JP4358786B2 - Ball screw thermal displacement correction method - Google Patents
Ball screw thermal displacement correction method Download PDFInfo
- Publication number
- JP4358786B2 JP4358786B2 JP2005160540A JP2005160540A JP4358786B2 JP 4358786 B2 JP4358786 B2 JP 4358786B2 JP 2005160540 A JP2005160540 A JP 2005160540A JP 2005160540 A JP2005160540 A JP 2005160540A JP 4358786 B2 JP4358786 B2 JP 4358786B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ball screw
- temperature
- heat source
- heat
- distribution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 21
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 78
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 11
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 6
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Automatic Control Of Machine Tools (AREA)
- Numerical Control (AREA)
Description
本発明は、産業用ロボット、バリ取り装置、工作機械等の駆動系に用いられるボールねじ熱変位の補正方法に関するものである。 The present invention relates to a method for correcting thermal displacement of a ball screw used in a drive system of an industrial robot, a deburring device, a machine tool, or the like.
ボールねじを駆動系に利用した機械として、パラレルリンク機構の工作機械がある。パラレルリンク機構の工作機械として図11に示すように、加工空間を6軸方向へ自由に動き回る主軸頭12を装備した工作機械が知られている。この工作機械においては、天井部17に6つの自在継手15が配設されている。各自在継手15には伸縮アクチュエータであるボールねじ14の上端部が支持されるとともに、ボールねじ14を駆動する中空型サーボモータ16が設置されている。ボールねじ14は中空型サーボモータ16の中空軸を貫通し、ボールねじナットと中空軸が連結されている。
As a machine using a ball screw as a drive system, there is a machine tool of a parallel link mechanism. As a machine tool of a parallel link mechanism, as shown in FIG. 11, a machine tool equipped with a
6本のボールねじ14の下端部には自在継手13を介して主軸頭12が支持され、この主軸頭12に主軸が回転可能に設けられている。そして、自在継手13と自在継手15との間のボールねじ14の長さを変えることにより、主軸頭12を加工空間の任意の姿勢で位置決めし、主軸18に取り付けた工具でテーブル11上のワークを加工するようになっている。23は、継手21及び基部22を介して外部から主軸頭12へ接続される可撓管で、主軸頭12への冷却液の供給及び排出管が通される。
A
このような工作機械においては、主軸頭12の位置の制御に数μmの正確さが要求される。したがって、ボールねじ14の長さを正確に制御する必要があるが、サーボモータ16の回転数が高くなればモータのステータや、ボールねじナットが発熱し、その熱がボールねじ軸に伝わって熱膨張してしまい、主軸頭12の位置が不正確になってしまう。
ボールねじ固定型の駆動装置の中には、基準スケールを設けて、基準スケールに基づいて移動体の位置決めを行い、ボールねじ軸が膨張した場合であっても移動体の位置決め誤差が生じないようにしたものもあるが、パラレルリンク工作機械のようなボールねじ自体が可動するような構造においては基準スケールを備えることが困難である。
In such a machine tool, an accuracy of several μm is required for controlling the position of the
In the ball screw fixed type drive device, a reference scale is provided, and the moving body is positioned based on the reference scale so that the positioning error of the moving body does not occur even when the ball screw shaft expands. However, it is difficult to provide a reference scale in a structure in which the ball screw itself is movable, such as a parallel link machine tool.
そこで、本件出願人が先に提供している特許文献1や特許文献2のボールねじ駆動装置の様に、ボールねじ軸の中空孔に冷却液を流して、ボールねじ軸の熱膨張を抑える対策が考えられる。
また、特許文献3の様に、ボールねじが回転しないパラレルリンク機構の工作機械において、ボールねじ軸を中空として、その中空部に多数の温度センサを取り付けることで、ボールねじ温度分布の測定を可能としたものも知られている。
そして、特許文献4では、発熱源として駆動源を考え、温度センサを使用せずに駆動源の速度及び駆動トルクを用いて発熱量を推定する工作機械の熱変位補正方法を示している。
Therefore, as in the ball screw drive devices of
Also, as in Patent Document 3, in a parallel link mechanism machine tool in which the ball screw does not rotate, the ball screw shaft is made hollow, and a number of temperature sensors are attached to the hollow portion, thereby measuring the ball screw temperature distribution. It is also known.
Patent Document 4 shows a thermal displacement correction method for a machine tool in which a drive source is considered as a heat source, and a heat generation amount is estimated using the speed and drive torque of the drive source without using a temperature sensor.
特許文献1,2においては、工作機械の稼働率を高くすると、ボールねじ軸の温度上昇を抑制できないことがある。さらに、冷却装置が付加されているため、構造が複雑で、修理・メンテナンスが困難である上、製造コストが高くなってしまう。これは特許文献3においても同様で、多数の温度センサが必要となるためコスト高となる。また、ボールねじが回転しない構造に限定されることで、適用範囲が制約される。
In
一方、ボールねじ軸の温度分布は駆動源の発熱だけではなく、ボールねじが設置されている環境の温度にも影響を受けるため、ボールねじの温度分布を精度よく推定するには、環境温度も温度センサで測定するのが望ましい。しかし、特許文献4の補正方法では環境温度まで考慮していないため、環境温度によっては温度分布の推定の精度が低下するおそれがあり、正確な熱変位補正が可能とは言えない。また、駆動源の発熱には個体差があることから、温度センサで測定した場合に比べて駆動源の発熱量推定の不正確さは否めない。
また、同文献では、ボールねじの熱量の分布を有限個の区間領域間での熱量が交換されるとして求めているが、熱変位を正確に知るために分割した区間の数を増やすと計算時間も増える。計算時間の長大化による制御性能低下を防ぐには、計算能力は極めて高いが高コストである制御装置を採用するしかない。
On the other hand, the temperature distribution of the ball screw shaft is affected not only by the heat generated by the drive source, but also by the temperature of the environment where the ball screw is installed. It is desirable to measure with a temperature sensor. However, since the correction method of Patent Document 4 does not consider the environmental temperature, the accuracy of temperature distribution estimation may be reduced depending on the environmental temperature, and it cannot be said that accurate thermal displacement correction is possible. In addition, since there is an individual difference in the heat generation of the drive source, the inaccuracy of the estimation of the heat generation amount of the drive source cannot be denied compared with the case of measuring with a temperature sensor.
In the same document, the distribution of the amount of heat of the ball screw is calculated on the assumption that the amount of heat is exchanged between a finite number of section regions. However, if the number of divided sections is increased in order to accurately know the thermal displacement, the calculation time is increased. Will also increase. The only way to prevent a decrease in control performance due to an increase in calculation time is to employ a control device that has an extremely high calculation capacity but is expensive.
そこで、本発明は、温度センサを用いつつ、製造コストが比較的軽減される簡単な構成で、精度の高い熱変位補正が可能なボールねじ熱変位の補正方法を提供することを目的としたものである。 Therefore, the present invention has an object to provide a ball screw thermal displacement correction method capable of highly accurate thermal displacement correction with a simple configuration in which the manufacturing cost is relatively reduced while using a temperature sensor. It is.
上記目的を達成するために、請求項1の発明によるボールねじの熱変位の補正方法は、ボールねじを用いた機械の駆動系において、ボールねじと接触している第1の熱源の熱量を、該第1の熱源の付近に設置した第1の温度センサの温度から推定し、該第1の熱源の熱量と該第1の熱源がボールねじ全長に与える熱量の第1の比率の分布を予め記憶しておくとともに、前記第1の熱源の位置を読み込み、前記第1の温度センサから推定した前記第1の熱源の熱量と、該第1の比率の分布と、前記第1の熱源の位置とから該第1の熱源がボールねじに与える熱量分布の時間変化を推定し、推定された熱量分布の時間変化から第1の温度分布の時間変化を推定する一方、ボールねじと接触していない第2の熱源の温度を、該第2の熱源の付近に設置した第2の温度センサから推定し、該第2の熱源の温度と該第2の熱源がボールねじ全長に与える温度の第2の比率の分布を予め記憶しておくとともに、前記第2の熱源の位置を読み込み、前記第2の温度センサから推定した前記第2の熱源の温度と、該第2の比率の分布と、前記第2の熱源の位置とから該第2の熱源がボールねじに与える第2の温度分布の時間変化を推定し、上記第1及び第2の温度分布を夫々足し合わせてボールねじの温度分布を推定し、推定された温度分布を用いてボールねじの熱変位補正量を求めることを特徴としたものである。
In order to achieve the above object, a method of correcting a thermal displacement of a ball screw according to the invention of
請求項2の発明によるボールねじの熱変位の補正方法は、上記請求項1の熱変位の補正方法において、ボールねじと接触している第1の熱源の熱量を、該第1の熱源の付近に設置した第1の温度センサの温度から推定する際に、ボールねじの速度に応じた係数を該第1の温度センサの温度に掛け合わせた値を用いることを特徴としたものである。 A method for correcting a thermal displacement of a ball screw according to a second aspect of the present invention is the method for correcting a thermal displacement of the first aspect, wherein the amount of heat of the first heat source in contact with the ball screw is determined in the vicinity of the first heat source. When estimating from the temperature of the first temperature sensor installed in the above, a value obtained by multiplying the coefficient of the speed of the ball screw by the temperature of the first temperature sensor is used.
なお、本発明における第1の熱源及び第2の熱源は、夫々単独の熱源のみを指すものではなく、ボールねじに対する接触の有無によって区別することで、複数の熱源も含まれる。例えば第1の熱源では、スプラインナットやボールねじナットによるもの等が、第2の熱源では、環境温度やサーボモータによるもの等が挙げられる。よって、第1、第2の温度センサも熱源に対応して夫々複数設けられる場合も含む。 Note that the first heat source and the second heat source in the present invention do not indicate only a single heat source, but include a plurality of heat sources by distinguishing them according to the presence or absence of contact with the ball screw. For example, the first heat source includes a spline nut or a ball screw nut, and the second heat source includes an ambient temperature or a servo motor. Therefore, the case where a plurality of first and second temperature sensors are provided corresponding to the heat sources is also included.
請求項1の発明によれば、ボールねじを用いた機械の駆動系において、熱源の付近に取り付けた少数の温度センサを用いてボールねじ全長の温度分布を推定し、このボールねじ温度分布の推定値を用いてボールねじの熱変位量を推定することができる。よって、製造コストが比較的軽減される簡単な構成で、精度の高いボールねじの熱変位補正が可能となる。
請求項2の発明によれば、請求項1の効果に加えて、ボールねじの速度も考慮することで、ボールねじがどのような駆動状態にあっても正確にボールねじの温度分布を推定することが可能となる。
According to the first aspect of the present invention, in a drive system of a machine using a ball screw, the temperature distribution of the ball screw is estimated using a small number of temperature sensors attached in the vicinity of the heat source, and the ball screw temperature distribution is estimated. The amount of thermal displacement of the ball screw can be estimated using the value. Therefore, it is possible to correct the thermal displacement of the ball screw with high accuracy with a simple configuration in which the manufacturing cost is relatively reduced.
According to the second aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect, the temperature of the ball screw is accurately estimated regardless of the driving state of the ball screw by considering the speed of the ball screw. It becomes possible.
以下、本発明の実施の形態を図面等に基づいて説明する。
本発明の補正方法は、ボールねじの熱変位を熱源に設置した温度センサと、熱源の位置情報を用いてボールねじの温度分布の経時変化の推定を行うものである。まず、発熱源がボールねじに与える温度分布、及び熱量分布は、図1に示す様な熱源を中心として左右対称の曲線と、熱源の推定温度及び推定熱量を掛け合わせることで近似する。本発明ではこの曲線を次の様に表す。すなわち、熱源Hjが位置Pjにあるとして、温度を求めようとするボールねじ上の位置Liにおける温度比率分布曲線Ft(Pj)、熱量比率分布曲線Fq(Pj)を下記の式で表すものである。ここで、Xi=Li−Pjであり、Wjは熱源の幅、Gjは曲線を決定する定数であり熱源毎に値を持たせる。この曲線は図1に示す様に、熱源の位置Pjの変化に応じて実線から点線へと移動する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
According to the correction method of the present invention, the temporal change of the temperature distribution of the ball screw is estimated using the temperature sensor in which the thermal displacement of the ball screw is installed in the heat source and the position information of the heat source. First, the temperature distribution and heat amount distribution given to the ball screw by the heat source are approximated by multiplying a symmetrical curve around the heat source as shown in FIG. 1 with the estimated temperature and the estimated heat amount of the heat source. In the present invention, this curve is expressed as follows. That is, assuming that the heat source Hj is at the position Pj, the temperature ratio distribution curve Ft (Pj) and the heat quantity ratio distribution curve Fq (Pj) at the position Li on the ball screw for which the temperature is to be obtained are expressed by the following equations. . Here, Xi = Li-Pj, Wj is the width of the heat source, Gj is a constant that determines the curve, and each heat source has a value. As shown in FIG. 1, this curve moves from a solid line to a dotted line in accordance with a change in the position Pj of the heat source.
[数1]
|Xi|>Wj/2の 場合
Fq(Pj),Ft(Pj)=(exp(Gj・Wj/2)−exp(−Gj・Wj/2))・exp(−Gj・|Xi|)/2
|Xi|≦Wj/2の 場合
Fq(Pj),Ft(Pj)=(1−exp(Gj・Wj/2)・(exp(Gj・Xi)+exp(−Gj・Xi))/2)
[Equation 1]
When | Xi |> Wj / 2 Fq (Pj), Ft (Pj) = (exp (Gj.Wj / 2) -exp (-Gj.Wj / 2)). Exp (-Gj. | Xi |) / 2
When | Xi | ≦ Wj / 2 Fq (Pj), Ft (Pj) = (1-exp (Gj.Wj / 2). (Exp (Gj.Xi) + exp (-Gj.Xi)) / 2)
ボールねじ温度分布の推定は、熱源のタイプによって2つの方法に分けられる。
まず、熱源がボールねじに接触している場合(タイプAの熱源(第1の熱源)と呼ぶ)は、熱源の熱量をこの熱源の付近に設置した温度センサの温度から推定し、推定した熱量とこの熱源がボールねじ全長に与える熱量の比率(数1)を掛け合わせることでボールねじ全長における熱量を推定する。そして、推定した熱量から温度を推定する。タイプAの発熱源としては、スプラインナット、ボールねじナット等が考えられる。
一方、熱源がボールねじに接触していない場合(タイプBの熱源(第2の熱源)と呼ぶ)は、温度を温度センサから推定し、この熱源の温度とこの熱源がボールねじ全長に与える温度の比率(数1)を掛け合わせることでボールねじ全長における温度を推定する。タイプBの発熱源としてはサーボモータのコイル、ボールねじ周囲の環境温度等が考えられる。
The estimation of the ball screw temperature distribution is divided into two methods depending on the type of heat source.
First, when the heat source is in contact with the ball screw (referred to as a type A heat source (first heat source)), the heat amount of the heat source is estimated from the temperature of the temperature sensor installed in the vicinity of the heat source, and the estimated heat amount The amount of heat in the entire length of the ball screw is estimated by multiplying the ratio of the amount of heat given by this heat source to the entire length of the ball screw (Equation 1). Then, the temperature is estimated from the estimated amount of heat. As the type A heat source, a spline nut, a ball screw nut, and the like are conceivable.
On the other hand, when the heat source is not in contact with the ball screw (referred to as a type B heat source (second heat source)), the temperature is estimated from the temperature sensor, and the temperature of this heat source and the temperature that this heat source gives to the total length of the ball screw Is multiplied by the ratio (Equation 1) to estimate the temperature over the entire length of the ball screw. The type B heat source may be the servo motor coil, the ambient temperature around the ball screw, and the like.
ボールねじの温度分布は各熱源がボールねじに与える温度分布を重ね合わせることによって得られることが一般的に知られている。各熱源Hjがボールねじに与える温度をθjとすれば、熱源をm個所想定した場合ボールねじの温度分布θはこれらを足し合わせ、下記の式となる。 It is generally known that the temperature distribution of a ball screw can be obtained by superimposing the temperature distribution that each heat source gives to the ball screw. Assuming that the temperature that each heat source Hj gives to the ball screw is θj, when m heat sources are assumed, the temperature distribution θ of the ball screw is added to the following formula.
[数2]
θ =θ1+θ2+ ・・・ +θm−1+θm
[Equation 2]
θ = θ 1 + θ 2 +... + θ m−1 + θ m
以下、図11に示すパラレルリンク機構の工作機械のボールねじへの本発明の請求項1と請求項2を同時に実施した例を詳細に説明する。パラレルリンク機構の工作機械の駆動系は図2の様に中空軸のサーボモータにスプライン付きボールねじが貫通した構造である。タイプAの熱源としてスプラインナット5とボールねじナット6を考え、この熱源の熱量を推定するために温度センサ2を取り付ける。さらに、タイプBの熱源として環境温度を考え、この熱源の温度を推定するため温度センサ1と温度センサ4を取り付ける。同じく、タイプBの熱源としてサーボモータ16のコイルを想定し、この熱源の温度を推定するため温度センサ3を取り付ける。
Hereinafter, an example in which claims 1 and 2 of the present invention are applied to the ball screw of the machine tool of the parallel link mechanism shown in FIG. 11 will be described in detail. As shown in FIG. 2, the drive system of the machine tool of the parallel link mechanism has a structure in which a spline ball screw is passed through a hollow shaft servomotor. Considering the
そして、図2の様に各熱源がボールねじに与える温度分布を推定し、足し合わせることでボールねじの温度分布を得る。ただしパラレルリンク機構の工作機械の場合、ボールねじの温度分布の推定値を基に求めた熱膨張量のうち、図2の自在継手回転中心間の距離(ストラット長)分の熱膨張量を補正することとなる。 Then, as shown in FIG. 2, the temperature distribution given to the ball screw by each heat source is estimated and added to obtain the temperature distribution of the ball screw. However, in the case of a machine tool with a parallel link mechanism, the thermal expansion amount corresponding to the distance (strut length) between the universal joint rotation centers in FIG. Will be.
続いて、ボールねじ熱変位補正の流れを図3に基づいて説明する。図3における第1ステップ(「S1」と略記する。以下他のステップでも同様)において、熱変位補正を行うボールねじをd個の区間に分割するための分割数d、それぞれの要素iの長さΔLiを決定する。さらに、計算周期TS、線膨張率α、基準温度HSを決定する。計算周期TSはボールねじ熱変位を計算する間隔であり、短くするほど推定精度が向上するが、数値制御装置の処理能力やデータ保存のためのメモリ等の資源が必要となる。
ボールねじ熱変位量は基準温度HSとボールねじの推定温度との相対温度を用いて計算する。これは次の理由による。
パラレルリンク機構の工作機械では機械精度を向上するため、自在継手13と自在継手15との位置、ストラット長をキャリブレーションによって同定する必要がある。キャリブレーションの詳細についてはここでは記さないが、テーブル11と主軸18間の相対距離を測定する作業である。この測定時の温度を基準温度とし、ボールねじ熱変位量を基準温度とボールねじの推定温度との相対温度を用いて計算することで、キャリブレーションによるストラット長の同定値に対する熱変位量を求めるためである。
Next, the flow of ball screw thermal displacement correction will be described with reference to FIG. In the first step (abbreviated as “S1” in FIG. 3; the same applies to the other steps hereinafter), the division number d for dividing the ball screw to be subjected to thermal displacement correction into d sections, and the length of each element i ΔL i is determined. Further, the calculation cycle T S , the linear expansion coefficient α, and the reference temperature H S are determined. The calculation period TS is an interval for calculating the ball screw thermal displacement. As the calculation period T S is shortened, the estimation accuracy is improved.
Ball screw thermal displacement amount is calculated by using the relative temperatures of the estimated temperature of the reference temperature H S and the ball screw. This is due to the following reason.
In the machine tool of the parallel link mechanism, in order to improve machine accuracy, it is necessary to identify the positions of the
次に、図3におけるステップS2において、前回の機械停止時のボールねじ温度分布と、今回の機械起動時の熱源の温度を用いてボールねじ温度分布の初期値θ0を推定し、続くS3で、ボールねじ温度分布の初期値θ0を用いてストラット長の熱変位補正量の初期値E0を推定する。
S4では、ストラット長の熱変位補正量を更新し、S5で、タイプAの熱源Ajがボールねじに与える温度分布θAj(第1の温度分布)の推定を行い、S6においては、タイプBの熱源Bjがボールねじに与える温度分布θBj(第2の温度分布)の推定を行う。
S7では、図2で説明した様に各熱源によりボールねじに与えられた温度分布を足し合わせてボールねじ温度分布θを推定し、続くS8では、ストラット長の熱変位補正量Eを推定し、S9で、ストラット長の熱変位補正量を更新する。
そして、S10において、機械電源がONか否かの確認を行う。この判別でONの場合、S5に戻り、OFFの場合、S11において、ボールねじ推定温度分布の最終値θENDと停止時間TENDを数値制御装置のメモリに記録して終了する。
Next, in step S2 in FIG. 3, the initial value θ 0 of the ball screw temperature distribution is estimated using the ball screw temperature distribution at the time of the previous machine stop and the temperature of the heat source at the time of the current machine start, and in the subsequent S3. The initial value E 0 of the strut length thermal displacement correction amount is estimated using the initial value θ 0 of the ball screw temperature distribution.
In S4, updating the temperature compensation of strut length, in S5, performs estimation of the temperature distribution heat source Aj type A has on the ball screw theta A j (first temperature distribution), in S6, the type B heat source Bj is to estimate the temperature distribution theta B j which gives the ball screw (second temperature distribution).
In S7, as described with reference to FIG. 2, the temperature distribution given to the ball screw by each heat source is added to estimate the ball screw temperature distribution θ, and in subsequent S8, the thermal displacement correction amount E of the strut length is estimated, In S9, the thermal displacement correction amount for the strut length is updated.
In S10, it is confirmed whether or not the machine power supply is ON. If ON in this determination, the process returns to S5, if OFF, the in S11, and ends the final value theta END and stop time T END ball screw estimated temperature distribution is recorded in the memory of the numerical controller.
ここで、図3のS2の処理について、図4において詳細に説明する。まず、運転していない時にボールねじの温度と似た温度変化を示す熱源の温度をH0として、図4におけるS21において、熱源の温度H0を読み込む。次にS22において、数値制御装置より現在時刻TSTARTを読み込む。このとき、ボールねじが冷える時の温度の時定数をT0とすると、前回の停止時間から4・T0経過していればボールねじが十分冷え切って、熱源の温度H0と等しくなったと考えられる。よって、次のS23では、以下の数3の関係を判別する。 Here, the process of S2 of FIG. 3 will be described in detail with reference to FIG. First, assuming that the temperature of the heat source that exhibits a temperature change similar to the temperature of the ball screw when not in operation is H 0 , the temperature H 0 of the heat source is read in S21 in FIG. Next, in S22, the current time TSTART is read from the numerical controller. At this time, assuming that the time constant of the temperature when the ball screw cools is T 0 , if 4 · T 0 has elapsed from the previous stop time, the ball screw is sufficiently cooled down and becomes equal to the temperature H 0 of the heat source. Conceivable. Therefore, in the next S23, the following relationship of Formula 3 is determined.
[数3]
(TSTART−TEND)>4・T0
[Equation 3]
(T START -T END )> 4 · T 0
この判別で経過時間が4・T0を超えていると、S25へ進み、ボールねじ温度分布の初期値θ0を熱源H0の温度とする。4・T0以下であれば、ステップS24に進み、前回停止してから今回の起動までの経過時間TPと前回のボールねじ温度分布の最終値θENDとを用いてボールねじ初期温度分布θ0を下記の式で計算する。 If the elapsed time exceeds 4 · T 0 in this determination, the process proceeds to S25, and the initial value θ 0 of the ball screw temperature distribution is set as the temperature of the heat source H 0 . If 4 · T 0 or less, the process proceeds to step S24, the ball screw initial temperature distribution theta using a final value theta END of the elapsed time T P and the previous ball screw temperature distribution to the current boot since the last stop 0 is calculated by the following formula.
[数4]
θ0=H0+(θEND−H0)・exp(−TP/T0)
ただし、TP=TSTART−TEND
[Equation 4]
θ 0 = H 0 + (θ END −H 0 ) · exp (−T P / T 0 )
However, T P = T START −T END
次に、図3におけるS3の処理について。図5、図6に基づいて詳細に説明する。はじめに、図6のS31において、S2で求めたボールねじ各要素iの温度分布の初期値の点間温度を直線補間する。結果、ボールねじの温度分布の初期値は図5に示すような直線の温度分布となる。次に、S32で数値演算装置からストラット長を取り込む。そして、S33でストラット長までの温度を足し合わせS0とする。例えばストラット長が1100の場合、図5における網掛け範囲がS0となる。ボールねじ熱変位量E0は線膨張係数αとS0を掛け合わせた値とする(数5)。 Next, the process of S3 in FIG. This will be described in detail with reference to FIGS. First, in S31 of FIG. 6, the interpoint temperature of the initial value of the temperature distribution of each element i of the ball screw obtained in S2 is linearly interpolated. As a result, the initial value of the temperature distribution of the ball screw is a linear temperature distribution as shown in FIG. Next, in S32, the strut length is fetched from the numerical arithmetic unit. Then, the summing S 0 a temperature of up to strut length in S33. For example, when strut length is 1100, shaded range in FIG. 5 is S 0. The ball screw thermal displacement E 0 is a value obtained by multiplying the linear expansion coefficient α by S 0 (Equation 5).
[数5]
E0 =α・S0
[Equation 5]
E 0 = α · S 0
次に、図3におけるS5の処理について、詳細に説明を行う。まず図7のS51において、熱源Ajの温度HAjと位置PAjを読み込む。次に、S52において、熱源Ajの温度HAjに抑制係数CAjを掛け合わせHAj'とする(数6)。この抑制係数はボールねじの速度に応じて可変させる。 Next, the process of S5 in FIG. 3 will be described in detail. First, in S51 in FIG. 7, reads the temperature H A j and the position P A j of the heat source Aj. Next, in S52, and H A j 'multiplied by the temperature H A j suppression coefficient C A j of the heat source Aj (6). This suppression coefficient is varied according to the speed of the ball screw.
[数6]
HAj'=CAj・HAj
[Equation 6]
H A j ′ = C A j · H A j
次に、S53において、熱源Ajの発熱相当量の推定QAj'の計算を次式にて行う。ここで、IAjは熱源Ajの発熱量を推定する際に用いる定数であり、nは計算回数を表している。 Next, in S53, the estimated Q A j ′ of the heat generation equivalent amount of the heat source A j is calculated by the following equation. Here, I A j is a constant used when estimating the heat generation amount of the heat source A j, and n represents the number of calculations.
[数7]
QAj'(n)=HAj'(n−1)+(HAj'(n)−HAj'(n−1))/βAj
ただし、βAj=TS/(TS+IAj)
[Equation 7]
Q A j '(n) = H A j' (n-1) + (H A j '(n) -H A j' (n-1)) / β A j
However, β A j = T S / (T S + I A j)
次に、S54において、熱源Ajのボールねじ熱量比率分布曲線Fq(PAj)を読み込み、S55において、ボールねじの発熱相当量分布QAjの計算を次式にて行う。 Next, in S54, the ball screw heat quantity ratio distribution curve Fq (P A j) of the heat source Aj is read. In S55, the heat generation equivalent quantity distribution Q A j of the ball screw is calculated by the following equation.
[数8]
QAj=QAj'・Fq(PAj)
[Equation 8]
Q A j = Q A j ′ · F q (P A j)
そして、S56において、発熱相当量分布QAjからボールねじ温度分布の経時変化を次式にて計算する。ここで、OAjは熱源Ajがボールねじに与える温度を推定する際に用いる定数であり、nは計算回数を表している。 Then, in S56, to calculate the time course of the ball screw temperature distribution by the following formula from the heat equivalent weight distribution Q A j. Here, O A j is a constant used when estimating the temperature that the heat source A j gives to the ball screw, and n represents the number of calculations.
[数9]
θAj(n)=θAj(n−1)+(QAj(n−1)−θAj(n−1))・γAj
γAj=TS/(TS+OAj)
[Equation 9]
θ A j (n) = θ A j (n−1) + (Q A j (n−1) −θ A j (n−1) ) · γ A j
γ A j = T S / (T S + O A j)
次に、図3におけるS6の処理について、詳細に説明を行う。図8のS61において、熱源Bjの温度HBjと位置PBjを読み込み、S62において、熱源Bjのボールねじ温度比率分布曲線Ft(PBj)を読み込む。次に、S63において、ボールねじの温度分布θBj'を次式で計算する。 Next, the process of S6 in FIG. 3 will be described in detail. In S61 in FIG. 8, it reads the temperature H B j and the position P B j of the heat source Bj, in S62, reads the ballscrew temperature ratio distribution curve Ft heat source Bj (P B j). Next, in S63, the temperature distribution θ B j ′ of the ball screw is calculated by the following equation.
[数10]
θBj'=HBj・Ft(PBj)
[Equation 10]
θ B j ′ = H B j · Ft (P B j)
そして、S64において、ボールねじ温度分布の経時変化の計算を次式で行う。ここで、OBjは熱源Ajがボールねじに与える温度を推定する際に用いる定数であり、nは計算回数を表している。 In S64, the change with time of the ball screw temperature distribution is calculated by the following equation. Here, O B j is a constant used when estimating the temperature that the heat source A j gives to the ball screw, and n represents the number of calculations.
[数11]
θBj(n)=θBj(n−1)+(θBj'(n)−θBj(n−1))・γBj
ただし、γBj=TS/(TS+OBj)
[Equation 11]
θ B j (n) = θ B j (n−1) + (θ B j ′ (n) −θ B j (n−1) ) · γ B j
However, γ B j = T S / (T S + O B j)
図3のS8については先に説明したS3と同じであるので説明は省く。 Since S8 in FIG. 3 is the same as S3 described above, a description thereof will be omitted.
図9は送り速度10m/minと20m/minで機械を動かしたときのボールねじ温度の実測値と、本発明を用いて推定したボールねじの温度分布のグラフで、図10は、送り速度10m/minと20m/minで機械を動かしたときの主軸頭12とテーブル11間の熱変位の実測値と、本発明によるボールねじ熱変位量を用いて推定した熱変位のグラフである。本発明を用いることで、ボールねじの温度分布が精度よく推定できていることと、推定したボールねじの温度分布から求めたボールねじの変位量を用いることで、機械の熱変位量が推定できていることが分かる。
FIG. 9 is a graph of the measured value of the ball screw temperature when the machine is moved at a feed rate of 10 m / min and 20 m / min, and a graph of the temperature distribution of the ball screw estimated using the present invention. FIG. It is a graph of the thermal displacement estimated using the measured value of the thermal displacement between the
このように、上記形態のボールねじの熱変位補正方法によれば、ボールねじを用いたパラレルリンク機構の工作機械において、熱源の付近に取り付けた少数の温度センサ1〜4を用いてボールねじ全長の温度分布を推定し、このボールねじ温度分布の推定値を用いてボールねじの熱変位量を推定することができる。よって、製造コストが比較的軽減される簡単な構成で、精度の高いボールねじの熱変位補正が可能となる。
特にここでは、ボールねじと接触しているタイプAの熱源の熱量を、該熱源の付近に設置した温度センサの温度から推定する際に、ボールねじの速度に応じて可変させた抑制係数を該温度センサの温度に掛け合わせた値(HAj')を用いることで、ボールねじがどのような駆動状態にあっても正確にボールねじの温度分布を推定可能となる。
As described above, according to the thermal displacement correction method for a ball screw of the above aspect, in a machine tool of a parallel link mechanism using a ball screw, the ball screw full length using a small number of
In particular, here, when the amount of heat of a type A heat source in contact with the ball screw is estimated from the temperature of a temperature sensor installed in the vicinity of the heat source, a suppression coefficient that is varied according to the speed of the ball screw is used. by using a value obtained by multiplying the temperature of the temperature sensor (H a j '), even in any drive state ball screw it becomes possible to estimate the temperature distribution accurately ball screw.
なお、上記形態では、ボールねじの速度に応じて可変させた抑制係数を用いて熱源の熱量を推定しているが、ボールねじの速度による影響が少なければ、当該抑制係数を用いずに熱量の推定を行っても差し支えない。
また、モータに取り付ける温度センサはサーボモータに内蔵されているエンコーダの温度センサで代用してもよい。このようにすれば構成部の兼用が図れてより合理的な構成となる。
一方、パラレルリンク機構の工作機械においては、ボールねじ(ストラット)の熱膨張だけでなく、ジョイント回転中心の熱膨張を考慮することで、図10の結果よりも熱変位量をさらに精度良く推定することが可能である。
また、ボールねじに接触しない発熱源として、環境温度とサーボモータのコイルを挙げているが、このほかにもサーボモータの軸受などについてもこれらと同様に推定することができる。
In the above embodiment, the amount of heat of the heat source is estimated using a suppression coefficient that is varied according to the speed of the ball screw.However, if the influence of the speed of the ball screw is small, the amount of heat can be determined without using the suppression coefficient. You can make an estimate.
The temperature sensor attached to the motor may be replaced with an encoder temperature sensor built in the servo motor. In this way, the components can be shared and the configuration becomes more rational.
On the other hand, in a parallel link mechanism machine tool, the thermal displacement amount is estimated more accurately than the result of FIG. 10 by considering not only the thermal expansion of the ball screw (strut) but also the thermal expansion of the joint rotation center. It is possible.
In addition, the ambient temperature and the servo motor coil are cited as the heat source that does not come into contact with the ball screw. In addition, the servo motor bearings and the like can be estimated in the same manner.
1〜4・・温度センサ、5・・スプラインナット、6・・ボールねじナット、11・・テーブル、12・・主軸頭、13・・自在継手、14・・ボールねじ、15・・自在継手、16・・サーボモータ、17・・天井部、18・・主軸、21・・継手、22・・基部、23・・可撓管。
1 to 4 ···
Claims (2)
ボールねじと接触している第1の熱源の熱量を、該第1の熱源の付近に設置した第1の温度センサの温度から推定し、該第1の熱源の熱量と該第1の熱源がボールねじ全長に与える熱量の第1の比率の分布を予め記憶しておくとともに、前記第1の熱源の位置を読み込み、前記第1の温度センサから推定した前記第1の熱源の熱量と、該第1の比率の分布と、前記第1の熱源の位置とから該第1の熱源がボールねじに与える熱量分布の時間変化を推定し、推定された熱量分布の時間変化から第1の温度分布の時間変化を推定する一方、
ボールねじと接触していない第2の熱源の温度を、該第2の熱源の付近に設置した第2の温度センサから推定し、該第2の熱源の温度と該第2の熱源がボールねじ全長に与える温度の第2の比率の分布を予め記憶しておくとともに、前記第2の熱源の位置を読み込み、前記第2の温度センサから推定した前記第2の熱源の温度と、該第2の比率の分布と、前記第2の熱源の位置とから該第2の熱源がボールねじに与える第2の温度分布の時間変化を推定し、
上記第1及び第2の温度分布を夫々足し合わせてボールねじの温度分布を推定し、推定された温度分布を用いてボールねじの熱変位補正量を求めることを特徴としたボールねじ熱変位の補正方法。 In the drive system of a machine using a ball screw,
The amount of heat of the first heat source in contact with the ball screw is estimated from the temperature of the first temperature sensor installed in the vicinity of the first heat source, and the amount of heat of the first heat source and the first heat source are the first distribution together with our Ku previously stored to the ratio of the amount of heat applied to the ball screw overall length, and the amount of heat of the first reading the position of the heat source, the first the first heat source estimated from the temperature sensor, the distribution of the first ratio, the first of the first heat source and a position of the heat source estimates the time variation of heat distribution giving the ball screw, a first temperature from the time variation of the estimated amount of heat distribution While estimating the time variation of the distribution,
The temperature of the second heat source not in contact with the ball screw is estimated from a second temperature sensor installed in the vicinity of the second heat source, and the temperature of the second heat source and the second heat source are the distribution of the second ratio previously stored in conjunction with our Ku temperature giving the length, and the second loading position of the heat source, the temperature of the second second heat source estimated from the temperature sensor, said and distribution of the two ratios, the second heat source from the position of the second heat source to estimate the time change of the second temperature distribution applied to the ball screw,
The temperature distribution of the ball screw is estimated by adding the first and second temperature distributions to estimate the temperature distribution of the ball screw, and using the estimated temperature distribution to determine a thermal displacement correction amount of the ball screw. Correction method.
When estimating the amount of heat of the first heat source in contact with the ball screw from the temperature of the first temperature sensor installed in the vicinity of the first heat source, a coefficient corresponding to the speed of the ball screw is calculated. 2. The method of correcting a ball screw thermal displacement according to claim 1, wherein a value obtained by multiplying the temperature of said temperature sensor is used.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005160540A JP4358786B2 (en) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Ball screw thermal displacement correction method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005160540A JP4358786B2 (en) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Ball screw thermal displacement correction method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006334699A JP2006334699A (en) | 2006-12-14 |
| JP4358786B2 true JP4358786B2 (en) | 2009-11-04 |
Family
ID=37555669
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005160540A Expired - Fee Related JP4358786B2 (en) | 2005-05-31 | 2005-05-31 | Ball screw thermal displacement correction method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4358786B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020155229A1 (en) * | 2019-01-31 | 2020-08-06 | 大连理工大学 | Method for self-adaptive compensation for feed shaft thermal error |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009214283A (en) * | 2008-03-13 | 2009-09-24 | Brother Ind Ltd | Thermal displacement correction method of machine tool, thermal displacement correction device and program for thermal displacement correction of the same |
| JP5910331B2 (en) * | 2012-06-07 | 2016-04-27 | 株式会社ジェイテクト | Positioning device |
| CN107065771B (en) * | 2017-05-05 | 2019-02-01 | 大连理工大学 | The thermal expansion error of semiclosed loop feed shaft models and compensation method |
| JP7783466B1 (en) * | 2025-04-18 | 2025-12-09 | ファナック株式会社 | Ball screw thermal displacement correction amount calculation device and correction amount calculation method |
-
2005
- 2005-05-31 JP JP2005160540A patent/JP4358786B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020155229A1 (en) * | 2019-01-31 | 2020-08-06 | 大连理工大学 | Method for self-adaptive compensation for feed shaft thermal error |
| US11287795B2 (en) | 2019-01-31 | 2022-03-29 | Dalian University Of Technology | Self-adaptive compensation method for feed axis thermal error |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2006334699A (en) | 2006-12-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100436049C (en) | Thermal displacement correction method and thermal displacement correction device of machine tool | |
| JP3407972B2 (en) | Thermal displacement compensation method for machine tools | |
| US10234843B2 (en) | Thermal displacement correction device for machine tool | |
| JP3136464B2 (en) | Thermal displacement compensation method for machine tools | |
| JP4891104B2 (en) | Thermal displacement estimation method for machine tools | |
| ES2430543T3 (en) | Procedure and device for compensation of a temperature-dependent change of location in a machine tool | |
| US20210026319A1 (en) | Self-adaptive compensation method for feed axis thermal error | |
| JP5418272B2 (en) | Thermal displacement correction method and thermal displacement correction apparatus for machine tool | |
| US20130190921A1 (en) | Thermal displacement compensating device for machine tool | |
| TWI867125B (en) | Thermal displacement compensator | |
| JPH11333670A (en) | Thermal deformation error measuring and correcting system for machine tool | |
| JP2012240137A (en) | Method and device for correcting thermal displacement of machine tool | |
| JP2024042104A (en) | Method and apparatus for compensating thermally induced position changes in numerically controlled machine tools | |
| JP6299184B2 (en) | Machine tool and machining control method in machine tool | |
| JP6155946B2 (en) | Method for determining linear expansion coefficient of each member of machine tool and thermal displacement correction device for machine tool | |
| JP4358786B2 (en) | Ball screw thermal displacement correction method | |
| JP2012011509A (en) | Thermal displacement correcting method and thermal displacement correcting device of machine tool | |
| JP2009297829A (en) | Controller | |
| JP2004042260A (en) | Method and apparatus for correcting thermal displacement of machine tool | |
| US20150012126A1 (en) | Thermal displacement correction method and thermal displacement correction unit | |
| JP2005034929A (en) | Machine tool control device, machine tool control method, machine tool control program and computer readable recording medium with machine tool control program recorded thereon | |
| JP2006116654A (en) | Thermal deformation correction method and thermal deformation correcting device of nc machine tool | |
| JPH08215983A (en) | Method and apparatus for correcting thermal displacement of machine tool | |
| JP2014124740A (en) | Robot | |
| JPH02100856A (en) | Method and device for correcting positioning error of machine tool feeding system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071129 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090312 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090331 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090522 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090707 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090806 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120814 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120814 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150814 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |