JP5587040B2 - 位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学金型などを高精度に加工する加工機に搭載される位置決め装置に関するものである。

従来、加工機等に用いられる位置決め装置の回転テーブルは、特許文献１に開示されたように、回転テーブルをダイレクト駆動するモータとロータリエンコーダによって回転角度の制御を行うことが多かった。一方、位置決めステージに搭載した被加工物の角度を制御するために、特許文献２に開示された構成が知られている。これは、直動テーブルの両サイドに駆動手段（リニアモータ）と位置計測手段（リニアスケール）を配置し、両サイドの位置計測手段にて検出した位置信号より、平均をとることで直動テーブルの移動方向位置を求める。また、差分をとることで、直動テーブルの傾きを求める。それぞれ求めた移動方向位置及び傾きを制御装置にフィードバックして、両サイドに配置された駆動手段の推力を制御する。

特開２００６−２８９５８７号公報 特開２００５−３２１９１号公報

加工機では、直動テーブル上に３６０°回転する回転テーブルを搭載し、回転テーブル上の被加工物を加工する構成が多い。近年、加工精度向上のために被加工物の位置決め精度を向上させる要求が高まっており、直動テーブルの位置計測手段となるリニアスケールや、回転テーブルの回転角度検出手段となるロータリエンコーダの検出分解能を高める技術開発がされている。ところが、高分解能化されたロータリエンコーダを加工機の位置決め装置に用いた場合、以下のような課題が発生する。

図９は直動テーブル１０１と回転テーブル１０２との位置関係を示すもので、（ａ）の状態になるように、直動テーブル１０１及び回転テーブル１０２を制御する。このときの回転テーブル１０２は、回転角度検出器にロータリエンコーダを用いて、ロータリエンコーダにて検出した回転テーブル１０２の回転角度が設定した回転角度になるように制御されている。

回転テーブル１０２の回転角度を高精度に制御するために高分解能のロータリエンコーダを使用すると、ロータリエンコーダの検出分解能が向上することで、図９（ｂ）に示す状態でロータリエンコーダが角度ズレを検出してしまう。図９（ｂ）は、回転テーブル１０２は回転していないが、回転テーブル１０２を搭載している直動テーブル１０１が傾いてしまった状態を示している。

特許文献１に開示されたような従来型の制御をすると、図９（ｂ）の状態の角度ズレをなくすように回転テーブル１０２の回転角度を制御するため、回転テーブル１０２を回転させて（ｃ）の状態となり、回転テーブル上の被加工物を回転させてしまう。

このような課題に対して、特許文献２に開示された直動テーブルを使用すると、直動テーブルの傾きを一定に維持することができ、搭載した回転テーブルのロータリエンコーダにて角度ズレを検出することがない。その結果、回転テーブルを回転させてしまうこともなくなる。しかし、この直動テーブルでは以下のような問題がある。

直動テーブルの両サイドに配置した駆動手段にて直動テーブルの傾きを一定に保つ方法では、直動テーブルの傾き方向を駆動手段にて制御できるような構成になっていなければならない。そのため、直動テーブルにおける回転方向の支持剛性が弱くなる。

加工機においては、加工することで加工抵抗が被加工物に加わり、加工抵抗は被加工物を介して直動テーブルに作用することになる。従って直動テーブルの剛性が弱いと、加工抵抗に負けて位置ズレを起こしてしまう。特に、高精度加工を実現するための精密加工機では、高い位置決め精度とともに高い剛性も必要とされる。その高い剛性を実現するために、位置決め装置には高剛性の軸受けが必要となる。

しかし、高剛性の軸受けをもった場合は、軸受け部及びガイドの加工精度が不十分なため、現在では真直度（傾かない）の高い直動テーブルを製作することは困難である。従って、支持剛性の高い直動テーブルを実現しようとすると、特許文献２に開示された方法では直動テーブルの傾きを一定にすることはできないため、回転テーブルのフィードバック制御によって被加工物を回転させてしまうという問題が発生する。

本発明は、直動テーブルの傾きによる回転テーブルの回転位置ズレを抑制し、高精度な位置決めを行うことのできる位置決め装置を提供することを目的とするものである。

本発明の位置決め装置は、移動方向に直交する２方向をガイドによって支持された直動テーブルと、前記直動テーブルに支持された回転テーブルと、前記直動テーブルの傾きを検出する傾き検出手段と、前記直動テーブルの位置を検出する位置検出手段と、前記回転テーブルの回転角度を検出するロータリエンコーダと、前記直動テーブルの位置指令値及び前記位置検出手段の検出値に基づいて、前記直動テーブルの前記移動方向の位置を制御する第１の制御系と、前記位置指令値に基づいて、前記直動テーブルの傾き指令値を生成する傾き指令値生成器と、前記傾き指令値及び前記傾き検出手段の検出値に基づいて、前記直動テーブルの傾きを制御する第２の制御系と、前記回転テーブルの回転角度指令値から前記傾き指令値を減算する減算器と、前記減算器の出力及び前記ロータリエンコーダの検出値に基づいて、前記回転テーブルの回転角度を制御する第３の制御系と、を有することを特徴とする。

直動テーブルと回転テーブルと備えた加工機用の位置決め装置において、直動テーブルの傾きを検出し、回転テーブルの回転角度を制御する制御系にフィードバックすることで、回転位置ズレを防ぎ、高剛性で高精度の位置決めを実現できる。

実施例１による位置決め装置を示す模式図である。 実施例２に係るもので、（ａ）は位置決め装置を示す模式図、（ｂ）は直動テーブルの傾き制御のためのデータベースを示すグラフである。 加工機の工具と被加工物との位置関係を示す斜視図である。 加工機の工具と被加工物との位置関係を示す平面図である。 加工機による被加工物の加工方法を説明する図である。 加工中の位置決め装置を説明する図である。 加工中の回転位置ズレを説明する図である。 加工中の回転位置ズレの補正方法を説明する図である。 従来例における課題を説明する図である。

図１は実施例１による位置決め装置を示す。この位置決め装置は、直動テーブル１及び回転テーブル２を有し、直動テーブル１は、両サイドのガイド３ａ、３ｂによってＹ方向に拘束されている。また、ベースプレート（ガイド）４によってＺ方向に拘束されている。

このように直動テーブル１は、移動方向に直交する２方向をガイドによって支持され、両サイドに配置されたリニアモータ５ａ、５ｂは、直動テーブル１の移動方向であるＸ方向に推力を発生させる。リニアスケール６ａ、６ｂは、それぞれ直動テーブル１のＸ方向位置を計測する。回転テーブル２は、直動テーブル１に搭載され、図示しない駆動手段としてモータと、回転角度を検出する手段として高分解能のロータリエンコーダと、を備える。

回転テーブル２の制御系は、回転テーブル２の回転角度指令値とフィードバック信号とから誤差を求める減算器７と、回転テーブル２のフィードバック制御を安定化させるためのＰＩＤ補償器に代表される回転テーブル制御調整器８と、を備えている。モータアンプ９は、回転テーブル２のモータに駆動電流を流す。ロータリエンコーダカウンタ１０は、回転テーブル２に搭載されたロータリエンコーダの信号をカウントして回転角度信号にする。さらに、減算器１１、１７、１９、直動テーブル制御調整器１２、リニアモータアンプ１３ａ、１３ｂ、リニアスケールカウンタ１４ａ、１４ｂ、加算器１５、感度調整器１６、１８を備える。

減算器１９は、ロータリエンコーダの検出値である回転角度信号から直動テーブル１の傾きを減算して回転テーブル制御用のフィードバック信号を作る。感度調整器１８は、直動テーブル１の傾きを検出する減算器１７による傾き信号をロータリエンコーダの感度に調整する。傾き検出手段を構成する減算器１７は、直動テーブル１の両サイドに配置されたリニアスケール６ａ、６ｂの位置信号より直動テーブル１の傾き（検出値）を演算する。

減算器１１は、直動テーブル１の位置指令値とフィードバック信号とから、直動テーブル１の位置誤差を演算する。直動テーブル制御調整器１２は、直動テーブル１のフィードバック制御を安定化させるためのＰＩＤ補償器に代表される調整器である。リニアモータアンプ１３ａ、１３ｂは、直動テーブル１の両サイドのリニアモータ５ａ、５ｂに電流を流す。リニアスケールカウンタ１４ａ、１４ｂは、直動テーブル１の両サイドに配置されているリニアスケール６ａ、６ｂからの信号をカウントして位置信号に変換する。加算器１５は、両サイドのリニアスケール６ａ、６ｂからの位置信号を平均化処理し、直動テーブル１の移動方向の位置を検出する位置検出手段を構成する。感度調整器１８は、平均化処理のための感度調整器である。この平均化処理した結果（検出値）を、直動テーブル１の位置を制御する制御系のフィードバック信号として使用する。この制御系は、両サイドのリニアスケール６ａ、６ｂの位置信号を平均化して、検出された直動テーブル中央位置が、位置指令値で設定されている位置になるように両サイドのリニアモータ５ａ、５ｂを駆動する。

直動テーブル１はガイド３ａ、３ｂにてＹ方向を拘束されており、このガイド３ａ、３ｂの加工精度及び取り付け精度によって、直動テーブル１の移動に伴う直動テーブル１の傾きが決定される。現在の加工精度及び取り付け精度が不十分なため、約１ｕｒａｄの傾きを生じてしまう。この傾きは、回転テーブル２が回転した結果ではないが、回転テーブル２に搭載された高分解能のロータリエンコーダで検出される。現在の高分解能のロータリエンコーダは約１〜２ｎｒａｄの分解能があり、直動テーブル１の傾きを十分検出できる性能をもっている。

そのため、回転テーブル２の回転角度制御にロータリエンコーダの検出値である回転角度信号をフィードバック信号として使用した場合、ロータリエンコーダが直動テーブル１の傾きを検出して回転テーブル２を回転させる。その結果、回転テーブル上の保持手段に保持された被加工物が傾いてしまう。

本実施例の傾き検出手段は、直動テーブル１の両サイドに配置されたリニアスケール６ａ、６ｂとリニアスケールカウンタ１４ａ、１４ｂによって検出した位置信号より、減算器１７によって直動テーブル１の傾きを演算する。演算して得た傾き（検出値）を、ロータリエンコーダの回転角度検出感度に合わせる感度調整器１８を介して減算器１９に入力し、ロータリエンコーダで検出した回転角度信号（検出値）から減算する。そして、減算器１９の出力を、回転角度指令値に基づいて回転テーブル２の回転角度を制御する制御系のフィードバック信号として使用する。

このフィードバック信号は、ロータリエンコーダにて検出される回転角度から、直動テーブル１の傾きによって生じた回転角度分を除去しているので、回転角度指令値に一致した信号になれば、減算器７にて演算する誤差がゼロとなる。このように、直動テーブル１が傾いても回転テーブル２を回転させない制御をすることで、回転テーブル上の被加工物の回転位置ズレを防ぎ、加工精度を向上させることができる。

図２（ａ）は実施例２による位置決め装置を示す。本実施例は、実施例１による、直動テーブル１の位置をフィードバック制御するための制御系（第１の制御系）に加えて、直動テーブル１の傾きをフィードバック制御するための制御系（第２の制御系）を有する。そして、第２の制御系における直動テーブル１の傾き指令値を、回転テーブル２の回転角度指令値から減算して、回転テーブル２のフィードバック制御を行う制御系（第３の制御系）に与える。このために、実施例１の構成に加えて、減算器２０、２３、２４、２７、直動テーブル傾き制御調整器２１、加算器２２、感度調整器２５、前記傾き指令値を生成する傾き指令値生成器２６等を設ける。その他の点は実施例１と同様であるから同じ符号で表し、説明は省略する。

直動テーブル１の傾きを制御する第２の制御系は、直動テーブル１の両サイドのリニアスケール６ａ、６ｂとリニアスケールカウンタ１４ａ、１４ｂによって検出した位置信号から傾きを計算する減算器２４と、感度調整器２５と、を有する。減算器２４及び感度調整器２５で演算された傾き（検出値）をフィードバックして、減算器２０によって傾き指令値との誤差を演算する。演算した誤差をゼロにするための制御信号を直動テーブル傾き制御調整器２１によって作り出している。

直動テーブル傾き制御調整器２１は、直動テーブル１の傾きを制御するフィードバック系を安定化させるためのＰＩＤ調整器に代表される調整器を用いる。直動テーブル傾き制御調整器２１によって作り出された制御信号は、直動テーブル１の両サイドに配置されたリニアモータ５ａ、５ｂで回転方向に推力が発生するように、リニアモータアンプ１３ａ、１３ｂに位相を１８０°ずらして与えられる。

両サイドのリニアモータ５ａ、５ｂの推力の方向と大きさによって直動テーブル１の傾きを制御するが、直動テーブル１はガイド３ａ、３ｂによってＹ方向が拘束されているため、ガイドに倣った傾きで制御する必要がある。両サイドのリニアモータ５ａ、５ｂによってガイドに倣った傾きとは違う傾きに制御しようとすると、リニアモータの推力が飽和する。また、発熱が大きくなるなどの問題が生じる。このガイド３ａ、３ｂに倣った傾きで制御するために、移動方向の位置毎に直動テーブルの傾き指令値を生成する傾き指令値生成器２６を設ける。

傾き指令値生成器２６においては、以下のように傾き指令値を生成する。傾き制御を掛けない状態にて直動テーブル１を移動方向（Ｘ方向）に送り、各移動方向位置において、直動テーブル１の両サイドのリニアスケールカウンタ１４ａ、１４ｂと減算器２４と感度調整器２５とで演算して得た傾きを測定する。この測定結果より、移動方向位置と傾きとのデータ列を作成し、データ間は直線補間したデータベースを作成する。作成したデータベースを図２（ｂ）に示す。このデータベースに基づき移動方向位置毎の傾き指令値を作成している。この傾き指令値によって、直動テーブル１はガイド３ａ、３ｂに倣った傾きで制御される。こうした制御をすることで、直動テーブル１の回転方向の剛性は、軸受けによる剛性に、制御によって発生する剛性が加わるため、大幅に向上する。

直動テーブル１は、傾き指令値通り傾くので、回転テーブル２の回転角度指令値から直動テーブル１の傾き指令値を減算器２７により減算した値（出力）を、回転テーブル２の回転角度を制御する第３の制御系の指令値として与える。与えられた指令値と高分解能のエンコーダによって検出した回転角度信号（検出値）を減算器７に入力して誤差を求め、この誤差をゼロにするようにモータでトルクを与え、回転テーブル２を制御する。このようなフィードバック制御によって、直動テーブル１の傾きの影響を受けずに回転テーブル上の被加工物を高精度に位置決めできる。

図３は、実施例１又は２による位置決め装置を搭載する加工機を示す。この装置は、直動テーブル１であるＸ軸テーブルと、Ｙ軸テーブル２９及びＺ軸テーブル２８と、Ｚ方向を回転軸とする回転テーブル２であるＣ軸テーブルと、Ｙ方向を回転軸とするスピンドル３０と、を有する。さらに、Ｚ軸テーブル２８のＹ方向ガイドとＹ軸テーブル２９のＺ方向ガイドを兼ねた加工機の基準となるベース部材３５、Ｙ軸テーブル２９のＸ方向を拘束するガイド３２ａ、３２ｂ、Ｚ軸テーブル２８のＸ方向を拘束するガイド３１ａ、３１ｂを備える。工具３４は、スピンドル３０に取り付けられる。被加工物３３は、Ｃ軸テーブルである回転テーブル２に搭載された保持手段に取り付けられ、スピンドル３０によって旋回する工具３４によって加工される。

図４は、図３の加工機を上からみた平面図で、Ｘ−Ｙ平面内での各軸テーブルと工具３４と被加工物３３の関係を示す。図５は、被加工物上を移動する工具３４の軌跡３７を示す。図４において、スピンドル３０に取り付けられた工具３４は、スピンドル３０によってＹ軸回りに旋回している。旋回している工具３４は、Ｙ軸テーブル２９によってＹ方向に走査させられる。被加工物３３は、直動テーブル（Ｘ軸テーブル）１によってＸ方向に位置決めされるともに、工具３４のＹ方向への走査に同期して、Ｚ軸テーブル２８によってＺ方向に走査される。このようにして、被加工物３３の表面を軌道３７に沿って工具３４が移動する。突き当て具３６は、被加工物３３を取り付けるときの取り付け位置を決めるものである。

１回目のＹ方向走査によって、図６に示す領域３７ａが加工され、２回目のＹ方向走査によって領域３７ｂ、３回目のＹ方向走査によって領域３７ｃが加工される。このように微少加工領域を繋いで被加工物３３を加工する。

この加工方法では、微少加工領域の配置精度が被加工物の加工精度に影響する。加工する途中にて、図７に示すようにＸ軸テーブルの傾きが生じた場合、従来方式による回転テーブルのフィードバック制御では、Ｃ軸テーブルが回転して被加工物３３が傾いてしまう。すると、傾く前に加工した領域３７ａ、３７ｂ、３７ｃに対し、傾きを生じた後に加工した領域３７ｄ、３７ｅの配置がズレてしまう。

そこで、実施例１又は２の傾き制御により、リアルタイムにＸ軸テーブルである直動テーブル１の傾き分を補正して、Ｃ軸テーブに搭載された被加工物３３の傾きを防ぐ。これにより、図８に示すように、Ｘ軸テーブルが傾いた後に加工された領域３７ｇ、３７ｆが、Ｘ軸テーブルが傾く前の領域３７ａ、３７ｂ、３７ｃに対して回転位置ズレを生じるのを防ぎ、精度よく加工できる。

１ 直動テーブル
２ 回転テーブル
３ａ、３ｂ ガイド
４ ベースプレート
５ａ、５ｂ リニアモータ
６ａ、６ｂ リニアスケール
７、１１、１７、１９、２０、２３、２４、２７ 減算器
１５、２２ 加算器
８ 回転テーブル制御調整器
１０ ロータリエンコーダカウンタ
１２ 直動テーブル制御調整器
１４ａ、１４ｂ リニアスケールカウンタ
２１ 直動テーブル傾き制御調整器
２６ 傾き指令値生成器

Claims (3)

1. 移動方向に直交する２方向をガイドによって支持された直動テーブルと、
   前記直動テーブルに支持された回転テーブルと、
   前記直動テーブルの傾きを検出する傾き検出手段と、
   前記直動テーブルの位置を検出する位置検出手段と、
   前記回転テーブルの回転角度を検出するロータリエンコーダと、
   前記直動テーブルの位置指令値及び前記位置検出手段の検出値に基づいて、前記直動テーブルの前記移動方向の位置を制御する第１の制御系と、
   前記位置指令値に基づいて、前記直動テーブルの傾き指令値を生成する傾き指令値生成器と、
   前記傾き指令値及び前記傾き検出手段の検出値に基づいて、前記直動テーブルの傾きを制御する第２の制御系と、
   前記回転テーブルの回転角度指令値から前記傾き指令値を減算する減算器と、
   前記減算器の出力及び前記ロータリエンコーダの検出値に基づいて、前記回転テーブルの回転角度を制御する第３の制御系と、を有することを特徴とする位置決め装置。
2. 請求項１に記載された位置決め装置と、
   前記位置決め装置に配置された保持手段と、
   工具と、
   前記工具を旋回させるスピンドルと、を備え、
   前記保持手段に保持された被加工物を前記工具によって加工することを特徴とする加工機。
3. 請求項２に記載された加工機で金型を製造することを特徴とする金型の製造方法。

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