JPH03131449A - ボールねじ熱膨張誤差の自動補正方法 - 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、工作機械送り系に採用されるボールねじ熱膨
張誤差の自動補正方法に関するものである。

〔従来の技術〕

自動化工作機械、とりわけ無人化指向の強いマシニング
センタにおいては、長時間にわたって安定した加工精度
を維持することが最重要課題である。

なかでもボールねしで駆動される移動軸の位置決め精度
は、直接工作物に転写されるため、ボールねじの熱膨張
誤差を小さく抑えることが必要である。

そこで、本出願人は、ボールねじの熱膨張誤差を自動的
に補正する方法を特願昭６３−２５１２８０号として既
に出願している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記既出層の方法は、第１図の送り系において、固定点
ＡとＮＣ原点０″間を直線で補関し、任意の点Ｘに対し
、次式 ％式％） で点Ｘでの熱膨張量を推定演算し、点Ｘへの位置決め時
にΔＸだけ補正してＸ”−Ｘ−ΔＸに位置決めすれば、
ボールねじの熱膨張誤差が自動補正されることを示した
。

然し乍ら、上記既出層の方法は、ボールねじナツト部の
みを対象とし、ボールねじ支持軸受部の発熱特性の影響
を考慮していないため、補正精度の劣化を招くことが判
明した。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、補正精度を一層向上させるために提案された
もので、一端を固定端とし、他端を自由端として回転可
能に支持したボールねじを、固定端側からサーボモータ
で回転駆動して該ボールねじにナツトを介して螺合させ
たテーブルを移動制御する形式のＮＣ工作機械送り系に
おいて、テーブルの原点位置の近傍に原点検出スイッチ
を固設し、ＮＣ原点復帰指令により、原点復帰したとき
の原点検出スイッチがＯＮした位置と、原点復帰完了位
置との初期設定位置間距離ｔｏの変化量Δｌを検出させ
、続いて、ＮＣ移動指令値Ｘに対する熱膨張誤差分ΔＸ
を、次式 ％式％ 但し、Ｌｏ：ボールねじの有効長さ ΔＸ：ボールねじの有効長さΔｘ；ボールねじ支持軸受
部からの発熱を考慮して設定した補正量で演算させ、Ｎ
Ｃ移移動指令値への移動に際し、上記ΔＸだけ補正して
Ｘ’＝Ｘ　−ｘ−ΔＸの位置にテーブルを移動して位置
決めさせるようになしたものである。

〔作用〕

ボールねじの有効長さΔｘ；ボールねし支持軸受部の発
熱に起因してボールねじの軸方向の熱膨張量が増加し、
これを加味して補正させているため、実際の熱膨張誤差
を精度よく推定して補正ができ、補正精度が向上する。

〔実施例〕

第１図はＮＣ工作機械送り系の概略図と本発明のボール
ねじの熱膨張誤差の補正方法の原理説明図を示すもので
ある。

第１図において、（１）はボールねし、（２）はサーボ
モータ、（３）はテーブルである。

ボールねじ（１）は、一端を一対のアンギュラボール型
の軸受（４）でサドル（図示省略）に回転可能に支持し
て固定端とし、他端を玉軸受（図示省略）で支持してボ
ールねじ（１）の軸方向熱膨張を逃がし得るように自由
端としている（この構成をシングルアンカ一方式と呼ぶ
）そして、サーボモータ（２）を固定端側に連結してボ
ールねしく１）を回転駆動せしめるようにしている。テ
ーブル（３）は、ボールねじ（１）にナツト部（３ａ）
を介して螺合せしめられており、ボールねしく１）の正
逆回転により、左右に移動せしめられる。テーブル（３
）上（７）（Ｄｏ）、（Ｄｔ　）　〜（Ｄ４　）は、ボ
ールねしく１）の軸方向熱膨張量を測定するために、テ
ーブル（３）上に固定したブロックである。

サーボモータ（２）は、ＮＣ制御装置（５）からのＮＣ
移動指令によって正逆回転駆動され、その回転量は、回
転角検出器（６）からＮＣ制御装置（５）にフィードバ
ックされている。

ボールねしく１）に熱膨張がない場合には、Ｎ０９点０
°と真の原点０は一致しているが、テーブル（３）の移
動に伴うボールねしく１）とナツト部（３ａ）との摩擦
により、ボールねしく１）の温度が上昇するにつれてボ
ールねしく１）に熱膨張が住じ、原点復帰時のＮＣ原点
０″は、真の原点Ｏに対しΔＬだけ熱膨張誤差を生じる
ことになる。

一方、ボールねしく１）の熱容量が比較的小さく、熱伝
導性が良好で、原点０での熱膨張量ΔＬは固定点Ａを基
準に直線的に分布していると仮定すると、任意の移動量
Ｘに応じて、熱膨張量ΔＸを直線補間により求め、その
誤差分だけ移動量を補正すれば正確な位置決めが可能と
なる。

そこで、原点Ｏの手前Ｎｏの位置Ｏ”に、原点検出スイ
ッチ（７）を固定側であるサドルに取付け、Ｘ軸の原点
復帰時に、ＮＣスキップ機能を利用して、原点検出スイ
ッチ（７）の取付位置０”でのスキップ信号の変化量Δ
ｌを検出する。その結果、第１図の幾何学的関係から、
任意の移動量Ｘに対するボールねじ熱膨張量ΔＸは次式
で与えられる。

ΔＸ−Δｌ　・（Ｘ　−Ｌｏ）　／　（Ｌｏ　−Ｎｏ　
＞　　・・（１）即ち、スキップ信号の変化量ΔβとＮ
Ｃ移動指令値Ｘから、ＮＣユーザマクロ機能を用いて式
（１）の演算を行い、ＮＣ移動指令値Ｘから熱膨張誤差
分ΔＸだけ補正すれば、ボールねしく１）の熱膨張量の
誤差を取り除くことが可能となる。

これが特願昭６３−２５１２８０号の基本的考え方であ
る。

ところで、ボールねじ（１）の熱膨張誤差要因として、
ボールねじ（１）のナツト部（３ａ）及びボールねしく
１）の支持軸受（４）からの熱流入が考えられる。そこ
で、これらの発熱がボールねじ（１）の温度分布、さら
には熱膨張量に及ぼす影響について計算した結果を第２
図（ａ）（ｂ）に示す０両図において、テーブル（３）
の往復繰返しから５分毎、３０分経過時迄の温度分布を
実線で、そのときの熱膨張量の変化を破線で示す。

これら２つの温度分布は、重ね合わせの原理が成り立ち
、その結果、ボールねじ（１）の熱膨張量及び温度分布
は、第３図のように求められる。

尚、第３図においてＡはテーブル（３）を全ストローク
分往復させた場合であり、Ｃ−１〜Ｃ−４は、テーブル
（３）を原点からの往復移動距離を４段階に亘って順次
長く変化させた場合を示している。

第３図の結果から、ボールねじ（１）の軸方向の熱膨張
量の分布は、既特許出願で示した直線分布にズレ（支持
軸受（４）の発熱に起因）を生じ、第１図の２点鎖線で
示す曲線ＡＦのような分布となる。

このため、直線ＡＦで補間していた既特許出願の場合で
は、ΔＳの推定誤差を伴なうことになり、それだけ補正
精度の劣化を招く。

上記直線ＡＦと曲線ＡＦとを比較すると、固定点Ａに近
くなるほど熱膨張量のズレ量が大きくなっており、その
原因は、固定点Ａの支持軸受（４）の発熱の影響による
ものと推定され、この分だけ熱膨張量が増加していると
考えられる。

そこで、本発明は、ボールねじ（１）の有効長さＬＯを
上記増加分だけ長く見積もって補正演算を行わせるよう
にしたものである。

即ち、本発明は、実際の熱膨張誤差を精度良く推定し得
るように、補正演算式に改良を加えたもので、前記式（
１）のＬＯの代りに、（ＬＯ＋ΔＸ）をボールねしく１
）の全有効長さとみなし、次式のようにして、補正精度
の向上を図ったものである。

ΔＸ−Δ１（Ｘ−Ｌｏ−Δｘ　）　／　（Ｌｏ＋Δｘ−
１！ｏ）・（２） 上記ΔＸは、第１図の破線のように曲線ＡＦを直線で延
してＸ軸と交差した点Ａ゛までの定数として、各工作機
械毎に設定しておくものである。

本発明の補正原理は以上の通りであって、次に実際の補
正法について説明する。ＮＣ工作機械は、その機能上、
工具交換のためＮＣ原点へ復帰動作を行う、この原点復
帰時に、ＮＣスキップ機能を利用して、其の原点Ｏから
Ｎｏだけ手前の距離に設けた原点検出スイッチ（７）に
より、熱膨張誤差Δｌを検出する。

この検出信号によって、そのときの座標値を読み取り、
次の移動指令が与えられると、（２）式の演算をＮＣ制
御装置（５）のユーザマクロ機能を用いて実行させる。

位置決めが完了した時点ですでに補正値が入力されてい
る。即ち、ＮＣ移動指令値Ｘに対して熱膨張誤差ΔＸを
除去したＸ’＝Ｘ　　−ｘ−ΔＸとして位置決めさせる
毫のである。

実際の補正動作は、第４図に示す通りであイ上記実施例
は、Ｘ軸についてのみ説明した力、Ｙ軸及びＺ軸につい
ても同様に通用するこきは勿論である。また、リニアス
ケールを装備するクローズトループ制御方式のＮＣ工作
機械にも適用可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＮＣ工作機械の送り系を１成する各移
動軸に夫々１個の原点検出スイッチを設ければよ（、補
正量の演算はＮＣのソフト処理にて実施できるため、簡
単な装置で高精誼の位置決めを実現できる。

特に、本発明では、ボールねじの熱膨張誤差要因にナツ
ト部及び支持軸受部の発熱も含めて、補正を行わせるよ
うにしたため、ＮＣ工作感械の送り系の位置決め精度を
一層向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＮＣ工作機械送り系の概略図と本発明のボール
ねじの熱膨張誤差の補正方法の原理説明図、第２図（ａ
）はボールねじナツト部の温度分布と熱膨張量を示し、
第２図（ｂ）はボールねじ支持軸受部の温度分布と熱膨
張量を示している。第３図は第２図（ａ）（ｂ）を重ね
合わせた結果を表わしたボールねじの温度分布と熱膨張
量を示す図であり、第４図は本発明の熱膨張誤差の自動
補正方法のフロー図である。 （１）−・−・ボールねし、（２）　−サーボモータ、
（３）・−テーブル、　　（３ａ）・・−ナツト部、（
４）−・軸受、　　　　（５’）　−Ｎ　Ｇ制御装置、
（６）　−回転角検出器、 （７）−・−・原点検出スイッチ、 Ａ−・固定点、　　　　０−・原点、 ０’−ＮＣ原点、 ０”・−原点検出スイソチ設置位置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端を固定端とし、他端を自由端として回転可能
   に支持したボールねじを、固定端側からサーボモータで
   回転駆動して該ボールねじにナットを介して螺合させた
   テーブルを移動制御する形式のＮＣ工作機械送り系にお
   いて、 テーブルの原点位置の近傍に原点検出スイッチを固設し
   、ＮＣ原点復帰指令により、原点復帰したときの原点検
   出スイッチがＯＮした位置と、原点復帰完了位置との初
   期設定位置間距離ｌｏの変化量Δｌを検出させ、続いて
   、ＮＣ移動指令値Ｘに対する熱膨張誤差分ΔＸを、次式
   ΔＸ＝Δｌ（Ｘ−Ｌｏ−Δｘ）／（Ｌｏ＋Δｘ−ｌｏ）
   但し、Ｌｏ：ボールねじの有効長さ Δｘ；ボールねじナット及びボールねじ支持軸受部から
   の発熱を考慮して設定した補正量で演算させ、ＮＣ移動
   指令値Ｘへの移動に際し、上記ΔＸだけ補正してＸ’＝
   Ｘ−ΔＸの位置にテーブルを移動して位置決めさせるよ
   うになしたことを特徴とするボールねじ熱膨張誤差の自
   動補正方法。