JPH04135141A

JPH04135141A - 加工機械

Info

Publication number: JPH04135141A
Application number: JP25858990A
Authority: JP
Inventors: Yotaro Hatamura; 洋太郎畑村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1990-09-26
Publication date: 1992-05-08

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）本発明は、連続した構造物により相対位置が変更可能に
支持された加工具と被加工物とを、所定の相対位置に保
ちながら加工具が被加工物に対し力を加えて加工する加
工機械、例えば、マシニング・センタその他一般工作機
械等の加工機械に関し、加工具の駆動部の温度上昇ζや
、加工具と被加工物間に発生する加工反力を原因として
加工具と被加工物間に発生する両者の相対位置ずれによ
る加工精度の低下を防止し、より精密な加工を可能にし
たものである。

（従来の技術）マシニング・センタ等の加工機械においては、被加工物
、加工具、および被加工物と加工具を保持する加工機械
の構造物が蔽密な意味で剛体ではない、また、加工機械
の可動中は、スピンドルの駆動モータおよびその減速ギ
ヤ部における発熱、あるいは加工具が被加工物を加工す
る際の発熱等により、加工機械全体の温度分布が一樟で
なくなる。

これらの点が、加工機械の加工精度を極限まで向上させ
ようとする場合に大きな問題となっている。つまり、被
加工物に切削等の加工を施すと加工具および被加工物に
加工反力が発生して、加工具を支持するヘッド部および
コラム部や、同しく被加工物を支持するテーブルおよび
サドル等に、それぞれその反力に応じて微小な弾性変形
が生しる。また、被加工物の加工中に加工具の駆動モー
タやその減速機構部の発熱がヘッド部およびヘッド部を
支持するコラム部に伝えられる。これら各部はその上昇
温度に応じて熱膨張する。これらの熱膨張や弾性変形が
発生すると、加工具と被加工物の相対位置が所定の位置
よりもずれて加工精度を低下させることになる。

第３図は、従来の工作機械の一例を示し、加工具である
ツール２が被加工物であるワーク５を加工している状態
を模式的に示したものである。

図において、ツール２はツールホルダ１２、スピンドル
１１、ヘッド４、コラム３、ベース１と順に連続的に支
持されている。

他方、ワーク５もテーブル７、サドル６を介してベース
１に支持されている。

この工作機械では、ワーク５とツール２との所定の相対
位置を保つため上記の各部材がベース１を介してＣ型の
構造体に形成されている。

これらの構造体は通常の加工では問題にならない程度の
剛性を備えおり、また停止状態で発熱のない場合は全体
の温度分布が一様となり、加工精度に対する悪影響は生
じることがない。

しかしながら、加工が開始されるとその加工形態に応し
、・ツール２とワーク５には加工反力Ｆを生しる。それ
により、ワーク５およびワーク５を支持するテーブル７
、サドル６、ベース１は極めて微小であるが加えられた
応力に応した弾性変形を生じ右方向に傾斜する。同様に
、ツール２側も、ツール２を支持する一連のツールホル
ダ１２、スピンドル１１、ヘッド４、コラム３、ベース
１までが加工反力Ｆの方向に応じてそれぞれ弾性変形を
生しる。コラム３において加工反力Ｆにより生じた歪み
は、コラム３の下部に記載されている歪み分布δ２のよ
うに、内側は伸長し外側は収縮する。

また、ヘッド４にはツールの駆動モータ９が設置され、
駆動モータ９の回転が図示しないギヤ等からなる減速機
構を介してスピンドル１１に接続されている。そのため
モータ９および減速機構の発熱によりヘッド４内体が高
温になるとともにその熱は、コラム３へも伝えられる。

コラム３は上端部の右側面から伝熱があると、コラム３
の上部に記載されている温度分布Ｔに示すように、ヘッ
ド４側が高温となり左の背面側に向かうほど下降して低
温となる。

これらの温度勾配や加工反力のため、ワーク５の加工中
にコラム３の上端では、本来の正規の位置よりも高さ方
向にΔ２、横方向にΔＸの変位を生じる。

ツール２がワーク５を加工する際に生ずる熱の一部は、
図中に矢印Ｈに示すように、ワーク５、テーブル７、サ
ドル６、ベース１と順に伝達される。また、ツール２か
らは同様に加工時の発熱の一部カツールホルダ１２、ス
ピンドル１１、ヘッド４と順に伝達され、各部は温度が
上昇した分、熱膨張する。

このように、ワーク５を加工する際にツール２が消費す
る動力の一部は、加工に有効に消費される以外に、上述
した発熱に消費されてワーク５およびツール２に伝熱さ
れる。この発熱が大量となり、ワーク５およびツール２
が高温になると、図中の矢印Ｒに示すように、放射およ
び対流により発熱の一部は外気に放出される。

また、ワーク５の加工時には、ツール２の動力の一部が
、機械的な振動■として、ワーク５およびツール２に伝
えられる。同様に、音波Ｐとしても一部の動力が消費さ
れる。

いずれにしろ、加工の際にツール２に伝達された動力が
現実には本来の加工のみに消費されず、多くが発熱等に
消費されてしまう。

工作機械におけるワーク５およびツール２を支持する構
造物のこのような発熱による変形の対策として、従来は
、ツール２が取付けられているヘッド４内に冷却オイル
や冷却水を循環させて発熱原因である駆動モータ９や減
速機構部等を冷却して、熱膨張による影響を解消しよう
としている。

また、他の解決策として、発熱による熱膨張が予め予想
できる場合は、予ｇ値に応じてへ、ド４先端であるツー
ル２の座標を数値制御により補正することもある。

さらには、コラム３の背面の一部にカウンターヒータを
設置し、コラム３への伝熱の度合いに応じて背面を加熱
して温度勾配を修正し、コラム３の反りを打ち消すこと
が試みられている。

同様に、加工反力による、ヘッド４やコラム３等の変形
についても、予め予想できる場合は、予想値に応じてヘ
ッド４先端であるツール２の座標を数値制御により補正
することも試みられている。

（発明が解決しようとする課８）しかしながら、これらの解決方法のうち、予め発生変位
を予想して数値制御によりツール２の座標値を変更補正
する方法は再現性が悪く、安定性、信軌性に劣る欠点が
ある。

また、ツール２とワーク５を相対的に支持する工作機械
の構造物であるヘッド４やコラム３の冷却は熱の移動を
遮断したり、温度勾配を除去する等の効果はあるものの
、構造物全体を一定温度に保つことは不可能であり、さ
らに、加工の進行にともない発生する加工反力による弾
性変位については、全く対処することができない。

いずれにしても、加工の進行にともない発生し、しかも
加工の状況により常に変動するツール２とワーク５との
間の相対位置のずれについて、その値をリアルタイムで
検出して補正することが不可能であった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、
その目的とするところは、加工機械における加工具と被
加工物との間の相対的な位置制御で問題になる熱膨張や
弾性変化を原因とした微小変位を補正することを可能に
して、従来以上の加工精度を得ることができる加工機械
を提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、第１の発明は、連続した構
造物により相対位置が変更可能に支持された加工具と被
加工物とを、指定された相対位置に保ちながら加工具が
被加工物に対し力を加えて加工する加工機械において、
連続した構造物を構成する構成部の各部または一部に設
置され、その構造物に所定方向の歪みを生しさせる歪み
発生手段と、加工具と被加工物との相対位置を変更する
指令値を発生する指令値発生手段とを具備して加工具と
被加工物の相対位置・姿勢を制御することを特徴とする
。

第２の発明は、第１の発明において、加工反力および熱
膨張により構造物各部および加工具・被加工物に生しる
変形を検出して歪み発生手段および指令値発生手段に入
力する変形検出手段を具備することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、加工具と被加工物
との相対位置・姿勢制御に際し、比較的低速でかつ高精
度の補正を要する変動については歪み発生手段により、
比較的高速度で急を要する位置・姿勢の変動については
指令値発生手段により、それぞれ加工具と被加工物との
相対位置・姿勢を制御することを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明における歪み発生手段として
、熱アクチエエータおよび／またはピエゾ素子および／
または油圧駆動アクチュエータを構造物の構成部の一部
または全部にパラレルに設置したごとを特徴とする。

第５の発明は、第２の発明において、構造物各部および
加工具・被加工物に生じる変形を検出するｌ軸方向の伸
縮量検出センサと、構造物各部に加えられる加工反力等
を１軸ないし３軸についての分力および軸まわりモーメ
ンとして検出するセンサと、を具備することを特徴とす
る。

第６の発明は、加工具の固定部に対して被加工物を片持
ちまたは門形の両持ちにより支持するとともに加工具と
被加工物間を連続して支持する構造物各部に設置された
複数の変形センサと、これら変形センサが検出した各部
ごとの変位値にもとづき加工具と被加工物の相対位置を
算出する演算手段と、この位置演算手段が算出した位置
データにもとづき加工具と被加工物の相対位置を所望の
位置に補正するための補正量を算出する演算手段と、こ
の補正量演算手段が算出した補正量にもとづく数値制御
により、または／および構造物に設置されている姿勢制
御用アクチュエータを作動させることにより、加工具と
被加工物の相対位置を所望の位１に保持する手段とを具
備することを特徴とする。

第７の発明は、加工具の固定部に対して被加工物を片持
ちまたは門形の両持ちにより支持するとともに加工具と
被加工物間を連続して支持する構造物各部に設置された
複数の変形センサおよび温度センサと、これら変形セン
サおよび温度センサが検出した各部ごとの変位値および
温度にもとづき加工具と被加工物の相対位置を算出する
演算手段と、この位置演算手段が算出した位置データに
もとづき加工具と被加工物の相対位置を所望の位置に補
正するための補正量を算出する演算手段と、この補正量
演算手段が算出した補正量にもとづく数値制御により、
または／および構造物に設置されている姿勢制御用アク
チュエータを作動させることにより、加工具と被加工物
の相対位置を所望の位置に保持する手段とを具備するこ
とを特徴とする。

第８の発明は、加工共の固定部に対して被加工物を片持
ちまたは門形の両持ちにより支持するとともに加工具と
被加工物間を連続して支持する構造物各部に設置された
複数の変形センサおよび温度センサと、被加工物の支持
部に設置され加工中の被加工物に発生する軸力を検出す
る軸力センサと、加工具を支持するとともに被加工中の
加工具に発生する６分力を検出する６分力テーブルと、
これら各種センサおよび６分力テーブルにより検出され
た値にもとづき加工具と被加工物の相対位置を算出する
演算手段と、この位置演算手段が算出した位置データに
もとづき加工具と被加工物の相対位置を所望の位置に補
正するための補正量を算出する演算手段と、この補正量
演算手段が算出した補正量にもとづく数値制御により、
および構造物に設置されている姿勢制御用アクチュエー
タを作動させることにより、加工具と被加工物の相対位
置を所望の位１に保持する手段とを具備することを特徴
とする。

（作　用）第１の発明においては、所定方向の歪みを佳しさせる歪
み発止手段が、連続した構造物を構成する構成部の各部
または一部に設置され、構造物に所定方向の歪みを生し
て、加工具と被加工物との相対位置を正規の状態に補正
する。

また、指令値発生手段が加工具と被加工物との正規の相
対位置からずれた変位量に応じて補正するための指令値
を発生し、加工具と被加工物との相対位置を正規の状態
に補正する。

第２の発明においては、加工反力および熱膨張により構
造物各部および加工共・被加工物に生しる変形が変形検
出手段により検出され、その検出値が第１の発明の歪み
発生手段および指令値発注手段に入力される。

第３の発明においては、加工具と被加工物との相対位置
・姿勢制御に際し、比較的低速でかつ高精度の補正を要
する変動については第２の発明の歪み発生手段により、
比較的高速度で急を要する変動については第２の発明の
指令値発生手段により、それぞれ加工具と被加工物との
相対位！・姿勢が制御される。

第４の発明においては、第１の発明の歪み発生手段とし
て、構造物の構成部の一部または全部にパラレルに設置
された熱アクチュエータおよび／またはピエゾ素子およ
び／または油圧駆動アクチュエータにより、構造物を構
成する構成部の各部または一部に所定方向の歪みを生し
させる。

第５の発明においては、第２の発明の変形検出手段に具
備した構造物各部および加工具・被加工物に生じる変形
を検出する１軸方向の伸縮量検出センサと、構造物各部
に加えられる加工反力等を１軸ないし３軸についての分
力および軸まわりモーメンとして検出するセンサとによ
り、構造物各部および加工具・被加工物に生じる変形を
検出する。

第６の発明においては、被加工物の固定部に対して加工
具を片持ちまたは門形の両持ちにより支持するとともに
被加工物と加工具との間を連続して支持する構造体に温
度変化や加工具の加工反力等により変位が発生すると、
構造物各部に設置した変形センサによりその変位が検出
される。

次いで、検出された各部の変位値から被加工物と加工具
の相対位置が算出され、得られた値から被加工物と加工
具を所望の相対位置に補正するための補正量が算出され
る。

さらに、得られた補正量にもとづく数値制御により、ま
たは／および構造物に設置されている姿勢制御用アクチ
ュエータを作動させることにより、被加工物と加工具の
相対位置が所望の位置に保持される。

第７の発明においては、被加工物の固定部に対して加工
具を片持ちまたは門形の両持ちにより支持するとともに
被加工物部と加工具部間を連続して支持する構造物に温
度変化や加工具の加工反力等により変位が発生すると、
構造物各部に設置した変形センサおよび温度センサによ
りその変位と温度が検出される。

次いで、検出された各部の変位値および温度から被加工
物と加工具の相対位置が算出され、得られた値から被加
工物と加工具を所望の相対位置に補正するための補正量
が算出される。

第８の発明においては、被加工物の固定部に対して加工
具を片持ちまたは門形の両持ちにより支持するとともに
被加工物部と加工具部間を連続して支持する構造物に温
度変化や加工具の加工反力等により変位が発生すると、
構造物各部に設置した変形センサおよび温度センサによ
りその変位と温度が検出される。

また、加工中の加工具に発生する軸力が加工具の支持部
に設置された軸力センサにより検出される。

同様に、被加工中の被加工物に発生する６分力が被加工
物を支持する６分力テーブルにより検出される。

次いで、検出された構造物各部の変位値、温度および加
工具の軸力、被加工物の６分力から被加工物と加工具の
相対位置が算出され、得られた値から被加工物と加工具
を所望の相対位置に補正するための補正量が算出される
。

さらに、得られた補正量にもとづく数値制御により、お
よび構造物に設置されている姿勢制御用アクチュエータ
を作動させることにより、被加工物と加工具の相対位置
が所望の位置に保持される。

（実施例）以下、図に沿って本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明をマシニングセンタに通用した場合のシ
ステムの構成の一例を示すブロック図である。

図において、先ず加工に先立ち設計情報１０１として、
加工部品に関する寸法、表面仕上げ等の形状情報がコン
ピュータ１０２へ入力される。

コンピュータ１０２は人力された形状情報を使用工具、
加工順序、各送り量、スピンドル回転数等の一連の加工
情報に変換した後、加工時に被削物に加える加工力の最
適値を算出し、その値を力の目標値として力制御コンピ
ュータ１０３へ送る。

同様にして、加工時に実際に発生する加工力を予想し、
その各分力を力の予想値として角変形制御コンピュータ
１０４へ送る。さらに、加工中において工具を交換する
タイミングに工具パス信号を生成して、ＮＣコントロー
ラ１０５へ送る。またさらに、加工中、各部に発生する
熱量を予想し、熱の予測値として熱制御コンピュータ１
０６へ送る。

このシステムにおけるコントーラ部は、力制御コンピュ
ータ１０３、角変形制御コンピュータ１０４、ＮＣコン
トローラ１０５、熱制御コンピュータ１０６により構成
されている。

力制御コンピュータ１０３は、入力された力の目標値、
および後述する６分力ニ具センサ１２１．６分力検出テ
ーブル１２２からそれぞれ送られた検出データにもとづ
いて、加工中の工具と被削物間に発生する加工反力に対
応したアクチュエータの駆動信号を発生し、ピエゾ素子
・油圧素子・マグネット１０７、およびＮＣコントロー
ラ１０５へ送る。

角変形制御コンピュータ１０４は、入力された力の予測
値、および後述するスラスト・センサ１２３から送られ
た検出データにもとづいて、各駆動部に発生しているス
ラスト方向の弾性変形量を予測・夏出し、ＮＣコントロ
ーラ１０５へ送る。

ＮＣコントローラ１０５は、入力された工具バス信号、
アクチュエータの駆動信号、弾性変形量、および後述す
るフェイルセイフ機構からの非常停止信号、スケール１
２４からの位置補正／姿勢補正信号にもとづいて、スピ
ンドルおよび各送り軸を駆動するモータの回転速度また
は回転数を算出してモータ駆動信号とし、モータ１０８
へ送る。

熱制御コンピュータ１０６は、入力された熱の予測値、
および後述する変形センサ１２５，１２６、温度センサ
１２７から送られた検出データにもとづいて、工具と被
削物との相対位置を求め、正規の状態に復帰させるため
に熱アクチュエータ１０９を動作させる信号を熱アクチ
ュエータ１０９へ送る。

このシステムにおけるアクチュエータ部は、ピエゾ素子
・油圧素子・マグネット１０７、モータ１０８、熱アク
チュエータ１０９により構成されている。

ピエゾ素子・油圧素子・マグネット１０７は、入力され
た駆動信号により作動し、その駆動力がフェイルセイフ
工具ホルダ１１０、フェイルセイフチーフル１１１、フ
ェイルセイフコンポーネント１１２へそれぞれ伝達され
て位置補正をおこなう。

モータ１０８は駆動信号として入力された回転速度また
は回転数の指定値に従い回転し、発生した駆動力がフェ
イルセイフ工具ホルダ１１０、フェイルセイフチーフル
１１１、フェイルセイフコンポーネント１１２へ伝達さ
れる。同様に、モータ１０Ｂの回転は送り量として、コ
ンプライアンス機ｉＡ　１１６、スケール１２４および
部品１３２へ伝えられ、それらの位置を移動・変更する
。また、モータ１０日の回転により発生した熱の一部は
ヘッドテーブル１１７へ伝えられる。

熱アクチュエータ１０９は入力された動作信号にもとづ
いて作動し、工具と被削物との相対位置を正規の状態に
復帰させる。

このシステムのフェイルセイフ機構であるフェイルセイ
フ工具ホルダ１１０、フェイルセイフチーフル１１１、
フェイルセイフコンポーネント１１２は、ピエゾ素子・
油圧素子・マグネット１０７、モータ１０８、コンプラ
イアンス機構１１６より加えられた作用力の合計が、予
め設定されているそれぞれの許容値を越えた場合に、非
常停止信号をＮＣコントローラ１０５へ送り、モータ１
０８を非常停止させる。また、許容値を越えない場合は
、入力された送り駆動力がそれぞれ工具１１３、被削物
１１４、ヘッド／テーブル１１５へ伝えられる。

このシステムにおける構成要素としては、工具１１３、
被削物１１４、ヘッド／テーブル１１５、コンプライア
ンス機構１１６、ヘッド／テーブル１１７、コラム１１
８がある。

このうち工具１１３、被削物１１４、ヘッド／テーブル
１１５、コンプライアンス機構１１６、ヘッド／テーブ
ル１１７は、モータ１０８によりそれぞれ駆動されて、
指定された加工のための動作を実行する。

コラム１１８は工具１１３と被削物１１４の間を支える
構造物の主要部分であり、外部雰囲気および内部の発熱
部からの伝熱により各部の温度分布が変動する。

次にこのシステムに用いられるセンサについて説明する
。

６分力ニ具センサ１２１は工具１１３に設置され、加工
中の工具１１３に発生する６分力を検出し、力制御コン
ピュータ１０３へ送る。

６分力検出テーブル１２２は被削物１１４を支持固定し
、被加工中の被削物１１４に発生する６分力を検出し、
力制御コンピュータ１０３へ送る。

スラスト・センサ１２３はヘッド／テーブルｌ１５に設
置され、加工中にヘッド／テーブル１１５に発生するス
ラスト方向の加工反力（軸力）を検出し、角変形制御コ
ンピュータ１０４へ送る。

スケール１２４は加工中の被削物１１４等の位置を測定
し、位置補正／姿勢補正信号としてＮＣコントローラ１
０５へ送る。

変形センサ１２５はヘッド／テーブル１１７に設置され
、加工中にヘッド／テーブル１１７の温度が上昇して生
じる熱膨張変位を検出し、熱制御コンピュータ１０６へ
送る。

変形センサ１２６は熱アクチュエータ１０９に設置され
、熱アクチュエータ】０９の動作量を検出して熱制御コ
ンピュータ１０６へ送る。

温度センサ１２７はコラム１１８の複数箇所に設置され
、コラム１１Ｂの温度分布を検出して熱制御コンピュー
タ１０６へ送る。

また、このこのンステムは必要に応して、視覚センサ１
２８．聴覚センサ１２９．温室センサ１３０、触覚セン
サ１３１を設置して加工状態をモニタし、加工中におけ
る各種の異常発止を初期の状態で発見して、加工条件の
変更や加工停止等の対応処理をおこなうことができる。

部品１３２は、上述した動作が実行されるため、加工状
態が発熱、変形等により種々に変化した場合でも、常に
最適な状態に補正・復帰されて高精度の加工がおこなわ
れる。

第２図は本発明を片持ち構造のマシニング・センタに適
用した場合の全体構成を示す説明図である。

図において、ベース１上には加工具である′ツール２を
支持するためのコラム３およびヘッド４が設置されると
ともに、被加工物であるワーク５を支持するためのサド
ル６、テーブル７．６分力テーブル８がそれぞれ設置さ
れている。これらの構成部材はワーク５とツール２を支
持するため、全体の形状がＣ形の構造となる。

Ｃ形構造の上端部となるツール２はツールホルダ１２を
介してスピンドル１１に着脱自在に把持される。スピン
ドル１１はへノド４上部の駆動モータ９により回転駆動
されるとともに、スピンドル１１の軸受部に軸力センサ
１３が設けられて、スピンドル１１に発生する軸力を測
定する。この軸力センサ１３に測定される軸力は、ワー
ク５を加工している間にツール２に発生する加工反力で
ある。ヘッド４およびコラム３は、この加工反力のため
微小な弾性変形を生して反時計方向にたわむ。

ヘッド４上部の駆動モータ９の周囲には、駆動モータ９
の発熱がヘッド４に伝わることを防止するだめの熱遮断
帯１４が設けられている。この熱遮断帯１４は、室温以
下のオイル等からなる冷却液が循環される。熱遮断帯１
４を設けても若干の熱はへノド４に伝えられ、さらにツ
ール２やスピンドル１１の発熱もへノド４に伝えられて
、ヘッド４は加工の開始とともに温度が上昇し熱膨張す
る。このヘッド４の温度上昇を測定するために、温度セ
ンサ１５〜１８がヘッド４の４″隅に設置される。さら
に、ヘッド４の熱膨張による水平方向の変位を測定する
ため、水平方向の変形センサ２０．２１がそれぞれ上下
に設置される。ヘッド４の裏面には、これらの温度セン
サ１５〜１８および変形センサ２０，２１と同位置にも
、温度センサおよび変形センサがそれぞれ設置される。

ヘッド４の左端部には、ヘッド４例の発熱がコラム３に
伝わることを防止するための熱遮断帯２２が垂直方向に
設けられている。この熱遮断帯２２も、熱遮断帯Ｉ４と
同様に室温以下のオイル等からなる冷却液が循環される
。

また、ヘッド４とコラム３の接続部分には、詳細な機構
を図示してないが、ツール２を２方向に移動するため、
ヘッド４を上下方向にスライドさせる駆動機構が設けら
れている。

コラム３は箱型の中空状に形成されており、その外壁の
四隅に温度センサ２３〜２６が設置されて、コラム３外
壁の温度が検出される。同様にこのコラム３の背面側外
壁にも温度センサが同位置に設置される。

さらに、コラム３の縦方向中間位置より下方に、熱アク
チュエータ３０と熱アクチュエータ４ｏとが２段に形成
される。熱アクチュエータ３０の上端には熱遮断帯２７
が、熱アクチュエータ３ｏと熱アクチュエータ４０の中
間部ζこは熱遮断帯２８が、熱アクチュエータ４０の下
端には熱遮断帯２９がそれぞれ形成され、コラム３と熱
アクチュエータ３０と熱アクチュエータ４０との間を熱
的に絶縁する。

これら熱遮断帯２７〜２９も、熱遮断帯１４゜２２と同
様に室温以下のオイル等からなる冷却液が循環される。

熱アクチュエータ３０の構造は、中空状に形成されたコ
ラム３の外周壁面に加熱冷却体３１．３２が左右に配設
され、さらにその外側に変位検出用の変形センサ３５，
３６が縦方向に配設されたものである。これらの変形セ
ンサ３５，３６等は、熱アクチュエータ３０の縦方向の
伸縮量を検出する。加熱冷却体３１．３２の中間には温
度センサ３７が配設される。さらに、左右の壁面には加
熱冷却体３３．３４が配設され、図示しない背面も手前
側壁面と同位置に加熱冷却体、変形センサ、温度センサ
がそれぞれ配設されている。

熱アクチュエータ４０は、熱アクチュエータ３０と同様
に、各壁面に配設された加熱冷却体４１〜４４等、変形
センサ４５，４６等、温度センサ４７等により構成され
る。

加熱冷却体３１〜３４．４１〜４４等は、必要によって
は壁面の内側にも設置されて、壁面を内外面より加熱お
よび冷却する。加熱冷却体３１〜３４．４１〜４４は、
加熱用として面状の電熱ヒータ、高温液体が循環するジ
ャケット、半導体の発熱素子等が用いられる。また、冷
却用としては、冷媒ガスのエバポレータ、低温液体が循
環するジャケット、半導体の吸熱素子等が用いられる。

これらの熱アクチュエータ３０．４０は、各加熱冷却体
３１〜３４．４１〜４４等を加熱または冷却することに
より、各々の加熱冷却体が膨張または収縮して、コラム
３を縦方向に伸縮させ、また任意の方向に傾斜させ、さ
らには横方向に移動させる等の微小な姿勢・位置制御を
おこなうことができる。

また、ベース１は、手前側面の中央部に温度センサ１９
が設置されるとともに、上面右側にワーク５をＸ方向に
駆動するためのサドル６が装着される。さらにサドル６
の上面には、ワーク５をＸ方向に駆動するためのテーブ
ル７が装着される。

これらサドル６およびテーブル７の外周４面にはそれぞ
れ変形センサ６１〜６６．７１〜７６等が水平方向上下
２段に配設されて、サドル６およびテーブル７の温度上
昇による膨張や加工反力により発生する弾性変形量を検
出する。また、変形センサ６１〜６２、および７１〜７
２の間には、それぞれ温度センサ６７．７７が配設され
て、サドル６およびテーブル７の温度を検出する。なお
、サドル６およびテーブル７の移動は、図示しないボー
ルネジ等を介し、送りモータをそれぞれＮＣ駆動してお
こなわれる。

テーブル７の上面には６分力テーブル８が設置される。

６分力テーブル８はワーク５を保持するとともに、ワー
ク５の加工中にツール２から受ける加工反力を６分力と
して検出する。また、６分力テーブル８には温度センサ
８１が配設されている。

なお、このマシニング・センタとは別位置に、温度セン
サ（図示せず）が設置され、マシニング・センタ周囲の
室温も測定される。

このように構成されたマシニング・センタにおいて、数
値制御によりｘ、ｙ、ｚ方向の送りを開始し、ツール２
を回転させながらワーク５を加工すると、ツール２に発
生する加工反力がツールホルダ１２を介してスピンドル
１１の軸力として軸力センサ１３に検出される。

他方、ワーク５側でも、ワーク５に発生する加工反力が
６分力テーブル８により、ｘ、ｙ、ｚ軸の成分およびｘ
、　　ｙ、　　ｚ軸まわりのモーメントとして検出され
る。この６分力は、ワーク５の材質、送り量、送り方向
、ツール２の種類および回転数等に応して変化するので
、その検出値を監視し、ワーク５およびツール２からマ
シニング・センタの各構造部に加えられる応力を推定し
て各部の弾性変化量を予測することができる。

また、マシニング・センタの加工の進行とともに、加工
部であるツール２とワーク５、および駆動モータ等の発
熱によりマシニング・センタの各部の温度分布が変化す
る。その変化を各部に設置した温度センサにより検出し
、各構造部ごとの温度上昇による熱膨張量を推定するこ
とができる。

同時に各構造部に設置した変形センサからも、各部の変
形量が検出される。

特にこの実施例では、コラム３の熱遮断帯２７よりも上
方の部分に温度センサ２３〜２６のみを設置して、変形
センサを設けていない。この部分は構造が比較的単純な
ため温度センサ２３〜２６により得られた温度分布と、
他の構造部で検出される加工反力値等からこの部分の変
形量を高精度に推測することができるので、変形センサ
の設置を省略したものである。

以下、これら検出値の具体的な処理について説明する。

各変形センサ、温度センサ、軸力センサ１３および６分
力テーブル８から検出された値は、図示しない制御部に
入力される。制御部では各変形センサの検出値から直接
に各構造部の変形量を把握し、これら変形量を加減算等
の処理をして、Ｃ形構造の端部となるツール２とワーク
５の相対的な位置ずれを算出する。

次いで、求められた位置ずれの値から、ツール２とワー
ク５とを正規な相対位置に復元するため、ＮＣソフトに
より、ｙ軸であるサドル６の送りモータの駆動量、ｙ軸
であるテーブル７の送りモータの駆動量、Ｚ軸であるヘ
ッド４の上下方向駆動モータの駆動量をそれぞれ算出す
る。これらの算出結果にもとづき、各モータが駆動され
て、ツール２とワーク５の相対位置が正規な状態に復元
される。

また、ＮＣソフトを用いないでツール２とワーク５との
相対位置を正規な状態に復元することも可能である。そ
の場合は、求められた位置ずれの値から、熱アクチュエ
ータ３０．４０の加熱冷却体３１〜３４．４１〜４４等
の動作を加熱または冷却のいずれかに決定し、さらに加
熱または冷却の作動温度を算出する。これらの算出結果
にもとづき、熱アクチュエータ３０．４０の各加熱冷却
体３１〜３４．４１〜４４等の動作を組合せ、ワーク５
に対するツール２の位置を３次元上で移動させて、両者
の相対位置を正規な状態に復帰させる。

なお、この熱アクチュエータ３０．４０は、構成要素で
ある加熱冷却体の加熱または冷却動作の組合せに加えて
、各部の設定温度を正確に管理することにより、従来の
ＮＣ加工以上の精密な加工が実現できる。

また、ＮＣソフトに加えて熱アクチュエータ３０．４０
の制御を併用することも可能である。その場合、ワーク
５とツール２とがより短時間で正規な相対位置に復帰可
能となり、応答性および加工精度がともに向上する。

次に、変形センサの検出値に加えて温度センサの検出値
を用いた場合のツール２とワーク５の相対的な位置ずれ
を補正する処理について説明する。

温度センサからの検出値は、各部の温度分布を示す以外
に、各設置位置における温度の軽時変化傾向が把握でき
ることにより、温度変化によるＣ形構造の変形をあらか
しめ予測できるので、上述した変形センサのみの位置補
正に加えて、ツール２とワーク５の相対的な位！ずれを
予ぜ、して補正することが可能となり、リアルタイムで
より高精度な補正ができる。この場合もＮＣソフトによ
る補正、熱アクチュエータ３０．４０による補正のいず
れでも、または両者を併用しての補正も可能である。

次に、変形センサおよび温度センサの検出値に加えて、
軸力センサ１３．６分力テーブル８の検出値を用いた場
合のツール２とワーク５の相対的な位置ずれを補正する
処理について説明する。

軸力センサ１３．６分力テーブル８の検出値は、主とし
てツール２とワーク５とが接触した加工状態における加
工反力をあられすため、これらの加工反力のｘ、ｙ、ｚ
軸成分の大きさに応してＣ形構造の各部が弾性変形を生
しる。これらの変形は変形センサからも検出されるが、
その応力の発生源から直接に加工反力を検出できること
により、変形センサおよび温度センサの検出値と総合し
て変形量を演算処理できることになり、ツール２とワー
ク５の相対的な位置ずれを、より正確に補正することが
可能になる。この場合もＮＣソフトによる補正、熱アク
チュエータ３０．４０による補正のいずれでも、または
両者を併用しての補正も可能である。

このように、実施例では、従来のマシニング・センタで
は完全に除去できなかった、構造部の熱膨張および加工
反力による弾性変形を原因とするワークと・シールの相
対位置ずれを、構造部の各所に設置したセンサにより、
高精度に検出することができ、その結果、各センサの検
出値にもとづきＮＣソフトや熱アクチュエータを用いて
、ワークとツールの相対位置ずれを高精度に補正して、
従来に比べ加工精度を絡段に向上させることができる。

また、加工機械であるマシニング・センタの、Ｃ部構造
は、剛性を極力増す構造としているものの広義の弾性体
であるため、ツール２のみでなく構造体そのものに加工
中に振動を発生する場合がある。この振動を構造体各部
に設置した変形センサにより検出して、加工精度に悪影
響をおよぼす以前に振動を減衰させるように送り量を変
更する等の制御が実行できる。

なお、実施例は片持ち構造のマシニング・センタの適用
例を示したが、マシニング・センタ以外の他の加工機械
についても、または、両持ち構造の門形をした加工機械
についても同様に通用することができる。門形の両持ち
構造の場合は、片持ちのＣ部構造が左右に組み合わされ
たものとして、その各部構造の変形を解析処理して補正
量が算出される。

（発明の効果）以上述べたように、第１の発明によれば、連続した構造
物を構成する構成部の各部または一部に設置され所定方
向の歪みを生しさセる歪み発生手段が構造物に所定方向
の歪みを生しさせて、加工具と被加工物との相対位置を
正規の状態に補正するので高精度の加工が実現できる。

第２の発明によれば、加工反力お俵び熱膨張により構造
物各部および加工具・被加工物に生しる変形が変形検出
手段により検出され、その検出（＋ｆ！が歪み発生手段
および指令値発生手段に入力されるので、加工反力およ
び熱膨張による変形がより確実に補正されて高精度の加
工が実現できる。

第３の発明によれば、加工具と被加工物との相対位置・
姿勢制御に際し、比較的低速でかつ高精度の補正を要す
る位置・姿勢の変動については歪み発生手段により、比
較的高速度で象を要する位置・姿勢の変動については指
令値発生手段により制御されるので、変位の発生状態に
対応してより的確な構造物の補正がおこなわれる。

第４の発明によれば、構造物の構成部の一部または全部
にパラレルに設置された熱アクチュエタおよび／または
ピエヅ素子および／または油圧駆動アクチュエータによ
り、構造物を構成する構成部の各部または一部に所定方
向の歪みを発生させるので構造物の補正が確実におこな
われる。

第５の発明によれば、変形検出手段として、構造物各部
および加工具・被加工物に生しる変形を検出する１軸方
向の伸縮量検出センサ、および構造物各部に加えられる
加工反力等を１軸ないし３軸についての分力および軸ま
わりモーメンとして検出するセンサを用いたので、構造
物各部および加工具・被加工物に生しる変形を確実に検
出して、より正確な姿勢補正ができる。

第６の発明によれば、加工機械の被加工物と加工具を支
持する連続した構造物に温度変化や加工具の加工反力等
により変位が発生した場合に、その変位が変形センサに
検出される。その検出値にもとづく数値制御や、構造物
に設置されている姿勢制御用アクチュエータの作動によ
り、被加工物と加工具の相対位置が所望の位置に保持さ
れる。

その結果、従来の加工機械に比べ、温度変化や加工具の
加工反力により発生する変位を補正するのみならず、さ
らに高精度な加工が実現できる。

また、第７の発明によれば、加工機械の被加圧物と加工
具を支持する連続した構造物に温度変化や加工具の加工
反力等により変位が発生した場合に、その変位が変形セ
ンサに検出されるとともに温度分布についても温度セン
サにより検出される。

これら検出した変位および温度にもとづく数値側？１１
１や、構造物に設置されている姿勢制御用アクチュエー
タの作動により、被加工物と加工具の相対位置が所望の
位置に保持される。その結果、従来の加工機械に比べ加
工精度が著しく向上する。

さらに、第８の発明によれば、加工機械の被加工物と加
工具を支持する連続した構造物に温度変４゜化や加工具の加工反力等により変位が発生した場合に、
その変位が変形センサに検出されるとともに温度分布が
温度センサにより、加工具の軸力が軸力センサにより、
被加工物に発生する６分力が６分力テーブルによりそれ
ぞれ検出される。これら検出した変位、温度、軸力、６
分力にもとづく数値制御や、構造物に設置されている姿
勢制御用アクチュエータの作動により、被加工物と加工
具の相対位置が所望の位置に保持される。その結果、従
来の加工機械に比べ加工精度が著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をマシニングセンタに適用した場合のシ
ステム構成の一例を示すブロック図、第２図は本発明を
片持ち構造のマシニング・センタに適用した場合の全体
構成を示す説明図、第３図は従来の加工機械の加工状態
を模式的に示した説明図である。１・・・ベース　２・・・ツール　３・・・コラム　４
・・・ヘッド　５・・・ワーク　６・・・サドル　７・
・・テーブル８・・・６分力テーブル　９・・・駆動モ
ータ　ｌトスピンドル　１２・・・ツールホルダ　１３
・・・軸力センサ　１４・・・熱遮断帯　１５〜１９・
・・温度センサ　２０，２１・・・変形センサ　２２・
・・熱遮断帯　２３〜２６・・・温度センサ　２７〜２
９・・・熱遮断帯　３０・・・熱アクチュエータ　３１
〜３４・・・加熱冷却体　３５．３６・・・変形センサ
　３７・・・温度センサ　４０・・・熱アクチュエータ
　４１〜４４・・・加熱冷却体　４５．４６・・・変形
センサ４７・・・温度センサ　　６１〜６６・・・変形
センサ６７・・・温度センサ　　７１〜７６・・・変形
センサ７７・・・温度センサ　８１・・・温度センサ　
１０１・・・設計情報　１０２・・・コンピュータ　１
０３・・・力制御コンピュータ　１０４・・・内変形制
御コンピュータ　１０５・・・ＮＣコントローラ　１０
６・・・熱制御コンピュータ　１０７・・・ピエゾ素子
・油圧素子・マグネット　　　　１０８・・・モータ１
０９・・・熱アクチュエータ　１１０・・・フェイルセ
イフ工具ホルダ　１１１・・・フェイルセイフテーブル
　１１２・・・フェイルセイフコンポーネント　１１３
・・・工具　１１４・・・被削物　１１５・・・ベット
／チーフル　１１６・・・コンプライアンス機構　１１
７・・・ヘッドテーブル　１１８・・・コラム　１２１
・・・６分力ニ具センサ　１２２・・・６分力検出テー
ブル　　１２３・・・スラスト・センサ１２４・・・ス
ケール　１２５，１２６・・・変形センサ　１２７・・
・温度センサ　１２８・・・視覚センサ１２９・・・聴
覚センサ　　　１３０・・・温室センサ１３１・・・触
覚センサ　１３２・・・部品＠３　図／９手続補正書４゜代理人６、補正の対象図面

Claims

【特許請求の範囲】

（１）連続した構造物により相対位置が変更可能に支持
された加工具と被加工物とを、指定された相対位置に保
ちながら加工具が被加工物に対し力を加えて加工する加
工機械において、連続した構造物を構成する構成部の各部または一部に設
置され、その構造物に所定方向の歪みを生じさせる歪み
発生手段と、加工具と被加工物との相対位置を変更する指令値を発生
する指令値発生手段と、を具備し加工具と被加工物の相対位置・姿勢を制御する
加工機械。
（２）加工反力および熱膨張により構造物各部および加
工具・被加工物に生じる変形を検出して前記歪み発生手
段および指令値発生手段に入力する変形検出手段を具備
する請求項１記載の加工機械。
（３）加工具と被加工物との相対位置・姿勢制御に際し
、比較的低速でかつ高精度の補正を要する変動について
は前記歪み発生手段により、比較的高速度で急を要する
位置・姿勢の変動については前記指令値発生手段により
、それぞれ加工具と被加工物との相対位置・姿勢を制御
する請求項２記載の加工機械。
（４）歪み発生手段として、熱アクチュエータおよび／
またはピエゾ素子および／または油圧駆動アクチュエー
タを構造物の構成部の一部または全部にパラレルに設置
した請求項１記載の加工機械。
（５）構造物各部および加工具・被加工物に生じる変形
を検出する１軸方向の伸縮量検出センサと、構造物各部
に加えられる加工反力等を１軸ないし３軸についての分
力および軸まわりモーメンとして検出するセンサと、を具備する請求項２記載の加工機械。
（６）加工具の固定部に対して被加工物を片持ちまたは
門形の両持ちにより支持するとともに加工具と被加工物
間を連続して支持する構造物各部に設置された複数の変
形センサと、これら変形センサが検出した各部ごとの変位値にもとづ
き加工具と被加工物の相対位置を算出する演算手段と、この位置演算手段が算出した位置データにもとづき加工
具と被加工物の相対位置を所望の位置に補正するための
補正量を算出する演算手段と、この補正量演算手段が算
出した補正量にもとづく数値制御により、または／およ
び構造物に設置されている姿勢制御用アクチュエータを
作動させることにより、加工具と被加工物の相対位置を
所望の位置に保持する手段と、を具備する加工機械。
（７）加工具の固定部に対して被加工物を片持ちまたは
門形の両持ちにより支持するとともに加工具と被加工物
間を連続して支持する構造物各部に設置された複数の変
形センサおよび温度センサと、これら変形センサおよび
温度センサが検出した各部ごとの変位値および温度にも
とづき加工具と被加工物の相対位置を算出する演算手段
と、この位置演算手段が算出した位置データにもとづき
加工具と被加工物の相対位置を所望の位置に補正するた
めの補正量を算出する演算手段と、この補正量演算手段
が算出した補正量にもとづく数値制御により、または／
および構造物に設置されている姿勢制御用アクチュエー
タを作動させることにより、加工具と被加工物の相対位
置を所望の位置に保持する手段と、を具備する加工機械。
（８）加工具の固定部に対して被加工物を片持ちまたは
門形の両持ちにより支持するとともに加工具と被加工物
間を連続して支持する構造物各部に設置された複数の変
形センサおよび温度センサと、被加工物の支持部に設置
され加工中の被加工物に発生する軸力を検出する軸力セ
ンサと、加工具を支持するとともに被加工中の加工具に発生する
６分力を検出する６分力テーブルと、これら各種センサ
および６分力テーブルにより検出された値にもとづき加
工具と被加工物の相対位置を算出する演算手段と、この位置演算手段が算出した位置データにもとづき加工
具と被加工物の相対位置を所望の位置に補正するための
補正量を算出する演算手段と、この補正量演算手段が算
出した補正量にもとづく数値制御により、および構造物
に設置されている姿勢制御用アクチュエータを作動させ
ることにより、加工具と被加工物の相対位置を所望の位
置に保持する手段と、を具備する加工機械。