JP3407972B2

JP3407972B2 - 工作機械の熱変位補正方法

Info

Publication number: JP3407972B2
Application number: JP11021594A
Authority: JP
Inventors: 久夫石井
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 1994-04-27
Filing date: 1994-04-27
Publication date: 2003-05-19
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: JPH07299701A; US5619414A

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の駆動系の熱
変位の補正する方法に関する。【０００２】【従来の技術】工作機械の駆動系においては、例えば、
駆動源となるモータ、該駆動源からの駆動力によって動
かされる駆動軸、該駆動軸により移動されるテーブル等
を具備しており、該駆動系によって動かされるテーブル
上にワークを配置することによって、ワークの移動や位
置決めを行っている。このような工作機械の駆動系にお
いては、モータ等の駆動源が発熱したり、駆動軸とテー
ブルとの間に設けられたボールねじ等の機械系の駆動機
構が摩擦等によって発熱すると、駆動軸等の駆動系は温
度変化を起こし、熱膨張による熱変位が生じる。この駆
動系における熱変位は、テーブルの位置決めにおいて位
置ずれを起こすことになる。このテーブルの位置決め誤
差は、ワークの位置決め精度に影響を与えてワークの工
作精度を低下させる原因となる。従来、この熱変形によ
る位置決め誤差を補正するには、（１）駆動系の機構部の各部分に温度センサを設置し、
該温度センサから得られた温度を基にして熱変位量を演
算し、この熱変位量を用いて工作機械の駆動系の熱変位
誤差の補正を行う方法。（２）加工後のワークの出来上がり寸法を測長器を用い
て測定し、その測定値から工作機械の熱変位量を間接的
に求め、該熱変位量を用いて工作機械の駆動系の熱変位
誤差の補正を行う方法。（３）加工前後の工作機械の軸位置を位置センサや測長
器を用いて測定し、その測定値から工作機械の熱変位量
を求め、該熱変位量を用いて工作機械の駆動系の熱変位
誤差の補正を行う方法。等の方法が知られている。【０００３】図１６は、従来の工作機械の駆動系の熱変
位誤差の補正を行う方法を説明する図であり、工作機械
に使用される駆動系の一実施例の概略を示している。図
において、駆動系は、駆動源となるモータ３、該モータ
３と継手４を介して接続されモータ３の駆動力によって
動かされる駆動軸１、該駆動軸１と協動して移動するナ
ット２、該ナット２に取り付けられワーク９を支持する
テーブル８等を具備しており、さらに、前記駆動軸１は
固定軸受５，支持軸受６によってベース７に取り付けら
れている。そして、この工作機械に使用される駆動系に
は、熱変位量を求める手段として、例えば、駆動軸１や
ナット２に温度センサ１０，１１を取り付け、この温度
センサによって測定した温度によって熱変位誤差を求め
るもの、あるいは、工作機械と別個に位置センサ１２を
設け、該位置センサの位置データによって駆動軸１の熱
変位誤差を求めている。【０００４】【発明が解決しようとする課題】従来の熱変位の補正方
法では、前記したいずれの方法においても、温度センサ
や測長器等の検出器が必要であるという問題点がある。
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決して、検
出器を用いることなく工作機械の駆動系の熱変位誤差を
補正する方法を提供することを目的とする。【０００５】【課題を解決するための手段】本発明は、工作機械の駆
動系の熱変位誤差を補正する方法において、駆動系を含
む熱分布モデルを形成し、その熱分布モデルに供給され
る発熱量を推定し、さらに、その推定発熱量が供給され
た熱分布モデルにおいて、隣接領域間における熱量の交
換により熱量の時間変化を求めることにより分布モデル
の温度分布状態を推定し、その温度分布状態により駆動
系の熱変位量を求め、その熱変位量により熱変位補正の
補正値を求めることにより、前記目的を達成するもので
ある。【０００６】【０００７】【作用】本発明によれば、工作機械の駆動系の熱変位誤
差を補正する方法において、前記した方法により、工作
機械の駆動系において別個に検出器等を設置することな
く求めることができる駆動量を基にして、工作機械の駆
動系構成部分の温度分布状態，及び熱変位量の推定によ
って求めることができ、その熱変位量を熱変位補正の補
正値とすることにより、温度センサや位置センサ等の検
出器を用いることなく工作機械の駆動系の熱変位誤差を
補正することできる。図１は本発明の工作機械の熱変位
誤差の補正方法を説明する流れ図である。【０００８】本発明の補正方法は、工作機械の駆動系の
熱変位誤差を検出器を用いることなく求めるために、熱
変位誤差の要因となる熱分布モデルにおける温度分布状
態の推定を行う。この温度分布状態の推定は、熱分布モ
デルにおける熱量の時間的変化により行う。そして、こ
の熱分布モデルに供給される発熱量は、駆動系の駆動量
に基づく推定により求めることができる。この駆動系の
駆動量による発熱量の推定において、発熱源としては、
例えば、駆動系の駆動源や駆動量系における駆動機構部
があり、また、駆動量は、工作機械の駆動系において別
個に設置を要する検出器等を用いることなく求めること
ができる量である。例えば、駆動系の駆動源において
は、駆動量として駆動速度及び駆動トルクを用いること
ができ、この駆動量を基にして駆動源からの発熱量を推
定することができ、また、駆動量系における駆動機構部
においては、駆動量として該部分における相対速度に関
連する量とすることができ、その関連量として、例え
ば、駆動源の駆動速度を用いることができ、この駆動量
を基にして駆動機構からの発熱量を推定することができ
る。【０００９】そこで、図１の流れ図において、本発明の
工作機械の熱変位誤差の補正方法では、はじめに、熱変
位誤差補正を行う工作機械の駆動系を含む構成部分によ
って熱分布モデルを形成する（ステップＳ１）。この熱
分布モデルの形成においては、対象とする工作機械の構
成部分を選択して構成することができる。次に、駆動系
の駆動量に基づいて発熱量を推定し、該推定発熱量を熱
分布モデルに供給する（ステップＳ２）。この発熱量の
推定においては、例えば、駆動系の駆動量と発熱量との
関係をあらかじめ関係式あるいはデータテーブルの形式
で求めておくことにより行うことができる。次に、熱量
の時間的変化から熱分布モデルの温度分布状態を推定す
る（ステップＳ３）。この熱分布モデルにおける熱量の
時間変化の推定は、工作機械の軸方向に沿って区分した
熱分布モデルの有限個の区間の隣接領域間での熱量の交
換により求めることができ、熱量の供給及び放出の差引
きによる熱量の蓄積の結果生じる熱量変化により求める
ことができる。熱量の供給は、例えば、熱源からの熱の
供給や隣接領域からの熱の伝達により行われ、また熱量
の放出は、例えば、隣接領域への熱の伝達や外気への熱
の放出により行われる。この熱量の交換においては、例
えば、隣接領域間における熱量の伝達係数を関係式ある
いはデータテーブルの形式で求めておくことにより行う
ことができる。次に、熱分布モデルの温度分布状態から
駆動系の熱変位量を推定する（ステップＳ４）。この熱
変位量の推定は、駆動系を構成する部分の温度変化と該
温度変化に対応する変位量との関係に基づいて行うこと
ができる。次に、推定した熱変位量から熱変位補正の補
正量を求める（ステップＳ５）。この補正量は、推定し
た熱変位量の値をそのまま使用することができる。【００１０】【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明する。本発明の工作機械の熱変位補正方法は、
前記図１の流れず図に示した手順に応じて行われるもの
であり、はじめに、工作機械の駆動系を含む構成部分を
基に熱分布モデルを形成し（ステップＳ１）、駆動系の
駆動量に基づいて発熱量を推定し（ステップＳ２）、該
推定発熱量を熱分布モデルに供給する。次に、前記発熱
量の供給を受けた熱変位モデルにおいて、熱量の移動，
蓄積による時間的変化を推定し温度分布状態を推定する
（ステップＳ３）。さらに、熱分布モデルにおいて推定
した温度分布状態から駆動系の熱変位量を推定する（ス
テップＳ４）。そして、推定した熱変位量から熱変位補
正の補正量を求める（ステップＳ５）ものである。次
に、前記１に示した本発明の工作機械の熱変位補正方法
の手順を、実施例に従って詳細に説明する。図２は、本
発明の工作機械の熱変位補正方法の実施例を説明する流
れ図である。なお、図２においては、ステップＳ１１〜
ステップＳ１９の符号に従って説明する。【００１１】ステップＳ１１：はじめに、工作機械の熱
変位補正を行う対象モデルを設定し、その対象モデルを
有限個数の区間に分割する。この区間の分割によって、
熱分布モデルの領域が形成されることになる。例えば、
前記図１６に示した工作機械の駆動系に本発明の工作機
械の熱変位補正方法を適用する場合、図４の（ａ）に示
す対象モデルを設定する。この対象モデルによる熱分布
モデルは、駆動軸１を区間１〜区間ｎのｎ個の有限個数
の区間に分割し、発熱源となるモータ３を熱源ｊ−１と
し、別の発熱源となる駆動機構部（駆動軸１とナット
２）を熱源ｊとする。なお、駆動軸１における区間の分
割は、例えば、区間内における熱分布変化が小さく、充
分に同一と見ることができる程度の小区間に分割した
り、また、分割の区割り形状を調整することにより行う
ことができる。図１６に対応して熱分布モデルを形成す
ると、例えば、図４の（ａ）となる。同図において、ワ
ーク９は熱源ｊの位置に対応しており、モータ３は熱源
ｊ−１に対応している。そして、この位置の熱変位は、
例えば、熱源ｊ−１の位置を基準位置とすることができ
る。なお、基準位置は任意に設定することもできる。【００１２】基準位置をモータ３の熱源ｊ−１の位置と
する場合には、図４の（ａ）の矢印で示すｘ座標により
各区間の位置を設定でき、この座標により熱変位を求め
ることができる。なお、この各区間のｘ座標の位置は、
ｘ₁，ｘ₂，・・・，ｘ_i-1，ｘ_i，ｘ_i+1，・・・ｘ
_n-1，ｘ_nにより表される。以下、各区間における説明
は区間ｉを例として説明する。【００１３】ステップＳ１２：次に、前記ステップＳ１
１の工程で設定した熱分布モデルの各区間ｉにおいて、
初期温度Ｔ_i0を設定する。この初期温度Ｔ_i0は、各区間
ごとに個別に設定することができるが、工作機械が外気
温度Ｔ_airと一致していると扱うことができる場合に
は、全ての区間について初期温度Ｔ_i0を外気温度Ｔ_air
に設定することができる。また、工作機械の駆動等によ
る発熱によって各区間の間に温度差が生じている場合、
各区間に初期温度をそれぞれ設定することができる。こ
の初期温度は、メモリ中に記憶しておく。図１５は、本
発明の工作機械の熱変位補正方法の実施例に使用するメ
モリの一実施例である。この実施例においては、各区間
ｉに初期温度Ｔ_i0が記憶されている。なお、各区間ｉに
対応するメモリ領域には、この初期温度Ｔ_i0の他に後に
説明する現在温度Ｔ，初期位置ｘ₀，現在位置ｘ，変位
量Δｘ_i，変位誤差量ｄ，長さＬ_i，線膨張係数α_i，
熱容量ｑ_i，熱伝達係数ｋ_i等を記憶するための領域が
用意されている。なお、初期温度Ｔ_i0は、各区間ｉの温
度Ｔ_iの推定、及び各区間ｉの変位誤差量ｄ_iの算出に
用いられる。【００１４】ステップＳ１３：次に、熱源ｊの発生する
発熱量Ｑ_jHを推定する。この熱源が、例えばモータ等の
駆動源の場合には、発熱量Ｑ_jHはモータの回転速度ｎと
負荷の関数として表すことができる。負荷はモータに供
給する電流Ｉにより推定すると、発熱量Ｑ_jHはモータの
回転速度ｎと供給電流Ｉによって推定することができ
る。そこで、この発熱量Ｑ_jHに対するモータの回転速度
ｎと供給電流Ｉの関係をあらかじめ求め、関係式あるい
はテーブルとして記憶しておく。そして、該関係式ある
いはテーブルを基にして、モータの通常の使用の際に知
ることができる回転速度ｎと供給電流Ｉに対応した発熱
量Ｑ_jHを推定することができる。また、この熱源ｊが、
例えば駆動系の機構部分における摩擦熱である場合に
は、発熱量Ｑ_jHはこの機構部分における相対速度の関数
として表すことができる。そして、この機構部分におけ
る相対速度は、例えば、駆動系がボールねじによる駆動
軸の場合には、モータの回転速度ｎをパラメータとして
表すことができる。したがって、発熱量Ｑ_jHはモータの
回転速度ｎによって推定することができる。そこで、こ
の発熱量Ｑ_jHに対するモータの回転速度ｎの関係をあら
かじめ求めて、関係式あるいはテーブルとして記憶して
おく。そして、該関係式あるいはテーブルを基にして、
モータの通常の使用の際に知ることができる回転速度ｎ
に対応した発熱量Ｑ_jHを推定することができる。なお、
図４の（ａ）において、熱源ｊ−１は駆動系において固
定し、熱源ｊは駆動系において移動する場合を示してい
る。【００１５】ステップＳ１４：一般に、熱分布モデルに
おける温度分布は熱源の位置の応じて異なり、図４の
（ａ）において熱源ｊは移動熱源であるため、移動熱源
ｊの熱分布モデルにおける区間位置ｊを求める必要があ
る。そこで、次に前記移動熱源ｊの熱分布モデルにおけ
る区間位置ｊを求める。図５はこの熱源ｊの熱分布モデ
ルにおける区間位置ｊを求めるフローチャートを示し、
図１０はそのブロック構成図を示している。以下、該ブ
ロック図、及びフローチャートを用いてステップＳ１４
１〜ステップＳ１４７の符号に従って説明する。ステップＳ１４１：はじめに、熱源ｊは初期状態におい
て初期位置ｘ_j0Hにあるものとする。この初期位置の設
定は、移動中における熱源ｊの位置を求めるためであ
り、前記図１５に示すようなメモリ中に記憶しておくこ
とができる。ステップＳ１４２：次に、駆動源であるモータの回転速
度ｎを求める。このモータの回転数ｎは、モータに対す
る入力値等により推定することができるため、回転数ｎ
を測定するための検出器の設置の必要はない。ステップＳ１４３：駆動系において、モータの１回転当
たりの熱源ｊの移動量ｐをあらかじめメモリ等に設定し
ておき、その値を読み出す。例えば、駆動系がボールね
じの場合には、モータが１回転する間のボールねじのｘ
軸方向の移動量であるピッチを用いることができる。こ
の移動量ｐは既知であるため、メモリにあらかじめ記憶
しておき、この工程において読み出すことにより得るこ
とができる。【００１６】ステップＳ１４４：次に、単位時間Δｔ当
たりの移動量Δｘを求める。この移動量Δｘは、前記ボ
ールねじの場合にはΔｘ＝ｎ・ｐ・Δｔの演算式によっ
て求めることができ、この演算はＣＰＵにおいて行うこ
とができる。ステップＳ１４５：次に、熱源ｊの基準位置からの現在
位置までの距離を求め、熱源ｊの現在位置ｘ_jHを求め
る。この熱源ｊの現在位置ｘ_jHは、移動開始時点から単
位時間後の一回目の推定では熱源ｊの初期位置ｘ_j0Hに
単位時間Δｔ当たりの移動量Δｘを加算することによ
り、ｘ_jH←ｘ_j0H＋Δｘの演算により求めることがで
き、その後の推定では熱源ｊの前回の位置ｘ_jHに単位時
間Δｔ当たりの移動量Δｘを加算することにより、ｘ_jH
←ｘ_jH＋Δｘの演算により求めることができる。ステップＳ１４６：前記ステップＳ１４５で求めた熱源
ｊの現在位置ｘ_jHを図１５のメモリの熱源ｊの現在位置
ｘ_jH内に記憶する。この現在位置ｘ_jHの記憶によって、
メモリにおいて現在位置ｘ_jHは更新されることになる。ステップＳ１４７：前記ステップＳ１４６で求めた熱源
ｊの現在位置ｘ_jHは、図４の（ａ）におけるＸ軸上の位
置座標であるため、その座標値から熱源ｊの熱分布モデ
ルにおける区間上での位置に変換して、区間ｊを求め
る。この求めた熱源ｊの存在する区間ｊを図１５に示す
メモリ中に格納する。なお、このとき駆動系は熱膨張に
より各区間ｉの位置は変位しているため、後述する区間
の変位の推定により求めた現在位置ｘをメモリから読み
出して補正した座標により区間ｊを求める。そして、前記ステップＳ１４２〜ステップＳ１４７を繰
り返すことにより、移動中の熱源ｊの位置を読み出し、
その位置に対応する区間ｊを求めることができる。【００１７】ステップＳ１５：前記ステップＳ１４１か
らステップＳ１４７からなる工程により熱源ｊの位置を
推定した後、次に熱分布モデルにおいて各区間ｉの温度
Ｔ_iを推定する。この推定においては、はじめに各区間
ｉにおける熱量変化ΔＱを求め、その熱量変化ΔＱによ
って生じる温度変化ΔＴ_iを求め、さらにその温度変化
ΔＴ_iを用いて現在温度Ｔ_iを求めるものである。図３
は、各区間ｉにおける熱量Ｑの移動を示した模式図であ
る。図３の（ａ）は注目する区間ｉの位置に熱源ｊがな
い場合を示し、図３の（ｂ）は注目する区間ｉの位置に
熱源ｊがある場合を示している。図３の（ａ）におい
て、区間ｉ（図中では斜線部分）の一方は区間（ｉ−
１）と区間（ｉ＋１）に隣接するとともに、外気と接し
ている。この場合、区間ｉと隣接区間との間、及び外気
との間で交換される熱量Ｑ_iは、区間ｉからみると次式
（１）により表される。Ｑ_i＝Ｑ_NL＋Ｑ_NR−Ｑ_air …（１）なお、熱量Ｑ_NLは区間（ｉ−１）との間で交換される熱
量であり、熱量Ｑ_NRは区間（ｉ＋１）との間で交換され
る熱量であり、また、熱量Ｑ_airは区間ｉと外気との間
で交換される熱量である。【００１８】ここで、熱量Ｑ_NLは区間ｉと区間（ｉ−
１）との間の温度差により求めることができ、式（２）
により表される。Ｑ_NL＝ｋ_i・（Ｔ_i-1−Ｔ_i） …（２）なお、式中のｋ_iは熱伝達係数であり、駆動系を構成す
る材料の特性値であり、メモリに格納しておき、必要に
応じて読み出すことができる。また、熱量Ｑ_NRは区間ｉ
と区間（ｉ＋１）との間の温度差により求めることがで
き、式（３）により表される。Ｑ_NR＝ｋ_i・（Ｔ_i+1−Ｔ_i） …（３）さらに、熱量Ｑ_airは区間ｉと外気Ｔ_airとの間の温度
差により求めることができ、式（４）により表される。Ｑ_air＝ｆ（Ｔ_air−Ｔ_i） …（４）なお、ｆは外気への放熱状態を表す関数であり、あらか
じめ実験等により関数あるいはテーブルの形で求めてお
き、メモリ等に格納しておくものである。前記式（２）
〜（４）で表される熱量Ｑ_NL，Ｑ_NR，及びＱ_airの符号
は、区間ｉに対する熱量の移動方向を示しており、プラ
スは区間ｉに供給される場合を示し、マイナスは区間ｉ
から放出される場合を示している。また、図３の（ｂ）
の熱源ｊがある場合には、前記した熱量Ｑ_NL，Ｑ_NR，及
びＱ_airの他に、熱源ｊから供給される熱量Ｑ_iHがあ
り、区間ｉからみた交換熱量Ｑ_iは次式（５）により表
される。Ｑ_i＝Ｑ_iH＋Ｑ_NL＋Ｑ_NR−Ｑ_air …（５）したがって、熱量変化ΔＱは上式（１），（５）により
表される。【００１９】区間ｉにおける温度変化ΔＴ_iは、前記熱
量Ｑ_iを各区間ｉの熱容量ｑ_iで除することによって求
めることができる。 ΔＴ_i＝Ｑ_i／ｑ_i …（６）この各区間ｉの熱容量ｑ_iはその材料の熱容量係数や大
きさにより定まるものであり、あらかじめメモリ中に格
納しておく。そして、区間ｉにおける現在温度Ｔｉは、
前記式（６）で求めた温度変化ΔＴ_iを現在温度Ｔｉに
加算することにより求めることができる。Ｔｉ←Ｔｉ＋ΔＴ_i ＝Ｔｉ＋｛ｇ・Ｑ_iH＋ｋ_i・（Ｔ_i-1−Ｔ_i）＋ｋ_i・（Ｔ_i+1−Ｔ_i）ｆ（Ｔ_air−Ｔ_i）｝／ｑ_i ＝Ｔｉ＋｛ｇ・Ｑ_iH＋ｋ_i・（Ｔ_i-1＋Ｔ_i+1−２Ｔ_i）｝／ｑ_i …（７）なお、式中のｇは、該区間における熱源ｊから供給され
る熱量Ｑ_iHがある場合には１、ない場合には０の値をと
る関数であり、図１５に示すメモリに格納されている熱
源ｊの区間位置を読み出すことにより求めることができ
る。例えば、メモリ中の熱源ｊの存在する区間が演算中
の区間ｉと一致する場合には、関数ｑ_iは１の値をと
り、不一致の場合には０の値をとる。また、端部の区間
１あるいは区間ｎにおいては、前記式中のＴ_i-1，Ｔ
_i+1は０とする。【００２０】図６はこの各区間ｉの温度Ｔ_iを推定する
ためのフローチャートを示し、図１１はそのブロック構
成図を示している。以下、該ブロック図、及びフローチ
ャートを用いてステップＳ１５１〜ステップＳ１５７の
符号に従って説明する。ステップＳ１５１：はじめに、メモリから各区間ｉの現
在温度Ｔ_iをＣＰＵ等の作業領域に読み出す。ステップＳ１５２：次に、各区間ｉにおける熱源ｊから
の発熱量Ｑ_jHを求める。この発熱量Ｑ_iHは前記ステップ
Ｓ１３において推定し、メモリに格納しておいた値を読
み出すことにより行うことができる。また、熱源ｊの区
間における位置は、前記ステップＳ１４で推定し、メモ
リに格納しておいた値を読み出すことにより行うことが
できる。ステップＳ１５３：次に、各区間ｉにおける隣接区間
（ｉ−１），（ｉ＋１）との間，及び外気との間で生じ
る熱量Ｑ_iを前式（２）〜（４）で示した熱量Ｑ_NL，Ｑ
_NR，Ｑ_air、及びそれらの関係式（１）により求める。
これらの熱量Ｑ_NL，Ｑ_NR，Ｑ_airの算出においては、メ
モリから現在温度Ｔ、熱伝達係数ｋ、外気への放熱状態
を表す関数ｆを読み出すことにより行われる。【００２１】ステップＳ１５４：次に、各区間ｉにおけ
る熱量の変化ΔＱを求める。このΔＱの算出は、前記式
（５）に前記ステップＳ１５２，１５３で推定した熱量
Ｑ_NL，Ｑ_NR，Ｑ_air，Ｑ_iHを代入することにより求める
ことができる。ステップＳ１５５：次に、各区間ｉにおいて熱量の変化
ΔＱと熱容量ｑ_iから温度変化ΔＴ_iを求める。この温
度変化ΔＴ_iは、前記したように式（６）に従って、熱
量Ｑ_iを各区間ｉの熱容量ｑ_iで除することによって求
めることができる。この演算においては、メモリに格納
しておいた各区間ｉの熱容量ｑ_iを読み出すことによっ
て行うことができる。ステップＳ１５６：次に、現在温度Ｔ_iと温度変化ΔＴ
_iから現在温度Ｔ_iを前記式（７）を用いて更新する。
この演算においては、メモリに格納しておいた現在温度
Ｔ_i及び熱源ｊの区間における位置を読み出すことによ
って実行する。なお、関数ｇの値は、読み出した熱源ｊ
の区間が更新中の区間である場合には１となり、更新中
の区間でない場合には０となる。ステップＳ１５７：前記ステップＳ１５６で更新した現
在温度Ｔ_iをメモリに格納し、前回の現在温度Ｔ_iとの
データの入替えを行う。この処理により、メモリ中には
常に更新された現在温度Ｔ_iと初期温度Ｔ₀が格納され
ることになる。【００２２】なお、熱源ｊとの直接の接触がない区間に
おいて、初期温度が外気温と等しい場合には、熱源ｊか
らの熱の移動が順次行われて温度変化が生じるまでの間
は、初期温度のままで表面上では現在温度Ｔ_iの更新は
ない。【００２３】ステップＳ１６：次に、前記ステップＳ１
５の工程により推定された熱分布モデルの温度分布を用
いて、各区間ｉの変位量Δｘ_iを推定する。この変位量
Δｘ_iを推定においては、各区間ｉにおいて現在温度Ｔ
_iと初期温度Ｔ₀とから温度変化を求め、その温度変化
による熱膨張を各区間ｉの長さＬ_iと線膨張係数α_iに
より演算して求めるものである。図４の（ｂ）は初期状
態であるｔ＝０における区間ｉの位置を斜線で示し、図
４の（ｃ）はｔ＝ｔ_mの時刻における区間ｉの位置を斜
線で示している。そして、図４の（ｃ）において、区間
ｉごとにそれぞれ変位量Δｘ_iが生じており、この各区
間ｉの変位量Δｘ_iは式（８）により表される。 Δｘ_i＝Ｌ_i・｛１＋α_i・（Ｔ_i−Ｔ₀）｝ …（８）図７はこの各区間ｉの変位量Δｘ_iを推定するためのフ
ローチャートを示し、図１２はそのブロック構成図を示
している。以下、該ブロック図、及びフローチャートを
用いてステップＳ１６１〜ステップＳ１６５の符号に従
って説明する。【００２４】ステップＳ１６１：はじめに、メモリから
各区間ｉの長さＬ_i，線膨張率α_iをＣＰＵ等の処理領
域に読み出す。【００２５】ステップＳ１６２：次に、前記ステップＳ
１５で更新しメモリに格納しておいた現在温度Ｔ_iを、
ＣＰＵの処理領域に読み出す。ステップＳ１６３：さらに、メモリに格納しておいた初
期温度Ｔ₀をＣＰＵの処理領域に読み出す。これによっ
て、処理領域には、前記式（８）の各区間ｉの変位量Δ
ｘ_iの演算に要する各区間ｉの長さＬ_i，線膨張率
α_i，現在温度Ｔ_i，初期温度Ｔ_i0の値が読み出しが行
われることになる。ステップＳ１６４，１６５：前記式（８）の演算によっ
て変位量Δｘ_iを求めめ、その値をメモリに格納する。
この変位量Δｘ_iは、演算ごとに更新されることにな
る。ステップＳ１７：次に、前記ステップＳ１６の工程によ
り推定された変位量Δｘ_iを用いて、各区間ｉの基準位
置からの位置ｘ_iを求める。基準位置は熱変位によって
もその座標位置の変化がない固定点であり、各区間ｉの
位置ｘ_iはこの固定点からの距離として求めることがで
きる。そして、この区間ｉの位置ｘ_iは、各区間ｘ_iの
長さと前記ステップＳ１６で求めた変位量Δｘ_iの累積
により求めるものであり、位置ｘ_iと以下の式（９）に
よって表すことができる。ｘ_i＝Δｘ_i＋^i-1 _i=1Σｘ_i …（９）図８はこの各区間ｉの基準位置からの位置ｘ_iを求める
ためのフローチャートを示し、図１３はそのブロック構
成図を示している。以下、該ブロック図、及びフローチ
ャートを用いてステップＳ１７１〜ステップＳ１７４の
符号に従って説明する。ステップＳ１７１，１７２：はじめに、メモリから各区
間ｉの変位量Δｘ_i，及び各区間ｉの基準位置からの位
置ｘ_iをメモリからＣＰＵの処理領域に読み出す。これ
により、式（９）の演算に必要な数値が与えられること
になる。ステップＳ１７３：次に、前記工程で読み出したΔ
ｘ_i，及びｘ_iの値を用いて前記式（９）の演算を行
い、熱変位後の各区間ｉの基準位置からの位置ｘ_iを求
める。この演算は累積演算であるため、基準位置に近い
区間から順にｘ_iを求めることになる。ステップＳ１７４：前記工程で求めた各区間ｉの基準位
置からの位置ｘ_iをメモリに格納し、データの入替えを
行う。【００２６】ステップＳ１８：次に、前記ステップＳ１
７の工程により求めた位置ｘ_iを用いて、各区間ｉの変
位誤差量ｄ_iを求める。図４の（ｂ）及び（ｃ）におい
て、変位誤差量ｄ_iは、初期状態における基準位置から
の区間ｉのｘ座標と、現在の基準位置からの区間ｉのｘ
座標との差であり、この値は基準位置から区間ｉまでに
ある区間のそれぞれの変位量Δｘ_iの累積値である。し
たがって、この各区間ｉの変位誤差量ｄ_iは初期位置か
らの変位であって、基準位置からの位置ｘ_iから初期位
置ｘ_i0を減算することによって求めることができ、以下
の式（１０）によって表すことができる。ｄ_i＝ｘ_i−ｘ_i0 …（１０）図９はこの各区間ｉの変位誤差量ｄ_iを求めるフローチ
ャートを示し、図１４はそのブロック構成図を示してい
る。以下、該ブロック図、及びフローチャートを用いて
ステップＳ１８１〜ステップＳ１８４の符号に従って説
明する。ステップＳ１８１，１８２：はじめに、メモ
リから各区間ｉの基準位置からの初期位置ｘ_i0，及び各
区間ｉの基準位置からの現在位置ｘ_iをメモリからＣＰ
Ｕの処理領域に読み出す。これにより、式（１０）の演
算に必要な数値が与えられることになる。【００２７】ステップＳ１８３：次に、前記工程で読み
出した初期位置ｘ_i0，現在位置ｘ_iの値を用いて前記式
（１０）に演算を行い、各区間ｉの変位誤差量ｄ_iを求
める。ステップＳ１８４：前記工程で求めた各区間ｉの変位誤
差量ｄ_iをメモリに格納し、データの入替えを行う。し
たがって、この工程により熱変位により生じた各区間ｉ
の基準位置からの熱変位誤差ｄ_iを求まることになる。ステップＳ１９：対象モデルの位置補正は、前記ステッ
プまでの工程によって求められた熱変位誤差ｄ_iを補正
することによって行うことができ、例えば、数値制御装
置において、前記熱変位誤差ｄ_iを位置誤差として周知
の手法によって補正することができる。この本発明の工作機械の駆動系の熱変位誤差の補正方法
は、補正のための格別な検出器を必要とせず、駆動系に
おいて検出器を用いることなく通常知ることができるデ
ータを補正に要するデータとすることができる。【００２８】（本発明の実施態様）本発明の駆動系の実
施態様として、直線移動を行う駆動機構、回転運動を駆
動機構、あるいはそれらの組み合わせ機構に適用するこ
とができる。また、本発明の補正において用いる演算の
実施態様としては、演算式あるいは対応するデータテー
ブルによって行うことができ、演算式を用いる場合には
一つの式によって数値の算出が可能となる効果があり、
また、データテーブルを用いる場合には数値の算出速度
が向上するという効果がある。【００２９】【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
検出器を用いることなく工作機械の駆動系の熱変位誤差
を補正する方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】【図１】本発明の工作機械の熱変位誤差の補正方法を説
明する流れ図である。【図２】本発明の工作機械の熱変位補正方法の実施例を
説明する流れ図である。【図３】本発明の各区間ｉにおける熱量Ｑの移動を示し
た模式図である。【図４】本発明の熱分布モデルを説明する図である。【図５】本発明の熱源の熱分布モデルにおける区間位置
を求めるフローチャートである。【図６】本発明の各区間ｉの温度Ｔ_iを推定するフロー
チャートである。【図７】本発明の各区間ｉの変位量Δｘ_iを推定するフ
ローチャートである。【図８】本発明の各区間ｉの基準位置からの位置ｘ_iを
求めるフローチャートである。【図９】本発明の各区間ｉの変位誤差量ｄ_iを求めるフ
ローチャートである。【図１０】本発明の熱源の熱分布モデルにおける区間位
置を求めるブロック構成図である。【図１１】本発明の各区間ｉの温度Ｔ_iを推定するブロ
ック構成図である。【図１２】本発明の各区間ｉの変位量Δｘ_iを推定する
ブロック構成図である。【図１３】本発明の各区間ｉの基準位置からの位置ｘ_i
を推定するブロック構成図である。【図１４】本発明の各区間ｉの変位誤差量ｄ_iを求める
フローチャートである。【図１５】本発明の各区間ｉの変位誤差量ｄ_iを求める
ブロック構成図である。【図１６】従来の工作機械の駆動系の熱変位誤差の補正
を行う方法を説明する図である。【符号の説明】１駆動軸２ナット３モータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】【請求項１】工作機械の駆動系の熱変位誤差を補正す
る方法において、前記駆動系を含む熱分布モデルを形成
し、該熱分布モデルに供給される発熱量を推定し、該推
定発熱量が供給された前記熱分布モデルにおいて、隣接
領域間における熱量の交換により熱量の時間変化を求め
ることにより前記分布モデルの温度分布状態を推定し、
該推定温度分布状態によって駆動系の熱変位量を求め、
該熱変位量により熱変位補正の補正値を求めることを特
徴とする工作機械の熱変位補正方法。