JP2004237394A

JP2004237394A - Ｎｃ工作機械の補正装置

Info

Publication number: JP2004237394A
Application number: JP2003029243A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Koo; 孝宏小尾
Original assignee: Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】雰囲気温度の変化に起因した運動機構部の熱変形によって生じる加工誤差を是正することができる補正装置を提供する。
【解決手段】補正装置１は、ベッドを支持する支持装置に付設された温度検出器１７と、運動機構部の三次元モデルデータ及び熱変形解析用の条件データを記憶した解析用データ記憶部１１と、温度検出器１７によって検出されたベッドの温度分布データ、並びに解析用データ記憶部１１に格納された三次元モデルデータ及び条件データを基に、運動機構部の熱変形を解析する熱変形解析部１２と、熱変形解析部１２によって解析された結果を記憶する解析結果記憶部１３と、解析結果記憶部１１に格納された熱変形データを基に、移動体の移動目標位置に対する補正量を算出する補正量算出部１４と、算出された補正量を基に、移動体の移動目標位置データを補正する補正実行部１５とから構成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＣ工作機械の補正装置に関し、更に詳しくは、ＮＣ工作機械の運動機構部の熱変形を解析し、解析した結果に応じて当該運動機構部の動作量を補正する補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ＮＣ工作機械の一つであるマシニングセンタは、例えば、ベッド、ベッド上に配設されワークが載置されるテーブル、同じくベッド上に配設されるコラム、コラムに支持される主軸頭、主軸頭に回転自在に支持され工具が装着される主軸、前記テーブル，コラム及び主軸頭を直交３軸方向にそれぞれ移動させる送り機構部などから成る運動機構部と、前記送り機構部の作動を数値制御する数値制御装置とから構成される。
【０００３】
また、ＮＣ旋盤は、例えば、ベッド、ベッド上に配設される主軸台及びサドル、主軸台に回転自在に支持される主軸、主軸に装着されワークを把持するチャック、サドル上に配設され工具が装着される刃物台、サドルを主軸軸線に沿った方向に移動させるとともに、刃物台を主軸軸線と直交する方向に移動させる送り機構部などから成る運動機構部と、前記送り機構部の作動を数値制御する数値制御装置とから構成される。
【０００４】
そして、前記数値制御装置は、適宜作成されたＮＣプログラムに従い、前記送り機構部を数値制御する。即ち、当該数値制御装置によりＮＣプログラムが順次解析されて、前記テーブル，コラム，主軸頭，サドル，刃物台といった移動体の移動位置や送り速度などに関する指令信号が抽出され、ついで、抽出された指令信号を基に移動目標位置データが生成され、生成された移動目標位置データに基づいて前記送り機構部が駆動制御される。斯くして、かかる移動体の移動によって、工具とワークとの間で相対運動が行われ、当該ワークが加工される。
【０００５】
ところで、上記運動機構部は、通常、鋳物や鋼により構成されているため、極めて熱変動を来たし易く、このため、従来から、主軸軸受部などを発熱源とした熱変形解析を行い、当該熱変形によって生じるワークと工具との間の相対的な変位量を算出し、得られた変位量を基に、前記移動体を移動させる際の移動目標位置を補正して、当該熱変位によって生じる加工誤差を是正するといったことが試みられている。
【０００６】
ところが、従来、ＮＣ工作機械が設置されたその周りの雰囲気温度の変化に伴う上記運動機構部の熱変形については、殆ど検討されていないのが現状である。ＮＣ工作機械が設置される屋内の温度は、外気温や太陽熱、その他空調設備の状態によって時々刻々と変化するため、かかる雰囲気温度の変化に伴う上記運動機構部の熱変形も時々刻々と変化している。したがって、加工精度を高めるには、このような雰囲気温度の変化に伴う運動機構部の熱変形を随時把握して、これを是正すべく適切な補正を行うことが不可避である。
【０００７】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、雰囲気温度の変化に起因した運動機構部の熱変形によって生じる加工誤差を是正することができる補正装置の提供をその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及びその効果】
上記目的を達成するための本発明は、ベッド、所定の送り軸に沿って移動可能に前記ベッド上に設けられた移動体、該移動体を前記送り軸に沿って移動せしめる送り機構部を少なくとも含んで構成される運動機構部と、前記移動体の移動目標位置データを生成し、生成した移動目標位置データを基に前記送り機構部の作動を制御して、前記移動体を前記移動目標位置に移動せしめる数値制御装置とを備えるとともに、前記ベッドが複数の支持手段によりその下面を所定間隔で支持されたＮＣ工作機械において、前記移動体の移動目標位置を補正する補正装置であって、
前記各支持手段に付設され、該各支持手段の温度を検出する複数の温度検出手段と、
前記運動機構部の三次元モデルデータ及び熱変形解析用の条件データを記憶した解析用データ記憶手段と、
前記温度検出手段によって検出された前記ベッドの温度分布データ、並びに前記解析用データ記憶手段に格納された三次元モデルデータ及び条件データを基に、前記運動機構部の熱変形を解析する熱変形解析手段と、
前記熱変形解析手段によって解析された結果を記憶する解析結果記憶手段と、
前記解析結果記憶手段に格納された熱変形データを基に、前記移動体の移動目標位置に対する補正量を算出する補正量算出手段と、
前記補正量算出手段によって算出された補正量を基に、前記移動体の移動目標位置データを補正する補正実行手段とから構成されてなることを特徴とするＮＣ工作機械の補正装置に係る。
【０００９】
尚、前記移動体は、ベッド上に設けられ、適宜送り軸に沿って移動せしめられる構造体の総称であり、例えば、マシニングセンタの場合には、コラム（コラムが固定される場合もある）、主軸頭、テーブル（テーブルが固定される場合もある）など挙げることができ、ＮＣ旋盤の場合には、サドルや刃物台などを挙げることができる。
【００１０】
また、前記解析用データ記憶手段に格納される三次元モデルデータは、例えば、三次元ＣＡＤシステムを用いて作成された運動機構部の三次元形状データを適宜微小要素に分割し、これを解析に必要なモデルデータとして変換したものであり、条件データは、運動機構部を構成する材料固有の熱伝達率，線膨張係数，ヤング率，ポアソン比や比重などからなる物性値の他、前記材料と雰囲気との間の熱伝達率などからなる。そして、これらが予め前記解析用データ記憶手段に格納される。
【００１１】
本発明によれば、まず、ベッドを支持する各支持手段の温度が温度検出手段によって随時検出され、検出された温度データが熱変形解析手段に送信される。支持手段は運動機構部の発熱源から離れた位置にあり、したがって、その温度は、工作機械が設置されたその雰囲気温度と略等しい温度とみなすことができ、また、ベッドは各支持手段によって直接支持されているため、各支持手段の温度は、これらによって支持される部分のベッドの温度と略等しいものとみなすことができる。
【００１２】
上述したように、ＮＣ工作機械が設置される屋内の温度は、外気温や太陽熱、その他空調設備の状態によって時々刻々と変化し、この雰囲気温度の変化に伴ってベッドの温度も時々刻々と変化する。この発明では、このように変化するベッドの温度が温度検出手段によって随時検出され、検出された温度データが熱変形解析手段に送信される。
【００１３】
そして、この温度検出手段から送信されたベッドの温度分布データ、並びに前記解析用データ記憶手段に格納された三次元モデルデータ及び条件データを基に、熱変形解析手段によって前記運動機構部の熱変形が解析され、解析された結果が前記解析結果記憶手段に格納される。即ち、まず、ベッドの温度分布データと運動機構部の三次元モデルデータ及び条件データとを基に、有限要素法や境界要素法などの解析手法を用いて、前記各微小要素ごとの温度分布が算出され、ついで、算出された温度分布を基に各微小要素及び前記運動機構部を構成する各構造体の熱変位データが算出され、これらが前記解析結果記憶手段に格納されるのである。
【００１４】
ついで、前記解析結果記憶手段に格納された熱変形に係るデータ（熱変位データ）を基に、補正量算出手段により、前記移動体の移動目標位置に対する補正量が算出され、算出された補正量に基づいて、補正実行手段により前記移動体の移動目標位置データが補正される。
【００１５】
前記ベッドには、ワークやこれを加工する工具が配置され、これらの相対的な位置が前記移動体によって移動せしめられる。したがって、ベッドを含む前記運動機構部が熱変形すると、かかる熱変形によって前記ワークと工具との相対的な位置関係が変位することになる。前記補正量算出手段は、前記解析結果記憶手段に格納された運動機構部の熱変位データを基に、前記数値制御装置によって数値制御される前記移動体の移動目標位置において、当該熱変形によって生じる前記ワークと工具との相対的な位置関係に係る変位量を算出し、前記移動体の移動目標位置に対し、前記算出した変位を打ち消すような補正量を算出するのである。
【００１６】
斯くして、移動体の移動目標位置が前記数値制御装置によって設定される度に、その補正量が前記補正量算出手段によって算出され、算出された補正量に基づいて、前記補正実行手段により当該移動目標位置が補正される。
【００１７】
このように、本発明によれば、従来、考慮されていなかった雰囲気温度の変化によって生じる運動機構部の熱変形に関し、当該熱変形によって生じる移動体の変位を補正するようにしているので、かかる運動機構部の熱変形に伴う加工精度の悪化を効果的に防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。尚、図１は、本発明の一実施形態に係る補正装置などの概略構成を示したブロック図である。また、図２は、本実施形態に係るＮＣ工作機械運動機構部の概略構成を示した側面図であり、図３は、本実施形態の解析用データ記憶部に格納される運動機構部の三次元モデルデータを示した説明図である。
【００１９】
図１に示すように、本例の補正装置１は、ＮＣ工作機械の数値制御装置５内に組み込まれた解析用データ記憶部１１，熱変形解析部１２，解析結果記憶部１３，補正量算出部１４及び補正実行部１５と、後述する支持装置２６に付設された温度検出器１７とから構成される。
【００２０】
まず、本実施形態に係るＮＣ工作機械の概略構成について説明する。
【００２１】
本例のＮＣ工作機械は所謂横形マシニングセンタと称されるもので、図２に示した運動機構部２０と、図１に示した数値制御装置５とから構成される。
【００２２】
運動機構部２０は、図２に示すように、ベッド２１と、ベッド２１上に配設され、Ｘ軸方向（後述するＹ軸及びＺ軸の双方と直交する方向）に移動可能となったコラム２２と、コラム２２に矢示Ｙ軸方向に移動可能に支持された主軸頭２３と、主軸頭２３に回転自在に支持され、工具Ｔを保持する主軸２４と、ベッド２１上に矢示Ｚ軸方向に移動可能に配設され、ワークＷが載置されるテーブル２５と、適宜設置面Ｓ上に所定間隔で配設され、ベッド２１の底面を支持する複数の支持装置２６と、コラム２２をＸ軸方向に、主軸頭２３をＹ軸方向に、テーブル２５をＺ軸方向にそれぞれ移動させる送り機構部２７などを備えている。
【００２３】
また、数値制御装置５は、上述した解析用データ記憶部１１，熱変形解析部１２，解析結果記憶部１３，補正量算出部１４及び補正実行部１５の他に、動作指令生成部６及び送り制御部７などを備える。
【００２４】
前記動作指令生成部６は、適宜格納されたＮＣプログラムを順次解析して、前記コラム２２，主軸頭２３及びテーブル２５といった移動体の移動位置や送り速度などに関する指令信号を抽出し、ついで、抽出した指令信号などを基に、当該移動体に関する移動目標位置データ（動作指令信号）を生成して、生成した動作指令信号を送り制御部７に送信する処理を行う。尚、生成された動作指令信号は、前記補正量算出部１４にも送信されるようになっている。
【００２５】
また、前記送り制御部７は、動作指令生成部６から受信した動作指令信号に適宜処理を加えて駆動指令信号を生成し、生成した駆動指令信号を送り機構部２７の送りモータに送信する処理を行う。
【００２６】
そして、このようにして生成され、送信された駆動指令信号に基づき前記送りモータが駆動制御されて、前記各移動体（コラム２２，主軸頭２３及びテーブル２５）がＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向にそれぞれ移動せしめられ、これにより、工具ＴとワークＷとの間で相対運動が行われて当該ワークＷが加工される。
【００２７】
尚、上述した支持装置２６は、図２，図４及び図５に示すように、支持体３０と、駆動モータ３７と、支持体３０の上端部に配設されたロードセル４０とからなり、支持体３０は、内部が中空に形成された円筒状の本体３１と、本体３１内の下部に固設された下部部材３２と、軸受３３を介して下部部材３２に回転自在に支持されるウォームホイール３４と、ウォームホイール３４の中心部に螺合し、当該ウォームホイール３４の回転に伴って矢示方向（上下方向）に昇降する昇降部材３５と、ウォームホイール３４に噛合したウォーム３６とからなる。
【００２８】
そして、このウォーム３６には、適宜減速機（図示せず）を介して前記駆動モータ３７が接続され、前記ロードセル４０によって検出される荷重値を基に、この駆動モータ３７の作動を制御する駆動制御装置４１により、当該支持装置２６の支持位置が調整され、前記運動機構部２０は、そのテーブル２５の上面が水平となるように、当該支持装置２０によって支持される。
【００２９】
次に、前記補正装置１の具体的な構成について説明する。
【００３０】
上述したように、本例の補正装置１は、前記数値制御装置５内に組み込まれた解析用データ記憶部１１，熱変形解析部１２，解析結果記憶部１３，補正量算出部１４及び補正実行部１５と、支持装置２６に付設された温度検出器１７とから構成される。
【００３１】
前記温度検出器１７は、前記各支持装置２６、より具体的には、前記各本体３１の外周面に付設されたサーミスタなどの温度センサからなり、当該各支持装置２６の温度を検出する。尚、各支持装置２６は運動機構部２０の発熱源（主軸２４を支持するベアリングなど）から離れた位置にあり、したがって、その温度は、ＮＣ工作機械が設置されたその雰囲気温度と略等しい温度とみなすことができ、また、ベッド２１は各支持装置２６によって直接支持されているため、各支持装置２６の温度は、これらによって支持される部分のベッド２１の温度と略等しいものとみなすことができる。
【００３２】
ＮＣ工作機械が設置される屋内の温度は、外気温や太陽熱、その他空調設備の状態によって時々刻々と変化し、この雰囲気温度の変化に伴ってベッド２１の温度も時々刻々と変化するが、このように変化するベッド２１の温度が温度検出器１７によって随時検出され、検出された温度データが前記熱変形解析部１２に送信される。
【００３３】
前記解析用データ記憶部１１には、図３に示すような前記運動機構部２０の三次元モデルデーや熱変形解析用の条件データが予め格納されている。この三次元モデルデータは、例えば、三次元ＣＡＤシステムを用いて作成された運動機構部２０の三次元形状データを適宜微小要素に分割し、これを解析に必要なモデルデータとして変換したものであり、また、条件データは、運動機構部２０を構成する材料固有の熱伝達率，線膨張係数，ヤング率，ポアソン比や比重などからなる物性値の他、前記材料と雰囲気との間の熱伝達率などからなる。
【００３４】
前記熱変形解析部１２は、前記温度検出器１７によって検出された前記ベッド２１の温度分布データ、並びに前記解析用データ記憶部１１に格納された三次元モデルデータ及び条件データを基に、前記運動機構部２０の熱変形を解析し、解析した結果を前記解析結果記憶部１３に格納する処理を行う。
【００３５】
即ち、前記熱変形解析部１２は、まず、ベッド２１の温度分布データと運動機構部２０の三次元モデルデータ及び条件データとを基に、有限要素法や境界要素法などの解析手法を用いて、前記各微小要素ごとの温度分布を算出し、ついで、算出した温度分布を基に各微小要素及び前記運動機構部２０を構成する各構造体の熱変位データを算出し、算出した結果を前記解析結果記憶部１３に格納するのである。尚、この熱変形解析部１２による熱変形解析は適宜（定期的若しくは不定期的に）行われるようになっており、解析結果記憶部１３に格納されたデータは最新の解析データで更新されるようになっている。
【００３６】
前記補正量算出部１４は、動作指令生成部６によって生成された動作指令信号（移動目標位置データ）を当該動作指令生成部６から受信し、受信した移動目標位置データと前記解析結果記憶部１３に格納された熱変位データとを基に、前記移動体の前記移動目標位置に対する補正量を算出する処理を行う。
【００３７】
前記ベッド２１上には、ワークＷやこれを加工する工具Ｔが配置され、これらの相対的な位置が、移動体たるテーブル２５，コラム２２や主軸頭２３が移動することによって移動せしめられる。したがって、ベッド２１を含む運動機構部２０が熱変形すると、かかる熱変形２０によって前記ワークＷと工具Ｔとの相対的な位置関係が変位することになる。
【００３８】
補正量算出部１４は、解析結果記憶部１３に格納された運動機構部２０の熱変位データを基に、前記移動体（テーブル２５，コラム２２や主軸頭２３）が移動目標位置に移動した際に、当該熱変形によって生じる前記ワークＷと工具Ｔとの相対的な位置関係における変位量を算出し、算出した変位を打ち消すような補正量を、前記移動体の移動目標位置に対して設定するのである。
【００３９】
斯くして、前記移動体の移動目標位置が前記動作指令生成部６によって生成される度に、その補正量が前記補正量算出部１４によって算出される。
【００４０】
そして、前記補正実行部１５は、前記補正量算出部１４によって補正量が算出される度に、算出された補正量を前記送り制御部７に送信し、送り制御部７では、受信された補正量に従って前記移動目標位置データが補正される。
【００４１】
以上のように構成された本例の補正装置１によれば、刻々と変化するベッド２１の温度が温度検出器１７によって随時検出され、検出されたベッド２１の温度分布を基に、熱変形解析部１２により、運動機構部２０の熱変形が解析され、解析された結果が解析結果記憶部１３に格納される。
【００４２】
一方、補正量算出部１４では、テーブル２５，コラム２２，主軸頭２３といった移動体の移動目標位置が前記動作指令生成部６によって生成される度に、その移動目標位置に対する補正量が、前記解析結果記憶部１３に格納された運動機構部２０の熱変位データを基にされ、算出された補正量に基づいて、補正実行部１５により当該移動目標位置が補正される。
【００４３】
このように、本例の補正装置１によれば、従来、考慮されていなかった雰囲気温度の変化によって生じる運動機構部２０の熱変形を考慮し、当該熱変形によって生じる移動体の変位を補正するようにしているので、かかる運動機構部２０の熱変形によって生じる加工精度の悪化を効果的に防止することができる。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
【００４５】
上例では、ＮＣ工作機械として、横形マシニングセンタを一例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、本発明に係る補正装置は、立形マシニングセンタやＮＣ旋盤など、各種のＮＣ工作機械に適用することができる。
【００４６】
また、上例では、雰囲気温度の変化によって生じる運動機構部２０の熱変形のみを解析して、当該熱変形に応じた補正を行うようにしたが、これに加えて、ベアリングなどの発熱源をも考慮して運動機構部２０の熱変形を解析し、得られた結果に応じて補正するようにしても良い。
【００４７】
また、支持装置は上例の構造に限られるものではなく、前記ベッド２１を適正に支持することができれば、どのような構造のものであっても良く、例えば、一般的に用いられている構造として挙げられる、ベッド２１に螺合せしめられたボルトであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る補正装置などの概略構成を示したブロック図である。
【図２】本実施形態に係るＮＣ工作機械の運動機構部の概略構成を示した側面図である。
【図３】本実施形態に係る解析用データ記憶部に格納される三次元モデルデータを示した説明図である。
【図４】本実施形態に係る支持装置の概略構成を一部ブロック図で示した平面図である。
【図５】図４における矢示Ａ−Ａ方向の断面図である。
【符号の説明】
１補正装置
５数値制御装置
６動作指令生成部
７送り制御部
１１解析用データ記憶部
１２熱変形解析部
１３解析結果記憶部
１４補正量算出部
１５補正実行部
１７温度検出器
２０運動機構部
２１ベッド
２２コラム
２３主軸頭
２４主軸
２５テーブル
２６支持装置
２７送り機構部

Claims

ベッド、所定の送り軸に沿って移動可能に前記ベッド上に設けられた移動体、該移動体を前記送り軸に沿って移動せしめる送り機構部を少なくとも含んで構成される運動機構部と、前記移動体の移動目標位置データを生成し、生成した移動目標位置データを基に前記送り機構部の作動を制御して、前記移動体を前記移動目標位置に移動せしめる数値制御装置とを備えるとともに、前記ベッドが複数の支持手段によりその下面を所定間隔で支持されたＮＣ工作機械において、前記移動体の移動目標位置を補正する補正装置であって、
前記各支持手段に付設され、該各支持手段の温度を検出する複数の温度検出手段と、
前記運動機構部の三次元モデルデータ及び熱変形解析用の条件データを記憶した解析用データ記憶手段と、
前記温度検出手段によって検出された前記ベッドの温度分布データ、並びに前記解析用データ記憶手段に格納された三次元モデルデータ及び条件データを基に、前記運動機構部の熱変形を解析する熱変形解析手段と、
前記熱変形解析手段によって解析された結果を記憶する解析結果記憶手段と、
前記解析結果記憶手段に格納された熱変形データを基に、前記移動体の移動目標位置に対する補正量を算出する補正量算出手段と、
前記補正量算出手段によって算出された補正量を基に、前記移動体の移動目標位置データを補正する補正実行手段とから構成されてなることを特徴とするＮＣ工作機械の補正装置。