專利名稱：機床的熱位移修正方法和熱位移修正裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機床的熱位移修正方法和熱位移修正裝置。更詳細而言，本發(fā)明涉及對由機床運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的滾珠絲杠機構(gòu)的熱位移而引起的誤差進行修正的方法和裝置。

背景技術(shù)：
作為機床的定位機構(gòu)，滾珠絲杠機構(gòu)正在普及。滾珠絲杠機構(gòu)的溫度因絲杠軸與螺母的摩擦阻力、絲杠軸與軸承各部分的摩擦阻力、以及伺服馬達的發(fā)熱而上升。滾珠絲杠機構(gòu)因上述的溫度上升而產(chǎn)生熱位移(伸長)。目前的數(shù)控機床的控制方式一般是半閉環(huán)式。在半閉環(huán)式的數(shù)控機床中，絲杠軸的熱位移直接表現(xiàn)為定位誤差。作為上述情況的對策，有預(yù)張力方式。預(yù)張力方式通過賦予絲杠軸預(yù)張力來吸收熱膨脹。最近，數(shù)控機床使用粗的絲杠軸，且送進速度變得非?？臁Ｒ虼?，發(fā)熱量增大，在采用預(yù)張力方式時，不得不施加非常大的拉力。其結(jié)果是，存在滾珠絲杠機構(gòu)的結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生變形的問題以及在推力軸承上作用不合理的力而產(chǎn)生燒結(jié)的問題等。
在日本專利特開1988年第256336號公報提出的絲杠軸的熱位移修正方法中，不賦予絲杠軸不合理的預(yù)張力，且不需要特別的測定裝置。在該方法中，在生產(chǎn)中(in-process)修正熱位移量。具體而言，在第一工序中，利用伺服馬達的電樞電流和電壓的積來求解絲杠軸的發(fā)熱量。在第二工序中，用將絲杠軸分割成多個區(qū)間的模型，利用發(fā)熱量來求解溫度分布。在第三工序中，根據(jù)溫度分布時時刻刻地預(yù)測絲杠軸的熱位移量。在第四工序中，將熱位移量作為間距錯誤修正賦予數(shù)控裝置。
日本專利特開1992年第240045號公報著眼于上述公報(日本專利特開1988年第256336號公報)的方法存在的發(fā)熱量包含伺服馬達本身的加減速能量的問題。在該公報(日本專利特開1992年第240045號公報)所公開的熱位移量修正方法中，利用伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度來計算絲杠軸的各區(qū)間的發(fā)熱量。采用該方法時，可使根據(jù)不影響加減速能量的伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度計算出的修正量近似于絲杠軸的實際伸長量。
在日本專利特開1992年第240045號公報的方法中，僅利用旋轉(zhuǎn)速度來計算伺服馬達的發(fā)熱量。上述方法并未研究發(fā)熱量因伺服馬達的負載不同而不同這點。上述方法也沒有公開在伺服馬達的運轉(zhuǎn)初期以及經(jīng)過了一定時間后的修正量計算的條件。因此，上述方法在馬達的運轉(zhuǎn)初期即過渡狀態(tài)下計算出的修正量可能與絲杠軸的實際伸長量(熱位移量)不近似。
本發(fā)明的發(fā)明人實際運轉(zhuǎn)伺服馬達并測量了絲杠軸的端部的溫度。本發(fā)明的發(fā)明人通過制作日本專利特開1992年第240045號公報所公開的熱分布模型，進行了實際的絲杠軸端部的溫度和使用熱分布模型計算出的溫度的比較實驗。如圖12所示，測量實際的絲杠軸的端部溫度的機構(gòu)包括伺服馬達201、絲杠軸203、螺母204、以及工作臺205。伺服馬達201與絲杠軸203通過聯(lián)軸器202連接。螺母204用螺紋與絲杠軸203結(jié)合。螺母204可根據(jù)絲杠軸203的旋轉(zhuǎn)沿前后方向(圖12中的左右方向)移動。工作臺205固定在螺母204上。工作臺205可與螺母204一體地沿前后方向移動。設(shè)置在支撐臺上的固定軸承206和可動軸承207將絲杠軸203可自由旋轉(zhuǎn)地支撐。
進行的實驗的條件如下所示。
(條件1) 在工作臺205移動中流經(jīng)伺服馬達201的平均電流和平均旋轉(zhuǎn)速度是一定的。溫度測定部位208(測定位置)被設(shè)定成絲杠軸端部即固定位置209。直到固定位置209的溫度測定值穩(wěn)定為止，工作臺205以一定速度反復(fù)進行往返移動。
(條件2) 工作臺205在從固定軸承206充分離開的位置上進行移動，以使螺母204的發(fā)熱不會給溫度測定部位208帶來影響。即，只有伺服馬達201和固定軸承206會給溫度測定部位208的溫度帶來影響。
接著，本發(fā)明的發(fā)明人制作了熱分布模型。由于流經(jīng)伺服馬達201的平均電流和平均旋轉(zhuǎn)速度是一定的，因此從伺服馬達201朝絲杠軸的端部傳遞的輸入熱量一定，通過求解日本專利特開1992年第240045號公報所公開的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程式，計算出了各時刻的溫度。
圖13表示了固定位置209(參照圖12)的熱位移的實驗值和根據(jù)熱分布模型計算出的計算值。曲線圖的縱軸表示絲杠軸端部(固定位置209)的溫度，曲線圖的橫軸表示經(jīng)過時間。實線是實驗值，虛線是計算值。根據(jù)該結(jié)果，可得出下面的結(jié)論。絲杠軸端部的溫度上升穩(wěn)定之后，實驗值與計算值近似。在直到溫度上升穩(wěn)定為止的過渡狀態(tài)的期間內(nèi)，計算值的溫度上升比實驗值的溫度上升快。因此，上述方法不能進行準確的預(yù)測。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在機床運轉(zhuǎn)后直到溫度上升穩(wěn)定為止的過渡狀態(tài)下可使修正量近似于絲杠軸的實際伸長量的機床的熱位移修正方法和熱位移修正裝置。
技術(shù)方案1的機床的熱位移修正方法，是一種包括具有絲杠軸和螺母的送進驅(qū)動用滾珠絲杠機構(gòu)、根據(jù)加工數(shù)據(jù)來計算所述絲杠軸對所述螺母的送進量的送進量控制設(shè)備、驅(qū)動所述絲杠軸旋轉(zhuǎn)的伺服馬達、以及根據(jù)所述加工數(shù)據(jù)來控制所述伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度的速度控制設(shè)備的機床的熱位移修正方法，包括根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)速度來求解因所述螺母的移動而在所述絲杠軸上產(chǎn)生的第一發(fā)熱量的第一步驟；對所述伺服馬達的溫度上升進行檢測、并根據(jù)所述溫度上升來求解從所述伺服馬達朝所述絲杠軸傳遞的第二發(fā)熱量的第二步驟；根據(jù)所述第一發(fā)熱量和所述第二發(fā)熱量來運算將所述絲杠軸沿長度方向分割而形成的多個區(qū)間的溫度分布的第三步驟；根據(jù)所述溫度分布來運算所述多個區(qū)間各自的熱位移量的第四步驟；以及根據(jù)所述熱位移量來運算所述加工數(shù)據(jù)的修正量的第五步驟。
采用技術(shù)方案1的機床的熱位移修正方法時，不僅使用因螺母的移動而在滾珠絲杠軸上產(chǎn)生的第一發(fā)熱量，還使用與伺服馬達的溫度上升對應(yīng)的第二發(fā)熱量來運算滾珠絲杠軸的多個區(qū)間的溫度分布，由此得到修正量。因此，即使是在直到伺服馬達的溫度穩(wěn)定為止的過渡狀態(tài)下，也能使修正量與滾珠絲杠軸的實際伸長量近似。從伺服馬達朝滾珠絲杠軸傳遞的輸入熱量會受到伺服馬達溫度上升的影響，而伺服馬達本身的溫度上升是由負載等運轉(zhuǎn)要素的影響而引起的。特別是在直到伺服馬達的發(fā)熱量與散熱量均衡為止的期間內(nèi)，伺服馬達的溫度時刻變化。機床的熱位移修正方法通過在求解修正值的運算中使用與伺服馬達的溫度上升對應(yīng)的第二發(fā)熱量，可得到跟隨馬達溫度變化的修正量。除了從伺服馬達朝滾珠絲杠軸傳遞的輸入熱量之外，使用因螺母的移動而在滾珠絲杠軸上產(chǎn)生的第一發(fā)熱量，針對多個區(qū)間中的每一個區(qū)間對熱位移量進行運算。因此，機床的熱位移修正方法可在不另行設(shè)置傳感器的情況下得到精度高的修正量。
在技術(shù)方案2的機床的熱位移修正方法中，伺服馬達上升溫度根據(jù)伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流值中的至少一方進行檢測。采用技術(shù)方案2的機床的熱位移修正方法時，無需另行使用傳感器等，可使用已有的傳感器得到精度高的修正量。
技術(shù)方案3的機床的熱位移修正裝置，是一種包括具有絲杠軸和螺母的送進驅(qū)動用滾珠絲杠機構(gòu)、根據(jù)加工數(shù)據(jù)來計算所述絲杠軸對所述螺母的送進量的送進量控制設(shè)備、驅(qū)動所述絲杠軸旋轉(zhuǎn)的伺服馬達、以及根據(jù)所述加工數(shù)據(jù)來控制所述伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度的速度控制設(shè)備的機床的熱位移修正裝置，包括對所述旋轉(zhuǎn)速度進行檢測的速度檢測設(shè)備；對所述伺服馬達的溫度上升進行檢測的溫度檢測部；根據(jù)由所述速度檢測設(shè)備檢測到的所述旋轉(zhuǎn)速度來運算因所述螺母的移動而在所述絲杠軸上產(chǎn)生的第一發(fā)熱量的第一發(fā)熱量運算部；根據(jù)由所述溫度檢測部檢測到的所述溫度上升來運算從所述伺服馬達朝所述絲杠軸傳遞的第二發(fā)熱量的第二發(fā)熱量運算部；根據(jù)由所述第一發(fā)熱量運算部運算出的所述第一發(fā)熱量以及由所述第二發(fā)熱量運算部運算出的所述第二發(fā)熱量、來運算將所述絲杠軸沿長度方向分割而形成的多個區(qū)間的溫度分布的溫度分布運算部；根據(jù)所述溫度分布來運算所述多個區(qū)間各自的熱位移量的熱位移量運算部；以及根據(jù)由所述熱位移量運算部運算出的所述熱位移量來運算加工數(shù)據(jù)的修正量的修正量運算部。
采用技術(shù)方案3的機床的熱位移修正裝置時，具有對伺服馬達的溫度上升進行檢測的溫度檢測部，使用與溫度上升對應(yīng)的第二發(fā)熱量來運算滾珠絲杠軸的多個區(qū)間的溫度分布，由此得到修正量。因此，即使是在直到伺服馬達的溫度上升穩(wěn)定為止的過渡狀態(tài)下，也能使修正量與滾珠絲杠軸的實際伸長量近似。除了從伺服馬達朝滾珠絲杠軸傳遞的輸入熱量之外，可使用因螺母的移動而在滾珠絲杠軸上產(chǎn)生的發(fā)熱量，針對多個區(qū)間中的每一個區(qū)間對熱位移量進行運算。因此，可在不另行設(shè)置傳感器的情況下得到精度高的修正量。
在技術(shù)方案4的機床的熱位移修正裝置中，溫度檢測部根據(jù)伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流值中的至少一方來檢測上升溫度。采用技術(shù)方案4的機床的熱位移修正裝置時，無需另行使用傳感器等，可使用已有的傳感器得到精度高的修正量。



圖1是本發(fā)明實施例的加工中心M的整體立體圖。
圖2是以加工中心M的主軸頭部5和工具更換裝置7為中心的主視圖。
圖3是滾珠絲杠機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是加工中心M的控制系統(tǒng)的方框圖。
圖5是分割絲杠軸來求解發(fā)熱量時的說明圖。
圖6是溫度分布運算回路19的數(shù)據(jù)區(qū)域的說明圖。
圖7是表示使馬達的旋轉(zhuǎn)速度和電流保持一定時馬達本體溫度與經(jīng)過時間之間的關(guān)系的說明圖。
圖8是對馬達本體溫度的計算方法進行說明的說明圖，圖8(A)是驅(qū)動開始后從0到t1為止的馬達本體溫度與經(jīng)過時間之間的關(guān)系圖，圖8(B)是驅(qū)動開始后從t1到t2為止的馬達本體溫度與經(jīng)過時間之間的關(guān)系圖，圖8(C)是驅(qū)動開始后從t2到t3為止的馬達本體溫度與經(jīng)過時間之間的關(guān)系圖，圖8(D)是驅(qū)動開始后從0到t3為止的馬達本體溫度與經(jīng)過時間之間的關(guān)系圖。
圖9是對各部分的溫度和輸入各區(qū)間的發(fā)熱量進行說明的圖。
圖10是表示各位置上的溫度上升速度的圖。
圖11是加工中心M的位置修正控制的流程圖。
圖12是測量絲杠軸的端部溫度用的實驗裝置的概略圖。
圖13是表示利用現(xiàn)有技術(shù)的方法得到的計算值和利用圖12的實驗裝置得到的實驗值的曲線圖。

具體實施例方式 下面，根據(jù)實施例來說明用于實施本發(fā)明的最佳形態(tài)。
實施例1 參照圖1～圖4對加工中心M(機床)的結(jié)構(gòu)進行說明。圖1所示的加工中心M是可通過使工件和工具相對移動來對工件實施期望的機械加工(例如“銑削”、“鉆孔”、“切削”等)的機床。加工中心M主要包括鑄鐵制的基臺即底座1、設(shè)置在底座1上部的機床本體2、固定在底座1上部的保護擋板(未圖示)。機床本體2進行工件的切削加工。保護擋板是將機床本體2和底座1的上部覆蓋的箱狀的蓋。
底座1是Y軸方向上較長的大致長方體狀的鑄造品。在底座1下部的四個角落內(nèi)分別設(shè)置有高度可調(diào)的腳部。
下面說明機床本體2。如圖1所示，機床本體2主要包括柱4、主軸頭部5、主軸(未圖示)、工具更換裝置7、以及工作臺8。柱4固定在柱座部3的上表面上并朝鉛垂上方延伸，柱座部3設(shè)置在底座1的后部。主軸頭部5可沿柱4的前表面進行升降。主軸頭部5在其內(nèi)部可旋轉(zhuǎn)地支撐有主軸。工具更換裝置7設(shè)置在主軸頭部5的右側(cè)。工具更換裝置7將安裝在主軸前端的工具保持件更換成其它工具保持件。工具保持件安裝有工具6。工作臺8設(shè)置在底座1的上部。工作臺8將工件可裝拆地固定。在柱4的背面?zhèn)仍O(shè)置有箱狀的控制箱9。控制箱9在其內(nèi)側(cè)具有控制加工中心M的動作的數(shù)控裝置50。
下面說明工作臺8的移動機構(gòu)。伺服馬達即X軸馬達71(參照圖4)和Y軸馬達72(參照圖4)使工作臺8分別沿X軸方向(圖1的機床本體2的左右方向)和Y軸方向(機床本體2的進深方向)移動。工作臺8的移動機構(gòu)具有下面的結(jié)構(gòu)。在工作臺8的下側(cè)設(shè)置有長方體狀的支撐臺10。支撐臺10在其上表面具有沿X軸方向延伸的一對X軸送進導(dǎo)軌。在一對X軸送進導(dǎo)軌上可移動地支撐有工作臺8。如圖3所示，在工作臺8的下表面配置有螺母部8a。螺母部8a與從X軸馬達71延伸出的X軸絲杠軸81螺合，由此構(gòu)成滾珠絲杠機構(gòu)。固定在支撐臺10上的固定軸承91a對X軸絲杠軸81的X軸馬達71側(cè)的端部81a予以支撐?？蓜虞S承91b對X軸絲杠軸81的X軸馬達71相反側(cè)的端部81b予以支撐。
在底座1的上部沿長邊方向延伸的一對Y軸送進導(dǎo)軌上可移動地支撐有支撐臺10。設(shè)置在支撐臺10上的X軸馬達71沿著X軸送進導(dǎo)軌驅(qū)動工作臺8沿X軸方向移動。設(shè)置在底座1上的Y軸馬達72沿著Y軸送進導(dǎo)軌驅(qū)動工作臺8沿Y軸方向移動。Y軸的移動機構(gòu)與X軸的移動機構(gòu)一樣，也是滾珠絲杠機構(gòu)(參照圖3)。
伸縮式收縮的伸縮蓋11、12在工作臺8的左右兩側(cè)覆蓋X軸送進導(dǎo)軌。伸縮蓋13和Y軸后蓋在支撐臺10的前后分別覆蓋Y軸送進導(dǎo)軌。即使工作臺8在X軸方向和Y軸方向中的任一方向上移動時，伸縮蓋11、12、13和Y軸后蓋也能始終覆蓋X軸送進導(dǎo)軌和Y軸送進導(dǎo)軌。因此，伸縮蓋11、12、13和Y軸后蓋可防止從加工區(qū)域飛散出的切屑和冷卻液等掉落到各導(dǎo)軌上。
下面說明主軸頭部5的升降機構(gòu)。在柱4的前面?zhèn)妊厣舷路较蜓由斓膶?dǎo)軌(未圖示)通過線性導(dǎo)向件(未圖示)對主軸頭部5進行引導(dǎo)，使其可自由升降。螺母(未圖示)將主軸頭部5與在柱4的前面?zhèn)妊厣舷路较蜓由煸O(shè)置的Z軸絲杠軸(未圖示)連結(jié)。Z軸馬達73(參照圖4)驅(qū)動Z軸絲杠軸朝正反方向旋轉(zhuǎn)，從而主軸頭部5沿上下方向升降驅(qū)動。Z軸控制部63a根據(jù)來自數(shù)控裝置50的CPU51的控制信號來驅(qū)動Z軸馬達73。通過Z軸馬達73的驅(qū)動，主軸頭部7升降驅(qū)動。
如圖1、圖2所示，工具更換裝置7包括工具庫14和工具更換臂15。工具庫14容納有支撐工具6的多個工具保持件。工具更換臂15對安裝在主軸上的工具保持件和其它工具保持件予以把持，并進行搬運、更換。工具庫14在其內(nèi)側(cè)包括多個工具座(tool pot)(未圖示)和搬運機構(gòu)(未圖示)。工具座支撐工具保持件。搬運機構(gòu)在工具庫14內(nèi)搬運工具座。
圖4表示了加工中心M的電氣結(jié)構(gòu)。作為控制部的控制裝置50包括微型計算機。控制裝置50包括輸入輸出接口54，CPU51，ROM52，RAM53，軸控制部61a～64a、75a，伺服放大器61～64，以及微分器71b～74b等。伺服放大器61～64與X軸馬達71、Y軸馬達72、Z軸馬達73、主軸馬達74分別連接。軸控制部75a與庫馬達75連接。
X軸馬達71、Y軸馬達72是用于使工作臺8沿X軸方向、Y軸方向分別移動的馬達。庫馬達75是用于使工具庫14旋轉(zhuǎn)移動的馬達。主軸馬達74是用于使上述主軸旋轉(zhuǎn)的馬達。下面，將X軸馬達71、Y軸馬達72、Z軸馬達73和主軸馬達74總稱為馬達71～74。馬達71～74分別包括編碼器71a～74a。
軸控制部61a～64a接收來自CPU51的移動指令量，將電流指令(馬達轉(zhuǎn)矩指令值)分別朝伺服放大器61～64輸出。伺服放大器61～64接收電流指令，分別朝馬達71～74輸出驅(qū)動電流。軸控制部61a～64a分別接收來自編碼器71a～74a的位置反饋信號，進行位置反饋控制。微分器71b～74b分別對編碼器71a～74a輸出的位置反饋信號進行微分而將其轉(zhuǎn)換成速度反饋信號，并將其作為速度反饋信號朝軸控制部61a～64a輸出。
軸控制部61a～64a分別根據(jù)微分器71b～74b輸出的速度反饋信號進行速度反饋控制。電流檢測器61b～64b分別對伺服放大器61～64朝馬達71～74輸出的驅(qū)動電流進行檢測。電流檢測器61b～64b分別將驅(qū)動電流朝軸控制部61a～64a反饋。軸控制部61a～64a根據(jù)得到了反饋的驅(qū)動電流，進行電流(轉(zhuǎn)矩)控制。
軸控制部75a接收來自CPU51的移動指令，驅(qū)動庫馬達75。
RAM53存儲有與機械構(gòu)造相關(guān)的參數(shù)、與物理性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)、以及后述的熱分配系數(shù)(比率)ηN、ηB等。作為與機械構(gòu)造相關(guān)的參數(shù)，例如有絲杠軸81的長度、直徑、后述的基準位置等。作為與物理性質(zhì)相關(guān)的參數(shù)，例如有密度、比熱、線膨脹系數(shù)、熱容量、傳熱系數(shù)、在公式(3)和公式(4)中使用的γ等。如圖6所示，RAM53對應(yīng)于后述的螺母部移動區(qū)間的區(qū)間1～n，具有存儲發(fā)熱量的數(shù)據(jù)區(qū)域、以及與總發(fā)熱量和伺服馬達的總旋轉(zhuǎn)速度對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)域。
下面，對在加工中心M的數(shù)值控制中使用的熱位移量的計算方法進行說明。為了方便，以X軸的滾珠絲杠機構(gòu)為例進行說明，但Y軸的滾珠絲杠機構(gòu)和Z軸的滾珠絲杠機構(gòu)也基本相同。在本計算方法中，求解絲杠軸的前部軸承部、螺母部移動區(qū)間和后部軸承部這三個區(qū)域的發(fā)熱量。螺母部移動區(qū)間分割成多個區(qū)間。針對上述多個區(qū)間，求解每個區(qū)間的發(fā)熱量。
(總發(fā)熱量的計算) 如圖5所示，將螺母部移動區(qū)間(用L來表示長度)分割成n個。在本實施例中，每經(jīng)過一定時間(例如50ms)就對螺母部存在于哪個區(qū)間進行判別，并根據(jù)伺服馬達的實際旋轉(zhuǎn)速度(送進速度)求解發(fā)熱量(第一發(fā)熱量)。求解出的發(fā)熱量存儲在RAM53的數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)。發(fā)熱量可使用下式進行求解。
Q＝K1×FT …(1) 在此，Q是發(fā)熱量，F(xiàn)是送進速度，K1、T是系數(shù)。
在本實施例中，在一定時間內(nèi)，每經(jīng)過一定時間就對螺母部在各區(qū)間內(nèi)移動而產(chǎn)生的發(fā)熱量進行計算。在本實施例中，在6400ms的時間內(nèi)，以50ms的間隔對發(fā)熱量計算128次，針對每個區(qū)間將該計算出的發(fā)熱量加在一起，并將其存儲在與各區(qū)間1～n對應(yīng)的RAM53的數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)。RAM53的數(shù)據(jù)區(qū)域存儲有在6400ms時間內(nèi)產(chǎn)生的各區(qū)間1～n的發(fā)熱量1～n的總發(fā)熱量QTTL和總旋轉(zhuǎn)速度NTTL。
(總發(fā)熱量的分配1) 下面所示的總發(fā)熱量QTTL的分配方法根據(jù)的是與日本專利特開1992年第240045號公報相同的方法。即，螺母部移動區(qū)間、前部軸承部和后部軸承部相互間不發(fā)生熱傳導(dǎo)，在熱力學(xué)上視為近似獨立。各熱源部的發(fā)熱量相對于總發(fā)熱量的比率與送進速度的變化無關(guān)，大致一定。
根據(jù)上述方法，本實施例利用下式來計算螺母部移動區(qū)間發(fā)熱量QN和后部軸承部發(fā)熱量QB。
QN＝ηN×QTTL QB＝ηB×QTTL 比率ηN是螺母部移動區(qū)間的發(fā)熱量相對于總發(fā)熱量的比率。比率ηB是后部軸承部的發(fā)熱量相對于總發(fā)熱量的比率。如上述方法所示，由于比率ηN、ηB是一定的，因此通過現(xiàn)場測定QN、QB來預(yù)先求解比率ηN、ηB。
(發(fā)熱量在螺母部移動區(qū)間的各區(qū)間內(nèi)的分配) 接著，本實施例求解螺母部移動區(qū)間的各區(qū)間的發(fā)熱量。RAM53存儲的發(fā)熱量是在6400ms的時間內(nèi)以50ms的間隔計算出的發(fā)熱量的總計值。因此，在針對每個區(qū)間求解出了以50ms為間隔的平均發(fā)熱量后，根據(jù)平均發(fā)熱量和總發(fā)熱量QTTL，利用下式來求解螺母部在各區(qū)間內(nèi)的存在概率X1…Xi…Xn。
X1＝區(qū)間1的平均發(fā)熱量/QTTL Xi＝區(qū)間i的平均發(fā)熱量/QTTL XN＝區(qū)間N的平均發(fā)熱量/QTTL 在本實施例中，在求解出了螺母部在各區(qū)間內(nèi)的存在概率X1…Xi…Xn后，根據(jù)該存在概率和上述螺母部移動區(qū)間發(fā)熱量QN，利用下式來求解分配給各區(qū)間1～n的分配發(fā)熱量QN1…QNi…QNn。
QN1＝X1×QN QNi＝Xi×QN QNn＝Xn×QN (總發(fā)熱量的分配2) 接著，本實施例計算前部軸承部發(fā)熱量QF。前部軸承部發(fā)熱量QF是因伺服馬達溫度上升所產(chǎn)生的輸入熱量而形成的。因此，本實施例計算伺服馬達本體的溫度。本實施例根據(jù)計算出的溫度與絲杠軸端部的溫度之間的差異，來求解輸入絲杠軸端部的輸入熱量、即前部軸承部發(fā)熱量QF(第二發(fā)熱量)。
下面對伺服馬達本體的溫度的計算方法進行說明。參照圖7，對伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流恒定時伺服馬達的溫度變化進行說明。在開始驅(qū)動加工中心M時，馬達本體溫度ΘM沿著曲線150上升，在一定溫度下飽和。將該飽和時的溫度稱作飽和溫度L1a。飽和溫度L1a可用下式表示。
L1a＝K2·ω+K3·i2 …(2) K2、K3是伺服馬達固有的常數(shù)，ω是馬達旋轉(zhuǎn)速度，i是伺服馬達的驅(qū)動電流。
表示馬達本體溫度ΘM上升的曲線150可用下式表示。
ΘM＝L1a·{1—exp(—γ·t)}…(3) γ是伺服馬達固有的常數(shù)，t是從驅(qū)動開始起的經(jīng)過時間。若在馬達本體溫度ΘM達到了飽和溫度L1a后(圖7中是t＝8小時的時刻)停止加工中心M，則馬達本體溫度ΘM沿著曲線151下降。曲線151可用下式表示。
ΘM＝L1a·exp(—γ·t) …(4) γ是伺服馬達固有的常數(shù)，t是從驅(qū)動停止起的經(jīng)過時間。
根據(jù)上式(3)，從加工中心M的驅(qū)動開始起a分鐘后的馬達本體溫度ΘM1a可用下式表示。
ΘM1a＝L1a·{1—exp(—γ·a/60)} 根據(jù)上式(4)，從加工中心M的驅(qū)動停止起a分鐘后的馬達本體溫度ΘM-1a可用下式表示。
ΘM-1a＝L1a·exp(—γ·a/60) 上面對伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流恒定時伺服馬達的溫度變化進行了說明，但在實際中驅(qū)動加工中心M時，伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流不一定穩(wěn)定。特別是在運轉(zhuǎn)初期的過渡狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流并不穩(wěn)定。因此，在本實施例中，每經(jīng)過規(guī)定的經(jīng)過時間(具體而言是6400ms)，就根據(jù)實際的旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流(具體而言是以50ms的間隔實測得到的旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流各自的平均值)，使用式(2)來求解伺服馬達的飽和溫度。在本實施例中，根據(jù)飽和溫度和經(jīng)過時間，使用上述的式(3)和式(4)來求解伺服馬達本體的溫度變化。在本實施例中，通過將得到的溫度變化相加，來求解實際的馬達本體的溫度。
下面參照圖8，對實際的伺服馬達本體的溫度的計算方法進行說明。在下面的說明中，假設(shè)在加工中心M的驅(qū)動開始后，時間經(jīng)過時刻t1、t2、……(分鐘)。即，時刻0、t1、t2、……之間的各個間隔是各個處理的經(jīng)過時間。
在本實施例中，馬達本體溫度ΘM在上述經(jīng)過時間內(nèi)先根據(jù)上述的式(3)上升，之后根據(jù)式(4)下降。如圖8(A)所示，基于從時刻0到時刻t1期間的經(jīng)過時間的馬達本體溫度ΘMt1形成從時刻0到時刻t1上升、超過時刻t1便下降的曲線301。馬達本體溫度ΘMt1在時刻t1的值ΘMt1-1可根據(jù)式(3)如下地進行計算。
ΘMt1-1＝Lt1·{1—exp(—γ·t1/60)} Lt1是根據(jù)從時刻0到時刻t1期間伺服馬達的實際旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流求解的飽和溫度。由于馬達本體溫度ΘMt1在時刻t1以后根據(jù)式(4)下降，因此時刻t2的馬達本體溫度ΘMt1的值ΘMt1-2可如下地進行計算。
ΘMt1-2＝ΘMt1-1·exp{—γ·(t2—t1)/60} 同樣地，時刻t3、t4的馬達本體溫度ΘMt1的值ΘMt1-3、ΘMt1-4也可根據(jù)式(4)分別如下地進行計算。
ΘMt1-3＝ΘMt1-1·exp{—γ·(t3—t1)/60} ΘMt1-4＝ΘMt1-1·exp{——γ·(t4—t1)/60} 如圖8(B)所示，基于從時刻t1到時刻t2期間的經(jīng)過時間的馬達本體溫度ΘMt2形成從時刻t1到時刻t2上升、超過時刻t2便下降的曲線302。由于可根據(jù)從時刻t1到時刻t2期間伺服馬達的實際旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動電流來計算飽和溫度Lt2，因此時刻t2、t3、t4的馬達本體溫度ΘMt2-1、ΘMt2-2、ΘMt2-3可使用式(3)和式(4)分別如下地進行計算。
ΘMt2-1＝Lt2·[1—exp{—γ·(t2—t1)/60}] ΘMt2-2＝ΘMt2-1·exp{—γ·(t3—t2)/60} ΘMt23＝ΘMt2-1·exp{—γ·(t4—t2)/60} 如圖8(C)所示，基于從時刻t2到時刻t3的經(jīng)過時間的馬達本體溫度ΘMt3形成從時刻t2到時刻t3上升、超過時刻t3便下降的曲線303?？膳c上述的ΘMt1和ΘMt2時一樣地求解時刻t3、t4、t5的馬達本體溫度ΘMt3-1，ΘMt3-2，ΘMt3-3。
通過將按上述方法計算出的馬達本體溫度ΘMt1、ΘMt2、ΘMt3……的各時刻的值相加，來計算實際的馬達本體溫度Θ。例如，假設(shè)根據(jù)時刻t1、t2、t3、……之間的經(jīng)過時間計算出了用曲線301、302、303……(參照圖8(A)～(C))例示的馬達本體溫度ΘMt1、ΘMt2、ΘMt3。這種情況下，時刻t1的馬達本體溫度Θ的值X1是ΘMt1-1。時刻t2的馬達本體溫度Θ的值X2是ΘMt1-2+ΘMt2-1。時刻t3的馬達本體溫度Θ的值X3是ΘMt1-3+ΘMt2-2+ΘMt3-1。若按同樣的方法求解各時刻的馬達本體溫度Θ的值，則馬達本體溫度Θ像曲線304(參照圖8(D))例示的那樣進行變化。
在本實施例中，根據(jù)下式(5)，使用按上述方法求解出的馬達本體溫度Θ來計算前部軸承部發(fā)熱量QF。
QF＝K4(Θ—ΘS) …(5) K4是系數(shù)，ΘS是伺服馬達側(cè)的絲杠軸端部(在圖3的例子中是端部81a)的溫度。
(溫度分布的計算) 在按上述方法求解出了各熱源部的發(fā)熱量后，CPU51根據(jù)發(fā)熱量來計算溫度分布。溫度分布通過在{θ}t＝0、d{θ}/dtt＝0的初始條件下求解下面的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程式進行求解。
[C]d{θ}/dt+[H]{θ}+{Q}＝0 …(6) [C]是熱容量矩陣，[H]是熱傳導(dǎo)矩陣，{θ}是溫度分布，{Q}是發(fā)熱量，t是時間。
具體而言，如下地計算加工中心M驅(qū)動后(t＝0)時間經(jīng)過時刻t1、t2、……(分鐘)時的溫度分布。
在像圖5那樣分割了螺母部移動區(qū)間時，可像圖9那樣表示各部分的溫度、輸入各區(qū)間的發(fā)熱量。使用圖9，式(6)可用下式表示。

時刻t＝0時的絲杠軸各部分的溫度分布{θ}和馬達本體溫度Θ是已知的。因此，本實施例利用式(5)求解前部軸承部發(fā)熱量QF。利用式(1)，螺母部移動區(qū)間的各區(qū)間的分配發(fā)熱量QN1～QNn和后部軸承部發(fā)熱量QB也成為已知。將求解出的值代入式(7)的右邊。如圖10所示，本實施例可求解絲杠軸各部分的溫度的上升速度(d{θ}t＝0/dt)、即斜率。根據(jù)下式，本實施例根據(jù)求解出的斜率來求解t＝t1時各部分的溫度{θ}。
{θ}t＝t1＝{θ}t＝0+(d{θ}t＝0/dt)×t1 本實施例利用{θ}t＝t1的絲杠軸端部溫度ΘS以及根據(jù)式(3)、(4)求解出的馬達本體溫度Θ，根據(jù)式(5)來求解t＝t1時的QF。將求解出的值代入式(7)，求解d{θ}t＝t1/dt。其結(jié)果是，t＝t2時各部分的溫度可用下式進行求解。
{θ}t＝t2＝{θ}t＝t1+(d{θ}t＝t1/dt)×(t2—t1) t＝t3、……時的溫度可按同樣的方法進行求解。
(熱位移量的計算) 在求解出了絲杠軸的溫度分布后，本實施例根據(jù)該溫度分布來計算熱位移量。熱位移量可用下式進行求解。
ΔL＝∫L0β×θ(L)dL …(8) ΔL是熱位移量，β是絲杠軸材料的線膨脹系數(shù)。
下面參照圖11所示的流程圖，對加工中心M的數(shù)值控制的具體步驟進行說明。CPU51利用參數(shù)等設(shè)定數(shù)據(jù)，來設(shè)定利用有限元方法進行運算時所需的矩陣。如圖5所示，CPU51將絲杠軸的螺母部移動區(qū)間分割成有限個區(qū)間。通過分割區(qū)間，CPU51形成熱分布模型的區(qū)域(S1)。
接著，CPU51針對在步驟S1的工序中設(shè)定的熱分布模型的各區(qū)間設(shè)定初始溫度{θ}t＝0。初始溫度{θ}t＝0針對每個區(qū)間單獨進行設(shè)定。但在可將加工中心M的溫度視為與外部氣體溫度θair一致時，針對所有區(qū)間，初始溫度{θ}t＝0均設(shè)定成外部氣體溫度θair。相反，在因加工中心M的驅(qū)動等而使各區(qū)間之間產(chǎn)生了溫差時，CPU51針對各區(qū)間分別設(shè)定初始溫度。CPU51將設(shè)定好的初始溫度{θ}t＝0和基準位置存儲在RAM53內(nèi)(S2)。
CPU51每經(jīng)過50ms對螺母部8a的當(dāng)前位置進入哪個區(qū)間進行求解，并針對每個區(qū)間，根據(jù)送進速度的數(shù)據(jù)和式(1)來求解螺母部8a移動產(chǎn)生的發(fā)熱量的總量(S3)。在經(jīng)過了一定時間(6400ms)后，CPU51根據(jù)將每個區(qū)間的發(fā)熱量加在一起得到的總發(fā)熱量QTTL和螺母部移動區(qū)間的發(fā)熱量的比率ηN，來計算螺母部移動區(qū)間發(fā)熱量QN。CPU51根據(jù)總發(fā)熱量QTTL和每個區(qū)間的平均發(fā)熱量，來計算螺母部在每個區(qū)間內(nèi)的存在概率。CPU51將螺母部移動區(qū)間發(fā)熱量QN與存在概率的乘積值作為螺母移動產(chǎn)生的發(fā)熱量，分配給在步驟S1中分割好的各區(qū)間(S4)。
CPU51使用流經(jīng)伺服馬達的電流和馬達旋轉(zhuǎn)速度，根據(jù)式(2)來求解飽和溫度。CPU51根據(jù)上述飽和溫度以及式(3)和式(4)，來求解伺服馬達本體的溫度上升(S5)。CPU51根據(jù)式(5)，利用伺服馬達本體的溫度上升和絲杠軸端部溫度，來計算朝與伺服馬達相鄰的區(qū)間傳遞的輸入熱量、即前部軸承部發(fā)熱量(S6)。
CPU51使用在步驟S4和S6中求解出的每個區(qū)間的發(fā)熱量和非穩(wěn)態(tài)方程式(6)，來求解各區(qū)間的溫度分布(S7)。CPU51使用式(8)，利用在步驟S7中求解出的溫度分布來計算各區(qū)間的熱位移量(S8)。CPU51對相對于在步驟S2中儲存的基準位置的熱位移量、即在加工控制中使用的修正量進行計算(S9)。在修正模式開啟時，CPU51將與在步驟S9中求解出的修正量相當(dāng)?shù)乃瓦M量信號朝軸控制部61a發(fā)送(S10)。CPU51一旦結(jié)束到步驟S10為止的處理，便返回步驟S3，定期地(每經(jīng)過6400ms)繼續(xù)運算。
執(zhí)行步驟S3的CPU51相當(dāng)于第一發(fā)熱量運算部。執(zhí)行步驟S5的CPU51相當(dāng)于溫度檢測部。執(zhí)行步驟S6的CPU51相當(dāng)于第二發(fā)熱量運算部。執(zhí)行步驟S7的CPU51相當(dāng)于溫度分布運算部。執(zhí)行步驟S8的CPU51相當(dāng)于熱位移量運算部。執(zhí)行步驟S9的CPU51相當(dāng)于修正量運算部。
實施例2 下面對其它實施例進行說明。與上述實施例1不同的部分在于不是利用電流和旋轉(zhuǎn)速度來求解伺服馬達的溫度上升，而是使用安裝在伺服馬達上的溫度傳感器和測定室溫的室溫傳感器來求解伺服馬達的溫度上升。
將由另行設(shè)置在X軸馬達71上的溫度傳感器(未圖示)檢測到的伺服馬達本體的溫度ΘMO、以及由設(shè)置在加工中心M上的檢測外部氣體溫度的室溫傳感器(未圖示)檢測到的Θatm朝CPU51發(fā)送。CPU51使用下式來求解伺服馬達本體的溫度上升Θ。
Θ＝ΘMO—Θatm 前部軸承部發(fā)熱量QF是因伺服馬達溫度上升所產(chǎn)生的輸入熱量而形成的。因此，CPU51使用下式，根據(jù)伺服馬達本體的溫度上升Θ來求解前部軸承部發(fā)熱量QF。
QF＝K5(Θ—ΘS) K5是系數(shù)，ΘS是從時刻t＝0起絲杠軸端部的溫度上升。通過使用上述運算，用熱位移修正算法進行求解的朝絲杠軸端部傳遞的輸入熱量的檢測精度變好。因此，在實施例2中，可進一步提高熱位移修正的精度。上述溫度傳感器和上述室溫傳感器相當(dāng)于溫度檢測部。
下面，對局部變更了上述實施例的變形例進行說明。在上述實施例1中，說明了使用式(3)和(4)來求解伺服馬達本體的溫度上升Θ的例子。伺服馬達本體的溫度上升Θ也可根據(jù)離散化的一階延時系統(tǒng)，使用下式進行求解。
LTn＝K6·ω+K7·i2…(9) Θn＝(1—K8)Θn-1+LTn K6、K7、K8是伺服馬達固有的常數(shù)。
在僅用旋轉(zhuǎn)速度來求解伺服馬達的溫度上升時，式(2)成為如下所示。
L1a＝K9·ω 或者，在僅用驅(qū)動電流值來求解伺服馬達的溫度上升時，式(2)成為如下所示。
L1a＝K10·i2 K9和K10是伺服馬達固有的常數(shù)。
另外，在根據(jù)離散化的一階延時系統(tǒng)，僅用旋轉(zhuǎn)速度來求解伺服馬達本體的溫度上升時，式(9)成為如下所示。
LTn＝K11·ω 或者，在僅用驅(qū)動電流值進行求解時，式(9)成為如下所示。
LTn＝K12·i2 K11和K12是伺服馬達固有的常數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種機床的熱位移修正方法，
所述機床包括
具有絲杠軸和螺母的送進驅(qū)動用滾珠絲杠機構(gòu)、
根據(jù)加工數(shù)據(jù)來計算所述絲杠軸對所述螺母的送進量的送進量控制設(shè)備、
驅(qū)動所述絲杠軸旋轉(zhuǎn)的伺服馬達、以及
根據(jù)所述加工數(shù)據(jù)來控制所述伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度的速度控制設(shè)備，
所述機床的熱位移修正方法的特征在于，包括
根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)速度來求解因所述螺母的移動而在所述絲杠軸上產(chǎn)生的第一發(fā)熱量的第一步驟；
對所述伺服馬達的溫度上升進行檢測、并根據(jù)所述溫度上升來求解從所述伺服馬達朝所述絲杠軸傳遞的第二發(fā)熱量的第二步驟；
根據(jù)所述第一發(fā)熱量和所述第二發(fā)熱量來運算將所述絲杠軸沿長度方向分割而形成的多個區(qū)間的溫度分布的第三步驟；
根據(jù)所述溫度分布來運算所述多個區(qū)間各自的熱位移量的第四步驟；以及
根據(jù)所述熱位移量來運算所述加工數(shù)據(jù)的修正量的第五步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的機床的熱位移修正方法，其特征在于，根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)速度和所述伺服馬達的驅(qū)動電流值中的至少一方來檢測所述伺服馬達的所述溫度上升。
3.一種機床的熱位移修正裝置，
所述機床包括
具有絲杠軸和螺母的送進驅(qū)動用滾珠絲杠機構(gòu)、
根據(jù)加工數(shù)據(jù)來計算所述絲杠軸對所述螺母的送進量的送進量控制設(shè)備、
驅(qū)動所述絲杠軸旋轉(zhuǎn)的伺服馬達、以及
根據(jù)所述加工數(shù)據(jù)來控制所述伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度的速度控制設(shè)備，
所述機床的熱位移修正裝置的特征在于，包括
速度檢測設(shè)備，該速度檢測設(shè)備對所述旋轉(zhuǎn)速度進行檢測；
溫度檢測部，該溫度檢測部對所述伺服馬達的溫度上升進行檢測；
第一發(fā)熱量運算部，該第一發(fā)熱量運算部根據(jù)由所述速度檢測設(shè)備檢測到的所述旋轉(zhuǎn)速度，來運算因所述螺母的移動而在所述絲杠軸上產(chǎn)生的第一發(fā)熱量；
第二發(fā)熱量運算部，該第二發(fā)熱量運算部根據(jù)由所述溫度檢測部檢測到的所述溫度上升，來運算從所述伺服馬達朝所述絲杠軸傳遞的第二發(fā)熱量；
溫度分布運算部，該溫度分布運算部根據(jù)由所述第一發(fā)熱量運算部運算出的所述第一發(fā)熱量以及由所述第二發(fā)熱量運算部運算出的所述第二發(fā)熱量，來運算將所述絲杠軸沿長度方向分割而形成的多個區(qū)間的溫度分布；
熱位移量運算部，該熱位移量運算部根據(jù)由所述溫度分布運算部運算出的所述溫度分布，來運算所述多個區(qū)間各自的熱位移量；以及
修正量運算部，該修正量運算部根據(jù)由所述熱位移量運算部運算出的所述熱位移量，來運算加工數(shù)據(jù)的修正量。
4.如權(quán)利要求3所述的機床的熱位移修正裝置，其特征在于，所述溫度檢測部根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)速度和所述伺服馬達的驅(qū)動電流值中的至少一方來檢測所述溫度上升。
全文摘要
一種機床的熱位移修正方法和熱位移修正裝置，用于對因機床運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的滾珠絲杠機構(gòu)的熱位移而引起的誤差進行修正。第一發(fā)熱量運算部根據(jù)由速度檢測器檢測到的旋轉(zhuǎn)速度，來運算因螺母而在絲杠軸上產(chǎn)生的第一發(fā)熱量。第二發(fā)熱量運算部根據(jù)由溫度檢測部檢測到的溫度上升，來運算因伺服馬達而在絲杠軸上產(chǎn)生的第二發(fā)熱量。溫度分布運算部根據(jù)第一發(fā)熱量和第二發(fā)熱量，來計算將絲杠軸沿長度方向分割而形成的多個區(qū)間的溫度分布。熱位移量運算部根據(jù)由溫度分布運算部計算出的溫度分布，來計算各區(qū)間的熱位移量。修正量運算部根據(jù)由熱位移量運算部計算出的熱位移量，來運算螺母的送進量計算用的加工數(shù)據(jù)的修正量。
文檔編號B23Q17/00GK101530974SQ20091012893
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
發(fā)明者小林治夫 申請人:兄弟工業(yè)株式會社