CN1126130A - 机床热位移的修正方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

用温度传感器(S1至S3、S1至S3)检测受发热源影响的机体(10、66、86)的温度变化。用该检测的温度变化运算与机床的热位移的时间常数有大致相同时间常数的温度变化。根据与该运算的温度变化相对应地变化的热位移修正加工误差。
根据本发明的热位移修正方法及其装置，能高精度地修正热位移。本发明适用在加工中心和NC车床等的机床中。

Description

机床热位移的修正方法及其装置
本发明涉及机床的热位移的修正方法及其装置。
在机床的机体各部分有许多热源，例如主轴的轴承里的滚动摩擦热或者从切削部分产生的热量等。这些热量传递到机体各部分，使机体变形，而这种变形又会大大影响加工精度。
因此，曾提出种种方案，这些方案是关于预测由各种原因引起的机体的热位移，并把热位移形成的误差部分反馈给伺服系统地进行修正的修正方法及其装置的。
在有这种修正机能的机床中，如何正确地估计随机械运动发生的热位移是重要的，为此作了种种尝试。例如，有根据主轴的转数等运转条件来预测热位移的，或者在机体里组装进位移传感器后直接检测热位移的等等。
本申请人在日本专利公报特公平6-22779号和特开平3-79256号里提出过根据机体的温度算出热位移的方式的机床的热位移修正方法。这个方法中的热位移的算出基本上是根据下式(1)的原理。
ΔL＝L×线膨胀系数×温度变化……(1)
其中：ΔL＝机体结构部分的热位移
       L＝机体构成部分的长度
用上述原有技术的，修正后的加工精度的极限是20至30[μm]程度。而近几年来，机床使用者一般要求把修正后的加工精度抑制在10[μm]以下。这是由于必需用高精度加工陶瓷材料等新坯料和更小型化的工件。
又由于上述的计算方法是从机体的结构来估计它的结构部分的长度L，从长度L的中央位置检测它的温度变化，因而温度传感器的安装位置有限制。而且，要高精度地估计热位移就必需把机体分割成细小的结构部分，必需用多个温度传感器来分别算出各个部分的温度变化。此外，还必需做机体结构部分的长度L的测定或机体的各部分材料的线膨胀系数的确认工作。
这些都成了实际安装从机体温度算出热位移的这种机床的热位移修正装置的障碍。
另一方面，在日本专利公报特开昭58-109250号中提出过这种方案，即用热性能和机床相似的金属片，把它的温度看作代表机床的温度，通过对冷却用的喷射空气温度的控制来修正机床热位移的热位移修正装置。但是在这种情况下，必须通过别的途径准备热性能相似的金属片。
在日本专利公报特开昭60-9634号中提出过使用那种具有已经把Y轴热位移特性考虑在内的热时间常数的温度传感器的热位移修正装置的方案。但是没有详细说明这种修正装置中的具有已考虑进热位移特性的热时间常数的温度传感器。
在有多个主轴的机床的场合下，由于加在主轴的轴承上的预压力的偏差、由主轴的安装位置决定的温度传递等都是不一样的，还有轴承润滑的状态等因素，都会使各个主轴的伸缩情况不一样。
为此，把装在主轴上的多个工件同时粗加工成同样形状之后，限定用一个主轴来进行精加工，使这个主轴以外的主轴都停止，由此来抑制主轴的发热，同时只注意所用的主轴的热变形地进行热位移修正，进行精加工。这时，为了防止停止中的主轴所把持的工具与工件的干扰，还必需预先把停止中的工具卸下。因此使精加工作业效率极差。
日本专利公报特开平5-84628号提出过一种具有多个主轴的机床的热位移修正装置的方案。但由这修正装置对热位移的修正有一定限度，难使修正后的加工误差无限地趋于零。
本发明是为了解决上述这种问题而作出的，其目的是提供一种能对热形成的加工误差进行高精度的修正的机床的热位移修正方法及其装置。
本发明的另一个目的是提供一种不要进行机床的机体结构部分的长度测定和机体结构材料的线膨胀系数的确认工作，而且能使从实际机体抽取热位移特性的实测工作简化。
本发明的再一个目的是提供一种使温度传感器的安装位置的制约大幅度地缓和，同时用少数的温度传感器就能高精度估计热位移的自由度高的机床热位移修正方法及其装置。
此外，本发明的再一个目的是提供一种即使在多个主轴的机床情况下，也能同时高精度地加工多个工件，同时能使作业效率大幅度提高。
为了达到上述的目的，本发明在使机床以任意主轴转数运转时，检测规定轴向的由延伸引起的热位移或者由主轴倾斜引起的热位移，同时由温度传感器检测机体适当位置的温度变化。
若这个温度变化和热位移的时间序列性都相同时，则温度变化和热位移就成为单纯的线性函数关系，因而就能容易地从温度变化来预计热位移。这是本发明的前提。
但是，从机体的适当位置检测的温度变化所有的「时间常数」未必和规定轴向的热位移所有的「时间常数」相同。为此，寻求对这温度变化数据进行适当加工并使它与热位移所具有的时间常数一致的处理方法。
本发明的热位移修正方法是检测受热源影响的机体的温度变化，用检测的这个温度变化，运算变换成具有与机床的热位移的时间常数大致相同的时间常数的温度变化，根据这个计算出的温度变化和热位移的关系所确定的函数而得出的热位移来修正加工误差。
所谓「机床的热位移」是指由理想的工具引起的加工点上的热位移，但实际上是例如在主轴前端部或者在主轴前端部暂时所装的试验棒的适当位置上的热位移。
而且，实现上述修正方法用的热位移修正装置具有检测受热源影响的机体的温度变化的温度检测手段；用这个温度检测手段检测的温度变化运算具有与机床的热位移的时间常数大致相同时间常数的温度变化的温度运算手段；用这温度运算手段算出的温度变化和上述的热位移的关系所确定的函数运算热位移的热位移运算手段；根据这热位移运算手段算出的热位移修正加工误差的修正手段。
把「混合法」和「假设法」用作使检测到的上述温度变化的数据与热位移所具有的时间常数一致的数据的处理方法。
用混合法是先检测机床在以任意主轴转数运转时的热位移。与此同时，检测两个位置上的温度变化，一个是具有比上述热位移的时间常数小的温度变化的时间常数的位置，另一个是具有比上述热位移的时间常数大的温度变化的时间常数的位置。然后把这至少为两个时间常数相互不同的温度变化加以合成，创制具有与热位移时间常数相同的时间常数的合成温度变化
在用混合法创制上述合成温度变化时，一旦创制多个合成温度变化，则可以把这多个合成温度变化进一步合成，创制具有与热位移的时间常数大致相同时间常数的合成温度变化。
在用混合法创制上述合成温度变化时，其温度数据都是直接使用时时刻刻从温度传感器得到的数据，因此合成温度变化的精度的可靠性高，但只能合成位于多个温度变化的时间常数之间的热位移的时间常数。
与此相对的，假设法则是检测机床以任意主轴转数运转时的热位移的同时，在具有比这热位移时间常数小的温度变化的时间常数的位置上检测温度变化。然后，设定一个假设的热容量并估计比这检测温度变化更滞后显示的滞后温度变化的举动，估计检测温度变化的滞后，由反复运算使具有与滞后显示的热位移时间常数大致相同时间常数的滞后温度变化创制的方法。
在用假设法创制上述的滞后温度变化时，一旦创制另一个滞后温度变化，可以在这滞后温度变化上再估计一个滞后，创制具有与热位移时间常数大致相同时间常数的滞后温度变化。
这样，假设法是通过在温度变化上估计一个滞后地反复运算而算出滞后温度变化。因此运算式较简单，但形成较粗糙的近似计算，因而精度的可靠性稍差。
具有与机床的热位移时间常数相同的时间常数的创制温度变化与热位移的线性函数关系由于热位移的滞后响应成分而缓慢地受到破坏，热位移的滞后响应成分是由随主轴回转的主轴箱的发热传到立柱等的影响、或者室温等其他热源影响而确定的。
因此，为了长时间地维持创制温度变化和热位移之间的线性函数关系，在用混合法或者假设法创制的温度变化而估算的热位移上加上渐渐显示的热位移的滞后响应成分进行估算。
例如，用至少从两个位置上检测受热源影响的相互时间常数不同温度变化的温度数据，用混合法创制合成温度变化，同时用与这混合温度变化的线性函数关系运算热位移。然后，用前面的温度数据中的一个或者从别的位置的温度变化比较缓慢的位置检测的温度数据，运算由在充分估计温度变化的滞后的基础上创制的滞后温度变化的线性关系得到位移的滞后响应成分。
最好用混合法和假设法组合的方法创制的温度变化所确定的热位移的估计，精度的可靠性高。
用热源附近的温度急骤而且大幅度变化的位置上检测的温度数据，用假设法创制第1滞后温度变化，同时运算与这滞后温度变化的线性关系得到热位移。
然后，用前面的温度数据或者从另外方法检测的温度变化比较缓和的位置上检测的温度数据，运算与充分估计温度变化滞后的基础上创制的第2滞后温度变化的线性关系得到位移的滞后响应成分。
用假设法和假设法组合的方法创制的温度变化所确定的热位移的估计与用混合法和假设法组合的方法创制的温度变化所确定的估计相比，精度的可靠性稍差些。
把混合法和假设法组合，或者把假设法与混合法组合的方法是把主轴箱作为热源的加工中心(以下记成MC)或者把热源装在主轴箱内的数控车床(以下记成NC)作为例子详细说明的。
首先，混合法和假设法的组合方法是在以任意主轴转数运转MC等时检测热位移，与此同时，分别在具有比这热位移时间常数小的温度变化时间常数的主轴鼻位置以及比这热位移时间常数大的温度变化时间常数的头部位置上检测机体的温度变化。然后用混合法创制具有与上述热位移时间常数相同的时间常数的合成温度变化，计算与这合成温度变化相对应地变化的热位移。
而假设法和假设法的组合方法是在MC以任意的主轴转速运转时检测热位移，与此同时，在具有比这热位移时间常数小的温度变化时间常数的主轴鼻位置上检测机体的温度变化。然后，用假设法创制具有与上述热位移时间常数相同时间常数的滞后温度变化，计算与这滞后温度变化相对应地变化的热位移。
混合法和假设法的组合或者假设法与假设法的组合中的任何一种场合下可再附加下一个假设法。
即，在MC等的上述主轴箱位置检测的温度变化上估计一个滞后，用实际的热位移和合成温度变化或滞后温度变化与前面计算的热位移反复运算地创制与缓慢形成的位移滞后响应成分大致相同的时效特性的滞后温度变化。计算与这滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分。
把检测的温度变化数据加工成与热位移所具有的时间常数大约一致的数据加工法还有「线性化」法，本发明也使用这方法。
线性化法是检测机床在以任意的主轴转数运转时的热位移。与此同时，检测受热源发热影响而温度变化的机体适当位置上的温度变化。用这检测温度变化计算上述热源的温度变化。然后用这热源的温度变化计算具有与热位移时间常数大致相同时间常数的创制温度变化。
在用线性化法计算上述创制温度变化时，一旦用热源的温度变化计算成另一个创制温度变化，也可以再用这个创制温度变化，计算具有与热位移时间常数相同时间常数的创制温度变化。
用线性化法不一定需要检测具有比热位移时间常数小的温度变化时间常数的位置上的温度变化。因此，配置温度传感器的位置的自由度高，相反计算创制温度变化的程序则稍许复杂。
另外，把线性化法与假设法组合的方法是检测机床以任意主轴转速运转时的热位移。与此同时，检测受发热源影响而温度变化的机体适当位置上的温度变化。然后用线性化法计算具有与上述热位移时间常数大致相同的时间常数的创制温度变化，再计算与这创制温度变化相对应地变化的热位移。
接着，在上述检测的温度变化或者在别的位置上检测的比较缓和地温度变化的位置上检测的温度数据上估计一个滞后，反复计算而创制实际的热位移与用创制温度变化在前面计算的热位移渐渐偏离具有与位移滞后响应成分大致相同时效特性的滞后温度变化。计算与这滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分。
上述混合法的条件在于检测温度变化的时间常数中的一个比热位移时间常数小，即使是假设法，检测温度变化的时间常数也必须比热位移的时间常数小。因此用这些方法创制的温度变化来估计热位移时，检测温度变化的位置受限制。
与此相对，线性化法在检测温度变化的时间常数的大小方面没有条件，而且对一个热源检测温度一个就可以。因此，与温度变化相比热位移更敏感地显示的主轴箱的MC和NC车床，或者有多个影响精加工的热源的机床的创制温度的运算是有利的
例如，NC车床具有把持工件或工具的主轴；通过支承这主轴的在加工位置侧的前轴承及与加工侧相反位置上的后轴承、能自由回转地支承这主轴的主轴箱；配设在上述前、后轴承之间、装在主轴箱里的使上述主轴回转驱动的内装马达。
而且，NC车床是由上述后轴承把上述主轴相对于中心轴向定位的，上述前轴承保持着因热位移而伸缩的主轴沿中心轴方向可以滑动，在主轴箱上安装3个分别检测构成热源的上述前、后轴承和上述内装马达附近的温度变化的温度传感器。
在把线性化法用在有多个这样热源的机床时，用各个温度传感器检测的温度变化，计算各个热源的温度变化。然后用这温度变化，计算具有与多热源的影响引起的热位移的时间常数相同时间常数的各个创制温度变化。使这样计算的各个创制温度变化与各热源影响引起的热位移成线性相关。
随着机床的主轴回转，主轴轴承和驱动主轴的马达等热源都发出热量，这热量传递到机体的结构部分，结果引起温度变化。通常机床的结构材料主要用铸铁或者钢材。
因此，当有温度变化时，在各部分就产生与这些结构材料所具有的线膨胀系数成比例的热位移。各部分的热位移相加在一起就使机床的加工精度降低。
而且，随着机床主轴回转而产生的温度变化，在热源附近迅速显示，而头部(主轴箱)、头部安装部分和立柱等离热源远的就较滞后显示，各个温度变化的时效特性不同。因此机体的任意位置上的温度变化和热位移通常不直接相关连。
但是，在机床以任意主轴转数运转时的热位移的时间序列数据，以及在受热源影响的机体的适当位置上检测的温度变化的时间序列数据上套入近似单一的一次滞后因素的阶跃输入响应函数时，就能分别抽取变化到饱和为至的时间常数。这个热位移的时间常数和温度变化时间常数的平衡成为主轴转数较大范围里都是共同的代表机床热特性的参数。
由于对温度变化的数据进行适当的加工，利用对具有与热位移的时间常数大略一致的时间常数的创制温度变化进行计算的方法，能使这创制温度变化与热位移的线性函数关系成立，因而能从温度变化间接地相当正确地估计热位移。
把热位移现象作为是单一的一次滞后因素的温度变化所起的作用而作近似假定时，会产生与实际的机体结构复杂程度不同而形成的热位移估计误差。为此，把这误差成分再作为是不同的单一的一次滞后因素的温度变化所起的作用而作近似假定，由此反复进行相同作业就可以了。
因此，可从机体的适当位置检测的温度变化数据，相当高精度地估计热位移。
具体地说，为了抽出这机床的热特性，先用预备试验，用电气测微仪等检测以任意主轴转数运转时的热位移。与此同时，用热敏电阻温度传感器检测受热源影响而温度变化的机体适当位置的温度变化。
接着，把一次滞后因素的阶跃输入响应函数套用到这个变化直到饱和为至的各个时间序列数据上抽出各时间常数。用这温度变化数据，适当选择用来换算出具有与热位移时间常数相同的时间常数的温度变化的混合法、假设法、线性化法或者把它们组合的方法中的一种，计算各个方法中确定的温度变换式的系数。
把前面的温度变化的时间序列数据代入到所选择的方法中的温度变换式里，就成为具有与热位移相同时间常数的创制温度变化。使这创制温度变化与前面的热位移数据的线性函数关系成立，它的斜率就构成从创制温度变化算出热位移的比例系数。
机械运转时进行热位移修正，是用前面选择的方法中的温度变换式，把从前面检测温度变化的位置时时刻刻检测的温度变化的数据，随时变换成创制温度变化。接着，在这创制温度变化上，乘以前面算出的比例系数，就求出要修正的热位移。
图1是表示本发明的第1实施例的方框图。
图2是表示本发明的第2实施例的方框图。
图3是表示第1实施例的动作的流程图。
图4是表示第2实施例的动作的流程图。
图5是表示Z轴热位移时效变化的曲线图。
图6是表示分别在主轴鼻位置和头部位置检测的温度变化和合成温度变化的曲线图。
图7是表示主轴鼻的温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图。
图8是表示头部的温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图。
图9是表示合成温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图。
图10是说明滞后的温度变化的运算方法的曲线图。
图11是表示从温度变化运算滞后响应成分的方法的曲线图。
图12是表示运算的Z轴热位移和实测的Z轴热位移的关系的曲线图。
图13是表示滞后温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图。
图14是表示Z轴热位移的实测数据的曲线图。
图15是表示Z轴热位移的另一条实测数据的曲线图。
图16是表示Y轴热位移的实测数据的曲线图。
图17是表示Y轴热位移的另一条实测数据的曲线图。
图18是表示本发明第3实施例的方框图。
图19是表示第3实施例的动作的流程图。
图20是表示取样温度变化和Z轴热位移的曲线图。
图21是表示取样温度变化和Z轴的热位移的关系的曲线图。
图22是表示取样温度变化和温度变化＂A，B＂的曲线图。
图23是表示取样温度变化，温度变化＂A，B＂和创制温度变化的曲线图。
图24是表示创制温度变化和Z轴的热位移的关系的曲线图。
图25是表示Z轴热位移含有滞后响应成分时、创制温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图。
图26是表示取样温度变化，滞后温度变化和创制的滞后温度变化的曲线图。
图27是表示滞后温度变化和滞后响应成分的关系的曲线图。
图28是表示从创制温度变化和滞后温度变化估计的热位移和Z轴热位移的关系的曲线图。
图29是表示本发明的第4实施例的方框图。
图30是NC车床的主轴箱的断面图。
图31是表示各个发热源的Z轴热位移的曲线图。
图32是表示Z轴热位移的实测数据的曲线图。
图33是表示本发明第5实施例的方框图。
图34是表示主轴冷却装置的说明图。
图35是表示主轴加热装置的说明图。
图36是表示第5实施例的动作的流程图。
图37是表示第5实施例的应用例的示意图，是含有多个主轴的机床的平面结构的方框图。
实施例
下面，参照着图1至图37来说明本发明的实施例。
(第1，第2实施例)
图1至图17是说明本发明的第1，第2实施例的附图。
图1所示的数字控制(NC)机床虽然是立式的加工中心(MC)1，但也可以是除了MC以外的其它种类的NC的机床。在床身2上直立地设置着立柱3，在立柱3上能沿Z轴方向移动地安装着主轴箱5。立柱3能沿着Y轴方向在床身2上移动。
主轴箱5里主轴6沿Z轴方向设置着，主轴6的前端装着工具7。主轴6由安装在主轴箱5上的主轴马达4回转驱动。在床身2上设置着工作台8，放在工作台8上的加工件9由工具7切削加工。工作台8能沿X轴方向在床身2上移动。把主轴6的轴线方向作为Z轴，把与Z轴垂直相交的直角座标系的各个方向作为X轴，Y轴。
在MC1上设置着检测机体10的温度变化的温度检测装置。在第1实施例中还分别安装着主轴鼻温度传感器S1和头部温度传感器S2，主轴鼻温度传感器S1是用来检测主轴箱5的主轴前端侧的主轴鼻位置上的温度，头部温度传感器S2是设置在离开主轴鼻位置的任意位置上、是用来检测主轴箱5的温度的。作为温度检测装置的温度传感器S1、S2可以是任何式样，但最好是用抗干扰性强的热敏电阻温度传感器。
由于主轴鼻温度传感器S1靠近作为主发热源的主轴6的主轴承，因而能立刻显示温度变化，时间常数小。另一方面，由于头部温度传感器S2离主轴承较远，所以滞后地显示温度变化，因此时间常数大。
在第2实施例中，分别安装着上述的主轴鼻温度传感器S1和作为温度检测装置的温度传感器S3，温度传感器S3是用来检测发热源对机体滞后地影响的位置的温度。
下面，说明本发明的热位移修正的原理。
虽然本发明能够对X，Y，Z的各个轴向的热位移都能修正，但由于对X轴向来说，立柱3和主轴箱5有相对X轴的左右对称结构，所以X轴向的修正通常是没有必要的。下面的说明主要是以Y轴，Z轴中的Z轴方向的修正作为例子加以说明的。
Z轴方向的热位移的运算式如下：
      ΔZ＝a·(ΔZ1＋ΔZ2)…………(2)
其中，ΔZ—Z轴热位移
        a—整体修正系数(这个系数＂a＂是修正运算式2
           的结果和实际精度的差的系数)
    ΔZ1—Z轴热位移的立刻响应成分
    ΔZ2—Z轴热位移的滞后响应成分
即，运算式(2)含有能从温度变化直接预测热位移的立刻响应成分ΔZ1和随着热位移滞后地显示的滞后响应成分ΔZ2。上述的温度变化是作为从各个温度传感器检测并从输出的温度中扣除基准温度的温度差而算出的。
基准温度是采用MC1的电源接通时的温度传感器的第1次输出或是把多次输出相加的平均值，或者采用20℃的绝对基准温度。把每个温度传感器的基准温度储存在RAM11内。
在设置机床的环境的温度变化比较缓慢的场合下，由室温变化引起的机床整体的热变形包括工具和加工件都是大致相似地变化。即，由于这种缓慢的室温变化不会产生加工误差。因而由含有这个室温变化的温度变化所预测的热变形是和实际的热变形不同的。
因此，这种场合下，把另外设置在机床床身上的温度传感器所测出的时时刻刻的温度用做基准温度。把从各个温度传感器输出的温度中扣除这个基准温度的值用作温度变化。这样，即使室温有变化也能进行精度良好的热变形修正。
本发明可以用如式(3)所示的只根据立刻响应成分ΔZ1的运算式。或者使用如式(4)所示的只根据滞后响应成分ΔZ2的运算式。
ΔZ＝a·ΔZ1     …………………(3)
ΔZ＝a·ΔZ2     …………………(4)
立刻响应成分ΔZ1由下式算出。
ΔZ1＝b·ΔT1＋c·ΔT2…………………(5)
其中，ΔT1—从温度传感器S1的输出扣除基准温度的温
            度变化[℃]
      ΔT2—从温度传感器S2的输出扣除基准温度的温
            度变化[℃]
         b—内部修正系数[±μm/℃]
         c—内部修正系数[±μm/℃]
第1实施例所用的式(5)是由设置在两个位置上的温度传感器的输出计算机体10的热位移的运算式。因而是由温度变化ΔT1和温度变化ΔT2来计算立刻响应成分ΔZ1，温度变化ΔT1是由主轴鼻温度传感器S1检测的温度算出的，温度变化ΔT2是由头部温度传感器S2检测的温度算出的。
在计算立刻响应成分ΔZ1中，温度传感器的设置位置至少两个就可以了，但应根据发热源的个数适当地增加。另外，温度传感器的设置位置只要是受发热源发热影响的，也可以是主轴鼻位置和头部位置以外的场所。
另一方面，运算滞后响应成分ΔZ2的运算式如下：
ΔZ2＝e·Y1＋f·Y2…………(6)
其中，e—内部修正系数[±μm/℃]
      f—内部修正系数[±μm/℃]
      Y1—第1滞后温度变化[℃]
      Y2—第2滞后温度变化[℃]
运算式(6)是由第1和第2滞后温度变化计算机体时的热位移的运算式。
在第1实施例中，由于滞后温度变化1个，因而内部修正系数f为零。而且由滞后温度Y1来计算滞后响应成分ΔZ2，滞后温度Y1是估计了温度变化ΔT2上的滞后算出的，温度变化ΔT2是由头部温度传感器检测的温度的温度变化。
第2实施例中，由于滞后温度变化使用了2个，因而就由第1滞后温度变化Y1和第2滞后温度变化Y2来计算滞后响应成分ΔZ2，第1滞后温度变化Y1是估计了温度变化ΔT1上的滞后算出的，温度变化ΔT1是由刀尖温度传感器S1检测的温度的温度变化，第2滞后温度变化Y2是估计了温度变化ΔT2上的滞后算出的，温度变化ΔT2是由立柱温度传感器S3检测的温度的温度变化。
滞后响应成分ΔZ2的运算所使用的温度情报可以是1个或2个，但应根据发热源的个数适当地增加。
图1是表示本发明的第1实施例的方框图。
如图所示，通过回路36，37把各个温度传感器S1，S2的各个输出信号输入到热位移修正装置12的A/D变换器13，输入的模拟信号在这儿变化成数字信号。从A/D变换器13输出的数字信号被输入到运算储存部14，在此计算热位移。
根据算出的热位移，由修正手段33修正加工误差。修正手段33的输出信号通过可编程序控制器15输入到数字控制装置16，被反馈到伺服系统地进行位置修正。
即，修正手段33把计算结果输出到外部补偿装置，外部补偿装置把补偿从外部加入到数字控制装置16的移动指令值上，结果使直角座标系的原点位置得到补偿，数字控制装置16控制MC1的工具7的轨迹。
可变程序控制器15接受数值控制装置16的指令，管理MC1的动作顺序。
各个温度传感器S1，S2的检测值通过A/D变换器13由计算储存部14计算，将它的指令写入RAM11内的被指定供各个温度传感器S1，S2用的存储地址。而在RAM11里各个温度传感器S1，S2每隔一定时间储存取样的温度数据。这个温度数据被显示在数值控制装置16的显示部上。
在ROM17里储存着计算本发明的热位移用的程序和修正系数等。时钟18是普通的钟，是用来决定各个温度传感器S1，S2的检测时间的。
热位移修正装置12具有合成温度运算手段31和热位移运算手段32和修正手段33。合成温度运算手段31是用由温度传感器S1，S2检测的温度的温度变化来计算具有与热位移的时间常数大致相同的时间常数的假想位置P1上的合成温度变化，热位移运算手段32是用来计算与由合成温度运算手段31算出的合成温度变化相对应地变化的立刻响应成份ΔZ1，即，计算热位移，修正手段33是根据由热位移运算手段32算出的热位移来修正加工误差的。
第1实施例的热位移修正装置12最好还具有滞后温度运算手段34，它是用来计算比由温度传感器2检测的温度的温度变化更迟后地显示的滞后温度变化及估算上述温度变化的滞后的。
热位移运算手段32算出与由滞后温度运算手段34算出的滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分ΔZ2，把这个滞后响应成分与上述的立刻响应成分ΔZ1相加。修正手段33根据这个所加的合计值，即，根据热位移进行加工误差的修正的计算并输出这结果。
由储存手段35给出使滞后温度的运算中断时的补偿，储存手段35是用来同时储存滞后温度运算手段34的最终运算结果和到下一次再开始运转的机床电源切断时间的。
只考虑立刻响应成分ΔZ1场合下的本发明的热位移修正方法是根据算式(3)的方法。对于依据立刻响应成分ΔZ1考虑滞后立刻响应成分ΔZ2的算式(2)的热位移修正方法能更高精度地进行修正，因而是更好的方法。
图2是表示本发明的第2实施例的方框图。第2实施例的热位移修正方法是根据只考虑滞后响应成分ΔZ2场合的算式(4)的方法。
第2实施例的热位移修正装置12A具有第1滞后温度运算装置34a和热位移运算手段32和修正手段33，第1滞后温度运算手段34a是估计由温度传感器S1检测的温度的温度变化的滞后，计算具有与热位移的时间常数大致相同的时间常数的假想位置P1上的温度变化的，热位移运算手段32是计算由第1滞后温度运算手段34a算出的第1滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分ΔZ2的，修正手段33是根据由热位移运算手段32算出的热位移修正加工误差的。
第2实施例的热位移修正装置12a最好还具有第2滞后温度运算手段34b，它是估计上述温度变化的滞后，计算比由温度传感器S3检测的温度的温度变化更滞后地显示的温度变化，温度传感器S3是设置在发热源的发热缓慢地影响到机体10的位置上的。
热位移运算手段32算出由第2滞后温度运算手段34b算出的滞后温度变化相对应地变化的第2滞后响应成分，把这个第2滞后响应成分和前面的滞后响应成分ΔZ2相加。修正手段33是根据这个相加的合计值，即，热变形来修正加工误差，并输出结果。
第2实施例虽然用一个温度传感器S1的输出就能修正热位移，但是，在另一位置上加入了温度传感器S3的输出的热位移修正方法由于能更高精度地修正，因而就更可取。
第2实施例中省略了与第1实施例相同的或者相当的机能部分的说明。
下面，参照图1至图13来说明第1和第2实施例的具体的程序。
图3是表示第1实施例的动作流程图，图4是表示第2实施例的动作的流程图，图5是表示Z轴热位时效变化的曲线图，图6是表示分别在主轴鼻位置和头部位置检测的温度变化和合成温度变化的曲线图，图7是表示主轴鼻的温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图，图8是表示头部的温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图，图9是表示合成温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图。
图10是说明滞后的温度变化的运算方法的曲线图，图11是表示从温度变化算出滞后响应成分的方法的曲线图，图12是表示运算的Z轴热位移和实测的Z轴热位移的关系的曲线图，图13是表示滞后的温度变化和Z轴的热位移的关系的曲线图。
第1实施例，开始是预先根据图5的数据算出MC1中的Z轴方向的热位移的时间常数。图5的横轴是时间，纵轴是Z方向的热位移。在算出Z轴方向热位移的时间常数时，用主轴的转数S(例S＝10000[min-1])连续运转MC1。而且在主轴6的前端或者主轴前端部所装的试验棒的适当位置上实际测量Z轴方向的热位移做为时间序列数据39。
在由发热引起主轴倾斜的场合下，最好在试验棒的根部和前端部上实测热位移。
由于上述数据39(图中「○」印记的)通常包含室温变化的影响，因而运算具有对室温变化的影响经过修正的、有饱和值40(例如43[μm])的室温修正数据41(图中标「●」印记的。
所谓「时间常数」是指「线性一次滞后系统中加入阶跃状输入时、输出达到饱和值的63.2％所需要的时间」。因此，用最小二乘法把一次滞后要素的阶跃状输入响应函数输入室温修正数据41就能得到Z轴方向的热位移时间常数τZ(例如τZ＝0.57[h])。
而且在检测Z轴方向热位移时，同时根据由主轴鼻温度传感器S1和头部传感器S2检测的温度变化数据，分别算出温度变化的时间常数。计算时间常数的顺序和前面算出Z轴方向的热变形的时间常数是相同的。
图6的横轴是时间，纵轴是温度变化。如图所示，由于靠近发热源的主轴鼻温度变化TN很快地达到饱和温度变化“A”(A＝6.5[℃])所以主轴鼻温度时间常数τN是较小的0.39[h]。
另一方面，离发热源较远位置的头部温度变化TH进行较迟缓的温度变化，由于达到饱和温度变化＂B＂(B＝3.7[℃])所需要的时间较长因而它的头部温度时间常数τH是较大的1.31[h]。
如图1和图3所示，在启动MC1后，由工具7开始对工件9进行切削加工(步骤101)。分别检测主轴鼻位置和头部位置的温度(步骤102)、把检测的结果输入到合成温度运算手段31。
接着，用＂混合法＂将主轴鼻温度变化TN和头部温度变化TH的各个温度变化合成，计算有与图5所示的Z轴方向的热位移数据的时间常数τZ(τZ＝0.57[h])相同的时间常数的假想温度变化TZ。
在进行合成温度时的主轴鼻温度变化TN和头部温度变化TH的各个温度混合比MNZ，MHZ是由下式计算的。下式是混合法的一个例子，也可以用其它各种混合法。这些温度混合比是每种车床的固有值，即使主轴转数等运转条件改变时，这个值也不变。所以只要进行一次混合比的计算就可以了。
主轴鼻温度混合比MNZ
＝(τH－τZ)/(τH－τN)·(k/A)
＝(1.31－0.57)÷(1.31－0.39)×(10/6.5)
＝1.24                  …………………………(7)
头部温度混合比MHZ
＝(τZ－τN)/(τH－τN)·(k/B)
＝(0.57－0.39)÷(1.31－0.39)×(10/3.7)
＝0.53                   …………………………(8)
其中，K—任意的系数(这里K＝10)
当与图5的上述顺序同样地算出Y轴方向的热位移的时间常数τY＝1.15[h]时就能同样地算出如图6所示的与Y轴方向有关的合成温度变化TY。
这时的主轴鼻温度变化TN和头部温度变化TH的各个温度混合比MNY、MHY用下式算出的。
主轴鼻温度混合比MNY
＝(τH－τY)/(τH－τN)·(k/A)
＝(1.31－1.15)÷(1.31－0.39)×(10/6.5)
＝0.27             …………………………(9)
头部温度混合比MHY
＝(τY－τN)/(τH－τN)·(k/B)
＝(1.15－0.39)÷(1.31－0.39)×(10/3.7)
＝2.23             …………………………(10)
其中，K—任意的系数(这里K＝10)
根据由合成温度运算手段31，用算式(7)，(8)算出的温度混合比MNZ，MHZ和各个温度变化TN，TH，用下式计算合成温度变化TZ(步骤103)。算式(11)是温度变换式、MNZ，MHZ是它的系数。
TZ＝MNZ·TN＋MHZ·TH＝1.24×TN＋0.53×TH……(11)
图7的横轴和图8的横轴分别表示主轴鼻的温度变化TN和头部的温度变化TH，图7和图8的纵轴表示Z轴方向的热位移。如图所示，各个温度变化TN，TH和Z轴热位移没有比例等的对应关系。
与此相对的，如图9所示合成温度变化和Z轴热位移则有斜率α(α＝3.88)的直线42代表的线性函数关系的区域。这个斜率α是由合成温度变化TZ算出立刻响应成分ΔZ1时的比例常数，结果是下式成立。
ΔZ1＝α·TZ       ……………(12)
由热位移运算手段32用算式(12)算出与合成温度变化TZ对应地变化的立刻响应成分ΔZ1(步骤104)。
接着，判断是否考虑滞后响应成分ΔZ2(步骤105)、在不考虑时根据用热位移手段32运算的结果由修正手段33修正加工误差。具体地说，例如补偿直角座标系的原点位置(步骤106)。
此后，判断是否结束修正(步骤107)、在结束的情况下使MC1停止(步骤108)、整个程序结束。在修正不结束情况下回归到步骤102。
另一方面，在步骤105的判断中考虑滞后响应成分ΔZ2时，把由头部温度传感器S2检测的头部位置的温度输入到滞后温度装置34。
由于立柱3等质量较大，而且离作为主要的发热源的主轴6较远，因而温度变化滞后成比头部位置更后地显示温度变化。这个滞后温度变化是如图9中的经过较长时间的区域D，对合成温度变化TZ和Z轴热位移的线性函数关系会带来误差。
计算滞后温度变化的方法有＂假设法＂，它是通过设定一个假设的热容量C来估计比头部温度变化TH更滞后显示的滞后温度变化Y的举动。
具体地说，能得到微分方程式(13)的近似解。
C·dY/dt＋Y＝TH       ………………(13)
图10的横轴表示时间，纵轴表示滞后温度变化，由图10能得到下式。
Y＝Y0＋(dYo/dt＋dY/dt)/2·Δt………………(14)
从算式(13)算出dY/dt和dyo/dt，代入算式(14)，就构成算出滞后温度变化Y的算式(15)。这个算式(15)是温度变化式，符号C相当于它的系数。式(15)计算的是滞后温度变化和假想的温度变化，是一种与前面的算式(11)的合成温度变化相同的创制温度变化。Y＝[THO＋TH＋(C/Δt)·Yo－Yo]/(C/Δt)＋1]……(15)
其中，Δt—运算时间间隔
      TH—头部温度变化的输入
      THO—前一次的头部温度变化的输入
      Y—滞后温度变化的输入
      Yo—前一次滞后温度变化的输入
      C—假设的热容量
由于滞后温度变化输出Y的单位是[℃]，因而，在计算滞后响应成分ΔZ2时所用的内部修正系数e是温度和热位移的变换系数。
ΔZ2＝e·Y    ……………………(16)
图11的横轴是时间，左侧的从零开始向上的纵轴是头部温度变化，右侧的从零开始向下的纵轴是滞后响应成分。图中表示头部温度变化的时间序列数据43和图9中从Z轴热位移扣除直线42的纵轴的值后的误差44和使用头部温度变化的时间序列数据43经过式(15)和(16)得到的运算结果45。上述误差44和运算结果45分别和滞后响应成分ΔZ2的实测数据和运算数据相当。
即，通过适当地选择算式(15)所含的假设热容量C和算式(16)的内部修正系数e就能使运算数据和实测数据接近，能分别决定最佳值。这里定出的热容量C和系数e的值是每种机床的固有值，不管主轴的转数等运转条件怎样变化，这值不变，因此只要进行一次作业就可以。
例如，若根据上述的头部温度变化的时间序列数据43，通过反复的计算，算出滞后响应成分ΔZ2，则能得到C＝900、e＝-4时的表1的结果。表1的滞后响应成分ΔZ2的值是立柱3等的滞后响应成分，相当于图9中的Z轴热位移和直线42的纵轴方向的误差。
                           表1
时间(分) 滞后响应成分ΔZ2[μm] 时间[分] 滞后响应成分ΔZ2[μm]
    10     0     150     -3
    20     0     180     -4
    30     0     240     -6
    40     0     300     -7
    50     0     360     -9
    60     0     420     -11
    90     -1     480     -12
    120     -2
由滞后温度运算手段34、用确定了假设热容量C的算式(16)计算与头部温度变化TH相对应的滞后温度变化Y(步骤109)。接着，将这滞后温度变化Y代入内部修正系数e的确定式(16)，即可得到滞后响应成分ΔZ2(步骤110)。
由前面用算式(12)计算立刻响应成分ΔZ1的热位移运算装置32地这样算出的滞后响应成分ΔZ2和立刻响应成分ΔZ1相加，计算Z轴热位移ΔZ(步骤111)。
图12的纵轴是与图5所示的相同地实测的Z轴热位移，横轴是用由温度传感器S1、S2检测的温度数据，经过一直到步骤111为至的程序所估计的Z轴热位移ΔZ。在这热位移ΔZ的运算中，把算式(2)的整体修正系数＂a＂取成1，用算式(11)和(12)展开立刻响应成分ΔZ1的下式。
ΔZ＝4.8×TN＋2.1×TH＋ΔZ2……………(17)
这个算式(17)中主轴鼻温度变化TN这一项的系数和头部温度TH这项的系数分别与前面的算式(5)的内部修正系数b、c相当，可用下式算出。这些系数的值用从机体10检测中的温度，因而汇集了计算立刻响应成分场合下的这个机床的热特性。
b＝a·MNZ＝3.98×1.24＝4.8  ……………(18)
c＝α·MHZ＝3.88×0.53＝2.1 ……………(19)
另外，算式(17)的滞后响应成分ΔZ2用表1所示的结果。
在图12中，纵轴的实测的Z轴热位移和用算式(17)求得的横轴的Z轴热位移ΔZ值在45度的倾斜直线46上大略一致。这意味着这两者是相同值，因此，通过使用从机体10检测的较少的温度数据的计算就能高精度地估计Z轴热位移。
这样，根据在步骤111计算的Z轴热位移ΔZ，通过由修正装置33修正加工误差就能进行热位移的修正(步骤112)，能高精度地切削加工工件9。
此后，判别修正是否结束(步骤107)，在修正结束场合下，使MC1停止(步骤108)，使整个程序结束。在修正没结束场合下，回归到步骤102。
下面，说明第2实施例的顺序。在第2实施例中没必要预先算出热位移或温度变化的时间常数。
如图2和图4所示，使MC1起动后，由工具7开始切削加工工件9(步骤201)。检测第1个位置例如主轴鼻位置的温度(步骤202)，并把这检测信号输入到第1滞后温度运算手段34a。
接着，用前述的“假设法”，通过设定一个假设的热容量C1，估计具有比主轴鼻温度变化TN更滞后地显示Z轴热位移的时间常数相同的时间常数的第1滞后温度变化Y1的举动。
进行与上述的算式(13)、(14)同样的展开，就能构成计算第1滞后温度变化Y1的下式。Y1＝[TNO＋TN＋(C1/Δt)·Y10－Y10]/[(C1/Δt)＋1]……(20)
其中，Δt—运算的时间间隙
      TN—主轴鼻的温度变化输入
      TNO—前一次的滞后温度变化输入
      Y1—第1滞后温度变化输出
      Y10—前一次的第1滞后温度变化输出
      C1—假设的热容量
如图13所示，Z轴热位移和第1滞后温度变化Y1产生具有斜率e的直线47为代表的、具有线性函数关系的区域。这个斜率e是计算与第1滞后温度变化Y1相对应的Z轴热位移时的比例常数，这里算出的Z轴热位移相当于前述算式(6)的第1项。
这第1项的反复运算的结果可把假设的热容量C1和内部修正系数e的值适当地选择成与前面图5所示的Z轴热位移的一系列时间上的数据相一致。由于这样确定的热容量C1和系数e的值是每个机床的固有值，因而这种工作只进行一次就可以了。
由第1滞后温度运算手段34a，用确定了假设的热容量C1的算式(20)计算与主轴鼻温度变化TN相对应的第1滞后温度变化Y1(步骤203)。
用热位移运算手段32把这滞后温度变化Y1代入确定了内部修正系数e的算式(6)的第1项里，算出第1滞后响应成分(步骤204)。
接着，判断是否考虑第2滞后响应成分(步骤205)，在不考虑的场合下，根据由热位移运算手段32运算的结果，由修正手段33修正加工误差(步骤206)。
此后，判断是否使修正结束(步骤207)，在修正结束的场合下，使MC1停止(步骤208)，使整个顺序结束。在不修正结束的场合下，回归到步骤202。
另一方面，在步骤205的判断中，在考虑第2滞后响应成分的场合下，用温度传感器S3检测第2个位置，例如立柱位置的温度变化TC(步骤209)，输入到第2滞后温度运算手段34b里。
显示立柱位置上的温度变化TC，例如图13的长时间经过的区域的使第1滞后温度变化Y1和Z轴热位移的线性函数关系带上误差。再次用上述的“假设法”，设定一个假设的热容量，由立柱的温度变化TC估计第2滞后温度变化Y2的举动。
构成计算第2滞后温度变化Y2的如下算式。Y2＝[TCO＋TC＋(C2/Δt)·Y20－Y20]/[(C2/Δt)＋1]……(21)
其中，Δt—运算时间间隙
TC—立柱温度变化输入
TCO—前一次的立柱温度变化输入
Y2—第2滞后温度变化输出
Y20—前一次的第2滞后温度变化输出
C2—假设的热容量
与这第2滞后温度变化Y2对应的Z轴热位移相当于含有温度和热位移的变换系数f的前面的算式(6)的第2项。
在图13中，适当选择假设的热容量C2和系数f的值，使这个第2项的反复运算的结果与从Z轴热位移扣除直线47的误差一致。这里决定的热容量C2和系数f的值是每种机床的固有值，因而只进行一次作业就可以了。
由第2滞后温度运算手段34b、用确定了热容量C2的式(21)计算与立柱温度变化TC相对应的第2滞后温度变化Y2(步骤210)。接着，将第2滞后温度Y2代入确定了内部修正系数f的算式(6)的第2项，计算第2滞后响应成分(步骤211)。
用算出与上述算式(6)的第1项相当的第1滞后响应成分的热位移运算手段32，加上这样算出的第2滞后响应成分，计算Z轴热位移ΔZ2(步骤212)。
根据在步骤212，所算的Z轴热位移ΔZ2，用修正手段33修正加工误差，对热位移作出修正(步骤213)，能高精度加工工作9。
此后，判断修正是否结束(步骤207)，在使修正结束的场合下，使MC1停止(步骤208)，使整个顺序结束。在不使修正结束场合下，回归到步骤202。
图14至图17是使MC1实际运转时的实测数据。
图14表示Z轴热位移数据的曲线图，图15表示Z轴热位移的另一些数据的曲线图，图16是表示Y轴热位移数据的曲线图，图17表示Y轴热位移的另一些数据的曲线图。
任意一个主轴6的回转数S都是S＝10,000[min-1]，图14和图16表示连续运转的场合。图15和图17如时间记录线所示的那样，大约50分钟间隔的回转，10分钟间隔停止(中间有一停止70分钟间隔)场合下的热位移。图14至图17的横轴是时间。
如图14和图16所示，用实线48.52表示的修正前的热位移最大约40[μm]，与此相对地，本发明能使修正后的热位移的目标值接近于零。在进行由本发明的热位移的修正场合下，如图中虚线49、53所示，能使残留热位移减小到±5[μm]以下。
修正前的热位移100[μm]以上场合下，本发明已确认能使修正后的热位移减小到±5[μm]以下。这样，本发明能进行高精度的热位移修正。
在如图15和图17所示地进行断续运转场合下，本发明能如点划线50、54所示地，能把修正后的残余热位移减小到±5[μm]以下。
(第3实施例)
图18至图28是说明第3实施例的图。
例如，由图18所示MC1a具有装着工具7的主轴6，和通过主轴承20和上部轴承(另一个轴承)22、能自由回转地支承主轴6的主轴箱5a。使主轴6回转驱动的内装马达21配设在两个轴承20、22之间，与它们一起装在主轴箱5a内。
主轴承20把主轴6定位在中心轴向上，上部轴承22保持着因热位移而伸缩的主轴6在中心轴向上滑动。这样，即使上部轴承22和马达21因回转而发热，由于主轴6朝上方伸展，不会影响到工具7。
结果，MC1a的场合下，可只把主轴承20认为发热源进行热位移修正。把作为检测主轴承20的温度变化的温度检测手段的头部温度传感器S2安装在主轴箱5a里。
只要是能显示由作为发热源的主轴承20形成的温度变化的场所的，可以在头部位置以外的，例如检测主轴鼻或立柱温度。此外，也可以在主轴把持工件式的机床的场合。
与第1、第2实施例相同或者相当的部分都标上相同的符号，而且省略对其说明。
下面，说明第3实施例的热位移修正的原理。
与第1、第2实施例同样地，把Z轴方向的修正作为例子加以说明。第3实施例的Z轴方向的热位移的算式如下：
 ΔZ＝a·(ΔZ3＋ΔZ4)………(22)其中：ΔZ—Z轴热位移
    a—整体修正系数(与式2的相同)
  ΔZ3—Z轴热位移的创制位移成分
  ΔZ4—Z轴热位移的滞后响应成分
即，即算式(22)含有由温度变化引起的创制位移成分ΔZ3和滞后响应成分ΔZ4，前者是根据有与热位移的时间常数相同的创制温度变化运算的，后者是相对于温度变化较滞后地显示热位移。
这里处理的温度变化是用各个温度传感器输出的温度和基准温度的差算出的。基准温度采用和前面第1、第2实施例相同的考虑。
如算式(23)所示，本发明也可使用只根据创制位移成分ΔZ3的算式。
ΔZ＝a·ΔZ3  ……………………(23)创制位移成分ΔZ3由下式算出。
ΔZ3＝g·Y3   …………………(24)其中：Y3—创制温度变化[℃]
   g—内部修正系数[±μm/℃]
第3实施例使用的算式(24)是用设置在一个位置上的温度传感器的输出来计算机体10的热位移的算式。而且，是从用头部温度传感器S2检测的温度变化T展开而得到创制温度变化Y3来计算创制位移成分ΔZ3。
温度传感器设置的位置可以至少是一个、但应根据发热源数适当地增加。而且只要温度传感器的设置位置是受发热源发热影响的位置，也可以在主轴箱以外的其他位置上。
另一方面，计算滞后响应成分ΔZ4的算式如下：
ΔZ4＝h·Y4    …………………(25)其中：Y4—滞后温度变化[℃]
  h—内部修正系数[±μm/℃]算式(25)是估计对头部温度传感器S2检测的温度变化T的滞后而算出的滞后温度变化Y4，再由此计算滞后响应成分ΔZ4。
温度传感器设置的位置至少可以是一个，但应根据发热源的数目适当地增加。
图18是表示本发明第3实施例的方框图。
第3实施例的热位移修正装置12b具有把由温度传感器S2检测的温度展开并计算有与热位移的时间常数大致相同的时间常数的假想位置P1上的温度变化的创制温度运算手段31a、计算与创制温度运算手段31a算出的创制温度变化相对应地变化的创制位移成分ΔZ3的热位移运算手段32、根据热位移运算手段32算出的热位移修正加工误差的修正手段33。
热位移修正装置12b最好还具有滞后温度运算手段34。滞后温度运算手段34是估计上述温度变化的滞后并计算比由温度传感器S2检测的温度变化更滞后地显示的滞后温度变化。
热位移运算手段32是算出与滞后温度运算手段34算出的滞后温度化相对应地变化的滞后响应成分ΔZ4，并与前面的创制位移成分ΔZ3相加。修正手段33根据这相加的热位移修正加工误差，输出它的信号。
本实施例中省略了与前面的第1、第2实施例相同的或相当的机能部分的说明。
下面，参照着图19～图28来说明第3实施例的具体程序。
图19是表示第3实施例动作的流程图，图20是表示Z轴热位移和在头部位置检测到的温度变化T的代表例(取样温度变化)随时间变化的曲线图，图21是表示取样温度变化和Z轴热位移的标准关系的曲线图。
图22是表示取样温度变化和时间常数比取样温度变化小的温度变化＂A＂和时间常数比取样温度变化大的温度变化＂B＂的曲线图。图23是表示在图22所示的温度变化上加入用取样温度变化创制的创制温度变化Y3A、Y3B(图中「○」印记)的曲线图。
图24是表示创制温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图，图25是表示在Z轴热位移含有滞后响应成分的场合下的创制温度变化和Z轴热位移的关系的曲线图。
图26是表示取样的温度变化和比取样温度变化滞后地显示的滞后温度变化C和用取样温度变化创制的滞后温度变化Y4(图中「○」印记)的曲线图，图27是表示滞后温度变化和滞后响应成分的关系的曲线图，图28是表示从创制温度变化和滞后温度变化估计的热位移和Z轴热位移的关系的曲线图。
在第3实施例中，预先检测Z轴方向的热位移。与此同时，根据由头部温度传感器S2检测的温度变化的数据算出各个时间常数。计算时间常数的顺序是和前面的第1实施例中的计算Z轴方向的热位移的时间常数相同的。
图20是表示在主轴一定回转(转数S＝10,000[min-1])的情况下，由头部传感器S2检测的温度变化T的代表例(取样温度变化)和Z轴热位移的两个例子(热位移＂A、B＂)的时间序列数据。
Z轴热位移的时间常数比取样温度变化T的时间常数τS小时，即在热位移迅速显示的场合下，就形成热位移＂A＂(时间常数为τA)。另一方面，上述热位移的时间常数比取样温度变化T的时间常数τS大时，即，缓慢地显示热位移场合下，就形成热位移＂B＂(时间常数τB)。因此，实际上就由MC1a的热位移特性形成热位移＂A、B＂中的任意一方的数据。
这里抽取的Z轴热位移的时间常数和取样温度变化T的时间常数的值的平衡是每种机床的固有热特性，与主轴转数等运转条件变化多少无关。因此只要进行一次就可把两个时间常数的计算出。
下面，如图18和图19所示，起动MC1a后，由工具7开始对工件9进行切削(步骤301)。而且检测头部位置的温度(步骤302)，输入到创制温度运算手段31a。
但当根据如图20所示的数据、表示取样温度变化T和热位移＂A＂的关系和取样温度变化T与热位移＂B＂的关系时，就分别形成如图21所示的弓形曲线55、56。
即，由于取样温度变化T和Z轴热位移不形成单纯的线性关系，因而不能从头部位置随时检测的温度变化直接估计热位移。
这样，用「线性化」方法，用从头部位置检测的温度的温度变化计算有与热位移的时间常数大致相同的时间常数的创制温度变化。
图22是表示把时间常数取为τS的取样温度变化57和具有与热位移＂A＂相同时间常数τA的温度变化＂A＂的模拟例58以及具有与热位移＂B＂相同时间常数τB的温度变化＂B＂的模拟例59。
曲线57至59所示的温度变化中任意一个的值都以下max为饱和，下面表示各个时间常数的一例。
τA＝5(min)
τS＝10(min)
τB＝15(min)
而且各个温度变化57至59的举动关系分别可用下列微分方程式(26)至(28)表示。
τS·dT/dt＋T＝X     …………………(26)
τA·dY3A/dt＋Y3A＝X    …………………(27)
τB·dY3B/dt＋Y3B＝X    …………………(28)
算式(27)、(28)可用一般的微分方程式(29)表示。
τZ·dY3/dt＋Y3＝X    …………………(29)
其中：T—由头部温度传感器S2检测的温度变化[℃]
      X—发热部的温度变化[℃]
      Y3—创制温度变化[℃]
Y3A—创制温度变化＂A＂的创制温度变化[℃]
Y3B—创制温度变化＂B＂的创制温度变化[℃]
τZ—Z轴热位移的时间常数[min]
由于由算式(26)可从取样温度变化T了解发热部的温度变化，当把X值代入算式(29)则可得到具有与取样温度变化的时间常数τS不同的时间常数τZ的创制温度变化Y3。时间常数τZ是MC1a的热特性确定的，是每种机床固有的值。
实际上，在创制温度运算手段31a(图18)运算场合下，是对微分方程式(26)、(29)分别加以离散的下式(30)、(31)反复计算而得到解的(步骤303)。x＝τS·(T－To)/Δt＋To…………(30)Y3＝(2x＋2τZ·Y30/Δt－Y30)/(2τZ/Δt＋1)……(31)
其中，Δt—运算时间间隔[min]To—前一次的试样温度变化的输入[℃]
      Y30—前一次的创制温度变化Y3的输入[℃]
图23是表示在取样温度变化T和温度变化＂A，B＂上加入由算式(30)、(31)，用取样温度变化T加以展开的创制温度变化Y3(具体是指创制温度变化Y3A或Y3B)(图中「○」印记)。这个「○」印记是表示测定时间间隔，即计算时间间隔Δt是1.0[min]的场合。
通过用算式(30)、(31)的反复计算，能创制成具有与任意时间常数的热位移大致相同的时间常数的创制温度变化。
由于创制温度变化Y3有与热位移相同的时间常数，因而如图24的直线60所示，它与Z轴热位移就成线性关系。直线的斜率g表示创制温度变化Y3和热位移的相关。用热位移运算手段32和算式(24)，从创制温度变化Y3算出热位移(即，创制位移成分ΔZ3)(步骤304)。
如上所述，线性化方法基本上是从离发热源较远的例如在头部位置检测的温度的温度变化T估计时间常数小的敏感的热位移。由于用这方法算出的创制位移成分ΔZ3与算式(2)的立刻响应成分ΔZ1相当，因而单独用这方法就能进行高精度的热位移的修正。
接着，判断是否考虑滞后响应成分ΔZ4(步骤305)，在不考虑的场合下，根据由热位移运算手段32计算的结果，由修正手段33修正加工误差(步骤306)。
接着，判断是否使修正结束(步骤307)，在使结束的场合下，使MC1a停止(步骤308)，并结束整个程序。在不使修正结束场合下，回归到步骤302。
另一方面，在步骤305的判断中，在考虑滞后响应成分ΔZ4的场合下，把用头部温度传感器S2检测头部位置的温度输入到滞后温度运算手段34。
由于立柱3等的质量较大，而且还和作为发热源的主轴6分离的，因而比温度变化滞后的头部位置更滞后地显示温度变化。这个滞后温度变化和第1及第2实施例的图9，图13所示的一样，在图25中产生经过较长时间的区域D，由此使创制温度变化Y3和Z轴热位移的线性的函数关系有些误差。
在考虑滞后响应成分ΔZ4场合下，用上述的「假设法」，设定一个假设的热容量C4，估计比用头部传感器S2检测的温度的温度变化T更滞后显示的滞后温度变化Y4的举动。
计算滞后温度变化Y4的算式成为下式。Y4＝[To＋T＋(C4/Δt)·Y40－Y40]/[(C4/Δt)＋1]…(32)
其中，Δt—计算时间间隔[min]
      T—由头部温度传感器S2检测的温度的温度变化输入
      To—前一次的温度变化T输入[℃]
      Y4—滞后温度变化输入[℃]
      Y40—前一次的滞后温度变化Y4的输出[℃]
      C4—假设的热容量[min]
图26表示用前面的头部温度传感器S2检测的温度的温度变化T作为代表例的取样温度变化57以及与滞后响应成分相同地显示热的举动的滞后温度变化的模拟例61(温度变化C，时间常数τC)。图26中还用「○」印记表示用算式(32)和取样温度变化T创制的滞后温度变化Y4。
以温度变化C经过长时间，达到饱和值Tmax，和取样温度变化T相等为前提，「○」印记表示测定时间间隔，即，计算的时间间隔Δt是1.0[min]的场合。
由这样适当地选择算式(32)的热容量C4后的反复计算，就能创制滞后温度变化Y4，滞后温度变化Y4是作出与任意的时间常数τC(τC)τS)的温度变化C大致相同的温度变化举动的。
如图27所示，由于这个滞后温度变化Y4和滞后响应成分形成线性函数关系的直线62，因而前面的算式(25)成立。实际上，进行抽出温度变化C的程序没特别必要。例如，用取样温度变化，适当选择算式(32)中的假设的热容量C4和算式(25)的内部修正系数h的反复计算结果与从前面图25的Z轴热位移(包含区域D的线)中扣除直线60的误差一致，可决定热容量C4和系数h的最佳值。这里决定的热容量C4和系数h的值是每种机床固有的值，这工作进行一次就可以。
在滞后温度运算手段34，用确定了假设的热容量C4的算式(32)计算与由头部温度传感器S2检测的温度的温度变化T相对应滞后温度变化Y4(步骤309)。接着，把这滞后温度变化Y4代入到确定了内部修正系数h的算式(25)，即可得到滞后响应成分ΔZ4(步骤310)。
用前面利用算式(24)算出创制位移成分ΔZ3的热位移运算手段32把这样算出的滞后响应成分ΔZ4与创制位移成分ΔZ3相加，并计算Z轴热位移ΔZ(步骤311)。
图28的纵轴是实测的Z轴热位移，横轴是用取样温度变化T，经过直到步骤311的程序而估计的Z轴热位移。在这热位移ΔZ的运算中使用把整体修正系数＂a＂取为1的下式。
ΔZ＝g·Y3＋h·Y4……………(33)
图28的纵轴表示的实测的Z轴热位移，横轴表示的用算式(33)求得的Z轴热位移ΔZ的值在45°倾斜的直线63上大致一致，这意味着这两者的值是相同的。
因此，由设置在机体10的受主轴承发热影响的位置上头部温度传感器S2的温度数据就能十分高精度地估计Z轴热位移。
这样，根据在步骤311算出的Z轴热位移ΔZ，由修正手段33修正加工误差，由此作出热位移修正(步骤312)此后就能高精度地切削加工工件9。
此后，判断是否使修正结束(步骤307)，在使修正结束的场合下，使MC1a停止，(步骤308)，并结束整个程序。在不结束修正的场合下，回归到步骤302。
(第4实施例)
下面，用图29至图32来说明应用线性化法的第4实施例。
在上述第1至第3实施例中主要说明的是成为热位移原因的发热源的数目是一个的例子，但在本发明中构成热位移原因的发热源是多个的，而且即使在认为发热源的影响是相互独立的场合下，也还可能形成展开式的结构。
第4实施例是考虑多个发热源(称为多发热源)相互影响同时使其发生热位移的机床的场合，补足前面各个实施例没有说明的部分。
图29是方框图，图30是主轴箱的断面图。
NC车床64是把主轴箱66这一机体作为发热源的机床。如图所示，NC车床64具有通过卡盘65和卡瓜67把持工件68的主轴69和主轴箱66以及内装马达70。主轴箱66通过支承主轴69的加工位置侧的前轴承71和加工位置相反侧的后轴承72能自由回转地支承着主轴69。
含有转子70a的马达70配设在前、后轴承71、72之间，而且装在主轴箱66里，回转驱动主轴69。
后轴承72上使用止推球轴承，使主轴69相对于中心轴向01定位。受热位移而伸缩的主轴69就能沿中心轴向01在前轴承71内伸缩。由于在接近工件68的前轴承71上有大的载荷作用，为承受这载荷并提高切削性能，因而在前轴承71上是使用额定载荷大的多列园筒滚柱轴承。
这里所示的结构与用皮带驱动主轴69的结构相比，由于是用内装马达70直接驱动主轴69，因而能高速回转。另外，由于能抑制主轴69的振动，因而能进行高精度的切削加工。
使NC车床64起动后，使内装马达70的转子70a回转，当前、后轴承71、72和转子70a分别发热时，主轴69向前方伸长(图中右方)从而使工件68沿中心轴向01移动，就会降低加工精度。
为此，把热位移修正装置12b分别配置在成为发热源的前、后轴承71、72和马达70的定子等各附近位置上并把三个温度传感器s1、s2、s3安装在主轴箱66上。
这样，即使在有多个对Z轴方向(即中心轴方向01)的热位移产生影响的发热源情况下，通过如上述的线性化法就能进行高精度的热位移修正。
通过回路36a、36b、36c把作为温度检测手段的温度传感器s1、s2、s3的各输出信号输入A/D变换器13，从A/D变换器13输出的信号被输入到创制温度运算手段31a和滞后温度运算手段34。由于其他结构都和第3实施例同样，因而省略对它们说明。
在多热源场合下，由各发热源产生的热位移由热位移运算手段32分别加以算出。z轴方向总的热位移Δz用下面的一般式表示。
Δz＝a·(Δz1＋Δz2＋……＋Δzn)……(34)
Δz1＝β1·YA1＋γ1·YB1
Δz2＝β2·YA2＋γ2·YB2
Δzn＝βn·YAn＋γn·YBn
其中，Δz—Z轴总的热位移
Δz1至Δzn—由第1至第n个发热源形成Z轴方向的
            热位移
      a—整体修正系数(与算式(2)的相同)
     β1至βn—创制温度变化的内部修正系数
     γ1至γn—滞后温度变化的内部修正系数
      YA1至YAn—创制温度变化
      YB1至YBn—滞后温度变化
这样，第3实施例的算式(33)与算式(34)的第1项的热位移Δz1相当。而由于第3实施例是1个发热源，因而就把算式(34)的第2项以下的各项取为零地计算。
由于第4实施例中的发热源有3个，n＝3，因而算式(34)就能如下地展开。
Δz＝a·(Δz1＋Δz2＋Δz3)………(35)
Δz1＝K1·Δz
Δz2＝K2·Δz  ……………………………(36)
Δz3＝K3·Δz
K1＝P·T1/(P·T1＋Q·T2＋R·T3)
K2＝Q·T2/(P·T1＋Q·T2＋R·T3)………(37)
K3＝R·T3/(P·T1＋Q·T2＋R·T3)
   其中：T1—由温度传感器s1检测的温度的温度变化
      T2—由温度传感器s2检测的温度的温度变化
      T3—由温度传感器s3检测的温度的温度变化
        P，Q，R—内部修正系数
上述三个算式(37)中的内部修正系数P，Q，R是指各个温度变化T1至T3的加权，由于改变发热条件三次以上的试验中取样的温度变化的饱和值不同，由下式决定。
由于这里决定的系数P，Q，R的值的平衡是表示每种机床的固有热特性，即使主轴转数等回转条件改变它们也很少改变，因而这种工作只要做一次就可以了。
P·T1s＋Q·T2s＋R·T3s＝Δz………(38)
其中，T1s—取样温度变化T1的饱和值
      T2s—取样温度变化T2的饱和值
      T3s—取样温度变化T3的饱和值
由于通过把内部修正系数P，Q，R的值代入算式(37)能定出系数K1、K2、K3的值，因而三个算式(36)能如图31那样地表示。结果，由发热源71、72、70a的影响形成的各个热位移Δz1、Δz2、Δz3和各取样温度变化的相关关系就可用线性化法等方法进行线性化处理。图31是表示各个发热源的Z轴热位移的曲线图。
一般，由于NC车床等切削机床的热容量小，与MC相比，显示出热位移敏感，因而温度传感器的安装位置没有限制的第3实施例的方法是特别有效的。
又由于用第3实施例的方法，对一个发热源设置一个温度传感器就可以了，因而在有多发热源NC车床64等场合下，能减少温度传感器的个数。
图32是表示在组合地使用线性化法和假设法，在使NC车床64实际运转的场合下实测的Z轴热位移的数据的曲线图。
如图所示，图中用实线73、74表示的修正前的热位移约是70[μm]。与此相对，进行本发明的热位移修正的场合下，如图中用虚线73a、74a表示的热位移减小到±10[μm]以下。图中的符号S是指主轴转数。
(第5实施例)
下面，参照图33至图37来说明第5实施例。
第5实施例是把本发明上述的各种方法中的任意一种适当地用在有多个主轴的机床中，进行热位移修正。
主轴把持着工件和工具中的任意一个。由温度调节装置调节这主轴的温度，使各个主轴的热位移大约均等，由温度检测手段至少对一个主轴检测机体的温度变化，进行热位移修正。
在第5实施例中，与上述各实施例相同或相当的部分都标上相同符号并省略对它们的说明。
例如，图33所示的机床是具有多轴机头的立式MC75，由四个工具将四个工件同时加工成同样形状的。床身76上固定着的床面上所设置的立柱77的上部，向Y轴方向，即向水平方向固定着横梁78。
在横梁78上沿Y轴方向安装着可移动的大拖板79，由设置在横梁78上的y轴伺服马达78使大拖板79往复移动。
在大拖板79上沿Z轴方向安装着可移动的主轴箱81。由设置在大拖板79上的Z轴伺服马达82使主轴箱81相对于大拖板79沿Z轴方向往复移动，并使它与大拖板79一起相对于横梁28沿y轴方向往复移动。
在主轴箱81上并列地设置着多个(例如4个)向着Z轴方向的主轴6a至6d，在各个主轴的前端分别装着工具7a至7d。
在床身76上沿x轴方向安装着用来载放与主轴相同个数(例如4个)的工件9a到9d的可移动的工作台83。由设置在床身76上的x轴伺服马达84使工作台83往复移动。
立柱77的侧旁设置着冷却油供给装置85。这个冷却油供给装置85由作为温度调节装置的主轴冷却装置构成，用来调节主轴6a至6d的温度，使各个主轴的热位移大致均等。
图34是说明主轴冷却装置87的示意图。
如图所示，主轴6a至6d的轴承附近分别形成流过冷却油、冷却轴承用的流路85a至85d。从冷却油供给装置85供给的冷却油分别沿管路88a至88d流动，用手动或自动操作的流量调节阀89a至89d调节流量。由此分别地调节各主轴6a至6d的温度。冷却油沿流路85a至85d流动，冷却主轴6a至6d的轴承之后，回归到供给装置85，在此冷却后再被循环使用。
也可以用流量调节加上由供给装置85调节冷却油温度来替代流量调节，由此对每个主轴的主轴温度进行调节。也可用冷却剂(切削油剂)或水来替代冷却油。
在使四个主轴回转的情况下，对热位移进行比较后可见，通常，图中的左右两侧的主轴6a、6d的热位移比内侧的主轴6b、6c的小，这是由于各个主轴的安装位置不同形成的。即，两侧的主轴6a、6d的轴承产生的热量迅速地传导到主轴箱81，从而而抑制了主轴6a、6d的温度上升。
把作为温度检测装置的主轴鼻温度传感器S1安装在处于作为热位移最小的代表性主轴6a发热部附近的主轴箱81上。通过由这传感器S1检测机体86的温度变化，由使用上述各实施例中的热位移修正装置12、12a、12b的方法，对代表性主轴6a的热位移进行修正。
而且用流量调节阀89a至89d调节流量(和/或油温度调节)，通过对各个主轴冷却，使另外三个主轴6b到6d的热位移与代表性主轴6a的热位移略一致，由此消除主轴间的热位移的偏差。
由于代表性主轴6a的热位移最小，最好是对这主轴6a不冷却冷或者稍微冷却，而调节其他主轴6b至6d的冷却油，这样从供给装置85供给的油量从整体来说就可减少。
图35表示着替代主轴冷却装置87，把主轴加热装置90作为温度调节装置加以使用的情况。
如图所示，最好在主轴6a至6d附近分别配置着加热器91a至91d等加热构件。由电流控制装置91分别控制各个加热器91a至91d里流过的电流，由此调节加热器91a至91d的发热量。由于电流控制比冷却油量和温度控制较容易，响应也快，而且整个主轴加热装置也较紧凑。
在这种场合下，在热位移最大的主轴，例如以6b为代表的这个主轴6b附近安装主轴鼻温度传感器S1，检测机体86的温度变化。而且用电流控制装置91控制电流地加热各个主轴，由此使其他3个主轴6a、6c、6d的热位移和代表性主轴6b的热位移大约一致，消除主轴间的热位移的偏差。
最好不加热代表性主轴6b或稍微加热，而调节其他主轴的温度，就能使主轴加热装置90的全体电流减少。
在本实施例中，可根据需要，安装与传感器S1不同地在离主轴位置的任意位置(例如在主轴箱81的适当位置)配置的并检测这位置的机体86的温度变化的头部温度传感器S2。这样，可单独使用混合法或将混合法与假设法组合的上述方法来进热位移修正。
各个传感器S1，S2的输出信号被输入到热位移修正装置12、12a、12b的A/D变换器13之后，与上述各实施例同样地处理。
如图34、图35的虚线所示，最好在代表性主轴以外的各个主轴附近也分别安装温度传感器S10，检测各主轴的温度。虽然在热位移修正中不用传感器S10检测的温度的温度变化，但从这个温度变化可推定其他各主轴的热位移，能用主轴冷却装置87或主轴加热装置90来消除主轴间热位移偏差地加以管理。
图36是表示用主轴冷却装置87的场合下的本实施例的程序的流程图。下面说明中的括号内记载着用主轴加热装置90的场合。
首先，操作调节阀89a至89d，把流过各主轴6a至6d的冷却油量(或者流过加热器91a至91d的电流)缩小到必要的最小限度(步骤401)。接着，使全部主轴开始同步回转(步骤402)。以一定回转数运转，经过规定的时间后，实测出根据各主轴的伸长而产生的主轴前端部的Z轴方向的热位移(步骤403)。
由调节阀89a至89d调节在各个主轴的流路85a至85d里流过的流量(或者由电流控制装置91调节流过加热器91a至91d的电流)，使各个主轴的热位移，即延伸量大约相同，设定此调节量(步骤404)。
使全部主轴的回转停止，使机体86全体充分放热到运转停止(步骤405)。
此后，再开始使全部主轴同步回转，根据在步骤404设定的调节量，使冷却油(或者电流)分别流过各个主轴(步骤406)。
接着，实测代表性主轴6a(或者6b)的前端部的Z轴方向的热位移的时间序列数据，同时用传感器S1，S2中的一个或者两个检测机体86的温度变化(步骤407)。
用这样检测的温度变化，与上述各个实施例同样地抽出主轴鼻温度时间常数τN、头部温度时间常数τH、取样温度时间常数τS等，再算出假设的热容量和内部修正系数。而且把这些值设置到热位移修正装置12、12a、12b里(步骤408)。
在步骤409开始修正，进行由代表性主轴形成的热位移修正(步骤410)。在步骤411结束修正场合下，停止全部主轴的同步回转(步骤412)，使全部程序结束。在不停止修正的场合下，回归到步骤410。
如图33所示，用修正装置12、12a、12b算出的被修正的代表性主轴的热位移通过可编程序控制器15被输运到数值控制装置16，被反馈给Z轴伺服马达82。由此，Z轴伺服马达82使主轴箱81沿Z轴方向移动微小距离地进行位置修正。
由于用主轴冷却装置87(或者主轴加热装置90)使代表性主轴和其他主轴的热位移大约均等，因而能把4个工件9a至9d由装在主轴6a至6d上的工具7a至7d同时进行高精度地加工。
图37是含有带多个主轴的机床平面结构的方框图，是第5实施例的应用例。
图示的机床是多轴NC车床92，具有两组与第4实施例同样的结构的主轴箱66和主轴69。因此这NC车床92是有多发热源和多轴的。
在床身93上并列地设置着2台主轴箱66，而且大拖板94沿Z轴方向可移动地安装着。大拖板94由Z轴伺服马达95使其往复移动。
在大拖板94上沿x轴方向安装着可移动的横刀架96，由x轴伺服马达97使其往复移动。横刀架96上安装着多个带有工具98的块件99。由通过卡盘65等把持工件的主轴69的回转，工具98就切削加工工件。
在床身93上设置着冷却供给装置100，其构成与图34所示的主轴冷却装置87同样原理的主轴冷却装置。这个主轴冷却装置分别调节两个主轴69的温度，使两主轴的热位移大约均等。
在两个主轴69的前、后轴承71、72及内装马达70(见图30)的附近，在主轴箱66内形成流过冷却油的抑制主轴伸长用的流路。主轴冷却装置具有与图34同样的管路和流量调节阀，能个别地调节流向各个主轴69的流量。
由于在一侧的主轴箱66里与第4实施例同样地安装着传感器s1、s2、s3，因而能与第4实施例同样地由热位移修正装置12b进行热位移修正。把安装着传感器s1、s2、s3的一侧的主轴69作为代表性主轴，由主轴冷却装置使这代表性主轴69和另一侧的主轴69的热位移大约一致地消除主轴间的热位移的偏差。
若与图36所示的程序相同地进行代表性主轴的热位移修正，则能由各个工具98高精度地同时对分别把持在代表性主轴69和另一侧主轴69里的工件进行加工。
第5实施例是表示一个代表性主轴的场合，但在进行不同的加工的场合下，也可以对多个代表性主轴分别独立地进行热位移修正。而且也可把利用珀尔帖效应的冷却装置或加热装置用作温度调节装置。
为了减少原有的多轴式的机床上由于发热形成的主轴延伸，有把多量的冷却油等冷却剂在各个主轴承附近的流路里流动，进行强制冷却的。这种方法，通过把各个主轴的热位移在物理上接近为零，欲把各个主轴间的热位移的偏差同时吸收。
但是用这种方法，热位移的吸收有限，不可能使热位移降到+10[μm]以下。又由于使大量的冷却油循环，需要大容量的冷却装置，大量的能量就被浪费。而且由强力致冷效果会在轴承上产生变形，有使主轴烧蚀之虑。
与此相对地，第5实施例并没使各个主轴的热位移从物理上近于零，而是消除各主轴间的热位移的偏差使代表性主轴和其他主轴的热位移大约成一致，同时进行代表性主轴的热位移修正。因此能使修正后的加工误差接近于零，使主轴泠却装置85充分小型化，也节省能量，而且由于冷却效果弱，轴承不会被烧蚀。
还有，在第1至第5实施例中进行着反复运算。因而，如图1、图2、图18、图29和图37所示，最好在热位移修正装置12、12a、12b上设置存储上次运算的结果且也能存储机床的电源从断开到再次接通期间的时间的存储手段35。
存储手段35在滞后温度运算手段34、34a、34b和创制温度运算手段31a之间进行数据的交接。若这样做，即使在电源断开场合，由于保存了热位移修正的经历，反复运算是有效的。
又，在使用与混合法组合的假设法或与线性化法组合的假设的场合，也可以用不是设置在机床的立柱、床身、横梁上的温度传感器检测机体的温度变化。
还有，也可以使用应变计(Strain gauge)作为本发明的温度检测手段来代替温度传感器，检测因温度变化而引起的机体的伸缩。即，为代替用温度传感器直接检测机体的温度变化，而在机体上安装和温度变化有同样输出特性的应变计。而且，若将该应变计的输出信号输入到A/D变换13，则就能得到和实际上检测温度变化相同的同样作用效果。
可是，各实施例的相关值可以是一定的对应关系，也可以是一次相关值以外的场合。
本发明由于不使用原有的那种机体构成部分的长度，所以机体结构上的长度没有限制，同样也不必要多方改变机体构成部分的长度测定或转速来进行数据的实测作业。
因而，转速的测定可以只测定一次，能简化用实际机体的提取热位移特性的实测作业。同样，也不要机体构成材料的线膨胀系数的确认作业。
温度传感器由于可以安装在任意位置，所以可缓和温度传感器安装位置的限制，同时只用少量的温度传感器(例如，对一个发热源用1个或2个)，能使高精度估计热位移的自由度增加。
同样，根据机体的温度进行修正，不必直接检测室温。因而，例如即使在冬季房间的门打开或在夏季冷风机运转等而引起室温急剧变化，也不会有室温变化引起的影响，所以能高精度地维持修正的精度。
本发明的热位移修正方法及其装置，即使适用在热位移给与机械的精度和性能产生不良影响的其他种类的机械设备、例如印刷机、压力机、激光加工机等的自动控制机械设备上，也有同样的作用效果。这种自动控制机械设备可用NC装置等的自动控制装置进行控制。
本发明由于如上述那样构成的，所以能对热位移进行高精度的修正。
还有，各图中的同一符号表示同一或相当的部分。

Claims (26)

1.一种机床的热位移修正方法，其特征是，
检测受发热源影响的机体(10、66、86)的温度变化；
用这种检测的温度变化，运算和上述机床热位移的时间常数有大致相同的时间常数的温度变化；
根据与该运算的温度变化相对应地变化的热位移来修正加工误差。
2.一种机床的热位移修正方法，其特征是，
检测受发热源影响的机体(10、66、86)的温度变化；
用这种检测的温度变化，运算和上述机床热位移的时间常数有大致相同的时间常数的温度变化；
运算与该运算的温度变化相对应地变化的热位移；
检测上述机体的适当位置的温度变化，
估计该检测的温度变化的滞后，运算与使上述热位移和上述运算的热位移慢慢地偏移的滞后响应成分有大致相同的时效特性的滞后温度变化；
根据将与该滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分和上述运算的热位移相加而得到的合计值，修正加工误差。
3.一种机床的热位移修正方法，其特征是，
检测受发热源影响并至少在二个位置相互间时间常数不同的温度变化的机体(10、66、86)的温度变化；
合成检测的各个温度变化，运算和上述机床热位移的时间常数有大致相同时间常数的合成温度变化；
根据与该合成温度变化相对应地变化的热位移修正加工误差。
4.一种机床的热位移修正方法，其特征是，
检测发热源附近的机体(10、66、86)的温度变化；
估计该检测温度变化的滞后，运算和上述机床热位移的时间常数有大致相同的时间常数的滞后温度变化；
根据与该滞后温度变化相对应地变化的热位移修正加工误差。
5.一种机床的热位移修正方法，其特征是，
检测受发热源影响的机体(10、66、86)的适当位置的温度变化；
用该检测的温度变化，运算上述发热源的温度变化；
用该发热源的温度变化，运算和上述机床热位移的时间常数有大致相同时间常数的创制温度变化；
根据与该创制温度变化相对应地变化的热位移修正加工误差。
6.一种机床的热位移修正方法，其特征是，
检测受发热源影响并至少在二个位置相互间时间常数不同的温度变化的机体(10、66、86)的温度变化；
合成该检测的各个温度变化，运算和上述机床热位移的时间常数有大致相同时间常数的合成温度变化；
运算与该合成温度变化相对应地变化的热位移；
检测上述机体的适当位置的温度变化；
估计该检测的温度变化的滞后，运算与使上述热位移和上述运算的热位移慢慢地偏移的滞后响应成分有大致相同的时效特性的滞后温度变化；
根据将与该滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分和上述运算的热位移相加而得到合计值，修正加工误差。
7.一种机床的热位移修正方法，其特征是，
检测发热源附近的机体(10、66、86)的温度变化；
估计该检测的温度变化的滞后，运算与上述机床热位移的时间常数有大致相同时间常数的第1滞后温度变化；
运算与该第1滞后温度变化相对应地变化的热位移，
检测上述机体适当位置的温度变化；
估计该检测的温度变化的滞后，运算与使上述热位移和上述运算的热位移慢慢地偏移的滞后响应成分有大致相同时效特性的第2滞后温度变化；
根据将与该第2滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分和上述运算的热位移相加而得到的合计值，修正加工误差。
8.一种机床的热位移修正方法，其特征是，
检测受发热源影响的机体(10、66、86)的适当位置的温度变化；
用该检测的温度变化运算上述发热源的温度变化；
用该发热源的温度变化运算和上述机床热位移的时间常数有大致相同时间常数的创制温度变化；
运算与该创制温度变化相对应地变化的热位移；
检测上述机体的适当位置的温度变化；
估计该检测的温度变化的滞后，运算与使上述热位移和上述运算的热位移慢慢地偏移的滞后响应成分有大致相同时效特性的滞后温度变化；
根据将与该滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分和上述运算的热位移相加而得到的合计值，修正加工误差。
9.如权利要求1至8中任何一项所述的机床的热位移修正方法，其特征是，上述机床是将主轴箱(5、5a、81)作为上述发热源的加工中心(1、1a、75)和将主轴箱(66)作为上述发热源的NC车床(64、92)的任何一个。
10.如权利要求1、2、5或8所述的机床的热位移修正方法，其特征是，
上述机床备有：
把持工件和工具中任何一个的主轴(6、6a至6d)，和
通过将该主轴以轴支承的加工位置侧的主轴承(20)和非加工位置侧的另一轴承(22)能回转自如地支持上述主轴的主轴箱(5a、81)，和
在上述两轴承(20、22)之间配设的、使在上述主轴箱(5a、81)中内装的使上述主轴回转驱动的内装马达(21)；
上述主轴承(20)使上述主轴相对于中心轴方向定位，上述另一轴承(22)使因热位移而伸缩的上述主轴在上述中心轴方向保持能滑动；
将在受上述发热源影响的头部位置检测上述温度变化的头部温度传感器(S2)安装在上述主轴箱(5a、81)上。
11.如权利要求1、2、5或5所述的机床的热位移修正方法，其特征是，
上述机床备有：
把持工件和工具中任何一个的主轴(69)，和
通过将该主轴以轴支承的加工位置侧的前轴承(71)和非加工位置侧的后轴承(72)能回转自如地支持上述主轴(69)的主轴箱(66)，和
在上述前、后轴承(71、72)间配设的、使在上述主轴箱(66)中内装的上述主轴回转驱动的内装马达(70)；
上述后轴承(72)使上述主轴相对于中心轴方向定位，上述前轴承(71)使因热位移而伸缩的上述主轴在上述中心轴方向保持能滑动；
将分别检测在上述发热源的上述前、后轴承和上述内装马达附近的温度变化的3个温度传感器(S1、S2、S3)安装在上述主轴箱(66)上。
12.如权利要求1至8中任何一项所述的机床热位移修正方法，其特征是，
上述机床在主轴箱(81)上具有把持工件和工具中任何一个且同步回转的多个主轴(6a至6d)；
还有根据与上述多个主轴的回转相应的不同发热特性，控制在上述各主轴的主轴鼻部所设置的水套部中流过的冷却油量或冷却油温度，或控制在上述各主轴的主轴鼻部所设置的加热器的通电量，使热位移均匀化的上述主轴箱(81)；
上述主轴的至少一个是上述发热源。
13.如权利要求1至8中的任何一项所述的机床的热变位修正方法，其特征是，上述温度变化是从检测的温度中扣除基准温度而算出的。
14.一种机床的热位移修正装置，其特征是，
该装置备有：
检测受发热源影响的机体(10、66、86)的温度变化的温度检测手段(S1至S3、s1至s3)，和
用该温度检测手段检测的上述温度变化，运算和上述机床的热位移时间常数有大致相同时间常数的温度变化的温度运算手段(31、31a、34、34a、34b)，和
运算与该温度运算手段运算的上述温度变化相对应地变化的热位移的热位移运算手段(32)，和
根据该热位移运算手段运算的上述热位移修正加工误差的修正手段(33)。
15.一种机床的热位移修正装置，其特征是，
该装置备有：
检测受发热源影响的机体(10、66、86)的温度变化的温度检测手段(S1至S3、s1至s3)，和
用该温度检测手段检测的温度变化，运算和上述机床热位移的时间常数有大致相同时间常数的温度变化的温度运算手段(31、31a、34、34a、34b)，和
运算与该温度运算手段运算的上述温度变化相对应地变化的热位移的热位移运算手段(32)，和
根据需要用另外方法检测上述机体适当位置的温度变化的温度检测手段(S1至S3、s1至s3)，和
估计上述任何一个温度检测手段检测的上述温度变化的滞后，运算与使上述热位移和上述热位移运算手段的输出慢慢地偏移的滞后响应成分有大致相同时效特性的滞后温度变化的滞后温度运算手段(34、34a、34b)；
用上述热位移运算手段(32)运算与上述滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分的同时，算出使该滞后响应成分和上述热位移相加后的合计值，
根据该合计值，用修正手段(33)修正加工误差。
16.一种机床的热位移修正装置，其特征是，
该装置备有：
检测受发热源的影响并至少在二个位置相互间时间常数不同的温度变化的机体(10、66、86)的温度变化的温度检测手段(S1、s2)，和
合成该温度检测手段检测的上述各温度变化并运算和规定轴方向热位移的时间常数有大致相同时间常数的合成温度变化的合成温度运算手段(31)，和
运算与该合成温度运算手段运算的上述合成温度变化相对应地变化的热位移的热位移运算手段(32)，和
根据该热位移运算手段运算的上述规定轴方向的上述热位移，修正加工误差的修正手段(33)。
17.一种机床的热位移的修正装置，其特征是，
该装置备有：
检测发热源附近的机体(10、66、86)的温度变化的温度检测手段(S1至S3、s1至s3)，和
估计该温度检测手段检测的上述温度变化的滞后，运算与规定轴方向的热位移的时间常数有大致相同时间常数的滞后温度变化的滞后温度运算手段(34、34a、34b)，和
运算与该滞后温度运算手段运算的上述滞后温度变化相对应地变化的热位移的热位移运算手段(32)，和
根据该热位移运算手段运算的上述规定轴方向的上述热位移，修正加工误差的修正手段(33)。
18.一种机床的热位移修正装置，其特征是，
该装置备有：
检测受发热源影响的机体(10、66、86)的适当位置的温度变化的温度检测手段(S1、S3、s1至s3)，和
用该温度检测手段检测的温度变化运算上述发热源的温度变化，并用该发热源的温度变化运算与规定轴方向的热变化的时间常数有大致相同时间常数的创制温度变化的创制温度运算手段(31a)，和
运算与该创制温度运算手段运算的上述创制温度变化相对应地变化的热位移的热位移运算手段(32)，和
根据该热位移运算手段运算的上述规定轴方向的上述热位移修正加工误差的修正手段(33)。
19.一种机床的热位移修正装置，其特征是，
该装置备有：
检测受发热源的影响并至少在二个位置相互间时间常数不同的温度变化的机体(10、66、86)的温度变化的温度检测手段(S1至S3、s1至s3)，和
合成该温度检测手段检测的上述温度变化并运算与规定轴方向的热位移的时间常数有大致相同时间常数的合成温度变化的合成温度运算手段(31)，和
运算与该合成温度运算手段运算的上述合成温度变化相对应地变化的热位移的热位移运算手段(32)，和
根据需要用另外方法检测上述机体的适当位置的温度变化的温度检测手段(S1至S3、s1至s3)，和
估计上述任何一个温度检测手段检测的上述温度变化的滞后，运算与使上述规定轴方向的热位移和上述热位移运算手段的输出慢慢地偏移的滞后响应成分有大致相同时效特性的滞后温度变化的滞后温度运算手段(34、34a、34b)；
用上述热位移运算手段(32)运算与上述滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分的同时，算出将该滞后响应成分和上述热位移相加后的合计值，
根据该合计值，用修正装置(33)修正加工误差。
20.一种机床的热位移修正装置，其特征是，
该装置备有：
检测发热源附近的机体(10、66、86)的温度变化的温度检测手段(S1至S3、s1至s3)，和
估计该温度检测手段检测的上述温度变化的滞后，运算与规定轴方向的热位移的时间常数有大致相同的时间常数的滞后温度变化的第1滞后温度运算手段(34a)，和
运算与该第1滞后温度运算手段运算的上述滞后温度化相对应地变化的热位移的热位移运算手段(32)，和
根据需要用另外方法检测上述机体的适当位置的温度变化的温度检测手段(S1至S3、s1至s3)，和
估计上述任何一个温度检测手段检测的上述温度变化的滞后，并运算与使上述规定轴方向的热位移和上述热位移运算手段的输出慢慢地偏移的滞后响应成分有大致相同的时效特性的滞后温度变化的第2滞后温度运算手段(34b)；
用上述热位移运算手段(32)，运算与上述第2滞后温度运算手段(34b)运算的上述滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分的同时，算出将该滞后响应成分与上述热位移相加后的合计值，
根据该合计值，用修正手段(32)修正加工误差。
21.一种机床的热位移修正装置，其特征是，
该装置备有：
检测受发热源影响的机体(10、66、86)的适当位置的温度变化的温度检测手段(S1、S2、s1至s3)，和
用该温度检测手段检测的温度变化运算上述发热源的温度变化，并用上述发热源的温度变化运算与规定轴方向的热位移的时间常数有大致相同时间常数的创制温度变化的创制温度运算手段(31)，和
运算与该创制温度运算手段运算的上述创制温度变化相对应地变化的热位移的热位移运算手段(32)，和
根据需要用另外方法检测上述机体的适当位置的温度变化的温度检测手段(S1至S3、s1至s3)，和
估计上述任何一个温度检测手段所检测的上述温度变化的滞后，运算与使上述规定轴方向的热位移和上述热位移运算手段的输出慢慢地偏移的滞后响应成分有大致相同的时效特性的滞后温度变化的滞后温度运算手段(34、34a、34b)；
用上述热位移运算手段(32)运算与上述滞后温度变化相对应地变化的滞后响应成分的同时，算出将该滞后响应成分与上述热位移相加后的合计值，
根据该合计值，用修正手段(33)修正加工误差。
22.如权利要求14至21中任何一项所述的机床的热位移修正装置，其特征是，上述机床是将主轴箱(5、5a、81)作为上述发热源的加工中心(1、1a、75)和将主轴箱(66)作为上述发热源的NC车床(64、92)中的任何一个。
23.如权利要求14、15、18或21所述的机床的热位移修正装置，其特征是，
上述机床备有：
把持工件和工具中任何一个的主轴(6、6a至6d)，和
通过将该主轴以轴支承的加工位置侧的主轴承(20)和非加工位置侧的另一轴承(22)能回转自如地支持上述主轴的主轴箱(5a、81)，和
在上述两轴承(20、22)之间配设的、使在上述主轴箱(5a、81)中内装的使上述主轴回转驱动的内装马达(21)；
上述主轴承(20)使上述主轴相对于中心轴方向定位，上述另一轴承(22)使因热位移而伸缩的上述主轴在上述中心轴方向能保持滑动；
将在受上述发热源影响的头部位置检测上述温度变化的头部温度传感器(S2)安装在上述主轴箱(5a、81)上。
24.如权利要求14、15、18或21所述的机床的热位移修正装置，其特征是，
上述机床备有：
把持工件和工具的任何一个的主轴(69)，和
通过将该主轴以轴支承的加工位置侧的主轴承(71)和非加工位置侧的后轴承(72)能回转自如地支持上述主轴(69)的主轴箱(66)，和
在上述前、后轴承(71、72)之间配设的、使在上述主轴箱(66)中内装的使上述主轴(69)回转驱动的内装马达(70)；
上述后轴承(72)使上述主轴相对于中心轴方向(O1)定位，上述前轴承(71)使因热位移而伸缩的上述主轴在上述中心轴方向能保持滑动；
将分别检测在上述发热源的上述前、后轴承和上述内装马达附近的温度变化的3个温度传感器(S1、S2、S3)安装在上述主轴箱(66)上。
25.如权利要求14至21中任何一项所述的机床的热位移修正装置，其特征是，
该装置在主轴箱(81)有把持工件和工具中任何一个且同步地回转的多个主轴(6a至6d)；
还有根据与上述多个主轴的回转相应的不同发热特性，控制上述各主轴的主轴鼻部所设置的水套部中流过的冷却油量或冷却油温度，或控制上述各主轴的主轴鼻部所设置的加热器的通电量，使热位移均匀化的上述主轴箱(81)；
上述主轴的至少一个是上述发热源。
26.如权利要求14至21中任何一个所述的机床的热位移修正装置，其特征是，上述的温度变化是从检测的温度中扣除基准温度而算出的。
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