JP2000163130A - 自重補償装置 - Google Patents

自重補償装置

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JP2000163130A
JP2000163130A JP10339512A JP33951298A JP2000163130A JP 2000163130 A JP2000163130 A JP 2000163130A JP 10339512 A JP10339512 A JP 10339512A JP 33951298 A JP33951298 A JP 33951298A JP 2000163130 A JP2000163130 A JP 2000163130A
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JP
Japan
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stage
gravity
self
weight
pressure
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JP10339512A
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Inventor
Naoki Takizawa
直樹 瀧澤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステージをバランス良く自重補償するための
自重補償装置を提供する。 【解決手段】 本発明の自重補償装置は、目的物を保持
し重力方向に移動可能なステージと、該ステージを該重
力方向に支持する複数の自重補償機構と、該ステージに
推力を付与する複数の推力発生機構と、該ステージの該
重力方向の位置と該重力方向と直交する方向を軸とする
回転の傾きとを計測する検出器とを有し、該ステージの
目標位置と該検出器の計測値から位置決め誤差を判定
し、該位置決め誤差が所定の範囲以上の場合は該自重補
償機構により該ステージを駆動し、該位置決め誤差が該
所定の範囲以下の場合は該推力発生機構により該ステー
ジを駆動し、ステージの駆動ストローク全体に渡って、
ステージの重力方向および2方向回りの傾きを制御す
る。また、ステージを予め駆動することにより、高速な
位置決めを行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、目的物を搭載した
ステージの自重補償機構に関し、特に、各種工作機械等
に使用され重力方向に移動可能な位置決め装置に用いら
れる自重補償機構に関する。
【0002】
【従来の技術】図2は、従来重力方向に移動する位置決
め装置に用いられるシリンダを用いた重力補償機構を示
している。
【0003】同図において、401は、重力方向に移動
可能なステージである。402は、ステージに取り付け
られたステージ可動部403を重力方向に支持するステ
ージガイドである。ステージ401を駆動するリニアモ
ータは、可動子404と固定部405を有しており、固
定部405のコイル部に電流が流れることにより、ステ
ージ401が重力方向に推力を受ける。406はステー
ジの重力補償を行うためのシリンダであり、シリンダ4
06の推力によりステージ401は重力方向に移動可能
である。
【0004】ステージ401の位置測定は、ステージ4
01に設けられた反射鏡409とレーザ測長器411を
用いて行う。
【0005】ステージ401の位置制御は、レーザ測長
器411で測定された計測結果をフィードバック信号と
し、与えられた目標位置と比較した制御演算を行い、シ
リンダ406を用いた位置決め制御の推力指令を出力す
る。
【0006】シリンダ406の圧力制御演算を行う圧力
制御装置421は、位置決め制御のための推力指令値に
対応する推力をシリンダ406内の気体407の圧力を
圧力検出手段である圧力センサ408で検出し、これを
フィードバック信号として制御演算を行う。ステージ4
01がシリンダ406による移動を停止した後は、シリ
ンダ406によってステージ401の自重を補償しなが
ら、リニアモータ404・405による位置決め制御を
行う。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この従来例では、ステ
ージの1点にて自重を補償していた。しかし、従来の方
式では、ステージ上に搭載する被加工物などをシリンダ
の発生する推力位置に合わせて搭載しないと、ステージ
にモーメント力がかかるようなアンバランスが生じてし
まう。特に、ステージの重力に対する搭載物の重量の比
率が高くなると、アンバランスの影響が大きくなる。こ
の対策として従来は、1)ステージ自体の重量を大きく
する、2)搭載物の重量を大幅に小さくする、等の制限
をしていた。
【0008】本発明は、高速高精度に位置決めするた
め、ステージをバランス良く自重補償するための自重補
償装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記従来の構成を改善す
るための本発明の自重補償装置は、目的物を保持し重力
方向に移動可能なステージと、該ステージを該重力方向
に支持する複数の自重補償機構と、該ステージに推力を
付与する複数の推力発生機構と、該ステージの該重力方
向の位置と該重力方向と直交する方向を軸とする回転の
傾きとを計測する検出器とを有し、該ステージの目標位
置と該検出器の計測値から位置決め誤差を判定し、該位
置決め誤差が所定の範囲以上の場合は該自重補償機構に
より該ステージを駆動し、該位置決め誤差が該所定の範
囲以下の場合は該推力発生機構により該ステージを駆動
することを特徴とする。
【0010】前記自重補償機構は、シリンダ機構を有す
ることが望ましく、また、前記推力発生機構は、リニア
モータを有することが望ましい。
【0011】また、前記ステージに保持する前記目的物
の情報に基づいて、前記自重補償機構と前記推力発生機
構のうち少なくとも一方を予め駆動することが望まし
い。
【0012】
【発明の実施の形態】図1に本発明の実施形態である重
力補償装置の構成を示す。
【0013】同図において、101a、101bはガイ
ドであり、102はステージであり、103a〜dは位
置決め用に推力を発生するためのリニアモータである。
104a〜dはステージ102の自重を補償のためのシ
リンダである。105a〜dはシリンダ内の制御圧力を
設定する圧力設定器、106a〜dは圧力誤差を計算す
るための減算器、107a〜dは圧力のフィードバック
制御系を安定化させるためのPID補償器に代表される
圧力制御演算装置、108a〜dはシリンダへ供給する
ためのサーボ弁を駆動するための駆動装置、109a〜
dはシリンダに供給する流体を制御するためのサーボ
弁、110a〜dはシリンダ内の流体の圧力を検出する
圧力センサ、111a〜dは位置決め制御用に設けられ
た位置検出器のためのターゲット、112a〜dは位置
決め制御用に設けられた位置検出器、113は位置検出
で検出した信号から重力方向の位置(Z)とX軸回りの
傾き(θx)とY軸回りの傾き(θy)とを計算する座
標変換器、114a〜cは位置偏差を計算するための減
算器、115a〜cは位置フィードバック系を安定化さ
せるための位置制御演算装置、116は3つの位置制御
補償器の処理結果を4本のシリンダの制御圧力に変換す
るための推力変換器、117はシリンダの制御圧力の設
定の更新を停止するためのスイッチ、118は位置フィ
ードバック制御系の3つの偏差信号から位置決め誤差の
判定を行うための位置決め判定器である。
【0014】104a〜dの4本のシリンダ内の流体圧
力は、106a〜dの減算器と107a〜dの圧力制御
演算装置と108a〜dのサーボ弁駆動装置と109a
〜dの流体制御用サーボ弁と110a〜dの圧力センサ
ーとを有するフィードバック制御系により、105a〜
dの目標圧力設定器で設定された圧力に制御される。減
算器106によって、105の目標圧力設定器で設定さ
れた圧力指令と、110の圧力センサで検出されたシリ
ンダ内の圧力との差が計算され、圧力誤差指令となって
圧力制御演算装置107に入力される。圧力制御演算装
置107は、圧力誤差をなくすための流体制御用サーボ
弁109の操作信号を出力する。出力された操作信号
は、サーボ弁駆動装置によって増幅され、流体制御用サ
ーボ弁109を駆動し、シリンダ104内の圧力を目標
圧力設定器で設定された圧力に制御する。
【0015】ステージ102に新たに搭載されるものが
なければ、105a〜dの設定制御圧は常に一定値で良
い。しかし、加工機として利用した場合、被加工物や工
具等を新たに搭載するので、105a〜dの目標圧力設
定器で設定する制御圧力を変更しなければならない。
【0016】そこで、本発明では、位置決め制御用に設
けられている位置検出器の位置信号(Z1、Z2、Z
3、Z4)から112のステージのZ方向(重力方向)
の位置(Z)とX軸回りの傾き(θx)とY軸回りの傾
き(θy)を計算し、この計算によって求められた位置
(Z)と2つの傾き(θx、θy)を任意の設定値に制
御するような位置フィードバック系を設け、シリンダ1
04a〜d内の制御圧力を変更することで位置フィード
バック系に生じる誤差を除去する。位置フィードバック
系の誤差がなくなったときのシリンダ内の制御圧力は、
被加工物もしくは工具等が新たに搭載された状態でのバ
ランス圧に設定されているので、位置決め判定器118
において位置決め誤差が設定値以内に入ったかどうかを
判定し、設定値以内の場合はシリンダの制御圧力を保持
する。
【0017】ステージに取り付けられた111a〜dの
位置検出ターゲットのZ方向の位置を112a〜dのレ
ーザ測長器に代表されるような位置検出器で検出する。
検出した位置信号(Z1、Z2、Z3、Z4)から位置
座標変換器113によって、4つの位置検出器で検出し
たZ方向の位置(Z)の平均値と図1上の座標軸におけ
るX方向およびY方向の軸回りの傾き(θx、θy)を
計算する。誤差を114の減算器により、計算された位
置信号と2つの傾き信号と、設定されていたZ方向の目
標位置信号(UZ)と目標の傾き信号(Uθx、Uθ
y)との誤差が求められる。計算された誤差信号は、位
置制御演算装置115と推力変換器116によって、誤
差を無くすための各シリンダ内の流体圧力指令値に変換
される。変換されたシリンダ内の流体圧力指令値は、1
17のスイッチを介して、目標圧力設定器105に送ら
れる。シリンダの圧力制御系は、新たに送られてきた圧
力指令にしたがって、シリンダ内の圧力を制御する。
【0018】スイッチ117は、シリンダへの目標設定
圧力を更新するのを停止する役割を果たすためにあり、
その動作は位置制御フィードバック系に設けられた位置
決め判定器118によって操作される。位置決め判定器
118は、位置制御フィードバック系で計算されるZ方
向の位置とX方向およびY方向回りの傾きの誤差が位置
決め判定器内で設定されている値以下になっているとき
に、スイッチ117をオフにして目標圧力の更新を停止
する。
【0019】以上のような制御により、位置制御フィー
ドバック系における位置と傾きの誤差がない状態は、シ
リンダ内の圧力によってステージがバランスされている
状態になっている。
【0020】位置制御フィードバック系にZ方向の位置
(Z)だけでなく、X方向およびY方向回りの傾き(θ
x、θy)を加えることで、ステージ102に保持され
た被加工物や工具によっておこる重量変化に対するZ方
向の推力補償だけでなく、被加工物や工具の取り付け位
置によってステージに加わるモーメント力まで補償でき
る。
【0021】以上説明したように、本発明の実施形態に
よれば、ステージの重力補償用に4本のシリンダを配置
し、4本のシリンダの流体圧力を独立に制御するととも
に、位置決め制御に設けられた4個の位置検出器からス
テージの重力方向の位置と、重力方向(Z方向)に対し
て直交する2方向回りの傾き(θx、θy)とを制御す
る位置フィードバック制御系を設け、位置フィードバッ
ク系の誤差をシリンダ内の制御圧力変更することで制御
する。そして、位置フィードバック系の誤差が設定値以
下になったときのシリンダ内の制御圧力をバランス圧と
して保持することで、ステージの重量変動によって生じ
る重力方向の推力補償およびステージに加わるモーメン
ト力を補償する。
【0022】なお、本発明の実施形態によれば、シリン
ダとリニアモータとも4個づつ配置されているが、これ
に限るものではなく、それぞれ3個以上あれば、ステー
ジの重力方向の位置と、重力方向(Z方向)に対して直
交する2方向回りの傾き(θx、θy)とを制御するこ
とができる。
【0023】また、上述の実施形態では、位置フィード
バック系により被加工物や工具の取り付け時の重量変化
・モーメント変化の補償を行っているが、新規に搭載さ
れる被加工物や工具等は加工対象や加工プロセスに依存
しており、その条件は最初から定められているので、加
工対象や加工プロセス等の情報をフィードフォワードで
目標圧力設定器に入力するようにし、この入力情報とフ
ィードフォワード系からの信号に基づいてシリンダ内の
圧力を制御するようにしてもよい。
【0024】
【発明の効果】本発明の請求項1記載の自重補償装置に
よれば、ステージの駆動ストローク全体に渡って、ステ
ージの重力方向および2方向回りの傾きを制御すること
ができる。
【0025】また、請求項4記載の自重補償装置によれ
ば、ステージを予め駆動することにより、高速な位置決
めを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の重力補償装置の構成図
【図2】従来の重力補償装置の構成図
【符号の説明】
101 ガイド 102 ステージ 103 リニアモータ 104 シリンダ 105 目標圧力設定器 106 減算器 107 圧力制御演算装置 108 サーボ弁駆動装置 109 サーボ弁 110 圧力センサ 111 ターゲット 112 位置検出器 113 位置座標変換器 114 減算器 115 位置制御演算器 116 推力変換器 117 スイッチ 118 位置決め判定器 119 位置制御系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G05D 3/12 B23Q 1/14 B Fターム(参考) 3C001 SB06 TA01 TB06 TD01 3C036 HH04 3C048 AA01 BB20 BC02 DD01 DD26 EE08 5H303 AA01 BB01 BB09 BB11 BB14 BB17 CC03 DD04 DD07 EE01 EE03 EE07 FF04 GG11 HH02 HH07 KK02 KK03 KK04 LL01 MM05 QQ02 QQ06

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 目的物を保持し、重力方向に移動可能な
    ステージと、 該ステージを該重力方向に支持する複数の自重補償機構
    と、 該ステージに推力を付与する複数の推力発生機構と、 該ステージの該重力方向の位置と、該重力方向と直交す
    る方向を軸とする回転の傾きとを計測する検出器とを有
    し、 該ステージの目標位置と該検出器の計測値から位置決め
    誤差を判定し、該位置決め誤差が所定の範囲以上の場合
    は該自重補償機構により該ステージを駆動し、該位置決
    め誤差が該所定の範囲以下の場合は該推力発生機構によ
    り該ステージを駆動することを特徴とする自重補償装
    置。
  2. 【請求項2】 前記自重補償機構は、シリンダ機構を有
    することを特徴とする請求項1記載の自重補償装置。
  3. 【請求項3】 前記推力発生機構は、リニアモータを有
    することを特徴とする請求項1または2記載の自重補償
    装置。
  4. 【請求項4】 前記ステージに保持する前記目的物の情
    報に基づいて、前記自重補償機構と前記推力発生機構の
    うち少なくとも一方を予め駆動することを特徴とする請
    求項1〜3いずれか記載の自重補償装置。
JP10339512A 1998-11-30 1998-11-30 自重補償装置 Withdrawn JP2000163130A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100716050B1 (ko) * 2005-02-21 2007-05-08 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤 스테이지장치 및 갠트리형 스테이지장치 및 스테이지장치의제어방법
CN108263646A (zh) * 2018-03-21 2018-07-10 天津航天机电设备研究所 一种多级耦合式重力补偿装置
CN112548073A (zh) * 2020-12-25 2021-03-26 合肥江淮铸造有限责任公司 发动机铝合金缸体金属型低压铸造定位装置

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CN108263646B (zh) * 2018-03-21 2024-01-16 天津航天机电设备研究所 一种多级耦合式重力补偿装置
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Effective date: 20060207