(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械の熱発生による変位量を演算し、この変位量に基づいてワークの加工寸法を補正する工作機械の熱変位補正装置であって、
機械の変位量に影響を及ぼす室温変化よりなる熱的イベントを測定する熱的イベント測定手段(16)と、
現時刻を計時する時計(4) と、
測定した熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データを入力し、これらのデータを順次記憶する熱的イベントデータ記憶手段(11)と、
機械の熱変位量を、単位室温変化量が発生した時点からの時間の関数で表す経過時間関数(f) を予め実験又は計算により求めておき、この経過時間関数(f) により、前記熱的イベントデータ記憶手段(11)に記憶された過去の熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データの各組合せに対して、現時点で残存している各残存熱変位量を求め、各残存熱変位量の総和として現時点における残存熱変位量を演算する残存熱変位量演算手段(12)と、
この残存熱変位量演算手段(12)に基づいて、ワークの加工寸法を補正する数値制御補正手段(13)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】
略同じ加工の繰り返しを行う工作機械の熱発生による変位量を演算し、この変位量に基づいてワークの加工寸法を補正する工作機械の熱変位補正装置であって、
機械の変位量に影響を及ぼす、ワーク１個当りの加工熱よりなる熱的イベントを測定する熱的イベント測定手段(16)と、
現時刻を計時する時計(4) と、
測定した熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データを入力し、これらのデータを順次記憶する熱的イベントデータ記憶手段(11)と、
機械の熱変位量を、単位加工熱量が発生した時点からの時間の関数で表す経過時間関数(f) を予め実験又は計算により求めておき、この経過時間関数(f) により、前記熱的イベントデータ記憶手段(11)に記憶された過去の熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データの各組合せに対して、現時点で残存している各残存熱変位量を求め、各残存熱変位量の総和として現時点における残存熱変位量を演算する残存熱変位量演算手段(12)と、
この残存熱変位量演算手段(12)に基づいて、ワークの加工寸法を補正する数値制御補正手段(13)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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属切削機械、プレス機械及び板金機械等の工作機械の熱変位に対する補正装置に関し、特には比較的簡単な構成で容易に、かつ高精度で熱変位補正が自動的に行える工作機械の熱変位補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属切削機械、プレス機械及び板金機械等の工作機械は、外気温の変化、加工時の切削熱、成形時の加工熱、又は駆動機構の発熱などにより、各部位が熱膨張して変形し、加工寸法精度が徐々に低下して行く。したがって、工作機械の加工寸法精度を所定値以上に常に維持するために、従来は、作業者による寸法調整作業が必要となっている。そして、この寸法調整方法については、様々な技術が提案されている。
【０００３】
例えば、加工後のワークの寸法を測定し、測定結果を必要に応じて工作機械の制御装置にフィードバックして加工指令データを補正し、その後は補正された加工指令データに基づいて加工するようにしたＮＣ工作機械の変位補正装置が開示されている。また、特開平７−１８６００３号公報や特公平６−９２０５８号公報等には、工作機械の熱変位量を直接測定して加工プログラムにフィードバックする、つまり加工指令データを熱変位量に応じて補正するようにした熱変位補正方法が開示されている。
【０００４】
また、特開平９−１０８９９２号の公報には、工作機械の特定部分の温度を測定し、その測定値に基づいて工作機械の熱変位量を推定して加工プログラムにフィードバックする熱変位補正装置付工作機械が開示されている。さらに、特開昭６０−９９５４７号等の公報には、所定の限定された一定運転条件下で運転時間と熱変位量の関係に基づいて加工プログラムにフィードバックするようにした熱変形補正装置が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各従来技術には次のような問題が発生している。
１）加工後のワーク寸法の測定結果を必要に応じて工作機械にフィードバックする方法は、加工精度を確保するという意味ではほぼベストであるが、高精度でワーク寸法を測定しなければならないので高価な測定機器を使用する必要があり、コストが高い。また、フィードバックのための寸法測定時間がかかり、測定結果を工作機械へ入力するための装置コストや作業時間がかかるという問題がある。
２）特開平７−１８６００３号公報や特公平６−９２０５８号公報に開示されたような方法については、工作機械の所定方向の熱変位量を直接測定することは実際には技術的に困難な場合が多く、したがってこの方法を適用できない場合がある。また、この技術的な困難性を解決するためには、コストがかかるという問題がある。
３）特開平９−１０８９９２号公報に開示された方法は、特定部分の温度又は温度変化量と機械の熱変位量との関係式を精度良く求めることが技術的に困難であり、実用上での加工精度の向上は不十分な場合が多い。
４）特開昭６０−９９５４７号公報に開示された方法によると、運転条件が固定されている場合は有効であるが、加工するワークがランダムに変わるなど発熱量が一定しない場合や、切削による発熱と室温変化との影響を同時に受ける場合などには、適用が困難である。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、簡単な構成で安価にでき、熱変位量の測定や、温度と熱変位量との複雑な関係式の使用を伴わずに、かつ運転条件及び室温の変化にも対応して熱変位量に対する加工寸法を補正できる工作機械の熱変位補正装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
本発明に係る各手段を個々に説明する前に、まず、本発明の特徴とする熱変位量演算方法及び熱変位補正方法の基本的な技術思想を図１〜図２に基づいて説明する。
【０００８】
工作機械に熱変位を起こさせる原因である発生熱（以後、熱的イベントと言う。）が発生すると、一般的に、その熱的な影響により比較的短時間の内に機械を変形させ、その後長時間かかってこの影響は減少し、そして所定時間以上経過するとこの影響は無視できる程度に小さくなる。この熱的イベントに対する熱変位量と経過時間との関係は例えば図１に示すようなカーブとなり、本出願の発明者は特定の工作機械に対して所定の熱的イベントを発生させたときのこのカーブを実験的に求めている。同図に示すように、例えば温度が急激にステップ状に変化したとき熱的イベントの発生と見なし、この熱的イベントの影響により発生時点から比較的短い所定時間ｔ１の間は機械の変位量は徐々に増加し、その後は増加時よりも緩やかに長時間かかって減少する。そして、減少開始時から所定の時間ｔ２以後は熱的イベントの影響が全く無い状態となる。このような応答カーブは、熱的イベントに対する熱変位量のステップ応答と解釈できる。
【０００９】
熱的イベントとして、以下のような事象が考えられる。
１）ある時間に室温（機械に熱変位量を与える影響力がある機械周囲の温度）が一定量以上上昇、又は下降した場合
２）ある時間に機械の運転により一定量以上の主軸モータやテーブル駆動モータの発熱があった場合
３）ある時間にワークを加工して一定量以上の切削熱が発生した場合
ここで、これらの熱的イベントの影響度合、つまり熱変位量の大きさ及びその影響の継続時間は、機械毎に固有のものであり、実験的にあるいは計算（シュミレーション）により求めることが容易である。
【００１０】
一般的に、工作機械においては、図２に示すように、このような種々の熱的イベントがそれぞれ異なる大きさで時系列的に連続して発生しており、ある時点の熱変位量は過去の各熱的イベントの影響が全て加算されて発生しているものと考えることができる。したがって、本発明者は、各熱的イベントに対応する応答カーブを予め設定した所定の経過時間関数ｆ(t) で近似し、過去の熱的イベントの大きさデータと発生時刻データを記憶しておき、この過去の熱的イベントの大きさデータと発生時刻データに基づいて上記応答カーブの時間関数ｆ(t) によって過去の各熱的イベントの影響が現時点にそれぞれどの程度残存しているかを演算して求め、それらの総和として現在残存している熱的影響量（すなわち、発生している熱変位量）を演算して推定できることに着目した。そして、この推定した熱変位量に基づいて、加工寸法を補正することが可能となる。
【００１１】
以上のことより、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
機械の熱発生による変位量を演算し、この変位量に基づいてワークの加工寸法を補正する工作機械の熱変位補正装置であって、
機械の変位量に影響を及ぼす室温変化よりなる熱的イベントを測定する熱的イベント測定手段１６と、
現時刻を計時する時計４と、
測定した熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データを入力し、これらのデータを順次記憶する熱的イベントデータ記憶手段１１と、
機械の熱変位量を、単位室温変化量が発生した時点からの時間の関数で表す経過時間関数ｆを予め実験又は計算により求めておき、この経過時間関数ｆにより、前記熱的イベントデータ記憶手段１１に記憶された過去の熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データの各組合せに対して、現時点で残存している各残存熱変位量を求め、各残存熱変位量の総和として現時点における残存熱変位量を演算する残存熱変位量演算手段１２と、
この残存熱変位量演算手段１２に基づいて、ワークの加工寸法を補正する数値制御補正手段１３とを有する構成としている。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、
略同じ加工の繰り返しを行う工作機械の熱発生による変位量を演算し、この変位量に基づいてワークの加工寸法を補正する工作機械の熱変位補正装置であって、
機械の変位量に影響を及ぼす、ワーク１個当りの加工熱よりなる熱的イベントを測定する熱的イベント測定手段１６と、
現時刻を計時する時計４と、
測定した熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データを入力し、これらのデータを順次記憶する熱的イベントデータ記憶手段１１と、
機械の熱変位量を、単位加工熱量が発生した時点からの時間の関数で表す経過時間関数ｆを予め実験又は計算により求めておき、この経過時間関数ｆにより、前記熱的イベントデータ記憶手段１１に記憶された過去の熱的イベントの大きさデータ及びその発生時刻データの各組合せに対して、現時点で残存している各残存熱変位量を求め、各残存熱変位量の総和として現時点における残存熱変位量を演算する残存熱変位量演算手段１２と、
この残存熱変位量演算手段１２に基づいて、ワークの加工寸法を補正する数値制御補正手段１３とを有する構成としている。
【００１４】
これら各請求項に記載の発明によると、室温変化または加工熱よりなる各熱的イベントの単位発生熱が機械の熱変位に及ぼす影響を表す時間関数ｆを採用すると、過去の熱的イベント（室温変化または加工熱）の大きさ及びその発生時からの経過時間に基づいて、各熱的イベントに対する現時点で残存する熱変位量が演算される。熱的イベントとして、室温変化は温度計により、また加工熱はワーク種別毎に予め測定されて設定された所定の単位発熱量として、それぞれ容易に求めることができるので、簡単な熱的イベント測定器がせいぜい１つあれば、時計と制御器（コンピュータ等）とにより熱変位量演算装置を構成できる。これにより、コンパクトで安価に構成できる。また、機械周囲の室温変化、機械の加工熱を測定するだけでよいので、従来のように熱変形自体を測定するのに比べて精度良く測定可能であり、熱変位量を容易に精度良く測定できる。さらに、熱的イベントの熱源として各種の発熱量の変化をとらえるようにしているので、従来技術の項で述べたような発熱量が一定しないようなランダムな加工時、つまり運転条件及び室温が変化する加工時でも、精度良く熱変位量を測定できる。
【００１５】
また、このようにして求めた現在の残存熱変位量に基づいて、ＮＣ制御の各軸位置指令値の熱変位量補正量を求めて加工寸法を補正するので、容易に、かつ精度良く補正できる。したがって、センサと、熱変位量及び補正量を演算する演算装置とからなるコンパクトな構成の熱変位補正装置により、工作機械の熱変位補正が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
まず、図３〜図６に基づいて、室温変化の熱的イベントによる熱変位に対する補正値を求める方法を示す第１実施形態を説明する。
図３は、熱変位補正装置のハード構成ブロック図を示している。同図において、室温センサ３は工作機械２の熱変位量を間接的に検出するものであり、工作機械２の熱変位に強く影響する、工作機械２近傍の特定位置に設置されており、当該位置での室温が工作機械２の熱変位量を等価的に表すように配設されるものとする。室温センサ３は、室温検出信号を制御器１０に出力する。また、時計４は現在時刻を計測し、時刻データを制御器１０に出力する。
制御器１０は、例えばマイクロコンピュータ等を主体とするコンピュータ装置より構成されており、室温センサ３からの室温検出信号を受け、この室温検出信号に基づいて後述する所定の演算処理を行って熱変位量を推定し、推定した熱変位量データをＮＣ制御装置１に送信する。ＮＣ制御装置１は、工作機械２の主軸モータや、ワークを載置して例えば直交３軸方向に移動自在とされるテーブルを駆動する各軸駆動モータの起動、停止、回転速度及び位置等を制御し、またこれらの作動シーケンスを制御する。ＮＣ制御装置１はワークを加工するための加工プログラムを予め記憶しておき、加工プログラムに従って上記各モータの駆動やシーケンスを制御する。このとき、ＮＣ制御装置１は制御器１０から入力した熱変位量データに基づいて加工プログラム内の各軸モータへの位置指令値を後述する所定の補正式により補正して求め、この補正した位置指令値によって各軸モータを制御するようにしている。
【００２１】
図４は、本実施形態に係る熱変位補正装置の機能構成ブロック図である。同図において、制御器１０は、熱的イベント測定手段１６と、熱的イベントデータ記憶手段１１と、残存熱変位量演算手段１２と、数値制御補正手段１３と、データ記憶アドレス更新手段１４及び記憶時刻判定手段１５とから構成されている。
【００２２】
熱的イベント測定手段１６は、本実施形態では、室温センサ３により検出した室温データを熱的イベント情報として熱的イベントデータ記憶手段１１に出力する。記憶時刻判定手段１５は時計４から現在時刻データを入力し、現在時刻データと、予め設定された所定の計算単位時間ｄｈ毎の計算時刻とを比較し、計算時刻になったときに、熱的イベントデータ記憶手段１１に記憶指令を出力し、残存熱変位量演算手段１２に演算指令を出力する。熱的イベントデータ記憶手段１１は、記憶時刻判定手段１５から記憶指令を入力したら、熱的イベント測定手段１６から熱的イベントデータ（室温データ）を読み込み、図５に示すような熱的イベントテーブルの所定アドレスＡ（最新データの記憶アドレス）に現時刻の室温データＴ１として記憶する。この熱的イベントテーブル内には、同図に示すように過去に計測した室温データが時系列的に記憶され、各記憶アドレスＡ，（Ａ＋１），（Ａ＋２），…毎に対応して、現時点から所定時間前の室温データが記憶される。なお、本実施形態においては、所定の計算時間間隔毎に室温を計測し記憶しているので、アドレス自体が現時点からの経過時間を表しているが、本発明はこのようなデータ記憶方法に限定されず、例えば熱的イベントが発生したときの発生時刻をそのまま記憶するようにしてもよい。
【００２３】
残存熱変位量演算手段１２は、記憶時刻判定手段１５から演算指令を入力したら、以下の数１に基づいて残存熱変位量を演算して求める。この残存熱変位量を、過去の全ての熱的イベント（ここでは、室温変化）の現時点での影響度の総和として求めており、よって残存熱変位量の大きさにより工作機械の加工寸法（つまり各軸の移動量）を補正することができる。したがって、残存熱変位量は、加工寸法を補正する際の補正係数Ｈとして用いられる。この補正係数Ｈを、数値制御補正手段１３に出力する。
【数１】
0004117950.tif 000002
ここで、経過時間関数ｆ(t) は、室温が瞬間的に１度上昇するステップ応答のときの熱変位量を時間の関数として表したものであり、実験的に求められる。計算単位時間ｄｈは、予め設定された所定の計算間隔時間である。また、ｔｐ(i)は熱的イベントテーブルのアドレスｉのメモリエリアに記憶された時系列的な熱的イベントデータ（ここでは、室温データ）を表し、ｉは経過時間を表すパラメータであり、ｔｐ(1) ＝Ｔ１（最新の室温データ）である。
【００２４】
経過時間関数ｆ(t) において、ある時点（経過時間パラメータがｉのとき）に発生した熱的イベントの大きさはその時点での室温変化量「（ｔｐ(i+1) −ｔｐ(i-1) ）／２」により表し、この大きさの熱的イベントによる現時点での残存熱変位量は「ｆ((i-1)×dh) ×（ｔｐ(i+1) −ｔｐ(i-1) ）／２」により表される。したがって、過去の全ての熱的イベントによる残存熱変位量を積算する、つまり上記演算式（数１）ではｉ＝２〜ｎに対して積算することにより、過去の全ての熱的イベントの影響による現時点での残存熱変位量を求めている。
【００２５】
数値制御補正手段１３は、入力した補正係数Ｈに基づいて下記の数２〜４により、加工テーブルの各軸方向毎の位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを求め、ＮＣ制御装置１に通信等により送信する。これらの位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓは、各軸の絶対座標の平行シフト量を示している。
【数２】
Ｘｓ＝Ｋｘ×Ｈ
【数３】
Ｙｓ＝Ｋｙ×Ｈ
【数４】
Ｚｓ＝Ｋｚ×Ｈ
ここで、Ｋｘ，Ｋｙ，Ｋｚは、それぞれ補正係数Ｈを各軸方向に対応した位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓに変換するための係数である。
【００２６】
ＮＣ制御装置１は、計算単位時間ｄｈ毎に数値制御補正手段１３から送信される位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを入力し、加工プログラム内に予め記憶されている各軸の目標位置にこの位置補正値を加算して、補正された位置指令とするように演算する。そして、この位置指令の補正演算を行うタイミングは、例えば一ワークの全加工時間がその間の熱変位量の影響を受けない程度に短時間である場合には、各ワーク毎の加工開始前とし、またその間の加工中に熱変位量の影響を受けるような長時間である場合には、所定の短い時間毎あるいは短い工程毎とすることが望ましい。
【００２７】
データ記憶アドレス更新手段１４は、各計算時刻での補正値演算が終了した後、熱的イベントテーブルの各データのアドレスをそれぞれ１つずつずらして更新する。すなわち、以下の数５〜７で示すように、熱的イベントテーブル内のデータで発生時刻が最も古いデータを消去し、他のデータを全て１計算単位時間ｄｈだけ過去の時刻に対応するアドレスへそれぞれ転送して記憶する。そして、常に、最新の熱的イベントデータｔｐ（１）をアドレスＡに記憶できるように準備する。
【数５】
ｔｐ（ｎ）＝ｔｐ（ｎ−１）
【数６】
ｔｐ（ｎ−１）＝ｔｐ（ｎ−２）
…
【数７】
ｔｐ（２）＝ｔｐ（１）
【００２８】
つぎに、図６に示すフローチャートに基づいて、本実施形態の制御器１０の補正演算処理手順を説明する。なお、以下では、各ステップ番号をＳを付して表す。
まず、Ｓ１において、時計４から現時刻を読み込み、計算時刻に達したか否かをチェックする（記憶時刻判定手段１５）。達してないときは、同じ処理を繰り返して計算時刻に達するまで待つ。達したときは、Ｓ２で熱的イベント測定手段１６が室温センサ３により検出した現在の室温データを入力し、熱的イベントデータテーブルのｔｐ（１）に記憶する（熱的イベントデータ記憶手段１１）。このとき、前記計算時刻も記憶してもよい。つぎに、Ｓ３で、熱的イベントテーブルに記憶された過去の全ての室温データ及びその発生時刻（ここでは、各時点での計算時刻）に基づいて、数１により、現在の残存熱変位量、すなわち補正係数Ｈを演算する（残存熱変位量演算手段１２）。経過時間関数ｆ(t) における経過時間ｔは、一般的には数式「現在時刻−過去時刻」に基づいて求めることができるが、ここでは計算単位時間ｄｈ毎に熱的イベントデータを記憶しているので、数式「（ｉ−１）×ｄｈ」により求めている。そして、Ｓ４で、求めた補正係数Ｈに基づいて、数２〜４により各軸の位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ、すなわち加工寸法の補正量を求めた後、Ｓ５でこの位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，ＺｓをＮＣ制御装置１に送信する（数値制御補正手段１３）。次に、Ｓ６で、今回の計算時刻に計算単位時間ｄｈを加算して次回の計算時刻を求め、メモリの所定アドレスに設定（記憶）しておく。この後、Ｓ７で最も古い室温データを削除し、他のデータを順次１計算単位時間ｄｈ古い時刻に対応するアドレスにシフトするように転送して記憶し、最新データを記憶するエリア（アドレスＡ）を確保する。そして、最初のＳ１に戻って、以上処理を繰り返す。
【００２９】
以上本実施形態によると、室温の変化が生じたとき熱的イベントが発生したと判断し、この室温変化量の大きさと経過時間とに応じた残存熱変位量を経過時間関数ｆ（ｔ）のような簡単な演算式に基づいて演算している。経過時間関数ｆ（ｔ）は、単位熱的イベント量（１℃の室温変化量）が瞬間的に発生したときの熱的変位量のステップ応答、つまり残存熱変位量として実験的に求められており、また室温及び経過時間を測定するだけでこの経過時間関数ｆ（ｔ）に基づいて演算できる。このため、コンパクトな装置構成により、容易に、かつ簡単な演算式でありながら精度良く、残存熱変位量を演算できる。これにより、従来、困難であった熱変位量に対する工作機械の加工寸法補正を容易に行える熱変位量補正装置を非常に安価に製作可能となる。
【００３０】
次に、第２実施形態を説明する。本実施形態は、運転熱による熱的イベントに対する熱変位量の補正を行う例を示している。
図７は、本実施形態のハード構成であり、図３と同一の構成要素には同じ符号を付して説明を省く。同図に示すように、熱的イベントとして工作機械の発熱量を想定し、ここではこの発熱量を各駆動モータ（主軸モータ及び各テーブル駆動軸モータ）の運転熱とする。ＮＣ制御装置１は各駆動モータの駆動電流値データとその駆動時間データとを制御器１０に送信する。制御器１０は、入力した各駆動モータ毎の駆動電流値データとその駆動時間データとに基づいてトータルの運転熱を演算し、この運転熱を熱的イベントとして発生時刻と共に記憶する。そして、後述する所定の演算処理を行い、演算した残存熱変位量に基づいて各軸補正値を求めてＮＣ制御装置１に出力する。
【００３１】
図８に示す本実施形態における機能構成ブロック図に基づいて、各機能を説明する。ここで、図４と同じ機能構成部には同一の符号を付す。熱的イベント測定手段１６は、本実施形態では工作機械の運転熱を測定しており、ＮＣ制御装置１から入力した各駆動モータ毎の駆動電流値データとその駆動時間データとに基づいてトータルの運転熱を演算する。演算したトータルの運転熱データは、熱的イベントデータ記憶手段１１に出力される。熱的イベントデータ記憶手段１１は、前実施形態と同様に、記憶時刻判定手段１５からの記憶指令を入力すると、熱的イベント測定手段１６からの運転熱データを現時刻の熱的イベントデータとして熱的イベントテーブルの所定アドレス（前実施形態のアドレスＡに相当する）に記憶する。残存熱変位量演算手段１２は前実施形態と同様に、熱的イベントテーブル内に記憶している熱的イベントデータ（運転熱）と発生時刻とに基づいて前述の数１により、残存熱変位量（補正係数Ｈ）を演算して求める。そして、この残存熱変位量データを数値制御補正手段１３に出力する。
ここで、経過時間関数ｆ(t) は、図９に示すように、単位発熱量Ｑ１が計算単位時間ｄｈだけ継続して発生したときの熱変位量を経過時間ｔの関数として表したものであり、実験的に求められる。経過時間ｔは、一般的には数式「現在時刻−過去時刻」に基づいて求められる。本実施形態では、ある時点で所定量以上の発熱が発生したとき熱的イベントと判断しており、発熱量と熱的イベントとの関係は図１０で示される。
なお、他の機能構成部は前実施形態と同様なので、説明を省く。
【００３２】
次に、図１１に示すフローチャートに従って本実施形態における補正演算処理手順を説明する。
まず、Ｓ１１において、時計４から現時刻を読み込み、計算時刻に達したか否かをチェックする（記憶時刻判定手段１５）。達してないときは、同じ処理を繰り返して達するまで待つ。達したときは、Ｓ１２で熱的イベント測定手段１６から現在の運転熱（ここでは、モータの発生熱）を入力し、熱的イベントテーブルのｔｐ（１）（最新の熱的イベントデータ）に記憶する（熱的イベントデータ記憶手段１１）。このとき、前記計算時刻も記憶してもよい。つぎに、Ｓ１３で、熱的イベントテーブルに記憶された過去の全ての運転熱データ及びその発生時刻（ここでは、各時点での計算時刻）に基づいて、数１により、現在の残存熱変位量、すなわち補正係数Ｈを演算する（残存熱変位量演算手段１２）。経過時間関数ｆ(t) における経過時間ｔは、一般的には数式「現在時刻−過去時刻」に基づいて求めることができるが、ここでは計算単位時間ｄｈ毎に熱的イベントデータを記憶しているので、数式「（ｉ−１）×ｄｈ」により求めている。そして、Ｓ１４で、求めた補正係数Ｈに基づいて、数２〜４により各軸の位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを求めた後、Ｓ１５でこの位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，ＺｓをＮＣ制御装置１に送信する（数値制御補正手段１３）。次に、Ｓ１６で、今回の計算時刻に計算単位時間ｄｈを加算して次回の計算時刻を求め、メモリの所定アドレスに記憶しておく。この後、Ｓ１７で、最も古い運転熱データを削除し、他のデータを順次１計算単位時間ｄｈ古い時刻に対応するアドレスにシフトするように転送して記憶し、最新データを記憶するエリアを確保する。そして、最初のＳ１１に戻って、以上処理を繰り返す。
【００３３】
本実施形態によると、主軸モータやテーブル駆動モータ等の所定時間以上の駆動による運転熱が発生したとき熱的イベントが発生したと判断し、この運転熱の大きさと経過時間とに応じた残存熱変位量を経過時間関数ｆ（ｔ）のような演算式に基づいて演算している。本実施形態での経過時間関数ｆ（ｔ）は、単位発熱量（単位熱的イベント量）が計算単位時間ｄｈだけ継続したときの熱的変位量のステップ応答、つまり残存熱変位量として実験的に求められている。そして、主軸モータやテーブル駆動モータ等の駆動電流値から運転熱つまり発生熱量を演算し、かつ経過時間を測定するだけで、上記経過時間関数ｆ（ｔ）に基づいて演算できる。このため、コンパクトな装置構成により、容易に、かつ簡単な演算式でありながら精度良く、残存熱変位量を演算できる。これにより、従来、困難であった熱変位量に対する工作機械の加工寸法補正を容易に行える熱変位量補正装置を非常に安価に製作可能となる。
【００３４】
次に、第３実施形態を説明する。本実施形態は、加工熱による熱的イベントに対する熱変位量の補正を行う例を示しており、ワーク１個当りの加工サイクルタイムが短く、常に略同じような加工の繰り返しを行う場合（例えば、自動車エンジン部品等）に適用できる。なお、この場合の加工熱とは工作機械の切削熱を表しており、例えば加工時に刃先部で発生した加工熱は、工具自体への入熱となり、一部ワークへの入熱となり、また他の一部は切粉を介して工作機械への入熱となる。したがって、この切削熱が工作機械の熱変位量に影響する要因となる。
【００３５】
図１２は、本実施形態のハード構成であり、図３と同一の構成要素には同じ符号を付して説明を省く。同図に示すように、熱的イベントとして工作機械の加工熱量を想定し、本実施形態ではこの加工熱量を、予め設定された加工対象ワーク１個当りの加工時に発生する加工熱量に基づいて求めている。ＮＣ制御装置１には、ワーク種別毎に１個当りの加工熱量データが記憶されており、ワーク加工完了後にこの加工熱量データを制御器１０に送信する。制御器１０は、入力した各ワーク毎の加工熱量データを熱的イベントとして発生時刻と共に記憶する。そして、後述する所定の演算処理を行い、演算した残存熱変位量に基づいて各軸補正値を求めてＮＣ制御装置１に出力する。
【００３６】
図１３に本実施形態における機能構成ブロック図を示し、同図に基づいて各機能を説明する。
熱的イベント測定手段１６は、予め設定されたワーク１個毎の加工熱量を熱的イベントデータ記憶手段１１に出力する。図１３では、ＮＣ制御装置１から加工熱量データを入力する例を示しているが、制御器１の熱的イベント測定手段１６に予め記憶していてもよい。熱的イベントデータ記憶手段１１は、前実施形態と同様に、記憶時刻判定手段１５からの記憶指令を入力すると、熱的イベント測定手段１６からの加工熱量データを現時刻の熱的イベントデータとして熱的イベントテーブルの所定アドレスに記憶する。残存熱変位量演算手段１２は前実施形態と同様に、熱的イベントテーブル内に記憶している熱的イベントデータ（加工熱量）と発生時刻とに基づいて前述の数１により、残存熱変位量（補正係数Ｈ）を演算して求める。そして、この残存熱変位量データを数値制御補正手段１３に出力する。
ここで、経過時間関数ｆ(t) は、図１４に示すように、単位切削熱Ｑ２が計算単位時間ｄｈだけ継続して発生したときの熱変位量を経過時間ｔの関数として表したものであり、実験的に求められる。なお、熱時定数が短い場合は、経過時間関数ｆ(t) は以下の数１０に示すようにエキスポーネンシャル関数（ＥＸＰ関数）で表してもよい。
【数１０】
ｆ(t) ＝EXP ｛−（ｔｉｍｅ(1) −ｔｉｍｅ( ｉ) ）／ｔａ｝
ｔａは熱時定数であり、実験的に求める。また、ｔｉｍｅ( ｉ) は各計算時刻データを表し、ｉは計算時刻パラメータで、ｔｉｍｅ(1) は現在時刻を表し、ｔｉｍｅ( ｉ) は（ｉ−１）回前の計算時刻を表す。ｈｅａｔ（ｉ）は各計算時刻時の発生熱量（加工熱量）を表す。
【００３７】
そして本発明者は、シュミレーションを行い、経過時間関数ｆ(t) がエキスポーネンシャル関数の場合には、所定ワークの加工１サイクル当りの加工熱量が次の数１１に示すような簡単な式で表されることを確認している。
【数１１】
加工熱量＝連続加工による経時変化量×サイクルタイム／時定数
ここで、連続加工による経時変化量は図１５に示すように当該ワークを連続加工した場合の熱変位量の収束値（つまり、最終値）であり、時定数ｔａはこのときの熱変位量カーブ（略一次遅れ関数である）の時定数である。また、サイクルタイムは当該ワークを実加工するときの１個当りの加工繰り返し周期時間である。
【００３８】
なお、他の機能構成部は前述の実施形態と同様なので、説明を省く。
【００３９】
次に、図１６に示すフローチャートに従って本実施形態における補正演算処理手順を説明する。
まず、Ｓ２１において、ワークの加工を開始する。次に、Ｓ２２で、熱的イベント測定手段１６から現在の加工熱量を入力し、熱的イベントテーブルのｔｐ（１）（最新の熱的イベントデータ）に記憶する（熱的イベントデータ記憶手段１１）。このとき、時計４から読み込んだ現在の計算時刻も記憶してもよい。つぎに、Ｓ２３で、熱的イベントテーブルに記憶された過去の全ての加工熱量データ及びその発生時刻（ここでは、各時点での計算時刻）に基づいて、数１により、現在の残存熱変位量、すなわち補正係数Ｈを演算する（残存熱変位量演算手段１２）。熱時定数が短い場合は、経過時間関数ｆ(t) は数１０で表したエキスポーネンシャル関数として演算してもよい。そして、Ｓ２４で、求めた補正係数Ｈに基づいて、数２〜４により各軸の位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓを求めた後、Ｓ２５でこの位置補正値Ｘｓ，Ｙｓ，ＺｓをＮＣ制御装置１に送信する（数値制御補正手段１３）。次に、Ｓ２６で、最も古い加工熱量データを削除し、他のデータを順次古い時刻に対応するアドレスに１つずつシフトするように転送して記憶し、最新データを記憶するエリアを確保する。そして、最初のＳ２１に戻って、以上処理を繰り返す。
【００４０】
本実施形態によると、所定時間以上のワーク加工による所定量以上の切削熱（つまり加工熱）が発生したとき熱的イベントが発生したと判断し、この加工熱の大きさと経過時間とに応じた残存熱変位量を経過時間関数ｆ（ｔ）のような演算式に基づいて演算している。経過時間関数ｆ（ｔ）は、基本的には前実施形態と同様に単位加工熱（単位熱的イベント量）が計算単位時間ｄｈだけ継続したときの熱的変位量のステップ応答として実験的に求められているが、熱時定数が短い場合は近似的にはエキスポーネンシャル関数で表してもよい。そして、ワーク種別毎に予め設定されている、ワーク１個の加工時に発生する加工熱を、発生熱量として読み込み、かつ経過時間を測定するだけで、上記経過時間関数ｆ（ｔ）に基づいて残存熱変位量を演算できる。このため、コンパクトな装置構成により、容易に、かつ簡単な演算式でありながら精度良く、残存熱変位量を演算できる。特にワーク１個当りの加工サイクルタイムが短く、常に略同じような加工の繰り返しを行う場合には、本実施形態による演算方法は非常に有効である。これにより、従来、困難であった熱変位量に対する工作機械の加工寸法補正を容易に行える熱変位量補正装置を非常に安価に製作可能となる。
【００４１】
以上、本発明によると、室温変化、運転熱、加工熱等の熱的イベントの大きさ及びその発生時刻を測定することにより、工作機械の残存熱変位量を演算することができ、加工寸法の補正が可能となる。運転熱や加工熱は一般的には実験や実測、経験により既知であり、よって都度計測する必要がないので、ＮＣ制御装置１又は制御器１０が有する時計機能だけで運転熱、加工熱による熱変位補正が可能である。また、室温変化による熱変位補正の場合でも、ハード的に追加するのは温度センサのみでよい。したがって、大がかりな装置としたり、費用をかけたりせずに、高精度で加工寸法の補正ができる。
【００４２】
なお、上記実施形態においては、室温変化、運転熱又は加工熱等の熱的イベントがそれぞれ単独で発生する場合を示したが、実用上でこれらの熱的イベントが複合して発生する場合には、各熱的イベント単独による残存熱変位量すなわち補正係数Ｈを演算してこれらの総和により実際の補正係数Ｈを求め、この総和値に基づいて加工寸法の補正値を演算すればよい。
また、これまでの説明では、数値制御補正手段１３は制御器１０に備える例を示したが、ＮＣ制御装置１内に備えてもよい。さらに、熱的イベント測定手段１６はＮＣ制御装置１ないに設けてもよく、例えば、加工熱を熱的イベントとした場合、ＮＣ制御装置１内に記憶している加工熱データを１つのワークを加工毎に制御器１０へ送信してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる熱的イベントに対する熱変位量と経過時間との関係を示す。
【図２】本発明に係わる熱的イベントの発生の説明図である。
【図３】第１実施形態の熱変位補正装置のハード構成ブロック図を示す。
【図４】第１実施形態の熱変位補正装置の機能構成ブロック図である。
【図５】熱的イベントテーブルの説明図である。
【図６】第１実施形態の補正演算処理フローチャートである。
【図７】第２実施形態の熱変位補正装置のハード構成ブロック図を示す。
【図８】第２実施形態の熱変位補正装置の機能構成ブロック図である。
【図９】第２実施形態の熱的イベント（運転熱）と熱変位量との関係の説明図である。
【図１０】第２実施形態の発熱量と熱的イベントとの関係の説明図である。
【図１１】第２実施形態の補正演算処理フローチャートである。
【図１２】第３実施形態の熱変位補正装置のハード構成ブロック図を示す。
【図１３】第３実施形態の熱変位補正装置の機能構成ブロック図である。
【図１４】第３実施形態の熱的イベント（切削熱）と熱変位量との関係の説明図である。
【図１５】第３実施形態の発熱量と熱的イベントとの関係の説明図である。
【図１６】第３実施形態の補正演算処理フローチャートである。
【符号の説明】
１  ＮＣ制御装置
２  工作機械
３  室温センサ
４  時計
１０  制御器
１１  熱的イベントデータ記憶手段
１２  残存熱変位量演算手段
１３  数値制御補正手段
１４  データ記憶アドレス更新手段
１５  記憶時刻判定手段
１６  熱的イベント測定手段
【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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