JP5515474B2 - ステージ装置 - Google Patents
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Description
例えば特許文献1に記載された従来技術では、非接触シリンダにて可動体の重力を相殺し、リニアモータを用いて可動体を鉛直方向に移動させるステージ制御装置が開示されている。そして可動体の位置に応じて非接触シリンダに供給する流体の圧力(制御圧力)を変更して、非接触シリンダの推力に寄与する圧力が一定となるように制御し、可動体の位置にかかわらず非接触シリンダの推力を一定としている。
なお、以降の記載において「停止時」とは、動作状態から非動作状態へと状態が変化した場合だけでなく、静止状態(非動作状態を継続している場合)も含む。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、流体を使って可動体の重力を相殺するバランスシリンダ装置を用いながら、可動体の停止時または極低速送り時等において、安定性をより向上させることができるステージ装置を提供することを課題とする。
請求項1に記載のステージ装置は、鉛直方向に移動可能な可動体と、前記可動体を鉛直方向に移動させる駆動手段と、前記可動体にかかる重力を流体の圧力で相殺するバランスシリンダ装置と、前記バランスシリンダ装置に供給される流体の流路である流体供給配管と、前記流体供給配管内を流れる流体の流量を調整可能な調整バルブと、前記バランスシリンダ装置に供給される流体の圧力を調整可能な圧力調整手段と、少なくとも前記調整バルブと前記圧力調整手段とを制御可能な制御手段と、を備え、前記調整バルブは開度を調整可能なバルブである。
そして前記制御手段は、前記可動体の移動速度を読み込み、前記可動体の移動速度に応じて前記調整バルブを制御し、前記調整バルブを制御して流体の流量を低減させた場合、低減させた流量に応じて前記圧力調整手段を制御して圧力損失を補正する。
請求項2に記載のステージ装置は、請求項1に記載のステージ装置であって、前記制御手段は、前記可動体の移動速度が大きい場合よりも前記可動体の移動速度が小さい場合のほうが流体の流量が少なくなるように前記調整バルブの開度を制御する。
請求項3に記載のステージ装置は、鉛直方向に移動可能な可動体と、前記可動体を鉛直方向に移動させる駆動手段と、前記可動体にかかる重力を流体の圧力で相殺するバランスシリンダ装置と、前記バランスシリンダ装置に供給される流体の流路である流体供給配管と、前記流体供給配管内を流れる流体の流量を調整可能な調整バルブと、前記バランスシリンダ装置に供給される流体の圧力を調整可能な圧力調整手段と、少なくとも前記調整バルブと前記圧力調整手段とを制御可能な制御手段と、を備え、前記流体供給配管における任意の位置では、並列に接続された複数の並列配管にて配管が形成されており、前記調整バルブは、前記並列配管の少なくとも1つに取り付けられ、取り付けられた並列配管を開閉可能なバルブである。
そして前記制御手段は、前記可動体の移動速度を読み込み、前記可動体の移動速度に応じて前記調整バルブを制御し、前記調整バルブを制御して流体の流量を低減させた場合、低減させた流量に応じて前記圧力調整手段を制御して圧力損失を補正する。
請求項4に記載のステージ装置は、請求項3に記載のステージ装置であって、前記制御手段は、前記可動体の移動速度が大きい場合よりも前記可動体の移動速度が小さい場合のほうが流体の流量が少なくなるように前記調整バルブの開閉を制御して開いている並列配管の数を少なくする。
請求項5に記載のステージ装置は、請求項1〜4のいずれか一項に記載のステージ装置であって、前記バランスシリンダ装置内の流体の圧力を検出可能な圧力検出手段を備え、前記制御手段は、前記調整バルブを制御しながら、前記圧力検出手段を用いて検出した圧力が目標圧力となるように前記圧力調整手段を制御する。
また、請求項3または4に記載のステージ装置を用いれば、可動体の停止時または極低速送り時において、開口している並列配管の数を減少させて流体の流量を少なくすることで、バランスシリンダ内の流体の体積が急変することを抑制し、可動体の停止時または極低速送り時における安定性をより向上させることができる。また可動体の高速送り時には、全ての並列配管を開口することにより、急変するバランスシリンダ内の体積変化に追従できる流量が確保されるため、モータの負荷電流の増大を防止することができる。
また、請求項1〜5に記載のステージ装置を用いれば、調整バルブを絞った場合、あるいは並列配管の数を減少させた場合において、流体の圧力損失が発生しても、発生した圧力損失を適切に補正することができる。
なお、図中においてX軸とY軸とZ軸は互いに直交しており、Y軸は鉛直上向きを示しており、X軸とZ軸は水平方向を示しており、Z軸は工具TがワークWに切り込む方向を示している。
図1を用いて、本発明のステージ装置Sを備えた工作機械10の例について説明する。
工作機械10は、X軸ガイドGXに沿って基台BSに対してX軸方向に往復移動可能なX軸可動体XBと、Z軸ガイドに沿ってX軸可動体XBに対してZ軸方向に往復移動可能なZ軸可動体ZBと、Y軸ガイドに沿ってZ軸可動体ZBに対してY軸方向に往復移動可能なY軸可動体YBと、Y軸可動体YBに取り付けられた主軸モータMと、主軸モータMの先端に取り付けられた工具Tとを備えている。また基台BSには、ワークWを保持するワーク台Dが設けられている。
また、工作機械10には、数値制御装置等の制御手段(図示省略)が備えられており、当該制御手段は、X軸スケール等の位置検出手段を用いて検出したX軸方向の位置に基づいて、X軸可動体XBを移動させる駆動手段(X軸リニアモータ等)を制御して、工具Tの先端のX軸方向の位置決めを行う。
また同様に、制御手段は、Z軸スケール等の位置検出手段を用いて検出したZ軸方向の位置に基づいて、Z軸可動体ZBを移動させる駆動手段(Z軸リニアモータ等)を制御して工具Tの先端のZ軸方向の位置決めを行い、Y軸スケール等の位置検出手段を用いて検出したY軸方向の位置に基づいて、Y軸可動体YBを移動させる駆動手段(Y軸リニアモータ等)を制御して工具Tの先端のY軸方向の位置決めを行う。
また、鉛直軸(この場合、Y軸)方向の可動体(この場合、Y軸可動体YB)については、駆動手段の負荷を低減するために、非接触バランスシリンダや、摩擦係数が非常に小さいシリンダ(例えばダイヤフラム式シリンダ)を併設して、可動体にかかる重力を相殺している。
しかし、例えばY軸可動体YBとリニアモータと非接触バランスシリンダにて鉛直軸方向のステージ装置を構成した場合、Y軸可動体YBは非接触状態(フローティング状態)となるため、Y軸可動体YBの停止時や極低速送り時にて、外乱の影響を受け易く、位置決めの安定性を欠く。
そこで、鉛直軸方向に移動する可動体に対して、可動体の停止時や極低速送り時においても外乱の影響を受けにくく、より安定した位置決めを行うことができるステージ装置Sについて、以下、第1及び第2の実施の形態について説明する。
次に図2の断面図を用いて、第1の実施の形態におけるステージ装置Sの構成について説明する。
ステージ装置Sは、鉛直方向に移動可能に構成されたY軸可動体YBと、Y軸可動体YBを鉛直方向に移動させる駆動手段YM(図2の例ではY軸リニアモータ)と、Y軸可動体YBにかかる重力を相殺するピストンYPとシリンダYSにて構成されたバランスシリンダ装置YPSと、流体供給配管H1と、調整バルブBLと、制御手段CTと、圧力検出手段YAと、圧力調整手段BP等にて構成されている。なお、圧力検出手段YAと圧力調整手段BPは省略してもよい。
また図2に示すステージ装置Sでは、工具Tが取り付けられた主軸モータMがY軸可動体YBに取り付けられ、所定圧力の流体を供給するポンプPが流体供給配管H1に接続された例を示している。
なお、流体は圧縮エアやオイル等を用いることが可能であり、本実施の形態では圧縮エアを流体として用いている。
ポンプPにて所定圧力(目標圧力)にされた流体は、圧力調整手段BP、調整バルブBLを経由して流体供給配管H1内を流れ、ピストンYPの先端からシリンダYS内に吐出される。
ピストンYPの先端からシリンダYS内に吐出された流体は、シリンダYS(すなわちY軸可動体YB)を鉛直上方に押し上げてY軸可動体YBにかかる重力を相殺するとともに、ピストンYPとシリンダYSとを非接触状態にするためにピストンYPとシリンダYSとの隙間から(常時)流出される。
調整バルブBLは流体供給配管H1の任意の位置に設けられており、制御手段CTからの制御信号に基づいて、流体供給配管H1内を流れる流体の流量を調整可能である。例えば調整バルブBLは開度(開口面積)が可変な絞りバルブであり、制御手段CTからの信号に基づいて流体供給配管H1の開度(開口面積)を変更することで流量を調整する。
圧力検出手段YAは圧力センサ等であり、制御手段CTは圧力検出手段YAからの検出信号に基づいてシリンダYS内の流体の圧力を検出可能である。
圧力調整手段BPは、流体供給配管H1内を流れる流体の圧力を調整する圧力調整バルブ等であり、ポンプPから供給される流体供給配管H1内の流体の圧力を、制御手段CTからの制御信号に基づいた圧力に調整可能である。
図2(B)はY軸可動体YBが停止時において調整バルブBLの開度が最大(全開)の状態を示しており、図2(C)はY軸可動体YBが停止時において調整バルブBLの開度を絞った状態を示している。
図2(B)に示した状態では、調整バルブBLの開度が最大であるため、図2(C)に示した状態よりもシリンダYS内の空間YSKの体積が急変(変動)し易い。図2(C)に示した状態では、シリンダYSの空間YSKの体積の増減に対して、調整バルブBLを通って増加する体積に相当する流体の流入、あるいは減少する体積に相当する流体の流出、が必要であるが、調整バルブBLが絞られているため、流入速度も流出速度も遅くなる。すなわち、空間YSKの体積が急変(変動)しにくくなり、Y軸可動体YBの安定性がより向上する。
第1及び第2の実施の形態では、Y軸可動体YBの送り速度が所定速度以下(極低速度または静止状態(停止状態))である場合に、調整バルブを絞って流体の流量を減少させることで、Y軸可動体YBの安定性をより向上させる。
次に図3に示すフローチャートを用いて、第1の実施の形態(図2参照)における制御手段CTの処理手順について説明する。
また、制御手段CTは、Y軸リニアモータYM等を制御する数値制御装置と共用してもよいし、数値制御装置とは別体の制御装置として設けてもよい。
ステップS20では、制御手段CTは、読み込んだ送り速度に応じた流量調整量を算出してステップS30に進む。
ここで図4(A)及び(B)を用いて、送り速度(移動速度)に応じた流量調整量の算出方法の例を説明する。
例えば制御手段CTには、図4(A)に示す送り速度−流量特性が予め記憶されており、読み込んだ送り速度に応じた流量を、送り速度−流量特性から求める。あるいは図4(B)に示すように、送り速度に応じた流量を求める送り速度−流量表が予め記憶されており、読み込んだ送り速度に応じた流量を、送り速度−流量特性から求める。
ステップS30では、制御手段CTは、求めた流量に応じた制御信号を調整バルブBLに出力して調整バルブBLの開度を制御し、ステップS50に進む。
ステップS50では、制御手段CTは、圧力調整量を算出してステップS60に進む。
例えば制御手段CTには、図4(C)に示す流量−推定圧力特性が予め記憶されており、ステップS20にて求めた流量に応じた推定圧力を流量−推定圧力特性から推定する。この場合は、求めた推定圧力から圧力損失の発生を予測する。
ステップS60では、制御手段CTは、推定圧力に基づいた制御信号を圧力調整手段BPに出力して圧力調整手段BPを制御して圧力損失を補正し、ステップS10に戻る。
なお、図4(C)に示す流量−推定圧力特性を用いずに、圧力検出手段YAの検出信号に基づいてシリンダYS内の空間YSKの圧力を読み込み(検出し)、予め設定された目標圧力Ptypとなるように、圧力調整手段BPをフィードバック制御するようにしてもよい。この場合は圧力損失の発生を検出して圧力調整手段BPを制御して圧力損失を補正する。
次に図5の断面図を用いて、第2の実施の形態におけるステージ装置Sの構成について説明する。
図5に示す第2の実施の形態は、図2に示す第1の実施の形態に対して流体の流量を調整する構成が異なり、図2における調整バルブBLを別の構成としている点が異なる。以下、この相違点について主に説明する。
この場合、流体供給配管H2の内径よりも、並列配管H3のそれぞれの内径のほうが小さい。また、並列配管H3のそれぞれの径を変更しておくと、並列配管H3の組み合わせにより、種々の開度とすることができる。
図5の例では、流体供給配管H2の一部を、3本の並列配管H3にて構成し、2本の並列配管H3に、開閉可能な調整バルブB1、B2を設けている。
制御手段CTは、調整バルブB1とB2を共に開口、あるいは調整バルブB1とB2の一方を開口して他方を閉鎖、あるいは調整バルブB1とB2を共に閉鎖、のいずれかの状態となるように制御することで、流体供給配管H2内の流体の流量を調整することができる。
ステップS30では、制御手段CTは、求めた流量に応じた制御信号を調整バルブB1及びB2に出力して調整バルブB1及びB2を制御(調整バルブB1とB2を共に開口、あるいは調整バルブB1とB2の一方を開口して他方を閉鎖、あるいは調整バルブB1とB2を共に閉鎖、のいずれかとなるように制御)して、ステップS50に進む。
なお、他のステップの処理は第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
本実施の形態にて説明したステージ装置Sは、工作機械に限定されず、種々の機器に適用することができる。
本実施の形態にて説明したステージ装置Sにおけるバランスシリンダ装置YPSは、非接触シリンダに限定されるものではなく、接触式のシリンダや油圧シリンダ等にも適用することが可能である。
送り速度に応じた(目標)流量の特性は、図4(A)または(B)に示す送り速度−流量特性、送り速度−流量表、に限定されるものではなく、流量に応じた圧力損失の特性は図4(C)に示す流量−推定圧力特性に限定されるものではない。
また、図5に示すステージ装置Sにおいて、並列配管H3の数、及び調整バルブ(B1、B2)の数は、それぞれ任意の数にすることができる。
BS 基台
BP 圧力調整手段
BL、B1、B2 調整バルブ
CT 制御手段
H1、H2 流体供給配管
H3 並列配管
M 主軸モータ
P ポンプ
S ステージ装置
T 工具
W ワーク
XB X軸可動体
YA 圧力検出手段
YB Y軸可動体
YM Y軸リニアモータ
YP ピストン
YPS バランスシリンダ装置
YS シリンダ
ZB Z軸可動体
Claims (5)
- 鉛直方向に移動可能な可動体と、
前記可動体を鉛直方向に移動させる駆動手段と、
前記可動体にかかる重力を流体の圧力で相殺するバランスシリンダ装置と、
前記バランスシリンダ装置に供給される流体の流路である流体供給配管と、
前記流体供給配管内を流れる流体の流量を調整可能な調整バルブと、
前記バランスシリンダ装置に供給される流体の圧力を調整可能な圧力調整手段と、
少なくとも前記調整バルブと前記圧力調整手段とを制御可能な制御手段と、を備え、
前記調整バルブは開度を調整可能なバルブであり、
前記制御手段は、前記可動体の移動速度を読み込み、前記可動体の移動速度に応じて前記調整バルブを制御し、前記調整バルブを制御して流体の流量を低減させた場合、低減させた流量に応じて前記圧力調整手段を制御して圧力損失を補正する、
ステージ装置。 - 請求項1に記載のステージ装置であって、
前記制御手段は、前記可動体の移動速度が大きい場合よりも前記可動体の移動速度が小さい場合のほうが流体の流量が少なくなるように前記調整バルブの開度を制御する、
ステージ装置。 - 鉛直方向に移動可能な可動体と、
前記可動体を鉛直方向に移動させる駆動手段と、
前記可動体にかかる重力を流体の圧力で相殺するバランスシリンダ装置と、
前記バランスシリンダ装置に供給される流体の流路である流体供給配管と、
前記流体供給配管内を流れる流体の流量を調整可能な調整バルブと、
前記バランスシリンダ装置に供給される流体の圧力を調整可能な圧力調整手段と、
少なくとも前記調整バルブと前記圧力調整手段とを制御可能な制御手段と、を備え、
前記流体供給配管における任意の位置では、並列に接続された複数の並列配管にて配管が形成されており、
前記調整バルブは、前記並列配管の少なくとも1つに取り付けられ、取り付けられた並列配管を開閉可能なバルブであり、
前記制御手段は、前記可動体の移動速度を読み込み、前記可動体の移動速度に応じて前記調整バルブを制御し、前記調整バルブを制御して流体の流量を低減させた場合、低減させた流量に応じて前記圧力調整手段を制御して圧力損失を補正する、
ステージ装置。 - 請求項3に記載のステージ装置であって、
前記制御手段は、前記可動体の移動速度が大きい場合よりも前記可動体の移動速度が小さい場合のほうが流体の流量が少なくなるように前記調整バルブの開閉を制御して開いている並列配管の数を少なくする、
ステージ装置。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載のステージ装置であって、
前記バランスシリンダ装置内の流体の圧力を検出可能な圧力検出手段を備え、
前記制御手段は、前記調整バルブを制御しながら、前記圧力検出手段を用いて検出した圧力が目標圧力となるように前記圧力調整手段を制御する、
ステージ装置。
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