JP5837148B1 - 工作機械の熱変位補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱変位補正プログラムにより算出された熱変位補正量の補正精度を推定し、補正精度が低下する可能性がある場合に補正精度の低下を警告する熱変位補正装置を提供すること。【解決手段】予め実験により算出された補正誤差係数を用いて熱変位補正プログラムにより算出された熱変位補正量の補正精度を推定し、設定された精度内であるかを自動的に判断し、補正精度が十分でない場合には補正精度の低下を警告し、必要に応じて自動的に加工の中断、またはタッチプローブもしくは位置センサによる熱変位量の測定に基づくオフセット値の調整を実行する熱変位補正装置である。【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械における熱変位補正装置に関し、特に熱変位補正における補正精度の低下を警告する熱変位補正装置に関する。

工作機械において、モータの発熱、送り軸の摩擦熱、切削による切削熱、切削液温度や各種雰囲気温度による伝熱など様々な要因により、工作機械での加工中に各構造物が伸縮し、工具と非切削物との相対位置が変位することは、工作機械の加工精度に影響を及ぼす。この熱による相対位置の変位によって加工精度が低下することを防止するため、変位量に応じて、工具と被切削物の相対位置を補正することが必要となる。そのため、工作機械には、上述の発熱源からの伝熱や環境の温度に応じて熱変位量を推定し、相対位置の補正を行う装置が備えられている。

この熱による工具と被切削物の相対位置の変位を推定する方法として、従来、工作機械の駆動や停止によって発生または放出する熱量から、構造物の熱変移量を計算する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、より高い補正精度を得ることを目的として、変位センサや温度センサで検出した変位または温度変化を用いて補正量を決定する手法も提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２に記載の技術では、通常の熱変位推定方法で算出された熱変位量の変化が、設定値よりも大きい場合、熱変位量推定が不十分であると判断し、変位センサを用いて熱変位量を計測して補正量を決定している。

特開２０１３−１４６８２３号公報 特開平１０−１３８０９１号公報

熱による変位は、モータの発熱、送り軸の摩擦熱、切削による切削熱、切削液温度や各種雰囲気温度による影響など、様々な要因により変化するため、センサの無い状態で、全ての発熱源からの発熱量と構造物への伝熱量を予測し、変位量を完全に推定することは困難であり、補正時は実際の熱変位量との差が発生する。

構造物の温度分布が変化するほど、熱変位も複雑化するため、熱変位推定量と実際の熱変位量との差は拡大し、熱変位の補正を行っていても補正精度が低下する。そのため、熱変位量によっては、熱変位補正を行った場合も期待される補正精度を得られない場合があり、その際には、工具や座標のオフセット値の調整など、熱変位補正以外の手段で補正する必要がある。

このような場合、作業者は加工を中断して補正精度を検査することになるが、熱変位補正によって十分な補正精度が維持されているかを判断する方法がない場合、加工毎に検査することになるため、加工能率の低下を招く。

温度センサや変位センサを使用した場合、補正精度の向上が見込まれるが、センサを用いているため、コストがかかることや、切粉やクーラントによる影響からセンサを保護することが問題となる。また、センサ自体の測定精度によっては、十分な補正精度を得られない場合があることも考慮する必要がある。
熱変位補正について、補正精度が十分であるかを判断するような仕組みを備えた工作機械はない。

そこで、本発明の目的は、熱変位補正プログラムにより算出された熱変位補正量の補正精度を推定し、補正精度が低下する可能性がある場合に補正精度低下の警告を表示する熱変位補正装置を提供することである。

本願請求項１に係る発明は、工作機械の発熱および放熱により発生し時間とともに変化する熱変位量を補正するための熱変位補正量を演算する熱変位補正量演算手段を有する工作機械の熱変位補正装置において、予め求められた前記熱変位補正量に応じた補正誤差係数を保存した補正誤差係数保存メモリ部と、前記熱変位補正量演算手段により演算された前記熱変位補正量と、前記補正誤差係数保存メモリ部に記憶された前記補正誤差係数とに基づいて、前記熱変位補正の補正精度を演算する補正精度演算手段と、前記補正精度と、あらかじめ設定された補正精度の閾値とを比較することで、所定の補正精度で加工されているかを識別する補正精度識別手段と、前記補正精度識別手段により所定の補正精度を満たさないと判断された場合に補正精度の低下を警告する補正精度低下警告手段と、を備えた工作機械の熱変位補正装置である。

本願請求項２に係る発明は、前記補正精度識別手段により所定の補正精度を満たさないと判断された場合に自動的に加工を終了させる加工停止手段、を更に備えた請求項１に記載の工作機械の熱変位補正装置である。

本願請求項３に係る発明は、前記補正精度識別手段により所定の補正精度を満たさないと判断された場合にタッチプローブもしくは位置センサを用いて熱変位量の測定を行う熱変位量測定手段と、前記熱変位量測定手段により測定された前記熱変位量に基づいて新たに熱変位補正量を演算する熱変位補正量調整手段と、を更に備えた請求項１に記載の工作機械の熱変位補正装置である。

本発明により、熱変位補正プログラムにより算出された熱変位補正量の補正精度を推定し、設定された精度内であるかを自動的に判断することで、熱変位の補正機能の信頼性を向上させることができる。
また、熱変位補正の精度が低下した時には自動的に加工の中断をするように構成することで、所定精度外の加工を行わないようにすることができる。
更に、タッチプローブまたは位置センサを使用する場合は、熱変位補正機能では補正が不十分な場面においてのみ測定とオフセット値の自動調整を行えばよいので、位置の測定を行う頻度を低下させることができる。

本発明の実施の形態における数値制御装置のブロック図である。 本発明の実施の形態における熱変位補正量の補正精度算出処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態における補正精度に基づく警告処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。本発明の熱変位補正装置は、数値制御装置により構成される。
図１は工作機械の数値制御装置の要部を示す機能ブロック図である。数値制御装置１０のプロセッサ（ＣＰＵ）１１は、数値制御装置１０を全体的に制御するプロセッサである。プロセッサ１１は、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラムをバス２１を介して読み出し、このシステムプログラムに従って数値制御装置１０を全体的に制御する。ＲＡＭ１３には一時的な計算データや表示データ及びＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０を介してオペレータが入力した各種データ等が格納される。

ＳＲＡＭ１４は図示しないバッテリでバックアップされ、数値制御装置１０の電源がオフされても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成され、初期位置を測定するプログラムや工作機械の熱変位補正を行うプログラム、インタフェース１５を介して読み込まれた後述する加工プログラム、ＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０を介して入力された加工プログラム等が記憶されるようになっている。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラムの作成及び編集のために必要とされる編集モードの処理や自動運転のための処理を実施するための各種のシステムプログラムがあらかじめ書き込まれている。

インタフェース１５は数値制御装置１０に接続可能な外部機器のためのインタフェースであり、外部記憶装置などの外部機器７２が接続される。外部記憶装置からは加工プログラム、熱変位補正量算出プログラム、熱変位補正精度推定プログラムなどが読み込まれる。ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１０に内蔵されたシーケンスプログラムで工作機械側の補助装置等を制御する。すなわち、加工プログラムで指令されたＭ機能、Ｓ機能及びＴ機能に従って、これらシーケンスプログラムで補助装置側で必要な信号を変換し、Ｉ／Ｏユニット１７から補助装置側に出力する。この出力信号により各種アクチュエータ等の補助装置が作動する。また、工作機械の本体に配備された操作盤の各種スイッチ等の信号を受け、必要な処理をしてプロセッサ１１に渡す。

工作機械の各軸の現在位置、アラーム、パラメータ、画像データ等の画像信号はＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０に送られ、そのディスプレイに表示される。ＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタフェース１８はＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０のキーボードからデータを受けてプロセッサ１１に渡す。
インタフェース１９は手動パルス発生器７１に接続され、手動パルス発生器７１は工作機械の操作盤に実装され、手動操作に基づく分配パルスによる各軸制御で工作機械の可動部を精密に位置決めするために使用される。

工作機械のテーブルＴを移動させるＸ，Ｙ軸の軸制御回路及びＺ軸の制御回路３０〜３２はプロセッサ１１からの各軸の移動指令を受けて、各軸の指令をサーボアンプ４０〜４２に出力する。サーボアンプ４０〜４２はこの指令を受けて工作機械の各軸のサーボモータ５０〜５２を駆動する。各軸のサーボモータ５０〜５２には位置検出用のパルスコーダが内蔵されており、このパルスコーダからの位置信号がパルス列としてフィードバックされる。

スピンドル制御回路６０は、工作機械への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこのスピンドル速度信号を受けて、工作機械のスプンドルモータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具を駆動する。

スピンドルモータ６２には歯車あるいはベルト等でポジションコーダ６３が結合され、ポジションコーダ６３が主軸の回転に同期して帰還パルスを出力し、その帰還パルスはインタフェース２０を経由してプロセッサ１１によって読み取られる。６５は現在時刻に同期するように調整された時計回路である。

以下に、本実施の形態における、熱変位補正量の補正精度を推定して補正精度低下の警告を出力する手法について説明する。
本実施の形態の熱変位量監視手法では、熱変位量を監視するための指標値として、熱変位補正量基準値ｈ_Nを導入する。熱変位補正量基準値ｈ_Nは熱変位補正大きさを判別するために用いられる数値群である。添字Ｎは補正量の指標値として用いられる数値であり整数値を取る。熱変位補正量基準値ｈ_Nの各値は、熱変位補正量の数値を小さい方から並べてｈ_N-1＜ｈ_N＜ｈ_N+1となるように設定される。
このように定義された熱変位補正量基準値ｈ_Nにより、工作機械の動作中に熱変位補正プログラムにより熱変位補正量ｘが推定された時、ｈ_N≦ｘ＜ｈ_N+1である場合に当該熱変位補正量ｘの補正量指標をＮとすることができる。

本実施の形態では、更に補正誤差係数を定義する。補正誤差係数は、補正量指標Ｎにおける熱変位補正量の許容誤差の程度を表す係数であり、熱変位量の変化が定常状態の場合と、非定常状態の場合で異なる値を取る。熱変位量の変化量（前回の熱変位量と今回の熱変位量との差）が所定の閾値ｄ_-，ｄ₊の範囲内である場合は定常状態、範囲外である場合は非定常状態とした場合における、定常状態の場合の補正誤差係数ａ_Nと、非定常状態の場合の補正誤差係数ｂ_Nは、それぞれ以下の式により定義する。

数１式において、ＳＥ_Naは熱変位量の変化量が定常状態の場合において、熱変位量がｈ_Nからｈ_N+1の範囲（すなわち、補正量指標がＮのとき）での、実際の熱変位量と熱変位補正プログラムにより求められた熱変位補正量との標準誤差であり、定常状態においてあらかじめ実験を繰り返し行うことによって算出し、数値制御装置１０のＳＲＡＭ１４などに記憶しておく。ＳＥ_Nbは熱変位量の変化量が非定常状態の場合における実際の熱変位量と熱変位補正プログラムにより求められた熱変位補正量との標準誤差であり、定常状態の場合と同様に被定常状態においてあらかじめ繰り返し実験を行うことで算出し、数値制御装置１０のＳＲＡＭ１４などに記憶しておく。

このように定義された各値を用いた、実際の加工時における補正精度算出処理のアルゴリズムを図２のフローチャートにより詳細に説明する。
本処理が開始されると、まず熱変位補正量ｘ（ｔ）が算出される（Ｓ２０１）。熱変位補正量の算出には公知の熱変位補正量算出プログラムを用いればよい。次に、ｈ_N≦ｘ（ｔ）＜ｈ_N+1を満たすような補正量指標Ｎを算出する（Ｓ２０２）。

ｘ（ｔ）の補正量指標Ｎが算出されたら、次に熱変位補正量の変化量が定常状態であるか、被定常状態であるかを判定する（Ｓ２０３）。より具体的には、前回本処理を実行した際にメモリに保存した熱変位補正量ｘ（ｔ−１）とｘ（ｔ）との差分を求め、ｄ_-≦ｘ（ｔ）−ｘ（ｔ−１）≦ｄ₊を満たすか否かを判定する。

Ｓ２０３において、熱変位補正量の変化量が定常状態であると判定された場合、補正量指標Ｎにおける定常状態の場合の補正誤差係数ａ_Nをメモリ上から読み出し（Ｓ２０４）、読み出した値を用いて補正精度Ｅ＝ｘ（ｔ）×ａ_Nを算出する（Ｓ２０５）。一方、Ｓ２０３において、熱変位補正量の変化量が非定常状態であると判定された場合には、補正量指標Ｎにおける非定常状態の場合の補正誤差係数ｂ_Nをメモリ上から読み出し（Ｓ２０６）、読み出した値を用いて補正精度Ｅ＝ｘ（ｔ）×ｂ_Nを算出する（Ｓ２０７）。
最後に、熱変位補正量ｘ（ｔ）をメモリ上に保存し、本処理を終了する。

図３は、図２で説明した補正精度算出処理によって算出された補正精度Ｅを用いて補正精度を判定し、補正精度が低下した場合に警告表示などを行う処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。本実施の形態において、図３の処理は数値制御装置１０上で所定時間ごとに繰り返し実行される。
本処理が開示されると、まず補正精度Ｅの算出処理が実行される（Ｓ３０１）。補正精度Ｅが算出されると、算出された補正精度Ｅの値が、あらかじめ定められた所定の閾値Ｅ_th以上であるかを判定する（Ｓ３０２）。Ｓ３０２において、補正精度Ｅの値が所定の閾値Ｅ_th未満である場合には、熱変位補正量の精度が十分に維持されていると推定されるので、本処理を終了して算出された熱変位補正量を用いた加工処理を継続する。

Ｓ３０２において、補正精度Ｅの値が所定の閾値Ｅ_th以上である場合には、熱変位補正量の精度が十分に維持されていないと推定されるので、数値制御装置１０のＬＣＤ／ＭＤＩユニット７０に対して補正精度低下の警告表示を行う（Ｓ３０３）。
補正精度低下の警告が出力された場合、メモリ上に記憶された加工中断に関する設定値を読み込んで、加工を中断するか否かを判定する（Ｓ３０４）。この設定値は加工を開始する前にあらかじめオペレータが設定しておくようにすることができる。

Ｓ３０４において、加工中断に関する設定値が加工を中断する設定となっている場合には、加工を中断する制御を行い（Ｓ３０５）、本処理を終了する。Ｓ３０４において、加工中断に関する設定値が加工を中断しない設定となっている場合には、メモリ上に記憶された熱変位量計測に関する設定値を読み込んで、熱変位量を計測するか否かを判定する（Ｓ３０６）。この設定値は加工を開始する前にあらかじめオペレータが設定しておくようにすることができる。

Ｓ３０６において、熱変位量計測に関する設定値が計測を指示する値となっている場合には、工作機械にあらかじめ設置されているタッチプローブや位置センサ用いて熱変位量の計測を行い、自動的にオフセット値の調整を行う（Ｓ３０７）。Ｓ３０６において、熱変位量計測に関する設定値が計測を行わない値となっている場合には、本処理を終了する。

以上で説明したように、本実施の形態の熱変位補正装置は、補正精度を推定し、設定された精度内であるかを自動的に判断することで、熱変位の補正機能の信頼性を向上させることができる。
また、熱変位補正の精度が低下した時には自動的に加工の中断をするように構成することで、所定精度外の加工を行わないようにすることができる。
更に、タッチプローブまたは位置センサを使用する場合は、熱変位補正機能では補正が不十分な場面においてのみ測定とオフセット値の自動調整を行えばよいので、位置の測定を行う頻度を低下させることができる。

１０ 数値制御装置
１１ プロセッサ（ＣＰＵ）
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ ＳＲＡＭ
１５，１８，１９，２０ インタフェース
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／Ｏユニット
２１ バス
３０，３１，３２ 軸制御回路
４０，４１，４２ サーボアンプ
５０，５１，５２ サーボモータ
６０ スピンドル制御回路
６１ スピンドルアンプ
６２ スピンドルモータ
６３ ポジションコーダ
７０ ＬＣＤ／ＭＤＩユニット
７１ 手動パルス発生器
７２ 外部機器

Claims (3)

1. 工作機械の発熱および放熱により発生し時間とともに変化する熱変位量を補正するための熱変位補正量を演算する熱変位補正量演算手段を有する工作機械の熱変位補正装置において、
   予め求められた前記熱変位補正量に応じた補正誤差係数を保存した補正誤差係数保存メモリ部と、
   前記熱変位補正量演算手段により演算された前記熱変位補正量と、前記補正誤差係数保存メモリ部に記憶された前記補正誤差係数とに基づいて、前記熱変位補正量の補正精度を演算する補正精度演算手段と、
   前記補正精度と、あらかじめ設定された補正精度の閾値とを比較することで、所定の補正精度で加工されているかを識別する補正精度識別手段と、
   前記補正精度識別手段により所定の補正精度を満たさないと判断された場合に補正精度の低下を警告する補正精度低下警告手段と、
   を備えた工作機械の熱変位補正装置。
2. 前記補正精度識別手段により所定の補正精度を満たさないと判断された場合に自動的に加工を終了させる加工停止手段、
   を更に備えた請求項１に記載の工作機械の熱変位補正装置。
3. 前記補正精度識別手段により所定の補正精度を満たさないと判断された場合にタッチプローブもしくは位置センサを用いて熱変位量の測定を行う熱変位量測定手段と、
   前記熱変位量測定手段により測定された前記熱変位量に基づいて新たに熱変位補正量を演算する熱変位補正量調整手段と、
   を更に備えた請求項１に記載の工作機械の熱変位補正装置。

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