JP5391978B2

JP5391978B2 - 流体保持装置

Info

Publication number: JP5391978B2
Application number: JP2009229639A
Authority: JP
Inventors: 良太棚瀬; 康生新野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: JP2011073118A

Description

本発明は、静圧軸受けや静圧案内のような流体保持装置の外乱負荷による案内精度低下の抑制に関するものである。

静圧軸受けに加わる外乱負荷による軸受け精度低下の抑制技術として、主軸の外乱負荷による変位に応じて流体軸受けへの供給圧力を制御して精度低下を抑制する従来技術（例えば、特許文献１参照）や、主軸の外乱負荷によるポケット圧力変動に応じて流体軸受けへの供給圧力を制御して精度低下を抑制する従来技術（例えば、特許文献２参照）がある。

特許文献１に記載の従来技術の場合、具体的には図４において、主軸３はポンプ１３、圧力制御弁１４により所定の圧力に保持された圧油が絞りを介して供給された静圧軸受け１６、１７により回転自在に支持されており、主軸回転モータ１５により駆動され、静圧軸受け１６、１７と主軸３の相対変位は変位センサ９、１０により計測される。
このように構成された静圧軸受けにおいて、その精度低下が抑制される原理は以下のようなものである。
定常加工中の加工力をＦ、主軸３の変位をＥ、軸受け剛性をＫとし、外乱力をΔＦ、外乱力が作用した主軸３の変位増加量をΔＥとした場合、E＝Ｆ/Ｋ、Ｅ＋ΔＥ＝（Ｆ＋ΔＦ）/Ｋが成り立つ。ここで、主軸剛性をΔＫ大きくしてＥ＝（Ｆ＋ΔＦ）/（Ｋ＋ΔＫ）を成立させると、外乱力ΔＦが作用しても主軸３の変位量が変動しないので主軸回転精度（軸受け精度）が低下しない。静圧軸受けの剛性は供給圧力に比例するので初期供給圧力をＰ、増加供給圧力をΔＰとすると（Ｋ＋ΔＫ）＝Ｋ（Ｐ＋ΔＰ）/ＰとなりΔＫ＝Ｋ・ΔＰ/Ｐが成り立つ。Ｅ＝（Ｆ＋ΔＦ）/（Ｋ＋ΔＫ）からΔＫ＝ΔＦ/Ｅ、またΔＦ＝Ｋ・ΔＥなのでΔＫ＝Ｋ・ΔＥ/Ｅが成り立つ。よってＫ・ΔＰ/Ｐ＝Ｋ・ΔＥ/Ｅとなり増加供給圧力ΔＰはΔＰ＝Ｐ・ΔＥ/Ｅとなる。
以上より外乱力ΔＦによる主軸３の変位増加をなくすには供給圧力をΔＰ＝Ｐ・ΔＥ/Ｅだけ増加させればよい。
外乱負荷による軸受け精度の低下が抑制される具体的作用を以下に説明する。
変位センサ９、１０が計測した変位増加量ΔＥに基づき、制御装置１８では定常加工時の標準変位位置まで主軸を押し戻すに必要な軸受け剛性になる増大供給圧力ΔＰをΔＰ＝Ｐ・ΔＥ/Ｅから計算し圧力制御弁１４へ指令する。圧力制御弁１４がΔＰだけ昇圧した圧油を軸受け１６、１７へ供給すると軸受け１６、１７の剛性が高くなり外乱力による主軸３の変位量を小さくする。以上の制御を連続して行うことで外乱力による軸受け精度低下を抑制する。

特許文献２に記載の従来技術の場合、静圧ポケットへの給油管路の複数の絞りの少なくとも1個を可動に支持し、外乱負荷によるポケット内圧力の変動に応じて供給管路の終端の絞りへの供給圧力を制御して外乱力による軸受け精度低下を抑制する。

特開２００３−８９０２６号公報特開２００２−２８６０３７号公報

流体保持装置に外乱力が作用すると、流体保持装置剛性と外乱力の大きさにより決定される変位が生じ、流体保持精度が低下してしまい、例えば、工作機械の主軸装置に使用した場合は、流体保持精度の低下は工作物の加工精度低下に直結する。上記特許文献１および特許文献２に記載の従来技術では、流体保持精度の低下の抑制をするための静圧軸受けの圧力制御を絞りへの供給圧力の制御により実施するので、絞りによる流量制限によりポケット内圧力応答速度に限界があり、外乱力変動が高速の場合応答性が悪く十分に精度低下を抑制できなかった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高速の外乱力変動に対しても外乱力による精度低下を抑制できる流体保持装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、リセスと前記リセスの周囲に設けられたランドとからなる静圧ポケットと、前記リセスへ圧油を供給する圧油供給手段と、前記静圧ポケットの圧油により支持される移動体と、前記リセスの体積を増減できる体積増減手段と、前記移動体と前記静圧ポケットの相対変位を計測する変位計測手段と、前記変位計測手段の計測した変位量に応じて前記体積増減手段の増減量を演算し作動指令を出力する制御手段と、前記制御手段の作動指令に基づき前記体積増減手段を駆動する駆動手段と、を備え、前記移動体が前記ポケットに近づく場合は近づく側の前記リセスの体積を減少させ、前記移動体が前記ポケットから離れる場合は離れる側の前記リセスの体積を増加させる、ことである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記移動体が回転する主軸であって、前記静圧ポケットと、前記体積増減手段と、前記主軸と前記静圧ポケットの相対変位を計測する前記変位計測手段と、を前記主軸の外周に円筒状に配置したことである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項２に係る発明において、前記体積増減手段と、前記変位計測手段と、をそれぞれ複数備えるとともに、前記制御手段は複数の前記変位計測手段の変位量から複数の前記体積増減手段の体積増減量を演算し作動指令を出力することである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１〜３のいずれか1項に係る発明において、前記体積増減手段は、ピストンと、前記ピストンを駆動する圧電素子と、からなることである。

請求項1に係る発明によれば、移動体に外乱力が作用した場合に、移動体と静圧ポケットの相対変位を変位計測手段により計測し、計測した変位量は制御装置に送られる。制御手段は変位量から体積増減手段の体積増減量を演算して体積増減手段に作動指令を出力する。外乱力が移動体に作用し移動体がポケットに近づく場合は、近づく側の体積増減手段にリセスの体積を減少さる指令が発せられ、リセス体積が減少して該当ポケットからの油流出量が増大する。ポケット内圧が一定でポケットからの油流出量が増大するので移動体とランドの隙間が増大する。すなわち移動体がポケットから離れる方向へ移動する。反対に外乱力が移動体に作用し移動体がポケットから離れる場合は、離れる側の体積増減手段にリセスの体積を増加さる指令が発せられ、リセス体積が増大して該当ポケットからの油流出量が減少する。ポケット内圧が一定でポケットからの油流出量が減少するので移動体とランドの隙間が減少する。すなわち移動体がポケットに近づく方向へ移動する。以上のように外乱力による移動体の変位を打ち消す方向に体積増減手段を作用させることで移動体の外乱変位を抑制する。直接静圧ポケット部でリセス体積を増減制御して外乱変位を抑制するため応答性が速く制御精度が高い、従来の絞りによる流量制限を受ける外部供給圧力制御方式に比較して、高速の外乱力変動にも高精度の移動体精度低下抑制が可能となる。

請求項２に係る発明によれば、移動体が回転軸で、静圧ポケットを前記回転軸の外周に円筒状に配置することにより高速回転で使用されることが多い回転軸受けの精度低下を抑制することができる。

請求項３に係る発明によれば、制御手段は複数の変位計測手段の計測した複数の変位量を用いて演算できるので変位方向と変位量を判定でき、また、複数の体積増減手段の体積増減の組み合わせによりどの方向へも所定の量の補正が可能であるので、円周上のいかなる方向からの外乱力変動に対しても軸受け精度低下の抑制が可能である。

請求項４に係る発明によれば、体積増減手段をピストンで構成するので作動量の自由度が大きく、圧電素子で駆動するので高速の作動が可能であり、適応範囲の広い高速作動の体積増減手段をコンパクトに構成できる。

本実施形態の静圧軸受け装置の全体構成を示す概略図である。本実施形態の静圧ポケット部の構成を示す断面詳細図である。本実施形態の静圧ポケット部の構成を示す図２のＡ矢視詳細図である。従来技術の全体構成を示す概略図である。

以下、本発明の流体保持装置の実施の形態として、静圧軸受けを例にして、図１〜図３を参照しつつ説明する。
図１に示すように、本実施形態による静圧軸受け装置１は、工具２を保持する主軸３（本発明における移動体）が軸受けハウジング６に保持されている静圧軸受け４、５により回転自在に保持され、回転モータ１５により駆動される。静圧軸受け４、５には、ポンプ１３と圧力制御弁１４により所定の圧力の圧油が供給される。さらに、主軸３と静圧軸受け４、５の相対変位を計測する変位センサ９、１０と、変位センサ９、１０の変位量に基づき変位指令を出力する制御装置１１と、制御装置１１の変位指令に基づき体積増減手段７、８を駆動する圧電素子ドライバ１２を備える。

静圧軸受け４は静圧軸受け５と同一構造であるので、静圧軸受け４の例で図２、図３に基づき以下にその詳細を説明する。
静圧軸受け４は、複数のランド４２ａ〜４２ｄとリセス４１ａ〜４１ｄからなる静圧ポケット２０ａ〜２０ｄを備えている。ランド４２ａ〜４２ｄとはポケット２０ａ〜２０ｄ外周の全周に設けられた凸状の部位で、リセス４１ａ〜４１ｄとはランド４２ａ〜４２ｄに囲まれた凹状の部位である。リセス４１ａ〜４１ｄには、圧力制御弁１４からの圧油を供給する圧油供給管路１９ａ〜１９ｄが接続されており、この圧油供給管路１９ａ〜１９ｄのポケット２０ａ〜２０ｄの近傍には絞りが備えられている。ポケット２０ａ、２０ｂのリセス底面には、体積増減手段７ａ、７ｂが設けられている。ポケット２０ａ〜２０ｄの外周には、油排出溝２１が形成されており、この油排出溝２１には、主軸３と静圧軸受け４の相対変位を計測する概略９０度の相対角度で配置された変位センサ９ａ、９ｂが取り付けられている。ここで変位センサ配置の相対角度は９０度に限定されるものではなく、１８０度以外であればどのような角度でもよい。

リセスの体積を増減させる体積増減手段７ａは、静圧軸受け４の外周からリセス４１ａに通じる放射状の穴を形成し、この穴の静圧軸受け４の外周側口元に圧電素子駆動部７２ａを固定し、圧電素子駆動部７２ａにシール７３ａでシールされたピストン７１ａを、静圧軸受け４に対して摺動自在に接合した構造である。なお、体積増減手段７ｂは体積増減手段７ａと同一構造である。

上述のように構成された静圧軸受け４、５の作用について説明する。
通常使用時には、ポンプ１３からの圧油が圧力制御弁１４で所定の圧力に保持され、絞りを設けた圧油供給管路１９ａ〜１９ｄを介してリセス４１ａ〜４１ｄに供給される。リセス４１ａ〜４１ｄ内の油はランド４２ａ〜４２ｄと主軸３の隙間から流出する。主軸３は、圧油供給管路１９ａ〜１９ｄからの流入油量とランド４２ａ〜４２ｄと主軸３の隙間からの流出油量とがバランスするポケット内圧により、所定の位置に保持される。

加工負荷変動、外部振動伝達等の外乱力Ｆ０が主軸３に作用した場合に軸受け精度の低下が抑制される原理について、以下に説明する。
主軸３にポケット２０ｂ方向への外乱力が作用すると、主軸３はポケット２０ｂ方向へ変位し、ポケット２０ｂのランド４２ｂと軸受け３の隙間が前記変位相当分減少し、ポケット２０ｂからの油流出量が減少するためポケット２０ｂ内の圧力が上昇する。また、ポケット２０ｂと対向した位置のポケット２０ｄでは、逆にランド４２ｄと主軸３の隙間が前記変位相当分増加し、ポケット２０ｄ内の圧力が減少する。これにより、主軸３はポケット２０ｂの圧力上昇による増加保持力Ｆ１とポケット２０ｄの圧力減少による減少保持力Ｆ２の合計が前記外乱力Ｆ０と等しくなるランド隙間で釣り合う。ここで、体積増減手段７ｂのピストン７１ｂを前進させるとリセス４１ｂの体積が減少し、ポケット２０ｂ内の油の流出量が増加する。ポケット２０ｂ内の油圧力が一定なのでランド４２ｂと主軸３の隙間が増大する、すなわち、主軸３を押し戻し、外乱力による主軸３の変位を減少させる。

反対に、主軸３にポケット２０ｄ方向への外乱力が作用した場合は、主軸３はポケット２０ｄ方向へ変位し、ポケット２０ｂのランド４２ｂと主軸３の隙間が前記変位相当分増大する。ここで体積増減手段７ｂのピストン７１ｂを後退させるとリセス４１ｂの体積が増大し、ポケット２０ｂ内の油の流出量が減少する。ポケット２０ｂ内の油圧力を一定としたままポケット２０ｂ内の油の流出量が減少するので、ランド４２ｂと主軸３の隙間が減少する、すなわち、主軸３をポケット２０ｂ方向へ引き戻し、外乱力による主軸３の変位を減少させる。

体積増減手段７ａ、７ｂにおいて、ピストン７１ａ、７１ｂの前後進送りは、圧電素子ドライバ１２の指令に基づき圧電素子駆動部７２ａ、７２ｂが前後進送りされることで行う。

以下に、外乱力による主軸精度の低下が抑制される作用について具体的に説明する。
主軸３が外乱力により変位すると、その変位が変位センサ９ａと９ｂにより計測される。計測された変位量は制御装置１１に転送され、制御装置１１により各々の変位量が合成されて、主軸３の変位量と変位方向が演算される。演算された主軸３の変位をポケット２０ａ、２０ｂの円周方向中心位置の半径方向変位に分解換算することにより、ポケット２０ａに対する主軸３の変位、ポケット２０ｂに対する主軸３の変位を求める。次にポケット２０ａに対する主軸３の変位を最小とするような体積増減手段７ａの体積増減量を演算し、体積増減手段７ａのピストン７１ａの送り量の指令値を決定する。同様にポケット２０ｂについてもピストン７１ｂの送り量の指令値を決定する。

制御装置１１により演算されたピストン７１ａの送り量の指令値に基づき、圧電素子ドライバ１２を介して圧電素子駆動部７２ａを駆動させ、ポケット２０ａのピストン７１ａを前後進し、ポケット２０ａ方向の主軸３の変位を抑制する。ポケット２０ｂにおいても、同様にしてポケット２０ｂ方向の主軸３の変位を抑制する。
以上の結果、静圧軸受け４に対する主軸３の外乱力に起因する変位を抑制でき、静圧軸受け５についても同様の制御を行い、外乱力に起因する変位を抑制する。静圧軸受け４、５での外乱力に起因する主軸変位を最小化することで、主軸３のアキシャル方向を除く２軸の併進と、主軸３のピッチングとヨーイングにおける、外乱力による軸受け精度の低下を抑制できる。

以上の構造によれば、ポケット２０ａ、２０ｂの体積をピストン７１ａ、７１ｂを前後進させることにより直接増減し主軸３の外乱変位を抑制するため、従来の外部供給圧力制御方式のような絞りによる流量制限による応答遅れが無い。したがって、従来技術よりも高速の外乱力変動にも追従して高精度の主軸変位抑制が可能で、高周波の振動や加工力の高速変動が生じても軸受け精度低下抑制が可能で高精度な高速加工を実現できる。

主軸３の外乱力による変位を２個の変位センサ９ａと９ｂにより計測することで主軸３の変位量と変位方向を計測し、体積増減手段の設けられたポケット２０ａ、２０ｂの円周方向中心位置の半径方向変位に換算して、ポケット２０ａ、２０ｂの変位抑制制御を実施するので、円周上のいかなる方向からの外乱力変動に対しても軸受け精度低下抑制ができる。
体積増減手段７ａ、７ｂをピストンで構成するので作動量の自由度が大きく、圧電素子で駆動するので高速の作動が可能であり、適応範囲の広い高速作動の体積増減手段をコンパクトに構成できる。

＜本実施形態の変形態様＞
上記の実施形態は回転式の静圧軸受けについて説明したが、これに限定されるものではなく、主軸３を併進運動体とし静圧ポケットを平面状に配置した静圧案内にも適用可能である。
変位センサ９、１０の出力にハイパスフィルタを付加し、外乱力の高周波成分のみを体積増減手段７、８により抑制するようにしてもよい。（この場合、外乱力の低周波成分は本来の静圧軸受けの求心作用により抑制される）
また、圧電素子駆動部７２ａ、７２ｂを電磁ソレノイドやモータなど他の駆動手段に置き換えてもよい。
上述の実施形態では体積増減手段７、８に移動するピストン７１ａ、７１ｂを用いているが、リセス壁面を弾性変形可能な構造（例えば薄肉化やダイヤフラム）とすることでリセス４１ａ、４１ｂの体積を増減させるように構成してもよい。
例えば、静圧軸受け４、５を研削盤の砥石軸に用いる場合のように、外乱力に起因する変位の方向が特定の方向に限定できる場合、変位センサ９、１０はその方向の変位を検知できる1セットのみ備える構成でもよい。
同様に、外乱力に起因する変位を抑制する方向が特定の方向に限定できる場合、体積増減手段７、８はその方向に位置するリセスに1セットのみ備える構成でもよい。

１：静圧軸受け装置３：主軸７、８：体積増減手段９、１０：変位センサ１１：制御装置１２：圧電素子ドライバ１３：ポンプ１４：圧力制御弁２０ａ〜２０ｄ：静圧ポケット７２ａ、７２ｂ：圧電素子駆動部４１ａ〜４１ｄ：リセス４２ａ〜４２ｄ：ランド

Claims

リセスと前記リセスの周囲に設けられたランドとからなる静圧ポケットと、前記リセスへ圧油を供給する圧油供給手段と、前記静圧ポケットの圧油により支持される移動体と、前記リセスの体積を増減できる体積増減手段と、前記移動体と前記静圧ポケットの相対変位を計測する変位計測手段と、前記変位計測手段の計測した変位量に応じて前記体積増減手段の増減量を演算し作動指令を出力する制御手段と、前記制御手段の作動指令に基づき前記体積増減手段を駆動する駆動手段と、を備え、前記移動体が前記ポケットに近づく場合は近づく側の前記リセスの体積を減少させ、前記移動体が前記ポケットから離れる場合は離れる側の前記リセスの体積を増加させる、ことを特徴とする流体保持装置。
前記移動体が回転する主軸であって、前記静圧ポケットと、前記体積増減手段と、前記主軸と前記静圧ポケットの相対変位を計測する変位計測手段と、を前記主軸の外周に円筒状に配置したことを特徴とする請求項１記載の流体保持装置。
前記体積増減手段と、前記変位計測手段と、をそれぞれ複数備えるとともに、前記制御手段は複数の前記変位計測手段の変位量から複数の前記体積増減手段の増減量を演算し作動指令を出力することを特徴とする請求項２記載の流体保持装置。
前記体積増減手段は、ピストンと、前記ピストンを駆動する圧電素子と、からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の流体保持装置。