(57)【要約】【課題】冷凍機のインバータ制御を不要として工作機械の温度制御装置のコスト低減と小型化を可能とし、温度制御の応答性と精度を向上させる。【解決手段】工作機械に熱媒体液を循環させる冷却回路２と、一定回転速度で駆動される冷凍機５と、冷凍機で圧縮された冷媒ガスを液化する凝縮器６と、液化された冷媒ガスを絞り膨脹させる膨脹弁７と、絞り膨脹された冷媒ガスにより熱媒体液を冷却する熱交換器８と、冷凍機を出た直後の冷媒ガスを、凝縮器をバイパスして熱交換器に導入するためのバイパス路４と、バイパス路の途中に設けたバイパス弁９と、基準温度設定手段１０，１３と、戻り液温を検知する温度センサ２１と、戻り液温と基準温度との温度差が一定になるように、膨脹弁およびバイパス弁の開度をフィードバック制御する温度制御手段１０とを有する。温度制御手段は、膨脹弁の開度とバイパス弁の開度とを一対一に対応する値に連動させて同時に制御する。【選択図】図１
2008221361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械に熱媒体液を循環させる冷却回路（２）と、
冷媒ガスを圧縮するために一定の回転速度で駆動される冷凍機（５）と、
前記冷凍機（５）で圧縮された前記冷媒ガスの熱を放熱して液化するための凝縮器（６）と、
液化された前記冷媒ガスを絞り膨脹させるための膨脹弁（７）と、
絞り膨脹された低圧低温の気液混合状態の前記冷媒ガスにより前記熱媒体液を冷却するための熱交換器（８）と、
前記冷凍機（５）を出た直後の前記冷媒ガスを、前記凝縮器（６）をバイパスして前記熱交換器（８）に導入するためのバイパス路（４）と、
前記バイパス路（４）の途中に設けたバイパス弁（９）と、
基準温度を設定するための基準温度設定手段（１０，１３）と、
前記主軸頭を冷却した後の前記熱媒体液の温度である戻り液温を検知するための温度センサ（２１）と、
前記温度センサ（２１）が検出した前記戻り液温と前記基準温度との温度差が一定になるように、前記膨脹弁（７）の開度（Ｘ）および前記バイパス弁（９）の開度（Ｙ）をフィードバック制御する温度制御手段（１０）とを有し、
前記温度制御手段（１０）は、前記膨脹弁（７）の開度（Ｘ）と前記バイパス弁（９）の開度（Ｙ）とを一対一に対応する値に連動させて同時に制御して、前記膨脹弁（７）の開度（Ｘ）が制御範囲の最大値（ｘ２）となるときには前記バイパス弁（９）の開度（Ｙ）が制御範囲の最小値（ｙ１）となり、前記膨脹弁（７）の開度（Ｘ）が制御範囲の最小値（ｘ１）となるときには前記バイパス弁（９）の開度（Ｙ）が制御範囲の最大値（ｙ２）となるようにするものである工作機械の温度制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載した工作機械の温度制御装置であって、
前記膨脹弁（７）の開度（Ｘ）と前記バイパス弁（９）の開度（Ｙ）は、一次関数の関係にあるものである工作機械の温度制御装置。
【請求項３】
請求項１，２のいずれか１項に記載した工作機械の温度制御装置であって、
前記温度制御手段（１０）は、前記膨脹弁（７）の開度（Ｘ）および前記バイパス弁（９）の開度（Ｙ）をＰＩＤ制御によって制御するものである工作機械の温度制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載した工作機械の温度制御装置であって、
前記膨脹弁（７）および前記バイパス弁（９）は、デジタル値によって開度を制御可能なものである工作機械の温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械に循環させる熱媒体液の温度を制御して熱変形を抑制する工作機械の温度制御装置に関する。詳しくは、冷凍機のインバータ制御を行う必要をなくして温度制御装置のコスト低減と小型化を可能とし、かつ、温度制御の応答性と精度を向上させることができる工作機械の温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、加工精度に影響を及ぼすので、従来から機体各部の温度を一定温度に制御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一定流量の冷却油を工作機械の発熱部に常時流して発熱部を冷却している。この冷却油は熱交換器を介して冷媒により冷却されるものである。
【０００３】
このような工作機械の温度制御の精度を向上させるものとして、本発明の発明者等により、下記の特許文献１のような技術が既に提案されている。特許文献１には、フィードフォーワード制御によって過渡偏差および定常偏差を減少させるようにした工作機械の温度制御方法が記載されており、また、冷凍機を出た直後の冷媒ガスをバイパスするバイパス路を設け、バイパス路中に設けた電磁弁を開くことにより低負荷領域での冷却能力の可変範囲を拡大することが記載されている。
【０００４】
ただ、特許文献１の技術においても以下のような問題点があった。まず、フィードフォーワード制御によって制御を行うために、工作機械の主軸の回転速度指令の情報を温度制御装置に送るインターフェース回路が必要になり、さらに回転速度指令の情報を送出するためのソフトウェアも必要となるため、工作機械側のシステム変更を伴い、システム開発に時間がかかるとともにシステム全体のコストが上昇してしまうという問題点があった。また、フィードフォーワード制御を行うために、工作機械の主軸の回転速度と冷凍機の冷却能力との関係をデータベースとして記憶する制御テーブルを作成しておく必要があり、この制御テーブルの作成によっても、システム開発の時間とコストが増大していた。
【０００５】
そこで、本発明の発明者等により、下記の特許文献２のような技術が提案されている。特許文献２には、フィードバック制御のみによって温度制御の応答特性や精度を向上させることのできる工作機械の温度制御方法および装置が記載されている。すなわち、特許文献２の温度制御方法によれば、工作機械の発熱源の発熱量が変化した場合でも、設定温度と冷却液温度との過渡的な偏差を減少させことができ、また、冷却液温度が安定するまでの時間（整定時間）を短縮することができる。
【特許文献１】特許第２５２９９０５号公報
【特許文献２】特開２００７−０３８３２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の特許文献１や特許文献２の温度制御装置は、冷凍機をインバータ制御によって駆動し回転速度を変更制御しているので、インバータ制御駆動装置が必要となり、温度制御装置のコストが増大するとともに、温度制御装置の大型化を招いてしまうという問題点があった。また、特許文献１の温度制御技術では、前述のように、フィードフォーワード制御を行うためにシステム全体のコストが上昇してしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、冷凍機のインバータ制御を行う必要をなくして温度制御装置のコスト低減と小型化を可能とし、かつ、温度制御の応答性と精度を向上させることができる工作機械の温度制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の工作機械の温度制御装置は、工作機械に熱媒体液を循環させる冷却回路と、冷媒ガスを圧縮するために一定の回転速度で駆動される冷凍機と、前記冷凍機で圧縮された前記冷媒ガスの熱を放熱して液化するための凝縮器と、液化された前記冷媒ガスを絞り膨脹させるための膨脹弁と、絞り膨脹された低圧低温の気液混合状態の前記冷媒ガスにより前記熱媒体液を冷却するための熱交換器と、前記冷凍機を出た直後の前記冷媒ガスを、前記凝縮器をバイパスして前記熱交換器に導入するためのバイパス路と、前記バイパス路の途中に設けたバイパス弁と、基準温度を設定するための基準温度設定手段と、前記主軸頭を冷却した後の前記熱媒体液の温度である戻り液温を検知するための温度センサと、前記温度センサが検出した前記戻り液温と前記基準温度との温度差が一定になるように、前記膨脹弁の開度および前記バイパス弁の開度をフィードバック制御する温度制御手段とを有する。そして、前記温度制御手段は、前記膨脹弁の開度と前記バイパス弁の開度とを一対一に対応する値に連動させて同時に制御して、前記膨脹弁の開度が制御範囲の最大値となるときには前記バイパス弁の開度が制御範囲の最小値となり、前記膨脹弁の開度が制御範囲の最小値となるときには前記バイパス弁の開度が制御範囲の最大値となるようにするものである。
【０００９】
また、上記の工作機械の温度制御装置において、前記膨脹弁の開度と前記バイパス弁の開度は、一次関数の関係にあるものであることが好ましい。
【００１０】
また、上記の工作機械の温度制御装置において、前記温度制御手段は、前記膨脹弁の開度および前記バイパス弁の開度をＰＩＤ制御によって制御するものであることが好ましい。
【００１１】
また、上記の工作機械の温度制御装置において、前記膨脹弁および前記バイパス弁は、デジタル値によって開度を制御可能なものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００１３】
膨張弁の開度およびバイパス弁の開度を連動制御するようにしているので、温度制御装置の冷却能力を最小値から最大値まで連続的かつ高精度に変更制御することができる。これにより、冷凍機のインバータ制御を行うことなく、広範囲にわたる円滑で高精度の温度制御が可能となり、温度制御の応答性も向上させることができる。特に熱負荷の小さい領域での温度制御の精度を大幅に向上させることができる。また、インバータ制御駆動装置が不要となり、温度制御装置のコスト低減と小型化が可能となる。
【００１４】
膨張弁の開度およびバイパス弁の開度を一次関数の関係により連動制御するようにしているので、温度制御手段の演算内容が簡素化され、温度制御装置のコスト低減と温度制御の応答性向上が可能となる。
【００１５】
温度制御手段が膨脹弁の開度およびバイパス弁の開度をＰＩＤ制御によって制御するものであるから、高精度、高速応答かつ高安定な制御が可能となる。
【００１６】
膨脹弁およびバイパス弁がデジタル値によって開度を制御可能なものであるから、高精度の開度制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の温度制御装置１の構成を示す図である。ここでは、工作機械の典型的な発熱源として主軸頭を例にして説明する。主軸頭には回転可能に主軸が支持されており、主軸には工具または工作物が取り付けられて回転駆動される。工作機械の主軸の回転速度は、停止状態から毎分数千回転以上にまで変動するので、主軸を支持する主軸頭を冷却して温度制御を行い、主軸頭の温度が基準温度に対して常に一定の温度差を保つようにされる。すなわち、主軸頭の温度を基準温度に対して常に一定の温度差に保つことが制御目標である。ただし、この場合の一定の温度差とは温度が等しい（温度差０）場合も含むものである。
【００１８】
基準温度は、一般的に室温または工作機械の構成要素中の時定数が大きい（熱容量が大きい）部材（例えば、ベッドやコラム等）の温度に設定される。基準温度センサ１３によって測定された基準部位の温度が、基準温度として設定される。なお、基準温度としては、複数位置の温度を測定してその中から選択したり、複数の測定値の平均値を基準温度としてもよい。また、測定値に適宜の演算を施して基準温度としてもよい。
【００１９】
図１において、冷却回路２は工作機械の主軸頭を冷却するように設けられており、冷却回路２の中には熱媒体液として冷却油が循環している。冷却回路２に設けられた冷却ポンプ２２は駆動モータ２３によって駆動され、冷却回路２中の冷却油を一定流量で循環させる。冷却油は熱交換器８によって冷却された後、主軸頭に流入して主軸頭を冷却する。主軸頭を冷却した後の冷却油は冷却回路２を循環して冷却ポンプ２２に戻ってくる。主軸頭を冷却後の冷却油の温度（戻り油温）を温度センサ２１によって検出し、その戻り油温が設定温度となるようにフィードバック制御を行う。設定温度は基準温度と一定の温度差を有する値に設定される。温度差は０でもよく、その場合、設定温度は基準温度と等しくなる。なお、温度センサ２１は、図１の位置に限定されず、戻り油温を検出できる位置であればどの位置に配置してもよい。例えば、冷却ポンプ２２の流入側に配置してもよい。
【００２０】
一方、熱交換器８に流入する冷媒に関しては、まず、冷媒ガスが冷凍機５によって圧縮されて凝縮器６に送られる。凝縮器６では、圧縮されて温度上昇した冷媒ガスの熱が放熱されて液化される。凝縮器６は冷却ファン６１によって空冷により冷却されている。液化された冷媒ガスは、さらに膨張弁７を通る際に絞り膨張されて低温低圧の気液混合状態となる。この低温低圧の気液混合の冷媒ガスが熱交換器８に流入して、冷却油を冷却するのである。冷媒ガスは熱交換器８中で冷却油の熱を奪って気化し、気化熱により効率よく冷却油を冷却する。熱交換器８から流出した冷媒ガスは冷凍機５に戻り、循環回路３を循環する。
【００２１】
冷凍機５は、通常の交流電源によって駆動されており、一定の回転速度で駆動されている。本発明では、冷凍機５の駆動にインバータ制御駆動装置を使用せず、冷凍機５は一定の回転速度で駆動するようにしている。これにより、インバータ制御駆動装置が不要となり、温度制御装置１のコストが低減させるとともに温度制御装置１の小型化が可能となる。
【００２２】
冷凍機５からの冷媒ガスが循環する循環回路３には、圧縮されて温度上昇した冷媒ガスの一部を冷却せずに熱交換器８に流入させるバイパス路４が付加されている。バイパス路４には流量調整弁であるバイパス弁９が設けられている。バイパス路４は、冷却油を冷却する冷却能力を低減調整するために設けられている。バイパス弁９が開状態では低温の冷媒ガスに高温ガスが混合して熱交換器８に流入するため、冷却能力は低下する。バイパス弁９の開度を変更制御することにより、冷却能力を変更制御することができる。バイパス弁９が全閉状態では、高温ガスが混合せず、冷凍機５の冷却能力が最大となる。
【００２３】
温度制御部１０は、膨張弁７の開度およびバイパス弁９の開度を制御して、工作機械の主軸頭の温度制御を行う。また、温度制御部１０には表示部１１および入力部１２が接続されている。表示部１１によって温度制御に関する種々のパラメータ等を確認することができ、入力部１２によってこれらのパラメータ等を入力することができる。主軸頭の温度は、主軸頭を冷却して戻ってきた冷却油の温度（戻り油温）を温度センサ２１によって検出し、その検出値を主軸頭の温度代表値とする。その戻り油温が設定温度となるようにフィードバック制御を行う。
【００２４】
フィードバック制御はＰＩＤ制御により、高精度、高速応答かつ高安定な制御を行っている。すなわち、ＰＩＤ制御により膨張弁７の開度とバイパス弁９の開度を変更制御してフィードバック制御を行う。膨張弁７の開度とバイパス弁９の開度は、一対一に対応する関係となるように連動して同時に制御される。
【００２５】
図２は、膨張弁７の開度とバイパス弁９の開度との連動関係を示すグラフである。膨張弁７の開度をＸとし、バイパス弁９の開度をＹとする。図２の横軸が開度Ｘを表し、縦軸が開度Ｙを表している。また、膨張弁７の開度Ｘの制御範囲の最小値をｘ１とし、最大値をｘ２とする。そして、バイパス弁９の開度Ｙの制御範囲の最小値をｙ１とし、最大値をｙ２とする。膨張弁７の開度Ｘを最小値ｘ１から最大値ｘ２まで変化させる場合、それと連動させてバイパス弁９の開度Ｙを最大値ｙ２から最小値ｙ１まで変化させる。
【００２６】
すなわち、膨張弁７の開度Ｘが最小値ｘ１のときにバイパス弁９の開度Ｙを最大値ｙ２とし、膨張弁７の開度Ｘが最大値ｘ２のときにバイパス弁９の開度Ｙを最小値ｙ１とする。開度Ｘと開度Ｙの連動関係は点Ａ（ｘ１，ｙ２）と点Ｂ（ｘ２，ｙ１）とを結ぶ直線で表される。すなわち、開度Ｘと開度Ｙは一次関数の関係にある。この直線の方程式は、次の式１で表される。
【００２７】
(ｙ２−ｙ１)(Ｘ−ｘ１)＋(ｘ２−ｘ１)(Ｙ−ｙ２)＝０    ・・・  式１
なお、膨張弁７およびバイパス弁９はステッピングモータ駆動により弁体を移動させ、弁の開度を調整するものである。このため、デジタル値の開度指令によりそれぞれの弁の開度を正確に調整することができる。
【００２８】
図３は、温度制御装置１の冷却能力Ｑの調整範囲を示すグラフである。膨張弁７の開度Ｘおよびバイパス弁９の開度Ｙを連動制御することにより、温度制御装置１の冷却能力Ｑを広範囲にわたって円滑に制御することができる。図示のように、膨張弁７の開度Ｘを最小値ｘ１から最大値ｘ２まで変化させることにより、冷却能力Ｑを最小値０から最大値Ｑmax まで連続的かつ高精度に変更制御することができる。このとき、膨張弁７の開度Ｘに連動させてバイパス弁９の開度Ｙを図２に示すように制御している。
【００２９】
なお、図１の温度制御装置１において、膨張弁７に換えて固定絞りのキャピラリ（毛細管）などを設けるようにした構成も考えられる。この場合は、バイパス弁９の開度の変更制御だけで冷却能力Ｑを調整することになるが、図３のような広範囲の連続的な変更制御はできない。特に、冷却能力Ｑの最小値を図３のように０にすることができず、それ以下の冷却能力とする場合には、最小値Ｑmin においてオン・オフ制御を行う必要がある。このため、熱負荷の小さい領域での温度制御の精度が大幅に悪化してしまう。
【００３０】
実験の結果、固定絞りのキャピラリを使用した場合、低温の冷媒ガスの熱交換器８への流入量を広範囲に変更制御することができず、敏速な応答性に欠けることが分かった。このため、主軸の出力変動時等に戻り油温が安定するまでの時間（安定時間）が長くなる。また、熱負荷の小さい領域での温度制御がオン・オフ制御になり、高精度の温度制御が困難である。オン・オフ制御時には、戻り油温と設定温度との定常偏差も発生する。
【００３１】
これに対して、本発明では膨張弁７の開度Ｘおよびバイパス弁９の開度Ｙを連動制御するようにしているので、温度制御装置１の冷却能力Ｑを最小値０から最大値Ｑmax まで連続的かつ高精度に変更制御することができる。これにより、冷凍機５のインバータ制御を行うことなく、広範囲にわたる円滑で高精度の温度制御が可能となり、温度制御の応答性も向上させることができる。特に熱負荷の小さい領域での温度制御の精度を大幅に向上させることができる。また、インバータ制御駆動装置が不要となり、温度制御装置１のコスト低減と小型化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、広範囲にわたる円滑で高精度の温度制御が可能となり、温度制御の応答性も向上させることができる。特に熱負荷の小さい領域での温度制御の精度を大幅に向上させることができる。また、インバータ制御駆動装置が不要となり、温度制御装置のコスト低減と小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の工作機械の温度制御装置１の構成を示す図である。
【図２】膨張弁７の開度とバイパス弁９の開度との連動関係を示すグラフである。
【図３】温度制御装置１の冷却能力の調整範囲を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１  温度制御装置
２  冷却回路
３  循環回路
４  バイパス路
５  冷凍機
６  凝縮器
７  膨張弁
８  熱交換器
９  バイパス弁
１０  温度制御部
１１  表示部
１２  入力部
１３  基準温度センサ
２１  温度センサ
２２  冷却ポンプ
２３  駆動モータ
６１  冷却ファン
【図１】
2008221361.tif 000003
【図２】
2008221361.tif 000004
【図３】
2008221361.tif 000005