CN104942651B - 机床的热位移补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机床的热位移补偿装置，具备：检测结果判断单元，其根据由位置检测单元检测出的实际位置和基准位置判断上述实际位置是否是基于正确的检测的位置；补偿误差计算单元，其在判断为检测结果是基于正确的检测的结果的情况下，计算实际位置的补偿误差；以及补偿量修正单元，其根据上述补偿误差来修正上述热位移补偿量。

Description

机床的热位移补偿装置
技术领域
本发明涉及一种机床，特别涉及机床的热位移补偿装置。
背景技术
在机床中，通过电动机来驱动进给丝杠和主轴，从而因电动机的发热、轴承的旋转引起的摩擦热、进给丝杠的滚珠丝杠和滚珠螺母的接触部的摩擦热，使主轴和进给丝杠膨胀，机械位置发生变化。即，在应该定位的工件和工具的相对位置关系中产生偏离。因该热引起的机械位置的变化在进行高精度的加工时成为问题。
为了去除因该热引起的机械位置的位移，利用使用位移传感器和温度传感器并根据检测位移和检测温度来补偿指令位置的技术，或对进给丝杠施加初始张力而不受因热引起的膨胀的影响的构造。
其中，关于补偿指令位置的技术可以分为2大类。
一种是使用接触式探针等来定期地检测实际的热位移而进行补偿。另一种是根据传感器的检测值、机床的运转状态来预测热位移量而实时进行补偿。这些精度和时间为权衡的关系。因此，考虑以下方法，即基本上预测热位移量而实时地进行补偿，但通过适当地检测实际的热位移量，并修正热位移补偿量来提高补偿整体的精度。
在日本特开2002-18677号公报中，关于将进给轴的所有冲程分割为有限个数的各个区间，按照每个区间来推定因进给轴的移动轴引起的热位移量。并且，通过将各个区间的热位移量从基准点到补偿位置进行相加，能够推定进给丝杠的各位置的热位移的分布，能够不依赖进给轴的位置而精度良好地进行补偿。另外，也能够考虑主轴和主轴电动机的发热引起的热位移而精度良好地补偿热位移。进而，根据推定出的热位移量(补偿量)和实际的机械位置之间的偏差量(补偿误差)来修正热位移量计算式的发热系数，进行更准确的补偿。
在日本特开2012-101330号公报中，通过位置检测传感器来预先存储初始位置，将接着输出信号的位置检测为实际位置。然后，以初始位置和实际位置的检测值的差为基础来计算误差补偿率，修正热位移补偿量。也能够考虑不依赖周围环境的温度变化等机械的动作的热位移来进行补偿。
在日本特开平11-90779号公报中，在机床的驱动开始后实际测量热位移量，通过该实际测量值来修正热位移补偿量的计算值。具体地说，将从实际测量值减去计算值后所得的差、或实际测量值和计算值之间的比计算为补偿值，并与计算值相加或相乘来进行热位移量的修正。通过根据实际测量值来修正热位移量的计算值，根据每一个机床的特性、使用环境来计算出正确的热位移量。
在日本特开2002-18677号公报、日本特开2012-101330号公报、日本特开平11-90779号公报中，在咬入切屑或溅上冷却液后基于位置检测传感器的检测结果不恰当的情况下，会担心错误地修正了系数、热位移补偿量而使得补偿结果恶化。
进而在日本特开2002-18677号公报中公开一种使用补偿误差来修正热位移量计算式的发热系数的方法，但是计算式也包括其他的系数(发热系数、计算来自邻接区间的热传导的热传导系数)，因此有时候为了进一步提高补偿的精度，仅仅修正发热系数是不充分的。
另外，在日本特开平11-90779号公报公开的技术中残留以下问题，即通过比较工具接触检测器为止的驱动量和计算上的驱动量来计算热位移量的实际测量值，因此在由于柱的变形等造成计算上的驱动量不同的情况下不能彻底补偿完热位移。
发明内容
因此，本发明的目的为提供一种机床的热位移补偿装置，如果基于位置检测传感器的检测结果不恰当则进行再检测，根据正确地检测出的热位移量的实际测量值(实际测量热位移量)来修正热位移补偿量，由此能够考虑周围环境的温度变化等不依赖机械动作的热位移来进行补偿。
本发明的机床的热位移补偿装置计算机床的热位移量，将消除该热位移量的量设为热位移补偿量，通过对进给轴的位置指令加上该热位移补偿量来进行补偿，该机床的热位移补偿装置具备：位置检测单元，其检测机床的可动部的位置；基准位置存储单元，其将上述位置检测单元在第一时刻的检测结果存储为基准位置；实际位置存储单元，其将上述位置检测单元在第二时刻的检测结果存储为实际位置；检测结果判断单元，其根据上述实际位置和上述基准位置判断上述实际位置是否是基于正确的检测的位置；再检测单元，其在通过上述检测结果判断单元判断为检测结果不是基于正确的检测的结果的情况下，进行基于上述位置检测单元的位置的再检测；补偿误差计算单元，其在通过上述检测结果判断单元判断为检测结果是基于正确的检测的结果的情况下，将根据上述实际位置和上述基准位置之间的差计算出的实际测量热位移量与上述热位移量进行比较，计算实际位置的补偿误差；以及补偿量修正单元，其根据由上述补偿误差计算单元计算出的补偿误差来修正上述热位移补偿量。
上述检测结果判断单元可以为如果上述实际位置和上述基准位置之间的差为阈值以内，则判断为检测结果是基于正确的检测的结果的结构。达到能够判断检测值是否是基于正确的测量的值的效果。
上述阈值能够作为加上了热位移量的值。即使是热位移大的加工也不需要增大阈值，从而达到错误检测变少的效果。
上述再检测单元在通过上述检测结果判断单元判断为检测结果不是基于正确的检测的结果的情况下，能够错开检测位置而进行检测。即使咬入切屑而不能检测，也会达到在再检测时能够进行检测的效果。
上述补偿量修正单元根据补偿误差相对于实际位置的热位移量的比例来求出误差补偿率，将该误差补偿率与上述热位移量相乘或相除后，能够使上述热位移量增加或减少。达到能够通过比例来进行补偿量的修正的效果。
上述补偿量修正单元将从实际位置的补偿误差减去实际位置的上述热位移量后得到的值与上述热位移量相加或相减后，能够使上述热位移量增加或减少。达到能够通过差分来进行补偿量的修正的效果。
本发明通过具备以上结构，能够提供以下的机床的热位移补偿装置，即如果基于位置检测传感器的检测结果不恰当则进行再检测，根据正确地检测出的实际测量热位移量来修正热位移补偿量，由此能够考虑周围环境的温度变化等不依赖机械动作的热位移来进行补偿。
附图说明
参照附图根据以下对实施例的说明，使得本发明的上述以及其他的目的和特征变得明确。
图1是表示位置检测传感器的设置位置的例子的图。
图2是表示控制机床的数值控制装置的主要部分的框图。
图3是说明区间的设定的图。
图4是表示热位移补偿的处理的流程图。
图5是表示计算热位移量的处理的流程图。
图6是表示计算误差补偿率E的处理的流程图。
图7A、B是用于说明公式(数学式3)的图。
图8A、B是用于说明公式(数学式4)和公式(数学式5)的图。
具体实施方式
首先说明检测进给轴的位置的情况。
1、〈位置检测传感器〉(检测进给轴的位置)
图1是表示位置检测传感器1的设置位置的例子的概略图。如图1所示，位置检测传感器1被保持在主轴2上，在与固定在工作台3上的工件4和夹具5接触时产生接触信号。例如作为位置检测传感器1，使用作为接触式的接触式探针。伴随着机床的进给轴的移动的接触式探针也移动，因此能够根据最佳的位置和方向进行检测。
另外，作为位置检测传感器1，不限于上述的接触式探针，也可以使用限位开关、微动开关等接触式位置检测用开关和磁式检测开关、感应式非接触式开关、电容式非接触式开关等非接触式的位置检测用开关。
另外，作为位置检测传感器1的设置位置，可以在机床本体的固定部设置检测头，在机床本体的可动部安装发磁性体。作为固定部，有机床的头、柱、滑座等相对于各进给轴不进行相对的移动的部分。作为可动部，有主轴头、工作台、滑座、与进给轴进行螺合的螺母等向各进给轴方向移动的部分。
图2是表示机床的数值控制装置的主要部分的功能框图。数值控制装置10的处理器(CPU)11是整体地控制数值控制装置10的处理器。处理器11经由总线21读出存储在ROM12中的系统程序，根据该系统程序整体地控制数值控制装置10。在RAM13中存储临时的计算数据和显示数据以及由操作人员经由LCD/MDI单元70而输入的各种数据等。
SRAM14通过未图示的电池而进行备份，作为即使数值控制装置10的电源切断也保持存储状态的非易失性存储器，存储测定初始位置的程序和进行机床的热位移补偿的程序、经由接口15而被读入的后述的加工程序、经由LCD/MDI单元70输入的加工程序等。另外，将用于实施为了生成和编辑加工程序所需要的编辑模式的处理与用于自动运行的处理的各种系统程序预先写入到ROM12中。
接口15是用于能够与数值控制装置10连接的外部设备的接口，与外部存储装置等外部设备72连接。从外部存储装置读入加工程序、热位移测定程序等。PMC(可编程控制器)16通过内置在数值控制装置10中的时序程序来控制机床侧的辅助装置等。即，根据由加工程序所指示的M功能、S功能以及T功能，通过这些时序程序在辅助装置侧变换所需的信号，并从I/O单元17输出到辅助装置侧。各种传动器等辅助装置通过该输出信号进行动作。另外，接收配备在机床本体上的操作盘的各种开关等的信号，进行必要的处理后发送给处理器11。
将机床的各轴的当前位置、警报、参数、图像数据等图像信号发送给LCD/MDI单元70，并显示在其显示器上。LCD/MDI单元70是具备了显示器和键盘等的手动数据输入装置，接口18从LCD/MDI单元70的键盘接收数据后，发送给处理器11。
接口19与手动脉冲发生器71连接，手动脉冲发生器71被安装在机床的操作盘上，被用于通过基于手动操作的分配脉冲进行的各轴控制而精密地定位机床的可动部。使机床的工作台T移动的X、Y轴的轴控制电路以及Z轴的控制电路30～32从处理器11接收各轴的移动指令，将各轴的指令输出给伺服放大器40～42。伺服放大器40～42接受该指令后驱动机床的各轴的伺服电动机50～52。在各轴的伺服电动机50～52中内置有位置检测用的脉冲编码器，将来自该脉冲编码器的位置信号作为脉冲列进行反馈。
主轴控制电路60接收对机床的主轴旋转指令，将主轴速度信号输出到主轴放大器61。主轴放大器61接收该主轴速度信号，使机床的主轴电动机62以被指示的旋转速度进行旋转，驱动工具。主轴电动机62通过齿轮或传送带等与位置编码器63结合，位置编码器63与主轴的旋转同步地输出反馈脉冲，该反馈脉冲经由接口20而被处理器11读取。65是为了与当前时刻同步而进行调整的时钟电路。通过上述数值控制装置10来执行以下所说明的流程图的处理。
接着，说明本实施方式。
2.〈热位移量的推定和补偿〉
2.1〈区间的设定〉
首先，说明热位移量的计算和补偿。进给轴的热位移量的推定与日本特开2002-18677号公报所公开的方法相同。即，首先如图3所示，将固定轴承的位置作为基准位置7，设定将构成进给轴的进给丝杠8的全长(冲程)分割为多个的区间(区间0～区间X)。
这里，将固定轴承的螺母6侧端面作为基准位置，将进给丝杠8的全长设定到至少与螺母6的基准位置远的一侧的端面可移动的位置。将该进给丝杠8的全长分割为有限个数的多个区间，将与基准位置相邻的区间设为区间0，将离基准位置最远的区间设为区间X。
关于在将进给丝杠8的全长分割为X个的有限个数的区间时通过进给轴的热位移而产生的位置X的热位移量(以下为“进给轴部热位移量”)，如公式(数学式1)那样通过将每个区间的热位移量从基准位置7相加到区间X，来求出区间X在时刻n的进给轴部热位移量LnX。另外，δn1是任意区间I的热位移量。
LnX＝δn0+δn1+……+δnI+……+δnX (数学式1)
LnX：区间X在时刻n的进给轴热位移量
2.2〈热位移的补偿〉
接着，说明热位移的补偿。按照每个短的预定周期(例如每4ms)如图4所示的流程图那样地进行热位移的补偿。首先，检测进给轴的位置，存储在存储器中。从存储器读出与检测出的进给轴的位置对应的区间(设为“I”)的“修正后的进给轴部热位移量LnI’”，将消除这些的量作为热位移补偿量。即，热位移补偿量＝-修正后的进给轴部热位移量LnI’。因此，通过对进给轴的位置指令增加热位移补偿量来进行补偿。
按照步骤来说明图4所示的流程图。
[步骤SA01]检测进给轴的位置，并存储在存储器中。
[步骤SA02]从存储器读出与检测出的位置对应的区间I的修正后的进给轴部热位移量LnI’。另外，在后面说明修正后的进给轴部热位移量LnI’。
[步骤SA03]将消除修正后的进给轴部热位移量LnI’的量设为热位移补偿量，发送给补偿单元。
[步骤SA04]进行补偿处理，结束处理。
2.3〈热位移量的计算〉
按照每个预定周期(例如每1秒)如图5所示的流程图那样进行热位移量的计算。按照各个步骤来说明图5所示的流程图。
[步骤SB01]从存储器读出过去1秒钟量的在图4的处理中存储在存储器中的进给轴的位置。
[步骤SB02]根据从存储器读出的进给轴的位置来求出各区间的平均移动速度。
[步骤SB03]根据各区间的平均移动速度来求出各区间的热位移量，并存储在非易失性存储器中。
[步骤SB04]使用公式(数学式1)将从基准位置到各区间的热位移量相加，求出各区间的进给轴部热位移量LnI，存储在存储器中。例如，区间0的进给轴部热位移量是Ln0＝δn0，区间1的进给轴热位移量是Ln1＝δn0+δn1，区间2的进给轴部热位移量是Ln2＝δn0+δn1+δn2，存储在存储器中。
[步骤SB05]从存储器读出各区间的进给轴部热位移量LnI和误差补偿率E。
[步骤SB06]关于各区间，使用进给轴部热位移量LnI和误差补偿率E，将通过公式(数学式2)修正了进给轴部热位移量而得的各个修正后的进给轴部热位移量LnI’存储在存储器中，结束处理。
LnI’＝LnI*E (数学式2)
2.4〈误差补偿率E的计算〉
接着，说明误差补偿率E的计算方法。通过由操作人员使用M代码在加工程序中的任意定时进行指示或在加工后的任意定时将检测值输入到专用画面，来进行误差补偿率E的计算。根据图6所示的流程图进行误差补偿率E的计算。按照各个步骤说明图6所示的流程图。
[步骤SC01]根据基于M代码的指令对下一个处理进行判断。如果通过参数指示了基准位置则转移到SC02，如果通过参数指示了实际位置则转移到SC04，如果通过参数指示了误差补偿率的修正则转移到SC07。条件的判断也能够不限于基于M代码的指令而将光标移动到专用画面所准备的各个项目的情况作为条件。
[步骤SC02]实施测定程序，使位置检测传感器检测出基准位置。或者操作人员通过手动操作来移动进给轴，使位置检测传感器检测出基准位置，将检测值输入到专用画面。
[步骤SC03]将基准位置的检测值X1存储在非易失性存储器中。另外，该基准位置可以是进行了热位移补偿的状态也可以是没有进行热位移补偿的状态。存储结束后结束处理。
[步骤SC04]实施测定程序，使位置检测传感器检测出实际位置。检测时的位置指令和基准位置检测时相同。或者操作人员通过手动操作来移动进给轴，使位置检测传感器检测出实际位置，将检测值输入到专用画面。
[步骤SC05]判定实际位置的检测值X2和基准位置的检测值X1的差∣X2－X1∣是否是阈值T以下。如果是阈值T以下则转移到SC06，如果比阈值T大则转移到SC04，再次执行(再检测)测定程序。
阈值T如公式(数学式3)那样包括热位移量。这里α、β是预先设定的系数，α是根据切屑的大小而决定的系数，β是热位移补偿的不正确的系数。在没有进行热位移补偿的情况下，将1存储在β中，在环境变化少而正确地进行热位移补偿的情况下，在β中存储接近0的值。另外，LnS2是检测时的实际位置所属的区间(设为S2)的热位移量。
T＝α+β*LnS2 (数学式3)
使用图7A、B说明公式(数学式3)的意思。符号100是将∣X2－X1∣的时间经过进行了制图的图表。∣X2－X1∣根据通过加工产生的热位移的变化而增减。优选进行以下判定，即在图表中检测出符号101和符号102时，咬入切屑而∣X2－X1∣急剧增大，在这些定时判定是错误值。图7A是阈值为固定值的情况。如果设定阈值使得判定为符号102是错误值，则不进行符号101的判定。相反如果设定阈值使得判定为符号101是错误值，则在正常的检测时判定为错误值。图7B是阈值包括了热位移量的情况。阈值随着热位移而发生变化，因此能够在符号101和符号102两者判定错误值。
再检测时，为了避开切屑而进行检测，将预先设定的值γ与测定程序中的指令位置相加，错开检测位置。根据切屑的大小来决定γ。
[步骤SC06]在非易失性存储器中存储实际位置的检测值X2和检测时的实际位置所属的区间(设为S2)的修正前的热位移量LnS2和误差补偿率E2。另外，该实际位置可以是进行了热位移补偿的状态也可以是没有进行热位移补偿的状态。在没有进行热位移补偿的状态下，将0存储在误差补偿率E2的非易失性存储器中。存储结束后结束处理。
另外，通常在结束了实际位置的检测后，进行误差补偿率的修正的指示。
[步骤SC07]从非易失性存储器读出基准位置的检测值X1、实际位置的检测值X2和热位移量LnS2以及误差补偿率E2。
[步骤SC08]考虑热位移量，根据实际位置的检测值X2和基准位置的检测值X1之间的差来，通过公式(数学式4)求出实际位置的补偿误差ε。
ε＝X2–X1+LnS2*E2 (数学式4)
[步骤SC09]根据实际位置的热位移量LnS2和补偿误差ε通过公式(数学式5)来求出修正后的误差补偿率E’。
E’＝ε/LnS2 (数学式5)
使用图8A、B说明公式(数学式4)和公式(数学式5)的意思。为了简化，将在基准位置检测值X1和检测时的基准位置所属的区间(设为S1)的热位移量LnS1设为0，将实际位置的误差补偿率E2设为1。在对检测值进行制图时成为103的图表。检测值是补偿了在105表示的热位移量之后的值，所以用104来表示实际的热位移量的图表。特别是在实际位置的实际热位移量是公式(数学式4)的补偿误差ε。求出修正后的误差补偿率E’而使得在实际位置的修正后的热位移量LnS2*E’和补偿误差ε相同的是公式(数学式5)。
[步骤SC10]将在步骤SC09求出的修正后的误差补偿率E’作为新的误差补偿率E，存储在非易失性存储器中，结束处理。
根据如步骤SC09那样以位置检测传感器检测出的实际测量热位移量来更新误差补偿率E，因此考虑了周围环境的温度变化等不依赖机械的动作的热位移的高精度补偿成为可能。
另外，基于安装在主轴上的接触式探针的检测能够进行包括基于主轴的发热的铸件的变形即主轴安装台的倾斜和柱的倾斜的检测。因此在包括了2.2和2.3的热位移量的计算中，不限于进给轴部热位移量LnI还可以使用增加了主轴部的热位移量的值。
另外，在2.4中如公式(数学式5)那样根据补偿误差ε和实际位置的热位移量LnS2的比来计算误差补偿率E，但也可以如公式(数学式6)那样根据差分进行计算。
E’＝ε-LnS2 (数学式6)
这时将2.3的公式(数学式2)变更为公式(数学式7)来使用。
LnI’＝LnI+E (数学式7)
当基准位置的检测值X1和实际位置的检测值X2的差∣X2－X1∣比阈值大时，可以产生警报而中止自动运行。另外，再检测预先设定了的再检测次数N，在所有的再检测比阈值大的情况下，可以产生警报而中止自动运行。如果在检测位置不咬入切屑而没有位置检测传感器的问题，则操作人员能够判断基准位置的检测值不是基于正确的检测的可能性高。
再检测时，即使在相同的检测位置进行再检测，也能够通过接触式探针接触而使切屑掉落从而正确地进行检测的可能性高。但是，通过使用错开检测位置的方法，能够进一步提高正确地检测的可能性。除了再检测方法，还有在检测位置吐出冷却液或空气的方法、切换为具有不同的检测的结构的位置检测传感器的方法、使设置在附加轴上的圆筒状的夹具旋转等而从夹具侧错开检测位置的方法。
如上所述，在上述实施方式中，通过根据实际测量热位移量来修正热位移补偿量，考虑周围环境的温度变化和各自的机床特性等不依赖机械的动作的热位移，也能够计算出正确的热位移补偿量。
为了根据机床的运转状态预测热位移量并进行补偿，不是用位置传感器定期地检测热位移而延长加工时间，而是在周围环境变化的要地进行检测，从而实时地进行正确的补偿。
另外，能够在自由的定时进行基准位置的检测，能够以任意的机械状态为基准来修正热位移补偿量。例如，即使不进行加工也能够通过周围环境的温度变化等来产生热位移，所以通过在加工前检测出基准位置，能够降低在加工前产生的热位移的影响。
进而，能够使用正确的检测值来修正热位移补偿量。在通过阈值判断是否是错误值的情况下，检测值根据热位移而发生变化，因此难以唯一地确定阈值，但是在上述实施方式中能够以固定值进行设定。在判断为错误值时，错开检测位置后进行再检测，因此即使在咬入切屑的情况下，接下来也能够正确地进行检测的可能性高。

Claims (7)

1.一种机床的热位移补偿装置，计算机床的热位移量，将消除该热位移量的量作为热位移补偿量，通过对进给轴的位置指令加上该热位移补偿量来进行补偿，该机床的热位移补偿装置的特征在于，具备：
位置检测单元，其检测机床的可动部的位置；
基准位置存储单元，其将上述位置检测单元在第一时刻的检测结果存储为基准位置；
实际位置存储单元，其将上述位置检测单元在第二时刻的检测结果存储为实际位置；
检测结果判断单元，其根据上述实际位置和上述基准位置，使用阈值判断上述实际位置是否是基于正确的检测的位置；
再检测单元，其在通过上述检测结果判断单元判断为检测结果不是基于正确的检测的结果的情况下，通过切换为具有与上述位置检测单元不同的检测结构的位置检测单元来进行位置的再检测；
补偿误差计算单元，其在通过上述检测结果判断单元判断为检测结果是基于正确的检测的结果的情况下，将根据上述实际位置和上述基准位置之间的差计算出的实际测量热位移量与上述热位移量进行比较，计算实际位置的补偿误差；以及
补偿量修正单元，其根据由上述补偿误差计算单元计算出的补偿误差来修正上述热位移补偿量，
上述阈值基于根据切屑的大小而决定的系数、热位移补偿的不正确的系数和检测时的实际位置所属的区间的热位移量来求出。
2.根据权利要求1所述的机床的热位移补偿装置，其特征在于，
如果上述实际位置和上述基准位置之间的差在阈值以内，则上述检测结果判断单元判断为检测结果是基于正确的检测的结果。
3.根据权利要求1或2所述的机床的热位移补偿装置，其特征在于，
在通过上述检测结果判断单元判断为检测结果不是基于正确的检测的结果的情况下，上述再检测单元将检测位置错开后进行检测。
4.根据权利要求1或2所述的机床的热位移补偿装置，其特征在于，
上述补偿量修正单元根据补偿误差相对于实际位置的热位移量的比例来求出误差补偿率，将该误差补偿率与上述热位移量相乘或相除使上述热位移量增加或减少。
5.根据权利要求1或2所述的机床的热位移补偿装置，其特征在于，
上述补偿量修正单元将从实际位置的补偿误差中减去实际位置的上述热位移量后得到的值与上述热位移量相加或相减，使上述热位移量增加或减少。
6.根据权利要求4所述的机床的热位移补偿装置，其特征在于，
错开上述位置后进行检测是为了避开切屑而检测，将预先设定的值γ与测定程序中的指令位置相加，错开检测位置来进行。
7.根据权利要求1所述的机床的热位移补偿装置，其特征在于，
上述再检测单元进行预定的再检测次数的再检测，当在所有的再检测比阈值大时，产生警报而中止自动运行。
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