JP4874932B2

JP4874932B2 - 工作機械における熱変位検出装置

Info

Publication number: JP4874932B2
Application number: JP2007284481A
Authority: JP
Inventors: 義直田中; 伸男竹本
Original assignee: Komatsu NTC Ltd
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: JP2009107100A

Description

本発明は、工作機械における熱変位検出装置に係り、詳しくはワークを支持するテーブル又は主軸装置を移動させる移動機構の熱変位及び加工されるワークの熱変位を適正に補正するための工作機械における熱変位検出装置に関する。

工作機械として、ベッドの上面にワークを支持するテーブルを設け、ベッドの後部に左右（Ｘ軸）方向、前後（Ｚ軸）方向及び上下（Ｙ軸）方向にそれぞれ往復動されるＸ軸、Ｚ軸及びＹ軸サドルを順次装着し、前記３軸方向に往復動されるＹサドルに主軸装置を装着し、該主軸装置に装着された工具によって前記テーブル上のワークを加工する構成のものが提案されている。又、工作機械にはワークの加工作業中においてワーク及び工具を冷却するとともに加工部の潤滑を行うための潤滑油を含有したクーラントを循環供給するためのクーラント供給装置が備えられている。

上記の工作機械を用いてワークの加工作業が行われると、前記各サドルを往復動するボールねじ機構を構成するサーボモータ、ボールねじ及びボールねじナット等が摩擦熱により温度上昇し、前記ボールねじが軸方向に熱膨張する。このためボールねじ機構による主軸装置の移動量が変化し、ワークの加工精度が低下する。

上記の問題を解消するため、従来、特許文献１に開示された工作機械の熱変位補正方法が提案されている。この熱変位補正方法は、ボールねじ機構のボールねじによって往復動される加工テーブルの上面に検出片を設けるとともに、工作機械の固定側にインバー材（ゲージ）を前記ボールねじと平行に設け、該インバー材に所定間隔をおいて二つの位置センサを取り付ける。そして、工作機械の精度検査時に前記サーボモータを作動させてボールねじを回転し、前記加工テーブルに取り付けられた検出片を前記両位置センサによって測定し、この二つの座標値を絶対基準として制御装置のパラメーターに予め記憶する。そして、実際のワークの加工直前に上記両位置センサの機械原点からの座標値を再度測定し、前記絶対基準と実測座標値との誤差を求める。この誤差に基づいて工作機械の位置決め制御に補正をかけるようになっている。

上記の熱変位補正方法によって、ボールねじの正確な位置決め精度を得ることができるが、ワークの温度膨張を無視すれば、ボールねじの正確な位置決め精度の効果が減少してしまうので、ワークの熱膨張を位置決め補正にさらに反映するために次のような補正方法がとられている。即ち、加工されるワークは素材特有の線膨張係数を持っているが、この数値とワークの温度変化を把握することにより、ワークの大きさの変化を予想することが可能となる。ワークの熱膨張はワーク全体で発生するため、熱膨張の基準位置の設定が必要となり、ワーク中心をゲージ中心を基点にワークの熱膨張を補正するようになっている。そして、ワークが正規の寸法を示す温度が基準温度（２０℃）で、温度センサが測定した温度と基準温度との差に線膨張係数をかけた数値をワーク１ｍ当たりの熱膨張による誤差として、さらにワークの大きさをかけることにより実際に補正すべきワークの熱膨張量を求めるようになっている。
特開２００６‐２１２７６５号公報

ところが、上述した工作機械の熱変位補正方法においては、ボールねじの熱膨張による熱変位補正を適正に行うことができるが、ワークの熱膨張による熱変位補正を適正に行うことができないという問題があった。即ち、温度センサによって測定された温度と基準温度との差に線膨張係数をかけた数値をワーク１ｍ当たりの熱膨張による誤差として演算するようになっていたので、計算上は正しい誤差の検出が行われたとしても実際のワークの熱膨張を正確に検出することが非常に難しいという問題があった。又、上述した工作機械の熱変位補正方法は、工作機械を所定の温度に保持するための空調装置、クーラントの温調装置、前記温度センサ及び測定された温度に基づいて上記の各種の演算を行なうコンピューターのソフトウェアを作成するのが面倒であり、設備コストを低減することができないという問題があった。

本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、ワークを支持するテーブル又は主軸装置を送り移動する送り機構の熱膨張及びワークの熱膨張による機械原点の座標を正確に補正することができるとともに、設備コストを低減することができる工作機械における熱変位検出装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ベッドに装着されたワークを支持するテーブルと、主軸装置とを互いに直交するＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向のうち少なくとも一軸方向に相対移動可能に構成した工作機械において、前記ベッド又は該ベッドに支持され、前記主軸装置を少なくとも一軸方向に移動可能に支持する支持体に対し、前記ワークの材質と同じ材質又は熱膨張率がワークの熱膨張率と同じ材質のゲージを装着し、該ゲージに位置センサ又は検出片を取り付け、一方、前記ゲージの指向方向に相対移動される移動体に対し検出片又は位置センサを取り付け、前記ゲージに対しクーラント供給装置によって供給されるクーラントを作用させるように構成するとともに、前記クーラント供給装置から前記ゲージに至る配管に対し電磁切換弁を介して分岐配管を接続し、該分岐配管により前記主軸装置にクーラントを供給するように構成したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記ゲージにはクーラント供給装置の配管によりクーラントを流通させるクーラント通路が形成されていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記ベッドにはＸ軸移動機構を介してＸ軸サドルが左右方向の往復動可能に装着され、前記Ｘ軸サドルにはＺ軸移動機構を介してＺ軸サドルが前後方向の往復動可能に装着され、前記Ｚ軸サドルにはＹ軸移動機構を介してＹ軸サドルが上下方向の往復動可能に装着され、前記Ｙ軸サドルには、前記主軸装置が装着され、前記Ｚ軸サドルに前記ゲージが上下方向に指向するように取り付けられ、前記Ｙ軸サドルには前記ゲージに取り付けられた位置センサ又は検出片と対応するように検出片又は位置センサが取り付けられていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記ゲージに対し前記位置センサ又は検出片は、取付位置の調節可能に取り付けられていることを要旨とする。

（作用）
この発明はワークの材質と同じ材質又は熱膨張率が同じ材質のゲージを用いるとともに、ワークの加工部に供給されるクーラントを前記ゲージに作用させるようにしたので、ワークの熱膨張とゲージの熱膨張とがほぼ同じ条件となる。このため、ゲージにより測定された熱膨張にワークの熱膨張が適正に反映される。また、ワークの加工前に電磁切換弁によりゲージにクーラントを流してゲージの熱膨張を測定し、その後、電磁切換弁を切り換えて分岐配管のみにクーラントを流すことができるので、ワークの加工中はゲージにクーラントが供給されず、無駄を省略することができる。

本発明によれば、ワークを支持するテーブル又は主軸装置を送り移動する送り機構の熱膨張及びワークの熱膨張による誤差を正確に補正することができるとともに、設備コストを低減することができる。

以下、本発明を具体化した工作機械における熱変位検出装置の一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図２に示すように、ベッド１１の上面にはＸ軸案内レール１２を介してＸ軸サドル１３がＸ軸（左右）方向の往復動可能に装着され、前記ベッド１１の上面に取り付けられたサーボモータ１４、該サーボモータ１４に連結されたボールねじ１５、前記Ｘ軸サドル１３の下面に取り付けられ、かつ前記ボールねじ１５に螺合されたボールねじナット１６等よりなるＸ軸移動機構によって前記Ｘ軸サドル１３がＸ軸方向に往復動されるようになっている。図１に示すように前記Ｘ軸サドル１３の上面にはＺ軸案内レール１７を介してＺ軸サドル１８がＺ軸（前後）方向の往復動可能に装着され、前記Ｘ軸サドル１３の上面に取り付けられたサーボモータ１９、該サーボモータ１９に連結されたボールねじ２０、前記Ｚ軸サドル１８の下面に取り付けられ、かつ前記ボールねじ２０に螺合されたボールねじナット２１等よりなるＺ軸移動機構によってＺ軸方向に往復動されるようになっている。前記Ｚ軸サドル１８の前面にはＹ軸案内レール２２がＹ軸（上下）方向に敷設され、Ｙ軸案内レール２２にはＹ軸サドル２３が上下方向の往復動可能に装着され、前記Ｚ軸サドル１８の上面に下向きに取り付けられたサーボモータ２４、該サーボモータ２４に連結されたボールねじ２５、前記Ｙ軸サドル２３に取り付けられ、かつ前記ボールねじ２５に螺合されたボールねじナット２６等よりなるＹ軸移動機構によって上下方向に往復動されるようになっている。

前記Ｙ軸サドル２３の前面には主軸装置２７がＺ軸方向に指向するように取り付けられ、該主軸装置２７の主軸２８には例えばドリル等の工具２９が工具ホルダーを介して取り付けられている。

図１に示すように支持体としての前記Ｚ軸サドル１８の右側面には取付台座３０が上下方向に指向するようにボルトによって取り付けられ、この取付台座３０の前面には四角柱状のゲージ３１が上下方向に指向するように取り付けられている。このゲージ３１は、加工するワークＷの材料が例えばアルミニウムである場合には、同じアルミニウムや熱膨張係数がアルミニウムとほぼ等しい材料により形成されたものが使用されるようになっている。前記ゲージ３１の上下方向の中心には、ボス部３１ａが一体に形成され、前記取付台座３０に形成された取付孔３０ａに対し前記ボス部３１ａを嵌合させてボルト３２により固定するようにしている。前記ゲージ３１の前面上部には第１位置センサ３４が取り付けられ、下部には第２位置センサ３５が取り付けられている。一方、ゲージ３１の指向方向に相対移動される移動体としての前記Ｙ軸サドル２３の右側面には前記第１及び第２位置センサ３４，３５によって検出される一つの検出片３６が取り付けられている。

図１及び図３に示すように、前記主軸装置２７の先端部には前記ベッド１１の上面に装着されたワークテーブル４１の上面に支持されたワークＷを前記工具２９によって加工する際に、加工部に潤滑及び冷却用のクーラントを供給するためのノズル４０が装着されている。前記ゲージ３１にはクーラントを通過させるためのクーラント通路３１ｂが形成され、該クーラント通路３１ｂの上端部にはクーラントタンク４２から配管４３及びフィルタ４４を介してポンプ４５により汲みあげられたクーラントが供給されるようになっている。前記クーラント通路３１ｂの下端部には、先端を前記ノズル４０に接続されたフレキシブルな配管４６の基端が接続されている。

図３に示すように、前記第１及び第２位置センサ３４，３５によって検出された検出信号は、リード線４７によって制御装置４８に送信されるようになっている。又、前記制御装置４８の記憶媒体に記憶された加工プログラムに基づいて出力された制御信号によって前記サーボモータ１４，１９，２４の動作が制御されるようになっている。

次に、前記のように構成された工作機械の動作について説明する。
前記制御装置４８から出力された加工プログラムに基づく制御信号によって、前記各サーボモータ１４，１９，２４がそれぞれ作動されて、前記主軸装置２７がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向にそれぞれ移動制御され、前記工具２９によってワークテーブル４１に支持されたワークＷが所望する形状に加工される。この加工動作中においては前記ポンプ４５が作動されて、クーラントタンク４２から汲み上げられたクーラントが配管４３を介して前記ゲージ３１のクーラント通路３１ｂに供給され、クーラント通路３１ｂから配管４６を介して前記ノズル４０に供給され、該ノズル４０から加工中のワークＷにクーラントが供給され、工具２９及びワークＷが冷却されるとともにクーラントに含まれる潤滑成分によって加工部の潤滑が行われる。

次に、図３及び図４に基づいて、工作機械の送り機構の熱膨張及びワークＷの熱膨張による主軸装置２７の熱変位補正方法について説明する。図３は説明の便宜上前記ボールねじ２５及びゲージ３１等が水平になるように表されている。前記Ｙ軸サドル２３が退避位置に保持され、検出片３６が機械原点Ｏにある状態を示す。図４は前記検出片３６の機械原点Ｏからの第１測定点Ｏ１と第２測定点Ｏ２の座標と、それぞれの座標における誤差との関係を表す。機械原点Ｏから所定距離離れた第１測定点Ｏ１の座標をＬ１とし、第２測定点Ｏ２の座標をＬ２とする。一方、Ｙ軸サドル２３（検出片３６）の座標に対する真の値Ｅからの誤差±ΔＥを縦軸で示す。第１測定点Ｏ１の誤差は−ΔＥとなり、第２測定点Ｏ２の誤差は＋ΔＥとなる。前記二つの測定点Ｏ１，Ｏ２における誤差を直線で結び誤差直線Ｅ' としている。上記誤差直線Ｅ' は、機械原点Ｏから所定距離離れた第１測定点Ｏ１及び第２測定点Ｏ２のそれぞれの座標を測定し、これら２点の間の座標については線形補間することにより求められ、これによりＹ軸サドル２３のシフト量が決定される。

ワークＷの加工後あるいは加工中に、前記Ｙ軸サドル２３の第１測定点Ｏ１及び第２測定点Ｏ２のそれぞれの座標Ｌ１' ，Ｌ２' の測定を前記第１及び第２位置センサ３４，３５及び検出片３６によって行い、これらの距離の値を第１実測値Ｌ１' 及び第２実測値Ｌ２' として制御装置４８の記憶媒体に記憶する。ここで、座標Ｌ１' と座標Ｌ２' との間の座標を線形補間することにより座標Ｌ１' と座標Ｌ２' との間の座標を求めることができる。

上記実施形態の工作機械によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、前記ゲージ３１の材質を加工するワークの材質と同じか、熱膨張率がほぼ同じ材料にするとともに、前記ゲージ３１に形成されたクーラント通路３１ｂに対し、ワークＷの加工中に用いるクーラントを流通させ、ワークＷの温度上昇と、ゲージ３１の温度上昇とが同じになるようにした。このため、ボールねじ２５の熱膨張及びワークＷの熱膨張による実際の誤差を、ゲージ３１によって正確に検出することができ、前記Ｘ軸サドル１３の機械原点Ｏにおける座標補正量を精度よく求めることができる。従って、ワークＷの加工精度を向上することができる。

（２）上記実施形態では、クーラント供給装置のクーラントの温度を適正温度（例えば２０℃）に調節する必要がないばかりでなく、工場内の空調装置によって温度管理をする必要もなく、さらに温度センサによって実際の温度を測定してワークの熱膨張量を演算する必要もないので、温度センサや空調装置あるいはクーラントの温調装置を不要にして設備コストを大幅に低減することができる。

（３）上記実施形態では、ゲージ３１に形成したクーラント通路３１ｂに配管４３，４６を接続するようにしたので、ゲージ３１の温度を簡単な構成によって、ワークＷの温度と同じ温度に容易に近づけることができる。

（４）上記実施形態では、第１及び第２測定点Ｏ１，Ｏ２の座標Ｌ１，Ｌ２の間隔を、ワークＷのＹ軸方向の長さ寸法と同じに設定することにより、ワークＷの熱膨張による座標補正量を正確に設定することができる。

次に、この発明の別の実施形態を図５に基づいて説明する。
この実施形態では、前記ノズル４０及び配管４６を省略し、前記ポンプ４５からゲージ３１に至る配管４３に対し、電磁切換弁４９を介して分岐配管４６Ａを接続し、この分岐配管４６Ａにより前記主軸装置２７の内部にクーラントを供給するように構成している。又、前記ゲージ３１のクーラント通路３１ｂの下端部に接続した配管５０からクーラントを前記クーラントタンク４２に還流するようにしている。

この実施形態ではワークの加工前に前記電磁切換弁４９によりゲージ３１のクーラント通路３１ｂにクーラントを流してゲージ３１の熱膨張を測定し、その後、電磁切換弁４９を切り換えて分岐配管４６Ａのみにクーラントを流すことができるので、ワークの加工中はゲージ３１のクーラント通路３１ｂにクーラントが供給されず、無駄を省略することができる。

上記の実施形態において、前記電磁切換弁４９を省略してもよい。
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・図６に示すように、ゲージ３１の上端を前記Ｚ軸サドル１８の側面に設けた取付台座３０にボルト３２によって取り付け、ゲージ３１の下端部に一つの位置センサ３４を取り付けるようにしてもよい。この場合には、前記ボルト３２によるゲージ３１の固定点から前記第１位置センサ３４までの基準距離Ｌ４が予め判っているので、機械原点Ｏから位置センサ３４までの座標Ｌ１，Ｌ１' の誤差に基づいて、前記ゲージ３１の熱膨張係数を演算し、これに基づいて機械原点Ｏの座標補正量を求める。

・図７に示すように、ゲージ３１に対し第１及び第２位置センサ３４，３５のうち第２位置センサ３５の取付位置を加工されるワークの厚さ寸法の変化に応じて、該厚さ寸法と同じになるように調節可能に構成してもよい。この場合には、一つのゲージ３１及び二つの第１及び第２位置センサ３４，３５によって、寸法の異なる各種のワークの加工に対処することができる。

・図８に示すように、前記ゲージ３１に取り付けた第１及び第２位置センサ３４，３５を省略し、第１検出片５１及び第２検出片５２を取り付け、一方、前記Ｙ軸サドル２３に位置センサ５３を取り付けるようにしてもよい。

・図９に示すように、ゲージ３１の上下両端部の側面に取付板３１ｃを一体に形成し、各取付板３１ｃに形成した各孔に貫通したボルト５４を前記Ｚ軸サドル１８の側面に形成したネジ孔（図示略）に螺合するようにしてもよい。この実施形態では部品点数を低減して、構造を簡素化でき、コストの低減を図ることができる。

・図１０に示すように、前記取付板３１ｃに形成した孔３１ｄを上下方向に延びる長孔とし、ゲージ３１の熱膨張を許容するようにしてもよい。
・図１１に示すように、前記ゲージ３１の外周面にスリット３１ｅを四角環状に形成し、ゲージ３１の上下両端部を固定する方式のものにおいて、ゲージ３１の熱膨張を前記スリット３１ｅにより許容するように構成してもよい。

・図１２に示すように前記ゲージ３１の長手方向の中央部に前記取付板３１ｃを形成し、ゲージ３１が熱膨張し易くなるようにしてもよい。
・前記実施形態では前記Ｚ軸サドル１８にゲージ３１をＹ軸方向に指向するように装着したが、これをＸ軸方向或いはＺ軸方向に指向するように装着してもよい。

・前記実施形態では、ゲージ３１に第１及び第２位置センサ３４，３５を設けて、ゲージ３１の熱膨張を二箇所で測定するようにしたが、位置センサを三箇所以上に設け、加工するワークの大きさに応じて、測定に用いる位置センサを選択して使用するようにしてもよい。

・前記ゲージ３１のクーラント通路３１ｂを省略し、ゲージ３１に対し前記配管４３の先端からクーラントを流下するようにしてもよい。又、前記ゲージ３１の外周面に対し前記配管４３を接触させるようにしてもよい。

・例えばワークＷの材質が、前述したアルミニウム以外に鉄、銅、真鍮あるいは各種の金属合金である場合に対応できるように、材質の異なるゲージ３１を複数種類用意しておき、このゲージ３１を加工するワークに応じて選択して使用するようにしてもよい。

・前記ゲージ３１の材質がワークの材質と異なる場合において、ゲージ３１の熱膨張率がワークの熱膨張率の±１０％以内の材質を用いてもよい。
・本発明を立形工作機械やその他のフィードバックスケールを設けるような工作機械に具体化してもよい。

・図１に示すＸ軸サドル１３を省略し、前記ベッド１１に対しワークテーブル４１をＸ軸移動機構及びＺ軸移動機構の少なくとも一つの移動機構により往復動するように装着した工作機械に具体化したり、主軸装置２７がＺ軸方向のみに往復動されるタイプの工作機械に具体化したりしてもよい。

この発明を具体化した工作機械の１実施形態を示す右側面図。工作機械の正面図。工作機械の要部構成を示す説明図。熱膨張による誤差の説明図。この発明の別の実施形態を示す右側面図。この発明の別の実施形態を示す要部の説明図。この発明の別の実施形態を示す要部の説明図。この発明の別の実施形態を示す要部の説明図。この発明の別の実施形態を示す要部の斜視図。この発明の別の実施形態を示す要部の斜視図。この発明の別の実施形態を示す要部の斜視図。この発明の別の実施形態を示す要部の斜視図。

符号の説明

Ｏ…機械原点、Ｗ…ワーク、Ｌ１，Ｌ２…座標、１１…ベッド、１３…Ｘ軸サドル、１８…Ｚ軸サドル、２３…Ｙ軸サドル、２７…主軸装置、３１ｂ…クーラント通路、３４…第１位置センサ、３５…第２位置センサ、３６…検出片、４３，４６…配管、４８…制御装置、５１…第１検出片、５２…第２検出片。

Claims

ベッドに装着されたワークを支持するテーブルと、主軸装置とを互いに直交するＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向のうち少なくとも一軸方向に相対移動可能に構成した工作機械において、
前記ベッド又は該ベッドに支持され、前記主軸装置を少なくとも一軸方向に移動可能に支持する支持体に対し、前記ワークの材質と同じ材質又は熱膨張率がワークの熱膨張率と同じ材質のゲージを装着し、該ゲージに位置センサ又は検出片を取り付け、一方、前記ゲージの指向方向に相対移動される移動体に対し検出片又は位置センサを取り付け、前記ゲージに対しクーラント供給装置によって供給されるクーラントを作用させるように構成するとともに、前記クーラント供給装置から前記ゲージに至る配管に対し電磁切換弁を介して分岐配管を接続し、該分岐配管により前記主軸装置にクーラントを供給するように構成したことを特徴とする工作機械における熱変位検出装置。
請求項１において、前記ゲージにはクーラント供給装置の配管によりクーラントを流通させるクーラント通路が形成されていることを特徴とする工作機械における熱変位検出装置。
請求項１又は２において、前記ベッドにはＸ軸移動機構を介してＸ軸サドルが左右方向の往復動可能に装着され、前記Ｘ軸サドルにはＺ軸移動機構を介してＺ軸サドルが前後方向の往復動可能に装着され、前記Ｚ軸サドルにはＹ軸移動機構を介してＹ軸サドルが上下方向の往復動可能に装着され、前記Ｙ軸サドルには、前記主軸装置が装着され、前記Ｚ軸サドルに前記ゲージが上下方向に指向するように取り付けられ、前記Ｙ軸サドルには前記ゲージに取り付けられた位置センサ又は検出片と対応するように検出片又は位置センサが取り付けられていることを特徴とする工作機械における熱変位検出装置。
請求項１〜３のいずれか一項において、前記ゲージに対し前記位置センサ又は検出片は、取付位置の調節可能に取り付けられていることを特徴とする工作機械における熱変位検出装置。