JPH0419042A - 工作機械の熱変位補正方法 - 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」 本発明は工作機械の熱変位抑制方法に関し、環境変化を
受け易い部分と受けにくい部分との差温による環境成分
と、環境変化を受けにくい部分と主軸との差温による主
軸発熱成分とから、工作機械の熱変位をトータルに補正
するものである。

「従来技術とその問題点」 従来、工作機械の熱変位補正手段には、まず第１に、主
軸やコラムなど熱変位の起き易い箇所の熱変位量を測定
し、この測定値に基ずきＸ、Ｙ。

２の移動量を補正制御する補正方法がある０次に、主軸
頭又はコラムなど熱変位に関係する発熱部の温度とベッ
トなど熱変位に関係しない安定部の基準温度とを検出し
、上記温度差と主軸変位との関係式を利用して、各軸の
補正量を算出し、熱変位を補正する方法が、特開昭５８
−１３２４４１号、特開ＦＦ！ｊ６０−９Ｇ３４号、特
開昭６１１９２４４６号等に見る様に提供されている。

前記手段で、主軸などの熱変位量を測定し、この変位量
を補正制御する方法では、主軸の温度上昇から熱変位が
発生するまでにタイムラグが有り、現在実行中の熱変位
補正もある時間前に発熱した熱影響によるもので、発熱
温度に即応した補正制御といえない。この事は、現在補
正中の熱変位はかなり過去のもので、次の瞬間に発生す
る熱変位も過去のものとなり、追従的な熱変位補正方法
になる。

めて補正制御する方法は５発熱温度に対する即応性に優
れ、遅れて発生する熱変位を前読みして補正制御できる
利点を有している。

しかし、提案されている各熱変位補正手段において、各
々問題点を有している。まず、特開昭６１−１９２４４
６号は主軸頭の熱変位する発熱部に温度センサを備える
一方、地中あるいは地表面に配した温度センサとの温度
差に応じて熱変位量を算出し、この熱変位量に基づいて
ワークと工具との相対位置を補正するものである。この
方法では、主軸発熱成分のみから熱変位補正するもので
あり、コラムの熱変位量を補正することが不可能である
。また、Ｐｆ開昭６０−９６３４号は、主軸の発熱を検
出する温度センサと、ヘッドストックとこれを支持する
コラムの外気の影響とヘッドストックの温度上昇の影響
を受ける部分に温度センサを設け、機械運転に伴って発
生する熱から熱変位に近似した演算式を用いて機械の熱
変位を数値化し、この数値で制御系の座標を補正するも
のである。この方法では、外気の影響を受け難いベッド
等の基準温度との差温を検出せず、主軸発熱温度のみの
検出値と外気や主軸の発熱を受ける部分の発熱温度とか
ら熱変位量を求めて補正するから、雰囲温度や機械の基
準温度を無視したものとなり、補正要素の欠如したもの
といえる、 更に、特開昭５８−１３２４４１号は、主軸頭やコラム
に温度センサを設けるほか、温度変化の少ないベース後
部の温度センサの基準温度との差温による主軸変位との
関係式から各軸の補正量を算出し、熱変位を補正するも
のである。この方法では、熱変化に対する熱変位の良い
主軸部は別として、コラムの熱変位は外気温度や主軸部
からの熱を受けるもののコラム形状が非対称であるため
に、温度変化や熱変位が対称に起きず、その変位量もコ
ラムの位置（場所）により大きく変化する。従って。

コラムの適当な位置に温度センサを配回し、コラムの熱
変化を検出するのは好ましくない。そして、上記３つの
横比温度を混合させて各軸方向の熱変位補正を実施する
方法では、１軸補正するのに。

主軸頭又はコラムからの数点の温度検出と、ベース後部
の温度を引いた温度差と主軸変位との関係式を利用して
、各軸方向の補正量を算出し、この補正データを軸選択
信号と同時にＮＣ装置へ出力して、主軸の熱変位を補正
するものである。従って、コラムの熱変位量に主軸から
の熱伝導による熱変位を含めているため、コラムの熱変
位を純粋に検出して補正データとして処理出来ず、この
点からも高精度な熱変位補正に欠けるといえる。

「発明が解決する課題と手段」 本発明は、上記従来の熱変位補正装置に見られる問題点
に鑑み、環境変化を受け易い部分と受けにくい部分との
差温による環境成分と、環境変化を受けにくい部分ヒ主
軸との差温による主軸発熱成分とから、工作機械の熱変
位をトータルに抑制する補正方法を提供することを目的
及び課題とする。

本発明の具体的手段は。

（１）、環境＠度変ｆヒを受け易いコラム上に、熱容量
の大きな容積体と熱容量の小さな容積体を各々載置し、
上記各容積体には温度センサを各々配置してデジタルト
ランスジュー叶に出力し、両温度センサの差温による環
境成分からコラム熱変位量を算出し、上記コラム熱変位
量に補正用乗率を掛けて得られる補正量により熱変位補
正する工作機械の熱変位補正方法としたものである。

（２）、また、本発明の第２手段は、環境温度変化を受
け易いコラム上に、熱容量の大きな容積体と熱容量の小
さな容積体を各々載置し、上記容積体には温度センサを
各々配置してデジタルトランスジューサに出力し　前記
前温度センサの差温による環境成分からコラム熱変位量
を算出し、更に主軸頭及び環境温度変化を受けにくいベ
ラＲ°とに温度センサを各々配置してデジタルトランス
ジューサに出力し、上記前温度センサの差温による主軸
発熱成分から主軸熱変位量を算出し、上記コラム熱変位
量及び主軸変位量に各々補正用乗率を掛けて得られる各
補正量を加算演算して得られる総合補正量をこより熱変
位補正する工作機械の熱変位補正方法。

「作用」 上記本発明の２つの熱変位補正方法によると、先ず、コ
ラムの熱変位量が２つの熱容量の異なる容積体が環境温
度変化を受けて差温をセンサによって提出し、これがコ
ラム熱変位量の算出式にあてはめられ、乗率を掛けて熱
変位補正値としてＮＣ制御装置を補正駆動する。この方
法では、非対称なコラムによる不安定な温度変化や熱変
位に対しても、２つの容積体により安定した差温検出が
可能の上に、コラムの任意位置での差温検出も可能であ
る。

次に、コラムの熱変位量及び主軸の熱変位量が各々の差
温としてセンサが検出し、これがコラム及び主軸熱変位
量の各々の算出式にあてはめられ、各々の乗率を掛けて
加算演算された機械全体の熱変位補正値としてＮＣ制御
装置を補正駆動する。

「実施例」 第１図は、本発明の熱変位補正方法を実施するための工
作機械及びその制御系のブロック線図を示している。図
中において、工作機械１ｏはベッド２とコラム１．ベッ
ド２．に載置されたサドル。

テーブル４そしてコラム１の垂直摺動面に係合し、昇降
動するヘッド（主軸頭）３とこの下面に覗く主軸５から
主要部を構成する。そして、上記主軸頭３は主軸回転に
よる発熱源からの熱で熱変位し、コラムｌは王に環境温
度変化により主軸頭側へ倒れ込む熱変位を発生する。こ
のコラム１は一般的に非対称形を呈し、複雑な熱変位を
する。そのための、特別な温度センサの取付方法が施さ
れている。

上述工作機械］０において、環境温度変化を受け易いコ
ラム１の上部には、熱容量の大きな容積体６と熱容量の
小さな容積体７を二段重ねにして各々載置されている。

上記各容積体６，７には温度センサＳＴ、、ＳＴ２を各
々配置し、このセンサがデジタルトランスジューサＤＴ
、に出力する、上記前温度センサＳＴ、、ＳＴ２の差温
Δｌ゛１による環境成分からコラム熱変位Ｃ（ΔＸ、Δ
ｙ、Δχ）をコラム演算部１１が算出し、このコラム熱
変位量Ｃ（ΔＸ、Δｙ、Δ２）に補正乗率αを演算部１
３で掛けて得られる補正量Ｈｔ（ΔＸ、ΔＹ、Δ２）に
よりＮＣ制御装置１４が各軸方向に工作機械１０の移動
系（座標系）をシフトして熱変位を補正制御する構成と
なっている。以上は５コラム熱変位量だけによる熱変位
補正方法を示し。

次にコラム及び主軸の複合熱変位量による構成を説明す
る。コラム１上の温度センサＳＴ、、ＳＴ。

の取付は同様で、主軸５の近くに主軸温度変化を検出す
る温度センサＳＴ、を配置し、また環境温度変化を受け
にくいベッド２にも温度センサＳＴ４を配置している９
これらの温度センサＳＴ、、Ｓ丁４はデジタルトランス
ジューサＤＴ、に出力し、上記前温度センサから差温Δ
′ｒ２を検出する。この差温ΔＴ７は主軸発熱成分から
主軸熱変位量Ｓ（ΔＸ、Δｙ、Δ２）を主軸演算部１２
が算出し、この主軸熱変位量Ｓ（ΔＸ、Δｙ、Δ２）に
は補正乗率βが掛けられている。勿論、前記コラム熱変
位量Ｃ（ΔＸ、Δｙ、Δ２）にも補正乗率αがコラム演
算部１１で掛けられている。演算部１３は上記コラム熱
変位量Ｃ及び主軸熱変位ｆｆｉ　Ｓを各々入力し、各々
加算演算して総合補正量Ｈ，（ΔＸ、ΔＹ、Δ２）を得
る。この総合補正量Ｈ１はＮＣ制御装置１４に入力し、
ｘ、ｙ、ｚ軸の座標系を補正量（ΔＸ、ΔＹ、Δ２）に
対応して補正制御する。

上記構成からなる熱変位補正のフローチャートは、第２
図に示す如くである。コラム熱変位量Ｃは、（イ）・・
・　「環境の影響を受けやすい部分（コラム）の差温Ｔ
、−Ｔ２の検出（環境成分）」としてまず作用する０次
に、（ロ）・・・　「差温Ｔ、−Ｔ２＝ΔＴ、に補正用
乗率を掛け、ＸＹＺ３軸の補正値Ｈ工を演算」する、上
記コラム熱変位ｔＣのみの補正データで工作機械１０の
熱変位補正をする時は、（ハ）・・・　「補正値Ｈ２を
ＮＣ制御装置に転送し」、（ニ）・・・　ｒＮＣ制御装
置の外部ワーク座標系に書き込む」。これで、ＮＣ制御
装置による工作機械１０の運転時に各軸方向の熱変位補
正を実行する。

一方、主軸発熱成分も複合して取り入れるときは、（ホ
）・・・　「環境の影響を受けにくい部分と主軸の差温
Ｔ−Ｔ４＝ΔＴ２の検出（主軸発熱成分）」を並行的に
実行する。この後、（へ）・・「差温ΔＴ２に補正用乗
率を掛け、ＸＹＺａ軸ノ補正１ｉ　Ｈ２を演算」する。

上記各補正値Ｈ□、Ｈ２は、（ハ）・・・　「演算部で
両方の補正値Ｈ１゜Ｈ２を一複合演算（加算演算）」す
る。この結果。

得られた総合補正値Ｈ１を、（ニ）・・・　ｒＮＣ制御
装置の外部ワーク座標系に書き込みＪ、ＮＣ制御装置１
４による工作機械１０の運転時に各軸方向の熱変位補正
を実行する。

上述の如く実行される熱変位補正から得られる補正効果
を第３〜８図により、各形態ごとに説明する。第３図は
［Ｉｉ環境変化於ける熱変位（主軸停止時）を、補正な
しの状態での各軸方向ｘ１゜ｘ２．ｙ、、ｙ、、ｚの変
位を示している。」最大値で２８ｕｍ程度の変位を起こ
している。

第４図は上記第３図において、本発明の補正方法を実施
したもので、最大値５ｕｍ以下に抑えられている。

第５図は「恒温状態に於ける主軸熱変位（主軸回転６０
００ｒｐｍ）を、補正なしの状態での熱変位を示してい
る。ｊ主軸のＺ軸方向の熱変位が最大値４５ｕｍと大き
な数値を示している。これに対して第６図は、本発明の
補正方法を実施したもので、Ｒ大値±２ｕｍ程度にまで
改善されている。

第７図は「雰囲気減度変化（１０℃）の環境−Ｆに於い
て、主軸回転した時の補正なしの変位変動グラフを示し
、Ｚ軸方向の最大値８０ｕｍを示し、又Ｘ１．　Ｘ２．
　Ｙ、、　Ｙ、方向ニツイても最大値２４〜２８ｕｍの
熱変位量となっている。これに対し。

て、第８図のように本発明の熱変位補正を実施すると、
最大値でも１０ｕｍ以下に抑えられ、その補正効果が認
められる。

「効果」 本発明によるときは、ｌ！環境温度変化受け易いコラム
上に、熱容量の大きな容積体と熱容量の小さな容積体を
各々載置し、上記容積体には温度でンサを各々配置して
デジタルトランスジューサに出力し、前記面温度センサ
の差温による環境成分からコラム熱変位量を算出し、更
に主軸頭及び環境温度変化を受けにくいベッドとに温度
センサを各々配置してデジタルトランスジューサに出力
し、上記面温度センサの差温による主軸発熱成分から主
軸熱変位量を算出し、上記コラム熱変位量及び主軸変位
量に各々補正用乗率を掛けて得られる各補正量を加算演
算して得られる総合補正量により熱変位補正する工作機
械の熱変位補正方法としたから、コラ１１の熱変位量及
び主軸の熱変位量が各々の差温としてセンサが検出し、
これがコラム及び主軸熱変位量の各々の算出式にあては
められ、各々の乗車を掛けて加算演算された機械全体の
熱変位補正値としてＮＣ制御装置を補正駆動し、非対称
なコラムによる不安定な温度変化や熱変位に対しても、
２つの容積体により安定した差温検出が可能の上番二コ
ラムの任意位置での差温検出も可能である。更に、主軸
熱変位量とコラム熱変位量とを別個に検出処理し、最終
的に総合補正量として、工作機械を補正制御でき、この
種の従来方式には見られない優れた補正効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明熱変位抑制方法に実施するための工作機
械及びその制御系のブロック線図、第２図は本発明の熱
変位抑制方法のフローチャート図。 第３図は環境変化における工作機械の熱変位を示す特性
図、第４図は環境変化に対応して補正制御したときの特
性図、第５図は恒温状態における主軸変位を示す特性図
、第６図は恒温状態における主軸熱変位補正をしたとき
の特性図、第７図は雰囲気温度変化における主軸回転時
の熱変位特性図、第８図は第７図の状態下で熱変位補正
を実施した特性図である。 １ｏ・・・工作機械、ｌ・・・コラム、３・・・主軸頭
、５・・・主軸、６，７・・・容積体、ＳＴ１〜ＳＴ４
・・・温度センサ、ＤＴｌ、ＤＴ２・・・デジタルメラ
ンスジューサ、４丁０．ΔＴ２・・・差温、１１，１２
．１３・・・演算部、１４・・・ＮＣ制御装置、Ｈｏ、
Ｈ，・・・補正値、Ｈｌ・・・総合補正量、Ｃ・・・コ
ラム熱変位量、Ｓ・・・主軸熱変位量、α、β・・・乗
率。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、環境温度変化を受け易いコラム上に、熱容量の
   大きな容積体と熱容量の小さな容積体を各々載置し、上
   記各容積体には温度センサを各々配置してデジタルトラ
   ンスジューサに出力し、両温度センサの差温による環境
   成分からコラム熱変位量を算出し、上記コラム熱変位量
   に補正用乗率を掛けて得られる補正量により熱変位補正
   する工作機械の熱変位補正方法。
2. （２）、環境温度変化を受け易いコラム上に、熱容量の
   大きな容積体と熱容量の小さな容積体を各々載置し、上
   記容積体には温度センサを各々配置してデジタルトラン
   スジューサに出力し、前記両温度センサの差温による環
   境成分からコラム熱変位量を算出し、更に主軸頭及び環
   境温度変化を受けにくいベッドとに温度センサを各々配
   置してデジタルトランスジューサに出力し、上記両温度
   センサの差温による主軸発熱成分から主軸熱変位量を算
   出し、上記コラム熱変位量及び主軸変位量に各々補正用
   乗率を掛けて得られる各補正量を加算演算して得られる
   総合補正量により熱変位補正する工作機械の熱変位補正
   方法。