JP2023035005A - 工作機械の熱変位補正装置及び熱変位補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸の回転拘束中に熱収縮の基点が変化しても、正確に熱変位補正量を演算して補正を行うことができるようにする。【解決手段】ＮＣ立形マシニングセンタ１の熱変位補正装置２０は、主軸を支持するハウジング及び主軸の温度を測定可能な温度センサ８，９及び温度測定部２１と、温度測定部２１で測定した温度情報から、主軸の熱変位を推定して熱変位補正量を演算する補正量演算部２２と、補正量演算部２２で推定された熱変位補正量に基づいて主軸の送り軸の軸補正移動量を演算し、補正対象軸に補正指令を出力するＮＣ装置１０と、を備え、補正量演算部２２は、ＮＣ装置１０からの情報に基づいて、主軸の回転がクランプ機構によって拘束されているか否かを判定し、クランプ機構による拘束の有無に応じて異なる熱変位補正量をそれぞれ演算する。【選択図】図１

Description

本開示は、工作機械に生じる熱変位を補正する装置及び方法に関する。

一般に、工作機械は、機械の特性上各部に熱源（例えば主軸の転がり軸受）を持っており、この熱源に発生した熱が機械各部に伝わることで、機械構成要素の熱変形を引き起こす。熱変形は加工精度に大きく影響するため、従来からその防止対策として発熱部を冷却する方法、或は、熱変形部の温度情報に基づき熱変位を推定して補正する方法が広く採用されている。
後者の熱変位補正方法として、特許文献１には、温度センサの出力に基づき熱変形部の温度を測定し、温度が飽和した定常状態において、熱変位を測定温度の即時値に従って推定し、運転条件が変化した後の過渡状態においては、熱変位を時間経過に従って推定し、各推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正する技術が開示されている。

特許第３１３６４６４号公報

例えば図２に示す主軸ユニット３０において、主軸３１は、主軸３１の片側（図２の左側）を径方向および軸方向に拘束し回転可能に支持する複数の軸受３７Ａ～３７Ｄと、主軸３１の他端（図２の右側）を径方向に拘束し、回転および軸方向へ移動可能に支持する円筒コロ軸受３８とを介してハウジング（ここではスリーブ３２）に支持されている。この主軸３１の先端に回転工具を取り付けて主軸モータ１２で回転させることにより、ミーリングやドリリング加工が可能となる。さらに、主軸３１の左方には、主軸３１の回転を機械的に拘束するクランプ機構６０が設けられており、クランプ機構６０で主軸３１の回転を拘束した状態で、主軸３１の先端に取り付けた旋削工具により旋削加工を行うことができる。
このような主軸３１は、回転することで軸受３７Ａ～３７Ｄや主軸モータ１２の発熱により温度上昇し熱膨張する。特に軸方向へは複数の軸受群の支持部を基点として膨張し、支持部から主軸先端までの伸びは加工精度に大きな影響を与えるため、公知の方法により熱変位補正を行っている。
ところが、主軸回転を経て熱膨張した主軸３１が停止によって熱収縮をする際、クランプ機構６０により主軸３１の回転が機械的に拘束された状態では、主軸３１の軸方向の移動もクランプ機構６０で制限されるため、主軸３１の収縮の基点が遷移する。そのため、クランプ中の工具位置を正確に補正することができず、旋削加工での加工精度が不十分になってしまう。

そこで、本開示は、主軸の回転拘束中に熱収縮の基点が変化しても、正確に熱変位補正量を演算して補正を行うことができ、高精度な旋削加工が実施可能となる工作機械の熱変位補正装置及び熱変位補正方法を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、本開示の第１の構成は、ハウジング内で軸受を介して回転可能に支持される主軸と、前記ハウジング内で前記主軸の回転を機械的に拘束可能なクランプ機構と、前記主軸の回転及び前記クランプ機構の作動を制御する制御装置とを備えた工作機械に設けられ、
前記ハウジング及び前記主軸の温度を測定可能な温度測定手段と、
前記温度測定手段で測定した温度情報から、前記主軸の熱変位補正量を演算する補正量演算手段と、
前記補正量演算手段で演算された前記熱変位補正量に基づいて前記主軸の送り軸の軸補正移動量を演算し、補正対象軸に補正指令を出力する補正指令手段と、を備えた熱変位補正装置であって、
前記補正量演算手段は、前記制御装置からの情報に基づいて、前記主軸の回転が前記クランプ機構によって拘束されているか否かを判定し、前記クランプ機構による拘束の有無に応じて異なる前記熱変位補正量をそれぞれ演算することを特徴とする。
本開示の第１の構成の別の態様は、上記構成において、前記補正量演算手段は、前記主軸の回転が前記クランプ機構によって拘束されている場合、前記クランプ機構に拘束される前記主軸の拘束部の軸方向支持剛性と、前記軸受に支持される前記主軸の軸受部の軸方向支持剛性とに基づいて前記主軸の熱変位の基点を演算し、前記基点に基づいて前記熱変位補正量を演算することを特徴とする。
本開示の第１の構成の別の態様は、上記構成において、前記補正量演算手段は、前記主軸の拘束部の軸方向支持剛性を、前記温度測定手段で測定した温度情報に基づいて演算することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本開示の第２の構成は、ハウジング内で軸受を介して回転可能に支持される主軸と、前記ハウジング内で前記主軸の回転を機械的に拘束可能なクランプ機構と、前記主軸の回転及び前記クランプ機構の作動を制御する制御装置とを備えた工作機械において、
前記ハウジング及び前記主軸の温度を測定する温度測定ステップと、
前記温度測定ステップで取得した温度情報から、前記主軸の熱変位補正量を演算する補正量演算ステップと、
前記補正量演算ステップで演算された前記熱変位補正量に基づいて前記主軸の送り軸の軸補正移動量を演算し、補正対象軸に補正指令を出力する補正指令ステップと、を実行する熱変位補正方法であって、
前記補正量演算ステップでは、前記制御装置からの情報に基づいて、前記主軸の回転が前記クランプ機構によって拘束されているか否かを判定し、前記クランプ機構による拘束の有無に応じて異なる前記熱変位補正量をそれぞれ演算することを特徴とする。

本開示によれば、主軸の回転拘束中における熱収縮の基点変化に応じて熱変位補正量が演算されるため、正確に補正を行うことができる。よって、主軸をクランプした際の旋削加工を高精度に実施することができる。

ＮＣ立形マシニングセンタ及び熱変位補正装置の構成図である。 主軸の中央縦断面図である。 （Ａ）（Ｂ）は図２の軸受部分の断面図である。 主軸の熱変位を示す説明図である。 熱変位補正方法のフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の一例であるＮＣ立形マシニングセンタ（以下、単に「マシニングセンタ」という。）に熱変位補正装置を設けた構成図、図２は主軸の中央縦断面図である。
マシニングセンタ１は、ベッド２に紙面左右（Ｙ軸）方向へ移動可能に支持されて旋回可能な旋回テーブル３と、ベッド２に固定されたコラム４と、コラム４に紙面直交（Ｘ軸）方向へ移動可能に支持されたサドル５と、サドル５に紙面上下（Ｚ軸）方向へ移動可能に支持された主軸頭６とを備えている。主軸頭６は、旋回テーブル３に固定されたワークＷに対し、並進３軸で移動可能である。主軸頭６には、下向きの主軸３１を回転可能に支持する主軸ユニット３０が収容されて、主軸３１の下端に工具７が装着可能となっている。主軸頭６には、温度センサ８，９が設けられている。

マシニングセンタ１のＮＣ装置１０は、加工プログラムに従い、各軸のサーボモータ１１を制御して主軸頭６をワークＷに対して相対移動させ、主軸３１を回転させる主軸モータ１２の回転を制御する。主軸３１と共に工具７を回転させることで、ワークＷを切削加工することができる。また、主軸ユニット３０内には、主軸３１の回転をクランプ／アンクランプ可能なクランプ機構６０が設けられている。ＮＣ装置１０は、クランプ機構６０により、主軸３１及び工具７を回転させない状態とし、旋回テーブル３を旋回させることでワークＷの旋削加工を行うことができる。

熱変位補正装置２０は、温度センサ８，９を介して主軸３１及び主軸３１を支持するハウジングとしてのスリーブ３２の温度を測定する温度測定部２１と、温度測定部２１で取得した温度情報に基づいて熱変位補正量を演算する補正量演算部２２と、補正量演算部２２で演算した熱変位補正量や各種のパラメータを記録する記録部２３と、ＮＣ装置１０とを含んでいる。
ＮＣ装置１０は、補正量演算部２２から入力された熱変位補正量に基づいて各送り軸の補正移動量を演算し、補正対象軸のサーボモータ１１に補正指令を出力する。
ここでは温度センサ８，９及び温度測定部２１が本開示の温度測定手段となり、補正量演算部２２が本開示の補正量演算手段となり、ＮＣ装置１０が本開示の制御装置及び補正指令手段となる。

図２に示すように、主軸頭６に内包される主軸ユニット３０は、中空軸状の主軸３１と、主軸３１を取り囲んでいるスリーブ３２とを有している。なお、図２では、便宜上左側を前方、右側を後方として説明する。
スリーブ３２の内面には、前側ハウジング３３と後側ハウジング３４とが固定されている。前側ハウジング３３と後側ハウジング３４とは筒状で、両ハウジング３３，３４の間に、主軸モータ１２が収容されている。主軸モータ１２は、スリーブ３２の内面に固定されるステータ３５と、ステータ３５の内側で主軸３１に固定されるロータ３６とを有している。
主軸３１と前側ハウジング３３との間には、前後方向に所定間隔をおいて第１軸受３７Ａ、第２軸受３７Ｂ、第３軸受３７Ｃ、第４軸受３７Ｄが配置されている。主軸３１と後側ハウジング３４との間には、第５軸受３８が配置されている。

第１～第４軸受３７Ａ～３７Ｄは、図３（Ａ）に示すように、前側ハウジング３３の内面に固定される外輪３９と、主軸３１の外面に固定される内輪４０と、外輪３９と内輪４０との間に介在される複数の球形の転動体４１と、外輪３９の内面を案内面として転動体４１と共に回転し、転動体４１同士を一定間隔に保持する保持器４２とからなるアンギュラ玉軸受である。
第１軸受３７Ａから第４軸受３７Ｄのそれぞれ前後に隣接する外輪３９，３９の間には、前側ハウジング３３の内面に固定された外輪間座４３，４３・・が介在されている。第１軸受３７Ａから第４軸受３７Ｄのそれぞれ前後に隣接する内輪４０，４０の間には、主軸３１の外面に固定された内輪間座４４，４４・・が介在されている。
第４軸受３７Ｄの後側で前側ハウジング３３の後端には、第１環状突出部４５が設けられている。第１環状突出部４５は、第４軸受３７Ｄの外輪３９に当接している。
前側ハウジング３３の前端開口には、前側抑え蓋４６が設けられている。前側抑え蓋４６によって、第１～第４軸受３７Ａ～３７Ｄの各外輪３９と各外輪間座４３とが第１環状突出部４５側に押圧されている。
第１軸受３７Ａの前側で主軸３１の外周には、主軸３１の外径が大径から中径へ変わる前側段部４７が形成されている。前側段部４７に、第１軸受３７Ａの内輪４０が当接している。第４軸受３７Ｄの後側で第１環状突出部４５には、第１抑えナット４８がねじ込まれている。第１抑えナット４８によって、第１～第４軸受３７Ａ～３７Ｄの各内輪４０と各内輪間座４４とが前側段部４７側に押圧されている。

第５軸受３８は、図３（Ｂ）に示すように、後側ハウジング３４の内面に固定される外輪４９と、主軸３１の外面に固定される内輪５０と、外輪４９と内輪５０との間に介在される複数のコロ状の転動体５１と、外輪４９の内面を案内面として転動体５１と共に回転し、転動体５１同士を一定間隔に保持する保持器５２とからなる。
第５軸受３８の前側で後側ハウジング３４の前端には、第２環状突出部５３が設けられている。第２環状突出部５３は、第５軸受３８の外輪４９に当接している。後側ハウジング３４の後端開口には、後側抑え蓋５４が設けられている。後側抑え蓋５４によって、第５軸受３８の外輪４９が第２環状突出部５３に押圧されている。
第５軸受３８の前側で主軸３１の外周には、主軸３１の外径が中径から小径へ変わる後側段部５５が形成されている。第５軸受３８の内輪５０の前後には、主軸３１の外面に固定された内輪間座５６，５６が介在されている。前側の内輪間座５６は、後側段部５５と第５軸受３８の内輪５０との間に介在されている。第５軸受３８の後側で後側抑え蓋５４には、第２抑えナット５７がねじ込まれている。後側の内輪間座５６は、第２抑えナット５７と第５軸受３８の内輪５０との間に介在されている。第２抑えナット５７によって、第５軸受３８の内輪５０と各内輪間座５６とが後側段部５５側に押圧されている。

そして、主軸ユニット３０の前部には、クランプ機構６０が設けられている。クランプ機構６０は、前側抑え蓋４６の左端面に形成された円環状の歯形６１と、前側抑え蓋４６の径方向内側で主軸３１の前面に設けられ、歯形６１と同様の歯形が形成された後クラッチ６２と、前側抑え蓋４６及び後クラッチ６２の前側に配置され、前側抑え蓋４６およびクラッチ６２の歯形と同時にかみ合う歯形を有する前クラッチ６３とを含んでなる。
前クラッチ６３は、前後移動可能に配置されて、前クラッチ６３の前後には、第１油室６４及び第２油室６５が形成されている。第２油室６５に油圧を供給した状態では、前クラッチ６３は、図２に実線で示す前進位置にあって前側抑え蓋４６及び後クラッチ６２の歯形から離間している（アンクランプ状態）。第１油室６４に油圧を供給した状態では、前クラッチ６３は、二点鎖線で示す後退位置にあって前側抑え蓋４６及び後クラッチ６２の歯形と噛み合う（クランプ状態）。これにより主軸３１の回転が拘束されることになる。

次に、主軸３１の熱変位について、図４を用いて説明する。
回転中の主軸３１の軸方向熱変位は、図４のＰ２を基点として伸縮する。Ｐ２は、第１～第４軸受３７Ａ～３７Ｄによって主軸３１を支持している点である。このときの主軸前端の熱変位δｆは、次の式（１）で表される。

一方で、主軸３１の停止後にクランプ機構６０によって主軸３１の回転が拘束された際、前クラッチ６３が前側抑え蓋４６と後クラッチ６２とを抑える基点Ｐ１でのクランプ動作により、主軸３１は軸方向の移動が制限される。このため、主軸３１の軸方向熱変位の収縮の基点（熱変位中立点）は、Ｐ２から図４のＰ３へと遷移する。このＰ３は、それぞれ予め設定され、第１～第４軸受３７Ａ～３７Ｄによって支持されている主軸後側の軸方向支持剛性と、クランプ機構６０により支持されている主軸前側の軸方向支持剛性と、主軸３１のクランプ位置Ｐ１と、Ｐ１とＰ２間の支持スパンＬとによって決まり、次の式（２）で表される。

クランプ中の主軸前端の熱変位δｃは、次の式（３）で表される。なお、クランプ動作によりクランプ位置がＰ１の１点から、Ｐ１とＰ２間の２点になることにより、軸方向に熱変位を抑制する力が発生するが、ＫｒとＫｆとが主軸３１の軸方向剛性に対して十分小さいため、無視できるものとする。

次に、補正量演算部２２による熱変位補正量（以下単に「補正量」という。）の演算を、図５のフローチャートに基づいて説明する。
まず、工程（以下「Ｓ」と表記する。）Ｓ－１１で、記録部２３より補正パラメータを取得し、続くＳ－１２で、記録部２３より主軸－スリーブ間の支持剛性情報を取得する。
次に、Ｓ－１３で、温度測定部２１で測定された各温度情報を取得する（温度測定ステップ）。
次に、Ｓ－１４で、ＮＣ装置１０からクランプ機構６０による主軸３１のクランプ情報を取得する。
次に、Ｓ－１５で、Ｓ－１４で取得した主軸３１のクランプ情報をもとに、主軸３１がクランプされているか否かの判定を行う。ここで主軸３１がクランプされていると判断されなかった場合、Ｓ－１６で、熱変位である補正量δfを式（１）の方法で算出する（補正量演算ステップ）。

一方、Ｓ－１５で主軸３１がクランプされていると判断された場合、Ｓ－１７で、補正量δcを式（３）に基づいて算出する（補正量演算ステップ）。
Ｓ－１８で、継続して補正量の演算を行うか否かを判別し、継続する場合はＳ－１３へ戻って温度情報を取得する。継続しない場合は処理を終了する。
このように主軸３１がクランプされているか否かに応じて補正量δfと補正量δcとの何れかを選択して演算する。よって、ＮＣ装置１０は、補正量演算部２２から出力される何れかの補正量にしたがって各軸の補正移動量を演算し、補正指令を補正対象軸のサーボモータ１１に出力することになる（補正指令ステップ）。

主軸停止による主軸３１の温度低下に伴い主軸３１が収縮しようとするが、主軸クランプ中はクランプ機構６０が主軸３１の移動を制限し、第１～第４軸受３７Ａ～３７Ｄとともに主軸３１を拘束するため主軸３１に引張力が作用する。ここで生じた力が支持系の弾性変形を引き起こし、熱変形により主軸３１と主軸支持系とが相対的に熱変位しない点（熱変位中立点）が、第１～第４軸受３７Ａ～３７Ｄ近傍から主軸３１の前方へと遷移する。これにより主軸クランプ中では第１～第４軸受３７Ａ～３７Ｄ近傍を熱変位中立点として推定した熱変位と異なるため、補正誤差を引き起こし、旋削加工による加工精度が悪化する。
これに対し、上記形態のマシニングセンタ１の熱変位補正装置２０及び熱変位補正方法によれば、補正量演算部２２は、ＮＣ装置１０からの情報に基づいて、主軸３１の回転がクランプ機構６０によって拘束されているか否かを判定し、クランプ機構６０による拘束の有無に応じて異なる補正量をそれぞれ演算する。よって、主軸３１のクランプ中における熱変位中立点の遷移を主軸－スリーブ間の支持剛性により推定することができ、補正誤差を減少させることができる。これにより主軸３１のクランプ中に行う旋削加工を高精度に行うことができる。

なお、工作機械は上記形態の立形マシニングセンタに限らず、横形マシニングセンタや複合加工機等であっても本開示は適用可能である。
また、上記形態では、熱変位補正装置をＮＣ装置と共に工作機械に組み込んでいるが、ＮＣ装置以外を工作機械の外部に設けてＮＣ装置と有線又は無線で通信することで、熱変位補正を実行可能としても差し支えない。

１・・ＮＣ立形マシニングセンタ、２・・ベッド、３・・旋回テーブル、４・・コラム、６・・主軸頭、７・・工具、１０・・ＮＣ装置、１１・・サーボモータ、１２・・主軸モータ、２０・・熱変位補正装置、２１・・温度測定部、２２・・補正量演算部、２３・・記録部、３０・・主軸ユニット、３１・・主軸、３２・・スリーブ、３３・・左側ハウジング、３４・・右側ハウジング、３７Ａ～３７Ｄ・・第１～第４軸受、３８・・第５軸受、４３・・外輪間座、４４，５６・・内輪間座、４６・・前側抑え蓋、４７・・前側段部、４８・・第１抑えナット、５４・・後側抑え蓋、５５・・後側段部、５７・・第２抑えナット、６０・・クランプ機構、６１・・歯形、６２・・後クラッチ、６３・・前クラッチ、Ｗ・・ワーク、Ｐ１～Ｐ３・・基点。

Claims (4)

1. ハウジング内で軸受を介して回転可能に支持される主軸と、前記ハウジング内で前記主軸の回転を機械的に拘束可能なクランプ機構と、前記主軸の回転及び前記クランプ機構の作動を制御する制御装置とを備えた工作機械に設けられ、
   前記ハウジング及び前記主軸の温度を測定可能な温度測定手段と、
   前記温度測定手段で測定した温度情報から、前記主軸の熱変位補正量を演算する補正量演算手段と、
   前記補正量演算手段で演算された前記熱変位補正量に基づいて前記主軸の送り軸の軸補正移動量を演算し、補正対象軸に補正指令を出力する補正指令手段と、を備えた熱変位補正装置であって、
   前記補正量演算手段は、前記制御装置からの情報に基づいて、前記主軸の回転が前記クランプ機構によって拘束されているか否かを判定し、前記クランプ機構による拘束の有無に応じて異なる前記熱変位補正量をそれぞれ演算することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
2. 前記補正量演算手段は、前記主軸の回転が前記クランプ機構によって拘束されている場合、前記クランプ機構に拘束される前記主軸の拘束部の軸方向支持剛性と、前記軸受に支持される前記主軸の軸受部の軸方向支持剛性とに基づいて前記主軸の熱変位の基点を演算し、前記基点に基づいて前記熱変位補正量を演算することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の熱変位補正装置。
3. 前記補正量演算手段は、前記主軸の拘束部の軸方向支持剛性を、前記温度測定手段で測定した温度情報に基づいて演算することを特徴とする請求項２に記載の熱変位補正装置。
4. ハウジング内で軸受を介して回転可能に支持される主軸と、前記ハウジング内で前記主軸の回転を機械的に拘束可能なクランプ機構と、前記主軸の回転及び前記クランプ機構の作動を制御する制御装置とを備えた工作機械において、
   前記ハウジング及び前記主軸の温度を測定する温度測定ステップと、
   前記温度測定ステップで取得した温度情報から、前記主軸の熱変位補正量を演算する補正量演算ステップと、
   前記補正量演算ステップで演算された前記熱変位補正量に基づいて前記主軸の送り軸の軸補正移動量を演算し、補正対象軸に補正指令を出力する補正指令ステップと、を実行する熱変位補正方法であって、
   前記補正量演算ステップでは、前記制御装置からの情報に基づいて、前記主軸の回転が前記クランプ機構によって拘束されているか否かを判定し、前記クランプ機構による拘束の有無に応じて異なる前記熱変位補正量をそれぞれ演算することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。

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