JP2019089142A

JP2019089142A - 工作機械および工作機械の制御方法

Info

Publication number: JP2019089142A
Application number: JP2017217781A
Authority: JP
Inventors: 近藤　英二; Eiji Kondo; 英二近藤; 光成尾田; Mitsunari Oda
Original assignee: Kagoshima University NUC; Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Kagoshima University NUC; Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: JP7076697B2

Abstract

【課題】環境が変化しても、工作機械の送り装置の位置決め誤差が変化することがなく、また大きな加工負荷に対しても高い加工精度を維持できるようにすること。【解決手段】主軸２０の先端に取り付けた回転工具ＴとワークＷとを相対移動させる送り軸を有し、該回転工具でワークを加工する工作機械において、主軸の先端近傍に弾性変形部７２、９２を設けると共に、該弾性変形部よりも主軸の先端側に磁性部材１５６、１７６を配設し、該磁性部材に対面するように電磁石１５４、１７４を配設して、Ｘ軸、Ｙ軸送り装置の位置決め誤差に基づいて電磁石へ供給する電流を制御するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は工作機械の送り軸制御方法および該送り軸制御方法を実行する工作機械に関する。

工作機械では、加工指令を実行する間、工具経路のコーナ部、つまり同時に制御される２つの送り軸の少なくとも一方の送り方向が反転するとき、送り装置の部材間の摩擦力がステップ状に変化して加工面に所謂象限突起と称される加工痕を生じる。

特許文献１には、加工プログラムによる位置指令から、パルスコーダからのフィードバックパルスに基づいて求めたモータ位置を減じた値を累積して指令位置とモータ位置の第１の偏差とし、サーボモータの方向転換時に前記第１の偏差にバックラッシュ補正分を加算することにより位置指令を補正して象限突起を補正するようにした工作機械の送り装置のフルクローズド・ループ制御方法が記載されている。

特許文献２には、位置ループ制御系に学習コントローラを追加し、学習制御を行いながら繰り返し指令されるパターンを複数回繰り返し実行して、位置偏差が零に収束したときに、該学習制御によって得られた速度指令から位置指令を微分した微分値を差し引いて速度指令の補正データを求め、補正データに基づいて速度指令が補正して、象限突起の発生を防止するようにしたサーボモータの駆動制御装置が記載されている。

特許文献３には、微細加工用工具をワークに対してＸ軸、Ｙ軸方向に微動させるＸ、Ｙ微動駆動機構と、該Ｘ、Ｙ微動駆動機構を有する工作機械用アタッチメントをワークＷｎに対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に粗動させる粗動駆動部とを備えた工作機械が記載されている。

特開平０８−１７９８３１号公報特開２００４−２３４３２７号公報特開２００９−１６６２０２号公報

特許文献１、２の発明では、送り装置で送られるワークの重量が変化したり、工作機械が設置されている環境の温度や湿度等の変化によって、送り装置のボールねじとナットとの間の摩擦力やガイドレールと移動体のガイドブロックとの間の摩擦力が変化し、これによってサーボ制御の応答遅れが変化してしまう。その場合、予め格納していた補正データで送り装置の誤差を十分に補正することができずに、象限突起の発生を防止することはできなくなる問題がある。

また、特許文献３の発明では、Ｘ微動駆動機構は、主軸の先端にＸテーブルをＸガイドレールに沿って移動可能に取り付け、該ＸテーブルにＹテーブルをＹガイドレールに沿って移動可能に取り付け、ＸテーブルとＹテーブルの各々をリニアモータで駆動するようになっている。ＸテーブルおよびＹテーブルは主軸に対して浮動状態で取り付けられているので、加工負荷が大きくなると必然的にリニアモータも大きくなってしまい、微動駆動することができなくなる問題がある。特許文献３の発明でも、工作機械が設置されている環境の温度や湿度等の変化によって、ガイドレールとＸ、Ｙテーブルのガイドブロックとの間の摩擦力が変化し応答遅れが変化して象限突起の発生を防止することができなくなる。

本発明は、こうした従来技術の問題点を解決することを技術課題としており、工作機械の設置されている環境が変化しても、送り装置の位置決め誤差が変化することがなく、また大きな加工負荷に対しても十分な加工精度を維持できるようにした工作機械および工作機械の制御方法を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、工具とワークとを相対移動させる送り軸を有し、該工具でワークを加工する工作機械において、主軸頭に回転軸線を中心として回転可能に支持され先端に工具を装着する主軸であって、軸受によって前記主軸頭に回転可能に支持される基部と、該基部よりも剛性の低い弾性変形部と、前記弾性変形部よりも先端側に前記工具を保持する工具把持部とを有した主軸と、前記回転主軸の先端に対面するようにワークを取り付けるテーブルと、前記主軸頭とテーブルとを相対的に直線送りする直交３軸の送り軸と、前記主軸において前記弾性変形部と前記工具把持部との間に配設された磁性部材と、前記回転軸線に対して垂直な平面内で磁性部材に対面するように前記主軸頭に固定された複数の電磁石とを具備する工作機械が提供される。

更に、本発明によれば、工具とワークとを相対移動させる送り軸を有し、該工具でワークを加工する工作機械の制御方法において、主軸頭に回転軸線を中心として回転可能に支持され先端に工具を装着する主軸であって、軸受によって前記主軸頭に回転可能に支持される基部と、該基部よりも剛性の低い弾性変形部と、前記弾性変形部よりも先端側に前記工具を保持する工具把持部とを有した主軸を準備し、前記主軸において前記弾性変形部と前記工具把持部との間に磁性部材を配設し、前記回転軸線に対して垂直な平面内で磁性部材に対面するように前記主軸頭に固定された複数の電磁石を配設し、前記回転主軸の先端に対面するようにワークを取り付けるテーブルと、前記主軸頭とを相対的に直線送りする直交３軸の送り軸のうち、前記回転軸線に垂直な方向の２つの送り軸の誤差に基づいて前記電磁石へ供給する電流を制御する工作機械の制御方法が提供される。

本発明によれば、電磁石によって主軸に取り付けた磁性部材を引きつけ、主軸先端の工具を変位させることによって微動送りを実現している。この微動送りは、ボールねじや、ナット、サーボモータを含む送り軸で発生した誤差を指令値として、該誤差を打ち消すように作動する。送り軸における摩擦力の変化のような状態変化に基づく位置決め誤差が、微動送りに反映されため、そうした状態変化に対して補正効果の低下や悪化を防止することができる。また、本発明では、磁性部材を電磁石で電磁気学的に駆動して、弾性変形部で主軸を撓ませているので、応答は電磁力の応答で略決定され、ボールねじを用いた送り軸で生じるような部材の弾性変形や部材間の摩擦による応答遅れが生じない。

本発明の軸送り制御方法を適用する工作機械の一例を示す側面図である。図１の工作機械の主軸頭の略示断面図である。微動装置のコイルの配置を示す略図である。本発明の制御方法を実行する制御システムの一例を示す略示ブロック図である。本発明の実施形態によるサーボ制御装置を示す制御ブロック図である。電磁石へ供給される電流の分配方法を説明するための略図である。電磁石へ供給される電流値と工具の変位との関係を示すグラフである。第２の実施形態による主軸頭の略示断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず、本発明を適用する工作機械の一例を示す側面図である図１を参照すると、工作機械１０は、基台となるベッド１２、ベッド１２の後方部において上面に立設されたコラム１４、水平左右方向（Ｘ軸方向、図１の紙面に垂直な方向）に往復動可能にコラム１４の前面に取り付けられたＸ軸スライダ１８、鉛直方向（Ｚ軸方向）に往復動可能にＸ軸スライダ１８の前面に取り付けられた主軸頭２２、水平前後方向（Ｚ軸方向、図１では左右方向）に往復動可能にベッド１２の上面に取り付けられワークＷを取り付けるテーブル３２を主要な構成要素として具備している。

コラム１４の前面には一対のＸ軸案内レール１６がＸ軸方向に延設されており、Ｘ軸スライダ１８の背面には、該Ｘ軸案内レール１６上を摺動可能なガイドブロック１７が取り付けられている。また、コラム１４には、Ｘ軸スライダ１８をＸ軸案内レール１６に沿って往復駆動するＸ軸送り装置として、Ｘ軸方向に延設されたボールねじ３８と、該ボールねじの一端に連結されたＸ軸サーボモータ４２が設けられており、Ｘ軸スライダ１８には、ボールねじ３８に係合するナット４０が取り付けられている。コラム１４には、また、Ｘ軸スライダ１８のＸ軸方向の座標位置を測定するＸ軸デジタルスケール４６が取り付けられている。更に、Ｘ軸サーボモータ４２には、Ｘ軸サーボモータ４２の回転位置を測定するロータリエンコーダ４４が取り付けられている。

Ｘ軸スライダ１８の前面には一対のＺ軸案内レール２４がＺ軸方向に延設されており、主軸頭２２の背面には、該Ｚ軸案内レール２４上を摺動可能なガイドブロック２６が取り付けられている。また、Ｘ軸スライダ１８には、主軸頭２２をＺ軸案内レール２４に沿って往復駆動するＺ軸送り装置として、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ４８と、該ボールねじ４８の一端に連結されたＺ軸サーボモータ５２が設けられており、主軸頭２２には、ボールねじ４８に係合するナットが取り付けられている（図１には、該ナットを取り付けるブラケット５０が図示されている）が取り付けられている。Ｘ軸スライダ１８には、また、主軸頭２２のＺ軸方向の座標位置を測定するＺ軸デジタルスケール５６が取り付けられている。更に、Ｚ軸サーボモータ５２には、Ｚ軸サーボモータ５２の回転位置を測定するロータリエンコーダ５４が取り付けられている。

ベッド１２の上面には、一対のＹ軸ガイドレール３４がＹ軸方向に延設されており、テーブル３２の下面には、該Ｙ軸ガイドレール３４上を摺動可能なガイドブロック３６が取り付けられている。テーブル３２には、テーブル３２をＹ軸ガイドレール３４に沿って往復駆動するＹ軸送り装置として、Ｙ軸方向に延設されたボールねじ５８と、該ボールねじ５８の一端に連結されたＹ軸サーボモータ６２が設けられており、テーブル３２には、ボールねじ５８に係合するナットが取り付けられている（図１には、該ナットを取り付けるブラケット６０が図示されている）。ベッド１２には、また、テーブル３２のＹ軸方向の座標位置を測定するＹ軸デジタルスケール６６が取り付けられている。更に、Ｙ軸サーボモータ６２には、Ｙ軸サーボモータ６２の回転位置を測定するロータリエンコーダ６４が取り付けられている。

工作機械１０の主軸２０は、軸受２２ｂ、２２ｃを介して主軸頭２２の中空状の主軸頭ハウジング２２ａに、Ｚ軸方向に延びる回転軸線Ｏを中心として回転可能に支持され、その先端部に工具ホルダ７０を介して回転工具Ｔを取り付けるテーパ穴２０ａが形成されている。主軸頭２２には主軸２０を回転駆動する主軸モータ２８が内蔵されている。主軸モータ２８は、主軸頭ハウジング２２ａの内面に固定されたステータ２８ａと、主軸２０の外周面に固定されたロータ２８ｂとを有している。

図１において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り装置のサーボモータ４２、６２、５２、ロータリエンコーダ４４、５４、６４およびデジタルスケール４６、６６、５６、並びに、主軸モータ２８および主軸モータ２８のロータリエンコーダ（図示せず）は、工作機械１０のＮＣ装置３０に接続されており、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り装置のサーボモータ４２、６２、５２および主軸モータ２８は、ロータリエンコーダ４４、５４、６４およびデジタルスケール４６、６６、５６、並びに、主軸モータ２８のロータリエンコーダの測定値に基づいて、ＮＣ装置３０に入力される加工プログラムに従い制御される。

図１、２において、主軸頭２２の先端には、本発明の微動装置１５０が取り付けられている。微動装置１５０は、主軸頭ハウジング２２ａの先端面に取り付けられた微動装置ハウジング１５２、微動装置ハウジング１５２の内周面に固定されたコイル１５４、微動装置ハウジング１５２の開口部１５２ａ近傍に取り付けられた変位センサまたはギャップセンサ１５８、コイル１５４に対面するように工具ホルダ７０のシャンク部７２に取り付けられた磁性部材１５６、シャンク部７２において磁性部材１５６よりも先端側に変位センサ１５８に対面するように取り付けられたドグ１６０を具備している。

磁性部材１５６は、保磁力が小さく、かつ、シャンク部７２よりも透磁率が大きい軟磁性材料から形成される。磁性部材１５６を形成する軟磁性材料は、鉄、ケイ素鋼、パーマロイ、センダスト、パーメンジュール、ソフトフェライト、アモルファス磁性材料、ナノ結晶軟磁性材料およびこれら材料の組合せを含む。磁性部材１５６は、特に環状のケイ素鋼板を積層して形成することが好ましい。

なお、シャンク部７２は、主軸２０のテーパ穴２０ａ内に装着され工具ホルダ７０の後端のテーパシャンクを含む本体部分と一体的に形成することができる。或いは、工具ホルダ７０を通常のHSKホルダのような通常の工具ホルダとし、シャンク部７２を本体部分とは別部材にて形成し、シャンク部７２を本体部分の工具装着穴内に装着して両者を結合するようにしてもよい。本例では、シャンク部７２が主軸２０の弾性変形部を形成し、該シャンク部７２の先端に工具Ｔを保持する工具把持部（図示せず）が形成される。

図３を参照すると、本実施形態において、コイル１５４は、８つのコイル１５４−１〜１５４−８を含み、コイル１５４−１〜１５４−８の各々は軟磁性材料から成る鉄心と該鉄心の周囲に巻設された巻線とを含む。８つのコイル１５４−１〜１５４−８は、隣り合う２つのコイルの巻線を直列に接続して該２つのコイルを１つのコイル集成体とし、後述するＸ軸サーボ制御部１０６またはＹ軸サーボ制御部１０８に接続されている。各コイル集成体において、２つのコイルは、Ｘ軸またはＹ軸を挟んで対称に配置されている。

より詳細には、コイル１５４−８、１５４−１がワイヤ１５５−１によって接続され第１のコイル集成体１５４Ａを形成し、コイル１５４−２、１５４−３がワイヤ１５５−２によって接続され第２のコイル集成体１５４Ｂを形成し、コイル１５４−４、１５４−５がワイヤ１５５−３によって接続され第３のコイル集成体１５４Ｃを形成し、コイル１５４−６、１５４−７がワイヤ１５５−４によって接続され第４のコイル集成体１５４Ｄを形成している。

更に、第１のコイル集成体１５４Ａのコイル１５４−８、１５４−１がＹ軸を挟んで対称に配置され、第２のコイル集成体１５４Ｂのコイル１５４−２、１５４−３がＸ軸を挟んで対称に配置され、第３のコイル集成体１５４Ｃのコイル１５４−４、１５４−５がＹ軸を挟んで対称に配置され、第４のコイル集成体１５４Ｄのコイル１５４−６、１５４−７がＸ軸を挟んで対称に配置されている。

第１と第３のコイル集成体１５４Ａ、１５４ＣはＸ軸を挟んで対称に配置され、Ｙ軸サーボ制御部１０８に接続され、第２と第４のコイル集成体１５４Ｂ、１５４ＤはＹ軸を挟んで対称に配置され、Ｘ軸サーボ制御部１０６に接続されている。これによって、第１と第３のコイル集成体１５４Ａ、１５４Ｃは、Ｙ軸サーボ制御部１０８によって互いに協調して制御され、第２と第４のコイル集成体１５４Ｂ、１５４Ｄは、Ｘ軸サーボ制御部１０６によって互いに協調して制御される。

このように、本発明は、主軸に弾性変形部を設け、該主軸の先端と弾性変形部との間に磁性部材を配設し、該磁性部材を電磁石で駆動するようにした微動装置を主軸頭の先端部に取り付けた工作機械に関連している。

次に、本発明の工作機械の制御方法を実行する制御システムを示す略示ブロック図である図４を参照すると、制御システム１００はＮＣ装置３０によって形成され、読取解釈部１０２、分配補間部１０４、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各サーボ制御部１０６、１０８、１１０を具備している。読取解釈部１０２、分配補間部１０４、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各サーボ制御部１０６、１０８、１１０は、CPU（中央演算素子）、RAM（ランダムアクセスメモリ）やROM（リードオンリーメモリ）のようなメモリ装置、HDD（ハードディスクドライブ）やSSD（ソリッドステートドライブ）のような記憶デバイス、出入力ポート、これらを相互接続する双方向バスを含むコンピュータ、および、関連するソフトウェア、並びに前記コンピュータと協働するオペアンプおよび該オペアンプに関連したアナログ電子回路から構成することができる。

読取解釈部１０２は、例えばＣＡＭ装置（図示せず）からの加工プログラムを読取り解釈して移動指令を分配補間部１０４へ出力する。この移動指令は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の送り量と送り速度とを含んでいる。分配補間部１０４は、受け取ったＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸移動指令を補間演算し、補間関数および送り速度に合った位置指令を各送り軸のサーボ制御部１０６、１０８、１１０に出力する。サーボ制御部１０６、１０８、１１０は、受け取ったＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各位置指令から工作機械１０のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各送り軸を駆動するための電流値を出力し、工作機械１０のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各送り軸のサーボモータ４２、６２、５２および微動装置１５０の第１〜第４のコイル集成体１５４Ａ〜１５４Ｄに供給される。

以下、図５を参照して、本発明の一実施形態として、図４のＸ軸、Ｙ軸の各々のサーボ制御部１０６、１０８を構成するサーボ制御装置２００を説明する。なお、以下では、第２と第４のコイル集成体１５４Ｂ、１５４Ｄを第１と第２の電磁石１９０、１９２として、Ｘ軸サーボ制御部１０６について説明するが、Ｙ軸サーボ制御部１０８についても同様である。

図５において、サーボ制御装置２００は、一般的なサーボ制御装置と同様に、分配補間部１０４からの位置指令Ｘ₀と、Ｘ軸スケール４６からの位置フィードバック信号とを比較する減算器２０２、減算器２０２からの出力を微分処理する位置制御器２０４、位置制御器２０４からの出力と、Ｘ軸サーボモータ４２のロータリエンコーダ４４からの速度フィードバック信号とを比較する減算器２０６、減算器２０６からの信号を微分処理する速度制御器２０８、速度制御器２０８からの出力に基づいてＸ軸サーボモータ４２へ出力する電流を制御する電流制御器２１０、位置指令Ｘ₀に基づいて速度フィードフォーワード値および加速度フィードフォーワード値（粗動装置のメカモデルの逆数）を生成する速度フィードフォーワード制御部２１２および加速度フィードフォーワード制御部２１４を含む。

サーボ制御装置２００は、更に、Ｘ軸送り装置の位置決め誤差である減算器２０２からの出力と、変位センサ１５８からの位置フィードバック信号とを比較する減算器２１８、減算器２１８からの出力を微分処理する微動位置制御器２２０、微動位置制御器２２０からの出力と、微分処理した変位センサ１５８からの信号とを比較する減算器２２２、減算器２２２からの信号を微分処理する微動速度制御器２２４、微動速度制御器２２４からの出力に基づいてコイル１５４へ出力する電流を制御する微動電流制御器２２６を含む。サーボ制御装置２００は、減算器２０２からの出力に基づいて速度フィードフォーワード値（微動装置のメカモデルの逆数）を生成する微動速度フィードフォーワード制御部２２８、および、微動加速度フィードフォーワード値を生成する微動加速度フィードフォーワード制御部２３０を含む。

本実施形態では、微動電流制御器２２６は、第１の電磁石１９０（第２のコイル集成体１５４Ｂ）のための第１の微動電流制御器２２６ａと、第２の電磁石１９２（第４のコイル集成体１５４Ｄ）のための第２の微動電流制御器２２６ｂとを備えている。微動速度制御器２２４からの出力は、微動加速度フィードフォーワード制御部２３０からの出力と合算され、分配器２３２によって第１と第２の微動電流制御器２２６ａ、２２６ｂに分配される。第１と第２の微動電流制御器２２６ａ、２２６ｂは、分配器２３２から受け取った信号に基づき、第１と第２の電磁石１９０、１９２に電流が出力され、これによって第１と第２の電磁石１９０、１９２と磁性部材１５６との間に電磁力が生成される。

既述したように、第１と第２の電磁石１９０、１９２は、Ｙ軸を挟んで対称に配置され、かつ、第１と第２の電磁石１９０、１９２と磁性部材１５６との間に生成される電磁力は常に引力であるので、第１と第２の電磁石１９０、１９２に同じ電流値で出力されると、第１と第２の電磁石１９０、１９２と磁性部材１５６との間に生成される電磁力は逆向きで同一の電磁力となり、工具Ｔは変位することなく、工具Ｔの位置を微動制御することはできない。

そこで、分配器２３２は、合算した微動速度制御器２２４および微動加速度フィードフォーワード制御部２３０からの出力値Ｖ_inが、磁性部材１５６をＸ軸に沿って正の方向（図３、５において右方）に移動させる出力値である場合に、出力値Ｖ_out1を第１の微動電流制御器２２６ａに出力する。第１の微動電流制御器２２６ａは、分配器２３２からの出力値Ｖ_out1に基づき、Ｘ軸に沿って正の領域に配置されている第１の電磁石１９０に駆動電流Ｉ₁を出力する。

反対に、合算した微動速度制御器２２４および微動加速度フィードフォーワード制御部２３０からの出力値Ｖ_inが、磁性部材１５６をＸ軸に沿って負の方向（図３、５において左方）に移動させる出力値である場合に、出力値Ｖ_out2を第２の微動電流制御器２２６ｂに出力する。第２の微動電流制御器２２６ｂは、分配器２３２からの出力値Ｖ_out2に基づき、Ｘ軸に沿って負の領域に配置されている第２の電磁石１９２に駆動電流Ｉ₂を出力する。

一例として、分配器２３２は、出力値Ｖ_inが正の値のときに出力値Ｖ_out1を第１の微動電流制御器２２６ａに出力し、出力値Ｖ_inが負の値ときに出力値Ｖ_out2を第２の微動電流制御器２２６ｂに出力するスイッチ回路により形成することができる。なお、出力値Ｖ_inと出力値Ｖ_out1は同じ値とすることができる。同様に出力値Ｖ_inと出力値Ｖ_out2は同じ値とすることができる。

また、磁性部材１５６と第１の電磁石１９０の間に生成される電磁力または磁性部材１５６と第２の電磁石１９２との間に生成される電磁力は、第１の電磁石１９０または第２の電磁石１９２に供給される電流の２乗に比例し、磁性部材１５６と第１の電磁石１９０または第２の電磁石１９２との間の距離の２乗に反比例する。そのため、特に、磁性部材１５６と第１の電磁石１９０または第２の電磁石１９２との間の距離が大きくなるとき、つまり磁性部材１５６の中心が主軸２０の中心軸線Ｏの近傍にあるとき、磁性部材１５６と第１の電磁石１９０または第２の電磁石１９２との間に生成される電磁力は非線形的に小さくなる。

そのため、図７において実線で示すように、主軸２０の中心軸線Ｏの近傍では制御の応答が鈍くなることがある。そこで、分配器２３２と、第１と第２の微動電流制御器２２６ａ、２２６ｂとの間にバイアス電源２３４ａ、２３４ｂを設けることが好ましい。こうして、第１と第２の微動電流制御器２２６ａ、２２６ｂへバイアス電圧を印加することによって、図７において破線で示すように、磁性部材１５６の変位量は、第１の電磁石１９０または第２の電磁石１９２に供給される入力電流値に対して線形または概ね線形になる。

本実施形態では、粗動装置を構成するボールねじ３８、ナット４０、サーボモータ４２から成るＸ軸送り装置の誤差に基づいて、微動装置１５０を構成する第１と第２の電磁石１９０、１９２（第２と第４のコイル集成体１５４Ｂ、１５４Ｄ）によって、磁性部材１５６をＸ軸方向に電磁気学的に引っ張り変位させることによって、基部たる工具ホルダ７０の本体部分よりも剛性が低い弾性変形部であるシャンク部７２が弾性変形する。

既述の実施形態は、第２と第４のコイル集成体１５４Ｂ、１５４Ｄを第１と第２の電磁石１９０、１９２として、Ｘ軸方向の微動制御について説明したが、Ｙ軸方向の微動制御も同様である。その場合、Ｘ軸サーボ制御部１０６はＹ軸サーボ制御部１０８によって置換され、第１と第２の電磁石１９０、１９２は、第１と第３のコイル集成体１５４Ａ、１５４Ｃによって形成される第３と第４の電磁石によって置換される。この場合は、Ｙ軸サーボ制御部１０８を構成するサーボ制御装置２００の第１と第２の微動電流制御器２２６ａ、２２６ｂは、第３と第４の電磁石のための第３と第４の微動電流制御器によって置換される。

微動装置１５０は、粗動装置であるＸ軸の送り装置（ボールねじ３８、ナット４０、サーボモータ４２）および／またはＹ軸の送り装置（ボールねじ５８、ナット６０、Ｙ軸サーボモータ６２）で発生した誤差を指令値として、該誤差を打ち消すように作動する。本実施形態によれば、Ｘ軸および／またはＹ軸の送り装置における摩擦力の変化のような状態変化が、微動装置に入力される指令値に反映されため、そうした状態変化に対して補正効果の低下や悪化を防止することができる。また、微動装置１５０は、磁性部材１５６を電磁石（第１〜第４のコイル集成体１５４Ａ〜１５４Ｄ）で電磁気学的に駆動して、工具Ｔを装着した工具ホルダ７０のシャンク部７２を撓ませているので、応答は電磁力の応答で略決定され、ボールねじを用いた送り装置で生じるような部材の弾性変形や部材間の摩擦による応答遅れが生じない。

また、既述の実施形態では、工具ホルダ７０のシャンク部７２が、基部たる工具ホルダ７０の本体部分よりも剛性が低い弾性変形部を形成する例を説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、図８に示す例では、主軸２０の先端部に弾性変形部が設けられている。なお、図８に示す実施形態では、主軸頭２２に関連して、図２の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。

より詳細には、主軸２０は、主軸頭２２の下端の軸受２２ｃよりも更に下方に突出した延長部９０を有しいる。延長部９０は、主軸２０において主軸頭２２の上下軸受２２ｂ、２２ｃの間に延在する基部たる本体部分に結合され、該本体部分よりも細く剛性の低い弾性変形部たる小径部９２と、小径部９２よりも先端側（下端側）に隣接して設けられたドグを形成するフランジ部９４、および、下端面に開口し工具ホルダ７０のテーパシャンクを受容するテーパ穴９０ａを有している。本例では、小径部９２が主軸２０の弾性変形部を形成し、テーパ穴９０ａが工具Ｔを保持する工具把持部を形成する。

本実施形態では、主軸頭ハウジング２２ａの下端部分１７２が微動装置ハウジングを形成している。微動装置１７０は、微動装置ハウジング１７２の内面に固定されたコイル１７４、主軸２０の延長部９０の外周面においてコイル１７４に対面する位置に固定された磁性部材１７６、および、延長部９０のフランジ部９４に対面するように微動装置ハウジング１７２の内面に取り付けられた変位センサ１７８を具備している。

本実施形態でも、コイル１７４は、既述の実施形態におけるコイル１５４と同様に、複数の好ましくは８つのコイルを含み、該複数のコイルの各々は軟磁性材料から成る鉄心と該鉄心の周囲に巻設された巻線とを含み、Ｙ軸を挟んで対称に配置された第１と第２の電磁石と、Ｘ軸を挟んで対称に配置された第３と第４の電磁石を構成する。

１０工作機械
１２ベッド
１４コラム
１６Ｘ軸案内レール
１７ガイドブロック
１８軸スライダ
２０主軸
２０ａテーパ穴
２２主軸頭
２２ａ主軸頭ハウジング
２２ｂ軸受
２２ｃ軸受
２４Ｚ軸案内レール
２６ガイドブロック
２８主軸モータ
２８ａステータ
２８ｂロータ
３０ＮＣ装置
３２テーブル
３４Ｙ軸ガイドレール
３６ガイドブロック
４０ナット
４２Ｘ軸サーボモータ
４４ロータリエンコーダ
４６Ｘ軸デジタルスケール
４８ボールねじ
５０ブラケット
５２Ｚ軸サーボモータ
５４ロータリエンコーダ
５６Ｚ軸デジタルスケール
６０ナット
６２Ｙ軸サーボモータ
６４ロータリエンコーダ
６６Ｙ軸デジタルスケール
７０工具ホルダ
７２シャンク部（弾性変形部）
９０延長部
９０ａテーパ穴
９２小径部（弾性変形部）
９４フランジ部
１００制御システム
１０２読取解釈部
１０４分配補間部
１０６Ｘ軸サーボ制御部
１０８Ｙ軸サーボ制御部
１１０Ｚ軸サーボ制御部
１５０微動装置
１５２微動装置ハウジング
１５２ａ開口部
１５４電磁石
１５４コイル
１５４−１コイル
１５４−２コイル
１５４−３コイル
１５４−４コイル
１５４−５コイル
１５４−６コイル
１５４−７コイル
１５４−８コイル
１５４Ａ第１のコイル集成体
１５４Ｂ第２のコイル集成体
１５４Ｃ第３のコイル集成体
１５４Ｄ第４のコイル集成体
１５５−１ワイヤ
１５５−２ワイヤ
１５５−３ワイヤ
１５５−４ワイヤ
１５６磁性部材
１５８変位センサ
１６０ドグ
１７０微動装置
１７２微動装置ハウジング
１７４電磁石
１７４コイル
１７６磁性部材
１７８変位センサ
１９０第１の電磁石
１９２第２の電磁石
２００サーボ制御装置
２０２減算器
２０４位置制御器
２０６減算器
２０８速度制御器
２１０電流制御器
２１２速度フィードフォーワード制御部
２１４加速度フィードフォーワード制御部
２１８減算器
２２０微動位置制御器
２２２減算器
２２４微動速度制御器
２２６微動電流制御器
２２６ａ第１の微動電流制御器
２２６ｂ第２の微動電流制御器
２２８微動速度フィードフォーワード制御部
２３０微動加速度フィードフォーワード制御部
２３２分配器
２３４ａバイアス電源
２３４ｂバイアス電源

Claims

工具とワークとを相対移動させる送り軸を有し、該工具でワークを加工する工作機械において、
主軸頭に回転軸線を中心として回転可能に支持され先端に工具を装着する主軸であって、軸受によって前記主軸頭に回転可能に支持される基部と、該基部よりも剛性の低い弾性変形部と、前記弾性変形部よりも先端側に前記工具を保持する工具把持部とを有した主軸と、
前記回転主軸の先端に対面するようにワークを取り付けるテーブルと、
前記主軸頭とテーブルとを相対的に直線送りする直交３軸の送り軸と、
前記主軸において前記弾性変形部と前記工具把持部との間に配設された磁性部材と、
前記回転軸線に対して垂直な平面内で磁性部材に対面するように前記主軸頭に固定された複数の電磁石と、
を具備することを特徴とした工作機械。
前記電磁石は、前記回転軸線に垂直な直線送り軸方向に前記回転軸線に関して対称に配置された第１と第２の電磁石を具備し、
前記工作機械は、主軸頭に取り付けられ、前記主軸において前記磁性部材よりも先端側の部分の前記直線送り軸方向の変位を検知する第１の変位センサを具備する請求項１に記載の工作機械。
前記電磁石は、前記回転軸線および前記電磁石を配置した前記直線送り軸方向に垂直な直線送り軸方向に前記回転軸線に関して対称に配置された第３と第４の電磁石を更に具備し、
前記工作機械は、主軸頭に取り付けられ、前記主軸において前記磁性部材よりも先端側の部分の前記第３と第４の電磁石を配置した直線送り軸方向の変位を検知する第２の変位センサを具備する請求項２に記載の工作機械。
前記第１と第２の電磁石へ選択的に駆動電流を供給する第１の微動電流制御器を具備する請求項２に記載の工作機械。
前記第３と第４の電磁石へ選択的に駆動電流を供給する第２の微動電流制御器を具備する請求項４に記載の工作機械。
前記第１〜第４の微動電流制御器にバイアス電圧を供給するバイアス電源を更に具備する請求項５に記載の工作機械。
工具とワークとを相対移動させる送り軸を有し、該工具でワークを加工する工作機械の制御方法において、
主軸頭に回転軸線を中心として回転可能に支持され先端に工具を装着する主軸であって、軸受によって前記主軸頭に回転可能に支持される基部と、該基部よりも剛性の低い弾性変形部と、前記弾性変形部よりも先端側に前記工具を保持する工具把持部とを有した主軸を準備し、
前記主軸において前記弾性変形部と前記工具把持部との間に磁性部材を配設し、
前記回転軸線に対して垂直な平面内で磁性部材に対面するように前記主軸頭に固定された複数の電磁石を配設し、
前記回転主軸の先端に対面するようにワークを取り付けるテーブルと、前記主軸頭とを相対的に直線送りする直交３軸の送り軸のうち、前記回転軸線に垂直な方向の２つの送り軸の誤差に基づいて前記電磁石へ供給する電流を制御することを特徴とした工作機械の制御方法。