JPH05116053A - 工作機械の熱変位補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】熱変位を求めるための補正条件の修正を行う。 【構成】工作機械の環境温度及び構成要素の温度をサン
プリングし、このサンプリングした環境温度及び構成要
素の温度から基準温度を最初に定め、予め想定された熱
変形の関係式により基準温度、加工時の環境温度及び構
成要素の温度から求めた変化分を求め、この変化分と、
実際に工作物を加工し測定したときの加工誤差との差で
ある補正量を求め、この補正量と変化分との割合である
補正係数を求め、補正係数を変更することにより熱変位
量を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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
体各部の温度と、機体周辺の環境温度を検出し、あらか
じ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、この算出結果によって機械原点
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
位補正方法に関する。

【０００２】

【従来技術】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
物テーブル等がプログラムにしたがって位置制御され
る。しかし、工作機械の機体は熱により変形するもので
あり、これに合わせて機械原点位置も正確に補正しない
と加工精度は維持できない。本発明者等が提案した熱変
位基準温度は（機械要素の温度変化を算出するための基
準となる温度）、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各温度を採用している（特開
平２−４１８４８号公報）。

【０００３】また、熱変位基準温度における機械位置
（補正原点）を機械原点に一致させ、ここから熱変位量
を増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ＯＮ
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機械原点を移動してい
る。

【０００４】しかし、従来の補正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。

【０００５】そこで、本発明者等は、記憶された基準温
度における機械位置（補正原点）を機械原点に一致させ
るため一時的な機械原点ＯＦＦ後の復帰に際しても、補
正量が０となって機械原点に戻ることがない熱変位補正
方法とその制御装置を提案した（特開平３−７９２５６
号）。

【０００６】すなわち、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工作機械を構
成する各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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記した提案の実施例
は、主軸の伸びを含めた工具とテーブル間のＺ軸方向の
変位を補正するものであった。横形あるいは立形マシニ
ングセンタでは、上下方向あるいは前後方向にＺ軸方向
に次ぐ変形が生じる。しかし、前記提案の内容は、Ｚ軸
方向と直角方向の補正を含むものではない。

【０００８】また、工作機械は、工場出荷時の各種テス
トで熱変形を測定し補正の条件を決定している。しか
し、工作機械が実際に使用される工場、切削条件によっ
てこの補正条件は変える必要がある。前記した従来の方
式には、この補正条件を変える考え方はない。また、前
記した提案では、各センサデータ等補正に必要な各種デ
ータを画面上に呼び出すことができないので、補正量の
修正作業などは簡単に行うことはできない。本発明は、
以上のような背景で発明されたものであり、次の目的を
達成する。

【０００９】本発明の目的は、熱変位を求めるための補
正条件の修正を行うことができる工作機械の熱変位補正
方法を提供することにある。

【００１０】本発明のたの目的は、熱変位を求めるため
の各種データを表示するための工作機械の熱変位補正方
法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び作用】前記課題を解決
するために次のような手段を採る。

【００１２】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
度及び前記構成要素の温度をサンプリングし、このサン
プリングした環境温度及び前記構成要素の温度から基準
温度を最初に定め、予め想定された熱変形の関係式によ
り前記基準温度、加工時の前記環境温度及び前記構成要
素の温度から求めた変化分を求め、この変化分と、実際
に工作物を加工し測定したときの加工誤差との差である
補正量を求め、この補正量と前記変化分との割合である
補正係数を求め、前記補正係数を変更することにより前
記熱変位量を補正することを特徴とする工作機械の熱変
位補正方法である。

【００１３】又、前記補正量、前記補正係数、前記構成
要素の現在温度及び前記基準温度を保守のために画面表
示すると保守管理上便利である。

【００１４】更に、前記構成要素の温度推移を時間間隔
ごとに保守のために画面表示すると効果的である。

【００１５】

【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。

【００１６】工作機械へのセンサの配置 図１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温度センサの配置の概要を示す機能
ブロック図である。図１に示す工作機械は、立形マシニ
ングセンタ１であり、その構成要素であるベッド２、コ
ラム３、移動台４、主軸頭５、主軸６、ツール７、工作
物テーブル８を示したものである。ツール７は、主軸６
に取り付けた切削工具などの工具部分である。

【００１７】立形マシニングセンタ１には、室温度セン
サＣｈ１、コラム下部センサＣｈ２、コラム上部温度セ
ンサＣｈ３、移動台温度センサＣｈ４、主軸頭温度セン
サＣｈ５がそれぞれ配置され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。室温度センサＣｈ１は、環境温度を
検出する。

【００１８】各センサＣｈ１〜Ｃｈ５、各出力は、Ａ／
Ｄ変換器１０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。このデジタル信号は、
熱変位補正装置２０に入力される。熱変位補正装置２０
で演算された補正量は、数値制御装置（以下、ＮＣとい
う）３０に送信されて位置補正される。

【００１９】熱変位補正装置 図２に示すものは、熱変位補正装置２０の機能ブロック
図である。各センサＣｈ１〜Ｃｈ５の検出値は、Ａ／Ｄ
変換器１０でデジタル値に変換され、マイクロプロセッ
サ１１の指令によりＲＡＭ１２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。ＲＡＭ１２内には、
過去の電源投入時の機体および環境温度の平均値を基準
温度とするために内部にその時の温度のデータ等が保存
されている。

【００２０】更に、ＲＡＭ１２には、各センサが一定時
間ごとにサンプリングした温度データが記憶されてい
る。後述するように、この温度データは、ＮＣ３０の表
示装置（図示せず）に表示される。ＲＯＭ１３には、後
述する熱変位の関係式、補正係数等を演算するためのプ
ログラムが記憶されている。クロック１４は、通常のク
ロックでありサンプリング等の時間を決定するためのも
のである。

【００２１】熱変形補正原理 工作物テーブル８は、ベッド２上に設けられ加工時に工
作物Ｗを載置してツール７と相対移動する。この実施例
は、Ｚ及びＸ軸線方向におけるツール７と工作物テーブ
ル８上の工作物Ｗとの間の熱変位誤差を補正するもので
ある。これらの間の熱変形は、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、主軸頭５から突き出た主軸６部分のＺ軸線方向の基
準温度からの熱変形をいう。

【００２２】ツール熱変形とは、主軸６から突き出たツ
ール７部分のＺ軸線方向の基準温度からの熱変形をい
う。ベース熱変形とは、コラム３側からテーブル８間の
Ｚ軸線方向のベース１の基準温度からの熱変形をいう。
本発明者は、先の出願である特開平２−４１８４８号公
報の記載で明らかなようにＺ軸線方向の熱変形の関係式
を求めた。

【００２３】これらの熱変形は、基準温度からの温度差
で変形量を計算し、補正する。この基準温度は、立形マ
シニングセンタ１の電源投入時の各温度であるから自動
的に夏は高く、冬は低い値に除々に変化するので基準温
度に大きな変化が無い範囲で均一な部品加工を可能にす
る。なお、基準温度そのものの変化分は補正していない
ので、年間を通じて機械形状を一定に補償するものでは
ない。なお、これらの点は、特開平３−７９２５６号公
報に開示したので詳細な説明は省略する。

【００２４】その日の作業起動開始時の温度は、前記し
た基準温度とは一致しない。その日の被加工部品、測定
具及びマシニングセンタが置かれている工場環境をその
日の熱変形の基準にしている（図３参照）。例えば、立
形マシニングセンタ１に朝電源が投入されると、通常は
除々に機体の温度は上昇する。この温度上昇により、機
体は変形していく。

【００２５】一日の間に環境温度が大きく変化する時の
変形遅れ分を見込むために、環境温度の変化を５本以内
の連続した直線で近似し、環境温度がそれぞれの時刻で
直線的に変化をするものと仮定している。環境温度が直
線変化する時、機械の変形遅れは“一次遅れ要素のラン
プ応答式（一般式）”で容易に見込むことができる。こ
のようにして直接温度を検出していない箇所の熱変形を
環境温度の変化から見積もっている（図４参照）。この
熱変形の補正方法の詳細は、特開平２−４１８４８号で
開示したので詳細な説明は省略する。

【００２６】したがって、通常は機械の熱変形を考慮し
て加工品の寸法が図面公差の中央になる時刻に工具補正
値を決定することが行われる。補正機能があると任意の
時刻で工具補正値の設定が可能になり、摩耗による工具
寸法の変化をタッチセンサ等を用いて追跡する際の信頼
度が高まる。

【００２７】補正係数 実用上要求される機械精度は各種形状の工具を用いて切
削した加工部品について、その寸法と仕上精度を満足す
るものであることが要求される。そこには、工場出荷時
のテストバーを用いた熱変形テストとは自ずと異なった
切削条件が存在し、この条件は加工品の内容、加工条件
等によって種々多様であると言える。このため、工場出
荷時のテストバーを基準に設定した補正量［μｍ］（補
正係数１．０、図３参照）に対し、下記の計算式を用い
てこれを簡単に修正することができるようになってい
る。

【００２８】補正係数＝（補正量の一日の変化分−加工
誤差）／補正量の一日の変化分 ただし、「補正量の一日の変化分」の意味は、熱変形補
正量は稼働時にその数値が増加（または減少）する。電
源投入時からその稼働時まで、その変化量（±符号付μ
ｍ）である。したがって、ここでの一日とは、電源投入
時からの現在までの変化量であって、通常の一日の意味
ではない。

【００２９】「加工誤差」は、実測仕上がり寸法から設
計目標寸法を差し引いて算出した値（±符号付μｍ）で
ある。つまり加工誤差が０であれば補正係数は１．０に
なるが、仕上がり寸法が小さめ（加工誤差＜０）になっ
た時は補正不足なので、補正係数は１．０より大きい値
となり、機械は＋側にさらに待避する。

【００３０】補正係数の変更 補正しようとするときは、まず初期画面（図５）を呼び
出す。主軸の伸びを含めた工具とテーブル間のＺ軸方向
の熱変位は、通常Ｘ，Ｙ軸に比べてその量が大きく、高
速回転時には主軸冷却装置（主軸軸受部ジャケット冷
却）のみでこれを押さえることが困難である。本実施例
の熱変位補正方法においても優先的にＺ軸方向の熱変位
補正が採用されている、さらにもう１軸が選択的に補正
可能になっている。

【００３１】従来から横形あるいは立形マシニングセン
タでは、基本的熱対策として工作機械の正面から見て左
右対称に設計されているものの、その上下方向あるいは
前後方向ではＺ軸方向に次ぐ変形が生じている。特に機
械が大型化するとその変形量は大きなものになる。ＲＡ
Ｍ１２のパラメータを適宜設定することによって機種に
応じた付加補正軸が選択される。熱変位補正装置の初期
画面（主画面）の左上には選択された補正軸名が補正係
数、補正量［μｍ］とともに表示される。

【００３２】補正係数を変更しようとすると、図５の画
面を呼び出し、補正係数変更のファンクションキーを押
すと該当する補正係数の欄が反転表示される。この後、
キーボードから補正係数を入力する。この実施例では、
補正係数の計算は手動で行う。図５の断面の右側にはエ
ラー内容を表示するエリアが設けてあり、各センサの断
線、補正計算エラー、変化量過大等が示される。

【００３３】保守用画面 一日の温度変化の数値データおよび補正の経歴が読み取
れるように保守画面１（図６）と保守画面２（図７）が
用意されている。図６に示した保守画面１では、機械各
部および環境温度のセンサＣｈ１〜Ｃｈ５の変化が１５
分毎の数値データとして９時間分保存記録されている。
それ以降は順次以前のデータが削除される。機械各部の
温度変化を常時監視できるので温度異常が速やかに判断
できる。なお、センサは機種に係わらず常に環境温度の
検出に割り当てられている。

【００３４】なお、１５分毎に行われる補正計算によっ
て補正値が書き変わるが、実際に機械のサーボ軸にこの
補正値が反映されるのは、電源投入時と工具交換（Ｍ６
の指令）が指示された時になる（２軸同時）。補正量は
ＮＣの外部オフセットとして与えられるので、ワーク座
標には直接影響しない。作業者は熱変位補正機能を特に
意識することなく加工プログラムを作成することができ
る。

【００３５】ただし、工具交換の間隔が極めて長い連続
加工では、補正計算は行っていても補正動作そのものが
働かないことになる（Ｍ６が発生しない）。あるいは温
度センサへの外乱が大きい場合やセンサ断線等によって
補正機能を一次的に停止させたいことが生じる。このよ
うな場合に対処するために次ぎの補助機能（Ｍコード）
が用意されている。

【００３６】Ｍ１１０：ワンショット補正をする。切削
方向の切り替え位置などにこれを随時設定することがで
きる。

【００３７】Ｍ１１１：補正機能を停止する。Ｍ１１０
で再度補正機能を復帰させることができる。

【００３８】クラフィック機能 図７に示した保守画面２には、保守画面１に記録された
温度変化の数値データおよび補正の出力経歴がグラフ表
示される。また機械各部の温度変化による変形量が各軸
毎に（上段：Ｚ軸、下段：付加軸）が表示される。さら
に急激な環境温度の変化による変形遅れ分も、Ｃｈ１セ
ンサデータに対する直線近似の当てはめの様子ととも
に、その結果が数値で表示される。保守画面２は主とし
て、先に説明した補正係数の変更の際に使用する補正量
の変化分を読み取るのに用いられる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳記したように、この発明は工作機
械の環境温度及び構成要素の温度を用いて、算出した熱
変形量を更に詳細に修正する補正係数という概念を導入
したので正確に熱変形を補正できる。また、熱変形に関
する各種データを画面表示できるので補正係数の抽出が
容易になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、マシニングセンタへのセンサの配置図
である。

【図２】図２は、熱変位補正装置の概要を示す機能ブロ
ック図である。

【図３】図３は、時間と温度変化の関係を示す図であ
る。

【図４】図４は、時間と変形（温度）遅れの見積りの関
係を示す図である。

【図５】図５は、熱変位補正装置の保守のための初期画
面及び補正係数の変更画面を示す。

【図６】図６は、各温度センサの温度データを示す画面
である。

【図７】図７は、温度と補正の関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…立形マシニングセンタ、２…ベッド、３コラム、４
…移動台、５…主軸頭、６…主軸、７…工具、８…工作
物テーブル、２０…熱変位補正装置、３０…数値制御装
置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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及び前記構成要素の温度をサン
   プリングし、このサンプリングした環境温度及び前記構
   成要素の温度から基準温度を最初に定め、 予め想定された熱変形の関係式により前記基準温度、加
   工時の前記環境温度及び前記構成要素の温度から求めた
   変化分を求め、 この変化分と、実際に工作物を加工し測定したときの加
   工誤差との差である補正量を求め、 この補正量と前記変化分との割合である補正係数を求
   め、 前記補正係数を変更することにより前記熱変位量を補正
   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２】請求項１において、 前記補正量、前記補正係数、前記構成要素の現在温度及
   び前記基準温度を保守のために画面表示することを特徴
   とする工作機械の熱変位補正方法。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記構成要素の温度推移を時間間隔ごとに保守のために
   画面表示することを特徴とする工作機械の熱変位補正方
   法。