CN103217927B - 机床的热位移修正装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机床的热位移修正装置，其运算因伴随机床的驱动或者停止的发热或者散热而产生并随时间变化的热位移量。对该运算而得的热位移量乘以系数来运算热位移修正量。然后，将该热位移修正量加到进给轴的位置指令上来进行位置指令的修正。另一方面，每隔预定时间，求出上次运算出的热位移量和当前的热位移量的变化量，基于该求出的变化量和预先设定的阈值的比较，来识别多个热位移量变化状态，根据该识别出的热位移量变化状态运算所述系数。

Description

机床的热位移修正装置

技术领域

本发明涉及机床中的热位移修正装置，尤其涉及根据热位移的变化状态进行基于修正误差的热位移修正量的调整，高精度地修正热位移的装置。

背景技术

在机床中，因为通过电动机来驱动进给螺杆、主轴，因此，由于电动机的发热、轴承的旋转而产生的摩擦热、进给螺杆的滚珠螺杆和滚珠螺母的配合部的摩擦热，主轴、进给螺杆膨胀、机械位置变化。即，在应该定位的工件和刀具的相对位置关系中产生偏离。该因热导致的机械位置的位移，在进行高精度加工的情况下成为问题。

为了除去该因热导致的机械位置的位移，以往采用不使用温度传感器、简单低成本地修正热位移的技术、使用位移传感器或温度传感器基于检测位移或检测温度来修正指令位置的技术，或者使用对进给螺杆施加初始张力，不受因热导致的膨胀的影响的构造。

日本特开2002-18677号公报中公开的技术的特征在于，不需要传感器而能够以简单低成本来修正热位移。检测进给轴的位置，根据检测出的位置求出平均移动速度，并根据平均移动速度，关于将进给轴的全行程进行分割而得的各区间，对每个区间推定因发热、散热以及从相邻的区间通过热传导而传导的发热引起的热位移量，对各区间的热位移量从基准点到修正位置进行相加，因此能够推定进给螺杆的各位置的热位移的分布，无论在哪个位置都能进行高精度修正。另外，不仅进给螺杆，还可以考虑主轴或主轴电动机的发热引起的热位移来高精度地修正热位移。并且，能够根据推定出的热位移量（修正量）和实际的机械位置的偏离量（修正误差），修正热位移量计算式中的发热系数，进行更准确的修正。

另外，在日本特开平9-85581号公报中公开了如下技术：使用温度传感器，根据通过温度传感器检测出的温度，在温度饱和后的稳定状态和主轴的转速变化后的过渡状态下变更主轴的热位移的推定方法。

当驱动机床时，主轴或进给轴因为发热导致温度上升，因此急剧延伸，然后随着发热和散热趋于平衡，延伸的增加量钝化，大致变为恒定。另一方面，当停止驱动或者降低速度时，因散热而收缩。这样，机床的热位移量的变化可以分为以下三种状态（参照图1）：

<1>因发热而热位移量增加的状态（发热状态）、

<2>发热和散热平衡，大致变为恒定的状态（稳定状态）、

<3>因散热而热位移量减少的状态（散热状态）。

在上述的日本特开2002-18677号公报中，记载了使用修正误差来修正热位移量计算式的发热系数的方法，但是，因为在计算式中还包含其它系数（散热系数或计算来自相邻区间的热传导的热传导系数），所以为了进一步提高修正的精度，仅修正发热系数有时不充分。另外，不区别所述的状态（发热状态、稳定状态、散热状态）地进行系数的修正，但是修正误差在这些状态下并不一定完全为同等程度。例如，如图2所示，在稳定状态下，实际的热位移量和计算出的热位移量大致一致，但是，在发热状态或者散热状态下，有时实际的热位移量和计算出的热位移量中存在某种程度的差。在这种情况下，在日本特开2002-18677号公报中，在与发生修正误差的状态不同的状态下，未必能够进行合适的修正。

另外，日本特开平9-85581号公报中公开的技术的目的在于，通过在稳定状态和过渡状态下改变热位移的推定方法，即使在运转条件变化的情况下也准确地修正热位移。但是，在过渡状态下，有热位移增加的情况（发热状态）和减少的情况（散热状态），在这两种情况下，热位移的变化的程度也并不一定相同。这种情况下产生修正误差。关于在修正误差发生的情况下的应对方法没有被公开。另外，因为使用传感器，所以存在成本增加，需要保护传感器不接触冷却剂或切屑，确保可靠性等问题。

发明内容

因此，鉴于上述现有技术的问题提出本发明，目的在于提供一种在发热状态、稳定状态、或者散热状态的任意一种状态下都能够适当进行热位移修正量的调整，高精度地修正热位移的机床的热位移修正装置。

本发明的机床的热位移修正装置具有：热位移量运算部，其对由于伴随机床的驱动或者停止的发热或者散热而产生并随着时间变化的热位移量进行运算；热位移修正量运算部，其对通过所述热位移量运算部运算出的热位移量乘以系数来运算热位移修正量；位置指令修正部，其在进给轴的位置指令上加上所述热位移修正量来进行位置指令的修正；热位移状态识别部，其通过所述热位移量运算部每隔第一预定时间，求出上次运算出的热位移量和当前的热位移量的变化量，并根据该求出的变化量与预先设定的阈值的比较，来识别多个热位移量变化状态；以及系数运算部，其根据通过所述热位移状态识别部识别出的热位移量变化状态，运算所述系数。

所述机床的热位移修正装置还可以具有：热位移修正量履历部，其每隔第二预定时间，将通过所述热位移修正量运算部计算出的热位移修正量、计算出该热位移修正量的时刻以及通过所述热位移状态识别部识别出的热位移量变化状态保存到存储器中；热位移修正量时间变化显示部，其根据通过所述热位移修正量履历部保存在存储器中的热位移修正量和计算出该热位移修正量的时刻，在机床的画面上对热位移修正量的时间变化进行图形显示；以及预测热位移修正量显示部，其将对通过所述热位移修正量履历部保存在存储器中的热位移修正量应用通过所述系数运算部求出的系数进行运算而得的预测热位移修正量，显示在通过所述热位移修正量时间变化显示部显示的图形上。

根据本发明，能够提供一种在发热状态、稳定状态或者散热状态的任何一种状态下都能够适当地进行热位移修正量的调整，高精度地修正热位移的机床的热位移修正装置。并且，通过本发明的机床的热位移修正装置，能够通过热位移状态识别部识别热位移量变化状态，通过系数运算部和热位移修正量运算部根据该状态来调整热位移修正量，因此，具有能够进行与各状态对应的适当的修正的效果。此外，热位移状态识别部求出通过热位移量运算部运算出的热位移量的变化量，并根据该变化量识别多个热位移量变化状态，因此不需要用于识别热位移量变化状态的传感器，不花费用于附加该传感器的成本，也不需要保护传感器不接触冷却剂或切屑来确保可靠性，具有能够以廉价且不损坏可靠性地实现热位移修正的高精度化的效果。

附图说明

本发明的上述以及其它目的以及特征根据参照附图的以下的实施例的说明变得明了。其中，

图1是说明热位移量的时间变化的图形。

图2是说明热位移量的实测值和计算值的时间变化的图形。

图3是说明控制机床的数值控制装置的框图。

图4是表示热位移量的计算（推定）和修正的处理的流程图。

图5是表示识别热位移量的变化状态的处理的流程图。

图6是表示计算热位移修正量的处理的流程图。

图7是表示计算系数的处理的流程图。

图8是说明热位移修正量的时间变化的显示和更新系数后的预测显示的图。

具体实施方式

图3是表示机床的数值控制装置的主要部分的功能框图。

数值控制装置10的处理器（CPU）11经由总线21读出在ROM12中存储的***程序，按照该***程序整体控制数值控制装置10。在RAM13中存储暂时的计算数据、显示数据以及操作员经由LCD/MDI单元70输入的各种数据等。

SRAM14通过未图示的电池后备供电，构成为即使数值控制装置10的电源关断也保持存储状态的非易失性存储器，存储测定初始位置的程序或进行机床的热位移修正的程序、经由接口15读入的后述的加工程序、经由LCD/MDI单元70输入的加工程序等。另外，在ROM12中预先写入了用于实施为了加工程序的生成以及编辑所需的编辑模式的处理或用于自动运转的处理的各种***程序。

接口15是用于可与数值控制装置10连接的外部设备的接口，连接外部存储装置等外部设备72。从该外部存储装置读入加工程序、热位移测定程序等。PMC（可编程机床控制器）16通过内置在数值控制装置10的时序程序控制机床侧的辅助装置等。即按照由加工程序指示的M功能、S功能以及T功能，通过这些时序程序在辅助装置侧变换必要的信号，从I/O单元17输出到辅助装置侧。各种致动器等辅助装置根据该输出信号来动作。另外，接受在机床的主体上配备的操作盘的各种开关等的信号，进行必要的处理后交付给处理器11。

机床的各轴的当前位置、警报、参数、图像数据等的图像信号被发送到LCD/MDI单元70，并显示在其显示器上。LCD/MDI单元70是具备显示器、键盘等的手动数据输入装置，接口18从LCD/MDI单元70的键盘接受数据交付给处理器11。

接口19与手动脉冲发生器71连接，该手动脉冲发生器71被安装在机床的操作盘上，被用于通过基于手动操作的分配脉冲进行的各轴控制来精密地定位机床的可动部。

使机床的工作台T移动的X、Y轴的轴控制电路以及Z轴的控制电路30~32接受来自处理器11的各轴的移动指令，将各轴的指令输出到伺服放大器40~42。伺服放大器40~42接受该指令来驱动机床的各轴的伺服电动机50~52。在各轴的伺服电动机50~52中内置有位置检测用的编码器，来自该编码器的位置信号作为脉冲列被反馈。

主轴控制电路60接受向机床的主轴旋转指令，向主轴放大器61输出主轴速度信号。主轴放大器61接受该主轴速度信号，以所指示的旋转速度使机床的主轴电动机62旋转，驱动刀具。

在主轴电动机62上通过齿轮或者传送带等结合了位置编码器63，位置编码器63与主轴的旋转同步地输出反馈脉冲，该反馈脉冲经由接口20通过处理器11被读取。65是被调整为与当前时刻同步的时钟电路。

首先，使用图4说明热位移量的计算（推定）和修正。

<热位移量的计算>（参照图4的步骤SA01）

例如，与日本特开2002-18677号公报中公开的方法同样地计算进给轴的热位移量D。另外，热位移量D的计算方法并不限于此，也可以是根据进给轴的各部的温度或位置的测定来求出的方法等。

<热位移量变化状态的识别>（参照图4的步骤SA03、图5）

每隔第1预定时间（参照图4的步骤SA02），根据所述计算出的各轴的热位移量D识别热位移量变化状态n。首先，对每个轴计算热位移量D的变化量△D（上次计算出的热位移量和此次计算出的热位移量的差）。如果上次热位移量的变化量△D在预先决定的阈值以下，则判断为稳定状态，如果比预先决定的阈值大并且热位移量D增加，则判断为发热状态，除此以外的情况下判断为散热状态。将所述热位移量变化状态n与各轴的热位移量D以及计算出热位移量D的时刻一起保存在存储器中。另外，也可以代替计算各轴的热位移量的变化量△D，而计算任意的轴的热位移量D的变化量△D，将其共用于全部轴。

<热位移修正量的计算>（参照图4的步骤SA04以及图6）

在所述计算出的热位移量D上乘以与所述热位移量变化状态n对应的后述的系数En（参照3.2），针对每个轴计算抵消该相乘而得的结果的量作为热位移修正量δ。每隔预定时间将所述计算出的各轴的热位移修正量δ与计算的时刻以及热位移量变化状态n一起保存在存储器中。

<热位移的修正>（参照图4的步骤SA05）

通过公知方法来修正热位移Ld。例如，如所述的日本特开2002-18677号公报中所示那样，通过对进给轴的位置指令加上热位移修正量δ来进行修正。此外，也可以是移动坐标系等其它方法。

然后，使用图7说明计算热位移修正量时使用的系数（与热位移量变化状态对应的系数）的计算方法。

<修正误差的测定>

通过在进行了热位移Ld的修正的状态下（1）测定机械上的预定的部位，或者（2）通过在进行了热位移Ld的修正的状态下测定所加工的工件的预定位置来求出各轴方向的修正误差ε。

在上述（1）的通过在进行了热位移Ld的修正的状态下测定机械上的预定的部位来求出各轴方向的修正误差ε的情况下，将根据测定结果求出的各轴方向的修正误差ε与测定的时刻一起保存在存储器中。进一步，根据该测定的时刻（即与修正误差ε对应的时刻）和在所述存储器中保存的热位移量变化状态n和时刻（参照图5的步骤SB10），识别所求出的修正误差ε发生时的热位移量变化状态n，并保存在存储器中。

另一方面，在上述（2）的通过在进行了热位移Ld的修正的状态下测定所加工的工件的预定位置来求出各轴方向的修正误差ε的情况下，将根据测定结果求出的各轴方向的修正误差ε与加工工件的时刻一起保存在存储器中。进一步，根据加工该工件的时刻（即与修正误差ε对应的时刻）和在所述存储器中保存的热位移量变化状态n和时刻（参照图5的步骤SB10）来识别所求出的修正误差ε发生时的热位移量变化状态n，并保存在存储器中。另外，应该测定的‘所加工的工件的预定位置’作为与当前正在加工的部位不同的部位，可以用于评价加工该部位时的热位移。

<系数（En）的计算>

求出‘与修正误差ε对应的时刻’的热位移修正量δ。从所述存储器（参照图6的步骤SC05）读出计算出热位移修正量δ的时刻，如果该读出的时刻与所述‘与修正误差ε对应的时刻’一致，则读出与该时刻对应的热位移修正量δ。另一方面，在‘与修正误差ε对应的时刻’与所读出的时刻不一致的情况下，从存储器读出‘与修正误差ε对应的时刻’紧前面的时刻和紧随其后的时刻，读出与各时刻对应的热位移修正量δ，假设在各个时刻之间，热位移修正量δ直线地变化，计算与修正误差ε对应的时刻的热位移修正量δ。针对各轴求出热位移修正量δ。

根据修正误差ε相对于‘与修正误差ε对应的时刻’的热位移修正量δ的比例（ε/δ）和该修正误差ε发生时的热位移量变化状态n，通过下式更新系数En。

En’=En×（1+（ε/δ））

对各轴求出该更新后的系数En’。另外，关于各系数，将更新后和更新前的系数的比保存在存储器中。将所述更新后的系数设为新的系数（En=En’）保存在存储器中。由此，新的系数从下次的热位移修正量的计算开始被反映。另外，n表示热位移量变化状态。例如，分配为n=1表示发热状态、n=2表示稳定状态、n=3表示散热状态。另外，系数En的初始值与热位移量变化状态n的各状态对应，被预先存储在存储器中。

使用图4的流程图说明热位移量的计算和修正的处理。以下，按照各步骤进行说明。

[步骤SA01]计算热位移量D。

[步骤SA02]判断是否经过了第一预定时间，在经过了的情况下，转移到步骤SA03，在未经过的情况下，转移到步骤SA04。另外，可以任意设定该第一预定时间。

[步骤SA03]进行热位移量变化状态n的识别。

[步骤SA04]计算热位移修正量δ。

[步骤SA05]进行热位移Ld的修正，结束该处理。

在此，在上述的步骤SA01中，进行“运算因伴随机床的驱动或者停止的发热或者散热而产生并随时间变化的热位移量”的处理，因此，与构成本发明的机床的热位移修正装置的“热位移量运算部”的处理对应。此外，在步骤SA03中，进行“通过热位移量运算部（步骤SA01），每隔第一预定时间求出上次运算的热位移量和当前的热位移量的变化量，根据该求出的变化量和预想设定的阈值的比较，识别多个热位移量变化状态”的处理，因此，与构成本发明的机床的热位移修正装置的“热位移状态识别部”的处理对应。进而，在步骤SA04中，进行“对通过热位移量运算部（步骤SA03）运算的热位移量乘以系数来运算热位移修正量”的处理，另外，在步骤SA05中进行“对进给轴的位置指令加上热位移修正量来进行位置指令的修正”的处理，因此，分别与构成本发明的机床的热位移修正装置的“热位移修正量运算部”以及“位置指令修正部”的处理对应。

使用图5的流程图说明热位移量变化状态的识别处理。该处理，通过图4所示的流程图的处理，基于每隔预定的时间计算出的各轴的热位移量和计算出该热位移量的时刻来识别热位移量变化状态。以下，按照各步骤进行说明。

[步骤SB01]从存储器读出上次计算出的各轴的热位移量D₀。

[步骤SB02]从存储器读出此次计算出的各轴的热位移量D。

[步骤SB03]计算此次计算出的各轴的热位移量D和上次计算出的各轴的热位移量D₀的差（△D=D-D₀）。

[步骤SB04]判断在步骤SB03计算出的各轴的热位移量的差△D是否在预先设定的第一阈值（ThrA）以下，如果各轴的热位移量在预先设定的第一阈值以下，则转移到步骤SB05，否则转移到步骤SB06。

[步骤SB05]判断热位移量变化状态是稳定状态。

[步骤SB06]判断各轴的热位移量的差（△D）是否大于零，在大于零的情况下，转移到步骤SB07，若不大于零则转移到步骤SB08。

[步骤SB07]判断热位移量变化状态为发热状态。

[步骤SB08]判断热位移量变化状态为散热状态。

[步骤SB09]将上次计算出的各轴的热位移量（D₀）置换为此次计算出的各轴的热位移量（D）。

[步骤SB10]将各轴的热位移量、计算出热位移量的时刻、热位移量变化状态保存到存储器中，结束该处理。

在此，补充说明图5的流程图。

在步骤SB03中计算了各轴的热位移量的变化量△D，但是可以代替计算各轴的热位移量的变化量，而计算任意的轴的热位移量的变化量并将其通用于全部轴。

将热位移量变化状态识别为稳定状态（步骤SB05）、发热状态（步骤SB07）、散热状态（步骤SB08）这三种状态，但是，也能够设置多个用于识别热位移量变化状态的阈值，划分为更多的状态。例如，通过设置两个阈值，能够将发热状态以及散热状态分别划分为两个。

首先，设定第二阈值（ThrB）大于第一阈值（ThrA），使用第一阈值（ThrA），如上述那样将热位移量变化状态识别为发热状态、稳定状态、散热状态三个状态。进而，使用第二阈值（ThrB），如果热位移量的变化量大于第一阈值（ThrA）小于第二阈值（ThrB），并且热位移量增加则称为发热状态AA，如果热位移量的变化量大于第二阈值（ThrB）并且热位移量增加则称为发热状态BB，这样，将发热状态划分为两个状态。散热状态也同样能够划分为两个状态。

使用图6的流程图说明热位移修正量计算的处理。在该处理中，在通过图4的流程图的处理计算出的热位移量D上乘以通过图5的流程图的处理判别出的热位移量变化状态n所对应的系数En，将抵消该量的量设为热位移修正量δ，针对各轴来计算热位移修正量δ。然后，将计算出的各轴的热位移修正量δ与计算出的时刻以及热位移量变化状态n一起，每隔预定时间保存在存储器中。以下，按照各步骤进行说明。

[步骤SC01]从存储器读出当前的热位移量变化状态n。

[步骤SC02]从存储器读出与热位移量变化状态n对应的系数En。

[步骤SC03]对热位移量D乘以系数En，将抵消该量的量设为热位移修正量δ。

[步骤SC04]判断是否经过了第二预定时间，在经过了第二预定时间的情况下，转移到步骤SC05，没有经过预定时间的情况下，结束该处理。另外，可以任意设定该第二预定时间。

[步骤SC05]在存储器中保存热位移修正量δ及其计算时刻、以及热位移量变化状态n，结束该处理。

在上述步骤SC05中，进行“将通过热位移修正量运算部计算出的热位移修正量、计算出热位移修正量的时刻、通过所述热位移状态识别部识别出的状态每隔第二预定时间保存在存储器中”的处理，因此与构成本发明的机床的热位移修正装置的“热位移修正量履历部”对应。

接着，使用图7的流程图说明与热位移量变化状态对应的系数（En）的计算处理。以下，按照各步骤进行说明。

[步骤SD01]求出修正误差ε，保存在存储器中。

[步骤SD02]将与修正误差ε对应的时刻、以及热位移量变化状态n保存在存储器中。

[步骤SD03]求出与修正误差ε对应的时刻的热位移修正量δ。

[步骤SD04]根据热位移修正量δ、修正误差ε、热位移量变化状态n更新系数En。

[步骤SD05]将更新前的系数En和更新后的系数En’的比（En’/En）保存在存储器中。

[步骤SD06]将更新后的系数设为新的系数（En=＝En’）保存在存储器中。

在此，在上述的步骤SD04中，进行“基于通过热位移状态识别部识别出的状态运算系数”的处理，因此与构成本发明的机床的热位移修正装置的“系数运算部”对应。

图8是说明热位移修正量的随时间的变化的显示和系数更新后的预测的显示的图。在图8中，在LCD/MDI单元70的显示画面上显示系数更新前的热位移修正量的随时间的变化和系数更新后的热位移修正量的随时间的变化，进而显示进行图形更新等输入指示的触摸开关。

在图6的流程图的步骤SC05的处理（热位移修正量履历部）中，可以根据在存储器中保存的热位移修正量和计算出该热位移修正量的时刻，在机床的画面上对热位移修正量的随时间的变化进行图形显示（热位移修正量时间变化显示部），此外，也可以在所述画面上对在所述存储器中保存的热位移修正量应用通过步骤SD04的处理（系数运算部）求出的系数来运算出的预测热位移修正量进行图形显示（预测热位移修正量显示部）。

然后，说明热位移修正量的图形显示。

<1>热位移修正量的随时间变化的显示

从存储器中读出在所述存储器中保存的各轴的热位移修正量δ，在画面上显示时刻对热位移修正量δ的图形（热位移修正量的随时间的变化的显示）。此外，也可以改变颜色或者改变线形来显示，以便能够在视觉上分别识别发热状态、稳定状态、散热状态。

<2>系数更新后的热位移修正量的预测显示

在热位移修正量δ的随时间的变化的显示中，在更新系数En时，通过对针对各轴的各热位移量变化状态n求出的系数En的更新前后的比（En’/En）和热位移修正量δ进行相乘运算，求出系数En的更新后的热位移修正量的预测值，在热位移修正量的随时间的变化的显示上重叠显示预测热位移修正量。由此，能够容易地掌握系数更新后的热位移修正量的目标。

如上所述，在修正热位移，产生修正误差的情况下，能够识别热位移量变化状态，根据该识别出的热位移量变化状态来调整热位移修正量，因此，在任意的状态下都能够进行更准确的热位移修正。

此外，因为没有附加传感器地进行热位移量变化状态的识别，所以，不会花费用于附加传感器的成本，无需保护传感器不接触冷却剂或切屑并确保可靠性，能够以低成本且不损害可靠性地实现热位移修正的高精度化。

并且，因为能够在机床的画面上显示热位移修正量的随时间的变化和基于针对每个热位移量变化状态求出的系数的预测热位移修正量，所以，能够容易掌握系数更新后的热位移修正量的目标。

Claims (2)

1.一种机床的热位移修正装置，其具有：

热位移量运算部，其对由于伴随机床的驱动或者停止的发热或者散热而产生并随着时间变化的热位移量进行运算；

热位移修正量运算部，其对通过所述热位移量运算部运算出的热位移量乘以系数来运算热位移修正量；以及

修正部，其在进给轴的位置指令上加上该热位移修正量来进行修正，

所述机床的热位移修正装置的特征在于，

具有：

热位移状态识别部，其通过所述热位移量运算部每隔第一预定时间，求出上次运算出的热位移量和当前的热位移量的变化量，并根据该变化量与变化量的阈值，来识别多个热位移量变化状态；以及

系数运算部，其根据通过所述热位移状态识别部识别出的状态，运算所述系数。

2.根据权利要求1所述的机床的热位移修正装置，其特征在于，

具有：

热位移修正量履历部，其每隔第二预定时间，将通过所述热位移修正量运算部计算出的热位移修正量、计算出该热位移修正量的时刻以及通过所述热位移状态识别部识别出的状态保存到存储器中；

热位移修正量时间变化显示部，其根据通过所述热位移修正量履历部保存在存储器中的热位移修正量和计算出该热位移修正量的时刻，在机床的画面上对热位移修正量的时间变化进行图形显示；以及

预测热位移修正量显示部，其将对通过所述热位移修正量履历部保存在存储器中的热位移修正量应用通过所述系数运算部求出的系数进行运算而得的预测热位移修正量，显示在通过所述热位移修正量时间变化显示部显示的图形上。