JP2013255978A - 熱変位補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサによる温度に応じた計測誤差の影響を受けることなく補正できる熱変位補正装置を提供する。
【解決手段】主軸５は、軸方向一方を向く第一面５３および軸方向他方を向く第二面５４を備える。第一計測部１０１が、温度に応じて計測値に誤差e1を含む第一面５３の軸方向熱変位量δ_Daを計測する。第二計測部１０２が、温度に応じて計測値に誤差e1を含む第二面５４の軸方向熱変位量δ_Dbを計測する。熱変位量算出部１０３が、第一，第二計測部１０１，１０２の計測値δ_Da，δ_Dbに基づいて、誤差e1を含まない主軸５の軸方向熱変位量δ_Cを算出し、補正部１０４が、熱変位量δ_Cに基づいて工作機械の動作を補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械の主軸の熱変位を補正する熱変位補正装置に関するものである。

例えば、特開平６−１４３０９２号公報、特開２００８−２６４８８３号公報および特開２０１１−９３０６８号公報には、主軸の熱変位を補正することが記載されている。

特開平６−１４３０９２号公報 特開２００８−２６４８８３号公報 特開２０１１−９３０６８号公報

ところで、熱変位量を計測するセンサは、温度に応じた誤差を含んでいることがある。そのため、当該計測値に基づいて補正した場合、温度に応じた誤差の分、高精度に補正することができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、センサによる温度に応じた計測誤差の影響を受けることなく補正できる熱変位補正装置を提供することを目的とする。

（請求項１）本手段に係る熱変位補正装置は、工作機械の主軸の熱変位を補正する熱変位補正装置であって、前記主軸は、軸方向一方を向く第一面および軸方向他方を向く第二面を備え、前記熱変位補正装置は、温度に応じて計測値に誤差を含む前記第一面の軸方向熱変位量を計測する第一計測部と、温度に応じて計測値に前記誤差を含む前記第二面の軸方向熱変位量を計測する第二計測部と、前記第一，第二計測部の計測値に基づいて、前記誤差を含まない前記主軸の軸方向熱変位量を算出する熱変位量算出部と、前記熱変位量算出部により算出された前記熱変位量に基づいて前記工作機械の動作を補正する補正部と、を備える。

（請求項２）また、前記熱変位量算出部は、前記第一計測部による計測値と前記第二計測部の計測値との差分に基づいて、前記熱変位量を算出するようにしてもよい。

（請求項３）また、前記第一面と前記第二面とは、軸方向に対向し、前記熱変位補正装置は、前記第一面と前記第二面との軸方向間に配置され、前記主軸の径方向の軸を中心に旋回するセンサ装置を備え、前記センサ装置は、旋回軸回りの外周面に設けられ対向部材との距離を計測するセンサを備え、前記第一計測部は、前記センサ装置を旋回させて前記センサを前記第一面に対向する位相に位置させた状態における前記センサであり、前記第二計測部は、前記センサ装置を旋回させて前記センサを前記第二面に対向する位相に位置させた状態における前記センサとしてもよい。

（請求項４）また、前記第一計測部と前記第二計測部は、それぞれ異なるセンサとしてもよい。

（請求項５）また、前記熱変位補正装置は、主軸の回転数を検出する主軸回転数検出部を備え、前記熱変位量算出部は、前記第一，第二計測部の計測値および前記回転数に基づいて、前記誤差を含まない前記主軸の軸方向熱変位量を算出してもよい。

（請求項１）本手段によれば、主軸の第一面と第二面のそれぞれの熱変位量を計測し、これらの計測値を用いて主軸の軸方向熱変位量を算出している。ここで、第一面と第二面とが軸方向において反対方向を向いているため、主軸が熱変位した場合において、第一計測部による計測値と第二計測部による計測値とは正負反対となる。そして、第一面と第二面のそれぞれの熱変位量には温度に応じた誤差を含んでいる。この誤差は、第一計測部による計測値においても、第二計測部による計測値においても、正負が同一となる。このような関係を有する二つの計測値を用いて演算することで、誤差を打ち消すことができる。従って、熱変位量算出部にて算出される主軸の熱変位量は、温度に応じた誤差を含まないようにできる。その結果、温度が変化したとしても、高精度に熱変位補正を行うことができる。

（請求項２）上述したように、誤差は、第一計測部による計測値においても、第二計測部による計測値においても、正負が同一となる。そこで、第一計測部による計測値と第二計測部の計測値との差分に基づいて熱変位量を算出することで、確実に誤差を打ち消すことができる。

（請求項３）１つのセンサ装置を用いて、当該センサ装置を旋回可能とすることで、当該センサ装置を第一計測部としても第二計測部としても機能させることができる。これにより、低コスト化を図ることができると共に、小型化を図ることができる。さらに、第一面と第二面とを対向させて形成することで、両面間距離を短くすることが可能となる。その結果、第一面における熱変位量と第二面における熱変位量とが異なるとしても、その差を微小にすることができる。従って、高精度に熱変位補正を行うことができる。

（請求項４）第一計測部と第二計測部をそれぞれ異なるセンサとする場合には、それぞれを簡易な構成とすることができる。従って、高精度な計測が可能となる。

（請求項５）ここで、第一面と第二面との軸方向位置が異なるため、各面の熱変位量が僅かに相違する。つまり、当該部位の温度変化に比例する分だけ、各面の熱変位量が異なる。そして、当該温度変化は主軸の回転数に相関がある。そこで、第一，第二計測部の計測値に加えて、主軸の回転数を用いて、主軸の熱変位量を算出することで、高精度に主軸の熱変位量を算出できる。

本発明の第一実施形態としての工作機械の一例を示す図である。 図１の工作機械を構成する主軸ハウジング内の詳細構成を示す主軸の軸方向断面図である。 図１の工作機械を構成する制御装置のうち熱変位補正装置の機能ブロック図である。 図３に示す制御装置のうち熱変位補正に関する処理のフローチャートである。 図４のステップＳ２におけるセンサによる第一面の熱変位量を計測する状態を示す図である。 図４のステップＳ４におけるセンサによる第二面の熱変位量を計測する状態を示す図である。 主軸の第一面と第二面との実際の熱変位量を示す図である。 図２に示すセンサの温度ドリフト特性を示すグラフである。 本発明の第二実施形態の熱変位補正装置の機能ブロック図である。 本発明の第三実施形態の主軸ハウジング内の詳細構成を示す主軸の軸方向断面図である。

＜第一実施形態＞
（１．工作機械の機械構成）
本発明の熱変位補正装置を適用した工作機械の一例として、横型マシニングセンタを例に挙げ、図１を参照して説明する。なお、本発明は、当該横型マシニングセンタに限定されるものではなく、他の構成のマシニングセンタ、さらには、旋盤や研削盤などの主軸を有する工作機械であれば適用できる。

当該工作機械は駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）を有する工作機械である。図１に示すように、工作機械は、ベッド１と、ベッド１上にてＸ軸方向に移動可能なコラム２と、コラム２の前面（図１の左面）にてＹ軸方向に移動可能なサドル３と、サドル３に固定された主軸ハウジング４と、主軸ハウジング４に回転可能に支持され工具６を保持する主軸５と、ベッド１上にてＺ軸方向に移動可能でありワークＷを載置するテーブル７と、主軸５の軸方向の熱変位量を計測するためのセンサ装置８を備える。また、工作機械は、各駆動軸を制御するための制御装置（図示せず）を備える。

（２．主軸ハウジング４内の詳細構成）
次に、主軸ハウジング４内の詳細構成について、図２を参照して説明する。主軸５は、前側軸受４１と後側軸受４２を介して、主軸ハウジング４に対して回転可能に支持される。主軸ハウジング４において前側軸受４１と後側軸受４２との間にはコイル４３が設けられており、コイル４３への通電により主軸５が回転する。

この主軸５は、軸受４１，４２に支持される主軸本体５１と、主軸ハウジング４の開口側（図２の左側）との間に形成される僅かな隙間によりシールするフランジ５２とを備える。さらに、主軸５の外周面には、主軸５の熱変位量、特に主軸５における工具６側の部位の熱変位量を計測するために、前側軸受４１とフランジ５２との間に、第一面５３および第二面５４が形成されている。

第一面５３は、その法線が軸方向後方（反工具側）を向くように軸直交平面状に形成されており、第二面５４は、その法線が軸方向前方（工具側）を向くように軸直交平面状に形成されている。ここで、本実施形態においては、第一面５３と第二面５４とは、軸方向に対向するように設けられている。つまり、第一面５３と第二面５４との間には、環状溝が形成されている。

そして、センサ装置８は、アーム８１と、センサ支持体８２と、センサ８３とを備える。アーム８１は、サドル３から主軸ハウジング４の外周面に沿って軸方向に延びるように、主軸ハウジング４とは別体に設けられる。このアーム８１は、主軸ハウジング４に比べて線膨張係数が小さな材料により形成される。つまり、同一温度において、主軸ハウジング４の熱変位量よりアーム８１の熱変位量の方が小さくなる。

センサ支持体８２は、アーム８１の先端側に、主軸５の径方向の軸Ｒを中心に旋回可能に設けられる。センサ支持体８２の先端側は、主軸ハウジング４内に配置される。さらに、センサ支持体８２の先端側は基端側に対して小径に形成されており、当該先端側が、第一面５３と第二面５４との軸方向間に配置される。

センサ８３は、センサ支持体８２の先端側の旋回軸Ｒ回りの外周面に設けられる。このセンサ８３は、対向部材との距離を計測し、例えば、渦電流センサなどである。本実施形態においては、センサ８３は、対向部材が予め設定されている位置から変化した変位量を計測することとする。

具体的には、センサ８３が第一面５３に対向する位相に位置している場合には、センサ８３は、当該センサ８３と第一面５３との軸方向距離の変位量を計測できる。一方、センサ８３が第二面５４に対向する位相に位置している場合には、センサ８３は、当該センサ８３と第二面５４との軸方向距離の変位量を計測できる。

（３．熱変位補正装置の機能構成）
次に、熱変位補正装置の機能構成について、図３〜図７を参照して説明する。熱変位補正装置１００は、センサ装置８と、数値制御装置（図示せず）の一部を含む。概要は以下のとおりである。熱変位補正装置１００は、センサ装置８のセンサ８３により第一面５３および第二面５４の軸方向の熱変位量δ_Da，δ_Dbを計測し、これらの計測結果を用いて主軸５の軸方向の熱変位量δ_Cを算出する。算出された熱変位量δ_Cにより、ＮＣデータに基づいて制御する位置指令に対して補正して、駆動装置を駆動する。以下に、熱変位補正装置１００の詳細を説明する。

すなわち、熱変位補正装置１００は、図３に示すように、第一計測部１０１および第二計測部１０２として機能するセンサ装置８と、第一，第二計測部１０１，１０２の計測結果を用いて主軸５の熱変位量δ_Cを算出する熱変位量算出部１０３と、熱変位量δ_Cを用いて補正する補正部１０４とを備える。

図３に示す熱変位補正装置１００の各機能の詳細について、図４に示す当該装置１００による補正処理と合わせて説明する。まず、図５Ａに示すように、センサ装置８のＲ軸回りに旋回させて、センサ８３を第一面５３に対向する位相に位置させる（図４のＳ１）。ここで、図５Ａにおいて、二点鎖線は、主軸５が熱変位する前の形状を示し、実線は、主軸５が熱変位した現在の形状を示す。

この状態において、センサ８３により第一面５３の軸方向の熱変位量δ_Daを計測する（図４のＳ２）。この計測は、図３における第一計測部１０１による計測となる。ここで、センサ８３による計測値には、温度に応じた誤差e1（一般に、温度ドリフトとも称する）を含む。そのため、計測された第一面５３の熱変位量δ_Daには、当該誤差e1を含んでいる。このことについて図６および図７を参照して説明する。

図６に示すように、第一面５３の実際の熱変位量δ_Aと第二面５４の実際の熱変位量δ_Bは、ほぼ同一となる。実際には、第一面５３と第二面５４との軸方向位置が異なることに起因して、第一面５３の熱変位量と第二面５４の熱変位量とは僅かに相違する。つまり、実際の熱変位量δ_A，δ_Bは、式（１）のような関係を有する。なお、αは、主軸５の線膨張係数であり、Δtは、主軸５の温度変化であり、Ｌは、図６に示すように第一面５３と第二面５４との軸方向距離（対向距離）である。

しかしながら、センサ８３による計測値は、図７に示すような温度ドリフトの特性を有する場合があり、温度測定などによりドリフト量を精度良く算出することは困難である。図７において、温度上昇時と温度下降時とで計測誤差が異なる関係を有する。例えば、図７において、温度上昇時であって温度T1においては、センサ８３の計測誤差がe1となる。つまり、センサ８３の計測値は、実際の変位量に対して計測誤差e1を加算した値となる。

従って、図５Ａに示すように、センサ８３により計測された第一面５３の熱変位量δ_Daと、実際の熱変位量δ_Aとの関係は、式（２）のようになる。なお、センサ８３による計測値は、センサ８３から遠ざかる方を正値とし、センサ８３に近づく方を負値とする。

次に、図５Ｂに示すように、センサ装置８のＲ軸回りに旋回させて、センサ８３を第二面５４に対向する位相に位置させる（図４のＳ３）。この状態において、センサ８３により第二面５４の軸方向の熱変位量δ_Dbを計測する（図４のＳ４）。この計測は、図３における第二計測部１０２による計測となる。

この場合にも、センサ８３の計測値には、温度に応じた誤差e1を含む。従って、図５Ｂに示すように、センサ８３により計測された第二面５４の熱変位量δ_Dbと、実際の熱変位量δ_Bとの関係は、式（３）のようになる。

ここで、第一面５３と第二面５４とが軸方向において反対方向を向いているため、主軸５が熱変位した場合において、第一計測部１０１による計測値δ_Daに含まれる実際の熱変位量δ_Aと、第二計測部１０２による計測値δ_Dbに含まれる実際の熱変位量δ_Bとは、正負反対となる（式（２）（３）参照）。

そして、第一面５３と第二面５４のそれぞれの計測される熱変位量δ_Da，δ_Dbには温度に応じた誤差e1を含んでいる。この誤差e1は、第一計測部１０１による計測値δ_Daにおいても、第二計測部１０２による計測値δ_Dbにおいても、正負が同一となる（式（２）（３）参照）。

続いて、図３の熱変位量算出部１０３において、計測された第一，第二面５３，５４の熱変位量δ_Da，δ_Dbに基づいて、主軸５の熱変位量δ_Cを算出する（図４のＳ５）。主軸５の熱変位量δ_Cは、式（４）のようにして算出される。

つまり、主軸５の熱変位量δ_Cは、第一面５３の計測された熱変位量δ_Daと第二面５４の計測された熱変位量δ_Dbとの差分を２で除した値となる。この関係式を、上記式（１）〜（３）を用いて展開すると、式（４）の第三行目にて表されるようになる。つまり、算出される熱変位量δ_Cは、計測誤差e1を打ち消すことができて、実際の第一面５３の熱変位量δ_Aに、対向面５３，５４間の熱変位の半分を含んだ値となる。

ただし、第一面５３と第二面５４との対向距離は、センサ支持体８２の小径である先端側は入り込む程度の短い距離とすることができる。従って、対向面５３，５４間の熱変位分は無視することができ、算出される熱変位量δ_Cは、ほぼ実際の第一面５３の熱変位量δ_Aに一致する。つまり、算出される熱変位量δ_Cには、センサ８３の計測誤差e1を含まない値となる。

続いて、図３の熱変位量算出部１０３にて算出された主軸５の熱変位量δ_Cに基づいて、補正部１０４が、ＮＣデータから得られる指令値に対して補正する（図４のＳ６）。そして、補正部１０４が、駆動装置を駆動する。熱変位量算出部１０３にて算出される主軸５の熱変位量δ_Cは、温度に応じた計測誤差e1を含まない。その結果、温度が変化したとしても、高精度に熱変位補正を行うことができる。

また、本実施形態においては、１つのセンサ装置８を用いて、当該センサ装置８のセンサ支持体８２をＲ軸回りに旋回可能とすることで、当該センサ装置８のセンサ８３を第一計測部１０１としても第二計測部１０２としても機能させることができる。これにより、低コスト化を図ることができると共に、小型化を図ることができる。

さらに、主軸５における第一面５３と第二面５４とを対向させて形成することで、両面間の対向距離Ｌ（図２に示す）を短くすることが可能となる。その結果、第一面５３における実際の熱変位量δ_Aと第二面５４における実際の熱変位量δ_Bとが異なるとしても、その差を微小にすることができる。従って、高精度に熱変位補正を行うことができる。

＜第二実施形態＞
上記実施形態においては、１つのセンサ装置８を用いて、センサ支持体８２をＲ軸回りに旋回させることで、センサ８３を第一面５３および第二面５４のそれぞれに対向させることとした。本実施形態においては、２つのセンサ装置９ａ，９ｂを備えることとする。センサ装置９ａは、サドル３に固定されたＬ字型のセンサ支持体９１ａ，９１ｂと、それらの先端に設けられたセンサ９２ａ，９２ｂとを備える。

センサ装置９ａのセンサ９２ａを第一面５３に対向させ、センサ装置９ｂのセンサ９２ｂを第二面５４に対向させる。つまり、センサ９２ａが、図３における第一計測部１０１となり、センサ９２ｂが、第二計測部１０２となる。このようにすることで、センサ９２ａ，９２ｂが移動することがないため、簡易な構成とすることができるため、高精度な計測が可能となる。

＜第三実施形態＞
上記実施形態においては、式（４）に示すように、第一面５３と第二面５４との対向距離Ｌの熱変位分を無視して考えた。この熱変位分をより高精度に打ち消すために、以下のようにする。

つまり、本実施形態における熱変位補正装置２００は、図９に示すように、主軸５の回転数Ｖを検出する検出部２０５を備え、熱変位量算出部２０３において、この回転数Ｖおよび第一，第二計測部１０１，１０２の計測値を用いて主軸５の熱変位量δ_Cを算出する。

ここで、式（４）における熱変位分に含まれる温度変化Δtは、主軸５の回転数Ｖに相関がある。つまり、式（５）の関係を有する。

そこで、熱変位量算出部２０３は、式（６）として表される主軸５の熱変位量δ_Cを算出する。従って、算出される熱変位量δ_Cは、実際の主軸５の熱変位量δ_Aに一致させることができる。その結果、高精度な熱変位補正が可能となる。

＜その他＞
上記実施形態においては、主軸５の第一面５３と第二面５４とを軸方向に対向する面とした。この他に、第一面５３と第二面５４とは、軸方向に反対側を向くように形成することもできる。ただし、この場合には、それぞれの面の熱変位量を計測するために、２つのセンサを配置することになる。

５：主軸、 ５３：第一面、 ５４：第二面、 ８，９ａ，９ｂ：センサ装置、 ８３，９２ａ，９２ｂ：センサ、 １００，２００：熱変位補正装置、 １０１：第一計測部、 １０２：第二計測部、 １０３，２０３：熱変位量算出部、 １０４：補正部、 ２０５：主軸回転数検出部

Claims (5)

1. 工作機械の主軸の熱変位を補正する熱変位補正装置であって、
   前記主軸は、軸方向一方を向く第一面および軸方向他方を向く第二面を備え、
   前記熱変位補正装置は、
   温度に応じて計測値に誤差を含む前記第一面の軸方向熱変位量を計測する第一計測部と、
   温度に応じて計測値に前記誤差を含む前記第二面の軸方向熱変位量を計測する第二計測部と、
   前記第一，第二計測部の計測値に基づいて、前記誤差を含まない前記主軸の軸方向熱変位量を算出する熱変位量算出部と、
   前記熱変位量算出部により算出された前記熱変位量に基づいて前記工作機械の動作を補正する補正部と、
   を備える、熱変位補正装置。
2. 前記熱変位量算出部は、前記第一計測部による計測値と前記第二計測部の計測値との差分に基づいて、前記熱変位量を算出する、請求項１の熱変位補正装置。
3. 前記第一面と前記第二面とは、軸方向に対向し、
   前記熱変位補正装置は、前記第一面と前記第二面との軸方向間に配置され、前記主軸の径方向の軸を中心に旋回するセンサ装置を備え、
   前記センサ装置は、旋回軸回りの外周面に設けられ対向部材との距離を計測するセンサを備え、
   前記第一計測部は、前記センサ装置を旋回させて前記センサを前記第一面に対向する位相に位置させた状態における前記センサであり、
   前記第二計測部は、前記センサ装置を旋回させて前記センサを前記第二面に対向する位相に位置させた状態における前記センサである、請求項１または２の熱変位補正装置。
4. 前記第一計測部と前記第二計測部は、それぞれ異なるセンサである、請求項１または２の熱変位補正装置。
5. 前記熱変位補正装置は、主軸の回転数を検出する主軸回転数検出部を備え、
   前記熱変位量算出部は、前記第一，第二計測部の計測値および前記回転数に基づいて、前記誤差を含まない前記主軸の軸方向熱変位量を算出する、請求項１〜４の何れか一項の熱変位補正装置。

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