JPH0430941A - 工作機械の熱変形補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は工作機械の熱変形補正方法に係り、特に立体的
な移動範囲を有する横型マシニングセンタ等の動作制御
に利用できる。

〔背景技術〕

従来より、ＮＣ等による高精度加工を行う工作機械にお
いては、動作発熱に伴う熱変形か精度低下を招くことが
問題にされており、熱変形誤差に対して各種の対策が試
みられている。

例えば、構造的な対策として、可動部分の位置制御フィ
ードバック用スケールをなるべく主軸先端に接近させた
り、熱変形が対称に現れるようにして相殺させることか
なされている。

また、制御の際に補正する手法として、主軸先端の位置
を計測する手段を用いて誤差分をフィードバックさせた
り、あるいは計測またはシミュレーションにより熱変形
誤差に対応した補正値を準備しておき制御の際に参照す
ることかなされている。

〔発明か解決しようとする課題〕

ところで、工作機械の熱変形挙動は極めて複雑なもので
あり、前述した誤差対策では充分なものとはいえない。

例えば、前述した構造的な熱変形対策を採用する場合、
工作機械の機構上の制約から限界がある。

また、主軸先端の位置フィードバック補正を行う場合、
計測ないし制御系の構造的な複雑化が避けられない。

一方、予め設定された補正値を用いる手法では構造的な
複雑化が避けられるものの、熱変形に関与するパラメー
タが極めて多岐に渡ることから、制御系の補正処理が複
雑化するという問題かある。

特に、主軸部分がコラムに昇降自在に支持された横型マ
シニングセンタ等においては、コラムの熱変位が主軸部
分の位置精度に影響を与える。ここで、コラムの熱変形
は伸縮、捩じれや傾きといった多様な形態を示すととも
に、各々の熱的挙動は内部構造等に応じて各部で複雑な
ものとなる。

従って、コラムの熱変形の影響は温度状態とともに主軸
部分の現在位置によっても異なるものとなり、これらを
補正にあたって個々に考慮することは実質的に困難であ
った。

本発明の目的は、簡単な設定で有効な補正か行える工作
機械の熱変形補正方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、主軸部分かコラムに昇降自在に支持された工
作機械の熱変形補正方法であって、前記主軸部分の高さ
および温度に応じた補正値を用いて動作補正を行う、と
いう手順を採用したものである。

より具体的には、例えば、実際の工作機械を用いた計測
等により主軸部分の各高さにおいて各温度でのｘ、　ｙ
、　ｚ等の各軸方向の熱変形量を調べ、その結果に基づ
いて高さおよび温度をパラメータとする補正値として制
御装置等に設定しておき、工作機械の実際の運転の際に
現在高さおよび現在温度に応じた各軸補正値を用いて動
作補正を行うということである。

〔作　用〕

このような本発明においては、主軸部分の高さおよび温
度に応じた補正値を採用することで設定の簡略化が実現
されるとともに、この補正値により環境温度を含めた温
度状態への対応かなされるとともに、コラムの複雑な熱
変形および当該コラムにおける主軸部分の高さに応じた
誤差影響の変化にも総合的な対応かなされ、これらによ
り有効な対応が実現され、前記目的が達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

・象となる工　機械 第１図および第２図には、本発明の方法により熱変形補
正される横型マシニングセンタ１か示されている。

図において、マシニングセンタ１は、ベット２上にワー
クを載置固定するテーブル３を備え、テーブル３は図示
しないＸ軸駆動機構により水平方向に移動可能である。

ベツド２は側方に延びるコラムベツド２Ａを有し、その
上にはコラム４が立設されている。コラム４は図示しな
いＺ軸駆動機構によりテーブル３の移動方向と直交する
水平方向に移動可能である。コラム４には主軸へ・ソド
５が支持され、主軸ヘッド５は図示しないＹ軸駆動機構
によりコラム４に対して垂直方向に移動可能である。主
軸ヘット５にはＺ軸方向に沿って図示しないモータ等に
より回転駆動される主軸６か設置され、主軸６の先端に
はテーブル３上のワークを加工するための工具等が着脱
可能である。従って、図示しない外部のＮＣ制御装置に
より動作指令を与えることで、主軸６を回転させなから
Ｘ、Ｙ。

Ｚ各軸方向に移動させることで三次元的な立体切削加工
を行うことかできる。

なお、本実施例のマシニングセンタｌは、Ｘ軸方向スト
ローク７１０ｍｍ、　Ｙ軸方向ストローク６００ｍｍ、
　Ｚ軸方向ストローク６００ｍｍ、回転速度２５〜５０
００ｒｐｍ　、テーブル３の寸法５００　Ｘ　５００ｍ
ｍとされている。また、室温同調型潤滑油供給装置か付
設されるとともに、既存のＺ動態変位補正機能を備えて
いる。

このようなマシニングセンタ１においては、環境温度の
変化や動作に伴う各駆動機構の発熱により装置各部の温
度状態が変化して熱変形か生し、特にコラム４や主軸ヘ
ッド５等における熱変形によって主軸６の先端位置精度
に熱変形誤差が生じる。このような熱変形誤差を解消す
るために、本実施例では熱変形を計測し、高さおよび温
度に応じた補正値を設定して実運転の補正を行う。

計測の手順 熱変形の計測にあたっては、各部の熱変形が集積される
主軸６における変位を計測する。このために、主軸６の
先端に外径４０ｍｍのテストパー１０を取付け、テスト
パーｌＯの各部および主軸６の先端面にダイヤルゲージ
等の変位検出器１１〜１５を図示の状態で設置する。こ
のうち、検出器１１．１２によりテストパー１０の基端
部および先端部の水平方向変位ＸＩ、　Ｘ２が検出され
、検出器１３．１４によりテストパー１０の基端部およ
び先端部の垂直方向変位Ｙｌ。

Ｙ２が検出され、検出器１５により主軸６の軸心方向変
位Ｚが検出される。

また、主軸６の温度状態を計測するために主軸６の軸受
外輪部にサーミスタ式の温度検出器１６を設置するとと
もに、温度比較用にコラムベツド２Ａにも同様な温度検
出器１７を設置する。

なお、計測は主軸６の高さＨおよび回転速度が異なる複
数の状態について行うものとし、このために前述したＮ
Ｃ制御装置から主軸６の高さＨおよび回転速度を読み取
るものとする。

準備が完了したら、各状態毎に多値の計測を行う。すな
わち、マシニングセンタ１を順次所定の回転速度で動作
させ、一定時間の経過毎に、温度検出器１６で主軸６の
温度Ｔｓおよび温度検出器１７でコラムベツド２Ａの温
度Ｔｂを計測するとともに、各回転速度において順次主
軸６を所定の高さＨへ昇降させて各変位Ｘｉ、　Ｘ２．
　Ｙｌ、　Ｙ２．　Ｚを計測する。

この際、回転速度は例えば０．５００．１０００．２０
００゜４０００ｒｐｍの５速度とし、高さＨは例えばテ
ーブル３の上面の上方５０ｍｍの位置を基準として主軸
６の軸心が１５０．３５０．５５０ｍｍとなる３位置と
する。

計測の結果は、例えば第３図ないし第６図に示すような
ものとなる。

まず、主軸６の温度Ｔｓは第３図のような変化を示す。

図において、温度ＴｓはＯｒｐｍでも室温同調型潤滑油
供給装置からの潤滑油により室温の影響を受けて徐々に
上昇する。また、回転させた場合、一般に回転速度に応
じて温度の上昇傾向か見られる。なお、５００ｒｐｍの
ときＯｒｐｍより低温となるか、これは潤滑油による冷
却等の影響と考えられる。

一方、高さＨ毎のテストパー１０の変位Ｘｉ、　Ｘ２は
第４図、変位Ｙ１．　Ｙ２は第５図、変位Ｚは第６図の
ような変化を示す（各図は回転速度２０００ｒｐｍでの
結果）。図において、各変位Ｘ１−Ｚは、それぞれ主軸
６の温度上昇に対応した変化を示しているか、各々は高
さＨの違いにより異なる熱的挙動を示している。なお、
本実施例のマシニングセンタ１にはＺ動態変位補正機能
か備えられているが、変位Ｚには明らかな熱変形が見ら
れ、これは熱によるコラム４の傾きの影響と考えられる
。

補正値設定の手順 計測が完了したら、計測結果に基づいて補正値を設定す
る。

ここで、補正値としては、主軸６の高さおよび温度で各
軸方向の変位を表す一般式 ％式％） を用いる。なお、Ｈ，、Ａ、　Ｂ、　Ｃは係数である。

Ｘ軸方向については、第４図および第３図から、高さＨ
かＹ軸ストローク中間の３００ｍｍ以下では温度Ｔｓの
上昇と変位Ｘｉ、　Ｘ２が比例せず、むしろ温度上昇か
高いほど変位量か小さい。また、高さＨか３５０ｍｍ以
上では変位かマイナスになっている。従って、Ｘ軸方向
の補正値ΔＤχとしては、Ｈｏ＝　３００Ｂ＝−ｂ、Ｃ
＝−１／ｃとして を用いるものとする。

Ｙ軸方向については、第５図および第３図から、変位Ｘ
Ｉ、　Ｘ２は温度Ｔｓと比例しているか、高さＨかＹ軸
ストローク中間の３００ｍｍ付近でマイナス傾向となり
　その上下ではプラス傾向となっている高いはと変位量
か小さい。従って、Ｘ軸方向の補正値△Ｄｙとしては、
Ｈ，−３００としてΔＤｙ＝　Ａ（Ｔｓ−Ｔｂ）０＋　
Ｂ　ｌ　（Ｈ−３００）を用いるものとする。

Ｚ軸方向については、第６図および第３図から、変位Ｚ
はＺ動態変位補正機能により温度Ｔｓと比例するとはい
えないが、高さＨか大きくなるにつれてプラス側にずれ
る傾向が見られる。従って、Ｘ軸方向の補正値ΔＤｚと
しては、Ｈ，＝０．　Ｃ＝　１／ｃとして △Ｄｚ＝Ａ（Ｔｓ−Ｔｂ）”’−ｔ−ＢＨを用いるもの
とする。

補正の手順 先に設定した各補正値ΔＤｘ、　　ΔＤＹ、　　ΔＤｚ
を用いて補正を行うにあたっては、各々を前述のＮＣ装
置に入力しておき、各軸方向の指令の際に移動指令値に
対して予め各補正値器の増減を行う。

補正の結果は、例えば第７図および第８図に示すような
ものとなる。

第７図にはマシニングセンタ１を２０００ｒｐｍで運転
した際のテストパーｌＯの変位かその配置に応じて模式
的に示されている。ここで、変位ＸＩＯ，Ｘ２０゜Ｙｌ
ｏ、　Ｙ２Ｏ，２０は補正なしの状態におけるものであ
り、これらに比べて補正後の変位ＸＩ、　Ｘ２．　Ｙｌ
、　Ｙ２．　Ｚは各々低減され、主軸６の熱変位補正が
行われていることがわかる。

第８図には同じ（４０００ｒｐｍで運転した際の状態が
示され、補正なしの変位ＸＩＯ，Ｘ２０．　ＹＩＯ，Ｙ
２Ｏ，ＺＯニ比べて補正後の変位Ｘ１．　Ｘ２．　Ｙｌ
、　Ｙ２．　Ｚは各々低減され、主軸６の熱変位補正が
行われていることがわかる。

以上に述べた本実施例によれば、補正値ΔＤｘ。

ΔＤｙ、△Ｄｚにより、熱変形に伴うＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸
の各方向の変位Ｘ１〜Ｚを低減することができる。

特に、主軸６の高さＨおよび温度Ｔｓに応じた補正値Δ
Ｄｘ、　　ΔＤＹ、　ΔＤｚを用いることで、環境温度
を含めた温度状態への対応がなされるとともに、コラム
４の複雑な熱変形やその主軸６の高さに応じた影響の変
化にも総合的な対応することができ、従来は処理の複雑
化か避けられなかった熱変形要因についても簡単に対応
することができるまた、各補正値ΔＤｘ、　ΔＤＹ、　
　ΔＤｚは主軸６の高さＨおよび温度Ｔｓ、　Ｔｂに基
づいて簡・単に演算することができ、制御の際の補正演
算等を簡略化することかでき、マシニングセンタｌを制
御するＮＣ制御装置の負担を軽減することができる。

さらに、各補正値ΔＤｘ、ΔＤＹ、　ΔＤｚは主軸６の
高さＨや温度Ｔｓおよび各変位Ｘ１〜Ｚ等の実計測に基
づいて設定するため、効果的な補正が行えるとともに、
その設定作業も簡単に行うことができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
以下に示すような変形をも含むものである。

例えば、対象となる工作機械は前述のマシニングセンタ
ｌに限らず、本発明は他の形式の工作機械であっても主
軸部分が昇降するコラムにおいて複雑な熱変形挙動を示
すものに適用して優れた効果か得られる。

また、補正値の設定にあたって変位や温度を計測する部
位や手段は適宜選択すればよく、計測する動作状態や主
軸部分の高さ等の設定も実施にあたって適宜選択すれば
よい。

さらに、補正値の設定は実際の工作機械を用いた計測に
限らす、シミュレータを用いたもの等であってもよい。

また、補正値としては前述のΔＤｘ、　　△ＤＹ、　Δ
０２に限らず、計測等の結果に基づいて各係数Ａ、　Ｂ
Ｃ，Ｈ，等の設定を最適化することか望ましい。そして
、基本的となる式も前記実施例のΔＤに限らず、対象と
なる工作機械の形態や熱変形挙動等に応じて適宜設定す
ることが望ましい。

さらに、設定された補正値を実際の制御に適用する際の
具体的な形態は既存の補正方式のなかから適当なものを
選択して利用すればよい。

〔発明の効果〕

以上に述へたように、本発明によれば、補正値の設定を
簡単に行うことかできるとともに、この補正値により有
効な補正を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例で対象とした工
作機械およびその計測形態を示す概略側面図および概略
正面図、第３図は同実施例で計測した回転速度別の経時
温度変化を示すグラフ、第４図ないし第６図はそれぞれ
同実施例で計測した高さ毎のＸ、Ｙ、Ｚ各軸方向変位を
示すグラフ、第７図および第８図はそれぞれ同実施例に
よる補正結果を示す模式グラフである。 １・・・工作機械であるマシニングセンタ、６・・・主
軸、１０・・・計測用のテストバー、１１〜１５・・・
計測用の変位検出器、１６．１７・・・計測用の温度検
出器、Ｈ・・・高さ、Ｔｓ・・・温度、ΔＤｘ、ΔＤｙ
、ΔＤｚ・・・補正値。 出願人　学校法人　福原学園　九州共立大学代理人　弁
理士　木下實三（外二名） 第 図 第 図 ら 第３図 第 図 よバ田 第５図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）主軸部分がコラムに昇降自在に支持された工作機
   械の熱変形補正方法であって、前記主軸部分の高さおよ
   び温度に応じた補正値を用いて動作補正を行うことを特
   徴とする工作機械の熱変形補正方法。