JP2006281335A

JP2006281335A - 工作機械の熱変位補正方法

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Publication number: JP2006281335A
Application number: JP2005101479A
Authority: JP
Inventors: Reiji Satou; 礼士佐藤
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: DE102006013767A1; US20060218811A1; US7266903B2; JP4359573B2; DE102006013767B4

Abstract

【課題】ワークの固定位置、材質、機械の設置位置での環境に合わせた補正を適用することを可能とする。
【解決手段】テーブル上のワークの固定座標を予め設定し、前記計測温度と前記刃先座標と前記固定座標に基づいて現在の刃先座標におけるワークの固定座標での変位量を求め、さらに刃先座標よりワークの固定座標から刃先座標までの距離を算出し、前記計測温度と該固定座標から刃先座標までの距離に基づいてワークの固定座標から刃先座標までのワークの変位量を求め、各変位量の和を推定値として、該推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械において、工具やワークの位置に応じて変化する熱変位を補正する方法に関する。

工作機械の加工においては、環境室温変化や機械自身の発熱および、切削熱によって機械やワークが熱変形し、加工寸法誤差が生じる。この加工寸法誤差を抑制する方法としては、機械構造的には、恒温室への機械の設置や、切削液温の温度制御等、機械やワークの温度を一定とする方法がある。しかしながら、これらの方法はランニングコストがかかる上、切削液温度の基準温度の設定が困難といった問題がある。また、電気制御的には、温度情報やNC装置の情報から熱変位を推定し補正する方法がある。これには、本願出願人は、特許文献１において加工点座標すなわち加工時の刃先位置の座標（以下単に刃先座標という）を検出して加工座標と温度情報に従って熱変位量を推定する方法を提供している。その他にも、特許文献２において主軸位置と基準位置の差と温度情報に従って熱変位を推定する方法や、門形マシニングセンタのテーブル上の熱変位を温度情報と位置情報に従って推定する方法（非特許文献１）がある。

特開２００１−３４１０４９号特公平６−６１６７４号型技術第１８巻第８号 P４４−４５

温度情報やＮＣ装置からの位置情報に従って熱変位を推定するこれらの方法では、ワークの固定位置が主軸の中心と決まっている旋盤等でのワークや、小さなワークをマシニングセンタなどのテーブルに設置した場合の熱変位に対しては有効である。しかしながら、金型などの比較的大きなワークにおいては、テーブル上でのワークの固定位置によって熱変位が異なるといった課題があった。

図９は従来の門形マシニングセンタを側面から見た概略図であり、ベッド１両側面（紙面に直交する方向）にコラム６が固設され、コラムの間に図示していないクロスレールが固設され、クロスレールにサドル７が紙面に直交するＹ軸方向に移動可能に架設されており、サドル７に主軸８が上下方向であるＺ軸方向に移動可能に架設され、主軸８の先端に工具９が回転可能に固定されている。ベッド１上部にはテーブル４が紙面に平行な水平方向であるＸ軸方向に移動可能に載置され、テーブル４の上面にワーク５が固定されている。

図９において（ｂ）と（ｃ）は刃先座標Ｘは同じであるが、ワークの固定座標ＸＷは、（ｂ）の時はＸＷａ、（ｃ）の時はＸＷｂとなり、異なる関係にある。ここで、図９（ａ）〜（ｄ）の各位置において図１０に示す室温変化時のＸ軸方向の熱変位変化を図１１に示す。図１１より、同じ刃先座標でもワークの固定座標によって熱変位変化は異なり、刃先座標のみからワークの熱変位を求める場合には、ワークの固定座標によって補正パラメータを変更する必要があるといえる。

また、金型などの比較的大きなワークにおいては、恒温室等の一定の温度環境で機械やワークの熱変位が無い状態でワークを加工した場合でも、温度環境が異なる場所にワークを設置した場合は、ワークの温度変化による熱変形によって目的の寸法形状とは異なるといった課題があった。

上述の課題を解決するために本発明の請求項１の熱変位推定方法は、工作機械の各構成要素の温度を検出する段階と，検出した温度を数値化する段階と，数値化された温度と刃先座標に基づき演算式を用いて熱変位量を推定する段階において，テーブルに設置したワークの固定位置の座標（以下単に固定座標またはワークの固定座標という）を予め測定しておき、ワークの固定座標を用いて、現在の刃先座標におけるワークの固定位置での変位量ΔＡＢ１、ワークの固定位置と現在の刃先位置間のワークの変位量ΔＣ１をそれぞれ算出し、その和を推定値とすることを特徴とする。

ただし、
ΔＡＢ１：現在の刃先位置におけるワークの固定位置での変位量
ΔＣ１：ワークの固定位置と刃先位置間の変位量

また、本発明の請求項２の熱変位推定方法は，上記ΔＡＢ１の代わりに、テーブルに対する刃先の移動範囲（以下単にストロークまたは刃先ストロークという）のPlus端におけるワークの固定位置での変位量ΔＡＢ２、刃先ストロークのMinus端におけるワークの固定位置での変位量ΔＡＢ３を算出し、上記ΔＣ１の代わりにワークの固定位置と刃先ストロークのPlus端間の変位量ΔＣ２、ワークの固定位置と刃先ストロークのMinus端間の変位量ΔＣ３を算出し、上記ΔＡＢ２とΔＣ２の変位量の和を刃先ストロークのPlus端での推定値、上記ΔＡＢ３とΔＣ３の変位量の和を刃先ストロークのMinus端での推定値とし、サーボ装置の２点間補正機能を用いることを特徴とする。

ただし、
ΔＡＢ２：刃先ストロークのPlus端におけるワークの固定位置での変位量
ΔＡＢ３：刃先ストロークのMinus端におけるワークの固定位置での変位量
ΔＣ２：ワークの固定位置と刃先ストロークのPlus端間の変位量
ΔＣ３：ワークの固定位置と刃先ストロークのMinus端間の変位量

尚、本発明は、例えば図１に示す、熱変位補正を行う対象となるＮＣ工作機械（マシニングセンタ）に、温度センサ、温度測定装置、各パラメータを記憶するパラメータ記憶装置、計測温度とＮＣ装置の情報から補正値を演算する補正装置を設け、パラメータ記憶装置に、ワークの固定位置のX座標Xw、および、線膨張係数α、基準温度、XストロークPlus端座標Xlp、XストロークMinus端座標Xlmなどを設定することにより、容易に具体的な実施をすることができる。

ここで、より具体的な方法として、ΔＡＢ１の変位量は、刃先位置におけるスケールの変位量ΔＡ１（図２のＡ１で示した変位）とテーブルの変位量ΔＢ（図２のＢで示した変位）との和として、式４より算出することができる（請求項３）。

ただし、

また、ΔＣ１の変位量（図２のＣで示した変位）は、式７より算出することができる（請求項４）。

また、ΔＡＢ２の変位量は、ストロークPlus端におけるスケールの変位量ΔＡ２（図３（ａ）のＡ２で示した変位）と上記テーブルの変位量ΔＢ（図３（ａ）のＢで示した変位）との和として、式８より算出することができる（請求項５）。

ただし、

同様にΔＡＢ３の変位量は、ストロークMinus端におけるスケールの変位量ΔＡ３（図３（ｂ）のＡ３で示した変位）と上記テーブルの変位量ΔＢ（図３（ｂ）のＢで示した変位）との和として、式10より算出することができる（請求項５）。

ただし、

さらにΔＣ２の変位量（図３（ａ）のＤで示した変位）およびΔＣ３の変位量（図３（ｂ）のＥで示した変位）は、以下の式より算出することができる（請求項６）。

尚、上記の基準温度を、ワークの寸法精度を必要とする温度（例えば、ワークの寸法精度を測定する環境の温度や、ワークを用いて製品を組立てる環境の温度）とすることで、寸法精度を必要とする温度とは異なる環境で加工しても、寸法精度を必要とする環境温度にあった寸法を得ることが可能となる（請求項７）。

また、ワークの固定座標やワークの線膨張係数や基準温度（ワークの寸法精度を必要とする場所の温度）といったワーク情報は、ＮＣ装置に設定画面を設け、加工するワーク毎に設定可能とするか、NCプログラムより設定可能とすることが好ましい（請求項８〜１３）。

ワークの固定座標、線膨張係数、ワークの基準温度といったワーク情報を設定することで、補正パラメータを変更することなく、ワークの固定位置、材質、機械の設置位置での環境に合わせた補正を適用することが可能となる。また、ワーク情報を操作パネルで設定することでワーク情報の設定も容易となり、さらに、ＮＣプログラムからワーク情報も設定可能とすることで、無人でワークを加工する場合にも補正の適用が可能となる。

図１は本発明を実施する装置の一例で、熱変位補正を行うＮＣ工作機械（マシニングセンタ）、温度センサ、温度測定装置、各パラメータを記憶する記憶装置、計測温度とＮＣ装置の情報から補正値を演算する補正装置、そして、工作機械を数値制御するＮＣ装置からなる。ここでは、ワーク寸法、移動範囲が大きいＸ軸方向の熱変位を例に説明する。

図１は門形マシニングセンタを側面から見た概略図であり、ベッド１両側面（紙面に直交する方向）にコラム６が固設され、コラムの間に図示していないクロスレールが固設され、クロスレールにサドル７が紙面に直交するＹ軸方向に移動可能に架設されており、サドル７に主軸８が上下方向であるＺ軸方向に移動可能に架設され、主軸８の先端に工具９が回転可能に固定されている。ベッド１上部にはテーブル４が紙面に平行な水平方向であるＸ軸方向に移動可能に載置され、テーブル４の上面にワーク５が固定されている。テーブル４のＸ軸方向位置は、ベッド１に設置されているスケール２とテーブル４に固定されているスケール検出器３によって決定される。

温度センサは工作機械の各構成要素、特に、補正すべき軸方向に刃先とワークとを相対移動させるための構成要素に設けられるのが好ましく、ここでは、温度センサ１０ａはスケール温度を測定するためスケール付近のベッド１に、温度センサ１０ｂはテーブル温度を測定するためテーブル４に、温度センサ１０ｃはワーク温度を測定するためワーク５にそれぞれ取り付けられている。

以下、図１に示すワークの固定座標におけるＸ軸方向の熱変位を、図５のワーク温度、テーブル温度、ベッド温度を用いて、補正を適用する場合について説明する。なお、図１における、XストロークPlus端座標Xlp、XストロークMinus端座標Xlm、ワークの固定座標のX座標Xwは以下の値である。
Xlp＝6000mm
Xlm＝0mm
Xw＝1500mm

図６のフローチャートに基づいて、説明する。Ｓ１において、各センサ１０ａ〜１０ｃの温度計測は、予め設定された間隔（10秒）によって温度測定装置１１により公知の方法によってアナログ信号からデジタル信号化されて温度数値として得る。また、パラメータ記憶装置１３には予めワークの固定位置のX座標Xw、および、線膨張係数α、基準温度が設定されている。

そして、Ｓ２において、ＮＣ装置１４にて現在の刃先のX座標を検出し、Ｓ３において、補正量演算装置１２にて、スケールの変位量ΔＡ１、テーブルの変位量ΔＢ、ワークの変位量ΔＡ２を、式５、式６、式７より算出する。

ここで、式５中の右辺第１項の熱変位推定用温度の演算方法としては、本願出願人の特許文献３に示すような指数平滑フィルタがあり、式５を次式で表すことが出来る。

ただし、
Ｙ_７ｎ＝Ｙ_７ｎ−１＋（Ｔ_７０ｎ−Ｙ_７ｎ−１）・α_７
Ｔ_７０＝Ｔ_７−Ｔ_０
Ｔ_０＝２０
ここで
Ｘ_ｎ：ｎ回目の変位量
Ｙ_ｎ：ｎ回目の熱変位推定用温度
Ｔ_ｎ：ｎ回目の入力温度
α：フィルタ係数（α_７＝3.2×10^-2）
Ｘ：Ｘ座標
Ｘｓ：スケール検出器のＸ座標（＝6000mm）
Ｋ：線膨張係数（Ｋ_７＝11×10^-6）
添字７：スケール
添字０：基準

特開平９−２２５７８１号

同様に、式６、式７は、次式で表すことが出来る

ただし、
Ｙ_８ｎ＝Ｙ_８ｎ−１＋（Ｔ_８０ｎ−Ｙ_８ｎ−１）・α_８
Ｔ_８０＝Ｔ_８−Ｔ_０
Ｔ_０＝２０

ただし、
Ｙ_２ｎ＝Ｙ_２−１＋（Ｔ_２０ｎ−Ｙ_２ｎ−１）・α_２
Ｔ_２０＝Ｔ_８−Ｔ_０
Ｔ_０＝２０
ここで
Ｘa_ｎ：ｎ回目の変位量
Ｙ_ｎ：ｎ回目の熱変位推定用温度
Ｔ_ｎ：ｎ回目の入力温度
Ｘ：Ｘ座標
Ｘｓ：スケール検出器のＸ座標（＝6000mm）
α ：フィルタ係数（α₈＝3.2×10^-2、α_２＝8.3×10^-３）
Ｋ：線膨張係数（Ｋ_８＝11×10^-6 、Ｋ_２＝11×10^-6）
添字８：テーブル
添字２：ワーク
添字０：基準

そして、式１、式４より、Ｘ座標における補正量ＸＣを算出する。

そして、Ｓ４において、ＮＣ装置１４にて補正量ＸＣ分だけ軸移動し熱変位補正を行う。Ｓ５において補正を続行する場合はＳ１に戻り、続行しない場合は終了となる。

本発明の他の実施形態について、図７のフローチャートに基づいて説明する。Ｓ１１において、各センサ１０ａ〜１０ｃの温度計測は、予め設定された間隔（10秒）によって温度測定装置１１により公知の方法によってアナログ信号からデジタル信号化されて温度数値として得る。また、パラメータ記憶装置には予めXストロークPlus端座標Xlp、XストロークMinus端座標Xlm、ワークの固定位置のX座標Xw、基準温度が設定されている。

そして、Ｓ１２において、補正量演算装置１２にてストロークPlus端座標の補正量ＸＣＰを、スケールの変位量ΔＡ２（式９）、テーブルの変位量ΔＢ（式６）、ワークの変位量ΔＣ２（式１２）より、式１、式８より算出する。

ただし、
Ｙ_９ｎ＝Ｙ_９ｎ−１＋（Ｔ_９０ｎ−Ｙ_９ｎ−１）・α_９
Ｔ_９０＝Ｔ_９−Ｔ_０
Ｔ_０＝２０
Ｙ_８ｎ＝Ｙ_８ｎ−１＋（Ｔ_８０ｎ−Ｙ_８ｎ−１）・α_８
Ｔ_８０＝Ｔ_８−Ｔ_０
Ｔ_０＝２０
Ｙ_５ｎ＝Ｙ_５ｎ−１＋（Ｔ_５０ｎ−Ｙ_５ｎ−１）・α_５
Ｔ_５０＝Ｔ_５−Ｔ_０
Ｔ_０＝２０
ここで、
Ｘ_ｎ：ｎ回目の変位量
Ｙ_ｎ：ｎ回目の熱変位推定用温度
Ｔ_ｎ：ｎ回目の入力温度
α ：フィルタ係数（α_９＝3.2×10^-2、α₈＝3.2×10^-2、α_５＝8.3×10^-３）
Ｘｓ：スケール検出器のＸ座標（＝6000mm）
Ｋ：線膨張係数（Ｋ_９＝11×10^-6、Ｋ_８＝11×10^-6、Ｋ_５＝11×10^-6）
添字９：スケール
添字８：テーブル
添字５：ワーク
添字０：基準

同様にストロークMinus端座標の補正量ＸＣＭを、スケールの変位量ΔＡ３（式１１）、テーブルの変位量ΔＢ（式６）、ワークの変位量ΔＣ３（式１３）、式１、式１０より算出する。

ただし、
Ｙ_１０ｎ＝Ｙ_{１０ｎ−１}＋（Ｔ_１００ｎ−Ｙ_{１０ｎ−１}）・α_１０
Ｔ_１００＝Ｔ_１０−Ｔ_０
Ｔ_０＝２０
Ｙ_８ｎ＝Ｙ_８ｎ−１＋（Ｔ_８０ｎ−Ｙ_８ｎ−１）・α_８
Ｔ_８０＝Ｔ_８−Ｔ_０
Ｔ_０＝２０
Ｙ_６ｎ＝Ｙ_６ｎ−１＋（Ｔ_６０ｎ−Ｙ_６ｎ−１）・α_６
Ｔ_６０＝Ｔ_６−Ｔ_０
Ｔ_０＝２０
ここで、
Ｘ_ｎ：ｎ回目の変位量
Ｙ_ｎ：ｎ回目の熱変位推定用温度
Ｔ_ｎ：ｎ回目の入力温度
α ：フィルタ係数（α_９＝3.2×10^-2、α₈＝3.2×10^-2、α_５＝8.3×10^-３）
Ｘｓ：スケール検出器のＸ座標（＝6000mm）
Ｋ：線膨張係数（Ｋ_９＝11×10^-6、Ｋ_８＝11×10^-6、Ｋ_５＝11×10^-6）
添字９：スケール
添字８：テーブル
添字５：ワーク
添字０：基準

そして、Ｓ１３において、両者の補正量をサーボ装置に転送する。サーボ装置では公知の２点間補正を用いて、ストローク両端での補正量を直線補完して刃先座標に合わせて補正を実施する。Ｓ１４において補正を続行する場合はＳ１１に戻り、続行しない場合は終了となる。

請求項１および２の手法を用いて、図９に示す各加工位置(a)〜(d)におけるＸ軸方向の熱変位を補正した結果を図８に示す。刃先位置、ワーク固定位置に関係なく、熱変位は抑制されていることがわかる。なお、ここでは、Ｘ軸方向について説明したが、Ｙ方向についてもベッド温度の代わりにクロスレール温度を用いることで、補正することができる。また、Ｚ軸方向についても、ベッド温度の代わりにコラム温度、テーブル温度の代わりに主軸温度を用いることで同様に補正することが可能である。

また、ワークの固定座標やワークの線膨張係数や基準温度（ワークの寸法精度を必要とする場所の温度）といったワーク情報は加工するワーク毎に設定する必要がある。そのため、図４に示すような設定画面を設け操作パネルより設定可能とすることでワーク情報の設定が容易となる。また、NCプログラムより設定可能とすることで、オートパレットチェンジャを設けた様な無人でワークを加工する場合にも、ワーク情報を設定することが可能となる。

本発明の実施に使用する装置の一例を示す図である刃先座標におけるスケールの変位量とテーブルの変位量の関係を示す図であるストロークPlus端座標におけるスケールの変位量とテーブルの変位量の関係を示す図であるストロークMinus端座標におけるスケールの変位量とテーブルの変位量の関係を示す図であるＮＣ工作機械の操作画面を示す図であって、ワークの固定座標、ワークの線膨張係数、基準温度を設定する画面を示す図である本発明の熱変位補正を行った一例のワーク、テーブル、ベッドの温度を示す図である本発明の一実施形態のフローチャートである本発明の他の実施形態のフローチャートである本発明による熱変位補正を実施した状態の熱変位量測定結果を示す図である従来の技術におけるワークの固定座標と刃先座標の関係を示す図である熱変位測定時の室温変化を示す図である従来の技術における熱変位量測定結果を示す図である

符号の説明

１・・・ベッド
２・・・スケール
３・・・スケール検出器
４・・・テーブル
５・・・ワーク
６・・・コラム
７・・・サドル
８・・・主軸
９・・・工具
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ・・・温度センサ
１１・・・温度測定装置
１２・・・補正量演算装置
１３・・・パラメータ記憶装置
１４・・・ＮＣ装置

Claims

工作機械の各構成要素の温度を測定して得られた計測温度と刃先位置の座標に基づき熱変位量を推定する方法において、刃先位置でのワークの熱変位量を送り軸を用いて補正する方法であって、
テーブル上のワークの固定位置の座標を予め設定し、
前記計測温度と前記刃先位置の座標と前記固定位置の座標に基づいて現在の刃先位置における前記固定位置の変位量を求め、
さらに前記固定位置の座標と前記刃先位置の座標との差を算出し、
前記計測温度と、前記固定位置の座標と刃先位置の座標との差と、に基づいて、前記固定位置から前記刃先位置までのワークの変位量を求め、
各変位量の和を推定値として、該推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
工作機械の各構成要素とワークの温度を測定して得られた計測温度と刃先位置の座標に基づき熱変位量を推定する方法において、刃先位置でのワークの熱変位量を推定する方法であって、
刃先ストロークのPlus端座標および刃先ストロークのMinus端座標とテーブル上のワークの固定位置の座標とを予め設定し、
前記計測温度と前記固定位置の座標と前記Plus端座標に基づいて前記Plus端における前記固定位置の変位量を求め、
前記計測温度と前記固定位置の座標と前記Minus端座標に基づいて前記Minus端における前記固定位置の変位量を求め、
さらに前記Plus端座標および前記Minus端座標より、前記固定位置の座標と前記Plus端座標および前記Minus端座標との差を各々算出し、
前記計測温度と、前記固定位置の座標と前記Plus端座標との差と、に基づいて、前記固定位置から前記Plus端までのワーク変位量を求め、
前記計測温度と、前記固定位置の座標と前記Minus端座標との差と、に基づいて、前記固定位置から前記Minus端までのワーク変位量を求め、
前記Plus端における固定位置の変位量と、前記固定位置からPlus端までのワーク変位量と、の和をPlus端の推定値とし、
前記Minus端における固定位置の変位量と、前記固定位置からMinus端までのワーク変位量と、の和をMinus端の推定値とし、
前記Plus端の推定値と前記Minus端の推定値とに基づきサーボ装置の２点間補正機能により熱変位を補正することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
前記固定位置での変位量は、前記刃先位置における、補正の対象となる送り軸の駆動系のスケールの変位量とテーブルの変位量との和であり、
前記スケールの変位量はスケール温度と基準温度との差に基づいて求めた熱変位推定用温度と、前記刃先位置の座標とスケール検出器位置の座標との差と、スケールの線膨張係数と、の積であり、
前記テーブルの変位量は、テーブル温度と基準温度との差に基づいて求めた熱変位推定用温度と、スケール検出器位置の座標と前記固定位置の座標との差と、テーブルの線膨張係数と、の積であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の熱変位補正方法。
前記固定位置から前記刃先位置までのワークの変位量は、ワーク温度と基準温度との差に基づいて求めた熱変位推定用温度と、前記固定位置の座標と前記刃先位置の座標との差と、ワークの線膨張係数と、の積であることを特徴とする請求項１又は３に記載の工作機械の熱変位補正方法。
前記ワークの固定位置での変位量は、前記Plus端および前記Minus端における、補正の対象となる送り軸の駆動系のスケールの変位量とテーブルの変位量との和であり、
前記スケールの変位量は、スケール温度と基準温度との差に基づいて求めた熱変位推定用温度と、各ストローク端座標とスケール検出器位置の座標との差と、スケールの線膨張係数と、の積であり、
前記テーブルの変位量は、テーブル温度と基準温度との差に基づいて求めた熱変位推定用温度と、スケール検出器位置の座標と前記固定位置の座標との差と、テーブルの線膨張係数と、の積であることを特徴とする請求項２に記載の工作機械の熱変位補正方法。
前記固定位置から前記Plus端までのワーク変位量は、ワーク温度と基準温度との差に基づいて求めた熱変位推定用温度と、前記固定位置の座標と前記Plus端座標との差と、ワークの線膨張係数と、の積であり、
前記固定位置から前記Minus端までのワーク変位量は、ワーク温度と基準温度との差に基づいて求めた熱変位推定用温度と、前記固定位置の座標と前記Minus端座標との差と、ワークの線膨張係数と、の積であることを特徴とする請求項２又は５に記載の工作機械の熱変位補正方法。
前記基準温度はワークの精度を必要とする温度であることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の工作機械の熱変位補正方法。