JP3292454B2 - 工作機械の熱変位量算出装置及び記憶媒体 - Google Patents
工作機械の熱変位量算出装置及び記憶媒体Info
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Description
れ、その工作機械で発生する熱変位量を算出する工作機
械の熱変位量算出装置及びその装置を実現するための記
憶媒体に関する。
施したり基板に部品を組み付けるための加工手段と、こ
の加工手段とワークや基板等の被加工物との相対位置を
変動させる駆動手段とを有する工作機械がある。一般
に、切削等の加工を行う工作機械では、例えばドリルや
タップ等の工具を保持するための保持機構、これに保持
された工具を回転駆動するための主軸駆動機構、工具の
X軸方向の送りのためのX軸送り機構、工具のY軸方向
の送りのためのY軸送り機構、工具のZ軸方向の送りの
ためのZ軸送り機構、これらの送り機構を制御するため
の制御装置等を備えている。
れる工作機械10がある。図13に示すように、この工
作機械10は、切削屑の飛散を防止するためのスプラッ
シュガード12の内側にワークW(図1参照)を載置す
るためのテーブル14、例えばドリルやタップ等の工具
交換のためのATCマガジン16、工作機械本体(以下
単に本体ともいう)20等が配置されている。またスプ
ラッシュガード12には、操作パネル22、ワークWの
入出やメンテナンスのためのワーク交換口24、主にメ
ンテナンス用の点検ハッチ26等が設けられている。
やタップ等の工具T(図1)を保持するための主軸2
8、主軸28を回転駆動するための主軸モータ30、多
数の鋼球を内蔵して主軸側に固着されているナット部3
2とナット部32に内挿されるボールネジ34とからな
るボールネジ機構36、ボールネジ34を回転駆動する
ためのZ軸モータ38、ボールネジ34と平行に配され
ているガイドレール40、ガイドレール40と主軸28
側とを連結するスライド42等を備えている。
36とZ軸モータ38とでZ軸方向の送りのためのZ軸
送り機構が構成され、Z軸モータ38によりボールネジ
34を回転させることで主軸28のZ軸方向の移動が行
われる。また図13に示されるテーブル14をX軸及び
Y軸方向に移動させることができ、主軸28のZ軸方向
の移動と併せて、ワークWと工具TのX、Y、Z軸方向
の相対位置を変化させることができる。
ジ機構36の駆動に伴って摩擦熱が発生してボールネジ
34が延びることがある。また、他の機構においても発
熱がある。そうした発熱によって工作機械に熱変位が発
現する。この熱変位が例えばZ軸方向に発現すると、ワ
ークWに施される溝の深さや段差の高さ等に誤差が生じ
る。公差が熱変位量よりも十分に大きい場合にはこのよ
うな熱変位による加工誤差はあまり問題とはならない
が、そうでない場合には熱変位に対する補正が必要とな
る。そこで、工作機械の熱変位量を算出する熱変位量算
出装置を設け、予め定められている加工プログラムに従
って駆動手段を制御するに当たって、その熱変位量に応
じた補正を行いながら駆動手段を制御することが提案さ
れている(例えば特開昭62−88548号公報)。
工作機械の熱変位量算出装置においては、工作機械の駆
動中を通して熱変位量を算出する形態であったので、そ
の処理を実行するためのシステムを常時動かしておく必
要があった。このため、その算出処理に関わる負担が大
きかった。そこで、本願出願人は、工作機械の駆動を続
けることによって温度が上昇すると、やがて発熱量と放
熱量とが均衡する状態(このときの熱変位量を飽和熱変
位量という)になることに着目し、次のように熱変位量
を算出することを提案した。すなわち、工作機械の駆動
中は、飽和熱変位量と工作機械の駆動時間とに基づいて
熱変位量を算出し、その熱変位量が飽和熱変位量にほぼ
等しくなると、それ以降は熱変位量として飽和熱変位量
の値を代用するのである(特願平8−298866
号)。この場合、正確な飽和熱変位量が与えられれば、
各時点における熱変位量を正確に算出でき、しかもその
算出処理に関わる負担を小さくすることができる。
(例えばLとする)が与えられたとき、その工作機械を
t時間駆動したときの熱変位量lを、 l=L・{1−exp(−γt)} なる式で表すことや、熱変位量が飽和熱変位量Lに達す
るまで工作機械を駆動した後、駆動を停止してからt時
間経過したときの熱変位量lを、 l=L・exp(−γt) なる式で表すことも提案している(但し、γは工作機械
固有の定数)。
位量は、個々の工作機械の特性や、使用環境に応じて変
化する。また、工作機械の特性には経時変化が発生する
場合もある。このため、上記L,γ等のパラメータを一
律に固定して工作機械の熱変位量を算出すると、個々の
工作機械の特性等に応じて正確な熱変位量を算出するの
が困難であった。そこで、本発明は、個々の工作機械の
特性や使用環境に応じて正確な熱変位量を算出すること
のできる工作機械の熱変位量算出装置を提供することを
目的としてなされた。
を達するためになされた請求項1記載の発明は、被加工
物に加工を施すための加工手段と、該加工手段と被加工
物との相対位置を変動させる駆動手段とを有する工作機
械に装備され、該工作機械の熱変位量を算出する工作機
械の熱変位量算出装置であって、上記工作機械の駆動状
態を検出する駆動状態検出手段と、該駆動状態検出手段
が検出した駆動状態に基づき、上記工作機械の熱変位量
を算出する変位量算出手段と、上記工作機械の熱変位量
の実測値を検出する実測値検出手段と、上記変位量算出
手段が算出した熱変位量と、上記実測値検出手段が検出
した上記熱変位量の実測値とを比較し、上記変位量算出
手段が算出した熱変位量に対する補正値を算出する補正
値算出手段と、該補正値算出手段が算出した補正値を記
憶する補正値記憶手段と、該補正値記憶手段に記憶され
た補正値を用いて、上記変位量算出手段が算出した熱変
位量を補正する変位量補正手段と、を備えたことを特徴
とする。
態検出手段が検出した駆動状態に基づき、変位量算出手
段は、工作機械の熱変位量を算出する。また、実測値検
出手段は工作機械の熱変位量の実測値を検出し、補正値
算出手段は、変位量算出手段が算出した熱変位量と実測
値検出手段が検出した熱変位量の実測値とを比較して、
変位量算出手段が算出した熱変位量に対する補正値を算
出する。すると、補正値記憶手段は、補正値算出手段が
算出した補正値を記憶し、変位量補正手段が、補正値記
憶手段に記憶された補正値を用いて、変位量算出手段が
算出した熱変位量を補正する。
により工作機械の熱変位量の実測値を検出し、変位量算
出手段が算出した熱変位量をその実測値に基づいて補正
している。このため、個々の工作機械の特性や使用環境
に応じて正確な熱変位量を算出することができる。しか
も、本発明では、熱変位量の実測値をそのまま使用する
のではなく、上記実測値から補正値を算出し、その補正
値を用いて変位量算出手段が算出した熱変位量を補正し
ている。このため、上記実測値を一度検出すれば、その
実測値から算出された補正値を用いて正確な熱変位量を
算出することができ、熱変位量を算出する毎に実測値を
検出する必要はない。
例えば、接触式のセンサ等によって加工手段が被加工物
に対する所定位置に相対移動したことを検出し、そのと
きの駆動手段の駆動量に基づいて熱変位量を実測するこ
とを提案している。ところが、この場合、加工手段によ
る被加工物への加工を一旦中断しなければ実測が行えな
い。従って、実測のみによって熱変位量を求めている
と、工作機械の作業能率が低下してしまう。本発明で
は、前述のように熱変位量を算出する毎に実測値を検出
する必要がないので、工作機械の作業能率を低下させる
ことなく、個々の工作機械の特性等に応じて前述のよう
に正確な熱変位量を算出することができる。
成に加え、上記補正値算出手段が、上記変位量算出手段
が算出した熱変位量と、上記実測値検出手段が検出した
上記熱変位量の実測値との比を補正値として算出し、上
記変位量補正手段が、上記変位量算出手段が算出した熱
変位量を、上記補正値を乗算または除算することによっ
て補正することを特徴とする。
変位量(以下、算出値ともいう)と実測値検出手段が検
出した実測値との比を補正値として算出し、その補正値
を乗算または除算することによって上記熱変位量を補正
している。上記算出値及び実測値の絶対値がきわめて大
きいと、両者の差の絶対値も大きくなる傾向がある。こ
のため、算出値と実測値との差を補正値として算出した
場合、変位量算出手段が小さい熱変位量を算出したとき
に同様の補正値を使用するのが困難になる。
値との比を補正値として算出し、変位量算出手段が算出
した熱変位量に乗算または除算している。このため、変
位量算出手段が小さい熱変位量を算出したときには、そ
れに応じた少量の補正を行うことができる。従って、本
発明では、請求項1記載の発明の効果に加えて、補正値
の算出の基礎となる算出値及び実測値の絶対値がきわめ
て大きい場合にも、正確な熱変位量を算出することがで
きるといった効果が生じる。
成に加え、上記補正値算出手段が、上記変位量算出手段
が算出した熱変位量と、上記実測値検出手段が検出した
上記熱変位量の実測値との差を補正値として算出し、上
記変位量補正手段が、上記変位量算出手段が算出した熱
変位量を、上記補正値を加算または減算することによっ
て補正することを特徴とする。
変位量(算出値)と実測値検出手段が検出した実測値と
の差を補正値として算出し、その補正値を加算または減
算することによって上記熱変位量を補正している。上記
算出値及び実測値の絶対値がきわめて小さいと、両者の
比の値には僅かな測定誤差も反映されてしまう。このた
め、算出値と実測値との比を補正値として算出し、その
値を変位量算出手段が算出した熱変位量に乗算または除
算する場合、変位量算出手段が大きい熱変位量を算出し
たときには、測定誤差等がその算出値に乗算または除算
されて大きく反映される可能性がある。
値との差を補正値として算出し、変位量算出手段が算出
した熱変位量に加算または減算している。このため、変
位量算出手段が算出した熱変位量の絶対値に関わらず、
常に同量の補正を行うことができる。従って、本発明で
は、請求項1記載の発明の効果に加えて、補正値の算出
の基礎となる算出値及び実測値の絶対値がきわめて小さ
い場合にも、正確な熱変位量を算出することができると
いった効果が生じる。
ずれかに記載の構成に加え、上記実測値検出手段が、上
記加工手段が上記被加工物に対する所定位置に相対移動
したとき、その加工手段を検出する加工手段検出手段
と、上記駆動手段を制御して、上記加工手段を上記加工
手段検出手段に検出される位置まで相対移動させる加工
手段移動手段と、を備え、該加工手段移動手段により、
上記加工手段を上記加工手段検出手段に検出される位置
まで相対移動させるのに必要とした上記駆動手段の駆動
量と、工作機械に熱変位が発生していないときに必要と
される上記駆動量とを比較し、その比較結果に基づいて
上記実測値を検出することを特徴とする。
動手段によって、加工手段を、加工手段検出手段に検出
される位置まで相対移動させ、続いて、その相対移動に
必要とした駆動手段の駆動量と、工作機械に熱変位が発
生していないときに必要とされる上記駆動量とを比較
し、その比較結果に基づいて工作機械の熱変位量の実測
値を検出している。このため、工作機械の熱変位量の正
確な実測値を自動的に容易に検出することができる。ま
た、本発明では、加工手段検出手段は接触式のセンサ等
のように構成の簡単なもので済ませることができ、加工
手段移動手段は駆動手段と共通の構成とすることもでき
る。従って、本発明では、請求項1〜3のいずれかに記
載の発明の効果に加えて、装置の構成を簡略化して製造
コストを低減すると共に、一層正確かつ容易に上記パラ
メータを算出することができるといった効果が生じる。
成に加え、上記実測値検出手段が、上記工作機械の駆動
開始から所定時間後に上記実測値を検出し、その都度、
上記補正値算出手段が上記補正値を算出し、上記補正値
記憶手段に記憶された補正値を更新することを特徴とす
る。
駆動開始から所定時間後に上記実測値を検出する。そし
て、補正値算出手段は、その都度上記補正値を算出し、
上記補正値記憶手段に記憶された補正値を更新する。こ
のため、工作機械を始動する度に、実測値に基づいた上
記補正値の更新を自動的に行うことができる。従って、
本発明では、請求項4記載の発明の効果に加えて、工作
機械の特性や使用環境の変化に応じて、一層正確な熱変
位量を一層容易に算出することができるといった効果が
生じる。また、本発明の構成を採用すれば、上記実測値
の検出を駆動開始から上記所定時間後に一回行うだけで
充分に正確な熱変位量を算出することができる。従っ
て、工作機械の作業能率を一層良好に向上させることが
できる。
ずれかに記載の構成に加え、上記熱変位量に影響を及ぼ
す条件に対応して定められた調整値を、上記変位量補正
手段によって補正された熱変位量に加算または減算して
上記工作機械の熱変位量とする変位量調整手段を、更に
備えたことを特徴とする。
駆動時間の他、種々の条件が影響を及ぼす。例えば朝等
の気温が比較的低いとき等では工作機械の温度上昇が緩
やかになり、算出された熱変位量と実際の熱変位量との
誤差が無視できない程度になることもある。そこで、本
発明では、変位量調整手段により、熱変位量に影響を及
ぼす条件に対応して定められた調整値を、変位量補正手
段によって補正された熱変位量に加算または減算して上
記工作機械の熱変位量としている。このため、本発明で
は、請求項1〜5のいずれかに記載の発明の効果に加え
て、工作機械の熱変位量を一層正確に算出することがで
きるといった効果が生じる。なお、上記調整値は、例え
ばオペレータが、操作パネル等の調整入力手段によって
入力してもよく、熱変位量算出装置側で、予め設定され
ている手順で決められる調整値を求めてもよい。
成に加え、上記調整値は時刻に対応して定められてい
て、上記変位量調整手段は時刻に基づいて上記調整値を
選択して使用することを特徴とする。この構成とすれ
ば、例えば1日の時間帯(朝、昼、夜等)に応じて、算
出された熱変位量と実際の熱変位量との誤差を、一層良
好に自動的に解消することができる。従って、本発明で
は、請求項6記載の発明の効果に加えて、時刻に関わら
ず常に正確な熱変位量を算出することができるといった
効果が生じる。
成に加え、上記調整値は上記工作機械の環境温度に対応
して定められていて、上記変位量調整手段は該環境温度
に基づいて上記調整値を選択して使用することを特徴と
する。この構成とすれば、工作機械が設置されている場
所の気温すなわち環境温度に応じて、算出された熱変位
量と実際の熱変位量との誤差を、一層良好に自動的に解
消することができる。従って、本発明では、請求項5記
載の発明の効果に加えて、環境温度に関わらず常に正確
な熱変位量を算出することができるといった効果が生じ
る。
施すための加工手段と、該加工手段と被加工物との相対
位置を変動させる駆動手段とを備えた工作機械に対して
使用され、該工作機械の熱変位量を算出するためのコン
ピュータプログラムを記憶した記憶媒体であって、工作
機械の熱変位量の実測値を検出する実測値検出処理と、
上記工作機械の駆動状態を検出する駆動状態検出処理
と、該駆動状態検出処理によって検出された駆動状態に
基づき、上記工作機械の熱変位量を算出する変位量算出
処理と、該変位量算出処理によって算出された熱変位量
と、上記実測値検出処理により検出された上記熱変位量
の実測値とを比較し、上記変位量算出処理によって算出
された熱変位量に対する補正値を算出する補正値算出処
理と、該補正値算出処理によって算出された補正値を所
定の記憶手段に記憶する補正値記憶処理と、上記所定の
記憶手段に記憶された補正値を用いて、上記変位量算出
処理によって算出された熱変位量を補正する変位量補正
処理と、を実行させるコンピュータプログラムを記憶し
たことを特徴とする。
いるので、工作機械に接続されたコンピュータ等の制御
手段に本発明に記憶されたコンピュータプログラムを実
行させれば、請求項1記載の実測値検出手段、駆動状態
検出手段、変位量算出手段、補正値算出手段、補正値記
憶手段、及び変位量補正手段に相当する実測値検出処
理、駆動状態検出処理、変位量算出処理、補正値算出処
理、補正値記憶処理、及び変位量補正処理を実行させる
ことができる。従って、本発明に記憶されたコンピュー
タプログラムを上記制御手段に実行させれば、請求項1
記載の発明と同様の効果が生じる。また、本発明に記憶
された各処理のプログラムに、請求項2,3,4,5,
6,7,または8記載の発明に限定した要件を付加すれ
ば、それを実行させたとき、対応する請求項2,3,
4,5,6,7,または8記載の発明と同様の効果が生
じる。
照して説明することにより、発明の実施の形態を具体的
に説明する。
次の検出器49を設けた点を除いては従来例として図1
3及び図14に示したものと同じであるので、これらを
使用して工作機械10のメカニカルな構成の説明は省略
する。
ある。図1に示すように、検出器49はテーブル14の
片隅に固定され、主軸28に保持された工具Tが接触し
たときに接触信号を発生するものである。また、検出器
49はワークWに従い最適な位置で計測が行い得るよう
に、Z軸上の位置が変更できるように構成されており、
その位置が変更された場合は、後述のCPU72等に記
憶された上記Z軸上の位置に関わるデータが更新され
る。
の制御系の構成を表すブロック図である。図2に示すよ
うに、この制御系は、主軸28の回転を制御するための
主軸制御系50、主軸28のZ軸位置を制御するための
Z軸制御系60、この制御系の中枢となる本発明の工作
機械の熱変位量算出装置としてのマイコン部70、操作
パネル22、検出器49、及び、テーブル14のX軸位
置を制御するためのX軸制御系(図示略)やテーブル1
4のY軸位置を制御するためのY軸制御系(図示略)等
から構成されている。
モータ30に電力を供給するための主軸サーボアンプ5
2、及び主軸サーボアンプ52の供給電力を制御するた
めの軸制御回路54からなり、軸制御回路54はマイコ
ン部70のCPU72からの指示に従って主軸サーボア
ンプ52の動作を制御する構成である。Z軸制御系60
は、Z軸モータ38、Z軸モータ38に電力を供給する
ためのZ軸サーボアンプ62及びZ軸サーボアンプ62
の供給電力を制御するための軸制御回路64からなり、
軸制御回路64はマイコン部70のCPU72からの指
示に従ってZ軸サーボアンプ62の動作を制御する構成
である。また、図示を省略したX軸制御系及びY軸制御
系も、これら主軸制御系50並びにZ軸制御系60とほ
ぼ同様の構成である。
納しているROMや入出力ポート等を内蔵するワンチッ
プ型のCPU72、RAM74及び時計76等からな
り、周知のマイクロコンピュータとして構成されてい
る。このマイコン部70(厳密にはCPU72)は、ワ
ークWに施すべき加工に対応した加工プログラムに従っ
て主軸制御系50、Z軸制御系60等を制御して、ワー
クWに所定の加工を施させるのである。また、マイコン
部70は操作パネル22及び検出器49に接続されてお
り、マイコン部70は、操作パネル22または検出器4
9からの入力信号を取得したり、操作パネル22に信号
を送って操作パネル22の液晶ディスプレイの画像や文
字の表示を制御することやLEDの点滅を制御すること
等ができる。
ワークエリアとなるが、本実施例では、このRAM74
上に図3に示される構成のピッチ誤差補正テーブルが設
けられている。このピッチ誤差補正テーブルは、例えば
ボールネジ機構36の駆動誤差を補正するためのテーブ
ルである。
は、製造公差等によりボールネジ34の回転量とナット
部32の移動量(すなわち主軸28のZ軸方向移動量)
との誤差が避けられないので、それを補正する必要があ
る。そこで適当な数の補正ポイントを設定し(ボールネ
ジ34の長さが500mmで20mm毎に補正するとす
れば、補正ポイントは25箇所となる。)、その補正ポ
イント毎にボールネジ34の回転による移動量の計算値
と実測値との誤差を求め、その誤差に相当するボールネ
ジ34の回転量(ピッチ)をピッチ誤差補正テーブルに
書き込んでおき、各補正ポイント毎にそのピッチ分だけ
ボールネジ34を正あるいは逆回転させることによって
主軸28のZ軸位置を正確ならしめている。X軸及びY
軸についても同様である。
年月日時刻を算出してそのデータをCPU72に送るこ
とができる。なおCPU72は、一定の周期例えば1/
1000秒毎にカウント値をインクリメントするカウン
タを内蔵していて、そのカウンタを使用することによ
り、例えばある加工の開始から終了までの所要時間のよ
うな、経過時間を計測することもできる。
えばそのZ軸方向に、ボールネジ34の膨張等によって
熱変位が発生する。そこで、CPU72は、その熱変位
を補正しつつ加工プログラムを実行するため、以下の処
理を実行している。図4は、CPU72が実行する処理
のメインルーチンを表すフローチャートである。なお、
CPU72は、電源投入後この処理を所定タイミングで
割り込み処理として実行し、加工プログラムの実行等に
よって発生する熱変位量を算出している。
始すると、先ず、S1(Sはステップを表す:以下同
様)にて、工作機械10の駆動状態に基づいてその熱変
位量を算出する熱変位量算出処理を実行し、S3へ移行
する。S3では、S1の熱変位量算出処理で算出される
熱変位量に、実測値に基づいた補正をする必要があるか
否かを判断し、必要のない場合(S3:NO)は再びS
1へ移行して熱変位量の算出を続行する。また、実測値
に基づいた補正が必要な場合は(S3:YES)、後述
のS5〜S9の処理へ移行し、熱変位量の実測値を検出
すると共にS1で使用される各種パラメータ等を変更し
た後、S1へ移行する。
説明する。図5は、S1の熱変位量算出処理の詳細を表
すフローチャートである。本ルーチンでは、先ず、S1
1にて、電源OFFの間の移動距離を0と見なす処理を
行う。後述のように、過去に熱変位量が算出されてその
影響が現在も残存している場合、その影響を考慮して工
作機械10の熱変位量を算出する必要がある。また、こ
のような熱変位量は、工場の休憩時間等に工作機械10
の電源がOFFされた後にも残存している場合がある。
そこで、このS11では、電源がOFFされていた間に
おける主軸28のZ軸方向の移動距離を0とするのであ
る。
き、所定のサンプリングタイム(a分間隔とする)とな
ったか否かを判断する。そして、サンプリングタイムで
なければ(S12:NO)そのまま待機し、サンプリン
グタイムであれば(S12:YES)S13へ移行す
る。S13では、加工プログラムの実行状態等から工作
機械10の駆動状態を検出し、それに基づいてサンプリ
ングタイム間における主軸28のZ軸方向の移動距離を
算出する。その後、S14へ移行し、飽和熱変位量とし
ての最大変位量Lを次のように算出する。
温度が上昇すると、やがて発熱量と放熱量とが均衡す
る。このときの熱変位量が最大変位量Lである。工作機
械10を一定の状態で駆動し続けた場合、最大変位量L
は、主軸28の単位時間当たりの平均移動距離に対して
図6に示す対応関係を有する。図6に示すように、平均
移動距離が増加するに従って最大変位量Lも増加する。
また、この対応関係は、平均移動距離が所定値以上とな
ると傾きがなだらかになる折れ線グラフによって表され
る。これは、主軸28が高速で移動すると、空冷効果に
よって放熱量が増加し、熱変位が抑制されるためであ
る。S14では、S13にて算出した移動距離を単位時
間当たりの平均移動距離(ここではmm/min)に換算し、
図6のマップを参照して対応する最大変位量Lを算出す
るのである。なお、図6のマップは、数式やデータテー
ブルの形態でCPU72に格納されてもよい。
ングタイム間の熱変位量lを算出する。図7に例示する
ように、最大変位量がL1aであった場合、工作機械10
駆動中の熱変位量lは、直線l=L1aに対する漸近線1
02を描く。また、熱変位量lが最大変位量L1aに達し
た後(図7ではt=8hourの時点)、工作機械10
を停止すると、熱変位量lは直線l=0に対する漸近線
104を描く。ここで、漸近線102は、 l=L1a・{1−exp(−γt)} ……(1) で、漸近線104は、 l=L1a・exp(−γt) ……(2) で、それぞれ表される。但し、γは工作機械10固有の
定数であり、t及びlの単位はそれぞれhour,μm
である。従って、この式より、工作機械10の駆動開始
後a分後の熱変位量l1aは、 l1a=L1a・{1−exp(−γ・a/60)} となる。また、工作機械10停止後a分後の熱変位量l
-1a は、 l-1a =L1a・exp(−γ・a/60) となる。S15では、主に式(1)を用いてサンプリン
グタイム間の熱変位量lを算出する。更に、続くS16
では、後述の保持時間以内の熱変位量lを加算して、次
のように総熱変位量を算出した後、前述のS3(図4)
へ移行する。
動距離に基づいて熱変位量lを算出した場合(S13〜
S15)、熱変位量lはその後式(2)に従って減少す
るものと考える。すなわち、図8(A)に曲線201で
例示するように、時刻0から時刻1aまでの間の移動距
離に基づいて算出された熱変位量l1aの時刻1aにおけ
る値l1a-1は、前述のように、 l1a-1=L1a・{1−exp(−γ・a/60)} となる。但し、L1aは時刻1aのサンプリングタイムに
て算出された最大変位量である。そして、時刻2aにお
ける熱変位量l1aの値l1a-2は、式(2)より、 l1a-2=l1a-1・exp(−γ・a/60) 以下同様に、時刻3a,時刻4aにおける熱変位量l1a
の値l1a-3,l1a-4は、 l1a-3=l1a-1・exp(−γ・2a/60) l1a-4=l1a-1・exp(−γ・3a/60) となる。同様に、時刻1aから時刻2aまでの間の移動
距離に基づいて最大変位量L2aが算出されたとすると、
それに対応する熱変位量l2aは図8(B)に曲線202
で例示するように変化し、その時刻2a,3a,4aに
おける値l2a-1,l2a-2,l2a-3は、それぞれ、 l2a-1=L2a・{1−exp(−γ・a/60)} l2a-2=l2a-1・exp(−γ・a/60) l2a-3=l2a-1・exp(−γ・2a/60) となる。S16では、このようにして算出された熱変位
量l1a,l2a,……のその時刻における値を加算して総
熱変位量を算出するのである。例えば、時刻1a,2
a,3a,4a,5a,……のサンプリングタイム間の
移動距離に基づいて、図8(C)に曲線201,20
2,203,204,205,……で例示する熱変位量
lが算出されたとすると、S16で算出される総熱変位
量は、図8(C)に曲線200で例示するように変化す
る。
前述のように時間の経過に伴って減少するので、S15
にて算出してから所定の時間(例えば120分)を経過
した熱変位量lが総熱変位量に及ぼす影響は無視するこ
とが可能となる。そこで、CPU72は、上記所定の時
間を保持時間としてROMに記憶しており、保持時間以
内に算出された熱変位量lについてのみ上記加算を行っ
て総熱変位量を算出している。このため、S16の処理
で加算しなければならない熱変位量lの個数は、120
/a+1以下の自然数に押さえられ、その算出処理に関
わる負担を小さくすることができる。従って、その処理
に関わるソフト構成等を簡略化すると共に処理速度を向
上させることができる。
熱変位量lを、それを算出した時刻と対応づけてRAM
74のテーブルに記憶しており、その記憶内容を電源O
FFの間にも、図示しないバックアップ電源により保持
している。このため、電源が一旦OFFされて再びON
されたときには、S11にて電源OFFの間の移動距離
を0(従って熱変位量lも0)と見なすと共に、S16
へ移行して、前回の電源ONの期間中に算出された熱変
位量lの内、算出されてから保持時間を経過していない
ものの影響を加算して総熱変位量を算出することができ
る。
補正が必要と判断すると、S5へ移行して次の実測値検
出処理を実行する。なお、S3にて実測値に基づいた補
正が必要と判断する場合としては、工作機械10の駆動
開始から所定時間が経過した場合と、操作者が加工後の
ワークWの寸法誤差をノギス等によって測定し、その寸
法誤差等を熱変位量の実測値として操作パネル22から
入力操した場合とがある。以下の説明では、前者の場合
を例にとって先に説明し、後に後者の場合を説明する。
また、上記所定時間とは、工作機械10に充分に実測可
能な熱変位が発生するまでの駆動時間であり、以下の説
明では仮にa分間(例えば30分)とする。
とき、S5の実測値検出処理では、Z軸制御系60,及
び,X軸制御系,Y軸制御系を駆動して、主軸28に保
持された工具Tを検出器49に接触させる。CPU72
は、検出器49から接触信号を受信して上記接触を確認
するまでに必要としたZ軸制御系60の駆動量を算出
し、工作機械10に熱変位が発生していないときに必要
とされる計算上の上記駆動量と比較する。そして、その
比較結果に基づき、工作機械10の熱変位量の実測値
(Z軸方向)を検出するのである。
を実行する。この処理では、S1にて算出した総熱変位
量(以下、算出値という)と、S5にて検出した実測値
とを比較し、上記算出値に対する補正値を算出する。続
くS9では、S7にて算出した補正値に基づいて、S1
にて使用される各種パラメータ(数式等を含む)を変更
し、RAM74の所定領域に記憶する(パラメータ変更
処理)。
しては、上記算出値と上記実測値との差を補正値として
利用する形態と、両者の比を補正値として利用する形態
とがあり、操作パネル22設定により所望の形態を選択
することができる。図9(A),(B)では、実測値に
よる補正を行わない場合における熱変位量lの算出値の
変化を実線で表しており、時刻t0 (工作機械10の駆
動開始からa分後)にて検出された実測値を■で表して
いる。
図9(A)に例示するように、実測値から算出値を引い
た差Δlを補正値として算出し(S7)、S15で使用
される式(1),(2)にそれぞれ上記Δlを加算する
処理を行う(S9)。このS5〜S9の処理を実行して
再びS1へ移行することにより、S1の処理にて算出さ
れる総熱変位量を、図9(A)に点線で示すように補正
することができる。
図9(B)に例示するように、実測値l2 と算出値l1
との比l2 /l1 を補正値として算出し(S7)、S1
5で使用される式(1),(2)にそれぞれ上記l2 /
l1 を乗算する処理を行う(S9)。このS5〜S9の
処理を実行して再びS1へ移行することにより、S1の
処理にて算出される総熱変位量を、図9(B)に点線で
示すように補正することができる。算出値と実測値との
差を補正値として利用する場合と、両者の比を利用する
場合とでは、各々次のような利点があり、このため、操
作者が操作パネル22により所望の形態を選択できるよ
うになっている。なお、以下に述べるように、算出値及
び実測値の絶対値が小さい場合は差を利用した方が、両
者の絶対値が大きい場合は比を利用した方が有利であ
る。そこで、算出値または実測値の絶対値が小さいとき
は両者の差を補正値として利用する形態を、その絶対値
が大きいときは両者の比を補正値として利用する形態
を、それぞれ自動的に選択するように構成してもよい。
更に、差でも比でもない他の形態を採用してもよい。
いと、両者の比の値には僅かな測定誤差も反映されてし
まう。このため、算出値と実測値との比を補正値として
算出し、その値をS1にて算出される総熱変位量に乗算
または除算する場合、時刻t0 以外の時点でS1にて大
きい総熱変位量が算出されたときには、測定誤差等がそ
の算出値に乗算または除算されて大きく反映される可能
性がある。これに対して、図9(A)のように算出値と
実測値との差を補正値として利用すれば、S1にて算出
される総熱変位量の絶対値に関わらず、常に同量の補正
を行うことができる。従って、この場合、補正値の算出
の基礎となる算出値及び実測値の絶対値がきわめて小さ
い場合にも、正確な熱変位量を算出することができる。
いと、両者の差の絶対値も大きくなる傾向がある。この
ため、算出値と実測値との差を補正値として利用した場
合、時刻t0 以外の時点でS1にて小さい総熱変位量が
算出されたときには同様の補正値を使用するのが困難に
なる。例えば、補正後の熱変位量が負になることもあ
る。これに対して、図9(B)のように算出値と実測値
との比を補正値として利用すれば、S1にて小さい総熱
変位量が算出されたときには、それに応じた少量の補正
を行うことができる。従って、この場合、補正値の算出
の基礎となる算出値及び実測値の絶対値がきわめて大き
い場合にも、正確な熱変位量を算出することができる。
作パネル22から入力されて、S3に肯定判断した場合
は、S5にてその入力値を読み込む(実測値検出処
理)。そして、続くS7,S9では、読み込んだ実測値
と上記算出値との間で前述と同様の処理を行う。
部70では、工作機械10の熱変位量の実測値を検出し
(S5)、熱変位量算出処理(S1)にて算出される総
熱変位量をその実測値に基づいて補正している(S7,
S9)。このため、個々の工作機械の特性や使用環境に
応じて正確な熱変位量を算出することができる。
をそのまま使用するのではなく、上記実測値から補正値
を算出し、S1にて算出される総熱変位量をその補正値
を用いて補正している。このため、工作機械10の駆動
開始から所定時間後(例えばa分後)に上記実測値を一
度検出すれば、後はその実測値から算出された補正値を
用いて充分に正確な熱変位量を算出することができる。
すなわち、本実施例のように検出器49を用いて熱変位
量の実測値を検出する場合、その検出時にはワークWへ
の加工を一旦中断しなければならないが、本実施例では
このような中断を一回行うだけでよく、工作機械10の
作業能率を良好に向上させることができる。また、本実
施例では工作機械10を始動する度に、実測値に基づい
た補正を自動的に行うことができるので、工作機械10
の特性や使用環境の変化に応じて、一層正確な熱変位量
を一層容易に算出することができる。
工手段に、ボールネジ機構36及びZ軸制御系60,X
軸制御系,Y軸制御系が駆動手段及び加工手段移動手段
に、検出器49が加工手段検出手段に、RAM74が所
定の記憶手段に、CPU72が駆動状態検出手段,変位
量算出手段,実測値検出手段,補正値算出手段,補正値
記憶手段,及び変位量補正手段に相当し、CPU72の
処理の内、S13が駆動状態検出手段に、S14〜S1
6が変位量算出手段に、S5が実測値検出手段に、S7
が補正値算出手段に、S9が補正値記憶手段及び変位量
補正手段に、それぞれ相当する処理である。
10は第2実施例としての工作機械10の制御系の構成
を表すブロック図である。なお、本実施例の工作機械1
0もメカニカルな構成は第1実施例と同じであり、制御
系の構成は次の点で異なる。すなわち、図10に示すよ
うに、マイコン部70は前述の構成に加えてインタフェ
ース(I/F)78を備えており、このインタフェース
78を介してパソコン80に接続されている。パソコン
80は、制御プログラム等を格納しているROMや入出
力ポート等を内蔵するワンチップ型のCPU82、RA
M84、時計86、及びマイコン部70と接続されるイ
ンタフェース(I/F)88等からなり、周知のマイク
ロコンピュータとして構成されている。また、パソコン
80には、キーボード91及びCRT92も接続されて
いる。
て、マイコン部70が工作機械10を制御しており、マ
イコン部70からパソコン80へは主軸28の移動距離
等、総熱変位量の算出に必要なデータを初め、検出器4
9を介して検出した熱変位量の実測値、操作パネル22
を介して入力された熱変位量の実測値等が送信される。
また、パソコン80は以下の処理によって工作機械10
の熱変位量(総熱変位量)を算出し、算出した総熱変位
量をマイコン部70へ送信する。すると、マイコン部7
0は、送信された総熱変位量に基づき、補正を行いつつ
上記加工プログラムを実行する。
前述の図4とほぼ同様の処理を実行するのであるが、S
1の熱変位量算出処理及びS5の実測値検出処理は、自
らがZ軸制御系60等を制御するのではなく、マイコン
部70と上記データや駆動指令等を送受信することによ
って実行する。例えば、S1の熱変位量算出処理は、図
11に示すようになる。なお、この熱変位量算出処理
は、図5に示した熱変位量算出処理と殆ど同じであるの
で、異なる部分についてのみ説明する。
移動距離をCPU82が自ら算出するのではなく、マイ
コン部70から送信される移動距離を読み込む。また、
S16に代えて実行されるS16aでは、総熱変位量を
S16と同様に算出した後、その総熱変位量をマイコン
部70に送信する。その他の処理は第1実施例と同様で
あるので、図5で使用した符号をそのまま使用して詳細
な説明を省略する。パソコン80は、S5の実測値検出
処理も、同様の送受信によって実行する。
実施例とほぼ同様の作用・効果が生じる。なお、本実施
例でもCPU82は、各時刻で算出された熱変位量l
を、それを算出した時刻と対応づけてRAM84のテー
ブルに記憶するが、この記憶内容は必ずしもバックアッ
プしなくてもよい。これは、工作機械10の電源をOF
Fしてもパソコン80の電源をONに保持しておけば、
記憶内容は消失しないからである。また、本実施例で
は、インタフェース88を介して接続される工作機械1
0を変更すれば、一つのパソコン80によって複数の工
作機械10に対する総熱変位量の算出を行うことができ
る。
が、本発明は上記実施例になんら限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施
することができる。例えば、上記実施例では、主軸28
のZ軸方向の移動距離から工作機械10のZ軸方向の熱
変位量を算出しているが、主軸28が回転すると主軸2
8自身に熱変位が発生する。そこで、主軸モータ30の
回転量を移動距離として算出して、その移動距離からZ
軸方向の熱変位量を算出してもよい。また、図5または
図11の処理によって算出された前述の総熱変位量に、
主軸28の回転量から算出した熱変位量を加算して、工
作機械10全体としてのZ軸方向の熱変位量を算出して
もよい。この場合、Z軸方向の熱変位量を一層正確に算
出することができる。更に、本発明はワークWを移動さ
せる機構に適用してもよい。
28の移動距離や駆動時間の他、種々の条件が影響を及
ぼす。例えば朝等の気温が比較的低いとき等では工作機
械10の温度上昇が緩やかになり、算出された総熱変位
量と実際の熱変位量との誤差が無視できない程度になる
こともある。そこで、例えば図5のS16を図12のよ
うに変更し、各種調整を行えるようにしてもよい。
熱変位量を算出する。続くS62では、CPU72は、
S61で算出した総熱変位量に対する調整の要否を判断
する。この要否判断は、(1)操作パネル22を介して
調整値が入力されている、(2)時刻に対応して設定さ
れた調整値がある、(3)環境温度に対応して調整値を
使用する必要がある、等の条件が成立しているか否かに
よってなされる。条件が成立していれば、調整要(S6
2:YES)であり、S63にて総熱変位量に調整値を
加算あるいは減算して調整する。一方、調整不要(S6
2:NO)であれば、S61にて算出された総熱変位量
をそのまま保持してS3(図4)の処理へ移行する。
て定めれば、1日の時間帯(朝、昼、夜等)に応じて、
算出された総熱変位量と実際の熱変位量との誤差を、一
層良好に自動的に解消することができる。従って、時刻
に関わらず常に正確な総熱変位量を算出することができ
る。また、調整値を工作機械10の環境温度に対応して
定めれば、工作機械10が設置されている場所の気温す
なわち環境温度に応じて、算出された総熱変位量と実際
の熱変位量との誤差を、一層良好に自動的に解消するこ
とができる。従って、環境温度に関わらず常に正確な総
熱変位量を算出することができる。なお、図5のS1
5,図11のS15またはS16aをこのように変更し
ても同様の効果が生じる。
49に接触させることによって主軸28が所定位置に移
動したことを検出し、そのときのZ軸制御系60の駆動
量に基づいて熱変位量の実測値を検出しているが、実測
値検出手段としてはこの他種々の構成を採用することが
できる。例えば、工具Tを介さずに主軸28を検出器4
9に直接接触させてもよく、操作パネル22からの入力
値の読み取りまたは検出器49による実測値の検出の一
方のみを行ってもよく、主軸28を側方から撮影し、画
像処理等によって熱変位量の実測値を検出してもよい。
但し、上記実施例の検出器49を用いた構成を採用すれ
ば、検出器49を増設しただけの簡単な構成によって、
工作機械10の熱変位量の正確な実測値を自動的に容易
に検出することができる。従って、装置の構成を簡略化
して製造コストを低減すると共に、一層正確かつ容易に
上記パラメータを算出することができる。
49による熱変位量の実測を行うタイミングも、上記の
他種々考えられる。例えば、所定時間毎に繰り返し移行
してもよく、操作パネル22が所定の手順で操作された
ときに移行して、検出器49による実測を行ってもよ
い。また、熱変位量算出処理には種々の形態が考えら
れ、例えば、最大変位量Lを使用しない処理によって熱
変位量を算出してもよい。
5,図11,または図12の処理を実行するためのプロ
グラムをCPU72または82のROMに記憶している
が、これらのプログラムはフロッピディスクやCD−R
OM等の記憶媒体に記憶しておいてもよいことはいうま
でもない。この場合、一般のコンピュータ等、任意の制
御手段に上記処理を実行させることができる。
図である。
ブロック図である。
成を表す説明図である。
ンルーチンを表すフローチャートである。
ローチャートである。
表す説明図である。
例示する説明図である。
示する説明図である。
図である。
すブロック図である。
する熱変位量算出処理を表すフローチャートである。
ローチャートである。
す説明図である。
す説明図である。
ガジン 20…本体 28…主軸 30…主軸モータ 36…ボール
ネジ機構 38…Z軸モータ 49…検出器 60…Z軸
制御系 70…マイコン部 72,82…CPU 7
4,84…RAM 76,86…時計 80…パソコン
Claims (9)
- 【請求項1】 被加工物に加工を施すための加工手段
と、該加工手段と被加工物との相対位置を変動させる駆
動手段とを有する工作機械に装備され、該工作機械の熱
変位量を算出する工作機械の熱変位量算出装置であっ
て、 上記工作機械の駆動状態を検出する駆動状態検出手段
と、 該駆動状態検出手段が検出した駆動状態に基づき、上記
工作機械の熱変位量を算出する変位量算出手段と、 上記工作機械の熱変位量の実測値を検出する実測値検出
手段と、 上記変位量算出手段が算出した熱変位量と、上記実測値
検出手段が検出した上記熱変位量の実測値とを比較し、
上記変位量算出手段が算出した熱変位量に対する補正値
を算出する補正値算出手段と、 該補正値算出手段が算出した補正値を記憶する補正値記
憶手段と、 該補正値記憶手段に記憶された補正値を用いて、上記変
位量算出手段が算出した熱変位量を補正する変位量補正
手段と、 を備えたことを特徴とする工作機械の熱変位量算出装
置。 - 【請求項2】 上記補正値算出手段が、上記変位量算出
手段が算出した熱変位量と、上記実測値検出手段が検出
した上記熱変位量の実測値との比を補正値として算出
し、 上記変位量補正手段が、上記変位量算出手段が算出した
熱変位量を、上記補正値を乗算または除算することによ
って補正することを特徴とする請求項1記載の工作機械
の熱変位量算出装置。 - 【請求項3】 上記補正値算出手段が、上記変位量算出
手段が算出した熱変位量と、上記実測値検出手段が検出
した上記熱変位量の実測値との差を補正値として算出
し、 上記変位量補正手段が、上記変位量算出手段が算出した
熱変位量を、上記補正値を加算または減算することによ
って補正することを特徴とする請求項1記載の工作機械
の熱変位量算出装置。 - 【請求項4】 上記実測値検出手段が、 上記加工手段が上記被加工物に対する所定位置に相対移
動したとき、その加工手段を検出する加工手段検出手段
と、 上記駆動手段を制御して、上記加工手段を上記加工手段
検出手段に検出される位置まで相対移動させる加工手段
移動手段と、 を備え、該加工手段移動手段により、上記加工手段を上
記加工手段検出手段に検出される位置まで相対移動させ
るのに必要とした上記駆動手段の駆動量と、工作機械に
熱変位が発生していないときに必要とされる上記駆動量
とを比較し、その比較結果に基づいて上記実測値を検出
することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の
工作機械の熱変位量算出装置。 - 【請求項5】 上記実測値検出手段が、上記工作機械の
駆動開始から所定時間後に上記実測値を検出し、 その都度、上記補正値算出手段が上記補正値を算出し、
上記補正値記憶手段に記憶された補正値を更新すること
を特徴とする請求項4記載の工作機械の熱変位量算出装
置。 - 【請求項6】 上記熱変位量に影響を及ぼす条件に対応
して定められた調整値を、上記変位量補正手段によって
補正された熱変位量に加算または減算して上記工作機械
の熱変位量とする変位量調整手段を、 更に備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに
記載の工作機械の熱変位量算出装置。 - 【請求項7】 上記調整値は時刻に対応して定められて
いて、上記変位量調整手段は時刻に基づいて上記調整値
を選択して使用することを特徴とする請求項6記載の工
作機械の熱変位量算出装置。 - 【請求項8】 上記調整値は上記工作機械の環境温度に
対応して定められていて、上記変位量調整手段は該環境
温度に基づいて上記調整値を選択して使用することを特
徴とする請求項6記載の工作機械の熱変位量算出装置。 - 【請求項9】 被加工物に加工を施すための加工手段
と、該加工手段と被加工物との相対位置を変動させる駆
動手段とを備えた工作機械に対して使用され、該工作機
械の熱変位量を算出するためのコンピュータプログラム
を記憶した記憶媒体であって、 工作機械の熱変位量の実測値を検出する実測値検出処理
と、 上記工作機械の駆動状態を検出する駆動状態検出処理
と、 該駆動状態検出処理によって検出された駆動状態に基づ
き、上記工作機械の熱変位量を算出する変位量算出処理
と、 該変位量算出処理によって算出された熱変位量と、上記
実測値検出処理により検出された上記熱変位量の実測値
とを比較し、上記変位量算出処理によって算出された熱
変位量に対する補正値を算出する補正値算出処理と、 該補正値算出処理によって算出された補正値を所定の記
憶手段に記憶する補正値記憶処理と、 上記所定の記憶手段に記憶された補正値を用いて、上記
変位量算出処理によって算出された熱変位量を補正する
変位量補正処理と、 を実行させるコンピュータプログラムを記憶したことを
特徴とする記憶媒体。
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