JP7018709B2 - 加工制御システム、及び運動案内装置 - Google Patents

Description

本発明は、軌道部材と移動部材を有する運動案内装置によってワークを移動可能に支持した状態で、加工装置によるワークの加工を制御する加工制御システム、及び運動案内装置に関する。

加工装置によるワークの旋削、研削、フライス加工等を行う工作機械では、ワークを移動自在に支持する運動案内装置が用いられる場合がある。その場合の運動案内装置としては、例えば、長手方向に沿って延在する軌道部材と、転動溝内を転動可能に配置された転動体を介して該軌道部材に対向するように配置され且つ該軌道部材の該長手方向に沿って相対的に移動可能な移動部材とを有するものが知られている。このような運動案内装置を用いる工作機械では、移動部材に加工用のテーブルを取付け、そのテーブルにワークを載置することで、ワークを移動自在に支持する。

特開２０１５－０２７７０１号公報

上記した運動案内装置では、加工装置によるワークの加工が行われる際に、加工装置から運動案内装置へ負荷荷重が掛かると、その負荷荷重の一部を受けた移動部材が弾性変形して、荷重振動が発生する。ここで、運動案内装置の使用過程において、移動部材の剛性が経時的に低下していくと、それに伴って上記した荷重振動の減衰比も経時的に小さくなっていく。上記した荷重振動の減衰比が小さい場合は大きい場合に比べ、加工装置によるワークの加工が行われる際に、移動部材の荷重振動が収まり難くなる。そのため、運動案内装置の経時変化に伴って、上記した荷重振動の減衰比が小さくなっていくと、運動案内装置により支持されるワークの姿勢が安定し難くなり、加工装置によるワークの加工精度に影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、運動案内装置によってワークを移動可能に支持した状態で、加工装置によるワークの加工を行う際の加工精度の低下を抑制することにある。

本発明は、上記課題を解決するために、運動案内装置によってワークを移動可能に支持した状態で加工装置によるワークの加工を行う際に、該運動案内装置に掛かる負荷荷重に関する所定加工情報を取得して、その取得された所定加工情報に基づいて加工装置の制御パラメータを補正するための加工補正情報を生成可能な構成を採用した。そして、生成された加工補正情報を加工装置側へ出力することで、加工装置側で制御パラメータの補正を行えるようにした。

詳細には、本発明は、長手方向に沿って延在する軌道部材と、転動溝内を転動可能に配置された転動体を介して該軌道部材に対向するように配置され且つ該軌道部材の該長手方向に沿って相対的に移動可能な移動部材と、を有する運動案内装置によってワークを移動可能に支持した状態で加工装置により行われる、該ワークの加工に関する加工制御システムである。この加工制御システムは、前記運動案内装置と、前記ワークが載置されるテー
ブルであって、前記運動案内装置によって支持されるテーブルと、前記テーブルに前記ワークが載置された状態で前記加工装置により前記運動案内装置に掛かる負荷荷重に関する所定加工情報を取得する取得部と、前記取得部により取得された前記所定加工情報に基づいて、前記加工装置による前記ワークの加工用の所定の制御パラメータを補正するための加工補正情報を生成して、加工装置側に出力する出力部と、を備える。

このように構成される加工制御システムでは、テーブルにワークが載置された状態で加工装置により運動案内装置に掛かる負荷荷重に関する所定加工情報が取得される。ここで、テーブルにワークが載置された状態で加工装置により運動案内装置に負荷荷重が掛かった際に、移動部材に発生する荷重振動の減衰比等を特定する上では、上記の負荷荷重を把握する必要がある。そこで、本発明の加工制御システムでは、所定加工情報として、テーブルにワークが載置された状態で加工装置により運動案内装置に掛かる負荷荷重に関する情報が取得されるようにした。この所定加工情報は、加工補正情報の生成に供される。加工補正情報は、加工装置によってワークを加工する際に該加工装置の制御に用いられるパラメータを補正するための情報である。そして、本発明に係る加工制御システムは、生成された加工補正情報を、出力部から加工装置側に出力する。その結果、加工装置側では、加工補正情報を用いて制御パラメータを補正することができる。よって、運動案内装置の経時変化等に起因して、移動部材の剛性が変化した場合であっても、加工装置によるワークの加工精度の低下を抑制することができる。

本発明によれば、運動案内装置によってワークを移動可能に支持した状態で、加工装置によるワークの加工を行う際の加工精度の低下を抑制することができる。

本発明の加工制御システムの概略構成を示す図である。 運動案内装置の概略構成を示す図である。 本実施形態の運動案内装置に含まれる、レール及びキャリッジの外観斜視図である。 レール及びキャリッジの内部構造の概要を示した図である。 （ａ）はレールの長手方向から見た運動案内装置の正面図であり、（ｂ）はＢ部拡大図である。 運動案内装置に含まれる、情報処理装置により実現される機能部をイメージ化した図である。 運動案内装置における所定加工情報を形成するための処理のフローを示した図である。 キャリッジに外力が働くときの、センサの出力の変化を示す図である。 キャリッジ内の玉が接触している部分を示した図である。 変位５成分が生じる前の内部荷重の状態を示す図である。 変位５成分が生じた後の内部荷重の状態を示す図である。 キャリッジの変位データを時系列でプロットしたグラフの一例を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明に係わる加工制御システムを適用する工作機械２０の概略構成を示す図
である。工作機械２０は、ワーク４０の旋削、研削、スライス加工等を行うための加工工具３１と、ワーク４０を載置するテーブル８と、テーブル８を送るためのアクチュエータ１７と、加工工具３１によるワーク４０の加工速度（例えば、スピンドルの回転速度等）やアクチュエータ１７によるテーブル８の送り速度等を制御するためのＮＣ装置３０と、を備えている。工作機械２０は、本願でいう「加工装置」の一例である。

また、上記した工作機械２０には、テーブル８を移動自在に支持するための運動案内装置１が用いられる。ここで、運動案内装置１の構造、及び運動案内装置１に搭載されている変位センサの検出値に基づく情報等の流れについて、図２～図５に基づいて説明する。運動案内装置１において、符号２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄが変位センサを表し、符号４がリニアエンコーダを表し、更に符号１０が情報処理装置を表している。

まず、運動案内装置１の構成を説明する。運動案内装置１は、レール１１（本願でいう「軌道部材」の一例である）と、レール１１の長手方向沿いに相対移動可能に組み付けられるキャリッジ１２（本願でいう「移動部材」の一例である）と、リニアエンコーダ４や変位センサ２ａ～２ｂ、３ａ～３ｂの信号を処理するための情報処理装置１０と、を備える。この実施形態では、レール１１が工作機械２０のベース７に取り付けられ、キャリッジ１２に工作機械２０のテーブル８（図１参照）が取り付けられる。テーブル８を含む可動部の運動方向は、運動案内装置１によって案内される。なお、運動案内装置１を上下反転し、キャリッジ１２をベース７に取付け、レール１１をテーブル８に取り付けることもできる。また、運動案内装置１は、レール１１の長手方向が水平でなく、水平面に対して傾斜し或いは直交する状態で用いられてもよい。

図３は、運動案内装置１におけるレール１１及びキャリッジ１２の外観斜視図を示す。説明の便宜上、レール１１を水平面に配置し、レール１１の長手方向から見たときの方向、すなわち図３に示すｘ軸を前後方向、ｙ軸を上下方向、ｚ軸を左右方向として運動案内装置１の構成を説明する。もちろん、運動案内装置１の配置は、このような配置に限られることはない。

レール１１の左右の両側それぞれには、上下二条の転動面１１ａが設けられる。転動面１１ａの断面は円弧状である。レール１１の上面には、レール１１をベース７に締結するための締結部材が通される通し孔１１ｂが長手方向沿いに適当なピッチで設けられる。

キャリッジ１２は、レール１１の上面に対向する水平部１２－１と、レール１１の側面に対向する一対の袖部１２－２と、を有し、断面コの字状である。キャリッジ１２は、移動方向の中央のキャリッジ本体１３と、キャリッジ本体１３の移動方向の両端に配置される一対の蓋部材１４ａ、１４ｂと、一対の蓋部材１４ａ、１４ｂの移動方向の両端に配置される一対のセンサ取付け部材１５ａ、１５ｂ（図２参照）と、を備える。蓋部材１４ａ、１４ｂは、レール１１の上面に対向する水平部１４－１と、レール１１の側面に対向する一対の袖部１４－２と、を有し、断面コの字状である。センサ取付け部材１５ａ、１５ｂも、レール１１の上面に対向する水平部１５－１と、レール１１の側面に対向する一対の袖部１５－２と、を有し、断面コの字状である（図５（ａ）参照）。蓋部材１４ａ、１４ｂは、ボルト等の締結部材によってキャリッジ本体１３に締結される。センサ取付け部材１５ａ、１５ｂは、ボルト等の締結部材によってキャリッジ本体１３及び蓋部材１４ａ、１４ｂに締結される。なお、図３、図４では、センサ取付け部材１５ａ、１５ｂが省略されている。

図４は、運動案内装置１におけるレール１１及びキャリッジ１２の内部構造の概要を示した図である。図４に示すように、キャリッジ本体１３には、レール１１の四条の転動面１１ａに対向する四条の転動面１３ａが設けられる。キャリッジ本体１３には、各転動面
１３ａと平行に戻し路１３ｂが設けられる。蓋部材１４ａ、１４ｂには、各転動面１３ａと各戻し路１３ｂとを繋げるＵ字状の方向転換路１４ｃが設けられる。方向転換路１４ｃの内周側は、キャリッジ本体１３と一体の断面半円状の内周部１３ｃによって構成される。レール１１の転動面１１ａとキャリッジ本体１３の転動面１３ａとの間の負荷転走路、一対の方向転換路１４ｃ、戻し路１３ｂによってトラック状の循環路が構成される。循環路には、複数の玉１６（本願でいう「転動体」の一例である）が収容される。レール１１に対してキャリッジ１２が相対的に移動すると、これらの間に介在する玉１６が負荷転走路を転がる。負荷転走路の一端まで転がった玉１６は、一方の方向転換路１４ｃに導入され、戻し路１３ｂ、他方の方向転換路１４ｃを経由して、負荷転走路の他端に戻る。

＜センサの構成＞
ここで、運動案内装置１に組み込まれる変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄの構成について述べる。本実施形態における変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄは、例えば静電容量式の変位計であり、レール１１に対するキャリッジ１２の変位を非接触で検出する（図５（ｂ）の拡大図参照）。図２に示すように、キャリッジ１２の移動方向の両端部には、一対のセンサ取付け部材１５ａ、１５ｂが取り付けられる。一方のセンサ取付け部材１５ａには、４つの変位センサ２ａ～２ｄが取り付けられる。４つの変位センサ２ａ～２ｄは、レール１１の長手方向において同一の位置に配置される。他方のセンサ取付け部材１５ｂにも、４つの変位センサ３ａ～３ｄが取り付けられる。４つの変位センサ３ａ～３ｄは、レール１１の長手方向において同一の位置に配置される。レール１１の長手方向における変位センサ２ａ～２ｄと変位センサ３ａ～３ｄとの間の距離はＬ_１である（図２を参照）。なお、各変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄをキャリッジ１２の移動方向沿いに互いにずらして配置することも可能である。

図５（ａ）は、レール１１の長手方向から見たセンサ取付け部材１５ａを示す。上記のように、センサ取付け部材１５ａは、レール１１の上面１１ｃに対向する水平部１５－１と、レール１１の左右側面に対向する一対の袖部１５－２と、を有する。水平部１５－１には、ラジアル方向の変位を検出する２つの変位センサ２ａ、２ｂが配置される。変位センサ２ａ、２ｂは、レール１１の上面１１ｃに隙間をあけて向かい合っており、レール１１の上面１１ｃまでの隙間を検出する。２つの変位センサ２ａ、２ｂ間の左右方向における距離はＬ_２である。

一対の袖部１５－２には、水平方向の変位を検出する２つの変位センサ２ｃ、２ｄが配置される。変位センサ２ｃ、２ｄは、レール１１の側面１１ｄに隙間をあけて向かい合っており、側面１１ｄまでの隙間を検出する。

レール１１を水平面に配置したと仮定した状態において、変位センサ２ａ、２ｂ及び変位センサ２ｃ、２ｄは、キャリッジ１２の上面（取付け面）よりも下方に配置される。キャリッジ１２の上面（取付け面）の上にテーブル８を取り付けるためである。変位センサ２ａ～２ｄのケーブル２ａ_１～２ｄ_１は、センサ取付け部材１５ａの袖部１５－２から左右方向に引き出される。なお、ケーブル２ａ_１～２ｄ_１をセンサ取付け部材１５ａの前面から前方に（紙面に垂直方向に）引き出すこともできる。また、センサ取付け部材１５ａの上面の高さをキャリッジ１２の上面（取付け面）よりも低くし、センサ取付け部材１５ａの上面とテーブル８との隙間をケーブル２ａ_１、２ｂ_１を引き出す隙間として利用することもできる。

図２に示すセンサ取付け部材１５ｂも、センサ取付け部材１５ａと同様に、水平部１５－１と一対の袖部１５－２とを有し、変位センサ３ａ～３ｄが変位センサ２ａ～２ｄにそれぞれ対応する位置に配置される。

＜リニアエンコーダの構成＞
リニアエンコーダ４は、キャリッジ１２のｘ軸方向の位置を検出して、その検出結果を情報処理装置１０へ出力する。このリニアエンコーダ４は、例えば、工作機械２０のベース７又はレール１１に取り付けられるスケールと、工作機械２０のテーブル８又はキャリッジ１２に取り付けられ、スケールを読み取るヘッドと、を備える。なお、レール１１上のキャリッジ１２の位置を検出する位置検出手段は、リニアエンコーダに限定されるものではない。例えば、工作機械２０のテーブル８がボールねじ駆動の場合、位置検出手段として、ボールねじを駆動するモータの角度を検出するロータリーエンコーダを用いることもできる。

＜情報処理装置の機能構成＞
図６は、運動案内装置１に含まれる、情報処理装置１０により実現される機能部をイメージ化したブロック図である。情報処理装置１０は、変位センサ２ａ等の検出値を処理するための演算装置や一時的に記憶するメモリ等を有し、当該演算装置により所定の制御プログラムが実行されることで様々な機能が発揮される。本実施形態における情報処理装置１０は、その主な機能部として、取得部１０１と出力部１０２とを備えている。

取得部１０１は、テーブル８にワーク４０が載置された状態で運動案内装置１に負荷荷重が掛かっているときに、変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄの検出値を入力して、それら検出置から所定加工情報を取得する。所定加工情報は、上記した負荷荷重に関する情報であり、その詳細については後述する。

ここで、加工工具３１によるワーク４０の加工が行われるときは、加工工具３１からワーク４０及びテーブル８を介して運動案内装置１へ負荷荷重が掛かることで、キャリッジ１２が弾性変形して、該キャリッジ１２の荷重振動が発生する。加工工具３１によるワーク４０の加工を精度良く行う上では、上記の荷重振動が速やかに収束させることで、ワーク４０の姿勢を安定させることが望ましい。よって、キャリッジ１２は、上記の荷重振動を速やかに収束させることができる程度の剛性を持つように設計されている。

ところで、工作機械２０が繰り返し稼働されることに起因する、運動案内装置１の経時変化に伴って、キャリッジ１２の剛性が経時的に低くなる可能性がある。キャリッジ１２の剛性が低くなると、加工工具３１から運動案内装置１へ負荷荷重が掛かった際のキャリッジ１２の弾性変形量が大きくなり易くなるため、それに伴って、上記した荷重振動の振幅が大きくなったり、該荷重振動の減衰比が小さくなったりする可能性がある。その場合、キャリッジ１２に支持されるテーブル８及びワーク４０の姿勢が安定し難くなるため、加工工具３１によるワーク４０の加工精度が低くなる可能性がある。

そこで、本実施形態では、所定加工情報として、上記の負荷荷重の大きさを取得し、更にその負荷荷重の大きさに基づいてキャリッジ１２の剛性や上記荷重振動の減衰比を取得するようにした。これらの情報を取得する具体的な方法については後述する。

また、出力部１０２は、取得部１０１により取得された所定加工情報に基づいて、ＮＣ装置３０が加工工具３１を制御する際に用いられる制御パラメータを補正するための加工補正情報を生成し、その加工補正情報をＮＣ装置３０へ出力する。この加工補正情報の詳細については後述する。

＜取得部１０１の詳細＞
ここで、取得部１０１による、所定加工情報の取得処理の概略について、図７に基づいて説明する。図７に示す取得処理は、加工工具３１によるワーク４０の加工が開始されたことをトリガとして、取得部１０１によって実行される処理である。まず、取得部１０１
は、各変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄからキャリッジ１２の変位量を取得する（Ｓ１０１）。続いて、取得部１０１は、Ｓ１０１で取得したキャリッジ１２の変位量のデータを基に、キャリッジ１２に作用する負荷荷重の計算を行う（Ｓ１０２）。そして、取得部１０１は、Ｓ１０１で取得した変位量とＳ１０２で計算された負荷荷重とから、キャリッジ１２の剛性を計算する（Ｓ１０３）。さらに、取得部１０１は、Ｓ１０３で計算された、キャリッジ１２の剛性に基づいて、上記負荷荷重の減衰比を計算する。

次に、上述した取得処理における各ステップの処理の詳細について説明する。

＜Ｓ１０１＞
Ｓ１０１では、加工工具３１によるワーク４０の加工が開始されたことをトリガとして、取得部１０１は、各変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄからキャリッジ１２の変位量を取得する。各変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄの計測値はセンサから転動面までの距離であるため、取得部１０１は、変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄによって検出された変位情報の値から、予め記憶された無負荷状態における変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄの検出値を差し引いた値を、レール１１に対するキャリッジ１２の変位量として取得する。

＜Ｓ１０２＞
次に、Ｓ１０２では、取得部１０１は、キャリッジ１２の変位量に基づいて、キャリッジ１２に掛かる負荷荷重を計算する。取得部１０１は、キャリッジ１２に掛かる負荷荷重を計算するにあたり、まず、各変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄから取得したキャリッジ１２の変位量に基づいて、キャリッジ１２の変位５成分を算出する。次に、取得部１０１は、変位５成分に基づいて、複数の玉１６それぞれに働く荷重及び接触角を算出する。そして、取得部１０１は、各玉１６の荷重及び接触角に基づいて、キャリッジ１２に働く負荷荷重（外力５成分）を算出する。上記の３工程を詳細に以下に説明する。

＜工程１：キャリッジの変位５成分の算出＞
図３に示すように、運動案内装置１にｘ－ｙ－ｚ座標軸を設定すると、ｘ－ｙ－ｚ座標軸の座標原点に働く荷重は、ラジアル荷重のＦ_ｙと、水平荷重のＦ_ｚである。キャリッジ１２をレール１１に押し付ける方向で、図３のｙ軸の正方向へ働く荷重がラジアル荷重である。キャリッジ１２をレール１１に対し横へずらす方向で、図３のｚ軸正負方向へ働く荷重が水平荷重である。

また、ｘ－ｙ－ｚ座標軸まわりのモーメントは、ピッチングモーメントの合計であるＭ_ａと、ヨーイングモーメントの合計であるＭ_ｂと、ローリングモーメントの合計であるＭ_ｃである。キャリッジ１２には、外力として、ラジアル荷重Ｆ_ｙ、ピッチングモーメントＭ_ａ、ローリングモーメントＭ_ｃ、水平荷重Ｆ_ｚ、ヨーイングモーメントＭ_ｂが働く。キャリッジ１２にこれらの外力５成分が作用すると、キャリッジ１２にはそれぞれに対応する変位５成分、すなわちラジアル変位α_１（ｍｍ）、ピッチング角α_２（ｒａｄ）、ローリング角α_３（ｒａｄ）、水平変位α_４（ｍｍ）、ヨーイング角α_５（ｒａｄ）が生ずる。

図８は、キャリッジ１２に外力が働くときの、変位センサ２ａ～２ｄの出力の変化を示す。図８において斜線のハッチング付きの矢印は、出力が変化するセンサであり、図８において白抜きの矢印は、出力が変化しないセンサである。キャリッジ１２にラジアル荷重Ｆ_ｙが働くとき、キャリッジ本体１３や玉１６等の弾性変形によって、キャリッジ１２とレール１１との間の上下方向の隙間がラジアル荷重Ｆ_ｙの大きさに応じて変化する。変位センサ２ａ、２ｂは、この上下方向の隙間の変化（変位）を検出する。なお、センサ取付け部材１５ｂ（図２参照）に取り付けられる変位センサ３ａ、３ｂも、この上下方向の変
位を検出する。

キャリッジ１２にラジアル荷重Ｆ_ｙが働くとき、キャリッジ１２のラジアル変位α_１は、変位センサ２ａ、２ｂが検出した変位をＡ_１、Ａ_２、変位センサ３ａ、３ｂが検出した変位をＡ_３、Ａ_４とすると、例えば以下の式で与えられる。
（数１）
α_１＝（Ａ_１＋Ａ_２＋Ａ_３＋Ａ_４）／４

キャリッジ１２に水平荷重Ｆ_ｚが働くとき、キャリッジ本体１３や玉１６の弾性変形等によって、キャリッジ１２がレール１１に対し横へずれ、キャリッジ１２の一方の袖部１２－２とレール１１との間の水平方向の隙間が小さくなり、キャリッジ１２の他方の袖部１２－２とレール１１との間の水平方向の隙間が大きくなる。変位センサ２ｃ、２ｄは、この水平方向の隙間の変化（変位）を検出する。なお、センサ取付け部材１５ｂ（図２参照）に取り付けられる変位センサ３ｃ、３ｄも、この水平方向の変位を検出する。キャリッジ１２の水平変位α_４は、変位センサ２ｃ、２ｄが検出した変位をＢ_１、Ｂ_２、変位センサ３ｃ、３ｄが検出した変位をＢ_３、Ｂ_４とすると、例えば以下の式で与えられる。
（数２）
α_４＝（Ｂ_１－Ｂ_２＋Ｂ_３－Ｂ_４）／４

キャリッジ１２にピッチングモーメントＭ_ａが働くとき、変位センサ２ａ、２ｂとレール１１の間の隙間が大きくなり、変位センサ３ａ、３ｂとレール１１との間の隙間が小さくなる。ピッチング角α_２が十分に小さいとすると、ピッチング角α_２（ｒａｄ）は、例えば以下の式で与えられる。
（数３）
α_２＝（（Ａ_３＋Ａ_４）／２－（Ａ_１＋Ａ_２）／２）／Ｌ_１

キャリッジ１２にローリングモーメントＭ_ｃが働くとき、変位センサ２ａ、３ａとレール１１との間の隙間が小さくなり、変位センサ２ｂ、３ｂとレール１１との間の隙間が大きくなる。ローリング角α_３が十分に小さいとすると、ローリング角α_３（ｒａｄ）は、例えば以下の式で与えられる。
（数４）
α_３＝（（Ａ_１＋Ａ_３）／２－（Ａ_２＋Ａ_４）／２）／Ｌ_２

キャリッジ１２にヨーイングモーメントＭ_ｂが働くとき、変位センサ２ｃ、３ｄとレール１１の間の隙間が小さくなり、変位センサ２ｄ、３ｃとレール１１との間の隙間が大きくなる。ヨーイング角α_５が十分に小さいとすると、ヨーイング角α_５（ｒａｄ）は、例えば以下の式で与えられる。
（数５）
α_５＝（（Ａ_１＋Ａ_４）／２－（Ａ_２＋Ａ_３）／２）／Ｌ_２

以上により、変位センサ２ａ～２ｄ、３ａ～３ｄが検出する変位に基づいて、キャリッジ１２の変位５成分を算出できる。

＜工程２：各玉に働く荷重及び接触角の算出＞
キャリッジ１２内の玉１６が接触している部分をｘ軸方向に断面にした状態を図９に示す。図９により、各玉ピッチは、１より少し大きい値をとるκを用いてκＤａとし、各玉のｘ座標が決定され、それをＸ_ｉとする。キャリッジ１２内の玉１６が転動する部分の長さを２Ｕ_ｘとする。２Ｕ_ｘ内に並ぶ玉数を有効玉数といいＩとする。キャリッジ１２の両端部分には、半径Ｒで深さがλ_εとなるようなクラウニング加工と呼ばれるＲ形状の大きな曲面加工が施されている。

キャリッジ１２に負荷荷重としての外力５成分、すなわちラジアル荷重Ｆ_ｙ、ピッチングモーメントＭ_ａ、ローリングモーメントＭ_ｃ、水平荷重Ｆ_ｚ、及びヨーイングモーメントＭ_ｂが働いたときに、キャリッジ１２に変位５成分、すなわちラジアル変位α_１、ピッチング角α_２、ローリング角α_３、水平変位α_４、ヨーイング角α_５が生ずるとして理論式をたてる。

キャリッジ１２の玉番号ｉにおけるキャリッジ１２内断面の、変位５成分が生じる前の内部荷重の状態を図１０に、変位５成分が生じた後の内部荷重の状態を図１１にそれぞれ示す。ここでは、キャリッジ１２の玉列番号をｊ、玉列内の玉番号をｉとする。玉径はＤ_ａ、レール１１側、キャリッジ１２側ともに転動面と玉１６との適合度をｆ、すなわち転動面曲率半径はｆＤ_ａとする。また、レール側転動面曲率中心位置をＡ_ｒ、キャリッジ側転動面曲率中心位置をＡ_ｃとし、それらを結んだ線とｚ軸とのなす角である接触角の初期状態をγとする。さらに、レール１１の上側にある２つの転動面を各々転がる玉１６同士の玉中心間距離を２Ｕ_ｚ１２、レール１１の下側にある２つの転動面を各々転がる玉１６同士の玉中心間距離を２Ｕ_ｚ３４、レール１１の上側の転動面および下側の転動面を各々転がる玉１６同士の玉中心間距離を２Ｕ_ｙとする。

玉１６には予圧が作用している。まず、予圧の原理について説明する。レール１１、キャリッジ１２の対向する転動面間に挟まれた部分の寸法は、レール１１、キャリッジ１２の設計時の寸法及び転動面の幾何形状によって決まる。そこに入るべき玉径が設計時の玉径であるが、そこに設計時の玉径よりも僅かに大きな寸法Ｄａ＋λの玉１６を組み込むと、玉１６と転動面の接触部はＨｅｒｔｚの接触論により、弾性変形をし、接触面を形成し、接触応力を発生させる。そうして発生した荷重が内部荷重であり、予圧荷重である。

図１０では、その荷重をＰ_０で表しており、接触部の弾性変形によるレール１１、キャリッジ１２間の相互接近量をδ_０で表している。実際は玉位置が図１０の一点鎖線で描いた、レール１１、キャリッジ１２の転動面間の中心位置に存在するが、両転動面の玉１６との適合度ｆは等しいので、玉１６の２箇所の接触部に発生するＨｅｒｔｚの接触論に基づく諸特性値が同じである。このため、玉１６をレール側転動面位置にずらして描くことにより、レール１１、キャリッジ１２の転動面間の相互接近量δ_０をわかりやすくしている。

通常、予圧荷重は、キャリッジ１個あたり上側の２列分（又は下側２列分）のラジアル方向荷重として定義しているので、予圧荷重Ｐ_ｐｒｅは次式で表される。
（数６）

次に、この状態から運動案内装置１に負荷荷重（外力５成分）が作用して、変位５成分が生じた状態を説明する。図１１に示すように、座標原点とした運動案内装置１の中心が変位５成分であるラジアル変位α_１、ピッチング角α_２、ローリング角α_３、水平変位α_４、ヨーイング角α_５によってｉ番目の玉位置でのレール１１とキャリッジ１２の相対変位が起きている。

このとき、レール側転動面曲率中心は動かないが、キャリッジ１２が移動するので、キャリッジ側転動面曲率中心は各玉位置で幾何学的に移動する。その様子はキャリッジ側転動面曲率中心であるＡ_ｃがＡ_ｃ′へ移動するものとして表している。このＡ_ｃがＡ_ｃ′ヘ
移動した量をｙ方向とｚ方向に分けて考え、ｙ方向に移動した量をδ_ｙとし、ｚ方向へ移動した量をδ_ｚとすると、以降添え字はｉ番目の玉、ｊ番目の玉列を表すものとして、
（数７）
δ_ｙｉｊ＝α_１＋α_２ｘ_ｉ＋α_３ｚ_ｃｉｊ
δ_ｚｉｊ＝α_４＋α_５ｘ_ｉ－α_３ｙ_ｃｉｊ
と表すことができる。ここで、ｚ_ｃ、ｙ_ｃは、点Ａ_ｃの座標である。

次に、レール１１側とキャリッジ１２側の転動面曲率中心を結んだ線が、玉荷重の法線方向である接触角となるので、初期接触角であったγ_ｊはβ_ｉｊへと変化し、さらに、この両転動面曲率中心間距離は、当初のＡ_ｒ、Ａ_ｃ間の距離からＡｒ、Ａ_ｃ´間の距離へと変化する。この両転動面曲率中心間距離の変化が、玉１６の両接触部での弾性変形となり、図１０で説明したときと同様に、玉１６をレール側転動面位置にずらして描くことにより、玉１６の弾性変形量δ_ｉｊが求まる。

このＡｒ、Ａｃ´間の距離もｙ方向とｚ方向とに分けて考え、ｙ方向の距離をＶ_ｙとし、ｚ方向の距離をＶ_ｚとすると、前述のδ_ｙｉｊ、δ_ｚｉｊを用いて、
（数８）
Ｖ_ｙｉｊ＝（２ｆ－１）Ｄ_ａｓｉｎγ_ｊ＋δ_ｙｉｊ
Ｖ_ｚｉｊ＝（２ｆ－１）Ｄ_ａｃｏｓγ_ｊ＋δ_ｚｉｊ
と表せる。これによりＡｒ、Ａｃ´間の距離は、
（数９）

となり、接触角β_ｉｊは、
（数１０）

となる。以上より玉１６の弾性変形量δ_ｉｊは、
（数１１）

となる。

ここで、図９で示したキャリッジ１２内の玉１６が接触している部分をｘ軸方向に断面にした状態において、クラウニング、加工部分に入っている玉１６の弾性変形量δ_ｉｊは、キャリッジ１２側の転動面曲率中心のＡｃ´がレール側転動面曲率中心Ａ_ｃから離れる形となっており、その分だけ少なくなる。それはちょうど玉径をそれに見合う形で小さくしたものと同等とみなせるため、その量をλ_ｘｉとして上式中で差し引いている。

Ｈｅｒｔｚの接触論により導かれた転動体が玉の場合の弾性接近量を示す式を用いると、弾性変形量δ_ｉｊから転動体荷重Ｐ_ｉｊが下記の式によって求められる。
（数１２）

ここで、Ｃ_ｂは非線形のばね定数（Ｎ／ｍｍ^３／２）であり、下記の式で与えられる。（数１３）

ここで、Ｅは縦弾性係数、１／ｍはポアソン比、２Ｋ／πμはＨｅｒｔｚ係数、Σρは主曲率和である。

以上により、キャリッジ１２の変位５成分α_１～α_５を用いて、キャリッジ１２内のすべての玉１６について、接触角β_ｉｊ、弾性変形量δ_ｉｊ、転動体荷重Ｐ_ｉｊを式で表すことができたことになる。

なお、上記においては、わかり易くするために、キャリッジ１２を剛体として考えた剛体モデル負荷分布理論を使用している。この剛体モデル負荷分布理論を拡張し、キャリッジ１２の袖部１２－２の変形を加味すべく梁理論を適用したキャリッジ梁モデル負荷分布理論を使用することもできる。さらに、キャリッジ１２やレール１１をＦＥＭモデルとしたキャリッジ・レールＦＥＭモデル負荷分布理論を使用することもできる。

＜工程３：負荷荷重（外力５成分）の算出＞
あとは、上記の式を使って外力としての５成分、すなわちラジアル荷重Ｆ_ｙ、ピッチングモーメントＭ_ａ、ローリングモーメントＭ_ｃ、水平荷重Ｆ_ｚ、ヨーイングモーメントＭ_ｂに関するつり合い条件式をたてればよい。
（数１４）
ラジアル荷重Ｆ_ｙに関して、

（数１５）
ピッチングモーメントＭ_ａに関して、

（数１６）
ローリングモーメントＭ_ｃに関して、

ここで、ω_ｉｊは、モーメントの腕の長さを表し、次式で与えられる。ｚ_ｒ、ｙ_ｒは、点Ａ_ｒの座標である。

（数１７）
水平荷重Ｆ_ｚに関して、

（数１８）
ヨーイングモーメントＭ_ｂに関して、

以上の式からキャリッジ１２に掛かる負荷荷重（外力５成分）を算出することができる。

＜Ｓ１０３＞
次に、Ｓ１０３の詳細について説明する。Ｓ１０３では、取得部１０１は、キャリッジ１２の剛性は、外力５成分と外力５成分の各成分に対応する弾性変形量とに基づいて、キャリッジ１２の剛性を計算する。その際、取得部１０１は、外力５成分の各成分に対応する弾性変形量として、Ｓ１０１で取得された変位５成分の各成分を用いるものとする。そして、ラジアル荷重Ｆ_ｙに対するキャリッジ１２の剛性をｋ_ｙは、
（数１９）
ｋ_ｙ＝Ｆ_ｙ／α１
となる。

ピッチングモーメントＭ_ａに対するキャリッジ１２の剛性ｋ_ａは、
（数２０）
ｋ_ａ＝Ｍ_ａ／α２
となる。

ローリングモーメントＭ_ｃに対するキャリッジ１２の剛性ｋ_ｃは、
（数２１）
ｋ_ｃ＝Ｍ_ｃ／α３
となる。

水平荷重Ｆ_ｚに対するキャリッジ１２の剛性ｋｚは、
（数２２）
ｋｚ＝Ｆｚ／α４
となる。

ヨーイングモーメントＭ_ｂに対するキャリッジ１２の剛性ｋ_ｂは、
（数２３）
ｋ_ｂ＝Ｍ_ｂ／α５
となる。

以上の式からキャリッジ１２の剛性（剛性５成分）を算出することができる。

＜Ｓ１０４＞
次に、Ｓ１０４の詳細について説明する。Ｓ１０４では、取得部１０１は、Ｓ１０３で算出されたキャリッジ１２の剛性５成分に基づいて、上記荷重振動の減衰比を計算する。
ここで、上記荷重振動の減衰比は、キャリッジ１２の弾性振動の減衰比と相関する。よって、上記荷重振動の減衰比は、キャリッジ１２の剛性とキャリッジ１２の質量とを用いて演算することができる。例えば、荷重振動のラジアル成分の減衰比ｄ_ｙは、キャリッジ１２の質量をｑとすると、
（数２４）

となる。ここで、ｃは定数である。

荷重振動のピッチング成分の減衰比ｄ_ａは、
（数２５）

となる。

荷重振動のローリング成分の減衰比ｄ_ｃは、
（数２６）

となる。

荷重振動の水平成分の減衰比ｄ_ｚは、
（数２７）

となる。

荷重振動のヨーイング成分の減衰比ｄ_ｂは、
（数２８）

となる。

なお、取得部１０１は、図１２に示すように、変位のデータを横軸が時間軸のグラフにプロットした場合の波形において、単位時間あたりの振幅の減衰量ΔＡからキャリッジ１
２の減衰比を求めてもよい。また、変位の振動が開始されてから収まるまでの時間Δｔ２基づいて、上記した荷重振動の減衰比を求めてもよい。

＜出力部１０２の詳細＞
次に、出力部１０２は、取得部１０１により取得される所定加工情報である、キャリッジ１２の剛性データ及び減衰比データに基づいて、加工補正情報を生成する。加工補正情報は、前述したように、ＮＣ装置３０が加工工具３１を制御する際に用いられる制御パラメータを補正するための情報である。詳細には、加工補正情報は、加工工具３１によるワーク４０の加工速度を補正するための情報や、加工工具３１によるワーク４０の加工が行われているときのアクチュエータ１７によるキャリッジ１２の移動速度（テーブル８の送り速度）を補正する情報等である。ここで、加工補正情報として、加工工具３１によるワーク４０の加工速度を補正するための情報を用いる場合は、出力部１０２は、キャリッジ１２の剛性及び上記荷重振動の減衰比が小さくなるほど、加工速度を遅くするような補正情報を生成すればよい。また、加工補正情報として、アクチュエータ１７によるテーブル８の送り速度を補正する情報を用いる場合は、出力部１０２は、キャリッジ１２の剛性及び上記荷重振動の減衰比が小さくなるほど、テーブル８の送り速度を遅くするような情報を生成すればよい。要するに、出力部１０２によって生成される加工補正情報は、加工工具３１によりワーク４０が加工されている際にキャリッジ１２に掛かる負荷荷重が小さくなるように、上記の制御パラメータを補正可能な情報であればよい。このようにして生成される加工補正情報は、出力部１０２からＮＣ装置３０へ出力される。

なお、出力部１０２による加工補正情報の出力は、前回の加工補正情報の出力時におけるキャリッジ１２の剛性値又は減衰比からの変動量が所定量以上となったときに行われるようにしてもよい。その際の所定量は、上記の変動量が該所定量未満であれば、加工工具３１によるワーク４０の加工精度の低下が許容範囲に収まると考えられる量である。このように、加工補正情報の出力条件が定められると、ＮＣ装置３０による加工工具３１の制御におけるハンチングやオーバーシュートの発生を抑制することができる。

また、出力部１０２は、前回の加工補正情報の出力時におけるキャリッジ１２の剛性値又は減衰比からの変動量が所定量以上となるまでに要した時間（工作機械２０の稼働時間の積算値）が所定時間より短い場合は、ワーク４０の加工に関するアラーム情報をＮＣ装置３０へ出力するようにしてもよい。その場合の所定時間は、正常な運動案内装置１が経時変化する過程において上記の変動量が所定量以上となるまでに要する時間より短い時間であって、運動案内装置１の経時変化以外の要因によって、取得部１０１により取得されるキャリッジ１２の剛性値又は減衰比が小さくなっていると考えられる時間である。つまり、前記所定時間は、運動案内装置１の経時変化以外の要因による異常が発生していると考えられる時間である。このように設定された所定時間に基づいて、出力部１０２からＮＣ装置３０へアラーム情報が出力されると、ＮＣ装置３０側において加工工具３１によるワーク４０の加工を停止させて、工作機械２０の点検や修理を行うことが可能になる。

以上述べたような運動案内装置１を備える加工制御システムでは、運動案内装置１の経時変化によってキャリッジ１２の剛性が低下した場合には、ＮＣ装置３０は、運動案内装置１の出力部１０２から出力される加工補正情報を利用して、加工工具３１の制御パラメータを補正することができる。その際、所定加工情報として、加工工具３１によりワーク４０が加工される際にキャリッジ１２に掛かる負荷荷重を取得することで、その負荷荷重と変位データとからキャリッジ１２に発生する荷重振動の減衰比を取得することができる。そして、その減衰比に基づいて生成される加工補正情報をＮＣ装置３０へ出力することで、例えば、加工工具３１によるワーク４０の加工が行われる際の運動案内装置１に掛かる負荷荷重が小さくなるように制御パラメータを補正することも可能となる。その場合、キャリッジ１２の剛性の低下に起因して、キャリッジ１２の荷重振動が収まるまでに要す
る期間が長期化することを抑制することができる。その結果、加工工具３１によりワーク４０が加工されているときに、ワーク４０の姿勢が不安定になることを抑制することができる。よって、運動案内装置１の経時変化に起因して、ワーク４０の加工精度が低下することを抑制することができる。

なお、本実施形態では、所定加工情報として、キャリッジ１２の剛性及び上記荷重振動の減衰比の各々について５成分を取得する例について述べたが、それら５成分のすべてを取得する必要はなく、加工工具３１の種類に応じた成分のみを取得するようにしてもよい。

１…運動案内装置、
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…変位センサ、４…リニアエンコーダ、８…テーブル、１０…情報処理装置、１１…レール、１２…キャリッジ、１５ａ、１５ｂ…センサ取付け部材、１５－１…水平部、１５－２…袖部、１６…玉、２０…工作機械、３０…ＮＣ装置、３１…加工工具、３２…アクチュエータ、４０…ワーク

Claims (6)

1. 長手方向に沿って延在する軌道部材と、転動溝内を転動可能に配置された転動体を介して該軌道部材に対向するように配置され且つ該軌道部材の該長手方向に沿って相対的に移動可能な移動部材と、を有する運動案内装置によってワークを移動可能に支持した状態で加工装置により行われる、該ワークの加工に関する加工制御システムであって、
   前記運動案内装置と、
   前記ワークが載置されるテーブルであって、前記運動案内装置によって支持されるテーブルと、
   前記テーブルに前記ワークが載置された状態で前記加工装置により前記ワークが加工されている際に前記移動部材に掛かる荷重振動の減衰比に関する情報である所定加工情報を、前記移動部材の剛性に基づいて演算することで、取得する取得部と、
   前記取得部により取得された前記所定加工情報に基づいて、前記加工装置による前記ワークの加工用の所定の制御パラメータを、前記移動部材に掛かる負荷荷重が小さくなるように補正するための加工補正情報を生成して、前記加工装置側に出力する出力部と、
   を備える、加工制御システム。
2. 前記運動案内装置は、更に、前記移動部材において所定数の変位方向における該移動部材の変位を検出する複数の変位センサを有し、
   前記取得部は、前記運動案内装置の前記複数の変位センサの検出値に基づいて前記移動部材の剛性を演算し、演算された前記移動部材の剛性に基づいて前記所定加工情報を取得する、
   請求項１に記載の加工制御システム。
3. 前記出力部は、前記取得部により取得された前記所定加工情報の履歴において、前記減衰比の変動量が所定量以上となった場合に、前記加工補正情報を生成し、該加工装置側に該加工補正情報を出力する、
   請求項２に記載の加工制御システム。
4. 前記出力部は、前記取得部により取得された前記所定加工情報の履歴において、前記減
   衰比の変動量が前記所定量以上となり、且つ、該減衰比の変動量が該所定量以上となるのに要した時間が所定時間より短い場合には、前記加工装置側に前記ワークの加工に関するアラーム情報を出力する、
   請求項３に記載の加工制御システム。
5. 前記加工補正情報は、前記加工装置に設けられた加工工具による前記ワークの加工速度に関する情報、該加工工具に対して前記テーブルを送るためのアクチュエータの送り速度に関する情報の少なくとも何れかを含む、
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の加工制御システム。
6. 長手方向に沿って延在する軌道部材と、転動溝内を転動可能に配置された転動体を介して該軌道部材に対向するように配置され且つ該軌道部材の該長手方向に沿って相対的に移動可能な移動部材を有する運動案内装置であって、
   前記移動部材において所定数の変位方向における該移動部材の変位を検出する複数の変位センサと、
   前記運動案内装置の前記複数の変位センサの検出値に基づいて前記移動部材の剛性を演算し、演算された前記移動部材の剛性に基づいて、加工装置によりワークが加工されている際に前記移動部材に掛かる荷重振動の減衰比に関する情報を所定加工情報として取得する取得部と、
   前記運動案内装置によってワークを移動可能に支持した状態で加工装置により行われる、該ワークの加工用の所定の制御パラメータを、前記移動部材に掛かる負荷荷重が小さくなるように補正するための加工補正情報を、前記所定加工情報に基づいて生成し前記加工装置側に出力する出力部と、
   を備える、運動案内装置。

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