JP5674316B2 - 構造体のたわみ抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械等の各種機械の構造体において生じるたわみを抑制する方法に関する。

工作機械等の各種機械において、構造体に沿って移動する移動体を設けた場合、当該移動体が加減速する際の反力等によって構造体にたわみが発生することがある。例えば工作機械の一例である門型マシニングセンタにおいては、ベッドに立設された構造体としてのコラムの前面に、水平なクロスレールを上下移動可能に設け、そのクロスレールの前面に、主軸頭を備えたサドルを移動体として水平移動可能に設けているが、このサドルが水平移動する際の反力によってコラムにたわみが発生する。この反力により、振動が発生して機械の精度が損なわれることになる。また、このようなたわみは、移動体の移動に伴う反力に限らず、外部からの力によっても生じることがある。

構造体のたわみを抑制するには、構造体自体の断面二次モーメントを高めることで解決できるが、機械の大型化やコストアップを招く。そこで、特許文献１には、移動体を備えるものにおいて、移動体の運動方向と平行で移動体の重心を通る軸に沿って反作用相殺力ベクトル（移動体の質量とその直線加速度との積に等しい大きさを持つベクトル）を構造体に加えるアクチュエータを設置する発明が記載されている。

特開平１１−３２９９６２号公報

しかし、特許文献１の発明においては、横向きに設置されるベース上をステージ（移動体）が水平移動する場合において、構造体の外部で固定されるアクチュエータによってベースの側面から反作用相殺力ベクトルを加えるようになっている。このため、コラムに設けたクロスレールに沿ってサドルが水平移動する工作機械のように、重量の大きい移動体が水平移動する場合では、移動体に対して絶対的な固定物（例えば数百トンの塊）を隣設する必要があって実現は難しく、たとえ可能であったとしても機械全体の大型化やコストアップに繋がってしまう。従って、工作機械のように空間的に制約がある機械への設置は困難となっている。

そこで、本発明は、大型化やコストアップを招かないコンパクトな構成で効果的にたわみの抑制が可能となる構造体のたわみ抑制方法を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、下端が固定されて上下方向に立設され、下端から上方へ所定距離離れた位置に案内部材を水平に備えると共に、案内部材に、水平移動可能な移動体を設けた構造体において、移動体を所定の加速度で移動させたときに構造体に加わる移動体の移動方向の力によって構造体に発生するたわみを抑制する方法であって、構造体に、構造体に加わる移動体の移動方向の力を打ち消す方向に回転トルクを発生させることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、回転トルクを、構造体にステータを連結したモータと、そのモータのロータに負荷イナーシャを与える負荷イナーシャ付与手段とによって発生させることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、負荷イナーシャ付与手段を、ロータに連結した円盤としたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、構造体に発生させる回転トルクによって構造体に加わる力を打ち消し、たわみを効果的に抑制することができる。特に、構造体の外部に重量の大きい固定物等を設置する必要がないため、大型化やコストアップを抑えたコンパクトな構成でたわみ抑制が実現可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、省スペース且つ簡単に回転トルクの付与が可能となる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、構造体内でのロータへの負荷イナーシャの付与が容易に行える。

たわみ抑制方法の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１において、１は機械に設けられる柱状の構造体で、その上部には案内部材２が水平に設けられて、案内部材２に、移動体３が水平移動可能に設けられている。このような機械としては、門型マシニングセンタが一例としてあげられる。その場合、構造体１がコラム、案内部材２がクロスレール、移動体３がサドルに夫々相当する。
そして、案内部材２の下方で構造体１の内部には、モータ４が組み込まれて、そのステータ５が構造体１に連結される一方、ロータ６には、負荷イナーシャ付与手段として質量のある円盤７が連結されている。よって、モータ４が駆動すると、ステータ５を介してロータ６及び円盤７の回転方向と反対方向で構造体１に回転トルクを印加可能となる。

ここで、構造体１の固定端から距離Ｌだけ離れた位置に設置した質量Ｍの移動体３を、加速度αで移動させたとき、構造体１に加わる力Ｆは、
Ｆ＝Ｍ＊α
となる。
このときの構造体１のたわみδ１は、
δ１＝Ｆ＊Ｌ^３／３ＥＩ
となる。Ｅは構造体１の縦弾性係数、Ｉは断面二次モーメントである。

一方、モータ４による回転トルクＴで構造体１に発生するたわみδ２は、
δ２＝Ｔ＊Ｌ^２／２ＥＩ
となる。
よって、たわみδ１＝δ２とおくと、
Ｔ＝２／３＊Ｆ＊Ｌ
＝（２／３＊Ｍ＊Ｌ）＊α
となる。
従って、加速度に比例したトルクＴを発生するようにモータ４を制御すれば、移動体３の移動に伴って構造体１に発生するたわみを打ち消すことができる。

このように、上記形態のたわみ抑制方法によれば、構造体１に、移動体３の移動に伴って構造体１に加わる力を打ち消す方向に回転トルクを発生させるようにしたことで、構造体１に発生させるモーメントによって構造体１に加わる力を打ち消し、たわみを効果的に抑制することができる。特に、構造体１の内部に組み込んだモータ４の制御によってたわみの抑制が可能となるため、構造体１の外部に重量の大きい固定物等を設置する必要がなく、大型化やコストアップを抑えたコンパクトな構成でたわみ抑制が実施できる。

特にここでは、回転トルクを、構造体１にステータ５を連結したモータ４と、そのモータ４のロータ６に負荷イナーシャを与える負荷イナーシャ付与手段とによって発生させるようにしているため、省スペース且つ簡単に回転トルクの付与が可能となる。
また、負荷イナーシャ付与手段を、ロータ６に連結した円盤７によって行うことで、ロータ６への負荷イナーシャの付与が容易に行える。

なお、上記形態では、負荷イナーシャ付与手段としてロータに連結した円盤を挙げているが、ロータに錘を連結する等の他の手段によっても差し支えない。
また、構造体への回転トルクの付与はモータに限らず、例えば構造体内部で一対のアクチュエータを別体で立設し、各アクチュエータの上端を夫々構造体に軸着して、両アクチュエータを互いに逆に伸縮動作させるようにしても回転トルクの付与は可能である。

構造体の態様としては、上記形態のように下端が固定される柱状の構造体に限らず、両端や中央が固定された構造体であっても、回転トルクの発生によるたわみの抑制は可能である。従って、本発明は、工作機械に限らず、測定機や先行技術文献で挙げた投影露光装置等の各種機械に適用可能となる。

１・・構造体、２・・案内部材、３・・移動体、４・・モータ、５・・ステータ、６・・ロータ、７・・円盤。

Claims (3)

1. 下端が固定されて上下方向に立設され、前記下端から上方へ所定距離離れた位置に案内部材を水平に備えると共に、前記案内部材に、水平移動可能な移動体を設けた構造体において、前記移動体を所定の加速度で移動させたときに前記構造体に加わる前記移動体の移動方向の力によって前記構造体に発生するたわみを抑制する方法であって、
   前記構造体に、前記構造体に加わる前記移動体の移動方向の力を打ち消す方向に回転トルクを発生させることを特徴とする構造体のたわみ抑制方法。
2. 前記回転トルクを、前記構造体にステータを連結したモータと、そのモータのロータに負荷イナーシャを与える負荷イナーシャ付与手段とによって発生させることを特徴とする請求項１に記載の構造体のたわみ抑制方法。
3. 前記負荷イナーシャ付与手段を、前記ロータに連結した円盤としたことを特徴とする請求項２に記載の構造体のたわみ抑制方法。

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