JPS62213945A

JPS62213945A - 工作機械の熱変位補正装置

Info

Publication number: JPS62213945A
Application number: JP61053982A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Tomikawa; 和人富川; Hideo Fujie; 藤江　秀雄
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1986-03-12
Filing date: 1986-03-12
Publication date: 1987-09-19
Also published as: US4928019A; KR870008659A; KR910007254B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、工作機械の熱変形による加工誤差を補正する
熱変位補正装置に係り、一般的な工作機械に利用可能で
ある。

〔背景技術とその問題点〕

一般に、フライス盤やマシニングセンタのように、工具
を取り付ける主軸を有する主軸ヘッドと、この主軸ヘッ
ドを昇降可能に装備するコラムと、前記工具により加工
される被加工用工作物を取り付けるテーブルとを備えた
形式の工作機械においては、加工誤差を生じる主な原因
は、工具を取り付けた主軸とテーブルとの相対位置関係
が変化することによる相対的な変位である。この変位は
、前記主軸とテーブルとの間に介在する工作機械の主要
構造部分である主軸ヘッド、コラム、ベッド、サドル、
テーブル、ボールねじ等において、温度分布の不均一等
により、各部分が不均一に熱膨張し、まちまちに伸び、
そり、ひずみを生じること、さらにこれらが重複して顕
著となることによる。

従来より、このような加工誤差の発生を防止するために
、熱変形発生原因である熱源そのものに対する対策や、
熱変形を測定してこれを補正する対策等が講じられてい
る。前者の例としては、発熱部分または温度上昇する部
分に温度管理された潤滑油を循環させて熱を吸収し、温
度上昇を抑制してやる方法や、加工の際の温度で精度が
保たれるよう設計し、実際に加工に入る前に予め慣らし
運転を行うといった方法があるが、このような方法では
、ある範囲内の熱変位を抑制するための手段としては有
効であっても、熱変位の問題を根本的に解決するもので
はない、すなわち、機械が大型化すればするほどわずか
な温度変化でも機械の加工精度に大きく影うし、機械の
温度や温度勾配を加工精度に影響しない程度に一定に保
ことは不可能である。また、温度変化をできるだけ小さ
くしようとすればするほど、正確な温度制御’Ａ　ｉＺ
Ｚや大容量の熱変換器等が必要となり、高価である。

一方、後者の例としては、電気水準器を用いてコラムの
熱変形量を検出し、これに応じて主軸位置の誤差成分を
補正する方法があるが、電気水準器は機械本体外の基準
である重力方向を基準としており、このため複数個の水
準器が必要で、演算処理が複雑となり、さらには主軸位
置により、そのつど補正量を換算する必要がある。また
、コラム内に基準板を設け、基準板とコラムとの偏差を
差動トランスを用いて検出し、主軸位置を補正する方法
があるが、コラム内に基準板を設けているために構造が
複雑化し、しかも基準板と差動トランス検出子が常時接
触して摺動するため、加工中の検出子の摩擦による検出
値の誤差が発生する恐れがある。

また、後者の改良として、特公昭６０−８１１７号公報
に示されたように、光学装置を用いて変位置を検出する
事により、検出精度の向上ならびに構造の筒略化となる
補正装置を提供し、また、上記変位量を加熱装置で強制
的に矯正するようにしたものがある。これは、コラムの
傾きにより生しるコラムでの変位を補正するため、コラ
ムの中心線上の所定の位置に、゛前記発光源とこの発光
源に隔離対向されて配置された反射鏡と、コラム基部側
でコラム中心軸線と直交するコラム基準面上に配置した
光点変位検出器と、前記発光源による光束が反射鏡で反
射された反射光の変位量を前記光点変位検出器で検出し
、この変位信号を入力として基準面から主軸位置までの
コラムの変位量を算出する演算装置と、この演算装置の
出力信号と数値制御装置の信号とを受けてテーブル位置
を移動修正し、主軸位置を補正する補正回路とで構成さ
れた工作機械の熱変位補正装置である。しかし、このよ
うなコラムのみの変形による変位量を求めて補正を行っ
ても、加工誤差を生じる前記主要構造部分の一部分を補
正するのに過ぎず、加工誤差の改善には充分なものでは
なかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、工作機械の主軸とテーブルとの相対位
置関係の変位量を直接検出し、この検出した変位に基づ
いて主軸とテーブルとの相対位置関係をより正確に補正
可能な工作機械の熱変位補正装置を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明にお
いては、工作機械の主軸ヘッドの主軸近傍に、光を拡散
放出する発光源を設け、テーブルの前記発光源と隔離対
向される位置に、発光源からの光により発光源像を結像
させるレンズと、このレンズにより結像された発光源像
の位置変化を検出する光点変位検出器とを設け、さらに
この光点変位検出器からの信号を増幅する増幅回路と、
この増幅回路からの信号によりテーブルと発光源との相
対変位量を演算し、この相対変位量によりテーブルと主
軸との相対位置関係を補正させる制御装置とを設ける。

本発明は、このような構成により、主軸へラドの主軸近
傍に設けられた発光源からの光がレンズを通して結像す
る発光源像を光点変位検出器で検出する。ここで、テー
ブルに対して主軸が変位した際には、主軸近傍である発
光源も同様に変位し、この発光源による発光源像の変位
に伴って変化する光点変位検出器からの微弱な信号は、
増幅回路で増幅されて制御装置に送られ、発光源とレン
ズとの距離とレンズと光点変位検出器との距離の比に基
づいて、発光源像の変位量から発光源の変位量すなわち
テーブルに対する主軸の相対変位量を演算し、所定の補
正を行う。本発明は、このようにして前記目的を達成し
、前記問題点を解決するものである。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面を用いて説明する。なお、以下に
示す各実施例において同一もしくは相当する構成部分に
ついては同一符号を用い、説明を省略あるいは簡略にす
る。

第１図ないし第４図には、本発明に基づく第１の実施例
が示されている。

本実施例の工作機械の要部を示す第１図において、床面
に固定されたベッドｌ上には、コラム２が立設されてい
るとともに、ベッドｌ上面を移動可能なテーブル３が設
けられている。

前記コラム２は、上下に昇降可能な主軸へラド４を備え
、この主軸へラド４は、工具１５を取付可能で、主軸へ
ラド４内に設けられた図示しないモータ等の駆動源によ
り回転駆動される主軸５を備えている。

前記テーブル３は、被加工用工作物１３を取付可能で、
ベッドｌ内に設けられたサーボモータ６により図示しな
いボールねじ軸等を介して駆動されてベッドｌ上面の所
定範囲内の任意の位置に移動可能であり、前記主軸ヘッ
ド４の上下方向の動きとあわせてテーブル３上に取付け
られた被加工用工作物１３と前記主軸５に取付けられた
工具１５との相対位置を任意に設定して三次元の工作が
可能とされている。

一方、前記主軸ヘッド４の主軸５近傍の一部には、光を
拡散放出する発光源７が設けられ、テーブル３側面の発
光源７と隔離対向される位置には、発光源７からの光に
より発光源像を結像させるレンズ８と、このレンズ８に
より結像された発光源像の位置変化を検出可能な光点変
位検出器９とを備えた受光筒１８が設けられている。前
記光点変位検出器９は、光点変位検出器９からの信号を
増幅可能な増幅回路１０を介して制御装置１１に接続さ
れている。前記制御装置１１は、前記サーボモータ６お
よび操作盤あるいはＮＣ装置等の動作指令装置に接続さ
れており、この動作指令装置からの指令に基づいてサー
ボモータ６を動作させてテーブル３を移動させ、前記工
作機械の加工動作を行わせることが可能とされている。

さらに、制御ｌｌ装置２１１は、増幅回路１０で増幅さ
れた光点変位検出器９からの信号に基づいて前記テーブ
ル３と主軸５との相対変位量を演算しておき、動作指令
装置からの指令によりサーボモータ６を介してテーブル
３を移動させる際には、移動量に前記相対変位量を加減
して、テーブル３と主軸５との相対位置関係を補正可能
とされている。なお、前記発光源７、レンズ８、光点変
位検出器９、増幅回路ＩＯおよび制御装置１１により熱
変位補正装置１２が＋１４成される。

このように構成された本実施例においては、加工動作の
際に、切削等の加工に伴う摩擦熱等の発熱あるいはモー
タ等の駆動源からの発熱により、例えば第２図に示すよ
うに、実線で示される正常な状態から、破線で示される
熱変形を生した状態へと変形を生じ、被加工用工作物１
３が取付けられたテーブル３と工具１５が取付けられた
主軸５との相対位置関係には、テーブル３と主軸５との
間に介在するヘッド１、コラム２および主軸へソド４に
生じる熱変形の累積により変位が生じる。

ここで、熱変位補正装置１２においては、第３図に示す
ようにテーブル３と主軸５との相対位置関係が正常な場
合には、発光源７からの光は受光筒１８人射し、レンズ
８によって光点変位検出器９の中心位置に発光源像を結
像させる。このとき、発光源７とレンズ８との距離Ｌ０
と、レンズ８と光点変位検出器９との距離Ｌ１　との間
には、レンズ８の焦点距離をＦとしてという関係にある。一方、第４図に示すように、熱変形
を生じてテーブル３と主軸５との相対位置関係に変位Ｄ
０が生じた場合には、光点変位検出器９に結像される発
光源像は前記中心位置から変位り、を生じる。このとき
、変位Ｄ０と変位Ｄ１との間にはという関係があり、変位ＤＩ　と距ＭＬ０および距１ｉ
ＩＬｌ　とを得ることにより変位Ｄ０を知ることができ
る。すなわち、光点変位検出器９は変位り。

に相当する出力信号を増幅回路ｌＯに送る。この増幅回
路ｌＯは、一般に微弱な光点変位検出器９からの出力信
号を増幅し、制御装置１１に出力する。このとき、増幅
装置１０においては、光の強さによる見かけ上の光点位
置変化の防止や、周囲からの光の蒲れ込みによる誤信号
あるいは電気的な雑音信号等の影響を防止のための前処
理等を行ってもよい、一方、制御装置１１は、増幅回路
１０からの１δ号によりテーブル３と主軸５との相対変
位量としての前記変位Ｄ０を演算し、前記動作指令装置
からの指令に応じてテーブル３を移動させる際に、この
テーブル３の移動を前記相対変位量に基づいて加減する
ことにより、テーブル３と主軸５との相対位置を補正を
行う。

以上のような本実施例によれば、被加工用工作物１３を
取り付けるテーブル３に設けられた光点変位検出！Ｓ９
と、工具１５を取り付ける主軸５近傍に設けられた発光
源７との相対位置の変位Ｄ０を光学的に測定して演算す
ることにより、前記相対変位量を直接検出することが可
能となる。また、この相対変位量に基づいて前記相対位
置を補正してやることにより精密かつ確実な補正が可能
となり、より精度の高い加工が可能となるという効果が
ある。なお、本実施例においては、レンズ８および光点
変位検出器９は受光筒１８内に収められてテーブル３に
取り付けられており、外光の侵入による光点変位検出器
９の誤動作や発光源像の検比精度の低下を防止できると
いう効果がある。

前記第１の実施例に対し、第５図および第６図に示す第
２の実施例は、発光源７を点滅する光源とし、外光の侵
入による誤動作等を防止するものである。

第５図において、特定周波数の同期信号を出力する発振
回路２１には、発光源駆動回路２２が接続され、この発
光源駆動回路２２により前記同期信号に従って前記特定
の周波数で発光源７が点滅される。ここで、発光源７か
らの光はレンズ８により光点変位検出器９に発光源像を
結像させ、光点変位検出器９はこの発光源像の変位に応
じた信号を増幅回路２０に出力する。増幅回路２０は、
光点変位検出器９からの微弱な出力信号を増幅する前置
増幅回路２３と、この前置増幅回路２３の出力信号のう
ち、前記特定の周波数成分のみを選択的に増幅する選択
増幅回路２４と、この選択増幅回路２４からの出力信号
のうち、発振回路２１から送られる前記同期信号と時間
的に同期関係にある成分のみを整流し、制御１　装ＴＺ
　１１に出力する同期整流回路２５とを備えている。

このように構成された増幅回路２０を備えた本実施例に
おいては、第６図（ａ）に示すような同期信号に従って
発光源７を点滅させる。ここで、発光［７に変位Ｄ０が
生じた際の光点変位検出器９からの出力信号は、発光源
７を点滅させない場合には第６図（ｂ）に示すようなも
のであるが、発光源７を点滅させた場合で外光の侵入が
ない場合には第６図（Ｃ）に示すようなものとなる。こ
のとき、例えば第６図（ｄ）に示すような出力１３号を
光点変位検出器９に生じさせる外光の侵入がある場合に
は、光点変位検出器９からの出力（３号は第６図＜ｅ＞
に示すようなものとなるが、前記選択増幅回路２４によ
り前記同期信号に相当する特定の周波数成分のみを選択
的に増幅して第６図（「）に示すような出力信号とし、
さらに同期整流回路２５により前記同期信号と時間的に
同期関係にある成分のみを整流して第６図（ｇ）に示す
ような出力信号とする。このため、制御装置１１におい
て演算して変位Ｄ１を求めれば、この変位り、は変位Ｄ
０と比例関係となり、外光の侵入がある場合でも変位Ｄ
１から変位Ｄ０を正確に演算することができ、前記第１
の実施例の効果に加え、外光の影響を防止して、より確
実な補正を行うことができるという効果がある。

前記第１および第２の実施例に対し、第７図に示す第３
の実施例においては、発光源像１９の光点位置を検出す
る検出面が分割された分割型フォトダイオード光点変位
検出器として、２つのフォトダイオード３１．３２を備
えた光点変位検出器３９を用い、この光点変位検出器３
９からの出力を処理する増幅演算回路３０として、前置
増幅回路３３．３４と減算回路３５と加算回路３６と除
算回路３７とを備えた構成とする。なお、その他の構成
は、前記第１の実施例と同じとする。

このような本実施例においては、例えばフォトダイオー
ド３１．３２が並ぶ方向をＸ方向として、発光源７から
の光がレンズ８を通して光点変位検出器３９上に結像す
る発光源像１９の前記Ｘ方向の位置によって変化するフ
ォトダイオード３１゜３２からの出力信号は、各々前置
増幅回路３３゜３４で増幅される。ここで、前置増幅回
路３３からの出力をＸｌ、前置増幅回路３４からの出力
をｘ２とすれば、減算回路３５においては出力Ｘ１から
出力Ｘ２を減じた出力（ＸＩ　　　Ｘｇ　）が算出され
、加算回路３６においては出力Ｘ＋　　と出力×２とを
加えた出力（ＸＩ　　＋　ｘｘ　）が算出される。

このとき、フォトダイオード３１．３２の出力差に基づ
く前記出力（ＸＩ　　　Ｘｉ　）は、一般に発光源像１
９のＸ方向の変位に比例しているが、発光源像１９が同
じ位置にあってもレンズ８を通して入射する元旦の増減
により変化することがある。

このため、除算回路３７においては、入射光の（，８量
に基づく前記出力（Ｘｌ＋Ｘ２）で前記出力（Ｘｔ　　
　Ｘｉ）を割ることにより、フォトダイオード３１．３
２の出力差の割合として、入射光猾の多少に拘わらず常
に同じ条件で発光源像１９の位置を示す出力（ＸＩ　　
＋Ｘｚ　）／　（ｘ＋　　−ｘｚ　）を算出し、こ、れ
を制御装置ｉ！１１に送ってテーブル３位置の補正を行
う。このような本実施例によれば、レンズ８を通して入
射する光量が変化した際であっても、発光源像１９の正
確な位置を検出することができ、より正確な補正を行う
ことができる。

なお、前記第３の実施例の変形として、第８図に示すよ
うな第４の実施例においては、４つのフォトダイオード
３１Ａ、３１Ｂ、３２Ａ、３２Ｂを備えた光点変位検出
器３９Ａと、前記増幅演算回路３０を２系統分備えた増
幅演算回路３０Ａとを用いれば、前記Ｘ方向だけでなく
これに直交するＹ方向についても同時に、発光源像１９
の正確な位置を検出することができる。

前記第３および第４の実施例においては、光点位置を検
出する検出面が分割されたフォトダイオード光点変位検
出器を用いたが、第９図ないし第１１図に示す第５の実
施例においては、光点位置を検出する検出面が分割され
ない連続型フォトダイオード光点変位検出器として、連
続型のＰＩＮフォトダイオード４１を備えた光点変位検
出器４９を用いる。なお、増幅演算回路３０およびその
他の構成は第３の実施例と同しである。

第９図において、光点変位検出器４９はＰＩＮフォトダ
イオード４１を受光面として備え、このＰＩＮフォトダ
イオード４１は１層４２の表面にＰ形抵抗層４３を形成
され、また、裏面にＮＪ！１４４を形成されており、さ
らに、Ｐ形抵抗層４３の両端部には互いに距離Ｗ０をお
いて各々電極４５゜４６が設けられ、ＮＪｉ４４の中央
位置には共通電極４７が設けられている。ここで、前記
発光ｔ７．７からの光がレンズ８を通して結像する発光
源像１９の中心が、前記Ｐ型抵抗層の電極４５から電極
４６に向かって距離Ｗ１の位置にあるならＰＩＮフォト
ダイオード４１および共通電極４７には電流！。が流れ
る。このとき、例えば距離ＷＩが間隔Ｗ０のちょうど半
分すなわち発光源像１９が光点変位検出器４９の中央位
置にある場合には、電極４５．４６に流れる電流１．　
、＋ｚ　はそれぞれ１＋＝Ｉｚ＝Ｉ。／２で等しいが、
発光源像１９が前記中央位置から変位を生した場合には
、電極４５には電流が流れ、電極４５と電極４６とから各々とり出しつる出
力信号は、発光源像１９の前記中央位置からの変位Ｄ＋
　　＝Ｗｏ　／２　　ＷＩに応じて出力差を生じる。

第１０図において、光点変位検出器４９の電極４５．４
６は、各々前記増幅演算回路３０の前置増幅回路３３．
３４に接続され、以下前記第３の実施例と同様な演算に
より、入射光量の変化に拘わらず発光源像１９の正確な
位置を検出することが可能となる。さらに、本実施例に
よれば、連続型のＰＩＮフォトダイオード４１を用いる
ことにより、発光源像１９の中心位置を検出するため、
第３の実施例に示したような分割型のフォトダイオード
３１を用いた場合に比べてより正確かつ発光源像１９の
寸法に影舌を受けないという効果がある。

なお、前記第５の実施例の変形として、第１１図に示す
ような第６の実施例においては、ＰＩＮフォトダイオー
ド４１Ａの４辺に各々４つの電極４５Ａ、４５Ｂ、４６
Ａ、４６Ｂを備えた光点変位検出器４９Ａと、前記第４
の実施例と同様な増幅演算回路３０Ａとを用いれば、発
光源像１９の中心位置の変位をＸ方向、Ｙ方向の直交す
る２方向に対して同時に検出することができる。

前記第１ないし第６の実施例においては、レンズ８およ
び光点変位検出器９を１ｍづつ用い、主軸ヘッド４が前
記（１）式の関係を満足する位置にあるときの光点変位
検出器９の変位Ｄ１によりテーブル３と主軸５との水平
方向の相対変位１０゜を算出して補正を行ったが、第１
２図ないし第１４図に示す第７の実施例においては、レ
ンズおよび光点変位検出器を複数組用い、異なる位置に
おけるテーブル３と主軸５との相対変位量を検出して主
軸ヘッド４の昇降方向の軸線の傾きを演算し、主軸ヘッ
ド４の移動に伴うテーブル３と主軸５との変位の変化を
考慮してより正確な補正を可能とする。

第１２図および第１３図において、２つの発光源７１．
７２は、主軸ヘッド４の主軸５近傍に、間隔Ｌ０をおい
て設けられ、２個のレンズ８１゜８２および光点位置検
出器９１．９２は、テーブル３の側面に、前記発光源７
１．７２の各々に対向するよう設けられており、レンズ
８１と光点変位検出器９１との距離はＬｌｌ、レンズ８
２と光点変位検出器９２との距翻はＬｅｔとされている
。

このような本実施例においては、第１２図に示すように
、発光源７１とレンズ８１との距離がり。１である位置
に主軸ヘッド４があるとき、光点変位検出器９１には発
光源像が結像し、その変位Ｄ１１からテーブル３と主軸
５との相対変位量り。

が算出される。一方、第１３図に示すように、発光源７
２とレンズ８２との距離がＬｅｔである位置に主軸へラ
ド４があるとき、光点変位検出器９２には発光源像が結
像し、その変位Ｄ１！からテーブル３と主軸５との相対
変位量が算出される。このとき、第１４図に示すように、これ
らの変位ＤＯ＋　＋　　Ｄ　６　ｚおよび各検出位置の
距離（Ｌｏ＋　　Ｌｏｇ）により、主軸ヘッド４の昇降
方向の軸ｆＩＡのｆ頃きＬｏ＋　　Ｉ−ｏ冨が算出できる。このため、例えば、第２図に実線で示さ
れる熱変形のない状態での軸線の傾きθ。

を検出しておき、運転に伴い、第２図に破線で示された
熱変形を生じた状態での軸線の傾きθ１　を検出し、熱
変形による軸線の傾きの変化■Δθ＝θ０−θ、を計算
することにより、主軸へラド４の昇降に伴うテーブル３
と主軸５との相対変位１の増減を検出することができ、
テーブル３と主軸５の相対位置を主軸へ７ド４の昇降に
伴ってさらに細かく補正することにより、一層正確に補
正できるとシ１う効果がある。さらに、前記検出位置を
２つに限らず、３つ以上設ければ、主軸ヘッド４の上下
の位置に応じてさらに正確な補正が可能となる。

なお、前記第７の実施例の変形として、第１５図および
第１６図に示すよう°な第８の実施例においては、レン
ズ８１と光点変位検出２ｉｉ９１との１組と、レンズ８
２と光点変位検出２３９２との１組とを、各々の光軸を
直交させてテーブル３側面に配置し、前記交点には各々
の光軸と４５度をなすハーフミラ−７０を設け、このハ
ーフミラ−７０により主軸５近傍に設けられた１つの発
光源７か、らの光を透過光と反射光とに分配し、レンズ
８１゜−８２を介して光点変位検出器９１．９２に発光
源像を結像させるように構成すれば、前記（５）式によ
り距離Ｌｌｌｌ＋　　Ｌｏｇおよび変位り、から変位Ｄ
ｏ１を算出し、前記（６）式により距ｔ％１ＩＬｏｚ、
　　Ｌｅｔおよび変位Ｄ１□から変位り。２を算出し、
前記（７）式により軸線の傾きθ。、θ１を算出できる
ので、前記第７の実施例と同様の効果が得られるほか、
発光源７が１つでよ＜、簡略化できるとともに、前記発
光源７１．７２の間隔Ｌ０によって生じる誤差をなくす
こともできるという効果がある。

前記第７および第８の実施例においては２ｍの発光源？
１，７２）レンズ８１．８２および光点変位検出器９１
．９２によりコラム２の傾きを検出可能としたが、第１
７図に示す第９の実施例においては、制御装置１１とし
ての数値制御装置１１０を設け、前記２組の光点変位検
出器９１，９２の出力に基づいてコラム２の傾きを演算
し、前記テーブル３と主軸５との相対変位量の補正をよ
り正確に行うことを可能とする。

第１７図において、光点変位検出器９１．９２は、前記
第７または第８の実施例と同様の構成により各々異なる
主軸ヘッド４位置での発光源像の変位Ｄ　ｏ　１　、　
　Ｄ　＠　ｚを出力可能に設けられており、これらの光
点変位検出器９１．９２は各々増幅器１０１．１０２を
介して数値制御装置１１０に接続されている。

この数値制御装置１１０は、増幅器１０１．１Ｏ２に接
続されたセレクタ１１１と、Ａ／Ｄ変換器１１２を介し
てセレクタｉｌｌに接続されたバッファユニット１１３
とを備えており、バッファユニット１１３は検出用Ｉ１
０ユニット１１４内に設けられており、検出用Ｉ１０ユ
ニット１１４の要求に応じて書き込み、あるいは読み出
し動作可能とされている。

前記検出用１１０ユニソ）１１４は、演算処理装置１１
５およびセレクタ１１１に接続されており、演算処理装
置１１５の要求に応じて、適宜セレクタ１１１に切換指
令を送ってセレクタ１１１で選択される（３号を切換可
能、かつバッファユニット１１３内にセレクタ１１１で
選択されてＡ／Ｄ変換器１１２で符号化された信号を保
持可能とされている。

前記演算処理装置１１５は、マイクロプロセッサあるい
は小型コンピュータ等でありζデータメモリ１１６およ
びプログラムメモリ１１７を備えているとともに、制御
用Ｉ１０ユニット１１８を介して前記サーボモータ６に
接続されている。この演ゴγ処理ＶＺ１１５は、プログ
ラムメモリ１１７内に保持されたプログラムに基づいて
所定の処理を行い、検出用１１０ユニソ）１１４および
制御用Ｉ１０ユニット１１８等の動作を制御するととも
に、バッファユニット１１３およびデータメモリ１１６
内に保持されたデータを用いて所定の演算を行い、演算
結果に応じて制御用Ｉ１０ユニット１１８に制御信号を
出力してサーボモータ６を制御可能とされている。

なお、制御用！１０ユニ７ト１１８には操作盤あるいは
ＮＣ装置等の図示しない動作指令装置が接続され、制御
用Ｉ１０ユニット１１８は、前記動作指令装置からの指
令によりサーボモータ６を動作させ、前記工作機械の基
本的な動作を行わせることが可能とされている。

このような本実施例においては、数値制御装置１１０の
動作は次に示すようなものである。なお、以下の各動作
は、プログラムとしてプログラムメモリ１１７内に記憶
された手順に従って動作する演算処理装置１１５の制御
のもとで実行される。

数値制御装置１１０は、稼動開始時など前記工作機械に
熱変形が生じていない状態で、予め基準となるテーブル
３と主軸５との相対変位量を測定しておく。

まず、第１２図あるいは第１５図に示すように発光源７
１とレンズ８１との距離がり。ｌであるときのテーブル
３と主軸５との相対変位量り、を検出する。Ｉ１０ユニ
ット１１４は演算処理装置１１５からの指令に基づいて
セレクタ１１１を光点変位検出器９１側に切り換え、光
点変位検出’ＪＮ　９１で検出され、増幅回路１０１を
経てＡ／Ｄ変換２５１１２で符号化された信号をバッフ
ァユニット１１３に保持する。ここで、演算処理装置１
１５は、バッフアユシソｌ−１１３内に保持された内容
およびプログラムメモリ１１７に記憶された（５）弐に
基づく手順によりテーブル３と主軸５との相対変位ｆｉ
ｔ　Ｄ　ｏ　＋を算出し、データメモリ１１６に保存す
る。

次に、第１３図あるいは第１６図に示すように発光［７
２とレンズ８２との距離がＬ１１２であるときのテーブ
ル３と主軸５との相対変位ｆｌ　Ｄ　Ｏ２を検出する。

Ｉ１０ユニット１１４は演算処理装置１１５からの指令
に基づいてセレクタ１１１を光点変位検出器９２側に切
り換え、光点変位検出器９２で検出され、増幅回路１０
２を経てＡ／Ｄ変換’ＪＳｌ　１２で符号化された信号
をバッファユニット１１３に保持する。ここで、演算処
理装置１１５は、バッファユニット１１３内に保持され
た内容およびプログラムメモリ１１７に記憶された（６
）式に基づく手順によりテーブル３と主軸５との相対変
位１ｉ　Ｄ　ｏ　ｔを算出し、データメモリ１１６に保
存する。このように検出された相対変位ｊｌＤ。Ｉ＋Ｄ
Ｏ！を第１８図に示す。

第１８図において、Ｙ軸は主軸ヘッド４の昇降方向、Ｘ
軸はテーブル３の移動方向であり、Ｄ　Ｏｌ　＋Ｄｏｔ
はＸ軸方向に測られたテーブル３と主軸５との相対変位
量、ＬｏはＹ軸の原点からレンズ位置までの距離である
。

一方、数値制御袋Ｔｌ１１０は、運転に伴ない前記工作
機械に熱変形が生じた際には、定期的あるいは精密加工
の前など補正が必要な都度、テーブル３と主軸５との相
対変位量を測定し、コラム２の傾きを補償する補正量を
算出する。

まず、前記熱変形のないときと同様の手順により、発光
、１ＩｉＸ７１とレンズ８１との距離がＬＯＩのときの
テーブル３と主軸５との相対変位ＥＩ　Ｄ　：＋　＋、
および発光′ｔＡ７２とレンズ８２との距離がり。２の
ときの°テーブル３と主軸５との相対変位ｆｆｔ　Ｄ　
ｓ　ｚを検出し、各々データメモリ１１６に保存する。

このように検出された前記相対変位量Ｄ３＋＋　　０３
＊を第１９図に示す。

ここで、予め測定しておいた熱変形のない状態での相対
変位ｆｌｊ　Ｄ　ｏ　＋　、　　Ｄ　ｏ　ｚと熱変形を
生じた状態での相対変位量Ｄ　！　＋　、　　Ｄ　１！
とを比較し、各測定位置での相対変位量の増加分Ｄ＋　　＝　Ｄｓ＋　　Ｄｏ＋　　　　　　　（８）Ｄ
ｚ＝Ｄ、ｌ□−Ｄｏｇ　　　　　　　（９）を算出する
。このとき、熱変形に伴って増加した軸線の傾きは、第
２０図に示すような直線の傾きで表され、この直線は次
式で表される。

＝Ａ　　−Ｘ＋Ｄａ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　（１０）Ｄ　＋　　　　　Ｄ　ｚ一方、数値制御装置１１０がＸ軸方向に補正しようとす
る際の所望の最小補正量をΔＸ（例えば０．００１１．
ｍ　）とした場合、このΔＸに対応するＹ軸方向の補正
基準１ΔＹは、 ΔＹ＝Δ−ΔＸ　　　　　　　（１１）であり、現在の
Ｙ軸位置Ｌｔに対応すＺ、　ＳＦ軸方向の固定的補正■
Ｄ、は（１０）式に基づきＤｔ　−５・ＬＬ＋Ｄｏ　　
　　　（１２）として求まる。これらの（直はデータメ
モリ１１６内に記憶され、補正動作の際に参照される。

数値制御装置１１０は、以上のように補正基準量ΔＹお
よび固定的補正ｉｔ　Ｄｔを算出した後、以下の手順で
熱変形によるテーブル３と主軸５との相対変位の補正を
行う。

まず、前記算出後の最初の移動において、移動指令に基
づくＸ軸方向の移動・量から固定的補正量ＤＬを差し引
いて移動を行い、テーブル３と主軸５との座標系の基本
的な補正を行う。

以後、移動によりＹ軸方向の位置し、の変化分が補正基
準量ΔＹの整数倍の距離となるたびに、コラム２の軸線
の傾きによる主軸へラド４の昇降に伴う相対変位の補正
を行う、すなわち、主軸ヘッド４が上昇する際、つまり
前記ＬＬが増加する方向に移動する際に、位置Ｌｔの変
化分が補正基準量ΔＹの整数倍の距離となるたびにＸ軸
方向の位置し、から最小補正量ΔＸを減算する。一方、
主軸ヘッド４が下降する際、つまり前記ＬＬが減少する
方向に移動する際に、位置ＬＬの変化分が補正基準量Δ
Ｙの整数倍の距離となるたびにＸ軸方向の位置ＬＬに最
小補正量ΔＸを加算する。

以上のように、本実施例によれば、数値制御装面１１０
は前記工作機械の動作の際に動作量を補正して動作を行
うことにより、熱変形が生じた状態でのテーブル３と主
軸５の相対変位量を補正して正確な動作を行うことがで
きる。

また、本実施例によれば、工作機械のコラム２の軸線の
傾きを検出し、主軸へラド４の昇降にともなうテーブル
３と主軸５の相対変位量の変化に対応して、より正確な
補正を行うことができるという効果がある。

前記第９の実施例においては、数値制御装置１１０に接
続された２＆［ｌの光点変位検出器９１，９２を設けた
が、第１０の実施例においては、第２１図に示すように
、光点変位検出器９の他に、前記工作機械に温度検出手
段としての温度検出センサ２１を設け２．交点変位検出
器９に基づいて行う補正に、従来からの温度を検知して
工作機械の温度上昇に基づいて行う補正により補完的な
補正を行い、テーブル３と主軸５との相対位置の正確な
補正を行う。

従来より、工作機械の熱変位は温度上昇とある程度比例
関係にあることから、工作機械の本体の温度上昇を検出
し、この温度上昇により工作機械の座標系を移動させて
補正を行うことが行われているが、この温度上昇は機械
運転条件、切削剤等の熱的影響や、機械の置かれた環境
条件により変化するため、不確定要素が大きい、第２２
図に示すように、このような温度上昇に基づく補正は、
一般に、温度上昇に伴い不確実性が増す特性を持ってお
り、この温度上昇もと熱変位量ｘの関係は以下の直線式
で表される。

ｘ＝Ｂ　ｔ　＋Ｃ（１３）つまり、工作機械の熱変位を温度のみで予測すると、関
係を求める条件が第２２図における信頼性下限に近い状
態であったり、信頼性下限に近い状態での機械の運転条
件や環境である場合など、第２３図に示すような範囲に
ばらつき、誤差を生じて正確さを失う。

一方、光点変位検出器９によるテーブル３と主軸５の相
対変位量を検出し補正する方法によれば、工作機械温度
上昇に拘わりなく補正を行うことができる。しかし、光
点変位検出器９による補正においては、第２４図のよう
に、検出および補正を行った直後には非常に正確である
が、時間の経過とともにその誤差が大きくなるため、仕
上げ等の精度を必要とする加工の直前には、毎回検出お
よび補正を行う必要があった。

このため、本実施例においては、第２１図゛に示すよう
に、増幅回路１０を介して数値側？３′ＩＩ装置１１０
に接続された交点変位検出器９を設けるとともに、前記
工作機械に取り付けられた温度検出手段としての温度検
出センサ２１を設け、この温度検出センサ２１を増幅回
路２２を介して数値制御装置１１０に接続する。なお、
数値制御装置１１０は、前記第９の実施例と同様の構成
を備えており、筒略化のためここでは説明を省略する。

なお、以下の各動作は、プログラムとしてプログラムメ
モリ１１７内に記憶された手順に基づき、演算処理装置
１１５により実行される。

このような本実施例においては、精密加工に際して、あ
るいは適宜行われる光点変位検出器９によるテーブル３
と主軸５の相対変位量の検出および補正により基本的な
補正を行う。このとき、数値制御装置１１０はセレクタ
１１１を光点変位検出器９側とし、前述した所定の演算
により前記相対変位量を算出する。一方、光点変位検出
器９による検出の時刻から次の光点変位検出器９による
検出の時刻までの間は、時間の経過に従って次第に誤差
が増加するが、このとき、数値制御装置１１０はセレク
タ１１１を温度検出センサ２１側とし、温度検出センサ
２１で検出された温度に基づいて補正を行う、すなわち
、数値制御袋ｒｌＩＩＯは、前記光点変位検出器９によ
る検出の際に工作機械の温度を予め測定しておき、時間
の経過とともに温度検出センサ２１で検出される温度の
変化を計算し、この温度変化に応じて所定の演算を行い
、補正を行って第２５図に示すように誤差の範囲を限定
する。

このように、本実施例によれば、交点変位検出器９によ
る検出および補正の動作の時間的な間隔を長くしても誤
差を小さく抑えることができ、交点変位検出器９による
検出および補正の動作の頻度を減らして工作機械の作業
時間を増し、作業効率を向上できるという効果がある。

なお、前記実施例においては、温度検出センサ２１で検
出される温度変化に応じた補正は所定の演算によるとし
たが、これは予めデータメモリ１１６等に温度に応じた
標準補正値をデータテーブルとして記憶しておき、随時
読み出すとしてもよい。

以上の前記各実施例においては、検出したテーブル３と
主軸５との相対変位量に基づき、サーボモータ６により
テーブル３をＷＡ動じて水平方向の移動の際の移動量を
加減することにより、テーブル３と主軸５との相対変位
量を補正するとしたが、主軸５を備えたコラム２が移動
して加工を行う型式の工作機械においては、サーボモー
タ６によりコラム２を移動させる際に補正を加えればよ
く、要するに、テーブル３と主軸５との相対位置を補正
できればよい。

また、レンズ８，８１．８２および交点変位検出２″＆
９，９１．９２の取り付は位置はテーブル３の側面に限
らず、テーブル３表面にうめ込むなどとしてもよく、被
加工用工作物１３の取り付けや加工作業に支障をきたさ
ないようにテーブル３に固定された位置であればよい。

このように、本発明は前記各実施例に限定されるもので
はなく、要するに、主軸５近傍に設けられた発光源７と
、テーブル３に設けられて発光ａｇ７からの光により発
光源像を結像させるレンズ８と、このレンズ８により結
像された発光源像の位置変化を検出する光点変位検出器
９とにより、テーブル３と主軸５との相対位置関係の変
位を光学的に直接検出し、増幅回路１０等および制御装
置１１により変位量を演算し、この変位量に基づいて工
作機械の加工動作を補正するということである。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の工作機械の熱変位補正装置によ
れば、工作機械の主軸とテーブルとの相対位置関係の変
位量を直接検出し、この変位量に基づいて主軸とテーブ
ルとの相対位置関係をより正確に補正することができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１１２Ｉは本発明の第１の実施例の要部を示す構成図
、第２図は前記実施例における熱変形の例を示す側面図
、第３図は前記実施例における正常時の光路を示す図、
第４図は前記実施例における熱変形時の光路を示す図、
第５図は本発明の第２の実施例の要部を示す構成図、第
６図は前記第２の実施例における各部の信号出力と時間
との関係を示す図、第７図は本発明の第３の実施例を示
す構成図、第８図は本発明の第４の実施例を示す構成図
、第９図は本発明の第５の実権例に用いる光点変位検出
器を示す断面図、第１０図は前記第５の実施例を示す構
成図、第１１図は本発明の第６の実施例を示す構成図、
第１２図は本発明の第７の実施例の検出状態を示す図、
第１３図は前記第７の実施例の他の検出状態を示す図、
第１４図は前記第７の実施例の原理を示す図、第１５図
は本発明の第８の実施例の検出状態を示す図、第１６図
は前記第８の実施例の他の検出状態を示す図、第１７図
は本発明の第９の実施例を示す構成図、第１８図は前記
第９の実施例における熱変形がないときの検出状態を示
す図、第１９図は前記第９の実施例における熱変形があ
るときの検出状態を示す図、第２０図は前記第９の実施
例における熱変形によるコラムの傾きを示す図、第２１
図は本発明の第１０の実施例を示す構成図、第２２図は
前記第１０の実施例における温度上昇と熱変形の関係を
示す図、第２３図は前記第１０の実施例における時間と
熱変形の関係を示す図、第２４図は前記第１０の実施例
における光点変位検出器による、熱変位の補正を示す図
、第２５図は前記第１０の実施例における光点変位検出
器と温度検出センサの組み合わせによる熱変位の補正を
示す囚である。２・・・コラム、３・・・テーブル、４・・・主軸ヘッ
ド、５・・・主軸、？、７１．７２・・・発光源、８．
８１゜８２・・・レンズ、９，３９．３９Ａ、４９．４
９Ａ。９１．９２・・・光点変位検出器、１０，２０．２ＯＡ
、１０１．１０２・・・増幅回路、１１・・・制御装置
、１２・・・熱変位補正装置、１３・・・被加工用工作
物、１５・・・工具、１９・・・発光源像１．２１・・
・温度検出手段である温度検出センサ２４・・・選択増
幅回路、２５・・・同期整流回路、３０．３０Ａ・・・
増幅演算回路、３１．３１Ａ、３１Ｂ、３２．３２Ａ、
３２Ｂ・・・分割された検出面であるフォトダイオード
、４１．４１Ａ・・・分割されない検出面であるＰＴＮ
フォトダイオード、１１０・・・数値制御°装置。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）工具を取り付ける主軸を有する主軸ヘッドを昇降
可能に装備するコラムと、被加工用工作物を取り付ける
テーブルとを備えた形式の工作機械において、主軸ヘッドの主軸近傍に設けられて光を拡散放出する発
光源と、この発光源と隔離対向されて配置されテーブル
に設けられて発光源像を結像させるレンズと、このレン
ズにより結像された発光源像の位置変化を検出する光点
変位検出器と、この光点変位検出器からの信号を増幅す
る増幅回路と、この増幅回路からの信号によりテーブル
と発光源との相対変位量を演算しこの相対変位量により
テーブルと主軸との相対位置を補正する制御装置とを備
えたことを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
（２）特許請求の範囲第１項において、前記発光源は特
定の周波数で点滅する発光源とされ、前記増幅回路は、
前記発光源の点滅と同一の周波数成分のみを増幅する選
択増幅回路と、前記発光源の点滅と同期関係にある成分
のみを整流する同期整流回路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。
（３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
記光点変位検出器を、光点位置を検出する検出面が分割
された分割型フォトダイオード光点変位検出器としたこ
とを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
（４）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
記光点変位検出器を、光点位置を検出する検出面が分割
されない連続型フォトダイオード光点変位検出器とした
ことを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
（５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに
おいて、前記レンズおよび前記光点変位検出器を複数組
備え、前記テーブルに対する前記主軸ヘッドの昇降方向
の軸線の傾きを演算可能としたことを特徴とする工作機
械の熱変位補正装置。
（６）特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに
おいて、前記制御装置は、前記光点変位検出器からの信
号により、前記テーブルと主軸との相対変位量および前
記コラムの主軸ヘッドの昇降方向の軸線の傾きを演算可
能、かつ前記テーブルと主軸とが所定量の相対移動を行
う際には、前記相対変位量および前記相対変位量の前記
傾きによる変化分に応じて前記所定量を補正し、補正さ
れた前記所定量だけ前記テーブルと主軸とを相対移動さ
せる数値制御装置であることを特徴とする工作機械の熱
変位補正装置。
（７）特許請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに
おいて、前記工作機械には工作機械の温度を検出する温
度検出手段が設けられており、前記制御装置は、前記光
点変位検出器からの信号により、前記テーブルと主軸と
の相対変位量を演算可能、かつ前記温度検出手段により
検出される工作機械の温度変化に対応して前記テーブル
と主軸との相対変位量を演算可能であり、前記テーブル
と主軸とが所定量の相対移動を行う際には、前記光点変
位検出器による相対変位量と前記温度検出手段による相
対変位量とに応じて前記所定量を補正し、補正された前
記所定量だけ前記テーブルと主軸とを相対移動させる数
値制御装置であることを特徴とする工作機械の熱変位補
正装置。