JP3684718B2 - 工作機械の制御装置 - Google Patents
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Description
【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機能を有する工作機械の制御装置に関する。
【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７および図８に示される工作機械１０がある。図７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８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７に示されるテーブル１４をＸ軸および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の稼働に伴って摩擦熱が発生してボールネジ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。そのための制御装置として、工作機械の熱変位を補正するための補正量を算出する補正量算出手段と、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補正量を考慮して駆動手段を制御する駆動制御手段とを備える工作機械の制御装置が提案されている（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、従来の工作機械の制御装置においては、工作機械の稼働中を通して熱変位量を算出して補正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。つまり、制御装置の処理量がその分だけ大きく制御装置の負担も大きかった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためのもので、従来よりも簡単な構成でありながら工作機械に精度のよい加工を実行させることが可能な工作機械の制御装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の工作機械の制御装置は、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る工作機械の制御装置であって、前記工作機械の熱変位を補正するための補正量を算出する補正量算出手段と、予め定められている加工プログラムに従って前記駆動手段を制御するプログラム運転の実行に当たって前記補正量を考慮して前記駆動手段を制御する駆動制御手段とを備える工作機械の制御装置において、
１回の前記プログラム運転の実行に要するサイクルタイムと該１回のプログラム運転を実行したときの前記加工手段の総移動距離とから該加工手段の単位時間移動距離を求め、予め記憶している前記単位時間移動距離と該工作機械の熱変位の最大値としての飽和熱変位量との相関グラフと前記求めた単位時間移動距離とを対比して、前記相関グラフに基づく前記飽和熱変位量を算出する飽和熱変位量演算手段を設けると共に、前記補正量算出手段は、該飽和熱変位量演算手段が算出した飽和熱変位量を用いて前記補正量を演算し、該算出した補正量が前記飽和熱変位量と等しくなれば前記工作機械の稼働中は該演算を行わずに前記飽和熱変位量を前記補正量とする構成としている。
【００１０】
飽和熱変位量演算手段は、まず、１回のプログラム運転（普通はワーク１個の加工に相当する）の実行に要するサイクルタイムと該１回のプログラム運転を実行したときの加工手段の総移動距離とから加工手段の単位時間移動距離を求める。
また、飽和熱変位量演算手段は、単位時間移動距離と工作機械の熱変位の最大値としての飽和熱変位量との相関グラフを予め記憶しており、サイクルタイムと総移動距離とから求めた単位時間移動距離と相関グラフとを対比して、相関グラフに基づく飽和熱変位量を算出する。
１回のプログラム運転で得られるサイクルタイム及び総移動距離という稼働データに基づいて飽和熱変位量を算出できるので、飽和熱変位量の算出のための処理を長時間にわたって行うことはなく、この点でも制御装置の負担が軽減される。
【００１１】
補正量算出手段は、飽和熱変位量演算手段が算出した飽和熱変位量を用いて補正量を演算し、算出した補正量が飽和熱変位量と等しくなれば工作機械の稼働中は演算を行わずに飽和熱変位量を補正量とする。その演算は、例えば下記に示す数式（１）を用いることができる。
【００１２】
【数１】
Ａ＝Ｌ（１−ｅ(-γt)）…（１）
ただし、Ａ：補正量、Ｌ：飽和熱変位量、γ：工作機械毎に設定される定数、ｔ：経過時間である。
【００１３】
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。その状態となれば、工作機械の温度変化は実質的になくなるから、熱変位量も変化しなくなる。そのときの熱変位量が最大値すなわち飽和熱変位量であり、以後は工作機械の稼働中を通じて変わらないとみてよい。よって、その時点（算出した補正量が飽和熱変位量と等しくなった時点）で補正量の演算をやめて、飽和熱変位量を補正量としても支障はない。
【００１４】
したがって、補正量を算出するための演算は補正量が増加している間だけ行えばよく、制御装置の処理量すなわち負担は小さくなり、その構成も簡単にできる。また、飽和熱変位量を使用するときも含めて、補正量は正確であるから工作機械に精度のよい加工を実行させることができる。
【００１５】
図６に示すグラフは、ある工作機械を３００分間稼働させて停止させた際の熱変位量の実測値（破線）と数式（１）による計算値（実線）とを比較するものである。
このグラフから明らかなように、数式（１）による補正量の計算値は実測値との整合性に優れていることがわかる。
【００１６】
なお、この計算値は、ｔ＝０〜３００（分）の範囲では下記の数式（２）により、ｔ＝３００〜６００（分）の範囲では数式（３）により求めた。
【００１７】
【数２】
Ａ＝３４（１−ｅ(-3.8t)）…（２）
【００１８】
【数３】
Ａ＝３４（１−ｅ(-2.1(t-300))）…（３）
また、この図６のグラフでは熱変位量が負の値として示されているが、これは熱変位の方向に対する正負の符号の付け方によるものであって、工作機械が縮んでいるわけではない。
【００１９】
ところで、本発明においては、補正量が飽和熱変位量と等しくなるとは、数学的な意味で等しいことを言うわけではなく、演算された補正量と飽和熱変位量との差が、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。また、工作機械の稼働中とはワークの加工、ワークの交換等を実行している状態を言い、例えば休憩時間等で工作機械がスタンバイ状態にされているときなどは除かれる。
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
請求項２記載の工作機械の制御装置は、請求項１記載の工作機械の制御装置において、前記補正量算出手段は、調整入力手段によって入力された調整値または予め設定されている手順で決められる調整値を、前記補正量の演算値に加算または減算して前記補正量とすることを特徴とする。
【００２６】
補正量の演算は上述のようになされるのであるが、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、演算された補正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。そのような場合に、例えばオペレータが、調整入力手段によって前述の誤差に相当する調整値を入力したり、制御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、この調整値を補正量の演算値に加算または減算して補正量とすれば、演算された補正量と実際の熱変位量との誤差を解消して精密な加工を行うことができる。
【００２７】
請求項３記載の工作機械の制御装置は、請求項２記載の工作機械の制御装置において、前記調整値は時刻に対応して定められていて、前記補正量算出手段は時刻に基づいて前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、演算された補正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。
【００２８】
請求項４記載の工作機械の制御装置は、請求項２記載の工作機械の制御装置において、前記調整値は前記工作機械の環境温度に対応して定められていて、前記補正量算出手段は該環境温度に基づいて前記調整値を選択して使用することを特徴とする。
【００２９】
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、演算された補正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。
以上の請求項１〜４記載の構成は、工作機械の稼働中に関わるものであるが、例えば休憩時間等に工作機械の稼働を一時停止してから再稼働させることもある。工作機械の稼働が停止されると温度が低下するから熱変位量も減少する。しかし、完全に冷め切るまでは熱変位量は０にならない。このため、例えば休憩時間等に稼働を一時停止してから再稼働させたときには、工作機械にはある程度の熱変位が残っている。したがって、この熱変位を無視して補正量を決めるのは好ましくない。
【００３０】
そこで、請求項５記載の工作機械の制御装置は、請求項１ないし４のいずれか記載の工作機械の制御装置において、前記補正量算出手段は、前記工作機械の稼働が停止されると前記飽和熱変位量を用いて該工作機械の熱変位量を演算し、該工作機械が再稼働したときの該熱変位量の演算値を前記補正量の初期値として前記補正量を演算する構成としている。
【００３１】
この構成とすると、工作機械の再稼働に当たって、停止時に残っていた熱変位を考慮して補正量を決めることができるから、工作機械の一時停止、再稼働があっても適切な補正量を算出でき、精密な加工を可能とする。
なお、工作機械の停止時においても補正量算出手段（例えばＣＰＵ）を機能させるには、バックアップ電源（電池）を備えればよい。
また、請求項１ないし５のいずれか記載の工作機械の制御装置において、前記飽和熱変位量を入力するための飽和熱変位量入力手段を設けると共に、前記補正量算出手段は、該飽和熱変位量入力手段によって前記飽和熱変位量が入力されているときは、該入力された飽和熱変位量を用いて前記補正量を演算する構成とすること（請求項６）ができる。
このようにすれば、飽和熱変位量入力手段によって飽和熱変位量を入力することで、飽和熱変位量演算手段の飽和熱変位量算出処理を不要にでき、この点でも制御装置の負担が軽減される。
飽和熱変位量入力手段は、例えばテンキーパネルのような数値を入力できるものであればよく、ロータリスイッチやディップスイッチのような構造でも構わない。
【００３２】
【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。
【００３３】
【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７および図８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のメカニカルな構造の説明は省略する。
【００３４】
本発明の工作機械の制御装置に相当する、工作機械１０の制御系の構成は図１に示すとおりである。この図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マイコン部７０、操作パネル２２およびテーブル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。
【００３５】
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５２およ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および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軸制御系および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。
【００３６】
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および時計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。
【００３７】
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に示される構造のピッチ誤差補正テーブル８０が設けられている。このピッチ誤差補正テーブル８０は、例えばボールネジ機構３６の稼働誤差を補正するためのテーブルである。
【００３８】
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軸およびＹ軸についても同様である。
【００３９】
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。
【００４０】
さて、この工作機械１０を稼働させると、そのＺ軸方向の熱変位量は例えば図３に示すようになる。縦軸は熱変位量（ｍｍ）、横軸は時間（分）を表し、ｔ１は稼働開始後に初めて熱変位量が飽和熱変位量となった時間、ｔ２およびｔ５は例えば休憩時間等で工作機械１０を停止した時間、ｔ３およびｔ６は工作機械１０を再稼働させた時間、ｔ４およびｔ７は、再稼働後に飽和熱変位量に達した時間、ｔ８は例えばその日の作業終了に伴って工作機械１０を停止させた時間を示している。この図３から明らかなように、工作機械１０を稼働させると、その熱変位量は徐々に増加してやがて飽和熱変位量に達する。その後、工作機械１０の稼働中は熱変位量は飽和熱変位量のままとなり、工作機械１０を停止させると熱変位量は減少し、再稼働させると再び飽和熱変位量になるまで増加する。
【００４１】
この工作機械１０においては、こうした熱変位を補正して加工手段としての工具とワークとの相対位置を正確ならしめるための処理をＣＰＵ７２が行っている。以下その処理について図４を参照して説明する。
工作機械１０の電源が投入されると、ＣＰＵ７２は、例えば所定の初期化処理等を実行してから、所定の加工プログラムを開始する（ステップ１０１、以下ステップをＳと略記する）。具体的には、ＣＰＵ７２は、主軸制御系５０、Ｚ軸制御系６０、Ｘ軸制御系およびＹ軸制御系を介して、工具とワークの相対位置、工具の回転数等を制御して、ワークに加工プログラムに従った加工を施すことになる。
【００４２】
次に、ＣＰＵ７２は、その加工プログラムによる加工（プログラム運転）が１回目か否かを判断し（Ｓ１０２）、１回目であれば（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、操作パネル２２から飽和熱変位量Ｌの値が入力されているか否かを判断する（Ｓ１０３）。この飽和熱変位量Ｌが入力されていなければ（Ｓ０１３：ＮＯ）、ＣＰＵ７２は加工プログラムに基づいて飽和熱変位量Ｌを算出する（Ｓ１０４）。飽和熱変位量Ｌの算出には、前述したさまざまな手法を採用できるが（課題を解決するための手段の欄を参照）、本実施例では次のようにして飽和熱変位量Ｌを求めている。
【００４３】
図５に示すのは、工作機械１０における主軸２８のＺ軸方向の単位時間移動距離（ｍｍ／分）と飽和熱変位量Ｌとの相関を表すグラフである。単位時間移動距離は、１回のプログラム運転（普通はワーク１個の加工に相当する）に要する時間（サイクルタイム）と、１回のプログラム運転における主軸２８のＺ軸方向の総移動距離とから求めることができる。例えばサイクルタイムが１６７秒、総移動距離が７７４６ｍｍとすれば、単位時間移動距離は７７４６／１６７＝２７８３（ｍｍ／分）である。これと図５のグラフとを対比すれば（その直線の式、ｙ＝０．０１１２ｘに代入すれば）、そのプログラム運転を多数回繰り返したときのＺ軸方向の飽和熱変位量Ｌ＝３１．２（μｍ）を得ることができる。
【００４４】
この図５に示すグラフは工作機械毎に独特であるが、単位時間移動距離に基づいて飽和熱変位量Ｌを求める構成であるから、加工プログラムが変更されても同じグラフを使用できる。つまり、１台の工作機械について１回だけデータを取ればよい。
【００４５】
本実施例の工作機械１０においては、ＣＰＵ７２はこの図５に示される直線の式を記憶している。
図４に戻り、Ｓ１０４では、ＣＰＵ７２は、１回目の加工プログラムの実行（１回目のプログラム運転）で得られるサイクルタイムと主軸２８のＺ軸方向の総移動距離とに基づいて単位時間移動距離を算出し、その値と図５に示される直線の式とから飽和熱変位量Ｌを算出するのである。
【００４６】
続いてＣＰＵ７２は、時間ｔにおける熱変位量ｌを演算する（Ｓ１０５）。ここで使用する演算式は、
【００４７】
【数４】
ｌ＝Ｌｘ（１−ｅ-γt） …（４）
【００４８】
【数５】
ｌ＝Ｌｘｅ-γ't …（５）
の２種類である。ただし、γは工作機械毎に設定される定数、ｔは経過時間である。
【００４９】
数式（４）は工作機械１０が稼働しているとき（すなわち熱変位量が増加するとき）、数式（５）は工作機械１０の稼働が停止しているとき（熱変位量が減少するとき）に使用される。図示は省略しているが、本実施例の工作機械１０は、その停止時においてもマイコン部７０を機能させるためのバックアップ電源を備えている。このため、工作機械１０が停止されても上記の数式（５）による演算を実行可能である。
【００５０】
なお、工作機械１０の起動直後からの演算ではｔは稼働時間そのものである。しかし、数式（５）では稼働時間をそのまま用いるわけではなく、工作機械１０の停止後の経過時間である。また、再稼働の場合には、工作機械１０が完全に冷え切っているわけではないので、再稼働時には、数式（５）で求めた熱変位量ｌを数式（４）に代入してｔを求め、そのｔを経過時間の初期値として使用する。
【００５１】
次に、ＣＰＵ７２は、Ｓ１０５で算出した熱変位量ｌに対する調整の要否を判断する（Ｓ１０６）。この要否判断は、請求項４〜６記載の調整値を熱変位量ｌに加算または減算する必要の有無の判断であり、（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れば、調整要（Ｓ１０６：ＹＥＳ）であり、ＣＰＵ７２はＳ１０７に進んで熱変位量ｌに調整値を加算あるいは減算してこれを補正値として例えばＲＡＭ７４に記憶する。
【００５２】
一方、調整不要（Ｓ１０６：ＮＯ）であれば、ＣＰＵ７２は熱変位量ｌを補正値として例えばＲＡＭ７４に記憶する。
そして、ＣＰＵ７２は、その記憶した補正値に相当するピッチ数だけ、ピッチ誤差補正テーブルのＺ軸補正を増減して、それに基づく指令値をＺ軸制御系６０の軸制御回路６４に出力することにより、主軸２８のＺ軸位置を補正する（Ｓ１０８）。
【００５３】
その後、ＣＰＵ７２は加工終了（予定数のワークを加工し終えた）か否かを判断し（Ｓ１０９）、加工終了でなければＳ１０２に回帰する。
ところで、Ｓ１０２の処理で否定判断の場合には、ＣＰＵ７２は、熱変位量ｌが飽和熱変位量Ｌに達したか否かを（厳密には、所定の誤差の範囲においてｌ＝Ｌとなっているか否かを）判断する（Ｓ１１０）。否定判断であれば、ＣＰＵ７２は、Ｓ１０５に進んで上述したと同様の処理を繰り返す。
【００５４】
また、肯定判断（Ｓ１１０：ＹＥＳ）であれば、ＣＰＵ７２は、工作機械１０が停止されたか否かを判断し（Ｓ１１１）、停止されていなければ（Ｓ１１１：ＮＯ）、熱変位量ｌを飽和熱変位量Ｌに固定して（Ｓ１１２）、Ｓ１０６に進む。また、工作機械１０が停止されているなら（Ｓ１１１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ７２はＳ１０５に進み熱変位量ｌを演算する。
【００５５】
ここで、熱変位量ｌを飽和熱変位量Ｌに固定するのは、図３からも明らかなように、熱変位量ｌが一旦飽和熱変位量Ｌに達したなら、その後は工作機械１０を停止するまで熱変位量の変化はないとみなせるからで、そのような変化のない状態で熱変位量ｌの演算を行うのは、いわば無駄なことでありＣＰＵ７２によけいな負担をかけることになるからである。
【００５６】
このように、本実施例の工作機械１０においては、工作機械１０稼働（または再稼働）開始後、熱変位量ｌが飽和熱変位量Ｌに達するまでは演算処理によって熱変位量ｌを算出し、それによって主軸２８のＺ軸位置を補正しているが、熱変位量ｌが飽和熱変位量Ｌに達してからは演算処理によって熱変位量ｌを求めることをせずに、飽和熱変位量Ｌによって主軸２８のＺ軸位置を補正する。
【００５７】
したがって、それに応じてＣＰＵ７２の処理量すなわち負担は小さくなり、そのソフト構成も簡単にできる。また、飽和熱変位量Ｌを使用するときも含めて、補正値は正確であるから工作機械に精度のよい加工を実行させることができる。 しかも、時刻や環境温度に対応して補正値を調整できるから、工作機械の精度は一層向上する。
【００５８】
なお、この実施例においては、工具が加工手段に該当し、ボールネジ機構３６およびＺ軸モータ３８により駆動手段が構成され、マイコン部７０特にＣＰＵ７２とＺ軸制御系６０の軸制御回路６４およびＺ軸サーボアンプ６２により駆動制御手段が構成されている。また、マイコン部７０特にＣＰＵ７２が、補正量算出手段および飽和熱変位量演算手段として機能し、操作パネル２２は、飽和熱変位量入力手段および調整入力手段に相当している。
【００５９】
以上、実施例に従って、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施例に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さまざまに実施できることは言うまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の工作機械の制御装置は、工作機械の熱変位量が飽和熱変位量に達したなら補正量を算出するための演算を行わず、飽和熱変位量に基づいて補正量を決定している。したがって、補正量を算出するための演算は補正量が増加している間だけ行えばよく、制御装置の処理量すなわち負担は小さくなり、その構成も簡単にできる。また、飽和熱変位量を使用するときも含めて、補正量は正確であるから工作機械に精度のよい加工を実行させることができる。
しかも、飽和熱変位演算手段は、１回のプログラム運転で飽和熱変位量を算出するから、飽和熱変位量の算出のための処理を長時間にわたって行うことはなく、この点でも制御装置の負担が軽減される。
【００６１】
【００６２】
請求項２記載の工作機械の制御装置では、補正量算出手段が、調整入力手段によって入力された調整値または予め設定されている手順で決められる調整値を、補正量の演算値に加算または減算して補正量とするから、例えば朝等の気温が比較的低いとき等に応じた調整値を補正量の演算値に加算または減算して補正量とするから、演算された補正量と実際の熱変位量との誤差を解消して精密な加工を行うことができる。
【００６３】
請求項３記載の工作機械の制御装置によれば、例えば１日の時間帯（朝、昼、夜等）に応じて、演算された補正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。
請求項４記載の工作機械の制御装置によれば、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、演算された補正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。
【００６４】
請求項５記載の工作機械の制御装置によれば、工作機械の再稼働に当たって、停止時に残っていた熱変位を考慮して補正量を決めることができるから、工作機械の一時停止、再稼働があっても適切な補正量を算出でき、精密な加工を可能とする。
請求項６記載の工作機械の制御装置によれば、飽和熱変位量入力手段によって飽和熱変位量を入力することで、飽和熱変位量演算手段の飽和熱変位量算出処理を不要にでき、この点でも制御装置の負担が軽減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の工作機械の制御系を説明するブロック図である。
【図２】 実施例の工作機械のピッチ誤差補正テーブルの説明図である。
【図３】 実施例の工作機械の稼働時間と熱変位量の関係を示すグラフである。
【図４】 実施例の工作機械のＣＰＵが実行する処理のフローチャートである。
【図５】 実施例の工作機械のＣＰＵによる飽和熱変位量の算出に使用されるグラフである。
【図６】 熱変位量の実測値と演算値を比較するグラフである。
【図７】 実施例および従来例の工作機械の構造の説明図である。
【図８】 実施例および従来例の工作機械の構造の説明図である。
【符号の説明】
１０…工作機械
１２…スプラッシュガード
１４…テーブル
１６…ＡＴＣマガジン
２０…本体
２２…操作パネル（飽和熱変位量入力手段、調整入力手段）
２４…ワーク交換口
２６…メンテナンス用の点検ハッチ
２８…主軸
３０…主軸モータ
３２…ナット部（駆動手段）
３４…ボールネジ（駆動手段）
３６…ボールネジ機構（駆動手段）
３８…Ｚ軸モータ（駆動手段）
４０…ガイドレール
４２…スライド
５０…主軸制御系
５２…主軸サーボアンプ
５４…軸制御回路
６０…Ｚ軸制御系
６２…Ｚ軸サーボアンプ（駆動制御手段）
６４…軸制御回路（駆動制御手段）
７０…マイコン部（駆動制御手段、補正量算出手段、飽和熱変位量演算手段）
７２…ＣＰＵ（駆動制御手段、補正量算出手段、飽和熱変位量演算手段）
７４…ＲＡＭ
７６…時計
８０…ピッチ誤差補正テーブル
【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機能を有する工作機械の制御装置に関する。
【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７および図８に示される工作機械１０がある。図７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８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７に示されるテーブル１４をＸ軸および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の稼働に伴って摩擦熱が発生してボールネジ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。そのための制御装置として、工作機械の熱変位を補正するための補正量を算出する補正量算出手段と、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補正量を考慮して駆動手段を制御する駆動制御手段とを備える工作機械の制御装置が提案されている（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、従来の工作機械の制御装置においては、工作機械の稼働中を通して熱変位量を算出して補正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。つまり、制御装置の処理量がその分だけ大きく制御装置の負担も大きかった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためのもので、従来よりも簡単な構成でありながら工作機械に精度のよい加工を実行させることが可能な工作機械の制御装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、請求項１記載の工作機械の制御装置は、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る工作機械の制御装置であって、前記工作機械の熱変位を補正するための補正量を算出する補正量算出手段と、予め定められている加工プログラムに従って前記駆動手段を制御するプログラム運転の実行に当たって前記補正量を考慮して前記駆動手段を制御する駆動制御手段とを備える工作機械の制御装置において、
１回の前記プログラム運転の実行に要するサイクルタイムと該１回のプログラム運転を実行したときの前記加工手段の総移動距離とから該加工手段の単位時間移動距離を求め、予め記憶している前記単位時間移動距離と該工作機械の熱変位の最大値としての飽和熱変位量との相関グラフと前記求めた単位時間移動距離とを対比して、前記相関グラフに基づく前記飽和熱変位量を算出する飽和熱変位量演算手段を設けると共に、前記補正量算出手段は、該飽和熱変位量演算手段が算出した飽和熱変位量を用いて前記補正量を演算し、該算出した補正量が前記飽和熱変位量と等しくなれば前記工作機械の稼働中は該演算を行わずに前記飽和熱変位量を前記補正量とする構成としている。
【００１０】
飽和熱変位量演算手段は、まず、１回のプログラム運転（普通はワーク１個の加工に相当する）の実行に要するサイクルタイムと該１回のプログラム運転を実行したときの加工手段の総移動距離とから加工手段の単位時間移動距離を求める。
また、飽和熱変位量演算手段は、単位時間移動距離と工作機械の熱変位の最大値としての飽和熱変位量との相関グラフを予め記憶しており、サイクルタイムと総移動距離とから求めた単位時間移動距離と相関グラフとを対比して、相関グラフに基づく飽和熱変位量を算出する。
１回のプログラム運転で得られるサイクルタイム及び総移動距離という稼働データに基づいて飽和熱変位量を算出できるので、飽和熱変位量の算出のための処理を長時間にわたって行うことはなく、この点でも制御装置の負担が軽減される。
【００１１】
補正量算出手段は、飽和熱変位量演算手段が算出した飽和熱変位量を用いて補正量を演算し、算出した補正量が飽和熱変位量と等しくなれば工作機械の稼働中は演算を行わずに飽和熱変位量を補正量とする。その演算は、例えば下記に示す数式（１）を用いることができる。
【００１２】
【数１】
Ａ＝Ｌ（１−ｅ(-γt)）…（１）
ただし、Ａ：補正量、Ｌ：飽和熱変位量、γ：工作機械毎に設定される定数、ｔ：経過時間である。
【００１３】
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。その状態となれば、工作機械の温度変化は実質的になくなるから、熱変位量も変化しなくなる。そのときの熱変位量が最大値すなわち飽和熱変位量であり、以後は工作機械の稼働中を通じて変わらないとみてよい。よって、その時点（算出した補正量が飽和熱変位量と等しくなった時点）で補正量の演算をやめて、飽和熱変位量を補正量としても支障はない。
【００１４】
したがって、補正量を算出するための演算は補正量が増加している間だけ行えばよく、制御装置の処理量すなわち負担は小さくなり、その構成も簡単にできる。また、飽和熱変位量を使用するときも含めて、補正量は正確であるから工作機械に精度のよい加工を実行させることができる。
【００１５】
図６に示すグラフは、ある工作機械を３００分間稼働させて停止させた際の熱変位量の実測値（破線）と数式（１）による計算値（実線）とを比較するものである。
このグラフから明らかなように、数式（１）による補正量の計算値は実測値との整合性に優れていることがわかる。
【００１６】
なお、この計算値は、ｔ＝０〜３００（分）の範囲では下記の数式（２）により、ｔ＝３００〜６００（分）の範囲では数式（３）により求めた。
【００１７】
【数２】
Ａ＝３４（１−ｅ(-3.8t)）…（２）
【００１８】
【数３】
Ａ＝３４（１−ｅ(-2.1(t-300))）…（３）
また、この図６のグラフでは熱変位量が負の値として示されているが、これは熱変位の方向に対する正負の符号の付け方によるものであって、工作機械が縮んでいるわけではない。
【００１９】
ところで、本発明においては、補正量が飽和熱変位量と等しくなるとは、数学的な意味で等しいことを言うわけではなく、演算された補正量と飽和熱変位量との差が、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。また、工作機械の稼働中とはワークの加工、ワークの交換等を実行している状態を言い、例えば休憩時間等で工作機械がスタンバイ状態にされているときなどは除かれる。
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
請求項２記載の工作機械の制御装置は、請求項１記載の工作機械の制御装置において、前記補正量算出手段は、調整入力手段によって入力された調整値または予め設定されている手順で決められる調整値を、前記補正量の演算値に加算または減算して前記補正量とすることを特徴とする。
【００２６】
補正量の演算は上述のようになされるのであるが、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、演算された補正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。そのような場合に、例えばオペレータが、調整入力手段によって前述の誤差に相当する調整値を入力したり、制御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、この調整値を補正量の演算値に加算または減算して補正量とすれば、演算された補正量と実際の熱変位量との誤差を解消して精密な加工を行うことができる。
【００２７】
請求項３記載の工作機械の制御装置は、請求項２記載の工作機械の制御装置において、前記調整値は時刻に対応して定められていて、前記補正量算出手段は時刻に基づいて前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、演算された補正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。
【００２８】
請求項４記載の工作機械の制御装置は、請求項２記載の工作機械の制御装置において、前記調整値は前記工作機械の環境温度に対応して定められていて、前記補正量算出手段は該環境温度に基づいて前記調整値を選択して使用することを特徴とする。
【００２９】
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、演算された補正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。
以上の請求項１〜４記載の構成は、工作機械の稼働中に関わるものであるが、例えば休憩時間等に工作機械の稼働を一時停止してから再稼働させることもある。工作機械の稼働が停止されると温度が低下するから熱変位量も減少する。しかし、完全に冷め切るまでは熱変位量は０にならない。このため、例えば休憩時間等に稼働を一時停止してから再稼働させたときには、工作機械にはある程度の熱変位が残っている。したがって、この熱変位を無視して補正量を決めるのは好ましくない。
【００３０】
そこで、請求項５記載の工作機械の制御装置は、請求項１ないし４のいずれか記載の工作機械の制御装置において、前記補正量算出手段は、前記工作機械の稼働が停止されると前記飽和熱変位量を用いて該工作機械の熱変位量を演算し、該工作機械が再稼働したときの該熱変位量の演算値を前記補正量の初期値として前記補正量を演算する構成としている。
【００３１】
この構成とすると、工作機械の再稼働に当たって、停止時に残っていた熱変位を考慮して補正量を決めることができるから、工作機械の一時停止、再稼働があっても適切な補正量を算出でき、精密な加工を可能とする。
なお、工作機械の停止時においても補正量算出手段（例えばＣＰＵ）を機能させるには、バックアップ電源（電池）を備えればよい。
また、請求項１ないし５のいずれか記載の工作機械の制御装置において、前記飽和熱変位量を入力するための飽和熱変位量入力手段を設けると共に、前記補正量算出手段は、該飽和熱変位量入力手段によって前記飽和熱変位量が入力されているときは、該入力された飽和熱変位量を用いて前記補正量を演算する構成とすること（請求項６）ができる。
このようにすれば、飽和熱変位量入力手段によって飽和熱変位量を入力することで、飽和熱変位量演算手段の飽和熱変位量算出処理を不要にでき、この点でも制御装置の負担が軽減される。
飽和熱変位量入力手段は、例えばテンキーパネルのような数値を入力できるものであればよく、ロータリスイッチやディップスイッチのような構造でも構わない。
【００３２】
【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。
【００３３】
【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７および図８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のメカニカルな構造の説明は省略する。
【００３４】
本発明の工作機械の制御装置に相当する、工作機械１０の制御系の構成は図１に示すとおりである。この図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マイコン部７０、操作パネル２２およびテーブル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。
【００３５】
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５２およ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および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軸制御系および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。
【００３６】
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および時計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。
【００３７】
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に示される構造のピッチ誤差補正テーブル８０が設けられている。このピッチ誤差補正テーブル８０は、例えばボールネジ機構３６の稼働誤差を補正するためのテーブルである。
【００３８】
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軸およびＹ軸についても同様である。
【００３９】
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。
【００４０】
さて、この工作機械１０を稼働させると、そのＺ軸方向の熱変位量は例えば図３に示すようになる。縦軸は熱変位量（ｍｍ）、横軸は時間（分）を表し、ｔ１は稼働開始後に初めて熱変位量が飽和熱変位量となった時間、ｔ２およびｔ５は例えば休憩時間等で工作機械１０を停止した時間、ｔ３およびｔ６は工作機械１０を再稼働させた時間、ｔ４およびｔ７は、再稼働後に飽和熱変位量に達した時間、ｔ８は例えばその日の作業終了に伴って工作機械１０を停止させた時間を示している。この図３から明らかなように、工作機械１０を稼働させると、その熱変位量は徐々に増加してやがて飽和熱変位量に達する。その後、工作機械１０の稼働中は熱変位量は飽和熱変位量のままとなり、工作機械１０を停止させると熱変位量は減少し、再稼働させると再び飽和熱変位量になるまで増加する。
【００４１】
この工作機械１０においては、こうした熱変位を補正して加工手段としての工具とワークとの相対位置を正確ならしめるための処理をＣＰＵ７２が行っている。以下その処理について図４を参照して説明する。
工作機械１０の電源が投入されると、ＣＰＵ７２は、例えば所定の初期化処理等を実行してから、所定の加工プログラムを開始する（ステップ１０１、以下ステップをＳと略記する）。具体的には、ＣＰＵ７２は、主軸制御系５０、Ｚ軸制御系６０、Ｘ軸制御系およびＹ軸制御系を介して、工具とワークの相対位置、工具の回転数等を制御して、ワークに加工プログラムに従った加工を施すことになる。
【００４２】
次に、ＣＰＵ７２は、その加工プログラムによる加工（プログラム運転）が１回目か否かを判断し（Ｓ１０２）、１回目であれば（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、操作パネル２２から飽和熱変位量Ｌの値が入力されているか否かを判断する（Ｓ１０３）。この飽和熱変位量Ｌが入力されていなければ（Ｓ０１３：ＮＯ）、ＣＰＵ７２は加工プログラムに基づいて飽和熱変位量Ｌを算出する（Ｓ１０４）。飽和熱変位量Ｌの算出には、前述したさまざまな手法を採用できるが（課題を解決するための手段の欄を参照）、本実施例では次のようにして飽和熱変位量Ｌを求めている。
【００４３】
図５に示すのは、工作機械１０における主軸２８のＺ軸方向の単位時間移動距離（ｍｍ／分）と飽和熱変位量Ｌとの相関を表すグラフである。単位時間移動距離は、１回のプログラム運転（普通はワーク１個の加工に相当する）に要する時間（サイクルタイム）と、１回のプログラム運転における主軸２８のＺ軸方向の総移動距離とから求めることができる。例えばサイクルタイムが１６７秒、総移動距離が７７４６ｍｍとすれば、単位時間移動距離は７７４６／１６７＝２７８３（ｍｍ／分）である。これと図５のグラフとを対比すれば（その直線の式、ｙ＝０．０１１２ｘに代入すれば）、そのプログラム運転を多数回繰り返したときのＺ軸方向の飽和熱変位量Ｌ＝３１．２（μｍ）を得ることができる。
【００４４】
この図５に示すグラフは工作機械毎に独特であるが、単位時間移動距離に基づいて飽和熱変位量Ｌを求める構成であるから、加工プログラムが変更されても同じグラフを使用できる。つまり、１台の工作機械について１回だけデータを取ればよい。
【００４５】
本実施例の工作機械１０においては、ＣＰＵ７２はこの図５に示される直線の式を記憶している。
図４に戻り、Ｓ１０４では、ＣＰＵ７２は、１回目の加工プログラムの実行（１回目のプログラム運転）で得られるサイクルタイムと主軸２８のＺ軸方向の総移動距離とに基づいて単位時間移動距離を算出し、その値と図５に示される直線の式とから飽和熱変位量Ｌを算出するのである。
【００４６】
続いてＣＰＵ７２は、時間ｔにおける熱変位量ｌを演算する（Ｓ１０５）。ここで使用する演算式は、
【００４７】
【数４】
ｌ＝Ｌｘ（１−ｅ-γt） …（４）
【００４８】
【数５】
ｌ＝Ｌｘｅ-γ't …（５）
の２種類である。ただし、γは工作機械毎に設定される定数、ｔは経過時間である。
【００４９】
数式（４）は工作機械１０が稼働しているとき（すなわち熱変位量が増加するとき）、数式（５）は工作機械１０の稼働が停止しているとき（熱変位量が減少するとき）に使用される。図示は省略しているが、本実施例の工作機械１０は、その停止時においてもマイコン部７０を機能させるためのバックアップ電源を備えている。このため、工作機械１０が停止されても上記の数式（５）による演算を実行可能である。
【００５０】
なお、工作機械１０の起動直後からの演算ではｔは稼働時間そのものである。しかし、数式（５）では稼働時間をそのまま用いるわけではなく、工作機械１０の停止後の経過時間である。また、再稼働の場合には、工作機械１０が完全に冷え切っているわけではないので、再稼働時には、数式（５）で求めた熱変位量ｌを数式（４）に代入してｔを求め、そのｔを経過時間の初期値として使用する。
【００５１】
次に、ＣＰＵ７２は、Ｓ１０５で算出した熱変位量ｌに対する調整の要否を判断する（Ｓ１０６）。この要否判断は、請求項４〜６記載の調整値を熱変位量ｌに加算または減算する必要の有無の判断であり、（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れば、調整要（Ｓ１０６：ＹＥＳ）であり、ＣＰＵ７２はＳ１０７に進んで熱変位量ｌに調整値を加算あるいは減算してこれを補正値として例えばＲＡＭ７４に記憶する。
【００５２】
一方、調整不要（Ｓ１０６：ＮＯ）であれば、ＣＰＵ７２は熱変位量ｌを補正値として例えばＲＡＭ７４に記憶する。
そして、ＣＰＵ７２は、その記憶した補正値に相当するピッチ数だけ、ピッチ誤差補正テーブルのＺ軸補正を増減して、それに基づく指令値をＺ軸制御系６０の軸制御回路６４に出力することにより、主軸２８のＺ軸位置を補正する（Ｓ１０８）。
【００５３】
その後、ＣＰＵ７２は加工終了（予定数のワークを加工し終えた）か否かを判断し（Ｓ１０９）、加工終了でなければＳ１０２に回帰する。
ところで、Ｓ１０２の処理で否定判断の場合には、ＣＰＵ７２は、熱変位量ｌが飽和熱変位量Ｌに達したか否かを（厳密には、所定の誤差の範囲においてｌ＝Ｌとなっているか否かを）判断する（Ｓ１１０）。否定判断であれば、ＣＰＵ７２は、Ｓ１０５に進んで上述したと同様の処理を繰り返す。
【００５４】
また、肯定判断（Ｓ１１０：ＹＥＳ）であれば、ＣＰＵ７２は、工作機械１０が停止されたか否かを判断し（Ｓ１１１）、停止されていなければ（Ｓ１１１：ＮＯ）、熱変位量ｌを飽和熱変位量Ｌに固定して（Ｓ１１２）、Ｓ１０６に進む。また、工作機械１０が停止されているなら（Ｓ１１１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ７２はＳ１０５に進み熱変位量ｌを演算する。
【００５５】
ここで、熱変位量ｌを飽和熱変位量Ｌに固定するのは、図３からも明らかなように、熱変位量ｌが一旦飽和熱変位量Ｌに達したなら、その後は工作機械１０を停止するまで熱変位量の変化はないとみなせるからで、そのような変化のない状態で熱変位量ｌの演算を行うのは、いわば無駄なことでありＣＰＵ７２によけいな負担をかけることになるからである。
【００５６】
このように、本実施例の工作機械１０においては、工作機械１０稼働（または再稼働）開始後、熱変位量ｌが飽和熱変位量Ｌに達するまでは演算処理によって熱変位量ｌを算出し、それによって主軸２８のＺ軸位置を補正しているが、熱変位量ｌが飽和熱変位量Ｌに達してからは演算処理によって熱変位量ｌを求めることをせずに、飽和熱変位量Ｌによって主軸２８のＺ軸位置を補正する。
【００５７】
したがって、それに応じてＣＰＵ７２の処理量すなわち負担は小さくなり、そのソフト構成も簡単にできる。また、飽和熱変位量Ｌを使用するときも含めて、補正値は正確であるから工作機械に精度のよい加工を実行させることができる。 しかも、時刻や環境温度に対応して補正値を調整できるから、工作機械の精度は一層向上する。
【００５８】
なお、この実施例においては、工具が加工手段に該当し、ボールネジ機構３６およびＺ軸モータ３８により駆動手段が構成され、マイコン部７０特にＣＰＵ７２とＺ軸制御系６０の軸制御回路６４およびＺ軸サーボアンプ６２により駆動制御手段が構成されている。また、マイコン部７０特にＣＰＵ７２が、補正量算出手段および飽和熱変位量演算手段として機能し、操作パネル２２は、飽和熱変位量入力手段および調整入力手段に相当している。
【００５９】
以上、実施例に従って、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施例に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さまざまに実施できることは言うまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の工作機械の制御装置は、工作機械の熱変位量が飽和熱変位量に達したなら補正量を算出するための演算を行わず、飽和熱変位量に基づいて補正量を決定している。したがって、補正量を算出するための演算は補正量が増加している間だけ行えばよく、制御装置の処理量すなわち負担は小さくなり、その構成も簡単にできる。また、飽和熱変位量を使用するときも含めて、補正量は正確であるから工作機械に精度のよい加工を実行させることができる。
しかも、飽和熱変位演算手段は、１回のプログラム運転で飽和熱変位量を算出するから、飽和熱変位量の算出のための処理を長時間にわたって行うことはなく、この点でも制御装置の負担が軽減される。
【００６１】
【００６２】
請求項２記載の工作機械の制御装置では、補正量算出手段が、調整入力手段によって入力された調整値または予め設定されている手順で決められる調整値を、補正量の演算値に加算または減算して補正量とするから、例えば朝等の気温が比較的低いとき等に応じた調整値を補正量の演算値に加算または減算して補正量とするから、演算された補正量と実際の熱変位量との誤差を解消して精密な加工を行うことができる。
【００６３】
請求項３記載の工作機械の制御装置によれば、例えば１日の時間帯（朝、昼、夜等）に応じて、演算された補正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。
請求項４記載の工作機械の制御装置によれば、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、演算された補正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。
【００６４】
請求項５記載の工作機械の制御装置によれば、工作機械の再稼働に当たって、停止時に残っていた熱変位を考慮して補正量を決めることができるから、工作機械の一時停止、再稼働があっても適切な補正量を算出でき、精密な加工を可能とする。
請求項６記載の工作機械の制御装置によれば、飽和熱変位量入力手段によって飽和熱変位量を入力することで、飽和熱変位量演算手段の飽和熱変位量算出処理を不要にでき、この点でも制御装置の負担が軽減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の工作機械の制御系を説明するブロック図である。
【図２】 実施例の工作機械のピッチ誤差補正テーブルの説明図である。
【図３】 実施例の工作機械の稼働時間と熱変位量の関係を示すグラフである。
【図４】 実施例の工作機械のＣＰＵが実行する処理のフローチャートである。
【図５】 実施例の工作機械のＣＰＵによる飽和熱変位量の算出に使用されるグラフである。
【図６】 熱変位量の実測値と演算値を比較するグラフである。
【図７】 実施例および従来例の工作機械の構造の説明図である。
【図８】 実施例および従来例の工作機械の構造の説明図である。
【符号の説明】
１０…工作機械
１２…スプラッシュガード
１４…テーブル
１６…ＡＴＣマガジン
２０…本体
２２…操作パネル（飽和熱変位量入力手段、調整入力手段）
２４…ワーク交換口
２６…メンテナンス用の点検ハッチ
２８…主軸
３０…主軸モータ
３２…ナット部（駆動手段）
３４…ボールネジ（駆動手段）
３６…ボールネジ機構（駆動手段）
３８…Ｚ軸モータ（駆動手段）
４０…ガイドレール
４２…スライド
５０…主軸制御系
５２…主軸サーボアンプ
５４…軸制御回路
６０…Ｚ軸制御系
６２…Ｚ軸サーボアンプ（駆動制御手段）
６４…軸制御回路（駆動制御手段）
７０…マイコン部（駆動制御手段、補正量算出手段、飽和熱変位量演算手段）
７２…ＣＰＵ（駆動制御手段、補正量算出手段、飽和熱変位量演算手段）
７４…ＲＡＭ
７６…時計
８０…ピッチ誤差補正テーブル
Claims (6)
- 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る工作機械の制御装置であって、
前記工作機械の熱変位を補正するための補正量を算出する補正量算出手段と、予め定められている加工プログラムに従って前記駆動手段を制御するプログラム運転の実行に当たって前記補正量を考慮して前記駆動手段を制御する駆動制御手段とを備える工作機械の制御装置において、
１回の前記プログラム運転の実行に要するサイクルタイムと該１回のプログラム運転を実行したときの前記加工手段の総移動距離とから該加工手段の単位時間移動距離を求め、予め記憶している前記単位時間移動距離と該工作機械の熱変位の最大値としての飽和熱変位量との相関グラフと前記求めた単位時間移動距離とを対比して、前記相関グラフに基づく前記飽和熱変位量を算出する飽和熱変位量演算手段を設けると共に、
前記補正量算出手段は、該飽和熱変位量演算手段が算出した飽和熱変位量を用いて前記補正量を演算し、該算出した補正量が前記飽和熱変位量と等しくなれば前記工作機械の稼働中は該演算を行わずに前記飽和熱変位量を前記補正量とする構成である
ことを特徴とする工作機械の制御装置。 - 請求項１記載の工作機械の制御装置において、
前記補正量算出手段は、調整入力手段によって入力された調整値または予め設定されている手順で決められる調整値を、前記補正量の演算値に加算または減算して前記補正量とすることを特徴とする工作機械の制御装置。 - 請求項２記載の工作機械の制御装置において、
前記調整値は時刻に対応して定められていて、前記補正量算出手段は時刻に基づいて前記調整値を選択して使用することを特徴とする工作機械の制御装置。 - 請求項２記載の工作機械の制御装置において、
前記調整値は前記工作機械の環境温度に対応して定められていて、前記補正量算出手段は該環境温度に基づいて前記調整値を選択して使用することを特徴とする工作機械の制御装置。 - 請求項１ないし４のいずれか記載の工作機械の制御装置において、
前記補正量算出手段は、前記工作機械の稼働が停止されると前記飽和熱変位量を用いて該工作機械の熱変位量を演算し、該工作機械が再稼働したときの該熱変位量の演算値を前記補正量の初期値として前記補正量を演算することを特徴とする工作機械の制御装置。 - 請求項１ないし５のいずれか記載の工作機械の制御装置において、
前記飽和熱変位量を入力するための飽和熱変位量入力手段を設けると共に、
前記補正量算出手段は、該飽和熱変位量入力手段によって前記飽和熱変位量が入力されているときは、該入力された飽和熱変位量を用いて前記補正量を演算する構成である
ことを特徴とする工作機械の制御装置。
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP29886696A JP3684718B2 (ja) | 1996-11-11 | 1996-11-11 | 工作機械の制御装置 |
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| JPH10143217A JPH10143217A (ja) | 1998-05-29 |
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-
1996
- 1996-11-11 JP JP29886696A patent/JP3684718B2/ja not_active Expired - Lifetime
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