JP4117950B2

JP4117950B2 - Machine tool thermal displacement compensation device

Info

Publication number: JP4117950B2
Application number: JP32446498A
Authority: JP
Inventors: 信吾山田
Original assignee: Komatsu Machinery Corp
Current assignee: Komatsu Machinery Corp
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: JP2000135654A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属切削機械、プレス機械及び板金機械等の工作機械の熱変位に対する補正装置に関し、特には比較的簡単な構成で容易に、かつ高精度で熱変位補正が自動的に行える工作機械の熱変位補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属切削機械、プレス機械及び板金機械等の工作機械は、外気温の変化、加工時の切削熱、成形時の加工熱、又は駆動機構の発熱などにより、各部位が熱膨張して変形し、加工寸法精度が徐々に低下して行く。したがって、工作機械の加工寸法精度を所定値以上に常に維持するために、従来は、作業者による寸法調整作業が必要となっている。そして、この寸法調整方法については、様々な技術が提案されている。
【０００３】
例えば、加工後のワークの寸法を測定し、測定結果を必要に応じて工作機械の制御装置にフィードバックして加工指令データを補正し、その後は補正された加工指令データに基づいて加工するようにしたＮＣ工作機械の変位補正装置が開示されている。また、特開平７−１８６００３号公報や特公平６−９２０５８号公報等には、工作機械の熱変位量を直接測定して加工プログラムにフィードバックする、つまり加工指令データを熱変位量に応じて補正するようにした熱変位補正方法が開示されている。
【０００４】
また、特開平９−１０８９９２号の公報には、工作機械の特定部分の温度を測定し、その測定値に基づいて工作機械の熱変位量を推定して加工プログラムにフィードバックする熱変位補正装置付工作機械が開示されている。さらに、特開昭６０−９９５４７号等の公報には、所定の限定された一定運転条件下で運転時間と熱変位量の関係に基づいて加工プログラムにフィードバックするようにした熱変形補正装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各従来技術には次のような問題が発生している。
１）加工後のワーク寸法の測定結果を必要に応じて工作機械にフィードバックする方法は、加工精度を確保するという意味ではほぼベストであるが、高精度でワーク寸法を測定しなければならないので高価な測定機器を使用する必要があり、コストが高い。また、フィードバックのための寸法測定時間がかかり、測定結果を工作機械へ入力するための装置コストや作業時間がかかるという問題がある。
２）特開平７−１８６００３号公報や特公平６−９２０５８号公報に開示されたような方法については、工作機械の所定方向の熱変位量を直接測定することは実際には技術的に困難な場合が多く、したがってこの方法を適用できない場合がある。また、この技術的な困難性を解決するためには、コストがかかるという問題がある。
３）特開平９−１０８９９２号公報に開示された方法は、特定部分の温度又は温度変化量と機械の熱変位量との関係式を精度良く求めることが技術的に困難であり、実用上での加工精度の向上は不十分な場合が多い。
４）特開昭６０−９９５４７号公報に開示された方法によると、運転条件が固定されている場合は有効であるが、加工するワークがランダムに変わるなど発熱量が一定しない場合や、切削による発熱と室温変化との影響を同時に受ける場合などには、適用が困難である。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、簡単な構成で安価にでき、熱変位量の測定や、温度と熱変位量との複雑な関係式の使用を伴わずに、かつ運転条件及び室温の変化にも対応して熱変位量に対する加工寸法を補正できる工作機械の熱変位補正装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
本発明に係る各手段を個々に説明する前に、まず、本発明の特徴とする熱変位量演算方法及び熱変位補正方法の基本的な技術思想を図１〜図２に基づいて説明する。
【０００８】
工作機械に熱変位を起こさせる原因である発生熱（以後、熱的イベントと言う。）が発生すると、一般的に、その熱的な影響により比較的短時間の内に機械を変形させ、その後長時間かかってこの影響は減少し、そして所定時間以上経過するとこの影響は無視できる程度に小さくなる。この熱的イベントに対する熱変位量と経過時間との関係は例えば図１に示すようなカーブとなり、本出願の発明者は特定の工作機械に対して所定の熱的イベントを発生させたときのこのカーブを実験的に求めている。同図に示すように、例えば温度が急激にステップ状に変化したとき熱的イベントの発生と見なし、この熱的イベントの影響により発生時点から比較的短い所定時間ｔ１の間は機械の変位量は徐々に増加し、その後は増加時よりも緩やかに長時間かかって減少する。そして、減少開始時から所定の時間ｔ２以後は熱的イベントの影響が全く無い状態となる。このような応答カーブは、熱的イベントに対する熱変位量のステップ応答と解釈できる。
【０００９】
熱的イベントとして、以下のような事象が考えられる。
１）ある時間に室温（機械に熱変位量を与える影響力がある機械周囲の温度）が一定量以上上昇、又は下降した場合
２）ある時間に機械の運転により一定量以上の主軸モータやテーブル駆動モータの発熱があった場合
３）ある時間にワークを加工して一定量以上の切削熱が発生した場合
ここで、これらの熱的イベントの影響度合、つまり熱変位量の大きさ及びその影響の継続時間は、機械毎に固有のものであり、実験的にあるいは計算（シュミレーション）により求めることが容易である。
【００１０】
一般的に、工作機械においては、図２に示すように、このような種々の熱的イベントがそれぞれ異なる大きさで時系列的に連続して発生しており、ある時点の熱変位量は過去の各熱的イベントの影響が全て加算されて発生しているものと考えることができる。したがって、本発明者は、各熱的イベントに対応する応答カーブを予め設定した所定の経過時間関数ｆ(t) で近似し、過去の熱的イベントの大きさデータと発生時刻データを記憶しておき、この過去の熱的イベントの大きさデータと発生時刻データに基づいて上記応答カーブの時間関数ｆ(t) によって過去の各熱的イベントの影響が現時点にそれぞれどの程度残存しているかを演算して求め、それらの総和として現在残存している熱的影響量（すなわち、発生している熱変位量）を演算して推定できることに着目した。そして、この推定した熱変位量に基づいて、加工寸法を補正することが可能となる。
【００１１】
以上のことより、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
機械の熱発生による変位量を演算し、この変位量に基づいてワークの加工寸法を補正する工作機械の熱変位補正装置であって、
機械の変位量に影響を及ぼす室温変化よりなる熱的イベントを測定する熱的イベント測定手段１６と、
現時刻を計時する時計４と、
測定した熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データを入力し、これらのデータを順次記憶する熱的イベントデータ記憶手段１１と、
機械の熱変位量を、単位室温変化量が発生した時点からの時間の関数で表す経過時間関数ｆを予め実験又は計算により求めておき、この経過時間関数ｆにより、前記熱的イベントデータ記憶手段１１に記憶された過去の熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データの各組合せに対して、現時点で残存している各残存熱変位量を求め、各残存熱変位量の総和として現時点における残存熱変位量を演算する残存熱変位量演算手段１２と、
この残存熱変位量演算手段１２に基づいて、ワークの加工寸法を補正する数値制御補正手段１３とを有する構成としている。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、
略同じ加工の繰り返しを行う工作機械の熱発生による変位量を演算し、この変位量に基づいてワークの加工寸法を補正する工作機械の熱変位補正装置であって、
機械の変位量に影響を及ぼす、ワーク１個当りの加工熱よりなる熱的イベントを測定する熱的イベント測定手段１６と、
現時刻を計時する時計４と、
測定した熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データを入力し、これらのデータを順次記憶する熱的イベントデータ記憶手段１１と、
機械の熱変位量を、単位加工熱量が発生した時点からの時間の関数で表す経過時間関数ｆを予め実験又は計算により求めておき、この経過時間関数ｆにより、前記熱的イベントデータ記憶手段１１に記憶された過去の熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データの各組合せに対して、現時点で残存している各残存熱変位量を求め、各残存熱変位量の総和として現時点における残存熱変位量を演算する残存熱変位量演算手段１２と、
この残存熱変位量演算手段１２に基づいて、ワークの加工寸法を補正する数値制御補正手段１３とを有する構成としている。
【００１４】
これら各請求項に記載の発明によると、室温変化または加工熱よりなる各熱的イベントの単位発生熱が機械の熱変位に及ぼす影響を表す時間関数ｆを採用すると、過去の熱的イベント（室温変化または加工熱）の大きさ及びその発生時からの経過時間に基づいて、各熱的イベントに対する現時点で残存する熱変位量が演算される。熱的イベントとして、室温変化は温度計により、また加工熱はワーク種別毎に予め測定されて設定された所定の単位発熱量として、それぞれ容易に求めることができるので、簡単な熱的イベント測定器がせいぜい１つあれば、時計と制御器（コンピュータ等）とにより熱変位量演算装置を構成できる。これにより、コンパクトで安価に構成できる。また、機械周囲の室温変化、機械の加工熱を測定するだけでよいので、従来のように熱変形自体を測定するのに比べて精度良く測定可能であり、熱変位量を容易に精度良く測定できる。さらに、熱的イベントの熱源として各種の発熱量の変化をとらえるようにしているので、従来技術の項で述べたような発熱量が一定しないようなランダムな加工時、つまり運転条件及び室温が変化する加工時でも、精度良く熱変位量を測定できる。
【００１５】
また、このようにして求めた現在の残存熱変位量に基づいて、ＮＣ制御の各軸位置指令値の熱変位量補正量を求めて加工寸法を補正するので、容易に、かつ精度良く補正できる。したがって、センサと、熱変位量及び補正量を演算する演算装置とからなるコンパクトな構成の熱変位補正装置により、工作機械の熱変位補正が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
まず、図３〜図６に基づいて、室温変化の熱的イベントによる熱変位に対する補正値を求める方法を示す第１実施形態を説明する。
図３は、熱変位補正装置のハード構成ブロック図を示している。同図において、室温センサ３は工作機械２の熱変位量を間接的に検出するものであり、工作機械２の熱変位に強く影響する、工作機械２近傍の特定位置に設置されており、当該位置での室温が工作機械２の熱変位量を等価的に表すように配設されるものとする。室温センサ３は、室温検出信号を制御器１０に出力する。また、時計４は現在時刻を計測し、時刻データを制御器１０に出力する。
制御器１０は、例えばマイクロコンピュータ等を主体とするコンピュータ装置より構成されており、室温センサ３からの室温検出信号を受け、この室温検出信号に基づいて後述する所定の演算処理を行って熱変位量を推定し、推定した熱変位量データをＮＣ制御装置１に送信する。ＮＣ制御装置１は、工作機械２の主軸モータや、ワークを載置して例えば直交３軸方向に移動自在とされるテーブルを駆動する各軸駆動モータの起動、停止、回転速度及び位置等を制御し、またこれらの作動シーケンスを制御する。ＮＣ制御装置１はワークを加工するための加工プログラムを予め記憶しておき、加工プログラムに従って上記各モータの駆動やシーケンスを制御する。このとき、ＮＣ制御装置１は制御器１０から入力した熱変位量データに基づいて加工プログラム内の各軸モータへの位置指令値を後述する所定の補正式により補正して求め、この補正した位置指令値によって各軸モータを制御するようにしている。
【００２１】
図４は、本実施形態に係る熱変位補正装置の機能構成ブロック図である。同図において、制御器１０は、熱的イベント測定手段１６と、熱的イベントデータ記憶手段１１と、残存熱変位量演算手段１２と、数値制御補正手段１３と、データ記憶アドレス更新手段１４及び記憶時刻判定手段１５とから構成されている。
【００２２】
熱的イベント測定手段１６は、本実施形態では、室温センサ３により検出した室温データを熱的イベント情報として熱的イベントデータ記憶手段１１に出力する。記憶時刻判定手段１５は時計４から現在時刻データを入力し、現在時刻データと、予め設定された所定の計算単位時間ｄｈ毎の計算時刻とを比較し、計算時刻になったときに、熱的イベントデータ記憶手段１１に記憶指令を出力し、残存熱変位量演算手段１２に演算指令を出力する。熱的イベントデータ記憶手段１１は、記憶時刻判定手段１５から記憶指令を入力したら、熱的イベント測定手段１６から熱的イベントデータ（室温データ）を読み込み、図５に示すような熱的イベントテーブルの所定アドレスＡ（最新データの記憶アドレス）に現時刻の室温データＴ１として記憶する。この熱的イベントテーブル内には、同図に示すように過去に計測した室温データが時系列的に記憶され、各記憶アドレスＡ，（Ａ＋１），（Ａ＋２），…毎に対応して、現時点から所定時間前の室温データが記憶される。なお、本実施形態においては、所定の計算時間間隔毎に室温を計測し記憶しているので、アドレス自体が現時点からの経過時間を表しているが、本発明はこのようなデータ記憶方法に限定されず、例えば熱的イベントが発生したときの発生時刻をそのまま記憶するようにしてもよい。
【００２３】
残存熱変位量演算手段１２は、記憶時刻判定手段１５から演算指令を入力したら、以下の数１に基づいて残存熱変位量を演算して求める。この残存熱変位量を、過去の全ての熱的イベント（ここでは、室温変化）の現時点での影響度の総和として求めており、よって残存熱変位量の大きさにより工作機械の加工寸法（つまり各軸の移動量）を補正することができる。したがって、残存熱変位量は、加工寸法を補正する際の補正係数Ｈとして用いられる。この補正係数Ｈを、数値制御補正手段１３に出力する。
【数１】

ここで、経過時間関数ｆ(t) は、室温が瞬間的に１度上昇するステップ応答のときの熱変位量を時間の関数として表したものであり、実験的に求められる。計算単位時間ｄｈは、予め設定された所定の計算間隔時間である。また、ｔｐ(i)は熱的イベントテーブルのアドレスｉのメモリエリアに記憶された時系列的な熱的イベントデータ（ここでは、室温データ）を表し、ｉは経過時間を表すパラメータであり、ｔｐ(1) ＝Ｔ１（最新の室温データ）である。
【００２４】
経過時間関数ｆ(t) において、ある時点（経過時間パラメータがｉのとき）に発生した熱的イベントの大きさはその時点での室温変化量「（ｔｐ(i+1) −ｔｐ(i-1) ）／２」により表し、この大きさの熱的イベントによる現時点での残存熱変位量は「ｆ((i-1)×dh) ×（ｔｐ(i+1) −ｔｐ(i-1) ）／２」により表される。したがって、過去の全ての熱的イベントによる残存熱変位量を積算する、つまり上記演算式（数１）ではｉ＝２〜ｎに対して積算することにより、過去の全ての熱的イベントの影響による現時点での残存熱変位量を求めている。
【００２５】
数値制御補正手段１３は、入力した補正係数Ｈに基づいて下記の数２〜４により、加工テーブルの各軸方向毎の位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを求め、ＮＣ制御装置１に通信等により送信する。これらの位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓは、各軸の絶対座標の平行シフト量を示している。
【数２】
Ｘｓ＝Ｋｘ×Ｈ
【数３】
Ｙｓ＝Ｋｙ×Ｈ
【数４】
Ｚｓ＝Ｋｚ×Ｈ
ここで、Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚは、それぞれ補正係数Ｈを各軸方向に対応した位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓに変換するための係数である。
【００２６】
ＮＣ制御装置１は、計算単位時間ｄｈ毎に数値制御補正手段１３から送信される位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを入力し、加工プログラム内に予め記憶されている各軸の目標位置にこの位置補正値を加算して、補正された位置指令とするように演算する。そして、この位置指令の補正演算を行うタイミングは、例えば一ワークの全加工時間がその間の熱変位量の影響を受けない程度に短時間である場合には、各ワーク毎の加工開始前とし、またその間の加工中に熱変位量の影響を受けるような長時間である場合には、所定の短い時間毎あるいは短い工程毎とすることが望ましい。
【００２７】
データ記憶アドレス更新手段１４は、各計算時刻での補正値演算が終了した後、熱的イベントテーブルの各データのアドレスをそれぞれ１つずつずらして更新する。すなわち、以下の数５〜７で示すように、熱的イベントテーブル内のデータで発生時刻が最も古いデータを消去し、他のデータを全て１計算単位時間ｄｈだけ過去の時刻に対応するアドレスへそれぞれ転送して記憶する。そして、常に、最新の熱的イベントデータｔｐ（１）をアドレスＡに記憶できるように準備する。
【数５】
ｔｐ（ｎ）＝ｔｐ（ｎ−１）
【数６】
ｔｐ（ｎ−１）＝ｔｐ（ｎ−２）
…
【数７】
ｔｐ（２）＝ｔｐ（１）
【００２８】
つぎに、図６に示すフローチャートに基づいて、本実施形態の制御器１０の補正演算処理手順を説明する。なお、以下では、各ステップ番号をＳを付して表す。
まず、Ｓ１において、時計４から現時刻を読み込み、計算時刻に達したか否かをチェックする（記憶時刻判定手段１５）。達してないときは、同じ処理を繰り返して計算時刻に達するまで待つ。達したときは、Ｓ２で熱的イベント測定手段１６が室温センサ３により検出した現在の室温データを入力し、熱的イベントデータテーブルのｔｐ（１）に記憶する（熱的イベントデータ記憶手段１１）。このとき、前記計算時刻も記憶してもよい。つぎに、Ｓ３で、熱的イベントテーブルに記憶された過去の全ての室温データ及びその発生時刻（ここでは、各時点での計算時刻）に基づいて、数１により、現在の残存熱変位量、すなわち補正係数Ｈを演算する（残存熱変位量演算手段１２）。経過時間関数ｆ(t) における経過時間ｔは、一般的には数式「現在時刻−過去時刻」に基づいて求めることができるが、ここでは計算単位時間ｄｈ毎に熱的イベントデータを記憶しているので、数式「（ｉ−１）×ｄｈ」により求めている。そして、Ｓ４で、求めた補正係数Ｈに基づいて、数２〜４により各軸の位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ、すなわち加工寸法の補正量を求めた後、Ｓ５でこの位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，ＺｓをＮＣ制御装置１に送信する（数値制御補正手段１３）。次に、Ｓ６で、今回の計算時刻に計算単位時間ｄｈを加算して次回の計算時刻を求め、メモリの所定アドレスに設定（記憶）しておく。この後、Ｓ７で最も古い室温データを削除し、他のデータを順次１計算単位時間ｄｈ古い時刻に対応するアドレスにシフトするように転送して記憶し、最新データを記憶するエリア（アドレスＡ）を確保する。そして、最初のＳ１に戻って、以上処理を繰り返す。
【００２９】
以上本実施形態によると、室温の変化が生じたとき熱的イベントが発生したと判断し、この室温変化量の大きさと経過時間とに応じた残存熱変位量を経過時間関数ｆ（ｔ）のような簡単な演算式に基づいて演算している。経過時間関数ｆ（ｔ）は、単位熱的イベント量（１℃の室温変化量）が瞬間的に発生したときの熱的変位量のステップ応答、つまり残存熱変位量として実験的に求められており、また室温及び経過時間を測定するだけでこの経過時間関数ｆ（ｔ）に基づいて演算できる。このため、コンパクトな装置構成により、容易に、かつ簡単な演算式でありながら精度良く、残存熱変位量を演算できる。これにより、従来、困難であった熱変位量に対する工作機械の加工寸法補正を容易に行える熱変位量補正装置を非常に安価に製作可能となる。
【００３０】
次に、第２実施形態を説明する。本実施形態は、運転熱による熱的イベントに対する熱変位量の補正を行う例を示している。
図７は、本実施形態のハード構成であり、図３と同一の構成要素には同じ符号を付して説明を省く。同図に示すように、熱的イベントとして工作機械の発熱量を想定し、ここではこの発熱量を各駆動モータ（主軸モータ及び各テーブル駆動軸モータ）の運転熱とする。ＮＣ制御装置１は各駆動モータの駆動電流値データとその駆動時間データとを制御器１０に送信する。制御器１０は、入力した各駆動モータ毎の駆動電流値データとその駆動時間データとに基づいてトータルの運転熱を演算し、この運転熱を熱的イベントとして発生時刻と共に記憶する。そして、後述する所定の演算処理を行い、演算した残存熱変位量に基づいて各軸補正値を求めてＮＣ制御装置１に出力する。
【００３１】
図８に示す本実施形態における機能構成ブロック図に基づいて、各機能を説明する。ここで、図４と同じ機能構成部には同一の符号を付す。熱的イベント測定手段１６は、本実施形態では工作機械の運転熱を測定しており、ＮＣ制御装置１から入力した各駆動モータ毎の駆動電流値データとその駆動時間データとに基づいてトータルの運転熱を演算する。演算したトータルの運転熱データは、熱的イベントデータ記憶手段１１に出力される。熱的イベントデータ記憶手段１１は、前実施形態と同様に、記憶時刻判定手段１５からの記憶指令を入力すると、熱的イベント測定手段１６からの運転熱データを現時刻の熱的イベントデータとして熱的イベントテーブルの所定アドレス（前実施形態のアドレスＡに相当する）に記憶する。残存熱変位量演算手段１２は前実施形態と同様に、熱的イベントテーブル内に記憶している熱的イベントデータ（運転熱）と発生時刻とに基づいて前述の数１により、残存熱変位量（補正係数Ｈ）を演算して求める。そして、この残存熱変位量データを数値制御補正手段１３に出力する。
ここで、経過時間関数ｆ(t) は、図９に示すように、単位発熱量Ｑ１が計算単位時間ｄｈだけ継続して発生したときの熱変位量を経過時間ｔの関数として表したものであり、実験的に求められる。経過時間ｔは、一般的には数式「現在時刻−過去時刻」に基づいて求められる。本実施形態では、ある時点で所定量以上の発熱が発生したとき熱的イベントと判断しており、発熱量と熱的イベントとの関係は図１０で示される。
なお、他の機能構成部は前実施形態と同様なので、説明を省く。
【００３２】
次に、図１１に示すフローチャートに従って本実施形態における補正演算処理手順を説明する。
まず、Ｓ１１において、時計４から現時刻を読み込み、計算時刻に達したか否かをチェックする（記憶時刻判定手段１５）。達してないときは、同じ処理を繰り返して達するまで待つ。達したときは、Ｓ１２で熱的イベント測定手段１６から現在の運転熱（ここでは、モータの発生熱）を入力し、熱的イベントテーブルのｔｐ（１）（最新の熱的イベントデータ）に記憶する（熱的イベントデータ記憶手段１１）。このとき、前記計算時刻も記憶してもよい。つぎに、Ｓ１３で、熱的イベントテーブルに記憶された過去の全ての運転熱データ及びその発生時刻（ここでは、各時点での計算時刻）に基づいて、数１により、現在の残存熱変位量、すなわち補正係数Ｈを演算する（残存熱変位量演算手段１２）。経過時間関数ｆ(t) における経過時間ｔは、一般的には数式「現在時刻−過去時刻」に基づいて求めることができるが、ここでは計算単位時間ｄｈ毎に熱的イベントデータを記憶しているので、数式「（ｉ−１）×ｄｈ」により求めている。そして、Ｓ１４で、求めた補正係数Ｈに基づいて、数２〜４により各軸の位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを求めた後、Ｓ１５でこの位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，ＺｓをＮＣ制御装置１に送信する（数値制御補正手段１３）。次に、Ｓ１６で、今回の計算時刻に計算単位時間ｄｈを加算して次回の計算時刻を求め、メモリの所定アドレスに記憶しておく。この後、Ｓ１７で、最も古い運転熱データを削除し、他のデータを順次１計算単位時間ｄｈ古い時刻に対応するアドレスにシフトするように転送して記憶し、最新データを記憶するエリアを確保する。そして、最初のＳ１１に戻って、以上処理を繰り返す。
【００３３】
本実施形態によると、主軸モータやテーブル駆動モータ等の所定時間以上の駆動による運転熱が発生したとき熱的イベントが発生したと判断し、この運転熱の大きさと経過時間とに応じた残存熱変位量を経過時間関数ｆ（ｔ）のような演算式に基づいて演算している。本実施形態での経過時間関数ｆ（ｔ）は、単位発熱量（単位熱的イベント量）が計算単位時間ｄｈだけ継続したときの熱的変位量のステップ応答、つまり残存熱変位量として実験的に求められている。そして、主軸モータやテーブル駆動モータ等の駆動電流値から運転熱つまり発生熱量を演算し、かつ経過時間を測定するだけで、上記経過時間関数ｆ（ｔ）に基づいて演算できる。このため、コンパクトな装置構成により、容易に、かつ簡単な演算式でありながら精度良く、残存熱変位量を演算できる。これにより、従来、困難であった熱変位量に対する工作機械の加工寸法補正を容易に行える熱変位量補正装置を非常に安価に製作可能となる。
【００３４】
次に、第３実施形態を説明する。本実施形態は、加工熱による熱的イベントに対する熱変位量の補正を行う例を示しており、ワーク１個当りの加工サイクルタイムが短く、常に略同じような加工の繰り返しを行う場合（例えば、自動車エンジン部品等）に適用できる。なお、この場合の加工熱とは工作機械の切削熱を表しており、例えば加工時に刃先部で発生した加工熱は、工具自体への入熱となり、一部ワークへの入熱となり、また他の一部は切粉を介して工作機械への入熱となる。したがって、この切削熱が工作機械の熱変位量に影響する要因となる。
【００３５】
図１２は、本実施形態のハード構成であり、図３と同一の構成要素には同じ符号を付して説明を省く。同図に示すように、熱的イベントとして工作機械の加工熱量を想定し、本実施形態ではこの加工熱量を、予め設定された加工対象ワーク１個当りの加工時に発生する加工熱量に基づいて求めている。ＮＣ制御装置１には、ワーク種別毎に１個当りの加工熱量データが記憶されており、ワーク加工完了後にこの加工熱量データを制御器１０に送信する。制御器１０は、入力した各ワーク毎の加工熱量データを熱的イベントとして発生時刻と共に記憶する。そして、後述する所定の演算処理を行い、演算した残存熱変位量に基づいて各軸補正値を求めてＮＣ制御装置１に出力する。
【００３６】
図１３に本実施形態における機能構成ブロック図を示し、同図に基づいて各機能を説明する。
熱的イベント測定手段１６は、予め設定されたワーク１個毎の加工熱量を熱的イベントデータ記憶手段１１に出力する。図１３では、ＮＣ制御装置１から加工熱量データを入力する例を示しているが、制御器１の熱的イベント測定手段１６に予め記憶していてもよい。熱的イベントデータ記憶手段１１は、前実施形態と同様に、記憶時刻判定手段１５からの記憶指令を入力すると、熱的イベント測定手段１６からの加工熱量データを現時刻の熱的イベントデータとして熱的イベントテーブルの所定アドレスに記憶する。残存熱変位量演算手段１２は前実施形態と同様に、熱的イベントテーブル内に記憶している熱的イベントデータ（加工熱量）と発生時刻とに基づいて前述の数１により、残存熱変位量（補正係数Ｈ）を演算して求める。そして、この残存熱変位量データを数値制御補正手段１３に出力する。
ここで、経過時間関数ｆ(t) は、図１４に示すように、単位切削熱Ｑ２が計算単位時間ｄｈだけ継続して発生したときの熱変位量を経過時間ｔの関数として表したものであり、実験的に求められる。なお、熱時定数が短い場合は、経過時間関数ｆ(t) は以下の数１０に示すようにエキスポーネンシャル関数（ＥＸＰ関数）で表してもよい。
【数１０】
ｆ(t) ＝EXP ｛−（ｔｉｍｅ(1) −ｔｉｍｅ( ｉ) ）／ｔａ｝
ｔａは熱時定数であり、実験的に求める。また、ｔｉｍｅ( ｉ) は各計算時刻データを表し、ｉは計算時刻パラメータで、ｔｉｍｅ(1) は現在時刻を表し、ｔｉｍｅ( ｉ) は（ｉ−１）回前の計算時刻を表す。ｈｅａｔ（ｉ）は各計算時刻時の発生熱量（加工熱量）を表す。
【００３７】
そして本発明者は、シュミレーションを行い、経過時間関数ｆ(t) がエキスポーネンシャル関数の場合には、所定ワークの加工１サイクル当りの加工熱量が次の数１１に示すような簡単な式で表されることを確認している。
【数１１】
加工熱量＝連続加工による経時変化量×サイクルタイム／時定数
ここで、連続加工による経時変化量は図１５に示すように当該ワークを連続加工した場合の熱変位量の収束値（つまり、最終値）であり、時定数ｔａはこのときの熱変位量カーブ（略一次遅れ関数である）の時定数である。また、サイクルタイムは当該ワークを実加工するときの１個当りの加工繰り返し周期時間である。
【００３８】
なお、他の機能構成部は前述の実施形態と同様なので、説明を省く。
【００３９】
次に、図１６に示すフローチャートに従って本実施形態における補正演算処理手順を説明する。
まず、Ｓ２１において、ワークの加工を開始する。次に、Ｓ２２で、熱的イベント測定手段１６から現在の加工熱量を入力し、熱的イベントテーブルのｔｐ（１）（最新の熱的イベントデータ）に記憶する（熱的イベントデータ記憶手段１１）。このとき、時計４から読み込んだ現在の計算時刻も記憶してもよい。つぎに、Ｓ２３で、熱的イベントテーブルに記憶された過去の全ての加工熱量データ及びその発生時刻（ここでは、各時点での計算時刻）に基づいて、数１により、現在の残存熱変位量、すなわち補正係数Ｈを演算する（残存熱変位量演算手段１２）。熱時定数が短い場合は、経過時間関数ｆ(t) は数１０で表したエキスポーネンシャル関数として演算してもよい。そして、Ｓ２４で、求めた補正係数Ｈに基づいて、数２〜４により各軸の位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを求めた後、Ｓ２５でこの位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，ＺｓをＮＣ制御装置１に送信する（数値制御補正手段１３）。次に、Ｓ２６で、最も古い加工熱量データを削除し、他のデータを順次古い時刻に対応するアドレスに１つずつシフトするように転送して記憶し、最新データを記憶するエリアを確保する。そして、最初のＳ２１に戻って、以上処理を繰り返す。
【００４０】
本実施形態によると、所定時間以上のワーク加工による所定量以上の切削熱（つまり加工熱）が発生したとき熱的イベントが発生したと判断し、この加工熱の大きさと経過時間とに応じた残存熱変位量を経過時間関数ｆ（ｔ）のような演算式に基づいて演算している。経過時間関数ｆ（ｔ）は、基本的には前実施形態と同様に単位加工熱（単位熱的イベント量）が計算単位時間ｄｈだけ継続したときの熱的変位量のステップ応答として実験的に求められているが、熱時定数が短い場合は近似的にはエキスポーネンシャル関数で表してもよい。そして、ワーク種別毎に予め設定されている、ワーク１個の加工時に発生する加工熱を、発生熱量として読み込み、かつ経過時間を測定するだけで、上記経過時間関数ｆ（ｔ）に基づいて残存熱変位量を演算できる。このため、コンパクトな装置構成により、容易に、かつ簡単な演算式でありながら精度良く、残存熱変位量を演算できる。特にワーク１個当りの加工サイクルタイムが短く、常に略同じような加工の繰り返しを行う場合には、本実施形態による演算方法は非常に有効である。これにより、従来、困難であった熱変位量に対する工作機械の加工寸法補正を容易に行える熱変位量補正装置を非常に安価に製作可能となる。
【００４１】
以上、本発明によると、室温変化、運転熱、加工熱等の熱的イベントの大きさ及びその発生時刻を測定することにより、工作機械の残存熱変位量を演算することができ、加工寸法の補正が可能となる。運転熱や加工熱は一般的には実験や実測、経験により既知であり、よって都度計測する必要がないので、ＮＣ制御装置１又は制御器１０が有する時計機能だけで運転熱、加工熱による熱変位補正が可能である。また、室温変化による熱変位補正の場合でも、ハード的に追加するのは温度センサのみでよい。したがって、大がかりな装置としたり、費用をかけたりせずに、高精度で加工寸法の補正ができる。
【００４２】
なお、上記実施形態においては、室温変化、運転熱又は加工熱等の熱的イベントがそれぞれ単独で発生する場合を示したが、実用上でこれらの熱的イベントが複合して発生する場合には、各熱的イベント単独による残存熱変位量すなわち補正係数Ｈを演算してこれらの総和により実際の補正係数Ｈを求め、この総和値に基づいて加工寸法の補正値を演算すればよい。
また、これまでの説明では、数値制御補正手段１３は制御器１０に備える例を示したが、ＮＣ制御装置１内に備えてもよい。さらに、熱的イベント測定手段１６はＮＣ制御装置１ないに設けてもよく、例えば、加工熱を熱的イベントとした場合、ＮＣ制御装置１内に記憶している加工熱データを１つのワークを加工毎に制御器１０へ送信してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる熱的イベントに対する熱変位量と経過時間との関係を示す。
【図２】本発明に係わる熱的イベントの発生の説明図である。
【図３】第１実施形態の熱変位補正装置のハード構成ブロック図を示す。
【図４】第１実施形態の熱変位補正装置の機能構成ブロック図である。
【図５】熱的イベントテーブルの説明図である。
【図６】第１実施形態の補正演算処理フローチャートである。
【図７】第２実施形態の熱変位補正装置のハード構成ブロック図を示す。
【図８】第２実施形態の熱変位補正装置の機能構成ブロック図である。
【図９】第２実施形態の熱的イベント（運転熱）と熱変位量との関係の説明図である。
【図１０】第２実施形態の発熱量と熱的イベントとの関係の説明図である。
【図１１】第２実施形態の補正演算処理フローチャートである。
【図１２】第３実施形態の熱変位補正装置のハード構成ブロック図を示す。
【図１３】第３実施形態の熱変位補正装置の機能構成ブロック図である。
【図１４】第３実施形態の熱的イベント（切削熱）と熱変位量との関係の説明図である。
【図１５】第３実施形態の発熱量と熱的イベントとの関係の説明図である。
【図１６】第３実施形態の補正演算処理フローチャートである。
【符号の説明】
１ＮＣ制御装置
２工作機械
３室温センサ
４時計
１０制御器
１１熱的イベントデータ記憶手段
１２残存熱変位量演算手段
１３数値制御補正手段
１４データ記憶アドレス更新手段
１５記憶時刻判定手段
１６熱的イベント測定手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention compensates for thermal displacement of machine tools such as metal cutting machines, press machines and sheet metal machines. apparatus In particular, thermal displacement of machine tools that can easily and accurately compensate for thermal displacement with a relatively simple configuration Correction device About.
[0002]
[Prior art]
Machine tools such as metal cutting machines, press machines, and sheet metal machines are deformed by thermal expansion of each part due to changes in outside air temperature, cutting heat during processing, processing heat during molding, or heat generated by the drive mechanism, Machining dimensional accuracy gradually decreases. Therefore, in order to always maintain the machining dimensional accuracy of the machine tool at a predetermined value or higher, dimensional adjustment work by an operator is conventionally required. Various techniques have been proposed for this dimension adjustment method.
[0003]
For example, the dimension of the workpiece after machining is measured, the measurement result is fed back to the machine tool control device as necessary to correct the machining command data, and thereafter machining is performed based on the corrected machining command data. An NC machine tool displacement correction device is disclosed. In JP-A-7-186003 and JP-B-6-92058, etc., the amount of thermal displacement of the machine tool is directly measured and fed back to the machining program, that is, the machining command data is corrected according to the amount of thermal displacement. A thermal displacement correction method is disclosed.
[0004]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-108992 includes a thermal displacement correction device that measures the temperature of a specific part of a machine tool, estimates the amount of thermal displacement of the machine tool based on the measured value, and feeds back to the machining program. A machine tool is disclosed. Further, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 60-99547 discloses a thermal deformation correction apparatus that feeds back to a machining program based on a relationship between an operation time and a thermal displacement amount under a predetermined limited constant operation condition. Has been.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional techniques have the following problems.
1) Although the method of feeding back the measurement result of the workpiece dimensions after machining to the machine tool as necessary is almost the best in terms of ensuring machining accuracy, it is expensive because the workpiece dimensions must be measured with high accuracy. Cost and expensive measuring equipment. In addition, there is a problem that it takes time for dimension measurement for feedback, and it takes apparatus cost and work time for inputting the measurement result to the machine tool.
2) Regarding the methods disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-186003 and Japanese Patent Publication No. 6-92058, it is actually technically difficult to directly measure the amount of thermal displacement in a predetermined direction of a machine tool. In many cases, this method may not be applicable. Moreover, in order to solve this technical difficulty, there exists a problem that it costs.
3) According to the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-108992, it is technically difficult to accurately obtain a relational expression between the temperature of a specific portion or the amount of change in temperature and the amount of thermal displacement of the machine. In many cases, the improvement of machining accuracy is insufficient.
4) According to the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-99547, it is effective when the operating conditions are fixed, but when the calorific value is not constant, such as when the workpiece to be processed changes randomly, or by cutting It is difficult to apply when it is simultaneously affected by heat generation and room temperature change.
[0006]
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, can be made inexpensive with a simple configuration, and does not involve measurement of the amount of thermal displacement and the use of a complicated relational expression between temperature and amount of thermal displacement. And the thermal displacement of the machine tool that can correct the machining dimension with respect to the amount of thermal displacement in response to changes in operating conditions and room temperature Correction device The purpose is to provide.
[0007]
[Means, actions and effects for solving the problems]
Before describing each means according to the present invention individually, first, the basic technical idea of the thermal displacement calculation method and the thermal displacement correction method, which are the features of the present invention, will be described with reference to FIGS.
[0008]
When generated heat (hereinafter referred to as a thermal event) that causes a thermal displacement in a machine tool is generated, the machine is generally deformed within a relatively short time due to its thermal influence, and thereafter Over a long period of time, this effect decreases, and after a predetermined time, this effect becomes negligible. The relationship between the thermal displacement amount and the elapsed time with respect to this thermal event becomes a curve as shown in FIG. 1, for example, and the inventor of the present application has this curve when a predetermined thermal event is generated for a specific machine tool. The curve is obtained experimentally. As shown in the figure, for example, when the temperature suddenly changes stepwise, it is regarded as the occurrence of a thermal event. Due to the influence of this thermal event, the displacement of the machine is relatively short during a predetermined time t1. It gradually increases and then decreases over a longer period of time than when it increases. Then, after a predetermined time t2 from the start of the decrease, there is no influence of the thermal event. Such a response curve can be interpreted as a step response of a thermal displacement amount to a thermal event.
[0009]
The following events can be considered as thermal events.
1) When the room temperature (the temperature around the machine, which has an influence on the machine's thermal displacement) rises or falls by a certain amount at a certain time
2) When the spindle motor or table drive motor generates heat over a certain amount due to machine operation at a certain time.
3) When a certain amount of cutting heat is generated by machining the workpiece at a certain time
Here, the degree of influence of these thermal events, that is, the magnitude of the amount of thermal displacement and the duration of the influence are unique to each machine and can be easily obtained experimentally or by calculation (simulation). is there.
[0010]
In general, in a machine tool, as shown in FIG. 2, such various thermal events occur continuously in time series with different magnitudes, and the amount of thermal displacement at a certain point in time is the past. It can be considered that all the effects of each thermal event are added and generated. Therefore, the present inventor has determined a predetermined response curve corresponding to each thermal event. Progress Time function f (t) so Approximate and store the past thermal event magnitude data and occurrence time data, and based on the past thermal event magnitude data and occurrence time data, by the time function f (t) of the response curve. Calculate how much the influence of each past thermal event remains at the present time, and calculate the amount of thermal influence that currently remains (that is, the amount of thermal displacement that has occurred) as the sum of those effects We focused on what can be estimated. And based on this estimated thermal displacement amount, it becomes possible to correct | amend a process dimension.
[0011]
From the above, in order to achieve the above object, the invention described in claim 1
Thermal displacement correction device for machine tool that calculates displacement amount due to heat generation of machine and corrects machining dimension of workpiece based on this displacement amount Because ,
A thermal event measuring means 16 for measuring a thermal event comprising a change in room temperature affecting the displacement of the machine;
Clock 4 that keeps track of the current time,
Thermal event data storage means 11 for inputting the measured thermal event magnitude data and its occurrence time data and sequentially storing these data;
Machine The amount of thermal displacement of the machine , Unit room temperature change amount occurred An elapsed time function f expressed as a function of time from a point in time is obtained in advance by experiment or calculation, and past thermal event magnitude data stored in the thermal event data storage means 11 is obtained by this elapsed time function f. For each combination of the occurrence time data, the remaining thermal displacement amount remaining at the present time is obtained, and the remaining thermal displacement amount calculating means 12 for calculating the present remaining heat displacement amount as the sum of the remaining thermal displacement amounts. When,
Based on the residual heat displacement amount calculation means 12, a numerical control correction means 13 for correcting the machining dimension of the workpiece is provided.
[0013]
Also , Claims 2 The invention described in
Work that repeats almost the same process Thermal displacement correction device for machine tool that calculates displacement amount due to heat generation of machine and corrects machining dimension of workpiece based on this displacement amount Because ,
Affects machine displacement , Per workpiece A thermal event measuring means 16 for measuring a thermal event comprising processing heat;
Clock 4 that keeps track of the current time,
Thermal event data storage means 11 for inputting the measured thermal event magnitude data and its occurrence time data and sequentially storing these data;
Machine The thermal displacement of the machine , Unit processing heat generated An elapsed time function f expressed as a function of time from a point in time is obtained in advance by experiment or calculation, and past thermal event magnitude data stored in the thermal event data storage means 11 is obtained by this elapsed time function f. For each combination of the occurrence time data, the remaining thermal displacement amount remaining at the present time is obtained, and the remaining thermal displacement amount calculating means 12 for calculating the present remaining heat displacement amount as the sum of the remaining thermal displacement amounts. When,
This residual heat displacement calculation means 12 And a numerical control correction means 13 for correcting the machining dimension of the workpiece.
[0014]
According to the invention described in each of these claims, room temperature change Or When a time function f representing the influence of unit heat generated by processing heat on the thermal displacement of the machine is adopted, past thermal events (room temperature change) Or Based on the magnitude of the processing heat) and the elapsed time from the occurrence, the amount of thermal displacement remaining at the present time for each thermal event is calculated. As a thermal event, room temperature changes are measured by a thermometer. Also Since the processing heat can be easily obtained as a predetermined unit calorific value that is measured and set in advance for each workpiece type, if there is at most one simple thermal event measuring device, a clock and a controller (computer Etc.) can constitute a thermal displacement amount calculation device. Thereby, it can comprise compactly and cheaply. Also, room temperature changes around the machine, Addition Since it is only necessary to measure the engineering heat, it is possible to measure with higher accuracy compared to the conventional method of measuring the thermal deformation itself, and the amount of thermal displacement can be easily and accurately measured. In addition, since various heat generation changes can be captured as a heat source for thermal events, the processing conditions and room temperature change during random machining where the heat generation amount is not constant, as described in the section of the prior art. Even during machining, the amount of thermal displacement can be accurately measured.
[0015]
And in this way Based on the obtained current residual thermal displacement amount, the thermal displacement amount correction amount of each axis position command value of NC control is obtained and the machining dimension is corrected, so that it can be easily and accurately corrected. Therefore, the thermal displacement correction of the machine tool can be performed by the compact thermal displacement correction device including the sensor and the arithmetic device for calculating the thermal displacement amount and the correction amount.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0020]
First, based on FIGS. 3-6, 1st Embodiment which shows the method of calculating | requiring the correction value with respect to the thermal displacement by the thermal event of a room temperature change is described.
FIG. 3 shows a hardware configuration block diagram of the thermal displacement correction apparatus. In the figure, the room temperature sensor 3 indirectly detects the amount of thermal displacement of the machine tool 2 and is installed at a specific position near the machine tool 2 that strongly affects the thermal displacement of the machine tool 2. It is assumed that the room temperature at the position is equivalent to the amount of thermal displacement of the machine tool 2. The room temperature sensor 3 outputs a room temperature detection signal to the controller 10. The clock 4 measures the current time and outputs time data to the controller 10.
The controller 10 is composed of a computer device mainly composed of a microcomputer, for example, and receives a room temperature detection signal from the room temperature sensor 3 and performs a predetermined arithmetic processing to be described later on the basis of the room temperature detection signal to perform thermal displacement. The amount is estimated, and the estimated thermal displacement amount data is transmitted to the NC control device 1. The NC control device 1 starts, stops, rotational speed and position of each spindle drive motor that drives a spindle motor of the machine tool 2 and a table on which a workpiece is placed and made movable in, for example, three orthogonal axes. And control these actuation sequences. The NC control device 1 stores in advance a machining program for machining a workpiece, and controls the drive and sequence of each motor according to the machining program. At this time, the NC control device 1 obtains a position command value for each axis motor in the machining program based on the thermal displacement amount data input from the controller 10 by using a predetermined correction formula described later, and this corrected position. Each axis motor is controlled by the command value.
[0021]
FIG. 4 is a functional configuration block diagram of the thermal displacement correction apparatus according to the present embodiment. In the figure, the controller 10 includes a thermal event measurement means 16, a thermal event data storage means 11, a residual thermal displacement amount calculation means 12, a numerical control correction means 13, a data storage address update means 14 and a storage. The time determination means 15 is comprised.
[0022]
In this embodiment, the thermal event measurement unit 16 outputs room temperature data detected by the room temperature sensor 3 to the thermal event data storage unit 11 as thermal event information. The storage time determination means 15 inputs the current time data from the clock 4, compares the current time data with a preset calculation time for each predetermined calculation unit time dh, and when the calculation time comes, A storage command is output to the event data storage unit 11 and a calculation command is output to the residual heat displacement amount calculation unit 12. When the storage command is input from the storage time determination unit 15, the thermal event data storage unit 11 reads thermal event data (room temperature data) from the thermal event measurement unit 16 and stores the thermal event table as shown in FIG. It is stored as room temperature data T1 at the current time at a predetermined address A (storage address of the latest data). In this thermal event table, room temperature data measured in the past as shown in the figure is stored in time series, and corresponding to each storage address A, (A + 1), (A + 2),. The room temperature data of a predetermined time before is stored. In the present embodiment, since the room temperature is measured and stored every predetermined calculation time interval, the address itself represents the elapsed time from the present time. However, the present invention is limited to such a data storage method. For example, the time of occurrence when a thermal event occurs may be stored as it is.
[0023]
When the remaining heat displacement amount calculation means 12 receives a calculation command from the storage time determination means 15, the remaining heat displacement amount calculation means 12 calculates and calculates the remaining heat displacement amount based on the following Equation 1. This residual thermal displacement is calculated as the sum of the current effects of all past thermal events (here, room temperature changes), and therefore the machining size of the machine tool (ie The movement amount of each axis) can be corrected. Therefore, the residual thermal displacement amount is used as a correction coefficient H when correcting the machining dimension. This correction coefficient H is output to the numerical control correction means 13.
[Expression 1]

Where elapsed time function f (t) represents the amount of thermal displacement at the time of a step response in which the room temperature increases instantaneously once as a function of time, and is obtained experimentally. The calculation unit time dh is a predetermined calculation interval time set in advance. In addition, tp (i) represents time-series thermal event data (here, room temperature data) stored in the memory area at address i of the thermal event table, i is a parameter representing elapsed time, and tp (1) = T1 (latest room temperature data).
[0024]
elapsed time function In f (t), the magnitude of the thermal event that occurred at a certain point in time (when the elapsed time parameter is i) is the change in room temperature at that point “(tp (i + 1) −tp (i−1))” / 2 ”, and the amount of residual thermal displacement at the present time due to a thermal event of this magnitude is“ f ((i−1) × dh) × (tp (i + 1) −tp (i−1)) / 2 ". Therefore, by integrating the residual thermal displacement amount due to all past thermal events, that is, by adding up for i = 2 to n in the above equation (Equation 1), it is due to the influence of all past thermal events. The amount of residual thermal displacement at the present time is obtained.
[0025]
The numerical control correction means 13 obtains position correction values Xs, Ys, Zs for each axis direction of the machining table based on the input correction coefficient H by the following formulas 2 to 4, and communicates with the NC controller 1 by communication or the like. Send. These position correction values Xs, Ys, and Zs indicate the parallel shift amount of the absolute coordinate of each axis.
[Expression 2]
Xs = Kx × H
[Equation 3]
Ys = Ky × H
[Expression 4]
Zs = Kz × H
Here, Kx, Ky, and Kz are coefficients for converting the correction coefficient H into position correction values Xs, Ys, and Zs corresponding to the respective axial directions.
[0026]
The NC control device 1 inputs the position correction values Xs, Ys, Zs transmitted from the numerical control correction means 13 every calculation unit time dh, and this position is set at the target position of each axis stored in advance in the machining program. The correction value is added to calculate a corrected position command. And the timing for performing the correction calculation of this position command is, for example, before the start of machining for each workpiece when the total machining time of one workpiece is short enough not to be affected by the amount of thermal displacement during that time, In addition, when it is a long time that is affected by the amount of thermal displacement during machining during that time, it is desirable to make it every predetermined short time or every short process.
[0027]
The data storage address updating means 14 updates the address of each data in the thermal event table by shifting one by one after completing the correction value calculation at each calculation time. That is, as shown in the following formulas 5 to 7, the data with the oldest occurrence time is deleted from the data in the thermal event table, and all other data is transferred to addresses corresponding to the past time by one calculation unit time dh. Transfer and store each. Then, the latest thermal event data tp (1) is always prepared so as to be stored in the address A.
[Equation 5]
tp (n) = tp (n-1)
[Formula 6]
tp (n-1) = tp (n-2)
...
[Expression 7]
tp (2) = tp (1)
[0028]
Next, a correction calculation processing procedure of the controller 10 of the present embodiment will be described based on the flowchart shown in FIG. In the following, each step number is denoted by S.
First, in S1, the current time is read from the clock 4, and it is checked whether or not the calculation time has been reached (storage time determination means 15). If not, the same process is repeated until the calculation time is reached. When it has reached, the current room temperature data detected by the room temperature sensor 3 by the thermal event measuring means 16 in S2 is inputted and stored in tp (1) of the thermal event data table (thermal event data storage means 11). . At this time, the calculation time may also be stored. Next, in S3, based on all the past room temperature data stored in the thermal event table and the generation time thereof (here, the calculation time at each time point), the current remaining thermal displacement amount is expressed by the following equation (1). That is, the correction coefficient H is calculated (residual thermal displacement amount calculation means 12). elapsed time function The elapsed time t in f (t) can be generally obtained based on the formula “current time-past time”, but here, thermal event data is stored for each calculation unit time dh. It is obtained by the formula “(i−1) × dh”. Then, in S4, based on the obtained correction coefficient H, the position correction values Xs, Ys, and Zs of each axis, that is, the correction amount of the machining dimension are obtained by Equations 2 to 4, and then the position correction value Xs, Ys and Zs are transmitted to the NC controller 1 (numerical control correction means 13). Next, in S6, the next calculation time is obtained by adding the calculation unit time dh to the current calculation time, and is set (stored) at a predetermined address in the memory. Thereafter, in S7, the oldest room temperature data is deleted, and other data is sequentially transferred and stored so as to be shifted to an address corresponding to the time corresponding to one calculation unit time dh, and the latest data is stored (address A). Secure. And it returns to the first S1 and repeats the above process.
[0029]
As described above, according to the present embodiment, it is determined that a thermal event has occurred when a change in room temperature occurs, and the amount of remaining thermal displacement corresponding to the magnitude of the change in room temperature and the elapsed time is determined as the elapsed time. function The calculation is based on a simple arithmetic expression such as f (t). elapsed time function f (t) is experimentally determined as the step response of the thermal displacement when the unit thermal event amount (room temperature change of 1 ° C.) instantaneously occurs, that is, the residual thermal displacement amount, Simply measure room temperature and elapsed time. function Calculation can be performed based on f (t). For this reason, the amount of residual heat displacement can be calculated easily and accurately with a compact apparatus configuration while being a simple arithmetic expression. This makes it possible to manufacture a thermal displacement correction device that can easily correct the machining dimension of a machine tool with respect to a thermal displacement that has been difficult in the past.
[0030]
Next, a second embodiment will be described. This embodiment has shown the example which correct | amends the thermal displacement amount with respect to the thermal event by an operating heat.
FIG. 7 shows a hardware configuration of the present embodiment, and the same components as those in FIG. As shown in the figure, the heat generation amount of the machine tool is assumed as a thermal event, and here the heat generation amount is used as the operation heat of each drive motor (main shaft motor and each table drive shaft motor). The NC control device 1 transmits drive current value data and drive time data of each drive motor to the controller 10. The controller 10 calculates the total operating heat based on the input driving current value data for each driving motor and the driving time data, and stores this operating heat as a thermal event together with the generation time. Then, a predetermined calculation process, which will be described later, is performed, and each axis correction value is obtained based on the calculated residual heat displacement amount and output to the NC control device 1.
[0031]
Each function will be described based on the functional configuration block diagram in the present embodiment shown in FIG. Here, the same reference numerals are given to the same functional components as those in FIG. In this embodiment, the thermal event measuring means 16 measures the operating heat of the machine tool, and based on the driving current value data for each driving motor and the driving time data input from the NC control device 1, Calculate the operating heat. The calculated total operation heat data is output to the thermal event data storage means 11. As in the previous embodiment, the thermal event data storage means 11 receives the operation command from the thermal event measurement means 16 as thermal event data at the current time when the storage command from the storage time determination means 15 is input. Stored in a predetermined address (corresponding to the address A in the previous embodiment) of the dynamic event table. Similar to the previous embodiment, the residual heat displacement amount calculation means 12 is based on the thermal event data (operational heat) stored in the thermal event table and the generation time. Number 1 mentioned above Thus, the residual thermal displacement amount (correction coefficient H) is calculated and obtained. Then, this residual heat displacement amount data is output to the numerical control correction means 13.
Here, as shown in FIG. 9, the elapsed time function f (t) represents the amount of thermal displacement when the unit calorific value Q1 is continuously generated for the calculation unit time dh as a function of the elapsed time t. Yes, required experimentally. The elapsed time t is generally obtained based on the formula “current time-past time”. In the present embodiment, a thermal event is determined when a predetermined amount or more of heat is generated at a certain point in time, and the relationship between the heat generation and the thermal event is shown in FIG.
The other functional components are the same as those in the previous embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0032]
Next, the correction calculation processing procedure in the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
First, in S11, the current time is read from the clock 4, and it is checked whether or not the calculation time has been reached (storage time determination means 15). If not, wait until the same process is repeated. When it has been reached, the current operating heat (here, generated heat of the motor) is input from the thermal event measuring means 16 in S12 and stored in tp (1) (latest thermal event data) of the thermal event table. (Thermal event data storage means 11). At this time, the calculation time may also be stored. Next, in S13, based on all the past operation heat data stored in the thermal event table and the generation time thereof (here, the calculation time at each time point), Number 1 Thus, the current residual thermal displacement amount, that is, the correction coefficient H is calculated (residual thermal displacement amount calculating means 12). The elapsed time t in the elapsed time function f (t) can be generally obtained based on the formula “current time−past time”. Here, thermal event data is stored for each calculation unit time dh. Therefore, it is calculated by the formula “(i−1) × dh”. Then, in S14, the position correction values Xs, Ys, Zs of each axis are obtained from Equations 2-4 based on the obtained correction coefficient H, and then, in S15, the position correction values Xs, Ys, Zs are obtained as NC control devices. 1 (numerical control correction means 13). Next, in S16, the next calculation time is obtained by adding the calculation unit time dh to the current calculation time, and stored in a predetermined address of the memory. Thereafter, in S17, the oldest operation heat data is deleted, and other data is sequentially transferred and stored so as to be shifted to the address corresponding to the time corresponding to one calculation unit time dh, and an area for storing the latest data is secured. To do. And it returns to the first S11 and repeats the above process.
[0033]
According to this embodiment, it is determined that a thermal event has occurred when operating heat is generated by driving the spindle motor, table drive motor, or the like for a predetermined time or longer, and the residual heat corresponding to the magnitude and elapsed time of this operating heat. Displacement amount as elapsed time function The calculation is performed based on an arithmetic expression such as f (t). Elapsed time in this embodiment function f (t) is experimentally obtained as the step response of the thermal displacement when the unit calorific value (unit thermal event amount) continues for the calculation unit time dh, that is, the residual thermal displacement. Then, just calculate the operating heat, that is, the amount of heat generated from the drive current values of the spindle motor, table drive motor, etc., and measure the elapsed time. function Calculation can be performed based on f (t). For this reason, the amount of residual heat displacement can be calculated easily and accurately with a compact apparatus configuration while being a simple arithmetic expression. This makes it possible to manufacture a thermal displacement correction device that can easily correct the machining dimension of a machine tool with respect to a thermal displacement that has been difficult in the past.
[0034]
Next, a third embodiment will be described. This embodiment shows an example in which the amount of thermal displacement is corrected in response to a thermal event caused by machining heat, where the machining cycle time per workpiece is short, and when substantially the same machining is always repeated (for example, Applicable to automotive engine parts. Note that the processing heat in this case represents the cutting heat of the machine tool. For example, the processing heat generated at the cutting edge during processing becomes heat input to the tool itself, part of the heat input to the workpiece, and others. Part of the heat is input to the machine tool through the chips. Therefore, this cutting heat becomes a factor affecting the amount of thermal displacement of the machine tool.
[0035]
FIG. 12 shows a hardware configuration of the present embodiment, and the same components as those in FIG. As shown in the figure, assuming the heat of machining of the machine tool as a thermal event, in this embodiment, this heat of machining is obtained based on a preset amount of heat generated during machining per workpiece to be machined. ing. The NC control device 1 stores machining heat quantity data for each workpiece type, and transmits the machining heat quantity data to the controller 10 after the workpiece machining is completed. The controller 10 stores the input machining heat amount data for each workpiece as a thermal event together with the occurrence time. Then, a predetermined calculation process, which will be described later, is performed, and each axis correction value is obtained based on the calculated residual heat displacement amount and output to the NC control device 1.
[0036]
FIG. 13 shows a functional configuration block diagram in the present embodiment, and each function will be described with reference to FIG.
The thermal event measurement unit 16 outputs a preset processing heat amount for each workpiece to the thermal event data storage unit 11. Although FIG. 13 shows an example in which machining heat quantity data is input from the NC control device 1, it may be stored in advance in the thermal event measurement means 16 of the controller 1. Similarly to the previous embodiment, the thermal event data storage unit 11 receives the storage command from the storage time determination unit 15 and uses the processing heat amount data from the thermal event measurement unit 16 as thermal event data at the current time. Stored at a predetermined address of the dynamic event table. Similar to the previous embodiment, the residual heat displacement calculation means 12 is based on the thermal event data (processing heat amount) stored in the thermal event table and the occurrence time. Number 1 mentioned above Thus, the residual thermal displacement amount (correction coefficient H) is calculated and obtained. Then, this residual heat displacement amount data is output to the numerical control correction means 13.
Here, as shown in FIG. 14, the elapsed time function f (t) represents the amount of thermal displacement when the unit cutting heat Q2 is continuously generated for the calculation unit time dh as a function of the elapsed time t. Yes, required experimentally. When the thermal time constant is short, the elapsed time function f (t) may be expressed by an exponential function (EXP function) as shown in the following formula 10.
[Expression 10]
f (t) = EXP {-(time (1) -time (i)) / ta}
ta is a thermal time constant and is determined experimentally. Also, time (i) represents each calculation time data, i is a calculation time parameter, time (1) represents the current time, and time (i) represents (i-1) previous calculation time. heat (i) represents the amount of generated heat (processing heat) at each calculation time.
[0037]
The inventor then performed a simulation and elapsed time function In the case where f (t) is an exponential function, it is confirmed that the machining heat amount per machining cycle of a predetermined workpiece is expressed by the following simple expression.
[Expression 11]
Heat of processing = Amount of change over time due to continuous processing x cycle time / time constant
Here, the amount of change over time due to continuous machining is the convergence value (that is, the final value) of the thermal displacement when the workpiece is continuously machined as shown in FIG. 15, and the time constant ta is the thermal displacement curve at this time. It is a time constant (substantially a first order lag function). The cycle time is a machining repetition cycle time per piece when the workpiece is actually machined.
[0038]
Other functional components are the same as those in the above-described embodiment, and thus the description thereof is omitted.
[0039]
Next, the correction calculation processing procedure in the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
First, in S21, machining of the workpiece is started. Next, in S22, the current processing heat quantity is input from the thermal event measuring means 16, and stored in tp (1) (latest thermal event data) of the thermal event table (thermal event data storage means 11). . At this time, the current calculation time read from the clock 4 may also be stored. Next, in S23, based on all the past processing heat quantity data stored in the thermal event table and the generation time thereof (here, the calculation time at each time point), Number 1 Thus, the current residual thermal displacement amount, that is, the correction coefficient H is calculated (residual thermal displacement amount calculating means 12). When the thermal time constant is short, the elapsed time function f (t) may be calculated as an exponential function expressed by Equation 10. Then, in S24, the position correction values Xs, Ys, Zs of the respective axes are obtained from Equations 2-4 based on the obtained correction coefficient H, and then, in S25, the position correction values Xs, Ys, Zs are obtained as NC control devices. 1 (numerical control correction means 13). Next, in S26, the oldest processing heat quantity data is deleted, and other data is sequentially transferred and stored so as to be shifted one by one to addresses corresponding to the old time, and an area for storing the latest data is secured. And it returns to the first S21 and repeats the above process.
[0040]
According to the present embodiment, it is determined that a thermal event has occurred when a predetermined amount or more of cutting heat (that is, processing heat) is generated due to workpiece processing for a predetermined time or more, and the amount of processing heat and the elapsed time are determined. The amount of residual thermal displacement is the elapsed time function The calculation is performed based on an arithmetic expression such as f (t). elapsed time function f (t) is basically obtained experimentally as a step response of the thermal displacement when the unit processing heat (unit thermal event amount) continues for the calculation unit time dh, as in the previous embodiment. However, when the thermal time constant is short, it may be represented approximately by an exponential function. Then, the above-mentioned elapsed time can be obtained simply by reading the machining heat generated when machining one workpiece, which is preset for each workpiece type, as the amount of generated heat and measuring the elapsed time. function Based on f (t), the residual thermal displacement can be calculated. For this reason, the amount of residual heat displacement can be calculated easily and accurately with a compact apparatus configuration while being a simple arithmetic expression. In particular, when the machining cycle time per workpiece is short and the machining is repeatedly repeated at almost the same time, the calculation method according to the present embodiment is very effective. This makes it possible to manufacture a thermal displacement correction device that can easily correct the machining dimension of a machine tool with respect to a thermal displacement that has been difficult in the past.
[0041]
As described above, according to the present invention, the residual thermal displacement amount of the machine tool can be calculated by measuring the magnitude of the thermal event such as room temperature change, operating heat, machining heat, and the time of occurrence thereof, and the machining dimensions can be calculated. Correction is possible. The operating heat and machining heat are generally known from experiments, actual measurements, and experience, and therefore do not need to be measured each time. Displacement correction is possible. Even in the case of thermal displacement correction due to a change in room temperature, only a temperature sensor needs to be added in hardware. Therefore, it is possible to correct the machining dimension with high accuracy without using a large-scale apparatus or cost.
[0042]
In the above embodiment, the case where the thermal events such as the room temperature change, the operation heat or the processing heat occur independently has been shown, but in the case where these thermal events occur in combination in practical use. The residual thermal displacement amount, that is, the correction coefficient H due to each thermal event alone is calculated, the actual correction coefficient H is obtained from the sum of these, and the correction value of the machining dimension is calculated based on the total value.
In the above description, the numerical control correction unit 13 is provided in the controller 10, but may be provided in the NC control device 1. Furthermore, the thermal event measuring means 16 may be provided in the NC control device 1. For example, when the processing heat is a thermal event, the processing heat data stored in the NC control device 1 is stored as one work piece. You may transmit to the controller 10 for every process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a relationship between a thermal displacement amount and an elapsed time with respect to a thermal event according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the occurrence of a thermal event according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a hardware configuration of the thermal displacement correction apparatus according to the first embodiment.
FIG. 4 is a functional configuration block diagram of the thermal displacement correction device of the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a thermal event table.
FIG. 6 is a correction calculation process flowchart according to the first embodiment;
FIG. 7 is a block diagram showing a hardware configuration of a thermal displacement correction apparatus according to a second embodiment.
FIG. 8 is a functional configuration block diagram of a thermal displacement correction apparatus according to a second embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a relationship between a thermal event (operation heat) and a thermal displacement amount according to the second embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a relationship between a calorific value and a thermal event according to the second embodiment.
FIG. 11 is a flowchart of a correction calculation process according to the second embodiment.
FIG. 12 is a block diagram showing a hardware configuration of a thermal displacement correction apparatus according to a third embodiment.
FIG. 13 is a functional configuration block diagram of a thermal displacement correction apparatus according to a third embodiment.
FIG. 14 is an explanatory diagram of a relationship between a thermal event (cutting heat) and a thermal displacement amount according to the third embodiment.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a relationship between a heat generation amount and a thermal event according to the third embodiment.
FIG. 16 is a flowchart of a correction calculation process according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1 NC controller
2 Machine tools
3 Room temperature sensor
4 Clock
10 Controller
11 Thermal event data storage means
12 Residual thermal displacement calculation means
13 Numerical control correction means
14 Data storage address update means
15 Storage time determination means
16 Thermal event measurement means

Claims

機械の熱発生による変位量を演算し、この変位量に基づいてワークの加工寸法を補正する工作機械の熱変位補正装置であって、
機械の変位量に影響を及ぼす室温変化よりなる熱的イベントを測定する熱的イベント測定手段(16)と、
現時刻を計時する時計(4) と、
測定した熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データを入力し、これらのデータを順次記憶する熱的イベントデータ記憶手段(11)と、
機械の熱変位量を、単位室温変化量が発生した時点からの時間の関数で表す経過時間関数(f) を予め実験又は計算により求めておき、この経過時間関数(f) により、前記熱的イベントデータ記憶手段(11)に記憶された過去の熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データの各組合せに対して、現時点で残存している各残存熱変位量を求め、各残存熱変位量の総和として現時点における残存熱変位量を演算する残存熱変位量演算手段(12)と、
この残存熱変位量演算手段(12)に基づいて、ワークの加工寸法を補正する数値制御補正手段(13)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。A thermal displacement correction device for a machine tool that calculates a displacement amount due to heat generation of a machine and corrects a machining dimension of a workpiece based on the displacement amount,
Thermal event measurement means (16) for measuring a thermal event consisting of a change in room temperature that affects the amount of displacement of the machine,
A clock (4) that counts the current time,
Thermal event data storage means (11) for inputting the measured thermal event magnitude data and its occurrence time data and sequentially storing these data;
The thermal displacement amount of the machine, leave obtained in advance by experiment or calculation of elapsed time function (f) representing a function of time from the unit room temperature variation occurs, the elapsed time function (f), the heat For each combination of the past thermal event magnitude data and its occurrence time data stored in the static event data storage means (11), the amount of residual thermal displacement remaining at the present time is obtained, and each residual heat A residual thermal displacement amount calculating means (12) for calculating a residual thermal displacement amount at the present time as a sum of displacement amounts;
A thermal displacement correction device for a machine tool, comprising: numerical control correction means (13) for correcting a machining dimension of a workpiece based on the residual heat displacement amount calculation means (12).

略同じ加工の繰り返しを行う工作機械の熱発生による変位量を演算し、この変位量に基づいてワークの加工寸法を補正する工作機械の熱変位補正装置であって、
機械の変位量に影響を及ぼす、ワーク１個当りの加工熱よりなる熱的イベントを測定する熱的イベント測定手段(16)と、
現時刻を計時する時計(4) と、
測定した熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データを入力し、これらのデータを順次記憶する熱的イベントデータ記憶手段(11)と、
機械の熱変位量を、単位加工熱量が発生した時点からの時間の関数で表す経過時間関数(f) を予め実験又は計算により求めておき、この経過時間関数(f) により、前記熱的イベントデータ記憶手段(11)に記憶された過去の熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データの各組合せに対して、現時点で残存している各残存熱変位量を求め、各残存熱変位量の総和として現時点における残存熱変位量を演算する残存熱変位量演算手段(12)と、
この残存熱変位量演算手段(12)に基づいて、ワークの加工寸法を補正する数値制御補正手段(13)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。A thermal displacement correction device for a machine tool that calculates a displacement amount due to heat generation of a machine tool that repeats substantially the same machining, and corrects a machining dimension of a workpiece based on the displacement amount,
Thermal event measuring means (16) for measuring a thermal event consisting of machining heat per workpiece that affects the displacement of the machine,
A clock (4) that counts the current time,
Thermal event data storage means (11) for inputting the measured thermal event magnitude data and its occurrence time data and sequentially storing these data;
The thermal displacement amount of the machine, leave obtained in advance by experiment or calculation of elapsed time function (f) representing a function of time from the unit processing amount of heat is generated by the elapsed time function (f), the thermal For each combination of past thermal event magnitude data and its occurrence time data stored in the event data storage means (11), obtain each remaining thermal displacement amount remaining at the present time, and determine each remaining thermal displacement. A residual heat displacement amount calculating means (12) for calculating a residual heat displacement amount at the present time as a total amount,
A thermal displacement correction device for a machine tool, comprising: numerical control correction means (13) for correcting a machining dimension of a workpiece based on the residual heat displacement amount calculation means (12).