JPH02298456A - 工作機械の温度補償装置 - Google Patents

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、工作機械における加工精度の温度による変動
を補償するための装置に関するものである。

従来の技術 工作機械において、加工精度は基本的に重要であり、運
転中において低下又は変動を生してはならないものであ
る。しかしながら、例えば平面研削盤や放電加工機等は
毎日の始業時から終業までの間で、特定の座標において
変動的な誤差を生しることが知られている。

発明が解決しようとする課題 例えば、第３図及び第４図に示す平面研削盤は、ベッド
（１）後部から立設されたコラム（２）において砥石駆
動部（３）を昇降自在に支持し、この砥石駆動部（３）
の前端よりＹ軸方向に突出した主軸シャフト（４）の先
端に砥石（５）を支持し、この砥石（５）によってワー
ク台（６）上の加工物（７）を研削するようになってい
る。ワーク台（６）はＸ軸一　　４　　− テーブル（８）上に固着され、このＸ釉テーブル（８）
はベッド（１）上面に可動的に支持されたＹ軸テーブル
（９）上において可動的に支持されたものである。この
Ｙ軸テーブル（９）と、ベッド（１）の同一側面にはＹ
軸方向における両者の相対的な位置関係を検出するため
のリニアスケール（１０）が装備されている。

このような平面研削盤においては、後述のごとく各部の
温度上昇が原因で砥石（５）と加工物（７）との間のＹ
軸方向の寸法関係が第５図に示すように、加工開始から
２．３時間経過以後において顕著に狂い出し、それはマ
イナス（加工物が相対的に機械正面に突出する方向）の
誤差となり、徐々に増大する。この誤差は金型等の加工
において通常許容される５μｍの範囲を上回り、加工開
始後６時間程度で一２０μｍ程度にも達するのが普通で
ある。発明者は、このような誤差が主として砥石駆動部
（３）内の主軸シャフト（４）とＹ軸テーブル（９）の
熱膨張度の差であり、始業後２〜３時間以降においては
、Ｙ軸テーブル（９）に装備したＸ軸駆動用油圧シリン
ダ（８ａ）が機械の局部的な温度上昇の熱源となること
を見出した。そこで、油圧シリンダ（８ａ）の油温を冷
却してみたが、その結果は機械が周囲温度の影響を強く
受けて、やはり５μｍ以上の（４℃の変化で約１５μｍ
）誤差を生しるものであった。しかしながら、周囲温度
の厳密な制御を行う試みは、コスト及び精度の両面にお
いて現実的でない。そこで、機械運転後の誤差の増大の
飽和点において必要な作業を行うことにしているが、こ
のためのウオームアツプには３０時間以上を要し、きわ
めて不経済である。

次に、第６図及び第７図に示す放電加工機においては、
その１日の運転中に、ワーク台（１１）上の加工物（７
ａ）とその上方に位置する電極（１２）との相対的な位
置関係が変化することが知られている。なお、（１３）
は一般にタイルと呼ばれ、電極（１２）を昇降可能に支
持した２軸駆動部、（１４）は前端でタイル（１３）を
支持し、それ自体がＹ軸移動可能な保持部、（１５）は
保持部（１４）を支持した中継台、（１６）は中継台（
１５）をＸ軸移動可能に支持したコラム本体、（１７）
は機械ベッドである。すなわち、Ｚ軸駆動部（１３）の
下端面から突出した２軸シャフト（１３ａ　）は第８図
に示すように、例えば午前８時の始業から１５時頃まで
少しづつ突出して電極（１２）のレベルを低下させ、最
大−２０数μｍ程度の誤差となる。それ以後機械を運転
し続けた場合、このマイナスの誤差は上昇に転じてゼロ
に近づいていく。そこで、これを修正しないままコンピ
ュータ制御でパルスモータを駆動し、加工した場合、深
く加工しすぎるという不都合を生ずるため、現状では、
熟練者が始業後の誤差曲線を予測して適当にプログラム
の修正を行っているが、面倒であり、しかも、確実な補
正にはならない。

本発明の目的は、上記のような工作機械における寸法誤
差の発生及び変動を正確に、かつ自動的に補償するだめ
の装置を提供することである。

課題を解決するための手段 上記の目的を達するため、本発明は、例えば平面研削盤
等のリニアスケール使用機械においては、 ａ）機械ベッドの上面又は近接部の温度、及び工具駆動
部のケース関連温度のいずれかを測定するための少くと
も１個の温度センサと、ｂ）　　ａｔ械運転開始後の時
間経過しにおいて測定されだ前記いずれかの温度をＴと
して、 Ｃ＝Ｆ　（Ｔ、　　ｔ） より得られるＹ軸寸法補償値Ｃ１を演算するための補償
値演算部と、 Ｃ）　前記補償値Ｃを、リニアスケールの検出値Ｄに加
えて補正値Ｄ　’　−Ｄ　十〇　　を得るための加鼻部
とを装備したことにより、 補正値Ｄ′を前記リニアスケール表示器のための駆動回
路人力として用いるようにしたことを特徴とするりニア
スケール温度補償装置を構成したものである。

次に、本発明は、前記と同様のリニアスケール使用機械
において、 ａ）機械ベッドの］−面又は近接部の温度Ａと、工具駆
動部のケース関連温度Ｂとをそれぞれ測定するための少
くとも２個の温度センサと、＝　９− 一　　８　− ｂ）　一定の係数Ｋ　を設定して前記測定された温度に
つき Ｃｙ＝Ｋｙ　　（Ａ−Ｂ） ｙ より得られるＹ軸寸法補償値Ｃｙを演算するための補償
値演算部と、 Ｃ）　前記補償値Ｃを、リニアスケールの検出値Ｄに加
えて補正値Ｄ’＝Ｄ＋Ｃｙを得るための加鼻部とを装備
したことにより、 補正値Ｄ′を前記リニアスケール表示器のための駆動回
路入力として用いるようにしたことを特徴とするリニア
スケール温度補償装置を構成したものである。

次に、本発明は、例えば放電加工機等のパルスモータ駆
動工具を有する工作機械においては、ａ）　タイル又は
工具保持部に近接した機械ケーシング内空間の温度、も
しくは前記温度とほぼ同一の値となる機械部分の温度Ｔ
を測定するための少くとも１個の温度センサと、 ｂ）　一定の係数Ｋｄ及びゼロを含む定数αを設定・し
て、前記測定された温度Ｔにつき、ＣＺ−Ｋｄ・Ｔ＋α
なるＺ軸補償値Ｃを演算するための補償値演算部と、 ｄ）　前記補償値Ｃを、ワーク加工時における所望のＺ
軸座標指令Ｚに加算して補正値 ｚ’−ｚ　＋　ｃ　　を得るための加算部とを装備した
ことにより、 補正値Ｚ′を前記工具駆動用パルスモータの駆動回路入
力として用いるようにしたことを特徴とする工具駆動軸
の湯度補償装置を構成したものである。

作　　　　　用 上記の構成によれば、平面研削盤等のリニアスケール使
用機械に適用されるリニアスケール温度補償装置におけ
る前記温度Ａは、Ｙ軸テーブル（９）に装備された油圧
シリンダ（８ａ）の油温を直接伝達されて熱膨張、従っ
てワーク台のＹ軸方向の突出を生しるＹ軸テーブル（９
）の温度上昇に追随し、温度Ｂは砥石（５）のＹ軸方向
の突出を与えるシャフト（４）の温度」二昇をほぼ表わ
すものであるため、結局、これらの部分の温度上昇の差
異に基づいて砥石（５）の（Ｙ軸テーブル（９）に関す
る）相対的な突出量、すなわぢＣ９は、温度差Ａ−Ｂに
比例することとなる。そして、」二記の温度Ａ及びＢの
一方を時間の関数として把握すれば、他方をＴとしてＣ
＝Ｆ　（Ｔ、　　ｔ）により総括ずることかできる。

また、放電加工機等のパルスモータ駆動工具を有する工
作機械に適用された温度補償装置において、前記電極（
］２）のＺ軸座標の変動は結局工具保持部の周囲温度、
すなわち電極を保持するシャフト（１３ａ　）に近接し
たケーンング内空間の温度Ｔの変動に対応するため、こ
れに一定の係数Ｉ（を掛け、かつ定数αを加えることに
よりＺ軸補償値ＣＺを容品に算出することが可能となる
。

実　　施　　例 第１−図は平面研削盤のリニアスケール温度補償装置の
ブロック構成を示すものであり、温度センサ（２０）は
前記ベッド（１）の上面又はその近接部の温度Ａ及び前
記砥石駆動部（３）のケース関連温度Ｂをそれぞれ測定
するだめの少くとも２個のセンサ素子を含み、これらの
温度検出信号は演算部（２１）における補償値演算装置
（２２）に供給される。ここにおいて、前述した補償値
Ｃｙ＝Ｋｙ　　（Ａ−Ｂ）ｙ が演算され、その演算出力Ｃは演算部（２１）内の加算
器（２３）に供給されるようになっている。加算器（２
３）はこの補償値Ｃをリニアスケール（１０）の検出信
号りに加えるものであり、この加算Ｍカが補正値Ｄ”と
してリニアスケール用表示駆動部（２４）に供給される
。表示駆動部（２４）のデジタル信号出力は、平面研削
盤の外部面の適所に設けられたスケール表示部（２５）
に供給され、これにより補正値Ｄ゛、すなわち温度変化
による寸法誤差を補正した、より正確なＹ軸座標が表示
されるものである。

装置温度Ａ及びＢの実測値の一例は第９図に示す通りで
ある。まず、ベッド上面付近の温度Ａにおける運転開始
後の温度上昇は、前述した通りＸ軸テーブル駆動用の油
圧シリンダ（８ａ）内の油温の上昇が伝達されたことに
伴うものであり、この油温上昇は熱放散度の高いＸ軸テ
ーブル（８）より＝　１２− もむしろその下側に位置するＹ軸テーブル（９）に伝達
される過程で、この部分により強く作用し、そのテーブ
ル（９）の熱膨張を生じてＹ軸座標の変位をもたらすも
のである。このＹ軸変位は種々実験した結果、Ｙ軸テー
ブル（９）を接触支持するベッド（１）上面の温度」二
昇に比例したものとしてより正確に把握し得ることが確
認された。すなわち、第９図のグラフＡで示す通り、温
度Ａは機械の運転開始時の約２０°Ｃから運転経過時間
に伴って上昇し、その上昇勾配は運転開始後（もし継続
するなら）数１０時間程度で飽和するまで少しづつ低下
していく。次に、砥石駆動部（３）のケース関連温度Ｂ
は、Ｙ軸に沿った主軸シャフト（４）の温度上昇を間接
的に表わすものであり、結局、主軸シャフト（４）の熱
膨張による砥石の正面方向への突出量と、Ｙ軸テーブル
の熱膨張によるワーク台（６）の正面方向へのＹ軸変位
との差である加工物（７）の相対的なＹ軸位置誤差は、
温度ＡとＢの差に比例するものとして現れるはずである
。この観点から第９図のグラフを参照すると、温度Ｂは
−１４，− 運転開始直後の２０℃より２時間半程度経過するまでグ
ラフＡをわずかに上回る程度の勾配で−に昇した後、こ
れ以後はほぼ飽和してきわめて緩やかにしか上昇しない
。この最初の比較的高い温度」二昇は、主軸ベアリング
の発熱による主軸シャフト（４）の熱膨張の進行を示す
ものであり、これ以後のきわめて緩やかな」二昇は、主
軸ベアリングの発熱量が飽和した後、前述したＸ軸駆動
用油圧シリンダ（８ａ）の温度上昇がＹ軸テーブル（９
）、ベッド（１）及びコラム（２）を介して主軸（４）
に伝達されることを示している。ここで、第９図のグラ
フＡ、Ｂ（’Ｃ）に第５図に示した加工物のＹ軸方向の
実測誤差量を重ねてみると、図の通り温度Ａ及びＢの差
として両グラフ間に斜線で示した温度差の変化は、加工
物の実測誤差量と完全に対応していることがわかる。す
なわち、温度差（Ａ−Ｂ）に一定の係数Ｋ　を掛けると
、寸法補償値Ｃ（Ｉｌｍ）ｙ が得られることは容易に理解されるであろう。したがっ
て、この補償値Ｃはリニアスケール（１０）から実際に
読み出されたＹ軸寸法りの補償値としてこれに加えられ
、その加算値Ｄ′が補正されたＹ軸変位としてスケール
表示駆動部（２４）に供給されるものである。

さて、上記Ｙ軸寸法の補償値Ｃ，＝に、ＣＡ−Ｂ）を再
検討してみると、第２項の変数Ｂ（砥石駆動部（３）の
温度）は機械の運転開始２〜３時間以後は、はぼ飽和状
態として時間ｔの進行に従いごくわずかずつ直線的に上
昇する。その間の温度Ｂは定数ｂ１及びＣを用いてＢ−
ｂ−ｔ＋Ｃと表わずこともできる。そして、これを総括
してＢ二ｆ１（１）とおけば、前記Ｃ式は Ｃ−１く　　・　Ａ　＋ｆ（ｔ） ｙ として近似しうる。

また、別の近似的方法としては、運転開始２〜３時間の
時点における温度Ｂグラフの屈折に着目し、温度Ａは時
間ｔの関数（例えばＡヴに、／１−とみなすことが可能
である）とし、Ｋ’−一に、とおいて、 Ｃ＝に’・Ｂ十ｆ　（ｔ） ｙ　　　ｙ　　　　　２ として近似しうる。

−１５＝ したがって、温度Ａ又はＢは’Ｔ”　　（０Ｃ）で総括
し、一般式で表現すれば、 Ｃ＝Ｆ　（Ｔ、　　ｔ） となる。

次に、第２図は放電加工機のＺ軸補償装置の構成例をブ
ロック線図において示したものである。

温度センサ（３０）はこの場合、第６及び７図に示した
放電加工機のコラム上部又は中継台（１５）の前面温度
を測定する少くとも１個のセンサ素子を含むものであり
、演算部（３１）における補償値演算装置（３２）は、
温度センサ（３０）によって検出された温度Ｔについて
ＣＺ−Ｋｄ−Ｔ＋αなる演算を行って、Ｚ軸補償値Ｃを
演算するものであり、その演算出力は加算器（３３）に
供給される。加算器（３３）は補償値Ｃを、電極（１２
）のＺ軸位置を指令するＺ軸指示値Ｚに加算するもので
ある。（４０）はその値Ｚを発生するためのＺ軸制御入
力装置である。加算器（３３）からの加算出力Ｚ゛は２
軸パルスモ一タ用駆動回路（３４）に供給され、Ｚ軸パ
ルスモータ（３５）は温度変化に対する補正を加味した
Ｚ軸駆動信号により駆動され、この結果、電極（１２）
を支持した主軸はＺ軸指令入力により、正確に対応した
位置へ駆動されることになる。

放電加工機の中継台（１５）前面の温度が補償演算に用
いられる理由は、次の通りである。すなわち、放電加工
機において、第８図に示すごとく工場の始業（例えば、
８時）後において１４４時頃負のピークとする２軸座標
変化が生ずる理由は、その変化曲線の形態からして工具
保持部の周囲温度の変化に対応するものと考えられる。

すなわち、工場の機械設置環境においては、冷暖房によ
る温度制御が実施されているものとして、発熱（エネル
ギーロス）部を含む機械周辺の温度は１゜４時頃を正の
ピークとする第８図のＺ軸座標変化　。

を裏返したようになり、結局主軸シャフトはこの温度変
化に従った熱膨張による寸法変化を生ずると考えられる
からである。しかしながら、その周囲温度とは工具保持
部の外側に近接した空間部であり、これを機械部分の温
度から検出するときはどの部分の温度を検出すればよい
か、種々に検討した。その検討結果を示すものが第１０
図のグラフであり、互いに交叉し、かつ束状となった７
本のグラフａ、、ｂｌｃｌ・・・ｇはそれぞれ（ａ）工
具保持部としてのＺ軸駆動部の周囲温度、（ｂ）中継台
前面、（ｃ）コラム前面、（ｄ）中継台後面、（ｅ）コ
ラム後面、（ｆ）タイル外部、（ｇ）加工物浸種槽内の
液温である。これらの曲線の上方に描いたＺ軸度化曲線
の形状と対比して明らかな通り、周囲温度ａ及び中継台
（１５）前面の温度すの変化はＺ軸度化にほぼ対応し、
結局これらの温度ａ又はｂ等を総括して表わす温度Ｔ（
℃）に所定の係数１ｉを掛け、かつ定数αを加えること
により、Ｚ軸補償値Ｃ（μｍ）を得ることかできる。こ
のように周囲温度の変動がそのままＺ軸の変化として現
れるのは主軸シャフト（１３ａ　）の熱膨張を与える実
質的な熱源がその周囲温度しか存在しないことを意味し
ている。ずなわち、Ｚ軸駆動モータはパルスモータであ
り、それほどの温度上昇をせず、また、機械の熱容量も
大きいこと等によるものである。

発明の効果 以上の通り本発明によれば、従来の如く平面研削盤にお
いて油圧シリンダの油温を冷却し、かつ周囲温度±２℃
の範囲に維持する等、設備費及び維持費がきわめて高価
につく手段を採用したり、作業前日より機械のウオーム
アツプを始めるような不経済な方法をとることなく、自
動的にＹ軸座標の温度補償を行うことができる。これに
より補正した場合の加工物の実測誤差量は第１１−図に
示す通り、金型等の加工物において要求される寸法精度
５μｍの範囲を十分に満たしているものである。

また、放電加工機においては、従来の如く運転途中で１
時間毎にプログラムの修正を行うこと、すなわちプログ
ラムされた指示値を変更することなく、第１２図に示し
たような５μｍ以内の実測値となるような加工精度を達
成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って構成された平面研削盤のリニア
スケール態度補償装置の構成例を示すブロック線図、 第２図は本発明に従って構成された放電加工機のＺ軸温
度補償装置構成例を示すブロック線図、第３図は典型的
な平面研削盤の正面図、第４図はその側面図、 第５図は第３図及び第４図に示した平面研削盤のＹ軸寸
法の実測誤差量の発生及び変動を示すグラフ、 第６図は典型的な放電加工機を示す正面図、第７図はそ
の側面図、 第８図は第６図及び第７図に示した放電加工機における
工場始業後のＺ軸寸法誤差の発生及び変動を示すグラフ
、 第９図は平面研削盤のベッド」二面温度及び砥石駆動部
の温度変化を第５図のグラフと対比して示ｌ−クラフ、 第１０図は放電加］−機の機械各部及び周囲温度の変化
をＺ寸法誤差と対比して示すグラフ、第１１図及び第１
２図は本発明の温度補償装置において実現された平面研
削盤及び放電加工機の補正後実測値をそれぞれ示すグラ
フである。 （１）・・・・・・・・・・・・・・・・・ベッド（２
）・・・・・・・・・・・・・・・・・・コラム（３）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・砥石駆動部（４
）・・・・・・・・・・・・・・・・・・主軸シャフト
（５）・・・・・・・・・・・・・・・・・・砥石（６
）・・・・・・・・・・・・・・・・・・ワーク台（７
）・・・・・・・・・・・・・・・・・・加工物（８）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・Ｘ釉テーブル（
８ａ）・・・・・・・・・・・・・・・Ｘ軸駆動用油圧
シリンダ（９）・・・・・・・・・・・・・・・・・・
Ｙ軸テーブル（１０）・・・・・・・・・・・・・・・
・・・リニアスケール（１１）・・・・・・・・・・・
・・・・・・・加工物取付台（１２）・・・・・・・・
・・・・・・・・・・電極（１３）・・・・・・・・・
・・・・・・・・・Ｚ軸駆動部（タイル）（１３ａ　）
・・・・・・・・・・・・・・・主軸シャフト＝　２２
− （１４）・・・・・・・・・・・・・・・・・・クイル
保持部（１５）・・・・・・・・・・・・・・・・・・
中継台（１６）・・・・・・・・・・・・・・・・・・
コラム（１７）・・・・・・・・・・・・・・・・・・
ベッド取付台特許出願人　　有限会社　衣笠製作所 Ｎ孝備匈炉 ＠＠＠４森べ一

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）機械の本体を構成するベッドの上方において、少
   くとも一つの座標軸上で移動できるように支持された少
   くとも１個の可動テーブルからなるワーク台支持テーブ
   ル構造と、前記可動テーブルの直接支持面に対する変位
   量を検出するために両者に関連して装備されたリニアス
   ケール機構と、前記ベッドより立設されたコラムにおい
   て保持された工具駆動部とを備え、前記リニアスケール
   機構により検出した座標変位量を機械外面の適所に設け
   た表示器により表示するようにした工作機械において、 ａ）前記可動テーブルの直接支持面もしくは近接部の温
   度、及び前記駆動部のケース関連温度のいずれかを測定
   するための少くとも１個の温度センサと、 ｂ）機械運転開始後の時間経過ｔにおいて測定された前
   記いずれかの温度をＴとして、 Ｃ＿ｙ＝Ｆ（Ｔ、ｔ） より得られるＹ軸寸法補償値Ｃ＿ｙを演算するための補
   償値演算部と、 ｃ）前記補償値Ｃ＿ｙを、前記リニアスケールの検出値
   Ｄに加えて補正値Ｄ’＝Ｄ＋Ｃ＿ｙを得るための加算部
   とを装備したことにより、 補正値Ｄ’を前記リニアスケール表示器のための駆動回
   路入力として用いるようにしたことを特徴とする工作機
   械のリニアスケール温度補償装置。
2. （２）機械の本体を構成するベッドの上方において、少
   くとも一つの座標軸上で移動できるように支持された少
   くとも１個の可動テーブルからなるワーク台支持テーブ
   ル構造と、前記可動テーブルの直接支持面に対する変位
   量を検出するために両者に関連して装備されたリニアス
   ケール機構と、前記ベッドより立設されたコラムにおい
   て保持された工具駆動部とを備え、前記リニアスケール
   機構により検出した座標変位量を機械外面の適所に設け
   た表示器により表示するようにした工作機械において、 ａ）前記可動テーブルの直接支持面もしくは近接部の温
   度Ａと、前記駆動部のケース関連温度Ｂとをそれぞれ測
   定するための少くとも２個の温度センサと、 ｂ）一定の係数Ｋ＿ｙを設定して前記測定された温度に
   つき Ｃ＿ｙ＝Ｋ＿ｙ（Ａ−Ｂ） より得られるＹ軸寸法補償値Ｃ＿ｙを演算するための補
   償値演算部と、 ｃ）前記補償値Ｃ＿ｙを、前記リニアスケールの検出値
   Ｄに加えて補正値Ｄ’＝Ｄ＋Ｃ＿ｙを得るための加算部
   とを装備したことにより、 補正値Ｄ’を前記リニアスケール表示器のための駆動回
   路入力として用いるようにしたことを特徴とする工作機
   械のリニアスケール温度補償装置。
3. （３）機械の本体を構成するベッドに関連して設置され
   たワーク台と、前記ベッドに関連して設置された工具保
   持部であって、パルスモータにより軸方向に駆動される
   ようにしたシャフト又はロッドの先端に工具を保持して
   なるものとを備えた工作機械において、 ａ）前記工具保持部に近接した機械ケーシング内空間の
   温度、もしくは前記温度とほぼ同一の値となる機械部分
   の温度Ｔを測定するための少くとも１個の温度センサと
   、 ｂ）一定の係数Ｋ＿ｄ及びゼロを含む定数αを設定して
   、前記測定された温度Ｔにつき、Ｃ＿Ｚ＝Ｋ＿ｄ・Ｔ＋
   αなる座標軸補償値Ｃ＿Ｚを演算するための補償値演算
   部と、 ｃ）前記補償値Ｃ＿Ｚを、ワーク加工時における所望の
   Ｚ軸座標設定値Ｚに加算して補正値 Ｚ’＝Ｚ＋Ｃ＿Ｚを得るための加算部とを装備したこと
   により、 補正値Ｚ’を前記工具駆動用パルスモータの駆動回路入
   力として用いるようにしたことを特徴とする工具駆動軸
   の温度補償装置。