JPH0985581A - 工作機械の熱変位補正方法 - Google Patents
工作機械の熱変位補正方法Info
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- JPH0985581A JPH0985581A JP7244708A JP24470895A JPH0985581A JP H0985581 A JPH0985581 A JP H0985581A JP 7244708 A JP7244708 A JP 7244708A JP 24470895 A JP24470895 A JP 24470895A JP H0985581 A JPH0985581 A JP H0985581A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 回転数変化後の過渡状態の熱変位量を専用の
方法で推定することにより、全運転状況下で工作機械の
熱変位を正確に補正する。 【構成】 温度測定装置８は温度センサ６，７の出力に
基づき主軸３の温度を数値化して測定し、温度記録装置
９に時系列データとして記録する。熱変位推定演算器１
０は、温度が飽和した定常状態で、熱変位量を測定温度
の即時値に従って推定するとともに、回転数が変化した
後の過渡状態では、熱変位量を温度及び熱変位の時定数
比だけ前の時刻の時系列データに従って経時的に推定す
る。ＮＣ装置１１は熱変位推定値に基づく補正量で主軸
３の熱変位を補正する。
方法で推定することにより、全運転状況下で工作機械の
熱変位を正確に補正する。 【構成】 温度測定装置８は温度センサ６，７の出力に
基づき主軸３の温度を数値化して測定し、温度記録装置
９に時系列データとして記録する。熱変位推定演算器１
０は、温度が飽和した定常状態で、熱変位量を測定温度
の即時値に従って推定するとともに、回転数が変化した
後の過渡状態では、熱変位量を温度及び熱変位の時定数
比だけ前の時刻の時系列データに従って経時的に推定す
る。ＮＣ装置１１は熱変位推定値に基づく補正量で主軸
３の熱変位を補正する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の熱変位
を補正する方法に係り、詳しくは、運転条件が変化した
後の過渡状態における熱変位を定常状態とは異なる方法
で補正する技術に関するものである。
を補正する方法に係り、詳しくは、運転条件が変化した
後の過渡状態における熱変位を定常状態とは異なる方法
で補正する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、工作機械は、機械の特性上各部
に熱源（例えば主軸の転がり軸受）を持っており、この
熱源に発生した熱が機械各部に伝わることで、機械構成
要素の熱変形を引き起こす。熱変形は加工精度に大きく
影響するため、その防止対策として、従来から、発熱部
を冷却する方法、或は、熱変形部の温度情報に基づき熱
変位を推定して補正する方法が広く採用されている。
に熱源（例えば主軸の転がり軸受）を持っており、この
熱源に発生した熱が機械各部に伝わることで、機械構成
要素の熱変形を引き起こす。熱変形は加工精度に大きく
影響するため、その防止対策として、従来から、発熱部
を冷却する方法、或は、熱変形部の温度情報に基づき熱
変位を推定して補正する方法が広く採用されている。
【０００３】後者の熱変位補正方法として、特公昭６１
−５９８６０号公報には、主軸の伸び量を表す関数式を
プログラムメモリ内にストアし、主軸頭及び機体部分に
設けたセンサの出力に基づき温度を測定し、測定温度の
即時値に基づき関数式を用いて熱変位量を推定して、主
軸の熱変位を補正する技術が開示されている。また、特
公平６−２２７７９号公報には、熱変位量をより正確に
推定するために、熱変位要素を分割し、各要素の温度変
化に対する熱変位をそれぞれ求め、それらの総合値で主
軸の熱変位量を推定して補正する技術が開示されてい
る。
−５９８６０号公報には、主軸の伸び量を表す関数式を
プログラムメモリ内にストアし、主軸頭及び機体部分に
設けたセンサの出力に基づき温度を測定し、測定温度の
即時値に基づき関数式を用いて熱変位量を推定して、主
軸の熱変位を補正する技術が開示されている。また、特
公平６−２２７７９号公報には、熱変位量をより正確に
推定するために、熱変位要素を分割し、各要素の温度変
化に対する熱変位をそれぞれ求め、それらの総合値で主
軸の熱変位量を推定して補正する技術が開示されてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、温度及び熱
変形の時間応答は、それぞれ１次遅れ要素で表現できる
ことが一般に知られている。従って、主軸の回転に伴う
熱変位は、回転数に対するステップ応答と考えてよい。
そこで、温度及び熱変位のステップ応答は、温度時定数
＝ａ、熱変位時定数＝ｂ、時間＝ｔとすると次式で表わ
される。 温度上昇 ： ＴMP（ｔ）＝Ｑ｛１−exp （−ｔ／ａ）｝ 式１ 熱変位 ： δ（ｔ）＝Ｋ｛１−exp （−ｔ／ｂ）｝ 式２
変形の時間応答は、それぞれ１次遅れ要素で表現できる
ことが一般に知られている。従って、主軸の回転に伴う
熱変位は、回転数に対するステップ応答と考えてよい。
そこで、温度及び熱変位のステップ応答は、温度時定数
＝ａ、熱変位時定数＝ｂ、時間＝ｔとすると次式で表わ
される。 温度上昇 ： ＴMP（ｔ）＝Ｑ｛１−exp （−ｔ／ａ）｝ 式１ 熱変位 ： δ（ｔ）＝Ｋ｛１−exp （−ｔ／ｂ）｝ 式２
【０００５】また、温度上昇（主軸とベッド＝室温との
温度差）と熱変位量とは定常状態において、 熱変位＝α・温度上昇 （α：定数） 式３ でよく一致することも知られている。式１〜式３より次
式が成立する。 δ（ｔ）＝α・ＴMP（ｔ）＝（Ｋ／Ｑ）・ＴMP（ｔ） 式４
温度差）と熱変位量とは定常状態において、 熱変位＝α・温度上昇 （α：定数） 式３ でよく一致することも知られている。式１〜式３より次
式が成立する。 δ（ｔ）＝α・ＴMP（ｔ）＝（Ｋ／Ｑ）・ＴMP（ｔ） 式４
【０００６】式４は温度に拡大率α（Ｋ／Ｑ）を掛けれ
ば熱変位が求められることを示している。つまり、温度
及び熱変位は時間→∞で同値に収束する１次遅れ要素と
みなして検討して差し支えない。従って、測定温度の即
時値に基づき主軸の熱変位量を推定する従来の補正方法
は、温度が飽和した定常状態において推定値を実際の変
位量に正確に一致させることができる。
ば熱変位が求められることを示している。つまり、温度
及び熱変位は時間→∞で同値に収束する１次遅れ要素と
みなして検討して差し支えない。従って、測定温度の即
時値に基づき主軸の熱変位量を推定する従来の補正方法
は、温度が飽和した定常状態において推定値を実際の変
位量に正確に一致させることができる。
【０００７】ところが、主軸の回転数が変化した後の過
渡状態においては、温度及び熱変位の１次遅れ要素のス
テップ応答は図１７に示す通りとなる。ここでは、簡略
化のため式１及び式２の代わりに次式が用いられてい
る。 温度上昇 ： ＴMP（ｔ）＝１−exp （−ｔ／ａ） 式５ 熱変位 ： δ（ｔ）＝１−exp （−ｔ／ｂ） 式６
渡状態においては、温度及び熱変位の１次遅れ要素のス
テップ応答は図１７に示す通りとなる。ここでは、簡略
化のため式１及び式２の代わりに次式が用いられてい
る。 温度上昇 ： ＴMP（ｔ）＝１−exp （−ｔ／ａ） 式５ 熱変位 ： δ（ｔ）＝１−exp （−ｔ／ｂ） 式６
【０００８】同図から明らかなように、過渡状態におい
ては、温度時定数ａと熱変位時定数ｂとの相違により、
ＴMP（ｔ）とδ（ｔ）とが不一致となる。従って、測定
温度の即時値に基づいて熱変位量を推定する従来方法を
過渡状態に適用すると、ＴMP（ｔ）−δ（ｔ）に相当す
る補正誤差が発生するという問題点がある。
ては、温度時定数ａと熱変位時定数ｂとの相違により、
ＴMP（ｔ）とδ（ｔ）とが不一致となる。従って、測定
温度の即時値に基づいて熱変位量を推定する従来方法を
過渡状態に適用すると、ＴMP（ｔ）−δ（ｔ）に相当す
る補正誤差が発生するという問題点がある。
【０００９】そこで、本発明の課題は、過渡状態の熱変
位量を専用の方法で推定することにより、定常及び過渡
状態を含む全運転状況下で工作機械の熱変位を正確に補
正できる方法を提供することにある。
位量を専用の方法で推定することにより、定常及び過渡
状態を含む全運転状況下で工作機械の熱変位を正確に補
正できる方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１の発明による工作機械の熱変位補正方法
は、温度センサの出力に基づき熱変形部の温度を測定
し、温度が飽和した定常状態において、熱変位量を測定
温度の即時値に従って推定し、運転条件が変化した後の
過渡状態においては、熱変位量を時間経過に従って推定
し、各推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正する
ことを特徴とする。
めに、請求項１の発明による工作機械の熱変位補正方法
は、温度センサの出力に基づき熱変形部の温度を測定
し、温度が飽和した定常状態において、熱変位量を測定
温度の即時値に従って推定し、運転条件が変化した後の
過渡状態においては、熱変位量を時間経過に従って推定
し、各推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正する
ことを特徴とする。
【００１１】この発明においては、定常状態の熱変位量
が測定温度に従って即時的に推定されるとともに、過渡
状態の熱変位量が時間経過に従って経時的に推定され
る。それ故、工作機械の全運転状況下で熱変位を正確に
補正することができる。なお、熱変形部とは、主軸の他
に、ボールネジを用いたサドル又はコラムの送り軸な
ど、加工精度に大きな影響を及ぼす工作機械各部の構成
要素を含むものである。
が測定温度に従って即時的に推定されるとともに、過渡
状態の熱変位量が時間経過に従って経時的に推定され
る。それ故、工作機械の全運転状況下で熱変位を正確に
補正することができる。なお、熱変形部とは、主軸の他
に、ボールネジを用いたサドル又はコラムの送り軸な
ど、加工精度に大きな影響を及ぼす工作機械各部の構成
要素を含むものである。
【００１２】請求項２の発明による工作機械の熱変位補
正方法は、温度センサの出力に基づき熱変形部の温度を
測定し、測定温度に対応する時系列データを記録し、温
度が飽和した定常状態において、熱変位量を測定温度の
即時値に従って推定し、運転条件が変化した後の過渡状
態においては、熱変位量を温度及び熱変位の時定数比だ
け前の時刻の時系列データに従って経時的に推定し、各
推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正することを
特徴とする。
正方法は、温度センサの出力に基づき熱変形部の温度を
測定し、測定温度に対応する時系列データを記録し、温
度が飽和した定常状態において、熱変位量を測定温度の
即時値に従って推定し、運転条件が変化した後の過渡状
態においては、熱変位量を温度及び熱変位の時定数比だ
け前の時刻の時系列データに従って経時的に推定し、各
推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正することを
特徴とする。
【００１３】この発明では、過渡状態の熱変位量が温度
及び熱変位の時定数比を基に以下の原理により推定され
る。すなわち、定常状態で回転数等の運転条件が変化す
ると、熱変形モードは定常状態から過渡状態に移行し、
温度上昇及び熱変位が図１に示すような応答曲線に従っ
て変化する。この過渡状態において、温度上昇及び熱変
位が同じ値（例えばＤ1 ）となる時刻は、前記式５のＴ
MPの応答がｔ1 、式６のδの応答がｔ2 のときである。 温度上昇 ： Ｄ1 ＝ＴMP（ｔ1 ）＝１−exp （−ｔ1 ／ａ） 式５' 熱変位 ： Ｄ1 ＝δ（ｔ2 ）＝１−exp （−ｔ2 ／ｂ） 式６' 当然、 ＴMP（ｔ1 ）＝δ（ｔ2 ） 式７ であるから、整理すると、 ｔ1 ＝（ａ／ｂ）・ｔ2 式８ が成立する。
及び熱変位の時定数比を基に以下の原理により推定され
る。すなわち、定常状態で回転数等の運転条件が変化す
ると、熱変形モードは定常状態から過渡状態に移行し、
温度上昇及び熱変位が図１に示すような応答曲線に従っ
て変化する。この過渡状態において、温度上昇及び熱変
位が同じ値（例えばＤ1 ）となる時刻は、前記式５のＴ
MPの応答がｔ1 、式６のδの応答がｔ2 のときである。 温度上昇 ： Ｄ1 ＝ＴMP（ｔ1 ）＝１−exp （−ｔ1 ／ａ） 式５' 熱変位 ： Ｄ1 ＝δ（ｔ2 ）＝１−exp （−ｔ2 ／ｂ） 式６' 当然、 ＴMP（ｔ1 ）＝δ（ｔ2 ） 式７ であるから、整理すると、 ｔ1 ＝（ａ／ｂ）・ｔ2 式８ が成立する。
【００１４】上記式８は、過渡状態において時定数ａが
小さい温度上昇から時定数ｂが大きい熱変位を推定する
にあたり、応答開始後に時間ｔ2 が経過したときの熱変
位量が、時定数比ａ／ｂだけ前｛（ａ／ｂ）・ｔ2 ｝の
時刻の温度を使用すれば推定可能であることを示してい
る。なお、（ａ／ｂ）は一定であるから、演算処理上都
合がよい。
小さい温度上昇から時定数ｂが大きい熱変位を推定する
にあたり、応答開始後に時間ｔ2 が経過したときの熱変
位量が、時定数比ａ／ｂだけ前｛（ａ／ｂ）・ｔ2 ｝の
時刻の温度を使用すれば推定可能であることを示してい
る。なお、（ａ／ｂ）は一定であるから、演算処理上都
合がよい。
【００１５】ところで、過渡状態において回転数等の運
転条件がさらに変化したときには、温度上昇及び熱変位
が図２に示すような応答曲線に従って変化する。このと
きは回転数が変化した時刻ｔ0 を改めて時間の基準とし
て置き換える。すると、この場合、変化した時刻ｔ0 で
段差（データのとび）が発生するため、前述した方法
（以下、過渡状態処理方法と呼ぶ）のみに従って熱変位
量を推定すると、推定値が実際値と相違するおそれがあ
る。
転条件がさらに変化したときには、温度上昇及び熱変位
が図２に示すような応答曲線に従って変化する。このと
きは回転数が変化した時刻ｔ0 を改めて時間の基準とし
て置き換える。すると、この場合、変化した時刻ｔ0 で
段差（データのとび）が発生するため、前述した方法
（以下、過渡状態処理方法と呼ぶ）のみに従って熱変位
量を推定すると、推定値が実際値と相違するおそれがあ
る。
【００１６】こうした事情に鑑み、請求項３の発明によ
る工作機械の熱変位補正方法は、過渡状態において運転
条件が変化したときに、変化に伴う推定誤差を吸収して
熱変位量を求めることを特徴とする。
る工作機械の熱変位補正方法は、過渡状態において運転
条件が変化したときに、変化に伴う推定誤差を吸収して
熱変位量を求めることを特徴とする。
【００１７】以下に推定誤差の吸収方法について説明す
る。回転数が変化したときの時刻ｔ0 を時間基準として
更新し、過渡状態処理方法により熱変位を推定すると、
図２に示すように、実際の熱変位と推定熱変位との誤差
曲線は、時定数が熱変位変化と同値である１次遅れ系の
自由応答となる。従って、過渡状態で回転数が変化した
ときの誤差をキャンセルするためには、時間基準が変化
した時刻ｔ0 の段差分εに対して自由応答する段差吸収
量を求める必要がある。こうすれば、 推定熱変位＝過渡状態処理方法による推定値＋段差吸収量 式９ を用いて、過渡状態で回転数が変化した後の熱変位を正
確に推定することができる。
る。回転数が変化したときの時刻ｔ0 を時間基準として
更新し、過渡状態処理方法により熱変位を推定すると、
図２に示すように、実際の熱変位と推定熱変位との誤差
曲線は、時定数が熱変位変化と同値である１次遅れ系の
自由応答となる。従って、過渡状態で回転数が変化した
ときの誤差をキャンセルするためには、時間基準が変化
した時刻ｔ0 の段差分εに対して自由応答する段差吸収
量を求める必要がある。こうすれば、 推定熱変位＝過渡状態処理方法による推定値＋段差吸収量 式９ を用いて、過渡状態で回転数が変化した後の熱変位を正
確に推定することができる。
【００１８】ここで、段差εは回転数変化に伴う時間基
準の変化によって発生するから、回転数が変化したとき
の温度ＴMP（ｔ0 ）を利用すれば段差εを求めることが
できる。つまり、温度時定数をａ、熱変位時定数をｂ、
回転数が変化するまでの時間経過をｔ0 とすれば、 ε＝ＴMP（ｔ0 ）−ＴMP［（ａ／ｂ）・ｔ0 ］ 式１０ が成立する。１次遅れ系の自由応答は、 Ｕe （ｔ）＝ε・exp （−ｔ／ａ） 式１１ で表わされる。
準の変化によって発生するから、回転数が変化したとき
の温度ＴMP（ｔ0 ）を利用すれば段差εを求めることが
できる。つまり、温度時定数をａ、熱変位時定数をｂ、
回転数が変化するまでの時間経過をｔ0 とすれば、 ε＝ＴMP（ｔ0 ）−ＴMP［（ａ／ｂ）・ｔ0 ］ 式１０ が成立する。１次遅れ系の自由応答は、 Ｕe （ｔ）＝ε・exp （−ｔ／ａ） 式１１ で表わされる。
【００１９】請求項４の発明は、過渡状態の熱変位量を
別の方法で推定するもので、温度センサの出力に基づき
熱変形部の温度を測定し、熱変形部の回転数に対応する
熱変位収束値を記憶し、温度が飽和した定常状態におい
て、熱変位量を測定温度の即時値に従って推定し、回転
数が変化した後の過渡状態においては、熱変位量を指令
回転数に対応する熱変位収束値を用いた時間応答式によ
り経時的に推定し、各推定値に基づきＮＣ装置により熱
変位を補正することを特徴とする。
別の方法で推定するもので、温度センサの出力に基づき
熱変形部の温度を測定し、熱変形部の回転数に対応する
熱変位収束値を記憶し、温度が飽和した定常状態におい
て、熱変位量を測定温度の即時値に従って推定し、回転
数が変化した後の過渡状態においては、熱変位量を指令
回転数に対応する熱変位収束値を用いた時間応答式によ
り経時的に推定し、各推定値に基づきＮＣ装置により熱
変位を補正することを特徴とする。
【００２０】この発明においては、予め定常状態におけ
る回転数と熱変位量との関係が求められ、回転数をＮと
し、次式により定義される。 熱変位量：δN ＝ｆ（Ｎ） 式１２ この熱変位量は各回転数における１次遅れステップ応答
の収束値（目標値）であって、熱変形部の回転数に対応
する熱変位収束値がメモリに記憶される。そして、回転
数変更指令が出力されたときには、その指令回転数に対
応する熱変位収束値がメモリから読み出され、この収束
値δN と回転数が変化する前の熱変位量δ0 とを用い、
次の時間応答式によって過渡状態の熱変位量が求められ
る。 熱変位量：δ（ｔ）＝［δN −δ0 ］・｛１−exp （−ｔ／ｂ）｝＋δ0 式 １３
る回転数と熱変位量との関係が求められ、回転数をＮと
し、次式により定義される。 熱変位量：δN ＝ｆ（Ｎ） 式１２ この熱変位量は各回転数における１次遅れステップ応答
の収束値（目標値）であって、熱変形部の回転数に対応
する熱変位収束値がメモリに記憶される。そして、回転
数変更指令が出力されたときには、その指令回転数に対
応する熱変位収束値がメモリから読み出され、この収束
値δN と回転数が変化する前の熱変位量δ0 とを用い、
次の時間応答式によって過渡状態の熱変位量が求められ
る。 熱変位量：δ（ｔ）＝［δN −δ0 ］・｛１−exp （−ｔ／ｂ）｝＋δ0 式 １３
【００２１】請求項５の発明は、熱変位推定モードの切
換方法を提供するもので、過渡状態において熱変位推定
値が熱変位収束値に近似したときに、推定モードを過渡
状態から定常状態に切り換えることを特徴とする。
換方法を提供するもので、過渡状態において熱変位推定
値が熱変位収束値に近似したときに、推定モードを過渡
状態から定常状態に切り換えることを特徴とする。
【００２２】また、請求項６の発明は、推定モードをス
ムーズに切り換えるために、モード切換に際し、予め設
定した期間中に過渡状態推定値と定常状態推定値とを経
時変化する比率で混合して熱変位量を求め、設定期間終
了時には定常状態推定値のみで熱変位量を求めることを
特徴とする。
ムーズに切り換えるために、モード切換に際し、予め設
定した期間中に過渡状態推定値と定常状態推定値とを経
時変化する比率で混合して熱変位量を求め、設定期間終
了時には定常状態推定値のみで熱変位量を求めることを
特徴とする。
【００２３】これらの発明は、さらに、熱変位の推定値
と収束値との近似を判断する基準がそれぞれ異なる複数
のモード切換方法を含む。そのうちの代表的な切換方法
を、以下の（ａ）〜（ｄ）で順次説明する。なお、便宜
上、過渡状態の推定モードを過渡処理モード、定常状態
の推定モードを即時処理モードと呼ぶ。
と収束値との近似を判断する基準がそれぞれ異なる複数
のモード切換方法を含む。そのうちの代表的な切換方法
を、以下の（ａ）〜（ｄ）で順次説明する。なお、便宜
上、過渡状態の推定モードを過渡処理モード、定常状態
の推定モードを即時処理モードと呼ぶ。
【００２４】（ａ） 第１の切換方法は、過渡処理モー
ド開始後、一定時間が経過したときに、即時処理モード
に切り換える方法である。１次遅れ要素のステップ応答
値は、例えば、時定数の３倍の時間で収束値（目標値）
の９５％にまで近似する。これは、変化量に関係なく一
定である。そこで、図３に示すように、予め設定した時
間ｔ1 を経過したときに、過渡処理モードを即時処理モ
ードに切り換えれば、運転状況に即応した熱変位補正を
実施することができる。また、図４に示すように、予め
設定した時間ｔ1 〜ｔ2 において、各モードによる推定
値を経時変化する比率で混合して熱変位量を求め、最終
的に即時処理モードによる推定値のみで熱変位量を求め
るように処理すれば、推定モードをスムーズに切り換え
ることができる。この場合の熱変位量は、過渡処理モー
ドによる推定値をδ（ｔ）、即時処理モードによる推定
値をδ（ｓ）とし、次の比率混合式を用いて求められ
る。 熱変位量＝｛（ｔ−ｔ1 ）／（ｔ2 −ｔ1 ）・δ（ｓ）｝＋ ｛（ｔ2 −ｔ）／（ｔ2 −ｔ1 ）・δ（ｔ）｝ 式１４
ド開始後、一定時間が経過したときに、即時処理モード
に切り換える方法である。１次遅れ要素のステップ応答
値は、例えば、時定数の３倍の時間で収束値（目標値）
の９５％にまで近似する。これは、変化量に関係なく一
定である。そこで、図３に示すように、予め設定した時
間ｔ1 を経過したときに、過渡処理モードを即時処理モ
ードに切り換えれば、運転状況に即応した熱変位補正を
実施することができる。また、図４に示すように、予め
設定した時間ｔ1 〜ｔ2 において、各モードによる推定
値を経時変化する比率で混合して熱変位量を求め、最終
的に即時処理モードによる推定値のみで熱変位量を求め
るように処理すれば、推定モードをスムーズに切り換え
ることができる。この場合の熱変位量は、過渡処理モー
ドによる推定値をδ（ｔ）、即時処理モードによる推定
値をδ（ｓ）とし、次の比率混合式を用いて求められ
る。 熱変位量＝｛（ｔ−ｔ1 ）／（ｔ2 −ｔ1 ）・δ（ｓ）｝＋ ｛（ｔ2 −ｔ）／（ｔ2 −ｔ1 ）・δ（ｔ）｝ 式１４
【００２５】（ｂ） 第２の切換方法は、過渡処理モー
ド開始後、温度又は熱変位推定値の時間当りの変化量を
監視し、図５に示すように、その値が予め設定した閾値
Ｖ1を越えたときに、推定値が収束値に近似したと判断
して、即時処理モードに切り換える方法である。また、
推定モードをスムーズに切り換えるために、図６に示す
ように、閾値Ｖ1 から各モードによる推定値の混合比率
を経時変化させ、閾値Ｖ2 で即時処理モードによる推定
値のみで熱変位量を求めてもよい。
ド開始後、温度又は熱変位推定値の時間当りの変化量を
監視し、図５に示すように、その値が予め設定した閾値
Ｖ1を越えたときに、推定値が収束値に近似したと判断
して、即時処理モードに切り換える方法である。また、
推定モードをスムーズに切り換えるために、図６に示す
ように、閾値Ｖ1 から各モードによる推定値の混合比率
を経時変化させ、閾値Ｖ2 で即時処理モードによる推定
値のみで熱変位量を求めてもよい。
【００２６】（ｃ） 第３の方法は、過渡処理モード開
始後、応答値と収束値とを比較し、その差が予め設定さ
れた閾値Ｖ1 を越えたときに、推定値及び収束値の近似
を判断して、即時処理モードに切り換える方法である
（図５参照）。ここでも、（ｂ）と同様、スムーズに切
り換えるために、閾値Ｖ1 と閾値Ｖ2 との期間中に各モ
ードによる推定値の混合比率を経時変化させて熱変位量
を求めてもよい（図６参照）。
始後、応答値と収束値とを比較し、その差が予め設定さ
れた閾値Ｖ1 を越えたときに、推定値及び収束値の近似
を判断して、即時処理モードに切り換える方法である
（図５参照）。ここでも、（ｂ）と同様、スムーズに切
り換えるために、閾値Ｖ1 と閾値Ｖ2 との期間中に各モ
ードによる推定値の混合比率を経時変化させて熱変位量
を求めてもよい（図６参照）。
【００２７】（ｄ） 第４の方法は、過渡処理モード開
始後、同モードによる推定値と即時処理モードによる推
定値とを比較し、その差が予め設定された閾値を越えた
ときに、即時処理モードに切り換える方法である（図５
参照）。この場合も、（ｂ）と同様のスムーズ切換方式
を採用できる（図６参照）。
始後、同モードによる推定値と即時処理モードによる推
定値とを比較し、その差が予め設定された閾値を越えた
ときに、即時処理モードに切り換える方法である（図５
参照）。この場合も、（ｂ）と同様のスムーズ切換方式
を採用できる（図６参照）。
【００２８】その他、上記第１〜第４の方法を任意に組
み合わせて推定モードを切り換えることも可能である。
また、スムーズ切換方式として、図７に示す直線型切
換、或は、図８に示すアークタンジェント型切換も採用
可能である。
み合わせて推定モードを切り換えることも可能である。
また、スムーズ切換方式として、図７に示す直線型切
換、或は、図８に示すアークタンジェント型切換も採用
可能である。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明をマシニングセンタ
に具体化した実施形態について説明する。 （第１実施形態）図９〜図１３は請求項１，２，３の発
明に対応するマシニングセンタの熱変位補正方法を示す
ものである。図９に示すように、縦型マシニングセンタ
は、周知のように、主軸ヘッド１、コラム２、主軸３、
ベッド４、移動テーブル５等から構成されている。熱変
形部としての主軸３には第１温度センサ６が取り付けら
れ、これで主軸３の温度が検出される。また、基準温度
を検出するために、ベッド４には第２温度センサ７が取
り付けられている。
に具体化した実施形態について説明する。 （第１実施形態）図９〜図１３は請求項１，２，３の発
明に対応するマシニングセンタの熱変位補正方法を示す
ものである。図９に示すように、縦型マシニングセンタ
は、周知のように、主軸ヘッド１、コラム２、主軸３、
ベッド４、移動テーブル５等から構成されている。熱変
形部としての主軸３には第１温度センサ６が取り付けら
れ、これで主軸３の温度が検出される。また、基準温度
を検出するために、ベッド４には第２温度センサ７が取
り付けられている。
【００３０】温度測定装置８は各温度センサ６，７の出
力に基づき主軸３の温度を公知の方法で数値化して測定
する。測定温度は温度記録装置９に測定時刻又はこれが
分かる手段を講じて時系列データとして記録され、一定
時間古くなったデータから順次消去される。この記録を
過渡状態処理方法の適用時にのみ実行してもよい。熱変
位推定演算器１０は、主軸３の回転指令及び熱変位状況
に基づいて定常状態と過渡状態とで推定モードを切り換
え、各モードで熱変位推定値を演算する。そして、ＮＣ
装置１１が熱変位推定値に基づく補正量で公知の方法に
より主軸３の熱変位を補正する。なお、この補正システ
ムは縦型マシニングセンタに限定されず、横型マシニン
グセンタにも適用可能である。
力に基づき主軸３の温度を公知の方法で数値化して測定
する。測定温度は温度記録装置９に測定時刻又はこれが
分かる手段を講じて時系列データとして記録され、一定
時間古くなったデータから順次消去される。この記録を
過渡状態処理方法の適用時にのみ実行してもよい。熱変
位推定演算器１０は、主軸３の回転指令及び熱変位状況
に基づいて定常状態と過渡状態とで推定モードを切り換
え、各モードで熱変位推定値を演算する。そして、ＮＣ
装置１１が熱変位推定値に基づく補正量で公知の方法に
より主軸３の熱変位を補正する。なお、この補正システ
ムは縦型マシニングセンタに限定されず、横型マシニン
グセンタにも適用可能である。
【００３１】次に、上記システムによる熱変位の補正方
法について説明する。マシニングセンタの運転中は、温
度センサ６，７の出力に基づいて主軸３の温度が測定さ
れる。温度が飽和した定常状態では、主軸３の熱変位量
が測定温度の即時値を用いて前記式３により推定され
る。そして、この定常状態において主軸３の回転数が変
化すると、推定モードは即時処理モードから過渡処理モ
ードに移行し、それ以降、主軸３の熱変位量が過渡状態
専用の処理方法により時間経過に従って推定される。
法について説明する。マシニングセンタの運転中は、温
度センサ６，７の出力に基づいて主軸３の温度が測定さ
れる。温度が飽和した定常状態では、主軸３の熱変位量
が測定温度の即時値を用いて前記式３により推定され
る。そして、この定常状態において主軸３の回転数が変
化すると、推定モードは即時処理モードから過渡処理モ
ードに移行し、それ以降、主軸３の熱変位量が過渡状態
専用の処理方法により時間経過に従って推定される。
【００３２】すなわち、定常状態において回転数が変化
すると、図１０のフローチャートに示す過渡状態処理プ
ログラムが開始され、まず、回転数が変化したときの時
間を基準としたタイマがスタートする。次いで、主軸３
の温度ＴMP（ｔ）が通常通りの時間間隔をおいて測定さ
れ、温度記録装置９に時系列データとして記録される。
この過渡状態で回転数が変化した直後には、そのときの
温度ＴMP（ｔ0 ）に対応する補正値δ0 が算出され、回
転数の変化がなかったときの補正量δm が算出され、前
記式１０を用いて補正切換による段差εm が算出された
のち、前記式１１を用いてタイマ時間を基に段差吸収量
Ｓが算出される。
すると、図１０のフローチャートに示す過渡状態処理プ
ログラムが開始され、まず、回転数が変化したときの時
間を基準としたタイマがスタートする。次いで、主軸３
の温度ＴMP（ｔ）が通常通りの時間間隔をおいて測定さ
れ、温度記録装置９に時系列データとして記録される。
この過渡状態で回転数が変化した直後には、そのときの
温度ＴMP（ｔ0 ）に対応する補正値δ0 が算出され、回
転数の変化がなかったときの補正量δm が算出され、前
記式１０を用いて補正切換による段差εm が算出された
のち、前記式１１を用いてタイマ時間を基に段差吸収量
Ｓが算出される。
【００３３】続いて、回転数変化後の各時刻において、
それよりも時定数比ａ／ｂだけ前の時刻が前記式８によ
って求められ、その時刻ｔp の温度ＴMP（ｔp ）が温度
記録装置９より読み出され、そして、この温度ＴMP（ｔ
p ）に対する補正量δt が式３によって算出される。こ
のとき、時刻tpに相当する測定温度データが存在しない
ときには、時刻ｔp に最も近い時刻に測定された温度デ
ータか、或は、時刻ｔp の前後のデータから温度を比例
的に内挿して算出すればよい。その後、実際の補正量δ
cmp が算出補正量δt に段差吸収量Ｓを加えて算出され
る。以上の処理を熱変位が飽和するまで繰り返し実行す
ることにより、過渡状態における主軸３の熱変位を時間
経過に従って正確に補正することができる。
それよりも時定数比ａ／ｂだけ前の時刻が前記式８によ
って求められ、その時刻ｔp の温度ＴMP（ｔp ）が温度
記録装置９より読み出され、そして、この温度ＴMP（ｔ
p ）に対する補正量δt が式３によって算出される。こ
のとき、時刻tpに相当する測定温度データが存在しない
ときには、時刻ｔp に最も近い時刻に測定された温度デ
ータか、或は、時刻ｔp の前後のデータから温度を比例
的に内挿して算出すればよい。その後、実際の補正量δ
cmp が算出補正量δt に段差吸収量Ｓを加えて算出され
る。以上の処理を熱変位が飽和するまで繰り返し実行す
ることにより、過渡状態における主軸３の熱変位を時間
経過に従って正確に補正することができる。
【００３４】なお、図１１は、実際の縦型マシニングセ
ンタにおける主軸３の実測熱変位量と上記方法による推
定熱変位量との経時変化を示すものである。これから、
過渡状態において、熱変位の推定値が実測値によく一致
していることが分かる。参考までに、図１２に主軸の温
度上昇（主軸３とベッド４との温度差）特性を示し、図
１３にはそのときの主軸の回転数特性を示した。
ンタにおける主軸３の実測熱変位量と上記方法による推
定熱変位量との経時変化を示すものである。これから、
過渡状態において、熱変位の推定値が実測値によく一致
していることが分かる。参考までに、図１２に主軸の温
度上昇（主軸３とベッド４との温度差）特性を示し、図
１３にはそのときの主軸の回転数特性を示した。
【００３５】（第２実施形態）図１４〜図１６は請求項
１，４，５，６の発明に対応するマシニングセンタの熱
変位補正方法を示すものである。ここでは、図１４に示
すように、縦型マシニングセンタの補正システムに熱変
位収束値記憶装置１２が設けられ、該装置１２には定常
状態で予め測定した主軸３の各回転数に対応する熱変位
収束値が記憶される。その他のシステム構成は第１実施
形態と同様であって、熱変位推定演算器１０は主軸３の
回転指令及び熱変位状況に基づいて定常状態と過渡状態
とで推定モードを切り換えて熱変位推定値を演算し、そ
の推定値に基づいてＮＣ装置１１が主軸３の熱変位を補
正するようになっている。
１，４，５，６の発明に対応するマシニングセンタの熱
変位補正方法を示すものである。ここでは、図１４に示
すように、縦型マシニングセンタの補正システムに熱変
位収束値記憶装置１２が設けられ、該装置１２には定常
状態で予め測定した主軸３の各回転数に対応する熱変位
収束値が記憶される。その他のシステム構成は第１実施
形態と同様であって、熱変位推定演算器１０は主軸３の
回転指令及び熱変位状況に基づいて定常状態と過渡状態
とで推定モードを切り換えて熱変位推定値を演算し、そ
の推定値に基づいてＮＣ装置１１が主軸３の熱変位を補
正するようになっている。
【００３６】上記システムによる熱変位の補正方法につ
いて説明すると、マシニングセンタの運転中は、温度セ
ンサ６，７の出力に基づいて主軸３の温度が測定され
る。温度が飽和した定常状態では、主軸３の熱変位量が
測定温度の即時値を用いて推定される。定常状態におい
て主軸３の回転数が変化すると、推定モードは即時処理
モードから過渡処理モードに移行し、主軸３の熱変位量
が過渡状態専用の処理方法により図１５に示すフローチ
ャートに従って推定される。
いて説明すると、マシニングセンタの運転中は、温度セ
ンサ６，７の出力に基づいて主軸３の温度が測定され
る。温度が飽和した定常状態では、主軸３の熱変位量が
測定温度の即時値を用いて推定される。定常状態におい
て主軸３の回転数が変化すると、推定モードは即時処理
モードから過渡処理モードに移行し、主軸３の熱変位量
が過渡状態専用の処理方法により図１５に示すフローチ
ャートに従って推定される。
【００３７】すなわち、定常状態において回転数が変化
すると、まず、変化したときの時間を基準としたタイマ
がスタートする。次いで、指令回転数に対応す熱変位収
束値が記憶装置１２から読み出される。続いて、熱変位
収束値δn と現在の熱変位δ0とから過渡状態の熱変位
時間応答式（前記式１３）が作成され、この式を用いて
時間経過から過渡状態の熱変位量δ（ｔ）が推定され
る。そして、この熱変位推定値に基づいて軸移動補正量
Ｍ（ｔ）が算出され、ＮＣ装置１１により軸移動補正が
実行される。
すると、まず、変化したときの時間を基準としたタイマ
がスタートする。次いで、指令回転数に対応す熱変位収
束値が記憶装置１２から読み出される。続いて、熱変位
収束値δn と現在の熱変位δ0とから過渡状態の熱変位
時間応答式（前記式１３）が作成され、この式を用いて
時間経過から過渡状態の熱変位量δ（ｔ）が推定され
る。そして、この熱変位推定値に基づいて軸移動補正量
Ｍ（ｔ）が算出され、ＮＣ装置１１により軸移動補正が
実行される。
【００３８】その後、過渡処理モード開始後の経過時刻
ｔが予め設定された時刻ｔ1 に達するまでは、過渡処理
モードのみで熱変位量が推定される。一方、経過時刻ｔ
が時刻ｔ1 を過ぎかつ時刻ｔ2 より前である期間中は、
即時処理モードが過渡処理モードと並行され、測定温度
の即時値に従って熱変位量δ（ｓ）が算出される。そし
て、この期間中の熱変位量が各モードによる推定値を用
いて前記式１４の時間による比率混合式により求めら
れ、時刻ｔ2 以降は、即時処理モードのみによって熱変
位量が推定され、主軸３の熱変位が補正される。なお、
ここでは推定モードを前記第１の方法で切り換えている
が、図１６に示すように、前記第２〜第４の方法で実施
することも可能である。
ｔが予め設定された時刻ｔ1 に達するまでは、過渡処理
モードのみで熱変位量が推定される。一方、経過時刻ｔ
が時刻ｔ1 を過ぎかつ時刻ｔ2 より前である期間中は、
即時処理モードが過渡処理モードと並行され、測定温度
の即時値に従って熱変位量δ（ｓ）が算出される。そし
て、この期間中の熱変位量が各モードによる推定値を用
いて前記式１４の時間による比率混合式により求めら
れ、時刻ｔ2 以降は、即時処理モードのみによって熱変
位量が推定され、主軸３の熱変位が補正される。なお、
ここでは推定モードを前記第１の方法で切り換えている
が、図１６に示すように、前記第２〜第４の方法で実施
することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
定常状態の熱変位量を測定温度の即時値に従って推定す
るとともに、過渡状態の熱変位量を温度及び熱変位の時
定数比、又は熱変位収束値を用いた時間応答式に従って
経時的に推定するので、定常及び過渡状態を含む全運転
状況下で工作機械の熱変位を正確に補正できるという優
れた効果を奏する。
定常状態の熱変位量を測定温度の即時値に従って推定す
るとともに、過渡状態の熱変位量を温度及び熱変位の時
定数比、又は熱変位収束値を用いた時間応答式に従って
経時的に推定するので、定常及び過渡状態を含む全運転
状況下で工作機械の熱変位を正確に補正できるという優
れた効果を奏する。
【図１】本発明の原理を示す過渡状態の温度及び熱変位
の時間応答特性図である。
の時間応答特性図である。
【図２】過渡状態で回転数が変化したときの特性図であ
る。
る。
【図３】推定モードの切換方法を示す説明図である。
【図４】推定モードのスムーズ切換方法を示す説明図で
ある。
ある。
【図５】推定モードの別の切換方法を示す説明図であ
る。
る。
【図６】推定モードの別のスムーズ切換方法を示す説明
図である。
図である。
【図７】スムーズ切換方法の変形例を示す説明図であ
る。
る。
【図８】スムーズ切換方法の別の変形例を示す説明図で
ある。
ある。
【図９】本発明の第１実施形態を示すマシニングセンタ
における熱変位補正システムの概略図である。
における熱変位補正システムの概略図である。
【図１０】同システムによる過渡状態処理方法を示すフ
ローチャートである。
ローチャートである。
【図１１】熱変位量の推定値と実測値とを比較して示す
特性図である。
特性図である。
【図１２】主軸の温度上昇を示す特性図である。
【図１３】主軸の回転数を示す特性図である。
【図１４】本発明の第２実施形態を示すマシニングセン
タにおける熱変位補正システムの概略図である。
タにおける熱変位補正システムの概略図である。
【図１５】同システムによる過渡状態処理方法を示すフ
ローチャートである。
ローチャートである。
【図１６】同処理方法における別の推定モード切換方法
を示すフローチャートである。
を示すフローチャートである。
【図１７】従来の問題点を指摘する特性図である。
３・・主軸、４・・ベッド、６・・第１温度センサ、７
・・第２温度センサ、８・・温度測定装置、９・・温度
記録装置、１０・・熱変位推定演算器、１１・・ＮＣ装
置、１２・・熱変位収束値記憶装置。
・・第２温度センサ、８・・温度測定装置、９・・温度
記録装置、１０・・熱変位推定演算器、１１・・ＮＣ装
置、１２・・熱変位収束値記憶装置。
Claims (6)
- 【請求項１】 温度センサの出力に基づき熱変形部の温
度を測定し、温度が飽和した定常状態において、熱変位
量を測定温度の即時値に従って推定し、運転条件が変化
した後の過渡状態においては、熱変位量を時間経過に従
って推定し、各推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を
補正することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。 - 【請求項２】 温度センサの出力に基づき熱変形部の温
度を測定し、測定温度に対応する時系列データを記録
し、温度が飽和した定常状態において、熱変位量を測定
温度の即時値に従って推定し、運転条件が変化した後の
過渡状態においては、熱変位量を温度及び熱変位の時定
数比だけ前の時刻の時系列データに従って経時的に推定
し、各推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正する
ことを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。 - 【請求項３】 前記過渡状態において運転条件が変化し
たときに、変化に伴う推定誤差を吸収して熱変位量を求
めることを特徴とする請求項２記載の工作機械の熱変位
補正方法。 - 【請求項４】 温度センサの出力に基づき熱変形部の温
度を測定し、熱変形部の回転数に対応する熱変位収束値
を記憶し、温度が飽和した定常状態において、熱変位量
を測定温度の即時値に従って推定し、回転数が変化した
後の過渡状態においては、熱変位量を指令回転数に対応
する熱変位収束値を用いた時間応答式により経時的に推
定し、各推定値に基づきＮＣ装置により熱変位を補正す
ることを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。 - 【請求項５】 前記過渡状態において熱変位推定値が熱
変位収束値に近似したときに、推定モードを過渡状態か
ら定常状態に切り換えることを特徴とする請求項４記載
の工作機械の熱変位補正方法。 - 【請求項６】 前記モード切換に際し、予め設定した期
間中に過渡状態推定値と定常状態推定値とを経時変化す
る比率で混合して熱変位量を求め、設定期間終了時には
定常状態推定値のみで熱変位量を求めることを特徴とす
る請求項５記載の工作機械の熱変位補正方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07244708A JP3136464B2 (ja) | 1995-09-22 | 1995-09-22 | 工作機械の熱変位補正方法 |
| DE19638607A DE19638607A1 (de) | 1995-09-22 | 1996-09-20 | Verfahren zum Ausgleichen von durch Wärme verursachtem Versatz eines Bauteils einer Werkzeugmaschine |
| US08/710,781 US5795112A (en) | 1995-09-22 | 1996-09-20 | Method for compensating a component of a machine tool for displacement caused by heat |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07244708A JP3136464B2 (ja) | 1995-09-22 | 1995-09-22 | 工作機械の熱変位補正方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0985581A true JPH0985581A (ja) | 1997-03-31 |
| JP3136464B2 JP3136464B2 (ja) | 2001-02-19 |
Family
ID=17122747
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07244708A Expired - Fee Related JP3136464B2 (ja) | 1995-09-22 | 1995-09-22 | 工作機械の熱変位補正方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5795112A (ja) |
| JP (1) | JP3136464B2 (ja) |
| DE (1) | DE19638607A1 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002086329A (ja) * | 2000-09-13 | 2002-03-26 | Mori Seiki Co Ltd | 工作機械の熱変位補正量算出方法及び熱変位補正量算出装置 |
| US7354386B2 (en) * | 2005-11-04 | 2008-04-08 | Mori Seiki Co., Ltd. | Thermal displacement correcting device |
| DE102013100455A1 (de) | 2012-01-19 | 2013-08-22 | Fanuc Corporation | Kompensationsvorrichtung für die thermische Versetzung in einer Werkzeugmaschine |
| KR101401848B1 (ko) * | 2007-12-12 | 2014-05-30 | 두산인프라코어 주식회사 | 공작기계의 주축헤드 변위 보정방법 |
| KR20140093847A (ko) * | 2013-01-18 | 2014-07-29 | 두산인프라코어 주식회사 | 공작기계의 이송계 열변위 보정장치 및 보정방법 |
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