JPH0825125B2 - Machine tool temperature control method and apparatus - Google Patents
Machine tool temperature control method and apparatusInfo
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- JPH0825125B2 JPH0825125B2 JP6069132A JP6913294A JPH0825125B2 JP H0825125 B2 JPH0825125 B2 JP H0825125B2 JP 6069132 A JP6069132 A JP 6069132A JP 6913294 A JP6913294 A JP 6913294A JP H0825125 B2 JPH0825125 B2 JP H0825125B2
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】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、工作機械の
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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a machine tool temperature control method and apparatus. More specifically, the present invention relates to a temperature control method for a machine tool and an apparatus thereof for reducing the magnitude of transient deviation and steady-state deviation in temperature control of a machine body of a machine tool.
【０００２】[0002]
【従来の技術】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。機体の熱変形は、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
制御方法が行われている。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。この制御方法は、工作機械の熱変形を最
小にし、加工誤差を小さくする。この制御方法は公知の
技術であり、室温追従制御または機体温度追従制御と呼
ばれている。2. Description of the Related Art The body of a machine tool is deformed by environmental temperature, heat from a heat generating portion, and the like. Since the thermal deformation of the machine body affects the processing accuracy, the temperature of each part of the machine body has been conventionally controlled to a constant temperature. Various methods have been proposed for this temperature control, but an indirect control method in which a liquid whose temperature is normally controlled is caused to flow into the heat generating portion of the machine tool to cool the heat generating portion is performed. The set temperature of the liquid is controlled so as to follow the room temperature or the maximum time constant in the constituent elements. This control method minimizes thermal deformation of the machine tool and reduces machining error. This control method is a known technique and is called room temperature tracking control or airframe temperature tracking control.
【０００３】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σ（ｋ）は次
のようになる。Conventionally, two-position control has been used as a control operation when performing indirect control by liquid temperature of a machine tool by room temperature following control or machine body temperature following control. In the case of two-position control, the temperature fluctuation width σ (k) of the liquid temperature to be controlled is as follows.
【０００４】[0004]
【式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度C）、Δ：２
位置（ＯＮーＯＦＦ動作）温度調節器の動作隙間で単位
は（度℃）、Ｌ：制御動作を開始してから、その温度変
化を温度検出器（センサー）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）、γ：負荷率（発熱量と冷却容量との
比）、exp：自然対数である。(Equation 1) However, Q R: Units at a cooling capacity of the temperature control device (kcal /
h), K r : Heat dissipation coefficient, the unit is (Kcal // h degree C), Δ: 2
Position (ON-OFF operation) The operation gap of the temperature controller, the unit is (degrees C), L: The dead time from the start of the control operation until the temperature detector (sensor) detects the temperature change. , Unit: (h), T: time constant of temperature control target, unit: (h), γ: load factor (ratio between heat generation amount and cooling capacity), exp: natural logarithm.
【０００５】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Δθ0（度Ｃ）を生じ
る。Further, in the two-position control, a steady deviation Δθ 0 (degree C) of the control amount (controlled liquid temperature) represented by the following equation is generated.
【０００６】[0006]
【式２】 温度変動幅σ、定常偏差Δθ0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、最近のように発熱量が大きい
工作機械では温度変動幅σと定常偏差Δθ0が許容値を
越えてしまうことがある。(Equation 2) Temperature fluctuation width sigma, none of the steady-state deviation [Delta] [theta] 0 becomes larger as the Q R increases. Since Q R naturally increases as the amount of heat generated by the machine tool increases, the temperature variation width σ and the steady-state deviation Δθ 0 may exceed the permissible values in a recent machine tool with a large amount of heat generated.
【０００７】積分動作を含むＰＩＤ制御を用いれば、定
常偏差Δθ0は０となるが、ＰＩＤ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偏差が大きくなり整
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）Δθw1（度Ｃ）を生
じる。If the PID control including the integral operation is used, the steady-state deviation Δθ 0 becomes 0, but the PID control detects the point at which the dead time is minimized (heat exchanger outlet in the case of temperature control of the machine tool). If not, the transient deviation of the controlled variable becomes large and the settling time becomes long. However, in the indirect control for detecting and controlling the outlet fluid temperature of the heat exchanger, a steady deviation (difference between the machine wall temperature and the heat medium fluid temperature) Δθ w1 (degree C) of the machine body represented by the following equation is generated.
【０００８】[0008]
【式３】 ただし、Ｑ：機壁から熱媒体液に伝達される熱負荷（kc
al/h）、α：機壁と熱媒体液との間の平均熱伝達率（kc
al/m2h度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
度C）である。(Equation 3) However, Q: Heat load (kc) transferred from the machine wall to the heat carrier liquid
al / h), α: Average heat transfer coefficient (kc) between the machine wall and the heat medium liquid
al / m 2 h C), F: heat transfer area (m 2 ), W: volume of water equivalent to the heat transfer medium liquid, product of liquid density and specific heat of liquid (kcal / h)
Degree C).
【０００９】もしも工作機械出口液温を検知して制御す
れば機体の定常偏差Δθw2（度Ｃ）は次のようになる。If the machine tool outlet fluid temperature is detected and controlled, the machine body steady deviation Δθ w2 (degree C) is as follows.
【００１０】[0010]
【式４】 すなわち、熱交換器出口液温を検知して制御する場合に
比べて機壁の定常偏差がＱ／Ｗ（度Ｃ）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。(Equation 4) That is, the steady-state deviation of the machine wall is reduced by Q / W (degree C) as compared with the case where the temperature of the outlet liquid of the heat exchanger is detected and controlled. This can be said to reduce the thermal deformation of the machine tool and the machining error.
【００１１】以上を総合して考えると、ＯＮ・ＯＦＦ制
御よりＰＩＤ制御の方が液温の定常偏差が０であること
で優れているが、従来のＰＩＤ制御では、制御液温の過
渡偏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位置動作の間接制御と、従来のＰＩＤ制御による間接
制御の問題点を解決するものである。Considering the above comprehensively, the PID control is superior to the ON / OFF control in that the steady-state deviation of the liquid temperature is 0. However, in the conventional PID control, the transient deviation of the control liquid temperature is There is a contradiction that the smaller the steady deviation of the machine, the larger the steady deviation of the machine, and the smaller the steady deviation of the machine, the larger the transient deviation of the control liquid temperature. The present invention solves the problems of the conventional indirect control of two-position operation and the conventional indirect control by PID control.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、工
作機械の温度制御において、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。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to control the steady deviation of the liquid temperature to 0 (zero) in the temperature control of a machine tool.
Another object of the present invention is to provide a machine tool temperature control method and apparatus.
【００１３】この発明の他の目的は、工作機械の温度制
御において、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。Another object of the present invention is to provide a temperature control method for a machine tool and an apparatus thereof for reducing the steady deviation of the machine body in the temperature control of the machine tool.
【００１４】この発明の他の目的は、工作機械の温度制
御において、液温の過度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。Another object of the present invention is to provide a temperature control method for a machine tool and a device therefor, in which the transient deviation of the liquid temperature is reduced to shorten the settling time in the temperature control of the machine tool.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段及び作用】前記課題を解決
するために次の手段及び作用を採用する。Means and Actions for Solving the Problems To solve the above problems, the following means and actions are adopted.
【００１６】第１の発明は、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一定温度にし、かつ後記熱交
換器との間を循環するための熱媒体液流路部と、後記熱
交換器からの冷媒を圧縮するための冷凍圧縮機と、前記
冷凍圧縮機で圧縮された高温、高圧の前記冷媒を冷やし
て凝縮させ液体とするための凝縮器と、前記液化された
前記冷媒を膨脹させて低温、低圧にするための膨脹弁
と、前記熱媒体液を前記膨脹弁で膨脹された前記冷媒と
の間で熱交換させて冷却させるための熱交換器とからな
り、前記構成要素の温度を一定温度に間接温度制御する
ための工作機械の温度制御装置であって、少なくとも制
御対象である前記熱媒体液の前記構成要素からの温度を
検知する温度センサー及び基準温度を検知する基準温度
センサーとからなる差温度検知手段と、前記冷凍圧縮機
の回転数を前記差温度検知手段の出力信号によりインバ
ータを用いて回転数制御することにより前記熱媒体液の
温度を間接温度制御することを特徴とする工作機械の温
度制御方法である。According to a first aspect of the present invention, a constituent element that constitutes a machine tool and has a heat generation source, a heating medium liquid is brought into contact with the constituent element to bring the constituent element to a constant temperature, and a heat exchanger described later. Heat medium liquid flow path portion for circulating between, a refrigerating compressor for compressing the refrigerant from the heat exchanger described later, high temperature compressed by the refrigerating compressor, cooling and condensing the high pressure refrigerant Heat between the condenser for making the liquid into a liquid, the expansion valve for expanding the liquefied refrigerant to a low temperature and low pressure, and the refrigerant for expanding the heat carrier liquid by the expansion valve. A temperature control device of a machine tool for indirectly controlling the temperature of the constituent elements to a constant temperature, which comprises a heat exchanger for exchanging and cooling, the heat medium liquid being at least a control target. Temperature sensor to detect temperature from components And a difference temperature detecting means comprising a reference temperature sensor for detecting a reference temperature, and the rotation speed of the refrigerating compressor is controlled by an output signal of the difference temperature detecting means using an inverter to control the rotation speed of the heat medium liquid. A method for controlling a temperature of a machine tool, which is characterized by indirectly controlling the temperature.
【００１７】第２の発明は、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ための工作機械の温度制御
方法であって、後記熱交換器からの冷媒を圧縮するため
の冷凍圧縮機と、前記冷凍圧縮機で圧縮された高温、高
圧の前記冷媒を冷やして凝縮させ液体とするための凝縮
器と、液化された前記冷媒を膨脹させて低温、低圧にす
るための膨脹弁と、前記熱媒体液を前記膨脹弁で膨脹さ
れた前記冷媒との間で熱交換させて冷却させるための熱
交換器と、少なくとも制御対象である前記熱媒体液の前
記構成要素からの温度を検知する温度センサー及び基準
温度を検知する基準温度センサーとからなる差温度検知
手段と、前記冷凍圧縮機の回転数を前記差温度検知手段
の出力信号によりインバータを用いて回転数制御するた
めの制御装置とを有することを特徴とする工作機械の温
度制御装置である。A second aspect of the present invention is a temperature control method for a machine tool for indirect temperature control of a temperature of a constituent element of a machine tool, which makes a heat generation, by contacting the heating medium liquid with a constant temperature. , A refrigeration compressor for compressing a refrigerant from a heat exchanger described later, a high temperature compressed by the refrigeration compressor, a condenser for cooling and condensing the high-pressure refrigerant into a liquid, and the liquefied An expansion valve for expanding the refrigerant to a low temperature and low pressure, and a heat exchanger for exchanging heat between the heat medium liquid and the refrigerant expanded by the expansion valve to cool the refrigerant, and at least a controlled object Is a difference temperature detection means consisting of a temperature sensor for detecting the temperature of the heat medium liquid from the constituent element and a reference temperature sensor for detecting a reference temperature, and the rotation speed of the refrigeration compressor of the difference temperature detection means. Depending on the output signal A temperature control device for a machine tool, characterized by a control device for controlling rotational speed by using the inverter.
【００１８】[0018]
【実施例】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。図１は、この発明の温度制御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、図１
を参照して温度制御装置の慨略構成について説明する。
同図は、マシニング・センター４０の主軸頭４１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。熱媒体液は、油（冷却油）を用い、
冷却媒体は、冷媒（フロン）を用いる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In this embodiment, a spindle head of a machine tool is controlled and oil is used as a heat medium. FIG. 1 is a system diagram showing an example of a temperature control device for a machine tool that implements the temperature control of the present invention. First, Figure 1
The general configuration of the temperature control device will be described with reference to FIG.
The figure shows a temperature control device for the spindle head 41 of the machining center 40. The temperature control device is roughly composed of a cooling medium passage portion 1, a heat medium passage portion 2 and a temperature controller portion 3. As the heat medium liquid, oil (cooling oil) is used,
A refrigerant (CFC) is used as the cooling medium.
【００１９】温度コントローラ部３は、冷媒流路１３に
設けた電磁式膨脹弁１５の弁開度を、主軸頭４１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ＰＩＤ制御し、熱媒体液の液温を直接制御
し、それによって、主軸頭４１の温度を間接制御を行っ
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４１で発生する熱量を主軸頭４１内
にジャケツト２５を設けて、そこに熱媒体液である冷却
油を流し、熱交換を行わせることで発生した熱量を奪い
冷却させるものであり、その構成機器には次に挙げるも
のがある。The temperature controller 3 controls the valve opening of the electromagnetic expansion valve 15 provided in the refrigerant flow path 13 in proportion to the amount of heat generated by the spindle head 41 (heat load). That is, the PID control is performed to directly control the temperature of the heat medium liquid, thereby indirectly controlling the temperature of the spindle head 41. Next, each component will be described in detail. The heat medium flow passage portion 2 provides the jacket 25 with the heat amount generated in the spindle head 41, and the cooling oil as the heat medium liquid is caused to flow through the jacket 25 to cause the heat amount generated by heat exchange. It takes away and cools, and its constituent devices include the following.
【００２０】熱交換器（蒸発器）１０は、主軸頭４１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１３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油を冷却して行
う。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２０、減衰タンク２２および冷却油配管２１、
２３、２４、２６、２７などより構成されている。減衰
タンク２２は、後述する理由で主軸頭入口油温検知セン
サーＳ3 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Ｓ3の時定数をセンサーＳ2より大きくする
ためには、減衰タンク２２を設ける代わりに、センサー
Ｓ3を流路の壁に接触させるか、センサーＳ3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。The heat exchanger (evaporator) 10 cools the cooling oil that has been heated by taking away the amount of heat generated by the spindle head 41. This cooling is performed by exchanging heat with the refrigerant flowing through the cooling medium flow path 13 to cool the cooling oil to a set temperature. Further, the heat medium flow passage portion 2 includes a cooling oil pump 20, a damping tank 22, and a cooling oil pipe 21, which circulate the cooling oil.
23, 24, 26, 27 and the like. The damping tank 22 is provided for the purpose of increasing the time constant of the spindle head inlet oil temperature detection sensor S 3 for the reason described later. In order to make the time constant of the sensor S 3 larger than that of the sensor S 2 , instead of providing the damping tank 22, the sensor S 3 is brought into contact with the wall of the flow path, or the sensor S 3 is formed into a sheath having an appropriate time constant. It may be stored and placed in the flow path. Alternatively, a sensor having a large time constant may be used.
【００２１】工作機械と熱媒体液との間の熱交換器を行
うには、主軸頭４１である場合は、本例のように空間で
あるジャケット２５を設けるかまたは主軸頭４１の内壁
面にシャワーのように冷却油をそそぎかけ、これを回収
して主軸頭４１外に排出す方法がある。In order to perform the heat exchanger between the machine tool and the heat medium liquid, in the case of the spindle head 41, a jacket 25 which is a space as in this example is provided or the inner wall surface of the spindle head 41 is provided. There is a method of pouring the cooling oil like a shower, collecting the cooling oil, and discharging the cooling oil to the outside of the spindle head 41.
【００２２】冷却媒体流路１は、公知の冷凍回路と同じ
回路である。冷凍圧縮機１２は、熱交換器１０でガスに
なった冷たい冷媒を吸引して圧縮し、高温、高圧のガス
とする。凝縮器１４は、冷凍圧縮機１２から吐出された
高温、高圧のガスを水や空気で冷やして凝縮させ、液体
にする。電磁膨脹弁１５は、高温、高圧の液体を膨脹さ
せて低温、低圧の冷媒とするための膨脹弁またはキャピ
ラリーチューブの作用をするものであり、冷媒流量を強
制的に自動制御する。なお、電磁膨脹弁１５の代わりに
キャタピラーチューブを用い、熱交換器（蒸発器）１０
の出口に電磁蒸発圧力調整弁を設けて冷媒流量を自動制
御しても良い。The cooling medium flow path 1 is the same circuit as a known refrigeration circuit. The refrigerating compressor 12 sucks and compresses the cold refrigerant that has turned into a gas in the heat exchanger 10 into a high-temperature, high-pressure gas. The condenser 14 cools the high-temperature, high-pressure gas discharged from the refrigeration compressor 12 with water or air to condense it into a liquid. The electromagnetic expansion valve 15 acts as an expansion valve or a capillary tube for expanding a high-temperature, high-pressure liquid into a low-temperature, low-pressure refrigerant, and forcibly and automatically controls the refrigerant flow rate. A caterpillar tube is used instead of the electromagnetic expansion valve 15, and the heat exchanger (evaporator) 10 is used.
An electromagnetic evaporation pressure adjusting valve may be provided at the outlet of the to automatically control the refrigerant flow rate.
【００２３】温度コントローラ部３は、先ず基準温度θ
1（室温または機体温度）、熱交換器１０の出力油温
θ2、主軸頭１の入口２４の油温θ3、主軸頭４１の出口
２６の油温θ4などを検出するための各温度検出器とし
て、４個のセンサーＳ1〜Ｓ4が配置してある。この４個
のセンサーＳ1〜Ｓ4の出力は、図２のようにホイートス
トンブリッジ回路に入力される。ホイートストンブリッ
ジ回路の出力ΔＥ（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。The temperature controller section 3 first determines the reference temperature θ.
1 (room temperature or machine temperature), output oil temperature θ 2 of heat exchanger 10, oil temperature θ 3 at inlet 24 of spindle head 1, oil temperature θ 4 at outlet 26 of spindle head 41, etc. as a detector, four sensors S 1 to S 4 is is arranged. The outputs of the four sensors S 1 to S 4 are input to the Wheatstone bridge circuit as shown in FIG. The output ΔE (V) of the Wheatstone bridge circuit is as follows from the calculation formula (known calculation formula) of the bridge circuit.
【００２４】[0024]
【式５】 ただし、Ｒ：固定抵抗の抵抗値（Ω）、Ｒ1：基準温度
を検知するセンサーＳ1に接続されるポテンショメータ
ＶＲ１の抵抗値（Ω）、Ｒ4：工作機械出口液温を検知
するセンサーＳ4に接続するポテンショメータＶＲ２の
抵抗値（Ω）、θ1：センサーＳ1が検出する温度（度
Ｃ）、θ2：センサーＳ2が検知する温度（度Ｃ）、
θ3：センサーＳ3が検知する温度（度Ｃ）、θ4：セン
サーＳ4が検知する温度（度Ｃ）、ε：センサー抵抗の
温度係数（１／度Ｃ）である。[Formula 5] However, R: resistance value of the fixed resistor (Ω), R 1: the resistance of the potentiometer VR1 connected to the sensor S 1 for detecting the reference temperature (Ω), R 4: sensor for detecting the machine outlet liquid temperature S Resistance value (Ω) of potentiometer VR2 connected to 4 , θ 1 : temperature (degree C) detected by sensor S 1 , θ 2 : temperature (degree C) detected by sensor S 2 ,
theta 3: temperature sensor S 3 detects (degrees C), θ 4: temperature sensor S 4 detects (degrees C), ε: the temperature coefficient of the sensor resistance (1 / degree C).
【００２５】この制御は、基準温度θ1と、工作機械出
口温度θ4の温度差を目標値として、主軸頭４１の出口
２６の油温θ4を制御することが主目的であるが、θ2＝
θ3になるまでは、熱交換器１０の出力油温θ2も制御の
対象となる。この場合に式（５）で理解されるように、
θ2とθ4が式（５）中の分子の第１項の中にあるからθ
2の増加はΔＥの増加となり、θ4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。The main purpose of this control is to control the oil temperature θ 4 at the outlet 26 of the spindle head 41 with the temperature difference between the reference temperature θ 1 and the machine tool outlet temperature θ 4 as a target value. 2 =
Up to θ 3 , the output oil temperature θ 2 of the heat exchanger 10 is also a control target. In this case, as can be understood from equation (5),
Since θ 2 and θ 4 are in the first term of the numerator in equation (5), θ
An increase of 2 results in an increase of ΔE and an increase of θ 4 . Therefore, it is possible to control two temperatures consistently with one operation.
【００２６】センサーＳ2とセンサーＳ3は、共に熱交換
器１０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っているから熱負
荷が変ったり、基準温度が変わったりすれば出力ΔＥは
式（５）となるが、ある時間経過してθ2＝θ3なる。式
（５）の分子と分母を［Ｒ＋Ｒ0（１＋εθ2）］で割る
と、式（５）の分子の項のみ着目すると、The sensors S 2 and S 3 are both located between the heat exchanger 10 and the machine tool inlet, and the time constant of the sensor S 2 is smaller than that of the sensor S 3 , so that the heat load changes. If the reference temperature changes, the output ΔE is given by the equation (5), but θ 2 = θ 3 after a certain time. Dividing the numerator and denominator of equation (5) by [R + R 0 (1 + εθ 2 )], focusing on only the numerator term of equation (5),
【００２７】[0027]
【式６】 となり、このΔＥを０にするようにＰＩＤ温度制御部３
２は作動するので、[Formula 6] Therefore, the PID temperature control unit 3 should set this ΔE to 0.
2 works, so
【００２８】[0028]
【式７】 すなわち[Formula 7] Ie
【００２９】[0029]
【式８】 となるように制御され、θ4はθ1に常に等しい温度差で
追従する。(Equation 8) Is controlled so that θ 4 always follows with a temperature difference equal to θ 1 .
【００３０】入力取込処理部３１は、前記したようにセ
ンサーＳ1〜Ｓ4で温度を電気的信号に交換された値を入
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
力ΔＥ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
って、ＰＩＤ温度制御部３２の制御用入力レベルまで増
幅される。ＰＩＤ温度制御部３２は、この増幅された偏
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（ＰＩＤ）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、その動作を詳記しな
い。As described above, the input capturing processor 31 captures, as an input signal, a value obtained by exchanging the temperature with the electrical signals by the sensors S 1 to S 4 , and electrically processes the four signals. The difference between the target value and the controlled variable is output. The deviation voltage force ΔE is taken out as an analog voltage, the noise component is removed by the CR filter 52, and the direct current amplification section 53 amplifies it to the control input level of the PID temperature control section 32. The PID temperature control unit 32 performs a proportional + integral + derivative control (PID) operation so that the amplified deviation input signal becomes 0 (zero) described above. This operation is an operation of a known control circuit that performs a control operation for stabilizing the system most quickly against a disturbance or a change in a target value, and this circuit and its operation will not be described here in detail.
【００３１】ＰＩＤ温度制御分３２の出力は、制御出力
操作分３３に入力される。制御出力操作部３３は、出力
電圧または出力電流の形で電磁膨脹弁１５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。The output of the PID temperature control component 32 is input to the control output operation component 33. The control output operation unit 33 is an output amplifier circuit that amplifies the valve of the electromagnetic expansion valve 15 to a signal level capable of operating in the form of an output voltage or an output current.
【００３２】温度制御装置の動作 次にこの発明にかかる温度制御動作について図１、２を
用いて説明する。図１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。熱負荷の増加による油温の上昇は直にセ
ンサーＳ4が検出して冷却操作が開始される。すなわ
ち、熱交換器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、熱変換器１０の出センサー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、したがつて整
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オーバーシュートすなわ
ち過渡偏差が大きくなる。 Operation of Temperature Control Device Next, the temperature control operation according to the present invention will be described with reference to FIGS. In FIG. 1, it is assumed that the amount of heat generated by the spindle head 41 increases, and thus the heat load on the heat carrier oil increases. The increase in oil temperature due to the increase in heat load is immediately detected by the sensor S 4 , and the cooling operation is started. That is, the amount of freon flowing through the heat exchanger 10 is increased to lower the oil temperature. In the four-sensor method of the present invention, this oil temperature drop is detected and corrected by the output sensor S 2 of the heat converter 10 without delay, so that the transient deviation becomes small and the settling time becomes short accordingly. In the conventional method, since the sensor S 4 detects and corrects the oil temperature drop due to the cooling operation, there is a delay in time and the temperature overshoot, that is, the transient deviation increases.
【００３３】このときセンサーＳ2とセンサーＳ3に時定
数の差がなければ、θ2＝θ3となるので前記した式
（６）で理解されるように、分子の中にθ2もθ3もない
からセンサーＳ2とセンサーＳ3が単なる等しい２個の固
定抵抗と変りなく、θ2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θ2＝θ3になるが、こ
のときは式（７）の如くθ4はθ1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θ4が基準温度θ1
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。At this time, if there is no difference in the time constant between the sensor S 2 and the sensor S 3 , then θ 2 = θ 3, and therefore, as can be understood from the above equation (6), θ 2 is also θ in the numerator. Since there are no three, the sensors S 2 and S 3 are just the same two fixed resistors, and the temperature change of θ 2 does not participate in the control. That is, the correction cannot be performed without delay. After a short time from the start of the control operation, θ 2 = θ 3 , and at this time, θ 4 stabilizes with a constant temperature difference from θ 1 as shown in equation (7). That is, the spindle head outlet temperature θ 4 is the reference temperature θ 1
Since the temperature is controlled so that a constant temperature difference is always maintained, the steady deviation of the airframe is small.
【００３４】熱負荷が減少した場合も前記の増加した場
合に準じて考えればよく、熱負荷の減少による油温降下
は直にセンサーＳ4が検知して熱交換器１０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
Ｓ2が検知して補正する。The case where the heat load is reduced may be considered in accordance with the case where the heat load is increased, and the oil temperature drop due to the decrease of the heat load is directly detected by the sensor S 4 and the cooling capacity of the heat exchanger 10 is decreased. The temperature rise due to this is immediately detected and corrected by the sensor S 2 .
【００３５】熱負荷が一定で基準温度θ1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５１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Ｓ2で遅滞なく補正が行われる。When the heat load is constant and the reference temperature θ 1 rises,
Since the set temperature at the spindle head outlet has been increased, the output of the Wheatstone bridge 51 is increased to the negative side, and the control operation works to reduce the cooling capacity. In this case as well, the correction is performed without delay by the sensor S 2 .
【００３６】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、ホイートストンブ
リッジ５１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Ｓ2
で遅滞補正が行われる。When the heat load is constant and the reference temperature drops, the set temperature at the spindle head outlet is lowered, the output of the Wheatstone bridge 51 increases to the positive side, and the control operation works in the direction of increasing the cooling capacity. Also in this case, the sensor S 2
Delay correction is performed in.
【００３７】他の実施例 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Ｓ3はある時間経過後に最終的にセン
サーＳ2の出力値と一致する。したがって、前記センサ
ーＳ3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Ｓ3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Ｓ2
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。 Other Embodiments In the above embodiment, four sensors are used, but the sensor S 3 in the sensors finally agrees with the output value of the sensor S 2 after a certain time has elapsed. Therefore, the sensor S 3 need not necessarily be provided if an alternative means such as a compensation circuit that performs the same function as the sensor S 3 is used. That is, the sensor S 2
It is a method of artificially creating a value that changes with time according to the output value of, and operating the software by a microcomputer or a compensation circuit that is hardware.
【００３８】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ＰＩ
Ｄコントローラを採用しているが、それ以外にも多段設
定ができるすなわち、冷却媒体の流量をステップ式に制
御できる多位置ＯＮーＯＦＦ動作温度コントローラを用
いることもできる。This method can also obtain the same effect as that of the above embodiment. With this method, the time constant of the sensor can be easily changed according to the characteristics of the machine tool, the heat generation capacity, and the like. Further, in this embodiment, oil is used as the heat medium liquid, but other substitutes such as cutting liquid, water and gas may be used depending on the application. Regarding the temperature controller, the PI is also used in the above embodiment.
Although the D controller is adopted, a multi-position ON-OFF operating temperature controller capable of multistage setting, that is, capable of stepwise controlling the flow rate of the cooling medium, may be used.
【００３９】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脹弁を用いたが、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。冷凍圧縮
機１２を駆動するサーボモータの回転数を前記したセン
サーの検出値に応じてインバータを用いて回転数を制御
する。インバータは周知又は公知のものを用いる。ある
いは、この実施例は、制御操作が冷却であったが加熱操
作であつても良い。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、前記電磁式膨脹弁１５の開弁
時間でデューティ制御する方法などである。In the above-mentioned embodiment, the electromagnetic expansion valve is used as the operating body for increasing / decreasing the flow rate of the cooling medium.
You may use the electromagnetic evaporation pressure control valve of the method of controlling the low-pressure refrigerant gas flow rate of an evaporator exit by a differential pressure. The rotation speed of the servomotor that drives the refrigeration compressor 12 is controlled using an inverter according to the detection value of the above-mentioned sensor. A known or known inverter is used. Alternatively, in this embodiment, the control operation is cooling, but it may be heating operation. Further, the temperature controller unit 3 described above may be a control device which is of an analog type but which digitally processes signals. For example, there is a method of controlling the duty by the opening time of the electromagnetic expansion valve 15.
【００４０】前記実施例では、ホイートストンブリッジ
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。Although the Wheatstone bridge circuit is used in the above embodiment, other known circuits such as a bridge T-shaped bridge circuit which is a circuit that performs the same function as this circuit may be used.
【００４１】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す
る。In addition, in the detailed structure and conditions,
Modifications are arbitrarily made without departing from the spirit of the invention.
【００４２】実験例 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。図３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。 Experimental Example In the experimental example shown below, a model spindle head that is close to an actual load is used. FIG. 3 shows an experimental machine. The specifications and experimental conditions of the experimental machine are as follows.
【００４３】 （１）制御対象物：モデル主軸頭の重量ｋｇｆ 主軸径５０ｍｍ 軸受：前部７０１０ＣＤＢＢ（日本工業規格） 後部ＵＮ２０９（日本工業規格） （２）回転数：８，０００ｒｐｍ （３）冷却油：カントーネ１６、１０リットル／ｍｉｎ （４）冷凍圧縮機出力：５００ｗ、冷却能力８２０ｋｃ
ａｌ／ｈ （５）室温：２２〜２５度Ｃ （６）制御方式 （ａ）従来法（I ）：主軸頭出口油温検出の２位置制御 （ｂ）従来法（II）：熱交換出口油温検知のＰＩＤ制御 （ｃ）この発明の方法：４センサを用いるＰＩＤ制御 この実験結果を次表１に示す。(1) Control object: Model spindle head weight kgf Spindle diameter 50 mm Bearing: Front 7010CDBB (Japanese Industrial Standard) Rear UN209 (Japanese Industrial Standard) (2) Rotation speed: 8,000 rpm (3) Cooling oil : Cantone 16, 10 liter / min (4) Refrigerating compressor output: 500w, cooling capacity 820kc
al / h (5) Room temperature: 22 to 25 degrees C (6) Control method (a) Conventional method (I): Two-position control for spindle head outlet oil temperature detection (b) Conventional method (II): Heat exchange outlet oil PID control for temperature detection (c) Method of the present invention: PID control using 4 sensors The experimental results are shown in Table 1 below.
【００４４】[0044]
【表１】 この制御では、過度偏差、油温の定常偏差及び機体の定
常偏差がいずれも０．５（度Ｃ）以下を目標としてい
る。表１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（度Ｃ）と小さい
が油温の定常偏差が−０．０５（度Ｃ）であり、過渡偏
差σは１．２４（度Ｃ）と大きい。従来法（II）は、油
温の定常偏差は０であり、過渡偏差も０．３（度Ｃ）と
小さいが、機体の定常偏差は２．３（度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（度Ｃ）と小さく、機体の定
常偏差も０．１（度Ｃ）と３の者のうちでは最も小さ
い。[Table 1] In this control, the transient deviation, the steady-state deviation of the oil temperature, and the steady-state deviation of the airframe are all set to 0.5 (degrees C) or less. As can be understood from Table 1, in the two-position control of the conventional method (I), the steady-state deviation of the machine body is as small as 0.15 (degree C), but the steady-state deviation of the oil temperature is -0.05 (degree C). There is a large transient deviation σ of 1.24 (degree C). In the conventional method (II), the steady deviation of the oil temperature is 0 and the transient deviation is small at 0.3 (degree C), but the steady deviation of the airframe is large at 2.3 (degree C).
When the present invention is applied to these, the steady deviation of the oil temperature is 0, the transient deviation is small at 0.3 (degree C), and the steady deviation of the airframe is 0.1 (degree C). The smallest of them.
【００４５】すなわち、従来法（I）と（II）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。That is, although the conventional methods (I) and (II) cannot achieve the target, the present invention can achieve the target sufficiently.
【００４６】産業上の利用可能性 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（数直制御）旋盤、（ＮＣ）
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、ベットなど工作機械の各部の冷
却に適用できる。The availability to the invention on the industrial, not limited to the cooling of the spindle head of a machine tool of the machining center as in Example. For example,
Applicable machine tools are NC (several direct control) lathes, (NC)
It can be applied to a wide variety of machine tools such as grinding machines and electric discharge machines, and industrial machines. The components of the machine that are subject to cooling control are not only the spindle head but also the drive system that uses a ball screw,
It can be applied to cool each part of machine tools such as drive motors, columns and beds.
【図１】図１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。FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of a temperature control method and an apparatus thereof according to the present invention.
【図２】図２は、温度コントローラ部の詳細機能を示す
系統図である。FIG. 2 is a system diagram showing detailed functions of a temperature controller unit.
【図３】図３は、実験例の実験装置の流路を示す系統図
である。FIG. 3 is a system diagram showing a flow path of an experimental device of an experimental example.
１…冷却媒体流路部 ２…熱媒体流路部 ３…温度コントローラ部 １０…熱交換器 １２…冷凍圧縮機 １４…凝縮器 １５…電磁式膨脹弁 ２０…冷却油ポンプ ２２…減衰タンク ２５…ジャケット ３２…ＰＩＤ温度制御部 ４１…主軸頭 ５１…ホイートストンブリッジ ５２…ＣＲフィルター DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cooling medium flow path part 2 ... Heat medium flow path part 3 ... Temperature controller part 10 ... Heat exchanger 12 ... Refrigeration compressor 14 ... Condenser 15 ... Electromagnetic expansion valve 20 ... Cooling oil pump 22 ... Damping tank 25 ... Jacket 32 ... PID temperature control unit 41 ... Spindle head 51 ... Wheatstone bridge 52 ... CR filter
Claims (2)
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一
定温度にし、かつ後記熱交換器との間を循環するための
熱媒体液流路部と、 後記熱交換器からの冷媒を圧縮するための冷凍圧縮機
と、 前記冷凍圧縮機で圧縮された高温、高圧の前記冷媒を冷
やして凝縮させ液体とするための凝縮器と、 前記液化された前記冷媒を膨脹させて低温、低圧にする
ための膨脹弁と、 前記熱媒体液を前記膨脹弁で膨脹された前記冷媒との間
で熱交換させて冷却させるための熱交換器とからなり、
前記構成要素の温度を一定温度に間接温度制御するため
の工作機械の温度制御装置であって、 少なくとも制御対象である前記熱媒体液の前記構成要素
から出できた温度を検知する温度センサー及び基準温度
を検知する基準温度センサーとからなる差温度検知手段
と、 前記冷凍圧縮機の回転数を前記差温度検知手段の出力信
号によりインバータを用いて回転数制御することにより
前記熱媒体液の温度を間接温度制御することを特徴とす
る工作機械の温度制御方法。1. A component which constitutes a machine tool and which has a heat generation source, and a heat medium liquid which is brought into contact with the component to bring the component to a constant temperature, and which is circulated between a heat exchanger described later. A heat medium liquid flow path portion, a refrigeration compressor for compressing a refrigerant from a heat exchanger described later, and a high temperature and high pressure refrigerant compressed by the refrigeration compressor are cooled to be condensed into a liquid. Condenser, an expansion valve for expanding the liquefied refrigerant to a low temperature and low pressure, and the heat medium liquid by exchanging heat between the refrigerant and the refrigerant expanded to cool the heat medium liquid. Consists of a heat exchanger for
A temperature control device of a machine tool for indirectly controlling the temperature of the constituent element to a constant temperature, wherein a temperature sensor and a reference for detecting at least the temperature of the heating medium liquid, which is a control target, generated from the constituent element. The temperature difference of the heating medium liquid by controlling the number of rotations of the refrigerating compressor using an inverter by the output signal of the difference temperature detection unit, and the difference temperature detection unit including a reference temperature sensor that detects the temperature. A method for controlling a temperature of a machine tool, which is characterized by controlling an indirect temperature.
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
温度制御するための工作機械の温度制御方法であって、 後記熱交換器からの冷媒を圧縮するための冷凍圧縮機
と、 前記冷凍圧縮機で圧縮された高温、高圧の前記冷媒を冷
やして凝縮させ液体とするための凝縮器と、 液化された前記冷媒を膨脹させて低温、低圧にするため
の膨脹弁と、 前記熱媒体液を前記膨脹弁で膨脹された前記冷媒との間
で熱交換させて冷却させるための熱交換器と、 少なくとも制御対象である前記熱媒体液の前記構成要素
から出てきた温度を検知する温度センサー及び基準温度
を検知する基準温度センサーとからなる差温度検知手段
と、 前記冷凍圧縮機の回転数を前記差温度検知手段の出力信
号によりインバータを用いて回転数制御するための制御
装置とを有することを特徴とする工作機械の温度制御装
置。2. A temperature control method for a machine tool, wherein a heat medium liquid is brought into contact with a constituent element that constitutes a machine tool to generate heat to indirectly control the temperature of the constituent element to a constant temperature. Refrigerating compressor for compressing the refrigerant from the container, condenser for cooling and condensing the high temperature and high pressure refrigerant compressed by the refrigerating compressor into a liquid, and expanding the liquefied refrigerant An expansion valve for lowering the temperature and pressure to a low temperature, and a heat exchanger for cooling the heat medium liquid by exchanging heat with the refrigerant expanded by the expansion valve, and at least the heat to be controlled. An output signal of the differential temperature detecting means, which is a differential temperature detecting means including a temperature sensor detecting a temperature of the medium liquid and a reference temperature sensor detecting a reference temperature, and a rotation speed of the refrigeration compressor. By Inn Temperature control device for a machine tool, characterized by a control device for controlling rotational speed by using the chromatography data.
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|---|---|---|---|
| JP6069132A JPH0825125B2 (en) | 1994-03-14 | 1994-03-14 | Machine tool temperature control method and apparatus |
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1994
- 1994-03-14 JP JP6069132A patent/JPH0825125B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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