JP2017030120A - 主軸ヘッド昇降装置および工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】静止時および駆動時の圧力変動を低減し、圧力変動を抑制するための消費電流を低減できる電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置および工作機械を提供する。【解決手段】工作機械の主軸ヘッドを昇降させる電動式駆動機構と、主軸ヘッドの重量を負担するバランスシリンダ４４と、バランスシリンダ４４の圧力を制御する圧力調整装置４６とを備えた主軸ヘッド昇降装置であって、圧力調整装置４６は、加圧ガス源である空気供給源４５からの加圧ガスの圧力を安定化させる圧力レギュレータ７０と、圧力レギュレータ７０で安定化された加圧ガスの圧力を調整する主サーボ弁８０と、これらを制御する制御装置９０とを有し、制御装置９０の主サーボ弁制御部９２は、バランスシリンダ４４の現在位置に基づいて主サーボ弁８０のフィードフォワード制御を行うＦＦ制御部を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、主軸ヘッド昇降装置および工作機械に関する。詳しくは、主軸ヘッドを昇降させる電動式駆動機構と、主軸ヘッドの重量を負担するバランスシリンダとを有する、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置、および、この主軸ヘッド昇降装置を備えた工作機械に関する。

工作機械においては、主軸ヘッドを昇降させる主軸ヘッド昇降装置が用いられる。
従来、主軸ヘッドの昇降には、主に電動モータを含む駆動機構が利用されていた。
近年、電動モータによる駆動機構と並列にエアシリンダを追加し、主軸ヘッドの重量をエアシリンダで負担するようにした、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置が開発されている。

例えば、工作機械において、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、電動式駆動機構においては、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（特許文献１参照）。

特許文献１において、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、制御回路内の圧力が所定の圧力に維持される。
ところが、特許文献１のようなバランス装置では、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。

これに対し、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工作機械が提案されている（特許文献２参照）。
特許文献２においては、バランスシリンダの圧力制御にあたり、流量制御つきの圧力レギュレータを用い、圧力のフィードバック制御の内側で流量のフィードバック制御を行うことで、きわめて高い精度と応答性を実現している。

このような流量および圧力の二重のフィードバックによりサーボ弁を制御する圧力レギュレータでは、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。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。

特開平５−１３８４１９号公報 特開２０１３−９９８１６号公報

しかし、前述した特許文献２のように、バランスシリンダを制御する圧力レギュレータとして、流量および圧力の二重のフィードバックによりサーボ弁を制御する圧力レギュレータを用いる場合、極めて精密で高い応答性が得られる反面、バランスシリンダにおける静止時の圧力変動が大きくなる場合があった。

これは、静止状態では基本的に圧力の加減つまり空気の流入が行われないため、二重のフィードバックのうち内側にある流量のループは機能しない。その結果、外側の圧力のフィードバックだけの旧来の制御と同様となり、圧力変動に対する精度および応答性が十分に得られなくなることによる。

さらに、静止状態では圧力のフィードバックだけになるため、バランスシリンダの停止位置が目標位置からずれた状態でバランスと判断されることがある。このような目標位置とのずれが生じた場合、本来バランスシリンダで補助すべき電動式駆動機構によって、目標位置に復帰させるための補正を行う必要が生じる。
つまり、所期の停止位置を維持するために、無駄な電流を供給し続ける必要があり、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置として望ましいものではなかった。

本発明の目的は、静止時および駆動時の圧力変動を低減し、圧力変動を抑制するための消費電流を低減できる電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置および工作機械を提供することにある。

本発明の主軸ヘッド昇降装置は、工作機械の主軸ヘッドを昇降させる電動式駆動機構と、前記主軸ヘッドの重量を負担するバランスシリンダと、前記バランスシリンダの圧力を制御する圧力調整装置とを備えた主軸ヘッド昇降装置であって、前記圧力調整装置は、加圧ガス源からの加圧ガスの圧力を安定化させる圧力レギュレータと、前記圧力レギュレータで安定化された加圧ガスの圧力を調整する主サーボ弁と、前記圧力レギュレータおよび前記主サーボ弁を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記主サーボ弁を制御する主サーボ弁制御部を有し、前記主サーボ弁制御部は、前記バランスシリンダの現在位置に基づいて前記主サーボ弁のフィードフォワード制御を行うＦＦ制御部を備えていることを特徴とする。

このような本発明では、主サーボ弁により基本的なバランスシリンダの圧力制御が行われる。主サーボ弁の制御は、制御装置の主サーボ弁制御部のＦＦ制御部により、バランスシリンダの現在位置に基づくフィードフォワード制御によって行われる。
すなわち、バランスシリンダを含む系をモデル化しておき、バランスシリンダの現在位置に応じて予め設定しておいた制御量を用いるため、バランスシリンダの現在圧力を参照するフィードバック制御のような圧力変動を回避することができる。

さらに、主サーボ弁に供給される加圧ガスは、加圧ガス源から直接ではなく、圧力レギュレータで圧力を安定化させておくため、バランスシリンダを含む系のモデル化による主サーボ弁のフィードフォワード制御を行う際に、その前提となる圧力条件を正確に再現することができる。そして、主サーボ弁として高応答性および高精度を有するサーボ弁、例えばノズルフラッパ弁を用いることで、フィードフォワード制御の精度を更に向上することができる。
これらにより、静止時および駆動時の圧力変動を低減することができ、圧力変動の低減により電動式駆動装置による補正が必要なくなり、停止時の消費電流を低減できる。
なお、本発明の主サーボ弁としては、十分な応答性を持つ空気圧サーボ弁であれば用いることができ、前述したノズルフラッパ弁のほか、例えば、数百Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度の高い動特性をもつスプール弁やダイヤフラム弁を利用してもよい。

本発明の主軸ヘッド昇降装置において、前記主サーボ弁制御部は、前記バランスシリンダの目標圧力と前記バランスシリンダの現在圧力のフィードバックとに基づいて比例積分制御を行うＰＩ制御部と、前記目標圧力と前記現在圧力との関係から前記ＰＩ制御部の有効無効を切り替える制御切換部と、を備えていることが望ましい。

本発明において、制御切換部の切換条件としては、バランスシリンダの現在圧力が目標圧力より低い場合、または低いか等しい場合とすることができる。
このような本発明では、フィードフォワード制御だけではバランスシリンダの現在圧力が不足する状態のとき、ＰＩ制御部による比例積分制御を行うことで加圧ガスの追加供給を行うことができる。

すなわち、フィードフォワード制御だけではバランスシリンダの現在圧力が不足する状態では、バランスシリンダの現在圧力が不足する分、主軸ヘッドを支えきれず、目標位置より下がってしまう。このような場合、電動式駆動機構による補助を行い、バランスシリンダを押し上げることで、バランスシリンダを目標位置に維持する必要が生じる。
しかし、本発明では、ＰＩ制御部により加圧ガスの追加供給が行われ、バランスシリンダを目標位置に維持するためのバランスシリンダの現在圧力を回復することができ、電動式駆動機構による補助を解消することができる。

なお、フィードフォワード制御だけではバランスシリンダの現在圧力が過剰となる場合、バランスシリンダを押し下げるように電動式駆動機構で補助することになる。
このような場合、制御切換部の切換条件として、バランスシリンダの現在圧力が目標圧力より高い場合を追加し、電動式駆動機構による補助を解消すればよい。
ただし、フィードバック制御による圧力変動を回避するために、全ての圧力条件でＰＩ制御部が有効になることを避ける設定、例えばバランスシリンダが目標位置の近くにあるときにはフィードフォワード制御だけに切り換える等とすることが望ましい。

本発明の主軸ヘッド昇降装置において、前記主サーボ弁は、ノズルフラッパ弁であることが望ましい。
このような本発明では、主サーボ弁としてノズルフラッパ弁を用いることで、高応答性つまり動作の高速性と、高精度とを得ることができる。

本発明の主軸ヘッド昇降装置において、前記圧力レギュレータは、前記加圧ガス源からの加圧ガスの圧力を調整するサーボ弁と、前記サーボ弁からの加圧ガスの流量を検出する流量センサと、前記流量センサからの加圧ガスを一時貯留する等温チャンバと、前記等温チャンバからの加圧ガスの圧力を検出する圧力センサとを有し、前記制御装置は、前記流量センサからの流量値および前記圧力センサからの圧力値に基づく二重のフィードバックループにより前記圧力レギュレータの前記サーボ弁を制御する圧力レギュレータ制御部を有することが望ましい。

このような本発明では、主サーボ弁に導入される加圧ガスを、圧力レギュレータで一定の圧力に安定化させることができる。とくに、圧力レギュレータの制御を行う圧力レギュレータ制御部において、流量センサからの流量値および圧力センサからの圧力値に基づく二重のフィードバックループにより圧力レギュレータのサーボ弁を制御することで、高精度の圧力安定化を行うことができる。その結果、主サーボ弁におけるフィードフォワード制御を一層有効に機能させることができる。

本発明の工作機械は、前述した本発明の主軸ヘッド昇降装置を有することを特徴とする。
このような本発明の工作機械においては、前述した本発明の主軸ヘッド昇降装置で説明した通りの効果を得ることができる。

本発明によれば、静止時および駆動時の圧力変動を低減し、圧力変動を抑制するための消費電流を低減できる電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置および工作機械を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る工作機械を示す斜視図。 前記実施形態の主軸ヘッド昇降装置およびその周辺部分を示す側面図。 前記実施形態の圧力調整装置を示すブロック図。 前記実施形態の圧力レギュレータを示すブロック図。 前記実施形態の圧力レギュレータの制御を示すブロック線図。 前記実施形態の主サーボ弁を示すブロック図。 前記実施形態の主サーボ弁の制御を示すブロック線図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態は、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置を備えた工作機械に本発明を適用した例である。

〔工作機械１〕
図１において、工作機械１は、ワークＷが載置されるテーブル１３と、テーブル１３を支持するベース１０と、ベース１０およびテーブル１３を跨いで設けられた門型コラム２０と、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａに支持された主軸装置３０と、を有する。

テーブル１３とベース１０との間には、Ｘ軸ガイド機構１１およびＸ軸リニアモータ機構１２が設置され、テーブル１３はベース１０に対してＸ軸方向へ移動可能である。
Ｘ軸ガイド機構１１は、ベース１０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１０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。

主軸装置３０はサドル３３を有し、サドル３３と水平ビーム２０Ａとの間には、Ｙ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２が設置され、主軸装置３０は門型コラム２０に対してＹ軸方向へ移動可能である。
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。

主軸装置３０は、サドル３３の片側に主軸ヘッド４３を有し、反対側にバランスウエイト４７を有する。
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とを有する。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は電動モータによって構成されている。

〔主軸ヘッド昇降装置４０〕
主軸ヘッド４３をサドル３３に対して昇降させるために、主軸装置３０は主軸ヘッド昇降装置４０を備えている。
主軸ヘッド昇降装置４０は、電空ハイブリッド型とされ、Ｚ軸ガイド機構４１およびＺ軸リニアモータ機構４２（電動式駆動機構）を有するとともに、主軸ヘッド４３の重量を負担するバランスシリンダ４４、圧力調整装置４６および空気供給源４５を備えている。

主軸ヘッド４３とサドル３３との間には、Ｚ軸ガイド機構４１およびＺ軸リニアモータ機構４２が設置され、主軸ヘッド４３はサドル３３に対してＺ軸方向へ昇降駆動可能である。
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。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。

バランスシリンダ４４は、主軸ヘッド４３を挟んで両側に一対で配置され、Ｚ軸ガイド機構４１およびＺ軸リニアモータ機構４２と並列に設置されている。
一対のバランスシリンダ４４は、それぞれ上端がブラケット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。

バランスシリンダ４４は、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ものであり、ピストンで区画されたシリンダ本体４４Ａの下室には、圧力調整装置４６を介して、空気供給源４５からの加圧空気が供給されている。
バランスシリンダ４４においては、圧力調整装置４６および空気供給源４５から供給される加圧空気により、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に対して上向きに付与される。

このような主軸ヘッド昇降装置４０においては、圧力調整装置４６によりバランスシリンダ４４の圧力制御が行われる。
以下、本実施形態の主軸ヘッド昇降装置４０におけるバランスシリンダ４４の圧力制御について説明する。

〔圧力調整装置４６〕
図３において、圧力調整装置４６は、空気供給源４５（加圧ガス源）からの加圧空気（加圧ガス）の圧力を安定化させる圧力レギュレータ７０と、圧力レギュレータ７０で安定化された加圧空気の圧力を調整する主サーボ弁８０と、圧力レギュレータ７０および主サーボ弁８０を制御する制御装置９０とを有する。
そして、制御装置９０は、圧力レギュレータ７０を制御する圧力レギュレータ制御部９１と、主サーボ弁８０を制御する主サーボ弁制御部９２と、バランスシリンダ４４の目標圧力Ｐｒｅｆを含む制御データを記憶する記憶部９３と、を備えている。

〔圧力レギュレータ７０〕
図３において、圧力レギュレータ７０は、主サーボ弁８０に導入される加圧空気を安定化させるものである。
図４において、圧力レギュレータ７０は、空気供給源４５（加圧ガス源）からの加圧空気（加圧ガス）の圧力を調整するサーボ弁７１と、サーボ弁７１からの空気の流量を検出する流量センサ７２と、流量センサ７２からの空気を一時貯留する等温チャンバ７３と、等温チャンバ７３からの空気の圧力を検出する圧力センサ７４とを有する。

等温チャンバ７３には、図示しないが、内部の空気の圧力微分値ｄＰ／ｄｔを検出する圧力微分計（圧力計および微分演算器との組み合わせを含む）が設置されている。
このような圧力レギュレータ７０としては、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。ただし、高速かつ精密に目標圧力を維持でき、主サーボ弁８０に導入される加圧空気を安定化させるのに十分な性能があれば、他の構成の圧力レギュレータを利用してもよい。

〔圧力レギュレータ制御部９１〕
図５に、圧力レギュレータ制御部９１における制御ブロック線図を示す。
圧力レギュレータ制御部９１は、二重のフィードバックループにより圧力レギュレータ７０を制御するものであり、圧力レギュレータ７０のサーボ弁７１に指令値Ｃｒを出力し、等温チャンバ７３を経て主サーボ弁８０へ送られる加圧空気を圧力Ｐｒに調節させる。

圧力レギュレータ制御部９１は、圧力センサ７４からの圧力Ｐｒをフィードバックする圧力ループ９１１と、流量センサ７２からの流入流量Ｇｉｎをフィードバックする流量ループ９１２とを有する。
圧力ループ９１１は、圧力レギュレータ制御部９１の主フィードバックループであり、目標圧力Ｐｒｅｆに対して、圧力センサ７４で検出される等温チャンバ７３から送り出される空気の圧力Ｐｒをフィードバックし、サーボ弁７１の比例積分制御を行う。
流量ループ９１２は、圧力ループ９１１の内側に設定され、サーボ弁７１から等温チャンバ７３に流入する空気の流入流量Ｇｉｎと、この流入流量Ｇｉｎと等温チャンバ７３内の空気の圧力微分値ｄＰ／ｄｔとに基づいて計算される等温チャンバ７３から流出する空気の流出流量Ｇｏｕｔとに基づいて、サーボ弁７１の比例積分制御を行う。

このような圧力レギュレータ制御部９１においては、圧力レギュレータ７０から主サーボ弁８０へ送られる加圧空気の圧力Ｐｒが目標圧力Ｐｒｅｆであるとき、サーボ弁７１は、等温チャンバ７３の流出口から流出する流出流量Ｇｏｕｔと、流入口から流入する流入流量Ｇｉｎ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４５からの空気の圧力Ｐｏが変動し、または、等温チャンバ７３からの空気の流出流量Ｇｏｕｔに変動が生じると、等温チャンバ７３の圧力が変化し、これに伴って圧力レギュレータ７０から主サーボ弁８０へ送られる加圧空気の圧力Ｐｒも変化し、目標圧力Ｐｒｅｆから外れる。
これに対し、圧力レギュレータ制御部９１は、二重のフィードバックループにより圧力レギュレータ７０のサーボ弁７１の開度を加減し、その開度に応じた流入流量Ｇｉｎで等温チャンバ７３へと空気を流入させる。これによって、等温チャンバ７３から主サーボ弁８０へ送られる加圧空気の圧力Ｐｒを目標圧力Ｐｒｅｆに復帰させることができる。

〔主サーボ弁８０〕
図３および図６において、主サーボ弁８０は、バランスシリンダ４４の圧力を直接制御するものである。
主サーボ弁８０は、高応答性つまり動作が高速で高精度のノズルフラッパ弁で構成される。このようなノズルフラッパ弁としては、例えばピーエスシー株式会社のノズルフラッパ型３方弁ＡＳ１１０−１３５（３５Ｌ）などが利用できる。
なお、主サーボ弁８０はノズルフラッパ弁に限らず、ノズルフラッパ弁と同様な高速性および高精度が得られるものであれば、他の形式のサーボ弁であってもよい。

〔主サーボ弁制御部９２〕
図６において、主サーボ弁制御部９２は、主サーボ弁８０を制御するものであり、主サーボ弁８０に指令値Ｃｓを出力し、主サーボ弁８０からバランスシリンダ４４へ送られる加圧空気を圧力Ｐｓに調節させる。
主サーボ弁制御部９２における制御は、主にフィードフォワード制御とされ、条件に応じて比例積分制御を組み合わせる構成とされている。
このために、主サーボ弁制御部９２は、ＦＦ制御部９２１と、ＰＩ制御部９２２と、制御切換部９２３と、を備えている。

ＦＦ制御部９２１は、バランスシリンダ４４の現在位置Ｘｃに基づいて、主サーボ弁８０のフィードフォワード制御を行う。
ＰＩ制御部９２２は、バランスシリンダ４４の目標圧力Ｐｒｅｆと、バランスシリンダ４４の現在圧力Ｐｃのフィードバックとに基づいて比例積分制御を行う。
制御切換部９２３は、目標圧力Ｐｒｅｆと現在圧力Ｐｃとの関係からＰＩ制御部９２２の有効無効を切り替える。

図７に、主サーボ弁制御部９２における制御ブロック線図を示す。
主サーボ弁制御部９２においては、基本的に、ＦＦ制御部９２１によるフィードフォワード制御が行われる。
まず、バランスシリンダ４４の圧力Ｐｃが目標圧力Ｐｒｅｆより大きい場合、制御切換部９２３はＰＩ制御部９２２を無効とする。その結果、主サーボ弁制御部９２は、ＦＦ制御部９２１のみによるフィードフォワード制御が行われる。
ＦＦ制御部９２１によるフィードフォワード制御は、バランスシリンダ４４の現在位置Ｘｃに基づくオープンループ制御であり、バランスシリンダ４４の圧力Ｐｃのフィードバックは参照されない。

一方、バランスシリンダ４４の圧力Ｐｃが目標圧力Ｐｒｅｆ以下の場合、制御切換部９２３はＰＩ制御部９２２を有効とする。その結果、主サーボ弁制御部９２は、ＦＦ制御部９２１によるフィードフォワード制御とともに、ＰＩ制御部９２２による比例積分制御が行われる。
すなわち、ＦＦ制御部９２１によるバランスシリンダ４４の現在位置Ｘｃに基づくフィードフォワード制御が行われるとともに、ＰＩ制御部９２２によりバランスシリンダ４４の圧力Ｐｃのフィードバックが参照され、比例積分制御が行われ、各々の制御出力が加算されて指令値Ｃｓとして主サーボ弁８０に送られる。
以上のような主サーボ弁制御部９２および主サーボ弁８０により、バランスシリンダ４４は目標圧力Ｐｒｅｆに基づく所期の圧力Ｐｃに制御することができる。

〔実施形態の効果〕
本実施形態によれば、以下に述べる効果が得られる。
本実施形態の主軸ヘッド昇降装置４０では、圧力調整装置４６の主サーボ弁８０により、バランスシリンダ４４の基本的な圧力制御が行われる。主サーボ弁８０の制御は、制御装置９０の主サーボ弁制御部９２のＦＦ制御部９２１により、バランスシリンダ４４の現在位置Ｘｃに基づくフィードフォワード制御によって行われる。
すなわち、バランスシリンダ４４を含む系をモデル化しておき、バランスシリンダ４４の現在位置に応じて予め設定しておいた制御量を用いるため、バランスシリンダ４４の現在圧力Ｐｃを参照するフィードバック制御のような圧力変動を回避することができる。

さらに、主サーボ弁８０に供給される加圧空気は、空気供給源４５から直接ではなく、圧力レギュレータ７０で圧力Ｐｒを安定化させておくため、バランスシリンダ４４を含む系のモデル化による主サーボ弁８０のフィードフォワード制御を行う際に、その前提となる圧力条件を正確に再現することができる。

そして、本実施形態では、主サーボ弁８０として高応答性および高精度を有するノズルフラッパ弁を用いることで、フィードフォワード制御の精度を更に向上することができる。
以上により、本実施形態においては、静止時および駆動時の圧力変動を低減することができ、圧力変動の低減により電動式駆動装置であるＺ軸リニアモータ機構４２による補正が必要なくなり、停止時の消費電流を低減することができる。

本実施形態では、主サーボ弁制御部９２にＦＦ制御部９２１を設けるとともに、ＰＩ制御部９２２および制御切換部９２３を設け、バランスシリンダ４４の現在圧力Ｐｃが目標圧力Ｐｒｅｆより低いか等しい場合、つまりＦＦ制御部９２１によるフィードフォワード制御だけでは、バランスシリンダ４４の現在圧力Ｐｃが不足する状態のとき、ＰＩ制御部９２２による比例積分制御を行うことで、バランスシリンダ４４に加圧空気を追加供給し、現在圧力Ｐｃを迅速に目標圧力Ｐｒｅｆまで復帰させることができる。

すなわち、バランスシリンダ４４の現在圧力Ｐｃが不足した状態では、バランスシリンダ４４で主軸ヘッド４３を支えきれず、現在位置Ｘｃが目標位置よりも下がってしまう。このような場合、Ｚ軸リニアモータ機構４２による補助を行い、バランスシリンダ４４を押し上げることで、バランスシリンダ４４を目標位置に維持する必要が生じる。
しかし、本実施形態では、ＰＩ制御部９２２により加圧空気の追加供給が行われ、これによりバランスシリンダ４４を目標位置に復帰させることができ、Ｚ軸リニアモータ機構４２による補助を解消し、そのための電流を低減することができる。

本実施形態では、圧力レギュレータ７０により、主サーボ弁８０に導入される加圧空気を一定の圧力に安定化させることができる。とくに、圧力レギュレータ７０の制御を行う圧力レギュレータ制御部９１において、流量センサ７２からの流入流量Ｇｉｎのフィードバック（流量ループ９１２）と、圧力センサ７４からの圧力Ｐｒのフィードバック（圧力ループ９１１）との二重のフィードバックループにより、圧力レギュレータ７０のサーボ弁７１を制御することで、高精度の圧力安定化を行うことができる。その結果、主サーボ弁８０におけるフィードフォワード制御を一層有効に機能させることができる。

〔変形例〕
本発明は、前述した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などは本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、制御切換部９２３がＰＩ制御部９２２を有効とする切換条件として、バランスシリンダ４４の現在圧力Ｐｃが目標圧力Ｐｒｅｆ以下、つまり低いか等しい場合としたが、等しい場合を含まなくてもよい。

一方、制御切換部９２３がＰＩ制御部９２２を有効とする切換条件として、バランスシリンダ４４の現在圧力Ｐｃが目標圧力Ｐｒｅｆ以上あるいは目標圧力Ｐｒｅｆより高い場合としてもよい。
例えば、ＦＦ制御部９２１によるフィードフォワード制御だけではバランスシリンダ４４の現在圧力Ｐｃが過剰となる場合、バランスシリンダ４４を押し下げるように電動式駆動機構で補助する必要が生じるが、現在圧力Ｐｃが目標圧力Ｐｒｅｆ以上あるいは目標圧力Ｐｒｅｆより高いときにＰＩ制御部９２２を有効とすることで、電動式駆動機構による補助を解消することができる。

本実施形態では、主サーボ弁８０としてノズルフラッパ弁を用いたが、高応答性つまり動作の高速性と、高精度とを得ることができるサーボ弁であれば、他の形式のサーボ弁、例えば、数百Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度の高い動特性をもつスプール弁やダイヤフラム弁を用いてもよい。

本実施形態では、主サーボ弁８０の流入圧力を安定化させるための圧力レギュレータ７０として、サーボ弁７１、流量センサ７２、等温チャンバ７３および圧力センサ７４を有する圧力レギュレータ７０を用い、圧力レギュレータ制御部９１において、流量ループ９１２と圧力ループ９１１との二重のフィードバックループを形成したが、このような圧力レギュレータ７０は本発明に必須ではなく、高精度の圧力安定化を行うことができる他の形式の圧力レギュレータで代替してもよい。

本発明は、主軸ヘッドを昇降させる電動式駆動機構と、主軸ヘッドの重量を負担するバランスシリンダとを有する、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置、および、この主軸ヘッド昇降装置を備えた工作機械に利用できる。

１…工作機械、１０…ベース、１１…Ｘ軸ガイド機構、１１Ａ…ガイドレール、１１Ｂ…スライド部材、１２…Ｘ軸リニアモータ機構、１２Ａ…マグネット、１２Ｂ…コイル、１３…テーブル、２０…門型コラム、２０Ａ…水平ビーム、２１…Ｙ軸ガイド機構、２１Ａ…ガイドレール、２１Ｂ…スライド部材、２２…Ｙ軸リニアモータ機構、２２Ａ…マグネット、２２Ｂ…コイル、３０…主軸装置、３３…サドル、４０…主軸ヘッド昇降装置、４１…Ｚ軸ガイド機構、４１Ａ…ガイドレール、４１Ｂ…スライド部材、４２…Ｚ軸リニアモータ機構、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、４４Ａ…シリンダ本体、４４Ｂ…ピストンロッド、４５…空気供給源、４６…圧力調整装置、４７…バランスウエイト、５１…主軸ヘッド本体、５２…主軸、５３…回転駆動源、５４…工具、５５…ブラケット、７０…圧力レギュレータ、７１…サーボ弁、７２…流量センサ、７３…等温チャンバ、７４…圧力センサ、８０…主サーボ弁、９０…制御装置、９１…圧力レギュレータ制御部、９１１…圧力ループ、９１２…流量ループ、９２…主サーボ弁制御部、９２１…ＦＦ制御部、９２２…ＰＩ制御部、９２３…制御切換部、９３…記憶部、Ｃｒ…指令値、Ｃｓ…指令値、Ｇｉｎ…流入流量、Ｇｏｕｔ…流出流量、Ｐｃ…バランスシリンダの現在圧力、Ｐｏ…空気供給源からの加圧空気の圧力、Ｐｒ…圧力レギュレータで安定化された空気の圧力、Ｐｒｅｆ…バランスシリンダの目標圧力、Ｐｓ…バランスシリンダに送られる加圧空気の圧力、Ｗ…ワーク、Ｘｃ…バランスシリンダの現在位置。

Claims (5)

1. 工作機械の主軸ヘッドを昇降させる電動式駆動機構と、前記主軸ヘッドの重量を負担するバランスシリンダと、前記バランスシリンダの圧力を制御する圧力調整装置とを備えた主軸ヘッド昇降装置であって、
   前記圧力調整装置は、加圧ガス源からの加圧ガスの圧力を安定化させる圧力レギュレータと、前記圧力レギュレータで安定化された加圧ガスの圧力を調整する主サーボ弁と、前記圧力レギュレータおよび前記主サーボ弁を制御する制御装置とを有し、
   前記制御装置は、前記主サーボ弁を制御する主サーボ弁制御部を有し、前記主サーボ弁制御部は、前記バランスシリンダの現在位置に基づいて前記主サーボ弁のフィードフォワード制御を行うＦＦ制御部を備えていることを特徴とする主軸ヘッド昇降装置。
2. 請求項１に記載した主軸ヘッド昇降装置において、
   前記主サーボ弁制御部は、前記バランスシリンダの目標圧力と前記バランスシリンダの現在圧力のフィードバックとに基づいて比例積分制御を行うＰＩ制御部と、前記目標圧力と前記現在圧力との関係から前記ＰＩ制御部の有効無効を切り替える制御切換部と、を備えていることを特徴とする主軸ヘッド昇降装置。
3. 請求項１または請求項２に記載した主軸ヘッド昇降装置において、
   前記主サーボ弁は、ノズルフラッパ弁であることを特徴とする主軸ヘッド昇降装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載した主軸ヘッド昇降装置において、
   前記圧力レギュレータは、前記加圧ガス源からの加圧ガスの圧力を調整するサーボ弁と、前記サーボ弁からの加圧ガスの流量を検出する流量センサと、前記流量センサからの加圧ガスを一時貯留する等温チャンバと、前記等温チャンバからの加圧ガスの圧力を検出する圧力センサとを有し、
   前記制御装置は、前記流量センサからの流量値および前記圧力センサからの圧力値に基づく二重のフィードバックループにより前記圧力レギュレータの前記サーボ弁を制御する圧力レギュレータ制御部を有することを特徴とする主軸ヘッド昇降装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載した主軸ヘッド昇降装置を有することを特徴とする工作機械。

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