JP2015199168A - 機械の熱変位補正装置 - Google Patents
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Abstract
Description
請求項2に係る発明は、前記温度推定手段は、前記メモリに保存されたそれぞれの区間に対応する発熱係数と放熱係数と隣接する各区間との間の熱伝導係数とから、各区間の温度を推定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装置である。
請求項4に係る発明は、前記温度推定手段は、前記主軸部の各区間の内、少なくとも一箇所の温度を測定する温度測定手段を持ち、前記メモリに保存されたそれぞれの区間に対応する発熱係数と放熱係数と隣接する各区間との間の熱伝導係数と、前記温度測定手段によって得られる主軸部の温度とから、各区間の温度を推定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装置である。
請求項5に係る発明は、前記温度推定手段は、主軸の回転数を計測する主軸回転数計測手段と、前記主軸部の各区間の内、少なくとも一箇所の温度を測定する温度測定手段とを持ち、前記メモリに保存されたそれぞれの区間に対応する発熱係数と放熱係数と隣接する各区間との間の熱伝導係数と、前記主軸回転数計測手段によって得られる主軸回転数と、前記温度計測手段によって得られる各区間の温度とから、各区間の温度を推定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装置である。
図1は工作機械の要部を示す図である。工作機械は図示しないベッド上に、コラム80とサドル87が固定されている。図示しないベッドに立設したコラム80の側方には主軸取付台81が取り付けられている。主軸取付台81にはスピンドルモータ82を備えた主軸83が取り付けられている。主軸83の工具装着部には工具84が保持される。サドル87上のテーブル86にはワーク85が固定されている。主軸83に保持された工具84によってワーク85が加工される。
主軸83の回転軸と主軸83の回転軸と直交する軸を含む面に対して、構造的かつ熱的に対称となる主軸83を持つ工作機械について考える。この場合、対称面に対して直交する軸の方向に均等に熱が伝わるため、熱変位も対称面に対して対称となる。そのため、主軸83の回転軸に着目すると、対称面に対して垂直な軸方向においては、互いに打ち消しあい、熱変位がないものとして考えることができる。
主軸を含む主軸部を、図2に示すようなY−Z平面上の二次元のモデルとして考える。このモデルを12箇所の区間に分割し、各区間の温度を記憶する領域を制御装置(図10参照)のメモリ上に確保する(時刻Nにおける区間Iの温度をTINとする)。なお、この例では、図2に示すように、区間1〜区間12の12箇所の区間に分割しているが、区間の数や大きさは問わない。また、図2には主軸部の構成として、主軸83、スピンドルモータ82、主軸取付台81、コラム80を示したが、この構成に限らない。ここで、設定した区間の数や形や大きさに従って適切な放熱係数と、発熱係数と、隣接する区間との間の熱伝導係数を設定する。これらの係数を、制御装置のメモリに保存する。コールドスタート時の各区間の温度TI0をメモリに保存する。
(ステップsa01)
主軸部の二次元モデルを幾つかに分割する。
(ステップsa02)
各区間の初期温度を設定する。
(ステップsa03)
時刻Nにおける温度を推定する。
(ステップsa04)
主軸部の補正量を推定する。
(ステップsa05)
主軸部の補正量を更新する。
(ステップsa06)
変位を推定した時刻を保存する。
(ステップsa07)
処理の終了か否かを判断する。
(ステップsa08)
一致期間時間が経過したか否か判断し、一定時間が経過するとステップsa03へ移行する。
各区間の温度の初期値を算出し、制御装置のメモリに保存する。
・最後に温度分布を算出した時の時刻と、そのときの各区間の温度を制御装置のメモリから読込む。
・現在の時刻を読み込む。
・計算結果を制御装置のメモリに保存する。
図4は、分割したそれぞれの区間における発熱と放熱及び熱伝導について模式的に表している。この図で示した3つの要素(各区間の放熱と、各区間の発熱と、隣接する区間との間の熱伝導に起因する温度変化量)をそれぞれ推定し、現在の時刻における温度を推定する。
(ステップsb01)
時刻N−1に推定した区間Iの温度TI(N−1)と、区間Iに隣接する区間iの温度Ti(N−1)を、制御装置のメモリから呼び出す。
以下の式に従って、時刻Nにおける隣接区間iとの熱伝導に起因する温度変化量ΔT(i−I)Nを推定する。
ΔT(i−I)N=Ci−I×(Ti(N−1)−TI(N−1))
Ci−I:区間iと区間Iの熱伝導係数
次に機械動作に起因する区間Iの温度変化量を推定するために、時刻Nにおける機械動作状態の主軸回転数SNとスピンドルモータの負荷LmNと、主軸部の移動速度vNを取得する。
時刻Nにおける機械動作に起因する温度変化量ΔTMNを推定する。以下では、温度変化量ΔTMとして、ΔTSPとΔTLMとΔTvが機械動作に起因する温度変化量として計算されている。
・主軸回転数SNから、時刻Nにおける主軸回転に起因する温度変化量ΔTSPNを、以下の式に従って推定する。
ΔTSPN=ASPI×SN+B2I×SN×TI(N−1)
ASPI:区間Iにおける主軸回転に起因する発熱係数
B2I:区間Iにおける主軸回転に起因する放熱係数
・スピンドルモータの負荷LmNから、スピンドルモータの動作に起因する温度変化量ΔTLMNは、以下の式にしたがって推定する。
ΔTLMN=ALMI×LmN
ALMI:区間Iにおけるスピンドルモータの動作に起因する発熱係数
・軸移動速度vNから、主軸部の移動に起因する温度変化量ΔTVNを推定する。
ΔTVN=AV×vN+BV×vN×TI(N−1)
AV:軸移動に起因する主軸部の発熱係数
BV:軸移動に起因する主軸部の放熱係数
・時刻Nにおける機械動作に起因する温度変化量ΔTMNを、以下の式にしたがって推定する。
ΔTMN=ΔTSPN+ΔTLMN+ΔTvN
・ここでは、主軸部の温度変化に影響を与える機械動作の例として、主軸回転と、スピンドルモータの動作と、主軸部の移動を挙げたが、機械の構成によってこれらの項目は増減する。
・また、これらの式は軸受の種類や主軸の形状によって、変わる場合がある。
以下の式に従って、時刻Nにおける放熱に起因する温度変化量ΔTRNを推定する。
ΔTRN=B1I×TI(N−1)
B1I:区間Iにおける放熱係数
上記で算出した温度変化量から、時刻Nにおける区間Iの温度TINを推定する。
TIN=TI(N−1)+ΔTMN+ΔTRN+ΣΔT(i−I)N
算出した温度TINを、制御装置のメモリに保存し、処理を終了する。
図6はY−Z平面における主軸部のモデルであり、機械動作時における、主軸部のY軸方向とZ軸方向の熱変位について模式的に表している。また、図7は、機械動作時におけるコラム部の熱変形について模式的に表している。加えて、図8は、区間Iを模式的に表している。
時刻Nに推定した温度を制御装置のメモリから読み込む。つまり、上述した3.で推定した各区間の主軸部の温度を、制御装置のメモリから読み込む。
読込んだ温度をもとに、主軸取付台とコラムの熱変位量を推定する。
・主軸取付台上部のY軸方向の熱変位量δHと、主軸取付台下部のY軸方向の熱変位量δLと、主軸のZ軸方向の熱変位量δSPと、コラムの主軸取付台に近い箇所の熱変位量δCOL1と、コラムの主軸取付台から離れた箇所の熱変位量δCOL2と、一般的な熱膨張の計算式に従ってそれぞれ推定する。
δH=Σ(α×LIY×(TIN−TI0))
α:線膨張係数
LIY:区間IのY軸方向の長さ
TIN:時刻Nにおける区間Iの温度
TI0:コールドスタート時の区間Iの温度
δL=Σ(α×LIY×(TIN−TI0))
α:線膨張係数
LIY:区間IのY軸方向の長さ
TIN:時刻Nにおける区間Iの温度
TI0:コールドスタート時の区間Iの温度
δSP=Σ(α×LIZ×(TIN−TI0))
α:線膨張係数
LIZ:区間IのZ軸方向の長さ
TIN:時刻Nにおける区間Iの温度
TI0:コールドスタート時の区間Iの温度
δCOL1=Σ(α×LIZ×(TIN−TI0))
α:線膨張係数
LIZ:区間IのZ軸方向の長さ
TIN:時刻Nにおける区間Iの温度
TI0:コールドスタート時の区間Iの温度
δCOL2=Σ(α×LIZ×(TIN−TI0))
α:線膨張係数
LIZ:区間IのZ軸方向の長さ
TIN:時刻Nにおける区間Iの温度
TI0:コールドスタート時の区間Iの温度
主軸取付台の傾きθSP(=主軸部の傾きθSP)は、上記で算出した熱変位量から、以下の式に従って推定する。
θSP=tan−1((δH−δL) / LS)
コラムの傾きθCOLは、上記で算出した熱変位量から、以下の式に従って推定する。
θCOL=tan−1((δCOL1−δCOL2)/LCOL)
主軸部の最下部と工具先端の距離をLTとすると、Y軸方向の補正量δYを、以下の式に従って推定する。
δY=δL+LT×sin(θSP+θCOL)
また、以下の式に従ってZ軸方向の補正量δZを推定する。
δZ=δCOL1+δSP+LT×sinθCOL
前記4.で推定した補正量を適用して、補正を行う。
6.推定した時刻の保存
補正量を推定した時刻Nを制御装置のメモリに保存する。
7.一定の時間間隔で、3.〜6.を繰り返す。
81 主軸取付台
82 スピンドルモータ
83 主軸
84 工具
85 ワーク
86 テーブル
87 サドル
88 ベッド
20 数値制御装置
21 プロセッサ
22 ROM
23 RAM
24 SRAM
25 インタフェース
26 PMC
27 I/Oユニット
28,29,30 インタフェース
31 バス
32,34,36 軸制御回路
40,41,42 サーボアンプ
50,51,52 サーボモータ
60 スピンドル制御回路
61 スピンドルアンプ
62 スピンドルモータ
63 ポジションコーダ
65 時計回路
Claims (5)
- 主軸を含む主軸部の熱変位を補正する工作機械の熱変位補正装置において、
前記主軸部を熱的に対称とする平面に垂直な軸を排除した二次元モデルとして捉え、二次元モデルを分割し区間を設定し、それぞれの区間に対応する線膨張係数と発熱係数と放熱係数と隣接する各区間との間の熱伝導係数を保存するメモリと、
前記各区間の温度を推定する温度推定手段と、
前記温度推定手段から推定した温度と、前記メモリに保存されたそれぞれの区間に対応する線膨張係数から補正量を推定する補正量推定手段と、
送り軸の指令位置への移動において、送り軸の位置指令値に対して該補正量を加算することによって補正を行う熱変位補正手段とを有することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。 - 前記温度推定手段は、前記メモリに保存されたそれぞれの区間に対応する発熱係数と放熱係数と隣接する各区間との間の熱伝導係数とから、各区間の温度を推定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装置。
- 前記温度推定手段は、主軸の回転数を計測する主軸回転数計測手段を持ち、前記メモリに保存されたそれぞれの区間に対応する発熱係数と放熱係数と隣接する各区間との間の熱伝導係数と、前記主軸回転数計測手段によって得られる主軸回転数とから各区間の温度を推定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装置。
- 前記温度推定手段は、前記主軸部の各区間の内、少なくとも一箇所の温度を測定する温度測定手段を持ち、前記メモリに保存されたそれぞれの区間に対応する発熱係数と放熱係数と隣接する各区間との間の熱伝導係数と、前記温度測定手段によって得られる主軸部の温度とから、各区間の温度を推定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装置。
- 前記温度推定手段は、主軸の回転数を計測する主軸回転数計測手段と、前記主軸部の各区間の内、少なくとも一箇所の温度を測定する温度測定手段とを持ち、前記メモリに保存されたそれぞれの区間に対応する発熱係数と放熱係数と隣接する各区間との間の熱伝導係数と、前記主軸回転数計測手段によって得られる主軸回転数と、前記温度計測手段によって得られる各区間の温度とから、各区間の温度を推定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装置。
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