JP3887197B2 - Nc工作機械の補正装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、NC工作機械の補正装置に関し、更に詳しくは、NC工作機械の性能解析結果に基づいて、運動機構部の動作量を補正する補正装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
NC工作機械の駆動制御は、当該NC工作機械に設けられた数値制御装置によって行われる。具体的には、前記数値制御装置においてNCプログラムが順次解析されて、主軸モータや送り系のサーボモータなどに対する動作指令信号が生成され、生成された動作指令信号に基づいて、前記主軸モータや送り系のサーボモータなどが駆動制御される。
【0003】
ところで、NC工作機械の状態は常に一定した状態ではなく、その稼働状況に応じて刻々と変化している。例えば、工具は加工によってその刃先が摩耗し、加工精度が徐々に悪化する。このため、従来、適正な加工精度を確保するために、前記摩耗分だけ送り系サーボモータの動作量を補正するようにしている。
【0004】
また、主軸を支持するベアリングは、その回転によって転動体と軌道輪との間に摩擦熱を生じ、生じた摩擦熱が主軸に伝達されて、主軸の温度が上昇し、温度上昇に伴う熱膨張によって当該主軸が変形する。このため、工具とワークとの相対的な位置関係が変化して、加工誤差を生じることになる。そこで、従来、温度センサによって主軸温度を計測し、計測された主軸温度から当該主軸の熱変形量を推定し、推定された熱変形量を基に、当該熱変形を打ち消すべく、前記送り系サーボモータの動作量を補正している。
【0005】
更に、送り系の送りねじを支持するベアリングについても同様に、その回転によって転動体と軌道輪との間に摩擦熱を生じ、生じた摩擦熱が送りねじに伝達されて、主軸の温度が上昇し、温度上昇に伴う熱膨張によって当該送りねじが変形する。このため、送り系の位置決め精度が悪化して、加工誤差を生じることになる。そこで、従来、送りねじの熱変形を変位センサによって検出し、検出された変形量を基に、当該熱変位を打ち消すべく、前記送り系サーボモータの動作量を補正するといったことが行われている。
【0006】
ところが、上記ベアリングで生じた熱は、主軸や送りねじのみならず、これらを介して、工作機械を構成するベッド,主軸台(頭),サドルやコラムといった構造物全体に伝達され、かかる構造物全体が熱変形して、工具とワークとの相対的な位置関係が変位し、加工誤差を生じる原因となる。したがって、高精度な加工を実現するためには、上述したベアリングの発熱に伴う主軸や送りねじに関する変位補正のみならず、構造物全体の熱変形を解析して、当該熱変形に応じた補正を行う必要がある。
【0007】
また、工作機械は加工によって振動を生じる。そして、その振動数が工作機械の固有振動数付近にある場合には、工作機械が共振状態となって、加工面に振動による影響が転写され、加工精度や加工表面品質が悪化する。したがって、高精度・高品質な加工を実現するためには、加工中の振動数及び工作機械の固有振動数の双方を解析し、これらが接近しないように、工具やワークの回転速度及び送り速度の内、少なくとも一方を補正するのが好ましい。
【0008】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、NC工作機械の挙動、とりわけ加工によって生じる振動を解析し、この解析結果に応じて運動機構部の動作量を補正することにより、高精度・高品質な加工を実現し得るNC工作機械の補正装置の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段及びその効果】
上記目的を達成するための本発明は、工具によりワークを加工する運動機構部と、動作指令信号に基づいて前記運動機構部の作動を制御する数値制御装置とを備えたNC工作機械に設けられ、前記動作指令信号に従って駆動,制御される前記運動機構部の動作量を補正する補正装置であって、
前記運動機構部の三次元モデルデータ、及び性能解析用の条件データを記憶した解析データ記憶手段と、
前記数値制御装置における動作指令信号、並びに前記解析データ記憶手段に格納された前記運動機構部の三次元モデルデータ及び性能解析用の条件データを基に、前記運動機構部の性能を解析する解析手段と、
前記解析手段によって解析された解析データを記憶するデータ蓄積手段と、
前記データ蓄積手段に格納された解析データから、前記動作指令信号に基づいた指令動作量に対する補正量を算出する補正量算出手段と、
前記補正量算出手段によって算出された補正量を基に、前記運動機構部の動作量を補正する補正実行手段とから構成されてなることを特徴とするNC工作機械の補正装置に係る。
【0010】
尚、本発明における上記運動機構部とは、工作機械を構成するベッド,テーブル,主軸,主軸台或いは主軸頭,サドルやコラムなどの構造物、送りねじ,ナット,送りモータなどから構成される送り機構や主軸モータの他、工具交換装置やパレット交換装置といった周辺機器などを含むものであり、制御装置を除いた機構部分の総称である。
【0011】
この補正装置によれば、まず、解析手段において、数値制御装置における動作指令信号、並びに解析データ記憶手段に格納された運動機構部の三次元モデルデータ及び性能解析用の条件データを基に、運動機構部の性能が解析され、解析された性能解析データがデータ蓄積手段に格納される。ついで、補正量算出手段において、前記データ蓄積手段に格納された性能解析データから、前記動作指令信号に基づいた指令動作量に対する補正量が算出され、次に、補正実行手段において、前記補正量算出手段で算出された補正量を基に、運動機構部の動作量が補正される。尚、解析手法には有限要素法や境界要素法などの手法が用いられる。
【0012】
解析対象としての前記運動機構部の性能としては、当該運動機構部の固有振動数や加工によって生じる振動等が挙げられるが、これに、ベアリングなどの熱源に起因した熱負荷によって生じる当該運動機構部の変形を含めても良い
【0013】
運動機構部の振動を解析して補正を行う場合、まず、前記解析手段により、前記解析データ記憶手段に格納されたデータを基に、前記解析手法によって運動機構部の固有振動数が解析される一方、前記数値制御装置から受信された主軸モータや送りモータの動作指令信号(主軸回転速度、送り速度、又は各モータの電流値に関する信号)及び前記解析データ記憶手段に格納されたデータを基に加工によって生じる振動が随時解析される。
【0014】
そして、補正量算出手段において、解析された固有振動数と加工によって生じる振動数とが比較され、加工によって生じる振動数が固有振動数に対して一定の範囲内にあるときには、送り機構部の送り速度及び主軸の回転速度の内、その少なくとも一方に対して、これを減速又は増速させるための補正量が算出され、算出された補正量に従って、前記補正実行手段により補正が実行される。
【0015】
また、熱負荷による運動機構部の変形を補正する場合、まず、前記解析手段により、前記数値制御装置から受信された主軸モータや送りモータの動作指令信号(回転速度に関する信号)を基に、主軸を支持するベアリングや送りねじを支持するベアリングを発熱源とする発熱量が算出され、算出された発熱量及び前記解析データ記憶手段に格納されたデータを基に、前記解析手法によって、運動機構部全体の変形量が算出される。ついで、算出された変形量を基に、前記補正量算出手段により、ワークと工具との相対的な位置関係における変位量が算出され、かかる変位量を打ち消すべく、各送り機構部についての動作補正量が算出される。そして、算出された補正量に従って、前記補正実行手段により補正が実行される。
【0016】
このように、この補正装置によれば、送り機構部の送り速度及び主軸の回転速度の内、少なくとも一方を補正することで、加工振動によって運動機構部が共振しないように、これを予防することができるので、加工プロセスでのびびり振動等を防止することができ、これにより、加工面の面精度を良好なものとすることができる。
【0017】
また、熱負荷によって生じる運動機構部全体の変形を解析し、解析された変形量に応じて、送り機構部の動作量を補正するようにすれば、従来に比べて、より正確な補正を行うことができる。そして、かかる正確な補正により、より高精度な加工を行うことが可能となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るNC工作機械の補正装置の概略構成を示したブロック図である。
【0019】
図1に示すように、本例の補正装置1は、工作機械の数値制御装置3内に内蔵されたモデル解析用データベース12,モデル解析部13,データ蓄積部14,補正量算出処理部15,補正量記憶部16及び補正実行部17などの各部と、工作機械運動機構部(以下、単に「運動機構部」という)2の適宜位置に配設された検出部4とから構成される。尚、数値制御装置3内には、上記の他に、CNC指令入力処理部10及びCNC制御部11なども内蔵されている。
【0020】
前記CNC指令入力処理部10,CNC制御部11,モデル解析用データベース12,モデル解析部13,データ蓄積部14,補正量算出処理部15,補正量記憶部16,補正実行部17は、CPU,ROM,RAMやハードディスクなどから構成される。また、検出部4は、サーミスタなどの温度センサからなり、運動機構部2周辺の雰囲気温度を検出する。
【0021】
前記運動機構部2は、制御装置(数値制御装置を含む)を除いた機構部分の総称であり、その構成要素は工作機械の種類によって異なる。例えば、旋盤の場合には、ベッド,主軸台,サドルや刃物台などの構造物、ボールねじ,ボールナット,送りモータ等から構成されるX軸及びZ軸の各送り機構や主軸モータの他、工具交換装置といった周辺機器などが含まれる。また、マシニングセンタの場合には、ベッド,テーブル,主軸頭やコラムなどの構造物、X軸,Y軸及びZ軸各送り機構や主軸モータの他、工具交換装置やパレット交換装置といった周辺機器などが含まれる。
【0022】
前記CNC指令入力処理部10は、NCプログラムを順次解析して、前記運動機構部2に関する動作指令信号を生成し、生成した動作指令信号を前記CNC制御部11に送信する処理部であり、生成された動作指令信号は前記モデル解析部13にも送信されるようになっている。
【0023】
前記CNC制御部11は、前記CNC指令入力処理部10から受信した動作指令信号に適宜処理を加えて駆動指令信号を生成し、生成した駆動指令信号を前記運動機構部2の送りモータや主軸モータに送信する処理部である。そして、このように生成され、送信された駆動指令信号によって送りモータや主軸モータが駆動制御され、ワークが加工される。
【0024】
前記モデル解析用データベース12には、図2に示すような前記運動機構部2の三次元モデルデータや、図3に示すような工具の三次元モデルデータ及びワークの三次元モデルデータの他、性能解析用の様々な条件データが予め格納されている。
【0025】
尚、図2に示した三次元モデルデータは、ベッド,コラム,テーブル,主軸頭,主軸や各送り機構(X軸,Y軸,Z軸)を備えた横形マシニングセンタに係るものであり、CATIA,UNIGRAPHICSといった三次元CADシステムを用いて入力された三次元形状データが適宜微小要素に分割され、解析に必要なモデルデータとして変換されたものであり、前記工具の三次元モデルデータ及びワークの三次元モデルデータも、同様にして作成される。
【0026】
また、前記条件データは、前記運動機構部2,工具やワークを構成する材料固有の熱伝導率,線膨張係数,ヤング率,ポアソン比,比重などからなる物性値や前記材料と雰囲気間の熱伝達率などから構成される。
【0027】
そして、前記モデル解析部13は、前記CNC指令入力処理部10から送信された動作指令信号、前記検出部4において検出された検出温度データ、前記モデル解析用データベース12に格納された三次元モデルデータや条件データなどに基づいて、熱負荷や加工負荷による変形、加工によって生じる振動といった運動機構部2の性能を解析する。尚、解析手法には、有限要素法や境界要素法などの手法が用いられる。
【0028】
例えば、熱負荷による変形を解析する場合、前記CNC指令入力処理部10から受信された主軸モータや送りモータの動作指令信号(回転速度に関する信号)を基に、前記送り機構の送りモータやボールナット、及び主軸モータやベアリングなどを発熱源とする発熱量を算出し、算出した発熱量並びに前記モデル解析用データベース12に格納された運動機構部2の三次元モデルデータ及び条件データに基づいて、前記解析手法に則り、前記各要素ごとの温度分布を算出する。そして、算出した温度分布を基に各要素ごとの熱変形量を算出して、これらから、例えば、主軸、X軸,Y軸及びZ軸の各送り機構を構成するボールねじ、ベッド、コラム、テーブル、主軸頭などのそれぞれについて、その熱変形量を算出する。
【0029】
また、加工負荷による変形を解析する場合には、前記CNC指令入力処理部10から受信された主軸モータや送りモータの動作指令信号(主軸回転速度、送り速度、又は各モータの電流値に関する信号及び使用工具に関する信号)、並びに前記モデル解析用データベース12に格納された当該使用工具及びワークの三次元モデルデータや条件データを基に、ワーク加工時に生じる切削負荷(加工負荷)を算出し、算出した切削負荷並びに前記モデル解析用データベース12に格納された運動機構部2,前記使用工具及びワークの三次元モデルデータ、並びに条件データに基づいて、前記解析手法に則り、前記各要素ごとの変形量を算出して、これらから、例えば、主軸,ベッド,コラム,テーブル,主軸頭,ワークや工具などのそれぞれについて、その変形量を算出する。
【0030】
また、加工によって生じる振動を解析する場合、まず、前記モデル解析用データベース12に格納された運動機構部2の三次元モデルデータ及び条件データを基に、前記解析手法に則って運動機構部2の固有振動数を算出する。ついで、前記CNC指令入力処理部10から受信された主軸モータや送りモータの動作指令信号(主軸回転速度、送り速度、又は各モータの電流値に関する信号及び使用工具に関する信号)、並びに前記モデル解析用データベース12に格納された運動機構部2,前記使用工具及びワークの三次元モデルデータや条件データなどに基づいて、加工によって生じる振動周波数(振動数)が随時算出される。
【0031】
尚、加工によって生じる振動周波数fの算出手法は、特に限定されるものではないが、例えば、フライスカッタやエンドミルによる加工の場合、簡易的には、次式によってこれを算出することができる。
【0032】
f=(主軸回転速度(回転/秒)×工具の刃数)
【0033】
また、異形ワークを旋削する場合には断続切削を生じる場合があり、この場合の加工振動周波数は工具の送り速度に依存する。
【0034】
前記データ蓄積部14には、前記モデル解析部13において解析された性能解析データが格納される。格納されるデータの一例を図4に示す。図4には、性能として、運動機構部2各部の熱変形量,加工負荷よる変形量やワークの加工負荷よる変形量、並びに運動機構部2の固有振動数や加工によって生じる振動周波数に係るデータを挙げている。尚、熱変形量,加工負荷よる変形量や加工によって生じる振動周波数に係るデータは、モデル解析部13によってその値が算出される都度、随時更新される。
【0035】
前記補正量算出処理部15は、前記データ蓄積部14に格納された性能解析データを基に、前記CNC指令入力処理部10から出力される指令動作量に対する補正量を算出する。
【0036】
例えば、熱負荷及び加工負荷に依る前記運動機構部2の変形を補正する場合、前記データ蓄積部14に格納された前記主軸,ベッド,コラム,テーブル及び主軸頭の熱変形量及び加工負荷による変形量を基に、X軸,Y軸及びZ軸について、工具とワークと相対的な位置関係における変位量をそれぞれ算出するとともに、ボールねじの熱変形量を基にX軸,Y軸及びZ軸についての位置決め誤差をそれぞれ算出し、算出された変位量及び位置決め誤差を基に各送り機構部における補正量を算出する。
【0037】
また、運動機構部2の振動に基づいて補正を行う場合、前記データ蓄積部14に格納された運動機構部2の固有振動数と加工振動周波数とを比較し、加工振動周波数が固有振動数に対して予め定められた一定の範囲内にあるときには、各送り機構部の送り速度及び主軸の回転速度の内、その少なくとも一方に対して、これを減速若しくは増速させるための補正量を算出する。
【0038】
加工によって生じる振動周波数が運動機構部2の固有振動数付近にある場合には、運動機構部2が共振状態となって、加工面にびびりを生じ、加工精度が悪化する。したがって、高精度な加工を実現するためには、加工振動周波数及び運動機構部2の固有振動数の双方を解析して、これらが接近しないように、工具やワークの回転速度及び送り速度の内、少なくとも一方を補正するのが好ましい。そこで、上記のように、加工振動周波数が固有振動数に対して予め定められた一定の範囲内にあるときには、各送り機構部の送り速度及び主軸の回転速度の内、その少なくとも一方を減速若しくは増速させるための補正量を算出する。
【0039】
尚、この補正量は、例えば、現在の送り機構に対する指令送り速度や主軸に対する指令回転速度に対し、予め定められた一定の定数を乗じることによって算出することができる。
【0040】
前記補正量記憶部16には、上記のようにして前記補正量算出手段17において算出された補正量が格納される。そして、前記補正実行部17は、補正量記憶部16に格納された補正量を前記CNC制御部11に送信し、CNC制御部11では受信された補正量に従って前記動作指令信号が補正される。
【0041】
斯くして、以上の構成を備えた本例の補正装置1によれば、前記モデル解析部13において、前記CNC指令入力処理部10から随時送信される動作指令信号、前記検出部4において検出された検出温度データ、前記モデル解析用データベース12に格納された三次元モデルデータや条件データなどに基づいて、熱負荷や加工負荷による変形の他、加工によって生じる振動といった運動機構部2の性能が解析され、解析された性能データがデータ蓄積部14に格納される。
【0042】
そして、前記補正量算出処理部15において、データ蓄積部14に格納された性能解析データ(熱負荷や加工負荷による変形や加工による振動など)が随時読み出されて、前記CNC指令入力処理部10から出力される指令動作量に対する補正量が算出され、算出された補正量が補正量記憶部16に格納される。そして、前記補正実行部17は、補正量記憶部16に格納された補正量を随時読み出してこれを前記CNC制御部11に送信し、CNC制御部11は受信した補正量に従って前記動作指令信号を補正する。
【0043】
このように、この補正装置1によれば、熱負荷や加工負荷等によって生じる運動機構部2全体の変形を解析し、解析された変形量に応じて、各送り機構部の動作量を補正するようにしているので、従来に比べて、前記変形に対してより正確な補正を行うことができる。そして、このように正確な補正を行うことにより、より高精度な加工を行うことが可能となる。
【0044】
また、加工振動によって運動機構部2が共振しないように、各送り機構部の送り速度及び主軸の回転速度の内、少なくとも一方を補正することで、運動機構部2が共振するのを予防することができるので、加工プロセスでのびびり振動等を防止することができ、これにより、加工面の面精度を良好なものとすることができる。
【0045】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものでない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係るNC工作機械の補正装置の概略構成を示したブロック図である。
【図2】 本実施形態に係る運動機構部の三次元モデルデータを示した斜視図である。
【図3】 本実施形態に係る工具及びワークの三次元モデルデータを示した斜視図である。
【図4】 本実施形態に係るデータ蓄積部に格納される解析結果データを示した説明図である。
【符号の説明】
1 (NC工作機械の)補正装置
2 (NC工作機械)運動機構部
3 数値制御装置
4 検出部
10 CNC指令入力処理部
11 CNC制御部
12 モデル解析用データベース
13 モデル解析部
14 データ蓄積部
15 補正量算出処理部
16 補正量記憶部
17 補正実行部

Claims (1)

  1. 工具によりワークを加工する運動機構部と、動作指令信号に基づいて前記運動機構部の作動を制御する数値制御装置とを備えたNC工作機械に設けられ、前記動作指令信号に従って駆動,制御される前記運動機構部の動作量を補正する補正装置であって、
    前記運動機構部の三次元モデルデータ、及び性能解析用の条件データを記憶した解析データ記憶手段と、
    前記数値制御装置における動作指令信号、並びに前記解析データ記憶手段に格納された前記運動機構部の三次元モデルデータ及び性能解析用の条件データを基に、前記運動機構部全体の固有振動数を解析するとともに、加工によって生じる振動数を解析する解析手段と、
    前記解析手段によって解析された前記運動機構部全体の固有振動数及び加工によって生じる振動数を記憶するデータ蓄積手段と、
    前記データ蓄積手段に格納された前記運動機構部全体の固有振動数と加工によって生じる振動数とを比較し、加工によって生じる振動数が前記運動機構部全体の固有振動数に対して予め定められた一定の範囲内にある場合には、前記動作指令信号に基づいた指令動作量としての前記運動機構部の送り速度及び回転速度の内、その少なくとも一方に対して、これを減速又は増速させるための補正量を算出する補正量算出手段と、
    前記補正量算出手段によって算出された補正量を基に、前記運動機構部の送り速度及び回転速度の内、その少なくとも一方を、減速又は増速させる補正実行手段とから構成されてなることを特徴とするNC工作機械の補正装置。
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