(57)【要約】【課題】簡易な構成でより高精度に熱変位補正が可能な工作機械の熱変位補正方法等を提供すること。【解決手段】支持剛性推定部５４は、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈ、垂直方向の支持剛性Ｋｖを、熱伸長量取得部５２、温度変化量取得部５３において取得される部材１５（コラム１０）の熱伸長量ΔＬ、温度変化量Δｔに基づいて推定している。コラム１０の姿勢に大きく影響する支持剛性Ｋｈ，Ｋｖが経時変化した場合、支持剛性推定部５４は、熱伸長量ΔＬ、温度変化量Δｔに基づいて経時変化した支持剛性Ｋｈ，Ｋｖを一旦推定し、熱変位量導出部５５は、該支持剛性Ｋｈ，Ｋｖに基づいてコラム１０の水平方向の熱変位量ΔＭ１ｈおよび垂直方向の熱変位量ΔＭ１ｖを求めている。よって、水平方向の熱変位量ΔＭ１ｈおよび垂直方向の熱変位量ΔＭ１ｖの精度を高めることができ、簡易な構成でより高精度な熱変位補正が可能となる。【選択図】図２
2012011509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の基台に水平方向に移動可能に支持され第１指令位置に基づいて前記基台に対して移動し、経時変化により前記基台に対する支持剛性が変化する支持体と、当該支持体に垂直方向に移動可能に支持され第２指令位置に基づいて前記支持体に対して移動する移動体と、を備える工作機械の熱変位補正方法において、
前記支持体の熱変形前後において、前記支持体に設定された熱伸長検査点の水平方向の熱伸長量を取得する熱伸長量取得工程と、
前記支持体の熱変形前後において、前記支持体に設定された温度検査点の温度変化量を取得する温度変化量取得工程と、
前記熱伸長量および前記温度変化量に基づいて、前記支持体に対する経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性を推定する支持剛性推定工程と、
前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性および前記垂直方向の支持剛性に基づいて、前記支持体の熱変位量を求める熱変位量導出工程と、
前記熱変位量に基づいて、前記第２指令位置に対する補正値を算出する補正値算出工程と、
前記補正値により前記移動体の前記第２指令位置を補正する補正工程と、
を備え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】
請求項１において、
前記支持体が前記工作機械の基台に水平方向に２箇所の支持点で支持されている場合、前記熱伸長量取得工程は、２箇所の前記支持点の中間に設定された前記熱伸長検査点の水平方向の熱伸長量を取得し、前記温度変化量取得工程は、前記熱伸長検査点の水平方向の片側もしくは両側に設定された前記温度検査点の温度変化量を取得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３】
請求項２において、
前記支持体が２箇所の前記支持点で転がりガイドにより支持されている場合、前記支持剛性推定工程は、取得した前記熱伸長量および前記温度変化量に基づいて、前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性を推定し、該水平方向の支持剛性が前記支持体に対する経時変化した前記垂直方向の支持剛性と等しいとして該垂直方向の支持剛性を推定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４】
請求項２において、
前記支持剛性推定工程は、予め記憶されている前記熱伸長量と前記温度変化量との関係式と、取得した前記熱伸長量および前記温度変化量とに基づいて、前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性および前記垂直方向の支持剛性を推定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５】
請求項１〜４の何れか一項において、
前記熱伸長量取得工程は、前記熱伸長検査点に配置された歪みセンサにより測定される前記支持体の歪みに基づいて前記熱伸長量を取得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６】
請求項１〜５の何れか一項において、
前記熱変位量導出工程は、前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性および前記垂直方向の支持剛性と、前記移動体が移動することにより発生する前記支持体の摺動面における温度変化量とから前記支持体の熱変位量を求めることを特徴とする工作機械の熱変位補正方法。
【請求項７】
工作機械の基台に水平方向に移動可能に支持され第１指令位置に基づいて前記基台に対して移動し、経時変化により前記基台に対する支持剛性が変化する支持体と、当該支持体に垂直方向に移動可能に支持され第２指令位置に基づいて前記支持体に対して移動する移動体と、を備える工作機械の熱変位補正装置において、
前記支持体の熱変形前後において、前記支持体に設定された熱伸長検査点の水平方向の熱伸長量を取得する熱伸長量取得手段と、
前記支持体の熱変形前後において、前記支持体に設定された温度検査点の温度変化量を取得する温度変化量取得手段と、
前記熱伸長量および前記温度変化量に基づいて、前記支持体に対する経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性を推定する支持剛性推定手段と、
前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性および前記垂直方向の支持剛性に基づいて、前記支持体の熱変位量を求める熱変位量導出手段と、
前記熱変位量に基づいて、前記第２指令位置に対する補正値を算出する補正値算出手段と、
前記補正値により前記移動体の前記第２指令位置を補正する補正手段と、
を備え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、工作機械における熱変位補正方法および熱変位補正装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械は、制御装置により各駆動軸を位置制御することにより工作物の加工を行っている。この工作機械において、工具による加工やモータの回転等の内的要因による発熱および設置環境の室温変動等の外的要因による熱伝達により、移動体を支持する支持体が熱変形することがある。支持体の熱変形は、移動体の位置に影響を及ぼすため、加工精度の低下を招来するおそれがある。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１には、以下の工作機械における熱変位補正装置（姿勢制御装置）が開示されている。この装置は、支持体（コラム）の壁面に発生した温度変化による変位を、支持体の壁面に設置されている歪みセンサ（変位センサ）により検出する。そして、検出した変位値に応じて、支持体の壁面に設置されている熱アクチュエータに制御信号を出力し、支持体の壁面を加熱または冷却して支持体の壁面を伸縮制御し、移動体を所定の位置に保持する。
【０００４】
また、例えば、特許文献２には、以下の工作機械における熱変位補正方法が開示されている。この方法は、発熱源の影響を受ける支持体の温度変化を検出し、検出した温度変化を用いて、ある時定数等の熱特性を有する工作機械の熱変位の熱的挙動と略同じ挙動をするような温度変化を演算する。そして、算出した演算温度変化と上述の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する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−８２６４９号公報（第３頁右上欄第１８行から左下欄第７行、図１）
【特許文献２】特開平９−１０８９９２号公報（段落００１０、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の特許文献１に記載の熱変位補正装置では、歪みセンサにより支持体の傾倒を検出して熱アクチュエータにより支持体を起立させる装置であるが、この装置では支持体の位置精度を高めるためには非常に多数の歪みセンサおよび熱アクチュエータが必要となり、装置の構成が複雑となり高価になる傾向にある。
【０００７】
また、従来の特許文献２に記載の熱変位補正方法では、温度測定により支持体の熱変位を補正できる。ここで、一般的に、支持体の熱変形による伸び量や姿勢は、支持体の熱変形により発生する力と支持体の静剛性による釣り合いで決定される。しかし、特許文献２に記載の熱変位補正方法では、支持体の静剛性や拘束条件が変化しないことが前提となっている。
【０００８】
よって、例えば、支持体とベッド上のレールとの間に設けられ、支持体を移動可能に支持する転がりガイドは、運動を繰り返す間に摩耗してガイド内の予圧が低下し、支持剛性が経時変化するので、特許文献２に記載の熱変位補正方法では高精度な熱変位補正が困難となるおそれがある。
【０００９】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、簡易な構成でより高精度に熱変位補正が可能な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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（工作機械の熱変位補正方法）
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の工作機械の熱変位補正方法に係る発明の構成上の特徴は、
工作機械の基台に水平方向に移動可能に支持され第１指令位置に基づいて前記基台に対して移動し、経時変化により前記基台に対する支持剛性が変化する支持体と、当該支持体に垂直方向に移動可能に支持され第２指令位置に基づいて前記支持体に対して移動する移動体と、を備える工作機械の熱変位補正方法において、
前記支持体の熱変形前後において、前記支持体に設定された熱伸長検査点の水平方向の熱伸長量を取得する熱伸長量取得工程と、
前記支持体の熱変形前後において、前記支持体に設定された温度検査点の温度変化量を取得する温度変化量取得工程と、
前記熱伸長量および前記温度変化量に基づいて、前記支持体に対する経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性を推定する支持剛性推定工程と、
前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性および前記垂直方向の支持剛性に基づいて、前記支持体の熱変位量を求める熱変位量導出工程と、
前記熱変位量に基づいて、前記第２指令位置に対する補正値を算出する補正値算出工程と、
前記補正値により前記移動体の前記第２指令位置を補正する補正工程と、
を備えることである。
【００１１】
請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、
前記支持体が前記工作機械の基台に水平方向に２箇所の支持点で支持されている場合、前記熱伸長量取得工程は、２箇所の前記支持点の中間に設定された前記熱伸長検査点の水平方向の熱伸長量を取得し、前記温度変化量取得工程は、前記熱伸長検査点の水平方向の片側もしくは両側に設定された前記温度検査点の温度変化量を取得することである。
【００１２】
請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項２において、
前記支持体が２箇所の前記支持点で転がりガイドにより支持されている場合、前記支持剛性推定工程は、取得した前記熱伸長量および前記温度変化量に基づいて、前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性を推定し、該水平方向の支持剛性が前記支持体に対する経時変化した前記垂直方向の支持剛性と等しいとして該垂直方向の支持剛性を推定することである。
【００１３】
請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、請求項２において、
前記支持剛性推定工程は、予め記憶されている前記熱伸長量と前記温度変化量との関係式と、取得した前記熱伸長量および前記温度変化量とに基づいて、前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性および前記垂直方向の支持剛性を推定することである。
【００１４】
請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１〜４の何れか一項において、
前記熱伸長量取得工程は、前記熱伸長検査点に配置された歪みセンサにより測定される前記支持体の歪みに基づいて前記熱伸長量を取得することである。
【００１５】
請求項６に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１〜５の何れか一項において、
前記熱変位量導出工程は、前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性および前記垂直方向の支持剛性と、前記移動体が移動することにより発生する前記支持体の摺動面における温度変化量とから前記支持体の熱変位量を求めることである。
【００１６】
（工作機械の熱変位補正装置）
上記の課題を解決するため、請求項７に記載の工作機械の熱変位補正装置に係る発明の構成上の特徴は、
工作機械の基台に水平方向に移動可能に支持され第１指令位置に基づいて前記基台に対して移動し、経時変化により前記基台に対する支持剛性が変化する支持体と、当該支持体に垂直方向に移動可能に支持され第２指令位置に基づいて前記支持体に対して移動する移動体と、を備える工作機械の熱変位補正装置において、
前記支持体の熱変形前後において、前記支持体に設定された熱伸長検査点の水平方向の熱伸長量を取得する熱伸長量取得手段と、
前記支持体の熱変形前後において、前記支持体に設定された温度検査点の温度変化量を取得する温度変化量取得手段と、
前記熱伸長量および前記温度変化量に基づいて、前記支持体に対する経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性を推定する支持剛性推定手段と、
前記支持体に対する経時変化した前記水平方向の支持剛性および前記垂直方向の支持剛性に基づいて、前記支持体の熱変位量を求める熱変位量導出手段と、
前記熱変位量に基づいて、前記第２指令位置に対する補正値を算出する補正値算出手段と、
前記補正値により前記移動体の前記第２指令位置を補正する補正手段と、
を備えることである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明によると、支持剛性推定工程において推定される支持体に対する経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性は、熱伸長量取得工程および温度変化量取得工程において取得される支持体の熱伸長量および温度変化量に基づいて推定される構成としている。支持体の姿勢に大きく影響する水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性が経時変化した場合、支持体の温度変化量のみでは支持体の熱変位量を高精度に推定することは困難であるが、本発明のように、熱伸長量および温度変化量に基づいて経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性を一旦推定し、該水平方向の支持剛性および該垂直方向の支持剛性に基づいて支持体の熱変位量を求めているので、該熱変位量の精度を高めることができ、簡易な構成でより高精度な熱変位補正が可能となる。
【００１８】
請求項２に係る発明によると、熱伸長量取得工程は、支持体を支持する水平方向の２箇所の支持点の中間に設定された熱伸長検査点の熱伸長量を取得し、温度変化量取得工程は、熱伸長検査点の水平方向の片側もしくは両側に設定された温度検査点の温度変化量を取得する構成としている。２箇所の支持点の中間に設定した熱伸長検査点の熱伸長量は、経時変化した水平方向の支持剛性を推定する上で精度を高めることができる。そして、その近傍の温度検査点の温度変化量も、経時変化した水平方向の支持剛性を推定する上で精度を高めることができる。特に、温度検査点を熱伸長検査点の両側に設定することで、経時変化した水平方向の支持剛性の推定精度をさらに高めることができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によると、支持体は、工作機械の基台に転がりガイドにより支持されている構成としている。転がりガイドの例えば予圧低下による支持剛性の経時変化は、一般的に垂直方向および水平方向ともに同様に変化する。したがって、経時変化した水平方向の支持剛性を推定することにより、経時変化した垂直方向の支持剛性を容易に推定することができる。よって、経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性に基づいて支持体の熱変位量を高精度に求めることができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によると、支持剛性推定工程は、予め記憶されている熱伸長量と温度変化量との関係式と、取得した熱伸長量および温度変化量とに基づいて、支持体の経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性を推定する構成としている。熱伸長量と温度変化量との関係式は、水平方向の支持剛性又は垂直方向の支持剛性を係数とした式で表されるため、取得した熱伸長量および温度変化量に対応する関係式を求めることにより、経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性を容易に推定することができる。よって、経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性に基づいて支持体の熱変位量を高精度に求めることができる。
【００２１】
請求項５に係る発明によると、熱伸長量取得工程は、熱伸長検査点に配置された歪みセンサにより測定される支持体の歪みに基づいて熱伸長量を取得する構成としている。この歪みセンサは、例えば、支持体の伸縮により内部の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化により歪みを測定する歪みゲージとしてもよい。そして、熱伸長量取得工程は、支持体の熱変形に伴う歪みを測定し、この歪みから支持体の熱伸長量を検出することができる。
【００２２】
請求項６に係る発明によると、熱変位量導出工程は、移動体が移動することにより発生する支持体の摺動面における温度変化量から支持体の熱変位量を求める構成としている。支持体は、工作機械の加工や環境温度の変化等の熱影響により熱膨張して変形する。特に、支持している移動体が移動することによる発熱が支持体の熱変形に大きく影響している。そこで、工作機械の熱影響を移動体が移動する支持体の摺動面における熱影響とするものとしてもよい。これにより、支持体の変形形状をこの摺動面として直線近似することができる。よって、摺動面を対象とした補正値を算出し、より適切な熱変位補正を行うことができる。
【００２３】
請求項７に係る発明によると、支持剛性推定手段において推定される支持体に対する経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性は、熱伸長量取得手段および温度変化量取得手段において取得される支持体の熱伸長量および温度変化量に基づいて推定される構成としている。支持体の姿勢に大きく影響する水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性が経時変化した場合、支持体の温度変化量のみでは支持体の熱変位量を高精度に推定することは困難であるが、本発明のように、熱伸長量および温度変化量に基づいて経時変化した水平方向の支持剛性および垂直方向の支持剛性を一旦推定し、該水平方向の支持剛性および該垂直方向の支持剛性に基づいて支持体の熱変位量を求めているので、該熱変位量の精度を高めることができ、より高精度な熱変位補正が可能となる。
【００２４】
また、本発明の工作機械の熱変位補正方法としての他の特徴部分について、本発明の工作機械の熱変位補正装置に同様に適用可能である。そして、この場合における効果についても、上記工作機械の熱変位補正方法としての効果と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係る工作機械の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１の工作機械の数値制御装置を示すブロック図である。
【図３】図１の工作機械のコラムの一部の概略側面図であり、歪みセンサおよび温度センサの取付位置を示す図である。
【図４】コラムに対するボールガイドの支持剛性を表す図である。
【図５】コラムに対するボールガイドの経時変化した支持剛性を求めるための、支持剛性を係数とした熱伸長量と温度変化量との関係式を表すグラフである。
【図６】数値制御装置の熱変位量導出部および補正値算出部における熱変位量の導出および補正値の算出を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の工作機械の熱変位補正方法および熱変位補正装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。工作機械として、３軸マシニングセンタを例に挙げて説明する。つまり、当該工作機械は駆動軸として、相互に直交する３つの直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）を有する工作機械である。実施形態の工作機械の熱変位補正装置について図１〜図３を参照して説明する。図１は、工作機械の全体図である。図２は、工作機械の数値制御装置（熱変位補正装置）を示すブロック図である。図３は、工作機械のコラムの一部の概略側面図である。
【００２７】
工作機械１は、図１に示すように、ベッド２と、コラム１０（本発明の「支持体」に相当する）と、サドル２０（本発明の「移動体」に相当する）と、回転主軸３０と、テーブル４０と、図２に示す数値制御装置５０（本発明の「熱変位補正装置」に相当する）とを備えている。工作物Ｗは、工作機械１によって加工される被加工部材である。ベッド２は、床面に設置されており、上面にＸ軸方向（水平方向）に延在する一対のレール３およびＸ軸方向と直交するＺ軸方向（水平方向）に延在する一対のレール４が設けられている。
【００２８】
コラム１０は、底面にＸ軸方向に延在する一対のガイド溝１０ａが形成され、ベッド２に対してＸ軸方向に移動可能なように、一対のガイド溝１０ａがＸ軸方向に延在する一対のレール３上にボールガイド１１（本発明の「転がりガイド」、「支持点」に相当する）を介して嵌め込まれ、底面がベッド２の上面に密接されている。このボールガイド１１は、図３に示すように、上下左右の４箇所で４５°の方向に支持するボール１１ａが配置されたガイドである。
【００２９】
コラム１０は、ベッド２に固定された図略のＸ軸モータの回転駆動によりレール３にガイドされながらベッド２の上面に沿ってＸ軸方向へ摺動する。このコラム１０は、サドル２０をＹ軸方向に摺動可能に支持する支持体であり、摺動面１０ｂ（Ｘ軸に平行な側面）にはＸ軸方向およびＺ軸方向と直交するＹ軸方向（垂直方向）に延在する一対のレール５が設けられている。
【００３０】
コラム１０の摺動面１０ｂに直交する側面１０ｃ（Ｚ軸に平行な側面）には、熱変位補正を行うために、図３に示すように、１つの熱伸長検査点Ｐ１および２つの温度検査点Ｐ２，Ｐ２が設定され、熱伸長検査点Ｐ１には歪みゲージ等の歪みセンサ１２（本発明の「歪みセンサ」に相当する）が貼着され、温度検査点Ｐ２，Ｐ２にはサーミスタ等の第１温度センサ１３（本発明の「温度センサ」に相当する）が夫々貼着されている。熱伸長検査点Ｐ１は、コラム１０の側面１０ｃにおいて、一対のレール３上のボールガイド１１の中間に設定され、温度検査点Ｐ２，Ｐ２は、熱伸長検査点Ｐ１の水平方向の両側に設定されている。
【００３１】
歪みセンサ１２は、設置された箇所において、コラム１０の歪みを検知して、歪みに応じた信号を数値制御装置５０に出力している。各第１温度センサ１３は、設置された各箇所において、コラム１０の温度を検知して、温度に応じた信号を数値制御装置５０に出力している。また、温度検査点Ｐ２は、熱伸長検査点Ｐ１の水平方向の片側のみに設定し、そこに第１温度センサ１３を１つ貼着するようにしてもよい。
【００３２】
コラム１０の摺動面１０ｂの内部には、熱変位補正を行うために、図３に示すように、複数（本例では６つ）のサーミスタ等の第２温度センサ１４が設置されている。各第２温度センサ１４は、コラム１０の摺動面１０ｂの内部において、基準検査点Ｐａ０、第１検査点Ｐａ１および第２検査点Ｐａ２の３箇所、並びにコラム１０の背面１０ｄの内部において第３検査点Ｐａ３、第４検査点Ｐａ４および第５検査点Ｐａ５の３箇所の計６箇所に設置されている。基準検査点Ｐａ０、第１検査点Ｐａ１および第２検査点Ｐａ２は、ベッド２からコラム１０の全高に対して、それぞれ２割程度の高さ、４割程度の高さおよび８割程度の高さに設定されている。第３検査点Ｐａ３、第４検査点Ｐａ４および第５検査点Ｐａ５も、ベッド２からコラム１０の全高に対して、それぞれ２割程度の高さ、４割程度の高さおよび８割程度の高さに設定されている。各第２温度センサ１４は、設置された各箇所において、コラム１０の温度を検知して、温度に応じた信号を数値制御装置５０に出力している。
【００３３】
このコラム１０が工具による加工やモータの回転等の内的要因による発熱および設置環境の室温変動等の外的要因による熱伝達等の工作機械１の熱影響により熱変形することから、数値制御装置５０は、コラム１０の熱変形に伴うサドル２０の熱変位を補正の対象としている。そして、コラム１０を支持するボールガイド１１は、転がりガイドであるため滑りガイドや静圧ガイドと異なり、運動を繰り返す間に摩耗してガイド内の予圧が低下し、コラム１０に対する支持剛性が経時変化するので、本実施形態では、歪みセンサ１２および第１温度センサ１３から取得した熱伸長量および温度変化量に基づいて、コラム１０に対する経時変化した支持剛性を推定して熱変位補正を行うものとしている。転がりガイドとしては、ボールガイド１１の他に、例えばニードルガイドであってもよい。なお、熱変位補正の詳細については後述する。
【００３４】
サドル２０は、コラム１０の摺動面１０ｂに対向する側面２０ｂにＺ軸方向に延在する一対のガイド溝２０ａが形成され、コラム１０に対してＹ軸方向に移動可能なように、一対のガイド溝２０ａがＹ軸方向に延在する一対のレール５に嵌め込まれ、側面２０ｂがコラム１０の摺動面１０ｂに密接されている。サドル２０は、コラム１０に固定された図略のＹ軸モータの回転駆動によりレール５にガイドされながらコラム１０の摺動面１０ｂに沿ってＹ軸方向へ摺動する。このサドル２０は、回転主軸３０を軸回りで回転可能に支持してＹ軸方向に移動する移動体である。
【００３５】
回転主軸３０は、サドル２０内に収容された図略の主軸モータにより回転可能に設けられ、工具３１を支持している。工具３１は、回転主軸３０の先端に固定され、回転主軸３０の回転に伴って回転する。また、工具３１は、コラム１０およびサドル２０の移動に伴ってベッド２に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に移動する。なお、工具３１としては、例えば、ボールエンドミル、エンドミル、ドリル、タップ等である。
【００３６】
テーブル４０は、ベッド２に対してＺ軸方向に移動可能なように、Ｚ軸方向に延在する一対のレール４上に設けられている。テーブル４０は、ベッド２に固定された図略のＺ軸モータの回転駆動によりレール４にガイドされながらＺ軸方向へ移動する。このテーブル４０は、上面に工作物Ｗを固定する治具４１が設置されており、工作物ＷをＺ軸方向に移動する送り台である。このような工作機械１においては、制御装置５０による指令位置に基づいて、コラム１０、サドル２０、および、テーブル４０が指令位置に移動するように制御される。これにより、工作物Ｗに対して工具３１を相対移動させて加工を行っている。
【００３７】
数値制御装置５０は、工作機械１の熱影響による熱変位を補正し、ＮＣデータに基づいて各軸モータおよび主軸モータ等を制御する装置であり、以下、本発明の特徴的な部分の構成について説明する。数値制御装置５０は、図２に示すように、制御部５１と、熱伸長量取得部５２と、温度変化量取得部５３と、支持剛性推定部５４と、熱変位量導出部５５と、補正値算出部５６と、補正部５７と、メモリ５８とを有する。ここで、制御部５１、熱伸長量取得部５２、温度変化量取得部５３、支持剛性推定部５４、熱変位量導出部５５、補正値算出部５６、および補正部５７は、それぞれ個別のハードウエアによる構成することもできるし、ソフトウエアによりそれぞれ実現する構成とすることもできる。
【００３８】
制御部５１は、入力されるＮＣデータに基づいて各軸モータおよび主軸モータ等の駆動モータ６０を制御する。これにより、数値制御装置５０は、コラム１０、サドル２０、およびテーブル４０を移動制御し、回転主軸３０を回転制御し、工作物Ｗに対して回転駆動させた工具３１を相対移動させて加工を行っている。
【００３９】
上述したように、数値制御装置５０は、コラム１０に対する経時変化した支持剛性に基づいて工作機械１の熱影響による熱変位を補正する熱変位補正装置である。つまり、数値制御装置５０は、コラム１０に対する経時変化した支持剛性を推定し、その支持剛性に基づいて工作機械１の熱影響によるコラム１０の熱変形に対応した補正値を算出し、この補正値に基づいて制御部５１による駆動モータ６０の制御を補正することで加工の高精度化を図っている。
【００４０】
熱伸長量取得部５２は、コラム１０の熱変形前後において、熱伸長検査点Ｐ１の熱伸長量を取得する熱伸長量取得手段である。温度変化量取得部５３は、コラム１０の熱変形前後において、２つの温度検査点Ｐ２，Ｐ２の温度変化量を取得する温度変化量取得手段である。支持剛性推定部５４は、熱伸長量および温度変化量に基づいて、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを推定する支持剛性推定手段である。
【００４１】
熱変位量導出部５５は、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖに基づいて、コラム１０の熱変位量を求める熱変位量導出手段である。補正値算出部５６は、コラム１０の熱変位量に基づいて、サドル２０の指令位置（本発明の「第２指令位置」に相当する）に対する補正値を算出する補正値算出手段である。この指令位置とは、制御部５１が入力されるＮＣデータに基づいて各軸モータを制御するために出力する値である。補正部５７は、算出した補正値によりサドル２０の指令位置を補正する補正手段である。
【００４２】
以上のような構成の数値制御装置５０の動作を説明する。ここで、図４に示すように、コラム１０は一対のレール３上のボールガイド１１により支持剛性Ｋｈの水平方向のバネ１１ｂと支持剛性Ｋｖの垂直方向のバネ１１ｃに支持されていると考えられる。そこで、以下の説明では、一対のレール３上のボールガイド１１間において、長さＬ、断面積Ａの仮想の部材１５の両端に、水平方向のバネ１１ｂからバネ力Ｆが掛かっているとして、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈを推定する。
【００４３】
そして、ボールガイド１１は上下左右にボール１１ａが配置されているため、ボール１１ａの摩耗による剛性低下の影響は上下左右同等に受けると考えられる。よって、コラム１０に対する経時変化した垂直方向の支持剛性Ｋｖは、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈと等しいと推定する。
【００４４】
先ず、熱伸長量取得工程において、コラム１０の熱変形前後における熱伸長検査点Ｐ１の熱伸長量を取得する。つまり、熱伸長量取得部５２は、熱伸長検査点Ｐ１に貼着されている歪みセンサ１２から部材１５の熱変形前後における歪みεの信号を入力し、メモリ５８に予め記憶されている部材１５の長さＬを読み出して部材１５の熱伸長量ΔＬ（＝εＬ）を取得する。
【００４５】
また、温度変化量取得工程において、コラム１０の熱変形前後における２つの温度検査点Ｐ２，Ｐ２の温度変化量を取得する。つまり、温度変化量取得部５３は、２つの温度検査点Ｐ２，Ｐ２に貼着されている第１温度センサ１３，１３から部材１５の熱変形前後における温度ｔ１，ｔ２およびｔ１１，ｔ１２の信号を夫々入力し、各温度差ｔ１−ｔ２，ｔ１１−ｔ１２の平均値（（ｔ１−ｔ２）＋（ｔ１１−ｔ１２））／２を部材１５の温度変化量Δｔとして取得する。
【００４６】
そして、支持剛性推定工程において、熱伸長量ΔＬおよび温度変化量Δｔに基づいて、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを推定する。つまり、支持剛性推定部５４は、熱伸長量取得部５２および温度変化量取得部５３から部材１５の熱伸長量ΔＬおよび部材１５の温度変化量Δｔを入力し、メモリ５８に予め記憶されている部材１５の長さＬ、部材１５の断面積Ａ、および部材１５のヤング率Ｅを読み出して、メモリ５８に予め記憶されているコラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈを表す式（５）に代入して該支持剛性Ｋｈを推定し、次に、コラム１０に対する経時変化した垂直方向の支持剛性Ｋｖを推定する。
【００４７】
ここで、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈが、式（５）で表されることを説明する。先ず、フックの法則から、バネ１１ｂのバネ力Ｆは、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈと、部材１５の熱伸長量ΔＬとにより式（１）で表される。
Ｆ＝Ｋｈ・ΔＬ／２…（１）
【００４８】
また、フックの法則から、バネ１１ｂのバネ力Ｆは、部材１５の断面積Ａと、部材１５のヤング率Ｅと、部材１５の熱伸長量ΔＬと、部材１５の熱変形前後における部材１５の本来の熱伸長量ΔＬｔとにより式（２）で表される。
Ｆ＝Ａ・Ｅ（ΔＬｔ−ΔＬ）／Ｌ…（２）
【００４９】
よって、式（１）および式（２）から、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈは、式（３）で表される。
Ｋｈ＝２・Ａ・Ｅ（ΔＬｔ−ΔＬ）／（Ｌ・ΔＬ）…（３）
【００５０】
また、部材１５の熱変形前後における部材１５の本来の熱伸長量ΔＬｔは、部材１５の熱膨張率αと、部材１５の長さＬと、部材１５の温度変化量Δｔとにより式（４）で表される。
ΔＬｔ＝α・Ｌ・Δｔ…（４）
【００５１】
よって、式（３）および式（４）から、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈは、式（５）で表される。そして、コラム１０に対する経時変化した垂直方向の支持剛性Ｋｖは、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈと等しいので、支持剛性Ｋｈをそのまま支持剛性Ｋｖとする。
Ｋｈ＝２・Ａ・Ｅ（（α・Δｔ／ΔＬ）−（１／Ｌ））…（５）
【００５２】
また、支持剛性推定部５４は、熱伸長量取得部５２および温度変化量取得部５３から部材１５の熱伸長量ΔＬおよび部材１５の温度変化量Δｔを入力し、メモリ５８に予め記憶されている図５に示すような支持剛性Ｋを係数とした熱伸長量ΔＬと温度変化量Δｔとの関係式を表すグラフに基づいて、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを推定するようにしてもよい。
【００５３】
すなわち、温度変化量Δｔに対する熱伸長量ΔＬの値は、支持剛性ＫがＫ２＞Ｋ０＞Ｋ１と小さくなるほど大きく増加する傾向があるが、これらの関係式を表すグラフを予め求めておくことにより、取得した部材１５の熱伸長量ΔＬおよび部材１５の温度変化量Δｔに基づいて、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを推定することができる。
【００５４】
ここで、本実施形態における熱変位補正は、工作機械１の熱影響によるコラム１０の熱変形に伴う回転主軸３０の先端の熱変位を補正の対象としている。そこで先ず、熱変位量導出工程において、コラム１０の熱変位量を推定する。つまり、熱変位量導出部５５は、各検査点Ｐａ０〜Ｐａ６に設けられている各第２温度センサ１４からコラム１０の熱変形前後における温度の信号を夫々入力し、各温度信号に基づいて既知の方法によりコラム１０の熱変位量を推定する。
【００５５】
そして次に、補正値算出工程において、コラム１０の熱変位量を回転主軸３０の先端の熱変位量に換算して補正値を算出する。つまり、補正値算出部５６は、支持剛性推定部５４からコラム１０の経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを入力し、各支持剛性Ｋｈ，Ｋｖに基づいて既知の方法によりコラム１０の熱変位量を回転主軸３０の先端の熱変位量に換算して補正値を算出する。このようにして、数値制御装置５０は、工作機械１の加工中において、コラム１０の経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを加味したコラム１０の熱変形に伴う回転主軸３０の先端の熱変位を逐次補正することにより、加工の高精度化を図っている。
【００５６】
また、本実施形態における熱変位補正の別例としては、工作機械１の熱影響によるコラム１０の熱変形に伴うサドル２０の熱変位を補正の対象としている。そして、説明を簡易化するために、図６に示すように、コラム１０は、熱影響によりテーブル４０側のＺ軸方向に屈み込むように熱変形するものとする。換言すると、熱影響によるコラム１０の変形のうち、Ｙ−Ｚ平面に投影される変形形状に係る熱変位を補正対象としている。よって、熱変位補正は、移動体であるサドル２０の移動方向（Ｙ軸方向）の駆動軸およびテーブル４０の移動方向（Ｚ軸方向）の駆動軸の補正値を算出するものとする。
【００５７】
そこで、熱変位量導出工程において、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖに基づいて、コラム１０の熱変位量を求める。つまり、熱変位量導出部５５は、支持剛性推定部５４からコラム１０の経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを入力し、例えば、第１検査点Ｐａ１に設けられている第２温度センサ１４からコラム１０の熱変形前後における温度の信号を夫々入力し、水平方向の熱変位量ΔＭ１ｈおよび垂直方向の熱変位量ΔＭ１ｖと、第１検査点Ｐａ１における温度変化量とに基づいて、既知の方法により第１検査点Ｐａ１における水平方向の熱変位量ΔＭ１ｈおよび垂直方向の熱変位量ΔＭ１ｖを求め、第１検査点Ｐａ１に対する第１変位点Ｐｂ１を特定する。
【００５８】
同様に、水平方向の熱変位量ΔＭ１ｈおよび垂直方向の熱変位量ΔＭ１ｖと、例えば、第２検査点Ｐａ２における温度変化量とに基づいて、第２検査点Ｐａ２に対する第２変位点Ｐｂ２も特定する。そして、第１変位点Ｐｂ１と第２変位点Ｐｂ２とを通る直線の式Ｃを求めてメモリ５８に記憶する。なお、上述の熱変位量導出工程は、あくまでも例示であり、既知の方法により熱変位量は導出可能であるため、この工程に限定されるものではない。
【００５９】
補正値算出工程において、サドル２０の指令位置に対する補正値を算出する。そこで、先ず、補正値算出部５６は、数値制御装置５０におけるサドル２０の指令位置Ｐｙｚを取得する。次に、補正値算出部５６は、メモリ５８から第１変位点Ｐｂ１と第２変位点Ｐｂ２とを通る直線の式Ｃを読み出し、該式Ｃにおいてサドル２０の指令位置Ｐｙｚを対応させ、補正値Ｒｙ，Ｒｚを算出する。そして、補正工程において、補正値Ｒｙ，Ｒｚによりサドル２０の指令位置Ｐｙｚを補正する。つまり、補正部５７は、補正値算出部５６から入力した補正値Ｒｙ，Ｒｚにより制御部５１が出力する指令位置Ｐｙｚを補正指令位置ＰＹＺに補正する。
【００６０】
これにより、サドル２０の指令位置に加えてテーブル４０の指令位置も補正され、工作物ＷがＹ軸方向に補正値Ｒｙだけさらに移動すると共にＺ軸方向に補正値Ｒｚだけさらに移動し、適切な加工位置で加工されることになる。このようにして、数値制御装置５０は、工作機械１の加工中において、コラム１０の経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを加味したコラム１０の熱変形に伴うサドル２０の熱変位を逐次補正することにより、加工の高精度化を図っている。
【００６１】
以上のように、本実施形態によれば、支持剛性推定部５４は、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを、熱伸長量取得部５２および温度変化量取得部５３において取得される部材１５（コラム１０）の熱伸長量ΔＬおよび温度変化量Δｔに基づいて推定している。コラム１０の姿勢に大きく影響する水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖが経時変化した場合、コラム１０の温度変化量Δｔのみではコラム１０の熱変位量を高精度に推定することは困難である。
【００６２】
しかし、支持剛性推定部５４は、熱伸長量ΔＬおよび温度変化量Δｔに基づいて経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを一旦推定し、熱変位量導出部５５は、該水平方向の支持剛性Ｋｈおよび該垂直方向の支持剛性Ｋｖに基づいてコラム１０の水平方向の熱変位量および垂直方向の熱変位量を求めている。よって、水平方向の熱変位量および垂直方向の熱変位量の精度を高めることができ、簡易な構成でより高精度な熱変位補正が可能となる。
【００６３】
また、本実施形態によれば、熱伸長量取得部５２は、コラム１０を支持する水平方向の２箇所のボールガイド１１の中間に設定された熱伸長検査点Ｐ１の熱伸長量ΔＬを取得し、温度変化量取得部５３は、熱伸長検査点Ｐ１の水平方向の片側もしくは両側に設定された温度検査点Ｐ２，Ｐ２の温度変化量Δｔを取得している。２箇所のボールガイド１１の中間に設定した熱伸長検査点Ｐ１の熱伸長量ΔＬは、経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈを推定する上で精度を高めることができる。
【００６４】
そして、その近傍の温度検査点Ｐ２，Ｐ２の温度変化量Δｔも、経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈを推定する上で精度を高めることができる。特に、温度検査点Ｐ２，Ｐ２を熱伸長検査点Ｐ１の両側に設定することで、経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈの推定精度をさらに高めることができる。
【００６５】
また、本実施形態によれば、コラム１０は、ベッド２にボールガイド１１により支持されている。ボールガイド１１の例えば予圧低下による支持剛性の経時変化は、一般的に垂直方向および水平方向ともに同様に変化する。したがって、経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈを推定することにより、経時変化した垂直方向の支持剛性Ｋｖを容易に推定することができる。よって、経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖに基づいてコラム１０の熱変位量を高精度に求めることができる。
【００６６】
また、本実施形態によれば、支持剛性推定部５４は、予め記憶されている熱伸長量ΔＬと温度変化量Δｔとの関係式と、取得した熱伸長量ΔＬおよび温度変化量Δｔとに基づいて、コラム１０に対する経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを推定している。熱伸長量ΔＬと温度変化量Δｔとの関係式は、水平方向の支持剛性Ｋｈ又は垂直方向の支持剛性Ｋｖを係数とした式で表されるため、取得した熱伸長量ΔＬおよび温度変化量Δｔに対応する関係式を求めることにより、経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖを容易に推定することができる。よって、経時変化した水平方向の支持剛性Ｋｈおよび垂直方向の支持剛性Ｋｖに基づいてコラム１０の熱変位量を高精度に求めることができる。
【００６７】
また、本実施形態によれば、熱変位量導出部５５は、サドル２０が移動することにより発生するコラム１０の摺動面１０ａにおける温度変化量からコラム１０の熱変位量を求めている。コラム１０は、工作機械１の熱影響により熱膨張して変形する。特に、支持しているサドル２０が移動することによる発熱がコラム１０の熱変形に大きく影響している。そこで、工作機械１の熱影響をサドル２０が移動するコラム１０の摺動面１０ａにおける熱影響とするものとして、コラム１０の変形形状をこの摺動面１０ａとして直線近似することができる。よって、摺動面１０ａを対象とした補正値を算出し、より適切な熱変位補正を行うことができる。
【００６８】
なお、上述した実施形態では、コラム１０は、上下左右の４箇所で４５°の方向に支持するボール１１ａが配置されたボールガイド１１により支持された構成としたが、運動を繰り返す間に摩耗してガイド内の予圧が低下し、コラム１０に対する支持剛性が経時変化するガイドであれば、例えば、上下に２箇所ずつ垂直方向に支持すると共に、左右に２箇所で水平方向に支持するボールが配置されたボールガイドであっても、同様にコラム１０に対する経時変化した支持剛性を推定することが可能である。
【００６９】
また、歪みセンサ１２を一対のレール３上に配置されたボールガイド１１の中間に設けて熱伸長量を取得するようにしたが、歪みセンサ１２をレール３の長手方向と直交する方向の断面の中央部に設けても同様に熱伸長量を取得することができ、同様にコラム１０に対する経時変化した支持剛性を推定することが可能である。
【００７０】
また、熱変位補正は、支持体であるコラム１０の熱変形によるものとして説明した。これに対して、工具３１または工作物Ｗを支持し、工作機械１の熱影響により熱変位が生じる部材、例えばサドル２０やテーブル４０等であれば、本発明の熱変位補正方法を適用することができる。その他に、工作機械１は、３軸マシニングセンタを例に挙げて説明した。これに対して、工作機械１は、例えば、さらに回転軸（Ａ，Ｂ軸）を有する５軸マシニングセンタとしてもよい。このような構成においても同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００７１】
１：工作機械、  ２：ベッド、  ３，４，５：レール
１０：コラム（支持体）、  １０ｂ：摺動面、  １１：ボールガイド、  １２：歪みセンサ、  １３：第１温度センサ、  １４：第２温度センサ
２０：サドル（移動体）
３０：回転主軸、  ３１：工具
４０：テーブル、  ４１：治具
５０：制御装置（熱変位補正装置）、  ５１：制御部、  ５２：熱伸長量取得部、  ５３：温度変化量取得部、  ５４：支持剛性推定部、  ５５：熱変位量導出部、  ５６：補正値算出部、  ５７：補正部、  ５８：メモリ、  ６０：駆動モータ
Ｗ：工作物、  Ｐ１：熱伸長検査点、  Ｐ２：温度検査点
【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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