JP2010099761A - 数値制御式工作機械の熱変位補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金型等において滑らかな曲面加工が要求される場合に好適な数値制御式工作機械の熱変位補正方法を提供する。
【解決手段】 数値制御装置ＮＣ内でのサンプリング周期ごとに算出されるＺ軸方向の目標位置Ｚｐｓｎの算出部１０から与えられるこの目標位置は、加算部ＡＤにて本発明の方法で算出された熱変位補正量Ｃｎと加算されサーボ制御部１２へ与えられ、サーボアンプ１４を介してＺ軸駆動用モータ１６を駆動する。温度センサＳ１、Ｓ２からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換してデジィタル量Ｔｎに変換する温度検知部２４が設けられている。さらにＺ軸方向の熱変位補正量の目標値Ｐの計算部２２が設けられ、熱変位補正フィルタ部２０に与えられる。この出力Ｃｎは、Ｃｎ＝Ｐ＋（Ｃｎ−１−Ｐ）・ＥＸＰ（−ｔ／Ｔ）
である。
【選択図】 図１

Description

本発明は数値制御式工作機械（以下ＮＣ工作機械と称する）における熱変位補正方法に関する。

一般的に工作機械でワークを加工する場合、工具を回転させて切削を行う主軸と称される部位において、主軸用駆動モータや、主軸用モータから主軸へ回転を伝える部分のギア部、主軸の回転を支える回転ベアリング部等が発熱し、これらが熱源となって工具の刃先が膨張あるいは収縮等の位置変位を起こす。

図４に示すような数値制御装置付き横型中ぐり盤ＭＴを例にあげると、従来は、例えばコラムＣＬ上にＹ軸方向に移動可能な主軸頭ＨＤが設けられ、同主軸頭ＨＤに取付けられた主軸ＳＰの先端部近傍とコラムＣＬやサドルＳＤを搭載するベッドＢＤの端部へ夫々温度センサＳ１、Ｓ２を取付け、それらの測定温度を数値制御装置ＮＣへ取込み、数値制御装置内で予めパラメータ設定部ＰＡに設定してあったパラメータと熱変位補正量計算式により補正量を計算し、その結果算出した補正量を熱変位の影響を一番受けるZ軸の位置指令へ加味する方式をとっていた。本来は主軸駆動モータＲＤから工具ＴＬの刃先までの熱源全ての温度を計測できれば理想であるが、それは困難なので工具ＴＬの刃先に近い主軸端部に温度センサＳ２を取付けている。

ここで、パラメータとしては、以下のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｔ１、Ｔ０が設けられている。
Ａ：温度が１００℃変化した場合のＺ軸の変位量(補正量)（単位:ｍｍ）
Ｂ：温度センサＳ１、Ｓ２の間で温度差がゼロの場合の変位量(補正量)（単位:ｍｍ）、初期オフセット量と定義する。
Ｔ１：主軸先端部近傍温度(単位：０．１℃)
Ｔ０：ベッド端部温度(単位：０．１℃)
を用いて次式で熱変位補正量Ｃを計算していた。
Ｃ＝Ａ・(Ｔ１−Ｔ０)/１００＋Ｂ …式１

しかし、上式はあくまで予想に基づいた計算であり、実際の変位を算出できるものではなかった。その理由として、
（１）発熱源と温度を測定する場所が異なることにより発熱源の温度を正確に測定できないこと、
（２）発熱源からワークＷＫを加工する工具ＴＬの刃先までの間に、材質の異なる(熱特性の異なる)複数の部材があり、しかもその中には発熱源となる部材もあり、総合的に熱の伝わり方が完全に把握できてなく、従って数式化(モデル化)ができていないこと、
を挙げることができる。
また、図３の指数曲線Ｆ１に示すように、上記の補正量Ｃを全量サーボ系に直接与えないで、指数関数特性の位相遅れフィルタ、すなわち、（１−ＥＸＰ（−ｔ／Ｔ））を介して、複数のサンプリング区間で分配することも行われていた。

また、測定した温度の変化が上昇傾向の場合と下降傾向の場合とで、熱変位の仕方が異なることが知られている。その原因としては、
（３）発熱源からワークＷＫを加工する工具ＴＬの刃先までが離れているために、工具ＴＬの刃先まで発熱源の温度変化が影響するまでに時間的な遅れが生ずること、
（４）上記（２）で述べたように、発熱源からワークを加工する工具刃先までの間に、材質の異なる(熱特性の異なる)複数の部材が存在するために、熱の伝わり方が一様ではないこと、さらに、それぞれの発熱部位での温度上昇と放熱時の温度降下は、それらの部位の材質とともに周囲の部材との空間的な配置、接触関係が影響すること、
を挙げることができる。

上記（１）から（４）の理由により、従来の熱変位補正の方法では完全に熱の影響を除去できていなかった。

一方、特許文献１には、工具刃先を冷却するための切削水や機械構成要素の温度変化の状況が上昇傾向にある場合と下降傾向にある場含とで熱変位補正係数を変更する技術が開示されている。しかし、特許文献１の図７に示されるように、この先行技術によっても熱変化に対する補正は完全でない。
元々、入力値に対して位相遅れフィルタをかける理由として、以下の（５）、（６）が考えられる。すなわち、
（５）温度センサからの入力回路の分解能が０．１℃単位のように粗いので入力温度がディジタル的(階段状)に粗く入力するため、それを基にして熱変位補正量を計算すると、同じように粗い(階段状)の補正傾向となってしまう。
（６）図５に示すように、温度が殆ど変化しないのに入力温度の最小桁だけがふらつく場合、それに伴い熱変位補正量も変化する結果、滑らかな面を加工している場合にはその補正量の変化で加工面に段差が生じ縞模様などが現れてしまう。このことは、近年、高精度化された自由曲面の金型加工において問題となっているところである。
しかしながら、従来の熱変位補正方式では特に、上記（５）、（６）に対し有効に解決できなかった。

特開２００２−３２６１４１ 「工作機械の熱変位補正方法」

本発明者等は、上述した問題点を鋭意検討した結果、従来の熱変位補正の制御方法においては、サンプリング毎に演算されサーボ系に与えられる熱変位補正量としてその目標補正量を次の単一サンプリング区間で全量与えるか、または複数サンプリング区間に分配して振り分ける場合であっても、その初期段階の複数サンプリング区間で目標補正量の大部分をサーボ系に与えているという点に集約される。こうした従来の制御方法ではサーボ系が温度変化に対し非常に敏感に動作するため、結果として、前述の滑らかな曲面加工をしている際にもその温度補正の初期段階でサーボ系へ相対的に過剰な補正量が与えられてしまうため、滑らかな曲面加工に支障をきたすこととなる。したがって、温度補正の初期段階でサーボ系へ相対的に抑制された補正量を与えることにより前記の問題点は基本的に解決できることを見出した。

従って、本発明の目的は、金型等において滑らかな曲面加工が要求される場合に好適な数値制御式工作機械の熱変位補正方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による数値制御式工作機械の熱変位補正方法は、
数値制御装置により制御される工作機械の固定機体部位で比較的温度変化の少ない基準測定点での温度を測定する第１の温度測定手段と前記工作機械の可動機体部位で稼動により温度変化を生じ前記基準測定点と比較される比較測定点での温度を測定する第２の温度測定手段と前記各測定手段により測定された温度に基づき前記比較測定点の基準測定点に対する所定軸方向の熱変位補正量を数値制御のサンプリング周期毎に演算し、同演算された値をサーボ指令値に都度加算するようにした数値制御式工作機械の熱変位補正方法であって、前記熱変位補正量の演算は、
目標熱変位補正量を算出する工程と、
前記目標熱変位補正量を複数のサンプリング周期にわたって分配し振分ける工程と、
からなり、
前記分配し振分ける工程の初期の複数サンプリング周期においては、その後の複数サンプリング周期における分配量よりも抑制した分配量とすることを特徴とする。
その場合、前記目標熱変位補正量を初期の複数サンプリング周期にわたって分配し振分ける工程として、位相遅れフィルタを用いることができる。
その場合、前記位相遅れフィルタは、
Ｃｎ＝Ｐ＋（Ｃｎ−１−Ｐ）・ＥＸＰ（−ｔ／Ｔ） …式２
（Ｃｎは今回算出する熱変位補正量、Ｐは目標熱変位補正量、ＥＸＰは指数関数、ｔは時間、Ｔは時定数）
で表わされるフィルタ特性を有することが好ましい。

またその場合、前記時定数Ｔは温度上昇時と下降時とで異なる値を用いることができる。
またその場合、前記基準測定点は前記工作機械のベッドに設けられ、前記比較測定点は前記工作機械の主軸先端部近傍に設けられ、数値制御式工作機械の主軸の熱変位補正方法として構成することができる。

本発明による数値制御式工作機械の熱変位補正方法よれば、熱変位補正量の演算は、目標熱変位補正量を算出する工程と、前記目標熱変位補正量を複数のサンプリング周期にわたって分配し振分ける工程とからなり、さらに前記分配し振分ける工程の初期の複数サンプリング周期においては、その後の複数サンプリング周期における分配量よりも抑制した分配量とするようにしたので、滑らかな曲面の加工中、熱変位補正動作により加工曲面の滑らかさを損なうことがない。

以下、本発明の実施の形態に基づく実施例について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の適用される数値制御装置の熱変位補正に関係する主要部の制御ブロック図である。なお、以下の説明では、図４で示した横中ぐり盤における主軸方向すなわち、Ｚ軸方向における熱変位補正を例とする。

同図１において、参照符号１０は、数値制御装置ＮＣ内でのサンプリング周期ごとに算出されるＺ軸方向の目標位置Ｚｐｓｎの算出部である。この目標位置Ｚｐｓｎは加算部ＡＤにて本発明の方法で算出された熱変位補正量Ｃｎと加算されサーボ制御部１２へ与えられる。サーボ制御部１２の値はサーボアンプ１４へ与えられＺ軸駆動用モータ１６を駆動する。これによりワークＷＫを搭載しているテーブルＴＢはＺ軸方向に移動されるようになっている。Ｚ軸駆動用モータ１６の回転量はエンコーダ等の位置検出器１８によりサーボ制御部１２へフィードバックされている。

参照符号２６は図４中の温度センサＳ１、Ｓ２を示す。参照符号２４は温度センサ２６からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換してデジィタル量Ｔｎに変換する温度検知部である。参照符号２２は、Ｚ軸方向の熱変位補正量の目標値Ｐの計算部であって、前述した補正量Ｃと同様に、
Ｐ＝Ａ・（Ｔ１−Ｔ０）＋Ｂ …式３
で与えられる。

参照符号２０は熱変位補正フィルタ部であって、同フィルタ部の出力Ｃｎは、
Ｃｎ＝Ｐ＋（Ｃｎ−１−Ｐ）・ＥＸＰ（−ｔ／Ｔ） …式４
である。ここで、Ｃｎは今回算出すべき熱変位補正量、Ｐは熱変位補正量の目標値、
Ｃｎ−１ は前回算出した熱変位補正量、ＥＸＰは指数関数、ｔは時間、Ｔは時定数であって、時定数は温度上昇時と温度降下時で異なる値をとることも可能である。

温度上昇時と温度降下時の時定数を同一としていないのは、前述した理由（１）〜（４）に対応して実際の温度上昇、温度降下現象の時間推移が異なるからである。
なお、Ｐは数値制御装置で一般的な数ミリ秒程度のサンプリング周期の複数区間、例えば数十区間程度では温度変化はなく一定と考えられるので、一定値として扱っている。もし、温度変化が発生した場合には式３で新たに熱変位補正量の目標値Ｐを計算し、その目標値Ｐで式４を計算する。

図２は、図１に示した熱変位補正フィルタ２０での機能を説明するフローチャートである。同図２において、工程ＳＴ１で熱変位補正の処理開始が指令される。工程ＳＴ２では比較測定点のセンサＳ１が温度上昇傾向にあるか否か判定される。判定が肯定すなわち、ＹＥＳのときには工程ＳＴ３で時定数Ｔａが設定される。また、判定が否定すなわち、ＮＯのときには工程ＳＴ３で時定数Ｔｂが設定される。次いで、工程ＳＴ５において、今回の熱変位補正量Ｃｎが計算され、終了の工程ＳＴ６となる。

図３は、横軸にサンプリング周期、縦軸に目標熱変位補正量の到達度をとり、本発明を適用した場合（Ｆ３）と従来方式（Ｆ１）との到達状況の推移を対比して示すグラフである。

同図３に示されるように、例えばＦ１（指数関数）では目標到達度５０％に達する計算(サンプリング)周期は４周期目程度であり、本発明（Ｆ３）ではその段階では２０％程度であり、５０％に達するには６周期以上を要する。さらに、初期段階の２周期目ではＦ１は２５％、Ｆ３は５％程度であり、サンプリングの初期段階で到達度の比率（Ｆ１／Ｆ３）は大きくなっている。換言すると、従来方式のＦ１では、初期段階の数周期の間に目標補正量全体の大部分がサーボ系に出力されるのに対し、本発明のＦ３の場合は、相対的にサーボ系への出力が抑制された状態となっている。さらに、その抑制の程度は初期段階でもサンプリング開始直後のほうが大きい。

すなわち、Ｆ１は、Ｆ３に比べ、立ち上がりが急峻であり、したがって、１回の時定数の間にサーボ系に与えるべき目標補正量のかなりの部分がその初期段階の数周期の内に分配されてしまうということであり、温度変化に対する応答性がよいことを意味するが、実際に加工されている曲面への影響という点では、本発明のＦ３のように初期段階で応答を緩やかとすることにより、加工面での段差などの発生を防ぐことができるのである。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、当業者であれば、上記実施例以外にも種々変形して実施することが可能である。例えば図４において、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向における熱変位補正のために本発明を適用すること、図３のＦ３の式とは異なる関数の数式を使用して演算しサーボ系へ分配することなどは本発明の技術的範囲に属するものである。

本発明の適用される数値制御装置の熱変位補正に関係する主要部の制御ブロック図である。 図１に示した数値制御装置の熱変位補正に関係する機能を説明するフローチャートである。 横軸にサンプリング周期、縦軸に目標熱変位補正量の到達度をとり、本発明を適用した場合（Ｆ３）と従来方式（Ｆ１）との到達状況の推移を対比して示すグラフである。 一般的な数値制御式横中ぐり盤の構成を示す図である。 測定点での温度のふらつきによる熱変位補正量の変化を示す従来の熱変位補正を説明する図である。

符号の説明

１０ Ｚ軸目標位置算出部
１２ サーボ制御部
１４ サーボアンプ
１６ Ｚ軸駆動モータ
１８ 位置検出器
２０ 熱変位補正フィルタ部
２２ 熱変位補正量目標値計算部
２４ 温度検知部
２６ 温度センサ
ＡＤ 加算部
ＢＤ ベッド
ＣＬ コラム
ＨＤ 主軸頭
ＭＴ 数値制御式工作機械
ＮＣ 数値制御装置
ＰＡ パラメータ設定部
ＲＤ 主軸回転用モータ
Ｓ１ 基準測定点に設けられた温度センサ
Ｓ２ 比較測定点に設けられた温度センサ
ＳＤ サドル
ＳＰ 主軸
ＴＢ テーブル
ＴＬ 工具
ＷＫ ワーク

Claims (5)

1. 数値制御装置により制御される工作機械の固定機体部位で比較的温度変化の少ない基準測定点での温度を測定する第１の温度測定手段と前記工作機械の可動機体部位で稼動により温度変化を生じ前記基準測定点と比較される比較測定点での温度を測定する第２の温度測定手段と前記各測定手段により測定された温度に基づき前記比較測定点の基準測定点に対する所定軸方向の熱変位補正量を数値制御のサンプリング周期毎に演算し、同演算された値をサーボ指令値に都度加算するようにした数値制御式工作機械の熱変位補正方法であって、
   前記熱変位補正量の演算は、
   目標熱変位補正量を算出する工程と、
   前記目標熱変位補正量を複数のサンプリング周期にわたって分配し振分ける工程と、
   からなり、
   前記分配し振分ける工程の初期の複数サンプリング周期においては、その後の複数サンプリング周期における分配量よりも抑制した分配量とすることを特徴とする数値制御式工作機械の熱変位補正方法。
2. 前記目標熱変位補正量を初期の複数サンプリング周期にわたって分配し振分ける工程として、位相遅れフィルタを用いることを特徴とする請求項１記載の数値制御式工作機械の熱変位補正方法。
3. 前記位相遅れフィルタは、
   Ｃｎ＝Ｐ＋（Ｃｎ−１−Ｐ)・ＥＸＰ（−ｔ／Ｔ）
   （Ｃｎは今回算出する熱変位補正量、Ｐは目標熱変位補正量、ＥＸＰは指数関数、ｔは時間、Ｔは時定数）
   で表わされることを特徴とする請求項２記載の数値制御式工作機械の熱変位補正方法。
4. 前記時定数Ｔは温度上昇時と下降時とで異なる値を用いることを特徴とする請求項３記載の数値制御式工作機械の熱変位補正方法。
5. 前記基準測定点は前記工作機械のベッドに設けられ、前記比較測定点は前記工作機械の主軸先端部近傍に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載された
   数値制御式工作機械の主軸の熱変位補正方法。

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