逆解析による工作機械の 熱源熱量推定法事例紹介...
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逆解析による工作機械の熱源熱量推定法
鳥取大学 大学院 工学研究科
機械宇宙工学専攻
助教 上原 一剛
Heat Flux Estimation at Heat Sources of Machine Tool by Solving Inverse Problem
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研究背景切削現場で精度不良
工作機械機体の熱変形が一つの原因
工作機械の多軸化による機体構造が複雑化→熱変形の原因やその挙動の特定が困難
【工作機械】
発 熱
熱 変 形
主軸モーター主軸モーター
工具工具
工作物工作物
直動案内直動案内
工作機械機体の熱変形による工作機械機体の熱変形による加工精度・加工能率の低下加工精度・加工能率の低下
発熱源：主軸モーター，直動案内の摺動面，気温の変化，日射等
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従来技術とその問題点
熱変形補正システム：最近の多くの工作機械には搭載済み
既存の熱変形補正システム
機体の測定温度測定→回帰分析（温度上昇量と工具刃先の変位量）等を利用して補正量を決定
【問題点】
機体の温度測定値のみを利用→機体の構造が反映されない
複雑化した機体構造を有する複合工作機械の熱変形補正にそのまま適用しても補正精度は十分でない
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従来の熱変形補正システム新技術の
熱変形補正システム
δ = f(t1, t2, ..., tn)δ ： 熱変位量f ： 回帰式t1, ... tn ： 機体温度上昇量n ： 温度測定点の数
①機体の温度上昇量の測定
↓②逆解析による熱源熱量の推定
↓③機体の温度解析
↓④機体の熱変形シミュレーション
↓⑤熱源熱量に基づく工具刃先
変位回帰式の構築
①機体の温度上昇量の測定
↓⑤温度上昇量に基づく工具刃先変位
回帰式の構築
δ = f(Q1, Q2, ..., Qn’)
δ ： 熱変位量f ： 回帰式Q1, ... Qn’ ： 推定した熱源熱量n’ ： 熱源の数
回帰式に基づいて工具刃先変位を補正
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事例紹介クロススライドモデルの温度上昇の測定結果から，クロススライドモデルの熱源と
流入熱量を推定
事例紹介クロススライドモデルの温度上昇の測定結果から，クロススライドモデルの熱源と
流入熱量を推定
有限要素解析と最適化手法を組み合わせた逆解析による熱源の同定
有限要素解析と最適化手法を組み合わせた逆解析による熱源の同定
工作機械機体モデル（クロススライドモデル）
熱変形補正式の確立熱変形補正式の確立
工作機械機体の熱変形の高精度補正技術を開発するための基礎として，有限要素法による温度上昇解析と最適化手法を組み合わせた逆解析によって工作機械の熱源熱量を推定する方法を提供
新技術の概要
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熱源熱量推定アルゴリズム
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新技術の適用事例（既知定常熱源熱量の推定実験）
クロススライドのCADモデル
クロススライド: 市販複合加工機の構成部品
実機の運転複合加工機のベッド
上に設置
本実験単体モデルで検討
シリコンラバーヒーター(300 W, 600 mm x 50 mm)
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温度センサの設置箇所(15箇所)と温度上昇量の測定結果
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室温：21 ℃湿度：55 %
加熱時間：8 h
シリコンラバーヒーター
(300 W, 600 mm x 50 mm)
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比較
恒温室でのクロススライドの温度測定結果
最適化アルゴリズムで選定した熱流束の組み合わせで求めた温度上昇量
一つの熱流束の組み合わせに対する温度解析時間：約３分繰り返し計算により目的関数を最小化する熱流束の組み合わせを探す
繰り返し計算の時間：２４ｈ（５００回程度の繰り返し計算）
δ2が最小値になる熱流束の値の組み合わせを探索実験値と完全に一致する場合→δ2=0
目的関数：温度上昇量の測定値と解析値の残差の二乗和δ2
クロススライド熱源熱量推定の推定方法
【実験】
【解析】
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温度評価点と熱源候補域
熱源候補域(A～I)クロススライドモデルの9カ所
熱流束を適用した面を除いてすべての面は放熱面
熱流束＝(流入する熱量)/(面積)
温度評価点(t1～t15)温度測定点に対応する15カ所
実熱源
(実熱源)
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熱源熱量の推定結果
逆解析の最適解
(前面) (背面)
最適条件における熱源分布
実熱源Bの熱量をほぼ推定可能
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熱源熱量の推定精度に及ぼす温度評価点の数の影響
○温度センサの数≦ 2→実熱源Bの熱量推定精度：低○温度センサの数：多→熱源候補域D, E, Fの
熱量推定精度：高
実熱源
実熱源
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熱源熱量の推定精度に及ぼす熱源候補域の数の影響
タスクs2, s3実熱源Bの熱量推定精度：高
タスクs2, s3の熱源の組み合わせは，実験での熱源分布を考慮して選定
熱源候補域の選定実機の運転状態の考慮が必要
(実熱源)
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新技術の特徴・従来技術との比較• FEMを利用すれば熱源熱量の推定結果から工作機械機体全体の温度上昇を把握できる。
• 工作機械機体全体の推定温度上昇に対応する機体の熱変形に基づいて高精度な熱変位補正法が構築できる。
• 熱源熱量の推定精度が高い温度センサの設置方法を提供できる。
実用化に向けた課題
• 非定常熱源への対応• 逆解析手法の検討：逆解析の解析時間短縮の必要性• 熱源熱量の推定に最適な温度センサの設置方法の検討
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想定される用途• 工作機械機体の熱変位補正• 温度センサの出力を利用した機器の制御• 熱源を有する機器の熱変位対策
想定される業界
• 工作機械メーカー• 超精密機器業界• 温度センサの出力を利用した機器のメーカー
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本技術に関する知的財産権・発明の名称：工作機械、その工作機械の熱流入量および温度
分布を近似する方法ならびにその方法のためのプログラム
・ 出願番号：特願2009-185667・ 出願人：鳥取大学
・ 発明者：上原一剛、小幡文雄、三宅成人
・ 発明の名称：工作機械、工作機械の温度測定部の数及び配定
の決定方法及びプログラム
・ 出願番号：特願2009-269600・ 出願人：鳥取大学
・ 発明者：上原一剛、小幡文雄
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お問い合わせ先
鳥取大学 大学院 工学研究科
機械宇宙工学専攻 助教 上原一剛
ＴＥＬ ０８５７－３１－ ５７７８
ＦＡＸ ０８５７－３１ －５７７３
e-mail [email protected]
鳥取大学 産学・地域連携推進機構
知的財産管理運用部門長・教授 佐々木 茂雄
ＴＥＬ ０８５７－３１－３０００
ＦＡＸ ０８５７－３１－５４７４
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