JP2015074079A - ボールねじの熱変位補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱によるボールねじの長さの変化およびベースの長さの変化から生じる位置決め精度の低下を排除し、工作機械等の加工精度を向上させること。【解決手段】ボールねじ１２により駆動される移動体３を、ボールねじ１２の一端を回転可能かつ軸方向移動可能に支持する手段によりベース２６上に配置し、ボールねじの一端の変位を検出する変位検出器２４とベースの温度を検出する温度検出器２７を取り付け、これらにより測定した値にから、ボールねじのみかけの熱変位量でなく、真の熱変位量を算出して、正確な位置制御を可能にした。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械および産業機械等の位置決め装置に使用されるボールねじの熱変位を補正する装置に関するものである。

ボールねじを使用して移動体の位置決めを行う機械、例えば、工作機械において、ナットや支持ベアリングとの間で発生する熱がボールねじやベースに伝わり、また、室温の変化によりボールねじの長さとベースの長さが変化する。特に、機械の始動時より所定の時間、例えば９０分ぐらいまでは、ボールねじの長さおよびベースの長さの変化が大きく、移動体の位置決め精度が悪くなり、これにより加工精度等が低下し、不良品を出す不具合があった。

特開H2-243248 特開2001-138178 特開2007-21721

そこで、ボールねじの熱変位を補正する装置が、上記特許文献１および特許文献２において開示されている。特許文献１および特許文献２においては、ボールねじの自由端側に変位検出器を取付け、変位検出器が検出する変位量を、そのまま、ボールねじの熱変位量と見做して、すなわち、ボールねじのみかけの熱変位量を測定して、ボールねじの熱変位補正装置を構成していた。しかし、ボールねじの固定端を基準にして、温度変化により、ボールねじの長さだけでなく、変位検出器を取付けているベースの長さも変化する。そのため、高精度なボールねじの熱変位補正ができず、位置決め精度の低下を招いていた。また、変位検出器として広く用いられる渦電流式変位センサでは、温度変化により、センサ感度が変化して、高精度なボールねじの熱変位補正装置を構成することが困難であった。

本発明の目的は、上記従来装置の欠点を伴わずに、変位検出器および温度検出器の出力に基づいて、ボールねじの真の熱変位量を算出し、熱によるボールねじの長さの変化から生じる位置決め精度の低下をなくし、加工精度等を向上することにある。

図１は、ボールねじ送り装置の概略図である。また、図２は、ボールねじ自由端と変位検出器の位置関係を示す拡大図である。図１及び図２において、ボールねじ送り装置の運転開始時でのボールねじの温度とベースの温度とが環境温度に一致している状態（以下、
基準温度時と言う）における位置関係を実線で、ボールねじ送り装置の稼働により温度が上昇した状態における位置関係を破線で示している。図１と図２を用いて、解決すべき課題を明らかにし、その課題を解決する手段について、以下に説明する。ボールねじ送り装置は、ベース２６と、前記ベースに摺動可能に支持された移動体３と、前記移動体に固定されたナット１１と、前記ナットに係合したボールねじ１２と、前記ボールねじの一端を回転可能かつ軸方向移動不能に支持する固定ベアリング１３と、他端を回転可能かつ軸方向移動可能に支持する自由ベアリング２０と、前記ボールねじに連結されたサーボモータ１８と、前記サーボモータを回転駆動するサーボモータ駆動装置４から構成される。

ボールねじ送り装置の運転開始時でのボールねじの温度とベースの温度とが環境温度に一致している状態（以下、基準温度時と言う）における、ボールねじを固定している固定ベアリング（ボールねじ固定端）の位置から自由ベアリング側のボールねじの端（ボールねじ自由端）までの長さをA（以下、ボールねじ初期長さと言う）とし、ベースの長さをB（以下、ベース初期長さと言う）とする。ボールねじ自由端に近接して、変位検出器２４をベース上に取付け、その取付け位置からボールねじ固定端の位置までの長さを、ベースの長さを基準にして、αBとする。αは、変位検出器２４の取付け位置からボールねじ固定端の位置までの長さとベースの長さの割合を表しているが、ここでは、ベース熱膨張寄与率と呼ぶ。ボールねじ自由端から変位検出器２４の検出面までの距離をXとすれば、
・・・式（１）
となる。
ボールねじ送り装置の稼働により温度が上昇して、ボールねじ固定端からボールねじ自由端までの長さがA＋ΔAとなり、ベースの温度がΔTだけ上昇して、ベースの長さがB＋ΔBになり、ボールねじ自由端から変位検出器２４の検出面までの距離がX＋ΔXになった場合を考える（この状態を、図１と図２中の破線で示す）。この場合、
・・・式（２）
が成立する。式（１）を式（２）に代入すると、
・・・式（３）
となる。一方、ベースの熱膨張係数をβとすれば、
・・・式（４）
の関係式が成り立つ。式（４）を式（３）に代入すれば、
・・・式（５）
が得られる。式（５）がボールねじの真の熱変位量を与える。

従来技術では、ベースの温度上昇を考慮していない、すなわち、式（５）でΔT＝０として、ボールねじのみかけの熱変位量（ΔA＝−ΔX）を測定して、ボールねじの熱変位を補正していた。

請求項１のボールねじの熱変位補正装置は、ボールねじのみかけ長さの変化を測定する変位検出器と、ベースの温度を測定する温度検出器とを備えており、また、変位検出器および温度検出器の出力に基づいてボールねじの真の熱変位量を算出するボールねじ熱変位算出手段を備えており、さらに、熱変位算出手段のボールねじの真の熱変位量の出力に基づいてボールねじを回転駆動して位置制御する位置制御手段を備えているので、高精度で安定したボールねじによる位置決めができる。

請求項２のボールねじの熱変位補正装置は、請求項１において、前記ボールねじ熱変位算出手段は、式（５）より、ボールねじの真の熱変化量を算出することを特徴としている。したがって、従来のボールねじのみかけの熱変位量に基づいて補正するボールねじ熱変位補正装置に比べて、より高精度で安定したボールねじ熱変位補正装置を提供することができる。

請求項３のボールねじ熱変位補正装置は、請求項１又は２において、前記位置制御手段が、前記ボールねじ熱変位算出手段によって算出される真の熱変位量に対応して、前記サーボモータのロータリエンコーダから出力される回転パルス信号を補正し、補正した回転パルス信号により前記サーボモータ駆動装置を制御するようにしたことを特徴としている。この構成によれば、真の熱変位量に基づいてリアルタイムで、回転パルス信号を補正することが可能となる。

請求項４から請求項１０のボールねじ熱変位補正装置は、数値制御プログラムによってサーボモータを回転制御する数値制御装置を、請求項１又は２の熱変位算出手段および位置制御手段に用いるものであり、簡便に、ボールねじの真の熱変位を補正することが可能となる。

請求項４においては、ボールねじの真の熱変位量に基づいてリード情報かボールねじピッチ補正情報のいずれかを用いてボールねじの熱変位補正を行う方法に対し、請求項５では、ボールねじの真の熱変位量に基づいてリード情報とピッチ誤差補正情報の両方を補正対象としてボールねじの熱変位補正を方法であり、両情報の補正値を用いることにより一層高精度にボールねじの熱変位を補正できる。

請求項６又は７のボールねじ熱変位補正装置は、請求項４又は５において、前記補正対象に対応する閾値を前記数値制御装置に予め登録する登録手段をさらに設け、前記登録手段は前記補正対象とこれに対応する前記閾値とを比較し、この結果の差が予め決められた値より大きい場合のみ、前記数値制御装置に登録するようにしたものである。これにより、数値制御装置が移動体の目標位置を算出する際に使用する補正情報が頻繁に変わらないようにして、位置決め精度を安定化することができる。

請求項８から１０のボールねじ熱変位補正装置は、請求項４から７のいずれか１項において、前記ボールねじの全長を複数に区分し、前記演算手段が区分された範囲で前記補正対象をそれぞれ演算することを特徴としている。これにより、数値制御装置が移動体の目標位置を算出する際に使用する補正情報が頻繁に変わらないようにして、位置決め精度を安定化することができる利点がある。

以上説明したとおり、本発明のボールねじの熱変位測定装置は、ボールねじのみかけの熱変位量を測定して補正するのではなく、ベースの熱変位をも考慮に入れた、ボールねじの真の熱変位量を算出して位置制御するので、ボールねじとベースの温度が大きく変化しても高精度に位置決めできる。

「第１の実施の形態」
この発明の第１の実施の形態を、図を参照して説明する。図３は、この発明の一実施の形態に係るボールねじ送り装置の概略図とボールねじ熱変位補正のブロック図である。図３において、移動体３はナット１１を固定している。ナット１１は、ボールねじ１２を係合している。ボールねじ１２の一端は、一対のベアリング１３が挿入され、リングナット１４にて、軸方向移動できないように規制されている。またベアリング１３は、その外輪に当接するリング１５にてスラスト支持ブロック１６に固定され、これにより、ボールねじ１２は回転可能かつ軸方向の移動が規制されている。ボールねじ１２はカップリング１７にてサーボモータ１８と連結されている。サーボモータ１８には、ロータリエンコーダ１９が連結されている。

サーボモータ駆動装置４は、位置制御手段５と、ロータリエンコーダ１９と、サーボモータ１８と、に結線されている。サーボモータ駆動装置４は、ロータリエンコーダ１９とサーボモータ１８とでサーボループを構成し、位置指令に基づく位置制御手段５からの位置制御信号に従い、ロータリエンコーダ１９からの出力信号に対応してサーボモータ１８を駆動する。

ボールねじ１２の他端は、ベアリング２０が挿入され、サークリップ２１により、ボールねじ１２に対し軸方向に規制されている。またベアリング２０は、支持ブロック２２に挿入されている。ベアリング２０は、軸方向の移動が可能なように支持ブロック２２の内孔に嵌合している。よって、ボールねじ１２の長さが熱により変化すると、ボールねじ１２は、軸方向の移動を規制しているスラスト支持ブロック１６を起点とし、軸方向の移動を許容している支持ブロック２２に向かって伸びる。ボールねじ支持ブロック２２には、プレート２３を介して、非接触式の変位検出器２４が取付けてある。基準とする温度において、変位検出器２４の検出面とボールねじ１２の他端との距離は、式（１）で規定するXである。

変位検出器２４は、渦電流式変位検出器、静電容量式変位検出器、レーザー式変位検出器、あるいは、他の方式のものであっても良い。変位検出器２４は、検出した変位量に対応したアナログ信号、あるいは、ディジタル信号を出力する。変位検出器２４は、その検出変位が温度変動の影響を受け難いもの、すなわち、変位検出の温度依存性が小さいものが好ましい。あるいは、変位検出器２４は、その内部にＩＣ温度センサなどの温度検出素子を組込み、変位検出の温度依存性を補償したものであっても良い。

温度検出器２７は、熱電対、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、あるいは、他の温度検出素子を用いて構成するものであっても良い。温度検出器は、検出した温度に対応したアナログ信号、あるいは、ディジタル信号で出力する。温度検出器２７は、ベース２６に取り付けてある。その取り付け位置は、スラスト支持ブロック１６と支持ブロック２２との間が好ましい。しかし、変位検出の温度依存性を補償するためと、ベースの温度を検出するために、ＩＣ温度センサなどの温度検出素子を変位検出器２４の中に組み込んだものを、式（１）で規定する距離Xの位置に取付けても良い。この場合、変位検出器２４の変位検出の温度依存性と、ベースの熱膨張の補正とが1個の温度検出素子で行うことができるメリットがある。

ベースの温度分布が不均一であると想定されるならば、温度検出器２７は、１個に限らず、複数個、すなわち、総数でｎ個をスラスト支持ブロック１６と支持ブロック２２との間に取付けても良い。図４は、ボールねじ送り装置の概略図と本発明の第１の実施の形態に係るボールねじ熱変位補正装置において複数個の温度検出器を取付けたボールねじ熱変位補正のブロック図である。

この場合、i番目の温度検出器が検出する温度変化がΔT_iであり、その温度検出器が相応するベースの領域長さがα_iB_iであるとすると、ボールねじの真の熱変位量は、式（５）に代えて、次式を用いる。
・・・式（６）

熱変位算出手段６は、変位検出器２４および温度検出器２７の出力信号に基づいて、式（５）あるいは式（６）により、ボールねじ真の熱変位量をディジタル値として算出し、その算出結果を、アナログ信号あるいはディジタル信号に変換して、位置制御手段５に出力するものである。熱変位算出手段６は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、ＲＯＭと、を備えた、さらには、汎用ディジタル入出力ポート（ＧＰＩＯ）、通信ポート（ＳＣＩ、Ｉ２Ｃ、ＣＡＮ、ＵＳＢ、イーサネットなど）、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器などのペリフェラルＩＣをワンチップ化した、マイコンで構成するのが好ましい。また、熱変位算出手段６は、個別ＩＣを組み合せて構成しても良い。変位検出器２４および温度検出器２７からの出力がアナログ信号の場合は、熱変位算出手段６のＡ／Ｄ変換器を介して、ディジタル値に変換する。一方、変位検出器２４および温度検出器２７からの出力がディジタル信号の場合は、ＧＰＩＯあるいは通信ポートを介して、ディジタル値に変換する。

熱変位算出手段６は、式（５）あるいは式（６）中の比例定数である、熱膨張係数βと、ベースの長さＢ（Ｂ_iも含む）と、ベース熱膨張寄与率α（α_iも含む）とを、予め、ディジタル値として記憶している。熱変位算出手段６は、式（５）あるいは式（６）に基づいて、ディジタル演算により、真の熱変位量をディジタル値として算出する。算出結果をアナログ信号として出力する場合は、算出した熱変位量のディジタル値を、Ｄ／Ａ変換器を介してアナログ信号に変換して位置制御手段５に出力する。一方、ディジタル信号として出力する場合は、算出した熱変位量のディジタル値を、ＧＰＩＯあるいは通信ポートを介して位置制御手段５に出力する。

位置制御手段５は、熱変位算出手段６から出力されるアナログ信号あるいはディジタル信号と、位置指令信号とを入力して、熱変位量を補正した補正位置指令信号を、サーボモータ駆動装置４に出力するものである。位置制御手段５は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、ＲＯＭと、を備えた、さらには、汎用ディジタル入出力ポート（ＧＰＩＯ）、通信ポート（ＳＣＩ、Ｉ２Ｃ、ＣＡＮ、ＵＳＢ、イーサネットなど）、Ａ／Ｄ変換器やタイマなどのペリフェラルＩＣをワンチップ化した、マイコンで構成するのが好ましい。また、位置制御手段５は、個別ＩＣを組み合せて構成しても良い。

位置制御手段５の機能と、熱変位算出手段６の機能とを、ＣＰＵと、ＲＡＭと、ＲＯＭと、を備えた、さらには、汎用ディジタル入出力ポート（ＧＰＩＯ）、通信ポート（ＳＣＩ、Ｉ２Ｃ、ＣＡＮ、ＵＳＢ、イーサネットなど）、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、タイマなどのペリフェラルＩＣをワンチップ化したマイコンに組込み、位置制御手段５と熱変位算出手段６を、一体化しても良い。

位置制御手段５は、熱変位算出手段６からの出力がアナログ信号の場合、位置制御手段５のＡ／Ｄ変換器を介してディジタル値に変換して、一方、熱変位算出手段６からの出力がディジタル信号の場合、ＧＰＩＯあるいは通信ポートを介して、真の熱変位量のディジタル値を入力する。

位置制御手段５は、位置指令信号がパルス列信号（例えば、ＣＷパルス列／ＣＣＷパルス列、ＰＵＬＳＥ列／ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ）の場合、カウンタを介してある時間間隔毎におけるパルス列を計測することにより相対位置を表すディジタル値に変換して、一方、位置指令信号が相対位置あるいは絶対位置を表す信号の場合、それらの位置を表すディジタル値を、入力する。

位置制御手段５は、真の熱変位量のディジタル値と、位置指令信号からの相対位置あるいは絶対位置を表すディジタル値とから、熱変位量を補正した補正位置のディジタル値を算出し、その算出結果をパルス列信号、または、相対位置指令信号あるいは絶対位置指令信号として、サーボモータ駆動装置４に出力する。
「第２の実施の形態」

この発明の第２の実施の形態を、図を参照して説明する。図５は、この発明の第２の実施の形態に係るボールねじ送り装置の概略図とボールねじ熱変位補正のブロック図である。

この実施形態における熱変位算出手段６は、変位検出器２４および温度検出器２７からの出力信号に基づいて、式（５）あるいは式（６）により真のボールねじ熱変位量をディジタル値として算出し、その算出結果によりロータリエンコーダ１９からの出力を補正して、補正したロータリエンコーダサーボモータ駆動装置４に出力するものである。

熱変位算出手段６は、ＣＰＵと、ＲＡＭと、ＲＯＭと、を備えた、さらには、汎用ディジタル入出力ポート（ＧＰＩＯ）、通信ポート（ＳＣＩ、Ｉ２Ｃ、ＣＡＮ、ＵＳＢ、イーサネットなど）、Ａ／Ｄ変換器などのペリフェラルＩＣをワンチップ化した、マイコンで構成するのが好ましい。また、熱変位算出手段６は、個別ＩＣを組み合せて構成しても良い。

熱変位算出手段６は、変位検出器２４および温度検出器２７からの出力がアナログ信号の場合熱変位算出手段６のＡ／Ｄ変換器を介して、ディジタル値に変換して入力する。一方、変位検出器２４および温度検出器２７からの出力がディジタル信号の場合は、ＧＰＩＯあるいは通信ポートを介して、ディジタル値として入力する。

熱変位算出手段６は、式（５）あるいは式（６）中の比例定数である、熱膨張係数βと、ベースの長さＢ（Ｂ_iも含む）と、ベース熱膨張寄与率α（α_iも含む）とを、予め、ディジタル値として記憶している。熱変位算出手段６は、式（５）あるいは式（６）に基づいて、変位検出器２４および温度検出器２７から入力し変換したディジタル値からディジタル演算により、真の熱変位量をディジタル値として算出する。

熱変位算出手段６は、ロータリエンコーダ１９がアブソリュート型あるいはインクリメンタル型いずれの場合も、ある時間間隔毎にボールねじの真の熱変位量を補正したアブソリュート値あるいはインクリメンタル値をサーボモータ駆動装置に出力する。前記の補正したアブソリュート値あるいはインクリメンタル値をサーボモータ駆動装置４に出力することは、前記マイコンを用いてソフトウェアで、あるいは、個別ＩＣを組み合せたディジタル回路で実現しても良い。

位置制御手段５は、位置指令信号を入力して、サーボモータ駆動装置４に位置指令を行うものである。位置指令手段５は、汎用のＰＬＣ（Programmable Logic Controller）を用いて構成するか、あるいは、ＣＰＵと、ＲＡＭと、ＲＯＭと、を備えた、さらには、汎用ディジタル入出力ポート（ＧＰＩＯ）、通信ポート（ＳＣＩ、Ｉ２Ｃ、ＣＡＮ、ＵＳＢ、イーサネットなど）などのペリフェラルＩＣをワンチップ化した、マイコンで構成しても良い。
「第３の実施の形態」

この発明の第３の実施の形態は、前記第1の実施の形態における位置制御手段の代わりに、熱変位算出手段６によって算出される前記ボールねじの真の熱変位量に対応して、リード及びピッチ誤差補正値のうち少なくも一方の補正対象を演算・登録することが可能な数値制御装置を用いるものである。図６は、その制御ブロック図である。数値制御装置７は、演算装置であるＣＰＵ７１と、システムプログラム等を記憶したＲＯＭ７２と、ＮＣプログラムや各種パラメータ等を記憶したＲＡＭ７３と、タッチパネル付き液晶ディスプレイなどの入力の出力装置７５と、インターフェイス７６，７７，７８を主たる構成要素としている。そしてボールねじへの移動指令がサーボモータ駆動装置４に出力され、サーボモータ駆動装置４がボールねじを回転させるサーボモータ1８を駆動すると、サーボモータ１８はロータリエンコーダ１９によって検出されるボールねじ軸１２の現在位置が帰還されてフィードバック制御されるようになっている。第１の実施の形態と同じように、変位検出器２４と温度検出器２７がボールねじ送り装置に取付けられ、それらの出力信号は、熱変位算出手段６に入力されるようになっている。さらに、熱変位算出手段６のディジタル信号出力は、数値制御装置７のＩ／Ｆ部に入力されるようになっている。本実施の形態においては、熱変位算出手段６が第１の実施の形態と同じように構成し真のボールねじの熱変位量を算出して、その算出結果を数値制御装置７に入力するようにしても良いし、熱変位算出手段６の役割を数値制御装置７に担わせても良い。
「第４の実施の形態」

この発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態における構成において、熱変位算出手段６の役割を数値制御装置に担わせるものである。この実施の形態における計測補正方法について、図７に示すフローチャートに基づいて図１、図２及び図６を参照しながら説明する。まず、ボールねじ送り装置の運転に先立って、スラスト支持ブロック１６に挿入された一対のベアリング１３の幅の中心からボールねじ１２の自由端面までの基準寸法A、ベースの長さB、変位検出器２４の取付け位置からボールねじ固定端の位置までの長さとベースの長さの割合、すなわち、ベース熱膨張寄与率α、ベースの熱膨張率βを数値制御装置７のＲＡＭ７３に登録しておく。また、例えばボールねじ送り装置の運転開始時でボールねじ１２の温度が環境温度に一致している状態、すなわち、基準温度時において、変位検出器２４及び温度検出器２７により、変位検出器２４とボールねじ１２の自由端面部との距離X（以下初期値と言う）及び基準温度Tを測定し、同じく数値制御装置７のＲＡＭ７３に登録しておく。

ボールねじ送り装置の運転が開始され、サイクルがスタートした信号が与えられると、例えば所定のタイムインターバル毎に図７のルーチンが実行される。ステップＳ１００では、変位検出器２４及び温度検出器２７により変位検出器２４とボールねじ１２の自由端面の距離X’と温度T‘を測定する。これらは、熱変位算出手段６のアナログ−ディジタル変換器により、ディジタル値に変換される。

ステップＳ１０１において、これらの測定値X’とT‘は、インターフェイス７８を介してＲＡＭ７３に登録される。ステップＳ１０２では、前記距離X’と温度T‘とＲＡＭ７３に登録されている初期値を呼出しボールねじの長さの変化を演算する。ボールねじの真の熱変位量ΔAは式（５）あるいは式（６）で演算される。ステップＳ１０３では、ＲＡＭ７３に登録されているボールねじのリードLと前記基準寸法Aを呼出し、前記ボールねじの真の熱変位量ΔAをAで除した値に１を加算し、これを初期のリードLに乗じて、熱変位後の正しいリードL’を補正対象として演算する。ステップＳ１０４ではＲＡＭ７３のリードLをL’に書き換える。Ｓ１０５では、この補正されたリードL’を使用して移動体の目標位置を算出し、数値制御プログラムを実行する。このためボールねじが熱により伸びても、その影響を排除して移動体の位置決めをすることができる。従って位置決め精度の低下をなくすことができる。
「第５の実施の形態」

この発明の第５の実施の形態は、第３の実施の形態における構成において、前記実施形態と同様に熱変位算出手段６の役割を数値制御装置に担わせるものであるが、前記実施形態と異なるボールねじの真の熱変位を補正するものである。この実施の形態について、図９示すフローチャートに基づいて、図１、図２、図６、図８を参照しながら説明する。これは、ボールねじの真の熱変位量を補正するために、前記リードを演算することに代え、ピッチ誤差補正値を補正対象として演算することを特徴とする。図８は、ボールねじの座標とピッチ誤差補正値の関係を示す。横軸は前記一対のベアリング１３の幅の中心を起点０としたボールねじの各座標までの距離を示す。前記ボールねじ１２の自由端面は縦軸のAに相当する。縦軸はその位置におけるピッチ誤差補正値を示す。この図において、範囲Ｊ部は移動体の使用ストロークを示し、この範囲Ｊ部の折線Ｕはボールねじの熱変化前のピッチ誤差補正値を示す。このピッチ誤差（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・，Ｐｆ）は予め測定され、前記ＲＡＭ７３に登録しておく。前記基準寸法Aの熱変位による伸び量ΔAは縦軸に示される。範囲Ｊ内の各座標位置における伸び量（比例配分量）と対応する座標位置のピッチ誤差とを加算すると、誤差の総和は折線Ｖで示される。

図９のステップＳ１００からステップＳ１０２は図７と同様であり説明を省略する。ステップＳ２００でカウンタ値ｎ＝１を設定する。ステップＳ２０１では、ＲＡＭ７３に登録されている１番目のピッチ誤差Ｐ１を呼出す。通常移動体のストロークの原点とするため前記Ｐ１は０の場合が多い。ステップＳ２０２では、ＲＡＭ７３に登録されている基準寸法Aを呼出し、前記ボールねじの真の熱変位量ΔAをAで除した値に前記ピッチ誤差Ｐ１に相当する位置の座標Ｄ１を乗ずる。これを前記ピッチ誤差Ｐ１に加えて熱変化後の正しいピッチ誤差補正値Ｐ１’を演算する。

ステップＳ２０３ではＲＡＭ７３に登録されているピッチ誤差補正値Ｐ１をＰ１’に書き換える。ステップＳ２０４では前記カウンタ値ｎに１を加算する。ステップＳ２０５ではこのカウンタ値ｎが予め設定された回数ｆを超えていないかが判断される。前記回数ｆを超えていない場合はステップＳ２０１に戻って処理を繰返す。この結果、ピッチ誤差補正値Lは伸び量だけ補正されて一点鎖線に示す折線Ｖに置換えられる。前記回数ｆを超えた場合はＳ１０５に進み、この値をもとに数値制御プログラムを実行する。数値制御における目標位置の算出において、この補正されたピッチ誤差補正値を用いることにより熱によるボールねじの長さの変化から生じる移動体の位置決め精度の低下をなくすことができる。また前記起点０から前記Ｄ１までのボールねじの真の長さの変化を加算できるため、より一層高精度に位置決めできる。
「第６の実施の形態」

この発明の第６の実施の形態は、第３の実施の形態における構成において、前記実施形態と同様に熱変位算出手段６の役割を数値制御装置に担わせるものであるが、前記の演算したリード情報と前記のピッチ誤差補正情報の両方を用い、ボールねじの真の熱変位を補正するものである。この実施の形態を、図１０に示す。詳細は前記の組み合わせであるため記述しない。この実施の形態では、補正されたリード情報と補正されたピッチ誤差補正値の両方を数値制御における目標位置の算出に用いるようにしたので、リード情報を使用することにより演算回数が少なくできる利点がある。またピッチ誤差補正値を使用することにより、前記起点０から前記Ｄ１までのボールねじの長さの変化を加算でき、正確な位置決めができる。
「第７の実施の形態」

この発明の第７の実施の形態は、第３の実施の形態における構成において、第４の実施の形態の図７のフローチャートに代わるフローチャートを用いて、ボールねじの真の熱変位を補正するものである。この実施の形態におけるフローチャートを図１１に示す。このルーチンの特徴として、ステップＳ３００では、演算後のリードL’とリード初期値Lの差の絶対値を予め設定された閾値Kと比較し、これより大きい場合はステップＳ１０４でＲＡＭ７３のリード情報を演算後のリード情報L’に書き換える。ステップＳ３００で閾値K以下の場合は、それ以前に登録されたリードLを使用する。このため数値制御装置が移動体の目標位置を算出する際に使用するリード情報が頻繁に変わらないようにして、位置決め精度を安定することができる。
「第８実施の形態」

この発明の第８の実施の形態は、第３の実施の形態における構成において、第５の実施の形態の図９のフローチャートに代わるフローチャートを用いて、ボールねじの真の熱変位を補正するものである。この実施の形態のフローチャートを図１２に示す。このルーチンの特徴として、ステップＳ４００で、ボールねじの真の熱変位量ΔAの絶対値が予め設定された閾値Kと比較し、これより大きい場合は、ステップＳ２００以降のボールねじピッチ誤差補正値の演算を行う。これは図９のステップＳ２００以降と同じであるので説明は省略する。ステップＳ４００で閾値Kより小さい場合は、それ以前に登録されたピッチ誤差情報を使用する。このため数値制御装置が移動体の目標位置を算出する際に使用するボールねじピッチ誤差補正情報が頻繁に変わらないようにして、位置決め精度を安定することができる。
「第９実施の形態」

図１３は前記補正対象を演算する第９の実施の形態を示す。横軸は前記一対のベアリング１３の幅の中心を起点０としたボールねじの各座標までの距離を示す。前記ボールねじの自由端面は縦軸のAに相当する。縦軸はその位置における補正値を示す。前記基準寸法Aの熱変位による伸び量ΔAは縦軸に示される。直線Ｑはボールねじの長さの変化量ΔAが起点０から自由端面まで比例した場合を示す。前記基準温度時において前記座標Ｄ１、Ｄｍ、Ｄｆにおける移動体の位置を測定する。次に所定の時間運転後、前記座標Ｄ１、Ｄｍ、Ｄｆにおける移動体の位置を測定する。この測定値の差が変位であるので、これを補正値Ｍ１，Ｍｍ，Ｍｆとして設定する。これから、座標Ｄ１から座標Ｄｍの間の補正値Ｍｘは、Ｍｘ＝Ｍ１＋（Ｍｍ−Ｍ１）＊（Ｄｘ−Ｄ１）／（Ｄｍ−Ｄ１）で求められる。これは直線Ｇ１−Ｇｍ上の一点であり、数学的に求められる。また運転開始後の前記座標Ｄ１の補正値Ｍ１’はＭ１’＝Ｍ１＊ΔA’／ΔAで演算される。座標Ｄｍから座標Ｄｆの間の補正値ＭｘはＭｘ＝Ｍｍ＋（Ｍｆ−Ｍｍ）＊（Ｄｘ−Ｄｍ）／（Ｄｆ−Ｄｍ）で求められる。これらの演算は図９、図１０、図１２のフローチャートのステップＳ２０２のＰｎ’に代えて実行される。これはボールねじを複数に区分して補正値を演算する為、ボールねじの位置により温度が異なりボールねじの伸びに違いが生じても正確に補正できる。従って、より一層高精度に位置決めできる。

本発明に係るボールねじ送り装置の概略図である。 図１に示すボールねじ送り装置のボールねじ自由端面と変位検出器の位置関係を示す部分拡大図である。 本発明の第１の実施の形態におけるボールねじ熱変位補正装置のブロック図である。 本発明の第１の実施の形態において複数個の温度検出器を取付けたボールねじ熱変位補正のブロック図である。 本発明の第２の実施の形態におけるボールねじ熱変位補正装置のブロック図である。 本発明の第３の実施の形態における数値制御装置によるボールねじ熱変位補正装置のブロック図である。 本発明の第４の実施形態における制御部のフローチャートである。 本発明の第４の実施形態におけるボールねじの座標とボールねじピッチ誤差補正値の関係図である。 本発明の第５の実施形態における制御部のフローチャートである。 本発明の第６の実施形態における制御部のフローチャートである。 本発明の第７の実施形態における制御部のフローチャートである。 本発明の第８の実施形態における制御部のフローチャートである。 本発明の第９の実施形態におけるボールねじの座標とボールねじピッチ誤差補正値の関係図である。

３・・・移動体、４・・・サーボモータ駆動装置、 ５・・・位置制御手段、 ６・・・熱変位算出手段、
７・・・数値制御装置、１１・・・ナット、
１２・・・ボールネジ、
１３・・・固定ベアリング、１４・・・リングナット、１５・・・リング、１６・・・スラスト支持ブロック、１７・・・カップリング、１８・・・サーボモータ、１９・・・ロータリエンコーダ、２０・・・自由ベアリング、２１・・・サークリップ、
２２・・・支持ブロック
、２３・・・プレート、２４・・・変位検出器、 ２６・・・ベース、２７・・・温度検出器

請求項１のボールねじの熱変位補正装置は、ボールねじのみかけ長さの変化を測定する変位検出器と、ベースの温度を測定する温度検出器とを備えており、また、変位検出器および温度検出器の出力に基づいてボールねじの真の熱変位量を算出するボールねじ熱変位算出手段を備えており、前記ボールねじ熱変位算出手段が、算出した真の熱変位量に対応して、前記サーボモータのロータリエンコーダから出力される回転パルス信号を補正し、補正した回転パルス信号により前記サーボモータ駆動装置を制御するようにしたことを特徴としている。この構成によれば、真の熱変位量に基づいて、回転パルス信号をリアルタイムで補正することが可能となる。

請求項２のボールねじの熱変位補正装置は、請求項１において、前記ボールねじ熱変位算出手段は、式（５）より、ボールねじの真の熱変化量を算出することを特徴としている。したがって、従来のボールねじのみかけの熱変位量に基づいて補正するボールねじ熱変位補正装置に比べて、より高精度で安定したボールねじ熱変位補正装置を提供することができ、さらに、前記ボールねじ熱変位算出手段が、算出した真の熱変位量に対応して、前記サーボモータのロータリエンコーダから出力される回転パルス信号を補正し、補正した回転パルス信号により前記サーボモータ駆動装置を制御するようにしたことを特徴としている。この構成によれば、真の熱変位量に基づいて、回転パルス信号をリアルタイムで補正することが可能となる。

以上説明したとおり、本発明のボールねじの熱変位測定装置は、ボールねじのみかけの熱変位量を測定して補正するのではなく、ベースの熱変位をも考慮に入れた、ボールねじの真の熱変位量を算出して位置制御するので、ボールねじとベースの温度が大きく変化しても高精度に位置決めでき、さらに、前記ボールねじ熱変位算出手段が、算出した真の熱変位量に対応して、前記サーボモータのロータリエンコーダから出力される回転パルス信号を補正し、補正した回転パルス信号により前記サーボモータ駆動装置を制御するようにしたことを特徴としている。この構成によれば、真の熱変位量に基づいて、回転パルス信号をリアルタイムで補正することが可能となる。

この発明の実施の形態を、図を参照して説明する。図３は、この発明の一実施の形態に係るボールねじ送り装置の概略図とボールねじ熱変位補正のブロック図である。図３において、移動体３はナット１１を固定している。ナット１１は、ボールねじ１２を係合している。ボールねじ１２の一端は、一対のベアリング１３が挿入され、リングナット１４にて、軸方向移動できないように規制されている。またベアリング１３は、その外輪に当接するリング１５にてスラスト支持ブロック１６に固定され、これにより、ボールねじ１２は回転可能かつ軸方向の移動が規制されている。ボールねじ１２はカップリング１７にてサーボモータ１８と連結されている。サーボモータ１８には、ロータリエンコーダ１９が連結されている。

ベースの温度分布が不均一であると想定されるならば、温度検出器２７は、１個に限らず、複数個、すなわち、総数でｎ個をスラスト支持ブロック１６と支持ブロック２２との間に取付けても良い。

熱変位算出手段６は、変位検出器２４および温度検出器２７からの出力信号に基づいて、式（５）あるいは式（６）により真のボールねじ熱変位量をディジタル値として算出し、その算出結果によりロータリエンコーダ１９からの出力を補正して、補正したロータリエンコーダサーボモータ駆動装置４に出力するものである。

位置制御手段５は、位置指令信号を入力して、サーボモータ駆動装置４に位置指令を行うものである。位置指令手段５は、汎用のＰＬＣ（Programmable Logic Controller）を用いて構成するか、あるいは、ＣＰＵと、ＲＡＭと、ＲＯＭと、を備えた、さらには、汎用ディジタル入出力ポート（ＧＰＩＯ）、通信ポート（ＳＣＩ、Ｉ２Ｃ、ＣＡＮ、ＵＳＢ、イーサネット（登録商標）など）などのペリフェラルＩＣをワンチップ化した、マイコンで構成しても良い。

本発明に係るボールねじ送り装置の概略図である。 図１に示すボールねじ送り装置のボールねじ自由端面と変位検出器の位置関係を示す部分拡大図である。 本発明の実施形態におけるボールねじ熱変位補正装置のブロック図である。

Claims (10)

1. ベースと、前記ベースに摺動可能に支持された移動体と、前記移動体に固定されたナットと、前記ナットに係合したボールねじと、前記ボールねじの一端を回転可能かつ軸方向移動不能に支持すると共に、他端を回転可能かつ軸方向移動可能に支持する手段と、前記ボールねじに連結されたサーボモータと、前記サーボモータを回転駆動するサーボモータ駆動装置からなるボールねじ送り装置において、前記ボールねじのみかけ長さの変化を測定する変位検出器と、前記ベースの温度を測定する温度検出器と、前記変位検出器および前記温度検出器の出力に基づいて、前記ボールねじの真の熱変位量を算出するボールねじ熱変位算出手段と、前記熱変位算出手段の出力に基づいて、前記ボールねじを回転駆動して位置制御する位置制御手段と、からなることを特徴とするボールねじの熱変位補正装置。
2. 請求項１において、前記ボールねじ熱変位算出手段は、前記変位検出器により出力されたみかけの熱変位の測定値（△Xとする）と、前記温度検出器により出力されたベースの温度の変化量（△Tとする）と、ベースの長さ（Bとする）と、ベースの熱膨張係数（βとする）と、ベースの幾何補正係数（αとする）と、から前記ボールねじの長さ（Aとする）の真の熱変位量（△Aとする）を、以下の式により、算出することを特徴とするボールねじの熱変位補正装置。
   
3. 請求項１又は２において、前記位置制御手段は、前記ボールねじ熱変位算出手段によって算出されるボールねじの真の熱変位量に対応して、前記サーボモータのロータリエンコーダから出力される回転パルス信号を補正し、補正した回転パルス信号により前記サーボモータ駆動装置を制御するようにしたことを特徴とするボールねじの熱変位補正装置
   。
4. 請求項１又は２において、前記位置制御手段は、数値制御プログラムによって前記サーボモータを回転制御する数値制御装置であって、該数値制御装置が、前記ボールねじ熱変位算出手段の機能を有し、ボールねじの真の熱変位量に基づいて、リード及びピッチ誤差補正値のうち少なくも一方の補正対象を演算する演算手段と、この演算手段により算出された前記補正対象の情報を前記数値制御装置に登録する登録手段と、からなることを特徴とするボールねじの熱変位補正装置。
5. 請求項４において、前記演算手段は、前記補正対象として前記リード及び前記ピッチ誤差値の両方を演算するようにしたことを特徴とするボールねじの熱変位補正装置。
6. 請求項４又は５において、前記補正対象に対応する閾値を前記数値制御装置に予め登録する登録手段をさらに含み、前記登録手段は前記補正対象とこれに対応する前記閾値とを比較してその差が予め決められた値より大きい場合のみ、前記数値制御装置に既に登録されている補正対象情報に代えて、前記演算後の補正対象情報を前記数値制御装置に登録することを特徴とするボールねじの熱変位補正装置。
7. 請求項４又は５において、前記変位検出器と前記温度検出器により得られたボールねじの真の熱変位量に対応する閾値を前記数値制御装置に予め登録する手段と前記ボールねじの真の熱変位量とこれに対応する前記閾値とを比較する比較手段とを、さらに有し、この比較手段により演算された値が予め決められた値より大きい場合のみ、前記演算手段により算出される前記補正対象の情報を前記数値制御装置に登録することを特徴とするボールねじの熱変位補正装置。
8. 請求項４から７のいずれか１項において、前記ボールねじの全長を複数に区分し、前記演算手段が区分された範囲で前記補正対象をそれぞれ演算することを特徴とするボールねじの熱変位補正装置。
9. 請求項４において、前記ピッチ誤差補正値（Ｐｎ）に対応する閾値を前記数値制御装置に登録する手段をさらに含み、前記登録手段は、前記ボールねじの全長を複数に区分した各区分の前記数値制御装置に既に登録されている前記ピッチ誤差補正値（Ｐｎ）と前記ボールねじの真の熱変位量が加算された前記ボールねじの前記ピッチ誤差補正値（Ｐｎ'）との差（Ｐｎ−Ｐｎ'）が前記閾値を超えた場合のみ、前記数値制御装置に既に登録されている前記各ピッチ誤差補正値（Ｐｎ）に代えて、前記ボールねじの真の熱変位量が加算された前記ボールねじの前記各ピッチ誤差補正値（Ｐｎ'）を前記数値制御装置に登録することを特徴とするボールねじの熱変位補正装置。
10. 請求項４に記載のボールねじの熱変位補正装置において、前記変位検出器と前記温度検出器により得られたボールねじの真の熱変位量（ΔA）に対応する閾値を前記数値制御装置に予め登録する登録手段をさらに含み、前記登録手段は、前記ボールねじの真の熱変位量（ΔA）が前記閾値を超えた場合のみ、前記数値制御装置に既に登録されている前記各ピッチ誤差補正値（Ｐｎ）に代えて、前記ボールねじの真の熱変位量が加算された前記ボールねじの前記各ピッチ誤差補正値（Ｐｎ'）を前記数値制御装置に登録することを特徴とするボールねじの熱変位補正装置。