JP2017005962A - Variable throttle system and variable throttle type fluid bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可変絞りシステム、及び当該可変絞りシステムを備えた可変絞り型流体軸受に関する。 The present invention relates to a variable throttle system and a variable throttle fluid bearing provided with the variable throttle system.
例えば特許文献1には、ダイアフラム式可変絞りを備えた可変絞り型静圧軸受が開示されている。特許文献1に記載のダイアフラム式可変絞りは、可動体であるテーブルの浮上量である軸受隙間距離に応じて変動する流体の圧力を利用してダイアフラムを変形させ、ダイアフラムと流体流路との間の隙間である絞り隙間距離を可変とすることで、可変絞りを構成している。そして、ダイアフラムの中央部には凸部が取り付けられており、ダイアフラムの変形に応じて凸部が摺動自在となるように凸部を収容する凹部が、可変絞りのハウジングに設けられている。このダイアフラムの凸部とハウジングの凹部によって減衰性の大きなダンパが構成され、ダイアフラムの振動が抑制されている。
For example,
特許文献1に記載の可変絞り型静圧軸受は、軸受隙間距離の変動が発生した後、ポケット内の流体の圧力が変動し、ポケット内の流体の圧力が変動した後、ダイアフラムと流体流路との間の絞り隙間の流体の圧力が変動し、絞り隙間の流体の圧力が変動した後、ダイアフラムが変形する。そしてダイアフラムが変形して絞り隙間距離が変動した後、流体の流量が調節される。また、流量が調節された流体がポケットに供給されても、非常に大きな質量の可動体の浮上量を変えることになるので、実際には瞬時に軸受隙間距離が変わるわけではなく、ある程度の遅れ時間が経過した後、軸受隙間距離が変わる。つまり、特許文献1に記載の可変絞り型静圧軸受では、応答性が低い。また特許文献1に記載の可変絞り型静圧軸受は、ダイアフラムに振動抑制用のダンパをも備えているので、ダイアフラムの変形時の負荷が増大し、応答性がさらに低くなる可能性がある。
The variable-throttle hydrostatic bearing described in
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、応答性をより向上させることができる可変絞りシステム、及び当該可変絞りシステムを有する可変絞り型流体軸受を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such a point, and it is an object of the present invention to provide a variable throttle system that can further improve responsiveness, and a variable throttle fluid bearing having the variable throttle system. To do.
上記課題を解決するため、本発明に係る可変絞りシステム及び可変絞り型流体軸受は、次の手段をとる。まず、本発明の第1の発明は、圧送されてきた流体の流量を調節し、流量を調節した流体を流体軸受へ供給して、被軸受部材を軸受部材から軸受隙間距離だけ浮上させる可変絞りシステムであって、圧送されてきた流体が供給され、流量を調節した流体を前記流体軸受に供給し、流体の流量を調節する電動アクチュエータを備えた可変絞り手段と、前記電動アクチュエータを駆動する駆動回路と、前記駆動回路を介して前記電動アクチュエータを制御する制御手段と、を有する。そして、前記制御手段は、前記軸受隙間距離の実際の距離を検出することなく、前記電動アクチュエータの制御状態に基づいて、予測した軸受隙間距離である予測軸受隙間距離を算出し、算出した前記予測軸受隙間距離が、目標距離となるように、前記電動アクチュエータをフィードバック制御する。 In order to solve the above problems, a variable throttle system and a variable throttle fluid bearing according to the present invention take the following means. First, a first aspect of the present invention is a variable throttle that adjusts the flow rate of a fluid that has been pumped and supplies the fluid whose flow rate has been adjusted to a fluid bearing, so that the bearing member is lifted from the bearing member by a bearing clearance distance. A variable throttling means having an electric actuator for supplying a fluid whose pressure has been fed and adjusting a flow rate to the fluid bearing and adjusting the flow rate of the fluid, and a drive for driving the electric actuator A circuit and control means for controlling the electric actuator via the drive circuit. Then, the control means calculates a predicted bearing gap distance that is a predicted bearing gap distance based on a control state of the electric actuator without detecting an actual distance of the bearing gap distance, and calculates the calculated prediction. The electric actuator is feedback-controlled so that the bearing gap distance becomes the target distance.
次に、本発明の第2の発明は、圧送されてきた流体の流量を調節し、流量を調節した流体を流体軸受へ供給して、被軸受部材を軸受部材から軸受隙間距離だけ浮上させる可変絞りシステムであって、圧送されてきた流体が供給され、流量を調節した流体を前記流体軸受に供給し、流体の流量を調節する電動アクチュエータを備えた可変絞り手段と、前記電動アクチュエータを駆動する駆動回路と、前記駆動回路を介して前記電動アクチュエータを制御する制御手段と、記憶手段と、を有する。前記可変絞り手段は、前記流体軸受へ供給する流体を吐出する吐出流路と、前記吐出流路への流体の入口となる開口部と対向する位置に配置され、たわみ変形することで前記開口部との間に形成される絞り隙間距離を可変とするダイアフラムと、前記制御手段からの制御信号に基づいて前記ダイアフラムをたわみ変形させる前記電動アクチュエータと、を有し、前記記憶手段には、前記ダイアフラムのたわみ量に対する前記軸受隙間距離を示す、たわみ量・軸受隙間距離特性と、前記電動アクチュエータの電気的特性と、が記憶されている。そして、前記制御手段は、前記記憶手段に記憶されている前記電気的特性と、前記駆動回路に設けられた電圧検出手段を用いて計測した前記電動アクチュエータに印加されている電圧である印加電圧と、前記駆動回路に設けられた電流検出手段を用いて計測した前記電動アクチュエータに供給されている電流である供給電流と、に基づいて、推定した前記ダイアフラムのたわみ量である推定たわみ量を算出し、あるいは、前記ダイアフラムに設けられたたわみ量検出手段を用いて実際の前記ダイアフラムのたわみ量である実たわみ量を検出し、前記推定たわみ量または前記実たわみ量と、前記記憶手段に記憶されているたわみ量・軸受隙間距離特性と、に基づいて、予測した軸受隙間距離である予測軸受隙間距離を算出し、算出した前記予測軸受隙間距離が、目標距離となるように、前記電動アクチュエータをフィードバック制御する。 Next, the second invention of the present invention is a variable that adjusts the flow rate of the fluid that has been pumped and supplies the fluid whose flow rate has been adjusted to the fluid bearing so that the bearing member floats from the bearing member by the bearing clearance distance. A throttling system, which is supplied with a pressure-fed fluid, supplies a fluid whose flow rate is adjusted to the fluid bearing, and variable throttle means including an electric actuator for adjusting the flow rate of the fluid, and drives the electric actuator A drive circuit; control means for controlling the electric actuator via the drive circuit; and storage means. The variable restricting means is disposed at a position facing a discharge flow path for discharging a fluid supplied to the fluid bearing and an opening serving as an inlet of the fluid to the discharge flow path, and is flexibly deformed to thereby form the opening. A diaphragm formed between the diaphragm and the electric actuator for flexibly deforming the diaphragm based on a control signal from the control means, and the storage means includes the diaphragm The deflection amount / bearing gap distance characteristic indicating the bearing gap distance with respect to the deflection amount and the electrical characteristics of the electric actuator are stored. The control means includes the electrical characteristics stored in the storage means, and an applied voltage that is a voltage applied to the electric actuator measured using a voltage detection means provided in the drive circuit. An estimated deflection amount that is an estimated deflection amount of the diaphragm is calculated based on a supply current that is a current supplied to the electric actuator measured using a current detection unit provided in the drive circuit. Alternatively, the actual deflection amount, which is the actual deflection amount of the diaphragm, is detected using a deflection amount detection unit provided in the diaphragm, and the estimated deflection amount or the actual deflection amount is stored in the storage unit. Based on the deflection amount / bearing gap distance characteristics, a predicted bearing gap distance that is a predicted bearing gap distance is calculated, and the calculated prediction受隙 distance between, so that the target distance, a feedback control of the said electric actuator.
次に、本発明の第3の発明は、上記第2の発明に係る可変絞りシステムであって、前記記憶手段に記憶されている前記電気的特性は、前記電動アクチュエータの抵抗値と、前記電動アクチュエータのインダクタンスと、である。 Next, a third invention of the present invention is the variable aperture system according to the second invention, wherein the electrical characteristics stored in the storage means are a resistance value of the electric actuator and the electric motor. The inductance of the actuator.
次に、本発明の第4の発明は、上記第3の発明に係る可変絞りシステムであって、前記制御手段は、前記推定たわみ量を算出する際、前記印加電圧と、前記抵抗値と前記供給電流に基づいた電圧と、前記インダクタンスと前記供給電流に基づいた電圧と、前記ダイアフラムのたわみ量に応じた前記ダイアフラムの移動量に基づいた前記電動アクチュエータの誘導起電圧と、に基づいて、前記推定たわみ量を算出する。 Next, a fourth invention of the present invention is the variable aperture system according to the third invention, wherein the control means calculates the estimated deflection amount when the applied voltage, the resistance value, and the resistance value are calculated. Based on the voltage based on the supply current, the voltage based on the inductance and the supply current, and the induced electromotive force of the electric actuator based on the movement amount of the diaphragm according to the deflection amount of the diaphragm, Calculate the estimated deflection.
次に、本発明の第5の発明は、流量を調節した流体を前記流体軸受に供給する上記第1の発明〜第4の発明のいずれか1つに係る可変絞りシステムと、前記可変絞りシステムに流体を圧送する流体圧送手段と、を有する、可変絞り型流体軸受である。 Next, according to a fifth aspect of the present invention, there is provided a variable throttle system according to any one of the first to fourth inventions, wherein a fluid whose flow rate is adjusted is supplied to the fluid bearing, and the variable throttle system. And a fluid pumping means for pumping fluid to the variable throttle type fluid bearing.
第1の発明によれば、応答性が低くて変化が発生するまでにある程度の遅れ時間が発生する実際の軸受隙間距離の代わりとなる予測軸受隙間距離を用いてフィードバック制御する。電動アクチュエータを制御して流体の流量を調節しても、被軸受部材(可動体)の質量が非常に大きい場合では、実際の軸受隙間距離は、ある程度の遅れ時間が経過した後に変化する。しかし、予測軸受隙間距離は、実際の軸受隙間距離ではなく、電動アクチュエータの制御状態に基づいて制御手段が算出する距離(いわゆるシミュレーションにて算出した距離)である。つまり、予測軸受隙間距離は、電動アクチュエータを制御して流体の流量を調節した後、遅れ時間を発生させることなく変化させることができる。従って、応答性をより向上させることができる可変絞りシステムを実現することができる。 According to the first aspect of the invention, feedback control is performed using the predicted bearing gap distance instead of the actual bearing gap distance in which a certain delay time is generated before the change occurs due to low responsiveness. Even if the flow rate of the fluid is adjusted by controlling the electric actuator, if the mass of the bearing member (movable body) is very large, the actual bearing gap distance changes after a certain delay time has elapsed. However, the predicted bearing clearance distance is not an actual bearing clearance distance but a distance calculated by the control means based on the control state of the electric actuator (a distance calculated by so-called simulation). That is, the predicted bearing gap distance can be changed without causing a delay time after the electric actuator is controlled to adjust the flow rate of the fluid. Therefore, it is possible to realize a variable aperture system that can further improve the responsiveness.
第2の発明によれば、第1の発明と同様、応答性が低くて変化が発生するまでにある程度の遅れ時間が発生する実際の軸受隙間距離の代わりとなる予測軸受隙間距離を用いてフィードバック制御する。また、推定したダイアフラムのたわみ量である推定たわみ量、または実際に検出したダイアフラムのたわみ量である実たわみ量と、たわみ量・軸受隙間距離特性と、に基づいて予測軸受隙間距離を算出することで、遅れ時間を発生させることなく、かつ適切に、予測軸受隙間距離を算出することができる。従って、応答性をより向上させることができる可変絞りシステムを実現することができる。 According to the second invention, similar to the first invention, feedback is performed using the predicted bearing gap distance instead of the actual bearing gap distance in which a certain delay time is generated until the change occurs due to low responsiveness. Control. Also, calculate the predicted bearing clearance distance based on the estimated deflection amount that is the estimated deflection amount of the diaphragm, or the actual deflection amount that is the actual deflection amount of the diaphragm, and the deflection amount / bearing gap distance characteristics. Thus, the predicted bearing clearance distance can be calculated appropriately without causing a delay time. Therefore, it is possible to realize a variable aperture system that can further improve the responsiveness.
第3の発明によれば、電動アクチュエータの抵抗値とインダクタンスと、電動アクチュエータへの印加電圧と、電動アクチュエータへの供給電流と、に基づいてダイアフラムの推定たわみ量を算出するので、より適切にダイアフラムの推定たわみ量を算出することができる。 According to the third aspect of the invention, since the estimated deflection amount of the diaphragm is calculated based on the resistance value and inductance of the electric actuator, the voltage applied to the electric actuator, and the supply current to the electric actuator, the diaphragm more appropriately. The estimated deflection amount can be calculated.
第4の発明によれば、より正確に、ダイアフラムの推定たわみ量を算出することができる。 According to the fourth aspect, the estimated deflection amount of the diaphragm can be calculated more accurately.
第5の発明によれば、応答性をより向上させることができる可変絞りシステムを備えた可変絞り型流体軸受を適切に実現することができる。 According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to appropriately realize a variable throttle type fluid bearing provided with a variable throttle system that can further improve the responsiveness.
以下、本発明の可変絞りシステム及び可変絞り型流体軸受の実施の形態を、図面を用いて順に説明する。
●[可変絞り型流体軸受を適用したテーブル送り装置1の全体構成(図1、図2)]
図1及び2は、本発明の可変絞りシステム及び可変絞り型流体軸受を適用したテーブル送り装置1の例を示している。テーブル送り装置1は、基台となるベース10(軸受部材に相当)、可動体であるテーブル20(被軸受部材に相当)、テーブル20に設けられた裏板21にて構成されている。そして、ベース10とテーブル20との対向面である軸受面には、複数のポケット31Pが設けられており、各ポケット31Pには(すなわち、流体軸受には)可変絞り手段30から、流量が調節された流体が供給されている。各可変絞り手段30には、ポンプ50(流体圧送手段に相当)から所定圧力(一定圧力)とされた流体が圧送されている。なお流体は、例えば作動油であるが、液体や気体であればよい。
Hereinafter, embodiments of a variable throttle system and a variable throttle type fluid bearing according to the present invention will be described in order with reference to the drawings.
● [Overall configuration of
1 and 2 show an example of a
●[可変絞りシステム2と可変絞り型流体軸受3の構成(図3)]
次に図3を用いて、可変絞りシステム2の構成と、可変絞り型流体軸受3の構成について説明する。可変絞りシステム2は、可変絞り手段30と、制御ユニット40と、にて構成されている。また可変絞り型流体軸受3は、ポケット31Pと、可変絞りシステム2と、ポンプ50と、にて構成されている。なお1台の可変絞り手段30には1台の制御ユニット40が対応付けられている。
● [Configuration of Variable Throttle System 2 and Variable Throttle Fluid Bearing 3 (FIG. 3)]
Next, the configuration of the variable throttle system 2 and the configuration of the variable throttle fluid bearing 3 will be described with reference to FIG. The variable aperture system 2 includes a variable aperture means 30 and a
可変絞り手段30(可変絞り装置)は、ハウジング31と、ダイアフラム部32と、電動アクチュエータ33と、変位検出手段34等を有しており、ベース10の軸受面に設けられた凹部に収容されている。なお変位検出手段34は省略されていてもよい。可変絞り手段30は、ポンプ50から圧送されてきた流体が供給され、後述するように、流量を調節した流体を流体軸受に供給する。
The variable aperture means 30 (variable aperture device) has a
ハウジング31は、ダイアフラム部32と電動アクチュエータ33と変位検出手段34とを収容しているケースである。ハウジング31におけるテーブル20と対向する面には、円環状あるいは多角形の環状となるように連続して突出した凸状部31Tと、凸状部31Tの内側に形成された凹部であるポケット31Pと、が設けられている。ポケット31Pの略中央部には、ポケット31Pとハウジング31の内部とを連通する貫通孔である吐出流路31Aが設けられている。吐出流路31Aにおけるポケット31Pの反対側には、ダイアフラム32Aと対向する絞り面31Cを有する流路部材31Bが、ダイアフラム32Aに向かって突出するように設けられている。絞り面31Cとダイアフラム32Aとの間には、絞り隙間距離Sを有する絞り隙間が形成されている。また、吐出流路31Aへの流体Qの入口となる開口部31Kと対向する位置には、ダイアフラム32Aの略中央部が配置されている。
The
ダイアフラム部32は、ダイアフラム32Aと、ダイアフラム32Aの縁部を支持する支持部材32Bと、にて構成されている。支持部材32Bは、ハウジング31に固定されている、あるいはハウジング31の一部である。ダイアフラム32Aは、例えばバネ材の鋼板で略円板形状とされた部材であり、縁部が支持部材32Bに支持されている。ダイアフラム32Aはハウジング31内の空間を、供給室35Aと貯留室35Bとに仕切っており、供給室35Aと貯留室35Bとの圧力差に応じてたわみ変形する。ポンプ50から所定圧力(一定圧力)にて圧送されてきた流体Qは、図3中に一点鎖線にて示すように、貯留室35Bと供給室35Aに流れ込み、供給室35Aに流れ込んだ流体Qは、絞り隙間距離Sの絞り隙間を経由して吐出流路31Aに流れ込む。そして吐出流路31Aに流れ込んだ流体Qは、吐出流路31Aからポケット31Pへと吐出され、テーブル20を軸受隙間距離Hだけ浮上させる。またダイアフラム32Aの略中央部には、連結部材33Bの一方端が固定されている。
The
電動アクチュエータ33は、固定部である永久磁石33Fと、図3中において上下方向に往復移動する可動部33Vと、にて構成されている。可動部33Vは、コイル33Cと、駆動ベース33Aと、連結部材33Bと、にて構成されている。連結部材33Bは、一方端がダイアフラム32Aの略中央部に固定されており、他方端は駆動ベース33Aに固定されている。駆動ベース33Aは、連結部材33Bとコイル33Cとの接続を仲介する部材であり、例えば円板状に形成され、一方の面には連結部材33Bの他方端が固定され、他方の面にはコイル33Cが固定されている。コイル33Cは、永久磁石33Fの周囲を周回するように巻回された導電線にて略円筒状に形成されている。コイル33Cは制御ユニット40から供給された電流に応じて、図3中において上下方向に往復移動可能である。コイル33Cが上方に移動した場合は、駆動ベース33A及び連結部材33Bを介してダイアフラム32Aは上方向に押し上げられ、ダイアフラム32Aは上方向に凸となるようにたわみ変形する。コイル33Cが下方に移動した場合は、駆動ベース33A及び連結部材33Bを介してダイアフラム32Aは下方向に引張られ、ダイアフラム32Aは下方向に凸となるようにたわみ変形する。このように、電動アクチュエータ33は、ダイアフラム32Aをたわみ変形させることで絞り隙間距離Sを調節して、流体の流量を調節する。
The
変位検出手段34は、例えば変位センサであり、駆動ベース33Aに設けられ、支持部材32Bまでの距離Dに関する検出信号を制御手段に出力する。制御手段は、変位検出手段34からの検出信号に基づいて、駆動ベース33Aから支持部材32Bまでの変位量を検出することができる。すなわち、制御手段は、変位検出手段34からの検出信号に基づいて、ダイアフラム32Aの実際のたわみ量である実たわみ量を検出することができる。なお、後述するように、変位検出手段34を省略して、制御手段による演算によって推定したダイアフラム32Aのたわみ量である推定たわみ量を算出するようにしてもよい。
The displacement detection means 34 is, for example, a displacement sensor, and is provided on the
制御ユニット40(制御装置)は、駆動回路42と、端子44A及び44Bと、電流検出手段45と、記憶手段43と、制御手段41等にて構成されている。
The control unit 40 (control device) includes a
駆動回路42は、コイル33Cへの電流を供給する回路であり、制御手段41からの制御信号に基づいて、端子44Aからコイル33Cを経由して端子44Bへと流れる電流を出力する。端子44Aとコイル33Cの一方端、端子44Bとコイル33Cの他方端、がそれぞれ導電線にて接続されている。端子44Aの電圧である電圧Vaは、図示しない電圧検出手段(電圧検出回路)を介して制御手段41にて検出され、端子44Bの電圧である電圧Vbは、図示しない電圧検出手段(電圧検出回路)を介して制御手段41にて検出される。従って、制御手段41は、電圧Va−電圧Vbを算出することで、コイル33Cの両端に印加されている電圧である印加電圧Eを算出することができる(印加電圧E=電圧Va−電圧Vb)。
The
端子44Aからコイル33Cに供給された供給電流iは、端子44Bに戻った後、電流検出手段45(電流検出回路)を経由してアースへと流れる。電流検出手段45は、例えば抵抗値(r)が予めわかっているシャント抵抗であり、制御手段41は、電流検出手段45の電圧Viを検出し、検出した電圧Viと、電流検出手段45の抵抗値(r)と、に基づいて、コイル33Cに供給している供給電流iを算出することができる(供給電流i=電圧Vi/抵抗値r)。
The supply current i supplied from the terminal 44A to the
記憶手段43(記憶装置)は、例えばFlash ROM等の記憶装置である。記憶手段43には、コイル33Cの電気的特性や、ダイアフラム32Aのたわみ量(移動速度)に応じた誘導起電圧を求める際の比例定数K(詳細は後述する)の値や、たわみ量・軸受隙間距離特性(詳細は後述する)や、制御プログラム等が記憶されている。また記憶手段43に記憶されているコイル33Cの電気的特性は、例えばコイル33Cの抵抗値やインダクタンスである。
The storage means 43 (storage device) is a storage device such as a Flash ROM. The storage means 43 stores the electric constant of the
制御手段41は、例えばCPUであり、記憶手段43から読み出した制御プログラムに基づいて、後述する処理手順の処理を実行する。制御手段41は、図示省略した電圧検出手段から電圧Vaや電圧Vbの検出信号を受け取り、受け取った検出信号に基づいて、電圧Vaや電圧Vbを算出する。また制御手段41は、変位検出手段34からの検出信号に基づいて、ダイアフラム32Aの実際のたわみ量である実たわみ量を算出する。また制御手段41は、上述したように、電圧Vaと電圧Vbに基づいた印加電圧E、供給電流iを検出し、これらと、記憶手段43に記憶されている電気的特性と、に基づいて推定したダイアフラム32Aのたわみ量である推定たわみ量を算出する。また軸受隙間距離Hの目標である目標距離は、制御ユニット40の外部の制御装置から制御手段41に入力されるように構成されていてもよいし、記憶手段43に予め記憶されているようにしてもよい。
The
●[制御手段41の処理(図4〜図6)]
次に図4に示すフローチャートを用いて、制御手段41の処理手順の例について説明する。例えば制御手段41は、所定時間間隔(1[ms]毎等)にて図4に示す処理を起動する。
[Processing of control means 41 (FIGS. 4 to 6)]
Next, an example of the processing procedure of the control means 41 will be described using the flowchart shown in FIG. For example, the control means 41 activates the process shown in FIG. 4 at a predetermined time interval (every 1 [ms] or the like).
ステップS10にて制御手段41は、目標とする軸受隙間距離Hである目標距離を取得してステップS20に進む。なお、目標距離は、制御ユニット40とは別の制御装置から通信等にて取得してもよいし、予め記憶手段43に一定値の目標距離が記憶されていてもよい。
In step S10, the control means 41 acquires a target distance which is a target bearing gap distance H, and proceeds to step S20. Note that the target distance may be acquired by communication or the like from a control device different from the
ステップS20にて制御手段41は、印加電圧E、供給電流iを検出し、ステップS30に進む。制御手段41は、上述したように、図3に示す電圧Vaと電圧Vbを検出し、[電圧Va−電圧Vb]から印加電圧Eを求める。また制御手段41は、図3に示す電圧Viを検出し、[電圧Vi/電流検出手段45の抵抗値r]から供給電流iを求める。 In step S20, the control means 41 detects the applied voltage E and the supply current i, and proceeds to step S30. As described above, the control means 41 detects the voltage Va and the voltage Vb shown in FIG. 3, and obtains the applied voltage E from [Voltage Va−Voltage Vb]. Further, the control means 41 detects the voltage Vi shown in FIG. 3, and obtains the supply current i from [voltage Vi / resistance value r of the current detection means 45].
ステップS30にて制御手段41は、推定したダイアフラムのたわみ量である推定たわみ量を算出して、または変位検出手段からの検出信号に基づいた実際のダイアフラムのたわみ量である実たわみ量を検出して、ステップS40に進む。なお推定たわみ量の算出手順については、図5を用いて以下に詳細を説明する。 In step S30, the control means 41 calculates an estimated deflection amount that is the estimated deflection amount of the diaphragm, or detects an actual deflection amount that is an actual diaphragm deflection amount based on a detection signal from the displacement detection means. Then, the process proceeds to step S40. The calculation procedure of the estimated deflection amount will be described in detail below with reference to FIG.
[推定たわみ量の算出手順]
図5は、図3に示す電動アクチュエータ33におけるコイル33Cの等価回路を示している。コイル33Cは、図3に示すように、端子44Aと端子44Bとの間に接続され、端子44Aから供給電流iが供給されている。また端子44Aと端子44Bとの間の電圧は、印加電圧Eである(図3参照)。コイル33Cの等価回路は、図5に示すように、電機子抵抗値Rを有する抵抗33CRと、(電機子)インダクタンスLを有するコイル33CLと、が直列に接続された回路とみなすことができる。ここで、抵抗33CRに印加されている電圧は、電機子抵抗値Rと供給電流iの積(=R*i)で表すことができる。またコイル33CLに印加されている電圧は、(電機子)インダクタンスLと単位時間あたりの供給電流iの変化量の積(=L*di/dt)で表すことができる。またコイル33Cが動作した場合、ダイアフラムのたわみ量に相当するコイル33Cの移動量(移動速度)に基づいた誘導起電圧eが発生する。従って、図5に示すように、以下の(式1)が成立する。
E=[R*i]+[L*di/dt]+e (式1)
[Procedure for Estimating Deflection]
FIG. 5 shows an equivalent circuit of the
E = [R * i] + [L * di / dt] + e (Formula 1)
ここで、誘導起電圧eは、比例定数Kと、単位時間あたりのコイルの位置xの変化量の積(=K*dx/dt)で表すことができる。これを(式1)に代入して、以下の(式2)を得ることができる。なお、xは、図3における上下方向の移動量であり、比例定数Kは、予めわかっているものとする。
E=[R*i]+[L*di/dt]+[K*dx/dt] (式2)
Here, the induced electromotive voltage e can be expressed by a product (= K * dx / dt) of a proportionality constant K and a change amount of the coil position x per unit time. By substituting this into (Equation 1), the following (Equation 2) can be obtained. Note that x is the amount of movement in the vertical direction in FIG. 3, and the proportionality constant K is assumed to be known in advance.
E = [R * i] + [L * di / dt] + [K * dx / dt] (Formula 2)
さらに、過渡現象論より、電流の時間微分であるdi/dt=(d/dt)*i=siに置き換え、位置の時間微分であるdx/dt=(d/dt)*x=sxと置き換えると、上記の(式2)は、以下の(式3)で表すことができる。
E=[R*i]+[L*si]+[K*sx] (式3)
Further, from the transient phenomenon theory, it is replaced with di / dt = (d / dt) * i = si which is a time derivative of current, and dx / dt = (d / dt) * x = sx which is a time derivative of position. The above (Formula 2) can be expressed by the following (Formula 3).
E = [R * i] + [L * si] + [K * sx] (Formula 3)
上記の(式3)を整理すると、以下の(式4)を得ることができる。(式4)において、xは推定たわみ量に相当している。上記のとおり、Rは記憶手段に記憶されているコイル33Cの(電機子)抵抗値であり、Lは記憶手段に記憶されているコイル33Cの(電機子)インダクタンスである。また印加電圧Eは図3に示すように電圧Vaと電圧Vbから求めることが可能であり、供給電流iは図3に示す電圧Viと電流検出手段45の抵抗値r(記憶手段に記憶されている)から求めることができる。従って、制御手段41は、(式4)を用いることで、ダイアフラムの推定たわみ量(=x)を算出することができる。
x=[E−(R+sL)i]/[sK] (式4)
By arranging the above (Equation 3), the following (Equation 4) can be obtained. In (Expression 4), x corresponds to the estimated deflection amount. As described above, R is the (armature) resistance value of the
x = [E- (R + sL) i] / [sK] (Formula 4)
図4のフローチャートに戻り、ステップS40にて制御手段41は、ステップS30にて算出したダイアフラムの推定たわみ量、または検出したダイアフラムの実たわみ量と、記憶手段に記憶されているたわみ量・軸受隙間距離特性と、に基づいて、予測した軸受隙間距離である予測軸受隙間距離を算出し、ステップS50に進む。 Returning to the flowchart of FIG. 4, in step S40, the control means 41 determines the estimated deflection amount of the diaphragm calculated in step S30 or the detected actual deflection amount of the diaphragm, and the deflection amount / bearing gap stored in the storage means. Based on the distance characteristics, a predicted bearing gap distance, which is a predicted bearing gap distance, is calculated, and the process proceeds to step S50.
ここで、図6を用いて、たわみ量・軸受隙間距離特性について説明する。例えばたわみ量・軸受隙間距離特性は、横軸がたわみ量(推定たわみ量または実たわみ量)で、縦軸が軸受隙間距離とされたグラフ(マップとも呼ぶ)である。このたわみ量・軸受隙間距離特性は、例えば図1及び2に示した実際のテーブル送り装置1を用いて、たわみ量を種々の値に設定して、各たわみ量のときにおける軸受隙間距離を実際に測定して作成する。あるいは、テーブル送り装置1の仮想モデルをシミュレーションして作成する。あるいは、予めわかっている種々の特性(ポケットへ印加した圧力に対するたわみ量を示すグラフや、ポケットへ印加した圧力に対する軸受隙間距離を示すグラフ等)から作成してもよい。たわみ量・軸受隙間距離特性の作成方法については、特に限定しない。制御手段41は、図6に示すたわみ量・軸受隙間距離特性と、ステップS30にて算出した推定たわみ量、または検出した実たわみ量と、を用いて、推定たわみ量(または実たわみ量)に対応する軸受隙間距離を求め、求めた軸受隙間距離を予測軸受隙間距離とする。このように、制御手段41は、電動アクチュエータの制御状態に基づいて、予測軸受隙間距離を算出する。
Here, the deflection amount / bearing gap distance characteristics will be described with reference to FIG. For example, the deflection amount / bearing gap distance characteristic is a graph (also referred to as a map) in which the horizontal axis is the deflection amount (estimated deflection amount or actual deflection amount) and the vertical axis is the bearing gap distance. This deflection amount / bearing gap distance characteristic is obtained by setting the deflection amount to various values using, for example, the
ステップS50にて制御手段41は、ステップS10にて取得した目標距離と、ステップS40にて求めた予測軸受隙間距離と、の偏差を算出してステップS60に進む。なお偏差=目標距離−予測軸受隙間距離である。 In step S50, the control means 41 calculates a deviation between the target distance acquired in step S10 and the predicted bearing gap distance obtained in step S40, and the process proceeds to step S60. Deviation = target distance-predicted bearing clearance distance.
ステップS60にて制御手段41は、偏差に基づいた制御量(電流)を算出し、ステップS70に進む。なお制御量の算出方法は、特に限定しない。 In step S60, the control means 41 calculates a control amount (current) based on the deviation, and proceeds to step S70. Note that the control amount calculation method is not particularly limited.
ステップS70にて制御手段41は、制御量(電流)に応じた制御信号(例えば制御量と電源電圧に対応させたPWM[Pulse Width Modulation;パルス幅変調]信号)の出力を開始して処理を終了する。 In step S70, the control means 41 starts output of a control signal (for example, a PWM [Pulse Width Modulation] signal corresponding to the control amount and the power supply voltage) corresponding to the control amount (current) and performs processing. finish.
以上、本実施の形態にて説明したように、制御手段41は、図3に示す実際の軸受隙間距離Hを検出することなく、制御手段41にて算出した予測軸受隙間距離が、目標距離となるように電動アクチュエータのコイルへ供給する電流をフィードバック制御する。従って、質量が非常に大きくて実際の軸受隙間距離が変化するまでの遅れ時間が大きい場合であっても、質量に関係なく瞬時に変化する予測軸受隙間距離を用いるので、応答性をより向上させることができる。このため、実際の軸受隙間距離が目標距離となるようにフィードバック制御した場合と比較して、動剛性を大幅に向上させることができる。
As described above, the
本発明の可変絞りシステム及び可変絞り型流体軸受の構成、構造、形状等、及び制御手段の処理手順等は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば制御手段の処理手順は、図4に示すフローチャートに限定されるものではない。また本実施の形態の説明では、ベース10の軸受面に可変絞り手段30を設けた例を説明したが、テーブル20の軸受面に可変絞り手段30を設けるようにしてもよい。
Various changes, additions, and deletions can be made to the configuration, structure, shape, and the like of the variable throttle system and variable throttle fluid bearing of the present invention without departing from the spirit of the present invention. For example, the processing procedure of the control means is not limited to the flowchart shown in FIG. In the description of the present embodiment, the example in which the variable throttle means 30 is provided on the bearing surface of the
本実施の形態にて説明した可変絞りシステム及び可変絞り型流体軸受は、テーブル送り装置に限定されず、種々の装置に適用可能である。例えば軸受面が平面ではなく円筒面である工作機械の主軸等にも、本実施の形態にて説明した可変絞りシステム及び可変絞り型流体軸受を適用することが可能である。 The variable throttle system and variable throttle type fluid bearing described in the present embodiment are not limited to the table feeding device, and can be applied to various devices. For example, the variable throttle system and variable throttle type fluid bearing described in this embodiment can be applied to a spindle of a machine tool whose bearing surface is not a flat surface but a cylindrical surface.
また本実施の形態にて説明した流体軸受は、静圧軸受を含む。 The fluid dynamic bearing described in this embodiment includes a hydrostatic bearing.
1 テーブル送り装置
2 可変絞りシステム
3 可変絞り型流体軸受
10 ベース(軸受部材)
20 テーブル(被軸受部材)
21 裏板
30 可変絞り手段
31 ハウジング
31A 吐出流路
31B 流路部材
31C 絞り面
31K 開口部
31P ポケット
32 ダイアフラム部
32A ダイアフラム
32B 支持部材
33 電動アクチュエータ
33A 駆動ベース
33B 連結部材
33C コイル
33F 永久磁石
34 変位検出手段
35A 供給室
35B 貯留室
40 制御ユニット
41 制御手段
42 駆動回路
43 記憶手段
44A、44B 端子
45 電流検出手段
50 ポンプ(流体圧送手段)
D 距離
H 軸受隙間距離
S 絞り隙間距離
DESCRIPTION OF
20 Table (bearing member)
21
D Distance H Bearing clearance distance S Diaphragm clearance distance
Claims (5)
圧送されてきた流体が供給され、流量を調節した流体を前記流体軸受に供給し、流体の流量を調節する電動アクチュエータを備えた可変絞り手段と、
前記電動アクチュエータを駆動する駆動回路と、
前記駆動回路を介して前記電動アクチュエータを制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記軸受隙間距離の実際の距離を検出することなく、前記電動アクチュエータの制御状態に基づいて、予測した軸受隙間距離である予測軸受隙間距離を算出し、
算出した前記予測軸受隙間距離が、目標距離となるように、前記電動アクチュエータをフィードバック制御する、
可変絞りシステム。 A variable throttle system that adjusts the flow rate of the fluid that has been pumped, supplies the fluid whose flow rate has been adjusted to the fluid bearing, and floats the bearing member from the bearing member by a bearing clearance distance,
A variable throttle means provided with an electric actuator that is supplied with a pumped fluid and supplies a fluid whose flow rate is adjusted to the fluid bearing and adjusts the flow rate of the fluid;
A drive circuit for driving the electric actuator;
Control means for controlling the electric actuator via the drive circuit,
The control means includes
Without detecting the actual distance of the bearing gap distance, based on the control state of the electric actuator, calculate a predicted bearing gap distance that is a predicted bearing gap distance;
Feedback control of the electric actuator so that the calculated predicted bearing gap distance becomes a target distance;
Variable aperture system.
圧送されてきた流体が供給され、流量を調節した流体を前記流体軸受に供給し、流体の流量を調節する電動アクチュエータを備えた可変絞り手段と、
前記電動アクチュエータを駆動する駆動回路と、
前記駆動回路を介して前記電動アクチュエータを制御する制御手段と、
記憶手段と、を有し、
前記可変絞り手段は、
前記流体軸受へ供給する流体を吐出する吐出流路と、
前記吐出流路への流体の入口となる開口部と対向する位置に配置され、たわみ変形することで前記開口部との間に形成される絞り隙間距離を可変とするダイアフラムと、
前記制御手段からの制御信号に基づいて前記ダイアフラムをたわみ変形させる前記電動アクチュエータと、を有し、
前記記憶手段には、
前記ダイアフラムのたわみ量に対する前記軸受隙間距離を示す、たわみ量・軸受隙間距離特性と、前記電動アクチュエータの電気的特性と、が記憶されており、
前記制御手段は、
前記記憶手段に記憶されている前記電気的特性と、前記駆動回路に設けられた電圧検出手段を用いて計測した前記電動アクチュエータに印加されている電圧である印加電圧と、前記駆動回路に設けられた電流検出手段を用いて計測した前記電動アクチュエータに供給されている電流である供給電流と、に基づいて、推定した前記ダイアフラムのたわみ量である推定たわみ量を算出し、あるいは、前記ダイアフラムに設けられたたわみ量検出手段を用いて実際の前記ダイアフラムのたわみ量である実たわみ量を検出し、
前記推定たわみ量または前記実たわみ量と、前記記憶手段に記憶されているたわみ量・軸受隙間距離特性と、に基づいて、予測した軸受隙間距離である予測軸受隙間距離を算出し、
算出した前記予測軸受隙間距離が、目標距離となるように、前記電動アクチュエータをフィードバック制御する、
可変絞りシステム。 A variable throttle system that adjusts the flow rate of the fluid that has been pumped, supplies the fluid whose flow rate has been adjusted to the fluid bearing, and floats the bearing member from the bearing member by a bearing clearance distance,
A variable throttle means provided with an electric actuator that is supplied with a pumped fluid and supplies a fluid whose flow rate is adjusted to the fluid bearing and adjusts the flow rate of the fluid;
A drive circuit for driving the electric actuator;
Control means for controlling the electric actuator via the drive circuit;
Storage means,
The variable aperture means includes
A discharge flow path for discharging a fluid supplied to the fluid bearing;
A diaphragm that is disposed at a position facing an opening that serves as an inlet for fluid to the discharge flow path, and that can be flexibly deformed so that a diaphragm gap distance formed between the opening and the opening is variable.
The electric actuator for flexibly deforming the diaphragm based on a control signal from the control means;
In the storage means,
The deflection amount / bearing gap distance characteristic indicating the bearing gap distance with respect to the deflection amount of the diaphragm, and the electrical characteristics of the electric actuator are stored,
The control means includes
The electrical characteristics stored in the storage means, an applied voltage which is a voltage applied to the electric actuator measured using voltage detection means provided in the drive circuit, and provided in the drive circuit An estimated deflection amount, which is an estimated deflection amount of the diaphragm, based on a supply current which is a current supplied to the electric actuator measured using the current detection means, or provided in the diaphragm The actual deflection amount, which is the actual deflection amount of the diaphragm, is detected using the deflection amount detection means provided,
Based on the estimated deflection amount or the actual deflection amount and the deflection amount / bearing gap distance characteristic stored in the storage means, a predicted bearing gap distance that is a predicted bearing gap distance is calculated,
Feedback control of the electric actuator so that the calculated predicted bearing gap distance becomes a target distance;
Variable aperture system.
前記記憶手段に記憶されている前記電気的特性は、前記電動アクチュエータの抵抗値と、前記電動アクチュエータのインダクタンスと、である、
可変絞りシステム。 The variable aperture system according to claim 2,
The electrical characteristics stored in the storage means are a resistance value of the electric actuator and an inductance of the electric actuator.
Variable aperture system.
前記制御手段は、前記推定たわみ量を算出する際、前記印加電圧と、前記抵抗値と前記供給電流に基づいた電圧と、前記インダクタンスと前記供給電流に基づいた電圧と、前記ダイアフラムのたわみ量に応じた前記ダイアフラムの移動量に基づいた前記電動アクチュエータの誘導起電圧と、に基づいて、前記推定たわみ量を算出する、
可変絞りシステム。 The variable aperture system according to claim 3,
When calculating the estimated deflection amount, the control means sets the applied voltage, the voltage based on the resistance value and the supply current, the voltage based on the inductance and the supply current, and the deflection amount of the diaphragm. The estimated deflection amount is calculated based on the induced electromotive force of the electric actuator based on the movement amount of the diaphragm in response.
Variable aperture system.
前記可変絞りシステムに流体を圧送する流体圧送手段と、を有する、
可変絞り型流体軸受。
The variable throttle system according to any one of claims 1 to 4, wherein a fluid whose flow rate is adjusted is supplied to the fluid bearing.
Fluid pumping means for pumping fluid to the variable throttle system;
Variable throttle type fluid bearing.
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