DE102020200610A1

DE102020200610A1 - Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren und Thermische-Verschiebung-Korrekturgerät einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102020200610A1
Application number: DE102020200610.5A
Authority: DE
Inventors: Yuji Mizoguchi
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2020-07-23
Also published as: JP2020116660A; CN111451836A; US20200230764A1; JP7098544B2; US11666999B2; CN111451836B

Abstract

Ein Verfahren enthält einen Anfangswerkzeugtemperatur-Einstellungsschritt eines Einstellens einer Anfangswerkzeugtemperatur; einen Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt eines Abschätzens einer Temperatur eines Werkzeugs oder eines Positionsmesssensors (6) basierend auf der Anfangswerkzeugtemperatur und einer Temperatur einer Spindel (1), einen Ausmaß-von-thermischer-Verschiebung-Abschätzungsschritt eines Abschätzens eines Ausmaßes einer thermischen Verschiebung des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) mit einer vorausgehend bestimmten Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel basierend auf der in dem Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt abgeschätzten Temperatur und einen Thermische-Verschiebung-Korrekturschritt eines Bewegens einer Zugspindel der Werkzeugmaschine basierend auf dem abgeschätzten Ausmaß einer thermischen Verschiebung, um eine Korrektur durchzuführen. Der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt misst die Temperatur der Spindel (1). Der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt schätzt eine Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur der Spindel (1) aus der gemessenen Temperatur der Spindel (1) ab. Die Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) wird mit der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur, der Anfangswerkzeugtemperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) und der vorausgehend bestimmten Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel abgeschätzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät, die eine thermische Verschiebung eines Werkzeugs korrigieren, und einen Positionsmesssensor, der verwendet wird, um an einer Spindel einer Werkzeugmaschine montiert zu werden, um eine Bearbeitungsgenauigkeit und eine Messgenauigkeit zu verbessern.
In einem Bearbeitungszentrum ist ein Positionsmesssensor, wie etwa ein Taster, an einer Spindel montiert, und eine Messung einer Werkstückursprungsposition, eine Messung von Werkstückabmessungen nach dem Bearbeiten, eine Kalibrierung einer Maschinengenauigkeit und dergleichen werden durchgeführt.
Jedoch tritt in Abhängigkeit von dem verwendeten Verfahren möglicherweise eine thermische Verformung bei dem Taster auf und eine Positionsmessgenauigkeit wird verschlechtert. Beispielsweise erzeugt, wenn der Taster, unmittelbar nachdem die Spindel zum Bearbeiten mit hoher Geschwindigkeit rotiert wurde, an die Spindel montiert wird und die Positionsmessung durchgeführt wird, eine Wärmeübertragung der Spindel auf den Taster die thermische Verformung und verschlechtert somit die Messgenauigkeit. In gleicher Weise erzeugt auch in dem Fall, in dem ein Referenzwerkzeug an der Spindel montiert ist und die Ursprungsposition des Werkstücks eingestellt ist, wenn das Referenzwerkzeug unmittelbar nachdem die Welle zum Bearbeiten mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert wird, montiert wird und eine Messung durchgeführt wird, eine Wärmeübertragung der Spindel zu dem Referenzwerkzeug eine thermische Verformung, und somit ist es möglich, dass die Messgenauigkeit verschlechtert wird.
Aufgrund der oben beschriebenen Probleme ist es erforderlich, dass, für eine genaue Messung, die Messung mit einer Spindel in einem gekühlten Zustand durchgeführt wird. Konventionell war es nötig, zu warten bis die Spindel angehalten und abgekühlt ist, wenn die Spindel zum Bearbeiten rotiert wird und dann die Messung durchgeführt wird.
Während dessen wurde eine Technik, die eine thermische Verschiebung aufgrund von in einer Spindel erzeugten Wärme, die ein Problem in einer Werkzeugmaschine verursacht, korrigiert, weit verbreitet verwendet. Beispielsweise beschreiben JP-A-2004-148443 , das japanische Patent Nr. 4469325 und JP-A-2010-172981 ein Verfahren zum Korrigieren einer thermischen Verschiebung eines Werkzeugs aufgrund eines Einflusses von in einer Spindel erzeugten Wärme.
JP-A-2004-148443 beschreibt ein Verfahren zum Abschätzen einer Temperaturänderung des Werkzeugs aus einem Verzögerungsausdruck erster Ordnung basierend auf einer Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur nahe eines Lagers einer Spindel in einer Werkzeugmaschine und einer Temperatur in einem Teil, wo die thermische Stabilität hoch ist. Darüber hinaus beschreibt JP-A-2004-148443 , dass ein in dem Verzögerungsausdruck erster Ordnung verwendeter Parameter in Abhängigkeit von Typen des Werkzeugs und eines Werkzeughalters geändert wird, um eine für jedes Werkzeug optimale Abschätzung sicherzustellen.
Das japanische Patent Nr. 4469325 beschreibt ein Verfahren, das, um eine Übergangsänderung der Werkzeugtemperatur nach einem Montieren des Werkzeugs zu handhaben, die Werkzeugtemperatur bei der Verwendung abschätzt und basierend auf einer Werkzeugtemperatur unmittelbar vor der Verwendung und einer Temperatur einer Spindel korrigiert. Darüber hinaus zeichnet das Verfahren vorausgehend eine Gebrauchshistorie von jedem Werkzeug auf und schätzt die Temperaturänderung von jedem Werkzeugs zwischen der Temperatur, wenn das Werkzeug an der Spindel montiert wird, und der Temperatur, wenn das Werkzeug in einem Werkzeugmagazin aufbewahrt wird, ab, und stellt somit, wenn das Werkzeug montiert wird, ein genaues Abschätzen einer Anfangstemperatur sicher.
JP-A-2010-172981 beschreibt eine Technik, die, wenn ein Werkzeug von Werkzeugen mit einem kegelförmigen Montageabschnitt (was ein BT-Schaft-Werkzeug genannt wird) montiert wird, eine Verschiebung aufgrund eines Hineinziehens korrigiert. Die Erfindung erhält unter Verwendung einer Temperatur nahe eines Lagers einer Spindel einen Temperaturanstiegswert eines Werkzeugaufnahmeabschnitts und berechnet ein Ausmaß eines Hineinziehens des Werkzeugs basierend auf einer Formel, die vorab aus dem Temperaturanstiegswert erhalten wird, um eine durch das Hineinziehen des Werkzeugs verursachte Verschiebung zu erhalten.
Jedoch berücksichtigt die Erfindung von JP-A-2004-148443 keine Anfangstemperatur wenn das Werkzeug montiert wird. Tatsächlich steigt die Werkzeugtemperatur, nachdem das Werkzeug an der Spindel montiert wurde, allmählich an; jedoch nimmt die Erfindung an, dass, wenn das Werkzeug montiert wird, die Werkzeugtemperatur unmittelbar mit einer aus der Spindeltemperatur berechneten abgeschätzten Werkzeugtemperatur übereinstimmt. Bei diesem Verfahren ist ein Abschätzungsfehler in einem Übergangszustand, in dem sich die Werkzeugtemperatur ändert nachdem das Werkzeug montiert ist, groß.
Die Erfindung des japanischen Patents Nr. 4469325 schätzt die Werkzeugtemperatur bei der Verwendung basierend auf der Werkzeugtemperatur unmittelbar vor der Verwendung und der Spindeltemperatur ab, um eine genaue Korrektur in dem Übergangszustand, nachdem das Werkzeug montiert ist, sicherzustellen. Jedoch beschreibt die Erfindung ein spezifisches Abschätzungsverfahren für die Temperatur nicht ausreichen. Zusätzlich setzt das japanische Patent Nr. 4469325 einen Fall voraus, in dem ein Bearbeitungswerkzeug verwendet wird, und es nimmt einen Fall, in dem ein Positionsmesssensor, wie etwa ein Taster, an der Spindel montiert ist, nicht an. In Anbetracht des Abschätzungsverfahrens für die Temperatur beschreibt eine Ausführungsform, dass „die Abschätzung der Werkzeugtemperatur wird beispielsweise auf der Basis des empirisch erhaltenen Verhältnisses, des experimentell erhaltenen Verhältnisses und eines für jedes Werkzeug eingestellten Verhältnisses durchgeführt.“ Als ein Beispiel wird beschrieben, dass „kurz gesagt ist die Abschätzung der Werkzeugtemperatur eine, bei der die Temperaturänderungen der Spindel und die Temperaturänderungen des daran angebrachten Werkzeugs ungefähr dieselbe Temperaturanstiegskurve und Temperaturabfallkurve nehmen und die Temperaturänderungen des Werkzeugs nach dem bestimmten Zeitraum t von den Temperaturänderungen der Spindel variieren.“ Jedoch ist es schwierig, die Temperatur des verwendeten Positionsmesssensors, wie etwa des Tasters, durch ein Anhalten der Spindel mit einer einfachen Verzögerung für einen bestimmten Zeitraum, abzuschätzen.
Währenddessen wird beispielsweise ein Verfahren einer Kombination der Verfahren von JP-A-2004-148443 und des japanischen Patents Nr. 4469325 berücksichtigt. In diesem Fall definiert das kombinierte Verfahren die aus der Gebrauchshistorie des Werkzeugs erhaltene Werkzeugtemperatur unmittelbar vor der Verwendung als einen Anfangswert, definiert einen Temperaturunterschied zwischen der Temperatur nahe des Lagers der Spindel in der Werkzeugmaschine und der Temperatur an dem Teil, an dem die thermische Stabilität hoch ist, als eine Eingabetemperatur, und berechnet die Temperaturänderung des Werkzeugs unter Berücksichtigung des Verzögerungsausdruck erster Ordnung. Wenn die während der Rotation der Spindel erzeugte Wärme die Spindeltemperatur erhöht, wird berücksichtigt, dass das Verfahren die Temperaturänderung des Werkzeugs genau abschätzen kann. Jedoch wird berücksichtigt, dass es aus den folgenden Gründen schwierig ist, die Temperaturänderung beispielsweise in dem Fall eines Verwendens des Tasters abzuschätzen, wenn das Werkzeug in einem Prozess, in dem die Spindel nach einem Anhalten der Rotation abkühlt, montiert ist. In den meisten Fällen ist ein Kühlkreis nahe des Lagers angeordnet, und nachdem die Spindel aufhört, sich zu drehen, fällt die Temperatur rasch ab. Daher verbleibt, selbst wenn es aus der gemessenen Temperatur nahe des Lagers erachtet wird, dass ausreichend gekühlt wird, die Wärme immer noch in dem Werkzeugaufnahmeabschnitt, und die Wärme wird übertragen wenn das Werkzeug montiert ist, was möglicherweise in einer thermischen Verformung des Werkzeugs resultiert. Daher muss, um die Änderung, wenn das Werkzeug in dem Prozess montiert ist, in dem die Spindel nach einem Anhalten des Rotieren abkühlt, abzuschätzen, die Temperaturänderung des Werkzeugaufnahmeabschnitts berücksichtigt werden. Jedoch ist, da der Werkzeugaufnahmeabschnitt an der Welle, die mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert, angeordnet ist, ein direktes Messen der Temperatur schwierig. Daher ist in den meisten Fällen der Temperatursensor der Spindel an einem Befestigungsabschnitt, an dem die Temperatur einfach gemessen werden kann, montiert.
Dementsprechend beschreibt JP-A-2010-172981 , dass der Temperaturanstiegswert an dem Teil, an dem das Werkzeug montiert ist, aus dem Temperaturanstiegswert nahe des Lagers der Spindel dicht bei dem Teil der Spindel, an dem das Werkzeug montiert ist, erhalten wird. Jedoch nimmt die Erfindung ein proportionales Verhältnis der augenblicklichen Temperaturanstiegswerte an und nimmt keine verzögerte Temperaturänderung bei dem Teil, an dem das Werkzeug montiert ist, an. Zum Unterschied haben die Temperatur nahe des Lagers und die Temperatur an dem Werkzeugaufnahmeabschnitt, während die Spindel nach dem Anhalten abkühlt, während der Rotation kein einfaches proportionales Verhältnis. Darüber hinaus zielt die Erfindung auf eine durch ein Hineinziehen des Werkzeugs, das in dem Moment eines Montierens des Werkzeugs auftritt, verursachte Verschiebung und zielt nicht auf eine thermische Verschiebung des Werkzeugs, die sich in Verbindung mit einer vergangenen Zeit, nachdem das Werkzeug montiert ist, ändert.
Wie oben beschrieben, können, obwohl die in JP-A-2004-148443 , dem japanischen Patent Nr. 4469325 und JP-A-2010-172981 offenbarten Verfahren für das Bearbeitungswerkzeug, das durch Rotieren der Spindel verwendet wird, wirksam sind, die Verfahren keine ausreichende Effekte für ein Referenzwerkzeug und einen Taster, die bei einem Stoppen der Spindel verwendet werden, bereitstellen. Das heißt, dass, wenn die Spindel zum Bearbeiten mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert wird und dann das Referenzwerkzeug oder der Taster montiert werden, eine Wärmeübertragung von der Spindel auf das Referenzwerkzeug oder den Taster eine thermische Verformung erzeugt und daher das Problem einer Verschlechterung einer Messgenauigkeit nicht gelöst werden kann.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren und ein Thermische-Verschiebung-Korrekturgerät einer Werkzeugmaschine bereitzustellen, die es ermöglichen, eine thermische Verschiebung eines Werkzeugs und eines Positionsmesssensor mit einer hohen Genauigkeit zu korrigieren. Die Korrektur der thermischen Verformung kann ungeachtet einer Zeitwahl eines Montierens des Werkzeugs und des Positionsmesssensor, beispielsweise, wenn der Positionssensor montiert wird nachdem die Spindel für ein Bearbeiten mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert wird, durchgeführt werden, wodurch eine Bearbeitungsgenauigkeit und eine Messung verbessert werden.
Die Aufgabe wird durch das Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren gemäß Anspruch 1 und das Thermische-Verschiebung-Korrekturgerät gemäß Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, wird ein Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren für eine Werkzeugmaschine gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt. Die Werkzeugmaschine enthält einen Werkzeugaufnahmeabschnitt und eine Spindel. Ein Werkzeug oder ein Positionsmesssensor ist abnehmbar an dem Werkzeugaufnahmeabschnitt anbringbar. Die Spindel ist mit dem montierten Werkzeug drehbar. Das Verfahren enthält vier Schritte, die nachstehend als (1) - (4) beschrieben sind. (1) Einstellen einer Anfangswerkzeugtemperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors zu einem Zeitpunkt, zu dem das Werkzeug oder der Positionsmesssensor an der Spindel montiert wird. Um die Temperatur einzustellen, werden die folgenden Themen verwendet, die jegliche Information einer Gebrauchshistorie des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors, eine Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors bevor das Werkzeug oder der Positionsmesssensor an der Spindel montiert werden, eine Körpertemperatur der Werkzeugmaschine und eine Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine sind. (2) Abschätzen einer Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors basierend auf der Anfangswerkzeugtemperatur und einer Temperatur der Spindel. (3) Abschätzen eines Ausmaßes einer thermischen Verschiebung des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors mit einer vorausgehend bestimmten Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel basierend auf der bei der vorausgehenden Abschätzung abgeschätzten Temperatur, (4) Bewegen einer Zugspindel der Werkzeugmaschine basierend auf dem abgeschätzten Ausmaß einer thermischen Verschiebung, um eine Korrektur durchzuführen. Der zweite Schritt misst die Temperatur der Spindel durch einen an der Spindel montierten Temperatursensor. Und dann wird eine Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur der Spindel aus der gemessenen Temperatur der Spindel und einer Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel abgeschätzt. Die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel wird in Abhängigkeit davon, ob die Spindel rotiert oder anhält, unterschiedlich bestimmt. Die Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors wird mit der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur, der Anfangswerkzeugtemperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors und der vorausgehend bestimmten Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel abgeschätzt.
In einem Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren für eine Werkzeugmaschine gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel so bestimmt, jeweils in Abhängigkeit davon, ob ein Werkzeugwechsel durchgeführt wird und ob das Werkzeug, nachdem die rotierende Spindel angehalten wurde, an der Spindel montiert wird, unterschiedliche Formeln zu haben.
In einem Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren für eine Werkzeugmaschine gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel, unter Verwendung der Temperatur der Spindel als eine Eingabe, durch einen Verzögerungsausdruck erster Ordnung ausgedrückt.
In einem Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren für eine Werkzeugmaschine gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung verwenden die Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel und die Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel Formeln entsprechend einem Typ des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, wird ein Thermische-Verschiebung-Korrekturgerät für eine Werkzeugmaschine gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung bereitgestellt. Die Werkzeugmaschine enthält einen Werkzeugaufnahmeabschnitt und eine Spindel. Ein Werkzeug oder ein Positionsmesssensor ist abnehmbar an dem Werkzeugaufnahmeabschnitt anbringbar. Die Spindel ist mit dem montierten Werkzeug rotierbar. Das Thermische-Verschiebung-Korrekturgerät enthält eine Anfangswerkzeugtemperatur-Einstelleinheit, eine Werkzeugtemperatur-Abschätzungseinheit, eine Ausmaß-von-thermischer-Verschiebung-Abschätzungseinheit und eine Thermische-Verschiebung-Korrektureinheit. Die Anfangswerkzeugtemperatur-Einstelleinheit ist dazu konfiguriert, eine Anfangswerkzeugtemperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensor zu einem Zeitpunkt, zu dem das Werkzeug oder der Positionsmesssensor an der Spindel montiert wird, unter Verwendung von jeglicher Information einer Gebrauchshistorie des Werkzeugs oder des Positionsmesssensor, einer Temperatur des Werkzeugs oder des Positionssensors bevor das Werkzeug oder der Positionsmesssensor an der Spindel montiert werden, einer Körpertemperatur der Werkzeugmaschine und einer Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine einzustellen. Die Werkzeugtemperatur-Abschätzungseinheit ist dazu konfiguriert, eine Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensor basierend auf der Anfangswerkzeugtemperatur und einer Temperatur der Spindel abzuschätzen. Die Ausmaß-von-thermischer-Verschiebung-Abschätzungseinheit ist dazu konfiguriert, ein Ausmaß einer thermischen Verschiebung des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors basierend auf der durch die Werkzeugtemperatur-Abschätzungseinheit abgeschätzten Temperatur mit einer vorausgehend bestimmten Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel abzuschätzen. Die Thermische-Verschiebung-Korrektureinheit ist konfiguriert, eine Zugspindel der Werkzeugmaschine basierend auf dem abgeschätzten Ausmaß einer thermischen Verschiebung zu bewegen, um eine Korrektur durchzuführen. Die Werkzeugtemperatur-Abschätzungseinheit ist dazu konfiguriert, die Temperatur der Spindel durch einen an der Spindel montierten Temperatursensor zu messen. Die Werkzeugtemperatur-Abschätzungseinheit ist dazu konfiguriert, aus der gemessenen Temperatur der Spindel und einer Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel eine Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur der Spindel abzuschätzen. Die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel wird in Abhängigkeit davon, ob die Spindel rotiert oder anhält, unterschiedlich bestimmt. Die Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors wird mit der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur, der Anfangswerkzeugtemperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors und der vorausgehend bestimmten Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel abgeschätzt.
Mit den in dem ersten und dem fünften Aspekt beschriebenen Ausführungsformen wird die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts, der der Aufnahmeabschnitt des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors ist, basierend auf der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel basierend auf der Information von dem an der Spindel montierten Temperatursensor abgeschätzt. Dann wird die Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors basierend auf der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel basierend auf der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur abgeschätzt. Ferner kann bei der Verwendung der Abschätzungsformel, die in Abhängigkeit davon, ob die Spindel rotiert oder anhält, als die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel unterschiedlich ist, die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts, der nach dem Anhalten der Spindel langsam abkühlt, genau abgeschätzt werden. Dementsprechend können, wenn das Werkzeug und der Positionsmesssensor nach einem Verstreichen einer bestimmten Zeitdauer nachdem die Spindel mit hoher Geschwindigkeit rotiert wurde, Wärme erzeugt und angehalten bleibt, montiert werden, die Temperaturänderungen des Werkzeugs und des Positionsmesssensors unter Berücksichtigung der in dem Werkzeugaufnahmeabschnitt zu dem Zeit des Montierens verbliebene Wärme abgeschätzt werden. Daher können, ungeachtet der Zeitwahl des Montierens des Werkzeugs und des Positionsmesssensors, die Temperaturänderung und die thermische Verschiebung hochgenau abgeschätzt werden und eine Bearbeitungsgenauigkeit und Messgenauigkeit können verbessert werden.
Mit der Ausführungsform gemäß dem zweiten Aspekt wird ferner, zusätzlich zu den oben beschriebenen Effekten, die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel, die in Abhängigkeit davon, ob der Werkzeugwechsel durchgeführt wurde und ob das Werkzeug, nachdem die rotierende Spindel angehalten wurde, an der Spindel montiert wurde, unterschiedlich ist, verwendet. In dem Fall, in dem das Werkzeug nach dem Anhalten der Spindel nicht gewechselt wird, verbleibt das erwärmte Werkzeug angebracht, und daher verringert sich die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts allmählich. Während dessen entzieht in dem Fall, in dem nach dem Anhalten der Spindel der Werkzeugwechsel durchgeführt wurde, das Anbringen des kalten Werkzeugs die Wärme von dem Werkzeugaufnahmeabschnitt und somit verringert sich die Temperatur schnell. Durch ein Besinnen auf den Effekt auf die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel kann, selbst wenn der Werkzeugwechsel bei jeglicher Zeitwahl durchgeführt wird, die thermische Verschiebung des Werkzeugs und des Positionsmesssensors genau abgeschätzt werden.
Mit der Ausführungsform gemäß dem dritten Aspekt ist, zusätzlich zu den oben beschriebenen Effekten, die Parametereinstellung vereinfacht und der Berechnungsaufwand kann reduziert werden, da die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel durch die einfache Abschätzungsformel, den Verzögerungsausdruck erster Ordnung, mit der Verwendung der Spindeltemperatur als die Eingabe, ausgedrückt wird.
Mit der Ausführungsform gemäß dem vierten Aspekt können, zusätzlich zu den obigen Effekten, selbst wenn es einen Unterschied in der thermischen Eigenschaft und den Abmessungen des Werkzeugs und des Positionsmesssensors gibt, die Temperaturänderung und die thermische Verschiebung hochgenau abgeschätzt werden. Dies ist durch die Verwendung der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel und der Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel in Abhängigkeit von dem Typ des Werkzeugs oder dem Typ des Positionsmesssensors begründet.

1 ist ein konzeptionelles Schaubild einer Spindel und eines Thermische-Verschiebung-Korrekturgeräts in einem Bearbeitungszentrum, auf das die Erfindung angewendet ist;
2 ist ein Ablaufdiagramm, das Prozesse beschreibt, um eine Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur entsprechend der Erfindung abzuschätzen;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Ablauf eines Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahrens gemäß der Erfindung beschreibt;
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel darstellt, in dem eine Temperatur und eine thermische Verschiebung, wenn ein Taster unmittelbar nach einem Anhalten der Spindel montiert wird, abgeschätzt werden und ein Korrekturausmaß berechnet wird; und
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel darstellt, in dem die Temperatur und die thermische Verschiebung, wenn der Taster nach einem Verstreichen von 20 Minuten nach dem Anhalten der Spindel montiert wird, abgeschätzt werden und das Korrekturausmaß berechnet wird.

Das Folgende beschreibt Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
1 stellt schematisch eine Spindel 1 in einem Bearbeitungszentrum, auf das die Erfindung angewendet ist, dar. Die Spindel 1 enthält eine Rotationswelle 2 und einen Befestigungsabschnitt 3 (Gehäuse). Ein Lager 4 ist zwischen der Rotationswelle 2 und dem Befestigungsabschnitt 3 dazwischen geschoben und erzeugt während einer Rotation der Rotationswelle 2 Wärme. Ein Werkzeugaufnahmeabschnitt 5 als ein Montageabschnitt ist an einem entfernten Ende der Rotationswelle 2 angeordnet und ein Werkzeug und ein Positionsmesssensor sind an dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 5 montiert. In der Zeichnung ist ein Taster 6 als ein Positionsmesssensor montiert.
In dem Befestigungsabschnitt 3 ist nahe des Lagers 4 ein Kühlkreis 7, der ein Kühlöl strömen lässt, um einen Einfluss einer Wärmeerzeugung zu reduzieren, angeordnet, und ein Spindeltemperatursensor 8, der eine Temperaturänderung aufgrund des Einflusses von in dem Lager 4 erzeugter Wärme feststellt, ist montiert. Eine Temperaturinformation, die durch den Spindeltemperatursensor 8 erhalten wird, wird verwendet, um die thermische Verschiebung abzuschätzen und zu korrigieren.
Das Bearbeitungszentrum enthält ein Thermische-Verschiebung-Korrekturgerät 10, das eine Temperaturmesseinheit 11, eine Speichereinheit 12, eine Korrekturausmaß-Berechnungseinheit 13 und eine NC-Einrichtung 14 enthält. Die Temperaturmesseinheit 11 misst aus den Ausgangsdaten des Spindeltemperatursensors 8 eine Temperatur. Die Speichereinheit 12 speichert eine Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel, eine Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel, eine Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel und Parameter, die für die jeweiligen später beschriebenen Formeln verwendet werden, und dergleichen. Die Korrekturausmaß-Berechnungseinheit 13 schätzt eine Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 und eine Temperatur des Werkzeugs oder des Tasters 6 ab. Die Abschätzung wird unter Verwendung der von der Temperaturmesseinheit 11 erhaltenen Temperaturinformation und den jeweiligen in der Speichereinheit 12 gespeicherten Abschätzungsformeln getätigt. Dann berechnet die Korrekturausmaß-Berechnungseinheit 13 ein Ausmaß der thermischen Verschiebung des Werkzeugs oder des Tasters 6. Die NC-Einrichtung 14 korrigiert einen Anweisungswert an die Spindel 1 basierend auf dem Ausmaß der thermischen Verschiebung, die durch die Korrekturausmaß-Berechnungseinheit 13 berechnet wird.
Hierbei funktioniert die Korrekturausmaß-Berechnungseinheit 13 als ein jeweiliges Anfangswerkzeugtemperatur-Einstellungsmittel, ein Werkzeugtemperatur-Abschätzungsmittel und ein Ausmaß-von-thermischer-Verschiebung-Abschätzungsmittel der Erfindung, und die NC-Einrichtung 14 funktioniert als ein Thermische-Verschiebung-Korrekturmittel.
Wenn die Spindel 1 rotiert wird und Wärme in dem Lager 4 erzeugt wird, wird die Wärme an die Rotationswelle 2 und den Werkzeugaufnahmeabschnitt 5 übertragen und weiter auf das montierte Werkzeug und den Taster 6 übertragen. Wegen einer thermischen Leitfähigkeitseigenschaft der Spindel 1 und des Werkzeugs steigt die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts verzögert an. In dem Fall, in dem die Spindel nach der Rotation gestoppt wird, wird das Lager 4 durch eine Wirkung des Kühlkreises 7 rasch gekühlt. Jedoch verbleibt ein Einfluss der Wärmeerzeugung in dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 5, der von dem Kühlkreis 7 entfernt ist, lange, und die Temperatur in dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 5 verringert sich langsam. Dementsprechend gibt es einen Unterschied zwischen einer durch den an dem Befestigungsabschnitt 3 montierten Spindeltemperatursensor 8 festgestellten Temperatur und einer tatsächliche Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5. Darüber hinaus verbleibt in dem Fall, in dem das Werkzeug nach dem Anhalten der Spindel 1 nicht gewechselt wird, das Werkzeug, an das die während der Rotation der Spindel 1 erzeugte Wärme übertragen ist und die aufgeheizt ist, angebracht. Daher verringert sich die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 allmählich. Während dessen wird in dem Fall, in dem, nachdem die Spindel 1 angehalten ist, das Werkzeug entfernt wird, durch den Werkzeugaufnahmeabschnitt, der mit der Luft in Kontakt ist, die Wärme des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 entzogen, und die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 verringert sich schnell. Ferner verringert sich in einem Fall, in dem das Werkzeug gewechselt wird und ein Werkzeug in einem kühlen Zustand montiert wird, die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitt 5 weiter schnell, da sich die Wärme des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 zu dem Werkzeug bewegt. Somit ändert sich eine Tendenz der Temperaturänderungen des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 in Abhängigkeit davon, ob das Werkzeug montiert ist oder ob das Werkzeug nach einem Anhalten der Spindel 1 ausgewechselt wird.
Die Differenz zwischen der gemessenen Temperatur der Spindel 1 und der gemessenen Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 in Betracht ziehend, schätzt die Erfindung die Temperaturen des Werkzeugs und des Tasters 6 genau ab und korrigiert die thermische Verschiebung. Hierbei beschreibt 2 ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zum Abschätzen einer Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur. Als nächstes beschreibt 3 ein Ablaufdiagramm von Prozessen zum Abschätzen der Temperaturen und der thermischen Verschiebung des Werkzeugs und des Tasters 6 aus der in 2 abgeschätzten Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur und zum Durchführen einer Korrektur.
Zuerst bestimmt der Prozess von 2 entsprechend dem Zustand der Spindel 1 die optimale Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel und schätzt die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 ab.
Wie oben beschrieben, ändert sich durch die thermische Leitfähigkeitseigenschaft der Spindel 1 die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 verzögert auf die Temperatur nahe des Lagers 4. Diese Verzögerung wird, wie beispielsweise in Formel 1 gezeigt, durch die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel eines Verzögerungsausdrucks erster Ordnung ausgedrückt und dadurch ein Abschätzen der Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 aus der durch den Spindeltemperatursensor 8 festgestellten Temperatur der Spindel 1 sichergestellt. $θ_{p} (n) = θ_{p} (n - 1) + \frac{Δ t}{Δ t + T_{S}} {θ_{S} (n) - θ_{p} (n - 1)}$

θ_p (n): Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur (derzeitiger Wert)
θ_p(n - 1): Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur (Δt früherer Wert)
θ_S(n); durch Spindeltemperatursensor festgestellter Wert (derzeitiger Wert)
Δt: Berechnungszeitzyklus
T_S: Zeitkonstante, die eine Temperaturänderungsverzögerung des Werkzeugaufnahmeabschnitts repräsentiert

Die Zeitkonstante Ts, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 repräsentiert, ist in Formel 1 ein Parameter, und wenn die Berechnung durchgeführt wird, muss der Wert vorausgehend bestimmt werden. Ein Bestimmen des Werts entsprechend dem Zustand der Spindel 1 ermöglicht ein Abschätzen der Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 mit einer hohen Genauigkeit. In der Erfindung werden, unter während der Rotation der Spindel 1 und während des Anhaltens, unterschiedliche Werte für die Zeitkonstante Ts eingestellt. Darüber hinaus werden in dem Fall des Durchführens des Werkzeugwechsels nach dem Anhalten der Spindel 1 und einem Nicht-durchführen des Werkzeugwechsels unterschiedliche Werte für die Zeitkonstante Ts eingestellt. Während die jeweiligen Zeitkonstanten Ts durch einen Versuch und dergleichen vorausgehend bestimmt werden, ändert sich, verglichen mit der während der Rotation, üblicherweise die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 während des Anhaltens. Als ein Ergebnis ist der Wert der Zeitkonstante groß. Zusätzlich verringert die Übertragung der Wärme zu dem kalten Werkzeug die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 schnell wenn das Werkzeug nach dem Anhalten der Spindel 1 ausgetauscht wird. Daher ist die Zeitkonstante, verglichen mit der in dem Fall, in dem der Werkzeugwechsel nach dem Anhalten der Spindel 1 nicht durchgeführt wird, klein.
Das folgende beschreibt ferner den Ablauf des Prozesses unter Bezugnahme auf den Ablauf von 2.
Zuerst wird in S1 eine Spindeltemperatur eingelesen. Hierbei wird die Spindeltemperatur von der durch den Spindeltemperatursensor 8 von 1 gemessenen Temperatur erhalten. Die gemessene Temperatur kann verwendet werden, wie sie ist, oder ein Filterprozess und dergleichen kann, sofern notwendig, durchgeführt werden. Zusätzlich kann eine Temperatur eines Körpers an einem Teil, der nicht durch die Raumtemperatur und die in der Spindel erzeugte Wärme beeinflusst wird, als eine Referenztemperatur definiert werden und eine Differenz zwischen der gemessenen Spindeltemperatur und der gemessenen Referenztemperatur kann als die Spindeltemperatur definiert werden.
Als nächstes wird in S2 bestimmt, ob die Spindel 1 angehalten ist, oder rotiert. Diese Bestimmung wird basierend auf einer Steuerungsanweisung an einen Spindelmotor, einem Signal von einem Encoder, der die Rotation feststellt, und dergleichen durchgeführt.
In dem Fall, in dem die Spindel durch die Bestimmung von S2 angehalten ist, wird in S3 die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel für die Spindel während des Anhaltens (vor einem Werkzeugwechsel) bestimmt. In dieser Ausführungsform wird ein Wert entsprechend der Spindel während des Anhaltens (vor einem Werkzeugwechsel) für die Zeitkonstante Ts, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 in der oben beschriebenen Formel 1 repräsentiert, bestimmt.
In gleicher Weise wird in S4 in dem Fall, in dem die Spindel rotiert, die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel für die Spindel während der Rotation bestimmt. In dieser Ausführungsform wird ein Wert entsprechend der Spindel während der Rotation für die Zeitkonstante Ts, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 in Formel 1 repräsentiert, bestimmt.
Als nächstes wird in S5, während die Spindel anhält, bestimmt, ob das Werkzeug gewechselt wurde, nachdem die Spindel 1 zuletzt angehalten wurde. Hierbei verbleibt in dem Fall, in dem das Werkzeug nicht entfernt wird, die Formel die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel für die Spindel während des Anhaltens (vor einem Werkzeugwechsel). Während dessen wird in dem Fall, in dem das Werkzeug entfernt wird, in S6 die Formel auf die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel für die Spindel während des Anhaltens (ohne das Werkzeug) umgeschaltet. In dieser Ausführungsform wird ein Wert entsprechend der Spindel während des Anhaltens (ohne das Werkzeug) für die Zeitkonstante Ts, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 in Formel 1 repräsentiert, bestimmt.
Während dessen wird in S7, wenn das Werkzeug entfernt wird, bestimmt, ob ein anderes Werkzeug an die Spindel 1 montiert wird. In einem Fall, in dem ein anderes Werkzeug nicht montiert wird und kein Werkzeug an die Spindel montiert wird, verbleibt die Formel bei der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel für die Spindel während des Anhaltens (ohne das Werkzeug). Jedoch wird, wenn ein anderes Werkzeug montiert wird, die Formel in S8 auf die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel für die Spindel während des Anhaltens (nach einem Werkzeugwechsel) umgeschaltet. In dieser Ausführungsform wird ein Wert entsprechend der Spindel während des Anhaltens (nach einem Werkzeugwechsel) für die Zeitkonstante Ts bestimmt, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 in Formel 1 repräsentiert.
Schließlich wird in S9 unter Verwendung der in S1 eingelesen Spindeltemperatur und der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel entsprechend dem von S2 bis S8 bestimmten Zustand der Spindel 1 die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur abgeschätzt.
Zusätzlich wird in dieser Ausführungsform, während der einfache Verzögerungsausdruck erster Ordnung, wie etwa Formel 1, als die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel verwendet wird, die Zeitkonstante Ts, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 repräsentiert, geändert, um so den unterschiedlichen Zuständen der Spindel 1 zu entsprechen. Jedoch kann die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel eine Formel in einer anderen Form, wie etwa einer Matrix basierend auf einem Finite-Elemente-Modell einer Wärmeleitung, sein. Darüber hinaus wird nicht ein Parameter entsprechend einer Bedingung geändert, sondern die Abschätzungsformel selbst kann als eine andere Formel bestimmt werden.
Darüber hinaus werden in dieser Ausführungsform die vier Arten von Formeln entsprechend den vier Bedingungen „während des Anhaltens (vor einem Werkzeugwechsel)“, „während des Anhaltens (ohne das Werkzeug)“, „während des Anhaltens (nach einem Werkzeugwechsel)“ umgeschaltet. Alternativ kann „während einer Rotation“ die Formel entsprechend zwei Mustern „während einer Rotation“ und „während eines Anhaltens“ umgeschaltet werden oder kann zwischen drei Mustern „während einer Rotation“, „während eines Anhaltens (vor einem Werkzeugwechsel)“ und „während eines Anhaltens (nach einem Werkzeugwechsel)“ umgeschaltet werden.
Als nächstes werden die Temperaturen und die thermische Verschiebung des Werkzeugs und des Tasters aus der in 2 abgeschätzten Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur abgeschätzt und die thermische Verschiebung wird durchgeführt. Das folgende beschreibt das Verfahren, das dem Ablaufdiagramm von 3 folgt.
Zuerst wird in S11 das Montieren des Werkzeugs oder des Tasters an die Spindel 1 festgestellt. Der Prozess wird durch Feststellen einer Bewegung eines Klemmelements (nicht dargestellt), das das Werkzeug oder den Taster klemmt, oder eines Drucks von zu einer aufsitzenden Oberfläche des Werkzeugs oder des Tasters, oder dergleichen, zugeführten Luft durchgeführt.
Als nächstes wird in S12 die Anfangswerkzeugtemperatur, wenn das Werkzeug oder der Taster montiert wird, eingestellt (Anfangswerkzeugtemperatur-Einstellungsschritt). Beispielsweise wird, wenn das Werkzeug ausgetauscht wird, die bis dahin berechnete abgeschätzte Werkzeugtemperatur zurückgesetzt und die abgeschätzte Werkzeugtemperatur wird auf die Anfangswerkzeugtemperatur eingestellt. Als das Verfahren zum Einstellen der Anfangswerkzeugtemperatur wird beispielsweise ein Verfahren, das einen Temperatursensor in einem Werkzeugmagazin anordnet und die Temperatur als die Anfangswerkzeugtemperatur einstellt, in Betracht gezogen. Zusätzlich kann, wie in JP-A-2004-148443 beschrieben, die Anfangswerkzeugtemperatur basierend auf einer Gebrauchshistorie des Werkzeugs (oder des Tasters) berechnet werden. Die Anfangswerkzeugtemperatur kann unter Verwendung der Körpertemperatur der Werkzeugmaschine und der Umgebungstemperatur berechnet werden.
Als nächstes werden in S13 Parameter der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel und der Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel, die in der Speichereinheit 12 entsprechend dem Typ des Werkzeugs oder des Tasters vorausgehend gespeichert wurden, eingelesen. Das heißt, dass ein vorausgehendes Einstellen der Parameter entsprechend den Typen des Werkzeugs und des Tasters ein genaues Abschätzen der Temperaturen und der thermischen Verschiebung entsprechend dem Werkzeug und dem Taster ermöglicht.
Als nächstes wird in S14 basierend auf den eingelesenen Parametern und der die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur aus der Spindeltemperatur abgeschätzt. Das heißt, dass dem Ablaufdiagramm von 2 folgend, die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel, die in Abhängigkeit davon, ob die Spindel 1 rotiert oder anhält, und ob der Werkzeugwechsel durchgeführt ist, bestimmt wird, um die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur abzuschätzen.
Als nächstes wird die in S14 abgeschätzte Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur in S15 als eine Eingabetemperatur bestimmt. Das heißt, dass die durch die Formel 1 erhaltene Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur Θ_p als die Eingabetemperatur bestimmt wird. Zu einem Zeitpunkt, zu dem das Werkzeug montiert ist, ist die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur Θ_p als die Eingabetemperatur wirksam. Das heißt, dass, wenn die Spindel 1 Wärme erzeugt und das Werkzeug in einem Zustand, in dem die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur Θ_p hoch ist, die Eingabetemperatur für das Werkzeug hoch wird. Umgekehrt ist, wenn die Spindel 1 ausreichend gekühlt ist und das Werkzeug in einem Zustand montiert ist, in dem die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur Θ_p zu einer gewöhnlichen Temperatur zurückkehrt, die Eingabetemperatur für das Werkzeug niedrig.
Als nächstes wird in S16, basierend auf der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel, die Temperatur des Werkzeugs oder des Tasters aus der in S1 von 2 eingelesenen Spindeltemperatur berechnet (S13 bis S16: Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt).
Das heißt, dass die in S14 abgeschätzte Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur Θ_p durch eine Kontaktfläche auf das Werkzeug oder den Taster übertragen wird, und sich somit die Temperatur des Werkzeugs oder des Tasters ändert. Die Temperaturänderung wird durch die Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel ausgedrückt. Als ein Beispiel der Abschätzungsformel wird die folgende Formel 2, gleich zu Formel 1, eines Verzögerungsausdrucks erster Ordnung in Betracht gezogen. $θ_{t} (n) = θ_{t} (n - 1) + \frac{Δ t}{Δ t + T_{t}} {θ_{p} (n) - θ_{t} (n - 1)}$

θ_t(n): Temperatur von Werkzeug oder Taster (derzeitiger Wert)
θ_t(n - 1): Temperatur von Werkzeug oder Taster (Δt früherer Wert)
Δt: Berechnungszeitzyklus
T_t: Zeitkonstante, die eine Verzögerung einer Temperaturänderung des Werkzeugs oder des Tasters repräsentiert

Die Zeitkonstante Tt, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugs oder des Tasters darstellt, ist in Formel 2 ein Parameter, und wenn die Berechnung durchgeführt wird, muss der Wert entsprechend dem Typ des Werkzeugs oder des Tasters vorausgehend bestimmt werden. Während Formel 2 ein Beispiel der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel ist, können andere Informationen, wie etwa eine Spindeldrehzahl und eine Temperatur eines Arbeitsraums für die Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel verwendet werden. Zusätzlich wird auch ein Verfahren, das, nicht mit der einfachen Formeln, wie etwa Formel 2, eine Temperaturverteilung des Werkzeugs mit einer Matrix basierend auf einem Finite-Elemente-Modell und dergleichen berechnet, in Betracht gezogen.
Als nächstes wird in S17 basierend auf der Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel das Ausmaß der thermischen Verschiebung des Werkzeugs oder des Tasters berechnet (Ausmaß-von-thermischer-Verschiebung-Abschätzungsschritt).
Das heißt, dass die thermische Verschiebung des Werkzeugs oder des Tasters basierend auf der in S16 abgeschätzten Temperatur des Werkzeugs oder des Tasters berechnet wird. Beispielsweise wird, wie in der folgenden Formel 3, die Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel durch eine Formel ausgedrückt, die die Temperatur mit einem Proportionalitätskoeffizienten multipliziert. $Δ Z_{t} (n) = K_{t} θ_{t} (n)$

ΔZ_t(n): Thermische Verschiebung von Werkzeug oder Taster
θ_t(n): Temperatur von Werkzeug oder Taster
K_t: Proportionalitätskoeffizient

Der Proportionalitätskoeffizient Kt ist in Formel 3 ein Parameter, und wenn die Berechnung durchgeführt wird, muss der Wert entsprechend dem Typ des Werkzeugs oder des Tasters vorausgehend bestimmt werden.
Als nächstes wird in S18 eine durchgeführt (Thermische-Verschiebung-Korrekturschritt). Das heißt, dass eine Zugspindel um die in S17 abgeschätzte thermische Verschiebung bewegt wird und ein Messpunkt einer Werkzeugschneidkante oder des Tasters korrigiert wird.
Als nächstes wird in S19 bestimmt, ob das Werkzeug oder der Taster entfernt ist. Wenn das Werkzeug oder der Taster hier entfernt sind, endet der Prozess. Wenn das Werkzeug oder der Taster montiert ist, werden die Prozesse von S14 bis S18 in dem Zeitzyklus Δt wiederholt.
Durch den oben beschriebenen Ablauf kann die thermische Verschiebung des an der Spindel 1 montierten Werkzeugs oder Tasters genau abgeschätzt werden. Es gibt in dieser Ausführungsform drei Parameter, die Zeitkonstante Ts, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 in Formel 1 darstellt, die Zeitkonstante Tt, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugs oder des Tasters in Formel 2 darstellt, und den Proportionalitätskoeffizienten Kt in Formel 3. Diese Parameter werden basierend auf einem Versuch und einer Analyse vorausgehend bestimmt.
Das Folgende beschreibt unter Bezugnahme auf die Diagramme von 4 und 5 ein Beispiel einer Abschätzung und einer Korrektur der Temperatur und der thermischen Verschiebung in dem Ablauf von 3. In beiden Fällen ist eine Positionsänderung dargestellt, wenn eine vorbestimmte Position, nachdem die Spindel 1 für 120 Minuten rotiert wird um Wärme zu erzeugen, wiederholt gemessen wird und dann durch den Taster 6 ersetzt wird. 4 stellt einem Fall dar, in dem der Taster 6 unmittelbar nach dem Anhalten der Spindel 1 montiert wird, und 5 stellt einen Fall dar, in dem die Spindel 1 angehalten wird und der Taster 6 nach einem Verstreichen von 20 Minuten montiert wird.
Wenn der Taster 6 unmittelbar nach dem Anhalten der Spindel 1 montiert wird, erhöht sich die thermische Verschiebung, da die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 hoch ist und ein Ausmaß von Wärme, die in den Taster 6 strömt, ansteigt. Während dessen bleibt die thermische Verschiebung unverändert, wenn der Taster 6 nach einem Verstreichen von 20 Minuten montiert wird, obwohl sich die thermische Verschiebung, verglichen mit der in dem Fall des Montierens unmittelbar nach dem Anhalten, verringert. Es kann gesehen werden, dass, wenn die Korrektur der thermischen Verschiebung nicht durchgeführt wird, es notwendig ist, ab dem Anhalten der Spindel 1 eine lange Zeit zu warten, um den Einfluss durch die thermische Verschiebung zu beseitigen.
Wenn die Spindel 1 rotiert wird, steigt aufgrund des Einflusses von in dem Lager 4 oder dergleichen erzeugten Wärme die durch den Spindeltemperatursensor 8 festgestellte Temperatur der Spindel 1, wie durch die graue durchgezogene Linie angegeben, an. Während dessen fällt, wenn die Spindel 1 angehalten wird, die Temperatur aufgrund des Kühleffekts rasch, und in dem Fall der in dieser Ausführungsform beschriebenen Spindel 1 kehrt die Temperatur in ungefähr 20 Minuten zu der ursprünglichen Temperatur zurück. Jedoch tritt, wenn der Taster 6 in diesem Zustand ersetzt wird, die thermische Verschiebung auf. Da die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 auf die durch den Spindeltemperatursensor 8 festgestellte Temperatur der Spindel 1, wie durch die gestrichelte Linie in dem Diagramm angegeben, verzögert ansteigt, tritt dieses Phänomen durch Strömen der in dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 5 verbleibenden Wärme in den Taster 6 auf. Darüber hinaus stellt, wie durch die gestrichelte Linie in dem Diagramm angegeben, die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 die Temperaturänderung nahe der durch den Spindeltemperatursensor 8 festgestellten Temperatur der Spindel, während die Spindel rotiert, dar, jedoch ändert sich, während die Spindel rotiert, die Temperatur auf die durch den Spindeltemperatursensor 8 festgestellte Temperatur der Spindel 1 deutlich verzögert. Wenn die Spindel 1 angehalten wird und dann das Werkzeug gewechselt wird, entzieht das kühle an die Spindel 1 montierte Werkzeug die Wärme von der Spindel 1, und daher verringert sich, verglichen mit dem Fall, in dem das Werkzeug nicht gewechselt wird, die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 schnell. Es kann aus der gestrichelten Linie in dem Diagramm von 5 gesehen werden, dass die Temperaturänderungen nach einem Montieren schneller als vor einem Montieren des Tasters werden.
Jedoch ermöglicht die Abschätzung der Temperaturänderungen des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 eine Darstellung einer Differenz einer in den Taster 6 strömenden Wärme, die sich in Abhängigkeit von einer Zeitwahl eines Montierens ändert. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Zeitkonstante Ts, die die Verzögerung der Temperaturänderung des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 in Formel 1 darstellt, in Abhängigkeit davon, ob die Spindel 1 rotiert oder anhält oder ob das Werkzeug nach dem Anhalten der Spindel 1 gewechselt wird, und somit wird ein genaues Erhalten der Temperaturänderung entsprechend der Situation sichergestellt. Ferner werden die Temperaturänderungen des Tasters 6, die sich in Abhängigkeit von der von dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 5 in die Spindel strömenden Wärme ändern, mit Formel 2 berechnet, und der Wert wird mit Formel 3 in ein Verschiebungsausmaß umgewandelt, um den Prozess eines Abschätzens der thermischen Verschiebung durchzuführen. Dementsprechend kann, wie in 4 und 5 dargestellt, eine Korrekturgenauigkeit ungeachtet der Zeitwahl des Montierens des Tasters 6 hoch sein.
Wie oben beschrieben, wird die Temperatur des Werkzeugaufnahmeabschnitts 5 durch das Thermische-Verschiebung-Korrekturgerät 10 und das Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren unter Verwendung der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel basierend auf der Information von dem Spindeltemperatursensor 8 abgeschätzt. Ferner wird die Temperatur des Werkzeugs oder des Tasters 6 unter Verwendung der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel in Abhängigkeit von der abgeschätzten Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur abgeschätzt. Dementsprechend können, wenn das Werkzeug und der Taster 6 nach einem Verstreichen einer bestimmten Zeitdauer nachdem die Spindel 1 mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert wird montiert werden, die Temperaturänderungen des Werkzeugs und des Tasters 6 unter Berücksichtigung der in dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 5 zu dem Zeit des Montierens verbliebenen Wärme abgeschätzt werden. Daher können, ungeachtet der Zeitwahl des Montierens des Werkzeugs und des Tasters 6 die Temperaturänderung und die thermische Verschiebung hochgenau abgeschätzt werden und eine Bearbeitungsgenauigkeit und eine Messung können verbessert werden.
Speziell hier können in dem Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt in S13 und S14, da die Abschätzungsformel in Abhängigkeit von dem Typ des Werkzeugs oder des Tasters 6 verwendet wird, die Temperaturänderung und die thermische Verschiebung durch ein Besinnen auf die Differenz von thermischen Eigenschaften und Dimensionen des Werkzeugs und des Tasters 6 hochgenau abgeschätzt werden.
Die Parametereinstellung wird vereinfacht und der Berechnungsaufwand kann verringert werden, da die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel durch eine einfache Abschätzungsformel, die der Verzögerungsausdruck erster Ordnung ist, mit der Verwendung der Spindeltemperatur ausgedrückt wird.
Darüber hinaus ist in dem Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt in S16 die Parametereinstellung vereinfacht und der Berechnungsaufwand kann reduziert werden, da die Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel durch eine einfache Abschätzungsformel, die die Verzögerungsausdruck erster Ordnung ist, mit der Verwendung der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur ausgedrückt wird.
Es sollte beachtet werden, dass, während nur ein Spindeltemperatursensor in der einen Konfigurationen beschrieben ist, eine Mehrzahl von Spindeltemperatursensoren an unterschiedlichen Positionen installiert sein kann und ein Durchschnittswert der Temperaturinformationen von all den Spindeltemperatursensoren ohne Probleme als die Spindeltemperatur verwendet werden kann. Die Werkzeugmaschine ist nicht auf das Bearbeitungszentrum beschränkt.
Es wird explizit festgestellt, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale dazu gedacht sind, separat und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck eines Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von der Zusammenstellung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen offenbart zu sein. Es wird explizit festgestellt, dass alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Zwischeneinheit zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck eines Einschränkens der beanspruchten Erfindung, insbesondere als Grenzen von Wertebereichen, offenbaren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2004148443 A [0005, 0006, 0009, 0011, 0013, 0047]
JP 4469325 [0005, 0007, 0010, 0011, 0013]
JP 2010172981 A [0005, 0008, 0012, 0013]

Claims

Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren für eine Werkzeugmaschine, die einen Werkzeugaufnahmeabschnitt (5) und eine Spindel (1) enthält, wobei ein Werkzeug oder ein Positionsmesssensor (6) abnehmbar an dem Werkzeugaufnahmeabschnitt (5) anbringbar ist, die Spindel (1) mit dem montierten Werkzeug rotierbar ist, und das Verfahren aufweist: einen Anfangswerkzeugtemperatur-Einstellungsschritt eines Einstellens einer Anfangswerkzeugtemperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6), unter Verwendung von jeglicher Information einer Gebrauchshistorie des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6), einer Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) bevor das Werkzeug oder der Positionsmesssensor (6) an der Spindel (1) montiert wird, einer Körpertemperatur der Werkzeugmaschine und einer Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine zu einem Zeitpunkt, zu dem das Werkzeug oder der Positionsmesssensor (6) an der Spindel (1) montiert wird; einen Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt eines Abschätzens einer Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) basierend auf der Anfangswerkzeugtemperatur und einer Temperatur der Spindel (1); einen Ausmaß-von-thermischer-Verschiebung-Abschätzungsschritt eines Abschätzens eines Ausmaßes einer thermischen Verschiebung des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) mit einer vorausgehend bestimmten Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel basierend auf der in dem Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt abgeschätzten Temperatur; und einen Thermische-Verschiebung-Korrekturschritt eines Bewegens einer Zugspindel der Werkzeugmaschine basierend auf dem abgeschätzten Ausmaß einer thermischen Verschiebung, um eine Korrektur durchzuführen, wobei der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt die Temperatur der Spindel (1) durch einen an der Spindel (1) montierten Temperatursensor (8) misst, der Werkzeugtemperatur-Abschätzungsschritt eine Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur der Spindel (1) aus der gemessenen Temperatur der Spindel (1) und einer Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel abschätzt, die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel in Abhängigkeit davon, ob die Spindel (1) rotiert oder anhält, unterschiedlich bestimmt wird, und die Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) mit der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur, der Anfangswerkzeugtemperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) und der vorausgehend bestimmten Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel abgeschätzt wird.
Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren für die Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1, wobei die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel in Abhängigkeit davon, ob ein Werkzeugwechsel durchgeführt wird und ob das Werkzeug, nachdem die rotierende Spindel (1) angehalten ist, an der Spindel (1) montiert ist, bestimmt wird.
Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren für die Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel unter Verwendung der Temperatur der Spindel (1) als eine Eingabe durch einen Verzögerungsausdruck erster Ordnung ausgedrückt wird.
Thermische-Verschiebung-Korrekturverfahren für die Werkzeugmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel und die Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel Abschätzungsformeln entsprechend einem Typ des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) verwenden.
Thermische-Verschiebung-Korrekturgerät für eine Werkzeugmaschine, die einen Werkzeugaufnahmeabschnitt (5) und eine Spindel (1) enthält, wobei ein Werkzeug oder ein Positionsmesssensor (6) abnehmbar an dem Werkzeugaufnahmeabschnitt (5) anbringbar ist, die Spindel (1) mit dem montierten Werkzeug rotierbar ist, und das Thermische-Verschiebung-Korrekturgerät aufweist: eine Anfangswerkzeugtemperatur-Einstelleinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Anfangswerkzeugtemperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) unter Verwendung jeglicher Information einer Gebrauchshistorie des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6), einer Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) bevor das Werkzeug oder der Positionsmesssensor (6) an der Spindel (1) montiert ist, einer Körpertemperatur der Werkzeugmaschine und einer Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine, zu einem Zeitpunkt, zu dem das Werkzeug oder der Positionsmesssensor (6) an der Spindel (1) montiert ist, einzustellen; eine Werkzeugtemperatur-Abschätzungseinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) basierend auf der Anfangswerkzeugtemperatur und einer Temperatur der Spindel (1) abzuschätzen; eine Ausmaß-von-thermischer-Verschiebung-Abschätzungseinheit, die dazu konfiguriert ist, ein Ausmaß einer thermischen Verschiebung des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) mit einer vorausgehend bestimmten Thermische-Werkzeugverschiebung-Abschätzungsformel basierend auf der durch die Werkzeugtemperatur-Abschätzungseinheit abgeschätzten Temperatur abzuschätzen; und eine Thermische-Verschiebung-Korrektureinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Zugspindel der Werkzeugmaschine basierend auf dem abgeschätzten Ausmaß einer thermischen Verschiebung zu bewegen, um eine Korrektur durchzuführen, wobei die Werkzeugtemperatur-Abschätzungseinheit dazu konfiguriert ist, die Temperatur der Spindel (1) durch einen an der Spindel (1) montierten Temperatursensor (8) zu messen, die Werkzeugtemperatur-Abschätzungseinheit dazu konfiguriert ist, eine Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur der Spindel (1) aus der gemessenen Temperatur der Spindel (1) und einer Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel abzuschätzen, die Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur-Abschätzungsformel in Abhängigkeit davon, ob die Spindel (1) rotiert oder anhält, unterschiedlich bestimmt wird, und die Temperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) mit der Werkzeugaufnahmeabschnittstemperatur, der Anfangswerkzeugtemperatur des Werkzeugs oder des Positionsmesssensors (6) und der vorausgehend bestimmten Werkzeugtemperatur-Abschätzungsformel abgeschätzt wird.