JP6656945B2 - 工作機械の熱変位の補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの加工における工作機械の熱変形によって生ずるワークの加工誤差を補正する方法に関する。

工作機械は環境の温度変化、ワークを加工する際に発生する駆動熱、加工熱等により機械温度が変化し、機械温度の変化により熱変形が起こり、その熱変形がワークの加工誤差として現れる。
例えば、旋盤やマシニングセンタ等の工作機械においては、主軸の回転により軸受部等にて熱が発生し、工具による加工部でも熱が発生する。
これらの熱はベッド，コラム，主軸台，刃物台等に伝達され、工作機械の運転に伴って機械温度が局部的又は全体的に上昇し、それが熱変形となりワークの加工に誤差を与える。

そこで、工作機械及びワークの熱変形による加工誤差を補正するために、従来は主軸台や刃物台の温度を計測し、これらの機械温度とワークに生ずる加工誤差との関係を予め計測し、この計測値から機械温度による加工誤差の補正式を求めてＮＣ装置に登録しておき、実際にワークを加工するときにＮＣ装置から出力される指令値を、そのときの機械温度を前記補正式に代入して得られた演算結果により刃物台の位置を補正することにより、加工誤差を小さくすることが行われている。

しかし、工作機械が大型になり、例えばフレーム等に大型の鋳物構造物等を採用している場合に、従来の工作機械のベッドや構成部品のリアルタイムでの温度測定値に基づく補正では、機械温度の測定部位からワークの加工誤差に直接影響を及ぼす部位にまで熱伝達する時間的ズレを考慮していないため、必ずしも加工精度向上につながらない課題があった。
また従来は、補正精度の向上を目的に例えば主軸台，カップリングケース，フレーム等の複数の部位の温度を測定し、その差分を用いて変位に似せたカーブを生成し、補正値を求めることも行われているが、それでは測定点が多くなるとともに係数が大きいものになるため、イレギュラーな温度変化があった場合に補正値が急変して補正精度が不安定になる問題があった。

本出願人は、特許文献１において主軸回転数と機械温度の検出値の積の履歴値を用いた補正項を含む補正式を提案している。
この方法により、ワークの加工誤差の精度向上を達成させているものの、熱移動の遅れに関しては改善の余地が残されている。

特許第４２７１６１１号公報

本発明は、工作機械の熱変形に起因する加工点の熱変位即ちワークの加工誤差を小さくできる熱変位の補正方法の提供を目的とする。

本発明に係る工作機械の熱変位の補正方法は、機械温度の測定データの履歴値と熱移動の遅れ値に基づいて演算した補正値により、ＮＣ装置の送り指令を補正することでワーク加工中の工具位置を補正することを特徴とする。
本明細書で熱変位とは、工作機械が熱変形したことにより生じる工具位置の変位をいう。
ここで熱移動の遅れ値とは、温度センサー等により所定のインターバルを設けて測定された過去のデータを逐次、データベースに格納しておき、ワークの加工時に、どれくらい過去の温度測定値に基づいて補正値を計算するのかを決める係数をいう。

本発明において、前記機械温度の測定データの履歴値は工作機械を構成する構造物又は／及び構成部分の温度の測定データの履歴値であってもよい。
ここで構造物とは、工作機械のフレーム，ベッド，テーブル，コラム等の機械的構造物をいい、構成部分とは主軸台，刃物台，ワーク支持台等の工作機械に備えた部品等からなる部分をいう。

本発明に係る熱変位の補正方法は、ワークの加工時よりも所定の時間だけ過去の測定温度データに対して熱移動の遅れ値に対応した係数を用いて演算した補正値により、ＮＣ装置の送り指令を補正したので、従来の補正方法に比較してワークの加工精度が向上する。

また本発明において、工作機械を構成する相互に異なる部位、例えば主軸台の前後、フレームの各部位、カップリングケース等にそれぞれ温度センサー等の温度測定手段を取り付け、所定の時間的間隔を空けて測定した温度測定データを逐次格納しておき、ワークの加工方法や加工内容に応じて、温度変化と熱変形との相関が強い測定部位の過去の温度測定値を採用してもよい。
このようにすると、従来の複数の部位の差分による補正に比較して補正係数を小さくすることができ、温度の変動による補正値の急変が少なくなり、熱変位の補正が安定する。

本発明における熱移動の遅れを考慮した温度測定値の例を示す。 従来のリアルタイム温度測定値の例を示す。

本発明に係る熱変位の補正方法の例を以下具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
図１に工作機械の高速回転する主軸台前部に取り付けた温度センサーによる測定温度Ｔ_０に、ワークの加工時に対して６０分前の測定温度を採用した例を示す。
熱変位の補正値δ_０は、δ_０＝α_０×Ｔ_０＋β_０（定数）の式で求められる。
式中の添字は、測定温度箇所を表す。
α_０は、採用した過去の測定温度Ｔ_０と、熱変位と、その測定温度Ｔ_０温度の関係を一次関数で近似した場合の傾き（補正係数）をいう。
図１に示した例の場合に、ＮＣ装置の制御プログラムの演算部には温度データの格納部を有し、主軸台に取り付けた温度センサーによる測定値を例えば３分毎に逐次格納する。
格納するデータ数は、例えば最大２４０分前まで等、実用性、記録容量等を考慮して、順次所定時間以上過去のものは順送り消去してもよい。
また、図１は加工現在に対する６０分前の過去の測定データを用いたが、どれだけ過去の測定データを用いるかは、予め計測して選定するのがよい。
さらには、何らかの理由により履歴を消失した場合は、残っている他の測定データを用いて補間してもよい。

図２は、工作機械の各測定部位でのリアルタイム測定温度の変化のグラフを示す。
曲線１は、主軸台の後部に温度センサーを取り付けた場合であり、同様に曲線２はカップリングケース、曲線３はフレームの油圧タンク横部、曲線４はフレームの後部中央に温度センサーを取り付けた例である。
このように、リアルタイムの測定温度による補正は熱移動が考慮されていないので、加工初めの時から測定温度が上昇し、実際に熱変形が生じる前に補正量が加えられる。
よって、図１に示した本発明による補正方法よりも精度が悪い。

なお、本発明においては上記にて例を挙げたように、工作機械の各部位での測定温度を一定のインターバルにて逐次格納部に格納した過去の測定温度データのうち、遅れ係数に基づく過去のデータに対する補正係数を予め定めて、格納部に記憶させるのもよい。
このようにすると、ワークの加工方法や加工条件によって適した部位と、遅れ係数を選定して補正値を求めることもできる。
例えば、主軸台後部は補正式δ_１＝α_１×Ｔ_１＋β_１、フレーム後部中央部の補正式δ_２＝α_２×Ｔ_２＋β_２のように、それぞれ演算式を格納登録しておき、ワークの加工時に読み出して選択指令を出し、プログラムの実行に用いることができる。

Claims (1)

1. 機械温度の測定データの履歴値と熱移動の遅れ値に基づいて演算した補正値により、ＮＣ装置の送り指令を補正することでワーク加工中の工具位置を補正するものであり、
   工作機械を構成する構造物の異なる部位又は／及び構成部品毎に、前記測定データの履歴値と熱移動の遅れ値に基づいた補正値を演算する複数の演算式を格納部に格納してあり、
   前記複数の演算式から加工条件に適した演算式の選択手段を有していることを特徴とする工作機械の熱変位の補正方法。