(57)【要約】【課題】工作機械における発熱による複雑な主軸の変位を適切に補正し、高精度の加工が可能な多軸工作機械の熱変位補正方法および熱変位補正装置を提供する。【解決手段】本発明の熱変位補正方法は、主軸旋回型多軸工作機械のベッド（４）、コラム（２）、主軸頭（１０）などの発熱上の主要部に温度センサ（１０１〜１０５）を取り付ける過程と、主軸回転による温度上昇時、環境温度の上昇時のそれぞれについての各部の温度変化およびこの温度変化に伴う変位を測定する過程と、温度変化と変位との関係をＮＣ装置（３０）の演算部（１５０）により重回帰分析することにより補正式を得る過程と、実稼働時に得られた温度データを前記補正式に代入して予測変位を求める過程と、この予測変位をもとに位置補正値を求めて工作機械へ送出する過程とを備える。熱変位補正装置はこの方法の各過程に対応する処理部分を備える。【選択図】  図３
2004154907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸旋回型多軸工作機械の発熱上の主要部に温度センサを取り付ける過程と、
実稼働時の前に、主軸を回転させて、前記温度センサにより前記発熱上の主要部の  温度変化およびこの温度変化に伴う変位を測定する過程と、
前記温度変化と変位との関係を重回帰分析することにより補正式を得る過程と、
実稼働時に得られた温度データを前記補正式に代入して予測変位を求める過程と、
前記予測変位をもとに位置補正値を求めてＮＣ装置へ送出する過程と、
を備えた多軸工作機械の熱変位補正方法。
【請求項２】
前記温度を取り付ける発熱上の主要部は、少なくともベッド、コラム、主軸軸受、冷却油であることを特徴とする請求項１に記載の多軸工作機械の熱変位補正方法。
【請求項３】
前記補正式を得る過程は測定点を５箇所とした場合、
Ｙｉ＝ａｉｔ１＋ｂｉｔ２＋ｃｉｔ３＋ｄｉｔ４＋ｅｉｔ５＋ｆｉ
ただし、ｉ：軸番号、ａｉ，ｂｉ，ｃｉ，ｄｉ，ｅｉ，ｆｉ：  偏回帰係数、ｔ１ないしｔ５は測定点の温度
の式により偏回帰係数が決定される処理であることを特徴とする請求項１または２に記載の多軸工作機械の熱変位補正方法。
【請求項４】
主軸旋回型多軸工作機械の発熱上の主要部に取り付けられた複数の温度センサと、
主軸回転による温度上昇時、環境温度の上昇時のそれぞれについて前記発熱上の主要部の温度変化およびこの温度変化に伴う変位を測定する手段と、
前記温度変化と変位との関係を重回帰分析することにより補正式を得るとともに、実稼働時に得られた温度データを前記補正式に代入して予測変位を求める演算部と、
前記予測変位をもとに位置補正値を求めてＮＣ装置へ送出する補正演算部と、
を備えた多軸工作機械の熱変位補正装置。
【請求項５】
前記温度を取り付ける発熱上の主要部は、少なくともベッド、コラム、主軸軸受、冷却油であることを特徴とする請求項１に記載の多軸工作機械の変位補正装置。
【請求項６】
前記演算部は、測定点を５箇所とした場合、次の式
Ｙｉ＝ａｉｔ１＋ｂｉｔ２＋ｃｉｔ３＋ｄｉｔ４＋ｅｉｔ５＋ｆｉ
ただし、ｉ：軸番号、ａｉ，ｂｉ，ｃｉ，ｄｉ，ｅｉ，ｆｉ：  偏回帰係数、ｔ１ないしｔ５は測定点の温度
により偏回帰係数が決定される処理を行うものであることを特徴とする請求項１または２に記載の多軸工作機械の熱変位補正装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多軸工作機械の熱変位補正装置に関するもので、特に主軸側に旋回軸を有する４軸以上の多軸工作機械に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械は多くの移動部材を有し、これらを強力な駆動源で駆動するため、多くの発熱がある。この熱は工作機械の各部材の熱膨張を引き起こし、加工精度を低下させる。
【０００３】
このため、従来、発熱そのものを減少させる発熱対策、熱交換による発生した熱の除去、ウォーミングアップの実施による熱影響の希釈化、熱対称構造の採用等による熱変位対策がとられてきた。しかし、ある程度の熱変位が生じることは避けられないため、この熱変位を考慮して工作機械の制御を行う熱変位補正装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
しかし、この熱変位補正装置は３軸工作機械に関するものであり、直交軸で構成される工作機械を対象としており、回転軸を有し、主軸頭が旋回する装置については全く考慮されていない。
【０００５】
すなわち、５軸以上の多軸工作機械においては、駆動源が多いことと、複雑な構造のため、実際の運転時には各部から多くの発熱があり、そのために種々の熱変位を生じ、加工精度に悪影響を与えている。
【０００６】
これらは、大別すると▲１▼主軸の発熱による膨張と伸び、▲２▼ヘッド、コラム、ベッドの変形、▲３▼環境温度の変化による全体の変形等であり、これらが複雑に絡み合うことにより、静的精度の数十倍の変位を生じている。このような変位は加工精度に悪影響を与えている。
【０００７】
また、６軸工作機械において、主軸回転数に対応する熱補正値をＮＣに指令する技術も提案されている（例えば、特許文献２）
【０００８】
【特許文献１】
特公昭６１−５９８８６０号
【特許文献２】
特開平５−２７７８９４号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載されたものは主軸のみに注目して補正を行うものであるため、上述したような複雑な要因で生ずる熱変位についての補正を適切に行うことはできない。
【００１０】
そこで、本発明は工作機械における発熱による複雑な主軸の変位を適切に補正し、高精度の加工が可能な多軸工作機械の熱変位補正方法および熱変位補正装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる多軸工作機械の熱変位補正方法によれば、
主軸旋回型多軸工作機械の発熱上の主要部に温度センサを取り付ける過程と、
実稼働時の前に、主軸を回転させて、前記温度センサにより前記発熱上の主要部の  温度変化およびこの温度変化に伴う変位を測定する過程と、
前記温度変化と変位との関係を重回帰分析することにより補正式を得る過程と、
実稼働時に得られた温度データを前記補正式に代入して予測変位を求める過程と、
前記予測変位をもとに位置補正値を求めてＮＣ装置へ送出する過程と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明にかかる多軸工作機械の熱変位補正装置によれば、
主軸旋回型多軸工作機械の発熱上の主要部に取り付けられた複数の温度センサと、
主軸回転による温度上昇時、環境温度の上昇時のそれぞれについて前記発熱上の主要部の温度変化およびこの温度変化に伴う変位を測定する手段と、
前記温度変化と変位との関係を重回帰分析することにより補正式を得るとともに、実稼働時に得られた温度データを前記補正式に代入して予測変位を求める演算部と、
前記予測変位をもとに位置補正値を求めてＮＣ装置へ送出する補正演算部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の方法および装置によれば、旋回主軸を有する工作機械に対して、予め実際の運転前に、構造体、環境温度、発熱源における温度と各軸の熱変位を求めておき、稼働時にその関係を反映した補正値をＮＣに送ることで工作機械の熱変位を高精度で補正するので、高精度の位置補正が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明が適用される工作機械の一例としての主軸旋回型の門形工作機械の概要を示す斜視図である。
【００１６】
この工作機械においては、コラム２には、クロスレール６（図１では蛇腹カバーで覆われている）が水平に架設され、このクロスレール６は上下に昇降可能となっている。このクロスレール６には、サドル８が左右水平方向に移動可能に設置されている。主軸頭１０は、モータビルトイン式の主軸ユニットを備え、サドル８に取り付けられている。
【００１７】
ベッド４は図１では入子式カバーで覆われているが、このベッド４上にはテーブル１２が配置されている。このテーブル１２は、パレット１４を搭載して前後方向に移動する。
【００１８】
図１において、Ｘ軸はテーブル１２を前後方向に送る制御軸、Ｙ軸はサドル８を左右方向に送る制御軸、Ｚ軸はクロスレール６を上下方向に送る制御軸である。図１の門形工作機械では、これらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が直線軸である。
【００１９】
そして、この門形工作機械では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に加えて、主軸頭１０を旋回軸を中心に左右に最大３０°旋回させ、テーブル１２が１°ごとに角度を割り出すことができるインデックステーブル１２が備えられている。また、テーブル１２として１°以下の角度で連続的に角度を割り出すことができるロータリーテーブルを搭載することもできるようになっている。主軸頭１０の旋回を制御する制御軸がＡ軸で、テーブル１２の割り出しを制御する制御軸がＣ軸である。
【００２０】
図１において、クロスレール６を上下方向に移動させるＺ軸の送り機構を駆動するサーボモータが、コラム２の上部の左右にそれぞれ配置されたＺ軸サーボモータ１５ａ、１５ｂである。１６ａ、１６ｂは、クロスレール６の移動を案内するガイドレールである。Ｚ軸の送り機構としては、この種の門形工作機械で周知のボールねじ機構が用いられているが、図示は省略されている。
サドル８を左右方向に移動させるＹ軸の送り機構を駆動するサーボモータが、コラム２の右部に配置されたＹ軸サーボモータ２３である。
【００２１】
主軸頭１０は油等の冷却剤により冷却される。このために、油冷却装置２０が設けられており、冷却油送出ホース２１により主軸に油が送出され、冷却作用を終えた油は冷却油帰還ホース２２により油冷却装置２０に戻る。
【００２２】
本発明においては温度と変位の関係を運転前に正確に把握する必要がある。最大の発熱源は主軸を駆動するためのモータと主軸頭１０であると考えられるので、主軸を取り付ける軸受と工具を冷却するための冷却油の温度を測定することが重要である。
【００２３】
図１は温度センサの取り付けも示しており、第１のセンサは主軸を取り付ける軸受に、第２のセンサはコラム上部に、第３のセンサはコラム下部に、第４のセンサは基準となる環境温度を測定するためにベッド後部に、第５のセンサは油冷却装置２０中の冷却油の帰還位置にそれぞれ取り付けられている。
【００２４】
また、主軸の熱変位としてＺ方向とＹ方向が測定される。この測定は変位センサを取り付けるようにしても良いし、レーザ測長のような非接触のものを用いても良い。また、熱変位の測定はＺ方向とＸ方向であっても良い。
【００２５】
以上のような準備を前提として本発明にかかる熱変位補正方法を説明する。
【００２６】
本発明の方法は、旋回主軸を有する工作機械に対して、予め実際の運転前に、構造体、環境温度、発熱源における温度と各軸の熱変位を求めておき、稼働時にその関係を反映した補正値をＮＣに送ることで工作機械の熱変位を高精度で補正することに特徴がある。
【００２７】
まず、予備熱変位試験により熱変位および各部の温度を測定する。この様子は図２のグラフに示されている。
【００２８】
主軸を最高回転数である、例えば３０００回転で９０分間運転、８０分間停止のサイクルを２回繰り返し、三度目の３０００回転での９０分後の各部温度と主軸の熱変位を測定する。
【００２９】
この場合の測定点は、前述したように、主軸軸受、コラム上部、コラム下部、基準温度点としてのベッド部、冷却油の帰還部の５箇所である。
【００３０】
これらのセンサの出力は、図３に示す演算回路により処理される。
【００３１】
図３を参照すると、主軸軸受にとりつけられた第１のセンサ１０１、コラム部等の機体部に取り付けられた第２および第３のセンサ１０２および１０３、コラム背面部に取り付けられた基準温度用の第４のセンサ１０４、冷却用の冷却油の帰還部に取り付けられた第５のセンサ１０５からの出力信号がこの回路に入力され、それぞれセンサに対応して設けられた増幅器１１１〜１１５により増幅され、各増幅器の出力はセレクタ１２０に入力される。
【００３２】
セレクタ１２０ではいずれかの増幅器出力が順次選択され、選択された増幅器出力はＡ／Ｄ変換器１３０でディジタルデータに変換され、、バッファ１４０を経てＣＰＵ１５０で演算が行われる。この演算はプログラムメモリ（ＰＭ）１６０に格納された後述する演算プログラムに基づいて行われ、演算結果はデータメモリ（ＤＭ）１７０に格納され、実際の運転時の位置補正演算のために用いられる。
【００３３】
予備熱変位試験の結果得られた各部における変位を図２のグラフに示す。
【００３４】
この図から、回転開始時および回転停止時に、Ｙ軸およびＺ軸が瞬間的に大きく移動していることがわかる。これは主軸の遠心力の影響によるものと考えられ、熱による変位ではない。しかも、この変位には再現性があるため、回転数を変えた瞬間にＮＣ側で補正を行うことが可能である。
【００３５】
よって、この変位は補正量を求めるデータには含めないこととする。このため、回転数を変えた後の適当な期間の位置データは取り込まないように演算プログラムが設計されている。
【００３６】
次に、熱変位および各部温度のデータを結合させ、重回帰分析を実施し、補正式を算出する。
【００３７】
重回帰分析とはＰ個の説明変数（独立変数）とある目的変数（従属変数）の間に式を当てはめ、目的変数の変動が説明変数の変動によってどの程度影響されるかを分析する手法である。
【００３８】
この場合、当てはめる式を重回帰式と呼び、本実施の形態の場合、次式で表され、この演算式もプログラムメモリ１６０中に格納されている。
【００３９】
Ｙ１＝ａ１ｔ１＋ｂ１ｔ２＋ｃ１ｔ３＋ｄ１ｔ４＋ｅ１ｔ５＋ｆ    （式１）
ここで、Ｙ１は１軸目の予測熱変位、ｔ１ないしｔ５は各部の温度（説明変数）である。
【００４０】
また、ａ１ないしｅ１は偏回帰係数と称されるもので、各説明変数の単位が一つ変動するごとに目的変数に与える影響を示す。なお、ｆは定数項である。
【００４１】
この重回帰式検定は、分散分析、すなわち最小二乗法で行われ、係数ａ１−ｆ１が決定され、前述したデータメモリ１７０に格納される。係数決定後には該当する温度データを代入することにより、予測熱変位を得ることができる。
【００４２】
図３の例で、目的変数をＺ軸変位量に、説明変数を前述した５箇所の測定点での測定温度とすれば、求められた偏回帰係数を用いて、例えば次の式２のように表される。
【００４３】
Ｚ１＝−３．８６８３２×ｔ１−１０．８５８５×ｔ２＋１２５．２２８１×ｔ３−３４．４４１２×ｔ４−７９．０２４２×ｔ５＋９７．９７９８７    （式２）
以上のような処理は各軸について行われる。決定された各軸の偏回帰係数は装置内の記憶装置に記憶される。なお、必要に応じ、測定点の数を増加させても良い。そして、各軸ごとの重回帰式の偏回帰係数が決定された段階で、測定点での測定温度を代入すれば、予測熱変位が求まることになる。
【００４４】
次に、ＮＣ装置３０内で補正処理がどのようにして行われるかを図４のフローチャートを参照して説明する。この処理は主にＣＰＵ１５０により行われる。
【００４５】
まず、プログラムの１ブロックを読み込みこれを解釈する（ステップＳ１）。
【００４６】
この解釈によりこのブロック内に軸移動指令があるかどうかを確かめ（ステップＳ２）、ないときには補正処理を行わず次のプログラムブロックに移行する（ステップＳ６，Ｓ７）。
【００４７】
一方、軸移動指令があるときには各軸の補正値ｄＺおよびｄＹを計算する（ステップＳ３）。この補正値算出の際には前述した予測熱変位の式に現実の稼働により得られた温度値を代入することにより求めるられる。
【００４８】
なお、図５に示すように、本実施の形態では主軸頭１０はＸ軸まわりの旋回のみでＺ軸に対する旋回はないので、次の関係が成立する。
【００４９】
ｄＹ＝δ＊ＣＯＳ（９０＋Ａ）＝−δ＊ＳＩＮ（Ａ）        （式３）
ｄＺ＝δ＊ＳＩＮ（９０＋Ａ）＝δ＊ＣＯＳ（Ａ）            （式４）
ただし、ｄＹ：Ｙ軸方向の補正量
ｄＺ：Ｚ軸方向の補正量
δ：主軸方向の補正量
Ａ：Ｘ軸まわりの回転角度
次に各軸の補正値に基づいて新たな位置指令を発する（ステップＳ４）。すなわち、現在の値をＺ、Ｙとすれば、補正処理後の位置Ｚ’、Ｙ’は
Ｚ’＝Ｚ＋ｄＺ          （式５）
Ｙ’＝Ｙ＋ｄＹ          （式６）
となる。
【００５０】
この値に基づいてＮＣプログラムの１ブロック内の軸移動指令がＮＣ装置に送出される（ステップＳ５）。なお、特に図示はしていないが、主軸に対しては別途主軸回転数が指令される。
【００５１】
以下、同様の処理がプログラムの各ブロックについて全ブロックの処理が終了されるまで続けられ（ステップＳ６、Ｓ７）、この結果、温度変化に応じた適切な主軸位置補正がなされることになる。この場合、加工が進むにつれて温度が変化していくが、プログラムブロックに進行に伴って検出温度が反映された補正がリアルタイムで行われることになる。
【００５２】
以上の実施の形態では４軸の門形工作機械を例にとって説明したが、本発明は４軸以上の主軸旋回型多軸工作機械であれば、どのような工作機械にも適用することができる。
【００５３】
この場合、主軸方向がＹ軸まわりの旋回とＺ軸まわりの旋回を含む工作機械の場合には、次のような関係が成立する。
【００５４】
ｄＸ＝δ＊ＳＩＮ（Ｂ）＊ＣＯＳ（Ｃ）        （式７）
ｄＹ＝δ＊ＳＩＮ（Ｃ）                      （式８）
ｄＺ＝δ＊ＣＯＳ（Ｂ）＊ＣＯＳ（Ａ）        （式９）
ただし、ｄＸ：Ｘ軸方向の補正量
ｄＹ：Ｙ軸方向の補正量
ｄＺ：Ｚ軸方向の補正量
δ：主軸方向の補正量
Ｂ：Ｙ軸まわりの回転角度
Ｃ：Ｚ軸まわりの回転角度
また、演算すべき熱変位の方向は対象とする工作機械の構造に応じて適宜選択することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、主軸頭に旋回軸を有する多軸工作機械において、予め実際の運転前に、構造体、環境温度、発熱源における温度と主軸の熱変位を求めておき、稼働時にその関係を反映した補正値をＮＣに送るようにしているので、工作機械の熱変位を高精度で補正することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される工作機械の一例である門形工作機械の一例の概略外観および温度センサの取り付け位置を示す斜視図である。
【図２】予備熱変位試験の様子を示すグラフである。
【図３】温度センサ出力信号を取り込む構成を示す回路図である。
【図４】補正処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】主軸頭の傾斜を示す説明図である。
【符号の説明】
２  コラム
４  ベッド
６  クロスレール
８  サドル
１０  主軸頭
１２  テーブル
１４  パレット
１５ａ、１５ｂ  Ｚ軸サーボモータ
１６ａ１６ｂ  ガイドレール
２０  油冷却装置
２１  冷却油送出ホース
２２  冷却油帰還ホース
２３  Ｙ軸サーボモータ
３０  ＮＣ装置
１０１〜１０５  温度センサ
１１１〜１１５  増幅器
１２０  セレクタ
１３０  Ａ／Ｄ変換器
１４０  Ｉ／Ｏ部
１４１  バッファ
１５０  ＣＰＵ
１６０  プログラムメモリ
１７０  データメモリ
【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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