(57)【要約】【課題】工作機械の経時変化で起きる熱変位量の変化を反映する手段を講じることで、加工精度を維持することができる方法を提供する。【解決手段】予め各運転速度における熱源運転時の熱変位量変化を得る実験により、飽和時熱変位量または熱変位時定数の近似係数を求めてメモリ上に記憶しておく。そして、主軸の温度上昇値を回転の開始時を基点とする場合には、主軸が十分冷えた状態で、基準温度からの温度上昇とする場合には、温度が飽和したときの基準温度との差を温度上昇値として算出する（Ｓ−１１）。続いて、予め求めておいた、温度上昇値と熱変位の関係式から現在の熱変位量を求める（Ｓ−１２）。その後、記憶されている回転速度と熱変位量の関係係数を比較し、異なっていれば、記憶装置１０のメモリにおける更新を行う（Ｓ−１３）。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め各運転速度における熱源運転時の熱変位量変化を得る実験により、飽和時熱変位量または熱変位時定数の近似係数を求めてメモリ上に記憶する予段階と、
熱源温度の温度上昇値を得、温度上昇値から熱変位推定演算を求め、これを補正する補正段階と、
運転速度変化時においてメモリ上の飽和時熱変位量および熱変位時定数から誤差値の変化を求め、誤差値が許容値になる時間を得て当該時間だけ加工停止する待機段階とを含み、
熱変位が飽和する運転時において対応する温度上昇値から算出した熱変位量と、当該運転時の運転速度指令値とから、近似係数を算出して、少なくともメモリ上の対応する近似係数と異なる場合には、これをメモリ上に記憶し直すことを特徴とする工作機械の高精度加工方法。
【請求項２】
予め各運転速度における熱源運転時の熱変位量変化を得る実験により、飽和時熱変位量または熱変位時定数の近似係数を求めてメモリ上に記憶する予段階と、
熱源温度の温度上昇値を得、温度上昇値から熱変位推定演算を求め、これを補正する補正段階と、
運転速度変化時においてメモリ上の飽和時熱変位量および熱変位時定数から誤差値の変化を求め、誤差値が許容値になる時間を得て当該時間だけ加工停止する待機段階とを含み、
少なくとも、熱変位が飽和する運転時において測定した熱変位量と、メモリ上の近似係数と当該運転時の運転速度指令値とから算出した熱変位量とが異なる場合には、測定熱変位量と運転速度指令値とから近似係数を算出してメモリ上に記憶し直すことを特徴とする工作機械の高精度加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械において、熱変位を推定し補正するとともに、適宜加工を停止することで、加工精度を高いものとする方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に工作機械は、機械の特性上各部に熱源（例えば主軸の転がり軸受け）を持っており、この熱源によって発生した熱が機械各部に伝わることで機体の熱変形を引き起す。この機体の熱変形は、加工精度に大きく影響することから、その防止策として、機体温度情報からの熱変位の推定を利用して、これを補正する方法が広く採用されている。ここで、当該熱変位の推定として、この出願と同一の出願人による特許文献１に示すものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２２５７８１号公報
【０００４】
このような熱変位の推定においては、回転数変化後の過渡状態から定常状態に至るまで、回転数と時間または推定回数に応じて演算式の係数を変化させながら主軸の熱変位を推定する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記熱変位の推定では、熱源に係る部分の使用の経過、環境の変化等の経時変化により熱変位量の変化が起きた場合でも、演算式の係数変化の仕方は変らないため、誤差判定が実状と合致しなくなる。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、熱変位を推定する方法において、経時変化による熱変位量の変化への対応を可能にして、経時変化に関わらず加工精度を高度に維持することができる方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、予め各運転速度における熱源運転時の熱変位量変化を得る実験により、飽和時熱変位量または熱変位時定数の近似係数を求めてメモリ上に記憶する予段階と、熱源温度の温度上昇値を得、温度上昇値から熱変位推定演算を求め、これを補正する補正段階と、運転速度変化時においてメモリ上の飽和時熱変位量および熱変位時定数から誤差値の変化を求め、誤差値が許容値になる時間を得て当該時間だけ加工停止する待機段階とを含み、熱変位が飽和する運転時において対応する温度上昇値から算出した熱変位量と、当該運転時の運転速度指令値とから、近似係数を算出して、少なくともメモリ上の対応する近似係数と異なる場合には、これをメモリ上に記憶し直すことを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
また、本発明は、予め各運転速度における熱源運転時の熱変位量変化を得る実験により、飽和時熱変位量または熱変位時定数の近似係数を求めてメモリ上に記憶する予段階と、熱源温度の温度上昇値を得、温度上昇値から熱変位推定演算を求め、これを補正する補正段階と、運転速度変化時においてメモリ上の飽和時熱変位量および熱変位時定数から誤差値の変化を求め、誤差値が許容値になる時間を得て当該時間だけ加工停止する待機段階とを含み、少なくとも、熱変位が飽和する運転時において測定した熱変位量と、メモリ上の近似係数と当該運転時の運転速度指令値とから算出した熱変位量とが異なる場合には、測定熱変位量と運転速度指令値とから近似係数を算出してメモリ上に記憶し直すことを特徴とする（請求項２）。
【０００９】
以下に、本発明による熱変位推定方法の原理を、メモリを有する制御手段、主軸およびテーブルを備え、熱源を主軸としその運転を回転とした工作機械において説明する。工作機械の主軸熱変位変化は、主軸回転数（回転速度）が変化した後に発生する。このとき、熱変位が継続的に変化する過渡状態と熱変位変化がなくなり安定化した定常状態に分けることができる。
【００１０】
また、一般には回転速度が速くなるにつれて、熱変位量が大きくなる。その熱変位時定数は、主軸の構成、並びに主軸外筒冷却がなされる場合には、その冷却能力により主軸回転速度に対してほぼ一意的に決定されるが、主軸回転速度が上がって発熱量が増す場合と、回転速度が下がって発熱量が減る場合で時定数が異なることが多く、主軸回転速度によって変化する。また、主軸冷却装置の能力変化や軸受の劣化等の経時変化により回転速度に対する熱変位量は、変化する。
【００１１】
回転速度に起因した主軸飽和時熱変位量と時定数算出方法（実験あるいはシミュレーションの一部、予段階）について、回転速度を上げる場合から説明する。まず、主軸を、停止しており十分に熱変位が安定している状態において基準回転速度での回転を始めてこれを継続し、主軸とテーブル間の熱変位変化と時間を記録する。なお、熱変位の連続的な変化を記録するため、非接触式の変位計を用いるのが良い。
【００１２】
次に、この計測結果をもとに、最小二乗法等を用いて、次に示す［数１］によるカーブフィットを行い、基準回転速度における回転速度を上げた時の飽和時熱変位量（熱変位変化幅）、および熱変位時定数を求める。そして、基準回転速度を最高回転速度までにおいて例えば１０００〜２０００ｍｉｎ−１刻みで変えて、次々と回転速度を上げた時の飽和時熱変位量、熱変位時定数を１０００〜２０００ｍｉｎ−１刻みで計測し、求める。なお、測定例として、最高回転速度である１２０００ｍｉｎ−１の回転数で主軸を回した場合の結果を図１に示し、この結果をカーブフィットしたものを［数２］で示す。
【００１３】
【数１】
2004249402.tif 000003
【数２】
2004249402.tif 000004
【００１４】
一方、回転速度を下げる場合について説明する。回転速度を上げた時と同様に、基準回転速度（例えば最高回転速度）の状態で主軸が十分に熱変位が安定している状態から主軸を停止させ、主軸とテーブル間の熱変位変化と時間を記録する。その後、飽和時熱変位量と熱変位時定数を、回転速度を上げた時と同様にして求める。これを各種基準回転速度において繰返す。
【００１５】
そして、熱変位量が主軸回転速度と関係があり［数３］の２次式近似とよく一致することを利用し、上記方法において求めた複数の飽和時熱変位量と基準回転速度（指令回転速度）とを次の［数３］に代入し、近似係数β，γをメモリに記憶する。
【００１６】
【数３】
2004249402.tif 000005
【００１７】
また、上記方法において求めた熱変位時定数と指令回転速度を用いて、次の［数４］で表される近似式における近似係数１〜３を求める。［数４］は、熱変位が増大する場合と減少する場合で近似係数１〜３が異なるので、回転数を上げる場合と下げる場合とに分けて近似係数１〜３をそれぞれ算出し、メモリ上に記憶する。なお、運転時の近似係数１〜３の選択方法は［数５］で行う。
【００１８】
【数４】
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【数５】
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【００１９】
熱変位の推定演算方法について説明する（補正段階）。熱変位は継続的に変化するので、熱変位の推定は次の［数６］により演算する。このとき、回転数変化時の時間を基点とする。また［数６］から、［数７］に示す回転速度変化後の熱変位変化量と、［数８］に示すその変化時間を見積もることができる。必要とする加工精度が可能かの判定は、これらの式を用いて行う。
【００２０】
【数６】
2004249402.tif 000008
【数７】
2004249402.tif 000009
【数８】
2004249402.tif 000010
【００２１】
次に、熱変位補正の推定誤差が、予め設定された誤差以内になる状態を判断する。熱変位補正にあたり、一般的な機械の温度計測値を用いる方法では、主軸温度と機体基準温度の差と、熱変位量との関係式を用いる。これは、飽和状態で温度上昇と熱変位量の関係が線形特性を有し、比較的容易に補償が可能であるためである。
【００２２】
例として、図２の運転条件での主軸温度上昇と、主軸とテーブル間の熱変位変化の計測結果を図３に示す。また、この結果に基づき次の［数９］によって温度上昇値から熱変位量を推定演算したときの推定誤差を図４に示す。この結果から、過渡状態において熱変位推定誤差が発生し、その誤差は回転速度変化後の熱変位変化量と熱変位変化時定数、並びに計測された温度の時定数の関数で表すことができると分かる。そこで、誤差の評価関数を［数１０］で表す。
【００２３】
【数９】
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【数１０】
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【００２４】
また［数１０］を用いての計算結果例を図５に示す。この図から［数１０］は極大値をもつ関数であることが分かる。そこで、次の［数１１］を満足する時間ｔｂとしては、極大値を越えたものを求めることになる。そして、この時間ｔｂだけ加工の停止をする（待機段階）。これにより、変位変化が許容値以内に収まり、加工精度の確保が可能になる。
【００２５】
【数１１】
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【００２６】
そして、この熱変位推定演算を推定する工作機械の熱変位量の経時変化に合わせる調整方法について説明する。調整には、主軸回転速度と飽和時熱変位量の関係式を［数３］の近似式で表していることから近似係数βの調整（適宜の更新、記憶のし直し）をする。このとき、近似係数γが変化することは少ないので、近似係数βのみの調整で良い。
【００２７】
近似係数βの調整方法としては、主軸回転前と、回転し熱変位が飽和した状態とにおいての熱変位量を計測して調整する方法と、回転して熱変位が飽和した状態での計測温度上昇値から調整する方法がある。前者の方法においては、計測値と予めメモリに記憶した値を比較し、異なっていれば計測値から得た近似計数βをメモリに上書きして調整を行う。
【００２８】
また、後者のように温度計測を用いて調整する場合には、次の［数１２］に示すように、熱変位飽和状態で温度上昇値と熱変位量の関係が線形性を有することを利用し、［数７］のように予め実験（シミュレーション）により定数αを求め記憶しておき、主軸が停止し温度が安定している状態を基準として、主軸を最高回転速度で回転させた時の主軸の温度上昇値を計測する。その後、［数１２］を基に熱変位量を換算して、計測した主軸回転速度と熱変位量をもとに［数３］の近似係数βの調整を行う。この場合、機体等を基準温度にして、主軸の温度上昇値として算出してもよい。
【００２９】
【数１２】
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【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を立形マシニングセンタに具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。図６は当該実施形態の概略を示すものであるが、横形マシニングセンタの場合も同様のシステムを採用できる。
【００３１】
立形マシニングセンタは、周知のように、主軸ヘッド１、コラム２、主軸３、ベッド４、移動テーブル５等から構成されている。主軸３にはその発熱温度を測定する第１温度センサ６が取り付けられ、ベッド４には基準温度を測定する第２温度センサ７が取り付けられている。温度測定装置８は各温度センサ６，７からのアナログ信号をデジタル信号に変換して数値化する。熱変位推定演算判定器９は、数値化された温度データと、メモリを有する記憶装置１０に予め記憶された補正パラメータとに基づき熱変位量を推定して補正量を算出する。
【００３２】
また、記憶装置１０には、主軸３の主軸回転速度、熱変位および時定数の情報が記憶されており、該記憶情報と主軸３の運転状況を基に、熱変位推定演算判定器９にて、今後の熱変位変化量を予測し、回転速度変化情報を基に加工継続か否かを判定し、ＮＣ装置１１は、その情報に従って加工を行う。また、熱変位推定演算判定器９において、主軸３の温度上昇値の情報から熱変位量を換算し、記憶装置１０に格納されている主軸回転速度と熱変位の情報の更新を行う。
【００３３】
図７は熱変位推定方法の一実施形態を示すフローチャートである。熱変位推定演算判定器９は、主軸回転速度の変化の検出を把握すると（Ｓ−１）、回転速度変化直前の熱変位量を［数６］により算出する（Ｓ−２）。このときの推定演算熱変位量ＥＳＴ０は、先回の回転数変化時のものを用い、時間ｔは回転変化前の回転速度での運転時間を用いる。この計算結果を推定演算熱変位量ＥＳＴ０として更新記録する。
【００３４】
次に、熱変位推定演算判定器９は、回転速度変化があってからの時間を計測するために、時間ｔのカウントを開始する（Ｓ−３）。この時間ｔは、熱変位変化量を演算するのに用いる。熱変位推定演算判定器９は、［数３］を用い、指令された回転速度での飽和時熱変位量の算出（Ｓ−４）を行う。
【００３５】
更に、熱変位推定演算判定器９は、熱変位時定数の算出を、熱変位が増大する場合と減少する場合で異なる時定数を［数５］により定めたうえで（Ｓ−５）、［数４］により行う（Ｓ−６）。即ち、熱変位推定演算判定器９は、熱変位時定数を、熱変位の方向に基づいて選択演算する。
【００３６】
続いて、熱変位推定演算判定器９は、待機時間の算出をする（Ｓ−７）。ここでは、熱変位補正の推定誤差が、予め設定された誤差以内になる時間を算出する。主軸熱変位の補正システムとして一般的に温度を用いる方法では、主軸熱変位変化の過渡状態で補正誤差を生じることが多く、その補正誤差は、回転数変化後から飽和までの熱変位変化量、熱変位時定数、計測している温度の時定数と密接な関係がある。そこで、誤差量の時間変化関数を［数１０］で求める。
【００３７】
例として、図５の誤差曲線を有する場合で、許容値が５μｍ、即ち誤差量が５μｍである時間ｔを算出する。（ＡＳ−ＥＳＴ０）＝２０μｍ，ＴＳ＝１２ｍｉｎ，ＴＴ＝３ｍｉｎの場合、ｔ＝１．３１ｍｉｎと１６．４３ｍｉｎを得る。ここで、１．３１ｍｉｎは、この時間後に誤差が拡大するため、１６．４３ｍｉｎを待機時間として算出する。
【００３８】
待機時間中は、加工停止指令とともに、必要があれば待機時間を含めたメッセージの表示を行う（Ｓ−８）  。待機方法としては、回転速度変化後の時間で［数６］［数１０］を用いて誤差量を継続的に計算し、その結果が予め設定した値に達するまでとしてもよい。
【００３９】
そして、待機後と判断された場合（Ｓ−９でＹｅｓ）、熱変位推定演算判定器９は、ＮＣ装置１１に対し、加工開始を指令する（Ｓ−１０）。
【００４０】
熱変位推定演算に使用する主軸回転速度と熱変位量の経時変化に関する調整方法について、主に図８に基づき説明する。なお、当該調整は、加工毎に行ってもよいし、所定加工回数毎に行ってもよいし、所定時間経過後の最初の加工において行ってもよい。また、調整のための運転を個別にするようなものであってもよい。
【００４１】
主軸３の温度上昇値を回転の開始時を基点とする場合には、主軸３が十分冷えた状態で、基準温度からの温度上昇とする場合には、温度が飽和したときの基準温度との差を温度上昇値として算出する（Ｓ−１１）。
【００４２】
続いて立形マシニングセンタにおいて予め求めておいた、温度上昇値と熱変位の関係式から現在の熱変位量を求める（Ｓ−１２）。その後、記憶されている回転速度と熱変位量の関係係数を比較し、異なっていれば、記憶装置１０のメモリにおける更新（記憶のし直し）を行う（Ｓ−１３）。なお、常時関係係数を更新するものであってもよい。
【００４３】
本説明は、マシニングセンタにおいて説明を行ったが、同様に回転工具により加工を行うターニングセンタについても適用できる。また、主軸の熱変位により加工寸法が変化する旋盤においても同様の手法にて、適用可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、安定までの時間を推定することで精度確保の待ち時間を最小化し、加工の効率化をおこなうことができ、その推定に用いる熱変位情報の更新が成されるので、高精度な推定が維持される。また、熱変位補正機能を有する場合においても、熱変位推定誤差の生じ易い主軸回転数変化後の過渡状態での推定補償誤差量を推定することで、加工精度の向上を効率的に図れるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】主軸の変位変化の経時変化を示す特性図である。
【図２】主軸の回転速度の経時変化を示す特性図である。
【図３】主軸の変位変化と温度上昇の経時変化を示す特性図である。
【図４】温度上昇値により熱変位を推定した誤差の経時変化を示す特性図である。
【図５】評価関数の経時変化を示す特性図である。
【図６】本発明の方法が実施される立形マシニングセンタの概略図である。
【図７】本発明による熱変位推定方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図８】本発明による熱変位調整方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１・・主軸ヘッド、２・・コラム、３・・主軸、４・・ベッド、５・・移動テーブル、６・・第１温度センサ、７・・第２温度センサ、８・・温度測定装置、９・・熱変位推定演算判定器、１０・・記憶装置、１１・・ＮＣ装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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