JPH0775937A - 工作機械及びその制御方法 - Google Patents

工作機械及びその制御方法

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JPH0775937A
JPH0775937A JP5246450A JP24645093A JPH0775937A JP H0775937 A JPH0775937 A JP H0775937A JP 5246450 A JP5246450 A JP 5246450A JP 24645093 A JP24645093 A JP 24645093A JP H0775937 A JPH0775937 A JP H0775937A
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JP
Japan
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displacement amount
temperature
axis
machine
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JP5246450A
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Ichiro Araya
一朗 新家
Koji Shu
鴻治 朱
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Sodick Co Ltd
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Sodick Co Ltd
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    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ニューラルネットワークを用いて熱変位量を
補正することにより高い加工精度を確保することができ
る工作機械を提供する。 【構成】 工具２と被加工物４とを相対的に移動させて
加工を行う工作機械において、機械部の各要素部分に配
置した温度センサ３０Ａ〜３０Ｈからの温度情報を温度
記憶手段４０に記憶し、また、この時の各軸の熱変位量
を熱変位量記憶手段４８に記憶する。そして、熱変位量
推論手段４２は、上記温度記憶手段からの温度情報を入
力し、且つ熱変位量記憶手段から熱変位量を教師信号と
して入力し、ニューラルネットワークにて学習を行って
関数を同定する。次に、実際の制御時には、温度センサ
からの温度情報に基づいて上記推論手段は機械部の熱変
位量推論値を求め、補正値演算部５２はこの上記推論値
に基づいて各軸の熱変位量の補正値を求める。更に、数
値制御部４４は、この補正値に基づいて各軸の移動量を
補正し、各軸の軸駆動を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱変位量補正機能を備
えた工作機械及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、数値制御工作機械は、高精度な
位置決め精度或いは加工精度が要求される場合、機械が
設置される部屋の室温を常に一定に保ち、できる限り機
械部の熱変形による工具と被加工物との相対位置精度の
低下を防ぐようにしている。しかしながら、工作機械は
それ自体に熱発生源を有してると共に、他の機械から発
生する熱や外気温の変化、更には機械の運転状態等の様
々な要因で機械本体の温度或いは室温が変化してしま
う。また、上述したように温度を厳密に管理するために
は温調設備等に多額の投資が必要になるため、実際には
恒温室の様な設備を採用できないのが現状である。
【０００３】工作機械には種々の構造のものがあるが、
ここで工具電極と被加工物との間に放電を発生させて放
電エネルギを利用して加工を行う、いわゆる放電加工機
を例に挙げて説明する。図１３は放電加工機の一例を示
す概略側面図、図１４は図１３に示す加工機の概略正面
図である。図中、２は銅またはグラファイト等で作られ
た放電加工用の工具である電極を取り付けるホルダとホ
ルダ保持部を備えた加工ヘッド部であり、４はこの加工
ヘッド部２に取り付けられた工具電極によって加工され
る被加工物である。この被加工物４は、加工液を溜めた
加工タンク６中に浸漬されており、この工具電極２と被
加工物４との間に図示しない放電加工電源から放電加工
用の電流パルスエネルギを供給して、上記加工液を介し
て放電を発生させることにより加工を行う。
【０００４】この加工タンク６はＸ軸テーブル８上に取
り付けられており、このＸ軸テーブル８は基台ベッド１
０上に取り付けられた図示しないガイド機構によりＸ軸
方向へ移動可能に取り付けられている。この基台ベッド
１０には、例えばエンコーダの如き位置検出器を含むＸ
軸駆動モータ１２が取り付けられると共にこのモータ１
２にはナット１４が螺合されたＸ軸ボールネジ１２Ａが
取り付けられている。そして、このナット１４を固定す
るハウジング部材が上記Ｘ軸テーブル８に取り付けられ
ており、上記Ｘ軸駆動モータ１２が図示しない数値制御
部からの指令により回転することによりＸ方向への移動
が行えるようになっている。
【０００５】図中１６は基台ベッド１０に固定されてい
るコラムであり、この上面には図示されていないがＸ軸
同様にガイド機構を有しており、このコラム１６上には
上記ガイド機構に案内されてＹ軸方向に移動するラム１
８が設けられている。このコラム１６にはＹ軸駆動モー
タ２０が設けられると共にこのモータ２０にはナット２
２が螺合されたＹ軸ボールネジ２０Ａが取り付けられて
おり、このナット２２に連結される上記ラム１８が上述
のようにＹ軸方向に移動する。上記ラム１８の上部先端
には、Ｚ軸（上下）方向へ移動するサーボヘッド２４が
取り付けられており、更に、詳細に図示していないが、
その下端には工具電極の保持部としての電極ホルダとチ
ャック部からなる加工ヘッド２が設けられており、Ｚ軸
駆動モータ２６、Ｚ軸ボールネジ２６Ａ及びナット２８
が前述の各軸と同様に構成されている。
【０００６】機械部の構成としては、他に、ＸＹ軸テー
ブルをヘッド上に載置した構造のものや、ＸＹ方向をラ
ム側で移動させて、ラムに取り付けられた基台ベッドに
てＺ軸を移動させるもの等が機械の大きさ、精度上の制
約等に応じて設計されている。このような機械部は、前
述のように複数の機械要素にて組み立てられており、使
用される部材の種類も異なるために温度変化による熱変
位に起因する各軸の位置変位量も機械要素の熱変位が複
合的に組み合わさったものとなり、予測することは非常
に困難である。
【０００７】そこで、熱変位量を補正して各軸の駆動制
御を行う従来方法として例えば以下に示す方法が開示さ
れている。すなわち、特開平２−４１８４８５号公報に
おいては、工作機械主軸のノーズ部分、ツール部分及び
ベース部分の各部の熱変形を分け、温度からそれぞれの
熱変形を予測計算して主軸の軸線方向の熱変位を補正
し、熱変形の計算値と実測値とを近似するようにした点
が開示されている。
【０００８】また、特開昭６１−２９７０５７号公報に
おいては、機械装置の単位時間当たりの温度変化量を検
出して、これを、熱変形を打ち消すための主軸やテーブ
ルなどの移動量に変換して制御系に補正を加えることに
より、加工精度を向上させるようにした点が開示されて
いる。更に、特開昭６１−２０１７５５号公報において
は、温度変化に伴って伸縮する機械の伸縮量を簡単な温
度補正式により演算し、機械の移動量をピッチエラー補
正回路を使用して補正する点が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、機械構
造の構成は、コラム部、ヘッド部、ベッド部等があり、
それぞれの部分の熱変位量の変化はその大きさと材質に
左右され、また、各部の変位方向もそれぞれ異なる。従
って、機械自体や設置雰囲気の温度が上昇した場合、各
部は膨張するが相対的な熱変位量は必ずしも伸びる方向
にあるとは限らない。
【００１０】また、放電加工機の場合では、加工部の放
電により発生した熱は加工液の温度を上昇させるので、
この熱がＸＹテーブルや工具電極を介してＺ軸に伝達さ
れて局部的熱変位を起こす原因となり、変位が更に複雑
に重なり合う。特に、Ｚ軸の場合では、Ｚ軸サーボヘッ
ドの下端に加工ヘッド部が設けられており、更にその下
端に工具電極が取り付けられるためサーボヘッドの位置
検出位置から離れており、熱の影響により大きな位置誤
差を生じ易い。しかも、機械設置環境の違いにより、機
械各部の温度変化は同一とは限らず、このために機械各
部の変位量の変化が異なることになり、相対的な変位量
を予測することが非常に困難となり、従って、制御系に
補正を加えるために単純に補正値を記憶させてそれを温
度に対応させて読み出して補正する方法では適正な補正
を加えることができないという問題点があった。
【００１１】また、上述したような予測困難な熱変位が
発生するために、単純な補正式を用いた一般的な方法で
は機械を製造調整した温度環境と著しく異なる温度環境
の場所に機械が設置されると、補正式そのものを変更せ
ざるを得ない場合もあり、高い加工精度を得ることはで
きなかった。そこで、コラム部、ヘッド部、ベッド部の
各部の変位量をレーザ測定器等の高い精度を持つ測定器
で個別に測定することも考えられるが、この場合には装
置設備が膨大となって大幅なコスト高を招来し、現実的
ではない。
【００１２】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的はニューラルネットワークを用いて熱変位量を補
正することにより高い加工精度を確保することができる
と共に設備環境が著しく異なった場合でも簡単に熱変位
補正の修正を行うことのできる工作機械及びその制御方
法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、工具と被加工物とを相対的に軸駆動に
より移動させて前記被加工物を所望の形状に加工する際
に機械部の温度変化による熱変位量を補正して軸制御を
行う工作機械において、前記機械部の各要素部分に配置
された温度センサと、前記温度センサからの温度情報を
記録する温度記憶手段と、前記温度情報を得た時の前記
各軸の熱変位量を記憶する熱変位量記憶手段と、前記温
度記憶手段から温度情報を入力して前記熱変位量記憶手
段から熱変位量を教師信号として入力して学習を行うと
共に実際の軸制御時には前記温度センサからの温度情報
に基づいて機械部の熱変位量推論値を求める熱変位量推
論手段と、この熱変位量推論手段からの出力に基づいて
上記各軸の熱変位量の補正値を演算する補正値演算部
と、この演算部からの熱変位量補正値に基づいて補正さ
れた移動量により軸駆動を制御する数値制御部と構成し
たものである。
【００１４】
【作用】本発明は、以上のように構成したので、ニュー
ラルネットワークの如き熱変位量推論手段が学習を行う
場合には、温度センサにて検出された温度情報が温度記
憶手段に記憶されると同時にこの時の各軸の熱変位量も
熱変位量記憶手段に記憶される。そして、熱変位量推論
手段は、上記温度記憶手段から温度情報を入力し、上記
熱変位量記憶手段からは各軸の熱変位量を教師信号とし
て入力し、この推論手段の出力層の出力と上記教師信号
が一致するように学習して関数同定を行う。
【００１５】このようにして学習が終了したならば、実
際の軸制御へ移行するのであるが、この場合には、上記
温度センサにて得られた温度情報に基づいて熱変位量推
論手段は先に同定された関数に基づいて熱変位量推論値
を求める。そして、この推論値に基づいて補正値演算部
は各軸の熱変位量補正値を求め、更に数値制御部は、上
記熱変位量補正値に基づいて移動量を補正し、実際の軸
駆動を制御する。これにより高い加工精度を確保する。
【００１６】
【実施例】以下に、本発明に係る工作機械及びその制御
方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は
本発明に係る工作機械の制御系を示すブロック図、図２
は本発明に係る工作機械を示す概略側面図、図３は図２
に示す工作機械の概略正面図、図４は熱変位量推論手段
におけるニューロンモデルを示す図、図５は補正値演算
部において熱変位量補正値を求めるための模式図であ
る。
【００１７】本実施例においては工作機械として放電加
工機を例にとって説明する。この放電加工機の機械部
は、図１３及び図１４に示したと全く同様に構成されて
いる。すなわち２は銅またはグラファイト等で作られた
放電加工用の工具である電極を取り付けるホルダとホル
ダ保持部を備えた加工ヘッド部であり、４はこの加工ヘ
ッド部２に取り付けられた工具電極によって加工される
被加工物である。この被加工物４は、加工液を溜めた加
工タンク６中に浸漬されており、この加工ヘッド部２に
取り付けられた電極と被加工物４との間に図示しない放
電加工電源から放電加工用の電流パルスエネルギを供給
して、上記加工液を介して放電を発生させることにより
加工を行う。
【００１８】この加工タンク６はＸ軸テーブル８上に取
り付けられており、このＸ軸テーブル８は基台ベッド１
０上に取り付けられた図示しないガイド機構によりＸ軸
方向へ移動可能に取り付けられている。この基台ベッド
１０には、例えばエンコーダの如き位置検出器を含むＸ
軸駆動モータ１２が取り付けられると共にこのモータ１
２にはナット１４が螺合されたＸ軸ボールネジ１２Ａが
取り付けられている。そして、このナット１４を固定す
るハウジング部材が上記Ｘ軸テーブル８に取り付けられ
ており、上記Ｘ軸駆動モータ１２が図示しない数値制御
部からの指令により回転することによりＸ方向への移動
が行えるようになっている。
【００１９】図中１６は基台ベッド１０に固定されてい
るコラムであり、この上面には図示されていないがＸ軸
同様にガイド機構を有しており、このコラム１６上には
上記ガイド機構に案内されてＹ軸方向に移動するラム１
８が設けられている。このコラム１６にはＹ軸駆動モー
タ２０が設けられると共にこのモータ２０にはナット２
２が螺合されたＹ軸ボールネジ２０Ａが取り付けられて
おり、このナット２２に連結される上記ラム１８が上述
のようにＹ軸方向に移動する。上記ラム１８の上部先端
には、Ｚ軸（上下）方向へ移動するサーボヘッド２４が
取り付けられており、Ｚ軸駆動モータ２６、Ｚ軸ボール
ネジ２６Ａ及びナット２８が前述の各軸と同様に構成さ
れている。
【００２０】このように構成された機械部の各要素部分
の適当箇所には複数、例えば９個の温度センサが設けら
れる。第１の温度センサ３０ＡはＺ軸ボールネジ２６Ａ
の近傍に設けられており、第２の温度センサ３０Ｂは加
工ヘッド２４の高さ方向の中央部に設けられており、第
３の温度センサ３０Ｃは加工ヘッド２４の下端部に設け
られており、第４の温度センサ３０Ｄはラム１８の前側
に設けられており、第５の温度センサ３０ＥはＹ軸ボー
ルネジ２０Ａの近傍に設けられており、第６の温度セン
サ３０Ｆは上記ラム１８の後側に設けられており、第７
の温度センサ３０ＧはＸ軸ボールネジ１２Ａの近傍に設
けられており、そして第８の温度センサ３０Ｈは室温の
変化を測定するために加工タンク６のやや上方に設けら
れており、第９の温度センサ３０Ｉは基台ベースの中央
（Ｘ方向）でＹ軸ボールネジ２０Ａの下方に設けられて
いる。これにより機械部は、コラム部、基台ベース部、
加工ヘッド部、各ボールネジ部等により分割されてそれ
らの温度が個別に測定される。
【００２１】上記各温度センサ３０Ａ〜３０Ｉの検出値
は、図１に示すような制御系３２へ入力される。また、
この制御系３２へは、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸駆動モータ１２、２
０、２６のそれぞれに内蔵される位置検出器、例えばエ
ンコーダ（図示せず）より送出されるエンコーダ信号Ｘ
１、Ｙ１、Ｚ１も入力される一方、この制御系３２から
は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸駆動モータ１２、２０、２６に向けて
それぞれモータ駆動信号Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２を出力するよ
うに構成される。
【００２２】具体的には、この制御系３２は、複数のマ
イクロプロセッサ等を含んでコンピュータ化されてお
り、上記各温度センサ３０Ａ〜３０Ｈからの検出値を増
幅する増幅器３４とこの出力をアナログ／デジタル変換
するＡ／Ｄ変換器３６とを有する温度測定部３８を備え
ており、上記変換器３６の出力は例えばＲＡＭよりなる
温度記憶手段４０へ接続され、検出温度値を記憶するよ
うになっている。この温度記憶手段４０の出力は、熱変
位量推論手段として例えばニューラルネットワーク部４
２の入力層へ接続されている。
【００２３】数値制御部４４は、予め記憶されているプ
ログラムに従って各モータ駆動信号Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２を
出力して各軸の駆動を行う。数値制御部４４から各軸に
対し要求される移動量（駆動量）の指令が各モータに送
られて軸が駆動されると、上記各エンコーダから実際の
駆動量を示すエンコーダ信号としてフィードバック信号
Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１が数値制御部４４にフィードバックさ
れ、要求される移動量と実際の移動量（駆動量）が常に
一致するように制御される。本発明でも従来と同様の構
成であるので詳細は省略する。本発明での実施例におい
ては、上記ニューラルネットワーク部４２における学習
を可能とするために熱変位量のデータを収集できる様に
なっている。すなわち、機械を始動させ、機械各部の温
度が一定になるまで或いは設置場所の温度を変化させた
場合などに起こる熱変位量を所望のタイミングで測定
し、得られた熱変位量相対値としてのデータＸ３、Ｙ
３、Ｚ３を数値制御部４４から受け取って機械各部の熱
変位量を熱変位量計算部４６にて求め、更にその計算結
果と加工機部での測定時における各センサからの温度情
報と対応させて、例えばＲＡＭ等からなる熱変位量記憶
部４８に記憶する構成となっている。
【００２４】この熱変位量記憶手段４８にて記憶された
機械各部の温度変化に伴った機械各部の変位量は、上記
ニューラルネットワーク部４２の出力層に教師信号とし
て入力されるようになっており、ここで入力された熱変
位量と上記温度記憶手段４０からの温度データとに基づ
いて学習を行い、温度データに基づく出力値が上記教師
信号に一致するように関数同定を行うようになってい
る。上記ニューラルネットワーク部４２、温度記憶手段
４０及び熱変位量記憶手段４８の各制御はローカル制御
部５０によって行われる。
【００２５】上記ニューラルネットワーク部４２は、学
習時には上述のように関数同定を行うが、この関数同定
が行われた後の実際の軸制御時においては上記各温度セ
ンサ３０Ａ〜３０Ｈからの温度検出値を取り込んで、上
記同定された関数に基づいて機械各部の熱変位量推論値
を求め、これを補正値演算部５２に向けて出力し得るよ
うに構成される。
【００２６】この補正値演算部５２は、入力された推論
値に基づいて各軸の熱変位量補正値Ｘ４、Ｙ４、Ｚ４を
求め、これを上記数値制御部４４に向けて出力するよう
になっている。そして、この補正値Ｘ４、Ｙ４、Ｚ４を
受けた数値制御部４４は、上記補正値Ｘ４、Ｙ４、Ｚ４
により補正を加え、この補正された移動量に基づいて実
際のモータ駆動信号Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２を出力することに
なる。
【００２７】次に、以上のように構成された加工機の動
作について説明する。各機械部の温度変化に対する各軸
方向の熱変位量は非線形で複雑なために補正が非常に難
しい。そこで、熱変位量はＺ軸方向の場合はコラム部
と、加工ヘッド部とＺ軸ボールネジ部に分け、Ｙ軸方向
の場合は基台ベッド部とコラム部とＹ軸ボールネジ部に
分け、Ｘ軸方向の場合は基台ベッド部とＸ軸ボールネジ
部に分けて熱変位量の関係を単純化し、且つ入力数が多
数あるのでニューラルネットワークによる熱変位量補正
を行う。以下、前述の通りＺ軸が最も熱による変位量が
複雑で大きいため、Ｚ軸を中心に好ましい１実施例とし
て説明する。尚、上記のようにＸ、Ｙ軸に関して各機械
部分に分けて熱変位量をそれぞれ推論しても良いが、Ｘ
及びＹ軸の場合は、測定された熱変位量と測定時の各部
の温度センサからの情報をそのまま対応させて温度記憶
手段４０及び熱変位量記憶手段４８に記憶させておき、
各部の温度情報をニューラルネットワーク部の入力とし
変位量を出力側の教師信号として学習させることにより
十分補正が可能になる。
【００２８】この加工機による実際の動作は、次に示す
３つの手順に大きく分類される。手順１は、機械部の各
要素部分の温度データと各軸の熱変位量を測定し、収集
する。手順２は、手順１にて収集した温度データと熱変
位量に基づいてソフトウエアによりニューラルネットワ
ーク部４２に対して学習を行う。手順３は、機械部の各
要素部分の温度データを検出して、そのデータより各軸
の熱変位量推論値を求め、更にこの推論値に基づいて各
軸の熱変位量補正値を求め、実際に軸制御を行う。
【００２９】＜手順１＞まず、手順１は、設置環境温度
を変化させてその変化に対するＸ、Ｙ、Ｚ軸の熱変位量
を測定し、また加工機部を始動させて時間と共に電極と
被加工物の相対的位置関係が変化する状態等を測定する
段階で、その測定時における各機械部の温度変化を測定
データに対応させて得られたデータを学習用として収集
する段階である。このデータは、製造者が収集しておけ
ば同一構造の機械には同じデータを使用することができ
るので極端に設置環境が異ならなければ、この手順が必
要ではない。このデータ収集工程では、電極と被加工物
の位置関係の測定をレーザー測長器を用いて行い、測定
された熱変位誤差をＸ、Ｙ、Ｚ軸の熱変位量として熱変
位量計算部４６の入力とすることができる。また、前述
のように、変位量データと各部の温度変化から直接ニュ
ーラルネットワーク熱変位量を推論する場合では測定器
より得られたデータを熱変位量記憶手段４８に記憶させ
る構成も可能である。ここでは、放電加工機の持つ位置
決め機能を利用して熱変位量を測定する手順および動作
について説明する。この方法を採用すれば、機械設置
後、その設置環境が異なる場合でも簡単に環境に合った
補正に変更することもできる。
【００３０】図１１は、測定を実施するための配置図の
１例である。図中２Ａは電極ホルダチャック部、２Ｂは
電極ホルダ部、Ｋ１は電極ホルダに取り付けられた測定
用の第１の測定子、Ｋ２は、サーボヘッド２４の下端に
取り付けられた第２の測定子である。またテーブルには
高さの異なる２つの第１及び第２の基準ワークＷ１及び
Ｗ２が載置されている。基準ワークＷ１及びＷ２にはそ
れぞれ位置決め用の基準となる第１及び第２の基準ピン
ＫＷ１とＫＷ２が取り付けられている。以上の測定用治
工具をセットし、室温２１度に温調された環境で各部の
温度が一定になっている状態から機械を始動させ、測定
作業を以下の通り行う。
【００３１】（イ）まず、第１の測定子Ｋ１と第１の基
準ピンＫＷ１の中心を合わせる。この作業は、一般的に
使用されている中心位置合わせのプログラムにて実行し
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の位置決めを行い、第１の基準ピンＫＷ１
と第１の測定子Ｋ１の一致したＸ−Ｙ軸を原点（座標
Ｏ）とし、Ｚ軸は測定子が基準ピンの上面に接触した位
置を原点１（第一座標Ｏ）とする。 （ロ）同様に第２の基準ピンＫＷ２と第１の測定子Ｋ１
の中心位置決めを行い、第１の基準ピンＫＷ１が第２の
基準ピンＫＷ２の上面に接触した位置を原点２（第二座
標Ｏ）とする。
【００３２】（ハ）第２の測定子Ｋ２と第２の基準ピン
ＫＷ２の間で同様に位置決めを行い原点３（第三座標
Ｏ）とする。 （ニ）上記測定時の機械各部に配置した９個の温度セン
サ３０Ａ〜３０Ｉの温度検出値を温度測定部３８へ入力
し、この検出データを増幅器３４で増幅した後、Ａ／Ｄ
変換器３６にてデジタル変換する。そして、ここでデジ
タル変換された温度データは温度記憶手段４０に第１番
目のデータとして記録される。 （ホ）所定時間（例えば２分後）（イ）〜（ハ）にて行
った位置決め操作のみを再びプログラムにて実行させ、
それぞれの誤差を測定する。
【００３３】（ヘ）第二回目の測定値は温度変化がある
と当然前回行って原点とした位置と異なり座標値が異な
る。そこで、原点とのズレ量を熱変位量計算部４６に送
り、熱変位量計算部は後述するような計算を実施して各
部の変位量を熱変位量記憶手段４８に送り、第二回目の
データとして熱変位量記憶手段４８は記憶する。 （ト）（ヘ）の側定時の温度状態を（ニ）の場合と同様
に第二回目の温度情報として記録する。 （チ）以下、所定時間毎に同じ測定動作及びデータの記
録を誤差が一定の値を示すまで、或いは学習に十分な情
報が得られるまで行う。
【００３４】以上始動時からの熱変位量の測定手順及び
動作を説明したが、後に一例を示すように機械を始動さ
せて定常状態となった後、室温自体は変化させ測定を行
う等して、より多くの状況に対するデータを収集し、手
順２で説明するニューラルネットワークの学習を行うこ
とにより、より設置環境と一致したデータが得られ高精
度な推論が可能になる。
【００３５】次に、熱変位量計算部４６の計算方法につ
いて簡単に説明する。前述の通りＸ及びＹ軸の補正は温
度情報とその時得られた測定値、すなわち原点からのズ
レ量をそのままＸＹ熱変位量としてニューラルネットワ
ークの学習を行っても十分補正が可能であるので、ここ
では最も複雑な熱変位を起こすＺ軸の各機械部における
変位量の計算方法について説明する。上述の位置関係測
定作業にて得られた結果から、下記数式１及び数式２に
示すようにボールネジ熱変位量及び加工ヘッド部の熱変
位量を求める。
【００３６】
【数１】
【００３７】η：ボールネジの熱膨張係数 ΔＴ：基準温度からの上昇温度 Ｌ：ボールネジ取付部から支持ナット部までの長さ
【００３８】
【数２】
【００３９】ここで、Ｐ１は、第１の測定子Ｋ１にて第
２の基準ピンＫＷ２を再測定した時の最初にセットした
原点２との誤差量、Ｐ２は、第２の測定子Ｋ２にて第２
の基準ピンＫＷ２を再測定した時の最初にセットした原
点３との誤差量、ΔＬ１は、第１の測定子Ｋ１にて第２
の基準ピンＫＷ２を再測定した時のボールネジの長さ
（取付部からナット支持部の長さ）に対する熱変位量で
上記数式１より算出し、ΔＬ２は、第２の測定子Ｋ２に
て第２の基準ピンＫＷ２を再測定した時のボールネジの
長さ（取付部からナット支持部の長さ）に対する熱変位
量であり、上記数式１より算出し、コラム部熱変位量は
下記数式３により求められる。
【００４０】
【数３】
【００４１】ここで、Ｐ０は、第１の測定子Ｋ１にて第
１の基準ピンＫＷ１を再測定した時の最初にセットした
原点１との誤差量であり、ΔＬ０は、第１の測定子Ｋ１
にて第１の基準ピンＫＷ１を再測定した時のボールネジ
の長さ（取付部からナット支持部の長さ）に対する熱変
位量であり、上記数式１より算出し、Ｗ１、Ｗ２は、ワ
ークテーブル上面からの基準ピンの上面までの距離であ
る。以上の計算を熱変位量計算部４６が行うことにより
ボールネジ、コラム、加工ヘッドのそれぞれの変位量が
測定データから計算され熱変位量記憶手段４８に記憶さ
れる。尚、上記数式１で必要となるボールネジ部のΔＴ
は、測定開始時の温度とＮ回目の位置測定時のセンサー
から得られた温度を温度記憶手段４０から受け取って計
算する。
【００４２】＜手順２＞手順２においては、上記手順１
において得られたデータに基づいてニューラルネットワ
ーク部４２が学習を行う。まず、ローカル制御部５０に
より温度記憶手段４０に記憶された第１回目の測定時の
各センサからの温度情報データを呼出し、ニューラルネ
ットワーク部４２の入力層に入力し、また熱変位量記憶
手段４８に記憶した第一回目の熱変位データを教師信号
としてニューラルネットワーク部４２の出力層に入力す
る。そして、ニューラルネットワーク部４２はローカル
制御部５０からの指令により学習する。更に、同様に第
２回目の測定時における温度情報と第二回目の測定にお
ける熱変位量をニューラルネットワーク部４２に学習さ
せる。このように以下全てのデータについて学習させ、
各層におけるニューロンモデルがもつ閾値やニューロン
モデル間の結合に伴う荷重を変更させることにより出力
層の値と上記教師信号とを一致させる。これにより、入
力層と出力層との間に形成される関数の同定を行う。
尚、上記学習は、出力層の出力値と教師信号とが異なっ
ていれば、荷重やしきい値を変更してこれらが一致する
まで行われることになり、この出力値は熱変位量推論値
となる。ここで、機械各部のニューラルネットワーク部
４２における熱変位量推論値の算出モデルは図４に示す
ように表される。
【００４３】すなわち、図４（Ａ）に示すようにコラム
部の熱変位量推論値は、第１、第４、第５及び第６の温
度センサ３０Ａ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆの温度データ
から推論し、ヘッド部の熱変位量推論値は、図４（Ｂ）
に示すように第１、第２、第３及び第８の温度センサ３
０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｈの温度データから推論
し、基台ベース部とコラム部のＹ軸方向の相対熱変位量
推論は、図４（Ｃ）に示すように第４、第６及び第９の
温度センサ３０Ｄ、３０Ｆ及び３０Ｉの温度データから
推論し、Ｚ軸ボールネジの熱変位量推論値は、図４
（Ｄ）に示すように第１の温度センサ３０Ａの温度デー
タから推論し、Ｙ軸ボールネジの熱変位量推論値は、図
４（Ｅ）に示すように第６の温度センサ３０Ｆの温度デ
ータから推論し、Ｘ軸ボールネジの熱変位量推論値は、
図４（Ｆ）に示すように第７の温度センサ３０Ｇの温度
データから推論する。これらの各算出モデルは一例を示
したに過ぎず、これに限定されることはない。このよう
にしてニューラルネットワークにおける学習が終了する
ことになる。
【００４４】＜手順３＞手順３においては、上記した手
順２において学習した結果に基づいて熱変位量推論値を
求め、これにより実際に熱変位補正を行って各軸を制御
する。
【００４５】（データ収集）まず、実際の放電加工時に
おいて、各温度センサ３０Ａ〜３０Ｈからの温度検出デ
ータは、温度測定部３８へ入力されて、増幅とデジタル
変換がなされ、デジタル変換されたデータは温度記憶手
段４０に記憶される。
【００４６】（熱変位量推論値及び熱変位量補正値の算
出）上記温度記憶手段４０に記憶されたデータはローカ
ル制御部５０の指令によりニューラルネットワーク部４
２へ入力される。そして、このニューラルネットワーク
部４２は、手順２にて行われた学習に基づいて同定され
た関数を用いて、図４に示すように各温度センサの温度
データから機械各部、例えばコラム部やヘッド部等の熱
変位量推論値を求める。ここで得られた機械各部の熱変
位量推論値は補正値演算部５２へ入力され、ここでＸ、
Ｙ、Ｚの各軸の熱変位量補正値が求められる。この場
合、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸の熱変位量補正値は図５に示すよ
うに求められる。
【００４７】図５（Ａ）はＸ軸方向の熱変位量の補正を
説明するための説明図であり、温度が上昇した場合、熱
変位は矢印Ｂｘで示した方向に変位する。よって工具電
極２の基準位置Ｓに対するＸ軸熱変位量補正値は以下の
式にて求められる。 Ｘ軸熱変位量補正値＝−（Ｂｘ） ここでＢｘはＸ軸ボールネジ１２Ａの熱変位量を示す。
【００４８】図５（Ｂ）はＹ軸方向の熱変位量の補正を
説明するための説明図であり、温度が上昇した場合、熱
変位は矢印Ｅｙ、Ｂｙ、Ｃｙで示した方向へ変位する。
よって工具電極２の基準位置Ｓに対するＹ軸熱変位量補
正値は以下の式にて求められる。 Ｙ軸熱変位量補正値＝−（Ｂｙ＋ＥＣｙ） ここでＥＣｙ＝Ｃｙ−Ｅｙであり、コラム１６の熱変位
量（Ｃｙ）と基台ベッド１０の熱変位量（Ｅｙ）の相対
的変位量を示す。
【００４９】図５（Ｃ）はＺ軸方向の熱変位量の補正を
説明するための説明図であり、温度が上昇した場合、熱
変位は矢印Ｈｚ、Ｂｚ、Ｃｚで示した方向へ変位する。
よって工具電極２の基準位置Ｓに対するＺ軸熱変位量補
正値は以下の式にて求められる。 Ｚ軸熱変位量補正値＝−（Ｈｚ＋Ｂｚ−Ｃｚ） ここでＨｚは加工ヘッド２４の熱変位量を示し、Ｂｚは
Ｚ軸ボールネジ２０Ａの熱変位量を示し、Ｃｚはコラム
１６の熱変位量を示す。
【００５０】以上の式をまとめると次の式のようにな
る。 Ｘ軸熱変位量補正値＝−Ｘ軸ボールネジ変位量推論値 Ｙ軸熱変位量補正値＝−（Ｙ軸ボールネジ変位量推論値
＋コラム及び基台ベッドの変位量推論値） Ｚ軸熱変位量補正値＝−（Ｚ軸ボールネジ変位量推論値
＋コラム変位量推論値−加工ヘッド変位量推論値） 従って、補正演算部５２は、ニューラルネットワーク部
４２から入力される機械各部の熱変位量推論値に上記各
式を適用してＸ、Ｙ、Ｚ軸の各軸の熱変位量補正値Ｘ
４、Ｙ４、Ｚ４をそれぞれ求め、その値を数値制御部４
４に向けて出力する。
【００５１】＜補正の実行＞数値制御部４４において
は、各エンコーダから常時エンコーダ信号Ｘ１、Ｙ１、
Ｚ１が入力されて工具電極２と被加工物４の位置が求め
られており、この位置に基づいて各軸の移動量が決定さ
れてそれに対応してモータ駆動信号が出力されるのであ
るが、本実施例においては、補正値演算部５２から入力
される各軸の熱変位量補正値Ｘ４、Ｙ４、Ｚ４に基づい
て各軸の移動量（実指令値）が補正され、この補正され
た各軸の移動量（モータ指令値）に基づいて各軸のモー
タ駆動信号Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２を出力し、各軸の軸駆動を
制御する。すなわち各軸モータに対するモータ指令値は
以下のように求められる。 モータ指令値＝実指令値＋各軸熱変位量補正値
【００５２】このように、機械の各部の熱変位量を、機
械の各部の検出温度データをニューラルネットワーク部
にて処理することにより補正するようにしたので、複雑
に影響し合った各部の熱変位量を的確に把握することが
でき、従って位置決め誤差を抑制して加工精度を大幅に
向上させることができる。
【００５３】ここで図６乃至図１０に示すグラフに基づ
いて実際の補正実行の結果について説明する。各図の横
軸はサンプリング回数を示し、２分間に１回、各部の温
度のサンプリングを行っている。図６は各温度センサ３
０Ａ〜３０Ｈの検出温度値を示すグラフであり、ヒータ
をオンとして２８度程度の室温の定常状態からポイント
Ｐ１にてヒータをオフにすると共にクーラをオンにし、
室温を１３度程度まで下げ、その後ポイントＰ２にてク
ーラをオフにすると共にヒータをオンにして再び室温を
上昇させている。
【００５４】これによれば、加工タンク近傍に設けた第
８の温度センサ３０Ｈの検出温度は、他のセンサ検出温
度と比較して室温の変化にかなり追従して変化してお
り、第７、第５及び第６の温度センサ３０Ｇ、３０Ｅ、
３０Ｆの検出温度の室温の変化に対する追従性はやや遅
れ、また第４、第３、第２及び第１の温度センサ３０
Ｄ、３０Ｃ、３０Ｂ、３０Ａの検出温度の室温の変化に
対する追従性はかなり遅れていることが判明する。
【００５５】図７は各軸ボールネジの熱変位量の実測値
とニューラルネットワーク部４２にて求めた推論値のグ
ラフを示し、これらの値が略完全に一致していることが
判明する。また、図８はコラムの熱変位量の実測値とニ
ューラルネットワーク部４２にて求めた推論値のグラフ
を示し、図９は加工ヘッドの熱変位量の実測値とニュー
ラルネットワーク部４２にて求めた推論値のグラフを示
しており、図８及び図９ともに実測値と推論値は僅かな
ずれが一部に見られるが略一致しており、実測値に略一
致した的確な熱変位量推論値を算出できていることが判
明する。
【００５６】また、図１０は他の軸に比較して特に熱変
位量が大きなＺ軸の熱変位量の未補正の場合と補正後の
場合のグラフを示しており、未補正の場合には、熱変位
量が大きく変動しているが、補正後の場合には熱変位量
は略一定の値となり、良好な結果を示していることが判
明した。尚、上記実施例にあっては、９個の温度センサ
３０Ａ〜３０Ｉを用いた場合について説明したが、この
数に限定されず、更に多くの温度センサを用いてより精
度の高い制御を行うようにしてもよい。
【００５７】前述したように、機械各部の温度状態から
直接Ｘ、Ｙ、Ｚの変位量を推論させることも当然可能で
あり、その場合においては、測定から得られたＸ、Ｙ及
びＺの変位量、すなわち最初の測定値からずれた値をそ
の時の温度情報と対応させて学習しておき、実際の補正
に当たっては温度情報から補正すべき値を直接推論し、
得られた推論値にて実際の指令値を補正することができ
る。この場合におけるニューロンモデルを示す一例を図
１２に示す。すなわち、温度センサ３０Ａ、３０Ｂ、３
０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｈからの検出値によりＺ軸
熱変位量推論値を求め、温度センサ３０Ｅ、３０Ｄ、３
０Ｆ、３０Ｈ、３０Ｉからの検出値によりＹ軸熱変位量
推論値を求め、温度センサ３０Ｇ、３０Ｈ、３０Ｉから
の検出値によりＺ軸熱変位量推論値を求める。尚、この
機械においては、熱変位量計算部４６は不要になり熱変
位量記憶手段４８にＸ、Ｙ、Ｚの変位量を記憶すること
になることは言うまでもない。更に、位置検出に絶対値
検出器を使用した場合においても、検出器の取付位置が
実際の加工部分から離れている場合では誤差を生じるの
でやはり熱変位補正を行うことが望ましく、その場合に
おいても、本発明の構成を利用して補正を行うことがで
きる。更には、本発明は上述した放電加工機のみなら
ず、被加工物と工具との位置を相対的に変化させつつ加
工する工作機械であるならば、どのようなものにも適用
し得るのは勿論である。
【００５８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の工作機械
及びその制御方法によれば、次のように優れた作用効果
を発揮することができる。温度情報をニューラルネット
ワークにより処理して熱変位量推論値を求めるようにし
たので、機械の各要素部分の正確な熱変位量を求めるこ
とができる。従って、この推論値に基づいて各軸の熱変
位量を補正することにより位置決め誤差を抑制して加工
精度を一層向上させることができる。更に、機械の設置
環境が著しく異なった場合においても学習をその場で行
うことにより簡単に補正でき、高精度の補正が可能にな
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る工作機械の制御系を示すブロック
図である。
【図２】本発明に係る工作機械を示す概略正面図であ
る。
【図３】図２に示す工作機械の概略側面図である。
【図４】熱変位量推論手段におけるニューロンモデルを
示す図である。
【図５】補正値演算部において熱変位量補正値を求める
ための模式図である。
【図６】各温度センサの検出温度値を示すグラフであ
る。
【図７】各軸ボールネジ熱変位量の実測値とニューラル
ネットワーク部にて求めた熱変位量推論値を示すグラフ
である。
【図８】コラムの熱変位量の実測値とニューラルネット
ワーク部にて求めた熱変位量推論値を示すグラフであ
る。
【図９】加工ヘッドの熱変位量の実測値とニューラルネ
ットワーク部にて求めた熱変位量推論値を示すグラフで
ある。
【図１０】Ｚ軸の熱変位量の未補正の場合と補正後の場
合を示すグラフである。
【図１１】測定を実施するための測定子と基準ピンの配
置を示す配置図である。
【図１２】ニューロンモデルの一例を示す図である。
【図１３】一般的な工作機械を示す概略側面図である。
【図１４】図１３に示す工作機械の概略正面図である。
【符号の説明】
２ 加工ヘッド部 ４ 被加工物 ６ 加工タンク ８ Ｘ軸テーブル １０ 基台ベッド １２ Ｘ軸駆動モータ １２Ａ Ｘ軸ボールネジ １６ コラム １８ ラム ２０ Ｙ軸駆動モータ ２０Ａ Ｙ軸ボールネジ ２４ サーボヘッド ２６ Ｚ軸駆動モータ ２６Ａ Ｚ軸ボールネジ ３０Ａ〜３０Ｉ 温度センサ ３２ 制御系 ３８ 温度測定部 ４０ 温度記憶手段 ４２ ニューラルネットワーク部（熱変位量推論手
段） ４４ 数値制御部 ４６ 熱変位量計算部 ５０ ローカル制御部 ５２ 補正値演算部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 工具と被加工物とを相対的に軸駆動によ
    り移動させて前記被加工物を所望の形状に加工する際に
    機械部の温度変化による熱変位量を補正して軸制御を行
    う工作機械において、前記機械部の各要素部分に配置さ
    れた温度センサと、前記温度センサからの温度情報を記
    録する温度記憶手段と、前記温度情報を得た時の前記各
    軸の熱変位量を記憶する熱変位量記憶手段と、前記温度
    記憶手段から温度情報を入力して前記熱変位量記憶手段
    から熱変位量を教師信号として入力して学習を行うと共
    に実際の軸制御時には前記温度センサからの温度情報に
    基づいて機械部の熱変位量推論値を求める熱変位量推論
    手段と、この熱変位量推論手段からの出力に基づいて上
    記各軸の熱変位量の補正値を演算する補正値演算部と、
    この演算部からの熱変位量補正値に基づいて補正された
    移動量により軸駆動を制御する数値制御部とを備えるよ
    うに構成したことを特徴とする工作機械。
  2. 【請求項２】 工具と被加工物とを相対的に軸駆動によ
    り移動させて前記被加工物を所望の形状に加工する際に
    機械部の温度変化による熱変位量を補正して軸制御を行
    う工作機械の制御方法において、前記機械部の各要素部
    分に配置された温度センサから温度情報を求めると共に
    この温度情報を求めた時の各軸の熱変位量を求め、これ
    ら求められた温度情報と熱変位量とに基づいて学習を行
    い、実際の軸制御時には温度センサからの温度情報に基
    づいて前記機械部の熱変位量推論値を求め、得られたこ
    の熱変位量推論値に基づいて熱変位量補正値を求め、そ
    して、この得られた熱変位量補正値に基づいて補正され
    た移動量により軸駆動を制御するように構成したことを
    特徴とする工作機械の制御方法。
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