JP3339805B2 - 工作機械の熱変位量算出装置及び記憶媒体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械に装備さ
れ、その工作機械で発生する熱変位量を算出する工作機
械の熱変位量算出装置及びその装置を実現するための記
憶媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばワークに切削や穴開け等を
施したり基板に部品を組み付けるための加工手段と、こ
の加工手段とワークや基板等の被加工物との相対位置を
変動させる駆動手段とを有する工作機械がある。一般
に、切削等の加工を行う工作機械では、例えばドリルや
タップ等の工具を保持するための保持機構、これに保持
された工具を回転駆動するための主軸駆動機構、工具の
Ｘ軸方向の送りのためのＸ軸送り機構、工具のＹ軸方向
の送りのためのＹ軸送り機構、工具のＺ軸方向の送りの
ためのＺ軸送り機構、これらの送り機構を制御するため
の制御装置等を備えている。

【０００３】一例をあげると、図１２及び図１３に示さ
れる工作機械１０がある。図１２に示すように、この工
作機械１０は、切削屑の飛散を防止するためのスプラッ
シュガード１２の内側にワーク（図示しない）を載置す
るためのテーブル１４、例えばドリルやタップ等の工具
交換のためのＡＴＣマガジン１６、工作機械本体（以下
単に本体ともいう）２０等が配置されている。またスプ
ラッシュガード１２には、操作パネル２２、ワークの入
出やメンテナンスのためのワーク交換口２４、主にメン
テナンス用の点検ハッチ２６等が設けられている。

【０００４】図１３に示すように、本体２０は、ドリル
やタップ等の工具を保持するための主軸２８、主軸２８
を回転駆動するための主軸モータ３０、多数の鋼球を内
蔵して主軸側に固着されているナット部３２とナット部
３２に内挿されるボールネジ３４とからなるボールネジ
機構３６、ボールネジ３４を回転駆動するためのＺ軸モ
ータ３８、ボールネジ３４と平行に配されているガイド
レール４０、ガイドレール４０と主軸２８側とを連結す
るスライド４２等を備えている。

【０００５】この本体２０においては、ボールネジ機構
３６とＺ軸モータ３８とでＺ軸方向の送りのためのＺ軸
送り機構が構成され、Ｚ軸モータ３８によりボールネジ
３４を回転させることで主軸２８のＺ軸方向の移動が行
われる。また図１２に示されるテーブル１４をＸ軸及び
Ｙ軸方向に移動させることができ、主軸２８のＺ軸方向
の移動と併せて、ワークと工具のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相
対位置を変化させることができる。

【０００６】このような工作機械では、例えばボールネ
ジ機構３６の駆動に伴って摩擦熱が発生してボールネジ
３４が延びることがある。また、他の機構においても発
熱がある。そうした発熱によって工作機械に熱変位が発
現する。この熱変位が例えばＺ軸方向に発現すると、ワ
ークに施される溝の深さや段差の高さ等に誤差が生じ
る。公差が熱変位量よりも十分に大きい場合にはこのよ
うな熱変位による加工誤差はあまり問題とはならない
が、そうでない場合には熱変位に対する補正が必要とな
る。そこで、工作機械の熱変位量を算出する熱変位量算
出装置を設け、予め定められている加工プログラムに従
って駆動手段を制御するに当たって、その熱変位量に応
じた補正を行いながら駆動手段を制御することが提案さ
れている（例えば特開昭６２−８８５４８号公報）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
工作機械の熱変位量算出装置においては、工作機械の駆
動中を通して熱変位量を算出する形態であったので、そ
の処理を実行するためのシステムを常時動かしておく必
要があった。このため、その算出処理に関わる負担が大
きかった。そこで、本願出願人は、工作機械の駆動を続
けることによって温度が上昇すると、やがて発熱量と放
熱量とが均衡する状態になることに着目し、次のように
熱変位量を算出することを提案した。すなわち、工作機
械の駆動中は、飽和熱変位量と工作機械の駆動時間とに
基づいて熱変位量を算出し、その熱変位量が飽和熱変位
量にほぼ等しくなると、それ以降は熱変位量として飽和
熱変位量の値を代用するのである（特願平８−２９８８
６６号）。この場合、正確な飽和熱変位量が与えられれ
ば、各時点における熱変位量を正確に算出でき、しかも
その算出処理に関わる負担を小さくすることができる。

【０００８】ところが、従来より飽和熱変位量は、実測
やシュミレーションによって算出しなければならないと
考えられていた。このため、加工プログラムの変更等が
なされると、熱変位量の算出がきわめて困難になってい
た。特に、工作機械を高速で駆動すると、空冷効果等の
種々の要因が熱変位量に影響を及ぼす。このため、加工
プログラムの変更に対応した飽和熱変位量の変化を推定
することは難しく、加工プログラムの変更の度に飽和熱
変位量の実測等が必要であった。

【０００９】そこで、本発明は、加工プログラムの変更
に柔軟に対応でき、しかも、正確に熱変位量を算出する
ことのできる工作機械の熱変位量算出装置及びその装置
を実現するための記憶媒体を提供することを目的として
なされた。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】上記目的
を達するためになされた請求項１記載の発明は、被加工
物に加工を施すための加工手段と、該加工手段と被加工
物との相対位置を変動させる駆動手段とを有する工作機
械に装備され、該工作機械の熱変位量を算出する工作機
械の熱変位量算出装置であって、上記工作機械の駆動状
態を検出する駆動状態検出手段と、該駆動状態検出手段
の検出結果に基づき、上記駆動手段が上記加工手段また
は上記被加工物を単位時間当たりに移動させた移動距離
を算出する移動距離算出手段と、同様の駆動状態を続け
た場合における上記工作機械の熱変位の最大値としての
飽和熱変位量を、上記算出された移動距離に基づき、上
記移動距離と上記飽和熱変位量との対応関係を表すマッ
プを参照して算出する飽和熱変位量算出手段と、該算出
された飽和熱変位量と上記工作機械の駆動時間とに基づ
き、上記工作機械の熱変位量を算出する変位量算出手段
と、を備え、上記飽和熱変位量算出手段が参照するマッ
プが、上記移動距離が大きくなるに従って、上記移動距
離の増加に対する上記飽和熱変位量の増加の度合いが小
さくなるように設定されたことを特徴とする。

【００１１】このように構成された本発明では、駆動状
態検出手段は工作機械の駆動状態を検出し、その検出結
果に基づき、移動距離算出手段は、駆動手段が加工手段
または被加工物を単位時間当たりに移動させた移動距離
を算出する。なお、工作機械の駆動状態として上記移動
距離を直接検出できる場合は、上記駆動状態検出手段及
び移動距離算出手段は一つの構成要素によって実現する
ことができる。

【００１２】次に、飽和熱変位量算出手段は、同様の駆
動状態を続けた場合における工作機械の熱変位の最大値
としての飽和熱変位量を、上記算出された移動距離に基
づき、移動距離と飽和熱変位量との対応関係を表すマッ
プを参照して算出する。本願出願人は、上記移動距離と
飽和熱変位量との間には、比較的再現性のよい対応関係
があることを発見した。飽和熱変位量算出手段は、その
対応関係を表すマップ（２次元的なグラフや、数式、デ
ータテーブル等であってもよい）を参照して、上記算出
された移動距離に対応する飽和熱変位量を算出するので
ある。

【００１３】すると、変位量算出手段が、該算出された
飽和熱変位量と工作機械の駆動時間とに基づき、工作機
械の熱変位量を算出する。工作機械の熱変位量は駆動時
間に応じて増加し、その変化は上記飽和熱変位量に対す
る漸近線を描く。例えば、飽和熱変位量をＬ、駆動時間
をｔとした場合、熱変位量ｌの変化を、 ｌ＝Ｌ・｛１−ｅｘｐ（−γｔ）｝ 但し、γは工作機械固有の定数 なる式で表すことも提案されている。そこで、変位量算
出手段は、上記駆動時間と飽和熱変位量とに基づいて各
時点における工作機械の熱変位量を算出するのである。
もちろん、変位量算出手段は上記以外の式を用いて熱変
位量を算出してもよい。このように、本発明では、加工
手段または被加工物の単位時間当たりの移動距離に基づ
いて飽和熱変位量を算出し、その飽和熱変位量に基づい
て工作機械の熱変位量を算出している。このため、加工
プログラムが変更されたか否かに関わらず、同様に熱変
位量を算出することができる。しかも、本発明では、飽
和熱変位量算出手段が飽和熱変位量の算出に当たって参
照するマップが、移動距離が大きくなるに従って、上記
移動距離の増加に対する上記飽和熱変位量の増加の度合
いが小さくなるように設定されている。このため、飽和
熱変位量を次のように正確に算出することができ、延い
ては工作機械の熱変位量も正確に算出することができ
る。

【００１４】

【００１５】すなわち、工作機械に作用する空冷効果
は、上記移動距離が大きく（すなわち高速に）なるに従
って大きくなり、移動距離と飽和熱変位量との対応関係
を一本の直線で近似すると、高速域において飽和熱変位
量を大きく見積もり過ぎてしまう場合がある。そこで、
本発明では、上記マップを、上記移動距離が大きくなる
に従って、移動距離の増加に対する飽和熱変位量の増加
の度合いが小さくなるように設定している。このため、
本発明の工作機械の熱変位量算出装置では、加工プログ
ラムの変更に柔軟に対応でき、しかも、空冷効果の影響
を考慮して正確な熱変位量を算出することができるとい
った効果が生じる。

【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の構
成に加え、上記飽和熱変位量算出手段及び上記変位量算
出手段が所定時間毎に上記算出を行うと共に、上記変位
量算出手段が以前に熱変位量を算出しているとき、その
熱変位量の影響を上記変位量算出手段が新たに算出した
熱変位量に加算して、現在の上記工作機械の熱変位量と
する変位量加算手段を、更に備えたことを特徴とする。

【００１７】加工プログラムには、工作機械を高速で駆
動するステップと低速で駆動するステップとを含むもの
がある。この場合、上記飽和熱変位量を単位時間当たり
の平均的な移動距離に応じて算出すると、熱変位量が工
作機械を高速で駆動するステップでは熱変位量が小さめ
に、低速で駆動するステップでは大きめに算出されてし
まう。そこで、本発明では、飽和熱変位量算出手段及び
変位量算出手段が、所定時間毎に、その時点で算出され
ている移動距離に基づいて上記計算を行っている。この
ため、工作機械の各時点における駆動状態に応じて、正
確な熱変位量を算出することができる。なお、各時点で
算出された熱変位量は、その後徐々に減少しながらも影
響を及ぼす。例えば、熱変位量が飽和熱変位量Ｌに達す
るまで工作機械を駆動した後、駆動を停止してから時間
ｔ経過したときの熱変位量ｌを、 ｌ＝Ｌ・ｅｘｐ（−γｔ） 但し、γは工作機械固有の定数 なる式で表すことも提案されている。そこで、本発明で
は、変位量算出手段が以前に熱変位量を算出していると
き、変位量加算手段によりその熱変位量の影響を変位量
算出手段が新たに算出した熱変位量に加算して、現在の
上記工作機械の熱変位量としている。もちろん、変位量
加算手段は、上記以外の式を用いて加算を行ってもよ
い。

【００１８】従って、本発明では、請求項１記載の発明
効果に加えて、工作機械の各時点における駆動状態に応
じて、一層正確な熱変位量を算出することができるとい
った効果が生じる。請求項３記載の発明は、請求項２記
載の構成に加え、上記工作機械の熱変位量の影響が残存
する保持時間を記憶する保持時間記憶手段を、更に備
え、上記変位量加算手段が、上記変位量算出手段が算出
してから上記保持時間以上経過した熱変位量は無視して
現在の上記熱変位量を算出することを特徴とする。

【００１９】工作機械の熱変位量はある期間の間はその
影響が残存するが、その後は影響がなくなる。なお、こ
こで影響がなくなるとは、数学的な意味でなくなること
をいうわけではなく、熱変位量の影響が、工作機械の仕
様やワークに要求される公差等を考慮して設定される誤
差の範囲に収まることをいう。そこで、本発明では、保
持時間記憶手段により工作機械の熱変位量の影響が残存
する保持時間を記憶しておき、変位量加算手段が、変位
量算出手段が算出してから上記保持時間以上経過した熱
変位量は無視して現在の熱変位量を算出する。このた
め、変位量加算手段は、上記保持時間内に変位量算出手
段が算出した熱変位量のみを考慮して上記加算を行えば
よく、その算出処理に関わる負担を小さくすることがで
きる。

【００２０】従って、本発明では、請求項２記載の発明
の効果に加えて、算出処理に関わる負荷を小さくして、
その処理に関わるソフト構成等を簡略化すると共に処理
速度を向上させることができるといった効果が生じる。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載
の構成に加え、上記熱変位量に影響を及ぼす条件に対応
して定められた調整値を、上記変位量算出手段または上
記変位量加算手段によって算出された熱変位量に加算ま
たは減算して上記工作機械の熱変位量とする変位量調整
手段を、更に備えたことを特徴とする。

【００２１】工作機械の熱変位量には、上記移動距離や
駆動時間の他、種々の条件が影響を及ぼす。例えば朝等
の気温が比較的低いとき等では工作機械の温度上昇が緩
やかになり、算出された熱変位量と実際の熱変位量との
誤差が無視できない程度になることもある。そこで、本
発明では、変位量調整手段により、熱変位量に影響を及
ぼす条件に対応して定められた調整値を、変位量算出手
段または上記変位量加算手段によって算出された熱変位
量に加算または減算して上記工作機械の熱変位量として
いる。このため、本発明では、請求項１〜３のいずれか
に記載の発明の効果に加えて、工作機械の熱変位量を一
層正確に算出することができるといった効果が生じる。
なお、上記調整値は、例えばオペレータが、操作パネル
等の調整入力手段によって入力してもよく、熱変位量算
出装置側で、予め設定されている手順で決められる調整
値を求めてもよい。

【００２２】請求項５記載の発明は、請求項４記載の構
成に加え、上記調整値は時刻に対応して定められてい
て、上記変位量調整手段は時刻に基づいて上記調整値を
選択して使用することを特徴とする。この構成とすれ
ば、例えば１日の時間帯（朝、昼、夜等）に応じて、算
出された熱変位量と実際の熱変位量との誤差を自動的に
解消することができる。従って、本発明では、請求項４
記載の発明の効果に加えて、時刻に関わらず常に正確な
熱変位量を算出することができるといった効果が生じ
る。

【００２３】請求項６記載の発明は、請求項４記載の構
成に加え、上記調整値は上記工作機械の環境温度に対応
して定められていて、上記変位量調整手段は該環境温度
に基づいて上記調整値を選択して使用することを特徴と
する。この構成とすれば、工作機械が設置されている場
所の気温すなわち環境温度に応じて、算出された熱変位
量と実際の熱変位量との誤差を自動的に解消することが
できる。従って、本発明では、請求項４記載の発明の効
果に加えて、環境温度に関わらず常に正確な熱変位量を
算出することができるといった効果が生じる。

【００２４】請求項７記載の発明は、被加工物に加工を
施すための加工手段と、該加工手段と被加工物との相対
位置を変動させる駆動手段とを有する工作機械に対して
使用され、該工作機械の熱変位量を算出するためのコン
ピュータプログラムを記憶した記憶媒体であって、工作
機械の駆動状態を検出する駆動状態検出処理と、該駆動
状態検出処理の検出結果に基づき、上記駆動手段が上記
加工手段または上記被加工物を単位時間当たりに移動さ
せた移動距離を算出する移動距離算出処理と、同様の駆
動状態を続けた場合における上記工作機械の熱変位の最
大値としての飽和熱変位量を、上記算出された移動距離
に基づき、上記移動距離と上記飽和熱変位量との対応関
係を表すマップを参照して算出する飽和熱変位量算出処
理と、該算出された飽和熱変位量と上記工作機械の駆動
時間とに基づき、上記工作機械の熱変位量を算出する変
位量算出処理と、を実行させるコンピュータプログラム
及び上記マップを記憶し、かつ、上記マップが、上記移
動距離が大きくなるに従って、上記移動距離の増加に対
する上記飽和熱変位量の増加の度合いが小さくなるよう
に設定されたことを特徴とする。

【００２５】本発明の記憶媒体はこのように構成されて
いるので、工作機械に接続されたコンピュータ等の制御
手段に本発明に記憶されたコンピュータプログラムを実
行させれば、請求項１記載の駆動状態検出手段、移動距
離算出手段、飽和熱変位量算出手段、及び変位量算出手
段に相当する駆動状態検出処理、移動距離算出処理、飽
和熱変位量算出処理、及び変位量算出処理を実行させる
ことができる。従って、本発明に記憶されたコンピュー
タプログラムを上記制御手段に実行させれば、請求項１
記載の発明と同様の効果が生じる。また、本発明に記憶
された各処理のプログラムまたはマップに、請求項２，
３，４，５，または６記載の発明に限定した要件を付加
すれば、それを実行させたとき、対応する請求項２，
３，４，５，または６記載の発明と同様の効果が生じ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面を参
照して説明することにより、発明の実施の形態を具体的
に説明する。

【００２７】

【実施例】本実施例の工作機械のメカニカルな構成は従
来例として図１２及び図１３に示したものと同じである
ので、これらを使用して工作機械１０のメカニカルな構
成の説明は省略する。

【００２８】図１は、第１実施例としての工作機械１０
の制御系の構成を表すブロック図である。図１に示すよ
うに、この制御系は、主軸２８の回転を制御するための
主軸制御系５０、主軸２８のＺ軸位置を制御するための
Ｚ軸制御系６０、この制御系の中枢となる本発明の工作
機械の熱変位量算出装置としてのマイコン部７０、操作
パネル２２及びテーブル１４のＸ軸位置を制御するため
のＸ軸制御系（図示略）やテーブル１４のＹ軸位置を制
御するためのＹ軸制御系（図示略）等から構成されてい
る。

【００２９】主軸制御系５０は、主軸モータ３０、主軸
モータ３０に電力を供給するための主軸サーボアンプ５
２、及び主軸サーボアンプ５２の供給電力を制御するた
めの軸制御回路５４からなり、軸制御回路５４はマイコ
ン部７０のＣＰＵ７２からの指示に従って主軸サーボア
ンプ５２の動作を制御する構成である。Ｚ軸制御系６０
は、Ｚ軸モータ３８、Ｚ軸モータ３８に電力を供給する
ためのＺ軸サーボアンプ６２及びＺ軸サーボアンプ６２
の供給電力を制御するための軸制御回路６４からなり、
軸制御回路６４はマイコン部７０のＣＰＵ７２からの指
示に従ってＺ軸サーボアンプ６２の動作を制御する構成
である。また、図示を省略したＸ軸制御系及びＹ軸制御
系も、これら主軸制御系５０並びにＺ軸制御系６０とほ
ぼ同様の構成である。

【００３０】マイコン部７０は、制御プログラム等を格
納しているＲＯＭや入出力ポート等を内蔵するワンチッ
プ型のＣＰＵ７２、ＲＡＭ７４及び時計７６等からな
り、周知のマイクロコンピュータとして構成されてい
る。このマイコン部７０（厳密にはＣＰＵ７２）は、制
御プログラムに従って主軸制御系５０、Ｚ軸制御系６０
等を制御して、ワークに所定の加工を施させるのであ
る。また、マイコン部７０は操作パネル２２に接続され
ており、マイコン部７０は、操作パネル２２からの入力
信号を取得したり、操作パネル２２に信号を送って操作
パネル２２の液晶ディスプレイの画像や文字の表示を制
御することやＬＥＤの点滅を制御すること等ができる。

【００３１】ＲＡＭ７４は、周知のようにＣＰＵ７２の
ワークエリアとなるが、本実施例では、このＲＡＭ７４
上に図２に示される構成のピッチ誤差補正テーブルが設
けられている。このピッチ誤差補正テーブルは、例えば
ボールネジ機構３６の駆動誤差を補正するためのテーブ
ルである。

【００３２】Ｚ軸移動を受け持つボールネジ機構３６
は、製造公差等によりボールネジ３４の回転量とナット
部３２の移動量（すなわち主軸２８のＺ軸方向移動量）
との誤差が避けられないので、それを補正する必要があ
る。そこで適当な数の補正ポイントを設定し（ボールネ
ジ３４の長さが５００ｍｍで２０ｍｍ毎に補正するとす
れば、補正ポイントは２５箇所となる。）、その補正ポ
イント毎にボールネジ３４の回転による移動量の計算値
と実測値との誤差を求め、その誤差に相当するボールネ
ジ３４の回転量（ピッチ）をピッチ誤差補正テーブルに
書き込んでおき、各補正ポイント毎にそのピッチ分だけ
ボールネジ３４を正あるいは逆回転させることによって
主軸２８のＺ軸位置を正確ならしめている。Ｘ軸及びＹ
軸についても同様である。

【００３３】時計７６は、いわゆる電子時計であって、
年月日時刻を算出してそのデータをＣＰＵ７２に送るこ
とができる。なおＣＰＵ７２は、一定の周期例えば１／
１０００秒毎にカウント値をインクリメントするカウン
タを内蔵していて、そのカウンタを使用することによ
り、例えばある加工の開始から終了までの所要時間のよ
うな、経過時間を計測することもできる。

【００３４】さて、この工作機械１０を駆動すると、例
えばそのＺ軸方向に、ボールネジ３４の膨張等によって
熱変位が発生する。そこで、ＣＰＵ７２は、その熱変位
を補正しつつ加工プログラムを実行するため、図３の熱
変位量算出処理を実行している。なお、ＣＰＵ７２は、
電源投入後この熱変位量算出処理を所定タイミングで割
り込み処理として実行し、加工プログラムの実行等によ
って発生する熱変位量を算出している。

【００３５】図３に示すように、ＣＰＵ７２は処理を開
始すると、先ず、Ｓ１（Ｓはステップを表す：以下同
様）にて、電源ＯＦＦの間の移動距離を０と見なす処理
を行う。後述のように、過去に熱変位量が算出されてそ
の影響が現在も残存している場合、その影響を考慮して
工作機械１０の熱変位量を算出する必要がある。また、
このような熱変位量は、工場の休憩時間等に工作機械１
０の電源がＯＦＦされた後にも残存している場合があ
る。そこで、このＳ１では、電源がＯＦＦされていた間
における主軸２８のＺ軸方向の移動距離を０とするので
ある。

【００３６】続くＳ２では、時計７６の出力に基づき、
所定のサンプリングタイム（ａ分間隔とする）となった
か否かを判断する。そして、サンプリングタイムでなけ
れば（Ｓ２：ＮＯ）そのまま待機し、サンプリングタイ
ムであれば（Ｓ２：ＹＥＳ）Ｓ３へ移行する。Ｓ３で
は、加工プログラムの実行状態等から工作機械１０の駆
動状態を検出し、それに基づいてサンプリングタイム間
における主軸２８のＺ軸方向の移動距離を算出する。そ
の後、Ｓ４へ移行し、飽和熱変位量としての最大変位量
Ｌを次のように算出する。

【００３７】工作機械１０の駆動を続けることによって
温度が上昇すると、やがて発熱量と放熱量とが均衡す
る。このときの熱変位量が最大変位量Ｌである。工作機
械１０を一定の状態で駆動し続けた場合、最大変位量Ｌ
は、主軸２８の単位時間当たりの平均移動距離に対して
図４に示す対応関係を有する。図４に示すように、平均
移動距離が増加するに従って最大変位量Ｌも増加する。
また、この対応関係は、平均移動距離が所定値以上とな
ると傾きがなだらかになる折れ線グラフによって表され
る。これは、主軸２８が高速で移動すると、空冷効果に
よって放熱量が増加し、熱変位が抑制されるためであ
る。Ｓ４では、Ｓ３にて算出した移動距離を単位時間当
たりの平均移動距離（ここではmm/min）に換算し、図４
のマップを参照して対応する最大変位量Ｌを算出するの
である。なお、図４のマップは、数式やデータテーブル
の形態でＣＰＵ７２に格納されてもよい。

【００３８】続くＳ５では、次のようにしてサンプリン
グタイム間の熱変位量ｌを算出する。図５に例示するよ
うに、最大変位量がＬ_1aであった場合、工作機械１０駆
動中の熱変位量ｌは、直線ｌ＝Ｌ_1aに対する漸近線１０
２を描く。また、熱変位量ｌが最大変位量Ｌ_1aに達した
後（図５ではｔ＝８ｈｏｕｒの時点）、工作機械１０を
停止すると、熱変位量ｌは直線ｌ＝０に対する漸近線１
０４を描く。ここで、漸近線１０２は、 ｌ＝Ｌ_1a・｛１−ｅｘｐ（−γｔ）｝ ……（１） で、漸近線１０４は、 ｌ＝Ｌ_1a・ｅｘｐ（−γｔ） ……（２） で、それぞれ表される。但し、γは工作機械１０固有の
定数であり、ｔ及びｌの単位はそれぞれｈｏｕｒ，μｍ
である。従って、この式より、工作機械１０の駆動開始
後ａ分後の熱変位量ｌ_1aは、 ｌ_1a＝Ｌ_1a・｛１−ｅｘｐ（−γ・ａ／６０）｝ となる。また、工作機械１０停止後ａ分後の熱変位量ｌ
_-1a は、 ｌ_-1a ＝Ｌ_1a・ｅｘｐ（−γ・ａ／６０） となる。Ｓ５では、主に式（１）を用いてサンプリング
タイム間の熱変位量ｌを算出する。更に、続くＳ６で
は、後述の保持時間以内の熱変位量ｌを加算して、次の
ように総熱変位量を算出した後、Ｓ２へ移行して次のサ
ンプリングタイムまで待機する。

【００３９】本実施例では、サンプリングタイム間の移
動距離に基づいて熱変位量ｌを算出した場合（Ｓ３〜Ｓ
５）、熱変位量ｌはその後式（２）に従って減少するも
のと考える。すなわち、図６（Ａ）に曲線２０１で例示
するように、時刻０から時刻１ａまでの間の移動距離に
基づいて算出された熱変位量ｌ_1aの時刻１ａにおける値
ｌ_1a-1は、前述のように、 ｌ_1a-1＝Ｌ_1a・｛１−ｅｘｐ（−γ・ａ／６０）｝ となる。但し、Ｌ_1aは時刻１ａのサンプリングタイムに
て算出された最大変位量である。そして、時刻２ａにお
ける熱変位量ｌ_1aの値ｌ_1a-2は、式（２）より、 ｌ_1a-2＝ｌ_1a-1・ｅｘｐ（−γ・ａ／６０） 以下同様に、時刻３ａ，時刻４ａにおける熱変位量ｌ_1a
の値ｌ_1a-3，ｌ_1a-4は、 ｌ_1a-3＝ｌ_1a-1・ｅｘｐ（−γ・２ａ／６０） ｌ_1a-4＝ｌ_1a-1・ｅｘｐ（−γ・３ａ／６０） となる。同様に、時刻１ａから時刻２ａまでの間の移動
距離に基づいて最大変位量Ｌ_2aが算出されたとすると、
それに対応する熱変位量ｌ_2aは図６（Ｂ）に曲線２０２
で例示するように変化し、その時刻２ａ，３ａ，４ａに
おける値ｌ_2a-1，ｌ_2a-2，ｌ_2a-3は、それぞれ、 ｌ_2a-1＝Ｌ_2a・｛１−ｅｘｐ（−γ・ａ／６０）｝ ｌ_2a-2＝ｌ_2a-1・ｅｘｐ（−γ・ａ／６０） ｌ_2a-3＝ｌ_2a-1・ｅｘｐ（−γ・２ａ／６０） となる。Ｓ６では、このようにして算出された熱変位量
ｌ_1a，ｌ_2a，……のその時刻における値を加算して総熱
変位量を算出するのである。例えば、時刻１ａ，２ａ，
３ａ，４ａ，５ａ，……のサンプリングタイム間の移動
距離に基づいて、図６（Ｃ）に曲線２０１，２０２，２
０３，２０４，２０５，……で例示する熱変位量ｌが算
出されたとすると、Ｓ６で算出される総熱変位量は、図
６（Ｃ）に曲線２００で例示するように変化する。

【００４０】また、各時刻で算出された熱変位量ｌは、
前述のように時間の経過に伴って減少するので、Ｓ５に
て算出してから所定の時間（例えば１２０分）を経過し
た熱変位量ｌが総熱変位量に及ぼす影響は無視すること
が可能となる。そこで、ＣＰＵ７２は、上記所定の時間
を保持時間としてＲＯＭに記憶しており、保持時間以内
に算出された熱変位量ｌについてのみ上記加算を行って
総熱変位量を算出している。このため、Ｓ６の処理で加
算しなければならない熱変位量ｌの個数は、１２０／ａ
＋１以下の自然数に押さえられ、その算出処理に関わる
負担を小さくすることができる。従って、その処理に関
わるソフト構成等を簡略化すると共に処理速度を向上さ
せることができる。

【００４１】また、ＣＰＵ７２は、各時刻で算出された
熱変位量ｌを、それを算出した時刻と対応づけてＲＡＭ
７４のテーブルに記憶しており、その記憶内容を電源Ｏ
ＦＦの間にも、図示しないバックアップ電源により保持
している。このため、電源が一旦ＯＦＦされて再びＯＮ
されたときには、Ｓ１にて電源ＯＦＦの間の移動距離を
０（従って熱変位量ｌも０）と見なすと共に、Ｓ６へ移
行して、前回の電源ＯＮの期間中に算出された熱変位量
ｌの内、算出されてから保持時間を経過していないもの
の影響を加算して総熱変位量を算出することができる。

【００４２】以上説明したように、本実施例のマイコン
部７０では、サンプリングタイム間の移動距離に基づい
て最大変位量Ｌを算出し、その最大変位量Ｌに基づいて
工作機械１０の熱変位量ｌを算出している。このため、
加工プログラムが変更された否かに関わらず、同様に熱
変位量ｌを算出することができる。また、最大変位量Ｌ
を算出する際に参照した図４のマップは、移動距離（す
なわち移動速度）が大きい領域では傾きがなだらかにな
る折れ線形状を呈している。このため、空冷効果の影響
を考慮して、最大変位量Ｌをきわめて正確に算出するこ
とができる。従って、本実施例のマイコン部７０では、
加工プログラムの変更に柔軟に対応でき、しかも、きわ
めて正確に総熱変位量を算出することができる。

【００４３】更に、マイコン部７０では、サンプリング
タイム毎に定期的に移動距離を算出し、その時点で算出
された移動距離に基づいて最大変位量Ｌ及び熱変位量ｌ
を算出し、更に算出後の熱変位量ｌに過去に算出された
熱変位量ｌの影響を加算している。このため、加工プロ
グラムに工作機械１０を高速で駆動するステップと低速
で駆動するステップとが含まれていても、各時刻におけ
る総熱変位量をきわめて正確に算出することができる。

【００４４】なお、上記実施例において、主軸２８が加
工手段に、ボールネジ機構３６及びＺ軸モータ３８が駆
動手段に、ＣＰＵ７２内のＲＯＭが保持時間記憶手段
に、ＣＰＵ７２が駆動状態検出手段，移動距離算出手
段，飽和熱変位量算出手段，変位量算出手段，及び変位
量加算手段に相当し、ＣＰＵ７２の処理の内、Ｓ３が駆
動状態検出手段及び移動距離算出手段に、Ｓ４が飽和熱
変位量算出手段に、Ｓ５が変位量算出手段に、Ｓ６が変
位量加算手段に、それぞれ相当する処理である。

【００４５】次に、本発明の第２実施例を説明する。図
７は、第２実施例としての工作機械１０の制御系の構成
を表すブロック図である。なお、本実施例の工作機械１
０もメカニカルな構成は第１実施例及び従来例と同じで
あり、制御系の構成は次の点で異なる。

【００４６】すなわち、図７に示すように、マイコン部
７０は前述の構成に加えてインタフェース（Ｉ／Ｆ）７
８を備えており、このインタフェース７８を介してパソ
コン８０に接続されている。パソコン８０は、制御プロ
グラム等を格納しているＲＯＭや入出力ポート等を内蔵
するワンチップ型のＣＰＵ８２、ＲＡＭ８４、時計８
６、及びマイコン部７０と接続されるインタフェース
（Ｉ／Ｆ）８８等からなり、周知のマイクロコンピュー
タとして構成されている。また、パソコン８０には、キ
ーボード９１及びＣＲＴ９２も接続されている。この制
御系では、加工プログラムに基づいて、マイコン部７０
が工作機械１０を制御しており、マイコン部７０からパ
ソコン８０へは主軸２８の移動距離等、総熱変位量の算
出に必要なデータが送信される。また、パソコン８０は
後述する熱変位量算出処理を行い、算出した総熱変位量
をマイコン部７０へ送信する。すると、マイコン部７０
は、送信された総熱変位量に基づき、補正を行いつつ上
記加工プログラムを実行する。

【００４７】図８は、パソコン８０（厳密にはＣＰＵ８
２）が実行する熱変位量算出処理を表すフローチャート
である。なお、ＣＰＵ８２は、工作機械１０の電源の状
態を監視しており、その電源がＯＮされると図８の処理
を所定タイミングで繰り返し実行する。図８に示すよう
に、この熱変位量算出処理は、図３に示した熱変位量算
出処理と殆ど同じであるので、異なる部分についてのみ
説明する。

【００４８】Ｓ３に代えて実行されるＳ３ａでは、移動
距離をＣＰＵ８２が自ら算出するのではなく、マイコン
部７０から送信される移動距離を読み込む。また、Ｓ６
に代えて実行されるＳ６ａでは、総熱変位量をＳ６と同
様に算出した後、その総熱変位量をマイコン部７０に送
信する。その他の処理は第１実施例と同様であるので、
図３で使用した符号をそのまま使用して詳細な説明を省
略する。

【００４９】このように構成された本実施例でも、第１
実施例とほぼ同様の作用・効果が生じる。なお、本実施
例でもＣＰＵ８２は、各時刻で算出された熱変位量ｌ
を、それを算出した時刻と対応づけてＲＡＭ８４のテー
ブルに記憶するが、この記憶内容は必ずしもバックアッ
プしなくてもよい。これは、工作機械１０の電源をＯＦ
Ｆしてもパソコン８０の電源をＯＮに保持しておけば、
記憶内容は消失しないからである。また、本実施例で
は、インタフェース８８を介して接続される工作機械１
０を変更すれば、一つのパソコン８０によって複数の工
作機械１０に対する総熱変位量の算出を行うことができ
る。

【００５０】以上、実施例を挙げて本発明を説明した
が、本発明は上記実施例になんら限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施
することができる。例えば、上記実施例では、主軸２８
のＺ軸方向の移動距離から工作機械１０のＺ軸方向の熱
変位量を算出しているが、主軸２８が回転すると主軸２
８自身に熱変位が発生する。そこで、主軸モータ３０の
回転量を移動距離として算出して、その移動距離からＺ
軸方向の熱変位量を算出してもよい。また、図３または
図８の処理によって算出された前述の総熱変位量に、主
軸２８の回転量から算出した熱変位量を加算して、工作
機械１０全体としてのＺ軸方向の熱変位量を算出しても
よい。この場合、Ｚ軸方向の熱変位量を一層正確に算出
することができる。更に、本発明はワークを移動させる
機構に適用してもよい。また、最大変位量Ｌを求めるた
めのマップは図４のものに限定されるものではなく、図
９（Ａ）に例示するように３種類以上の傾きを有する折
れ線で形成してもよく、図９（Ｂ）に例示するように曲
線で形成してもよく、多数段の曲線でマップを構成して
もよい。また更に、これらのマップも前述のように、数
式やデータテーブルで構成してもよい。

【００５１】また、過去に算出された熱変位量ｌの影響
を加算する形態も種々考えられ、例えば、図１０に例示
する形態を採用してもよい。図１０では、時刻１ａで算
出された熱変位量ｌ₁ を起点として、時刻２ａにおける
熱変位量ｌ₂ を算出するための曲線を描き、こうして算
出された熱変位量ｌ₂ を起点として、時刻３ａにおける
熱変位量ｌ₃ を算出するための曲線を描いている。

【００５２】ここで、時刻１ａ，２ａ，３ａで算出され
る最大変位量は、Ｌ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃と変化している。熱
変位量ｌ₁ は前述の方法と同様に算出できるが、時刻２
ａ以降における熱変位量ｌは次のように算出することが
できる。例えば、時刻２ａにおける熱変位量ｌ₂ を算出
するには、最大変位量Ｌ₂ に対応した前述の式（１） ｌ＝Ｌ₂ ・｛１−ｅｘｐ（−γｔ）｝ よりｌ＝ｌ₁ となるｔの値ｔ_l1を求め、時刻２ａはその
ａ分後の時刻と外挿して ｌ₂ ＝Ｌ₂ ・［１−ｅｘｐ｛−γ（ｔ_l1＋ａ／６０）｝］ とするのである。このような算出方法を採用しても、前
述の算出方法（図６）と同様の作用・効果が生じる。但
し、前述の算出方法では、一時的に誤ったデータが入力
されても、少なくとも１２０分後にはその影響が排除さ
れるといった効果が生じる。また、本発明の実施の形態
としては、このような加算処理を行わず、最大変位量Ｌ
を一度算出したらその後ずっとそのＬの値を用いて式
（１）により熱変位量ｌを算出するものも含まれること
はいうまでもない。

【００５３】更に、工作機械１０の熱変位量には、主軸
２８の移動距離や駆動時間の他、種々の条件が影響を及
ぼす。例えば朝等の気温が比較的低いとき等では工作機
械１０の温度上昇が緩やかになり、算出された総熱変位
量と実際の熱変位量との誤差が無視できない程度になる
こともある。そこで、例えば図３のＳ６を図１１のよう
に変更し、各種調整を行えるようにしてもよい。

【００５４】すなわち、Ｓ６１では、Ｓ６と同様に総熱
変位量を算出する。続くＳ６２では、ＣＰＵ７２は、Ｓ
６１で算出した総熱変位量に対する調整の要否を判断す
る。この要否判断は、（１）操作パネル２２を介して調
整値が入力されている、（２）時刻に対応して設定され
た調整値がある、（３）環境温度に対応して調整値を使
用する必要がある、等の条件が成立しているか否かによ
ってなされる。条件が成立していれば、調整要（Ｓ６
２：ＹＥＳ）であり、Ｓ６３にて総熱変位量に調整値を
加算あるいは減算して調整する。一方、調整不要（Ｓ６
２：ＮＯ）であれば、Ｓ６１にて算出された総熱変位量
をそのまま保持してＳ２（図３）の処理へ移行する。

【００５５】この場合、例えば、調整値を時刻に対応し
て定めれば、１日の時間帯（朝、昼、夜等）に応じて、
算出された総熱変位量と実際の熱変位量との誤差を自動
的に解消することができる。従って、時刻に関わらず常
に正確な総熱変位量を算出することができる。また、調
整値を工作機械１０の環境温度に対応して定めれば、工
作機械１０が設置されている場所の気温すなわち環境温
度に応じて、算出された総熱変位量と実際の熱変位量と
の誤差を自動的に解消することができる。従って、環境
温度に関わらず常に正確な総熱変位量を算出できる。な
お、図３のＳ５，図８のＳ５またはＳ６ａをこのように
変更しても同様の効果が生じる。

【００５６】また更に、上記実施の形態では、図３，図
８，または図１１の処理を実行するためのプログラム
や、図４または図９のマップをＣＰＵ７２または８２の
ＲＯＭに記憶しているが、これらのプログラムやマップ
はフロッピディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶
しておいてもよいことはいうまでもない。この場合、一
般のコンピュータ等、任意の制御手段に上記処理を実行
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施例の工作機械の制御系の構成を表す
ブロック図である。

【図２】 その工作機械のピッチ誤差補正テーブルの構
成を表す説明図である。

【図３】 その工作機械のＣＰＵが実行する熱変位量算
出処理を表すフローチャートである。

【図４】 最大変位量の算出に使用するマップの構成を
表す説明図である。

【図５】 最大変位量に対応した熱変位量の経時変化を
例示する説明図である。

【図６】 熱変位量から総熱変位量を算出する処理を例
示する説明図である。

【図７】 第２実施例の工作機械の制御系の構成を表す
ブロック図である。

【図８】 その工作機械に接続されたパソコンが実行す
る熱変位量算出処理を表すフローチャートである。

【図９】 最大変位量の算出に使用する他のマップの構
成を表す説明図である。

【図１０】 熱変位量から総熱変位量を算出する他の処
理を表す説明図である。

【図１１】 熱変位量算出処理の更に他の形態を表すフ
ローチャートである。

【図１２】 実施例および従来例の工作機械の構成を表
す説明図である。

【図１３】 実施例および従来例の工作機械の構成を表
す説明図である。

【符号の説明】

１０…工作機械 １４…テーブル １６…ＡＴＣマ
ガジン ２０…本体 ２８…主軸 ３０…主軸モータ ３６…ボール
ネジ機構 ３８…Ｚ軸モータ ７０…マイコン部 ７２，
８２…ＣＰＵ ７４，８４…ＲＡＭ ７６，８６…時計 ８０
…パソコン

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物に加工を施すための加工手段
   と、該加工手段と被加工物との相対位置を変動させる駆
   動手段とを有する工作機械に装備され、該工作機械の熱
   変位量を算出する工作機械の熱変位量算出装置であっ
   て、 上記工作機械の駆動状態を検出する駆動状態検出手段
   と、 該駆動状態検出手段の検出結果に基づき、上記駆動手段
   が上記加工手段または上記被加工物を単位時間当たりに
   移動させた移動距離を算出する移動距離算出手段と、 同様の駆動状態を続けた場合における上記工作機械の熱
   変位の最大値としての飽和熱変位量を、上記算出された
   移動距離に基づき、上記移動距離と上記飽和熱変位量と
   の対応関係を表すマップを参照して算出する飽和熱変位
   量算出手段と、 該算出された飽和熱変位量と上記工作機械の駆動時間と
   に基づき、上記工作機械の熱変位量を算出する変位量算
   出手段と、 を備え、上記飽和熱変位量算出手段が参照するマップ
   が、上記移動距離が大きくなるに従って、上記移動距離
   の増加に対する上記飽和熱変位量の増加の度合いが小さ
   くなるように設定されたことを特徴とする工作機械の熱
   変位量算出装置。
2. 【請求項２】 上記飽和熱変位量算出手段及び上記変位
   量算出手段が所定時間毎に上記算出を行うと共に、 上記変位量算出手段が以前に熱変位量を算出していると
   き、その熱変位量の影響を上記変位量算出手段が新たに
   算出した熱変位量に加算して、現在の上記工作機械の熱
   変位量とする変位量加算手段を、 更に備えたことを特徴とする請求項１記載の工作機械の
   熱変位量算出装置。
3. 【請求項３】 上記工作機械の熱変位量の影響が残存す
   る保持時間を記憶する保持時間記憶手段を、更に備え、 上記変位量加算手段が、上記変位量算出手段が算出して
   から上記保持時間以上経過した熱変位量は無視して現在
   の上記熱変位量を算出することを特徴とする請求項２記
   載の工作機械の熱変位量算出装置。
4. 【請求項４】 上記熱変位量に影響を及ぼす条件に対応
   して定められた調整値を、上記変位量算出手段または上
   記変位量加算手段によって算出された熱変位量に加算ま
   たは減算して上記工作機械の熱変位量とする変位量調整
   手段を、 更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
   記載の工作機械の熱変位量算出装置。
5. 【請求項５】 上記調整値は時刻に対応して定められて
   いて、上記変位量調整手段は時刻に基づいて上記調整値
   を選択して使用することを特徴とする請求項４記載の工
   作機械の熱変位量算出装置。
6. 【請求項６】 上記調整値は上記工作機械の環境温度に
   対応して定められていて、上記変位量調整手段は該環境
   温度に基づいて上記調整値を選択して使用することを特
   徴とする請求項４記載の工作機械の熱変位量算出装置。
7. 【請求項７】 被加工物に加工を施すための加工手段
   と、該加工手段と被加工物との相対位置を変動させる駆
   動手段とを有する工作機械に対して使用され、該工作機
   械の熱変位量を算出するためのコンピュータプログラム
   を記憶した記憶媒体であって、 工作機械の駆動状態を検出する駆動状態検出処理と、 該駆動状態検出処理の検出結果に基づき、上記駆動手段
   が上記加工手段または上記被加工物を単位時間当たりに
   移動させた移動距離を算出する移動距離算出処理と、 同様の駆動状態を続けた場合における上記工作機械の熱
   変位の最大値としての飽和熱変位量を、上記算出された
   移動距離に基づき、上記移動距離と上記飽和熱変位量と
   の対応関係を表すマップを参照して算出する飽和熱変位
   量算出処理と、 該算出された飽和熱変位量と上記工作機械の駆動時間と
   に基づき、上記工作機械の熱変位量を算出する変位量算
   出処理と、 を実行させるコンピュータプログラム及び上記マップを
   記憶し、かつ、上記マップが、上記移動距離が大きくな
   るに従って、上記移動距離の増加に対する上記飽和熱変
   位量の増加の度合いが小さくなるように設定されたこと
   を特徴とする記憶媒体。