KR101074206B1

KR101074206B1 - 공작 기계의 열변위 보정 방법, 열변위 보정 장치 및 열변위 보정용 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체

Info

Publication number: KR101074206B1
Application number: KR1020090020972A
Authority: KR
Inventors: 하루오 고바야시
Original assignee: 브라더 고오교오 가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2011-10-14
Also published as: DE102009013043A1; KR20090098709A; CN101530974A; JP2009214283A; TW200940243A; CN101530974B

Abstract

본 발명은 공작 기계의 운전 중에 발생하는 볼 나사 기구의 열변위에 의한 오차를 보정 하는 방법, 장치에 관한 것이다. 제1 발열량 연산부는 속도 검출기가 검출한 회전 속도를 기초로 하여 너트로부터 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량을 연산한다. 제2 발열량 연산부는 온도 검출부가 검출한 온도 상승을 기초로 하여 서보모터로부터 나사 샤프트에 발생하는 제2 발열량을 연산한다. 온도 분포 연산부는 제1 발열량과 제2 발열량으로부터 나사 샤프트를 길이 방향으로 분할한 복수 구간의 온도 분포를 산출한다. 열변위량 연산부는 온도 분포 연산부가 산출한 온도 분포로부터 각 구간의 열변위량을 산출한다. 보정량 연산부는 열변위량 연산부가 산출한 열변위량을 기초로 하여 너트의 이송량 계산용 가공 데이터의 보정량을 연산한다.

머시닝 센터, 볼 나사 기구, 이송량 제어 기기, 속도 제어 기기, 서보모터

Description

공작 기계의 열변위 보정 방법, 열변위 보정 장치 및 열변위 보정용 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체 {HEAT DISLOCATION COMPENSATION METHOD OF MACHINE TOOL, HEAT DISLOCATION COMPENSATION DEVICE OF MACHINE TOOL AND COMPUTER READABLE MEDIUM IN WHICH PROGRAM FOR HEAT DISLOCATION COMPENSATION IS STORED}

본 발명은 공작 기계의 열변위 보정 방법, 열변위 보정 장치 및 열변위 보정용 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 공작 기계의 운전 중에 발생하는 볼 나사 기구의 열변위에 의한 오차를 보정하는 방법, 장치 및 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체에 관한 것이다.

공작 기계의 위치 결정 기구로서, 볼 나사 기구가 보급되어 있다. 볼 나사 기구는 나사 샤프트와 너트의 마찰 저항, 나사 샤프트와 베어링 각 부의 마찰 저항 및 서보모터의 발열에 기인하여 온도가 상승한다. 볼 나사 기구는, 전술한 온도의 상승을 기초로 하여 열변위(신장)를 발생시킨다. 현재의 NC 공작 기계의 제어 방식은 세미 클로우즈드 루프 방식이 일반적이다. 세미 클로우즈드 루프 방식의 NC 공작 기계에서는, 나사 샤프트의 열변위가 그대로 위치 결정 오차가 되어 나타난다. 전술한 대책으로서, 예장력(豫張力) 방식이 있다. 예장력 방식은 나사 샤프트에 예장력을 부여하여 열팽창을 흡수한다. 최근, NC 공작 기계는 굵은 나사 샤프트를 사용한다. 최근, NC 공작 기계는 이송 속도가 매우 빠르게 되어 있다. 그로 인해, 발열량이 증대하므로, 예장력 방식을 채용하는 경우, 매우 큰 인장력을 가해야만 한다. 그 결과, 볼 나사 기구의 구조체가 변형되는 문제 및 스러스트 베어링에 무리한 힘이 작용하여 시징하는 문제 등이 있었다.

일본 특허 공개 1988년 제256336호 공보가 제안하는 나사 샤프트의 열변위 보정 방법은, 나사 샤프트에 무리한 예장력을 부여하지 않고, 또한 특별한 측정 장치를 필요로 하지 않는다. 상기 방법에서는, 인 프로세스에서 열변위량을 보정한다. 구체적으로는, 제1 공정은 서보모터의 전기자 전류와 전압의 곱으로부터 나사 샤프트의 발열량을 구한다. 제2 공정은 나사 샤프트를 복수 구간으로 분할한 모델에 있어서, 발열량으로부터 온도 분포를 구한다. 제3 공정은 온도 분포를 기초로 하여 나사 샤프트의 열변위량을 시시 각각으로 예상한다. 제4 공정은 열변위량을 NC 장치에 피치 에러 보정으로서 부여한다.

일본 특허 공개 제1992년 제240045호 공보는, 전술한 공보(일본 특허 출원 공개 1988년 제256336호 공보)의 방법에는, 발열량이 서보모터 자체의 가감속의 에너지를 포함하는 문제가 있는 것에 착안한다. 상기 공보(일본 특허 공개 1992년 제240045호 공보)가 개시하는 열변위량 보정 방법에서는, 서보모터의 회전 속도로부터 나사 샤프트의 각 구간의 발열량을 산출한다. 상기 방법에 따르면, 가감속의 에너지에 영향을 미치지 않는 서보모터의 회전 속도를 기초로 하여 산출한 보정량을 나사 샤프트의 실제 신장에 근사시킬 수 있다.

일본 특허 공개 1992년 제240045호 공보의 방법에서는, 서보모터의 발열량을 회전 속도만으로부터 산출한다. 전술한 방법은, 서보모터의 부하에 따라서 발열량이 다르게 되는 점에 대한 검토는 없다. 전술한 방법은, 서보모터의 가동 초기와 일정 시간 경과 후에 있어서의 보정량 산출의 조건에 대한 개시도 없다. 그로 인해, 전술한 방법은 모터의 가동 초기인 과도적 상태에 있어서 계산한 보정량과, 나사 샤프트의 실제 신장(열변위량)을 근사할 수 없을 가능성이 있다.

본 발명의 발명자는 실제로 서보모터를 가동하여 나사 샤프트의 단부의 온도를 계측하였다. 본 발명의 발명자는, 일본 특허 공개 1992년 제240045호 공보가 개시하는 열분포 모델을 작성하여, 실제 나사 샤프트 단부의 온도와 열분포 모델을 사용하여 계산한 온도의 비교 실험을 행였다. 도 12에 도시한 바와 같이, 실제 나사 샤프트의 단부 온도를 계측하는 기구는 서보모터(201)와, 나사 샤프트(203)와, 너트(204)와, 테이블(205)로 이루어진다. 서보모터(201)와 나사 샤프트(203)는 커플링(202)을 통해 접속하고 있다. 너트(204)는 나사 샤프트(203)에 나사로 결합하고 있다. 너트(204)는 나사 샤프트(203)의 회전에 따라서 전후 방향(도 12의 좌우 방향)으로 이동 가능하다. 테이블(205)은 너트(204)에 고정되어 있다. 테이블(205)은 너트(204)와 일체적으로 전후 방향으로 이동 가능하다. 지지대에 설치한 고정 베어링(206) 및 가동 베어링(207)이 나사 샤프트(203)를 회전 가능하게 지지하고 있다.

행한 실험의 조건은 이하와 같다.

(조건 1)

테이블(205) 이동 중의 서보모터(201)에 흐르는 평균 전류 및 평균 회전 속도는 일정하다. 온도 측정 부위(208)(측정 위치)는 나사 샤프트 단부인 고정 위치(209)에 설정한다. 고정 위치(209)에 있어서의 온도 측정값이 안정될 때까지, 테이블(205)은 일정 속도로 왕복 이동을 반복하여 행한다.

(조건 2)

너트(204)의 발열이 온도 측정 부위(208)에 영향을 주지 않도록, 테이블(205)의 이동은 고정 베어링(206)으로부터 충분히 떨어진 위치에서 행한다. 즉, 온도 측정 부위(208)의 온도에 영향을 주는 것은 서보모터(201) 및 고정 베어링(206)만으로 하였다.

다음에, 본 발명의 발명자는 열분포 모델을 작성하였다. 서보모터(201)에 흐르는 평균 전류 및 평균 회전 속도가 일정하므로, 서보모터(201)로부터 나사 샤프트의 단부로의 입열은 일정하게 하여, 일본 특허 공개 1992년 제240045호 공보가 개시하는 비정상 열전도 방정식을 풀어 각 시점에 있어서의 온도를 계산하였다.

도 13은 고정 위치(209)(도 12 참조)에 있어서의 열변위의 실험값와 열분포 모델을 기초로 하는 계산값을 나타낸다. 그래프의 종축은 나사 샤프트 단부[고정 위치(209)]의 온도, 그래프의 횡축은 경과 시간을 나타낸다. 실선은 실험값, 파선은 계산값이다. 이 결과로부터, 다음의 것을 말할 수 있다. 나사 샤프트 단부의 온도 상승이 안정화된 후는 실험값와 계산값은 근사하다. 온도 상승이 안정화될 때까지의 과도적 상태의 기간에서는, 계산값의 온도 상승은 실험값의 온도 상승보다 빠르다. 그로 인해, 전술한 방법은 정확한 예측을 할 수 없다.

본 발명의 목적은 공작 기계의 가동 후, 온도 상승이 안정화될 때까지의 과도적 상태에 있어서, 보정량을 나사 샤프트의 실제 신장량에 근사시킬 수 있는 공작 기계의 열변위 보정 방법, 열변위 보정 장치 및 열변위 보정용 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체를 제공하는 것에 있다.

청구항 1의 공작 기계의 열변위 보정 방법은, 나사 샤프트 및 너트를 구비하는 이송 구동용 볼 나사 기구와, 상기 나사 샤프트에 의한 상기 너트의 이송량을 가공 데이터를 기초로 계산하는 이송량 제어 기기와, 상기 나사 샤프트를 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터의 회전 속도를 상기 가공 데이터를 기초로 제어하는 속도 제어 기기를 갖는 공작 기계의 열변위 보정 방법이며, 상기 회전 속도를 기초로 하여 상기 너트의 이동에 의해 상기 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량을 구하는 제1 스텝과, 상기 서보모터의 온도 상승을 검출하고, 상기 온도 상승을 기초로 하여 상기 서보모터로부터 상기 나사 샤프트로 열전도하는 제2 발열량을 구하는 제2 스텝과, 상기 제1 발열량과 상기 제2 발열량으로부터 상기 나사 샤프트를 길이 방향으로 분할한 복수 구간의 온도 분포를 연산하는 제3 스텝과, 상기 온도 분포로부터 상기 복수 구간 각각의 열변위량을 연산하는 제4 스텝과, 상기 열변위량을 기초로 하여 상기 가공 데이터의 보정량을 연산하는 제5 스텝을 구비하고 있다.

청구항 1의 공작 기계의 열변위 보정 방법에 따르면, 너트의 이동에 의해 볼 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량뿐만 아니라, 서보모터의 온도 상승을 기초로 하는 제2 발열량을 사용하여 볼 나사 샤프트의 복수 구간의 온도 분포를 연산하여 보정량을 얻는다. 그로 인해, 서보모터의 온도가 안정화될 때까지의 과도적 상태에 있어서도 보정량을 볼 나사 샤프트의 실제 신장량에 근사시킬 수 있다. 서보모터로부터 볼 나사 샤프트로의 입열은, 서보모터의 온도 상승에 의한 영향을 받지만, 서보모터 자체의 온도 상승은 부하 등의 운전 요소의 영향에 기인한다. 특히, 서보모터의 발열량과 방열량이 균형이 맞을 때까지의 기간은, 서보모터의 온도가 시시각각으로 변화한다. 공작 기계의 열변위 보정 방법은, 보정값을 구하는 연산에 서보모터의 온도 상승을 기초로 하는 제2 발열량을 사용함으로써, 모터 온도의 변화에 추종한 보정량을 얻을 수 있다. 서보모터로부터 볼 나사 샤프트로의 입열 이외에 대해서는, 너트의 이동에 의해 볼 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량을 사용하여 복수 구간마다 열변위량을 연산한다. 그로 인해, 공작 기계의 열변위 보정 방법은 별도로 센서를 설치하지 않고 정밀도가 좋은 보정량을 얻을 수 있다.

청구항 2의 공작 기계의 열변위 보정 방법에서는, 서보모터의 상승 온도는 서보모터의 회전 속도 및 구동 전류값 중 적어도 한쪽을 기초로 하여 검출한다. 청구항 2의 공작 기계의 열변위 보정 방법에 따르면, 별도 센서 등 이용하지 않고 기존의 센서를 사용하여 정밀도가 좋은 보정량을 얻을 수 있다.

청구항 3의 공작 기계의 열변위 보정 장치는, 나사 샤프트 및 너트를 구비하는 이송 구동용 볼 나사 기구와, 상기 나사 샤프트에 의한 상기 너트의 이송량을 가공 데이터를 기초로 계산하는 이송량 제어 기기와, 상기 나사 샤프트를 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터의 회전 속도를 상기 가공 데이터를 기초로 제어하는 속도 제어 기기를 갖는 공작 기계의 열변위 보정 장치이며, 상기 회전 속도를 검출하는 속도 검출 기기와, 상기 서보모터의 온도 상승을 검출하는 온도 검출부와, 상기 속도 검출 기기가 검출한 상기 회전 속도를 기초로 하여 상기 너트의 이동에 상기 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량을 연산하는 제1 발열량 연산부와, 상기 온도 검출부가 검출한 상기 온도 상승을 기초로 하여 상기 서보모터로부터 상기 나사 샤프트로 열전도하는 제2 발열량을 연산하는 제2 발열량 연산부와, 상기 제1 발열량 연산부가 연산한 상기 제1 발열량과, 상기 제2 발열량 연산부가 연산한 상기 제2 발열량으로부터 상기 나사 샤프트를 길이 방향으로 분할한 복수 구간의 온도 분포를 연산하는 온도 분포 연산부와, 상기 온도 분포를 기초로 하여 상기 복수 구간 각각의 열변위량을 연산하는 열변위량 연산부와, 상기 열변위량 연산부가 연산한 상기 열변위량을 기초로 하여 가공 데이터의 보정량을 연산하는 보정량 연산부를 구비하고 있다.

청구항 3의 공작 기계의 열변위 보정 장치에 따르면, 서보모터의 온도 상승을 검출하는 온도 검출부를 갖고, 온도 상승을 기초로 하는 제2 발열량을 사용하여 볼 나사 샤프트의 복수 구간의 온도 분포를 연산하여 보정량을 얻는다. 그로 인해, 서보모터의 온도 상승이 안정화될 때까지의 과도적 상태에 있어서도 보정량을 볼 나사 샤프트의 실제 신장으로 근사시킬 수 있다. 서보모터로부터 볼 나사 샤프트로의 입열 이외에 대해서는, 너트의 이동에 의해 볼 나사 샤프트에 발생하는 발 열량을 사용하여 복수 구간마다 열변위량을 연산할 수 있다. 그로 인해, 별도 센서를 설치하지 않고, 정밀도 좋은 보정량을 얻을 수 있다.

청구항 4의 공작 기계의 열변위 보정 장치에서는, 온도 검출부는 서보모터의 회전 속도 및 구동 전류값 중 적어도 한쪽을 기초로 하여 상승 온도를 검출한다. 청구항 4의 공작 기계의 열변위 보정 장치에 따르면, 별도의 센서 등 이용하지 않는 기존의 센서를 사용하여 정밀도 좋은 보정량을 얻을 수 있다.

청구항 5의 열변위 보정용 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체에서는, 열변위 보정용 프로그램은 나사 샤프트 및 너트를 구비하는 이송 구동용 볼 나사 기구와, 상기 나사 샤프트에 의한 상기 너트의 이송량을 가공 데이터를 기초로 계산하는 이송량 제어 기기와, 상기 나사 샤프트를 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터의 회전 속도를 상기 가공 데이터를 기초로 제어하는 속도 제어 기기를 갖는 공작 기계의 제어 기기에, 상기 회전 속도를 기초로 하여 상기 너트의 이동에 의해 상기 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량을 구하는 제1 스텝과, 상기 서보모터의 온도 상승을 검출하고, 상기 온도 상승을 기초로 하여 상기 서보모터로부터 상기 나사 샤프트로 열전도하는 제2 발열량을 구하는 제2 스텝과, 상기 제1 발열량과 상기 제2 발열량으로부터 상기 나사 샤프트를 길이 방향으로 분할한 복수 구간의 온도 분포를 연산하는 제3 스텝과, 상기 온도 분포로부터 상기 복수 구간 각각의 열변위량을 연산하는 제4 스텝과, 상기 열변위량을 기초로 하여 상기 가공 데이터의 보정량을 연산하는 제5 스텝을 실행시키는 지시를 포함한다.

청구항 5의 열변위 보정용 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체에 따 르면, 공작 기계의 제어 기기는 너트로부터 볼 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량뿐만 아니라, 서보모터의 온도 상승을 기초로 하는 제2 발열량을 사용하여 볼 나사 샤프트의 복수 구간의 온도 분포를 연산하여 보정량을 얻을 수 있다. 그로 인해, 서보모터의 온도가 안정화될 때까지의 과도적 상태에 있어서도 보정량을 볼 나사 샤프트의 실제 신장량에 근사시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 공작 기계의 가동 후, 온도 상승이 안정화될 때까지의 과도적 상태에 있어서, 보정량을 나사 샤프트의 실제 신장량에 근사시킬 수 있는 공작 기계의 열변위 보정 방법, 열변위 보정 장치 및 열변위 보정용 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대해 실시예를 기초로 하여 설명한다.

[제1 실시예]

도 1 내지 도 4를 기초로 하여 머시닝 센터(M)(공작 기계)의 구성에 대해 설명한다. 도 1에 도시하는 머시닝 센터(M)는 작업물과 공구가 상대 이동함으로써, 작업물에 원하는 기계 가공(예를 들어,「밀링」,「구멍 뚫기」,「절삭」등)을 실시할 수 있는 공작 기계이다. 머시닝 센터(M)는 주철제의 기대(基臺)인 베이스(1)와, 베이스(1)의 상부에 설치한 기계 본체(2)와, 베이스(1)의 상부에 고정한 스플래시 커버(도시 생략)를 구성의 주체로 한다. 기계 본체(2)는 작업물의 절삭 가공 을 행한다. 스플래시 커버는, 기계 본체(2)와 베이스(1)의 상부를 덮는 상자 형상의 커버이다.

베이스(1)는 Y축 방향으로 긴 대략 직육면체 형상의 주조품이다. 베이스(1)의 하부의 네 코너는 높이 조절이 가능한 다리부를 각각 구비하고 있다.

다음에, 기계 본체(2)에 대해 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 기계 본체(2)는 컬럼(4)과, 주축 헤드(5)와, 주축(도시 생략)과, 공구 교환 장치(7)와, 테이블(8)을 구성의 주체로 한다. 컬럼(4)은 베이스(1)의 후방부에 설치한 컬럼 시트부(3)의 상면에 고정하고 있고, 또한 연직 상방으로 연장되어 있다. 주축 헤드(5)는 컬럼(4)의 전방면을 따라 승강 가능하다. 주축 헤드(5)는 그 내부에 주축을 회전 가능에 지지하고 있다. 공구 교환 장치(7)는 주축 헤드(5)의 우측에 설치되어 있다. 공구 교환 장치(7)는 주축의 선단부에 설치한 공구 홀더를 다른 공구 홀더로 교환한다. 공구 홀더는 공구(6)를 장착하고 있다. 테이블(8)은 베이스(1)의 상부에 설치되어 있다. 테이블(8)은 작업물을 착탈 가능하게 고정한다. 컬럼(4)의 배면측에는 상자 형상의 제어 박스(9)가 설치되어 있다. 제어 박스(9)는 그 내측에 머시닝 센터(M)의 동작을 제어하는 수치 제어 장치(50)를 구비하고 있다.

다음에, 테이블(8)의 이동 기구에 대해 설명한다. 서보모터인 X축 모터(71)(도 4 참조) 및 Y축 모터(72)(도 4 참조)는, 테이블(8)을 X축 방향[도 1의 기계 본체(2)의 좌우 방향] 및 Y축 방향[기계 본체(2)의 안쪽 방향]으로 각각 이동한다. 테이블(8)의 이동 기구는 이하의 구성으로 이루어진다. 테이블(8)의 하측 에 직육면체 형상의 지지대(10)가 설치되어 있다. 지지대(10)는 그 상면에 X축 방향을 따라 연장되는 1쌍의 X축 이송 가이드 레일을 구비하고 있다. 1쌍의 X축 이송 가이드 레일은 그 위에 테이블(8)을 이동 가능하게 지지하고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 테이블(8)의 하면에는 너트부(8a)를 배치하고 있다. 너트부(8a)는 X축 모터(71)로부터 연장되는 X축 나사 샤프트(81)와 나사 결합함으로써 볼 나사 기구를 구성하고 있다. 지지대(10)에 고정한 고정 베어링(91a)이 X축 나사 샤프트(81)의 X축 모터(71)측 단부(81a)를 지지하고 있다. 가동 베어링(91b)이 반대측 단부(81b)를 지지하고 있다.

베이스(1)의 상부에 길이 방향을 따라 연장되는 1쌍의 Y축 이송 가이드 레일이 그 위에 지지대(10)를 이동 가능하게 지지하고 있다. 지지대(10)에 설치한 X축 모터(71)는 X축 이송 가이드 레일을 따라 테이블(8)을 X축 방향으로 이동 구동한다. 베이스(1)에 설치한 Y축 모터(72)는 Y축 이송 가이드 레일을 따라 테이블(8)을 Y축 방향으로 이동 구동한다. Y축 이동 기구도 X축의 이동 기구와 같은 볼 나사 기구(도 3 참조)이다.

텔레스코픽식으로 수축하는 텔레스코픽 커버(11, 12)가 테이블(8)의 좌우 양측에서 X축 이송 가이드 레일을 덮고 있다. 텔레스코픽 커버(13)와 Y축 후방 커버가 지지대(10)의 전후에서 각각 Y축 이송 가이드 레일을 덮고 있다. 텔레스코픽 커버(11, 12, 13)와 Y축 후방 커버는, 테이블(8)이 X축 방향과 Y축 방향 중 어떠한 방향으로 이동한 경우라도 X축 이송 가이드 레일과 Y축 이송 가이드 레일을 항상 덮고 있다. 그로 인해, 텔레스코픽 커버(11, 12, 13)와 Y축 후방 커버는 가공 영 역으로부터 비산하는 절삭분 및 쿨런트액 등이 각 가이드 레일 상에 낙하하는 것을 방지한다.

다음에, 주축 헤드(5)의 승강 기구에 대해 설명한다. 컬럼(4)의 전방면측에서 상하 방향으로 연장하는 가이드 레일(도시 생략)이 리니어 가이드(도시 생략)를 통해 주축 헤드(5)를 승강 가능하게 안내하고 있다. 너트(도시 생략)가, 컬럼(4)의 전방면측에 상하 방향으로 연장되도록 설치한 Z축 나사 샤프트(도시 생략)에 대해 주축 헤드(5)를 연결하고 있다. Z축 모터(73)(도 4 참조)가 Z축 나사 샤프트를 정역 방향으로 회전 구동함으로써, 주축 헤드(5)는 상하 방향으로 승강 구동한다. Z축 제어부(63a)는 수치 제어 장치(50)의 CPU(51)로부터의 제어 신호를 기초로 하여 Z축 모터(73)를 구동한다. Z축 모터(73)가 구동함으로써, 주축 헤드(5)는 승강 구동한다.

도 1, 도 2에 도시한 바와 같이, 공구 교환 장치(7)는 공구 매거진(14)과, 공구 교환 아암(15)을 구비하고 있다. 공구 매거진(14)은 공구(6)를 지지하는 공구 홀더를 복수 격납한다. 공구 교환 아암(15)은 주축에 설치한 공구 홀더와 다른 공구 홀더를 파지하고, 또한 반송하여 교환한다. 공구 매거진(14)은 그 내측에 복수의 공구 포트와, 반송 기구(도시 생략)를 구비하고 있다. 공구 포트는 공구 홀더를 지지한다. 반송 기구는 공구 포트를 공구 매거진(14) 내에서 반송한다.

도 4는 머시닝 센터(M)에 있어서의 전기적 구성을 도시하고 있다. 제어부로서의 제어 장치(50)는 마이크로컴퓨터를 포함한다. 제어 장치(50)는 입출력 인터페이스(54)와, CPU(51)와, ROM(52)과, RAM(53)과, 축 제어부(61a 내지 64a, 75a) 와, 서보 증폭기(61 내지 64)와, 미분기(71b 내지 74b) 등을 구비하고 있다. 서보 증폭기(61 내지 64)는 각각 X축 모터(71), Y축 모터(72), Z축 모터(73), 주축 모터(74)에 접속하고 있다. 축 제어부(75a)는 매거진 모터(75)에 접속하고 있다.

X축 모터(71), Y축 모터(72)는 테이블(8)을 각각 X축 방향, Y축 방향으로 이동시키기 위한 모터이다. 매거진 모터(75)는 공구 매거진(14)을 회전 이동시키기 위한 모터이다. 주축 모터(74)는 상기 주축을 회전시키기 위한 모터이다. 이하, X축 모터(71), Y축 모터(72), Z축 모터(73) 및 주축 모터(74)를 총칭하여 모터(71 내지 74)라 한다. 모터(71 내지 74)는 각각 인코더(71a 내지 74a)를 구비하고 있다.

축 제어부(61a 내지 64a)는 CPU(51)로부터의 이동 지령량을 받아, 전류 지령(모터 토크 지령값)을 각각 서보 증폭기(61 내지 64)에 출력한다. 서보 증폭기(61 내지 64)는 전류 지령을 받아, 각각 모터(71 내지 74)에 구동 전류를 출력한다. 축 제어부(61a 내지 64a)는 각각 인코더(71a 내지 74a)로부터의 위치 피드백 신호를 받아 위치의 피드백 제어를 행한다. 미분기(71b 내지 74b)는 각각 인코더(71a 내지 74a)가 출력한 위치 피드백 신호를 미분하여 속도 피드백 신호로 변환하여, 축 제어부(61a 내지 64a)에 속도 피드백 신호로서 출력한다.

축 제어부(61a 내지 64a)는 각각 미분기(71b 내지 74b)가 출력하는 속도 피드백 신호를 기초로 하여 속도 피드백의 제어를 행한다. 전류 검출기(61b 내지 64b)는 각각 서보 증폭기(61 내지 64)가 모터(71 내지 74)에 출력하는 구동 전류를 검출한다. 전류 검출기(61b 내지 64b)는 구동 전류를 각각 축 제어부(61a 내지 64a)로 피드백한다. 축 제어부(61a 내지 64a)는 피드백을 받은 구동 전류에 따라서 전류(토크) 제어를 행한다.

축 제어부(75a)는 CPU(51)로부터의 이동 지령을 받아 매거진 모터(75)를 구동한다.

RAM(53)은 기계 구조에 관한 매개 변수, 물리적 성질에 관한 매개 변수 및 후술하는 열분배 계수(비율) η_N, η_B 등을 저장하고 있다. 기계 구조에 관한 매개 변수로서, 예를 들어 나사 샤프트(81)의 길이, 직경, 후술하는 기준 위치 등이 있다. 물리적 성질에 관한 매개 변수로서, 예를 들어 밀도, 비열, 선팽창 계수, 열용량, 열전달 계수, 수학식 3 및 수학식 4에서 사용하는 γ 등이 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, RAM(53)은 후술하는 너트부 이동 구간의 구간 1 내지 n에 대응하여 발열량을 저장하는 데이터 에리어와, 합계 발열량 및 서보모터의 합계 회전 속도에 대응하는 데이터 에리어를 갖는다.

다음에, 머시닝 센터(M)의 수치 제어에서 사용하는 열변위량의 산출 방법에 대해 설명한다. 또한, 편의상, X축의 볼 나사 기구를 예로 하여 설명을 행하지만, Y축의 볼 나사 기구 및 Z축의 볼 나사 기구에 대해서도 기본적으로 마찬가지이다. 본 산출 방법에서는, 나사 샤프트의 전방부 베어링부, 너트부 이동 구간 및 후방부 베어링부의 3영역의 발열량을 구한다. 너트부 이동 구간은 복수 구간으로 분할한다. 전술한 복수 구간에 대해 구간마다의 발열량을 구한다.

(합계 발열량의 산출)

도 5에 도시한 바와 같이, 너트부 이동 구간(길이를 L로 나타냄)을 n 분할한다. 본 실시예에서는, 일정 시간(예를 들어, 50ms)마다 너트부가 어느 구간에 존재하는지를 판별하고, 서보모터의 실제 회전 속도(이송 속도)로부터 발열량(제1 발열량)을 구한다. 구한 발열량은 RAM(53)의 데이터 에리어에 저장한다. 발열량은 다음 식을 이용하여 구할 수 있다.

여기서, Q : 발열량, F : 이송 속도, K₁, T : 계수이다.

본 실시예에서는, 각 구간에서의 너트부의 이동에 의한 발열량을, 일정 시간에 걸쳐서 일정 시간마다 산출한다. 본 실시예에서는, 6,400ms 동안, 50ms마다 128회 발열량을 산출하여, 상기 산출한 발열량을 구간마다 합계하고, 각 구간 1 내지 n에 대응하는 RAM(53)의 데이터 에리어에 저장한다. RAM(53)의 데이터 에리어는 6,400ms 동안에 발생한 각 구간 1 내지 n의 발열량 1 내지 n의 합계 발열량 Q_TTL 및 합계 회전 속도 N_TTL을 저장하고 있다.

(합계 발열량의 분배 1)

이하에 나타내는 합계 발열량 Q_TTL의 분배 방법은 일본 특허 공개 1992년 제240045호 공보와 같은 방법을 기초로 하고 있다. 즉, 너트부 이동 구간, 전방부 베어링부 및 후방부 베어링부에 있어서, 서로 다른 부분으로의 열전도가 발생하지 않고, 열적으로는 근사적으로 독립하고 있다고 간주한다. 합계 발열량에 대한 각 열원부의 발열량의 비율은 이송 속도의 변화에 관계없이 대략 일정하다.

상기 방법을 기초로 하여, 본 실시예는 너트부 이동 구간 발열량 Q_N과 후방부 베어링부 발열량 Q_B를 다음 식으로부터 산출한다.

비율 η_N은 합계 발열량에 대한 너트부 이동 구간의 발열량의 비율이다. 비율 η_B는 합계 발열량에 대한 후방부 베어링부의 발열량의 비율이다. 상기 방법에 나타내는 바와 같이, 비율 η_N, η_B는 일정하므로, 실제 기기에서 Q_N, Q_B를 측정하여, 비율 η_N, η_B를 미리 구해 놓는다.

(너트부 이동 구간의 각 구간에의 발열량의 분배)

다음에, 본 실시예는 너트부 이동 구간의 각 구간의 발열량을 구한다. RAM(53)이 저장하는 발열량은 6,400ms 동안, 50ms마다 산출한 발열량의 합계값이다. 그로 인해, 구간마다 50 ms마다의 평균 발열량을 구한 후, 평균 발열량과 합계 발열량 Q_TTL로부터, 다음 식에 따라서 각 구간에 있어서의 너트부의 존재 확률 X₁…X_i…X_n을 구한다.

X₁=구간 1의 평균 발열량/Q_TTL

:

X_i=구간 i의 평균 발열량/Q_TTL

:

X_N=구간 N의 평균 발열량/Q_TTL

본 실시예는 각 구간에 있어서의 너트부의 존재 확률 X₁…X_i…X_n을 구한 후, 상기 존재 확률과 상기 너트부 이동 구간 발열량 Q_N으로부터, 다음 식에 따라서 각 구간 1 내지 n에의 분배 발열량 Q_N1…Q_Ni…Q_Nn을 구한다.

(합계 발열량의 분배 2)

다음에, 본 실시예는 전방부 베어링부 발열량 Q_F를 산출한다. 전방부 베어링부 발열량 Q_F는 서보모터의 온도 상승에 의한 입열에 기인한다. 그로 인해, 본 실시예는 서보모터 본체의 온도를 산출한다. 본 실시예는, 산출한 온도와 나사 샤프트 단부의 온도의 차이로부터, 나사 샤프트 단부로의 입열량, 즉 전방부 베어링부 발열량 Q_F(제2 발열량)를 구한다.

서보모터 본체의 온도의 산출 방법에 대해 설명한다. 도 7을 참조하여, 서보모터의 회전 속도 및 구동 전류를 일정하게 한 경우의, 서보모터의 온도 변화에 대해 설명한다. 머시닝 센터(M)의 구동을 개시하면, 모터 본체 온도 Θ_M은 곡선(150)을 그리면서 상승하여, 일정한 온도에서 포화된다. 이 포화시의 온도를, 포화 온도 L_1a라 한다. 포화 온도 L_1a는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

K₂, K₃은 서보모터 고유의 정수, ω는 모터 회전 속도, i는 서보모터의 구동 전류이다.

모터 본체 온도 Θ_M의 상승을 나타내는 곡선(150)은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

γ는 서보모터 고유의 정수, t는 구동 개시로부터의 경과 시간이다. 모터 본체 온도 Θ_M이 포화 온도 L_1a에 도달한 후(도 7에서는 t=8시간의 시점), 머시닝 센터(M)를 정지하면, 모터 본체 온도 Θ_M은 곡선(151)을 그리면서 하강한다. 곡선(151)은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

γ는 서보모터 고유의 정수, t는 구동 정지로부터의 경과 시간이다.

상기 수학식 3으로부터, 머시닝 센터(M)의 구동 개시로부터 a분 후의 모터 본체 온도 Θ_M1a는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

상기 수학식 4로부터, 머시닝 센터(M)의 구동 정지로부터 a분 후의 모터 본체 온도 (Θ_M-1a)는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

이상에서는, 서보모터의 회전 속도 및 구동 전류를 일정하게 한 경우의 서보모터의 온도 변화에 대해 설명하였지만, 실제 머시닝 센터(M)의 구동시에는, 서보모터의 회전 속도 및 구동 전류는 일정한 것에 한정되지 않는다. 특히, 가동 초기의 과도적 상태에서는, 회전 속도와 구동 전류는 일정해지지 않는다. 그로 인해, 본 실시예에서는, 소정의 경과 시간(구체적으로는, 6,400ms)마다 실제 회전 속도 및 구동 전류(구체적으로는, 50ms마다 실측한 회전 속도 및 구동 전류의 각각의 평균값)로부터, 수학식 2를 이용하여 서보모터의 포화 온도를 구한다. 본 실시예에서는, 포화 온도와 경과 시간으로부터, 상기 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 서보모터 본체의 온도 변화를 구한다. 본 실시예에서는, 얻어진 온도 변화를 가산함 으로써, 실제의 모터 본체의 온도를 구한다.

이하에, 도 8을 참조하여, 실제 서보모터 본체의 온도의 산출 방법에 대해 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 머시닝 센터(M)의 구동 개시 후, 시각 t1, t2,……(분)로 시간이 경과한 것으로 하여 설명한다. 즉, 시각 0, t1, t2,……의 각각의 간격이 각각의 처리에 있어서의 경과 시간이다.

본 실시예에서는, 모터 본체 온도 Θ_M은 상기 경과 시간 중에는 전술한 수학식 3에 따라서 상승하고, 그 후 수학식 4에 따라서 저하되는 것이라고 생각한다. 도 8의 (A)에 도시한 바와 같이, 시각 0으로부터 시각 t1까지의 동안의 경과 시간을 기초로 하는 모터 본체 온도 Θ_Mt1은 시각 0으로부터 시각 t1까지는 상승하고, 시각 t1을 지나면 하강하는 곡선(301)을 그린다. 모터 본체 온도 Θ_Mt의 시각 t1에 있어서의 값 Θ_Mt1-1은, 수학식 3에 따라서 이하와 같이 산출할 수 있다.

L_t1은 시각 0으로부터 시각 t1 사이의 서보모터의 실제 회전 속도 및 구동 전류로부터 구한 포화 온도이다. 모터 본체 온도 Θ_Mt1은, 시각 t₁ 이후는 수학식 4에 따라서 저하되므로, 시각 t2에 있어서의 모터 본체 온도 Θ_Mt1의 값 Θ_Mt1-2는 이하와 같이 산출할 수 있다.

마찬가지로, 시각 t3, 시각 t4에 있어서의 모터 본체 온도 Θ_Mt1의 값 Θ_Mt1-3, Θ_Mt1-4도 수학식 4에 따라서 각각 이하와 같이 산출할 수 있다.

도 8의 (B)에 도시한 바와 같이, 시각 t1로부터 시각 t2까지의 사이의 경과 시간을 기초로 하는 모터 본체 온도 Θ_Mt2는, 시각 t1로부터 시각 t2까지는 상승하고, 시각 t2를 지나면 하강하는 곡선(302)을 그린다. 시각 t1로부터 시각 t2까지의 사이의 서보모터의 실제 회전 속도 및 구동 전류로부터 포화 온도 L_t2를 산출할 수 있으므로, 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여, 시각 t2, 시각 t3, 시각 t4에 있어서의 모터 본체 온도 Θ_Mt2-1, Θ_Mt2-2, Θ_Mt2-3은 각각 이하와 같이 산출할 수 있다.

도 8의 (C)에 도시한 바와 같이, 시각 t2로부터 시각 t3까지의 경과 시간을 기초로 하는 모터 본체 온도 Θ_Mt3은 시각 t2로부터 시각 t3까지는 상승하고, 시각 t3을 지나면 저하하는 곡선(303)을 그린다. 전술한 Θ_Mt1과 Θ_Mt2의 경우와 마찬가지로 하여, 시각 t3, 시각 t4, 시각 t5에 있어서의 모터 본체 온도 Θ_Mt3-1, Θ_Mt3-2, Θ_Mt3-3을 구할 수 있다.

전술한 바와 같이 하여 산출한 모터 본체 온도 Θ_Mt1, Θ_Mt2, Θ_Mt3……의 각 시각에 있어서의 값을 가산하여 실제 모터 본체 온도 Θ를 산출한다. 예를 들어, 시각 t1, 시각 t2, 시각 t3,……의 사이의 경과 시간을 기초로 하여 곡선(301, 302, 303……)[도 8의 (A) 내지 도 8의 (C) 참조]으로 예시하는 모터 본체 온도 Θ_Mt1, Θ_Mt2, Θ_Mt3을 산출하였다고 하자. 이 경우, 시각 t1에 있어서의 모터 본체 온도 Θ의 값 X₁은 Θ_Mt1-1이다. 시각 t2에 있어서의 모터 본체 온도 Θ의 값 X₂는 Θ_Mt1-2+Θ_Mt2-1이다. 시각 t3에 있어서의 모터 본체 온도 Θ의 값 X₃은 Θ_Mt1-3+Θ_Mt2-2+Θ_Mt3-1이다. 마찬가지로, 각 시각에 있어서의 모터 본체 온도 Θ의 값을 구하면, 모터 본체 온도 Θ는 곡선(304)[도 8의 (D) 참조]으로 예시하는 바와 같이 변화한다.

다음 수학식 5에 따라서, 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 구한 모터 본체 온도 Θ를 사용하여, 전방부 베어링부 발열량 Q_F를 산출한다.

K₄ : 계수, Θ_S : 서보모터측의 나사 샤프트 단부[도 3의 예에서는 단부(81a)]의 온도이다.

(온도 분포의 산출)

이상과 같이 하여 각 열원부의 발열량을 구하면, CPU(51)는 발열량으로부터 온도 분포를 산출한다. 온도 분포는 초기 조건 {θ}_t=0, d{θ}/dt_t=0의 하에서 다음의 비정상 열전도 방정식을 풂으로써 구한다.

[C] : 열용량 매트릭스, [H] : 열전도 매트릭스, {θ} : 온도 분포, {Q} : 발열량, t : 시간이다.

구체적으로는, 머시닝 센터(M)의 구동 후(t=0), 시각이 t1, t2,‥‥(분)과 시간이 경과하였을 때의 온도 분포를 다음과 같이 산출한다.

도 5와 같이 너트부 이동 구간을 분할한 경우, 각 부의 온도, 각 구간에 입력하는 발열량을 도 9와 같이 나타낼 수 있다. 도 9를 사용하여, 수학식 6은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

시각 t=0일 때의 나사 샤프트 각 부의 온도 분포 {θ}, 및 모터 본체 온도 Θ는 기지(旣知)이다. 그로 인해, 본 실시예는 수학식 5로부터 전방부 베어링부 발열량 Q_F를 구한다. 수학식 1로부터, 너트부 이동 구간의 각 구간의 분배 발열량 Q_N1 내지 Q_Nn, 및 후방부 베어링부 발열량 Q_B도 기지가 된다. 구한 값을, 수학식 7의 우변에 대입한다. 도 10에 도시한 바와 같이, 본 실시예는 나사 샤프트 각 부에 있어서의 온도가 상승하는 속도(d{θ}_t=0/dt), 즉 경사를 구할 수 있다. 다음의 식을 기초로 하여, 본 실시예는 구한 경사를 기초로 하여 t=t1에 있어서의 각 부의 온도 {θ}를 구한다.

본 실시예는, {θ}_t=t1의 나사 샤프트 단부 온도 Θ_S와, 수학식 3, 수학식 4를 기초로 하여 구한 모터 본체 온도 Θ로부터, 수학식 5를 기초로 하여 t=t1에 있어서의 Q_F를 구한다. 구한 값을 수학식 7에 대입하여 d{θ}_t=t1/dt를 구한다. 그 결과, t=t2에 있어서의 각 부의 온도는 다음 식으로부터 구할 수 있다.

t=t3,‥‥의 온도는 마찬가지로 하여 구할 수 있다.

(열변위량의 산출)

나사 샤프트의 온도 분포를 구한 후, 본 실시예는 상기 온도 분포로부터 열변위량을 산출한다. 열변위량은, 다음 식으로부터 구할 수 있다.

ΔL : 열변위량, β : 나사 샤프트 재료의 선팽창 계수이다.

다음에, 도 11에 도시하는 흐름도를 참조하여, 머시닝 센터(M)의 수치 제어의 구체적 순서를 설명한다. CPU(51)는 매개 변수 등의 설정 데이터로부터, 유한 요소법에 의한 연산에 필요한 매트릭스를 설정한다. 도5에 도시한 바와 같이, CPU(51)는 나사 샤프트의 너트부 이동 구간을 유한 개수의 구간으로 분할한다. 구간을 분할함으로써, CPU(51)는 열분포 모델의 영역을 형성한다(S1).

다음에, 스텝 S1의 공정에서 설정한 열분포 모델의 각 구간에 있어서, CPU(51)는 초기 온도 {θ}_t=0을 설정한다. 초기 온도 {θ}_t=0은, 구간마다 개별로 설정한다. 단, 머시닝 센터(M)가 외기 온도 θ_air와 일치하고 있다고 취급할 수 있는 경우, 모든 구간에 대해 초기 온도 {θ}_t=0은 외기 온도 θ_air로 설정한다. 반대로, 머시닝 센터(M)의 구동 등에서 각 구간 사이에 온도차가 발생하고 있는 경우, CPU(51)는 각 구간에 초기 온도를 각각 설정한다. CPU(51)는 설정한 초기 온도 {θ}_t=0 및 기준 위치를 RAM(53)에 저장한다(S2).

CPU(51)는 50ms마다, 너트부(8a)의 현재 위치가 어느 구간에 들어가는지를 구하고, 구간마다 이송 속도의 데이터 및 수학식 1을 기초로 너트부(8a)의 이동에 의한 발열량의 합계를 구한다(S3). 일정 시간(6400ms) 경과 후, CPU(51)는 구간마 다의 발열량을 합계한 합계 발열량 Q_TTL과 너트부 이동 구간의 발열량의 비율 η_N으로부터, 너트부 이동 구간 발열량 Q_N을 산출한다. CPU(51)는 합계 발열량 Q_TTL과 구간마다의 평균 발열량으로부터 구간마다의 너트부의 존재 확률을 산출한다. CPU(51)는 너트부 이동 구간 발열량 Q_N과 존재 확률의 승산값을, 너트의 이동에 기인하는 발열량으로서 스텝 S1에서 분할한 각 구간에 분배한다(S4).

CPU(51)는 서보모터에 흐르는 전류와 모터 회전 속도를 이용하여, 수학식 2를 기초로 포화 온도를 구한다. CPU(51)는 상기 포화 온도와 수학식 3 및 수학식 4를 기초로 하여 서보모터 본체의 온도 상승을 구한다(S5). CPU(51)는 수학식 5를 기초로 하여 서보모터 본체의 온도 상승과 나사 샤프트 단부 온도로부터, 서보모터와 인접하는 구간으로의 입열, 즉 전방부 베어링부 발열량을 산출한다(S6).

CPU(51)는 스텝 S4 및 스텝 S6에서 구한 구간마다의 발열량과 비정상 방정식([수학식 6])을 이용하여, 각 구간의 온도 분포를 구한다(S7). CPU(51)는 수학식 8을 이용하여, 스텝 S7에서 구한 온도 분포로부터 각 구간의 열변위량을 산출한다(S8). CPU(51)는 스텝 S2에서 기억한 기준 위치로부터의 열변위량, 즉 가공 제어에 사용하는 보정량을 산출한다(S9). 보정 모드가 온(ON)인 경우, CPU(51)는 스텝 S9에서 구한 보정량에 상당하는 이송량 신호를 축 제어부(61a)에 보낸다(S10). CPU(51)는 스텝 S10까지의 처리를 종료하면, 스텝 S3으로 복귀되어, 정기적으로 (6,400ms 경과마다) 연산을 계속한다.

스텝 S3을 실행하는 CPU(51)는 제1 발열량 연산부에 상당한다. 스텝 S5를 실행하는 CPU(51)는 온도 검출부에 상당한다. 스텝 S6을 실행하는 CPU(51)는 제2 발열량 연산부에 상당한다. 스텝 S7을 실행하는 CPU(51)는 온도 분포 연산부에 상당한다. 스텝 S8을 실행하는 CPU(51)는 열변위량 연산부에 상당한다. 스텝 S9를 실행하는 CPU(51)는 보정량 연산부에 상당한다.

[제2 실시예]

다음에, 다른 실시예를 설명한다. 전술한 제1 실시예와 다른 부분은, 서보모터의 온도 상승을 전류와 회전 속도로부터 구하는 것이 아닌, 서보모터에 설치한 온도 센서와 실온을 측정하는 실온 센서를 사용하여 구하고 있는 점이다.

별도 X축 모터(71)에 설치한 온도 센서(도시 생략)가 검출한 서보모터 본체의 온도 Θ_M0과, 머시닝 센터(M)에 설치한 외기 온도를 검출하는 실온 센서(도시 생략)가 검출한 Θatm을 CPU(51)에 보낸다. CPU(51)는 서보모터 본체의 온도 상승 Θ를 다음 식을 이용하여 구한다.

전방부 베어링부 발열량 Q_F는 서보모터의 온도 상승에 의한 입열에 기인하는 것이다. 그로 인해, CPU(51)는 다음 식을 이용하여 서보모터 본체의 온도 상승Θ로부터 전방부 베어링부 발열량 Q_F를 구한다.

K₅: 계수, Θ_S : 시각 t=0으로부터의 나사 샤프트 단부의 온도 상승이다. 상기 연산을 이용함으로써, 열변위 보정 알고리즘으로 구하는 나사 샤프트 단부로의 입열량의 검출 정밀도가 좋아진다. 그로 인해, 제2 실시예는 열변위 보정의 한층 더 정밀도 향상이 가능해진다. 상기 온도 센서와 상기 실온 센서가 온도 검출부에 상당한다.

다음에, 상기 실시예를 부분적으로 변경한 변경예에 대해 설명한다. 상기 제1 실시예에 있어서는, 서보모터 본체의 온도 상승 Θ를 수학식 3 및 수학식 4를 이용하여 구하는 예에 대해 설명하였다. 서보모터 본체의 온도 상승 Θ는 모터 본체의 온도 상승을 이산화(離散化)한 1차 지연계로부터, 다음 식을 이용하여 구하는 것도 가능하다.

K₆, K₇, K₈은 서보모터 고유의 정수이다.

서보모터의 온도 상승을 회전 속도만으로 구하는 경우에는, 수학식 2는 다음과 같이 된다.

혹은, 서보모터의 온도 상승을 구동 전류값만으로 구하는 경우에는, 수학식 2는 다음과 같아진다.

K₉ 및 K₁₀은 서보모터 고유의 정수이다.

또한, 서보모터 본체의 온도 상승을 이산화한 1차 지연계로부터 회전 속도만으로 구하는 경우에는, 수학식 9는 다음과 같아진다.

혹은, 구동 전류값만으로 구하는 경우에는, 수학식 9는 다음과 같이 된다.

K₁₁ 및 K₁₂는 서보모터 고유의 정수이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 관한 머시닝 센터(M)의 전체 사시도.

도 2는 머시닝 센터(M)의 주축 헤드(5) 및 공구 교환 장치(7)를 중심으로 한 정면도.

도 3은 볼 나사 기구의 구성도.

도 4는 머시닝 센터(M)의 제어계의 블럭도.

도 5는 나사 샤프트를 구분하여 발열량을 구하는 경우의 설명도.

도 6은 온도 분포 연산 회로(19)의 데이터 에리어의 설명도.

도 7은 모터의 회전 속도와 전류를 일정하게 한 경우의 모터 본체 온도와 경과 시간의 관계를 나타내는 설명도.

도 8의 (A) 내지 도 8의 (D)는 모터 본체 온도의 산출 방법을 설명하는 설명도로, 도 8의 (A)는 구동 개시 후 0부터 t1까지의 모터 본체 온도와 경과 시간의 관계도, 도 8의 (B)는 구동 개시 후 t1부터 t2까지의 모터 본체 온도와 경과 시간의 관계도, 도 8의 (C)는 구동 개시 후 t2부터 t3까지의 모터 본체 온도와 경과 시간의 관계도, 도 8의 (D)는 구동 개시 후 0부터 t3까지의 모터 본체 온도와 경과 시간의 관계도.

도 9는 각 부의 온도와 각 구간에 입력한 발열량을 설명하는 도면.

도 10은 각 위치에 있어서의 온도 상승 속도를 나타내는 도면.

도 11은 머시닝 센터(M)의 위치 보정 제어의 흐름도.

도 12는 나사 샤프트의 단부 온도를 계측하기 위한 실험 장치의 개략도.

도 13은 종래 기술의 방법에 의한 계산값과 도 12의 실험 장치에 의한 실험값을 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

8 : 테이블

8a : 너트부

71 : X축 모터

81 : X축 나사 샤프트

91a : 고정 베어링

91b : 가동 베어링

Claims

나사 샤프트 및 너트를 구비하는 이송 구동용 볼 나사 기구와, 상기 나사 샤프트에 의한 상기 너트의 이송량을 가공 데이터를 기초로 계산하는 이송량 제어 기기와, 상기 나사 샤프트를 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터의 회전 속도를 상기 가공 데이터를 기초로 제어하는 속도 제어 기기를 갖는 공작 기계의 열변위 보정 방법에 있어서,

상기 회전 속도를 기초로 하여, 상기 너트의 이동에 의해 상기 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량을 구하는 제1 스텝과,

상기 서보모터의 온도 상승을 검출하고, 상기 온도 상승을 기초로 하여, 상기 서보모터로부터 상기 나사 샤프트로 열전도하는 제2 발열량을 구하는 제2 스텝과,

상기 제1 발열량과 상기 제2 발열량으로부터 상기 나사 샤프트를 길이 방향으로 분할한 복수 구간의 온도 분포를 연산하는 제3 스텝과,

상기 온도 분포로부터 상기 복수 구간 각각의 열변위량을 연산하는 제4 스텝과,

상기 열변위량을 기초로 하여 상기 가공 데이터의 보정량을 연산하는 제5 스텝을 구비하고,

소정의 경과 시간마다, 회전 속도 및 구동 전류로부터 서보 모터의 포화 온도를 구하고, 포화 온도와 경과 시간으로부터 서보 모터 본체의 온도 변화를 구하여, 온도 변화를 가산함으로써 모터 본체의 온도를 구하는, 공작 기계의 열변위 보정 방법.
제1항에 있어서, 상기 서보모터의 상기 온도 상승을, 상기 회전 속도 및 상 기 서보모터의 구동 전류값 중 적어도 한쪽을 기초로 하여 검출하는, 공작 기계의 열변위 보정 방법.
나사 샤프트 및 너트를 구비하는 이송 구동용 볼 나사 기구와, 상기 나사 샤프트에 의한 상기 너트의 이송량을 가공 데이터를 기초로 계산하는 이송량 제어 기기와, 상기 나사 샤프트를 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터의 회전 속도를 상기 가공 데이터를 기초로 제어하는 속도 제어 기기를 갖는 공작 기계의 열변위 보정 장치에 있어서,

상기 회전 속도를 검출하는 속도 검출 기기와,

상기 서보모터의 온도 상승을 검출하는 온도 검출부와,

상기 속도 검출부가 검출한 상기 회전 속도를 기초로 하여, 상기 너트의 이동에 의해 상기 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량을 연산하는 제1 발열량 연산부와,

상기 온도 검출부가 검출한 상기 온도 상승을 기초로 하여, 상기 서보모터로부터 상기 나사 샤프트로 열전도하는 제2 발열량을 연산하는 제2 발열량 연산부와,

상기 제1 발열량 연산부가 연산한 상기 제1 발열량과, 상기 제2 발열량 연산부가 연산한 상기 제2 발열량으로부터, 상기 나사 샤프트를 길이 방향으로 분할한 복수 구간의 온도 분포를 연산하는 온도 분포 연산부와,

상기 온도 분포 연산부가 연산한 상기 온도 분포를 기초로 하여 상기 복수 구간 각각의 열변위량을 연산하는 열변위량 연산부와,

상기 열변위량 연산부가 연산한 상기 열변위량을 기초로 하여 가공 데이터의 보정량을 연산하는 보정량 연산부를 구비하고,

소정의 경과 시간마다, 회전 속도 및 구동 전류로부터 서보 모터의 포화 온도를 구하고, 포화 온도와 경과 시간으로부터 서보 모터 본체의 온도 변화를 구하여, 온도 변화를 가산함으로써 모터 본체의 온도를 구하는, 공작 기계의 열변위 보정 장치.
제3항에 있어서, 상기 온도 검출부는 상기 회전 속도 및 상기 서보모터의 구동 전류값의 적어도 한쪽을 기초로 하여 상기 온도 상승을 검출하는 것을 특징으로 하는, 공작 기계의 열변위 보정 장치.
열변위 보정용 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체이며,

나사 샤프트 및 너트를 구비하는 이송 구동용 볼 나사 기구와, 상기 나사 샤프트에 의한 상기 너트의 이송량을 가공 데이터를 기초로 계산하는 이송량 제어 기기와, 상기 나사 샤프트를 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터의 회전 속도를 상기 가공 데이터를 기초로 제어하는 속도 제어 기기를 갖는 공작 기계의 제어 기기에,

상기 회전 속도를 기초로 하여, 상기 너트의 이동에 의해 상기 나사 샤프트에 발생하는 제1 발열량을 구하는 제1 스텝과,

상기 서보모터의 온도 상승을 검출하고, 상기 온도 상승을 기초로 하여, 상기 서보모터로부터 상기 나사 샤프트로 열전도하는 제2 발열량을 구하는 제2 스텝과,

상기 제1 발열량과 상기 제2 발열량으로부터 상기 나사 샤프트를 길이 방향으로 분할한 복수 구간의 온도 분포를 연산하는 제3 스텝과,

상기 온도 분포로부터 상기 복수 구간 각각의 열변위량을 연산하는 제4 스텝과,

상기 열변위량을 기초로 하여 상기 가공 데이터의 보정량을 연산하는 제5 스텝을 실행시키는 지시를 포함하고,

소정의 경과 시간마다, 회전 속도 및 구동 전류로부터 서보 모터의 포화 온도를 구하고, 포화 온도와 경과 시간으로부터 서보 모터 본체의 온도 변화를 구하여, 온도 변화를 가산함으로써 모터 본체의 온도를 구하는, 열변위 보정용 프로그램을 기억한 컴퓨터 판독 가능한 매체.