JP3361760B2 - 工作機械の熱変位補正方法及びその熱変位補正装置 - 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、工作機械の熱変
位補正方法及びその熱変位補正装置に関し、特に予め実
験的に求めて記憶しておいた熱変位の増減特性と熱変位
量の影響が実質的に残存する保持時間と駆動手段の駆動
状態に応じた最大熱変位量の特性とを用いて時々刻々の
熱変位量を算出し、その熱変位量に基づいて制御量を補
正する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】 従来、例えばワークに切削や穴明け等
を施したり基板に部品を組付ける為の加工手段と、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には、例えばドリルやタッ
プ等の工具を保持する為の保持機構と、保持機構に保持
された工具を回転駆動する為の主軸駆動機構と、工具の
Ｘ軸方向の送りの為のＸ軸送り機構と、工具のＹ軸方向
の送りの為のＹ軸送り機構と、工具のＺ軸方向の送りの
為のＺ軸送り機構と、これらＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸送り機構
を制御する為の制御装置等が設けられている。

【０００３】図１３に示すように、例えば、前記工作機
械は、切削屑の飛散を防止する為のスプラッシュガード
１００の内側にワーク（図示略）を載置する為のテーブ
ル１０１と、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１０２と、工作機械本体１０３等を有
する。スプラッシュガード１００には、操作パネル１０
４と、ワークの入出やメンテナンスの為のワーク交換口
１０５と、主にメンテナンス用の点検ハッチ１０６等が
設けられている。

【０００４】図１４に示すように、工作機械本体１０３
は、ドリルやタップ等の工具を保持する為の主軸１０７
と、この主軸１０７を回転駆動する為の主軸モータ１０
８と、多数の鋼球を内蔵して主軸側に固着されているボ
ールネジナット部１０９ａとボールネジナット部１０９
ａに挿通螺合されたボールネジ軸１０９ｂとからなるボ
ールネジ機構１０９と、ボールネジ軸１０９ｂを回転駆
動する為のＺ軸モータ１１０と、ボールネジ軸１０９ｂ
と平行に配設されたガイドレール１１１と、ガイドレー
ル１１１と主軸１０７側とを連結するスライド１１２等
を備えている。

【０００５】この工作機械においては、ボールネジ機構
１０９とＺ軸モータ１１０とでＺ軸方向の送りの為のＺ
軸送り機構が構成され、ボールネジ軸１０９ｂをＺ軸モ
ータ１１０で回転させることにより主軸１０７がＺ軸方
向に移動する。主軸１０７がＺ軸方向に移動可能に構成
されるとともに、テーブル１０１がＸ軸およびＹ軸方向
に移動可能に構成されていることから、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】この種の工作機械では、例えばボールネジ
機構１０９の稼働に伴って摩擦熱が発生してボールネジ
軸１０９ｂが延びることがあり、他の機構においても発
熱がある。工作機械はこのような発熱によって熱変位が
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。ワークの寸法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。

【０００７】そこで、特開昭６２−８８５４８号公報に
は、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。

【０００８】

【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
稼働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為のシステムを常時動かしておく必
要があり、その算出処理に要する負担が大きかった。そ
こで、本願出願人は、特願平３−２９８８６６号に記載
のように、工作機械が稼働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
なることに着目して熱変位量を算出することを提案し
た。

【０００９】すなわち、工作機械の駆動中は、飽和熱変
位量（上記均衡状態における熱変位量）と工作機械の駆
動時間とに基づいて各時点における熱変位量を算出し、
その熱変位量が飽和熱変位量にほぼ等しくなると、それ
以降は飽和熱変位量の値を熱変位量として代用するので
ある。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。

【００１０】ところが、この工作機械の熱変位量算出装
置では、次のような場合に熱変位量の算出精度が若干低
下することがあった。すなわち、前記の装置では飽和熱
変位量を固定値としている。一方、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、前記飽和熱
変位量は平均的な駆動速度に対する固定値となるため、
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熱変位量が大きめに
算出されてしまう。

【００１１】そこで、本願出願人は、特願平９−２１１
９２３号において、工作機械の駆動手段の熱変位量の増
減特性と、駆動手段の駆動状態に応じた飽和熱変位量の
特性（最大熱変位量の特性）と、熱変位量の影響が実質
的に残存する保持時間とを予め設定しておき、これらの
特性や保持時間と、時々刻々の駆動手段の実際の駆動状
態とに基づいて、過去の熱変位量を加味した駆動手段の
時々刻々の熱変位量を算出し、その熱変位量を補正する
熱変位量算出装置を提案した。この装置では、複数種類
の工作機械に共通の熱変位量算出プログラムを搭載する
関係上、前記保持時間として各工作機械特有の保持時間
を適用せずに、複数種類の工作機械に共通に平均的な保
持時間を設定している。

【００１２】しかし、この熱変位量算出装置を適用する
場合、小型の工作機械では、熱変位量の増減特性におけ
る熱変位量の変化率が大きくなるために保持時間が短く
なるが、長い保持時間を用いると、熱変位量の算出の為
に多くの無駄なメモリを使ってしまう。また、大型の工
作機械では熱変位量の増減特性における熱変位量の変化
率が小さくなるために保持時間が長くなるが、短い保持
時間を用いると、熱変位量の算出の精度が低下してしま
う。本発明の目的は、前記保持時間を各工作機械別に適
正に設定でき、工作機械の各時点における駆動状態に応
じた正確な熱変位量を算出可能な熱変位補正方法と熱変
位補正装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】 請求項１の工作機械の
熱変位補正方法は、被加工物に加工を施す為の加工手段
と、この加工手段と被加工物との相対位置を変化させる
為の駆動手段とを有する工作機械における、駆動手段の
熱変位を補正する方法において、工作機械を作動させて
測定した熱変位測定データから、駆動手段の熱変位量の
増減特性と、駆動手段の熱変位量の影響が実質的に残存
する前記駆動手段固有の保持時間と、駆動手段の駆動状
態に応じた最大熱変位量の特性とを予め求めて記憶手段
に記憶させる第１ステップと、工作機械の所定駆動量毎
または所定時間毎のサンプリング時に、駆動手段の実際
の駆動状態と、増減特性と、保持時間と、最大熱変位量
特性とを用いて駆動手段の総熱変位量を求める第２ステ
ップであって、前記駆動手段の今回サンプリング時点に
おける実際の駆動状態と最大熱変位量特性とから最大熱
変位量を求めると共に、その最大熱変位量と増減特性と
前回サンプリング時点から今回サンプリング時点までの
駆動時間とから駆動手段の熱変位量を求めて記憶する第
１演算ステップと、前記増減特性に基づいて、過去に発
生した駆動手段の熱変位量のうち前記保持時間経過前の
複数の熱変位量を求め、これら複数の熱変位量を第１演
算ステップで新たに求めた熱変位量に加算して前記総熱
変位量を求める第２演算ステップとを有する第２ステッ
プと、前記第２ステップで求めた駆動手段の総熱変位量
に基づいて駆動手段の制御量を補正する第３ステップと
を備えたことを特徴とするものである。

【００１４】工作機械の駆動手段の熱変位量について補
足説明すると、工作機械の駆動中には、時々刻々、駆動
手段の摩擦による発熱が生じて熱変位が生じ、その時々
刻々に発生する熱変位は徐々に減少していく。また、過
去に生じた熱変位も残存しているが、過去の熱変位は前
記保持時間経過すると、その影響が実質的に残らなくな
る。一方、駆動手段の駆動状態が厳しくなるほど、飽和
熱変位量（最大熱変位量）が大きくなる。

【００１５】最初に、工作機械を使用開始する前に実行
される第１ステップにおいて、工作機械を作動させて測
定した熱変位測定データから、駆動手段の熱変位量の増
減特性と、駆動手段の熱変位量の影響が実質的に残存す
る保持時間（前記駆動手段固有の保持時間）と、駆動手
段の駆動状態に応じた最大熱変位量の特性とを予め求め
て記憶手段に記憶させる。前記増減特性に関して、時間
をｔ、熱変位量をＥ、ある駆動状態における最大熱変位
量をＥｏとしたとき、 熱変位量の増加の際には、Ｅ＝Ｅｏ〔１−ｅｘｐ（−γｔ）〕 （１） 熱変位量の減少の際には、Ｅ＝Ｅｏ×ｅｘｐ（−γｔ） （２） の特性にて熱変位量が変化する。前記γは工作機械固有
の定数であり、これが熱変位量の増減特性を与えるもの
である。

【００１６】前記保持時間は、２）式におけるＥ＝Ｅｏ
×ｅｘｐ（−γｔ）＝Ｅｏ×Δ（但し、Δは所定の微小
値）の条件を満足する時間として定義することができ
る。前記最大熱変位量の特性に関して、一般に、工作機
械の駆動手段の駆動状態が厳しくなるほど、駆動手段の
熱負荷が増して最大熱変位量が大きくなる。第１ステッ
プでは、工作機械を作動させ計測して得た熱変位測定デ
ータを解析して、増減特性と保持時間と最大熱変位量の
特性を予め求めるため、各機種の工作機械毎に、それら
を正確に設定することができる。

【００１７】次に、第２ステップは、工作機械の稼働中
に実行されるステップであり、この第２ステップでは、
工作機械の所定駆動量毎または所定時間毎のサンプリン
グ時に、駆動手段の実際の駆動状態と、増減特性と、保
持時間と、最大熱変位量特性とを用いて駆動手段の総熱
変位量を求める。具体的には、駆動手段の今回サンプリ
ング時点における実際の駆動状態と最大熱変位量特性と
から最大熱変位量を求めると共に、その最大熱変位量と
増減特性と前回サンプリング時点から今回サンプリング
時点までの駆動時間とから駆動手段の今回の熱変位量を
求めて記憶する。そして、前記増減特性に基づいて、過
去に発生した駆動手段の熱変位量のうち前記保持時間経
過前の複数の熱変位量を求め、これら複数の熱変位量を
前記のように新たに求めた熱変位量に加算することで、
今回サンプリング時点における駆動手段の総熱変位量を
求める。

【００１８】次に、第３ステップでは、第２ステップで
求めた駆動手段の総熱変位量に基づいて駆動手段の駆動
量を補正する。このように、各機種の工作機械毎に設定
した精度の高い増減特性、保持時間、最大熱変位量特性
を用いて、過去の熱変位量を加味して今回サンプリング
時点の総熱変位量を正確に求め、その総熱変位量に基づ
いて駆動手段の制御量を正確に補正することができる。

【００１９】

【００２０】

【００２１】請求項２の工作機械の熱変位補正装置は、
被加工物に加工を施す為の加工手段と、この加工手段と
被加工物との相対位置を変化させる為の駆動手段とを有
する工作機械における、駆動手段の熱変位を補正する装
置において、工作機械を作動させて測定した熱変位測定
データに基づいて予め設定した、駆動手段の熱変位量の
増減特性と、駆動手段の熱変位量の影響が実質的に残存
する前記駆動手段固有の保持時間と、駆動手段の駆動状
態に応じた最大熱変位量の特性とを記憶した記憶手段
と、工作機械の所定駆動量毎または所定時間毎のサンプ
リング時に、駆動手段の実際の駆動状態と、増減特性
と、保持時間と、最大熱変位量特性とを用いて駆動手段
の総熱変位量を求める熱変位算出手段であって、前記駆
動手段の今回サンプリング時点における実際の駆動状態
と最大熱変位量特性とから最大熱変位量を求めると共
に、その最大熱変位量と増減特性と前回サンプリング時
点から今回サンプリング時点までの駆動時間とから駆動
手段の熱変位量を求めて記憶する第１演算手段と、前記
増減特性に基づいて、過去に発生した駆動手段の熱変位
量のうち前記保持時間経過前の複数の熱変位量を求め、
これら複数の熱変位量を第１算出手段が新たに求めた熱
変位量に加算して総熱変位量を求める第２算出手段とを
有する熱変位算出手段と、前記熱変位算出手段で求めた
駆動手段の総熱変位量に基づいて駆動手段の制御量を補
正する補正手段とを備えたものである。

【００２２】この発明は、請求項１の発明と同様の構成
要素を含んでいるので、重複説明を省略して簡単に説明
する。記憶手段には、工作機械を作動させて測定した熱
変位測定データに基づいて予め設定した、駆動手段の熱
変位量の増減特性と、駆動手段の熱変位量の影響が実質
的に残存する保持時間（前記駆動手段固有の保持時間）
と、駆動手段の駆動状態に応じた最大熱変位量の特性と
が記憶されている。これら増減特性や保持時間や最大熱
変位量の特性等は、工作機械を作動させ計測して得た熱
変位測定データを解析して設定されたものであるので、
精度と信頼性に優れる。

【００２３】次に、工作機械の稼働中には熱変位算出手
段と補正手段とが作動する。熱変位量算出手段により、
工作機械の所定駆動量毎または所定時間毎のサンプリン
グ時に、駆動手段の実際の駆動状態と、前記増減特性
と、前記保持時間と、前記最大熱変位量特性とを用いて
駆動手段の総熱変位量が求められる。具体的には、請求
項１の場合と同様に、第１演算手段が、駆動手段の今回
サンプリング時点における実際の駆動状態と最大熱変位
量特性とから最大熱変位量を求めると共に、その最大熱
変位量と増減特性と前回サンプリング時点から今回サン
プリング時点までの駆動時間とから駆動手段の熱変位量
を求めて記憶する。そして、第２演算手段が、前記増減
特性に基づいて、過去に発生した駆動手段の熱変位量の
うち前記保持時間経過前の複数の熱変位量を求め、これ
ら複数の熱変位量を今回新たに求めた熱変位量に加算し
て今回時点の総熱変位量を求める。次に補正手段は、前
記熱変位算出手段で求めた駆動手段の総熱変位量に基づ
いて駆動手段の制御量を補正する。つまり、補正手段
は、工作機械の所定駆動量毎または所定時間毎のサンプ
リング時に、駆動手段の制御量の補正を行う。このよう
に、各機種の工作機械毎に設定した精度の高い増減特
性、保持時間、最大熱変位量特性を用いて、過去の複数
の熱変位量を加味して今回時点の総熱変位量を正確に求
め、その総熱変位量に基づいて駆動手段の制御量を正確
に補正することができる。

【００２５】

【００２６】

【００２７】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施の形態に係
る工作機械の熱変位補正装置について図面を参照して説
明する。但し、以下の説明は熱変位補正方法についての
説明をも含む。本実施形態の工作機械のメカニカルな構
成は従来例として図１３及び図１４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のメカニカルな
構成の説明は省略する。

【００２８】図１は、本実施形態としての工作機械１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、主軸の回転を制御する為の主軸制御
系２と、主軸のＺ軸位置を制御する為のＺ軸制御系３
と、この制御系の中枢となるマイコン部４と、操作パネ
ル５及びテーブルのＸ軸位置を制御する為のＸ軸制御系
（図示略）やテーブルのＹ軸位置を制御する為のＹ軸制
御系（図示略）等から構成されている。

【００２９】主軸制御系２は、主軸モータ６と、主軸モ
ータ６に電力を供給する為の主軸サーボアンプ７、及び
主軸サーボアンプ７の供給電力を制御する為の軸制御回
路８からなり、軸制御回路８はマイコン部４のＣＰＵ９
からの指示に従って主軸サーボアンプ７の動作を制御す
る構成である。Ｚ軸制御系３はＺ軸モータ１０と、Ｚ軸
モータ１０に電力を供給する為のＺ軸サーボアンプ１１
及びＺ軸サーボアンプ１１の供給電力を制御するための
軸制御回路１２からなり、軸制御回路１２はマイコン部
４のＣＰＵ９からの指示に従ってＺ軸サーボアンプ１１
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２並びに
Ｚ軸制御系３とほぼ同様の構成である。

【００３０】マイコン部４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ＣＰＵ９，ＲＡＭ１３及び時計１４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４（つまり、ＣＰＵ９）は、制御プログラム
に従って主軸制御系２、Ｚ軸制御系３等を制御して、ワ
ークに所定の加工を施す。また、マイコン部４は、操作
パネル５に接続され、この操作パネル５からの入力信号
を取得したり、操作パネル５に信号を送って操作パネル
５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】ＲＡＭ１３は、周知のようにＣＰＵ９のワ
ークエリヤとなるが、このＲＡＭ１３は２次電池により
バックアップされ、マイコン部４への給電がオフとなっ
ても記憶データを保持する。このＲＡＭ１３上にピッチ
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の駆動誤差を補正
する為のテーブルである。

【００３２】即ち、Ｚ軸移動を受け持つボールネジ機構
は、製造公差等によりボールネジ軸の回転量とボールネ
ジナット部の移動量（すなわち主軸の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
ジ軸の長さが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軸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軸
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
ネジ軸を正又は逆回転させることによって主軸の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１４は、いわゆる水晶発信器を含む電
子時計であり、水晶発信器からのクロック信号をカウン
タで計数することで年月日時刻を算出し、その年月日時
刻データをＣＰＵ９に送る。工作機械１を駆動すると、
例えばＺ軸方向にボールネジ軸の膨張等によって熱変位
が発生する。そこで、ＣＰＵ９のＲＯＭには以下に説明
する熱変位補正方法と熱変位補正装置に関する熱変位補
正制御プログラムが予め入力格納されている。

【００３４】工作機械１の駆動を続け、摩擦熱で温度が
上昇すると、やがて発熱量と放熱量とが均衡する。この
ときの熱変位量が飽和熱変位量すなわち最大熱変位量で
ある。図２に示すように、その最大熱変位量は、主軸の
単位時間当たりの平均移動距離（つまり、主軸の軸方向
への平均移動速度）に対して比例関係を有し、平均移動
速度が増加するに応じて最大熱変位量も増加する。この
対応関係は、平均移動速度が所定値以上となると傾きが
緩くなる折れ線グラフによって表される。

【００３５】これは、主軸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。この図２に示す最大熱変位量の特性は、工作機械
１の機種毎に異なる特性であるので、各機種別に、製作
完了後、工作機械を様々の駆動状態で作動させて熱変位
を測定し、その熱変位測定データから、図２に示す最大
熱変位量の特性が予め設定され、ＲＡＭ１３のメモリに
格納される。

【００３６】図３、図４は、２種類の工作機械１を作動
させた際に発生する例えばＺ軸駆動系の熱変位量の増減
特性を示すもので、一般に大型の熱容量の大きな工作機
械では、図３に示すように熱変位量が緩やかに増加して
飽和熱変位量に達し、小型の熱容量の小さな工作機械で
は、図４に示すように熱変位量が急速に増加して飽和熱
変位量に達する。この熱変位量の増減特性は、工作機械
１の機種毎に異なる特性であるので、各機種別に、製作
完了後に工作機械を所定の駆動状態で作動させて熱変位
を測定し、その熱変位測定データから、図５に示す熱変
位量の増減特性が予め設定され、ＲＡＭ１３のメモリに
格納される。

【００３７】図５の熱変位量の増減特性は、図３、図４
の熱変位量の増減特性と同様のものであり、この図５の
増減特性において、時間をｔ、時間ｔにおける熱変位量
をＥ、ある駆動状態における最大熱変位量をＥｏとした
とき、 熱変位量の増加の際には、Ｅ＝Ｅｏ〔１−ｅｘｐ（−γｔ）〕 （１） 熱変位量の減少の際には、Ｅ＝Ｅｏ×ｅｘｐ（−γｔ） （２） の特性にて熱変位量が変化する。ここで、γは各機種の
工作機械１に固有の定数であり、ｔ及びＥの単位は夫々
hour, μｍである。従って、この式より工作機械１の駆
動開始後ａ分後の熱変位量Ｅａは、Ｅａ＝Ｅｏ〔１−ｅ
ｘｐ（−γ・ａ／６０）〕となる。また、熱変位量Ｅｏ
の状態から工作機械１停止後ａ分後の熱変位量Ｅａは、
Ｅａ＝Ｅｏ×ｅｘｐ（−γ・ａ／６０）となる。

【００３８】次に、図２、図５の特性に基づいて、工作
機械１の熱変位量を算出する方法について、図６を参照
して説明する。図６（ａ）に曲線Ｃ１で例示したよう
に、時刻０から時刻１ａまでの間の平均移動速度に基づ
く最大熱変位量をＥｏとし、時刻１ａにおける熱変位量
をＥ1aは、前記（１）式により次のようになる。 Ｅ1a＝Ｅｏ〔１−ｅｘｐ（−γ・ａ／６０）〕 時刻２ａにおける熱変位量をＥ2aは、前記（２）式によ
り次のようになる。 Ｅ2a＝Ｅ1a×ｅｘｐ（−γ・ａ／６０） 同様に、時刻３ａ、時刻４ａにおける熱変位量Ｅ3a, Ｅ
4aは、次のようになる。 Ｅ3a＝Ｅ1a×ｅｘｐ（−γ・２ａ／６０） Ｅ4a＝Ｅ1a×ｅｘｐ（−γ・３ａ／６０）

【００３９】同様に時刻１ａから時刻２ａまでの間の平
均移動速度に基づく最大熱変位量をＥo1とし、それに対
応する熱変位量Ｅは図６（ｂ）に曲線Ｃ２で例示するよ
うに変化し、その時刻２ａ，３ａ，４ａにおけるＥ1a,
Ｅ2a, Ｅ3aは、夫々、 Ｅ1a＝Ｅo1〔１−ｅｘｐ（−γ・ａ／６０）〕 Ｅ2a＝Ｅ1a×ｅｘｐ（−γ・ａ／６０） Ｅ3a＝Ｅ1a×ｅｘｐ（−γ・２ａ／６０） となる。以上のようにして、時刻１ａ，２ａ，３ａ，４
ａ，５ａ，・・・のサンプリングタイム間にＺ軸駆動系
を駆動したことで、図６（ｃ）に曲線Ｃ３，Ｃ４，Ｃ
５，Ｃ６，Ｃ７・・で例示する熱変位量Ｅが算出された
とすると、それらの熱変位量Ｅを加算した総熱変位量
は、図６（ｃ）に曲線Ｃ８で例示するように変化する。

【００４０】次に、熱変位量の影響が残存する保持時間
について説明する。図５の熱変位量の増減特性のうちの
熱変位量減少特性からも判るように、前記（２）式にお
いて、Ｅ＝Ｅｏ×ｅｘｐ（−γｔ）＝０を満足するｔを
保持時間とすることが望ましいが、Ｅｏ×ｅｘｐ（−γ
ｔ）＝０を満足する時間ｔは無限大となるので、Ｅ＝Ｅ
ｏ×ｅｘｐ（−γｔ）＝Ｅｏ×Δ（但し、Δは所定の微
小値であり、例えばΔ＝0.05）を満足する時間Ｔｈをも
って保持時間とする。すなわち、各時刻において発生し
た熱変位は保持時間経過した以降は実質的に影響を及ぼ
さなくなる。各時刻に発生した熱変位量Ｅは、時間の経
過に伴って減少し、保持時間経過後においては実質的に
影響を及ぼさなくなるのである。

【００４１】この保持時間を設定する場合、前記熱変位
量計測データに基づいて作成した図５に示す熱変位量の
増減特性から、Ｅ＝Ｅｏ×ｅｘｐ（−γｔ）を求め、Ｅ
＝Ｅｏ×ｅｘｐ（−γｔ）＝Ｅｏ×Δを満足する時間Ｔ
ｈを算出して保持時間とし、ＲＡＭ１３のメモリに格納
しておく。尚、前記所定値Δを過小に設定して保持時間
を長めに設定すると、処理対象の熱変位量データが多く
なり、データ処理負荷が多くなり、熱変位量データを記
憶するメモリも大きくなる。また、前記所定値Δを過大
に設定して保持時間を短めに設定すると、熱変位量デー
タが少なくなるが、熱変位量算出精度が低下する。それ
故、所定値Δを適切に設定することが必要である。

【００４２】尚、熱変位量増減特性のうちの増加特性に
おいて、Ｅ＝０からＥ＝Ｅｏになる時間を保持時間とし
て設定してもよい。この場合、熱変位量の増減特性が図
３のようになる場合には、保持時間は例えば５時間程度
の値に設定され、また、熱変位量の増減特性が図４のよ
うになる場合には、保持時間が例えば２時間程度の値に
設定される。

【００４３】ＣＰＵ９は、各時刻で算出された熱変位量
Ｅ（但し、保持時間経過前の熱変位量）を、それを算出
した時刻と対応づけてＲＡＭ１３のメモリに記憶させ
る。そして、その記憶内容は電源ＯＦＦの間にも保持さ
れている。そのため、電源が一旦ＯＦＦされて再びＯＮ
されたときには、電源ＯＦＦの間の移動距離を０（熱変
位量Ｅの発生も０）とみなすと共に、前回の電源ＯＮの
期間中に算出された熱変位量のうち最初に算出されてか
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。

【００４４】次に、熱変位補正制御について説明する。
熱変位量補正制御は、工作機械１の完成後に、工作機械
１を種々の駆動状態で作動させて熱変位計測データを取
り、その熱変位計測データに基づいて図２の最大熱変位
量の特性と、図５の熱変位量の増減特性と、図５の特性
に基づいて求める保持時間（本実施形態の場合、Ｚ軸制
御系固有の保持時間）とを予め設定する特性設定制御
と、工作機械１の稼働中に熱変位量を算出し、その熱変
位に基づいてＺ軸制御系の制御量を補正する図７に示す
熱変位量算出補正制御とを含むものである。前記特性設
定制御は、前述の通りであるのでここに重複説明するの
を省略する。熱変位量算出補正制御も前述の通りである
が、図７のフローチャートを参照して詳しく説明する。

【００４５】図７のフローチャートにおいて、符号Ｓｉ
（ｉ＝１，２，・・・）は各ステップであり、工作機械
１の電源の投入とともに制御が開始される。最初に電源
OFF の間の主軸のＺ軸方向への移動距離を０と見做し
（Ｓ１）、次にサンプリングタイムか否か判定し（Ｓ
２）、サンプリングタイムである場合には、前回から今
回までのサンプリングタイム間におけるＺ軸制御系の制
御量のデータに基づいて、主軸のＺ軸方向への移動距離
が算出される（Ｓ３）。

【００４６】次にＳ３で算出した移動距離とサンプリン
グ周期とに基づいて移動速度が算出され、この移動速度
を図２の最大熱変位量特性に適用することで最大熱変位
量が算出され（Ｓ４）、この最大熱変位量と前回から今
回までのサンプリングタイムを図５の増減特性〔つま
り、前記の（１）の式〕に適用して今回発生した熱変位
量が算出されＲＡＭ１３のメモリに格納される（Ｓ
５）。一方、過去の各時点において発生した熱変位量の
データをＲＡＭ１３のメモリから読出し、その熱変位量
のデータに基づいて、熱変位量発生から保持時間が経過
してない熱変位量の今回の値が算出される（Ｓ６）。

【００４７】次に、Ｓ５とＳ６で算出した熱変位量を加
算して総熱変位量が算出され（Ｓ７）、この総熱変位量
を用いて、熱変位による誤差が解消するように、Ｚ軸制
御系の制御量が補正され（Ｓ８）、その補正後のＺ軸制
御系の制御量に相当する制御信号がＺ軸制御系へ出力さ
れる（Ｓ９）、その後Ｓ２へリターンする。但し、電源
がOFF になると、この制御が一旦終了する。尚、サンプ
リングタイム毎に、Ｚ軸制御系の制御量を補正すること
になるので、サンプリング周期をある程度小さな値に設
定することが望ましい。

【００４８】以上説明したように、工作機械１の機種別
に、熱変位測定データに基づいて、図２の最大熱変位量
特性と、図５の熱変位量の増減特性と、熱変位が実質的
に残存する期間である保持時間とを予め設定してＲＡＭ
１３のメモリに格納しておき、工作機械１の稼働中に
は、それらの特性や保持時間を用いて、工作機械１のＺ
軸制御系に発生している熱変位量を正確に算出し、その
熱変位量を用いて、この熱変位量による誤差が解消する
ように、Ｚ軸制御系の制御量を補正することができる。

【００４９】特に、複数機種の工作機械に共通の保持時
間を設定するのではなく、工作機械の機種別に、熱変位
測定データから求めた熱変位量増減特性から保持時間を
正確に設定するため、過去に発生した熱変位量データを
過不足なく記憶しておき、その熱変位量データを用いて
熱変位量を正確に算出することができる。その結果、熱
変位量算出処理の処理負荷が無駄に増大するのを防止で
き、熱変位量データを記憶するメモリを不必要に大きな
ることもない。また、過去に発生した熱変位量データが
不足することもないので、熱変位量算出の精度が低下す
ることもない。尚、前記ある機種の工作機械について前
記のようにして一旦保持時間を求めたとしても、その機
種の設計変更等が行われて熱的条件が変動した場合に
は、再度熱変位測定データを得て、その熱変位測定デー
タから熱変位量増減特性や保持時間を求めることが望ま
しい。

【００５０】次に、前記実施形態を部分的に変更する変
更形態について説明する。１〕図８に示すように、マイ
コン部４は前述の構成に加えてインタフェース（Ｉ／
Ｆ）１５を備えており、このインタフェース１５を介し
てパソコン２０に接続されている。パソコン２０は、制
御プログラムを格納しているＲＯＭや入出力ポート等を
内蔵したワンチップ型のＣＰＵ２１、時計２２、ＲＡＭ
２、マイコン部４と接続されるインタフェース（Ｉ／
Ｆ）２４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、このパソコン２０にはキーボード２４とＣ
ＲＴ２６が接続されている。

【００５１】この制御系では、加工プログラムに基づい
てマイコン部４が工作機械１を制御しており、マイコン
部４からパソコン２０へは主軸の移動距離等、総熱変位
量の算出に必要なデータが送信される。パソコン２０
は、後述する熱変位量算出を行い、算出した熱変位量を
マイコン部４へ送信する。マイコン部４は、送信された
熱変位量に基づき、熱変位量による誤差が解消するよう
にＺ軸制御系を制御する制御量を補正しつつ、加工プロ
グラムを実行する。

【００５２】ここで、ＣＰＵ２１は、工作機械１の電源
の状態を監視しており、その電源がONされると、図９の
処理を所定微小時間おきに繰り返し実行する。この図９
のフローチャートにおけるＳ１〜Ｓ２、Ｓ４〜Ｓ７のス
テップは図７のルーチンと同様である。Ｓ３Ａでは、マ
イコン部４において算出された移動距離のデータが読み
込まれ、そのデータを用いてＳ４以降の処理が実行され
る。また、Ｓ８Ａでは、総熱変位量のデータをマイコン
部４へ出力する。すると、マイコン部４では、図７のＳ
８、Ｓ９と同様の処理を実行する。

【００５３】この実施形態では、前記実施形態と同様の
作用、効果が得られる。尚、本実施形態でも、ＣＰＵ２
１は熱変位量のデータをＲＡＭ２３のメモリに記憶する
が、この記憶内容は必ずしもバックアップしなくともよ
い。これは、工作機械１の電源をOFF にしても、パソコ
ン２０の電源をONに保持すれば、記憶内容が消失しない
からである。また、本実施形態では、インタフェース２
４を介して複数の工作機械に接続しておけば、１台のパ
ソコン２０により複数の工作機械に対する熱変位量の算
出を行うことができる。但し、最大熱変位量特性、熱変
位量増減特性、保持時間については、機種別に固有のも
のを適用するものとする。

【００５４】２〕最大熱変位量の特性を示すマップは、
図２のものに限定される訳ではなく、図１０に示すよう
な３つ以上の傾きを有する折れ線状の特性になることも
あるし、また、図１１に示すような非線型の特性のマッ
プになることもある。３〕前記実施形態における図７の
Ｓ８においては、総熱変位量に基づいてＺ軸制御系の制
御量を必ず補正するものとしたが、総熱変位量が所定値
以上の場合だけ、総熱変位量でもってＺ軸制御系の制御
量を補正するように構成してもよい。このことは、変更
形態１〕の場合も同様である。

【００５５】４〕前記実施形態では、所定時間毎（サン
プリングタイム毎）に熱変位量を算出しているが、工作
機械１の所定駆動量毎に熱変位量を算出してもよい。こ
の場合、図１２のフローチャートに示すような処理を実
行すればよい。工作機械１の電源の投入とともに制御が
開始されると、Ｓ２１が図７のＳ１と同様に実行され、
次に工作機械１の駆動状態を検出し、それに基づいて主
軸が単位移動量移動したか否か判定される（Ｓ２２）。

【００５６】その判定がYes の場合は、前回の演算処理
から今回の演算処理までの経過時間が算出され（Ｓ２
３）、前記単位移動量と前記経過時間とに基づいて算出
した移動速度を図２の最大熱変位量の特性に適用して最
大熱変位量が算出され（Ｓ２４）、その後Ｓ２５〜Ｓ２
９が、前記図７のＳ５〜Ｓ９と同様に実行される。一
方、Ｓ２２の判定が No の場合は、Ｓ３０においてサン
プリングタイムか否か判定し、その判定が No のときは
Ｓ２２へ戻り、サンプリングタイムになった場合にはＳ
３１において熱変位量を０と見做し、Ｓ３１からＳ２６
へ移行する。

【００５７】５〕前記実施例では、図２のマップにおけ
る横軸は、Ｚ軸制御系により主軸を移動駆動した場合の
移動速度をパラメータとしているが、主軸モータの回転
量をパラメータとして図２の最大熱変位量の特性を設定
してもよい。或いは、前述のように算出した総熱変位量
に、主軸の回転量を用いて算出した熱変位量を加算し
て、工作機械全体としてのＺ軸方向の総熱変位量を算出
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。

【００５８】

【発明の効果】 請求項１の工作機械の熱変位補正方法
によれば、第１ステップにおいて工作機械を作動させて
測定した熱変位量測定データから、増減特性、駆動手段
に固有の保持時間、最大熱変位量特性を設定するため、
各機種の工作機械に適した精度の高い増減特性、保持時
間、最大熱変位量特性を設定して記憶することができ
る。工作機械の作動中には、駆動手段の実際の駆動状態
と、前記増減特性と保持時間と最大熱変位量特性とを用
いて、駆動手段の実際の駆動状態に応じた駆動手段の今
回サンプリング時点の総熱変位量を精度よく算出し、補
正することができる。

【００５９】この場合、過去に生じた駆動手段の熱変位
量のうち保持時間経過前の熱変位量を求め、その熱変位
量を新たに求めた熱変位量に加算して回時点の熱変位量
を求めることになるが、保持時間として第１ステップに
おいて設定した正確な保持時間を使用するから、熱変位
量算出の為に多くの無駄なメモリを使用する必要もない
し、無駄な演算処理をすることもなくなり、また、熱変
位量の算出に必要なデータを消去してしまうこともな
い。

【００６０】しかも、過去に生じた駆動手段の熱変位量
のうち保持時間経過前の複数の熱変位量を求め、それら
複数の熱変位量を新たに求めた熱変位量に加算して今回
サンプリング時点の総熱変位量を求めるため、過去の複
数の熱変位量を加味して今回サンプリング時点の総熱変
位量を正確に求め、その総熱変位量に基づいて駆動手段
の制御量を正確に補正することができる。

【００６１】請求項２の工作機械の熱変位補正装置によ
れば、熱変位量測定データに基づいて予め設定した増減
特性と駆動手段固有の保持時間と最大熱変位量特性とを
記憶する記憶手段と、駆動手段の実際の駆動状態と、前
記増減特性と保持時間と最大熱変位量特性とを用いて駆
動手段の熱変位量を算出する熱変位算出手段と、算出さ
れた熱変位量に基づいて駆動手段の制御量を補正する補
正手段とを設けたため、各工作機械に適した精度の高い
増減特性、保持時間、最大熱変位量特性を設定して記憶
することができる。工作機械の作動中には、駆動手段の
実際の駆動状態と、前記増減特性と保持時間と最大熱変
位量特性とを用いて、駆動手段の実際の駆動状態に応じ
た駆動手段の今回時点の熱変位量を精度よく算出し、補
正することができる。

【００６２】

【００６３】しかも、前記熱変位算出手段が、駆動手段
の実際の駆動状態と最大熱変位量特性とから最大熱変位
量を求める共に、その最大熱変位量と増減特性と前回サ
ンプリング時点から今回サンプリング時点までの駆動時
間とから駆動手段の熱変位量を求めて記憶する第１算出
手段と、前記増減特性に基づいて、過去に発生した駆動
手段の熱変位量のうち前記保持時間経過前の複数の熱変
位量を求め、これら複数の熱変位量を第１算出手段が新
たに求めた熱変位量に加算して前記総熱変位量を求める
第２算出手段とを有するため、過去の複数の熱変位量を
加味して今回サンプリング時点の総熱変位量を正確に求
め、その総熱変位量に基づいて駆動手段の制御量を正確
に補正することができる。このように、保持時間として
熱変位量測定データに基づいて設定した正確な保持時間
を使用するから、熱変位量算出の為に多くの無駄なメモ
リを使用する必要もないし、無駄な演算処理をすること
もなくなり、また、熱変位量の算出に必要なデータを消
去してしまうこともない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る工作機械の制御系のブ
ロック図である。

【図２】最大熱変位量の特性を示す線図である。

【図３】熱変位量の増減特性の一例を示す線図である。

【図４】熱変位量の増減特性の一例を示す線図である。

【図５】熱変位量の増減特性の線図である。

【図６】（ａ）は時刻０〜１ａ間に発生した熱変位量の
挙動を示す線図であり、（ｂ）は時刻１ａ〜２ａ間に発
生した熱変位量の挙動を示す線図であり、（ｃ）は時刻
０移行に発生した熱変位量の加算を説明する説明用線図
である。

【図７】熱変位量算出補正制御のフローチャートであ
る。

【図８】変更形態に係る制御系のブロック図である。

【図９】図８の制御系の為の熱変位量算出補正制御のフ
ローチャートである。

【図１０】変更形態に係る図２相当図である。

【図１１】変更形態に係る図２相当図である。

【図１２】変更形態に係る熱変位量算出補正制御のフロ
ーチャートである。

【図１３】従来例及び実施形態における工作機械の斜視
図である。

【図１４】図１３の工作機械の主軸制御系とＺ軸制御系
等の側面図である。

【符号の説明】

１ 工作機械 ２ 主軸制御系 ３ Ｚ軸制御系 ４ マイコン部 ９ ＣＰＵ １０ Ｚ軸モータ １１ Ｚ軸サーボアンプ １２ 軸制御回路 ２０ 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 (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物に加工を施す為の加工手段と、
   この加工手段と被加工物との相対位置を変化させる為の
   駆動手段とを有する工作機械における、駆動手段の熱変
   位を補正する方法において、 工作機械を作動させて測定した熱変位測定データから、
   駆動手段の熱変位量の増減特性と、駆動手段の熱変位量
   の影響が実質的に残存する前記駆動手段固有の保持時間
   と、駆動手段の駆動状態に応じた最大熱変位量の特性と
   を予め求めて記憶手段に記憶させる第１ステップと、 工作機械の所定駆動量毎または所定時間毎のサンプリン
   グ時に、駆動手段の実際の駆動状態と、増減特性と、保
   持時間と、最大熱変位量特性とを用いて駆動手段の総熱
   変位量を求める第２ステップであって、 前記駆動手段の今回サンプリング時点における実際の駆
   動状態と最大熱変位量特性とから最大熱変位量を求める
   と共に、その最大熱変位量と増減特性と前回サンプリン
   グ時点から今回サンプリング時点までの駆動時間とから
   駆動手段の熱変位量を求めて記憶する第１演算ステップ
   と、 前記増減特性に基づいて、過去に発生した駆動手段の熱
   変位量のうち前記保持時間経過前の複数の熱変位量を求
   め、これら複数の熱変位量を第１演算ステップで新たに
   求めた熱変位量に加算して前記総熱変位量を求める第２
   演算ステップとを有する第２ステップと、 前記 第２ステップで求めた駆動手段の総熱変位量に基づ
   いて駆動手段の制御量を補正する第３ステップと、 を備えた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】 被加工物に加工を施す為の加工手段と、
   この加工手段と被加工物との相対位置を変化させる為の
   駆動手段とを有する工作機械における、駆動手段の熱変
   位を補正する装置において、 工作機械を作動させて測定した熱変位測定データに基づ
   いて予め設定した、駆動手段の熱変位量の増減特性と、
   駆動手段の熱変位量の影響が実質的に残存する前記駆動
   手段固有の保持時間と、駆動手段の駆動状態に応じた最
   大熱変位量の特性とを記憶した記憶手段と、 工作機械の所定駆動量毎または所定時間毎のサンプリン
   グ時に、駆動手段の実際の駆動状態と、増減特性と、保
   持時間と、最大熱変位量特性とを用いて駆動手段の総熱
   変位量を求める熱変位算出手段であって、 前記駆動手段の今回サンプリング時点における実際の駆
   動状態と最大熱変位量特性とから最大熱変位量を求める
   と共に、その最大熱変位量と増減特性と前回サンプリン
   グ時点から今回サンプリング時点までの駆動時間とから
   駆動手段の熱変位量を求めて記憶する第１演算手段と、 前記増減特性に基づいて、過去に発生した駆動手段の熱
   変位量のうち前記保持時間経過前の複数の熱変位量を求
   め、これら複数の熱変位量を第１算出手段が新たに求め
   た熱変位量に加算して総熱変位量を求める第２算出手段
   とを有する熱変位算出手段と、 前記熱変位算出手段で求めた駆動手段の総熱変位量に基
   づいて駆動手段の制御量を補正する補正手段と、 を備えたことを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。