JP2015217469A - 工作機械の変位補正方法および工作機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱変位の影響を抑制する工作機械の変位補正方法を提供する。
【解決手段】工作機械の変位補正方法は、Ｘ軸サーボモータの回転速度に対するＹ軸方向の変位データが予め定められており、工作機械が稼働している期間中にＸ軸サーボモータの回転速度を取得する工程と、Ｘ軸サーボモータの回転速度、作動時間、および変位データに基づいてＹ軸の位置を補正する工程とを含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、工作機械の変位補正方法および工作機械の制御装置に関する。

従来の技術においては、ワークに対して工具を相対移動させながら、ワークの加工を行う工作機械が知られている。また、ワークに対する工具の相対的な経路を所定の軸の座標等により指定し、ワークに対して工具を自動的に移動させながら加工を行う数値制御式の工作機械が知られている。

数値制御式の工作機械は、ワークまたは工具を移動するための移動装置を備える。移動装置のモータが駆動することにより、工具を保持する主軸ヘッドが移動したり、ワークを保持するテーブルが移動したりする。工作機械の制御装置は、所定の時間ごとにワークに対する工具の相対位置を定めて、所定の送り軸の移動装置を駆動させる。ワークを所望の寸法にて正確に加工するためには、ワークに対する工具の相対位置を厳密に制御できることが好ましい。すなわち、制御装置は、移動装置の位置を所望の位置に厳密に制御できることが好ましい。

特開平１０−１３８０９１号公報には、送り軸の位置をモニタリングし、送り軸の平均移動速度及び移動頻度を求めて、平均移動速度と移動頻度により近似式で補正量を求める工作機械の熱変位補正方法が開示されている。そして、この補正量より指令位置に対する位置補正量を求めて、指令位置を位置補正量で補正することが開示されている。

特開平１０−１３８０９１号公報

工作機械の移動装置には摺動する部分が存在し、摩擦熱が発生する。例えば、テーブルを支持するキャリッジがガイドレールに沿って移動する場合には、キャリッジとガイドレールとの摺動部分が存在する。キャリッジを移動すると摺動部分にて摩擦熱が生じる。また、ワークまたは工具を移動させる移動装置がボールねじ機構を備える場合には、ボールねじとナットとの接触部分において摩擦熱が生じる。または、モータが駆動することによりモータ自体が発熱する。

移動装置の構成部材同士の接触部分やモータが発熱すると、工作機械の構成部品の温度が上昇して熱膨張する。この結果、ワークに対する工具の相対位置が変化してしまう。このような、熱膨張によるワークに対する工具の相対位置の変化は熱変位と称される。

従来の技術においては、熱変位の影響を抑制するために、ワークを加工する前に工作機械の暖機運転を実施していた。工作機械の暖機運転は、熱変位量が飽和するまで行うことが好ましい。例えば、従来の技術では、それぞれの送り軸の方向に所定の移動距離にて移動装置を駆動する暖機運転を１時間以上継続していた。このため、工作機械の加工を行う効率が低下しているという問題があった。

上記の特開平１０−１３８０９１公報の工作機械では、所定の送り軸の平均移動速度等に基づいて、この送り軸の方向を補正している。ところが、補正の対象となる送り軸以外の送り軸の移動装置が駆動したときの熱変位は考慮されていない。

本発明は、熱変位の影響を抑制する工作機械の変位補正方法および工作機械の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の工作機械の変位補正方法は、複数の送り軸を有する工作機械の変位補正方法であって、第１送り軸のモータに関する第１モータ情報に対する第２送り軸方向の変位データが予め定められており、第１モータ情報は、第１送り軸のモータの回転速度に基づく変数、トルクに基づく変数、および電流値に基づく変数のうち少なくとも一つを含む。変位補正方法は、工作機械が稼働している期間中に第１モータ情報を取得する工程と、第１モータ情報、第１送り軸のモータの作動時間、および変位データに基づいて、第２送り軸の位置を補正する工程とを含む。

上記発明においては、大きさが異なる複数の第１モータ情報に対する変位データが予め定められており、第１モータ情報の大きさに対応する変位データに基づいて第２送り軸の位置を補正する工程を含むことができる。

上記発明においては、第３送り軸のモータに関する第３モータ情報に対する第２送り軸方向の変位データが予め定められており、第３モータ情報は、第３送り軸のモータの回転速度に基づく変数、トルクに基づく変数、および電流値に基づく変数のうち少なくとも一つを含み、第１モータ情報、第１送り軸のモータの作動時間、および変位データに基づいて第２送り軸の変位量を推定する工程と、工作機械が稼働している期間中に第３モータ情報を取得する工程と、第３モータ情報、第３送り軸のモータの作動時間、および変位データに基づいて第２送り軸の変位量を推定する工程と、第１モータ情報に基づく第２送り軸の変位量と、第３モータ情報に基づく第２送り軸の変位量とを加算して、第２送り軸の全体の変位量を推定する工程とを含み、推定した第２送り軸の全体の変位量に基づいて第２送り軸の位置を補正することができる。

本発明の工作機械の制御装置は、複数の送り軸を有する工作機械の制御装置であって、第１送り軸のモータの駆動に関する第１モータ情報に対する第２送り軸方向の変位データを記憶する変位データ記憶部と、工作機械が稼働している期間中に第１モータ情報を取得するモータ情報取得部と、モータ情報取得部にて取得した第１モータ情報および変位データ記憶部に記憶した変位データに基づいて第２送り軸の変位量を推定する変位量推定部と、推定した第２送り軸の変位量に基づいて第２送り軸の位置を補正する補正部とを備える。

本発明によれば、熱変位の影響を抑制する工作機械の変位補正方法および工作機械の制御装置を提供することができる。

実施の形態１における工作機械の斜視図である。 実施の形態１における工作機械の制御装置を説明するブロック図である。 熱変位を説明するタイムチャートである。 Ｘ軸移動装置を駆動した時のＹ軸方向の熱変位量を説明するグラフである。 実施の形態１における変位データを取得するための測定を実施している時の工作機械の概略斜視図である。 実施の形態１における直線送り軸の補正方法の説明図である。 実施の形態１における熱変位による誤差のグラフである。 実施の形態２における工作機械のテーブルの部分の概略正面図である。 実施の形態２における変位データを取得するための測定を実施している時の工作機械の概略斜視図である。 実施の形態２における直線送り軸の補正方法を説明する図である。 実施の形態２における回転送り軸の軸線の補正方法を説明する図である。

（実施の形態１）
図１から図７を参照して、実施の形態１における工作機械の変位補正方法および工作機械の制御装置について説明する。本実施の形態の工作機械は、複数の直線送り軸を有する数値制御式の工作機械である。

図１は、本実施の形態における工作機械の概略斜視図である。工作機械１１は、基台となるベッド１３と、ベッド１３の上面に立設されたコラム１５とを備える。ベッド１３の上側には、キャリッジ２７が配置されている。キャリッジ２７の上面には、ワーク１を保持するテーブル３５が配置されている。

コラム１５の前面には、サドル１７が配置されている。サドル１７の前面には、主軸ヘッド２１が配置されている。主軸ヘッド２１の内部には主軸が配置されている。主軸には、ワーク１を加工する工具が取り付けられる。工具は、主軸の軸線の周りに回転する。

本実施の形態における工作機械１１は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直線送り軸を有する。工作機械１１は、工具とワーク１との相対位置を変更する移動装置を備えている。本実施の形態においては、主軸の軸方向をＺ軸と称する。サドル１７の移動方向に延びる軸をＸ軸と称する。また、キャリッジ２７の移動方向に延びる軸をＹ軸と称する。移動装置は、Ｘ軸移動装置、Ｙ軸移動装置およびＺ軸移動装置を備え、それぞれの軸方向にワーク１に対して工具を相対的に移動させることができる。本実施の形態では、それぞれの軸の移動装置はボールねじ機構を含む。

Ｘ軸移動装置は、コラム１５の前面に形成されている一対のＸ軸ガイド部１９ａ，１９ｂを含む。サドル１７は、Ｘ軸ガイド部１９ａ，１９ｂに沿って往復移動が可能に形成されている。Ｘ軸移動装置は、サドル１７を移動させるためのＸ軸サーボモータ３１を含む。主軸ヘッド２１および工具は、サドル１７と共にＸ軸方向に移動する。

Ｙ軸移動装置は、ベッド１３の上面に配置されている一対の段差部であるＹ軸ガイド部２９ａ，２９ｂを含む。キャリッジ２７は、Ｙ軸ガイド部２９ａ，２９ｂに沿って往復移動が可能に形成されている。Ｙ軸移動装置は、キャリッジ２７を移動させるためのＹ軸サーボモータを含む。テーブル３５およびワーク１は、キャリッジ２７と共にＹ軸方向に移動する。

Ｚ軸移動装置は、サドル１７の前面に形成されている一対の凹部であるＺ軸ガイド部２３ａ，２３ｂを含む。主軸ヘッド２１は、Ｚ軸ガイド部２３ａ，２３ｂに沿って往復移動が可能に形成されている。Ｚ軸移動装置は、主軸ヘッド２１を移動させるためのＺ軸サーボモータ３２を含む。工具は、主軸ヘッド２１と共にＺ軸方向に移動する。更に、主軸ヘッド２１の内部には、主軸を軸周りに回転させる回転駆動モータが配置されている。

図２に、本実施の形態における工作機械のブロック図を示す。工作機械１１は、制御装置５０を備える。制御装置５０は、演算処理装置を含む。演算処理装置は、演算処理等を行うマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、記憶装置としてのＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、およびその他の周辺回路を有する。

制御装置５０は、移動装置の各軸のサーボモータ５５や主軸ヘッド２１の内部の回転駆動モータに接続されている。制御装置５０が各軸のサーボモータ５５を制御することにより、ワーク１に対して工具を相対的に移動させることができる。本実施の形態において、各軸のサーボモータ５５は、Ｘ軸サーボモータ３１、Ｙ軸サーボモータまたはＺ軸サーボモータ３２に相当する。また、制御装置５０が主軸ヘッド２１に取り付けられているモータを駆動することにより、工具を所望の回転速度で回転させることができる。

制御装置５０は、読取解釈部５２、補間部５３およびサーボ制御部５４を含む。読取解釈部５２は、加工プログラム５１を読み込んで移動指令値を補間部５３に送出する。補間部５３は、移動指令値に基づいて所定の時間間隔ごとの位置指令値ｑｒを出力する。サーボ制御部５４は、位置指令値ｑｒに基づいて各軸のサーボモータ５５を駆動する。

各軸のサーボモータ５５は、軸送り機構５６を介して機械構造物５７を駆動する。機械構造物５７は、工具を保持する構造物またはワーク１を保持する構造物に相当する。本実施の形態では、機械構造物５７は、主軸またはテーブル３５に相当する。軸送り機構５６は、機械構造物５７を駆動する機構に相当する。本実施の形態では、軸送り機構５６は、各軸のサーボモータ５５に接続されたボールねじ機構に相当する。軸送り機構５６としては、ボールねじ機構の他に、リニアモータを例示することができる。

それぞれの送り軸の移動装置を駆動すると、各軸のガイド部や軸送り機構５６に摩擦熱が生じる。また、サーボモータ５５自体が発熱する。そして、工作機械の構成部品の温度が上昇して熱膨張が生じる。この結果、ワークに対する工具の相対位置が変位する熱変位が発生する。次に、工作機械の熱変位について詳しく説明する。

１つの送り軸の移動装置が駆動すると、熱変位によりこの送り軸の方向に相対位置が変化する。更に、１つの送り軸の移動装置が駆動すると、他の送り軸の方向にも相対位置が変化する。例えば、図１を参照して、Ｘ軸方向にサドル１７を移動させた場合には、Ｘ軸のボールねじ機構にて摩擦熱が生じる。また、サドル１７とＸ軸ガイド部１９ａ，１９ｂとの摺動部分で摩擦熱が生じる。更に、Ｘ軸サーボモータ３１自体が発熱する。これらの熱は、サドル１７に伝達されてサドル１７が熱膨張する。工具を保持している主軸ヘッド２１は、矢印９１に示す方向に変位する。すなわち、Ｙ軸方向に熱変位が発生する。同様に、サドル１７が熱膨張をすると、Ｚ軸方向にも熱変位が発生する。このように、１つの送り軸の移動装置が駆動すると、他の送り軸の方向に熱変位が発生する。

本実施の形態の工作機械の変位補正方法では、１つの送り軸のサーボモータが駆動した時に、この１つの送り軸の方向の熱変位量に加えて、他の送り軸の方向についても熱変位量を推定する。そして、それぞれの送り軸について、熱変位による誤差を補正する。熱変位は、それぞれの送り軸のサーボモータの動作に大きく依存する。本実施の形態では、送り軸のサーボモータの駆動に関するモータ情報に基づいて熱変位を補正する。

サーボモータの駆動に関するモータ情報は、サーボモータの回転速度に基づく変数を含むことができる。回転速度に基づく変数としては、サーボモータの回転速度の他に、サーボモータの回転速度に対応するワークの送り速度や工具の送り速度を用いることができる。

また、サーボモータの駆動に関するモータ情報としては、サーボモータのトルクに基づく変数を用いることができる。トルクに基づく変数としては、制御装置５０におけるトルク指令値を用いることができる。図２を参照して、制御装置５０の補間部５３からは、それぞれの送り軸に対する位置指令値ｑｒが送出される。サーボ制御部５４では、位置指令値ｑｒに基づいて速度指令値ｗｒが算出される。そして、速度指令値ｗｒに基づいてトルク指令値τｒが算出される。トルク指令値τｒは、電流制御器に入力されてサーボモータに供給する電流が調整される。そして、サーボモータ５５が駆動する。モータ情報としては、このようなトルク指令値τｒが用いられても構わない。

また、サーボモータの駆動に関するモータ情報は、サーボモータの電流値に基づく変数を用いることができる。サーボモータの電流値に基づく変数としては、たとえば、電流値の積算値を用いることができる。または、電流値に基づく変数として、サーボモータの熱シミュレーション値ＴＳを用いることができる。熱シミュレーション値は、制御装置５０の内部で計算され、例えば電流値の２乗の積算値に対応する。熱シミュレーション値は、熱容量に関連するパラメーターであり、サーボモータが駆動すると増加し、停止すると減少する。熱シミュレーション値が予め定められた判定値を超えると、サーボモータがオーバーヒートをする虞があると判別することができる。モータ情報としては、このような熱シミュレーション値を用いても構わない。

図３に、本実施の形態における工作機械の熱変位を説明するタイムチャートを示す。ここでは、Ｘ軸移動装置を駆動したときのＹ軸方向の熱変位量を例示する。図３には、Ｘ軸サーボモータ３１の回転速度およびＹ軸方向の熱変位量が示されている。

時刻ｔ₀において、Ｘ軸サーボモータ３１の駆動を開始している。この例では、サーボモータの回転速度を一定に維持している。Ｘ軸サーボモータ３１を駆動すると、Ｙ軸方向の熱変位量は急激に上昇する。熱変位量は、飽和変位量Ｓまで上昇すると、ほぼ一定になる。熱変位量が飽和変位量Ｓまで到達した後には、時刻ｔ₂においてＸ軸サーボモータ３１を停止している。Ｘ軸サーボモータ３１を停止すると、熱変位量は急激に低下して零に近づく。

図４に、サーボモータの回転速度を変化させたときの熱変位量のグラフを示している。図４は、Ｘ軸サーボモータ３１の回転速度を変化させたときのＹ軸方向の熱変位量を示している。最大の回転速度Ｖ₁から最小の回転速度Ｖ₅まで複数の回転速度で計測を行っている。回転速度が大きくなるほど、熱変位量の上昇速度が大きくなることがわかる。また、回転速度が大きくなるほど、飽和変位量Ｓが大きくなることが分かる。

この測定では、所定の時間にＸ軸サーボモータ３１を停止して、熱変位量を低下させている。いずれの回転速度においても図３に示す熱変位量の挙動と同様の挙動を示している。このように、熱変位量は、サーボモータの回転速度に依存する。また、飽和変位量Ｓは、サーボモータの回転速度の他にも、工作機械の構成部品や工作機械の構造等にも依存する。

本実施の形態では、それぞれの送り軸のサーボモータに関するモータ情報を取得し、モータ情報に基づいて、それぞれの送り軸の補正値を算出する。補正値の算出は、予め定められた周期ごとに実施することができる。また、補正の対象となる送り軸ごとに補正値の算出を行う。ここで、それぞれの送り軸の補正値の算出方法について説明する。

初期の変位量Ｓ₀、飽和変位量Ｓ、および熱時定数Ｔを用いると、連続時間系での時刻ｔにおける熱変位量Ｈ（ｔ）は、次の式（１）で表すことができる。

Ｈ（ｔ）＝（Ｓ−Ｓ₀）・（１−ｅｘｐ（−ｔ/Ｔ））+Ｓ₀ …（１）

この式（１）を離散化して離散型方程式を得る。式（１）を（ｔ＋Δｔ）でテーラー展開した式、および（ｔ＋０）でテーラー展開した式に基づいて、次の式（２）を得ることができる。

Ｈ（ｔ+Δｔ）＝Ｓ/Ｔ−Ｈ（ｔ）・（１−Δｔ/Ｔ）） …（２）

式（２）から所定の回数を示す整数ｎを用いて、離散型方程式である式（３）を得ることができる。

Ｈ（ｎ＋１）＝Ｓ/Ｔ＋Ｈ（ｎ）−Ｈ（ｎ）/Ｔ …（３）

ここで、熱変位量Ｈ（ｎ）は今回の熱変位量を示し、熱変位量Ｈ（ｎ＋１）は次回の熱変位量を示す。

熱時定数Ｔは、温度が上昇するときの上昇速度または温度が下降するときの下降速度に関する定数である。図３を参照して、温度が上昇するときの熱時定数Ｔｉは、熱変位量が飽和変位量Ｓの０．６３２倍になるまでの時刻ｔ₀から時刻ｔ₁までの時間長さである。また、温度が低下するときの熱時定数Ｔｄは、時刻ｔ₂において回転速度を零にしてから熱変位量が飽和変位量Ｓの０．６３２倍まで低下する時刻ｔ₃までの時間長さである。本実施の形態の制御では、温度の上昇中には熱時定数Ｔｉを用いて、温度の下降中には熱時定数Ｔｄを用いる制御を実施する。

飽和変位量Ｓは、サーボモータに関する回転速度等のモータ情報に依存する。飽和変位量Ｓは、モータ情報に基づいて算出することができる。たとえば、飽和変位量Ｓは、回転速度Ｖ、トルク指令値τｒ、または、熱シミュレーション値ＴＳを用いて次の式にて算出することができる。

Ｓ＝Ｋ１・｜Ｖ｜ …（４）
Ｓ＝Ｋ２・τｒ² …（５）
Ｓ＝Ｋ３・｜ＴＳ｜ …（６）

ここで、定数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は、それぞれの変数から飽和変位量Ｓへの換算係数である。なお、飽和変位量Ｓは、計算により算出する方法に限られず、モータ情報の大きさごとに予め定められていても構わない。また、熱時定数Ｔｉ，Ｔｅは、モータ情報の大きさごとに予め定めておくことができる。

以下の説明では、サーボモータに関するモータ情報のうち、モータの回転速度を例に取りあげて説明する。式（３）により、前回の熱変位量Ｈ（ｎ）に基づいて、次回の熱変位量Ｈ（ｎ＋１）を算出することができる。この結果、任意の時刻における熱変位量を推定することができる。熱変位量Ｈ（ｎ）を繰り返し計算している期間中に回転速度が変化した場合には、変化した後の回転速度に基づく飽和変位量Ｓおよび熱時定数Ｔを用いて計算することができる。式（３）において、飽和変位量Ｓおよび熱時定数Ｔはサーボモータの回転軸速度に依存して定まる。例えば、回転速度が所定の値から零になったときには飽和変位量Ｓは零に変更する。そして、熱時定数Ｔは、熱時定数Ｔｉから熱時定数Ｔｄに変更する。このように、モータ情報が変化する度に変位データを変更して熱変位量Ｈ（ｎ）を計算することができる。

熱変位量Ｈ（ｎ）の推定方法は、１つの送り軸の移動装置が駆動したときの当該送り軸の熱変位量の推定に適用することができる。また、１つの送り軸の移動装置が駆動したときの他の送り軸の熱変位量の推定にも適用することができる。そして、熱変位量Ｈ（ｎ）に基づいて各軸に関する補正値を設定することができる。

ここで、式（３）にて熱変位量を推定するためには、それぞれの回転速度における飽和変位量Ｓ（係数Ｋ）や熱時定数Ｔを予め設定し、制御装置に記憶させておく必要がある。次に、このような熱変位量の推定に必要な値や係数を設定する方法について説明する。

図５に、熱変位量を推定するために必要な値や係数を算出するための測定を実施している時の工作機械の概略斜視図を示す。主軸ヘッド２１の主軸には、工具の代わりにテストバー４１を取り付ける。テーブル３５には、Ｘ軸方向の熱変位量を測定する変位センサ７１と、Ｙ軸方向の熱変位量を測定する変位センサ７２と、Ｚ軸方向の熱変位量を測定する変位センサ７３とを配置する。変位センサ７１〜７３は、非接触型である。変位センサ７１，７２は、テーブル３５の表面と平行に延びるように配置される。変位センサ７３は、テーブル３５の内部に、テーブル３５の厚さ方向に延びるように配置される。

例えば、Ｘ軸移動装置を駆動したときのそれぞれの送り軸における熱変位の特性を測定する場合には、矢印９２に示すように、サドル１７を一定の速度でＸ軸方向に往復移動させる。この時にＹ軸移動装置およびＺ軸移動装置は停止した状態を維持する。往復移動は、例えば数十回から数百回行う。そして、往復移動を繰り返している期間中の予め定められた周期ごとに、変位センサ７１〜７３により、それぞれの送り軸の方向の熱変位量を測定する。熱変位量を測定するときには、矢印９３に示すように、主軸ヘッド２１を下降させて、変位センサ７１〜７３にテストバー４１を近づけて測定する。

この測定を行うことにより、Ｘ軸移動装置を駆動した時のＸ軸方向の熱変位、Ｙ軸方向の熱変位およびＺ軸方向の熱変位について、図３に示すようなグラフを作成することができる。そして、測定結果から飽和変位量Ｓおよび熱時定数Ｔｉ，Ｔｅを設定することができる。次に、速度を変更した複数回の測定を行うことにより、図４に示すようなグラフを作成することができる。それぞれの速度毎の飽和変位量Ｓや熱時定数Ｔｉ，Ｔｅを設定することができる。または、飽和変位量Ｓを算出するための定数Ｋ１〜Ｋ３を定めることができる。

次に、Ｘ軸移動装置およびＺ軸移動装置は停止した状態で、Ｙ軸移動装置を駆動して同様の測定を実施する。さらに、Ｘ軸移動装置およびＹ軸移動装置は停止した状態で、Ｚ軸移動装置を駆動して同様の測定を実施する。これらの測定を行うことにより、所定の送り軸のサーボモータを駆動したときのそれぞれの送り軸の熱変位量を推定するための値や係数を定めることができる。本実施の形態では、熱変位量または熱変位量を算出するための値や係数を変位データと称する。

図２を参照して、制御装置５０は、予め設定された熱変位に関する情報である変位データ６１を取得する。制御装置５０は、変位データ６１を読み込む入力部６２を含む。入力部６２は、作業者が画面等に手入力で入力可能に形成することができる。または、入力部６２は、変位データ６１の電子ファイルを読み込むように形成されていても構わない。

制御装置５０は、入力された変位データ６１を記憶する変位データ記憶部６３を含む。制御装置５０は、それぞれの送り軸の変位量を推定する変位量推定部６４を含む。変位量推定部６４は、変位データ記憶部６３から変位データ６１を読み込む。

制御装置５０は、回転速度等のモータ情報を取得するモータ情報取得部を備える。変位量推定部６４は、モータ情報取得部に対応する。例えば、変位量推定部６４は、サーボモータ５５に取り付けられているエンコーダからサーボモータ５５の回転速度を読み込むことができる。モータ情報としてトルク指令値τｒや、熱シミュレーション値ＴＳを用いる場合には、変位量推定部６４は、サーボ制御部５４からこれらの値を読み込むことができる。

そして、変位量推定部６４は、変位データおよびモータ情報に基づいて、それぞれの送り軸の変位量を推定する。変位量推定部６４は、熱変位量に基づいて各軸の補正値を算出する。この補正値は、ワークに対する工具の相対位置の補正値である。

変位量推定部６４にて算出された補正値は、補間部５３に送出される。本実施の形態では、各軸の補正値にて各軸の位置を補正する。補間部５３は、所定の送り軸の変位量に基づいて、この送り軸の位置を補正する補正部として機能する。補間部５３は、入力された補正値にて補正した位置指令値ｑｒを生成する。例えば、補間部５３は、入力された補正値に基づいて機械座標系の原点の位置を補正することができる。補正された位置指令値ｑｒに基づいてサーボモータ５５を駆動することにより、熱変位の影響を抑制することができる。この結果、高い精度で加工することができる。

図６に、本実施の形態におけるそれぞれの送り軸の補正値を算出するときの説明図を示す。図２および図６を参照して、工作機械が稼働している期間中に、各軸のサーボモータ５５においてモータ情報としての回転速度を検出する工程を実施する。すなわち、Ｘ軸サーボモータ３１は回転速度ｖｘを検出し、Ｙ軸サーボモータは回転速度ｖｙを検出し、Ｚ軸サーボモータ３２は回転速度ｖｚを検出する。

変位量推定部６４は、それぞれの送り軸のサーボモータ５５の回転速度ｖｘ，ｖｙ，ｖｚを読み込む読み込み工程を実施する。変位量推定部６４は、各軸の回転速度ごとに各軸の熱変位量を推定する熱変位量推定工程を実施する。そして、変位量推定部６４は、熱変位量に基づいて補正値を計算する補正値算出工程を実施する。例えば、Ｘ軸サーボモータの回転速度ｖｘに基づいて、Ｘ軸方向の補正値（ＤＸ）ｘ、Ｙ軸方向の補正値（ＤＹ）ｘ、およびＺ軸方向の補正値（ＤＺ）ｘを前述の式（３）により算出する。Ｙ軸サーボモータの回転速度ｖｙに基づいて、Ｘ軸方向の補正値（ＤＸ）ｙ、Ｙ軸方向の補正値（ＤＹ）ｙ、およびＺ軸方向の補正値（ＤＺ）ｙを前述の式（３）により算出する。同様に、Ｚ軸サーボモータの回転速度ｖｚに基づいて、それぞれの軸方向における補正値（ＤＸ）ｚ，（ＤＹ）ｚ，（ＤＺ）ｚを算出する。

次に、変位量推定部６４は、それぞれの送り軸方向について個別に算出した補正値を加算する加算工程を実施する。例えば、Ｘ軸方向の全補正値は、（ＤＸ）ｘ＋（ＤＸ）ｙ＋（ＤＸ）ｚになる。Ｙ軸方向の全補正値およびＺ軸方向の全補正値についても同様の方法により算出することができる。そして、算出された補正値が補間部５３に送出される。補間部５３では、算出された補正値に基づいて、Ｘ軸方向の補正、Ｙ軸方向の補正、およびＺ軸方向の補正を行う補正工程を実施する。

図７に、本実施の形態の工作機械の変位補正方法により補正を行ったときのグラフを示す。図７では、Ｘ軸サーボモータを駆動したときの熱変位によるＹ軸方向の誤差のグラフが例示されている。変位補正を行わなかった場合には、熱変位による誤差が急激に増加している。これに対して、変位補正を行った場合には、誤差が抑制されてほぼゼロを維持している。

このように、本実施の形態の変位補正方法では、第１送り軸のモータに関する第１モータ情報に対する第２送り軸の変位量が定められた変位データが予め定められている。変位量推定部６４は、第１モータ情報、第１送り軸のモータの作動時間および変位データに基づいて、第２送り軸の変位量を推定している。そして、第２送り軸の変位量に基づいて第２送り軸の位置を補正している。すなわち、１つの送り軸のモータ情報に基づいて、他の送り軸の熱変位の補正も行っている。このために、熱変位の補正を精度よく行うことができる。

また、本実施の形態の工作機械は、時間と共に変化する熱変位の影響を抑制することができる。このために、工作機械の暖機運転を行わなくても高い加工精度にて加工することができる。なお、第１送り軸は、任意の送り軸を選定することができる。第２送り軸は、第１送り軸と異なる任意の送り軸を選定することができる。

また、本実施の形態では、大きさが異なる複数の第１モータ情報に関する変位データが予め定められている。モータ情報が回転速度の場合には、複数の回転速度に対する複数の飽和変位量Ｓや複数の熱時定数Ｔｉ，Ｔｄが予め定められている。そして、工作機械が稼働している期間中に第１モータ情報を取得し、取得した第１モータ情報の大きさに対応する変位データに基づいて第２送り軸の変位量を推定している。例えば、Ｘ軸サーボモータの回転速度を取得し、取得した回転速度に対応する飽和変位量Ｓおよび熱時定数Ｔｉ，Ｔｄを設定する。そして、Ｙ軸方向の変位量を推定する。第１のモータ情報の複数の値に対する変位データを備えることにより、熱変位量の推定精度を向上させることができる。変位データとしては、この形態に限られず、回転速度に依らずに予め定められた一つの変位データが用いられても構わない。

更に、本実施の形態では、第３送り軸のモータに関する第３モータ情報に対する第２送り軸の変位量が設定された変位データが予め定められており、第３モータ情報、第３送り軸のモータの作動時間、および変位データに基づいて第２送り軸の変位量を推定している。すなわち、複数の送り軸のモータ情報に基づいて、所定の軸方向の変位量を推定している。そして、第１モータ情報に基づく第２送り軸の変位量と、第３モータ情報に基づく第２送り軸の変位量とを加算して第２送り軸の全体の変位量を推定している。例えば、Ｘ軸サーボモータの回転速度に加えて、Ｚ軸サーボモータの回転速度に基づいてＹ軸の変位量を推定している。また、Ｘ軸のモータ情報に基づいたＹ軸の変位量とＹ軸のモータ情報に基づいたＹ軸の変位量とを加算してＹ軸の変位量を推定することもできる。このように２つ以上の送り軸のモータ情報に基づいて、対象となる送り軸の熱変位量を推定することにより、熱変位の補正を精度よく行うことができる。

また、本実施の形態においては、送り軸の方向の補正値を算出しているが、この形態に限られず、送り軸の傾きの補正を行うことができる。例えば、図５を参照して、長いテストバー４１を装着した測定と、短いテストバー４１を装着した測定とを個別に実施する。テストバーの長さを変更した２つの測定を行うことにより、テストバーの傾き、すなわちＺ軸の傾きを推定することができる。熱変位が生じたときの傾きについては、回転送り軸を回転させることにより補正することができる。

本実施の形態においては、３つの直線送り軸を有する工作機械を例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、複数の送り軸を有する任意の工作機械に本発明を適用することができる。

（実施の形態２）
図８から図１１を参照して、実施の形態２における工作機械の変位補正方法および工作機械の制御装置について説明する。工作機械の送り軸として、３つの直線送り軸を有することは、実施の形態１の工作機械と同様である。本実施の形態の工作機械は、直線送り軸に加えて回転送り軸を有する。

図８に、本実施の形態における工作機械のテーブルの部分の概略正面図を示す。本実施の形態の工作機械１１は、ワーク１を回転テーブル４６と共に旋回させるテーブル旋回型である。工作機械１１は、Ｘ軸に平行に延びる軸線の周りのＡ軸を有している。工作機械１１は、Ｚ軸に平行に延びる軸線の周りのＣ軸を有している。

工作機械１１の移動装置は、Ａ軸の軸線の周りにワーク１を回動させるＡ軸移動装置を備える。Ａ軸移動装置は、回転テーブル４６を支持するＵ字形の揺動支持部材４８と、揺動支持部材４８を支持するＵ字形のキャリッジ４７とを含む。キャリッジ４７は、Ｘ軸方向に離間された一対の支柱部４７ａ，４７ｂを有する。揺動支持部材４８は、Ｘ軸方向の両側の端部が支柱部４７ａ，４７ｂに支持されている。揺動支持部材４８は、Ａ軸の軸線の周りに揺動可能に支持されている。Ａ軸移動装置は、キャリッジ４７に対して、Ａ軸の軸線の周りに揺動支持部材４８を回動させるＡ軸サーボモータを含む。

また、工作機械１１の移動装置は、Ｃ軸の軸線の周りにワーク１を回転させるＣ軸移動装置を備える。Ｃ軸移動装置は、ワーク１を回転させる回転テーブル４６を含む。回転テーブル４６は、揺動支持部材４８に支持されている。Ｃ軸移動装置は、回転テーブル４６を回転させるＣ軸サーボモータを含む。

このように、本実施の形態の工作機械１１は、互いに直交する３つの直線送り軸と、Ａ軸の軸線及びＣ軸の軸線の周りに回転する回転送り軸とを有する。本実施の形態の工作機械１１は、５軸制御の工作機械である。

本実施の形態の工作機械は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれの直線送り軸について、３つの直線送り軸の移動装置および２つの回転送り軸の移動装置が駆動したときの補正値を算出する。ここで、回転送り軸の移動装置が駆動したときの各軸の補正値の算出についても、実施の形態１と同様の方法により実施することができる。また、Ａ軸およびＣ軸の回転送り軸について、回転送り軸の軸線の位置の補正値を算出する。軸線の位置の補正値についても、３つの直線送り軸の移動装置および２つの回転送り軸の移動装置が駆動したときの補正値を算出する。

図９に、本実施の形態の変位データを取得するために測定を実施しているときの工作機械の概略斜視図を示す。回転テーブル４６には基準球７６を配置する。基準球７６は、Ｃ軸の軸線上に配置する。主軸ヘッド２１には、工具の代わりに位置検出装置７４を装着する。位置検出装置７４は、非接触型の変位センサであり、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位を一度に測定することができる。また、位置検出装置７４は、Ａ軸の軸線の変位およびＣ軸の軸線の変位を測定することができる。

キャリッジ４７の支柱部４７ａの上面には、基準球７７を配置する。工作機械１１のコラム１５の前面には、位置検出装置７５が取り付けられている。位置検出装置７５は、非接触型の変位センサであり、Ｚ軸方向に移動可能に形成されている。位置検出装置７５は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位を一度に測定することができる。位置検出装置７５は、Ａ軸の軸線の変位を検出することができる。

変位データを取得するための測定では、３つの直線送り軸および２つの回転送り軸のうち、１つの送り軸について繰り返し往復移動させる。そして、予め定められた周期ごとに、回転テーブル４６に配置した基準球７６に対して位置検出装置７４を近づけて、それぞれの送り軸の変位を計測する。また、位置検出装置７５を基準球７７に向かって移動することにより、Ａ軸の軸線の変位を測定することができる。

本実施の形態の工作機械の回転送り軸では、Ａ軸がマスター軸になり、Ｃ軸がスレーブ軸になる。回転送り軸の軸線の変位については、Ｃ軸の軸線が変位してもＡ軸の軸線は変位しない。ところが、Ａ軸の軸線が変位するとＣ軸の軸線も変位する。位置検出装置７４の測定値では、Ａ軸の軸線の変位またはＣ軸の軸線の変位を判別することが困難である。本実施の形態では位置検出装置７５にて測定した測定値は、Ａ軸の軸線の変位に相当する。そして、位置検出装置７４にて測定した測定値から位置検出装置７５にて測定した測定値を減算することにより、Ｃ軸の軸線の変位量を算出することができる。このように、本実施の形態では、Ａ軸の軸線の変位およびＣ軸の軸線の変位を分離して個別に算出することができる。

変位データを取得する測定では、１つの送り軸を駆動したときの、それぞれの送り軸の熱変位量を測定して、図３および図４に示すグラフのような熱変位を示す曲線を得ることができる。そして、これらの熱変位を示す曲線に基づいて、飽和変位量Ｓ（定数Ｋ）や熱時定数Ｔｉ，Ｔｄ等の変位データを予め定めることができる。

図１０は、本実施の形態の工作機械の直線送り軸を補正する方法の説明図である。図２および図１０を参照して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ軸方向に移動装置を駆動した時の直線送り軸の補正値の算出方法は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態においては、各軸のサーボモータ５５としてのＡ軸サーボモータにて回転速度ｖａを検出する。変位量推定部６４は、Ａ軸サーボモータの回転速度ｖａおよび変位データに基づいて、各直線送り軸の補正値（ＤＸ）ａ，（ＤＹ）ａ，（ＤＺ）ａを算出する。また、Ｃ軸サーボモータにて回転速度ｖｃを検出する。変位量推定部６４は、Ｃ軸サーボモータの回転速度ｖｃおよび変位データに基づいて、各直線送り軸の補正値（ＤＸ）ｃ，（ＤＹ）ｃ，（ＤＺ）ｃを算出する。

次に、変位量推定部６４は、直線送り軸のサーボモータを駆動した時の補正値に、回転送り軸のサーボモータを駆動した時の補正値を加算して、全補正値を算出する。このように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の直線送り軸の補正値を算出することができる。補間部５３は、算出された全補正値に基づいて、補正した位置指令値ｑｒを生成することができる。

図１１は、工作機械の回転送り軸の軸線の位置を補正する方法の説明図である。図２および図１１を参照して、始めに各軸のサーボモータ５５において、モータ情報としての回転速度ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ，ｖａ，ｖｃを検出する。変位量推定部６４は、各軸のサーボモータ５５の回転速度に基づいて、回転送り軸の軸線に関するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の補正値を算出する。本実施の形態では、Ａ軸およびＣ軸の２つの回転送り軸を有するために、それぞれの回転送り軸の軸線に関する補正値を算出する。

変位量推定部６４は、Ｘ軸サーボモータの回転速度ｖｘに基づいて、Ａ軸の軸線のＸ軸方向の補正値（ＤＡＸ）ｘを算出する。また、Ａ軸の軸線のＹ軸方向の補正値（ＤＡＹ）ｘ、およびＡ軸の軸線のＺ軸方向の補正値（ＤＡＺ）ｘを算出する。Ｃ軸についても、Ｃ軸の軸線の補正値（ＤＣＸ）ｘ，（ＤＣＹ）ｘ，（ＤＣＺ）ｘを算出する。

同様に、変位量推定部６４は、Ｙ軸サーボモータの回転速度ｖｙおよびＺ軸サーボモータの回転速度ｖｚに基づいて、Ａ軸の軸線の補正値およびＣ軸の軸線の補正値を算出する。さらに、変位量推定部６４は、Ａ軸サーボモータの回転速度ｖａおよびＣ軸サーボモータの回転速度ｖｃに基づいて、Ａ軸の軸線の補正値およびＣ軸の軸線の補正値を算出する。

次に、変位量推定部６４は、全補正値の計算を行う。全補正値の計算では、Ａ軸の軸線およびＣ軸の軸線について、直線送り軸を駆動した時のＸ軸方向の補正値と回転送り軸を駆動したときのＸ軸方向の補正値との総和により、Ｘ軸方向の全補正値を算出する。同様に、Ａ軸の軸線およびＣ軸の軸線について、Ｙ軸方向の全補正値およびＺ軸方向の全補正値を算出する。次に、補間部５３は、それぞれの軸方向の補正値に基づいて、Ａ軸の軸線の位置およびＣ軸の軸線の位置を補正して位置指令ｑｒを生成する。このように、回転送り軸を有する工作機械においても、回転送り軸の軸線の位置の補正を行うことができる。

ところで、従来の工作機械にも、それぞれの回転送り軸の軸線の位置の補正値を入力し、入力した補正値に基づいて回転送り軸の軸線の位置を補正する機能を備えるものがある。ところが、従来の工作機械においては、設定する補正値は１つであり、加工期間中には補正値を変更することはできずに、熱変位量が変化しても常に１つの補正値にて補正が行われる。これに対して、本実施の形態の工作機械では、工作機械を駆動している期間中に、時間と共に変化する熱変位の影響を補正することができて、正確な補正を実施することができる。この結果、加工精度を向上させることができる。

本実施の形態の工作機械は、回転送り軸が２つであるが、この形態に限られず、１つまたは３つ以上の回転送り軸を有する工作機械にも本発明を適用することができる。

その他の構成、工程、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１１ 工作機械
３１ Ｘ軸サーボモータ
３２ Ｚ軸サーボモータ
５０ 制御装置
５３ 補間部
５４ サーボ制御部
５５ サーボモータ
６１ 変位データ
６４ 変位量推定部

本発明の工作機械の制御装置は、複数の送り軸を有する工作機械の制御装置であって、第１送り軸のモータの回転速度に基づく変数、トルクに基づく変数、および電流値に基づく変数のうち少なくとも一つを含む第１モータ情報に対する第２送り軸方向の変位データを記憶する変位データ記憶部と、工作機械が稼働している期間中に第１モータ情報を取得するモータ情報取得部と、モータ情報取得部にて取得した第１モータ情報、第１送り軸のモータの作動時間、および変位データ記憶部に記憶した変位データに基づいて第２送り軸の変位量を推定する変位量推定部と、推定した第２送り軸の変位量に基づいて第２送り軸の位置を補正する補正部とを備える。

Ｈ（ｔ+Δｔ）＝Ｓ/Ｔ−Ｈ（ｔ）・（１−Δｔ/Ｔ） …（２）

ここで、定数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は、それぞれの変数から飽和変位量Ｓへの換算係数である。なお、飽和変位量Ｓは、計算により算出する方法に限られず、モータ情報の大きさごとに予め定められていても構わない。また、熱時定数Ｔｉ，Ｔｄは、モータ情報の大きさごとに予め定めておくことができる。

この測定を行うことにより、Ｘ軸移動装置を駆動した時のＸ軸方向の熱変位、Ｙ軸方向の熱変位およびＺ軸方向の熱変位について、図３に示すようなグラフを作成することができる。そして、測定結果から飽和変位量Ｓおよび熱時定数Ｔｉ，Ｔｄを設定することができる。次に、速度を変更した複数回の測定を行うことにより、図４に示すようなグラフを作成することができる。それぞれの速度毎の飽和変位量Ｓや熱時定数Ｔｉ，Ｔｄを設定することができる。または、飽和変位量Ｓを算出するための定数Ｋ１〜Ｋ３を定めることができる。

Claims (4)

1. 複数の送り軸を有する工作機械の変位補正方法であって、
   第１送り軸のモータに関する第１モータ情報に対する第２送り軸方向の変位データが予め定められており、
   第１モータ情報は、第１送り軸のモータの回転速度に基づく変数、トルクに基づく変数、および電流値に基づく変数のうち少なくとも一つを含み、
   工作機械が稼働している期間中に第１モータ情報を取得する工程と、
   第１モータ情報、第１送り軸のモータの作動時間、および変位データに基づいて、第２送り軸の位置を補正する工程とを含むことを特徴とした、工作機械の変位補正方法。
2. 大きさが異なる複数の第１モータ情報に対する変位データが予め定められており、
   第１モータ情報の大きさに対応する変位データに基づいて第２送り軸の位置を補正する工程を含む、請求項１に記載の工作機械の変位補正方法。
3. 第３送り軸のモータに関する第３モータ情報に対する第２送り軸方向の変位データが予め定められており、
   第３モータ情報は、第３送り軸のモータの回転速度に基づく変数、トルクに基づく変数、および電流値に基づく変数のうち少なくとも一つを含み、
   第１モータ情報、第１送り軸のモータの作動時間、および変位データに基づいて第２送り軸の変位量を推定する工程と、
   工作機械が稼働している期間中に第３モータ情報を取得する工程と、
   第３モータ情報、第３送り軸のモータの作動時間、および変位データに基づいて第２送り軸の変位量を推定する工程と、
   第１モータ情報に基づく第２送り軸の変位量と、第３モータ情報に基づく第２送り軸の変位量とを加算して、第２送り軸の全体の変位量を推定する工程とを含み、
   推定した第２送り軸の全体の変位量に基づいて第２送り軸の位置を補正する、請求項１または２に記載の工作機械の変位補正方法。
4. 複数の送り軸を有する工作機械の制御装置であって、
   第１送り軸のモータの駆動に関する第１モータ情報に対する第２送り軸方向の変位データを記憶する変位データ記憶部と、
   工作機械が稼働している期間中に第１モータ情報を取得するモータ情報取得部と、
   モータ情報取得部にて取得した第１モータ情報および変位データ記憶部に記憶した変位データに基づいて第２送り軸の変位量を推定する変位量推定部と、
   推定した第２送り軸の変位量に基づいて第２送り軸の位置を補正する補正部とを備えることを特徴とした、工作機械の制御装置。

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