JPH0379256A - 工作機械の熱変位補正方法およびその制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、工作機械の熱変位補正方法に関する。更に
詳しくは、工作機械を構成する機体の温度と、機体周辺
の環境温度を検出し、予め求めた温度変化と変形の関係
式を用いて、熱変位量を算出するものであり、この算出
結果を機械原点位置を補正して熱変位をキャンセルする
工作機械の熱変位補正方法とその制御装置に関する。

［従来技術］ 工作ｔｉ械は、機体各部に発熱源を備えている。

例えば、主軸の軸受のころがり摩擦熱、切削加工位置か
らの発熱など数多い。これらの発熱源は、機体各部に伝
導、幅射し機体を変形させる。この機体の変形は、加工
精度に影響する。工作機械の機体の熱変形の防止と、変
形後の補正装置については種々の提案が過去されている
。例えば、マシニングセンタの補正装置は、Ｘ−Ｙ軸線
方向の補正装置が知られている。更に、Ｚ＠線方向の伸
び、すなわち主軸々線方向の伸びについての補正装置も
提案されている。

例えば、特公昭６１−５９８６０号公報に記載されたも
のは、工作機械の主軸頭部の温度および機体部分の温度
と主軸の伸びの関係を表す実験式を作り、この実験式を
プログラムメモリ内にストアして、工作機械の主軸頭、
機体部分に設けたセンサにより温度を検出し、この温度
検出値により前記実験式で主軸伸び量を求め、この主軸
伸び量の補正量をサーボモータ出力に付与するものであ
る。

しかし、前記補正装置は、主軸の各要素がどのように変
形するか必ずしも明確でない。単に、近似直線に変形量
をモデル化したにすぎない。このため、実際の変形量と
の間に誤差が生じてしまう。正確に変形誤差を修正する
には、どの要素が、どのように熱変形するかを詳細に分
析し、この分析結果から判断しなければならない。

そごで本出願人は、特願昭６３−１９２８１２号で、主
軸の軸線方向の熱変形を主軸を構成する各要素に分解し
た実験式を作って、熱変形を正確に予測して補正する工
作機械の熱変位補正方法を提案した。この熱変位補正方
法では、熱変形の計算値と実測値とがきわめて近い工作
機械の熱変位補正方法が実現できた。

一方、数値制御工作機械は、機体本体に機械原点を有し
ている。この機械原点を基準に刃物台または工作物テー
ブルがプログラムにしたがって位置制御される。この機
械原点は、例えば、工作機械に取り付けたマイクロスイ
ッチからの信号と、サーボモータからの１回転信号（１
回転のうち１個所で信号が生じる）とにより生成した信
号（グリッド信号という）により、機械の固有の原点位
置と判断する。この機械原点への復帰は、０２８などの
数値制御装置の指令または機械操作慇の原点復帰押ボタ
ンスイッチを押す（手動モード）ことにより行われる。

この機械式原点は、通常電源ＯＮ時に、原点の位置合わ
せを行う必要がある。このため純電子式絶対位置検出器
も提案され使用されている。これは、サーボモータに組
み込まれた純電子式絶対位置検出器により機械原点が設
定され、ＣＮＣの電源ＯＦＦによっても機械原点が失な
われないものである。従来電源ＯＮ時に必要であった原
点復帰が不要となり、より使いやすくなっている。

しかし、前記したように工作機械は、熱により変形する
ものであり、これにあわせて機械原点位置も正確に補正
しないと精度は維持できない。

［発明が解決しようとする課題］ 本出願人等が提案した熱変位基準温度はく機械要素の温
度変化を算出するための温度ベース）、複数個の機械電
源ＯＮ時の環境温度および工作機械を構成する構成要素
の温度を採用している。また、熱変位基準温度における
機械位置く補正原点）を機械原点に一致させ、ここから
熱変位量を加減して補正している。これは、補正の累積
を避けるためである。多くの従来の方式では、単に機械
電源０８時の機体温度に対する温度変化量と変形の関係
式から変形を求めこれを補正する方向にｎ械原点を移動
している。

しかし、従来方式では加工中に一旦機械電源をＯＦＦに
し、その後再度機械電源をＯＮにするとそれまでの熱変
形の基準温度が消去し、その時点の機械温度を温度基準
とするため、補正量が０となる。このため、加工の途中
で一時的に電源が遮断されるとワークに段差が生じる。

この発明は、こうした技術的背景のもとに発明されたも
のであり、次の目的を達成する。

この発明の目的は、記憶された基準温度における機械位
置く補正原点）を機械原点に一致させるため一時的な機
械電源ＯＦ　Ｆ　ｔ＆の復帰に際しても、補正量が０と
なって機械原点に戻ることがない工作機械の熱変位補正
方法とその制御装置を提供することにある。

この発明の他の目的は、工作機械の設置環境温度の変化
（季節変動）に追従した熱変位基準温度が得られるため
常に機械原点の近傍で熱変位補正ができる工作機械の熱
変位補正方法とその制御装置を提供することにある。

［前記課題を解決するための手段コ 前記課題を解決するために次のような手段を採る。

主な第１手段は、工作機械を構成する構成要素の熱変位
を補正する熱変位補正方法において、前記工作機械の環
境温度および工作機械を構成する構成要素の温度を時間
間隔をおいてサンプリングし、サンプリングした前記複
数回の環境温度および工作機械を構成する構成要素の温
度の平均値をそれぞれ計算し、平均化された前記環境温
度および工作機械を構成する構成要素の温度をそれぞれ
の基準温度とし、この基準温度に対する温度変化量を用
いて前記工作機械を構成する構成要素の熱変位量を算出
する工作機械の熱変位補正方法である。

前記第１手段において、前記環境温度および工作機械を
構成する構成要素の温度のサンプリングは前記工作機械
の起動時の環境温度をサンプリングすると効果的である
。

更に、第１の手段において、前記熱変位補正方法で算出
された熱変位補正量により前記工作機械の機械原点位置
を補正すると良い。

主な第２手段は、工作機械の熱変位補正制御装置におい
て、前記工作機械を構成する構成要素の温度を検出する
ための機体温度検出手段と、直配工作機械が設置されて
いる周辺の環境温度を検出するための環境温度検出手段
と、前記工作機械の過去の前記環境温度および工作機械
を構成する構成要素の温度を記憶するための基準温度記
憶手段と、この基準温度記憶手段内の前記環境温度およ
び工作機械を構成する構成要素の温度と新たに検出した
環境温度および工作機械を構成する構成要素の温度の平
均をそれぞれ演算しこの温度を新たなそれぞれの基準温
度とするための基準温度演算手段と、この新たな基準温
度に対する温度変化量を用いて熱変位量を算出する手段
とからなる工作機械の熱変位補正制御装置である。

第２手段において、前記熱変位量算出手段は、前記熱変
位補正制御装置内に記憶された熱変位算出式により、前
記機体温度センサー手段と前記算出手段により演算して
前記熱変位量を算出するとなお効果的である。

［作　用］ 工作機械の熱変位補正方法において、前記工作機械の環
境温度および工作機械を構成する構成要素の温度を時間
間隔をおいてサンプリングし、サンプリングした前記複
数回の環境温度および工作ａｖｉを構成する構成要素の
温度の平均値をそれぞれ計算し、平均化された前記環境
温度および工作機械を構成する構成要素の温度を基準温
度として、前記工作機械を構成する構成要素の熱変位補
正量を算出しこれを補正する方向に機械原点を移動して
工作機械の熱変位を補正する。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第１図に示すものは、この発明の工作機械の熱変位補正
方法を実施するための制御装置の概要を示す機能ブロッ
ク図である。第１図に示すものは、マシニングセンタ１
９のコラム１０、主軸１１、ツール１２、工作物テーブ
ル１３を示したものである。ツール１２は、上軸１１に
収り１寸けた切削工具などの工具部分をいう。

工作物テーブル１３は、ベツド上に設けられ加工時に工
作物を載置して前記ツールと相対移動する。この実施例
は、Ｚ軸線方向のツール１２と工作物テーブル１３上の
工作物の間の熱変位誤差を補正するものである。この間
の熱変形は、主にはノーズ熱変形、ツール熱変形、ベー
ス熱変形からなる。ノーズ熱変形とは、前記コラム１０
から突き出た主軸１１部分のＺ軸線方向の熱変形をいう
。

ツール熱変形とは、主軸１１から突き出たツール１２部
分のＺ軸線方向の熱変形をいう。ベース熱変形とは、コ
ラム１０側からテーブル１３間のＺ軸線方向のベース１
４の熱変形をいう。本発明者は、先の出願である特願昭
６３−１９２８１２号で明らかなにしたようにＺ軸線方
向の熱変形は、次のように計算できる。

へ交形ｆｌ饋へ− ノーズ熱変形、ツール熱変形、ベース熱変形についてえ
た機体の各温度と熱変形の関係式は、基本的に以下に示
すように、即時応答要素と、−次遅れ要素の２種類の熱
要素に対する応答式として分類することができる。

イ）即時応答要素 ※ノーズ熱変形（ノーズ温度法存分） Δ　Ｌ＝１　　、　０２ｘ　　　１　　０　　　５　Ｘ
Ｌ＞：　　Δ　Ｔ（ΔＬ：ノーズ変形、Ｌ：ノーズ長、
ΔＴ：ノーズ温度変化〉 ※ツール熱変形（ノーズ温度法存分） ΔＬ＝　（５，５／’８）ＸΔＴ （ΔＬ：ツール変形、ΔＴ二ノーズ温度変化）※ツール
熱変形（室温依存分） ΔＬ＝２．２ＸΔＴ （ΔＬ：ツール変形、ΔＴ：室温変化〉※ベース熱変形
（ベース温度依存骨） ΔＬ＝２．５ＸΔＴ （ΔＬ＝ベース変形、ΔＴ二ベース温度変化）口）−次
遅れ要素 ※ベース熱変形（室温依存分） ΔＬ＝−４，３ｘＫ−Ｌ＋１６ｘＫ　（１−ｅ［／３・
１３　＞ くΔＬ二ベース変形、Ｋ：温度勾配、ｔ：経過時間） マシニングセンタ１つには、室温センサ１．２、ノーズ
温度センサ３、ベース温度センサ４が取り付けられてい
る。これらのセンサは、どのタイプでも良いがサーミス
タ温度センサが望ましい。室温センサ１は、スプラッシ
ュカバー内の温度を検出するものであり、室温センサ２
はベース１４の表面に設けであるが、ベース１４の周囲
の環境温度を検出するものである。本実施例では、室温
センサ１，２の平均値を室温とした。

室温センサ１．２、ノーズ温度センサ３、ベース温度セ
ンサ４の出力は、Ａ／Ｄ変換器５に入力される。入力さ
れたアナログ信号は、デジタル信号に変換される。

熟ＪＪＬ層」ヨ装置− 第２図に示すものは、熱変位補正制御装置３０の機能ブ
ロック図である。数値制御装置２０は、マシニングセン
タ１９の工具の軌跡などを制御する公知のものである。

プログラマブルコントローラ２１は、数値制御装置２０
の指令を受けてマシニングセンタの動作シーケンスを管
理する公知のものである。数値制御装置２０、プログラ
マブルコントローラ２１には、電源２２から電力が供給
される。

したがって、この電源がＯＮにならないとマシニングセ
ンタ１９は稼（至）できない。室温センサ１．２、ノー
ズ温度センサ３、ベース温度センサ４の検出値は、Ａ／
Ｄ変換器５でデジタル値に変換され、マイクロプロセ・
ソサ２５でＲＡＭメモリ２６内の各々のセンサの指定さ
れたメモリ番地に書き込まれる。

ＲＡＭメモリ２６は、その他に前記電源２２のスイッチ
２３がＯＦＦした日時を記憶するメモリ番地、基準温度
を記憶するメモリ番地などを有している。ＲＯＭメモリ
２７は、前記した各熱変形値を演算するためのプログラ
ムが記憶保持されているメモリである。クロック２８は
、日時を発生する時計であり、熱変位補正制御装置３０
はこの時計により日時を知ることができる。

九−１ 第３図は、熱変位補正制御装置３０の動作の概要を示す
フロー図である。ＲＡＭ２６のメモリ内には、前回スイ
ッチ２３を０ＦＦＩ、たときの日時がＲ，Ａ　Ｍ　２６
内の指定されたメモリ番地に記憶されている。この記憶
されているＯＦＦ時刻と、スイッチ２３がＯＮされた時
刻との時間間隔を計算する。この時間が設定時間、例え
ば８時間以上であれば、マシニングセンタ１９が充分に
初期状態になったと推定するものである。すなわち、マ
シニングセンタ１つの機体が周囲の環境温度と同一温度
になったものと推定するものである（Ｐｌ）設定時間以
上経過していなければ、初期状態ではないものと判断し
基準温度の書替えを行わない。設定時間以上経過してい
れば、環境温度すなわち、室温を室温センサ１，２で測
定し、工作機械を構成する構成要素の温度をノーズ温度
センサ３、ベース温度センサ４で測定する（Ｐ２　）。

温度を測定したら、この値をＲＡＭ２６内に記憶する。

ＲＡＭ２６の温度記憶メモリには、設定数、例えば３０
回の電源ＯＮ時の環境温度（機械温度）を記憶するメモ
リが確保されている。８時間以上経過したときの電源Ｏ
Ｎ時の環境温度（機械温度）は、この機械電源スィッチ
２３のたびにこのデータをメモリに記憶しておき、最も
古いデータは古い順から消去する（Ｐｓ）。

この記録が終了すると、最近の電源ＯＮ時の平均環境温
度を割り算により算出しくＰ４）、平均温度をＲＡＭ２
６内の熱変位基準温度メモリに記憶する（Ｐ、）。基準
温度メモリに記憶された熱変位基準温度は、構成要素の
温度変化を算出するための基準となる温度である。この
熱変位基準温度をベースとして機械要素の熱変位量を計
算する。熱変位の補正は、一定時間間隔で行うものであ
り、加工途中で６１ブロツクのＮＣデータの加工が終了
すると、数値制御装置２０に割り込みをかけ加ニブログ
ラムの実行を一旦中断し補正する。熱変位補正時間であ
れば（Ｐ６）、室温ノーズ温度、機体温度をセンサ１．
２，３．４で測定し、各熱変位基準温度との差を計算す
る（Ｐ７）。

前記した原理にしたがって、ＲＯＭ　２７内に記憶して
おいた前記計算式により、各熱変位基準温度との差デー
タから熱変形値を計算する（Ｐｓ）。

計算した結果から、方向を含めた機械原点シフト量を計
算する（Ｐ、）。更に、マイクロプロセッサ２５は、こ
の補正値をプログラマブルコントローラ２１に転送する
（Ｐｚｏ）。転送が終了すると、電源ＯＦＦに備え、現
在時刻を記憶しくＰｔｔ入数１直制御装置２０は機械加
工を実行するための動作を開始する。なお、この熱変位
補正制御装置３０の動作は、工作機械本体の動作をとも
なわないので、処理速度が速く、加工が中断することは
ない。

［他の実施例］ 前記実施例の基準温度は、単純に最も新しい環境温度を
算術平均したものだが、例えば近いデータに重いウェイ
トをかけて、直近のデータを重視しての基準温度を設定
しても良い。前記実施例では、熱変位補正は、一定時間
間隔ごとに補正していたが、加ニブログラム中に熱補正
指令プログラムを組み込んで、この指令のたびに補正す
る方法でも良い。

前記熱変位の補正は、機械原点位置をシフトして補正す
るものであったが、加ニブログラム中の送り量をシフト
した補正するものなど公知の他の方法でも良い。また、
前記実施例の環境温度の測定は、スプラッシュカバー内
′の温度とベース付近の環境温度を計測したものであっ
たが、環境温度を計測するものであれば他の手段でも良
い。

また、前記実施例では、計算式をＲＯＭ内に記憶し、こ
の計算式によりそのつど熱変位量を算出したが、あらか
じめ各温度に対応した変位量を計算、または実測してお
き、このデータを記憶しておき、このデータを読み出し
て熱変位を補正しても良く前記と同様に目的を達成でき
る。

また、前回の電源２２のスイッチ２３をＯＦＦした日時
を記憶せず第３図における設定時間を０とした判定（Ｐ
ｌ）を用いても略同様の補正効果を得る。

し発明の効果］ この発明は、機械設置環境に係わらず、熱変位補正は常
に機械原点近傍で行われているので、無駄な動きがなく
なる。また、熱変位補正によって機械原点を大きく動か
すことがない。

【図面の簡単な説明】

第１図はマシニングセンタのセンナの位置を示す図、第
２図は熱変位補正制御装置の機能ブロック図、第３図は
熱変位補正制御装置の動作フロー図である。 １．２・−・室温センサ、３・・・ノーズ温度センサ、
４・・・ベース温度センサ、１９・・・マシニングセン
タ、２０・・・数値制御装置、２１・・・プログラマブ
ルコントローラ、３０・・・熱変位補正制御装置第１図 ３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、工作機械を構成する構成要素の熱変位を補正する熱
   変位補正方法において、前記工作機械の環境温度および
   工作機械を構成する構成要素の温度を時間間隔をおいて
   サンプリングし、サンプリングした前記複数回の環境温
   度および工作機械を構成する構成要素の温度の平均値を
   それぞれ計算し、平均化された前記環境温度および工作
   機械を構成する構成要素の温度をそれぞれの基準温度と
   し、この基準温度に対する温度変化量を用いて前記工作
   機械を構成する構成要素の熱変位量を算出することを特
   徴とする工作機械の熱変位補正方法。 ２、請求項１において、前記環境温度および工作機械を
   構成する構成要素の温度のサンプリングは前記工作機械
   の起動時の環境温度をサンプリングすることを特徴とす
   る工作機械の熱変位補正方法。 ３、請求項１または２において、前記熱変位補正方法で
   算出された熱変位補正量により前記工作機械の機械原点
   位置を補正する工作機械の熱変位補正方法。 ４、工作機械の熱変位補正制御装置において、前記工作
   機械を構成する構成要素の温度を検出するための機体温
   度検出手段と、前記工作機械が設置されている周辺の環
   境温度を検出するための環境温度検出手段と、前記工作
   機械の過去の前記環境温度および工作機械を構成する構
   成要素の温度を記憶するための基準温度記憶手段と、こ
   の基準温度記憶手段内の前記環境温度および工作機械を
   構成する構成要素の温度と新たに検出した環境温度およ
   び工作機械を構成する構成要素の温度の平均をそれぞれ
   演算しこの温度を新たなそれぞれの基準温度とするため
   の基準温度演算手段と、この新たな基準温度に対する温
   度変化量を用いて熱変位量を算出する手段とからなる工
   作機械の熱変位補正制御装置。 ５、請求項４において、前記熱変位量算出手段は、前記
   熱変位補正制御装置内に記憶された熱変位算出式により
   、前記機体温度センサー手段と前記算出手段により演算
   して前記熱変位量を算出するものであることを特徴とす
   る工作機械の熱変位補正制御装置。