CN1762655A - 机床的热位移修正方法和热位移修正装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对具有旋转主轴的机床的热位移进行修正的方法。该方法包括检测上述主轴的转速。该方法至少利用基于上述主轴的旋转速度和主轴的上次推定的热位移量之运算式，对主轴的此次热位移量进行推定。该方法将此次推定的热位移量作为抵消上述主轴的热位移的修正量来使用。因此，在算出热位移用的主轴转速变化的时候，不必进行特别复杂的处理，也不必分别捕捉发热现象和发热现象。

Description

机床的热位移修正方法和热位移修正装置

技术领域

本发明涉及机床的热位移修正方法和热位移修正装置。具体来说，本发明是与对因主轴旋转发热而产生的机床的热位移进行修正的方法和装置有关。

背景技术

一般来说，机床的各个部分都能成为发热源。作为发热源，例如可以列举主轴的滚动轴承，从该轴承会产生摩擦热。受机械各部发热源产生的热的作用，例如包含主轴的机械上会产生热位移。机床的热位移会对用该机床进行加工的精度产生不良影响。因此，以往有人提出过对机床的热位移进行修正的各种热位移修正方法和装置。

在日本3151655号专利公报中揭示的热位移修正方法，其前提条件是主轴温度和室温之间的温差上升量和热位移成正比关系。该修正方法包括以下两个步骤；和测定机床各部温度的步骤和将测定所得的温度数据加载到滤波器上，推定机械各部热位移量的步骤。滤波器的时间常数，随主轴转速和在该主轴转速下主轴的旋转时间而变化。当主轴转速下降的时候，对其即时追踪以推定出热位移量，并通过运算式求出温度的中间值。然后进一步算出测定所得温度数据和上述推定用中间值的差值，再从上述温度数据中消除该差值。继而用一次延迟法减少此消除量。根据这样得到的输入温度算出热位移量。

在日本特开平11-338527号专利公报的权利要求2中记载的热位移修正方法，着眼于主轴周围的发热现象和放热现象。也就是说，该修正方法是根据主轴周围的发热现象和放热现象，求出蓄积在主轴的蓄热量。再依据该蓄热量算出主轴的热位移量。用该热位移量进行热位移修正。

如上所述，日本3151655号专利公报的技术是以热位移与机械温度成正比为前提进行热位移修正的。如果机械在正常状态，采用该方法可以高精度地修正热位移。但是，在主轴转速刚刚改变之后，热位移的变化时间常数与测定温度的变化时间常数不一致，所以很难准确修正热位移。另外，在日本3151655号专利公报中，是想从测得的温度数据直接算出热位移量，因此条件每变化一次就得推定一次滤波器的调整量。另外，如上所述，主轴转速变化的时候，还必须进行特别复杂的处理。

就上述日本特开平11-338527号公报来说。主轴周围部件的放热效果，取决于冷却介质和被冷却体(主轴周围的部件)的相对速度。实际上，主轴周围部件(例如轴承等)的冷却，与主轴转速关系很大。当主轴转速增加使得发热量也增加时，其放热量也增加。也就是说，随着主轴转速增加，热位移增加时的时间常数，随主轴转速增加量的不同而不同。同样，随着主轴转速减少，热位移减少时的时间常数也不一样。因此，随着主轴转速的变化，发热现象和放热现象两方面的状况都变化。所以，需要将发热现象和放热现象互相分离，分别各自掌握才能推定热位移，所以伴随很多难题，并不适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机床热位移的修正方法和热位移的修正装置，该方法和装置，在算出热位移用的主轴转速变化的时候，不必进行特别复杂的处理，也不必分别捕捉发热现象和发热现象。

另外，本发明的目的还在于提供另一种机床热位移的修正方法和热位移的修正装置，该方法和装置，在主轴转速即使变化时也能准确预测热位移，从而能准确进行热位移的修正。

为达到上述目的，本发明提供一种对具有旋转主轴的机床的热位移进行修正的方法。该方法包括检测上述主轴的转速；该方法至少利用基于上述主轴的转速和主轴的上次推定的热位移量之运算式，对主轴的此次热位移量进行推定；该方法将此次推定的热位移量作为抵消上述主轴的热位移的修正量来使用。

另外，本发明还提供一种对具有旋转主轴的机床的热位移进行修正的装置。该装置具有检测上述主轴转速的主轴转速检测部；该装置还具有至少利用基于上述主轴的转速和主轴的上次推定的热位移量之运算式，对主轴的此次热位移量进行推定的热位移量推定部；该装置还具有将此次推定的热位移量作为抵消上述主轴的热位移的修正量来使用的修正部。

通过如下参照附图的叙述和举例说明发明原理的方法，本发明的其他内容和优点显而易见。

附图说明

图1是与将本发明具体化的第一实施形态相关的卧式机械加工中心的概略图。

图2是表示组装在图1机械加工中心内的CNC装置100功能的框图。

图3是如图2所示的CPU110实行的热位移修正程序的流程图。

图4是表示如图2所示的主轴马达350的转速模型的说明图。

图5是表示图1所示机械加工中心中热位移修正的实施例的图。

图6是表示图1所示机械加工中心中热位移修正的另一实施例的图。

图7是本发明第二实施形态的由CPU110实行的热位移修正程序的流程图。

图8是表示如图2所示的主轴马达350转速的另一模型的说明图。

图9是表示基于图7所示程序的热位移修正的实施例的图。

图10是本发明第三实施形态的由CPU110实行的热位移修正程序的流程图。

图11是表示基于图3所示程序的热位移S_n和主轴转速ω的计算用例的图。

图12是与图3所示程序相关的响应曲面法的说明图。

具体实施方式

以下参照图1～6来说明将本发明的热位移修正装置具体化的第一实施形态。第一实施形态的热位移修正装置，是由组装在作为机床的卧式机械加工中心10的CNC装置(数控装置)100来实现的。

图1是表示上述卧式机械加工中心10的概略图。如同图所示，卧式机械加工中心10具有床身11、立柱2、主轴头部13、主轴14、移动台15、直角仪16、卡盘装置17等公知的结构。

在图1中，设定以身边朝里的方向作为X轴方向，朝上方的方向为Y轴方向，朝右方的方向为Z轴方向。将远离工件W方向的主轴14的位移，表示成Z轴方向的正位移，将接近工件W方向的主轴14的位移，表示成Z轴方向的负位移。

上述立柱12设置成在床身11上能朝X轴方向移动，通过X轴马达320(参照图2)驱动。在立柱12上，上述主轴头部13设置成能沿Y轴方向移动，由Y轴马达330借助园头螺丝18驱动。移动台15设置成在床身11上可能朝Z轴方向移动，由Z轴马达340借助作为进给轴的园头螺丝20驱动。X轴马达320、Y轴马达330、Z轴马达340由伺服马达构成。在设置于移动台15上的直角仪16上，设置能装卸自如的保持工件W的工件保持部21。工件保持部21具有上述卡盘装置17。

上述主轴14，由设置在主轴头部13的轴承可旋转地支撑着。主轴14通过组装在主轴头部13内部的内置型主轴马达350驱动旋转。在主轴14上装有加工工具22。

图2是表示组装在卧式机械加工中心10内的CNC装置100功能的框图。

CNC装置100的CPU(中央处理单元)110，从整体上控制CNC装置100。输入装置120、ROM130、RAM140、CMOS150、接口160、由液晶显示器等构成的显示装置200、X轴控制部100、Y轴控制部220、Z轴控制部230、主轴控制部240、接口250～270等通过母线180连接在CPU110上。

上述输入装置120，装备有显示装置200和键盘等，可能从键盘等输入数据。在ROM130存储有用于控制CNC装置100整体的各种系统程序。

在RAM140存储有临时的计算数据、显示数据、借助输入装置120由操作人员输入的各种数据。

上述CMOS150通过未予图示的电池进行备份，是作为CNC装置100的电源即便被关断也能保持记忆状态的不挥发性存储器构成的。在CMOS150中，存储着热位移修正程序等。接口160是可连接在CNC装置100上的外部设备用的接口，例如连接纸带引导器、纸带凿孔器以及外部记忆装置等未予图示的外部设备。而且纸带引导器及外部记忆装置等，可将加工程序和热位移修正程序等输入到接口160中。

X轴控制部100，从CPU110接受到控制X轴位置的指令，将该位置控制指令输出到伺服放大器280。伺服放大器280根据該位置控制指令，驱动X軸马达320，使立柱12在X轴方向上移动。

Y轴控制部220，从CPU110接受到控制Y轴位置的指令，将该位置控制指令输出到伺服放大器290。伺服放大器290根据該位置控制指令，驱动Y軸马达330，使主轴头部13在Y轴方向上移动。

Z轴控制部230，从CPU110接受到控制Z轴位置的指令，将该位置控制指令输出到伺服放大器300。伺服放大器300根据该位置控制指令，驱动Z軸马达340，使移动台15在Z轴方向上移动。

另外，在各X、Y、Z轴的轴马达320、330、340中，设置有探测位置用的脉冲编码器(图中未予表示)，来自该脉冲编码器的位置信号，作为脉冲列反馈到各X、Y、Z轴控制部100、220、230中。另外，也可以使用线性标度代替脉冲编码，进行立柱12、主轴头部13、移动台15的位置检测。通过各X、Y、Z轴控制部100、220、230，根据上述位置信号，可进行X、Y、Z轴上公知的位置反馈控制和速度反馈控制。

图2的上述主轴控制部240，接受到来自CPU110的主轴旋转控制指令，给主轴放大器310输出主轴速度信号。主轴放大器310，根据该主轴速度信号，以被指令的转速(主轴14的转速)使主轴马达350旋转，驱动加工工具22。

马达电流传感器360，检测出主轴马达350的马达电流，通过上述接口250，将马达电流检测信号输入到CPU110。检测出的马达电流，用于主轴放大器310公知的电流控制反馈。

主轴14的转速传感器370由旋转编码器等构成，产生与主轴马达350的旋转同步的旋转脉冲，并将该旋转脉冲信号通过上述接口260输入到CPU110中。

主轴温度传感器380，如图1所示，以靠近主轴14的方式设置在主轴头部13上，检测主轴温度，并将该温度检测信号通过上述接口270输入到CPU110中。

其次说明如上所述构成的CNC装置100的作用。

图3是表示由CPU110按照热位移修正程序进行的热位移修正方法的流程图。

(步骤S10)

该程序开始后，在步骤S10中，CPU110按照来自主轴14的转速传感器370的旋转脉冲信号以及来自马达电流传感器360的马达电流检测信号，对主轴14的转速采样。

(步骤S20)

在步骤S20中，CPU110将计数器(图中未予表示)计数增加1。

(步骤S30)

在步骤S30中，CPU110对基于上述计数器的计数值是否到达修正时刻进行判定。CPU110在未达到修正时刻的情况下，返回到步骤S10，在到达修正时刻的情况下，进入步骤S40。多个修正时刻设定成每隔定时间隔，例如设定成每隔数秒。

(步骤S40)

在步骤S40中，CPU110进行数据平均化处理。具体来说，在步骤S10中，CPU110计算出各个时刻采集的主轴14的转速的平均值。在步骤S 50中将主轴14的转速的平均值用于修正式中。主轴14的转速的平均值以ω表示。另外，主轴14的转速的平均值，在本第一实施形态中，用算术平均法进行计算。

(步骤S50)

在步骤S50中，CPU110使用修正式计算修正量。在第一实施形态中，修正式使用以下的式子(3)：

S_n＝b₁·S_n-1+b₂·ω+b₃·ω²+b₄·ω³+b₅·S_n-1·ω

……(3)

通过使用该式子(3)，算出主轴14的热位移量的修正量，即此次的热位移量S_n。S_n-1表示的是上次的热位移量。式子(3)的系数b₁～b₅根据试验数据预先设定。进行步骤S50的CPU110，相当于热位移量推定部。所谓主轴14的热位移量，是指基于整个机床即整个卧式机械加二中心10的热位移的主轴14在轴向上的位置偏移量。

(步骤S60)

在步骤S60中，CPU110根据用上述修正式算出的修正量，对Z轴的位置控制指令进行修正之后，返回步骤S10。也就是说，CPU110在进给轴(园头螺丝20)的轴向对主轴14的Z坐标进行修正。借助该修正，抵消主轴14的热位移。在此，进行修正的CPU110相当于修正部。

以下说明基于主轴14的转速ω的主轴14的热位移。

(基于主轴14的转速ω的位移推定曲面V)

主轴14的转速ω的变化，会对可旋转支撑主轴14的轴承的摩擦(机械损失)和旋转主轴14的主轴马达350的磁滞损耗(铁损)产生影响。也就是说，主轴14的转速ω与主轴14的热位移紧密相关。

以下考虑在进行热位移评价的时候，每隔一定时间，跃阶式改变主轴14的转速ω情况下的热位移修正。

主轴14的转速ω越大，主轴14热位移量变得越大。另外，主轴14热位移量小的时候，如果主轴14高速旋转，主轴14的热位移量将急剧增加。如果在高速旋转之后停止主轴14，热位移将减少。主轴14的热位移增加时的时间常数，有时跟热位移减少时的时间常数不同。

因此，使用多项式，综合考虑主轴14的转速ω和主轴14的热位移量S，推定主轴14的热位移的速度。如图12所示，如果设定X1轴上主轴14的转速为ω，设定在Y1轴上主轴14的热位移量为S，设定Z1轴上主轴14热位移速度为(dS/dt)，则热位移量S的多项式，可用曲面V来表示。X1轴和Y1轴确定一水平面，Z1轴确定一垂直轴。该位移推定曲面V与作为位移速度dS/dt＝0的面的水平面的交线表示平衡线。推定曲面V上的点，在平衡线上推移。也就是说，机床在正常状态的情况下，主轴14的状态，即表示主轴14的转速ω、热位移量S以及热位移速度(dS/dt)的点，收敛在推定曲面V上的平衡线上。也就是说表示主轴14状态的点不发散。

位移推定曲面V如下式(1)所示，可用主轴14的转速ω和热位移量S的多项式来表示。

dS/dt＝a₁·S+a₂·ω+a₃·ω²+a₄·ω³+a₅·S·ω

                                      ……(1)

如将此式(1)，用主轴14的转速的取样时间Δt进行数字处理，则得到：

(S_n-S_n-1)/Δt＝a₁·S_n-1+a₂·ω+a₃·ω²+a₄·ω³+a₅·S_n-1·ω                             ……(2)

式中，如设b₁＝1+Δt·a₁，b₂＝Δt·a₂，b₃＝Δt·a₃，b₄＝Δt·a₄，b₅＝Δt·a₅，则可得到下式(3)。

S_n＝b₁·S_n-1+b₂·ω+b₃·ω²+b₄·ω³+b₅·S_n-1·ω

                                      ……(3)

S_n为本次采样时的推定热位移量，即此次的热位移量。S_n根据主轴14的转速ω和上次采样时推定的热位移量S_n-1，由式(3)推定。

系数a₁、a₂、…、a₅以及b₁、b₂、…、b₅以最终都能算出S_n为原则，分别确定其各种维数。例如系数b₁的维数设定成将系数b₁乘上S_n-1后，与S_n的维数一致。式(3)各系数a₁、a₂、…、a₅以及b₁、b₂、…、b₅可通过采用了多个测定数据的回归分析方法求得。图11表示每隔一定时间进行主轴14的热位移量和转速ω的采样，并将各个时间主轴14的热位移量S_n及转速ω列成表的例子。根据这样所得到的试验数据，通过回归分析便可得到系数b₁、b₂、…、b₅。

上述式子(3)是根据响应曲面法得到的式子。

另外，所谓响应曲面(Response Surface)，是把作为n个(n＞1)变量(Predictor variable)的x_i(i＝1，…，n)和从这些变量x_i(i＝1，…，n)预测到的响应y的关系式加以近似后的东西。响应y用以下的式子(4)表示。

y＝f(x₁，…，x_n)+ε     …(4)

在式(4)中，ε称为误差(error)。另外，响应曲面法不限制函数f的形式，例如，可以采用2次多项式、3次多项式、4次多项式甚至也可采用非线性函数。

在上述运算式(3)中、变量x_i是主轴14的转速ω和上次推定的热位移量S_n-1，本次推定的热位移量S_n相当于响应y。因此，通过用响应曲线法得到式(3)，使得热位移量S_n的运算式能容易地得出。

在上述式(3)中，以主轴14的转速ω和上次推定的热位移量S_n-1作为变量，推定此次的热位移量S_n。例如，对于主轴14以一定的主轴转速ω连续旋转的模具加工机这样的机床，使用该式(3)得到的此次热位移量S_n，则为非常准确的推定值。因此，根据作为热位移的根源的主轴14的转速ω算出热位移量S_n，所以在这里，主轴14的转速ω即使变化也能准确预测热位移量S_n，其结果是可以准确地进行主轴14的热位移修正。

上述主轴14旋转时，卧式机械加工中心10的各种部分会产生发热，就是说，由于主轴14旋转，在支撑主轴14的轴承上会产生摩擦热，作为使主轴14旋转的驱动装置的电机---主轴马达350也会发热，各种各样的原因使得卧式机械加工中心10的各种部分发热。

像这样产生的热，如果只积蓄在主轴14和主轴马达350上的话，主轴14就会发生热膨胀。但是，在主轴14和主轴马达350上产生的热会传到卧式机械加工中心10的各部分，与其传热的形式相对应，卧式机械加工中心10产生复杂变形，从而对作为加工对象的工件W的加工精度产生影响。

具体到本实施形态的机床的热位移修正方法和装置，可以对由于卧式机械加工中心10的变形而产生的、装在主轴14上的加工工具22的刀头与作为加工对象的工件W之间的相对位置关系之误差进行修正。

在此，对式(3)中的多项式跟主轴14及其轴承上的发热/放热的关系加以说明。

(多项式和发热/放热的关系)

上述多项式(3)的各项，具有以下的意思。

在式(3)中，与发热相关的项是“b₂·ω”项、“b₃·ω²”项、“b₄·ω³”项。另外。与放热相关的项是“b₁·S_n-1”项以及“b₅·S_n-1·ω”项。

“b₂·ω”项是根据因主轴14的库仑摩擦导致的能量损耗与主轴14的转速ω成正比，以及在主轴马达350的铁损之中，磁滞损耗与主轴14的转速ω成正比推导出来的。

“b₃·ω²”项是根据因主轴14的粘性摩擦导致的能量损耗与主轴14的转速ω的2次方成正比，以及在主轴马达350的铁损之中，涡流损耗与主轴14的转速ω2次方成正比推导出来的。

“b₄·ω³”项是根据因主轴14的旋转产生的离心力与主轴14的转速ω的2次方成正比，其结果主轴14的轴承预压升高，因其结果增加的能量损耗与主轴14的转速的3次方成正比推导出来的。

“b₁·S_n-1”项，是对应于发热条件为0的时候，即主轴14的转速ω为0的时候的放热状态而推导出来的。

因此，式(3)至少包含下列各项：

A.将上次推定的热位移量S_n-1作为变量的项，

B.将按定时间隔检测出的主轴14的转速ω作为变量的

C.将上述主轴14的转速ω的2次方作为变量的项，以及

D.将上述主轴14的转速ω的3次方作为变量的项。

“A.将上次推定的热位移量作为变量的项”相当于b₁·S_n-1。

“B.将按定时间隔检测出的主轴14的转速ω作为变量的项”相当于b₂·ω。

“C.将上述主轴14的转速ω的2次方作为变量的项”相当于b₃·ω²。

“D.将上述主轴14的转速ω的3次方作为变量的项”相当于b₄·ω³。

通过使用具备这些项的式(3)，比以往的热位移修正方法更能准确地推定热位移量S_n。

另外，式(3)中包含的“b₅·S_n-1·ω”项，是对应于伴随发热条件变化的放热状态而推导出来的。

也就是说，不仅变量ω、S_n-1是分别独立的项，而且使主轴14的转速ω和上次的热位移推定量S_n-1相乘的项也包含在运算式(3)中。因此能更准确地推定热位移量S_n。

以下说明第一实施形态的特征。详细说来，就是说明在第一实施形态下使用式(3)情况下的特征。

首先考察按图4所示的模型，将主轴马达350的转速跃阶式增加的情况。转速以每分钟主轴马达350的转速表示。具体来说，每隔1小时30分钟，将主轴14的转数按每一分钟分别增加2500转最终增加到一万转之后，一下子将主轴14停止旋转。

图5是对应于如图4所示主轴马达350的转速模型，将主轴14的Z轴方向的位移(＝实际位移-修正量)，按第一比较例(a)、第二比较例(b)及第一实施例(c)作图而成。第一比较例(a)表示完全没有进行修正的情况。第二比较例(b)表示按现有技术进行修正的情况。第一实施例(c)表示使用式(3)进行修正的情况。图5的纵轴表示主轴14的Z方向位移(μm)，横轴表示时间(小时)。主轴14的实际位移是完全未进行修正情况下的主轴14的实际热位移量。

如图5所示，在“未修正”的第一比较例(a)的情况下，随着主轴马达350的旋转，主轴14的转速每进行跃阶式的增加时，主轴14的位移就增加。第二比较例(b)的现有修正基于以下式子进行。

修正量(现有技术)＝(T₁-T₂)×K

T₁是主轴头部13的温度。T₂是卧式机械加工中心10的床身11的温度。K是常数，是机床即本例中卧式机械加工中心10的固有值。在该现有修正的第二比较例(b)中，在经过时间为1小时和2小时之间，存在着一个接近-10μm的峰位移。尔后，位移的绝对值渐减。

与该现有修正的第二比较例(b)相比较，在本第一实施形态的第一实施例(c)中，位移最大也不超过2μm。也就是说，具有以下特征：主轴14的转速即便是跃阶式增加的情况下，主轴14的位移也只大约在±2μm的范围之内。另外，即便在主轴14停止转动6小时30分以后，位移也变化不大，依然处在大约±2μm的范围之内，没有很大的变动。

另外，第一实施形态的修正式不限于式(3)，使用以下说明的式(10)也可。

图6表示有关式(10)的有效性的试验结果。图6还在第二比较例(b)及第一实施例(c)基础上，进一步表示出三个实施例，即第二～第四实施例(d)～(f)。

第二实施例(d)表示使用以下修正式(8)算出修正量，再算出主轴14的Z轴方向的位移(＝实际位移-修正量)的情况。第三实施例(e)表示使用式(9)的情况，第四实施例(f)表示使用式(10)的情况。另外伴随时间经过的主轴14的转速变化的模型与图4相同。

S_n＝b₁·S_n-1+b₂·ω                       …(8)

S_n＝b₁·S_n-1+b₂·ω+b₃·ω²             ……(9)

S_n＝b₁·S_n-1+b₂·ω+b₃·ω²+b₄·ω³    ……(10)

如图6所示，在式(8)的第二实施例(d)及式(9)的第三实施例(e)中，在主轴14旋转过程中，从0小时到1小时之间的主轴14的位移，有一个超过2μm的峰值，从4小时到5小时之间的主轴14的位移，有一个超过-4μm的峰值。进一步，在4小时30分处，主轴14的转速发生阶跃式增加时，主轴14的位移变动就很大。可见像第二实施例(d)及第三实施例(e)这样是不理想的。与此相反，在式(10)的第四实施例(f)的情况下，在主轴14旋转的0小时～6小时30分钟期间，主轴14的位移处于±2μm之内，可见位移的变化很小。也就是说，可见式(10)作为修正式是有效的。

由图6所示的上述第一实施例(c)可知，主轴14停止旋转之后，比第二比较例(b)及第二～第四实施例(d)～(f)位移的绝对值更小。由此可见，第一实施形态的式(3)的有效性，在主轴14的转速停止以后也依然明显。

其次，参照图7～图9说明本发明的第二实施形态。与第一实施形态的构成相比，第二实施形态在由CPU110按照热位移修正程序进行的热位移修正的流程图上，有部分不同。具体来说，第二实施形态的CPU110用步骤S10A，步骤S40A，步骤S50A进行处理，以取代第一实施形态的步骤S10，步骤S40，步骤S50。

在步骤S10A中，CPU110根据来自主轴14的转速传感器370的旋转脉冲信号，对主轴14的转速取样。进而，CPU110根据来自电流传感器360的主轴马达350的马达电流检测信号，对主轴14的负荷，即主轴马达350电流值的绝对值进行取样。检测主轴马达350电流的电流传感器360相当于主轴14的负荷检测部。

在步骤S 40A中，CPU110进行数据平均化处理。具体来说，CPU110从步骤S10A中的采样值，算出主轴14的转速的平均值，并将此平均值设定为在步骤S50A中的修正式所使用的主轴14的转速ω。进而CPU110从步骤S 10A中的采样值，算出主轴14的负荷平均值，并将此平均值设定为在步骤S50A中的修正式所使用的主轴负荷L。主轴14的转速的平均值ω，在本实施形态中，系采用算术平均法算出的。另一方面，主轴负荷的平均值L用均方根法算出。

在步骤S50A中，CPU110根据以下的修正式(5)算出修正量，即此次的热位移量S_n。以下对式子(5)进行说明。

使用把主轴14的转速ω和上次推定的热位移量S_n-1作为变量的式(3)而得到的此次的热位移量S_n，例如主轴14以一定的主轴转速ω，对于连续旋转的模具加工机这样的机床，可得到足够准确的推定值。但是，如同进行铣加工这样的重切削机及进行攻丝加工的部件加工机那样，在主轴14的转速ω的加減速頻度大的机床中，主轴马达350的负荷变大。这种情况下，就用式子(3)是很难推定准确的热位移量的。在此情况下，最好采用包含以主轴14的负荷为变量的运算式。

作为在这种情况下的运算式，例如可以列举式子(5)

S_n＝b₁·S_n-1+b₂·ω+b₃·ω²+b₄·ω³+b₅·S_n-1·ω+b₆·L+b₇·L²+b₈·S_n-1·L

                                          ……(5)

在式(5)中，L是主轴14的负荷。例如，主轴负荷最好是主轴马达350的电流值的绝对值。为了使式(5)中的各系数b₁、b₂、…、b₈最终由S_n算出，必须设定好各个维数。式(5)的各系数b₁、b₂、…、b₈可以用预先试验得到的多个测定数据进行回归分析求得。

在式(5)中，在上述式(3)中所包含的项以外的项中，跟发热相关的项是“b₇·L²”项。另外，在式(5)的项中，跟放热相关的项是“b₆·L”项以及“b₈·S_n-1·L”项。

“b₇·L²”项是从作为主轴马达350损失的铜损与主轴马达350的马达电流的2次方成正比这一关系推导出来的。

“b₆·L”项及“b₈·S_n-1·L”项是对应于伴随发热条件变化的放热状态而推导出来的。

上述式(5)在作为对象的机床不产生长年时效变化等机床的状态保持一定的时候非常有效。

以下说明第二实施形态的特征。图9是在主轴马达350的转速即主轴14的转速，按如图8所示的模型重复的情况下，对第三比较例(g)、第四比较例(o)以及第五实施例(m)中的主轴14的Z轴方向位移(＝实际位移-修正量)作图而得到的。如图8所示的模型，每13.2秒周期重复一次。具体来说，主轴14的停止状态和每一分钟一万转的高速旋转状态之间，主轴14的转速的增加或者减少大约每6秒钟重复一次。该重复模型在图9，从时间轴的20分钟处开始，在2小时30分钟之处，到主轴14的旋转速度变为0时结束。

这种主轴14的转速模型，对应于像进行铣加工的重切削机和攻丝加工机这样的，主轴14的转速的加减速度頻度很大的部件加工机。

图9所示的第三比较例(g)表示未修正的情况。第四比较例(o)表示将用于比较的式(3)作为修正式的情况。第五实施例(m)表示将式(5)作为修正式的本第二实施形态的情况。由图可知，在第五实施例(m)的情况下，在主轴14以图8的模型旋转的期间中，能比第三比较例(g)和第四比较例(o)进行更好的热位移修正。

其次，参照图10说明本发明的第三实施形态。第三实施形态的不同之处在于，取代第一实施形态的构成中，热位移修正的流程图内的步骤S10、步骤S40、步骤S50，而进行步骤S10B、步骤S40B、步骤S50B的处理。

在步骤S 10B中，CPU110根据来自主轴14的转速传感器370的旋转脉冲信号，对主轴14的转速采样。继而CPU110根据来自电流传感器360的电流检测信号，对主轴14的负荷采样。然后CPU110再根据来自温度传感器380的温度检测信号对主轴14的温度(实测值)进行采样。在这里，主轴温度传感器380相当于主轴14的温度检测部。

在步骤S 40B中，CPU110进行数据平均化处理。具体来说，CPU110根据步骤S10B中的采样值，算出主轴14的转速的平均值，再将该平均值，在步骤S50B中当作主轴14的转速ω使用。另外，CPU110根据步骤S10B中的采样值，算出主轴14负荷的平均值，再将该平均值，在步骤S50B中当作主轴负荷L使用。另外，CPU110根据步骤S10B中的采样值，分别算出主轴14的温度(实测值)的平均值，再将该平均值，当作主轴温度T_a使用。主轴14的转速的平均值，在本实施形态中是用算术平均法算出的。另一方面，主轴负荷L用均方根法算出。主轴温度T_a用算术平均法算出。

在步骤S50B中，CPU110利用以下的修正式(7)，计算修正量。通过利用式(7)，计算主轴14的修正量，即此次的热位移量。以下，对式(7)进行说明。

上述式(5)，在作为对象的机床不发生长年时效变化，机床保持一定状态的情况下非常有效。可是，当机床发生长年时效变化等，特别是冷却装置的液体发生蒸发，该冷却装置的过滤器的网眼堵塞等，造成该冷却装置的冷却能力下降的情况下，利用式(5)就很难正确推定出热位移量。

在此情况下，主轴14的温度也最好采用与热位移量S_n同样的式子来推定。然后求出主轴温度的推定值和实测值，实测值也就是与测量温度之间的差值，将得到的差值乘以所定的系数，推定相当于该差值的热位移量。最好通过把由此推定的与主轴温度变化相当的热位移量，和由式(5)得到的热位移量S_n相加，算出最后的此次热位移量U_n。

这种情况下用于推定主轴温度的运算式，最好是按照响应曲面法得到的多项式。例如，基于响应曲面法的温度运算式，作为变量，最好含有上次推定的主轴温度T_n-1、定时间隔检测出来的主轴14的转速ω和主轴负荷L。

作为温度运算式，例如可以列举下式(6)。

T_n＝c₁·T_n-1+c₂·ω+c₃·ω²+c₄·ω³+c₅·T_n-1·ω+c₆·L+c₇·L²+c₈·T_n-1·L

                                           ……(6)

此式(6)基于响应曲面法。式(6)中的主轴负荷L，例如，最好是主轴马达350的电流值的绝对值。为最终算出推定主轴温度T_n，式(6)中的各系数c₁～c₈，在各自的维数中设定。式(6)的各系数c₁～c₈，可以根据多个测量数据按照回归分析法求出。

上述温度运算式(6)，包含以下各项。

E.把上次推定的主轴温度作为变量的项(c₁·T_n-1)，

F.把按定时间隔检测出的主轴14的转速作为变量的项(c₂·ω)，

G.把主轴14的转速的平方作为变量的项(c₃·ω²)，

H.把主轴14的转速的立方作为变量的项(c₄·ω³)，

I.上次推定的主轴温度和主轴14的转速的乘积项(c₅·T_n-1·ω)，

J.把主轴的负荷作为变量的项(c₆·L)，

K.把主轴的负荷的平方作为变量的项(c₇·L²)，以及

M.把上次推定的主轴温度和主轴负荷的乘积作为变量的项(c₈·T_n-1·L)。

因此，通过采用响应曲面法，可很容易得出温度运算式(6)。

并且，根据下式(7)，求出最终的此次热位移量。

U_n＝S_n+K_T·(T_a-T_n)        …(7)

在此，U_n是考虑了测量温度后的最终的此次热位移量。T_a是主轴14的测量温度，即主轴温度的实测值。K_T是为了求出相当于温度差，即与差值(T_a-T_n)相当的热位移量的系数。

在因机床长年时效变化等，引起冷却装置冷却能力下降的情况下，通过使用式(6)及式(7)，可以适当预测热位移量U_n。其结果，就能对热位移进行适当修正。

CPU110在算出式(7)之前，先计算温度运算式(6)。这种情况下，式(6)的各系数，预先从多个测量数据经回归分析法求出后进行设定。另外，式(7)的系数b₁、b₂、…、b₅，预先根据试验数据进行设定。

以下，对第三实施形态的特征进行说明。

在第三实施形态中，利用基于响应曲面法的式(6)，求出推定主轴温度T_n。然后，通过将此推定主轴温度T_n，与相当于基于实测值的主轴温度T_a的温度差的热位移量S_n相加，求出考虑了主轴14的测量温度的最终热位移量U_n。

其结果，即便由于卧式机械加工中心10发生长年时效变化，造成冷却主轴14的冷却装置的冷却能力下降，也能合理地修正主轴14的热位移。

显然，对于精于此业的内行，不用超脱本发明的精神和范围，就可以将本发明具体化到诸多的特殊领域，尤其是具体化到以下领域。

在上述各实施形态的步骤S60中，根据按照修正式(3)、(5)、(6)、(7)算出的修正量S_n、U_n，相对于Z轴的主轴14的的位置控制指令进行修正。此外，也可以按照上述修正量S_n、U_n，对机械坐标的Z轴原点进行修正。

在上述各实施形态中，向水平方向延伸的主轴14，在使加工工具22旋转的卧式机械加工中心10，将本发明具体化。然而，本发明并不局限于此，而且也能应用于主轴14向垂直方向延伸的立式机械加工中心10、铣床和其他的机床。同时，也可以具体化到主轴14旋转工件W类型的机床。

因此，本实施例和具体化内容是叙述性的，但本发明并不限于此范围，在权利要求所述的范围和等同范围中，可作相应改进。

Claims (16)

1.一种对具有旋转主轴的机床的热位移进行修正的方法，该方法包括：

检测上述旋转主轴的转速；和

至少利用基于上述主轴的转速和主轴的上次推定的热位移量之运算式，对主轴的此次热位移量进行推定；以及

将此次推定的热位移量作为抵消上述主轴的热位移的修正量来使用。

2.根据权利要求1记载的方法，其特征在于，在上述主轴上装有作为工具和工件两者中的任一种的第一部件，而作为工具和工件两者中的另一种的第二部件则与该主轴相对向配置，上述机床具有使上述第一部件或第二部件移动的进给轴；

该方法还包括：根据上述修正量，控制进给轴，对第一部件和第二部件之间的相对位置关系进行修正。

3.根据权利要求1记载的方法，其特征在于，该方法还包括：检测上述主轴的负荷；

至少利用基于上述主轴的转速和上次推定的热位移量以及上述主轴负荷的运算式，对此次的热位移量进行推定。

4.根据权利要求3记载的方法，其特征在于，该方法还包括：检测上述主轴的温度；

利用基于上述主轴的转速和上次推定的推定主轴温度之温度运算式，对此次的推定主轴温度进行推定；

利用基于上述主轴的转速、上次推定的热位移量、上述主轴负荷、以及此次推定的推定主轴温度与上述检测主轴温度间的差值之运算式，对此次的热位移量进行推定。

5.根据权利要求1到权利要求4中任何一项记载的方法，其特征在于，用于推定此次热位移量的上述运算式，至少包括以下A～D项：

A.将上次推定的热位移量作为变量的项，

B.将按定时间隔检测出的主轴转速作为变量的项，

C.将上述主轴转速的2次方作为变量的项，以及

D.将上述主轴转速的3次方作为变量的项。

6.根据权利要求5记载的方法，其特征在于，用于推定此次热位移量的运算式还包括：

将上次推定的热位移量与上述主轴转速相乘的量作为变量的项。

7.根据权利要求1到权利要求4中任何一项记载的方法，其特征在于，该方法还包括：按照响应曲面法得到用于推定此次热位移量的上述运算式。

8.根据权利要求4记载的方法，其特征在于，该方法还包括：按照响应曲面法得到用于推定此次的推定主轴温度的上述温度运算式。

9.一种具有旋转主轴的机床的热位移修正装置，该装置包括：

检测上述主轴转速的主轴转速检测部；

至少利用基于上述主轴的旋转速度和主轴的上次推定的热位移量之运算式，对主轴的此次热位移量进行推定的热位移量推定部；

将此次推定的热位移量作为抵消上述主轴的热位移的修正量来使用的修正部。

10.根据权利要求9记载的装置，其特征在于，在上述主轴上装有作为工具和工件两者中的任一种的第一部件，而作为工具和工件两者中的另一种的第二部件则与该主轴相对向配置，上述机床具有使上述第一部件或第二部件移动的进给轴；

上述修正部根据上述修正量，控制进给轴，对第一部件和第二部件之间的相对位置关系进行修正。

11.根据权利要求9记载的装置，其特征在于，该装置还包括：检测上述主轴负荷的主轴负荷检测部；

上述热位移量推定部，至少利用基于上述主轴转速和上次推定的热位移量以及上述主轴负荷的运算式，对此次热位移量进行推定。

12.根据权利要求11记载的装置，其特征在于，该装置还包括：检测上述主轴温度的主轴温度检测部；

上述热位移量推定部，利用基于上述主轴转速和上次推定的推定主轴温度的运算式，对此次的推定主轴温度进行推定的同时，利用基于上述主轴的转速、上次推定的热位移量、上述主轴负荷、以及此次推定的推定主轴温度与上述检测主轴温度间的差值之运算式，对此次的热位移量进行推定。

13.根据权利要求9到权利要求12中任何一项记载的装置，其特征在于，用于推定此次热位移量的上述运算式，至少包括以下A～D项：

A.将上次推定的热位移量作为变量的项，

B.将按定时间隔检测出的主轴转速作为变量的项，

C.将上述主轴转速的2次方作为变量的项，以及

D.将上述主轴转速的3次方作为变量的项。

14.根据权利要求13记载的装置，其特征在于，用于推定此次热位移量的运算式还包括：

将上次推定的热位移量与上述主轴转速相乘的量作为变量的项。

15.根据权利要求9到权利要求12中任何一项记载的装置，其特征在于，用于推定此次热位移量的上述运算式，按照响应曲面法得到。

16.根据权利要求12记载的装置，其特征在于，用于推定此次的推定主轴温度的上述温度运算式，按照响应曲面法得到。

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