CN104227498A - 具有热位移量修正功能的机床 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有热位移量修正功能的机床。所述机床具备检测主轴电动机的负荷的轴负荷测定单元，根据主轴电动机的测定负荷超过预先决定的值，判定为刀具接触工件，将刀具接触工件为止的时间与基准时间、实际测定时间进行比较来检测主轴的热位移并进行修正。

Description

具有热位移量修正功能的机床
技术领域
本发明涉及一种机床，尤其涉及一种具有热位移量修正功能的机床。
背景技术
当前使用的数值控制机床具备：固定在某个直线移动轴上的主轴、具有两轴以上的直线移动轴的工作台、设置在工作台上的具有旋转轴的用于固定加工工件的旋转工作台、控制这些主轴和工作台的数值控制装置。在这些数值控制机床中虽然在出货时保证加工精度，但在之后的使用中，主轴由于来自电动机或轴承等发热源的热量而产生热位移。为了维持加工精度，修正这些热位移是非常重要的。
关于热位移，特别是有时主轴由于电动机或轴承的发热向主轴的前进后退方向上发生大的位移，此时，在主轴的前进后退方向的加工量中产生误差，加工精度降低。
在日本特开2006-281335号公报中，作为解决这些问题的方法公开了如下技术，即根据测定机床的各构成要素的温度而得到的测量温度和刀尖位置的坐标来推定热位移量。
在日本特开2006-116663号公报中公开了根据主轴的负荷或转速、前次的热位移量进行运算，计算热位移量的技术。
在日本特开2013-82022号公报中公开了为了消除或缩短暖气运转的时间，基于检测部的检测，根据第一接触检测时的坐标与第二接触检测时的坐标的差决定修正量的技术。
日本特开2006-281335号公报日本特开2006-116663号公报
在日本特开2006-281335号公报中公开的技术为了测定机床的各结构要素的温度，需要在机床的机内的各处安装温度测量用传感器，因此安装的传感器发生故障的可能性增加，导致成本的上升。
在日本特开2006-116663号公报中公开的技术是根据主轴的负荷或转速进行运算，因此难以综合预测设置机床的环境等机械动作以外的因素。
在日本特开2013-82022号公报中公开的技术是在接触检测时，使用接触传感器进行检测，因此担心由于传感器的可靠性而无法进行适当的检测或产生传感器维护检修的麻烦。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够简便地检测由机床的主轴误差或变形引起的位移并进行修正的机床。
在本发明的具有热位移量修正功能的机床中，其具备：使安装有刀具的主轴移动的主轴直线移动轴、使工作台移动的两个以上的工作台直线移动轴、控制所述主轴直线移动轴以及所述工作台直线移动轴的数值控制装置，该数值控制机床具备：轴负荷测定单元，其测定驱动所述主轴直线移动轴的主轴电动机的负荷；基准接触时间存储单元，其从所述刀具没有接触配置在所述工作台上的工件的预定的位置开始进行所述主轴的移动以及时间的测量，把直到通过所述轴负荷测定单元测定到的所述主轴电动机的负荷超过预先决定的值判定为所述刀具接触所述工件为止的时间作为基准接触时间进行存储；实际接触时间存储单元，其在存储所述基准接触时间后的加工中，从所述刀具没有接触配置在所述工作台上的工件的预定的位置开始进行所述主轴的移动以及时间的测量，把直到通过所述轴负荷测定单元测定到的所述主轴电动机的负荷超过预先决定的值判定为所述刀具接触所述工件为止的时间作为实际接触时间进行存储；热位移量计算单元，其在所述基准接触时间与所述实际接触时间的时间差超过预先设定的时间时，根据所述主轴的进给速度和所述时间差计算热位移量；以及热位移修正单元，其根据所述热位移量计算单元计算出的热位移量，对所述主轴直线移动轴的移动量进行修正。
上述机床通过测定负荷超过预先决定的值来判定刀具接触工件，将直到刀具接触工件为止的时间与基准时间、实际测定时间进行比较，检测主轴的热位移并进行修正，因此不需要设置用于检测热位移量的传感器，提高可靠性和可维护性。此外，根据来自主轴负荷的反馈，存储加工精度良好的加工动作，因此能够应对设置机械的环境的变化。
在本发明的具有热位移量修正功能的机床中具备：使安装有刀具的主轴移动的主轴直线移动轴、使工作台移动的两个以上的工作台直线移动轴、控制所述主轴直线移动轴以及所述工作台直线移动轴的数值控制装置，该数值控制机床具备：轴负荷测定单元，其测定驱动所述主轴直线移动轴的主轴电动机的负荷；基准接触坐标存储单元，其把所述轴负荷测定单元测定到的所述主轴电动机的负荷超过预先决定的值判定为所述刀具接触所述工件的时的坐标作为基准接触坐标进行存储；实际接触坐标存储单元，其在存储所述基准接触坐标后的加工中，把所述轴负荷测定单元测定到的所述主轴电动机的负荷超过预先决定的值所述刀具接触所述工件时的坐标作为实际接触坐标进行存储；热位移量计算单元，其在所述基准接触坐标与所述实际接触坐标的差超过预先设定的值时，计算该值来作为热位移量；以及热位移修正单元，其根据所述热位移量计算单元计算出的热位移量，修正所述主轴直线移动轴的移动量。
上述机床通过测定负荷超过预先决定的值来判定刀具接触工件，将刀具接触工件时的坐标与基准时、实际测定时的坐标进行比较，检测主轴的热位移并进行修正，因此不需要设置用于检测热位移量的传感器，提高可靠性和可维护性。此外，根据来自主轴的负荷的反馈，存储加工精度良好的加工动作，因此能够应对设置机械的环境的变化。
通过具备以上的结构，本发明能够提供一种能够简便地检测由机床的主轴误差或变形引起的位移并进行修正的机床。
附图说明
参照附图对以下的实施例进行说明，从而使本发明的所述以及其他目的以及特征更加明确。这些附图中：
图1是数值控制机床的概略图。
图2是表示主轴、刀具以及工件的关系的模式图。
图3是表示位移前和位移后的刀具与工件的接触时间的位移的图。
图4A、图4B是热位移的修正的概略图。
图5是表示基准时间设定的流程的流程图。
图6是表示热位移修正的流程的流程图。
图7是表示基准时间设定的流程的流程图。
图8是表示热位移修正的流程的流程图。
具体实施方式
图1表示数值控制机床的概略。数值控制机床10由底座12、立柱14、主轴16、主轴头18、工作台20等组成。在最下部设置底座12、在底座12上设置立柱14和工作台20。在工作台20的下部设置X轴电动机24和Y轴电动机26，通过X轴电动机24和Y轴电动机26的驱动，能够在平面上驱动工作台20。此外，在立柱14上设置主轴头18，通过在相同的立柱14上设置的Z轴电动机28能够在上下方向即Z轴方向上驱动。X轴电动机24、Y轴电动机26以及Z轴电动机28都是由伺服电动机构成的。
在主轴头18的与立柱14相反一侧的端部安装主轴16，此外，在主轴头18上安装用于驱动主轴16的主轴电动机22。
并且，在主轴16的下部安装刀具30。
通过X轴电动机24以及Y轴电动机26使工作台20沿着XY平面移动，并且使主轴16通过Z轴电动机28在Z轴方向上前进后退，通过安装在主轴16上的刀具30，对设置在工作台20上的未图示的工件进行加工。
图2以及图3表示基本原理。图2表示主轴16、刀具30以及工件32的关系，图2(a)是表示位移前的理想状态的图，图2(b)是表示位移后的状态的图。与图2(a)的位移前的理想状态相比，在图2(b)中由于电动机的发热等主轴16和刀具30发生位移，成为向下方伸长的状态。当主轴16由于电动机的发热等从位移前的理想状态成为进行了位移的状态时，根据从刀具30开始移动到接触工件32为止的时间或直到接触工件32为止的刀具30的距离发生变化，来检测位移量。此外，不必另设用于检测的传感器，而是通过监视对主轴电动机22施加的负荷，来检测刀具30与工件32的接触。
图3表示在位移前的理想状态和位移后的状态，直到刀具30和工件32接触为止的时间产生差。如图2所示，与图2(a)相比图2(b)的刀具成为向下方伸长的状态。因此，如图3所示，关于直到判定为接触为止的时间，位移后的状态比位移前的状态短。根据该时间差和刀具30的进给速度计算位移量并进行修正。
如图4A所示，在一实施方式中，作为第一步骤在机械的温度为理想的状态下使第一次的一连串的加工程序动作。在第一次的一连串的加工程序中，与加工程序的动作开始同时地开始计时，之后将刀具30接触被加工物即工件32瞬间的时间依次记录成A(1)、A(2)……。关于刀具的接触判定，监视主轴负荷，在检测出旋转的刀具30接触工件32瞬间的一定以上的主轴负荷，并且前不久没有输出改变主轴电动机22的转速的指令时，作出主轴接触判定。图4A中的41是第一步骤中的主轴负荷。
接下来，如图4B所示，作为第二步骤使与第一步骤完全相同的加工程序动作。与第一步骤相同地，在加工程序开始的同时进行主轴负荷的监视开始计时，分别测量直到刀具接触工具为止的时间，将作出主轴接触判定的时间与第一次记录的该时间进行比较。在比较两个时间时，如图4B的A(1)和B(1)所示，当存在某阈值以上的时间差时，修正下次以后的Z轴原点，进入下次的加工动作。通过该原点的修正，如A(2)和B(2)所示，可以期待将两者的时间差降低到阈值以内。通过重复该一连串的流程，即使在加工时无能维持理想的环境，也能够维持理想状态下的加工精度。图4B中的42是第二步骤中的主轴负荷。
图5以及图6的流程图表示本实施方式的热位移修正的流程。
作为第一步骤，使一连串的加工程序动作，设定成为各加工动作中的从加工动作开始到刀具接触为止的基准的时间。在执行该步骤时，希望在机械温度或机外温度等放置机床的环境，例如是机械充分冷却的状态或机外温度保持25°左右的状态等理想的状态下进行。
从加工程序开始动作开始监视主轴负荷，将从加工程序开始动作开始直到刀具接触为止的时间保存在数值控制装置的存储介质中。将第一步骤中的加工程序中的第n次主轴刀具接触时间设为A(n)。关于主轴负荷的监视，如图3所示，在对主轴施加了预定值以上的负荷，并且从施加负荷的时刻开始在△t[msec]以内没有使主轴转速变化的指令时，判定为接触。△t[msec]是比用于使主轴转速变化所需要的时间长的时间。
通过图5所示的流程图，按每个步骤叙述这些基准时间的取得流程。
(步骤SA1)开始加工程序，开始主轴负荷的监视以及计时。设定为n＝1。
(步骤SA2)判定主轴负荷是否超过预定值，并且前不久是否没有改变主轴转速。当都满足时(是)，进入步骤SA3，当某一个没有满足时(否)，重复步骤SA2等待全部条件都满足。
(步骤SA3)当判定为刀具接触工件时，记录接触时的时间的值作为基准接触时间，分配序号，存储为A(n)。
(步骤SA4)判定加工程序是否结束。当程序已结束时(是)结束，当没有结束时(否)进入步骤SA5。
(步骤SA5)对n的值加1，返回到步骤SA2。
由此，能够按接触顺序存储在加工程序中几次产生的刀具与工件的接触时间来作为基准接触时间。
接下来，作为第二步骤安装新的工件，使与第一步骤完全相同的加工程序动作。与第一步骤相同地，从加工程序开始动作开始进行主轴负荷的监视，首先测量从加工程序开始动作开始到刀具接触为止的时间B(1)。将第二步骤中的加工程序中的第n次的从加工程序开始动作开始到刀具接触为止的时间设为B(n)。
把测量到的时间B(1)与在第一步骤中存储的每一个的加工动作的时间A(1)进行比较。当比较A(1)和B(1)时，在B(1)比A(1)小某个容许值(k[msec])以上的差时，由于外部温度的变化等主轴进行了容许值以上的位移，设成需要修正。
能够通过下式表示其位移量Zm。
Zm＝X[msec]×Y[mm/sec]
X：B(n)与A(n)(此时n＝1)的时间差
Y：A(n)(此时n＝1)接触时的Z轴的进给速度
由于在第一步骤和第二步骤中使相同的加工程序动作，因此各接触时的Z轴进给速度相同。
在之后的加工动作中，对Z轴原点Z0进行如下更新。以下表示了An＜Bn的例子。
Z0’＝Z0+Zm
Z0’：更新后的Z轴原点
Z0：更新前的Z轴原点
在更新Z轴原点后，在第二加工动作中，与第一加工动作相同地测量从加工动作开始到刀具接触为止的时间B(2)，将该B(2)与A(2)进行比较，判定是否需要修正，在需要修正时进行修正。
直到加工程序结束为止进行重复。
通过图6所示的流程图，按每个步骤叙述这些热位移修正的流程。
(步骤SB1)开始加工程序，开始主轴负荷的监视以及计时。设定n＝1。
(步骤SB2)判定主轴负荷是否超过预定值，并且前不久是否没有改变主轴转速。当主轴负荷超过预定值，并且前不久没有改变主轴转速时(是)，进入步骤SB3，除此以外的情况(否)，重复步骤SB2等待全部条件都满足。
(步骤SB3)判定为刀具接触工件，记录接触时的时间的值作为实际接触时间，分配序号，存储为B(n)。
(步骤SB4)判定A(n)与B(n)的差的绝对值是否大于容许值k。当差大于k时(是)，进入步骤SB6，当差在k以下时进入步骤SB5。
(步骤SB5)对n的值加1，返回到步骤SB2。
(步骤SB6)将A(n)与B(n)的值进行比较，判定是否A(n)大。当A(n)大时(是)，进入步骤SB7，相反，当B(n)大时(否)，进入步骤SB8。
(步骤SB7)在下次以后的程序代码中，将Z轴原点修正成Z0’＝Z0－Zm，进入步骤SB9。
(步骤SB8)在下次以后的程序代码中，将Z轴原点修正成Z0’＝Z0+Zm，进入步骤SB9。
(步骤SB9)判定加工程序是否结束。当程序结束时(是)结束，当没有结束时返回到步骤SB5。
取代以上所述的实施方式中的接触时间的比较，在以下所述的实施方式中，比较刀具30接触被加工物即工件32时的刀具30的坐标。
另外，本实施方式的“坐标”是指机床固有的坐标。
在图7以及图8的流程图中表示热位移修正的流程。
作为第一步骤，为了设定成为各加工动作中的刀具接触为止的基准的坐标，使一连串的加工程序动作。希望在执行该步骤时，在机械温度或机外温度等放置机床的环境，例如是机械充分冷却的状态或机外温度保持25°左右的状态等理想的状态下进行。
从加工程序开始动作开始监视主轴负荷，在各加工动作中，将刀具接触时刻的坐标保存在数值控制装置的存储介质中。将第一步骤中的加工程序中的第n次主轴刀具接触坐标设为A(n)。关于主轴负荷的监视，如图3所示，在对主轴施加了预定值以上的负荷，并且从施加负荷的时刻开始在△t[msec]以内没有使主轴转速变化的指令时，判定为接触。△t[msec]是比用于使主轴转速变化所需要的时间长的时间。
通过图7所示的流程图，按每个步骤叙述这些基准时间的取得流程。
(步骤SC1)开始加工程序，开始主轴负荷的监视。设定n＝1。
(步骤SC2)判定主轴负荷是否超过预定值，并且前不久是否没有改变主轴转速。当都满足时(是)，进入步骤SC3，当某一个没有满足时(否)，重复步骤SC2等待全部条件都满足。
(步骤SC3)当判定为刀具接触工件时，记录接触时的坐标值作为基准接触坐标，分配序号，存储为A(n)。
(步骤SC4)判定加工程序是否结束。当程序结束时(是)结束，当没有结束时(否)进入步骤SC5。
(步骤SC5)对n的值加1，返回到步骤SC2。
由此，能够按接触顺序存储在加工程序中几次产生的刀具与工件的接触坐标来作为基准接触坐标。
接下来，作为第二步骤安装新的工件，使与第一步骤完全相同的加工程序动作。与第一步骤相同地，从开始进行各加工动作中的加工动作开始进行主轴负荷的监视，测量刀具接触时的坐标B(1)。将第二步骤中的加工程序中的第n次刀具接触时的坐标设为B(n)。
把测量到的时间B(1)与在第一步骤中存储的第一次加工动作的坐标A(1)进行比较。在比较A(1)与B(1)时，在B(1)与A(1)的差的绝对值在容许值“k[mm]”以上时，由于外部温度的变化等主轴进行了容许值以上的位移，设为需要修正。
能够通过下式表示其位移量Zm。
Zm＝B(n)－A(n)
在之后的加工动作中，使用位移量Zm对Z轴原点Z0进行如下更新。
Z0’＝Z0+Zm
Z0’：更新后的Z轴原点
Z0：更新前的Z轴原点
在更新Z轴原点后，在第二加工动作中同样地测量从加工动作开始到刀具接触为止的时间B(2)，将该B(2)与A(2)进行比较，判定是否需要修正，需要修正时进行修正。
直到加工程序结束为止进行重复。
通过图8所示的流程图，按每个步骤叙述这些热位移修正的流程。
(步骤SD1)开始加工程序，开始主轴负荷的监视。设定n＝1。
(步骤SD2)判定主轴负荷是否超过预定值，并且前不久是否没有改变主轴转速。当主轴负荷超过预定值，并且前不久没有改变主轴转速时(是)，进入步骤SD3，除此以外的情况(否)，重复步骤SD2等待全部条件都满足。
(步骤SD3)判定为刀具接触工件，记录接触时的坐标的值作为实际接触坐标，分配序号，存储为B(n)。
(步骤SD4)判定A(n)与B(n)的差的绝对值是否大于容许值k。当差大于k时(是)，进入步骤SD6，当差在k以下时进入步骤SD5。
(步骤SD5)对n的值加1，返回到步骤SD2。
(步骤SD6)比较A(n)与B(n)的值，判定是否是A(n)大。当A(n)大时(是)，进入步骤SD7，相反当B(n)大时(否)，进入步骤SD8。
(步骤SD7)在下次以后的程序代码中，将Z轴原点修正成Z0’＝Z0－Zm，进入步骤SD9。
(步骤SD8)在下次以后的程序代码中，将Z轴原点修正成Z0’＝Z0+Zm，进入步骤SD9。
(步骤SD9)判定加工程序是否结束。当程序结束时(是)结束，当没有结束时返回到步骤SD5。

Claims (2)

1.一种数值控制机床，其具备：使安装有刀具的主轴移动的主轴直线移动轴、使工作台移动的两个以上的工作台直线移动轴、控制所述主轴直线移动轴以及所述工作台直线移动轴的数值控制装置，所述数值控制机床的特征在于，具备：
轴负荷测定单元，其测定驱动所述主轴直线移动轴的主轴电动机的负荷；
基准接触时间存储单元，其从所述刀具没有接触配置在所述工作台上的工件的预定的位置开始进行所述主轴的移动以及时间的测量，把直到通过所述轴负荷测定单元测定到的所述主轴电动机的负荷超过预先决定的值判定为所述刀具接触所述工件为止的时间作为基准接触时间进行存储；
实际接触时间存储单元，其在存储所述基准接触时间后的加工中，从所述刀具没有接触配置在所述工作台上的工件的预定的位置开始进行所述主轴的移动以及时间的测量，把直到通过所述轴负荷测定单元测定到的所述主轴电动机的负荷超过预先决定的值判定为所述刀具接触所述工件为止的时间作为实际接触时间进行存储；
热位移量计算单元，其在所述基准接触时间与所述实际接触时间的时间差超过预先设定的时间时，根据所述主轴的进给速度和所述时间差计算热位移量；以及
热位移修正单元，其根据所述热位移量计算单元计算出的热位移量，对所述主轴直线移动轴的移动量进行修正。
2.一种数值控制机床，其具备：使安装有刀具的主轴移动的主轴直线移动轴、使工作台移动的两个以上的工作台直线移动轴、控制所述主轴直线移动轴以及所述工作台直线移动轴的数值控制装置，所述数值控制机床的特征在于，具备：
轴负荷测定单元，其测定驱动所述主轴直线移动轴的主轴电动机的负荷；
基准接触坐标存储单元，其把所述轴负荷测定单元测定到的所述主轴电动机的负荷超过预先决定的值判定为所述刀具接触所述工件的时的坐标作为基准接触坐标进行存储；
实际接触坐标存储单元，其在存储所述基准接触坐标后的加工中，把所述轴负荷测定单元测定到的所述主轴电动机的负荷超过预先决定的值所述刀具接触所述工件时的坐标作为实际接触坐标进行存储；
热位移量计算单元，其在所述基准接触坐标与所述实际接触坐标的差超过预先设定的值时，计算该值来作为热位移量；以及
热位移修正单元，其根据所述热位移量计算单元计算出的热位移量，修正所述主轴直线移动轴的移动量。
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