JPH11338527A - 工作機械の制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサを極力用いることなく工作機械の変形
による制御対象の位置誤差を相殺する補正値を求め、工
作機械の位置精度の向上を図る。 【解決手段】 工作機械の位置精度に影響を与える工作
機械の所定部位を変形させる現象を数値的にモデル化
し、工作機械の変形挙動を逐次シミュレーションして、
工作機械の変形による制御対象の位置誤差を相殺する補
正値を、工作機械の軸送り制御装置に送出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の制御方
法および装置に関し、特に工作機械の所定の部位の変形
による位置誤差を相殺するように補正制御を行う工作機
械の制御方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、工作機械は益々高精度化が求めら
れる一方、工作機械の加工効率を高くするために高速化
がなされている。工作機械を高速化すると、主軸は主と
して軸受部において発熱して熱変形を生じ軸方向に延び
ることが知られている。こうした主軸の熱変位に基づく
誤差を除去するために従来から種々の制御方法または制
御装置が提案されている。

【０００３】先ず、工作機械の制御方法として、予め定
められた動作手順に従い工作機械の作用部位の動作、例
えば、主軸の回転速度や送り、ＸＹテーブルの送り、潤
滑油やクーラント供給装置のオンオフを制御する方法
や、ミリットスイッチ、位置検知器等の種々のセンサを
用いて、工作機械の作用部位の位置、状態を検知して、
それらが所定の値となるようにフィードバック制御する
方法がある。

【０００４】予め定められた動作手順に従い制御する方
法として、特開平９−７０７３９号公報に開示された制
御方法がある。この制御方法では、主軸の熱変形に基づ
く変位を主軸回転速度毎に時間を変数として予め実測し
た上で、主軸熱変位データを記録テーブルとして記憶さ
せて、加工に際して主軸の変位を相殺するように主軸の
送りが補正される。

【０００５】センサを用いたフィードバック制御とし
て、特開昭５８−１３２４４１号公報に開示された、主
軸頭やコラムからＸ、Ｙ、Ｚ方向についての温度を検出
して、主軸の熱変位に対応した補正値をＮＣ装置に出力
して制御する熱変位補正装置がある。

【０００６】また、特開平７−７５９３７号公報には、
ニューラルネットワークを用いた工作機械及びその制御
方法が開示されている。この公報の工作機械及びその制
御方法は、ニューラルネットワークを用いた学習機能を
有しているが、温度センサからの温度情報に基づいて工
作機械各部位の熱変形量を求め、各軸の補正を行ってい
る点で上述のセンサを用いたフィードバック制御の一種
と言える。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特開平９−７０７３９
号公報に開示された制御方法によれば、単純な構成によ
り主軸熱変位を動的に補正することができる。然しなが
ら、主軸温度は、主軸の軸受のための潤滑油の温度、切
削用クーラントのオンオフ、その温度、工作機械の設置
されている周囲の環境温度によっても変化するので、同
公報に開示されたように予め実測された主軸の変位デー
タをテーブルとして記憶させても、主軸回転速度と時間
から主軸の挙動を再現することができない。更に、主軸
回転速度の変化のパターンは対象となる切削加工により
まちまちとなり、かつ、複雑であるので、複合的な工作
機械の各部位の挙動を記憶テーブルとして記憶させるこ
とはできない。

【０００８】特開昭５８−１３２４４１号公報および特
開平７−７５９３７号公報に開示された制御装置または
制御方法では、温度センサが不可欠な要素として必要と
なり、工作機械の製造コストを増加させる。更に検知す
べき対象によっては、センサの取付が困難または不可能
な場合があり、工作機械におけるあらゆる部位の変位を
検知できるわけではない。

【０００９】かかる従来技術の問題に鑑み、本発明は、
極力センサを用いることなく工作機械の変形による制御
対象の位置誤差を相殺する補正値を求め、工作機械の位
置精度向上を図った制御方法および装置を提供すること
を目的としている。

【００１０】更に、本発明は主軸の温度変化による主軸
の熱変位を相殺する補正値を出力して、工作機械の位置
精度向上を図った制御方法および装置を提供することを
目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、工作機械の位
置誤差を補正する制御方法において、工作機械の位置精
度に影響を与える物理現象を工作機械の構成要素につい
て前記現象を支配する要素単位に分割して各々について
数値モデル化し、前記数値モデル化した要素単位を結合
して工作機械の変形挙動を逐次シミュレーションし、工
作機械の変形による位置誤差を相殺する補正値を求め、
前記求めた補正値を用いて補正制御を行う工作機械の制
御方法を要旨とする。

【００１２】更に、本発明は、工作機械の主軸の熱変形
による位置誤差を補正する工作機械の制御方法におい
て、工作機械の主軸回りの構成物、その構成物の動作に
より生じる発熱、吸熱、熱変形等の物理現象及びその構
成物を制御する制御アルゴリズムを基本的な要素単位に
分割して数値モデル化し、前記数値モデル化した各要素
単位間で作用し合う要素単位同士を入力と出力とで結合
し、相互に関連させて主軸回りの吸熱量及び発熱量を演
算し、主軸回りの熱収支から主軸温度または主軸に蓄積
される熱量を求め、求めた主軸温度又は主軸蓄熱量から
主軸の熱変位量を求めるシミュレーションを逐次行い、
前記シミュレーションによって求めた主軸の熱変位量か
ら位置誤差を相殺する補正値を求め、前記求めた補正値
を用いて補正制御を行う工作機械の制御方法を要旨とす
る。

【００１３】更に、本発明によれば、工作機械の主軸の
熱変形による位置誤差を補正する工作機械の制御装置に
おいて、主軸回りに配設された構成要素のうち、主軸に
対して吸熱源となる放熱要素及び吸熱制御要素による吸
熱量を演算する吸熱量演算手段と、主軸回りに配設され
た構成要素のうち、主軸に対して発熱源となる発熱要素
による発熱量を演算する発熱量演算手段と、前記吸熱量
演算手段および発熱量演算手段により演算された吸熱量
および発熱量から主軸温度または主軸に蓄積される熱量
をを演算する主軸温度／主軸蓄熱量演算手段と、前記主
軸温度／主軸蓄熱量演算手段により演算された主軸温度
または主軸蓄熱量を前記吸熱量演算手段に帰還して逐次
シミュレーションすることで、主軸の連続的な熱変位量
を求め、求めた熱変位量から位置誤差を相殺する補正値
を発生して補正制御を行わせる補正手段と、を具備する
工作機械の制御装置が提供される。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、工作機械の位置精度に
影響を与える工作機械の構成要素を変形させる物理現象
による工作機械の変形を、工作機械の各構成要素につい
て数値解析モデルを立てて、その変形挙動を時間を追っ
て逐次シミュレーションし、こうした工作機械の変形に
よる制御対象の位置誤差を相殺する補正値を、ＮＣ装置
に出力して軸送りを補正制御する。

【００１５】工作機械の位置精度に影響を与える構成要
素としては、例えば主軸、主軸装置、ベッド、コラム、
ワークテーブル、工具、ワークそれ自体等が挙げられ
る。こうした構成要素を変形させる物理現象としては、
主軸の熱変形現象や、工作機械におけるコラムやベッド
の熱変形、荷重変動による工作機械の弾性変形等が挙げ
られる。こうした物理現象を支配する要素単位に分割し
て各々について数値モデルを想定する。例えば、主軸の
熱変形に関して考えると、主軸の回転による発熱、主軸
駆動モータの発熱、クーラントによる吸熱、潤滑油によ
る吸熱、主軸の自然放熱が構成要素としての主軸を熱変
形させる物理現象を支配する要素単位として考えられ
る。この数値モデル化した要素単位を結合して、工作機
械の変形挙動、例えば主軸の熱変形や、工作機械の荷重
の移動や切削荷重による弾性変形、を時間を追って逐次
シミュレーションする。工作機械の弾性変位の場合に
は、主軸装置、ベッド、コラム、ワークテーブル、工
具、ワークの各変形量を求めて工具とワークとの間の相
対的な位置誤差を逐次シミュレーションする。

【００１６】次いで、この工作機械の変形により生じる
位置誤差を相殺する補正値を求める。例えば、主軸が熱
変形により主軸長さの定位から０．０１ｍｍ延びた場合
には、補正値は主軸のＺ軸方向の送りを０．０１ｍｍ低
減する値である。この補正値を工作機械のＮＣ装置に出
力して工作機械の補正制御を行う。また、工作機械の弾
性変形の場合には、ワークと工具先端位置との相対的な
位置誤差をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向について求め、各々の位置
誤差を相殺する補正値をＸ、Ｙ、Ｚ軸について出力し、
補正制御を行う。

【００１７】図１、２を参照して本発明の第１の実施形
態をより詳細に説明する。図１は本発明実施形態による
主軸熱変位補正制御装置を備えた工作機械の構成を示す
ブロック図であり、図２は、主軸熱変位補正制御装置の
ブロック図である。以下の実施形態では、工作機械の位
置精度に影響を与える工作機械の所定部位として主軸を
想定して、この主軸を変形させる現象としての主軸温度
変化を主軸回りの熱収支モデルを確立して数値解析によ
り求め、主軸の変形挙動を時間を追って逐次シミュレー
ションすることにより、主軸の熱変形による制御対象と
しての主軸のＺ軸方向の位置誤差を補正する場合を一例
として説明する。

【００１８】先ず、図１において、工作機械は、ベッド
１０、前記ベッド１０上でＸＹ軸方向に移動可能に設け
られワーク（図示せず）を取り付けるためのＸＹテーブ
ル１３、前記ベッド１０に立設されたコラム（図示せ
ず）、ＸＹ軸に対して垂直なＺ軸方向に移動可能にコラ
ムに支持された主軸装置１１、前記ＸＹテーブルをＸＹ
軸方向に送るためのＸ、Ｙ軸送り装置１５ａ、主軸装置
１１をＺ軸方向に送るためのＺ軸送り装置１５ｂを主要
な構成要素として具備している。

【００１９】主軸装置１１は、ハウジング１１ａに軸受
１１ｂを介して回転自在に支持された主軸１１ｃと、ハ
ウジング１１ａ内に収納され主軸１１ｃを回転駆動する
所謂ビルトイン式の主軸モータ１１ｄを主要な構成要素
として具備している。主軸１１ｃの先端に形成されたテ
ーパー孔に工具１１ｇを装着した工具ホルダ１１ｆが取
り付けられる。主軸１１ｃ、工具ホルダ１１ｆおよび工
具１１ｇを貫通させてクーラント供給通路１１ｅが形成
されており、クーラント供給装置１９から工具先端の切
刃に向けてクーラントが供給される。

【００２０】潤滑油冷却供給装置２１から、潤滑油供給
管路２１ａ、ハウジング１１ａに形成された油通路（図
示せず）を通して主軸１１ｃを支持する軸受１１ｂへ潤
滑油が供給され、ハウジング１１に形成された油通路
（図示せず）、潤滑油回収管路２１ｂを介して回収され
る。潤滑油回収管路２１ｂには潤滑油温度センサ２１ｃ
が配設されており、主軸装置１１から回収される潤滑油
の温度が検知される。また、潤滑油冷却供給装置２１に
は、工作機械の所定部位に取り付けられた機械温度セン
サ２１ｄが接続されている。図１では図示する便宜上、
機械温度センサ２１ｄはベッド１０に取り付けられてい
るが、機械温度センサ２１ｄは工作機械の温度変化の少
ない他の部位に取り付けてもよい。

【００２１】Ｘ、Ｙ軸送り装置１５ａおよびＺ軸送り装
置１５ｂは、軸送り用サーボモータおよびアンプ等を主
要な構成要素として具備して成る当業者には周知の送り
装置である。Ｘ、Ｙ軸送り装置１５ａおよびＺ軸送り装
置１５ｂは、軸送り制御装置としてのＮＣ装置１７によ
り制御される。主軸駆動モータ１１ｄもまたＮＣ装置１
７により制御される。詳細には図示されていないが、Ｎ
Ｃ装置１７には、工作機械により加工されるワークの形
状や材料に関するデータを入力する入力装置を具備する
ことができる。ＮＣ装置１７には詳細に後述する主軸熱
変位補正制御装置２３が接続されている。

【００２２】次に、図２を参照して本発明実施形態によ
る主軸熱変位補正制御装置２３を説明する。主軸熱変位
補正制御装置２３は吸熱量演算部２５、発熱量演算部２
７、主軸温度演算部２９、主軸熱変位演算補正部３１を
具備して構成される。詳細には図示されていないが、主
軸熱変形予測補正装置２３は、ハードウェア構成として
中央演算素子（ＣＰＵ）と、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装
置、入出力インターフェースおよびこれらを接続する双
方向バス等により構成することができる。記憶装置は、
ハードディスク装置や光磁気ディスク装置等を含んでい
ても良い。

【００２３】詳細に後述するように、主軸熱変位補正制
御装置２３は、主軸１１ｃの周囲に配設された工作機械
の構成要素のうち、主軸に対して吸熱源となる構成要素
による吸熱量を吸熱量演算部２５により演算し、主軸に
対して発熱源となる構成要素による発熱量を発熱量演算
部２７により演算し、こうして演算された吸発熱量を主
軸温度演算部２９において統合して、その熱収支から主
軸１１ｃの温度を演算し、これに基づいて主軸熱変位補
正部３１において主軸１１ｃの熱変位を求めると共に、
この熱変位を相殺するように、ＮＣ装置１７に対して主
軸１１ＣのＺ軸方向の送りに関する補正値を出力し、主
軸１１ｃの熱変位による位置誤差を除去することにより
加工精度の向上を図るものである。

【００２４】吸熱量演算部２５は、主軸１１ｃに形成さ
れたクーラント通路１１ｅを流通するクーラントにより
主軸が冷却されることに基づく吸熱量を演算するクーラ
ント吸熱量演算部２５ａ、軸受１１ｂに供給される潤滑
油により冷却されることによる吸熱量を演算する潤滑油
吸熱量演算部２５ｂ、主軸装置１１が周囲に放散する熱
量を演算する主軸放熱量演算部２５ｃとを具備すること
ができる。

【００２５】発熱量演算部２７は、主軸１１ｃが回転す
ることにより主として軸受１１ｂでの発熱量を演算する
主軸発熱量演算部２７ａと、主軸１１ｃを回転駆動する
主軸駆動モータ１１ｄの銅損に基づく発熱量を演算する
主軸駆動モータ発熱量演算部２７ｂとを具備することが
できる。

【００２６】クーラント吸熱量演算部２５ａ、潤滑油吸
熱量演算部２５ｂおよび主軸放熱量演算部２５ｃの各々
において、主軸装置１１における吸熱量を演算し、主軸
発熱量演算部２７ａおよび主軸駆動モータ発熱量演算部
２７ｂにおいて主軸装置１１における発熱量を演算し、
これを主軸温度演算部２９において統合して熱収支を立
てて主軸１１ｃの温度を演算する。主軸温度演算部２９
で演算された主軸１１ｃの温度は、次いで、クーラント
吸熱量演算部２５ａ、潤滑油吸熱量演算部２５ｂおよび
主軸放熱量演算部２５ｃの各々に出力され、次の演算の
基礎に用いられる。更に、主軸１１ｃの温度は主軸熱変
位演算補正部３１へ出力され、この主軸１１ｃの温度に
基づいて主軸１１ｃの熱変位量が求められ、その熱変位
を相殺するように主軸１１ｃをＺ軸方向に送るべく補正
値がＮＣ装置１７に出力される。

【００２７】以下、図３から図１０を参照して、本実施
形態による主軸温度の演算方法を説明する。先ず、図３
を参照して主軸温度予測、演算メインルーチンを説明す
る。このメインルーチンは、例えば工作機械の主電源が
投入されたときに起動させることができる。メインルー
チンの起動後、まず初期化サブルーチンが呼び出され
（ステップＳ１０）、変数の初期化が行われる。

【００２８】図４を参照すると、本実施形態において、
初期化サブルーチンではステップＳ２３において、主電
源投入時（ＯＮ時）の日付から予め登録してある年間の
温度テーブルを参照して周囲温度Ｔ_a が決定される。つ
まり、周囲温度Ｔ_a は日付の関数Ｆ（日付）で決定され
る。次いで、ステップＳ２４において、主電源をＯＦＦ
した時刻とＯＮした時刻から、主電源ＯＦＦ中の時間ｔ
₀ を算出し、記憶されている主電源ＯＦＦ時の主軸温度
Ｔ_spから主電源ＯＦＦ中の放熱を算出し、主電源ＯＮ時
の主軸温度が求められ、新しい主軸温度Ｔ_spとする。こ
れは以下の積分により求められる。

【数１】 ここで、Ｃは主軸１１ｃの比熱、Ｍは主軸１１ｃの質
量、τ_c は時間定数、ａ₃及びγ_d は定数である。もち
ろん周囲温度Ｔ_a を求める温度センサ３３を設置してお
き、温度センサ３３の読みを用いて周囲温度Ｔ_a の初期
値として用いても良い。なお温度センサ３３は必須の構
成要素ではない。

【００２９】更に、ステップＳ２５において、クーラン
ト吸熱量Ｑ_c 、潤滑油吸熱量Ｑ_o 、主軸放熱量Ｑ_d 、主
軸発熱量Ｑ_sp、主軸駆動モータ発熱量Ｑ_m に０が読み込
まれる。クーラント吸熱量Ｑ_c 、潤滑油吸熱量Ｑ_o 、主
軸放熱量Ｑ_d 、主軸発熱量Ｑ _sp、主軸駆動モータ発熱量
Ｑ_m の単位はワット（Ｗ）とするとができるが、適当な
代表値に基づき無次元化してもよい。

【００３０】次に、ステップＳ１２において主軸温度演
算サブルーチンが呼び出される。図５を参照すると、ス
テップＳ２６において、主軸温度Ｔ_spは、クーラント吸
熱量Ｑ_c 、潤滑油吸熱量Ｑ_o 、主軸放熱量Ｑ_d 、主軸発
熱量Ｑ_sp、主軸駆動モータ発熱量Ｑ_m の各々に重みとし
ての定数ａ₁ 〜ａ₅ を掛けて合計し、所定の時間定数τ
_c を掛けて、主軸１１ｃの比熱Ｃと質量Ｍとの積の逆数
を掛けた値に主軸温度Ｔ_spの前回値を加えて求められ
る。ここで、時間定数τ_c は、この主軸温度予測演算メ
インルーチンを実行する実時間間隔に対応させて決定さ
れる。主軸１１ｃの比熱Ｃは主軸１１ｃの材料から決定
することができる。

【００３１】第一回目に主軸温度演算サブルーチンが実
行されるときには、クーラント吸熱量Ｑ_c 、潤滑油吸熱
量Ｑ_o 、主軸放熱量Ｑ_d 、主軸発熱量Ｑ_sp、主軸駆動モ
ータ発熱量Ｑ_m には０が入力されているので、ステップ
Ｓ２６で演算される主軸温度Ｔ_spはステップＳ２４で演
算された主軸温度Ｔ_spとなる。

【００３２】主軸温度演算サブルーチンの実行後、メイ
ンルーチンのステップＳ１４〜ステップＳ２２におい
て、クーラント吸熱量演算サブルーチン、潤滑油吸熱量
演算サブルーチン、主軸放熱量演算サブルーチン、主軸
発熱量演算サブルーチン、モータ発熱量演算サブルーチ
ンが逐次実行される。

【００３３】図６において、周囲温度Ｔ_a の関数として
求まるクーラント温度Ｔ_c （γ_c は定数）と、予め設定
されたクーラントの流量ＦＲ_c が読み込まれる（ステッ
プＳ２８、Ｓ３０）。次いで、クーラント温度Ｔ_c と主
軸温度Ｔ_spとの差に定数α_cと流量ＦＲ_c を乗じてクー
ラント吸熱量Ｑ_c が求められる。ここで、定数α_c は、
主軸１１ｃのクーラント通路１１ｅを流通するクーラン
トの熱伝達率に対応した定数である。

【００３４】図７において、潤滑油吸熱量演算サブルー
チンでは、先ず、潤滑油冷却供給装置２１の冷却制御を
数値モデル化し、周囲温度Ｔ_a と等しいと仮定した機械
温度と（温度センサ２１ｄの読みを用いてもよい）、主
軸温度Ｔ_spによって決まる回収潤滑油温度（温度センサ
２１ｃの読み）との差分に比例定数ｋを乗じて潤滑油温
度Ｔ_o を算出する（ステップＳ３２）。そして予め設定
されている潤滑油流量ＦＲ_o を読み込む（ステップＳ３
４）。なお、温度センサ２１ｃは必須のセンサである
が、この温度センサは主軸の熱変位量を補正する制御の
ために設けた温度センサではなく、もともと潤滑油冷却
供給装置２１に付属する構成要素として具備されている
センサである。

【００３５】次いで、ステップＳ３６において、潤滑油
温度Ｔ_o と主軸温度Ｔ_spとの差に定数α_o と流量ＦＲ_o
を乗じて潤滑油吸熱量Ｑ_o が求められる。ここで、定数
α_oは、ハウジング１１ａ内の油通路および主軸１１ｃ
のための軸受１１ｂを流通する潤滑油の総合熱伝達率に
対応した定数である。

【００３６】図８において主軸放熱量演算サブルーチン
では、先ず、周囲温度Ｔａと主軸温度Ｔ_spとの温度差Δ
Ｔ_spを求め（ステップＳ３８）、次いで、温度差ΔＴ_sp
に定数γ_d を乗じて主軸の放熱量が求められる。定数γ
_d は、主軸１１ｃからハウジング１１ａを通して外気に
放散される伝熱の熱通過係数に対応した値であり、例え
ば、ハウジング１１ａ内での主軸１１ｃからハウジング
１１ａへの対流熱伝達、熱放射、ハウジング１１ａの熱
伝導、ハウジング１１ａから外気への対流熱伝達および
熱放射を考慮して決定することができる。

【００３７】図９において主軸発熱量演算サブルーチン
では、先ず、ステップＳ４２において、主軸１１ｃの回
転速度ｒｐｍがＮＣ装置１７から変数ＲＰＭとして読み
込まれ、ステップＳ４４において、ＮＣ装置１７内にあ
る送り軸サーボモータ用のサーボ制御部のトルク指令か
ら加減速トルク、動摩擦トルク、垂直軸重力保持トルク
を差し引いた実切削負荷トルクｔ_c を求め、変数Ｔ_c と
して読み込まれる。ステップＳ４６において、この実切
削負荷トルクＴ_c に定数ｌを乗じて軸受１１ｂに負荷さ
れる荷重を代表する値Ｐが演算される。

【００３８】ステップＳ４８において、荷重Ｐと回転速
度ＲＰＭとの関数として主軸発熱量Ｑ_spが演算される。
本実施形態では、主軸の発熱量Ｑ_spは、主として主軸１
１ｃを回転支持する軸受１１ｂでの発熱を考慮してお
り、軸受１１ｂでの発熱量は、軸受１１ｂの荷重Ｐのｂ
₁ 乗と回転速度ＲＰＭとの積と、回転数ＲＰＭのｂ₂ 乗
との和に比例すると仮定している。比例定数γ₁ 、γ₂
は実験により適宜に求めることができ、例えば、回転速
度ＲＰＭや荷重Ｐをパラメータに比例定数γ₁ 、γ₂ お
よび指数ｂ₁ 、ｂ₂ に関するデータを記憶テーブルとし
て制御装置の記憶装置に格納することができる。

【００３９】図１０において、モータ発熱量演算サブル
ーチンでは、ステップＳ５０において主軸駆動モータ１
１ｄへ供給される駆動電流ｉ_m がＮＣ装置１７から出力
され変数Ｉ_m として読み込まれる。モータ発熱量Ｑ
_m は、駆動電流Ｉ_m の二乗にモータ損失定数εを乗じて
求められる（ステップＳ５２）。モータ損失定数εは、
使用するモータの定数として格納することができる。

【００４０】こうして、ステップＳ１４からＳ２２のク
ーラント吸熱量演算サブルーチン、潤滑油吸熱量演算サ
ブルーチン、主軸放熱量演算サブルーチン、主軸発熱量
演算サブルーチン、モータ発熱量演算サブルーチンが逐
次実行されると、メインルーチンは、主軸温度演算サブ
ルーチン（ステップＳ１２）へ帰還し、上述したように
求められたクーラント吸熱量Ｑ_c 、潤滑油吸熱量Ｑ_o 、
主軸放熱量Ｑ_d 、主軸発熱量Ｑ_sp、主軸駆動モータ発熱
量Ｑ_m に基づいて新たな主軸温度Ｔ_spが求められる。求
めた主軸温度Ｔ_spは、クーラント吸熱量演算部２５ａ、
潤滑油吸熱量演算部２５ｂ、主軸放熱量演算部２５ｃに
帰還して逐次シミュレーションすることで、主軸１１ｃ
の温度を連続的に求められる。

【００４１】当業者には理解されるように、上述した主
軸温度演算方法によれば、工作機械の起動から停止に至
るまで、主軸の回転中、停止中を含め連続的に主軸温度
を予測演算することが可能となる。

【００４２】主軸温度Ｔ_spは、上述したように主軸熱変
位演算補正部３１に出力される。主軸熱変位演算補正部
３１において、主軸温度Ｔ_spに基づいて主軸１１ｃの熱
変位量が求められる。この熱変位量は、主軸温度Ｔ_spを
パラメータとして実験により実際の熱変位量を求め、そ
のデータを記憶テーブルとして記憶装置に格納すること
ができる。或いは、温度変化に比例した値にて代表させ
ても良い。主軸熱変位演算補正部３１は、求められた熱
変位を相殺する補正値をＮＣ装置１７に出力し、この補
正値に基づいてＮＣ装置１７がＺ軸送り装置に指令を出
力する。本実施形態の特徴は、図２に示すように、シミ
ュレーションによって求めた主軸温度または主軸蓄熱量
から主軸熱変位量を相殺する補正値を演算するととも
に、求めた主軸温度または主軸蓄熱量をクーラント吸熱
量演算部２５ａ、潤滑油吸熱量演算部２５ｂ、主軸放熱
量演算部２５ｃにも帰還して次のシミュレーションを行
い、新たな主軸温度または主軸蓄熱量を求め、このサイ
クルを逐次繰返し行うことによって補正制御の適格性を
上げていることである。

【００４３】添付図面を参照して本発明の一実施形態を
説明したが、本発明がこの実施形態に限定されずに種々
の変形、改良が可能であることは言うまでもない。例え
ば、既述の実施形態では、主軸装置１１はビルトイン型
の主軸駆動モータ１１ｄを具備しているが、本発明はこ
うした主軸装置に限定されず、ハウジング１１ａの外部
に主軸駆動用モータが配設されていてもよい。

【００４４】既述の説明では、吸熱量演算部２５は、ク
ーラント吸熱量演算部２５ａ、潤滑油吸熱量演算部２５
ｂおよび主軸放熱量演算部２５ｃを具備しているが、こ
れは一例であって本発明はこの構成に限定されない。ク
ーラント、潤滑油、自然放熱以外のものであっても、主
軸１１ｃの熱変位に影響を与える吸熱または冷却効果を
有する要素がある場合には、それによる加工精度への影
響を除去するために、吸熱量演算部２５に含めることが
できる。また、本実施形態では、所謂スルースピンドル
型の供給方法にてクーラントを加工領域に供給する主軸
装置を例としたために、クーラント吸熱量演算部２５ａ
が設けられていたが、主軸１１ｃを貫通するクーラント
通路を備えない主軸装置の場合には、クーラントによる
主軸１１ｃの冷却効果は小さいと考えられるので、吸熱
量演算部２５ａを備えなくともよい。

【００４５】既述の実施形態では、クーラント吸熱量演
算サブルーチンにおいて、クーラントによる吸熱量を主
軸とクーラントの温度差と、クーラント流量と、熱伝達
率との積にて代表させたが、本発明はこれに限定されな
い。例えば、主軸とクーラントの温度差とクーラント流
量とをパラメータとして、予め実験によりクーラントに
よる吸熱効果を求め、そのデータを記憶テーブルの形で
記憶装置に格納してもよい。

【００４６】同様に、既述の実施形態では、潤滑油吸熱
量演算サブルーチンにおいて、潤滑油による吸熱量を主
軸と潤滑油の温度差と潤滑油の流量と熱伝達率との積に
て代表させたが、本発明はこれに限定されない。例え
ば、主軸と潤滑油の温度差と潤滑油流量とをパラメータ
として、予め実験により潤滑油による吸熱効果を求め、
そのデータを記憶テーブルの形で記憶装置に格納しても
よい。

【００４７】更には、既述の実施形態では、主軸放熱量
演算サブルーチンにおいて、主軸装置のハウジングから
の放散熱量を主軸と周囲温度と熱通過率の積にて代表さ
せたが、本発明はこれに限定されない。例えば、主軸と
周囲温度との温度差をパラメータとして、予め実験によ
り主軸装置からの放散熱量を求め、そのデータを記憶テ
ーブルの形で記憶装置に格納してもよい。

【００４８】既述の実施形態の説明では、発熱量演算部
２７は、主軸発熱量演算部２７ａおよび主軸駆動モータ
発熱量演算部２７ｂを具備しているが、これは単に一例
であって、本発明はこの構成に限定されないことは言う
までもない。例えば、上述したように、ハウジング１１
ａの外部に主軸１１ｃの駆動用モータが配設されている
場合には、主軸駆動モータ発熱量演算部２７ｂを具備し
なくともよい。更に、主軸１１ｃの温度を上昇させる他
の要因が存在する場合には、発熱量演算部２７は、その
発熱量を演算するように構成することができる。

【００４９】既述の実施形態では、主軸発熱量演算サブ
ルーチンにおいて、軸受１１ｂでの発熱量が、軸受１１
ｂへの荷重と回転速度との関数で求まるように説明した
が、本発明は、これに限定されず、例えば、主軸１１ｂ
の回転速度をパラメータとして軸受１１ｂの発熱量を予
め実験により求めて記憶テーブルの形で記憶装置に格納
してもよい。

【００５０】既述の実施形態では、主軸温度演算部２９
で主軸温度Ｔ_spを求めこの主軸温度Ｔ_spに基づき主軸の
発熱量を求めたが、主軸温度演算部２９に代え、主軸に
蓄積される熱量を図３に示すアルゴリズムと同様のアル
ゴリズムで演算する主軸蓄熱量演算部（図示せず）を用
いることもできる。そして、この主軸蓄熱量演算部で求
めた主軸蓄熱量に基づき主軸の熱変形量を求めてもよ
い。

【００５１】更には、既述実施形態では主軸１１ｃのＺ
軸方向への送り制御に対して補正値を出力する場合につ
いて説明したが、本発明は、これに限定されない。例え
ば、工作機械におけるコラムやベッドの熱変形について
も熱収支モデルを立てて、数値解析的に工作機械の挙動
をシミュレーションすることにより、ＸＹＺ軸方向の送
り制御に対して補正値を出力するように構成することも
できる。

【００５２】更には、工作機械の位置精度に影響を与え
る物理現象として、熱変形のみならずＸＹテーブルの移
動やワークの切削加工による荷重移動または荷重変動に
よる工作機械のコラムやベッドの変形、更には、切削加
工負荷によるワークの変形についても、力学的な数値モ
デルを立てて数値解析的に工作機械の挙動をシミュレー
ションすることによりＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の送り制御に対
して補正値を出力するように構成することもできる。

【００５３】以下、本発明の第２の実施形態として図１
１、１２を参照しつつ、工作機械の位置精度に影響を与
える物理現象として、ワークテーブルの移動やワークの
切削加工による荷重移動または荷重変動による工作機械
のコラムやベッドの変形、更には、切削加工負荷による
ワークの変形等を考え、力学的な数値モデルを立てて数
値解析的に工作機械の挙動をシミュレーションする例を
説明する。

【００５４】図１１において、工作機械５１はベッド５
３にＸ軸方向（紙面に対して垂直な方向）に往復動作自
在に支持されたコラム５５と、コラム５５にＹ軸方向
（鉛直方向）に往復動作自在に支持された主軸頭５７
と、ベッド５３にＺ軸方向（ＸＹ軸に垂直な方向）に往
復動作自在に支持されたワークテーブル５９とを具備し
ている。ワークテーブル５９の上面にはワーク取付具６
１を介してワークＷが取り付けられており、ワークＷに
対面するように工具５７ａが主軸頭５７の先端から突出
した主軸部に取り付けられている。

【００５５】図１２を参照すると、第１の実施形態にお
ける主軸熱変位補正制御装置２３に相当する機械変形量
演算補正制御装置６３が、ベッド変形量演算部６３ａ、
テーブル変形量演算部６３ｂ、コラム変形量演算部６３
ｃ、主軸頭変形量演算部６３ｄ、取付具変形量演算部６
３ｅ、ワーク変形量演算部６３ｆ、工具変形量演算部６
３ｇ、および主軸・ワーク間相対位置演算補正部６３ｈ
を主要な構成要素として含んでいる。

【００５６】ワーク材質、工具種類、加工条件等を示す
データがキーボード等の入力インターフェース（図示せ
ず）を介して切削力演算部６５に入力される。切削力演
算部６５ではワークＷを切削加工するためにワークＷお
よび工具５７ａに負荷される切削力が演算される。この
データは、ＮＣ装置６７からのＸ、Ｙ、Ｚ軸位置座標デ
ータと共に機械変形量演算補正制御装置６３に送られ
る。

【００５７】ベッド変形量演算部６３ａではワークＷの
質量やＸ、Ｙ、Ｚ軸位置座標データからベッド５３の変
形量が演算される。テーブル変形量演算部６３ｂでは、
ワークＷの質量やワークＷに負荷される切削力からワー
クテーブル５９の変形量が演算される。コラム変形量演
算部６３ｃでは工具５７ａおよび主軸頭５７を介してコ
ラム５５に伝達される切削力によるコラム５５の変形量
が演算される。主軸頭変形量演算部６３ｄでは、工具５
７ａを介して主軸頭５７に伝達される切削力による主軸
頭５７の変形量が演算される。取付具変形量演算部６３
ｅでは、ワークＷを介してワーク取付具６１に伝達され
る切削力によるワーク取付具６１の変形量が演算され
る。ワーク変形量演算部６３ｆではワークＷに負荷され
る切削力によるワークＷの変形量が演算される。工具変
形量演算部６３ｇでは工具５７ａに負荷される切削力に
よる工具５７ａの変形量が演算される。

【００５８】ベッド変形量演算部６３ａ、テーブル変形
量演算部６３ｂ、コラム変形量演算部６３ｃ、主軸頭変
形量演算部６３ｄ、取付具変形量演算部６３ｅ、ワーク
変形量演算部６３ｆ、工具変形量演算部６３ｇの各々で
演算された各変形量が結合されて主軸・ワーク間相対位
置演算補正部６３ｈに送られ、主軸とワークＷの間の相
対位置が演算され、入力された加工条件からの位置誤差
を相殺する補正値が演算される。この補正値がＮＣ装置
６７に送られ、この補正値に基づき送り装置６９が制御
される。

【００５９】既述の実施形態の説明から理解されるよう
に、本願発明の主眼とするところは、工作機械の制御対
象であるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の送り制御の精度に影響を与
える工作機械の所定部位を変形させる現象、例えば、既
述の実施形態のように主軸の熱変形現象、或いは、工作
機械におけるコラムやベッドの熱変形、荷重変動による
工作機械の変形を数値解析モデルを立てて、その変形挙
動を時間を追って逐次シミュレーションし、こうした工
作機械の変形による制御対象の位置誤差を相殺する補正
値を、ＮＣ装置に出力して軸送りを補正制御する点であ
る。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、極力センサを用いるこ
となく工作機械の変形による制御対象の位置誤差を相殺
する補正値を逐次求め、補正制御を行うので工作機械の
位置精度の向上が達成される。更に、本発明は主軸の温
度変化による主軸の熱変位量を逐次演算により求め、こ
れを相殺する補正値を出力して補正制御を行うことによ
り工作機械の位置精度の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１の実施形態による工作機械の制御方
法を適用する工作機械の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明第１の実施形態による主軸熱変位補正制
御装置のブロック図である。

【図３】主軸温度を演算するメインルーチンを示すフロ
ーチャートである。

【図４】初期化サブルーチンのフローチャートである。

【図５】主軸温度演算サブルーチンのフローチャートで
ある。

【図６】クーラント吸熱量演算サブルーチンのフローチ
ャートである。

【図７】主軸放熱量サブルーチンのフローチャートであ
る。

【図８】潤滑油吸熱演算サブルーチンのフローチャート
である。

【図９】主軸発熱量演算サブルーチンのフローチャート
である。

【図１０】主軸駆動モータ発熱量演算サブルーチンのフ
ローチャートである。

【図１１】本発明第２の実施形態による工作機械の制御
方法を適用する工作機械の構成を示す図である。

【図１２】本発明第２の実施形態による機械変形補正制
御装置のブロック図である。

【符号の説明】

１０…ベッド １１…主軸装置 １１ａ…ハウジング １１ｂ…軸受 １１ｃ…主軸 １１ｄ…主軸駆動モータ １３…ＸＹテーブル １５ａ…Ｚ軸送り装置 １５ｂ…ＸＹ軸送り装置 １７…ＮＣ装置 １９…クーラント供給装置 ２１…潤滑油冷却供給装置 ２３…主軸熱変位補正制御装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工作機械の位置誤差を補正する制御方法
   において、 工作機械の位置精度に影響を与える物理現象を工作機械
   の構成要素について前記現象を支配する要素単位に分割
   して各々について数値モデル化し、 前記数値モデル化した要素単位を結合して工作機械の変
   形挙動を逐次シミュレーションし、 工作機械の変形による位置誤差を相殺する補正値を求
   め、 前記求めた補正値を用いて補正制御を行う工作機械の制
   御方法。
2. 【請求項２】 工作機械の主軸の熱変形による位置誤差
   を補正する工作機械の制御方法において、 工作機械の主軸回りの構成物、その構成物の動作により
   生じる発熱、吸熱、熱変形等の物理現象及びその構成物
   を制御する制御アルゴリズムを基本的な要素単位に分割
   して数値モデル化し、 前記数値モデル化した各要素単位間で作用し合う要素単
   位同士を入力と出力とで結合し、相互に関連させて主軸
   回りの吸熱量及び発熱量を演算し、主軸回りの熱収支か
   ら主軸温度または主軸に蓄積される熱量を求め、求めた
   主軸温度又は主軸蓄熱量から主軸の熱変位量を求めるシ
   ミュレーションを逐次行い、 前記シミュレーションによって求めた主軸の熱変位量か
   ら位置誤差を相殺する補正値を求め、 前記求めた補正値を用いて補正制御を行う工作機械の制
   御方法。
3. 【請求項３】 工作機械の主軸の熱変形による位置誤差
   を補正する工作機械の制御装置において、 主軸回りに配設された構成要素のうち、主軸に対して吸
   熱源となる放熱要素及び吸熱制御要素による吸熱量を演
   算する吸熱量演算手段と、 主軸回りに配設された構成要素のうち、主軸に対して発
   熱源となる発熱要素による発熱量を演算する発熱量演算
   手段と、 前記吸熱量演算手段および発熱量演算手段により演算さ
   れた吸熱量および発熱量から主軸温度または主軸に蓄積
   される熱量をを演算する主軸温度／主軸蓄熱量演算手段
   と、 前記主軸温度／主軸蓄熱量演算手段により演算された主
   軸温度または主軸蓄熱量を前記吸熱量演算手段に帰還し
   て逐次シミュレーションすることで、主軸の連続的な熱
   変位量を求め、求めた熱変位量から位置誤差を相殺する
   補正値を発生して補正制御を行わせる補正手段と、 を具備する工作機械の制御装置。