(57)【要約】【課題】ワーク加工中における工作機械及びワークの熱変形によって生ずるワークの加工誤差を補正する方法に関し、工作機械の熱変位に起因するワークの加工誤差を小さくして、より高い精度の加工を行うことができるようにする。【解決手段】ワーク加工時のある時点における工作機械の熱変位の補正値を主軸回転数と機械温度の積の履歴値を用いた補正項を含む補正式で補正する。回転数と機械温度との積の履歴値による補正項と共に、機械温度による補正項と回転数履歴による補正項とを含む補正式を用いて補正する方法が工作機械の熱変位による加工誤差をより高い精度で補正できる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸回転数の履歴値と機械温度の履歴値との積を含む測定データを用いて演算した補正値でＮＣ装置の送り指令を補正してワーク加工中の工具位置を設定することを特徴とする、工作機械の熱変位の補正方法。
【請求項２】
機械温度と、主軸回転数の履歴値と、主軸回転数に機械温度を乗じた値の履歴値と、試験運転時の計測データから求めた係数とを用いて演算した補正値でＮＣ装置の送り指令を補正してワーク加工中の工具位置を設定することを特徴とする、工作機械の熱変位の補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ワーク加工中における工作機械及びワークの熱変形によって生ずるワークの加工誤差を補正する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工作機械でワークを加工するとき、高速回転する主軸の軸受部やワークの加工部で熱が発生する。主軸軸受部の発熱は、主軸や主軸台に伝達され、ワーク加工部の発熱は、切削油を介してベッドや刃物台に伝達される。そのため、工作機械の運転に伴って機械温度が局部的に又全体的に上昇して、この温度上昇による機械自体の熱変位がワークの加工誤差となって現れてくるようになる。
【０００３】
そこで、工作機械及びワークの熱変位による加工誤差を補正するために、従来機械各部の例えば主軸台や刃物台の温度を計測して、これらの機械温度とワークに生ずる加工誤差との関係を予め計測し、この計測値から機械温度による加工誤差の補正式を求めてＮＣ装置に登録しておき、実際にワークを加工するときに、ＮＣ装置から出力される指令値（例えば旋盤であれば刃物台のＺ方向とＸ方向の位置指令）をそのときの機械温度を前記補正式に代入して得られた演算結果により補正して刃物台の位置を設定することにより、加工精度を向上させることが行われている。
【０００４】
また、マシニングセンタ等においては、主軸回転数の履歴値から補正値を求める補正式を用いて、ワークの加工誤差を補正することも行われている。主軸回転に伴う主軸軸受部の発熱は、主軸に伝達されて主軸の軸方向の熱変位を生じさせるが、ワーク加工中の主軸温度を計測することは困難であり、主軸台の温度変化に比べて主軸回転が変化したときの主軸の温度変化が大きいため、主軸台の温度に基づいて補正値を演算するよりも、主軸回転数の履歴に基づいて補正値を演算する方が正確な補正値が得られることがあるからである。
【特許文献１】特開２００３‐２８５２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、従来機械温度や主軸の回転数履歴を用いて工作機械やワークの熱変形によるワークの加工誤差を補正することが行われており、機械温度や回転数履歴から補正値を求めるための補正式の係数の決定方法についても種々の提案がなされているが、機械の温度分布は時々刻々と変化し、これらを機械表面に取り付けた温度計や主軸の回転数履歴によって正しく計測することは不可能であり、従って得られる補正値も概算的なものとならざるを得ず、熱変位による加工誤差を小さくするという補正に留まるものである。
【０００６】
この発明は、工作機械の熱変位に起因するワークの加工誤差を小さくして、より高い精度の加工を行うことができるようにすることを目的とした継続的な研究の一環としてなされたもので、従来方法より高い精度でワークの加工を行うことができる補正方法を得ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明では、ワーク加工時のある時点における工作機械の熱変位の補正値を主軸回転数と機械温度の積の履歴値Ｗ0×Ｔ0〜Ｗm×Ｔmを用いた補正項を含む補正式で演算した補正値でＮＣ装置の位置指令を補正することにより、従来方法より高い精度で工作機械自体の熱変位によるワークの加工誤差の補正を可能にしたものである。
【０００８】
すなわち、本願請求項１の発明に係る工作機械の熱変位の補正方法は、主軸回転数の履歴値Ｗ0〜Ｗmと機械温度の履歴値Ｔ0〜Ｔmとの積Ｗ0×Ｔ0〜Ｗm×Ｔmを含む測定データを用いて演算した補正値でＮＣ装置の送り指令を補正してワーク加工中の工具位置を設定することを特徴とするものである。
【０００９】
回転数と機械温度との積の履歴値による補正項は、機械温度による補正項又は回転数履歴による補正項に替えて用いることもできるが、本願発明者らの旋盤加工における試験の結果によれば、上記回転数と機械温度との積の履歴値による補正項と共に、機械温度による補正項と回転数履歴による補正項とを含む補正式を用いて補正する方法が工作機械の熱変位による加工誤差をより高い精度で補正できることが見出された。
【００１０】
従って、本願請求項２の発明に係る工作機械の熱変位の補正方法は、機械温度Ｔ0と、主軸回転数の履歴値Ｗ0〜Ｗmと、主軸回転数に機械温度を乗じた値の履歴値Ｗ0×Ｔ0〜Ｗm×Ｔmと、試験運転時の計測データから求めた係数α、β、δ0〜δm、ε0〜εmとを用いて演算した補正値でＮＣ装置の送り指令を補正してワーク加工中の工具位置を設定することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願発明者らは、従来機械温度のみによる補正式でワークの加工誤差を補正することを試みてきた。しかし、この方法では、特に主軸回転の変動が大きいときに生ずる機械内部温度の急激な変動に十分追従させることができず、主軸回転が変動したときのワーク加工誤差の変動を補正することが困難であった。
【００１２】
この問題を解決するために、本願発明者らは、機械温度による補正項と主軸の回転数履歴による補正項とを含む補正式で補正値を演算することを試みた。更に本願発明者らは、主軸回転数の変化による加工誤差の変化が短時間で急激に現れることを各種の運転条件における加工誤差をシュミレーションした結果から見出したことから、主軸回転数を自乗した値の履歴値による補正項を用いて補正値を演算することを試み、更に機械温度が主軸回転数の変動に緩慢に追従する試験結果も考慮して、機械温度と主軸回転数との積の履歴値による補正項を含む補正式で補正値を演算したところ、最後の方法によるものが機械温度と回転数履歴との組合せによる補正値に比べて加工誤差を６０％程度改善することが可能で、ワークの加工誤差を最も小さくすることが可能であった。
【００１３】
すなわち、この発明の方法でワークの加工を行ってやれば、従来方法によるよりも遥かに高い精度で工作機械の熱変位によるワークの加工誤差を防止することができ、より高い精度でワークを加工することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本願発明者らが行った試験の内、実用的でかつ最も好ましい補正値が得られたものの一例を以下に説明する。
【００１５】
履歴値は、一定時間間隔毎に検出した値を用いる。履歴値はこの検出時間間隔毎に更新されることとなるので、補正値の演算もこの時間間隔毎になされることになる。演算に使用する履歴値の数を多くすれば、より正確な補正値を求めることができると考えられるが、補正値の演算に時間がかかり、応答性が悪くなる。履歴値の検出間隔を長くしたときも、当然応答性は悪くなる。また、履歴値の蓄積量(履歴を考慮する運転時間の長さ）もある程度の時間をとる必要がある。これらを考慮して３０秒毎に履歴値を検出して４８０個の履歴データ（２４０分分の履歴データ）を蓄積し、この蓄積データから時間が離れるほど粗くサンプリングした３２個の履歴値を用いて補正演算を行った。
【００１６】
なお、上記の検出の時間間隔やデータの蓄積量、サンプリング数などは、あくまでも一例である。例えば、運転状態の変動が大きいときは、より短い間隔でデータを蓄積し、かつ演算時間を短くするためにサンプリング数を少なくすべきであり、機械が大型であれば、熱拡散や放熱が緩慢になるので、測定データの蓄積時間を長くすることが必要である。
【００１７】
従って、上述した履歴値の計測、蓄積、サンプリングにおいて実用上重要な点は、一定時間間隔で機械温度と回転数とを検出して、必要な時間長さの分を測定データとして蓄積し、その蓄積データの中から必要な応答時間内で演算可能な数のデータを時間が離れるほど粗い間隔で抽出し、その抽出した値を用いて補正演算を行う点である。
【００１８】
なお、上述した本願発明者らが行った試験では、時間の近いものから１、２、３・・・４８０と番号付けした蓄積データの内の０番、１番、２番、３番、４番、８番、１８番、４０番、６０番というようにサンプリング間隔を広げてゆき、更にそのサンプリング値の間の補完値を適宜演算して、得られた３２個の履歴値で補正演算を行っている。
【００１９】
補正値の演算に用いた補正式は、
Ａ＝η(αＴ0＋β)＋(δ1ＷmＴm＋δ2Ｗm-1Ｔm-1＋・・・＋δm+1Ｗ0Ｔ0)＋(ε1Ｗm＋ε2Ｗm-1＋・・・＋εm+1Ｗ0)
であり、Ｔ0〜Ｔmは機械温度、Ｗ0〜Ｗmは主軸回転数で、添え字の０は演算時の値であり、１・・・ｍ（ｍ＝３１）は演算時に近い順からのサンプリング値である。αは機械温度による補正係数で、βはその切片、δ1〜δm+1は機械温度×回転数の履歴サンプリング値に乗ずる補正係数、ε1〜εm+1は回転数履歴のサンプリング値に乗ずる補正係数である。ηは機械温度による補正項に乗ずる重み係数である。これらの係数α、β、η、δ1〜δm+1、ε1〜εm+1は、工作機械の機種毎の試験加工による実測データを元にした回帰分析によって決定する。
【００２０】
図１及び２は、この発明の方法で旋盤におけるワークの加工誤差の経時変化と、この発明の方法による補正値との経時変化を示した図である。図１は、時間を横軸とし、主軸回転数ｎと機械の熱変位の経時変化とを縦軸にして示した図で、主軸を折線イで示すように回転して停止したときの、主軸に把持されたワーク先端の変位が履歴線ロで示されている。この機械変位に対して、機械温度Ｔ0と回転数履歴Ｗ0〜Ｗmの補正項のみの補正式で補正したときの補正値が線ハで示され、この補正値と機械変位との差（補正後に残る加工誤差に相当する。）が図２の線ニで示されており、機械温度×回転数の履歴値Ｗ0Ｔ0〜ＷmＴmの補正項を加えたこの発明による方法の補正値と機械変位との差が図２の太線ホで示されている。
【００２１】
図２から理解されるように、熱変位の補正を行う補正式に機械温度×回転数の履歴値による補正項を含ませることにより、それを含まない補正式による補正値に比べて、遥かに正確な補正値を得ることができる。従って、この発明の補正方法により、より精度の高い加工を行うことが可能になる。また、上記実施形態に示した方法で履歴データのサンプリングを行うことにより、補正値の演算時間を短縮して応答性の速い補正を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】主軸回転の履歴と機械変位の履歴とを示す線図
【図２】機械変位の履歴とその各時点における補正値とを示す線図
【符号の説明】
【００２３】
イ  主軸回転数の履歴を示す線
ロ  機械とワークの熱変位を示す線
ハ  機械温度と回転数履歴による補正値と実際の熱変位との差を示す線
ニ  機械温度と回転数履歴と回転数×機械温度履歴による補正値と実際の熱変位との差を示す線
【図１】
2005279877.tif 000003
【図２】
2005279877.tif 000004