(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機体の所定部位の温度時系列データと主軸先端部の変位量時系列データとに基づいて、前記主軸先端部の熱変位量を補正するための多項式モデルを同定する工作機械の熱変位量推定方法であって、
前記温度時系列データ及び前記変位量時系列データから、ＡＩＣ（情報量基準）により定められる選択規範を用いて、前記多項式モデルの入力変数としての解候補集合を決定し、
前記決定された解候補集合から、遺伝的アルゴリズムによる進化的計算を用いて、前記多項式モデルを算出する
ことを特徴とする工作機械の熱変位量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の熱変位量推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、工作機械においては、例えば主軸の軸受部などが熱源となり、この熱源からの熱によって機体が変形し、加工誤差が生じる。そこで、機体の所定部位の温度データから熱変位量を推定し、この推定された熱変位量に基づいて加工位置の補正を行なうことにより、熱変位による加工誤差を解消する方法が種々考案されている。
【０００３】
その代表的な従来技術として、工作機械の熱的挙動と略同じ挙動をする微分方程式に基づいて加工誤差を補正する方法（特開平９−１０８９９２号公報参照）、あるいは、予め記憶された温度−補正量関係表に基づいて加工誤差を補正する方法（特開平１０−６１８３号公報参照）が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、工場移転に伴う環境変化、修理に伴う部品交換及び劣環境下での長期使用等により、機体の熱伝導特性が変化し、熱変位特性に変化が生じる場合がある。
【０００５】
このような場合、前者の従来技術によると、時定数や各係数などのパラメータの設定が困難になり、後者の従来技術によると、温度−補正量関係表の更新が困難になると考えられる。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、機体の熱変位特性に変化が生じた場合に、試行錯誤を行なうことなく加工誤差を解消することを可能にする工作機械の熱変位量推定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による工作機械の熱変位量推定方法は、機体の所定部位の温度時系列データと主軸先端部の変位量時系列データとに基づいて、前記主軸先端部の熱変位量を補正するための多項式モデルを同定する工作機械の熱変位量推定方法であって、前記温度時系列データ及び前記変位量時系列データから、ＡＩＣ（情報量基準）により定められる選択規範を用いて、前記多項式モデルの入力変数としての解候補集合を決定し、前記決定された解候補集合から、遺伝的アルゴリズムによる進化的計算を用いて、前記多項式モデルを算出することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る工作機械の熱変位量推定方法を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、一実施形態に係る工作機械の熱変位量推定方法を実施するための装置の構成を示す。
【００１１】
図１において、１は、工作機械としての縦形マシニングセンタを表している。マシニングセンタ１は、ベッド２、コラム３、移動テーブル４、主軸ヘッド５、主軸６等を備える。
【００１２】
マシニングセンタ１の機体の所定部位例えば主軸ヘッド５、コラム３、ベアリング、冷却油入口又は冷却油出口などには、各々温度センサ７、８、９が配設されており、また、主軸６の先端部には変位センサ１０が配設されている。
【００１３】
各温度センサ７、８、９及び変位センサ１０は、温度及び変位測定装置１１の入力側に接続されており、温度及び変位測定装置１１の出力側はＮＣ装置１２に接続されている。
【００１４】
ＮＣ装置１２は、後述する多項式モデルを同定するための演算処理を行なうモデル算出部１２ａを備える。
【００１５】
図２は、本実施形態による熱変位量推定方法のフローチャートを示す。
【００１６】
(1)   この熱変位量推定方法は、まず、温度及び変位測定装置１１において、各温度センサ７、８、９からの検出信号及び変位センサ１０からの検出信号に基づいて、各所定部位毎の温度時系列データと変位量時系列データとを作成する（Ｓ１）。
【００１７】
ここで、温度センサ７、８、９が配設される機体の所定部位を４箇所とし、各所定部位毎の温度時系列データを、それぞれ、（ｘ1(t), ｘ1(t-1), ｘ1(t-2), …, ｘ1(t-n)）、（ｘ2(t), ｘ2(t-1), ｘ2(t-2), …, ｘ2(t-n)）、（ｘ3(t), ｘ3(t-1), ｘ3(t-2), …, ｘ3(t-n)）、（ｘ4(t), ｘ4(t-1), ｘ4(t-2), …, ｘ4(t-n)）とし、また、変位センサ１０がＺ軸方向（垂直方向）の変位を検出するセンサのみからなるものとし、この変位量時系列データを、（ｚ(t),ｚ(t-1),ｚ(t-2),…, ｚ(t-n) ）として以下説明する。
【００１８】
(2)   次に、四つの温度時系列データ（ｘ1(t), ｘ1(t-1), ｘ1(t-2), …, ｘ1(t-n)）、（ｘ2(t), ｘ2(t-1), ｘ2(t-2), …, ｘ2(t-n)）、（ｘ3(t), ｘ3(t-1), ｘ3(t-2), …, ｘ3(t-n)）、（ｘ4(t), ｘ4(t-1), ｘ4(t-2), …, ｘ4(t-n)）及び一つの変位量時系列データ（ｚ(t),ｚ(t-1),ｚ(t-2),…, ｚ(t-n) ）から、所定の選択規範例えばＡＩＣ（情報量基準）を用いて、同定すべき多項式モデルの入力変数としての解候補集合を決定する（Ｓ２）。
【００１９】
この解候補集合の決定にあたっては、まず、一つの温度時系列データ（ｘ1(t), ｘ1(t-1), ｘ1(t-2), …, ｘ1(t-n)）に関して、下記の式(1-1) 〜(1-4)
0003557440.tif 000002
に示すように、出力変数ｚ(t) に対する入力変数ｘ(t),ｘ(t-1),…（再帰項ｚ(t-1),ｚ(t-2),…を含む。）を一つずつ増加させたモデル予備式を順に作成する。そして、各モデル予備式についてＡＩＣ値を求め、ＡＩＣ値が最小値となるモデル予備式のみを選択し、この選択されたモデル予備式の入力変数を解候補集合の成分として決定する。換言すると、ＡＩＣ値が最小値となる時間遅れ要素の組合せを決定する。なお、ＡＩＣ値は、下記の式(2) により求められる。
【００２０】
ＡＩＣ＝ｎｌｏｇＳ2 ＋２（ｋ＋１）        …(2)
ただし、ｎ；データ数
Ｓ2 ；真の出力ｚとモデルの出力ｚi （ｉ＝１、２、…、ｎ）との残差平方和（Ｓ2 ＝Σ（ｚ−ｚi ）2 ／ｎ）
ｋ＋１；多項式（モデル予備式）のパラメータ数
また、上記各式における係数ｃ0,ｃ1,ｃ2,ｃ3,ｃ4,…は通常の最小二乗法によって求める。
【００２１】
次に、残りの三つの温度時系列データ（ｘ2(t), ｘ2(t-1), ｘ2(t-2), …, ｘ2(t-n)）、（ｘ3(t), ｘ3(t-1), ｘ3(t-2), …, ｘ3(t-n)）、（ｘ4(t), ｘ4(t-1), ｘ4(t-2), …, ｘ4(t-n)）の各々に関して、上述した温度時系列データ（ｘ1(t), ｘ1(t-1), ｘ1(t-2), …, ｘ1(t-n)）に関するモデル予備式の選択方法と同様の方法によってモデル予備式を選択し、選択されたモデル予備式の入力変数を解候補集合の成分として決定する。
【００２２】
このような処理を経て、多項式モデルの解候補集合が決定される。例えば、四つの温度時系列データに対し、選択されたモデル予備式が下記の式(3-1) 、(3-2) 、(3-3) 、(3-4)
0003557440.tif 000003
に決定された場合、多項式モデルの解候補集合は、｛ｘ1(t)、ｘ2(t)、ｘ2(t-1)、ｘ3(t)、ｘ4(t)、ｘ4(t-1)、ｚ(t-1) 、ｚ(t-2) ｝となる。
【００２３】
(3)   次に、各々の温度時系列データに関して上記のように決定された解候補集合を一次元の染色体にコーディングする。
【００２４】
例えば、四つの温度時系列データに関する解候補集合が｛ｘ1(t)、ｘ2(t)、ｘ2(t-1)、ｘ3(t)、ｘ4(t)、ｘ4(t-1)、ｚ(t-1) 、ｚ(t-2) ｝である場合、下記のビット列(4-1) 〜(4-4)
１０００００１１      …(4-1)
０１１０００１１      …(4-2)
０００１００１１      …(4-3)
００００１１１１      …(4-4)
で表された四つの候補染色体を作成する。これらのビット列において、(4-1) は入力変数ｘ1 に関する染色体であり、(4-2) は入力変数ｘ2 に関する染色体であり、(4-3) は入力変数ｘ3 に関する染色体であり、(4-4) は入力変数ｘ4 に関する染色体である。また、各ビット列において、左端から１ビット目は入力変数ｘ1 に関するビットであり、次の２ビットは入力変数ｘ2 に関するビットであり、次の１ビットは入力変数ｘ3 に関するビットであり、次の２ビットは入力変数ｘ4 に関するビットであり、最後の２ビットは入力変数ｚの再帰項に関するビットである。
【００２５】
さらに、上記候補染色体と同じビット数からなるダミー染色体をランダムに複数個作成し、これらのダミー染色体と候補染色体とで初期集団を形成させる（Ｓ３）。
【００２６】
(4)   次に、上記初期集団の中から偶数個の染色体をランダムに選択し、各対の染色体を親として交叉させ子の染色体を作成する（Ｓ４）。例えば、二組の親となる４個の染色体を選択し、それぞれの親から二個の子の染色体を作成する。ここで、子の染色体の作成方法としては、例えば、両親の染色体において互いに一致するビットについてはそのまま子に継承させ、不一致のビットについては確率５０％で「０」又は「１」に設定するようにして子の染色体を作成する。
【００２７】
(5)   次に、上記選択された親の染色体及び上記作成された子の染色体を各々上記式(3-1) 〜(3-4) で示したようなモデルに変換し、各モデルについて適応度（ＡＩＣ値）を求め、そのなかでＡＩＣ値が大きい半数のモデルの染色体を捨て、残りの半数のモデルの染色体を集団に残す。換言すると、モデルの選択と適応度を計算する（Ｓ５）。
【００２８】
(6)   次に、集団を形成している全ての染色体をモデルに変換し、各モデルについて適応度（ＡＩＣ値）を求め、適応度（ＡＩＣ値）が基準を満たしているかどうかを判断する（Ｓ６）。ここで、適応度の基準としては、例えば、全てのモデルのＡＩＣ値が略一定値に収束するようになった場合を挙げることができる。
【００２９】
(7)   適応度が基準を満たしていないと判断した場合、適応度が基準を満たしていると判断するまで、上述したＳ４〜Ｓ６を繰り返し実行し、適応度が基準を満たすモデルのうち最もＡＩＣ値が小さなモデルが、多項式モデルとして同定される。
【００３０】
上述した方法により同定された多項式モデルはＮＣ装置に記憶され、その後、マシニングセンタの稼働時に加工位置の補正のために利用される。
【００３１】
図３は、同定した多項式モデルを用いた推定熱変位量のグラフを示しており、このグラフから推定熱変位量が実測熱変位量に略一致することが分かる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、機体の所定部位の温度時系列データと主軸先端部の変位量時系列データとに基づいて、主軸先端部の熱変位量を補正するための多項式モデルを同定する工作機械の熱変位量推定方法であって、温度時系列データ及び変位量時系列データから、所定の選択規範を用いて、多項式モデルの入力変数としての解候補集合を決定し、この決定された解候補集合から、進化的計算を用いて、多項式モデルを算出することを特徴とする。
【００３３】
このため、機体の熱変位特性に変化が生じた場合に、試行錯誤を行なうことなく加工誤差を解消させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る工作機械の熱変位量推定方法を実施するための装置の構成図である。
【図２】同実施形態による熱変位量推定方法のフローチャートである。
【図３】同方法により同定した多項式モデルを用いた推定熱変位量のグラフである。
【符号の説明】
６    主軸
１２ａ    モデル算出部
【図１】
0003557440.tif 000004
【図２】
0003557440.tif 000005
【図３】
0003557440.tif 000006