JP2005052917A - 数値制御工作機械の熱変位補正方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱変位による精度不良に対して加工環境に応じた最も適した補正を行い、高精度な加工を行う。
【解決手段】 数値制御工作機械の熱変位補正方法において、複数の基準用のワーク（１９）について各々の加工毎の温度変化を温度センサー（Ｓ）により検出し、かつ、加工後における各ワーク（１９）の所定位置の寸法を測定し、そのように測定された寸法と測定時の温度との間の対応関係を予め求めておき、実際のワーク（１９）の加工に際して、工作機械（１０）の所定位置の温度を温度センサー（Ｓ）によりモニタリングし、基準用のワーク（１９）から求めた寸法と温度との対応関係に基づいて実際のワーク（１９）を加工し、さらに、加工後の各ワーク（１９）の寸法誤差を測定し、その寸法誤差を対応関係にフィードバックして、ツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置を補正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、数値制御工作機械の熱変位補正方法及び装置に関する。

工作機械の熱変位による加工不良を防止するため、如何にして高精度な切削を実現可能にするかが重要である。機械の製造においては、精度を維持できるよう留意する。機械の据付運転においても、精度を維持する為に、基礎や建築構造、空調設備、人や物の出入り制限等、環境設備に経費を費やし管理が必要となっているのが現状である。

そこで、特開平１１−３２０３３１号には、工作機械のテーブルやヘッドのような移動部の走行距離と熱変位量の対応関係を予め求めておき、移動部の走行距離をモニタリングし、前期対応関係から熱変位量を見積もり、それに基づいて移動部の補正を行う工作機械の熱変位補正方法が示されている。

また、特開平１１−３２０３３２号には、工作機械の主軸の転動距離と熱変位量の対応関係を予め求めておき、主軸の転動距離をモニタリングし、前期対応関係から熱変位量を見積もり、それに基づいて主軸の補正を行う工作機械の熱変位補正方法が示されている。
特開平１１−３２０３３１号 特開平１１−３２０３３２号

しかしながら、工作機械を使用する環境や主軸回転数、送り速度等の条件の違いによって、測定した温度と予測した加工精度がなかなか一致しがたいのが現状である。

本発明は、このような現状をふまえ、熱変位による精度不良に対して加工環境に応じた最適な補正を行い、高精度な加工を行うことが可能な数値制御工作機械の熱変位補正方法及び装置を提供することを目的としている。

本発明における課題を解決するための手段を例示すると、以下のとおりである。

（１） 工作機械（１０）の所定位置に複数の温度センサー（Ｓ）を設け、ワーク（１９）をテーブル（２１）に設置し、そのワーク（１９）を主軸（１５）に装着されたツール（１７）により数値制御装置（１３）により制御して加工する数値制御工作機械の熱変位補正方法において、
複数の基準用のワーク（１９）について、各々の加工毎の、工作機械（１０）の所定位置の温度変化を温度センサー（Ｓ）により測定し、かつ、加工後における各ワーク（１９）の所定位置の寸法を測定し、そのように測定された寸法と温度との対応関係を予め求めておき、
実際のワーク（１９）の加工に際して、工作機械（１０）の所定位置の温度を温度センサー（Ｓ）によりモニタリングし、基準用のワーク（１９）から求めた寸法と温度との対応関係に基づいて実際のワーク（１９）を加工し、
さらに、加工後の各ワーク（１９）の寸法誤差を測定し、その寸法誤差を寸法と温度との対応関係にフィードバックして、ツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置を補正することを特徴とする方法。

（２） 寸法誤差と測定された温度から修正係数を算出し、修正係数に基づいてツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置を補正することを特徴とする前述の数値制御工作機械の熱変位補正方法。

（３） ツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置が、温度と対応関係の積から求められることを特徴とする前述の数値制御工作機械の熱変位補正方法。

（４） 寸法誤差が、温度と修正係数の積から求められることを特徴とする前述の数値制御工作機械の熱変位補正方法。

（５） 工作機械（１０）の所定位置に複数の温度センサー（Ｓ）を設け、ワーク（１９）をテーブル（２１）に設置し、そのワーク（１９）を主軸（１５）に装着されたツール（１７）により数値制御装置（１３）により制御して加工する数値制御工作機械の熱変位補正装置において、
複数の基準用のワーク（１９）について、各々の加工毎の、工作機械（１０）の所定位置の温度変化を測定するための温度センサー（Ｓ）が設けられ、加工後における各ワーク（１９）の所定位置の寸法と温度との間の対応関係が求められ、温度測定補正システム（Ｑ）に対応関係が予め記憶されており、
実際のワーク（１９）の加工に際して、温度センサー（Ｓ）は工作機械（１０）の所定位置の温度をモニタリングし、基準用のワーク（１９）から求めた寸法と温度との対応関係に基づいて実際のワーク（１９）が加工され、加工後の各ワーク（１９）の寸法誤差が対応関係にフィードバックされ、ツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置が補正されることを特徴とする数値制御工作機械の熱変位補正装置。

（６） 寸法誤差と温度から算出された修正係数が対応関係と置き換えられて、ツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置が補正されることを特徴とする前述の数値制御工作機械の熱変位補正装置。

熱変位による精度不良を抑制し、加工環境に応じた高精度な加工を行うことができる。

ツールの典型例は刃物である。刃物の他、工作機械に使用される加工器具をツールとして用いても良い。

温度変化を測定するための温度センサーは、以下に示す実施例においては、工作機械に５ヶ所設けられているが、これより多くてもよいし、少なくてもよい。複数設けた場合には、その全ての温度を用いて補正してもよいし、一部の温度を用いて補正してもよい。

ワークの所定位置の寸法を測定する場合、高さ、幅、奥行きを測定するのが好ましいが、これらのうちの１つ又は２つを測定してもよい。ワークの他の部位の寸法を測定してもよい。

ワークの所定位置の寸法と温度との間の対応関係（補正係数ともいう）は、寸法と温度の比から求めることができる。対応関係は、寸法と温度の間の任意の関数から求めてもよい。

寸法誤差は、作業者がマニュアルで測定してもよいし、自動で測定してもよい。

修正係数は、寸法誤差と温度の比から求めることができる。修正係数は、寸法誤差と温度の間の任意の関数から求めてもよい。

相対位置は、以下に示す実施例のように、ツール及びテーブル間の距離の変位量を用いるのが好ましいが、ツール及びテーブル間の距離を用いても良い。

フィードバックは、好ましくは寸法誤差と温度から修正係数を算出し、修正係数と対応関係を置き換えることにより行われる。

以下に示す実施例では、工作機械、温度測定補正システム、数値制御装置、及び入力装置が、別個独立に構成されているが、これらの一部又は全部を一体的に構成してもよい。例えば、入力装置を数値制御装置に組み込んでもよいし、温度測定補正システムを数値制御装置内に設けて、工作機械に一体的に取り付けてもよい。

本発明によれば、実際に加工したワークの寸法誤差を、あらかじめ決めてある温度と変位の間の対応関係にフィードバックすることによって、その環境と加工条件に最も適した対応関係に書き替えることが可能な（学習機能を持った）熱変位補正方法及び装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明による数値制御工作機械の熱変位補正方法及び装置の一例を示す概念図である。

数値制御工作機械の熱変位補正装置１は工作機械１０を有する。工作機械１０は、ベース１１を備え、その上にコラム１２が縦方向に形成されている。

ベース１１には、所定方向に移動可能なテーブル２１が配置されている。

テーブル２１はサーボモータ２４を有するテーブル駆動機構によって駆動される。テーブル２１には、ワーク１９が載置されている。

コラム１２には、主軸頭（ヘッド）１４が縦方向に移動可能に配置されている。その移動機構はサーボモータ３４を備え、テーブル２１の移動機構と同様に構成されている。

主軸頭１４には、本発明のツールとして刃物１７を備えた主軸１５が高速回転可能に配置されている。主軸１５は主軸駆動モータ１６によって駆動される。

工作機械１０には、センサーＳが取り付けられている。センサーＳは、図１においては計５つのセンサーＳ１〜Ｓ５からなる。センサーＳ１〜Ｓ５は、測定した温度を後述する温度測定補正システムＱに送信する。センサーＳ１は、主軸１５付近の温度を測定する。センサーＳ２は、主軸駆動モータ１６付近の温度を測定する。センサーＳ３は、コラム１２の温度を測定する。センサーＳ４は、テーブル駆動機構の温度を測定する。センサーＳ５は、テーブル２１の温度を測定する。

コラム１２には、温度測定補正システムＱが接続されている。温度測定補正システムＱは、記憶部を備えており、記憶部には刃物１７及びテーブル２１の相対位置と温度の間の対応関係（補正係数ともいう）が記憶されている。温度測定補正システムＱは、センサーＳ１〜Ｓ５により測定された温度と内部に保有する対応関係に基づいて数値制御装置１３に対して補正値を出力する（図中Ａ）。

コラム１２には、温度測定補正システムＱを介して数値制御装置１３が接続されている。数値制御装置１３は、主軸頭１４の移動機構、主軸駆動モータ１６、テーブル２１等をコントロールする。

数値制御装置１３には、寸法誤差を入力するための入力装置１８が接続されている。入力装置１８を用いて、実際に加工を行ったワーク１９の寸法誤差を数値制御装置１３へ入力する。

次に、実際の測定例を説明する。

まず、基準用のワーク１９を複数加工する。ここで、各ワーク１９の加工毎の温度変化を温度センサーＳ１〜Ｓ５により検出する。

加工後における各ワーク１９の所定位置の寸法を測定する。図１においては、ワーク１９の高さＷが示されている。ワーク１９の高さＷを測定する他、幅と奥行きも測定する。

測定された寸法から、刃物１７とテーブル２１の相対位置の変位量（実変位）を求める。

図２〜４には、本発明の実施例による測定結果が示されている。

図２は、本発明の実施例であり、Ｘ軸についての変位量、補正値とワークの個数との関係を示す。図３は、本発明の実施例であり、Ｙ軸についての変位量、補正値とワークの個数の関係を示す。図４は、本発明の実施例であり、Ｚ軸についての変位量、補正値とワークの個数の関係を示す。各図において、縦軸は軸方向の変位量（／μｍ）を示し、横軸は加工プログラムの実行回数、即ちワークの個数（／個）を示す。

図中の各値は、以下のとおりである。

実変位；刃物１７及びテーブル２１の相対位置の変位量（補正する前の値）
補正値；温度センサーで測定した温度に対応関係（補正係数ともいう）を乗じて算出した相対位置の変位量（理論値）
軸変位；刃物１７及びテーブル２１の相対位置の変位量（補正した後の値）
実変位、すなわち補正する前の刃物１７及びテーブル２１の相対位置の変位量は、ワークの個数が増加するにつれて増大していることが分かる。

実変位と測定時の温度との間の対応関係（図示せず）を予め求めておく。対応関係は、実変位と温度の比から求められる。

実際のワーク１９の加工に際して、工作機械１０の所定位置の温度を温度センサーＳ１〜Ｓ５によりモニタリングし、基準用のワークから求めた寸法と温度との対応関係に基づいて実際のワーク１９を加工する。

具体的には、温度に対応関係を乗じて算出した相対位置の変位量（補正値）に基づいて、刃物１７とテーブル２１の相対位置の変位量を補正して、実際のワーク１９を加工する。

加工後の各ワーク１９の寸法誤差を測定する。測定は作業者がマニュアルで行う。測定は任意の機器を用いて自動で行ってもよい。

寸法誤差を対応関係にフィードバックする。

具体的には、入力装置１８から寸法誤差を数値制御装置１３に入力し（図１Ｂ）、数値制御装置１３が、寸法誤差と温度から修正係数を算出し、温度測定補正システムＱに送信する（図１Ｃ）。温度測定補正システムＱ内の修正係数は対応関係と置き換えられる。温度測定補正システムＱは、置き換えられた修正係数に基づいてツール１７及びテーブル２１の相対位置を補正する。修正係数は、寸法誤差と温度の比から求められる。

寸法誤差を対応関係にフィードバックした後、次のワーク１９を加工する。

このようにして、ワーク１９を順次加工する。

加工後のワーク１９の寸法を測定することにより求めたツール１７及びテーブル２１の相対位置の変位量が軸変位として示されている。軸変位は、ほぼ０で推移しており、ツール１７及びテーブル２１の相対位置がほとんど変化しない。すなわち、寸法誤差が予め求めておいた対応関係にフィードバックされており、機械の設置環境、加工条件に最適な値となっているので、高精度な熱変位補正が行なわれていることがわかる。

次に、本発明の比較例を説明する。

図５〜７には、本発明の比較例による測定結果が示されている。

図５は、本発明の比較例であり、Ｘ軸についての変位量、補正値とワークの個数との関係を示す。図３は、本発明の比較例であり、Ｙ軸についての変位量、補正値とワークの個数の関係を示す。図４は、本発明の比較例であり、Ｚ軸についての変位量、補正値とワークの個数の関係を示す。各図において、縦軸は軸方向の変位量（／μｍ）を示し、横軸は加工プログラムの実行回数、即ちワークの個数（／個）を示す。

比較例においては、実変位と測定時の温度との間の対応関係（図示せず）を予め求め、対応関係に基づいて実際のワーク１９を加工しているが、対応関係に寸法誤差はフィードバックされていない。

グラフからもわかるように、温度から算出された補正値が必ずしも実変位と一致していない。これは補正値に寸法誤差がフィードバックされていないためである。この補正値を用いて実際に加工した結果が、軸変位として示されている。軸変位は０に収束せず、高精度な加工を行うことが出来ないことがわかる。

本発明による数値制御工作機械の熱変位補正装置の一例を示す概念図である。 本発明の実施例であり、Ｘ軸についての変位量、補正値とワークの個数との関係を示す。 本発明の実施例であり、Ｙ軸についての変位量、補正値とワークの個数との関係を示す。 本発明の実施例であり、Ｚ軸についての変位量、補正値とワークの個数との関係を示す。 本発明の比較例であり、Ｘ軸についての変位量、補正値とワークの個数との関係を示す。 本発明の比較例であり、Ｙ軸についての変位量、補正値とワークの個数との関係を示す。 本発明の比較例であり、Ｚ軸についての変位量、補正値とワークの個数との関係を示す。

符号の説明

１ 数値制御工作機械の熱変位補正装置
１０ 工作機械
１１ ベース
１２ コラム
１３ 数値制御装置
１４ 主軸頭（ヘッド）
１５ 主軸
１６ 主軸駆動モータ
１７ 刃物
１８ 入力装置
１９ ワーク
２１ テーブル
２４ サーボモータ
３４ サーボモータ
Ｑ 温度測定補正システム
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５ センサー

Claims (6)

1. 工作機械（１０）の所定位置に複数の温度センサー（Ｓ）を設け、ワーク（１９）をテーブル（２１）に設置し、そのワーク（１９）を主軸（１５）に装着されたツール（１７）により数値制御装置（１３）により制御して加工する数値制御工作機械の熱変位補正方法において、
   複数の基準用のワーク（１９）について、各々の加工毎の、工作機械（１０）の所定位置の温度変化を温度センサー（Ｓ）により測定し、かつ、加工後における各ワーク（１９）の所定位置の寸法を測定し、そのように測定された寸法と温度との対応関係を予め求めておき、
   実際のワーク（１９）の加工に際して、工作機械（１０）の所定位置の温度を温度センサー（Ｓ）によりモニタリングし、基準用のワーク（１９）から求めた寸法と温度との対応関係に基づいて実際のワーク（１９）を加工し、
   さらに、加工後の各ワーク（１９）の寸法誤差を測定し、その寸法誤差を寸法と温度との対応関係にフィードバックして、ツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置を補正することを特徴とする方法。
2. 寸法誤差と測定された温度から修正係数を算出し、修正係数に基づいてツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置を補正することを特徴とする請求項１に記載の数値制御工作機械の熱変位補正方法。
3. ツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置が、温度と対応関係の積から求められることを特徴とする請求項１又は２に記載の数値制御工作機械の熱変位補正方法。
4. 寸法誤差が、温度と修正係数の積から求められることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の数値制御工作機械の熱変位補正方法。
5. 工作機械（１０）の所定位置に複数の温度センサー（Ｓ）を設け、ワーク（１９）をテーブル（２１）に設置し、そのワーク（１９）を主軸（１５）に装着されたツール（１７）により数値制御装置（１３）により制御して加工する数値制御工作機械の熱変位補正装置において、
   複数の基準用のワーク（１９）について、各々の加工毎の、工作機械（１０）の所定位置の温度変化を測定するための温度センサー（Ｓ）が設けられ、加工後における各ワーク（１９）の所定位置の寸法と温度との間の対応関係が求められ、温度測定補正システム（Ｑ）に対応関係が予め記憶されており、
   実際のワーク（１９）の加工に際して、温度センサー（Ｓ）は工作機械（１０）の所定位置の温度をモニタリングし、基準用のワーク（１９）から求めた寸法と温度との対応関係に基づいて実際のワーク（１９）が加工され、加工後の各ワーク（１９）の寸法誤差が対応関係にフィードバックされ、ツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置が補正されることを特徴とする数値制御工作機械の熱変位補正装置。
6. 寸法誤差と温度から算出された修正係数が対応関係と置き換えられて、ツール（１７）及びテーブル（２１）の相対位置が補正されることを特徴とする請求項５に記載の数値制御工作機械の熱変位補正装置。
   
   

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