JPH08174380A - 工作機械の熱変位補正方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱変位に対する補正を高精度にできる工作機
械の熱変位補正方法及びその装置を提供する。 【構成】 発熱源の影響を受ける機体１０の温度変化を
温度センサＳ₁ ，Ｓ₂ により検出し、この検出された温
度変化を用いて、工作機械１の熱変位の時定数と略同じ
時定数を有する温度変化を演算し、この演算された温度
変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補
正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は工作機械の熱変位補正方
法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械には機体各部に発熱源があり、
例えば主軸の軸受のころがり摩擦熱や、切削部分からの
発熱など数多い。これらの熱は機体各部に伝導して機体
を変形させるが、この機体の変形は加工精度に大きく影
響する。そこで、これら各種原因による機体の熱変位を
予測して熱変位による誤差の分をサーボ系にフィードバ
ックして補正する補正方法やその装置が種々提案されて
いる。

【０００３】斯かる補正機能を有する工作機械では、機
械の運転に伴う熱変位を如何に正確に見込むかが重要で
あり、そのために種々の試みがなされている。例えば、
主軸の回転数等の運転条件から熱変位を予測するもの、
あるいは機体に組込んだ変位センサで直接熱変位を検出
するもの等がある。

【０００４】本出願人は、特公平６−２２７７９号公報
及び特開平３−７９２５６号公報で、機体温度から熱変
位を算出する方式の工作機械の熱変位補正方法を提案し
た。この方法における熱変位の算出は、基本的には次式
（１）の原理に基づいている。 ΔＬ＝Ｌ×線膨張係数×温度変化 ……（１） ここで、ΔＬ：機体構成部分の熱変位 Ｌ：機体構成部分の長さ である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術における
補正後の加工精度としては、２０乃至３０〔μｍ〕程度
が限界である。ところが、近年の工作機械ユーザーから
は、補正後の精度として１０〔μｍ〕以下の加工誤差に
抑えることが一般的に要求されている。これは、セラミ
ック材など新素材や、さらに小型化された工作物等を高
精度で加工する必要性があるからである。

【０００６】また、前記算出手法では機体の構成からそ
の構成部分の長さＬを見込み、その温度変化を長さＬの
中央位置から検出しているので、温度センサの取付位置
に制約があった。さらに、精度よく熱変位を見込むに
は、機体を細かな構成部分に分割する必要が生じ、それ
ぞれの部分の温度変化を算出するために多数の温度セン
サを要した。また、機体構成部分の長さＬの測定や、各
機体構成材料それぞれの線膨張係数の確認作業が必要で
あった。これらは、機体温度から熱変位を算出する方式
の工作機械の熱変位補正装置を実装する上での障害とな
っていた。

【０００７】一方、特開昭５８−１０９２５０号公報に
は、工作機械と熱的相似の金属片を用いて、その温度を
工作機械を代表する温度と見做して、冷却用噴射空気の
温度を制御することにより、工作機械の熱変位の補正を
する熱変位補正装置が提案されている。しかしながら、
この場合には熱的相似の金属片を別途準備しなければな
らなかった。さらに、特開昭６０−９６３４号公報に
は、Ｙ軸熱変位の特性に合わせた熱的時定数を持った温
度センサを使用する熱変位補正装置が提案されている。
しかし、この補正装置では、熱変位の特性に合わせた熱
的時定数を持つ温度センサの詳細が明らかにされていな
い。

【０００８】ところで、複数の主軸を有する工作機械の
場合、主軸の軸受にかけられている予圧のばらつき、主
軸の取付け場所による温度の伝わり方の違い、及び軸受
潤滑の状態等の理由で、各主軸の伸びに違いが生じるこ
とが多い。そのため、例えば主軸に取付けられた複数の
工作物を同一形状に同時に粗仕上げ加工をしたのち、仕
上げ加工では使用する主軸を１本に限定し、これ以外の
主軸を停止させる。これにより、主軸の発熱を抑えると
ともに使用する主軸の熱変形にのみ着目して熱変位補正
を行ない、仕上げ加工をしていた。この場合、停止中の
主軸の把持する工具が工作物と干渉するのを防止するた
めに、この停止中の工具を予め取外しておく作業も必要
である。したがって、仕上げ加工の作業能率が極めて悪
かった。特開平５−８４６２８号公報には、複数の主軸
を有する工作機械の熱変位補正装置が提案されている。
しかし、この補正装置による熱変位補正には限界があ
り、補正後の加工誤差を限りなく零に近づけることは困
難であった。

【０００９】本発明は、斯かる課題を解決するためにな
されたもので、熱による加工誤差に対する補正を高精度
で行なうことができる工作機械の熱変位補正方法及びそ
の装置を提供することを目的とする。また、本発明の別
の目的は、工作機械の機体構成部分の長さ測定や、機体
構成材料の線膨張係数の確認作業を不要とし、且つ、実
機を用いた熱変位特性の抽出の実測作業を簡略化するこ
とである。更に、本発明の別の目的は、温度センサの取
付け位置の制約を大幅に緩和すると同時に、少数の温度
センサで熱変位を精度よく見込むことのできる自由度の
高い工作機械の熱変位補正方法及びその装置を提供する
ことである。更に本発明の別の目的は、複数の主軸を有
する工作機械の場合に、複数の工作物を高精度で同時加
工するとともに作業能率を大幅に向上させることであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明では、工作機械に任意の主軸回転数を与えた
際の所定軸方向の伸びによる熱変位又は主軸傾きによる
熱変位を検出すると同時に、機体の適当箇所の温度変化
を温度センサにより検出する。この温度変化と前記熱変
位が時系列的に同じであれば、温度変化と熱変位は単純
にリニアの相関になるので、温度変化から熱変位を容易
に見積もることが可能であることを前提にしている。し
かしながら、機体の適当箇所から検出した温度変化が有
する時定数は、必ずしも所定軸方向の熱変位が有する時
定数と同じではない。そのため、この温度変化のデータ
を適宜加工して前記熱変位が有する時定数に一致させる
手法が求められる。そこで、本発明に係る熱変位補正方
法は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出し、
検出されたこの温度変化を用いて、工作機械の熱変位の
時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算し、算出
されたこの温度変化と前記熱変位との関係を定める関数
を用いて得た熱変位に基づいて加工誤差を補正してい
る。なお、「工作機械の熱変位」とは、理想としては工
具による加工点における熱変位であるが、現実的には、
例えば主軸先端部又は主軸先端部に一時的に装着された
テストバーの適当箇所における熱変位のことである。そ
して、前記補正方法を実現するための熱変位補正装置
は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出する温
度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記温度
変化を用いて、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定
数を有する温度変化を演算する温度演算手段と、この温
度演算手段で算出された前記温度変化と前記熱変位との
関係を定める関数を用いて熱変位を演算する熱変位演算
手段と、この熱変位演算手段で算出された前記熱変位に
基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備えている。

【００１１】検出された前記温度変化のデータを、熱変
位が有する時定数に一致させるデータ加工法の一例とし
て、「ミックス手法」と「ダミー手法」を使用してい
る。ミックス手法では、まず、工作機械に任意の主軸回
転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、こ
の熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を持つ箇
所の温度変化と、この熱変位の時定数より大きな温度変
化の時定数を持つ箇所の温度とを検出する。そして、こ
れら少なくとも二箇所の互いに時定数の異なる温度変化
を合成して熱変位の時定数と同じ時定数を有する合成温
度変化を創成する。なお、ミックス手法では、前記合成
温度変化を創成する際に、一旦複数の合成温度変化を創
成し、この複数の合成温度変化を更に合成して、熱変位
の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を創成し
てもよい。ところで、ミックス手法では、前記合成温度
変化を創成する際に、温度データには時々刻々に温度セ
ンサから得られるデータを直接用いている。そのため、
合成温度変化の精度の信頼性が高い反面、それぞれの温
度変化の時定数の間に位置する熱変位の時定数しか合成
することができない。

【００１２】これに対して、ダミー手法は、工作機械に
任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出すると同時
に、この熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を
持つ適当箇所の温度変化を検出する。そして、この検出
温度変化より遅れて表われる熱変位の時定数と略同じ時
定数を有する架空の遅れ温度変化を、温度変化に遅れを
見込んだ繰り返し演算により創成する手法である。な
お、ダミー手法では、前記遅れ温度変化を創成する際
に、一旦他の遅れ温度変化を創成し、この遅れ温度変化
に更に遅れを見込んで、熱変位の時定数と略同じ時定数
を有する遅れ温度変化を創成してもよい。このように、
ダミー手法では、温度変化に遅れを見込んだ繰り返し演
算により遅れ温度変化を算出している。したがって、演
算式が簡単である反面、粗い近似計算となり精度の信頼
性に若干欠ける。

【００１３】工作機械の熱変位の時定数と同じ時定数を
有する創成温度変化と熱変位とのリニアな相関は、主軸
回転に伴う主軸頭部の発熱がコラム等に伝わる影響、又
は室温等の他の熱源の影響等による、熱変位の遅れ応答
成分により、徐々に壊れてくる場合がある。そこで、創
成温度変化と熱変位とのあいだのリニアの相関を長時間
維持するために、ミックス手法あるいはダミー手法で創
成した温度変化で見積もった熱変位に、徐々に現われて
くる熱変位の遅れ応答成分を加算して見積もることが行
なわれる。例えば、発熱源の影響を受けて互いに時定数
の異なる温度変化をする少なくとも二箇所から検出した
温度データを用いて、ミックス手法で合成温度変化を創
成するとともに、この合成温度変化とリニアの相関で得
られる熱変位を演算する。そして、先の温度データの一
方あるいは別途検出した比較的穏やかな温度変化をする
箇所から検出した温度データを用いて、温度変化に遅れ
を十分見込んで創成した遅れ温度変化とリニアの相関で
得られる変位の遅れ応答成分を演算する。ミックス手法
とダミー手法との組合せ手法で創成した温度変化による
熱変位の見積もりは、精度の信頼性が高くなるので好ま
しい。また、発熱源近傍の温度が急激に且つ大きく変化
する箇所から検出した温度データを用いて、ダミー手法
で第１の遅れ温度変化を創成するとともに、この遅れ温
度変化とリニアの相関で得られる熱変位を演算する。そ
して、先の温度データあるいは別途検出した比較的穏や
かな温度変化をする箇所から検出した温度データを用い
て、温度変化の遅れを十分見込んで創成した第２の遅れ
温度変化とリニアの相関で得られる変位の遅れ応答成分
を演算する。ダミー手法とダミー手法との組合せ手法で
創成した温度変化による熱変位の見積もりは、ミックス
手法とダミー手法との組合せ手法で創成した温度変化に
よる見積もりよりも、精度の信頼性が若干欠ける。

【００１４】ミックス手法とダミー手法、あるいはダミ
ー手法とダミー手法を組合せる手法について、主軸頭を
発熱源とするマシニングセンタ（以下、ＭＣと記載）、
又は主軸台内に発熱源を内蔵する数値制御旋盤（以下、
ＮＣ旋盤と記載）を例にして詳細に述べる。まず、ミッ
クス手法とダミー手法の組合せでは、ＭＣ等を運転し
て、任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。
これと同時に、この熱変位の時定数より小さい温度変化
の時定数を持つノーズ位置、及び前記熱変位の時定数よ
り大きな温度変化の時定数を持つヘッド位置における機
体の温度変化をそれぞれ検出する。そして、ミックス手
法で前記熱変位の時定数と同じ時定数を有する合成温度
変化を創成し、この合成温度変化に対応して変化する熱
変位を演算する。また、ダミー手法とダミー手法の組合
せでは、ＭＣ等を運転して、任意の主軸回転数を与えた
際の熱変位を検出する。これと同時に、この熱変位の時
定数より小さい温度変化の時定数を持つノーズ位置にお
ける機体の温度変化を検出する。そして、ダミー手法で
前記熱変位の時定数と同じ時定数を有する遅れ温度変化
を創成し、この遅れ温度変化に対応して変化する熱変位
を演算する。次いで、ミックス手法とダミー手法の組合
せ、及びダミー手法とダミー手法の組合せのいずれの場
合も、以下のダミー手法が更に付加される。即ち、ＭＣ
等の前記主軸頭位置で検出された温度変化に遅れを見込
んで、実際の熱変位と、合成温度変化あるいは遅れ温度
変化を用いて先に演算された熱変位とが徐々にずれてい
く変位の遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温
度変化を繰り返し演算で創成する。この遅れ温度変化に
対応して変化する遅れ応答成分を演算する。

【００１５】検出された温度変化のデータを、熱変位が
有する時定数に略一致させるデータ加工法を発展させた
ものに「リニアライズ（LINEARIZE)手法」があり、本発
明はこの手法も使用している。リニアライズ手法では、
工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出
する。これと同時に、発熱源の発熱による影響を受けて
温度変化をする機体の適当箇所の温度変化を検出する。
この検出温度変化を用いて前記発熱源における温度変化
を演算する。そして、この発熱源の温度変化を用いて熱
変位の時定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演
算する。なお、リニアライズ手法では、前記創成温度変
化を演算する際に、発熱源における温度変化を用いて一
旦他の創成温度変化を演算し、この創成温度変化を用い
て、熱変位の時定数と同じ時定数を有する創成温度変化
を演算してもよい。リニアライズ手法では、必ずしも熱
変位の時定数よりも小さい温度変化の時定数を持つ箇所
の温度変化を検出する必要がない。このため、温度セン
サを配設する位置の自由度が高い反面、創成温度変化を
演算する手順が若干複雑になる。

【００１６】また、リニアライズ手法とダミー手法を組
合せた手法では、工作機械に任意の主軸回転数を与えた
際の熱変位を検出する。これと同時に、発熱源の発熱の
影響を受けて温度変化する機体の適当箇所の温度変化を
検出する。そして、リニアライズ手法で前記熱変位の時
定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算し、こ
の創成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する。
次いで、前記検出温度変化又は別途検出した比較的穏や
かな温度変化をする箇所から検出した温度データに遅れ
を見込んで、実際の熱変位と、創成温度変化を用いて先
に演算された熱変位とが徐々にずれていく変位の遅れ応
答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を繰り返
し演算で創成する。この遅れ温度変化に対応して変化す
る遅れ応答成分を演算する。

【００１７】前記ミックス手法では、検出温度変化の時
定数の一つは熱変位の時定数より小さいことが条件にあ
り、ダミー手法でも検出温度変化の時定数は熱変位の時
定数より小さくなくてはならない。したがって、これら
の手法で創成した温度変化で熱変位を見積もる場合は、
温度変化を検出する位置に制約が生じる。これに対し
て、リニアライズ手法は、検出される温度変化の時定数
の大きさに条件がなく、且つ、一個の発熱源に対して検
出温度は一個でよい。したがって、温度変化に比べて熱
変位が敏感に表われる主軸頭を持つＭＣ及びＮＣ旋盤、
あるいは加工精度に影響を与える発熱源を複数有してい
る工作機械における創成温度の演算に有利である。例え
ば、ＮＣ旋盤は、工作物又は工具を把持する主軸と、こ
の主軸を軸支する加工位置側の前軸受及び反加工位置側
の後軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸台
と、前記前，後の軸受の間に配設され、前記主軸台に内
蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを
備えている。そして、ＮＣ旋盤では、前記後軸受は前記
主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記前軸受は熱
変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に
保持し、発熱源となる前記前，後の軸受及び前記ビルト
インモータの各近傍で温度変化をそれぞれ検出する３本
の温度センサを前記主軸台に取付けた構成になってい
る。このような多熱源を有する工作機械にリニアライズ
手法を適用した場合には、各温度センサによる検出温度
変化を用いて、それぞれの発熱源における温度変化を演
算する。そして、この温度変化を用いて、各発熱源の発
熱影響による熱変位の時定数と同じ時定数を有するそれ
ぞれの創成温度変化を演算する。このようにして演算さ
れた各創成温度変化は、それぞれの発熱源の影響による
熱変位とリニアの相関が成立する。

【００１８】

【作用】工作機械の主軸回転に伴い、主軸軸受や主軸駆
動モータ等の発熱源から発熱が起こり、これが機体の構
成部分に伝導し、結果として温度変化をきたす。通常の
工作機械では構造材料として鋳鉄又は鋼材を主として用
いている。したがって、温度変化があると、これら構造
材料が持つ線膨張係数に比例した熱変位が各部で発生す
る。これら各部の熱変位が加算されて、工作機械の加工
精度を低下させる。また、工作機械の主軸回転に伴う温
度変化は、発熱源近傍で早く表れるが、ヘッド（主軸
頭），ヘッド取付け部及びコラムなど発熱源から離れる
ほど遅れて表れることになり、それぞれ温度変化の経時
特性が異なる。このため、機体の任意箇所の温度変化と
熱変位とは、通常は直接結びつかない。

【００１９】しかし、工作機械に任意の主軸回転数を与
えた際の熱変位の時系列データ、及び発熱源の発熱の影
響を受ける機体の適当箇所から検出された温度変化の時
系列データに、近似的に単一の一次遅れ要素のステップ
入力応答関数を当てはめると、変化が飽和する迄の時定
数をそれぞれ抽出することができる。この熱変位の時定
数と温度変化の時定数とのバランスは、主軸回転数の広
い領域にわたって共通する当該工作機械の熱特性を代表
するものになる。そこで、温度変化のデータを適宜加工
して、熱変位が有する時定数に略一致した時定数を有す
る創成温度変化を演算する手法を用いる。すると、この
創成温度変化と熱変位とはリニアな相関が成立するの
で、温度変化から間接的に熱変位をかなり正確に見込む
ことが可能になる。熱変位現象を単一の一次遅れ要素の
温度変化による作用であるとして近似仮定すると、実際
の機体構成の複雑さとの違いによる熱変位見積もり誤差
が生じる。そこで、この誤差成分を更に異なる単一の一
次遅れ要素の温度変化による作用であるとして近似仮定
することによって、同じ作業を繰り返し適用することが
できる。したがって、機体の適当箇所から検出した温度
変化データから熱変位を十分高精度に見込むことができ
る。

【００２０】具体的には、まず当該工作機械の熱特性を
抽出するため、予備テストで任意の主軸回転数を与えた
際の熱変位を電気マイクロメータ等を用いて検出する。
これと同時に、発熱源の発熱の影響を受けて温度変化を
する機体の適当箇所の温度変化をサーミスタ温度センサ
等を用いて検出する。次いで、この変化が略飽和するま
でのそれぞれの時系列データに、一次遅れ要素のステッ
プ入力応答関数を当てはめてそれぞれの時定数を抽出す
る。この温度変化のデータを用いて、熱変位の時定数と
同じ時定数を持つ温度変化を創り出すために用意したミ
ックス手法，ダミー手法，リニアライズ手法，あるいは
これらを組合せた手法の一つを適宜選択し、それぞれの
手法において決定される温度変換式の係数を計算する。
選択された手法における温度変換式に、先の温度変化の
時系列データを与えて書き直すと、熱変形と同じ時定数
を持つ創成温度変化になる。この創成温度変化と先の熱
変形データとはリニアの相関が成立し、その傾斜が創成
温度変化から熱変位を算出する比例定数になる。機械稼
動時の熱変位補正では、先に温度変化を検出した箇所か
ら時々刻々検出される温度変化のデータを、先の選択さ
れた手法における温度変換式を用いて、創成温度変化に
随時変換する。次いで、この創成温度変化に、先に算出
された比例定数を掛けて、補正すべき熱変位を求めるこ
とになる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１乃至図３７に基
づいて説明する。 （第１，第２実施例）図１乃至図１７は本発明の第１，
第２実施例を説明するための図である。例えば図１に示
す数値制御（ＮＣ）工作機械は立形のマシニングセンタ
（ＭＣ）１であるが、ＭＣ以外の他の種類のＮＣ工作機
械であってもよい。ベッド２上にはコラム３が立設され
ており、コラム３には主軸頭５がＺ軸方向に移動可能に
取付けられている。コラム３は、ベッド２上をＹ軸方向
に移動できるようになっている。主軸頭５には主軸６が
Ｚ軸方向に向けて設けられており、主軸６の先端には工
具７が装着されている。主軸６は、主軸頭５に取付けら
れた主軸モータ４により回転駆動される。ベッド２上に
設けられたテーブル８に載置された工作物９が工具７に
より切削加工される。テーブル８はベッド２上をＸ軸方
向に移動する。なお、主軸６の軸線方向をＺ軸とし、こ
れに直交して直交座標系をなす各方向をＸ軸，Ｙ軸とす
る。

【００２２】ＭＣ１には、機体１０の温度変化を検出す
る温度検出手段が設けられている。第１実施例では、主
軸頭５の主軸前端側のノーズ位置の温度を検出するノー
ズ温度センサＳ₁ と、ノーズ位置より離れた任意の位置
に配置されて主軸頭５の温度を検出するヘッド温度セン
サＳ₂ がそれぞれ取付けられている。温度検出手段とし
ての温度センサＳ₁ ，Ｓ₂ はどのタイプでもよいが、外
乱に強いサーミスタ温度センサが望ましい。ノーズ温度
センサＳ₁ は、主な発熱源である主軸６の主軸受に近い
ので温度変化が直ぐに表われることとなり、時定数が小
さい。一方、ヘッド温度センサＳ₂は、主軸受より離れ
ているので温度変化はゆっくりと表われ、したがって時
定数が大きい。第２実施例では、前記ノーズ温度センサ
Ｓ₁ と、発熱源の発熱の影響が機体１０にゆっくりと及
ぶ箇所の温度を検出する温度検出手段としての温度セン
サＳ₃が、それぞれ取付けられている。

【００２３】ここで、本発明における熱変位補正の原理
を説明する。本発明によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の
熱変位に対する補正ができるが、例えばＸ軸方向につい
ては、コラム３及び主軸頭５がＸ軸に対して左右対称形
の構造を有しているため、Ｘ軸方向の補正は通常必要な
い。以下の説明では、Ｙ軸，Ｚ軸のうち主にＺ軸方向の
補正を例にとって説明する。

【００２４】Ｚ軸方向の熱変位の演算式は次式で示され
る。 ΔＺ＝ａ・（ΔＺ₁ ＋ΔＺ₂ ） ……（２） ここで、ΔＺ ：Ｚ軸熱変位 ａ ：全体補正係数 （この係数“ａ”は、演算式（２）の結果と実際の精度
との差を修正するための係数） ΔＺ₁ ：Ｚ軸熱変位の即時応答成分 ΔＺ₂ ：Ｚ軸熱変位の遅れ応答成分 である。

【００２５】即ち、演算式（２）は、温度変化から直ち
に熱変位が予測できる即時応答成分ΔＺ₁ と、遅れを伴
って熱変位が表われる遅れ応答成分ΔＺ₂ とを含んでい
る。前記温度変化は、各温度センサで検出されて出力さ
れる温度から基準温度を差引いた温度差として算出され
る。基準温度としては、ＭＣ１の電源投入時における１
回目の温度センサの出力、又はこの出力を複数回加算し
たものの平均値、あるいは例えば２０〔℃〕のような絶
対基準等が採用される。温度センサ毎の基準温度がＲＡ
Ｍ１１内に保存される。ところで、工作機械を設置した
環境の温度変化が比較的ゆっくりしたものである場合に
は、室温変化による工作機械全体の熱変形は、工具と工
作物を含めて略相似形に変化する。即ち、このようなゆ
っくりした室温変化では加工誤差は生じないので、この
室温変化を含んだ温度変化から熱変形を予測したもの
は、実際の熱変形とは異なる。したがって、この場合に
は、工作機械のベッド等に別途設けた温度センサで検出
した時々刻々の温度を基準温度として採用し、各温度セ
ンサから出力される温度からこの基準温度を差し引いた
ものを温度変化として使用する。このようにすれば、室
温変化があっても、精度のよい熱変位補正ができる。

【００２６】なお、本発明は、式（３）に示すように即
時応答成分ΔＺ₁ のみに基づく演算式を使用することも
できる。又は、式（４）に示すように、遅れ応答成分Δ
Ｚ₂のみに基づく演算式を使用することもできる。 ΔＺ＝ａ・ΔＺ₁ ……（３） ΔＺ＝ａ・ΔＺ₂ ……（４）

【００２７】即時応答成分ΔＺ₁ は、次式により算出さ
れる。 ΔＺ₁ ＝ｂ・ΔＴ₁ ＋ｃ・ΔＴ₂ ……（５） ここで、ΔＴ₁：温度センサＳ₁の出力から基準温度を差
引いた温度変化〔℃〕 ΔＴ₂：温度センサＳ₂の出力から基準温度を差引いた温
度変化〔℃〕 ｂ ：内部補正係数〔±μｍ／℃〕 ｃ ：内部補正係数〔±μｍ／℃〕 である。

【００２８】第１実施例で使用される式（５）は、二箇
所に設置された温度センサの出力により機体１０の熱変
位を演算する式である。そして、ノーズ温度センサＳ₁
で検出された温度から算出される温度変化ΔＴ₁ と、ヘ
ッド温度センサＳ₂ で検出された温度から算出される温
度変化ΔＴ₂ とから、即時応答成分ΔＺ₁ を演算するこ
とになる。なお、即時応答成分ΔＺ₁ の演算には、温度
センサの設置箇所は少なくとも二箇所あればよいが、発
熱源の数に応じて適宜追加される。また、温度センサの
設置箇所は、発熱源の発熱の影響を受ける箇所ならば、
ノーズ位置とヘッド位置以外の場所であってもよい。

【００２９】一方、遅れ応答成分ΔＺ₂ を演算する式は
下記の通りである。 ΔＺ₂ ＝ｅ・Ｙ₁ ＋ｆ・Ｙ₂ ……（６） ここで、ｅ ：内部補正係数〔±μｍ／℃〕 ｆ ：内部補正係数〔±μｍ／℃〕 Ｙ₁ ：第１の遅れ温度変化〔℃〕 Ｙ₂ ：第２の遅れ温度変化〔℃〕 である。式（６）は、第１と第２の遅れ温度変化により
機体１０の熱変位を演算する式である。

【００３０】第１実施例では、遅れ温度変化は１個なの
で、内部補正係数ｆの値は零となる。そして、ヘッド温
度センサＳ₂ で検出された温度の温度変化ΔＴ₂ に遅れ
を見込んで演算した遅れ温度変化Ｙ₁ から、遅れ応答成
分ΔＺ₂ を演算することになる。第２実施例では遅れ温
度変化は２個使用される。ノーズ温度センサＳ₁ で検出
された温度の温度変化ΔＴ₁ に遅れを見込んで演算した
第１の遅れ温度変化Ｙ₁と、コラム温度センサＳ₃ で検
出された温度の温度変化ΔＴ₂ に遅れを見込んで演算し
た遅れ温度変化Ｙ₂ とから、遅れ応答成分ΔＺ₂ を演算
することになる。なお、遅れ応答成分ΔＺ₂ の演算で使
用する温度情報としては、１個又は２個あればよいが、
発熱源の数に応じて適宜追加される。

【００３１】図１は、本発明の第１実施例を示すブロッ
ク図である。図示するように、各温度センサＳ₁ ，Ｓ₂
の各出力信号は、回路３６，３７を介して熱変位補正装
置１２のＡ／Ｄ変換器１３に入力し、入力したアナログ
信号はここでディジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換
器１３からのディジタル信号は演算記憶部１４に入力さ
れて、ここで熱変位が演算される。演算された熱変位に
基づいて、補正手段３３により加工誤差が補正される。
補正手段３３の出力信号は、プログラマブルコントロー
ラ１５を介して数値制御装置１６に送信され、サーボ系
にフィードバックされて位置補正される。即ち、補正手
段３３は、数値制御装置１６の移動指令値に外部からオ
フセットを与える外部オフセット手段に、演算結果を出
力する。その結果、例えば直交座標系の原点位置がオフ
セットされて、数値制御装置１６は、ＭＣ１の工具７の
軌跡を制御する。なお、プログラマブルコントローラ１
５は、数値制御装置１６の指令を受けてＭＣ１の動作シ
ーケンスを管理する。

【００３２】各温度センサＳ₁ ，Ｓ₂ の検出値は、Ａ／
Ｄ変換器１３を介して演算記憶部１４で演算され、その
指令によりＲＡＭ１１内の各温度センサＳ₁ ，Ｓ₂ 用に
指定されたメモリ番地に書き込まれる。さらにＲＡＭ１
１には、各温度センサＳ₁ ，Ｓ₂ が一定時間毎にサンプ
リングした温度データが記憶されている。この温度デー
タは数値制御装置１６の表示部に表示される。ＲＯＭ１
７には、本発明に係る熱変位を演算するためのプログラ
ムや補正係数等が記憶されている。クロック１８は通常
のクロックであり、各温度センサＳ₁，Ｓ₂ の検出の時
間を決定するためのものである。

【００３３】熱変位補正装置１２は、温度センサＳ₁ ，
Ｓ₂ で検出された温度の温度変化を用いて、熱変位の時
定数と略同じ時定数を有する仮想の位置Ｐ₁ における合
成温度変化を演算する合成温度演算手段３１と、この合
成温度演算手段３１で演算された合成温度変化に対応し
て変化する即時応答成分ΔＺ₁ 即ち熱変位を演算する熱
変位演算手段３２と、この熱変位演算手段３２で算出さ
れた熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段３３
とを備えている。

【００３４】好ましい態様として、第１実施例の熱変位
補正装置１２は、温度センサＳ₂ で検出された温度の温
度変化より遅れて表れる遅れ温度変化を、前記温度変化
に遅れを見込んで演算する遅れ温度演算手段３４を、更
に備えている。熱変位演算手段３２は、遅れ温度演算手
段３４で演算された遅れ温度変化に対応して変化する遅
れ応答成分ΔＺ₂ を算出し、この遅れ応答成分を先の即
時応答成分ΔＺ₁ に加算する。補正手段３３は、この加
算された合計値即ち熱変位に基づいて加工誤差を補正す
る演算をし、その結果を出力する。また、遅れ温度演算
手段３４の最終演算結果と工作機械の電源のオフ時間を
同時に記憶する記憶手段３５によって、遅れ温度の演算
が中断した場合の補償を与えている。

【００３５】即時応答成分ΔＺ₁ のみを考慮した場合の
本発明の熱変位補正方法は、式（３）に基づく方法であ
る。即時応答成分ΔＺ₁ に遅れ即時応答成分ΔＺ₂ を考
慮した式（２）に基づく熱変位補正方法の方が、より高
精度に補正できるので好ましい。

【００３６】図２は、本発明の第２実施例を示すブロッ
ク図である。第２実施例の熱変位補正方法は、遅れ応答
成分ΔＺ₂ のみを考慮した場合の式（４）に基づく方法
である。第２実施例にかかる熱変位補正装置１２ａは、
温度センサＳ₁ で検出された温度の温度変化に遅れを見
込んで、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する仮想の
位置Ｐ₁ における温度変化を演算する第１の遅れ温度演
算手段３４ａと、この第１の遅れ温度演算手段３４ａで
演算された第１の遅れ温度変化に対応して変化する遅れ
応答成分ΔＺ₂ を演算する熱変位演算手段３２と、この
熱変位演算手段３２で算出された熱変位に基づいて加工
誤差を補正する補正手段３３とを備えている。

【００３７】好ましい態様として、第２実施例の熱変位
補正装置１２ａは、発熱源の発熱の影響が機体１０にゆ
っくり及ぶ箇所に設置した温度センサＳ₃ で検出された
温度の温度変化より遅れて表れる遅れ温度変化を、前記
温度変化に遅れを見込んで演算する第２の遅れ温度演算
手段３４ｂを、更に備えている。熱変位演算手段３２
は、第２の遅れ温度演算手段３４ｂで演算された遅れ温
度変化に対応して変化する第２の遅れ応答成分を算出
し、この第２の遅れ応答成分を先の遅れ応答成分ΔＺ₂
に加算する。補正手段３３は、この加算された合計値即
ち熱変位に基づいて加工誤差を補正し、その結果を出力
する。第２実施例では、１本の温度センサＳ₁ の出力の
みで熱変位の補正をすることができるが、別途設置した
温度センサＳ₃ の出力を加味した熱変位補正方法の方
が、より高精度に補正できるので好ましい。本第２実施
例においては、第１実施例と同一又は相当機能部分の説
明は省略する。

【００３８】以下に、第１，第２実施例の具体的な手順
を図３乃至図１３に基づいて説明する。図３は第１実施
例の動作を示すフローチャート、図４は第２実施例の動
作を示すフローチャート、図５はＺ軸熱変位の経時変化
を示すグラフ、図６はノーズ位置とヘッド位置で検出さ
れた温度の温度変化と、合成された合成温度変化を示す
グラフである。図７はノーズ温度変化とＺ軸熱変位との
関係を示すグラフ、図８はヘッド温度変化とＺ軸熱変位
との関係を示すグラフ、図９は合成温度変化に対するＺ
軸熱変位を示すグラフである。図１０は遅れ温度変化を
算出する手法を説明するグラフ、図１１は温度変化から
遅れ応答成分を算出する手法を示すグラフ、図１２は演
算されたＺ軸熱変位と実測されたＺ軸熱変位との関係を
示すグラフ、図１３は遅れ温度変化に対するＺ軸熱変位
を示すグラフである。

【００３９】第１実施例では、まず初めに、予め図５の
データに基づいて、ＭＣ１における例えばＺ軸方向の熱
変位の時定数を算出しておく。図５の横軸は時間、縦軸
はＺ軸方向の熱変位である。Ｚ軸方向の熱変位の時定数
を算出する場合には、ＭＣ１を主軸回転数Ｓ（例えば、
Ｓ＝１０,０００〔min^-1〕）で連続運転する。そして、
主軸６の先端部、又は主軸先端部に一時的に装着された
テストバーの適当箇所における、Ｚ軸方向の熱変位を時
系列データ３９として実測する。なお、発熱によって主
軸が傾斜する場合には、例えばテストバーの根元部と先
端部などにおける熱変位を実測するのが好ましい。前記
データ３９（図中「○」印）には、通常は室温変化の影
響が含まれているので、室温変化の影響を補正した、飽
和値４０（例えば、４３〔μｍ〕）を有する室温補正デ
ータ４１（図中「●」印）を演算する。「時定数」と
は、「線形一次遅れシステムにおいて、ステップ状入力
を加えた時、出力が飽和値の６３．２％に達するのに要
する時間」である。したがって、室温補正データ４１
に、最小二乗法で一次遅れ要素のステップ入力応答関数
を当てはめて、Ｚ軸方向の熱変位時定数τ_z （例えば、
τ_z ＝０．５７〔ｈ〕）を得る。

【００４０】さらに、Ｚ軸方向の熱変位を検出する際に
同時にノーズ温度センサＳ₁ とヘッド温度センサＳ₂ で
検出される温度の温度変化のデータに基づいて、それぞ
れの温度変化の時定数を算出する。時定数を算出する手
順は、先のＺ軸方向の熱変位の時定数を算出したものと
同じである。図６の横軸は時間、縦軸は温度変化であ
る。図示するように、発熱源に近いノーズ温度変化Ｔ_N
は速やかに飽和温度変化“Ａ”（Ａ＝６．５〔℃〕）に
達するので、そのノーズ温度時定数τ_N も０．３９
〔ｈ〕と小さい。一方、発熱源より遠い位置のヘッド温
度変化Ｔ_H は遅れて温度変化をする。したがって、飽和
温度変化“Ｂ”（Ｂ＝３．７〔℃〕）に達するのに時間
がかかるので、そのヘッド温度時定数τ_H は１．３１
〔ｈ〕と大きい。

【００４１】次に、図１及び図３に示すように、ＭＣ１
を起動して工具７により工作物９の切削加工を開始する
（ステップ１０１）。ノーズ位置及びヘッド位置の温度
をそれぞれ検出して（ステップ１０２）、検出結果を合
成温度演算手段３１に入力する。次いで、「ミックス手
法」によりノーズ温度変化Ｔ_N とヘッド温度変化Ｔ_H の
各温度変化を合成して、図５に示すＺ軸方向の熱変位デ
ータの時定数τ_Z （τ_Z＝０．５７〔ｈ〕）と同じ時定
数を有する仮想の温度変化Ｔ_Z を演算する。

【００４２】合成温度を合成する際のノーズ温度変化Ｔ
_N 及びヘッド温度変化Ｔ_H の各温度混合比Ｍ_NZ，Ｍ
_HZは、例えば次式により算出される。なお、次式は混合
方法の一つの例であり他にも種々の混合方法がある。こ
れら温度混合比は工作機械毎に固有の値であり、主軸回
転数等運転条件が変わっても値は変わらないので、一度
温度混合比を算出する作業をしておけばよい。 ノーズ温度混合比Ｍ_NZ ＝（τ_H −τ_Z ）／（τ_H −τ_N ）・（ｋ／Ａ） ＝（１．３１−０．５７）÷（１．３１−０．３９）×（１０／６．５） ＝１．２４ ……（７） ヘッド温度混合比Ｍ_HZ ＝（τ_Z −τ_N ）／（τ_H −τ_N ）・（ｋ／Ｂ） ＝（０．５７−０．３９）÷（１．３１−０．３９）×（１０／３．７） ＝０．５３ ……（８） ここで、ｋ：任意の係数（ここではｋ＝１０とした）で
ある。

【００４３】なお、図５による前記手順と同様にしてＹ
軸方向の熱変位の時定数τ_Y ＝１．１５〔ｈ〕を算出す
ると、図６に示すようにＹ軸方向に関する合成温度変化
Ｔ_Yも同様にして演算できる。この場合のノーズ温度変
化Ｔ_N 及びヘッド温度変化Ｔ_H の各温度混合比Ｍ_NY，Ｍ
_HYは、次式で算出される。 ノーズ温度混合比Ｍ_NY ＝（τ_H −τ_Y ）／（τ_H −τ_N ）・（ｋ／Ａ） ＝（１．３１−１．１５）÷（１．３１−０．３９）×（１０／６．５） ＝０．２７ ……（９） ヘッド温度混合比Ｍ_HY ＝（τ_Y −τ_N ）／（τ_H −τ_N ）・（ｋ／Ｂ） ＝（１．１５−０．３９）÷（１．３１−０．３９）×（１０／３．７） ＝２．２３ ……（１０） ここで、ｋ：任意の係数（ここではｋ＝１０とした）で
ある。

【００４４】合成温度演算手段３１では、式（７），
（８）で算出された温度混合比Ｍ_NZ，Ｍ_HZと各温度変化
Ｔ_N ，Ｔ_H とに基づいて、次式により合成温度変化Ｔ_Z
を演算している（ステップ１０３）。式（１１）は温度
変換式であり、Ｍ_NZ，Ｍ_HZはその係数になる。 Ｔ_Z ＝Ｍ_NZ・Ｔ_N ＋Ｍ_HZ・Ｔ_H ＝1.24×Ｔ_N ＋0.53×Ｔ_H ……（１１）

【００４５】図７の横軸はノーズ温度変化Ｔ_N を、図８
の横軸はヘッド温度変化Ｔ_H をそれぞれ示しており、図
７，図８の縦軸はＺ軸方向の熱変位を示している。図示
するように、それぞれの温度変化Ｔ_N ，Ｔ_H とＺ軸熱変
位とは、比例などの対応関係はない。

【００４６】これに対して、図９に示すように、合成温
度変化Ｔ_Z とＺ軸熱変位とは、傾斜α（α＝３．８８）
を有する直線４２で代表されるリニアな相関を持つ領域
が生じる。この傾斜αは、合成温度変化Ｔ_Z から即時応
答成分ΔＺ₁ を算出する際の比例定数であり、結局次式
が成立する。 ΔＺ₁ ＝α・Ｔ_Z ……（１２） 熱変位演算手段３２では、式（１２）を用いて、合成温
度変化Ｔ_Z に対応して変化する即時応答成分ΔＺ₁ を算
出する（ステップ１０４）。

【００４７】次に、遅れ応答成分ΔＺ₂ を考慮するか否
かを判別し（ステップ１０５）、考慮しない場合には、
熱変位演算手段３２で演算した結果に基づいて、補正手
段３３で加工誤差を補正する。具体的には、例えば直交
座標系の原点位置をオフセットする（ステップ１０
６）。その後、補正を終了させるか否か判別し（ステッ
プ１０７）、終了させる場合にはＭＣ１を停止して（ス
テップ１０８）、全体の手順が終了する。補正が終了し
ない場合にはステップ１０２に戻る。

【００４８】一方、ステップ１０５の判断において、遅
れ応答成分ΔＺ₂ を考慮する場合には、ヘッド温度セン
サＳ₂ で検出されたヘッド位置の温度を、遅れ温度演算
手段３４に入力する。コラム３等は、その質量が大き
く、また主な発熱源である主軸６とも離れているので、
温度変化が遅れるヘッド位置よりさらに遅れて温度変化
が表われる。この遅れ温度変化は、例えば図９では長時
間経過した領域Ｄで、合成温度変化Ｔ_ZとＺ軸熱変位と
のリニアな相関関係に対して、誤差を与えている。

【００４９】遅れ温度変化を演算する手法としては「ダ
ミー手法」があり、ヘッド温度変化Ｔ_H よりさらに遅れ
て表われる遅れ温度変化Ｙの挙動を、ダミーの熱容量Ｃ
を設定して見込む。具体的には、微分方程式（１３）の
近似解で得られる。 Ｃ・ｄＹ／ｄｔ＋Ｙ＝Ｔ_H ……（１３）

【００５０】図１０の横軸は時間、縦軸は遅れ温度変化
を示しており、図１０より次式が得られる。 Ｙ＝Ｙ₀ ＋（ｄＹ₀ ／ｄｔ＋ｄＹ／ｄｔ）／２・Δｔ ……（１４）

【００５１】式（１３）からｄＹ／ｄｔ及びｄＹ₀ ／ｄ
ｔを算出して、式（１４）に代入すると、遅れ温度変化
Ｙを算出する式は、次式（１５）になる。この式（１
５）は温度変換式であり、符号Ｃはその係数に相当す
る。式（１５）で演算される遅れ温度変化も仮想の温度
変化であり、先の式（１１）による合成温度変化と同じ
く創成温度変化の一種である。 Ｙ＝［Ｔ_H0＋Ｔ_H ＋(Ｃ／Δｔ)・Ｙ₀−Ｙ₀］／［（Ｃ／Δｔ)＋１］…(15) ここで、Δｔ：演算インターバル Ｔ_H ：ヘッド温度変化入力 Ｔ_H0：前回のヘッド温度変化入力 Ｙ ：遅れ温度変化出力 Ｙ₀ ：前回の遅れ温度変化出力 Ｃ ：ダミー熱容量 である。なお、遅れ温度変化出力Ｙの単位は〔℃〕なの
で、遅れ応答成分ΔＺ₂ を算出するには、温度と熱変位
の変換係数を意味する内部補正係数ｅを用いる。 ΔＺ₂ ＝ｅ・Ｙ ……（１６）

【００５２】図１１の横軸は時間、左側の零から上の縦
軸はヘッド温度変化、右側の零から下の縦軸は遅れ応答
成分である。図中には、図７に示したヘッド温度変化の
時系列データ４３と、図９においてＺ軸熱変位から直線
４２の縦軸の値を差し引いた誤差４４と、ヘッド温度変
化の時系列データ４３を用いて式（１５）と式（１６）
を介して得た演算結果４５とが、示されている。前記誤
差４４と前記演算結果４５は、それぞれ遅れ応答成分Δ
Ｚ₂ の実データと演算データに該当する。即ち、式（１
５）に含まれるダミー熱容量Ｃ、及び式（１６）の内部
補正係数ｅを適宜選択することにより、演算データを実
データに近づけることが可能になり、最良値がそれぞれ
決定できる。ここで決まる熱容量Ｃと係数ｅの値は工作
機械毎に固有の値であり、主軸の回転数等運転条件が変
わってもその値は変わらないので、この作業は一度行な
っておけばよい。例えば、前記ヘッド温度変化の時系列
データ４３に基づいて、繰り返し演算により遅れ応答成
分ΔＺ₂ を算出すれば、Ｃ＝９００，ｅ＝−４として表
１の結果を得る。表１の遅れ応答成分ΔＺ₂ の値は、コ
ラム３等の遅れ応答成分であり、図９におけるＺ軸熱変
位と直線４２との縦軸方向の誤差に相当する。

【００５３】

【表１】

【００５４】遅れ温度演算手段３４では、ダミー熱容量
Ｃが確定した式（１５）を用いて、ヘッド温度変化Ｔ_H
に対応する遅れ温度変化Ｙを演算する（ステップ１０
９）。次いで、この遅れ温度変化Ｙを、内部補正係数ｅ
が確定した式（１６）に代入すると、遅れ応答成分ΔＺ
₂ が得られる（ステップ１１０）。先に、式（１２）を
用いて即時応答成分ΔＺ₁ を算出した熱変位演算手段３
２では、このようにして算出した遅れ応答成分ΔＺ₂ を
即時応答成分ΔＺ₁ に加算して、Ｚ軸熱変位ΔＺを演算
する（ステップ１１１）。

【００５５】図１２の縦軸は図５に示したものと同じ実
測されたＺ軸熱変位であり、横軸は温度センサＳ₁ ，Ｓ
₂ で検出した温度データを用いて、ステップ１１１まで
の手順を経て見積もったＺ軸熱変位ΔＺである。この熱
変位ΔＺの演算には、式（２）の全体補正係数“ａ”を
１として、即時応答成分ΔＺ₁ を、式（１１）と式（１
２）で展開した次式を用いている。 ΔＺ＝４．８×Ｔ_N ＋２．１×Ｔ_H ＋ΔＺ₂ ……（１７）

【００５６】この式（１７）の、ノーズ温度変化Ｔ_N の
項の係数、及びヘッド温度変化Ｔ_Hの項の係数は、先の
式（５）の内部補正係数ｂ，ｃにそれぞれ該当するもの
で、次式で算出される。これらの係数の値は、機体１０
から検出した温度を用いて、即時応答成分を演算する場
合の、当該工作機械の熱特性を集約したものになる。 ｂ＝α・Ｍ_NZ＝３．８８×１．２４＝４．８ ……（１８） ｃ＝α・Ｍ_HZ＝３．８８×０．５３＝２．１ ……（１９） また、式（１７）の遅れ応答成分ΔＺ₂ は表１に示した
結果を用いている。

【００５７】図１２では、縦軸の実測されたＺ軸熱変位
と、式（１７）で求めた横軸のＺ軸熱変位ΔＺの値と
は、４５度の傾きの直線４６上で略一致する。これは両
者が同じ値であることを意味しており、したがって、機
体１０から検出した比較的少ない温度データを用いた演
算により、Ｚ軸熱変位を十分高精度に予測することがで
きる。このようにして、ステップ１１１で演算されたＺ
軸熱変位ΔＺに基づいて補正手段３３で加工誤差を補正
することにより熱変位の補正がなされて（ステップ１１
２）、工作物９を高精度で切削加工することができる。
その後、補正終了か否かを判別し（ステップ１０７）、
終了させる場合にはＭＣ１を停止して（ステップ１０
８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合に
はステップ１０２に戻る。

【００５８】次に、第２実施例の手順を説明する。な
お、第２実施例では、熱変位あるいは温度変化の時定数
を予め算出しておく必要はない。図２及び図４に示すよ
うに、ＭＣ１を起動して工具７により工作物９の切削加
工を開始する（ステップ２０１）。第１の箇所例えばノ
ーズ位置の温度を検出して（ステップ２０２）、この検
出信号を第１の遅れ温度演算手段３４ａに入力する。次
いで、先の「ダミー手法」により、ノーズ温度変化Ｔ_N
より遅れて表れるＺ軸熱変位の時定数と同じ時定数を有
する第１の遅れ温度変化Ｙ₁ の挙動を、ダミーの熱容量
Ｃ₁ を設定して見込む。

【００５９】先の式（１３），（１４）と同様の展開を
行なうと、第１の遅れ温度変化Ｙ₁を算出する式は次式
になる。 Ｙ₁＝［Ｔ_NO＋Ｔ_N＋（Ｃ₁／Δｔ）・Ｙ₁₀−Ｙ₁₀］／［（Ｃ₁／Δｔ）＋１］ ……（２０） ここで、Δｔ：演算インターバル Ｔ_N ：ノーズ温度変化入力 Ｔ_NO：前回のノーズ温度変化入力 Ｙ₁ ：第１の遅れ温度変化出力 Ｙ₁₀：前回の第１の遅れ温度変化出力 Ｃ₁ ：ダミー熱容量 である。

【００６０】図１３に示すように、Ｚ軸熱変位と第１の
遅れ温度変化Ｙ₁ とは傾斜ｅを有する直線４７で代表さ
れるリニアな相関を持つ領域が生じる。この傾斜ｅは、
第１の遅れ温度変化Ｙ₁ に対応するＺ軸熱変位を算出す
る際の比例定数であり、ここで算出されるＺ軸熱変位
は、先の式（６）の第１項に該当する。この第１項の繰
り返し演算の結果が、先の図５に示したＺ軸熱変位の時
系列データに一致するように、ダミー熱容量Ｃ₁ と内部
補正係数ｅの値が適宜選択される。ここで決まる熱容量
Ｃ₁ と係数ｅの値は工作機械毎に固有の値であり、この
作業は一度行なっておけばよい。第１の遅れ温度演算手
段３４ａでは、ダミー熱容量Ｃ₁ の確定した式（２０）
を用いて、ノーズ温度変化Ｔ_N に対応する第１の遅れ温
度変化Ｙ₁ を演算する（ステップ２０３）。熱変位演算
手段３２では、この遅れ温度変化Ｙ₁ を，内部補正係数
ｅが確定した式（６）の第１項に代入して、第１の遅れ
応答成分を算出する（ステップ２０４）。

【００６１】次に、第２の遅れ応答成分を考慮するか否
かを判別し（ステップ２０５）、考慮しない場合には、
熱変位演算手段３２で演算した結果に基づいて、補正手
段３３で加工誤差を補正する（ステップ２０６）。その
後、補正を終了させるか否かを判別し（ステップ２０
７）、終了させる場合にはＭＣ１を停止して（ステップ
２０８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない場
合にはステップ２０２に戻る。

【００６２】一方、ステップ２０５の判断において、第
２の遅れ応答成分を考慮する場合には、温度センサＳ₃
で第２箇所例えばコラム位置の温度変化Ｔ_C を検出して
（ステップ２０９）、第２の遅れ温度演算手段３４ｂに
入力する。コラム位置に表れる温度変化Ｔ_C は、例えば
図１３の長時間経過した領域Ｄで、第１の遅れ温度変化
Ｙ₁ とＺ軸熱変位とのリニアな相関関係に誤差を与え
る。前述の「ダミー手法」を再度用いて、コラム温度変
化Ｔ_C より第２の遅れ温度変化Ｙ₂ の挙動を、ダミーの
熱容量Ｃ₂ を設定して見込む。第２の遅れ温度変化Ｙ₂
を算出する式は次式になる。 Ｙ₂＝［Ｔ_CO＋Ｔ_C＋（Ｃ₂／Δｔ）・Ｙ₂₀−Ｙ₂₀］／［（Ｃ₂／Δｔ）＋１］ ……（２１） ここで、Δｔ：演算インターバル Ｔ_C ：コラム温度変化入力 Ｔ_CO：前回のコラム温度変化入力 Ｙ₂ ：第２の遅れ温度変化出力 Ｙ₂₀：前回の第２の遅れ温度変化出力 Ｃ₂ ：ダミー熱容量 である。

【００６３】なお、この第２の遅れ温度変化Ｙ₂ に対応
するＺ軸熱変位は、温度と熱変位の変換係数ｆを含んだ
先の式（６）の第２項に該当する。この第２項の繰り返
し演算の結果が、図１３において、Ｚ軸熱変位から直線
４７を差し引いた誤差に一致するように、ダミー熱容量
Ｃ₂ と係数ｆの値が適宜選択される。ここで決まる熱容
量Ｃ₂ と係数ｆの値は工作機械毎に固有の値であり、こ
の作業は一度行なっておけばよい。第２の遅れ温度演算
手段３４ｂでは、ダミー熱容量Ｃ₂ が確定した式（２
１）を用いて、コラム温度変化Ｔ_C に対応する第２の遅
れ温度変化Ｙ₂ を演算する（ステップ２１０）。次い
で、内部補正係数ｆが確定した式（６）の第２項に第２
の遅れ温度変化Ｙ₂ を代入して、第２の遅れ応答成分を
算出する（ステップ２１１）。先に式（６）の第１項に
該当する第１の遅れ応答成分を算出した熱変位演算手段
３２では、このようにして算出した第２の遅れ応答成分
を加算して、Ｚ軸熱変位ΔＺ₂ を演算する（ステップ２
１２）。

【００６４】ステップ２１２で演算されたＺ軸熱変位Δ
Ｚ₂ に基づいて補正手段３３で加工誤差を補正すること
により熱変位に対する補正がなされて（ステップ２１
３）、工作物９を高精度で加工することができる。その
後、補正終了か否かを判別し（ステップ２０７）、終了
させる場合にはＭＣ１を停止して（ステップ２０８）、
全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステ
ップ２０２に戻る。

【００６５】図１４乃至図１７はＭＣ１を実機運転した
場合の実測データである。図１４はＺ軸熱変位のデータ
を示すグラフ、図１５はＺ軸熱変位の他のデータを示す
グラフ、図１６はＹ軸熱変位のデータを示すグラフ、図
１７はＹ軸熱変位の他のデータを示すグラフである。い
ずれも主軸６の回転数Ｓは、Ｓ＝１０，０００〔min
^-1〕であり、図１４及び図１６は連続運転の場合を示
している。図１５及び図１７は、タイムチャート線５１
に示すように、約５０分間回転、１０分間停止（途中一
回７０分間の停止あり）の場合の熱変位を示している。
図１４乃至図１７の横軸は時間である。

【００６６】図１４及び図１６に示すように、図中実線
４８，５２で示す補正前の熱変位は最大約４０〔μｍ〕
であった。これに対して、本発明では、補正後の熱変位
の目標値を零に近づけることができる。即ち、本発明に
よる熱変位の補正を行なった場合は、図中破線４９，５
３で示すように±５〔μｍ〕以下にまで残留熱変位を小
さくすることができる。なお、補正前の熱変位が１００
〔μｍ〕以上の場合も、本発明によれば補正後の熱変位
を±５〔μｍ〕以下にまで小さくできることが確認され
ている。このように、本発明は熱変位の補正を高精度で
行なうことができる。また、図１５及び図１７に示すよ
うに断続運転を行なった場合も、本発明によれば、破線
５０，５４に示すように補正後の残留熱変位を±５〔μ
ｍ〕以下にすることができる。

【００６７】（第３実施例）図１８乃至図２８は第３実
施例を説明するための図である。例えば、図１８に示す
ように、ＭＣ１ａは、工具７が装着される主軸６と、主
軸受２０及び上部軸受（他の軸受）２２を介して主軸６
を回転自在に支持する主軸頭５ａとを備えている。主軸
６を回転駆動するビルトインモータ２１は、両軸受２
０，２２の間に配設されて、両軸受とともに主軸頭５ａ
に内蔵されている。主軸受２０は主軸６を中心軸方向に
位置決めし、上部軸受２２は熱変位で伸縮する主軸６を
中心軸方向に摺動可能に保持している。したがって、上
部軸受２２及びモータ２１が回転により発熱しても、主
軸６は上方に伸びるので工具７には影響を与えない。そ
の結果、ＭＣ１ａの場合には主軸受２０のみを発熱源と
考えて熱変位補正をすればよいことになる。主軸受２０
の温度変化を検出する温度検出手段としてのヘッド温度
センサＳ₂ を、主軸頭５ａに取付けている。なお、発熱
源である主軸受２０による温度変化が表われる場所であ
れば、ヘッド位置以外の例えばノーズまたはコラムの温
度を検出してもよい。また、主軸が工作物を把持するタ
イプの工作機械の場合であってもよい。なお、第１，第
２実施例と同一または相当部分には同一符号を付してそ
の説明を省略する。

【００６８】ここで、第３実施例における熱変位補正の
原理を説明する。第１，第２実施例と同様にＺ軸方向の
補正を例にとって説明する。第３実施例におけるＺ軸方
向の熱変位の演算式は次式で示される。 ΔＺ＝ａ・（ΔＺ₃ ＋ΔＺ₄ ） ……（２２） ここで、ΔＺ ：Ｚ軸熱変位 ａ ：全体補正係数（式（２）のものに同じ） ΔＺ₃ ：Ｚ軸熱変位の創成変位成分 ΔＺ₄ ：Ｚ軸熱変位の遅れ応答成分 である。即ち、演算式（２２）は、温度変化から熱変位
の時定数と同じ時定数を有する創成温度変化を基に演算
した創成変位成分ΔＺ₃ と、温度変化に対し遅れを伴っ
て熱変位が表れる遅れ応答成分ΔＺ₄ とを含んでいる。
ここで扱われる温度変化は、各温度センサから出力され
る温度と基準温度との差で算出する。基準温度には、先
の第１，第２実施例で考慮されたものが同じく採用され
る。

【００６９】なお、本発明は、式（２３）に示すように
創成変位成分ΔＺ₃ のみに基づく演算式を使用すること
もできる。 ΔＺ＝ａ・ΔＺ₃ ……（２３） 創成変位成分ΔＺ₃ は、次式により算出される。 ΔＺ₃ ＝ｇ・Ｙ₃ ……（２４） ここで、Ｙ₃ ：創成温度変化〔℃〕 ｇ ：内部補正係数〔±μｍ／℃〕 である。

【００７０】第３実施例で使用される式（２４）は、一
箇所に設置された温度センサの出力により機体１０の熱
変位を演算する式である。そして、ヘッド温度センサＳ
₂ で検出された温度の温度変化Ｔを展開して得た創成温
度変化Ｙ₃ から創成変位成分ΔＺ₃ を演算することにな
る。なお、温度センサの設置箇所は少なくとも一箇所あ
ればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。ま
た、温度センサの設置箇所は、発熱源の発熱の影響を受
ける箇所ならば、主軸頭５ａ以外の場所であってもよ
い。

【００７１】一方、遅れ応答成分ΔＺ₄ を演算する式は
下記の通りである。 ΔＺ₄ ＝ｈ・Ｙ₄ ……（２５） ここで、Ｙ₄ ：遅れ温度変化〔℃〕 ｈ ：内部補正係数〔±μｍ／℃〕 である。式（２５）では、ヘッド温度センサＳ₂ で検出
された温度の温度変化Ｔに遅れを見込んで演算した遅れ
温度変化Ｙ₄ から、遅れ応答成分ΔＺ₄ を演算すること
になる。なお、温度センサの設置箇所は少なくとも一箇
所あればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。

【００７２】図１８は、本発明の第３実施例を示すブロ
ック図である。第３実施例の熱変位補正装置１２ｂは、
温度センサＳ₂ で検出された温度を展開して熱変位の時
定数と略同じ時定数を有する仮想の位置Ｐ₁ における温
度変化を演算する創成温度演算手段３１ａと、この創成
温度演算手段３１ａで演算された創成温度変化に対応し
て変化する創成変位成分ΔＺ₃ を演算する熱変位演算手
段３２と、この熱変位演算手段３２で算出された熱変位
に基づいて加工誤差を補正する補正手段３３とを備えて
いる。

【００７３】好ましい態様として、熱変位補正装置１２
ｂは遅れ温度演算手段３４を更に備えている。遅れ温度
演算手段３４は、温度センサＳ₂ で検出された温度の温
度変化より遅れて表れる遅れ温度変化を、前記温度変化
に遅れを見込んで演算する。熱変位演算手段３２は、遅
れ温度演算手段３４で演算された遅れ温度変化に対応し
て変化する遅れ応答成分ΔＺ₄ を算出し、先の創成変位
成分ΔＺ₃ に加算する。この加算された熱変位に基づい
て、補正手段３３で加工誤差が補正され、その信号が出
力される。本第３実施例においては、先の第１，第２実
施例と同一又は相当機能部分の説明は省略する。

【００７４】以下に、第３実施例の具体的な手順を図１
９乃至図２８により説明する。図１９は第３実施例の動
作を示すフローチャート、図２０は、Ｚ軸熱変位と、ヘ
ッド位置で検出された温度の温度変化Ｔの代表例（サン
プル温度変化）との経時変化を示すグラフ、図２１はサ
ンプル温度変化とＺ軸熱変位との標準的関係を示すグラ
フである。図２２は、サンプル温度変化と、サンプル温
度変化より時定数の小さい温度変化“Ａ”と、サンプル
温度変化より時定数の大きい温度変化“Ｂ”とを示すグ
ラフである。図２３は図２２に示した温度変化に加え
て、サンプル温度変化を用いて創成した創成温度変化Ｙ
_3A，Ｙ_3B（図中「○」印）を示すグラフである。図２４
は創成温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラフ、図２
５は、Ｚ軸熱変位が遅れ応答成分を含んでいる場合の、
創成温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラフである。
図２６はサンプル温度変化と、サンプル温度変化より遅
れて表れる遅れ温度変化Ｃと、サンプル温度変化を用い
て創成した遅れ温度変化Ｙ₄ （図中「○」印）とを示す
グラフ、図２７は遅れ温度変化に対する遅れ応答成分を
示すグラフである。図２８は創成温度変化及び遅れ温度
変化から見積もった熱変位に対するＺ軸熱変位を示すグ
ラフである。

【００７５】第３実施例では、予めＺ軸方向の熱変位を
検出する。これと同時に、ヘッド温度センサＳ₂ で検出
される温度の温度変化のデータに基づいて、それぞれの
時定数を算出しておく。時定数を算出する手順は、先の
第１実施例においてＺ軸方向の熱変位の時定数を算出し
たものと同じである。図２０は、主軸が一定回転（回転
数Ｓ＝１０，０００〔min ^-1〕）の下で、ヘッド温度セ
ンサＳ₂ で検出した温度の温度変化Ｔの代表例（サンプ
ル温度変化）と、２つの例に係るＺ軸熱変位（熱変位
“Ａ，Ｂ”）の時系列データを示している。Ｚ軸熱変位
の時定数がサンプル温度変化Ｔの時定数τ_S より小さい
場合、即ち熱変位が早く表れる場合には、熱変位“Ａ”
（時定数τ_A ）となる。一方、前記熱変位時定数が前記
時定数τ_S より大きい場合、即ち、ゆっくりと熱変位が
表れる場合には、熱変位“Ｂ”（時定数τ_B ）となる。
したがって、ＭＣ１ａの熱変位特性により、実際には熱
変位“Ａ，Ｂ”のうちどちらか一方のデータになる。こ
こで抽出されたＺ軸熱変位の時定数とサンプル温度変化
Ｔの時定数との値のバランスは、工作機械毎に固有の熱
特性を表すものであり、主軸回転数等運転条件が変わっ
ても変化が少ない。したがって、一度両時定数を算出す
る作業を行なっておけばよい。

【００７６】次に、図１８及び図１９に示すように、Ｍ
Ｃ１ａを起動して工具７により工作物９の切削を開始す
る（ステップ３０１）。また、ヘッド位置の温度を検出
して（ステップ３０２）、創成温度演算手段３１ａに入
力する。

【００７７】しかしながら、例えば図２０のデータに基
づいて、サンプル温度変化Ｔと熱変位“Ａ”との関係、
及びサンプル温度変化Ｔと熱変位“Ｂ”との関係を表す
と、図２１に示すように、それぞれ弓状曲線５５，５６
になる。即ち、これらサンプル温度変化ＴとＺ軸熱変位
とが単純なリニアの関係にならないので、ヘッド位置か
ら随時検出した温度の温度変化から直ちに熱変位を見込
むことができない。

【００７８】そこで、「リニアライズ手法」により、ヘ
ッド位置から検出した温度の温度変化を用いて、熱変位
の時定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算す
る。図２２は、時定数をτ_S とするサンプル温度変化５
７と、熱変位“Ａ”と同じ時定数τ_A を有する温度変化
“Ａ”の模擬例５８と、熱変位“Ｂ”と同じ時定数τ_B
を有する温度変化“Ｂ”の模擬例５９とを示している。
曲線５７乃至５９で示す温度変化は、いずれも値Ｔ_max
で飽和するようになっており、各時定数の一例を以下に
示す。 τ_A ＝ ５〔min〕 τ_S ＝１０〔min〕 τ_B ＝１５〔min〕

【００７９】また、各温度変化５７乃至５９の挙動関係
は、下記の微分方程式（２６）乃至（２８）でそれぞれ
表現できる。 τ_S ・ｄＴ／ｄｔ＋Ｔ＝Ｘ ……（２６） τ_A ・ｄＹ_3A／ｄｔ＋Ｙ_3A＝Ｘ ……（２７） τ_B ・ｄＹ_3B／ｄｔ＋Ｙ_3B＝Ｘ ……（２８） なお、式（２７），（２８）は微分方程式の一般式（２
９）で表わすことができる。 τ_Z ・ｄＹ₃ ／ｄｔ＋Ｙ₃ ＝Ｘ ……（２９） ここで、Ｔ ：ヘッド温度センサＳ₂ で検出される温度
変化〔℃〕 Ｘ ：発熱部の温度変化〔℃〕 Ｙ₃ ：創成温度変化〔℃〕 Ｙ_3A：温度変化“Ａ”を創成する創成温度変化〔℃〕 Ｙ_3B：温度変化“Ｂ”を創成する創成温度変化〔℃〕 τ_Z ：Ｚ軸熱変位の時定数〔min〕 である。

【００８０】式（２６）によれば、サンプル温度変化Ｔ
から発熱部の温度変化Ｘが分かるので、この値Ｘを式
（２９）に代入する。すると、サンプル温度変化の時定
数τ_Sとは異なった時定数τ_Z を有する創成温度変化Ｙ
₃ が得られる。時定数τ_Z は、ＭＣ１ａの熱特性で定ま
るものであり、工作機械毎に固有の値である。

【００８１】実際に創成温度演算手段３１ａ（図１８）
で演算する場合には、微分方程式（２６），（２９）を
それぞれ離散化した次式（３０），（３１）の繰り返し
演算で解を算出することになる（ステップ３０３）。 Ｘ ＝τ_S ・(Ｔ−Ｔ₀)／Δｔ＋Ｔ₀ ……（３０） Ｙ₃＝(２Ｘ₀＋２Ｘ＋２τ_Z・Ｙ₃₀／Δｔ−Ｙ₃₀)/(２τ_Z/Δｔ＋１) ……（３１） ここで、Δｔ：演算インターバル〔min〕 Ｔ₀ ：前回のサンプル温度変化Ｔ入力〔℃〕 Ｘ₀ ：前回の温度変化Ｘ入力〔℃〕 Ｙ₃₀：前回の創成温度変化Ｙ₃ 出力〔℃〕 である。

【００８２】図２３は、サンプル温度変化Ｔ及び温度変
化“Ａ，Ｂ”に加えて、式（３０），（３１）によりサ
ンプル温度変化Ｔを用いて創成した創成温度変化Ｙ₃
（具体的には、創成温度変化Ｙ_3A又はＹ_3B）を「○」印
で表示している。この「○」印は、測定間隔即ち演算イ
ンターバルΔｔが１．０〔min〕 の場合を示している。
このように式（３０），（３１）を用いた繰り返し演算
により、任意の時定数を有する熱変位と略同じ時定数を
有する創成温度変化を創成することができる。

【００８３】創成温度変化Ｙ₃ は、熱変位と同じ時定数
を有しているので、図２４の直線６０に示すように、Ｚ
軸熱変位とリニアの関係になる。直線の傾きｇが、創成
温度変化Ｙ₃ と熱変位の相関を表している。熱変位演算
手段３２では、式（２４）を用いて創成温度変化Ｙ₃ か
ら熱変位（即ち、創成変位成分ΔＺ₃ ）を算出する（ス
テップ３０４）。

【００８４】以上述べたように、リニアライズ手法は、
基本的には時定数の小さい敏感な熱変位を、例えば発熱
源から離れたヘッド位置で検出した温度の温度変化Ｔか
ら見込むものである。この手法により算出される創成変
位成分ΔＺ₃ は、式（２）の即時応答成分ΔＺ₁ に相当
するものであり、この手法単独でも精度のよい熱変位補
正ができる。次に、遅れ応答成分ΔＺ₄ を考慮するか否
かを判別し（ステップ３０５）、考慮しない場合には、
熱変位演算手段３２で演算した結果に基づいて、補正手
段３３で加工誤差を補正する（ステップ３０６）。その
後、補正を終了するか否かを判別し（ステップ３０
７）、終了させる場合にはＭＣ１ａを停止して（ステッ
プ３０８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない
場合にはステップ３０２に戻る。

【００８５】一方、ステップ３０５の判断において遅れ
応答成分ΔＺ₄ を考慮する場合には、ヘッド温度センサ
Ｓ₂ で検出されたヘッド位置の温度を、遅れ温度演算手
段３４に入力する。コラム３等は、その質量が大きく、
また主な発熱源である主軸６とも離れているので、温度
変化が遅れるヘッド位置よりさらに遅れて温度変化が表
れる。この遅れ温度変化は、第１及び第２実施例の図
９，図１３で示したものと同様に、図２５の長時間経過
した領域Ｄで、創成温度変化Ｙ₃ とＺ軸熱変位とのリニ
アな相関に誤差を与える。

【００８６】遅れ応答成分ΔＺ₄ を考慮する場合には、
前述の「ダミー手法」を用いて、ヘッド温度センサＳ₂
で検出した温度の温度変化Ｔより遅れて表れる遅れ温度
変化Ｙ₄ の挙動を、ダミーの熱容量Ｃ₄ を設定して見込
む。遅れ温度変化Ｙ₄ を算出する式は次式になる。 Ｙ₄ ＝［Ｔ₀＋Ｔ＋（Ｃ₄／Δｔ）・Ｙ₄₀−Ｙ₄₀］／［（Ｃ₄／Δｔ）＋１］ ……（３２） ここで、Δｔ：演算インターバル〔min〕 Ｔ ：ヘッド温度センサＳ₂ で検出される温度の温度変
化入力 Ｔ₀ ：前回の温度変化Ｔ入力〔℃〕 Ｙ₄ ：遅れ温度変化出力〔℃〕 Ｙ₄₀：前回の遅れ温度変化Ｙ₄ 出力〔℃〕 Ｃ₄ ：ダミー熱容量〔min〕 である。

【００８７】図２６は、先のヘッド温度センサＳ₂ で検
出された温度の温度変化Ｔの代表例であるサンプル温度
変化５７と、遅れ応答成分と同じ熱的挙動を示す遅れ温
度変化の模擬例６１（温度変化Ｃ、時定数τ_C ）とを示
している。更に、図２６には、式（３２）によりサンプ
ル温度変化Ｔを用いて創成した遅れ温度変化Ｙ₄ を、
「○」印で表示している。温度変化Ｃは長時間経過する
と、飽和値Ｔ_max でサンプル温度変化Ｔに等しくなるこ
とを前提にしており、「○」印は、測定間隔即ち演算イ
ンターバルΔｔが１.０〔min〕の場合を示している。こ
のように、式（３２）の熱容量Ｃ₄ を適宜選択した繰り
返し演算により、任意の時定数τ_C （τ_C ＞τ_S ）の温
度変化Ｃと略同じ温度変化の挙動をする遅れ温度変化Ｙ
₄ を創成することができる。

【００８８】この遅れ温度変化Ｙ₄ と遅れ応答成分と
は、図２７に示すようにリニアの関係の直線６２になる
ので、先の式（２５）が成立する。実際には、温度変化
Ｃを抽出する手順を踏む必要は特にはない。例えば、サ
ンプル温度変化Ｔを用いて、式（３２）のダミー熱容量
Ｃ₄ 及び式（２５）の内部補正係数ｈを適宜選択した繰
り返し演算結果が、先の図２５におけるＺ軸熱変位（領
域Ｄを含む線）から直線６０を差し引いた誤差に一致す
るように、熱容量Ｃ₄ と係数ｈの最良値が決定される。
ここで決まる熱容量Ｃ₄ と係数ｈの値は工作機械毎に固
有の値であり、この作業は一度行なっておけばよい。遅
れ温度演算手段３４では、ダミー熱容量Ｃ₄ が確定した
式（３２）を用いて、ヘッド温度センサＳ₂で検出され
る温度の温度変化Ｔに対応する遅れ温度変化Ｙ₄を演算
する（ステップ３０９）。次いで、この遅れ温度変化Ｙ
₄ を、内部補正係数ｈが確定した式（２５）に代入する
と、遅れ応答成分ΔＺ₄ が得られる（ステップ３１
０）。先に、式（２４）を用いて創成変位成分ΔＺ₃ を
算出した熱変位演算手段３２では、このようにして算出
した遅れ応答成分ΔＺ₄ を創成変位成分ΔＺ₃ に加算し
て、Ｚ軸熱変位ΔＺを演算する（ステップ３１１）。

【００８９】図２８の縦軸は実測されたＺ軸熱変位であ
り、横軸はサンプル温度変化Ｔを用いてステップ３１１
までの手順を経て見積もったＺ軸熱変位ΔＺである。こ
の熱変位ΔＺの演算には、全体補正係数“ａ”を１とし
た次式を用いている。 ΔＺ＝ｇ・Ｙ₃ ＋ｈ・Ｙ₄ ……（３３） 図２８に示す実測された縦軸のＺ軸熱変位と、式（３
３）で求めた横軸のＺ軸熱変位ΔＺの値とは、４５°の
傾きの直線６３上で略一致する。これは両者が同じ値で
あることを意味している。したがって、機体１０の主軸
受２０の発熱の影響を受ける箇所に設置したヘッド温度
センサＳ₂ の温度データにより、Ｚ軸熱変位を十分高精
度に予測することができる。

【００９０】このようにして、ステップ３１１で演算さ
れたＺ軸熱変位ΔＺに基づいて補正手段３３で加工誤差
を補正することにより熱変位補正がなされて（ステップ
３１２）、工作物９を高精度で切削加工することができ
る。その後、補正終了か否かを判別し（ステップ３０
７）、終了させる場合にはＭＣ１ａを停止して（ステッ
プ３０８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない
場合にはステップ３０２に戻る。

【００９１】（第４実施例）次に、リニアライズ手法を
応用した第４実施例を、図２９乃至図３２により説明す
る。前記第１乃至第３実施例では、主として、熱変位の
原因となる発熱源の数が１個の例を説明したが、本発明
では、熱変位の原因となる発熱源が複数あって、且つ発
熱源の影響が互いに独立していると想定される場合に
も、展開可能な式の構成になっている。本第４実施例
は、複数の発熱源（いわゆる多熱源）が互いに影響し合
いながら熱変位を発生させる工作機械の場合であり、先
の各実施例では説明されていなかった部分を補足する。

【００９２】図２９はブロック図、図３０は主軸台断面
図である。ＮＣ旋盤６４は、機体としての主軸台６６を
発熱源とする工作機械である。図示するように、ＮＣ旋
盤６４は、チャック６５及び爪６７を介して工作物６８
を把持する主軸６９と、主軸台６６と、ビルトインモー
タ７０とを備えている。主軸台６６は、主軸６９を軸支
する加工位置側の前軸受７１及び反加工位置側の後軸受
７２を介して主軸６９を回転自在に支持している。ロー
タ７０ａを含むモータ７０は、前，後の軸受７１，７２
の間に配設されるとともに主軸台６６に内蔵されて、主
軸６９を回転駆動する。後軸受７２には、主軸６９を中
心軸方向０₁ に対して位置決めするアンギュラ玉軸受が
使用されている。熱変位で伸縮する主軸６９は、前軸受
７１内を中心軸方向Ｏ₁ に伸縮可能になっている。工作
物６８に近い前軸受７１には大きな荷重がかかるので、
この荷重に耐えて切削性能を向上させるために、前軸受
７１には定格荷重の大きい複列円筒ころ軸受が使用され
ている。なお、ここで示した構造は、主軸６９をベルト
で駆動する構造のものと比べて、ビルトインモータ７０
で主軸６９を直接駆動しているので高速回転が可能であ
る。また、主軸６９の振動を抑えることができるので高
精度な切削加工ができる。

【００９３】ＮＣ旋盤６４を起動してビルトインモータ
７０のロータ７０ａを回転させ、前，後の軸受７１，７
２及びロータ７０ａがそれぞれ発熱すると、主軸６９は
前方（図中右方）に伸びて工作物６８を中心軸方向Ｏ₁
に移動させて加工精度を低下させることになる。そのた
め、熱変位補正装置１２ｂでは、発熱源となる前，後の
軸受７１，７２，及びモータ７０のステータの各近傍に
それぞれ位置するように３本の温度センサｓ₁，ｓ₂, ｓ
₃ を、主軸台６６に取付けている。

【００９４】このようにＺ軸方向（即ち、中心軸方向Ｏ
₁ ）の熱変位に影響する発熱源が複数ある場合も、例え
ば前記リニアライズ手法を応用することによって高精度
な熱変位補正ができる。温度検出手段としての温度セン
サｓ₁，ｓ₂, ｓ₃ の各出力信号は、回路３６ａ，３６
ｂ，３６ｃを介してＡ／Ｄ変換器１３に入力し、Ａ／Ｄ
変換器１３からの出力信号は、創成温度演算手段３１ａ
及び遅れ温度演算手段３４に入力される。なお、その他
の構成については第３実施例と同様であるので、説明を
省略する。

【００９５】多熱源の場合、各発熱源の影響による熱変
位を、熱変位演算手段３２により個別に演算する。Ｚ軸
方向の総合熱変位Δｚは次の一般式で示される。 Δｚ＝ａ・（Δｚ₁ ＋Δｚ₂ ＋……＋Δｚ_n ） ……（３４） Δｚ₁ ＝β₁ ・Ｙ_A1＋γ₁ ・Ｙ_B1 Δｚ₂ ＝β₂ ・Ｙ_A2＋γ₂ ・Ｙ_B2 … … Δｚ_n ＝β_n ・Ｙ_An＋γ_n ・Ｙ_Bn ここで、Δｚ：Ｚ軸総合熱変位 Δｚ₁ 乃至Δｚ_n ：第１番目乃至第ｎ番目の発熱源によ
るＺ軸方向の熱変位 ａ ：全体補正係数（式（２）のものに同じ） β₁ 乃至β_n ：創成温度変化に係る内部補正係数 γ₁ 乃至γ_n ：遅れ温度変化に係る内部補正係数 Ｙ_A1乃至Ｙ_An：創成温度変化 Ｙ_B1乃至Ｙ_Bn：遅れ温度変化 である。したがって、第３実施例の式（３３）は、式
（３４）の第１項の熱変位Δｚ₁に相当する。また、第
３実施例では発熱源が１個なので、式（３４）の第２項
以下の項を零として演算したことになる。

【００９６】本第４実施例では発熱源が３個なのでｎ＝
３となり、式（３４）は以下のように展開できる。 Δｚ＝ａ・（Δｚ₁ ＋Δｚ₂ ＋Δｚ₃ ） ……（３５） Δｚ₁ ＝Ｋ₁ ・Δｚ Δｚ₂ ＝Ｋ₂ ・Δｚ ……（３６） Δｚ₃ ＝Ｋ₃ ・Δｚ Ｋ₁ ＝Ｐ・Ｔ₁ ／（Ｐ・Ｔ₁ ＋Ｑ・Ｔ₂ ＋Ｒ・Ｔ₃ ） Ｋ₂ ＝Ｑ・Ｔ₂ ／（Ｐ・Ｔ₁ ＋Ｑ・Ｔ₂ ＋Ｒ・Ｔ₃ ） …（３７） Ｋ₃ ＝Ｒ・Ｔ₃ ／（Ｐ・Ｔ₁ ＋Ｑ・Ｔ₂ ＋Ｒ・Ｔ₃ ） ここで、Ｔ₁ ：温度センサｓ₁ で検出された温度の温度
変化 Ｔ₂ ：温度センサｓ₂ で検出された温度の温度変化 Ｔ₃ ：温度センサｓ₃ で検出された温度の温度変化 Ｐ，Ｑ，Ｒ：内部補正係数 である。

【００９７】前記三つの式（３７）における内部補正係
数Ｐ，Ｑ，Ｒは、各温度変化Ｔ₁ 乃至Ｔ₃ の重みを意味
しており、３回以上の発熱条件を変えたテストにおける
サンプル温度変化の飽和値の違いから下式により決定さ
れる。ここで決まる係数Ｐ，Ｑ，Ｒの値のバランスは、
工作機械のタイプ毎に固有の熱特性を表すものであり、
主軸回転数等の運転条件が変わっても変化が少ないの
で、この作業は一度行なっておけばよい。 Ｐ・Ｔ_1S＋Ｑ・Ｔ_2S＋Ｒ・Ｔ_3S＝Δｚ ……（３８） ここで、Ｔ_1S：サンプル温度変化Ｔ₁ の飽和値 Ｔ_2S：サンプル温度変化Ｔ₂ の飽和値 Ｔ_3S：サンプル温度変化Ｔ₃ の飽和値 である。

【００９８】内部補正係数Ｐ，Ｑ，Ｒの値を式（３７）
に代入することによって、係数Ｋ₁，Ｋ₂ ，Ｋ₃ の値が
定まるので、三つの式（３６）は図３１のように表現で
きる。この結果、発熱源７１，７２，７０ａの影響によ
る各熱変位Δｚ₁ ，Δｚ₂ ，Δｚ₃ と各サンプル温度変
化との相関関係は、リニアライズ手法等によってリニア
にすることが可能になる。図３１は各発熱源のＺ軸熱変
位を示すグラフである。ＮＣ旋盤など旋削工作機械は、
通常は熱容量が小さいためＭＣと比べて熱変位が敏感に
表われるので、温度センサの取付け位置の制約のない第
３実施例の手法は特に有効である。また、第３実施例の
手法を用いれば、一つの発熱源につき一個の温度センサ
を設ければよいので、多熱源を有するＮＣ旋盤６４等の
場合に温度センサの数を減らすことができる。

【００９９】図３２は、リニアライズ手法とダミー手法
を組合せてＮＣ旋盤６４を実機運転した場合の、Ｚ軸熱
変位の実測データを示すグラフである。図示するよう
に、図中実線７３，７４で示す補正前の熱変位は約７０
〔μｍ〕であった。これに対して、本発明に係る熱変位
の補正を行なった場合は、図中破線７３ａ，７４ａで示
すように、熱変位は±１０〔μｍ〕以下にまで小さくな
る。なお、図中の符号Ｓは主軸回転数を意味する。

【０１００】（第５実施例）次に、第５実施例を図３３
乃至図３７により説明する。第５実施例では、本発明に
係る前述の各手法のいずれかを、複数の主軸を有する工
作機械に適用して熱変位補正を行なっている。主軸は工
作物及び工具のいずれか一方を把持している。この主軸
の温度を温度調節装置により調節して各主軸の熱変位を
略均等にし、温度検出手段により少なくとも一つの主軸
について機体の温度変化を検出して、熱変位補正を行な
っている。なお、第５実施例において、前記各実施例と
同一又は相当部分には同一符号を付してその説明を省略
する。

【０１０１】例えば、図３３に示す工作機械は多軸ヘッ
ドを有する立形のＭＣ７５であり、４個の工作物を４本
の工具で同一形状に同時加工するのに使用される。ベッ
ド７６に固定され床面上に立設しているコラム７７の上
部には、Ｙ軸方向即ち水平方向に向けて配設されたクロ
スレール７８が固定されている。クロスレール７８に
は、サドル７９がＹ軸方向に移動可能に取付けられてお
り、クロスレール７８に設けられたＹ軸サーボモータ８
０によりサドル７９は往復移動する。サドル７９には主
軸頭８１がＺ軸方向に移動可能に取付けられている。主
軸頭８１は、サドル７９に設けられたＺ軸サーボモータ
８２によりサドル７９に対してＺ軸方向に往復移動し、
クロスレール７８に対してはサドル７９とともにＹ軸方
向に往復移動する。主軸頭８１には、Ｚ軸方向を向いて
いる複数（例えば４本）の主軸６ａ乃至６ｄが並設され
ており、各主軸の先端には工具７ａ乃至７ｄがそれぞれ
装着されている。

【０１０２】ベッド７６上には、主軸と同数（例えば４
個）の工作物９ａ乃至９ｄを載置するためのテーブル８
３が、Ｘ軸方向に移動可能に取付けられている。テーブ
ル８３は、ベッド７６に設けられたＸ軸サーボモータ８
４により往復移動する。コラム７７の横には、冷却油供
給装置８５が設置されている。この冷却油供給装置８５
は、主軸６ａ乃至６ｄの温度を調節して各主軸の熱変位
を略均等にするための温度調節装置としての主軸冷却装
置を構成している。

【０１０３】図３４は主軸冷却装置８７の説明図であ
る。図示するように、主軸６ａ乃至６ｄの軸受近傍に
は、冷却油を流して軸受を冷却するための流路８５ａ乃
至８５ｄがそれぞれ形成されている。冷却油供給装置８
５から供給された冷却油は、配管８８ａ乃至８８ｄをそ
れぞれ流れ、手動又は自動で操作される流量調整弁８９
ａ乃至８９ｄで流量を調整される。これにより、各主軸
６ａ乃至６ｄの温度が個別に調節される。冷却油は、流
路８５ａ乃至８５ｄを流れ、主軸６ａ乃至６ｄの軸受を
冷却したのち、供給装置８５に戻ってここで冷却されて
再び循環使用される。なお、流量調節の代わりに又はこ
れに加えて冷却油温度を供給装置８５で調節することに
より、主軸温度を主軸毎に調節するようにしてもよい。
また、冷却油の代わりにクーラント（切削油剤）又は水
を使用してもよい。

【０１０４】ところで、４本の主軸が回転した場合の熱
変位を比較すると、図中左右両側の主軸６ａ，６ｄの熱
変位の方が、内側の主軸６ｂ，６ｃよりも通常は小さ
い。これは各主軸の取付け場所の違いによるためであ
る。即ち、両側の主軸６ａ，６ｄの軸受で発生した熱
は、主軸頭８１に速やかに伝導して、この主軸６ａ，６
ｄの温度上昇を抑えるからである。そこで、熱変位の最
も小さい代表主軸６ａの発熱部近傍に位置するように主
軸頭８１に温度検出手段としてのノーズ温度センサＳ₁
を取付けている。このセンサＳ₁ で機体８６の温度変化
を検出することにより、前記各実施例における熱変位補
正装置１２，１２ａ，１２ｂを用いた手法で、代表主軸
６ａに対する熱変位補正を行なっている。そして、流量
調整弁８９ａ乃至８９ｄで流量調節（及び／又は、油の
温度調節）をして各主軸を冷却することによって、他の
３本の主軸６ｂ乃至６ｄの熱変位を代表主軸６ａの熱変
位に略一致させ、これにより、主軸間の熱変位のばらつ
きをなくしている。なお、代表主軸６ａは熱変位が最小
なので、この主軸６ａの冷却はしないか又はわずかに冷
却し、他の主軸６ｂ乃至６ｄの冷却油を調節すれば、供
給装置８５からの油の供給量が全体として少なくなるの
で好ましい。

【０１０５】図３５は、主軸冷却装置８７に代えて主軸
加熱装置９０を温度調節装置として用いた場合を示して
いる。図示するように、主軸６ａ乃至６ｄの近傍に、ヒ
ータ９１ａ乃至９１ｄなど加熱部材をそれぞれ配設して
いる。各ヒータ９１ａ乃至９１ｄに流れる電流を電流制
御装置９１により個別に制御することにより、ヒータ９
１ａ乃至９１ｄの発熱量を調節している。電流制御の方
が、冷却油の量や温度の制御より容易で応答も早く、し
かも主軸加熱装置全体がコンパクトになるので好まし
い。この場合には、熱変位が最大の主軸例えば６ｂを代
表主軸にしてこの主軸６ｂの近傍にノーズ温度センサＳ
₁ を取付けて、機体８６の温度変化を検出している。そ
して、電流制御装置９１で電流を制御して各主軸を加熱
することによって、他の３本の主軸６ａ，６ｃ，６ｄの
熱変位を代表主軸６ｂの熱変位に略一致させて、主軸間
の熱変位のばらつきをなくしている。なお、代表主軸６
ｂを加熱しないか又はわずかに加熱して、他の主軸の温
度を調節すれば、主軸加熱装置９０全体の電流が少なく
なるので好ましい。

【０１０６】本実施例では、センサＳ₁ とは別に、主軸
位置より離れた任意の位置（例えば、主軸頭８１の適当
箇所）に配置されてこの位置の機体８６の温度変化を検
出するヘッド温度センサＳ₂ が、必要に応じて取付けら
れる。したがって、ミックス手法単独又はミックス手法
とダミー手法とを組合せた前述の各方法による熱変位補
正もできる。各センサＳ₁ ，Ｓ₂ の出力信号は、熱変位
補正装置１２，１２ａ，１２ｂのＡ／Ｄ変換器１３に入
力したのち、前記各実施例と同様に処理される。なお、
図３４，図３５に鎖線で示すように、代表主軸以外の各
主軸の近傍にも温度センサＳ₁₀をそれぞれ取付け、各主
軸の温度を検出することが好ましい。センサＳ₁₀で検出
された温度の温度変化は熱変位補正には用いないが、こ
の温度変化から各主軸の熱変位を推定して、主軸冷却装
置８７又は主軸加熱装置９０により、主軸間の熱変位の
ばらつきをなくする管理をすることができる。

【０１０７】図３６は、主軸冷却装置８７を用いた場合
の本実施例の手順を示すフローチャートである。なお、
下記説明中のカッコ内には、主軸加熱装置９０を用いた
場合を記載している。まず初めに、調節弁８９ａ乃至８
９ｄを操作して、各主軸６ａ乃至６ｄに流れる冷却油の
流量（又は、ヒータ９１ａ乃至９１ｄの電流）を必要最
少限に絞る（ステップ４０１）。次いで、全主軸の同期
回転を開始する（ステップ４０２）。一定の回転数で運
転して所定時間経過後、各主軸の伸びによる主軸先端部
におけるＺ軸方向の熱変位を実測する（ステップ４０
３）。各主軸の熱変位即ち伸び量が略同一になるよう
に、各主軸の流路８５ａ乃至８５ｄに流れる流量を調節
弁８９ａ乃至８９ｄにより（又は、ヒータ９１ａ乃至９
１ｄの電流を電流制御装置９１により）調節して、この
調節量を設定する（ステップ４０４）。全主軸の回転を
停止し、機体８６全体が十分に放熱するまで運転を停止
する（ステップ４０５）。

【０１０８】その後、全主軸の同期回転を再開し、ステ
ップ４０４で設定された調節量に従って冷却油（又は電
流）を各主軸にそれぞれ流す（ステップ４０６）。次
に、代表主軸６ａ（又は６ｂ）の先端部におけるＺ軸方
向の熱変位を時系列データとして実測するとともに、機
体８６の温度変化をセンサＳ₁ ，Ｓ₂ の一方又は両方に
より検出する（ステップ４０７）。こうして検出された
温度変化を用い、前記各実施例と同様にして、ノーズ温
度時定数τ_N ，ヘッド温度時定数τ_H ，サンプル温度時
定数τ_S 等を抽出し、さらにダミー熱容量及び内部補正
係数を算出する。そして、これらの値を熱変位補正装置
１２，１２ａ，１２ｂにセットする（ステップ４０
８）。ステップ４０９で補正を開始し、代表主軸による
熱変位補正を実行する（ステップ４１０）。ステップ４
１１で補正を終了する場合は全主軸の同期回転を停止し
（ステップ４１２）、全体の手順が終了する。停止しな
い場合にはステップ４１０に戻る。

【０１０９】図３３に示すように、補正装置１２，１２
ａ，１２ｂで算出して補正された代表主軸の熱変位は、
プログラマブルコントローラ１５を介して数値制御装置
１６に送信され、Ｚ軸サーボモータ８２にフィードバッ
クされる。これにより、Ｚ軸サーボモータ８２が、主軸
頭８１をＺ軸方向に微小距離移動させて位置補正をす
る。主軸冷却装置８７（又は、主軸加熱装置９０）によ
り、代表主軸と他の主軸との熱変位を略均等にしている
ので、４個の工作物９ａ乃至９ｄを主軸６ａ乃至６ｄに
装着した工具７ａ乃至７ｄにより高精度に同時加工する
ことができる。

【０１１０】図３７は複数の主軸を有する工作機械の平
面構造を含むブロック図で、第５実施例の応用例であ
る。図示する工作機械は多軸ＮＣ旋盤９２であり、第４
実施例と同様の構造の主軸台６６及び主軸６９を２組備
えている。したがって、このＮＣ旋盤９２は多熱源及び
多軸を有していることになる。ベッド９３上には、２台
の主軸台６６が並設され、且つ、サドル９４がＺ軸方向
に移動可能に取付けられている。サドル９４はＺ軸サー
ボモータ９５により往復移動する。サドル９４上には、
クロススライド９６がＸ軸方向に移動可能に取付けられ
ており、Ｘ軸サーボモータ９７により往復移動する。ク
ロススライド９６上には、工具９８を有するブロック９
９が複数取付けられている。チャック６５等を介して工
作物を把持する主軸６９が回転することにより、工作物
を工具９８で切削加工する。ベッド９３には、図３４に
示す主軸冷却装置８７と同様の原理の主軸冷却装置を構
成する冷却油供給装置１００が設置されている。この主
軸冷却装置は、２本の主軸６９の温度を個別に調節し
て、両主軸の熱変位を略均等にするためのものである。

【０１１１】両主軸６９の前，後の軸受７１，７２及び
ビルトインモータ７０（図３０）の近傍には、冷却油を
流して主軸の伸びを抑えるための流路が主軸台６６内に
形成されている。主軸冷却装置は、図３４と同様の配管
及び流量調節弁を有しており、各主軸６９への流量の調
節を個別にできるようになっている。一方の主軸台６６
には、センサｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ が第４実施例と同じよう
に取付けられているので、熱変位補正装置１２ｂにより
第４実施例と同様にして熱変位補正がなされる。センサ
ｓ₁ ，ｓ₂ ，ｓ₃ が取付けられている方の主軸６９を代
表主軸とし、主軸冷却装置によりこの代表主軸６９と他
方の主軸６９の熱変位を略一致させて、主軸間の熱変位
のばらつきをなくしている。図３６に示す手順と同様に
して代表主軸の熱変位補正をすれば、代表主軸６９と他
方の主軸６９にそれぞれ把持されている工作物を、各工
具９８により高精度で同時加工することができる。な
お、第５実施例では代表主軸が１本の場合を示したが、
同時加工を行なわない場合には、複数の代表主軸をそれ
ぞれ独立して熱変位補正してもよい。また、ペルチェ効
果を応用した冷却装置又は加熱装置を温度調節装置とし
て使用してもよい。

【０１１２】ところで、多軸形の従来の工作機械には、
発熱による主軸の伸びを少なくするために、多量の冷却
油等を各主軸軸受近傍の流路に流して強力に冷却するも
のもある。この手法は、各主軸の熱変位を物理的に零に
近づけることにより、各主軸の熱変位とばらつきとを同
時に吸収しようとするものである。しかしながら、この
手法での熱変位の吸収には限界があり、熱変位を＋１０
〔μｍ〕以下にすることは不可能である。また、多量の
冷却油を循環させるので、大容量の冷却装置が必要であ
り、大量のエネルギが無駄になる。また、強い冷却効果
により軸受にひずみが生じて主軸が焼付く虞もある。こ
れに対して、第５実施例は、各主軸の熱変位を物理的に
零に近づけるのではなく、各主軸間の熱変位のばらつき
をなくするように、代表主軸と他の主軸の熱変位を略一
致させるとともに、代表主軸の熱変位補正を行なってい
る。したがって、補正後の加工誤差を零に近づけること
ができ、主軸冷却装置８５は小型のもので十分であり、
エネルギ消費も少ない。また、冷却効果が弱いので軸受
が焼付くこともない。

【０１１３】なお、第１乃至第５実施例では繰り返し演
算を行なっている。したがって、図１，図２，図１８，
図２９，図３７に示すように、前回の演算結果を記憶
し、工作機械の電源をオフして再度オンするまでの間の
時間も記憶する記憶手段３５を、熱変位補正装置１２，
１２ａ，１２ｂに設けることが好ましい。記憶手段３５
は、遅れ温度演算手段３４，３４ａ，３４ｂ，創成温度
演算手段３１ａとの間でデータの授受を行なうことにな
る。このようにすれば、電源をオフした場合でも、熱変
位補正の演算の経歴が保存されるので繰り返し演算が有
効になる。

【０１１４】また、ミックス手法と組合せるダミー手
法，又はリニアライズ手法と組合せるダミー手法を用い
る場合に、工作機械のコラム，ベッド，クロスレール等
に別途設けた温度センサにより機体の温度変化を検出し
てもよい。なお、本発明における温度検出手段としては
温度センサの代わりに、温度変化による機体の伸縮を検
出するひずみゲージ（Strain gauge）を使用してもよ
い。即ち、機体の温度変化を温度センサにより直接検出
する代りに、温度変化と同様の出力特性を有するひずみ
ゲージを機体に取付ける。そして、このゲージの出力信
号をＡ／Ｄ変換器１３に入力させれば、実質的に温度変
化を検出するのと同じことになり同様の作用効果を奏す
る。ところで、各実施例における相関は一定の対応関係
があればよく、一次の相関以外の場合でもよい。

【０１１５】本発明は、従来のような機体構成部分の長
さを使用していないので、機体構造上の長さの制約がな
く、また、機体構成部分の長さ測定や回転数を種々変え
てデータの実測作業をする必要はない。したがって、回
転数の測定は１回のみでよいことになり、実機を用いた
熱変位特性抽出の実測作業が簡略化される。また、機体
構成材料の線膨張係数の確認作業も不要である。

【０１１６】また、温度センサは任意の位置に取付けて
よいので、温度センサの取付位置の制約が緩和されると
同時に、少数（例えば、一つの発熱源について１本又は
２本）の温度センサのみで熱変位を精度よく見込むこと
ができる自由度の高いものにすることができる。また、
機体の温度に基づいて補正をしており、室温を直接検出
していない。したがって、例えば冬季に部屋の扉を開け
たり夏季にクーラーを運転するなどして室温が急激に変
化しても、室温による影響がなくなり、補正の精度を高
精度に維持することができる。また、本発明の熱変位補
正方法及びその装置は、熱変位が機械の精度や性能に悪
影響を与える他の種類の機械、例えば印刷機械，プレ
ス，レーザ加工機等の自動制御機械に適用しても、同様
の作用効果を奏する。この自動制御機械は、ＮＣ装置等
の自動制御装置によって制御されている。なお、各図中
同一符号は同一又は相当部分を示す。

【０１１７】

【発明の効果】本発明は上述のように構成したので、熱
変位に対する補正を高精度で行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すブロック図である。

【図２】本発明の第２実施例を示すブロック図である。

【図３】第１実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図４】第２実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図５】Ｚ軸熱変位の経時変化を示すグラフである。

【図６】ノーズ位置とヘッド位置でそれぞれ検出された
温度の温度変化と、合成温度変化を示すグラフである。

【図７】ノーズ温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグ
ラフである。

【図８】ヘッド温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグ
ラフである。

【図９】合成温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラフ
である。

【図１０】遅れ温度変化を演算する手法を説明するグラ
フである。

【図１１】温度変化から遅れ応答成分を演算する手法を
示すグラフである。

【図１２】演算されたＺ軸熱変位と実測されたＺ軸熱変
位との関係を示すグラフである。

【図１３】遅れ温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラ
フである。

【図１４】Ｚ軸熱変位の実測データを示すグラフであ
る。

【図１５】Ｚ軸熱変位の他の実測データを示すグラフで
ある。

【図１６】Ｙ軸熱変位の実測データを示すグラフであ
る。

【図１７】Ｙ軸熱変位の他の実測データを示すグラフで
ある。

【図１８】本発明の第３実施例を示すブロック図であ
る。

【図１９】第３実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図２０】サンプル温度変化及びＺ軸熱変位を示すグラ
フである。

【図２１】サンプル温度変化とＺ軸熱変位との関係を示
すグラフである。

【図２２】サンプル温度変化及び温度変化“Ａ，Ｂ”を
示すグラフである。

【図２３】サンプル温度変化，温度変化“Ａ，Ｂ”，及
び創成温度変化を示すグラフである。

【図２４】創成温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグ
ラフである。

【図２５】Ｚ軸熱変位が遅れ応答成分を含んでいる場合
の、創成温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグラフで
ある。

【図２６】サンプル温度変化，遅れ温度変化，及び創成
した遅れ温度変化を示すグラフである。

【図２７】遅れ温度変化と遅れ応答成分との関係を示す
グラフである。

【図２８】創成温度変化及び遅れ温度変化から見積もっ
た熱変位と、Ｚ軸熱変位との関係を示すグラフである。

【図２９】第４実施例を示すブロック図である。

【図３０】ＮＣ旋盤の主軸台の断面図である。

【図３１】各発熱源のＺ軸熱変位を示すグラフである。

【図３２】Ｚ軸熱変位の実測データを示すグラフであ
る。

【図３３】第５実施例を示すブロック図である。

【図３４】主軸冷却装置の説明図である。

【図３５】主軸加熱装置の説明図である。

【図３６】第５実施例の動作を示すフローチャートであ
る。

【図３７】第５実施例の応用例を示す図で、複数の主軸
を有する工作機械の平面構造を含むブロック図である。

【符号の説明】

１，１ａ，７５ 立形マシニングセンタ（工作機械） ５，５ａ，８１ 主軸頭 ６，６ａ乃至６ｄ，６９ 主軸 ７，７ａ乃至７ｄ，９８ 工具 ９，９ａ乃至９ｄ，６８ 工作物 １０，６６，８６ 機体 １２，１２ａ，１２ｂ 熱変位補正装置 ２０ 主軸受 ２１ ビルトインモータ ２２ 上部軸受（他の軸受） ３１ 合成温度演算手段（温度演算手段） ３１ａ 創成温度演算手段（温度演算手段） ３２ 熱変位演算手段 ３３ 補正手段 ３４ 遅れ温度演算手段（温度演算手段） ３４ａ 第１の遅れ温度演算手段（温度演算手段） ３４ｂ 第２の遅れ温度演算手段（温度演算手段） ６４ ＮＣ旋盤（工作機械） ６６ 主軸台 ７０ ビルトインモータ ７１ 前軸受 ７２ 後軸受 ９２ 多軸ＮＣ旋盤（工作機械） Ｏ₁ 中心軸方向 Ｓ₁ ノーズ温度センサ（温度検出手段） Ｓ₂ ヘッド温度センサ（温度検出手段） Ｓ₃ 温度センサ（温度検出手段） ｓ₁ 乃至ｓ₃ 温度センサ（温度検出手段）

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱源の影響を受ける機体の温度変化を
   検出し、 この検出された温度変化を用いて、工作機械の熱変位の
   時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算し、 この演算された温度変化に対応して変化する熱変位に基
   づいて加工誤差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】 発熱源の影響を受ける機体の温度変化を
   検出し、 この検出された温度変化を用いて、工作機械の熱変位の
   時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算し、 この演算された温度変化に対応して変化する熱変位を演
   算し、 前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、 この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記熱変位
   と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答
   成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算し、 この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、
   前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づい
   て、加工誤差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。
3. 【請求項３】 発熱源の影響を受けて互いに時定数の異
   なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温
   度変化を検出し、 この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変
   位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算
   し、 この合成温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて
   加工誤差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。
4. 【請求項４】 発熱源近傍の機体の温度変化を検出し、 この検出された温度変化に遅れを見込んで、工作機械の
   熱変位の時定数と略同じ時定数を有する遅れ温度変化を
   演算し、 この遅れ温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて
   加工誤差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。
5. 【請求項５】 発熱源の影響を受ける機体の適当箇所の
   温度変化を検出し、 この検出された温度変化を用いて前記発熱源の温度変化
   を演算し、 この発熱源の温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時
   定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算し、 この創成温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて
   加工誤差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。
6. 【請求項６】 発熱源の影響を受けて互いに時定数の異
   なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温
   度変化を検出し、 この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変
   位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算
   し、 この合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算し、 前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、 この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記熱変位
   と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答
   成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算し、 この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、
   前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づい
   て、加工誤差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。
7. 【請求項７】 発熱源近傍の機体の温度変化を検出し、 この検出された温度変化に遅れを見込んで、工作機械の
   熱変位の時定数と略同じ時定数を有する第１の遅れ温度
   変化を演算し、 この第１の遅れ温度変化に対応して変化する熱変位を演
   算し、 前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、 この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記熱変位
   と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答
   成分と略同じ経時特性を有する第２の遅れ温度変化を演
   算し、 この第２の遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成
   分を、前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基
   づいて、加工誤差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。
8. 【請求項８】 発熱源の影響を受ける機体の適当箇所の
   温度変化を検出し、 この検出された温度変化を用いて前記発熱源の温度変化
   を演算し、 この発熱源の温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時
   定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算し、 この創成温度変化に対応して変化する熱変位を演算し、 前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、 この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記熱変位
   と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答
   成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算し、 この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、
   前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づい
   て、加工誤差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。
9. 【請求項９】 前記工作機械は、主軸頭を前記発熱源と
   するマシニングセンタ、及び主軸台を前記発熱源とする
   ＮＣ旋盤のいずれか一方であることを特徴とする請求項
   １乃至８のいずれかの項に記載の工作機械の熱変位補正
   方法。
10. 【請求項１０】 工作物及び工具のいずれか一方を把持
    する主軸と、 この主軸を軸支する加工位置側の主軸受及び反加工位置
    側の他の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主
    軸頭と、 前記両軸受の間に配設され、前記主軸頭に内蔵されて前
    記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、 前記主軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決め
    し、前記他の軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中
    心軸方向に摺動可能に保持し、 前記発熱源の影響を受けるヘッド位置で前記温度変化を
    検出するヘッド温度センサを前記主軸頭に取付けたこと
    を特徴とする請求項１，２，５又は８に記載の工作機械
    の熱変位補正方法。
11. 【請求項１１】 工作物及び工具のいずれか一方を把持
    する主軸と、 この主軸を軸支する加工位置側の前軸受及び反加工位置
    側の後軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸
    台と、 前記前，後の軸受の間に配設され、前記主軸台に内蔵さ
    れて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備
    え、 前記後軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決め
    し、前記前軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心
    軸方向に摺動可能に保持し、 前記発熱源となる前記前，後の軸受及び前記ビルトイン
    モータの各近傍で温度変化をそれぞれ検出する３本の温
    度センサを前記主軸台に取付けたことを特徴とする請求
    項１，２，５又は８に記載の工作機械の熱変位補正方
    法。
12. 【請求項１２】 工作物及び工具のいずれか一方を把持
    し且つ同期して回転する複数の主軸を主軸頭に有し、 前記複数の主軸の回転に伴う発熱特性の違いを、前記各
    主軸のノーズ部に設けたジャケットに流れる冷却油量又
    は冷却油温度を制御するか、あるいは前記各主軸のノー
    ズ部に設けたヒータの通電量を制御して、熱変位の均一
    化した主軸頭を有する構成であって、 前記主軸の少なくとも一つを前記発熱源に採用したこと
    を特徴とする請求項１乃至８のいずれかの項に記載の工
    作機械の熱変位補正方法。
13. 【請求項１３】 前記温度変化は、検出された温度から
    基準温度を差引いて算出されることを特徴とする請求項
    １乃至１２のいずれかの項に記載の工作機械の熱変位補
    正方法。
14. 【請求項１４】 発熱源の影響を受ける機体の温度変化
    を検出する温度検出手段と、 この温度検出手段で検出された前記温度変化を用いて、
    工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度
    変化を演算する温度演算手段と、 この温度演算手段で演算された前記温度変化に対応して
    変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、 この熱変位演算手段で演算された前記熱変位に基づいて
    加工誤差を補正する補正手段とを備えたことを特徴とす
    る工作機械の熱変位補正装置。
15. 【請求項１５】 発熱源の影響を受ける機体の温度変化
    を検出する温度検出手段と、 この温度検出手段で検出された温度変化を用いて、工作
    機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度変化
    を演算する温度演算手段と、 この温度演算手段で演算された前記温度変化に対応して
    変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、 前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出
    する温度検出手段と、 前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化
    に遅れを見込んで、前記熱変位と前記熱変位演算手段の
    出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特
    性を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段と
    を備え、 前記熱変位演算手段により、前記遅れ温度変化に対応し
    て変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ
    応答成分を前記熱変位に加算して合計値を算出し、 この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正
    することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
16. 【請求項１６】 発熱源の影響を受けて互いに時定数の
    異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の
    温度変化を検出する温度検出手段と、 この温度検出手段で検出された前記各温度変化を合成し
    て、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有す
    る合成温度変化を演算する合成温度演算手段と、 この合成温度演算手段で演算された前記合成温度変化に
    対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、 この熱変位演算手段で演算された前記所定軸方向の前記
    熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備え
    たことを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
17. 【請求項１７】 発熱源近傍の機体の温度変化を検出す
    る温度検出手段と、 この温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見
    込んで、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を
    有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段と、 この遅れ温度演算手段で演算された前記遅れ温度変化に
    対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、 この熱変位演算手段で演算された前記所定軸方向の前記
    熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備え
    たことを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
18. 【請求項１８】 発熱源の影響を受ける機体の適当箇所
    の温度変化を検出する温度検出手段と、 この温度検出手段で検出された温度変化を用いて前記発
    熱源の温度変化を演算し、この発熱源の温度変化を用い
    て所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する
    創成温度変化を演算する創成温度演算手段と、 この創成温度演算手段で演算された前記創成温度変化に
    対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、 この熱変位演算手段で演算された前記所定軸方向の前記
    熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備え
    たことを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
19. 【請求項１９】 発熱源の影響を受けて互いに時定数の
    異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の
    温度変化を検出する温度検出手段と、 この温度検出手段で検出された前記温度変化を合成し
    て、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有す
    る合成温度変化を演算する合成温度演算手段と、 この合成温度演算手段で演算された前記合成温度変化に
    対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、 前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出
    する温度検出手段と、 前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化
    に遅れを見込んで、前記所定軸方向の熱変位と前記熱変
    位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と
    略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温
    度演算手段とを備え、 前記熱変位演算手段により、前記遅れ温度変化に対応し
    て変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ
    応答成分を前記熱変位に加算して合計値を算出し、 この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正
    することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
20. 【請求項２０】 発熱源近傍の機体の温度変化を検出す
    る温度検出手段と、 この温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見
    込んで、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を
    有する遅れ温度変化を演算する第１の遅れ温度演算手段
    と、 この第１の遅れ温度演算手段で演算された前記遅れ温度
    変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手
    段と、 前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出
    する温度検出手段と、 前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化
    に遅れを見込んで、前記所定軸方向の熱変位と前記熱変
    位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と
    略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する第２の
    遅れ温度演算手段とを備え、 前記熱変位演算手段により、前記第２の遅れ温度演算手
    段で演算された前記遅れ温度変化に対応して変化する遅
    れ応答成分を演算するとともに、この遅れ応答成分を前
    記熱変位に加算して合計値を算出し、 この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正
    することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
21. 【請求項２１】 発熱源の影響を受ける機体の適当箇所
    の温度変化を検出する温度検出手段と、 この温度検出手段で検出された温度変化を用いて前記発
    熱源の温度変化を演算し、前記発熱源の温度変化を用い
    て所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する
    創成温度変化を演算する創成温度演算手段と、 この創成温度演算手段で演算された前記創成温度変化に
    対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、 前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出
    する温度検出手段と、 前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化
    に遅れを見込んで、前記所定軸方向の熱変位と前記熱変
    位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と
    略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温
    度演算手段とを備え、 前記熱変位演算手段により、前記遅れ温度変化に対応し
    て変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ
    応答成分を前記熱変位に加算して合計値を算出し、 この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正
    することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
22. 【請求項２２】 前記工作機械は、主軸頭を前記発熱源
    とするマシニングセンタ、及び主軸台を前記発熱源とす
    るＮＣ旋盤のいずれか一方であることを特徴とする請求
    項１４乃至２１のいずれかの項に記載の工作機械の熱変
    位補正装置。
23. 【請求項２３】 工作物及び工具のいずれか一方を把持
    する主軸と、 この主軸を軸支する加工位置側の主軸受及び反加工位置
    側の他の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主
    軸頭と、 前記両軸受の間に配設され、前記主軸頭に内蔵されて前
    記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、 前記主軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決め
    し、前記他の軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中
    心軸方向に摺動可能に保持し、 前記発熱源の影響を受けるヘッド位置で前記温度変化を
    検出するヘッド温度センサを前記主軸頭に取付けたこと
    を特徴とする請求項１４，１５，１８又は２１に記載の
    工作機械の熱変位補正装置。
24. 【請求項２４】 工作物及び工具のいずれか一方を把持
    する主軸と、 この主軸を軸支する加工位置側の前軸受及び反加工位置
    側の後軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸
    台と、 前記前，後の軸受の間に配設され、前記主軸台に内蔵さ
    れて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備
    え、 前記後軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決め
    し、前記前軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心
    軸方向に摺動可能に保持し、 前記発熱源となる前記前，後の軸受及び前記ビルトイン
    モータの各近傍で温度変化をそれぞれ検出する３本の温
    度センサを前記主軸台に取付けたことを特徴とする請求
    項１４，１５，１８又は２１に記載の工作機械の熱変位
    補正装置。
25. 【請求項２５】 工作物及び工具のいずれか一方を把持
    し且つ同期して回転する複数の主軸を主軸頭に有し、 前記複数の主軸の回転に伴う発熱特性の違いを、前記各
    主軸のノーズ部に設けたジャケットに流れる冷却油量又
    は冷却油温度を制御するか、あるいは前記各主軸のノー
    ズ部に設けたヒータの通電量を制御して、熱変位の均一
    化した主軸頭を有する構成であって、 前記主軸の少なくとも一つを前記発熱源に採用したこと
    を特徴とする請求項１４乃至２１のいずれかの項に記載
    の工作機械の熱変位補正装置。
26. 【請求項２６】 前記温度変化は、検出された温度から
    基準温度を差引いて算出されることを特徴とする請求項
    １４乃至２５のいずれかの項に記載の工作機械の熱変位
    補正装置。