JPH11156676A - 工作機械の熱変位補正方法および装置 - Google Patents
工作機械の熱変位補正方法および装置Info
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- JPH11156676A JPH11156676A JP9330521A JP33052197A JPH11156676A JP H11156676 A JPH11156676 A JP H11156676A JP 9330521 A JP9330521 A JP 9330521A JP 33052197 A JP33052197 A JP 33052197A JP H11156676 A JPH11156676 A JP H11156676A
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Abstract
簡単な、工作機械の熱変位補正方法および装置の提供。 【解決手段】 この発明の熱変位補正装置は、ワーク4
を取り付けたスピンドル54と刃具8を取り付けたタレ
ットヘッド6との相対位置を測定する位置センサ26
と、タレットヘッド6の温度を測定する温度センサ38
と、位置センサ26および温度センサ38による作業開
始前の測定結果を基準値として作業開始後の測定結果に
基づきスピンドルおよびタレットヘッド間の相対位置お
よびタレットヘッドの温度に対する補正量を算出しNC
装置のオフセットを補正する補正量演算装置705とを
備えている。
Description
ける工作機械の熱変位補正方法および装置に関するもの
である。
加工する場合、工作機械側の駆動系の各構成部分におけ
る温度変化による伸縮や、切削熱による膨張などによ
り、刃先位置計測用センサの位置がずれたりして、ワー
クと工作機械の間に相対的な変位を生じ、ワークの加工
精度が低下するという事態がしばしば生ずる。
よる加工精度の低下を防止するために、種々の温度補償
方法が提案されている。たとえば、 a)温度による変位を温度センサの検出温度に基づいて
推定計算して補正値を得る方式、 b)熱変位量の時間的変化傾向をあらかじめ測定してお
き、それを基にして実際測定値を補正する方式、 c)加工済みのワークの位置をタッチセンサにより直接
測定し補正値を得る方式、さらには、 d)ツールセッタなどで直接、刃先位置を測定し補正値
を得る方式、 などがそれである。
補正方式では、それぞれに利点なり意義なりをもってい
るものの、各補正方式にはそれぞれ誤差補正が不十分で
あったり、誤差補正のための機器の取扱いが煩雑であっ
たり、熟練を要したり、さらには補正値にバラツキを生
じたりして、必ずしも十分なものではなかった。
る加工誤差をより低減し得る、取扱の簡単な、工作機械
の熱変位補正方法および装置を提供することにある。
に請求項1に係る発明は、ワークを取り付けたスピンド
ルと刃具を取り付けたタレットヘッドとの相対位置を測
定する位置測定ステップと、タレットヘッドの温度を測
定する温度測定ステップと、位置測定ステップおよび温
度測定ステップによる作業開始前の測定結果を基準値と
して作業開始後の測定結果に基づき相対位置およびタレ
ットヘッドの温度に対する補正量を算出しNC装置のオ
フセットを補正する補正量演算ステップとを備える工作
機械の熱変位補正方法を要旨とするものである。
が、タレットヘッドの熱容量に近い熱容量を有し循環す
る切削液に熱的に接触するようにタレットヘッドに近接
配置された温度模擬ブロックの温度を測定することによ
って実行されることを特徴とするものである。
プにおける補正量の計算に際し、温度測定ステップで測
定された温度に基づいて切削負荷の軽重を推定し、その
軽重を表す係数を加味することを特徴とするものであ
る。
たスピンドルと刃具を取り付けたタレットヘッドとの相
対位置を測定する位置センサと、タレットヘッドの温度
を測定する温度測定手段と、位置センサおよび温度測定
手段による作業開始前の測定結果を基準値として作業開
始後の測定結果に基づき相対位置およびタレットヘッド
の温度に対する補正量を算出しNC装置のオフセットを
補正する補正量演算手段とを備えた工作機械の熱変位補
正装置を要旨とするものである。
タレットヘッドの熱容量に近い熱容量を有し循環する切
削液に熱的に接触するようにタレットヘッドに近接配置
された温度模擬ブロックと、この温度模擬ブロックの温
度を測定する温度センサとからなっていることを特徴と
するものである。
が、補正量の計算に際し温度センサによって測定された
温度に基づいて切削負荷の軽重を推定し、その軽重を表
す係数を加味することを特徴とするものである。
の全体的構成を示すものである。図示の工作機械は数値
制御式工作機械すなわちNC工作機械であって、スピン
ドルヘッド2の主軸に取り付けられたワーク4をタレッ
トヘッド6に取り付けられた刃具8により数値制御装置
(NC)10の助けを借りてディジタル制御加工する機
械である。スピンドルヘッド2はスピンドルモータ12
によって回転駆動される。タレットヘッド6はタレット
ボックス14に取り付けられている。タレットボックス
14は、ワーク4の加工内容に従いワーク4の軸心と刃
具8の先端との間の間隔を調整するためにX軸サーボモ
ータ16によりX軸ボールねじ17を介してX軸方向へ
の変位動作が可能であり、またワーク4に対する刃具8
の軸心方向位置を調整するためにZ軸サーボモータ18
によりZ軸ボールねじ19を介してZ軸方向への変位動
作が可能である。ワーク4を所定のプログラムに従って
所定の形状およびサイズに加工するために、タレットボ
ックス14およびスピンドルヘッド2は、NC10によ
ってX軸サーボモータ16およびZ軸サーボモータ18
並びにスピンドルモータ12を介してそれぞれ制御され
る。
がX軸方向位置検出用パルスコーダ20によって検出さ
れ、Z軸サーボモータ18によるZ軸方向位置がZ軸方
向位置検出用パルスコーダ22によって検出される。ス
ピンドルヘッド2およびタレットボックス14には、互
いに対向する部位どうしの一方(図示の例ではスピンド
ルヘッド2)に位置センサ用反射体24が取り付けら
れ、他方(タレットボックス14)に非接触型位置セン
サ26が取り付けられている。
放出し、かつ、摩擦を減少させたりするため、ワーク4
の切削加工部に対しノズル28から切削液56(図6参
照)たとえば切削油が噴射される。ノズル28には、リ
キッドモータ32によって駆動されるリキッドポンプ3
4からリキッド配管36を介して加圧状態の切削液が供
給され、ノズル28から切削加工部に対し切削液を噴射
する。ノズル28から噴射された切削液は切削加工部で
所与の作業(冷却、減摩、被覆、洗滌)をした後、後述
のごとくリキッドタンク50(図4)に回収され、必要
に応じ、除塵などの処理を施した後、再利用のためにリ
キッドポンプ34へ戻して循環使用される。
を直接測定することは困難である。そこで、タレットヘ
ッド6の温度を間接的に測定すべく、タレットヘッド6
の熱容量に近い熱容量を有し、タレットヘッド6に近接
配置された温度模擬ブロック30を用意し、配管36中
を通る噴射前の切削液を熱的に接触させる。配管36中
の切削液の温度は切削作業部直後の温度よりも低い。し
かし、ノズル28から噴射された切削液は刃具8を冷却
すると同時にタレットヘッド6およびツール(刃物台)
をも冷却するので、経験的に作業前の切削液を用いた方
がむしろタレットヘッド6の温度に近い温度が得られる
ことが分かった。かくして、ブロック30によってタレ
ットヘッド6の温度を模擬し、その温度を温度センサ3
8によって測定することにより、タレットヘッド6の温
度を推定する。
ットヘッド6の内部構造を、タレットヘッド6のX軸方
向の動きに関して説明する説明図である。サーボモータ
16が回転するとカップリング40を介してボールねじ
17が回転する。ボールねじ17はその両端部でタック
ベアリング44および46によって支承されている。ボ
ールねじ17が回転することによって、これにねじ合わ
されたナット48が軸方向へ移動する。したがって、ナ
ット48とタレットボックス14が一体的運動をするよ
うに連結しておき、サーボモータ16によりボールねじ
17を回転させることによって、タレットヘッド6をス
ピンドル54の軸心方向に移動させることができる。
摺動することにより発熱し、ボールねじ17が伸長す
る。伸長方向はタックベアリング44,46の組み方に
より決まる。図示の場合は、矢印Pの方向である。この
ように、発熱によってボールねじ17が伸長すると、N
C10からのNC指令値に対して実際の移動量はサーボ
モータ16側にシフトしてしまうことになる。
変位について説明する。ワーク4に対する切削加工によ
って発生した熱は切削液を介してリキッドタンク50に
蓄積される。そのためリキッドタンク50が、スピンド
ルヘッド2およびタレットボックス14を載置する載置
面であるC面を形成した脚52に対して熱源となり、リ
キッドタンク50との対向面であるA面から脚52へと
熱が伝導する。この時、当然、A面の方がその反対面で
あるB面よりも温度は高くなる。この結果、脚52はA
面側が押し上げられ、スピンドルヘッド2を載置するC
面は破線で示すようにC′面へと変形する。この変形に
よりタレットボックス14とスピンドルヘッド2との間
の距離Dが狭まる。この状態では刃具8はNC指令値よ
りもワーク4に接近してしまう。この影響はA面とB面
の間の温度差が大きいほど大きく、刃具8とワーク4と
の間の間隔Dが狭くなる。
ては、スピンドルモータ12の発熱や、スピンドル54
の発熱、切削液の発熱などが存在し、これらがそれぞれ
異なる部位・場所から脚52に対し複合的に加わり、脚
52は複雑に変形する。したがって、計算によって脚5
2の各部の変位量を正確に捕捉するのはほとんど不可能
である。
とタレットヘッド6の変位について説明する。タレット
ボックス14は温度上昇によりナット48を基点にして
図示のQ方向すなわち軸方向へ伸長する。タレットヘッ
ド6は外気温のほか、切削液たとえば切削油の温度や、
刃具8からの伝導熱でタレット軸心Xを基点にしてQと
平行なR方向へ伸長する。
削することにより発生する切削熱は3つの方向へ伝導す
る。すなわち、 1)刃具8を介してタレットヘッド6へと向かう伝導熱
H1 2)ワーク4を介してスピンドル54へと向かう伝導熱
H2 3)作業済の切削液を介して伝導する伝導熱H3 がそれである。
計算するためにはタレットヘッド6の温度を検知しなけ
ればならないが、タレットヘッド6は回転するために、
それに直接、温度センサを取り付けることはできない。
そこで、上記3方向へ伝導する熱のうち、第3の伝導熱
H3に関わる切削液の温度を測定することにより代用す
る。
のブロック図である。この熱変位補正装置70は熱変位
補正値を算出してNC10に与えるものであって、基準
位置記憶手段701を有する位置補正演算手段702、
基準温度記憶手段703を有する温度補正演算手段70
4、両補正演算手段702,704の演算結果に基づい
て温度補正値および位置補正値を演算する補正値演算手
段705、その温度補正値および位置補正値を記憶する
補正値記憶手段706、およびそれらの補正値に基づい
てマニュアル補正が行われたどうかを判別し、マニュア
ル補正が行われたものと判別されたときは基準位置記憶
手段701および基準温度記憶手段703にフィードバ
ックして更新するマニュアル補正判別手段707を備え
ている。位置補正演算手段702には、位置センサ26
の位置検出情報がA−Dコンバータ62を介して導入さ
れ、温度補正演算手段704には、温度センサ38の温
度検出情報がA−Dコンバータ64を介して導入され
る。
して次のa,bを準備する。 a)タレットヘッド6(の刃具8)とスピンドルヘッド
2(のスピンドル54)との間の相対距離を測定する位
置センサ26をタレットボックス14側に、またスピン
ドルヘッド2側に反射体24を取り付け(図2)、 b)タレットヘッド6の温度を推定するためにタレット
ヘッド6の温度を模擬するブロック30およびその温度
を測定する温度センサ38を取り付ける。
ットボックス14とスピンドルヘッド2との間の距離を
測定することにより、以下の変位を主とする変位量を総
合して得ることができる。なお、測定位置はNC10か
らの指令により常に原点からの一定位置とする。 1)ボールねじ17の変位(図3参照) 2)脚52の変位 (図4参照) 3)スピンドル54の変位(主に脚52に熱が伝達する
ことによる脚52の変位の影響) 4)タレットボックス14の変位(図5参照) 次に、温度センサ38によるブロック30の温度測定結
果を用いて、タレットヘッド6の温度を推定し、それに
よりタレットヘッド6の変位を計算する方法について説
明する。
の方向でタレットヘッド6側に伝導する。その場合、 a)軽負荷のために切削熱量が少ない場合は、(刃具8
+ツール+タレットヘッド6)の放熱量が大きいため、
タレットボックス14の温度に対して(刃具8+ツール
+タレットヘッド6)の温度上昇は小さく、これらの変
位は無視することができる。因みに、すでに述べた位置
測定はタレットボックス14のスピンドル54側で行っ
ているので、これらの変位は位置測定結果に含まれる。 b)重負荷のために切削熱量が多い場合は、(刃具8+
ツール+タレットヘッド6)の温度上昇がタレットボッ
クス14の温度に対して大きくなり、それらの変位は大
きくなる。その場合、タレットヘッド6系の変位量は、 変位量=(タレットヘッド系の半径)×(膨張率)×
(現在温度−基準温度)×(負荷係数) として計算することができる。
6を参照して説明した通りである。式中の負荷係数は温
度センサ38によって測定された温度に基づいて推定す
る。すなわち、切削負荷の軽重は、切削を開始してから
所定時間後、たとえば30分後のタレットヘッド6の温
度上昇、すなわちブロック30の温度上昇によって推定
することができる。この温度上昇量にあらかじめ実験的
に求めた係数を乗じて決定する。実験によれば、この係
数として、1/2.93程度が適当なものであった。
される本発明の手順について図7を参照して説明する。
まず、加工サイクルの先頭で、NCプログラム指令によ
ってタレットを測定位置へ移動する(ステップ10
1)。次に、位置センサ26によりタレットボックス1
4とスピンドルヘッド2との間の距離を測定し、その測
定データを図1に示すようにA−Dコンバータ62を介
して熱変位補正装置70に取り込むとともに、タレット
ヘッド6の温度を推定すべくブロック30の温度を温度
センサ38により測定し、その測定データもA−Dコン
バータ64を介して熱変位補正装置70に取り込む(ス
テップ102)。この測定値の取り込みが終わったら、
タレットを位置センサ測定位置からいったん待避させる
(ステップ103)。ここで補正の組数のカウントのた
めの変数iをゼロにクリアする(ステップ104)。い
ま補正の組数、すなわち補正対象のタレットヘッド6の
オフセット補正組数を表す変数iの最大値を“32”と
すると、次のステップとして、「i=32」であるか否
かをチェックする(ステップ105)。ここで当初は、
i=0であるから“NO”である。後述のマニュアル補
正を行ったか否かを判別するために、NC10のi+1
番目のオフセットがi+1番目の補正記憶値と同じか否
かのチェックを行う(ステップ106)。“YES”な
ら、マニュアル補正が行われていないことになるので、
i+1番目の基準位置からの変位量を演算する(ステッ
プ107)とともに、i+1番目の基準温度からの偏差
演算を行い(ステップ108)、その演算結果に基づい
てNC10のi+1番目のオフセット補正を行い(ステ
ップ109)、その補正値を記憶する(ステップ11
0)。これで最初の1点についての補正処理を終了す
る。ステップ106において“NO”の場合は、マニュ
アル補正が行われていることになるので、i+1番目の
基準位置と基準温度の更新記憶を行って(ステップ11
1)から補正値記憶(ステップ110)を行う。この補
正値記憶の後に、次の補正点についての補正処理を行う
べく、i=i+1の処理をして(ステップ112)、ス
テップ105へ戻る。以下、ステップ106〜112を
繰返し、ステップ112におけるi=i+1の処理の
後、ステップ105においてi=32が確認されたら、
それはすべての補正点についての補正処理が終了したこ
とを意味するので、NC10による所定の切削加工作業
を行い(ステップ113)、「終了」となる。
の通りである。 1)位置センサ26と温度センサ38との組み合せによ
り位置補正データを得る。 a)位置センサ26でタレットボックス14とスピンド
ル54との間の距離を測定することにより、以下の基準
位置との変位を総合して得ることができる。 *切削液温および外気温の変化による脚52の変位量、 *スライドナット48が摺動することによるボールねじ
17の伸びによる変位量、 *スピンドル54の回転に伴う発熱による脚52への熱
伝導によるスピンドルヘッド2の変位量、および *各変位量の熱伝達遅延による計算誤差分。 b)温度模擬ブロック30および温度センサ38を介し
てタレットヘッド6の温度を高精度で推定することによ
り、タレットヘッド6とツールや刃具8の基準温度の時
の位置に対する変位量(膨張量)を計算する。 c)上記aとbの値を合算することにより、ワーク4の
補正変位量を把握する。
ニュアル補正を加えたときの上記温度と位置をそれぞれ
マニュアルで補正したオフセット番号の基準温度および
基準位置とする。 a)オペレータがマニュアル補正を行うときは、当然、
加工した製品の寸法チェックを行い、加工誤差分をマニ
ュアルで補正する。この補正をすることにより、加工誤
差はゼロになったとみなすことができる。したがって、
このときの上記温度と位置を計算の基準とする(基準温
度、基準位置)。 b)連続加工をした場合、位置測定および温度測定を行
う度にマニュアル補正判別手段707によりマニュアル
補正が行われたかをチェックし、マニュアル補正が行わ
れたと判断した場合は基準温度および基準位置を更新す
る。 c)連続加工した場合、製品すなわちワーク4は刃具8
の摩耗により寸法変化を来す。したがって、通常、オペ
レータは定期的に寸法チェックをして、摩耗を含む加工
誤差をマニュアルで補正する。このことは、定期的に上
記基準温度と基準位置を直近のデータに校正してくれる
ことになる。したがって、より正確な補正を実現するこ
とができる。
機械の熱変位によるワークの加工誤差をより低減し得
る、取扱の比較的簡単な、工作機械の熱変位補正方法お
よび装置を提供することができる。
の形態を示すブロック図。
位置センサおよび温度センサの取付位置を示す配置図。
について説明する説明図。
置する脚の変位について説明する説明図。
位について説明する説明図。
測定について説明する説明図。
するためのフローチャート。
Claims (6)
- 【請求項1】ワークを取り付けたスピンドルと刃具を取
り付けたタレットヘッドとの相対位置を測定する位置測
定ステップと、 前記タレットヘッドの温度を測定する温度測定ステップ
と、 前記位置測定ステップおよび前記温度測定ステップによ
る作業開始前の測定結果を基準値として作業開始後の測
定結果に基づき前記相対位置および前記タレットヘッド
の温度に対する補正量を算出しNC装置のオフセットを
補正する補正量演算ステップとを備える工作機械の熱変
位補正方法。 - 【請求項2】前記温度測定ステップが、前記タレットヘ
ッドの熱容量に近い熱容量を有し循環する切削液に熱的
に接触するように前記タレットヘッドに近接配置された
温度模擬ブロックの温度を測定することによって実行さ
れる請求項1に記載の工作機械の熱変位補正方法。 - 【請求項3】前記補正量演算ステップにおける補正量の
計算に際し、前記温度測定ステップで測定された温度に
基づいて切削負荷の軽重を推定し、その軽重を表す係数
を加味する請求項2に記載の工作機械の熱変位補正方
法。 - 【請求項4】ワークを取り付けたスピンドルと刃具を取
り付けたタレットヘッドとの相対位置を測定する位置セ
ンサと、 前記タレットヘッドの温度を測定する温度測定手段と、 前記位置センサおよび前記温度測定手段による作業開始
前の測定結果を基準値として作業開始後の測定結果に基
づき前記相対位置および前記タレットヘッドの温度に対
する補正量を算出しNC装置のオフセットを補正する補
正量演算手段とを備えた工作機械の熱変位補正装置。 - 【請求項5】前記温度測定手段が、前記タレットヘッド
の熱容量に近い熱容量を有し循環する切削液に熱的に接
触するように前記タレットヘッドに近接配置された温度
模擬ブロックと、この温度模擬ブロックの温度を測定す
る温度センサとからなっている請求項4に記載の工作機
械の熱変位補正装置。 - 【請求項6】前記補正量演算手段が、前記補正量の計算
に際し前記温度センサによって測定された温度に基づい
て切削負荷の軽重を推定し、その軽重を表す係数を加味
する請求項5に記載の工作機械の熱変位補正装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP33052197A JP3897884B2 (ja) | 1997-12-01 | 1997-12-01 | 工作機械の熱変位補正方法および装置 |
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JPH11156676A true JPH11156676A (ja) | 1999-06-15 |
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ID=18233569
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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