(57)【要約】【課題】コラムなどの機械構造物の傾斜角度を直接検出することができる水準器などの傾斜角度検出器を用いた工作機械の機械変位補正システムを提供する。【解決手段】工作機械の構造物に設置され、前記構造物の傾斜角度を検出して傾斜量データを出力する傾斜角度検出器（水準器）と、前記傾斜角度検出器から前記傾斜量データｃ１〜ｃ６を入力する傾斜量データ入力部９３と、前記傾斜量データ入力部で入力した前記傾斜量データｃ１〜ｃ６に基づいて前記構造物の機械変位量を算出する機械変位量算出部９４と、前記機械変位量算出部で算出した前記構造物の機械変位量に基づいて前記工作機械の移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の補正量を算出する補正量算出部９５とを有する補正装置９２とを備えた構成とする。【選択図】図２
2011140098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の機械変位を補正する機械変位補正システムであって、
前記工作機械の構造物に設置され、前記構造物の傾斜角度を検出して傾斜量データを出力する傾斜角度検出器と、
前記傾斜角度検出器から前記傾斜量データを入力する傾斜量データ入力部と、前記傾斜量データ入力部で入力した前記傾斜量データに基づいて前記構造物の機械変位量を算出する機械変位量算出部と、前記機械変位量算出部で算出した前記構造物の機械変位量に基づいて前記工作機械の移動軸の補正量を算出する補正量算出部とを有する補正装置と、
を備えたことを特徴とする工作機械の機械変位補正システム。
【請求項２】
工作機械の機械変位を補正する機械変位補正システムであって、
前記工作機械の構造物に設置され、前記構造物の傾斜角度を検出して傾斜量データを出力する傾斜角度検出器と
前記工作機械の構造物又はワークに設置され、前記構造物又は前記ワークの温度を検出して温度データを出力する温度センサと、
前記傾斜角度検出器から前記傾斜量データを入力する傾斜量データ入力部と、前記傾斜量データ入力部で入力した前記傾斜量データに基づいて前記構造物の機械変位量を算出する機械変位量算出部と、前記機械変位量算出部で算出した前記構造物の機械変位量に基づいて前記工作機械の移動軸の第１の補正量を算出する第１の補正量算出部と、前記温度センサから前記温度データを入力する温度データ入力部と、前記温度データ入力部で入力した前記温度データに基づいて前記構造物又は前記ワークの熱変位量を算出する熱変位量算出部と、前記熱変位量算出部で算出した前記構造物又は前記ワークの熱変位量に基づいて前記移動軸の第２の補正量を算出する第２の補正量算出部と、前記第１の補正量算出部で算出した前記第１の補正量と前記第２の補正量算出部で算出した前記第２の補正量を加算する補正量加算部とを有する補正装置と、
を備えたことを特徴とする工作機械の機械変位補正システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工作機械の機械変位（熱変位、自重変位、レベル変位）を補正するための機械変位補正システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に工作機械の位置決め制御を行なうサーボ制御装置には、図７に示すようなフルクローズドループのフィードバック制御系が採用されている。具体的な説明は省略するが、図７に示すサーボ制御装置では、移動体１に設けられた位置検出器２からの位置フィードバック情報（即ち機械端の位置情報）と、サーボモータ３に設けられたパルスコーダ４から微分演算部５を介してフィードバックされる速度フィードバック情報とに基づいて、サーボモータ３の回転を制御することにより、移動体１の位置が位置指令に追従するように位置決め制御を行なう。なお、図７において、Ｋｐは位置ループゲイン、Ｋｖは速度ループ比例ゲイン、Ｋｖｉは速度ループ積分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。
【０００３】
上記の如くフルクローズドループのフィードバック制御系では機械端の位置情報を位置フィードバック情報として使用しているが、工作機械内に有する主軸やサーボモータ３などの熱源や外気の温度変化によって工作機械の各構造物に機械変位が発生すると、工作機械の各移動軸の位置決め精度や３次元空間における工具の位置決め精度などの静的精度は悪化する。機械変位は単に熱変位によるものだけでなく、自重による撓みやレベル変位による構造物の撓みなどによっても発生する。
【０００４】
また、工作機械の制御系として、図８に示すようなセミクローズドループのフィードバック制御系を採用した場合には、位置フィードバック情報としてサーボモータ３の位置情報（パルスコーダ４で検出するサーボモータ３の回転角度）を使用しているため、更に静的精度は悪化する傾向となる。なお、このような機械変位はロボットなどの制御においても同様に発生する。
【０００５】
これら機械変位による静的精度の悪化、特に熱などに起因して発生する機械変位による静的精度悪化は、加工誤差増大の大きな要因の一つであり、現在でもなお大きな問題である。それら静的精度悪化の対策としては、従来より、温度センサを機械に埋め込み、その温度データを基に機械の熱変位量を簡易的な算術式を用いて推測し、その変位量分だけ機械座標などをシフトさせることによって機械変位量を補償する熱変位補正システムを、工作機械の制御系に設けることが知られている。この熱変位補正システムの具体例を図９及び図１０に示す。
【０００６】
図９は横形マシニングセンタの場合であり、温度センサ２３−１〜２３−１０が、ベッド１１と、コラム１２と、Ｘ軸方向へ移動可能なサドル１３と、主軸２５が設けられＺ軸方向へ移動可能なヘッド１４と、Ｙ軸方向へ移動可能なテーブル１５と、テーブル１５上に載置されたワークＷのぞれぞれに配設されている。これらの温度センサ２３−１〜２３−１０では、各構造物（ベッド１１、コラム１２、サドル１３と、ヘッド１４、テーブル１５）及びワークＷの温度を検出して、温度データ（温度検出信号）ａ１〜ａ１０を出力する。
【０００７】
補正装置２４は、温度データ入力部１６と熱変位量算出部１７と補正量算出部１８とを有している。温度データ入力部１６では、温度センサ２３−１〜２３−１０から温度データａ１〜ａ１０を入力する。熱変位量算出部１７では、温度データ入力部１６で入力した温度データａ１〜ａ１０に基づいて、熱による各構造物（ベッド１１、コラム１２、サドル１３と、ヘッド１４、テーブル１５）やワークＷの変位量を算出する。補正量算出部１８では、熱変位量算出部１７で算出した各構造物（ベッド１１、コラム１２、サドル１３と、ヘッド１４、テーブル１５）やワークＷの熱変位量に基づいて、各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）における変位量を算出し、これらの変位量の逆符号の値を各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の補正量とし、これらの補正量を各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）のサーボ制御装置１９，２０，２１へ送出する。
【０００８】
Ｘ軸のサーボ制御装置１９では、偏差演算部２２において、補正量算出部１８で算出したＸ軸の補正量（＝“−Ｘ軸の変位量”）をＸ軸位置指令に加算することによりＸ軸位置指令を補正し、この補正後のＸ軸位置指令とＸ軸の位置フィードバック情報との偏差を演算する。Ｙ軸のサーボ制御装置２０では、偏差演算部２２において、補正量算出部１８で算出したＹ軸の補正量（＝“−Ｙ軸の変位量”）をＹ軸位置指令に加算することによりＹ軸位置指令を補正し、この補正後のＹ軸位置指令とＹ軸の位置フィードバック情報との偏差を演算する。Ｚ軸のサーボ制御装置２１では、偏差演算部２２において、補正量算出部１８で算出したＺ軸の補正量（＝“−Ｚ軸の変位量”）をＺ軸位置指令に加算することによりＺ軸位置指令を補正し、この補正後のＺ軸位置指令とＺ軸の位置フィードバック情報との偏差を演算する。
【０００９】
図１０は門形マシニングセンタの場合であり、温度センサ４５−１〜４５−８が、ベッド３１と、門形のコラム３２と、主軸３６が内蔵されているラム３５と、テーブル３７と、テーブル３７に載置されたワークＷのぞれぞれに配設されている。これらの温度センサ４５−１〜４５−８では、各構造物（ベッド３１と、コラム３２、ラム３５と、テーブル３７）及びワークＷの温度を検出して、温度データ（温度検出信号）ｂ１〜ｂ８を出力する。なお、テーブル３７はＸ軸方向へ移動可能であり、サドル３４はクロスレール３３に沿ってＹ軸方向へ移動可能であり、ラム３５（主軸３６）はＺ軸方向へ移動可能である。
【００１０】
補正装置４６は、温度データ入力部３８と熱変位量算出部３９と補正量算出部４０とを有している。温度データ入力部３８では、温度センサ４５−１〜４５−８から温度データｂ１〜ｂ８を入力する。熱変位量算出部３９では、温度データ入力部３８で入力した温度データｂ１〜ｂ８に基づいて、熱による各構造物（ベッド３１と、コラム３２、ラム３５、テーブル３７）及びワークＷの変位量を算出する。補正量算出部４０では、熱変位量算出部３９で算出した各構造物（ベッド３１と、コラム３２、ラム３５、テーブル３７）やワークＷの熱変位量に基づいて、各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）における変位量を算出し、これらの変位量の逆符号の値を各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の補正量とし、これらの補正量を各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）のサーボ制御装置４１，４２，４３へ送出する。
【００１１】
Ｘ軸のサーボ制御装置４１では、偏差演算部４４において、補正量算出部４０で算出したＸ軸の補正量（＝“−Ｘ軸の変位量”）をＸ軸位置指令に加算することによりＸ軸位置指令を補正し、この補正後のＸ軸位置指令とＸ軸の位置フィードバック情報との偏差を演算する。Ｙ軸のサーボ制御装置４２では、偏差演算部４４において、補正量算出部４０で算出したＹ軸の補正量（＝“−Ｙ軸の変位量”）をＹ軸位置指令に加算することによりＹ軸位置指令を補正し、この補正後のＹ軸位置指令とＹ軸の位置フィードバック情報との偏差を演算する。Ｚ軸のサーボ制御装置４３では、偏差演算部４４において、補正量算出部４０で算出したＺ軸の補正量（＝“−Ｚ軸の変位量”）をＺ軸位置指令に加算することによりＺ軸位置指令を補正し、この補正後のＺ軸位置指令とＺ軸の位置フィードバック情報との偏差を演算する。
【００１２】
このような温度センサを用いた熱変位補正システムに関連する先行技術文献としては、下記の特許文献１〜５がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−６１８３号公報
【特許文献２】特開２００６−２８１４２０号公報
【特許文献３】特開２００６−１５４６１号公報
【特許文献４】特開２００７−１５０９４号公報
【特許文献５】特開２００８−１８３６５３号公報
【特許文献６】特開２００７−１７５８１８号公報
【特許文献７】特開平１１−２２６８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、機械の熱変位量の推測に使用する温度センサの個数は無制限ではないため、機械の熱変位量を完全に把握するのは困難である。また、従来の方法では温度センサの検出値から機械の熱変位モード及び熱変位量を推定して求めているため、熱変位を完全に補償することはできない．
【００１５】
また、一方で機械の熱変位を極力素直な熱変位モードとすることを目的として、上記特許文献６に記載の発明などが提案されている。しかし，外気温度の変化などによる機械の熱変位を完全に素直な熱変位モードにすること（コラムなどの反り、倒れなどを排除し、伸縮モードのみとすること）は困難であり、外気温度の変化などによるコラムなどの反りや、倒れを完全に排除することは困難である。
【００１６】
従って本発明は上記の事情に鑑み、コラムなどの機械構造物の傾斜角度を直接検出することができる水準器などの傾斜角度検出器を用いた工作機械の機械変位補正システムを提供することを課題とする。
【００１７】
なお、上記特許文献７では水準器を使用した発明が提案されているが、この発明は水準器と圧電アクチュエータを組合せた姿勢制御装置に関するものであり、機械変位を補正するシステムではなく、本発明の目的とは異なる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決する第１発明の工作機械の機械変位補正システムは、工作機械の機械変位を補正する機械変位補正システムであって、
前記工作機械の構造物に設置され、前記構造物の傾斜角度を検出して傾斜量データを出力する傾斜角度検出器と、
前記傾斜角度検出器から前記傾斜量データを入力する傾斜量データ入力部と、前記傾斜量データ入力部で入力した前記傾斜量データに基づいて前記構造物の機械変位量を算出する機械変位量算出部と、前記機械変位量算出部で算出した前記構造物の機械変位量に基づいて前記工作機械の移動軸の補正量を算出する補正量算出部とを有する補正装置と、
を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、第２発明の工作機械の機械変位補正システムは、工作機械の機械変位を補正する機械変位補正システムであって、
前記工作機械の構造物に設置され、前記構造物の傾斜角度を検出して傾斜量データを出力する傾斜角度検出器と
前記工作機械の構造物又はワークに設置され、前記構造物又は前記ワークの温度を検出して温度データを出力する温度センサと、
前記傾斜角度検出器から前記傾斜量データを入力する傾斜量データ入力部と、前記傾斜量データ入力部で入力した前記傾斜量データに基づいて前記構造物の機械変位量を算出する機械変位量算出部と、前記機械変位量算出部で算出した前記構造物の機械変位量に基づいて前記工作機械の移動軸の第１の補正量を算出する第１の補正量算出部と、前記温度センサから前記温度データを入力する温度データ入力部と、前記温度データ入力部で入力した前記温度データに基づいて前記構造物又は前記ワークの熱変位量を算出する熱変位量算出部と、前記熱変位量算出部で算出した前記構造物又は前記ワークの熱変位量に基づいて前記移動軸の第２の補正量を算出する第２の補正量算出部と、前記第１の補正量算出部で算出した前記第１の補正量と前記第２の補正量算出部で算出した前記第２の補正量を加算する補正量加算部とを有する補正装置と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
第１発明の工作機械の機械変位補正システムによれば、反り、倒れなどの機械変位（熱変位、自重変位又はレベル変位、或いは、熱変位、自重変位、レベル変位の混成）によって工作機械の構造物が傾斜したとき、この構造物の傾斜量（傾斜角度）を、直接、傾斜角度検出器（例えば水準器）によって把握することができる。このため、この傾斜角度検出器で直接把握した構造物の傾斜量データに基づいて構造物の機械変位量を算出することにより、当該機械変位量を精度良く推定することができ、当該機械変位量に基づいて精度の良い移動軸の補正量を得ることができる。従って、高精度の補償システムを実現可能である。
【００２１】
第２発明の工作機械の機械変位補正システムによれば、上記第１発明と同様に、反り、倒れなどの機械変位（熱変位、自重変位又はレベル変位、或いは、熱変位、自重変位、レベル変位の混成）によって工作機械の構造物が傾斜したとき、この構造物の傾斜量（傾斜角度）を、直接、傾斜角度検出器（例えば水準器）によって把握することができるため、この傾斜角度検出器で直接把握した構造物の傾斜量データに基づいて構造物の機械変位量を算出することにより、当該機械変位量を精度良く推定することができ、当該機械変位量に基づいて精度の良い移動軸の第１の補正量を得ることができる。
しかも、第２発明では、この移動軸の第１の補正量に対して、温度センサの温度データに基づいて求めた移動軸の第２の補正量を加算することにより、反りや倒れなどの機械変位だけでなく、熱による構造物やワークの伸びなどの熱変位にも対応することができるため、より精度の良い移動軸の補正量を得ることができる。従って、より高精度の補償システムを実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態例１に係る水準器を用いた機械変位補正システムに関する図であって、前記水準器の配置を示す工作機械（門形マシニングセンタ）の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態例１に係る水準器を用いた機械変位補正システムに関する図であって、補正装置側の構成を示す図である。
【図３】傾斜による機械変位量の計算例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態例２に係る水準器を用いた機械変位補正システムに関する図であって、前記水準器の配置を示す工作機械（門形マシニングセンタ）の斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態例２に係る水準器を用いた機械変位補正システムに関する図であって、補正装置側の構成を示す図である。である。
【図６】温度変化による熱変位量の計算例を示す図である。
【図７】フルクローズドループのサーボ制御装置（フィードバック制御系）の構成を示すブロック図である。
【図８】セミクローズドループのサーボ制御装置（フィードバック制御系）の構成を示すブロック図である。
【図９】従来の温度センサを用いた熱変位補正システムの構成例を示す図である。
【図１０】従来の温度センサを用いた熱変位補正システムの他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
＜実施の形態例１＞
図１〜図３に基づき、本発明の実施の形態例１に係る水準器を用いた機械変位補正システムについて説明する。
【００２５】
図１に示すように、工作機械（図示例では門形マシニングセンタ）は、ベッド５１と、テーブル５２と、コラム５３と、クロスレール５４と、サドル５６と、主軸５８が内蔵されているラム５７とを有している。
【００２６】
ベッド５１上にはテーブル５２が設置され、テーブル５２上にはワークＷが載置されている。テーブル５２は、送り機構（図１では図示省略：図２参照）により、水平なＸ軸方向に移動可能になっている。コラム５３は水平部５３Ａと、水平部５３Ａの両側の脚部５３Ｂとを有して成る門形のものであり、ベッド５１を跨ぐように配設されている。クロスレール５４は、コラム５３の前側に設けられており、コラム５３の前面５３ａに設けられたガイドレール５５に沿って、送り機構（図示省略）により、鉛直なＷ軸方向に移動可能になっている。サドル５６は、クロスレール５４の前側に設けられており、クロスレール５４に沿って、送り機構（図１では図示省略：図２参照）により、水平なＹ軸方向に移動可能になっている。ラム５７は、サドル５６内に設けられ、送り機構（図１では図示省略：図２参照）により、鉛直なＺ軸方向に移動可能になっている。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は互いに直交している。
【００２７】
そして、この工作機械にはデジタル水準器６１−１〜６１−６が設置されている。水準器６１−１，６１−２は、コラム５３の上面５３ｂの両端部に設置されており、コラム５３の機械変位によって生じるコラム５３の傾斜の角度を検出して、傾斜量データ（傾斜角度検出信号）ｃ１，ｃ２を補正装置９２（図２参照：詳細後述）へ出力する。
前記機械変位には熱変位、自重変位、レベル変位などによるものがある。熱変位は主軸５８やサーボモータ（図１では図示省略：図２参照）などの熱源や外気の温度変化によってコラム５３など構造物の前後や左右に温度差が生じることにより、構造物に生じる反りなどの機械変位である。自重変位は構造物の自重によって生じる構造物の反りや倒れなどの機械変位である。レベル変位はベッド５１を敷設しているレベル（基礎）の変化によって生じる構造物の反りや倒れなどの機械変位である。従って、機械変位によってコラム５３などの構造物が傾斜する場合としては、熱変位によって傾斜する場合と、自重変位によって傾斜する場合と、レベル変位によって傾斜する場合と、熱変位と自重変位とレベル変位の混成によって傾斜する場合とがある。
【００２８】
水準器６１−３は、コラム５３の側面５３ｃの中間の高さ位置に設置されており、コラム５３の機械変位によって生じるコラム５３の傾斜の角度を検出して、傾斜量データ（傾斜角度検出信号）ｃ３を補正装置９２へ出力する。水準器６１−４，６１−５は、クロスレール５４の上面５４ａの両端部に設置されており、クロスレール５４の機械変位によって生じるクロスレール５４の傾斜の角度を検出して、傾斜量データ（傾斜角度検出信号）ｃ４，ｃ５を補正装置９２へ出力する。水準器６１−６は、サドル５６の上面５６ａに設置されており、サドル５６の機械変位によって生じるサドル５６の傾斜の角度を検出して、傾斜量データ（傾斜角度検出信号）ｃ６を補正装置９２へ出力する。
【００２９】
図２に示すように、補正装置９２はパーソナルコンピュータなどを用いたものであり、傾斜量データ入力部９３と機械変位量算出部９４と補正量算出部９５とを有している。
【００３０】
傾斜量データ入力部９３では、水準器６１−１〜６１−６から出力される各構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）の傾斜量データｃ１〜ｃ６を入力する。
【００３１】
機械変位量算出部９４では、傾斜量データ入力部９３で入力した各構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）の傾斜量データ（傾斜角度検出値）に基づいて、傾斜による各構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）の機械変位量を算出する。
【００３２】
図３に基づき、コラム５３の機械変位量の算出例について説明する。図３（ａ）において、Ｈはコラム５３の高さ［ｍ］、Ｌはコラム５３の幅［ｍ］、θはコラム５３の傾斜角度［radiun］である。そして、コラム５３の機械変位量δは下記の（１）式によって算出する。
【数１】
2011140098.tif 000003
（１）式の導出について図３（ｂ）に示す。反りや倒れなどにより、図３（ｂ）に示すような円弧状の機械変位がコラム５３に生じた場合、円弧の半径をＲとすると、この半径Ｒと、コラム変位量δと、コラム高さＨの関係は下記の（２）式のようになる。そして、この（２）式を下記の（３）式、（４）式、（５）式のように変形することにより、（１）式が導かれる。
【数２】
2011140098.tif 000004
【００３３】
なお、（１）式で用いるコラム傾斜角度θには、２つの水準器６１−１，６１−２の傾斜角度検出値（傾斜量データｃ１，ｃ２）の平均値を用いてもよく、何れか一方を用いてもよい。また、コラム５３の中間の高さ位置におけるコラム変位量δを算出する場合には、コラム傾斜角度θとして、水準器６１−３の傾斜角度検出値（傾斜量データｃ３）を用いる。クロスレール５４の変位量δを算出する場合には、クロスレール傾斜角度θとして、２つの水準器６１−４，６１−５の傾斜角度検出値（傾斜量データｃ４，ｃ５）の平均値を用いてもよく、何れか一方を用いてもよい。サドル５４の変位量δを算出する場合には、サドル傾斜角度θとして、水準器６１−６の傾斜角度検出値（傾斜量データｃ６）を用いる。
【００３４】
図２に示すように、補正量算出部９５では、機械変位量算出部９４で算出した各構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）の機械変位量に基づいて、各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）における変位量を算出し、これらの変位量の逆符号の値を各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の補正量とし、これらの補正量を各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）のサーボ制御装置８１，８２，８３へ送出する。即ち、Ｘ軸の補正量（＝“−Ｘ軸の変位量”）はＸ軸のサーボ制御装置８１へ送り、Ｙ軸の補正量（＝“−Ｙ軸の変位量”）はＹ軸のサーボ制御装置８２へ送り、Ｚ軸の補正量（＝“−Ｚ軸の変位量”）はＺ軸のサーボ制御装置８３へ送る。なお、構造物の機械変位量に基づいて移動軸の変位量を算出するには、（１）式などの理論式を用いて算出してもよいが、例えば、予め試験やシミュレーションなどによって求めた構造物の機械変位量と移動軸の変位量との関係を表す計算式やテーブルデータなどを用いてもよい。
【００３５】
図２に示すように、Ｘ軸の送り機構７１はサーボモータ７４、減速ギヤ７５、ボールスクリュー７６（ネジ部７６ａ，ナット部７６ｂ）などから構成されている。
サーボモータ７４は、減速ギヤ７５を介してボールスクリュー７６のネジ部７６ａに連結されている。ボールスクリュー７６のネジ部７６ａとナット部７６ｂは互いに螺合しており、ナット部７６ｂは移動体であるテーブル５２に取り付けられている。また、テーブル５２には位置検出器７７が取り付けられ、サーボモータ７４にはパルスコーダ７８が取り付けられている。
【００３６】
従って、サーボモータ７４の回転力が減速ギヤ７５を介してボールスクリュー７６のネジ部７６ａへ伝達され、ネジ部７６ａが矢印Ａの如く回転すると、ナット部７６ｂとともにテーブル５２がＸ軸方向へ移動する。このときテーブル５２の移動位置が位置検出器７７によって検出され、この位置検出信号がＸ軸のサーボ制御装置８１へ送れられる（位置フィードバック）。また、サーボモータ７４の回転角度がパルスコーダ７８によって検出され、この回転角度検出信号が、サーボ制御装置８１の微分演算部９１を介して、サーボ制御装置８１へ送られる（速度フィードバック）。
【００３７】
サーボ制御装置８１は偏差演算部８４、乗算部８５、偏差演算部８６、比例演算部８７、積分演算部８８、加算部８９、電流制御部９０、微分演算部９１を有している。
偏差演算部８４では、数値制御装置（図示省略）から送られてきたＸ軸位置指令に対して、補正装置９２（補正量算出部９５）から送られてきたＸ軸の補正量（＝“−Ｘ軸の変位量”）を加算することにより、前記Ｘ軸位置指令を補正し、この補正後のＸ軸位置指令と、位置検出器７７からの位置フィードバック情報であるテーブル５２の位置との差を演算することにより、位置偏差ｄ１を求める。
【００３８】
乗算部８５では、位置偏差ｄ１に対して位置ループゲインＫｐを乗算することにより、速度指令ｄ２を求める。微分演算部９１では、パルスコーダ７８によって検出されたサーボモータ７４の回転角度を時間で微分することにより、サーボモータ７４の回転速度を求める。偏差演算部８６では、速度指令ｄ２と、微分演算部８６で求めたサーボモータ７４の回転速度との差を演算することにより、速度偏差ｄ３を求める。比例演算部８７では、速度偏差ｄ３に対して速度ループ比例ゲインＫｖを乗算することにより、比例値ｄ４を求める。積分演算部８８では、速度偏差ｄ３に対して速度ループ積分ゲインＫｖｉを乗算し、且つ、この乗算値を積分することにより、積分値ｄ５を求める。加算部８９では、比例値ｄ４と積分値ｄ５とを加算してトルク指令ｄ６を求める。電流制御部９０では、サーボモータ７４のトルクがトルク指令ｄ６に追従するようにサーボモータ７４へ供給する電流を制御する。
【００３９】
従って、このＸ軸のサーボ制御装置８１では、Ｘ軸のサーボモータ７４の回転速度が速度指令ｄ２に追従し、テーブル５２のＸ軸方向の移動位置が補正後のＸ軸位置指令に追従するように制御する。
【００４０】
なお、Ｙ軸とＺ軸の送り機構７２，７３及びサーボ制御装置８２，８３の構成については、Ｘ軸の送り機構７１及びサーボ制御装置８１の構成と同様であるため（同様の構成部分に同一の符号を付している）、詳細な説明は省略する。
Ｙ軸のサーボ制御装置８２では、偏差演算部８４において、数値制御装置から送られてきたＹ軸位置指令に対して、補正装置９２（補正量算出部９５）から送られてきたＹ軸の補正量（＝“−Ｙ軸の変位量”）を加算することにより、前記Ｙ軸位置指令を補正して、補正後のＹ軸位置指令を求める。そして、サーボ制御装置８２では、Ｙ軸のサーボモータ７４の回転速度が速度指令ｄ２に追従し、サドル５６のＹ軸方向の移動位置が補正後のＹ軸位置指令に追従するように制御する。
Ｚ軸のサーボ制御装置８３では、偏差演算部８４において、数値制御装置から送られてきたＺ軸位置指令に対して、補正装置９２（補正量算出部９５）から送られてきたＺ軸の補正量（＝“−Ｚ軸の変位量”）を加算することにより、前記Ｚ軸位置指令を補正して、補正後のＺ軸位置指令を求める。そして、このサーボ制御装置８３では、Ｚ軸のサーボモータ７４の回転速度が、速度指令ｄ２に追従し、ラム５７（主軸５８）のＺ軸方向の移動位置が、補正後のＺ軸位置指令に追従するように制御する。
【００４１】
以上のことから、本実施の形態例１の工作機械の機械変位補正システムによれば、反り、倒れなどの機械変位（熱変位又は自重変位、或いは、熱変位及び自重変位）によって工作機械の構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）が傾斜したとき、この構造物の傾斜量（傾斜角度）を、直接、水準器６１−１〜６１−６によって把握することができる。このため、この水準器６１−１〜６１−６で直接把握した構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）の傾斜量データｃ１〜ｃ６に基づいて構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）の機械変位量を算出することにより、当該機械変位量を精度良く推定することができ、当該機械変位量に基づいて精度の良い移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の補正量を得ることができる。従って、高精度の補償システムを実現可能である。
【００４２】
＜実施の形態例２＞
図４〜図６に基づき、本発明の実施の形態例２に係る水準器を用いた機械変位補正システムについて説明する。なお、本実施の形態例２の機械変位補正システムにおいて、上記実施の形態例１の機械変位補正システム（図１，図２参照）と同様の部分については、同一の符号を付し、重複する詳細な説明は省略する。
【００４３】
図４に示すように、本実施の形態例２では、工作機械（門形マシニングセンタ）に対して、上記実施の形態例１と同様にデジタル水準器６１−１〜６１−６を設置するだけでなく、温度センサ１０１−１〜１０１−８も設置している。
【００４４】
温度センサ１０１−１，１０１−２は、コラム５３の側面５３ｃの上部と下部に設置されており、コラム５３の温度を検出して、温度データ（温度検出信号）ｅ１，ｅ２を補正装置９２（図５参照：詳細後述）へ出力する。温度センサ１０１−３，１０１−４は、ラム５７の上部と下部に設置されており、ラム５７の温度を検出して、温度データ（温度検出信号）ｅ３，ｅ４を補正装置９２へ出力する。温度センサ１０１−５は、テーブル５２に設置されており、テーブル５３の温度を検出して、温度データ（温度検出信号）ｅ５を補正装置９２へ出力する。温度センサ１０１−６は、ワークＷに設置されており、ワークＷの温度を検出して、温度データ（温度検出信号）ｅ６を補正装置９２へ出力する。温度センサ１０１−７，１０１−８は、ベッド５１の前部と後部に設置されており、ベッド５１の温度を検出して、温度データ（温度検出信号）ｅ７，ｅ８を補正装置９２へ出力する。
【００４５】
図５に示すように、本実施の形態例２の補正装置９２は、上記実施の形態例１と同様に傾斜量データ入力部９３と機械変位量算出部９４と補正量算出部９５（第１の補正量算出部）とを有しているだけでなく、温度データ入力部１０３と熱変位量算出部１０４と補正量算出部１０５（第２の補正量算出部）と補正量加算部１０６も有している。
【００４６】
温度データ入力部１０３では、温度センサ１０１−１〜１０１−８から出力される各構造物（コラム５３、ラム５７、テーブル５２、ベッド５１）及びワークＷの温度データｅ１〜ｅ８を入力する。
【００４７】
熱変位量算出部１０４では、温度データ入力部１０３で入力した各構造物（コラム５３、ラム５７、テーブル５２、ベッド５１）及びワークＷの温度データ（温度検出値）に基づいて、各構造物（コラム５３、ラム５７、テーブル５２、ベッド５１）やワークＷの熱変位量を算出する。
【００４８】
図６に基づき、コラム５３、ラム５７などに相当する物体１０７の熱変位量の算出例について説明すると、物体１０７の熱変位量（熱による伸び量）δは下記の（６）式によって算出する。図６及び（６）式において、Ｌは物体１０７の有効長［ｍ］、ΔＴは物体１０７の温度変化［℃］（＝Ｔ−Ｔ0）、βは物体１０７の線膨張係数［ｍ／℃＊ｍ］（物体１０７の１［ｍ］当たりの１［℃］変化時の変位量）である。また、Ｔは物体１０７の温度［℃］、Ｔ0は物体１０７の基準温度［℃］である。
σ＝ΔＴ＊Ｌ＊β      ・・・（６）
【００４９】
物体１０７の温度Ｔには、温度センサ１０１−１〜１０１−８から入力した温度データｅ１〜ｅ８を用いる。物体１０７の基準温度は熱変位量算出部１０４に予め設定しておく。なお、コラム５３の熱変位量を算出するための温度データには、２つの温度センサ１０１−１，１０１−２の温度検出値（温度データｅ１，ａ２）の平均値を用いてもよく、何れか一方を用いてもよい。ラム５７の熱変位量を算出するための温度データには、２つの温度センサ１０１−３，１０１−４の温度検出値（温度データｅ３，ｅ４）の平均値を用いてもよく、何れか一方を用いてもよい。テーブル５２の熱変位量を算出するための温度データには、温度センサ１０１−５の温度検出値（温度データｅ５）を用いる。ワークＷの熱変位量を算出のための温度データには、温度センサ１０１−６の温度検出値（温度データｅ６）を用いる。ベッド５１の熱変位量を算出のための温度データには、２つの温度センサ１０１−７，１０１−８の温度検出値（温度データｅ７，ｅ８）の平均値を用いてもよく、何れか一方を用いてもよい。
【００５０】
図５に示すように、補正量算出部１０５では、熱変位量算出部１０４で算出した各構造物（コラム５３、ラム５７、テーブル５２、ベッド５１）やワークＷの熱変位量に基づいて、各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）における変位量を算出し、これらの変位量の逆符号の値を各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の補正量とする。即ち、Ｘ軸の補正量（＝“−Ｘ軸の変位量”）と、Ｙ軸の補正量（＝“−Ｙ軸の変位量”）と、Ｚ軸の補正量（＝“−Ｚ軸の変位量”）とを求める。なお、構造物の熱変位量から移動軸の変位量を算出するには、（６）式などの理論式を用いて算出してもよいが、例えば、予め試験やシミュレーションなどによって求めた構造物の熱変位量と移動軸の変位量との関係を表す計算式やテーブルデータなどを用いてもよい。
【００５１】
補正量加算部１０６では、補正量算出部９５で算出した各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の補正量（第１の補正量）と、補正量算出部１０５で算出した各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の補正量（第２の補正量）とを加算し、この加算値を各移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）のサーボ制御装置８１，８２，８３へそれぞれ送出する。
即ち、Ｘ軸のサーボ制御装置８１へ送られるＸ軸の補正量は、第１の補正量算出部９５で算出したＸ軸の第１の補正量と、第２の補正量算出部１０５で算出したＸ軸の第２の補正量との加算値である。Ｙ軸のサーボ制御装置８２へ送れられるＹ軸の補正量は、第１の補正量算出部９５で算出したＹ軸の第１の補正量と、第２の補正量算出部１０５で算出したＹ軸の第２の補正量との加算値である。Ｚ軸のサーボ制御装置８３へ送られるＺ軸の補正量は、第１の補正量算出部９５で算出したＺ軸の第１の補正量と、第２の補正量算出部１０５で算出したＺ軸の第２の補正量との加算値である。
【００５２】
Ｘ軸のサーボ制御装置８１の偏差演算部８４では、数値制御装置（図示省略）から送られてきたＸ軸位置指令に対して、補正装置９２（補正量加算部１０６）から送られてきたＸ軸の補正量（＝“−Ｘ軸の変位量”）を加算することにより、前記Ｘ軸位置指令を補正し、この補正後のＸ軸位置指令と、位置検出器７７からの位置フィードバック情報であるテーブル５２の位置との差を演算することにより、位置偏差ｄ１を求める。
Ｙ軸のサーボ制御装置８２の偏差演算部８４では、数値制御装置から送られてきたＹ軸位置指令に対して、補正装置９２（補正量加算部１０６）から送られてきたＹ軸の補正量（＝“−Ｙ軸の変位量”）を加算することにより、前記Ｙ軸位置指令を補正し、この補正後のＸ軸位置指令と、位置検出器７７からの位置フィードバック情報であるサドル５６の位置との差を演算することにより、位置偏差ｄ１を求める。
Ｚ軸のサーボ制御装置８３の偏差演算部８４では、数値制御装置から送られてきたＺ軸位置指令に対して、補正装置９２（補正量加算部１０６）から送られてきたＺ軸の補正量（＝“−Ｚ軸の変位量”）を加算することにより、前記Ｚ軸位置指令を補正し、この補正後のＺ軸位置指令と、位置検出器７７からの位置フィードバック情報であるラム５７（主軸５８）の位置との差を演算することにより、位置偏差ｄ１を求める。
【００５３】
以上のことから、本実施の形態例２の工作機械の機械変位補正システムによれば、上記実施の形態例１と同様に、反り、倒れなどの機械変位（熱変位又は自重変位、或いは、熱変位及び自重変位）によって工作機械の構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）が傾斜したとき、この構造物の傾斜量（傾斜角度）を、直接、水準器６１−１〜６１−６によって把握することができるため、この水準器６１−１〜６１−６で直接把握した構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）の傾斜量データｃ１〜ｃ６に基づいて構造物（コラム５３、クロスレール５４、サドル５６）の機械変位量を算出することにより、当該機械変位量を精度良く推定することができ、当該機械変位量に基づいて精度の良い移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の第１の補正量を得ることができる。
しかも、本実施の形態例２では、この移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の第１の補正量に対して、温度センサ１０１−１〜１０１−８の温度データｅ１〜ｅ８に基づいて求めた移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の第２の補正量を加算することにより、反りや倒れなどの機械変位だけでなく、熱による構造物（コラム５３、ラム５７、テーブル５２、ベッド５１）やワークＷの伸びなどの熱変位にも対応することができるため、より精度の良い移動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の補正量を得ることができる。従って、より高精度の補償システムを実現可能である。
【００５４】
なお、上記実施の形態例１，２では水準器を用いたが、必ずしもこれに限定するものではなく、工作機械の構造物の傾斜角度を直接検出可能なものであれば、水準器以外の傾斜角度検出器であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は工作機械の機械変位補正システムに関するものであり、工作機械のコラムなどに生じる機械変位（熱変位、自重変位、レベル変位）を補正する場合に適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００５６】
５１  ベッド
５２  テーブル
５３  コラム
５３Ａ  水平部
５３Ｂ  脚部
５３ａ  前面
５３ｂ  上面
５３ｃ  側面
５４  クロスレール
５４ａ  上面
５５  ガイドレール
５６  サドル
５６ａ  上面
５７  ラム
５８  主軸
６１−１〜６１−６  水準器
７１，７２，７３  送り機構
７４  サーボモータ
７５  減速ギヤ
７６  ボールスクリュー
７６ａ  ネジ部
７６ｂ  ナット部
７７  位置検出器
７８  パルスコーダ
８１，８２，８３  サーボ制御装置
８４  偏差演算部
８５  乗算部
８６  偏差演算部
８７  比例演算部
８８  積分演算部
８９  加算部
９０  電流制御部
９１  微分演算部
９２  補正装置
９３  傾斜量データ入力部
９４  機械変位量算出部
９５  補正量算出部
１０１−１〜１０１−８  温度センサ
１０３  温度データ入力部
１０４  熱変位量算出部
１０５  補正量算出部
１０６  補正量加算部
ｃ１〜ｃ６  傾斜量データ（傾斜角度検出信号）
ｅ１〜ｅ８  温度データ（温度検出信号）
Ｗ  ワーク
【図１】
2011140098.tif 000005
【図２】
2011140098.tif 000006
【図３】
2011140098.tif 000007
【図４】
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【図５】
2011140098.tif 000009
【図６】
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【図７】
2011140098.tif 000011
【図８】
2011140098.tif 000012
【図９】
2011140098.tif 000013
【図１０】
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