(57)【要約】【課題】  工作機械の構造物の熱変位を補正して被加工物を高精度に加工し得るようにする。【解決手段】  旋盤１０はベッド１１とこれに固定される主軸台１２とを有し、ベッド１１には往復台１６が移動自在に設けられ往復台１６には横送り台１８が移動自在に設けられている。ベッド１１と主軸台１２は固定構造物となっており、往復台１６と横送り台１８は移動構造物となっており、被加工物Ｗは加工工具Ｔにより加工される。加工工具Ｔに吹き付けられる切削液に、構造物の熱的特と対応した熱的特性を有する等価金属体４１がさらされ、同様の等価金属体４１ａは電動モータ２３を冷却する冷却油にさらされる。それぞれの等価金属体４１，４１ａに設けられた温度センサからの信号は、加工工具Ｔの送り移動を制御する制御部に送られて、送り移動量が補正される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定構造物と当該固定構造物に対して移動自在に装着される移動構造物と当該移動構造物を駆動して加工工具を被加工物に対して相対移動させる駆動機構とを有し、前記加工工具により被加工物を加工する工作機械の熱変位補正装置であって、
工作機械の発熱源に冷却媒体を供給して前記発熱源を冷却する冷却媒体供給手段と、
前記構造物の熱的特性に対応した熱的特性を有し、前記発熱源に供給されて加熱された後の前記冷却媒体にさらされる等価金属体と、
当該等価金属体の温度を検出する温度検出器と、
当該温度検出器により検出された温度データに基づいて、前記加工工具と前記被加工物との相対移動を制御する制御手段とを有することを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
【請求項２】
請求項１記載の工作機械の熱変位補正装置において、加工工具に供給される冷却液が前記冷却媒体であることを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
【請求項３】
請求項１記載の工作機械の熱変位補正装置において、前記移動構造物または被加工物を駆動するモータを冷却する冷却液または冷却空気が前記冷却媒体であることを特徴とする工作機械の熱変位補正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工作機械の熱変位を補正して被加工物の加工精度を高めるようにした熱変位補正技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械は主に金属製の被加工物の不要部分を切断、研削その他の方法によって除去して被加工物を所要の寸法に加工する機械であり、マシニングセンタ、旋盤など種々のものがある。これらの工作機械はベースやおよびベッドなどの固定構造物と、固定構造物に対して移動自在に装着される移動構造物とがあり、移動構造物としては、ベッドに移動自在に装着される往復台およびベースに移動自在に装着されるワークテーブルなどがある。例えば、旋盤においては、ベッドとこれに固定されて被加工物を回転する主軸が組み込まれる主軸台とがそれぞれ固定構造物を構成し、ベッドに主軸の方向に往復動自在に装着される往復動台と、この往復動台に横方向に往復動自在に装着される刃物台とがそれぞれ移動構造物を構成する。一方、被加工物の加工方式としては、旋盤のように被加工物を回転させ、加工工具を刃物台の移動により被加工物に対して送り移動させる方式、およびマシニングセンタのように加工工具を回転させ、被加工物と加工工具の一方または双方を相対的に送り移動させる方式などがあり、送り移動は電動モータや油圧モータなどを有する駆動機構に制御装置から制御信号を送ることにより行われている。
【０００３】
これらの工作機械には、被加工物を回転駆動したり、移動構造物を駆動したりするための駆動源として複数の電動モータや油圧モータが搭載されており、これらが発熱源となって工作機械の構造物を加熱することになる。また、加工工具が被加工物の不要部分を切除する際にもその部分が発熱源となって構造物を加熱することになる。そのため、電動モータなどの駆動源が過加熱されるのを防止するために冷却油や冷却空気を駆動源に供給しており、加工工具が加工時に過加熱されるのを防止するために切削液などを冷却液として加工工具に吹き付けるようにしているが、加工の進行に伴って固定構造物や移動構造物は発熱源の影響を受けて温度が変動することになる。固定構造物や移動構造物の温度が変動すると、加工工具と被加工物との送り移動による相対位置が設定位置よりもずれることになり、加工精度を高めることができなくなる。
【０００４】
そのため、従来では、特許文献１，２に記載されるように、工作機械の熱変位を起こす部位に温度センサを取り付け、温度センサにより得られた温度値とその部位の熱変位との相関を重回帰解析などにより演算し、加工工具と被加工物との相対位置が設定位置となるように、移動構造物の送り移動を補正するようにしている。
【特許文献１】特開平６−２２６５９０号公報
【特許文献２】特開平１１−５８１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、複数の構造物の集合体である工作機械の変位は複雑であり、複数の構造物の熱変位が複合されて加工工具と被加工物との送り移動の相対的位置が設定位置よりもずれることになるので、設定位置のずれに影響を与えることになる熱変位の発生部位を的確に特定することは困難である。そのため、繰り返して熱変位実験を行って、温度センサを取り付けるべき部位を特定する必要があり、その特定には多くの時間を要している。
【０００６】
ところで、工作機械の各構造物に熱変位を発生させる熱源としては、工作機械に組み込まれて被加工物を回転駆動したり移動構造物を駆動したりするためのモータ、および加工工具や被加工物に吹き付けてこれらを冷却するために工作機械に収容されている切削液などの液体があり、発熱源の発生部位は限られており、その特定は比較的容易である。そこで、従来では、加工工具を回転駆動する電動モータを冷却する冷却油の温度を測定する温度センサと、切削液の温度を測定する温度センサとからの測定信号をも加味して補正値を演算することが行われているが、補正精度には限度があった。
【０００７】
この理由は、例えば切削液の温度と切削液により加熱される固定構造物であるベッドの温度との間には、切削液である液体と金属材料からなる構造物とでは比熱、熱伝導率および熱膨張率などの熱的特性が相違するので、比例関係がないからであると考えられる。つまり、切削液の温度データに基づいて固定構造物の熱変位を演算するようにすると、液位と金属とでは熱的特性が相互に相違するので、両者は非線形の関係となってしまい、切削液の温度データに基づいて送り移動を補正したのでは、加工精度を高めることができないと考えられる。
【０００８】
そこで、本発明者は発熱源の温度を直接測定することなく、固定構造物や移動構造物の比熱、熱伝導率および熱膨張率などの熱的特性に対応した等価の熱的特性を有する等価金属体に切削液をさらしたり、駆動源の過加熱を防止する冷却液をさらしたりすることにより、これら流体からの熱伝達による等価金属体の温度変化は、固定構造物や移動構造物の温度変化に対応していると考えて、等価金属体の温度データに基づいて駆動機構による送り移動を制御する技術の検討を行った。その結果、切削液や冷却液などの流体の温度データに基づいて駆動機構を補正制御することなく、等価金属体の温度データに基づいて駆動機構を補正制御すると、高精度で送り移動量を制御することができることが判明した。
【０００９】
本発明の目的は、工作機械の構造物の熱変位を補正して被加工物を高精度に加工し得るようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の工作機械の熱変位補正装置は、固定構造物と当該固定構造物に対して移動自在に装着される移動構造物と当該移動構造物を駆動して加工工具を被加工物に対して相対移動させる駆動機構とを有し、前記加工工具により被加工物を加工する工作機械の熱変位補正装置であって、工作機械の発熱源に冷却媒体を供給して前記発熱源を冷却する冷却媒体供給手段と、前記構造物の熱的特性に対応した熱的特性を有し、前記発熱源に供給されて加熱された後の前記冷却媒体にさらされる等価金属体と、当該等価金属体の温度を検出する温度検出器と、当該温度検出器により検出された温度データに基づいて、前記加工工具と前記被加工物との相対移動を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の工作機械の熱変位補正装置は、加工工具に供給される冷却液が前記冷却媒体であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の工作機械の熱変位補正装置は、前記移動構造物または被加工物を駆動するモータを冷却する冷却液または冷却空気が前記冷却媒体であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、工作機械を構成する固定構造物や移動構造物を熱変形させる要因となる発熱源を冷却するための冷却液などの冷却媒体を、構造物を構成する金属の比熱、熱伝導率および熱膨張率などの構造物の熱的特性に対応した熱的特性を有する等価金属体にさらすようにして、加工工具の被加工物に対する送り移動を等価金属体の温度に基づいて補正するようにしたので、送り移動量を高精度で制御することができ、被加工物の加工精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（Ａ）は工作機械である旋盤を示す正面図であり、図１（Ｂ）は同図（Ａ）の平面図であり、図１（Ｃ）は同図（Ａ）の右側面図である。
【００１５】
旋盤１０は、図１に示すように、鋳鉄や鋳鋼などの金属製の固定構造物であるベッド１１と、このベッド１１に固定され固定構造物である主軸台１２とを有しており、主軸台１２には被加工物Ｗを把持するチャック１３が設けられた主軸１４が組み込まれている。ベッド１１の長手方向つまりＺ軸方向に敷設されたガイドレール１５には、これに沿って直線往復動自在にキャリッジつまり往復台１６が装着されている。この往復台１６にはガイドレール１５に対して直角方向つまりＸ軸方向にガイドレール１７が敷設され、このガイドレール１７に沿って直線往復動自在に横送り台１８が装着されており、往復台１６および横送り台１８はそれぞれ移動構造物となっている。横送り台１８には加工工具である刃物Ｔが着脱自在に取り付けられる刃物台１９が固定されている。
【００１６】
旋盤１０においては、主軸１４を回転駆動させた状態のもとで、往復台１６をＺ軸方向に移動させるとともに横送り台１８をＸ軸方向に移動させて刃物Ｔを被加工物Ｗに対して送り移動することにより、被加工物Ｗは刃物Ｔにより切削加工される。ベッド１１には往復台１６をＺ軸方向に駆動するためのＺ軸サーボモータが設けられ、往復台１６には横送り台１８をＸ軸方向に駆動するためのＸ軸サーボモータが設けられている。
【００１７】
切削加工時には刃物Ｔが被加工物Ｗの不要部分を切除する際にこれらの部分から発熱することから、発熱部の冷却と切削性の確保のために、刃物台１９に設けられたノズル２１から切削液が加工工具である刃物Ｔと被加工物Ｗとに冷却液つまり冷却媒体として塗布され、塗布された切削液はベッド１１内に設けられた液タンク２２内に戻される。
【００１８】
一方、主軸台１２内には主軸１４を回転駆動するために電動モータ２３が組み込まれている。この電動モータ２３はロータが主軸１４に設けられ、主軸１４の外側にステータが配置されたビルドインタイプのモータであり、ステータの外側には電動モータ２３を冷却するための冷却媒体としての冷却油を案内する螺旋状の冷却通路２４が設けられている。
【００１９】
図２（Ａ）は刃物Ｔと被加工物Ｗとに切削液を供給するための切削液供給装置を示す概略図であり、図２（Ｂ）は電動モータ２３に冷却油を供給するためのモータ冷却装置を示す概略図である。
【００２０】
図２（Ａ）に示すように、液タンク２２内に設けられたストレーナ２５とノズル２１とを接続する供給管２６には、電動モータ２７により駆動されるポンプ２８が設けられ、液タンク２２内の切削液はポンプ２８によりノズル２１から塗布される。液タンク２２には塗布された切削液が戻されるとともに、新たな切削液が補充されるようになっている。
【００２１】
図２（Ｂ）に示すように、電動モータ２３はロータとしての主軸１４の外側に配置されるステータ２３ａを有し、その外側には冷却油を案内する冷却通路２４が螺旋状に連なって設けられている。ベッド１１内には冷却油を収容する油タンク３１が設けられており、油タンク３１内に設けられたストレーナ３２と冷却通路２４の入口３３とを接続する供給管３４には、電動モータ３５により駆動されるポンプ３６が設けられている。冷却通路２４を通過して電動モータ２３を冷却した冷却油を油タンク３１に戻すために、出口３７と油タンク３１との間には排出管３８が設けられている。
【００２２】
図２（Ａ）に示すように、ベッド１１内にはノズル２１から刃物Ｔと被加工物Ｗとに供給されてこれらにより加熱された後の切削液が流入する収容室４０が設けられており、この収容室４０内には、ベッド１１を構成する金属材料の比熱、熱伝導率および熱膨張率などの熱的特性に対応した熱的特性を有し、ベッド１１と同種の金属材料からなる等価金属体４１が配置され、等価金属体４１は収容室４０内に流入する切削液にさらされるようになっている。固定構造物としてのベッド１１は、刃物Ｔなどにより加熱された後の切削液により熱的影響を受けてその材料の熱伝導率に応じた速度で内部に熱が伝わるとともに外部に放熱されて温度変化が起こり、さらに熱膨張率に応じた変形量で熱膨張収縮することになる。等価金属体４１はベッド１１と同種の金属材料により形成されているので、加熱された後の切削液により変化するベッド１１の温度に線形に対応して温度変化することになる。等価金属体４１にはその温度を検出するために温度センサ４２が設けられており、検出温度は制御部に送られる。
【００２３】
図２（Ｂ）に示すように、ベッド１１内に配置された等価金属体４１ａは排出管３８に取り付けられており、等価金属体４１ａに形成された貫通孔を冷却油が流れることにより等価金属体４１ａは冷却油にさらされるようになっている。固定構造物としての主軸台１２は、冷却通路２４内を流れて加熱された後の冷却油により熱的影響を受けてその材料の熱伝導率に応じた速度で内部に熱が伝わるとともに外部に放熱されて温度変化が起こり、さらに熱膨張率に応じた変形量で熱膨張収縮することになる。等価金属体４１ａは主軸台１２と同種の金属材料により形成されているので、加熱された後の冷却油により変化する主軸台１２の温度に線形に対応して温度変化することになる。等価金属体４１ａにはその温度を検出するために温度センサ４２ａが設けられており、温度センサ４２と同様に、検出温度は制御部に送られる。
【００２４】
図２（Ｃ）は電動モータ２３を冷却するためのモータ冷却装置の変形例を示す概略図である。このモータ冷却装置は主軸台１２に形成された冷却通路２４ａに冷却空気を供給するようにしており、冷却通路２４ａの入口３３ａに接続される供給管４３にはモータ４４により駆動されるコンプレッサ４５を有しており、フィルタ５０を通って浄化された外部空気は冷却通路２４ａに供給される。冷却通路２４ａの出口３７ａには冷却通路２４ａを通過して電動モータ２３を冷却した冷却空気を案内する排出管４６が接続されており、この排出管４６は等価金属体４１ｂが収容された空気室４７に連通し、空気室４７内に流入した空気は等価金属体４１ｂに熱を伝達した後に外部に排出される。等価金属体４１ｂにはこれの温度を検出するために温度センサ４２ｂが取り付けられている。このように、モータ冷却装置における冷却媒体としては、油などの液体でも空気などの気体でもいずれでも良い。
【００２５】
図１に示す主軸台１２には、図２（Ｂ）に示すように冷却油を案内する冷却通路２４と、図２（Ｃ）に示すように冷却空気を案内する冷却通路２４ａとがそれぞれ設けられており、図１に示すように、冷却油にさらされる等価金属体４１ａと冷却空気にさらされる等価金属体４１ｂとが旋盤１０に設けられ、それぞれの温度を温度センサ４２ａ，４２ｂによりそれぞれ検出するようにしている。ただし、冷却空気と冷却油の一方にさらされる等価金属体の温度を検出するようにしても良い。
【００２６】
等価金属体４１，４１ａに対する冷却媒体としての冷却油や冷却液のさらし方としては、図２（Ａ）に示すように冷却媒体に等価金属体４１をほぼ浸すようにしても良く、または一部を浸すようにしても良い。さらには図２（Ｂ）に示すように等価金属体４１ａに冷却媒体が貫通する孔を形成するようにしても良く、図２（Ｃ）に示すように等価金属体４１ｂに冷却媒体を吹き付けるようにしても良い。
【００２７】
図１に示すように、ベッド１１にはその温度を検出するために温度センサ４８が取り付けられるとともに、往復台１６にはその温度を検出するために温度センサ４９が取り付けられており、それぞれの検出温度は制御部に送られる。
【００２８】
図３はチャック１３に取り付けられた被加工物Ｗに対する刃物Ｔの送り移動、つまり被加工物Ｗと刃物Ｔとの相対位置を制御するための制御機構を示すブロック図であり、図２（Ａ）に示す温度センサ４２、図２（Ｂ）に示す温度センサ４２ａ、図２（ｃ）に示す温度センサ４２ｂ、および図１（Ａ）にそれぞれ示す温度センサ４８，４９からの検出温度に対応した電気信号は、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ，ＲＯＭなどを有する制御部５１にそれぞれＡ／Ｄ変換器を介して送られるようになっている。制御部５１からの制御信号はＮＣ装置５２に送られ、ＮＣ装置５２からの作動信号によって、横送り台１８をＸ軸方向に駆動するＸ軸サーボモータ５３と、往復台１６をＺ軸方向に駆動するＺ軸サーボモータ５４とが駆動されるようになっている。
【００２９】
制御部５１に設けられたＲＯＭには、それぞれの温度センサ４２，４２ａ，４２ｂ，４８，４９により得られた温度データに応じて工作機械の各部位の熱変位を補正する熱変位補正式や温度補正テーブルなどが格納されており、それぞれの検出値に基づいてサーボモータ５３，５４の駆動が制御され、被加工物Ｗに対する刃物Ｔの位置が設定位置となるように刃物Ｔの位置が補正される。
【００３０】
図４は（Ａ）は工作機械であるマシニングセンタを示す正面図であり、図４（Ｂ）は同図（Ａ）の右側面図である。マシニングセンタ１０ａは鋳鉄や鋳鋼などの金属製の固定構造物であるベース６１を有し、ベース６１の長手方向つまりＹ軸方向およびこれに直角の方向であるＸ方向にそれぞれ移動自在のコラム６２と、被加工物Ｗを支持するとともに符号Ｒで示すように回転自在となったワークテーブル６３とがベース６１に設けられており、コラム６２およびワークテーブル６３はそれぞれ移動構造物となっている。コラム６２には加工工具Ｔを回転駆動する主軸頭６４が上下方向に移動自在となっており、主軸頭６４内には加工工具Ｔが装着されるチャック６５を駆動するために電動モータが組み込まれている。さらに、コラム６２には多数の加工工具を保持するマガジンユニット６６が回転自在に装着され、自動工具交換機（ＡＴＣ）６７がコラム６２に取り付けられている。
【００３１】
このようなマシニングセンタ１０ａにおいても、上述した旋盤１０と同様に、発熱源である加工工具Ｔと被加工物Ｗとの接触部に塗布された切削液に等価金属体をさらすようにし、等価金属体に取り付けられた温度センサからの温度データを制御部に送るようにしている。さらに、主軸頭６４内に組み込まれた電動モータを冷却する冷却油や冷却空気に等価金属体をさらすようにし、等価金属体に取り付けられた温度センサからの温度データを制御部に送るようにしている。これらの温度センサに加えて、ベース６１の温度を検出する温度センサとコラム６２の温度を検出する温度センサからの温度データも制御部に送られるようになっており、これらの温度データに基づいて被加工物Ｗに対する加工工具Ｔの送り移動が補正される。
【００３２】
図５（Ａ）は本発明の熱変位補正を示す特性線図であり、図５（Ｂ）は比較例による熱変位補正を示す特性線図である。図５（Ａ）おける実線Ａは、旋盤を用いて被加工物を加工しているときにおける主軸先端面の軸方向の熱変位の一例を示す。一方、図５（Ａ）における一点鎖線Ｂは、実線と同一条件で旋盤を作動させた状態のもとで、本発明の熱変位補正を行った場合における主軸先端面の位置補正結果を示す。本発明においては、図２（Ｃ）に示すように、主軸台１２に形成された冷却通路２４ａにコンプレッサ４５から冷却空気を供給するようにし、この冷却空気にされされた等価金属体４１ｂの温度を温度センサ４２ｂにより検出し、この温度センサ４２ｂによる検出温度と、他の温度センサ４２，４２ａ，４８，４９からの検出温度とに基づいて得られた温度データにより熱変位補正を行った。
【００３３】
主軸先端面が熱により変位すると被加工物Ｗの加工部位も主軸先端面により同一の変位量だけ変位するので、加工工具Ｔで被加工物Ｗを加工する場合には、加工工具Ｔが補正された位置となるように加工工具Ｔをそれぞれのサーボモータ５３，５４により補正された位置となるように送りが制御される。
【００３４】
図５（Ｂ）における実線Ａは、図５（Ａ）の実線Ａと同一の主軸先端面の軸方向の熱変位を示し、破線Ｃは、図２（Ｃ）に示す旋盤の主軸台１２の温度を測定し、その検出温度と、他の温度センサ４２，４８，４９からの検出温度とに基づいて得られた温度データにより熱変位補正を行った場合における主軸先端面の補正結果を比較例として示す。
【００３５】
図５（Ａ）における一点鎖線Ｂと図５（Ｂ）における破線Ｃとの比較から分かるように、等価金属体４１ｂの温度に基づいて熱変位補正を行うと、実際の主軸１４の先端面の熱変位と補正値との偏差が、主軸台１２の温度を検出する場合よりも小さくなり、被加工物の加工精度を向上させることができる。破線Ｃで示すように、主軸台１２の温度を測定して熱変位補正を行うと、主軸台１２の温度と主軸１４の軸方向熱変位量との間の相関関係は、冷却空気と主軸１４の軸方向熱変位量との間の相関関係よりも低いので、高精度の熱変位補正を行うことができないが、本発明によれば冷却空気によりさらされる等価金属体４１ｂの温度データに基づいて熱変位補正することにより、図５（Ａ）に示されるように、高精度の熱変位補正を行うことができる。
【００３６】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、工作機械としては、上述したように旋盤１０およびマシニングセンタ１０ａに本発明を適用した場合について説明したが、これらの工作機械以外に中ぐり盤、フライス盤、形削り盤、研削盤など種々の工作機械があり、固定構造物と、これに対して移動自在に装着される移動構造物と、移動構造物を駆動するモータなどの発熱源とを有する工作機械であれば、本発明を適用することができる。また、等価金属体としては図示するように構造物から独立した金属ブロックが使用されているが、構造物のうち発熱源からの熱的影響を受けない部分を等価金属体として使用するようにしても良い。さらに、マシニングセンタ１０ａの場合には、ワークテーブル６３を回転駆動するためのモータを冷却する冷却媒体にさらされる等価金属体を設けてこれの温度を検出して制御部に検出データを送るようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】（Ａ）は工作機械である旋盤を示す正面図であり、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面図であり、（Ｃ）は同図（Ａ）の右側面図である。
【図２】（Ａ）は刃物と被加工物とに切削液を供給するための切削液供給装置を示す概略図であり、（Ｂ）は電動モータに冷却油を供給するためのモータ冷却装置を示す概略図であり、（Ｃ）は電動モータを冷却するためのモータ冷却装置の変形例を示す概略図である。
【図３】被加工物と刃物との相対位置を制御するための制御機構を示すブロック図である。
【図４】（Ａ）は工作機械であるマシニングセンタを示す正面図であり、（Ｂ）は同図（Ａ）の右側面図である。
【図５】（Ａ）は本発明の熱変位補正を示す特性線図であり、（Ｂ）は比較例による熱変位補正を示す特性線図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０    旋盤
１０ａ  マシニングセンタ
１１    ベッド
１２    主軸台
１４    主軸
１６    往復台
１８    横送り台
２１    ノズル
２２    液タンク
２３    電動モータ
２４    冷却通路
３１    油タンク
４１，４１ａ，４１ｂ  等価金属体
４２，４２ａ，４２ｂ  温度センサ（温度検出器）
５１    制御部（制御手段）
Ｔ    加工工具（刃物）
Ｗ    被加工物
【図１】
2007038323.tif 000003
【図２】
2007038323.tif 000004
【図３】
2007038323.tif 000005
【図４】
2007038323.tif 000006
【図５】
2007038323.tif 000007