットチェンジャ）装置２１が取り付けられ、旋回可能なＡＰＣ装置２１によってテーブル２２の上部に支持されている二つのパレット２３ａ、２３ａが交換可能とされている。テーブル２２はＺ軸ガイドレール１９に沿って前後方向（Ｚ軸方向）に移動可能とされている。加工位置にあるパレット２３ａには加工対象物である図示しないワークが固定され、主軸１３に保持された工具で切削加工に供される。
なお、加工位置にあるパレット２３ａを支持するテーブル２２は、Ｚ軸ボールネジ２４を介してＺ軸駆動源としてＺ軸サーボモータ(図示せず)に連結されており、Ｚ軸サーボモータを正逆回転させることで、Ｚ軸ガイドレール１９に沿ってＺ軸方向に前後動可能としている。

図２において、ベース２の側部には、大気を所望の温度に温度調整したエアである温調エアをベース２を通してコラム３の後述する流入口３０ａに供給する第一エア流路２６ａと、温調エアをベース２の後述する流入口３１ａに供給する第二エア流路２６ｂとが設置されている。なお、門型のコラム３において、主軸１３側の面を前面、前部といい、前側に対向する面を後面、後部というものとする。
コラム３の前面には門型をなす両側の支柱部分に温調エアの排気口２７ａが配列され、頂部の梁部分にも排気口２７ｂが配列されている。特に梁部分に形成された一列の排気口２７ｂから温調エアをそれぞれ排気することで、Ｙ軸モータＭｙの取付部からカバー４内に外気が流入することを阻止するエアカーテンを形成する。また、コラム３の後面には両側の支柱部分に温調エアの排気口２７ｃが形成されている。

図１に示す工作機械１において、ベース２からコラム３にかけてその内部空間には断面略Ｌ字状のベースエア流路３１が形成され、ベース２の一端部には温調エアを供給する流入口３１ａが形成されている。ベースエア流路３１内にはコラム３の上部に温調エアを供給するための配気管からなるコラムエア流路３０が略Ｌ字型に設置されている。
コラムエア流路３０のベース２内の端部に温調エアの流入口３０ａが形成され、コラム３内の上端近傍には流出口３０ｂが形成されている。流出口３０ｂから吐出された温調エアはベースエア流路３１をコラム３上部からベース２に向けて下方に流れ落ちる。
しかも、後述の外気温度センサ４６で測定するカバー４外の外気温度Φが目標温度よりも高い場合と低い場合とで、高さのあるコラム３の傾きを抑制するために、温調エアの吹出し口をベースエア流路３１の流入口３１ａにするかコラムエア流路３０の上部の流出口３０ｂにするかを切り換える。これによって、効果的にコラム３の後面の温度を調整してその傾きを抑制できる。

また、門型のサドル９の内空部は上下に延びるサドルエア流路３３を構成する。しかも、サドルエア流路３３の下部にはベースエア流路３１に連通する流入口３３ａが形成され、ベースエア流路３１内の温調エアの一部がサドルエア流路３３内に流入してその上端部の流出口３３ｂからカバー４の外部に排気される。
本実施形態では、Ｙ軸モータＭｙはコラム３の上面からカバー４の外部上方に突き出している。そして、サドルエア流路３３の流出口３３ｂはＹ軸モータＭｙの周囲に設置されており、流出口３３ｂから温調エアを吹出すことでエアカーテンを形成して、Ｙ軸モータＭｙ設置位置の隙間を通して外気のカバー４内への流入を阻止している。

次に工作機械１の温度調整装置５について図１に基づいて説明する。
カバー４の外部にはＮＣ装置３５が設置され、ＮＣ装置３５には温調装置インターフェース３６、バルブインターフェース３７、温度センサインターフェース３８が設置されている。温調装置インターフェース３６は温調装置コントローラ３９に接続されている。
温調装置コントローラ３９は、予め例えば過去の適宜の１日分の外気温度ｔを収集し、その平均を取った目標温度Ｔを表示したマスターデータ（図６参照）を記憶した温調データ設定手段５０と、ベース２またはコラム３内に供給する温調エアの温度と流量を設定する温調エア設定手段５１とを有している。ここで、温調エアとは、コラム３に供給して熱変形を防止するために例えば大気を温度変換して流量を調整した熱変形を抑制するためのエアをいう。

また、温調装置コントローラ３９は温調装置４０に接続されている。温調装置４０では、温調エア設定手段５１で設定された温調エアの温度と流量の信号に基づいて、図示しない熱交換器等で外気を指示された温度のエアである温調エアに変換し、その流量を調整して切換バルブ４１を介してベース２の流入口３０ａまたは流入口３１ａに供給する。これによってコラム３の温度を目標温度Ｔに調整する。
バルブインターフェース３７に接続されたバルブ開度調整手段４４は切換バルブ４１に接続されている。バルブ開度調整手段４４は、温調エア設定手段５１で設定された温調エアの流量に基づいて切換バルブ４１の開度を設定すると共に、温調装置４０から供給する温調エアをベースエア流路３１の流入口３１ａとコラムエア流路３０の流入口３０ａのいずれかを選択して供給するものである。切換バルブ４１の開度を調整することで温調エアの流量（吹出し量）を増減調整できる。

また、温度センサインターフェース３８は温度測定手段４５に接続されている。カバー４におけるコラム３の後面に対向するカバー側面外側には外気の温度を測定する外気温度センサ４６が設置されている。カバー４内において、コラム３の後面の上部にはコラム３の上部温度センサ４７が設置され、その下部には下部温度センサ４８が設置されている。これら上部温度センサ４７と下部温度センサ４８は機体温度センサを構成する。
外気温度センサ４６、上部温度センサ４７、下部温度センサ４８で測定された温度データは温度測定手段４５及びＮＣ装置３５で演算処理して温調装置コントローラ３９とバルブ開度調整手段４４とに送信される。外気温度センサ４６で測定する外気温度Φは後述する予測制御で使用され、上部温度センサ４７及び下部温度センサ４８の測定データはコラム３の温度が温調エアによって外気温度Φから目標温度Ｔになったか否かを検知するフィードバック制御用として使用される。

ここで、外気温度センサ４６で測定された外気温度Φが目標温度Ｔより高い場合には、コラム３の上部側が下部側より暖まり易く伸長し易い。そのため、図４に示すように、コラムエア流路３０の流入口３０ａに温度調整装置５の温調装置４０から外気温度Φより低い温調エアを供給してコラム３内の上部の流出口３０ｂから前記ベースエア流路３１に流通させる。これによってコラム３の上部側を冷却してコラム３の変形を抑制する。

一方、外気温度Φが目標温度Ｔより低い場合には、コラム３の下部側であるベース２側が冷えて収縮し易く反りを生じ易い。そのため、図５に示すように、ベースエア流路３１の流入口３１ａに温調装置４０から外気温度Φより高温の温調エアを供給してベースエア流路３１を通してベース２からコラム３内に流通させるようにした。これによりコラム３をベース２側から温めて収縮による反りを抑制する。
上記のいずれの場合でも、ベースエア流路３１のコラム３内に流れた温調エアの一部はサドルエア流路３３を流れて流出口３３ｂから外部に排出される。また、ベースエア流路３１のコラム３内に流れた温調エアの他の一部はコラム３の後面の排気口２７ｃを通ってカバー４内に排気される。コラム３の熱変位はＺ軸方向の変位のためてこの原理によりベース２にも影響が表れることがあるので、ベース２にも温調エアの吹き付けを行うようにした。

次に、温調装置コントローラ３９で行われる温調エアの予測制御について図６乃至図８により説明する。
上述したように外気温度センサ４６で外気温度Φを測定して温調装置４０から供給する温調エアの温度と流量をこの外気温度Φに対応して処理するとタイムラグが生じ、温調エアによるコラム３の温度調整に時間遅れ(タイムラグ)を生じ、加工精度不良を生じる。
そのため、本実施形態では、温調データ設定手段５０において適宜の過去の所定期間における複数の外気温度ｔとその目標温度Ｔを記録したマスターデータを作成する。マスターデータの期間は例えば１日に設定し、例えば１時間毎の外気温度ｔを測定して温度変化の履歴を収集して記録すると共に、これら履歴の外気温度ｔの平均を目標温度Ｔとして演算する。そして、図６に示すように、その履歴としての外気温度ｔと目標温度Ｔのデータを時刻と外気温度の関係を表すマスターデータの線図として作成する。このマスターデータを温調データ設定手段５０に記憶させておく。しかも、このマスターデータは外気温度ｔの更新に応じて常時更新させていく。

マスターデータでは、図６に示すマスターデータの外気温度ｔに対して±λ℃の誤差の範囲を許容範囲として設定する。
そして、温調エア設定手段５１では、外気温度センサ４６で測定した現在の外気温度Φがマスターデータの外気温度ｔ±λの範囲内に含まれるか否かを判断する。含まれる場合には外気温度Φがマスターデータの履歴に合致していると判断して、この履歴における例えば１０分〜１５分程度の少し未来または所定時間先(先読み時刻)の外気温度ｔを予想の外気温度と予測し、この時間を先読み時間(先読み時刻)と設定する。マスターテープの先読み時間は工作機械１の大きさによって異なるので予め実験によって設定する。

そして、図７に示すように、マスターデータにおける先読み時間の外気温度ｔ（＝Φ１、Φ２、Φ３…）及び目標温度Ｔの温度差を取り出し、図８に示すように、単位時間における外気温度ｔの変化を温度変化の傾き(角度θｉとする)即ち温度変化率として取り出す。温度変化の傾きは外気温度ｔの軌跡における傾斜角θｉ（i＝１，２，３……）とする。この先読み時刻における外気温度ｔ及び目標温度Ｔの温度差と温度変化率に基づいて、未来(先読み時刻)の温調エアの温度と流量として認定して予測制御する。
本実施形態では、外気温度センサ４６で測定した現在の外気温度Φがマスターデータの外気温度ｔ±λの範囲内に入る場合に、マスターデータの履歴に沿って現在より先の先読み時間における外気温度ｔの目標温度Ｔとの温度差と温度変化率を決定して、温調装置４０で未来の温調エアの温度と流量として設定するように予測制御する。
外気温度ｔに±λ℃の許容範囲を設定すると外気温度ｔの幅が広がり、温調エア設定手段５１による予測制御を迅速に行える。

また、目標温度Ｔに対する測定した外気温度Φの変化に対応させて温調装置４０による温調エアのベース２内への送風の有無とバルブ開度調整手段４４によるバルブの送風方向の切換を行う。例えば図７及び表１に示すように、外気温度Φ＝Φ１の場合、目標温度Ｔより低いため、切換バルブ４１によって温調エアをベースエア流路３１の流入口３１ａに供給し、ベース２側からコラム３を温める。
外気温度Φ＝Φ２の場合、目標温度Ｔより高いため、切換バルブ４１によって温調エアをコラムエア流路３０の流入口３０ａに供給し、コラム３の上部の開口である流出口３０ｂからコラム３の上部を温める。外気温度Φ＝Φ３の場合、目標温度Ｔに一致するため、温調装置４０からの送風を停止させる。

その際、外気温度センサ４６で測定した外気温度Φとマスターデータの目標温度Ｔとの温度差を温度測定手段４５で演算し、温度差の大小によってバルブ開度調整手段４４によって切換バルブ４１をベースエア流路３１の流入口３１ａとコラムエア流路３０の流入口３０ａのいずれかに切り換えて温調エアを供給する。しかも、バルブ開度調整手段４４による切換バルブ４１の開度を調整する。これによって、ベースエア流路３１の流入口３１ａまたはコラムエア流路３０の流入口３０ａへ供給する温調エアの流量を増減調整してコラム３の後面の温度を早期に目標温度Ｔに近づけるように制御する。
なお、上部温度センサ４７及び下部温度センサ４８は温度調整装置５で設定した目標温度Ｔのフィードバック用として使用される。上部温度センサ４７と下部温度センサ４８とに温度差がある場合、その温度が目標温度Ｔより高いか低いかによって温調エアの温度を調整し、上部温度センサ４７と下部温度センサ４８の温度が共に目標温度Ｔに近づくように切換バルブ４１の向きと開度を調整する。

外気温度Φの上昇中と下降中とでコラム３の傾きの向きが異なるため、外気温度Φの影響を受け易いコラム３後面のカバー４内の温度と流量を変える。例えば、図８に示すように、外気温度Φの変化に対して単位時間当たりの温度変化の傾き角θｉをθ１、θ２、……θ７としてとらえて、これら傾き角θｉの大きさと向きによって温度と流量を目標温度Ｔに近づくように調整することが好ましい。
外気温度Φの傾きθｉが大きければ温調エアの流量を大きくし、傾きθｉが小さければ流量を小さくするように、バルブ開度調整手段４４によって切換バルブ４１の開度を調整する。こうして切換バルブ４１の開度によって、流入口３１ａまたは流入口３０ａへの温調エアの供給量を制御する。

また、マスターデータの設定範囲は１日に限定されるものではなく、例えば図９に示すように１週間に設定することができる。この場合、温度変化が例えば１週間で見ると大きく変動する場合には、１日ごとに目標温度Ｔを設定するなどして階段状または滑らかな直線または曲線に変化させて目標温度Ｔの変化率を設定することができる。

本実施形態による工作機械１の温度調整装置５は上述した構成を備えており、次にその作用について図１０に示すフローチャートに沿って説明する。
温度調整装置５による温度制御に先だって、マスターデータで用いる先読み時刻、外気温度ｔの許容範囲±λ℃等の設定条件を設定する（Ｓ１００）。次いで、現在時刻、外気温度センサ４６で測定したカバー４外部の外気温度Φ、カバー４内における上部温度センサ４７及び下部温度センサ４８によるコラム３後面の上下部温度を測定する（Ｓ１０１）。また、直近の過去１日の外気温度Φを例えば１時間ごとに収集し、平均化して目標温度Ｔを設定し時刻と温度との関係を作成した図６に示すマスターデータを温調装置コントローラ３９の温調データ設定手段５０に記憶させ、常に更新していく（Ｓ１０２）。
そして、外気温度センサ４６によって外気温度Φを測定し、図６に示すマスターデータの外気温度ｔと比較して、外気温度Φがマスターデータにおける外気温度ｔの許容範囲（ｔ±λ）内か否かを判断する（Ｓ１０３）。

外気温度Φが許容範囲内である場合には、マスターデータに沿った温度変化を示していると認定してマスターデータにおける少し先の時間(先読み時刻)の外気温度を予測してコラム３の温度を目標温度Ｔに調整できるように予測制御する。そのため、現在時刻に対して所定時間(例えば５分〜１０分)先の時刻を先読み時刻として設定する。マスターデータの履歴から先読み時刻での外気温度ｔを未来の外気温度として抽出し、更に図８に示すように、当該外気温度ｔにおける単位時間当たりの未来の外気温度ｔの変化を温度変化率として算出する（Ｓ１０４）。

外気温度Φが許容範囲内である場合、先読み時刻の外気温度ｔと先読み時刻の目標温度Ｔとを比較してその温度変化率から差温ΔＴを求め（Ｓ１０７）、差温ΔＴの大きさからコラム３に供給する温調エアの温度と流量を設定する。
先読み時刻の外気温度ｔが先読み時刻の目標温度Ｔより低い場合には、温調装置４０と切換バルブ４１によってベース２のベースエア流路３１の流入口３１ａに比較的高温で所定流量の温調エアを供給して加温する（Ｓ１０８）。
また、先読み時刻の外気温度ｔが先読み時刻の目標温度Ｔより高い場合には、温調装置４０と切換バルブ４１によってベース２のコラムエア流路３０の流入口３０ａに比較的低温で所定流量の温調エアを供給して冷却する（Ｓ１０９）。また、先読み時刻の外気温度ｔと先読み時刻の目標温度Ｔとの温度差ΔＴがない（ΔＴ＝０またはその近傍の値）と認定された場合には、温調エアの送風を停止させておく（Ｓ１１０）。
その後、マスターデータには外気温度センサ４６で測定した外気温度Φａを加えてデータを平均化させ、マスターデータ線図を更新する（Ｓ１１１）。

なお、Ｓ１０３において、外気温度Φが外気温度ｔ±λ℃の許容範囲外である場合には、マスターデータは合致していないため用いない。これに代えて、直近の過去に測定した複数の外気温度Φを読み込み（Ｓ１０５）、その温度変化率を算出する（Ｓ１０６）。そして、直近の過去の外気温度とその外気温度の平均である目標温度とを比較して同様に差温ΔＴを判別し（Ｓ１０７）、差温ΔＴが過去の外気温度と目標温度のいずれがより高いかによってステップＳ１０８、Ｓ１０９、Ｓ１１０のいずれかを選択する。そして、温調装置４０と切換バルブ４１によってベースエア流路３１の流入口３１ａとコラムエア流路３０の流入口３０ａのいずれかに温調エアを供給する。

次に、工作機械１のベース２に温度調整装置５から送られた温調エアによるコラム３の熱変形を抑制する方法について図１により説明する。
先読み時刻の外気温度ｔが目標温度Ｔより高い場合、コラム３の上部が暖まり易いので、コラムの後面が伸びてコラムが前倒れに傾斜するおそれがある。そのため、温度調整装置５の温調装置４０で外気が温度設定され、バルブ開度調整手段４４によって切換バルブ４１の開方向と開度が設定されて温調エアがベース２のコラムエア流路３０の流入口３０ａに供給される。
この温調エアは、図４に示すように、ベース２内のコラムエア流路３０内を通って直交して起立するコラム３内を上部に向けて送風される。そして、コラムエア流路３０の上端近傍の流出口３０ｂから吹き出されてベースエア流路３１内に流れ込み、コラム３を上部から冷却する。これによって、コラム３の上部が伸長して前倒れに傾斜することが抑制される。この温調エアは現在より未来の予測制御された温度であるから、コラム３の温度を外気温度センサ４６による外気温度の測定に遅れることなくタイムリーに制御できる。

コラム３内のベースエア流路３１を降下して流れる温調エアの一部はサドル９内に流れたり、流入口３３ａからサドルエア流路３３内を下方から上方に送風され、サドル９を一定温度に制御する。そして、サドルエア流路３３の上端部の流出口３３ｂからカバー４の外部に温調エアがエアカーテンとして吹き出され、Ｙ軸モータＭｙの周囲から外気が流入することを防止する。
また、温調エアの他の一部はコラム３内でコラムエア流路３０からコラム３の後面の排気口２７ｃから機外に吹き出され、カバー４内でコラム３の後面付近を冷やす。

一方、先読み時刻の外気温度ｔが目標温度Ｔより低い場合、コラム３のベース２側が冷えてコラム３の後面が縮んで後ろ倒れに傾斜するおそれがある。そのため、温調装置４０で外気が温度設定されて温調エアになり、バルブ開度調整手段４４によって切換バルブ４１の開方向と開度が設定されて温調エアがベース２のベースエア流路３１の流入口３１ａに供給される。
この温調エアは、図５に示すように、ベース２内のベースエア流路３１を通って直交して起立するコラム３内を下部から上部に向けて送風されるため、コラム３を内部の下部から上部に向けて次第に加温する。これによって、コラム３の後面が縮んで後ろ倒れに傾斜することが抑制される。この温調エアは未来の予測制御された温度であるから、コラム３の温度を外気温度センサ４６による外気温度の測定に遅れることなくタイムリーに制御できる。

また、コラム３内のベースエア流路３１を流れる温調エアの一部はサドル９内の流入口３３ａからサドルエア流路３３内を下方から上方に送風され、サドル９を一定温度に制御する。サドルエア流路３３の上端部の流出口３３ｂからカバー４の外部に温調エアが吹き出され、Ｙ軸モータＭｙの周囲から外気が流入することを防止する。
温調エアの他の一部はコラム３内でコラムエア流路３０からコラム３の後面の排気口２７ｃから機外に吹き出され、カバー４内でコラム３の後面付近を温める。
なお、目標温度Ｔに対してコラム３の後面の上部温度センサ４７及び下部温度センサ４８の測定温度に温度差が生じている場合、更に温調エアを流入口３１ａまたは流入口３０ａに供給してコラム３の後面を目標温度に近づけるようにする。こうして、外気温度センサ４６で測定した外気温度Φに基づいて、コラム３の後面における上部温度センサ４７及び下部温度センサ４８の測定温度が目標温度Ｔになるように温調エアの温度と流量を制御する。

上述のように本実施形態による工作機械１の温度調整装置５によれば、外気温度によってコラム３の後面が伸長したり収縮したりして傾斜するおそれがある場合、外気温度センサ４６で測定した外気温度に基づいてマスターデータで外気温度の変化を先読みして外気温度の変化に遅れることなく温調エアの温度と流量と送風の方向を設定し供給できるため、コラム３の熱変形による傾斜を先読みして効率的に抑制することができる。
また、互いに略直交するベース２とコラム３の内部にベースエア流路３１とコラムエア流路３０とを設置し、低温時にはベース２に設けた流入口３１ａから、高温時にはコラム３の上部の流出口３０ｂから温調エアを供給することで、効率よくコラム３の熱による変位を抑制できる。
また、サドル９にはサドルエア流路３３の下端部の流入口３３ａから上端部の流出口３３ｂに向けて温調エアの流路を設けたため、主軸１３を備えたサドル９の変形を抑制できる。しかも、カバー４の外部に突出するＹ軸モータＭｙの周囲を流出口３３ｂから吐出する温調エアのエアカーテンによって囲うことができて外気のカバー４内への侵入を防止できる。

なお、本発明による工作機械１の温度調整装置５は、上述した実施形態によるものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能である。以下に、本発明の他の実施形態や変形例について説明するが、上述した実施形態による工作機械１の温度調整装置５と同一または同様な部材、部品等には同一の符号を用いて説明する。

次に、本発明の第二実施形態による工作機械１Ａの温度調整装置５を図１１により説明する。
本第二実施形態による工作機械１Ａは、第一実施形態による工作機械１の温度調整装置５の構成を簡略化したものである。本実施形態では、工作機械１ＡはＹ軸モータＭｙを除いてカバー４で覆われている。ベースエア流路５５はベース２内にのみ形成されており、コラム３内にベースエア流路５５もコラムエア流路も形成されていない。同様にサドル９内にサドルエア流路３３は形成されていない。そのため、切換バルブ４１も設置されていない。
ベースエア流路５５はコラム３から離れた横方向の一端部に流入口５５ａが形成され、コラム３の下部の他端部に排出口５５ｂが上向きに形成されている。本実施形態においては、サドル９の上部から突出するＹ軸モータＭｙについて別のカバー５６で覆われている。

そのため、温調装置４０で調整された所定温度と流量の温調エアはベースエア流路５５の流入口５５ａに供給され、排出口５５ｂから排出されて門型のコラム３の後面を下方から上方に流れてコラム３の熱変位を抑制する。この温調エアはカバー４の内面に沿って循環する。
また、排出口５５ｂから排出された温調エアの一部はコラム３の支柱の間に侵入してサドル９の後面に吹き付けることで温度調整してサドル９の熱変位を抑制する。しかも、コラム３とサドル９の間を流れる温調エアの一部はコラム３の横梁３ａとサドル９の横梁９ａとの隙間を通って別のカバー５６内に進入した後、外気に放出される。

従って、本第二実施形態による工作機械１Ａの温度調整装置５によれば、外気温度が目標温度より低い場合でも高い場合でも、コラム３を加温したり冷却したりする温調エアの流路は同一である。この場合でもコラム３の下方から上方に向けて温調エアを吹き付けることでコラム３を温めたり冷やしたりすることで熱変形を抑制できる。

また、変形例として、図８に示すマスターデータにおいて、１日分の時間を複数に区分けして測定した各外気温度ｔ及び目標温度Ｔの温度差と、各区分毎の単位区分当たりの外気温度ｔの変化率である温度変化の傾きθｉ（例えばｉ＝１〜７）との関係をパターン化して温調装置コントローラ３９に記憶させてもよい。そして、外気温度ｔの温度変化の傾きθｉから温調装置４０における目標温度をシフトさせ、外気温度ｔ及び目標温度Ｔの温度差に基づいて流量を調節するようにしてもよい。
これにより、現状の外気温度Φの推移から設定された未来の外気温度ｔを予測して最も近い温度変化の傾きθｉを選択することができる。

外気温度ｔの変化率（温度変化の傾きθｉ）が大きいとコラム３の前後方向への倒れが大きくなる。また、外気温度Φと目標温度Ｔとの温度差が大きいと大きな熱量が工作機械１、１Ａ内に流入する。しかもエアの熱伝達率は液体の熱伝達率と比較して小さいため、熱的性能（熱伝達率）を高めるためには温調エアの流量か温度差を大きくする必要がある。そこで、本変形例では、外気温度ｔ及び目標温度Ｔの温度差の大きさを区分けして、その記憶したパターンから温調エアの温度と流量を選択することができる。

また、上述した実施形態では、１日分の外気温度を収集し平均化して時間と温度の関係を示す図６のマスターデータを作成し、常に更新するようにした。このマスターデータにおける外気温度ｔの±λ℃の許容範囲に外気温度センサ４６で測定した外気温度Φが含まれる場合、予め定めた所定の先読み時刻の外気温度ｔを予測して予測制御するようにした。
しかし、マスターデータは１日に限定されるものではなく、適宜の範囲に設定できる。例えば、図９に示すように横軸を１週間に設定してもよい。また、季節による環境変化を１年間の履歴として記録して蓄え、季節毎にマスターデータ線図を変更して使用すればより最適な目標値を選択できる。例えば工作機械１，１Ａの稼働時が夏であれば夏のマスターデータを取り出して測定した外気温度Φに基づいて、先読み時刻の外気温度ｔと目標温度Ｔを設定すればよい。

また、第一実施形態では、工作機械１のべース２とコラム３内の空間に設けたベースエア流路３１内に配管状のコラムエア流路３０を設置したが、この構成に代えてベース２とコラム３内の空間をその長手方向に沿って壁面で仕切って一方をベースエア流路３１、他方をコラムエア流路３０に形成してもよい。

１、１Ａ工作機械
２ベース
３コラム
５温度調整装置
９サドル
１３主軸
３０コラムエア流路
３０ａ、３１ａ流入口
３０ｂ流出口
３１ベースエア流路
３３サドルエア流路
３９温調装置コントローラ
４０温調装置
４１切換バルブ
４４バルブ開度調整手段
４５温度測定手段
４６外気温度センサ
５０温調データ設定手段
５１温調エア設定手段

Claims

ベースに工具を備えたコラムを設置した工作機械を囲うカバー内の温度を調整するようにした工作機械の温度調整装置において、
前記カバー外部の外気温度を測定する外気温度センサと、
前記外気温度を予め所定時間測定して時間と外気温度の関係を設定し且つ前記外気温度の平均温度を目標温度とするマスターデータを設定する温調データ設定手段と、
前記外気温度センサで測定した現在の外気温度が前記マスターデータの外気温度の許容範囲内である場合に前記マスターデータに基づいて所定時間先の外気温度と目標温度のデータから前記コラムに供給する温調エアの温度と流量を設定する温調エア設定手段と、
前記温調エア設定手段で設定された温調エアの温度と流量に基づいて調整した前記温調エアを吹出す温調装置とを備え、
前記温調装置から前記温調エアを前記ベース及びコラムに供給することで前記コラムの熱変形を抑制するようにし、
前記ベース及び前記コラムの内部空間にベースエア流路とコラムエア流路が設置され、
前記所定時間先の外気温度が目標温度より高い場合には、前記コラムエア流路に前記温調装置から温調エアを供給して前記コラム内上部の開口を通して前記コラム内の上部から前記ベースエア流路に流通させ、
前記所定時間先の外気温度が目標温度より低い場合には、前記ベースエア流路に前記温調装置から温調エアを供給して前記コラム内に流通させることを特徴とする工作機械の温度調整装置。
前記コラムには工具を保持する主軸を昇降させるサドルが設置されており、前記温調装置から供給された温調エアを前記サドル内に供給する流入口を設けた請求項１に記載された工作機械の温度調整装置。
前記温調エア設定手段において、現在の外気温度が前記マスターデータの外気温度の許容範囲内である場合に、前記マスターデータに基づいて予め設定した所定時間先の前記外気温度及び前記目標温度の温度差と前記所定時間先の外気温度の温度変化率とから前記コラムに供給する温調エアの温度と流量を設定するようにした請求項１または２に記載された工作機械の温度調整装置。
前記マスターデータは、予め測定した過去１週間以上の外気温度から所定時間毎の前記外気温度と前記目標温度を設定すると共に順次更新するようにした請求項１から３のいずれか１項に記載された工作機械の温度調整装置。