JP6432424B2 - Machine tool and calculation method - Google Patents
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Description
本発明は、主軸に連結したナットに螺合する螺子軸の熱変位量を演算する工作機械及び演算方法に関する。 The present invention relates to a machine tool and a calculation method for calculating the amount of thermal displacement of a screw shaft that is screwed into a nut connected to a main shaft.
工作機械は、工具を装着する主軸と、該主軸に連結したナットと、該ナットに転動体を介して螺合した螺子軸とを備える。モータが螺子軸に連結する。螺子軸及びナットが駆動した場合、両者間で摩擦熱が発生するので、螺子軸は延びる。工作機械は、摩擦熱に基づいて、螺子軸の変位量を演算する。工作機械はモータの駆動制御に螺子軸の変位量を使用する(例えば特許文献1参照)。 The machine tool includes a main shaft on which a tool is mounted, a nut connected to the main shaft, and a screw shaft screwed onto the nut via a rolling element. A motor is connected to the screw shaft. When the screw shaft and the nut are driven, frictional heat is generated between them, so that the screw shaft extends. The machine tool calculates the displacement amount of the screw shaft based on the frictional heat. A machine tool uses a displacement amount of a screw shaft for driving control of a motor (see, for example, Patent Document 1).
しかし、摩擦熱のみに基づいて、螺子軸の変位量を演算した場合、実際の螺子軸の変位量との差が大きい。 However, when the displacement amount of the screw shaft is calculated based only on the frictional heat, the difference from the actual displacement amount of the screw shaft is large.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、螺子軸の熱変位量を精度良く演算する工作機械及び演算方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a machine tool and a calculation method that accurately calculate the amount of thermal displacement of the screw shaft.
本発明に係る工作機械は、工具を装着する主軸と、該主軸の移動の為のナットと、該ナットに転動体を介して螺合し、モータの回転によってその軸回りに回転する螺子軸と、該螺子軸及びナットが発生する摩擦熱に基づいて、前記螺子軸の熱変位量を演算する演算部とを備える工作機械において、前記演算部は、前記ナット及び螺子軸の間に設けたグリスの粘性によって発生する粘性発熱に基づく前記螺子軸の熱変位量を更に演算することを特徴とする。 A machine tool according to the present invention includes a main shaft on which a tool is mounted, a nut for moving the main shaft, a screw shaft that is screwed into the nut via a rolling element, and rotates around the shaft by rotation of a motor. A calculation unit that calculates a thermal displacement amount of the screw shaft based on frictional heat generated by the screw shaft and the nut, wherein the calculation unit includes a grease provided between the nut and the screw shaft. The thermal displacement amount of the screw shaft based on viscous heat generated by the viscosity of is further calculated.
本発明に係る工作機械は、前記摩擦熱の値は、第1係数と前記モータの回転速度との乗算値であり、前記粘性発熱の値は、第2係数と前記モータにおける回転速度の二乗値との乗算値であり、前記演算部は、前記摩擦熱及び粘性発熱の値を合算し、合算した値に基づいて、前記螺子軸の熱変位量を演算することを特徴とする。 In the machine tool according to the present invention, the value of the frictional heat is a multiplication value of a first coefficient and the rotation speed of the motor, and the value of the viscous heat generation is a square value of the second coefficient and the rotation speed of the motor. The calculation unit adds the values of the frictional heat and the viscous heat generation, and calculates a thermal displacement amount of the screw shaft based on the added value.
本発明に係る工作機械は、前記演算部は、前記ナットに作用する慣性力によって発生する慣性力発熱に基づく前記螺子軸の熱変位量を更に演算することを特徴とする。 The machine tool according to the present invention is characterized in that the calculation unit further calculates a thermal displacement amount of the screw shaft based on an inertial force heat generated by an inertial force acting on the nut.
本発明に係る工作機械は、前記慣性力発熱の値は、第3係数と前記モータの回転加速度と前記ナット及びナットに連結した物体の質量と前記モータの回転速度との乗算値であり、前記演算部は、前記摩擦熱、粘性発熱及び慣性力発熱の値を合算し、合算した値に基づいて、前記螺子軸の熱変位量を演算することを特徴とする。 In the machine tool according to the present invention, the value of the inertial force heat generation is a product of a third coefficient, the rotational acceleration of the motor, the mass of the object connected to the nut and the nut, and the rotational speed of the motor, The calculation unit adds the values of the frictional heat, viscous heat generation, and inertial force heat generation, and calculates a thermal displacement amount of the screw shaft based on the total value.
本発明に係る演算方法は、工具を装着する主軸に連結したナット及び該ナットに転動体を介して螺合した螺子軸が発生する摩擦熱に基づいて、前記螺子軸の熱変位量を演算する演算方法において、前記ナット及び螺子軸の間に設けたグリスの粘性によって発生する粘性発熱に基づく前記螺子軸の熱変位量を更に演算することを特徴とする。 The calculation method according to the present invention calculates a thermal displacement amount of the screw shaft based on frictional heat generated by a nut connected to a main shaft on which a tool is mounted and a screw shaft screwed to the nut via a rolling element. In the calculation method, the thermal displacement amount of the screw shaft based on the viscous heat generated by the viscosity of the grease provided between the nut and the screw shaft is further calculated.
本発明に係る演算方法は、前記ナットに作用する慣性力によって発生する慣性力発熱に基づく前記螺子軸の熱変位量を更に演算することを特徴とする。 The calculation method according to the present invention is characterized in that a thermal displacement amount of the screw shaft based on inertial force heat generated by inertial force acting on the nut is further calculated.
本発明においては、グリスの粘性によって発生する粘性発熱による螺子軸の熱変位量を更に演算し、摩擦熱による熱変位量に追加する。 In the present invention, the thermal displacement of the screw shaft due to viscous heat generated by the viscosity of the grease is further calculated and added to the thermal displacement due to frictional heat.
本発明においては、ナットに作用する慣性力によって発生する慣性力発熱による螺子軸の熱変位量を更に演算し、摩擦熱及び粘性発熱による熱変位量に更に追加する。 In the present invention, the amount of thermal displacement of the screw shaft due to the inertial force heat generated by the inertial force acting on the nut is further calculated and further added to the amount of thermal displacement due to frictional heat and viscous heat generation.
本発明に係る工作機械及び演算方法おいては、グリスの粘性によって発生する粘性発熱による螺子軸の熱変位量を更に演算し、摩擦熱による熱変位量に追加する。それ故、熱変位量の演算精度は向上する。 In the machine tool and the calculation method according to the present invention, the thermal displacement amount of the screw shaft due to viscous heat generated by the viscosity of the grease is further calculated and added to the thermal displacement amount due to frictional heat. Therefore, the calculation accuracy of the thermal displacement amount is improved.
以下本発明を実施の形態に係る工作機械を示す図面に基づいて説明する。以下の説明では図において矢印で示す上下、左右及び前後を使用する。図1は工作機械を略示する斜視図、図2はX軸モータ23、X軸螺子軸22及びナット27を略示する模式図である。なお図1において、交換用の工具を収容する工具マガジンの図示を省略してある。
Hereinafter, the present invention will be described based on the drawings showing a machine tool according to an embodiment. In the following description, up and down, left and right, and front and rear indicated by arrows in the figure are used. FIG. 1 is a perspective view schematically showing a machine tool, and FIG. 2 is a schematic view schematically showing an
工作機械は前後に延びた矩形の基台1を備える。基台1上部の前側にワークを保持するワーク保持部3が設けてある。基台1上部の後側に後述するコラム4を支持する為の支持台2が設けてある。支持台2上部に、前後方向に移動するY軸方向移動機構10が設けてある。Y軸方向移動機構10は、前後に延びた二つのレール11と、Y軸螺子軸12と、Y軸モータ13と、ベアリング14とを備える。
The machine tool includes a
レール11は支持台2上部の左右夫々に設けてある。Y軸螺子軸12は前後に延び、二つのレール11の間に設けてある。Y軸螺子軸12の前端部及び中途部夫々にベアリング14が設けてある。なお中途部に設けたベアリングの図示は省略する。Y軸モータ13はY軸螺子軸12の後端部に連結している。
The
Y軸螺子軸12には転動体(図示略)を介してナット(図示略)が螺合している。Y軸螺子軸12にグリスが塗布してある。転動体は例えばボールである。各レール11に複数の摺動子15が摺動可能に設けてある。ナット及び摺動子15の上部に移動板16が連結している。移動板16は水平方向に延びる。Y軸モータ13の回転によってY軸螺子軸12は回転し、ナットは前後方向に移動し、移動板16は前後方向に移動する。Y軸モータ13、Y軸螺子軸12、ナット及び転動体はボールねじ機構を構成する。
A nut (not shown) is screwed onto the Y-
移動板16上面に左右方向に移動するX軸方向移動機構20が設けてある。X軸方向移動機構20は、左右に延びた二つのレール21と、X軸螺子軸22と、X軸モータ23(図2参照)と、ベアリング24、25とを備える。
An X-axis
レール21は移動板16上面の前後夫々に設けてある。X軸螺子軸22は左右に延び、二つのレール21の間に設けてある。図2に示す如く、X軸螺子軸22の左端部及び中途部夫々にベアリング24、25が設けてある。X軸モータ23はX軸螺子軸22の後端部に連結している。
The
図2に示す如く、X軸螺子軸22には転動体(図示略)を介してナット27が螺合している。X軸螺子軸22にグリスが塗布してある。各レール21に複数の摺動子26が摺動可能に設けてある。ナット27及び摺動子26の上部にコラム4が連結している。コラム4は柱状をなす。X軸モータ23の回転によってX軸螺子軸22は回転し、ナット27は左右方向に移動し、コラム4は左右方向に移動する。X軸モータ23、X軸螺子軸22、ナット27及び転動体はボールねじ機構を構成する。
As shown in FIG. 2, a
コラム4の前面に上下方向に移動するZ軸方向移動機構30が設けてある。Z軸方向移動機構30は、上下に延びた二つのレール31と、Z軸螺子軸32と、Z軸モータ33と、ベアリング34とを備える。
A Z-axis
レール31はコラム4前面の左右夫々に設けてある。Z軸螺子軸32は上下に延び、二つのレール31の間に設けてある。Z軸螺子軸32の下端部及び中途部夫々にベアリング34が設けてある。なお中途部に設けたベアリングの図示は省略する。Z軸モータ33はZ軸螺子軸32の上端部に連結している。
The
Z軸螺子軸32には転動体(図示略)を介してナット(図示略)が螺合している。Z軸螺子軸32にグリスが塗布してある。各レール31に複数の摺動子35が摺動可能に設けてある。ナット及び摺動子35の前部に主軸ヘッド5が連結している。Z軸モータ33の回転によってZ軸螺子軸32は回転し、ナットは上下方向に移動し、主軸ヘッド5は上下方向に移動する。Z軸モータ33、Z軸螺子軸32、ナット及び転動体はボールねじ機構を構成する。
A nut (not shown) is screwed onto the Z-
上下に延びた主軸5aが主軸ヘッド5内に設けてある。主軸5aは軸回りに回転する。主軸ヘッド5の上端部に主軸モータ6が設けてある。主軸5aの下端部は工具を装着する。主軸モータ6の回転によって主軸5aが回転し、工具が回転する。回転した工具は、ワーク保持部3に保持したワークを加工する。
A main shaft 5 a extending vertically is provided in the
工作機械は工具を交換する工具交換装置(図示略)を備える。工具交換装置は工具マガジン(図示略)に収容した工具と主軸5aに装着した工具を交換する。 The machine tool includes a tool changer (not shown) for changing tools. The tool changer exchanges a tool housed in a tool magazine (not shown) and a tool mounted on the spindle 5a.
図3は制御装置50の構成を略示するブロック図である。制御装置50(演算部)は、CPU51、ROM52、RAM53及び入出力インタフェース54を備える。作業者が操作部7を操作した場合、操作部7から入出力インタフェース54に信号が入力する。操作部7は例えばキーボード、ボタン、タッチパネル等である。入出力インタフェース54は表示部8に信号を出力する。表示部8は文字、図形、記号等を表示する。表示部8は例えば液晶表示パネルである。
FIG. 3 is a block diagram schematically showing the configuration of the
制御装置50は、X軸モータ23に対応したX軸制御回路55、サーボアンプ55a及び微分器23bを備える。X軸モータ23はエンコーダ23aを備える。X軸制御回路55はCPU51からの指令に基づいて、電流量を示す命令をサーボアンプ55aに出力する。サーボアンプ55aは前記命令を受け、X軸モータ23に駆動電流を出力する。
The
エンコーダ23aはX軸制御回路55に位置フィードバック信号を出力する。X軸制御回路55は位置フィードバック信号に基づいて、位置のフィードバック制御を実行する。
The
エンコーダ23aは微分器23bに位置フィードバック信号を出力し、微分器23bは位置フィードバック信号を速度フィードバック信号に変換して、X軸制御回路55に出力する。X軸制御回路55は、速度フィードバック信号に基づいて、速度のフィードバック制御を実行する。
The
サーボアンプ55aが出力した駆動電流の値を電流検出器55bが検出する。電流検出器55bは駆動電流の値をX軸制御回路55にフィードバックする。X軸制御回路55は駆動電流の値に基づいて、電流制御を実行する。一般にX軸モータ23に流れる駆動電流とX軸モータ23に作用する負荷トルクは略一致する。故に電流検出器55bはX軸モータ23に作用する負荷トルクを検出する。
The
制御装置50は、Y軸モータ13に対応したY軸制御回路56、サーボアンプ56a及び微分器13bを備える。Y軸モータ13はエンコーダ13aを備える。Y軸制御回路56はCPU51からの指令に基づいて、電流量を示す命令をサーボアンプ56aに出力する。サーボアンプ56aは前記命令を受け、Y軸モータ13に駆動電流を出力する。
The
エンコーダ13aはY軸制御回路56に位置フィードバック信号を出力する。Y軸制御回路56は位置フィードバック信号に基づいて、位置のフィードバック制御を実行する。
The
エンコーダ13aは微分器13bに位置フィードバック信号を出力し、微分器13bは位置フィードバック信号を速度フィードバック信号に変換して、Y軸制御回路56に出力する。Y軸制御回路56は、速度フィードバック信号に基づいて、速度のフィードバック制御を実行する。
The
サーボアンプ56aが出力した駆動電流の値を電流検出器56bが検出する。電流検出器56bは駆動電流の値をY軸制御回路56にフィードバックする。Y軸制御回路56は駆動電流の値に基づいて、電流制御を実行する。一般にY軸モータ13に流れる駆動電流とY軸モータ13に作用する負荷トルクは略一致する。故に電流検出器56bはY軸モータ13に作用する負荷トルクを検出する。
The
制御装置50は、Z軸モータ33に対応したZ軸制御回路57、サーボアンプ57a及び微分器33bを備える。Z軸モータ33はエンコーダ33aを備える。Z軸制御回路57はCPU51からの指令に基づいて、電流量を示す命令をサーボアンプ57aに出力する。サーボアンプ57aは前記命令を受け、Z軸モータ33に駆動電流を出力する。
The
エンコーダ33aはZ軸制御回路57に位置フィードバック信号を出力する。Z軸制御回路57は位置フィードバック信号に基づいて、位置のフィードバック制御を実行する。
The
エンコーダ33aは微分器33bに位置フィードバック信号を出力し、微分器33bは位置フィードバック信号を速度フィードバック信号に変換して、Z軸制御回路57に出力する。Z軸制御回路57は、速度フィードバック信号に基づいて、速度のフィードバック制御を実行する。
The
サーボアンプ57aが出力した駆動電流の値を電流検出器57bが検出する。電流検出器57bは駆動電流の値をZ軸制御回路57にフィードバックする。Z軸制御回路57は駆動電流の値に基づいて、電流制御を実行する。一般にZ軸モータ33に流れる駆動電流とZ軸モータ33に作用する負荷トルクは略一致する。故に電流検出器57bはZ軸モータ33に作用する負荷トルクを検出する。
The
工具マガジンはマガジンモータ60を備える。工具マガジンはマガジンモータ60の回転によって駆動する。制御装置50はマガジン制御回路58を備える。マガジン制御回路58はCPU51からの指令に基づいて、マガジンモータ60の回転を制御する。なお制御装置50は主軸モータ6に対しても、X〜Z軸モータ11、12、13と同様なフィードバック制御を実行する。
The tool magazine includes a
次に、X軸方向移動機構20における熱変位量の算出方法について説明する。なおY軸方向移動機構10及びZ軸方向移動機構30における熱変位量の算出方法は、X軸方向移動機構20における熱変位量の算出方法と同様であり、その説明を省略する。
Next, a method for calculating the amount of thermal displacement in the X-axis
熱変位量の算出方法は、X軸モータ23側(右側)のベアリング25、ナット27の移動区間及びX軸モータ23の反対側(左側)のベアリング24の3領域の発熱量を求める。移動区間は二つのベアリング24、25の間に相当する。また移動区間を複数の区間(分割区間)に分割し、区間毎の発熱量を求める。
As a method of calculating the thermal displacement amount, the amount of heat generated in three regions of the bearing 25 on the
(合計発熱量の算出)
図4は分割したX軸螺子軸22を略示する概念図である。図4に示すように、制御装置50はX軸螺子軸22のナット27が移動する移動区間(長さをLで示す)をn分割する。一定時間(例えば50ms)毎に、ナット27が所在する分割区間を判定する。制御装置50はモータの実回転速度から所在する分割区間の発熱量を求め、後述する温度分布演算回路51cのデータエリアに格納する。発熱量は次式で求める。ナット27が所在する区間は、エンコーダ23aが出力する信号に基づいて判断できる。
(Calculation of total calorific value)
FIG. 4 is a conceptual diagram schematically showing the divided
Q=d1 ・ω+d2 ・ω2 +d3 ・a・m・ω ・・・(1)
ここでQは発熱量、d1 〜d3 は係数(第1係数、第2係数及び第3係数)、ωはX軸モータ23の回転速度、aはX軸モータ23の回転加速度、mはX軸螺子軸22によって移動する物体の質量である。
Q = d 1 · ω + d 2 · ω 2 + d 3 · a · m · ω (1)
Here, Q is the amount of heat generation, d 1 to d 3 are coefficients (first coefficient, second coefficient and third coefficient), ω is the rotational speed of the
式(1)において、d1 ・ωはX軸螺子軸22及びナット27が発生する摩擦熱の発熱量(値)を示し、d2 ・ω2 はナット27及びX軸螺子軸22の間に設けたグリスの粘性によって発生する粘性発熱の発熱量(値)を示し、d3 ・a・m・ωはナット27に作用する慣性力によって発生する慣性力発熱の発熱量(値)を示す。なお粘性発熱による発熱量又は摩擦熱に対して、慣性力発熱の発熱量が充分に小さい場合、式(1)において慣性力発熱の発熱量を省略してもよい。慣性力発熱は慣性力によってナット27の負荷が増加し、ナットの27の負荷が増加することで摩擦力が増大することに依るものである。
In Equation (1), d 1 · ω represents the heat generation amount (value) of the frictional heat generated by the
図5はデータエリアの一例を示す概念図である。図5に示すように、制御装置50は、ナット27が所在する分割区間での、ナット27の移動による発熱量を、式(1)を用いて50ms毎に算出する。この処理を一定時間繰り返す。一定時間は例えば6400msである。この場合、制御装置50は128回算出する。制御装置50は分割区間毎に発熱量を合計し、合計発熱量QNiを求め、各区間1〜nに対応したデータエリアに格納する。
FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a data area. As shown in FIG. 5, the
次に左側ベアリング24の発熱量は次式で求める。
Next, the calorific value of the
QL=D・ω
ここでQLは左側ベアリング24の発熱量、Dは係数(第4係数)、ωはX軸モータ23の回転速度である。
Q L = D · ω
Here, Q L is the amount of heat generated by the
次に制御装置50は右側のベアリング25の発熱量(右側ベアリング発熱量)QR を算出する。右側ベアリング発熱量はX軸モータ23の上昇温度による入熱に起因するものである。制御装置50はX軸モータ23の温度を算出し、算出した温度とX軸螺子軸22端部の温度の差分に基づいて、X軸螺子軸22端部の入熱量、即ち右側ベアリング発熱量QR を求める。
Next, the
図6はX軸モータ23の温度と時間の関係を示す図である。図6に示す如く、最大飽和温度がL1aであった場合、工作機械駆動中のX軸モータ温度ΘM は、直線P=L1aに対する漸近線150を描く。またX軸モータ温度ΘM が最大飽和温度L1aに達した後(図6ではt=8hourの時点)、工作機械を停止すると、X軸モータ本体温度ΘM は直線Q=0に対する漸近線151を描く。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the temperature of the
漸近線150は、
L1a=K2 ・ω+K3 ・i2 ・・・(2)
ΘM =L1a・(1−exp(−γ・t)) ・・・(3)
で表すことができる。
L 1a = K 2 · ω + K 3 · i 2 (2)
Θ M = L 1a · (1−exp (−γ · t)) (3)
Can be expressed as
漸近線151は、
ΘM =L1a・exp(−γ・t) ・・・(4)
で表される。ここで、iはX軸モータ23に流れる電流、ωはモータ回転速度、L1aは飽和温度であり、γ、K2 、K3 はX軸モータ23固有の定数である。
工作機械の駆動開始後a分後のモータ本体温度ΘM1a は、
ΘM1a =L1a・{1−exp(−γ・a/60)}
となる。
また、工作機械停止後a分後のモータ本体温度ΘM-1a は、
ΘM-1a=L1a・exp(−γ・a/60)
となる。主に式(3)を用いて上記経過時間の間のX軸モータ温度ΘM を算出する。尚、以下の説明では、工作機械の駆動後、時刻t1、t2、・・・(分)と時間が経過したものとして説明する。すなわち、時刻t1、t2、・・・の間隔が夫々の処理における経過時間である。
Θ M = L 1a · exp (−γ · t) (4)
It is represented by Here, i is the current flowing through the
The motor body temperature Θ M1a after a minute from the start of driving of the machine tool is
Θ M1a = L 1a · {1-exp (−γ · a / 60)}
It becomes.
The motor body temperature Θ M-1a after a minute after the machine tool stops is
Θ M-1a = L 1a · exp (−γ · a / 60)
It becomes. The X-axis motor temperature Θ M during the elapsed time is calculated mainly using equation (3). In the following description, it is assumed that time t1, t2,... (Minutes) have elapsed since the machine tool was driven. That is, the interval between times t1, t2,... Is the elapsed time in each process.
図7はX軸モータ温度と経過時間との関係を示す図である。図7Aは駆動開始後0からt1までのX軸モータ温度と経過時間との関係図、図7Bは駆動開始後t1からt2までのX軸モータ温度と経過時間との関係図、図7Cは駆動開始後t2からt3までのX軸モータ温度と経過時間との関係図、図7Dは駆動開始後0からt3までのX軸モータ温度と経過時間との関係図である。なお図7において縦軸は摂氏(℃)を示し、前述したように横軸は分を示す。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the X-axis motor temperature and the elapsed time. FIG. 7A is a relationship diagram between the X-axis motor temperature and the elapsed time from 0 to t1 after the start of driving, FIG. 7B is a relationship diagram between the X-axis motor temperature and the elapsed time from the start of driving to t1 to t2, and FIG. FIG. 7D is a relationship diagram between the X-axis motor temperature and the elapsed time from 0 to t3 after the start of driving. In FIG. 7, the vertical axis indicates Celsius (° C.), and the horizontal axis indicates minutes as described above.
本実施例では、上記経過時間に基づいてX軸モータ温度ΘM を算出した場合、X軸モータ温度ΘM は、その後式(4)に従って低下する。即ち図7Aに曲線301で示す如く、時刻0から時刻t1までの間の経過時間に基づいて算出したX軸モータ温度ΘMt1 の時刻t1における値ΘMt1-1 は、前述のように
ΘMt1-1 =Lt1・{1−exp(−γ・t1/60)}
となる。但し、Lt1は時刻0から時刻t1間での経過時間に基づいて算出した最大飽和温度である。そして、時刻t2におけるX軸モータ温度ΘMt2 の値ΘMt1-2 は、式(4)より、
ΘMt1-2 =ΘMt1-1 ・exp{−γ・(t2−t1)/60}
以下同様に、時刻t3、t4におけるX軸モータ温度ΘMt1 の値ΘMt1-3 、ΘMt1-4 は、
ΘMt1-3 =ΘMt1-1 ・exp{−γ・(t3−t1)/60}
ΘMt1-4 =ΘMt1-1 ・exp{−γ・(t4−t1)/60}
となる。同様に、時刻t1から時刻t2までの間の経過時間に基づいて最大飽和温度Lt2を算出した場合、それに対応するX軸モータ温度ΘMt2 は図7Bに曲線302で例示するように変化し、その時刻t2、t3、t4におけるΘMt2-1 、ΘMt2-2 、ΘMt2-3 は夫々、
ΘMt2-1 =Lt2・[1−exp{−γ・(t2−t1)/60}]
ΘMt2-2 =ΘMt2-1 exp{−γ・(t3−t2)/60}
ΘMt2-3 =ΘMt2-1 ・exp{−γ・(t4−t2)/60}
となる。図7CはX軸モータ温度ΘMt3 の温度変化を示しており、前述と同様にΘMt3-1 、ΘMt3-2 、ΘMt3-3 を求めることができる。
In the present embodiment, when the X-axis motor temperature Θ M is calculated based on the elapsed time, the X-axis motor temperature Θ M subsequently decreases according to the equation (4). That is, as indicated by a
It becomes. However, L t1 is the maximum saturation temperature calculated based on the elapsed time from
Θ Mt1-2 = Θ Mt1-1 · exp {−γ · (t2-t1) / 60}
Similarly, the values Θ Mt1-3 and Θ Mt1-4 of the X-axis motor temperature Θ Mt1 at times t3 and t4 are
Θ Mt1-3 = Θ Mt1-1 · exp {−γ · (t3−t1) / 60}
Θ Mt1-4 = Θ Mt1-1 · exp {−γ · (t4-t1) / 60}
It becomes. Similarly, when the maximum saturation temperature L t2 is calculated based on the elapsed time from time t1 to time t2, the corresponding X-axis motor temperature Θ Mt2 changes as illustrated by the
Θ Mt2-1 = L t2 · [1-exp {−γ · (t2−t1) / 60}]
Θ Mt2-2 = Θ Mt2-1 exp {−γ · (t3−t2) / 60}
Θ Mt2-3 = Θ Mt2-1 · exp {−γ · (t4-t2) / 60}
It becomes. FIG. 7C shows the temperature change of the X-axis motor temperature Θ Mt3 , and Θ Mt3-1 , Θ Mt3-2 , and Θ Mt3-3 can be obtained in the same manner as described above.
図7Dは、算出したX軸モータ温度ΘMt1 、ΘMt2 ・・・の各時刻における値を加算した値を示す。例えば、時刻t1、t2、t3、・・・の間の経過時間に基づいて、図7Dに曲線301、302、303・・・で例示するX軸モータ温度ΘM が算出された場合、X軸モータ温度ΘM は、図7Dの曲線304で例示するように変化する。
FIG. 7D shows values obtained by adding the values at the respective times of the calculated X-axis motor temperatures Θ Mt1 , Θ Mt2 . For example, when the X-axis motor temperature Θ M illustrated by the
前記X軸モータ温度ΘM を用いて、右側ベアリング発熱量QR を算出するには、次式、
QR =K4 (ΘM−ΘS ) …(5)
となる。ここで、K4 :係数、ΘS :X軸螺子軸端部温度である。尚、X軸螺子端部温度とは右側ベアリング25が支持するX軸螺子軸22の部分の温度である。
Using the X-axis motor temperature theta M, in order to calculate the right bearing calorific value Q R, the following equation,
Q R = K 4 (Θ M −Θ S ) (5)
It becomes. Here, K 4 : coefficient, Θ S : X-axis screw shaft end temperature. Note that the X-axis screw end temperature is the temperature of the portion of the
(温度分布の算出)
以上の如く移動区間と各ベアリング24、25の発熱量を求めた場合、これらの発熱量から温度分布を算出する。温度分布は次の非定常熱伝導方程式、
[C]d{θ}/dt+[H]{θ}+{Q}=0 ・・・(6)
を初期条件{θ}t=0、d{θ}/dtt=0 の下に解き求める。
ここで、[C]:熱容量マトリックス、[H]:熱伝導マトリックス、{θ}:温度分布、{Q}:発熱量、t:時間である。
(Calculation of temperature distribution)
As described above, when the heat generation amount of the moving section and each of the
[C] d {θ} / dt + [H] {θ} + {Q} = 0 (6)
Is solved under the initial conditions {θ} t = 0 and d {θ} / dt t = 0 .
Here, [C]: heat capacity matrix, [H]: heat conduction matrix, {θ}: temperature distribution, {Q}: calorific value, t: time.
(熱変位量の算出)
X軸螺子軸22の各部の温度分布を求めた場合、これから熱変位量を算出する。熱変位量は、次式、
ΔL=∫L 0β×θ(L)dL ・・・(7)
にて求める。ここで、ΔL:熱変位量、β:X軸螺子軸22の材料の線膨張係数である。
(Calculation of thermal displacement)
When the temperature distribution of each part of the
ΔL = ∫ L 0 β × θ (L) dL ··· (7)
Ask for. Here, ΔL: thermal displacement amount, β: linear expansion coefficient of the material of the
図8は制御装置50によるX軸モータ23の制御処理を示す機能ブロック図である。なおY軸モータ13及びZ軸モータ33についても同様の処理を行う。
FIG. 8 is a functional block diagram showing control processing of the
補間制御回路51aはRAM53に読み込んだ加工データに基づきボールねじ機構の送り量を計算する回路である。RAM53は位置レジスタ53bを備える。信号分配部51bはボールねじ機構の送り量に応じた送り量信号を各軸に分けて分配し、前記送り量信号をX軸制御回路55に与える。信号分配部51bは前記送り量信号を位置レジスタ53bに与え、ナット27の位置データを位置レジスタ53bに格納する。エンコーダ23aはX軸モータ23の回転速度を常時検出し、検出信号をX軸制御回路55及び温度分布演算回路51cに入力する。なお破線は制御装置50を示す。
The
RAM53はパラメータメモリ53aを備える。パラメータメモリ53aはX軸螺子軸22の長さ、径等の機械構造に関するパラメータ、密度、比熱、式(3)及び式(4)で用いるγ等の物理的性質に関するパラメータ及び前記熱分配係数(比率)ηN、ηB等を格納する。温度分布演算回路51cはX軸モータ23の回転速度検出信号から式(1)に基づきX軸螺子軸22の移動区間発熱量を50ms毎に算出し、6400ms後、各分割区間の合計発熱量QNiを演算する。
The
また右側ベアリング発熱量に関して、温度分布演算回路51cは、電流検出器55bからの電流とX軸モータ23の回転速度を式(2)に適用して、X軸モータ23の飽和温度を算出し、式(3)及び式(4)に適用して、X軸モータ温度ΘM を計算する。また式(6)によってX軸螺子軸端部温度Θs を求める。X軸モータ温度ΘM とX軸螺子軸端部温度Θs から式(5)に基づき右側ベアリング発熱量QR の計算を行う。左側ベアリング発熱量QL はX軸モータ23の回転速度に基づいて計算を行う。
Regarding the right bearing heat generation amount, the temperature
温度分布演算回路51cは各分割区間の合計発熱量Qni、右側ベアリング発熱量QR 、左側ベアリング発熱量QL とパラメータメモリ53aに記憶する各種データとから式(6)を解き、移動区間及び二つのベアリング24、25の温度分布を算出する。具体的には、工作機械の駆動後(t=0)、時刻がt1、t2、・・・(分)と時間が経過したときの温度分布の算出は次のように行う。
図9は各分割区間の温度及び入力熱量を示す概念図である。図9において温度Θs の単位は摂氏である。図9を用いて式(6)は、次式
The temperature
FIG. 9 is a conceptual diagram showing the temperature and input heat amount of each divided section. In FIG. 9, the unit of the temperature Θ s is Celsius. Using FIG. 9, equation (6) can be expressed as
図10は、X軸モータ23に係るボールねじ機構の各位置における温度と時間との関係を示すグラフである。なお図10において縦軸は摂氏(℃)を示し、横軸は分を示す。
時刻t=0の時の移動区間及び二つのベアリング24、25の温度{θ}、およびモータ本体温度ΘM は既知であるため式(5)よりQR を求めることができる。また式(1)からQN1〜QNn、X軸モータ23の回転速度からQL も既知となる。これらの値を式(8)の右辺に代入すると図10の如く各位置における温度が上昇する速度(d{θ}t=0 /dt)すなわち傾きを求めることができる。この傾きより、t=1における各部の温度{θ}は下式により求めることができる。
{θ}t=t1={θ}t=to+(d{θ}t=0 /dt)・t1
FIG. 10 is a graph showing the relationship between temperature and time at each position of the ball screw mechanism according to the
Time t = 0 the temperature {theta} of the mobile section and the two
{Θ} t = t1 = {θ} t = to + (d {θ} t = 0 / dt) · t1
{θ}t=t0のX軸螺子軸端部温度ΘS と式(3)、(4)で求まるモータ本体温度ΘM から、t=1におけるQR が式(5)より求まる。これらの値を式(8)に代入し、
d{θ}t=1 /dtを求めるとt=2における各部の温度は
{θ}t=t2={θ}t=t1+(d{θ}t=1 /dt)×(t2−t1)
で求まる。このようにして、t=t3、‥‥の温度は同様にして求めることができる。
{Θ} t = t0 X-axis threaded shaft end temperature theta S and expressions (3), (4) from the motor body temperature theta M which is obtained by, Q R at t = 1 is obtained from the equation (5). Substituting these values into equation (8),
When d {θ} t = 1 / dt is obtained, the temperature of each part at t = 2 is {θ} t = t2 = {θ} t = t1 + (d {θ} t = 1 / dt) × (t2−t1) )
It is obtained by In this way, the temperature at t = t3,... Can be obtained in the same manner.
補正データ演算回路51dは、温度分布演算回路51cが算出した温度分布から式(7)に基づき補正量を算出する。補正信号発生部51eは、補正データ演算回路51dが算出した補正量に応じた補正信号をX軸制御回路55に与える。前記各回路、信号分配部51b及び補正信号発生部51eはCPU51を構成する。
The correction
図11は制御装置50による熱変位量演算処理を示すフローチャートである。制御装置50のCPU51はX軸螺子軸22の移動区間を有限個数の分割区間に分割する(ステップS1、図4参照)。CPU51は移動区間の分割によって熱分布モデルの領域を形成する。なお各分割区間iに対応して、現在の外気温度θair 、初期位置、現在位置、変位量、線膨張係数、熱容量、熱伝達係数等を記憶するメモリ領域がRAM53に設けてある。
FIG. 11 is a flowchart showing thermal displacement amount calculation processing by the
次にCPU51は各分割区間iにおいて、初期温度{θ}t=o を設定する(ステップS2)。該初期温度{θ}t=o は、分割区間毎に個別に設定できる。工作機械の温度が外気温度θair と一致していると扱う場合、全ての分割区間について初期温度{θ}t=o を外気温度θair に設定する。工作機械の駆動によって各分割区間の間に温度差が生じている場合、各分割区間に初期温度を夫々設定する。初期温度{θ}t=0 はメモリに記憶する。またCPU51は初期位置等の基準値についても測定を行い記憶する。
Next, the
50ms毎にナット27の現在位置、送り速度のデータが温度分布演算回路51cに入力する。温度分布演算回路51c、即ちCPU51は式(1)に基づきナット27の分割区間毎の発熱量を算出する(ステップS3)。X軸モータ23の回転速度から左側ベアリング発熱量を算出する(ステップS4)。
Data on the current position and feed rate of the
CPU51は、X軸モータ23に流れる電流とモータ回転速度とを用いて式(2)に基づき飽和温度を求め、該飽和温度と式(3)及び式(4)とによりX軸モータ23の温度変化を求める(ステップS5)。X軸モータ23の温度変化とX軸螺子軸端部温度とから、X軸モータ23に隣接する分割区間への入熱、所謂右側ベアリング発熱量を式(5)に基づき算出する(ステップS6)。
The
CPU51はステップS3〜S6で求めた発熱量と非定常熱伝導方程式(6)とを用いて各分割区間の温度分布を求める(ステップS7)。CPU51は、ステップS7で求めた温度分布により各分割区間の熱変位量を、式(7)を用いて算出し(ステップS8)、ステップS2で記憶した基準位置からの熱変位量を算出する(ステップS9)。該熱変位量は加工制御に用いる補正量に相当する。CPU51(補正信号発生部51e)は、ステップS9で求めた熱変位量(補正量)に相当する送り量信号を軸制御回路61aに出力する(ステップS10)。CPU51はステップS1に処理を戻す。
CPU51 calculates | requires the temperature distribution of each division | segmentation area using the emitted-heat amount calculated | required by step S3-S6, and unsteady heat conduction equation (6) (step S7). The
実施の形態に係る工作機械は、グリスの粘性によって発生する粘性発熱によるX軸螺子軸〜Z軸螺子軸22、12、32の熱変位量を更に演算し、摩擦熱による熱変位量に追加する。それ故、熱変位量の演算精度は向上する。
The machine tool according to the embodiment further calculates the thermal displacement amount of the X-axis screw shaft to the Z-
式(1)で示す如く、粘性発熱は速度の二乗に比例する。従って、粘性発熱を考慮せずにX軸螺子軸22の熱変位量を演算した場合、高速になるに従って、演算値と測定値との差が大きくなる。粘性発熱を考慮することによって、X軸螺子軸22の熱変位量の演算精度が向上する。なおY軸螺子軸12、Z軸螺子軸32の熱変位量の演算においても同様である。
As shown in equation (1), viscous heat generation is proportional to the square of speed. Therefore, when the thermal displacement amount of the
またナットに作用する慣性力によって発生する慣性力発熱によるX軸螺子軸〜Z軸螺子軸22、12、32の熱変位量を更に演算し、摩擦熱及び粘性発熱による熱変位量に更に追加する。それ故、熱変位量の演算精度は更に向上する。
Further, the heat displacement amount of the X-axis screw shaft to the Z-
加減速の頻度が大きい場合又はナット27及びナット27に連結する物体の質量が大きい場合(ナット27に連結するコラム4及び主軸ヘッド5の質量は100kgを超過することがある。)に、慣性力発熱を考慮せずにX軸螺子軸22の熱変位量を演算したとき、演算値と測定値との差が大きくなる。慣性力発熱を考慮することによって、X軸螺子軸22の熱変位量の演算精度が向上する。なおY軸螺子軸12、Z軸螺子軸32の熱変位量の演算においても同様である。
Inertia force when the acceleration / deceleration frequency is high or the mass of the object connected to the
5a 主軸
10 Y軸方向移動機構
12 Y軸螺子軸(螺子軸)
20 X軸方向移動機構
22 X軸螺子軸(螺子軸)
27 ナット
30 Z軸方向移動機構
32 Z軸螺子軸(螺子軸)
50 制御装置(演算部)
51 CPU
52 ROM
53 RAM
5a Main shaft 10 Y-axis direction moving mechanism 12 Y-axis screw shaft (screw shaft)
20 X-axis
27 Nut 30 Z-axis direction moving mechanism 32 Z-axis screw shaft (screw shaft)
50 Control device (calculation unit)
51 CPU
52 ROM
53 RAM
Claims (4)
前記演算部は、
前記ナット及び螺子軸の間に設けたグリスの粘性によって発生する粘性発熱に基づく前記螺子軸の熱変位量を更に演算し、
前記ナットに作用する慣性力によって発生する慣性力発熱に基づく前記螺子軸の熱変位量を更に演算すること
を特徴とする工作機械。 A main shaft on which a tool is mounted, a nut for moving the main shaft, a screw shaft that is screwed to the nut via a rolling element, and rotates about the shaft by rotation of the motor, and the screw shaft and nut are generated. In a machine tool comprising a calculation unit that calculates a thermal displacement amount of the screw shaft based on frictional heat to be
The computing unit is
Further calculating the amount of thermal displacement of the screw shaft based on viscous heat generated by the viscosity of the grease provided between the nut and the screw shaft ;
A machine tool characterized by further calculating a thermal displacement amount of the screw shaft based on an inertial force heat generated by an inertial force acting on the nut .
前記粘性発熱の値は、第2係数と前記モータにおける回転速度の二乗値との乗算値であり、
前記演算部は、前記摩擦熱及び粘性発熱の値を合算し、合算した値に基づいて、前記螺子軸の熱変位量を演算すること
を特徴とする請求項1に記載の工作機械。 The value of the frictional heat is a multiplication value of the first coefficient and the rotation speed of the motor,
The value of the viscous heat generation is a product of the second coefficient and the square value of the rotational speed of the motor.
2. The machine tool according to claim 1, wherein the calculation unit adds the values of the frictional heat and the viscous heat, and calculates a thermal displacement amount of the screw shaft based on the added value.
前記演算部は、前記摩擦熱、粘性発熱及び慣性力発熱の値を合算し、合算した値に基づいて、前記螺子軸の熱変位量を演算すること
を特徴とする請求項1又は2に記載の工作機械。 The value of the inertial force heat generation is a product of the third coefficient, the rotational acceleration of the motor, the mass of the object connected to the nut and the nut, and the rotational speed of the motor,
The arithmetic unit, the frictional heat, summing the values of viscous heating and inertia heating, based on the summed value, according to claim 1 or 2, characterized in that for calculating the thermal displacement amount of the threaded shaft Machine tools.
前記ナット及び螺子軸の間に設けたグリスの粘性によって発生する粘性発熱に基づく前記螺子軸の熱変位量を更に演算し、
前記ナットに作用する慣性力によって発生する慣性力発熱に基づく前記螺子軸の熱変位量を更に演算すること
を特徴とする演算方法。 In a calculation method for calculating a thermal displacement amount of the screw shaft based on friction heat generated by a nut connected to a main shaft on which a tool is mounted and a screw shaft screwed to the nut via a rolling element,
Further calculating the amount of thermal displacement of the screw shaft based on viscous heat generated by the viscosity of the grease provided between the nut and the screw shaft ;
A calculation method further comprising: calculating a thermal displacement amount of the screw shaft based on an inertial force heat generated by an inertial force acting on the nut .
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