JP2013099816A - Spindle device and machine tool having the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主軸装置およびこれを備えた工作機械に関する。詳しくは、主軸を有する主軸ヘッドの重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダを有する主軸装置およびこれを備えた工作機械に関する。 The present invention relates to a spindle device and a machine tool including the spindle device. Specifically, the present invention relates to a spindle device having a balance cylinder that generates an urging force that supports at least a part of the weight of a spindle head having a spindle, and a machine tool including the spindle device.
工作機械においては、コラムの案内面に沿って主軸ヘッドを昇降可能に支持し、この主軸ヘッドの重量に見合う付勢力をバランスシリンダによって発生させることによって、主軸ヘッドを軽い力で円滑に昇降できるようにした工作機械が知られている(例えば、特許文献1参照)。
従来、バランスシリンダによって主軸ヘッドの重量をバランスさせるバランス装置は、エアー供給源からのエアーを減圧弁で所定の圧力に減圧したのち、バランスシリンダに供給して、主軸ヘッドの重量とバランスさせる一方、制御回路内の圧力が高くなると、リリーフ弁が作動し、制御回路内の圧力を所定の圧力に保つ構造が一般的である。
In machine tools, the spindle head is supported so as to be able to move up and down along the guide surface of the column, and a biasing force corresponding to the weight of the spindle head is generated by the balance cylinder so that the spindle head can be raised and lowered smoothly with a light force. A machine tool is known (for example, see Patent Document 1).
Conventionally, a balance device that balances the weight of the spindle head with a balance cylinder is used to reduce the air from the air supply source to a predetermined pressure with a pressure reducing valve and then supply the balance cylinder with the weight of the spindle head, When the pressure in the control circuit increases, the relief valve is activated to keep the pressure in the control circuit at a predetermined pressure.
ところが、上述した構造のバランス装置では、減圧弁の精度も十分でないうえ、応答速度が遅いという課題があった。 However, the balance device having the above-described structure has a problem that the accuracy of the pressure reducing valve is not sufficient and the response speed is slow.
本発明の目的は、このような従来の課題に対して、主軸ヘッドの上下動に対して生じるバランスシリンダの圧力変化を、高速かつ高精度に安定化させることができる主軸装置およびこれを備えた工作機械を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a spindle device capable of stabilizing a pressure change of a balance cylinder generated with respect to vertical movement of a spindle head at high speed and with high accuracy in response to such a conventional problem. To provide a machine tool.
本発明の主軸装置は、主軸ヘッド支持部材と、この主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられ主軸を有する主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを昇降させる昇降機構と、前記主軸ヘッドの重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダと、このバランスシリンダの圧力を制御する圧力レギュレータとを備えた主軸装置において、前記圧力レギュレータは、空気供給源から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁と、このサーボ弁を介して流入する空気を等温状態に保持するとともに前記バランスシリンダに供給する等温化圧力容器と、この等温化圧力容器内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力を検出する圧力計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計と、前記サーボ弁を操作して前記等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御する圧力制御手段とを備え、前記圧力制御手段は、前記圧力計によって検出された圧力をフィードバック制御する圧力制御系と、前記流量計によって計測された流入流量をフィードバック制御する流入流量制御系と、前記圧力微分計によって計測された圧力微分値と前記流量計によって計測された流入流量とに基づいて、前記等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定する流出流量推定手段とを有し、前記流入流量制御系を前記圧力制御系の制御ループ内に構成するとともに、前記流出流量推定手段によって推定された流出流量を前記流入流量制御系にフィードバックするモデル追従制御系を構成する、ことを特徴とする。 A spindle apparatus according to the present invention includes a spindle head support member, a spindle head provided on the spindle head support member so as to be movable up and down, a lifting mechanism for raising and lowering the spindle head, and at least a part of the weight of the spindle head. In a spindle device comprising a balance cylinder that generates an urging force that supports the pressure and a pressure regulator that controls the pressure of the balance cylinder, the pressure regulator is a servo valve that regulates an inflow flow rate of air supplied from an air supply source And an isothermal pressure vessel that keeps the air flowing in through the servovalve in an isothermal state and that supplies the balance cylinder, and a flow meter that measures the inflow flow rate of the air flowing into the isothermal pressure vessel, A pressure gauge for detecting the pressure of air in the isothermal pressure vessel, and a pressure for detecting a differential pressure value of air in the isothermal pressure vessel A differential meter and pressure control means for controlling the air in the isothermal pressure vessel to a predetermined pressure by operating the servo valve, the pressure control means feedback-controlling the pressure detected by the pressure gauge Based on the pressure control system, the inflow flow rate control system that feedback-controls the inflow flow rate measured by the flow meter, the differential pressure value measured by the pressure differential meter, and the inflow flow rate measured by the flow meter. An outflow rate estimating means for estimating an outflow rate of air flowing out of the isothermal pressure vessel, and the inflow rate control system is configured in a control loop of the pressure control system, and the outflow rate estimation means A model follow-up control system that feeds back the estimated outflow rate to the inflow rate control system is configured.
このような構成によれば、圧力レギュレータは、等温化圧力容器をバッファとして用いることにより、等温化圧力容器への空気の流入過程および流出過程を等体積かつ等温変化とみなすことができるため、簡便に圧力制御を行うことができる。
この等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御するために、サーボ弁によって、空気供給源から供給される空気の等温化圧力容器への流入流量を規制する。このとき、圧力レギュレータは、等温化圧力容器内の空気の圧力をフィードバック制御する圧力制御系をメインループとする圧力制御手段によって、サーボ弁を操作して流入流量を規制して、等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御する。
According to such a configuration, since the pressure regulator can use the isothermal pressure vessel as a buffer, the inflow process and the outflow process of air into the isothermal pressure container can be regarded as an equal volume and isothermal change. The pressure can be controlled.
In order to control the air in the isothermal pressure vessel to a predetermined pressure, the flow rate of the air supplied from the air supply source to the isothermal pressure vessel is regulated by a servo valve. At this time, the pressure regulator operates the servo valve to regulate the inflow flow rate by pressure control means having a pressure control system that performs feedback control of the pressure of air in the isothermal pressure vessel as a main loop, and the isothermal pressure vessel The air inside is controlled to a predetermined pressure.
ここで、圧力制御手段は、圧力制御系の内側に構成したマイナーループである流入流量制御系によって、等温化圧力容器へ流入する空気の流入流量をフィードバック制御するとともに、流出流量推定手段によって、等温化圧力容器の空気の圧力微分値と等温化圧力容器へ流入する空気の流入流量とに基づいて、等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定し、この推定した流出流量を流入流量制御系にフィードバックするモデル追従系によって補償する。 Here, the pressure control means performs feedback control of the inflow flow rate of the air flowing into the isothermal pressure vessel by the inflow flow rate control system, which is a minor loop configured inside the pressure control system, and the isothermal flow estimation means by the isothermal flow rate estimation means. Estimate the outflow rate of air flowing out of the isothermal pressure vessel based on the differential pressure value of the air in the pressure vessel and the inflow rate of air flowing into the isothermal pressure vessel, and control the estimated outflow rate for inflow rate control Compensation is performed by a model following system that feeds back to the system.
従って、このような制御系においては、下流での流出流量の僅かな変化、つまり、バランスシリンダでの僅かな変化に対応して圧力制御が行われるため、外乱に強く、応答性の高い制御系を構成することができる。また、流出流量を圧力微分値に基づいて推定するため、流出流量を直接計測する場合に比較して、計測への流量の影響を少なくでき、高い精度で圧力制御を行うことができる。
その結果、主軸ヘッドの上下動に対して生じるバランスシリンダの圧力変化を、高速かつ高精度に安定化させることができる。
Therefore, in such a control system, the pressure control is performed in response to a slight change in the downstream flow rate, that is, a slight change in the balance cylinder, so that the control system is resistant to disturbance and has a high response. Can be configured. Further, since the outflow rate is estimated based on the pressure differential value, the influence of the flow rate on the measurement can be reduced and pressure control can be performed with high accuracy compared to the case where the outflow rate is directly measured.
As a result, the pressure change of the balance cylinder that occurs with respect to the vertical movement of the spindle head can be stabilized at high speed and with high accuracy.
本発明の主軸装置において、前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に回転可能に支持された主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、前記主軸ヘッド本体は、ピッチ系のCFRPにより構成されている、ことが好ましい。
ここで、ピッチ系のCFRP(炭素繊維強化プラスチック)とは、ピッチプリカーサー(コールタールまたは石油重質分を原料として得られるピッチ繊維)を炭素化して得られるもので、高強度、高弾性率の性質をもつ。
このような構成によれば、主軸ヘッドは、主軸ヘッド本体と、これに回転可能に支持された主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、主軸ヘッド本体がピッチ系のCFRPにより構成されているから、高強度、高弾性率を維持しつつ、軽量化が図れる。従って、主軸ヘッドの昇降速度を高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。
In the spindle device according to the present invention, the spindle head includes a spindle head main body that can be moved up and down on the spindle head support member, a spindle that is rotatably supported by the spindle head main body, and a rotation that drives the spindle to rotate. It is preferable that the spindle head main body is composed of pitch-based CFRP.
Here, pitch-based CFRP (carbon fiber reinforced plastic) is obtained by carbonizing a pitch precursor (pitch fiber obtained using coal tar or heavy petroleum as a raw material), and has high strength and high elastic modulus. Has properties.
According to such a configuration, the spindle head is configured to include a spindle head body, a spindle that is rotatably supported by the spindle head, and a rotational drive source that rotationally drives the spindle, and the spindle head body is a pitch system. Therefore, the weight can be reduced while maintaining high strength and high elastic modulus. Therefore, since the raising / lowering speed of the spindle head can be increased, an improvement in productivity can be expected.
本発明の主軸装置において、前記昇降機構は、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか一方に前記主軸ヘッドの昇降方向に沿って設けられたマグネットと、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか他方に前記マグネットに対向して配置されたコイルとを含むリニアモータから構成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、主軸ヘッドを昇降させる昇降機構がリニアモータによって構成されているから、主軸ヘッドを円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。
In the spindle device according to the present invention, the elevating mechanism includes a magnet provided on one of the spindle head support member and the spindle head main body along the elevating direction of the spindle head, the spindle head support member, and the spindle. It is preferable that the head body includes a linear motor including a coil disposed opposite to the magnet on the other side.
According to such a configuration, since the elevating mechanism for elevating and lowering the spindle head is constituted by the linear motor, the spindle head can be moved up and down smoothly and with high accuracy.
本発明の主軸装置において、前記コイルの周囲は遮熱部材で覆われている、ことが好ましい。
このような構成によれば、主軸ヘッドの昇降時にリニアモータのコイルに通電すると、コイルから発熱する。本発明では、コイルの周囲は遮熱部材で覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体などが熱変形を起こすことを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。
In the spindle apparatus of the present invention, it is preferable that the coil is covered with a heat shield member.
According to such a configuration, when the coil of the linear motor is energized when the spindle head is raised and lowered, the coil generates heat. In the present invention, since the periphery of the coil is covered with the heat shielding member, it is possible to prevent the spindle head body and the like from being thermally deformed by heat generated from the coil. Therefore, high accuracy can be maintained.
本発明の工作機械は、前述したいずれかの主軸装置と、ワークを載置するテーブルと、前記主軸装置と前記テーブルとを前記主軸ヘッドの昇降方向に対して直交する少なくとも1軸方向へ相対移動させる移動機構とを備える、ことを特徴とする。
このような構成によれば、上述した効果をもつ工作機械を提供できる。
The machine tool of the present invention relatively moves at least one axial direction orthogonal to the ascending / descending direction of the spindle head with any of the spindle devices described above, a table on which a workpiece is placed, and the spindle device and the table. And a moving mechanism.
According to such a configuration, a machine tool having the effects described above can be provided.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、バランス装置を有する主軸装置を備えた工作機械に適用した例である。
(工作機械全体の説明:図1参照)
本工作機械は、図1に示すように、ベース1と、このベース1にX軸ガイド機構11およびX軸リニアモータ機構12を介してX軸方向へ移動可能に設けられ上面にワークWを載置するテーブル13と、このテーブル13を跨いで設けられた門型コラム20と、この門型コラム20の水平ビーム20AにY軸ガイド機構21およびY軸リニアモータ機構22を介してY軸方向へ移動可能に設けられた主軸装置30とから構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment is an example applied to a machine tool provided with a spindle device having a balance device.
(Description of machine tool as a whole: see Fig. 1)
As shown in FIG. 1, the machine tool is provided with a
X軸ガイド機構11は、ベース1の上面にX軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール11Aと、テーブル13の下面にガイドレール11Aに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材11Bとを含んで構成されている。
X軸リニアモータ機構12は、ベース1の上面においてガイドレール11Aの間にこれらと平行に配列されたマグネット12Aと、このマグネット12Aに隙間を隔ててテーブル13の下面に取り付けられたコイル12Bとを含むリニアモータによって構成されている。
The
The X-axis
Y軸ガイド機構21は、図2にも示すように、門型コラム20の水平ビーム20Aの上面にY軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール21Aと、主軸装置30の下面にガイドレール21Aに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材21Bとを含んで構成されている。
Y軸リニアモータ機構22は、門型コラム20の水平ビーム20Aの上面においてガイドレール21Aの間にこれらと平行に配列されたマグネット22Aと、このマグネット22Aに隙間を隔てて主軸装置30の下面に取り付けられたコイル22Bとを含むリニアモータによって構成されている。
As shown in FIG. 2, the Y-
The Y-axis
(主軸装置の説明:図2参照)
主軸装置30は、図2にも示すように、門型コラム20の水平ビーム20AにY軸ガイド機構21およびY軸リニアモータ機構22を介してY軸方向へ移動可能に設けられた主軸ヘッド支持部材としてのサドル33と、このサドル33にZ軸ガイド機構41および昇降機構としてのZ軸リニアモータ機構42を介して昇降可能に設けられた主軸ヘッド43と、この主軸ヘッド43の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダ44と、空気供給源60と、この空気供給源60からの空気をバランスシリンダ44に供給するとともにバランスシリンダ44の圧力を制御する圧力レギュレータ70と、サドル33の主軸ヘッド43とは反対側に取り付けられたバランスウエイト45とから構成されている。
(Description of spindle device: see FIG. 2)
As shown in FIG. 2, the
Z軸ガイド機構41は、主軸ヘッド43の裏面にZ方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール41Aと、サドル33の正面に固定されガイドレール41Aをスライド可能に案内するスライド部材41Bとを含んで構成されている。
Z軸リニアモータ機構42は、主軸ヘッド43の裏面においてガイドレール41Aの間にこれらと平行に配列されたマグネット42Aと、このマグネット42Aに隙間を隔ててサドル33の正面に取り付けられたコイル42Bとを含むリニアモータによって構成されている。
ここで、コイル42Bの周囲は遮熱部材42Cで覆われている。遮熱部材42Cとしては、アルミニウムまたはプラスチックスなどの材料によって箱状に形成されている。
The Z-
The Z-axis
Here, the periphery of the
主軸ヘッド43は、主軸ヘッド本体51と、この主軸ヘッド本体51に回転可能に支持された主軸52と、この主軸52を回転駆動させる回転駆動源53とを含んで構成されている。
主軸ヘッド本体51は、ピッチ系のCFRPにより構成されている。ピッチ系のCFRP(炭素繊維強化プラスチック)とは、ピッチプリカーサー(コールタールまたは石油重質分を原料として得られるピッチ繊維)を炭素化して得られるもので、高強度、高弾性率の性質をもつ。主軸52には工具54が着脱可能に取り付けられる。回転駆動源53は、モータによって構成されている。
The
The
バランスシリンダ44は、主軸ヘッド43を挟んだ両側にそれぞれ設けられている。
各バランスシリンダ44は、上端がブラケット55を介してサドル33に支持されたシリンダ本体44Aと、上端にシリンダ本体44A内に摺動可能に収納されたピストンを有し下端が主軸ヘッド43の下端に連結されたピストンロッド44Bとから構成されている。
ピストンで区画されたシリンダ本体44Aの下室には、空気供給源60からのエアーが圧力レギュレータ70を介して供給されている。その結果、バランスシリンダ44によって、主軸ヘッド43の重量とバランスする付勢力が主軸ヘッド43に上向きに与えられている。
The
Each
Air from the
(圧力レギュレータの説明:図3参照)
圧力レギュレータ70は、圧力を高速かつ精密に目標圧力に保持するもので、例えば、特開2009−110033号に開示された圧力レギュレータを用いることができる。
これは、図3に示すように、空気供給源60から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁71と、このサーボ弁71を通った空気を流入し等温状態に保持する等温化圧力容器72と、この等温化圧力容器72内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計73と、等温化圧力容器72内の空気の圧力を検出する圧力計74と、等温化圧力容器72内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計75と、流量計73、圧力計74および圧力微分計75で検出された信号をA/D変換するA/D変換器76と、このA/D変換器76を通じて与えられる信号を基にサーボ弁71の制御電圧を算出し、その制御電圧をD/A変換器78を介してサーボ弁71へ与える圧力制御手段77とを備える。
(Description of pressure regulator: see Fig. 3)
The
As shown in FIG. 3, there are a
ここで、本実施形態の圧力レギュレータ70の制御系は、目標設定圧力(目標値)Prefに対して等温化圧力容器72内の空気の圧力PをフィードバックしてPI(比例動作、積分動作)制御する圧力制御系をメインループとして構成している。
このメインループの内側に、等温化圧力容器72にサーボ弁71を介して流入する空気の流入流量Ginをフィードバック制御する流入流量制御系を1つのマイナーループとして構成するとともに、流入流量Ginと等温化圧力容器72内の空気の圧力微分値dP/dtとに基づいて等温化圧力容器72から流出する流出流量Goutを推定するオブザーバ(流入流量推定手段)を構成し、オブザーバで推定した流出流量Gout(上にハット)を流入流量制御系にフィードバックして補償するモデル追従制御系を他のマイナーループとして構成している。
Here, the control system of the
Inside the main loop, an inflow flow rate control system that feedback-controls the inflow flow rate Gin of air flowing into the
従って、いま、圧力レギュレータ70が起動され、等温化圧力容器72内の空気の圧力Pが所定の目標値に整定された状態にあるとする。このとき、サーボ弁71は、等温化圧力容器72の流出口から流出する流出流量と、流入口から流入する流入流量とがバランスする開度に調整されている。
ここで、空気供給源60からの空気の圧力Ps、または、等温化圧力容器72から流出する空気の流出流量Goutに変動が生じ、等温化圧力容器72内の圧力Pが目標値Prefから変化すると、圧力レギュレータ70は空気の圧力の変動を補償するために、圧力制御手段77によって、流量計73で計測された流入流量Gin、圧力計74で計測された圧力Pおよび圧力微分計75で計測された圧力微分値dP/dtをA/D変換器76を介して受信し、これらの受信した計測データに基づいてサーボ弁71に対する制御電圧Eiを算出し、この算出した制御電圧EiをD/A変換器78を介してサーボ弁71に与える。
すると、サーボ弁71は、圧力制御手段77によって算出された制御電圧Eiに応じた開度にサーボ弁71を制御し、その開度に応じた流入流量Ginで等温化圧力容器72に空気を流入する。これによって、等温化圧力容器72内の空気の圧力Pが目標値Prefに整定されるように制御される。
Accordingly, it is assumed that the
Here, when the pressure Ps of the air from the
Then, the
<実施形態の作用、効果>
このような構成の工作機械において、ワークWを加工するには、ワークWをテーブル13上にセットしたのち、テーブル13をX軸方向へ、サドル33をY軸方向へ、主軸ヘッド43をZ軸方向へ移動させながら、工具54によってワークを加工する。
ここで、主軸ヘッド43をZ軸方向へ移動すると、バランスシリンダ44の圧力が変動する。本実施形態では、主軸ヘッド43の上下動に対して生じるバランスシリンダ44の圧力変化を、圧力レギュレータ70によって高速かつ高精度に安定化させることができる。そのため、移動速度の高速化、加工時間の短縮化が図れるとともに、移動時の負荷も安定し制御性を向上させることができるので、加工精度の向上も期待できる。
<Operation and Effect of Embodiment>
In the machine tool having such a configuration, in order to process the workpiece W, after setting the workpiece W on the table 13, the table 13 is set in the X-axis direction, the
Here, when the
例えば、図4および図5は、従来の工作機械と本実施形態の工作機械において、主軸ヘッド43を送り速度1000mm/minで移動させたときの検証結果である。
図4は、従来の工作機械(図1に示す構成において、主軸ヘッドの材質を鋳物とし、圧力レギュレータをfairchild社製圧力レギュレータの検証結果で、上段の図がZ軸リニアモータ機構42に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
図5は、本実施形態の工作機械の検証結果で、上段の図がZ軸リニアモータ機構42に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
これから明かなように、本実施形態によれば、バランスシリンダのバランス圧が従来の工作機械に比べ大幅に小さくなっていることが判る。
For example, FIGS. 4 and 5 are verification results when the
FIG. 4 shows a conventional machine tool (in the configuration shown in FIG. 1, the spindle head is made of cast material, the pressure regulator is a fairchild pressure regulator verification result, and the upper diagram shows the position command for the Z-axis
FIG. 5 is a verification result of the machine tool of the present embodiment. The upper diagram shows the position command value and the current command value for the Z-axis
As is apparent from the above, according to this embodiment, it can be seen that the balance pressure of the balance cylinder is significantly smaller than that of the conventional machine tool.
また、図6および図7は、従来の工作機械と本実施形態の工作機械において、主軸ヘッド43を送り速度2000mm/minで移動させたときの検証結果である。
図6は、従来の工作機械(図4と同じ構成)の検証結果で、上段の図がZ軸リニアモータ機構42に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
図7は、本実施形態の工作機械(図5の説明と同じ)の検証結果で、上段の図がZ軸リニアモータ機構42に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
これから明かなように、本実施形態によれば、バランスシリンダのバランス圧が従来の工作機械に比べ大幅に小さくなっていることが判る。
6 and 7 show the verification results when the
FIG. 6 is a result of verification of a conventional machine tool (the same configuration as FIG. 4). The upper diagram shows the position command value and the current command value for the Z-axis
FIG. 7 is a result of verification of the machine tool of the present embodiment (the same as the description of FIG. 5). The upper diagram shows the position command value and the current command value for the Z-axis
As is apparent from the above, according to this embodiment, it can be seen that the balance pressure of the balance cylinder is significantly smaller than that of the conventional machine tool.
また、本実施形態によれば、主軸ヘッド43は、主軸ヘッド本体51と、この主軸ヘッド本体51に回転可能に支持された主軸52と、この主軸52を回転駆動させる回転駆動源53とを含んで構成され、主軸ヘッド本体51がピッチ系のCFRPにより構成されているから、高強度、高弾性率を維持しつつ、軽量化が図れる。従って、主軸ヘッド43の昇降速度を高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。
Further, according to the present embodiment, the
また、本実施形態によれば、主軸ヘッド43を昇降させる昇降機構が、主軸ヘッド43に主軸ヘッド43の昇降方向に沿って設けられたマグネット42Aと、サドル33にマグネット42Aに対向して配置されたコイル42Bとを含むZ軸リニアモータ機構42から構成されているから、主軸ヘッドを円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。
しかも、Z軸リニアモータ機構42を構成するコイル42Bの周囲は遮熱部材42Cで覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体51などが熱変形を起こすことを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。
Further, according to the present embodiment, the elevating mechanism for elevating the
Moreover, since the periphery of the
<変形例>
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、工作機械として、テーブル13がX軸方向へ、主軸ヘッド43がY軸方向およびZ軸方向へ移動可能であったが、これに限られない。要は、テーブル13と主軸ヘッド43が二次元(2軸方向)あるいは三次元(3軸方向)へ相対移動可能な構造であれば、いずれが移動する構造であってもよい。
<Modification>
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
In the embodiment, the table 13 is movable in the X-axis direction and the
また、前記実施形態では、各軸移動機構をリニアモータ機構、つまり、X軸リニアモータ機構12,Y軸リニアモータ機構22、Z軸リニアモータ機構42によって構成したが、必ずしも、リニアモータ機構でなくてもよい。ボールねじを用いた送り機構であってもよい。
また、前記実施形態では、主軸52の回転駆動源53として、モータを用いたが、これに限らず、例えば、エアータービン機構などであってもよい。
Further, in the above-described embodiment, each axis moving mechanism is configured by the linear motor mechanism, that is, the X-axis
Moreover, in the said embodiment, although the motor was used as the
また、前記実施形態では、バランスシリンダ44によって主軸ヘッド43の重量とバランスする付勢力を発生させるようにしたが、必ずしも、主軸ヘッド43の重量とバランスする付勢力でなくてもよく、主軸ヘッド43の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生する構成であってもよい。
In the embodiment, the urging force that balances the weight of the
前記実施形態では、バランスシリンダ44を有する主軸装置30を備えた工作機械について説明したが、バランスシリンダ44を有する主軸装置30を備えるものであれば、工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。
Although the machine tool provided with the
本発明は、主軸ヘッドの位置を高速かつ高精度に制御できるから、一般的な工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。 Since the present invention can control the position of the spindle head at high speed and with high accuracy, it can be applied not only to general machine tools but also to ultraprecision machine tools such as ultraprecision aspherical processing machines.
12…X軸リニアモータ機構(移動機構)、
22…Y軸リニアモータ機構(移動機構)、
33…サドル(主軸ヘッド支持部材)、
42…Z軸リニアモータ機構(昇降機構)、
42A…マグネット、
42B…コイル、
42C…遮熱部材、
43…主軸ヘッド、
44…バランスシリンダ、
51…主軸ヘッド本体、
52…主軸、
53…回転駆動源、
60…空気供給源、
70…圧力レギュレータ、
71…サーボ弁、
72…等温化圧力容器、
73…流量計、
74…圧力計、
75…圧力微分計、
77…圧力制御手段。
12 ... X-axis linear motor mechanism (moving mechanism),
22 ... Y-axis linear motor mechanism (moving mechanism),
33. Saddle (main spindle head support member),
42 ... Z-axis linear motor mechanism (elevating mechanism),
42A ... Magnet,
42B ... coil,
42C ... heat shield member,
43 ... spindle head,
44 ... balance cylinder,
51 ... spindle head body,
52 ... Spindle,
53 ... Rotation drive source,
60 ... Air supply source,
70: Pressure regulator,
71 ... Servo valve,
72 ... isothermal pressure vessel,
73 ... Flow meter,
74 ... Pressure gauge,
75 ... Pressure differential meter,
77: Pressure control means.
Claims (5)
前記圧力レギュレータは、空気供給源から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁と、このサーボ弁を介して流入する空気を等温状態に保持するとともに前記バランスシリンダに供給する等温化圧力容器と、この等温化圧力容器内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力を検出する圧力計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計と、前記サーボ弁を操作して前記等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御する圧力制御手段とを備え、
前記圧力制御手段は、前記圧力計によって検出された圧力をフィードバック制御する圧力制御系と、前記流量計によって計測された流入流量をフィードバック制御する流入流量制御系と、前記圧力微分計によって計測された圧力微分値と前記流量計によって計測された流入流量とに基づいて、前記等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定する流出流量推定手段とを有し、前記流入流量制御系を前記圧力制御系の制御ループ内に構成するとともに、前記流出流量推定手段によって推定された流出流量を前記流入流量制御系にフィードバックするモデル追従制御系を構成する、
ことを特徴とする主軸装置。 A spindle head support member, a spindle head that is provided on the spindle head support member so as to be movable up and down, has a spindle, a lifting mechanism that lifts and lowers the spindle head, and generates a biasing force that supports at least a part of the weight of the spindle head. In a spindle device comprising a balance cylinder and a pressure regulator for controlling the pressure of the balance cylinder,
The pressure regulator includes a servo valve that regulates an inflow flow rate of air supplied from an air supply source, an isothermal pressure vessel that maintains the air flowing in through the servo valve in an isothermal state and supplies the air to the balance cylinder A flow meter for measuring the flow rate of air flowing into the isothermal pressure vessel, a pressure meter for detecting the pressure of the air in the isothermal pressure vessel, and a pressure differential value of the air in the isothermal pressure vessel A pressure differential meter for detecting the pressure and a pressure control means for operating the servo valve to control the air in the isothermal pressure vessel to a predetermined pressure,
The pressure control means is measured by the pressure control system that feedback controls the pressure detected by the pressure gauge, the inflow flow rate control system that feedback controls the inflow flow rate measured by the flow meter, and the pressure differential meter. An outflow rate estimating means for estimating an outflow rate of air flowing out of the isothermal pressure vessel based on a differential pressure value and an inflow rate measured by the flow meter, and the inflow rate control system is configured as the pressure Configuring in the control loop of the control system and configuring a model following control system that feeds back the outflow rate estimated by the outflow rate estimation means to the inflow rate control system;
A spindle device characterized by that.
前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に回転可能に支持された主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、
前記主軸ヘッド本体は、ピッチ系のCFRPにより構成されている、
ことを特徴とする主軸装置。 The spindle device according to claim 1,
The spindle head includes a spindle head main body that is provided on the spindle head support member so as to be movable up and down, a main spindle that is rotatably supported by the spindle head main body, and a rotational drive source that rotationally drives the spindle. And
The spindle head body is composed of pitch-based CFRP,
A spindle device characterized by that.
前記昇降機構は、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか一方に前記主軸ヘッドの昇降方向に沿って設けられたマグネットと、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか他方に前記マグネットに対向して配置されたコイルとを含むリニアモータから構成されている、
ことを特徴とする主軸装置。 The spindle device according to claim 2,
The elevating mechanism includes a magnet provided along one of the main spindle head support member and the main spindle head body along the elevating direction of the main spindle head, and either the main spindle head support member or the main spindle head main body. It is composed of a linear motor including a coil disposed opposite to the magnet.
A spindle device characterized by that.
前記コイルの周囲は遮熱部材で覆われている、
ことを特徴とする主軸装置。 The spindle device according to claim 3, wherein
The periphery of the coil is covered with a heat shield member,
A spindle device characterized by that.
ワークを載置するテーブルと、
前記主軸装置と前記テーブルとを前記主軸ヘッドの昇降方向に対して直交する少なくとも1軸方向へ相対移動させる移動機構とを備える、
ことを特徴とする工作機械。 The spindle device according to any one of claims 1 to 4,
A table for placing a workpiece;
A moving mechanism that relatively moves the spindle device and the table in at least one axis direction orthogonal to the ascending / descending direction of the spindle head;
A machine tool characterized by that.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011244593A JP2013099816A (en) | 2011-11-08 | 2011-11-08 | Spindle device and machine tool having the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2011244593A JP2013099816A (en) | 2011-11-08 | 2011-11-08 | Spindle device and machine tool having the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2013099816A true JP2013099816A (en) | 2013-05-23 |
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ID=48620989
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2011244593A Pending JP2013099816A (en) | 2011-11-08 | 2011-11-08 | Spindle device and machine tool having the same |
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JP (1) | JP2013099816A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015030079A (en) * | 2013-08-06 | 2015-02-16 | セイコーインスツル株式会社 | Quill device, and grinding device |
KR101546017B1 (en) * | 2014-02-19 | 2015-08-20 | 대영기계공업 주식회사 | spindle unit for machine tool |
JP2017030120A (en) * | 2015-08-05 | 2017-02-09 | 東芝機械株式会社 | Spindle head lifting device and machine tool |
CN108067932A (en) * | 2017-12-19 | 2018-05-25 | 珠海格力智能装备技术研究院有限公司 | Spindle balancing structure and machine tool with same |
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2011
- 2011-11-08 JP JP2011244593A patent/JP2013099816A/en active Pending
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