JPH10138091A - 工作機械の熱変位補正方法 - Google Patents

工作機械の熱変位補正方法

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JPH10138091A
JPH10138091A JP8312587A JP31258796A JPH10138091A JP H10138091 A JPH10138091 A JP H10138091A JP 8312587 A JP8312587 A JP 8312587A JP 31258796 A JP31258796 A JP 31258796A JP H10138091 A JPH10138091 A JP H10138091A
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Susumu Maekawa
進 前川
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    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低コストで熱変位を補正する。センサを併用
することでより加工時間を長くせず正確な熱変位補正を
得る。 【解決手段】 送り軸の位置をモニタリングし、位置補
正単位時間毎送り軸の平均移動速度及び移動頻度を求め
てこの速度と頻度により近似式で補正量δn を求め更新
する（ｃ７，ｃ８）。この補正量より指令位置に対する
位置補正量を求めて、指令位置を位置補正量で補正す
る。電源再投入時には電源オフ時間より初期補正量を求
め記憶する（ｃ１〜ｃ６）。この補正量より指令位置に
対する位置補正量を求めて、指令位置を該位置補正量で
補正する。近似式によって補正量を求めるからセンサを
必要とせず、常に熱変位補正ができる。補正量の変化が
大きいときには（ｃ１０）センサにより熱変位量を測定
し補正量とし（ｃ１１，ｃ１２）、精度を向上させる。
センサによる測定回数が少なくなり加工時間を短くでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械における
熱変位補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】工作機械において、送りねじや主軸はモ
ータによって駆動されことからモータの発熱、軸受けの
回転による摩擦熱、送りねじのボールネジとボールナッ
トの係合部の摩擦熱によって、主軸や送りねじは膨脹し
機械位置が変位する。すなわち、位置決めすべきワーク
と工具の相対位置関係にずれが生じる。この熱による機
械位置の変動は、精度の高い加工を行なう場合に問題と
なる。
【０００３】この熱による機械位置の変位を除去する方
法として、従来、冷却装置を設けたり、送りねじのボー
ルネジに初期張力を与え、熱による膨脹の影響を受けな
いような構造としたり、変位センサや温度センサを設
け、検出変位や検出温度に基づいて、指令位置を補正す
る方法が採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】送りねじのボールネジ
に初期張力を与え、熱による膨脹の影響を受けないよう
な構造としたり、センサを設けて熱変位を補正する方法
では、構造的限界や、センサの取り付け位置、センサを
クーラントや切り粉から保護しセンサの信頼性を得るた
めの手段を講じる必要がある等の問題がある。また、セ
ンサを設けた場合では、測定に時間がかかり、結果的に
加工時間が長くかかったり、立ち上がり時の変位を補正
できないという問題がある。そこで、本発明の目的は、
センサ必要とせず、簡単で低コストで熱変位を補正でき
る熱変位補正方法を提供することにある。さらにセンサ
を併用することでより正確な熱変位の補正ができる熱変
位補正方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、数値制御装置
を用いて制御される工作機械において、送り軸の平均移
動速度及び移動頻度から、熱変位に対する補正量を求め
る近似式及び該近似式によって求められた補正量より指
令位置に対する位置補正量を求める近似式を予め数値制
御装置に記憶させておく。そして、送り軸の位置をモニ
タリングし、送り軸の平均移動速度及び移動頻度を求め
て上記近似式より送り軸の指令位置に対する位置補正量
を求める。指令位置を該位置補正量で補正して出力する
ことにより熱による変位を補正する。
【０００６】主軸を移動させる送り軸は主軸の熱変位の
影響を受ける。そこで、主軸回転速度から主軸の熱変位
に対する補正量を求める近似式を数値制御装置に記憶さ
せておき、主軸の回転速度をモニタリングし、モニタリ
ングした主軸回転速度から上記近似式で主軸の補正量を
求め、該補正量を主軸を移動させる送り軸の指令位置に
対する位置補正量に加算して、該送り軸の補正量とす
る。
【０００７】また、工作機械を運転し、運転停止した後
再度運転を開始した時、先の運転による熱変位の影響を
受ける。そこで、工作機械の電源オフ時間における軸の
熱変位による補正量を求める近似式を数値制御装置に予
め記憶させておき、電源オフした時刻とその時の補正量
を記憶し、電源再投入時に記憶していた補正量と電源オ
フ時間により上記近似式より該電源再投入時の補正量と
する。
【０００８】さらに、軸の潤滑方法の差異によって発熱
量が異なり熱変位が異なる。そのため、軸の潤滑方法の
差異によって上記補正量を求める近似式の係数を変える
ようにする。また、軸にかかる外乱負荷トルクの大きさ
によっても発熱量が異なり熱変位も異なるから、軸にか
かる外乱負荷トルクを検出し、該検出外乱負荷トルクの
大きさに応じて上記補正量を変える。
【０００９】近似式によって熱変位量を予測して補正量
とし指令位置を補正しても精度が不十分な場合がある。
そこで、上記近似式で求めた補正量の変化が設定値以上
になると位置センサ又は温度センサにより位置変位又は
温度を測定し、測定値より補正量を求めることによって
精度をあげる。また、補正量（熱変位量）を知るため
に、数値制御装置に希望する軸と位置を入力し、上記近
似式で求められた入力軸の入力位置に対する位置補正量
を表示装置に表示する。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、本願発明を適用する工作
機械の立型ボール盤１の概略図である。図１中、６２は
主軸モータ、５２は垂直送り軸であるＺ軸のボールネジ
５３を駆動するＺ軸用サーボモータ、１０は該立型ボー
ル盤を制御する制御装置としての数値制御装置（ＣＮ
Ｃ）、Ｔはテーブル、６４は主軸、６５は主軸６４に取
り付けられた工具である。テーブルＴは図示しないＸ
軸、Ｙ軸用サーボモータによってＺ軸に垂直な方向で互
いに直交するＸ軸、Ｙ軸方向に移動するものである。こ
の立型ボール盤１の構成は従来のものと何等変わるもの
ではないので、詳細は省略する。
【００１１】図２は上記立型ボール盤の数値制御装置１
０の要部を示す機能ブロック図である。数値制御装置１
０のプロセッサ１１は数値制御装置１０を全体的に制御
するプロセッサである。このプロセッサ１１は、ＲＯＭ
１２に格納されたシステムプログラムをバス２１を介し
て読み出し、このシステムプログラムに従って、数値制
御装置１０を全体的に制御する。ＲＡＭ１３には一時的
な計算データや表示データおよびＣＲＴ／ＭＤＩユニッ
ト７０を介してオペレータが入力した各種データ等が格
納される。ＣＭＯＳメモリ１４は図示しないバッテリで
バックアップされ、数値制御装置１０の電源がオフにさ
れても記憶状態が保持される不揮発性メモリとして構成
され、後述する熱変位測定プログラムや補正量更新処理
プログ、ラムインターフェイス１５を介して読込まれた
後述する加工プログラム、ＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０
を介して入力された加工プログラム等が記憶されるよう
になっている。また、ＲＯＭ１２には、加工プログラム
の作成および編集のために必要とされる編集モードの処
理や自動運転のための処理を実施するための各種のシス
テムプログラムが予め書き込まれている。
【００１２】インターフェイス１５は数値制御装置１０
に接続可能な外部機器のためのインターフェイスであ
り、紙テープリーダや紙テープパンチャーおよび外部記
憶装置等の外部機器７２が接続される。紙テープリーダ
や外部記憶装置からは加工プログラム、後述する熱変位
測定プログラム等が読み込まれ、また、数値制御装置１
０内で編集された加工プログラムを紙テープパンチャー
や外部記憶装置に出力することができる。
【００１３】ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コント
ローラ）１６は、数値制御装置１０に内蔵されたシーケ
ンスプログラムで立型ボール盤（工作機械）１側の補助
装置等を制御する。即ち、加工プログラムで指令された
Ｍ機能，Ｓ機能およびＴ機能に従って、これらシーケン
スプログラムで補助装置側で必要な信号に変換し、Ｉ／
Ｏユニット１７から補助装置側に出力する。この出力信
号により各種アクチュエータ等の補助装置が作動する。
また、工作機械１の本体に配備された操作盤の各種スイ
ッチ等の信号を受け、必要な処理をして、プロセッサ１
１に渡す。
【００１４】立型ボール盤１の各軸の現在位置，アラー
ム，パラメータ，画像データ等の画像信号はＣＲＴ／Ｍ
ＤＩユニット７０に送られ、そのディスプレイに表示さ
れる。ＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０はディスプレイやキ
ーボード等を備えた手動データ入力装置であり、インタ
ーフェイス１８はＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０のキーボ
ードからのデータを受けてプロセッサ１１に渡す。イン
ターフェイス１９は手動パルス発生器７１に接続され、
手動パルス発生器７１からのパルスを受ける。手動パル
ス発生器７１は立型ボール盤１の操作盤に実装され、手
動操作に基く分配パルスによる各軸制御で工作機械１の
可動部を精密に位置決めするために使用される。
【００１５】立型ボール盤１のテーブルＴを移動させる
Ｘ，Ｙ軸の軸制御回路及びＺ軸の軸制御回路３０〜３２
はプロセッサ１１からの各軸の移動指令を受けて、各軸
の指令をサーボアンプ４０〜４２に出力する。サーボア
ンプ４０〜４２はこの指令を受けて、立型ボール盤１の
各軸のサーボモータ５０〜５２を駆動する。各軸のサー
ボモータ５０〜５２には位置検出用のパルスコーダが内
蔵されており、このパルスコーダからの位置信号がパル
ス列としてフィードバックされる。場合によっては、位
置検出器として、リニアスケールが使用される。また、
このパルス列をＦ／Ｖ（周波数／速度）変換することに
より、速度信号を生成することができる。図２ではこれ
らの位置信号のフィードバックおよび速度フィードバッ
クの説明は省略している。
【００１６】スピンドル制御回路６０は立型ボール盤１
への主軸回転指令を受け、スピンドルアンプ６１にスピ
ンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ６１はこ
のスピンドル速度信号を受けて、立型ボール盤１の主軸
モータ６２を指令された回転速度で回転させ、工具６５
を駆動する。主軸モータ６２には歯車あるいはベルト等
でポジションコーダ６３が結合され、該ポジションコー
ダ６３が主軸６４の回転に同期して帰還パルスを出力
し、その帰還パルスはインターフェイス２０を経由して
プロセッサ１１によって読み取られる。６５は現在時刻
に同期するように調整された時計装置である。また、後
述する熱変位データを得る際に立型ボール盤１のテーブ
ルＴに取り付けられる変位測定器（検出スイッチ）Ｓ
１，Ｓ２，Ｓ３はＩ／Ｏユニット１７に接続され、ＰＭ
Ｃ１６を介してプロセッサ１１によりそのＯＮ／ＯＦＦ
状態が確認される。
【００１７】この実施形態における変位測定器Ｓ１，Ｓ
２，Ｓ３は、工具６５の先端作用面がＺ軸方向から接触
するのを検出するように構成されているが、必要に応
じ、工具の外周作用面がＸ軸方向から接触するのを検出
するための変位測定器や工具の外周作用面がＹ軸方向か
ら接触するのを検出するための変位測定器等を設けても
よい。
【００１８】図３は、工作機械で加工を開始し、送りね
じを駆動した際、送りねじを構成するボールネジの伸
び、及び加工を停止し放熱によるボールネジの縮みの状
態を示す概念図である。ボールネジが駆動されると、ボ
ールネジは軸受部等の摩擦による発熱等による伸び、最
初は急激にのびるが発熱と放熱にバランスがとれとその
伸びの増大量は緩やかになる。一方、加工を停止し送り
ねじの移動を停止すると、放熱によってボールネジは縮
み、図３に示すような時間に対する熱変位曲線となる。
そこで、本発明は、工作機械（立型ボール盤１）を実験
駆動してこの発熱、放熱によるボールネジの熱変位曲線
を検出し、検出した熱変位曲線より、熱変位量予測近似
式を求め記憶しておき、実際に立型ボール盤１（工作機
械）を駆動して加工を行なう際には、この熱変位量予測
近似式に基づいて、指令位置を補正するようにした。
【００１９】そこで、この立型ボール盤１のＺ軸を用い
て、Ｚ軸ボールネジの熱変位データを得る実験を行なう
と共に、主軸６４を駆動して主軸駆動による発熱による
熱変位データを得る実験を行なった。まず、Ｚ軸の−５
０ｍｍ、−１５０ｍｍ、−３００ｍｍ位置の変位を測定
する変位測定器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３をテーブルＴに取り付
け、主軸６４に先端が平かな工具（エンドミル等）６５
を装着し、インターフェイス１５を介して不揮発性メモ
リ１４変位測定プログラムを格納し、さらに、熱変位デ
ータを得るためのＺ軸のストローク、速度、回数、変位
データ測定間隔、Ｚ軸駆動時間（変位データ測定間隔×
測定回数として回数を設定）、変位データ測定終了時間
（測定回数を設定）をＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０から
設定し、熱変位測定プログラムの実行を指令する。
【００２０】熱変位測定プログラムの実行を指令が入力
されるとプロセッサ１１は、図４に示す処理を開始し、
まず、測定回数をカウントするカウンタｎを「０」にセ
ットシ（ステップａ１）、Ｘ軸、Ｙ軸を駆動してテーブ
ルＴを移動しＺ軸−５０ｍｍの位置を検出する変位測定
器Ｓ１と主軸が対向する位置に位置決めし（ステップａ
２）、Ｚ軸を駆動して変位測定器Ｓ１が工具６５の先端
を検出しオンになるまで下降させ、変位測定器Ｓ１から
オン信号が入力されると、その時のＺ軸の位置を読み、
この読み取った位置と−５０ｍｍとの偏差を求めＲＡＭ
１３上に設けたテーブルに記憶する（ステップａ３）。
Ｚ軸を上昇させると共にＸ，Ｙ軸を駆動して、Ｚ軸−１
５０ｍｍの位置を検出する変位測定器Ｓ２と主軸が対向
する位置に位置決めし、同様に変位測定器Ｓ２がオンす
るまでＺ軸を下降させて、変位測定器Ｓ２がオンした時
のＺ軸の位置を読み、−１５０ｍｍとの偏差を求めＲＡ
Ｍ１３上に設けたテーブルに記憶する（ステップａ４，
ａ５）。同様に、テーブルＴを変位測定器Ｓ３と主軸が
対向する位置に位置決めし、Ｚ軸を下降させ、変位測定
器Ｓ３がオンした時の位置と−３００ｍｍとの偏差を求
めＲＡＭ１３上のテーブルに記憶する（ステップａ６，
ａ７）。
【００２１】次に、工具６５と変位測定器Ｓ１〜Ｓ３と
が接触しない位置にテーブルＴを退避させ（ステップａ
８）、カウンタｎに「１」加算し、該カウンタｎの値が
動作時間として設定された測定回数ｎ１以上か判断し
（ステップａ９，ａ１０）、以上に達していなければ、
Ｚ軸の設定ストロークの動作を開始すると共にタイマに
設定された測定間隔時間をセットしスタートさせ、該タ
イマがタイムアップするまでＺ軸のストローク動作を行
ない、タイムアップするとストローク動作を停止し（ス
テップａ１１〜ａ１４）、ステップａ２に戻り上述した
変位測定処理を行なう。
【００２２】以下カウンタｎの値が動作時間として設定
された測定回数ｎ１以上になるまで上記ステップａ２〜
ａ１４の処理を実行しＲＡＭ１３上のテーブルに測定し
た位置変位データを記憶する。そして、カウンタｎの値
が設定値ｎ１になると、該カウンタｎが変位データ測定
終了時間として設定された測定回数ｎ２以上か判断し
（ステップａ１５）、以上でなければ、タイマに測定間
隔時間をセットしスタートさせ、該タイマがタイムアッ
プすると（ステップａ１６，ａ１７）、ステップａ２に
戻り位置変位データを測定しＲＡＭ１３上のテーブルに
記憶する。
【００２３】カウンタｎの値が設定値ｎ２になるまでス
テップａ２〜ａ１０、ａ１５〜ａ１７の処理を実行し、
設定値ｎ２になると、この熱変位測定処理を終了する。
【００２４】図５は、Ｚ軸の移動速度を３０ｍ／ｍｉｎ
で毎分３０回、ストロークを３００ｍｍ（Ｚ＝０〜−３
００ｍｍ）に設定し、変位データ測定間隔を５分とし
て、Ｚ軸を１２０分駆動し、Ｚ＝−５０ｍｍ、−１５０
ｍｍ、−３００ｍｍの変位を測定した結果を、インター
フェイス１５に接続したＸＹプロッタで打ち出したとき
の変位曲線（実線で表した曲線）である。
【００２５】また図６は、Ｚ軸の移動速度を１５ｍ／ｍ
ｉｎに変えて他の設定値は同一として変位を測定した結
果を表す変位曲線（実線で表した曲線）である。図７
は、ストロークをＺ＝０〜−１００ｍｍ、−１００ｍｍ
〜−２００ｍｍ、−２００ｍｍ〜−３００ｍｍとそれぞ
れ変え、３０ｍ／ｍｉｎで毎分３０回Ｚ軸を往復動させ
てＺ＝−１５０ｍｍ（変位測定器Ｓ２）の変位を５分間
隔でそれぞれ測定して得られた結果の変位曲線である。
こうして得られた変位曲線よりこの変位曲線に合うよう
な近似式を求めこの近似式を補正量を求める近似式とし
た。図５〜７に破線で示す曲線は求めた近似式による曲
線を表しているものである。
【００２６】移動軸の熱変位の補正量 本実施形態においては、移動軸の位置を所定サンプリン
グタイム（７２ｍｓｅｃ）毎モニタリングすることによ
り、移動軸の位置補正単位時間（３６ｓｅｃ）あたりの
平均移動速度、移動頻度を求め熱変位量を予測する近似
式を以下のようにして決めた。 δn ＝δn-1 ＋Ｑn −ｑn …（１） δn ：補正量（熱変位量） Ｑn ：位置補正単位時間あたりの発熱による変位量 ｑn ：位置補正単位時間あたりの放熱による変位量 ｎ：位置補正単位時間の回数 位置補正単位時間あたりの発熱による変位量Ｑn は次の
ように定義した。 Ｑn ＝Ａ・［ｆ（Ｂn ）］α・Ｃn β Ａ：係数 ｆ（Ｂn ）：平均移動速度による計算式 α：係数 Ｃn ：移動頻度 β：係数 平均移動速度による計算式ｆ（Ｂn ）は、 ｆ（Ｂn ）＝Ｂn ・ｆ（ｘｉ） Ｂn ：平均移動速度 Ｂｎ＝［（｜ｘ1 −ｘ0 ｜／ΔＴ）＋…（｜ｘi −ｘi-
1 ｜／ΔＴ）＋…＋（｜ｘN −ｘN-1 ｜／ΔＴ）］／Ｋ ｘi ：位置 ΔＴ：サンプリングタイム Ｋ ：位置補正単位時間における速度が０でないデータ
の数 Ｎ ：位置補正単位時間内における総データ数 ｆ（ｘｉ）：位置による計算式 ｆ（ｘｉ）＝γ・ｘi γ：係数 また移動頻度Ｃn は、Ｃn ＝Ｋ／Ｎである。
【００２７】位置補正単位時間あたりの放熱による変位
量ｑn は、 ｑn ＝Ｄ・Ｆ（δn-1 ） Ｄ：放熱に関する係数 Ｆ（δn-1 ）：前変位量による計算式 Ｆ（δn-1 ）＝δn-1 ε と定義した。
【００２８】また、図５，図６に示すように軸の位置
（指令位置）により変位量が異なることから、指令位置
をパラメータとして補正量を計算する。この指令位置を
パラメータとする補正量を位置補正量という。この位置
補正量Δｎは次の式で求める。
【００２９】Δｎ＝ｆ（ｘ）・δn …（２） Δｎ：位置補正量 ｆ（ｘ）：指令位置による計算式 ｆ（ｘ）＝ｘψ ｘ：指令位置 ψ：係数 そこで、係数Ａ、Ｄ、α、β、γ、ε、ψは、実験によ
り図５，図６，図７等の変位曲線を求めて位置補正量Δ
n が変位曲線に合致するように最適値を求める。その結
果、図５，図６，図７で破線で示す曲線がこの位置補正
量Δn を求める近似式の関数によって求めた位置補正量
（変位曲線）である。
【００３０】そして、この実験で求めた係数、近似式を
使って、指令位置から補正量を差し引くことによって補
正を行なった結果の一例を図８に示す。図８の例では、
速度３０ｍ／ｍｉｎでストローク３００ｍｍを３０回／
ｍｉｎ移動させたときの補正後の変位を示す。この図８
に示されるように熱変位が補正され、より正確な位置が
得られている。
【００３１】主軸回転による熱変位補正量 次に主軸を回転させることによる主軸の熱変位を求め
る。この場合、主軸の熱変位はＺ軸の位置変位として現
れることから、Ｚ軸の位置変位を測定し、主軸の熱変位
を求める。実験として、主軸を４０００ｒｐｍ、８００
０ｒｐｍそれぞれ回転させ５分間隔で主軸の熱変位を測
定した結果、図９に示す実験結果を得た。
【００３２】この実験結果より、主軸の回転速度をモニ
タリングすることにより主軸の熱変位量を予測する近似
式を次のようにした。 δn ＝δn-1 ＋Ｑn ＋ｑn …（３） δn ：補正量 Ｑn ：位置補正単位時間あたりの発熱による変位量 ｑn ：位置補正単位時間あたりの放熱による変位量 ここで、位置補正単位時間あたりの発熱による変位量Ｑ
n は、 Ｑn ＝Ｅ・ｆ（Ｓn ）φ Ｅ：発熱に関する係数 ｆ（Ｓn ）：主軸回転速度による計算式 ｆ（Ｓn ）＝（Ｓ1 ／ΔＴ）…＋（Ｓi ／ΔＴ）…＋
（ＳN ／ΔＴ） Ｓi ：回転数 ΔＴ：サンプリングタイム Ｎ：位置補正単位時間内における総データ数 φ：係数 位置補正単位時間あたりの放熱による変位量ｑn は ｑn ＝Ｒ・δn-1 η Ｒ：放熱に関する係数 η：係数 と定義した。
【００３３】そして、上記係数Ｅ、Ｒ、φ、ηを実験に
よって求めた図９の変位曲線に合致するように最適値を
求め、上記近似式によりＺ軸の指令位置を補正して得ら
れた結果の一例を図１０に示す。
【００３４】機械運転再開時における熱変位補正量 さらに、工作機械の運転を停止し再度運転を再開すると
き、工作機械の運転停止時間が短いと、送りねじ等は熱
により膨脹している。そこで、工作機械の電源をオフし
た時刻と上記補正量を記憶しておき、電源再投入時に先
に記憶した電源オフ時刻と補正量から電源投入時の補正
量を計算する計算式を次のように近似した。 δon＝δoff −（ｑ1 ＋…＋ｑj …＋ｑT ） …（４） ｑj ＝Ｄ・δn-1 ε、またはｑj ＝Ｒ・δn-1 η Ｔ＝（Ｔon−Ｔoff ）／ｔ Ｔon：電源オン時刻 Ｔoff ：電源オフ時刻 ｔ：位置補正単位時間（＝Ｎ・ΔＴ） 図１１は、速度３０ｍ／ｍｉｎ、ストローク３００ｍｍ
で３０回／ｍｉｎで６０ｍｉｎ運転し、６０ｍｉｎ電源
をオフする運転を繰り返したときのＺ＝−１５０ｍｍの
補正前の変位と補正した後の変位を示す図である。
【００３５】潤滑方法による変位量補正 また、潤滑方法により変位量が異なる場合がある。例え
ば、オイル潤滑に比べてグリース潤滑の方が発熱量も大
きいため、変位量も大きい。図１２は、潤滑方法がグリ
スの場合とオイルの場合の実験結果の補正前の変位曲線
と補正後の変位曲線を示すものである。実験は、速度３
０ｍ／ｍｉｎ、３０回／分、ストローク３０ｍｍでＺ＝
−１５０ｍｍの位置の変位量を示している。
【００３６】そこで、補正量δn に係数を乗じて補正す
る。 δn ´＝Ｈ・δn …（５） Ｈ：係数 上記係数Ｈは実験によって最適値を求める。この潤滑方
法による補正は潤滑方法による発熱熱量の差異から生じ
るものであるから、上記係数Ｈは１式、第３式で送り
軸、主軸の位置補正単位時間あたりの発熱による変位量
Ｑn の係数Ａ、Ｅに含ませ、潤滑方法によって上記係数
Ａ、Ｅを変えるようにする。
【００３７】負荷による変位量補正 さらに、機械にかかる負荷（切削力、テーブル載置重量
等）によって変位量が異なる。そこで、外乱負荷トルク
をオブザーバ等で求め、補正量δｎに係数を乗じて補正
する。 δn ´＝Ｍn ・δn …（６） Ｍn ：外乱負荷トルクに関する係数 Ｍn ＝Ｉ・ｆ（Ｔ(EXT)N）／ＴSTD ｆ（Ｔ(EXT)N）：外乱負荷トルク平均値計算式 ｆ（Ｔ(EXT)N）＝（Ｔ(EXT)1＋…Ｔ(EXT)i…＋
Ｔ(EXT)N）／Ｎ Ｔ(EXT)i：外乱負荷トルク ＴSTD ：基準トルク Ｉ：係数 ここでの係数Ｉも実験によって最適値を求める。
【００３８】そこで、上記１〜４式及び６式を不揮発性
メモリ１４に設定する。なお、潤滑方法によって係数
Ａ，Ｅを変えるものとして５式は設定しない。立型ボー
ル盤（工作機械）１を運転する際にはサンプリングダイ
ムΔＴ毎に送り軸の位置ｘi 、主軸回転数Ｓi 、外乱負
荷トルクＴ(EXT)iを検出し記憶し、位置補正単位時間毎
に補正量、位置補正量を求め、指令位置を補正する。
【００３９】図１４は、立型ボール盤（工作機械）１が
運転されたときのバックグランド処理として実行される
補正量更新処理のフローチャートの概略である。工作機
械に電源が投入されると、現在時刻Ｔonを読み取りすで
に記憶されている電源オフの時刻Ｔoff との差より電源
がオフであった時間Ｔを求める（ステップｂ１，ｂ
２）。該時間Ｔが設定時間（この実施形態においては６
時間）を越えているか判断し（ステップｂ３）、越えて
いる場合には、補正量をすべて「０」にする（ステップ
ｂ４）。越えていない場合には、上記４式の演算を行な
って移動軸の補正量δn 、主軸の補正量δn を求め書き
替える（ステップｂ５，ｂ６）。
【００４０】そして、位置補正単位時間（この実施形態
では３６秒）経過するのを待って、１式、３式を演算し
各移動軸の補正量δn 、主軸の補正量δn を求め、さら
に、６式の演算を行なうことによって外乱負荷トルクに
よる補正量の補正を行なって、各移動軸の補正量δn
´、主軸の補正量δn'を求め補正量（各移動軸、主軸の
補正量δｎ、外乱負荷トルクにより補正された補正量δ
n ´）を更新し（ステップｂ７，ｂ８）、ステップｂ９
に移行し、電源がオフされたか否か判断し、オフされて
いなければステップｂ７に移行し、前述の動作を繰り返
し実行する。一方、電源がオフにされると、該時刻を電
源オフ時刻Ｔoff として不揮発性メモリ１４に記憶する
と共に、現在記憶している各移動軸の補正量δn 、主軸
の補正量δn を不揮発性メモリ１４に記憶し（ステップ
ｂ１０）、位置補正量更新処理を終了する。
【００４１】一方、フォアグランドで実行される加工プ
ログラムの実行においては、熱変位補正モードに設定さ
れているか否か判断し設定されていると、加工プログラ
ムによる指令位置に対して、補正を行なう。この場合、
Ｘ軸、Ｙ軸等の主軸を移動させる軸ではない移動軸に対
する補正は、移動軸に対して記憶されている補正量δn
´に対して２式の演算を行なうことによって位置補正量
Δn を求めて指令位置に対する補正を行なう。主軸を移
動させる軸（Ｚ軸）に対しては、同様に求めた移動軸に
対する位置補正量Δn にさらに主軸の補正量δn ´を加
算して補正量として該軸の位置指令を補正することにな
る。
【００４２】上述した実施形態では、センサによって位
置変位量を検出せず、近似式によって補正量（変位量）
を求めるものであるが、より正確に熱変位量を求めると
すれば、やはり位置センサ又は温度センサによって変位
又は温度を測定することが望ましい。従来のセンサによ
って熱変位量又は温度を測定し補正量を求める方式は、
センサによる測定と補正量算出に時間がかかるという問
題、測定間隔が一定なため立ち上がり時の変位補正がで
きないという問題があった。そこで、上述した近似式に
よる変位量予測とセンサによる測定を併用して、より精
度の高い熱変位補正を行なう実施形態を以下図１５の補
正量更新処理のフローチャートと共に説明する。
【００４３】この実施形態では、近似式で予測した補正
量δn と前回予測した補正量δn-1との差が所定値以上
の場合にはセンサによる測定を行なうものとし、センサ
で測定を行なわせるための上記差を設定値として予め数
値制御装置１０設定しておく。さらに、熱変位補正を行
なう場合センサによる測定での補正を行なうか否かも設
定しておく。そして立型ボール盤（工作機械）１に電源
が投入されるとプロセッサ１１は、図１５でフローチャ
ートで示す処理をバックグランド処理として開始する。
ステップｃ１〜ｃ８までは、図１４のステップｂ１〜ｂ
８と同一である。
【００４４】ステップｃ８で補正量を更新した後、セン
サによる測定での補正を行なうように設定されるている
か判断し（ステップｃ９）、設定されていなければ、ス
テップｃ１３に移行し、センサ補正を行なうと設定され
ている場合には、当該位置補正単位時間で求めた各送り
軸、主軸のそれぞれの補正量δn と前回求めたそされぞ
れの補正量δn-1 との差が設定値を越えているか判断し
（ステップｃ１０）、すべて越えていなければステップ
ｃ１３に移行し、越えていると、センサによる従来と同
様の測定プログラムを実行し変位量を求める（ステップ
ｃ１１）。この場合、送り軸、主軸すべての軸の変位量
を測定してもよく、また近似式の予測で求めた補正量の
差が設定値を越えた軸のみセンサで変位量を測定するよ
うにしてもよい。なお、温度センサで温度を測定し、変
位量を求めるようにしてもよい。
【００４５】こうして求めた補正量を当該位置補正単位
時間の補正量δn として更新し（ステップｃ１２）、ス
テップｃ１３に移行して、電源がオフか判断し、オフで
なければステップｃ７に戻り以下の処理を実行する。ま
た電源がオフであると、現在時刻を電源オフ時刻Ｔoff
と、現在記憶している各移動軸の補正量δn 、主軸の補
正量δn を不揮発性メモリ１４に記憶し（ステップｃ１
４）、位置補正量更新処理を終了する。
【００４６】この図１５に示した実施形態では、補正量
の変化が大きいとセンサによって熱変位量を測定し、そ
の変位量を補正量として更新するからより正確な熱変位
補正を行なうことができる。しかも、センサによる熱変
位量測定は近似式により予測した補正量の変化が大きい
時のみ行われるから、センサによる測定回数が少なくな
り、加工時間の延長を少なくすることができる。なお、
この実施形態では、補正量を予測する位置補正単位時間
の１つ前の時間と当該時間の予測補正量の差によってセ
ンサによる測定を行なうか否かを決めたが、位置補正単
位時間の倍数毎に予測補正量の変化量を求め、この変化
量が設定値を越えた時にセンサによる測定を行なうよう
にしてもよい。この場合、ステップｃ９の後、カウンタ
に「１」を加算し、該カウンタが設定値を越えると、当
該該カウンタをリセットしてステップｃ１０に移行し、
ステップｃ８で求めた予測補正量からメモリに記憶する
前回の判断時の補正量を差し引き差を求め該差が設定値
を越えていなければ、ステップｃ８で求めた予測補正量
を次回の判断時に使用する補正量として記憶し、ステッ
プｃ１３に移行する。また、設定値を越えているとステ
ップｃ１１に移行し、センサによる測定を行ない、得ら
れた変位量を補正量として更新し（ステップｃ１２）、
この補正量を次回の判断時に使用する補正量としてメモ
リに記憶してステップｃ１３に移行するようにすればよ
い。
【００４７】また、上述した実施形態においてステップ
ｂ７、ステップｃ７によって位置補正単位時間毎補正量
が予測されるが、この予測補正量に基づいて、各送り
軸、さらには主軸の補正量をＣＲＴ／ＭＤＩユニット７
０の表示画面に表示するようにする。この場合、位置補
正量を表示すべき軸と、その軸が送り軸ならば、その位
置を指定しＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０から入力する
と、プロセッサ１１は、ステップｂ８、ｃ８で更新され
た補正量を位置補正単位時間毎に読み取り、送り軸であ
れば、入力された位置に基づいて上記２式の演算を行な
い該位置における補正量を図１３のようにグラフ表示す
る。なお、主軸を移動される送り軸（Ｚ軸）の場合に
は、主軸の補正量をこの送り軸の補正量に加算して表示
する。また、主軸の補正量は、ステップｂ８、ｃ８で記
憶する主軸補正量をそのまま表示する。
【００４８】
【発明の効果】本発明においては、センサを使用せずに
送り軸や主軸の熱変位による位置ずれを補正することが
できるので、コストもかからず、センサの信頼性を考慮
する必要もない。また、常に熱変位補正を行なうことが
できるから、加工立ち上がり時にも熱変位補正がされ、
加工精度を向上させることができる。また、センサを使
用して熱変位を測定して補正量を求める方法も併用する
ことによって、位置補正精度を向上させることもでき
る。この場合、センサによる測定回数を減らすことがで
きるから、センサにより熱変位を測定し位置補正を行な
う場合と比較し加工時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を適用した立型ボール盤の
概略図である。
【図２】同実施形態の数値制御装置のブロック図であ
る。
【図３】工作機械の運転を開始してからボールネジ等の
送り軸の伸びと運転を停止した後の縮みを表す概念図で
ある。
【図４】送り軸の熱変位量測定のフローチャートであ
る。
【図５】ストローク３００ｍｍの移動による熱変位量測
定実験結果の変位曲線である。
【図６】移動速度を変えた熱変位量測定実験結果の変位
曲線である。
【図７】ストロークを変えた熱変位量測定実験結果の変
位曲線である。
【図８】熱変位補正前と本発明による補正後の位置変位
を表す変位曲線である。
【図９】主軸の回転による熱変位量の変位曲線である。
【図１０】主軸熱変位に対する補正前と本発明による補
正後の位置変位を表す変位曲線である。
【図１１】電源オフ時間に対する熱変位補正前と本発明
による補正後の位置変位を表す変位曲線である。
【図１２】潤滑方法による熱変位量と補正後の変位量を
示す変位曲線である。
【図１３】位置補正量を表示装置に表示した時の一例を
示す図である。
【図１４】補正量更新処理のフローチャートの概略図で
ある。
【図１５】センサを併用したときの補正量更新処理のフ
ローチャートの概略図である。
【符号の説明】
１ 立型ボール盤 １０ 数値制御装置（ＣＮＣ） ５２ Ｚ軸サーボモータ ５３ ボールネジ ６２ 主軸モータ ６４ 主軸 ６５ 工具 Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 変位測定器
フロントページの続き (72)発明者 石井 久夫 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580番 地 ファナック株式会社内 (72)発明者 嶽本 政信 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580番 地 ファナック株式会社内 (72)発明者 前川 進 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580番 地 ファナック株式会社内 (72)発明者 小嶋 邦夫 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580番 地 ファナック株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 数値制御装置を用いて制御される工作機
    械において、送り軸の平均移動速度及び移動頻度から、
    熱変位に対する補正量を求める近似式、及び該近似式に
    よって求められた補正量より指令位置に対する位置補正
    量を求める近似式を予め数値制御装置に記憶させてお
    き、送り軸の位置をモニタリングし、送り軸の平均移動
    速度及び移動頻度を求めて上記近似式より送り軸に対す
    る指令位置に対する位置補正量を求めて、指令位置を該
    位置補正量で補正して出力するようにした工作機械の熱
    変位補正方法。
  2. 【請求項２】 主軸回転速度から主軸の熱変位に対する
    補正量を求める近似式を数値制御装置に記憶させてお
    き、主軸の回転速度をモニタリングし、モニタリングし
    た主軸回転速度から上記近似式で補正量を求め、主軸を
    移動させる送り軸の指令位置に対する位置補正量に加算
    して、該送り軸の補正量とする請求項１記載の工作機械
    の熱変位補正方法。
  3. 【請求項３】 工作機械の電源オフ時間における軸の熱
    変位による補正量を求める近似式を数値制御装置に予め
    記憶させておき、工作機械の電源オフした時刻とその時
    の補正量を記憶しておき、電源再投入時に、記憶してい
    た補正量と電源オフ時間により上記近似式より補正量を
    求めて該電源再投入時の補正量とする請求項１または請
    求項２記載の工作機械の熱変位補正方法。
  4. 【請求項４】 軸の潤滑方法の差異によって上記補正量
    を求める近似式の係数を変えるようにした請求項１乃至
    ３記載の内１項記載の工作機械の熱変位補正方法。
  5. 【請求項５】 軸にかかる外乱負荷トルクを検出し、該
    検出外乱負荷トルクの大きさに応じて上記補正量を変え
    るようにした請求項１乃至４記載の内１項記載の工作機
    械の熱変位補正方法。
  6. 【請求項６】 上記近似式で求めた補正量の変化が設定
    値以上になると、センサで位置変位又は温度を測定し、
    測定地より補正量を求めた請求項１乃至５記載の内１項
    記載の工作機械の熱変位補正方法。
  7. 【請求項７】 数値制御装置に軸と位置を入力し、上記
    近似式で求められた入力位置に対する位置補正量を表示
    装置に表示するようにした請求項１乃至６記載の内１項
    記載の工作機械の熱変位補正方法。
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