JP3176528B2 - 工作機械の制御方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主軸に装着した工具の
寸法を測定する機能を有した工作機械の制御方法および
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に工作機械は主軸の回転によって主
として主軸の軸受部分が発熱し、主軸と主軸を回転自在
に支持する主軸装置のハウジングとの間に温度差を生じ
るので、主軸は主軸装置のハウジングに対して相対的に
伸長する。主軸の伸長を抑制するために、工作機械に
は、冷却された潤滑液を主軸の軸受部に供給する潤滑液
温度調節装置が設けられる。こうした潤滑液温度調節装
置の一例が、特開平４−６３６５９号公報に開示されて
いる。

【０００３】主軸の回転による主軸の伸長の一例を図１
２に示す。図１２は、主軸の回転数と熱変形による主軸
の伸びδとの関係を表しており、横軸は時間τ、縦軸は
伸びδである。τ＝０のときに主軸が１００００ｒｐｍ
で回転を開始すると、該主軸は軸受部の発熱により主軸
装置のハウジングに対して伸長し始める。そして主軸の
回転数と関連する一定の時間（τ₁ ）が経過すると、主
軸の回転による発熱と潤滑液による冷却とが均衡して、
主軸の伸長はδ＝δ₁ で概ね安定する。特に、精密加工
を行う工作機械では、上記主軸の伸長が安定するまでの
時間は加工を行うことができず、τ＝τ₁ が経過するま
で待機した後に加工が開始される。

【０００４】例えば、主軸の回転数が１００００ｒｐｍ
から２００００ｒｐｍに増加すると（τ＝τ₂ ）、主軸
回転数の増加に応じて軸受部での発熱量が増加し、一定
の時間が経過した後に主軸の伸びがδ₁ からδ₂ に増加
して安定する（τ＝τ₃ ）。同様に、主軸の回転数が２
００００ｒｐｍから３００００ｒｐｍに増加すると（τ
＝τ₄ ）、主軸回転数の増加に応じて軸受部での発熱量
が増加し、一定の時間が経過した後に主軸の伸びがδ₂
からδ₃ に増加して安定する（τ＝τ₅ ）。反対に、主
軸の回転数が３００００ｒｐｍから２００００ｒｐｍに
低下すると（τ＝τ₆ ）、主軸回転数の低下に応じて軸
受部での発熱量が低下し、一定の時間が経過した後に主
軸の伸びがδ₃ からδ₂ に減少して安定する（τ＝
τ₇ ）。さらに、主軸の回転数が２００００ｒｐｍから
１００００ｒｐｍに低下すると（τ＝τ₈ ）、主軸回転
数の低下に応じて軸受部での発熱量が低下し、一定の時
間が経過した後に主軸の伸びがδ₂ からδ₁ に減少して
安定する（τ＝τ₉ ）。

【０００５】潤滑液温度調節装置から主軸装置に供給さ
れる潤滑液の供給量を一定とすることにより、ある主軸
回転数における伸びδと、ある主軸回転数から他の主軸
回転数に変化したときの主軸の伸長が安定するまでの待
機時間は概ね一定の時間に納まり、この待機時間には再
現性がある。前記特開平４−６３６５９号公報は、この
ような主軸潤滑液温度調節装置を有した主軸装置におい
て、主軸が所定時間を越えて停止した場合は、主軸装置
の過冷部を防止するため主軸が停止している期間に限っ
て主軸潤滑液温度調節装置を停止し、潤滑液の循環を中
止する技術を開示している。しかし本公報には主軸停止
に関連付けた主軸潤滑液供給制御についてのみ開示があ
るだけで、工具長測定との関係までは言及されていな
い。

【０００６】また、工具マガジンに予め複数の工具を収
納し、工具マガジンとＮＣ工作機械の主軸との間に工具
転送アームを介させず、工具マガジンとＮＣ工作機械の
主軸との間の送り軸の相対移動により、主軸に装着され
た使用済みの工具を主軸から工具マガジンへ直接的に収
納して、その後、所望の工具を工具マガジンから主軸へ
直接的に装着するように工具交換を行う、所謂アームレ
ス方式の工具交換装置がある。更に、工具を工具ホルダ
に装着し、その工具ホルダごと工具交換するのではな
く、工具マガジンに複数個配設された工具ポットに予め
工具を単体で収納しておき、工具マガジンとＮＣ工作機
械の主軸との間で工具単体のまま直接的に工具交換を行
う、所謂ホルダレス方式の工具交換装置がある。特に後
者の方式の工具交換装置は、成形金型のリブ溝等の複雑
な形状のワークの加工を比較的細身の工具を用いて行う
ＮＣ工作機械に適用されることが多い。こうしたアーム
レス方式およびホルダレス方式を適用した工具交換装置
の一例として、特願平６−３３８６９２号出願に記載さ
れた工具交換装置がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特願平６−３３８６９
２号出願に開示されているような工具交換装置では、主
軸の回転を停止して工具交換した後に工具長測定が実行
される。これを図１３を参照して上述した主軸の伸びδ
の関連で詳細に説明すると、主軸が回転を開始してから
主軸の伸びδが安定した後に加工が開始され（τ＝
τ_P1）、工具交換指令がＮＣ装置から発生されると、先
ず主軸が停止され工具交換動作が開始される（τ＝
τ_P2）。従って、軸受部からの発熱が停止するので、潤
滑液による冷却作用により主軸は収縮する。次いで、潤
滑液温度調節装置が停止して主軸装置への潤滑液の供給
が停止される（τ＝τ_P3）。冷却された潤滑液の供給が
停止されるので、潤滑液による冷却作用が低下して主軸
の収縮の変化が小さくなる。工具交換動作が完了すると
工具長が測定される（τ＝τ_P4）。次いで、主軸が回転
を開始すると共に潤滑液の供給が再開され（τ＝
τ_P5）、主軸が再び伸長し始める。主軸の伸長が安定す
ると加工が開始される（τ＝τ_P6）。工具長の測定が実
行されるとき主軸は停止しているので、主軸は収縮し続
けている。従って、このようにして測定された工具長に
は主軸の収縮に基づく誤差が含まれている。特に、金型
の表面加工の途中で工具交換する場合には、工具交換を
行った加工表面の部分に段差が形成されることとなる。

【０００８】上述した従来技術の問題点に鑑み本発明
は、工具長測定時に主軸の伸縮に基づく誤差を除去する
ことを目的としている。更に本発明は、金型の表面加工
の途中で工具交換し、工具長測定を行い、測定値に基づ
いて補正をして、続きの表面加工を行う際、加工表面の
つなぎ部分に段差が形成されないようにすることを目的
としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本願発
明は、使用工具を交換した後、主軸に装着した工具の工
具長を測定する機能を有した工作機械の制御方法におい
て、前記主軸を支承した主軸装置と潤滑油温度調節装置
との間で冷却した潤滑液を循環させ、前記主軸に装着し
た工具の工具長を測定するときの前記主軸の熱変形によ
る変位が当該工具による加工開始時における前記主軸の
熱変形による変位と概ね等しくなる前記潤滑液温度調節
装置の停止時間、前記主軸を回転し始めたとき前記主軸
の熱変形による変位が概ね安定するまでのウォーミング
アップ時間、およびその変位と主軸回転速度との関係を
記憶し、工具交換のため前記主軸が停止したとき前記潤
滑液温度調節装置を停止させて潤滑液の循環を停止し、
記憶した停止時間経過後に前記潤滑液温度調節装置を起
動して潤滑液の循環を開始し、前記主軸の熱変形による
変位が当該工具による加工開始時における前記主軸の熱
変形による変位と概ね等しくなったときに当該工具の工
具長を測定し、当該工具の工具長測定後に前記主軸を起
動し、記憶した当該工具の回転速度に対応したウォーミ
ングアップ時間経過後に加工開始指令を発し、当該工具
による加工を開始させるよう制御した工作機械の制御方
法を要旨とする。

【００１０】請求項２に記載の本願発明は、使用工具を
交換した後、主軸に装着した工具の工具長を測定する機
能を有した工作機械の制御装置において、前記主軸を支
承した主軸装置との間で冷却した潤滑液を循環させる潤
滑液温度調節装置と、前記主軸に装着した工具の工具長
を測定するときの前記主軸の熱変形による変位が当該工
具による加工開始時における関主軸の熱変形による変位
と概ね等しくなる前記潤滑液温度調節装置の停止時間、
前記主軸を回転し始めたとき前記主軸の熱変形による変
位が概ね安定するまでのウォーミングアップ時間、およ
びその変位と主軸回転速度との関係を記憶する記憶手段
と、工具交換のため前記主軸が停止したとき前記潤滑液
温度調節装置を停止させて潤滑液の循環を停止し、前記
記憶した停止時間経過後に前記潤滑液温度調節装置を起
動して潤滑液の循環を開始し、前記主軸の熱変形による
変位が当該工具による加工開始時における前記主軸の熱
変形による変位と概ね等しくなったときに当該工具の工
具長を測定し、当該工具の工具長測定後に前記主軸を起
動し、前記記憶手段に記憶された当該工具の回転速度に
対応したウォーミングアップ時間経過後に加工開始指令
を発する機械制御装置とを具備した工作機械の制御装置
を要旨とする。

【００１１】

【００１２】

【作用】工具長測定は主軸の回転を停止させて工具交換
後に実行しなければならない。すなわち、工具長測定は
主軸が停止している間に実行される。主軸が停止すると
主軸は収縮するので工具長測定中に主軸の収縮による誤
差が含まれる。しかし、主軸の伸縮は主軸の温度により
変化するので、主軸を冷却する潤滑液の供給を制御する
ことにより主軸の伸縮を制御することができる。そこ
で、第１の発明では、工具長測定時の主軸の変位が、交
換された工具による加工開始時における変位と概ね等し
くなるように、潤滑液温度調節装置を制御するようにし
ている。第２の発明では、工具長測定時の主軸の変位
が、交換前の工具による加工時における変位と概ね等し
くなるように、潤滑液温度調節装置を制御し、主軸に装
着した当該工具による加工開始時における主軸の変位と
交換前の工具による加工時における主軸の変位との差分
を補正するようにしている。

【００１３】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の好ましい
実施例を説明する。以下の実施例では、本発明を適用す
るＮＣ工作機械は、所謂アームレス方式またはホルダレ
ス方式の工具交換装置を備えたＮＣ工作機械であり、工
具ホルダを使用せずに回転切削工具が主軸先端に直接装
着されるように構成されている。アームレスまたはホル
ダレス方式の工具交換装置では、工作機械のＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸の送り装置を駆動、制御して主軸先端を工具交
換位置に移動させ、主軸の動作により主軸先端に装着さ
れた工具を工具マガジンに返還し、次いで工具マガジン
に準備されている複数の工具から、当該加工プロセスに
適した工具を選択、装着して工具交換が実施される。

【００１４】図１は本発明を適用するＮＣ工作機械のブ
ロック図であり、このＮＣ工作機械は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸の送りモータＫを制御するＮＣ装置Ｊと、主軸Ｂを回
転自在に支持する主軸装置Ａと、主軸を回転させる主軸
モータＣと、主軸モータＣの回転を制御する主軸モータ
制御手段Ｆと、前記主軸装置Ａに潤滑液を供給すると共
に主軸から戻る潤滑液を受け、かつ、前記主軸装置へ供
給される潤滑液の温度を調節する潤滑液温度調節装置Ｄ
と、前記主軸Ｂの回転数との関連において前記潤滑液温
度調節装置Ｄを制御可能な潤滑液温度調節装置制御手段
Ｇと、前記主軸先端から工具Ｔ先端までの工具長を測定
する工具長測定手段Ｅ、Ｈとを具備している（Ｅはタッ
チセンサである）。主軸Ｂの先端に装着された工具Ｔ
は、前記ＮＣ装置ＪによりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送りモー
タＫを制御することにより、工具マガジン（図示せず）
に準備された複数の工具との間で工具交換される。工具
交換が終了すると、前記工具長測定手段Ｅ、Ｈにより前
記主軸Ｂ先端に装着された工具Ｔの工具長が測定され
る。前記潤滑液温度調節装置制御手段Ｇは、前記工具長
を測定する際の前記主軸の熱変形による変位が、当該工
具による加工開始時における変位と概ね等しくなるよう
に潤滑液温度調節装置Ｄを制御する。記憶装置Ｉには、
潤滑液温度調節装置の停止時間、主軸を回転し始めたと
き前記主軸の熱変形による変位が概ね安定するまでのウ
ォーミングアップ時間およびその変位と主軸回転数との
関係をテーブルにして予め記憶しておく。この主軸モー
タ制御部Ｆ、潤滑液温度調節装置制御Ｇ、工具長測定部
Ｈ、記憶装置Ｉを統括管理しＮＣ装置Ｊとの間でデータ
の授受を行う機械制御装置Ｍがある。

【００１５】好ましい実施例によるＮＣ工作機械のハー
ドウェア構成図である図２を参照すると、ＮＣ工作機械
の主軸装置１０は、先端に工具１４が工具ホルダを介さ
ずに直接的に装着された主軸１２を具備している。主軸
１２は軸受１０ａ、１０ｂにより主軸装置１０のハウジ
ングに回転自在に支持されており、ＡＣサーボモータよ
り成る駆動モータ１６が、主軸１２を回転させる。な
お、本明細書では、主軸１２の回転軸線をＺ軸と定義
し、Ｚ軸に垂直で互いに垂直に交差する２つの軸線方向
にＸ軸およびＹ軸を定義する。

【００１６】主軸装置１０には潤滑液温度調節装置（Ｌ
ＴＲ）１８が備えられている。潤滑液温度調節装置１８
は、管路１８ａを介して主軸装置１０に潤滑液を供給
し、主軸装置１０内の主軸１２および軸受１０ａ、１０
ｂを潤滑、冷却する。軸受１０ａ、１０ｂの領域を通過
した潤滑液は、管路１８ｂを介して潤滑液温度調節装置
１８に戻る。潤滑液温度調節装置１８は内部に冷却装置
（図示せず）を有しており、主軸１２および軸受１０
ａ、１０ｂの領域を通過する際に加熱された潤滑液を所
定の温度に冷却することができる。こうして所定温度に
冷却された潤滑液が再び主軸装置１０に供給される。

【００１７】図２の工作機械はＮＣ装置２２と機械制御
装置２４とを具備している。ＮＣ装置２２はデジタルコ
ンピュータより成る周知の工作機械用の数値制御装置で
あり、双方向バス２２ｆにより相互に接続されたＣＰＵ
（マイクロプロセッサ）２２ａと、ＲＯＭ（リードオン
リメモリ）２２ｂと、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ
リ）２２ｃと、入力ポート２２ｄと、出力ポート２２ｅ
とを具備する。ＮＣ装置２２に種々の加工条件を入力す
るために、作業員が入力操作する入力ボード２２ｇが入
力ポート２２ｄに接続されている。出力ポート２２ｅに
は、この工作機械の送り装置を駆動するＡＣサーボモー
タ等より成るＸ軸モータ２６ａ、Ｙ軸モータ２６ｂ、Ｚ
軸モータ２６ｃが、モータドライバ２８ａ、２８ｂ、２
８ｃを介して接続されている。更に、入出力ポート２２
ｄ、２２ｅは、以下に説明する機械制御装置２４の出力
ポート２４ｅと入力ポート２４ｄとに接続されている。
入力ボード２２ｇは、テープリーダやカードリーダ等の
読取装置やＣＡＤ、ＣＡＭ等のコンピュータシステム等
の入力装置と接続してもよい。

【００１８】ＮＣ装置２２は、ワークを所望形状に加工
するために、入力ボード２２ｇ等の入力装置から入力さ
れる加工データまたは加工条件に従ってＸ軸モータ２６
ａ、Ｙ軸モータ２６ｂ、Ｚ軸モータ２６ｃを駆動、制御
する。また、既述の通り、このＮＣ工作機械はアームレ
スまたはホルダレス方式の工具交換装置を備えており、
加工条件に従い加工に適した工具を自動的に選択、交換
するように構成されている。ＮＣ装置２２は、当該加工
プロセスに適した工具を自動的に選択、交換するために
Ｘ軸モータ２６ａ、Ｙ軸モータ２６ｂ、Ｚ軸モータ２６
ｃを駆動、制御する。つまり、ＮＣ装置２２は自動工具
交換装置の制御部をも構成している。

【００１９】機械制御装置２４は、ＮＣ装置２２と同様
にデジタルコンピュータより成り、双方向バス２４ｆに
より相互に接続されたＣＰＵ２４ａと、ＲＯＭ２４ｂ
と、ＲＡＭ２４ｃと、入力ポート２４ｄと、出力ポート
２４ｅとを具備する。機械制御装置２４の出力ポート２
４ｅには、主軸装置１０の主軸駆動モータ１６（モータ
ドライバは省略されている）と、潤滑液温度調節装置１
８とが接続されており、機械制御装置２４は、ＮＣ装置
２２と相互に関連しながら主軸駆動モータ１６および潤
滑液温度調節装置１８とを制御する。更に、機械制御装
置２４の入力ポート２４ｄには、以下に説明するよう
に、主軸１２に装着された工具１４の工具長を測定する
ためのタッチセンサ２０が接続されている。

【００２０】次に、図３から図５に示すフローチャート
を参照して、加工プロセスを説明する。以下のフローチ
ャートでは当該工具を用いて行う加工プロセスがｉで代
表されている。例えば、工作機械を起動させて第１番目
に選択された工具で実施される加工プロセスはｉ＝１で
示され、第２番目に選択される工具で実施される加工プ
ロセスがｉ＝２で示される。

【００２１】先ず、ステップＳ１０において、使用する
工具、主軸の回転数、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り量と送
り速度等の加工データまたは加工条件がＮＣ装置２２に
入力されると共に、種々のパラメータの初期値設定が行
われる。これは、既述のように、入力ボード２２ｇ、読
取装置またはコンピュータシステムから行われる。ステ
ップＳ１２で、当該加工プロセスで使用される工具に適
した回転数ｎ_i が、主軸モータ制御手段としての機械制
御装置２４により読み取られＮとされる。すなわち、回
転数ｎi に対応するデータがＮＣ装置２２から機械制御
装置２４に送信されＮとされる。

【００２２】ステップＳ１４で、回転数Ｎに対する主軸
１２の熱変形による変位が安定するまでのウォーミング
アップ時間または待機時間であるｔ_22N が読み取られＴ
₂ とされる。同様に、ステップＳ１６で、回転数Ｎに対
する潤滑液温度調節装置１８の停止時間ｔ_1Nが読み取ら
れＴ₁ とされる。ステップＳ１８で、回転数Ｎに対応す
る主軸１２の熱膨張による伸びδを演算するための係数
ａ_N 、ｂ_N が読み取られ各々Ａ、Ｂとされる。上記のプ
ロセスは、回転数Ｎに対応するデータｔ_21N 、ｔ_1N、ａ
_N 、ｂ_N を機械制御装置２４のＲＯＭ２４ｂ内に記憶さ
せ、回転数Ｎをパラメータとして選択、呼び出して、Ｒ
ＡＭ２４ｃに記憶させるようにして構成することができ
る。ステップＳ２０において回転数Ｎに対応した主軸１
２の伸びδが演算される。この実施例では、伸びδは一
次式δ＝Ａ・Ｎ＋Ｂにより演算される。係数ａ_N 、ｂ_N
は実験により適宜に決定することができる。更に、主軸
１２の伸びδは二次以上の多項式その他の関数にて演算
してもよい。

【００２３】ステップＳ２２においてフラグＦＴＣに１
が立てられ、図６に示す工具交換サブルーチンが開始す
る。この実施例では、工具交換サブルーチンは加工プロ
セスメインルーチンと並列的に実行されている。ＦＴＣ
＝１となると、ステップＳ６４の条件が達成されて、工
具交換サブルーチンが実質的に開始する。ステップＳ６
６において主軸モータ１６が停止し、ステップＳ６８で
潤滑液温度調節装置が停止する。すなわち、ステップＳ
２２でＮＣ装置２２から機械制御装置２４への工具交換
指令が送信され、ステップＳ６６、Ｓ６８において機械
制御装置２４が主軸モータ１６と潤滑液温度調節装置１
８を停止させる。ｉ＝１の場合、主軸モータ１６と潤滑
液温度調節装置１８は作動していないので、ステップＳ
６６、Ｓ６８をジャンプするようにプログラムしてもよ
い。ステップＳ７０において工具交換が実行される。こ
れは、ＮＣ装置２２においてＸ軸モータ２６ａ、Ｙ軸モ
ータ２６ｂ、Ｚ軸モータ２６ｃを適宜に駆動、制御して
実行される。工具交換が終了するとステップＳ７２にお
いてフラグＦＴＣを０として工具交換サブルーチンが完
了する。メインルーチンは、ステップＳ２８においてフ
ラグＦＴＣが０となるのを、つまり、工具交換が完了す
るのを待機している。

【００２４】工具交換サブルーチンが実行されている
間、ステップＳ２４においてＴがＴ₁とされ、ステップ
Ｓ２６においてフラグＦＴに１が立てられ、図８に示す
タイムカウントサブルーチンが開始する。この実施例で
は、タイムカウントサブルーチンもまた同様に加工プロ
セスメインルーチンと並列的に実行されている。ＦＴ＝
１となるとステップＳ９０の条件が達成されて、タイム
カウントサブルーチンが実質的に開始する。ステップＳ
９２においてｔを０とする。ステップＳ９４においてｔ
に１を加え、ステップＳ９６においてｔとＴを比較して
ｔ≧Ｔとなるまで、ステップＳ９４を繰り返す。ステッ
プＳ９６の条件が達成されると、ステップＳ９８におい
てフラグＦＴを０としてタイムカウントサブルーチンが
終了する。メインルーチンは、ステップＳ３２において
フラグＦＴが０となるまで待機している。ステップＳ２
６から開始するタイムカウントサブルーチンは、潤滑液
温度調節装置１８を停止させておく時間をカウントする
ためのものである。ＲＯＭ２４ｂに入力されるｔ_1Nの値
はｔがｔ＋１となるのに必要な時間を考慮して実際の停
止時間に対応する数値が入力される。また、ｉ＝１の場
合には潤滑液温度調節装置１８が作動してないので、ス
テップＳ２６をジャンプするようにプログラムしてもよ
い。

【００２５】ステップＳ２８において条件が達成される
と、つまり、工具交換が完了すると、ステップＳ３０に
おいてフラグＦＴＭに１が立てられ、図７に示す工具長
測定サブルーチンが開始する。工具長測定サブルーチン
もまた同様に加工プロセスメインルーチンと並列的に実
行されている。ＦＭＴ＝１となるとステップＳ７４にお
いて条件が達成されて、工具長測定サブルーチンが実質
的に開始する。ステップＳ７６において主軸１２の先端
に装着された工具１４の先端を工具長測定位置、すなわ
ち、タッチセンサ２０の鉛直上方に移動させる。つい
で、ステップＳ７８において主軸１２を下動させる。こ
れは、ＮＣ装置２２にてＸ軸モータ２６ａ、Ｙ軸モータ
２６ｂ、Ｚ軸モータ２６ｃを適宜に駆動、制御して実行
される。工具１４の先端がタッチセンサ２０の検知部に
接触すると、タッチ信号が機械制御装置２４に送信され
る。このときのＺ座標（Ｚ₁ ）がＮＣ装置２２から機械
制御装置２４に送信される。

【００２６】本明細書において、工具長は主軸１２の端
面から主軸の先端に装着された工具の先端までの長さＬ
と定義する。Ｌは、主軸１２の先端に工具１４を装着し
ない状態で、予め主軸１２の端面をタッチセンサ２０に
接触させて主軸端のＺ座標（Ｚ₀ ）を測定してＬ＝Ｚ₀
−Ｚ₁ から求められる。既述の通り、この工作機械では
工具は工具ホルダを使用することなく直接的に主軸１２
の先端に装着されているので、上記工具長は装着状態に
より一定せず実際に主軸に装着させるまで決定すること
ができない。そこで、ＮＣ装置２２の加工プログラムに
は、当該加工プロセスで使用される工具の工具長は、仮
の工具長（Ｌ₀ ）として予め入力されており、工具１４
が主軸１２の先端に装着された時点でこれを測定して仮
の工具長（Ｌ₀ ）を補正するように構成されている。す
なわち、ステップＳ８４において、ＬとＬ₀ との差が工
具長補正値ΔＬとして算出され、ΔＬにて上記の加工プ
ログラム中の仮の工具長Ｌ₀ が補正される。更に、ステ
ップＳ８６において工具長補正値ΔＬに主軸１２の熱変
形による伸び量δを加えてＺ軸方向の全補正量ΔＺを算
出する。ステップＳ８８においてフラグＦＴＭに０を立
てて工具長測定サブルーチンが終了する。

【００２７】ステップＳ３２においてＦＴ＝０となる
と、すなわち、停止時間が経過すると、ステップＳ３４
において潤滑液温度調節装置１８が起動し、主軸装置１
０への潤滑液の供給が開始する。ステップＳ３６におい
てＦＴＭ＝０となると、すなわち、工具長の測定が完了
すると、ステップＳ３８において主軸モータ１６が起動
する。主軸モータ１６が起動した後、ステップＳ４０に
おいてＴをＴ₂ とし、ステップＳ４２においてフラグＦ
Ｔに１が立てられ、タイムカウントサブルーチンが開始
される。Ｔ₂ は主軸１２の回転が回転するときの発熱に
よる主軸１２の変位が安定するまでの待機時間に対応し
ている。ステップＳ４４において主軸１２の変位が安定
するまで待機した後、ステップＳ４６において実際に加
工が開始される。

【００２８】ステップＳ４８において加工終了の条件が
達成されると、ステップＳ５０において加工プロセスは
全て終了する。ステップＳ４８において加工条件が達成
されていないと、ステップＳ５２において工具交換条件
が達成されているか否かが判定される。工具交換条件が
達成されていないとステップＳ４８に戻る。つまり、ス
テップＳ４８で加工条件が達成されるか、或いはステッ
プＳ５２において工具交換条件が達成されるまで加工プ
ロセスが継続される。

【００２９】ステップＳ５２において工具交換条件が達
成されると、ステップＳ５４においてｉがｉ＋１とされ
て次の工具による加工プロセスに移行する。例えば、従
前の加工プロセスが第１番目の工具で実行されている場
合にはｉ＝２となり、ステップＳ５４から第２番目の工
具による加工プロセスが開始される。このとき、ｉ＝１
のときの工具とｉ＝２のときの工具は同種の工具であっ
てもよいし、異なる工具であってもよい。例えば、細身
のエンドミルにて金型の表面をフライス加工する場合に
は、切刃が磨耗することから加工プロセスの途中で新し
い同種の工具と交換する必要がある。

【００３０】ステップＳ５６において従前の主軸回転数
ＮがＮＮとされ、ステップＳ５８において当該加工プロ
セスにおける主軸回転数ｎ_i がＮとして読み込まれる。
ステップＳ６０においてＮとＮＮとが、すなわち、前回
の主軸回転数と今回の主軸回転数とが比較される。Ｎと
ＮＮとが同一の回転数の場合には、ステップＳ６２にお
いて待機時間ｔ_21N が読み取られてＴ₂ とされ、ステッ
プＳ１６にジャンプする。ＮとＮＮとが異なる回転数の
場合には、ステップＳ１４にジャンプして待機時間ｔ
_22N が読み取られてＴ₂ とされる。

【００３１】既述のように、Ｔ₂ は主軸１２の熱変形に
よるＺ軸方向の伸びの変化が安定するまでのウォーミン
グアップ時間または待機時間である。Ｔ₂ の読取値をＮ
とＮＮとを比較することによりＴ₂ の読み込み値をｔ
_21N とｔ_22N とに分けるのは、ＮとＮＮとが同一である
場合には短時間で主軸１２の伸びが安定するのに対し
て、ＮとＮＮとが異なる場合には主軸１２の伸びが安定
するまでに、ＮとＮＮの差およびＮの値が影響するため
である。つまり、 （ｉ）ＮとＮＮの差が小さければ主軸１２の伸びは比較
的短時間で安定する。 （ii）ＮとＮＮの差が大きくともＮの値が大きければ、
つまり当該加工プロセスで主軸が高速回転する場合に
は、軸受１０ａ、１０ｂでの発熱量も大きいので主軸１
２の伸びは比較的短時間で安定する。

【００３２】従って、主軸１２の待機時間Ｔ₂ を決定す
るためには、Ｎの値と、ＮとＮＮとの差ΔＮの両者を勘
案しなければならない。Ｔ₂ は、例えば以下の表の如
く、Ｎの回転数域をパラメータとして、ＮとＮＮの差に
応じたｔ_22N の値を機械制御装置２４のＲＯＭ２４ｃに
予め記憶させておき、ＮとＮＮの値に応じて読み込むこ
とにより決定することができる。但し、以下の表では、
ΔＮはＮとＮＮの差の絶対値で表示されている。即ち、
以下の表でΔＮ＝｜Ｎ−ＮＮ｜である。 ──────────────────────────── Ｎの回転数域 3000〜 ・・・・・ 25000 〜 (RPM) 10000 30000 ───────────────────────────── 2000 ｔ_22N(11) ・・・・・ ｔ_22N(1b) 3000 ・ ・ 4000 ・ ・ ΔＮ ・ ・ ・ (RPM) ・ ・ ・ ・ ・ ・ 10000 ・ ・ 15000 ・ ・ 20000 ｔ_22N(a1) ・・・・・ ｔ_22N(ab) ─────────────────────────────

【００３３】更に、上記の表の行と列の分割数は精度と
の関連で決定されるので、場合によってはＮとＮＮとの
差ΔＮを無視してＮの回転数域のみを考慮するようにし
てもよい。

【００３４】次に、図９、１０を参照して、上記のよう
に構成された実施例の作用を説明する。図９は加工プロ
セスと伸びとの関係を示す線図であり、横軸は時間τ、
縦軸は伸びδである。工作機械が起動すると、先ず、フ
ローチャートのステップＳ１０からステップＳ２２にお
いて、加工条件が入力され、初期値が設定され、主軸回
転数Ｎが読み込まれ、回転数Ｎに対して潤滑液温度調節
装置１８の停止時間Ｔ₁と、主軸１２の変位が安定する
までの待機時間Ｔ₂ が読み込まれ、主軸１２の熱変形に
よる伸びδが演算される。ｉ＝１の場合には主軸１２は
停止していたのでＮＮ＝０の状態にあり待機時間はｔ
_22N が読み込まれる。ステップＳ２２で工具交換指令が
ＮＣ装置２２から発生すると図６の工具交換サブルーチ
ンが実行される。これと並列的にメインルーチンは加工
プロセスを続行し、ステップＳ２６からタイムカウント
サブルーチンが実行される。

【００３５】ステップＳ２８で条件が達成され工具交換
が完了すると、ステップＳ３０から工具長測定サブルー
チンが開始する。既述のようにｉ＝１の場合には潤滑液
温度調節装置１８の起動を待機させる必要がないので、
ステップＳ３２の条件は達成されており、ステップＳ３
４で潤滑液温度調節装置１８が起動する。工具長測定サ
ブルーチンはメインルーチンと並列的に実行されている
での、ステップＳ２６から開始される潤滑液温度調節装
置１８の停止時間が経過した後は、工具長が測定されて
いる間に潤滑液温度調節装置１８が作動することとな
る。既述したように、ｉ＝１の場合にはステップＳ２６
をジャンプしてもよい。

【００３６】ステップＳ３６の条件が達成され工具長測
定が完了すると、ステップＳ３８で主軸モータ１６が起
動する。このときが図９のτ＝０に対応する。主軸モー
タ１６が起動すると、軸受１０ａ、１０ｂからの発熱に
より主軸１２は熱変形してＺ軸方向に伸びる。加工プロ
セスは、この主軸１２の変位が安定するまで待機しなけ
ればならない。ステップＳ４０、Ｓ４２において主軸１
２の変位が安定するのを待機するためのタイムカウント
サブルーチンが開始され、ステップＳ４４において図９
のτ＝０からτ＝τ₁₁に相当する待機時間が経過するま
で待機する。

【００３７】ステップＳ４４において条件が達成され上
記待機時間が経過するとτ＝τ₁₁から加工が開始され
る。τ＝τ₁₂において工具交換指令が発生されると、ス
テップＳ５２において条件が達成される。ステップＳ５
４においてｉ＝２となり第２番目の工具による加工プロ
セスが開始する。ステップＳ５８において新たな加工プ
ロセスの主軸回転数ｎｉが読み込まれＮとされる。ステ
ップＳ６０において従前の主軸回転数ＮＮと、新たな加
工プロセスの主軸回転数Ｎとが比較される。図９に示す
例では工具交換の前後を通して主軸は３００００ｒｐｍ
で回転するので、Ｎ＝ＮＮでありステップＳ６２におい
て待機時間ｔ_21N が読み込まれＴ₂ とされ、ステップＳ
１６へジャンプする。ステップＳ１６で潤滑液温度調節
装置１８の停止時間ｔ_1Nが読み込まれてＴ₁ とされ、ス
テップＳ２０において主軸１２の伸びδが演算される。

【００３８】ステップＳ２２でフラグＦＴＣに１が立て
られ、ステップＳ６４（図６）の条件が達成され工具交
換サブルーチンが開始する。工具交換サブルーチンが開
始すると主軸モータ１６が停止し（ステップＳ６６）、
潤滑液温度調節装置１８が停止し（ステップＳ６８）、
工具交換動作が開始する（ステップＳ７０）。工具交換
動作が完了するとステップＳ７２においてフラグＦＴＣ
に０が立てられ工具交換サブルーチンが完了する。これ
らの動作はＮＣ装置２２と機械制御装置２４との相互作
用により一連のシーケンスとして順次に短時間の内に実
行される。

【００３９】ステップＳ６８において潤滑液温度調節装
置１８が停止すると、軸受１０ａ、１０ｂには潤滑液が
供給されず、潤滑液による主軸１２と軸受１０ａ、１０
ｂの冷却作用が停止する。一方、潤滑液は主軸装置１０
の一部の構成要素しか冷却していないので、潤滑液の供
給が停止されると主軸１２は、その周囲に配設された高
温の構成要素からの熱伝導により温度が上昇する。従っ
て、図９でτ＝τ₁₂のときに潤滑液温度調節装置１８が
停止すると、主軸１２のＺ軸方向の伸びδは時間と共に
増加する。

【００４０】工具交換サブルーチンが実行されている
間、加工プロセスメインルーチンは停止することなくス
テップＳ２６において潤滑液温度調節装置１８を再び起
動させるためのタイムカウントサブルーチンを開始させ
る。ステップＳ２８において条件が達成され工具交換が
終了すると、ステップＳ３０でフラグＦＴＭに１を立て
て、図６の工具長測定サブルーチンを開始させる。工具
長サブルーチンが開始したときも、タイムカウントサブ
ルーチンは並列的に実行されており、潤滑液温度調節装
置１８は停止している。潤滑液温度調節装置１８の停止
時間は、主軸１２の先端に装着された工具１４の工具長
を測定する際の主軸１２の伸びδが実際に加工するとき
の伸びに一致するように決定される。図９において潤滑
液温度調節装置１８の停止時間はＴ₁ ＝τ₁₃−τ₁₂に相
当する時間が設定されている。

【００４１】停止時間（τ₁₃−τ₁₂）が経過すると、ス
テップＳ３２の条件が達成され、ステップＳ３４におい
て潤滑液温度調節装置１８が起動する。潤滑液温度調節
装置１８が起動し潤滑液が主軸１０に供給されると、回
転していない主軸１２は潤滑液により冷却されＺ軸方向
に収縮する。潤滑液が供給されてから一定の時間が経過
すると（図９では、τ＝τ₁₄）、主軸１２のＺ軸方向の
伸びδは、今回、つまり、ｉ＝２での加工プロセスでの
伸びと同じ値となる。このときに工具長を測定すること
により、主軸１２の熱変形による誤差を排除することが
可能となるので、τ＝τ₁₄において工具長が測定され
る。工具長測定動作が開始されてから実際にタッチセン
サ２０の検知端に工具１４の先端が接触して、機械制御
装置２４にタッチ信号が送信される時間は常に概ね一定
しているので、潤滑液温度調節装置１８を起動する時刻
を予め実験的に決定することにより、τ＝τ₁₄のときに
主軸１２のＺ軸方向の伸びδが当該工具での加工プロセ
スにおける伸びと同じ値とすることができる。

【００４２】タッチ信号を検知して工具長測定が完了す
るとステップＳ８８でフラグＦＴＭに０が立てられてス
テップＳ３６の条件が達成され、τ＝τ₁₅のときに主軸
モータ１６が起動する（ステップＳ３８）。図９ではτ
＝τ₁₄とτ＝τ₁₅は時間的に離れているが、実際上は実
質的にτ₁₄＝τ₁₅とすることができる。主軸１２が回転
することにより、軸受１０ａ、１０ｂからの発熱により
主軸１２の温度が上昇して再びＺ軸方向に伸びる。主軸
モータ１６が起動した後ステップＳ４０、Ｓ４２におい
て主軸１２の伸びδが安定するまでの待機時間のための
タイムカウントサブルーチンが開始する。待機時間Ｔ₂
＝τ₁₆−τ₁₅経過しステップＳ４４の条件が達成される
と、ステップＳ４６で加工が再び開始される。

【００４３】図９を参照して説明した実施例では、工具
交換の前後で主軸が同一の回転数で回転する場合を説明
したが、以下の記載では工具交換の前後で主軸回転数が
変化する場合の作用を図１０を参照して説明する。図１
０は、工具交換の前後で主軸回転数が３００００ｒｐｍ
から２００００ｒｐｍに低下している場合の加工プロセ
スと伸びとの関係を示す線図であり横軸は時間τ、縦軸
は伸びδである。

【００４４】図１０の実施例では、τ＝０からτ＝τ₂₂
まで、すなわち、ステップＳ１０からステップＳ５２ま
でのプロセスは図９の実施例と同様である。ステップＳ
５２で工具交換条件が達成されたときに、図１０の実施
例では、新たな加工プロセスでは主軸回転数が３０００
０ｒｐｍから２００００ｒｐｍに低下しているので、Ｎ
≠ＮＮである。従って、ステップＳ６０での判定はＮｏ
となり、ステップＳ１４へジャンプしてｔ_22N が読み込
まれＴ₂ とされる。既述したように、Ｎ≠ＮＮの場合に
は従前の加工プロセスでの主軸回転数ＮＮと当該の加工
プロセスでの主軸回転数Ｎの差ΔＮと、主軸回転数Ｎの
値とを考慮してｔ_22N が決定される。

【００４５】τ＝τ₂₂において工具交換サブルーチンが
開始すると、主軸モータ１６が停止し（ステップＳ６
６）、次いで潤滑液温度調節装置１８が停止する（ステ
ップＳ６８）。τ＝τ₂₃のときに、潤滑液温度調節装置
１８の停止時間（τ₂₃−τ₂₂）が経過して、ステップＳ
３２の条件が達成され潤滑液温度調節装置１８が起動す
る。これにより、主軸１２は冷却されＺ軸方向に収縮す
る。主軸１２のＺ軸方向の伸びδが従前の加工プロセス
での伸びと一致するτ＝τ₂₄のときに工具長が測定され
るように、潤滑液温度調節装置１８の停止時間を設定す
る。工具交換の前後の主軸回転数の相違による主軸の伸
びの差δ₀ は、従前の伸びδと当該加工プロセスでの伸
びδの差から求められる。δ₀ を考慮してＺ軸方向の全
補正量ΔＺを決定する。

【００４６】τ＝τ₂₅のときにステップＳ３８において
主軸モータ１６が起動される。主軸モータ１６が起動し
た後、ステップＳ４０、４２において主軸１２の変位が
安定するまでの待機時間Ｔ₂ のタイムカウントサブルー
チンが開始する。図１０の実施例では、主軸１２の回転
数は３００００ｒｐｍから２００００ｒｐｍに低下し、
軸受１０ａ、１０ｂでの発熱は小さいので、主軸１２の
伸びの変化が安定するまでの時間は図９の場合よりも長
くなり、従って、この場合にはｔ_22N はｔ_21Nよりも大
きな時間となる。τ＝τ₂₆のときに待機時間（τ₂₆−τ
₂₃）が経過してステップＳ４４の条件が達成され、ステ
ップＳ４６において加工が開始される。

【００４７】更に、図１１の実施例では、潤滑液温度調
節装置１８の停止時間を図１０に示した実施例よりも短
く設定することにより、τ＝τ₃₄のときに主軸１２の伸
びδは、従前の加工プロセスでの主軸回転数ではなく、
当該加工プロセスでの主軸回転数による伸びと一致す
る。このときに工具長を測定できるように、潤滑液温度
調節装置１８の停止時間をｔ_22N を決定してもよい。こ
の場合には、従前の加工プロセスでの主軸回転数と当該
加工プロセスでの主軸回転数の差はあるがδ₀ ＝０とな
る。

【００４８】

【発明の効果】本発明では、工具長測定時の主軸の変位
が、交換された工具による加工開始時における変位また
は交換前の工具による加工時における変位と概ね等しく
なるように潤滑液温度調節装置を制御するので、測定さ
れた工具長に主軸の伸縮に基づく誤差を除去することが
可能となる。従って、本発明をＮＣ工作機械に適用する
ことにより、金型の表面加工の途中で工具交換し、工具
長測定を行い、測定値に基づいて補正をして、引き続き
表面加工を行う際、加工表面のつなぎ部分に段差が形成
されることがなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＮＣ工作機械のブロック図である。

【図２】本発明の実施例によるＮＣ工作機械のハードウ
ェア構成図である。

【図３】加工プロセスのフローチャートである。

【図４】加工プロセスのフローチャートである。

【図５】加工プロセスのフローチャートである。

【図６】工具交換のフローチャートである。

【図７】工具長測定のフローチャートである。

【図８】タイムカウントのフローチャートである。

【図９】工具交換の前後で主軸回転数が変化しない場合
の工具交換および工具長測定中の主軸の伸びを示す線図
である。

【図１０】工具交換の前後で主軸回転数が変化する場合
の工具交換および工具長測定中の主軸の伸びを示す線図
である。

【図１１】工具交換の前後で主軸回転数が変化する場合
の工具交換および工具長測定中の主軸の伸びを示す線図
である。

【図１２】主軸の回転数と主軸の伸びとの関係を示す線
図である。

【図１３】従来技術による工具交換、工具長測定中の主
軸の伸びを示す線図である。

【符号の説明】

１０…主軸装置 １２…主軸 １４…工具 １６…主軸モータ １８…潤滑液温度調節装置 ２０…タッチセンサ ２２…ＮＣ装置 ２４…機械制御装置

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 15/00 - 15/28 B23Q 11/00 - 11/16

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 使用工具を交換した後、主軸に装着した
   工具の工具長を測定する機能を有した工作機械の制御方
   法において、 前記主軸を支承した主軸装置と潤滑油温度調節装置との
   間で冷却した潤滑液を循環させ、前記主軸に装着した工具の工具長を測定するときの前記
   主軸の熱変形による変位が当該工具による加工開始時に
   おける前記主軸の熱変形による変位と概ね等しくなる前
   記潤滑液温度調節装置の停止時間、前記主軸を回転し始
   めたとき前記主軸の熱変形による変位が概ね安定するま
   でのウォーミングアップ時間、およびその変位と主軸回
   転速度との関係を記憶し、 工具交換のため前記主軸が停止したとき前記潤滑液温度
   調節装置を停止させて潤滑液の循環を停止し、 記憶した停止時間経過後に前記潤滑液温度調節装置を起
   動して潤滑液の循環を開始し、 前記主軸の熱変形による変位が当該工具による加工開始
   時における前記主軸の熱変形による変位と概ね等しくな
   ったときに当該工具の工具長を測定し、 当該工具の工具長測定後に前記主軸を起動し、記憶した
   当該工具の回転速度に対応したウォーミングアップ時間
   経過後に加工開始指令を発し、当該工具による加工を開
   始させるよう制御した ことを特徴とする工作機械の制御
   方法。
2. 【請求項２】 使用工具を交換した後、主軸に装着した
   工具の工具長を測定する機能を有した工作機械の制御装
   置において、 前記主軸を支承した主軸装置との間で冷却した潤滑液を
   循環させる潤滑液温度調節装置と、 前記主軸に装着した工具の工具長を測定するときの前記
   主軸の熱変形による変位が当該工具による加工開始時に
   おける前記主軸の熱変形による変位と概ね等しくなる前
   記潤滑液温度調節装置の停止時間、前記主軸を回転し始
   めたとき前記主軸の熱変形による変位が概ね安定するま
   でのウォーミングアップ時間、およびその変位と主軸回
   転速度との関係を記憶する記憶手段と、 工具交換のため前記主軸が停止したとき前記潤滑液温度
   調節装置を停止させて潤滑液の循環を停止し、前記記憶
   手段に記憶された停止時間経過後に前記潤滑液温度調節
   装置を起動して潤滑液の循環を開始し、前記主軸の熱変
   形による変位が当該工具による加工開始時における前記
   主軸の熱変形による変位と概ね等しくなったときに当該
   工具の工具長を測定し、当該工具の工具長測定後に前記
   主軸を起動し、前記記憶手段に記憶された当該工具の回
   転速度に対応したウォーミングアップ時間経過後に加工
   開始指令を発する機械制御装置と、 を具備したことを特徴とする工作機械の制御装置。