JPS608177B2 - 工作機械における熱変位補正装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は工作機械の熱変位による加工誤差を防止する
装置に関するものである。

一般に、工作機械の中でも特に代表的な構造を持つ立型
フライス盤及び立型マシニングセンタの如く、比較的単
純な構造を有し、そのコラムに沿って上下方向に沼勤す
る主軸へッド‘こて加工を行なう工作機械では、加工誤
差は主として主軸ヘッドの発熱による温度上昇に起因す
る。

これは、主軸ヘッドの温度上昇がコラムに不均一な温度
分布を発生させるためで、コラム自体に反りが発生し、
主軸位置の変位として現われる。これがため、加工誤差
を防止するために従来では、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。

前者の具体的実施例としては、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温度上昇
を吸収する方法や、実際に加工に入る前に予め慣らし運
転を行なうといった方法があるが、この様な方法では熱
変位のいくらかを抑制するための手段としては有効であ
っても、熱変位の問題を抜本的に解決するものではない
。即ち、機械が大型化すればする程わずかな温度変化も
機械の加工精度に大きく影響し、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つことは不可能
である。また温度変化をできるだけ４・さくしようとす
ればする程正確な温度制御装置や大容量の熱交換器が必
要となり、高価である。後者の具体的実施例には、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、ために複数個の水準器が必要で、演算処理が複雑と
なり、更には主軸位置により、その都度補正量を換算す
る必要がある。

又、コラム内に基準板を設け、基準板とコラムとの偏差
を差敷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機構
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耗による検
出値の誤差が発生する虜れがある。そこで、本発明は従
来の工作機械におけるこの種熱変位補正装置の上記欠点
に鑑みこれを改良し、光学装置を用いて変位量を検出す
る事により、検出精度の向上並びに構造の簡略化となる
補正装置を提供し、又、上記変位量を加熱装置で強制的
に矯正する様にしたものである。

以下この発明の構成を図面に示す実施例に従って説明す
る。

第１図は立型フライス盤の熱変形を示す実施例である。

同図において１はベッド、２はコラム、３は加工物議慣
用のテーフル、４はコラム２上に上下動可能に取り付け
られた主軸ヘッド、５はその主軸である。ベッド１には
第２図の如く、レーザー、水銀灯等の光源（照射装置）
６、レンズ７、スリット８、一次元フオトダィオードア
レイ（光点変位検出装置）９が設けられ、フオトダィオ
ードアレイ９はベッドｌの基準面１０１こ位置している
。コラム２が正常な状態において、光源６とスリット８
を結ぶ延長線上のコラム２の上端には反射鏡１１が固定
され、正常な場合の光源６からの照射光源は同一直線上
の往復光路をとっている。これに対して、運転時間の経
過に連れコラム２が第１図の破線で示す様に熱変形して
反った場合、反射鏡１１も同様に変化し、照射光線は第
３図の往復光路をとるようになる。

すなわち、コフム２の上端中心が△ｙズレ、６角傾斜す
る。コフム２の８角の傾斜に対して反射光線は入射角と
反射角の関係から、２８の角度をとり、フオトダィオー
ドアレィ９上にｄの移動となって現われる。同図からＲ
：コラム中心線の反りの曲率半径 ｄ：フオトダィオードアレィ上での光点変位量ｈ：コラ
ム高さ△ｙ＝Ｒ（１−Ｃ。

Ｓひ） ‐・‐・・・ｍｄ≠ｈ はｎ２８
・・・・・・‘２）‘山、｛２｝式
の関係を求めることができ、更にコラム中心線の円弧状
の反りはＲ＞〉ｈであるから、図の如く直線（弦）にて
近似すると‘１１式は糊式のようになる。△ｙ〒ｈ ｓ
ｉｎ８”““｛３’ 従って、フオトダィオードアレィ９上での光点変位量ｄ
を検出することにより、‘２｝式の演算から８角が得ら
れ、制式によりコラム２の変形量△ｙを求める事が可能
である。

ところが、以上により求められる△ｙは、コラム２の高
さ位置（反射鏡１１の位置）での変形量であり、主軸５
の変位量△Ｙを示すものではない。主軸５の変位量△Ｙ
は、コラム２の高さｈに対する変形量△ｙと、主軸５の
高さｈ′‘こ対する変位量△Ｙが比例関係にあることに
より次の【４）式から求める事が可能である。△Ｙ＝生
Ｘ△ｙ……‘４｝本発明の装置は、以上の様にして光点
変位検出装置並びに演算装置で求められた△Ｙ値を、第
４図に示す本装置のブロック図の補正回路に、数値制御
装置の制御信号と共に入力し、工作機械のＹ軸サーボモ
ーター（図示せず）を作動させて主軸位置を補正する。

尚、反射鏡１１を主軸５の高さ位置ｈ′‘こ設ければ、
演算装置の処理過程を簡略化する事が可能である。次に
本発明の他の実施例について第５図を秦照して説明する
。

この実施例は、前記実施例の照射並びに光点変位検出装
置による光点変位信号を制御因子として、コラム２の背
面に設けた加熱装置を作動させ、強制的にコラム２の反
りを加熱矯正するようにしたものである。同図において
、１２が加熱装置で、複数個が取り付けられている。図
面は４個の場合を示す。１３は照射並びに光点変位検出
装置、１４は演算回路、１５はリレー回路である。

以下にこの実施例の動作要領を第６図のタイムチャート
に基づいて説明する。主軸ヘッド４の発熱により、コラ
ム２は破線で示す様に漸次傾きが増大し、照射光線が光
点変位検出装置（フオトダィオードアレィ）上の光点変
位量ｄとして現われらる。そして、前述した演算装置に
より傾斜角８を求める事ができる。そこで、傾斜角８の
限界量ａ。

を設定して、この信号をリレー回路１５に入力する。尚
、８。を設定すれば限界光点変位量ｄ。は一義的に定め
られ、この値ｄ。を直接リレー回路１５に入力して、演
算回路１４を省略する事も可能である。リレー回路１５
は８。以上になるとＯＮとなり、加熱装置１２を作動さ
せる。加熱装置１２はコラム２の背面を加熱し、主軸ヘ
ッド４側との温度差をなくすことによりコラム２の反り
を矯正する。そして、矯正動作が進行するに連れ、傾斜
角８が０。以下になるとりレー回路１５はＯＦＦ動作と
なり、加熱装置１２を停止させる。以下は、このＯＮ・
ＯＦＦ動作を繰り返し、コラム２の反りをある範囲内に
制御する。８。

はコラム２の熱的特性、時間おくれ特性、加熱装置１２
の熱量、加工精度等を考慮し定められる。以上説明した
ように第１発明は主軸ヘッドを昇降可能に装備するコラ
ムを有する形式の工作機械において、コラムの中心軸線
上のコラム基部側に配置した照射装置と、コラムの中心
軸線上の任意の位置に該照射装置と離隔対向させて配置
した反射鏡と、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装置と、上記
照射装置より反射された光東の反射鏡からの反射光線の
変位量を上記光点検出装置で検出し、この変位信号を入
力因子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、該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を修正移動し、主軸位
置を補正する補正回路とで構成したから、コラムの熱変
位による反り量を光テコにより２倍に拡大して高精度に
検出することができ、主軸位置の熱変位に対する補正精
度を向上させ、加工精度を向上させ得る。

また、光学系は、すべてコラムに配置してあるため、別
に基準コラムを用いる必要がなく、かつ、照射装置を主
軸ヘッドと同期して駆動させる必要もないため、装置が
著しく簡単で安価に実施できる。また、第２発明は主軸
ヘッドを昇降可能に装備するコラムを有する形式の工作
機械において、コラムの中心軸線上のコラム基部側に配
置した照射装置と、コラムの中心軸線上の任意の位置に
該照射装置と離隔対向させて配置した反射鏡と、コフム
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装置と、上記照射装置より反射され
た光東の反射鏡からの反射光線の変位量を上記光点検出
装置で検出し、この変位信号を入力因子として基準面か
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
、コラム背面に適宜間隔で設置した複数個の加熱装置と
、前記演算装置の出力信号で加熱装置をＯＮ・ＯＦＦ制
御し、コラムを加熱矯正して主軸位置を補正するりレー
回路とで構成したから、コラムの熱変位による反り量を
光テコにより２倍に拡大して高精度に検出することがで
き、この結果に基づいてコラムの背面の加熱装置をＯＮ
・ＯＦＦ制御してコラムの反りを矯正させ、加工精度を
向上させ得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は立型フライス盤の場合の熱変形を示す図、第２
図は本発明に係わる照射装置、光点変位検出装置、反射
鏡の関係を示す図、第３図は本発明に係る変位検出方法
を示す説明図、第４図はそのブロック図、第５図は本発
明に係る他の装置を示す図、第６図は第５図装置のタイ
ムチャート図である。 ２…・・・コラム、５・・・・・・主軸、６…・・・照
射装置、９・・・・・・光点変位検出装置（一次元フオ
トダィオードアレィ）、１０…・・・基準面、１１・・
・…反射鏡、１２……加熱装置、１５・・…・リレー回
路、ｄ・・・・・・光点変位量、△Ｙ・・・・・・主軸
の変位量。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主軸ヘツドを昇降可能に装備するコラムを有する形
   式の工作機械において、コラムの中心軸線上のコラム基
   部側に配置した照射装置と、コラムの中心軸線上の任意
   の位置に該照射装置と隔離対向させて配置した反射鏡と
   、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装置と、上記照射装置より
   反射された光束の反射鏡からの反射光線の変位量を上記
   光点検出装置で検出し、この変位信号を入力因子として
   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、該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を修正移動し、主軸位置を補正する
   補正回路とで構成したことを特徴とする工作機械におけ
   る熱変位補正装置。 ２ 主軸ヘツドを昇降可能に装備するコラムを有する形
   式の工作機械において、コラムの中心軸線上のコラム基
   部側に配置した照射装置と、コラムの中心軸線上の任意
   の位置に該照射装置と隔離対向させて配置した反射鏡と
   、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装置と、上記照射装置より
   反射された光束の反射鏡からの反射光線の変位量を上記
   光点検出装置で検出し、この変位信号を入力因子として
   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、コラム背面に適宜間隔で設置した複数個の加
   熱装置と、前記演算装置の出力信号で加熱装置をＯＮ・
   ＯＦＦ制御し、コラムを加熱矯正して主軸位置を補正す
   るリレー回路とで構成したことを特徴とする工作機械に
   おける熱変位補正装置。