JPS6159860B2 - - Google Patents

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JPS6159860B2
JPS6159860B2 JP55108502A JP10850280A JPS6159860B2 JP S6159860 B2 JPS6159860 B2 JP S6159860B2 JP 55108502 A JP55108502 A JP 55108502A JP 10850280 A JP10850280 A JP 10850280A JP S6159860 B2 JPS6159860 B2 JP S6159860B2
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JP
Japan
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temperature
thermal displacement
sensor
control device
numerical control
Prior art date
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Application number
JP55108502A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS5733938A (en
Inventor
Satoru Yoshida
Isao Morimoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shibaura Machine Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Machine Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Machine Co Ltd filed Critical Toshiba Machine Co Ltd
Priority to JP10850280A priority Critical patent/JPS5733938A/ja
Publication of JPS5733938A publication Critical patent/JPS5733938A/ja
Publication of JPS6159860B2 publication Critical patent/JPS6159860B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Program-control systems
    • G05B19/02Program-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form
    • G05B19/182Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by the machine tool function, e.g. thread cutting, cam making, tool direction control

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Numerical Control (AREA)
  • Automatic Control Of Machine Tools (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は工作機械の熱変位補正に係り、特に主
軸方向の伸びを補正する機能を備えた数値制御装
置に関する。
工作機械の熱変位については種々の対策が提案
されている。特にマシニングセンタにおいては三
次元構造である点からしてもその熱変位の問題に
対する各種の対策が積極的に行われている。これ
らの対策案をまとめてみると、 例えば、 (イ) 発熱そのものを減少させる方法 (ロ) 熱交換による熱の除去 (ハ) ウオーミングアツプの実施 (ニ) 熱対称構造の採用 (ホ) 熱変位補正装置の採用 (ヘ) 雰囲気コントロール(例えばシヤワによる) などの各種方法があり上記(イ)、(ロ)、(ハ)、(ニ)は多

採用されて来ているが(ホ)についてはほとんど実施
されていないのが現状である。
このことは(イ)〜(ニ)の対策によりX−Y座標方向
の変位は少くなつてきたがZ軸即ち主軸々方向の
伸びについては一般に精度がX、Y軸方向に比べ
それほど必要ではないという事情もあつたと思わ
れる。
しかしこのZ軸方向における加工精度について
も次第に要求される精度は高まりつゝあり、更に
は無人化等への対応からも対策の必要が迫られて
いる。
本発明はZ軸方向の熱変位は機械を構成する構
成部材の温度勾配に起因するものとして、Z軸方
向における最大発熱部である主軸頭ノーズ部の温
度と比較的温度変化の少ない他の部分の温度との
温度差と主軸頭ノーズ部の熱変位との関係式を求
め、測定した温度差に従つて熱変位を補正しよう
とするものである。
以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。
第1図は横型マシニングセンタMTの側面概観
図であり、同図11はコラムベツドで同ベツド1
1上にはコラム12がZ方向に摺動可能に載置さ
れている。又コラムベツド11の左方端はサドル
13、テーブル14の搭載されているベツド11
Aが設けられている。
15はコラム12内に収納されY方向に移動さ
れる主軸頭先端部を構成する主軸頭ノーズであつ
てその内部には主軸軸受部を内蔵している。尚1
6は自動工具交換に用いられる工具マガジンであ
る。
主軸頭ノーズ15にはセンサ位置S1において
温度検出用のセンサt1が取付けられており又も
う1つのセンサt2がコラムベツド11の右端近
傍のセンサ位置S1に取付けられている。センサ
位置S2の位置としてはこのマシニングセンタ
MTの機体温度が比較的安定しており稼動中も
ほゞ一定に保たれる位置であることが好ましい。
従つてセンサ位置S1とS2のZ方向間隔はこの
場合直接意味をもつているわけではない。
第2図は温度上昇テストの一例を示すデータを
グラフ化して示すものであり横軸は主軸回転数
(rpm)及び同回転数の保持される経過時間をと
り、縦軸には温度(℃)をとり、センサ位置S
1,S2での温度変化およびセンサの種類として
ICセンサ、アルコール温度計による温度の推移
を示す。
第3図イ,ロは主軸を3150rpmで3.5時間駆動
した場合の時間経過に対するZ軸方向の変位(同
図イ)および温度変化(同図ロ)を示す。
同図イにおいてはテストバー先端の変位と主軸
端面の変位およびコラム、コラムベツド間の変位
をそれぞれ示す。
同図ロには主軸頭ノーズに内蔵されている主軸
軸受部(センサ位置S1)でのICセンサとアル
コール温度計による温度変化およびコラムベツド
位置(センサ位置S2)におけるICセンサによ
る温度変化と室温の変化を示す。
第4図はそれぞれICセンサ、アルコール温度
計による主軸端面の熱変位の推移を示すグラフで
あつてその横軸座標にはセンサ位置S1,S2に
おける温度差Δt=t1−t2をとつてある。各セン
サによるグラフは主軸を3150rpmで駆動し、3.5
時間でほゞ熱的平衡状態に達したあと主軸回転を
停止せしめた場合に対応しており、矢印で示すよ
うに点P1,P2まで変位の増大するグラフ部分
は主軸駆動中に対応している。
図の如くヒステリシスがあるのはコラムやベツ
ド等の機械部材の熱的な慣性の存在によるもので
ある。
同図の直線Lは上述の各グラフ曲線を代表させ
るため実験データに基づいて得た温度(差)Δt
に関する1つの近似的直線であつてその実験式と
して以下の如く構成される。
ZCOMP=ZTMPA/100・(t1−t2)・24/1000+ZTMPB −(1) ここに ZCOMP;Z軸方向熱変位補正量(ミクロン) t1;主軸頭ノーズ部温度(ICセンサ温度) t2;コラムベツド温度(ICセンサ温度) ZTMPA;シスステムパラメータ 0≦ZTMPA≦999 ZTMPB;システムパラメータ −200≦ZTMPB≦200 上記式(1)の定数ZTMPA、ZTMPBを実験デー
タによつて定めると、 ZCOMP638/100(t1−t2)−26 (2) となる。
第5図は第1図に示される本実施例において各
センサによつて検出された温度信号が数値制御装
置CNCへ入力される回路構成を示しており、同
図で101,102は温度センサであつてセンサ
位置S1,S2に取付けられた同センサ101,
t1,102,t2の各検知温度t1,t2は電
気信号に変換され増幅器103,104へ与えら
れる。
105はセレクタであつてセンサ101,10
2を数値制御装置CNCにとり込むため増幅器1
03,104を順次切換える。
106はアナログデイジタル変換器(A/D変
換器)107Aは同A/D変換器106の出力を
2進数で表わしこれを保持するバツフアユニツト
である。
107はi/Oユニツトで前記バツフアユニツ
ト107Aをその中に含み又セレクタ105への
切換指令が同107からセレクタ105へ与えら
れている。108は数値制御装置CNCの演算処
理装置CPU、又109,110はそれぞれデー
タメモリ、プログラムメモリである。
第6図はX,Y,Z軸方向へ移動指令が与えら
れる場合同移動量に対し熱変位補正量を関与せし
めるプロセスを示すフローチヤートであつて第5
図のプログラムメモリ(P・M)110の一部で
ある。
同図においてプログラムステツプSTj−2は次
のサンプリング時間での各軸サーボ指令値(今Z
軸のみを考えるとΔZに相当する)を計算する。
次いでSTj−1においてピツチ誤差補正処理が行
われSTj−2での演算結果ΔZに対しΔZPが加え
られる。次いで熱変位補正用のプログラムステツ
プSTjに移り先ずSTj1でセンサt1での検出温
度t1をデータメモリ109にとり込み、次いで
STj2でセンサt2での検出温度t2をとり込
む。次にSTj3でその差Δt=t1−t2を計算す
る。
次にSTj4において ZCOMP=ZCOMP/100×(t1−t2)×24/1000+ZTMPB が計算される。ここにZTMPA、ZTMPBはデー
タメモリ109内に予じめストアされている。
STj5では ΔZCOMP(n)=ZCOMP(n)−ZCOMP(n−1) として前回(n−1)の補正量算出値と今回
(n)のそれとの差ΔZCOMP(n)が計算され
る。
次にSTj6においてSTj5の出力ΔZCOMP
(n)がSTj−1での出力 ΔZ+ΔZP に加えられ、 ΔZ=ΔZ+ΔZP+ΔZCOMP となる。
STj+1はバツクラツシユ補正処理であつてZ
軸駆動系のバツクラツシユ補正量ΔZBがTj6の
出力ΔZに対し賦与されたのちサーボ系に与えら
れるようになつている。
尚STj1〜STj6のステツプはピツチエラー補
正処理STj−1よりも手前で遂行されるようにし
てもよいが必ずバツクラツシユ補正処理STj+1
の前になければならないことは当然である。
第7図イ,ロ,ハはパートプログラムのZ軸方
向移動指令内容(シーケンス番号N001、N002)
に対するZ軸移動Z=1000、F=100とセンサt
1,t2の温度差および補正のなされるタイミン
グを示す。各信号の横軸はZ軸方向座標値を示
す。
第7図では補正の動作が実際におこなわれるの
はそれぞれプログラムブロツクごとに行われる例
を示した。
第8図イ,ロ,ハではより一般的な補正動作を
示しており1つの移動指令が有効である間第6図
のプログラムフローSTj1〜STj6がサーボ出力
ΔZ(STj−2)の出力される毎にΔZCOMPが
すなわち ΔZCOMP(1)、ΔZCOMP(2)、ΔZCOMP(3) ………ΔZCOMP(n) が次々と与えられることを示す。尚各サンプル時
刻iでΔt=t1−t2が変化しなければΔZCOMP
(i)は零である。
尚温度差Δt=t1−t2の検出精度を向上させる
ため10回のサンプリング(セレクタの切換)を行
ない最大値と最小値を除去した平均値をΔtとす
るようにしている。即ち である。
第9図は熱変位補正を行つた場合のデータをプ
ロツトしたものであり、主軸端面位置の変位が補
正しない場合に比し大幅に減少していることがわ
かる。
尚以上の説明においてはZ軸についてのみ説明
したが、他の移動軸X,Y方向についても適用さ
れることはいうまでもない。そのためにはX,Y
軸方向にセンサt1X,t2Xを設けるだけでよ
い。又補正のため関数を一次式として示したがこ
れもt1−t2の範囲に応じて適宜システムパラメー
タZTMPA、ZTMPBを他の値に選択すること、
やさらに現在のマシニングセンタMTの温度状態
がそれまでの主軸駆動状態からみて第4図の矢視
がどちらの側に対応しているかなどを考慮して前
記パラメータを適宜修正するようなことも容易に
可能である。
以上説明したように本発明によれば2個のセン
サを機械中に取付け、又数値制御装置CNC内に
温度補正用のプログラムを設けるだけで主軸駆動
に伴う熱変位補正を行うことが可能となりとくに
第6図のフローに示す如く移動指令中Δtの変化
がある場合絶えずこれに伴う変位を補正できるよ
うになつているので高い精度で加工ができる。
又とくに主軸方向(Z)の熱変位はほとんど主
軸頭ノーズ近傍において発生するので本発明にお
いては補正動作に関してZ軸の現在位置やパート
プログラムにて指令される移動量と関係なく補正
量を決定できるのでプログラム処理が簡単であり
各サーボ出力(ΔZ)ごとに補正量を組み入れる
ことができるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はマシニングセンタの側面概観図、第2
図は温度上昇テストを示すグラフ、第3図は主軸
を3150rpmで駆動したときの温度及変位の状態を
示すグラフ、第4図は各センサの温度差に対する
主軸端面の変位を示すグラフ、第5図はセンサと
数値制御装置との結合を示すブロツク図、第6図
は熱変位補正のプロセスを示すフローチヤート、
第7図イ,ロ,ハは移動指令が与えられる毎に補
正を行う場合の説明図、第8図イ,ロ,ハはほゞ
連続して補正を行わしめる場合の説明図、第9図
は補正を行つた場合の主軸端面の熱変位を示すグ
ラフである。 11……コラムベツド、12……コラム、13
……サドル、14……テーブル、15……主軸頭
ノーズ、16……工具マガジン、S1,S2……
センサ位置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 工作機械の熱変位を補正する数値制御装置に
    おいて、前記工作機械の主軸頭部の温度を検知す
    る第1のセンサと前記工作機械の比較的温度変化
    の少ない機体部分の温度を検知する第2のセンサ
    を用いて検知した2ケ所の温度の差(Δt)と主
    軸の伸び量との関係を表わす温度差−熱変位量の
    関数式をプログラムメモリ内にストアすると共
    に、前記主軸に対し軸方向移動指令が与えられた
    状態で前記数値制御装置内での補間演算に伴つて
    出力されるサーボ出力(ΔZ)に対し前記関数式
    から得られる熱変位補正量(ΔZCOMP)を賦与
    せしめるプログラムステツプをストアするプログ
    ラムメモリを有する熱変位補正機能を備えた数値
    制御装置。
JP10850280A 1980-08-07 1980-08-07 Numerical value controlling device with heat displacement compensating function Granted JPS5733938A (en)

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JPS5733938A JPS5733938A (en) 1982-02-24
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