JP7010906B2 - 加工機および圧力調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動軸を支持する静圧軸受に供給するための流体の圧力を調整する加工機および圧力調整方法に関する。

加工機では、流体により駆動軸を浮上させて支持する場合がある。この場合、駆動軸は静圧軸受により支持される。下記の特許文献１では、静圧軸受に供給される流体の圧力が一定に維持されるように、静圧軸受に対して流体を供給する流体制御システムが開示されている。

特開２０１８－０２５２５３号公報

しかし、駆動軸を駆動するためのモータの発熱や駆動軸周辺の環境変化などに応じて、駆動軸を浮上させている流体の状態が変化する場合がある。流体の状態が僅かにでも変化すると、軸と静圧軸受との間の距離が変わるため、加工精度が不安定になる傾向がある。この傾向は、特に、加工プログラムで指定される１００ｎｍ以下の指令にしたがって加工対象物が加工される場合、顕在化し易い。

そこで、本発明は、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化を抑制し得る加工機および圧力調整方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、加工対象物を加工する加工機であって、駆動軸を支持する静圧軸受と、前記静圧軸受に供給するための流体を、サーボモータの回転に応じて出力する流体出力部と、前記流体出力部から出力された前記流体の物理量を検出するセンサと、前記流体の物理量に応じて、前記サーボモータの回転数を制御する制御部と、を備える。

本発明の第２の態様は、駆動軸を支持する静圧軸受に供給するための流体を、サーボモータの回転に応じて出力する流体出力部を有する加工機の圧力調整方法であって、前記流体出力部から出力された前記流体の物理量を取得する取得ステップと、前記取得ステップで取得された前記流体の物理量に応じて、前記サーボモータの回転数を制御する制御ステップと、を含む。

本発明によれば、流体出力部から出力された流体の物理量が変化しても、その物理量に応じた出力量の流体が流体出力部から静圧軸受に供給されるため、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化を抑制することができる。

加工機の構成を示す模式図である。 流体の圧力と温度との関係を示す図である。 流体の圧力とサーボモータの回転数との関係を示す図である。 制御部による圧力調整処理の流れを示すフローチャートである。 変形例３の加工機を示す図である。 変形例４の加工機を示す図である。

本発明について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

〔実施の形態〕
（第１の実施の形態）
図１は、加工機１０の構成を示す模式図である。加工機１０は、工具を用いて加工対象物を加工するものである。なお、加工機１０は、加工プログラムで指定される１００ｎｍ以下の指令にしたがって加工対象物を加工する精密加工機であってもよい。また、加工機１０は、加工プログラムで指定される１０ｎｍ以下の指令にしたがって加工対象物を加工する精密加工機であってもよい。加工機１０は、駆動軸１２、静圧軸受１４、モータ１６、流体出力部１８、センサ２０および制御部２２を有する。

静圧軸受１４は、駆動軸１２を移動可能に支持するものである。この静圧軸受１４は、供給される流体を駆動軸１２に導いて駆動軸１２を浮上させることで、駆動軸１２を移動可能に支持する。

モータ１６は、駆動軸１２を駆動するためのものである。このモータ１６は、駆動軸１２を回転駆動するためのスピンドルモータであってもよく、駆動軸１２を直動駆動するためのサーボモータまたはリニアモータであってもよい。モータ１６がスピンドルモータである場合には駆動軸１２は主軸であり、モータ１６がサーボモータまたはリニアモータである場合には駆動軸１２は送り軸である。

流体出力部１８は、静圧軸受１４に供給するための流体を、サーボモータ１８Ａの回転に応じて出力するものであり、サーボモータ１８Ａおよび流体ポンプ１８Ｂを有する。流体としては、例えば、空気や窒素などの気体、あるいは、油などの液体が挙げられる。

流体ポンプ１８Ｂは、サーボモータ１８Ａの回転数に応じたエネルギーを流体に与えることで、外部に流体を出力する。なお、サーボモータ１８Ａの回転数が大きいほど、流体ポンプ１８Ｂから外部に出力される流体の出力量（流量または流圧）が大きくなる。流体ポンプ１８Ｂから出力された流体は、流体ポンプ１８Ｂと静圧軸受１４とを連通する流路を通じて、静圧軸受１４に供給される。

センサ２０は、流体出力部１８から出力された流体の物理量を検出するものである。このセンサ２０は、本実施の形態では、流体の温度を検出する温度センサである。センサ２０は、流体の温度を検出すると、検出した流体の温度を制御部２２に出力する。

制御部２２は、モータ１６および流体出力部１８のサーボモータ１８Ａを制御するものである。この制御部２２は、不図示の電流センサから出力される出力電流値が目標値となるように、モータ１６をフィードバック制御する。

ここで、モータ１６により駆動される駆動軸１２の移動や、流体出力部１８での発熱、もしくは、周辺環境の変化などに応じて、駆動軸１２を浮上させている流体の圧力が変化する場合がある。具体的には、図２に示すように、流体の温度が高くなると、流体の圧力が低下する。一方、図３に示すように、流体出力部１８のサーボモータ１８Ａの回転数を上げると、流体の圧力が上昇する。

そこで、制御部２２は、センサ２０から出力される流体の温度に応じて、流体出力部１８のサーボモータ１８Ａの回転数を制御する。具体的には、制御部２２は、流体の温度が高いほどサーボモータ１８Ａの回転数が大きくなるように、サーボモータ１８Ａを駆動させる。

これにより、流体ポンプ１８Ｂから外部に出力される流体の出力量（流量または流圧）が可変する。すなわち、センサ２０で検出される温度が相対的に高くなった場合には流体ポンプ１８Ｂからの流体の出力量（流量または流圧）が大きくなり、当該温度が相対的に低くなった場合には流体ポンプ１８Ｂからの流体の出力量（流量または流圧）が小さくなる。したがって、流体出力部１８から出力された流体の温度が変化しても、その温度に応じた出力量の流体が静圧軸受１４に供給されることになる。

次に、流体の圧力を調整する圧力調整方法について説明する。図４は、制御部２２による圧力調整処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ１において、制御部２２は、センサ２０から流体の物理量として温度を取得し、ステップＳ２に進んで、取得した温度に応じたサーボモータ１８Ａの回転数を求める。

なお、制御部２２は、流体の温度とサーボモータ１８Ａの回転数とを対応付けたテーブルを参照することで、サーボモータ１８Ａの回転数を求めてもよい。また、制御部２２は、流体の温度とサーボモータ１８Ａの回転数とを対応付けた関係式を用いて演算することで、サーボモータ１８Ａの回転数を求めてもよい。

制御部２２は、ステップＳ１で取得した温度に応じたサーボモータ１８Ａの回転数を求めると、ステップＳ３に進む。ステップＳ３において、制御部２２は、ステップＳ２で求めたサーボモータ１８Ａの回転数となるように、流体出力部１８のサーボモータ１８Ａを制御し、ステップＳ１に戻る。

このように制御部２２は、流体出力部１８から出力された流体の温度に応じて流体出力部１８のサーボモータ１８Ａを制御することで、流体の温度が変化してもその温度に応じた出力量の流体を流体出力部１８から静圧軸受１４に供給することができる。したがって、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、センサ２０の種類が第１の実施の形態と異なる。具体的には、センサ２０は、第１の実施の形態では流体の温度を検出する温度センサであったのに対し、本実施の形態では流体の圧力を検出する圧力センサである。

また本実施の形態では、制御部２２の制御内容の一部が第１の実施の形態と異なる。具体的には、制御部２２は、第１の実施の形態では流体の温度に応じて流体出力部１８のサーボモータ１８Ａの回転数を制御していたのに対し、本実施の形態では流体の圧力に応じて流体出力部１８のサーボモータ１８Ａの回転数を制御する。

すなわち、制御部２２は、センサ２０から流体の圧力を取得し（ステップＳ１）、取得した圧力が高いほどサーボモータ１８Ａの回転数が小さくなるようにサーボモータ１８Ａの回転数を求める（ステップＳ２）。なお、制御部２２は、流体の圧力とサーボモータ１８Ａの回転数とを対応付けたテーブルを参照し、あるいは、流体の圧力とサーボモータ１８Ａの回転数とを対応付けた関係式を用いて演算することで、サーボモータ１８Ａの回転数を求めてもよい。

制御部２２は、サーボモータ１８Ａの回転数を求めると、求めた回転数が目標値となるように、流体出力部１８のサーボモータ１８Ａをフィードバック制御する（ステップＳ３）。

これにより、センサ２０で検出される圧力が相対的に高くなった場合には流体ポンプ１８Ｂからの流体の出力量（流量または流圧）が小さくなり、当該圧力が相対的に低くなった場合には流体ポンプ１８Ｂからの流体の出力量（流量または流圧）が大きくなる。したがって、流体出力部１８から出力された流体の圧力が変化しても、その圧力に応じた出力量の流体が静圧軸受１４に供給されることになる。

このように、制御部２２は、流体出力部１８から出力された流体の圧力に応じて流体出力部１８のサーボモータ１８Ａを制御することで、上記の第１の実施の形態と同様に、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、センサ２０が圧力センサであったが、流量センサであってもよい。センサ２０が流量センサである場合、制御部２２は、流体の流量に応じて流体出力部１８のサーボモータ１８Ａの回転数を制御する。

すなわち、制御部２２は、センサ２０から流体の流量を取得し（ステップＳ１）、取得した流量が高いほどサーボモータ１８Ａの回転数が小さくなるようにサーボモータ１８Ａの回転数を求め（ステップＳ２）、求めた回転数が目標値となるようにサーボモータ１８Ａをフィードバック制御する（ステップＳ３）。

したがってセンサ２０が流量センサであっても、本実施の形態と同様に、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化を抑制することができる。

〔変形例〕
以上、本発明の一例として上記の実施の形態が説明されたが、本発明の技術的範囲は上記の実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記の実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることはもちろんである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

（変形例１）
制御部２２は、上記の第１の実施の形態では、流体の温度に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御し、上記の第２の実施の形態では、流体の圧力または流量に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御した。しかし、制御部２２は、温度、圧力、および流量以外の他の物理量に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御してもよい。

（変形例２）
制御部２２は、上記の第１の実施の形態では、流体の温度に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御し、上記の第２の実施の形態では、流体の圧力または流量に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御した。しかし、制御部２２は、流体の温度および圧力に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御してもよく、流体の温度および流量に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御してもよい。

例えば、制御部２２は、温度センサから流体の温度を取得するとともに、圧力センサ（または流量センサ）から圧力（または流量）を取得する（ステップＳ１）。制御部２２は、取得した圧力（または流量）が高いほどサーボモータ１８Ａの回転数が小さくなるようにサーボモータ１８Ａの回転数を求め、求めた回転数を、取得した温度が高いほどサーボモータ１８Ａの回転数が大きくなるように補正する（ステップＳ２）。制御部２２は、補正した回転数が目標値となるようにサーボモータ１８Ａをフィードバック制御する（ステップＳ３）。

なお、制御部２２は、圧力センサ（または流量センサ）から取得した圧力（または流量）に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を求め、温度センサから取得した温度が高いほどサーボモータ１８Ａの回転数が大きくなるように目標値を補正してもよい（ステップＳ２）。この場合、制御部２２は、求めた回転数が補正した目標値となるようにサーボモータ１８Ａをフィードバック制御する（ステップＳ３）。

このように、流体の温度と圧力（または流量）とに応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御すれば、１つの流体の物理量に応じて回転数を制御する場合に比べて、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化をより一段と抑制することができる。

なお、制御部２２は、流体の圧力および流量に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御してもよく、流体の温度、圧力および流量に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御してもよい。このようにしても、１つの流体の物理量に応じてサーボモータ１８Ａの回転数を制御する場合に比べて、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化をより一段と抑制することができる。

（変形例３）
図５は、変形例３の加工機１０を示す図である。なお、上記の実施の形態と同等の構成については同一の符号を付し、上記の第１の実施の形態と重複する説明は省略する。

変形例３の加工機１０では、電流センサ２４が新たに設けられている点で、上記の実施の形態とは相違する。電流センサ２４は、モータ１６の駆動用として制御部２２からモータ１６に供給される電流値を検出し、検出した電流値を制御部２２に出力する。

ここで、例えば、加工対象物が載置されるテーブルに加わる荷重の増加などに起因して駆動軸１２と静圧軸受１４との間の隙間が狭くなる場合がある。この場合、駆動軸１２と静圧軸受１４との間の抵抗が増加し、その増加に起因してモータ１６の駆動に必要な電流値が上昇する。

そこで、本変形例では、モータ１６に供給される電流値（電流センサ２４で検出された電流値）と、流体出力部１８から出力された流体の物理量（センサ２０で検出された流体の物理量）とに基づいて、サーボモータ１８Ａの回転数を制御する。流体の物理量としては、上記のように、温度、圧力、流量などが挙げられる。なお、本変形例では、流体の物理量は温度とする。

例えば、制御部２２は、センサ２０から流体の温度を取得するとともに、電流センサ２４から電流値を取得する（ステップＳ１）。制御部２２は、取得した電流値が高いほどサーボモータ１８Ａの回転数が大きくなるようにサーボモータ１８Ａの回転数を求め、求めた回転数を、取得した温度が高いほどサーボモータ１８Ａの回転数が大きくなるように補正する（ステップＳ２）。制御部２２は、補正した回転数となるようにサーボモータ１８Ａを制御する（ステップＳ３）。

このように、モータ１６に供給される電流値と、流体出力部１８から出力された流体の物理量とに基づいてサーボモータ１８Ａの回転数を制御すれば、流体の物理量だけで回転数を制御する場合に比べて、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化をより一段と抑制することができる。

（変形例４）
図６は、変形例４の加工機１０を示す図である。なお、上記の実施の形態と同等の構成については同一の符号を付し、上記の第１の実施の形態と重複する説明は省略する。

変形例４の加工機１０では、大気センサ２６が新たに設けられている点で、上記の実施の形態とは相違する。大気センサ２６は、大気の物理量を検出し、検出した物理量を制御部２２に出力する。大気の物理量として、例えば、温度や圧力などが挙げられる。

ここで、上記のように、環境変化に応じて、駆動軸１２を浮上させている流体の圧力が変化する場合がある。具体的には、例えば、大気の温度が高くなると流体の圧力が低下し、大気の温度が低くなると流体の圧力が上昇する。

そこで、本変形例では、大気センサ２６で検出された大気の物理量と、センサ２０で検出された流体の物理量とに基づいて、サーボモータ１８Ａの回転数を制御する。例えば、大気の物理量が温度であり、流体の物理量が圧力である場合、上記の変形例２で上述した場合と同様にして、サーボモータ１８Ａの回転数を制御することができる。

（変形例５）
上記の実施の形態および変形例は、矛盾の生じない範囲で任意に組み合わされてもよい。

〔上記から把握し得る発明〕
上記の実施の形態および変形例から把握し得る発明について、以下に記載する。

＜第１の発明＞
第１の発明は、加工対象物を加工する加工機（１０）である。この加工機（１０）は、駆動軸（１２）を支持する静圧軸受（１４）と、静圧軸受（１４）に供給するための流体を、サーボモータ（１８Ａ）の回転に応じて出力する流体出力部（１８）と、流体出力部（１８）から出力された流体の物理量を検出するセンサ（２０）と、流体の物理量に応じて、サーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御する制御部（２２）と、を備える。

これにより、流体出力部（１８）から出力された流体の物理量が変化しても、その物理量に応じた出力量の流体が流体出力部（１８）から静圧軸受（１４）に供給されるため、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化を抑制することができる。

物理量は、圧力、流量、および、温度の少なくとも１つを含んでもよい。これにより、圧力、流量、および、温度の少なくとも１つの変化に応じた出力量の流体を、流体出力部（１８）から静圧軸受（１４）に供給することができる。

加工機（１０）は、駆動軸（１２）を駆動するためのモータ（１６）を備え、制御部（２２）は、モータ（１６）に供給される電流値と流体の物理量とに基づいて、サーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御してもよい。これにより、流体の物理量だけでサーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御する場合に比べて、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化をより一段と抑制することができる。

加工機（１０）は、加工機（１０）の周辺の大気の物理量を検出する大気センサ（２６）を備え、制御部（２２）は、大気の物理量と流体の物理量とに基づいて、サーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御してもよい。これにより、流体の物理量だけでサーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御する場合に比べて、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化をより一段と抑制することができる。

＜第２の発明＞
第２の発明は、駆動軸（１２）を支持する静圧軸受（１４）に供給するための流体を、サーボモータ（１８Ａ）の回転に応じて出力する流体出力部（１８）を有する加工機（１０）の圧力調整方法であって、流体出力部（１８）から出力された流体の物理量を取得する取得ステップ（Ｓ１）と、取得ステップ（Ｓ１）で取得された流体の物理量に応じて、サーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御する制御ステップ（Ｓ３）と、を含む。

これにより、流体出力部（１８）から出力された流体の物理量が変化しても、その物理量に応じた出力量の流体が流体出力部（１８）から静圧軸受（１４）に供給されるため、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化を抑制することができる。

物理量は、圧力、流量、および、温度の少なくとも１つを含んでもよい。これにより、圧力、流量、および、温度の少なくとも１つの変化に応じた出力量の流体を、流体出力部（１８）から静圧軸受（１４）に供給させることができる。

取得ステップ（Ｓ１）は、駆動軸（１２）を駆動するためのモータ（１６）に供給される電流値と流体の物理量とを取得し、制御ステップ（Ｓ３）は、電流値および流体の物理量に基づいて、サーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御してもよい。これにより、流体の物理量だけでサーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御する場合に比べて、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化をより一段と抑制することができる。

取得ステップ（Ｓ１）は、加工機（１０）の周辺の大気の物理量と流体の物理量とを取得し、制御ステップ（Ｓ３）は、大気の物理量および流体の物理量に基づいて、サーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御してもよい。これにより、流体の物理量だけでサーボモータ（１８Ａ）の回転数を制御する場合に比べて、流体の状態変化に起因する加工精度の不安定化をより一段と抑制することができる。

１０…加工機 １２…駆動軸
１４…静圧軸受 １６…モータ
１８…流体出力部 １８Ａ…サーボモータ
２０…センサ ２２…制御部
２４…電流センサ ２６…大気センサ

Claims (10)

1. 加工対象物を加工する加工機であって、
   駆動軸を支持する静圧軸受と、
   前記静圧軸受に供給するための流体を、サーボモータの回転に応じて出力する流体出力部と、
   前記流体出力部から出力された前記流体の物理量を検出するセンサと、
   前記加工機の周辺の大気の物理量を検出する大気センサと、
   前記大気の物理量と前記流体の物理量とに基づいて、前記サーボモータの回転数を制御する制御部と、
   を備える加工機。
2. 請求項１に記載の加工機であって、
   前記物理量は、圧力、流量、および、温度の少なくとも１つを含む、加工機。
3. 請求項１または２に記載の加工機であって、
   前記駆動軸を駆動するためのモータを備え、
   前記制御部は、前記モータに供給される電流値と前記流体の物理量とに基づいて、前記サーボモータの回転数を制御する、加工機。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の加工機であって、
   前記制御部は、前記流体の物理量に応じて前記サーボモータの回転数を求め、求めた回転数を、前記大気の物理量に応じて補正し、補正した回転数が目標値となるように前記サーボモータを制御する、加工機。
5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の加工機であって、
   前記制御部は、前記流体の物理量に応じて前記サーボモータの回転数を求め、前記大気の物理量に応じて目標値を補正し、求めた回転数が補正した目標値となるように前記サーボモータを制御する、加工機。
6. 駆動軸を支持する静圧軸受に供給するための流体を、サーボモータの回転に応じて出力する流体出力部を有する加工機の圧力調整方法であって、
   前記加工機の周辺の大気の物理量と、前記流体出力部から出力された前記流体の物理量とを取得する取得ステップと、
   前記取得ステップで取得された前記大気の物理量および前記流体の物理量に基づいて、前記サーボモータの回転数を制御する制御ステップと、
   を含む圧力調整方法。
7. 請求項６に記載の圧力調整方法であって、
   前記物理量は、圧力、流量、および、温度の少なくとも１つを含む、圧力調整方法。
8. 請求項６または７に記載の圧力調整方法であって、
   前記取得ステップは、前記駆動軸を駆動するためのモータに供給される電流値と前記流体の物理量とを取得し、
   前記制御ステップは、前記電流値および前記流体の物理量に基づいて、前記サーボモータの回転数を制御する、圧力調整方法。
9. 請求項６～８のいずれか１項に記載の圧力調整方法であって、
   前記制御ステップは、前記流体の物理量に応じて前記サーボモータの回転数を求め、求めた回転数を、前記大気の物理量に応じて補正し、補正した回転数が目標値となるように前記サーボモータを制御する、圧力調整方法。
10. 請求項６～８のいずれか１項に記載の圧力調整方法であって、
    前記制御ステップは、前記流体の物理量に応じて前記サーボモータの回転数を求め、前記大気の物理量に応じて目標値を補正し、求めた回転数が補正した目標値となるように前記サーボモータを制御する、圧力調整方法。

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