JPH11347889A - 工作機械の熱変位推定方法 - Google Patents

工作機械の熱変位推定方法

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JPH11347889A
JPH11347889A JP15630998A JP15630998A JPH11347889A JP H11347889 A JPH11347889 A JP H11347889A JP 15630998 A JP15630998 A JP 15630998A JP 15630998 A JP15630998 A JP 15630998A JP H11347889 A JPH11347889 A JP H11347889A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 定回転数運転時と定周速運転時とで演算係数
の変化における時間基準を変更することにより、あらゆ
る運転状況において熱変位を正確に推定する。 【解決手段】 熱変位推定演算器9が主軸3とベッド4
の温度を検出し、デジタル信号化した温度から演算式を
用いて熱変位量を推定し補正量を算出する。演算式の有
する演算係数は、定回転数運転時は回転数とカウンタの
経過時間に応して変化し、定周速運転時は設定時定数と
カウンタの経過時間に応じて変化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は工作機械の熱変位を
補正する技術に属し、補正するために温度に基づき熱変
位を推定する工作機械の熱変位推定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】工作機械の加工精度を悪化させる要因と
して、大まかには工作機械を取り巻く環境室温変化と機
械自身の発熱、及び加工熱による切削液温の上昇が原因
による熱変形がある。そして、その熱変形の制御方法と
して、機械構造的には、発熱部近傍の冷却や切削液温の
温度制御等が行われている。また、電気制御的には、機
体温度情報から熱変位を推定し補正する方法がある。
【0003】後者の熱変位推定方法として、出願人は特
開平9−225781号公報に示す技術を提案してい
る。これは、回転数変化後の過渡状態から定常状態に至
るまで、回転数と時間あるいは補正回数に応じて熱変位
推定演算式の演算係数を変化させながら、主軸の熱変位
を求める熱変位推定演算方法である。具体的には、回転
数が変化したときを時間基準として該基準からの時間あ
るいは補正回数に応じて該演算係数を変化させている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記熱
変位推定方法では、旋盤の定周速運転においては加工径
によって、またマシニングセンタの定周速運転において
はボールエンドミル加工点によって主軸回転数が常に変
化するため、回転数が変化したときを時間基準とした場
合は、検出温度の即時値を用いて熱変位推定演算するこ
とになり、温度変化と変位変化の時定数を埋めることが
できず、主軸の熱変形を正確に求めることができない。
このように、回転数と時間あるいは補正回数に応じて熱
変位推定演算式の演算係数を変化させながら、主軸の熱
変位を求める上記従来の熱変位推定方法は、定周速運転
時に演算係数を時間あるいは補正回数に応じて変化させ
ることができなかった。
【0005】そこで本発明の課題は、定回転数運転時と
定周速運転時とで演算係数の変化における時間基準を変
更することにより、あらゆる運転状況において熱変位を
正確に推定する方法を提案することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項1の発明は、工作機械各部の温度を検出する
段階と、検出した温度を数値化する段階と、数値化され
た温度に基づき演算式を用いて熱変位量を推定する段階
とを有し、前記演算式の係数(以下、演算係数という)
を記憶装置内に記憶された温度及び熱変位の時間応答を
等しくする関数(以下、係数関数という)とした熱変位
推定方法であって、定回転数運転か定周速運転かを判断
して、各運転状況に合わせて演算係数を構成する係数関
数を変更するものとする。
【0007】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、係数関数が回転数及び時間或いは補正回数の関数で
あって、定周速運転時は、係数関数の時間基準を定周速
運転開始時刻とし、係数関数の演算を予め設定された時
間あるいは補正回数まで行い、その後は係数関数の値を
保持するものとする。
【0008】以下、本発明の有効性について説明する。
図1の条件にて運転されたマシニングセンタの主軸変位
を50秒間隔にて非接触変位センサを用いて計測した値
と、主軸近傍に設置した温度センサにて計測した温度上
昇値(機体温度からの相対値)とを図2に示す。この実
験結果に対し、前記特開平9−225781号公報にて
提案した方法により過渡状態を考慮して推定した推定熱
変位量と実際の熱変位量との推定誤差を図4に示す。
【0009】この従来技術は、図1に示している運転パ
ターンにおいては、過渡状態における熱変位量を正確に
推定するため、回転数が変化した時点より式1にて演算
に用いる回数(時間)カウンタがスタートし、熱変位推
定用中間値が算出され、引き続き熱変位量が式4にて推
定演算される。このとき定常状態からの回転数変化であ
るため式2,式3の段差分が小さいことから演算に反映
する必要はない。また、熱変位の時定数T(N)は、従
来技術で提案した方法により求めた式5より算出した。
尚、図4を求めるために用いた具体的な演算式を式1′
から式4′に示す。
【0010】 Yn=Yn-1+(Xn−Yn-1)・f(n,T(N)) 式1 n:回転数が変化してからの回数, T(N):熱変位の時定数 Xn:n回目の入力計算用温度, Yn:n回目の熱変位推定用中間値 f(n,T(N)):係数関数 入力計算用温度=計測温度−段差分・exp(−t/Ttmp) 式2 段差分=回転数変化直後の温度−回転数変化直前の熱変位推定用中間値 式3 t:回転数が変化してからの時間, Ttmp:温度時定数 推定熱変位=K・Yn 式4 K:係数 T(N)=30・exp-N/2000+15 式5 N:回転数 Yn=Yn-1+(Xn−Yn-1)・〔1/[1+18.6{1−exp(−n/17.4)}]〕 式1′ 入力計算用温度=計測温度−段差分・exp(−t/450) 式2′ 段差分=0 式3′ 推定熱変位=14・Yn 式4′
【0011】同様に図5の条件にて運転されたマシニン
グセンタの主軸変位及び温度上昇について図6にし示
す。また、式1から式4を用いて同様に熱変位量を推定
し、その推定熱変位量と実際の熱変位量との推定誤差を
図7に示す。
【0012】前記従来の方法によれば、主軸回転数の変
化後、しばらくは回転数が変化しない定回転数運転時の
過渡状態での推定(図4)は、図3の即時値を用いて推
定する方法より精度良く行われていることがわかる。し
かしながら、主回転数が常に変化する定周速運転時の過
渡状態での推定(図7)は、あまり精度良く行われてい
ないことがわかる。これは、従来の推定方法が図13の
フローチャートで示すように、回転数nあるいは時間t
のカウンタは回転数変化によってスタートするために、
回転数が常に変化する定周速運転の場合は毎回カウンタ
がリセットされ、即時値を用いて推定する方法と同じに
なってしまうためである。
【0013】そこで、ここでは式1の係数関数f(n,
T(N))を定回転数運転時と定周速運転時とで変更す
ることにより対応する方法を提案する。さらに具体例と
して、新たに定周速運転時のための各パラメータを設定
する事無く、定回転数運転時のパラメータを用いて、定
周速運転時の熱変位量を精度良く推定する方法について
示す。定周速運転時の熱変位量の推定演算では、回転数
nnあるいは時間ttの時間基準を定周速運転指令時刻と
し、その他の係数は定回転数運転時の値と同一にした式
6から式9を用いる。
【0014】ここで、時定数は、定周速運転は主軸回転
数が高い領域になるため、図8からわかるようにほぼ一
定の値となる。従って時定数は、式5右辺の第2項の値
(=15)とすれば、係数関数の演算が容易になる。ま
た、係数関数は、従来の方法では図9に示すように回転
数nあるいは時間tと共に小さくなる。そのため、係数
関数が小さくなりすぎると実行回転数が変化したときの
温度上昇値の変化が、推定値に反映されにくくなってし
まう。そこで、係数関数の演算は予め設定され最大回数
nnmaxまで行い、その後は値を保持するようにすれば、
実行回転数の変化による熱変位の変化にも対応すること
ができる。
【0015】 Ynn=Ynn-1+(Xnn−Ynn-1)・f(nn,T(N)) ただし,nn≧nnmaxのとき f(nn,T(N))=f(nnmax,T(N)) 式6 nn:定周速運転開始からの回数, T(N):熱変位の時定数 Xnn:nn回目の入力計算用温度, Ynn:nn回目の熱変位推定用中間値 f(nn,T(N)):係数関数 入力計算用温度=計測温度−段差分・exp(−tt/Ttmp) 式7 段差分=定周速運転開始直後の温度−定周速運転開始前の熱変位推定用中間値 式8 tt:定周速運転からの時間, Ttmp:温度時定数 推定熱変位=K・Ynn 式9 K:係数
【0016】図5の条件にて運転された場合において、
本提案方法を用いて推定した熱変位量と実際の熱変位量
との推定誤差を図10に示す。この結果と図7に示した
推定誤差とを比較すると、その効果は明らかで、推定誤
差が1/2以下に向上していることがわかる。図10を
求めるために用いた演算式を具体的に式6′から9′に
示す。
【0017】Ynn=Ynn-1+(Xnn−Ynn-1)・〔1/
[1+18{1−exp(−nn/18)}]〕 ただし、係数関数演算の最大回数nnmax=8 式6′ 入力計算用温度=計算温度−段差分・exp(−tt/450) 式7′ 段差分=0 式8′ 推定熱変位=14・Ynn 式9′
【0018】
【発明の実施の形態】以下本発明を具体化した実施の形
態の1例を図面を基に説明する。図11はマシニングセ
ンタにおける熱変位補正システムの構成図であり、マシ
ニングセンタは、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。図11
は縦型のマシニングセンタであるが横型でも同様であ
る。第1温度センサ6は主軸の発熱を測定するため主軸
3の軸受け外周部に取り付けられ、第2温度センサ7は
基準温度を測定するために機体のベッド4に取り付けら
れている。
【0019】各センサの温度は、予め設定された周期に
よって温度測定装置8により公知の方法によってアナロ
グ信号からデジタル信号の変換されて数値化し、記憶装
置10に予め記憶された補正パラメータに基づいて熱変
位推定演算器9にて温度データから熱変位量を推定して
補正量を算出し、NC装置11がその補正量に従って周
知の方法で位置補正を行う。
【0020】以下、図12のフローチャートに基づい
て、定回転数運転から定周速運転へ変更した場合につい
て説明する。まず、定回転数運転時は、温度測定を含む
熱変位補正実行中に、主軸回転数が変化する(15a)
と、カウンタがスタート(16)し、式2,式3より段
差吸収量及び入力計算用温度が算出される(18)。
尚、段差吸収量の算出は、推定用演算値Ynの算出に影
響が出ないほどに小さくなったときには実施しないもの
とする。
【0021】次に、回転数とカウンタの経過時間(回
数)に対応した係数関数により最適演算係数が算出され
(19)、式1に基づいて熱変位推定用中間値が算出さ
れる(20)。その後、式4により熱変位量が推定演算
される(21)。
【0022】定周速運転が開始する(13a)と、カウ
ンタが再スタートし(16)、式7,式8より段差吸収
量及び入力計算用温度が算出される(18)。次に、設
定時定数とカウンタの経過時間(回数)に対応した係数
関数により最適演算係数が算出され(19)、式6に基
づいて熱変位推定用中間値が算出される(20)。その
後、式8により熱変位量が推定される(21)。そし
て、推定熱変位量演算結果に相当する補正量がNC装置
に出力され(22)、補正が実施される(23)。とこ
ろで、式6から式9の各係数は、式1から式4のそれと
同じ値を用いても有効である。
【0023】
【発明の効果】以上詳述したように、請求項1の発明に
よれば、定回転数運転時と定周速運転時の熱変位の推定
演算式の係数を構成する関数を、各運転状況に応じて変
更するものであるから、どちらの運転状況においても、
熱変位を正確に推定することができる。
【0024】また、請求項2の発明のよれば、熱変位の
推定演算式の係数を構成する関数の時間基準を定回転数
運転時と定周速運転時とで変更し、その他の係数は、運
転状況に関係なく同じ値とするし、また、定周速運転時
の推定演算式の係数を構成する関数の演算は、予め設定
された時間あるいは補正回数までおこない、その後は関
数の値を保持するものであるから、各運転状況に応じた
パラメータをそれぞれ設定する必要がなくなり、単純化
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】定回転数運転時の主軸回転数の経時変化を示す
特性図である。
【図2】図1の運転状態での主軸の変位変化と温度上昇
の経時変化を示す図である。
【図3】温度即時値を用いて図2の熱変位を推定した誤
差の経時変化を示す特性図である。
【図4】従来の方法により図2の熱変位を推定した誤差
の経時変化を示す特性図である。
【図5】定周速運転時の主軸回転数の経時変化を示す特
性図である。
【図6】図5の運転状態での主軸の変位変化と温度上昇
の経時変化を示す特性図である。
【図7】従来の方法により図6の熱変位を推定した誤差
の経時変化を示す特性図である。
【図8】主軸熱変位の時定数と回転数の関係を示す特性
図である。
【図9】熱変位の推定に用いた係数関数の経時変化を示
す特性図である。
【図10】本発明の方法により図6の熱変位を推定した
誤差の経時変化を示す特性図である。
【図11】本発明の方法が実施される縦形マシニングセ
ンタの熱変位補正システムを示す概略図である。
【図12】本発明の熱変位推定方法の実施の形態の1例
を示すフローチャート図である。
【図13】従来の熱変位推定方法を示すフローチャート
図である。
【符号の説明】
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・・熱変
位推定演算器、10・・記憶装置、11・・NC装置。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 工作機械各部の温度を検出する段階と、
    検出した温度を数値化する段階と、数値化された温度に
    基づき演算式を用いて熱変位量を推定する段階とを有
    し、前記演算式の係数を記憶装置内に記憶された温度及
    び熱変位の時間応答を等しくする関数とした熱変位推定
    方法であって、定回転数運転か定周速運転かを判断し
    て、各運転状況に合わせて前記関数を変更することを特
    徴とする工作機械の熱変位推定方法。
  2. 【請求項2】 演算式の係数を構成する関数が回転数及
    び時間或いは補正回数の関数であって、定周速運転時
    は、前記関数の時間基準を定周速運転開始時刻とし、前
    記関数の演算を予め設定された時間あるいは補正回数ま
    で行い、その後は前記関数の値を保持することを特徴と
    する請求項1記載の工作機械の熱変位推定方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006015461A (ja) * 2004-07-02 2006-01-19 Okuma Corp 工作機械の熱変位推定方法
JP2012095415A (ja) * 2010-10-26 2012-05-17 Murata Mach Ltd モータの過負荷保護装置

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