專利名稱：工作機械的熱位移推算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在加工中心(machining center)等工作機械中推算旋轉(zhuǎn) 軸的熱位移的方法。
背景技術：
一般，從機械特性出發(fā)，工作機械在各個部分具有熱源(例如主軸 的滾動軸承)，由于該熱源產(chǎn)生的熱量傳遞到機械的各個部分，從而引發(fā) 機體的熱位移。機體的熱位移大大影響加工精度，所以作為其防止對策， 以往以來廣泛采用對發(fā)熱部進行冷卻的方法、或者根據(jù)機體溫度信息推 算熱位移而進行校正的方法。關于后者的熱位移推算方法，以往本申請人在專利文獻l中提出以 下技術，從旋轉(zhuǎn)速度變化后的瞬態(tài)到變?yōu)榉€(wěn)態(tài)為止，以測定出的溫度變 化為基礎，計算旋轉(zhuǎn)時的等效發(fā)熱量，根據(jù)該計算值計算熱位移，由此 在任何運行狀態(tài)下都能準確推算熱位移。并且，在專利文獻2中提出一種熱位移推測運算，根據(jù)時間或校正 次數(shù)來改變熱位移推測運算公式的系數(shù)，以使瞬態(tài)下的溫度和熱位移的 時間響應相同，從而求出主軸的熱位移，并在任何運行狀態(tài)下都能進行 準確校正。關于該運算，在專利文獻3中提出利用使溫度和熱位移的時 間響應相等的函數(shù)來應對，以消除因溫度傳感器的時間常數(shù)和安裝位置 (距熱源的距離)而產(chǎn)生的測定溫度的無效耗費時間(跟蹤滯后)。專利文獻1日本特開2006—15461號公報專利文獻2日本專利第3151655號公報專利文獻3日本專利第3422462號公報但是，在這些現(xiàn)有技術中，是以在無效耗費時間(跟蹤滯后)中熱 位移與溫度變化比較接近的響應為前提進行考慮的。因此，在測定溫度的無效耗費時間較多時，當在瞬態(tài)的最初期不能測定溫度變化的狀態(tài)下 產(chǎn)生熱位移的情況下，存在推算值產(chǎn)生誤差的問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種方法，在由于因溫度傳感器的時間常數(shù) 和安裝位置而產(chǎn)生的測定溫度的無效耗費時間，因而盡管產(chǎn)生了熱位移 也不能測定溫度變化的情況下，也能夠提高熱位移的推算精度。為了達到上述目的，第一方面發(fā)明提供一種工作機械的熱位移推算 方法，其利用傳感器測定工作機械的溫升并將其數(shù)值化，根據(jù)所得到的 溫度數(shù)據(jù)推測運算溫度一等效發(fā)熱量，并根據(jù)該溫度一等效發(fā)熱量推算 熱位移，該方法的特征在于，使用離散值進行溫度一等效發(fā)熱量的運算， 并且在主軸旋轉(zhuǎn)速度變化時，根據(jù)預先設定的主軸旋轉(zhuǎn)速度與設定一等 效發(fā)熱量之間的關系，求出主軸旋轉(zhuǎn)速度變化前后的設定一等效發(fā)熱量 的差，根據(jù)該差值和主軸旋轉(zhuǎn)速度變化后的經(jīng)過時間來求出補償量，將 所得到的補償量相加到溫度一等效發(fā)熱量上。為了達到上述目的，第二方面發(fā)明提供一種工作機械的熱位移推算 方法，其利用傳感器測定工作機械的溫升并將其數(shù)值化，根據(jù)所得到的 溫度數(shù)據(jù)來推算熱位移，該方法的特征在于，在主軸旋轉(zhuǎn)速度變化時， 根據(jù)預先設定的主軸旋轉(zhuǎn)速度與設定—等效發(fā)熱量之間的關系，求出主 軸旋轉(zhuǎn)速度變化前后的設定一等效發(fā)熱量的差，根據(jù)該差值和主軸旋轉(zhuǎn) 速度變化后的經(jīng)過時間來求出補償量，對該補償量進行一次延遲系統(tǒng)的 響應處理并運算補償溫度，將所得到的補償溫度相加到測定出的溫度上。 以下，根據(jù)


第一方面發(fā)明的熱位移推算方法。 圖1表示加工中心的主軸旋轉(zhuǎn)速度隨時間的變化。在此為了明確本發(fā)明的特征，作為主軸轉(zhuǎn)速，示例了形成穩(wěn)態(tài)的13000min—1和形成瞬態(tài) 的25000min"。圖2表示在圖1所示運行條件下主軸的實際熱位移和溫度 上升值(與機體溫度的相對值)隨時間的變化。熱位移使用非接觸式位 移傳感器以IO秒間隔進行測定，溫度上升值利用設置在主軸軸承附近的 溫度傳感器進行測定。并且，圖3表示利用本申請人的以往方法推算出的熱位移與圖2所示的實際熱位移之間的誤差。根據(jù)以往的推算方法，在圖1所示的運行方式中，與脫離穩(wěn)態(tài)的急 劇變化無關，根據(jù)溫度數(shù)據(jù)推測運算溫度—等效發(fā)熱量，根據(jù)該溫度一 等效發(fā)熱量推算熱位移。具體地講，圖3所示的熱位移推算誤差量根據(jù)在下式(1) (3) 中分別代入了具體系數(shù)的式(r) (3')求出。<formula>formula see original document page 5</formula> 式(1)TXn:第n次的溫度一等效發(fā)熱量；TYn:第n次的溫度變化； ocT:響應特性系數(shù)。<formula>formula see original document page 5</formula> 式(2)Xn:第n次的溫度一推算發(fā)熱量；Yn:第n次的一次滯后(一次遅 ")響應處理運算值；a:響應特性系數(shù)。推算熱位移二K'Yn 式(3)K:熱位移轉(zhuǎn)換系數(shù)()am/°C)。<formula>formula see original document page 5</formula> 式(1，)<formula>formula see original document page 5</formula> 式(2，)<formula>formula see original document page 5</formula> 式(3')圖4表示使用測定溫度的即時值推算出的熱位移與實際熱位移之間 的誤差。通過比較圖4和圖3明確得知，根據(jù)本申請人提出的以往方法， 利用式(1)推算溫度一等效發(fā)熱量，以該發(fā)熱量的變化為基礎，利用式(2)和式(3)推算熱位移，實現(xiàn)接近實際的熱位移形式的推算方法， 所以能夠高精度地推算從穩(wěn)態(tài)到瞬態(tài)、從瞬態(tài)到瞬態(tài)以及從瞬態(tài)轉(zhuǎn)入穩(wěn) 態(tài)時的熱位移。但是，如圖5所示，如果將測定溫度的變化放大觀察， 則在旋轉(zhuǎn)速度剛剛變化后存在無效耗費時間(從轉(zhuǎn)速變化指令發(fā)出時起， 溫升滯后出現(xiàn)的虛線圓圈部分)，該部分給熱位移推算精度帶來不良影 響。無效耗費時間由于溫度傳感器的響應時間常數(shù)以及溫度傳感器的設 置位置(從作為熱源的軸承到傳感器的距離，參照圖6)而產(chǎn)生。因此，如果使用考慮了測定溫度的無效耗費時間的運算公式，則可 以更加高精度地推算熱位移。在此，圖7表示使用式(1)根據(jù)圖2所示的溫度測定結果計算出的溫度一等效發(fā)熱量。其中，在旋轉(zhuǎn)速度變化后 的上升部分中顯示出一次延遲系統(tǒng)的響應，這成為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)速度剛剛變 化后的推算誤差的主要原因。因此，把該原因設為是由發(fā)熱位置與溫度測定位置處的溫度傳感器 之間的距離和結構確定的一次延遲系統(tǒng)，在本發(fā)明中，在旋轉(zhuǎn)速度變化 后加上補償量，以使圖7所示的溫度一等效發(fā)熱量的變化呈矩形波。式 (4)表示該補償量。LTn=As.exp (4/(3) 式(4)LTn:旋轉(zhuǎn)速度變化后的第n次補償量；As:校正系數(shù)；t:旋轉(zhuǎn)速度變化后的經(jīng)過時間；P:響應時間常數(shù)。另外，可以在LTn變小時結束補償量的計算。具體地講，在判斷向LT。的值乘以式(3)所示的K (熱位移轉(zhuǎn)換系數(shù))得到的結果相對所要求的加工表面粗糙度足夠小時結束。一般來說，隨著旋轉(zhuǎn)速度變快，發(fā)熱量變大。因此，通過實驗求出主軸旋轉(zhuǎn)速度與等效發(fā)熱量(設定一等效發(fā)熱量)之間的關系，利用下式(5)求出作為主軸旋轉(zhuǎn)速度前后的差的校正系數(shù)。 As二C (NSY_N0SY) 式(5)As:旋轉(zhuǎn)速度變化后的校正系數(shù)；C， y:近似系數(shù)； Ns:主軸指令旋轉(zhuǎn)速度；N。s:變更前的旋轉(zhuǎn)速度。 或者，也可以利用對比表表示主軸旋轉(zhuǎn)速度與設定一等效發(fā)熱量之間的關系，在指令了相應的旋轉(zhuǎn)速度時，根據(jù)接近的旋轉(zhuǎn)速度進行插值而求出。圖8表示向利用式(1，)求出的溫度一等效發(fā)熱量加上利用下式(4') 求出本發(fā)明的補償量得到的無效耗費時間補償?shù)牡刃Оl(fā)熱量的結果。LTn=5.exp (畫t/0.6) 式(4，)圖9示出根據(jù)利用本發(fā)明方法推算出的無效耗費時間補償后的等效 發(fā)熱量(補償一等效發(fā)熱量)的變化計算出的熱位移與實際熱位移之間 的誤差。通過比較圖9和圖3可以明確得知，根據(jù)本發(fā)明的方法，可以 將推算誤差減小為以往的1/2以下。下面，說明第二方面發(fā)明的熱位移推算方法。首先，在此為了使瞬態(tài)下的溫度和熱位移的時間響應相同，該方法 根據(jù)從旋轉(zhuǎn)速度變化后的瞬態(tài)到恢復為穩(wěn)態(tài)的旋轉(zhuǎn)速度和時間或校正次 數(shù)，改變熱位移推測運算公式的系數(shù)，從而求出主軸的熱位移。在圖1所示的運行方式中，為了準確求出瞬態(tài)的熱位移，首先在從 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入瞬態(tài)的A點起動次數(shù)計數(shù)器，使用下式(6)計算熱位移推算用 中間值，然后使用式(3)推測運算熱位移。此時，主軸旋轉(zhuǎn)速度從熱位移的穩(wěn)態(tài)變化，式(8)的級差(段差分)較小，所以不需要將其反映到 式(6)的輸入計算用溫度中。然后，當主軸啤轉(zhuǎn)速度在B點變化時，重 置次數(shù)計數(shù)器并再次起動。此時，由于是從熱位移的瞬態(tài)開始的旋轉(zhuǎn)速 度變化，所以將考慮了式(7)和式(8)的級差的輸入計算用溫度代入 式(6)，計算熱位移推算用中間值，然后使用式(3)推測運算熱位移。 具體地講，圖IO所示的熱位移推算誤差量利用將下式(6) (8)的函 數(shù)具體化后的下式(6') (8')求出。<formula>formula see original document page 7</formula> 式(6)Xtn:第n次的輸入計算用溫度；Ytn:第n次的熱位移推算用中間值；f (n， T (n)):函數(shù)。輸入計算用溫度二測定溫度一級差'exp (_t/Ttmp)式(7) 級差=旋轉(zhuǎn)速度剛剛變化前的溫度一旋轉(zhuǎn)速度剛剛變化前的熱位移 推算用中間值 式(8)t:旋轉(zhuǎn)速度變化后的時間； Ttmp:溫度時間常數(shù)。<formula>formula see original document page 7</formula> 式(6，) 輸入計算用溫度=測定溫度—級差'exp (—1/240)式(7，) B點的級差=1.5 式(8，)在該方式中，由于根據(jù)測定溫度推算熱位移，因此相對利用式(4) 計算的等效發(fā)熱量的補償值，例如使用式(2)并利用一次延遲系統(tǒng)的響 應結果運算起因于安裝位置和溫度傳感器的響應延遲，把所得到的結果作為補償溫度相加到輸入計算用溫度上，由此可以補償測定無效耗費時 間。圖11表示基于本發(fā)明方法計算出的熱位移與實際熱位移之間的誤差。 通過比較圖11和圖3可以明確得知，根據(jù)本發(fā)明的方法，可以將推算誤 差減小為以往的1/2以下。根據(jù)本發(fā)明，可以補償由于溫度傳感器的時間常數(shù)和安裝位置而產(chǎn) 生的測定溫度的無效耗費時間。因此，可以期待在測定到溫度變化之前 產(chǎn)生熱位移現(xiàn)象時發(fā)揮特別良好的效果，并且發(fā)揮可以提高熱位移的推 算精度的良好效果。由此，不需要使溫度傳感器的安裝位置接近熱源， 可以增加設計的自由度。

圖1是表示加工中心的主軸旋轉(zhuǎn)速度隨時間變化的特性圖。圖2是表示主軸的實際熱位移和溫升值隨時間變化的特性圖。圖3是表示以往根據(jù)溫度一等效發(fā)熱量推算熱位移的方法的誤差的特性圖。圖4是表示使用了測定溫度的即時值的情況下的推算誤差的特性圖。圖5是表示旋轉(zhuǎn)速度剛剛變化后的測定溫度變化的響應性的特性圖。圖6是例示溫度傳感器的設置部位的主軸頭的詳細圖。 圖7是表示根據(jù)測定溫度計算的溫度一等效發(fā)熱量的特性圖。 圖8是表示基于本發(fā)明方法的無效耗費時間補償?shù)牡刃Оl(fā)熱量的特 性圖。圖9是表示基于本發(fā)明方法的熱位移推算誤差的特性圖。 圖10是表示以往根據(jù)溫度推算熱位移的方法的誤差的特性圖。 圖11是表示基于本發(fā)明方法的熱位移推算誤差的特性圖。 圖12是表示實施本發(fā)明方法的立式加工中心的熱位移校正系統(tǒng)的 概要圖。圖13是表示根據(jù)該加工中心的等效發(fā)熱量推算熱位移并進行校正的方法的流程圖。圖14是表示根據(jù)該加工中心的溫度推算熱位移并進行校正的方法 的流程圖。
具體實施方式
以下根據(jù)

本發(fā)明的實施方式。圖12表示立式加工中心的熱位移校正系統(tǒng)，但也可以把與此相同的 系統(tǒng)應用于臥式加工中心。眾所周知，加工中心由主軸頭l、立柱2、主軸3、床身(bed) 4及移動臺5等構成。在主軸3的附近安裝有用于測 定其發(fā)熱溫度的第1溫度傳感器6 (參照圖6)。并且，在床身4上安裝 有測定基準溫度的第2溫度傳感器7。溫度測定裝置8把來自各個溫度傳感器6、 7的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號，把數(shù)值化后的溫度數(shù)據(jù)輸出給熱位移推測運算器9。在存儲裝置 10中預先存儲有校正參數(shù)、主軸旋轉(zhuǎn)速度和設定一等效發(fā)熱量的參數(shù)。 熱位移推測運算器9根據(jù)溫度數(shù)據(jù)和校正參數(shù)推算熱位移并計算校正值。 并且，NC裝置11根據(jù)該校正值利用公知的方法執(zhí)行位置校正。圖13是根據(jù)旋轉(zhuǎn)時的等效發(fā)熱量推算上述加工中心的熱位移并進 行校正的流程圖。其對應于第一方面發(fā)明的熱位移推算方法。首先，在熱位移校正程序開始后，執(zhí)行溫度傳感器6、 7的溫度測定 (步驟1，以下簡稱為"S1")。當主軸3的旋轉(zhuǎn)速度在此期間變化時(S2)， 計數(shù)器起動(S3)，在S4利用式(5)計算對應于旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)速度 變化后的校正系數(shù)。接著，在S5中計算式(1)的溫度一等效發(fā)熱量，在S6中計算式 (4)的補償量，在S7利用它們之和求出無效耗費時間補償?shù)牡刃Оl(fā) 熱量。另外，在補償量變小時，也可以不進行補償量的計算。然后，在S8利用式(2)和式(3)進行熱位移換算的推測運算， 在S9通過NC裝置11進行校正處理。當繼續(xù)進行校正時，返回SKS10)。這樣，根據(jù)上述方式的熱位移推算方法，通過補償由于溫度傳感器 6、 7的時間常數(shù)和安裝位置而產(chǎn)生的測定溫度的無效耗費時間，可以期待在測定到溫度變化之前產(chǎn)生熱位移現(xiàn)象時發(fā)揮特別良好的效果，并且 發(fā)揮可以提高熱位移的推算精度的良好效果。由此，不再需要使溫度傳 感器6、 7的安裝位置接近熱源，可以增加設計的自由度。下面，根據(jù)圖14的流程圖，說明對應于第二方面發(fā)明的熱位移推算 方法的、根據(jù)溫度推算熱位移并進行補償?shù)姆绞?。首先，在熱位移校正程序開始后，執(zhí)行溫度傳感器6、 7的溫度測定 (Sll)。當主軸3的旋轉(zhuǎn)速度在此期間變化時(S12)，在S13中計數(shù)器 起動，在S14中利用式(8)進行級差的計算，并且在S15中根據(jù)式(5)計算對應于旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)速度變化后的校正系數(shù)。接著，在S16中，利用式(7)加算考慮了級差的經(jīng)過時間的級差吸 收量和測定溫度，計算輸入計算用溫度。另外，在級差吸收量對推算用 中間值Yn的計算的影響小到幾乎沒有時，不實施級差吸收量的計算。然后，在S17中，根據(jù)式(4)計算發(fā)熱量的補償量，接著在S18 中，進行起因于安裝位置的一次延遲系統(tǒng)的響應處理，求出補償溫度， 將補償溫度相加到輸入計算用溫度上，而求出無效耗費時間補償溫度。 然后，在S19中，把所得到的無效耗費時間補償溫度作為輸入計算用溫 度代入式(6)，計算熱位移推算用中間值，然后使用式(3)進行熱位移 換算的推測運算，在S20中使NC裝置11進行校正處理。當繼續(xù)進行校 正時，返回Sll (S21)。另外，在補償量變小時，也可以不執(zhí)行S17、 S18。這樣，根據(jù)上述方式的熱位移推算方法，通過補償由于溫度傳感器 6、 7的時間常數(shù)和安裝位置而產(chǎn)生的測定溫度的無效耗費時間，可以期 待在測定到溫度變化之前產(chǎn)生熱位移現(xiàn)象時發(fā)揮特別良好的效果，并且 發(fā)揮可以提高熱位移的推算精度的良好效果。由此，不需要使溫度傳感 器6、 7的安裝位置接近熱源，可以增加設計的自由度。
權利要求
1.一種工作機械的熱位移推算方法，其利用傳感器測定工作機械的溫升并將其數(shù)值化，根據(jù)所得到的溫度數(shù)據(jù)推測運算溫度-等效發(fā)熱量，并根據(jù)該溫度-等效發(fā)熱量推算熱位移，該方法的特征在于，使用離散值進行溫度-等效發(fā)熱量的運算，并且在主軸旋轉(zhuǎn)速度變化時，根據(jù)預先設定的主軸旋轉(zhuǎn)速度與設定-等效發(fā)熱量之間的關系，求出主軸旋轉(zhuǎn)速度變化前后的設定-等效發(fā)熱量的差，根據(jù)該差和主軸旋轉(zhuǎn)速度變化后的經(jīng)過時間來求出補償量，將所得到的補償量相加到溫度-等效發(fā)熱量上。
2. —種工作機械的熱位移推算方法，其利用傳感器測定工作機械的 溫升并將其數(shù)值化，根據(jù)所得到的溫度數(shù)據(jù)來推算熱位移，該方法的特 征在于，在主軸旋轉(zhuǎn)速度變化時，根據(jù)預先設定的主軸旋轉(zhuǎn)速度與設定一等 效發(fā)熱量之間的關系，求出主軸旋轉(zhuǎn)速度變化前后的設定一等效發(fā)熱量 的差，根據(jù)該差和主軸旋轉(zhuǎn)速度變化后的經(jīng)過時間來求出補償量，對該 補償量進行一次延遲系統(tǒng)的響應處理并運算補償溫度，將所得到的補償 溫度相加到測定出的溫度上。
全文摘要
一種工作機械的熱位移推算方法，其補償由于溫度傳感器的時間常數(shù)和安裝位置而產(chǎn)生的測定溫度的無效耗費時間，提高熱位移的推算精度。作為解決手段，在熱位移校正程序開始后，在(S1)執(zhí)行溫度傳感器的溫度測定，當主軸的旋轉(zhuǎn)速度在此期間變化時(S2)，計數(shù)器起動(S3)，在(S4)根據(jù)預先設定的主軸旋轉(zhuǎn)速度與設定-等效發(fā)熱量之間的關系，計算主軸旋轉(zhuǎn)速度變化前后的設定-等效發(fā)熱量的差即校正系數(shù)。接著，在(S5)計算溫度-等效發(fā)熱量，在(S6)根據(jù)校正系數(shù)和主軸旋轉(zhuǎn)速度變化后的經(jīng)過時間計算補償量，在(S7)利用它們之和求出無效耗費時間補償?shù)牡刃Оl(fā)熱量。然后，在(S8)進行熱位移換算的推測運算，在(S9)進行NC裝置的校正處理。
文檔編號B23Q15/18GK101236415SQ20081000920
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權日2007年1月29日
發(fā)明者千田治光 申請人:大隈株式會社