JP2010525958A - 重畳駆動システムを有する動特性最適化工作機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、工作機械の少なくとも１個の構成部品アセンブリの移動を制御する方法に関し、構成部品アセンブリは、軸受間隙（１９，２０，２１）を有する少なくとも１個の磁気軸受（２，３，４）によって、構成部品アセンブリに取り付けられる回転主軸（１）を有する。本発明は、構成部品アセンブリが、制御側で平滑化されると共に、精密経路（５）と対向して位置する平滑化経路（６）に沿って移動して、主軸（１）が磁気軸受（２，３，４）によって、差分経路（７）に沿って移動することで特徴付けられており、平滑化経路（６）及び差分経路（７）の付加（重なり）は、精密経路（５）を示す。

Description

本発明は、最新の制御工作機械に関する。最新の制御工作機械は、現今では、殆どが複数の軸を有するように構成されている。工作機械の個々の軸の対応する移動によって、加工工具がワークと相対的に移動して、必要なワークの加工が行われる。

複雑な形状の場合には、工作機械の個々の軸によって、極めて動的な移動が行われる必要がある。加工時間を短縮するために、移動は、可能な限り迅速且つ動的に行われるべきである。同時に、ワークの高い精度及び表面品質の少なくとも何れか１つが必要とされる。

加えて、工具及びワークの間の相対移動に対して、最大限に可能な加工関連経路速度、例えば、フライス加工の場合には、最大限に許容可能な歯毎送り込みが存在する。
高精度のワーク及び高い表面品質の少なくとも何れか１つを形成するには、最大限に可能な経路速度は、殆どの場合において、加工工程によって制限されるのではなく、むしろ工具機械の動特性によって制限される。工作機械の動特性が高くなるにつれて、経路速度も速くなり、この速度で、精度及び表面品質に関する十分に良好な品質を維持することができる。

可能な限り短い加工期間を達成するために、制御装置が、先読みウィンドウによって、経路計画を生成すると共に、経路の形状寸法に従って、例えば、経路内のより大きな湾曲度を有する地点では、速度を減少させると共に、湾曲度が僅かに存在し又は存在しない地点では、最大限に許容可能な経路速度を使用することにより、相対経路速度に自動的に順応することが知られている。最新の制御装置は、精度及び表面品質に関する要件を満たしながら、工作機械が加工プログラム内において何れの地点でも可能な限り速い経路速度で前進するように、経路計画を構成する。

工作機械の構造がより良好且つより硬質であるほど、加工プログラム内において何れの地点でも、許容可能な経路速度は高速になり、この時、品質要件はなお満たされている。結果的に、可能な限り硬質であると共に、より高い動特性を有するように順応させられた構成が、機械構造物の目的である。

最新工作機械の動特性の実質的な限界は、個々に移動させられる機械軸が、十分な剛性及び必要とされる走行経路を得るために、特定の取付寸法を必要とするという事実にある。これに起因して、個々の機械軸は、とりわけ、例えば、門形フライス盤の場合におけるＹ及びＺ軸のように、互いに重畳させられる軸の場合には、軸の動特性を著しく制限する相対的に大きな質量を有する。この場合に、Ｙ軸は、Ｚ軸全体を支持し且つ移動させる。軽量構造を考慮して、様々な取り組み方法によって、動特性を増加させようと試行されているが、この点に関する可能性は、限られている。

特に、複雑な形状を作り出す時には、厳しく制限された機械動特性は、殆どの加工が、必要とされる品質を得るために、たとえ主軸補間を伴う機械制御に対する最新の制御概念及び最適な経路計画が使用されるとしても、最大限に可能な加工関連限界値を大きく下回る経路速度で行われるという結果を得るであろう。

経路内における湾曲度を変更すると、加速度を変更する必要があり、これは、時間と共に、加速度の誘導、即ちジャークによって実現される。このように経路に沿って移動させるためには、湾曲度の変化が大きいほど、必要とされる加速度の変化は大きく、且つ必要とされるジャークも大きくなる。しかしながら、特定のジャークを超えた時に、これは、機械の励振をもたらし、ひいては、振動及び誤差をもたらす。各機械は、その軸に対して定義される最大限に可能なジャークを有している。最大限に可能なジャークとは、機械が好ましくない励振を生じることなく動作可能なものある。加工の間に、特定のジャークを越えないことを確実にするために、最新の機械制御装置は、機械軸におけるジャークが、この機械の最大限に許容可能な制限値を僅かに下回る状態に常に維持されるように、経路速度を計画する。それに伴い、最適な加工時間、及びワークの十分な品質も得られる。加えて、コースの経路速度の計画は、経路の半径が小さい場合には、最大加速度を考慮して速度を減少させなければならない。

加えて、加工時間のある程度の短縮が、制御装置によって行われる平滑化によって達成される。工具経路は、機械の「より柔軟な」、またそれに伴うより迅速な移動を可能にするために、使用者によって予め定められる許容誤差に従って、ワークに対して自動的に平滑化される。制御装置による良好な平滑化は、経路内における湾曲度及び小さい半径、即ち尖ったコーナの変化を、可能な限り大きく減少させることにより、機械軸に対するジャーク要件を減少させる。しかしながら、このような平滑化は、ワークの精度を犠牲にして行われるため、多くの場合で、不可能或いは極めて限られた範囲内でのみ可能である。

高い精度要件の場合には、ワークの形状は、全ての細部において、精密に作り出されなければならず、従って、ワークと相対的な工具経路は、精密にたどられなければならない。

本発明の基礎をなす目的は、移動コースの最適化及び可能な加工速度をもたらしつつ、構成が簡素であると共に作動が確実な工作機械の制御方法を提供することにある。

本発明によれば、本目的は、請求項１の特徴の組み合わせによって解決されるものであり、下位請求項は、本発明の更に有利な実施形態を示す。
本発明によれば、様々な移動経路、即ち、工作機械例えばフライス盤の組立部品が沿って移動させられる平滑化経路、同様に、主軸の移動、及びそれに伴う主軸に連結された工具の移動を可能にする差分経路への分割が行われる。

本発明によれば、工作機械、例えばフライス盤には、磁石によって支持される加工主軸が備えられる、磁石支持主軸は、回転するスピンドル軸が、強力であると共に制御された電磁石によって、主軸ハウジング内で支持されており、所定位置で浮遊している、即ち機械的な接触がないという事実に起因して、突出している。主軸の軸受の磁石及びスピンドル軸の間には、全ての軸受の位置に、間隙が設けられる。間隙の寸法内では、磁気式軸受制御に起因して、スピンドル軸が、主軸ハウジング内で自由に揺動させられ得、間隙は通常、強大な磁力を生じさせることが可能であるように、極めて幅狭に維持されている。しかしながら、スピンドル軸は、制御装置が干渉を補償する前に、外側からの干渉力によって、その位置から跳ね出るかもしれないので、特定の間隙寸法が必要とされる。このような場合には、破損を回避するために、磁石及びスピンドル軸の間には、磁気的な接触が生じないことが重要である。軸受位置における間隙は、干渉力が生じる場合に、十分な空間を、制御装置が干渉を補償するまで生じる結果的な最大屈曲に利用できる程度に大きくなるように、寸法が決められなければならない。

主軸の磁気支持は、スピンドル軸を、磁気軸受の間隙寸法内に位置させ、移動させ、或いは位置を変えさせることを可能にする。スピンドル軸の移動範囲は、磁気軸受の間隙寸法によって定義され、それに伴い、極めて小さな空間に制限される。しかしながら、この移動範囲内において、スピンドル軸は、その小さな寸法に起因して、極めて高い動特性を伴い、任意の範囲まで移動する。生じ得る加工力を補償するために、スピンドル軸の磁気支持は、極めて動的である。これらの高い動特性は、本発明では、スピンドル軸をその移動範囲内において、極めて動的に移動させるために使用される。

磁気主軸を備える本発明の工作機械は、それに伴い、重畳される移動又は走行という２つの可能性、即ち、相対的に大きな走行経路であるが低い動特性を有する機械軸と、極めて大きな動特性であるが何れの方向にも大きく制限された移動範囲を有するスピンドル軸とを有する。

本発明は、磁気主軸を有する工作機械の移動又は走行の両方の可能性の特殊性を利用している。加工工具及びワークの間の相対移動を制限する精密な工具経路は、通常、プログラミングシステムから得られたり、或いは、制御装置に直接プログラムされたりする。

精密にプログラムされ、或いは予め定められた工具経路は、工作機械の制御装置で、以下のように２つの経路に分割され、且つ平行に加工されると共に補間される：
−平滑化経路。平滑化は、一定の所定最大許容誤差で行われ、平滑化の目的は、所定の許容誤差内で可能な限り大きく、経路内における湾曲度の変化を減少させ、且つ尖ったコーナ及び小さな半径を除去又は減少させることである；
−差分経路。平滑化経路に加えられた時に、再度本来の精密経路に至ると共に、極めて小さな走行経路を生成する。

本来の経路の平滑化は、一定の所定最大許容誤差で実行されるので、差分経路の走行経路は、極めて小さな移動範囲に制限され、その寸法は、各方向において、平滑化のために予め定められた最大許容誤差内にある。

両方の経路、即ち平滑化経路及び差分経路は、制御装置において、平行に補間される。平滑化経路の目標値は、機械軸の駆動装置へ伝達され、差分経路の目標値は、磁気軸受の駆動装置へ伝達される。磁気支持フライス主軸において、機械軸の走行運動、及びスピンドル軸の相対的に小さいが動的な走行運動は、同期的に重畳し、それに伴い、工具及びワークの間の相対移動時に、精密な工具経路が結果的に生じる。結果的に、各方向における平滑化の許容誤差は、主軸ハウジング内でのスピンドル軸の可能な移動範囲よりも小さく、その結果、スピンドル軸及び磁気軸受の間には、接触が起きない。

本方法の利点としては、両経路の加工時間全体を著しく短縮することができることである。平滑化経路における湾曲度、小半径、及び尖ったコーナの変化の減少が、結果的に著しく低いジャーク要件及び軸の加速に至るので、平滑化経路は、機械軸によって、精密経路よりも著しく速い経路速度で通過させられる。

しかしながら、高いジャーク要件及び動特性を有する移動は、スピンドル軸によって行われなければならない。しかし、前述の軸受技術に起因して、スピンドル軸は、これを行うことができる。また、高いジャーク要件はスピンドル軸の質量が相対的に小さいので、機械構造の好ましくない励振を結果的に生じさせない。差分経路の走行移動は、極めて小さい運動範囲に制限されるので、スピンドル軸は、それを完全に行うことができる。

本発明は、個々の構成部品のインテリジェント制御によって、工作機械での加工時間を著しく短縮することができる。磁気支持主軸の制御及び動特性の高品質に起因して、本方法は、高い精度要件及び表面品質を実現することができる。

本方法の妥当な更なる改良は、各軸方向におけるスピンドル軸の最大限に可能な運動範囲に応じて、許容誤差が個々の軸方向で異なるならば、異なる軸方向に別個の許容誤差を予め定めることを含む。

スピンドル軸から位置がずれた機械軸、例えば、門形機ではＹ及びＺ軸の場合に、機械軸及びスピンドル軸それぞれの移動の重畳は、運動量分離に対して使用されてもよい。スピンドル軸の極度に動的な移動が、スピンドル軸の小さい質量にも拘わらず、機械構造の励振を結果的にもたらし、それに伴い、非精密かつ低品質の表面を結果的にもたらす場合、運動量分離は有利である。この場合において、加工工具及びワーク間の相対移動のための精密経路は、相対的に重い機械軸が平滑化経路をたどるだけでなく、経路上の対応する位置において、機械軸が付加的に、重畳させられた極めて小さいがジャーク対抗運動を行うように、分割され得、そこでスピンドル軸は、高速運動に起因して、ジャーク運動量を軸に加える。従って、軸に加えられたジャーク運動量は、スピンドル軸の高速運動に起因して、等しい大きさの対抗運動量によって補償され、またそれに伴い、確実に機械フレームの励振が回避される。対抗運動は、質量の大きな差に起因して、スピンドル軸の運動よりも著しく小さく、それにより、工具における大きな行程も結果的に得られる。しかしながら、これは、スピンドル軸及び軸が互いに直接的に影響を及ぼす軸、例えば、門形機のＺ軸においてのみ実現される。門形機のテーブル軸の場合には、機械フレーム全体がテーブル軸及び主軸の間に載置されるので、これはおそらくあり得ず、その励振は回避される。

特定の形状の場合には、説明される方法の付加的な更なる改良が、軸及び磁気支持主軸の制御の最大限に可能な利用を獲得する目的で有利である。このような形状は、経路内の尖ったコーナ、即ち、接線方向への移行を有さない方向の逆転を含む。従来の機械の場合には、機械は、ブレーキランプを伴ってコーナへ進み、非常に短い時間停止し、且つコーナから加速して、経路を新しい方向へたどる。高い精度が重要ではないならば、機械は完全に停止せずにコーナを削る。しかし通常は、これは好ましくない。

また前述の方法において、経路は平滑化経路及び差分経路に分割されており、ワークにおいて精密経路を実現するために、両方の経路が同期的に通過され、機械は停止しなければならない。スピンドル軸の動特性は極めて高い。しかし、方向の切り替えを含む精密なコーナが、経路内でたどられるならば、磁気支持スピンドル軸も、新しい方向で再度加速できるように、ブレーキランプを伴って停止しなければならない。しかし、スピンドル軸が経路速度を零に減少させる場合、機械軸の同期補間の場合には、機械軸の平滑化経路が行うことを必要としなくても、不精密さを回避するために、機械軸も、経路速度を零に減少させなければならない。この場合、ブレーキ及び加速ランプは、相対的に慣性の機械軸に噛み合わなければないが、本方法は、この形状については有利ではない。しかしこれは、スピンドル軸の差分経路が精確に同期的にたどられないが、スピンドル軸が付加的に幾分速く或いは遅く移動するように、その運動範囲を使用するように、差分経路が計画されるならば回避され得、両経路（平滑化経路及び差分経路）の合計は、常に精密経路となる。コーナの場合には、これは、スピンドル軸が、コーナの前方で僅かに速く移動し、コーナでは、短時間の間、機械軸と正反対の速度で移動することにより、短時間の間、工具及びワークの間に相対的な停止が生じ、次に、コーナを通過した時に、僅かに遅く移動するという作用を有する。

本発明に係り利用される工作機械を示す概略斜視図。 スピンドル軸受を示す概略部分断面図。 本発明の第１実施形態に係り、精密経路及び平滑化経路を示す概略図。 図３に関連する本発明の差分経路を示す概略図。 本発明に係り、精密経路及び関連する平滑化経路の更なる実施形態を示す図３に類似する図。 図５の例示に適合する本発明に係る差分経路の図４に類似する図。

以下、図面を参照して、本発明を実施形態に基づいて説明する。
図１は、本発明に係り使用される工作機械の一例として、門形フライス盤の機械フレームの斜視図を概略的に示す。門形フライス盤は、主軸１を含み、主軸１の軸受は、以下に図２に関連して、詳細に説明される。主軸１は、工具８、例えばフライスに連結される。その限りにおいて、工具収容構造並びに門形フライス盤の個々の構成部品は、最新式のものに対応する。図１において、ワークの描写は省略されている。

とりわけ、図１は機械フレーム９を示しており、この機械フレーム９上において、機械テーブル１０は、Ｘ軸に沿って移動する。門形１１は、機械フレーム９に取り付けられており、門形１１にはガイド１２が備えられ、ガイド１２に沿って、移動台１３のＹ方向への移動が可能である。ガイド１５は、移動台１３に形成されており、この移動台１３に沿って、移動台１４はＺ方向に移動する。移動台１４は、主軸１を支持する。

移動方向Ｘ−Ｙ−Ｚは、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を形成しており、これらの軸は、工作機械の制御の基礎をなしている。構成部品は、本発明によれば、組立部品として指示されており、従って、とりわけＹ軸に沿った移動のための移動台１３、Ｚ軸に沿った移動のための移動台１４、及びＸ軸に沿った移動のためのテーブル１０を含む。

図２は、主軸１の支持を概略的に示しており、移動台１４に一体化されたハウジング１６を含む。主軸１は、その中心軸１８の周りで支持される。支持は、磁気軸受によって、即ち、上側ラジアル磁気軸受２、下側ラジアル磁気軸受３、及びアキシャル磁気軸受４によって得られる。

最新技術から周知であるように、磁気軸受２，３及び４の各々は、磁気軸受の動作に必要とされる軸受間隙を含む。概略的に、上側ラジアル磁気軸受２の軸受間隙１９、並びにアキシャル磁気軸受４の間隙２０が、図面に示されている。下側ラジアル磁気軸受３の間隙は、符号２１で示されている。

工具８は、主軸１において、工具ホルダ２２によって通常の方法で、取り外し可能に支持される。
主軸１（スピンドル軸）は、主軸モータ１７によって回転させられる。

図２に示される主軸１の構造は、最新技術に対応する。
更に、図２は図１の装置に従う図２の前面図において、移動軸Ｘ，Ｙ及びＺ軸を示す。
本発明によれば、主軸は、それぞれの軸受間隙１９，２０，２１（且つ図示されていない他の軸受間隙）内において、磁気軸受２，３，４によって自由に揺動可能であることが重要である。

図３は、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを含むＸ−Ｙ面内における精密な移動経路５を示す。精密経路５上において、工具８の基準点は、ワークと相対的に移動し、先ず、図３に従い、ＡからＢへ、直線に沿って通過する。Ｂ点からＣ点の間には、円形部分が存在しており、点Ｃにおいて、再度直線に合流する。

本発明に従い、所定の許容誤差を伴い平滑化された経路６は、とりわけ点Ｂ及びＣの間の円形状部分において、精密経路５を湾曲させ或いは削ると共に、所定距離だけ延長している。図３において、交差線はそれぞれ、精密経路５及び平滑化経路６の間にひかれており、精密経路及び平滑化経路において、それぞれ同期する目標位置を示している。

図４のグラフ図は、差分経路７のコースを示しており、再度、図３の点Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤの位置を含む。更に、図４は、経路の方向を指示する矢印を示す。
図４は、精密経路５が、図３に従う平滑化経路６及び図４に従う差分経路７の重畳によって生成されることを示している。

加えて、図３及び図４から認識できるように、差分経路７は、非常に小さい領域に、即ち図３及び図４において概略的に示されるＸ−Ｙ線図の原点近くに制限される。頂点において、両経路は、同じ方向を有する（図３及び図４において、移動矢印を参照）。

図３及び図４は、描写を明瞭にするために、二次元図を示すに過ぎないことは明白である。本発明によれば、三次元経路５，６及び７を伴う三次元移動も実現することができる。描写は、より明瞭にするために、大きく拡大されている。実際のところ、平滑化経路６は、精密経路５にずっと近接して位置しており、差分経路７の領域は、ずっと小さい。

図５及び図６は、図３及び図４に類似するグラフ図を示す。
図５のグラフ図において、精密経路５は、点ＡからＢへ、続いて点Ｃへの精密経路５のコース上で、点Ｂの尖ったコーナを通過する。図５は、平滑化経路６の関連コースを示す。コース及び図示される交差点から、精密経路５及び平滑化経路６の同期目標位置が結果的に得られる。

図３のグラフ図と比較して、図５から結果的に、平滑化経路６の位置は、先ず、精密経路５の位置の後方に遅れをとることとなる。これは、点Ｂにおいて変化する。点Ｂから始まり、平滑化経路６は、精密経路５の前方を移動する。

位置Ｂにおいて、平滑化経路６及び差分経路７の速度は、正確に等しい（図６を参照）が、正反対であることから、両速度は、互いに相殺し合い、且つ精密経路５の経路速度は、短時間の間、零になる。図５及び図６における矢印の方向は、それぞれ経路のコースを示す。

２つの反対向きかつ正確に等しい速度の短時間重畳に起因して、本発明は、尖ったコーナ（点Ｂ）が、精密経路５で生成されるように規定する。同様に、相対的に低い動特性を有する機械軸が、平滑化経路６において、その速度を零に減少させなければならないことが阻止される。

図３から図５の例示は、大きく拡大されていると共に、明瞭にするために、極めて概略的であることは明白である。
本発明は、２軸又は３軸を有する機械に限定されるものではなく、複数の軸を有する機械、例えば５軸を有する機械、例えば３直線軸及び２回転軸を含む機械の移動でも使用することができる。図３から図５の例示は、より簡潔な説明を目的として、２次元に過ぎない。本方法は、任意の数の軸及び任意の装置を有する機械にも移転されてもよい。

１…主軸、２…磁気軸受、ラジアル上側、３…磁気軸受、ラジアル下側、４…磁気軸受、アキシャル、５…精密経路、６…平滑化経路、７…差分経路、８…工具
９…フレーム、１０…テーブル、１１…門形、１２…ガイド、１３，１４…移動台
１５…ガイド、１６…ハウジング、１７……主軸モータ、１８…中心軸、１９，２０，２１…間隙、２２…工具ホルダ。

Claims (14)

1. 工作機械の少なくとも１個の組立部品の移動を制御する方法であって、該組立部品は、少なくとも１個の軸受間隙を含む少なくとも１個の磁気軸受（２，３，４）によって、該組立部品で支持される回転主軸（１）を備え、制御装置が、精密経路（５）に関して平滑化された経路（６）に沿って前記組立部品を移動させて、ハウジング（１６）内の前記主軸（１）が、前記磁気軸受（２，３，４）によって差分経路に沿って移動することによって、前記平滑化経路（６）及び該平滑化経路（６）に伴い生成される差分経路（７）が重畳されることにより、精密経路（５）が生成される、ことを特徴とする方法。
2. 前記平滑化経路（６）及び前記差分経路（７）は、二次元に形成される、ことを特徴とする請求項１の方法。
3. 前記平滑化経路（６）及び前記差分経路（７）は、三次元に形成される、ことを特徴とする請求項１の方法。
4. 前記平滑化経路（６）及び前記差分経路（７）は、複数の軸を有する工作機械に対して多次元に形成される、ことを特徴とする請求項１の方法。
5. 前記平滑化経路（６）は、一定の所定最大許容誤差で平滑化される、ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項の方法。
6. 前記平滑化経路（６）及び前記差分経路（７）は、前記制御装置によって互いに平行に補間される、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項の方法。
7. 前記平滑化経路（６）の目標値は、前記組立部品の駆動手段に伝達され、且つ前記差分経路（７）の目標値は、前記磁気軸受（２，３，４）からなる少なくとも１つの駆動手段に伝達される、ことを特徴とする請求項６の方法。
8. 前記平滑化経路（６）の最大許容誤差は、各移動方向において、間隙（１９，２０，２１）内における前記主軸（１）の最大移動可能距離よりも小さい、ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項の方法。
9. 前記主軸（１）は、前記差分経路（７）に沿って、高い動特性及び大きな加速度の少なくとも何れか一つを伴い移動する、ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項の方法。
10. 前記異なる許容誤差は、異なる移動方向において、前記差分経路（７）及び前記平滑化経路（６）の少なくとも何れか一つに対して予め定められる、ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項の方法。
11. 運動量分離は、前記平滑化経路に沿うと共に、前記差分経路（７）に沿う移動の重畳によって生じる、ことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項の方法。
12. ジャーク対抗運動が、前記平滑化経路（６）によって、前記精密経路（５）の位置で行われ、この時、高速移動が前記差分経路（７）によって行われる、ことを特徴とする請求項１１の方法。
13. 前記差分経路（７）は、該差分経路（７）及び前記平滑化経路（６）によって生成される前記精密経路（５）を維持しつつ、該差分経路（７）がその移動に関して、前方を移動し、或いは後方に遅れをとるように形成される、ことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項の方法。
14. フライス盤に使用されることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項の方法。

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