JP3136464B2 - 工作機械の熱変位補正方法 - Google Patents

工作機械の熱変位補正方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の熱変位
を補正する方法に係り、詳しくは、運転条件が変化した
後の過渡状態における熱変位を定常状態とは異なる方法
で補正する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】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、その防止対策として、従来から、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。
【0003】後者の熱変位補正方法として、特公昭61
−59860号公報には、主軸の伸び量を表す関数式を
プログラムメモリ内にストアし、主軸頭及び機体部分に
設けたセンサの出力に基づき温度を測定し、測定温度の
即時値に基づき関数式を用いて熱変位量を推定して、主
軸の熱変位を補正する技術が開示されている。また、特
公平6−22779号公報には、熱変位量をより正確に
推定するために、熱変位要素を分割し、各要素の温度変
化に対する熱変位をそれぞれ求め、それらの総合値で主
軸の熱変位量を推定して補正する技術が開示されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、温度及び熱
変形の時間応答は、それぞれ1次遅れ要素で表現できる
ことが一般に知られている。従って、主軸の回転に伴う
熱変位は、回転数に対するステップ応答と考えてよい。
そこで、温度及び熱変位のステップ応答は、温度時定数
=a、熱変位時定数=b、時間=tとすると次式で表わ
される。 温度上昇 : TMP(t)=Q{1−exp (−t/a)} 式1 熱変位 : δ(t)=K{1−exp (−t/b)} 式2
【0005】また、温度上昇(主軸とベッド=室温との
温度差)と熱変位量とは定常状態において、 熱変位=α・温度上昇 (α:定数) 式3 でよく一致することも知られている。式1〜式3より次
式が成立する。 δ(t)=α・TMP(t)=(K/Q)・TMP(t) 式4
【0006】式4は温度に拡大率α(K/Q)を掛けれ
ば熱変位が求められることを示している。つまり、温度
及び熱変位は時間→∞で同値に収束する1次遅れ要素と
みなして検討して差し支えない。従って、測定温度の即
時値に基づき主軸の熱変位量を推定する従来の補正方法
は、温度が飽和した定常状態において推定値を実際の変
位量に正確に一致させることができる。
【0007】ところが、主軸の回転数が変化した後の過
渡状態においては、温度及び熱変位の1次遅れ要素のス
テップ応答は図17に示す通りとなる。ここでは、簡略
化のため式1及び式2の代わりに次式が用いられてい
る。 温度上昇 : TMP(t)=1−exp (−t/a) 式5 熱変位 : δ(t)=1−exp (−t/b) 式6
【0008】同図から明らかなように、過渡状態におい
ては、温度時定数aと熱変位時定数bとの相違により、
MP(t)とδ(t)とが不一致となる。従って、測定
温度の即時値に基づいて熱変位量を推定する従来方法を
過渡状態に適用すると、TMP(t)−δ(t)に相当す
る補正誤差が発生するという問題点がある。
【0009】そこで、本発明の課題は、過渡状態の熱変
位量を専用の方法で推定することにより、定常及び過渡
状態を含む全運転状況下で工作機械の熱変位を正確に補
正できる方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項1の発明による工作機械の熱変位補正方法
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、熱変位量を測定
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、熱変位量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
ことを特徴とする。
【0011】この発明においては、定常状態の熱変位量
が測定温度に従って即時的に推定されるとともに、過渡
状態の熱変位量が時間経過に従って経時的に推定され
る。それ故、工作機械の全運転状況下で熱変位を正確に
補正することができる。なお、熱変形部とは、主軸の他
に、ボールネジを用いたサドル又はコラムの送り軸な
ど、加工精度に大きな影響を及ぼす工作機械各部の構成
要素を含むものである。
【0012】請求項2の発明による工作機械の熱変位補
正方法は、温度センサの出力に基づき熱変形部の温度を
測定し、測定温度に対応する時系列データを記録し、温
度が飽和した定常状態において、熱変位量を測定温度の
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、熱変位量を温度及び熱変位の時定数比だ
け前の時刻の時系列データに従って経時的に推定し、各
推定値に基づきNC装置により熱変位を補正することを
特徴とする。
【0013】この発明では、過渡状態の熱変位量が温度
及び熱変位の時定数比を基に以下の原理により推定され
る。すなわち、定常状態で回転数等の運転条件が変化す
ると、熱変形モードは定常状態から過渡状態に移行し、
温度上昇及び熱変位が図1に示すような応答曲線に従っ
て変化する。この過渡状態において、温度上昇及び熱変
位が同じ値(例えばD1 )となる時刻は、前記式5のT
MPの応答がt1 、式6のδの応答がt2 のときである。 温度上昇 : D1 =TMP(t1 )=1−exp (−t1 /a) 式5' 熱変位 : D1 =δ(t2 )=1−exp (−t2 /b) 式6' 当然、 TMP(t1 )=δ(t2 ) 式7 であるから、整理すると、 t1 =(a/b)・t2 式8 が成立する。
【0014】上記式8は、過渡状態において時定数aが
小さい温度上昇から時定数bが大きい熱変位を推定する
にあたり、応答開始後に時間t2 が経過したときの熱変
位量が、時定数比a/bだけ前{(a/b)・t2 }の
時刻の温度を使用すれば推定可能であることを示してい
る。なお、(a/b)は一定であるから、演算処理上都
合がよい。
【0015】ところで、過渡状態において回転数等の運
転条件がさらに変化したときには、温度上昇及び熱変位
が図2に示すような応答曲線に従って変化する。このと
きは回転数が変化した時刻t0 を改めて時間の基準とし
て置き換える。すると、この場合、変化した時刻t0
段差(データのとび)が発生するため、前述した方法
(以下、過渡状態処理方法と呼ぶ)のみに従って熱変位
量を推定すると、推定値が実際値と相違するおそれがあ
る。
【0016】こうした事情に鑑み、請求項3の発明によ
る工作機械の熱変位補正方法は、過渡状態において運転
条件が変化したときに、変化に伴う推定誤差を吸収して
熱変位量を求めることを特徴とする。
【0017】以下に推定誤差の吸収方法について説明す
る。回転数が変化したときの時刻t0 を時間基準として
更新し、過渡状態処理方法により熱変位を推定すると、
図2に示すように、実際の熱変位と推定熱変位との誤差
曲線は、時定数が熱変位変化と同値である1次遅れ系の
自由応答となる。従って、過渡状態で回転数が変化した
ときの誤差をキャンセルするためには、時間基準が変化
した時刻t0 の段差分εに対して自由応答する段差吸収
量を求める必要がある。こうすれば、 推定熱変位=過渡状態処理方法による推定値+段差吸収量 式9 を用いて、過渡状態で回転数が変化した後の熱変位を正
確に推定することができる。
【0018】ここで、段差εは回転数変化に伴う時間基
準の変化によって発生するから、回転数が変化したとき
の温度TMP(t0 )を利用すれば段差εを求めることが
できる。つまり、温度時定数をa、熱変位時定数をb、
回転数が変化するまでの時間経過をt0 とすれば、 ε=TMP(t0 )−TMP[(a/b)・t0 ] 式10 が成立する。1次遅れ系の自由応答は、 Ue (t)=ε・exp (−t/a) 式11 で表わされる。
【0019】請求項4の発明は、過渡状態の熱変位量を
別の方法で推定するもので、温度センサの出力に基づき
熱変形部の温度を測定し、熱変形部の回転数に対応する
熱変位収束値を記憶し、温度が飽和した定常状態におい
て、熱変位量を測定温度の即時値に従って推定し、回転
数が変化した後の過渡状態においては、熱変位量を指令
回転数に対応する熱変位収束値を用いた時間応答式によ
り経時的に推定し、各推定値に基づきNC装置により熱
変位を補正することを特徴とする。
【0020】この発明においては、予め定常状態におけ
る回転数と熱変位量との関係が求められ、回転数をNと
し、次式により定義される。 熱変位量:δN =f(N) 式12 この熱変位量は各回転数における1次遅れステップ応答
の収束値(目標値)であって、熱変形部の回転数に対応
する熱変位収束値がメモリに記憶される。そして、回転
数変更指令が出力されたときには、その指令回転数に対
応する熱変位収束値がメモリから読み出され、この収束
値δN と回転数が変化する前の熱変位量δ0 とを用い、
次の時間応答式によって過渡状態の熱変位量が求められ
る。 熱変位量:δ(t)=[δN −δ0 ]・{1−exp (−t/b)}+δ0 式 13
【0021】請求項5の発明は、熱変位推定モードの切
換方法を提供するもので、過渡状態において熱変位推定
値が熱変位収束値に近似したときに、推定モードを過渡
状態から定常状態に切り換えることを特徴とする。
【0022】また、請求項6の発明は、推定モードをス
ムーズに切り換えるために、モード切換に際し、予め設
定した期間中に過渡状態推定値と定常状態推定値とを経
時変化する比率で混合して熱変位量を求め、設定期間終
了時には定常状態推定値のみで熱変位量を求めることを
特徴とする。
【0023】これらの発明は、さらに、熱変位の推定値
と収束値との近似を判断する基準がそれぞれ異なる複数
のモード切換方法を含む。そのうちの代表的な切換方法
を、以下の(a)〜(d)で順次説明する。なお、便宜
上、過渡状態の推定モードを過渡処理モード、定常状態
の推定モードを即時処理モードと呼ぶ。
【0024】(a) 第1の切換方法は、過渡処理モー
ド開始後、一定時間が経過したときに、即時処理モード
に切り換える方法である。1次遅れ要素のステップ応答
値は、例えば、時定数の3倍の時間で収束値(目標値)
の95%にまで近似する。これは、変化量に関係なく一
定である。そこで、図3に示すように、予め設定した時
間t1 を経過したときに、過渡処理モードを即時処理モ
ードに切り換えれば、運転状況に即応した熱変位補正を
実施することができる。また、図4に示すように、予め
設定した時間t1 〜t2 において、各モードによる推定
値を経時変化する比率で混合して熱変位量を求め、最終
的に即時処理モードによる推定値のみで熱変位量を求め
るように処理すれば、推定モードをスムーズに切り換え
ることができる。この場合の熱変位量は、過渡処理モー
ドによる推定値をδ(t)、即時処理モードによる推定
値をδ(s)とし、次の比率混合式を用いて求められ
る。 熱変位量={(t−t1 )/(t2 −t1 )・δ(s)}+ {(t2 −t)/(t2 −t1 )・δ(t)} 式14
【0025】(b) 第2の切換方法は、過渡処理モー
ド開始後、温度又は熱変位推定値の時間当りの変化量を
監視し、図5に示すように、その値が予め設定した閾値
V1を越えたときに、推定値が収束値に近似したと判断
して、即時処理モードに切り換える方法である。また、
推定モードをスムーズに切り換えるために、図6に示す
ように、閾値V1 から各モードによる推定値の混合比率
を経時変化させ、閾値V2 で即時処理モードによる推定
値のみで熱変位量を求めてもよい。
【0026】(c) 第3の方法は、過渡処理モード開
始後、応答値と収束値とを比較し、その差が予め設定さ
れた閾値V1 を越えたときに、推定値及び収束値の近似
を判断して、即時処理モードに切り換える方法である
(図5参照)。ここでも、(b)と同様、スムーズに切
り換えるために、閾値V1 と閾値V2 との期間中に各モ
ードによる推定値の混合比率を経時変化させて熱変位量
を求めてもよい(図6参照)。
【0027】(d) 第4の方法は、過渡処理モード開
始後、同モードによる推定値と即時処理モードによる推
定値とを比較し、その差が予め設定された閾値を越えた
ときに、即時処理モードに切り換える方法である(図5
参照)。この場合も、(b)と同様のスムーズ切換方式
を採用できる(図6参照)。
【0028】その他、上記第1〜第4の方法を任意に組
み合わせて推定モードを切り換えることも可能である。
また、スムーズ切換方式として、図7に示す直線型切
換、或は、図8に示すアークタンジェント型切換も採用
可能である。
【0029】
【発明の実施の形態】以下、本発明をマシニングセンタ
に具体化した実施形態について説明する。 (第1実施形態)図9〜図13は請求項1,2,3の発
明に対応するマシニングセンタの熱変位補正方法を示す
ものである。図9に示すように、縦型マシニングセンタ
は、周知のように、主軸ヘッド1、コラム2、主軸3、
ベッド4、移動テーブル5等から構成されている。熱変
形部としての主軸3には第1温度センサ6が取り付けら
れ、これで主軸3の温度が検出される。また、基準温度
を検出するために、ベッド4には第2温度センサ7が取
り付けられている。
【0030】温度測定装置8は各温度センサ6,7の出
力に基づき主軸3の温度を公知の方法で数値化して測定
する。測定温度は温度記録装置9に測定時刻又はこれが
分かる手段を講じて時系列データとして記録され、一定
時間古くなったデータから順次消去される。この記録を
過渡状態処理方法の適用時にのみ実行してもよい。熱変
位推定演算器10は、主軸3の回転指令及び熱変位状況
に基づいて定常状態と過渡状態とで推定モードを切り換
え、各モードで熱変位推定値を演算する。そして、NC
装置11が熱変位推定値に基づく補正量で公知の方法に
より主軸3の熱変位を補正する。なお、この補正システ
ムは縦型マシニングセンタに限定されず、横型マシニン
グセンタにも適用可能である。
【0031】次に、上記システムによる熱変位の補正方
法について説明する。マシニングセンタの運転中は、温
度センサ6,7の出力に基づいて主軸3の温度が測定さ
れる。温度が飽和した定常状態では、主軸3の熱変位量
が測定温度の即時値を用いて前記式3により推定され
る。そして、この定常状態において主軸3の回転数が変
化すると、推定モードは即時処理モードから過渡処理モ
ードに移行し、それ以降、主軸3の熱変位量が過渡状態
専用の処理方法により時間経過に従って推定される。
【0032】すなわち、定常状態において回転数が変化
すると、図10のフローチャートに示す過渡状態処理プ
ログラムが開始され、まず、回転数が変化したときの時
間を基準としたタイマがスタートする。次いで、主軸3
の温度TMP(t)が通常通りの時間間隔をおいて測定さ
れ、温度記録装置9に時系列データとして記録される。
この過渡状態で回転数が変化した直後には、そのときの
温度TMP(t0 )に対応する補正値δ0 が算出され、回
転数の変化がなかったときの補正量δm が算出され、前
記式10を用いて補正切換による段差εm が算出された
のち、前記式11を用いてタイマ時間を基に段差吸収量
Sが算出される。
【0033】続いて、回転数変化後の各時刻において、
それよりも時定数比a/bだけ前の時刻が前記式8によ
って求められ、その時刻tp の温度TMP(tp )が温度
記録装置9より読み出され、そして、この温度TMP(t
p )に対する補正量δt が式3によって算出される。こ
のとき、時刻tpに相当する測定温度データが存在しない
ときには、時刻tp に最も近い時刻に測定された温度デ
ータか、或は、時刻tp の前後のデータから温度を比例
的に内挿して算出すればよい。その後、実際の補正量δ
cmp が算出補正量δt に段差吸収量Sを加えて算出され
る。以上の処理を熱変位が飽和するまで繰り返し実行す
ることにより、過渡状態における主軸3の熱変位を時間
経過に従って正確に補正することができる。
【0034】なお、図11は、実際の縦型マシニングセ
ンタにおける主軸3の実測熱変位量と上記方法による推
定熱変位量との経時変化を示すものである。これから、
過渡状態において、熱変位の推定値が実測値によく一致
していることが分かる。参考までに、図12に主軸の温
度上昇(主軸3とベッド4との温度差)特性を示し、図
13にはそのときの主軸の回転数特性を示した。
【0035】(第2実施形態)図14〜図16は請求項
1,4,5,6の発明に対応するマシニングセンタの熱
変位補正方法を示すものである。ここでは、図14に示
すように、縦型マシニングセンタの補正システムに熱変
位収束値記憶装置12が設けられ、該装置12には定常
状態で予め測定した主軸3の各回転数に対応する熱変位
収束値が記憶される。その他のシステム構成は第1実施
形態と同様であって、熱変位推定演算器10は主軸3の
回転指令及び熱変位状況に基づいて定常状態と過渡状態
とで推定モードを切り換えて熱変位推定値を演算し、そ
の推定値に基づいてNC装置11が主軸3の熱変位を補
正するようになっている。
【0036】上記システムによる熱変位の補正方法につ
いて説明すると、マシニングセンタの運転中は、温度セ
ンサ6,7の出力に基づいて主軸3の温度が測定され
る。温度が飽和した定常状態では、主軸3の熱変位量が
測定温度の即時値を用いて推定される。定常状態におい
て主軸3の回転数が変化すると、推定モードは即時処理
モードから過渡処理モードに移行し、主軸3の熱変位量
が過渡状態専用の処理方法により図15に示すフローチ
ャートに従って推定される。
【0037】すなわち、定常状態において回転数が変化
すると、まず、変化したときの時間を基準としたタイマ
がスタートする。次いで、指令回転数に対応す熱変位収
束値が記憶装置12から読み出される。続いて、熱変位
収束値δn と現在の熱変位δ0とから過渡状態の熱変位
時間応答式(前記式13)が作成され、この式を用いて
時間経過から過渡状態の熱変位量δ(t)が推定され
る。そして、この熱変位推定値に基づいて軸移動補正量
M(t)が算出され、NC装置11により軸移動補正が
実行される。
【0038】その後、過渡処理モード開始後の経過時刻
tが予め設定された時刻t1 に達するまでは、過渡処理
モードのみで熱変位量が推定される。一方、経過時刻t
が時刻t1 を過ぎかつ時刻t2 より前である期間中は、
即時処理モードが過渡処理モードと並行され、測定温度
の即時値に従って熱変位量δ(s)が算出される。そし
て、この期間中の熱変位量が各モードによる推定値を用
いて前記式14の時間による比率混合式により求めら
れ、時刻t2 以降は、即時処理モードのみによって熱変
位量が推定され、主軸3の熱変位が補正される。なお、
ここでは推定モードを前記第1の方法で切り換えている
が、図16に示すように、前記第2〜第4の方法で実施
することも可能である。
【0039】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
定常状態の熱変位量を測定温度の即時値に従って推定す
るとともに、過渡状態の熱変位量を温度及び熱変位の時
定数比、又は熱変位収束値を用いた時間応答式に従って
経時的に推定するので、定常及び過渡状態を含む全運転
状況下で工作機械の熱変位を正確に補正できるという優
れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を示す過渡状態の温度及び熱変位
の時間応答特性図である。
【図2】過渡状態で回転数が変化したときの特性図であ
る。
【図3】推定モードの切換方法を示す説明図である。
【図4】推定モードのスムーズ切換方法を示す説明図で
ある。
【図5】推定モードの別の切換方法を示す説明図であ
る。
【図6】推定モードの別のスムーズ切換方法を示す説明
図である。
【図7】スムーズ切換方法の変形例を示す説明図であ
る。
【図8】スムーズ切換方法の別の変形例を示す説明図で
ある。
【図9】本発明の第1実施形態を示すマシニングセンタ
における熱変位補正システムの概略図である。
【図10】同システムによる過渡状態処理方法を示すフ
ローチャートである。
【図11】熱変位量の推定値と実測値とを比較して示す
特性図である。
【図12】主軸の温度上昇を示す特性図である。
【図13】主軸の回転数を示す特性図である。
【図14】本発明の第2実施形態を示すマシニングセン
タにおける熱変位補正システムの概略図である。
【図15】同システムによる過渡状態処理方法を示すフ
ローチャートである。
【図16】同処理方法における別の推定モード切換方法
を示すフローチャートである。
【図17】従来の問題点を指摘する特性図である。
【符号の説明】
3・・主軸、4・・ベッド、6・・第1温度センサ、7
・・第2温度センサ、8・・温度測定装置、9・・温度
記録装置、10・・熱変位推定演算器、11・・NC装
置、12・・熱変位収束値記憶装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23Q 15/00 - 15/28 G05B 19/18 - 19/46 B23Q 17/00 - 23/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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
    量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、熱変位量を時間経過に従
    って推定し、各推定値に基づきNC装置により熱変位を
    補正することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
  2. 【請求項2】 温度センサの出力に基づき熱変形部の温
    度を測定し、測定温度に対応する時系列データを記録
    し、温度が飽和した定常状態において、熱変位量を測定
    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、熱変位量を温度及び熱変位の時定
    数比だけ前の時刻の時系列データに従って経時的に推定
    し、各推定値に基づきNC装置により熱変位を補正する
    ことを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
  3. 【請求項3】 前記過渡状態において運転条件が変化し
    たときに、変化に伴う推定誤差を吸収して熱変位量を求
    めることを特徴とする請求項2記載の工作機械の熱変位
    補正方法。
  4. 【請求項4】 温度センサの出力に基づき熱変形部の温
    度を測定し、熱変形部の回転数に対応する熱変位収束値
    を記憶し、温度が飽和した定常状態において、熱変位量
    を測定温度の即時値に従って推定し、回転数が変化した
    後の過渡状態においては、熱変位量を指令回転数に対応
    する熱変位収束値を用いた時間応答式により経時的に推
    定し、各推定値に基づきNC装置により熱変位を補正す
    ることを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
  5. 【請求項5】 前記過渡状態において熱変位推定値が熱
    変位収束値に近似したときに、推定モードを過渡状態か
    ら定常状態に切り換えることを特徴とする請求項4記載
    の工作機械の熱変位補正方法。
  6. 【請求項6】 前記モード切換に際し、予め設定した期
    間中に過渡状態推定値と定常状態推定値とを経時変化す
    る比率で混合して熱変位量を求め、設定期間終了時には
    定常状態推定値のみで熱変位量を求めることを特徴とす
    る請求項5記載の工作機械の熱変位補正方法。
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