JP2010120150A - Estimation method for thermal deformation compensation of machine tool - Google Patents
Estimation method for thermal deformation compensation of machine tool Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010120150A JP2010120150A JP2008298856A JP2008298856A JP2010120150A JP 2010120150 A JP2010120150 A JP 2010120150A JP 2008298856 A JP2008298856 A JP 2008298856A JP 2008298856 A JP2008298856 A JP 2008298856A JP 2010120150 A JP2010120150 A JP 2010120150A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- spindle
- axis
- value
- estimation
- machine tool
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、工作機械の熱変位を補正して工作物加工の加工精度を向上させるための熱変形補正のための推定方法に関する。更に詳しくは、主軸モータのステータ温度、又はベアリング近傍温度に基づく推定式を加味して、補正値の精度を高めるようにした工作機械の熱変形補正のための推定方法に関する。 The present invention relates to an estimation method for correcting thermal deformation for correcting the thermal displacement of a machine tool to improve the processing accuracy of workpiece processing. More specifically, the present invention relates to an estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool in which an estimation formula based on a stator temperature of a spindle motor or a temperature in the vicinity of a bearing is taken into account to improve the accuracy of a correction value.
工作機械は、工作物の加工に伴い熱が発生し、このため工作物はもとより工作機械構造物に熱変形が生じ、工作物の形状精度及び寸法精度の悪化を招く影響を受けている。このために、この影響を出来るだけ少なくするため、即ち熱変形補正のための技術が種々開発されている。この熱変形補正技術は、工作機械の構造体を強制的に一定温度に保持するための制御を行う方法、あるいは温度変化による熱変形を予測して補正を行う方法、等の技術が従来から数多く提案されている。 In a machine tool, heat is generated as the workpiece is processed. Therefore, thermal deformation is generated not only in the workpiece but also in the machine tool structure, and the shape accuracy and dimensional accuracy of the workpiece are deteriorated. For this reason, various techniques have been developed for reducing this influence as much as possible, that is, for correcting thermal deformation. This thermal deformation correction technology has conventionally had many techniques, such as a method for controlling the structure of a machine tool to be kept at a constant temperature, or a method for predicting and correcting thermal deformation due to a temperature change. Proposed.
この熱変形の補正においては、実測値に合うようにすれば、加工精度が向上することになり、そのために実測に近似する計算式を各工作機械の特性に応じて設定し、NC制御装置で演算処理し各駆動系の送り値を補正している。例えば、本発明の本出願人も雰囲気温度の変化に起因した運動機構部の熱変形によって生じる加工精度、あるいは工作機械の挙動を解析し、解析結果に応じて運動機構部の動作量を補正することで、加工精度を向上させることができる補正技術をマシニングセンタとNC旋盤に適用した技術として提案している(特許文献1,2を参照)。
In this correction of thermal deformation, if it matches the actual measurement value, the machining accuracy will be improved. For this purpose, a calculation formula that approximates the actual measurement is set according to the characteristics of each machine tool, and the NC controller Calculation processing is performed to correct the feed value of each drive system. For example, the applicant of the present invention also analyzes machining accuracy or machine tool behavior caused by thermal deformation of the motion mechanism due to changes in ambient temperature, and corrects the amount of motion of the motion mechanism according to the analysis result. Therefore, a correction technique that can improve machining accuracy is proposed as a technique applied to a machining center and an NC lathe (see
又、熱変位による加工誤差に対する補正を、温度センサにより検出し、この検出温度変化から工作機械の熱変位の熱的挙動と同じ挙動をする演算温度変化を算出する式にもとづき、加工誤差を補正する技術も知られている(例えば、特許文献3,4,5参照)。さらに、主軸回転数を検出し演算式を用いて熱補正を行う技術も知られている(例えば、特許文献6参照)。さらに、部分的に取り付けたセンサにより、モータステータの外周温度を測定して補正を行う技術も知られている(例えば、特許文献7参照)。
前述のように、工作機械における熱変形に伴う精度補正については、温度センサ等の検出手段を介し、この検出された検出値を演算式によって変形を推定することにより補正する解析が行われている。工作機械稼動時の変形は、工作機械のもつ特性によって変わる。そのため修正ファクターとして各工作機械で異なる所定係数を加味する形で、経験的に実測値に近似する数値になるように駆動系の制御を行うことで変形の補正を行っている。 As described above, with respect to accuracy correction accompanying thermal deformation in a machine tool, analysis is performed to correct the detected detection value by estimating the deformation using an arithmetic expression via detection means such as a temperature sensor. . Deformation during machine tool operation varies depending on the characteristics of the machine tool. For this reason, the deformation is corrected by controlling the drive system so that it becomes a numerical value that approximates the actual measurement value empirically, taking into account a predetermined coefficient that is different for each machine tool as a correction factor.
しかしながら、近年高速化に伴い加工精度の及ぼす熱変形の影響は大きくなっている。例えば、主軸等の多くは高速化のため、モータが直接主軸に組み込まれるいわゆるビルトインタイプの構成になっている。このため主軸等はモータの熱に直接影響されることになり、従来の一般的な主軸構成の工作機械に比し、その熱変形量又その変化率は大きなものになる。これらの補正は、実測に近い演算式を想定し補正値を推定して算出するものである。通常の補正は、所定のファクターによりその変化のみを追随して行うものが多く、例えば、モータの加減速動作が多い場合、一定条件での回転時間が短い場合、切削負荷を伴うような場合、立ち上がり時に又は稼動中に加工条件が異なる場合には、必ずしも適切に対応できるものにはなっていない。 However, in recent years, with the increase in speed, the influence of thermal deformation on machining accuracy has increased. For example, many spindles and the like have a so-called built-in type configuration in which a motor is directly incorporated into the spindle for speeding up. For this reason, the spindle and the like are directly influenced by the heat of the motor, and the amount of thermal deformation and the rate of change thereof are larger than those of a conventional machine tool having a general spindle configuration. These corrections are calculated by estimating a correction value assuming an arithmetic expression close to actual measurement. The normal correction is often performed by following only the change according to a predetermined factor, for example, when the acceleration / deceleration operation of the motor is large, when the rotation time under a certain condition is short, when the cutting load is involved, When the processing conditions are different at the time of start-up or during operation, it is not always possible to appropriately respond.
又、解析自体も複雑であり、正確に行うためには工作機械毎の解析も必要とするなど、補正のための推定値を設定するためには、必ずしも効率的な推定方法とはいえないものであった。従って、特に高速化に対応した工作機械においては、従来の通常の補正を行っても工作機械によっては、その推定値が実測値と大きく乖離してしまうことが多かった。従って、特にビルトインタイプのNC旋盤においては、設定した演算式にもとづいて推定値を出しても、時間の経過に伴い実測値とかけ離れた数値になることが多く発生していた。 In addition, the analysis itself is complicated, and it is not always an efficient estimation method to set an estimated value for correction, such as an analysis for each machine tool is necessary to perform accurately. Met. Therefore, especially in a machine tool that supports high speed, the estimated value often deviates greatly from the actual measurement value depending on the machine tool even if the conventional normal correction is performed. Therefore, especially in the built-in type NC lathe, even if the estimated value is output based on the set arithmetic expression, the numerical value often differs from the actually measured value over time.
本発明は、このような工作機械における補正上の問題点を解決するために想起されたもので、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、主軸に組み込まれたモータのステータの温度、又はベアリング近傍温度を演算式の独立したファクター、即ち物理変数として取り込み、主軸の熱変位の推定値を、その実測値に近似させるようにして補正を行い、工作機械の加工精度の向上を図ることができるようにした工作機械の熱変形補正のための推定方法の提供にある。
The present invention has been conceived in order to solve the problem of correction in such a machine tool, and achieves the following object.
The object of the present invention is to capture the temperature of the stator of the motor incorporated in the main shaft or the temperature in the vicinity of the bearing as an independent factor of the arithmetic expression, that is, a physical variable, and approximate the estimated value of the thermal displacement of the main shaft to the actually measured value. Thus, the present invention provides an estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool that can be corrected to improve the machining accuracy of the machine tool.
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明1の工作機械の熱変形補正のための推定方法は、工作機械における送り系構造体の移動時の駆動系稼動値により変化する補正値を、前記駆動系稼動値を含む第1の推定式にもとづき、前記送り系構造体の移動量として算出し推定する工程と、前記送り系構造体の移動時の主軸の主軸モータのステータ温度又は前記主軸のベアリング近傍温度により変化する補正値を、前記ステータ温度又は前記ベアリング近傍温度の値を含む第2の推定式にもとづき、前記送り系構造体の移動量として算出し推定する工程と、及び、前記第1の推定式の推定結果と、前記第2の推定式の推定結果を、加算し前記補正値に相当する推定値を得る工程とからなっている。
The present invention takes the following means in order to achieve the object.
The estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool according to the first aspect of the present invention is a first estimation method including a correction value that varies depending on a driving system operating value when the feed system structure is moved in the machine tool, including the driving system operating value. Based on the equation, the step of calculating and estimating the amount of movement of the feed system structure, and the correction value that changes depending on the stator temperature of the spindle motor of the spindle during the movement of the feed system structure or the temperature in the vicinity of the bearing of the spindle, Based on a second estimation formula including a value of the stator temperature or the bearing vicinity temperature, a step of calculating and estimating the movement amount of the feed system structure, and an estimation result of the first estimation formula, The estimation result of the second estimation equation is added to obtain an estimated value corresponding to the correction value.
本発明2の工作機械の熱変形補正のための推定方法は、本発明1において、前記駆動系稼動値は、前記主軸の回転速度の値であることを特徴とする。
本発明3の工作機械の熱変形補正のための推定方法は、本発明1において、前記駆動系稼動値は、前記主軸モータの出力値であることを特徴とする。
本発明4の工作機械の熱変形補正のための推定方法は、本発明1において、前記第1の推定式および前記第2の推定式には、経過時間に伴う遅れを考慮した計算式が含まれていることを特徴とする。
An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool according to a second aspect of the invention is characterized in that, in the first aspect, the drive system operating value is a value of a rotational speed of the spindle.
An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool according to a third aspect of the invention is characterized in that, in the first aspect, the drive system operating value is an output value of the spindle motor.
An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool according to a fourth aspect of the present invention is the first aspect, wherein the first estimation formula and the second estimation formula include a calculation formula that takes into account a delay associated with elapsed time. It is characterized by being.
本発明5の工作機械の熱変形補正のための推定方法は、本発明1において、前記工作機械は、NC旋盤であることを特徴とする。
本発明6の工作機械の熱変形補正のための推定方法は、本発明1において、前記主軸の回転速度の値、及び、前記ステータ温度に基づく前記送り系構造体の移動量の推定値は、次の推定式で求められることを特徴とする。
An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool according to a fifth aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the machine tool is an NC lathe.
An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool according to a sixth aspect of the present invention is the method according to the first aspect, wherein the value of the rotational speed of the spindle and the estimated value of the movement amount of the feed system structure based on the stator temperature are: It is obtained by the following estimation formula.
X軸送り軸の推定値xと、Y軸送り軸の推定値yは、
ただし、
x:一定時間経過後のX軸方向の熱変位量(mm)、
y:一定時間経過後のY軸方向の熱変位量(mm)、
n:主軸の回転速度(min-1)、
t:初期状態からの経過時間(min)、
T:式(3)によるステータ温度の推定値(℃)、
x0:各主軸の回転速度に対するX軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
y0:各主軸の回転速度に対するY軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
td:熱変位の時定数(min)、
ts:温度の時定数(min)、
αx:X軸に対する拡張項の補正係数、
αy:Y軸に対する拡張項の補正係数、
Ts:熱電対によるステータ温度の実測値(℃)、
β:各X,Y主軸の回転速度に対するステータ温度の上昇の最大値(℃)、
T0:ステータ温度の初期温度(℃)
である。
The estimated value x of the X axis feed axis and the estimated value y of the Y axis feed axis are
However,
x: Thermal displacement in the X-axis direction after a certain period of time (mm)
y: thermal displacement in the Y-axis direction after a certain time (mm)
n: Spindle speed (min -1 ),
t: elapsed time from the initial state (min),
T: Estimated value of stator temperature (° C) according to equation (3),
x 0 : Maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the X-axis direction with respect to the rotational speed of each spindle.
y 0 : maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the Y-axis direction with respect to the rotational speed of each spindle,
t d : Thermal displacement time constant (min),
t s : Time constant of temperature (min),
α x : Correction coefficient of the expansion term with respect to the X axis,
α y : correction coefficient for the expansion term with respect to the Y-axis,
T s : Actual value (° C) of stator temperature measured by thermocouple,
β: Maximum value of the stator temperature rise (° C.) with respect to the rotational speed of each X, Y spindle,
T 0 : Initial stator temperature (° C)
It is.
本発明7の工作機械の熱変形補正のための推定方法は、本発明1において、前記主軸の回転速度が途中でt1(min)後に変化した場合の熱変位の推定値は、次の推定式で求められることを特徴とする。
X軸送り軸の推定値x2、Y軸送り軸の推定値y2は、
ただし、
x:一定時間経過後のX軸方向の熱変位量(mm)、
x0:各主軸回転速度に対するX軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
x1:主軸の回転速度が途中で変化する時間t1(min)のときのX軸方向の熱変位量(mm)、
x2:主軸の回転速度が途中で変化した後のX軸方向の熱変位量(mm)、
y:一定時間経過後のY軸方向の熱変位量(mm)、
y0:各主軸回転速度に対するY軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
y1:主軸の回転速度が途中で変化する時間t1(min)のときのY軸方向の熱変位量(mm)、
y2:主軸の回転速度が途中で変化した後のY軸方向の熱変位量(mm)、
n:主軸回転速度(min-1)、
n1:主軸の回転速度が変化する前の値、
n2:主軸の回転速度が変化した後の値、
t:初期状態からの経過時間(min)、
t1:主軸の回転速度が変化するときの値、
Ts:熱電対によるステータ温度の実測値(℃)、
td:熱変位の時定数(min)、
αx:X軸に対する拡張項の補正係数、
αy:Y軸に対する拡張項の補正係数
である。
The estimation method for correcting the thermal deformation of the machine tool according to the seventh aspect of the present invention is the following estimation according to the first aspect of the present invention in which the estimated value of the thermal displacement when the rotational speed of the spindle changes after t 1 (min) in the middle. It is obtained by a formula.
The estimated value x 2 of the X-axis feed axis and the estimated value y 2 of the Y-axis feed axis are
However,
x: Thermal displacement in the X-axis direction after a certain period of time (mm)
x 0 : Maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the X-axis direction for each spindle rotation speed,
x 1 : Thermal displacement amount (mm) in the X-axis direction at time t 1 (min) when the rotation speed of the spindle changes halfway,
x 2 : Thermal displacement in the X-axis direction (mm) after the rotation speed of the spindle changes midway,
y: thermal displacement in the Y-axis direction after a certain time (mm)
y 0 : Maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the Y-axis direction with respect to each spindle rotational speed,
y 1 : thermal displacement amount (mm) in the Y-axis direction at time t 1 (min) when the rotation speed of the spindle changes in the middle,
y 2 : amount of thermal displacement in the Y-axis direction (mm) after the rotation speed of the spindle changes in the middle,
n: Spindle speed (min -1 )
n 1 : Value before the spindle speed changes,
n 2 : Value after the spindle rotation speed has changed,
t: elapsed time from the initial state (min),
t 1 : Value when the rotational speed of the spindle changes,
T s : Actual value (° C) of stator temperature measured by thermocouple,
t d : Thermal displacement time constant (min),
α x : Correction coefficient of the expansion term with respect to the X axis,
α y is a correction coefficient for the expansion term with respect to the Y axis.
なお、ある主軸回転速度nから停止させた場合のX軸送り軸の推定値x、及び、Y軸送り軸の推定値yは、
NC工作機械は、一般にNCプログラムにより主軸モータや送り系の各サーボモータに動作指令信号を発しNC駆動制御される。工作機械による工作物の加工精度は、高精度を要求されるものである。工作機械は、稼動状態において、常に一定の条件を保持しているわけではない。例えば、工具はその刃先が磨耗、折損等が生じる。このため加工精度が悪化することになる。この加工精度悪化は、工具のみならず熱による工作機械構造体の熱変形も大きく影響している。このため従来から主軸等の熱変形や工具磨耗分について、送り系サーボモータの動作量を補正することで、加工精度を向上させてきた。 An NC machine tool is generally controlled by an NC program by issuing an operation command signal to each spindle motor and each servo motor of a feed system according to an NC program. The machining accuracy of a workpiece by a machine tool is required to be high accuracy. A machine tool does not always maintain a certain condition in an operating state. For example, the cutting edge of a tool is worn or broken. For this reason, processing accuracy deteriorates. This deterioration in machining accuracy greatly affects not only the tool but also thermal deformation of the machine tool structure due to heat. For this reason, conventionally, the machining accuracy has been improved by correcting the operation amount of the feed servomotor for the thermal deformation of the spindle and the tool wear.
又、最近は前述したように、高速化に対応した工作機械が開発されており、その関係で主軸の回転速度の大きなものが製造されている。主軸の構成は、一般的に主軸がベアリングにより回転自在に支承され、ベアリングはその回転により摩擦熱が生じる。例えば、この摩擦熱は、主軸の温度上昇を招き、この温度上昇に伴う熱膨張で主軸は変形する。さらに、ビルトインタイプの主軸であると、モータ自身の熱の影響を受け主軸は熱変形する。この変形値が主軸の熱変位となり、この推定値を計算で求め補正値とする。NC旋盤の場合、変形値は工具と工作物を回転自在に把持している主軸との相関関係位置のずれということになる。NC旋盤の場合の送り軸は通常X軸とZ軸の2軸である。しかし、最近は高機能化を図り、Y軸を付加した旋盤もあり、本発明はこの機能を有する工作機械、特にNC旋盤を対象としたものである。本発明に関わるY軸は、X軸及びZ軸に直角方向の軸である。 Recently, as described above, machine tools corresponding to higher speeds have been developed, and a machine with a large rotation speed of the main spindle has been manufactured. The main shaft is generally configured such that the main shaft is rotatably supported by a bearing, and friction is generated by the rotation of the bearing. For example, the frictional heat causes an increase in the temperature of the main shaft, and the main shaft is deformed by thermal expansion accompanying the temperature increase. Furthermore, if it is a built-in type main shaft, the main shaft is thermally deformed by the influence of the heat of the motor itself. This deformation value becomes the thermal displacement of the main shaft, and this estimated value is calculated and used as a correction value. In the case of an NC lathe, the deformation value is a shift in the correlation position between the tool and the spindle that grips the workpiece rotatably. In the case of an NC lathe, the feed axes are usually two axes, the X axis and the Z axis. Recently, however, there is a lathe with a higher function and a Y-axis, and the present invention is intended for a machine tool having this function, particularly an NC lathe. The Y axis according to the present invention is an axis perpendicular to the X axis and the Z axis.
熱変形によるずれはX軸にもY軸にも生じ、工作物にとっては加工誤差が生じ、加工精度が悪化することになる。本発明においては、特に高速化に対応した推定方法とし、特に主軸回転速度をファクターとして主としてNC制御装置の演算処理による補正のための推定値を算定するようにしている。さらに拡張補正手段として、温度センサによって主軸のモータステータ温度又はベアリング近傍温度を測定し、これを第2の物理変数として取り込み推定値を算定するようにした。このように、主軸回転速度をファクターとする第1の推定値に主軸のモータステータ温度にもとづく第2の推定値を加算した推定値を補正値としてNC制御装置に入力し、NC駆動制御により工具位置を補正し加工誤差を解消するようにした。 Deviation due to thermal deformation occurs in both the X-axis and the Y-axis, causing a machining error for the workpiece and degrading the machining accuracy. In the present invention, an estimation method particularly corresponding to high speed is used, and in particular, an estimated value for correction mainly by calculation processing of the NC controller is calculated using the spindle rotational speed as a factor. Furthermore, as an expansion correction means, the temperature of the motor stator or the temperature in the vicinity of the bearing is measured by a temperature sensor, and this is taken as a second physical variable to calculate an estimated value. Thus, the estimated value obtained by adding the second estimated value based on the motor stator temperature of the spindle to the first estimated value having the spindle rotational speed as a factor is input to the NC controller as a correction value, and the tool is controlled by NC drive control. The position was corrected to eliminate the processing error.
本発明の工作機械の熱変形補正のための推定方法は、主軸に組み込まれたモータのステータ温度又はベアリング近傍温度を演算式の独立したファクター、即ち物理変数として取り込み、主軸の熱変位の推定値を、その実測値に近似させるようにして、補正を行うようにしたので、工作機械の加工精度の向上を図ることができるようになった。 An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool according to the present invention takes a stator temperature of a motor incorporated in a spindle or a temperature in the vicinity of a bearing as an independent factor of an arithmetic expression, that is, an estimated value of thermal displacement of the spindle. Is corrected by approximating the measured value to the actual measurement value, so that the machining accuracy of the machine tool can be improved.
本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1及び図2は、本発明による熱変形補正のための推定方法を適用した工作機械の模式的な説明図である。図7を除き、図3〜図30は、本発明による推定値と実測値との比較等を示した各データ図である。図7は、本発明に適用した加減速サイクルを示す説明図である。図1に図示した工作機械は、本実施の形態ではNC旋盤1である。その構成は、機械の本体を構成する台であるベッド2上に、主軸台3が搭載し固定されている。主軸台3は、回転する主軸5が設けられたものである。主軸5は、主軸台3と、この主軸台3に内蔵され回転自在にベアリング4で支承されており、工作物又は工具を取り付けて回転させるためのものである。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 and 2 are schematic explanatory views of a machine tool to which an estimation method for thermal deformation correction according to the present invention is applied. Except for FIG. 7, FIG. 3 to FIG. 30 are data diagrams showing comparisons between estimated values and measured values according to the present invention. FIG. 7 is an explanatory diagram showing an acceleration / deceleration cycle applied to the present invention. The machine tool shown in FIG. 1 is an
この主軸5を回転駆動するためのビルトインモータ6と、主軸5の端部に取り付けられ、工具又は工作物8を把持するためのチャック7とからなる。このチャック7により工作物8が把持固定されているので、工作物8は、主軸5とともに回転駆動される。主軸5は、主軸台3内に配置されたビルトインモータ6により、直接回転駆動される。又、ビルトインモータ6が取り付けられた主軸台3の内壁には、ビルトインモータ6の固定側であるモータステータ6aが取り付けられており、このモータステータ6aの温度を検出するための温度検出用センサ9が取り付けられている。一方、主軸台3に対向する位置のベッド2上には、主軸5と相対移動する刃物台10が設けられている。刃物台10は、主軸5との間でX軸方向、Z軸方向、Y軸方向に相対移動する。
The built-in
図1には、直交するX軸とZ軸を図示している。Z軸は、主軸5の軸線に平行な軸である。また、図示したように、Y軸はX軸とZ軸に直行し、紙面に対して垂直方向の軸である。刃物台10は、主軸5との間でZ軸方向に相対移動するサドル11に対し、X軸方向とY軸方向に相対移動するように設けられている。従って、刃物台10自体は、主軸5に対しX軸、Z軸、及びY軸方向に相対移動する。このために、X軸にはX軸用サーボモータ12が設けられ、Y軸にはY軸用サーボモータ(図示せず)がそれぞれ設けられている。X軸は、工作物8の取り付け面に平行な軸である。X軸は、主軸5に対し直角方向の刃物台10の位置決め、切削運動を行う。
FIG. 1 illustrates an X axis and a Z axis that are orthogonal to each other. The Z axis is an axis parallel to the axis of the
Y軸は、X軸上に構成されている。言い換えると、Y軸は、X軸上に合成Y軸として構成されている。図示していないが、本実施例の場合の刃物台10の構成は次のようになっている。サドル11上には、Z軸と直角方向にY軸用サーボモータにより移動する仮Y軸の第2サドルが設けられている。X軸はこの第2サドル上をZ軸と直角方向に且つ仮Y軸に傾斜した角度方向にX軸用サーボモータにより移動する軸となっている。従って、X軸上にある刃物台10は、X軸方向および仮Y軸方向にも移動可能である。これにより、Y軸はX軸と仮Y軸の軸動作の合成により、刃物台10はNC制御によりX軸の直角方向に移動する軸として構成される。このようにY軸方向の移動はX軸サーボモータおよび仮Y軸サーボモータの合成された駆動制御によって行われる。
The Y axis is configured on the X axis. In other words, the Y axis is configured as a composite Y axis on the X axis. Although not shown, the configuration of the
更に、Z軸にはZ軸用サーボモータ13が設けられている。Z軸用サーボモータ13は、駆動して、主軸5と平行方向に対して刃物台10の位置決め、切削運動を行う。この刃物台10には、工具14が配置固定されている。このような本体構成において、付随してNC装置15が設けられている。NC装置15は、NCプログラムに従い、送り系のX軸用サーボモータ12、Z軸用サーボモータ13、及びY軸用サーボモータを数値制御する。なお、以上説明したNC旋盤1は、公知の構造、機能であり特別なものではない。NC装置15は、予めプログラムされた制御を行う。
Further, a Z-
NC装置15は、温度検出用センサ9と、主軸5の回転速度を検出するための主軸回転速度検出用センサ16と、その他複数の駆動用又は補正用検出センサ17とが接続している。温度検出用センサ9は、図において主軸モータのステータ部の温度検出として設置されているが、ベアリング近傍に設置すればベアリング4近傍の温度を直接検出できる。又、ビルトインモータ6に対しては、出力情報信号が制御される。NC装置15自体は、これらのセンサ等からのアナログ信号を受けて、このアナログ信号をA/D変換器23によってディジタル信号に変換する。A/D変換器23で変換されたディジタル信号は、推定値を得るための推定値算定部18に取り込まれ、記憶部19、演算部20との間で比較演算され補正のための推定値を算出する。
The
補正部21では、この推定値を処理して、補正値を出力する。この補正値は、駆動制御部22に入力され、駆動制御部22からX軸用サーボモータ12と、Z軸用サーボモータ13、Y軸用サーボモータに指令情報として出力される。本発明はこの推定値を演算し算出する方法に関わるものである。即ち、X軸の補正の場合には、X軸サーボモータ12へ、又Y軸の補正の場合には、X軸用サーボモータ12及びY軸用サーボモータへ指令情報が出力される。
The
本発明は、実測値との比較において有効なものとしての、推定値の演算式を構築している。従って、稼動条件を設定した上で、計算された推定値の計算例と、実測値との比較例を合わせて、主にデータ図で説明する。本実施例は、前述したNC装置1、及び図2に示した寸法測定装置で、工作物8のX、Y軸方向のみの熱変位量を測定することにより、データを収集したものを実施例として説明する。本実験では、主軸5の回転精度に起因する影響を排除するために円筒形状の計測用の工作物8を3ッ爪チャック7で把持し、渦電流式非接触変位センサY1、Y2、X1、及びX2の被測定対象となる内径穴面を、セルフカットで仕上げ加工し、この内径の内周面を測定することでデータを収集した。
The present invention constructs a calculation formula for an estimated value, which is effective in comparison with an actual measurement value. Therefore, after setting the operating conditions, the calculation example of the calculated estimated value and the comparative example of the actual measurement value will be described mainly with reference to the data diagram. In this embodiment, the
低熱膨張鋳物(線膨張係数0.8×10-6/K)を用いて製作された計測用治具の先端部分には、内径穴の膨張や収縮による影響を排除するために、4個の変位センサY1、Y2、X1、及びX2をX軸、Y軸に対して、2個ずつ対称位置に配置し、対向する内径穴面との隙間を測定して、主軸軸心のX軸、Y軸方向の変位量を算出した。計測用治具の基準側は、心押し台(図示せず)に固定されており、両者間の相対変位として測定した。主軸5の熱変位量の具体的な推定値の算出方法は、以下のとおりである。この推定値の算出は、前述したNC旋盤1に適用したものとして説明する。X軸とY軸において、主軸5の熱変位量を推定する本推定値を算出する推定式は、次の式(1)と式(2)のとおりである。
In order to eliminate the influence of expansion and contraction of the inner diameter hole, four displacement sensors are attached to the tip of the measuring jig manufactured using the low thermal expansion casting (linear expansion coefficient 0.8 × 10 -6 / K). Two Y1, Y2, X1, and X2 are arranged symmetrically with respect to the X and Y axes, respectively, and the gap between the opposing bore holes is measured, and the X axis and Y axis directions of the main shaft axis are measured. The amount of displacement was calculated. The reference side of the measuring jig was fixed to a tailstock (not shown), and the relative displacement between the two was measured. A specific method for calculating the estimated value of the thermal displacement amount of the
X軸送り軸の推定値xと、Y軸送り軸の推定値yは、次式になる。
x:一定時間経過後のX軸方向の熱変位量(mm)、
y:一定時間経過後のY軸方向の熱変位量(mm)、
n:主軸の回転速度(min-1)、
t:初期状態からの経過時間(min)、
T:式(3)によるステータ温度の推定値(℃)、
x0:各主軸の回転速度に対するX軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
y0:各主軸の回転速度に対するY軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
td:熱変位の時定数(min)、
ts:温度の時定数(min)、
αx:X軸に対する拡張項の補正係数、
αy:Y軸に対する拡張項の補正係数、
Ts:熱電対によるステータ温度の実測値(℃)、
β:各X,Y主軸の回転速度に対するステータ温度の上昇の最大値(℃)、
T0:ステータ温度の初期温度(℃)
である。
The estimated value x of the X-axis feed axis and the estimated value y of the Y-axis feed axis are as follows.
x: Thermal displacement in the X-axis direction after a certain period of time (mm)
y: thermal displacement in the Y-axis direction after a certain time (mm)
n: Spindle speed (min -1 ),
t: elapsed time from the initial state (min),
T: Estimated value of stator temperature (° C) according to equation (3),
x 0 : Maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the X-axis direction with respect to the rotational speed of each spindle.
y 0 : maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the Y-axis direction with respect to the rotational speed of each spindle,
t d : Thermal displacement time constant (min),
t s : Time constant of temperature (min),
α x : Correction coefficient of the expansion term with respect to the X axis,
α y : correction coefficient for the expansion term with respect to the Y-axis,
T s : Actual value (° C) of stator temperature measured by thermocouple,
β: Maximum value of the stator temperature rise (° C.) with respect to the rotational speed of each X, Y spindle,
T 0 : Initial stator temperature (° C)
It is.
この式(1)と式(2)の右側は、第1項と第2項の2項からなっており、第1項は、従来から一般的に知られているモデル式でもある(基本推定モデル)。具体的には、基本推定モデルのx0(n)、y0(n)は、主軸回転速度に対するX軸、Y軸方向の変位量の最大値(mm)であり、実測値から導かれる。一般的に、主軸の無負荷運転時の変位量x,yは、主軸の回転開始から主軸回転速度nとともに増加し、主軸回転速度が一定の場合には、一定時間経過後に、定常値に収束する。よって、主軸回転速度に対する定常状態での変位量は、過度状態における変位特性は1次遅れ系の変位時定数td(n)を用いて表現される。 The right side of the equations (1) and (2) is composed of two terms, the first term and the second term, and the first term is also a model equation generally known from the past (basic estimation). model). Specifically, x 0 (n) and y 0 (n) of the basic estimation model are maximum values (mm) of displacement amounts in the X-axis and Y-axis directions with respect to the spindle rotation speed, and are derived from actual measurement values. In general, the displacement x, y during spindle no-load operation increases with the spindle rotation speed n from the start of spindle rotation. When the spindle rotation speed is constant, it converges to a steady value after a certain period of time. To do. Therefore, the displacement amount in the steady state with respect to the spindle rotational speed is expressed by using the displacement time constant t d (n) of the first-order lag system as the displacement characteristic in the transient state.
この基本推定モデルは、主軸回転速度が一定の場合は、主軸5の変位量を精度良く推定可能である。たとえば、図3と図4には、主軸の回転速度が一定の場合のデータを図示している。図の縦軸は、X軸又はY軸の変位量を示し、横軸は、経過時間を示している。図中の実測値は、主軸5を一定回転速度800min-1、2000min-1、3200min-1で回転させたとき、X軸又はY軸の変位量を測定したデータである。図中の計算値は、同様な条件で、基本推定モデルによって計算した推定値である。この計算については、詳しく後述する。このグラフから明らかなように、実測値と、計算値はよく一致している。
This basic estimation model can accurately estimate the amount of displacement of the
よって、主軸回転速度が一定の場合は、X軸、Y軸の変位量を、第1推定式のみで精度良く推定し、送り系制御可能である。しかしながら、実加工においては、主軸5の回転速度の変化や起動・停止による加速、減速動作が、短時間で煩雑に行われるような場合が少なくない。このような場合には、主軸モータの発熱が増加し、1次遅れ系の基本推定モデルだけでは、主軸の熱変位量の推定値は、実測値との乖離が大きくなる。そこで、基本推定モデルに対して、主軸モータのステータ温度をパラメータとして追加した拡張推定モデルを、前述した式(1)及び式(2)で新たに定義したものである。
Therefore, when the spindle rotational speed is constant, the displacement amount of the X axis and the Y axis can be accurately estimated only by the first estimation formula, and the feed system can be controlled. However, in actual machining, there are not a few cases where acceleration and deceleration operations due to changes in the rotational speed of the
式(1)及び式(2)の推定式は、駆動系稼動値を含む第1推定式と、モータステータ6aの温度の値を含む第2推定式を加算したものである。第1推定式は、式(1)と式(2)の右辺の第1項である。第2推定式は、式(1)と式(2)の右辺の第2項からなる。この第1推定式と、第2推定式の導出を、以下、実験データの実測値(場合によって、測定値という。)、及び、計算値を用いて説明する。第1推定式は、従来から行われている公知の式であり(上述の基本推定モデルを参照。)、第2推定式は、第1推定式を補正するための熱変位量による補正式である。この補正式の算出については、後述する。 The estimation formulas of the formulas (1) and (2) are obtained by adding the first estimation formula including the drive system operating value and the second estimation formula including the temperature value of the motor stator 6a. The first estimation formula is the first term on the right side of formula (1) and formula (2). The second estimation expression is composed of the second term on the right side of Expression (1) and Expression (2). The derivation of the first estimation formula and the second estimation formula will be described below using measured values of experimental data (sometimes referred to as measured values) and calculated values. The first estimation formula is a conventionally known formula (see the above-described basic estimation model), and the second estimation formula is a correction formula based on the amount of thermal displacement for correcting the first estimation formula. is there. The calculation of the correction formula will be described later.
第2推定式は、主軸モータ6のモータステータ6aの温度をパラメータとして含むが、主軸のベアリング近傍の温度でも計算できる。この実施例では、主軸モータ6のモータステータ6aの温度を用いて計算する。次に、変位量と、主軸の回転速度との関係で、計算値と実測の比較データ図を示す。基本推定モデルの各パラメータを決定するために次の条件の実験と行った。実験条件として、800rpm、2000rpm、3200rpmの3条件の主軸回転速度に対して、それぞれ定常状態を含む180分間の運転時間で、X、Y軸方向の熱変位量最大値を測定した。図5は、X軸についての例であり、図6はY軸についての例である。図5と、図6のグラフの縦軸は、X軸方向又はY軸方向の最大変位量で、横軸は、主軸5の回転速度である。
The second estimation formula includes the temperature of the motor stator 6a of the
図5、図6の測定値は、最小二乗法を用いて、主軸回転速度nに関する3次の多項式として次の式で近似できる。
室温23℃に保持した状態での、X軸とY軸の熱変位量の測定結果と、この式10〜12を、第1推定式に代入して計算したのが、図3と図4の計算結果のグラフである。図中の波線は計算値、言い換えると推定値である。以下、同様に、波線で、計算値(推定値)を表す。図中の実線は、測定値、言い換えると、実測値である。以下、同様に、実線で、測定値を表す。このグラフから明らかなように、実測値と、第1推定式による計算値はよく一致している。
The measurement results of the thermal displacement amounts of the X axis and the Y axis in a state where the room temperature is maintained at 23 ° C., and these
拡張推定モデルの各パラメータを決定するために次の実験を行った。拡張推定モデルは、上述の第1推定式からなる基本推定モデルに加え、第2推定式を足したものである。ここでは、第2推定式の各パラメータを決定する実験結果を示す。図7には、NC旋盤1の稼働する1サイクルを例示している。本例で定義する1サイクルとは、NC工作機械を無負荷で、主軸モータ6が停止状態から起動させて、主軸5の回転速度が設定された回転速度になるまでの加速時間、主軸5が設定された一定回転速度で回転している一定回転速度の時間、主軸5の回転速度が停止するまでに減速する減速時間、及び、モータ6が停止している停止時間である。
The following experiment was performed to determine each parameter of the extended estimation model. The extended estimation model is obtained by adding the second estimation formula in addition to the basic estimation model including the first estimation formula described above. Here, experimental results for determining each parameter of the second estimation formula are shown. FIG. 7 illustrates one cycle in which the
次に、サイクルタイムごとにおける推定値と主軸モータ6の稼動値との関係は、次の表1のようになる。この実験でいうサイクルタイムとは、図7に示す1サイクルをいう。サイクルタイムの内訳は、1サイクル中、主軸5の停止時間を2秒で固定し、設定された各回転速度までの加速時間、減速時間(逆回転方向の電流を負荷する時間)、及びこれらの時間を減じた残りが、一定回転速度での回転時間となる。熱変位は、主軸5の振れ精度による影響を排除するために、定位置で停止させ、この定位置で停止させた位置でサイクル中の停止時間中に測定した。
表1の第1欄はサイクルタイム、第2欄はX軸方向の最大変位量、第3欄はY軸方向最大変位量、第4欄はステータの温度上昇の最大値、第5欄は主軸モータ6の出力電圧、及び、第6欄は主軸モータ6の平均出力である。表1に示すデータは、モータ6の回転速度が3200rpmの場合である。表1のサイクルタイムのConstは、加減速動作を伴わず、一定回転速度の3200rpmで回転させた場合である。表1によると、モータステータ6aの温度の変化、主軸モータ6の出力電圧の変化、及び、主軸モータ6の平均出力は、X軸方向の最大変位量、及びY軸方向の最大変位量に比例している。
The first column of Table 1 is the cycle time, the second column is the maximum displacement amount in the X-axis direction, the third column is the maximum displacement amount in the Y-axis direction, the fourth column is the maximum value of the stator temperature rise, and the fifth column is the spindle. The output voltage of the
この中で、X軸方向の最大変位量と主軸モータ6の平均出力の関係について、データ図化したものを、図8に示す。図中、X軸方向の変位量は縦軸に、主軸モータ6の平均出力は横軸にしている。Y軸方向の最大変位量と主軸モータの平均出力の関係については、図9に示す。図中、Y軸方向の変位量は縦軸に、主軸モータ6の平均出力は横軸にしている。図8と図9の実測データは、モータの動作開始から3時間(180min)後の、主軸モータの平均出力と、主軸の変位量の関係を示す。図8と図9のグラフからは、モータ6の平均出力と、X軸、Y軸の変位量との関係は、ほぼ直線的な関係であることが理解できる。
Among these, FIG. 8 shows a data diagram of the relationship between the maximum displacement amount in the X-axis direction and the average output of the
図10は、ステータの温度は、定常状態に達するまでの温度上昇を測定した結果である。測定は、ステータにつけた熱電対センサーを用いて測定した。このとき、主軸5の回転速度が800rpm、2000rpm、3200rpmの一定回転である。このグラフからは、主軸回転速度に対する定常状態での最大温度上昇値は、回転速度とともに大きくなっている。図11は、主軸5の回転速度に対する、モータステータ6aの最大温度上昇の関係を示す図である。図11は、図10の測定値から、各回転速度に対する、ステータの最大温度上昇値を示している。
FIG. 10 shows the results of measuring the temperature rise until the stator temperature reaches a steady state. The measurement was performed using a thermocouple sensor attached to the stator. At this time, the rotation speed of the
図11に示した各主軸回転速度に対するステータ温度上昇の最大値βは、最小二乗法を用いて、主軸回転速度nに関する3次の次に示す多項式として、近似可能であり、次の式になる。
実加工においては、主軸の回転速度の変化や起動・停止による加速、減速動作が、短時間で煩雑に行われるような場合も少なくない。このような場合には、主軸モータの発熱が増加し、1次遅れ系の基本推定モデルだけでは実測値との乖離が大きくなる。そこで、基本推定モデルに対して、主軸モータのステータ温度をパラメータとして追加した拡張推定モデルを、前述した式(1)及び式(2)で新たに定義したものである。また、主軸回転速度が一定の場合のステータ温度も、時間経過と共に増加し、一定時間経過後には定常値に収束していくことが知られているため、最大値を各回転速度による関数とし、経過時間に関する1次遅れ系関数との積の形として、次式で表現可能である。 In actual machining, there are not a few cases where acceleration and deceleration operations due to changes in the rotational speed of the spindle and start / stop are performed in a short time. In such a case, the heat generation of the spindle motor increases, and the deviation from the actual measurement value increases only with the basic estimation model of the first-order lag system. Therefore, an extended estimation model in which the stator temperature of the spindle motor is added as a parameter to the basic estimation model is newly defined by the above-described equations (1) and (2). In addition, it is known that the stator temperature when the spindle rotation speed is constant also increases with time and converges to a steady value after the passage of time, so the maximum value is a function of each rotation speed, It can be expressed by the following equation as a product form with a first-order lag function relating to elapsed time.
n:主軸回転速度(min-1)、
t:初期状態からの経過時間(min)、
T0:モータステータの初期温度(℃)、
ts:温度の時定数(min)、
β:各主軸回転速度に対するステータ温度上昇の最大値(℃。)
である。
n: Spindle speed (min -1 )
t: elapsed time from the initial state (min),
T 0 : initial temperature of motor stator (° C),
t s : Time constant of temperature (min),
β: Maximum value of stator temperature rise for each spindle speed (° C)
It is.
この式の温度の時定数tsは、上述の熱変位の時定数tdと同じとする。
ts(n)=td(n) ...式(15)
The temperature time constant t s in this equation is the same as the thermal displacement time constant t d described above.
t s (n) = t d (n). . . Formula (15)
このように、前述した式(1)及び式(2)におけるαx、αyは、未決定で、他のすべてのパラメータが決定された。αx、αyは、次の測定結果から決定することができる。主軸回転速度800min-1、2000min-1、3200min-1の場合において、それぞれ加減速サイクル10sec,20sec,40secの実験を行った。この実験で、X軸方向、及びY軸方向の変位量を測定するとともに、ステータの温度を測定した。 As described above, α x and α y in the above-described expressions (1) and (2) are not determined, and all other parameters are determined. α x and α y can be determined from the following measurement results. Experiments were performed for acceleration / deceleration cycles of 10 sec, 20 sec, and 40 sec at spindle speeds of 800 min −1 , 2000 min −1 , and 3200 min −1 , respectively. In this experiment, the amount of displacement in the X-axis direction and the Y-axis direction was measured, and the temperature of the stator was measured.
αx、αyは、加減速サイクル時のステータ温度上昇と、測定された変位量の関係より、最小二乗法によって、重相関係数をそれぞれ0.82(αxの場合)、0.94(αyの場合)として算出した結果は、次式である。
αx=0.27・10-3 ...式(16)
αy=0.99・10-3 ...式(17)
α x , α y are calculated by the least squares method based on the relationship between the stator temperature rise during acceleration / deceleration cycles and the measured displacement, respectively, with multiple correlation coefficients of 0.82 (for α x ) and 0.94 (for α y The result calculated as) is as follows.
α x = 0.27 · 10 −3 . . . Formula (16)
α y = 0.99 · 10 -3 . . . Formula (17)
これらの式13〜17は、第1推定式の補正として、加減速サイクルでの熱変位を第2推定式にも適用し、回転速度毎に、この推定結果と実測値と比較した図を示す。図12aと、図13aは、10secサイクルの場合のX軸方向、及びY軸方向の変位量を、拡張推定モデルで計算した結果と、実測定結果を時間経過で示したデータ図である。図12b、図13bは、10secサイクルの場合のX軸方向、及びY軸方向の変位量を、第1推定式のみで計算したデータ図を、実測定結果と表示したデータ図である。図14は、この実測定時に、ステータの温度を測定した結果を示す図である。 These formulas 13-17 show the figure which applied the thermal displacement in an acceleration / deceleration cycle also to a 2nd estimation formula as a correction | amendment of a 1st estimation formula, and compared this estimation result and measured value for every rotational speed. . FIGS. 12a and 13a are data diagrams showing the results of calculating the displacement amounts in the X-axis direction and the Y-axis direction in the case of a 10-second cycle using the extended estimation model, and the actual measurement results over time. FIGS. 12b and 13b are data diagrams that display the actual measurement results of data diagrams in which the displacement amounts in the X-axis direction and the Y-axis direction in the case of the 10 sec cycle are calculated only by the first estimation formula. FIG. 14 is a diagram showing the result of measuring the temperature of the stator during this actual measurement.
図12a、図12b、図13a、図13bのグラフの縦軸は、X軸方向又はY軸方向の変位量を示し、横軸は、時間を示す。図14のグラフの縦軸は、ステータの温度を示し、横軸は、時間を示す。図12a、図12b、図13a、図13b、図14は、主軸5の回転速度が800min-1、2000min-1、及び、3200min-1の場合である。図12b、図13bに示した第1推定式のみで計算した結果を示すグラフは、回転速度が大きくなるほど、実測値からの乖離が大きくなっている。言い換えると、ステータの実測温度と基準温度(ステータの一定回転速度下における推定温度《式(3)により計算》)との差が大きくなるほど、第2推定式による補正効果が大きいことがいえる。
12a, 12b, 13a, and 13b, the vertical axis indicates the amount of displacement in the X-axis direction or the Y-axis direction, and the horizontal axis indicates time. The vertical axis of the graph in FIG. 14 indicates the stator temperature, and the horizontal axis indicates time. FIGS. 12 a, 12 b, 13 a, 13 b, and 14 are cases where the rotational speed of the
同様に、図15a、図16a、図15b、図16b、図17は、20secサイクルの場合のデータ図で、図18a、図19a、図18b、図19b、図20は、40secサイクルの場合のデータ図である。これらのデータによると、第1推定式のみで計算した場合、特に主軸回転速度が大きくなると、計算値と実測値の間に乖離がみられる。従って、第1推定式のみで推定値を計算すると不十分な結果になり、加工誤差を生じることになることが理解される。これらのデータ図からみると、拡張推定モデルによる計算結果は、第1推定式のみでの計算よりは、測定値と近い値を示すことがわかる。 Similarly, FIG. 15a, FIG. 16a, FIG. 15b, FIG. 16b, and FIG. 17 are data diagrams in the case of 20 sec cycle, and FIG. 18a, FIG. 19a, FIG. 18b, FIG. FIG. According to these data, when the calculation is performed using only the first estimation formula, there is a discrepancy between the calculated value and the actually measured value, particularly when the spindle rotation speed increases. Therefore, it can be understood that if the estimated value is calculated only by the first estimation formula, an insufficient result is obtained and a machining error is caused. From these data diagrams, it can be seen that the calculation result by the extended estimation model shows a value closer to the measured value than the calculation using only the first estimation equation.
〔主軸の回転速度や加減速条件の変化〕
上記の説明では、回転速度、加減速サイクルに対して、初期状態から定常状態に到達するまでのX軸、Y軸の熱変位の過渡特性について説明した。しかしながら、現実的には、主軸が一定の回転速度で回転する時間は短く、熱変位が過渡的に変化している内に回転速度が変化することが多いため、これら主軸回転速度や加減速条件の任意の組み合わせに対しても、前述した推定モデルが適用可能であることが求められる。そこで、途中で運転条件が変わった場合の、熱変位の拡張推定例を理論形態の図として、図21に示す。
[Changes in spindle speed and acceleration / deceleration conditions]
In the above description, the transient characteristics of the X-axis and Y-axis thermal displacements from the initial state to the steady state with respect to the rotational speed and the acceleration / deceleration cycle have been described. However, in reality, the time for which the spindle rotates at a constant rotation speed is short, and the rotation speed often changes while the thermal displacement changes transiently. It is required that the above estimation model can be applied to any combination of the above. Accordingly, FIG. 21 shows a theoretical form of an extended thermal displacement estimation example when the operating conditions change during the operation.
図21中の縦軸は、主軸の熱変位の変位量を示し、横軸は、運転時間を示す。まず、NC旋盤1の主軸5の主軸回転速度は、立ち上がり時は、第1回転速度に設定され、変更点で、第2回転速度に設定されて稼働する。
The vertical axis in FIG. 21 indicates the amount of thermal displacement of the main axis, and the horizontal axis indicates the operation time. First, the spindle rotation speed of the
この例の場合の計算式は以下のとおりである。記号は図に準じる。X軸送り軸の推定値xは、Y軸送り軸の推定値yは、次の式で表される。
x:一定時間経過後のX軸方向の熱変位量(mm)、
x0:各主軸回転速度に対するX軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
x1:主軸の回転速度が途中で変化する時間t1(min)のときのX軸方向の熱変位量(mm)、
x2:主軸の回転速度が途中で変化した後のX軸方向の熱変位量(mm)、
y:一定時間経過後のY軸方向の熱変位量(mm)、
y0:各主軸回転速度に対するY軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
y1:主軸の回転速度が途中で変化する時間t1(min)のときのY軸方向の熱変位量(mm)、
y2:主軸の回転速度が途中で変化した後のY軸方向の熱変位量(mm)、
n:主軸回転速度(min-1)、
n1:主軸の回転速度が変化する前の値、
n2:主軸の回転速度が変化した後の値、
t:初期状態からの経過時間(min)、
t1:主軸の回転速度が変化するときの値、
Ts:熱電対によるステータ温度の実測値(℃)、
td:熱変位の時定数(min)、
αx:X軸に対する拡張項の補正係数、
αy:Y軸に対する拡張項の補正係数
である。
The calculation formula in this example is as follows. The symbols are according to the figure. The estimated value x of the X-axis feed axis and the estimated value y of the Y-axis feed axis are expressed by the following equations.
x: Thermal displacement in the X-axis direction after a certain period of time (mm)
x 0 : Maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the X-axis direction for each spindle rotation speed,
x 1 : Thermal displacement amount (mm) in the X-axis direction at time t 1 (min) when the rotation speed of the spindle changes halfway,
x 2 : Thermal displacement in the X-axis direction (mm) after the rotation speed of the spindle changes midway,
y: thermal displacement in the Y-axis direction after a certain time (mm)
y 0 : Maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the Y-axis direction with respect to each spindle rotational speed,
y 1 : thermal displacement amount (mm) in the Y-axis direction at time t 1 (min) when the rotation speed of the spindle changes in the middle,
y 2 : amount of thermal displacement in the Y-axis direction (mm) after the rotation speed of the spindle changes in the middle,
n: Spindle speed (min -1 )
n 1 : Value before the spindle speed changes,
n 2 : Value after the spindle rotation speed has changed,
t: elapsed time from the initial state (min),
t 1 : Value when the rotational speed of the spindle changes,
T s : Actual value (° C) of stator temperature measured by thermocouple,
t d : Thermal displacement time constant (min),
α x : Correction coefficient of the expansion term with respect to the X axis,
α y is a correction coefficient for the expansion term with respect to the Y axis.
なお、ある主軸回転速度nから停止させた場合のX軸送り軸の推定値x、及び、Y軸送り軸の推定値yは次の式で表される。
これにもとづく推定値と実測値との比較例を、図22に示す回転パターンの10secのサイクルの例として、図23、図24に示す。図23は、X軸方向及びY軸方向の変位量の変化を示している。図23のグラフの縦軸は、変位量を示し、横軸は、時間を示している。図22に示す回転パターンは、一定の加減速サイクルに伴って、主軸回転速度がランダムに変化する場合であり、10secサイクルを30min毎に行っての変化を示している。図24は、モータステータ6aの温度変化を示している。図24のグラフの縦軸は、温度を示し、横軸は、時間を示している。 A comparison example between the estimated value and the actual measurement value based on this is shown in FIGS. 23 and 24 as an example of a 10-second cycle of the rotation pattern shown in FIG. FIG. 23 shows changes in the amount of displacement in the X-axis direction and the Y-axis direction. The vertical axis of the graph in FIG. 23 indicates the amount of displacement, and the horizontal axis indicates time. The rotation pattern shown in FIG. 22 is a case where the spindle rotation speed changes randomly with a constant acceleration / deceleration cycle, and shows a change when a 10 sec cycle is performed every 30 min. FIG. 24 shows the temperature change of the motor stator 6a. The vertical axis of the graph in FIG. 24 indicates temperature, and the horizontal axis indicates time.
図24のグラフは、測定時の室温、主軸5のモータステータ6aの計算値、及び、測定値を示している。図23のグラフからわかるように、X軸、Y軸方向の熱変位量の推定誤差は、90min付近では、それぞれ最大0.0018mm、0.0036mm、240min付近では、それぞれ最大で、0.0004mm、0.0035mmとなっている。これによると、図23に示した変位量の変化の動向が、推定値と実測値の変化の傾向が略一致している。
The graph of FIG. 24 shows the room temperature at the time of measurement, the calculated value of the motor stator 6a of the
図22、図23及び図24と同様に、図25に示す回転パターンがランダム加減速サイクルパターンにおけるデータ図を図26、図27に示す。このランダムサイクルは、図25に示した通り、加減速サイクルと主軸回転速度がともにランダムに変化する場合で、30min毎にランダムに変化させたパターンとなっている。この例の場合も、図26に示した変位量の変化動向が、例えば60minの変更点及び180minの変更点において山を構成し、推定値と実測値の変化の傾向が略一致して運転条件が変わっても追随していることが確認できる。 Similar to FIGS. 22, 23, and 24, FIG. 26 and FIG. 27 show data diagrams when the rotation pattern shown in FIG. 25 is a random acceleration / deceleration cycle pattern. As shown in FIG. 25, this random cycle is a pattern in which both the acceleration / deceleration cycle and the spindle rotational speed change randomly, and is changed randomly every 30 minutes. Also in this example, the change trend of the displacement amount shown in FIG. 26 forms a mountain at the change point of 60 min and the change point of 180 min, for example, and the tendency of the change of the estimated value and the actual measurement value substantially coincides with the operating condition. Even if changes, it can be confirmed that it is following.
短時間のサイクルであるとステータは温度上昇傾向にあり、それに伴い変位量も追随して変化している。図26のグラフからわかるように、X軸、Y軸方向の熱変位量の推定誤差は、150minから180minの間では、それぞれ最大0.0017mm、0.0036mm、240min付近では、それぞれ最大で、0.0002mm、0.0035mmとなっている。図28に示す回転パターンがランダム加減速サイクルパターンにおけるデータ図を図29、図30に示す。このランダムサイクルは、図29に示した通り、主軸回転速度のみがランダムに変化する場合であり、30min毎に行った変化を示している。 In a short cycle, the stator tends to rise in temperature, and the amount of displacement also changes accordingly. As can be seen from the graph of FIG. 26, the estimated error in the amount of thermal displacement in the X-axis and Y-axis directions is 0.0017 mm, 0.0036 mm, and max. It is 0.0035mm. FIG. 29 and FIG. 30 show data diagrams when the rotation pattern shown in FIG. 28 is a random acceleration / deceleration cycle pattern. As shown in FIG. 29, this random cycle is a case where only the spindle rotational speed changes randomly, and shows a change made every 30 min.
図30は、モータステータ6aの温度変化を示している。図30のグラフの縦軸は、温度を示し、横軸は、時間を示している。図30のグラフは、測定時の室温、主軸5のモータステータ6aの温度の測定値を示している。図29のグラフからわかるように、X軸、Y軸方向の熱変位量の推定誤差は、210min付近では、主軸回転の停止により実測値が瞬間的に低下しているため、この付近での実測値と推定値の差異を推定誤差とすると、それぞれ最大0.0037mm、0.0020mmとなっている。その他の区間では、120min付近でのY軸方向の熱変位量の誤差が最大で0.0015mmであることを除けば、精度良く、推定できている。
FIG. 30 shows the temperature change of the motor stator 6a. The vertical axis of the graph in FIG. 30 indicates temperature, and the horizontal axis indicates time. The graph of FIG. 30 shows the measured values of the room temperature at the time of measurement and the temperature of the motor stator 6a of the
図22と図28の回転パターンの場合は、主軸回転速度の変化は同一であるが、加減速サイクルのみ異なる。図22のパターンの場合、モータの発熱が大きくなり、X軸、Y軸方向の最大熱変位量はそれぞれ1.53倍、1.87倍までに拡大しているが、この差分を拡張推定モデルの拡張項で補正している。 In the case of the rotation patterns of FIGS. 22 and 28, the change in the spindle rotational speed is the same, but only the acceleration / deceleration cycle is different. In the case of the pattern of FIG. 22, the heat generation of the motor increases, and the maximum thermal displacement amounts in the X-axis and Y-axis directions have increased to 1.53 times and 1.87 times, respectively. It is corrected.
このように、第1推定式に対し、モータステータ6aの温度を加味した第2推定式を加算して求めた推定値は、実測値に極めて近似した値となっていることを、以上説明したデータ図により確認できる。従って、本発明の推定方法は、実測の裏づけにより有効な補正方式であるといえる。以上、実施の形態例を説明したが、本発明は、本実施の形態に限定されないことはいうまでもない。実施の形態例の工作機械をNC旋盤として説明したが、例えば、NC研削盤、マシニングセンタにも適用できることはいうまでもない。 As described above, the estimated value obtained by adding the second estimated expression taking into account the temperature of the motor stator 6a to the first estimated expression is a value very close to the actually measured value. It can be confirmed by the data diagram. Therefore, it can be said that the estimation method of the present invention is an effective correction method based on the actual measurement. Although the embodiment has been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to this embodiment. Although the machine tool of the embodiment has been described as an NC lathe, it is needless to say that it can be applied to, for example, an NC grinder and a machining center.
1…NC旋盤
2…ベッド
3…主軸台
4…ベアリング
5…主軸
6…ビルトインモータ
9…ステータ温度検出用センサ
15…NC装置
16…主軸速度検出用センサ
18…推定値算定部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記送り系構造体の移動時の主軸の主軸モータのステータ温度又は前記主軸のベアリング近傍温度により変化する補正値を、前記ステータ温度又は前記ベアリング近傍温度の値を含む第2の推定式にもとづき、前記送り系構造体の移動量として算出し推定する工程と、及び、
前記第1の推定式の推定結果と、前記第2の推定式の推定結果を、加算し前記補正値に相当する推定値を得る工程と
からなる工作機械の熱変形補正のための推定方法。 A correction value that varies depending on the drive system operating value when the feed system structure is moved in the machine tool is calculated and estimated as a movement amount of the feed system structure based on the first estimation formula including the drive system operating value. Process,
Based on the second estimation formula including the value of the stator temperature or the bearing vicinity temperature, the correction value that changes depending on the stator temperature of the spindle motor of the spindle during the movement of the feed structure or the temperature near the bearing of the spindle, Calculating and estimating the amount of movement of the feed structure, and
An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool, comprising: adding an estimation result of the first estimation formula and an estimation result of the second estimation formula to obtain an estimation value corresponding to the correction value.
前記駆動系稼動値は、前記主軸の回転速度の値である
ことを特徴とする工作機械の熱変形補正のための推定方法。 In the estimation method for thermal deformation correction of the machine tool according to claim 1,
The drive system operating value is a value of a rotational speed of the spindle. An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool.
前記駆動系稼動値は、前記主軸モータの出力値である
ことを特徴とする工作機械の熱変形補正のための推定方法。 In the estimation method for thermal deformation correction of the machine tool according to claim 1,
The driving system operating value is an output value of the spindle motor. An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool.
前記第1の推定式および前記第2の推定式には、経過時間に伴う遅れを考慮した計算式が含まれている
ことを特徴とする工作機械の熱変形補正のための推定方法。 In the estimation method for thermal deformation correction of the machine tool according to claim 1,
The estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool, wherein the first estimation formula and the second estimation formula include a calculation formula that takes into account a delay associated with an elapsed time.
前記工作機械は、NC旋盤である
ことを特徴とする工作機械の熱変形補正のための推定方法。 In the estimation method for thermal deformation correction of the machine tool according to claim 1,
The machine tool is an NC lathe. An estimation method for correcting thermal deformation of a machine tool.
前記主軸の回転速度の値、及び、前記ステータ温度に基づく前記送り系構造体の移動量の推定値は、次の推定式で求められる
ことを特徴とする工作機械の熱変形補正のための推定方法。
X軸送り軸の推定値xと、Y軸送り軸の推定値yは、
ただし、
x:一定時間経過後のX軸方向の熱変位量(mm)、
y:一定時間経過後のY軸方向の熱変位量(mm)、
n:主軸の回転速度(min-1)、
t:初期状態からの経過時間(min)、
T:式(3)によるステータ温度の推定値(℃)、
x0:各主軸の回転速度に対するX軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
y0:各主軸の回転速度に対するY軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
td:熱変位の時定数(min)、
ts:温度の時定数(min)、
αx:X軸に対する拡張項の補正係数、
αy:Y軸に対する拡張項の補正係数、
Ts:熱電対によるステータ温度の実測値(℃)、
β:各X,Y主軸の回転速度に対するステータ温度の上昇の最大値(℃)、
T0:ステータ温度の初期温度(℃)
である。 In the estimation method for thermal deformation correction of the machine tool according to claim 1,
The estimated value for the rotational deformation of the spindle and the estimated value of the amount of movement of the feed system structure based on the stator temperature is obtained by the following estimation formula: Method.
The estimated value x of the X axis feed axis and the estimated value y of the Y axis feed axis are
However,
x: Thermal displacement in the X-axis direction after a certain period of time (mm)
y: thermal displacement in the Y-axis direction after a certain time (mm)
n: Spindle speed (min -1 ),
t: elapsed time from the initial state (min),
T: Estimated value of stator temperature (° C) according to equation (3),
x 0 : Maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the X-axis direction with respect to the rotational speed of each spindle.
y 0 : maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the Y-axis direction with respect to the rotational speed of each spindle,
t d : Thermal displacement time constant (min),
t s : Time constant of temperature (min),
α x : Correction coefficient of the expansion term with respect to the X axis,
α y : correction coefficient for the expansion term with respect to the Y-axis,
T s : Actual value (° C) of stator temperature measured by thermocouple,
β: the maximum value of the stator temperature rise (° C.) with respect to the rotational speed of each X, Y spindle,
T 0 : Initial stator temperature (° C)
It is.
前記主軸の回転速度が途中でt1(min)後に変化した場合の熱変位の推定値は、次の推定式で求められる
ことを特徴とする工作機械の熱変形補正のための推定方法。
X軸送り軸の推定値x2、Y軸送り軸の推定値y2は、
ただし、
x:一定時間経過後のX軸方向の熱変位量(mm)、
x0:各主軸回転速度に対するX軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
x1:主軸の回転速度が途中で変化する時間t1(min)のときのX軸方向の熱変位量(mm)、
x2:主軸の回転速度が途中で変化した後のX軸方向の熱変位量(mm)、
y:一定時間経過後のY軸方向の熱変位量(mm)、
y0:各主軸回転速度に対するY軸方向の熱変位量の最大値(mm)、
y1:主軸の回転速度が途中で変化する時間t1(min)のときのY軸方向の熱変位量(mm)
y2:主軸の回転速度が途中で変化した後のY軸方向の熱変位量(mm)
n:主軸回転速度(min-1)、
n1:主軸の回転速度が変化する前の値、
n2:主軸の回転速度が変化した後の値、
t:初期状態からの経過時間(min)
t1:主軸の回転速度が変化するときの値、
Ts:熱電対によるステータ温度の実測値(℃)、
td:熱変位の時定数(min)、
αx:X軸に対する拡張項の補正係数、
αy:Y軸に対する拡張項の補正係数、及び、
なお、ある主軸回転速度nから停止させた場合のX軸送り軸の推定値x、及び、Y軸送り軸の推定値yは、
An estimated value for thermal deformation correction of a machine tool, wherein the estimated value of thermal displacement when the rotational speed of the spindle changes after t 1 (min) in the middle is obtained by the following estimation formula.
The estimated value x 2 of the X-axis feed axis and the estimated value y 2 of the Y-axis feed axis are
However,
x: Thermal displacement in the X-axis direction after a certain period of time (mm)
x 0 : Maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the X-axis direction for each spindle rotation speed,
x 1 : Thermal displacement amount (mm) in the X-axis direction at time t 1 (min) when the rotation speed of the spindle changes halfway,
x 2 : Thermal displacement in the X-axis direction (mm) after the rotation speed of the spindle changes midway,
y: thermal displacement in the Y-axis direction after a certain time (mm)
y 0 : Maximum value (mm) of the amount of thermal displacement in the Y-axis direction with respect to each spindle rotational speed,
y 1 : Thermal displacement in the Y-axis direction (mm) at time t 1 (min) during which the spindle speed changes midway
y 2 : Thermal displacement amount in the Y-axis direction (mm) after the rotation speed of the spindle changes midway
n: Spindle speed (min -1 )
n 1 : Value before the spindle speed changes,
n 2 : Value after the spindle rotation speed has changed,
t: Elapsed time from the initial state (min)
t 1 : Value when the rotational speed of the spindle changes,
T s : Actual value (° C) of stator temperature measured by thermocouple,
t d : Thermal displacement time constant (min),
α x : Correction coefficient of the expansion term with respect to the X axis,
α y : correction coefficient for the expansion term with respect to the Y axis, and
Note that the estimated value x of the X-axis feed axis and the estimated value y of the Y-axis feed axis when stopped from a certain spindle rotational speed n are:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008298856A JP2010120150A (en) | 2008-11-22 | 2008-11-22 | Estimation method for thermal deformation compensation of machine tool |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008298856A JP2010120150A (en) | 2008-11-22 | 2008-11-22 | Estimation method for thermal deformation compensation of machine tool |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010120150A true JP2010120150A (en) | 2010-06-03 |
Family
ID=42321933
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008298856A Pending JP2010120150A (en) | 2008-11-22 | 2008-11-22 | Estimation method for thermal deformation compensation of machine tool |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010120150A (en) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015103169A (en) * | 2013-11-27 | 2015-06-04 | 三菱電機株式会社 | Numerical control device |
CN104714481A (en) * | 2014-12-31 | 2015-06-17 | 武汉理工大学 | Thermal error feedback interception compensation pulse sending control circuit and method of numerically-controlled machine tool |
CN104808580A (en) * | 2015-02-28 | 2015-07-29 | 蚌埠市金林数控机床制造有限公司 | Machine tool spindle temperature control system and method |
CN104267667B (en) * | 2014-09-04 | 2017-05-10 | 武汉理工大学 | Embedded thermal error real-time compensation controller of numerical control machine tool |
CN107900383A (en) * | 2017-12-26 | 2018-04-13 | 广东圣特斯数控设备有限公司 | A kind of electro spindle of numerically-controlled machine tool |
CN108356603A (en) * | 2017-12-21 | 2018-08-03 | 武汉华中数控股份有限公司 | Five-axle number control machine tool main shaft method for thermal deformation error compensation and system |
JP2018153902A (en) * | 2017-03-21 | 2018-10-04 | ファナック株式会社 | Machine learning device and thermal displacement correction device |
KR20190051152A (en) | 2017-11-06 | 2019-05-15 | 두산공작기계 주식회사 | Correction method of thermal displacement of machine tool spindle |
WO2020155230A1 (en) * | 2019-01-31 | 2020-08-06 | 大连理工大学 | Method for determining real-time thermal deformation attitude of spindle |
US11650565B2 (en) | 2017-03-21 | 2023-05-16 | Fanuc Corporation | Machine learning device and thermal displacement compensation device |
-
2008
- 2008-11-22 JP JP2008298856A patent/JP2010120150A/en active Pending
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015103169A (en) * | 2013-11-27 | 2015-06-04 | 三菱電機株式会社 | Numerical control device |
CN104267667B (en) * | 2014-09-04 | 2017-05-10 | 武汉理工大学 | Embedded thermal error real-time compensation controller of numerical control machine tool |
CN104714481A (en) * | 2014-12-31 | 2015-06-17 | 武汉理工大学 | Thermal error feedback interception compensation pulse sending control circuit and method of numerically-controlled machine tool |
CN104808580A (en) * | 2015-02-28 | 2015-07-29 | 蚌埠市金林数控机床制造有限公司 | Machine tool spindle temperature control system and method |
JP2018153902A (en) * | 2017-03-21 | 2018-10-04 | ファナック株式会社 | Machine learning device and thermal displacement correction device |
US10592824B2 (en) | 2017-03-21 | 2020-03-17 | Fanuc Corporation | Machine learning device and thermal displacement compensation device |
US11650565B2 (en) | 2017-03-21 | 2023-05-16 | Fanuc Corporation | Machine learning device and thermal displacement compensation device |
KR20190051152A (en) | 2017-11-06 | 2019-05-15 | 두산공작기계 주식회사 | Correction method of thermal displacement of machine tool spindle |
CN108356603A (en) * | 2017-12-21 | 2018-08-03 | 武汉华中数控股份有限公司 | Five-axle number control machine tool main shaft method for thermal deformation error compensation and system |
CN107900383A (en) * | 2017-12-26 | 2018-04-13 | 广东圣特斯数控设备有限公司 | A kind of electro spindle of numerically-controlled machine tool |
CN107900383B (en) * | 2017-12-26 | 2024-01-30 | 广东圣特斯数控设备有限公司 | Motorized spindle of numerical control machine tool |
WO2020155230A1 (en) * | 2019-01-31 | 2020-08-06 | 大连理工大学 | Method for determining real-time thermal deformation attitude of spindle |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2010120150A (en) | Estimation method for thermal deformation compensation of machine tool | |
JP4942839B2 (en) | Chatter vibration detection method, chatter vibration avoidance method, and machine tool | |
JP5160980B2 (en) | Vibration suppression method and apparatus | |
US8517797B2 (en) | Grinding machine and grinding method | |
JP6243260B2 (en) | Spindle motor control device | |
JP5905158B2 (en) | Numerical controller | |
JP5698798B2 (en) | Machine tool with thermal displacement compensation function | |
JP4433422B2 (en) | Vibration suppression device | |
JP5936178B2 (en) | Machining control method for machine tools | |
JP5359320B2 (en) | Machine Tools | |
JP5353586B2 (en) | Machine tool and processing method | |
WO2006016420A1 (en) | Method for machining work | |
CN109085802B (en) | Control device for motor | |
JP6740199B2 (en) | Numerical control device, CNC machine tool, numerical control method, and numerical control program | |
JP2007175804A (en) | Control device of machine tool | |
JP6490368B2 (en) | Machine tool control device, machine tool control method, and program | |
JP4709588B2 (en) | Thread cutting control method and apparatus | |
JP2010262474A (en) | Machining support system for machine tool | |
JP6842146B2 (en) | How to correct machine tool machining errors | |
JP2007075915A (en) | Cutting method and device | |
JP2007105809A (en) | Method of detecting slip of main spindle driving belt of machine tool | |
JP5218103B2 (en) | Machine Tools | |
JP4055074B2 (en) | Machine tool control device, machine tool control method, machine tool control program, and computer-readable recording medium recording the machine tool control program | |
JP5767931B2 (en) | Vibration suppression method and vibration suppression device for machine tool | |
JP2007007752A (en) | Displacement correcting method of spindle tool tip |