JPH02284848A - 工作機械における移動台の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、工作機械においてワークや工具等を正確な
送り精度で直線往復移動させるための制御手段に関する
ものである。

（従来の技術） 工作機械は、通常２個以上の互いに直交する方向の移動
台を有している。例えば主軸台を固定した旋盤では、刃
物台を主軸方向（Ｘ方向）及び主軸直角方向（Ｘ方向）
の２個の移動台を介して装着する。また主軸台をＸ方向
の移動台を介して装着した旋盤では、刃物台をＸ方向の
移動台を介して装着する。そしてこれらの移動台の送り
精度がワークの形状精度を決定づける要因となる。超精
密加工の分野においては、移動台の送り駆動をサーボモ
ータとボールネジで行っているのが普通であり、移動台
の位置をレーザー測長装置で測定して前記サーボモータ
をフィードバック制御している。

（発明が解決しようとする課題） 例えば主軸台をＺ方向移動台に搭載した旋盤を考えた場
合、加工中におけるワークへのハイド先端の接触点は、
加工箇所の径に応じてＸ方向に変化する。一方このＺ方
向移動台への測長用レーザービームの投射位置は一定で
ある。従って、このような移動台においては、工具の接
触点をレーザービームの延長上に常に位置させることは
不可能である。また、工作機械上の部材配置上の要請に
も起因して、工具の接触点とレーザービームの投射位置
との間に移動台の移動方向と直交する方向のある量の偏
倚が生ずるのを避けることはできない。

ところがこのような偏倚が存在すると、移動台がヨーイ
ングしたときにワークと工具の接触点にヨーイング角（
ラジアン）と偏倚長さの積に相当する送り方向の誤差が
生し、これがワークの形状３呉差となってあられれる。

従来は、この要因に基づく加工誤差の発生を防止する手
段として直線ガイドの剛性を高くする（例えばガイド面
の長さを長くする）という手段が採用されているが、超
精密加工機械では直線ガイドとしてエアスライドが用い
られることにも起因して、上記移動台のヨーイングを防
止してサブミクロンオーダの加工精度を実現することに
は非常な困難があった。

この発明は、より高精度の加工を実現するための研究の
一環としてなされたもので、超精密加工機械における移
動台のヨーイングに起因する加工誤差の発生を防止する
ことを課題としている。

（課題を解決するための手段） この発明は、１個の直線駆動装置３と１個又は複数個の
直線ガイド２とによって往復駆動される工作機械の移動
台１において、上記直線駆動装置の従動要素（例えばボ
ールナンド）６と工具等を支持している支持台（例えば
上記主軸台のベース２１や刃物ホルダ３１）との間に捩
じり撓み部材７を介装し、該捩じり撓み部材に捩じり力
を付加する圧電素子８Ｉ！、８ｒを設け、レーザ測長装
置１０で前記移動台の前記捩じり撓み部材より支持台よ
りにその移動方向の２木のレーザービームＬβ、Ｌｒを
投射し、該２本のレーザービームの受容器１７β、１７
ｒで検出された２個の検出値の平均値に基いて前記直線
駆動装置の動作量を制御し、その差信号に基いて前記圧
電素子への印加電圧を制御することを特徴とするもので
ある。

捩じり撓み部材７とは、移動台１のヨーイング方向の捩
じれに対して比較的小さい剛性を有し、その他の外力に
対しては高い剛性を備えたーの部材または複数の部材群
からなる部材であって、材料力学の応用により各種構造
のものが実現可能である。この涙じり撓み部材７は、支
持台２１．３１と直線駆動装置の従動要素６との間に介
装すればよく、２本のレーザビームＬＩ！、Ｌｒはこの
捩じり撓み部材７よりも支持台２１．３１側に投射され
ねばならない。圧電素子８１．８ｒは、捩じり撓み部材
７で連結された２個の部材相互の間に捩じりモーメント
を与える方向に装着される。

（作用） 移動台１にヨーイングが生じたときには、その移動台な
いしこれと実質上一体の支持台２１．３１に投射された
２本のレーザビームＬＡ、ＬｒＯ光路長に差が生ずるた
め、レーザビーム測長機の２個の検出値の間に差が生ず
る。そこでこの差に対応する値の電圧を圧電素子８Ｉ！
又は８ｒに印加して捩じり撓み部材７に上記ヨーイング
を打ち消す方向および量の捩じり変形を与えてやれば、
例え移動台のガイドないし駆動部分がヨーイングしても
その上に装着されている工具等はヨーイングせず、また
移動台１の移動量も２個のレーザビームＬＡ、Ｌｒで検
出された検出値の平均値で制で１口されるので、工具３
２とワーク２７の接触点の移動位置は正確に維持される
。レーザビームの干渉を利用した測長機によれば０．０
２５μｍの位置検出が可能であるから、上記構造により
工具やワークをサブミクロン以下のオーダで位置制御す
ることが可能となる。

（実施例） 第１図は、この発明の構造が採用される典型的な工作機
械の要部構造を示した斜視図である。図示のものは、主
軸台２０を２方向移動台１ｚに、刃物台３０をＸ方向移
動台ｌｘに搭載した旋盤で、２　（２ｚ、２ｘ）は図示
しないベースに装着されたスライドガイド、３　（３ｚ
、３ｘ）は直線駆動装置であり、移動台１　（１ｚ、１
ｘ）はスライドガイド２で案内されて直線駆動装置３で
往復駆動される。４　（４ｚ、４ｘ）は直線駆動装置３
のサーボモータ、５　（５２，５Ｘ）はそのボールネジ
である。符号に付した添字のＺ及びＸは、それぞれＸ方
向（主軸側）及びＸ方向（刃物側）のものを示すために
付されたもので、説明においては、特にＸ方向のものと
Ｘ方向のものとを区別する必要がないときには、これら
の添字を省略した符号を用いる。

２１は２方向移動台１ｚと一体の主軸台ベース、２２は
主軸モータ、２３は主軸モータ用軸受箱、２４は主軸モ
ータの軸と主軸との間に介装されたマグネットカップリ
ング、２５は主軸用軸受箱、２６は主軸先端に装着され
たチャック、２７はチャックに把持されたワークである
。また３１はバイトホルダ、３２はバイトホルダに装着
されたバイトで、バイトホルダ３１はＸ方向移動台１ｘ
と一体の案内ブロック３３の溝３４に沿う任意に位置に
固定自在である。

１０はレーザ測長装置で、１１はレーザビーム発振器、
１２及び１３は５０％ビームスプリッタ、１４はビーム
ベンダで、主軸台及び刃物台側の移動台１ｚ、ｌｘに左
右各２本のレーザビームＬ　ｒ　ｓＬｌが投射されてい
る。レーザ測長装置の詳細は、第２図に示されており、
同図中、１５ｒ及び１５Ｅは移動台ｌ側に設けた反射鏡
、１６ｒ及び１６１は干渉計、１７ｒ及び１７２はレシ
ーバである。

第３図はＸ方向移動台ｌｘの模式的な側面図、第４図は
第３図のＡ部における模式的な断面図で、６はボールネ
ジ５に螺合するボールナツトを内蔵したポールナツトホ
ルダ、７は捩じり撓み部材である。図示実施例の涙じり
撓み部材７は、放射状に配置した８枚の板体７ａ・・・
・からなり、これらの板体の上下辺は移動台ｌ及びポー
ルナツトホルダ６に一体的に固着されている。この構造
の捩しり撓み部材７は、板体７ａ・・・・の配置中心線
７回りに比較的容易に捩じれ変形し、他の方向の外力に
は強い剛性を示す。この捩じり撓み部材７の周囲には、
ポールナツトホルダ６から対向する一対の壁体６ａが立
設され、移動台ｌからはポールナツト側の壁体と交互に
位置するように一対の壁体１ａが垂設されている。そし
てポールナツト側の壁体６ａと移動台側の壁体１ａとの
間に、４個の圧電素子８ｒ、８ｒ及びＦ３１，８１が介
装されており、電圧を印加された圧電素子８が一方の壁
体の端部を基点とし°Ｃ他方の壁体を押動せさるように
付勢する。第４図を参照して、ポールナツトホルダ６を
基準にして考えれば、図の右上及び左下の圧電素子８Ｎ
に電圧を印加することにより移動台１が第４図上人回り
に付勢され、左上及び右下の圧電素子８ｒに電圧を印加
することにより移動台１が第４図上布回りに付勢される
。

第５図はこの圧電素子８１．８ｒの制御ブロック図を示
したものである。第２図に示す刃物台側の左レシーバ１
１１ｘ及び右レシーバ１７　ｒｘ（第５図では添字Ｘを
省略している。）で検出された信号は、オペアンプ４１
．４２で平均値信号及び差信号とされ、平均値信号は送
り用サーボモータ４ｘのドライバ４３に与えられてサー
ボモータ４ｘの回転をフィードバック制御する。−力差
信号は、圧電素子８１と８ｒの電圧を制御している電圧
制御器４４に与えられ、若し移動台ｌが右回りに傾斜し
ていれば左回転側圧電素子８１に電圧を印加して捩じり
撓み部材７に左回りのモーメントを与え、若し移動台ｌ
が左回りに傾斜していれば右回転側圧電素子８ｒに電圧
を印加して捩じり撓み部材７に右回りのモーメントを与
えて前記差信号が零になるように制御する。このように
して移動台１のヨーイングは、捩じり撓み部材７の捩じ
り変形によって修正され、ヨーイングに起因するワーク
とバイト先端との接触点の位置誤差が補正される。

以上の説明は、刃物台側の移動台ｌｘについてのもので
あるが、主軸台側の移動台１ｚも同様な構造で制御され
ている。その構造及び動作は、刃吻合側のものと同じで
あるので、重複を避けるために図示及び説明は省略する
。

上記実施例では、涙じり撓み部材７と圧電素子８β、８
ｒをボールナンドホルダ６と移動台１との間に介装して
いるが、第６図に示す構造では、刃物台３１を上下に分
割してその間に捩じり撓み部材７と圧電素子８とを介装
している。このように、捩じり撓み部材７及びそれをＹ
軸回りに捩る圧電素子８１．８ｒは、ボールナツトホル
ダ６と刃物台３１や主軸台ベース２１の間に介装してや
ればよく、レーザビームＬｌ、Ｌｒをこの捩じれ撓み部
材７より刃物台３１や主軸台ベース２１側に投射してや
ればよい。実際には、刃物台３１や主軸台ベース２１に
より近く設けるのが外乱をより有効に防止できる。

（発明の効果） 以上説明したこの発明の構造を採用することにより、超
精密工作機械におけるワークや工具移動時のヨーイング
による切削位置の誤差が完全に回避されるので、その加
工精度を更に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はこの発明の第１実施例を示した図
で、第１図は装置の全体斜視図、第２図はレーザビーム
測長機の光路を模式的に示した平面図、第３図は移動台
の側面図、第４図は第３図のＡ部断面図、第５図は制御
系を示すブロック図である。第６図は移動台の他の例を
示す側面図である。図中、 １：移動台 ３：直線駆動装置 ５：ボールネジ ７：捩じり撓み部材 １０：レーザ測長器 １６：干渉計 ２０：主軸台 ２７：ワーク ３１：ハイドホルダ 直線ガイド サーボモータ ボールナツトホルダ 圧電素子 レーザビーム レシーバ 主軸台ベース 刃物台 ハイド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ワーク（２７）や工具（３２）等を支持する支持台（２
   １，３１）と直線駆動装置（３）の従動要素（６）とを
   一体的に備え、前記直線駆動装置（３）と１個又は複数
   個の直線ガイド（２）とによって往復駆動される工作機
   械の移動台（１）において、上記支持台（２１，３１）
   と直線駆動装置の従動要素（６）との間に捩じり撓み部
   材（７）が介装されると共に該捩じり撓み部材に捩じり
   力を付加する圧電素子（８ｌ，８ｒ）が設けられており
   、前記支持台を含む移動台（１）の前記捩じり撓み部材
   （７）より支持台（２１，３１）側にその移動方向の２
   本のレーザービーム（Ｌｌ，Ｌｒ）を投射しているレー
   ザー測長装置（１０）が設けられ、該２本のレーザービ
   ームのそれぞれのレシーバ（１７ｌ，１７ｒ）で検出さ
   れた２個の検出値の平均値に基いて前記直線駆動装置の
   移動量が制御され、その差信号に基いて前記圧電素子へ
   の印加電圧が制御されることを特徴とする、工作機械に
   おける移動台の制御装置。