(57)【要約】【課題】熱変位に対する補正を高精度で行なうことができる、工作機械の熱変位補正方法及びその装置を提供する。【解決手段】工作機械１の熱変位補正方法は、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体１０の温度変化を温度センサＳ１　，Ｓ２　により検出し、この検出された各温度変化を合成して、工作機械１の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算し、この合成温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補正する。【選択図】　　図１
2004042260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出し、
この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算し、
この合成温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補正することを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
【請求項２】
前記合成温度変化に対応して変化する前記熱変位を演算し、
前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、
この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算し、
この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づいて、加工誤差を補正することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の熱変位補正方法。
【請求項３】
前記工作機械は、
工作物及び工具のいずれか一方を把持する主軸と、
この主軸を軸支する加工位置側の主軸受及び反加工位置側の他の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸頭と、
前記両軸受の間に配設され、前記主軸頭に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、
前記主軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記他の軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、
前記発熱源の影響を受けるヘッド位置で前記温度変化を検出するヘッド温度センサを前記主軸頭に取付けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の熱変位補正方法。
【請求項４】
工作物及び工具のいずれか一方を把持し且つ同期して回転する複数の主軸を主軸頭に有し、
前記複数の主軸の回転に伴う発熱特性の違いを、前記各主軸のノーズ部に設けたジャケットに流れる冷却油量又は冷却油温度を制御するか、あるいは前記各主軸のノーズ部に設けたヒータの通電量を制御して、熱変位の均一化した前記主軸頭を有する構成であって、
前記主軸の少なくとも一つを前記発熱源に採用したことを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械の熱変位補正方法。
【請求項５】
発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出する温度検出手段と、
この温度検出手段で検出された前記各温度変化を合成して、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算する合成温度演算手段と、
この合成温度演算手段で演算された前記合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、
この熱変位演算手段で演算された前記所定軸方向の前記熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
【請求項６】
前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出する温度検出手段と、
前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、前記所定軸方向の熱変位と前記熱変位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段とを備え、
前記熱変位演算手段により、前記遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して合計値を算出し、
この合計値に基づいて、前記補正手段により加工誤差を補正することを特徴とする請求項５に記載の工作機械の熱変位補正装置。
【請求項７】
前記工作機械は、
工作物及び工具のいずれか一方を把持する主軸と、
この主軸を軸支する加工位置側の主軸受及び反加工位置側の他の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸頭と、
前記両軸受の間に配設され、前記主軸頭に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、
前記主軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記他の軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、
前記発熱源の影響を受けるヘッド位置で前記温度変化を検出するヘッド温度センサを前記主軸頭に取付けたことを特徴とする請求項５又は６に記載の工作機械の熱変位補正装置。
【請求項８】
工作物及び工具のいずれか一方を把持し且つ同期して回転する複数の主軸を主軸頭に有し、
前記複数の主軸の回転に伴う発熱特性の違いを、前記各主軸のノーズ部に設けたジャケットに流れる冷却油量又は冷却油温度を制御するか、あるいは前記各主軸のノーズ部に設けたヒータの通電量を制御して、熱変位の均一化した前記主軸頭を有する構成であって、
前記主軸の少なくとも一つを前記発熱源に採用したことを特徴とする請求項５又は６に記載の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】
本発明は工作機械の熱変位補正方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械には機体各部に発熱源があり、例えば主軸の軸受のころがり摩擦熱や、切削部分からの発熱など数多い。これらの熱は機体各部に伝導して機体を変形させるが、この機体の変形は加工精度に大きく影響する。
そこで、これら各種原因による機体の熱変位を予測して熱変位による誤差の分をサーボ系にフィードバックして補正する補正方法やその装置が種々提案されている。
【０００３】
斯かる補正機能を有する工作機械では、機械の運転に伴う熱変位を如何に正確に見込むかが重要であり、そのために種々の試みがなされている。例えば、主軸の回転数等の運転条件から熱変位を予測するもの、あるいは機体に組込んだ変位センサで直接熱変位を検出するもの等がある。
本出願人は、特公平６−２２７７９号公報及び特開平３−７９２５６号公報で、機体温度から熱変位を算出する方式の工作機械の熱変位補正方法を提案した。この方法における熱変位の算出は、基本的には次式（１）の原理に基づいている。
ΔＬ＝Ｌ×線膨張係数×温度変化　　……（１）
ここで、ΔＬ：機体構成部分の熱変位
Ｌ：機体構成部分の長さ
である。
【０００４】
【特許文献１】
特公平６−２２７７９号公報
【特許文献２】
特開平３−７９２５６号公報
【特許文献３】
特開昭５８−１０９２５０号公報
【特許文献４】
特開昭６０−９６３４号公報
【特許文献５】
特開平５−８４６２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術における補正後の加工精度としては、２０乃至３０〔μｍ〕程度が限界である。ところが、近年の工作機械ユーザーからは、補正後の精度として１０〔μｍ〕以下の加工誤差に抑えることが一般的に要求されている。これは、セラミック材など新素材や、さらに小型化された工作物等を高精度で加工する必要性があるからである。
【０００６】
また、前記算出手法では機体の構成からその構成部分の長さＬを見込み、その温度変化を長さＬの中央位置から検出しているので、温度センサの取付位置に制約があった。さらに、精度よく熱変位を見込むには、機体を細かな構成部分に分割する必要が生じ、それぞれの部分の温度変化を算出するために多数の温度センサを要した。また、機体構成部分の長さＬの測定や、各機体構成材料それぞれの線膨張係数の確認作業が必要であった。
これらは、機体温度から熱変位を算出する方式の工作機械の熱変位補正装置を実装する上での障害となっていた。
【０００７】
一方、特開昭５８−１０９２５０号公報には、工作機械と熱的相似の金属片を用いて、その温度を工作機械を代表する温度と見做して、冷却用噴射空気の温度を制御することにより、工作機械の熱変位の補正をする熱変位補正装置が提案されている。しかしながら、この場合には熱的相似の金属片を別途準備しなければならなかった。
さらに、特開昭６０−９６３４号公報には、Ｙ軸熱変位の特性に合わせた熱的時定数を持った温度センサを使用する熱変位補正装置が提案されている。しかし、この補正装置では、熱変位の特性に合わせた熱的時定数を持つ温度センサの詳細が明らかにされていない。
【０００８】
ところで、複数の主軸を有する工作機械の場合、主軸の軸受にかけられている予圧のばらつき、主軸の取付け場所による温度の伝わり方の違い、及び軸受潤滑の状態等の理由で、各主軸の伸びに違いが生じることが多い。
そのため、例えば主軸に取付けられた複数の工作物を同一形状に同時に粗仕上げ加工をしたのち、仕上げ加工では使用する主軸を１本に限定し、これ以外の主軸を停止させる。これにより、主軸の発熱を抑えるとともに使用する主軸の熱変形にのみ着目して熱変位補正を行ない、仕上げ加工をしていた。この場合、停止中の主軸の把持する工具が工作物と干渉するのを防止するために、この停止中の工具を予め取外しておく作業も必要である。したがって、仕上げ加工の作業能率が極めて悪かった。
特開平５−８４６２８号公報には、複数の主軸を有する工作機械の熱変位補正装置が提案されている。しかし、この補正装置による熱変位補正には限界があり、補正後の加工誤差を限りなく零に近づけることは困難であった。
【０００９】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、熱による加工誤差に対する補正を高精度で行なうことができる工作機械の熱変位補正方法及びその装置を提供することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、工作機械の機体構成部分の長さ測定や、機体構成材料の線膨張係数の確認作業を不要とし、且つ、実機を用いた熱変位特性の抽出の実測作業を簡略化することである。
更に、本発明の別の目的は、温度センサの取付け位置の制約を大幅に緩和すると同時に、少数の温度センサで熱変位を精度よく見込むことのできる自由度の高い工作機械の熱変位補正方法及びその装置を提供することである。
更に本発明の別の目的は、複数の主軸を有する工作機械の場合に、複数の工作物を高精度で同時加工するとともに作業能率を大幅に向上させることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明では、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の所定軸方向の伸びによる熱変位又は主軸傾きによる熱変位を検出すると同時に、機体の適当箇所の温度変化を温度センサにより検出する。
この温度変化と前記熱変位が時系列的に同じであれば、温度変化と熱変位は単純にリニアの相関になるので、温度変化から熱変位を容易に見積もることが可能であることを前提にしている。
しかしながら、機体の適当箇所から検出した温度変化が有する時定数は、必ずしも所定軸方向の熱変位が有する時定数と同じではない。そのため、この温度変化のデータを適宜加工して前記熱変位が有する時定数に一致させる手法が求められる。
そこで、本発明に係る熱変位補正方法は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出し、検出されたこの温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算し、算出されたこの温度変化と前記熱変位との関係を定める関数を用いて得た熱変位に基づいて加工誤差を補正している。
なお、「工作機械の熱変位」とは、理想としては工具による加工点における熱変位であるが、現実的には、例えば主軸先端部又は主軸先端部に一時的に装着されたテストバーの適当箇所における熱変位のことである。
そして、前記補正方法を実現するための熱変位補正装置は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算する温度演算手段と、この温度演算手段で算出された前記温度変化と前記熱変位との関係を定める関数を用いて熱変位を演算する熱変位演算手段と、この熱変位演算手段で算出された前記熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備えている。
【００１１】
検出された前記温度変化のデータを、熱変位が有する時定数に一致させるデータ加工法の一例として、「ミックス手法」と「ダミー手法」を使用している。
ミックス手法では、まず、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、この熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を持つ箇所の温度変化と、この熱変位の時定数より大きな温度変化の時定数を持つ箇所の温度とを検出する。そして、これら少なくとも二箇所の互いに時定数の異なる温度変化を合成して熱変位の時定数と同じ時定数を有する合成温度変化を創成する。
なお、ミックス手法では、前記合成温度変化を創成する際に、一旦複数の合成温度変化を創成し、この複数の合成温度変化を更に合成して、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を創成してもよい。
ところで、ミックス手法では、前記合成温度変化を創成する際に、温度データには時々刻々に温度センサから得られるデータを直接用いている。そのため、合成温度変化の精度の信頼性が高い反面、それぞれの温度変化の時定数の間に位置する熱変位の時定数しか合成することができない。
【００１２】
これに対して、ダミー手法は、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出すると同時に、この熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を持つ適当箇所の温度変化を検出する。そして、この検出温度変化より遅れて表われる熱変位の時定数と略同じ時定数を有する架空の遅れ温度変化を、温度変化に遅れを見込んだ繰り返し演算により創成する手法である。
なお、ダミー手法では、前記遅れ温度変化を創成する際に、一旦他の遅れ温度変化を創成し、この遅れ温度変化に更に遅れを見込んで、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する遅れ温度変化を創成してもよい。
このように、ダミー手法では、温度変化に遅れを見込んだ繰り返し演算により遅れ温度変化を算出している。したがって、演算式が簡単である反面、粗い近似計算となり精度の信頼性に若干欠ける。
【００１３】
工作機械の熱変位の時定数と同じ時定数を有する創成温度変化と熱変位とのリニアな相関は、主軸回転に伴う主軸頭部の発熱がコラム等に伝わる影響、又は室温等の他の熱源の影響等による、熱変位の遅れ応答成分により、徐々に壊れてくる場合がある。
そこで、創成温度変化と熱変位とのあいだのリニアの相関を長時間維持するために、ミックス手法あるいはダミー手法で創成した温度変化で見積もった熱変位に、徐々に現われてくる熱変位の遅れ応答成分を加算して見積もることが行なわれる。
例えば、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所から検出した温度データを用いて、ミックス手法で合成温度変化を創成するとともに、この合成温度変化とリニアの相関で得られる熱変位を演算する。そして、先の温度データの一方あるいは別途検出した比較的穏やかな温度変化をする箇所から検出した温度データを用いて、温度変化に遅れを十分見込んで創成した遅れ温度変化とリニアの相関で得られる変位の遅れ応答成分を演算する。
ミックス手法とダミー手法との組合せ手法で創成した温度変化による熱変位の見積もりは、精度の信頼性が高くなるので好ましい。
また、発熱源近傍の温度が急激に且つ大きく変化する箇所から検出した温度データを用いて、ダミー手法で第１の遅れ温度変化を創成するとともに、この遅れ温度変化とリニアの相関で得られる熱変位を演算する。
そして、先の温度データあるいは別途検出した比較的穏やかな温度変化をする箇所から検出した温度データを用いて、温度変化の遅れを十分見込んで創成した第２の遅れ温度変化とリニアの相関で得られる変位の遅れ応答成分を演算する。ダミー手法とダミー手法との組合せ手法で創成した温度変化による熱変位の見積もりは、ミックス手法とダミー手法との組合せ手法で創成した温度変化による見積もりよりも、精度の信頼性が若干欠ける。
【００１４】
ミックス手法とダミー手法、あるいはダミー手法とダミー手法を組合せる手法について、主軸頭を発熱源とするマシニングセンタ（以下、ＭＣと記載）、又は主軸台内に発熱源を内蔵する数値制御旋盤（以下、ＮＣ旋盤と記載）を例にして詳細に述べる。
まず、ミックス手法とダミー手法の組合せでは、ＭＣ等を運転して、任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、この熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を持つノーズ位置、及び前記熱変位の時定数より大きな温度変化の時定数を持つヘッド位置における機体の温度変化をそれぞれ検出する。そして、ミックス手法で前記熱変位の時定数と同じ時定数を有する合成温度変化を創成し、この合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する。
また、ダミー手法とダミー手法の組合せでは、ＭＣ等を運転して、任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、この熱変位の時定数より小さい温度変化の時定数を持つノーズ位置における機体の温度変化を検出する。そして、ダミー手法で前記熱変位の時定数と同じ時定数を有する遅れ温度変化を創成し、この遅れ温度変化に対応して変化する熱変位を演算する。
次いで、ミックス手法とダミー手法の組合せ、及びダミー手法とダミー手法の組合せのいずれの場合も、以下のダミー手法が更に付加される。
即ち、ＭＣ等の前記主軸頭位置で検出された温度変化に遅れを見込んで、実際の熱変位と、合成温度変化あるいは遅れ温度変化を用いて先に演算された熱変位とが徐々にずれていく変位の遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を繰り返し演算で創成する。この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算する。
【００１５】
検出された温度変化のデータを、熱変位が有する時定数に略一致させるデータ加工法を発展させたものに「リニアライズ（ＬＩＮＥＡＲＩＺＥ）手法」があり、本発明はこの手法も使用している。
リニアライズ手法では、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、発熱源の発熱による影響を受けて温度変化をする機体の適当箇所の温度変化を検出する。この検出温度変化を用いて前記発熱源における温度変化を演算する。そして、この発熱源の温度変化を用いて熱変位の時定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算する。
なお、リニアライズ手法では、前記創成温度変化を演算する際に、発熱源における温度変化を用いて一旦他の創成温度変化を演算し、この創成温度変化を用いて、熱変位の時定数と同じ時定数を有する創成温度変化を演算してもよい。
リニアライズ手法では、必ずしも熱変位の時定数よりも小さい温度変化の時定数を持つ箇所の温度変化を検出する必要がない。このため、温度センサを配設する位置の自由度が高い反面、創成温度変化を演算する手順が若干複雑になる。
【００１６】
また、リニアライズ手法とダミー手法を組合せた手法では、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を検出する。これと同時に、発熱源の発熱の影響を受けて温度変化する機体の適当箇所の温度変化を検出する。そして、リニアライズ手法で前記熱変位の時定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算し、この創成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する。
次いで、前記検出温度変化又は別途検出した比較的穏やかな温度変化をする箇所から検出した温度データに遅れを見込んで、実際の熱変位と、創成温度変化を用いて先に演算された熱変位とが徐々にずれていく変位の遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を繰り返し演算で創成する。この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算する。
【００１７】
前記ミックス手法では、検出温度変化の時定数の一つは熱変位の時定数より小さいことが条件にあり、ダミー手法でも検出温度変化の時定数は熱変位の時定数より小さくなくてはならない。したがって、これらの手法で創成した温度変化で熱変位を見積もる場合は、温度変化を検出する位置に制約が生じる。
これに対して、リニアライズ手法は、検出される温度変化の時定数の大きさに条件がなく、且つ、一個の発熱源に対して検出温度は一個でよい。したがって、温度変化に比べて熱変位が敏感に表われる主軸頭を持つＭＣ及びＮＣ旋盤、あるいは加工精度に影響を与える発熱源を複数有している工作機械における創成温度の演算に有利である。
例えば、ＮＣ旋盤は、工作物又は工具を把持する主軸と、この主軸を軸支する加工位置側の前軸受及び反加工位置側の後軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸台と、前記前，後の軸受の間に配設され、前記主軸台に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備えている。
そして、ＮＣ旋盤では、前記後軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記前軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、発熱源となる前記前，後の軸受及び前記ビルトインモータの各近傍で温度変化をそれぞれ検出する３本の温度センサを前記主軸台に取付けた構成になっている。
このような多熱源を有する工作機械にリニアライズ手法を適用した場合には、各温度センサによる検出温度変化を用いて、それぞれの発熱源における温度変化を演算する。そして、この温度変化を用いて、各発熱源の発熱影響による熱変位の時定数と同じ時定数を有するそれぞれの創成温度変化を演算する。このようにして演算された各創成温度変化は、それぞれの発熱源の影響による熱変位とリニアの相関が成立する。
【００１８】
工作機械の主軸回転に伴い、主軸軸受や主軸駆動モータ等の発熱源から発熱が起こり、これが機体の構成部分に伝導し、結果として温度変化をきたす。通常の工作機械では構造材料として鋳鉄又は鋼材を主として用いている。
したがって、温度変化があると、これら構造材料が持つ線膨張係数に比例した熱変位が各部で発生する。これら各部の熱変位が加算されて、工作機械の加工精度を低下させる。
また、工作機械の主軸回転に伴う温度変化は、発熱源近傍で早く表れるが、ヘッド（主軸頭），ヘッド取付け部及びコラムなど発熱源から離れるほど遅れて表れることになり、それぞれ温度変化の経時特性が異なる。このため、機体の任意箇所の温度変化と熱変位とは、通常は直接結びつかない。
【００１９】
しかし、工作機械に任意の主軸回転数を与えた際の熱変位の時系列データ、及び発熱源の発熱の影響を受ける機体の適当箇所から検出された温度変化の時系列データに、近似的に単一の一次遅れ要素のステップ入力応答関数を当てはめると、変化が飽和する迄の時定数をそれぞれ抽出することができる。この熱変位の時定数と温度変化の時定数とのバランスは、主軸回転数の広い領域にわたって共通する当該工作機械の熱特性を代表するものになる。
そこで、温度変化のデータを適宜加工して、熱変位が有する時定数に略一致した時定数を有する創成温度変化を演算する手法を用いる。すると、この創成温度変化と熱変位とはリニアな相関が成立するので、温度変化から間接的に熱変位をかなり正確に見込むことが可能になる。
熱変位現象を単一の一次遅れ要素の温度変化による作用であるとして近似仮定すると、実際の機体構成の複雑さとの違いによる熱変位見積もり誤差が生じる。そこで、この誤差成分を更に異なる単一の一次遅れ要素の温度変化による作用であるとして近似仮定することによって、同じ作業を繰り返し適用することができる。
したがって、機体の適当箇所から検出した温度変化データから熱変位を十分高精度に見込むことができる。
【００２０】
具体的には、まず当該工作機械の熱特性を抽出するため、予備テストで任意の主軸回転数を与えた際の熱変位を電気マイクロメータ等を用いて検出する。これと同時に、発熱源の発熱の影響を受けて温度変化をする機体の適当箇所の温度変化をサーミスタ温度センサ等を用いて検出する。
次いで、この変化が略飽和するまでのそれぞれの時系列データに、一次遅れ要素のステップ入力応答関数を当てはめてそれぞれの時定数を抽出する。この温度変化のデータを用いて、熱変位の時定数と同じ時定数を持つ温度変化を創り出すために用意したミックス手法，ダミー手法，リニアライズ手法，あるいはこれらを組合せた手法の一つを適宜選択し、それぞれの手法において決定される温度変換式の係数を計算する。
選択された手法における温度変換式に、先の温度変化の時系列データを与えて書き直すと、熱変形と同じ時定数を持つ創成温度変化になる。この創成温度変化と先の熱変形データとはリニアの相関が成立し、その傾斜が創成温度変化から熱変位を算出する比例定数になる。
機械稼動時の熱変位補正では、先に温度変化を検出した箇所から時々刻々検出される温度変化のデータを、先の選択された手法における温度変換式を用いて、創成温度変化に随時変換する。次いで、この創成温度変化に、先に算出された比例定数を掛けて、補正すべき熱変位を求めることになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
上述のように、本発明の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出し、この検出された温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算し、この演算された温度変化に対応して変化する熱変位を演算し、前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算し、この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づいて、加工誤差を補正している。
他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出し、この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算し、この合成温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補正している。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源近傍の機体の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する遅れ温度変化を演算し、この遅れ温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補正している。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出し、この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算し、この合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算し、前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算し、この遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づいて、加工誤差を補正している。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正方法は、発熱源近傍の機体の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する第１の遅れ温度変化を演算し、この第１の遅れ温度変化に対応して変化する熱変位を演算し、前記機体の適当箇所の温度変化を検出し、この検出された温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記演算された熱変位とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する第２の遅れ温度変化を演算し、この第２の遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して得た合計値に基づいて、加工誤差を補正している。
前記方法を実現するための、実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源の影響を受ける機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された温度変化を用いて、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する温度変化を演算する温度演算手段と、この温度演算手段で演算された前記温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出する温度検出手段と、前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、前記工作機械の熱変位と前記熱変位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段とを備え、前記熱変位演算手段により、前記遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して合計値を算出し、この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正している。
他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記各温度変化を合成して、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算する合成温度演算手段と、この合成温度演算手段で演算された前記合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、この熱変位演算手段で演算された前記所定軸方向の前記熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備えている。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源近傍の機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段と、この遅れ温度演算手段で演算された前記遅れ温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、この熱変位演算手段で演算された前記所定軸方向の前記熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段とを備えている。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記温度変化を合成して、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算する合成温度演算手段と、この合成温度演算手段で演算された前記合成温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出する温度検出手段と、前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、前記所定軸方向の熱変位と前記熱変位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する遅れ温度演算手段とを備え、前記熱変位演算手段により、前記遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して合計値を算出し、この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正している。
また、他の実施形態にかかる工作機械の熱変位補正装置は、発熱源近傍の機体の温度変化を検出する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、所定軸方向の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する遅れ温度変化を演算する第１の遅れ温度演算手段と、この第１の遅れ温度演算手段で演算された前記遅れ温度変化に対応して変化する熱変位を演算する熱変位演算手段と、前記機体の適当箇所の温度変化を必要に応じて別途検出する温度検出手段と、前記いずれかの温度検出手段で検出された前記温度変化に遅れを見込んで、前記所定軸方向の熱変位と前記熱変位演算手段の出力とが徐々にずれていく遅れ応答成分と略同じ経時特性を有する遅れ温度変化を演算する第２の遅れ温度演算手段とを備え、前記熱変位演算手段により、前記第２の遅れ温度演算手段で演算された前記遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分を演算するとともに、この遅れ応答成分を、前記演算された熱変位に加算して合計値を算出し、この合計値に基づいて、補正手段により加工誤差を補正している。
前記熱変位補正方法とその装置において、前記工作機械は、主軸頭を前記発熱源とするマシニングセンタ、及び主軸台を前記発熱源とするＮＣ旋盤のいずれか一方であるのが好ましい。
また、前記熱変位補正方法とその装置において、前記工作機械は、工作物及び工具のいずれか一方を把持する主軸と、この主軸を軸支する加工位置側の主軸受及び反加工位置側の他の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸頭と、前記両軸受の間に配設され、前記主軸頭に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、前記主軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記他の軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、前記発熱源の影響を受けるヘッド位置で前記温度変化を検出するヘッド温度センサを前記主軸頭に取付けているのが好ましい。
また、前記熱変位補正方法とその装置において、前記工作機械は、工作物及び工具のいずれか一方を把持する主軸と、この主軸を軸支する加工位置側の前軸受及び反加工位置側の後軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する主軸台と、前記前，後の軸受の間に配設され、前記主軸台に内蔵されて前記主軸を回転駆動するビルトインモータとを備え、前記後軸受は前記主軸を中心軸方向に対して位置決めし、前記前軸受は熱変位で伸縮する前記主軸を前記中心軸方向に摺動可能に保持し、前記発熱源となる前記前，後の軸受及び前記ビルトインモータの各近傍で温度変化をそれぞれ検出する３本の温度センサを前記主軸台に取付けているのが好ましい。
また、前記熱変位補正方法とその装置において、工作物及び工具のいずれか一方を把持し且つ同期して回転する複数の主軸を主軸頭に有し、前記複数の主軸の回転に伴う発熱特性の違いを、前記各主軸のノーズ部に設けたジャケットに流れる冷却油量又は冷却油温度を制御するか、あるいは前記各主軸のノーズ部に設けたヒータの通電量を制御して、熱変位の均一化した前記主軸頭を有する構成であって、前記主軸の少なくとも一つを前記発熱源に採用するのが好ましい。
また、前記熱変位補正方法とその装置において、前記温度変化は、検出された温度から基準温度を差引いて算出されるのが好ましい。
【００２２】
以下、本発明の実施例を図１乃至図３７に基づいて説明する。
（第１，第２実施例）
図１乃至図１７は本発明の第１，第２実施例を説明するための図である。
例えば図１に示す数値制御（ＮＣ）工作機械は立形のマシニングセンタ（ＭＣ）１であるが、ＭＣ以外の他の種類のＮＣ工作機械であってもよい。ベッド２上にはコラム３が立設されており、コラム３には主軸頭５がＺ軸方向に移動可能に取付けられている。コラム３は、ベッド２上をＹ軸方向に移動できるようになっている。
主軸頭５には主軸６がＺ軸方向に向けて設けられており、主軸６の先端には工具７が装着されている。主軸６は、主軸頭５に取付けられた主軸モータ４により回転駆動される。ベッド２上に設けられたテーブル８に載置された工作物９が工具７により切削加工される。テーブル８はベッド２上をＸ軸方向に移動する。
なお、主軸６の軸線方向をＺ軸とし、これに直交して直交座標系をなす各方向をＸ軸，Ｙ軸とする。
ＭＣ１には、機体１０の温度変化を検出する温度検出手段が設けられている。第１実施例では、主軸頭５の主軸前端側のノーズ位置の温度を検出するノーズ温度センサＳ１　と、ノーズ位置より離れた任意の位置に配置されて主軸頭５の温度を検出するヘッド温度センサＳ２　がそれぞれ取付けられている。温度検出手段としての温度センサＳ１　，Ｓ２　はどのタイプでもよいが、外乱に強いサーミスタ温度センサが望ましい。
ノーズ温度センサＳ１　は、主な発熱源である主軸６の主軸受に近いので温度変化が直ぐに表われることとなり、時定数が小さい。一方、ヘッド温度センサＳ２　は、主軸受より離れているので温度変化はゆっくりと表われ、したがって時定数が大きい。
第２実施例では、前記ノーズ温度センサＳ１　と、発熱源の発熱の影響が機体１０にゆっくりと及ぶ箇所の温度を検出する温度検出手段としての温度センサＳ３　が、それぞれ取付けられている。
【００２３】
ここで、本発明における熱変位補正の原理を説明する。
本発明によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の熱変位に対する補正ができるが、例えばＸ軸方向については、コラム３及び主軸頭５がＸ軸に対して左右対称形の構造を有しているため、Ｘ軸方向の補正は通常必要ない。以下の説明では、Ｙ軸，Ｚ軸のうち主にＺ軸方向の補正を例にとって説明する。
【００２４】
Ｚ軸方向の熱変位の演算式は次式で示される。
ΔＺ＝ａ・（ΔＺ１　＋ΔＺ２　）　　　……（２）
ここで、ΔＺ　：Ｚ軸熱変位
ａ　　：全体補正係数
（この係数“ａ”は、演算式（２）の結果と実際の精度との差を修正するための係数）
ΔＺ１　：Ｚ軸熱変位の即時応答成分
ΔＺ２　：Ｚ軸熱変位の遅れ応答成分
である。
【００２５】
即ち、演算式（２）は、温度変化から直ちに熱変位が予測できる即時応答成分ΔＺ１　と、遅れを伴って熱変位が表われる遅れ応答成分ΔＺ２　とを含んでいる。前記温度変化は、各温度センサで検出されて出力される温度から基準温度を差引いた温度差として算出される。
基準温度としては、ＭＣ１の電源投入時における１回目の温度センサの出力、又はこの出力を複数回加算したものの平均値、あるいは例えば２０〔℃〕のような絶対基準等が採用される。温度センサ毎の基準温度がＲＡＭ１１内に保存される。
ところで、工作機械を設置した環境の温度変化が比較的ゆっくりしたものである場合には、室温変化による工作機械全体の熱変形は、工具と工作物を含めて略相似形に変化する。即ち、このようなゆっくりした室温変化では加工誤差は生じないので、この室温変化を含んだ温度変化から熱変形を予測したものは、実際の熱変形とは異なる。
したがって、この場合には、工作機械のベッド等に別途設けた温度センサで検出した時々刻々の温度を基準温度として採用し、各温度センサから出力される温度からこの基準温度を差し引いたものを温度変化として使用する。このようにすれば、室温変化があっても、精度のよい熱変位補正ができる。
【００２６】
なお、本発明は、式（３）に示すように即時応答成分ΔＺ１　のみに基づく演算式を使用することもできる。又は、式（４）に示すように、遅れ応答成分ΔＺ２　のみに基づく演算式を使用することもできる。
ΔＺ＝ａ・ΔＺ１　　　　　　　　　……（３）
ΔＺ＝ａ・ΔＺ２　　　　　　　　　……（４）
【００２７】
即時応答成分ΔＺ１　は、次式により算出される。
ΔＺ１　＝ｂ・ΔＴ１　＋ｃ・ΔＴ２　　……（５）
ここで、ΔＴ１：温度センサＳ１の出力から基準温度を差引いた温度変化〔℃〕
ΔＴ２：温度センサＳ２の出力から基準温度を差引いた温度変化〔℃〕
ｂ　　：内部補正係数〔±μｍ／℃〕
ｃ　　：内部補正係数〔±μｍ／℃〕
である。
【００２８】
第１実施例で使用される式（５）は、二箇所に設置された温度センサの出力により機体１０の熱変位を演算する式である。そして、ノーズ温度センサＳ１　で検出された温度から算出される温度変化ΔＴ１　と、ヘッド温度センサＳ２　で検出された温度から算出される温度変化ΔＴ２　とから、即時応答成分ΔＺ１　を演算することになる。
なお、即時応答成分ΔＺ１　の演算には、温度センサの設置箇所は少なくとも二箇所あればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。また、温度センサの設置箇所は、発熱源の発熱の影響を受ける箇所ならば、ノーズ位置とヘッド位置以外の場所であってもよい。
【００２９】
一方、遅れ応答成分ΔＺ２　を演算する式は下記の通りである。
ΔＺ２　＝ｅ・Ｙ１　＋ｆ・Ｙ２　　　　……（６）
ここで、ｅ　：内部補正係数〔±μｍ／℃〕
ｆ　：内部補正係数〔±μｍ／℃〕
Ｙ１　：第１の遅れ温度変化〔℃〕
Ｙ２　：第２の遅れ温度変化〔℃〕
である。
式（６）は、第１と第２の遅れ温度変化により機体１０の熱変位を演算する式である。
【００３０】
第１実施例では、遅れ温度変化は１個なので、内部補正係数ｆの値は零となる。そして、ヘッド温度センサＳ２　で検出された温度の温度変化ΔＴ２　に遅れを見込んで演算した遅れ温度変化Ｙ１　から、遅れ応答成分ΔＺ２　を演算することになる。
第２実施例では遅れ温度変化は２個使用される。ノーズ温度センサＳ１　で検出された温度の温度変化ΔＴ１　に遅れを見込んで演算した第１の遅れ温度変化Ｙ１　と、コラム温度センサＳ３　で検出された温度の温度変化ΔＴ２　に遅れを見込んで演算した遅れ温度変化Ｙ２　とから、遅れ応答成分ΔＺ２　を演算することになる。
なお、遅れ応答成分ΔＺ２　の演算で使用する温度情報としては、１個又は２個あればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。
【００３１】
図１は、本発明の第１実施例を示すブロック図である。
図示するように、各温度センサＳ１　，Ｓ２　の各出力信号は、回路３６，３７を介して熱変位補正装置１２のＡ／Ｄ変換器１３に入力し、入力したアナログ信号はここでディジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器１３からのディジタル信号は演算記憶部１４に入力されて、ここで熱変位が演算される。
演算された熱変位に基づいて、補正手段３３により加工誤差が補正される。補正手段３３の出力信号は、プログラマブルコントローラ１５を介して数値制御装置１６に送信され、サーボ系にフィードバックされて位置補正される。
即ち、補正手段３３は、数値制御装置１６の移動指令値に外部からオフセットを与える外部オフセット手段に、演算結果を出力する。その結果、例えば直交座標系の原点位置がオフセットされて、数値制御装置１６は、ＭＣ１の工具７の軌跡を制御する。
なお、プログラマブルコントローラ１５は、数値制御装置１６の指令を受けてＭＣ１の動作シーケンスを管理する。
【００３２】
各温度センサＳ１　，Ｓ２　の検出値は、Ａ／Ｄ変換器１３を介して演算記憶部１４で演算され、その指令によりＲＡＭ１１内の各温度センサＳ１　，Ｓ２　用に指定されたメモリ番地に書き込まれる。さらにＲＡＭ１１には、各温度センサＳ１　，Ｓ２　が一定時間毎にサンプリングした温度データが記憶されている。この温度データは数値制御装置１６の表示部に表示される。
ＲＯＭ１７には、本発明に係る熱変位を演算するためのプログラムや補正係数等が記憶されている。クロック１８は通常のクロックであり、各温度センサＳ１，Ｓ２　の検出の時間を決定するためのものである。
【００３３】
熱変位補正装置１２は、温度センサＳ１　，Ｓ２　で検出された温度の温度変化を用いて、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する仮想の位置Ｐ１　における合成温度変化を演算する合成温度演算手段３１と、この合成温度演算手段３１で演算された合成温度変化に対応して変化する即時応答成分ΔＺ１　即ち熱変位を演算する熱変位演算手段３２と、この熱変位演算手段３２で算出された熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段３３とを備えている。
【００３４】
好ましい態様として、第１実施例の熱変位補正装置１２は、温度センサＳ２　で検出された温度の温度変化より遅れて表れる遅れ温度変化を、前記温度変化に遅れを見込んで演算する遅れ温度演算手段３４を、更に備えている。
熱変位演算手段３２は、遅れ温度演算手段３４で演算された遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分ΔＺ２　を算出し、この遅れ応答成分を先の即時応答成分ΔＺ１　に加算する。補正手段３３は、この加算された合計値即ち熱変位に基づいて加工誤差を補正する演算をし、その結果を出力する。
また、遅れ温度演算手段３４の最終演算結果と工作機械の電源のオフ時間を同時に記憶する記憶手段３５によって、遅れ温度の演算が中断した場合の補償を与えている。
【００３５】
即時応答成分ΔＺ１　のみを考慮した場合の本発明の熱変位補正方法は、式（３）に基づく方法である。即時応答成分ΔＺ１　に遅れ即時応答成分ΔＺ２　を考慮した式（２）に基づく熱変位補正方法の方が、より高精度に補正できるので好ましい。
【００３６】
図２は、本発明の第２実施例を示すブロック図である。第２実施例の熱変位補正方法は、遅れ応答成分ΔＺ２　のみを考慮した場合の式（４）に基づく方法である。
第２実施例にかかる熱変位補正装置１２ａは、温度センサＳ１　で検出された温度の温度変化に遅れを見込んで、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する仮想の位置Ｐ１　における温度変化を演算する第１の遅れ温度演算手段３４ａと、この第１の遅れ温度演算手段３４ａで演算された第１の遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分ΔＺ２　を演算する熱変位演算手段３２と、この熱変位演算手段３２で算出された熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段３３とを備えている。
【００３７】
好ましい態様として、第２実施例の熱変位補正装置１２ａは、発熱源の発熱の影響が機体１０にゆっくり及ぶ箇所に設置した温度センサＳ３　で検出された温度の温度変化より遅れて表れる遅れ温度変化を、前記温度変化に遅れを見込んで演算する第２の遅れ温度演算手段３４ｂを、更に備えている。
熱変位演算手段３２は、第２の遅れ温度演算手段３４ｂで演算された遅れ温度変化に対応して変化する第２の遅れ応答成分を算出し、この第２の遅れ応答成分を先の遅れ応答成分ΔＺ２　に加算する。補正手段３３は、この加算された合計値即ち熱変位に基づいて加工誤差を補正し、その結果を出力する。
第２実施例では、１本の温度センサＳ１　の出力のみで熱変位の補正をすることができるが、別途設置した温度センサＳ３　の出力を加味した熱変位補正方法の方が、より高精度に補正できるので好ましい。
本第２実施例においては、第１実施例と同一又は相当機能部分の説明は省略する。
【００３８】
以下に、第１，第２実施例の具体的な手順を図３乃至図１３に基づいて説明する。
図３は第１実施例の動作を示すフローチャート、図４は第２実施例の動作を示すフローチャート、図５はＺ軸熱変位の経時変化を示すグラフ、図６はノーズ位置とヘッド位置で検出された温度の温度変化と、合成された合成温度変化を示すグラフである。
図７はノーズ温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグラフ、図８はヘッド温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグラフ、図９は合成温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラフである。
図１０は遅れ温度変化を算出する手法を説明するグラフ、図１１は温度変化から遅れ応答成分を算出する手法を示すグラフ、図１２は演算されたＺ軸熱変位と実測されたＺ軸熱変位との関係を示すグラフ、図１３は遅れ温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラフである。
【００３９】
第１実施例では、まず初めに、予め図５のデータに基づいて、ＭＣ１における例えばＺ軸方向の熱変位の時定数を算出しておく。図５の横軸は時間、縦軸はＺ軸方向の熱変位である。Ｚ軸方向の熱変位の時定数を算出する場合には、ＭＣ１を主軸回転数Ｓ（例えば、Ｓ＝１０，０００〔ｍｉｎ−１〕）で連続運転する。そして、主軸６の先端部、又は主軸先端部に一時的に装着されたテストバーの適当箇所における、Ｚ軸方向の熱変位を時系列データ３９として実測する。
なお、発熱によって主軸が傾斜する場合には、例えばテストバーの根元部と先端部などにおける熱変位を実測するのが好ましい。
前記データ３９（図中「○」印）には、通常は室温変化の影響が含まれているので、室温変化の影響を補正した、飽和値４０（例えば、４３〔μｍ〕）を有する室温補正データ４１（図中「●」印）を演算する。
「時定数」とは、「線形一次遅れシステムにおいて、ステップ状入力を加えた時、出力が飽和値の６３．２％に達するのに要する時間」である。したがって、室温補正データ４１に、最小二乗法で一次遅れ要素のステップ入力応答関数を当てはめて、Ｚ軸方向の熱変位時定数τｚ　（例えば、τｚ　＝０．５７〔ｈ〕）を得る。
【００４０】
さらに、Ｚ軸方向の熱変位を検出する際に同時にノーズ温度センサＳ１　とヘッド温度センサＳ２　で検出される温度の温度変化のデータに基づいて、それぞれの温度変化の時定数を算出する。時定数を算出する手順は、先のＺ軸方向の熱変位の時定数を算出したものと同じである。
図６の横軸は時間、縦軸は温度変化である。図示するように、発熱源に近いノーズ温度変化ＴＮ　は速やかに飽和温度変化“Ａ”（Ａ＝６．５〔℃〕）に達するので、そのノーズ温度時定数τＮ　も０．３９〔ｈ〕と小さい。
一方、発熱源より遠い位置のヘッド温度変化ＴＨ　は遅れて温度変化をする。したがって、飽和温度変化“Ｂ”（Ｂ＝３．７〔℃〕）に達するのに時間がかかるので、そのヘッド温度時定数τＨ　は１．３１〔ｈ〕と大きい。
【００４１】
次に、図１及び図３に示すように、ＭＣ１を起動して工具７により工作物９の切削加工を開始する（ステップ１０１）。ノーズ位置及びヘッド位置の温度をそれぞれ検出して（ステップ１０２）、検出結果を合成温度演算手段３１に入力する。
次いで、「ミックス手法」によりノーズ温度変化ＴＮ　とヘッド温度変化ＴＨの各温度変化を合成して、図５に示すＺ軸方向の熱変位データの時定数τＺ　（τＺ　＝０．５７〔ｈ〕）と同じ時定数を有する仮想の温度変化ＴＺ　を演算する。
【００４２】
合成温度を合成する際のノーズ温度変化ＴＮ　及びヘッド温度変化ＴＨ　の各温度混合比ＭＮＺ，ＭＨＺは、例えば次式により算出される。なお、次式は混合方法の一つの例であり他にも種々の混合方法がある。これら温度混合比は工作機械毎に固有の値であり、主軸回転数等運転条件が変わっても値は変わらないので、一度温度混合比を算出する作業をしておけばよい。
2004042260.tif 000003
ここで、ｋ：任意の係数（ここではｋ＝１０とした）である。
【００４３】
なお、図５による前記手順と同様にしてＹ軸方向の熱変位の時定数τＹ　＝１．１５〔ｈ〕を算出すると、図６に示すようにＹ軸方向に関する合成温度変化ＴＹ　も同様にして演算できる。
この場合のノーズ温度変化ＴＮ　及びヘッド温度変化ＴＨ　の各温度混合比ＭＮＹ，ＭＨＹは、次式で算出される。
2004042260.tif 000004
ここで、ｋ：任意の係数（ここではｋ＝１０とした）である。
【００４４】
合成温度演算手段３１では、式（７），（８）で算出された温度混合比ＭＮＺ，ＭＨＺと各温度変化ＴＮ　，ＴＨ　とに基づいて、次式により合成温度変化ＴＺ　を演算している（ステップ１０３）。式（１１）は温度変換式であり、ＭＮＺ，ＭＨＺはその係数になる。
ＴＺ　＝ＭＮＺ・ＴＮ　＋ＭＨＺ・ＴＨ　＝１．２４×ＴＮ　＋０．５３×ＴＨ　　……（１１）
【００４５】
図７の横軸はノーズ温度変化ＴＮ　を、図８の横軸はヘッド温度変化ＴＨ　をそれぞれ示しており、図７，図８の縦軸はＺ軸方向の熱変位を示している。図示するように、それぞれの温度変化ＴＮ　，ＴＨ　とＺ軸熱変位とは、比例などの対応関係はない。
【００４６】
これに対して、図９に示すように、合成温度変化ＴＺ　とＺ軸熱変位とは、傾斜α（α＝３．８８）を有する直線４２で代表されるリニアな相関を持つ領域が生じる。この傾斜αは、合成温度変化ＴＺ　から即時応答成分ΔＺ１　を算出する際の比例定数であり、結局次式が成立する。
ΔＺ１　＝α・ＴＺ　　　　……（１２）
熱変位演算手段３２では、式（１２）を用いて、合成温度変化ＴＺ　に対応して変化する即時応答成分ΔＺ１　を算出する（ステップ１０４）。
【００４７】
次に、遅れ応答成分ΔＺ２　を考慮するか否かを判別し（ステップ１０５）、考慮しない場合には、熱変位演算手段３２で演算した結果に基づいて、補正手段３３で加工誤差を補正する。具体的には、例えば直交座標系の原点位置をオフセットする（ステップ１０６）。
その後、補正を終了させるか否か判別し（ステップ１０７）、終了させる場合にはＭＣ１を停止して（ステップ１０８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ１０２に戻る。
【００４８】
一方、ステップ１０５の判断において、遅れ応答成分ΔＺ２　を考慮する場合には、ヘッド温度センサＳ２　で検出されたヘッド位置の温度を、遅れ温度演算手段３４に入力する。
コラム３等は、その質量が大きく、また主な発熱源である主軸６とも離れているので、温度変化が遅れるヘッド位置よりさらに遅れて温度変化が表われる。この遅れ温度変化は、例えば図９では長時間経過した領域Ｄで、合成温度変化ＴＺとＺ軸熱変位とのリニアな相関関係に対して、誤差を与えている。
【００４９】
遅れ温度変化を演算する手法としては「ダミー手法」があり、ヘッド温度変化ＴＨ　よりさらに遅れて表われる遅れ温度変化Ｙの挙動を、ダミーの熱容量Ｃを設定して見込む。
具体的には、微分方程式（１３）の近似解で得られる。
Ｃ・ｄＹ／ｄｔ＋Ｙ＝ＴＨ　　　……（１３）
【００５０】
図１０の横軸は時間、縦軸は遅れ温度変化を示しており、図１０より次式が得られる。
Ｙ＝Ｙ０　＋（ｄＹ０　／ｄｔ＋ｄＹ／ｄｔ）／２・Δｔ　　……（１４）
【００５１】
式（１３）からｄＹ／ｄｔ及びｄＹ０　／ｄｔを算出して、式（１４）に代入すると、遅れ温度変化Ｙを算出する式は、次式（１５）になる。この式（１５）は温度変換式であり、符号Ｃはその係数に相当する。式（１５）で演算される遅れ温度変化も仮想の温度変化であり、先の式（１１）による合成温度変化と同じく創成温度変化の一種である。
Ｙ＝［ＴＨ０＋ＴＨ　＋（Ｃ／Δｔ）・Ｙ０−Ｙ０］／［（Ｃ／Δｔ）＋１］…（１５）
ここで、Δｔ：演算インターバル
ＴＨ　：ヘッド温度変化入力
ＴＨ０：前回のヘッド温度変化入力
Ｙ　：遅れ温度変化出力
Ｙ０　：前回の遅れ温度変化出力
Ｃ　：ダミー熱容量
である。
なお、遅れ温度変化出力Ｙの単位は〔℃〕なので、遅れ応答成分ΔＺ２　を算出するには、温度と熱変位の変換係数を意味する内部補正係数ｅを用いる。
ΔＺ２　＝ｅ・Ｙ　　　　　……（１６）
【００５２】
図１１の横軸は時間、左側の零から上の縦軸はヘッド温度変化、右側の零から下の縦軸は遅れ応答成分である。図中には、ヘッド温度変化の時系列データ４３と、図９においてＺ軸熱変位から直線４２の縦軸の値を差し引いた誤差４４と、ヘッド温度変化の時系列データ４３を用いて式（１５）と式（１６）を介して得た演算結果４５とが、示されている。前記誤差４４と前記演算結果４５は、それぞれ遅れ応答成分ΔＺ２　の実データと演算データに該当する。
即ち、式（１５）に含まれるダミー熱容量Ｃ、及び式（１６）の内部補正係数ｅを適宜選択することにより、演算データを実データに近づけることが可能になり、最良値がそれぞれ決定できる。ここで決まる熱容量Ｃと係数ｅの値は工作機械毎に固有の値であり、主軸の回転数等運転条件が変わってもその値は変わらないので、この作業は一度行なっておけばよい。
例えば、前記ヘッド温度変化の時系列データ４３に基づいて、繰り返し演算により遅れ応答成分ΔＺ２　を算出すれば、Ｃ＝９００，ｅ＝−４として表１の結果を得る。表１の遅れ応答成分ΔＺ２　の値は、コラム３等の遅れ応答成分であり、図９におけるＺ軸熱変位と直線４２との縦軸方向の誤差に相当する。
【００５３】
【表１】
2004042260.tif 000005
【００５４】
遅れ温度演算手段３４では、ダミー熱容量Ｃが確定した式（１５）を用いて、ヘッド温度変化ＴＨ　に対応する遅れ温度変化Ｙを演算する（ステップ１０９）。次いで、この遅れ温度変化Ｙを、内部補正係数ｅが確定した式（１６）に代入すると、遅れ応答成分ΔＺ２　が得られる（ステップ１１０）。
先に、式（１２）を用いて即時応答成分ΔＺ１　を算出した熱変位演算手段３２では、このようにして算出した遅れ応答成分ΔＺ２　を即時応答成分ΔＺ１　に加算して、Ｚ軸熱変位ΔＺを演算する（ステップ１１１）。
【００５５】
図１２の縦軸は図５に示したものと同じ実測されたＺ軸熱変位であり、横軸は温度センサＳ１　，Ｓ２　で検出した温度データを用いて、ステップ１１１までの手順を経て見積もったＺ軸熱変位ΔＺである。この熱変位ΔＺの演算には、式（２）の全体補正係数“ａ”を１として、即時応答成分ΔＺ１　を、式（１１）と式（１２）で展開した次式を用いている。
ΔＺ＝４．８×ＴＮ　＋２．１×ＴＨ　＋ΔＺ２　　　……（１７）
【００５６】
この式（１７）の、ノーズ温度変化ＴＮ　の項の係数、及びヘッド温度変化ＴＨ　の項の係数は、先の式（５）の内部補正係数ｂ，ｃにそれぞれ該当するもので、次式で算出される。これらの係数の値は、機体１０から検出した温度を用いて、即時応答成分を演算する場合の、当該工作機械の熱特性を集約したものになる。
ｂ＝α・ＭＮＺ＝３．８８×１．２４＝４．８　　　……（１８）
ｃ＝α・ＭＨＺ＝３．８８×０．５３＝２．１　　　……（１９）
また、式（１７）の遅れ応答成分ΔＺ２　は表１に示した結果を用いている。
【００５７】
図１２では、縦軸の実測されたＺ軸熱変位と、式（１７）で求めた横軸のＺ軸熱変位ΔＺの値とは、４５度の傾きの直線４６上で略一致する。これは両者が同じ値であることを意味しており、したがって、機体１０から検出した比較的少ない温度データを用いた演算により、Ｚ軸熱変位を十分高精度に予測することができる。
このようにして、ステップ１１１で演算されたＺ軸熱変位ΔＺに基づいて補正手段３３で加工誤差を補正することにより熱変位の補正がなされて（ステップ１１２）、工作物９を高精度で切削加工することができる。
その後、補正終了か否かを判別し（ステップ１０７）、終了させる場合にはＭＣ１を停止して（ステップ１０８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ１０２に戻る。
【００５８】
次に、第２実施例の手順を説明する。なお、第２実施例では、熱変位あるいは温度変化の時定数を予め算出しておく必要はない。
図２及び図４に示すように、ＭＣ１を起動して工具７により工作物９の切削加工を開始する（ステップ２０１）。第１の箇所例えばノーズ位置の温度を検出して（ステップ２０２）、この検出信号を第１の遅れ温度演算手段３４ａに入力する。
次いで、先の「ダミー手法」により、ノーズ温度変化ＴＮ　より遅れて表れるＺ軸熱変位の時定数と同じ時定数を有する第１の遅れ温度変化Ｙ１　の挙動を、ダミーの熱容量Ｃ１　を設定して見込む。
【００５９】
先の式（１３），（１４）と同様の展開を行なうと、第１の遅れ温度変化Ｙ１を算出する式は次式になる。
2004042260.tif 000006
ここで、Δｔ：演算インターバル
ＴＮ　：ノーズ温度変化入力
ＴＮＯ：前回のノーズ温度変化入力
Ｙ１　：第１の遅れ温度変化出力
Ｙ１０：前回の第１の遅れ温度変化出力
Ｃ１　：ダミー熱容量
である。
【００６０】
図１３に示すように、Ｚ軸熱変位と第１の遅れ温度変化Ｙ１　とは傾斜ｅを有する直線４７で代表されるリニアな相関を持つ領域が生じる。この傾斜ｅは、第１の遅れ温度変化Ｙ１　に対応するＺ軸熱変位を算出する際の比例定数であり、ここで算出されるＺ軸熱変位は、先の式（６）の第１項に該当する。
この第１項の繰り返し演算の結果が、先の図５に示したＺ軸熱変位の時系列データに一致するように、ダミー熱容量Ｃ１　と内部補正係数ｅの値が適宜選択される。ここで決まる熱容量Ｃ１　と係数ｅの値は工作機械毎に固有の値であり、この作業は一度行なっておけばよい。
第１の遅れ温度演算手段３４ａでは、ダミー熱容量Ｃ１　の確定した式（２０）を用いて、ノーズ温度変化ＴＮ　に対応する第１の遅れ温度変化Ｙ１　を演算する（ステップ２０３）。
熱変位演算手段３２では、この遅れ温度変化Ｙ１　を，内部補正係数ｅが確定した式（６）の第１項に代入して、第１の遅れ応答成分を算出する（ステップ２０４）。
【００６１】
次に、第２の遅れ応答成分を考慮するか否かを判別し（ステップ２０５）、考慮しない場合には、熱変位演算手段３２で演算した結果に基づいて、補正手段３３で加工誤差を補正する（ステップ２０６）。
その後、補正を終了させるか否かを判別し（ステップ２０７）、終了させる場合にはＭＣ１を停止して（ステップ２０８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ２０２に戻る。
【００６２】
一方、ステップ２０５の判断において、第２の遅れ応答成分を考慮する場合には、温度センサＳ３　で第２箇所例えばコラム位置の温度変化ＴＣ　を検出して（ステップ２０９）、第２の遅れ温度演算手段３４ｂに入力する。
コラム位置に表れる温度変化ＴＣ　は、例えば図１３の長時間経過した領域Ｄで、第１の遅れ温度変化Ｙ１　とＺ軸熱変位とのリニアな相関関係に誤差を与える。前述の「ダミー手法」を再度用いて、コラム温度変化ＴＣ　より第２の遅れ温度変化Ｙ２　の挙動を、ダミーの熱容量Ｃ２　を設定して見込む。
第２の遅れ温度変化Ｙ２　を算出する式は次式になる。
2004042260.tif 000007
ここで、Δｔ：演算インターバル
ＴＣ　：コラム温度変化入力
ＴＣＯ：前回のコラム温度変化入力
Ｙ２　：第２の遅れ温度変化出力
Ｙ２０：前回の第２の遅れ温度変化出力
Ｃ２　：ダミー熱容量
である。
【００６３】
なお、この第２の遅れ温度変化Ｙ２　に対応するＺ軸熱変位は、温度と熱変位の変換係数ｆを含んだ先の式（６）の第２項に該当する。
この第２項の繰り返し演算の結果が、図１３において、Ｚ軸熱変位から直線４７を差し引いた誤差に一致するように、ダミー熱容量Ｃ２　と係数ｆの値が適宜選択される。ここで決まる熱容量Ｃ２　と係数ｆの値は工作機械毎に固有の値であり、この作業は一度行なっておけばよい。
第２の遅れ温度演算手段３４ｂでは、ダミー熱容量Ｃ２　が確定した式（２１）を用いて、コラム温度変化ＴＣ　に対応する第２の遅れ温度変化Ｙ２　を演算する（ステップ２１０）。次いで、内部補正係数ｆが確定した式（６）の第２項に第２の遅れ温度変化Ｙ２　を代入して、第２の遅れ応答成分を算出する（ステップ２１１）。
先に式（６）の第１項に該当する第１の遅れ応答成分を算出した熱変位演算手段３２では、このようにして算出した第２の遅れ応答成分を加算して、Ｚ軸熱変位ΔＺ２　を演算する（ステップ２１２）。
【００６４】
ステップ２１２で演算されたＺ軸熱変位ΔＺ２　に基づいて補正手段３３で加工誤差を補正することにより熱変位に対する補正がなされて（ステップ２１３）、工作物９を高精度で加工することができる。
その後、補正終了か否かを判別し（ステップ２０７）、終了させる場合にはＭＣ１を停止して（ステップ２０８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ２０２に戻る。
【００６５】
図１４乃至図１７はＭＣ１を実機運転した場合の実測データである。
図１４はＺ軸熱変位のデータを示すグラフ、図１５はＺ軸熱変位の他のデータを示すグラフ、図１６はＹ軸熱変位のデータを示すグラフ、図１７はＹ軸熱変位の他のデータを示すグラフである。
いずれも主軸６の回転数Ｓは、Ｓ＝１０，０００〔ｍｉｎ　−１〕であり、図１４及び図１６は連続運転の場合を示している。図１５及び図１７は、タイムチャート線５１に示すように、約５０分間回転、１０分間停止（途中一回７０分間の停止あり）の場合の熱変位を示している。図１４乃至図１７の横軸は時間である。
【００６６】
図１４及び図１６に示すように、図中実線４８，５２で示す補正前の熱変位は最大約４０〔μｍ〕であった。これに対して、本発明では、補正後の熱変位の目標値を零に近づけることができる。即ち、本発明による熱変位の補正を行なった場合は、図中破線４９，５３で示すように±５〔μｍ〕以下にまで残留熱変位を小さくすることができる。
なお、補正前の熱変位が１００〔μｍ〕以上の場合も、本発明によれば補正後の熱変位を±５〔μｍ〕以下にまで小さくできることが確認されている。このように、本発明は熱変位の補正を高精度で行なうことができる。
また、図１５及び図１７に示すように断続運転を行なった場合も、本発明によれば、破線５０，５４に示すように補正後の残留熱変位を±５〔μｍ〕以下にすることができる。
【００６７】
（第３実施例）
図１８乃至図２８は第３実施例を説明するための図である。
例えば、図１８に示すように、ＭＣ１ａは、工具７が装着される主軸６と、主軸受２０及び上部軸受（他の軸受）２２を介して主軸６を回転自在に支持する主軸頭５ａとを備えている。主軸６を回転駆動するビルトインモータ２１は、両軸受２０，２２の間に配設されて、両軸受とともに主軸頭５ａに内蔵されている。主軸受２０は主軸６を中心軸方向に位置決めし、上部軸受２２は熱変位で伸縮する主軸６を中心軸方向に摺動可能に保持している。したがって、上部軸受２２及びモータ２１が回転により発熱しても、主軸６は上方に伸びるので工具７には影響を与えない。
その結果、ＭＣ１ａの場合には主軸受２０のみを発熱源と考えて熱変位補正をすればよいことになる。主軸受２０の温度変化を検出する温度検出手段としてのヘッド温度センサＳ２　を、主軸頭５ａに取付けている。
なお、発熱源である主軸受２０による温度変化が表われる場所であれば、ヘッド位置以外の例えばノーズまたはコラムの温度を検出してもよい。また、主軸が工作物を把持するタイプの工作機械の場合であってもよい。
なお、第１，第２実施例と同一または相当部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００６８】
ここで、第３実施例における熱変位補正の原理を説明する。
第１，第２実施例と同様にＺ軸方向の補正を例にとって説明する。第３実施例におけるＺ軸方向の熱変位の演算式は次式で示される。
ΔＺ＝ａ・（ΔＺ３　＋ΔＺ４　）　　……（２２）
ここで、ΔＺ　：Ｚ軸熱変位
ａ　：全体補正係数（式（２）のものに同じ）
ΔＺ３　：Ｚ軸熱変位の創成変位成分
ΔＺ４　：Ｚ軸熱変位の遅れ応答成分
である。
即ち、演算式（２２）は、温度変化から熱変位の時定数と同じ時定数を有する創成温度変化を基に演算した創成変位成分ΔＺ３　と、温度変化に対し遅れを伴って熱変位が表れる遅れ応答成分ΔＺ４　とを含んでいる。
ここで扱われる温度変化は、各温度センサから出力される温度と基準温度との差で算出する。基準温度には、先の第１，第２実施例で考慮されたものが同じく採用される。
【００６９】
なお、本発明は、式（２３）に示すように創成変位成分ΔＺ３　のみに基づく演算式を使用することもできる。
ΔＺ＝ａ・ΔＺ３　　　　　……（２３）
創成変位成分ΔＺ３　は、次式により算出される。
ΔＺ３　＝ｇ・Ｙ３　　　　　……（２４）
ここで、Ｙ３　：創成温度変化〔℃〕
ｇ　：内部補正係数〔±μｍ／℃〕
である。
【００７０】
第３実施例で使用される式（２４）は、一箇所に設置された温度センサの出力により機体１０の熱変位を演算する式である。そして、ヘッド温度センサＳ２　で検出された温度の温度変化Ｔを展開して得た創成温度変化Ｙ３　から創成変位成分ΔＺ３　を演算することになる。
なお、温度センサの設置箇所は少なくとも一箇所あればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。また、温度センサの設置箇所は、発熱源の発熱の影響を受ける箇所ならば、主軸頭５ａ以外の場所であってもよい。
【００７１】
一方、遅れ応答成分ΔＺ４　を演算する式は下記の通りである。
ΔＺ４　＝ｈ・Ｙ４　　　　　……（２５）
ここで、Ｙ４　：遅れ温度変化〔℃〕
ｈ　：内部補正係数〔±μｍ／℃〕
である。
式（２５）では、ヘッド温度センサＳ２　で検出された温度の温度変化Ｔに遅れを見込んで演算した遅れ温度変化Ｙ４　から、遅れ応答成分ΔＺ４　を演算することになる。
なお、温度センサの設置箇所は少なくとも一箇所あればよいが、発熱源の数に応じて適宜追加される。
【００７２】
図１８は、本発明の第３実施例を示すブロック図である。
第３実施例の熱変位補正装置１２ｂは、温度センサＳ２　で検出された温度を展開して熱変位の時定数と略同じ時定数を有する仮想の位置Ｐ１　における温度変化を演算する創成温度演算手段３１ａと、この創成温度演算手段３１ａで演算された創成温度変化に対応して変化する創成変位成分ΔＺ３　を演算する熱変位演算手段３２と、この熱変位演算手段３２で算出された熱変位に基づいて加工誤差を補正する補正手段３３とを備えている。
【００７３】
好ましい態様として、熱変位補正装置１２ｂは遅れ温度演算手段３４を更に備えている。遅れ温度演算手段３４は、温度センサＳ２　で検出された温度の温度変化より遅れて表れる遅れ温度変化を、前記温度変化に遅れを見込んで演算する。
熱変位演算手段３２は、遅れ温度演算手段３４で演算された遅れ温度変化に対応して変化する遅れ応答成分ΔＺ４　を算出し、先の創成変位成分ΔＺ３　に加算する。この加算された熱変位に基づいて、補正手段３３で加工誤差が補正され、その信号が出力される。
本第３実施例においては、先の第１，第２実施例と同一又は相当機能部分の説明は省略する。
【００７４】
以下に、第３実施例の具体的な手順を図１９乃至図２８により説明する。
図１９は第３実施例の動作を示すフローチャート、図２０は、Ｚ軸熱変位と、ヘッド位置で検出された温度の温度変化Ｔの代表例（サンプル温度変化）との経時変化を示すグラフ、図２１はサンプル温度変化とＺ軸熱変位との標準的関係を示すグラフである。
図２２は、サンプル温度変化と、サンプル温度変化より時定数の小さい温度変化“Ａ”と、サンプル温度変化より時定数の大きい温度変化“Ｂ”とを示すグラフである。図２３は図２２に示した温度変化に加えて、サンプル温度変化を用いて創成した創成温度変化Ｙ３Ａ，Ｙ３Ｂ（図中「○」印）を示すグラフである。図２４は創成温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラフ、図２５は、Ｚ軸熱変位が遅れ応答成分を含んでいる場合の、創成温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラフである。
図２６はサンプル温度変化と、サンプル温度変化より遅れて表れる遅れ温度変化Ｃと、サンプル温度変化を用いて創成した遅れ温度変化Ｙ４　（図中「○」印）とを示すグラフ、図２７は遅れ温度変化に対する遅れ応答成分を示すグラフである。図２８は創成温度変化及び遅れ温度変化から見積もった熱変位に対するＺ軸熱変位を示すグラフである。
【００７５】
第３実施例では、予めＺ軸方向の熱変位を検出する。これと同時に、ヘッド温度センサＳ２　で検出される温度の温度変化のデータに基づいて、それぞれの時定数を算出しておく。時定数を算出する手順は、先の第１実施例においてＺ軸方向の熱変位の時定数を算出したものと同じである。
図２０は、主軸が一定回転（回転数Ｓ＝１０，０００〔ｍｉｎ　−１〕）の下で、ヘッド温度センサＳ２　で検出した温度の温度変化Ｔの代表例（サンプル温度変化）と、２つの例に係るＺ軸熱変位（熱変位“Ａ，Ｂ”）の時系列データを示している。
Ｚ軸熱変位の時定数がサンプル温度変化Ｔの時定数τＳ　より小さい場合、即ち熱変位が早く表れる場合には、熱変位“Ａ”（時定数τＡ　）となる。一方、前記熱変位時定数が前記時定数τＳ　より大きい場合、即ち、ゆっくりと熱変位が表れる場合には、熱変位“Ｂ”（時定数τＢ　）となる。したがって、ＭＣ１ａの熱変位特性により、実際には熱変位“Ａ，Ｂ”のうちどちらか一方のデータになる。
ここで抽出されたＺ軸熱変位の時定数とサンプル温度変化Ｔの時定数との値のバランスは、工作機械毎に固有の熱特性を表すものであり、主軸回転数等運転条件が変わっても変化が少ない。したがって、一度両時定数を算出する作業を行なっておけばよい。
【００７６】
次に、図１８及び図１９に示すように、ＭＣ１ａを起動して工具７により工作物９の切削を開始する（ステップ３０１）。また、ヘッド位置の温度を検出して（ステップ３０２）、創成温度演算手段３１ａに入力する。
【００７７】
しかしながら、例えば図２０のデータに基づいて、サンプル温度変化Ｔと熱変位“Ａ”との関係、及びサンプル温度変化Ｔと熱変位“Ｂ”との関係を表すと、図２１に示すように、それぞれ弓状曲線５５，５６になる。
即ち、これらサンプル温度変化ＴとＺ軸熱変位とが単純なリニアの関係にならないので、ヘッド位置から随時検出した温度の温度変化から直ちに熱変位を見込むことができない。
【００７８】
そこで、「リニアライズ手法」により、ヘッド位置から検出した温度の温度変化を用いて、熱変位の時定数と略同じ時定数を有する創成温度変化を演算する。図２２は、時定数をτＳ　とするサンプル温度変化５７と、熱変位“Ａ”と同じ時定数τＡ　を有する温度変化“Ａ”の模擬例５８と、熱変位“Ｂ”と同じ時定数τＢ　を有する温度変化“Ｂ”の模擬例５９とを示している。
曲線５７乃至５９で示す温度変化は、いずれも値Ｔｍａｘ　で飽和するようになっており、各時定数の一例を以下に示す。
τＡ　＝　５〔ｍｉｎ〕
τＳ　＝１０〔ｍｉｎ〕
τＢ　＝１５〔ｍｉｎ〕
【００７９】
また、各温度変化５７乃至５９の挙動関係は、下記の微分方程式（２６）乃至（２８）でそれぞれ表現できる。
τＳ　・ｄＴ／ｄｔ＋Ｔ＝Ｘ　　　……（２６）
τＡ　・ｄＹ３Ａ／ｄｔ＋Ｙ３Ａ＝Ｘ　……（２７）
τＢ　・ｄＹ３Ｂ／ｄｔ＋Ｙ３Ｂ＝Ｘ　……（２８）
なお、式（２７），（２８）は微分方程式の一般式（２９）で表わすことができる。
τＺ　・ｄＹ３　／ｄｔ＋Ｙ３　＝Ｘ　……（２９）
ここで、Ｔ　：ヘッド温度センサＳ２　で検出される温度変化〔℃〕
Ｘ　：発熱部の温度変化〔℃〕
Ｙ３　：創成温度変化〔℃〕
Ｙ３Ａ：温度変化“Ａ”を創成する創成温度変化〔℃〕
Ｙ３Ｂ：温度変化“Ｂ”を創成する創成温度変化〔℃〕
τＺ　：Ｚ軸熱変位の時定数〔ｍｉｎ〕
である。
【００８０】
式（２６）によれば、サンプル温度変化Ｔから発熱部の温度変化Ｘが分かるので、この値Ｘを式（２９）に代入する。すると、サンプル温度変化の時定数τＳとは異なった時定数τＺ　を有する創成温度変化Ｙ３　が得られる。時定数τＺ　は、ＭＣ１ａの熱特性で定まるものであり、工作機械毎に固有の値である。
【００８１】
実際に創成温度演算手段３１ａ（図１８）で演算する場合には、微分方程式（２６），（２９）をそれぞれ離散化した次式（３０），（３１）の繰り返し演算で解を算出することになる（ステップ３０３）。
Ｘ　＝τＳ　・（Ｔ−Ｔ０）／Δｔ＋Ｔ０　　……（３０）
Ｙ３＝（２Ｘ＋２τＺ・Ｙ３０／Δｔ−Ｙ３０）／（２τＺ／Δｔ＋１）……（３１）
ここで、Δｔ：演算インターバル〔ｍｉｎ〕
Ｔ０　：前回のサンプル温度変化Ｔ入力〔℃〕
Ｙ３０：前回の創成温度変化Ｙ３　出力〔℃〕
である。
【００８２】
図２３は、サンプル温度変化Ｔ及び温度変化“Ａ，Ｂ”に加えて、式（３０），（３１）によりサンプル温度変化Ｔを用いて創成した創成温度変化Ｙ３　（具体的には、創成温度変化Ｙ３Ａ又はＹ３Ｂ）を「○」印で表示している。この「○」印は、測定間隔即ち演算インターバルΔｔが１．０〔ｍｉｎ〕　の場合を示している。
このように式（３０），（３１）を用いた繰り返し演算により、任意の時定数を有する熱変位と略同じ時定数を有する創成温度変化を創成することができる。
【００８３】
創成温度変化Ｙ３　は、熱変位と同じ時定数を有しているので、図２４の直線６０に示すように、Ｚ軸熱変位とリニアの関係になる。直線の傾きｇが、創成温度変化Ｙ３　と熱変位の相関を表している。熱変位演算手段３２では、式（２４）を用いて創成温度変化Ｙ３　から熱変位（即ち、創成変位成分ΔＺ３　）を算出する（ステップ３０４）。
【００８４】
以上述べたように、リニアライズ手法は、基本的には時定数の小さい敏感な熱変位を、例えば発熱源から離れたヘッド位置で検出した温度の温度変化Ｔから見込むものである。この手法により算出される創成変位成分ΔＺ３　は、式（２）の即時応答成分ΔＺ１　に相当するものであり、この手法単独でも精度のよい熱変位補正ができる。
次に、遅れ応答成分ΔＺ４　を考慮するか否かを判別し（ステップ３０５）、考慮しない場合には、熱変位演算手段３２で演算した結果に基づいて、補正手段３３で加工誤差を補正する（ステップ３０６）。
その後、補正を終了するか否かを判別し（ステップ３０７）、終了させる場合にはＭＣ１ａを停止して（ステップ３０８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ３０２に戻る。
【００８５】
一方、ステップ３０５の判断において遅れ応答成分ΔＺ４　を考慮する場合には、ヘッド温度センサＳ２　で検出されたヘッド位置の温度を、遅れ温度演算手段３４に入力する。
コラム３等は、その質量が大きく、また主な発熱源である主軸６とも離れているので、温度変化が遅れるヘッド位置よりさらに遅れて温度変化が表れる。この遅れ温度変化は、第１及び第２実施例の図９，図１３で示したものと同様に、図２５の長時間経過した領域Ｄで、創成温度変化Ｙ３　とＺ軸熱変位とのリニアな相関に誤差を与える。
【００８６】
遅れ応答成分ΔＺ４　を考慮する場合には、前述の「ダミー手法」を用いて、ヘッド温度センサＳ２　で検出した温度の温度変化Ｔより遅れて表れる遅れ温度変化Ｙ４　の挙動を、ダミーの熱容量Ｃ４　を設定して見込む。
遅れ温度変化Ｙ４　を算出する式は次式になる。
2004042260.tif 000008
ここで、Δｔ：演算インターバル〔ｍｉｎ〕
Ｔ　：ヘッド温度センサＳ２　で検出される温度の温度変化入力
Ｔ０　：前回の温度変化Ｔ入力〔℃〕
Ｙ４　：遅れ温度変化出力〔℃〕
Ｙ４０：前回の遅れ温度変化Ｙ４　出力〔℃〕
Ｃ４　：ダミー熱容量〔ｍｉｎ〕
である。
【００８７】
図２６は、先のヘッド温度センサＳ２　で検出された温度の温度変化Ｔの代表例であるサンプル温度変化５７と、遅れ応答成分と同じ熱的挙動を示す遅れ温度変化の模擬例６１（温度変化Ｃ、時定数τＣ　）とを示している。更に、図２６には、式（３２）によりサンプル温度変化Ｔを用いて創成した遅れ温度変化Ｙ４を、「○」印で表示している。
温度変化Ｃは長時間経過すると、飽和値Ｔｍａｘ　でサンプル温度変化Ｔに等しくなることを前提にしており、「○」印は、測定間隔即ち演算インターバルΔｔが１．０〔ｍｉｎ〕の場合を示している。
このように、式（３２）の熱容量Ｃ４　を適宜選択した繰り返し演算により、任意の時定数τＣ　（τＣ　＞τＳ　）の温度変化Ｃと略同じ温度変化の挙動をする遅れ温度変化Ｙ４　を創成することができる。
【００８８】
この遅れ温度変化Ｙ４　と遅れ応答成分とは、図２７に示すようにリニアの関係の直線６２になるので、先の式（２５）が成立する。実際には、温度変化Ｃを抽出する手順を踏む必要は特にはない。例えば、サンプル温度変化Ｔを用いて、式（３２）のダミー熱容量Ｃ４　及び式（２５）の内部補正係数ｈを適宜選択した繰り返し演算結果が、先の図２５におけるＺ軸熱変位（領域Ｄを含む線）から直線６０を差し引いた誤差に一致するように、熱容量Ｃ４　と係数ｈの最良値が決定される。ここで決まる熱容量Ｃ４　と係数ｈの値は工作機械毎に固有の値であり、この作業は一度行なっておけばよい。
遅れ温度演算手段３４では、ダミー熱容量Ｃ４　が確定した式（３２）を用いて、ヘッド温度センサＳ２で検出される温度の温度変化Ｔに対応する遅れ温度変化Ｙ４を演算する（ステップ３０９）。次いで、この遅れ温度変化Ｙ４　を、内部補正係数ｈが確定した式（２５）に代入すると、遅れ応答成分ΔＺ４　が得られる（ステップ３１０）。
先に、式（２４）を用いて創成変位成分ΔＺ３　を算出した熱変位演算手段３２では、このようにして算出した遅れ応答成分ΔＺ４　を創成変位成分ΔＺ３　に加算して、Ｚ軸熱変位ΔＺを演算する（ステップ３１１）。
【００８９】
図２８の縦軸は実測されたＺ軸熱変位であり、横軸はサンプル温度変化Ｔを用いてステップ３１１までの手順を経て見積もったＺ軸熱変位ΔＺである。この熱変位ΔＺの演算には、全体補正係数“ａ”を１とした次式を用いている。
ΔＺ＝ｇ・Ｙ３　＋ｈ・Ｙ４　　　……（３３）
図２８に示す実測された縦軸のＺ軸熱変位と、式（３３）で求めた横軸のＺ軸熱変位ΔＺの値とは、４５°の傾きの直線６３上で略一致する。これは両者が同じ値であることを意味している。
したがって、機体１０の主軸受２０の発熱の影響を受ける箇所に設置したヘッド温度センサＳ２　の温度データにより、Ｚ軸熱変位を十分高精度に予測することができる。
【００９０】
このようにして、ステップ３１１で演算されたＺ軸熱変位ΔＺに基づいて補正手段３３で加工誤差を補正することにより熱変位補正がなされて（ステップ３１２）、工作物９を高精度で切削加工することができる。
その後、補正終了か否かを判別し（ステップ３０７）、終了させる場合にはＭＣ１ａを停止して（ステップ３０８）、全体の手順が終了する。補正が終了しない場合にはステップ３０２に戻る。
【００９１】
（第４実施例）
次に、リニアライズ手法を応用した第４実施例を、図２９乃至図３２により説明する。
前記第１乃至第３実施例では、主として、熱変位の原因となる発熱源の数が１個の例を説明したが、本発明では、熱変位の原因となる発熱源が複数あって、且つ発熱源の影響が互いに独立していると想定される場合にも、展開可能な式の構成になっている。
本第４実施例は、複数の発熱源（いわゆる多熱源）が互いに影響し合いながら熱変位を発生させる工作機械の場合であり、先の各実施例では説明されていなかった部分を補足する。
【００９２】
図２９はブロック図、図３０は主軸台断面図である。
ＮＣ旋盤６４は、機体としての主軸台６６を発熱源とする工作機械である。図示するように、ＮＣ旋盤６４は、チャック６５及び爪６７を介して工作物６８を把持する主軸６９と、主軸台６６と、ビルトインモータ７０とを備えている。主軸台６６は、主軸６９を軸支する加工位置側の前軸受７１及び反加工位置側の後軸受７２を介して主軸６９を回転自在に支持している。
ロータ７０ａを含むモータ７０は、前，後の軸受７１，７２の間に配設されるとともに主軸台６６に内蔵されて、主軸６９を回転駆動する。
後軸受７２には、主軸６９を中心軸方向０１　に対して位置決めするアンギュラ玉軸受が使用されている。熱変位で伸縮する主軸６９は、前軸受７１内を中心軸方向Ｏ１　に伸縮可能になっている。工作物６８に近い前軸受７１には大きな荷重がかかるので、この荷重に耐えて切削性能を向上させるために、前軸受７１には定格荷重の大きい複列円筒ころ軸受が使用されている。
なお、ここで示した構造は、主軸６９をベルトで駆動する構造のものと比べて、ビルトインモータ７０で主軸６９を直接駆動しているので高速回転が可能である。また、主軸６９の振動を抑えることができるので高精度な切削加工ができる。
【００９３】
ＮＣ旋盤６４を起動してビルトインモータ７０のロータ７０ａを回転させ、前，後の軸受７１，７２及びロータ７０ａがそれぞれ発熱すると、主軸６９は前方（図中右方）に伸びて工作物６８を中心軸方向Ｏ１　に移動させて加工精度を低下させることになる。
そのため、熱変位補正装置１２ｂでは、発熱源となる前，後の軸受７１，７２，及びモータ７０のステータの各近傍にそれぞれ位置するように３本の温度センサｓ１，ｓ２，　ｓ３　を、主軸台６６に取付けている。
【００９４】
このようにＺ軸方向（即ち、中心軸方向Ｏ１　）の熱変位に影響する発熱源が複数ある場合も、例えば前記リニアライズ手法を応用することによって高精度な熱変位補正ができる。
温度検出手段としての温度センサｓ１，ｓ２，　ｓ３　の各出力信号は、回路３６ａ，３６ｂ，３６ｃを介してＡ／Ｄ変換器１３に入力し、Ａ／Ｄ変換器１３からの出力信号は、創成温度演算手段３１ａ及び遅れ温度演算手段３４に入力される。なお、その他の構成については第３実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００９５】
多熱源の場合、各発熱源の影響による熱変位を、熱変位演算手段３２により個別に演算する。Ｚ軸方向の総合熱変位Δｚは次の一般式で示される。
Δｚ＝ａ・（Δｚ１　＋Δｚ２　＋……＋Δｚｎ　）　……（３４）
Δｚ１　＝β１　・ＹＡ１＋γ１　・ＹＢ１
Δｚ２　＝β２　・ＹＡ２＋γ２　・ＹＢ２
…
…
Δｚｎ　＝βｎ　・ＹＡｎ＋γｎ　・ＹＢｎ
ここで、Δｚ：Ｚ軸総合熱変位
Δｚ１　乃至Δｚｎ　：第１番目乃至第ｎ番目の発熱源によるＺ軸方向
の熱変位
ａ　：全体補正係数（式（２）のものに同じ）
β１　乃至βｎ　：創成温度変化に係る内部補正係数
γ１　乃至γｎ　：遅れ温度変化に係る内部補正係数
ＹＡ１乃至ＹＡｎ：創成温度変化
ＹＢ１乃至ＹＢｎ：遅れ温度変化
である。
したがって、第３実施例の式（３３）は、式（３４）の第１項の熱変位Δｚ１に相当する。また、第３実施例では発熱源が１個なので、式（３４）の第２項以下の項を零として演算したことになる。
【００９６】
本第４実施例では発熱源が３個なのでｎ＝３となり、式（３４）は以下のように展開できる。
Δｚ＝ａ・（Δｚ１　＋Δｚ２　＋Δｚ３　）　……（３５）
Δｚ１　＝Ｋ１　・Δｚ
Δｚ２　＝Ｋ２　・Δｚ　　　　　　　　……（３６）
Δｚ３　＝Ｋ３　・Δｚ
Ｋ１　＝Ｐ・Ｔ１　／（Ｐ・Ｔ１　＋Ｑ・Ｔ２　＋Ｒ・Ｔ３　）
Ｋ２　＝Ｑ・Ｔ２　／（Ｐ・Ｔ１　＋Ｑ・Ｔ２　＋Ｒ・Ｔ３　）　…（３７）
Ｋ３　＝Ｒ・Ｔ３　／（Ｐ・Ｔ１　＋Ｑ・Ｔ２　＋Ｒ・Ｔ３　）
ここで、Ｔ１　：温度センサｓ１　で検出された温度の温度変化
Ｔ２　：温度センサｓ２　で検出された温度の温度変化
Ｔ３　：温度センサｓ３　で検出された温度の温度変化
Ｐ，Ｑ，Ｒ：内部補正係数
である。
【００９７】
前記三つの式（３７）における内部補正係数Ｐ，Ｑ，Ｒは、各温度変化Ｔ１　乃至Ｔ３　の重みを意味しており、３回以上の発熱条件を変えたテストにおけるサンプル温度変化の飽和値の違いから下式により決定される。
ここで決まる係数Ｐ，Ｑ，Ｒの値のバランスは、工作機械のタイプ毎に固有の熱特性を表すものであり、主軸回転数等の運転条件が変わっても変化が少ないので、この作業は一度行なっておけばよい。
Ｐ・Ｔ１Ｓ＋Ｑ・Ｔ２Ｓ＋Ｒ・Ｔ３Ｓ＝Δｚ　……（３８）
ここで、Ｔ１Ｓ：サンプル温度変化Ｔ１　の飽和値
Ｔ２Ｓ：サンプル温度変化Ｔ２　の飽和値
Ｔ３Ｓ：サンプル温度変化Ｔ３　の飽和値
である。
【００９８】
内部補正係数Ｐ，Ｑ，Ｒの値を式（３７）に代入することによって、係数Ｋ１，Ｋ２　，Ｋ３　の値が定まるので、三つの式（３６）は図３１のように表現できる。この結果、発熱源７１，７２，７０ａの影響による各熱変位Δｚ１　，Δｚ２　，Δｚ３　と各サンプル温度変化との相関関係は、リニアライズ手法等によってリニアにすることが可能になる。図３１は各発熱源のＺ軸熱変位を示すグラフである。
ＮＣ旋盤など旋削工作機械は、通常は熱容量が小さいためＭＣと比べて熱変位が敏感に表われるので、温度センサの取付け位置の制約のない第３実施例の手法は特に有効である。
また、第３実施例の手法を用いれば、一つの発熱源につき一個の温度センサを設ければよいので、多熱源を有するＮＣ旋盤６４等の場合に温度センサの数を減らすことができる。
【００９９】
図３２は、リニアライズ手法とダミー手法を組合せてＮＣ旋盤６４を実機運転した場合の、Ｚ軸熱変位の実測データを示すグラフである。
図示するように、図中実線７３，７４で示す補正前の熱変位は約７０〔μｍ〕であった。これに対して、本発明に係る熱変位の補正を行なった場合は、図中破線７３ａ，７４ａで示すように、熱変位は±１０〔μｍ〕以下にまで小さくなる。なお、図中の符号Ｓは主軸回転数を意味する。
【０１００】
（第５実施例）
次に、第５実施例を図３３乃至図３７により説明する。
第５実施例では、本発明に係る前述の各手法のいずれかを、複数の主軸を有する工作機械に適用して熱変位補正を行なっている。
主軸は工作物及び工具のいずれか一方を把持している。この主軸の温度を温度調節装置により調節して各主軸の熱変位を略均等にし、温度検出手段により少なくとも一つの主軸について機体の温度変化を検出して、熱変位補正を行なっている。
なお、第５実施例において、前記各実施例と同一又は相当部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【０１０１】
例えば、図３３に示す工作機械は多軸ヘッドを有する立形のＭＣ７５であり、４個の工作物を４本の工具で同一形状に同時加工するのに使用される。ベッド７６に固定され床面上に立設しているコラム７７の上部には、Ｙ軸方向即ち水平方向に向けて配設されたクロスレール７８が固定されている。
クロスレール７８には、サドル７９がＹ軸方向に移動可能に取付けられており、クロスレール７８に設けられたＹ軸サーボモータ８０によりサドル７９は往復移動する。
サドル７９には主軸頭８１がＺ軸方向に移動可能に取付けられている。主軸頭８１は、サドル７９に設けられたＺ軸サーボモータ８２によりサドル７９に対してＺ軸方向に往復移動し、クロスレール７８に対してはサドル７９とともにＹ軸方向に往復移動する。
主軸頭８１には、Ｚ軸方向を向いている複数（例えば４本）の主軸６ａ乃至６ｄが並設されており、各主軸の先端には工具７ａ乃至７ｄがそれぞれ装着されている。
【０１０２】
ベッド７６上には、主軸と同数（例えば４個）の工作物９ａ乃至９ｄを載置するためのテーブル８３が、Ｘ軸方向に移動可能に取付けられている。テーブル８３は、ベッド７６に設けられたＸ軸サーボモータ８４により往復移動する。
コラム７７の横には、冷却油供給装置８５が設置されている。この冷却油供給装置８５は、主軸６ａ乃至６ｄの温度を調節して各主軸の熱変位を略均等にするための温度調節装置としての主軸冷却装置を構成している。
【０１０３】
図３４は主軸冷却装置８７の説明図である。
図示するように、主軸６ａ乃至６ｄの軸受近傍には、冷却油を流して軸受を冷却するための流路８５ａ乃至８５ｄがそれぞれ形成されている。冷却油供給装置８５から供給された冷却油は、配管８８ａ乃至８８ｄをそれぞれ流れ、手動又は自動で操作される流量調整弁８９ａ乃至８９ｄで流量を調整される。これにより、各主軸６ａ乃至６ｄの温度が個別に調節される。冷却油は、流路８５ａ乃至８５ｄを流れ、主軸６ａ乃至６ｄの軸受を冷却したのち、供給装置８５に戻ってここで冷却されて再び循環使用される。
なお、流量調節の代わりに又はこれに加えて冷却油温度を供給装置８５で調節することにより、主軸温度を主軸毎に調節するようにしてもよい。また、冷却油の代わりにクーラント（切削油剤）又は水を使用してもよい。
【０１０４】
ところで、４本の主軸が回転した場合の熱変位を比較すると、図中左右両側の主軸６ａ，６ｄの熱変位の方が、内側の主軸６ｂ，６ｃよりも通常は小さい。これは各主軸の取付け場所の違いによるためである。即ち、両側の主軸６ａ，６ｄの軸受で発生した熱は、主軸頭８１に速やかに伝導して、この主軸６ａ，６ｄの温度上昇を抑えるからである。
そこで、熱変位の最も小さい代表主軸６ａの発熱部近傍に位置するように主軸頭８１に温度検出手段としてのノーズ温度センサＳ１　を取付けている。このセンサＳ１　で機体８６の温度変化を検出することにより、前記各実施例における熱変位補正装置１２，１２ａ，１２ｂを用いた手法で、代表主軸６ａに対する熱変位補正を行なっている。
そして、流量調整弁８９ａ乃至８９ｄで流量調節（及び／又は、油の温度調節）をして各主軸を冷却することによって、他の３本の主軸６ｂ乃至６ｄの熱変位を代表主軸６ａの熱変位に略一致させ、これにより、主軸間の熱変位のばらつきをなくしている。
なお、代表主軸６ａは熱変位が最小なので、この主軸６ａの冷却はしないか又はわずかに冷却し、他の主軸６ｂ乃至６ｄの冷却油を調節すれば、供給装置８５からの油の供給量が全体として少なくなるので好ましい。
【０１０５】
図３５は、主軸冷却装置８７に代えて主軸加熱装置９０を温度調節装置として用いた場合を示している。
図示するように、主軸６ａ乃至６ｄの近傍に、ヒータ９１ａ乃至９１ｄなど加熱部材をそれぞれ配設している。各ヒータ９１ａ乃至９１ｄに流れる電流を電流制御装置９１により個別に制御することにより、ヒータ９１ａ乃至９１ｄの発熱量を調節している。電流制御の方が、冷却油の量や温度の制御より容易で応答も早く、しかも主軸加熱装置全体がコンパクトになるので好ましい。
この場合には、熱変位が最大の主軸例えば６ｂを代表主軸にしてこの主軸６ｂの近傍にノーズ温度センサＳ１　を取付けて、機体８６の温度変化を検出している。そして、電流制御装置９１で電流を制御して各主軸を加熱することによって、他の３本の主軸６ａ，６ｃ，６ｄの熱変位を代表主軸６ｂの熱変位に略一致させて、主軸間の熱変位のばらつきをなくしている。
なお、代表主軸６ｂを加熱しないか又はわずかに加熱して、他の主軸の温度を調節すれば、主軸加熱装置９０全体の電流が少なくなるので好ましい。
【０１０６】
本実施例では、センサＳ１　とは別に、主軸位置より離れた任意の位置（例えば、主軸頭８１の適当箇所）に配置されてこの位置の機体８６の温度変化を検出するヘッド温度センサＳ２　が、必要に応じて取付けられる。したがって、ミックス手法単独又はミックス手法とダミー手法とを組合せた前述の各方法による熱変位補正もできる。
各センサＳ１　，Ｓ２　の出力信号は、熱変位補正装置１２，１２ａ，１２ｂのＡ／Ｄ変換器１３に入力したのち、前記各実施例と同様に処理される。
なお、図３４，図３５に鎖線で示すように、代表主軸以外の各主軸の近傍にも温度センサＳ１０をそれぞれ取付け、各主軸の温度を検出することが好ましい。センサＳ１０で検出された温度の温度変化は熱変位補正には用いないが、この温度変化から各主軸の熱変位を推定して、主軸冷却装置８７又は主軸加熱装置９０により、主軸間の熱変位のばらつきをなくする管理をすることができる。
【０１０７】
図３６は、主軸冷却装置８７を用いた場合の本実施例の手順を示すフローチャートである。なお、下記説明中のカッコ内には、主軸加熱装置９０を用いた場合を記載している。
まず初めに、調節弁８９ａ乃至８９ｄを操作して、各主軸６ａ乃至６ｄに流れる冷却油の流量（又は、ヒータ９１ａ乃至９１ｄの電流）を必要最少限に絞る（ステップ４０１）。次いで、全主軸の同期回転を開始する（ステップ４０２）。一定の回転数で運転して所定時間経過後、各主軸の伸びによる主軸先端部におけるＺ軸方向の熱変位を実測する（ステップ４０３）。
各主軸の熱変位即ち伸び量が略同一になるように、各主軸の流路８５ａ乃至８５ｄに流れる流量を調節弁８９ａ乃至８９ｄにより（又は、ヒータ９１ａ乃至９１ｄの電流を電流制御装置９１により）調節して、この調節量を設定する（ステップ４０４）。
全主軸の回転を停止し、機体８６全体が十分に放熱するまで運転を停止する（ステップ４０５）。
【０１０８】
その後、全主軸の同期回転を再開し、ステップ４０４で設定された調節量に従って冷却油（又は電流）を各主軸にそれぞれ流す（ステップ４０６）。
次に、代表主軸６ａ（又は６ｂ）の先端部におけるＺ軸方向の熱変位を時系列データとして実測するとともに、機体８６の温度変化をセンサＳ１　，Ｓ２　の一方又は両方により検出する（ステップ４０７）。
こうして検出された温度変化を用い、前記各実施例と同様にして、ノーズ温度時定数τＮ　，ヘッド温度時定数τＨ　，サンプル温度時定数τＳ　等を抽出し、さらにダミー熱容量及び内部補正係数を算出する。そして、これらの値を熱変位補正装置１２，１２ａ，１２ｂにセットする（ステップ４０８）。
ステップ４０９で補正を開始し、代表主軸による熱変位補正を実行する（ステップ４１０）。ステップ４１１で補正を終了する場合は全主軸の同期回転を停止し（ステップ４１２）、全体の手順が終了する。停止しない場合にはステップ４１０に戻る。
【０１０９】
図３３に示すように、補正装置１２，１２ａ，１２ｂで算出して補正された代表主軸の熱変位は、プログラマブルコントローラ１５を介して数値制御装置１６に送信され、Ｚ軸サーボモータ８２にフィードバックされる。これにより、Ｚ軸サーボモータ８２が、主軸頭８１をＺ軸方向に微小距離移動させて位置補正をする。
主軸冷却装置８７（又は、主軸加熱装置９０）により、代表主軸と他の主軸との熱変位を略均等にしているので、４個の工作物９ａ乃至９ｄを主軸６ａ乃至６ｄに装着した工具７ａ乃至７ｄにより高精度に同時加工することができる。
【０１１０】
図３７は複数の主軸を有する工作機械の平面構造を含むブロック図で、第５実施例の応用例である。
図示する工作機械は多軸ＮＣ旋盤９２であり、第４実施例と同様の構造の主軸台６６及び主軸６９を２組備えている。したがって、このＮＣ旋盤９２は多熱源及び多軸を有していることになる。
ベッド９３上には、２台の主軸台６６が並設され、且つ、サドル９４がＺ軸方向に移動可能に取付けられている。サドル９４はＺ軸サーボモータ９５により往復移動する。
サドル９４上には、クロススライド９６がＸ軸方向に移動可能に取付けられており、Ｘ軸サーボモータ９７により往復移動する。クロススライド９６上には、工具９８を有するブロック９９が複数取付けられている。チャック６５等を介して工作物を把持する主軸６９が回転することにより、工作物を工具９８で切削加工する。
ベッド９３には、図３４に示す主軸冷却装置８７と同様の原理の主軸冷却装置を構成する冷却油供給装置１００が設置されている。この主軸冷却装置は、２本の主軸６９の温度を個別に調節して、両主軸の熱変位を略均等にするためのものである。
【０１１１】
両主軸６９の前，後の軸受７１，７２及びビルトインモータ７０（図３０）の近傍には、冷却油を流して主軸の伸びを抑えるための流路が主軸台６６内に形成されている。主軸冷却装置は、図３４と同様の配管及び流量調節弁を有しており、各主軸６９への流量の調節を個別にできるようになっている。
一方の主軸台６６には、センサｓ１　，ｓ２　，ｓ３　が第４実施例と同じように取付けられているので、熱変位補正装置１２ｂにより第４実施例と同様にして熱変位補正がなされる。センサｓ１　，ｓ２　，ｓ３　が取付けられている方の主軸６９を代表主軸とし、主軸冷却装置によりこの代表主軸６９と他方の主軸６９の熱変位を略一致させて、主軸間の熱変位のばらつきをなくしている。
図３６に示す手順と同様にして代表主軸の熱変位補正をすれば、代表主軸６９と他方の主軸６９にそれぞれ把持されている工作物を、各工具９８により高精度で同時加工することができる。
なお、第５実施例では代表主軸が１本の場合を示したが、同時加工を行なわない場合には、複数の代表主軸をそれぞれ独立して熱変位補正してもよい。また、ペルチェ効果を応用した冷却装置又は加熱装置を温度調節装置として使用してもよい。
【０１１２】
ところで、多軸形の従来の工作機械には、発熱による主軸の伸びを少なくするために、多量の冷却油等を各主軸軸受近傍の流路に流して強力に冷却するものもある。この手法は、各主軸の熱変位を物理的に零に近づけることにより、各主軸の熱変位とばらつきとを同時に吸収しようとするものである。
しかしながら、この手法での熱変位の吸収には限界があり、熱変位を＋１０〔μｍ〕以下にすることは不可能である。また、多量の冷却油を循環させるので、大容量の冷却装置が必要であり、大量のエネルギが無駄になる。また、強い冷却効果により軸受にひずみが生じて主軸が焼付く虞もある。
これに対して、第５実施例は、各主軸の熱変位を物理的に零に近づけるのではなく、各主軸間の熱変位のばらつきをなくするように、代表主軸と他の主軸の熱変位を略一致させるとともに、代表主軸の熱変位補正を行なっている。したがって、補正後の加工誤差を零に近づけることができ、主軸冷却装置８５は小型のもので十分であり、エネルギ消費も少ない。また、冷却効果が弱いので軸受が焼付くこともない。
【０１１３】
なお、第１乃至第５実施例では繰り返し演算を行なっている。したがって、図１，図２，図１８，図２９，図３７に示すように、前回の演算結果を記憶し、工作機械の電源をオフして再度オンするまでの間の時間も記憶する記憶手段３５を、熱変位補正装置１２，１２ａ，１２ｂに設けることが好ましい。
記憶手段３５は、遅れ温度演算手段３４，３４ａ，３４ｂ，創成温度演算手段３１ａとの間でデータの授受を行なうことになる。このようにすれば、電源をオフした場合でも、熱変位補正の演算の経歴が保存されるので繰り返し演算が有効になる。
【０１１４】
また、ミックス手法と組合せるダミー手法，又はリニアライズ手法と組合せるダミー手法を用いる場合に、工作機械のコラム，ベッド，クロスレール等に別途設けた温度センサにより機体の温度変化を検出してもよい。
なお、本発明における温度検出手段としては温度センサの代わりに、温度変化による機体の伸縮を検出するひずみゲージ（Ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ）を使用してもよい。即ち、機体の温度変化を温度センサにより直接検出する代りに、温度変化と同様の出力特性を有するひずみゲージを機体に取付ける。そして、このゲージの出力信号をＡ／Ｄ変換器１３に入力させれば、実質的に温度変化を検出するのと同じことになり同様の作用効果を奏する。
ところで、各実施例における相関は一定の対応関係があればよく、一次の相関以外の場合でもよい。
【０１１５】
本発明は、従来のような機体構成部分の長さを使用していないので、機体構造上の長さの制約がなく、また、機体構成部分の長さ測定や回転数を種々変えてデータの実測作業をする必要はない。
したがって、回転数の測定は１回のみでよいことになり、実機を用いた熱変位特性抽出の実測作業が簡略化される。また、機体構成材料の線膨張係数の確認作業も不要である。
【０１１６】
また、温度センサは任意の位置に取付けてよいので、温度センサの取付位置の制約が緩和されると同時に、少数（例えば、一つの発熱源について１本又は２本）の温度センサのみで熱変位を精度よく見込むことができる自由度の高いものにすることができる。
また、機体の温度に基づいて補正をしており、室温を直接検出していない。したがって、例えば冬季に部屋の扉を開けたり夏季にクーラーを運転するなどして室温が急激に変化しても、室温による影響がなくなり、補正の精度を高精度に維持することができる。
また、本発明の熱変位補正方法及びその装置は、熱変位が機械の精度や性能に悪影響を与える他の種類の機械、例えば印刷機械，プレス，レーザ加工機等の自動制御機械に適用しても、同様の作用効果を奏する。この自動制御機械は、ＮＣ装置等の自動制御装置によって制御されている。
なお、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【０１１７】
【発明の効果】
本発明は、上述のように時定数の概念を用いて、発熱源の影響を受けて互いに時定数の異なる温度変化をする少なくとも二箇所における機体の温度変化を検出し、この検出された各温度変化を合成して、工作機械の熱変位の時定数と略同じ時定数を有する合成温度変化を演算し、この合成温度変化に対応して変化する熱変位に基づいて加工誤差を補正するように構成したので、合成温度変化と熱変位はリニアな相関になって、合成温度変化から熱変位を容易に見積もることが可能になり、熱変位に対する補正を高精度で行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施例を示すブロック図である。
【図３】第１実施例の動作を示すフローチャートである。
【図４】第２実施例の動作を示すフローチャートである。
【図５】Ｚ軸熱変位の経時変化を示すグラフである。
【図６】ノーズ位置とヘッド位置でそれぞれ検出された温度の温度変化と、合成温度変化を示すグラフである。
【図７】ノーズ温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図８】ヘッド温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図９】合成温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラフである。
【図１０】遅れ温度変化を演算する手法を説明するグラフである。
【図１１】温度変化から遅れ応答成分を演算する手法を示すグラフである。
【図１２】演算されたＺ軸熱変位と実測されたＺ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図１３】遅れ温度変化に対するＺ軸熱変位を示すグラフである。
【図１４】Ｚ軸熱変位の実測データを示すグラフである。
【図１５】Ｚ軸熱変位の他の実測データを示すグラフである。
【図１６】Ｙ軸熱変位の実測データを示すグラフである。
【図１７】Ｙ軸熱変位の他の実測データを示すグラフである。
【図１８】本発明の第３実施例を示すブロック図である。
【図１９】第３実施例の動作を示すフローチャートである。
【図２０】サンプル温度変化及びＺ軸熱変位を示すグラフである。
【図２１】サンプル温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図２２】サンプル温度変化及び温度変化“Ａ，Ｂ”を示すグラフである。
【図２３】サンプル温度変化，温度変化“Ａ，Ｂ”，及び創成温度変化を示すグラフである。
【図２４】創成温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図２５】Ｚ軸熱変位が遅れ応答成分を含んでいる場合の、創成温度変化とＺ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図２６】サンプル温度変化，遅れ温度変化，及び創成した遅れ温度変化を示すグラフである。
【図２７】遅れ温度変化と遅れ応答成分との関係を示すグラフである。
【図２８】創成温度変化及び遅れ温度変化から見積もった熱変位と、Ｚ軸熱変位との関係を示すグラフである。
【図２９】第４実施例を示すブロック図である。
【図３０】ＮＣ旋盤の主軸台の断面図である。
【図３１】各発熱源のＺ軸熱変位を示すグラフである。
【図３２】Ｚ軸熱変位の実測データを示すグラフである。
【図３３】第５実施例を示すブロック図である。
【図３４】主軸冷却装置の説明図である。
【図３５】主軸加熱装置の説明図である。
【図３６】第５実施例の動作を示すフローチャートである。
【図３７】第５実施例の応用例を示す図で、複数の主軸を有する工作機械の平面構造を含むブロック図である。
【符号の説明】
１，１ａ，７５　　立形マシニングセンタ（工作機械）
５，５ａ，８１　　主軸頭
６，６ａ乃至６ｄ，６９　　主軸
７，７ａ乃至７ｄ，９８　　工具
９，９ａ乃至９ｄ，６８　　工作物
１０，６６，８６　　　　　機体
１２，１２ａ，１２ｂ　　　熱変位補正装置
２０　　主軸受
２１　　ビルトインモータ
２２　　上部軸受（他の軸受）
３１　　合成温度演算手段（温度演算手段）
３１ａ　創成温度演算手段（温度演算手段）
３２　　熱変位演算手段
３３　　補正手段
３４　　遅れ温度演算手段（温度演算手段）
３４ａ　第１の遅れ温度演算手段（温度演算手段）
３４ｂ　第２の遅れ温度演算手段（温度演算手段）
６４　　ＮＣ旋盤（工作機械）
６６　　主軸台
７０　　ビルトインモータ
７１　　前軸受
７２　　後軸受
９２　　多軸ＮＣ旋盤（工作機械）
Ｏ１　　　中心軸方向
Ｓ１　　　ノーズ温度センサ（温度検出手段）
Ｓ２　　　ヘッド温度センサ（温度検出手段）
Ｓ３　　　温度センサ（温度検出手段）
ｓ１　乃至ｓ３　　温度センサ（温度検出手段）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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