WO2018139236A1 - 加工制御システム、及び運動案内装置 - Google Patents

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carriage
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旭弘 海野
勇樹 林
田中　由紀
智史 大橋
祐介 浅野
克徳 木暮
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Thk株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a processing control system and a motion guide device for controlling processing of a workpiece by a processing device in a state in which the workpiece is movably supported by a motion guide device having a track member and a moving member.
  • a motion guide device that supports the workpiece movably may be used.
  • the motion guide device is, for example, arranged so as to face the raceway member via a raceway member extending along the longitudinal direction and a rolling element arranged to roll in the rolling groove. And what has the moving member relatively movable along this longitudinal direction of this track member is known.
  • a work table is attached to a moving member, and the work is placed on the table so that the work is supported movably.
  • the moving member that receives a part of the load load is elastically deformed and the load is applied. Vibration occurs.
  • the load vibration damping ratio described above also decreases with time. When the damping ratio of the load vibration is small, the load vibration of the moving member is less likely to be settled when the workpiece is machined by the machining apparatus, compared to when the load vibration damping ratio is large.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to suppress a decrease in machining accuracy when machining a workpiece by the machining device in a state where the workpiece is movably supported by the motion guide device. There is to do.
  • the present invention obtains predetermined machining information related to a load applied to the motion guide device when the workpiece is processed by the processing device in a state where the work guide is movably supported by the motion guide device. And the structure which can produce
  • the present invention is arranged so as to face the raceway member via a raceway member extending along the longitudinal direction and a rolling element arranged to roll in the rolling groove.
  • a machining control system related to machining of a workpiece which is performed by the machining device in a state in which the workpiece is movably supported by a motion guide device having a movable member relatively movable along the longitudinal direction of the member.
  • the processing control system includes the motion guide device, a table on which the workpiece is placed, a table supported by the motion guide device, and the processing device in a state where the workpiece is placed on the table.
  • an acquisition unit that acquires predetermined processing information related to a load applied to the motion guide device, and a predetermined control parameter for processing the workpiece by the processing device
  • An output unit that generates processing correction information for correction and outputs the processing correction information to the processing apparatus side.
  • predetermined machining information related to the load applied to the motion guide device is acquired by the machining device in a state where the workpiece is placed on the table.
  • the above load load is used to specify the damping ratio of the load vibration generated in the moving member. It is necessary to grasp. Therefore, in the machining control system of the present invention, information regarding the load applied to the motion guide device by the machining device in a state where the workpiece is placed on the table is acquired as the predetermined machining information. This predetermined processing information is used to generate processing correction information.
  • the machining correction information is information for correcting parameters used for controlling the machining apparatus when machining the workpiece by the machining apparatus. Then, the machining control system according to the present invention outputs the generated machining correction information from the output unit to the machining apparatus side. As a result, on the processing apparatus side, the control parameter can be corrected using the processing correction information. Therefore, even if the rigidity of the moving member changes due to a change with time of the motion guide device or the like, it is possible to suppress a decrease in workpiece processing accuracy by the processing device.
  • the present invention it is possible to suppress a decrease in machining accuracy when machining a workpiece by the machining device in a state where the workpiece is movably supported by the motion guide device.
  • FIG. 1 It is a figure which shows schematic structure of the process control system of this invention. It is a figure which shows schematic structure of a motion guidance apparatus. It is an appearance perspective view of a rail and a carriage included in the motion guide device of the present embodiment. It is the figure which showed the outline
  • (A) is a front view of the motion guide apparatus seen from the longitudinal direction of the rail, and
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a machine tool 20 to which a machining control system according to the present invention is applied.
  • the machine tool 20 includes a machining tool 31 for turning, grinding, slicing, and the like of the workpiece 40, a table 8 on which the workpiece 40 is placed, an actuator 17 for feeding the table 8, and a workpiece 40 by the machining tool 31.
  • an NC device 30 for controlling the processing speed (for example, the rotational speed of the spindle) and the feed speed of the table 8 by the actuator 17.
  • the machine tool 20 is an example of a “processing device” in the present application.
  • the above-described machine tool 20 uses the motion guide device 1 for supporting the table 8 movably.
  • the structure of the motion guide device 1 and the flow of information based on the detection value of the displacement sensor mounted on the motion guide device 1 will be described with reference to FIGS.
  • reference numerals 2a to 2d and 3a to 3d represent displacement sensors
  • reference numeral 4 represents a linear encoder
  • reference numeral 10 represents an information processing apparatus.
  • the motion guide device 1 is an example of a rail 11 (an example of a “track member” in the present application) and a carriage 12 (an “moving member” in the present application) that is assembled so as to be relatively movable along the longitudinal direction of the rail 11. And an information processing apparatus 10 for processing signals from the linear encoder 4 and the displacement sensors 2a to 2b and 3a to 3b.
  • the rail 11 is attached to the base 7 of the machine tool 20, and the table 8 (see FIG. 1) of the machine tool 20 is attached to the carriage 12.
  • the movement direction of the movable part including the table 8 is guided by the movement guide device 1.
  • the motion guide device 1 may be used in a state where the longitudinal direction of the rail 11 is not horizontal but is inclined or orthogonal to a horizontal plane.
  • FIG. 3 is an external perspective view of the rail 11 and the carriage 12 in the motion guide device 1.
  • the rail 11 is arranged on a horizontal plane, and the direction when viewed from the longitudinal direction of the rail 11, that is, the x-axis direction shown in FIG. 3, the y-axis is the up-down direction, and the z-axis is the left-right direction. 1 will be described.
  • the arrangement of the motion guide device 1 is not limited to such an arrangement.
  • the upper and lower two rolling surfaces 11 a are provided on both the left and right sides of the rail 11.
  • the cross section of the rolling surface 11a is arcuate.
  • through holes 11b through which a fastening member for fastening the rail 11 to the base 7 is passed are provided at an appropriate pitch along the longitudinal direction.
  • the carriage 12 has a horizontal portion 12-1 facing the upper surface of the rail 11 and a pair of sleeve portions 12-2 facing the side surface of the rail 11, and has a U-shaped cross section.
  • the carriage 12 is arranged at both ends in the movement direction of the carriage body 13 at the center in the movement direction, a pair of lid members 14a and 14b arranged at both ends in the movement direction of the carriage body 13, and a pair of lid members 14a and 14b.
  • a pair of sensor mounting members 15a and 15b (see FIG. 2).
  • the lid members 14a and 14b have a horizontal portion 14-1 facing the top surface of the rail 11 and a pair of sleeve portions 14-2 facing the side surface of the rail 11, and are U-shaped in cross section.
  • the sensor mounting members 15a and 15b also have a horizontal portion 15-1 facing the upper surface of the rail 11 and a pair of sleeve portions 15-2 facing the side surface of the rail 11, and are U-shaped in cross section ( (See FIG. 5 (a)).
  • the lid members 14a and 14b are fastened to the carriage body 13 by fastening members such as bolts.
  • the sensor mounting members 15a and 15b are fastened to the carriage main body 13 and the lid members 14a and 14b by fastening members such as bolts. 3 and 4, the sensor attachment members 15a and 15b are omitted.
  • FIG. 4 is a diagram showing an outline of the internal structure of the rail 11 and the carriage 12 in the motion guide device 1.
  • the carriage body 13 is provided with four rolling surfaces 13 a facing the four rolling surfaces 11 a of the rail 11.
  • the carriage body 13 is provided with a return path 13b in parallel with each rolling surface 13a.
  • the lid members 14a and 14b are provided with U-shaped direction change paths 14c that connect the respective rolling surfaces 13a and the respective return paths 13b.
  • the inner peripheral side of the direction change path 14 c is configured by an inner peripheral portion 13 c that is integral with the carriage body 13 and has a semicircular cross section.
  • a track-shaped circulation path is constituted by the load rolling path between the rolling surface 11a of the rail 11 and the rolling surface 13a of the carriage body 13, the pair of direction changing paths 14c, and the return path 13b.
  • a plurality of balls 16 are accommodated in the circulation path.
  • the balls 16 interposed therebetween roll on the load rolling path.
  • the ball 16 rolled to one end of the load rolling path is introduced into one direction changing path 14c, and returns to the other end of the load rolling path via the return path 13b and the other direction changing path 14c.
  • the displacement sensors 2a to 2d and 3a to 3d in the present embodiment are, for example, capacitive displacement meters, and detect the displacement of the carriage 12 with respect to the rail 11 in a non-contact manner (see an enlarged view of FIG. 5B).
  • a pair of sensor attachment members 15a and 15b are attached to both ends of the carriage 12 in the moving direction.
  • Four displacement sensors 2a to 2d are attached to one sensor attachment member 15a.
  • the four displacement sensors 2a to 2d are arranged at the same position in the longitudinal direction of the rail 11.
  • the four displacement sensors 3a to 3d are attached to the other sensor attachment member 15b.
  • the four displacement sensors 3a to 3d are arranged at the same position in the longitudinal direction of the rail 11.
  • the distance between the displacement sensors 2a ⁇ 2d in the longitudinal direction of the rail 11 and the displacement sensors 3a ⁇ 3d is L 1 (see Figure 2).
  • the displacement sensors 2a to 2d and 3a to 3d may be arranged so as to be shifted from each other along the moving direction of the carriage 12.
  • FIG. 5A shows the sensor mounting member 15 a as viewed from the longitudinal direction of the rail 11.
  • the sensor mounting member 15a includes the horizontal portion 15-1 facing the upper surface 11c of the rail 11, and the pair of sleeve portions 15-2 facing the left and right side surfaces of the rail 11.
  • Two displacement sensors 2a and 2b that detect displacement in the radial direction are arranged in the horizontal portion 15-1.
  • the displacement sensors 2a and 2b face the upper surface 11c of the rail 11 with a gap therebetween, and detect the gap to the upper surface 11c of the rail 11.
  • Two displacement sensors 2a, the distance in the lateral direction between 2b is L 2.
  • Two displacement sensors 2c and 2d for detecting a displacement in the horizontal direction are arranged on the pair of sleeve portions 15-2.
  • the displacement sensors 2c and 2d face the side surface 11d of the rail 11 with a gap, and detect the gap to the side surface 11d.
  • the displacement sensors 2a and 2b and the displacement sensors 2c and 2d are disposed below the upper surface (mounting surface) of the carriage 12. This is because the table 8 is mounted on the upper surface (mounting surface) of the carriage 12.
  • the cables 2a 1 to 2d 1 of the displacement sensors 2a to 2d are pulled out in the left-right direction from the sleeve portion 15-2 of the sensor mounting member 15a. Note that the cables 2a 1 to 2d 1 can be drawn forward from the front surface of the sensor mounting member 15a (in a direction perpendicular to the paper surface).
  • the sensor mounting member 15b shown in FIG. 2 has a horizontal portion 15-1 and a pair of sleeve portions 15-2, and the displacement sensors 3a to 3d correspond to the displacement sensors 2a to 2d.
  • the linear encoder 4 detects the position of the carriage 12 in the x-axis direction and outputs the detection result to the information processing apparatus 10.
  • the linear encoder 4 includes, for example, a scale attached to the base 7 or the rail 11 of the machine tool 20 and a head that is attached to the table 8 or the carriage 12 of the machine tool 20 and reads the scale.
  • the position detecting means for detecting the position of the carriage 12 on the rail 11 is not limited to the linear encoder.
  • a rotary encoder that detects the angle of a motor that drives the ball screw can also be used as the position detection means.
  • FIG. 6 is a block diagram in which a functional unit realized by the information processing apparatus 10 included in the motion guide apparatus 1 is imaged.
  • the information processing apparatus 10 includes an arithmetic device for processing a detection value of the displacement sensor 2a and the like, a memory that temporarily stores the information, and the like, and various functions are performed by executing predetermined control programs by the arithmetic device. Demonstrated.
  • the information processing apparatus 10 according to the present embodiment includes an acquisition unit 101 and an output unit 102 as main functional units.
  • the acquisition unit 101 inputs detection values of the displacement sensors 2a to 2d and 3a to 3d when a load is applied to the motion guide apparatus 1 with the workpiece 40 placed on the table 8, and detects them.
  • Predetermined processing information is acquired from the device.
  • the predetermined processing information is information relating to the above-described load load, and details thereof will be described later.
  • the carriage 12 is designed to have a rigidity that can quickly converge the load vibration.
  • the rigidity of the carriage 12 decreases with time as the movement guide device 1 changes with time due to repeated operation of the machine tool 20. If the rigidity of the carriage 12 is reduced, the amount of elastic deformation of the carriage 12 when a load is applied from the processing tool 31 to the motion guide device 1 is likely to increase, and accordingly, the amplitude of the load vibration described above increases. Or the damping ratio of the load vibration may be reduced. In that case, since the postures of the table 8 and the workpiece 40 supported by the carriage 12 are difficult to stabilize, the machining accuracy of the workpiece 40 by the machining tool 31 may be lowered.
  • the magnitude of the load load is acquired as the predetermined processing information, and the rigidity of the carriage 12 and the damping ratio of the load vibration are acquired based on the magnitude of the load load. .
  • a specific method for acquiring such information will be described later.
  • the output unit 102 generates processing correction information for correcting control parameters used when the NC device 30 controls the processing tool 31 based on the predetermined processing information acquired by the acquisition unit 101, The machining correction information is output to the NC device 30. Details of the processing correction information will be described later.
  • the acquisition process illustrated in FIG. 7 is a process executed by the acquisition unit 101 when the processing of the workpiece 40 by the processing tool 31 is started.
  • the acquisition unit 101 acquires the displacement amount of the carriage 12 from each of the displacement sensors 2a to 2d and 3a to 3d (S101).
  • the acquisition unit 101 calculates the load applied to the carriage 12 based on the displacement amount data of the carriage 12 acquired in S101 (S102).
  • the acquisition unit 101 calculates the rigidity of the carriage 12 from the displacement amount acquired in S101 and the load load calculated in S102 (S103). Furthermore, the acquisition unit 101 calculates the load load attenuation ratio based on the rigidity of the carriage 12 calculated in S103.
  • the acquisition unit 101 acquires the displacement amount of the carriage 12 from each of the displacement sensors 2a to 2d and 3a to 3d with the start of the processing of the workpiece 40 by the processing tool 31 as a trigger. Since the measured values of the displacement sensors 2a to 2d and 3a to 3d are the distances from the sensors to the rolling surfaces, the acquisition unit 101 can calculate from the displacement information values detected by the displacement sensors 2a to 2d and 3a to 3d. A value obtained by subtracting the detection values of the displacement sensors 2a to 2d and 3a to 3d in the no-load state stored in advance is acquired as the displacement amount of the carriage 12 with respect to the rail 11.
  • the acquisition unit 101 calculates the load applied to the carriage 12 based on the displacement amount of the carriage 12.
  • the acquisition unit 101 first calculates five displacement components of the carriage 12 based on the displacement amount of the carriage 12 acquired from the displacement sensors 2 a to 2 d and 3 a to 3 d.
  • the acquisition unit 101 calculates a load and a contact angle acting on each of the plurality of balls 16 based on the five displacement components.
  • the acquisition unit 101 calculates a load load (five components of external force) acting on the carriage 12 based on the load and contact angle of each ball 16. The above three steps will be described in detail below.
  • ⁇ Step 1 Calculation of five components of carriage displacement>
  • the loads acting on the coordinate origin of the xyz coordinate axis are the radial load Fy and the horizontal load Fz .
  • a load acting in the positive direction of the y-axis in FIG. 3 in the direction in which the carriage 12 is pressed against the rail 11 is a radial load.
  • the load acting in the z-axis positive / negative direction of FIG. 3 in the direction in which the carriage 12 is shifted laterally with respect to the rail 11 is the horizontal load.
  • the moments about the xyz coordinate axes are M a that is the sum of pitching moments, M b that is the sum of yawing moments, and M c that is the sum of rolling moments.
  • a radial load F y , a pitching moment M a , a rolling moment M c , a horizontal load F z , and a yawing moment M b act on the carriage 12 as external forces.
  • the corresponding displacement five components that is, radial displacement ⁇ 1 (mm), pitching angle ⁇ 2 (rad), rolling angle ⁇ 3 (rad), horizontal, A displacement ⁇ 4 (mm) and a yawing angle ⁇ 5 (rad) are generated.
  • FIG. 8 shows changes in the outputs of the displacement sensors 2a to 2d when an external force is applied to the carriage 12.
  • FIG. 8 hatched arrows with hatching are sensors whose output changes, and white arrows in FIG. 8 are sensors whose output does not change.
  • radial load F y acts on the carriage 12, by the elastic deformation such as a carriage body 13 and the ball 16, the vertical clearance between the carriage 12 and the rail 11 are changed according to the magnitude of the radial load F y.
  • the displacement sensors 2a and 2b detect the change (displacement) in the vertical gap.
  • the displacement sensors 3a and 3b attached to the sensor attachment member 15b also detect this vertical displacement.
  • the carriage 12 When a horizontal load Fz is applied to the carriage 12, the carriage 12 is displaced laterally with respect to the rail 11 due to elastic deformation of the carriage main body 13 and the ball 16, and between the one sleeve portion 12-2 of the carriage 12 and the rail 11.
  • the horizontal gap becomes smaller, and the horizontal gap between the other sleeve 12-2 of the carriage 12 and the rail 11 becomes larger.
  • the displacement sensors 2c and 2d detect the change (displacement) in the horizontal gap.
  • the displacement sensors 3c and 3d attached to the sensor attachment member 15b also detect this horizontal displacement.
  • the five displacement components of the carriage 12 can be calculated based on the displacements detected by the displacement sensors 2a to 2d and 3a to 3d.
  • FIG. 9 shows a state in which the portion in contact with the ball 16 in the carriage 12 is cut in the x-axis direction.
  • each ball pitch is set to ⁇ Da using ⁇ having a value slightly larger than 1, and the x coordinate of each ball is determined and is set to X i .
  • the number of balls lined up within 2U x is called the effective number of balls and is designated as I.
  • the end portions of the carriage 12, a large curved surface machining of R shape depth in radius R is called crowning such that lambda epsilon is applied.
  • FIG. 10 shows an internal load state before the occurrence of the five displacement components of the inner cross section of the carriage 12 at the ball number i of the carriage 12, and
  • FIG. 11 shows an internal load state after the five displacement components are generated.
  • the ball number of the carriage 12 is j
  • the ball number in the ball row is i.
  • the ball diameter is D a
  • the matching degree between the rolling surface and the ball 16 is f on both the rail 11 side and the carriage 12 side, that is, the rolling surface curvature radius is fD a .
  • the rail-side rolling surface curvature center position is A r
  • the carriage-side rolling surface curvature center position is Ac
  • the initial state of the contact angle that is the angle between the line connecting them and the z-axis is ⁇ .
  • the distance between the ball centers of the balls 16 that roll on the two rolling surfaces on the upper side of the rail 11 is 2U z12
  • the distance is 2U z34
  • the center-to-ball distance between the balls 16 rolling on the upper rolling surface and the lower rolling surface of the rail 11 is 2U y .
  • Preload is acting on the ball 16.
  • the dimensions of the portion sandwiched between the rolling surfaces of the rail 11 and the carriage 12 that are opposed to each other are determined by the design dimensions of the rail 11 and the carriage 12 and the geometric shape of the rolling surface.
  • the ball diameter to be entered is the ball diameter at the time of design, but if the ball 16 having a size Da + ⁇ slightly larger than the ball diameter at the time of design is incorporated therein, the contact portion between the ball 16 and the rolling surface is the contact of Hertz. By theory, it elastically deforms, forms a contact surface, and generates contact stress.
  • the load thus generated is an internal load and a preload load.
  • the load is represented by P 0
  • the mutual approach amount between the rail 11 and the carriage 12 due to the elastic deformation of the contact portion is represented by ⁇ 0 .
  • the ball position is located at the center position between the rolling surfaces of the rail 11 and the carriage 12 depicted by a one-dot chain line in FIG. 10, but the degree of fit f between the balls 16 on both rolling surfaces is equal.
  • Various characteristic values based on Hertz's contact theory generated at two contact portions are the same. For this reason, the ball 16 is drawn while being shifted to the rail-side rolling surface position so that the mutual approach amount ⁇ 0 between the rolling surfaces of the rail 11 and the carriage 12 is easily understood.
  • the preload is defined as the radial load of the upper two rows (or the lower two rows) per carriage, so the preload P pre is expressed by the following equation. (Equation 6)
  • the center of the motion guide device 1 with the coordinate origin as the origin is a radial displacement ⁇ 1 , a pitching angle ⁇ 2 , a rolling angle ⁇ 3 , a horizontal displacement ⁇ 4 , and a yawing angle ⁇ 5 , which are five displacement components.
  • the relative displacement between the rail 11 and the carriage 12 occurs at the ball position.
  • the center of curvature of the side Ac' has a shape away from the rail side rolling surface curvature center a c, less that extent. Since it can be regarded as equivalent to a ball diameter that is reduced to a value corresponding to it, the amount is subtracted in the above equation as ⁇ xi .
  • the rolling element load P ij is obtained from the elastic deformation amount ⁇ ij by the following equation.
  • Cb is a non-linear spring constant (N / mm 3/2 ) and is given by the following equation.
  • Equation 13 E is the longitudinal elastic modulus, 1 / m is the Poisson's ratio, 2K / ⁇ is the Hertz coefficient, and ⁇ is the principal curvature sum.
  • the contact angle ⁇ ij , the elastic deformation amount ⁇ ij , and the rolling element load P ij can be expressed by equations for all the balls 16 in the carriage 12 using the displacement five components ⁇ 1 to ⁇ 5 of the carriage 12. It ’s done.
  • the rigid model load distribution theory in which the carriage 12 is considered as a rigid body is used.
  • the rigid body model load distribution theory can be expanded to use the carriage beam model load distribution theory in which the beam theory is applied to take into account the deformation of the sleeve 12-2 of the carriage 12.
  • a carriage rail FEM model load distribution theory in which the carriage 12 and the rail 11 are FEM models can be used.
  • the acquisition unit 101 calculates the load vibration damping ratio based on the five rigidity components of the carriage 12 calculated in S103.
  • the damping ratio of the load vibration correlates with the damping ratio of the elastic vibration of the carriage 12. Therefore, the damping ratio of the load vibration can be calculated using the rigidity of the carriage 12 and the mass of the carriage 12.
  • c is a constant.
  • the acquisition unit 101 obtains the attenuation ratio of the carriage 12 from the amplitude attenuation amount ⁇ A per unit time in the waveform when the displacement data is plotted on a time axis graph. May be. Further, the above-described damping ratio of the load vibration may be obtained based on the time ⁇ t2 from when the vibration of the displacement is started until it is settled.
  • the output unit 102 generates processing correction information based on the rigidity data and the attenuation ratio data of the carriage 12 that are predetermined processing information acquired by the acquisition unit 101.
  • the machining correction information is information for correcting the control parameter used when the NC device 30 controls the machining tool 31 as described above.
  • the processing correction information includes information for correcting the processing speed of the workpiece 40 by the processing tool 31 and the moving speed of the carriage 12 by the actuator 17 when the processing of the workpiece 40 by the processing tool 31 is being performed ( Information for correcting the feed speed of the table 8).
  • the output unit 102 increases the processing speed as the rigidity of the carriage 12 and the load vibration attenuation ratio decrease. It is only necessary to generate correction information that slows down.
  • the output unit 102 increases the feed speed of the table 8 as the rigidity of the carriage 12 and the damping ratio of the load vibration become smaller. Information that slows down may be generated.
  • the machining correction information generated by the output unit 102 should be information that can correct the above control parameters so that the load applied to the carriage 12 when the workpiece 40 is machined by the machining tool 31 is reduced. That's fine.
  • the machining correction information generated in this way is output from the output unit 102 to the NC device 30.
  • the output of the processing correction information by the output unit 102 may be performed when the amount of variation from the rigidity value or the attenuation ratio of the carriage 12 at the time of the previous output of the processing correction information becomes a predetermined amount or more.
  • the predetermined amount is an amount that is considered to be within the allowable range when the machining accuracy of the workpiece 40 by the machining tool 31 is reduced if the above-described fluctuation amount is less than the predetermined amount.
  • the output unit 102 takes the time required for the fluctuation amount from the rigidity value or the damping ratio of the carriage 12 to be equal to or greater than a predetermined amount when the previous machining correction information is output (the integrated value of the operating time of the machine tool 20). Is shorter than the predetermined time, alarm information regarding machining of the workpiece 40 may be output to the NC device 30.
  • the predetermined time is a time shorter than the time required for the fluctuation amount to be equal to or more than the predetermined amount in the process of the normal motion guide device 1 changing with time, and is a factor other than the time change of the motion guide device 1. Therefore, the rigidity value or attenuation ratio of the carriage 12 acquired by the acquisition unit 101 is considered to be small.
  • the predetermined time is a time during which it is considered that an abnormality has occurred due to factors other than a change with time of the motion guide device 1.
  • the NC device 30 outputs from the output unit 102 of the motion guide device 1.
  • the control parameter of the machining tool 31 can be corrected using the machining correction information to be processed.
  • a load load applied to the carriage 12 when the workpiece 40 is machined by the machining tool 31 is acquired, and a damping ratio of load vibration generated in the carriage 12 from the load load and displacement data is acquired. Can be obtained.

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Abstract

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。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において、加工装置によりワークの加工が行われる際に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、取得部により取得された所定加工情報に基づいて、加工装置による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、を備えるようにした。

Description

加工制御システム、及び運動案内装置
　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Ｌ１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Ｌ２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２ａ１～２ｄ１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２ａ１～２ｄ１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２ａ１、２ｂ１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
＜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Ｆｙと、水平荷重のＦｚ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Ｍａと、ヨーイングモーメントの合計であるＭｂと、ローリングモーメントの合計であるＭｃである。キャリッジ１２には、外力として、ラジアル荷重Ｆｙ、ピッチングモーメントＭａ、ローリングモーメントＭｃ、水平荷重Ｆｚ、ヨーイングモーメントＭｂ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α１（ｍｍ）、ピッチング角α２（ｒａｄ）、ローリング角α３（ｒａｄ）、水平変位α４（ｍｍ）、ヨーイング角α５（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Ｆｙ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Ｆｙ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Ｆｙが働くとき、キャリッジ１２のラジアル変位α１は、変位センサ２ａ、２ｂが検出した変位をＡ１、Ａ２、変位センサ３ａ、３ｂが検出した変位をＡ３、Ａ４とすると、例えば以下の式で与えられる。
（数１）
α１＝（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）／４
　キャリッジ１２に水平荷重Ｆｚ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α４は、変位センサ２ｃ、２ｄが検出した変位をＢ１、Ｂ２、変位センサ３ｃ、３ｄが検出した変位をＢ３、Ｂ４とすると、例えば以下の式で与えられる。
（数２）
α４＝（Ｂ１－Ｂ２＋Ｂ３－Ｂ４）／４
　キャリッジ１２にピッチングモーメントＭａ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α２が十分に小さいとすると、ピッチング角α２（ｒａｄ）は、例えば以下の式で与えられる。
（数３）
α２＝（（Ａ３＋Ａ４）／２－（Ａ１＋Ａ２）／２）／Ｌ１
　キャリッジ１２にローリングモーメントＭｃ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α３が十分に小さいとすると、ローリング角α３（ｒａｄ）は、例えば以下の式で与えられる。
（数４）
α３＝（（Ａ１＋Ａ３）／２－（Ａ２＋Ａ４）／２）／Ｌ２
　キャリッジ１２にヨーイングモーメントＭｂ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α５が十分に小さいとすると、ヨーイング角α５（ｒａｄ）は、例えば以下の式で与えられる。
（数５）
α５＝（（Ａ１＋Ａ４）／２－（Ａ２＋Ａ３）／２）／Ｌ２
　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Ｘｉとする。キャリッジ１２内の玉１６が転動する部分の長さを２Ｕｘとする。２Ｕｘ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λε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Ｆｙ、ピッチングモーメントＭａ、ローリングモーメントＭｃ、水平荷重Ｆｚ、及びヨーイングモーメントＭｂ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α１、ピッチング角α２、ローリング角α３、水平変位α４、ヨーイング角α５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Ｄａ、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ｆＤａとする。また、レール側転動面曲率中心位置をＡｒ、キャリッジ側転動面曲率中心位置をＡｃ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２Ｕｚ１２、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２Ｕｚ３４、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２Ｕｙ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Ｐ０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δ０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δ０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Ｐｐｒｅは次式で表される。
（数６）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　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α１、ピッチング角α２、ローリング角α３、水平変位α４、ヨーイング角α５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ＡｃがＡｃ′へ移動するものとして表している。このＡｃがＡｃ′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δｙとし、ｚ方向へ移動した量をδｚ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）
δｙｉｊ＝α１＋α２ｘｉ＋α３ｚｃｉｊ
δｚｉｊ＝α４＋α５ｘｉ－α３ｙｃｉｊ
と表すことができる。ここで、ｚｃ、ｙｃは、点Ａｃ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γｊはβｉｊ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Ａｒ、Ａｃ間の距離からＡｒ、Ａｃ´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δｉｊ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Ｖｙとし、ｚ方向の距離をＶｚとすると、前述のδｙｉｊ、δｚｉｊを用いて、
（数８）
Ｖｙｉｊ＝（２ｆ－１）Ｄａｓｉｎγｊ＋δｙｉｊ
Ｖｚｉｊ＝（２ｆ－１）Ｄａｃｏｓγｊ＋δｚｉｊ
と表せる。これによりＡｒ、Ａｃ´間の距離は、
（数９）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
となり、接触角βｉｊは、
（数１０）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
となる。以上より玉１６の弾性変形量δｉｊは、
（数１１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
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δｉｊ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Ａｃ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λｘｉ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δｉｊから転動体荷重Ｐｉｊが下記の式によって求められる。
（数１２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　ここで、Ｃｂは非線形のばね定数（Ｎ／ｍｍ３／２）であり、下記の式で与えられる。
（数１３）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　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α１～α５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βｉｊ、弾性変形量δｉｊ、転動体荷重Ｐｉｊ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Ｆｙ、ピッチングモーメントＭａ、ローリングモーメントＭｃ、水平荷重Ｆｚ、ヨーイングモーメントＭｂ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Ｆｙに関して、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
（数１５）
　ピッチングモーメントＭａに関して、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
（数１６）
　ローリングモーメントＭｃに関して、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　ここで、ωｉｊは、モーメントの腕の長さを表し、次式で与えられる。ｚｒ、ｙｒは、点Ａｒの座標である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
（数１７）
　水平荷重Ｆｚに関して、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
（数１８）
　ヨーイングモーメントＭｂに関して、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
　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Ｆｙに対するキャリッジ１２の剛性をｋｙは、
（数１９）
　ｋｙ＝Ｆｙ／α１
となる。
　ピッチングモーメントＭａに対するキャリッジ１２の剛性ｋａは、
（数２０）
　ｋａ＝Ｍａ／α２
となる。
　ローリングモーメントＭｃに対するキャリッジ１２の剛性ｋｃは、
（数２１）
　ｋｃ＝Ｍｃ／α３
となる。
　水平荷重Ｆｚ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Ｍｂに対するキャリッジ１２の剛性ｋｂは、
（数２３）
ｋｂ＝Ｍｂ／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ｄｙは、キャリッジ１２の質量をｑとすると、
（数２４）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
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ｄａは、
（数２５）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014
となる。
　荷重振動のローリング成分の減衰比ｄｃは、
（数２６）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
となる。
　荷重振動の水平成分の減衰比ｄｚは、
（数２７）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
となる。
　荷重振動のヨーイング成分の減衰比ｄｂは、
（数２８）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
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１２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 (7)

  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、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生じる荷重振動の減衰比に関する前記所定加工情報として取得する、
    　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負荷荷重に関する情報を前記所定加工情報として取得する、
    　請求項１に記載の加工制御システム。
  6. 　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５の何れか１項に記載の加工制御システム。
  7. 　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を所定加工情報として取得する取得部と、
    　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出力する出力部であって、該加工補正情報は、該加工装置での該ワークの加工のための該制御パラメータの調整処理に供される、出力部と、
    　を備える、運動案内装置。
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