JP2003019640A - 工作機械の熱変位監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工作機械において必要とされる加工精度を達
成できる温度を設定し、設定値を満たしていない場合は
次の加エステップに移らず、設定値を満たすまで待機す
ることにより加工精度の向上させ、ワーク間のばらつき
を抑制し、さらに操作者が機械横にて監視する必要がな
い熱変位監視装置を提供する。 【解決手段】 基準温度となるベッドと、監視対象の主
軸軸受との温度測定を行い（工程Ｓ６）、温度演算装置
により基準温度となるベッドの温度と監視点となる主軸
軸受の近傍付近温度との温度差を求めて温度記憶メモリ
に温度差値Ｔを格納し（工程Ｓ７）、判定式を満たして
いるかどうかを比較判定部で判断する（工程Ｓ８）。条
件を満たしていない場合は、工程Ｓ６の温度測定からの
一連の判定作業を繰り返し、判定式を満たす温度差値に
なる熱変位の飽和状態まで待機できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マシニングセンタ
などの工作機械に接続される熱変位監視装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】工作機械における加工精度に大きな影響
を与える要因として、環境温度の変化、機械各部の発
熱、例えば主軸回転によるものや、送り軸の使用による
発熱、切削水温度の変化が主に挙げられる。このような
要因が挙げられる中、粗加工から仕上加工に、また仕上
加工から粗加工にと主軸の回転数を変化させて加工を行
う場合、主軸回転数を変化させることにより機械発熱量
が変化することで機械変形が生じ、主軸回転数を変化さ
せてすぐに加工を行うと機械変形が継続しているために
精度が維持できないことが問題であった。従来このよう
な問題を解決するため、主軸回転数を変化させた場合で
は機械変形が飽和状態になるまで加工を中断し、操作者
が機械１台につき１人付くことにより機械変形が飽和状
態になったかどうかを判断し、飽和状態になったところ
で切削加工を再開するということが行われてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような機械変形が
飽和状態になったかどうかの判定を行うために、操作者
が機械横に待機して監視している必要があり、また、そ
の監視作業中は他の作業も行いにくく作業能率の低下も
問題であった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、工
作機械において必要とされる加工精度を達成できる温
度、もしくは温度変動量を設定し、設定値の条件を満た
していない場合は次の加工ステップに移らず、設定値の
条件を満たすまで待機することにより加工精度を向上さ
せ、ワーク間のばらつきを抑制し、さらに操作者が機械
にずっと付いていなくても良い熱変位監視装置を提案す
ることが目的である。請求項１に係る本発明は、ＮＣ制
御装置により加工処理する工作機械に接続される熱変位
監視装置であって、該工作機械の任意部位を温度測定し
て温度情報を換算する温度検出手段と、得られた温度情
報を、予め入力された設定値と比較し、該温度情報が予
め入力された設定値の条件を満たすまで、該工作機械の
加工処理を待機させる指令を出力する比較判定部と、を
備えることを特徴とする工作機械の熱変位監視装置であ
る。これにより、熱変位の飽和状態まで加工処理を待機
することにより加工精度を向上させ、ワーク間のばらつ
きを抑制し、さらに操作者が機械にずっと付いていなく
てもよい熱変位監視装置を提供できる。なお、温度検出
手段は、工作機械における任意部位に取り付けられ温度
測定をする温度測定手段と、該温度測定手段から得られ
た温度値から温度変動量を換算する温度演算手段と、求
められた温度及び温度変動量を温度情報として記憶する
温度記憶保存手段とを有することもある。また、温度セ
ンサからの入力端子、温度演算装置、温度記憶メモリ及
び比較判定部は制御ボードに備えられ、その制御ボード
の出力端子をＮＣ制御装置に装着して温度センサ２と接
続する組み立て手段の他に、制御ボードがそのままＮＣ
制御装置に内蔵され、入力端子に温度センサ２を接続し
て制御プログラムを別に追加する組み立て手段、温度セ
ンサに温度演算手段が一体化され、直接に入出力信号を
ＮＣ制御装置に送受信でき熱変位監視の制御プログラム
で処理させる組み立て手段などがある。また、予め入力
される設定値は、操作者が経験や個々の工作機械の調子
などに基づき任意に設定する値であり、例えば回転数毎
の主軸などが収斂する温度である。また、入力する手段
は、制御ボードに温度ダイヤルを備えたり、接続された
ＮＣ制御装置のテンキーを利用して制御ボードに伝達し
たりできる。

【０００５】次に、この熱変位監視を行う点として機械
構造の温度を用いる。機械構造の内部発熱による変形を
監視するため機械構造の任意部位における温度を測定す
る。なお、外気の急激な温度変化の影響を受けにくい部
位、例えばベッドやコラムにおける温度を基準温度と
し、監視を行いたい部位、例えば送り軸であればナッ
ト、主軸であれば主軸軸受外輸付近の構造体の温度を相
対的に監視するために温度差を温度情報として利用する
のが好適である。すなわち、請求項２に係る本発明は、
温度検出手段は、外気の急激な温度変化による影響を受
けにくい部位に設けられた基準温度検出部と、内部発熱
による熱変位補正対象となる部位に設けられた監視温度
検出部と、該基準温度検出部と監視温度検出部とで測定
された温度の差分から温度情報を換算する温度演算装置
とを有する工作機械の熱変位監視装置である。これによ
り、外気の急激な温度変化による影響を受けにくい部位
を測定した基準温度との温度差を利用するので、内部発
熱による熱変位だけでなく、突発的な外気の急激な温度
変化により工作機械に及ぼされる影響に対しても変位補
正を対応させることができる。なお、外気の急激な温度
変化による影響を受けにくい部位は、例えば基台やベッ
ドなどの内側部位が適当であり、操作者が経験則や熱発
生部位からの距離・材質等から決める。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化したＮＣ制
御される工作機械であるマシニングセンタについて図面
に基づいて説明する。図１は、本発明を適用したマシニ
ングセンタの概略を示す。マシニングセンタ本体１は、
外気の急激な温度変化の影響を受けにくい場所としてベ
ッド１ａに、温度センサ２ａを設置し、監視を行いたい
主軸軸受１ｂの外輪付近の構造体に別の温度センサ２ｂ
を設置している。これらの温度センサ２ａ，２ｂは温度
演算装置３に接続され、温度演算装置３は、監視対象の
温度センサ２ｂから出力される測定温度信号と、基準と
なる温度センサ２ａからとの温度差を算出する。温度演
算装置３で算出された温度差情報は、温度記憶メモリ４
で記憶される。そして、比較判定部５は、その温度記憶
メモリ４上に存在する温度差情報が、予め設定された基
準値の条件を満たしているかの判定を行い、その判定結
果に基づいた工作機械の制御を行うＮＣ制御装置６は主
軸の制御をする。制御された主軸は、テーブルを駆動す
る駆動軸と協働してワークを切削加工する。

【０００７】図２は、マシニングセンタ本体１に設定さ
れた熱変位監視装置の制御手順を、フローチャートに示
すものであり、下記のような温度変化の場合について説
明する。図３は、主軸の回転数を毎分20,000 から2,000
に減少又は下降するように変化させて加工を行う場合
に、主軸軸受近傍の温度挙動を示す説明図である。他
方、図４は、主軸の回転数を毎分2,000 から20,000に上
昇又は増加するように変化させて加工を行う場合の説明
図である。予め、工作機械の操作者は、主軸の回転数を
変化させたＮＣプログラムコードとともに、図３及び図
４に示される、精度を達成できる設定値Ｔ0 を回転数が
変化する場合の各々について入力しておく（工程Ｓ
１）。工作機械を始動してプログラムコードに従いワー
クの加工を実行していき、プログラムの記述又は主軸駆
動指令から、回転数が上昇するのか又は下降するのかと
いう判定を行う（工程Ｓ２）。そして、主軸回転数が上
昇なら判定式Ｔ＞Ｔ0をセットし（工程Ｓ３）、下降な
ら判定式Ｔ＜Ｔ0 をセットするとともに（工程Ｓ４）、
セットされた判定式に、操作者によりプログラムコード
に予め入力された設定値Ｔ0 を取得する（工程Ｓ５）。
次に、基準温度となるベッド１ａと、監視対象の主軸軸
受１ｂとの温度測定を行い（工程Ｓ６）、温度演算装置
３により基準温度となるベッド１ａの温度と監視点とな
る主軸軸受１ｂの近傍付近温度との温度差を求めて温度
記憶メモリに温度差値Ｔを格納し（工程Ｓ７）、温度差
値と設定値との判定式を満たしているかどうかを比較判
定部で判断する（工程Ｓ８）。条件を満たしていた場合
は、次の加工ステップに移り（工程Ｓ９）、変更後の主
軸の回転数に基づき加工を行うことになるので、操作者
が監視していなくても精度良く加工することが可能であ
る。他方、条件を満たしていない場合は、工程Ｓ６の温
度測定からの一連の判定作業を繰り返し、図３及び図４
に示すように条件の判定式を満たす温度差値になるまで
待機するので、主軸の回転数を急激に変化させて引き続
き加工を行う場合に、回転数を変化させた直後の主軸の
熱変形が飽和状態ではなく加工精度が出にくい状態での
切削加工を防ぐことができる。この待機状態は、次の加
工指令を出力しない状態であり、熱変位監視プログラム
が加工プログラムに機能的に組み込まれている場合であ
るが、逐次待機指令を出力して、熱変位監視プログラム
が加工プログラムに割り込み指令を与えるのと同等であ
る。

【０００８】また、熱変位監視対象軸は主軸に限定する
ものではなく、テーブルや旋盤の主軸台など送り軸とす
ることもできる。これにより、従来は、送り軸が連続し
て動いて発熱した状態から穴あけ加工を行うために位置
調整されても、直前に送り軸の冷却が行われると位置精
度が悪くなることがあったが、穴あけ加工を行うプログ
ラムコードに、待機するための送り軸の設定値を操作者
が入力しておくことにより、精度良くワークを加工する
ことが可能になり、従来の位置合わせが悪くなる現象を
避けることができた。また、ここでの設定値Ｔ0 は、回
転数に応じて温度差値が収斂する値を操作者が経験則的
に得ている値であり、図３・４に示すようにその収斂時
から逆算した適当な時期に、待機状態を解除して次の加
工ステップを実行するようにＮＣ制御装置に熱変位監視
装置が指令する。

【０００９】

【発明の効果】詳述したように、請求項１に係る本発明
は、工作機械の熱変位監視装置が、工作機械から得た温
度情報を予め入力された設定値と比較し、該温度情報が
予め入力された設定値の条件を満たすまで、該制御手段
の加工処理を待機させる指令を出力する比較判定部を備
えることにより、主軸軸受などの熱変位補正対象を測定
点とする場合、急激な回転数変化による機械の変形が生
じても、設定値が入力されていると条件を満たすまで次
の加工ステップに移らず、熱変位が飽和状態になってか
ら次の加工ステップがおこなわれるため、従来のように
操作者が常に機械に付いて温度の監視を行わなくても、
自動運転でも精度良く加工することが可能であり、ワー
ク間のばらつきを抑制し、従来のように操作者が機械に
ずっと付いていなくても良い熱変位監視装置を提供でき
る。

【００１０】また、請求項２に係る本発明は、温度検出
手段は、外気の急激な温度変化による影響を受けにくい
部位に設けられた基準温度検出部と、内部発熱による熱
変位補正対象となる部位に設けられた監視温度検出部
と、該基準温度検出部と監視温度検出部とで測定された
温度の差分から温度情報を換算する温度演算装置とを有
することにより、外気の急激な温度変化による影響を受
けにくい部位を測定した基準温度との温度差を利用する
ので、内部発熱による熱変位だけでなく、突発的な外気
の急激な温度変化により工作機械に及ぼされる影響に対
しても変位補正を対応させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マシニングセンタの概略を示す説明図である。

【図２】熱変位監視装置の制御手順を示すフローチャー
トである。

【図３】主軸の回転数を減少させた主軸軸受近傍の温度
挙動を示す説明図である。

【図４】主軸の回転数を増加させた主軸軸受近傍の温度
挙動を示す説明図である。

【符号の説明】

１ マシニングセンタ本体 １ａ ベッド １ｂ 主軸軸受 ２ａ，２ｂ 温度センサ ３ 温度演算装置 ４ 温度記憶メモリ ５ 比較判定部 ６ ＮＣ制御装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＮＣ制御装置により加工処理する工作機
   械に接続される熱変位監視装置であって、 該工作機械の任意部位を温度測定して温度情報を換算す
   る温度検出手段と、 得られた温度情報を、予め入力された設定値と比較し、
   該温度情報が予め入力された設定値の条件を満たすま
   で、該工作機械の加工処理を待機させる指令を出力する
   比較判定部と、を備えることを特徴とする工作機械の熱
   変位監視装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の温度検出手段は、外気の
   急激な温度変化による影響を受けにくい部位に設けられ
   た基準温度検出部と、内部発熱による熱変位補正対象と
   なる部位に設けられた監視温度検出部と、該基準温度検
   出部と監視温度検出部とで測定された温度の差分から温
   度情報を換算する温度演算装置とを有する工作機械の熱
   変位監視装置。