JP2001162490A - 工作機械主軸の熱変位補償方法及び装置 - Google Patents

工作機械主軸の熱変位補償方法及び装置

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JP2001162490A JP34785399A JP34785399A JP2001162490A JP 2001162490 A JP2001162490 A JP 2001162490A JP 34785399 A JP34785399 A JP 34785399A JP 34785399 A JP34785399 A JP 34785399A JP 2001162490 A JP2001162490 A JP 2001162490A
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spindle
machine tool
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thermal displacement
main spindle
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Kiyoharu Kumagai
清春 熊谷
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Abstract

(57)【要約】 【課題】工具回転数によらず常に高精度な加工を可能と
する工作機械主軸の熱変位補償装置を提供する。 【解決手段】工作機械の主軸1の回転発熱による熱変位
を補償するための工作機械主軸の熱変位補償装置であっ
て、回転する主軸1を冷却する冷媒を流通させる冷媒流
通路3と、冷媒流通路3の主軸付近に設けられ、冷媒の
温度を検出する温度検出器5と、温度検出器5により検
出された冷媒温度が熱平衡温度に達してから加工を開始
するように工作機械を制御する制御部7とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械主軸の熱
変位補償方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】工作機械の主軸はその回転数に比例して
発熱し、熱変位(膨張)する。マシニングセンターの主
軸では、特にアキシャル方向の変位が大きく、ワークの
深さ方向の加工精度低下の大きな原因となっている。
【0003】その対策として、主軸を冷却することが一
般的である。その1つの具体例は、図4に示す様に、主
軸冷却油を外部冷却機2で所定温度に冷却し、主軸冷却
油循環経路3を経て、主軸1の内部に供給する循環冷却
方式である。なお、図において4はNC装置である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マシニ
ングセンターの主軸では装着する工具径によって回転数
が異なり、すなわち発熱量が変化する。一方、外部冷却
機の冷却能力は一定である。その結果、主軸の安定する
温度が回転数によって異なり、すなわち主軸の熱変位量
はその回転数により変化し、ワークの深さ方向の加工精
度が低下する。その数値は機械や加工条件によって異な
るが、おおよそ20〜50μmである。
【0005】従って、本発明は上述した課題に鑑みてな
されたものであり、その目的は、工具回転数によらず常
に高精度な加工を可能とする工作機械主軸の熱変位補償
方法及び装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、本発明に係わる工作機械主軸の
熱変位補償方法は、工作機械の主軸の回転発熱による熱
変位を補償するための工作機械主軸の熱変位補償方法で
あって、回転する前記主軸の温度が熱平衡に達してから
加工を開始することを特徴としている。
【0007】また、この発明に係わる工作機械主軸の熱
変位補償方法において、前記工作機械のNC装置にはパ
ソコンが接続され、該パソコンには前記主軸の各回転数
毎の熱平衡温度が記憶されており、回転する前記主軸の
温度が、前記記憶された熱平衡温度に達してから加工を
開始することを特徴としている。
【0008】また、この発明に係わる工作機械主軸の熱
変位補償方法において、前記主軸の温度が熱平衡温度に
達した後に、前記主軸に取り付けられた加工工具の工具
長を測定することを特徴としている。
【0009】また、この発明に係わる工作機械主軸の熱
変位補償方法において、測定された前記工具長に基づい
てNC装置の加工データを設定することを特徴としてい
る。
【0010】また、本発明に係わる工作機械主軸の熱変
位補償装置は、工作機械の主軸の回転発熱による熱変位
を補償するための工作機械主軸の熱変位補償装置であっ
て、回転する前記主軸を冷却する冷媒を流通させる冷媒
流通路と、該冷媒流通路の前記主軸付近に設けられ、前
記冷媒の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出
手段により検出された冷媒温度が熱平衡温度に達してか
ら加工を開始するように前記工作機械を制御する制御手
段とを具備することを特徴としている。
【0011】また、この発明に係わる工作機械主軸の熱
変位補償装置において、前記主軸の各回転数毎の熱平衡
温度を予め記憶しておくための記憶手段を更に具備する
ことを特徴としている。
【0012】また、この発明に係わる工作機械主軸の熱
変位補償装置において、前記主軸の温度が熱平衡温度に
達した後に、前記主軸に取り付けられた加工工具の工具
長を測定することを特徴としている。
【0013】また、この発明に係わる工作機械主軸の熱
変位補償装置において、測定された前記工具長に基づい
てNC装置の加工データを設定することを特徴としてい
る。
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な一実施形態
について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【0014】図1は、本発明に係る工作機械主軸の熱変
位補償装置の一実施形態を示す図である。同図を参照し
て、本実施形態の構成について説明する。
【0015】工作機械に取り付けられた主軸1は、NC
(数値制御)装置4の指令により回転するが、その回転
時に主軸を構成するベアリングが高発熱し、主軸1全体
が加熱される。これを冷却するために、主軸冷却油循環
経路3が主軸に連結されている。また主軸に冷却油(図
示せず)を循環供給するポンプ(図示せず)を内蔵する
外部冷却機2が付設されている。
【0016】外部冷却機2はある設定温度に冷却油温を
制御しながら、主軸冷却油循環経路3に冷却油を循環供
給する。主軸冷却油循環経路3の主軸出口付近には、温
度検出器5が配置されている。温度検出器5はA/D変
換器6を介して制御パソコン7に接続されている。制御
パソコン7と外部冷却機2とNC装置4と温度検出器5
とA/D変換器6はデータバス8によって図1の様に接
続されている。
【0017】以上の構成を前提に、本実施形態の動作を
説明する。
【0018】主軸停止時は、主軸1は冷却油によって冷
却され、その温度は冷却機2の設定温度と平衡状態にあ
る。
【0019】工具交換後、主軸1はNC装置4の指令に
よってある回転数Naで回転を開始し、発熱する。その
熱は冷却油によって冷却されやがて主軸は熱平衡に達す
るが、この時の主軸冷却油循環経路3の主軸出口付近温
度Taは検出器5とA/D変換器6によって制御パソコ
ン7に取り込まれている。
【0020】一方、制御パソコン7では、「主軸1の回
転数Nnと主軸循環経路の冷却油温が熱平衡に達した時
の温度検出器の温度Tnの関係」が予め記憶されてい
て、TaとTnを比較することが出来る。そして、 Ta=Tn になったとき、制御パソコン7は、NC装置4にスタン
バイ終了信号を出す。NC装置4はその制御信号を受け
取り、工作機械は現在装着されている工具の工具長測定
を実施する。そしてNC装置4はこの工具長のデータに
基づいてNC加工データを設定し、工作機械は、NC装
置4の指令に基づいた加工を開始する。このシーケンス
を工具交換毎に繰り返していく。
【0021】また、上述した方法は、熱平衡に達するま
で時間がかかるといった問題があるが、以下の対策で軽
減することが可能である。
【0022】1つのワークの加工は、工具側から見て 荒加工(大径→中径→小径) →中加工(大径)→仕上げ加工(大径) →中加工(中径)→仕上げ加工(中径) →中加工(小径)→仕上げ加工(小径) (ただし、括弧内は工具径を示す)の順番で加工する
が、その対策の1つは、仕上加工用工具の場合のみこの
方法を適用することである。荒加工用工具、中加工用工
具には適用しない。
【0023】さらに、中加工の回転数は同径の仕上加工
用工具と同じにすることで、中加工時間を、熱平衡に達
する時間に含むことが出来る。
【0024】[実施例]次に上述した実施形態に基づい
て、実際に加工した実施例について説明する。
【0025】加工したワークの概略形状を図3(a)に
示す。コーナーRが6mmである深さ10mmの段を加
工する事例である。ここでは、荒加工はすでに終了して
いて、本提案の対象範囲である中加工・仕上げ加工につ
いてのみ説明をする。
【0026】まずφ16mmのエンドミルでの中加工を
行った。NC装置4の指令によって、φ16mmの中加
工用エンドミルが主軸に自動交換され、5000rpm
で回転を開始する。NCプログラムに従い、仕上げ寸法
に対して側面・底面共0.1mmの加工代を残して加工
した。
【0027】次にφ16mmのエンドミルでの仕上げ加
工を行った。
【0028】NC装置4の指令によって、φ16mmの
仕上げエンドミルが主軸に自動交換され、5000rp
mで回転を開始する。
【0029】この時の主軸冷却油循環経路3の主軸出口
付近温度Taは検出器5とA/D変換器6によって制御
パソコン7に取り込まれている。
【0030】一方、制御パソコン7では、図2に示すよ
うに、「主軸1の回転数Nnと主軸循環経路の冷却油温
が熱平衡に達した時の温度検出器の温度Tnの関係」が
予め記憶されていて、Nnが5000rpmの時のTn
である27.5℃と比較し続ける。そして、 Ta=27.5℃ になったとき、制御パソコン7は、NC装置4にスタン
バイ終了信号を出す。NC装置4はその信号を受け取
り、工作機械は現在装着されている工具の工具長測定を
実施する。そしてNC装置4はこの工具長のデータに基
づいてNC加工データを設定し、工作機械は、NC装置
4の指令に基づいた加工を開始する。加工後は図3
(b)に示す様にφ16mmのエンドミルでの削り残し
が発生し、その部分に以下の様にφ10mmのエンドミ
ルで中加工と仕上げ加工を行った。
【0031】NC装置4の指令によって、φ10mmの
中加工用エンドミルが主軸に自動交換され、8000r
pmで回転を開始する。NCプログラムに従い、仕上げ
寸法に対して側面・底面共0.1mmの加工代を残して
加工した。
【0032】次にNC装置4の指令によって、φ10m
mの仕上げ加工エンドミルが主軸に自動交換され、80
00rpmで回転を開始する。
【0033】この時の主軸冷却油循環経路3の主軸出口
付近温度Taは検出器5とA/D変換器6によって制御
パソコン7に取り込まれている。
【0034】一方、制御パソコン7では、図2に示す
「主軸1の回転数Nnと主軸循環経路の冷却油温が熱平
衡に達した時の温度検出器の温度Tnの関係」からNn
が8000rpmの時のTnが29.2℃であることを
認識し、その値とTaを比較し続ける。そして、 Ta=29.2℃ になったとき、制御パソコン7は、NC装置4にスタン
バイ終了信号を出す。NC装置4はその信号を受け取
り、工作機械は装着されたφ10mmのエンドミルの工
具長測定を実施する。そしてNC装置4はこの工具長の
データに基づいてNC加工データを設定し、工作機械
は、NC装置4の指令に基づいた加工を開始する。
【0035】以上により図3(a)の形状の加工が完了
する。
【0036】以上説明したように、上記の実施形態によ
れば、回転数により変化する主軸の熱変位を補償するこ
とができ、ワークの深さ方向の加工精度を向上させるこ
とが出来る。上述した実施例では、ワークの深さ方向の
加工精度は、5μm以下であった。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
工具回転数によらず常に高精度な加工を可能とすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態に係る工作機械主軸の熱変位補償装
置を示す図である。
【図2】回転数Nnと主軸循環経路の冷却油温が熱平衡
に達した時の温度検出器の温度Tnの関係を示す図であ
る。
【図3】一実施形態の方法により加工を実施した加工ワ
ークの概略形状を示す図である。
【図4】従来例を示す図である。
【符号の説明】
1 主軸 2 外部冷却機 3 主軸冷却油循環経路 4 NC装置 5 温度検出器 6 A/D変換器 7 制御パソコン 8 データバス

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 工作機械の主軸の回転発熱による熱変位
    を補償するための工作機械主軸の熱変位補償方法であっ
    て、 回転する前記主軸の温度が熱平衡に達してから加工を開
    始することを特徴とする工作機械主軸の熱変位補償方
    法。
  2. 【請求項2】 前記工作機械のNC装置にはパソコンが
    接続され、該パソコンには前記主軸の各回転数毎の熱平
    衡温度が記憶されており、回転する前記主軸の温度が、
    前記記憶された熱平衡温度に達してから加工を開始する
    ことを特徴とする請求項1に記載の工作機械主軸の熱変
    位補償方法。
  3. 【請求項3】 前記主軸の温度が熱平衡温度に達した後
    に、前記主軸に取り付けられた加工工具の工具長を測定
    することを特徴とする請求項2に記載の工作機械主軸の
    熱変位補償方法。
  4. 【請求項4】 測定された前記工具長に基づいてNC装
    置の加工データを設定することを特徴とする請求項3に
    記載の工作機械主軸の熱変位補償方法。
  5. 【請求項5】 工作機械の主軸の回転発熱による熱変位
    を補償するための工作機械主軸の熱変位補償装置であっ
    て、 回転する前記主軸を冷却する冷媒を流通させる冷媒流通
    路と、 該冷媒流通路の前記主軸付近に設けられ、前記冷媒の温
    度を検出する温度検出手段と、 前記温度検出手段により検出された冷媒温度が熱平衡温
    度に達してから加工を開始するように前記工作機械を制
    御する制御手段とを具備することを特徴とする工作機械
    主軸の熱変位補償装置。
  6. 【請求項6】 前記主軸の各回転数毎の熱平衡温度を予
    め記憶しておくための記憶手段を更に具備することを特
    徴とする請求項6に記載の工作機械主軸の熱変位補償装
    置。
  7. 【請求項7】 前記主軸の温度が熱平衡温度に達した後
    に、前記主軸に取り付けられた加工工具の工具長を測定
    することを特徴とする請求項6に記載の工作機械主軸の
    熱変位補償装置。
  8. 【請求項8】 測定された前記工具長に基づいてNC装
    置の加工データを設定することを特徴とする請求項7に
    記載の工作機械主軸の熱変位補償装置。
JP34785399A 1999-12-07 1999-12-07 工作機械主軸の熱変位補償方法及び装置 Withdrawn JP2001162490A (ja)

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