JP2001099157A - 空気静圧軸受の接触回避制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気静圧軸受の異常な負荷などによる接触を
的確に回避可能にする。 【解決手段】 空気静圧軸受２１、２２、２３、２４に
供給される空気の圧力及び流量を圧力計２７と流量計２
６で検出し、この圧力及び流量から軸受隙間の全体的な
いし部分的な減少を計測する。計測された減少部分の軸
受隙間の値と目標隙間設定器３３に記憶されている軸受
隙間の目標値とを比較器３１で比較し、比較器３１から
の差信号が小さくなるように、圧力調整手段２８を調整
して空気静圧軸受２１、２２、２３、２４に供給される
空気の圧力を変化せるか、又は／及びテーブル１１の移
動速度を変化させて空気静圧軸受に作用する負荷を変化
させることにより、軸受隙間を目標値に近付け、空気静
圧軸受の接触を回避する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超精密加工機、高
速加工機又は超精密移動ステージなどに用いられる空気
静圧軸受に係り、特に過負荷による軸受の接触を回避す
るための制御装置に関する。なお、本発明での空気静圧
軸受とは、回転軸の軸受のほかステージやテーブルの移
動を案内するための空気静圧案内をも含むものとする。

【０００２】

【従来の技術】空気静圧軸受は、軸やステージなどの浮
上体と軸受部材（固定体）との間に、圧縮空気層を形成
して浮上体を弾性的に支承するものであり、浮上体に作
用する負荷が、静圧軸受剛性の範囲内にあり、かつ一定
である状態では、浮上体と軸受部材との間の軸受隙間が
小さくなると、圧縮空気層の圧力が上昇して浮上力を増
加させることにより軸受隙間の減少を抑え、逆に軸受隙
間が大きくなると、圧縮空気層の圧力が低下して浮上力
を減少させることにより軸受隙間の増加を抑えて、ほぼ
一定の軸受隙間を形成するように構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、浮上体
に作用する負荷が変化すると、空気静圧軸受の軸受隙間
が全体的又は部分的に変化し、負荷が異常に大きくなる
と、少なくとも一部の軸受隙間が極めて小さくなり、遂
には浮上体と軸受部材とが接触してしまう。接触する
と、かじり等の損傷を引き起こすことがあり、空気静圧
軸受にとって致命的な障害となる。

【０００４】そこで、空気静圧軸受を使用する機械で
は、空気静圧軸受が接触を生じないような条件で使用す
る必要があり、浮上体に作用する負荷が変動する場合に
は、変動幅を考慮して使用条件をかなり安全側に設定し
なければならず、機械の性能を十分に発揮させることが
できないという問題があった。

【０００５】このような問題に対し、変位検出器などに
より軸受隙間そのものを監視し、接触が生ずると予想さ
れる場合に危険信号を発生させる警報システムや接触を
積極的に回避させる接触回避制御装置が提案されている
（特開平１１ー１９７９９７号）が、特に接触を回避す
るための制御装置においては、軸受隙間が正常状態で数
μｍ程度と非常に小さいため、軸受隙間の変化や片寄り
をより正確に検出して接触を確実に防止することができ
るようなセンサとそれに基づく制御装置が必要であり、
接触回避制御の確実性及び安定性やコストの面で課題が
あった。

【０００６】本発明は、空気静圧軸受の異常な負荷など
による接触回避をより簡単な手段により的確に行うこと
ができる空気静圧軸受の接触回避制御装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項１に係る発明は、空気静圧軸受の接触回避制御
装置において、空気静圧軸受の軸受隙間の目標値を記憶
するための目標隙間設定器と、前記空気静圧軸受に供給
される空気の圧力及び流量から軸受隙間の全体的ないし
部分的な減少を計測するように前記空気静圧軸受の給気
通路に設けられた軸受隙間計測手段と、この軸受隙間計
測手段により計測された前記全体的ないし部分的な減少
部分の軸受隙間の値と前記目標隙間設定器に記憶されて
いる軸受隙間の目標値との差を求めるための比較手段
と、この比較手段からの差信号を受けて前記差を小さく
するように、前記空気静圧軸受に供給される空気の圧力
及び前記空気静圧軸受に作用する負荷の少なくとも一方
を変化させるための調整手段と、を備えたものである。

【０００８】ところで、空気静圧軸受は、負荷の変化な
どに伴って軸受隙間が変化したとき、軸受隙間が大きく
なることにより空気静圧軸受に供給される空気の流量が
増加する割合より、軸受隙間が小さくなることにより減
少する割合の方が大きい。そこで、軸受隙間が全体的に
減少した場合はもちろん、一部は増加し一部が減少した
場合にも、空気静圧軸受に供給される空気の圧力及び流
量を計測することにより、軸受隙間の全体的ないし部分
的な減少を計測することが可能である。

【０００９】本発明は、上記の現象に基づいてなされた
ものであり、空気静圧軸受に供給される空気の圧力及び
流量を検出し、この圧力及び流量から軸受隙間の全体的
ないし部分的な減少を計測し、計測した全体的ないし部
分的な減少部分の軸受隙間の値と目標値との差を比較手
段で求め、差があれば、この差を小さくするように空気
静圧軸受に供給される空気の圧力及び前記空気静圧軸受
に作用する負荷の少なくとも一方を変化させることによ
り、軸受隙間の値を目標値に近付けるように制御する。
空気静圧軸受に供給される空気の圧力及び流量は、市販
の計測器を用いて比較的正確に測定可能であり、この圧
力及び流量と減少部分の軸受隙間の値とは所定の対応関
係を有するため、軸受隙間の減少を簡単かつ確実に検出
することができると同時に、接触回避を的確に行うこと
ができる。

【００１０】また、上記目的を達成するための請求項２
に係る発明は、空気静圧軸受の接触回避制御装置におい
て、空気静圧軸受の軸受隙間が所定の状態にあるとき、
この空気静圧軸受に供給される空気の所定圧力における
目標流量を記憶するための目標流量設定器と、前記空気
静圧軸受に供給される空気の圧力及び流量を計測し、前
記所定圧力に対応した供給流量を求めるように前記空気
静圧軸受の給気通路に設けられた供給流量計測手段と、
この供給流量計測手段により求められた供給流量と前記
目標流量設定器に記憶されている目標流量との差を求め
るための比較手段と、この比較手段からの差信号を受け
て少なくとも供給流量が目標流量より小さいとき、前記
差を小さくするように、前記空気静圧軸受に供給される
空気の圧力及び前記空気静圧軸受に作用する負荷の少な
くとも一方を変化させるための調整手段と、を備えたも
のである。

【００１１】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明が軸受隙間の値に基づいて接触回避制御を行っている
のに対し、空気静圧軸受に供給される空気の流量に基づ
いて接触回避制御を行うものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
図１ないし図４を参照して説明する。図１において、ベ
ース１０の上にはワークＷを取り付けるテーブル１１が
搭載され、テーブル１１はテーブル用モータ１２により
図１において左右に移動される。ベース１０の図１にお
いて左側にはコラム１３が立設され、コラム１３には主
軸ヘッド１４が図示省略した移動機構により上下に移動
可能に取り付けられている。

【００１３】主軸ヘッド１４には、ビルトイン型の主軸
用モータ１５により回転を与えられる主軸１６が取り付
けられている。主軸１６は、先端（図１において下端）
に工具１７を装着されると共に、途中につば１６ａを有
し、このつば１６ａの上下のスラスト面と主軸１６の上
下の外周面にそれぞれ対向する空気静圧軸受２１、２
２、２３、２４が、主軸ヘッド１４に設けられている。

【００１４】主軸１６の外周面に対向する空気静圧軸受
２４（２３も同じ）は、図２に示すように、主軸１６の
外周面の円周上で複数等配された単位空気静圧軸受２４
ａ〜２４ｄからなっている。なお、つば１６ａの上下の
スラスト面にそれぞれ対向する空気静圧軸受２１、２２
もスラスト面の円周上で複数等配された単位空気静圧軸
受からなっているが、図示は省略する。以下、これらの
すべての単位空気静圧軸受を指す場合、単位空気静圧軸
受２４ａ〜２４ｄ等という。これらの単位空気静圧軸受
２４ａ〜２４ｄ等には、いわゆる自成絞り、オリフィス
絞り、多孔質絞り及び面絞りのいずれをも適用すること
ができる。

【００１５】各単位空気静圧軸受２４ａ〜２４ｄの給気
通路２５は１つに接続され、図１に示す流量計２６、圧
力計２７及び圧力調整手段２８を介して圧縮空気源２９
に接続されている。

【００１６】流量計２６と圧力計２７は、検出した流量
と圧力のデータを後述する第１データ変換手段３０を介
して比較器３１に与えるようになっている。３２は、目
標隙間設定器であり、各単位空気静圧軸受２４ａ〜２４
ｄの軸受隙間の目標値が設定・記憶される。

【００１７】上記第１データ変換手段３０は、流量計２
６と圧力計２７により検出された流量と圧力のデータか
ら軸受隙間の値を求めるためのものである。なお、この
実施の形態においては、軸受隙間の減少部分の隙間の値
を求めるためのものである。

【００１８】この点について詳しく述べる。各単位空気
静圧軸受２４ａ〜２４ｄに供給される空気の合計流量す
なわち空気静圧軸受２４に供給される空気の流量は、軸
受隙間の値が一定であっても圧力が異なると変化するた
め、流量計２６の検出流量を圧力計２７の検出圧力を用
いて基準圧力のもとでの流量に変換する。空気静圧軸受
２４に供給される空気の基準圧力のもとでの流量と軸受
隙間の値との間には一定の関係Ｋ１があるため、検出流
量、検出圧力及びＫ１を用いて軸受隙間の値を求めるこ
とができる。

【００１９】ところで、図２に示したように、主軸１６
の外周面の円周上に複数の単位空気静圧軸受２４ａ〜２
４ｄが配列されている場合には、主軸１６を挟んで対向
する一方の単位空気静圧軸受２４ａ又は２４ｂの軸受隙
間の値が減少すれば、他方の単位空気静圧軸受２４ｃ又
は２４ｄの軸受隙間の値は増加する。そこで、一方の単
位空気静圧軸受２４ａ又は２４ｂに供給される空気の流
量は減少するが、他方の単位空気静圧軸受２４ｃ又は２
４ｄに供給される空気の流量は増加する。

【００２０】しかしながら空気静圧軸受においては、空
気静圧軸受が持つ絞り効果により軸受隙間の値が増加し
ても流量の増加割合は少ない。これに対し、軸受隙間の
値の減少による流量の減少は、敏感に現れる。このた
め、図２に示されているように、主軸１６の外周面の円
周上に複数の単位空気静圧軸受２４ａ〜２４ｄが配列さ
れている場合、個々の単位空気静圧軸受２４ａ〜２４ｄ
に供給される空気の圧力及び流量をそれぞれ検出するこ
となく、これらへの合計流量と圧力を検出することによ
り軸受隙間の減少部分の隙間の値を求めることができ
る。

【００２１】図３、図４は、つば１６ａと空気静圧軸受
２１、２２に相当するモデルにより負荷の変化に対する
軸受隙間と流量の変化をそれぞれ実測したものである。
なお、使用したモデルは、つば１６ａの軸受として作用
する部分の外径が１６０ｍｍ、内径が８０ｍｍであり、
上下のスラスト面にそれぞれ対向させて直径１６ｍｍの
多孔質空気静圧軸受を１２個ずつ配置し、多孔質空気静
圧軸受を囲む軸受面とつば１６ａのスラスト面との間の
上下の軸受隙間の値が、負荷が零の状態でそれぞれ４．
７μｍのものであった。

【００２２】このモデルの上下の多孔質空気静圧軸受に
圧力が０．５ＭＰａの空気を供給し、つば１６ａに下向
きの荷重を順次増加させて与えたところ、負荷を受ける
側の下方の軸受隙間の値は、図３に示すように減少し
た。なお、上方の軸受隙間の値は、これと対称的に増加
する。このとき上下の多孔質空気静圧軸受に供給される
空気の合計流量は、図４に示すように減少した。このテ
ストから明かなように、空気静圧軸受２４に供給される
空気の流量は、軸受隙間の減少による影響をより大きく
受けて減少する。

【００２３】上記のようにして第１データ変換手段３０
により求めた軸受隙間の減少部分の隙間の値と目標隙間
設定器３２に記憶されている軸受隙間の目標値との差を
比較器３１で求める。

【００２４】比較器３１により求められた目標値と検出
された軸受隙間の減少部分の隙間の値との差の信号が、
第２データ変換手段３３を介して圧力調整手段２８へ与
えられる。圧力調整手段２８は、各単位空気静圧軸受２
４ａ〜２４ｄへ供給する圧縮空気の圧力を、比較器３１
からの差信号を小さくする方向へ変化させるように構成
されている。第２データ変換手段３３は、軸受隙間と単
位空気静圧軸受２４ａ〜２４ｄへ供給する圧縮空気の圧
力との関係Ｋ２で差信号を変換するためのものである。

【００２５】前述した流量計２６、圧力計２７及び圧力
調整手段２８は、図示省略するが、スラスト用の空気静
圧軸受２１、２２の給気通路２５と主軸上部の空気静圧
軸受２３の給気通路２５にそれぞれ設けられている。ま
た、上記第１データ変換手段３０、比較器３１、目標隙
間設定器３２及び第２データ変換手段３３は、１組のみ
が設けられ、上記の各給気通路２５にそれぞれ設けられ
ている流量計２６、圧力計２７及び圧力調整手段２８に
順次切り換え接続されて、各圧力調整手段２８を調整す
るように構成されている。

【００２６】また、比較器３１からの差信号は、第３デ
ータ変換手段３４を介してテーブル用モータ１２に与え
られ、この差信号を小さくする方向へテーブル１１の移
動速度を変化させることにより、工具１７を介して主軸
１６に作用する負荷すなわち各単位空気静圧軸受２４ａ
〜２４ｄ等の負荷を変化させるように構成されている。
第３データ変換手段３４は、軸受隙間とテーブル１１の
移動速度との関係Ｋ３で差信号を変換するためのもので
あり、このＫ３は、ワークＷの材質、工具１７の種類及
び切り込み量などの加工条件により定められる。

【００２７】次いで本装置の作用について説明する。主
軸用モータ１５により主軸１６を回転させ、テーブル１
１をテーブル用モータ１２により所定速度で移動させて
工具１７によりワークＷを加工する。このとき、空気静
圧軸受２１〜２４には、圧縮空気源２９から圧力調整手
段２８、圧力計２７及び流量計２６を介して圧縮空気が
供給され、主軸１６と空気静圧軸受２１〜２４との間に
圧縮空気層を形成し、主軸１６を非接触で支持してい
る。

【００２８】加工条件の１つであるテーブル１１の送り
速度が遅く、主軸１６に作用する負荷が小さいときに
は、空気静圧軸受２１〜２４の各単位空気静圧軸受２４
ａ〜２４ｄ等の軸受隙間の値は、それぞれほぼ同一であ
り、目標値となっている。

【００２９】他方、例えばテーブル１１の送り速度が速
く、主軸１６に作用する負荷が大きいと、図１において
主軸１６の下端を右方向へ押す力が大きくなり、図２に
おいて右方の単位空気静圧軸受２４ａの負荷が増加し、
この単位空気静圧軸受２４ａの軸受隙間が減少する。ま
た、この単位空気静圧軸受２４ａと主軸１６を介して対
向する単位空気静圧軸受２４ｃの軸受隙間は上記負荷に
より増加する。このような軸受隙間の変化が生じた場
合、前述したように、空気静圧軸受２４に供給される空
気の流量は、軸受隙間の減少による影響をより大きく受
けて減少する。

【００３０】この流量の減少は、流量計２６により検出
され、圧力計２７の圧力と共に第１データ変換手段３３
に取り込まれ、この第１データ変換手段３３により空気
静圧軸受２４の軸受隙間の減少部分、すなわち単位空気
静圧軸受２４ａの軸受隙間の値に変換されて比較器３１
に伝えられる。比較器３１は、この単位空気静圧軸受２
４ａの軸受隙間の値と目標隙間設定器３２に記憶されて
いる目標値との差を求め、差信号を第２データ変換手段
３３を介して圧力調整手段２８へ送り、差信号に応じて
空気静圧軸受２４へ供給される圧縮空気の圧力を高め
る。この圧力上昇は、静圧軸受剛性を高め、軸受隙間が
減少した部分の隙間を増加させ、空気静圧軸受２４の軸
受隙間の部分的な減少を抑える。そこで、空気静圧軸受
２４の軸受隙間は全体がほぼ等しい値すなわち目標値に
保持される。

【００３１】このような軸受隙間の制御は、他の空気静
圧軸受２１、２２、２３においても同様に行われ、それ
ぞれの空気静圧軸受２１〜２４の軸受隙間はそれぞれほ
ぼ目標値に保たれる。なお、軸受隙間が目標値に対し許
容値内に到達したとき、空気静圧軸受２１〜２４に供給
される圧縮空気の圧力は、基準圧力より高い状態にあ
り、このまま安定しようとするため、供給圧力が基準圧
力より高い状態で軸受隙間が目標値に対し許容値内にあ
るときには、供給圧力を緩やかな勾配で低下させるよう
になっている。

【００３２】本装置は、上記のように圧力調整手段２８
により空気静圧軸受２１〜２４へ供給する圧縮空気の圧
力を制御することにより所期の目的を達成することがで
きるが、これに代えて、比較器３１からの差信号を第３
データ変換手段３４を介してテーブル用モータ１２へ与
えることにより、テーブル１１の送り速度を制御するこ
となどにより空気静圧軸受２１〜２４の負荷を調整する
ことによっても同様に軸受隙間の値をそれぞれほぼ目標
値に保つことができる。なお、例えば、負荷の大きさと
の関係などから上記圧力と負荷の両方による制御を同時
に行ってもよいことは言うまでもない。

【００３３】前述した実施の形態では、目標隙間設定器
３２に空気静圧軸受２１〜２４の軸受隙間そのものの目
標値を設定・記憶させる例を示したが、この目標隙間設
定器３２に代えて、軸受隙間が目標値の状態にある空気
静圧軸受に、この空気静圧軸受に供給される空気の所定
圧力における目標流量を設定・記憶させる目標流量設定
器としてもよい。この場合には、流量計２６と圧力計２
７の検出値から所定圧力に対応させたときの供給流量す
なわち検出圧力が高い場合はこの圧力を所定圧力に下げ
たときに空気静圧軸受に供給される供給流量に減じた供
給流量を供給流量計測手段により求め、この供給流量と
目標流量とを比較器３１で比較し、第２データ変換手段
３３により流量での差信号を、空気静圧軸受に供給する
圧縮空気の圧力やテーブル１１の送り速度のような空気
静圧軸受に作用する負荷に変換して圧力調整手段２８や
テーブル用モータ１２などを制御すればよい。

【００３４】また、前述した実施の形態は、流量計２
６、圧力計２７及び圧力調整手段２８をスラスト用の上
下一対の空気静圧軸受２１、２２に対して１組設け、ラ
ジアル用の２つの空気静圧軸受２３、２４にそれぞれ１
組ずつ合計３組設けた例を示したが、前述したように、
空気静圧軸受へ供給される空気の流量は、軸受隙間の減
少部分のの影響を強く受けるため、空気静圧軸受２１〜
２４の全体に対して１組設け、一括して制御するように
してもよく、また、逆に、個々の単位空気静圧軸受２４
ａ〜２４ｄ等に１組ずつ設けてもよいことは言うまでも
ない。この場合は、軸受隙間の増減に応じて圧力や負荷
を制御するか、又は減少したもののみの圧力や負荷を変
化させるように制御し、増加したものは変化させずにそ
のままとするかのいずれでもよい。

【００３５】さらにまた、前述した実施の形態は、本発
明を回転軸の空気静圧軸受に適用した例を示したが、本
発明は前述したように、ステージやテーブルの移動を案
内するための空気静圧案内にも同様に適用可能である。
さらにまた、空気静圧案内のように同一の単位空気静圧
軸受が多数配列されている場合には、すべての単位空気
静圧軸受を対象にして圧力及び流量を計測する必要はな
く、サンプリング的にいくつかを計測し、この計測結果
に基づいて所定の係数を掛けることなどにより、他の単
位空気静圧軸受をも制御するようにしてもよいことは言
うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように本発明は、空気静圧軸
受に供給される空気の圧力及び流量から軸受隙間の全体
的ないし部分的な減少を検出し、この減少を抑えるよう
に空気静圧軸受に供給される空気の圧力及び前記空気静
圧軸受に作用する負荷の少なくとも一方を変化させて軸
受隙間を目標値に近付けるように制御する構成としたた
め、軸受隙間の減少の検出と制御を簡単かつ確実に行う
ことができ、異常な負荷などによる空気静圧軸受の接触
を的確に回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す概要構成図。

【図２】図１のＡーＡ線による断面図。

【図３】負荷と軸受隙間の値との関係を示す図。

【図４】負荷と空気静圧軸受に供給される空気の流量と
の関係を示す図。

【符号の説明】

１０ ベース １１ テーブル １２ テーブル用モータ １３ コラム １４ 主軸ヘッド １５ 主軸用モータ １７ 工具 ２１、２２、２３、２４ 空気静圧軸受 ２４ａ〜２４ｄ 単位空気静圧軸受 ２５ 給気通路 ２６ 流量計 ２７ 圧力計 ２８ 圧力調整手段 ２９ 圧縮空気源 ３０ 第１データ変換手段 ３１ 比較器 ３２ 目標隙間設定器 ３３ 第２データ変換手段 ３４ 第３データ変換手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3C048 AA07 BC02 CC07 CC20 DD02 DD11 3J102 AA02 BA03 CA03 EA02 EB02 EB03 EB07 GA07

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気静圧軸受の接触回避制御装置におい
   て、 空気静圧軸受の軸受隙間の目標値を記憶するための目標
   隙間設定器と、 前記空気静圧軸受に供給される空気の圧力及び流量から
   軸受隙間の全体的ないし部分的な減少を計測するように
   前記空気静圧軸受の給気通路に設けられた軸受隙間計測
   手段と、 この軸受隙間計測手段により計測された前記全体的ない
   し部分的な減少部分の軸受隙間の値と前記目標隙間設定
   器に記憶されている軸受隙間の目標値との差を求めるた
   めの比較手段と、 この比較手段からの差信号を受けて前記差を小さくする
   ように、前記空気静圧軸受に供給される空気の圧力及び
   前記空気静圧軸受に作用する負荷の少なくとも一方を変
   化させるための調整手段と、 を備えたことを特徴とする空気静圧軸受の接触回避制御
   装置。
2. 【請求項２】 空気静圧軸受の接触回避制御装置におい
   て、 空気静圧軸受の軸受隙間が所定の状態にあるとき、この
   空気静圧軸受に供給される空気の所定圧力における目標
   流量を記憶するための目標流量設定器と、 前記空気静圧軸受に供給される空気の圧力及び流量を計
   測し、前記所定圧力に対応した供給流量を求めるように
   前記空気静圧軸受の給気通路に設けられた供給流量計測
   手段と、 この供給流量計測手段により求められた供給流量と前記
   目標流量設定器に記憶されている目標流量との差を求め
   るための比較手段と、 この比較手段からの差信号を受けて少なくとも供給流量
   が目標流量より小さいとき、前記差を小さくするよう
   に、前記空気静圧軸受に供給される空気の圧力及び前記
   空気静圧軸受に作用する負荷の少なくとも一方を変化さ
   せるための調整手段と、 を備えたことを特徴とする空気静圧軸受の接触回避制御
   装置。