JP2002301637A - 工作機械の熱変位補正方法 - Google Patents
工作機械の熱変位補正方法Info
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- JP2002301637A JP2002301637A JP2001107645A JP2001107645A JP2002301637A JP 2002301637 A JP2002301637 A JP 2002301637A JP 2001107645 A JP2001107645 A JP 2001107645A JP 2001107645 A JP2001107645 A JP 2001107645A JP 2002301637 A JP2002301637 A JP 2002301637A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】切削水使用時における主軸の熱変位を高精度に
補正する。 【解決手段】主軸の温度上昇値を熱変位量に換算する換
算係数を、切削水使用時と不使用時とで変更する。切削
水使用時には、換算係数を主軸と切削水との温度差に応
じて調整する。また、切削水停止後には、デジタルフィ
ルタを用いて主軸の温度上昇値を熱変位の時間応答にあ
わせて変更する。
補正する。 【解決手段】主軸の温度上昇値を熱変位量に換算する換
算係数を、切削水使用時と不使用時とで変更する。切削
水使用時には、換算係数を主軸と切削水との温度差に応
じて調整する。また、切削水停止後には、デジタルフィ
ルタを用いて主軸の温度上昇値を熱変位の時間応答にあ
わせて変更する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械における
主軸の熱変位を補正する方法に関する。
主軸の熱変位を補正する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に工作機械は、機械の特性上、例え
ば主軸の転がり軸受けなど各部に熱源を持っており、こ
の熱源から発生した熱が機械各部に伝わることで機体の
熱変形が引き起こる。この機体の熱変形は加工精度に大
きく影響することから、その防止策として、従来から、
発熱部を冷却する方法，あるいは機体の温度情報から熱
変位量を推定し補正する方法が広く採用されている。
ば主軸の転がり軸受けなど各部に熱源を持っており、こ
の熱源から発生した熱が機械各部に伝わることで機体の
熱変形が引き起こる。この機体の熱変形は加工精度に大
きく影響することから、その防止策として、従来から、
発熱部を冷却する方法，あるいは機体の温度情報から熱
変位量を推定し補正する方法が広く採用されている。
【０００３】例えば、後者の従来技術として、特公昭６
１−５９８６０号公報には、工作機械の主軸頭部の温度
と比較的温度変化の少ない機体部分の温度との二差値と
主軸の伸びとの関係を表す温度差−熱変位量の関数式を
予め記憶装置に記憶させておき、検出した温度上昇値を
もとに熱変位量を推定演算し、サーボ出力に補正量を付
与する方法が開示されている。また、特開平９−２２５
７８１号公報には、主軸の回転数変化後の過渡状態から
定常状態に至るまで、熱変位量を求める換算式の係数を
回転数と時間あるいは補正回数に応じて変化させ、あら
ゆる運転状況下において主軸の熱変位を正確に補正する
方法が提案されている。
１−５９８６０号公報には、工作機械の主軸頭部の温度
と比較的温度変化の少ない機体部分の温度との二差値と
主軸の伸びとの関係を表す温度差−熱変位量の関数式を
予め記憶装置に記憶させておき、検出した温度上昇値を
もとに熱変位量を推定演算し、サーボ出力に補正量を付
与する方法が開示されている。また、特開平９−２２５
７８１号公報には、主軸の回転数変化後の過渡状態から
定常状態に至るまで、熱変位量を求める換算式の係数を
回転数と時間あるいは補正回数に応じて変化させ、あら
ゆる運転状況下において主軸の熱変位を正確に補正する
方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の提案においては、加工中に切削水を使用することが考
慮されていないため、切削水の使用により主軸の伸びと
温度上昇との関係が変化した場合に、主軸の推定熱変位
量に誤差が発生する。この点を実験結果に従って以下に
説明する。
の提案においては、加工中に切削水を使用することが考
慮されていないため、切削水の使用により主軸の伸びと
温度上昇との関係が変化した場合に、主軸の推定熱変位
量に誤差が発生する。この点を実験結果に従って以下に
説明する。
【０００５】図１に示すマシニングセンタ１０を主軸速
度１２，０００回転／minで熱変位が飽和状態に達する
まで運転し、その後切削水を３０分間吐出したとき、主
軸１１と移動テーブル１４との相対間変位は図２に示す
ように変化する。ここで、主軸１１は切削水の影響で最
大約１３μｍの熱変位を生じていることがわかる。ま
た、主軸１１の温度上昇は図３に示すように熱変位とは
異なる曲線で変化する。
度１２，０００回転／minで熱変位が飽和状態に達する
まで運転し、その後切削水を３０分間吐出したとき、主
軸１１と移動テーブル１４との相対間変位は図２に示す
ように変化する。ここで、主軸１１は切削水の影響で最
大約１３μｍの熱変位を生じていることがわかる。ま
た、主軸１１の温度上昇は図３に示すように熱変位とは
異なる曲線で変化する。
【０００６】一方、主軸１１の温度上昇値をΔＴとし、
従来の方法により下記の式１を用いて熱変位量を推定し
たとき、推定熱変位量δと実際の熱変位量δａとの誤差
（δ−δａ）は図４に示すように変化する。 推定熱変位量δ＝ｋΔＴ ・・・・・・・・・・・・・式１ 換算係数ｋ＝ｋ0＝−６．５μm／℃
従来の方法により下記の式１を用いて熱変位量を推定し
たとき、推定熱変位量δと実際の熱変位量δａとの誤差
（δ−δａ）は図４に示すように変化する。 推定熱変位量δ＝ｋΔＴ ・・・・・・・・・・・・・式１ 換算係数ｋ＝ｋ0＝−６．５μm／℃
【０００７】図４より明らかなように、従来方法による
と、切削水を使用したときの推定誤差は最大約９μｍに
達する。また図４から、切削水の停止後に主軸１１が乾
く過程では、主軸１１の温度上昇値の時間応答と熱変位
量の時間応答との差異によって、推定誤差が切削水停止
直後に増加し、その後収束することが分かる。従って、
従来方法によると、切削水の使用時、さらに切削水の停
止直後に推定誤差が大きくなる問題点があった。
と、切削水を使用したときの推定誤差は最大約９μｍに
達する。また図４から、切削水の停止後に主軸１１が乾
く過程では、主軸１１の温度上昇値の時間応答と熱変位
量の時間応答との差異によって、推定誤差が切削水停止
直後に増加し、その後収束することが分かる。従って、
従来方法によると、切削水の使用時、さらに切削水の停
止直後に推定誤差が大きくなる問題点があった。
【０００８】そこで本発明は上記の問題点に鑑み、切削
水により主軸の温度と熱変位との関係が変化した場合で
も、その変化に対応して主軸の熱変位を高精度に補正
し、工作機械の加工精度を向上できる方法を提供するこ
とを課題とする。
水により主軸の温度と熱変位との関係が変化した場合で
も、その変化に対応して主軸の熱変位を高精度に補正
し、工作機械の加工精度を向上できる方法を提供するこ
とを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、工作機械における主軸の
熱変位を補正する方法であって、主軸を含む工作機械各
部の温度を検出する段階と、検出した温度から主軸の温
度上昇値を求める段階と、主軸の温度上昇値に基づき換
算式を用いて主軸の熱変位量を推定する段階と、推定値
に従って熱変位補正値を出力する段階とからなり、前記
換算式において、切削水使用時と不使用時とで異なる換
算係数を用いることを特徴とする。
に、請求項１に記載の発明は、工作機械における主軸の
熱変位を補正する方法であって、主軸を含む工作機械各
部の温度を検出する段階と、検出した温度から主軸の温
度上昇値を求める段階と、主軸の温度上昇値に基づき換
算式を用いて主軸の熱変位量を推定する段階と、推定値
に従って熱変位補正値を出力する段階とからなり、前記
換算式において、切削水使用時と不使用時とで異なる換
算係数を用いることを特徴とする。
【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１の発明
において、切削水使用時の換算係数を主軸と切削水との
温度差に応じて調整することを特徴とする。
において、切削水使用時の換算係数を主軸と切削水との
温度差に応じて調整することを特徴とする。
【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１または
２の発明において、切削水の使用停止後に、主軸の温度
上昇値を熱変位量の時間応答にあわせて変更することを
特徴とする。
２の発明において、切削水の使用停止後に、主軸の温度
上昇値を熱変位量の時間応答にあわせて変更することを
特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明を立形マシニングセ
ンタに実施した一形態について図面をもとに詳述する
が、横形マシニングセンタに実施することも可能であ
る。図１に示すように、立形マシニングセンタ１０は、
主軸１１，主軸ヘッド１２，コラム１３，移動テーブル
１４，ベッド１５，切削水吐出装置１６等から構成され
ている。主軸１１にはその発熱温度を検出する第１温度
センサ２１ａが取り付けられ、比較的温度変化の少ない
ベッド１５には基準温度を検出する第２温度センサ２１
ｂが取り付けられ、切削水吐出装置の吐出側には切削水
の温度を測定する第３温度センサ２１ｃが配設されてい
る。
ンタに実施した一形態について図面をもとに詳述する
が、横形マシニングセンタに実施することも可能であ
る。図１に示すように、立形マシニングセンタ１０は、
主軸１１，主軸ヘッド１２，コラム１３，移動テーブル
１４，ベッド１５，切削水吐出装置１６等から構成され
ている。主軸１１にはその発熱温度を検出する第１温度
センサ２１ａが取り付けられ、比較的温度変化の少ない
ベッド１５には基準温度を検出する第２温度センサ２１
ｂが取り付けられ、切削水吐出装置の吐出側には切削水
の温度を測定する第３温度センサ２１ｃが配設されてい
る。
【００１３】温度測定装置２１は各温度センサ２１ａ，
２１ｂ，２１ｃの出力をデジタル信号に変換して数値化
する。記憶装置２２には、実験等により予め決定された
換算係数等の補正パラメータが記憶されている。そし
て、記憶装置２２及び温度測定装置２１の出力信号をも
とに、熱変位推定演算器（以下単に演算器という）２３
が主軸１１の熱変位量δを推定して補正値を演算し、こ
の値に従ってＮＣ装置２４が主軸１１の熱変位を周知の
方法で位置補正するようになっている。
２１ｂ，２１ｃの出力をデジタル信号に変換して数値化
する。記憶装置２２には、実験等により予め決定された
換算係数等の補正パラメータが記憶されている。そし
て、記憶装置２２及び温度測定装置２１の出力信号をも
とに、熱変位推定演算器（以下単に演算器という）２３
が主軸１１の熱変位量δを推定して補正値を演算し、こ
の値に従ってＮＣ装置２４が主軸１１の熱変位を周知の
方法で位置補正するようになっている。
【００１４】上記構成の立形マシニングセンタ１０にお
いて、次に、主軸１１の熱変位補正方法を、図５のフロ
ーチャートに即して説明する。Ｓ−１でマシニングセン
タ各部の温度、つまり主軸１１の温度Ｔ，ベッド１５の
基準温度Ｔｃ，切削水の温度ＴWを測定し、Ｓ−２で主
軸１１の温度上昇値ΔＴ（＝Ｔ−Ｔｃ）を求める。
いて、次に、主軸１１の熱変位補正方法を、図５のフロ
ーチャートに即して説明する。Ｓ−１でマシニングセン
タ各部の温度、つまり主軸１１の温度Ｔ，ベッド１５の
基準温度Ｔｃ，切削水の温度ＴWを測定し、Ｓ−２で主
軸１１の温度上昇値ΔＴ（＝Ｔ−Ｔｃ）を求める。
【００１５】そして、Ｓ−３で切削水の不使用が判定さ
れた場合には、さらにＳ−６で切削水の停止を確認し、
Ｓ−７で応答一致化処理（後述）が不要であることを確
認したのち、Ｓ−９で主軸１１の推定熱変位量δを前記
の式１により演算する。その後、Ｓ−１０で推定熱変位
量δに相当する補正値をＮＣ装置２４に出力し、主軸１
１の熱変位を補正したのち、Ｓ−１１で補正の続行を判
定し、Ｓ−１に戻る。
れた場合には、さらにＳ−６で切削水の停止を確認し、
Ｓ−７で応答一致化処理（後述）が不要であることを確
認したのち、Ｓ−９で主軸１１の推定熱変位量δを前記
の式１により演算する。その後、Ｓ−１０で推定熱変位
量δに相当する補正値をＮＣ装置２４に出力し、主軸１
１の熱変位を補正したのち、Ｓ−１１で補正の続行を判
定し、Ｓ−１に戻る。
【００１６】また、Ｓ−３で切削水の使用が判定された
場合には、Ｓ−４で換算係数ｋを調整する必要があるか
どうかを確認する。切削水の使用開始にあたり、係数調
整が必要である場合には、Ｓ−５で切削水使用時の換算
係数ｋを下記の式２により主軸温度Ｔと切削水温度ＴW
との差に応じて調整する。 換算係数ｋ＝ｋ0（Ｔ−ＴW）ｋ′ ・・・・・・・・・・・式２ ｋ′：調整係数（実験定数）
場合には、Ｓ−４で換算係数ｋを調整する必要があるか
どうかを確認する。切削水の使用開始にあたり、係数調
整が必要である場合には、Ｓ−５で切削水使用時の換算
係数ｋを下記の式２により主軸温度Ｔと切削水温度ＴW
との差に応じて調整する。 換算係数ｋ＝ｋ0（Ｔ−ＴW）ｋ′ ・・・・・・・・・・・式２ ｋ′：調整係数（実験定数）
【００１７】そして、Ｓ−９で主軸１１の推定熱変位量
δを、調整した換算係数ｋを用いて式１により演算し、
主軸１１の熱変位を補正する。なお、切削水使用時の換
算係数ｋは一度調整すればよいので、その要否をＳ−４
で確認する。また、主軸温度Ｔとして、特開平１１−５
８１８３号公報で提案されている熱変位推定用中間値温
度を利用することで、換算係数ｋを精度よく求めること
ができる。あるいは、切削水使用時の換算係数ｋを例え
ば以下のような定数とし、記憶装置２２に記憶させてお
いてもよい。 換算係数ｋ＝−５．２μｍ／℃
δを、調整した換算係数ｋを用いて式１により演算し、
主軸１１の熱変位を補正する。なお、切削水使用時の換
算係数ｋは一度調整すればよいので、その要否をＳ−４
で確認する。また、主軸温度Ｔとして、特開平１１−５
８１８３号公報で提案されている熱変位推定用中間値温
度を利用することで、換算係数ｋを精度よく求めること
ができる。あるいは、切削水使用時の換算係数ｋを例え
ば以下のような定数とし、記憶装置２２に記憶させてお
いてもよい。 換算係数ｋ＝−５．２μｍ／℃
【００１８】一方、Ｓ−６で切削水の停止が確認された
場合には、Ｓ−７で応答一致化処理の要否を判定する。
ここで応答一致化処理とは、切削水の使用停止後に主軸
１１の熱変位量の時間応答にあわせて主軸１１の温度上
昇値を求める処理をいう。Ｓ−８では、応答一致化処理
を行うために用いる主軸１１の温度上昇値を求める。例
えば指数平滑のデジタルフィルタを用い、切削水の使用
停止後に、Ｓ−２で求めた主軸１１の温度上昇値ΔＴ
（以下、「計測温度上昇値」という）に基づき、下記の
式３により主軸１１の温度上昇値Δｔ（以下、「応答一
致温度上昇値」という）を求める。そして、Ｓ−９で応
答一致温度上昇値ΔｔNを前記の式１のΔＴに代入して
主軸１１の推定熱変位量δを演算する。すなわち、変更
された主軸１１の温度上昇値に基づき推定熱変位量δを
演算する。 ΔｔN＝ΔｔN-1＋（ΔＴN−ΔｔN-1）α ・・・・・・・・式３ ΔＴN：Ｎ回目の計測温度上昇値 ΔｔN：Ｎ回目の応答一致温度上昇値 α：フィルタ係数 ０．００５５（時定数３０分）
場合には、Ｓ−７で応答一致化処理の要否を判定する。
ここで応答一致化処理とは、切削水の使用停止後に主軸
１１の熱変位量の時間応答にあわせて主軸１１の温度上
昇値を求める処理をいう。Ｓ−８では、応答一致化処理
を行うために用いる主軸１１の温度上昇値を求める。例
えば指数平滑のデジタルフィルタを用い、切削水の使用
停止後に、Ｓ−２で求めた主軸１１の温度上昇値ΔＴ
（以下、「計測温度上昇値」という）に基づき、下記の
式３により主軸１１の温度上昇値Δｔ（以下、「応答一
致温度上昇値」という）を求める。そして、Ｓ−９で応
答一致温度上昇値ΔｔNを前記の式１のΔＴに代入して
主軸１１の推定熱変位量δを演算する。すなわち、変更
された主軸１１の温度上昇値に基づき推定熱変位量δを
演算する。 ΔｔN＝ΔｔN-1＋（ΔＴN−ΔｔN-1）α ・・・・・・・・式３ ΔＴN：Ｎ回目の計測温度上昇値 ΔｔN：Ｎ回目の応答一致温度上昇値 α：フィルタ係数 ０．００５５（時定数３０分）
【００１９】なお、Ｓ−７では計測温度上昇値ΔＴNと
応答一致温度上昇値ΔｔNとを比較し、両者が一致，ま
たはその差が補正精度に影響しない程度まで収束した時
点で、応答一致化処理を終了する。また、予め設定した
時間，例えばフィルタ時定数の３倍の時間が経過したの
ちに一致化処理を終了してもよい。フィルタとしては移
動平均デジタルフィルタも使用可能である。
応答一致温度上昇値ΔｔNとを比較し、両者が一致，ま
たはその差が補正精度に影響しない程度まで収束した時
点で、応答一致化処理を終了する。また、予め設定した
時間，例えばフィルタ時定数の３倍の時間が経過したの
ちに一致化処理を終了してもよい。フィルタとしては移
動平均デジタルフィルタも使用可能である。
【００２０】かかる方法で求めた推定熱変位量δと実際
の熱変位量δａとの誤差を図６に示す。図４と図６とを
比較して明らかなように、この実施形態の熱変位補正方
法によれば、切削水使用時には、主軸１１と切削水との
温度差が熱変位に影響することを踏まえ、その温度差に
応じて換算係数ｋを調整するので、切削水で濡れた主軸
１１の熱変位量を正確に推定することができる。また、
切削水の停止後には、主軸１１の温度上昇値を、計測温
度上昇値を用いて熱変位量の時間応答にあわせた応答一
致温度上昇値に変更して熱変位量を推定するので、主軸
が乾く過程における推定誤差を小さくすることができ
る。従って、切削水の使用時・使用後を通して十分な精
度で主軸１１の熱変位を補正することができる。
の熱変位量δａとの誤差を図６に示す。図４と図６とを
比較して明らかなように、この実施形態の熱変位補正方
法によれば、切削水使用時には、主軸１１と切削水との
温度差が熱変位に影響することを踏まえ、その温度差に
応じて換算係数ｋを調整するので、切削水で濡れた主軸
１１の熱変位量を正確に推定することができる。また、
切削水の停止後には、主軸１１の温度上昇値を、計測温
度上昇値を用いて熱変位量の時間応答にあわせた応答一
致温度上昇値に変更して熱変位量を推定するので、主軸
が乾く過程における推定誤差を小さくすることができ
る。従って、切削水の使用時・使用後を通して十分な精
度で主軸１１の熱変位を補正することができる。
【００２１】
【発明の効果】以上詳述したように、請求項１に記載の
発明によれば、切削水使用時と不使用時とで異なる換算
係数を用いたので、切削水使用時における主軸の熱変位
を高精度に補正することができる。
発明によれば、切削水使用時と不使用時とで異なる換算
係数を用いたので、切削水使用時における主軸の熱変位
を高精度に補正することができる。
【００２２】請求項２に記載の発明によれば、換算係数
を主軸と切削水との温度差に応じて調整するので、切削
水使用時の補正精度をさらに向上させることができる。
を主軸と切削水との温度差に応じて調整するので、切削
水使用時の補正精度をさらに向上させることができる。
【００２３】請求項３に記載の発明によれば、切削水の
使用停止後に、主軸の温度上昇値を、計測温度上昇値を
用いて熱変位量の時間応答にあわせた応答一致温度上昇
値に変更して熱変位量を推定するので、主軸が乾く過程
における熱変位を高精度に補正することができる。
使用停止後に、主軸の温度上昇値を、計測温度上昇値を
用いて熱変位量の時間応答にあわせた応答一致温度上昇
値に変更して熱変位量を推定するので、主軸が乾く過程
における熱変位を高精度に補正することができる。
【図１】本発明の熱変位補正方法が実施される立形マシ
ニングセンタの概略図である。
ニングセンタの概略図である。
【図２】図１のマシニングセンタにおける主軸の熱変位
量を表すグラフである。
量を表すグラフである。
【図３】図１のマシニングセンタにおける主軸の温度上
昇値を示すグラフである。
昇値を示すグラフである。
【図４】従来の方法による推定熱変位量の誤差を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図５】本発明にかかる熱変位補正方法の一実施形態を
示すフローチャート図である。
示すフローチャート図である。
【図６】本発明の方法による推定熱変位量の誤差を示す
グラフである。
グラフである。
１０・・マシニングセンタ、１１・・主軸、１２・・主
軸ヘッド、１３・・コラム、１４・・移動テーブル、１
５・・ベッド、１６・・切削水吐出装置、２１・・温度
測定装置、２１ａ・・第１温度センサ、２１ｂ・・第２
温度センサ、２１ｃ・・第３温度センサ、２２・・記憶
装置、２３・・熱変位推定演算器、２４・・ＮＣ装置。
軸ヘッド、１３・・コラム、１４・・移動テーブル、１
５・・ベッド、１６・・切削水吐出装置、２１・・温度
測定装置、２１ａ・・第１温度センサ、２１ｂ・・第２
温度センサ、２１ｃ・・第３温度センサ、２２・・記憶
装置、２３・・熱変位推定演算器、２４・・ＮＣ装置。
Claims (3)
- 【請求項１】 工作機械における主軸の熱変位を補正す
る方法であって、主軸を含む工作機械各部の温度を検出
する段階と、検出した温度から主軸の温度上昇値を求め
る段階と、主軸の温度上昇値に基づき換算式を用いて主
軸の熱変位量を推定する段階と、推定値に従って熱変位
補正値を出力する段階とからなり、前記換算式におい
て、切削水使用時と不使用時とで異なる換算係数を用い
ることを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。 - 【請求項２】 切削水使用時の換算係数を、主軸と切削
水との温度差に応じて調整する請求項１に記載の工作機
械の熱変位補正方法。 - 【請求項３】 切削水の使用停止後に、主軸の温度上昇
値を熱変位量の時間応答にあわせて変更する請求項１ま
たは２に記載の工作機械の熱変位補正方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001107645A JP2002301637A (ja) | 2001-04-05 | 2001-04-05 | 工作機械の熱変位補正方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001107645A JP2002301637A (ja) | 2001-04-05 | 2001-04-05 | 工作機械の熱変位補正方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002301637A true JP2002301637A (ja) | 2002-10-15 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001107645A Pending JP2002301637A (ja) | 2001-04-05 | 2001-04-05 | 工作機械の熱変位補正方法 |
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|---|---|
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009248209A (ja) * | 2008-04-02 | 2009-10-29 | Okuma Corp | 工作機械の熱変位推定方法 |
| KR20160051372A (ko) * | 2014-11-03 | 2016-05-11 | 두산인프라코어 주식회사 | 공작기계의 열변위 보정 방법 및 장치 |
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