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JP2004042260A - Thermal displacement correcting method for machine tool, and device thereof - Google Patents

Thermal displacement correcting method for machine tool, and device thereof Download PDF

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JP2004042260A
JP2004042260A JP2003206691A JP2003206691A JP2004042260A JP 2004042260 A JP2004042260 A JP 2004042260A JP 2003206691 A JP2003206691 A JP 2003206691A JP 2003206691 A JP2003206691 A JP 2003206691A JP 2004042260 A JP2004042260 A JP 2004042260A
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JP
Japan
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thermal displacement
temperature change
temperature
delay
spindle
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JP2003206691A
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Hajime Sakuraba
櫻庭 肇
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Mori Seiki Hitech Co Ltd
Original Assignee
Mori Seiki Hitech Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal displacement correcting method for a machine tool wherein thermal displacement is accurately corrected, and also to provide a device thereof. <P>SOLUTION: In the thermal displacement correcting method for a machine tool 1, the temperature changes of a machine body 10 at least at two places where the temperature changes with different time constants in response to the influence of a heating source are detected by temperature sensors S1, S2 , each of the detected temperature changes is compounded to calculate the compounded temperature change having time constant almost same as that of the thermal displacement of the machine tool 1. A machining error is corrected based on the thermal displacement which changes corresponding to the compounded temperature change. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械の熱変位補正方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
工作機械には機体各部に発熱源があり、例えば主軸の軸受のころがり摩擦熱や、切削部分からの発熱など数多い。これらの熱は機体各部に伝導して機体を変形させるが、この機体の変形は加工精度に大きく影響する。
そこで、これら各種原因による機体の熱変位を予測して熱変位による誤差の分をサーボ系にフィードバックして補正する補正方法やその装置が種々提案されている。
【0003】
斯かる補正機能を有する工作機械では、機械の運転に伴う熱変位を如何に正確に見込むかが重要であり、そのために種々の試みがなされている。例えば、主軸の回転数等の運転条件から熱変位を予測するもの、あるいは機体に組込んだ変位センサで直接熱変位を検出するもの等がある。
本出願人は、特公平6−22779号公報及び特開平3−79256号公報で、機体温度から熱変位を算出する方式の工作機械の熱変位補正方法を提案した。この方法における熱変位の算出は、基本的には次式(1)の原理に基づいている。
ΔL=L×線膨張係数×温度変化  ……(1)
ここで、ΔL:機体構成部分の熱変位
L:機体構成部分の長さ
である。
【0004】
【特許文献1】
特公平6−22779号公報
【特許文献2】
特開平3−79256号公報
【特許文献3】
特開昭58−109250号公報
【特許文献4】
特開昭60−9634号公報
【特許文献5】
特開平5−84628号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術における補正後の加工精度としては、20乃至30〔μm〕程度が限界である。ところが、近年の工作機械ユーザーからは、補正後の精度として10〔μm〕以下の加工誤差に抑えることが一般的に要求されている。これは、セラミック材など新素材や、さらに小型化された工作物等を高精度で加工する必要性があるからである。
【0006】
また、前記算出手法では機体の構成からその構成部分の長さLを見込み、その温度変化を長さLの中央位置から検出しているので、温度センサの取付位置に制約があった。さらに、精度よく熱変位を見込むには、機体を細かな構成部分に分割する必要が生じ、それぞれの部分の温度変化を算出するために多数の温度センサを要した。また、機体構成部分の長さLの測定や、各機体構成材料それぞれの線膨張係数の確認作業が必要であった。
これらは、機体温度から熱変位を算出する方式の工作機械の熱変位補正装置を実装する上での障害となっていた。
【0007】
一方、特開昭58−109250号公報には、工作機械と熱的相似の金属片を用いて、その温度を工作機械を代表する温度と見做して、冷却用噴射空気の温度を制御することにより、工作機械の熱変位の補正をする熱変位補正装置が提案されている。しかしながら、この場合には熱的相似の金属片を別途準備しなければならなかった。
さらに、特開昭60−9634号公報には、Y軸熱変位の特性に合わせた熱的時定数を持った温度センサを使用する熱変位補正装置が提案されている。しかし、この補正装置では、熱変位の特性に合わせた熱的時定数を持つ温度センサの詳細が明らかにされていない。
【0008】
ところで、複数の主軸を有する工作機械の場合、主軸の軸受にかけられている予圧のばらつき、主軸の取付け場所による温度の伝わり方の違い、及び軸受潤滑の状態等の理由で、各主軸の伸びに違いが生じることが多い。
そのため、例えば主軸に取付けられた複数の工作物を同一形状に同時に粗仕上げ加工をしたのち、仕上げ加工では使用する主軸を1本に限定し、これ以外の主軸を停止させる。これにより、主軸の発熱を抑えるとともに使用する主軸の熱変形にのみ着目して熱変位補正を行ない、仕上げ加工をしていた。この場合、停止中の主軸の把持する工具が工作物と干渉するのを防止するために、この停止中の工具を予め取外しておく作業も必要である。したがって、仕上げ加工の作業能率が極めて悪かった。
特開平5−84628号公報には、複数の主軸を有する工作機械の熱変位補正装置が提案されている。しかし、この補正装置による熱変位補正には限界があり、補正後の加工誤差を限りなく零に近づけることは困難であった。
【0009】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、熱による加工誤差に対する補正を高精度で行なうことができる工作機械の熱変位補正方法及びその装置を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、工作機械の機体構成部分の長さ測定や、機体構成材料の線膨張係数の確認作業を不要とし、且つ、実機を用いた熱変位特性の抽出の実測作業を簡略化することである。
更に、本発明の別の目的は、温度センサの取付け位置の制約を大幅に緩和すると同時に、少数の温度センサで熱変位を精度よく見込むことのできる自由度の高い工作機械の熱変位補正方法及びその装置を提供することである。
更に本発明の別の目的は、複数の主軸を有する工作機械の場合に、複数の工作物を高精度で同時加工するとともに作業能率を大幅に向上させることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明では、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の所定軸方向の伸びによる熱変位又は主軸傾きによる熱変位を検出すると同時に、機体の適当箇所の温度変化を温度センサにより検出する。
この温度変化と前記熱変位が時系列的に同じであれば、温度変化と熱変位は単純にリニアの相関になるので、温度変化から熱変位を容易に見積もることが可能であることを前提にしている。
しかしながら、機体の適当箇所から検出した温度変化が有する時定数は、必ずしも所定軸方向の熱変位が有する時定数と同じではない。そのため、この温度変化のデータを適宜加工して前記熱変位が有する時定数に一致させる手法が求められる。
そこで、本発明に係る熱変位補正方法は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出し、検出されたこの温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算し、算出されたこの温度変化と前記熱変位との関係を定める関数を用いて得た熱変位に基づいて加工誤差を補正している。
なお、「工作機械の熱変位」とは、理想としては工具による加工点における熱変位であるが、現実的には、例えば主軸先端部又は主軸先端部に一時的に装着されたテストバーの適当箇所における熱変位のことである。
そして、前記補正方法を実現するための熱変位補正装置は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算する温度演算手段と、この温度演算手段で算出された前記温度変化と前記熱変位との関係を定める関数を用いて熱変位を演算する熱変位演算手段と、この熱変位演算手段で算出された前記熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備えている。
【0011】
検出された前記温度変化のデータを、熱変位が有する時定数に一致させるデータ加工法の一例として、「ミックス手法」と「ダミー手法」を使用している。
ミックス手法では、まず、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、この熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を持つ箇所の温度変化と、この熱変位の時定数より大きな温度変化の時定数を持つ箇所の温度とを検出する。そして、これら少なくとも二箇所の互いに時定数の異なる温度変化を合成して熱変位の時定数と同じ時定数を有する合成温度変化を創成する。
なお、ミックス手法では、前記合成温度変化を創成する際に、一旦複数の合成温度変化を創成し、この複数の合成温度変化を更に合成して、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を創成してもよい。
ところで、ミックス手法では、前記合成温度変化を創成する際に、温度データには時々刻々に温度センサから得られるデータを直接用いている。そのため、合成温度変化の精度の信頼性が高い反面、それぞれの温度変化の時定数の間に位置する熱変位の時定数しか合成することができない。
【0012】
これに対して、ダミー手法は、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出すると同時に、この熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を持つ適当箇所の温度変化を検出する。そして、この検出温度変化より遅れて表われる熱変位の時定数と略同じ時定数を有する架空の遅れ温度変化を、温度変化に遅れを見込んだ繰り返し演算により創成する手法である。
なお、ダミー手法では、前記遅れ温度変化を創成する際に、一旦他の遅れ温度変化を創成し、この遅れ温度変化に更に遅れを見込んで、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する遅れ温度変化を創成してもよい。
このように、ダミー手法では、温度変化に遅れを見込んだ繰り返し演算により遅れ温度変化を算出している。したがって、演算式が簡単である反面、粗い近似計算となり精度の信頼性に若干欠ける。
【0013】
工作機械の熱変位の時定数と同じ時定数を有する創成温度変化と熱変位とのリニアな相関は、主軸回転に伴う主軸頭部の発熱がコラム等に伝わる影響、又は室温等の他の熱源の影響等による、熱変位の遅れ応答成分により、徐々に壊れてくる場合がある。
そこで、創成温度変化と熱変位とのあいだのリニアの相関を長時間維持するために、ミックス手法あるいはダミー手法で創成した温度変化で見積もった熱変位に、徐々に現われてくる熱変位の遅れ応答成分を加算して見積もることが行なわれる。
例えば、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所から検出した温度データを用いて、ミックス手法で合成温度変化を創成するとともに、この合成温度変化とリニアの相関で得られる熱変位を演算する。そして、先の温度データの一方あるいは別途検出した比較的穏やかな温度変化をする箇所から検出した温度データを用いて、温度変化に遅れを十分見込んで創成した遅れ温度変化とリニアの相関で得られる変位の遅れ応答成分を演算する。
ミックス手法とダミー手法との組合せ手法で創成した温度変化による熱変位の見積もりは、精度の信頼性が高くなるので好ましい。
また、発熱源近傍の温度が急激に且つ大きく変化する箇所から検出した温度データを用いて、ダミー手法で第1の遅れ温度変化を創成するとともに、この遅れ温度変化とリニアの相関で得られる熱変位を演算する。
そして、先の温度データあるいは別途検出した比較的穏やかな温度変化をする箇所から検出した温度データを用いて、温度変化の遅れを十分見込んで創成した第2の遅れ温度変化とリニアの相関で得られる変位の遅れ応答成分を演算する。ダミー手法とダミー手法との組合せ手法で創成した温度変化による熱変位の見積もりは、ミックス手法とダミー手法との組合せ手法で創成した温度変化による見積もりよりも、精度の信頼性が若干欠ける。
【0014】
ミックス手法とダミー手法、あるいはダミー手法とダミー手法を組合せる手法について、主軸頭を発熱源とするマシニングセンタ(以下、MCと記載)、又は主軸台内に発熱源を内蔵する数値制御旋盤(以下、NC旋盤と記載)を例にして詳細に述べる。
まず、ミックス手法とダミー手法の組合せでは、MC等を運転して、任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、この熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を持つノーズ位置、及び前記熱変位の時定数より大きな温度変化の時定数を持つヘッド位置における機体の温度変化をそれぞれ検出する。そして、ミックス手法で前記熱変位の時定数と同じ時定数を有する合成温度変化を創成し、この合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する。
また、ダミー手法とダミー手法の組合せでは、MC等を運転して、任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、この熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を持つノーズ位置における機体の温度変化を検出する。そして、ダミー手法で前記熱変位の時定数と同じ時定数を有する遅れ温度変化を創成し、この遅れ温度変化に対応して変化する熱変位を演算する。
次いで、ミックス手法とダミー手法の組合せ、及びダミー手法とダミー手法の組合せのいずれの場合も、以下のダミー手法が更に付加される。
即ち、MC等の前記主軸頭位置で検出された温度変化に遅れを見込んで、実際の熱変位と、合成温度変化あるいは遅れ温度変化を用いて先に演算された熱変位とが徐々にずれていく変位の遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を繰り返し演算で創成する。この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算する。
【0015】
検出された温度変化のデータを、熱変位が有する時定数に略一致させるデータ加工法を発展させたものに「リニアライズ(LINEARIZE)手法」があり、本発明はこの手法も使用している。
リニアライズ手法では、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、発熱源の発熱による影響を受けて温度変化をする機体の適当箇所の温度変化を検出する。この検出温度変化を用いて前記発熱源における温度変化を演算する。そして、この発熱源の温度変化を用いて熱変位の時定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算する。
なお、リニアライズ手法では、前記創成温度変化を演算する際に、発熱源における温度変化を用いて一旦他の創成温度変化を演算し、この創成温度変化を用いて、熱変位の時定数と同じ時定数を有する創成温度変化を演算してもよい。
リニアライズ手法では、必ずしも熱変位の時定数よりも小さい温度変化の時定数を持つ箇所の温度変化を検出する必要がない。このため、温度センサを配設する位置の自由度が高い反面、創成温度変化を演算する手順が若干複雑になる。
【0016】
また、リニアライズ手法とダミー手法を組合せた手法では、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、発熱源の発熱の影響を受けて温度変化する機体の適当箇所の温度変化を検出する。そして、リニアライズ手法で前記熱変位の時定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算し、この創成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する。
次いで、前記検出温度変化又は別途検出した比較的穏やかな温度変化をする箇所から検出した温度データに遅れを見込んで、実際の熱変位と、創成温度変化を用いて先に演算された熱変位とが徐々にずれていく変位の遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を繰り返し演算で創成する。この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算する。
【0017】
前記ミックス手法では、検出温度変化の時定数の一つは熱変位の時定数より小さいことが条件にあり、ダミー手法でも検出温度変化の時定数は熱変位の時定数より小さくなくてはならない。したがって、これらの手法で創成した温度変化で熱変位を見積もる場合は、温度変化を検出する位置に制約が生じる。
これに対して、リニアライズ手法は、検出される温度変化の時定数の大きさに条件がなく、且つ、一個の発熱源に対して検出温度は一個でよい。したがって、温度変化に比べて熱変位が敏感に表われる主軸頭を持つMC及びNC旋盤、あるいは加工精度に影響を与える発熱源を複数有している工作機械における創成温度の演算に有利である。
例えば、NC旋盤は、工作物又は工具を把持する主軸と、この主軸を軸支する加工位置側の前軸受及び反加工位置側の後軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸台と、前記前,後の軸受の間に配設され、前記主軸台に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備えている。
そして、NC旋盤では、前記後軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記前軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、発熱源となる前記前,後の軸受及び前記ビルトインモータの各近傍で温度変化をそれぞれ検出する3本の温度センサを前記主軸台に取付けた構成になっている。
このような多熱源を有する工作機械にリニアライズ手法を適用した場合には、各温度センサによる検出温度変化を用いて、それぞれの発熱源における温度変化を演算する。そして、この温度変化を用いて、各発熱源の発熱影響による熱変位の時定数と同じ時定数を有するそれぞれの創成温度変化を演算する。このようにして演算された各創成温度変化は、それぞれの発熱源の影響による熱変位とリニアの相関が成立する。
【0018】
工作機械の主軸回転に伴い、主軸軸受や主軸駆動モータ等の発熱源から発熱が起こり、これが機体の構成部分に伝導し、結果として温度変化をきたす。通常の工作機械では構造材料として鋳鉄又は鋼材を主として用いている。
したがって、温度変化があると、これら構造材料が持つ線膨張係数に比例した熱変位が各部で発生する。これら各部の熱変位が加算されて、工作機械の加工精度を低下させる。
また、工作機械の主軸回転に伴う温度変化は、発熱源近傍で早く表れるが、ヘッド(主軸頭),ヘッド取付け部及びコラムなど発熱源から離れるほど遅れて表れることになり、それぞれ温度変化の経時特性が異なる。このため、機体の任意箇所の温度変化と熱変位とは、通常は直接結びつかない。
【0019】
しかし、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位の時系列データ、及び発熱源の発熱の影響を受ける機体の適当箇所から検出された温度変化の時系列データに、近似的に単一の一次遅れ要素のステップ入力応答関数を当てはめると、変化が飽和する迄の時定数をそれぞれ抽出することができる。この熱変位の時定数と温度変化の時定数とのバランスは、主軸回転数の広い領域にわたって共通する当該工作機械の熱特性を代表するものになる。
そこで、温度変化のデータを適宜加工して、熱変位が有する時定数に略一致した時定数を有する創成温度変化を演算する手法を用いる。すると、この創成温度変化と熱変位とはリニアな相関が成立するので、温度変化から間接的に熱変位をかなり正確に見込むことが可能になる。
熱変位現象を単一の一次遅れ要素の温度変化による作用であるとして近似仮定すると、実際の機体構成の複雑さとの違いによる熱変位見積もり誤差が生じる。そこで、この誤差成分を更に異なる単一の一次遅れ要素の温度変化による作用であるとして近似仮定することによって、同じ作業を繰り返し適用することができる。
したがって、機体の適当箇所から検出した温度変化データから熱変位を十分高精度に見込むことができる。
【0020】
具体的には、まず当該工作機械の熱特性を抽出するため、予備テストで任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を電気マイクロメータ等を用いて検出する。これと同時に、発熱源の発熱の影響を受けて温度変化をする機体の適当箇所の温度変化をサーミスタ温度センサ等を用いて検出する。
次いで、この変化が略飽和するまでのそれぞれの時系列データに、一次遅れ要素のステップ入力応答関数を当てはめてそれぞれの時定数を抽出する。この温度変化のデータを用いて、熱変位の時定数と同じ時定数を持つ温度変化を創り出すために用意したミックス手法,ダミー手法,リニアライズ手法,あるいはこれらを組合せた手法の一つを適宜選択し、それぞれの手法において決定される温度変換式の係数を計算する。
選択された手法における温度変換式に、先の温度変化の時系列データを与えて書き直すと、熱変形と同じ時定数を持つ創成温度変化になる。この創成温度変化と先の熱変形データとはリニアの相関が成立し、その傾斜が創成温度変化から熱変位を算出する比例定数になる。
機械稼動時の熱変位補正では、先に温度変化を検出した箇所から時々刻々検出される温度変化のデータを、先の選択された手法における温度変換式を用いて、創成温度変化に随時変換する。次いで、この創成温度変化に、先に算出された比例定数を掛けて、補正すべき熱変位を求めることになる。
【0021】
【発明の実施の形態】
上述のように、本発明の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出し、この検出された温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算し、この演算された温度変化に対応して変化する熱変位を演算し、前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算し、この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づいて、加工誤差を補正している。
他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出し、この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算し、この合成温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補正している。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源近傍の機体の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する遅れ温度変化を演算し、この遅れ温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補正している。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出し、この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算し、この合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算し、前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算し、この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づいて、加工誤差を補正している。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源近傍の機体の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する第1の遅れ温度変化を演算し、この第1の遅れ温度変化に対応して変化する熱変位を演算し、前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する第2の遅れ温度変化を演算し、この第2の遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づいて、加工誤差を補正している。
前記方法を実現するための、実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算する温度演算手段と、この温度演算手段で演算された前記温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出する温度検出手段と、前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記熱変位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段とを備え、前記熱変位演算手段により、前記遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して合計値を算出し、この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正している。
他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記各温度変化を合成して、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算する合成温度演算手段と、この合成温度演算手段で演算された前記合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、この熱変位演算手段で演算された前記所定軸方向の前記熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備えている。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源近傍の機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段と、この遅れ温度演算手段で演算された前記遅れ温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、この熱変位演算手段で演算された前記所定軸方向の前記熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備えている。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記温度変化を合成して、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算する合成温度演算手段と、この合成温度演算手段で演算された前記合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出する温度検出手段と、前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、前記所定軸方向の熱変位と前記熱変位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段とを備え、前記熱変位演算手段により、前記遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して合計値を算出し、この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正している。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源近傍の機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する遅れ温度変化を演算する第1の遅れ温度演算手段と、この第1の遅れ温度演算手段で演算された前記遅れ温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出する温度検出手段と、前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、前記所定軸方向の熱変位と前記熱変位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する第2の遅れ温度演算手段とを備え、前記熱変位演算手段により、前記第2の遅れ温度演算手段で演算された前記遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して合計値を算出し、この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正している。
前記熱変位補正方法とその装置において、前記工作機械は、主軸頭を前記発熱源とするマシニングセンタ、及び主軸台を前記発熱源とするNC旋盤のいずれか一方であるのが好ましい。
また、前記熱変位補正方法とその装置において、前記工作機械は、工作物及び工具のいずれか一方を把持する主軸と、この主軸を軸支する加工位置側の主軸受及び反加工位置側の他の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸頭と、前記両軸受の間に配設され、前記主軸頭に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、前記主軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記他の軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、前記発熱源の影響を受けるヘッド位置で前記温度変化を検出するヘッド温度センサを前記主軸頭に取付けているのが好ましい。
また、前記熱変位補正方法とその装置において、前記工作機械は、工作物及び工具のいずれか一方を把持する主軸と、この主軸を軸支する加工位置側の前軸受及び反加工位置側の後軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸台と、前記前,後の軸受の間に配設され、前記主軸台に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、前記後軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記前軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、前記発熱源となる前記前,後の軸受及び前記ビルトインモータの各近傍で温度変化をそれぞれ検出する3本の温度センサを前記主軸台に取付けているのが好ましい。
また、前記熱変位補正方法とその装置において、工作物及び工具のいずれか一方を把持し且つ同期して回転する複数の主軸を主軸頭に有し、前記複数の主軸の回転に伴う発熱特性の違いを、前記各主軸のノーズ部に設けたジャケットに流れる冷却油量又は冷却油温度を制御するか、あるいは前記各主軸のノーズ部に設けたヒータの通電量を制御して、熱変位の均一化した前記主軸頭を有する構成であって、前記主軸の少なくとも一つを前記発熱源に採用するのが好ましい。
また、前記熱変位補正方法とその装置において、前記温度変化は、検出された温度から基準温度を差引いて算出されるのが好ましい。
【0022】
以下、本発明の実施例を図1乃至図37に基づいて説明する。
(第1,第2実施例)
図1乃至図17は本発明の第1,第2実施例を説明するための図である。
例えば図1に示す数値制御(NC)工作機械は立形のマシニングセンタ(MC)1であるが、MC以外の他の種類のNC工作機械であってもよい。ベッド2上にはコラム3が立設されており、コラム3には主軸頭5がZ軸方向に移動可能に取付けられている。コラム3は、ベッド2上をY軸方向に移動できるようになっている。
主軸頭5には主軸6がZ軸方向に向けて設けられており、主軸6の先端には工具7が装着されている。主軸6は、主軸頭5に取付けられた主軸モータ4により回転駆動される。ベッド2上に設けられたテーブル8に載置された工作物9が工具7により切削加工される。テーブル8はベッド2上をX軸方向に移動する。
なお、主軸6の軸線方向をZ軸とし、これに直交して直交座標系をなす各方向をX軸,Y軸とする。
MC1には、機体10の温度変化を検出する温度検出手段が設けられている。第1実施例では、主軸頭5の主軸前端側のノーズ位置の温度を検出するノーズ温度センサS1 と、ノーズ位置より離れた任意の位置に配置されて主軸頭5の温度を検出するヘッド温度センサS2 がそれぞれ取付けられている。温度検出手段としての温度センサS1 ,S2 はどのタイプでもよいが、外乱に強いサーミスタ温度センサが望ましい。
ノーズ温度センサS1 は、主な発熱源である主軸6の主軸受に近いので温度変化が直ぐに表われることとなり、時定数が小さい。一方、ヘッド温度センサS は、主軸受より離れているので温度変化はゆっくりと表われ、したがって時定数が大きい。
第2実施例では、前記ノーズ温度センサS1 と、発熱源の発熱の影響が機体10にゆっくりと及ぶ箇所の温度を検出する温度検出手段としての温度センサS3 が、それぞれ取付けられている。
【0023】
ここで、本発明における熱変位補正の原理を説明する。
本発明によれば、X,Y,Zの各軸方向の熱変位に対する補正ができるが、例えばX軸方向については、コラム3及び主軸頭5がX軸に対して左右対称形の構造を有しているため、X軸方向の補正は通常必要ない。以下の説明では、Y軸,Z軸のうち主にZ軸方向の補正を例にとって説明する。
【0024】
Z軸方向の熱変位の演算式は次式で示される。
ΔZ=a・(ΔZ1 +ΔZ2 )   ……(2)
ここで、ΔZ :Z軸熱変位
a  :全体補正係数
(この係数“a”は、演算式(2)の結果と実際の精度との差を修正するための係数)
ΔZ1 :Z軸熱変位の即時応答成分
ΔZ2 :Z軸熱変位の遅れ応答成分
である。
【0025】
即ち、演算式(2)は、温度変化から直ちに熱変位が予測できる即時応答成分ΔZ1 と、遅れを伴って熱変位が表われる遅れ応答成分ΔZ2 とを含んでいる。前記温度変化は、各温度センサで検出されて出力される温度から基準温度を差引いた温度差として算出される。
基準温度としては、MC1の電源投入時における1回目の温度センサの出力、又はこの出力を複数回加算したものの平均値、あるいは例えば20〔℃〕のような絶対基準等が採用される。温度センサ毎の基準温度がRAM11内に保存される。
ところで、工作機械を設置した環境の温度変化が比較的ゆっくりしたものである場合には、室温変化による工作機械全体の熱変形は、工具と工作物を含めて略相似形に変化する。即ち、このようなゆっくりした室温変化では加工誤差は生じないので、この室温変化を含んだ温度変化から熱変形を予測したものは、実際の熱変形とは異なる。
したがって、この場合には、工作機械のベッド等に別途設けた温度センサで検出した時々刻々の温度を基準温度として採用し、各温度センサから出力される温度からこの基準温度を差し引いたものを温度変化として使用する。このようにすれば、室温変化があっても、精度のよい熱変位補正ができる。
【0026】
なお、本発明は、式(3)に示すように即時応答成分ΔZ1 のみに基づく演算式を使用することもできる。又は、式(4)に示すように、遅れ応答成分ΔZ2 のみに基づく演算式を使用することもできる。
ΔZ=a・ΔZ1         ……(3)
ΔZ=a・ΔZ2         ……(4)
【0027】
即時応答成分ΔZ1 は、次式により算出される。
ΔZ1 =b・ΔT1 +c・ΔT2  ……(5)
ここで、ΔT:温度センサSの出力から基準温度を差引いた温度変化〔℃〕
ΔT:温度センサSの出力から基準温度を差引いた温度変化〔℃〕
b  :内部補正係数〔±μm/℃〕
c  :内部補正係数〔±μm/℃〕
である。
【0028】
第1実施例で使用される式(5)は、二箇所に設置された温度センサの出力により機体10の熱変位を演算する式である。そして、ノーズ温度センサS1 で検出された温度から算出される温度変化ΔT1 と、ヘッド温度センサS2 で検出された温度から算出される温度変化ΔT2 とから、即時応答成分ΔZ1 を演算することになる。
なお、即時応答成分ΔZ1 の演算には、温度センサの設置箇所は少なくとも二箇所あればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。また、温度センサの設置箇所は、発熱源の発熱の影響を受ける箇所ならば、ノーズ位置とヘッド位置以外の場所であってもよい。
【0029】
一方、遅れ応答成分ΔZ2 を演算する式は下記の通りである。
ΔZ2 =e・Y1 +f・Y2    ……(6)
ここで、e :内部補正係数〔±μm/℃〕
f :内部補正係数〔±μm/℃〕
1 :第1の遅れ温度変化〔℃〕
2 :第2の遅れ温度変化〔℃〕
である。
式(6)は、第1と第2の遅れ温度変化により機体10の熱変位を演算する式である。
【0030】
第1実施例では、遅れ温度変化は1個なので、内部補正係数fの値は零となる。そして、ヘッド温度センサS2 で検出された温度の温度変化ΔT2 に遅れを見込んで演算した遅れ温度変化Y1 から、遅れ応答成分ΔZ2 を演算することになる。
第2実施例では遅れ温度変化は2個使用される。ノーズ温度センサS1 で検出された温度の温度変化ΔT1 に遅れを見込んで演算した第1の遅れ温度変化Y1 と、コラム温度センサS3 で検出された温度の温度変化ΔT2 に遅れを見込んで演算した遅れ温度変化Y2 とから、遅れ応答成分ΔZ2 を演算することになる。
なお、遅れ応答成分ΔZ2 の演算で使用する温度情報としては、1個又は2個あればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。
【0031】
図1は、本発明の第1実施例を示すブロック図である。
図示するように、各温度センサS1 ,S2 の各出力信号は、回路36,37を介して熱変位補正装置12のA/D変換器13に入力し、入力したアナログ信号はここでディジタル信号に変換される。A/D変換器13からのディジタル信号は演算記憶部14に入力されて、ここで熱変位が演算される。
演算された熱変位に基づいて、補正手段33により加工誤差が補正される。補正手段33の出力信号は、プログラマブルコントローラ15を介して数値制御装置16に送信され、サーボ系にフィードバックされて位置補正される。
即ち、補正手段33は、数値制御装置16の移動指令値に外部からオフセットを与える外部オフセット手段に、演算結果を出力する。その結果、例えば直交座標系の原点位置がオフセットされて、数値制御装置16は、MC1の工具7の軌跡を制御する。
なお、プログラマブルコントローラ15は、数値制御装置16の指令を受けてMC1の動作シーケンスを管理する。
【0032】
各温度センサS1 ,S2 の検出値は、A/D変換器13を介して演算記憶部14で演算され、その指令によりRAM11内の各温度センサS1 ,S 用に指定されたメモリ番地に書き込まれる。さらにRAM11には、各温度センサS1 ,S2 が一定時間毎にサンプリングした温度データが記憶されている。この温度データは数値制御装置16の表示部に表示される。
ROM17には、本発明に係る熱変位を演算するためのプログラムや補正係数等が記憶されている。クロック18は通常のクロックであり、各温度センサS,S2 の検出の時間を決定するためのものである。
【0033】
熱変位補正装置12は、温度センサS1 ,S2 で検出された温度の温度変化を用いて、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する仮想の位置P1 における合成温度変化を演算する合成温度演算手段31と、この合成温度演算手段31で演算された合成温度変化に対応して変化する即時応答成分ΔZ1 即ち熱変位を演算する熱変位演算手段32と、この熱変位演算手段32で算出された熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段33とを備えている。
【0034】
好ましい態様として、第1実施例の熱変位補正装置12は、温度センサS2 で検出された温度の温度変化より遅れて表れる遅れ温度変化を、前記温度変化に遅れを見込んで演算する遅れ温度演算手段34を、更に備えている。
熱変位演算手段32は、遅れ温度演算手段34で演算された遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分ΔZ2 を算出し、この遅れ応答成分を先の即時応答成分ΔZ1 に加算する。補正手段33は、この加算された合計値即ち熱変位に基づいて加工誤差を補正する演算をし、その結果を出力する。
また、遅れ温度演算手段34の最終演算結果と工作機械の電源のオフ時間を同時に記憶する記憶手段35によって、遅れ温度の演算が中断した場合の補償を与えている。
【0035】
即時応答成分ΔZ1 のみを考慮した場合の本発明の熱変位補正方法は、式(3)に基づく方法である。即時応答成分ΔZ1 に遅れ即時応答成分ΔZ2 を考慮した式(2)に基づく熱変位補正方法の方が、より高精度に補正できるので好ましい。
【0036】
図2は、本発明の第2実施例を示すブロック図である。第2実施例の熱変位補正方法は、遅れ応答成分ΔZ2 のみを考慮した場合の式(4)に基づく方法である。
第2実施例にかかる熱変位補正装置12aは、温度センサS で検出された温度の温度変化に遅れを見込んで、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する仮想の位置P1 における温度変化を演算する第1の遅れ温度演算手段34aと、この第1の遅れ温度演算手段34aで演算された第1の遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分ΔZ2 を演算する熱変位演算手段32と、この熱変位演算手段32で算出された熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段33とを備えている。
【0037】
好ましい態様として、第2実施例の熱変位補正装置12aは、発熱源の発熱の影響が機体10にゆっくり及ぶ箇所に設置した温度センサS3 で検出された温度の温度変化より遅れて表れる遅れ温度変化を、前記温度変化に遅れを見込んで演算する第2の遅れ温度演算手段34bを、更に備えている。
熱変位演算手段32は、第2の遅れ温度演算手段34bで演算された遅れ温度変化に対応して変化する第2の遅れ応答成分を算出し、この第2の遅れ応答成分を先の遅れ応答成分ΔZ2 に加算する。補正手段33は、この加算された合計値即ち熱変位に基づいて加工誤差を補正し、その結果を出力する。
第2実施例では、1本の温度センサS1 の出力のみで熱変位の補正をすることができるが、別途設置した温度センサS3 の出力を加味した熱変位補正方法の方が、より高精度に補正できるので好ましい。
本第2実施例においては、第1実施例と同一又は相当機能部分の説明は省略する。
【0038】
以下に、第1,第2実施例の具体的な手順を図3乃至図13に基づいて説明する。
図3は第1実施例の動作を示すフローチャート、図4は第2実施例の動作を示すフローチャート、図5はZ軸熱変位の経時変化を示すグラフ、図6はノーズ位置とヘッド位置で検出された温度の温度変化と、合成された合成温度変化を示すグラフである。
図7はノーズ温度変化とZ軸熱変位との関係を示すグラフ、図8はヘッド温度変化とZ軸熱変位との関係を示すグラフ、図9は合成温度変化に対するZ軸熱変位を示すグラフである。
図10は遅れ温度変化を算出する手法を説明するグラフ、図11は温度変化から遅れ応答成分を算出する手法を示すグラフ、図12は演算されたZ軸熱変位と実測されたZ軸熱変位との関係を示すグラフ、図13は遅れ温度変化に対するZ軸熱変位を示すグラフである。
【0039】
第1実施例では、まず初めに、予め図5のデータに基づいて、MC1における例えばZ軸方向の熱変位の時定数を算出しておく。図5の横軸は時間、縦軸はZ軸方向の熱変位である。Z軸方向の熱変位の時定数を算出する場合には、MC1を主軸回転数S(例えば、S=10,000〔min−1〕)で連続運転する。そして、主軸6の先端部、又は主軸先端部に一時的に装着されたテストバーの適当箇所における、Z軸方向の熱変位を時系列データ39として実測する。
なお、発熱によって主軸が傾斜する場合には、例えばテストバーの根元部と先端部などにおける熱変位を実測するのが好ましい。
前記データ39(図中「○」印)には、通常は室温変化の影響が含まれているので、室温変化の影響を補正した、飽和値40(例えば、43〔μm〕)を有する室温補正データ41(図中「●」印)を演算する。
「時定数」とは、「線形一次遅れシステムにおいて、ステップ状入力を加えた時、出力が飽和値の63.2%に達するのに要する時間」である。したがって、室温補正データ41に、最小二乗法で一次遅れ要素のステップ入力応答関数を当てはめて、Z軸方向の熱変位時定数τz (例えば、τz =0.57〔h〕)を得る。
【0040】
さらに、Z軸方向の熱変位を検出する際に同時にノーズ温度センサS1 とヘッド温度センサS2 で検出される温度の温度変化のデータに基づいて、それぞれの温度変化の時定数を算出する。時定数を算出する手順は、先のZ軸方向の熱変位の時定数を算出したものと同じである。
図6の横軸は時間、縦軸は温度変化である。図示するように、発熱源に近いノーズ温度変化TN は速やかに飽和温度変化“A”(A=6.5〔℃〕)に達するので、そのノーズ温度時定数τN も0.39〔h〕と小さい。
一方、発熱源より遠い位置のヘッド温度変化TH は遅れて温度変化をする。したがって、飽和温度変化“B”(B=3.7〔℃〕)に達するのに時間がかかるので、そのヘッド温度時定数τH は1.31〔h〕と大きい。
【0041】
次に、図1及び図3に示すように、MC1を起動して工具7により工作物9の切削加工を開始する(ステップ101)。ノーズ位置及びヘッド位置の温度をそれぞれ検出して(ステップ102)、検出結果を合成温度演算手段31に入力する。
次いで、「ミックス手法」によりノーズ温度変化TN とヘッド温度変化Tの各温度変化を合成して、図5に示すZ軸方向の熱変位データの時定数τZ (τZ =0.57〔h〕)と同じ時定数を有する仮想の温度変化TZ を演算する。
【0042】
合成温度を合成する際のノーズ温度変化TN 及びヘッド温度変化TH の各温度混合比MNZ,MHZは、例えば次式により算出される。なお、次式は混合方法の一つの例であり他にも種々の混合方法がある。これら温度混合比は工作機械毎に固有の値であり、主軸回転数等運転条件が変わっても値は変わらないので、一度温度混合比を算出する作業をしておけばよい。

Figure 2004042260
ここで、k:任意の係数(ここではk=10とした)である。
【0043】
なお、図5による前記手順と同様にしてY軸方向の熱変位の時定数τY =1.15〔h〕を算出すると、図6に示すようにY軸方向に関する合成温度変化TY も同様にして演算できる。
この場合のノーズ温度変化TN 及びヘッド温度変化TH の各温度混合比MNY,MHYは、次式で算出される。
Figure 2004042260
ここで、k:任意の係数(ここではk=10とした)である。
【0044】
合成温度演算手段31では、式(7),(8)で算出された温度混合比MNZ,MHZと各温度変化TN ,TH とに基づいて、次式により合成温度変化TZ を演算している(ステップ103)。式(11)は温度変換式であり、MNZ,MHZはその係数になる。
Z =MNZ・TN +MHZ・TH =1.24×TN +0.53×TH  ……(11)
【0045】
図7の横軸はノーズ温度変化TN を、図8の横軸はヘッド温度変化TH をそれぞれ示しており、図7,図8の縦軸はZ軸方向の熱変位を示している。図示するように、それぞれの温度変化TN ,TH とZ軸熱変位とは、比例などの対応関係はない。
【0046】
これに対して、図9に示すように、合成温度変化TZ とZ軸熱変位とは、傾斜α(α=3.88)を有する直線42で代表されるリニアな相関を持つ領域が生じる。この傾斜αは、合成温度変化TZ から即時応答成分ΔZ1 を算出する際の比例定数であり、結局次式が成立する。
ΔZ1 =α・TZ    ……(12)
熱変位演算手段32では、式(12)を用いて、合成温度変化TZ に対応して変化する即時応答成分ΔZ1 を算出する(ステップ104)。
【0047】
次に、遅れ応答成分ΔZ2 を考慮するか否かを判別し(ステップ105)、考慮しない場合には、熱変位演算手段32で演算した結果に基づいて、補正手段33で加工誤差を補正する。具体的には、例えば直交座標系の原点位置をオフセットする(ステップ106)。
その後、補正を終了させるか否か判別し(ステップ107)、終了させる場合にはMC1を停止して(ステップ108)、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ102に戻る。
【0048】
一方、ステップ105の判断において、遅れ応答成分ΔZ2 を考慮する場合には、ヘッド温度センサS2 で検出されたヘッド位置の温度を、遅れ温度演算手段34に入力する。
コラム3等は、その質量が大きく、また主な発熱源である主軸6とも離れているので、温度変化が遅れるヘッド位置よりさらに遅れて温度変化が表われる。この遅れ温度変化は、例えば図9では長時間経過した領域Dで、合成温度変化TとZ軸熱変位とのリニアな相関関係に対して、誤差を与えている。
【0049】
遅れ温度変化を演算する手法としては「ダミー手法」があり、ヘッド温度変化TH よりさらに遅れて表われる遅れ温度変化Yの挙動を、ダミーの熱容量Cを設定して見込む。
具体的には、微分方程式(13)の近似解で得られる。
C・dY/dt+Y=TH   ……(13)
【0050】
図10の横軸は時間、縦軸は遅れ温度変化を示しており、図10より次式が得られる。
Y=Y0 +(dY0 /dt+dY/dt)/2・Δt  ……(14)
【0051】
式(13)からdY/dt及びdY0 /dtを算出して、式(14)に代入すると、遅れ温度変化Yを算出する式は、次式(15)になる。この式(15)は温度変換式であり、符号Cはその係数に相当する。式(15)で演算される遅れ温度変化も仮想の温度変化であり、先の式(11)による合成温度変化と同じく創成温度変化の一種である。
Y=[TH0+TH +(C/Δt)・Y−Y]/[(C/Δt)+1]…(15)
ここで、Δt:演算インターバル
H :ヘッド温度変化入力
H0:前回のヘッド温度変化入力
Y :遅れ温度変化出力
0 :前回の遅れ温度変化出力
C :ダミー熱容量
である。
なお、遅れ温度変化出力Yの単位は〔℃〕なので、遅れ応答成分ΔZ を算出するには、温度と熱変位の変換係数を意味する内部補正係数eを用いる。
ΔZ2 =e・Y     ……(16)
【0052】
図11の横軸は時間、左側の零から上の縦軸はヘッド温度変化、右側の零から下の縦軸は遅れ応答成分である。図中には、ヘッド温度変化の時系列データ43と、図9においてZ軸熱変位から直線42の縦軸の値を差し引いた誤差44と、ヘッド温度変化の時系列データ43を用いて式(15)と式(16)を介して得た演算結果45とが、示されている。前記誤差44と前記演算結果45は、それぞれ遅れ応答成分ΔZ2 の実データと演算データに該当する。
即ち、式(15)に含まれるダミー熱容量C、及び式(16)の内部補正係数eを適宜選択することにより、演算データを実データに近づけることが可能になり、最良値がそれぞれ決定できる。ここで決まる熱容量Cと係数eの値は工作機械毎に固有の値であり、主軸の回転数等運転条件が変わってもその値は変わらないので、この作業は一度行なっておけばよい。
例えば、前記ヘッド温度変化の時系列データ43に基づいて、繰り返し演算により遅れ応答成分ΔZ2 を算出すれば、C=900,e=−4として表1の結果を得る。表1の遅れ応答成分ΔZ2 の値は、コラム3等の遅れ応答成分であり、図9におけるZ軸熱変位と直線42との縦軸方向の誤差に相当する。
【0053】
【表1】
Figure 2004042260
【0054】
遅れ温度演算手段34では、ダミー熱容量Cが確定した式(15)を用いて、ヘッド温度変化TH に対応する遅れ温度変化Yを演算する(ステップ109)。次いで、この遅れ温度変化Yを、内部補正係数eが確定した式(16)に代入すると、遅れ応答成分ΔZ2 が得られる(ステップ110)。
先に、式(12)を用いて即時応答成分ΔZ1 を算出した熱変位演算手段32では、このようにして算出した遅れ応答成分ΔZ2 を即時応答成分ΔZ1 に加算して、Z軸熱変位ΔZを演算する(ステップ111)。
【0055】
図12の縦軸は図5に示したものと同じ実測されたZ軸熱変位であり、横軸は温度センサS1 ,S2 で検出した温度データを用いて、ステップ111までの手順を経て見積もったZ軸熱変位ΔZである。この熱変位ΔZの演算には、式(2)の全体補正係数“a”を1として、即時応答成分ΔZ1 を、式(11)と式(12)で展開した次式を用いている。
ΔZ=4.8×TN +2.1×TH +ΔZ2   ……(17)
【0056】
この式(17)の、ノーズ温度変化TN の項の係数、及びヘッド温度変化TH の項の係数は、先の式(5)の内部補正係数b,cにそれぞれ該当するもので、次式で算出される。これらの係数の値は、機体10から検出した温度を用いて、即時応答成分を演算する場合の、当該工作機械の熱特性を集約したものになる。
b=α・MNZ=3.88×1.24=4.8   ……(18)
c=α・MHZ=3.88×0.53=2.1   ……(19)
また、式(17)の遅れ応答成分ΔZ2 は表1に示した結果を用いている。
【0057】
図12では、縦軸の実測されたZ軸熱変位と、式(17)で求めた横軸のZ軸熱変位ΔZの値とは、45度の傾きの直線46上で略一致する。これは両者が同じ値であることを意味しており、したがって、機体10から検出した比較的少ない温度データを用いた演算により、Z軸熱変位を十分高精度に予測することができる。
このようにして、ステップ111で演算されたZ軸熱変位ΔZに基づいて補正手段33で加工誤差を補正することにより熱変位の補正がなされて(ステップ112)、工作物9を高精度で切削加工することができる。
その後、補正終了か否かを判別し(ステップ107)、終了させる場合にはMC1を停止して(ステップ108)、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ102に戻る。
【0058】
次に、第2実施例の手順を説明する。なお、第2実施例では、熱変位あるいは温度変化の時定数を予め算出しておく必要はない。
図2及び図4に示すように、MC1を起動して工具7により工作物9の切削加工を開始する(ステップ201)。第1の箇所例えばノーズ位置の温度を検出して(ステップ202)、この検出信号を第1の遅れ温度演算手段34aに入力する。
次いで、先の「ダミー手法」により、ノーズ温度変化TN より遅れて表れるZ軸熱変位の時定数と同じ時定数を有する第1の遅れ温度変化Y1 の挙動を、ダミーの熱容量C1 を設定して見込む。
【0059】
先の式(13),(14)と同様の展開を行なうと、第1の遅れ温度変化Yを算出する式は次式になる。
Figure 2004042260
ここで、Δt:演算インターバル
N :ノーズ温度変化入力
NO:前回のノーズ温度変化入力
1 :第1の遅れ温度変化出力
10:前回の第1の遅れ温度変化出力
1 :ダミー熱容量
である。
【0060】
図13に示すように、Z軸熱変位と第1の遅れ温度変化Y1 とは傾斜eを有する直線47で代表されるリニアな相関を持つ領域が生じる。この傾斜eは、第1の遅れ温度変化Y1 に対応するZ軸熱変位を算出する際の比例定数であり、ここで算出されるZ軸熱変位は、先の式(6)の第1項に該当する。
この第1項の繰り返し演算の結果が、先の図5に示したZ軸熱変位の時系列データに一致するように、ダミー熱容量C1 と内部補正係数eの値が適宜選択される。ここで決まる熱容量C1 と係数eの値は工作機械毎に固有の値であり、この作業は一度行なっておけばよい。
第1の遅れ温度演算手段34aでは、ダミー熱容量C1 の確定した式(20)を用いて、ノーズ温度変化TN に対応する第1の遅れ温度変化Y1 を演算する(ステップ203)。
熱変位演算手段32では、この遅れ温度変化Y1 を,内部補正係数eが確定した式(6)の第1項に代入して、第1の遅れ応答成分を算出する(ステップ204)。
【0061】
次に、第2の遅れ応答成分を考慮するか否かを判別し(ステップ205)、考慮しない場合には、熱変位演算手段32で演算した結果に基づいて、補正手段33で加工誤差を補正する(ステップ206)。
その後、補正を終了させるか否かを判別し(ステップ207)、終了させる場合にはMC1を停止して(ステップ208)、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ202に戻る。
【0062】
一方、ステップ205の判断において、第2の遅れ応答成分を考慮する場合には、温度センサS3 で第2箇所例えばコラム位置の温度変化TC を検出して(ステップ209)、第2の遅れ温度演算手段34bに入力する。
コラム位置に表れる温度変化TC は、例えば図13の長時間経過した領域Dで、第1の遅れ温度変化Y1 とZ軸熱変位とのリニアな相関関係に誤差を与える。前述の「ダミー手法」を再度用いて、コラム温度変化TC より第2の遅れ温度変化Y2 の挙動を、ダミーの熱容量C2 を設定して見込む。
第2の遅れ温度変化Y2 を算出する式は次式になる。
Figure 2004042260
ここで、Δt:演算インターバル
C :コラム温度変化入力
CO:前回のコラム温度変化入力
2 :第2の遅れ温度変化出力
20:前回の第2の遅れ温度変化出力
2 :ダミー熱容量
である。
【0063】
なお、この第2の遅れ温度変化Y2 に対応するZ軸熱変位は、温度と熱変位の変換係数fを含んだ先の式(6)の第2項に該当する。
この第2項の繰り返し演算の結果が、図13において、Z軸熱変位から直線47を差し引いた誤差に一致するように、ダミー熱容量C2 と係数fの値が適宜選択される。ここで決まる熱容量C2 と係数fの値は工作機械毎に固有の値であり、この作業は一度行なっておけばよい。
第2の遅れ温度演算手段34bでは、ダミー熱容量C2 が確定した式(21)を用いて、コラム温度変化TC に対応する第2の遅れ温度変化Y2 を演算する(ステップ210)。次いで、内部補正係数fが確定した式(6)の第2項に第2の遅れ温度変化Y2 を代入して、第2の遅れ応答成分を算出する(ステップ211)。
先に式(6)の第1項に該当する第1の遅れ応答成分を算出した熱変位演算手段32では、このようにして算出した第2の遅れ応答成分を加算して、Z軸熱変位ΔZ2 を演算する(ステップ212)。
【0064】
ステップ212で演算されたZ軸熱変位ΔZ2 に基づいて補正手段33で加工誤差を補正することにより熱変位に対する補正がなされて(ステップ213)、工作物9を高精度で加工することができる。
その後、補正終了か否かを判別し(ステップ207)、終了させる場合にはMC1を停止して(ステップ208)、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ202に戻る。
【0065】
図14乃至図17はMC1を実機運転した場合の実測データである。
図14はZ軸熱変位のデータを示すグラフ、図15はZ軸熱変位の他のデータを示すグラフ、図16はY軸熱変位のデータを示すグラフ、図17はY軸熱変位の他のデータを示すグラフである。
いずれも主軸6の回転数Sは、S=10,000〔min −1〕であり、図14及び図16は連続運転の場合を示している。図15及び図17は、タイムチャート線51に示すように、約50分間回転、10分間停止(途中一回70分間の停止あり)の場合の熱変位を示している。図14乃至図17の横軸は時間である。
【0066】
図14及び図16に示すように、図中実線48,52で示す補正前の熱変位は最大約40〔μm〕であった。これに対して、本発明では、補正後の熱変位の目標値を零に近づけることができる。即ち、本発明による熱変位の補正を行なった場合は、図中破線49,53で示すように±5〔μm〕以下にまで残留熱変位を小さくすることができる。
なお、補正前の熱変位が100〔μm〕以上の場合も、本発明によれば補正後の熱変位を±5〔μm〕以下にまで小さくできることが確認されている。このように、本発明は熱変位の補正を高精度で行なうことができる。
また、図15及び図17に示すように断続運転を行なった場合も、本発明によれば、破線50,54に示すように補正後の残留熱変位を±5〔μm〕以下にすることができる。
【0067】
(第3実施例)
図18乃至図28は第3実施例を説明するための図である。
例えば、図18に示すように、MC1aは、工具7が装着される主軸6と、主軸受20及び上部軸受(他の軸受)22を介して主軸6を回転自在に支持する主軸頭5aとを備えている。主軸6を回転駆動するビルトインモータ21は、両軸受20,22の間に配設されて、両軸受とともに主軸頭5aに内蔵されている。主軸受20は主軸6を中心軸方向に位置決めし、上部軸受22は熱変位で伸縮する主軸6を中心軸方向に摺動可能に保持している。したがって、上部軸受22及びモータ21が回転により発熱しても、主軸6は上方に伸びるので工具7には影響を与えない。
その結果、MC1aの場合には主軸受20のみを発熱源と考えて熱変位補正をすればよいことになる。主軸受20の温度変化を検出する温度検出手段としてのヘッド温度センサS2 を、主軸頭5aに取付けている。
なお、発熱源である主軸受20による温度変化が表われる場所であれば、ヘッド位置以外の例えばノーズまたはコラムの温度を検出してもよい。また、主軸が工作物を把持するタイプの工作機械の場合であってもよい。
なお、第1,第2実施例と同一または相当部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【0068】
ここで、第3実施例における熱変位補正の原理を説明する。
第1,第2実施例と同様にZ軸方向の補正を例にとって説明する。第3実施例におけるZ軸方向の熱変位の演算式は次式で示される。
ΔZ=a・(ΔZ3 +ΔZ4 )  ……(22)
ここで、ΔZ :Z軸熱変位
a :全体補正係数(式(2)のものに同じ)
ΔZ3 :Z軸熱変位の創成変位成分
ΔZ4 :Z軸熱変位の遅れ応答成分
である。
即ち、演算式(22)は、温度変化から熱変位の時定数と同じ時定数を有する創成温度変化を基に演算した創成変位成分ΔZ3 と、温度変化に対し遅れを伴って熱変位が表れる遅れ応答成分ΔZ4 とを含んでいる。
ここで扱われる温度変化は、各温度センサから出力される温度と基準温度との差で算出する。基準温度には、先の第1,第2実施例で考慮されたものが同じく採用される。
【0069】
なお、本発明は、式(23)に示すように創成変位成分ΔZ3 のみに基づく演算式を使用することもできる。
ΔZ=a・ΔZ3     ……(23)
創成変位成分ΔZ3 は、次式により算出される。
ΔZ3 =g・Y3     ……(24)
ここで、Y3 :創成温度変化〔℃〕
g :内部補正係数〔±μm/℃〕
である。
【0070】
第3実施例で使用される式(24)は、一箇所に設置された温度センサの出力により機体10の熱変位を演算する式である。そして、ヘッド温度センサS2 で検出された温度の温度変化Tを展開して得た創成温度変化Y3 から創成変位成分ΔZ3 を演算することになる。
なお、温度センサの設置箇所は少なくとも一箇所あればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。また、温度センサの設置箇所は、発熱源の発熱の影響を受ける箇所ならば、主軸頭5a以外の場所であってもよい。
【0071】
一方、遅れ応答成分ΔZ4 を演算する式は下記の通りである。
ΔZ4 =h・Y4     ……(25)
ここで、Y4 :遅れ温度変化〔℃〕
h :内部補正係数〔±μm/℃〕
である。
式(25)では、ヘッド温度センサS2 で検出された温度の温度変化Tに遅れを見込んで演算した遅れ温度変化Y4 から、遅れ応答成分ΔZ4 を演算することになる。
なお、温度センサの設置箇所は少なくとも一箇所あればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。
【0072】
図18は、本発明の第3実施例を示すブロック図である。
第3実施例の熱変位補正装置12bは、温度センサS2 で検出された温度を展開して熱変位の時定数と略同じ時定数を有する仮想の位置P1 における温度変化を演算する創成温度演算手段31aと、この創成温度演算手段31aで演算された創成温度変化に対応して変化する創成変位成分ΔZ3 を演算する熱変位演算手段32と、この熱変位演算手段32で算出された熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段33とを備えている。
【0073】
好ましい態様として、熱変位補正装置12bは遅れ温度演算手段34を更に備えている。遅れ温度演算手段34は、温度センサS で検出された温度の温度変化より遅れて表れる遅れ温度変化を、前記温度変化に遅れを見込んで演算する。
熱変位演算手段32は、遅れ温度演算手段34で演算された遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分ΔZ4 を算出し、先の創成変位成分ΔZ3 に加算する。この加算された熱変位に基づいて、補正手段33で加工誤差が補正され、その信号が出力される。
本第3実施例においては、先の第1,第2実施例と同一又は相当機能部分の説明は省略する。
【0074】
以下に、第3実施例の具体的な手順を図19乃至図28により説明する。
図19は第3実施例の動作を示すフローチャート、図20は、Z軸熱変位と、ヘッド位置で検出された温度の温度変化Tの代表例(サンプル温度変化)との経時変化を示すグラフ、図21はサンプル温度変化とZ軸熱変位との標準的関係を示すグラフである。
図22は、サンプル温度変化と、サンプル温度変化より時定数の小さい温度変化“A”と、サンプル温度変化より時定数の大きい温度変化“B”とを示すグラフである。図23は図22に示した温度変化に加えて、サンプル温度変化を用いて創成した創成温度変化Y3A,Y3B(図中「○」印)を示すグラフである。図24は創成温度変化に対するZ軸熱変位を示すグラフ、図25は、Z軸熱変位が遅れ応答成分を含んでいる場合の、創成温度変化に対するZ軸熱変位を示すグラフである。
図26はサンプル温度変化と、サンプル温度変化より遅れて表れる遅れ温度変化Cと、サンプル温度変化を用いて創成した遅れ温度変化Y4 (図中「○」印)とを示すグラフ、図27は遅れ温度変化に対する遅れ応答成分を示すグラフである。図28は創成温度変化及び遅れ温度変化から見積もった熱変位に対するZ軸熱変位を示すグラフである。
【0075】
第3実施例では、予めZ軸方向の熱変位を検出する。これと同時に、ヘッド温度センサS2 で検出される温度の温度変化のデータに基づいて、それぞれの時定数を算出しておく。時定数を算出する手順は、先の第1実施例においてZ軸方向の熱変位の時定数を算出したものと同じである。
図20は、主軸が一定回転(回転数S=10,000〔min −1〕)の下で、ヘッド温度センサS2 で検出した温度の温度変化Tの代表例(サンプル温度変化)と、2つの例に係るZ軸熱変位(熱変位“A,B”)の時系列データを示している。
Z軸熱変位の時定数がサンプル温度変化Tの時定数τS より小さい場合、即ち熱変位が早く表れる場合には、熱変位“A”(時定数τA )となる。一方、前記熱変位時定数が前記時定数τS より大きい場合、即ち、ゆっくりと熱変位が表れる場合には、熱変位“B”(時定数τB )となる。したがって、MC1aの熱変位特性により、実際には熱変位“A,B”のうちどちらか一方のデータになる。
ここで抽出されたZ軸熱変位の時定数とサンプル温度変化Tの時定数との値のバランスは、工作機械毎に固有の熱特性を表すものであり、主軸回転数等運転条件が変わっても変化が少ない。したがって、一度両時定数を算出する作業を行なっておけばよい。
【0076】
次に、図18及び図19に示すように、MC1aを起動して工具7により工作物9の切削を開始する(ステップ301)。また、ヘッド位置の温度を検出して(ステップ302)、創成温度演算手段31aに入力する。
【0077】
しかしながら、例えば図20のデータに基づいて、サンプル温度変化Tと熱変位“A”との関係、及びサンプル温度変化Tと熱変位“B”との関係を表すと、図21に示すように、それぞれ弓状曲線55,56になる。
即ち、これらサンプル温度変化TとZ軸熱変位とが単純なリニアの関係にならないので、ヘッド位置から随時検出した温度の温度変化から直ちに熱変位を見込むことができない。
【0078】
そこで、「リニアライズ手法」により、ヘッド位置から検出した温度の温度変化を用いて、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算する。図22は、時定数をτS とするサンプル温度変化57と、熱変位“A”と同じ時定数τA を有する温度変化“A”の模擬例58と、熱変位“B”と同じ時定数τB を有する温度変化“B”の模擬例59とを示している。
曲線57乃至59で示す温度変化は、いずれも値Tmax で飽和するようになっており、各時定数の一例を以下に示す。
τA = 5〔min〕
τS =10〔min〕
τB =15〔min〕
【0079】
また、各温度変化57乃至59の挙動関係は、下記の微分方程式(26)乃至(28)でそれぞれ表現できる。
τS ・dT/dt+T=X   ……(26)
τ ・dY3A/dt+Y3A=X ……(27)
τB ・dY3B/dt+Y3B=X ……(28)
なお、式(27),(28)は微分方程式の一般式(29)で表わすことができる。
τZ ・dY3 /dt+Y3 =X ……(29)
ここで、T :ヘッド温度センサS2 で検出される温度変化〔℃〕
X :発熱部の温度変化〔℃〕
3 :創成温度変化〔℃〕
3A:温度変化“A”を創成する創成温度変化〔℃〕
3B:温度変化“B”を創成する創成温度変化〔℃〕
τZ :Z軸熱変位の時定数〔min〕
である。
【0080】
式(26)によれば、サンプル温度変化Tから発熱部の温度変化Xが分かるので、この値Xを式(29)に代入する。すると、サンプル温度変化の時定数τとは異なった時定数τZ を有する創成温度変化Y3 が得られる。時定数τZ は、MC1aの熱特性で定まるものであり、工作機械毎に固有の値である。
【0081】
実際に創成温度演算手段31a(図18)で演算する場合には、微分方程式(26),(29)をそれぞれ離散化した次式(30),(31)の繰り返し演算で解を算出することになる(ステップ303)。
X =τS ・(T−T)/Δt+T  ……(30)
=(2X+2τ・Y30/Δt−Y30)/(2τ/Δt+1)……(31)
ここで、Δt:演算インターバル〔min〕
0 :前回のサンプル温度変化T入力〔℃〕
30:前回の創成温度変化Y3 出力〔℃〕
である。
【0082】
図23は、サンプル温度変化T及び温度変化“A,B”に加えて、式(30),(31)によりサンプル温度変化Tを用いて創成した創成温度変化Y (具体的には、創成温度変化Y3A又はY3B)を「○」印で表示している。この「○」印は、測定間隔即ち演算インターバルΔtが1.0〔min〕 の場合を示している。
このように式(30),(31)を用いた繰り返し演算により、任意の時定数を有する熱変位と略同じ時定数を有する創成温度変化を創成することができる。
【0083】
創成温度変化Y3 は、熱変位と同じ時定数を有しているので、図24の直線60に示すように、Z軸熱変位とリニアの関係になる。直線の傾きgが、創成温度変化Y3 と熱変位の相関を表している。熱変位演算手段32では、式(24)を用いて創成温度変化Y3 から熱変位(即ち、創成変位成分ΔZ3 )を算出する(ステップ304)。
【0084】
以上述べたように、リニアライズ手法は、基本的には時定数の小さい敏感な熱変位を、例えば発熱源から離れたヘッド位置で検出した温度の温度変化Tから見込むものである。この手法により算出される創成変位成分ΔZ3 は、式(2)の即時応答成分ΔZ1 に相当するものであり、この手法単独でも精度のよい熱変位補正ができる。
次に、遅れ応答成分ΔZ4 を考慮するか否かを判別し(ステップ305)、考慮しない場合には、熱変位演算手段32で演算した結果に基づいて、補正手段33で加工誤差を補正する(ステップ306)。
その後、補正を終了するか否かを判別し(ステップ307)、終了させる場合にはMC1aを停止して(ステップ308)、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ302に戻る。
【0085】
一方、ステップ305の判断において遅れ応答成分ΔZ4 を考慮する場合には、ヘッド温度センサS2 で検出されたヘッド位置の温度を、遅れ温度演算手段34に入力する。
コラム3等は、その質量が大きく、また主な発熱源である主軸6とも離れているので、温度変化が遅れるヘッド位置よりさらに遅れて温度変化が表れる。この遅れ温度変化は、第1及び第2実施例の図9,図13で示したものと同様に、図25の長時間経過した領域Dで、創成温度変化Y3 とZ軸熱変位とのリニアな相関に誤差を与える。
【0086】
遅れ応答成分ΔZ4 を考慮する場合には、前述の「ダミー手法」を用いて、ヘッド温度センサS2 で検出した温度の温度変化Tより遅れて表れる遅れ温度変化Y4 の挙動を、ダミーの熱容量C4 を設定して見込む。
遅れ温度変化Y4 を算出する式は次式になる。
Figure 2004042260
ここで、Δt:演算インターバル〔min〕
T :ヘッド温度センサS2 で検出される温度の温度変化入力
0 :前回の温度変化T入力〔℃〕
4 :遅れ温度変化出力〔℃〕
40:前回の遅れ温度変化Y4 出力〔℃〕
4 :ダミー熱容量〔min〕
である。
【0087】
図26は、先のヘッド温度センサS2 で検出された温度の温度変化Tの代表例であるサンプル温度変化57と、遅れ応答成分と同じ熱的挙動を示す遅れ温度変化の模擬例61(温度変化C、時定数τC )とを示している。更に、図26には、式(32)によりサンプル温度変化Tを用いて創成した遅れ温度変化Yを、「○」印で表示している。
温度変化Cは長時間経過すると、飽和値Tmax でサンプル温度変化Tに等しくなることを前提にしており、「○」印は、測定間隔即ち演算インターバルΔtが1.0〔min〕の場合を示している。
このように、式(32)の熱容量C4 を適宜選択した繰り返し演算により、任意の時定数τC (τC >τS )の温度変化Cと略同じ温度変化の挙動をする遅れ温度変化Y4 を創成することができる。
【0088】
この遅れ温度変化Y4 と遅れ応答成分とは、図27に示すようにリニアの関係の直線62になるので、先の式(25)が成立する。実際には、温度変化Cを抽出する手順を踏む必要は特にはない。例えば、サンプル温度変化Tを用いて、式(32)のダミー熱容量C4 及び式(25)の内部補正係数hを適宜選択した繰り返し演算結果が、先の図25におけるZ軸熱変位(領域Dを含む線)から直線60を差し引いた誤差に一致するように、熱容量C4 と係数hの最良値が決定される。ここで決まる熱容量C4 と係数hの値は工作機械毎に固有の値であり、この作業は一度行なっておけばよい。
遅れ温度演算手段34では、ダミー熱容量C4 が確定した式(32)を用いて、ヘッド温度センサSで検出される温度の温度変化Tに対応する遅れ温度変化Yを演算する(ステップ309)。次いで、この遅れ温度変化Y4 を、内部補正係数hが確定した式(25)に代入すると、遅れ応答成分ΔZ4 が得られる(ステップ310)。
先に、式(24)を用いて創成変位成分ΔZ3 を算出した熱変位演算手段32では、このようにして算出した遅れ応答成分ΔZ4 を創成変位成分ΔZ3 に加算して、Z軸熱変位ΔZを演算する(ステップ311)。
【0089】
図28の縦軸は実測されたZ軸熱変位であり、横軸はサンプル温度変化Tを用いてステップ311までの手順を経て見積もったZ軸熱変位ΔZである。この熱変位ΔZの演算には、全体補正係数“a”を1とした次式を用いている。
ΔZ=g・Y3 +h・Y4   ……(33)
図28に示す実測された縦軸のZ軸熱変位と、式(33)で求めた横軸のZ軸熱変位ΔZの値とは、45°の傾きの直線63上で略一致する。これは両者が同じ値であることを意味している。
したがって、機体10の主軸受20の発熱の影響を受ける箇所に設置したヘッド温度センサS2 の温度データにより、Z軸熱変位を十分高精度に予測することができる。
【0090】
このようにして、ステップ311で演算されたZ軸熱変位ΔZに基づいて補正手段33で加工誤差を補正することにより熱変位補正がなされて(ステップ312)、工作物9を高精度で切削加工することができる。
その後、補正終了か否かを判別し(ステップ307)、終了させる場合にはMC1aを停止して(ステップ308)、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ302に戻る。
【0091】
(第4実施例)
次に、リニアライズ手法を応用した第4実施例を、図29乃至図32により説明する。
前記第1乃至第3実施例では、主として、熱変位の原因となる発熱源の数が1個の例を説明したが、本発明では、熱変位の原因となる発熱源が複数あって、且つ発熱源の影響が互いに独立していると想定される場合にも、展開可能な式の構成になっている。
本第4実施例は、複数の発熱源(いわゆる多熱源)が互いに影響し合いながら熱変位を発生させる工作機械の場合であり、先の各実施例では説明されていなかった部分を補足する。
【0092】
図29はブロック図、図30は主軸台断面図である。
NC旋盤64は、機体としての主軸台66を発熱源とする工作機械である。図示するように、NC旋盤64は、チャック65及び爪67を介して工作物68を把持する主軸69と、主軸台66と、ビルトインモータ70とを備えている。主軸台66は、主軸69を軸支する加工位置側の前軸受71及び反加工位置側の後軸受72を介して主軸69を回転自在に支持している。
ロータ70aを含むモータ70は、前,後の軸受71,72の間に配設されるとともに主軸台66に内蔵されて、主軸69を回転駆動する。
後軸受72には、主軸69を中心軸方向01 に対して位置決めするアンギュラ玉軸受が使用されている。熱変位で伸縮する主軸69は、前軸受71内を中心軸方向O1 に伸縮可能になっている。工作物68に近い前軸受71には大きな荷重がかかるので、この荷重に耐えて切削性能を向上させるために、前軸受71には定格荷重の大きい複列円筒ころ軸受が使用されている。
なお、ここで示した構造は、主軸69をベルトで駆動する構造のものと比べて、ビルトインモータ70で主軸69を直接駆動しているので高速回転が可能である。また、主軸69の振動を抑えることができるので高精度な切削加工ができる。
【0093】
NC旋盤64を起動してビルトインモータ70のロータ70aを回転させ、前,後の軸受71,72及びロータ70aがそれぞれ発熱すると、主軸69は前方(図中右方)に伸びて工作物68を中心軸方向O1 に移動させて加工精度を低下させることになる。
そのため、熱変位補正装置12bでは、発熱源となる前,後の軸受71,72,及びモータ70のステータの各近傍にそれぞれ位置するように3本の温度センサs,s, s3 を、主軸台66に取付けている。
【0094】
このようにZ軸方向(即ち、中心軸方向O1 )の熱変位に影響する発熱源が複数ある場合も、例えば前記リニアライズ手法を応用することによって高精度な熱変位補正ができる。
温度検出手段としての温度センサs,s, s3 の各出力信号は、回路36a,36b,36cを介してA/D変換器13に入力し、A/D変換器13からの出力信号は、創成温度演算手段31a及び遅れ温度演算手段34に入力される。なお、その他の構成については第3実施例と同様であるので、説明を省略する。
【0095】
多熱源の場合、各発熱源の影響による熱変位を、熱変位演算手段32により個別に演算する。Z軸方向の総合熱変位Δzは次の一般式で示される。
Δz=a・(Δz1 +Δz2 +……+Δzn ) ……(34)
Δz1 =β1 ・YA1+γ1 ・YB1
Δz2 =β2 ・YA2+γ2 ・YB2


Δzn =βn ・YAn+γn ・YBn
ここで、Δz:Z軸総合熱変位
Δz1 乃至Δzn :第1番目乃至第n番目の発熱源によるZ軸方向
の熱変位
a :全体補正係数(式(2)のものに同じ)
β1 乃至βn :創成温度変化に係る内部補正係数
γ1 乃至γn :遅れ温度変化に係る内部補正係数
A1乃至YAn:創成温度変化
B1乃至YBn:遅れ温度変化
である。
したがって、第3実施例の式(33)は、式(34)の第1項の熱変位Δzに相当する。また、第3実施例では発熱源が1個なので、式(34)の第2項以下の項を零として演算したことになる。
【0096】
本第4実施例では発熱源が3個なのでn=3となり、式(34)は以下のように展開できる。
Δz=a・(Δz1 +Δz2 +Δz3 ) ……(35)
Δz1 =K1 ・Δz
Δz2 =K2 ・Δz        ……(36)
Δz3 =K3 ・Δz
1 =P・T1 /(P・T1 +Q・T2 +R・T3 
2 =Q・T2 /(P・T1 +Q・T2 +R・T3 ) …(37)
3 =R・T3 /(P・T1 +Q・T2 +R・T3 
ここで、T1 :温度センサs1 で検出された温度の温度変化
2 :温度センサs2 で検出された温度の温度変化
3 :温度センサs3 で検出された温度の温度変化
P,Q,R:内部補正係数
である。
【0097】
前記三つの式(37)における内部補正係数P,Q,Rは、各温度変化T1 乃至T3 の重みを意味しており、3回以上の発熱条件を変えたテストにおけるサンプル温度変化の飽和値の違いから下式により決定される。
ここで決まる係数P,Q,Rの値のバランスは、工作機械のタイプ毎に固有の熱特性を表すものであり、主軸回転数等の運転条件が変わっても変化が少ないので、この作業は一度行なっておけばよい。
P・T1S+Q・T2S+R・T3S=Δz ……(38)
ここで、T1S:サンプル温度変化T1 の飽和値
2S:サンプル温度変化T2 の飽和値
3S:サンプル温度変化T3 の飽和値
である。
【0098】
内部補正係数P,Q,Rの値を式(37)に代入することによって、係数K,K2 ,K3 の値が定まるので、三つの式(36)は図31のように表現できる。この結果、発熱源71,72,70aの影響による各熱変位Δz1 ,Δz2 ,Δz3 と各サンプル温度変化との相関関係は、リニアライズ手法等によってリニアにすることが可能になる。図31は各発熱源のZ軸熱変位を示すグラフである。
NC旋盤など旋削工作機械は、通常は熱容量が小さいためMCと比べて熱変位が敏感に表われるので、温度センサの取付け位置の制約のない第3実施例の手法は特に有効である。
また、第3実施例の手法を用いれば、一つの発熱源につき一個の温度センサを設ければよいので、多熱源を有するNC旋盤64等の場合に温度センサの数を減らすことができる。
【0099】
図32は、リニアライズ手法とダミー手法を組合せてNC旋盤64を実機運転した場合の、Z軸熱変位の実測データを示すグラフである。
図示するように、図中実線73,74で示す補正前の熱変位は約70〔μm〕であった。これに対して、本発明に係る熱変位の補正を行なった場合は、図中破線73a,74aで示すように、熱変位は±10〔μm〕以下にまで小さくなる。なお、図中の符号Sは主軸回転数を意味する。
【0100】
(第5実施例)
次に、第5実施例を図33乃至図37により説明する。
第5実施例では、本発明に係る前述の各手法のいずれかを、複数の主軸を有する工作機械に適用して熱変位補正を行なっている。
主軸は工作物及び工具のいずれか一方を把持している。この主軸の温度を温度調節装置により調節して各主軸の熱変位を略均等にし、温度検出手段により少なくとも一つの主軸について機体の温度変化を検出して、熱変位補正を行なっている。
なお、第5実施例において、前記各実施例と同一又は相当部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【0101】
例えば、図33に示す工作機械は多軸ヘッドを有する立形のMC75であり、4個の工作物を4本の工具で同一形状に同時加工するのに使用される。ベッド76に固定され床面上に立設しているコラム77の上部には、Y軸方向即ち水平方向に向けて配設されたクロスレール78が固定されている。
クロスレール78には、サドル79がY軸方向に移動可能に取付けられており、クロスレール78に設けられたY軸サーボモータ80によりサドル79は往復移動する。
サドル79には主軸頭81がZ軸方向に移動可能に取付けられている。主軸頭81は、サドル79に設けられたZ軸サーボモータ82によりサドル79に対してZ軸方向に往復移動し、クロスレール78に対してはサドル79とともにY軸方向に往復移動する。
主軸頭81には、Z軸方向を向いている複数(例えば4本)の主軸6a乃至6dが並設されており、各主軸の先端には工具7a乃至7dがそれぞれ装着されている。
【0102】
ベッド76上には、主軸と同数(例えば4個)の工作物9a乃至9dを載置するためのテーブル83が、X軸方向に移動可能に取付けられている。テーブル83は、ベッド76に設けられたX軸サーボモータ84により往復移動する。
コラム77の横には、冷却油供給装置85が設置されている。この冷却油供給装置85は、主軸6a乃至6dの温度を調節して各主軸の熱変位を略均等にするための温度調節装置としての主軸冷却装置を構成している。
【0103】
図34は主軸冷却装置87の説明図である。
図示するように、主軸6a乃至6dの軸受近傍には、冷却油を流して軸受を冷却するための流路85a乃至85dがそれぞれ形成されている。冷却油供給装置85から供給された冷却油は、配管88a乃至88dをそれぞれ流れ、手動又は自動で操作される流量調整弁89a乃至89dで流量を調整される。これにより、各主軸6a乃至6dの温度が個別に調節される。冷却油は、流路85a乃至85dを流れ、主軸6a乃至6dの軸受を冷却したのち、供給装置85に戻ってここで冷却されて再び循環使用される。
なお、流量調節の代わりに又はこれに加えて冷却油温度を供給装置85で調節することにより、主軸温度を主軸毎に調節するようにしてもよい。また、冷却油の代わりにクーラント(切削油剤)又は水を使用してもよい。
【0104】
ところで、4本の主軸が回転した場合の熱変位を比較すると、図中左右両側の主軸6a,6dの熱変位の方が、内側の主軸6b,6cよりも通常は小さい。これは各主軸の取付け場所の違いによるためである。即ち、両側の主軸6a,6dの軸受で発生した熱は、主軸頭81に速やかに伝導して、この主軸6a,6dの温度上昇を抑えるからである。
そこで、熱変位の最も小さい代表主軸6aの発熱部近傍に位置するように主軸頭81に温度検出手段としてのノーズ温度センサS1 を取付けている。このセンサS1 で機体86の温度変化を検出することにより、前記各実施例における熱変位補正装置12,12a,12bを用いた手法で、代表主軸6aに対する熱変位補正を行なっている。
そして、流量調整弁89a乃至89dで流量調節(及び/又は、油の温度調節)をして各主軸を冷却することによって、他の3本の主軸6b乃至6dの熱変位を代表主軸6aの熱変位に略一致させ、これにより、主軸間の熱変位のばらつきをなくしている。
なお、代表主軸6aは熱変位が最小なので、この主軸6aの冷却はしないか又はわずかに冷却し、他の主軸6b乃至6dの冷却油を調節すれば、供給装置85からの油の供給量が全体として少なくなるので好ましい。
【0105】
図35は、主軸冷却装置87に代えて主軸加熱装置90を温度調節装置として用いた場合を示している。
図示するように、主軸6a乃至6dの近傍に、ヒータ91a乃至91dなど加熱部材をそれぞれ配設している。各ヒータ91a乃至91dに流れる電流を電流制御装置91により個別に制御することにより、ヒータ91a乃至91dの発熱量を調節している。電流制御の方が、冷却油の量や温度の制御より容易で応答も早く、しかも主軸加熱装置全体がコンパクトになるので好ましい。
この場合には、熱変位が最大の主軸例えば6bを代表主軸にしてこの主軸6bの近傍にノーズ温度センサS1 を取付けて、機体86の温度変化を検出している。そして、電流制御装置91で電流を制御して各主軸を加熱することによって、他の3本の主軸6a,6c,6dの熱変位を代表主軸6bの熱変位に略一致させて、主軸間の熱変位のばらつきをなくしている。
なお、代表主軸6bを加熱しないか又はわずかに加熱して、他の主軸の温度を調節すれば、主軸加熱装置90全体の電流が少なくなるので好ましい。
【0106】
本実施例では、センサS1 とは別に、主軸位置より離れた任意の位置(例えば、主軸頭81の適当箇所)に配置されてこの位置の機体86の温度変化を検出するヘッド温度センサS2 が、必要に応じて取付けられる。したがって、ミックス手法単独又はミックス手法とダミー手法とを組合せた前述の各方法による熱変位補正もできる。
各センサS1 ,S2 の出力信号は、熱変位補正装置12,12a,12bのA/D変換器13に入力したのち、前記各実施例と同様に処理される。
なお、図34,図35に鎖線で示すように、代表主軸以外の各主軸の近傍にも温度センサS10をそれぞれ取付け、各主軸の温度を検出することが好ましい。センサS10で検出された温度の温度変化は熱変位補正には用いないが、この温度変化から各主軸の熱変位を推定して、主軸冷却装置87又は主軸加熱装置90により、主軸間の熱変位のばらつきをなくする管理をすることができる。
【0107】
図36は、主軸冷却装置87を用いた場合の本実施例の手順を示すフローチャートである。なお、下記説明中のカッコ内には、主軸加熱装置90を用いた場合を記載している。
まず初めに、調節弁89a乃至89dを操作して、各主軸6a乃至6dに流れる冷却油の流量(又は、ヒータ91a乃至91dの電流)を必要最少限に絞る(ステップ401)。次いで、全主軸の同期回転を開始する(ステップ402)。一定の回転数で運転して所定時間経過後、各主軸の伸びによる主軸先端部におけるZ軸方向の熱変位を実測する(ステップ403)。
各主軸の熱変位即ち伸び量が略同一になるように、各主軸の流路85a乃至85dに流れる流量を調節弁89a乃至89dにより(又は、ヒータ91a乃至91dの電流を電流制御装置91により)調節して、この調節量を設定する(ステップ404)。
全主軸の回転を停止し、機体86全体が十分に放熱するまで運転を停止する(ステップ405)。
【0108】
その後、全主軸の同期回転を再開し、ステップ404で設定された調節量に従って冷却油(又は電流)を各主軸にそれぞれ流す(ステップ406)。
次に、代表主軸6a(又は6b)の先端部におけるZ軸方向の熱変位を時系列データとして実測するとともに、機体86の温度変化をセンサS1 ,S2 の一方又は両方により検出する(ステップ407)。
こうして検出された温度変化を用い、前記各実施例と同様にして、ノーズ温度時定数τN ,ヘッド温度時定数τH ,サンプル温度時定数τS 等を抽出し、さらにダミー熱容量及び内部補正係数を算出する。そして、これらの値を熱変位補正装置12,12a,12bにセットする(ステップ408)。
ステップ409で補正を開始し、代表主軸による熱変位補正を実行する(ステップ410)。ステップ411で補正を終了する場合は全主軸の同期回転を停止し(ステップ412)、全体の手順が終了する。停止しない場合にはステップ410に戻る。
【0109】
図33に示すように、補正装置12,12a,12bで算出して補正された代表主軸の熱変位は、プログラマブルコントローラ15を介して数値制御装置16に送信され、Z軸サーボモータ82にフィードバックされる。これにより、Z軸サーボモータ82が、主軸頭81をZ軸方向に微小距離移動させて位置補正をする。
主軸冷却装置87(又は、主軸加熱装置90)により、代表主軸と他の主軸との熱変位を略均等にしているので、4個の工作物9a乃至9dを主軸6a乃至6dに装着した工具7a乃至7dにより高精度に同時加工することができる。
【0110】
図37は複数の主軸を有する工作機械の平面構造を含むブロック図で、第5実施例の応用例である。
図示する工作機械は多軸NC旋盤92であり、第4実施例と同様の構造の主軸台66及び主軸69を2組備えている。したがって、このNC旋盤92は多熱源及び多軸を有していることになる。
ベッド93上には、2台の主軸台66が並設され、且つ、サドル94がZ軸方向に移動可能に取付けられている。サドル94はZ軸サーボモータ95により往復移動する。
サドル94上には、クロススライド96がX軸方向に移動可能に取付けられており、X軸サーボモータ97により往復移動する。クロススライド96上には、工具98を有するブロック99が複数取付けられている。チャック65等を介して工作物を把持する主軸69が回転することにより、工作物を工具98で切削加工する。
ベッド93には、図34に示す主軸冷却装置87と同様の原理の主軸冷却装置を構成する冷却油供給装置100が設置されている。この主軸冷却装置は、2本の主軸69の温度を個別に調節して、両主軸の熱変位を略均等にするためのものである。
【0111】
両主軸69の前,後の軸受71,72及びビルトインモータ70(図30)の近傍には、冷却油を流して主軸の伸びを抑えるための流路が主軸台66内に形成されている。主軸冷却装置は、図34と同様の配管及び流量調節弁を有しており、各主軸69への流量の調節を個別にできるようになっている。
一方の主軸台66には、センサs1 ,s2 ,s3 が第4実施例と同じように取付けられているので、熱変位補正装置12bにより第4実施例と同様にして熱変位補正がなされる。センサs1 ,s2 ,s3 が取付けられている方の主軸69を代表主軸とし、主軸冷却装置によりこの代表主軸69と他方の主軸69の熱変位を略一致させて、主軸間の熱変位のばらつきをなくしている。
図36に示す手順と同様にして代表主軸の熱変位補正をすれば、代表主軸69と他方の主軸69にそれぞれ把持されている工作物を、各工具98により高精度で同時加工することができる。
なお、第5実施例では代表主軸が1本の場合を示したが、同時加工を行なわない場合には、複数の代表主軸をそれぞれ独立して熱変位補正してもよい。また、ペルチェ効果を応用した冷却装置又は加熱装置を温度調節装置として使用してもよい。
【0112】
ところで、多軸形の従来の工作機械には、発熱による主軸の伸びを少なくするために、多量の冷却油等を各主軸軸受近傍の流路に流して強力に冷却するものもある。この手法は、各主軸の熱変位を物理的に零に近づけることにより、各主軸の熱変位とばらつきとを同時に吸収しようとするものである。
しかしながら、この手法での熱変位の吸収には限界があり、熱変位を+10〔μm〕以下にすることは不可能である。また、多量の冷却油を循環させるので、大容量の冷却装置が必要であり、大量のエネルギが無駄になる。また、強い冷却効果により軸受にひずみが生じて主軸が焼付く虞もある。
これに対して、第5実施例は、各主軸の熱変位を物理的に零に近づけるのではなく、各主軸間の熱変位のばらつきをなくするように、代表主軸と他の主軸の熱変位を略一致させるとともに、代表主軸の熱変位補正を行なっている。したがって、補正後の加工誤差を零に近づけることができ、主軸冷却装置85は小型のもので十分であり、エネルギ消費も少ない。また、冷却効果が弱いので軸受が焼付くこともない。
【0113】
なお、第1乃至第5実施例では繰り返し演算を行なっている。したがって、図1,図2,図18,図29,図37に示すように、前回の演算結果を記憶し、工作機械の電源をオフして再度オンするまでの間の時間も記憶する記憶手段35を、熱変位補正装置12,12a,12bに設けることが好ましい。
記憶手段35は、遅れ温度演算手段34,34a,34b,創成温度演算手段31aとの間でデータの授受を行なうことになる。このようにすれば、電源をオフした場合でも、熱変位補正の演算の経歴が保存されるので繰り返し演算が有効になる。
【0114】
また、ミックス手法と組合せるダミー手法,又はリニアライズ手法と組合せるダミー手法を用いる場合に、工作機械のコラム,ベッド,クロスレール等に別途設けた温度センサにより機体の温度変化を検出してもよい。
なお、本発明における温度検出手段としては温度センサの代わりに、温度変化による機体の伸縮を検出するひずみゲージ(Strain gauge)を使用してもよい。即ち、機体の温度変化を温度センサにより直接検出する代りに、温度変化と同様の出力特性を有するひずみゲージを機体に取付ける。そして、このゲージの出力信号をA/D変換器13に入力させれば、実質的に温度変化を検出するのと同じことになり同様の作用効果を奏する。
ところで、各実施例における相関は一定の対応関係があればよく、一次の相関以外の場合でもよい。
【0115】
本発明は、従来のような機体構成部分の長さを使用していないので、機体構造上の長さの制約がなく、また、機体構成部分の長さ測定や回転数を種々変えてデータの実測作業をする必要はない。
したがって、回転数の測定は1回のみでよいことになり、実機を用いた熱変位特性抽出の実測作業が簡略化される。また、機体構成材料の線膨張係数の確認作業も不要である。
【0116】
また、温度センサは任意の位置に取付けてよいので、温度センサの取付位置の制約が緩和されると同時に、少数(例えば、一つの発熱源について1本又は2本)の温度センサのみで熱変位を精度よく見込むことができる自由度の高いものにすることができる。
また、機体の温度に基づいて補正をしており、室温を直接検出していない。したがって、例えば冬季に部屋の扉を開けたり夏季にクーラーを運転するなどして室温が急激に変化しても、室温による影響がなくなり、補正の精度を高精度に維持することができる。
また、本発明の熱変位補正方法及びその装置は、熱変位が機械の精度や性能に悪影響を与える他の種類の機械、例えば印刷機械,プレス,レーザ加工機等の自動制御機械に適用しても、同様の作用効果を奏する。この自動制御機械は、NC装置等の自動制御装置によって制御されている。
なお、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【0117】
【発明の効果】
本発明は、上述のように時定数の概念を用いて、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出し、この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算し、この合成温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補正するように構成したので、合成温度変化と熱変位はリニアな相関になって、合成温度変化から熱変位を容易に見積もることが可能になり、熱変位に対する補正を高精度で行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示すブロック図である。
【図2】本発明の第2実施例を示すブロック図である。
【図3】第1実施例の動作を示すフローチャートである。
【図4】第2実施例の動作を示すフローチャートである。
【図5】Z軸熱変位の経時変化を示すグラフである。
【図6】ノーズ位置とヘッド位置でそれぞれ検出された温度の温度変化と、合成温度変化を示すグラフである。
【図7】ノーズ温度変化とZ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図8】ヘッド温度変化とZ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図9】合成温度変化に対するZ軸熱変位を示すグラフである。
【図10】遅れ温度変化を演算する手法を説明するグラフである。
【図11】温度変化から遅れ応答成分を演算する手法を示すグラフである。
【図12】演算されたZ軸熱変位と実測されたZ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図13】遅れ温度変化に対するZ軸熱変位を示すグラフである。
【図14】Z軸熱変位の実測データを示すグラフである。
【図15】Z軸熱変位の他の実測データを示すグラフである。
【図16】Y軸熱変位の実測データを示すグラフである。
【図17】Y軸熱変位の他の実測データを示すグラフである。
【図18】本発明の第3実施例を示すブロック図である。
【図19】第3実施例の動作を示すフローチャートである。
【図20】サンプル温度変化及びZ軸熱変位を示すグラフである。
【図21】サンプル温度変化とZ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図22】サンプル温度変化及び温度変化“A,B”を示すグラフである。
【図23】サンプル温度変化,温度変化“A,B”,及び創成温度変化を示すグラフである。
【図24】創成温度変化とZ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図25】Z軸熱変位が遅れ応答成分を含んでいる場合の、創成温度変化とZ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図26】サンプル温度変化,遅れ温度変化,及び創成した遅れ温度変化を示すグラフである。
【図27】遅れ温度変化と遅れ応答成分との関係を示すグラフである。
【図28】創成温度変化及び遅れ温度変化から見積もった熱変位と、Z軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図29】第4実施例を示すブロック図である。
【図30】NC旋盤の主軸台の断面図である。
【図31】各発熱源のZ軸熱変位を示すグラフである。
【図32】Z軸熱変位の実測データを示すグラフである。
【図33】第5実施例を示すブロック図である。
【図34】主軸冷却装置の説明図である。
【図35】主軸加熱装置の説明図である。
【図36】第5実施例の動作を示すフローチャートである。
【図37】第5実施例の応用例を示す図で、複数の主軸を有する工作機械の平面構造を含むブロック図である。
【符号の説明】
1,1a,75  立形マシニングセンタ(工作機械)
5,5a,81  主軸頭
6,6a乃至6d,69  主軸
7,7a乃至7d,98  工具
9,9a乃至9d,68  工作物
10,66,86     機体
12,12a,12b   熱変位補正装置
20  主軸受
21  ビルトインモータ
22  上部軸受(他の軸受)
31  合成温度演算手段(温度演算手段)
31a 創成温度演算手段(温度演算手段)
32  熱変位演算手段
33  補正手段
34  遅れ温度演算手段(温度演算手段)
34a 第1の遅れ温度演算手段(温度演算手段)
34b 第2の遅れ温度演算手段(温度演算手段)
64  NC旋盤(工作機械)
66  主軸台
70  ビルトインモータ
71  前軸受
72  後軸受
92  多軸NC旋盤(工作機械)
1   中心軸方向
1   ノーズ温度センサ(温度検出手段)
2   ヘッド温度センサ(温度検出手段)
3   温度センサ(温度検出手段)
1 乃至s3  温度センサ(温度検出手段)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and a device for correcting thermal displacement of a machine tool.
[0002]
[Prior art]
A machine tool has a heat source in each part of a machine body. For example, there are many heat sources such as rolling friction heat of a bearing of a main shaft and heat generated from a cutting portion. These heats are conducted to each part of the machine body to deform the machine body, and the deformation of the machine body has a great influence on the processing accuracy.
Therefore, various correction methods and devices have been proposed in which the thermal displacement of the airframe due to these various causes is predicted, and the error due to the thermal displacement is fed back to the servo system for correction.
[0003]
In a machine tool having such a correction function, it is important how to accurately estimate thermal displacement accompanying the operation of the machine, and various attempts have been made for that purpose. For example, there is a type in which thermal displacement is predicted from operating conditions such as the number of revolutions of the main shaft, or a type in which thermal displacement is directly detected by a displacement sensor incorporated in the body.
The present applicant has proposed in Japanese Patent Publication No. Hei 6-22779 and Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 3-79256 a thermal displacement correction method for a machine tool that calculates a thermal displacement from a body temperature. The calculation of the thermal displacement in this method is basically based on the principle of the following equation (1).
ΔL = L × linear expansion coefficient × temperature change (1)
Here, ΔL: thermal displacement of the body components
L: Length of airframe components
It is.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. Hei 6-22779
[Patent Document 2]
JP-A-3-79256
[Patent Document 3]
JP-A-58-109250
[Patent Document 4]
JP-A-60-9634
[Patent Document 5]
JP-A-5-84628
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The limit of the processing accuracy after correction in the conventional technique is about 20 to 30 [μm]. However, in recent years, machine tool users generally demand that the accuracy after correction be suppressed to a processing error of 10 [μm] or less. This is because it is necessary to process a new material such as a ceramic material, or a more miniaturized workpiece or the like with high precision.
[0006]
Further, in the above calculation method, the length L of the component is estimated from the configuration of the machine body, and the temperature change is detected from the center position of the length L, so that the mounting position of the temperature sensor is limited. Furthermore, in order to accurately predict thermal displacement, it is necessary to divide the body into small components, and a large number of temperature sensors are required to calculate a temperature change in each portion. In addition, it was necessary to measure the length L of the fuselage component and check the linear expansion coefficient of each fuselage component.
These have been obstacles to mounting a thermal displacement correction device for a machine tool that calculates thermal displacement from the temperature of the machine.
[0007]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-109250 discloses a method of controlling the temperature of cooling air by using a metal piece that is thermally similar to a machine tool and assuming the temperature to be a temperature representative of the machine tool. Accordingly, a thermal displacement compensating device for compensating for thermal displacement of a machine tool has been proposed. However, in this case, a thermally similar metal piece had to be separately prepared.
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-9634 proposes a thermal displacement compensator using a temperature sensor having a thermal time constant adapted to the Y-axis thermal displacement characteristics. However, in this correction device, details of a temperature sensor having a thermal time constant matched to the characteristics of thermal displacement are not disclosed.
[0008]
By the way, in the case of a machine tool having a plurality of spindles, the extension of each spindle due to variations in the preload applied to the bearings of the spindle, differences in how the temperature is transmitted depending on the mounting location of the spindle, and the state of bearing lubrication, etc. Often there are differences.
Therefore, for example, after a plurality of workpieces attached to the main spindle are simultaneously rough-finished to the same shape, the number of main spindles used in the finishing is limited to one, and the other main spindles are stopped. Thus, heat generation of the spindle is suppressed, and thermal displacement correction is performed by paying attention only to thermal deformation of the spindle to be used, and finishing is performed. In this case, in order to prevent the tool held by the stopped spindle from interfering with the workpiece, it is necessary to remove the stopped tool in advance. Therefore, the work efficiency of the finishing process was extremely poor.
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-84628 proposes a thermal displacement correcting device for a machine tool having a plurality of spindles. However, there is a limit to the thermal displacement correction by this correction device, and it has been difficult to make the processing error after correction as close to zero as possible.
[0009]
The present invention has been made in order to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a method and a device for correcting a thermal displacement of a machine tool, which can highly accurately correct a processing error caused by heat. .
Another object of the present invention is to eliminate the need for measuring the length of a body component of a machine tool and for confirming the linear expansion coefficient of the body component material, and for measuring the thermal displacement characteristics using an actual machine. Is to simplify.
Still another object of the present invention is to provide a method of correcting a thermal displacement of a machine tool having a high degree of freedom, which can greatly reduce a restriction on a mounting position of a temperature sensor and can accurately estimate a thermal displacement with a small number of temperature sensors. It is to provide the device.
Still another object of the present invention is to simultaneously process a plurality of workpieces with high accuracy and greatly improve work efficiency in a case of a machine tool having a plurality of spindles.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention detects a thermal displacement due to elongation in a predetermined axial direction or a thermal displacement due to inclination of a main shaft when an arbitrary main shaft rotation speed is given to a machine tool, and at the same time, detects a temperature of an appropriate portion of a machine body. The change is detected by a temperature sensor.
If this temperature change and the thermal displacement are the same in a time series, the temperature change and the thermal displacement are simply linearly correlated, so it is assumed that the thermal displacement can be easily estimated from the temperature change. ing.
However, the time constant of the temperature change detected from an appropriate part of the body is not necessarily the same as the time constant of the thermal displacement in the predetermined axial direction. Therefore, there is a need for a method of appropriately processing the data of the temperature change to match the time constant of the thermal displacement.
Therefore, the thermal displacement correction method according to the present invention detects a temperature change of the machine body affected by the heat source, and uses the detected temperature change to set a time constant substantially equal to the time constant of the thermal displacement of the machine tool. The calculated temperature change is calculated, and the processing error is corrected based on the calculated thermal displacement obtained by using a function that determines the relationship between the calculated temperature change and the thermal displacement.
The “thermal displacement of a machine tool” is ideally a thermal displacement at a processing point by a tool, but in reality, for example, an appropriate one of a spindle tip or a test bar temporarily attached to the spindle tip. Thermal displacement at a point.
A thermal displacement correction device for realizing the correction method includes: a temperature detection unit configured to detect a temperature change of a body affected by a heat source; and a temperature change unit that detects a temperature change detected by the temperature detection unit. Temperature calculating means for calculating a temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement of the machine; and a thermal displacement using a function which determines the relationship between the temperature change and the thermal displacement calculated by the temperature calculating means. And a correction means for correcting a processing error based on the thermal displacement calculated by the thermal displacement calculation means.
[0011]
As an example of a data processing method for matching the detected temperature change data with the time constant of the thermal displacement, a “mixing method” and a “dummy method” are used.
In the mixing method, first, a thermal displacement when an arbitrary spindle speed is given to a machine tool is detected. At the same time, a temperature change at a portion having a time constant of a temperature change smaller than the time constant of the thermal displacement and a temperature at a portion having a time constant of a temperature change larger than the time constant of the thermal displacement are detected. Then, these at least two temperature changes having different time constants are combined to create a combined temperature change having the same time constant as the thermal displacement time constant.
In the mixing method, when creating the synthetic temperature change, a plurality of synthetic temperature changes are once created, and the plurality of synthetic temperature changes are further combined to have a time constant substantially equal to the time constant of thermal displacement. Synthetic temperature changes may be created.
By the way, in the mixing method, when creating the synthetic temperature change, data obtained from the temperature sensor every moment is directly used as the temperature data. Therefore, although the accuracy of the synthesized temperature change is highly reliable, only the time constant of the thermal displacement located between the time constants of the respective temperature changes can be synthesized.
[0012]
On the other hand, the dummy method detects thermal displacement when a machine tool is given an arbitrary spindle rotation speed, and at the same time, detects a temperature change at an appropriate point having a time constant of a temperature change smaller than the time constant of the thermal displacement. To detect. In this method, an imaginary delayed temperature change having a time constant substantially equal to the time constant of the thermal displacement appearing later than the detected temperature change is created by a repetitive calculation that allows for a delay in the temperature change.
In the dummy method, when the delay temperature change is created, another delay temperature change is once created, and a further delay in the delay temperature change is anticipated. Temperature changes may be created.
As described above, in the dummy method, the delay temperature change is calculated by a repetitive calculation that allows for a delay in the temperature change. Therefore, while the operation formula is simple, it is a rough approximation calculation, and the reliability of accuracy is slightly lacking.
[0013]
The linear correlation between the generated temperature change and the thermal displacement, which have the same time constant as the thermal displacement of the machine tool, is due to the effect that the heat generated at the head of the spindle accompanying the rotation of the spindle is transmitted to the column, or other heat sources such as room temperature. May gradually break down due to the delayed response component of the thermal displacement due to the influence of the above.
Therefore, in order to maintain the linear correlation between the generated temperature change and the thermal displacement for a long time, the thermal displacement estimated by the temperature change created by the mixing method or the dummy method is delayed by the delayed response of the gradually appearing thermal displacement. The estimation is performed by adding the components.
For example, using the temperature data detected from at least two points where the temperature constants differ from each other under the influence of the heat source, a synthetic temperature change is created by a mixing method, and a linear correlation between the synthetic temperature change and The resulting thermal displacement is calculated. Then, using the temperature data detected from one of the previous temperature data or a separately detected relatively gentle temperature change, a delay correlation between the temperature change and the delay temperature change created with sufficient delay can be obtained. Calculate the delay response component of the displacement.
Estimation of the thermal displacement due to a temperature change created by a combination method of the mixing method and the dummy method is preferable because the reliability of the accuracy increases.
In addition, a first delay temperature change is created by a dummy method using temperature data detected from a place where the temperature near the heat source changes rapidly and greatly, and a heat obtained by a linear correlation with the delay temperature change. Calculate the displacement.
Then, using the previous temperature data or the temperature data detected from a relatively gentle temperature change detected separately, a second correlation between the temperature change and the second delay temperature change, which is created by sufficiently considering the delay of the temperature change, is obtained. The delay response component of the displacement is calculated. The estimation of the thermal displacement due to the temperature change created by the combination method of the dummy method and the dummy method is somewhat less accurate than the estimation by the temperature change created by the combination method of the mix method and the dummy method.
[0014]
For the mixing method and the dummy method, or the method combining the dummy method and the dummy method, a machining center (hereinafter, referred to as MC) using the head of the spindle as a heat source, or a numerically controlled lathe (hereinafter, referred to as MC) having a heat source inside the headstock NC lathe) will be described in detail.
First, in the combination of the mixing method and the dummy method, the MC or the like is operated to detect a thermal displacement when an arbitrary spindle speed is given. At the same time, the temperature change of the body at the nose position having a time constant of the temperature change smaller than the time constant of the thermal displacement and the head position having the time constant of the temperature change larger than the time constant of the thermal displacement are respectively detected. Then, a combined temperature change having the same time constant as the time constant of the thermal displacement is created by the mixing method, and the thermal displacement that changes corresponding to the combined temperature change is calculated.
Further, in the combination of the dummy method and the dummy method, the MC or the like is operated to detect a thermal displacement when an arbitrary spindle speed is given. At the same time, the temperature change of the airframe at the nose position having the time constant of the temperature change smaller than the time constant of the thermal displacement is detected. Then, a lag temperature change having the same time constant as the time constant of the thermal displacement is created by the dummy method, and the thermal displacement that changes corresponding to the lag temperature change is calculated.
Next, in each case of the combination of the mix method and the dummy method and the combination of the dummy method and the dummy method, the following dummy method is further added.
That is, in consideration of the delay in the temperature change detected at the spindle head position such as MC, the actual thermal displacement and the thermal displacement previously calculated using the combined temperature change or the delayed temperature change gradually shift. A lag temperature change having substantially the same aging characteristics as the lag response component of the displacement is generated by repeated calculation. A delay response component that changes in response to the delay temperature change is calculated.
[0015]
The “Linearize” method is an extension of a data processing method that makes the detected temperature change data substantially coincide with the time constant of the thermal displacement, and the present invention also uses this method.
In the linearization method, a thermal displacement when an arbitrary spindle speed is given to a machine tool is detected. At the same time, a temperature change in an appropriate portion of the body that changes its temperature under the influence of the heat generated by the heat source is detected. Using this detected temperature change, a temperature change in the heat source is calculated. Then, using this temperature change of the heat source, a generated temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement is calculated.
In the linearization method, when calculating the generating temperature change, another generating temperature change is once calculated using the temperature change at the heat source, and the generated temperature change is used to calculate the same as the time constant of the thermal displacement. A creation temperature change having a time constant may be calculated.
In the linearization method, it is not always necessary to detect a temperature change at a location having a time constant of a temperature change smaller than the time constant of the thermal displacement. For this reason, although the degree of freedom of the position where the temperature sensor is provided is high, the procedure for calculating the generated temperature change is slightly complicated.
[0016]
In the method combining the linearization method and the dummy method, a thermal displacement when an arbitrary spindle speed is given to the machine tool is detected. At the same time, a temperature change in an appropriate portion of the machine body that changes in temperature under the influence of heat generated by the heat source is detected. Then, a generation temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement is calculated by a linearization method, and a thermal displacement that changes corresponding to the generation temperature change is calculated.
Then, in anticipation of a delay in the detected temperature data or a temperature data detected from a point where a relatively gentle temperature change is detected separately, the actual thermal displacement and the thermal displacement previously calculated using the generated temperature change A delay temperature change having substantially the same aging characteristics as a delay response component of a displacement that gradually shifts is generated by repeated calculation. A delay response component that changes in response to the delay temperature change is calculated.
[0017]
In the mixing method, it is a condition that one of the time constants of the detected temperature change is smaller than the time constant of the thermal displacement. In the dummy method, the time constant of the detected temperature change must be smaller than the time constant of the thermal displacement. Therefore, when estimating the thermal displacement based on the temperature change created by these methods, there is a restriction on the position where the temperature change is detected.
On the other hand, in the linearization method, there is no condition for the magnitude of the time constant of the detected temperature change, and only one detected temperature is required for one heat source. Therefore, the present invention is advantageous for calculating the generating temperature in an MC or NC lathe having a spindle head whose thermal displacement is more sensitive to a temperature change, or in a machine tool having a plurality of heat sources that affect machining accuracy.
For example, an NC lathe includes a spindle that grips a workpiece or a tool, and a headstock that rotatably supports the spindle through a front bearing on a machining position and a rear bearing on a non-machining position that supports the spindle. A built-in motor disposed between the front and rear bearings, built in the headstock, and rotationally driving the spindle.
In the NC lathe, the rear bearing positions the main shaft with respect to the center axis direction, and the front bearing holds the main shaft that expands and contracts due to thermal displacement so as to be slidable in the center axis direction, and serves as a heat source. Three temperature sensors for detecting temperature changes in the vicinity of the front and rear bearings and the built-in motor, respectively, are attached to the headstock.
When the linearization method is applied to a machine tool having such multiple heat sources, a temperature change at each heat source is calculated using a temperature change detected by each temperature sensor. Then, using this temperature change, the respective generated temperature changes having the same time constant as the time constant of the thermal displacement due to the heat generation effect of each heat source are calculated. Each of the generated temperature changes calculated in this way has a linear correlation with the thermal displacement due to the influence of each heat source.
[0018]
With the rotation of the spindle of the machine tool, heat is generated from a heat source such as a spindle bearing or a spindle drive motor, and this heat is transmitted to the components of the machine body, resulting in a temperature change. Ordinary machine tools mainly use cast iron or steel as a structural material.
Therefore, when there is a temperature change, a thermal displacement proportional to the linear expansion coefficient of these structural materials occurs in each part. The thermal displacement of each of these parts is added to reduce the processing accuracy of the machine tool.
The temperature change accompanying the rotation of the spindle of the machine tool appears earlier in the vicinity of the heat source, but appears more distant from the heat source such as the head (spindle head), the head mounting portion, and the column, and the time change of the temperature change, respectively. The characteristics are different. For this reason, the temperature change and the thermal displacement of an arbitrary portion of the fuselage are not usually directly linked.
[0019]
However, the time series data of the thermal displacement when an arbitrary spindle speed is given to the machine tool, and the time series data of the temperature change detected from an appropriate part of the machine body affected by the heat generated by the heat source are approximated. By applying the step input response function of a single first-order lag element, it is possible to extract the time constant until the change is saturated. The balance between the time constant of the thermal displacement and the time constant of the temperature change is representative of the thermal characteristics of the machine tool which are common over a wide range of the spindle speed.
Therefore, a method of appropriately processing the data of the temperature change and calculating a generated temperature change having a time constant substantially matching the time constant of the thermal displacement is used. Then, since a linear correlation is established between the generated temperature change and the thermal displacement, it is possible to indirectly fairly accurately estimate the thermal displacement from the temperature change.
Assuming that the thermal displacement phenomenon is an action due to a temperature change of a single first-order lag element, a thermal displacement estimation error occurs due to a difference from the complexity of the actual airframe configuration. Therefore, the same operation can be repeatedly applied by approximating the error component as an effect due to a temperature change of a single different first-order lag element.
Therefore, the thermal displacement can be estimated with sufficiently high accuracy from the temperature change data detected from an appropriate portion of the body.
[0020]
Specifically, first, in order to extract the thermal characteristics of the machine tool, a thermal displacement when an arbitrary spindle speed is given in a preliminary test is detected using an electric micrometer or the like. At the same time, a temperature change in an appropriate portion of the body, which changes its temperature under the influence of heat generated by the heat source, is detected using a thermistor temperature sensor or the like.
Next, the time constant data is extracted by applying a step input response function of a first-order lag element to each time-series data until the change is substantially saturated. Using this temperature change data, select one of the mixing method, dummy method, linearization method, or a combination of these methods, which is prepared to create a temperature change having the same time constant as the thermal displacement time constant. Then, the coefficients of the temperature conversion formula determined in each method are calculated.
When the temperature conversion equation in the selected method is rewritten by giving the time series data of the previous temperature change, the generated temperature change has the same time constant as the thermal deformation. A linear correlation is established between the generated temperature change and the previous thermal deformation data, and the slope becomes a proportional constant for calculating the thermal displacement from the generated temperature change.
In the thermal displacement correction at the time of machine operation, the data of the temperature change detected from time to time from the point where the temperature change was previously detected is converted from time to time to the creation temperature change using the temperature conversion formula in the previously selected method. . Next, this generated temperature change is multiplied by the previously calculated proportionality constant to determine the thermal displacement to be corrected.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As described above, the method for correcting thermal displacement of a machine tool according to the embodiment of the present invention detects a temperature change of a machine body affected by a heat source, and uses the detected temperature change to determine a thermal displacement of the machine tool. A temperature change having substantially the same time constant as the time constant is calculated, a thermal displacement that changes in accordance with the calculated temperature change is calculated, and a temperature change in an appropriate portion of the body is detected. In anticipation of a delay in the temperature change, a delay temperature change having substantially the same aging characteristic as a delay response component in which the thermal displacement of the machine tool and the calculated thermal displacement gradually shift is calculated. The processing error is corrected based on the total value obtained by adding the delay response component that changes correspondingly to the calculated thermal displacement.
The method for correcting thermal displacement of a machine tool according to another embodiment includes detecting a temperature change of an airframe at at least two places where temperature changes with time constants different from each other under the influence of a heat source, and detecting each detected temperature change. Are combined to calculate a combined temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement of the machine tool, and the processing error is corrected based on the thermal displacement that changes in response to the combined temperature change.
Further, the method for correcting thermal displacement of a machine tool according to another embodiment detects a temperature change of a machine body near a heat source, anticipates a delay in the detected temperature change, and compares a time constant of a thermal displacement of the machine tool with a time constant. A delay temperature change having substantially the same time constant is calculated, and a processing error is corrected based on a thermal displacement that changes in response to the delay temperature change.
In addition, the method for correcting thermal displacement of a machine tool according to another embodiment detects temperature changes of a body at least at two locations where temperature changes are different from each other under the influence of a heat source, and each of the detected temperature changes is detected. By combining the temperature changes, a combined temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement of the machine tool is calculated, and a thermal displacement that changes corresponding to the combined temperature change is calculated, and an appropriate portion of the machine body is calculated. The temperature change of the machine tool is detected, and the delay having the same time-dependent characteristic as the delay response component in which the thermal displacement of the machine tool and the calculated thermal displacement are gradually shifted in anticipation of a delay in the detected temperature change. A temperature change is calculated, and a processing error is corrected based on a total value obtained by adding a delay response component that changes according to the delay temperature change to the calculated thermal displacement.
Further, the method for correcting thermal displacement of a machine tool according to another embodiment detects a temperature change of a machine body near a heat source, anticipates a delay in the detected temperature change, and compares a time constant of a thermal displacement of the machine tool with a time constant. A first delay temperature change having substantially the same time constant is calculated, a thermal displacement that changes corresponding to the first delay temperature change is calculated, and a temperature change at an appropriate portion of the body is detected. In anticipation of a delay in the temperature change, a second delay temperature change having substantially the same aging characteristic as a delay response component in which the thermal displacement of the machine tool and the calculated thermal displacement gradually shift is calculated. The processing error is corrected based on a total value obtained by adding a delay response component that changes in response to the second delay temperature change to the calculated thermal displacement.
In order to realize the method, the thermal displacement correction device for a machine tool according to the embodiment includes a temperature detecting unit that detects a temperature change of a body affected by a heat source, and a temperature change detected by the temperature detecting unit. A temperature calculating means for calculating a temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement of the machine tool, and calculating a thermal displacement changing corresponding to the temperature change calculated by the temperature calculating means. A thermal displacement calculating means, a temperature detecting means for separately detecting a temperature change in an appropriate portion of the machine as needed, and a delay in the temperature change detected by any one of the temperature detecting means, A delay temperature calculating means for calculating a delay temperature change having substantially the same aging characteristics as a delay response component in which the thermal displacement of the thermal displacement and the output of the thermal displacement calculating means gradually shift, and the thermal displacement calculating means A delay response component that changes in response to a change in temperature is calculated, and the delay response component is added to the calculated thermal displacement to calculate a total value. The error has been corrected.
A thermal displacement compensating device for a machine tool according to another embodiment includes a temperature detecting unit that detects temperature changes of an airframe at at least two places where the temperature changes with time constants different from each other under the influence of a heat source; Means for calculating a combined temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement in the predetermined axial direction by combining the respective temperature changes detected by the means; and calculating by the combined temperature calculation means. A thermal displacement calculating means for calculating a thermal displacement that changes in accordance with the combined temperature change; and a correcting means for correcting a processing error based on the thermal displacement in the predetermined axial direction calculated by the thermal displacement calculating means. It has.
In addition, the thermal displacement correction device for a machine tool according to another embodiment includes a temperature detection unit that detects a temperature change of a body near a heat source, and in anticipation of a delay in the temperature change detected by the temperature detection unit, A delay temperature calculating means for calculating a delay temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement in the predetermined axial direction; and a thermal displacement changing corresponding to the delay temperature change calculated by the delay temperature calculation means. Thermal displacement calculating means for calculating, and correcting means for correcting a processing error based on the thermal displacement in the predetermined axial direction calculated by the thermal displacement calculating means.
In addition, a thermal displacement correction device for a machine tool according to another embodiment includes a temperature detecting unit that detects a temperature change of an airframe at at least two places where temperature changes are performed with different time constants under the influence of a heat source. Combining temperature change detected by the temperature detecting means to calculate a combined temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement in the predetermined axial direction; and calculating the combined temperature change by the combined temperature calculating means. A thermal displacement calculating means for calculating a thermal displacement that changes in response to the synthesized temperature change, a temperature detecting means for separately detecting a temperature change in an appropriate portion of the airframe as needed, and any one of the temperature detections In view of the delay in the temperature change detected by the means, the delay temperature change having substantially the same aging characteristic as the delay response component in which the thermal displacement in the predetermined axial direction and the output of the thermal displacement calculating means gradually shift. And a delay temperature calculating means for calculating a delay response component that changes in response to the delay temperature change, and adding the delay response component to the calculated thermal displacement. Then, a total value is calculated, and a processing error is corrected by the correction means based on the total value.
In addition, the thermal displacement correction device for a machine tool according to another embodiment includes a temperature detection unit that detects a temperature change of a body near a heat source, and in anticipation of a delay in the temperature change detected by the temperature detection unit, A first delay temperature calculating means for calculating a delay temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement in the predetermined axial direction; and a delay temperature change means for calculating the delay temperature change calculated by the first delay temperature calculation means. A thermal displacement calculating means for calculating a thermal displacement that changes with the temperature change, a temperature detecting means for separately detecting a temperature change of an appropriate portion of the body as needed, and a temperature change detected by any one of the temperature detecting means. Second delay temperature calculating means for calculating a delay temperature change having substantially the same aging characteristics as a delay response component in which the thermal displacement in the predetermined axial direction and the output of the thermal displacement calculating means gradually shift in anticipation of the delay. Comprising the above, The displacement calculating means calculates a delay response component that changes in accordance with the delay temperature change calculated by the second delay temperature calculating means, and adds the delay response component to the calculated thermal displacement. The total value is calculated based on the total value, and the processing means corrects the processing error based on the total value.
In the method and the apparatus for correcting thermal displacement, it is preferable that the machine tool is one of a machining center using a spindle head as the heat source and an NC lathe using a headstock as the heat source.
Further, in the thermal displacement correction method and the apparatus, the machine tool may include a main shaft that holds one of a workpiece and a tool, a main bearing that supports the main shaft on a processing position side, and a main shaft that supports the main shaft. A spindle head rotatably supporting the spindle via the bearings, and a built-in motor disposed between the two bearings and built in the spindle head to rotationally drive the spindle. The main shaft is positioned with respect to the center axis direction, the other bearing holds the main shaft which expands and contracts due to thermal displacement so as to be slidable in the center axis direction, and the temperature change at a head position affected by the heat source. It is preferable that a head temperature sensor for detecting the temperature is mounted on the spindle head.
In the thermal displacement correction method and the apparatus, the machine tool may include a main spindle that holds one of a workpiece and a tool, a front bearing that supports the main spindle, and a rear bearing that is opposite to the machining position. A headstock rotatably supporting the spindle via a bearing; and a built-in motor disposed between the front and rear bearings and built in the headstock to rotationally drive the spindle. The bearing positions the main shaft with respect to the center axis direction, the front bearing holds the main shaft which expands and contracts due to thermal displacement so as to be slidable in the center axis direction, and the front and rear bearings serving as the heat source are provided. It is preferable that three temperature sensors for detecting a temperature change near each of the built-in motors are attached to the headstock.
Further, in the thermal displacement correction method and the apparatus, a plurality of spindles that grip one of a workpiece and a tool and rotate in synchronization with the spindle head are provided, and a heat generation characteristic accompanying the rotation of the plurality of spindles is provided. The difference is controlled by controlling the amount of cooling oil flowing through the jacket provided at the nose portion of each spindle or the temperature of the cooling oil, or controlling the amount of electricity supplied to the heater provided at the nose portion of each spindle to achieve uniform thermal displacement. Preferably, at least one of the spindles is used as the heat source.
In the method and the apparatus for correcting thermal displacement, it is preferable that the temperature change is calculated by subtracting a reference temperature from a detected temperature.
[0022]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(First and second embodiments)
FIGS. 1 to 17 are diagrams for explaining the first and second embodiments of the present invention.
For example, the numerical control (NC) machine tool shown in FIG. 1 is a vertical machining center (MC) 1, but may be another type of NC machine tool other than the MC. A column 3 is provided upright on the bed 2, and a spindle head 5 is mounted on the column 3 so as to be movable in the Z-axis direction. The column 3 can move on the bed 2 in the Y-axis direction.
A spindle 6 is provided on the spindle head 5 in the Z-axis direction, and a tool 7 is mounted on a tip of the spindle 6. The spindle 6 is driven to rotate by a spindle motor 4 attached to the spindle head 5. A workpiece 9 placed on a table 8 provided on the bed 2 is cut by a tool 7. The table 8 moves on the bed 2 in the X-axis direction.
The axis direction of the main shaft 6 is defined as a Z-axis, and directions orthogonal to the Z-axis are defined as an X-axis and a Y-axis.
The MC 1 is provided with a temperature detecting means for detecting a temperature change of the body 10. In the first embodiment, a nose temperature sensor S for detecting the temperature at the nose position of the spindle head 5 at the front end side of the spindle.1And a head temperature sensor S arranged at an arbitrary position away from the nose position to detect the temperature of the spindle head 52Are respectively attached. Temperature sensor S as temperature detecting means1, S2May be any type, but a thermistor temperature sensor that is strong against disturbance is desirable.
Nose temperature sensor S1Is close to the main bearing of the main shaft 6, which is a main heat source, so that a temperature change appears immediately, and the time constant is small. On the other hand, the head temperature sensor S2Since is farther from the main bearing, the temperature change appears slowly, and thus the time constant is large.
In the second embodiment, the nose temperature sensor S1And a temperature sensor S as temperature detecting means for detecting the temperature of a portion where the influence of the heat generated by the heat source slowly affects the body 10.3, Respectively.
[0023]
Here, the principle of the thermal displacement correction in the present invention will be described.
According to the present invention, the thermal displacement in each of the X, Y, and Z axial directions can be corrected. For example, in the X axis direction, the column 3 and the spindle head 5 have a symmetrical structure with respect to the X axis. Therefore, correction in the X-axis direction is not normally necessary. In the following description, an example will be described in which correction is mainly performed in the Z-axis direction among the Y-axis and Z-axis.
[0024]
The equation for calculating the thermal displacement in the Z-axis direction is given by the following equation.
ΔZ = a · (ΔZ1+ ΔZ2) ... (2)
Here, ΔZ: Z-axis thermal displacement
a: Overall correction coefficient
(The coefficient “a” is a coefficient for correcting the difference between the result of the operation formula (2) and the actual accuracy)
ΔZ1: Immediate response component of Z-axis thermal displacement
ΔZ2: Delay response component of Z-axis thermal displacement
It is.
[0025]
That is, the arithmetic expression (2) is an immediate response component ΔZ for which the thermal displacement can be immediately predicted from the temperature change.1And a delay response component ΔZ in which thermal displacement appears with a delay2And The temperature change is calculated as a temperature difference obtained by subtracting the reference temperature from the temperature detected and output by each temperature sensor.
As the reference temperature, the output of the first temperature sensor when the power of the MC1 is turned on, the average value of the outputs obtained by adding the outputs a plurality of times, or an absolute reference such as 20 [° C.] is used. The reference temperature for each temperature sensor is stored in the RAM 11.
By the way, when the temperature change in the environment where the machine tool is installed is relatively slow, the thermal deformation of the entire machine tool due to the change in room temperature changes to a substantially similar shape including the tool and the workpiece. That is, since processing error does not occur with such a slow change in room temperature, a prediction of thermal deformation based on a temperature change including the room temperature change is different from actual thermal deformation.
Therefore, in this case, the instantaneous temperature detected by a temperature sensor separately provided on a bed or the like of the machine tool is adopted as a reference temperature, and the temperature obtained by subtracting this reference temperature from the temperature output from each temperature sensor is used as the temperature. Use as a change. In this way, accurate thermal displacement correction can be performed even when there is a change in room temperature.
[0026]
It should be noted that the present invention provides an immediate response component ΔZ as shown in equation (3).1It is also possible to use an arithmetic expression based only on the above. Or, as shown in equation (4), the delay response component ΔZ2It is also possible to use an arithmetic expression based only on the above.
ΔZ = a · ΔZ1…… (3)
ΔZ = a · ΔZ2…… (4)
[0027]
Instant response component ΔZ1Is calculated by the following equation.
ΔZ1= B · ΔT1+ C · ΔT2…… (5)
Where ΔT1: Temperature sensor S1Temperature change obtained by subtracting the reference temperature from the output of [° C]
ΔT2: Temperature sensor S2Temperature change obtained by subtracting the reference temperature from the output of [° C]
b: Internal correction coefficient [± μm / ° C]
c: Internal correction coefficient [± μm / ° C]
It is.
[0028]
Equation (5) used in the first embodiment is an equation for calculating the thermal displacement of the body 10 based on the outputs of the temperature sensors installed at two places. And the nose temperature sensor S1Temperature change ΔT calculated from the temperature detected in step1And the head temperature sensor S2Temperature change ΔT calculated from the temperature detected in step2From the immediate response component ΔZ1Is calculated.
Note that the immediate response component ΔZ1In the calculation of (1), at least two places for installing the temperature sensor are required, but they are added as appropriate according to the number of heat sources. The temperature sensor may be installed at a location other than the nose position and the head position as long as the location is affected by the heat generated by the heat source.
[0029]
On the other hand, the delay response component ΔZ2Is calculated as follows.
ΔZ2= EY1+ FY2…… (6)
Here, e: internal correction coefficient [± μm / ° C.]
f: Internal correction coefficient [± μm / ° C]
Y1: First delay temperature change [° C]
Y2: Second delay temperature change [° C]
It is.
Equation (6) is an equation for calculating the thermal displacement of the body 10 based on the first and second delay temperature changes.
[0030]
In the first embodiment, since there is only one delay temperature change, the value of the internal correction coefficient f becomes zero. Then, the head temperature sensor S2Temperature change ΔT of the temperature detected at2Delay temperature change Y calculated with the delay taken into account1From the delay response component ΔZ2Is calculated.
In the second embodiment, two delay temperature changes are used. Nose temperature sensor S1Temperature change ΔT of the temperature detected at1First delay temperature change Y calculated with a delay taken into account1And the column temperature sensor S3Temperature change ΔT of the temperature detected at2Delay temperature change Y calculated with the delay taken into account2From the above, the delay response component ΔZ2Is calculated.
Note that the delay response component ΔZ2The temperature information used in the calculation of (1) may be one or two, but is appropriately added according to the number of heat sources.
[0031]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.
As shown, each temperature sensor S1, S2Are input to the A / D converter 13 of the thermal displacement compensator 12 via the circuits 36 and 37, and the input analog signal is converted into a digital signal here. The digital signal from the A / D converter 13 is input to the operation storage unit 14, where the thermal displacement is calculated.
The processing error is corrected by the correction means 33 based on the calculated thermal displacement. The output signal of the correction means 33 is transmitted to the numerical controller 16 via the programmable controller 15 and fed back to the servo system to correct the position.
That is, the correction unit 33 outputs the calculation result to an external offset unit that externally applies an offset to the movement command value of the numerical controller 16. As a result, for example, the origin position of the rectangular coordinate system is offset, and the numerical controller 16 controls the trajectory of the tool 7 of the MC 1.
Note that the programmable controller 15 manages the operation sequence of the MC 1 in response to a command from the numerical controller 16.
[0032]
Each temperature sensor S1, S2Is calculated by the operation storage unit 14 via the A / D converter 13 and the temperature sensor S in the RAM 111, S2The data is written to the memory address specified for. Further, each temperature sensor S1, S2Stored temperature data sampled at regular intervals. This temperature data is displayed on the display of the numerical controller 16.
The ROM 17 stores a program for calculating the thermal displacement according to the present invention, a correction coefficient, and the like. The clock 18 is a normal clock, and each of the temperature sensors S1, S2Is to determine the detection time.
[0033]
The thermal displacement correction device 12 includes a temperature sensor S1, S2A virtual position P having substantially the same time constant as the time constant of thermal displacement using the temperature change of the temperature detected at1, And an immediate response component ΔZ that changes in response to the combined temperature change calculated by the combined temperature calculating unit 31.1That is, there are provided a thermal displacement calculating means 32 for calculating a thermal displacement, and a correcting means 33 for correcting a processing error based on the thermal displacement calculated by the thermal displacement calculating means 32.
[0034]
As a preferred embodiment, the thermal displacement compensator 12 of the first embodiment includes a temperature sensor S2Further, there is further provided a delay temperature calculating means 34 for calculating a delay temperature change appearing later than the temperature change of the temperature detected in consideration of the delay in the temperature change.
The thermal displacement calculator 32 calculates a delay response component ΔZ that changes in response to the delay temperature change calculated by the delay temperature calculator 34.2Is calculated, and this delayed response component is replaced with the immediate response component ΔZ.1Is added to. The correction means 33 performs a calculation for correcting a processing error based on the added total value, that is, the thermal displacement, and outputs the result.
The storage means 35, which simultaneously stores the final calculation result of the delay temperature calculation means 34 and the power-off time of the machine tool, provides compensation when the calculation of the delay temperature is interrupted.
[0035]
Instant response component ΔZ1The thermal displacement correction method of the present invention in which only the above is considered is a method based on Expression (3). Instant response component ΔZ1The immediate response component ΔZ2The thermal displacement correction method based on the equation (2) in consideration of the above is preferable because the correction can be performed with higher accuracy.
[0036]
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention. The thermal displacement correction method of the second embodiment uses the delay response component ΔZ2This is a method based on Expression (4) when only the above is considered.
The thermal displacement compensator 12a according to the second embodiment includes a temperature sensor S1In anticipation of a delay in the temperature change of the temperature detected in, a virtual position P having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement1And a delay response component ΔZ that changes in response to the first delay temperature change calculated by the first delay temperature calculation means 34a.2And a correcting means 33 for correcting a processing error based on the thermal displacement calculated by the thermal displacement calculating means 32.
[0037]
As a preferred mode, the thermal displacement compensator 12a of the second embodiment includes a temperature sensor S installed at a location where the influence of the heat generated by the heat source slowly affects the body 10.3Further, there is provided a second delay temperature calculating means 34b for calculating a delay temperature change appearing later than the temperature change of the temperature detected in the above-mentioned manner in consideration of the delay in the temperature change.
The thermal displacement calculation means 32 calculates a second delay response component that changes in response to the delay temperature change calculated by the second delay temperature calculation means 34b, and uses this second delay response component as the previous delay response component. Component ΔZ2Is added to. The correction means 33 corrects a processing error based on the added value, that is, the thermal displacement, and outputs the result.
In the second embodiment, one temperature sensor S1The thermal displacement can be corrected only by the output of the temperature sensor S.3The thermal displacement correction method taking into account the output of (1) is preferable because the correction can be performed with higher accuracy.
In the second embodiment, description of the same or equivalent functional portions as those in the first embodiment will be omitted.
[0038]
Hereinafter, a specific procedure of the first and second embodiments will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the first embodiment, FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the second embodiment, FIG. 5 is a graph showing the change with time of the Z-axis thermal displacement, and FIG. 4 is a graph showing a temperature change of a synthesized temperature and a synthesized change of a synthesized temperature.
7 is a graph showing the relationship between the nose temperature change and the Z-axis thermal displacement, FIG. 8 is a graph showing the relationship between the head temperature change and the Z-axis thermal displacement, and FIG. 9 is a graph showing the Z-axis thermal displacement with respect to the combined temperature change. It is.
FIG. 10 is a graph illustrating a method of calculating a delay temperature change, FIG. 11 is a graph illustrating a method of calculating a delay response component from a temperature change, and FIG. 12 is a calculated Z-axis thermal displacement and an actually measured Z-axis thermal displacement. FIG. 13 is a graph showing the Z-axis thermal displacement with respect to the delayed temperature change.
[0039]
In the first embodiment, first, the time constant of the thermal displacement in the MC1, for example, in the Z-axis direction is calculated in advance based on the data in FIG. The horizontal axis in FIG. 5 is time, and the vertical axis is thermal displacement in the Z-axis direction. When calculating the time constant of the thermal displacement in the Z-axis direction, MC1 is set to the spindle rotational speed S (for example, S = 10,000 [min]-1]) To operate continuously. Then, the thermal displacement in the Z-axis direction at the tip of the spindle 6 or at an appropriate place of the test bar temporarily attached to the tip of the spindle is actually measured as time-series data 39.
In the case where the main shaft is tilted due to heat generation, it is preferable to actually measure the thermal displacement at, for example, the root portion and the tip portion of the test bar.
Since the data 39 (marked by “○” in the figure) usually includes the effect of the change in room temperature, the room temperature correction having a saturation value 40 (for example, 43 [μm]) corrected for the effect of the change in room temperature. The data 41 (indicated by “●” in the figure) is calculated.
The “time constant” is “the time required for the output to reach 63.2% of the saturation value when a step-like input is applied in a linear first-order lag system”. Therefore, by applying the step input response function of the first-order lag element to the room temperature correction data 41 by the least square method, the thermal displacement time constant τ in the Z-axis directionz(For example, τz= 0.57 [h]).
[0040]
Further, the nose temperature sensor S simultaneously detects the thermal displacement in the Z-axis direction.1And head temperature sensor S2The time constant of each temperature change is calculated based on the data on the temperature change of the temperature detected in step (1). The procedure for calculating the time constant is the same as that for calculating the time constant of the thermal displacement in the Z-axis direction.
The horizontal axis in FIG. 6 is time, and the vertical axis is temperature change. As shown, the nose temperature change T close to the heat sourceNQuickly reaches the saturation temperature change “A” (A = 6.5 [° C.]), and its nose temperature time constant τNIs as small as 0.39 [h].
On the other hand, head temperature change T at a position farther from the heat sourceHChanges its temperature with a delay. Therefore, it takes time to reach the saturation temperature change “B” (B = 3.7 [° C.]), so that the head temperature time constant τHIs as large as 1.31 [h].
[0041]
Next, as shown in FIG. 1 and FIG. 3, the MC 1 is activated to start the cutting of the workpiece 9 by the tool 7 (step 101). The temperatures of the nose position and the head position are detected (step 102), and the detection results are input to the combined temperature calculating means 31.
Next, the nose temperature change TNAnd head temperature change THAnd the time constant τ of the thermal displacement data in the Z-axis direction shown in FIG.ZZ= 0.57 [h]), a virtual temperature change T having the same time constant asZIs calculated.
[0042]
Nose temperature change T when synthesizing synthesis temperatureNAnd head temperature change THEach temperature mixing ratio MNZ, MHZIs calculated by the following equation, for example. The following formula is one example of the mixing method, and there are various other mixing methods. These temperature mixing ratios are values unique to each machine tool, and the values do not change even when the operating conditions such as the spindle rotation speed change. Therefore, the operation of calculating the temperature mixing ratio only needs to be performed once.
Figure 2004042260
Here, k is an arbitrary coefficient (here, k = 10).
[0043]
The time constant τ of the thermal displacement in the Y-axis direction is the same as the procedure shown in FIG.Y= 1.15 [h], the combined temperature change T in the Y-axis direction as shown in FIG.YCan be similarly calculated.
Nose temperature change T in this caseNAnd head temperature change THEach temperature mixing ratio MNY, MHYIs calculated by the following equation.
Figure 2004042260
Here, k is an arbitrary coefficient (here, k = 10).
[0044]
The composite temperature calculating means 31 calculates the temperature mixture ratio M calculated by the equations (7) and (8).NZ, MHZAnd each temperature change TN, THAnd the resultant temperature change TZIs calculated (step 103). Equation (11) is a temperature conversion equation, and MNZ, MHZIs the coefficient.
TZ= MNZ・ TN+ MHZ・ TH= 1.24 × TN+ 0.53 × TH…… (11)
[0045]
The horizontal axis in FIG. 7 is the nose temperature change T.NThe horizontal axis in FIG.H7, and the vertical axis in FIGS. 7 and 8 indicates the thermal displacement in the Z-axis direction. As shown, each temperature change TN, THAnd Z-axis thermal displacement have no correspondence such as proportionality.
[0046]
On the other hand, as shown in FIG.ZAnd a Z-axis thermal displacement, a region having a linear correlation represented by a straight line 42 having an inclination α (α = 3.88) occurs. This slope α is the synthetic temperature change TZInstantaneous response component ΔZ1Is calculated, and the following equation is eventually established.
ΔZ1= Α · TZ… (12)
The thermal displacement calculating means 32 uses the equation (12) to calculate the resultant temperature change TZResponse component ΔZ that changes in response to1Is calculated (step 104).
[0047]
Next, the delay response component ΔZ2Is determined (step 105), and if not, the processing error is corrected by the correction unit 33 based on the result calculated by the thermal displacement calculation unit 32. Specifically, for example, the origin position of the rectangular coordinate system is offset (step 106).
Thereafter, it is determined whether or not the correction is to be terminated (step 107). When the correction is to be terminated, MC1 is stopped (step 108), and the entire procedure is terminated. If the correction is not completed, the process returns to step 102.
[0048]
On the other hand, in the determination of step 105, the delay response component ΔZ2Is considered, the head temperature sensor S2The temperature at the head position detected in step (1) is input to the delay temperature calculating means 34.
Since the column 3 and the like have a large mass and are separated from the main shaft 6 which is a main heat source, the temperature change appears after the head position where the temperature change is delayed. This delayed temperature change is, for example, in the region D where a long time has passed in FIG.ZAn error is given to the linear correlation between the pressure and the Z-axis thermal displacement.
[0049]
There is a “dummy method” as a method of calculating the delay temperature change, and the head temperature change THThe behavior of the delayed temperature change Y that appears even further later is expected by setting the dummy heat capacity C.
Specifically, it is obtained as an approximate solution of the differential equation (13).
C · dY / dt + Y = TH…… (13)
[0050]
The horizontal axis in FIG. 10 indicates time, and the vertical axis indicates the delay temperature change. The following equation is obtained from FIG.
Y = Y0+ (DY0/ Dt + dY / dt) / 2 · Δt (14)
[0051]
From equation (13), dY / dt and dY0When / dt is calculated and substituted into the equation (14), the equation for calculating the delay temperature change Y is the following equation (15). This equation (15) is a temperature conversion equation, and the symbol C corresponds to the coefficient. The delay temperature change calculated by the equation (15) is also a virtual temperature change, and is a kind of the creation temperature change similarly to the synthetic temperature change by the equation (11).
Y = [TH0+ TH+ (C / Δt) · Y0-Y0] / [(C / Δt) +1] (15)
Here, Δt: calculation interval
TH: Head temperature change input
TH0: Previous head temperature change input
Y: Delayed temperature change output
Y0: Previous delay temperature change output
C: Dummy heat capacity
It is.
Since the unit of the delay temperature change output Y is [° C.], the delay response component ΔZ2To calculate, an internal correction coefficient e which means a conversion coefficient between temperature and thermal displacement is used.
ΔZ2= EY ・ (16)
[0052]
In FIG. 11, the horizontal axis is time, the vertical axis from zero on the left is the head temperature change, and the vertical axis from zero on the right is the delay response component. In the drawing, the time series data 43 of the head temperature change, the error 44 obtained by subtracting the value of the vertical axis of the straight line 42 from the Z-axis thermal displacement in FIG. 15) and the calculation result 45 obtained through equation (16) are shown. The error 44 and the calculation result 45 are respectively a delay response component ΔZ2Correspond to actual data and operation data.
In other words, by appropriately selecting the dummy heat capacity C included in the equation (15) and the internal correction coefficient e in the equation (16), the calculated data can be made closer to the actual data, and the best value can be determined. The values of the heat capacity C and the coefficient e determined here are unique values for each machine tool, and the values do not change even when the operating conditions such as the rotation speed of the spindle change, so that this operation may be performed only once.
For example, based on the time series data 43 of the head temperature change, the delay response component ΔZ is repeatedly calculated.2Is calculated, the results in Table 1 are obtained assuming that C = 900 and e = -4. Delay response component ΔZ in Table 12Is a delay response component of the column 3 and the like, and corresponds to an error in the vertical axis direction between the Z-axis thermal displacement and the straight line 42 in FIG.
[0053]
[Table 1]
Figure 2004042260
[0054]
The delay temperature calculating means 34 uses the equation (15) in which the dummy heat capacity C is determined, and calculates the head temperature change THIs calculated (step 109). Next, when this delay temperature change Y is substituted into Expression (16) in which the internal correction coefficient e is determined, the delay response component ΔZ2Is obtained (step 110).
First, using the equation (12), the immediate response component ΔZ1Is calculated, the delay response component ΔZ calculated in this manner is2To the immediate response component ΔZ1To calculate the Z-axis thermal displacement ΔZ (step 111).
[0055]
The vertical axis in FIG. 12 is the same measured Z-axis thermal displacement as that shown in FIG. 5, and the horizontal axis is the temperature sensor S1, S2Is the Z-axis thermal displacement ΔZ estimated through the procedure up to step 111 using the temperature data detected in step (1). In the calculation of the thermal displacement ΔZ, the instantaneous response component ΔZ is set by setting the overall correction coefficient “a” of the equation (2) to 1.1Is developed by the following equations (11) and (12).
ΔZ = 4.8 × TN+ 2.1 × TH+ ΔZ2…… (17)
[0056]
The nose temperature change T of this equation (17)NAnd the head temperature change THThe coefficients of the term correspond to the internal correction coefficients b and c in the above equation (5), respectively, and are calculated by the following equation. The values of these coefficients are obtained by integrating the thermal characteristics of the machine tool when calculating the immediate response component using the temperature detected from the machine body 10.
b = α · MNZ= 3.88 × 1.24 = 4.8 (18)
c = α · MHZ= 3.88 × 0.53 = 2.1 (19)
Further, the delay response component ΔZ of the equation (17)2Uses the results shown in Table 1.
[0057]
In FIG. 12, the actually measured Z-axis thermal displacement on the vertical axis substantially coincides with the value of the Z-axis thermal displacement ΔZ on the horizontal axis obtained by Expression (17) on a straight line 46 having a 45-degree inclination. This means that both values are the same, and therefore, the Z-axis thermal displacement can be predicted with sufficiently high accuracy by calculation using relatively small temperature data detected from the airframe 10.
In this manner, the thermal displacement is corrected by correcting the processing error by the correcting means 33 based on the Z-axis thermal displacement ΔZ calculated in step 111 (step 112), and the workpiece 9 is cut with high precision. Can be processed.
Thereafter, it is determined whether or not the correction has been completed (step 107). When the correction is to be terminated, the MC1 is stopped (step 108), and the entire procedure ends. If the correction is not completed, the process returns to step 102.
[0058]
Next, the procedure of the second embodiment will be described. In the second embodiment, it is not necessary to calculate the time constant of the thermal displacement or the temperature change in advance.
As shown in FIGS. 2 and 4, the MC 1 is activated to start the cutting of the workpiece 9 by the tool 7 (Step 201). The temperature at a first location, for example, the nose position is detected (step 202), and this detection signal is input to the first delay temperature calculating means 34a.
Next, the nose temperature change TNA first delayed temperature change Y having the same time constant as the time constant of the Z-axis thermal displacement appearing later1Behavior of the dummy heat capacity C1Set and expect.
[0059]
By performing the same expansion as the above equations (13) and (14), the first delay temperature change Y1Is calculated by the following equation.
Figure 2004042260
Here, Δt: calculation interval
TN: Nose temperature change input
TNO: Previous nose temperature change input
Y1: First delay temperature change output
Y10: Previous first delay temperature change output
C1: Dummy heat capacity
It is.
[0060]
As shown in FIG. 13, the Z-axis thermal displacement and the first delayed temperature change Y1A region having a linear correlation represented by a straight line 47 having a slope e is generated. This slope e is equal to the first delay temperature change Y1Is a proportionality constant when calculating the Z-axis thermal displacement corresponding to the above equation, and the Z-axis thermal displacement calculated here corresponds to the first term of the equation (6).
The dummy heat capacity C is set such that the result of the repetitive calculation of the first term coincides with the time-series data of the Z-axis thermal displacement shown in FIG.1And the value of the internal correction coefficient e are appropriately selected. Heat capacity C determined here1And the value of the coefficient e are values unique to each machine tool, and this operation may be performed once.
In the first delay temperature calculating means 34a, the dummy heat capacity C1The nose temperature change T is calculated using the equation (20)NLagged temperature change Y corresponding to1Is calculated (step 203).
In the thermal displacement calculating means 32, the delay temperature change Y1Is substituted into the first term of the equation (6) in which the internal correction coefficient e is determined, to calculate a first delay response component (step 204).
[0061]
Next, it is determined whether or not the second delay response component is to be considered (step 205). (Step 206).
Thereafter, it is determined whether or not to end the correction (step 207). If it is to be ended, the MC1 is stopped (step 208), and the entire procedure ends. If the correction is not completed, the process returns to step 202.
[0062]
On the other hand, when the second delay response component is considered in the determination in step 205, the temperature sensor S3And the temperature change T at the second location, eg, the columnCIs detected (step 209) and input to the second delay temperature calculating means 34b.
Temperature change T at column positionCIs the first delayed temperature change Y, for example, in a region D where a long time has passed in FIG.1Gives an error to the linear correlation between the pressure and the Z-axis thermal displacement. By using the above “dummy method” again, the column temperature change TCMore second delay temperature change Y2Behavior of the dummy heat capacity C2Set and expect.
Second delay temperature change Y2Is calculated by the following equation.
Figure 2004042260
Here, Δt: calculation interval
TC: Column temperature change input
TCO: Previous column temperature change input
Y2: Second delay temperature change output
Y20: Previous second delay temperature change output
C2: Dummy heat capacity
It is.
[0063]
Note that this second delay temperature change Y2Corresponds to the second term of the above equation (6) including the conversion coefficient f between the temperature and the thermal displacement.
In FIG. 13, the dummy heat capacity C is set so that the result of the repetitive calculation of the second term matches the error obtained by subtracting the straight line 47 from the Z-axis thermal displacement in FIG.2And the value of the coefficient f are appropriately selected. Heat capacity C determined here2And the value of the coefficient f are values unique to each machine tool, and this operation may be performed once.
In the second delay temperature calculating means 34b, the dummy heat capacity C2Using the equation (21) in which the column temperature change TCDelay temperature change Y corresponding to2Is calculated (step 210). Next, the second delay temperature change Y is added to the second term of the equation (6) in which the internal correction coefficient f is determined.2To calculate a second delay response component (step 211).
The thermal displacement calculating means 32, which has calculated the first delay response component corresponding to the first term of the equation (6), adds the second delay response component calculated in this way to obtain the Z-axis thermal displacement. ΔZ2Is calculated (step 212).
[0064]
Z-axis thermal displacement ΔZ calculated in step 2122By correcting the processing error by the correction means 33 based on the above, the thermal displacement is corrected (step 213), and the workpiece 9 can be processed with high accuracy.
Thereafter, it is determined whether or not the correction has been completed (step 207). When the correction is to be terminated, MC1 is stopped (step 208), and the entire procedure is terminated. If the correction is not completed, the process returns to step 202.
[0065]
14 to 17 show actual measurement data when the MC1 is operated in a real machine.
FIG. 14 is a graph showing data of the Z-axis thermal displacement, FIG. 15 is a graph showing other data of the Z-axis thermal displacement, FIG. 16 is a graph showing data of the Y-axis thermal displacement, and FIG. 6 is a graph showing data of the first embodiment.
In any case, the rotational speed S of the main shaft 6 is S = 10,000 [min].-114 and FIG. 16 show the case of continuous operation. FIGS. 15 and 17 show the thermal displacement in the case of rotating for about 50 minutes and stopping for 10 minutes (stopping once for 70 minutes in the middle), as indicated by the time chart line 51. FIG. The horizontal axis in FIGS. 14 to 17 is time.
[0066]
As shown in FIGS. 14 and 16, the maximum thermal displacement before correction indicated by solid lines 48 and 52 in the figures was about 40 [μm]. On the other hand, in the present invention, the target value of the corrected thermal displacement can be made closer to zero. That is, when the thermal displacement is corrected according to the present invention, the residual thermal displacement can be reduced to ± 5 [μm] or less as shown by broken lines 49 and 53 in the figure.
It has been confirmed that according to the present invention, even when the thermal displacement before correction is 100 [μm] or more, the thermal displacement after correction can be reduced to ± 5 [μm] or less. As described above, according to the present invention, thermal displacement can be corrected with high accuracy.
Further, according to the present invention, even when the intermittent operation is performed as shown in FIGS. 15 and 17, the residual heat displacement after correction can be made ± 5 [μm] or less as shown by broken lines 50 and 54. it can.
[0067]
(Third embodiment)
18 to 28 are views for explaining the third embodiment.
For example, as shown in FIG. 18, the MC 1 a includes a main shaft 6 on which the tool 7 is mounted, and a main shaft head 5 a that rotatably supports the main shaft 6 via a main bearing 20 and an upper bearing (another bearing) 22. Have. A built-in motor 21 for rotating the main shaft 6 is disposed between the bearings 20 and 22, and is built in the main shaft head 5a together with the both bearings. The main bearing 20 positions the main shaft 6 in the center axis direction, and the upper bearing 22 holds the main shaft 6 that expands and contracts due to thermal displacement so as to be slidable in the center axis direction. Therefore, even if the upper bearing 22 and the motor 21 generate heat by rotation, the main shaft 6 extends upward, so that the tool 7 is not affected.
As a result, in the case of the MC 1a, only the main bearing 20 should be considered as a heat source to perform the thermal displacement correction. Head temperature sensor S as temperature detecting means for detecting a temperature change of main bearing 202Are attached to the spindle head 5a.
As long as the temperature changes due to the main bearing 20 as a heat source, a temperature other than the head position, for example, the temperature of the nose or the column may be detected. Further, the machine tool may be of a type in which the spindle holds a workpiece.
The same or corresponding parts as in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0068]
Here, the principle of the thermal displacement correction in the third embodiment will be described.
A description will be given by taking correction in the Z-axis direction as an example, as in the first and second embodiments. The equation for calculating the thermal displacement in the Z-axis direction in the third embodiment is shown by the following equation.
ΔZ = a · (ΔZ3+ ΔZ4) …… (22)
Here, ΔZ: Z-axis thermal displacement
a: Overall correction coefficient (same as that of equation (2))
ΔZ3: Creation displacement component of Z-axis thermal displacement
ΔZ4: Delay response component of Z-axis thermal displacement
It is.
That is, the arithmetic expression (22) is based on the created displacement component ΔZ calculated based on the created temperature change having the same time constant as the thermal displacement time constant from the temperature change.3And a delay response component ΔZ in which a thermal displacement appears with a delay with respect to a temperature change.4And
The temperature change handled here is calculated by the difference between the temperature output from each temperature sensor and the reference temperature. The reference temperature used in the first and second embodiments is also employed.
[0069]
It should be noted that the present invention provides a method for generating displacement component ΔZ as shown in equation (23).3It is also possible to use an arithmetic expression based only on the above.
ΔZ = a · ΔZ3…… (23)
Generating displacement component ΔZ3Is calculated by the following equation.
ΔZ3= GY3…… (24)
Where Y3: Creation temperature change [℃]
g: Internal correction coefficient [± μm / ° C]
It is.
[0070]
Formula (24) used in the third embodiment is a formula for calculating the thermal displacement of the body 10 based on the output of the temperature sensor installed at one location. Then, the head temperature sensor S2Temperature change Y obtained by developing the temperature change T of the temperature detected at3From the displacement component ΔZ3Is calculated.
It is sufficient that at least one temperature sensor is installed, but the temperature sensor is appropriately added according to the number of heat sources. The temperature sensor may be installed at a location other than the spindle head 5a as long as the location is affected by the heat generated by the heat source.
[0071]
On the other hand, the delay response component ΔZ4Is calculated as follows.
ΔZ4= HY4…… (25)
Where Y4: Delayed temperature change [° C]
h: Internal correction coefficient [± μm / ° C]
It is.
In equation (25), the head temperature sensor S2Delayed temperature change Y calculated with a delay in temperature change T of temperature detected in4From the delay response component ΔZ4Is calculated.
It is sufficient that at least one temperature sensor is installed, but the temperature sensor is appropriately added according to the number of heat sources.
[0072]
FIG. 18 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention.
The thermal displacement compensator 12b of the third embodiment includes a temperature sensor S2A virtual position P having the same time constant as the time constant of the thermal displacement by developing the temperature detected in1And a generating displacement component ΔZ that changes in response to the generating temperature change calculated by the generating temperature calculating means 31a.3And a correcting means 33 for correcting a processing error based on the thermal displacement calculated by the thermal displacement calculating means 32.
[0073]
In a preferred embodiment, the thermal displacement compensator 12b further includes a delay temperature calculator 34. The delay temperature calculating means 34 includes a temperature sensor S2A delayed temperature change appearing later than the temperature change of the temperature detected in is calculated in consideration of the delay in the temperature change.
The thermal displacement calculator 32 calculates a delay response component ΔZ that changes in response to the delay temperature change calculated by the delay temperature calculator 34.4Is calculated, and the generated displacement component ΔZ is calculated.3Is added to. On the basis of the added thermal displacement, the correction means 33 corrects the processing error and outputs the signal.
In the third embodiment, description of the same or equivalent functional portions as those in the first and second embodiments will be omitted.
[0074]
Hereinafter, a specific procedure of the third embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 19 is a flowchart showing the operation of the third embodiment, and FIG. 20 is a graph showing the temporal change of the Z-axis thermal displacement and a representative example of the temperature change T of the temperature detected at the head position (sample temperature change). FIG. 21 is a graph showing a standard relationship between a sample temperature change and a Z-axis thermal displacement.
FIG. 22 is a graph showing a sample temperature change, a temperature change “A” having a smaller time constant than the sample temperature change, and a temperature change “B” having a larger time constant than the sample temperature change. FIG. 23 shows the created temperature change Y created using the sample temperature change in addition to the temperature change shown in FIG.3A, Y3BIt is a graph which shows ("O" mark in a figure). FIG. 24 is a graph showing the Z-axis thermal displacement with respect to the generating temperature change, and FIG. 25 is a graph showing the Z-axis thermal displacement with respect to the generating temperature change when the Z-axis thermal displacement includes a delay response component.
FIG. 26 shows a sample temperature change, a delay temperature change C appearing later than the sample temperature change, and a delay temperature change Y created using the sample temperature change.4FIG. 27 is a graph showing a delay response component with respect to a delay temperature change. FIG. 28 is a graph showing the Z-axis thermal displacement with respect to the thermal displacement estimated from the generated temperature change and the delayed temperature change.
[0075]
In the third embodiment, the thermal displacement in the Z-axis direction is detected in advance. At the same time, the head temperature sensor S2The respective time constants are calculated based on the data on the temperature change of the temperature detected in step (1). The procedure for calculating the time constant is the same as that for calculating the time constant of the thermal displacement in the Z-axis direction in the first embodiment.
FIG. 20 shows that the main shaft rotates at a constant speed (rotation speed S = 10,000 [min]).-1]), The head temperature sensor S25 shows time-series data of Z-axis thermal displacements (thermal displacements “A, B”) according to two typical examples of the temperature change T of the temperature detected at (1) (sample temperature change).
The time constant of the Z-axis thermal displacement is the time constant τ of the sample temperature change T.SIf it is smaller, that is, if the thermal displacement appears earlier, the thermal displacement “A” (time constant τA). On the other hand, the thermal displacement time constant isSIf it is larger, that is, if the thermal displacement appears slowly, the thermal displacement “B” (time constant τB). Therefore, depending on the thermal displacement characteristics of the MC 1a, the data actually becomes either one of the thermal displacements “A, B”.
The balance between the extracted time constant of the Z-axis thermal displacement and the time constant of the sample temperature change T represents a thermal characteristic peculiar to each machine tool. Also little change. Therefore, the work of calculating both time constants may be performed once.
[0076]
Next, as shown in FIGS. 18 and 19, the MC 1a is activated to start cutting the workpiece 9 by the tool 7 (step 301). Further, the temperature of the head position is detected (step 302), and is input to the generating temperature calculating means 31a.
[0077]
However, for example, based on the data of FIG. 20, the relationship between the sample temperature change T and the thermal displacement “A” and the relationship between the sample temperature change T and the thermal displacement “B” are expressed as shown in FIG. They become arcuate curves 55 and 56, respectively.
That is, since the sample temperature change T and the Z-axis thermal displacement do not have a simple linear relationship, the thermal displacement cannot be immediately estimated from the temperature change of the temperature detected from the head position as needed.
[0078]
Therefore, using the "linearization technique", the temperature change of the temperature detected from the head position is used to calculate the generated temperature change having a time constant substantially equal to the time constant of the thermal displacement. FIG. 22 shows that the time constant is τSSample temperature change 57 and the same time constant τ as the thermal displacement “A”ASimulated example 58 of a temperature change “A” having the same time constant τ as the thermal displacement “B”BAnd a simulation example 59 of the temperature change “B” having
The temperature changes shown by the curves 57 to 59 all have the value TmaxAnd an example of each time constant is shown below.
τA= 5 [min]
τS= 10 [min]
τB= 15 [min]
[0079]
The behavioral relationship between the temperature changes 57 to 59 can be expressed by the following differential equations (26) to (28), respectively.
τSDT / dt + T = X (26)
τA・ DY3A/ Dt + Y3A= X ... (27)
τB・ DY3B/ Dt + Y3B= X (28)
Expressions (27) and (28) can be represented by a general expression (29) of a differential equation.
τZ・ DY3/ Dt + Y3= X (29)
Here, T: head temperature sensor S2Temperature change detected in [℃]
X: Temperature change of heating part [° C]
Y3: Creation temperature change [℃]
Y3A: Creation temperature change to create temperature change "A" [° C]
Y3B: Creation temperature change to create temperature change "B" [° C]
τZ: Time constant of Z axis thermal displacement [min]
It is.
[0080]
According to the equation (26), the temperature change X of the heat generating part can be found from the sample temperature change T, and this value X is substituted into the equation (29). Then, the time constant τ of the sample temperature changeSTime constant τ different fromZTemperature change Y having3Is obtained. Time constant τZIs determined by the thermal characteristics of the MC 1a and is a value unique to each machine tool.
[0081]
When actually calculating by the generating temperature calculating means 31a (FIG. 18), a solution is calculated by repeating the following equations (30) and (31) obtained by discretizing the differential equations (26) and (29), respectively. (Step 303).
X = τS・ (TT0) / Δt + T0…… (30)
Y3= (2X + 2τZ・ Y30/ Δt-Y30) / (2τZ/ Δt + 1) (31)
Here, Δt: calculation interval [min]
T0: Previous sample temperature change T input [° C]
Y30: Previous generation temperature change Y3Output [° C]
It is.
[0082]
FIG. 23 shows the created temperature change Y created by using the sample temperature change T by the equations (30) and (31) in addition to the sample temperature change T and the temperature change “A, B”.3(Specifically, the creation temperature change Y3AOr Y3B) Are indicated by “○”. The mark “」 ”indicates a case where the measurement interval, that is, the calculation interval Δt is 1.0 [min].
As described above, by the repetitive calculation using the equations (30) and (31), it is possible to generate a generated temperature change having substantially the same time constant as the thermal displacement having an arbitrary time constant.
[0083]
Creation temperature change Y3Has the same time constant as the thermal displacement, and therefore has a linear relationship with the Z-axis thermal displacement, as shown by the straight line 60 in FIG. The slope g of the straight line is the creation temperature change Y3And shows the correlation between the thermal displacement. The thermal displacement calculating means 32 uses the equation (24) to calculate the generated temperature change Y3From the thermal displacement (ie, the generated displacement component ΔZ3) Is calculated (step 304).
[0084]
As described above, the linearization method basically allows a sensitive thermal displacement having a small time constant to be estimated from a temperature change T of a temperature detected at a head position away from a heat source, for example. Creation displacement component ΔZ calculated by this method3Is the immediate response component ΔZ of equation (2).1This method alone enables accurate thermal displacement correction.
Next, the delay response component ΔZ4Is determined (step 305). If not, the processing error is corrected by the correction unit 33 based on the result calculated by the thermal displacement calculation unit 32 (step 306).
Thereafter, it is determined whether or not to end the correction (step 307). When the correction is to be ended, the MC 1a is stopped (step 308), and the entire procedure ends. If the correction is not completed, the process returns to step 302.
[0085]
On the other hand, the delay response component ΔZ4Is considered, the head temperature sensor S2The temperature at the head position detected in step (1) is input to the delay temperature calculating means 34.
The column 3 and the like have a large mass and are distant from the main shaft 6 which is a main heat source, so that the temperature change appears later than the head position where the temperature change is delayed. This delayed temperature change is similar to that shown in FIGS. 9 and 13 of the first and second embodiments, and the generated temperature change Y in the region D where a long time has passed in FIG.3Gives an error to the linear correlation between the pressure and the Z-axis thermal displacement.
[0086]
Delay response component ΔZ4Is taken into consideration, the head temperature sensor S2Temperature change Y appearing later than temperature change T of temperature detected in4Behavior of the dummy heat capacity C4Set and expect.
Delay temperature change Y4Is calculated by the following equation.
Figure 2004042260
Here, Δt: calculation interval [min]
T: Head temperature sensor S2Temperature change input of temperature detected by
T0: Temperature change T input [° C]
Y4: Delayed temperature change output [° C]
Y40: Previous delay temperature change Y4Output [° C]
C4: Dummy heat capacity [min]
It is.
[0087]
FIG. 26 shows the head temperature sensor S2A sample temperature change 57, which is a typical example of the temperature change T of the temperature detected in the above, and a simulated example 61 of a lag temperature change showing the same thermal behavior as the lag response component (temperature change C, time constant τC). Further, FIG. 26 shows the delay temperature change Y created using the sample temperature change T by the equation (32).4Are indicated by “O” marks.
When the temperature change C has passed for a long time, the saturation value TmaxIs assumed to be equal to the sample temperature change T, and a mark “○” indicates a case where the measurement interval, that is, the calculation interval Δt is 1.0 [min].
Thus, the heat capacity C of the equation (32)4Can be set to any time constant τCC> ΤS), A delayed temperature change Y that behaves substantially the same as the temperature change C4Can be created.
[0088]
This delay temperature change Y427 and the delay response component, a straight line 62 having a linear relationship as shown in FIG. Actually, there is no particular need to take a procedure for extracting the temperature change C. For example, using the sample temperature change T, the dummy heat capacity C4And the heat capacity C so that the repetition calculation result of appropriately selecting the internal correction coefficient h in the equation (25) matches the error obtained by subtracting the straight line 60 from the Z-axis thermal displacement (the line including the region D) in FIG.4And the best value of the coefficient h are determined. Heat capacity C determined here4And the value of the coefficient h are values unique to each machine tool, and this operation may be performed once.
In the delay temperature calculating means 34, the dummy heat capacity C4Using the equation (32) in which the head temperature sensor S2Temperature change Y corresponding to the temperature change T of the temperature detected at4Is calculated (step 309). Next, this delay temperature change Y4Into the equation (25) in which the internal correction coefficient h is determined, the delay response component ΔZ4Are obtained (step 310).
First, using equation (24), the creation displacement component ΔZ3Is calculated, the delay response component ΔZ calculated in this manner is4Create displacement component ΔZ3To calculate the Z-axis thermal displacement ΔZ (step 311).
[0089]
The vertical axis of FIG. 28 is the actually measured Z-axis thermal displacement, and the horizontal axis is the Z-axis thermal displacement ΔZ estimated through the procedure up to step 311 using the sample temperature change T. In the calculation of the thermal displacement ΔZ, the following equation with the overall correction coefficient “a” being 1 is used.
ΔZ = g · Y3+ HY4…… (33)
The actually measured Z-axis thermal displacement on the vertical axis shown in FIG. 28 substantially coincides with the value of the Z-axis thermal displacement ΔZ on the horizontal axis obtained by equation (33) on a straight line 63 having a 45 ° inclination. This means that they have the same value.
Therefore, the head temperature sensor S installed at a location affected by the heat generated by the main bearing 20 of the body 102, The Z-axis thermal displacement can be predicted with sufficiently high accuracy.
[0090]
In this manner, the thermal displacement is corrected by correcting the processing error by the correcting means 33 based on the Z-axis thermal displacement ΔZ calculated in step 311 (step 312), and the workpiece 9 is cut with high precision. can do.
Thereafter, it is determined whether or not the correction has been completed (step 307). When the correction is to be terminated, the MC 1a is stopped (step 308), and the entire procedure ends. If the correction is not completed, the process returns to step 302.
[0091]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment to which the linearization method is applied will be described with reference to FIGS.
In the first to third embodiments, an example in which the number of heat sources that cause thermal displacement is one has been mainly described. However, in the present invention, there are a plurality of heat sources that cause thermal displacement, and Even when it is assumed that the influences of the heat sources are independent of each other, the structure is of an expandable type.
The fourth embodiment is a case of a machine tool in which a plurality of heat sources (so-called multiple heat sources) generate thermal displacement while affecting each other, and supplement a portion that has not been described in each of the above embodiments.
[0092]
FIG. 29 is a block diagram, and FIG. 30 is a sectional view of a headstock.
The NC lathe 64 is a machine tool that uses a headstock 66 as a machine body as a heat source. As shown in the drawing, the NC lathe 64 includes a spindle 69 that grips a workpiece 68 via a chuck 65 and a pawl 67, a headstock 66, and a built-in motor 70. The headstock 66 rotatably supports the spindle 69 via a front bearing 71 on the processing position side that supports the spindle 69 and a rear bearing 72 on the non-processing position side.
The motor 70 including the rotor 70 a is disposed between the front and rear bearings 71 and 72 and is built in the headstock 66 to drive the main shaft 69 to rotate.
In the rear bearing 72, the main shaft 69 is set in the center axis direction 0.1Angular contact ball bearings are used. The main shaft 69 which expands and contracts due to thermal displacement moves inside the front bearing 71 in the central axis direction O1It can be expanded and contracted. Since a large load is applied to the front bearing 71 near the workpiece 68, a double-row cylindrical roller bearing having a large rated load is used as the front bearing 71 in order to withstand this load and improve cutting performance.
In the structure shown here, the main shaft 69 is directly driven by the built-in motor 70, so that high-speed rotation is possible as compared with the structure in which the main shaft 69 is driven by a belt. In addition, since vibration of the main shaft 69 can be suppressed, high-precision cutting can be performed.
[0093]
When the NC lathe 64 is activated to rotate the rotor 70a of the built-in motor 70, and the front and rear bearings 71, 72 and the rotor 70a generate heat, respectively, the main shaft 69 extends forward (to the right in the figure) to move the workpiece 68. Central axis direction O1To lower the machining accuracy.
Therefore, in the thermal displacement compensator 12b, the three temperature sensors s are located near the bearings 71, 72 before and after the heat source and the stator of the motor 70, respectively.1, S2, S3Are attached to the headstock 66.
[0094]
Thus, the Z-axis direction (that is, the central axis direction O)1In the case where there are a plurality of heat sources that affect the thermal displacement of (1), highly accurate thermal displacement correction can be performed by applying the linearization method, for example.
Temperature sensor s as temperature detecting means1, S2, S3Are input to the A / D converter 13 via the circuits 36a, 36b and 36c, and the output signal from the A / D converter 13 is input to the generating temperature calculating means 31a and the delay temperature calculating means 34. Is done. The other configuration is the same as that of the third embodiment, and the description is omitted.
[0095]
In the case of multiple heat sources, the thermal displacement due to the influence of each heat source is individually calculated by the thermal displacement calculating means 32. The total thermal displacement Δz in the Z-axis direction is represented by the following general formula.
Δz = a · (Δz1+ Δz2+ ... + Δzn)… (34)
Δz1= Β1・ YA1+ Γ1・ YB1
Δz2= Β2・ YA2+ Γ2・ YB2


Δzn= Βn・ YAn+ Γn・ YBn
Here, Δz: Z-axis total thermal displacement
Δz1Or Δzn: Z-axis direction by first to n-th heat sources
Thermal displacement
a: Overall correction coefficient (same as that of equation (2))
β1Or βn: Internal correction coefficient related to change in generating temperature
γ1Or γn: Internal correction coefficient for delay temperature change
YA1Or YAn: Creation temperature change
YB1Or YBn: Delayed temperature change
It is.
Therefore, equation (33) of the third embodiment is obtained by calculating the thermal displacement Δz of the first term of equation (34).1Is equivalent to Further, in the third embodiment, since there is one heat source, the calculation is performed by setting the second and subsequent terms of the equation (34) to zero.
[0096]
In the fourth embodiment, since there are three heat sources, n = 3, and the equation (34) can be expanded as follows.
Δz = a · (Δz1+ Δz2+ Δz3) …… (35)
Δz1= K1・ Δz
Δz2= K2・ Δz ... (36)
Δz3= K3・ Δz
K1= PT1/ (PT1+ Q · T2+ RT3)
K2= QT2/ (PT1+ Q · T2+ RT3)… (37)
K3= RT3/ (PT1+ Q · T2+ RT3)
Where T1: Temperature sensor1Temperature change of temperature detected in
T2: Temperature sensor2Temperature change of temperature detected in
T3: Temperature sensor3Temperature change of temperature detected in
P, Q, R: Internal correction coefficient
It is.
[0097]
The internal correction coefficients P, Q, and R in the above three equations (37) are expressed by the respective temperature changes T1Or T3And is determined by the following formula from the difference in the saturation value of the sample temperature change in the test in which the heat generation condition is changed three or more times.
The balance of the values of the coefficients P, Q, and R determined here represents a thermal characteristic peculiar to each type of machine tool. Even if the operating condition such as the spindle speed changes, the change is small. You only need to do it once.
PT1S+ Q · T2S+ RT3S= Δz (38)
Where T1S: Sample temperature change T1Saturation value of
T2S: Sample temperature change T2Saturation value of
T3S: Sample temperature change T3Saturation value of
It is.
[0098]
By substituting the values of the internal correction coefficients P, Q, and R into equation (37), the coefficient K1, K2, K3Are determined, the three equations (36) can be expressed as shown in FIG. As a result, each thermal displacement Δz due to the influence of the heat sources 71, 72, 70a1, Δz2, Δz3Can be made linear by a linearization method or the like. FIG. 31 is a graph showing the Z-axis thermal displacement of each heat source.
Since a turning machine tool such as an NC lathe usually has a small heat capacity and is more sensitive to thermal displacement than an MC, the method of the third embodiment, which has no restriction on the mounting position of the temperature sensor, is particularly effective.
In addition, if the method of the third embodiment is used, one temperature sensor may be provided for one heat source, so that the number of temperature sensors can be reduced in the case of the NC lathe 64 having multiple heat sources.
[0099]
FIG. 32 is a graph showing the measured data of the Z-axis thermal displacement when the NC lathe 64 is operated on an actual machine by combining the linearizing method and the dummy method.
As shown, the thermal displacement before correction indicated by solid lines 73 and 74 in the figure was about 70 [μm]. On the other hand, when the thermal displacement is corrected according to the present invention, the thermal displacement is reduced to ± 10 [μm] or less as shown by broken lines 73a and 74a in the figure. In addition, the symbol S in the figure means the spindle speed.
[0100]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIGS.
In the fifth embodiment, any one of the above-described methods according to the present invention is applied to a machine tool having a plurality of spindles to perform thermal displacement correction.
The spindle holds one of a workpiece and a tool. The temperature of the spindle is adjusted by a temperature controller to make the thermal displacement of each spindle substantially uniform, and the temperature detection means detects a temperature change of the body of at least one spindle to thereby correct the thermal displacement.
In the fifth embodiment, the same or corresponding parts as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
[0101]
For example, the machine tool shown in FIG. 33 is a vertical MC75 having a multi-axis head, and is used to simultaneously machine four workpieces to the same shape with four tools. A cross rail 78 fixed in the Y-axis direction, that is, in the horizontal direction is fixed to an upper portion of a column 77 fixed to the bed 76 and standing on the floor.
A saddle 79 is attached to the cross rail 78 so as to be movable in the Y-axis direction. The saddle 79 reciprocates by a Y-axis servo motor 80 provided on the cross rail 78.
A spindle head 81 is attached to the saddle 79 so as to be movable in the Z-axis direction. The spindle head 81 reciprocates in the Z-axis direction with respect to the saddle 79 by a Z-axis servomotor 82 provided on the saddle 79, and reciprocates in the Y-axis direction with the saddle 79 with respect to the cross rail 78.
A plurality (for example, four) of spindles 6a to 6d oriented in the Z-axis direction are provided side by side on the spindle head 81, and tools 7a to 7d are mounted on the tips of the respective spindles.
[0102]
On the bed 76, a table 83 for mounting the same number (for example, four) of the workpieces 9a to 9d as the main spindle is mounted movably in the X-axis direction. The table 83 is reciprocated by an X-axis servo motor 84 provided on the bed 76.
A cooling oil supply device 85 is provided beside the column 77. The cooling oil supply device 85 constitutes a spindle cooling device as a temperature adjustment device for adjusting the temperatures of the spindles 6a to 6d to make the thermal displacement of each spindle substantially uniform.
[0103]
FIG. 34 is an explanatory diagram of the spindle cooling device 87.
As shown, flow paths 85a to 85d for cooling the bearing by flowing cooling oil are formed near the bearings of the main shafts 6a to 6d, respectively. The cooling oil supplied from the cooling oil supply device 85 flows through the pipes 88a to 88d, respectively, and the flow rate is adjusted by flow control valves 89a to 89d that are manually or automatically operated. Thereby, the temperature of each of the spindles 6a to 6d is individually adjusted. The cooling oil flows through the flow paths 85a to 85d to cool the bearings of the main shafts 6a to 6d, and then returns to the supply device 85, where it is cooled and reused.
Instead of or in addition to the flow rate adjustment, the cooling oil temperature may be adjusted by the supply device 85 to adjust the spindle temperature for each spindle. Further, a coolant (cutting oil) or water may be used instead of the cooling oil.
[0104]
By the way, comparing the thermal displacement when the four main shafts rotate, the thermal displacement of the main shafts 6a, 6d on the left and right sides in the figure is usually smaller than that of the inner main shafts 6b, 6c. This is due to the difference in the mounting location of each spindle. That is, the heat generated in the bearings of the main shafts 6a and 6d on both sides is quickly conducted to the main shaft head 81 to suppress the temperature rise of the main shafts 6a and 6d.
Therefore, a nose temperature sensor S as a temperature detecting means is provided on the spindle head 81 so as to be located near the heat generating portion of the representative spindle 6a having the smallest thermal displacement.1Is installed. This sensor S1By detecting the temperature change of the fuselage 86, the thermal displacement of the representative main shaft 6a is corrected by the method using the thermal displacement correcting devices 12, 12a, and 12b in the above-described embodiments.
Then, by controlling the flow rate (and / or adjusting the temperature of the oil) by the flow control valves 89a to 89d to cool the respective spindles, the thermal displacement of the other three spindles 6b to 6d is reduced by the heat of the representative spindle 6a. The displacement is made substantially coincident with the displacement, thereby eliminating the variation in thermal displacement between the spindles.
Since the representative main shaft 6a has the smallest thermal displacement, if the main shaft 6a is not cooled or slightly cooled and the cooling oil of the other main shafts 6b to 6d is adjusted, the supply amount of the oil from the supply device 85 is reduced. It is preferable because the total amount decreases.
[0105]
FIG. 35 shows a case where a spindle heating device 90 is used as a temperature adjusting device instead of the spindle cooling device 87.
As shown in the figure, heating members such as heaters 91a to 91d are arranged near the main shafts 6a to 6d, respectively. The amount of heat generated by the heaters 91a to 91d is adjusted by individually controlling the current flowing through each of the heaters 91a to 91d by the current control device 91. The current control is preferred because it is easier and quicker to control the amount and temperature of the cooling oil, and the whole spindle heating device becomes compact.
In this case, the main shaft having the largest thermal displacement, for example, 6b is set as a representative main shaft, and a nose temperature sensor S is provided near the main shaft 6b.1Is attached to detect a temperature change of the airframe 86. Then, the current is controlled by the current control device 91 to heat each of the main spindles, so that the thermal displacements of the other three main spindles 6a, 6c, and 6d substantially coincide with the thermal displacement of the representative main spindle 6b. Eliminates variations in thermal displacement.
It is preferable to adjust the temperature of the other main shafts without heating or slightly heating the representative main shaft 6b because the current of the entire main shaft heating device 90 is reduced.
[0106]
In this embodiment, the sensor S1Separately, a head temperature sensor S is disposed at an arbitrary position (for example, an appropriate position of the spindle head 81) away from the spindle position and detects a temperature change of the body 86 at this position.2Is attached as needed. Therefore, the thermal displacement can also be corrected by the above-described methods combining the mixing method alone or combining the mixing method and the dummy method.
Each sensor S1, S2Is input to the A / D converter 13 of the thermal displacement compensator 12, 12a, 12b, and then processed in the same manner as in each of the above embodiments.
As shown by a chain line in FIGS. 34 and 35, temperature sensors S are also provided in the vicinity of each of the spindles other than the representative spindle.10It is preferable to detect the temperature of each of the spindles. Sensor S10The temperature change of the temperature detected in the above is not used for the thermal displacement correction, but the thermal displacement of each spindle is estimated from the temperature change, and the variation of the thermal displacement between the spindles is calculated by the spindle cooling device 87 or the spindle heating device 90. Can be managed.
[0107]
FIG. 36 is a flowchart showing the procedure of this embodiment when the spindle cooling device 87 is used. The case in which the spindle heating device 90 is used is shown in parentheses in the following description.
First, the control valves 89a to 89d are operated to reduce the flow rate of the cooling oil (or the currents of the heaters 91a to 91d) flowing through each of the spindles 6a to 6d to the minimum necessary (step 401). Next, synchronous rotation of all the spindles is started (step 402). After a lapse of a predetermined time after operation at a constant rotation speed, the thermal displacement in the Z-axis direction at the tip of the spindle due to the extension of each spindle is actually measured (step 403).
The flow rates flowing through the flow paths 85a to 85d of the respective spindles are adjusted by the control valves 89a to 89d (or the currents of the heaters 91a to 91d are adjusted by the current control device 91) so that the thermal displacements, that is, the elongation amounts of the respective spindles become substantially the same. The adjustment is performed to set the adjustment amount (step 404).
The rotation of all the spindles is stopped, and the operation is stopped until the entire body 86 radiates heat sufficiently (step 405).
[0108]
Thereafter, the synchronous rotation of all the spindles is restarted, and the cooling oil (or current) flows through each spindle according to the adjustment amount set in Step 404 (Step 406).
Next, the thermal displacement in the Z-axis direction at the tip of the representative spindle 6a (or 6b) is actually measured as time-series data, and the temperature change of the airframe 86 is measured by the sensor S.1, S2(Step 407).
Using the temperature change thus detected, the nose temperature time constant τN, Head temperature time constant τH, Sample temperature time constant τSAnd the like, and further calculate a dummy heat capacity and an internal correction coefficient. Then, these values are set in the thermal displacement correction devices 12, 12a, 12b (step 408).
The correction is started in step 409, and the thermal displacement is corrected using the representative spindle (step 410). When the correction is to be ended in step 411, the synchronous rotation of all the spindles is stopped (step 412), and the entire procedure ends. If not, the process returns to step 410.
[0109]
As shown in FIG. 33, the thermal displacement of the representative spindle calculated and corrected by the correction devices 12, 12a, and 12b is transmitted to the numerical control device 16 via the programmable controller 15 and fed back to the Z-axis servo motor 82. You. Thus, the Z-axis servo motor 82 performs position correction by moving the spindle head 81 by a small distance in the Z-axis direction.
Since the thermal displacement between the representative spindle and the other spindles is made substantially uniform by the spindle cooling device 87 (or the spindle heating device 90), the tool 7a in which four workpieces 9a to 9d are mounted on the spindles 6a to 6d. Through 7d, simultaneous processing can be performed with high precision.
[0110]
FIG. 37 is a block diagram including a planar structure of a machine tool having a plurality of spindles, and is an application example of the fifth embodiment.
The illustrated machine tool is a multi-axis NC lathe 92, and includes two sets of a headstock 66 and a main spindle 69 having the same structure as in the fourth embodiment. Therefore, this NC lathe 92 has multiple heat sources and multiple axes.
On the bed 93, two headstocks 66 are juxtaposed, and a saddle 94 is mounted movably in the Z-axis direction. The saddle 94 is reciprocated by a Z-axis servo motor 95.
A cross slide 96 is mounted on the saddle 94 so as to be movable in the X-axis direction, and reciprocates by an X-axis servo motor 97. A plurality of blocks 99 each having a tool 98 are mounted on the cross slide 96. The workpiece is cut by the tool 98 by rotating the main shaft 69 that grips the workpiece via the chuck 65 and the like.
The bed 93 is provided with a cooling oil supply device 100 constituting a spindle cooling device having the same principle as the spindle cooling device 87 shown in FIG. This spindle cooling device is for individually adjusting the temperature of the two spindles 69 to make the thermal displacement of both spindles substantially uniform.
[0111]
In the vicinity of the bearings 71, 72 before and after the two spindles 69 and the built-in motor 70 (FIG. 30), a flow passage for flowing cooling oil to suppress the extension of the spindle is formed in the spindle head 66. The spindle cooling device has the same piping and flow rate control valve as in FIG. 34, and can adjust the flow rate to each spindle 69 individually.
One headstock 66 has a sensor s1, S2, S3Are mounted in the same manner as in the fourth embodiment, so that the thermal displacement is corrected by the thermal displacement correcting device 12b in the same manner as in the fourth embodiment. Sensors1, S2, S3The main shaft 69 to which the is attached is used as a representative main shaft, and the main shaft cooling device makes the thermal displacements of the representative main shaft 69 and the other main shaft 69 substantially coincide with each other, thereby eliminating variations in the thermal displacement between the main shafts.
If the thermal displacement of the representative spindle is corrected in the same manner as in the procedure shown in FIG. 36, the workpiece held by the representative spindle 69 and the other spindle 69 can be simultaneously machined with high accuracy by the tools 98. .
In the fifth embodiment, the case where the number of the representative spindles is one is shown. However, when the simultaneous machining is not performed, the thermal displacement may be corrected independently for each of the plurality of representative spindles. Further, a cooling device or a heating device using the Peltier effect may be used as the temperature control device.
[0112]
By the way, there is a conventional multi-shaft type machine tool in which a large amount of cooling oil or the like is caused to flow through a flow path near each main shaft bearing to cool the main shaft in order to reduce elongation of the main shaft due to heat generation. In this method, the thermal displacement of each spindle is physically approached to zero, thereby simultaneously absorbing the thermal displacement and variation of each spindle.
However, there is a limit to absorption of thermal displacement by this method, and it is impossible to reduce the thermal displacement to +10 [μm] or less. Further, since a large amount of cooling oil is circulated, a large-capacity cooling device is required, and a large amount of energy is wasted. In addition, there is a possibility that the bearing is distorted due to the strong cooling effect and the main shaft is seized.
On the other hand, in the fifth embodiment, the thermal displacement of the main spindle and the other main spindles is reduced so that the thermal displacement of each main spindle does not physically approach zero, but the variation of the thermal displacement between the main spindles is eliminated. And the thermal displacement of the representative spindle is corrected. Therefore, the machining error after the correction can be made close to zero, and a small-sized spindle cooling device 85 is sufficient, and the energy consumption is small. Also, since the cooling effect is weak, the bearing does not seize.
[0113]
In the first to fifth embodiments, repeated calculations are performed. Therefore, as shown in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 18, FIG. 29, and FIG. 37, storage means for storing the previous calculation result and also for storing the time from when the power of the machine tool is turned off to when it is turned on again. 35 is preferably provided in the thermal displacement compensator 12, 12a, 12b.
The storage means 35 exchanges data with the delay temperature calculating means 34, 34a, 34b and the generating temperature calculating means 31a. In this way, even when the power is turned off, the history of the calculation of the thermal displacement correction is stored, so that the repeated calculation becomes effective.
[0114]
In addition, when using the dummy method combined with the mixing method or the dummy method combined with the linearization method, even if the temperature change of the body is detected by a temperature sensor separately provided on a column, a bed, a cross rail, etc. of the machine tool. Good.
In addition, as the temperature detecting means in the present invention, a strain gauge (Strain @ gauge) for detecting expansion and contraction of the body due to a temperature change may be used instead of the temperature sensor. That is, instead of directly detecting the temperature change of the body by the temperature sensor, a strain gauge having output characteristics similar to the temperature change is attached to the body. Then, when the output signal of this gauge is input to the A / D converter 13, it is substantially the same as detecting a temperature change, and the same operation and effect can be obtained.
Incidentally, the correlation in each embodiment only needs to have a certain correspondence, and may be a case other than the primary correlation.
[0115]
The present invention does not use the length of the fuselage components as in the prior art, so there is no restriction on the length of the fuselage structure. There is no need for actual measurement work.
Therefore, the number of rotations needs to be measured only once, and the actual measurement operation of extracting the thermal displacement characteristics using the actual machine is simplified. Further, it is not necessary to confirm the linear expansion coefficient of the fuselage constituent material.
[0116]
Further, since the temperature sensor may be mounted at an arbitrary position, the restriction on the mounting position of the temperature sensor is relaxed, and at the same time, the thermal displacement is reduced by only a small number (for example, one or two for one heat source). With a high degree of freedom that can be accurately estimated.
Further, the correction is performed based on the temperature of the airframe, and the room temperature is not directly detected. Therefore, even if the room temperature changes suddenly, for example, by opening the door of the room in winter or operating the cooler in summer, the influence of the room temperature is eliminated, and the accuracy of the correction can be maintained with high accuracy.
The thermal displacement correction method and apparatus of the present invention are applied to other types of machines in which thermal displacement adversely affects the accuracy and performance of the machine, for example, automatic control machines such as printing machines, presses, and laser processing machines. Has the same effect. This automatic control machine is controlled by an automatic control device such as an NC device.
In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
[0117]
【The invention's effect】
The present invention uses the concept of the time constant as described above to detect temperature changes of the airframe at at least two places where the time constants are different from each other under the influence of the heat source, and each of the detected temperature By combining the changes, a combined temperature change having a time constant substantially equal to the time constant of the thermal displacement of the machine tool is calculated, and the processing error is corrected based on the thermal displacement that changes in accordance with the combined temperature change. With this configuration, the combined temperature change and the thermal displacement have a linear correlation, and the thermal displacement can be easily estimated from the combined temperature change, and the thermal displacement can be corrected with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the first embodiment.
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the second embodiment.
FIG. 5 is a graph showing a temporal change of a Z-axis thermal displacement.
FIG. 6 is a graph showing a change in temperature detected at the nose position and a change in temperature detected at the head position, and a change in combined temperature.
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a nose temperature change and a Z-axis thermal displacement.
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a head temperature change and a Z-axis thermal displacement.
FIG. 9 is a graph showing a Z-axis thermal displacement with respect to a resultant temperature change.
FIG. 10 is a graph illustrating a method of calculating a delay temperature change.
FIG. 11 is a graph showing a method of calculating a delay response component from a temperature change.
FIG. 12 is a graph showing a relationship between a calculated Z-axis thermal displacement and an actually measured Z-axis thermal displacement.
FIG. 13 is a graph showing Z-axis thermal displacement with respect to a delay temperature change.
FIG. 14 is a graph showing measured data of Z-axis thermal displacement.
FIG. 15 is a graph showing other actually measured data of Z-axis thermal displacement.
FIG. 16 is a graph showing measured data of Y-axis thermal displacement.
FIG. 17 is a graph showing other actually measured data of Y-axis thermal displacement.
FIG. 18 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a flowchart showing the operation of the third embodiment.
FIG. 20 is a graph showing a sample temperature change and a Z-axis thermal displacement.
FIG. 21 is a graph showing a relationship between a sample temperature change and a Z-axis thermal displacement.
FIG. 22 is a graph showing a sample temperature change and a temperature change “A, B”.
FIG. 23 is a graph showing a sample temperature change, a temperature change “A, B”, and a generated temperature change.
FIG. 24 is a graph showing a relationship between a change in generating temperature and a thermal displacement in the Z axis.
FIG. 25 is a graph showing a relationship between a creation temperature change and a Z-axis thermal displacement when the Z-axis thermal displacement includes a delay response component.
FIG. 26 is a graph showing a sample temperature change, a delay temperature change, and a created delay temperature change.
FIG. 27 is a graph showing a relationship between a delay temperature change and a delay response component.
FIG. 28 is a graph showing a relationship between a thermal displacement estimated from a generated temperature change and a delayed temperature change, and a Z-axis thermal displacement.
FIG. 29 is a block diagram showing a fourth embodiment.
FIG. 30 is a sectional view of a headstock of an NC lathe.
FIG. 31 is a graph showing Z-axis thermal displacement of each heat source.
FIG. 32 is a graph showing measured data of Z-axis thermal displacement.
FIG. 33 is a block diagram showing a fifth embodiment.
FIG. 34 is an explanatory diagram of a spindle cooling device.
FIG. 35 is an explanatory diagram of a spindle heating device.
FIG. 36 is a flowchart showing the operation of the fifth embodiment.
FIG. 37 is a view showing an application example of the fifth embodiment, and is a block diagram including a planar structure of a machine tool having a plurality of spindles.
[Explanation of symbols]
1,1a, 75mm vertical machining center (machine tool)
5,5a, 81mm spindle head
6,6a to 6d, 69mm spindle
7,7a to 7d, 98mm tools
9,9a-9d, 68mm work
10,66,86 aircraft
12, 12a, 12b thermal displacement compensator
20mm main bearing
21 built-in motor
22 Upper bearing (other bearings)
31 Synthetic temperature calculating means (temperature calculating means)
31a Creation temperature calculation means (temperature calculation means)
32 ° thermal displacement calculation means
33 ° correction means
34 ° delay temperature calculating means (temperature calculating means)
34a first delay temperature calculating means (temperature calculating means)
34b second delay temperature calculating means (temperature calculating means)
64 NC lathe (machine tool)
66 headstock
70 built-in motor
71 front bearing
72 ° rear bearing
92 multi-axis NC lathe (machine tool)
O1Center axis direction
S1Nose temperature sensor (temperature detection means)
S2Head temperature sensor (temperature detection means)
S3Temperature sensor (temperature detection means)
s1Or s3Temperature sensor (temperature detection means)

Claims (8)

発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出し、
この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算し、
この合成温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補正することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
Detect temperature changes of the aircraft at at least two places where the temperature constants differ from each other under the influence of the heat source,
By combining the detected temperature changes, a combined temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement of the machine tool is calculated,
A method for correcting a thermal displacement of a machine tool, wherein a processing error is corrected based on a thermal displacement that changes in response to the combined temperature change.
前記合成温度変化に対応して変化する前記熱変位を演算し、
前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、
この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算し、
この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づいて、加工誤差を補正することを特徴とする請求項1に記載の工作機械の熱変位補正方法。
Calculate the thermal displacement that changes in response to the combined temperature change,
Detecting a temperature change in an appropriate portion of the aircraft,
In anticipation of a delay in the detected temperature change, a delay temperature change having substantially the same aging characteristics as a delay response component in which the thermal displacement of the machine tool and the calculated thermal displacement gradually shift is calculated,
2. The machining according to claim 1, wherein a machining error is corrected based on a total value obtained by adding a delay response component that changes in response to the delay temperature change to the calculated thermal displacement. A method for compensating thermal displacement of a machine.
前記工作機械は、
工作物及び工具のいずれか一方を把持する主軸と、
この主軸を軸支する加工位置側の主軸受及び反加工位置側の他の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸頭と、
前記両軸受の間に配設され、前記主軸頭に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、
前記主軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記他の軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、
前記発熱源の影響を受けるヘッド位置で前記温度変化を検出するヘッド温度センサを前記主軸頭に取付けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の工作機械の熱変位補正方法。
The machine tool is
A spindle for holding either the workpiece or the tool,
A spindle head rotatably supporting the spindle via a main bearing on a machining position and another bearing opposite to the machining position that supports the spindle;
A built-in motor disposed between the two bearings and built into the spindle head to rotationally drive the spindle;
The main bearing positions the main shaft with respect to a central axis direction, and the other bearing holds the main shaft that expands and contracts due to thermal displacement so as to be slidable in the central axis direction,
3. The method according to claim 1, wherein a head temperature sensor for detecting the temperature change at a head position affected by the heat source is mounted on the spindle head.
工作物及び工具のいずれか一方を把持し且つ同期して回転する複数の主軸を主軸頭に有し、
前記複数の主軸の回転に伴う発熱特性の違いを、前記各主軸のノーズ部に設けたジャケットに流れる冷却油量又は冷却油温度を制御するか、あるいは前記各主軸のノーズ部に設けたヒータの通電量を制御して、熱変位の均一化した前記主軸頭を有する構成であって、
前記主軸の少なくとも一つを前記発熱源に採用したことを特徴とする請求項1又は2に記載の工作機械の熱変位補正方法。
A plurality of spindles that grip one of the workpiece and the tool and rotate in synchronization with the spindle head,
The difference in heat generation characteristics due to the rotation of the plurality of spindles is controlled by controlling the amount or temperature of cooling oil flowing through a jacket provided at the nose portion of each of the spindles, or of a heater provided at the nose portion of each of the spindles. By controlling the amount of electricity, the configuration having the spindle head uniform thermal displacement,
3. The method according to claim 1, wherein at least one of the spindles is used as the heat source.
発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出する温度検出手段と、
この温度検出手段で検出された前記各温度変化を合成して、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算する合成温度演算手段と、
この合成温度演算手段で演算された前記合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、
この熱変位演算手段で演算された前記所定軸方向の前記熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
Temperature detecting means for detecting a temperature change of the aircraft at at least two places that have a temperature change different from each other under the influence of the heat source,
Combining temperature changes detected by the temperature detecting means, a combined temperature calculating means for calculating a combined temperature change having substantially the same time constant as the time constant of the thermal displacement in the predetermined axial direction,
Thermal displacement calculating means for calculating a thermal displacement that changes in accordance with the synthetic temperature change calculated by the synthetic temperature calculating means;
A correction means for correcting a processing error based on the thermal displacement in the predetermined axial direction calculated by the thermal displacement calculation means.
前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出する温度検出手段と、
前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、前記所定軸方向の熱変位と前記熱変位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段とを備え、
前記熱変位演算手段により、前記遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して合計値を算出し、
この合計値に基づいて、前記補正手段により加工誤差を補正することを特徴とする請求項5に記載の工作機械の熱変位補正装置。
Temperature detection means for separately detecting a temperature change in an appropriate portion of the aircraft as needed,
In anticipation of a delay in the temperature change detected by any one of the temperature detecting means, the temporal characteristic is substantially the same as a delay response component in which the thermal displacement in the predetermined axial direction and the output of the thermal displacement calculating means gradually shift. A delay temperature calculating means for calculating a delay temperature change having
The thermal displacement calculation means calculates a delay response component that changes in response to the delay temperature change, and adds the delay response component to the calculated thermal displacement to calculate a total value.
6. The thermal displacement compensating device for a machine tool according to claim 5, wherein a machining error is compensated by the compensating means based on the total value.
前記工作機械は、
工作物及び工具のいずれか一方を把持する主軸と、
この主軸を軸支する加工位置側の主軸受及び反加工位置側の他の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸頭と、
前記両軸受の間に配設され、前記主軸頭に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、
前記主軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記他の軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、
前記発熱源の影響を受けるヘッド位置で前記温度変化を検出するヘッド温度センサを前記主軸頭に取付けたことを特徴とする請求項5又は6に記載の工作機械の熱変位補正装置。
The machine tool is
A spindle for holding either the workpiece or the tool,
A spindle head rotatably supporting the spindle via a main bearing on a machining position and another bearing opposite to the machining position that supports the spindle;
A built-in motor disposed between the two bearings and built into the spindle head to rotationally drive the spindle;
The main bearing positions the main shaft with respect to a central axis direction, and the other bearing holds the main shaft that expands and contracts due to thermal displacement so as to be slidable in the central axis direction,
7. The thermal displacement compensating device for a machine tool according to claim 5, wherein a head temperature sensor for detecting the temperature change at a head position affected by the heat source is attached to the spindle head.
工作物及び工具のいずれか一方を把持し且つ同期して回転する複数の主軸を主軸頭に有し、
前記複数の主軸の回転に伴う発熱特性の違いを、前記各主軸のノーズ部に設けたジャケットに流れる冷却油量又は冷却油温度を制御するか、あるいは前記各主軸のノーズ部に設けたヒータの通電量を制御して、熱変位の均一化した前記主軸頭を有する構成であって、
前記主軸の少なくとも一つを前記発熱源に採用したことを特徴とする請求項5又は6に記載の工作機械の熱変位補正装置。
A plurality of spindles that grip one of the workpiece and the tool and rotate in synchronization with the spindle head,
The difference in heat generation characteristics due to the rotation of the plurality of spindles is controlled by controlling the amount or temperature of cooling oil flowing through a jacket provided at the nose portion of each of the spindles, or of a heater provided at the nose portion of each of the spindles. By controlling the amount of electricity, the configuration having the spindle head uniform thermal displacement,
7. The thermal displacement compensator for a machine tool according to claim 5, wherein at least one of the spindles is used as the heat source.
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