JP2006281420A - Ｎｃ工作機械の熱変位補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 工作機械の構造物の温度分布を考慮し、また機械の位置情報、工具の刃先位置又はワーク位置情報に基づいて熱変位量を推定する熱変位補正方法を提供する。
【解決手段】 コラムの複数箇所の温度を測定することにより各軸方向に関するコラムの温度分布関数を算出し、その温度分布関数とサドル位置および工具の刃先位置より、サドルの現在位置におけるコラムの熱変位量と、サドルから刃先位置までの変位量をそれぞれ算出し、両者の和を熱変位推定値として、その熱変位推定値に基づき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、構造物の熱変形により生じる熱変位を工具の刃先又はワークの位置に応じて補正する方法に関する。

図９に従来の門形マシニングセンタを示す。図９において門形マシニングセンタ１は、テーブル２を前後方向（Ｘ軸方向）に移動可能に保持したベッド３の左右（Ｙ軸方向）に構造物であるコラム４が立設され、コラム４の前面（紙面左側）に形成されたガイド６上を上下方向（Ｚ軸方向）に移動位置決め可能にクロスレール５が載架されており、クロスレールには左右（Ｙ軸方向）に移動可能に移動体であるサドル７が設けられている。サドル７には主軸８が上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。

このような門形マシニングセンタにおいては、環境室温が変化した場合、コラムの温度が不均一に変化する。このとき、図１０に示すように、コラムには室温変化前の破線の状態に対し室温変化後は実線で示されるように、反りや倒れを伴う熱変形が生じ、これに伴いサドルの位置が変化してしまうことで工具の位置も変化し、加工精度を低下させていた。

この対策として従来は、断熱材をコラム表面もしくは内面の全域にわたって貼付け室温変化によるコラムの温度変化を抑制したり（特許文献１）、温度コントロールされた冷却液をコラム内部空間に充填させたりコラム表面に這わせたパイプに流すことでコラム温度をコントロールしたり（特許文献２）して、熱変形そのものを抑えようとしていた。

あるいは、コラムの温度を測定しその温度情報からある特定位置における変形量を推定演算し、演算により得られた推定値を補正量として送り軸に補正をかけることにより熱変形により生じる誤差を抑えようとしていた（特許文献３、特許文献４）。

実開平１−９７８４０号 特開２００１−５４８３９号 特開平９−１０８９９２号 特公平６−６１６７４号

しかしながら、上記特許文献１や特許文献２のように熱変形そのものを抑制しようとする手法は、門形マシニングセンタなどの大型工作機械では、設備が大がかりになり高価となる上、特に特許文献２のように冷却液を用いてコラム温度をコントロールする方法では、大量の冷却液を加熱冷却する装置が必要であり、ランニングコストが高くなるという課題があった。

また、門形マシニングセンタなどの大型の機械では、コラムのある高さ位置の温度が同じであってもコラムの高さ方向の温度分布は異なる。したがって、特許文献３や特許文献４のようにある特定箇所の温度を利用した補正演算方法では、門形マシニングセンタなどの大型工作機械でのコラムは非常に大きな構造物となり周囲の環境によりコラムの温度分布は変化するので、周囲の環境がかわるとコラムの温度分布も変わってしまい、コラム全体の温度分布を把握することはできないという課題があった。

また、工具の刃先位置がＺ軸方向に異なる場合、Ｘ軸方向の熱変位量も変化する。図１１（ａ）（ｂ）は同一のマシニングセンタに大きく高さの異なるワークＷを載置した状態を示すもので、ワークの高さに伴い、クロスレール、サドルも位置を変化させていることがわかる。ここで、図１１（ａ）のワークＷのワーク高さを１００ｍｍ、図１１（ｂ）のワークＷのワーク高さを７００ｍｍとし、図１２に示す室温変化時の熱変位量の変化を図１３に示す。図１３から明らかなように工具の刃先位置のＺ座標の相違によりＸ軸方向の熱変位量も大きく異なる。したがって、特定位置での変形量を算出する特許文献３や特許文献４の手法では、機械の位置、周囲の環境に合わせてその都度補正パラメータを変更し対応する必要があるという課題があった。

本発明は従来の技術の有する上述の課題に鑑みなされたもので、その目的とするところは、構造物の温度分布を考慮し、また機械の位置情報、工具の刃先位置又はワーク位置情報に基づいて熱変位量を推定する熱変位補正方法を提供することにある。

上述の課題を解決するために本発明の熱変位補正方法は、工作機械の構造物の熱変形によって生じる熱変位を補正する熱変位補正方法において、構造物上を移動する移動体の移動方向である第１の方向と、該第１の方向に直交する第２の方向と、を含む面内において前記構造物の複数箇所の温度を測定することにより、前記構造物の前記第１の方向における温度分布関数を算出し、算出した前記温度分布関数と前記構造物上を移動する前記移動体の移動位置と、移動体から移動体に取り付けられた工具の刃先位置（移動体にワークが取り付けられる場合はワーク位置）までの距離より、前記移動体の移動位置における前記構造物の第１又は第２の方向の熱変位量と、前記移動体に取り付けた工具の刃先の第１又は第２の方向の変位量と、をそれぞれ算出し、前記移動体の移動位置における前記構造物の第１又は第２の方向の熱変位量と、前記移動体に取り付けた工具の刃先の第１又は第２の方向の変位量と、の和を熱変位推定値として、その熱変位推定値に基づきNC装置により熱変位を補正することを特徴とする（請求項１）。

移動体に取り付けた工具の刃先又はワークの第１又は第２の方向の変位量は、温度分布関数と移動体の移動位置より、移動体の移動位置での移動体の傾きを求め、その傾きと移動体から移動体に取り付けられた工具の刃先又はワークまでの距離より算出することができる（請求項２）。

また、構造物の温度分布関数は構造物に設置された複数の温度センサにより温度を測定し、その測定温度と配置された温度センサの位置より求めることができる他（請求項３）、熱画像装置によって構造物各部の温度を測定して求めるようにしても良い（請求項４）。

前記第１の方向の温度分布関数の算出は所定の一定間隔で求め、熱変位推定値の算出は前記温度分布関数の算出間隔より短い間隔で逐次算出するのが好ましい（請求項５）。

本発明の請求項１又は２の熱変位補正方法によれば、温度情報から熱変位補正する方法において、構造物の温度分布を考慮し、また機械の位置情報、工具の刃先位置情報に基づいて熱変位量を推定することにより、環境、機械の位置にあわせて補正パラメータを変更する事なく正確に熱変位を補正することができる。

本発明の請求項３の熱変位補正方法によれば、温度センサを設置していない位置での構造物の温度を求めることができ、本発明の請求項４の熱変位補正方法によれば、構造物に温度センサを設ける必要がないので、配線などが不要となり、既設の工作機械に容易に本発明を適用することができる。

また、本発明の請求項５の熱変位補正方法によれば、構造物の温度変化は緩やかなため温度分布関数はある一定間隔で求め、熱変位推定値は移動体位置及び工具刃先の位置に従って、温度分布関数の算出間隔より短い間隔で逐次算出することで、演算負荷を軽くすることが出来る。

本発明の実施方法を門形マシニングセンタを例に詳しく説明をする。図５は図９に示した従来の門形マシニングセンタ１のコラムの６個所に温度センサ１０を取り付けた状態を示す。

上述のように、室温変化などによりコラム４は、コラムの前側と後側の熱容量が違うため、コラムの前後で温度差が生じる。図１２に示された室温変化時に、図５に示すコラムの６ヵ所の測定位置での温度を図６に示す。床付近は室温が低いためコラムも下へ行くほど温度が低くなる。さらに、図６（ａ）（ｂ）での温度を見るとコラムのT2aの温度は同じであってもコラムのＴ１ａ、Ｔ３ａの温度は異なっており、代表温度を使用した熱変位補正方法ではコラムの熱変形を正確に把握することは難しいことがわかる。

コラムの前後で温度差が生じた結果、図７の破線から実線の状態にコラムの倒れがおこる。このコラム４の倒れによりＸ軸方向の刃先の熱変位が生じる。そこで以下の様にＸ軸方向変位を補正する。

まずコラム４の温度分布を把握するため、図５に示されるように温度センサ１０を所定の高さｈ１、ｈ２、ｈ３の高さにコラム４の前後それぞれ１個所ずつ計６個所（Ｔ３ａ、Ｔ３ｂ、Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ、Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）に取付けコラムの温度を計測する

この温度センサ１０から得られた温度データ（図６参照）より、コラムの温度分布関数T（ｈ）を作成する。例えば、最小２乗法により、コラム高さ位置hについての２次式の関数で温度分布関数T（ｈ）を作成すると式（１）のようになる。

ただし、

ｈｉ：温度測定位置の高さ（図５参照）

ここで、コラムの倒れといった熱変形はコラムの前後温度差に起因するため、式（２）のＴｉはコラムの前後での温度差を求める。
Ｔ_ｉ＝Ｔ_ｉｂ−Ｔ_ｉａ
ただし、ｉ＝１〜３

ＮＣ装置よりサドル位置を検出し、図７で示す床からのサドル高さＨを算出し、続いて、温度分布関数Ｔ（ｈ）、コラムの幅Ｌ、サドル高さＨ、コラムの熱膨張係数αから、式（３）、式（４）を用いて図７に示すコラム傾き角θ、コラム倒れ量Ｘｂをそれぞれ算出する。

ＮＣ装置内の情報から図８に示す工具の刃先高さＨｗを検出し、サドル高さＨと刃先高さＨｗとより、サドルから刃先までの距離Ｌａ（図８参照）を式（５）を用いて算出する。

コラム傾き角θ、主軸頭から刃先までの距離Ｌａより、コラムの熱変形によるＸ方向のサドル位置と刃先位置間の変位量Ｘａを式（６）を用いて算出する。

サドル位置と刃先位置間の変位量Ｘａ、コラム倒れ量Ｘｂより、コラムの熱変形によるＸ方向の刃先位置での熱変位推定値を式（７）を用いて算出する。

上記で求めた熱変位推定値に基づき、コラムの熱変形によって引き起こされる刃先位置での熱変位をＮＣ装置により補正をする。

なお、上記でのコラム傾き角θの代わりにコラムの傾きを勾配で算出することも可能である。その場合、コラム傾き勾配Δ、コラム倒れ量Ｘは式（８）、式（９）で表される。

また、上記と同様に、ＮＣ装置内の情報から図８に示す加工高さＨｗを検出し、サドル高さＨと加工高さＨｗとより、サドルから刃先までの距離Ｌａ（図８参照）を式（５）を用いて算出する。

コラム傾き勾配Δ、主軸頭から刃先までの距離Ｌａより、コラムの熱変形によるＸ方向のサドル位置と刃先位置間の変位量Ｘａを式（１０）を用いて算出する。

サドル位置と刃先位置間の変位量Ｘａ、倒れ量Ｘｂより、コラムの熱変形によるＸ方向の刃先位置での熱変位推定値を式（７）を用いて算出することができる。

以下、本発明を門形マシニングセンタのＸ軸方向の熱変位補正に適用した一実施形態を説明する。図１は本発明を実施する装置の一例であって、１は図１に示す公知の門形マシニングセンタである。門形マシニングセンタにおいて構造物であるコラムの前面（紙面左側）に図示しないガイド上を上下方向（Ｚ軸方向）に移動位置決め可能にクロスレール５が載架されており、クロスレールには左右（Ｙ軸方向）に移動可能に移動体であるサドル７が設けられている。この場合、図のＸ−Ｚ平面においてはサドルのクロスレール上の移動は無視することができるので、サドル７は構造物であるコラム４を移動する移動体であるとみなすことができる。

コラムには複数の温度センサ１０が設けられている。ここではＸ−Ｚ平面に沿って設置され、コラムに対するサドルの移動方向であるＺ軸方向と、これに直交するＸ軸方向とに間隔をおいて配置されている。１１は温度センサの出力を数値化する温度測定装置、１２は温度測定装置１１から出力された数値と、温度測定位置情報を基に温度分布関数を算出する温度分布関数温度分布演算装置、１３は温度分布関数とサドル位置と刃先位置とを基に刃先の熱変位推定値を算出する熱変位演算装置、１４は公知のＮＣ装置である。

続いて、本発明の作用を図２のフローチャートに従って説明する。Ｓ１において、工作機械各部の温度が測定される。各温度センサ１０の出力は、ある一定間隔で温度測定装置１１にて公知の方法でアナログ信号からデジタル信号に変換されて温度数値となる。

次にＳ２において、温度分布演算装置１２にて、図６のコラムの各測定温度と温度測定位置情報をもとに温度分布関数を式（１）より算出する。例えば、時間aでの温度分布関数は、
Ｔ_１ａ＝１９．４℃ ｈ_１＝４００ｍｍ
Ｔ_２ａ＝２２．０℃ ｈ_２＝１５００ｍｍ
Ｔ_３ａ＝２３．１℃ ｈ_３＝２８００ｍｍ
Ｔ_１ｂ＝１９．６℃ Ｌ＝５００ｍｍ
Ｔ_２ｂ＝２２．５℃
Ｔ_３ｂ＝２２．５℃
のとき、式（１ａ）となる。

となり、式（８）、式（９）より傾き勾配Δは式（８ａ）、倒れ量Ｘｂは式（９ａ）となる。

続いてＳ３においてＮＣ装置１４からのサドル高さＨ、刃先高さＨｗを検出し、Ｓ４において熱変位演算装置１３にて式（８ａ）、式（９ａ）より傾き勾配Δ、倒れ量Ｘを算出する。また、式（５）よりＬａを求め式（６）、式（７）から熱変位推定値を算出し、Ｓ５において、ＮＣ装置１４にて熱変位推定値を基に軸移動による熱変位補正を行う。

Ｓ６において、温度計測間隔まではサドル高さ、刃先高さに従って式（３ａ）、式（４ａ）より補正量を算出する。Ｓ６において温度計測間隔に達している場合はＳ７で補正を続行するかが確認され、続行する場合はＳ１に戻って工作機械各部の温度測定から繰り返され、続行しない場合は終了となる。

以上の方法によって求めた熱変位推定値を用いて、図１３の寸法誤差をキャンセルした結果を図３に示す。この結果から明らかなように、工具の刃先位置に関係なく補正によって熱変位を抑制する事が可能である。

また、上記ではコラムの倒れによるＸ軸方向の熱変位の補正をおこなったが、同様にコラムの倒れによるＹ軸、Ｚ軸の熱変位の補正にも適用ができる。例えば、図４ａのようなコラムの倒れ（図中の弧状の矢印）によるＺ軸方向の熱変位ΔＺもコラムの倒れによるコラムの傾き角度を上記手法により算出することで補正が可能であり、また図４ｂのようなコラムのＹ軸方向への倒れ（図中の弧状の矢印）によるＹ軸方向の熱変位ΔＹもコラムのＹ軸方向の温度分布より上記手法にて補正が可能である。尚、図４ｂにおいて、サドル７がＹ軸方向に移動する場合には、クロスレールに対するサドルの位置を考慮して計算するか、或いはコラムを構造物、クロスレールを移動体とし、次にクロスレールを構造物、サドルを移動体として２段階に考えることによりコラムをサドルの熱変位量を求めることができる。

また、温度の測定手法は、上述のようにコラムに設置された複数の温度センサにより温度を測定する方法の他、熱画像装置によってコラム各部の温度を測定して求めるようにしても良い。

また、上記の実施形態では、門形マシニングセンタを例に説明しているが、他の立形あるいは横形のマシニングセンタの他、立形旋盤や放電加工機など他の工作機械にも適用可能であり、旋盤等の場合には、実施形態の工具に代えてワークが取り付けられることとなる。

本発明の一実施形態を示す構成図である 本発明でのフローチャートである 図１３の熱変位結果に、本発明を用いて門形マシニングセンタの熱変位補正を行った補正結果を示す コラムの熱変形によるＹ軸、Ｚ軸方向への熱変位の一例を示した図である 門形マシニングセンタのコラムの温度測定箇所の測定位置を示す 図１２の室温変化時における図５のコラム各位置の計測温度を示す 門形マシニングセンタのコラムの熱変形によるＸ軸方向変位への変形要素をあらわしたものである サドル高さＨ、ワーク高さＨｗ、サドルから刃先までの距離Ｌａの位置関係を示したものである 門形マシニングセンタの斜視図である。 門形マシニングセンタのコラムの熱変形を簡単に表した図である 高さ１００ｍｍ、７００ｍｍのワークを載置したマシニングセンタを示す図である 熱変位量を計測した時の室温変化を示した図である 図１２の室温変化時の図１２のマシニングセンタのワーク高さ１００ｍｍ、７００ｍｍにおける熱変位量を示した図である

符号の説明

１・・・門形マシニングセンタ
２・・・テーブル
３・・・ベッド
４・・・コラム
５・・・クロスレール
６・・・ガイド
７・・・サドル
８・・・主軸
９・・・工具
１０・・・温度センサ
１１・・・温度測定装置
１２・・・温度分布演算装置
１３・・・補正量演算装置
１４・・・ＮＣ装置
Ｗ・・・ワーク

Claims (5)

1. 工作機械の構造物の熱変形によって生じる熱変位を補正する熱変位補正方法において、
   構造物上を移動する移動体の移動方向である第１の方向と、該第１の方向に直交する第２の方向と、を含む面内において前記構造物の複数箇所の温度を測定することにより、前記構造物の前記第１の方向における温度分布関数を算出し、
   算出した前記温度分布関数と前記構造物上を移動する前記移動体の移動位置と、移動体から移動体に取り付けられた工具の刃先又はワークまでの距離より、前記移動体の移動位置における前記構造物の第１又は第２の方向の熱変位量と、前記移動体に取り付けた工具の刃先又はワークの第１又は第２の方向の変位量と、をそれぞれ算出し、
   前記移動体の移動位置における前記構造物の第１又は第２の方向の熱変位量と、前記移動体に取り付けた工具の刃先又はワークの第１又は第２の方向の変位量と、の和を熱変位推定値として、その熱変位推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正することを特徴とするＮＣ工作機械の熱変位補正方法。
2. 前記移動体に取り付けた工具の刃先又はワークの第１又は第２の方向の変位量は、
   前記温度分布関数と前記移動体の移動位置より、前記移動体の移動位置での前記移動体の傾きを求め、
   その傾きと前記移動体から移動体に取り付けられた工具の刃先又はワークまでの距離より算出することを特徴とする請求項１に記載のＮＣ工作機械の熱変位補正方法。
3. 前記構造物の前記第１の方向の温度分布関数は、前記構造物に設置された複数の温度センサにより温度を測定し、その測定温度と配置された温度センサの設置位置より求めることを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＣ工作機械の熱変位補正方法。
4. 前記構造物の前記第１の方向の温度分布関数は、熱画像装置によって前記構造物各部の温度を測定して求めることを特徴とする請求項１又は２に記載のＮＣ工作機械の熱変位補正方法。
5. 前記第１の方向の温度分布関数の算出は所定の一定間隔で求め、
   熱変位推定値の算出は前記温度分布関数の算出間隔より短い間隔で逐次算出することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のＮＣ工作機械の熱変位補正方法。
   

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