JP5910331B2

JP5910331B2 - 位置決め装置

Info

Publication number: JP5910331B2
Application number: JP2012129638A
Authority: JP
Inventors: 雄二佐々木; 岩井　英樹; 英樹岩井; 主洋大西; 康匡桜井
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: EP2672351A1; JP2013252589A; CN103481118B; CN103481118A; US8800397B2; EP2672351B1; US20130327167A1

Description

本発明は、ボールねじを用いた工作機械等の位置決め装置において、温度の変化による誤差をより正確に補正することができる位置決め装置に関する。

基台上に固定した基準保持部材と測定保持部材によりボールねじの両端部を支持し、このボールねじを用いて可動体の位置決めを行う位置決め装置において、基台の温度変化による基台の伸縮量と測定保持部材に対するボールねじの伸縮量に対応して、ボールねじの回転量を調整して、位置決め量の誤差を補正する熱変位補正方法が知られている。（特許文献１）

特開２０１０−２８４７３７号公報

特許文献１に記載された従来の位置決め装置では、基準保持部材と測定保持部材の温度は基台の温度と同一として、基台の温度を測定して基台のみの伸縮量を求め位置決め量の補正をしている。このため、基準保持部材と測定保持部材の温度が基台と異なる場合には、伸縮量に誤差を生じる。通常、ボールねじ保持部では軸受の転がり摩擦による発熱があるため、基準保持部材と測定保持部材の温度が基台より高くなる。従って、従来の方法では、基準保持部材と測定保持部材の伸縮量に基づく誤差を含んでいる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ボールねじの伸縮量をより正確に検出し、位置決め精度をより向上できる位置決め方法を提供する。

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、基台と、
前記基台に対して所定の軸方向へ往復移動可能に支持された可動体と、
前記可動体に係合されて前記可動体を往復移動させるボールねじと、
前記ボールねじの第1端に係合し回転動力を伝達して前記ボールねじを回転させる駆動モータと、
前記基台の第１固定位置に固定され、前記第１固定位置から所定の軸方向距離にある第１基準位置で前記ボールねじの前記第1端の近傍を回転可能かつ軸方向移動不能に支持した第１支持手段と、
前記基台の第２固定位置に固定され、前記ボールねじの第２端を回転可能かつ軸方向移動可能に支持した第２支持手段と、
前記第２端の端面に対して前記ボールねじの軸方向に任意の距離だけ離れているとともに、前記第２固定位置から所定の軸方向距離にある第２基準位置で前記第２支持手段に固定されて、前記端面までの距離を検出可能な距離検出手段と、
前記基台と前記第１支持手段と前記第２支持手段の温度を検出可能な温度検出手段と、
前記駆動モータを制御する制御手段と、を備えた位置決め装置であって、
前記制御手段には、
基準温度時における前記第１固定位置と前記第２固定位置までの前記基台の長さである基台基準長さと、
基準温度時における前記第１固定位置と前記第１基準位置までの前記第１支持手段の長さである第１支持手段基準長さと、
基準温度時における前記第２固定位置と前記第２基準位置までの前記第２支持手段の長さである第２支持手段基準長さと、
前記基準温度測定時における前記第１基準位置から前記ボールねじの前記端面までの長さであるボールねじ基準長さと、が記憶されており、
前記制御手段は、
前記基台基準長さと前記温度検出手段で検出した前記基台の検出温度とに基づいて演算により求めた前記基台基準長さの伸縮量と、
前記第１支持手段基準長さと前記温度検出手段で検出した前記第１支持手段の検出温度とに基づいて演算により求めた前記第１支持手段基準長さの伸縮量と、
前記第２支持手段基準長さと前記温度検出手段で検出した前記第２支持手段の検出温度とに基づいて演算により求めた前記第２支持手段基準長さの伸縮量と、
前記距離検出手段にて検出した検出距離と、に基づいて、前記第１基準位置から前記端面までの長さであるボールねじ実長さを求め、
前記ボールねじ実長さと、前記ボールねじ基準長さと、に基づいて、前記駆動モータの制御量を補正することである。

請求項１に係る発明によれば、基台だけでなく第１支持手段と第２支持手段の温度変化による熱変位も含めてより正確なボールねじ実長さを求めることができる。より正確なボールねじ実長さとボールねじ基準長さに基づいて駆動モータの制御量を補正するので、より正確な位置決めが可能な位置決め装置を実現できる。

本実施形態の位置決め装置１の全体構成を示す概略図である。位置決め装置１の基準温度におけるねじ部の断面を示す図である。位置決め装置１の熱変位発生時におけるねじ部の断面を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１に示すように、位置決め装置１は、基台２の上部に１対のガイド３が固定され、ガイド３によりＸ軸方向に往復移動可能に支持された可動体４を備えている。両端部を支持部材５と支持部材６により回転可能に支持されたボールねじ７が、可動体４と係合しており、
支持部材５に固定されたモータ８がボールねじ７と連結されている。これによって、位置決め装置１は、モータ８の回転に応じて可動体４を往復移動させる機能を有している。
また、位置決め装置１は、制御装置３０を備えており、制御装置３０の機能的構成として、各種データを記録する記録部３０１、演算を行う演算部３０２、モータ８の回転を制御するモータ制御部３０３などを具備している。
以上により、位置決め装置１は、モータ８の回転を制御することで可動体４のＸ軸方向の位置を制御している。

ボールねじ保持部の詳細を図２に基づき説明する。
第１支持手段を構成する支持部材５はボルト１３により基台２の上部に固定されており、ボルト１３の中心位置を第１固定位置ａと称する。支持部材５は第１支持手段を構成する１組の背面組合せの玉軸受５１の外輪を保持している。ボールねじ７を構成するボールねじ軸７０の第１端の近傍が、玉軸受５１の内輪に挿入され、締付け部材１１により内輪の端部に押付けられることで、回転可能かつＸ軸方向移動不能に支持されている。この１組の玉軸受５１のＸ軸方向の中央位置を第１基準位置ｃと称する。また、支持部材５の端部にモータ８が固定されており、モータ８の回転軸８１がボールねじ軸７０の第１端と結合されている。
第２支持手段を構成する支持部材６はボルト１４により基台２の上部に固定されており、ボルト１４の中心位置を第２固定位置ｂと称する。支持部材６は第２支持手段を構成するコロ軸受６１の外輪を保持し、コロ軸受６１の内輪は締付け部材１２によりボールねじ軸７０の第２端の近傍に固定されている。コロ軸受なので外輪と内輪は相対的に回転可能かつＸ軸方向に移動可能である。
以上の構造により、ボールねじ軸７０は、Ｘ軸方向において、支持部材５の第１基準位置ｃを基準として伸縮可能に保持される。

支持部材６の端部ｄに保持部材９が固定され、保持部材９は、距離検出手段１０を距離検出手段１０の検出基準面１０１がＸ軸方向において支持部材６の端部ｄと一致する位置に保持している。これにより、検出基準面１０１がボールねじ軸７０の第２端の端面７０１から所定の距離ＤＬだけ離れた位置に配置される。
ボールねじ軸７０にはボールねじ７を構成するボールねじナット７１が相対回転して相対移動可能に係合しており、ボールねじナット７１は可動体４に固定されている。
また、基台２、支持部材５、支持部材６には温度検出手段ＴＳが設けられており、それぞれの温度を検出することができる。

位置決め装置１における、ボールねじ７の熱変位による送り量誤差に対する位置決め補正方法について説明する。
図２において、基準温度時の、基台２の第１固定位置ａと第２固定位置ｂの間の距離をＫＬとし、支持部材５の第１固定位置ａと第１基準位置ｃの間の距離をＳＬ_１とし、支持部材６の第２固定位置ｂと端部ｄの間の距離をＳＬ_２とする。また、基準温度時の、ボールねじ軸７０の第１基準位置ｃから第２端の端面７０１までの距離はＢＬであり、ボールねじ軸７０の他端部７０１から検出基準面１０１（端部ｄ）までの距離はＤＬである。
以上から、ＫＬ＋ＳＬ_２＝ＳＬ_１＋ＢＬ＋ＤＬが成り立つ。また、この時のボールねじ７のリードはＬである。

次に、各部の温度が変化し所定温度になった時の関係を図３に基づき説明する。
所定温度時の、基台２の第１固定位置ａと第２固定位置ｂの間の距離をＫＬ＋ΔＫＬとし、支持部材５の第１固定位置ａと第１基準位置ｃの間の距離をＳＬ_１＋ΔＳＬ_１とし、支持部材６の第２固定位置ｂと端部ｄの間の距離をＳＬ_２＋ΔＳＬ_２とする。また、基準温度時の、ボールねじ軸７０の第１基準位置ｃから端面７０１までの距離はＢＬ＋ΔＢＬであり、ボールねじ軸７０の他端部７０１から検出基準面６１（端部ｄ）までの距離はＤＬ＋ΔＤＬである。
以上から、ＫＬ＋ΔＫＬ＋ＳＬ_２＋ΔＳＬ_２＝ＳＬ_１＋ΔＳＬ_１＋ＢＬ＋ΔＢＬ＋ＤＬ＋ΔＤＬが成り立つ。また、この時のボールねじのリードはＬ＋ΔＬである。

所定温度時の各部の距離の関係式ＫＬ＋ΔＫＬ＋ＳＬ_２＋ΔＳＬ_２＝ＳＬ_１＋ΔＳＬ_１＋ＢＬ＋ΔＢＬ＋ＤＬ＋ΔＤＬから、基準温度時の各部の距離の関係式ＫＬ＋ＳＬ_２＝ＳＬ_１＋ＢＬ＋ＤＬを差引くことで、式ΔＫＬ＋ΔＳＬ_２＝ΔＳＬ_１＋ΔＢＬ＋ΔＤＬが成り立つ。
ここで、基台２、支持部材５、６は同一の鉄系の材料で製造されているために、線膨張係数を同一のρとし、基台２の基準温度と所定温度の温度差をΔｔ_１とすると、ΔＫＬは温度差Δｔ_１による距離ＫＬにおける基台２の伸縮量であるので、ΔＫＬ＝ρ・Δｔ_１・ＫＬとなる。同様にして、支持部材５の基準温度と所定温度の温度差をΔｔ_２とするとΔＳＬ_１＝ρ・Δｔ_２・ＳＬ_１、支持部材６の基準温度と所定温度の温度差をΔｔ_３とするとΔＳＬ_２＝ρ・Δｔ_３・ＳＬ_２となる。
以上より、ρ・Δｔ_１・ＫＬ＋ρ・Δｔ_３・ＳＬ_２＝ρ・Δｔ_２・ＳＬ_１＋ΔＢＬ＋ΔＤＬとなり、ΔＢＬは式ΔＢＬ＝ρ・Δｔ_１・ＫＬ＋ρ・Δｔ_３・ＳＬ_２−ρ・Δｔ_２・ＳＬ_１−ΔＤＬを用いて算出できる。ここで、Δｔ_１、Δｔ_２、Δｔ_３は温度検出手段ＴＳにより測定可能で、ΔＤＬは距離検出手段６により測定可能であり、ρ、ＫＬ、ＳＬ_２、ＳＬ_１は既知であるから、温度検出手段ＴＳと距離検出手段６の測定値から、ボールねじ軸７０の第１基準位置ｃから端面７０１までの距離の変化量ΔＢＬを測定できる。
リードの変化量ΔＬはボールねじ軸７０の第１基準位置ｃから端面７０１までの距離の変化量ΔＢＬと比例するのでΔＬ＝ΔＢＬ・Ｌ／ＢＬと表される。

次に、温度変化による送り量変動の補正について説明する。
基準温度時の可動体４の移動量Ｔ_０は、ボールねじ軸７０の回転角度をΘ、リードをＬとすると式Ｔ_０＝Ｌ・Θ／３６０で表される。また、所定温度時の、可動体４の移動量Ｔ_１はＴ_１＝（Ｌ＋ΔＬ）・Θ／３６０で表される。
基準温度時と所定温度時の可動体４の移動量を同一とするには、温度変化によるリードの変化量ΔＬに対応して回転角度ΘをΔΘだけ増減して調整すればよい。すなわち、所定温度時には、Ｔ_０＝Ｌ・Θ／３６０＝（Ｌ＋ΔＬ）・（Θ＋ΔΘ）／３６０が成り立つような補正角度ΔΘの補正を行えばよい。上式を変形すると、Ｌ・Θ＝（Ｌ＋ΔＬ）・（Θ＋ΔΘ）から補正角度ΔΘは式ΔΘ＝−ΔＬ・Θ／（Ｌ＋ΔＬ）で算出できる。

具体的な送り量の補正方法を以下に説明する。
はじめに、基台２、支持部材５、支持部材６、ボールねじ７が基準温度である時の、ＫＬ、ＳＬ_２、ＳＬ_１、ＢＬ、ＤＬ、Ｌを測定して記録部３０１に記録し、さらに、基台２、支持部材５、支持部材６の線膨張係数ρの値と基準温度ｔ_０の値も記録部３０１に記録しておく。
可動体４の移動量Ｔ_０が指令された場合に、温度検出手段ＴＳにより基台２の温度ｔ_１、支持部材５の温度ｔ_２、支持部材６の温度ｔ_３を測定し、距離検出手段６によりＤＬ＋ΔＤＬを測定して記録部３０１に記録する。
演算部３０２において、基準温度との温度差を以下の式Δｔ_１＝ｔ_１−ｔ_０、Δｔ_２＝ｔ_２−ｔ_０、Δｔ_３＝ｔ_３−ｔ_０で演算し、さらにΔＢＬを以下の式ΔＢＬ＝ρ・Δｔ_１・ＫＬ＋ρ・Δｔ_３・ＳＬ_２−ρ・Δｔ_２・ＳＬ_１−ΔＤＬで演算し、ΔＬを＝ΔＢＬ・Ｌ／ＢＬで演算し記録部３０１に記録する。
可動体４をＴ_０移動させるための基準温度時のボールねじ７の回転量Θ_０を式Θ_０＝Ｔ_０・３６０／Ｌで演算し、所定温度において可動体４をＴ_０移動させるためのボールねじ７の補正回転量ΔΘを式ΔΘ＝−ΔＬ・Θ／（Ｌ＋ΔＬ）で演算する。
モータ制御部３０３により、モータをΘ＋ΔΘの角度だけ回転するように指令する。

距離検出手段６として、非接触式の静電容量型センサを用いてもよいし、接触式の電気マイクロメータを用いてもよい。また、その他の公知の距離測定器を用いてもよい。
温度検出手段ＴＳとして、熱電対やサーミスタその他公知の温度検出器を用いてもよい。

以上のように、本実施例の位置決め装置１によれば、正確なボールねじの熱変位測定が可能で、その熱変位に起因する送り誤差を正確に補正することができるため、正確な位置決めが可能な位置決め装置を実現できる。

２：基台３：ガイド４：可動体５、６：支持部材７：ボールねじ８：モータ１０：距離検出手段３０：制御装置ＴＳ：温度検出手段

Claims

基台と、
前記基台に対して所定の軸方向へ往復移動可能に支持された可動体と、
前記可動体に係合されて前記可動体を往復移動させるボールねじと、
前記ボールねじの第1端に係合し回転動力を伝達して前記ボールねじを回転させる駆動モータと、
前記基台の第１固定位置に固定され、前記第１固定位置から所定の軸方向距離にある第１基準位置で前記ボールねじの前記第1端の近傍を回転可能かつ軸方向移動不能に支持した第１支持手段と、
前記基台の第２固定位置に固定され、前記ボールねじの第２端を回転可能かつ軸方向移動可能に支持した第２支持手段と、
前記第２端の端面に対して前記ボールねじの軸方向に任意の距離だけ離れているとともに、前記第２固定位置から所定の軸方向距離にある第２基準位置で前記第２支持手段に固定されて、前記端面までの距離を検出可能な距離検出手段と、
前記基台と前記第１支持手段と前記第２支持手段の温度を検出可能な温度検出手段と、
前記駆動モータを制御する制御手段と、を備えた位置決め装置であって、
前記制御手段には、
基準温度時における前記第１固定位置と前記第２固定位置までの前記基台の長さである基台基準長さと、
基準温度時における前記第１固定位置と前記第１基準位置までの前記第１支持手段の長さである第１支持手段基準長さと、
基準温度時における前記第２固定位置と前記第２基準位置までの前記第２支持手段の長さである第２支持手段基準長さと、
前記基準温度測定時における前記第１基準位置から前記ボールねじの前記端面までの長さであるボールねじ基準長さと、が記憶されており、
前記制御手段は、
前記基台基準長さと前記温度検出手段で検出した前記基台の検出温度とに基づいて演算により求めた前記基台基準長さの伸縮量と、
前記第１支持手段基準長さと前記温度検出手段で検出した前記第１支持手段の検出温度とに基づいて演算により求めた前記第１支持手段基準長さの伸縮量と、
前記第２支持手段基準長さと前記温度検出手段で検出した前記第２支持手段の検出温度とに基づいて演算により求めた前記第２支持手段基準長さの伸縮量と、
前記距離検出手段にて検出した検出距離と、に基づいて、前記第１基準位置から前記端面までの長さであるボールねじ実長さを求め、
前記ボールねじ実長さと、前記ボールねじ基準長さと、に基づいて、前記駆動モータの制御量を補正する、
位置決め装置。