JP5232384B2 - Temperature distribution calculation method for ball screw in operation and displacement correction method based on the method - Google Patents

Temperature distribution calculation method for ball screw in operation and displacement correction method based on the method Download PDF

Info

Publication number
JP5232384B2
JP5232384B2 JP2006349071A JP2006349071A JP5232384B2 JP 5232384 B2 JP5232384 B2 JP 5232384B2 JP 2006349071 A JP2006349071 A JP 2006349071A JP 2006349071 A JP2006349071 A JP 2006349071A JP 5232384 B2 JP5232384 B2 JP 5232384B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ball screw
temperature
length
increase
fixed end
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2006349071A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2008155340A (en
Inventor
孝介 石本
善啓 朝倉
範男 滝波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Matsuura Machinery Corp
Original Assignee
Matsuura Machinery Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsuura Machinery Corp filed Critical Matsuura Machinery Corp
Priority to JP2006349071A priority Critical patent/JP5232384B2/en
Publication of JP2008155340A publication Critical patent/JP2008155340A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5232384B2 publication Critical patent/JP5232384B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Automatic Control Of Machine Tools (AREA)
  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
  • Numerical Control (AREA)

Description

本発明は、工具(機械工作に不可欠な器具)などの物品を搬送するための送り軸として機能している稼動中のボールネジにおいて、発熱に伴う温度分布に着目し、搬送の開始位置及び終了位置などの指令位置の補正を行うための方法を提供することに関するものである。   The present invention focuses on the temperature distribution associated with heat generation in a ball screw in operation that functions as a feed shaft for conveying an article such as a tool (an instrument indispensable for machining), and starts and ends positions of conveyance. The present invention relates to providing a method for correcting the command position.

ボールネジは、両端部においてボールベアリングによって支持された状態にて自転することによって、中途部位において螺合しているメネジを移動させることによって所定の物品を搬送している。   The ball screw rotates in a state where it is supported by ball bearings at both ends, thereby transferring a predetermined article by moving a female screw that is screwed at a midway portion.

このようなボールベアリングと一体をなした回転及びメネジとの螺合によって、稼動中のボールネジにおいては摩擦熱が発生し、稼動中であるが故に自転しているボールネジの各部位に伝達されている。   Due to the rotation integrated with the ball bearing and screwing with the female screw, frictional heat is generated in the ball screw in operation and is transmitted to each part of the ball screw that is rotating because it is in operation. .

しかも、前記各物品における温度は、メネジとの螺合によって発生する熱だけではなく、周囲の環境温度からも影響を受けている。   In addition, the temperature of each article is influenced not only by the heat generated by screwing with the female screw but also by the ambient temperature.

このように、ボールネジは、各部位の温度分布によって、全体の長さが影響を受け、更には、メネジを介した搬送開始位置及び終了位置などの指令位置も、前記温度分布によって変化している。   Thus, the overall length of the ball screw is affected by the temperature distribution of each part, and the command positions such as the transfer start position and end position via the female screw are also changed by the temperature distribution. .

しかるに、これまで、稼動中のボールネジにつき、所定時間の経過に対応して、各位置における温度分布を算定し、当該温度分布に基づいて前記指令位置の補正を行うような技術は、これまで提唱されていない。   However, until now, a technique for calculating the temperature distribution at each position for a ball screw in operation corresponding to the passage of a predetermined time and correcting the commanded position based on the temperature distribution has been proposed so far. It has not been.

大抵のボールネジは、予め引張応力(テンション)を加えることによって、元の長さよりも多少真っ直ぐに伸ばした状態となっており、これによって、一定の機械的変形が生じている。   Most ball screws are stretched slightly straighter than their original lengths by applying a tensile stress in advance, which causes a certain mechanical deformation.

そして、このような機械的変形との関係を考慮しながら、前記補正を行うような技術もまた、これまで提唱されていない。   And the technique which performs the said correction | amendment considering the relationship with such a mechanical deformation is not proposed until now.

因みに、特許文献1及び同2は、ボールネジの稼動に伴う発熱によって、指令位置の補正を行っているが、ボールネジの特定の位置における温度測定に終始しており、各位置の温度を算出したことによる温度分布に基づいて、前記補正を行っている訳ではない。   Incidentally, in Patent Documents 1 and 2, the command position is corrected by the heat generated by the operation of the ball screw, but the temperature measurement at a specific position of the ball screw has been performed all the time, and the temperature at each position has been calculated. The correction is not performed based on the temperature distribution by

他方、特許文献3は、主軸の発熱変位量を補正する方法を提唱しているが、主軸における熱分布を算定している訳ではなく、主軸速度及び主軸モータ負荷を測定用のパラメータとして、熱変位量を算出しているに過ぎないが、このような方法をボールネジに適用したとしても、各部位について正確な熱分布を算出し、ひいては正確な補正を実現することができない。
特開昭61−168005号公報 特開平6−252596号公報 特開2002−18677号公報
On the other hand, Patent Document 3 proposes a method of correcting the amount of heat generation displacement of the main shaft, but does not calculate the heat distribution in the main shaft, but uses the main shaft speed and the main shaft motor load as parameters for measurement. Although only the amount of displacement is calculated, even if such a method is applied to the ball screw, it is impossible to calculate an accurate heat distribution for each part and to realize an accurate correction.
JP 61-168005 A JP-A-6-252596 JP 2002-18677 A

本発明は、ボールネジにおいて、稼動段階の発熱に伴う各位置の温度分布を考慮したうえで、各作動時間において、指令位置を適切に補正する方法を提供することを課題としている。   An object of the present invention is to provide a method of appropriately correcting a command position in each operation time in consideration of a temperature distribution at each position accompanying heat generation in an operation stage in a ball screw.

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
(1)送り軸として稼動しているボールネジのボールベアリングと結合している固定端並びに移動可能端又はこれらの近傍、及びメネジと螺合している位置又はその近傍に赤外線を照射し、当該照射に対する反射に基づく温度測定値を所定時間の経過毎にマイクロコンピュータに入力することによって、当該ボールネジの各位置における温度を下記の数式又は当該数式の指数関数部分に対するテイラー展開による近似式に立脚したうえで、前記入力に対応して前記マイクロコンピュータによって算出することに基づく稼動中のボールネジにおける温度分布算定方法。

Figure 0005232384
(0≦x≦xの範囲)
Figure 0005232384
(x≦x≦Lの範囲)
但し、
T:各位置における温度
1:固定端又はその近傍における測定温度
2:移動可能端又はその近傍における測定温度
m:メネジと螺合している位置又はその近傍における測定温度
out:外気の温度
x:各位置の固定端からの距離
:メネジと螺合している位置の固定端からの距離
L:固定端から移動可能端までの全体の長さ
α2:(ボールネジの周長×表面から外気への熱伝達率)/(ボールネジの断面積×熱伝導率)≒(2×表面から外気への熱伝達率)/(平均半径×熱伝導率)
(2)ボールネジに対し、予め引張応力(テンション)が加えられていない場合において、前記(1)記載の温度分布に基づいてボールネジの各位置における長さの増加量(ΔL1)を下記の数式に立脚したうえでマイクロコンピュータによって算出し、当該長さの増加量の分だけ指定位置の固定端からの距離を小さくすることに基づく稼動中のボールネジにおける変位補正方法、
からなる。
Figure 0005232384
0:ボールネジの稼動前段階における測定温度
β:ボールネジの熱膨張係数 In order to solve the above problems, the basic configuration of the present invention is as follows.
(1) Irradiation is performed by irradiating infrared light to a fixed end coupled to a ball bearing of a ball screw operating as a feed shaft, a movable end or the vicinity thereof, and a position screwed with a female screw or the vicinity thereof. By inputting temperature measurement values based on the reflection to the microcomputer every elapse of a predetermined time, the temperature at each position of the ball screw is based on the following formula or an approximate expression by Taylor expansion for the exponential function part of the formula. in the temperature distribution calculation method in the ball screw running based on that calculated by the microcomputer in response to the input.
Record
Figure 0005232384
(Range of 0 ≦ x ≦ x m )
Figure 0005232384
(Range of x m ≦ x ≦ L)
However,
T: Temperature at each position T 1 : Measurement temperature at or near the fixed end T 2 : Measurement temperature at or near the movable end T m : Measurement temperature at or near the position screwed with the female screw T out : Outside air Temperature x: distance from the fixed end at each position x m : distance from the fixed end at the position screwed with the female screw L: total length from the fixed end to the movable end α 2 : (around the ball screw Length x Heat transfer coefficient from surface to outside air / (Ball screw cross section x Thermal conductivity) ≒ (2 x Heat transfer coefficient from surface to outside air) / (Average radius x Heat conductivity)
(2) When a tensile stress is not applied to the ball screw in advance, the amount of increase in length (ΔL 1 ) at each position of the ball screw based on the temperature distribution described in (1) is expressed by the following formula: A displacement correction method for a ball screw in operation based on a calculation based on a microcomputer and reducing the distance from the fixed end of the specified position by the amount of increase in the length,
Consists of.
Figure 0005232384
T 0 : Measurement temperature before operation of ball screw β: Thermal expansion coefficient of ball screw

前記基本構成に基づき、本発明においては、稼動中のボールネジにおける温度分布を適性かつ速やかに算定したうえで、搬送の開始位置及び終了位置などの指令位置について、発熱を原因として、当該位置の固定端からの長さが増加したとしても、適切かつ速やかな補正を可能とし、ひいては、前記物の搬送に関する自動制御を的確に続行することができる。   Based on the basic configuration, in the present invention, the temperature distribution in the ball screw in operation is calculated appropriately and promptly, and the command position such as the transfer start position and end position is fixed due to heat generation. Even if the length from the end increases, it is possible to perform appropriate and prompt correction, and thus it is possible to accurately continue automatic control related to the conveyance of the object.

基本構成(1)における〔数1〕によって表現されている一般式の根拠について、以下のとおり説明する。   The basis of the general formula expressed by [Formula 1] in the basic configuration (1) will be described as follows.

固定端11からの距離がxである特定の位置における温度Tを左右する要因としては、固定端11及び移動可能端12におけるボールベアリング3の回転によって発生する摩擦熱及びメネジ2との螺合によって発生する摩擦熱からの長さ方向に沿った伝達、及びボールネジ1表面における外気との温度ギャップを原因とする対流による放熱である。   Factors affecting the temperature T at a specific position where the distance from the fixed end 11 is x include frictional heat generated by the rotation of the ball bearing 3 at the fixed end 11 and the movable end 12 and screwing with the female screw 2. This is a heat transfer from the generated frictional heat along the length direction and heat dissipation by convection caused by a temperature gap with the outside air on the surface of the ball screw 1.

他方、熱伝導に伴う温度変化は、時間のパラメータ(t)及び空間のパラメータ(1次元の場合にはx、3次元の場合には、x、y、z)による偏微分方程式によって表現されている。   On the other hand, the temperature change due to heat conduction is expressed by a partial differential equation with a time parameter (t) and a space parameter (x in the case of one dimension, x, y, z in the case of three dimensions). Yes.

しかしながら、本発明においては、前記各摩擦熱に基づく温度が所定時間の経過に従ってそれぞれ測定されているために前記摩擦熱の時間に伴う変化については既知の条件として既に設定されており、経過時間(t)をパラメータとする偏微分方程式による解明は不要である。   However, in the present invention, since the temperature based on each frictional heat is measured according to the passage of a predetermined time, the change with time of the frictional heat is already set as a known condition, and the elapsed time ( Elucidation by partial differential equations with t) as a parameter is unnecessary.

即ち、前記偏微分方程式の解明の対象とする必要はなく、専ら前記固定端11及び移動可能端12又はこれらの近傍、及びメネジ2との螺合位置又はその近傍における温度を既知の境界条件としたうえで、固定端11からの距離(x)をパラメータとする常微分方程式として設定することができる。   That is, it is not necessary to clarify the partial differential equation, and the temperature at the fixed end 11 and the movable end 12 or the vicinity thereof, and the screwing position with or near the female screw 2 is defined as a known boundary condition. In addition, it can be set as an ordinary differential equation using the distance (x) from the fixed end 11 as a parameter.

ボールネジ1の熱伝導率をλとし、ボールネジ1の表面と外気との熱伝達率をhとし、かつ外気の温度をToutとし、ボールネジ1の平均断面積をfとし、当該断面積に対応する平均周長をpとした場合には、図1に示すように、前記各摩擦熱以外にその中途部位に熱源が存在しないことを考慮するならば、d2T/dx2−(ph/fλ)(T−Tout)=0という常微分方程式が成立する(例えば、関信弘編「伝熱工学」(平成10年12月20日森北出版株式会社第1版第15刷発行)の4頁の一般式(1・8)参照)。
尚、ボールネジ1の断面積における平均半径をrとした場合には、前記常微分方程式において、p/f=2/rが成立する。
The heat conductivity of the ball screw 1 is λ, the heat transfer coefficient between the surface of the ball screw 1 and the outside air is h, the temperature of the outside air is T out , the average cross-sectional area of the ball screw 1 is f, and this corresponds to the cross-sectional area. Assuming that the average circumference is p, as shown in FIG. 1, d 2 T / dx 2 − (ph / fλ), considering that there is no heat source in the middle other than the frictional heat, as shown in FIG. ) (T-T out ) = 0 (for example, page 4 of Nobuhiro Seki, “Heat Transfer Engineering” (December 20, 1998, Morikita Publishing Co., Ltd., 1st edition, 15th edition)) General formula (1 · 8)).
When the average radius in the cross-sectional area of the ball screw 1 is r, p / f = 2 / r is established in the ordinary differential equation.

上記常微分方程式の一般解は、T=C1・eαx+C2・e−αx+Toutであるが(但し、C1、C2は積分定数であり、尚、α2=ph/fλ=2h/λrである。)、固定端11からメネジ2との螺合位置(図1に示すように、当該位置は稼動中順次変化するが、その長さ方向の中心位置の固定端11からの距離をxとする)までの範囲(0≦x≦x)では、
所定時間の経過段階における固定端11の温度をT1とした場合には、x=0にて、T=T1であり、同時間におけるメネジ2との螺合位置における温度をTとした場合には、x=xにて、T=Tであるという境界条件に基づき、

Figure 0005232384
…(a)
(0≦x≦x
を得ることができる。 The general solution of the above ordinary differential equation is T = C 1 · e αx + C 2 · e −αx + T out (where C 1 and C 2 are integral constants, where α 2 = ph / fλ = 2h / λr), and the screwing position from the fixed end 11 to the female screw 2 (as shown in FIG. 1, the position changes sequentially during operation, but the center position in the length direction from the fixed end 11 In the range (0 ≦ x ≦ x m ) until the distance is x m ,
The temperature of the fixed end 11 in the course phase of a predetermined time when the T 1, at x = 0, a T = T 1, the temperature at the screwing position of the female screw 2 at the same time as the T m In the case of x = x m , based on the boundary condition that T = T m ,
Figure 0005232384
... (a)
(0 ≦ x ≦ x m )
Can be obtained.

これに対し、メネジ2と螺合している位置又はその近傍から、移動可能端12(ボールネジ1の全体の長さをLによって表示するものとする)の範囲(x≦x≦L)では、x=xにて、T=Tであり、x=Lにて、T=T2であることに基づく境界条件に基づき、

Figure 0005232384
…(b)
(x≦x≦L)
を得ることができる。 On the other hand, in the range (x m ≦ x ≦ L) of the movable end 12 (the entire length of the ball screw 1 is indicated by L) from the position where it is screwed with the female screw 2 or its vicinity. at x = x m, a T = T m at x = L, based on the boundary condition based on a T = T 2,
Figure 0005232384
... (b)
(X m ≦ x ≦ L)
Can be obtained.

前記(a)、(b)による指数関数を含む一般解において、ボールネジ1の長さLとし、前記

Figure 0005232384
との積、即ち、αLは、必ずしも小さな数値という訳ではない。通常、L=1〜3(m)の範囲内にあり、平均半径rは、0.01〜0.03(m)の範囲内にある場合が多いが、例えばL=2(m)であり、r=0.02(m)の場合において、表面と外気との熱伝達率h≒2(W/m2K)とし、λ≒16(W/mK)とした場合、α≒3.54であり、αL≒7.1である。 In the general solution including the exponential function according to (a) and (b), the length L of the ball screw 1 is set, and
Figure 0005232384
, Ie, αL is not necessarily a small number. Usually, L is in the range of 1 to 3 (m), and the average radius r is often in the range of 0.01 to 0.03 (m). For example, L = 2 (m). When r = 0.02 (m), the heat transfer coefficient between the surface and the outside air is h≈2 (W / m 2 K), and when λ≈16 (W / mK), α≈3.54 And αL≈7.1.

前記(a)、(b)式の指数関数部分にテイラー展開を適用した場合には、奇数次の多項式が出現するが、指数関数が最大限7である場合には、テイラー展開を31次元に至るまで算出した場合には、33次元である733/33!は、既に1万分の1よりも明らかに小さい数値であり、35次元以降は、尚更そのような状態にあることから、前記(a)、(b)式の指数関数部分において、相当良好な近似式を得ることができる。
無論、テイラー展開に基づく近似式において採用する次数は、ボールネジの長さ幅(L)、半径(r)及び外気との熱伝達率(h)、熱伝導率(λ)の具体的な数値及び必要な精度に応じて、適宜設定すると良い。
When Taylor expansion is applied to the exponential function part of the equations (a) and (b), an odd-order polynomial appears, but when the exponential function is 7 at the maximum, the Taylor expansion is made 31-dimensional. When calculated up to 33 33/33! Is a numerical value that is clearly smaller than 1 / 10,000 and is still in such a state after the 35th dimension. Therefore, in the exponential function part of the equations (a) and (b), the approximation is quite good. The formula can be obtained.
Of course, the orders adopted in the approximate expression based on the Taylor expansion are the specific values of the ball screw length width (L), the radius (r), the heat transfer coefficient with the outside air (h), and the thermal conductivity (λ) and It may be set appropriately according to the required accuracy.

前記一般解(a)、(b)による温度分布、及び前記2次以上の近似による温度分布において必然的に算定の対象となる定数

Figure 0005232384
は、事前に、熱伝達率(h)及び熱伝導率(λ)を測定することによって予め設定することもできるが、現実にボールネジ1を稼動させたうえで、赤外線温度測定器などによって、所定の温度分布を測定したうえで、前記一般解(a)、(b)との対比、又は2次以上の近似によって得られた近似式との対比に基づいて直接αの数値として算出することも可能である。 Constants that are inevitably subject to calculation in the temperature distribution by the general solutions (a) and (b) and the temperature distribution by the second-order approximation or higher.
Figure 0005232384
Can be set in advance by measuring the heat transfer coefficient (h) and the thermal conductivity (λ) in advance, but after the ball screw 1 is actually operated, it is determined by an infrared temperature measuring instrument or the like. It is also possible to calculate directly as a numerical value of α based on the comparison with the general solutions (a) and (b) or the comparison with the approximate expression obtained by the approximation of the second order or higher. Is possible.

両端及びメネジ2との螺合位置及びこれらの近傍における温度測定の方法としては、
赤外線温度測定器によって回転している両端部及びメネジの螺合部位に赤外線を照射し、その反射によって、直接温度測定を行う方法
As a method of measuring the temperature at both ends and the screwed positions with the female screw 2 and in the vicinity thereof,
A method of directly measuring temperature by irradiating infrared light to both ends rotated by an infrared temperature measuring device and a screwed portion of a female screw, and reflecting the infrared rays.

が採用されている Is adopted .

前記(2)の赤外線温度測定器を使用する場合には、両端部及びメネジ2の螺合位置を直接測定することは困難であるが故に、これらの位置の近傍における位置において温度測定を行うことになる。   When the infrared temperature measuring instrument (2) is used, it is difficult to directly measure the screwing positions of both ends and the female screw 2. Therefore, the temperature measurement is performed at a position in the vicinity of these positions. become.

このような状況を反映して、前記基本構成(1)において、ボールネジ1の両端部及びメネジ2との螺合位置だけではなく、これらの近傍の位置をも温度測定を行う部位の対象として選択可能としている。   Reflecting such a situation, in the basic configuration (1), not only the screwing positions of the both ends of the ball screw 1 and the female screw 2 but also the positions in the vicinity thereof are selected as the target of the part for temperature measurement. It is possible.

前記基本構成(2)は、前記基本構成(1)の温度分布に立脚したうえで、各位置の発熱を原因とする長さの増加量をマイクロコンピュータによって算定している。   The basic configuration (2) is based on the temperature distribution of the basic configuration (1), and the amount of increase in length due to heat generation at each position is calculated by a microcomputer.

即ち、固定端11からの距離をxとする所定の位置における温度をTとし、熱膨張係数をβとし、ボールネジ1の稼動前の初期温度をT0とした場合には、前記所定位置における長さの増加量(ΔL1)は、下記の積分式によって表現される。

Figure 0005232384
このように、ボールネジ1の稼動段階において、前記基本構成(1)の如き正確な温度分布を速やかに算定した後、前記基本構成(2)に基づいて、各位置の長さの増加量を算定した場合には、ボールネジ1を解した搬送開始位置及び終了位置などの指令位置に対し、前記増加した長さ分だけ、固定端11からの距離を小さくするような指令を発することによって、正確な変位の補正を行うことが可能となる。 That is, when the temperature at a predetermined position where the distance from the fixed end 11 is x is T, the thermal expansion coefficient is β, and the initial temperature before operation of the ball screw 1 is T 0 , the length at the predetermined position is The amount of increase (ΔL 1 ) is expressed by the following integral formula.
Figure 0005232384
Thus, in the operation stage of the ball screw 1, after calculating the accurate temperature distribution as in the basic configuration (1), the amount of increase in the length of each position is calculated based on the basic configuration (2). In such a case, an accurate command can be obtained by issuing a command to reduce the distance from the fixed end 11 by the increased length with respect to the command position such as the transfer start position and the end position after the ball screw 1 is disassembled. It becomes possible to correct the displacement.

以下、実施例に従って説明する。   Hereinafter, it demonstrates according to an Example.

ボールネジ1は、殆ど大抵の場合、真っ直ぐな状態を維持するために、稼動前段階から引張応力(テンション)が加えられており、本来の長さよりも長い状態に設定されている。   In most cases, the ball screw 1 is applied with a tensile stress (tension) from the pre-operation stage in order to maintain a straight state, and is set to be longer than the original length.

このような状況を反映して、通常の実施形態においては、ボールネジ1に対して加えられている引張応力(テンション)による長さ増加量(ΔL’)と、発熱による全体の長さ増加量(前記積分式において、x=Lとした場合のΔL1)とを対比し、前者の方が後者以上である場合には、発熱を原因とする長さの増加が生じないことに帰する以上、指令位置について格別の補正を行う必要がない。 Reflecting this situation, in a normal embodiment, the length increase amount (ΔL ′) due to the tensile stress applied to the ball screw 1 and the overall length increase amount due to heat generation (ΔL ′) In the integral formula, ΔL 1 ) when x = L is compared, and when the former is greater than the latter, it is attributed to the fact that the length does not increase due to heat generation. There is no need to make a special correction for the command position.

逆に、前者が後者を上回った場合には、工作機械の送り軸の指令位置を補正することになる。   On the contrary, when the former exceeds the latter, the command position of the feed axis of the machine tool is corrected.

実施例1においては、ボールネジ1に対し、予め引張応力(テンション)が加えられている場合において、当該引張応力に基づく全体の長さの増加量(ΔL')と請求項4の方法によって得られた発熱を原因とする全体の長さの増加量(請求項4の一般式において、x=Lとした場合の長さの増加量ΔL1)とを対比し、後者が前者を上回った場合(x=Lとした場合のΔL1>ΔL'の場合)に、下記の一般式に立脚して長さの増加量(ΔL2)をマイクロコンピュータによって算出し、指定位置の固定端11からの距離を当該長さの増加量(ΔL2)だけ小さくすることに基づく稼動中のボールネジ1における変位補正方法を採用している。

Figure 0005232384
即ち、実施例1においては、予め引張応力(テンション)が加えられた場合において、極めて適切な補正指令を実行することが可能となる。 In Example 1, when a tensile stress (tension) is applied to the ball screw 1 in advance, the total length increase (ΔL ′) based on the tensile stress is obtained by the method of claim 4. When the latter exceeds the former (the amount of increase ΔL 1 in the case where x = L in the general formula of claim 4) In the case of x = L where ΔL 1 > ΔL ′), the amount of increase in length (ΔL 2 ) is calculated by a microcomputer based on the following general formula, and the distance from the fixed end 11 at the specified position The displacement correction method for the ball screw 1 in operation based on reducing the length by the amount of increase (ΔL 2 ) is employed.
Figure 0005232384
That is, in the first embodiment, it is possible to execute a very appropriate correction command when a tensile stress (tension) is applied in advance.

尚、前記長さの増加量(ΔL2)の右辺第2項のx・ΔL'/Lは、各位置の引張応力による長さの増加量が固定端11からの距離と全体の長さ(L)との比率(x/L)に概略比例するという経験則に由来している。 Note that x · ΔL ′ / L in the second term on the right side of the length increase amount (ΔL 2 ) is the distance from the fixed end 11 and the total length (the length of the length increase due to the tensile stress at each position). It is derived from the rule of thumb that it is roughly proportional to the ratio (x / L) to L).

実施例1のように、ボールネジ1に対し引張応力(テンション)が加えられている場合には、固定端11を介してボールネジ1を保持している機械装置が当該引張応力を原因として変形し、固定端11が引張応力が作用している長さ方向に変位している場合がある。   When a tensile stress (tension) is applied to the ball screw 1 as in the first embodiment, the mechanical device holding the ball screw 1 via the fixed end 11 is deformed due to the tensile stress, The fixed end 11 may be displaced in the length direction where the tensile stress is applied.

このような場合には、実施例1のように、単に引張応力(テンション)に基づく全体の長さの増加量(ΔL')との対比を考慮すると同時に、前記変位量をaとした場合、xの位置を測定したとしても、実際の固定端11からの距離はaだけ少ないことから、(a)式、(b)式のxの代わりに、x−aを代入した数式を代入したことによる補正を行うことを不可欠とする。   In such a case, as in Example 1, when considering the comparison with the increase in the overall length based on the tensile stress (tension) (ΔL ′) and at the same time the displacement amount is a, Even if the position of x is measured, the distance from the actual fixed end 11 is small by a, and therefore, a formula substituted with x−a is substituted for x in the formulas (a) and (b). It is essential to correct by

即ち、実施例2においては、ボールネジ1に対し、予め引張応力(テンション)が加えられていることを原因として、元の長さよりも機械的変形に基づいて長さが増加している場合において、発熱を原因とする全体の長さの増加量(前記ΔL1の積分式において、x=Lとした場合の長さの増加量ΔL1)と引張応力に基づく全体の長さの増加量(ΔL')とを対比し、前者が後者を上回った場合(x=Lの場合のΔL1>ΔL'の場合)に、下記の一般式に立脚して長さの増加量(ΔL3)をマイクロコンピュータによって算出し、指定位置の固定端11からの距離を当該長さの増加量(ΔL3)だけ小さくすることに基づく稼動中のボールネジ1における変位補正方法を採用している。

Figure 0005232384
(但し、前記積分式において、積分の上限値であるxは、最大値として、L+aまで選択することができる。)
このような実施例2においては、引張応力(テンション)を原因として、機械的変形が生じた場合においても、極めて適切な補正指令を実行することが可能となる。 That is, in Example 2, in the case where the length is increased based on mechanical deformation rather than the original length due to the fact that tensile stress (tension) has been applied to the ball screw 1 in advance, Increase in overall length due to heat generation (increment amount ΔL 1 when x = L in the integral equation of ΔL 1 ) and increase in overall length based on tensile stress (ΔL When the former exceeds the latter (when ΔL 1 > ΔL ′ when x = L), the amount of increase in length (ΔL 3 ) is microscopically based on the following general formula: A displacement correction method for the ball screw 1 in operation is employed, which is calculated by a computer and is based on reducing the distance from the fixed end 11 at the designated position by the increase amount (ΔL 3 ) of the length.
Figure 0005232384
(However, in the integration formula, x, which is the upper limit value of integration, can be selected up to L + a as the maximum value.)
In the second embodiment, it is possible to execute a very appropriate correction command even when mechanical deformation occurs due to tensile stress (tension).

尚、x/Lの比率を採用する根拠は、実施例1の場合と同様であり、かつ機械的変形の程度であるΔL"は、一度引張応力(テンション)を外すことによって、元の長さ(L0)との対比によって算定することが可能である。 The reason for adopting the ratio of x / L is the same as in the case of Example 1, and ΔL ″ which is the degree of mechanical deformation is the original length by removing the tensile stress (tension) once. It can be calculated by comparison with (L 0 ).

本発明は、ボールネジによって、物品の移動を行う各産業分野において利用することが可能である。   The present invention can be used in various industrial fields in which an article is moved by a ball screw.

本発明の基本原理を実施形態に即して説明する側面図である。尚、白線の矢印は、メネジの移動方向を示し、黒線の矢印は、移動可能端が長さ方向に移動し得ることを示す。It is a side view explaining the basic principle of the present invention according to an embodiment. The white line arrow indicates the moving direction of the female screw, and the black line arrow indicates that the movable end can move in the length direction.

符号の説明Explanation of symbols

1 ボールネジ
11 固定端
12 移動可能端
2 メネジ
3 ボールベアリング
1 Ball screw 11 Fixed end 12 Movable end 2 Female screw 3 Ball bearing

Claims (8)

送り軸として稼動しているボールネジのボールベアリングと結合している固定端並びに移動可能端又はこれらの近傍、及びメネジと螺合している位置又はその近傍に赤外線を照射し、当該照射に対する反射に基づく温度測定値を所定時間の経過毎にマイクロコンピュータに入力することによって、当該ボールネジの各位置における温度を下記の数式又は当該数式の指数関数部分に対するテイラー展開による近似式に立脚したうえで、前記入力に対応して前記マイクロコンピュータによって算出することに基づく稼動中のボールネジにおける温度分布算定方法。

Figure 0005232384
(0≦x≦xの範囲)
Figure 0005232384
(x≦x≦Lの範囲)
但し、
T:各位置における温度
1:固定端又はその近傍における測定温度
2:移動可能端又はその近傍における測定温度
m:メネジと螺合している位置又はその近傍における測定温度
out:外気の温度
x:各位置の固定端からの距離
:メネジと螺合している位置の固定端からの距離
L:固定端から移動可能端までの全体の長さ
α2:(ボールネジの平均周長×表面から外気への熱伝達率)/(ボールネジの平均断面積×熱伝導率)=(2×表面から外気への熱伝達率)/(平均半径×熱伝導率)
Infrared light is irradiated to the fixed end and movable end connected to the ball bearing of the ball screw operating as the feed shaft, or the vicinity thereof, and the position screwed to the female screw or the vicinity thereof, and reflection to the irradiation is performed. By inputting the temperature measurement value based on the microcomputer every time the predetermined time elapses, the temperature at each position of the ball screw is based on the following mathematical expression or an approximate expression by Taylor expansion for the exponential function part of the mathematical expression. temperature distribution calculating method in the ball screw running based on that calculated by the microcomputer in response to the input.
Record
Figure 0005232384
(Range of 0 ≦ x ≦ x m )
Figure 0005232384
(Range of x m ≦ x ≦ L)
However,
T: Temperature at each position T 1 : Measurement temperature at or near the fixed end T 2 : Measurement temperature at or near the movable end T m : Measurement temperature at or near the position screwed with the female screw T out : Outside air Temperature x: distance from the fixed end at each position x m : distance from the fixed end at the position screwed with the female screw L: total length from the fixed end to the movable end α 2 : (average of the ball screw Perimeter x heat transfer coefficient from surface to outside air / (average cross section of ball screw x heat conductivity) = (2 x heat transfer coefficient from surface to outside air) / (average radius x heat conductivity)
長さが1m〜3mの範囲内にあり、かつ半径が0.01m〜0.03mの範囲にあるボールネジにおいて、x及び(L−x)について、31次元までのテイラー展開による近似式を採用することを特徴とする請求項1記載のボールネジにおける稼動中の温度分布算定方法。   In a ball screw having a length in a range of 1 m to 3 m and a radius in a range of 0.01 m to 0.03 m, an approximate expression by Taylor expansion up to 31 dimensions is adopted for x and (L−x). The method of calculating a temperature distribution during operation of the ball screw according to claim 1. ボールネジに対し、予め引張応力(テンション)が加えられていない場合において、請求項1、2記載の温度分布に基づいてボールネジの各位置における長さの増加量(ΔL1)を下記の数式に立脚したうえでマイクロコンピュータによって算出し、当該長さの増加量の分だけ指定位置の固定端からの距離を小さくすることに基づく稼動中のボールネジにおける変位補正方法。
Figure 0005232384
0:ボールネジの稼動前段階における測定温度
β:ボールネジの熱膨張係数
When a tensile stress (tension) is not previously applied to the ball screw, the amount of increase in length (ΔL 1 ) at each position of the ball screw is based on the following formula based on the temperature distribution according to claim 1 or 2. In addition, a displacement correction method for a ball screw in operation based on calculation by a microcomputer and reducing the distance from the fixed end of the designated position by the amount of increase in the length.
Figure 0005232384
T 0 : Measurement temperature before operation of ball screw β: Thermal expansion coefficient of ball screw
ボールネジに対し、予め引張応力(テンション)が加えられている場合において、請求項3の方法によって得られた発熱を原因とする全体の長さの増加量(請求項3の一般式において、x=Lとした場合の長さの増加量ΔL1)と当該引張応力に基づく全体の長さの増加量(ΔL')とを対比し、前者が後者を上回った場合(x=Lとした場合のΔL1>ΔL'の場合)に、下記の一般式に立脚して長さの増加量(ΔL2)をマイクロコンピュータによって算出し、指定位置の固定端からの距離を当該長さの増加量(ΔL2)だけ小さくすることに基づく稼動中のボールネジにおける変位補正方法。
Figure 0005232384
When a tensile stress (tension) is previously applied to the ball screw, the increase in the overall length caused by the heat generated by the method of claim 3 (in the general formula of claim 3, x = When the amount of increase in length ΔL 1 ) is compared with the amount of increase in overall length (ΔL ′) based on the tensile stress, the former exceeds the latter (x = L) In the case of ΔL 1 > ΔL ′), the amount of increase in length (ΔL 2 ) is calculated by a microcomputer based on the following general formula, and the distance from the fixed end of the designated position is determined as the amount of increase in the length ( A displacement correction method for a ball screw in operation based on making it smaller by ΔL 2 ).
Figure 0005232384
ボールネジに対し、予め引張応力(テンション)が加えられていることを原因として、固定端の位置が引張力が作用している長さ方向に距離aだけ変位している場合において、発熱を原因とする全体の長さの増加量(請求項3の一般式において、x=Lとした場合の長さの増加量ΔL1)と引張応力に基づく全体の長さの増加量(ΔL')とを対比し、前者が後者を上回った場合(x=Lの場合のΔL1>ΔL'の場合)に、下記の一般式に立脚して長さの増加量(ΔL3)をマイクロコンピュータによって算出し、指定位置の固定端からの距離を当該長さの増加量(ΔL3)だけ小さくすることに基づく稼動中のボールネジにおける変位補正方法。
Figure 0005232384
(但し、前記積分式において、積分の上限値であるxは、最大値として、L+aまで選択することができる。)
Caused by heat generation when the position of the fixed end is displaced by a distance a in the length direction where the tensile force is applied due to the fact that a tensile stress is applied to the ball screw in advance. The total length increase amount (in the general formula of claim 3, the length increase amount ΔL 1 when x = L) and the total length increase amount based on the tensile stress (ΔL ′) In contrast, when the former exceeds the latter (when ΔL 1 > ΔL ′ when x = L), the amount of increase in length (ΔL 3 ) is calculated by a microcomputer based on the following general formula. A displacement correction method for a ball screw in operation based on reducing the distance from the fixed end of the designated position by an increase amount (ΔL 3 ) of the length.
Figure 0005232384
(However, in the integration formula, x, which is the upper limit value of integration, can be selected up to L + a as the maximum value.)
ボールネジの各端部において、ボールネジを支持しているベアリングの固定部分の温度測定を行い、回転しているボールネジの固定端及び移動可能端又はこれらの近傍における温度につき、事前の実験によって判明した所定の補正係数を乗ずることによって、ボールネジの端部の温度を算出することを特徴とする請求項1、2記載のボールネジにおける温度分布算定方法。   At each end of the ball screw, the temperature of the fixed portion of the bearing that supports the ball screw is measured, and the temperature at the fixed end and the movable end of the rotating ball screw or the vicinity thereof is determined in advance by experiments. The temperature distribution calculating method for the ball screw according to claim 1, wherein the temperature of the end of the ball screw is calculated by multiplying the correction coefficient of the temperature. ボールネジのメネジと螺合している位置又はその近傍における温度(T)につき、メネジ部分の温度の測定値に対し、事前の実験によって判明した所定の補正係数を乗ずることによって算出することを特徴とする請求項1、2記載のボールネジにおける温度分布算定方法。 The temperature (T m ) at or near the position where the ball screw is screwed with the female screw is calculated by multiplying the measured value of the female screw temperature by a predetermined correction coefficient found by a prior experiment. The temperature distribution calculation method for the ball screw according to claim 1 or 2. ボールネジの両先端部及びメネジとの螺合している位置、又は当該位置の近傍における温度を赤外線反射温度計によって測定することを特徴とする請求項1、2記載のボールネジにおける温度分布算定方法。   3. The temperature distribution calculating method for a ball screw according to claim 1, wherein a temperature at a position where the both ends of the ball screw and the female screw are engaged, or a temperature in the vicinity of the position is measured by an infrared reflection thermometer.
JP2006349071A 2006-12-26 2006-12-26 Temperature distribution calculation method for ball screw in operation and displacement correction method based on the method Active JP5232384B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006349071A JP5232384B2 (en) 2006-12-26 2006-12-26 Temperature distribution calculation method for ball screw in operation and displacement correction method based on the method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006349071A JP5232384B2 (en) 2006-12-26 2006-12-26 Temperature distribution calculation method for ball screw in operation and displacement correction method based on the method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008155340A JP2008155340A (en) 2008-07-10
JP5232384B2 true JP5232384B2 (en) 2013-07-10

Family

ID=39656820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006349071A Active JP5232384B2 (en) 2006-12-26 2006-12-26 Temperature distribution calculation method for ball screw in operation and displacement correction method based on the method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5232384B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5206555B2 (en) * 2009-03-31 2013-06-12 ブラザー工業株式会社 Numerically controlled machine tool and thermal displacement correction method thereof
JP5910331B2 (en) * 2012-06-07 2016-04-27 株式会社ジェイテクト Positioning device

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6049246B2 (en) * 1980-03-04 1985-10-31 秀夫 高田 Measured value compensation method in infrared temperature measurement method
JPH0742515B2 (en) * 1986-08-05 1995-05-10 新日本製鐵株式会社 Induction heating control method for ERW pipe welds
JPS63256336A (en) * 1987-04-13 1988-10-24 Yoshiaki Kakino Method for correcting thermal displacement of ball screw in nc machine
KR960013995B1 (en) * 1988-07-15 1996-10-11 도오교오 에레구토론 가부시끼가이샤 Method for measuring surface temperature of semiconductor wafer substrate and heat-treating apparatus
JPH02239700A (en) * 1989-03-14 1990-09-21 Toppan Printing Co Ltd Radio wave absorber
JP3407972B2 (en) * 1994-04-27 2003-05-19 ファナック株式会社 Thermal displacement compensation method for machine tools
JPH08141866A (en) * 1994-11-09 1996-06-04 Murata Mach Ltd Slide driving device
JPH08300242A (en) * 1995-05-07 1996-11-19 Hitachi Seiki Co Ltd Thermal displacement compensating method of machine tool and device therefor

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008155340A (en) 2008-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3407972B2 (en) Thermal displacement compensation method for machine tools
Wu et al. Thermal analysis for the feed drive system of a CNC machine center
Ge et al. Design of thermal error control system for high-speed motorized spindle based on thermal contraction of CFRP
US20170023417A1 (en) Thermal displacement compensation device for machine tool
JP5232384B2 (en) Temperature distribution calculation method for ball screw in operation and displacement correction method based on the method
JP7481112B2 (en) Thermal Displacement Compensation Device
JPH07186003A (en) Displacement correction device for nc machine tool
JP5667147B2 (en) Servo control device that performs correction processing based on the amount of expansion and contraction of the ball screw
BRPI0613213A2 (en) method for controlling a coupling device between an input shaft and an output shaft
JP5447750B2 (en) Temperature distribution calculation method for ball screw in operation and displacement correction method based on the method
JP2010105131A (en) Thermal displacement correction method for screw feeding device and screw feeding device
Yang et al. Analysis of thermal error model of ball screw feed system based on experimental data
KR102685323B1 (en) Preload compensator and correction method for ball screw shaft system
KR20190050019A (en) Apparatus for compensating deformation in machine tool and method thereof
Awtar et al. In-plane flexure-based clamp
JPH08233060A (en) Ball screw device equipped with mechanism of fine displacement between double nuts
JP3154288B2 (en) Method of correcting thermal displacement of ball screw in NC machine tool
Lv et al. Experimental study on the cross-shear roll bending process
JP5127603B2 (en) Processing method and processing apparatus
JPH02100856A (en) Method and device for correcting positioning error of machine tool feeding system
Folkersma et al. In-plane laser forming for high precision alignment
JP4389685B2 (en) Heating device
JP4460493B2 (en) Calculation method of thermal crown of work roll in rolling mill
JP2012247033A (en) Ball screw, and method for controlling nut stiffness of ball screw
Gong Conceptual design of a long-strike ultra-precision actuator

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20091118

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20111222

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120126

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120308

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20120911

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121203

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20121203

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20121226

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130227

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130325

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160329

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5232384

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250