CN105843167B - 机床的热位移校正装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机床的热位移校正装置，将热位移校正量设为F，将调整值设为E，首先，第一步骤，决定E＝a+k|F|的系数k。接着，第二步骤，每当实际进行加工时，在未设定a的情况下，设定a。如果预先决定a和系数k，则使热位移校正单元有效，开始运行加工程序，计算出热位移校正量F，根据E＝a+k|F|计算出调整值E，计算出调整后的热位移校正量F’(＝E×F)，将F’发送到热位移校正单元。

Description

机床的热位移校正装置

技术领域

本发明涉及一种配备于机床的、用于校正由该机床产生的热位移量的热位移校正装置。

背景技术

在机床中用电机驱动进给丝杠和主轴，因此由电机的发热、轴承旋转而产生的摩擦热、进给丝杠的滚珠丝杠与滚珠螺母的卡合部的摩擦热，使得主轴和进给丝杠膨胀而机械位置位移。即，要定位的工件与刀具的相对位置关系产生偏差。由该热引起的机械位置的变动在进行高精度加工时会成为问题。

作为去除由该热引起的机械位置的位移的方法，以往采用设置冷却装置，或对进给丝杠的滚珠丝杠附加初始张力而不受由热引起的膨胀影响的结构，或设置位移传感器、温度传感器并根据检测位移、检测温度来校正指令位置的方法。

在根据机床的动作、各部位的温度等计算出热位移量来进行校正时，有时无法正确地计算出热位移量，热位移校正量与实际热位移量之差(校正误差)变大，而无法正确地进行校正。在这种情况下，通常通过使热位移校正量增减来进行调整，使校正精度提高。

作为与热位移校正量的调整有关的以往技术的示例，在日本特开平11-90779号公报中公开了以下方法：在进行加工时，使用计测设备计测实际位移量，与热位移校正量进行比较，来求出调整值。通过对计算出的热位移校正量加上求出的调整值或减去求出的调整值，来对上述热位移校正量进行变更并调整。

在上述日本特开平11-90779号公报所公开的热位移校正量的调整中，在进行调整时，需要计测加工点的实际位移量，因而费工夫。另外，在该技术中提供了最大位移量与平均移动距离的对应关系，但是有时由于机械特性或加工环境不同，该对应关系产生较大的偏差。

在以往方法中，调整热位移校正值的调整值在预先设定之后、实际位移量的测量之后成为固定值。之后，有时根据外部环境和加工状况需要变更调整值。在该情况下，为此使加工周期中断，使热位移校正量与实际位移量相符，因此如果不进行多次手动设定和测量，则存在不能适当地变更调整值的问题。

图8是说明以往技术的图。

关于图8的(1)的“热位移量与主轴移动的对应关联数据”，通过预先实施热位移实验，求出“机械的热位移量与主轴旋转的移动量的对应关联数据”，将求出的该数据保存到机械(控制机械的数控装置的存储器)。但是，在上述日本特开平11-90779号公报所记载的以往技术中，机械用户无法变更与热位移实验有关的关联数据，并且，仅限定于一种机械和主轴。

关于(2)的“实际测量”，在校正值(对热位移校正量乘以调整值而得到的值)与实际位移值之间存在一定值以上的差时，进行多次实际测量对校正值进行校正，因此需要变更调整值。

图9是说明在以往技术中根据外部环境或加工状况变更调整值因此需要使加工周期中断而进行计测这一情况的图。

在图9中示出在计测1、计测2的时间点进行两次计测。在计测1的时间点，热位移校正量与实际位移量之差变大，因此变更调整值。同样地，在计测2的时间点，热位移校正量与实际位移量之差变大，因此再次变更调整值。在以往技术中，在进行计测之后调整值设定为固定数值，因此为了提高热位移量的校正精度而再次实施计测，需要将调整热位移量的调整量变更为适当的值，进行计测，因此存在加工周期中断这种问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种机床的热位移校正装置，能够以较少计测次数实时地进行适当调整，在热位移校正量与实际位移量之间存在较大偏差的情况下，即使不进行再计测，也会偏差小，从而能够减少由计测引起的周期中断。

在本发明中，预先进行设定或通过一次计测来设定换算系数，之后针对加工状况的变化，能够自动地变更调整值，因此能够减少加工周期的中断。

本发明根据由已知的任意手段计算出的热位移校正量以及计测规定部位而求出的测量值，来求出实际热位移量，计算出适当调整值，将热位移校正量调整到正确趋势。

关于调整值的计算，根据由已知的任意手段计算出的热位移校正量和实际位移量信息，来求出热位移校正量与调整值的关联函数(近似式)。根据热位移校正量的变化，用该关联函数(近似式)变更调整值。具体地说，用后述两个步骤实施。

本发明所涉及的机床的热位移校正装置具备：热位移校正部，其根据机械的动作或机械各部位的温度来预测热位移量，将用于抵消该预测得到的热位移量的热位移校正量与进给轴的位置指令值相加，由此计算出校正热位移的热位移校正量；以及热位移校正量调整部，其通过计测单元获取机械的实际位置信息，根据调整值调整上述热位移校正量，其中，该机床的热位移校正装置具备：机械相关系数计算部，其根据驱动上述机械时计算出的热位移校正量和通过上述计测单元测量得到的机械的实际位置、以及表示上述热位移量与上述调整值的关系的近似式，来计算出用于计算上述调整值的与机械相关的系数；加工条件相关系数计算部，其根据基于加工程序对工件进行加工时预测出的热位移校正量和通过上述计测单元测量而获取到的机械的实际位置、以及表示上述热位移量与上述调整值的关系的近似式，计算出用于计算上述调整值的与加工条件相关的系数；以及计算部，其根据上述近似式，计算出与上述预测到的热位移量对应的调整值。上述热位移校正量调整部根据由上述计算部计算出的调整值来校正上述热位移校正量。

也可以是，上述近似式根据加工实验数据而预先保存于机械。

可以根据E＝a+k|F|的式子求出上述近似式。其中，E为调整值，a为与加工条件相关的系数，k为与机械相关的系数，F为热位移校正量。

在本发明中，能够以较少计测次数实时地进行适当的调整。在以往技术中，在计测后热位移校正量与实际位移量之间存在大偏差的情况下需要再次进行计测，但是在本发明中，即使不进行再计测也会偏差小，从而能够减少由计测引起的周期的中断。

附图说明

本发明的上述和其它目的以及特征根据参照附图的以下实施例的说明会变得更清楚。在这些图中：

图1是说明本发明的图。

图2是说明在本发明中实时地变更要对热位移校正量加上或减去的调整值这一情况的图。

图3是说明本发明的原理的图。

图4是本发明所涉及的处理的整体流程图。

图5是第一步骤的流程图。

图6是第二步骤的流程图。

图7是说明控制机床的数控装置的概要的框图。

图8是说明以往技术的图。

图9是说明在以往技术中根据外部环境或加工状况而变更调整值因此使加工周期中断而进行计测这一情况的图。

具体实施方式

图1是说明本发明的图。图2是说明在本发明中实时地变更对热位移校正量加上或减去调整值这一情况的图。图3是说明本发明的原理的图。

(1)在第一步骤中，与机械规格(机械结构、控制部等)相关，因此只要机械规格没有变更，原则上仅实施一次该步骤即可。因而，如果机床供应商预先实施第一步骤并决定换算系数k而将其保存于存储器，则用户不需要实施该步骤。

说明加工程序，选择覆盖有可能产生机械热位移量的范围的程序。也就是说，从机械没有产生热位移的状态运行加工程序，在热位移量稳定的状态下，选择最大程度和最小程度产生机械的各动作方向的热位移量这样的上述加工程序。

(2)在第二步骤中，在加工环境(加工状况)发生变更的情况下，需要至少实施一次计测。之后，实时地变更调整值，将变更后的该调整值反映到校正中。由于校正值(对热位移校正量乘以调整值而得到的值)与实际位移值之差变大，因此进行实际测量。根据实际测量变更调整值，由此对校正值进行校正。

在本发明中，在预测热位移量并进行热位移校正的机床的控制装置所具备的功能中，以较少测量次数就能掌握热位移校正量与实际热位移量的关系，始终求出适当的调整值。

在选择多个加工程序而能够实际进行运行的、热位移校正量F、实际热位移量D以及调整值E中，具有以下式(1)与将该式变形而得的式(2)的关系。此外，关于热位移校正量F和实际热位移量D，通过测量它们的量时作为基准的位置的决定方法来求得正或负的值。

E×F＝D ······(1)

E＝D/F(F≠0，D与F为相同符号) ······(2)

在此，进行以下假设。

·假设1：将D设为常数、即将上述函数显示于曲线图。在短时间内实际热位移量D为固定。

·假设2：将E的计算范围设为从E的最小值至最大值的范围(Emin～Emax)。通常将调整系数为Emin＝0.01，Emax＝10设为界限。

在上述E的计算范围内，通过最小二乘法求出以下式。

近似函数y＝a+kx ······(3)

也就是说，求出以下式。

E＝a+k|F| ······(4)

并且，即使D发生变化(虚线的曲线、曲率发生变化的情况下)，上述近似函数的k的值不会发生太大变化。因此，对于加工，通常k的值相对于实际热位移量D的最大值和最小值大致为固定。此外，在式(4)中，a为根据加工程序确定的数值。

图4是本发明所涉及的整体流程图。

首先，实施后述“第一步骤”，决定式(4)的E＝a+k|F|中的系数k。该系数k与机械规格(机械结构、控制部等)相关，因此只要机械规格不发生变更，原则上在上述“第一步骤”中仅实施一次即可。因而，如果机床供应商预先实施第一步骤并决定系数k而将其保存于控制机床的数控装置的存储器，则用户不需要实施该步骤。

接着，在实际进行加工时，在未设定系数a的情况下，实施后述“第二步骤”来设定系数a。不需要对相同加工程序再次计算系数a。

如果预先决定系数k和a，则通过以下过程进行热位移校正的调整。

以下，按各步骤说明图4的流程图。

(步骤SA01)

使热位移校正单元有效，开始运行加工程序。此外，热位移校正单元能够使用以往公知的单元。

(步骤SA02)

计算出热位移校正量F。热位移校正量F的计算方法能够使用以往公知的方法。

(步骤SA03)

使用上述式(4)的E＝a+k|F|计算出调整值E。

(步骤SA04)

使用以下式(5)计算出调整后的热位移校正量F’，将计算结果发送到热位移校正单元。

F’＝E×F ······(5)

图5是第一步骤的流程图。

预先准备若干加工程序，通过以下过程对各加工程序求出换算系数k。此外，在使热位移校正单元有效的基础上，从没有产生热位移的状态(在停止状态下充分放置的状态)开始运行加工程序，执行以下过程。该热位移校正单元能够使用公知的单元。另外，预先求出执行以下过程的次数和要执行的时间间隔。

以下，按各步骤说明图5的流程图。

(步骤SB01)

测量机械的预先决定的测量部位的实际位移值，将测量得到的值作为Ai而保存。(i表示执行次数。i＝1、2、3、…。以下相同)该位移值的测量也可以通过任意方法进行。如上所述，Ai为在热位移校正单元处于打开(ON)的状态下测量得到的值。

(步骤SB02)

将热位移校正量作为Fi而保存。

(步骤SB03)

根据实测得到的测量值Ai和热位移校正量Fi，计算出实际热位移量Di(使用Di＝Ai+Fi的式)。严格地说，实际热位移量Di相当于校正功能关闭(OFF)下的热位移量。

(步骤SB04)

计算出实际热位移量Di与热位移校正量Fi之比ri(＝Di/Fi)。其中，在Fi＝0的情况下，跳过该处理。

如果将上述处理执行规定次数，则根据比ri(＝Di/Fi)和热位移校正量Fi，通过最小二乘法求出函数y＝a+kx，此时，期望删除ri<0的数据。对于其它加工程序，也同样地执行上述处理，求出函数y＝a+kx。计算出求出的多个函数y＝a+kx的系数k的平均值，将其重新设为k。另外，为了求出系数a，在加工程序运行过程中根据预先决定的测量部位，测量实际热位移量。此外，如果对相同加工环境和加工程序已经求出系数a，则不需要实施第二步骤。

在此，使用两个加工程序O0001和O0002具体地进行说明。将各加工程序的周期设为大约30分钟。

(1)从机械停止状态运行加工程序O0001。将热位移校正功能设为打开而每隔一分钟实施计测。

(2)通过计测获取测量结果A1～A30，并且，通过校正功能获取热位移校正值F1～F30。通过Di＝Ai+Fi的式计算D1～D30。

(3)通过ri＝Di/Fi的式计算r1～r30。然后，制作r1～r30与|F1|～|F30|的图(ri、|Fi|)(i＝1、2、······30)。其中，删除ri<0的数据。

(4)通过最小二乘法从上述图求出y＝a+k1×x。

(5)使机械停止。

(6)从机械停止状态运行加工程序O0002，执行步骤(1)～步骤(4)的过程，求出y＝a+k2×x。

(7)将该机械的k系数设定为k＝(k1+k2)/2。K为通过执行各加工程序求出的系数的平均值。

图6是第二步骤的流程图。

以下，按各步骤说明图6的流程图。

(步骤SC01)

开始运行加工程序，并且预先设定机械的调整值E。该调整值针对加工程序选择适当的数值，在不知道适当的数值的情况下设定为E＝1。

(步骤SC02)

测量预先决定的测量部位，将测量结果(测量值)作为A而保存。该测量也可以通过任意方法进行。

(步骤SC03)

将热位移校正量作为F而保存。

(步骤SC04)

根据实测得到的测量值A和热位移校正量F，计算出实际热位移量D(使用D＝A+F的式)。

(步骤SC05)

计算出实际热位移量D与热位移校正量F之比r(＝D/F)。其中，在F＝0的情况下，设为r＝E(该计测时刻的现有热位移的调整值)。

(步骤SC06)

通过r＝a+k|F|计算出系数a(k为在上述第一步骤中计算出的系数)。将计算出的系数a与加工程序相关联地存储。

图7是说明控制机床的数控装置的概要的框图。

本发明所涉及的机床的热位移校正装置由控制机床的数控装置10构成。该数控装置10的处理器(CPU)11为整体地控制数控装置10的处理器。该处理器11经由总线21读出存储于ROM 12的系统程序，按该系统程序整体地控制数控装置10。LCD/MDI单元70是带液晶显示装置(LCD)的手动输入装置。在RAM 13中存储有临时计算数据、显示数据以及操作员经由LCD/MDI单元70输入的各种数据等。

SRAM 14由未图示的电池来备用，构成为即使数控装置10的电源关闭也保持存储状态的非易失性存储器，存储有测量初始位置的程序、进行机床的热位移校正的程序、经由接口15读入的后述加工程序、以及经由LCD/MDI单元70输入的加工程序等。另外，在ROM 12中预先写入用于实施对加工程序进行制作和编辑所需的编辑模式的处理和用于自动运行的处理的各种系统程序。

接口15为用于能够与数控装置10进行连接的外部设备的接口，连接有外部存储装置等外部设备72。从外部存储装置读入加工程序、热位移测量程序等。PMC(可编程机床控制器)16根据内置于数控装置10的序列程序对机床侧辅助装置等进行控制。即，按照在加工程序指令的M功能、S功能以及T功能，根据这些序列程序对在辅助装置侧所需的信号进行变换，从I/O单元17输出到辅助装置侧。根据该输出信号使各种执行机构等辅助装置进行动作。另外，接收配备于机床主体的操作盘的各种开关等的信号，进行必要的处理而传送至处理器11。

机床各轴的当前位置、警报、参数、图像数据等图像信号被发送至LCD/MDI单元70，显示于该显示器。LCD/MDI单元70为具备显示器、键盘等的手动数据输入装置，接口18从LCD/MDI单元70的键盘接收数据并传送至处理器11。

接口19与手动脉冲发生器71相连接，手动脉冲发生器71安装于机床操作盘，手动脉冲发生器71用于通过基于手动操作的根据分配脉冲进行的各轴控制使机床可动部精密地进行定位。使机床的工作台T进行移动的X、Y轴的轴控制电路和Z轴的控制电路30～32接收来自处理器11的各轴移动指令，将各轴指令输出到伺服放大器40～42。伺服放大器40～42接收该指令对机床各轴伺服电机50～52进行驱动。在各轴伺服电机50～52中内置于位置检测用检测器，来自该检测器的位置信号作为脉冲列而被反馈。

主轴控制电路60接收向机床的主轴旋转指令，对主轴放大器61输出主轴速度信号。主轴放大器61接收该主轴速度信号，以所指令的旋转速度使机床主轴电机62进行旋转，驱动刀具。检测器63通过齿轮或传送带等与主轴电机62结合，检测器63与主轴旋转同步地输出反馈脉冲，该反馈脉冲经由接口20由处理器11读取。65是调整为与当前时刻同步的时钟装置。

数控装置10具有热位移校正部，该热位移校正部根据例如日本特开平11-90779号公报、日本特开2002-18677号公报所公开的机械动作或机械各部位温度来预测热位移量，将抵消该预测到的该热位移量的热位移校正量相加到进给轴的位置指令值，由此校正热位移。这种热位移校正部例如日本特开平11-90779号公报、日本特开2002-18677号公报所公开那样是以往公知的，因此不详细进行说明。数控装置10具备日本特开平11-90779号公报所公开的计测，能够计测机械实际位置。而且，数控装置10具备执行图4、图5以及图6示出的流程图处理的软件，由此构成本发明的热位移校正装置。

Claims (3)

1.一种机床的热位移校正装置，具备：

热位移校正部，其根据机械的动作或机械各部位的温度来预测热位移量，为了抵消该预测得到的热位移量，通过与进给轴的位置指令值相加，由此计算出校正热位移的热位移校正量；以及

热位移校正量调整部，其通过计测单元获取机械的实际位置信息，根据调整值调整上述热位移校正量，

其特征在于，

机械相关系数计算部，其根据驱动上述机械时计算出的机械热位移校正量、通过上述计测单元测量得到的上述机械的上述实际位置信息、以及表示上述机械热位移校正量与上述调整值的关系的近似式，来计算出用于计算上述调整值的与上述机械相关的系数；

加工条件相关系数计算部，其根据基于加工程序对工件进行加工时计算出的加工热位移校正量、通过上述计测单元测量而获取到的上述机械的上述实际位置信息、以及表示上述加工热位移校正量与上述调整值的关系的上述近似式，计算出用于计算上述调整值的与加工条件相关的系数；以及

计算部，其根据上述近似式，计算出与上述计算出的热位移校正量对应的上述调整值，其中，上述近似式包含通过上述机械相关系数计算部计算出的系数和通过上述加工条件相关系数计算部计算出的系数，

上述热位移校正量调整部根据由上述计算部计算出的上述调整值来校正上述热位移校正量。

2.根据权利要求1所述的机床的热位移校正装置，其特征在于，

上述近似式根据加工实验数据而预先保存于机械。

3.根据权利要求1或2所述的机床的热位移校正装置，其特征在于，

上述近似式是E＝a+k|F|，其中，E为调整值，a为与加工条件相关的系数，k为与机械相关的系数，F为热位移校正量。