JP7466801B1 - 制御装置、工作機械システム、および加工方法 - Google Patents

制御装置、工作機械システム、および加工方法 Download PDF

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Abstract

制御装置（３）は、送り駆動系および主軸駆動系（１１）のうちの少なくとも１つである駆動系の発熱に起因する駆動系の変形量である第１の変形量を、駆動系の状態量を表す運転情報と駆動系の温度を示す温度情報との少なくとも一方を第１の変形量推定モデルへ入力することによって算出する第１の変形量推定部（２１）と、工作機械（２）の運動学的な構成情報を用いて、第１の変形量を、工具とワークとの間の相対的な変位量である熱変位量に変換する熱変位量算出部（２３）と、送り駆動系へ指令される位置を熱変位量に基づいて補正させる補正指令を生成する補正指令生成部（２５）と、を備える。

Description

本開示は、工作機械を制御する制御装置、工作機械システム、および加工方法に関する。
工作機械の構造または工作機械の構成要素が熱により変形することで、ワークに対する工具の位置またはワークに対する工具の姿勢が変化することは、工作機械の熱変位と称される。工作機械の熱変位には、工作機械の駆動に起因する熱変位と、工作機械の外部要因に起因する熱変位とが含まれる。工作機械の熱変位は加工誤差の要因となり得ることから、従来、工作機械の熱変位を補正する種々の技術が提案されている。
特許文献１には、工作機械の外部の熱源に起因する熱変位量である環境温度系熱変位量と工作機械に備わる熱源に起因する熱変位量である駆動系熱変位量とを計算し、環境温度系熱変位量を補償する補正量と駆動系熱変位量を補償する補正量とを足し合わせた合計補正量に基づいて、熱変位を補正するための制御を実行する工作機械が開示されている。特許文献１に記載の工作機械は、環境温度系熱変位量に補正倍率を乗算することによって、環境温度系熱変位量を補償する補正量を求める。特許文献１に記載の工作機械では、環境温度系熱変位量に乗算される補正倍率の調整が可能とされている。
国際公開第２０１６／０６７８７４号
工作機械の駆動系が熱により変形した場合において、駆動系の変形が工作機械の熱変位に及ぼす影響は、工作機械に備わる機構、あるいは、駆動系の位置または角度によって異なる。特許文献１に記載されるような従来の技術によると、駆動系の発熱に起因する変形については、当該駆動系の駆動方向の熱変位量のみが算出される。このため、従来の技術では、工具とワークとの相対的な位置または姿勢によらずに一定の熱変位量が算出されるという課題があった。
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、熱変位を高精度に補正可能とする制御装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる制御装置は、工具とワークとを互いに相対的に動作させる１または複数の送り駆動系と、工具またはワークを回転させる主軸駆動系とを備える工作機械を制御する制御装置である。本開示にかかる制御装置は、送り駆動系および主軸駆動系のうちの少なくとも１つである駆動系の発熱に起因する駆動系の変形量である第１の変形量を、駆動系の状態量を表す運転情報と駆動系の温度を示す温度情報との少なくとも一方を第１の変形量推定モデルへ入力することによって算出する第１の変形量推定部と、工作機械の運動学的な構成情報を用いて、第１の変形量を、工具とワークとの間の相対的な変位量である熱変位量に変換する熱変位量算出部と、送り駆動系へ指令される位置を熱変位量に基づいて補正させる補正指令を生成する補正指令生成部と、を備える。熱変位量算出部は、駆動系の位置と、工作機械のうち駆動系を位置決めさせる別の送り駆動系の幾何誤差とに応じて、第１の変形量を熱変位量に変換する。工作機械の運動学的な構成情報は、工作機械における工具に固定された座標系である工具座標系から工作機械におけるワークに固定された座標系であるワーク座標系への座標変換を表す。別の送り駆動系の幾何誤差は、別の送り駆動系の位置と別の送り駆動系の温度とに依存する誤差である。
本開示にかかる制御装置は、熱変位を高精度に補正できる、という効果を奏する。
実施の形態１にかかる工作機械システムの構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかる工作機械の外観を模式的に示す図 実施の形態１における第１の変形量推定モデルの構成例を示す図 実施の形態１における工作機械の運動学的な構成情報について説明するための図 実施の形態１の変形例１にかかる工作機械の外観を模式的に示す図 実施の形態１の変形例１にかかる工作機械の運動学的な構成情報について説明するための図 実施の形態１の変形例２にかかる工作機械の外観を模式的に示す図 実施の形態１の変形例２にかかる工作機械の運動学的な構成情報について説明するための図 実施の形態１にかかる工作機械システムの動作手順の例を示すフローチャート 実施の形態１の変形例にかかる工作機械システムの構成例を示すブロック図 実施の形態１にかかる制御回路の構成例を示す図 実施の形態１にかかる専用のハードウェア回路の構成例を示す図
以下に、実施の形態にかかる制御装置、工作機械システム、および加工方法を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
実施の形態１の具体的な説明に先立ち、実施の形態１の説明に使用される用語について説明する。実施の形態１において、工作機械システムは、工作機械と、工作機械を制御する制御装置とを備えるシステムである。
工作機械の駆動系は、主軸駆動系と送り駆動系とに分類される。送り駆動系は、直線送り駆動系と回転送り駆動系とに分類される。直線送り駆動系は、被駆動体に直線運動を与え、直線方向において被駆動体を位置決めする。回転送り駆動系は、被駆動体に回転運動を与え、回転方向において被駆動体を位置決めする。
工作機械の構成要素のうち駆動系以外の構成要素を、構造部材と称する。構造部材の例は、ベッド、コラム、サドル、およびテーブルなどである。工作機械に備わる駆動系の構成要素には、モータ、エンコーダ、ボールねじ、およびシャフトなどが含まれる。上記の被駆動体とは、駆動系によって駆動される別の駆動系、または、上記の構造部材である。以下の説明では、駆動系の構成要素を、機械要素とも称する。
実施の形態１において、工作機械には、１つ以上の温度センサが設置される。温度センサは、構造部材の温度を検出する。工作機械には、駆動系の温度を検出する温度センサが設置されても良い。
工作機械に備わる駆動系の各々は、制御装置に接続されている。制御装置は、各駆動系を制御するための指令をＮＣ（Numerical Control）プログラムである加工プログラムに従って生成し、各駆動系へ指令を送る。各駆動系は、指令に従って被駆動体を駆動する。
実施の形態１では、構造部材の形状または駆動系の形状が熱の影響により変形することを熱変形と称する。構造部材の形状における基準点が熱変形によって移動した量、または、駆動系の形状における基準点が熱変形によって移動した量を、熱変形量と称する。実施の形態１では、構造部材の熱変形量は、当該構造部材に固定された座標系により当該構造部材の基準点の変位を表したものとする。駆動系の熱変形量は、当該駆動系に固定された座標系により当該駆動系の基準点の変位を表したものとする。
実施の形態１では、構造部材の熱変形または駆動系の熱変形によって、ワークに対する工具の相対的な位置またはワークに対する工具の相対的な姿勢が変化することを、工具およびワークの間の熱変位と称する。また、工具およびワークの間の熱変位の量を、熱変位量と称する。熱変位量は、ワークに固定された座標系における工具の熱変位を表すものとする。
次に、実施の形態１にかかる工作機械システムについて説明する。図１は、実施の形態１にかかる工作機械システム１の構成例を示すブロック図である。工作機械システム１は、工作機械２と、数値制御装置である制御装置３とを備える。制御装置３は、工作機械２を制御する。工作機械２と制御装置３とは、互いに通信可能に接続されている。
図２は、実施の形態１にかかる工作機械２の外観を模式的に示す図である。工作機械２は、送り軸である複数の軸を駆動することによって工具３５とワーク３６とを相対的に移動させながらワーク３６を加工する。
図２に示す工作機械２は、いわゆる立形のマシニングセンタである。工作機械２は、工作機械２のベースであるベッド３０と、ベッド３０上に配置されているコラム３１と、ワーク３６が固定されるテーブル３２と、コラム３１に支持されているヘッド３３と、ヘッド３３に取り付けられている主軸３４とを備える。工具３５は、主軸３４に取り付けられる。ベッド３０、コラム３１、テーブル３２、およびヘッド３３の各々は、構造部材である。
図１に示すように、工作機械２は、複数の温度センサ１０と、主軸駆動系１１と、Ｘ軸駆動系１２と、Ｙ軸駆動系１３と、Ｚ軸駆動系１４とを備える。複数の温度センサ１０の各々は、構造部材または駆動系の温度を検知する。各温度センサ１０は、温度の検知結果を制御装置３へ出力する。
主軸駆動系１１は、主軸３４を備える。主軸駆動系１１は、主軸３４に取り付けられた工具３５を回転させる。工具３５は、主軸駆動系１１に備わるモータの駆動力により回転する。Ｘ軸駆動系１２、Ｙ軸駆動系１３、およびＺ軸駆動系１４の各々は、直線送り駆動系である。工作機械２は、３軸の直線送り駆動系を備える。なお、図１では、工作機械２のうち温度センサ１０および各駆動系以外の構成の図示を省略する。
Ｘ軸駆動系１２は、ボールねじと、ボールねじを回転させるモータと、ボールねじの回転運動をＸ軸方向の直線運動へ変換する機構とを備える。Ｘ軸駆動系１２は、Ｘ軸方向へテーブル３２を移動させる。Ｙ軸駆動系１３は、ボールねじと、ボールねじを回転させるモータと、ボールねじの回転運動をＹ軸方向の直線運動へ変換する機構とを備える。Ｙ軸駆動系１３は、Ｙ軸方向へテーブル３２を移動させる。Ｚ軸駆動系１４は、ボールねじと、ボールねじを回転させるモータと、ボールねじの回転運動をＺ軸方向の直線運動へ変換する機構とを備える。Ｚ軸駆動系１４は、Ｚ軸方向へヘッド３３を移動させる。
このように、工作機械２は、工具３５とワーク３６とを互いに相対的に移動させる３つの送り駆動系と、工具３５を回転させる主軸駆動系１１とを備える。図２において、「Ｘ」と付した両矢印は、Ｘ軸駆動系１２の駆動方向を表す。「Ｙ」と付した両矢印は、Ｙ軸駆動系１３の駆動方向を表す。「Ｚ」と付した両矢印は、Ｚ軸駆動系１４の駆動方向を表す。なお、各駆動系の詳細については図示を省略する。
制御装置３は、変形量推定モデル記憶部２０と、第１の変形量推定部２１と、第２の変形量推定部２２と、熱変位量算出部２３と、構成情報記憶部２４と、補正指令生成部２５と、制御部２６とを備える。
変形量推定モデル記憶部２０は、第１の変形量推定モデルと第２の変形量推定モデルとを記憶する。第１の変形量推定モデルと第２の変形量推定モデルとの各々は、入力された情報から熱変形量を推定するための変形量推定モデルである。変形量推定モデルは、入力された情報に基づいて熱変形量を算出する過程を数学的に記述したものである。制御装置３は、変形量推定モデル記憶部２０において第１の変形量推定モデルと第２の変形量推定モデルとを保持する。
第１の変形量推定モデルは、送り駆動系および主軸駆動系のうちの少なくとも１つである駆動系の発熱に起因する駆動系の変形量である熱変形量を推定するための変形量推定モデルである。以下の説明では、駆動系の発熱に起因する駆動系の変形量である熱変形量を、第１の変形量と称する。
第２の変形量推定モデルは、工作機械２が設置されている環境の温度変化に起因する構造部材の変形量である熱変形量を推定するための変形量推定モデルである。以下の説明では、工作機械２が設置されている環境の温度変化に起因する構造部材の変形量である熱変形量を、第２の変形量と称する。
第１の変形量推定部２１は、変形量推定モデル記憶部２０から第１の変形量推定モデルを読み出す。第１の変形量推定部２１は、駆動系の状態量を表す運転情報と駆動系の温度を示す温度情報との少なくとも一方を第１の変形量推定モデルへ入力することによって、第１の変形量を算出する。第１の変形量推定部２１は、第１の変形量の算出結果を熱変位量算出部２３へ出力する。駆動系の温度を示す温度情報は、駆動系の温度を検出する温度センサ１０から制御装置３へ入力される情報である。以下の説明では、駆動系の温度を示す温度情報を、駆動系の温度情報と称する。なお、運転情報の詳細については後述する。
第２の変形量推定部２２は、変形量推定モデル記憶部２０から第２の変形量推定モデルを読み出す。第２の変形量推定部２２は、構造部材の温度を示す温度情報を第２の変形量推定モデルへ入力することによって、第２の変形量を算出する。第２の変形量推定部２２は、第２の変形量の算出結果を熱変位量算出部２３へ出力する。構造部材の温度を示す温度情報は、構造部材の温度を検出する温度センサ１０から制御装置３へ入力される情報である。
構成情報記憶部２４は、工作機械２の運動学的な構成情報（kinematic configuration）を記憶する。工作機械２の運動学的な構成情報の詳細については、後述する。以下の説明では、工作機械２の運動学的な構成情報を、単に構成情報とも称する。熱変位量算出部２３は、構成情報記憶部２４から構成情報を読み出す。
熱変位量算出部２３は、工作機械２の運動学的な構成情報を用いて、第１の変形量を、工具３５とワーク３６との間の相対的な変位量である熱変位量に変換する。また、熱変位量算出部２３は、第１の変形量から変換された熱変位量に第２の変形量を合成する。これにより、熱変位量算出部２３は、第２の変形量が合成された熱変位量を算出する。熱変位量算出部２３は、算出された熱変位量を補正指令生成部２５へ出力する。
補正指令生成部２５は、送り駆動系へ指令される位置である指令位置を、熱変位量算出部２３により算出された熱変位量に基づいて補正させる補正指令を生成する。すなわち、補正指令生成部２５は、第２の変形量が合成された熱変位量に基づいて指令位置を補正させる補正指令を生成する。補正指令生成部２５は、生成された補正指令を制御部２６へ出力する。
制御部２６は、加工プログラムに従って工作機械２の各駆動系に対する指令を生成する。制御部２６は、各駆動系へ指令を送ることによって、各駆動系を制御する。制御部２６は、各駆動系の指令位置を、補正指令に基づいて補正する。制御部２６は、例えば、熱変位量に相当する長さを指令位置の座標から差し引く補正を、補正指令に基づいて行う。制御部２６は、指令位置が補正された指令を各駆動系へ出力する。
第１の変形量推定モデルは、駆動系の運転情報と駆動系の温度情報との少なくとも一方を入力とし、駆動系の熱変形量である第１の変形量を出力とした場合における、入力と出力との関係を表す。ここでは、第１の変形量推定モデルへの入力は、駆動系の運転情報および駆動系の温度情報とする。
ここで、第１の変形量推定モデルへ入力される運転情報について説明する。運転情報は、例えば、駆動系のサーボ制御に使用される値であって、位置、速度、または電流などの状態量を示す。この場合、運転情報は、制御装置３から各駆動系へ出力される指令値、または、各駆動系の状態を示す位置、速度、または電流などの値である。運転情報は、モーダル情報であっても良い。モーダル情報は、加工プログラムに記述されている運転モード情報である。運転情報は、制御装置３で指令値を算出する過程において求まる値でも良い。または、運転情報は、駆動系のサーボ制御のための構成とは別に設置されたセンサによって得られる状態量の値でも良い。第１の変形量推定モデルには、上記する複数種類の運転情報のうちの２つ以上が入力されても良い。
次に、第１の変形量推定モデルの例について説明する。第１の変形量推定モデルの例の１つは、機械学習の手法に基づくモデルである。以下に、第１の変形量推定モデルが、機械学習の手法に基づくモデルであるニューラルネットワークであるケースについて説明する。ニューラルネットワークである第１の変形量推定モデルは、教師あり学習によって、運転情報および温度情報と第１の変形量との関係を学習した結果である。教師あり学習とは、入力および結果の組を学習装置に与えることで、学習用データの特徴を学習し、入力から結果を推論する手法である。学習用データは、入力と、入力に対応する結果を表すラベルとを含む。運転情報および温度情報は、入力に相当する。第１の変形量は、教師データであって、ラベルに相当する。
図３は、実施の形態１における第１の変形量推定モデルの構成例を示す図である。図３には、ニューラルネットワークの構成例を示す。ニューラルネットワークは、複数のニューロンからなる入力層と、複数のニューロンからなる中間層である隠れ層と、複数のニューロンからなる出力層とで構成される。
図３に示す例では、出力層は、３個のニューロンからなる。出力層は、３個のニューロンにより、Ｘ軸方向の熱変位量と、Ｙ軸方向の熱変位量と、Ｚ軸方向の熱変位量とを出力する。なお、入力層のニューロンの数は、入力データとして選定された情報である運転情報または温度情報の数により定まる。中間層のニューロンの数は、任意であるものとする。
入力層には、駆動系の運転情報と駆動系の温度情報とのうち少なくとも一方の情報が時系列データとして入力される。すなわち、入力層に入力される情報である運転情報または温度情報は、特定の時刻を起点として所定の期間だけ遡った時刻までの情報である。例えば、入力層へ入力される情報が温度情報であって、時刻ｔにおける温度がＴ（ｔ）と表される場合、入力層には、「Ｔ（ｔ－ＮΔｔ），・・・，Ｔ（ｔ－Δｔ），Ｔ（ｔ）」の組からなる温度情報が入力される。Ｔ（ｔ－ＮΔｔ），・・・，Ｔ（ｔ－Δｔ），Ｔ（ｔ）は、（Ｎ＋１）個のニューロンにそれぞれ入力される。ここで、Δｔは、サンプリング周期を表す。Ｎは、所定の期間だけ遡って情報を参照するための定数を表す。
入力層へ入力された複数の値の各々は、入力層のニューロンごとに重みが乗算されて、中間層へ入力される。中間層へ入力された複数の値の各々は、中間層のニューロンごとに重みが乗算されて、出力層へ入力される。出力層へ入力された複数の値の各々は、出力層のニューロンごとに重みが乗算される。出力層からは、第１の変形量である、時刻ｔにおけるＸ軸方向の熱変位量とＹ軸方向の熱変位量とＺ軸方向の熱変位量とが出力される。ニューラルネットワークは、入力に対する出力がラベルに近づくように重みを調整することによって生成される。
第１の変形量推定モデルは、上記するようなニューラルネットワークに限られない。第１の変形量推定モデルは、例えば、再帰構造を含むリカレントニューラルネットワークでも良い。リカレントニューラルネットワークは、ネットワークの内部に時系列処理が含まれることで、入力情報と出力情報との時系列な対応関係を表現することができる。
第１の変形量推定モデルは、機械学習以外の手法に基づくモデルであっても良い。第１の変形量推定モデルは、時系列の運転情報を入力とし、各時刻の変形量を算出する回帰モデルであっても良い。回帰モデルである第１の変形量推定モデルの１つの例は、次の式（１）で表される。
Figure 0007466801000001
式（１）において、ｄdrv,xはＸ軸方向における駆動系の熱変形量、ｔは時刻、ａ，ｂ，ｃの各々は係数、Ωは主軸３４の回転速度、Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3の各々は次数、ＮTは温度センサ１０の個数、Ｔは駆動系の温度情報、および、Δｔはサンプリング周期を表す。
式（１）は、ある時刻から１つのサンプリング周期が経過したときにおける熱変形量が、現在時刻以前における熱変形量と、現在時刻以前における主軸３４の回転速度と、現在時刻以前における温度とに依存することを表す。式（１）により表される回帰モデルには、入力情報の時間遅れ項が含まれる。式（１）において、「－ｋΔｔ」は時間遅れを表す。式（１）の右辺の各項は、「－ｋΔｔ」を含む時間遅れ項である。式（１）は、時系列信号を入力とする計算式でもある。第１の変形量推定モデルが式（１）で表される回帰モデルである場合、運転情報である回転速度と駆動系の温度情報とが第１の変形量推定モデルへ入力され、第１の変形量推定モデルから熱変形量が出力される。
なお、式（１）の右辺の各項は、状態量の線形和を表している。式（１）の右辺の各項には、状態量の２乗以上の項が追加されても良い。式（１）は、駆動系のＸ軸方向における熱変形量の算出式を表す。駆動系のＹ軸方向における熱変形量、および、駆動系のＺ軸方向における熱変形量も、駆動系のＸ軸方向における熱変形量の場合と同様の計算によって算出することができる。
上記のモデル以外の例として、第１の変形量推定モデルは、駆動系の軸方向のみの熱変形量を算出する場合には、駆動系を構成する複数の機械要素の各々の変形量の和を求めるモデルであっても良い。この場合、第１の変形量推定モデルは、シャフト、ベアリング、およびボールねじといった、機械要素の各々の温度情報を入力とし、各機械要素の和を求めることによって、軸方向の熱変形量を算出する。この場合、Ｚ軸駆動系１４の第１の変形量推定モデルは、次の式（２）で表される。
Figure 0007466801000002
式（２）において、ｄzはＺ軸方向の熱変形量、ｔは時刻、ｉは駆動系の機械要素を表す番号、αは機械要素の熱膨張係数、Ｌは駆動系の軸方向長さ、およびΔＴは機械要素の温度変化を表す。式（２）は、時系列信号を入力とする計算式である。式（２）は、Ｚ軸駆動系１４のＺ軸方向における熱変形量の算出式を表す。Ｘ軸駆動系１２のＸ軸方向における熱変形量、および、Ｙ軸駆動系１３のＹ軸方向における熱変形量も、Ｚ軸駆動系１４のＺ軸方向における熱変形量の場合と同様の計算によって算出することができる。
ここまで、第１の変形量推定モデルのいくつかの具体例を説明したが、第１の変形量推定モデルは、上記のものに限られない。また、各駆動系の熱的な特性、または各駆動系の仕様に応じて、駆動系ごとに異なる第１の変形量推定モデルが適用されることとしても良い。第１の変形量推定モデルには、駆動系の運転情報および駆動系の温度情報のうちの一方が入力されるものとしても良い。
第２の変形量推定モデルは、構造部材の温度情報を入力とし、構造部材の熱変形量である第２の変形量を出力とした場合における、入力と出力との関係を表す。第２の変形量推定モデルには、第１の変形量推定モデルと同様に、ニューラルネットワークを適用できる。または、第２の変形量推定モデルは、時系列の温度情報を入力とし、各時刻の変形量を算出する回帰モデルであっても良い。回帰モデルである第２の変形量推定モデルの１つの例は、次の式（３）で表される。
Figure 0007466801000003
式（３）において、ｄstr,xはＸ軸方向における構造部材の熱変形量、ｔは時刻、ａ，ｃの各々は係数、ＮTは温度センサ１０の個数、Ｔは構造部材の温度情報、および、Δｔはサンプリング周期を表す。式（３）の右辺の各項は、「－ｋΔｔ」を含む時間遅れ項である。式（３）は、ある時刻から１つのサンプリング周期が経過したときにおける熱変形量が、現在時刻以前における熱変形量と、現在時刻以前における温度とに依存することを表す。式（３）により表される回帰モデルには、入力情報の時間遅れ項が含まれる。式（３）は、時系列信号を入力とする計算式でもある。第２の変形量推定モデルが式（３）で表される回帰モデルである場合、構造部材の温度情報が第２の変形量推定モデルへ入力され、第２の変形量推定モデルから熱変形量が出力される。
なお、第２の変形量推定モデルは、有限要素法を用いたモデルでも良い。有限要素法を用いたモデルでは、構造部材は複数の微小要素に分割され、複数の微小要素の各々に対して予め回帰モデルが設定される。この場合、温度センサ１０で検出した温度情報が第２の変形量推定モデルへ入力されることによって、構造部材に含まれる微小要素の熱変形量の合計が最終的な熱変形量として第２の変形量推定モデルから出力される。
上記するように、実施の形態１では、第１の変形量推定モデルと第２の変形量推定モデルとの少なくとも一方は、ニューラルネットワークモデルであっても良い。また、実施の形態１では、第１の変形量推定モデルと第２の変形量推定モデルとの少なくとも一方は、時系列信号を入力とする計算式、または、入力情報の時間遅れ項が含まれる回帰モデルであっても良い。
次に、熱変位量算出部２３における処理の詳細について説明する。熱変位量算出部２３は、工作機械２の運動学的な構成情報を用いて、第１の変形量を、工具３５とワーク３６との間の相対的な変位量である熱変位量に変換する。
図４は、実施の形態１における工作機械２の運動学的な構成情報について説明するための図である。実施の形態１において、工作機械２の運動学的な構成情報とは、工作機械２において工作機械２の構造に対して各駆動系が連結された構成を運動学的に表現した情報である。図４において、「Machine tool bed」は、ベッド３０を表す。「X axis」は、Ｘ軸駆動系１２を表す。「Y axis」は、Ｙ軸駆動系１３を表す。「Z axis」は、Ｚ軸駆動系１４を表す。「Spindle」は、主軸駆動系１１を表す。「Tool」は、主軸３４に取り付けられている工具３５を表す。「Workpiece」は、テーブル３２に固定されているワーク３６を表す。なお、図４では、テーブル３２は省略されている。
図４には、構造部材であるベッド３０と、駆動系である主軸駆動系１１、Ｘ軸駆動系１２、Ｙ軸駆動系１３、およびＺ軸駆動系１４との連結の態様を模式的に表している。図４は、工具３５とワーク３６との間における運動学的な連結関係を表現したものともいえる。図４には、主軸駆動系１１がＺ軸駆動系１４によって位置決めされること、ワーク３６がＸ軸駆動系１２によって位置決めされること、および、Ｘ軸駆動系１２がＹ軸駆動系１３によって位置決めされることが示されている。
互いに連結されている構成要素同士について、一方の構成要素に固定された座標系の位置から他方の構成要素に固定された座標系の位置への変換は、同次変換行列により表すことができる。図４に示す構成において、ワーク座標系における工具３５の先端位置は、次の式（４）により表される。
Figure 0007466801000004
式（４）は、工具座標系からワーク座標系への座標変換を表す。工具座標系とは、工具３５に固定された座標系である。ワーク座標系とは、ワーク３６に固定された座標系である。式（４）における座標変換の順序が、図４で示される工作機械２の運動学的な構成情報に対応している。熱変位量算出部２３は、式（４）を用いた座標変換によって、第１の変形量を、工具３５およびワーク３６の間の熱変位量へ変換する。
式（４）において、太字の「Ｐ」の左上に添え字「Ｔ」が付された記号である「TＰ」は、工具座標系における工具３５の先端位置を表す。太字の「Ｐ」の左上に添え字「Ｗ」が付された記号である「WＰ」は、ワーク座標系における工具３５の先端位置を表す。
ここで、説明のため便宜上、式（４）における太字の「Ｔ」の左下の添え字を「ｍ」、および、式（４）における太字の「Ｔ」の左上の添え字を「ｎ」と表す。「ｍ」および「ｎ」の各々は、工作機械２の構成要素を表す。太字の「Ｔ」に「ｍ」および「ｎ」が付された記号である「m nＴ」は、ＤＨ行列（Denavit-Hartenberg matrix）であって、「ｍ」で表される１つの構成要素から、「ｎ」で表される他の構成要素に固定された座標系への座標変換を表す。ただし、太字の「Ｔ」の右上に添え字「－１」が付されている場合は、当該記号は、「ｎ」で表される１つの構成要素から、「ｍ」で表される他の構成要素に固定された座標系への座標変換を表す。式（４）において、「ｍ」または「ｎ」である、「Ｍ」、「Ｓ」、「Ｔ」、「Ｗ」、「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」は、それぞれ、ベッド３０、主軸駆動系１１、工具３５、ワーク３６、Ｘ軸駆動系１２、Ｙ軸駆動系１３、およびＺ軸駆動系１４を表す。
以下の説明では、各駆動系において生じた第１の変形量の、ワーク座標系での表現を考える。説明を簡易にするため、各座標系の原点は一致しているものとする。この仮定により、「W XＴ」および「T SＴ」の各々は、単位行列となる。「W XＴ」は、ワーク３６から、Ｘ軸駆動系１２に固定された座標系への座標変換を表すＤＨ行列である。「T SＴ」は、工具３５から、主軸駆動系１１に固定された座標系への座標変換を表すＤＨ行列である。さらに、「X YＴ」、「Y MＴ」、「Z MＴ」、および「S ZＴ」は、それぞれ次の式（５）、式（６）、式（７）、および式（８）により表される。「X YＴ」は、Ｘ軸駆動系１２から、Ｙ軸駆動系１３に固定された座標系への座標変換を表すＤＨ行列である。「Y MＴ」は、Ｙ軸駆動系１３から、ベッド３０に固定された座標系への座標変換を表すＤＨ行列である。「Z MＴ」は、Ｚ軸駆動系１４から、ベッド３０に固定された座標系への座標変換を表すＤＨ行列である。「S ZＴ」は、主軸駆動系１１から、Ｚ軸駆動系１４に固定された座標系への座標変換を表すＤＨ行列である。
Figure 0007466801000005
Figure 0007466801000006
Figure 0007466801000007
Figure 0007466801000008
式（５）－（８）において、ｘ，ｙ，ｚは、それぞれ、Ｘ軸駆動系１２の位置、Ｙ軸駆動系１３の位置、および、Ｚ軸駆動系１４の位置を表す。θs，θx，θy，θzは、それぞれ、主軸駆動系１１の温度、Ｘ軸駆動系１２の温度、Ｙ軸駆動系１３の温度、および、Ｚ軸駆動系１４の温度を表す。Ｓj（ｉ）は、ｉ軸駆動系の位置に依存する量であり、ｊ軸方向への位置誤差を表す。εj（ｉ）は、ｉ軸駆動系の位置に依存する量であり、ｊ軸方向への角度誤差を表す。さらに、δで表される量は、各駆動系における熱変形量に相当する。具体的には、δj（ｉ，θi）は、ｉ軸駆動系の位置とｉ軸駆動系の温度とに依存する量であり、ｊ軸方向の位置誤差を表す。δj（θs）は、主軸駆動系１１の温度のみに依存する量であり、ｊ軸方向の位置誤差を表す。ここでの説明において、ｉおよびｊの各々は、Ｘ軸駆動系１２を表す符号ｘと、Ｙ軸駆動系１３を表す符号ｙと、Ｚ軸駆動系１４を表す符号ｚとのうちいずれか任意の符号を表す。ｉ軸駆動系とは、Ｘ軸駆動系１２とＹ軸駆動系１３とＺ軸駆動系１４とのうちいずれか任意の駆動系を表す。
式（５）－（８）を利用することにより、ワーク座標系における工具３５の先端位置である「WＰ」に生じるＸ軸方向の誤差量である「ΔWＰx」は、次の式（９）により算出できる。「WＰ」に生じるＹ軸方向の誤差量である「ΔWＰy」は、次の式（１０）により算出できる。「WＰ」に生じるＺ軸方向の誤差量である「ΔWＰz」は、次の式（１１）により算出できる。なお、誤差量である「ΔWＰx」、「ΔWＰy」、および「ΔWＰz」の各々は、ワーク座標系における工具３５およびワーク３６の間の熱変位量に相当する。
Figure 0007466801000009
Figure 0007466801000010
Figure 0007466801000011
式（９）－（１１）において、Ｓx（ｙ），Ｓx（ｚ），Ｓy（ｚ）は、直角度誤差を表す。式（９）－（１１）により、熱変位量算出部２３は、ワーク座標系における工具３５およびワーク３６の間の熱変位量を、位置と温度とに依存する量として算出することができる。言い換えると、駆動系の発熱によって生じた第１の変形量から熱変位量への座標変換を運動学的な構成情報に基づいて実行するため、熱変位量算出部２３は、駆動系の発熱に起因する熱変位量を精度良く算出することができる。
工作機械２では、１つの送り駆動系であるＺ軸駆動系１４によって主軸駆動系１１が位置決めされる。工作機械２における第１の変形量は、主に、主軸駆動系１１の発熱に起因して主軸駆動系１１に生じる変形量である。熱変位量算出部２３は、式（４）に示される構成情報を用いた座標変換によって、主軸駆動系１１の位置と、主軸駆動系１１を位置決めさせる送り駆動系であるＺ軸駆動系１４の幾何誤差とに応じて、第１の変形量を熱変位量に変換する。制御装置３は、送り駆動系の幾何誤差を加味しながら主軸駆動系１１の位置に応じた座標変換を行うことで、主軸駆動系１１に生じた変形量を、工具３５およびワーク３６の間の熱変位量へ正確に変換することができる。
また、工作機械２において、Ｘ軸駆動系１２は、Ｙ軸駆動系１３によって位置決めされる。工作機械２に備えられる３つの送り駆動系には、第１の送り駆動系であるＸ軸駆動系１２と、第１の送り駆動系を位置決めする第２の送り駆動系であるＹ軸駆動系１３とが含まれる。工作機械２における第１の変形量には、主軸駆動系１１に生じる変形量のほかに、第１の送り駆動系の発熱に起因して第１の送り駆動系に生じる変形量が含まれる。すなわち、第１の変形量には、Ｘ軸駆動系１２の発熱に起因してＸ軸駆動系１２に生じる変形量が含まれる。熱変位量算出部２３は、式（４）に示される構成情報を用いた座標変換によって、Ｘ軸駆動系１２の位置と、第２の送り駆動系であるＹ軸駆動系１３の幾何誤差とに応じて、第１の変形量を熱変位量に変換する。制御装置３は、第２の送り駆動系の幾何誤差を加味しながら第１の送り駆動系の位置に応じた座標変換を行うことで、第１の送り駆動系に生じた変形量を、工具３５およびワーク３６の間の熱変位量へ正確に変換することができる。
実施の形態１において、熱変位量算出部２３は、駆動系の発熱に起因する駆動系の熱変形量を工具３５とワーク３６との間の熱変位量に変換する。これにより、制御装置３は、駆動系の発熱に起因する熱変位を高精度に補正することができる。工作機械システム１は、駆動系の発熱に起因する加工誤差を低減できる。
上記説明では、工作機械システム１は、３軸の直線送り駆動系を有する工作機械２を備えるものとし、その運動学的な構成は図４に示されるものとした。工作機械システム１に備えられる工作機械は、上記の工作機械２に限定されない。次に、工作機械システム１に備えられる工作機械の変形例を説明する。
図５は、実施の形態１の変形例１にかかる工作機械２Ａの外観を模式的に示す図である。工作機械２Ａは、２軸の直線送り駆動系を有する旋盤である。工作機械２Ａは、工具３５とワーク３６とを互いに相対的に動作させるＸ軸駆動系１２およびＺ軸駆動系１４と、ワーク３６を回転させる主軸駆動系１１とを備える。ワーク３６は、主軸３４に取り付けられる。工作機械２Ａは、構造部材であるベッド３０を備える。
工作機械２Ａは、Ｘ軸駆動系１２およびＺ軸駆動系１４によりＸ軸方向およびＺ軸方向へ工具３５を移動させる。図５において、「Ｘ」と付した両矢印は、Ｘ軸駆動系１２の駆動方向を表す。「Ｚ」と付した両矢印は、Ｚ軸駆動系１４の駆動方向を表す。工作機械２ＡのＸ軸駆動系１２およびＺ軸駆動系１４の図示は省略する。図５では、主軸駆動系１１のうち主軸３４のみを示す。
図６は、実施の形態１の変形例１にかかる工作機械２Ａの運動学的な構成情報について説明するための図である。図６において、「Machine tool bed」は、ベッド３０を表す。「X axis」は、Ｘ軸駆動系１２を表す。「Z axis」は、Ｚ軸駆動系１４を表す。「Spindle」は、主軸駆動系１１を表す。「Tool」は、Ｘ軸駆動系１２に取り付けられている工具３５を表す。「Workpiece」は、主軸３４に取り付けられているワーク３６を表す。
図６には、構造部材であるベッド３０と、駆動系である主軸駆動系１１、Ｘ軸駆動系１２、およびＺ軸駆動系１４との連結の態様を模式的に表している。図６は、工具３５とワーク３６との間における運動学的な連結関係を表現したものともいえる。図６には、ベッド３０に対する主軸駆動系１１の位置が固定であること、工具３５がＸ軸駆動系１２によって位置決めされること、および、Ｘ軸駆動系１２がＺ軸駆動系１４によって位置決めされることが示されている。
工作機械２Ａにおいて、Ｘ軸駆動系１２は、Ｚ軸駆動系１４によって位置決めされる。工作機械２Ａに備えられる２つの送り駆動系には、第１の送り駆動系であるＸ軸駆動系１２と、第１の送り駆動系を位置決めする第２の送り駆動系であるＺ軸駆動系１４とが含まれる。
熱変位量算出部２３は、工作機械システム１に工作機械２Ａが備えられる場合も、工作機械２の場合と同じ要領により、熱変位量算出部２３は、駆動系の発熱に起因する駆動系の熱変形量を工具３５とワーク３６との間の熱変位量に変換する。熱変位量算出部２３は、工作機械２の場合と同じ要領の座標変換によって、Ｘ軸駆動系１２の位置と、第２の送り駆動系であるＺ軸駆動系１４の幾何誤差とに応じて、第１の変形量を熱変位量に変換する。制御装置３は、工作機械システム１に工作機械２Ａが備えられる場合も、駆動系の発熱に起因する熱変位を高精度に補正することができる。
図７は、実施の形態１の変形例２にかかる工作機械２Ｂの外観を模式的に示す図である。工作機械２Ｂは、３軸の直線送り駆動系と２軸の回転送り駆動系とを有する。工作機械２Ｂは、工具３５とワーク３６とを互いに相対的に動作させるＸ軸駆動系１２、Ｙ軸駆動系１３、Ｚ軸駆動系１４、Ａ軸駆動系、およびＣ軸駆動系と、工具３５を回転させる主軸駆動系１１とを備える。工具３５は、主軸３４に取り付けられる。ワーク３６は、テーブル３２に固定される。ベッド３０、テーブル３２、およびヘッド３３の各々は、構造部材である。
工作機械２Ｂは、Ｘ軸駆動系１２、Ｙ軸駆動系１３およびＺ軸駆動系１４により、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向へ工具３５を移動させる。工作機械２Ｂは、Ａ軸駆動系によりＡ軸方向へテーブル３２を回転させる。Ａ軸方向は、Ａ軸を中心に回転する方向である。Ａ軸は、Ｘ軸方向に平行な軸である。工作機械２Ｂは、Ｃ軸駆動系によりＣ軸方向へテーブル３２を回転させる。Ｃ軸方向は、Ｃ軸を中心に回転する方向である。Ｃ軸は、Ｚ軸方向に平行な軸である。図７において、「Ｘ」と付した両矢印は、Ｘ軸駆動系１２の駆動方向を表す。「Ｙ」と付した両矢印は、Ｙ軸駆動系１３の駆動方向を表す。「Ｚ」と付した両矢印は、Ｚ軸駆動系１４の駆動方向を表す。「Ａ」と付した両矢印は、Ａ軸駆動系の駆動方向を表す。「Ｃ」と付した両矢印は、Ｃ軸駆動系の駆動方向を表す。工作機械２ＢのＸ軸駆動系１２、Ｙ軸駆動系１３、Ｚ軸駆動系１４、Ａ軸駆動系、およびＣ軸駆動系の図示は省略する。図７では、主軸駆動系１１のうち主軸３４のみを示す。
図８は、実施の形態１の変形例２にかかる工作機械２Ｂの運動学的な構成情報について説明するための図である。図８において、「Machine tool bed」は、ベッド３０を表す。「X axis」は、Ｘ軸駆動系１２を表す。「Y axis」は、Ｙ軸駆動系１３を表す。「Z axis」は、Ｚ軸駆動系１４を表す。「A axis」は、Ａ軸駆動系を表す。「C axis」は、Ｃ軸駆動系を表す。「Spindle」は、主軸駆動系１１を表す。「Tool」は、主軸３４に取り付けられている工具３５を表す。「Workpiece」は、テーブル３２に固定されているワーク３６を表す。
図８には、構造部材であるベッド３０と、駆動系である主軸駆動系１１、Ｘ軸駆動系１２、Ｙ軸駆動系１３、Ｚ軸駆動系１４、Ａ軸駆動系、およびＣ軸駆動系との連結の態様を模式的に表している。図８は、工具３５とワーク３６との間における運動学的な連結関係を表現したものともいえる。図８には、主軸駆動系１１がＺ軸駆動系１４によって位置決めされること、Ｚ軸駆動系１４がＹ軸駆動系１３によって位置決めされること、および、Ｙ軸駆動系１３がＸ軸駆動系１２によって位置決めされることが示されている。また、図８には、ワーク３６の姿勢がＣ軸駆動系によって決められること、および、Ｃ軸駆動系の姿勢がＡ軸駆動系によって決められることが示されている。
工作機械システム１に工作機械２Ｂが備えられる場合、熱変位量算出部２３は、工作機械２の場合における座標変換にＡ軸駆動系およびＣ軸駆動系についての変換を追加して、第１の変形量を熱変位量へ変換する。熱変位量算出部２３は、回転送り駆動系であるＡ軸駆動系によって与えられる角度と、回転送り駆動系であるＣ軸駆動系によって与えられる角度とに応じて、第１の変形量を熱変位量へ変換する。これにより、熱変位量算出部２３は、回転送り駆動系によって与えられる角度に応じて、駆動系の熱変形量を工具３５およびワーク３６の間の熱変位量に変換する。制御装置３は、工作機械システム１に工作機械２Ｂが備えられる場合も、駆動系の発熱に起因する熱変位を高精度に補正することができる。
工作機械システム１に備えられる工作機械は、実施の形態１で説明する工作機械２，２Ａ，２Ｂに限定されない。工作機械システム１に備えられる工作機械は、工具３５とワーク３６とを互いに相対的に動作させる１または複数の送り駆動系と、工具３５またはワーク３６を回転させる主軸駆動系とを備えるものであれば良い。
次に、工作機械システム１の動作手順について説明する。図９は、実施の形態１にかかる工作機械システム１の動作手順の例を示すフローチャートである。ここでは、工作機械システム１には、図１および図２に示す工作機械２が備えられているものとする。
ステップＳ１において、工作機械２は、ワーク３６を加工する。ステップＳ２において、第１の変形量推定部２１は、運転情報と温度情報との少なくとも一方を第１の変形量推定モデルへ入力することによって、第１の変形量を算出する。第１の変形量推定部２１は、駆動系の状態量を表す運転情報と駆動系の温度を示す温度情報との少なくとも一方を第１の変形量推定モデルへ入力する。
ステップＳ３において、第２の変形量推定部２２は、温度情報を第２の変形量推定モデルへ入力することによって、第２の変形量を算出する。第２の変形量推定部２２は、構造部材の温度を示す温度情報を第２の変形量推定モデルへ入力する。
ステップＳ４において、熱変位量算出部２３は、ステップＳ２において算出された第１の変形量を、工具３５とワーク３６との間の相対的な変位量である熱変位量に変換する。熱変位量算出部２３は、工作機械２の運動学的な構成情報を用いて、第１の変形量を熱変位量に変換する。
ステップＳ５において、熱変位量算出部２３は、ステップＳ４により得られた熱変位量に、ステップＳ３において算出された第２の変形量を合成する。これにより、熱変位量算出部２３は、第２の変形量が合成された熱変位量を算出する。
ステップＳ６において、補正指令生成部２５は、算出された熱変位量に基づいて指令位置を補正させる補正指令を生成する。補正指令生成部２５は、生成された補正指令を制御部２６へ出力する。制御部２６は、各駆動系の指令位置を、補正指令に基づいて補正する。制御部２６は、指令位置が補正された指令を各駆動系へ出力する。
図１に示す工作機械システム１では、制御装置３に接続される工作機械２は１つである。工作機械システム１において、制御装置３には、複数の工作機械２が接続されても良い。この場合、制御装置３は、複数の工作機械２を制御する。制御装置３は、複数の工作機械２の各々における熱変位を高精度に補正することができる。なお、互いに同一の機種である複数の工作機械２を備える生産ラインでは、生産ラインの全ての工作機械２を１つの制御装置３により制御することとしても良い。工作機械システム１は、生産ラインの全ての工作機械２を１つの制御装置３により制御することで、生産ラインの各工作機械２における熱変位を高精度に補正することができる。
実施の形態１によると、制御装置３は、駆動系の状態量を表す運転情報と駆動系の温度を示す温度情報との少なくとも一方を第１の変形量推定モデルへ入力することによって第１の変形量を算出する第１の変形量推定部２１と、工作機械２の運動学的な構成情報を用いて、第１の変形量を熱変位量に変換する熱変位量算出部２３とを備える。制御装置３は、駆動系の発熱に起因する熱変位を高精度に補正することができる。これにより、制御装置３は、熱変位を高精度に補正することができるという効果を奏する。工作機械システム１は、駆動系の発熱に起因する加工誤差を低減できる。
また、制御装置３は、構造部材の温度を示す温度情報を第２の変形量推定モデルへ入力することによって第２の変形量を算出する第２の変形量推定部２２を備える。熱変位量算出部２３は、第１の変形量から変換された熱変位量に第２の変形量を合成する。制御装置３は、駆動系の発熱に起因する熱変位と環境の温度変化に起因する熱変位との各々を、変形量推定モデルに基づいて推定して、熱変位量を算出する。これにより、制御装置３は、熱変位量を高い精度で推定可能とし、熱変位を高精度に補正することができる。工作機械システム１は、駆動系の発熱に起因する加工誤差と環境の温度変化に起因する加工誤差とを高い精度で補正することができる。
上記説明では、制御装置３は、変形量推定モデル記憶部２０に記憶されている変形量推定モデルを使用して熱変形量を算出することとした。制御装置３は、制御装置３の外部の装置から読み出された変形量推定モデルを使用して熱変形量を算出することとしても良い。次に、制御装置３の外部の装置から読み出された変形量推定モデルが使用される場合の例について説明する。
図１０は、実施の形態１の変形例にかかる工作機械システム１Ａの構成例を示すブロック図である。工作機械システム１Ａは、工作機械２と、数値制御装置である制御装置３Ａと、記憶装置４とを備える。制御装置３Ａは、工作機械２を制御する。記憶装置４は、制御装置３Ａの外部の装置である。なお、図１０には、工作機械システム１Ａには工作機械２が備えられる例を示すが、工作機械２以外の工作機械が備えられても良い。図１０に示す工作機械システム１Ａでは、制御装置３Ａには１つの工作機械２が接続されるものとしたが、制御装置３Ａには複数の工作機械２が接続されても良い。
制御装置３Ａは、変形量推定モデル記憶部２０が省かれ、かつ変形量推定モデル取得部２７を有する点が、図１に示す制御装置３とは異なる。記憶装置４は、複数の変形量推定モデルを記憶する。工作機械２と制御装置３Ａとは、互いに通信可能に接続されている。制御装置３Ａと記憶装置４とは、互いに通信可能に接続されている。記憶装置４は、ネットワークを介して制御装置３Ａに接続されても良い。ネットワークは、例えば、インターネットなどのＷＡＮ（Wide Area Network）であるが、ＬＡＮ（Local Area Network）であっても良い。記憶装置４は、クラウド環境に構築されたサーバによって構成されても良い。
変形量推定モデル取得部２７は、記憶装置４に記憶されている複数の変形量推定モデルの中から、第１の変形量推定モデルとして使用する変形量推定モデルと、第２の変形量推定モデルとして使用する変形量推定モデルとを選択する。変形量推定モデル取得部２７は、選択されたこれらの変形量推定モデルを記憶装置４から読み出す。これにより、変形量推定モデル取得部２７は、第１の変形量推定モデルと第２の変形量推定モデルとを取得する。変形量推定モデル取得部２７は、取得された第１の変形量推定モデルを第１の変形量推定部２１へ出力する。変形量推定モデル取得部２７は、取得された第２の変形量推定モデルを第２の変形量推定部２２へ出力する。
制御装置３Ａは、第１の変形量推定モデルとして使用する変形量推定モデルを、工作機械２における各駆動系の駆動パターンに応じて切り換えることができる。制御装置３Ａは、駆動パターンに適した第１の変形量推定モデルを使用して第１の変形量を算出することができる。これにより、制御装置３Ａは、駆動系の発熱に起因する熱変位を高精度に補正することができる。
制御装置３Ａは、第２の変形量推定モデルとして使用する変形量推定モデルを、工作機械２が設置されている環境に応じて切り換えることができる。制御装置３Ａは、環境に適した第２の変形量推定モデルを使用して第２の変形量を算出することができる。これにより、制御装置３Ａは、環境の温度変化に起因する熱変位を高精度に補正することができる。制御装置３Ａに複数の工作機械２が接続される場合、複数の工作機械２の各々では、工作機械２が設置されている環境に応じた変形量推定モデルを、第２の変形量推定モデルとして使用することとしても良い。これにより、制御装置３Ａは、複数の工作機械２の各々における熱変位を高精度に補正することができる。
次に、実施の形態１にかかる制御装置３を実現するハードウェア構成について説明する。制御装置３は、処理回路により実現される。処理回路は、プロセッサがソフトウェアを実行する回路であっても良いし、専用の回路であっても良い。制御装置３Ａを実現するハードウェア構成も、制御装置３Ａを実現するハードウェア構成と同様であるものとする。
処理回路がソフトウェアにより実現される場合、処理回路は、例えば、図１１に示す制御回路５０である。図１１は、実施の形態１にかかる制御回路５０の構成例を示す図である。制御回路５０は、入力部５１、プロセッサ５２、メモリ５３、および出力部５４を備える。入力部５１は、制御回路５０の外部から入力されたデータを受信してプロセッサ５２に与えるインターフェース回路である。出力部５４は、プロセッサ５２またはメモリ５３からのデータを制御回路５０の外部に送るインターフェース回路である。
処理回路が図１１に示す制御回路５０である場合、制御装置３は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ５３に格納される。処理回路は、メモリ５３に記憶されたプログラムをプロセッサ５２が読み出して実行することにより、制御装置３の各機能を実現する。すなわち、処理回路は、制御装置３の処理が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ５３を備える。また、これらのプログラムは、制御装置３の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。
プロセッサ５２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。プロセッサ５２は、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰでも良い。メモリ５３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスクまたはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等が該当する。
制御装置３の処理部である、第１の変形量推定部２１、第２の変形量推定部２２、補正指令生成部２５、および制御部２６は、プロセッサ５２およびメモリ５３により実現される。制御装置３の記憶部である、変形量推定モデル記憶部２０および構成情報記憶部２４は、メモリ５３により実現される。
図１１は、制御装置３の処理部を汎用のプロセッサ５２およびメモリ５３により実現する場合のハードウェアの例であるが、制御装置３の処理部は、専用のハードウェア回路により実現されても良い。図１２は、実施の形態１にかかる専用のハードウェア回路５５の構成例を示す図である。
専用のハードウェア回路５５は、入力部５１、出力部５４、および処理回路５６を備える。処理回路５６は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせた回路である。制御装置３の各機能を機能別に処理回路５６で実現しても良いし、各機能をまとめて処理回路５６で実現しても良い。なお、制御装置３は、制御回路５０とハードウェア回路５５とが組み合わされて実現されても良い。
なお、図１０に示す制御装置３Ａの処理部である、第１の変形量推定部２１、第２の変形量推定部２２、補正指令生成部２５、制御部２６、および変形量推定モデル取得部２７は、プロセッサ５２およびメモリ５３により実現される。制御装置３Ａの記憶部である構成情報記憶部２４は、メモリ５３により実現される。図１０に示す記憶装置４は、図１１に例示するハードウェア構成と同様のハードウェア構成、または、図１２に例示するハードウェア構成と同様のハードウェア構成により実現される。
以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。
１，１Ａ 工作機械システム、２，２Ａ，２Ｂ 工作機械、３，３Ａ 制御装置、４ 記憶装置、１０ 温度センサ、１１ 主軸駆動系、１２ Ｘ軸駆動系、１３ Ｙ軸駆動系、１４ Ｚ軸駆動系、２０ 変形量推定モデル記憶部、２１ 第１の変形量推定部、２２ 第２の変形量推定部、２３ 熱変位量算出部、２４ 構成情報記憶部、２５ 補正指令生成部、２６ 制御部、２７ 変形量推定モデル取得部、３０ ベッド、３１ コラム、３２ テーブル、３３ ヘッド、３４ 主軸、３５ 工具、３６ ワーク、５０ 制御回路、５１ 入力部、５２ プロセッサ、５３ メモリ、５４ 出力部、５５ ハードウェア回路、５６ 処理回路。

Claims (11)

  1. 工具とワークとを互いに相対的に動作させる１または複数の送り駆動系と、前記工具または前記ワークを回転させる主軸駆動系とを備える工作機械を制御する制御装置であって、
    前記送り駆動系および前記主軸駆動系のうちの少なくとも１つである駆動系の発熱に起因する前記駆動系の変形量である第１の変形量を、前記駆動系の状態量を表す運転情報と前記駆動系の温度を示す温度情報との少なくとも一方を第１の変形量推定モデルへ入力することによって算出する第１の変形量推定部と、
    前記工作機械の運動学的な構成情報を用いて、前記第１の変形量を、前記工具と前記ワークとの間の相対的な変位量である熱変位量に変換する熱変位量算出部と、
    前記送り駆動系へ指令される位置を前記熱変位量に基づいて補正させる補正指令を生成する補正指令生成部と、を備え、
    前記熱変位量算出部は、前記駆動系の位置と、前記工作機械のうち前記駆動系を位置決めさせる別の送り駆動系の幾何誤差とに応じて、前記第１の変形量を前記熱変位量に変換し、
    前記工作機械の運動学的な構成情報は、前記工作機械における前記工具に固定された座標系である工具座標系から前記工作機械における前記ワークに固定された座標系であるワーク座標系への座標変換を表し、
    前記別の送り駆動系の幾何誤差は、前記別の送り駆動系の位置と前記別の送り駆動系の温度とに依存する誤差である
    ことを特徴とする制御装置。
  2. １または複数の前記送り駆動系の少なくとも１つによって前記主軸駆動系が位置決めされ、
    前記第１の変形量は、前記主軸駆動系の発熱に起因して前記主軸駆動系に生じる変形量であって、
    前記熱変位量算出部は、前記主軸駆動系の位置と、前記主軸駆動系を位置決めさせる前記送り駆動系の幾何誤差とに応じて、前記第１の変形量を前記熱変位量に変換する
    ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
  3. 前記工作機械は、第１の送り駆動系と、前記第１の送り駆動系を位置決めする第２の送り駆動系とを含む複数の前記送り駆動系を備え、
    前記第１の変形量は、前記第１の送り駆動系の発熱に起因して前記第１の送り駆動系に生じる変形量であって、
    前記熱変位量算出部は、前記第１の送り駆動系の位置と、前記第２の送り駆動系の幾何誤差とに応じて、前記第１の変形量を前記熱変位量に変換する
    ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
  4. １または複数の前記送り駆動系には、前記工具と前記ワークとを互いに相対的に回転動作させる前記送り駆動系である回転送り駆動系が含まれており、
    前記熱変位量算出部は、前記回転送り駆動系によって与えられる角度に応じて、前記第１の変形量を前記熱変位量に変換する
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の制御装置。
  5. 前記工作機械の構成要素のうち前記送り駆動系および前記主軸駆動系以外の構成要素である構造部材の温度を示す温度情報を第２の変形量推定モデルへ入力することによって、前記工作機械が設置されている環境の温度変化に起因する前記構造部材の変形量である第２の変形量を算出する第２の変形量推定部を備え、
    前記熱変位量算出部は、前記第１の変形量から変換された前記熱変位量に前記第２の変形量を合成し、
    前記補正指令生成部は、前記送り駆動系へ指令される位置を、前記第２の変形量が合成された前記熱変位量に基づいて補正させる前記補正指令を生成する
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の制御装置。
  6. 前記第１の変形量推定モデルと前記第２の変形量推定モデルとの少なくとも一方は、ニューラルネットワークモデルである
    ことを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
  7. 前記第１の変形量推定モデルと前記第２の変形量推定モデルとの少なくとも一方は、時系列信号を入力とする計算式、または、入力情報の時間遅れ項が含まれる回帰モデルである
    ことを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
  8. 工具とワークとを互いに相対的に動作させる１または複数の送り駆動系と、前記工具または前記ワークを回転させる主軸駆動系とを備える工作機械と、
    前記工作機械を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記送り駆動系および前記主軸駆動系のうちの少なくとも１つである駆動系の発熱に起因する前記駆動系の変形量である第１の変形量を、前記駆動系のサーボ制御に関わる前記駆動系の状態量を表す運転情報と前記駆動系の温度を示す温度情報との少なくとも一方を第１の変形量推定モデルへ入力することによって算出する第１の変形量推定部と、
    前記工作機械の運動学的な構成情報を用いて、前記第１の変形量を、前記工具と前記ワークとの間の相対的な変位量である熱変位量に変換する熱変位量算出部と、
    前記送り駆動系へ指令される位置を前記熱変位量に基づいて補正させる補正指令を生成する補正指令生成部と、を備え、
    前記熱変位量算出部は、前記駆動系の位置と、前記工作機械のうち前記駆動系を位置決めさせる別の送り駆動系の幾何誤差とに応じて、前記第１の変形量を前記熱変位量に変換し、
    前記工作機械の運動学的な構成情報は、前記工作機械における前記工具に固定された座標系である工具座標系から前記工作機械における前記ワークに固定された座標系であるワーク座標系への座標変換を表し、
    前記別の送り駆動系の幾何誤差は、前記別の送り駆動系の位置と前記別の送り駆動系の温度とに依存する誤差である
    ことを特徴とする工作機械システム。
  9. 前記制御装置は、
    前記工作機械の構成要素のうち前記送り駆動系および前記主軸駆動系以外である構造部材の温度を示す温度情報を第２の変形量推定モデルへ入力することによって、前記工作機械が設置されている環境の温度変化に起因する前記構造部材の変形量である第２の変形量を算出する第２の変形量推定部を備え、
    前記熱変位量算出部は、前記第１の変形量から変換された熱変位量に前記第２の変形量を合成し、
    前記補正指令生成部は、前記送り駆動系へ指令される位置を、前記第２の変形量が合成された前記熱変位量に基づいて補正させる前記補正指令を生成する
    ことを特徴とする請求項８に記載の工作機械システム。
  10. 複数の変形量推定モデルを記憶する記憶装置を備え、
    前記第１の変形量推定モデルと前記第２の変形量推定モデルとの少なくとも一方が、複数の前記変形量推定モデルの中から選択された前記変形量推定モデルである
    ことを特徴とする請求項９に記載の工作機械システム。
  11. 工具とワークとを互いに相対的に動作させる１または複数の送り駆動系と、前記工具または前記ワークを回転させる主軸駆動系とを備える工作機械によって、前記ワークを加工するステップと、
    前記送り駆動系および前記主軸駆動系のうちの少なくとも１つである駆動系の発熱に起因する前記駆動系の変形量である第１の変形量を、前記駆動系の状態量を表す運転情報と前記駆動系の温度を示す温度情報との少なくとも一方を第１の変形量推定モデルへ入力することによって算出するステップと、
    前記工作機械の運動学的な構成情報を用いて、前記第１の変形量を、前記駆動系の位置と、前記工作機械のうち前記駆動系を位置決めさせる別の送り駆動系の幾何誤差とに応じて、前記工具と前記ワークとの間の相対的な変位量である熱変位量に変換するステップと、
    前記送り駆動系へ指令される位置を前記熱変位量に基づいて補正させる補正指令を生成するステップと、を含み、
    前記工作機械の運動学的な構成情報は、前記工作機械における前記工具に固定された座標系である工具座標系から前記工作機械における前記ワークに固定された座標系であるワーク座標系への座標変換を表し、
    前記別の送り駆動系の幾何誤差は、前記別の送り駆動系の位置と前記別の送り駆動系の温度とに依存する誤差である
    ことを特徴とする加工方法。
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