JP2011075072A - 流体保持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速変動する外乱負荷による移動体の精度低下の抑制が可能な流体保持装置（静圧軸受け、静圧案内）を提供する。
【解決手段】流体保持装置において、主軸３と静圧軸受け４，５の外乱力による相対変位を計測する変位センサ９、１０と、静圧ポケットのランド部を前後進させるランド送り手段７、８と、を備え、主軸３と静圧軸受け４，５の外乱力による相対変位に応じてランド部を前後進することで、外乱力による静圧軸受け４，５と主軸３の相対変位を抑制し、外乱力による流体保持装置の精度低下を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、静圧軸受けや静圧案内のような流体保持装置の外乱負荷による精度低下の抑制に関するものである。

静圧軸受けに加わる外乱負荷による軸受け精度低下の抑制技術として、主軸の外乱負荷による変位に応じて流体軸受けへの供給圧力を制御して精度低下を抑制する従来技術（例えば、特許文献１参照）や、主軸の外乱負荷によるポケット圧力変動に応じて流体軸受けへの供給圧力を制御して精度低下を抑制する従来技術（例えば、特許文献２参照）がある。

特許文献１に記載の従来技術の場合、具体的には図４において、主軸３はポンプ１３、圧力制御弁１４により所定の圧力に保持された圧油が絞りを介して供給された静圧軸受け１６、１７により回転自在に支持されており、主軸回転モータ１５により駆動され、静圧軸受け１６、１７と主軸３の相対変位は変位センサ９、１０により計測される。
このように構成された静圧軸受けにおいて、その精度低下が抑制される原理は以下のようなものである。
定常加工中の加工力をＦ、主軸３の変位をＥ、軸受け剛性をＫとし、外乱力をΔＦ、外乱力が作用した主軸３の変位増加量をΔＥとした場合、Ｅ＝Ｆ/Ｋ、Ｅ＋ΔＥ＝（Ｆ＋ΔＦ）/Ｋが成り立つ。ここで、主軸剛性をΔＫ大きくしてＥ＝（Ｆ＋ΔＦ）/（Ｋ＋ΔＫ）を成立させると、外乱力ΔＦが作用しても主軸３の変位量が変動しないので主軸回転精度（軸受け精度）が低下しない。静圧軸受けの剛性は供給圧力に比例するので初期供給圧力をＰ、増加供給圧力をΔＰとすると（Ｋ＋ΔＫ）＝Ｋ（Ｐ＋ΔＰ）/ＰとなりΔＫ＝Ｋ・ΔＰ/Ｐが成り立つ。Ｅ＝（Ｆ＋ΔＦ）/（Ｋ＋ΔＫ）からΔＫ＝ΔＦ/Ｅ、またΔＦ＝Ｋ・ΔＥなのでΔＫ＝Ｋ・ΔＥ/Ｅが成り立つ。よってＫ・ΔＰ/Ｐ＝Ｋ・ΔＥ/Ｅとなり増加供給圧力ΔＰはΔＰ＝Ｐ・ΔＥ/Ｅとなる。
以上より外乱力ΔＦによる主軸３の変位増加をなくすには供給圧力をΔＰ＝Ｐ・ΔＥ/Ｅだけ増加させればよい。
外乱負荷による軸受け精度の低下が抑制される具体的作用を以下に説明する。
変位センサ９、１０が計測した変位増加量ΔＥに基づき、制御装置１８では定常加工時の標準変位位置まで主軸を押し戻すに必要な軸受け剛性になる増大供給圧力ΔＰをΔＰ＝Ｐ・ΔＥ/Ｅから計算し圧力制御弁１４へ指令する。圧力制御弁１４がΔＰだけ昇圧した圧油を軸受け１６、１７へ供給すると軸受け１６、１７の剛性が高くなり外乱力による主軸３の変位量を小さくする。以上の制御を連続して行うことで外乱力による軸受け精度低下を抑制する。

特許文献２に記載の従来技術の場合、静圧ポケットへの給油管路の複数の絞りの少なくとも1個を可動に支持し、外乱負荷によるポケット内圧力の変動に応じて供給管路の終端の絞りへの供給圧力を制御して外乱力による軸受け精度低下を抑制する。

特開２００３−８９０２６号公報 特開２００２−２８６０３７号公報

流体保持装置に外乱力が作用すると、流体保持装置剛性と外乱力の大きさにより決定される変位が生じ、流体保持精度が低下してしまい、例えば、工作機械の主軸装置に使用した場合は、流体保持精度の低下は工作物の加工精度低下に直結する。上記特許文献１および特許文献２に記載の従来技術では、流体保持精度の低下の抑制をするための静圧軸受けの圧力制御を絞りへの供給圧力の制御により実施するので、絞りによる流量制限によりポケット内圧力応答速度に限界があり、外乱力変動が高速の場合応答性が悪く十分に精度低下を抑制できなかった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高速の外乱力変動に対しても外乱力による精度低下を抑制できる流体保持装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、リセスと前記リセスの周囲に設けられたランドとからなる静圧ポケットと、前記リセスへ圧油を供給する圧油供給手段と、前記静圧ポケットの圧油により支持される移動体と、前記ランドの少なくとも一部を変位させ前記移動体との隙間を増減できるランド変位手段と、前記移動体と前記リセスの相対変位を計測する変位計測手段と、前記変位計測手段の計測した変位量に応じて前記ランド変位手段によるランド変位量を演算し変位指令を出力する制御手段と、前記制御手段の変位指令に基づき前記ランド変位手段を駆動する駆動手段と、を備え、前記移動体が前記ポケットに近づく場合は近づく側の前記ランドを前記移動体へ近づく方向へ変位させ、前記移動体が前記ポケットから離れる場合は離れる側の前記ランドを前記移動体から離れる方向へ変位させることである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記移動体が回転する主軸であって、前記静圧ポケットと、前記ランド変位手段と、前記主軸と前記リセスの相対変位を計測する前記変位計測手段と、を前記主軸の外周に円筒状に配置したことである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項２に係る発明において、前記ランド変位手段と、前記変位計測手段と、をそれぞれ複数備えるとともに、前記制御手段は複数の前記変位計測手段の変位量から複数の前記ランド変位手段のランド変位量を演算し変位指令を出力することである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１〜３のいずれか1項に係る発明において、前記ランドは前記リセスとは別体に形成され前記リセスに対して移動可能であり、前記ランド変位手段は前記ランドを変位させることによって前記移動体との隙間を増減することである。

請求項５に係る発明の特徴は、請求項１〜４のいずれか1項に係る発明において、前記ランド変位手段の駆動用に圧電素子を備えたことである。

請求項1に係る発明によれば、移動体に外乱力が作用した場合に、移動体とリセスの相対変位を変位計測手段により計測し、計測した変位量は制御装置に送られる。制御手段は変位量からランド変位手段によるランド変位量を演算してランド変位手段に変位指令を出力する。外乱力が移動体に作用して移動体がポケットに近づく場合は、近づく側のランド変位手段にランドを移動体へ近づける変位指令が発せられ、ランドが移動体に接近する。移動体は、ポケット内の圧力を一定としたままポケットからの総流出油量を維持するため、ランドの移動に応じてポケットから離れる方向へ移動し、移動体とランドの隙間を一定に保つ。すなわち外乱力による移動体の変位を打ち消す方向へ移動する。反対に、外乱力が移動体に作用して移動体がポケットから離れる場合は、離れる側のランド変位手段にランドを移動体から離す変位指令が発せられ、ランドが移動体から離れる。移動体は、ポケット内の圧力を一定としたままポケットからの総流出量を維持するため、ポケットへ近づく方向へ移動し、移動体とランドの隙間を一定に保つ。すなわち外乱力による移動体の変位を打ち消す方向へ移動する。以上の作用を連続的に行うことで移動体の外乱力による変位を抑制する。直接静圧ポケットのランドの変位を制御して、外乱による移動体の変位を抑制するため応答性が速く制御精度が高い。従来の絞りによる流量制限を受ける外部供給圧力制御方式に比較して、高速の外乱力の変動にも高精度の移動体精度低下の抑制が可能となる。

請求項２に係る発明によれば、移動体が回転軸で、静圧ポケットを前記回転軸の外周に円筒状に配置することにより高速回転で使用されることが多い回転軸受けの精度低下を抑制することができる。

請求項３に係る発明によれば、制御手段は複数の変位計測手段の計測した複数の変位量を用いて演算できるので変位方向と変位量を判定でき、また、複数のランド変位手段のランド変位量の増減の組み合わせによりどの方向へも所定の量の補正が可能であるので、円周上のいかなる方向からの外乱力変動に対しても軸受け精度低下の抑制が可能である。

請求項４に係る発明によれば、ランドを分離して移動できるのでランド変位量の設定の自由度が大きく適用範囲が広い。

請求項５に係る発明によれば、ランド変位手段を圧電素子で駆動するので、高速の作動が可能で高速の外乱力変動に対しても軸受け精度低下の抑制が可能であり、また、ランド送り手段をコンパクトに構成できる。

本実施形態の静圧軸受け装置の全体構成を示す概略図である。 本実施形態の静圧ポケット部の構成を示す断面詳細図である。 本実施形態の静圧ポケット部の構成を示す図２のＡ矢視詳細図である。 従来技術の全体構成を示す概略図である。

以下、本発明の流体保持装置の実施形態として、静圧軸受けを例にして、図１〜図３を参照しつつ説明する。
図１に示すように、本実施形態による静圧軸受け装置１は、工具２を保持する主軸３（本発明における移動体）がポンプ１３と圧力制御弁１４により所定の圧力の圧油が供給され軸受けハウジング６に保持されている静圧軸受け４、５により回転自在に保持され、回転モータ１５により駆動され、主軸３と静圧軸受け４、５の相対変位を計測する変位センサ９、１０と、変位センサ９、１０の変位量に基づき変位指令を出力する制御装置１１と、制御装置１１の変位指令に基づきランド送り手段７、８を駆動する圧電素子ドライバ１２を備える。

静圧軸受け４は静圧軸受け５と同一構造であり静圧軸受け４の例で図２、図３に基づき以下に詳細を説明する。
静圧軸受け４は複数の固定ランド４２ａ〜４２ｄと移動ランド７１ａ、７１ａ'、７１ｂ、７１ｂ'とリセス４１ａ〜４１ｄからなる静圧ポケット２０ａ〜２０ｄを備え、リセス４１ａ〜４１ｄに圧力制御弁１４からの圧油を供給する絞りを設けた圧油供給管路１９ａ〜１９ｄを備え、ポケット２０ａのランド４２ａの軸方向と平行なランドにランド送り手段７ａとランド送り手段７ａ'をポケット２０ａの円周方向対向に配して備え、ポケット２０ｂにも同様にランド送り手段７ｂと、ランド送り手段７ｂ'を円周方向対向に配して備え、ポケット２０ａ〜２０ｄの外周に設けた油排出溝２１には主軸３と静圧軸受け４の相対変位を計測する概略９０度の相対角度で配置された変位センサ９ａ、９ｂを備える。ここで変位センサ配置の相対角度は９０度に限定されるものではなく、１８０度以外であればどのような角度でもよい。
固定ランド４２ａ〜４２ｄと移動ランド７１ａ、７１ａ'、７１ｂ、７１ｂ'とはポケット２０ａ〜２０ｄ外周の全周に設けられた凸状の部位で、リセス４１ａ〜４１ｄとは固定ランド４２ａ〜４２ｄと移動ランド７１ａ、７１ａ'、７１ｂ、７１ｂ'に囲まれた凹状の部位である。

ランド送り手段７ａは静圧軸受け４の外周に設けた放射状の溝の口元に圧電素子駆動部７２ａを固定し、圧電素子駆動部７２ａに移動ランド７１ａを静圧軸受け４と摺動自在に接合した構造である。なお、ランド送り手段７ａ'、７ｂ、７ｂ'はランド送り手段７ａと同一構造である

通常使用時には、ポンプ１３、圧力制御弁１４で所定の圧力に保持された圧油が、絞りを設けた圧油供給管路１９ａ〜１９ｄを介してリセス４１ａ〜４１ｄに供給され、リセス４１ａ〜４１ｄ内の油は固定ランド４２ａ〜４２ｄと主軸３の隙間と移動ランド７１ａ，７１ａ'，７１ｂ，７１ｂ'と主軸３の隙間から流出する。主軸３は、圧油供給管路１６ａ〜１６ｄからの流入油量と、固定ランド４２ａ〜４２ｄと主軸３の隙間からの流出油量と移動ランド７１ａ，７１ａ'，７１ｂ，７１ｂ'と主軸３の隙間からの流出油量の合計がバランスするポケット内圧により、所定の位置に保持される。

加工負荷変動、外部振動伝達等の外乱力Ｆ０が主軸３に作用した場合の軸受け精度低下抑制作用について以下に説明する。
主軸３にポケット２０ｂ方向への外乱力が作用すると主軸３はポケット２０ｂ方向へ変位し、ポケット２０ｂの固定ランド４２ｂと軸受け３の隙間と移動ランド７１ｂ、７１ｂ'と軸受け３の隙間が共に前記変位相当分減少し、ポケット２０ｂからの油流出量が減少するためポケット２０ｂ内の圧力が上昇する。また、ポケット２０ｂと対向した位置のポケット２０ｄでは逆に固定ランド４２ｄと軸受け３の隙間が前記変位相当分増加しポケット２０ｄ内の圧力が減少する。ポケット２０ｂの圧力上昇による増加保持力Ｆ１とポケット２０ｄの圧力減少による減少保持力Ｆ２の合計が前記外乱力Ｆ０と等しくなるランド隙間で釣り合う。ここで移動ランド７１ｂ、７１ｂ'を前進させて主軸３に近づけると主軸３との隙間が減少するので移動ランド７１ｂ、７１ｂ'部からのポケット２０ｂ内油の流出量が減少する。ポケット内圧力を一定としたままポケット２０ｂからの総流出油量を一定とするためには、固定ランド４２ｂと主軸３の隙間が増加する必要がある、すなわち主軸３をポケット２０ｂから押し戻し、外乱力による主軸３の変位を減少させる

反対に、主軸３にポケット２０ｄ方向への外乱力が作用した場合は、主軸３はポケット２０ｄ方向へ変位し、ポケット２０ｂの固定ランド４２ｂ、移動ランド７１ｂ、７１ｂ'と主軸３の隙間が前記変位相当分増大する。この時、移動ランド７１ｂ、７１ｂ'を後退させて主軸３から遠ざけると隙間が増大するので移動ランド７１ｂ、７１ｂ'部からのポケット２０ｂ内油の流出量が増大する。ポケット内圧力を一定としたままポケット２０ｂからの総流出油量を一定とするためには固定ランド４２ｂと主軸３の隙間が減少する必要がある、すなわち、主軸３をポケット２０ｂ方向へ引き戻し、外乱力による主軸３の変位を減少させる

ランド送り手段７ｂ、７ｂ'において、圧電素子ドライバ１２の指令に基づき圧電素子駆動部７２ｂ、７２ｂ'を前進することで、移動ランド７１ｂ、７１ｂ'を主軸３へ接近させ、圧電素子ドライバ１２の指令に基づき圧電素子駆動部７２ｂ、７２ｂ'を後退することで移動ランド７１ｂ、７１ｂ'を主軸３から遠ざける。

以下に具体的な外乱力による主軸の精度低下抑制作用について説明する。
主軸３の変位が変位センサ９ａと９ｂにより計測され、変位量が制御装置１１に転送され、制御装置１１により各々の変位量が合成され、主軸３の変位量と変位方向が演算される。主軸変位を、ポケット２０ａ、２０ｂの円周方向中心位置の半径方向変位に分解換算し、ポケット２０ａと主軸３、ポケット２０ｂと主軸３の各々の変位を演算する。次に、ポケット２０ａと主軸３の変位を最小とするような移動ランド送り量を演算し、ランド送り手段７ａ、７ａ'の移動ランド７１ａ、７１ａ'の送り量の指令値を決定する。同様にポケット２０ｂについても移動ランド７１ｂ、７１ｂ'の送り量の指令値を決定する。

制御装置１１により演算された移動ランド７１ａ、７１ａ'の送り量の指令値に基づき、圧電素子ドライバ１２を介して圧電素子駆動部７２ａ、７２ａ'を駆動させ、ポケット２０ａの移動ランド７１ａ、７１ａ'を移動し、ポケット２０ａと主軸３の変位を抑制する。ポケット２０ｂにおいても、同様にしてポケット２０ｂと主軸３の変位を抑制する。
以上の結果、静圧軸受け４に対する主軸３の外乱力に起因する変位を抑制でき、静圧軸受け５についても同様の制御を行い、外乱力に起因する変位を抑制する。静圧軸受け４、５での外乱力に起因する主軸変位を最小化することで、主軸３のアキシャル方向を除く２軸の併進と、主軸３のピッチングとヨーイングにおける、外乱力による軸受け精度の低下を抑制できる。

以上の構造によれば、ポケット２０ａ、２０ｂの近傍で移動ランド７１ａ、７１ａ'、７１ｂ、７１ｂ'を直接移動させることにより主軸３の外乱変位を抑制するため、従来の外部供給圧力制御方式のような絞りによる流量制限による応答遅れが無い。したがって、従来技術よりも高速の外乱力変動にも追従して高精度の主軸変位抑制が可能で、高周波の振動や加工力の高速変動が生じても軸受け精度低下抑制が可能で高精度な高速加工を実現できる。

主軸３の外乱力による変位を、２個の変位センサ９ａと９ｂにより計測することで主軸３の変位量と変位方向を計測し、ランド送り手段の設けられたポケット２０ａ、２０ｂの円周方向中心位置の半径方向変位に換算して、ポケット２０ａ、２０ｂの変位抑制制御を実施するので、円周上のいかなる方向からの外乱力変動に対しても軸受け精度低下抑制ができる。
移動ランド７１ａ、７１ａ'、７１ｂ、７１ｂ'を静圧軸受け４と分離し可動にすることで移動ランドの移動ストロークを自由に設定でき適用範囲を広くできる。
ランド送り手段７ａ、７ａ'、７ｂ、７ｂ'の駆動に小型で、高速作動できる圧電素子を使用するので、ランド送り手段を小型化できかつ高速動作が可能である。

＜本実施形態の変形態様＞
次に、本実施形態の変形態様について説明する。
上記の実施形態の主軸３を併進運動体とし静圧ポケットを平面状に配置した静圧案内としてもよい。
上記の実施形態の変位センサ出力にハイパスフィルタを付加し、外乱力の高周波成分のみ抑制してもよい。
また、圧電素子駆動部７２ａ、７２ａ'、７２ｂ、７２ｂ'を電磁ソレノイドやモータなどの他の駆動手段に置き換えてもよい。
本実施形態では静圧ポケットに移動ランドと固定ランドを備えているが、移動ランドのみで構成されてもよい。
本実施形態ではランドの変位を移動ランドの移動により実施しているが、ランド部を弾性変形可能な形状としてランドを変位させてもよい。
例えば、静圧軸受け４、５を研削盤の砥石軸に用いる場合のように、外乱力に起因する変位の方向が特定の方向に限定できる場合、変位センサ９、１０はその方向の変位を検知できる1セットのみ備える構成でもよい。
同様に、外乱力に起因する変位を抑制する方向が限定できる場合、ランド送り手段７、８はその方向に位置する静圧ポケットに1セットのみ備える構成でもよい。

１：静圧軸受け装置 ３：主軸 ７、８：ランド送り手段 ９、１０：変位センサ １１：制御装置 １２：圧電素子ドライバ １３：ポンプ １４：圧力制御弁 ２０ａ〜２０ｄ：静圧ポケット ７２ａ、７２ａ'、７２ｂ、７２ｂ'：圧電素子駆動部 ４１ａ〜４１ｄ：リセス ４２ａ〜４２ｄ：固定ランド ７１ａ、７１ａ'、７１ｂ、７１ｂ'：移動ランド

Claims (5)

1. リセスと前記リセスの周囲に設けられたランドとからなる静圧ポケットと、前記リセスへ圧油を供給する圧油供給手段と、前記静圧ポケットの圧油により支持される移動体と、前記ランドの少なくとも一部を変位させ前記移動体との隙間を増減できるランド変位手段と、前記移動体と前記リセスの相対変位を計測する変位計測手段と、前記変位計測手段の計測した変位量に応じて前記ランド変位手段によるランド変位量を演算し変位指令を出力する制御手段と、前記制御手段の変位指令に基づき前記ランド変位手段を駆動する駆動手段と、を備え、前記移動体が前記ポケットに近づく場合は近づく側の前記ランドを前記移動体へ近づく方向へ変位させ、前記移動体が前記ポケットから離れる場合は離れる側の前記ランドを前記移動体から離れる方向へ変位させることを特徴とする流体保持装置。
2. 前記移動体が回転する主軸であって、前記静圧ポケットと、前記ランド変位手段と、前記主軸と前記リセスの相対変位を計測する前記変位計測手段と、を前記主軸の外周に円筒状に配置したことを特徴とする請求項１記載の流体保持装置。
3. 前記ランド変位手段と、前記変位計測手段と、をそれぞれ複数備えるとともに、前記制御手段は複数の前記変位計測手段の変位量から複数の前記ランド変位手段のランド変位量を演算し変位指令を出力することを特徴とする請求項２記載の流体保持装置。
4. 前記ランドは前記リセスとは別体に形成され前記リセスに対して移動可能であり、前記ランド変位手段は前記ランドを変位させることによって前記移動体との隙間を増減することを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の流体保持装置。
5. 前記ランド変位手段の駆動用に圧電素子を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の流体保持装置。

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