JP2000046659A

JP2000046659A - 面状センサ、面状センサの配置および熱変形の補償方法

Info

Publication number: JP2000046659A
Application number: JP11122951A
Authority: JP
Inventors: Jan Dr Braasch; ヤン・ブラーシユ; Torsten Guenther; トルステン・ギュンター
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2000-02-18
Also published as: EP0969264A2; US6532680B2; US20020178601A1; EP0969264A3

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】汎用的に使用でき、低コストで、センサを個
々の状況に個別に合わせる簡単な方法で工作機械の変形
の原因となる温度分布を最小数のセンサで検出するため
のセンサの配置とその出力信号を利用し熱変形を補償す
る簡単な方法を提示する。【解決手段】温度依存性の電気伝導度を持つ少なくと
も一つの構造パターン要素ＳＴ1,ＳＴ2 を備えた機械部
分、または測長装置、または測角装置の温度および／ま
たは伸び測定に対する面状センサにあって、互いに接続
された構造パターン要素ＳＴ1,ＳＴ2 から成る少なくと
も二つのトラックＳＰ1 〜ＳＰ4 が設けてある。更に、
少なくとも一つの機械部分の温度を測定するため温度セ
ンサを使用して工作機械の熱変形を補償する装置にあっ
て、運転中に昇温し、工具と機械移動台の間の間隔を決
める機械部分のところに温度センサを設け、長手方向に
伸びた機械部分のところに予想される変形方向に平行に
向けた縦長な温度センサを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、機械部分、測長
装置や測角装置の温度や伸びを測定する面状センサ、面
状センサの配置および工作機械の熱変形の補償方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】欧州特許第 349 783号明細書により、温
度に依存する伸びを測定して補償するため、工作機械に
対して温度を測定することが知られている。温度に依存
する伸びのために、伸びた機械部分にわたる全ての温度
変化をその都度測定する必要がある。これは、機械部分
の伸び方向に延びていて、機械部分に対して集中的に熱
接触する抵抗体を使用することにより可能である。この
場合、使用する抵抗体は平均温度、従って全体の伸びに
比例する出力信号を出力する。接触のため、抵抗体の両
端に適当な接触部材が使用される。

【０００３】この場合、必要な長さ毎に個別の抵抗体を
使用しなければならない点が難点である。更に、抵抗体
に影響を与え測定結果を悪くする、例えば劣化のような
擾乱効果を補償できない。

【０００４】雑誌 "Werkstatt und Betrieb" (工場と操
業),第 131版 (1998年) 11号に記載されている Reto Gr
uber und Wolfgang Knapp(レト・グルーベルおよびウォ
ルフガング・クナップ）による論文 "Temperatureinflu
esse auf die Werkzeugmaschinen-Genauigkeit"(工作機
械の精度に対する温度の影響）により、工作機械の温度
上昇が変形を与え、そのため精度を悪くすることが開示
さている。そのため、新しい検査規格 ISO/DIS 230-3で
は、工作機械の熱変形を測定して工作機械の精度評価に
利用している。このような温度上昇は工作機械を使用す
ることによりほぼ生じ、その場合、特にスピンドルの固
定軸受が温度上昇し、そこから熱が工作機械全体に行き
渡る。

【０００５】上記の論文には、熱変形を定性的に測定す
る問題と ISO/DIS 230-3で使用する検査のみ議論されて
いるに過ぎない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】それ故、この発明の課
題は、前記難点を排除し、汎用的に使用でき、低コスト
で作製できるセンサを提供することにある。更に、セン
サを個々の状況に個別に合わせる簡単な方法を提示す
る。また、工作機械の変形の原因となる温度分布を最小
数のセンサで検出するため、この発明によるセンサの配
置を提示する。この配置は汎用的に使用でき、低コスト
で作製できるべきである。更に、この配置の出力信号を
利用して熱変形を補償する簡単な方法を提示する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、構造パターン要素ＳＴ1,ＳＴ2,ＳＴ3 がセンサ
Ｓの全長にわたり一様に分布するように配置されてい
て、温度依存性の電気伝導度を持つ少なくとも一つの構
造パターン要素ＳＴ1,ＳＴ2,ＳＴ3 を備えた機械部分、
または測長装置、または測角装置の温度および／または
伸び測定に対する面状センサにあって、互いに接続され
た構造パターン要素ＳＴ1,ＳＴ2,ＳＴ3 から成る少なく
とも二つのトラックＳＰ1,ＳＰ2,ＳＰ3,ＳＰ4,ＳＰ5,Ｓ
Ｐ6 が設けてあることによって解決されている。

【０００８】更に、上記の課題は、この発明により、上
記面状センサを個々に合わせる方法にあって、センサＳ
の必要でない長さは切断線ＳＬに沿ってセンサＳの端部
で切断され、この端部に電子部品群Ｖ，ＡＷがないこと
によって解決されている。

【０００９】更に、上記の課題は、この発明により、少
なくとも一つの機械部分３，４，５の温度を測定するた
め温度センサ７.1，７.2，７.3，７.4を使用して工作機
械の熱変形を補償する装置にあって、運転中に昇温し、
工具と機械テーブル１の間の間隔を決める機械部分３，
４，５のところに温度センサ７.1，７.2，７.3，７.4を
設け、長手方向に伸びた機械部分３，４のところに予想
される変形方向に平行に向けた縦長な温度センサ７.1，
７.2，７.3を設けることによって解決されている。

【００１０】更に、上記の課題は、この発明により、組
み込んだ温度センサ７.1，７.2，７.3，７.4の出力信号
から個々の機械部分３，４，５の平均温度を算出し、こ
れ等の平均温度から工作機械の熱変形を線形の式により
各軸に対して算出し、個々の軸に対して姿勢を制御する
補償信号を発生する、工作機械の熱変形を補償する方法
によって解決されている。

【００１１】この発明による他の有利な構成は特許請求
の範囲の従属請求項に記載されている。

【００１２】

【発明の実施の形態】この発明によれば、センサは互い
に接続した温度依存電気伝導度の構造パターン要素を持
つ多数のトラックで形成されている。その場合、異なっ
たトラックは電気伝導度の温度依存性が異なる少なくと
も二つの異なった材料でそれぞれ構成されている。更
に、４トラックのセンサの場合、長さが変化しても評価
電子回路中で新たなバランス補償を行う必要がないと有
利である。センサの出力信号は長さに依存しない。

【００１３】この方法の利点は、構造パターン要素を並
列接続しているので、温度依存する電気伝導度を持つ抵
抗素子がセンサの全長にわたり一様に分布し、これによ
りセンサを特に簡単に所要長さに切断できる可能性が生
じる点にある。更に、これにより温度がセンサの全長に
わたり有利に測定される。

【００１４】この発明によれば、温度補償装置は変形す
ると工作機械の工具と工作品の間の相対運動を与え、工
作機械の機械部分に配置された多数の長手方向の温度セ
ンサで形成されている。温度センサの長手方向の構造の
ため、僅かな温度センサでのみ熱変形による工作機械の
幾何学形状の変形を検出して補償できるので、温度変動
による作業結果の悪化が生じない。加工品と工具の間の
ずれの原因となる工作機械の部品の温度分布がセンサ面
全体にわたり積分されるため、このずれを非常に正確に
測定でき、工作機械および／または温度分布に対する複
雑なモデルを計算する必要はない。熱変形を補償するた
めただ単純な線形計算しか必要でないので有利である。
縦長の温度センサを使用することにより、熱分布を時間
に関連して配慮する必要がない。更に、工作機械の張出
部の伸びを測定するため、ただ一つの温度センサが必要
なだけである。

【００１５】

【実施例】以下、添付図面を参照し好適実施例に基づ
き、この発明の構成と利点をより詳しく説明する。

【００１６】図１は機械部分の表面に貼り付ける面状の
温度センサＳを示す。この機械部分の熱膨張を測定す
る。このセンサＳは、直列に接続された温度依存する電
気伝導度の構造パターン要素ＳＴ3 から成る第一トラッ
クＳＰ5 で構成されている。個々の構造素子ＳＴ3 は二
つの構造パターン要素ＳＴ3 の間にそれぞれ配置されて
いるハンダ・ランドＶＥの形の接続部を介して互いに接
続されている。第二トラックＳＰ6 は第一トラックＳＰ
5 と同じに形成され、第一トラックＳＰ5 に隣接配置さ
れている。

【００１７】導入導線の側には、センサＳの出力信号の
増幅部Ｖおよび／または評価部ＡＷである電子部品群が
示してある。

【００１８】センサＳの長さは使用者の必要とする長さ
より大抵長い。この場合、使用者はセンサＳの不要な長
さを簡単に切断線ＳＬで切り離せる。これはトラックＳ
Ｐ5とＳＰ6 にほぼ垂直に行われる。特に使用し易く簡
単なこの方法で、センサＳの長さを利用者が調整でき
る。この場合に注意すべきことは、構造パターン要素Ｓ
Ｔ3 を伴うセンサＳの長さについてのみ温度測定を行
い、電子部品群ＶとＡＷを伴うセンサＳの長さについて
は温度測定を行わない点にある。

【００１９】次いで、センサＳの端部にある両方の接続
部材ＶＥをハンダ点ＬＰ，あるいは他の導電接続部で、
図１に示すように、接続する。

【００２０】センサＳは、図２に示す熱伝導性の接着剤
ＫＳを用いセンサＳの裏側を機械部分に固定される。接
着剤ＫＳとしてはプレシメント（Preciment)を使用する
と有利である。

【００２１】次に、例えば適当な厚さと強度のフォイル
をセンサＳに対して接着して、センサＳの上に保護膜を
付ける可能性が生じる。これにより、例えば機械的もし
くは化学的な損傷に対して保護できる。

【００２２】図３はこの発明による面状センサＳの他の
実施例を示す。４つのトラックＳＰ1 〜ＳＰ4 が使用さ
れ、第一と第四トラックＳＰ1 とＳＰ4 および第二と第
三トラックＳＰ2 とＳＰ3 はそれぞれセンサの全長にわ
たる構造パターン要素ＳＴ1とＳＴ2 の並列回路で構成
されている。少なくとも構造パターン要素ＳＴ1 とＳＴ
2 は温度に対する電気伝導度の依存性が異なる材料で形
成すべきである。全てのトラックＳＰ1,ＳＰ2,ＳＰ3 と
ＳＰ4 の出力信号を先ず評価回路ＡＷに導入し、その中
では出力信号がブリッジ、特にホィーストンブリッジに
結線され、次いでこのブリッジ回路の出力信号を比較器
Ｖに導入する。

【００２３】この場合に必要な増幅器Ｖと評価部ＡＷに
対する電子部品群は、図３に示すように、センサＳの上
に集積する。これにより、電磁擾乱や避け難い雑音に対
して低感度になる。

【００２４】例えば個別の温度依存性抵抗体を用いて点
状に温度測定することとは異なり、この面状センサはセ
ンサの守備範囲の温度を正確な平均値にして出力する。
膨張係数が同じ場合、全体の伸びは平均温度に比例する
ので、他の方法で必要とされるような、事前の温度測定
をこの発明によるセンサＳを用いると不要である。

【００２５】構造パターン要素ＳＴ1,ＳＴ2 とＳＴ3 に
使用されているような、金属導線の温度依存するオーム
抵抗は、材料の比抵抗ρ，長さＬ，断面積Ａ，温度係数
αおよび温度差ΔＴから計算できる。

【外１】図１のどのトラックＳＰ1,ＳＰ2,ＳＰ3,ＳＰ4 の幅の広
い水平なパターン導体あるいは図３のトラックＳＰ5 ま
たはＳＰ6 の接続部材ＶＥは構造パターン要素ＳＴ1,Ｓ
Ｔ2 またはＳＴ3 の全抵抗値に影響を与えないとすれ
ば、トラックＳＰ1,ＳＰ2,ＳＰ3,ＳＰ4,ＳＰ5 またはＳ
Ｐ6 の抵抗値は個々の構造パターン要素ＳＴ1,ＳＴ2 の
並列回路あるいは構造パターン要素ＳＴ3 の直列回路か
ら計算できる。以下では、温度依存する抵抗として使用
される図３の構造パターン要素ＳＴ1 とＳＴ2 の興味の
ある並列回路について詳しく考察する。構造パターン要
素ＳＴ1,ＳＴ2 の個数ｎを用いて、トラックＳＰ1,ＳＰ
2,ＳＰ3,ＳＰ4 のなかの一つの抵抗は、

【外２】と計算される。平均温度は、４つのトラックＳＰ1,ＳＰ
2,ＳＰ3,ＳＰ4 がホィーストンブリッジに結線されてい
る場合、図３の面状センサを用いて特に有利に測定でき
る。これにより、ブリッジ回路により擾乱を補償でき
る。

【００２６】トラックＳＰ1,ＳＰ2,ＳＰ3,ＳＰ4 の抵抗
をそれぞれＲ1,Ｒ2,Ｒ3,Ｒ4 と表すと、ブリッジ回路に
対して

【外３】となる。ホィーストンブリッジでは、Ｒ1 とＲ2 が第一
分圧器を形成し、Ｒ3 とＲ4 が並列接続された第二分圧
器を形成する。出力信号Ｕ_aはＲ1,Ｒ2 とＲ3,Ｒ4 の接
続点間の電圧差として測定される。供給電圧Ｕ_eはＲ1
とＲ3 に印加し、Ｒ2 とＲ4 は接地されている。

【００２７】構造パターン要素ＳＴ1 とＳＴ2 に対して
特性量の異なる異なった材料を使用し、構造パターン要
素ＳＴ1 の特性量に指数ａを割り当て、構造パターン要
素ＳＴ2 の特性量に指数ｂを割り当てるなら、ブリッジ
回路の出力信号Ｕ_aは入力信号Ｕ_eに応じて、

【外４】となる。

【００２８】簡単な仮定、・温度係数α_bはα_aに比べて無視できるほど小さい、・室温の全ての構造パターン要素ＳＴ1 とＳＴ2 が同じ
抵抗値を持つ、・抵抗値の温度依存変化は全抵抗値に比べて小さい、の
下で、

【外５】となる。

【００２９】構造パターン要素ＳＴ1 とＳＴ2 を形成す
る材料を適当に選ぶと、第一構造パターン要素ＳＴ1 に
対する材料の温度係数α_bを温度係数α_aに比べて無視
できるほど小さくできる。ここでは、構造パターン要素
ＳＴ1 に対して温度係数α_bのコンスタンタンと構造パ
ターン要素ＳＴ2 に対して温度係数α_aの銅の組み合わ
せが特に適している。室温で全ての構造パターン要素Ｓ
Ｔ1 とＳＴ2 が同じ抵抗値を持つには、長さＬa,Ｌb と
断面積Ａa,Ａb を選んで達成される。抵抗値の温度依存
する部分の変化が全抵抗値に比べて小さくなるには、１
に比べて小さい温度係数α_aとα_bのためで、何れにし
てもこの場合になる。

【００３０】ブリッジ電圧は上記の式により切り離した
後の残りの構造パターン要素ＳＴ1とＳＴ2 の数に無関
係である。従って、使用時にセンサＳの長さに依存する
増幅器Ｖの個々の較正は不要である。

【００３１】この発明によるセンサＳを歪みセンサとし
て使用すると、図３のセンサのトラックＳＰ1,ＳＰ2,Ｓ
Ｐ3 とＳＰ4 あるいは図１のセンサのＳＰ5 とＳＰ6 の
構造パターン要素ＳＴ1,ＳＴ2 とＳＴ3 の所謂優先方向
は伸びの方向に対して垂直に向いていない。トラックＳ
Ｐ1 〜ＳＰ4 あるいは図１のセンサのＳＰ5 とＳＰ6が
伸びの方向に平行に向いているなら、センサＳの感度が
伸びに対して最適になる。これは、図１および図３の構
造パターン要素ＳＴ1,ＳＴ2 とＳＴ3 の導体を特別に構
成していることによる。

【００３２】上に述べた説明では、センサ出力信号を少
なくとも増幅する電子部品群をセンサＳの上に集積配置
していることを前提としていた。この代わりに、トラッ
クＳＰ1 〜ＳＰ4 およびＳＰ5 とＳＰ6 からのみ成る、
電子部品群と実際のセンサＳを図４の切り離された部品
群として構成する可能性もある。そうすると、センサＳ
を区域内に多数作製し、先ず特別な応用のため、例えば
ロールから切り離す有利な可能性も生じる。

【００３３】この利点は、故障が生じなく、センサの作
製が著しく簡単になり低コストとなる点にある。

【００３４】電子部品群、特に増幅器Ｖはケーブルを介
してセンサＳに接続されるか、トラックＳＰ1 〜ＳＰ4
およびＳＰ5 とＳＰ6 の一端で直接センサＳに導電接続
している。このために図１に示す接続部材ＶＥを利用す
るか、図４に示すように、図３のセンサＳに対して構造
パターン要素ＳＴ1 とＳＴ2 を並列に接続する幅の広い
パターン導体をコネクターに使用することができる。パ
ターン導体の幅が接触部に対して充分でないなら、図４
に示すように、ハンダ点ＬＰを規則正しい間隔に配置
し、これ等のハンダ点のところでセンサＳを評価電子回
路Ｖ，ＡＷに接続する。

【００３５】以下の第二実施例では、図５〜７b により
垂直工作機械での熱変形を補償するこの発明による温度
センサの応用を前提とする。この応用は工作センターや
似た構造の他の工作機械でも可能である。

【００３６】図５は、垂直工作機械の縦長の温度センサ
７.1，７.2と７.3および点状の温度センサ７.4のこの発
明による配置を示す。図５には、基準温度での工作機械
が示してある。機械の移動盤１を備えた機械台２，支持
枠３およびＣ字型の張出部４から成る機械の構造によ
り、図示する垂直工作機械は所謂Ｃタイプの機械に属す
る。このタイプの機械では、構造体の熱変形が運転時の
スピンドルの固定軸受５の避け難い昇温により実質上生
じる。この昇温は作業時間やスピンドルの回転数の増加
と共に大きくなる。それ故、特に回転数が 100,000 rpm
以上のＨＳＣスピンドルは運転期間が長くなると共に熱
変形が生じる。

【００３７】使用中に固定軸受５に生じる熱は機械構造
部により張出部４に経由して支持枠３に流れる。通常、
機械固定台２と機械テーブル１は著しく昇温しない。何
故なら、機械固定台２が熱を排出する基礎に連結してい
るからである。更に、固定軸受５で発生する熱が機械固
定台２に流れるまでにはかなり長い時間が経過する。こ
れにより機械の部品は全て同じ温度になるのでなく、機
械内に不均一な温度分布が生じる。機械の部品は通常金
属材料で形成されているので、熱は良く流れ、個々の機
械部品は同じ温度依存性の伸びを示す。

【００３８】加工すべき加工品を挟持し、固定軸受５の
熱が実質上もはや到達しない機械テーブル１と、加工品
と工具の接触点６，所謂工具中心点（Tool Center Poin
t;ＴＣＰ）との間で機械構造部の熱変形のため、ずれが
生じる。これは、既存の測定系で相殺できない。何故な
ら、この測定系は移動可能な機械テーブルの場合機械固
定台２に対する機械テーブル１の動きを測定するからで
ある。機械テーブル１に対する接触点６，つまり加工品
に対する移動は今まで考慮されていない。

【００３９】この発明によれば、工作機械の使用時に昇
温し、機械テーブル１に対する接触点６の動きを決める
機械部品のところに温度センサ７.1，７.2，７.3と７.4
を設ける。これにより、温度に関して機械テーブル１に
対する接触点６の相対位置にとって重要な機械部品の熱
変形を測定して補償することができる。

【００４０】Ｃタイプの機械では、温度センサ７.1，
７.2，７.3，７.4を固定軸受５，張出部４および支持枠
３に配置する。

【００４１】これ等の温度センサ７.1，７.2，７.3，
７.4の温度に比例して変化する電圧が温度センサ７.1，
７.2，７.3，７.4から出力される。それ故、温度センサ
７.1，７.2，７.3，７.4の出力信号から、オフセット値
と比例定数を考慮して温度が計算できる。この計算に利
用される評価電子回路は、各温度センサに組み込むこと
もでき、独立させて形成することもできる。

【００４２】次に必要な基準温度Ｔ₀は任意に決めるこ
とができ、特に基準温度Ｔ₀でできる限り全ての温度セ
ンサ７.1，７.2，７.3，７.4が０ボルトの出力信号を出
力するように決めると有利である。これにより、出力信
号に出力電圧のオフセット値を考慮しなくてもよい絶対
温度センサ７.1，７.2，７.3と７.4が実現する。

【００４３】工作機械全体が、例えば空調室内に滞在さ
せてこの基準温度となると、工作機械の種々の寸法を高
精度で測定でき、これ等の寸法は以下の計算に必要であ
る。これ等は、・熱固定点はスピンドルが温度変化で±Ｚ軸方向に変形
する点として定義され，工具を挟持するスピンドルの端
部とスピンドルのＺ軸方向の熱固定点との間の間隔Ｌ
Ｓ，・スピンドルの熱固定点と支持枠３の始めの部分との間
のＹ軸方向の張出部４の長さＬＡ，・支持枠３の熱変形時に張出部４が回転する回転点とス
ピンドルの熱固定点との間のＹ軸方向の区間から決まる
張出部４のレバーアームＨＡ，・支持枠３のところに配置されている二つの温度センサ
７.1と７.2の間の間隔ＬＴ，・Ｚ軸方向の支持枠３の寸法ＬＧz,である。

【００４４】これ等の測定量は、基準値を求めるために
一度だけ測定し、次に保管する必要がある。

【００４５】温度センサ７.2により張出部４に対向する
側の支持枠３の温度Ｔz を、また温度センサ７.1により
張出部４とは反対側の支持枠３の温度Ｔa を測定する。
支持枠３の幅が無視できないこと、および使用時に機械
構造が温度変化するため、張出部４に対向する側と反対
側の支持枠３の変形をそれぞれ計算する必要がある。支
持枠３の張出部４に対向する側の熱によるＺ軸方向の変
形ΔＺz と、支持枠３の張出部４とは反対側の熱による
Ｚ軸方向の変形ΔＺa とは、式 (1a) と (1b)により基
準温度Ｔ₀から対応する温度Ｔz またはＴa の偏差とＺ
軸方向の支持枠３の長さＬＧz を掛けた支持枠材料の膨
張係数γ_Gとの積から計算される。つまり、 ΔＺz ＝（Ｔz −Ｔ₀）・γ_G・ＬＧz (1a) ΔＺa ＝（Ｔa −Ｔ₀）・γ_G・ＬＧz (1b) となる。

【００４６】温度センサ７.3によりほぼスピンドルの熱
固定点と支持枠３の間の張出部４の温度Ｔが測定され
る。測定された温度Ｔと基準温度Ｔ₀の間の温度差とＹ
軸方向の張出部４の長さＬＡを掛けた張出部材料の膨張
係数γ_Aとの積から式 (2)によりＹ軸方向の張出部４の
変形ΔＹが計算される。つまり、 ΔＹ＝（Ｔ−Ｔ₀）・γ_A・ＬＡ (2) 通常の使用では、点状の温度センサ７.4によりスピンド
ルの固定軸受５の温度が測定される。この場合、固定軸
受５は熱変形にとって主要なただ一つの熱源であること
を前提としている。温度センサ７.4により求めた温度Ｔ
に基づき、熱固定点と工具を挟持しているスピンドルの
端部との間のＺ軸に平行な変形ΔＺs は式 (3)により計
算される。つまり、 ΔＺs ＝（Ｔ−Ｔ₀）・γ_S・ＬＳ (3) ここで、昇温時にＺ方向に行われるスピンドルの伸び
は、基準温度Ｔ₀と実際の温度Ｔとの間の温度差に、ス
ピンドル材料の膨張係数γ_Sを掛け、更にスピンドルの
端部とスピンドルの熱固定点との間の長さＬＳを掛けて
計算されている。

【００４７】更に、Ｃタイプの工作機械のスピンドルの
端部の位置は支持枠３の熱変形によりずれる。支持枠３
の不均一な変形により、張出部４は式 (1b) に従ってＺ
軸方向にΔＺa だけずるだけでなく、Ｘ軸周りにも回転
する。これも工具と加工品の間の接触点６のずれを与え
る。支持枠３の伸びΔＺz とΔＺa の差に張出部４のレ
バーアームＨＡを掛けたたものを支持枠３上の温度セン
サ７.1と７.2の間の間隔ＬＴで割った値とΔＺa の和か
ら、式 (4)によりＺ軸の方向のずれΔＺv が計算され
る。つまり、 ΔＺv ＝ΔＺa ＋ＨＡ・（ΔＺz −ΔＺa)/ ＬＴ (4) それ故、Ｚ軸方向のスピンドルのずれΔＺs から、支持
枠３の変形によるスピンドルのずれΔＺv を引算する必
要があり、式 (5)により全体に生じるＺ軸の方向の変形
ΔＺに対して ΔＺ＝ΔＺs −ΔＺv (5) となる。

【００４８】このようにして、Ｙ軸とＺ軸に対して別々
に温度センサ７.1〜７.4で測定した機械部分の温度に基
づき熱による変形を簡単に求めることができる（Ｃタイ
プの工作機械ではＸ軸に対して対称であるためＸ軸に平
行な熱変形は生じない）。熱変形を補償するために必要
な式 (1a) 〜 (5)までの式による計算は評価ユニット内
で行われ、そのようにして個々の軸に対して求めた補償
信号を各軸の姿勢制御器に導入する。評価ユニットとし
ては、何れにしても各工作機械に存在する数値制御部を
利用すると有利である。何故なら、式 (1)〜 (5)の簡単
な式に従いただ比較的長い時間間隔、例えば１分内で新
たな計算をするからである。

【００４９】図６には、ほぼ連続した運転期間で約６時
間後のＣタイプの工作機械が示してある。固定軸受５に
生じる熱により、この熱が固定軸受５から張出部４を経
由して支持枠３まで導かれるが、これ等の機械部品に零
でない温度勾配が生じ、それに応じて機械部品は異なっ
た変形をする。

【００５０】図７a には、この発明による補償を行って
いない場合に可能性のある工作機械の定性的な変形が個
々の軸に対して示してある。グラフ表示した測定は ISO
/DIS230-3により行われるものである。三軸Ｘ，Ｙ，Ｚ
の一つに変形がない基準温度から始めて、スピンドルモ
ータを回し、スピンドルの端部と機械テーブルの固定点
との間の相対的なずれＬを測定した。スピンドルモータ
は約 6,000 rpmで回転させた。

【００５１】Ｘ軸方向にはただ５μm 以下のずれＬしか
ないことが分かる。これはＣタイプ工作機械がＸ軸に対
して対称な構造を持つことに大体由来している。原理的
には、この発明による解決策を用いると工作機械のＸ軸
に平行な変形の補償も可能である。これには、温度差を
示す支持枠３の二つの側面にＹＺ面内でＹ軸に平行にそ
れぞれ一つの縦長の温度センサが必要である。

【００５２】Ｙ軸方向のずれＬは運転期間の増加と共に
約 30 μm まで増加する。何故なら、張出部４の温度は
固定軸受５内の熱の伝播により上昇し、これにより張出
部４は実質上より長くなるからである。Ｚ軸方向のずれ
Ｌは考察している全時間間隔にわたりかなり強く変わ
る。何故なら、先ずスピンドルが長手方向に変形し、次
いで支持枠３の不均一な昇温により、張出部４がスピン
ドルと共に上向きに変形するからである。これによるず
れＬは、図７a から分かるように、８時間の運転後でも
未だ安定状態に達していない。

【００５３】これは、図７a に記入したスピンドルの端
部と機械テーブル１の間のずれＬが製品に直接作用する
ので、部品を高精度で仕上げる場合、工作機械を何時も
再調整する必要があることを意味する。

【００５４】図７b では図７a と同じ運転にされている
（6,000 rpm でスピンドルモータをほぼ持続的に運転し
ている）。しかし、この発明による装置を用いてこの発
明による方法に従い計算した変形は、例えば補償信号を
姿勢制御器あるいは姿勢予備制御部に導入して補償され
ている。この発明の補償により未だ残存しているずれＬ
は全ての軸に対して約 0〜 5μm の範囲に低減している
ことが直ぐ分かる。こうして、工作機械の持続的な再調
整が省け、これは仕上げに大きなコストをかけることが
ない。

【００５５】

【発明の効果】以上、説明したように、この発明のセン
サは低コストで作製でき、このセンサにより工作機械で
の測定精度の難点を排除し、汎用的に使用できる。

【００５６】更に、この発明の方法を用いるとセンサを
個々の状況に個別に合わせることができる。

【００５７】更に、この発明のセンサ配置により工作機
械の変形の原因となる温度分布を最小数のセンサで検出
できる。

【００５８】更に、このセンサ配置は汎用的に使用で
き、低コストで作製できる。

【００５９】更に、この発明による方法を用いると、前
記センサ配置の出力信号を利用して熱変形を簡単に補償
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】直列に接続された構造パターン要素の２トラ
ックと評価電子回路を有するこの発明による面状センサ
の第一実施例、

【図２】評価電子回路を有するこの発明による面状セ
ンサの縦断面図、

【図３】並列に接続された構造パターン要素の４トラ
ックを有するこの発明による面状センサの第二実施例、

【図４】並列に接続された構造パターン要素の４トラ
ックを有するこの発明による面状センサの他の実施例、

【図５】基準温度でのＣタイプの工作機械のこの発明
による装置の第一実施例、

【図６】固定軸受内の熱伝播により昇温した図５のＣ
タイプ工作機械、

【図７】Ｃタイプ工作機械の運転期間に応じた軸の変
形（ａ：補償なし；ｂ補償あり）を示すグラフである。

【符号の説明】

ＳＴ1 〜ＳＴ3 構造パターン要素ＳＰ1 〜ＳＰ6 トラックＶＥ接続部材ＬＰハンダ点ＳセンサＫＳ接着層Ｖ増幅器ＡＷ電子部品１機械テーブル２機械固定台３支持枠４張出部５固定軸受６接触点７.1〜７.4 温度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヤン・ブラーシユドイツ連邦共和国、83352 アルテンマルクト、シユタイナー・ストラーセ、13 (72)発明者トルステン・ギュンタードイツ連邦共和国、84558 キルヒヴアイダッハ、ベルクストラーセ、32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構造パターン要素（ＳＴ1,ＳＴ2,ＳＴ3
）がセンサ（Ｓ）の全長にわたり一様に分布するよう
に配置されていて、温度依存性の電気伝導度を持つ少な
くとも一つの構造パターン要素（ＳＴ1,ＳＴ2,ＳＴ3 ）
を備えた機械部分、または測長装置、または測角装置の
温度および／または伸び測定に対する面状センサにおい
て、互いに接続された構造パターン要素（ＳＴ1,ＳＴ2,
ＳＴ3 ）から成る少なくとも二つのトラック（ＳＰ1,Ｓ
Ｐ2,ＳＰ3,ＳＰ4,ＳＰ5,ＳＰ6 ）が設けてあることを特
徴とする面状センサ。
【請求項２】一つのトラック（ＳＰ5,ＳＰ6 ）の構造
パターン要素（ＳＴ3 ）は直列に接続されていることを
特徴とする請求項１に記載の面状センサ。
【請求項３】二つの構造パターン要素（ＳＴ3 ）の間
には電気接続部材（ＶＥ）が設けてあり、これにより二
つのトラック（ＳＰ5,ＳＰ6 ）が互いに接続されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の面状セン
サ。
【請求項４】二つのトラック（ＳＰ5,ＳＰ6 ）に対す
る電気接続部（ＶＥ）としてハンダ点（ＬＰ）が設けて
あることを特徴とする請求項３に記載の面状センサ。
【請求項５】一つのトラック（ＳＰ1,ＳＰ2,ＳＰ3,Ｓ
Ｐ4 ）の構造パターン要素（ＳＴ1,ＳＴ2 ）は並列に接
続されていることを特徴とする請求項１に記載の面状セ
ンサ。
【請求項６】少なくとも二つのトラック（ＳＰ1,ＳＰ
2,ＳＰ3,ＳＰ4 ）の構造パターン要素（ＳＴ1,ＳＴ2 ）
は異なった少なくとも二つの材料で形成されていること
を特徴とする請求項１または５に記載の面状センサ。
【請求項７】センサ（Ｓ）の裏側には測定すべき部品
を接着する接着層（ＫＳ）が設けてあり、この接着層
（ＫＳ）は特に熱伝導性であることを特徴とする請求項
１〜６の何れか１項に記載の面状センサ。
【請求項８】センサ（Ｓ）の前側には組込状態で保護
膜が接着されていて、これによりセンサ（Ｓ）が損傷に
対して保護されていることを特徴とする請求項１〜７の
何れか１項に記載の面状センサ。
【請求項９】センサ（Ｓ）の一端には電子部品群
（Ｖ，ＡＷ）があることを特徴とする請求項１〜８の何
れか１項に記載の面状センサ。
【請求項１０】電子部品群には増幅回路（Ｖ）が含ま
れることを特徴とする請求項９に記載の面状センサ。
【請求項１１】電子部品群には評価回路（ＡＷ）が含
まれることを特徴とする請求項９または１０に記載の面
状センサ。
【請求項１２】センサ（Ｓ）には４つのトラック（Ｓ
Ｐ1,ＳＰ2,ＳＰ3,ＳＰ4 ）があり、二つのトラック（Ｓ
Ｐ1,ＳＰ4 ）の構造パターン要素（ＳＴ1 ）は第一材料
で作製され、二つのトラック（ＳＰ2,ＳＰ3 ）の構造パ
ターン要素（ＳＴ2 ）は第二材料で作製されていること
を特徴とする請求項１と５〜１１の何れか１項に記載の
面状センサ。
【請求項１３】４つのトラック（ＳＰ1,ＳＰ2,ＳＰ3,
ＳＰ4 ）は評価回路（ＡＷ）の中でブリッジに結線され
ていることを特徴とする請求項１２に記載の面状セン
サ。
【請求項１４】請求項１〜１３の何れか１項の面状セ
ンサを個々に合わせる方法において、センサ（Ｓ）の必
要でない長さは切断線（ＳＬ）に沿ってセンサ（Ｓ）の
端部で切断され、この端部に電子部品群（Ｖ，ＡＷ）が
ないことを特徴とする方法。
【請求項１５】請求項２〜４の面状センサを個々に合
わせる方法において、センサ（Ｓ）の端部には電子部品
群（Ｖ，ＡＷ）がなく、両方のトラック（ＳＰ5,ＳＰ6
）は電子接続部材（ＶＥ，ＬＰ）で互いに接続されて
いることを特徴とする方法。
【請求項１６】請求項１〜８および１２の何れか１項
の面状センサを個々に合わせる方法において、センサ
（Ｓ）は縦長のテープの形に形成され、必要なセンサの
長さをこの縦長のテープから切り離すことを特徴とする
方法。
【請求項１７】電子部品群（Ｖ，ＡＷ）を既存の接続
部材（ＶＥ，ＬＰ）でセンサ（Ｓ）に接続できることを
特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】伸びを測定するためにセンサ（Ｓ）を
利用し、センサ（Ｓ）のトラック（ＳＰ1,ＳＰ2,ＳＰ3,
ＳＰ4,ＳＰ5,ＳＰ6 ）の長手方向を測定すべき伸びにほ
ぼ垂直に配置して請求項１〜１７の何れか１項のセンサ
を使用すること。
【請求項１９】少なくとも一つの機械部分（３，４，
５）の温度を測定するため温度センサ（７.1，７.2，
７.3，７.4）を使用して工作機械の熱変形を補償する装
置において、運転中に昇温し、工具と機械テーブル
（１）の間の間隔を決める機械部分（３，４，５）のと
ころに温度センサ（７.1，７.2，７.3，７.4）を設け、
長手方向に伸びた機械部分（３，４）のところに予想さ
れる変形方向に平行に向けた縦長な温度センサ（７.1，
７.2，７.3）を設けることを特徴とする装置。
【請求項２０】Ｃタイプの工作機械のスピンドルの固
定軸受（５）に少なくとも一つの点状の温度センサ
（７.4）を配置することを特徴とする請求項１９に記載
の装置。
【請求項２１】Ｃタイプの工作機械の張出部（４）の
ところに少なくとも一つの縦長な温度センサ（７.4）を
Ｙ軸に平行に配置し、このセンサ（７.4）が張出部
（４）の延長部の少なくとも大部分をＺ軸に平行に覆う
ことを特徴とする請求項１９または２０に記載の装置。
【請求項２２】Ｃタイプの工作機械の支持枠（３）の
ところに少なくとも一つの縦長な温度センサ（７.1，
７.2）をＺ軸に平行に配置し、このセンサ（７.4）が支
持枠（３）の延長部の少なくとも大部分をＹ軸に平行に
覆うことを特徴とする請求項１９〜２１の何れか１項に
記載の装置。
【請求項２３】温度センサ（７.1，７.2，７.3，７.
4）は熱を良好に伝える結合部を介して機械部分（３，
４，５）に接続していることを特徴とする請求項１９〜
２２の何れか１項に記載の装置。
【請求項２４】温度センサ（７.1，７.2，７.3，７.
4）は評価ユニットに接続していることを特徴とする請
求項１９〜２３の何れか１項に記載の装置。
【請求項２５】保護膜は温度センサ（７.1，７.2，
７.3，７.4）の上に付けてあり、これにより温度センサ
（７.1，７.2，７.3，７.4）は損傷や熱の放射に対して
保護されていることを特徴とする請求項１９〜２４の何
れか１項に記載の装置。
【請求項２６】組み込んだ温度センサ（７.1，７.2，
７.3，７.4）の出力信号から個々の機械部分（３，４，
５）の平均温度を算出し、これ等の平均温度から工作機
械の熱変形を線形の式により各軸に対して算出し、個々
の軸に対して姿勢を制御する補償信号を発生する、工作
機械の熱変形を補償することを特徴とする方法。
【請求項２７】Ｚ軸がスピンドルの長手延長部に平行
で、Ｙ軸が張出部（４）の長手延長部に平行に向いてい
る機械に関連する座標系を設けることを特徴とする請求
項２６に記載の方法。
【請求項２８】全ての機械部品が一定の温度を有する
時に、基準化過程で補償計算に必要な工作機械の寸法を
求めることを特徴とする請求項２６または２７に記載の
方法。
【請求項２９】張出部（４）に対向する支持枠（３）
の側および張出部（４）とは反対側に対してＺ軸に平行
な変形を計算することを特徴とする請求項２６〜２８の
何れか１項に記載の方法。
【請求項３０】張出部（４）に対してＹ軸に平行な熱
変形を計算することを特徴とする請求項２６〜２９の何
れか１項に記載の方法。
【請求項３１】スピンドルに対してＺ軸に平行な熱変
形を計算することを特徴とする請求項２６〜３０の何れ
か１項に記載の方法。
【請求項３２】熱変形が異なるための支持枠（３）の
回転とそれからのスピンドルの移動を計算することを特
徴とする請求項２６〜３１の何れか１項に記載の方法。
【請求項３３】重要な軸の各々に対して熱変形を積算
し、姿勢制御用の補償信号として使用することを特徴と
する請求項２６〜３２の何れか１項に記載の方法。