熱変位補正装置および熱変位補正方法
【課題】より高精度にワーク自身の熱変位補正を行うことができる熱変位補正装置および熱変位補正方法を提供する。
【解決手段】ワークＷの温度を実際に変化させた時にワークＷの基準点Ｐ１に対するワークＷの所定点Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向θ２〜θ７を予め測定しておき、測定した熱変位方向θ２〜θ７をデータベース３２に記憶しておく。データベース３２に記憶されているワークＷの所定点Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向θ２〜θ７、ワークＷの温度Ｔｗ、および、ワークＷの線膨張係数に基づいて、加工時におけるワークＷの所定点Ｐ２〜Ｐ７の熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７を算出する。そして、ワークＷの所定点Ｐ２〜Ｐ７を工具５により加工する際に、熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７に基づいてワークＷの基準点Ｐ１に対する工具５の相対位置を補正する。
【解決手段】ワークＷの温度を実際に変化させた時にワークＷの基準点Ｐ１に対するワークＷの所定点Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向θ２〜θ７を予め測定しておき、測定した熱変位方向θ２〜θ７をデータベース３２に記憶しておく。データベース３２に記憶されているワークＷの所定点Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向θ２〜θ７、ワークＷの温度Ｔｗ、および、ワークＷの線膨張係数に基づいて、加工時におけるワークＷの所定点Ｐ２〜Ｐ７の熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７を算出する。そして、ワークＷの所定点Ｐ２〜Ｐ７を工具５により加工する際に、熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７に基づいてワークＷの基準点Ｐ１に対する工具５の相対位置を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械においてワークの熱変位を補正する熱変位補正装置および熱変位補正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００６−２８１３３５号公報（特許文献１）にワークの熱変位を補正する熱変位補正方法が記載されている。当該文献には、ワークの熱変位量を考慮して、工具の刃先位置を補正することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２８１３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、本発明者らは、ワークの線膨張係数を理論値として、かつ、熱変位の方向を基準点と結ぶ直線方向に伸びるものと考え、ワークの熱変位量を理論値を用いて算出した。しかしながら、実際に実験を行った熱変位量の実測値と理論値としての熱変位量とを比較すると、両者にずれが生じていることを発見した。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、より高精度にワーク自身の熱変位補正を行うことができる熱変位補正装置および熱変位補正方法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】
【０００６】
（熱変位補正装置）
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ワークの形状の影響によって、熱変位する方向や熱変位の大きさが、理論値とは異なることを見出した。具体的には、基準点から見た所定点の熱変位方向は、基準点と所定点とを結ぶ直線上からずれていることを発見した。
【０００７】
（請求項１）そこで、本発明に係る熱変位補正装置は、ワークの熱変位に基づいて前記ワークの基準点に対する工具の相対位置を補正する熱変位補正装置であって、前記ワークの温度を実際に変化させた時に予め測定した前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位方向を記憶するデータベースと、加工時における前記ワークの温度を直接または間接に計測する温度計測手段と、前記データベースに記憶されている前記ワークの所定点の熱変位方向、前記温度計測手段により計測された前記ワークの温度、および、前記ワークの線膨張係数に基づいて、加工時における前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正位置算出手段と、前記ワークの所定点を前記工具により加工する際に、前記熱変位補正位置に基づいて前記ワークの基準点に対する前記工具の相対位置を補正する補正手段とを備える。
【０００８】
（請求項２）また、前記データベースは、前記ワークの温度を実際に変化させた時に予め測定した前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位量と前記ワークの温度とに基づいて算出した前記ワークの線膨張係数をさらに記憶し、前記熱変位補正位置算出手段は、前記データベースに記憶されている前記ワークの線膨張係数を用いて、前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出するようにしてもよい。
【０００９】
（請求項３）また、前記ワークの所定点は、複数であり、前記データベースに記憶されている前記線膨張係数は、前記ワークの複数の所定点における線膨張係数の平均値であるとしてもよい。
【００１０】
（請求項４）また、前記ワークの加工部位は、複数の穴であり、前記ワークの所定点は、それぞれの前記穴であり、前記データベースに記憶されている前記線膨張係数は、前記ワークのそれぞれの所定点の線膨張係数であり、前記熱変位補正位置算出手段は、前記データベースに記憶されている前記ワークのそれぞれの所定点の線膨張係数を用いて、前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位補正位置を算出するようにしてもよい。
【００１１】
（請求項５）また、前記ワークの加工部位は、曲面形状部位または平面形状部位であり、前記ワークの所定点は、前記ワークの加工部位に含まれる複数の点であり、前記データベースに記憶されている前記熱変位方向は、前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位方向であり、前記熱変位補正位置算出手段は、前記ワークの加工点に応じた前記熱変位方向を、前記データベースに記憶されている前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位方向を用いて補間することにより算出するようにしてもよい。
【００１２】
（熱変位補正方法）
上記においては、本発明を熱変位補正装置として捉えたものとして記載した。この他に、本発明は、熱変位補正方法として捉えることもできる。
【００１３】
（請求項６）本発明に係る熱変位補正方法は、ワークの熱変位に基づいて前記ワークの基準点に対する工具の相対位置を補正する熱変位補正方法であって、前記ワークの温度を実際に変化させた時に前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位方向を予め測定する測定工程と、加工時における前記ワークの温度を直接または間接に計測する温度計測工程と、予め測定した前記ワークの所定点の熱変位方向、前記温度計測工程にて計測された前記ワークの温度、および、前記ワークの線膨張係数に基づいて、加工時における前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正位置算出工程と、前記ワークの所定点を前記工具により加工する際に、前記熱変位補正位置に基づいて前記ワークの基準点に対する前記工具の相対位置を補正する補正工程とを備える。なお、上述した本発明に係る熱変位補正装置についての特徴部分は、当該熱変位補正方法についても同様に適用できる。
【発明の効果】
【００１４】
（請求項１）本発明によれば、ワークの基準点に対するワークの所定点の熱変位方向を、実際に実験を行って測定することにより取得している。つまり、実測値としての熱変位方向がデータベースに記憶されている。そして、このデータベースに記憶されている実測値としての熱変位方向を用いて、加工時のワークの温度に応じた熱変位補正位置を算出している。ここで、熱変位位置とは、ワークの温度が基準温度の場合におけるワークの所定点を原点として、ワークの温度が基準温度から変化することに伴って、ワークの所定点が移動した座標を意味する。
【００１５】
従って、本発明によれば、熱変位補正を行うための熱変位補正位置を、実際の熱変位位置に高精度に一致させることができる。その結果、加工精度を向上することができる。ここで、ワークの温度を直接に測定する手段として、ワークに対して接触式または非接触式の温度センサを用いることができる。また、ワークの温度を間接に測定する手段として、ワークの加工点に供給するクーラントの温度をワークの温度と推定する手段や、室温をワークの温度と推定する手段がある。
【００１６】
（請求項２）本発明者らは、熱変位方向のみならず、線膨張係数についても、ワークの形状などの影響によりワークの部位毎に異なることを見出した。そこで、本発明においては、実際に実験を行って、各所定点における線膨張係数を測定することとした。そして、加工時のワークの温度と実験により測定された線膨張係数を用いて熱変位量を算出することとした。従って、各所定点における熱変位量を、実際の熱変位量に高精度に一致させることができる。つまり、各所定点における熱変位方向および熱変位量を、実際の熱変位方向および熱変位量に高精度に一致させることができる。その結果、各所定点における熱変位補正位置を、より高精度に実際の熱変位位置に一致させることができる。
【００１７】
（請求項３）本発明のように、熱変位量の算出に用いる線膨張係数として、実験により測定された値の平均値を用いることで、当該線膨張係数を実際のワークの線膨張係数に近似した値にできる。その結果、各所定点における熱変位量を、実際の熱変位量に高精度に一致させることができる。さらに、線膨張係数として、複数の所定点に対して一定の値を用いることにより、熱変位量の演算処理速度を高速にできる。これにより、加工位置に対して高い追従性を確保することができるため、加工精度を向上することができる。
【００１８】
（請求項４）本発明によれば、加工部位としての複数の穴に対して、それぞれの線膨張係数をデータベースに記憶している。従って、各所定点に応じた線膨張係数を用いて、各所定点の熱変位量を算出している。その結果、各所定点における熱変位量を、実際の熱変位量に確実に一致させることができる。
【００１９】
（請求項５）曲面形状部位または平面形状部位を加工する場合において、散在する所定点における熱変位量を高精度に算出することができると共に、各所定点の間においても熱変位量を補間することにより高精度に算出することができる。従って、曲面形状部位または平面形状部位を加工する場合であっても、各部位の実際の熱変位量に応じた補正が可能となる。その結果、高精度な加工を実現できる。
【００２０】
（請求項６）本発明の熱変位補正方法においては、上述した本発明の熱変位補正装置における効果と同様の効果を奏することができる。また、熱変位補正装置についての上述した特徴部分を熱変位補正方法に適用した場合には、それぞれの特徴による効果を同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一実施形態：工作機械の側面図である。
【図２】ワークの斜視図である。
【図３】ワークの平面図である。
【図４】熱変位補正の手順に関するフローチャートである。
【図５】事前測定する際に熱変位した穴Ｐ５の中心位置Ｏａ５について示す拡大図である。
【図６】工作機械の制御ブロック構成である。
【図７】データベースに記憶する情報を示す表である。
【図８】穴Ｐ５の熱変位補正位置Ｏｂ５を示す拡大図である。
【図９】熱変位補正位置算出処理を示すフローチャートである。
【図１０】第二実施形態：データベースに記憶する情報を示す表である。
【図１１】第三実施形態：ワークの形状とデータベースに記憶する情報と加工位置との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（１．工作機械の機械構成）
本発明の熱変位補正装置および熱変位補正方法を適用した工作機械の一例として、横型マシニングセンタを例に挙げ、図１を参照して説明する。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。
【００２３】
図１に示すように、工作機械は、ベッド１と、ベッド１上にてＸ軸方向に移動可能なコラム２と、コラム２の前面（図１の左面）にてＹ軸方向に移動可能なサドル３と、サドル３に回転可能に支持され工具５を保持する回転主軸４と、ベッド１上にてＺ軸方向に移動可能でありワークＷを載置するテーブル６とを備える。
【００２４】
（２．ワークの形状）
次に、ワークＷの一例について図２および図３を参照して説明する。図２および図３に示すように、台形の開口部を有する有底箱形に形成された箱形本体１１と、箱形本体１１の開口縁全周にて外側へ延在したフランジ部１２と、箱形本体１１の内部にて側面と底面とに固定された複数のリブ１３〜１６とを備える。さらに、フランジ部１２には、７個の穴Ｐ１〜Ｐ７が貫通形成されている。このワークＷは、例えば、アルミニウムや鉄などの金属製からなる。つまり、ワークＷは、Ｘ軸方向においても、Ｙ軸方向においても、非対称形状である。特に、このような非対称形状からなるワークＷは、理論値とは異なる熱変位をすることが分かった。
【００２５】
ここで、当該ワークＷにおいて、穴Ｐ１〜Ｐ７を加工部位とする。図２および図３には図示しないが、ワークＷの温度が基準温度Ｔ０の場合において、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１の座標は（Ｘ１，Ｙ１）であり、穴Ｐ２の中心位置Ｏ２の座標は（Ｘ２，Ｙ２）であり、穴Ｐ３の中心位置Ｏ３の座標は（Ｘ３，Ｙ３）であり、穴Ｐ４の中心位置Ｏ４の座標は（Ｘ４，Ｙ４）であり、穴Ｐ５の中心位置Ｏ５の座標は（Ｘ５，Ｙ５）であり、穴Ｐ６の中心位置Ｏ６の座標は（Ｘ６，Ｙ６）であり、穴Ｐ７の中心位置Ｏ７の座標は（Ｘ７，Ｙ７）である。
【００２６】
（３．熱変位補正の手順）
本実施形態における熱変位補正に関する手順について、図４のフローチャートを参照して説明する。図４に示すように、まず、測定室における事前測定により、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に、各穴Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向を表す角度θ２〜θ７、および、各穴Ｐ２〜Ｐ７の線膨張係数ａ２〜ａ７を算出して、後述するデータベースに記憶しておく（ステップＳ１）。その後に、データベースに記憶されている情報を用いた熱変位補正を行いながら、ワークＷの穴Ｐ１〜Ｐ７を工具５により加工する（ステップＳ２）。以下に、それぞれのステップにおける詳細について説明する。
【００２７】
（４．熱変位位置の事前測定）
図４のステップＳ１における事前測定について、図３および図５を参照して説明する。上述したワークＷにおいて、穴Ｐ１〜Ｐ７を加工部位とした場合に、各穴Ｐ１〜Ｐ７の熱変位位置を実際に測定する。ここで、熱変位位置とは、ワークＷの温度Ｔｗが基準温度Ｔ０の場合における各穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７のそれぞれを原点として、ワークＷの温度Ｔｗが基準温度Ｔ０から変化することに伴って、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７が移動した座標を意味する。
【００２８】
まず、熱変位位置の実測に際して、ワークＷを測定室に設置して、測定室の温度を基準温度Ｔ０にして、ワークＷの温度が安定した状態となった後に、穴Ｐ１〜Ｐ７の中心位置Ｏ１〜Ｏ７を測定した。このときの穴Ｐ１〜Ｐ７の中心位置Ｏ１〜Ｏ７を、それぞれの穴Ｐ１〜Ｐ７の基準位置とする。
【００２９】
続いて、測定室の温度を基準温度Ｔ０から変化させて所定の設定温度Ｔにし、ワークＷの温度が安定した状態となった後に、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏａ２（Ｘａ２，Ｙａ２），・・・，Ｏａ７（Ｘａ７，Ｙａ７）を測定した。ここで、穴Ｐ１を基準点とするため、穴Ｐ１の中心位置（Ｘ１，Ｙ１）は、測定室の温度を基準温度Ｔ０から変化させた場合であっても移動しないものとする。
【００３０】
そして、基準温度Ｔ０における中心位置Ｏ２〜Ｏ７と変化後の設定温度Ｔにおける中心位置Ｏａ２〜Ｏａ７とにより、ワークＷの温度を基準温度Ｔ０から実際に変化させた時に穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合のワークＷの所定点である穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位方向および熱変位量を予め測定する。
【００３１】
ここで、穴Ｐ５を例に挙げて、図５を参照して詳細に説明する。図５に示すように、ワークＷの温度を基準温度Ｔ０から設定温度Ｔに変化させることで、穴Ｐ５の中心位置Ｏ５は、中心位置Ｏａ５へ熱変位する。つまり、穴Ｐ５の熱変位量は、ΔＰ５であった。穴Ｐ２〜Ｐ７の熱変位量ΔＰ２〜ΔＰ７は、式（１）に従って算出される。
【００３２】
【数１】
【００３３】
また、穴Ｐ５の熱変位方向は、Ｙ軸プラス方向から反時計回りにθ５の角度となる方向であった。この穴Ｐ５の熱変位方向は、基準穴Ｐ１と穴Ｐ５の中心位置Ｏ１，Ｏ５同士を結ぶ直線に対してずれた方向であった。穴Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向を表すＹ軸プラス方向からの角度θ２〜θ７は、式（２）に従って算出される。
【００３４】
【数２】
【００３５】
そして、図３に示すように、測定の結果、測定室の温度が所定の設定温度Ｔの場合において、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位量ΔＰ２〜ΔＰ７は、図３の各穴Ｐ２〜Ｐ７の矢印の大きさに比例した量であった。なお、図３において、矢印の大きさは、実際の熱変位量に対して設定された倍率を乗じた長さとして拡大図示している。さらに、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位方向は、各穴Ｐ２〜Ｐ７の矢印にて示す方向であった。ここで、測定室の温度を上記設定温度Ｔから変更した場合にも、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位方向は、図３の各穴Ｐ２〜Ｐ７の矢印にて示す方向に一致した。
【００３６】
続いて、これらの各穴Ｐ１〜Ｐ７の実測値に基づいて、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に、各穴Ｐ２〜Ｐ７の線膨張係数ａ２〜ａ７を算出した。ここで、再び、図５を参照して、穴Ｐ５を例に挙げて詳細に説明する。基準穴Ｐ１に対する穴Ｐ５の線膨張係数はａ５であった。線膨張係数ａ５は、ワークＷの温度変化ΔＴ（＝Ｔ−Ｔ０）と熱変位量ΔＰ５との関係から算出される。また、穴Ｐ３〜Ｐ７の線膨張係数はａ３〜ａ７であった。ここで、線膨張係数ａｎは、式（３）に従って算出される。
【００３７】
【数３】
【００３８】
以上説明したように、測定室における事前測定により、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に、各穴Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向を表す角度θ２〜θ７、および、各穴Ｐ２〜Ｐ７の線膨張係数ａ２〜ａ７を算出して、後述するデータベースに記憶しておく。
【００３９】
（５．工作機械の制御ブロック構成）
次に、上述した工作機械の制御ブロック構成について図６〜図９を参照して説明する。図６に示すように、工作機械は、ＮＣプログラム４１に基づいて、各軸モータ４３を制御する制御装置３０を備える。そして、ワークＷに対して工具５が相対移動することによって、工具５によりワークＷが加工される。また、ワークＷの加工は、ワークＷにクーラントをかけながら行う。ここで、ワークＷの温度Ｔｗは、室温Ｔｒおよびクーラント温度Ｔｃに影響を受ける。ただし、クーラント温度Ｔｃは、室温Ｔｒに一致するように温度制御されている。そのため、ワークＷの温度Ｔｗはクーラント温度Ｔｃにほぼ一致する。
【００４０】
クーラント温度Ｔｃの温度制御を行うために、工作機械には、クーラント温度Ｔｃを計測するクーラント温度センサ４２が設けられている。本実施形態においては、このクーラント温度センサ４２により計測されるクーラント温度Ｔｃを用いて、制御装置３０が熱変位補正を行う。なお、以下に説明する熱変位補正において、クーラント温度Ｔｃを用いているが、このクーラント温度ＴｃはワークＷの温度Ｔｗの推定値として用いられている。つまり、クーラント温度センサ４２により、ワークＷの温度Ｔｗを間接に計測していることになる。
【００４１】
この制御装置３０は、基準制御値算出部３１と、データベース３２と、熱変位補正位置算出部３３と、補正部３４と、各軸ドライバ３５とを備える。基準制御値算出部３１は、ＮＣプログラム４１の指令値と各軸モータ４３の現在位置に基づいて基準位置制御値を算出する。基準位置制御値とは、後述する熱変位補正を行う前における各軸モータ４３に対する位置制御値である。
【００４２】
データベース３２は、上述において図３および図５を用いて説明したように、測定室にてワークＷの温度Ｔｗを実際に変化させた時に予め測定した情報、具体的には、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合において、穴Ｐ２〜Ｐ７における熱変位方向を表す角度θ２〜θ７および線膨張係数ａ２〜ａ７を記憶している。つまり、図７に示すように、データベース３２には、各穴Ｐ２〜Ｐ７に関連づけて、線膨張係数ａ２〜ａ７と熱変位方向を表す角度θ２〜θ７とが記憶されている。
【００４３】
熱変位補正位置算出部３３は、基準制御値算出部３１により算出された基準位置制御値に応じた熱変位補正位置Ｏｂｎを算出する。熱変位補正位置算出部３３による処理について、図９のフローチャートを参照しながら説明する。さらに、熱変位補正位置算出部３３により算出される熱変位補正位置Ｏｂｎについては、図６および図８を参照して説明する。なお、図８は、穴Ｐ５を例に挙げて図示している。
【００４４】
熱変位補正位置算出部３３は、基準制御値算出部３１から出力される基準位置制御値、すなわち加工位置としての穴Ｐ１〜Ｐ７の何れであるかを取得する（ステップＳ１１）。続いて、熱変位補正位置算出部３３は、取得した加工位置である穴Ｐｎに対応する線膨張係数ａｎおよび角度θｎを、データベース３２から取得する（ステップＳ１２）。続いて、クーラント温度センサ４２からクーラント温度Ｔｃを取得する（ステップＳ１３）。
【００４５】
そして、熱変位補正位置算出部３３は、データベース３２から取得した該当する穴Ｐｎの線膨張係数ａｎと、クーラント温度センサ４２により計測されるクーラント温度Ｔｃとに基づいて、式（４）に従って、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に該当する穴Ｐｎの熱変位量ΔＰｂｎを算出する（ステップＳ１４）。
【００４６】
【数４】
【００４７】
続いて、熱変位補正位置算出部３３は、算出した熱変位量ΔＰｂｎと、データベース３２から取得した該当する穴Ｐｎの熱変位方向を表す角度θｎとに基づいて、式（５）に従って、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に該当する穴Ｐｎの熱変位補正位置Ｏｂｎを算出する。ここで、上記にも記載したように、熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７とは、基準温度Ｔ０における各穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７のそれぞれを原点として、ワークＷの温度Ｔｗが基準温度Ｔ０から変化することに伴って、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７が移動した座標である。式（５）に従って、各穴Ｐｂｎの熱変位補正位置ＯｂｎのＸ軸座標ΔＰｂｘｎおよびＹ軸座標ΔＰｂｙｎを算出する。そして、処理を終了する。
【００４８】
【数５】
【００４９】
図６に戻り、制御装置３０の機能ブロック構成についての説明を継続する。補正部３４は、基準制御値算出部３１により算出された基準位置制御値に対して、熱変位補正位置算出部３３により算出された熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７の分を補正して、補正位置制御値を算出する。補正部３４は、補正位置制御値を各軸ドライバ３５に出力して、各軸ドライバ３５を駆動する。各軸ドライバ３５は、各軸モータ４３を駆動する。つまり、補正部３４は、ワークＷの各穴Ｏ２〜Ｏ７を工具５により加工する際に、熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７に基づいてワークＷの基準点である穴Ｐ１の中心位置Ｏ１に対する工具５の相対位置を補正する。
【００５０】
以上説明したように、ワークＷの基準点である穴Ｐ１の中心位置Ｏ１に対する他の穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位方向および線膨張係数を、実際に実験を行って測定することにより取得している。つまり、実測値としての熱変位方向および線膨張係数がデータベース３２に記憶されている。そして、このデータベース３２に記憶されている実測値としての熱変位方向および線膨張係数を用いて、加工時のワークＷの温度Ｔｗに応じた熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７を算出している。従って、熱変位補正を行うための熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７を、ワークＷの実際の熱変位位置に高精度に一致させることができる。その結果、加工精度を向上することができる。
【００５１】
さらに、基準点としての穴Ｐ１以外の穴Ｐ２〜Ｐ７それぞれに対して、それぞれの線膨張係数ａ２〜ａ７をデータベース３２に記憶している。従って、各穴Ｐ２〜Ｐ７に応じた線膨張係数ａ２〜ａ７を用いて、各穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位量ΔＰｂ２〜ΔＰｂ７を算出している。その結果、各穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７における熱変位量ΔＰｂ２〜ΔＰｂ７を、ワークＷの実際の熱変位量に確実に一致させることができる。
【００５２】
＜第二実施形態＞
データベース３２に記憶する情報についての第二実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０に示すように、データベース３２において、穴Ｐ２〜Ｐ７における線膨張係数として、穴Ｐ２〜Ｐ７全てについて一定値ａａｖｅを記憶している。この線膨張係数ａａｖｅは、実測した各穴Ｐ２〜Ｐ７における線膨張係数ａ１〜ａ７の平均値である。この平均値である線膨張係数ａａｖｅは、当然ではあるが、理論値と一致するとは限らない。そして、熱変位補正位置算出部３３による熱変位補正位置算出処理は、線膨張係数ａａｖｅが相違するのみで、上記と同様の処理となる。
【００５３】
このように、熱変位補正位置算出部３３における熱変位量ΔＰｂｎの算出に用いる線膨張係数ａａｖｅとして、実験により測定された値の平均値を用いることで、当該線膨張係数ａａｖｅを実際のワークＷの線膨張係数に近似した値にできる。その結果、各穴Ｐ２〜Ｐ７における熱変位量ΔＰｂｎを、実際の熱変位量に高精度に一致させることができる。さらに、線膨張係数ａａｖｅとして、複数の穴Ｐ２〜Ｐ７に対して一定の値を用いることにより、熱変位補正位置算出部３３における熱変位量ΔＰｂｎの演算処理速度を高速にできる。これにより、加工位置に対して高い追従性を確保することができるため、加工精度を向上することができる。
【００５４】
＜第三実施形態＞
上記においては、ワークＷの穴Ｐ１〜Ｐ７を加工部位とした場合について説明した。この他に、図１１に示すワークＷの面を加工部位として、上記の熱変位補正を適用することもできる。ワークＷの面などの加工部位としては、曲面形状部位であってもよいし、平面形状部位であってもよい。
【００５５】
この場合、図１１に示すように、ワークＷの加工部位における複数の点Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４についての実際の熱変位位置の事前測定を行って、データベース３２に記憶しておく。そして、加工時において、データベース３２に記憶されている情報を用いて補間することにより、基準制御値算出部３１にて算出された基準位置制御値に対応するワークＷの加工位置Ｐにおける熱変位補正位置ΔＰを算出する。具体的には、当該ワークＷの加工位置Ｐにおける熱変位方向を表す角度θは、データベース３２に記憶されている情報の中から、当該加工位置Ｐに隣接する複数の位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４における熱変位方向を表す角度θを補間することにより算出する。さらに、当該ワークＷの加工位置Ｐにおける線膨張係数ａは、データベース３２に記憶されている情報の中から、当該加工位置Ｐに隣接する複数の位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４における線膨張係数を補間することにより算出する。なお、線膨張係数は、第二実施形態にて説明したように、平均値としての一定値を用いることもできる。そして、補正部３４にて、当該熱変位補正位置を用いて熱変位補正を行いながら面加工を行う。
【００５６】
＜その他＞
上記実施形態においては、ワークＷの温度Ｔｗについてクーラント温度Ｔｃを用いた。この他に、ワークＷの温度Ｔｗが室温Ｔｒに一致するのであれば、室温Ｔｒを計測して、計測した室温ＴｒをワークＷの温度Ｔｗとして適用することもできる。また、非接触温度センサを用いることで、ワークＷ自身の温度Ｔｗを直接計測できる。
【符号の説明】
【００５７】
５：工具、 ３０：制御装置、 ３１：基準制御値算出部
３２：データベース、 ３３：熱変位補正位置算出部、 ３４：補正部
４２：クーラント温度センサ
Ｐ１：基準穴、 Ｐ２〜Ｐ７：熱変位補正対象の穴、 Ｗ：ワーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械においてワークの熱変位を補正する熱変位補正装置および熱変位補正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００６−２８１３３５号公報（特許文献１）にワークの熱変位を補正する熱変位補正方法が記載されている。当該文献には、ワークの熱変位量を考慮して、工具の刃先位置を補正することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２８１３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、本発明者らは、ワークの線膨張係数を理論値として、かつ、熱変位の方向を基準点と結ぶ直線方向に伸びるものと考え、ワークの熱変位量を理論値を用いて算出した。しかしながら、実際に実験を行った熱変位量の実測値と理論値としての熱変位量とを比較すると、両者にずれが生じていることを発見した。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、より高精度にワーク自身の熱変位補正を行うことができる熱変位補正装置および熱変位補正方法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】
【０００６】
（熱変位補正装置）
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ワークの形状の影響によって、熱変位する方向や熱変位の大きさが、理論値とは異なることを見出した。具体的には、基準点から見た所定点の熱変位方向は、基準点と所定点とを結ぶ直線上からずれていることを発見した。
【０００７】
（請求項１）そこで、本発明に係る熱変位補正装置は、ワークの熱変位に基づいて前記ワークの基準点に対する工具の相対位置を補正する熱変位補正装置であって、前記ワークの温度を実際に変化させた時に予め測定した前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位方向を記憶するデータベースと、加工時における前記ワークの温度を直接または間接に計測する温度計測手段と、前記データベースに記憶されている前記ワークの所定点の熱変位方向、前記温度計測手段により計測された前記ワークの温度、および、前記ワークの線膨張係数に基づいて、加工時における前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正位置算出手段と、前記ワークの所定点を前記工具により加工する際に、前記熱変位補正位置に基づいて前記ワークの基準点に対する前記工具の相対位置を補正する補正手段とを備える。
【０００８】
（請求項２）また、前記データベースは、前記ワークの温度を実際に変化させた時に予め測定した前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位量と前記ワークの温度とに基づいて算出した前記ワークの線膨張係数をさらに記憶し、前記熱変位補正位置算出手段は、前記データベースに記憶されている前記ワークの線膨張係数を用いて、前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出するようにしてもよい。
【０００９】
（請求項３）また、前記ワークの所定点は、複数であり、前記データベースに記憶されている前記線膨張係数は、前記ワークの複数の所定点における線膨張係数の平均値であるとしてもよい。
【００１０】
（請求項４）また、前記ワークの加工部位は、複数の穴であり、前記ワークの所定点は、それぞれの前記穴であり、前記データベースに記憶されている前記線膨張係数は、前記ワークのそれぞれの所定点の線膨張係数であり、前記熱変位補正位置算出手段は、前記データベースに記憶されている前記ワークのそれぞれの所定点の線膨張係数を用いて、前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位補正位置を算出するようにしてもよい。
【００１１】
（請求項５）また、前記ワークの加工部位は、曲面形状部位または平面形状部位であり、前記ワークの所定点は、前記ワークの加工部位に含まれる複数の点であり、前記データベースに記憶されている前記熱変位方向は、前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位方向であり、前記熱変位補正位置算出手段は、前記ワークの加工点に応じた前記熱変位方向を、前記データベースに記憶されている前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位方向を用いて補間することにより算出するようにしてもよい。
【００１２】
（熱変位補正方法）
上記においては、本発明を熱変位補正装置として捉えたものとして記載した。この他に、本発明は、熱変位補正方法として捉えることもできる。
【００１３】
（請求項６）本発明に係る熱変位補正方法は、ワークの熱変位に基づいて前記ワークの基準点に対する工具の相対位置を補正する熱変位補正方法であって、前記ワークの温度を実際に変化させた時に前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位方向を予め測定する測定工程と、加工時における前記ワークの温度を直接または間接に計測する温度計測工程と、予め測定した前記ワークの所定点の熱変位方向、前記温度計測工程にて計測された前記ワークの温度、および、前記ワークの線膨張係数に基づいて、加工時における前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正位置算出工程と、前記ワークの所定点を前記工具により加工する際に、前記熱変位補正位置に基づいて前記ワークの基準点に対する前記工具の相対位置を補正する補正工程とを備える。なお、上述した本発明に係る熱変位補正装置についての特徴部分は、当該熱変位補正方法についても同様に適用できる。
【発明の効果】
【００１４】
（請求項１）本発明によれば、ワークの基準点に対するワークの所定点の熱変位方向を、実際に実験を行って測定することにより取得している。つまり、実測値としての熱変位方向がデータベースに記憶されている。そして、このデータベースに記憶されている実測値としての熱変位方向を用いて、加工時のワークの温度に応じた熱変位補正位置を算出している。ここで、熱変位位置とは、ワークの温度が基準温度の場合におけるワークの所定点を原点として、ワークの温度が基準温度から変化することに伴って、ワークの所定点が移動した座標を意味する。
【００１５】
従って、本発明によれば、熱変位補正を行うための熱変位補正位置を、実際の熱変位位置に高精度に一致させることができる。その結果、加工精度を向上することができる。ここで、ワークの温度を直接に測定する手段として、ワークに対して接触式または非接触式の温度センサを用いることができる。また、ワークの温度を間接に測定する手段として、ワークの加工点に供給するクーラントの温度をワークの温度と推定する手段や、室温をワークの温度と推定する手段がある。
【００１６】
（請求項２）本発明者らは、熱変位方向のみならず、線膨張係数についても、ワークの形状などの影響によりワークの部位毎に異なることを見出した。そこで、本発明においては、実際に実験を行って、各所定点における線膨張係数を測定することとした。そして、加工時のワークの温度と実験により測定された線膨張係数を用いて熱変位量を算出することとした。従って、各所定点における熱変位量を、実際の熱変位量に高精度に一致させることができる。つまり、各所定点における熱変位方向および熱変位量を、実際の熱変位方向および熱変位量に高精度に一致させることができる。その結果、各所定点における熱変位補正位置を、より高精度に実際の熱変位位置に一致させることができる。
【００１７】
（請求項３）本発明のように、熱変位量の算出に用いる線膨張係数として、実験により測定された値の平均値を用いることで、当該線膨張係数を実際のワークの線膨張係数に近似した値にできる。その結果、各所定点における熱変位量を、実際の熱変位量に高精度に一致させることができる。さらに、線膨張係数として、複数の所定点に対して一定の値を用いることにより、熱変位量の演算処理速度を高速にできる。これにより、加工位置に対して高い追従性を確保することができるため、加工精度を向上することができる。
【００１８】
（請求項４）本発明によれば、加工部位としての複数の穴に対して、それぞれの線膨張係数をデータベースに記憶している。従って、各所定点に応じた線膨張係数を用いて、各所定点の熱変位量を算出している。その結果、各所定点における熱変位量を、実際の熱変位量に確実に一致させることができる。
【００１９】
（請求項５）曲面形状部位または平面形状部位を加工する場合において、散在する所定点における熱変位量を高精度に算出することができると共に、各所定点の間においても熱変位量を補間することにより高精度に算出することができる。従って、曲面形状部位または平面形状部位を加工する場合であっても、各部位の実際の熱変位量に応じた補正が可能となる。その結果、高精度な加工を実現できる。
【００２０】
（請求項６）本発明の熱変位補正方法においては、上述した本発明の熱変位補正装置における効果と同様の効果を奏することができる。また、熱変位補正装置についての上述した特徴部分を熱変位補正方法に適用した場合には、それぞれの特徴による効果を同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一実施形態：工作機械の側面図である。
【図２】ワークの斜視図である。
【図３】ワークの平面図である。
【図４】熱変位補正の手順に関するフローチャートである。
【図５】事前測定する際に熱変位した穴Ｐ５の中心位置Ｏａ５について示す拡大図である。
【図６】工作機械の制御ブロック構成である。
【図７】データベースに記憶する情報を示す表である。
【図８】穴Ｐ５の熱変位補正位置Ｏｂ５を示す拡大図である。
【図９】熱変位補正位置算出処理を示すフローチャートである。
【図１０】第二実施形態：データベースに記憶する情報を示す表である。
【図１１】第三実施形態：ワークの形状とデータベースに記憶する情報と加工位置との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（１．工作機械の機械構成）
本発明の熱変位補正装置および熱変位補正方法を適用した工作機械の一例として、横型マシニングセンタを例に挙げ、図１を参照して説明する。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。
【００２３】
図１に示すように、工作機械は、ベッド１と、ベッド１上にてＸ軸方向に移動可能なコラム２と、コラム２の前面（図１の左面）にてＹ軸方向に移動可能なサドル３と、サドル３に回転可能に支持され工具５を保持する回転主軸４と、ベッド１上にてＺ軸方向に移動可能でありワークＷを載置するテーブル６とを備える。
【００２４】
（２．ワークの形状）
次に、ワークＷの一例について図２および図３を参照して説明する。図２および図３に示すように、台形の開口部を有する有底箱形に形成された箱形本体１１と、箱形本体１１の開口縁全周にて外側へ延在したフランジ部１２と、箱形本体１１の内部にて側面と底面とに固定された複数のリブ１３〜１６とを備える。さらに、フランジ部１２には、７個の穴Ｐ１〜Ｐ７が貫通形成されている。このワークＷは、例えば、アルミニウムや鉄などの金属製からなる。つまり、ワークＷは、Ｘ軸方向においても、Ｙ軸方向においても、非対称形状である。特に、このような非対称形状からなるワークＷは、理論値とは異なる熱変位をすることが分かった。
【００２５】
ここで、当該ワークＷにおいて、穴Ｐ１〜Ｐ７を加工部位とする。図２および図３には図示しないが、ワークＷの温度が基準温度Ｔ０の場合において、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１の座標は（Ｘ１，Ｙ１）であり、穴Ｐ２の中心位置Ｏ２の座標は（Ｘ２，Ｙ２）であり、穴Ｐ３の中心位置Ｏ３の座標は（Ｘ３，Ｙ３）であり、穴Ｐ４の中心位置Ｏ４の座標は（Ｘ４，Ｙ４）であり、穴Ｐ５の中心位置Ｏ５の座標は（Ｘ５，Ｙ５）であり、穴Ｐ６の中心位置Ｏ６の座標は（Ｘ６，Ｙ６）であり、穴Ｐ７の中心位置Ｏ７の座標は（Ｘ７，Ｙ７）である。
【００２６】
（３．熱変位補正の手順）
本実施形態における熱変位補正に関する手順について、図４のフローチャートを参照して説明する。図４に示すように、まず、測定室における事前測定により、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に、各穴Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向を表す角度θ２〜θ７、および、各穴Ｐ２〜Ｐ７の線膨張係数ａ２〜ａ７を算出して、後述するデータベースに記憶しておく（ステップＳ１）。その後に、データベースに記憶されている情報を用いた熱変位補正を行いながら、ワークＷの穴Ｐ１〜Ｐ７を工具５により加工する（ステップＳ２）。以下に、それぞれのステップにおける詳細について説明する。
【００２７】
（４．熱変位位置の事前測定）
図４のステップＳ１における事前測定について、図３および図５を参照して説明する。上述したワークＷにおいて、穴Ｐ１〜Ｐ７を加工部位とした場合に、各穴Ｐ１〜Ｐ７の熱変位位置を実際に測定する。ここで、熱変位位置とは、ワークＷの温度Ｔｗが基準温度Ｔ０の場合における各穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７のそれぞれを原点として、ワークＷの温度Ｔｗが基準温度Ｔ０から変化することに伴って、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７が移動した座標を意味する。
【００２８】
まず、熱変位位置の実測に際して、ワークＷを測定室に設置して、測定室の温度を基準温度Ｔ０にして、ワークＷの温度が安定した状態となった後に、穴Ｐ１〜Ｐ７の中心位置Ｏ１〜Ｏ７を測定した。このときの穴Ｐ１〜Ｐ７の中心位置Ｏ１〜Ｏ７を、それぞれの穴Ｐ１〜Ｐ７の基準位置とする。
【００２９】
続いて、測定室の温度を基準温度Ｔ０から変化させて所定の設定温度Ｔにし、ワークＷの温度が安定した状態となった後に、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏａ２（Ｘａ２，Ｙａ２），・・・，Ｏａ７（Ｘａ７，Ｙａ７）を測定した。ここで、穴Ｐ１を基準点とするため、穴Ｐ１の中心位置（Ｘ１，Ｙ１）は、測定室の温度を基準温度Ｔ０から変化させた場合であっても移動しないものとする。
【００３０】
そして、基準温度Ｔ０における中心位置Ｏ２〜Ｏ７と変化後の設定温度Ｔにおける中心位置Ｏａ２〜Ｏａ７とにより、ワークＷの温度を基準温度Ｔ０から実際に変化させた時に穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合のワークＷの所定点である穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位方向および熱変位量を予め測定する。
【００３１】
ここで、穴Ｐ５を例に挙げて、図５を参照して詳細に説明する。図５に示すように、ワークＷの温度を基準温度Ｔ０から設定温度Ｔに変化させることで、穴Ｐ５の中心位置Ｏ５は、中心位置Ｏａ５へ熱変位する。つまり、穴Ｐ５の熱変位量は、ΔＰ５であった。穴Ｐ２〜Ｐ７の熱変位量ΔＰ２〜ΔＰ７は、式（１）に従って算出される。
【００３２】
【数１】
【００３３】
また、穴Ｐ５の熱変位方向は、Ｙ軸プラス方向から反時計回りにθ５の角度となる方向であった。この穴Ｐ５の熱変位方向は、基準穴Ｐ１と穴Ｐ５の中心位置Ｏ１，Ｏ５同士を結ぶ直線に対してずれた方向であった。穴Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向を表すＹ軸プラス方向からの角度θ２〜θ７は、式（２）に従って算出される。
【００３４】
【数２】
【００３５】
そして、図３に示すように、測定の結果、測定室の温度が所定の設定温度Ｔの場合において、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位量ΔＰ２〜ΔＰ７は、図３の各穴Ｐ２〜Ｐ７の矢印の大きさに比例した量であった。なお、図３において、矢印の大きさは、実際の熱変位量に対して設定された倍率を乗じた長さとして拡大図示している。さらに、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位方向は、各穴Ｐ２〜Ｐ７の矢印にて示す方向であった。ここで、測定室の温度を上記設定温度Ｔから変更した場合にも、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位方向は、図３の各穴Ｐ２〜Ｐ７の矢印にて示す方向に一致した。
【００３６】
続いて、これらの各穴Ｐ１〜Ｐ７の実測値に基づいて、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に、各穴Ｐ２〜Ｐ７の線膨張係数ａ２〜ａ７を算出した。ここで、再び、図５を参照して、穴Ｐ５を例に挙げて詳細に説明する。基準穴Ｐ１に対する穴Ｐ５の線膨張係数はａ５であった。線膨張係数ａ５は、ワークＷの温度変化ΔＴ（＝Ｔ−Ｔ０）と熱変位量ΔＰ５との関係から算出される。また、穴Ｐ３〜Ｐ７の線膨張係数はａ３〜ａ７であった。ここで、線膨張係数ａｎは、式（３）に従って算出される。
【００３７】
【数３】
【００３８】
以上説明したように、測定室における事前測定により、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に、各穴Ｐ２〜Ｐ７の熱変位方向を表す角度θ２〜θ７、および、各穴Ｐ２〜Ｐ７の線膨張係数ａ２〜ａ７を算出して、後述するデータベースに記憶しておく。
【００３９】
（５．工作機械の制御ブロック構成）
次に、上述した工作機械の制御ブロック構成について図６〜図９を参照して説明する。図６に示すように、工作機械は、ＮＣプログラム４１に基づいて、各軸モータ４３を制御する制御装置３０を備える。そして、ワークＷに対して工具５が相対移動することによって、工具５によりワークＷが加工される。また、ワークＷの加工は、ワークＷにクーラントをかけながら行う。ここで、ワークＷの温度Ｔｗは、室温Ｔｒおよびクーラント温度Ｔｃに影響を受ける。ただし、クーラント温度Ｔｃは、室温Ｔｒに一致するように温度制御されている。そのため、ワークＷの温度Ｔｗはクーラント温度Ｔｃにほぼ一致する。
【００４０】
クーラント温度Ｔｃの温度制御を行うために、工作機械には、クーラント温度Ｔｃを計測するクーラント温度センサ４２が設けられている。本実施形態においては、このクーラント温度センサ４２により計測されるクーラント温度Ｔｃを用いて、制御装置３０が熱変位補正を行う。なお、以下に説明する熱変位補正において、クーラント温度Ｔｃを用いているが、このクーラント温度ＴｃはワークＷの温度Ｔｗの推定値として用いられている。つまり、クーラント温度センサ４２により、ワークＷの温度Ｔｗを間接に計測していることになる。
【００４１】
この制御装置３０は、基準制御値算出部３１と、データベース３２と、熱変位補正位置算出部３３と、補正部３４と、各軸ドライバ３５とを備える。基準制御値算出部３１は、ＮＣプログラム４１の指令値と各軸モータ４３の現在位置に基づいて基準位置制御値を算出する。基準位置制御値とは、後述する熱変位補正を行う前における各軸モータ４３に対する位置制御値である。
【００４２】
データベース３２は、上述において図３および図５を用いて説明したように、測定室にてワークＷの温度Ｔｗを実際に変化させた時に予め測定した情報、具体的には、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合において、穴Ｐ２〜Ｐ７における熱変位方向を表す角度θ２〜θ７および線膨張係数ａ２〜ａ７を記憶している。つまり、図７に示すように、データベース３２には、各穴Ｐ２〜Ｐ７に関連づけて、線膨張係数ａ２〜ａ７と熱変位方向を表す角度θ２〜θ７とが記憶されている。
【００４３】
熱変位補正位置算出部３３は、基準制御値算出部３１により算出された基準位置制御値に応じた熱変位補正位置Ｏｂｎを算出する。熱変位補正位置算出部３３による処理について、図９のフローチャートを参照しながら説明する。さらに、熱変位補正位置算出部３３により算出される熱変位補正位置Ｏｂｎについては、図６および図８を参照して説明する。なお、図８は、穴Ｐ５を例に挙げて図示している。
【００４４】
熱変位補正位置算出部３３は、基準制御値算出部３１から出力される基準位置制御値、すなわち加工位置としての穴Ｐ１〜Ｐ７の何れであるかを取得する（ステップＳ１１）。続いて、熱変位補正位置算出部３３は、取得した加工位置である穴Ｐｎに対応する線膨張係数ａｎおよび角度θｎを、データベース３２から取得する（ステップＳ１２）。続いて、クーラント温度センサ４２からクーラント温度Ｔｃを取得する（ステップＳ１３）。
【００４５】
そして、熱変位補正位置算出部３３は、データベース３２から取得した該当する穴Ｐｎの線膨張係数ａｎと、クーラント温度センサ４２により計測されるクーラント温度Ｔｃとに基づいて、式（４）に従って、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に該当する穴Ｐｎの熱変位量ΔＰｂｎを算出する（ステップＳ１４）。
【００４６】
【数４】
【００４７】
続いて、熱変位補正位置算出部３３は、算出した熱変位量ΔＰｂｎと、データベース３２から取得した該当する穴Ｐｎの熱変位方向を表す角度θｎとに基づいて、式（５）に従って、穴Ｐ１の中心位置Ｏ１を基準点とした場合に該当する穴Ｐｎの熱変位補正位置Ｏｂｎを算出する。ここで、上記にも記載したように、熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７とは、基準温度Ｔ０における各穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７のそれぞれを原点として、ワークＷの温度Ｔｗが基準温度Ｔ０から変化することに伴って、穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７が移動した座標である。式（５）に従って、各穴Ｐｂｎの熱変位補正位置ＯｂｎのＸ軸座標ΔＰｂｘｎおよびＹ軸座標ΔＰｂｙｎを算出する。そして、処理を終了する。
【００４８】
【数５】
【００４９】
図６に戻り、制御装置３０の機能ブロック構成についての説明を継続する。補正部３４は、基準制御値算出部３１により算出された基準位置制御値に対して、熱変位補正位置算出部３３により算出された熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７の分を補正して、補正位置制御値を算出する。補正部３４は、補正位置制御値を各軸ドライバ３５に出力して、各軸ドライバ３５を駆動する。各軸ドライバ３５は、各軸モータ４３を駆動する。つまり、補正部３４は、ワークＷの各穴Ｏ２〜Ｏ７を工具５により加工する際に、熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７に基づいてワークＷの基準点である穴Ｐ１の中心位置Ｏ１に対する工具５の相対位置を補正する。
【００５０】
以上説明したように、ワークＷの基準点である穴Ｐ１の中心位置Ｏ１に対する他の穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位方向および線膨張係数を、実際に実験を行って測定することにより取得している。つまり、実測値としての熱変位方向および線膨張係数がデータベース３２に記憶されている。そして、このデータベース３２に記憶されている実測値としての熱変位方向および線膨張係数を用いて、加工時のワークＷの温度Ｔｗに応じた熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７を算出している。従って、熱変位補正を行うための熱変位補正位置Ｏｂ２〜Ｏｂ７を、ワークＷの実際の熱変位位置に高精度に一致させることができる。その結果、加工精度を向上することができる。
【００５１】
さらに、基準点としての穴Ｐ１以外の穴Ｐ２〜Ｐ７それぞれに対して、それぞれの線膨張係数ａ２〜ａ７をデータベース３２に記憶している。従って、各穴Ｐ２〜Ｐ７に応じた線膨張係数ａ２〜ａ７を用いて、各穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７の熱変位量ΔＰｂ２〜ΔＰｂ７を算出している。その結果、各穴Ｐ２〜Ｐ７の中心位置Ｏ２〜Ｏ７における熱変位量ΔＰｂ２〜ΔＰｂ７を、ワークＷの実際の熱変位量に確実に一致させることができる。
【００５２】
＜第二実施形態＞
データベース３２に記憶する情報についての第二実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０に示すように、データベース３２において、穴Ｐ２〜Ｐ７における線膨張係数として、穴Ｐ２〜Ｐ７全てについて一定値ａａｖｅを記憶している。この線膨張係数ａａｖｅは、実測した各穴Ｐ２〜Ｐ７における線膨張係数ａ１〜ａ７の平均値である。この平均値である線膨張係数ａａｖｅは、当然ではあるが、理論値と一致するとは限らない。そして、熱変位補正位置算出部３３による熱変位補正位置算出処理は、線膨張係数ａａｖｅが相違するのみで、上記と同様の処理となる。
【００５３】
このように、熱変位補正位置算出部３３における熱変位量ΔＰｂｎの算出に用いる線膨張係数ａａｖｅとして、実験により測定された値の平均値を用いることで、当該線膨張係数ａａｖｅを実際のワークＷの線膨張係数に近似した値にできる。その結果、各穴Ｐ２〜Ｐ７における熱変位量ΔＰｂｎを、実際の熱変位量に高精度に一致させることができる。さらに、線膨張係数ａａｖｅとして、複数の穴Ｐ２〜Ｐ７に対して一定の値を用いることにより、熱変位補正位置算出部３３における熱変位量ΔＰｂｎの演算処理速度を高速にできる。これにより、加工位置に対して高い追従性を確保することができるため、加工精度を向上することができる。
【００５４】
＜第三実施形態＞
上記においては、ワークＷの穴Ｐ１〜Ｐ７を加工部位とした場合について説明した。この他に、図１１に示すワークＷの面を加工部位として、上記の熱変位補正を適用することもできる。ワークＷの面などの加工部位としては、曲面形状部位であってもよいし、平面形状部位であってもよい。
【００５５】
この場合、図１１に示すように、ワークＷの加工部位における複数の点Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４についての実際の熱変位位置の事前測定を行って、データベース３２に記憶しておく。そして、加工時において、データベース３２に記憶されている情報を用いて補間することにより、基準制御値算出部３１にて算出された基準位置制御値に対応するワークＷの加工位置Ｐにおける熱変位補正位置ΔＰを算出する。具体的には、当該ワークＷの加工位置Ｐにおける熱変位方向を表す角度θは、データベース３２に記憶されている情報の中から、当該加工位置Ｐに隣接する複数の位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４における熱変位方向を表す角度θを補間することにより算出する。さらに、当該ワークＷの加工位置Ｐにおける線膨張係数ａは、データベース３２に記憶されている情報の中から、当該加工位置Ｐに隣接する複数の位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４における線膨張係数を補間することにより算出する。なお、線膨張係数は、第二実施形態にて説明したように、平均値としての一定値を用いることもできる。そして、補正部３４にて、当該熱変位補正位置を用いて熱変位補正を行いながら面加工を行う。
【００５６】
＜その他＞
上記実施形態においては、ワークＷの温度Ｔｗについてクーラント温度Ｔｃを用いた。この他に、ワークＷの温度Ｔｗが室温Ｔｒに一致するのであれば、室温Ｔｒを計測して、計測した室温ＴｒをワークＷの温度Ｔｗとして適用することもできる。また、非接触温度センサを用いることで、ワークＷ自身の温度Ｔｗを直接計測できる。
【符号の説明】
【００５７】
５：工具、 ３０：制御装置、 ３１：基準制御値算出部
３２：データベース、 ３３：熱変位補正位置算出部、 ３４：補正部
４２：クーラント温度センサ
Ｐ１：基準穴、 Ｐ２〜Ｐ７：熱変位補正対象の穴、 Ｗ：ワーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの熱変位に基づいて前記ワークの基準点に対する工具の相対位置を補正する熱変位補正装置であって、
前記ワークの温度を実際に変化させた時に予め測定した前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位方向を記憶するデータベースと、
加工時における前記ワークの温度を直接または間接に計測する温度計測手段と、
前記データベースに記憶されている前記ワークの所定点の熱変位方向、前記温度計測手段により計測された前記ワークの温度、および、前記ワークの線膨張係数に基づいて、加工時における前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正位置算出手段と、
前記ワークの所定点を前記工具により加工する際に、前記熱変位補正位置に基づいて前記ワークの基準点に対する前記工具の相対位置を補正する補正手段と、
を備える熱変位補正装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記データベースは、前記ワークの温度を実際に変化させた時に予め測定した前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位量と前記ワークの温度とに基づいて算出した前記ワークの線膨張係数をさらに記憶し、
前記熱変位補正位置算出手段は、前記データベースに記憶されている前記ワークの線膨張係数を用いて、前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記ワークの所定点は、複数であり、
前記データベースに記憶されている前記線膨張係数は、前記ワークの複数の所定点における線膨張係数の平均値である熱変位補正装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記ワークの加工部位は、複数の穴であり、
前記ワークの所定点は、それぞれの前記穴であり、
前記データベースに記憶されている前記線膨張係数は、前記ワークのそれぞれの所定点の線膨張係数であり、
前記熱変位補正位置算出手段は、前記データベースに記憶されている前記ワークのそれぞれの所定点の線膨張係数を用いて、前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記ワークの加工部位は、曲面形状部位または平面形状部位であり、
前記ワークの所定点は、前記ワークの加工部位に含まれる複数の点であり、
前記データベースに記憶されている前記熱変位方向は、前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位方向であり、
前記熱変位補正位置算出手段は、前記ワークの加工点に応じた前記熱変位方向を、前記データベースに記憶されている前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位方向を用いて補間することにより算出する熱変位補正装置。
【請求項６】
ワークの熱変位に基づいて前記ワークの基準点に対する工具の相対位置を補正する熱変位補正方法であって、
前記ワークの温度を実際に変化させた時に前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位方向を予め測定する測定工程と、
加工時における前記ワークの温度を直接または間接に計測する温度計測工程と、
予め測定した前記ワークの所定点の熱変位方向、前記温度計測工程にて計測された前記ワークの温度、および、前記ワークの線膨張係数に基づいて、加工時における前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正位置算出工程と、
前記ワークの所定点を前記工具により加工する際に、前記熱変位補正位置に基づいて前記ワークの基準点に対する前記工具の相対位置を補正する補正工程と、
を備える熱変位補正方法。
【請求項１】
ワークの熱変位に基づいて前記ワークの基準点に対する工具の相対位置を補正する熱変位補正装置であって、
前記ワークの温度を実際に変化させた時に予め測定した前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位方向を記憶するデータベースと、
加工時における前記ワークの温度を直接または間接に計測する温度計測手段と、
前記データベースに記憶されている前記ワークの所定点の熱変位方向、前記温度計測手段により計測された前記ワークの温度、および、前記ワークの線膨張係数に基づいて、加工時における前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正位置算出手段と、
前記ワークの所定点を前記工具により加工する際に、前記熱変位補正位置に基づいて前記ワークの基準点に対する前記工具の相対位置を補正する補正手段と、
を備える熱変位補正装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記データベースは、前記ワークの温度を実際に変化させた時に予め測定した前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位量と前記ワークの温度とに基づいて算出した前記ワークの線膨張係数をさらに記憶し、
前記熱変位補正位置算出手段は、前記データベースに記憶されている前記ワークの線膨張係数を用いて、前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記ワークの所定点は、複数であり、
前記データベースに記憶されている前記線膨張係数は、前記ワークの複数の所定点における線膨張係数の平均値である熱変位補正装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記ワークの加工部位は、複数の穴であり、
前記ワークの所定点は、それぞれの前記穴であり、
前記データベースに記憶されている前記線膨張係数は、前記ワークのそれぞれの所定点の線膨張係数であり、
前記熱変位補正位置算出手段は、前記データベースに記憶されている前記ワークのそれぞれの所定点の線膨張係数を用いて、前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記ワークの加工部位は、曲面形状部位または平面形状部位であり、
前記ワークの所定点は、前記ワークの加工部位に含まれる複数の点であり、
前記データベースに記憶されている前記熱変位方向は、前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位方向であり、
前記熱変位補正位置算出手段は、前記ワークの加工点に応じた前記熱変位方向を、前記データベースに記憶されている前記ワークのそれぞれの所定点の熱変位方向を用いて補間することにより算出する熱変位補正装置。
【請求項６】
ワークの熱変位に基づいて前記ワークの基準点に対する工具の相対位置を補正する熱変位補正方法であって、
前記ワークの温度を実際に変化させた時に前記ワークの基準点に対する前記ワークの所定点の熱変位方向を予め測定する測定工程と、
加工時における前記ワークの温度を直接または間接に計測する温度計測工程と、
予め測定した前記ワークの所定点の熱変位方向、前記温度計測工程にて計測された前記ワークの温度、および、前記ワークの線膨張係数に基づいて、加工時における前記ワークの所定点の熱変位補正位置を算出する熱変位補正位置算出工程と、
前記ワークの所定点を前記工具により加工する際に、前記熱変位補正位置に基づいて前記ワークの基準点に対する前記工具の相対位置を補正する補正工程と、
を備える熱変位補正方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１８７６８３（Ｐ２０１２−１８７６８３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４４８２（Ｐ２０１１−５４４８２）
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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