JP7057306B2

JP7057306B2 - 温度補間装置

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Publication number: JP7057306B2
Application number: JP2019048473A
Authority: JP
Inventors: 俊介唐木
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: US20200292394A1; US11714007B2; CN111687686A; DE102020001078A1; JP2020148721A

Description

本発明は、温度補間装置に関する。

従来より、熱変位の補正方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２には、「本発明に係る工作機械の熱変位の補正方法は、機械温度の測定データの履歴値と熱移動の遅れ値に基づいて演算した補正値により、ＮＣ装置の送り指令を補正することでワーク加工中の工具位置を補正することを特徴とする。」と記載されている。

また、工具の熱変位補正方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３には、「請求項１の発明に係る工具の熱変位補正方法は、主軸の軸受近傍の第１工作機械温度と工作機械の熱安定性の高い部位の第２工作機械温度を測定して、工具の熱変位量を第１工作機械温度と第２工作機械温度との差を基に所定の一次遅れ式から推定し、推定した補正量により工具位置を補正することを特徴とする。」と記載されている。

しかし、上述のような従来の技術では、停電やネットワーク障害などが原因で温度データの欠損が発生した場合、当該欠損した過去の温度データを参照できることが望まれている。

一方、欠損データを補間する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、「劣化状態の推定精度の低下を防止する対策として、温度履歴データＤ１にレコードｄの欠損が生じた場合には、欠損期間の前後の通常期間における二次電池１１０の温度Ｔｂを用いて、欠損期間における温度Ｔｂを補間することも考えられる。データの補間手法には様々な手法が存在するが、図４には線形補間の例が示されている。」と記載されている。

特開２０１８－１２０７８５号公報特開２０１７－１４４５２７号公報特開２００４－１４８４４３号公報

工作機械の運用中において温度データが欠損した期間における温度データを適切に補間することが可能な温度補間装置が望まれている。

（１）本開示の一態様は、欠損した温度データを補間するために予め選定された温度補間式の計算用パラメータが記録される計算パラメータ設定部と、温度データが読み取られる対象装置の運用中に、時刻情報と温度データとをそれぞれ不揮発性記憶媒体に記録し続けると共に、所定の間隔の時刻で前記不揮発性記憶媒体に記録されている前記時刻情報を照合し、所定の時刻の区間においてデータの欠損が発生しているか否かを判断する温度データ読み書き部と、前記温度データ読み書き部においてデータの欠損が発生していると判断された場合、前記不揮発性記憶媒体に記録されているデータと前記計算パラメータ設定部に記録されている計算用パラメータとを用いて、欠損したデータを前記温度補間式により推定し補間する過去温度推定部と、を備える温度補間装置に関する。

一態様によれば、工作機械の運用中において温度データが欠損した期間における温度データを適切に補間することが可能な温度補間装置を提供することができる。

第１実施形態の構成を示す図である。第１実施形態の温度補間装置、熱変位補正装置、及び、数値制御装置を示すブロック図である。第１実施形態において補間を行う温度データの欠損を説明する図である。第１実施形態において取得した温度データの不揮発性メモリへの記録を説明する図である。第１実施形態における温度データの欠損の発生の有無の判断を説明する図である。第１実施形態における欠損したデータの推定及び補間を説明する図である。第１実施形態における補正変位量産出部による、不揮発性メモリに記録された温度データに基づく熱変位補正を説明する図である。第２実施形態において温度センサを張り付ける位置による時定数の違いを説明する図である。第２実施形態における時定数の違いによる温度上昇及び温度下降の違いを説明するグラフである。第２実施形態における温度上昇曲線のパラメータの算出を説明する図である。

以下、本開示の第１実施形態に係る温度補間装置１００について、図１から図７を参照して説明する。
図１は、工作機械１を含めた全体の構成を示す図である。図２は、温度補間装置１００、熱変位補正装置６０、及び、数値制御装置７０を示すブロック図である。図３は、補間を行う温度データの欠損を説明する図である。図４は、取得した温度データの不揮発性メモリ６１への記録を説明する図である。図５は、温度データの欠損の発生の有無の判断を説明する図である。図６は、欠損したデータの推定及び補間を説明する図である。図７は、補正変位量産出部による、不揮発性メモリ６１に記録された温度データに基づく熱変位補正を説明する図である。

先ず、温度補間装置１００を含む全体の概要について説明する。温度補間装置１００は、工作機械１の熱変位に対して熱変位補正モデルと温度データとから熱変位を推定し、熱変位分の補正量を軸移動量に加える、熱変位補正機能を有する構成に含まれる。この構成においては、例えば、機械学習を用いて熱変位モデルを作成し、補正モデルと動作状態データ（温度データ等）から補正量を算出する。そして、推定値と実測値と差が閾値以下でない場合は、再度補正モデルを計算する。

具体的には、図１に示すように、工作機械１には、温度センサ２と、変位センサ３とが設けられており、温度と変位とを検出することができる。なお、ここで、工作機械１は、種々の工作機械が含まれ、例えばマシニングセンタ（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を備える）、旋盤（ｘ軸、ｚ軸のみを備える）等が含まれる。

検出した温度と変位とを学習用データ４として用いて（熱変位）補正モデル計算５が実行される。補正モデル計算５とは、機械学習により熱変位補正モデル５－３を決定する計算処理である。具体的には、学習ソフト５－１が、学習用データ４に基づき機械学習５－２を行い、熱変位補正モデル５－３を作成する計算処理となる。学習ソフト５－１は、所定のコンピュータ上で実行してよい。なお、学習用データ４は、工作に先立って予め取得しておいたデータであってよい。

次に、求められた熱変位補正モデル５－３を利用して、実際の工作過程において、補正量の計算・出力６が実行される。この補正量の計算・出力６は、例えばＣＮＣ（Computerized Numerical Control）装置６－２が実行してよい。ＣＮＣ装置６－２は工作機械１への指示（軸移動量）を算出して出力するが、その際、熱変位補正モデル５－３を利用して補正量を計算し、軸移動量に加える。このようにして補正した軸移動量を工作機械１に出力する。これによって工作機械１は、補正６－３された軸移動量に従って動作を実行する。一方、工作機械１には、温度センサ２が備えられており、温度取得部６－１がこの温度センサ２から温度を読み取り、ＣＮＣ装置６－２に供給する。ＣＮＣ装置６－２は、供給されてきた温度に基づき熱変位補正モデル５－３を利用して補正量計算・出力６を実行する。以下、同様の処理が繰り替えされる。これによって、熱の影響の受けにくい工作が可能となる。

より具体的には、図２に示すように、熱変位補正機能は、熱変位補正装置６０と数値制御装置７０により実現される。
熱変位補正装置６０は、不揮発性記憶媒体としての不揮発性メモリ６１と、補正変位量算出部６２と、補正実行部６３と、を有している。また、数値制御装置７０は、軸制御部７１を有している。
不揮発性メモリ６１は、温度センサ２により温度データを各時刻に読み取って取得する毎に温度データと時刻情報とを紐付けた形で記録する。また、熱変位補正機能が実行される際に、熱変位を推定するための熱変位補正モデルや、熱変位と相関を持つ動作状態データを記録する。

補正変位量算出部６２は、動作状態データ（温度データ等）と、補正モデルとから、補正量を算出し、この補正量を補正実行部６３に供給する。補正実行部６３は、温度による補正量を軸制御部７１へ供給する。

軸制御部７１は、工作機械１への指令を出力する部分であり、基本的には、加工プログラムに基づく指令をその系統の工作機械１に供給する。この際、その系統の軸制御情報を利用して実行する。また、温度による補正量を補正実行部６３から受信し、指令にその補正量を加えてから、工作機械１へ指令を供給する。

温度補間装置１００は、工作機械１の温度センサ２によって、各時刻に読み取った温度データに欠損が生じている場合に、当該欠損したデータの部分を補間し、補間後の温度データを、温度センサ２によって読み取った時刻のデータと共に、熱変位補正装置６０へ出力するように構成されている。

具体的には、図２に示すように、温度補間装置１００は、時刻情報生成部１０１と、温度データ読み書き部１０２と、過去温度推定部１０３と、計算パラメータ設定部１０４と、を有している。
本実施形態における工作機械１の温度センサ２が設けられている所定の部分において、温度センサ２により読み取られる温度の変化は、３次式に従うことが知られている。これを前提として、以下のように温度データが欠損している区間における温度データを補間する。

先ず、例えば図３に示すように、温度が下降し始めた直後から、その後に上昇し始めた直後までの時刻の区間（中央の「データが欠損している区間」）における温度データが、停電やネットワーク障害等の原因により欠損した場合に、この区間における温度データを所定のパラメータを有する３次式を、ラグランジュの補間公式を用いて求める。そして、当該求めた３次式を用いて、当該温度データが欠損している区間における温度データの値を補間する。

具体的には、Ｎ組の時刻ｘと温度ｙとのデータ（ｘ１，ｙ１），（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３），・・・，（ｘｎ，ｙｎ）に対するラグランジュの補間公式は次式で与えられる。

ここで、３次の多項式は、４点分（４組分）のデータがあれば求められる。また、各データは、互いに時刻がある程度離れていることが好ましいが、互いに時刻が近すぎると温度変化量が少なく、また、互いに時刻が遠すぎると温度データの信頼性が下がる。このため、次の補間の要件を、温度データの補間に用いられる計算用パラメータとして、計算パラメータ設定部１０４は記録する。
［補間の要件］
補間式：ラグランジュの補間公式
次数：３次
補間に使うデータ数：４
補間に使うデータの相互のデータ間距離：３０分

時刻情報生成部１０１は、温度センサ２により温度データを各時刻に読み取って取得する毎に、時刻情報を生成する。温度データ読み書き部１０２は、取得した温度データと時刻情報生成部１０１で生成した時刻情報とを紐付けた形で、熱変位補正装置６０の不揮発性メモリ６１に記録する。具体的には、例えば、図４に示すように、１分間隔で温度センサ２によって温度が読み取られて取得され、温度データ読み書き部１０２によって時刻と温度とが１対１の関係で１組とされて、不揮発性メモリ６１に記録される。

また、これと同時に温度データ読み書き部１０２は、定期的に不揮発性メモリ６１上の時刻情報を照合し、欠損データが発生しているか否かの判断をする。具体的には、図５に示すように、温度データ読み書き部１０２は、不揮発性メモリ６１から現時刻に最も近い２データ（以後、「最新データ」、「順最新データ」と言う）を読み込み、時刻を比較する。読み込んだ２つのデータの時刻間隔が所定の温度データ取得間隔から所定の時間以上離れている場合、データの欠損が発生している（図３に示すデータが欠損している区間）と判断し、図５に示すように、過去温度推定部１０３に推定温度生成指令を送る。

より具体的には、図４、図５の不揮発性メモリ６１においては、１分間隔で温度センサ２によって温度が読み取られて取得され、温度データ読み書き部１０２によって、温度が読み取られた時刻と読み取られた温度とが１対１の関係で１組とされて、不揮発性メモリ６１に記録される。ここで、時刻「２０１８／１０／２３１９：０２」と時刻「２０１８／１０／２３１９：０７」との間の５分間には、時刻情報及び温度データが存在していない。このように、所定間隔である１分間を超える２分以上離れたこの５分間において温度データの欠損が発生していると、温度データ読み書き部１０２は、図５に示すように、データの欠損が発生している旨の判断をし、温度データ読み書き部１０２は、過去温度推定部１０３に推定温度生成指令を送る。
この時の判断式として、例えば、以下の式が用いられる。

(Tt:最新データ時刻、SamplingRate:データ取得間隔、thresh:任意の閾値)

過去温度推定部１０３は、温度データ読み書き部１０２によりデータの欠損が発生していると判断された場合には、図６に示すように、不揮発性メモリ６１に残存する時刻及び温度のデータと、不揮発性メモリ６１に記録されている計算用パラメータとを用いて、欠損している時刻の温度データを、ラグランジュの補間公式を用いて推定する。そして、過去温度推定部１０３は、温度データ読み書き部１０２に対して、推定した温度データを不揮発性メモリ６１に記録するように指令をする。これにより、温度データ読み書き部１０２は、欠損している時刻の温度データを補間する形で、不揮発性メモリ６１に記録する。

以上の構成により、温度センサ２により得られた温度について、所定の時刻の区間において、温度センサ２から得られるデータが欠損していることを検出し、当該欠損している所定の時刻の区間における温度データを補間する。そして、温度センサ２から得られた温度データ及び温度補間装置１００により補間された温度データと、熱変位補正モデルと、に基いて、図７に示すように、補正変位量算出部６２は熱変位を推定し、補正実行部６３は、熱変位分の補正量を軸移動量に加える熱変位補正機能を実行する。

以上説明した本実施形態は、以下のような効果を奏する。
本実施形態では、温度データ読み書き部１０２は、温度データが読み取られる対象装置である工作機械１の運用中に、時刻情報と温度データとをそれぞれ不揮発性メモリ６１に記録し続けると共に、所定の間隔の時刻で不揮発性メモリ６１に記録されている時刻情報を照合し、所定の時刻の区間においてデータの欠損が発生しているか否かを判断する。
これにより、工作機械１の運用中において温度データが欠損した期間（区間）における温度データを補間することが可能となる。

また、本実施形態では、過去温度推定部１０３は、温度補間式として計算用パラメータを用いたラグランジュの補間公式を用いて、温度データに基づいて欠損したデータを推定する。
これにより、温度上昇及び温度下降が３次式の曲線に従う場合に、温度センサ２が設けられている工作機械１の部分の熱特性を考慮した高精度な温度データの補間を行うことが可能となり、この結果、より高精度な熱変位補正を行うことが可能となる。

次に、本開示の第２実施形態について説明する。
第２実施形態においては、工作機械１において温度センサ２を設ける位置によって温度変化の時定数が大きい場合に、指数関数を用いて欠損したデータの補間を行う点で、第１実施形態とは異なる。これ以外の構成については、第１実施形態の構成と同様であるため、第１実施形態における各構成と同様の構成については、説明を省略する。
図８は、温度センサ２を張り付ける位置による時定数の違いを説明する図である。図９は、時定数の違いによる温度上昇及び温度下降の違いを説明するグラフである。図１０は、温度上昇曲線のパラメータの算出を説明する図である。

図８に示すように、工作機械１においては、時定数が大きい部分１１と、時定数が小さい部分１２とが存在する。そして時定数の大小により、図９に示すように、温度変化の推移を示す曲線の形状が大きく異なり、特に、工作機械１の使用者が工作機械１の運用を停止した後運用を再開したとき等において、変位センサ３により得られる変位の値がばらつくことになる。このため、高い精度で欠損した温度データの推定を行うためには、時定数を考慮する必要がある。

具体的には、工作機械１の複数の温度センサ２毎の温度上昇データをあらかじめ取得しておき、崩壊定数λを求める。正数である崩壊定数λは、図１０に示すように、温度上昇時において飽和温度値を１００％として、６３．２％の温度に達するまでの時間をτとすると、
λ＝１／τ
の関係式から求められる。求められたλは、各温度センサ２と紐付けた形で計算パラメータ設定部１０４に予め記録される。

本実施形態における工作機械１の温度センサ２が設けられている、時定数の大きな所定の部分において、温度センサ２により読み取られる温度の推移は、一般的に指数関数的な温度推移となることが知られている。例えば、温度の下降の場合、数学的にこの過程は以下の微分方程式で表される。
ｄＮ／ｄｔ＝－λＮ（ｔ）
ここで、Ｎ（ｔ）は時刻ｔにおける減推量である。この微分方程式を解くと以下の指数関数となる。
Ｎ（ｔ）＝Ｎ_０ｅ^－λｔ
ここで、Ｎ_０は初期値である。微分方程式を変形し以下のようにする。
Ｎ（ｔ）＝Ｎ_０ｅ^－λｔ＋Ｎ_∞
ここで、Ｎ_∞を温度の極限値とする。
初期値Ｎ_０と極限値Ｎ_∞を以下のように定義する。
Ｎ_０＝最新データの温度－準最新データの温度
Ｎ_∞＝準最新データの温度（最新データの次に新しいデータの温度）

以上説明した本実施形態は、以下のような効果を奏する。
本実施形態では、過去温度推定部１０３は、予め取得した温度上昇データに基づく温度上昇において、上昇開始温度値である０℃から飽和温度値に対する所定の割合の温度に到達するまでの時間に基く計算用パラメータが用いられた指数関数を温度補間式として用いて、温度データに基づいて欠損したデータを推定する。
これにより、温度の減衰（下降）に限らず増加（上昇）の場合も、欠損した温度データを、滑らかな曲線となるように推定することが可能となる。

以上本実施形態について説明をした。上述した実施形態は、好適な実施形態ではあるが、上記実施形態のみに限定されるものではなく、種々の変更を施した形態での実施が可能である。例えば、以下に説明する変形例のように変形をして実施することが可能である。

即ち、計算パラメータ設定部、温度データ読み書き部、過去温度推定部等の構成は、上記実施形態における計算パラメータ設定部１０４、温度データ読み書き部１０２、過去温度推定部１０３等の構成に限定されない。また、熱変位補正機能を実行するための熱変位補正装置や、数値制御装置等の構成は、上記実施形態における、不揮発性メモリ６１、補正変位量算出部６２、及び、補正実行部６３を有する熱変位補正装置６０や、軸制御部７１を有する数値制御装置７０等の構成に限定されない。また、温度補間式としてラグランジュの補間公式を用いたが、これに限定されない。また、温度データは、３次関数や指数関数に従っていたが、これらに限定されない。また、上記実施形態においては、不揮発性記憶媒体として不揮発性メモリ６１が用いられたが、これに限定されない。また、上記実施形態においては、上昇開始温度値は０℃であったが、これに限定されない。

６１……不揮発性メモリ（不揮発性記憶媒体）
１００……温度補間装置
１０２……温度データ読み書き部
１０３……過去温度推定部
１０４……計算パラメータ設定部

Claims

欠損した温度データを補間するために予め選定された温度補間式の計算用パラメータが記録される計算パラメータ設定部と、
温度データが読み取られる対象装置の運用中に、時刻情報と温度データとをそれぞれ不揮発性記憶媒体に記録し続けると共に、所定の間隔の時刻で前記不揮発性記憶媒体に記録されている前記時刻情報を照合し、所定の時刻の区間においてデータの欠損が発生しているか否かを判断する温度データ読み書き部と、
前記温度データ読み書き部において現時刻に最も近い２データが、所定の温度データ取得間隔から所定の時間以上離れていることによりデータの欠損が発生していると判断された場合、前記不揮発性記憶媒体に記録されているデータと前記計算パラメータ設定部に記録されている計算用パラメータとを用いて、欠損したデータを前記温度補間式により推定し補間する過去温度推定部と、を備える、工作機械の温度補間装置。
前記過去温度推定部は、前記温度補間式として前記計算用パラメータを用いたラグランジュの補間公式を用いて、前記温度データに基づいて欠損したデータを推定する請求項１に記載の、工作機械の温度補間装置。
前記過去温度推定部は、予め取得した温度上昇データに基づく温度上昇において、上昇開始温度値から飽和温度値に対する所定の割合の温度に到達するまでの時間に基く前記計算用パラメータが用いられた指数関数を前記温度補間式として用いて、前記温度データに基づいて欠損したデータを推定する請求項１に記載の、工作機械の温度補間装置。