JPH11156676A - 工作機械の熱変位補正方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱変位による加工誤差を低減し得る、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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ワーク加工時にお
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。

【０００２】

【従来の技術】工作機械によってワーク（被切削材）を
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。

【０００３】種々の部位におけるこのような温度変化に
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の熱変位
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。

【０００５】したがって、本発明の目的は、熱変位によ
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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
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。

【０００７】請求項２に係る発明は、温度測定ステップ
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。

【０００８】請求項３に係る発明は、補正量演算ステッ
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。

【０００９】請求項４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。

【００１０】請求項５に係る発明は、温度測定手段が、
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。

【００１１】請求項６に係る発明は、補正量演算手段
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。

【００１２】

【発明の実施の形態】図２は本発明を適用する工作機械
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。

【００１３】Ｘ軸サーボモータ１６によるＸ軸方向位置
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。

【００１４】刃具８とワーク４との間に生ずる切削熱を
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。

【００１５】タレットヘッド６は回転するためその温度
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。

【００１６】図３は、タレットボックス１４およびタレ
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。

【００１７】その場合、ボールねじ１７とナット４８が
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。

【００１８】図４を参照して工作機械の熱伝達系統と熱
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。

【００１９】このほかに、脚５２に対する熱の要素とし
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。

【００２０】次に図５を参照してタレットボックス１４
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。

【００２１】図６に示すように、ワーク４を刃具８で切
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。

【００２２】タレットヘッド６の熱膨張による変位量を
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。

【００２３】図１は、本発明による熱変位補正装置７０
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。

【００２４】さて、本発明を実施するために、検出端と
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。

【００２５】図２において、位置センサ２６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。

【００２６】切削により発生する熱は図６の伝導熱Ｈ１
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。

【００２７】タレットヘッド６の温度測定については図
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。

【００２８】次に、図１の熱変位補正装置によって実施
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。

【００２９】以上述べた本発明の特徴を要約すれば、次
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。

【００３０】２）オペレータがＮＣ１０による制御にマ
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。

【００３１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、工作
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による工作機械の熱変位補正装置の実施
の形態を示すブロック図。

【図２】本発明を適用する工作機械の全体的構成並びに
位置センサおよび温度センサの取付位置を示す配置図。

【図３】タレットボックスに含まれるボールねじの変位
について説明する説明図。

【図４】タレットボックスおよびスピンドルヘッドを載
置する脚の変位について説明する説明図。

【図５】タレットボックスおよびタレットヘッドの熱変
位について説明する説明図。

【図６】切削熱の伝導方向およびタレットヘッドの温度
測定について説明する説明図。

【図７】本発明による熱変位補正方法および装置を説明
するためのフローチャート。

【符号の説明】

２ スピンドルヘッド ４ ワーク ６ タレットヘッド ８ 刃具 １０ 数値制御装置（ＮＣ） １２ スピンドルモータ １４ タレットボックス １６ Ｘ軸サーボモータ １７ Ｘ軸ボールねじ １８ Ｚ軸サーボモータ １９ Ｚ軸ボールねじ ２０ パルスコーダ ２２ パルスコーダ ２４ 位置センサ用反射体 ２６ 非接触型位置センサ ２８ ノズル ３０ 温度模擬ブロック ３２ リキッドモータ ３４ リキッドポンプ ３６ リキッド配管 ３８ 温度センサ ４０ カップリング ４４ タックベアリング ４６ タックベアリング ４８ ナット ５０ リキッドタンク ５２ 脚 ５４ スピンドル ５６ 切削油 ６２ Ａ−Ｄコンバータ ６４ Ａ−Ｄコンバータ ７０ 熱変位補正装置 ７０１ 基準位置記憶手段 ７０２ 位置補正演算手段 ７０３ 基準温度記憶手段 ７０４ 温度補正演算手段 ７０５ 補正値演算手段 ７０６ 補正値記憶手段 ７０７ マニュアル補正判別手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。