JP2004017231A

JP2004017231A - 原点検出装置

Info

Publication number: JP2004017231A
Application number: JP2002176994A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Murata; 村田　健一; Yasuhiko Kako; 加来　靖彦
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】テーブル３の水平度を保つような位置（原点）を検出することである。また、テーブル３の重心位置とボールネジ１、２間の中間位置が一致しない場合でも、中心位置を原点として、水平が保てるようにすることにある。
【解決手段】重力軸に取付けられたテーブル３を２つのボールネジとサーボモータを使って、駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４が移動する構成の工作機械において、２軸のボールネジの傍で垂直方向の同高さに取付けられた原点センサを持ち、該原点センサの信号をサーボアンプ３に入力し、該原点センサ信号に応じた位置指令としてサーボモータ３に出力するものである。
【選択図】　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に門形マシニングセンタなどの工作機械において、クロスレールに沿って主軸頭が移動する時に生じる主軸頭の左右運動真直度の変動を調整するバランス調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の　クロスレールのバランス調整装置では、クロスレール上のラム（主軸）が移動した際に、クロスレールを駆動するツインボールネジ各々に外力が発生する（特開平９−９４７３５）。外力を求める計算を図１で説明する。図１は、門形マシニングセンタの概略図である。１、２はサーボモータ１、２であり、３、４はボールネジ１、２である。５、６はボールネジ１、２に取り付けられたテーブル１、２であり、７は上下方向に移動するテーブル３であり、８は、テーブル３上を左右方向に移動するテーブル４である。テーブル４を駆動するサーボモータ３が９であり、該サーボモータ３と結合されているボールネジ３が１０である。さらにテーブル４の上に取り付けられた主軸が１１である。図１において、主軸が左に移動するとサーボモータ１，２のトルクが変動し、左のテーブル端が右のテーブル端に比べて下がる。テーブル４の移動距離をｘ（テーブル４がサーボモータ３に一番近い時を原点とし、一番遠い時が、ｘとなる。）とし、テーブル３の重心位置をＬ（＝テーブル３の駆動距離／２）とする。また、テーブル３の重量をＷ_ｔ＊ｇとし、テーブル４と主軸を合わせた重量をＷ_ｍ＊ｇとする。テーブル３の移動距離により、サーボモータ１とサーボモータ２にかかる外乱トルクは、以下の２式を使って得られる。
【０００３】
垂直方向の力
Ｄｉｓ１＋Ｄｉｓ２＝（Ｗ_ｍ＋Ｗ_ｔ）　＊ｇ
（１）
Ｄｉｓ１、Ｄｉｓ２は、テーブル１、２にかかる外力を表す。
テーブル１周りの回転モーメントは、０より
Ｗ_ｍ＊ｇｘ＋Ｗ_ｔ＊ｇ＊Ｌ＝Ｄｉｓ２＊２Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
（１）、（２）式より、
Ｄｉｓ１＝（Ｗ_ｔ＊ｇ／２）＋（１−Ｘ／２Ｌ）Ｗ_ｍ＊ｇ
（３）
Ｄｉｓ２＝（Ｗ_ｔ／２＋Ｗ_ｍＸ／２Ｌ）ｇ
（４）
【０００４】
本発明では、重心位置がテーブル３の中央にない場合についての改善を主眼に置いている。サーボモータ１、２にテーブル３の重量分（Ｗ_ｔ＊ｇ／２）の位置指令が与えられ、補正されているとすると、（３）、（４）式の外力は、以下の式となる。
Ｄｉｓ１＝（１−Ｘ／２Ｌ）Ｗ_ｍ＊ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
Ｄｉｓ２＝Ｗ_ｍｇＸ／２Ｌ
（６）
【０００５】
しかし、（５）、（６）式では、でサーボモータ１にかかる外力がＷ_ｍ＊ｇのステップ状外乱となる為、サーボモータ１とボールネジ１からなる機械は、単振動を起す。
ここで、テーブル４の移動開始点をテーブル３の中央からとし、移動距離ｄの変数を使って式の変形をする。
Ｘ＝Ｌ−ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（７）
（５）、（６）、（７）式から（８）、（９）式となる。
Ｄｉｓ１＝（１／２＋ｄ／２Ｌ）Ｗ_ｍ＊ｇ
（８）
Ｄｉｓ２＝（１／２−ｄ／２Ｌ）Ｗ_ｍ＊ｇ
（９）
【０００６】
（８）、（９）式は、テーブル４が重心位置Ｌにある時に、サーボモータ１、２にそれぞれＷ_ｍ＊ｇ／２分の位置の補正をすると実際に、テーブル４の移動による外力の変動は、
Ｄｉｓ１＝（ｄ／２Ｌ）Ｗ_ｍ＊ｇ
（１０）
Ｄｉｓ２＝−（ｄ／２Ｌ）Ｗ_ｍ＊ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）
の式に簡単化される。
【０００７】
これは、テーブル４が重心位置を原点とした式に変換したことで（５）、（６）式が、（１０）、（１１）式の様に簡単にできた。しかし、重心位置が分からない場合が存在する。わからない場合について主張したものが本発明の請求する部分である。また、主軸頭が傾くことによる問題点について説明する。一般的な構成の門型マシニングセンタ（図３）をつかって、重心位置を計算する。
テーブル３の長さ：５００ｍｍ
テーブル３の重心位置（ボールネジ１からの距離）：２５０ｍｍ
テーブル３の質量：５０ｋｇ
サーボモータ３の重心位置（ボールネジ１からの距離）：４５０ｍｍ
サーボモータ３の質量：２０ｋｇ
とする。
この時、重心位置の計算式は、
２５０＊５０＋４５０＊２０＝Ｘ（重心位置）＊７０
より、Ｘ＝３０７ｍｍが得られる。
よって、テーブル３の中心（５００／２＝２５０ｍｍ）から５７ｍｍずれていることがわかる。
【０００８】
次に、ボールネジ１、２にかかる外力の計算を行った後、テーブル１、２の変位量を計算し、テーブル１，２の偏差を調べることにより、主軸頭がどれだけ傾くかがわかる。
テーブル４の質量は、５０ｋｇとする。
（ｉ）テーブル４がボールネジ１に近い位置にある場合
（テーブル４がボールネジ１から１００ｍｍ右側にあった場合）
（３）式よりボールネジ１にかかる外力：２９４Ｎ
（４）式よりボールネジ２にかかる外力：７８４Ｎ
となり、テーブル３は、右肩上がりとなる。
（ｉｉ）テーブル４がボールネジ１から２００ｍｍ右側にあった場合
（中央付近）
（３）式よりボールネジ１にかかる外力：３２６Ｎ
（４）式よりボールネジ２にかかる外力：８４９Ｎ
となり、テーブル３は左肩あがりとなる。
ボールネジのばね定数が１００＊１０^６Ｎ／ｍとすると、
Ｆ＝Ｋｘ
Ｆ：外力、Ｋ：ばね定数、ｘ：変位量
より変位量が計算される。
【０００９】
（ｉ）の場合
ボールネジ１側の伸び：６μｍ
ボールネジ２側の伸び：５μｍ
変位差：１μｍ
（ｉｉ）の場合
ボールネジ１側の伸び：３μｍ
ボールネジ２側の伸び：８μｍ
変位差：５μｍ
【００１０】
駆動範囲の中央部（ｉｉ）で、変位差が等しくなることを予想していたが、５μｍの差が発生した。それに対して、（ｉ）では、１μｍとなり、左端に近い方が、変位差が小さい。主軸の長さが２００ｍｍ程度とした時、５μｍの変位差があると、加工すべき場所から２μｍずれて加工されることになる。この変位差は、主軸の位置によって変動する為、加工物の形状が崩れてしまうことになる。
一般的な門型マシニングセンタでは、テーブル４がボールネジに近い場所に合った時にテーブル３は、左右のバランスが取れる。１００ｍｍ付近を原点とすると原点を中心として左側は、１００ｍｍ、右側は３００ｍｍの駆動範囲となる。その為、駆動範囲の制約を受けてしまう。
【００１１】
この制約を受けないようにするには、やはり重心位置を無視して、テーブル４の駆動範囲の中央に持ってくる必要がある。その時には、位置の補正をする以外にない。予め、どれだけのボールネジが伸びているのかを調べておく必要がある。その為には、リニアスケールが必ず必要になるが、２本のリニアスケールを寸分違わず、並行に置くことは、困難である。リニアスケールをつければ位置の補正には特別な処理を必要としないが、機械を組み立てて、リニアスケールを付ける際に、組み立て精度が必要となる。リニアスケールを利用した従来技術に特開昭６３−２００９８０「はり状構造物の送り駆動装置」がある。傾きを補正する為には、ツインボールネジで駆動するテーブル１，２の位置を検出するリニアスケールが必要になり、コストがかかる。また、特開平１１−９９４２２の従来技術では、全ての軸において、２本のボールネジとサーボモータを配置している。この場合、主軸頭は、Ｙ軸のボールネジの中心に置かれ、Ｘ方向は、機械の台上に置かれている為、バランスが良く、全体の重心を考えられている。しかし、やはり、ボールネジの本数が多くなる為、コストがかかり、また大掛かりなシステムとなってしまう。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
バランス調整装置におけるクロスレールの傾き補正は、（１０）、（１１）を演算して得るものである。この（１０）、（１１）式は、重心位置が分かった状態での展開式である。しかし、重心位置は、容易には求められない。
リニアスケールをつけてサーボシステムがフルクローズド制御を構成しておけば、重心位置を求める必要がない。しかし、高価なリニアスケールを２つ付けることは、製品コストが高くなる。また、２本のリニアスケールを寸分違わず、並行に置くことは、困難である。リニアスケールをつければ位置の補正には特別な処理を必要としないが、機械を組み立てて、リニアスケールを付ける際に、組み立て精度が必要となる。
【００１３】
本発明の目的は、このような問題点であるテーブル３の水平度を保つような位置（原点）を検出する装置を提供することにある。また、テーブル３の重心位置とボールネジ１、２間の中間位置が一致しない場合でも、中心位置を原点として、水平を保てるようにすることにある。
また、リニアスケールを用いなくともテーブル４が駆動する時に、テーブル３が傾くことのないようにすることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、重力軸に取付けられたテーブル３を２つのボールネジとサーボモータを使って、駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４が移動する構成の工作機械において、該テーブル４を水平方向に移動させ、２軸のボールネジの傍で垂直方向の同高さに取付けられた原点センサを持ち、原点センサの信号をサーボアンプ３に取り込んで、モータ３指令パルスを与えて、テーブル４を駆動することにより、上記課題を解決できる。また、重心位置をテーブル３の中央であるとした時には、サーボモータ１、２を駆動して水平方向に移動させ、２軸のボールネジの傍で垂直方向の同高さに取付けられた原点センサを持ち、原点センサの信号をサーボアンプ１、もしくは２に取り込んで、モータ１、もしくは２に指令パルスを与えて、テーブル３の水平を維持させることを特徴とする原点検出装置
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１実施例を図４に示す。図中１、２は重力軸に配置されたサーボモータ１、２であり、３、４は該サーボモータによって駆動されるボールネジ１、２である。５、６は、ボールネジ１、２によって駆動されるテーブル１、２である。７はテーブル３であり、８はテーブル４である。９はサーボモータ３であり、このサーボモータに直結されているのが１０のボールネジ３である。１１は、主軸であり、１２、１３がボールネジ１、２の傍で同高さに配置された原点センサ１、２である。ここであげる原点センサとは、光学式のセンサであり、センサから発生する光の信号が、テーブルで遮られたら、オン信号を発生し、遮る物がない場合には、オフ信号を発生する物である。１４が本発明に使われる原点検出装置である。原点検出装置のオン信号を受け付けて、モータ３を動かす為のサーボアンプ３を１５、同様にモータ１を動かす為のサーボアンプ１を１６、モータ２を動かす為のサーボアンプ２が１７である。
【００１６】
第１実施例では、テーブル３が水平を保つような位置を原点とする原点検出装置の説明をする。サーボモータ１、２は、セミクローズド制御により、停止状態にあり、テーブル３の水平度は原点センサで検出する。▲１▼サーボモータ１、２に同じ指令を与えて、テーブル３が原点センサにかかるまで下げる。▲２▼テーブル３が原点センサを横切るとセンサオン信号を発生させる。▲３▼発生したセンサオン信号は、原点検出装置に入力される。▲４▼その後に、テーブル３を原点センサから外れるように上げる。▲５▼そして、原点センサ信号のクリアをする。▲６▼原点検出装置内では、センサオン信号が原点センサ１もしくは、２のいずれで発生したのかを検出する。▲７▼センサ１がセンサオン信号を出した場合、テーブル４がモータ３に近づく方向に動くようにモータ３にサーボアンプ３から数パルスの指令を与える。▲７▼’センサ２がセンサ信号を出した場合、テーブル４がモータ３から遠ざかる方向に動くようにサーボモータ３にサーボアンプ３から数パルスの指令を与える。▲１▼〜▲７▼のプロセスを繰り返し、テーブル３が原点センサ１、２に同時にかかってセンサ信号を発生するテーブル４の場所を調べる。
【００１７】
第２実施例を図５で説明する。第２実施例では、テーブル４の駆動範囲の中央部を原点として、テーブル３が水平に保てるような位置にテーブル１、２を調整する為の原点検出装置である。▲１▼テーブル４を駆動範囲の中央に移動させる。▲２▼モータ１、２に同じ指令パルスを与えて、テーブル３の下端が、原点センサにかかるまで下げる。▲３▼原点センサにかかった時、センサオン信号が原点検出装置に入力される。▲４▼原点検出装置内でセンサオン信号を発生したのが５側もしくは６側かを調べる。▲５▼５がオン信号を出した時、サーボモータ１にテーブル１を上に移動するようにサーボアンプ１から数パルスの指令を与える。▲５▼’６がオン信号を出した時、サーボモータ２にテーブル２を上に移動するようにサーボアンプ２から数パルスの指令を与える。▲６▼サーボモータ１、２に同じ指令パルスを与えて、テーブル３を上げる。その後、原点センサ信号をクリアする。▲７▼▲２▼〜▲６▼を繰り返して、５と６が同時にセンサオン信号を出すような位置にテーブル１、２を補正する。▲８▼５と６が同時にセンサオン信号が出ればプロセス終了である。
【００１８】
【発明の効果】
重力軸に取付けられたテーブル３を２つのボールネジとサーボモータを使って、駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４が移動する構成の工作機械において、２軸のボールネジの傍で垂直方向の同高さに取付けられた原点センサを持ち、該原点センサの信号を入力し、該原点センサ信号に応じた位置指令としてサーボモータ３に出力するようにしたので、サーボモータ３がテーブル３上の左右端に乗っている状態では、重心位置がテーブル３の中央にはならない。この時にテーブル３が水平に保つような位置を容易に検出することができ、特別な計算も不要である。また、リニアスケールなど高価な装置を利用することがないので、製品コストが少なくなる。また、工作機を組み立てる時に、リニアスケールを２本貼る時に、並行を保ち、位置ズレが無いように組み立てることは、容易ではない。位置ズレが発生しないように貼ったとしても、工作機械を稼動し、機械の温度上昇と共に、スケールが延びるなどの問題が有る為、再度調整が必要となる。
本発明では原点センサが２個であり、温度状況などにより、再調整することは、リニアスケールを調整することに比べたら容易である。
リニアスケールは、多点で支持し、スケールの延びを考慮する必要が有るし、スケールヘッドとのギャップも考慮する必要がある。原点センサは、１点もしくは２点支持であり、スケールの延びは関係ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】門形マシニングセンタを示す図
【図２】門形マシニングセンタにおいて、テーブル４移動した場合の図
【図３】一般的な門形マシニングセンタにおけるテーブル３の重心位置
【図４】本発明の実施例１
【図５】本発明の実施例２
【符号の説明】
１　サーボモータ１
２　サーボモータ２
３　ボールネジ１
４　ボールネジ２
５　テーブル１
６　テーブル２
７　テーブル３
８　テーブル４
９　サーボモータ３
１０　ボールネジ３
１１　主軸
１２　原点センサ１
１３　原点センサ２
１４　原点検出装置
１５　サーボアンプ３
１６　サーボアンプ１
１７　サーボアンプ２

Claims

重力軸に取付けられたテーブル３を２つのボールネジとサーボモータを使って、駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４が移動する構成の工作機械において、２軸のボールネジの傍で垂直方向の同高さに取付けられた原点センサを持ち、該原点センサの信号をサーボアンプ３に入力し、該原点センサ信号に応じた位置指令としてサーボモータ３に出力することを特徴とする原点検出装置。
重力軸に取付けられたテーブル３を２つのボールネジとサーボモータを使って、駆動する機械で該テーブルの上をテーブル４が移動する構成の工作機械において、２軸のボールネジの傍で垂直方向の同高さに取付けられた原点センサを持ち、該原点センサの信号をサーボアンプ１、２に入力し、該原点センサ信号に応じた位置指令としてサーボモータ１、２に出力することを特徴とする原点検出装置。