JP2008146411A

JP2008146411A - 工作機械の熱変位時定数安定化システム

Info

Publication number: JP2008146411A
Application number: JP2006333760A
Authority: JP
Inventors: Harumitsu Senda; 治光千田
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】回転速度による熱変位時定数の変化を無くし、簡単な演算処理で熱変位補正を実現する。
【解決手段】工具６をエアブローするエア流量調整装置１５及びエアノズル７と、ＮＣ装置１４から入手した主軸回転数情報を基にエアノズル７のエア吹き出し量を制御するエアブロー制御装置１６とを設けた。熱変位推定演算器１３は、予め実験あるいは数値解析により得た主軸の熱変位時定数、及び温度時定数を主軸回転数に依存しない定数として記憶し、これら定数を使用した所定演算により熱変位を推定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械における主軸の熱変位を推定して補正する際に必要な熱変位時定数を安定化させる技術に関する。

工作機械は、機械の特性上各部に熱源（例えば主軸の転がり軸受）を持っており、この熱源によって発生した熱が機械各部に伝わることで、機体に熱変位が発生する。しかし、機体の熱変位は加工精度に大きく影響するため、その防止対策として機体温度情報から熱変位を推定して補正する方法が採用されている。

このような熱変位補正方法において、本出願人は温度時定数および熱変位時定数の誤差を補正して、定常状態から過渡状態にわたる全ての運転状況において、簡易な演算処理によって熱変位を正確に推定できる方法を特許文献１にて提案した。これは、主軸回転数Ｎの熱変位時定数Ｔ（Ｎ）（単位［分］）の回転数Ｎ（ｍｉｎ^−１）に対する変化を、予め実験あるいは数値解析により求め、各特性係数Ａ〜Ｃを調整して式１にあてはめることで表現し、熱変位時定数の回転数依存性を数式化することで可能としていた。
Ｔ（Ｎ）＝Ａ・ｅ^−Ｎ/Ｃ＋Ｂ・・・式１
Ａ：第１特性係数Ｂ：第２特性係数Ｃ：第３特性係数

各特性係数の求め方は、例えば主軸回転速度に対する熱変位時定数の変化を求める場合、図４（ａ）に示すような矩形波的な回転速度を主軸に与え、主軸とテーブル間の相対間変位を測定する（図４（ｂ）に示す）。そして、この結果を基に回転速度が変化してから飽和するまでを抜き出し、変化曲線を変化量で除して変化割合にすると共に，定常状態での値がゼロになるように調整する。この処理をした結果を図５に示している。
更に、回転速度に依存する熱変位特性を考慮するため、図５の結果に一次遅れ系の応答式にあてはめて各回転速度での時定数を求め（回転速度と時定数の関係は図６に示すようになる。）、この結果を式１にあてはめることで、Ａ：第１特性係数Ｂ：第２特性係数Ｃ：第３特性係数を得ていた。

特許第３４１３０６８号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術は、精度の良い熱変位の推定が可能であったが、上述するように回転数により変化する係数を精度良く求める必要があり、多くの手間を要していた。また、係数はデータ取得した工具と同一の工具に対しては精度の良い補正を実施できるが、異なる工具の場合に誤差が発生する問題があった。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、回転速度による熱変位時定数の変化を無くして簡単な演算処理で熱変位補正を実施できる工作機械の熱変位時定数安定化システムを提供することを目的としたものである。

上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明は、工作機械の主軸温度を測定する第１温度測定手段と、コラム或いはベッド等の温度変化の小さい部位の温度を測定する第２温度測定手段と、双方の測定温度から主軸の熱変位を推定する熱変位推定演算手段とを有し、推定した熱変位量を加算してＮＣ制御を行うＮＣ装置を備えた工作機械の熱変位時定数安定化システムであって、工作機械の主軸或いは工具の少なくとも一方を加工動作中にエアブローするエアブロー装置と、エアブローの流量を制御するエアブロー制御装置とを備え、前記エアブロー制御装置は、前記ＮＣ装置から入手した主軸回転数情報を基にエアブロー装置のエア吹き出し量を制御することを特徴とする。
この構成により、主軸或いは工具をエアブローしながら加工するので、主軸の温度変化を小さくできる。そして、主軸回転数情報を基に吹き出し量を制御することで、回転速度により変動する熱変位時定数の変化を小さく或いは無くして簡単な演算処理で熱変位補正を行うことが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、熱変位推定演算手段は、予め実験あるいは数値解析により得た主軸の熱変位時定数、及び温度時定数を主軸回転数に依存しない定数として記憶し、前記定数を使用した所定演算により熱変位を推定することを特徴とする。
この構成により、熱変位時定数を一定として熱変位を推定することで、簡易な演算で熱変位を推定できる。よって、熱変位時定数の回転数依存特性を予め求めておく必要がないし、制御回路も簡易な構成で済む。

本発明によれば、主軸或いは工具をエアブローしながら加工するので、主軸の温度変化を小さくできる。そして、主軸回転数情報を基に吹き出し量を制御することで、回転速度により変動する熱変位時定数の変化を小さく或いは無くすことで、簡単な演算処理で熱変位補正を行うことが可能となる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る工作機械の熱変位時定数安定化システムの一例を示す説明図であり、立型マシニングセンタに適用した構成を示している。図１において、１は主軸ヘッド、２は主軸、３はコラム、４はベッド、５は移動テーブル、６は工具、７は工具６へエアを吹き付けるエアノズルである。

そして、１０は主軸２に取り付けられて軸受温度を測定する第１温度センサ、１１は基準温度を測定するためにコラム３に取り付けられた第２温度センサ、１２は温度差を演算する温度測定装置、１３は熱変位量を演算する熱変位推定演算器、１４は主軸ヘッド等を制御して加工を制御するＮＣ装置、１５はエアノズル７から噴き出すエア流量を調整するエア流量調整装置、１６はエア流量調整装置１５を制御するエアブロー制御装置である。

温度測定装置１２は、第１温度センサ１０及び第２温度センサ１１が測定したアナログ信号の温度情報をデジタル信号に変換して測定温度として数値化し、第１温度センサ１０の測定温度から第２温度センサ１１の測定温度を減算して温度上昇値を得る。そして、熱変位推定演算器１３は、測定して得た温度変化データ等の値を所定の演算式にあてはめて熱変位の補正量を推定する。ＮＣ装置１４は、その補正量に従って周知の方法で位置補正を行う。
一方、エアブロー制御装置１６は、ＮＣ装置１４からの回転速度情報をもとに、エアーの流量を制御するエア流量調整装置１５に回転速度に応じた流量を指令し、エアノズル７から工具６に向かってエアーを噴射させる。

この場合、熱変位推定対象を主軸とした工作機械の主軸熱変位推定方法は以下のように行われる。熱変位時定数の変化は、回転速度により工具と周辺との間の熱伝達率が変化することで発生することが知られている。そこで、熱伝達率の回転速度に対する依存性を排除するため、図１に示すように工具６に対してエアブローを行いながら、工具６と移動テーブル５間の相対変位を上記図４（ａ）で示した条件で運転する。
その結果、回転速度変化後からの変位の変化割合は図２に示すようになる。この結果から、２５０００ｍｉｎ^−１から各回転速度の変化に対して、経時変化が一様となり時定数の差が無くなっていることが分かる。

尚、図６の熱変位時定数と回転速度の関係図から、テストした主軸の場合、熱変位時定数が変化するのは７５００ｍｉｎ^−１以下である。そのため、主軸回転速度が７５００ｍｉｎ^−１以下の場合に、工具６へエアブローすることで効果的に熱変位時定数を一様にすることができる。その後、熱変位を推定する場合には、熱変位時定数を回転速度に対して依存させることなく一定として、公知の方法により算出すればよい。

図３は、図１の工作機械の熱変位補正の流れをフローチャートで示している。順に説明すると、まず温度測定値を取得し（Ｓ１）、温度上昇演算を含む熱変位補正を実行する（Ｓ２）。この実行中に再び回転速度が予め設定した主軸回転速度Ｎｂより低くなると（Ｓ３）、エアブロー制御装置１６にて工具６にエアーブローが開始される（Ｓ４）。
次に、回転速度に関係なく熱変位時定数を一定として公知の方法により、実験により求めた熱変位時定数と温度時定数を用いて熱変位量が演算される（Ｓ５）。尚、このとき使用される熱変位時定数は回転速度に依存しない定数となり、この場合、より簡易な演算により熱変位推定演算が成される。

具体的には、主軸の回転速度が変化した後の過渡状態において、温度及び熱変位の時間応答は主軸回転速度に対する一次遅れ系で表現でき、一次遅れ系の応答処理には、例えばデジタルで一次遅れ応答を表現した次式（式２）が使用でき、入力Ｘ_ｎを与えれば出力Ｙ_ｎを容易に求めることができる。
Ｙ_ｎ＝Ｙ_ｎ−１＋（Ｘ_ｎ−Ｙ_ｎ−１）・α ・・・式２
Ｘ_ｎ：ｎ回目の入力
Ｙ_ｎ：ｎ回目の一次遅れ応答出力
α：応答特性係数

ところで、式２を変形して応答特性係数αを温度応答特性係数αＴとすることで、次式３が得られ、この式３により測定が容易な温度変化ＴＹ_ｎから、入力である発熱量の変化ＴＸ_ｎを求めることが可能になる。
Ｘ_ｎ＝ＴＹ_ｎ−１＋（ＴＹ_ｎ−ＴＹ_ｎ−１）／αＴ・・・式３
具体的には、式３のＴＹ_ｎに測定温度を適用し、ＴＹ_ｎ−１に前回の測定温度を適用することで、発熱量の変化に相当するＸ_ｎを得ることができる。ここで、温度応答特性係数αＴは、予め実験又は数値解析により求めた温度時定数ＴＴ、及び温度測定間隔Δｔから温度変化に対応するものとして式４より求められる。
αＴ＝Δｔ／（Δｔ＋ＴＴ）・・・式４
また、応答特性係数αは、熱変位時定数ＴＤとすると式５で求めることができる。
α＝Δｔ／（Δｔ＋ＴＤ）・・・式５
そして、式２より得られたＹ_ｎに対して、熱変位変換係数である定数を掛けることで熱変位推定演算ができ、この演算値に相当する補正量がＮＣ装置１４に出力され、ＮＣ装置１４で熱変位補正処理が行われ（Ｓ６）、適宜補正処理が続行される（Ｓ７）。

このように、工具をエアブローしながら加工するので、主軸の温度変化を小さくできる。そして、主軸回転数情報を基に吹き出し量を制御することで、回転速度により変動する熱変位時定数の変化を小さく或いは無くして簡単な演算処理で熱変位補正を行うことが可能となる。
また、熱変位時定数を一定として熱変位を推定するこで、簡易な演算で熱変位を推定でき、熱変位時定数の回転数依存特性を予め求めておく必要がないし、制御回路も簡易な構成で済む。

尚、上記実施形態では、立形マシニングセンタの場合を説明したが、本発明の熱変位時定数安定化システムは例えば横形マシニングセンタであっても容易に適用できるし、他の工作機械に対して容易に適用することができる。
また、工具６に対してエアブローを実施しているが、工具６及び主軸２の先端の双方、或いは主軸２の先端部のみにエアブローを行っても、主軸２の発熱を抑制でき上記と同様の制御を実施することが可能である。

本発明に係る工作機械の熱変位時定数安定化システムの一例を示す説明図であり、立形マシニングセンタに適用した構成を示している。図１の工具へのエアブローを実施した場合の主軸の回転が変化してからの変位の変化割合を示す特性図である。熱変位補正を実施するフローチャートである。（ａ）は熱変位時定数の変化を求める際の主軸の回転速度の変化を示す特性図、（ｂ）はその結果生じた主軸熱変位の変化を示す特性図である。主軸の回転が変化してからの変位の変化割合を示す特性図である。主軸の熱変位時定数と回転速度の関係を示す特性図である。

符号の説明

１・・主軸ヘッド、２・・主軸、３・・コラム、４・・ベッド、５・・移動テーブル、６・・工具、７・・エアノズル（エアブロー装置）、１０・・第１温度センサ、１１・・第２温度センサ、１２・・温度測定装置、１３・・熱変位推定演算器、１４・・ＮＣ装置、１５・・エア流量調整装置（エアブロー装置）、１６・・エアブロー制御装置。

Claims

工作機械の主軸温度を測定する第１温度測定手段と、コラム或いはベッド等の温度変化の小さい部位の温度を測定する第２温度測定手段と、双方の測定温度から主軸の熱変位を推定する熱変位推定演算手段とを有し、推定した熱変位量を加算してＮＣ制御を行うＮＣ装置を備えた工作機械の熱変位時定数安定化システムであって、
工作機械の主軸或いは工具の少なくとも一方を加工動作中にエアブローするエアブロー装置と、エアブローの流量を制御するエアブロー制御装置とを備え、前記エアブロー制御装置は、前記ＮＣ装置から入手した主軸回転数情報を基にエアブロー装置のエア吹き出し量を制御することを特徴とする工作機械の熱変位時定数安定化システム。
熱変位推定演算手段は、予め実験あるいは数値解析により得た主軸の熱変位時定数、及び温度時定数を主軸回転数に依存しない定数として記憶し、前記定数を使用した所定演算により熱変位を推定する請求項１記載の工作機械の熱変位時定数安定化システム。