JPH0639682A

JPH0639682A - 工作機械の姿勢制御方法及びその装置

Info

Publication number: JPH0639682A
Application number: JP9366993A
Authority: JP
Inventors: Hajime Sakuraba; 肇櫻庭; Yasunori Segawa; 保則瀬川
Original assignee: Hitachi Seiki Co Ltd
Current assignee: Hitachi Seiki Co Ltd
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1994-02-15

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】熱変形による工作機械のテーブルに対する主軸
の微小な傾きを演算予測して補正する。【構成】工作機械のテーブルに対する主軸の微小な傾き
を補正するための工作機械の姿勢制御装置において、主
軸の傾きを補正するときの補正誤差を最小にするために
前記主軸の傾きを補正するときの傾き入力がＡ、その傾
き入力Ａの結果である主軸補正応答をＢ、補正機能の時
定数をτとしたとき、（式）の一時遅れ要素の式を満足するように制御する。この制
御を補正熱源へ熱量を与えることにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の姿勢制御方
法及びその装置に関する。更に詳しくは、工作機械のテ
ーブルに対する主軸軸線の微小な傾きを補正するための
工作機械の姿勢制御方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マシニングセンタ等工作機械の主軸端の
Ｚ軸方向の伸びの補正、又は静止状態での主軸軸線とテ
ーブル上面との間の直角度の補正、すなわち工作機械の
主軸の姿勢制御技術については種々の提案がなされてい
る。例えば、縦型マシニングセンタのコラムに面状の加
熱・冷却体を貼付けて、この加熱・冷却体ごとにゾーン
を分けて、各ゾーン毎に加熱又は冷却してコラムを変形
させて主軸ヘッドの姿勢を制御するものが提案されてい
る。また、この提案では各ゾーン毎に変形センサを配置
して変形量を検知している。

【０００３】しかし、この方法は、加熱・冷却体、コラ
ム上下の間を熱的に遮断するための冷却管、変形センサ
を用いて、かつこれらを制御するための特殊な制御方法
及び制御装置が必要であり、かなり複雑で、その効果も
不明である。そのため、工作機械における安価で高精度
な主軸軸線の姿勢制御装置の開発が要求されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、以上のよ
うな背景で発明されたものであり、次の目的を達成する
ものである。

【０００５】この発明の目的は、熱変形による工作機械
のテーブルに対する主軸軸線の微小な傾きを演算予測し
てこれを補正するための工作機械の姿勢制御方法及びそ
の装置を提供することにある。

【０００６】この発明の他の目的は、工作機械のテーブ
ルに対する主軸軸線の微小な傾きを積極的に変更・維持
するための工作機械の姿勢制御方法及びその装置を提供
することにある。

【０００７】

【前記課題を解決するための手段及び作用】本発明は、
前記課題を解決するために次の手段を採用する。

【０００８】第１の方法は、工作機械のテーブルに対す
る主軸の微小な傾きを補正するための工作機械の姿勢制
御装置において、前記主軸の傾きを補正するときの補正
誤差を最小にするために前記主軸の傾きを補正するとき
の傾き入力がＡ、その傾き入力Ａの結果である主軸補正
応答をＢ、補正機能の時定数をτとしたとき、

【０００９】

【数２】の一時遅れ要素の式を満足するように制御する
ことを特徴とする工作機械の姿勢制御方法である。

【００１０】第２の方法は、工作機械のテーブルに対す
る主軸の微小な傾きを補正するための補正熱源を主軸頭
に設け、この補正熱源に熱量を与えて制御する工作機械
の姿勢制御装置において、主軸傾きの変化を、有限要素
法による距離Ｌを有する節点変位の代表値Ｕ_aとＵ_bを
用い、Ｕ_aとＵ_bの値をそれぞれ座標の横軸、縦軸とし
て表現したとき、傾き４５度の直線が縦軸を横切る切片
をδ、補正熱源で与えた単位熱量が主軸傾きに与える影
響をδ_iとすれば、補正熱源によって主軸に傾きθを与
える適切な熱量Ｑは、

【００１１】

【数３】であることを特徴とする工作機械の姿勢制御方
法である。

【００１２】前記方法は、工作機械のテーブルに対する
主軸の微小な傾きを補正するための工作機械の姿勢制御
装置において、工具又は工作物を取り付けて回転させる
主軸を備えている主軸頭と、前記主軸頭を保持するため
の支持部材と、前記主軸頭と前記支持部材との間に介在
された断熱部材と、前記支持部材の少なくとも一面に配
置された補正熱源とからなる工作機械の姿勢制御装置で
実現する。

【００１３】更に、前記姿勢制御装置において、前記支
持部材に与えられる前記補正熱源の補正熱量は、前記補
正熱源へ供給する電力について定電圧による電流オン・
オフ制御のオン頻度で定める方法で制御しても良い。

【００１４】更に、前記補正熱源を２つ以上用いて、２
つの補正熱源により予め前記主軸頭を加熱し飽和変形に
到達させた状態から一方の補正熱源に＋Ｑの加熱操作を
施し他方の補正熱源に−Ｑの加熱操作を施すようにして
もよい。

【００１５】

【本発明の原理】図１は、一般的構造を持つ縦型マシニ
ングセンタの高速回転時の主軸頭の表面温度分布の例を
模擬的に示す。主軸１は、主軸頭２内の位置ａ，ｂ，ｃ
でそれぞれ軸受により支持されている。主軸頭２は移動
台３と一体化されている。軸受位置ａ，ｂの外周にはジ
ャケット（図示せず）が形成されており、このジャケッ
トに冷却油が流されているので、軸受位置ａ，ｂにおけ
る軸受の発熱は機外に除去される。軸受位置ｃの外周は
ジャケット冷却されていない。

【００１６】図１は、軸受位置ａ，ｂに５００ｋｃａｌ
／ｈ、軸受位置ｃに２００ｋｃａｌ／ｈの発熱を想定
し、かつ軸受位置ａ，ｂの周辺はジャケット冷却より温
度上昇が無いものとして、計算により求めた温度分布を
１℃間隔の等温線で図示したものである。冷却を行って
いない軸受位置ｃからの発熱が主軸頭２に拡散している
様子が読み取れる。この熱の影響で主軸１に傾きが発生
する。

【００１７】主軸頭２が支持部材４で支持され、支持部
材４はコラムに設けられた案内面に沿って上下動自在に
支持されている移動台３と一体化されている構造を持
つ。図２は主軸頭２および支持部材４の表面温度分布を
示す。主軸頭２と支持部材４との間には、断熱部材５が
介在されている。

【００１８】図２は、図１と同様に、軸受位置ａ，ｂに
５００ｋｃａｌ／ｈ、軸受位置ｃに２００ｋｃａｌ／ｈ
の発熱を想定し、軸受位置ａ，ｂの周辺はジャケット冷
却により温度上昇が無いものとして、計算により求め
た。温度分布を１℃間隔の等温線で図示したものであ
る。冷却を行っていない軸受位置ｃからの発熱が主軸頭
２に拡散するが、断熱部材５により支持部材４に影響が
少ないことが理解される。

【００１９】主軸１がＯｒｐｍ、すなわち回転停止から
高速回転を開始した際の２０分毎の変形挙動を図３に示
す。図４には、図３における主軸１に固定したテストバ
ー７の位置の機械Ｙ軸方向の経時変化を、元位置
（Ｙ₁）と先位置（Ｙ₂）に付いて表している。同図か
らテストバー７は時間の経過と共に複雑に変化している
ことがわかる。

【００２０】しかし、現実の熱変形は、主軸の回転と休
止と混在することによって生じる変形挙動になる。図５
は主軸１が５０分間連続高速回転した後、１０分間休止
した際に、休止期間に主軸軸線が変化する様子を示した
ものである。運転１サイクルの主軸傾きの変化を図６に
示す。

【００２１】このように機械の稼働時には通常主軸の傾
きが連続的に変化しており、姿勢制御では時々刻々の対
応が要求される。姿勢制御機能の一つは主軸が回転する
ことによって生じる主軸傾きを高精度に補正するもので
あり、さらに機能が作用した結果は、主軸傾きを積極的
に変更し、その傾きを維持することを意図している。

【００２２】

【実施例１】以下、本発明の第１実施例を図面にしたが
って説明する。図７は第１実施例の主軸頭の強制熱変形
手段の概要を示す例である。主軸１は、回転自在に軸受
位置ａ，ｂ，ｃにより主軸頭２内で支持されている。主
軸頭２は、上下動の自在の移動台３と一体の支持部材４
で支持されている。支持部材４には、断面が半割り状の
ハウジング４ａが一体に形成されている。主軸頭２と支
持部材４との間には、断熱部材（図示せず）が介在され
ており、ジャケット冷却の機構は施されていない。この
ような構造は、実公昭３−９９６５号公報などで公知な
ので詳細な構造の説明は省略する。

【００２３】支持部材４の上部には、補正熱源６が取り
付けられている。補正熱源６は、主軸１のＺ軸方向の軸
線とテーブル上面との直角度を補正するための加熱手段
である。具体的には、図７におけるテストバー７の間の
Ｙ₁とＹ₂の差を補正するものである。Ｙ₁，Ｙ₂は、
主軸１に固定したテストバー７の３００ｍｍ離れた２点
を測定した。結局、補正熱源６は、主軸１の傾きを意味
するＹ₁とＹ₂の差を制御するためのものである。

【００２４】補正熱源６の機構上の定格出力は固定であ
り、補正熱量はＯＮ時間とＯＦＦ時間で構成される周期
Ｓに占めるＯＮ時間の比、すなわちデューティで設定さ
れる（図８参照）。主軸頭２の支持部材４の上部に設け
た補正熱源６による加熱・冷却の制御が機械構造に変形
を与える。図９は、その変形例を示す。

【００２５】図中の点線は、補正熱源６による冷却時の
主軸頭２の変形を示す。この例からわかる様に、ＯＮ／
ＯＦＦ制御では補正熱源６のＯＮ／ＯＦＦ作用そのもの
が主軸軸線の姿勢に悪影響を与える。機械構造の熱容量
が小さい時、ＯＮ／ＯＦＦ周期Ｓを長くすると、ＯＮ／
ＯＦＦの間隔が粗くなり機械構造に振動変形が生じる。
デューティが５０％の時の補正熱源６による振動変形の
大きさを同期が１０分のときと同期が２０分のときとで
比較したものを図１０に示す。

【００２６】この図１０から理解されるように、出力接
点の仕様あるいはデューティ変更の演算時間（熱変位補
正システムの演算１サイクル）が許す限り周期Ｓは短い
方が望ましい。

【００２７】主軸頭２の支持部材４の上部に設けた補正
熱源６による主軸傾き補正機能は、主軸頭２を熱変形さ
せて主軸傾きを修正することを意図したものである。そ
の時定数は与えた熱量に対する変形の遅れが小さいもの
が望ましい。図１１に示した応答遅れｇは、目標値であ
る入力に対する系の応答遅れを意味するものである。補
正機能の入力と応答の関係を一次遅れ要素の式で代表す
ると、

【００２８】

【数１】ただし、Ａ：主軸傾き入力、Ｂ：主軸補正応答、ｔ：経
過時間、τ：補正機能の時定数時間ｔを離散化して、図６の縦軸の値を入力として、す
なわち実際の主軸の傾きの値を入力として（１）式のＡ
に代入した繰り返し計算を行うと主軸補正応答Ｂを得
る。図１２は図６の主軸の傾き応答を示す。

【００２９】特に急激な熱変化が生じる初期における応
答に遅れが生じ易い。主軸傾きを何等かの手段で検出
（例えば、温度等）した結果を制御量（この場合は補正
熱量）にフィードバックする方式では、この誤差は避け
難い。図１２の図中で記号Ｂを付けた曲線は、主軸傾き
入力Ａに対して５分毎の応答量を計算したものであっ
て、応答遅れが多分に生じている。（１）式を用いた方
式では誤差の大きさから見て主軸傾きの姿勢制御ができ
ない。常時主軸補正応答Ｂを主軸傾きの入力Ａに近づけ
るために、（１）式を（２）式に変更する。

【００３０】

【数２】図６の主軸補正応答を（２）式で計算すると図
１３になる。（２）式を用いた計算結果はかなり良い主
軸補正応答値を与える。

【００３１】

【実施例２】図１４は、補正熱源６を支持部材４の下部
に配置した例である。補正熱源６を熱すると、支持部材
４の下部が伸びるので、主軸ａ傾きは後ろ倒れになる。

【００３２】

【実施例３】図１５は、支持部材４の上部に上部冷熱熱
源６ａ、下部に下部加熱熱源６ｂを配置した例である。
加熱と冷却の両方を行うので、効率的に主軸の傾きを制
御できる。

【００３３】

【実施例４】図１６は、第４実施例である。前記実施例
２では１個の加熱用の補正熱源６を配置したものであっ
たが第４実施例では２個の補正熱源６ｃ，６ｄを配置し
た例である。次に、２個の加熱式の補正熱源６ｃ，６ｄ
を採用したときの姿勢制御関数について述べる。

【００３４】姿勢制御関数主軸傾きの初期状態を保つばかりではなく、積極的にそ
の傾きを変化させようとするとき、目標とする主軸傾き
に対応して補正熱源で与えるべき補正熱量を決定しなけ
ればならない。この補正熱量の算出は補正熱源の単位熱
量が主軸姿勢に与える実測値を基に姿勢制御関数を用い
て行われる。以下、この姿勢制御関数について説明す
る。

【００３５】主軸傾きの変化の見積りは、ＦＥＭ（有限
要素法）により行った。主軸傾きの変化は、ＦＥＭにお
ける節点の変位、すなわち節点変位の代表値、Ｕ_a（主
軸下部）とＵ_b（主軸上部）を用いて表現できる。テー
ブルに対する主軸傾きの初期位置を傾き０とすると、Ｕ
_a，Ｕ_bを結ぶ線分の傾きが主軸傾きを現す。図１８に
おいて、Ｕ_aおよびＵ_bの値から定まる点Ｐ₀が、原点
を通る４５度勾配の直線上にある時は主軸に傾きが生じ
ていない。

【００３６】すなわち、Ｕ_a，Ｕ_bの値から定まる点Ｐ
₁を通る４５度傾きの直線がＵ_b軸と交わる値の傾きδ
が主軸の傾きを意味する。主軸の実傾きは、δを図１９
に示すＬで割ったδ／Ｌで表される。主軸傾きがδに設
定されると、点Ｐ₀が点Ｐ₁を位置目標として移動する
ように補正熱源を制御する必要がある。補正熱源（図１
６）の熱量が主軸の傾きに与える影響は実験的に求めら
れる（図１７参照）。

【００３７】例えば、図１９に示すようなＹ_aとＹ_bで
表されるコラム変形を補正するべく主軸傾きの設定方向
（前倒れまたは後倒れ）によって、補正熱源６ａ，６ｂ
（ヒータ）の操作を切り替える。主軸傾きの倒れ量設定
は、熱源のＯＮ／ＯＦＦの頻度（加熱強度）で行う。

【００３８】

【数３】補正熱源の単位熱量が主軸傾きに与える影響
は、図１７が示す直線の傾きであって、距離Ｌだけ離れ
た点Ｕ_aとＵ_bの変位の差をδ_iとすると、主軸に傾き
（ラジアン）を与える熱量は（３）式で示される。この
（３）式は、具体的に主軸に傾きθを与えるための補正
熱量を指示するものであり、姿勢を制御する関数であ
る。

【００３９】

【実施例５】図２０に示す補正熱源６ｃ，６ｄは、とも
に加熱を行う。この補正熱源６ｃ，６ｄにより予め一定
量の加熱を行い、主軸ヘッド２の熱変形を飽和させる。
この飽和状態を基準として、補正熱源６ｃに＋Ｑ
（Ｗ）、補正熱源６ｄに−Ｑ（Ｗ）の操作を施す。ある
いは、その逆の操作を施す。制御方向の正負な熱変形の
方向を検出して行う。

【００４０】このような飽和状態の熱変形時を基準とし
てどちらかの補正熱源６ｃまたは補正熱源６ｄの加熱量
を減らす制御を行うと、実施例１，３における冷却操作
に代替できる。このため、冷却装置が要らないのでコス
ト減を達成できる。また、傾き変形以外の熱変形である
Ｙ軸、Ｚ軸方向の単純変形を相殺してなくすことができ
る。このような利点は、補正熱源の個数を多くしてより
きめ細かい制御を行うことによりよく発揮される。

【００４１】実施例５を行ったときの熱変形の様子を図
２１、図２２、図２３に示す。これによると、傾き変形
飽和後は熱変形していない。これに対し前記実施例を行
った時の熱変形の様子を図２４、図２５、図２６に示す
が、この場合は傾き変形飽和後も熱変形を続けている。

【００４２】図２７は、実施例５の制御プログラムの概
要を示すフローチャートを示している。ステップＳ
₁で、ヒータ６ｃとヒータ６ｄにＰワットの一定量の加
熱を行う。ステップＳ₂で熱変形が飽和状態に達したか
どうかを判定し（Ｓ₃）、飽和状態に達しているなら加
工開始のステップＳ₄に進む。機温変化、機械各部熱変
形、主軸姿勢変化、機温を数量化したデータをチャート
外の演算処理部に送って、ステップＳ₄で将来の主軸姿
勢変化を予測し、ステップＳ₁₀で、姿勢制御すべき方向
と制御量を定め、ステップＳ₁₂で、ヒータ６ｃとヒータ
６ｄとにそれぞれに加える熱量Ｑワットと、それぞれの
熱量Ｑの正負を定める。

【００４３】ヒータ６ｃに追加する熱量をＱ₁とする
と、ヒータ６ｃの全発熱量は、Ｐ＋Ｑ₁となる。この場
合、ヒータ６ｄの全発熱量はＰ−Ｑ₁となる。従って、
熱変形の飽和時を基準としてみると、ヒータ６ｄは−Ｑ
₁の加熱、ヒータ６ｃは＋Ｑ₁の冷却を行うのと同等で
ある。与える熱量Ｑの増減は、公知のヒータパルスコン
トローラで行う。このような制御により熱変形飽和時の
主軸初期姿勢を加工完了まで維持する。この実施例５に
よると、冷却装置がいらないので、構造が簡素でありラ
ンニングコストも安価にすることができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明は、広く利用されているＦＥＭを
用いて時々刻々の主軸変形を予測し、主軸傾きを精度良
く目標値に一致させるために、変形遅れを見込んだ熱量
を主軸支持部に与える手法を採ることによって、主軸傾
きが精度良く制御可能になったことを基に、更に実験デ
ータを加味することによって、より積極的に主軸に傾き
を与えてそれを維持することを容易に可能にするもので
ある。

【００４５】これによって、低コストで高精度の工作機
械の主軸傾き制御が実現できることになり、構造変形を
用いた微小傾きの領域を開発することになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、高速回転時の縦型マシニングセンタの
主軸頭の温度分布を示す図である。

【図２】図２は、断熱材を介在させたときの縦型マシニ
ングセンタの主軸頭の温度分布を示す図である。

【図３】図３は、高速回転時の主軸頭の変形例を示す図
である。

【図４】図４は、図３の変形と時間との間の関係を示す
データである。

【図５】図５は、初期変形を示す図である。

【図６】図６は、運転１サイクルの主軸傾きの変化を示
す図である。

【図７】図７は、第１実施例を示す図である。

【図８】図８は、補正熱源の加熱方法を示すタイムチャ
ートである。

【図９】図９は、補正熱源（冷熱源）による主軸頭の変
形を示す図である。

【図１０】図１０は、補正熱源（冷熱源）のＯＮ／ＯＦ
Ｆによる振動を示す図である。

【図１１】図１１は、応答遅れを示す図である。

【図１２】図１２は、（１）式を用いた場合の主軸傾き
と補正誤差の関係を示す図である。

【図１３】図１３は、本発明による（２）式で計算した
ときの主軸傾きと補正誤差の関係を示す図である。

【図１４】図１４は、第２実施例を示す図である。

【図１５】図１５は、第３実施例を示す図である。

【図１６】図１６は、第４実施例を示す図である。

【図１７】図１７は、単位補正熱量の効果を示すベクト
ル図である。

【図１８】図１８は、補正熱源によって傾きθの直線に
近づく経路を示すベクトル図である。

【図１９】図１９は、コラムの変形と主軸傾きの補正と
の関係を示す図である。

【図２０】図２０は、第５実施例を示す図である。

【図２１】図２１は、第５実施例による主軸傾きと時間
の関係を示すデータである。

【図２２】図２２は、第５実施例によるＹ軸方向変位量
と時間の関係を示すデータである。

【図２３】図２３は、第５実施例によるＺ軸方向変位量
と時間の関係を示すデータである。

【図２４】図２４は、第５実施例以外の実施例による主
軸傾きと時間の関係を示すデータである。

【図２５】図２５は、第５実施例以外の実施例によるＹ
軸方向変位量と時間の関係を示すデータである。

【図２６】図２６は、第５実施例以外の実施例によるＺ
軸方向変位量と時間の関係を示すデータである。

【図２７】図２７は、第５実施例の制御プログラムのフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１…主軸２…主軸頭３…移動台４…主軸部材４ａ…ハウジング６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ…補正熱源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工作機械のテーブルに対する主軸の微小な
傾きを補正するための工作機械の姿勢制御装置におい
て、前記主軸の傾きを補正するときの補正誤差を最小にする
ために前記主軸の傾きを補正するときの傾き入力がＡ、
その傾き入力Ａの結果である主軸補正応答をＢ、補正機
能の時定数をτとしたとき、【数２】の一時遅れ要素の式を満足するように制御することを特
徴とする工作機械の姿勢制御方法。
【請求項２】工作機械のテーブルに対する主軸の微小な
傾きを補正するための補正熱源を主軸頭に設け、この補
正熱源に熱量を与えて制御する工作機械の姿勢制御装置
において、主軸傾きの変化を、有限要素法による距離Ｌを有する節
点変位の代表値Ｕ_aとＵb を用い、Ｕ_aとＵ_bの値をそ
れぞれ座標の横軸、縦軸として表現したとき、傾き４５
度の直線が縦軸を横切る切片をδ、補正熱源で与えた単
位熱量が主軸傾きに与える影響をδ_iとすれば、補正熱
源によって主軸に傾きθを与える適切な熱量Ｑは、【数３】であることを特徴とする工作機械の姿勢制御方法。
【請求項３】工作機械のテーブルに対する主軸の微小な
傾きを補正するための工作機械の姿勢制御装置におい
て、工具又は工作物を取り付けて回転させる主軸を備えてい
る主軸頭と、前記主軸頭を保持するための支持部材と、前記主軸頭と前記支持部材との間に介在された断熱部材
と、前記支持部材の少なくとも一面に配置された補正熱源と
からなる工作機械の姿勢制御装置。
【請求項４】請求項３において、前記支持部材に与えられる前記補正熱源の補正熱量は、
前記補正熱源へ供給する電力について定電圧による電流
オン・オフ制御のオン頻度で定めることを特徴とする工
作機械の姿勢制御方法。
【請求項５】請求項３において、前記補正熱源は２つ以上が用いられ、２つの補正熱源により予め前記主軸頭を加熱し飽和変形
に達した状態から一方の補正熱源に＋Ｑの加熱操作を施
し他方の補正熱源に−Ｑの加熱操作を施すようにした工
作機械の姿勢制御装置。