[发明专利]机床的热位移修正方法和热位移修正装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床的热位移修正方法和热位移修正装置。更详细而言，本发明涉及对由机床运转中产生的滚珠丝杠机构的热位移而引起的误差进行修正的方法和装置。

背景技术

作为机床的定位机构，滚珠丝杠机构正在普及。滚珠丝杠机构的温度因丝杠轴与螺母的摩擦阻力、丝杠轴与轴承各部分的摩擦阻力、以及伺服马达的发热而上升。滚珠丝杠机构因上述的温度上升而产生热位移(伸长)。目前的数控机床的控制方式一般是半闭环式。在半闭环式的数控机床中，丝杠轴的热位移直接表现为定位误差。作为上述情况的对策，有预张力方式。预张力方式通过赋予丝杠轴预张力来吸收热膨胀。最近，数控机床使用粗的丝杠轴，且送进速度变得非常快。因此，发热量增大，在采用预张力方式时，不得不施加非常大的拉力。其结果是，存在滚珠丝杠机构的结构体产生变形的问题以及在推力轴承上作用不合理的力而产生烧结的问题等。

在日本专利特开1988年第256336号公报提出的丝杠轴的热位移修正方法中，不赋予丝杠轴不合理的预张力，且不需要特别的测定装置。在该方法中，在生产中(in-process)修正热位移量。具体而言，在第一工序中，利用伺服马达的电枢电流和电压的积来求解丝杠轴的发热量。在第二工序中，用将丝杠轴分割成多个区间的模型，利用发热量来求解温度分布。在第三工序中，根据温度分布时时刻刻地预测丝杠轴的热位移量。在第四工序中，将热位移量作为间距错误修正赋予数控装置。

日本专利特开1992年第240045号公报着眼于上述公报(日本专利特开1988年第256336号公报)的方法存在的发热量包含伺服马达本身的加减速能量的问题。在该公报(日本专利特开1992年第240045号公报)所公开的热位移量修正方法中，利用伺服马达的旋转速度来计算丝杠轴的各区间的发热量。采用该方法时，可使根据不影响加减速能量的伺服马达的旋转速度计算出的修正量近似于丝杠轴的实际伸长量。

在日本专利特开1992年第240045号公报的方法中，仅利用旋转速度来计算伺服马达的发热量。上述方法并未研究发热量因伺服马达的负载不同而不同这点。上述方法也没有公开在伺服马达的运转初期以及经过了一定时间后的修正量计算的条件。因此，上述方法在马达的运转初期即过渡状态下计算出的修正量可能与丝杠轴的实际伸长量(热位移量)不近似。

本发明的发明人实际运转伺服马达并测量了丝杠轴的端部的温度。本发明的发明人通过制作日本专利特开1992年第240045号公报所公开的热分布模型，进行了实际的丝杠轴端部的温度和使用热分布模型计算出的温度的比较实验。如图12所示，测量实际的丝杠轴的端部温度的机构包括：伺服马达201、丝杠轴203、螺母204、以及工作台205。伺服马达201与丝杠轴203通过联轴器202连接。螺母204用螺纹与丝杠轴203结合。螺母204可根据丝杠轴203的旋转沿前后方向(图12中的左右方向)移动。工作台205固定在螺母204上。工作台205可与螺母204一体地沿前后方向移动。设置在支撑台上的固定轴承206和可动轴承207将丝杠轴203可自由旋转地支撑。

进行的实验的条件如下所示。

(条件1)

在工作台205移动中流经伺服马达201的平均电流和平均旋转速度是一定的。温度测定部位208(测定位置)被设定成丝杠轴端部即固定位置209。直到固定位置209的温度测定值稳定为止，工作台205以一定速度反复进行往返移动。

(条件2)

工作台205在从固定轴承206充分离开的位置上进行移动，以使螺母204的发热不会给温度测定部位208带来影响。即，只有伺服马达201和固定轴承206会给温度测定部位208的温度带来影响。

接着，本发明的发明人制作了热分布模型。由于流经伺服马达201的平均电流和平均旋转速度是一定的，因此从伺服马达201朝丝杠轴的端部传递的输入热量一定，通过求解日本专利特开1992年第240045号公报所公开的非稳态热传导方程式，计算出了各时刻的温度。

图13表示了固定位置209(参照图12)的热位移的实验值和根据热分布模型计算出的计算值。曲线图的纵轴表示丝杠轴端部(固定位置209)的温度，曲线图的横轴表示经过时间。实线是实验值，虚线是计算值。根据该结果，可得出下面的结论。丝杠轴端部的温度上升稳定之后，实验值与计算值近似。在直到温度上升稳定为止的过渡状态的期间内，计算值的温度上升比实验值的温度上升快。因此，上述方法不能进行准确的预测。

发明内容