JP2006116663A - 工作機械の熱変位補正方法及び熱変位補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸回転数に基づいて熱変位を算出するため、主軸回転数が変化するときには、特別に複雑な処理を施す必要がなく、発熱現象及び放熱減少を個別に捉える必要が無く、主軸回転数が変化しても熱変位を適正に予測でき、その結果、適正に熱変位補正を行うことができる工作機械の熱変位補正方法及び熱変位補正装置を提供。
【解決手段】
ＣＰＵ１１０は、工作機械の主軸の熱変位量Ｓ_ｎを応答曲面法に基づく下記演算式で、演算し、この熱変位量を補正量として、主軸と平行なＺ軸方向に移動可能とされた移動テーブルの位置制御指令を補正する。
Ｓ_ｎ＝ｂ_１・Ｓ_ｎ−１＋ｂ_２・ω＋ｂ_３・ω^２＋ｂ_４・ω^３＋ｂ_５・Ｓ_ｎ−１・ω
但し、Ｓ_ｎ−１は、前回推定した熱変位量、ωは主軸回転数であり、ｂ_１〜５は係数である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、工作機械の熱変位補正方法及び熱変位補正装置に関する。

一般に、工作機械は、各部に発熱源を備えている。発熱源としては、例えば、主軸のころがり軸受における摩擦熱等がある。この発熱源により、機械各部に発生した熱が伝わり、主軸を含む機械の熱変位が生ずる。機械の熱変位は、加工精度に悪影響を与えるため、従来から、機械の熱変位補正を行う熱変位補正装置（特許文献１、２）が提案されている。

特許文献１の熱変位補正方法は、温度上昇（主軸と室温との差）と熱変位とが、比例関係にあるとの前提で、工作機械の各部の温度を測定し、測定して得られた温度データにフィルタをかけて、熱変位量を推定するようにしている。ここでは、フィルタの時定数は主軸回転数と、その主軸回転数における主軸旋回時間に応じて変更するようにしている。又、主軸回転数が変動して、下がった場合には、即時追従させるために、前記フィルタを施して、演算式により温度の推定用中間値を求め、さらに測定した温度と推定用中間値との差分を算出し、前記温度データから該差分を削除するようにし、又、この削除の量を一次遅れで減少させるようにしている。そして、特許文献１では得られた入力用温度に基づいて熱変位を算出するようにしている。

特許文献２の熱変位補正方法は、主軸回りの発熱現象と、放熱現象とに着目して、すなわち、発熱量と放熱量とに基づいて主軸に蓄積される蓄熱量を求め、該蓄熱量に基づいて、主軸の熱変位量を算出し、該熱変位量に基づいて熱変位補正を行うようにしている。
特許３１５１６５５号公報 特開平１１−３３８５２７号公報（請求項２）

上記のように特許文献１は、熱変位が機械の温度に比例するものとして熱変位補正を施すようにし、この方法により、機械が定常状態であれば精度よく熱変位を補正することが可能である。しかし、主軸回転数が変更された直後は熱変位の変化時定数と測定温度の変化時定数が合わないため、適正に熱変位補正することができない問題がある。又、特許文献１では、温度データから、直接、熱変位量を算出しようとするため、条件によって代わるフィルタを推定したり、前記のように主軸回転数が変化するときには、特別に複雑な処理を施す必要がある。

特許文献２では、放熱効果が冷却媒体と被冷却体（主軸回りの部材）との相対速度に依存することから、実際には、主軸回りの部材（例えば、ベアリングなど）の冷却は主軸回転数と大きく関係し、主軸回転数によって発熱も増加すれば、放熱も増加する。そのため、主軸回転数の増加によって熱変位が増加するときの時定数は主軸回転数の増加量によって異なり、又、主軸回転数の減少によって熱変位が減少するときの該時定数もまた異なる。このように主軸回転数によって発熱現象と放熱現象の状況が変化するため、発熱現象、放熱現象を分離して、それぞれ個別に捉えて、熱変位を推定することは困難を伴い、実用的ではない。

本発明の目的は、熱変位の根源である主軸回転数に基づいて熱変位を算出するため、主軸回転数が変化するときには、特別に複雑な処理を施す必要がなく、発熱現象及び放熱減少を個別に捉える必要が無い工作機械の熱変位補正方法及び熱変位補正装置を提供することにある。

又、本発明の目的は、主軸回転数が変化しても熱変位を適正に予測でき、その結果、適正に熱変位補正を行うことができる工作機械の熱変位補正方法及び熱変位補正装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の工作機械の熱変位補正方法は、工作機械の主軸回転数を少なくとも検出する第１ステップと、少なくとも前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量に基づく演算式を用いて、今回の熱変位量を推定する第２ステップと、を備え、今回推定した熱変位量を前記主軸の熱変位を相殺する補正量とする。

ここで、主軸回転数を基本とする熱変位について説明する。
（主軸回転数による変位推定曲面）
主軸回転数は、主軸を指示する軸受のベアリングの摩擦（機械損）、主軸を回転駆動する主軸モータの磁気的損失（鉄損）に影響を与えるため、熱変位と強い相関がある。

ここで、熱変位評価をする場合、主軸回転数を一定時間に段階的に変化させる方法をとった場合の、熱変位補正を考える。
この場合、主軸回転数が高いほど、主軸の熱変位量が大きくなる。又、熱変位量が小さいとき、高速で主軸が回転すると、熱変位量は、急速に増加する。高速回転の後、主軸を停止すると、熱変位は減少していく。熱変位の増加と減少は、時定数が異なることがある。

そこで、多項式を用いて、主軸回転数ωと主軸の熱変位量Ｓの組み合わせで、変位速度を推定する。この式は、水平軸に主軸回転数ωと、熱変位量Ｓを取り、垂直軸に変位速度（ｄＳ／ｄｔ）をとると、図１２に示すようにような曲面となる。この曲面と変位速度０の水平面との交線が平衡線であり、曲面上の点は平衡線上に推移する。工作機械が定常状態では、前記曲面上の平衡線に収束し、発散することはない。

変位推定曲面は、次式のように主軸回転数ωと熱変位量Ｓの多項式で表すことができる。
ｄＳ／ｄｔ＝ａ_１・Ｓ＋ａ_２・ω＋ａ_３・ω^２＋ａ_４・ω^３＋ａ_５・Ｓ・ω
……（１）
ここで、主軸回転数のサンプリング時間Δｔのデジタル処理とすると、
（Ｓ_ｎ−Ｓ_ｎ−１）／Δｔ＝ａ_１・Ｓ_ｎ−１＋ａ_２・ω＋ａ_３・ω^２＋ａ_４・ω^３＋ａ_５・Ｓ_ｎ−１・ω ……（２）
ここで、ｂ_１＝１＋Δｔ・ａ_１， ｂ_２〜５＝Δｔ・ａ_２〜５として、次式（３）を得る。

Ｓ_ｎ＝ｂ_１・Ｓ_ｎ−１＋ｂ_２・ω＋ｂ_３・ω^２＋ｂ_４・ω^３＋ｂ_５・Ｓ_ｎ−１・ω
……（３）
この場合、Ｓ_ｎは、今回推定した熱変位量（すなわち、今回の熱変位量）であり、主軸回転数ωと、前回推定した熱変位量Ｓ_ｎ−１に基づく式（３）より算出（推定）される。

ａ_１〜５及びｂ_１〜５は、係数である。前記各係数は、最終的にＳ_ｎが算出されるように、そのディメンションがそれぞれ設定されている。式（３）の各係数は、複数の測定データから回帰分析により、求めることができる。図１１は熱変位量と、主軸回転数のサンプリングを定時毎に行い、その時々の熱変位量Ｓ_ｎ、及び主軸回転数ωを表にした例を示している。このようにして得られた試験データに基づいて、ｂ_１〜５の係数を回帰分析により、得ることができる。

式（３）は、応答曲面法に基づく式である。
なお、応答曲面（Response Surface）とは、ｎ個（ｎ＞１）の変数（Predictor variable）ｘ_ｉ（ｉ＝１，…，ｎ）から予測される応答（Response）の関係式を近似したものである。

ｙ＝ｆ（ｘ_１，…，ｘ_ｎ）＋ε …（４）
ここで、式（４）中、εは誤差（error）と呼ばれる。なお、応答曲面法は関数形に制限はなく、例えば、２次多項式、３次多項式、４次多項式や、線形化可能な非線形関数も用いることができる。

前記演算式（３）中、変数は、主軸回転数ω、前回推定した熱変位量Ｓ_ｎ−１であり、Ｓ_ｎは、応答に相当する。
なお、式（３）中、ｂ_５・Ｓ_ｎ−１・ωの項は、下記の請求項４で述べるが、必須ではなく、省略してもよい。

請求項２の工作機械の熱変位補正方法は、前記第１ステップは、さらに、主軸負荷を検出することを含み、前記第２ステップは、少なくとも前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量と、前記主軸負荷に基づく演算式を用いて、今回の熱変位量を推定することを特徴とする。

ここで、前記式（３）では、主軸回転数ωと、前回推定した熱変位量Ｓ_ｎ−１を変数として今回の熱変位量を算出（推定）するものである。これは、例えば、工作機械が金型加工機のように主軸が一定の主軸回転数ωで回り続ける場合には、この式（３）を用いて得られた今回の熱変位量は十分に適正な推定値となる。

しかし、工作機械が部品加工機のように、フライス加工のような重切削や、タッピング加工のように主軸回転数ωの加減速頻度の多い場合、主軸モータの負荷が大きくなり、式（３）では正確な熱変位量を推定することが難しくなる。この場合には、請求項２のように主軸負荷を変数に含めた、演算式とすることが好ましい。

この場合の演算式は、例えば、式（５）を挙げることができる。
Ｓ_ｎ＝ｂ_１・Ｓ_ｎ−１＋ｂ_２・ω＋ｂ_３・ω^２＋ｂ_４・ω^３＋ｂ_５・Ｓ_ｎ−１・ω＋ｂ_６・Ｌ
＋ｂ_７・Ｌ^２＋ｂ_８・Ｓ_ｎ−１・Ｌ
……（５）
式（５）中、Ｌは、主軸負荷であり、例えば、主軸負荷は、主軸モータのモータ電流値の絶対値であることが好ましい。式（５）中の、各係数ｂ_１〜８は、最終的にＳ_ｎが算出されるように、そのディメンションがそれぞれ設定されている。式（５）の各係数は、複数の測定データから回帰分析により、求めることができる。

ここで、式（３）、式（５）における多項式と、発熱・放熱の関係について説明する。
（多項式と発熱・放熱の関係）
多項式の各項は、次の意味を有する。

式（３）中、発熱に関与する項は、「ｂ_２・ω」の項、「ｂ_３・ω^２」の項、「ｂ_４・ω^３」である。又、放熱に関与する項は、「ｂ_１・Ｓ_ｎ−１」、及び「ｂ_５・Ｓ_ｎ−１・ω」の項である。

「ｂ_２・ω」の項は、主軸のク−ロン摩擦によるエネルギ損失が主軸回転数ωに比例していることと、主軸モータの鉄損のうち、ヒステリシス損が主軸回転数ωに比例していることから導かれる。

「ｂ_３・ω^２」の項は、主軸の粘性摩擦によるエネルギ損失は、主軸回転数ωの２乗に比例することと、主軸モータの鉄損のうち、渦電流損が主軸回転数ωの２乗に比例していることから導かれる。「ｂ_４・ω^３」の項は、主軸の回転による遠心力が主軸回転数ωの２乗に比例し、その結果、主軸の軸受予圧が高くなり、増加するエネルギ損失が主軸回転数の３乗に比例することから導かれる。

「ｂ_１・Ｓ_ｎ−１」の項は、発熱の条件が０のとき（すなわち、主軸回転数ωが０）のときの放熱状態に対応することから導かれる。又、「ｂ_５・Ｓ_ｎ−１・ω」の項は、発熱の条件に伴い変化する放熱状態に対応することから導かれる。

次に、式（５）中、上記式（３）以外の項において、発熱に関与する項は「ｂ_７・Ｌ^２」の項である。又、放熱に関与する項は、「ｂ_６・Ｌ」、及び「ｂ_８・Ｓ_ｎ−１・Ｌ」の項である。

「ｂ_７・Ｌ^２」の項は、主軸モータの損失である銅損がモータ電流の２乗に比例することから導かれる。「ｂ_６・Ｌ」、及び「ｂ_８・Ｓ_ｎ−１・Ｌ」の項は、発熱の条件に伴い変化する放熱状態に対応することから導かれる。

請求項３の工作機械の熱変位補正方法は、請求項２において、前記第１ステップは、さらに、主軸温度を検出することを含み、前記第２ステップは、前記主軸回転数と前回推定した推定主軸温度に基づく推定主軸温度演算式を用いて、今回の推定主軸温度を推定するとともに、前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量と、前記主軸負荷と、今回推定した推定主軸温度と前記主軸温度との差分に相当する熱変位量に基づく、演算式を用いて、今回の熱変位量を推定することを特徴とする。

上記式（５）では、対象とする工作機械が経年変化等を起こさずに状態が、一定に保たれているときに、非常に効果がある。しかし、工作機械の経年変化等により、特に冷却装置の液体が蒸発したり、該冷却装置のフィルタの目詰まり等により、該冷却装置の冷却能力が落ちた場合、式（５）で正確に熱変位量を推定することは困難となる。

この場合には、主軸温度も熱変位量と同様な式を用いて推定して、主軸温度の実測値（測定温度）との差を求め、この差に対して所定の係数を掛けて、該差分に相当する熱変位量を推定し、式（５）で得られた熱変位量に加算することにより、最終の今回の熱変位量とすることが好ましい。

この場合の推定主軸温度演算式は、応答曲面法に基づいて得られる多項式が好ましい。例えば、応答曲面法に基づく推定主軸温度演算式は、変数として、前回推定した主軸温度、定時間隔で検出された主軸回転数、主軸負荷を含むことが好ましい。

推定主軸温度演算式としては、例えば、式（６）を挙げることができる。
Ｔ_ｎ＝ｃ_１・Ｔ_ｎ−１＋ｃ_２・ω＋ｃ_３・ω^２＋ｃ_４・ω^３＋ｃ_５・Ｔ_ｎ−１・ω＋ｃ_６・Ｌ
＋ｃ_７・Ｌ^２＋ｃ_８・Ｔ_ｎ−１・Ｌ ……（６）
この式（６）は、応答曲面法に基づくものである。式（６）中、Ｌは、主軸負荷であり、例えば、主軸モータのモータ電流値の絶対値であることが好ましい。式（６）中の、各係数ｃ_１〜８は、最終的に推定主軸温度Ｔ_ｎが算出されるように、そのディメンションがそれぞれ設定されている。式（６）の各係数は、複数の測定データから回帰分析により、求めることができる。

ここで、前記推定主軸温度演算式（式（６））は、下記の項を含む。
Ｅ． 前回推定した主軸温度を変数とする項（ｃ_１・Ｔ_ｎ）
Ｆ． 定時間隔で検出された主軸回転数を変数とする項（ｃ_２・ω）
Ｇ． 主軸回転数の２乗を変数とする項（ｃ_３・ω^２）
Ｈ． 主軸回転数の３乗を変数とする項（ｃ_４・ω^３）
Ｉ． 前回推定した主軸温度と主軸回転数を掛け合わせた項（ｃ_５・Ｔ_ｎ−１・ω）
Ｊ． 主軸負荷を変数とする項（ｃ_６・Ｌ）
Ｋ． 主軸負荷の２乗を変数とする項（ｃ_７・Ｌ^２）
Ｍ． 前回推定した主軸温度と主軸負荷を掛け合わせた量を変数とする項（ｃ_８・Ｔ_ｎ−１・Ｌ）
そして、式（７）により、最終の今回の熱変位量を求める。

Ｕ_ｎ＝Ｓ_ｎ＋Ｋ_Ｔ・（Ｔ_ａ−Ｔ_ｎ） …（７）
ここで、Ｕ_ｎは、測定温度を考慮した最終の今回の熱変位量である。Ｋ_Ｔは、温度差（差分）相当の熱変位量を求めるための係数である。Ｔ_ａは、測定温度（主軸温度の実測値）である。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の工作機械の熱変位補正方法において、前記演算式は、下記の項を少なくとも含むことを特徴とする。
Ａ． 前回推定した熱変位量を変数とする項
Ｂ． 定時間隔で検出された主軸回転数を変数とする項
Ｃ． 前記主軸回転数の２乗を変数とする項
Ｄ． 前記主軸回転数の３乗を変数とする項
式（３）中において、「Ａ． 前回推定した熱変位量を変数とする項」は、ｂ_１・Ｓ_ｎ−１に相当する。又、「Ｂ． 定時間隔で検出された主軸回転数を変数とする項」は、ｂ_２・ωに相当する。又、「 Ｃ． 前記主軸回転数の２乗を変数とする項」は、ｂ_３・ω^２に相当する。「Ｄ． 前記主軸回転数の３乗を変数とする項」は、ｂ_４・ω^３に相当する。これらの項を含む演算式であれば、従来の熱変位補正方法よりも、正確な熱変位補正が推定される。

請求項５の発明は、請求項４に記載の工作機械の熱変位補正方法において、前記演算式は、さらに、前回推定した熱変位量と前記主軸回転数を掛け合わせた量を変数とする項を含むことを特徴とする。

例えば、上記「前回推定した熱変位量と前記主軸回転数を掛け合わせた量を変数とする項」は、式（３）中、ｂ_５・Ｓ_ｎ−１・ωに相当する。
この項を備えることにより、請求項４のものよりもさらに、正確な熱変位量が推定される。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項に記載の工作機械の熱変位補正方法において、前記演算式は、応答曲面法に基づくものであることを特徴とする。例えば、上記式（３）は、応答曲面法に基づく推定主軸温度演算式である。

請求項７の発明は、請求項３に記載の工作機械の熱変位補正方法において、前記推定主軸温度演算式は、応答曲面法に基づくものであることを特徴とする。例えば、上記式（６）は応答曲面法に基づく推定主軸温度演算式である。

請求項８の熱変位補正装置は、工作機械の主軸回転数を検出する検出手段と、少なくとも前記主軸回転数と前回推定した熱変位量に基づく演算式を用いて、今回の熱変位量を推定する熱変位量推定手段と、今回推定した熱変位量を前記主軸の熱変位を相殺する補正量とし、該補正量に基づいて工作機械の送り軸の軸方向の補正を行う補正手段を有することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置を要旨とするものである。

請求項９の発明は、請求項８において、主軸負荷を検出する主軸負荷検出手段を備え、 前記熱変位量推定手段は、少なくとも前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量と、前記主軸負荷に基づく演算式を用いて、今回の熱変位量を推定することを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項９において、主軸温度を検出する主軸温度検出手段を備え、前記熱変位量推定手段は、前記主軸回転数と前回推定した推定主軸温度に基づく推定主軸温度演算式を用いて、今回の推定主軸温度を推定するとともに、前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量と、前記主軸負荷と、今回推定した推定主軸温度と前記主軸温度との差分に相当する熱変位量に基づく、演算式を用いて、今回の熱変位量を推定することを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項８乃至請求項１０のうちいずれか１項において、下記の項を少なくとも含むことを特徴とする。
Ａ． 前回推定した熱変位量を変数とする項
Ｂ． 定時間隔で検出された主軸回転数を変数とする項
Ｃ． 前記主軸回転数の２乗を変数とする項
Ｄ． 前記主軸回転数の３乗を変数とする項
請求項１２の発明は、請求項１１において、前記演算式は、さらに、前回推定した熱変位量と前記主軸回転数を掛け合わせた量を変数とする項を含むことを特徴とする。

請求項１３の発明は、請求項８乃至請求項１２のうちいずれか１項において、前記演算式は、応答曲面法に基づくものであることを特徴とする。
請求項１４の発明は、請求項１０において、前記推定主軸温度演算式は、応答曲面法に基づくものであることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、熱変位の根源である主軸回転数に基づいて熱変位を算出するため、主軸回転数が変化するときには、特別に複雑な処理を施す必要がなく、発熱現象及び放熱減少を個別に捉える必要が無い。そして、請求項１の発明によれば、熱変位の根源である主軸回転数に基づいて熱変位を算出するため、主軸回転数が変化しても熱変位を適正に予測でき、その結果、適正に熱変位補正を行うことができる効果を奏する。

請求項２の発明は、工作機械が部品加工機のように、フライス加工のような重切削や、タッピング加工のように主軸回転数の加減速頻度が多くなることにより、主軸モータの負荷が大きくなる場合においても、主軸負荷を変数に含めた演算式にて熱変位量を推定できるため、熱変位を適正に予測でき、その結果、適正に熱変位補正を行うことができる効果を奏する。

請求項３の発明は、推定主軸温度演算式を用いて主軸温度を推定し、主軸回転数と、前回推定した熱変位量と、前記主軸負荷と、今回推定した推定主軸温度と前記主軸温度との差分に相当する熱変位量に基づく、演算式を用いて、今回の熱変位量を推定するようにしている。この結果、工作機械の経年変化等により、冷却装置の冷却能力が落ちた場合にも、熱変位を適正に予測でき、その結果、適正に熱変位補正を行うことができる効果を奏する。

請求項４の発明の構成を備えることにより、従来の熱変位補正方法よりも、正確な熱変位量が推定できる。
請求項５の発明によれば、前回推定した熱変位量を変数とする項、定時間隔で検出された主軸回転数を変数とする項、前記主軸回転数の２乗を変数とする項、前記主軸回転数の３乗を変数とする項、及び前回の熱変位推定量と主軸回転数を掛け合わせた項を含む多項式を用いて、今回の熱変位量を推定するようにした。この結果、それぞれの変数が独立した項だけでなく、主軸回転数と前回の熱変位推定量を掛け合わせた量が演算式の項に含まれるため、これらの２変数の組み合わせより、より従来よりも正確な熱変位量を推定することが可能となる。

請求項６の発明によれば、演算式を、応答曲面法に基づくことにより、請求項１乃至請求項５のいずれか１項の効果を容易に実現することができる。
請求項７の発明によれば、推定主軸温度演算式を、応答曲面法に基づくことにより、請求項３の効果を容易に実現することができる。

請求項８乃至請求項１４によれば、請求項１乃至請求項７の熱変位補正方法を具体的に実現するための熱変位補正装置として具体的にそれぞれ実現できる。

以下、本発明の熱変位補正装置を、工作機械としての横型マシニングセンタ１０のＣＮＣ装置１００に具体化した第１実施形態を図１〜６を参照して説明する。
図１は、横型マシニングセンタ１０の概略図を示している。同図に示すように、横型マシニングセンタ１０は、ベッド１１、コラム１２、主軸ヘッド１３、主軸１４、移動テーブル１５、イケール１６、チャック装置１７等の公知の構成を備えている。

コラム１２は、ベッド１１上をＸ軸方向へ移動可能に設けられており、Ｘ軸モータ３２０（図２参照）により駆動される。コラム１２には、主軸ヘッド１３がＹ軸方向に移動可能に設けられており、Ｙ軸モータ３３０によりボールねじ１８を介して駆動される。移動テーブル１５は、ベッド１１上をＺ軸方向に移動可能に設けられており、Ｚ軸モータ３４０により、送り軸であるボールねじ２０を介して駆動可能である。Ｘ軸モータ３２０，Ｙ軸モータ３３０，Ｚ軸モータ３４０は、サーボモータにより構成されている。イケール１６には、ワークＷを着脱自在に保持するワーク保持部２１が設けられている。

主軸ヘッド１３に設けられた主軸１４は、主軸ヘッド１３の内部に組み込まれたビルトイン型の主軸モータ３５０により回転駆動される。主軸１４には、加工工具２２が取着されている。

図２は横型マシニングセンタ１０に設けられたＣＮＣ装置（数値制御装置）１００の機能ブロック図である。
ＣＮＣ装置１００のＣＰＵ（中央処理装置）１１０はＣＮＣ装置１００を全体的に制御する。ＣＰＵ１１０にはバス線１８０を介して入力装置１２０、ＲＯＭ１３０、ＲＡＭ１４０、ＣＭＯＳ１５０、インターフェィス１６０、液晶表示装置等からなる表示装置２００、Ｘ軸制御部２１０、Ｙ軸制御部２２０、Ｚ軸制御部２３０、主軸制御部２４０、インターフェィス２５０〜２７０等が接続されている。

入力装置１２０は、表示装置２００やキーボード等を備えており、キーボード等からデータ入力が可能である。ＲＯＭ１３０は、ＣＮＣ装置１００の全体を制御するための各種のシステムプログラムが格納されている。

ＲＡＭ１４０には一時的な計算データや表示データ及び入力装置１２０を介してオペレータが入力した各種データ等が格納される。
ＣＭＯＳ１５０は図示しないバッテリでバッアップされており、ＣＮＣ装置１００の電源がオフにされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成されている。ＣＭＯＳ１５０には、熱変位補正プログラム等が格納されている。インターフェィス１６０はＣＮＣ装置１００に接続可能な外部機器のためのインターフェースであり、例えば紙テープリーダーや紙テープパンチャー及び外部記憶装置等の図示しない外部機器が接続される。そして、紙テープリーダーや外部記憶装置からは加工プログラム、熱変位補正プログラム等を入力することができる。

Ｘ軸制御部２１０は、ＣＰＵ１１０からのＸ軸の位置制御指令を受けて、該位置制御指令をサーボアンプ２８０に出力する。サーボアンプ２８０は該位置制御指令に基づいてＸ軸モータ３２０を駆動し、コラム１２をＸ軸方向に移動する。

Ｙ軸制御部２２０は、ＣＰＵ１１０からのＹ軸の位置制御指令を受けて、該位置制御指令をサーボアンプ２９０に出力する。サーボアンプ２９０は該位置制御指令に基づいてＹ軸モータ３３０を駆動し、主軸ヘッド１３をＹ軸方向に移動する。

Ｚ軸制御部２３０は、ＣＰＵ１１０からのＺ軸の位置制御指令を受けて、該位置制御指令をサーボアンプ３００に出力する。サーボアンプ３００は該位置制御指令に基づいてＺ軸モータ３４０を駆動し、移動テーブル１５をＺ軸方向に移動する。

なお、各軸の軸モータには位置検出用のパルスコーダ（図示しない）が設けられており、このパルスコーダからの位置信号がパルス列としてフィードバックされる。なお、パルスコーダに代わりにリニアスケールを使用して、コラム１２、主軸ヘッド１３、移動テーブル１５の位置検出を行うようにしてもよい。各軸制御部により、前記位置信号に基づいて、各軸における公知の位置フィードバック制御や、速度フィードバック制御が可能である。

主軸制御部２４０は、ＣＰＵ１１０からの主軸回転制御指令を受け、主軸アンプ３１０に主軸速度信号を出力する。主軸アンプ３１０はこの主軸速度信号に基づいて、主軸モータ３５０を指令された回転速度（主軸回転数）で回転させ、加工工具２２を駆動する。

モータ電流検出器３６０は、主軸モータ３５０のモータ電流を検出し、インターフェィス２５０を介してモータ電流検出信号をＣＰＵ１１０に入力する。検出されたモータ電流は、詳説はしないが、主軸アンプ３１０の公知の電流制御フィードバックに使用される。

主軸回転数検出器３７０は、ロータリエンコーダ等により構成されており、主軸モータ３５０の回転に同期した回転パルスを発生し、その回転パルス信号をインターフェィス２６０を介してＣＰＵ１１０に入力する。

主軸温度センサ３８０は、図１に示すように、主軸ヘッド１３において、主軸１４に近接するように設けられており、主軸温度を検出し、その温度検出信号をインターフェィス２７０を介してＣＰＵ１１０に入力する。

さて、上記のように構成された、ＣＮＣ装置１００の作用を説明する。
図３は、ＣＰＵ１１０が熱変位補正プログラムに従って行う熱変位補正のフローチャートである。

（Ｓ１０）
このプログラムがスタートすると、Ｓ１０において、ＣＰＵ１１０は主軸回転数検出器３７０からの回転パルス信号、及びモータ電流検出信号に基づき、主軸回転数をサンプリングする。

（Ｓ２０）
Ｓ２０では、ＣＰＵ１１０は、カウンタ（図示しない）を１つインクリメントする。
（Ｓ３０）
Ｓ３０では、ＣＰＵ１１０は、前記カウンタがカウントした値が、補正時刻か否かを判定し、補正時刻に達していない場合には、Ｓ１０に戻り、補正時刻に達している場合には、Ｓ４０に移行する。この補正時刻は、定時間隔となるように設定されている。例えば、数ｓｅｃ毎となるように設定するものとする。

（Ｓ４０）
Ｓ４０では、ＣＰＵ１１０は、データ平均処理を行う。具体的には、ＣＰＵ１１０は、Ｓ１０において、その時々にサンプリングした、主軸回転数の平均値を算出し、その平均値をＳ５０において、補正式で使用する主軸回転数ωとする。なお、主軸回転数の平均は、第１実施形態では、相加平均で算出される。

（Ｓ５０）
Ｓ５０では、ＣＰＵ１１０は、補正式により、補正量を算出する。第１実施形態では補正式は、式（３）である。この式（３）を使用することにより、補正量、すなわち、今回の熱変位量Ｓ_ｎが算出される。なお、式（３）の係数ｂ_１〜５は、予め、試験データに基づいて、設定されている。Ｓ５０を行うＣＰＵ１１０は、熱変位量推定手段に相当する。

（Ｓ６０）
Ｓ６０では、ＣＰＵ１１０は、補正式により算出された補正量に基づいて、Ｚ軸の位置制御指令を補正した後、Ｓ１０に戻る。すなわち、ＣＰＵ１１０は送り軸（ボールねじ２０）の軸方向の補正を行う。この補正により、主軸１４の熱変位が相殺されることになる。ここで、補正を行うＣＰＵ１１０は、補正手段に相当する。

（第１実施形態の特徴）
さて、第１実施形態において、式（３）を使用する場合の特徴を説明する。
図５は、主軸モータ３５０の回転数を図４に示すパターンで行った場合において、Ｚ軸方向の変位（＝実変位−補正量）がプロットされたものであり、縦軸は、変位（μｍ）をとり、横軸は時間（ｈ）を示している。実変位は、主軸１４の実際の熱変位量である。

（ａ）（図５参照）に示すように、補正なしの場合には、主軸回転数がステップ状に増加する毎に、変位が大きく増加する。（ｂ）は、従来補正の場合を示している。従来補正は、下記のように行っている。

補正量（従来）＝（Ｔ_１−Ｔ_２）×Ｋ
Ｔ_１は主軸ヘッド１３の温度である。又、Ｔ_２はベッド１１の温度である。又、Ｋは定数であり、工作機械（本従来例では、横型マシニングセンタ１０）の固有値である。この従来補正では、経過時間が１時間と２時間の間において、−１０μｍに近いピークの変位が存在し、以後、漸減する。

この従来補正に比較して、第１実施形態では、（ｃ）に示すように、変位は、最大でも２μｍを越えることが無い。すなわち、主軸１４の回転数がステップ状に増加した場合でも、略±２μｍの範囲内にある。又、主軸の回転が停止した以後においても、変位に大きな変化はなく、略±２μｍの範囲内にあり、大きく変動することがない特徴がある。

なお、第１実施形態では、式（３）を補正式としたが、以下に説明する式（１０）を式（３）の代わりに使用しても良い。
図６は、式（１０）の有効性についての試験の結果を示したものである。

（ｄ）〜（ｆ）（図６参照）は、それぞれ式（８）〜式（１０）をそれぞれ補正式として、補正量を算出し、Ｚ軸方向の変位（＝実変位−補正量）を算出したものである。なお、主軸１４の時間経過に伴う回転数パターンは、図４と同じである。

Ｓ_ｎ＝ｂ_１・Ｓ_ｎ−１＋ｂ_２・ω …（８）
Ｓ_ｎ＝ｂ_１・Ｓ_ｎ−１＋ｂ_２・ω＋ｂ_３・ω^２ ……（９）
Ｓ_ｎ＝ｂ_１・Ｓ_ｎ−１＋ｂ_２・ω＋ｂ_３・ω^２＋ｂ_４・ω^３ ……（１０）
（ｄ）及び（ｅ）は、主軸１４が回転している時間である０時間から１時間の間においては、２μｍを越え、４時間から５時間の間において、変位は、−４μｍを越えるピーク等があり、好ましくないことが分かる。又、回転数がステップ状に変化する４時間３０分を越えた時点当たりから、変位に大きな変動があり、好ましくない。それに対して、（ｆ）では、主軸１４が回転している時間である０から６．５時間の間においては、変位が、±２μｍ内にあり、変位の変動が少ないことが分かる。すなわち、式（１０）は、補正式として有効であることが分かる。

なお、（ｃ）（図６参照）は、主軸１４の回転が停止した以後は、（ｂ），（ｄ）〜（ｆ）よりもさらに、変位が少ないことが分かり、このことから、第１実施形態の式（１０）の有効性は、主軸の回転数が停止した以後においても、示されている。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図７〜図９を参照して説明する。第２実施形態は、第１実施形態の構成中、ＣＰＵ１１０が熱変位補正プログラムに従って行う熱変位補正のフローチャートが一部異なっている。具体的には、Ｓ１０，Ｓ４０，Ｓ５０の代わりに、ＣＰＵ１１０はＳ１０Ａ，Ｓ４０Ａ，Ｓ５０Ａの処理を行うようにされている。

Ｓ１０Ａでは、ＣＰＵ１１０は主軸回転数検出器３７０からの回転パルス信号、及びモータ電流検出信号に基づき、主軸回転数、主軸負荷（モータ電流値の絶対値）をそれぞれサンプリングする。なお、モータ電流を検出するモータ電流検出器３６０は、主軸負荷検出手段に相当する。

Ｓ４０Ａでは、ＣＰＵ１１０は、データ平均処理を行う。具体的には、ＣＰＵ１１０は、Ｓ１０Ａにおいて、その時々にサンプリングした、主軸回転数と、主軸負荷の平均値をそれぞれ算出し、その平均値をＳ５０Ａにおいて、補正式で使用する主軸回転数ω、及び主軸負荷Ｌとする。なお、主軸回転数の平均は、本実施形態では、相加平均で算出される。一方、主軸負荷Ｌは、２乗平均で算出される。

Ｓ５０Ａでは、ＣＰＵ１１０は、補正式により、補正量を算出する。第２実施形態では補正式は、式（５）で行うことが異なる。この式（５）を使用することにより、補正量、すなわち、今回の熱変位量Ｓ_ｎが算出される。なお、式（５）の係数ｂ_１〜８は、予め、試験データに基づいて、設定されている。

（第２実施形態の特徴）
図９は、主軸モータ３５０の回転数（すなわち、主軸回転数）が図８に示すパターンで繰り返された場合において、Ｚ軸方向の変位（＝実変位−補正量）がプロットされたものである。この繰り返しパターンは、図９においては、時間軸では、２０分のところから、開始され、２時間３０分のところで、主軸回転数が０になるように終了されたものである。なお、実変位は、主軸１４の実際の熱変位量である。

このような主軸回転数のパターンは、例えば、部品加工機のように、フライス加工のような重切削や、タッピング加工のように主軸回転数の加減速頻度が多くなる場合のパターンである。

（ｇ）（図９参照）は、補正なしの場合を示している。（ｏ）は、比較例として、式（３）を補正式とした場合である。（ｍ）は、式（５）を補正式とした第２実施形態の場合である。（ｍ）では、式（５）での補正式での補正量の算出により、図８のパターンで行われている期間中において、（ｇ）や（ｏ）よりも、好適な熱変位補正を行うことができることが分かる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態を図１０を参照して説明する。第３実施形態は、第１実施形態の構成中、熱変位補正のフローチャートのうち、Ｓ１０，Ｓ４０，Ｓ５０の代わりに、Ｓ１０Ｂ，Ｓ４０Ｂ，Ｓ５０Ｂの処理が行われるところが異なっている。

Ｓ１０Ｂにおいて、ＣＰＵ１１０は主軸回転数検出器３７０からの回転パルス信号、モータ電流検出信号、及び温度検出信号に基づき、主軸回転数、主軸負荷及び主軸温度（実測値）をそれぞれサンプリングする。ここで、主軸温度センサ３８０は、主軸温度検出手段に相当する。

Ｓ４０Ｂでは、ＣＰＵ１１０は、データ平均処理を行う。具体的には、ＣＰＵ１１０は、Ｓ１０Ｂにおいて、その時々にサンプリングした、主軸回転数、主軸負荷、主軸温度（実測値）の平均値をそれぞれ算出し、その平均値をＳ５０Ｂにおいて、補正式で使用する主軸回転数ω、主軸負荷Ｌ、主軸温度Ｔ_ａとする。なお、主軸回転数の平均は、本実施形態では、相加平均で算出される。一方、主軸負荷Ｌは、２乗平均で算出される。主軸温度Ｔ_ａは、相加平均で算出される。

Ｓ５０Ｂでは、ＣＰＵ１１０は、補正式により、補正量を算出する。第３実施形態では補正式は、式（７）である。この式（７）を使用することにより、補正量、すなわち、今回の熱変位量Ｓ_ｎが算出される。

なお、ＣＰＵ１１０は、式（７）を算出する前に、推定主軸温度演算式である式（６）を演算する。この場合、式（６）の各係数は、予め複数の測定データから回帰分析により、求められて設定されている。なお、式（７）の係数ｂ_１〜８は、予め、試験データに基づいて、設定されている。

（第３実施形態の特徴）
説明の便宜上、第１実施形態では冷却装置の構成の説明は省略したが、第３実施形態では、横型マシニングセンタ１０の経年変化等により、主軸１４の周囲に設けた冷却装置の液体が蒸発したり、該冷却装置のフィルタの目詰まり等により、該冷却装置の冷却能力が落ちた場合、式（３）や、式（５）で正確に熱変位量を推定することは困難となる。

第３実施形態では、応答曲面法に基づく式（６）で、推定主軸温度Ｔ_ｎを求めた。そして、この推定主軸温度Ｔ_ｎと、実測値に基づく主軸温度Ｔ_ａとの温度差相当の熱変位量分を、熱変位量Ｓ_ｎに加えることにより、主軸１４に関する測定温度を考慮した最終の熱変位量Ｕ_ｎを求めるようにした。

この結果、横型マシニングセンタ１０の経年変化によって、主軸の冷却装置の冷却能力が落ちても、適正な熱変位補正ができる。
なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定するものではない。例えば下記のようにしてもよい。

○ 前記各実施形態では、Ｓ６０の補正実施は、補正式により算出された補正量に基づいて、Ｚ軸の位置制御指令を補正するようにした。これに代えて、前記補正量に基づいて、機械座標のＺ軸原点の補正を行うようにしてもよい。

○ 前記実施形態では、主軸１４が、加工工具２２を回転するタイプの横型マシニングセンタ１０に具体化したが、立形マシニングセンタや、フライス盤、他の工作機械に適用できることは勿論のことである。又、主軸がワークを回転するタイプの工作機械に具体化してもよい。

第１実施形態の横型マシニングセンタの概略図。 ＣＮＣ装置１００の機能ブロック図。 ＣＰＵ１１０が実行する熱変位補正プログラムのフローチャート。 主軸モータ３５０の回転数のパターンを示す説明図。 熱変位補正の例を示す図。 熱変位補正の例を示す図。 第２実施形態のＣＰＵ１１０が実行する熱変位補正プログラムのフローチャート。 主軸モータ３５０の回転数のパターンを示す説明図。 熱変位補正の例を示す図。 第３実施形態のＣＰＵ１１０が実行する熱変位補正プログラムのフローチャート。 熱変位量Ｓ_ｎ及び主軸回転数ωの算出例を示する図。 応答曲面法の説明図。

符号の説明

１４…主軸
１１０…ＣＰＵ（熱変位量推定手段、補正手段）
３４０…Ｚ軸モータ
３５０…主軸モータ
３６０…モータ電流検出器（主軸負荷検出手段）
３７０…主軸回転数検出器（主軸回転数検出手段）
３８０…主軸温度センサ（主軸温度検出手段）

Claims (14)

1. 工作機械の主軸回転数を少なくとも検出する第１ステップと、
   少なくとも前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量に基づく演算式を用いて、今回の熱変位量を推定する第２ステップと、
   を備え、
   今回推定した熱変位量を前記主軸の熱変位を相殺する補正量とすることを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
2. 請求項１において、
   前記第１ステップは、さらに、主軸負荷を検出することを含み、
   前記第２ステップは、少なくとも前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量と、前記主軸負荷に基づく演算式を用いて、今回の熱変位量を推定することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
3. 請求項２において、
   前記第１ステップは、さらに、主軸温度を検出することを含み、
   前記第２ステップは、
   前記主軸回転数と前回推定した推定主軸温度に基づく推定主軸温度演算式を用いて、今回の推定主軸温度を推定するとともに、
   前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量と、前記主軸負荷と、今回推定した推定主軸温度と前記主軸温度との差分に相当する熱変位量に基づく、演算式を用いて、今回の熱変位量を推定することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
4. 前記演算式は、下記の項を少なくとも含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項に記載の工作機械の熱変位補正方法。
   Ａ． 前回推定した熱変位量を変数とする項
   Ｂ． 定時間隔で検出された主軸回転数を変数とする項
   Ｃ． 前記主軸回転数の２乗を変数とする項
   Ｄ． 前記主軸回転数の３乗を変数とする項
5. 前記演算式は、さらに、前回推定した熱変位量と前記主軸回転数を掛け合わせた量を変数とする項を含むことを特徴とする請求項４に記載の工作機械の熱変位補正方法。
6. 前記演算式は、応答曲面法に基づくものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれか１項に記載の工作機械の熱変位補正方法。
7. 前記推定主軸温度演算式は、応答曲面法に基づくものであることを特徴とする請求項３に記載の工作機械の熱変位補正方法。
8. 工作機械の主軸回転数を検出する主軸回転数検出手段と、
   少なくとも前記主軸回転数と前回推定した熱変位量に基づく演算式を用いて、今回の熱変位量を推定する熱変位量推定手段と、
   今回推定した熱変位量を前記主軸の熱変位を相殺する補正量とし、該補正量に基づいて工作機械の送り軸の軸方向の補正を行う補正手段を有することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
9. 請求項８において、
   主軸負荷を検出する主軸負荷検出手段を備え、
   前記熱変位量推定手段は、少なくとも前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量と、前記主軸負荷に基づく演算式を用いて、今回の熱変位量を推定することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
10. 請求項９において、
    主軸温度を検出する主軸温度検出手段を備え、
    前記熱変位量推定手段は、
    前記主軸回転数と前回推定した推定主軸温度に基づく推定主軸温度演算式を用いて、今回の推定主軸温度を推定するとともに、
    前記主軸回転数と、前回推定した熱変位量と、前記主軸負荷と、今回推定した推定主軸温度と前記主軸温度との差分に相当する熱変位量に基づく、演算式を用いて、今回の熱変位量を推定することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
11. 前記演算式は、下記の項を少なくとも含むことを特徴とする請求項８乃至請求項１０のうちいずれか１項に記載の工作機械の熱変位補正装置。
    Ａ． 前回推定した熱変位量を変数とする項
    Ｂ． 定時間隔で検出された主軸回転数を変数とする項
    Ｃ． 前記主軸回転数の２乗を変数とする項
    Ｄ． 前記主軸回転数の３乗を変数とする項
12. 前記演算式は、さらに、前回推定した熱変位量と前記主軸回転数を掛け合わせた量を変数とする項を含むことを特徴とする請求項１１に記載の工作機械の熱変位補正装置。
13. 前記演算式は、応答曲面法に基づくものであることを特徴とする請求項８乃至請求項１２のうちいずれか１項に記載の工作機械の熱変位補正装置。
14. 前記推定主軸温度演算式は、応答曲面法に基づくものであることを特徴とする請求項１０に記載の工作機械の熱変位補正装置。

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