JP6435654B2

JP6435654B2 - Thermal displacement estimation apparatus, thermal displacement estimation method, and machine tool including thermal displacement estimation apparatus

Info

Publication number: JP6435654B2
Application number: JP2014125811A
Authority: JP
Inventors: 雄二佐々木; 岩井　英樹; 英樹岩井; 康匡桜井
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2034-06-18
Also published as: JP2016002636A

Description

本発明は、熱変位量推定装置、熱変位量推定方法、及び熱変位量推定装置を備える工作機械に関するものである。 The present invention relates to a thermal displacement estimation device, a thermal displacement estimation method, and a machine tool including a thermal displacement estimation device.

特許文献１には、工作機械の構造体モデルを複数のブロックに分割して、各々のブロック温度を均一値として構造解析を行うことにより、構造体モデルの熱変位量を推定することが記載されている。つまり、同一のブロック内に含まれる節点における温度が、同一値となる。そして、各節点の熱変位量ベクトルは、｛δ｝＝［Ｋ］^−１［Ｆ］｛Ｔ｝で表される。ここで、｛δ｝は各節点の熱変位量ベクトルであり、［Ｋ］は構造体モデルの剛性マトリックスであり、［Ｆ］は各節点の力係数マトリックスであり、｛Ｔ｝は各ブロックの温度ベクトルである。なお、本明細書において用いるベクトルは、すべて列ベクトルを意味する。 Patent Document 1 describes that a structural model of a machine tool is divided into a plurality of blocks, and a structural analysis is performed with each block temperature being a uniform value, thereby estimating a thermal displacement amount of the structural body model. ing. That is, the temperatures at the nodes included in the same block have the same value. And the thermal displacement vector of each node is represented by {δ} = [K] ⁻¹ [F] {T}. Here, {δ} is a thermal displacement vector of each node, [K] is a stiffness matrix of the structure model, [F] is a force coefficient matrix of each node, and {T} is each block. It is a temperature vector. In addition, all the vectors used in this specification mean column vectors.

各ブロックの温度ベクトル｛Ｔ｝の要素数はブロック数に応じたものであり、各節点数に比べて大幅に少ない。そのため、各節点の熱変位量ベクトル｛δ｝の演算量が、大幅に低減する。従って、各節点の熱変位量ベクトル｛δ｝の演算速度の高速化を図ることができる。その結果、当該演算を加工中にリアルタイムに行いながら、リアルタイムな熱変位補正が可能となる。 The number of elements of the temperature vector {T} of each block depends on the number of blocks, and is significantly smaller than the number of nodes. Therefore, the calculation amount of the thermal displacement vector {δ} at each node is greatly reduced. Therefore, the calculation speed of the thermal displacement vector {δ} at each node can be increased. As a result, real-time thermal displacement correction can be performed while performing the calculation in real time during machining.

国際公開第２０１２／１５７６８７号International Publication No. 2012/157687

ブロック温度が均一化されるため、隣り合うブロックの境界において温度変化が不連続となる。隣り合うブロックの温度差が大きいと、隣り合うブロックの境界における熱変位量の変化が大きくなる。そのため、構造解析の結果、隣り合うブロックの境界において、構造体モデルが大きく折れ曲がるように熱変位することとなる。従って、隣り合うブロックの温度差が大きいほど、隣り合うブロックの境界付近における実際の熱変位量と推定される熱変位量とのずれが大きくなる。 Since the block temperature is made uniform, the temperature change becomes discontinuous at the boundary between adjacent blocks. If the temperature difference between adjacent blocks is large, the change in the amount of thermal displacement at the boundary between adjacent blocks increases. Therefore, as a result of the structural analysis, the structure model is thermally displaced so as to be bent at the boundary between adjacent blocks. Accordingly, the larger the temperature difference between adjacent blocks, the greater the difference between the actual thermal displacement amount and the estimated thermal displacement amount near the boundary between adjacent blocks.

仮に、多数の温度センサを配置して、分割するブロック数を多くすることにより、隣り合うブロックの温度差が小さくなる。その結果、高精度な熱変位量が推定できる。しかし、温度センサの数が多くなればなるほど、高コストとなる。 If a large number of temperature sensors are arranged and the number of blocks to be divided is increased, the temperature difference between adjacent blocks is reduced. As a result, a highly accurate thermal displacement amount can be estimated. However, the higher the number of temperature sensors, the higher the cost.

本発明は、少ない数の温度センサを用いた場合であっても、高精度な熱変位量が推定できる、熱変位量推定装置、熱変位量推定方法及び熱変位量推定装置を備える工作機械を提供することを目的とする。 The present invention provides a machine tool including a thermal displacement estimation device, a thermal displacement estimation method, and a thermal displacement estimation device that can estimate a thermal displacement with high accuracy even when a small number of temperature sensors are used. The purpose is to provide.

（請求項１）本発明に係る熱変位量推定装置は、工作機械の構造体モデルを複数のブロックに分割した場合に、前記複数のブロックの一部である複数の主ブロックの内部に配置される複数の温度センサと、前記複数の主ブロックの各々における主ブロック温度が均一値であるとした場合に、前記複数の温度センサの各々による検出温度を、対応する前記複数の主ブロックの各々における主ブロック温度として取得する主ブロック温度取得手段と、前記複数の主ブロックのうち隣り合う２つの主ブロックの間に１つまたは複数の中間ブロックを配置した場合において、前記１つの前記中間ブロックが配置された場合には当該１つの前記中間ブロックにおける中間ブロック温度が均一値であるとし、前記複数の前記中間ブロックが配置された場合にはそれぞれの前記中間ブロックにおけるそれぞれの中間ブロック温度が均一値であるとした場合に、前記隣り合う２つの主ブロックにおける前記主ブロック温度に基づいて前記中間ブロック温度を取得する中間ブロック温度取得手段と、前記主ブロック温度及び前記中間ブロック温度に基づいて前記構造体モデルの構造解析を行い、前記構造体モデルにおける熱変位量を推定する構造解析手段とを備える。 (Claim 1) A thermal displacement estimation apparatus according to the present invention is arranged inside a plurality of main blocks which are a part of the plurality of blocks when a machine tool structure model is divided into a plurality of blocks. When the main block temperature in each of the plurality of temperature sensors and each of the plurality of main blocks is a uniform value, the temperature detected by each of the plurality of temperature sensors is determined in each of the corresponding plurality of main blocks. In the case where one or a plurality of intermediate blocks are arranged between the main block temperature obtaining means for obtaining the main block temperature and two adjacent main blocks among the plurality of main blocks, the one intermediate block is arranged. If the intermediate block temperature in the one intermediate block is a uniform value and the plurality of intermediate blocks are arranged When the each of the intermediate block temperature at each of the intermediate block is uniform value, and an intermediate block temperature obtaining means for obtaining the intermediate block temperature on the basis of the main block temperature in the two main blocks adjacent ones And structural analysis means for performing a structural analysis of the structural body model based on the main block temperature and the intermediate block temperature and estimating a thermal displacement amount in the structural body model.

温度センサは、主ブロックの内部に配置されるが、中間ブロックの内部には配置されていない。そのため、温度センサの数は、全体のブロック数より少ない。さらに、主ブロック温度は、主ブロックに配置される温度センサによる検出温度とする。一方、中間ブロック温度は、隣り合う２つの主ブロック温度に基づいて決定される。従って、隣り合う２つの主ブロックの間が、中間ブロックの存在によって、急激な温度変化となることが抑制される。つまり、温度センサの数を多くしないことによる低コスト化を図りつつ、且つ、中間ブロックによって主ブロックを繋ぐことにより、構造体モデルが大きく折れ曲がることが抑制されることによって高精度な熱変位量が推定される。 The temperature sensor is arranged inside the main block, but is not arranged inside the intermediate block. Therefore, the number of temperature sensors is smaller than the total number of blocks. Further, the main block temperature is a temperature detected by a temperature sensor arranged in the main block. On the other hand, the intermediate block temperature is determined based on two adjacent main block temperatures. Therefore, a sudden temperature change is suppressed between the two adjacent main blocks due to the presence of the intermediate block. That is, while reducing the cost by not increasing the number of temperature sensors, and connecting the main block with the intermediate block, it is possible to suppress the bending of the structural body model, thereby reducing the amount of thermal displacement with high accuracy. Presumed.

（請求項２）また、前記中間ブロック温度取得手段は、前記隣り合う２つの主ブロックにおける前記主ブロック温度の差が許容値以下であるか否かを判定し、前記主ブロック温度の差が許容値以下の場合に、前記中間ブロック温度を、前記隣り合う２つの主ブロックの何れか一方における主ブロック温度と同一温度とし、前記主ブロック温度の差が許容値を超える場合に、前記中間ブロック温度を、前記隣り合う２つの主ブロックにおける主ブロック温度の間の温度としてもよい。 (Claim 2) Further, the intermediate block temperature acquisition means determines whether or not the difference between the main block temperatures of the two adjacent main blocks is equal to or less than an allowable value, and the difference between the main block temperatures is allowable. The intermediate block temperature is equal to the main block temperature in one of the two adjacent main blocks, and the difference between the main block temperatures exceeds an allowable value, the intermediate block temperature May be a temperature between main block temperatures of the two adjacent main blocks.

中間ブロック温度取得部は、隣り合う２つの主ブロック温度の差が許容値を超える場合、すなわち、構造体モデルが大きく折れ曲がる場合に、中間ブロック温度を演算する。一方、中間ブロック温度取得部は、隣り合う２つの主ブロック温度の差が許容値以下の場合、すなわち、構造体モデルが大きく折れ曲がらない場合には、中間ブロック温度の演算を行わない。従って、中間ブロック温度取得部による演算負荷が低減する。 The intermediate block temperature acquisition unit calculates the intermediate block temperature when the difference between two adjacent main block temperatures exceeds an allowable value, that is, when the structure model is greatly bent. On the other hand, the intermediate block temperature acquisition unit does not calculate the intermediate block temperature when the difference between two adjacent main block temperatures is equal to or less than the allowable value, that is, when the structure model is not greatly bent. Therefore, the calculation load by the intermediate block temperature acquisition unit is reduced.

（請求項３）また、前記隣り合う２つの主ブロックの間に配置される前記中間ブロックの数は、前記隣り合う２つの主ブロックにおける主ブロック温度の最大差が大きいほど多く設定され、前記隣り合う２つの主ブロックにおける主ブロック温度の最大差が小さいほど少なく設定されるようにしてもよい。 (Claim 3) Further, the number of the intermediate blocks arranged between the two adjacent main blocks is set so as to increase as the maximum difference in the main block temperature between the two adjacent main blocks increases. The smaller the maximum difference between the main block temperatures of the two matching main blocks, the smaller may be set.

隣り合う２つの主ブロックの間に存在する中間ブロックの数が多いほど、２つの主ブロックの間の温度変化を滑らかにできる。しかし、中間ブロックの数が多いほど、構造解析による演算量が多くなる。そこで、隣り合う２つの主ブロックの間に存在する中間ブロックの数を、２つの主ブロック温度の最大温度差に応じた数とすることで、構造解析による演算量が多くなることを抑制しつつ、温度変化を滑らかにできる。ここで、２つの主ブロック温度の最大差とは、予め実験又は解析によって得られた各々の主ブロック温度に基づいて決定する。 The larger the number of intermediate blocks that exist between two adjacent main blocks, the smoother the temperature change between the two main blocks. However, the greater the number of intermediate blocks, the greater the amount of computation by structural analysis. Therefore, by setting the number of intermediate blocks existing between two adjacent main blocks to a number corresponding to the maximum temperature difference between the two main block temperatures, it is possible to suppress an increase in the amount of calculation by structural analysis. The temperature change can be smoothed. Here, the maximum difference between the two main block temperatures is determined based on each main block temperature obtained in advance by experiment or analysis.

（請求項４）また、前記中間ブロックの領域は、前記主ブロックの領域より小さく設定されるようにしてもよい。主ブロック温度は温度センサによる検出温度であるが、中間ブロック温度は演算値である。そこで、温度センサによる検出温度を用いることができる主ブロックの領域が中間ブロックより大きく設定されることで、安定した熱変位量が得られる。 Further, the intermediate block area may be set smaller than the main block area. The main block temperature is a temperature detected by the temperature sensor, but the intermediate block temperature is a calculated value. Accordingly, the region of the main block where the temperature detected by the temperature sensor can be used is set larger than that of the intermediate block, so that a stable amount of thermal displacement can be obtained.

（請求項５）また、前記隣り合う２つの主ブロックの間に、一方の主ブロック側から他方の主ブロック側に向かう方向に複数の中間ブロックが配置され、前記中間ブロック温度取得手段は、前記一方の主ブロックにおける前記主ブロック温度が前記他方の主ブロックにおける前記主ブロック温度より高い場合に、前記一方の主ブロック側の前記中間ブロックにおける前記中間ブロック温度が、前記他方の主ブロック側の前記中間ブロックにおける前記中間ブロック温度より高い温度となるように、各々の前記中間ブロック温度を取得するようにしてもよい。隣り合う２つの主ブロックの間に複数の中間ブロックが存在する場合に、徐々に温度を変化させることで、隣り合う２つの主ブロックの間の温度変化がより滑らかとなる。その結果、高精度な熱変位量が推定される。 (Claim 5) In addition, between the two main blocks adjacent ones, are arranged a plurality of intermediate blocks in the direction towards the other main block side from one of the main block side, the intermediate block temperature obtaining means, the When the main block temperature in one main block is higher than the main block temperature in the other main block, the intermediate block temperature in the intermediate block on the one main block side is the one on the other main block side. You may make it acquire each said intermediate block temperature so that it may become temperature higher than the said intermediate block temperature in an intermediate block . When there are a plurality of intermediate blocks between two adjacent main blocks, the temperature change between the two adjacent main blocks becomes smoother by gradually changing the temperature. As a result, a highly accurate thermal displacement amount is estimated.

（請求項６）本発明に係る熱変位量推定方法は、工作機械の構造体モデルを複数のブロックに分割した場合に、前記複数のブロックの一部である複数の主ブロックの内部に複数の温度センサが配置されており、前記複数の主ブロックの各々における主ブロック温度が均一値であるとした場合に、前記複数の温度センサの各々による検出温度を、対応する前記複数の主ブロックの各々における主ブロック温度として取得する主ブロック温度取得工程と、前記複数の主ブロックのうち隣り合う２つの主ブロックの間に１つまたは複数の中間ブロックを配置した場合において、前記１つの前記中間ブロックが配置された場合には当該１つの前記中間ブロックにおける中間ブロック温度が均一値であるとし、前記複数の前記中間ブロックが配置された場合にはそれぞれの前記中間ブロックにおけるそれぞれの中間ブロック温度が均一値であるとした場合に、前記隣り合う２つの主ブロックにおける前記主ブロック温度に基づいて前記中間ブロック温度を取得する中間ブロック温度取得工程と、前記主ブロック温度及び前記中間ブロック温度に基づいて前記構造体モデルの構造解析を行い、前記構造体モデルにおける熱変位量を推定する構造解析工程とを備える。この場合、上述した熱変位量推定装置と同様の効果を奏する。 (Claim 6) In the thermal displacement amount estimation method according to the present invention, when a structural body model of a machine tool is divided into a plurality of blocks, a plurality of main blocks which are a part of the plurality of blocks are provided with a plurality of them. When a temperature sensor is arranged and the main block temperature in each of the plurality of main blocks is a uniform value, the temperature detected by each of the plurality of temperature sensors is set to each of the corresponding plurality of main blocks. In the case where one or a plurality of intermediate blocks are arranged between two adjacent main blocks among the plurality of main blocks, the one intermediate block is obtained. When arranged, the intermediate block temperature in the one intermediate block is assumed to be a uniform value, and the plurality of intermediate blocks are arranged. If the case where each of the intermediate block temperature at each of the intermediate block is to be uniform value, an intermediate block temperature acquisition for acquiring the intermediate block temperature on the basis of the main block temperature in the two main blocks adjacent A structural analysis step of performing a structural analysis of the structural body model based on the main block temperature and the intermediate block temperature and estimating a thermal displacement amount in the structural body model. In this case, the same effects as those of the above-described thermal displacement amount estimation device are obtained.

（請求項７）本発明に係る工作機械は、上述した熱変位量推定装置と、推定された前記熱変位量に基づいて前記工作機械の移動体の位置指令値を補正する補正装置とを備える。この場合、上述した熱変位量推定装置と同様の効果を奏する。 (Claim 7) A machine tool according to the present invention includes the above-described thermal displacement amount estimation device and a correction device that corrects a position command value of a moving body of the machine tool based on the estimated thermal displacement amount. . In this case, the same effects as those of the above-described thermal displacement amount estimation device are obtained.

本実施形態の工作機械の機械構成を示す図である。It is a figure which shows the machine structure of the machine tool of this embodiment. 本実施形態の工作機械の非構造体の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the non-structure of the machine tool of this embodiment. コラムの構造体モデルを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure model of a column. コラムの構造体モデルにおいて主ブロック及び中間ブロックを示す図である。It is a figure which shows the main block and intermediate | middle block in the structure model of a column. 図２に示す熱変位量推定装置の中間ブロック温度取得部による処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process by the intermediate | middle block temperature acquisition part of the thermal displacement amount estimation apparatus shown in FIG.

（１．工作機械の機械構成）
工作機械１０の一例としての横型マシニングセンタについて図１を参照して説明する。工作機械１０は移動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）および鉛直方向の回転軸（Ｂ軸）を有する工作機械である。なお、本発明が適用される工作機械１０は、以下に説明する工作機械１０に限られるものではない。 (1. Machine configuration of machine tool)
A horizontal machining center as an example of the machine tool 10 will be described with reference to FIG. The machine tool 10 is a machine tool having three rectilinear axes (X, Y, Z axes) orthogonal to each other and a vertical rotation axis (B axis) as movement axes. The machine tool 10 to which the present invention is applied is not limited to the machine tool 10 described below.

図１に示すように、工作機械１０の機械本体は、構造体としての、ベッド１１、コラム１２、サドル１３、主軸１４、スライドテーブル１５及びターンテーブル１６を備える。ベッド１１は、ほぼ矩形状からなり、床上に配置される。ベッド１１上には、コラム１２が、Ｘ軸方向（図１の紙面前後方向）に移動可能に設けられる。コラム１２の側面には、サドル１３が、Ｙ軸方向（図１の紙面上下方向）に移動可能に設けられる。サドル１３には、主軸１４が、Ｚ軸方向に平行な軸回りに回転可能に設けられる。主軸１４の先端には、回転工具１９が取り付けられる。また、ベッド１１上には、スライドテーブル１５がＺ軸方向に移動可能に設けられる。スライドテーブル１５上には、ターンテーブル１６がＹ軸回り（Ｂ軸）に回転可能に設けられる。ターンテーブル１６には、被加工物Ｗが治具を介して固定している。 As shown in FIG. 1, the machine body of the machine tool 10 includes a bed 11, a column 12, a saddle 13, a main shaft 14, a slide table 15, and a turntable 16 as structures. The bed 11 has a substantially rectangular shape and is arranged on the floor. A column 12 is provided on the bed 11 so as to be movable in the X-axis direction (the front-rear direction in FIG. 1). A saddle 13 is provided on the side surface of the column 12 so as to be movable in the Y-axis direction (up and down direction in FIG. 1). The saddle 13 is provided with a main shaft 14 so as to be rotatable about an axis parallel to the Z-axis direction. A rotary tool 19 is attached to the tip of the main shaft 14. A slide table 15 is provided on the bed 11 so as to be movable in the Z-axis direction. A turntable 16 is provided on the slide table 15 so as to be rotatable around the Y axis (B axis). A workpiece W is fixed to the turntable 16 via a jig.

（２．工作機械の非構造体の構成の概要）
図２に示すように、工作機械１０は、上述した構造体１１〜１６に加えて、非構造体としての、熱変位量推定装置２０、熱変位補正装置３０及び制御装置４０とを備える。制御装置４０は、移動する構造体１２〜１６（本発明の「移動体」に相当）を駆動するためのアクチュエータ（図示せず）を制御して、回転工具１９による被加工物Ｗの加工を行う。詳細には、制御装置４０は、移動する構造体１２〜１６に対する位置指令値に基づいて、各アクチュエータを制御する。 (2. Outline of non-structure structure of machine tool)
As illustrated in FIG. 2, the machine tool 10 includes a thermal displacement estimation device 20, a thermal displacement correction device 30, and a control device 40 as non-structural bodies in addition to the structures 11 to 16 described above. The control device 40 controls an actuator (not shown) for driving the moving structures 12 to 16 (corresponding to the “moving body” of the present invention) to process the workpiece W with the rotary tool 19. Do. In detail, the control apparatus 40 controls each actuator based on the position command value with respect to the structures 12-16 which move.

熱変位量推定装置２０は、構造体１１〜１６の所定位置に配置された複数の温度センサ２１ａ〜２１ｄの各々により検出される検出温度Ｔａ１〜Ｔａ４に基づいて、リアルタイムに構造体モデルの構造解析を行うことにより、各構造体１１〜１６の所定位置における熱変位量を推定する。 The thermal displacement estimation device 20 is configured to analyze the structure model in real time based on the detected temperatures Ta1 to Ta4 detected by each of the plurality of temperature sensors 21a to 21d arranged at predetermined positions of the structures 11 to 16. By performing the above, the amount of thermal displacement at a predetermined position of each of the structures 11 to 16 is estimated.

例えば、熱変位量推定装置２０は、コラム１２に配置された複数の温度センサ２１ａ〜２１ｄ（図１に示す）による検出温度Ｔａ１〜Ｔａ４に基づいてコラム１２の構造体モデルの構造解析を行うことにより、加工点熱変位に寄与するコラム１２のサドル１３との摺動面（図１の左側面）の複数位置における熱変位量を推定する。なお、複数の温度センサ２１ａ〜２１ｄは、コラム１２のみに限らず、工作機械１０の各構造体１１〜１６の所定位置に配置されるようにしてもよい。なお、熱変位量推定装置２０の詳細は、後述する。 For example, the thermal displacement estimation device 20 performs structural analysis of the structure model of the column 12 based on the detected temperatures Ta1 to Ta4 by the plurality of temperature sensors 21a to 21d (shown in FIG. 1) arranged in the column 12. Thus, the amount of thermal displacement at a plurality of positions on the sliding surface (left side surface in FIG. 1) of the column 12 that contributes to the machining point thermal displacement with the saddle 13 is estimated. The plurality of temperature sensors 21 a to 21 d are not limited to the column 12 and may be arranged at predetermined positions of the structures 11 to 16 of the machine tool 10. Details of the thermal displacement estimation device 20 will be described later.

熱変位補正装置３０は、工作機械１０の各構造体１１〜１６の熱変位に伴って生じる被加工物Ｗと回転工具１９との相対位置のずれを解消するために、移動する構造体１２〜１６の位置指令値に対する補正を行う。 The thermal displacement correction device 30 is configured to move the structural bodies 12 to 12 in order to eliminate the displacement of the relative position between the workpiece W and the rotary tool 19 caused by the thermal displacement of the structural bodies 11 to 16 of the machine tool 10. Correction for 16 position command values is performed.

具体的には、図２に示すように、熱変位補正装置３０は、補正値演算部３１と、補正部３２とを備える。補正値演算部３１は、熱変位量推定装置２０により得られた熱変位量に基づいて、リアルタイムに、移動する構造体１２〜１６に対する位置指令値の補正値を演算する。補正部３２は、補正値演算部３１により得られた補正値に基づいて、制御装置４０による位置指令値を補正する。 Specifically, as shown in FIG. 2, the thermal displacement correction device 30 includes a correction value calculation unit 31 and a correction unit 32. The correction value calculation unit 31 calculates the correction value of the position command value for the moving structures 12 to 16 in real time based on the thermal displacement amount obtained by the thermal displacement amount estimation device 20. The correction unit 32 corrects the position command value by the control device 40 based on the correction value obtained by the correction value calculation unit 31.

（３．構造解析の基本説明）
次に、熱変位量推定装置２０の構造解析部２４による構造解析の基本について説明する。工作機械１０の構造体の一つであるコラム１２の熱変位に伴う熱変位補正を行う場合を例に挙げて、コラム１２の熱変位量を推定する場合における構造解析の基本について図３を参照して説明する。なお、構造解析部２４による構造解析は、コラム１２の他に、ベッド１１などの他の構造体にも同様に適用できる。 (3. Basic explanation of structural analysis)
Next, the basics of the structural analysis by the structural analysis unit 24 of the thermal displacement estimation device 20 will be described. With reference to FIG. 3 for the basics of the structural analysis when estimating the amount of thermal displacement of the column 12 by taking as an example the case of performing the thermal displacement correction accompanying the thermal displacement of the column 12 which is one of the structures of the machine tool 10. To explain. The structural analysis by the structural analysis unit 24 can be similarly applied to other structures such as the bed 11 in addition to the column 12.

構造解析部２４は、構造体モデルを用いて、有限要素法による構造解析を行う。図３において、太線Ｌ１は、コラム１２の形状線であり、細線Ｌ２は、有限要素法による構造解析における要素Ｓの境界線分である。各細線Ｌ２の端点が節点Ｐｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３，・・・となる。図３においては、各要素Ｓは、四面体一次要素としている。なお、各要素Ｓは、四面体一次要素に限られることなく、四面体二次要素、六面体一次要素、六面体二次要素などを適用できる。 The structure analysis unit 24 performs structure analysis by a finite element method using the structure model. In FIG. 3, a thick line L1 is a shape line of the column 12, and a thin line L2 is a boundary line segment of the element S in the structural analysis by the finite element method. The end points of each thin line L2 are nodes Po1, Po2, Po3,. In FIG. 3, each element S is a tetrahedral primary element. Each element S is not limited to a tetrahedral primary element, and a tetrahedral secondary element, a hexahedral primary element, a hexahedral secondary element, or the like can be applied.

つまり、構造解析部２４は、図３の各要素Ｓに基づいて、コラム１２の構造体モデルについてリアルタイムに有限要素法による構造解析を行い、加工点熱変位に寄与するコラム１２の構造体モデルの一部の節点Ｐｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３における熱変位量を推定する。ここで、コラム１２の構造体モデルについて有限要素法による構造解析における解析条件として、全ての節点の温度が必要である。 That is, the structural analysis unit 24 performs a structural analysis by the finite element method on the structural body model of the column 12 in real time based on each element S of FIG. 3, and the structural body model of the column 12 that contributes to the machining point thermal displacement. The amount of thermal displacement at some nodes Po1, Po2 and Po3 is estimated. Here, the temperature of all nodes is necessary as an analysis condition in the structural analysis by the finite element method for the structure model of the column 12.

（４．構造解析のブロック化及びブロック温度の説明）
構造解析部２４は、構造体モデルの全ての節点の温度を実際の構造体１１〜１６の対応する位置における温度として構造解析を行うと、非常に多数の演算回数を要し、長時間の演算時間を要する。 (4. Description of block of structural analysis and block temperature)
When the structure analysis unit 24 performs the structure analysis using the temperatures of all the nodes of the structure model as the temperatures at the corresponding positions of the actual structures 11 to 16, it requires a very large number of calculations and requires a long time calculation. It takes time.

そこで、構造解析部２４は、構造体モデルを複数のブロックに分割して、複数のブロックの各々のブロック温度が均一値であるとして、構造解析を行う。従って、構造解析部２４が構造解析に用いる各節点の温度は、実際の構造体１１〜１６の各部位の温度とは異なる値となるが、ブロック温度を均一値とすることにより、構造解析部２４による構造解析の演算量が大幅に低減し、高速な演算が可能となる。 Therefore, the structure analysis unit 24 divides the structure model into a plurality of blocks, and performs the structure analysis assuming that the block temperatures of the plurality of blocks are uniform values. Therefore, the temperature of each node used for the structural analysis by the structural analysis unit 24 is a value different from the temperature of each part of the actual structural bodies 11 to 16, but the structural analysis unit 24 is made uniform by setting the block temperature to a uniform value. The amount of calculation of structural analysis by 24 is greatly reduced, and high-speed calculation is possible.

コラム１２の構造体モデルを分割した複数のブロックＢａ１〜Ｂａ４、Ｂｂ１〜Ｂｂ１２について、図４を参照して説明する。図４に示すように、コラム１２の構造体モデルは、複数の主ブロックＢａ１〜Ｂａ４と、複数の中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ１２とに分割される。実際には、コラム１２の構造体モデルは、Ｘ軸方向についても複数のブロックに分割されるが、図４においては、簡易的に示すため、Ｙ−Ｚ平面のみにおいて分割するものとする。 A plurality of blocks Ba1 to Ba4 and Bb1 to Bb12 obtained by dividing the structure model of the column 12 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the structure model of the column 12 is divided into a plurality of main blocks Ba1 to Ba4 and a plurality of intermediate blocks Bb1 to Bb12. Actually, the structure model of the column 12 is divided into a plurality of blocks also in the X-axis direction. However, in FIG. 4, it is assumed that the structure model is divided only in the YZ plane.

複数の主ブロックＢａ１〜Ｂａ４は、コラム１２の構造体モデルの大部分を占める。複数の主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の各々の内部には、各々の温度センサ２１ａ〜２１ｄが配置される。つまり、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の数は、温度センサ２１ａ〜２１ｄの数と一致する。複数の主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の各々の主ブロック温度は、均一値であって、複数の温度センサ２１ａ〜２１ｄの各々による検出温度Ｔａ１〜Ｔａ４である。従って、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の各々に含まれる節点の温度は、対応する主ブロック温度Ｔａ１〜Ｔａ４とされる。例えば、主ブロックＢａ１に含まれる全ての節点の温度は、主ブロックＢａ１の内部に配置される温度センサ２１ａによる検出温度Ｔａ１となる。 The plurality of main blocks Ba1 to Ba4 occupy most of the structure model of the column 12. Each temperature sensor 21a-21d is arrange | positioned inside each of several main block Ba1-Ba4. That is, the number of main blocks Ba1 to Ba4 matches the number of temperature sensors 21a to 21d. The main block temperatures of the plurality of main blocks Ba1 to Ba4 are uniform values, and are detected temperatures Ta1 to Ta4 by the plurality of temperature sensors 21a to 21d. Therefore, the temperatures of the nodes included in each of the main blocks Ba1 to Ba4 are the corresponding main block temperatures Ta1 to Ta4. For example, the temperatures of all the nodes included in the main block Ba1 become the detected temperature Ta1 by the temperature sensor 21a arranged inside the main block Ba1.

複数の中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ１２は、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４のうち隣り合う２つの主ブロックの間に配置される。中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ２は、主ブロックＢａ１，Ｂａ３の間に、一方の主ブロックＢａ１側から他方の主ブロックＢａ３側に向かう方向に並んで配置される。中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６は、主ブロックＢａ１，Ｂａ２の間に、主ブロックＢａ１，Ｂａ２の隣り合う方向に並んで配置される。中間ブロックＢｂ７〜Ｂｂ１０は、主ブロックＢａ３，Ｂａ４の間に、主ブロックＢａ３，Ｂａ４の隣り合う方向に並んで配置される。中間ブロックＢｂ１１〜Ｂｂ１２は、主ブロックＢａ２，Ｂａ４の間に、主ブロックＢａ２，Ｂａ４の隣り合う方向に並んで配置される。 The plurality of intermediate blocks Bb1 to Bb12 are arranged between two adjacent main blocks among the main blocks Ba1 to Ba4. The intermediate blocks Bb1 to Bb2 are arranged between the main blocks Ba1 and Ba3 in a direction from one main block Ba1 side to the other main block Ba3 side. The intermediate blocks Bb3 to Bb6 are arranged between the main blocks Ba1 and Ba2 in a direction adjacent to the main blocks Ba1 and Ba2. The intermediate blocks Bb7 to Bb10 are arranged between the main blocks Ba3 and Ba4 in a direction adjacent to the main blocks Ba3 and Ba4. The intermediate blocks Bb11 to Bb12 are arranged between the main blocks Ba2 and Ba4 in a direction adjacent to the main blocks Ba2 and Ba4.

複数の中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ１２の領域は、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の領域より小さく設定される。例えば、中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６は、主ブロックＢａ１，Ｂａ２の僅かな隙間に挿入されるイメージである。 The areas of the plurality of intermediate blocks Bb1 to Bb12 are set smaller than the areas of the main blocks Ba1 to Ba4. For example, the intermediate blocks Bb3 to Bb6 are images inserted into a slight gap between the main blocks Ba1 and Ba2.

また、主ブロックＢａ１，Ｂａ２の間、及び、主ブロックＢａ３，Ｂａ４の間には、それぞれ４つの中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６、Ｂｂ７〜Ｂｂ１０が配置される。一方、主ブロックＢａ１，Ｂａ３の間、及び、主ブロックＢａ２，Ｂａ４の間には、それぞれ２つの中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ２、Ｂｂ１１〜Ｂｂ１２が配置される。なお、本実施形態においては、隣り合う２つの主ブロックの間に複数の中間ブロックが配置されるが、隣り合う２つの主ブロックの間に１つの中間ブロックのみが配置されるようにしてもよい。 Four intermediate blocks Bb3 to Bb6 and Bb7 to Bb10 are arranged between the main blocks Ba1 and Ba2 and between the main blocks Ba3 and Ba4, respectively. On the other hand, two intermediate blocks Bb1 to Bb2 and Bb11 to Bb12 are disposed between the main blocks Ba1 and Ba3 and between the main blocks Ba2 and Ba4, respectively. In the present embodiment, a plurality of intermediate blocks are arranged between two adjacent main blocks, but only one intermediate block may be arranged between two adjacent main blocks. .

ここで、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の各々に配置される温度センサ２１ａ〜２１ｄにより予め複数回計測しておき、それぞれの検出温度Ｔａ１〜Ｔａ４の最大値及び最小値を記録する。なお、コラム１２の構造体モデルの熱解析等によって、温度センサ２１ａ〜２１ｄの位置における温度Ｔａ１〜Ｔａ４の最大値及び最小値を得ることもできる。 Here, the temperature sensors 21a to 21d arranged in each of the main blocks Ba1 to Ba4 are previously measured a plurality of times, and the maximum and minimum values of the detected temperatures Ta1 to Ta4 are recorded. Note that the maximum value and the minimum value of the temperatures Ta1 to Ta4 at the positions of the temperature sensors 21a to 21d can also be obtained by thermal analysis or the like of the structure model of the column 12.

そして、主ブロックＢａ１，Ｂａ２の各々に配置される温度センサ２１ａ，２１ｂの検出温度Ｔａ１，Ｔａ２の最大差は、主ブロックＢａ１，Ｂａ３の各々に配置される温度センサ２１ａ，２１ｃの検出温度Ｔａ１，Ｔａ３の最大差より大きいとする。また、主ブロックＢａ３，Ｂａ４の各々に配置される温度センサ２１ｃ，２１ｄの検出温度Ｔａ３，Ｔａ４の最大差は、主ブロックＢａ１，Ｂａ２の各々に配置される温度センサ２１ａ，２１ｂの検出温度Ｔａ１，Ｔａ２の最大差と同程度であるとする。主ブロックＢａ２，Ｂａ４の各々に配置される温度センサ２１ｂ，２１ｄの検出温度Ｔａ３，Ｔａ４の最大差は、主ブロックＢａ１，Ｂａ３の各々に配置される温度センサ２１ａ，２１ｃの検出温度Ｔａ１，Ｔａ３の最大差と同程度であるとする。 The maximum difference between the detected temperatures Ta1 and Ta2 of the temperature sensors 21a and 21b arranged in each of the main blocks Ba1 and Ba2 is the detected temperature Ta1 of the temperature sensors 21a and 21c arranged in each of the main blocks Ba1 and Ba3. It is assumed that it is larger than the maximum difference of Ta3. The maximum difference between the detected temperatures Ta3 and Ta4 of the temperature sensors 21c and 21d arranged in the main blocks Ba3 and Ba4 is the detected temperature Ta1 of the temperature sensors 21a and 21b arranged in the main blocks Ba1 and Ba2, respectively. It is assumed that it is about the same as the maximum difference of Ta2. The maximum difference between the detected temperatures Ta3 and Ta4 of the temperature sensors 21b and 21d arranged in the main blocks Ba2 and Ba4 is the difference between the detected temperatures Ta1 and Ta3 of the temperature sensors 21a and 21c arranged in the main blocks Ba1 and Ba3, respectively. Assume that it is about the same as the maximum difference.

つまり、中間ブロックの数は、隣り合う２つの主ブロックにおける主ブロック温度の最大差が大きいほど多く設定され、隣り合う２つの主ブロックにおける主ブロック温度の最大差が小さいほど少なく設定される。 That is, the number of intermediate blocks is set to be larger as the maximum difference in main block temperature between two adjacent main blocks is larger, and set to be smaller as the maximum difference in main block temperature between two adjacent main blocks is smaller.

（５．熱変位量推定装置２０の詳細説明）
次に、熱変位量推定装置２０による熱変位量推定方法について、図２、図４及び図５を参照して説明する。熱変位量推定装置２０は、図２に示すように、温度センサ２１ａ〜２１ｄと、主ブロック温度取得部２２（主ブロック温度取得手段）と、中間ブロック温度取得部２３（中間ブロック温度取得手段）と、構造解析部２４（構造解析手段）とを備える。 (5. Detailed description of the thermal displacement estimation device 20)
Next, a thermal displacement amount estimation method by the thermal displacement amount estimation device 20 will be described with reference to FIGS. 2, 4, and 5. As shown in FIG. 2, the thermal displacement estimation device 20 includes temperature sensors 21a to 21d, a main block temperature acquisition unit 22 (main block temperature acquisition unit), and an intermediate block temperature acquisition unit 23 (intermediate block temperature acquisition unit). And a structure analysis unit 24 (structure analysis means).

温度センサ２１ａ〜２１ｄは、図１に示すように、コラム１２の内部に配置される。図４に示すように、各々の温度センサ２１ａ〜２１ｄは、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の内部に配置される。主ブロック温度取得部２２は、主ブロック温度Ｔａ１〜Ｔａ４を、対応する温度センサ２１ａ〜２１ｄの検出温度として取得する（主ブロック温度取得工程）。 As shown in FIG. 1, the temperature sensors 21 a to 21 d are arranged inside the column 12. As shown in FIG. 4, each temperature sensor 21a-21d is arrange | positioned inside main block Ba1-Ba4. The main block temperature acquisition unit 22 acquires the main block temperatures Ta1 to Ta4 as detection temperatures of the corresponding temperature sensors 21a to 21d (main block temperature acquisition step).

中間ブロック温度取得部２３は、主ブロック温度Ｔａ１〜Ｔａ４に基づいて中間ブロック温度Ｔｂ１〜Ｔｂ１２を取得する（中間ブロック温度取得工程）。中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６における中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６の算出手順について、図５を参照して説明する。なお、他の中間ブロック温度Ｔｂ１〜Ｔｂ２、Ｔｂ７〜Ｔｂ１２の算出手順も、実質的に同様である。 The intermediate block temperature acquisition unit 23 acquires intermediate block temperatures Tb1 to Tb12 based on the main block temperatures Ta1 to Ta4 (intermediate block temperature acquisition step). The procedure for calculating the intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 in the intermediate blocks Bb3 to Bb6 will be described with reference to FIG. The calculation procedures for the other intermediate block temperatures Tb1 to Tb2 and Tb7 to Tb12 are substantially the same.

中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６は、隣り合う２つの主ブロックＢａ１，Ｂａ２の間に配置される。そこで、中間ブロック温度取得部２３は、主ブロックＢａ１，Ｂａ２の主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２の差｜ΔＴ_{ａ１−ａ２}｜を算出する（図５のＳ１）。 The intermediate blocks Bb3 to Bb6 are arranged between two adjacent main blocks Ba1 and Ba2. Therefore, the intermediate block temperature acquisition unit 23 calculates the difference | ΔT _a1 −a2 | between the main block temperatures Ta1 and Ta2 of the main blocks Ba1 and Ba2 (S1 in FIG. 5).

続いて、中間ブロック温度取得部２３は、差｜ΔＴ_{ａ１−ａ２}｜が、許容値Ｔｈ以下であるか否かを判定する（図５のＳ２）。差｜ΔＴ_{ａ１−ａ２}｜が許容値Ｔｈ以下である場合には、中間ブロック温度取得部２３は、中間ブロックＢｂ３，Ｂｂ４の中間ブロック温度Ｔｂ３，Ｔｂ４を主ブロック温度Ｔａ１とし、且つ、中間ブロックＢｂ５，Ｂｂ６の中間ブロック温度Ｔｂ５，Ｔｂ６を主ブロック温度Ｔａ２とする（図５のＳ３）。 Subsequently, the intermediate block temperature acquisition unit 23 determines whether or not the difference | ΔT _{a1 −a2} | is equal to or less than the allowable value Th (S2 in FIG. 5). When the difference | ΔT _a1 −a2 | is equal to or less than the allowable value Th, the intermediate block temperature acquisition unit 23 sets the intermediate block temperatures Tb3 and Tb4 of the intermediate blocks Bb3 and Bb4 as the main block temperature Ta1 and the intermediate block Bb5. , Bb6 intermediate block temperatures Tb5, Tb6 are set as the main block temperature Ta2 (S3 in FIG. 5).

つまり、主ブロック温度の差｜ΔＴ_{ａ１−ａ２}｜が小さい場合には、中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６は、主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２の何れか一方と同一温度とする。ここでは、中間ブロックＢｂ３，Ｂｂ４は主ブロックＢａ１に近いため、中間ブロック温度Ｔｂ３，Ｔｂ４は、主ブロック温度Ｔａ１と同一温度とする。一方、中間ブロックＢｂ５，Ｂｂ６は主ブロックＢａ２に近いため、中間ブロック温度Ｔｂ５，Ｔｂ６は、主ブロック温度Ｔａ２と同一温度とする。なお、中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６の全てが、主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２の何れか一方と同一温度としてもよい。 That is, when the main block temperature difference | ΔT _a1 −a2 | is small, the intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 are set to the same temperature as one of the main block temperatures Ta1 and Ta2. Here, since the intermediate blocks Bb3 and Bb4 are close to the main block Ba1, the intermediate block temperatures Tb3 and Tb4 are set to the same temperature as the main block temperature Ta1. On the other hand, since the intermediate blocks Bb5 and Bb6 are close to the main block Ba2, the intermediate block temperatures Tb5 and Tb6 are set to the same temperature as the main block temperature Ta2. Note that all of the intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 may be the same temperature as one of the main block temperatures Ta1 and Ta2.

これに対して、差｜ΔＴ_{ａ１−ａ２}｜が許容値Ｔｈを超える場合には、中間ブロック温度取得部２３は、中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６の中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６を主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２の間の温度とする（図５のＳ４）。具体的には、中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６は、図５のＳ４に示す式により得られる温度とする。つまり、中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６は、一方の主ブロックＢａ１側から他方の主ブロックＢａ２側に向かう方向に段階的に異なる温度とされる。なお、図５のＳ４に示す式における係数は、中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６の領域の大きさ等に応じて適宜変更してもよい。 On the other hand, when the difference | ΔT _a1−a2 | exceeds the allowable value Th, the intermediate block temperature acquisition unit 23 sets the intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 of the intermediate blocks Bb3 to Bb6 to the main block temperatures Ta1 and Ta2. (S4 in FIG. 5). Specifically, the intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 are temperatures obtained by the equation shown in S4 of FIG. That is, the intermediate block temperatures Tb <b> 3 to Tb <b> 6 are set to different temperatures stepwise in the direction from the one main block Ba <b> 1 side toward the other main block Ba <b> 2 side. Note that the coefficients in the equation shown in S4 of FIG. 5 may be appropriately changed according to the size of the area of the intermediate blocks Bb3 to Bb6.

図２に示す構造解析部２４は、複数の主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の各々における主ブロック温度Ｔａ１〜Ｔａ４、及び、複数の中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ１２の各々における中間ブロック温度Ｔｂ１〜Ｔｂ１２に基づいて、コラム１２の構造体モデルの構造解析を行う（構造解析工程）。 The structural analysis unit 24 shown in FIG. 2 is configured to calculate the column based on the main block temperatures Ta1 to Ta4 in each of the plurality of main blocks Ba1 to Ba4 and the intermediate block temperatures Tb1 to Tb12 in each of the plurality of intermediate blocks Bb1 to Bb12. Structural analysis of 12 structure models is performed (structural analysis step).

本実施形態においては、構造解析部２４は、コラム１２の構造体モデルについて有限要素法による構造解析を行い、コラム１２におけるサドル１３の摺動面のうち、所定の節点Ｐｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３の熱変位量を推定する。構造解析の条件として、材料定数、各節点における温度、構造上の拘束条件、支持構造におけるばね要素等が必要となる。ここで、構造解析の条件のうち各節点における温度のみ変化するものであって、他の条件は既知である。そして、各節点における温度情報は、主ブロック温度取得部２２により取得された主ブロック温度Ｔａ１〜Ｔａ４、及び、中間ブロック温度取得部２３により取得された中間ブロック温度Ｔｂ１〜Ｔｂ１２を用いる。 In the present embodiment, the structural analysis unit 24 performs a structural analysis by the finite element method on the structural body model of the column 12, and among the sliding surfaces of the saddle 13 in the column 12, the heat of predetermined nodes Po 1, Po 2, Po 3. Estimate the amount of displacement. As conditions for the structural analysis, material constants, temperatures at each node, structural constraints, spring elements in the support structure, and the like are required. Here, among the conditions of the structural analysis, only the temperature at each node changes, and other conditions are known. The temperature information at each node uses the main block temperatures Ta1 to Ta4 acquired by the main block temperature acquisition unit 22 and the intermediate block temperatures Tb1 to Tb12 acquired by the intermediate block temperature acquisition unit 23.

構造解析部２４による構造解析は、式（１）のような行列演算式により表される。式（１）の演算回数は、Ｎ_part1×２×Ｎ_block回となる。ここで、以下の式において、行数および列数、もしくは要素数を示す表記としている。 The structural analysis by the structural analysis unit 24 is expressed by a matrix arithmetic expression such as Expression (1). The number of computations of equation (1) is N _part1 × 2 × N _block times. Here, in the following formulas, the number of rows and columns or the number of elements is used.

ここで、｛δ_part1｝は、節点Ｐｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３の熱変位量ベクトル（要素数Ｎ_part1）である。［Ｐ１_part1］は、節点Ｐｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３に関係する係数マトリックス（行数Ｎ_part1、列数Ｎ_block）である。｛Ｔ_block｝は、各ブロックＢａ１〜Ｂａ４、Ｂｂ１〜Ｂｂ１２の温度ベクトル（要素数Ｎ_block）である。つまり、｛Ｔ_block｝は、主ブロック温度Ｔａ１〜Ｔａ４及び中間ブロック温度Ｔｂ１〜Ｔｂ１２を列ベクトルとして表示したものに相当する。 Here, {[delta] _part1} is a node Po1, Po2, Po3 thermal displacement amount vector of (number of elements N _part1). [P1 _part1] is node Po1, Po2, Po3 coefficient related to the matrix (the number of rows N _part1, the number of columns N _block) is. {T _block } is a temperature vector (number of elements N _block ) of each of the blocks Ba1 to Ba4 and Bb1 to Bb12. That is, {T _block } corresponds to the main block temperatures Ta1 to Ta4 and the intermediate block temperatures Tb1 to Tb12 displayed as column vectors.

つまり、構造解析部２４は、予め記憶する係数マトリックス［Ｐ１_part1］、主ブロック温度取得部２２により取得された主ブロック温度Ｔａ１〜Ｔａ４、及び、中間ブロック温度取得部２３により取得された中間ブロック温度Ｔｂ１〜Ｔｂ１２を用いて、式（１）に従って節点Ｐｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３の熱変位量を得る。 That is, the structural analysis unit 24 stores the coefficient matrix [P1 _part1 ] stored in advance, the main block temperatures Ta1 to Ta4 acquired by the main block temperature acquisition unit 22, and the intermediate block temperature acquired by the intermediate block temperature acquisition unit 23. Using Tb1 to Tb12, the thermal displacement amounts of the nodes Po1, Po2 and Po3 are obtained according to the equation (1).

（６．構造解析式の導出方法）
以下に、構造解析部２４による構造解析に用いる行列演算式（式（１））の導出方法について説明する。構造体モデルの剛性方程式は、式（２）により表される。｛ｆ｝は、各節点の外力ベクトル（要素数Ｎ_all）である。［Ｋ］は、剛性マトリックス（行数Ｎ_all、列数Ｎ_all）であって、コラム１２の材料定数およびコラム１２の形状により得られる既知の値である。｛δ_all｝は、各節点の変位ベクトル（要素数Ｎ_all）である。ａｌｌは、全ての節点数を意味する。明細書において用いるベクトルは、すべて列ベクトルを意味する。 (6. Method for deriving structural analysis formula)
Hereinafter, a method for deriving the matrix arithmetic expression (formula (1)) used for the structural analysis by the structural analysis unit 24 will be described. The stiffness equation of the structure model is expressed by equation (2). {F} is an external force vector (number of elements N _all ) at each node. [K] is a stiffness matrix (number of rows N _all , number of columns N _all ), which is a known value obtained from the material constant of the column 12 and the shape of the column 12. {Δ _all } is a displacement vector (number of elements N _all ) of each node. all means the number of all nodes. All vectors used in the specification mean column vectors.

また、節点の温度に応じた節点力の関係式は、式（３）により表される。［Ｆ］は、節点力係数マトリックス（行数Ｎ_all、列数Ｎ_all）であって、コラム１２の材料定数およびコラム１２の形状により得られる既知の値である。｛Ｔ_all｝は、各節点の温度ベクトル（要素数Ｎ_all）である。 Further, the relational expression of the nodal force according to the temperature of the nodal point is expressed by the formula (3). [F] is a nodal force coefficient matrix (number of rows N _all , number of columns N _all ), which is a known value obtained from the material constant of the column 12 and the shape of the column 12. {T _all } is a temperature vector (number of elements N _all ) at each node.

式（２）（３）の左辺が共通するため、各節点の熱変位量ベクトル｛δ_all｝は式（４）のように表される。つまり、式（４）における各節点の熱変位量ベクトル｛δ_all｝は、各節点の熱変位量に相当する。ここで、後の説明の容易化のため、式（５）のように、剛性マトリックス［Ｋ］の逆行列と節点力係数マトリックス［Ｆ］の乗算行列は［Ｐ］と表す。 Since the left sides of Expressions (2) and (3) are common, the thermal displacement vector {δ _all } at each node is expressed as Expression (4). That is, the thermal displacement vector {δ _all } at each node in Equation (4) corresponds to the thermal displacement at each node. Here, for ease of later explanation, the multiplication matrix of the inverse matrix of the stiffness matrix [K] and the nodal force coefficient matrix [F] is expressed as [P] as shown in Equation (5).

式（５）に基づいて全ての節点の熱変位量ベクトル｛δ_all｝、すなわち全ての節点の熱変位量を演算するためには、非常に多数の演算回数を要し、長時間の演算時間を要する。しかし、本実施形態においては、コラム１２の構造体モデルを複数に分割したブロックＢａ１〜Ｂａ４、Ｂｂ１〜Ｂａ１２の各々における節点の温度は、均一値である。つまり、温度の種類は、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４及び中間ブロックＢｂ１〜Ｂａ１２の総数と同数となる。そうすると、上述した式（５）は、以下のように、式（６）のように表される。 In order to calculate the thermal displacement vector {δ _all } of all the nodes, that is, the thermal displacement amount of all the nodes based on the equation (5), a very large number of calculation times are required and a long calculation time is required. Cost. However, in this embodiment, the temperatures of the nodes in each of the blocks Ba1 to Ba4 and Bb1 to Ba12 obtained by dividing the structure model of the column 12 into a plurality are uniform values. That is, the type of temperature is the same as the total number of main blocks Ba1 to Ba4 and intermediate blocks Bb1 to Ba12. Then, the above-described equation (5) is expressed as equation (6) as follows.

式（６）の演算回数は、上述した式（５）の演算回数に比べると大幅に少なくできるが、以下のようにすることで、さらに少なくなる。熱変位量ベクトル｛δ_all｝は、コラム１２の構造体モデルの全ての節点における熱変位量を示している。しかし、熱変位補正装置３０による補正を行うためには、コラム１２全体の熱変位量は必要ではなく、コラム１２のうちサドル１３が摺動する部位だけで十分である。そこで、式（６）における熱変位量ベクトル｛δ_all｝を、コラム１２の一部の節点Ｐｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３における熱変位量ベクトル｛δ_part1｝と、それ以外の部位の節点における熱変位量ベクトル｛δ_part2｝とに分けて表すと、式（７）のようになる。 The number of calculations in equation (6) can be significantly reduced compared to the number of calculations in equation (5) described above, but it can be further reduced by doing the following. The thermal displacement vector {δ _all } indicates the thermal displacement at all nodes of the structure model of the column 12. However, in order to perform correction by the thermal displacement correction device 30, the amount of thermal displacement of the entire column 12 is not necessary, and only a portion of the column 12 where the saddle 13 slides is sufficient. Therefore, the equation (6) thermal displacement amount vector {[delta] _all} in, some of the nodes of column 12 Po1, Po2, the thermal displacement amount vectors {[delta] _part1} in Po3, thermal displacement at the nodes of the other sites When divided into vectors {δ _part2 }, the following equation (7) is obtained.

式（７）のうち、コラム１２の構造体モデルの節点Ｐｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３における熱変位量ベクトル｛δ_part1｝のみを抽出すると、上述した式（１）のように表すことができる。 Of the formula (7), when to extract only thermal displacement vector {[delta] _part1} at the nodes Po1, Po2, Po3 of the structure model of the column 12 can be expressed as the above-mentioned equation (1).

（７．効果）
温度センサ２１ａ〜２１ｄは、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の内部に配置されるが、中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ１２の内部には配置されていない。そのため、温度センサ２１ａ〜２１ｄの数は、全体のブロック数より少ない。さらに、主ブロック温度Ｔａ１〜Ｔａ４は、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４に配置される温度センサ２１ａ〜２１ｄによる検出温度とする。一方、中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６は、隣り合う２つの主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２に基づいて決定される。従って、隣り合う２つの主ブロックＢａ１，Ｂａ２の間が、中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６の存在によって、急激な温度変化となることが抑制される。つまり、温度センサ２１ａ〜２１ｄの数を多くしないことによる低コスト化を図りつつ、且つ、中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ１２によって主ブロックＢａ１〜Ｂａ４を繋ぐことにより、コラム１２の構造体モデルが大きく折れ曲がることが抑制されることによって高精度な熱変位量が推定される。 (7. Effect)
The temperature sensors 21a to 21d are arranged inside the main blocks Ba1 to Ba4, but are not arranged inside the intermediate blocks Bb1 to Bb12. Therefore, the number of temperature sensors 21a to 21d is smaller than the total number of blocks. Further, the main block temperatures Ta1 to Ta4 are set as temperatures detected by the temperature sensors 21a to 21d arranged in the main blocks Ba1 to Ba4. On the other hand, intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 are determined based on two adjacent main block temperatures Ta1 and Ta2. Therefore, a sudden temperature change is suppressed between the two adjacent main blocks Ba1 and Ba2 due to the presence of the intermediate blocks Bb3 to Bb6. In other words, the structure model of the column 12 can be greatly bent by connecting the main blocks Ba1 to Ba4 with the intermediate blocks Bb1 to Bb12 while reducing the cost by not increasing the number of the temperature sensors 21a to 21d. By being suppressed, a highly accurate thermal displacement amount is estimated.

また、中間ブロック温度取得部２３は、隣り合う２つの主ブロックＢａ１，Ｂａ２における主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２の差｜ΔＴ_{ａ１−ａ２}｜が許容値Ｔｈ以下の場合に、中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６を、隣り合う２つの主ブロックＢａ１，Ｂａ２の何れか一方における主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２と同一温度とする。一方、中間ブロック温度取得部２３は、主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２の差｜ΔＴ_{ａ１−ａ２}｜が許容値Ｔｈを超える場合に、中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６を、隣り合う２つの主ブロックＢａ１，Ｂａ２における主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２の間の温度とする。 The intermediate block temperature acquisition unit 23 determines the intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 when the difference | ΔT _a1 −a2 | between the main block temperatures Ta1 and Ta2 between the two adjacent main blocks Ba1 and Ba2 is equal to or less than the allowable value Th. The main block temperature Ta1, Ta2 in either one of the two adjacent main blocks Ba1, Ba2 is set to the same temperature. On the other hand, when the difference | ΔT _a1−a2 | between the main block temperatures Ta1 and Ta2 exceeds the allowable value Th, the intermediate block temperature acquisition unit 23 determines the intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 as two adjacent main blocks Ba1 and Ba2. The temperature is between the main block temperatures Ta1 and Ta2.

中間ブロック温度取得部２３は、隣り合う２つの主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２の差｜ΔＴ_{ａ１−ａ２}｜が許容値Ｔｈを超える場合、すなわち、コラム１２の構造体モデルが大きく折れ曲がるようになる場合に、中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６を演算する。一方、中間ブロック温度取得部２３は、隣り合う２つの主ブロック温度Ｔａ１，Ｔａ２の差｜ΔＴ_{ａ１−ａ２}｜が許容値Ｔｈ以下の場合、すなわち、コラム１２の構造体モデルが大きく折れ曲がらない場合には、中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６の演算を行わない。従って、中間ブロック温度取得部２３による演算負荷が低減する。 When the difference | ΔT _a1 −a2 | between the two adjacent main block temperatures Ta1 and Ta2 exceeds the allowable value Th, that is, when the structure model of the column 12 is greatly bent. The intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 are calculated. On the other hand, when the difference | ΔT _a1 −a2 | between the two adjacent main block temperatures Ta1 and Ta2 is equal to or smaller than the allowable value Th, that is, the structure model of the column 12 is not greatly bent. The intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 are not calculated. Therefore, the calculation load by the intermediate block temperature acquisition unit 23 is reduced.

さらに、隣り合う２つの主ブロックの間に配置される中間ブロックの数は、隣り合う２つの主ブロックにおける主ブロック温度の最大差が大きいほど多く設定され、隣り合う２つの主ブロックにおける主ブロック温度の最大差が小さいほど少なく設定される。 Furthermore, the number of intermediate blocks arranged between two adjacent main blocks is set to increase as the maximum difference in main block temperatures between the two adjacent main blocks increases, and the main block temperature between the two adjacent main blocks. The smaller the maximum difference, the smaller the setting.

そして、隣り合う２つの主ブロックの間に存在する中間ブロックの数が多いほど、２つの主ブロックの間の温度変化を滑らかにできる。しかし、中間ブロックの数が多いほど、構造解析による演算量が多くなる。そこで、隣り合う２つの主ブロックの間に存在する中間ブロックの数を、２つの主ブロック温度の最大温度差に応じた数とすることで、構造解析による演算量が多くなることを抑制しつつ、温度変化を滑らかにできる。 As the number of intermediate blocks existing between two adjacent main blocks increases, the temperature change between the two main blocks can be made smoother. However, the greater the number of intermediate blocks, the greater the amount of computation by structural analysis. Therefore, by setting the number of intermediate blocks existing between two adjacent main blocks to a number corresponding to the maximum temperature difference between the two main block temperatures, it is possible to suppress an increase in the amount of calculation by structural analysis. The temperature change can be smoothed.

また、中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ１２の領域は、主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の領域より小さく設定される。主ブロック温度Ｔａ１〜Ｔａ４は温度センサ２１ａ〜２１ｄによる検出温度であるが、中間ブロック温度Ｔｂ１〜Ｔｂ１２は演算値である。そこで、温度センサ２１ａ〜２１ｄによる検出温度Ｔａ１〜Ｔａ４を用いることができる主ブロックＢａ１〜Ｂａ４の領域が中間ブロックＢｂ１〜Ｂｂ１２より大きく設定されることで、安定した熱変位量が得られる。 The area of the intermediate blocks Bb1 to Bb12 is set smaller than the area of the main blocks Ba1 to Ba4. The main block temperatures Ta1 to Ta4 are temperatures detected by the temperature sensors 21a to 21d, but the intermediate block temperatures Tb1 to Tb12 are calculated values. Therefore, the region of the main blocks Ba1 to Ba4 in which the detection temperatures Ta1 to Ta4 detected by the temperature sensors 21a to 21d can be used is set larger than the intermediate blocks Bb1 to Bb12, so that a stable amount of thermal displacement can be obtained.

また、図５のＳ４に示すように、中間ブロック温度取得部２３は、複数の中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６の各々の中間ブロック温度Ｔｂ３〜Ｔｂ６を、一方の主ブロックＢａ１側から他方の主ブロックＢａ２側に向かう方向に段階的に異なる温度として取得する。隣り合う２つの主ブロックＢａ１，Ｂａ２の間に複数の中間ブロックＢｂ３〜Ｂｂ６が存在する場合に、徐々に温度を変化させることで、隣り合う２つの主ブロックＢａ１，Ｂａ２の間の温度変化がより滑らかとなる。その結果、高精度な熱変位量が推定される。 Further, as shown in S4 of FIG. 5, the intermediate block temperature acquisition unit 23 changes the intermediate block temperatures Tb3 to Tb6 of each of the plurality of intermediate blocks Bb3 to Bb6 from the one main block Ba1 side to the other main block Ba2 side. Acquire as different temperatures step by step in the direction toward. When there are a plurality of intermediate blocks Bb3 to Bb6 between two adjacent main blocks Ba1 and Ba2, the temperature change between the two adjacent main blocks Ba1 and Ba2 is further increased by gradually changing the temperature. Smooth. As a result, a highly accurate thermal displacement amount is estimated.

１０：工作機械、１１：ベッド、１２：コラム、１３：サドル、１４：主軸、１５：スライドテーブル、１６：ターンテーブル、１９：回転工具、２０：熱変位量推定装置、２１ａ−２１ｄ：温度センサ、２２：主ブロック温度取得部、２３：中間ブロック温度取得部、２４：構造解析部、３０：熱変位補正装置、４０：制御装置、Ｂａ１−Ｂａ４：主ブロック、Ｂｂ１１−Ｂｂ１２：中間ブロック、Ｐｏ１，Ｐｏ２，Ｐｏ３：節点、Ｔａ１−Ｔａ４：主ブロック温度、温度センサによる検出温度、Ｔｂ１−Ｔｂ１２：中間ブロック温度 10: Machine tool, 11: Bed, 12: Column, 13: Saddle, 14: Spindle, 15: Slide table, 16: Turntable, 19: Rotary tool, 20: Thermal displacement estimation device, 21a-21d: Temperature sensor 22: main block temperature acquisition unit, 23: intermediate block temperature acquisition unit, 24: structural analysis unit, 30: thermal displacement correction device, 40: control device, Ba1-Ba4: main block, Bb11-Bb12: intermediate block, Po1 , Po2, Po3: node, Ta1-Ta4: main block temperature, temperature detected by temperature sensor, Tb1-Tb12: intermediate block temperature

Claims

When dividing a machine tool structure model into a plurality of blocks, a plurality of temperature sensors arranged inside a plurality of main blocks that are part of the plurality of blocks;
When the main block temperature in each of the plurality of main blocks is a uniform value, the main block temperature acquired by each of the plurality of temperature sensors is acquired as the main block temperature in each of the corresponding plurality of main blocks. A block temperature acquisition means;
In the case where one or a plurality of intermediate blocks are arranged between two adjacent main blocks among the plurality of main blocks, when the one intermediate block is arranged, the intermediate in the one intermediate block When the block temperature is a uniform value and the plurality of intermediate blocks are arranged , the two adjacent main blocks are adjacent when the intermediate block temperature in each of the intermediate blocks is a uniform value. Intermediate block temperature acquisition means for acquiring the intermediate block temperature based on the main block temperature in
A structural analysis means for performing a structural analysis of the structural body model based on the main block temperature and the intermediate block temperature and estimating a thermal displacement amount in the structural body model;
A thermal displacement estimation device comprising:

The intermediate block temperature acquisition means includes
Determining whether the difference between the main block temperatures of the two adjacent main blocks is less than or equal to an allowable value;
When the difference in the main block temperature is less than or equal to an allowable value, the intermediate block temperature is set to the same temperature as the main block temperature in one of the two adjacent main blocks,
When the difference in the main block temperature exceeds an allowable value, the intermediate block temperature is set as a temperature between the main block temperatures in the two adjacent main blocks.
The thermal displacement amount estimation apparatus according to claim 1.

The number of the intermediate blocks arranged between the two adjacent main blocks is set to increase as the maximum difference in the main block temperature between the two adjacent main blocks increases, and the number of main blocks in the two adjacent main blocks increases. The thermal displacement amount estimation device according to claim 1, wherein the thermal displacement amount estimation device is set to be smaller as the maximum difference in block temperature is smaller.

The thermal displacement amount estimation device according to any one of claims 1 to 3, wherein the intermediate block region is set smaller than the main block region.

Between the two adjacent main blocks, a plurality of intermediate blocks are arranged in a direction from one main block side to the other main block side,
The intermediate block temperature acquisition means, when the main block temperature in the one main block is higher than the main block temperature in the other main block, the intermediate block temperature in the intermediate block on the one main block side is The amount of thermal displacement according to any one of claims 1 to 4 , wherein each of the intermediate block temperatures is acquired so as to be higher than the intermediate block temperature in the intermediate block on the other main block side. Estimating device.

When a machine tool structure model is divided into a plurality of blocks, a plurality of temperature sensors are arranged inside a plurality of main blocks that are a part of the plurality of blocks,
When the main block temperature in each of the plurality of main blocks is a uniform value, the main block temperature acquired by each of the plurality of temperature sensors is acquired as the main block temperature in each of the corresponding plurality of main blocks. Block temperature acquisition process;
In the case where one or a plurality of intermediate blocks are arranged between two adjacent main blocks among the plurality of main blocks, when the one intermediate block is arranged, the intermediate in the one intermediate block When the block temperature is a uniform value and the plurality of intermediate blocks are arranged , the two adjacent main blocks are adjacent when the intermediate block temperature in each of the intermediate blocks is a uniform value. An intermediate block temperature acquisition step of acquiring the intermediate block temperature based on the main block temperature in
A structural analysis step of performing a structural analysis of the structure model based on the main block temperature and the intermediate block temperature, and estimating a thermal displacement amount in the structure model;
A thermal displacement amount estimation method comprising:

The thermal displacement estimation device according to any one of claims 1 to 5,
A correction device for correcting a position command value of the moving body of the machine tool based on the estimated thermal displacement amount;
A machine tool.