JP2002052439A - 旋盤の熱変位補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 タレットの湾曲による工具の刃先変位量を推
定し、この推定値を含む補正量でワークの加工寸法誤差
を正確に補正する。 【解決手段】 予め設定された補正間隔で、温度センサ
の出力を数値化して、旋盤各部の温度を測定する。測定
温度に基づきタレット部熱変位量、ワーク部熱変位量、
及びベッド部熱変位量を算出する。工具の刃先変位量の
推定にあたり、タレットの表面側及び裏面側の温度差に
基づき単位長さ当りの刃先変位量を算出する。工具長オ
フセット機能を用いてタレット旋回軸線方向の工具長さ
を求め、これと単位長さ当りの刃先変位量とに基づき工
具の刃先変位量を算出する。旋盤各部の熱変位量を合算
して補正量を求め、この補正量に従い軸移動による熱変
位補正を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、旋盤の熱変位推定
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、旋盤においては、主軸やボール
ネジの発熱、環境温度の変化、又は切削水温度の変化な
どによって、機械の各構成要素が熱変形し、加工寸法に
誤差が発生する。この熱変形による誤差を抑制するため
に、従来、機械構成要素の温度情報から熱変位量を推定
し、この推定値に従って軸移動による補正を実行する方
法が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の熱変
位補正方法では、タレットの湾曲による工具の刃先変位
が考慮されていなかった。タレット３は、図１のａ）に
示すように刃物台２に旋回可能に支持されているが、切
削熱で切削水温度が上昇すると、径方向へ膨張するばか
りでなく、表面側及び裏面側の温度差によって図１の
ｂ）に矢印で示すように湾曲する。

【０００４】タレット３の湾曲による工具４の刃先変位
量Δｘは、図２のａ）に示すように、外形加工用のバイ
トの場合は僅かであるが、図２のｂ）に示すように、旋
回軸線方向に長いボーリングバー等の場合に大きくな
る。同様に、タレット３の湾曲による工具４の刃先変位
量Δｚは、図２のｃ）に示すように、旋回径方向に長い
バイトの場合に大きくなる。従って、従来の熱変位補正
方法によると、補正量が刃先変位量ΔｘおよびΔｚに相
当する誤差を含むため、ワークの加工寸法誤差を正確に
補正できないという問題点があった。

【０００５】そこで、本発明の課題は、旋盤の熱変位を
補正するにあたり、タレットの湾曲による工具の刃先変
位量を推定し、この推定値を含む補正量でワークの加工
寸法誤差を正確に補正できる方法を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１の発明による熱変位補正方法は、旋盤の
熱変位を補正するにあたり、タレット表面側及び裏面側
の温度差により生ずるタレットの湾曲による工具の刃先
変位量を、タレット表面側及び裏面側の温度差と工具寸
法とを用いて推定することを特徴とする。

【０００７】請求項２の発明による熱変位補正方法は、
工具寸法を工具長オフセット機能を用いて求めることを
特徴とする。なお、工具長オフセット機能とは、基準工
具と使用工具との寸法差を設定する周知機能であって、
図３に例示するような表を用い、基準工具の寸法のみを
設定するだけで、使用工具の寸法を容易に求めることが
できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。この実施形態の旋盤においては、
図４に示すように、ベッド１上に刃物台２が固定され、
刃物台２にタレット３がＺ軸方向の軸線周りで旋回可能
に支持され、タレット３の外周に工具４（ボーリングバ
ーを例示）がＺ軸方向へ突出する形態で保持されてい
る。

【０００９】また、ベッド１上にはレール５によりサド
ル６がＸ軸方向へ移動可能に設置され、サドル６上に主
軸台７がＺ軸方向へ移動可能に支持され、主軸台７にワ
ーク８が保持されている。そして、切削水タンク９、ベ
ッド１、タレット３の表面側及び裏面側に、それぞれ温
度センサ１０，１１，１２，１３が配設されている。

【００１０】一方、旋盤の制御系には、各温度センサ１
０〜１３の出力を数値化する温度測定装置１４と、工具
寸法を含む各種補正情報を記録する記録装置１６と、温
度情報と補正情報とに基づき刃先変位量を含む機械各部
の熱変位量を推定して補正量を求める補正装置１５と、
その補正量に従い機械各部の移動体を制御するＮＣ装置
１７とが設けられている。

【００１１】上記のように構成された旋盤において、次
に、本発明による熱変位補正方法の実施形態について説
明する。例えば、タレット表面からの長さＺｔが４００
ｍｍのボーリングバーで３時間重切削した後、１時間休
止し、再び２時間加工した場合、ワーク８の加工径寸法
誤差δＸは図５に示すように変化する。

【００１２】また、切削水の温度上昇値Ｔmは図６に示
すように変化し、ベッド１の温度上昇値Ｔbは図７に示
すように変化する。そして、タレット３の表面側の温度
上昇値Ｔtaは図８に示すように変化し、タレット３の裏
面側の温度上昇値Ｔtbは図９に示すように変化する。

【００１３】いま、ワーク８の加工径寸法誤差δＸがタ
レット３、ワーク８及びベッド１のＸ軸方向の熱変形に
よって発生したと仮定する。この場合、タレット部熱変
位量δＸt1、ワーク部熱変位量δＸw及びベッド部熱変
位量δＸbは、それぞれ各部と相関する温度を用いて次
式で求めることができる。

【００１４】 δＸt1＝Ｋt1・Ｔta 式１ δＸw＝Ｋw・Ｔm 式２ δＸb＝Ｋb・Ｔb 式３ ここで、Ｋt1，Ｋw，Ｋbは係数であり、本例では、 Ｋt1＝−６×１０^−３ Ｋw＝−３×１０^−３ Ｋb＝１２×１０^−３ とした。また、ワーク部熱変位量δＸwとは図４に示す
Ｘw区間の変位量を２倍した値であり、ベッド部熱変位
量δＸbとはＸb区間の変位量を２倍した値であり、タレ
ット部熱変位量δＸt1とはＸt1区間の変位量を２倍した
値である。

【００１５】ところが、実際には、上記熱変位量の合計
推定値（δＸt1＋δＸw＋δＸb）は加工径寸法誤差δＸ
と一致せず、図１０に示すような推定誤差{δＸ−（δ
Ｘt1＋δＸw＋δＸb）}が発生する。すなわち、この誤
差は上記３箇所以外に熱変位が存在することを意味す
る。

【００１６】図１１は、タレット３の表面側及び裏面側
の温度差（Ｔta−Ｔtb）の経時変化を示すものである
が、図１０と図１１とを比較すると、両者に相関関係が
あることがわかる。このことから、上記３箇所以外の熱
変形がタレット３の湾曲による工具４の刃先変位である
と見なすことができる。

【００１７】また、外形加工用のバイトを用いた場合に
は、図１０に示すような推定誤差が現れず、上記３箇所
における熱変位量の合計値が加工寸法誤差δＸとよく一
致する。このことから、タレット３の湾曲による工具４
の刃先変位は、図２ｂ）に示すような工具４の傾きに起
因する変位であると認められる。

【００１８】従って、工具４の刃先変位量δＸt2は、タ
レット３の表面側及び裏面側の温度差（Ｔta−Ｔtb）
と、タレット旋回軸線つまりＺ軸方向の工具長さＺtと
を用いて次式で推定することができる。 δＸt2＝Ｋt2・（Ｔta−Ｔtb）・Ｚt 式４ ここで、Ｋt2は係数である。本例では、 Ｋt2＝−０．００５×１０^−３ Ｚt＝４００ｍｍ とした。また、工具４の刃先変位量δＸt2とは、図４に
示すＸt2区間の変位量を２倍した値である。

【００１９】なお、図１１及び図６を対比すると明らか
なように、タレット３の温度変化と切削水の温度変化と
は相似関係にある。このため、式４を切削水温度Ｔmを
含む関係式に変換して用いることも可能である。具体的
には、本出願人が特願平８−３０９８２号で開示した指
数平滑フィルタを用いる方法を適用して、刃先変位量δ
Ｘt2を次式で推定することができる。

【００２０】 Ｙt2a n＝Ｙt2a n-1＋（Ｔm n−Ｙt2a n-1）・αt2a 式４ａ Ｙt2b n＝Ｙt2b n-1＋（Ｔm n−Ｙt2b n-1）・αt2b 式４ｂ δＸt2＝（Ｋt2a・Ｙt2a＋Ｋt2b・Ｙt2b）・Ｚt 式４ｃ Ｔn：n回目の測定温度 Ｙn：n回目の熱変位推定温度 Ｋ：係数 α：フィルタ係数 Ｚt：工具Ｚ軸方向長さ t2a：タレット表面側 t2b：タレット裏面側 本例の各係数は次のとおりである。 αt2a＝２．７×１０^−２ αt2b＝３．７×１０^−３ Ｋt2a＝−３．５×１０^−３ Ｋt2b＝３×１０^−３ Ｚt＝４００ｍｍ

【００２１】また、Ｚ軸方向の加工寸法誤差について
も、同様に、タレット表面側及び裏面側の温度差と、タ
レット旋回径方向つまりＸ軸方向の工具長さを用いて推
定することができる。

【００２２】次に、本発明による熱変位補正方法の具体
的な実施例について説明する。図１２は熱変位補正方法
の第一実施例を示すフローチャートである。図４の旋盤
において補正プログラムが開始されると、まず、温度測
定装置１４が、予め設定された補正間隔で、温度センサ
１０〜１３の出力を数値化して、旋盤各部の温度を測定
する。次に、補正装置１５が式１、式２、式３を用いて
タレット部熱変位量δＸt1、ワーク部熱変位量δＸw、
及びベッド部熱変位量δＸbを算出する。

【００２３】また、補正装置１５は、タレット３の湾曲
による工具４の刃先変位量を推定するために、まず、タ
レット３の表面側及び裏面側の温度差に基づき次式４’
を用いて工具４の単位長さ当りの刃先変位量δＸt2’を
算出する。次に、補正間隔が経過するまで、工具長オフ
セット機能を用いて現在使用中の工具４のＺ軸長さＺt
を次式５で求める。続いて、次式４’’を用いて工具４
の刃先変位量δＸt2を算出したのち、旋盤各部の熱変位
量を次式６で合算して補正量を求める。そして、この補
正量に従いＮＣ装置１７が軸移動による熱変位補正を実
行する。

【００２４】 δＸt2’＝Ｋt2・（Ｔta−Ｔtb） 式４’ δＸt2＝δＸt2’・Ｚt 式４’’ Ｚt＝基準工具長さ＋工具長オフセット量 式５ 補正量＝−（δＸb＋δＸt1＋δＸw＋δＸt2） 式６

【００２５】図１３は熱変位補正方法の第二実施例を示
すフローチャートである。第一実施例との相違点につい
て説明すると、ここでは、工具４の刃先変位量を推定す
るにあたり、まず、工具長オフセット機能を用いて使用
工具すべてのＺ軸長さを求め（式５）、工具毎に温度差
−刃先変位量の関係式（式４）或いは相関表を登録す
る。次に、現在使用中の工具４に該当する関係式を選択
し、これを用いて工具４の刃先変位量を算出する。

【００２６】上記各実施例の熱変位補正方法によれば、
タレット３の湾曲による工具４の刃先変位量を含め、旋
盤のＸ軸方向における各熱変形要素の変位量をもれなく
推定することができる。従って、図１４に示すような補
正結果が得られ、ワーク８の加工径寸法誤差δＸを正確
に補正することができる。

【００２７】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、例えば、刃物台が移動するタイプの旋盤
に適用するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部
の構成や補正手順を適宜に変更して実施することも可能
である。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１の発明に
よれば、旋盤の熱変位を補正するにあたり、タレット表
面側及び裏面側の温度差により生ずるタレットの湾曲に
よる工具の刃先変位量を、タレット表面側及び裏面側の
温度差と工具寸法とを用いて推定し、この推定値を含む
補正量でワークの加工寸法誤差を正確に補正できるとい
う優れた効果を奏する。

【００２９】また、請求項２の発明によれば、工具オフ
セット機能を用いることで、各工具の寸法を入力する手
間を省くことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】タレットの湾曲を示す説明図である。

【図２】タレットの湾曲による工具の刃先変位を示す説
明図である。

【図３】工具オフセット機能を示す説明図である。

【図４】本発明の一実施形態を示す旋盤の全体構成図で
ある。

【図５】加工径誤差の経時変化を示す特性図である。

【図６】切削水温度の経時変化を示す特性図である。

【図７】ベッド部温度の経時変化を示す特性図である。

【図８】タレット表面側温度の経時変化を示す特性図で
ある。

【図９】タレット裏面側温度の経時変化を示す特性図で
ある。

【図１０】推定誤差の経時変化を示す特性図である。

【図１１】タレット表面側及び裏面側の温度差の経時変
化を示す特性図である。

【図１２】本発明による第一実施例の熱変位補正方法を
示すフローチャートである。

【図１３】本発明による第二実施例の熱変位補正方法を
示すフローチャートである。

【図１４】本発明による熱変位補正方法の効果を確認す
る特性図である。

【符号の説明】

１・・ベッド、２・・刃物台、３・・タレット、４・・
工具、７・・主軸台、８・・ワーク、９・・切削水タン
ク、１０〜１３・・温度センサ、１４・・温度測定装
置、１５・・補正装置、１６・・記録装置、１７・・Ｎ
Ｃ装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F069 AA02 BB02 DD12 EE02 EE23 GG06 GG16 GG39 GG52 GG56 GG59 GG72 HH09 JJ02 JJ19 JJ25 MM17 MM23 MM34 NN13 PP02 QQ05 3C001 KA05 KB01 TA03 TB10 3C029 AA25 BB02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タレット表面側及び裏面側の温度差によ
   り生ずるタレットの湾曲による工具の刃先変位量を、タ
   レット表面側及び裏面側の温度差と工具寸法とを用いて
   推定することを特徴とする旋盤の熱変位補正方法。
2. 【請求項２】 前記工具寸法を工具長オフセット機能を
   用いて求める請求項１記載の旋盤の熱変位補正方法。