JP4773326B2 - 圧力流体の圧力制御供給システム - Google Patents

Description

この発明は、圧力流体を利用する作動機器、例えば、工作機械等の流体軸受、案内機構などに精密に圧力制御された圧力流体を供給する圧力制御供給システムに関する。詳しくは、超精密加工用工作機械に適用でき、圧力変動幅を大幅に低減させることのできる圧力流体の圧力制御供給システムに関する。

圧力流体を利用する作動機器（圧力流体作動機器）、例えば、工作機械等の流体軸受、案内機構などに圧力制御された圧力流体を供給する圧力制御供給システムでは、供給する圧力流体の圧力が一定であることが求められる。精密加工用工作機械の圧力流体作動機器では、特に精密に圧力制御された圧力流体を供給できることが求められる。流体軸受や静圧案内機構へ供給される圧力流体の圧力変動が加工誤差に直接影響するからである。

一般的に、工作機械に要求される加工精度が高くなるほど、圧力流体の圧力変動幅を低減させることが必要となる。一方、最近では、微細加工や高精度加工の必要性が増大するとともに、それらの加工に対する要求も高度化しており、加工精度に対する要求は数十ｎｍ（ナノメートル）のレベルに達するようになっている。ところが、従来の圧力制御供給システムにおける圧力変動幅のレベルでは、流体軸受や静圧案内機構における主軸や工作物の位置に数十ｎｍの変位が生じることが確認されている。これでは要求された加工精度を達成することは困難である。

例えば、工作機械の流体軸受に供給する流体の圧力制御を行うものとしては、下記の特許文献１のような技術が公知である。特許文献１には、主軸に対する負荷や主軸の回転速度に応じて流体軸受に供給する流体の圧力を調整制御するようにした工作機械の主軸装置が記載されている。
特開２００３−０８９０２６号公報

従来の圧力制御供給システムや特許文献１では、圧力流体の圧力だけに着目して、圧力を一定値（または所定の調整値）にするように制御していた。しかし、このように圧力のみに着目して圧力流体の圧力変動幅を低減させるのには限界があることが分かってきた。このような圧力制御によって前述のような数十ｎｍの加工精度を達成することは極めて困難である。

圧力流体の圧力変動の原因を分析すると、圧力流体作動機器側の変動要因は別にして、供給用ポンプの動作原理から生じる圧力変動、電源電圧の変動によって生じる圧力変動、流体の物理的特性値の変化によって生じる圧力変動などがある。なお、流体の物理的特性値とは、温度、粘度、密度、圧縮率などである。これらの要因が複合して圧力流体の圧力変動が生じているのである。このような状況では、従来のように圧力のみに着目して圧力流体の圧力制御を行っても、圧力流体の圧力変動幅を超精密加工に要求されるレベルにまで低減させることはできないという問題点があった。

そこで、本発明は、超精密加工用工作機械に適用でき、圧力変動幅を大幅に低減させることのできる圧力流体の圧力制御供給システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の圧力流体の圧力制御供給システムは、圧力流体を一定の圧力に制御して作動機器に供給する圧力流体の圧力制御供給システムであって、供給先から戻ってきた前記圧力流体を収容する受液槽と、前記受液槽から送られた前記圧力流体の温度を一定に制御する温度制御手段と、前記温度制御手段によって一定の温度とした前記圧力流体を貯留する冷却液槽と、前記冷却液槽と連通して前記圧力流体を貯留する開放型の流体槽であって、前記圧力流体の温度変動を減少させる開放型減衰槽と、前記冷却液槽と前記開放型減衰槽との間に前記開放型減衰槽側に突出して設けられ、内周から外周に貫通する拡散口により前記冷却液槽と前記開放型減衰槽とを連通させる拡散パイプと、前記圧力流体を加圧して送出する加圧ポンプと、インバータ回路によって安定化した所定の駆動周波数により前記加圧ポンプを駆動する駆動部と、前記駆動部に供給する電源電圧を安定化させた安定化電源と、前記加圧ポンプから送出された前記圧力流体の圧力変動を減衰させるアキュムレータと、前記加圧ポンプから送出された前記圧力流体を前記作動機器を経由せずに前記受液槽に戻すためのバイパス路と、前記バイパス路を介して前記受液槽に戻す前記圧力流体の流量を調整するためのサーボバルブと、前記加圧ポンプから送出された前記圧力流体の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサによる検出圧力が目標値となるように前記サーボバルブを調整して前記バイパス路を流通する前記圧力流体の流量を制御する圧力制御部とを有するものである。

また、上記の圧力流体の圧力制御供給システムにおいて、前記温度制御手段および前記圧力制御部は、ノイズの影響を低減するためのノイズ低減手段を有するものであることが好ましい。

また、上記の圧力流体の圧力制御供給システムにおいて、前記温度制御手段は、ＰＩＤ制御によって前記圧力流体の温度制御を行うものであることが好ましい。

また、上記の圧力流体の圧力制御供給システムにおいて、前記圧力制御部は、ＰＩＤ制御によって前記圧力流体の圧力制御を行うものであることが好ましい。

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。

圧力流体の圧力制御において、圧力流体の精密温度制御とバイパス流量制御を併用することにより、従来の圧力制御に比較して大幅に圧力変動幅を低減させることができた。すわわち、圧力流体の圧力変動幅を±１ｋＰａ以内にまで低減させることができ、超精密加工用の工作機械の圧力流体作動機器に供給して、超高精度の加工精度（数十ｎｍ以下）を実現することが可能となった。

貯留槽を受液槽、冷却液槽および開放型減衰槽からなるものとすることにより、圧力流体の温度をさらに高精度に制御することが可能となり、それによって圧力流体の圧力変動幅をさらに低減させることができる。

温度制御手段および圧力制御手段にノイズ低減手段を設けるようにしたので、ノイズの影響を低減させて高精度の制御を行うことが可能となり、それによって圧力流体の圧力変動幅をさらに低減させることができる。

温度制御手段がＰＩＤ制御によって圧力流体の温度制御を行うものであるから、圧力流体の温度をさらに高精度に制御することが可能となり、それによって圧力流体の圧力変動幅をさらに低減させることができる。

圧力制御手段がＰＩＤ制御によって圧力流体の圧力制御を行うものであるから、圧力流体の圧力をさらに高精度に制御することが可能となり、それによって圧力流体の圧力変動幅をさらに低減させることができる。

駆動部がインバータ回路によって安定化した駆動周波数により加圧ポンプの駆動を行うものであるから、加圧ポンプの加圧出力の電源電圧および電源周波数変動の影響を大幅に低減させることができ、それによって圧力流体の圧力変動幅をさらに低減させることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の圧力流体の圧力制御供給システム１の構成を示す図である。圧力制御供給システム１によって圧力流体を供給する作動機器は、例えば、工作機械における主軸用などの流体軸受や、種々の移動部材を案内する案内機構である。それ以外にも、圧力流体を利用する作動機器（圧力流体作動機器）であれば任意のものに供給できる。

工作機械は超精密加工を行うためのものであり、数十ｎｍ以下の加工精度を長時間（例えば、数日間）にわたって維持する必要がある。このために、工作機械および圧力制御供給システム１の全体が、室温変動が±０．１〜０．５℃程度に抑制された室内環境中に置かれる。

圧力流体（例えば、ＩＳＯ規格ＶＧ３２相当油など）は貯留槽３に収容され温度が一定温度となるように制御される。貯留槽３はその内部が３つの区画に区分されており、それぞれの区画が受液槽３１、冷却液槽３２、開放型減衰槽３３となっている。高精度に目標圧力に制御された圧力流体は、循環路２を介して圧力制御供給システム１から工作機械の圧力流体作動機器に送られる。そして、作動後の圧力流体は圧力流体作動機器から循環路２を介して戻ってきて受液槽３１に貯留される。受液槽３１に貯留された圧力流体は撹拌器３５によって撹拌され、受液槽３１内部の温度分布もできるだけ均一になるようにされている。

受液槽３１の圧力流体は、ポンプ４によって汲み上げて熱交換器５に送られる。圧力流体は熱交換器５で所定の温度まで冷却された後、冷却液槽３２に貯留される。一方、熱交換器５には低温の冷媒が流入している。この冷媒に関しては、まず、冷媒ガスが冷凍機６によって圧縮されて凝縮器７に送られる。凝縮器７では、圧縮されて温度上昇した冷媒ガスの熱が放熱されて液化される。凝縮器７は冷却水によって冷却されている。

液化された冷媒ガスは、さらに膨張弁８を通る際に絞り膨張されて低温低圧の気液混合状態となる。この低温低圧の気液混合の冷媒ガスが熱交換器５に流入して圧力流体を冷却するのである。冷媒ガスは熱交換器５中で圧力流体の熱を奪って気化し、気化熱により効率よく圧力流体を冷却する。熱交換器５から流出した冷媒ガスは冷凍機６に戻り循環する。

冷凍機６は、インバータ駆動によって駆動されており、駆動周波数を変更することにより冷凍機６の回転速度を変更することができる。これにより圧力流体の冷却能力を変更制御できる。冷凍機６の駆動周波数は温度制御部２０によって制御されている。温度制御部２０は、冷凍機６の駆動周波数と膨張弁８の開度を制御して、圧力流体の温度が一定となるように制御を行う。冷却後の圧力流体の温度は、温度センサ２１によって検出し、その冷却温度が設定温度となるようにフィードバック制御を行う。これらのポンプ４、熱交換器５、冷凍機６、凝縮器７、膨張弁８、温度センサ２１および温度制御部２０が、圧力流体の温度制御手段を構成している。

温度制御部２０によるフィードバック制御は、ＰＩＤ制御により高精度、高速応答かつ高安定な制御を行っている。すなわち、ＰＩＤ制御により冷凍機６を駆動するインバータ周波数を変更制御する。膨張弁８の開度は、冷凍機６のインバータ周波数に連動して変更される。

膨張弁８の開度ｙは、冷凍機６を駆動するインバータ周波数ｘに対して一対一に対応する関係となるように制御される。例えば、開度ｙは１次の関係式ｙ＝ａｘ＋ｂに従って制御される。ここで、ａ，ｂは定数である。定数ａ，ｂは、冷凍機６の容量や特性などに応じて適宜の値に設定されるものである。なお、膨張弁８はステッピングモータ駆動により弁体を移動させ、弁の開度を調整するものである。このため、デジタル値の開度指令によりそれぞれの弁の開度を調整することができる。

以上のように、圧力流体の温度制御手段として、圧力流体をポンプ４によって熱交換器５に強制的に送り込む強制循環冷却方式を採用しているので、冷却される側の時定数が小さく応答性にも優れている。また、冷凍機を駆動するインバータ周波数と膨張弁の開度を組み合わせて制御を行うことにより、直線性および応答性に優れた高精度の液温制御が可能となっている。

なお、温度制御手段としては、ここで採用している強制循環冷却方式のものが望ましいが、受液槽３１内に熱交換器を配置して受液槽３１内の圧力流体を直接冷却する方式（開放撹拌冷却方式）とすることもできる。その場合には、受液槽３１と冷却液槽３２とを区切る必要はなく、両者を１つの液槽として構成すればよい。また、冷凍機を駆動するインバータ周波数と膨張弁の開度を組み合わせて制御することが望ましいが、これ以外の制御（例えば、オン・オフ制御等）を使用することもできる。

冷却液槽３２に貯留された圧力流体は、拡散パイプ３４を通って開放型減衰槽３３に流入する。拡散パイプ３４は、冷却液槽３２と連通して開放型減衰槽３３内に突出するように設けられている。拡散パイプ３４の周面には、内周から外周に貫通する多数の拡散口が形成されている。冷却液槽３２からの圧力流体はこの拡散口を通って開放型減衰槽３３内に均一に拡散し、すでに貯留されていた圧力流体と均一に拡散混合する。また、開放型減衰槽３３内の圧力流体は、撹拌器３６によって撹拌されて、温度分布がさらに均一化される。

開放型減衰槽３３は、開放型の貯留槽を形成しており、内部に貯留する圧力流体の時定数によって、圧力流体の時間的な温度変動を減衰させる機能を有する。この開放型減衰槽３３によって、圧力流体の温度変動幅を±０．０１〜０．０５℃程度まで減衰することができる。この結果、圧力流体の温度を極めて精密に一定値に保つことができ、温度変化による圧力流体の物理的特性値の変動を大幅に低減することができる。すなわち、圧力流体の温度、粘度、密度、圧縮率などを極めて精密に一定値に保つことができ、物理的特性値の変動に起因する圧力流体の圧力変動を大幅に低減することができる。

開放型減衰槽３３に貯留された圧力流体は、加圧ポンプ９によって汲み上げられて加圧される。加圧ポンプ９は連続的に圧力流体を加圧・吐出する構造のポンプが好ましく、スクリューポンプや歯数の多いギアポンプなどが使用できる。加圧ポンプ９は電動モータによって駆動されているが、その電動モータは駆動部２６によってインバータ駆動されている。

また、駆動部２６に電力を供給する安定化電源２５は、電源電圧を安定化し、電源電圧の変動を可能な限り低減させるようにしたものである。さらに、駆動部２６による電動モータの駆動周波数もインバータ回路によって所定値に安定化されている。これらの安定化電源２５および駆動部２６によって、加圧ポンプ９の加圧出力に対する電源の電圧および周波数の変動の影響を大幅に低減させることができた。

圧力流体は、さらにフィルター１０を通して異物などを除去された後、循環路２の送液側に送られる。循環路２の送液側には、アキュムレータ１１が接続されており、圧力流体の比較的高周波成分の圧力変動をさらに減衰させている。循環路２の送液側からは、バイパス路２ａが分岐しており、加圧された圧力流体の一部を作動機器を経由せずに受液槽３１に戻すようになっている。

循環路２の送液側の圧力流体の圧力は、圧力センサ２３によって検出される。圧力センサ２３は応答時間が０．００１秒以下の高精度センサが使用される。なお、圧力流体の温度が精密に一定値に制御されているので、圧力センサ２３の検出圧力値に付随する温度変動によるドリフトが大幅に低減され、検出値の精度が大幅に向上する。このように、圧力流体の温度が精密に一定値に保たれていることにより、圧力流体に接触する圧力センサなどの種々の機器の特性の温度変動が大幅に低減されるという利点がある。

圧力制御部２２は圧力センサ２３によって検出した圧力が所定の一定値となるように、サーボバルブ２４の開度を調整制御する。すなわち、バイパス路２ａを流れる圧力流体の流量を調整して、送液側の圧力流体の圧力を高精度に所定の一定値に制御するのである。バイパス路２ａを流れる圧力流体の流量を増加させれば圧力は低下し、流量を減少させれば圧力は上昇する。

圧力制御部２２およびサーボバルブ２４が圧力制御手段を構成している。サーボバルブ２４の開度の制御は、圧力センサ２３の検出値のフィードバックによるＰＩＤ制御によって行っている。圧力制御部２２、圧力センサ２３、サーボバルブ２４によるＰＩＤ制御は、高精度、高速応答の制御機器を使用しており、応答時間は０．００１秒以下である。このため、制御系の無駄時間が０．００１秒以下に抑えられている。

また、温度制御部２０および圧力制御部２２などの信号処理系においては、信号ケーブルおよび信号処理回路のシールド処理を行い、また、ノイズ信号の発生源にもシールド処理を行っている。さらに、信号処理回路においてノイズ成分をフィルターによってカットすることにより、ノイズの影響を可能な限り低減させている。これによって、高精度の温度制御および圧力制御が可能となっている。これらのシールドおよびフィルターがノイズ低減手段を構成している。

図２から図４は、本発明の圧力制御供給システム１の制御精度を実験した結果を示すグラフである。圧力の測定は０．１秒ごとに行っており、測定点は１００００個となっている。図２は、図１の圧力制御供給システム１において、アキュムレータ１１を切り離すとともに、圧力制御部２２の動作を停止し、また、駆動部２６によるインバータ駆動の代わりに商用電源による直接駆動によって加圧ポンプ９を駆動したときの圧力変動を示すグラフである。

圧力流体としてはＩＳＯ規格のＶＧ３２相当油を使用し、温度制御部２０などによる温度制御は行っている。これにより圧力流体の温度は設定値から変動幅±０．０３℃以内に制御されている。すなわち、温度制御部２０による温度制御のみを行い、圧力制御部２２、サーボバルブ２４による圧力制御とインバータ駆動を行わない場合の圧力変動を示している。この場合は、圧力変動幅が±１１．５ｋＰａとなっている。

図３は、図２の結果を測定した圧力制御供給システム１に、アキュムレータ１１を接続し、駆動部２６のインバータ駆動によって加圧ポンプ９を駆動したときの圧力変動を示すグラフである。すなわち、図１の圧力制御供給システム１において、圧力制御部２２、サーボバルブ２４による圧力制御を停止した場合の圧力変動を示すグラフである。圧力流体としては、図２と同様にＩＳＯ規格のＶＧ３２相当油を使用し、温度は設定値から変動幅±０．０３℃以内に制御されている。この場合は、圧力変動幅が±３．２ｋＰａとなっている。

図４は、図１の圧力制御供給システム１の各制御部を全て動作させた場合の圧力変動を示すグラフである。すなわち、図４が本発明の圧力制御供給システム１の制御精度を示している。圧力流体は、図２，３と同様にＩＳＯ規格のＶＧ３２相当油を使用し、温度は設定値から変動幅±０．０３℃以内に制御されている。本発明では、圧力変動幅が±０．９２ｋＰａとなっている。このように、本発明では、図２や図３における圧力変動幅と比較して大幅に圧力変動幅が減少している。

以上のように、本発明では、圧力流体の圧力制御において、圧力流体の精密温度制御とバイパス流量制御を併用することにより、従来の圧力制御に比較して大幅に圧力変動幅を低減させることができた。すなわち、圧力流体の圧力変動幅を±１ｋＰａ以内にまで低減させることができ、超精密加工用の工作機械の圧力流体作動機器に供給して、超高精度の加工精度（数十ｎｍ以下）を実現することが可能となった。

なお、以上の実施の形態では、圧力流体を工作機械の圧力流体作動機器に供給するものを例に挙げて説明しているが、本発明の圧力制御供給システムは圧力流体を利用する作動機器（圧力流体作動機器）であれば任意のものに圧力流体を供給できる。

本発明によれば、超精密加工用工作機械の圧力流体作動機器などに適用でき、圧力変動幅を大幅に低減させることのできる圧力流体の圧力制御供給システムを提供することができる。それにより、超精密加工用工作機械の加工精度を大幅に向上させることができる。

本発明の圧力流体の圧力制御供給システム１の構成を示す図である。 圧力流体の温度制御のみを行った場合の圧力変動を示すグラフである。 圧力制御部による圧力制御を停止した場合の圧力変動を示すグラフである。 本発明の圧力制御供給システム１における圧力変動を示すグラフである。

符号の説明

１ 圧力制御供給システム
２ 循環路
２ａ バイパス路
３ 貯留槽
４ ポンプ
５ 熱交換器
６ 冷凍機
７ 凝縮器
８ 膨張弁
９ 加圧ポンプ
１０ フィルター
１１ アキュムレータ
２０ 温度制御部
２１ 温度センサ
２２ 圧力制御部
２３ 圧力センサ
２４ サーボバルブ
２５ 安定化電源
２６ 駆動部
３１ 受液槽
３２ 冷却液槽
３３ 開放型減衰槽
３４ 拡散パイプ
３５，３６ 撹拌器

Claims (4)

1. 圧力流体を一定の圧力に制御して作動機器に供給する圧力流体の圧力制御供給システムであって、
   供給先から戻ってきた前記圧力流体を収容する受液槽（３１）と、
   前記受液槽（３１）から送られた前記圧力流体の温度を一定に制御する温度制御手段（４〜８，２０，２１）と、
   前記温度制御手段（４〜８，２０，２１）によって一定の温度とした前記圧力流体を貯留する冷却液槽（３２）と、
   前記冷却液槽（３２）と連通して前記圧力流体を貯留する開放型の流体槽であって、前記圧力流体の温度変動を減少させる開放型減衰槽（３３）と、
   前記冷却液槽（３２）と前記開放型減衰槽（３３）との間に前記開放型減衰槽（３３）側に突出して設けられ、内周から外周に貫通する拡散口により前記冷却液槽（３２）と前記開放型減衰槽（３３）とを連通させる拡散パイプ（３４）と、
   前記圧力流体を加圧して送出する加圧ポンプ（９）と、
   インバータ回路によって安定化した所定の駆動周波数により前記加圧ポンプ（９）を駆動する駆動部（２６）と、
   前記駆動部（２６）に供給する電源電圧を安定化させた安定化電源（２５）と、
   前記加圧ポンプ（９）から送出された前記圧力流体の圧力変動を減衰させるアキュムレータ（１１）と、
   前記加圧ポンプ（９）から送出された前記圧力流体を前記作動機器を経由せずに前記受液槽（３１）に戻すためのバイパス路（２ａ）と、
   前記バイパス路（２ａ）を介して前記受液槽（３１）に戻す前記圧力流体の流量を調整するためのサーボバルブ（２４）と、
   前記加圧ポンプ（９）から送出された前記圧力流体の圧力を検出する圧力センサ（２３）と、
   前記圧力センサ（２３）による検出圧力が目標値となるように前記サーボバルブ（２４）を調整して前記バイパス路（２ａ）を流通する前記圧力流体の流量を制御する圧力制御部（２２）とを有する圧力流体の圧力制御供給システム。
2. 請求項１に記載した圧力流体の圧力制御供給システムであって、
   前記温度制御手段（４〜８，２０，２１）および前記圧力制御部（２２）は、ノイズの影響を低減するためのノイズ低減手段を有するものである圧力流体の圧力制御供給システム。
3. 請求項１，２のいずれか１項に記載した圧力流体の圧力制御供給システムであって、
   前記温度制御手段（４〜８，２０，２１）は、ＰＩＤ制御によって前記圧力流体の温度制御を行うものである圧力流体の圧力制御供給システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載した圧力流体の圧力制御供給システムであって、
   前記圧力制御部（２２）は、ＰＩＤ制御によって前記圧力流体の圧力制御を行うものである圧力流体の圧力制御供給システム。

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