JP3805932B2

JP3805932B2 - 工作機械の熱変位推定方法

Info

Publication number: JP3805932B2
Application number: JP24627899A
Authority: JP
Inventors: 治光千田
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP2001071236A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の熱変位推定方法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、この熱源から発生した熱が機械各部に伝わることで、機体の熱変形を引き起こす。この熱変形は加工精度に大きく影響することから、その防止策として、従来から、発熱部を冷却する方法、或いは機体温度情報から熱変形量を推定して補正する方法が広く採用されている。
【０００３】
例えば、後者の従来技術として、特公昭６１−５９８６０号公報には、工作機械の主軸頭部の温度と比較的温度変化の少ない機体部分の温度との二差値と主軸の伸びとの関係を表す温度差−熱変位量の関数式をプログラムメモリ内にストアし、検出した温度の即時値をもとにして熱変位量を演算し、サーボ出力に補正量を付与する方法が開示されている。
【０００４】
また、この出願と同一の出願人による特開平９−２２５７８１号公報には、回転数変化後の過渡状態から定常状態に至るまで、回転数と時間又は推定回数に応じて演算式の係数を変化させながら主軸の熱変位を推定することで、あらゆる運転状況において熱変位を正確に補正できるようにした方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この従来方法は、過渡状態の軸受温度の変化と変位量の変化とが一次おくれ系の応答を示すことを前提にしているため、例えば、周囲環境温度、冷却油量又は循環油量の変動によって主軸冷却装置の能力が変化するなどの原因で、温度変化と変位量変化とが一次おくれ系から外れた特性を示した場合に、推定誤差が発生するという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、温度変化と変位量変化とが一次おくれ系から外れた特性を示した場合でも、熱変位量を高精度に推定することができる方法を提供することにある。
【０００７】
【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、本発明の工作機械の熱変位推定方法は、工作機械各部の温度を検出する段階と、検出した温度を数値化する段階と、数値化された温度に基づき時間又は推定回数に応じて変化する関数であるフィルタ係数を演算し、該フィルタ係数を用いた演算式により熱変位量を推定する段階とを含む工作機械の熱変位推定方法において、熱変位量及び温度変化の過渡状態において、熱変位量変化と温度変化とが一次遅れ系の特性から外れる閾値を算出するとともに、熱変位量を推定するに際し求めたフィルタ係数と予め算出した前記閾値とを比較し、前記求めたフィルタ係数が前記閾値に達すると、前記求めたフィルタ係数を前記閾値に置き換えて熱変位量を推定することを特徴とする。
【０００８】
以下に、本発明による熱変位推定方法の原理を図面に従って説明する。図１に示すパターンでマシニングセンタを運転し、１０秒間隔で主軸の熱変位を非接触変位センサで計測するとともに、温度上昇値（機体温度からの相対値）を主軸軸受近傍の温度センサで計測した。図２に計測結果を示し、図３に従来（特開平９−２２５７８１号公報）の方法による熱変位量の推定値と計測値との誤差を示した。
【０００９】
図１の運転パターンでは、回転数が変化（０→１２，０００min^-1又は１２，０００→０min^-1）した時点で、熱変位及び温度の変化が定常状態から過渡状態に移行する。従来方法によると、過渡状態における熱変位量を正確に推定するために、回転数が変化した時点で回数（時間）カウンタをスタートし、式１で時間又は推定回数の関数である最適係数を用いて熱変位推定用中間値を求めたのち、式４により推定熱変位量を算出する。
【００１０】
Ｙ_n＝Ｙ_n-1＋（Ｘ_n−Ｙ_n-1）・ｆ（ｎ，Ｔ（Ｎ））・・・式１
Ｙ_n：ｎ回目の熱変位推定用中間値
Ｘ_n：ｎ回目の入力計算用温度
ｆ（ｎ，Ｔ（Ｎ））：最適係数
入力計算用温度＝計測温度−段差分・exp(-t/Ttmp) ・・・式２
段差分＝回転数変化直前の温度−回転数変化直前の熱変位推定用中間値・・式３
ｔ：回転数が変化してからの時間
Ttmp：温度時定数
推定熱変位量＝Ｋ・Ｙ_n ・・・式４
Ｋ：係数
【００１１】
この従来方法は、温度の変化と変位量の変化とが一次おくれ系の特性を示すことを前提にしている。しかしながら、主軸軸受が冷却装置の能力を越える程度に発熱したり、冷却装置の能力が環境室温変化や劣化等によって低下したりした場合には、温度変化と変位量変化とが一次おくれ系の特性を示さない場合がある。
【００１２】
図２は、冷却装置の能力不足のため、発熱量が増大したときに十分な冷却がなされていない結果を示すものであるが、こうした場合、従来方法によると図３に示すような推定誤差が発生する。ちなみに、回転数を０から１２、０００min^−１に上げたときの温度上昇値の変化を図４に示すが、ここで、軸受の発熱による温度上昇に対し、冷却が十分に行われている区間Ａと、冷却能力が不足している区間Ｂとで、温度上昇傾向つまり時定数が変化していることが分かる。
【００１３】
この点を考慮すると、熱変位の推定にあたり、式１で用いる最適係数を温度上昇傾向の変化に応じて操作すれば、推定精度を向上させることができる。しかし、温度上昇傾向が変化する都度、最適係数を操作する方法は演算式が複雑化し、演算時間も増加する。また、通常の場合、温度上昇傾向は２様に変化すると考えても差し支えない。
【００１４】
そこで、本発明では、最適係数が予め設定した閾値又は演算で求めた閾値に達した時点で、その係数の更新を打ち切ることにより、推定特性を変化させる方法を提案する。図６は、１０秒間隔で推定演算を行う条件のもとで、打ち切り閾値を設けた本発明の方法による実際の最適係数（フィルタ係数）の変化を従来方法によるそれと比較して示す。また、図５は本発明の方法で求めた熱変位量の推定値と計測値との誤差を示す。図３と比較して明らかなように、本発明によれば熱変位量を高精度に推定することができる。
【００１５】
【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を図面に基づいて説明する。図７は立形マシニングセンタにおける熱変位補正システムを示すものであるが、横形マシニングセンタの場合も同様のシステムを採用できる。立形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。
【００１６】
主軸３にはその発熱温度を測定する第１温度センサ６が取り付けられ、ベッド４には基準温度を測定する第２温度センサ７が取り付けられている。温度測定装置８は各温度センサ６，７からのアナログ信号をデジタル信号に変換して数値化する。熱変位推定演算器９は数値化された温度データと記憶装置１０に予め記憶された補正パラメータとに基づき熱変位量を推定して補正量を算出する。そして、ＮＣ装置１１がその補正量に従って周知の方法で位置補正を行う。
【００１７】
図８は熱変位推定方法の一実施形態を示すフローチャートである。まず、温度測定を含む熱変位補正実行中に回転数が変化すると、式３により段差量を演算したのち、カウンタをスタートし、過渡状態で推定特性を変化させる閾値である打ち切り係数Ｓを算出する。次に、段差吸収処理を実行し、式２により入力計算用温度を算出する。ただし、この段差吸収処理は、段差吸収量が推定用中間値Ｙ_nの算出に影響が出ないほど小さくなったときには実施しない。
【００１８】
次いで、予め設定されたパラメータ及び変化後の回転数をもとに最適係数Ｆを演算する。続いて、各補正タイミングに応じ、最適係数Ｆと打ち切り係数Ｓとを比較し、Ｆ＜Ｓとなった場合に、最適係数Ｆ（フィルタ係数）を打ち切り係数Ｓと同じ値に設定する。そして、式１により推定用中間値を演算したのち、式４により熱変位量を推定演算する。その後、推定熱変位量に相当する補正量をＮＣ装置に出力し、補正処理を実行する。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の熱変位推定方法によれば、温度変化と変位量変化とが一次おくれ系から外れた特性を示した場合でも、熱変位を高精度に推定でき、加工精度の向上に寄与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】マシニングセンタの運転パターンを例示する特性図である。
【図２】温度及び熱変位の経時変化を示す特性図である。
【図３】従来方法による推定誤差を示す特性図である。
【図４】回転数変化時の温度上昇傾向を示す特性図である。
【図５】本発明の方法による推定誤差を示す特性図である。
【図６】本発明の方法で用いた最適係数の経時変化を示す特性図である。
【図７】本発明の方法が実施される立形マシニングセンタの熱変位補正システムを示す概略図である。
【図８】本発明による熱変位推定方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１・・主軸ヘッド、２・・コラム、３・・主軸、４・・ベッド、５・・移動テーブル、６・・第１温度センサ、７・・第２温度センサ、８・・温度測定装置、９・・熱変位推定演算器、１０・・記憶装置、１１・・ＮＣ装置。

Claims

工作機械各部の温度を検出する段階と、検出した温度を数値化する段階と、数値化された温度に基づき時間又は推定回数に応じて変化する関数であるフィルタ係数を演算し、該フィルタ係数を用いた演算式により熱変位量を推定する段階と
を含む工作機械の熱変位推定方法において、
熱変位量及び温度変化の過渡状態において、熱変位量変化と温度変化とが一次遅れ系の特性から外れる閾値を算出するとともに、
熱変位量を推定するに際し求めたフィルタ係数と予め算出した前記閾値とを比較し、前記求めたフィルタ係数が前記閾値に達すると、前記求めたフィルタ係数を前記閾値に置き換えて熱変位量を推定することを特徴とする工作機械の熱変位推定方法。