(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを取り付けたスピンドルと刃具を取り付けたタレットヘッドとの相対位置を測定する位置測定ステップと、
前記タレットヘッドの温度を測定する温度測定ステップと、
前記位置測定ステップおよび前記温度測定ステップとして加工開始前に行った測定による前記相対位置と前記温度との関係に基づいて、加工開始後の測定における前記相対位置を補正する補正量をその時の温度から算出する補正量演算ステップと、
を備え、
前記温度測定ステップにおいて、前記タレットヘッドの温度を間接的に測定するための、循環する切削液に熱的に接触するように配置された、温度模擬ブロックの、温度を測定することによって、前記タレットヘッドの温度を測定する温度測定が実行される、
工作機械の熱変位補正方法。
【請求項２】
前記補正量演算ステップにおける補正量の計算に際し、前記温度測定ステップで測定された温度に基づいて切削負荷の軽重を推定し、その軽重を表す係数を加味する請求項１に記載の工作機械の熱変位補正方法。
【請求項３】
ワークを取り付けたスピンドルと刃具を取り付けたタレットヘッドとの相対位置を測定する位置センサと、
前記タレットヘッドの温度を測定する温度測定手段と、
前記位置センサおよび前記温度測定手段による加工開始前に行った測定による前記相対位置と前記温度との関係に基づいて、加工開始後の測定における前記相対位置を補正する補正量をその時の温度から算出する補正量演算手段とを備え、
前記温度測定手段が、
前記タレットヘッドの温度を間接的に測定するための、循環する切削液に熱的に接
触するように配置された、温度模擬ブロックと、
この温度模擬ブロックの温度を測定することによって、前記タレットヘッドの温度
を測定する温度センサと、
からなっている、
工作機械の熱変位補正装置。
【請求項４】
前記補正量演算手段が、前記補正量の計算に際し前記温度センサによって測定された温度に基づいて切削負荷の軽重を推定し、その軽重を表す係数を加味する請求項３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、ワーク加工時における工作機械の熱変位補正方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械によってワーク（被切削材）を加工する場合、工作機械側の駆動系の各構成部分における温度変化による伸縮や、切削熱による膨張などにより、刃先位置計測用センサの位置がずれたりして、ワークと工作機械の間に相対的な変位を生じ、ワークの加工精度が低下するという事態がしばしば生ずる。
【０００３】
種々の部位におけるこのような温度変化による加工精度の低下を防止するために、種々の温度補償方法が提案されている。たとえば、
ａ）温度による変位を温度センサの検出温度に基づいて推定計算して補正値を得る方式、
ｂ）熱変位量の時間的変化傾向をあらかじめ測定しておき、それを基にして実際測定値を補正する方式、
ｃ）加工済みのワークの位置をタッチセンサにより直接測定し補正値を得る方式、さらには、
ｄ）ツールセッタなどで直接、刃先位置を測定し補正値を得る方式、
などがそれである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の熱変位補正方式では、それぞれに利点なり意義なりをもっているものの、各補正方式にはそれぞれ誤差補正が不十分であったり、誤差補正のための機器の取扱いが煩雑であったり、熟練を要したり、さらには補正値にバラツキを生じたりして、必ずしも十分なものではなかった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、熱変位による加工誤差をより低減し得る、取扱の簡単な、工作機械の熱変位補正方法および装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、ワークを取り付けたスピンドルと刃具を取り付けたタレットヘッドとの相対位置を測定する位置測定ステップと、前記タレットヘッドの温度を測定する温度測定ステップと、前記位置測定ステップおよび前記温度測定ステップとして加工開始前に行った測定による前記相対位置と前記温度との関係に基づいて、加工開始後の測定における前記相対位置を補正する補正量をその時の温度から算出する補正量演算ステップと、を備え、前記温度測定ステップにおいて、前記タレットヘッドの温度を間接的に測定するための、循環する切削液に熱的に接触するように配置された、温度模擬ブロックの、温度を測定することによって、前記タレットヘッドの温度を測定する温度測定が実行される、ものとして構成される。
【０００７】
請求項２に係る発明は、前記補正量演算ステップにおける補正量の計算に際し、前記温度測定ステップで測定された温度に基づいて切削負荷の軽重を推定し、その軽重を表す係数を加味する、ものとして構成される。
【０００８】
請求項３に係る発明は、ワークを取り付けたスピンドルと刃具を取り付けたタレットヘッドとの相対位置を測定する位置センサと、前記タレットヘッドの温度を測定する温度測定手段と、前記位置センサおよび前記温度測定手段による加工開始前に行った測定による前記相対位置と前記温度との関係に基づいて、加工開始後の測定における前記相対位置を補正する補正量をその時の温度から算出する補正量演算手段とを備え、前記温度測定手段が、前記タレットヘッドの温度を間接的に測定するための、循環する切削液に熱的に接触するように配置された、温度模擬ブロックと、この温度模擬ブロックの温度を測定することによって、前記タレットヘッドの温度を測定する温度センサと、からなっている、ものとして構成される。
【０００９】
請求項４に係る発明は、前記補正量演算手段が、前記補正量の計算に際し前記温度センサによって測定された温度に基づいて切削負荷の軽重を推定し、その軽重を表す係数を加味する、ものとして構成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図２は本発明を適用する工作機械の全体的構成を示すものである。図示の工作機械は数値制御式工作機械すなわちＮＣ工作機械であって、スピンドルヘッド２の主軸に取り付けられたワーク４をタレットヘッド６に取り付けられた刃具８により数値制御装置（ＮＣ）１０の助けを借りてディジタル制御加工する機械である。スピンドルヘッド２はスピンドルモータ１２によって回転駆動される。タレットヘッド６はタレットボックス１４に取り付けられている。タレットボックス１４は、ワーク４の加工内容に従いワーク４の軸心と刃具８の先端との間の間隔を調整するためにＸ軸サーボモータ１６によりＸ軸ボールねじ１７を介してＸ軸方向への変位動作が可能であり、またワーク４に対する刃具８の軸心方向位置を調整するためにＺ軸サーボモータ１８によりＺ軸ボールねじ１９を介してＺ軸方向への変位動作が可能である。ワーク４を所定のプログラムに従って所定の形状およびサイズに加工するために、タレットボックス１４およびスピンドルヘッド２は、ＮＣ１０によってＸ軸サーボモータ１６およびＺ軸サーボモータ１８並びにスピンドルモータ１２を介してそれぞれ制御される。
【００１３】
Ｘ軸サーボモータ１６によるＸ軸方向位置がＸ軸方向位置検出用パルスコーダ２０によって検出され、Ｚ軸サーボモータ１８によるＺ軸方向位置がＺ軸方向位置検出用パルスコーダ２２によって検出される。スピンドルヘッド２およびタレットボックス１４には、互いに対向する部位どうしの一方（図示の例ではスピンドルヘッド２）に位置センサ用反射体２４が取り付けられ、他方（タレットボックス１４）に非接触型位置センサ２６が取り付けられている。
【００１４】
刃具８とワーク４との間に生ずる切削熱を放出し、かつ、摩擦を減少させたりするため、ワーク４の切削加工部に対しノズル２８から切削液５６（図６参照）たとえば切削油が噴射される。ノズル２８には、リキッドモータ３２によって駆動されるリキッドポンプ３４からリキッド配管３６を介して加圧状態の切削液が供給され、ノズル２８から切削加工部に対し切削液を噴射する。ノズル２８から噴射された切削液は切削加工部で所与の作業（冷却、減摩、被覆、洗滌）をした後、後述のごとくリキッドタンク５０（図４）に回収され、必要に応じ、除塵などの処理を施した後、再利用のためにリキッドポンプ３４へ戻して循環使用される。
【００１５】
タレットヘッド６は回転するためその温度を直接測定することは困難である。そこで、タレットヘッド６の温度を間接的に測定すべく、タレットヘッド６の熱容量に近い熱容量を有し、タレットヘッド６に近接配置された温度模擬ブロック３０を用意し、配管３６中を通る噴射前の切削液を熱的に接触させる。配管３６中の切削液の温度は切削作業部直後の温度よりも低い。しかし、ノズル２８から噴射された切削液は刃具８を冷却すると同時にタレットヘッド６およびツール（刃物台）をも冷却するので、経験的に作業前の切削液を用いた方がむしろタレットヘッド６の温度に近い温度が得られることが分かった。かくして、ブロック３０によってタレットヘッド６の温度を模擬し、その温度を温度センサ３８によって測定することにより、タレットヘッド６の温度を推定する。
【００１６】
図３は、タレットボックス１４およびタレットヘッド６の内部構造を、タレットヘッド６のＸ軸方向の動きに関して説明する説明図である。サーボモータ１６が回転するとカップリング４０を介してボールねじ１７が回転する。ボールねじ１７はその両端部でタックベアリング４４および４６によって支承されている。ボールねじ１７が回転することによって、これにねじ合わされたナット４８が軸方向へ移動する。したがって、ナット４８とタレットボックス１４が一体的運動をするように連結しておき、サーボモータ１６によりボールねじ１７を回転させることによって、タレットヘッド６をスピンドル５４の軸心方向に移動させることができる。
【００１７】
その場合、ボールねじ１７とナット４８が摺動することにより発熱し、ボールねじ１７が伸長する。伸長方向はタックベアリング４４，４６の組み方により決まる。図示の場合は、矢印Ｐの方向である。このように、発熱によってボールねじ１７が伸長すると、ＮＣ１０からのＮＣ指令値に対して実際の移動量はサーボモータ１６側にシフトしてしまうことになる。
【００１８】
図４を参照して工作機械の熱伝達系統と熱変位について説明する。ワーク４に対する切削加工によって発生した熱は切削液を介してリキッドタンク５０に蓄積される。そのためリキッドタンク５０が、スピンドルヘッド２およびタレットボックス１４を載置する載置面であるＣ面を形成した脚５２に対して熱源となり、リキッドタンク５０との対向面であるＡ面から脚５２へと熱が伝導する。この時、当然、Ａ面の方がその反対面であるＢ面よりも温度は高くなる。この結果、脚５２はＡ面側が押し上げられ、スピンドルヘッド２を載置するＣ面は破線で示すようにＣ′面へと変形する。この変形によりタレットボックス１４とスピンドルヘッド２との間の距離Ｄが狭まる。この状態では刃具８はＮＣ指令値よりもワーク４に接近してしまう。この影響はＡ面とＢ面の間の温度差が大きいほど大きく、刃具８とワーク４との間の間隔Ｄが狭くなる。
【００１９】
このほかに、脚５２に対する熱の要素としては、スピンドルモータ１２の発熱や、スピンドル５４の発熱、切削液の発熱などが存在し、これらがそれぞれ異なる部位・場所から脚５２に対し複合的に加わり、脚５２は複雑に変形する。したがって、計算によって脚５２の各部の変位量を正確に捕捉するのはほとんど不可能である。
【００２０】
次に図５を参照してタレットボックス１４とタレットヘッド６の変位について説明する。タレットボックス１４は温度上昇によりナット４８を基点にして図示のＱ方向すなわち軸方向へ伸長する。タレットヘッド６は外気温のほか、切削液たとえば切削油の温度や、刃具８からの伝導熱でタレット軸心Ｘを基点にしてＱと平行なＲ方向へ伸長する。
【００２１】
図６に示すように、ワーク４を刃具８で切削することにより発生する切削熱は３つの方向へ伝導する。すなわち、
１）刃具８を介してタレットヘッド６へと向かう伝導熱Ｈ１
２）ワーク４を介してスピンドル５４へと向かう伝導熱Ｈ２
３）作業済の切削液を介して伝導する伝導熱Ｈ３
がそれである。
【００２２】
タレットヘッド６の熱膨張による変位量を計算するためにはタレットヘッド６の温度を検知しなければならないが、タレットヘッド６は回転するために、それに直接、温度センサを取り付けることはできない。そこで、上記３方向へ伝導する熱のうち、第３の伝導熱Ｈ３に関わる切削液の温度を測定することにより代用する。
【００２３】
図１は、本発明による熱変位補正装置７０のブロック図である。この熱変位補正装置７０は熱変位補正値を算出してＮＣ１０に与えるものであって、基準位置記憶手段７０１を有する位置補正演算手段７０２、基準温度記憶手段７０３を有する温度補正演算手段７０４、両補正演算手段７０２，７０４の演算結果に基づいて温度補正値および位置補正値を演算する補正値演算手段７０５、その温度補正値および位置補正値を記憶する補正値記憶手段７０６、およびそれらの補正値に基づいてマニュアル補正が行われたどうかを判別し、マニュアル補正が行われたものと判別されたときは基準位置記憶手段７０１および基準温度記憶手段７０３にフィードバックして更新するマニュアル補正判別手段７０７を備えている。位置補正演算手段７０２には、位置センサ２６の位置検出情報がＡ−Ｄコンバータ６２を介して導入され、温度補正演算手段７０４には、温度センサ３８の温度検出情報がＡ−Ｄコンバータ６４を介して導入される。
【００２４】
さて、本発明を実施するために、検出端として次のａ，ｂを準備する。
ａ）タレットヘッド６（の刃具８）とスピンドルヘッド２（のスピンドル５４）との間の相対距離を測定する位置センサ２６をタレットボックス１４側に、またスピンドルヘッド２側に反射体２４を取り付け（図２）、
ｂ）タレットヘッド６の温度を推定するためにタレットヘッド６の温度を模擬するブロック３０およびその温度を測定する温度センサ３８を取り付ける。
【００２５】
図２において、位置センサ２６によりタレットボックス１４とスピンドルヘッド２との間の距離を測定することにより、以下の変位を主とする変位量を総合して得ることができる。なお、測定位置はＮＣ１０からの指令により常に原点からの一定位置とする。
１）ボールねじ１７の変位（図３参照）
２）脚５２の変位        （図４参照）
３）スピンドル５４の変位（主に脚５２に熱が伝達することによる脚５２の変位の影響）
４）タレットボックス１４の変位（図５参照）
次に、温度センサ３８によるブロック３０の温度測定結果を用いて、タレットヘッド６の温度を推定し、それによりタレットヘッド６の変位を計算する方法について説明する。
【００２６】
切削により発生する熱は図６の伝導熱Ｈ１の方向でタレットヘッド６側に伝導する。その場合、
ａ）軽負荷のために切削熱量が少ない場合は、（刃具８＋ツール＋タレットヘッド６）の放熱量が大きいため、タレットボックス１４の温度に対して（刃具８＋ツール＋タレットヘッド６）の温度上昇は小さく、これらの変位は無視することができる。因みに、すでに述べた位置測定はタレットボックス１４のスピンドル５４側で行っているので、これらの変位は位置測定結果に含まれる。
ｂ）重負荷のために切削熱量が多い場合は、（刃具８＋ツール＋タレットヘッド６）の温度上昇がタレットボックス１４の温度に対して大きくなり、それらの変位は大きくなる。その場合、タレットヘッド６系の変位量は、
変位量＝（タレットヘッド系の半径）×（膨張率）×（現在温度−基準温度）×（負荷係数）
として計算することができる。
【００２７】
タレットヘッド６の温度測定については図６を参照して説明した通りである。式中の負荷係数は温度センサ３８によって測定された温度に基づいて推定する。すなわち、切削負荷の軽重は、切削を開始してから所定時間後、たとえば３０分後のタレットヘッド６の温度上昇、すなわちブロック３０の温度上昇によって推定することができる。この温度上昇量にあらかじめ実験的に求めた係数を乗じて決定する。実験によれば、この係数として、１／２．９３程度が適当なものであった。
【００２８】
次に、図１の熱変位補正装置によって実施される本発明の手順について図７を参照して説明する。
まず、加工サイクルの先頭で、ＮＣプログラム指令によってタレットを測定位置へ移動する（ステップ１０１）。次に、位置センサ２６によりタレットボックス１４とスピンドルヘッド２との間の距離を測定し、その測定データを図１に示すようにＡ−Ｄコンバータ６２を介して熱変位補正装置７０に取り込むとともに、タレットヘッド６の温度を推定すべくブロック３０の温度を温度センサ３８により測定し、その測定データもＡ−Ｄコンバータ６４を介して熱変位補正装置７０に取り込む（ステップ１０２）。この測定値の取り込みが終わったら、タレットを位置センサ測定位置からいったん待避させる（ステップ１０３）。ここで補正の組数のカウントのための変数ｉをゼロにクリアする（ステップ１０４）。いま補正の組数、すなわち補正対象のタレットヘッド６のオフセット補正組数を表す変数ｉの最大値を“３２”とすると、次のステップとして、「ｉ＝３２」であるか否かをチェックする（ステップ１０５）。ここで当初は、ｉ＝０であるから“ＮＯ”である。後述のマニュアル補正を行ったか否かを判別するために、ＮＣ１０のｉ＋１番目のオフセットがｉ＋１番目の補正記憶値と同じか否かのチェックを行う（ステップ１０６）。“ＹＥＳ”なら、マニュアル補正が行われていないことになるので、ｉ＋１番目の基準位置からの変位量を演算する（ステップ１０７）とともに、ｉ＋１番目の基準温度からの偏差演算を行い（ステップ１０８）、その演算結果に基づいてＮＣ１０のｉ＋１番目のオフセット補正を行い（ステップ１０９）、その補正値を記憶する（ステップ１１０）。これで最初の１点についての補正処理を終了する。ステップ１０６において“ＮＯ”の場合は、マニュアル補正が行われていることになるので、ｉ＋１番目の基準位置と基準温度の更新記憶を行って（ステップ１１１）から補正値記憶（ステップ１１０）を行う。この補正値記憶の後に、次の補正点についての補正処理を行うべく、ｉ＝ｉ＋１の処理をして（ステップ１１２）、ステップ１０５へ戻る。以下、ステップ１０６〜１１２を繰返し、ステップ１１２におけるｉ＝ｉ＋１の処理の後、ステップ１０５においてｉ＝３２が確認されたら、それはすべての補正点についての補正処理が終了したことを意味するので、ＮＣ１０による所定の切削加工作業を行い（ステップ１１３）、「終了」となる。
【００２９】
以上述べた本発明の特徴を要約すれば、次の通りである。
１）位置センサ２６と温度センサ３８との組み合せにより位置補正データを得る。
ａ）位置センサ２６でタレットボックス１４とスピンドル５４との間の距離を測定することにより、以下の基準位置との変位を総合して得ることができる。
＊切削液温および外気温の変化による脚５２の変位量、
＊スライドナット４８が摺動することによるボールねじ１７の伸びによる変位量、
＊スピンドル５４の回転に伴う発熱による脚５２への熱伝導によるスピンドルヘッド２の変位量、および
＊各変位量の熱伝達遅延による計算誤差分。
ｂ）温度模擬ブロック３０および温度センサ３８を介してタレットヘッド６の温度を高精度で推定することにより、タレットヘッド６とツールや刃具８の基準温度の時の位置に対する変位量（膨張量）を計算する。
ｃ）上記ａとｂの値を合算することにより、ワーク４の補正変位量を把握する。
【００３０】
２）オペレータがＮＣ１０による制御にマニュアル補正を加えたときの上記温度と位置をそれぞれマニュアルで補正したオフセット番号の基準温度および基準位置とする。
ａ）オペレータがマニュアル補正を行うときは、当然、加工した製品の寸法チェックを行い、加工誤差分をマニュアルで補正する。この補正をすることにより、加工誤差はゼロになったとみなすことができる。したがって、このときの上記温度と位置を計算の基準とする（基準温度、基準位置）。
ｂ）連続加工をした場合、位置測定および温度測定を行う度にマニュアル補正判別手段７０７によりマニュアル補正が行われたかをチェックし、マニュアル補正が行われたと判断した場合は基準温度および基準位置を更新する。
ｃ）連続加工した場合、製品すなわちワーク４は刃具８の摩耗により寸法変化を来す。したがって、通常、オペレータは定期的に寸法チェックをして、摩耗を含む加工誤差をマニュアルで補正する。このことは、定期的に上記基準温度と基準位置を直近のデータに校正してくれることになる。したがって、より正確な補正を実現することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、工作機械の熱変位によるワークの加工誤差をより低減し得る、取扱の比較的簡単な、工作機械の熱変位補正方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による工作機械の熱変位補正装置の実施の形態を示すブロック図。
【図２】本発明を適用する工作機械の全体的構成並びに位置センサおよび温度センサの取付位置を示す配置図。
【図３】タレットボックスに含まれるボールねじの変位について説明する説明図。
【図４】タレットボックスおよびスピンドルヘッドを載置する脚の変位について説明する説明図。
【図５】タレットボックスおよびタレットヘッドの熱変位について説明する説明図。
【図６】切削熱の伝導方向およびタレットヘッドの温度測定について説明する説明図。
【図７】本発明による熱変位補正方法および装置を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
２  スピンドルヘッド
４  ワーク
６  タレットヘッド
８  刃具
１０  数値制御装置（ＮＣ）
１２  スピンドルモータ
１４  タレットボックス
１６  Ｘ軸サーボモータ
１７  Ｘ軸ボールねじ
１８  Ｚ軸サーボモータ
１９  Ｚ軸ボールねじ
２０  パルスコーダ
２２  パルスコーダ
２４  位置センサ用反射体
２６  非接触型位置センサ
２８  ノズル
３０  温度模擬ブロック
３２  リキッドモータ
３４  リキッドポンプ
３６  リキッド配管
３８  温度センサ
４０  カップリング
４４  タックベアリング
４６  タックベアリング
４８  ナット
５０  リキッドタンク
５２  脚
５４  スピンドル
５６  切削油
６２  Ａ−Ｄコンバータ
６４  Ａ−Ｄコンバータ
７０  熱変位補正装置
７０１  基準位置記憶手段
７０２  位置補正演算手段
７０３  基準温度記憶手段
７０４  温度補正演算手段
７０５  補正値演算手段
７０６  補正値記憶手段
７０７  マニュアル補正判別手段
【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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