(57)【要約】      （修正有）【課題】カウンタウエイト方式の位置決めステージの振動を抑制し位置決め精度が高くなる加工機を提供する。【解決手段】第一モータと第一位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第一ステージと、第二モータと第二位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第二ステージと、プーリに支持され、第一ステージと第二ステージを連結する連結部材とを備える位置決めステージにおいて、第一ステージについては、第一位置検出センサの検出値に基づき、第一モータをフィードバック制御し、第二ステージについては、第一位置検出センサの検出値と第二位置検出センサの検出値の差の微分値に基づき、第二モータをフィードバック制御する。【選択図】図１
2020004288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一モータと第一位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第一ステージと、
第二モータと第二位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第二ステージと、
プーリに支持され、前記第一ステージと前記第二ステージを連結する連結部材と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第一ステージについては、前記第一位置検出センサの検出値に基づき、前記第一モータをフィードバック制御し、
前記第二ステージについては、前記第二位置検出センサの検出値と前記第一位置検出センサの検出値の差分の微分値に基づき、前記第二モータをフィードバック制御する、
ことを特徴とする位置決めステージ。
【請求項２】
前記制御部は、
前記第一ステージの目標位置を２階微分して指令加速度を算出し、
前記第一ステージについては、前記フィードバック制御に加えて、前記第一ステージの重量と前記指令加速度の積に基づき前記第一モータをフィードフォワード制御し、
前記第二ステージにおいては、前記フィードバック制御に加えて、前記第二ステージの重量と前記指令加速度の積に基づき前記第二モータをフィードフォワード制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の位置決めステージ。
【請求項３】
前記制御部は、
前記第一モータをフィードバック制御する信号から低周波成分を抽出して、前記第二モータをフィードバック制御する信号に加算する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の位置決めステージ。
【請求項４】
前記制御部は、
前記第二ステージについては、前記第二モータをフィードバック制御する時に、前記第二ステージと前記連結部材により構成される系の固有振動周波数付近の成分を通過させるようなフィルタリング処理を行う、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置決めステージ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置決めステージを備え、
前記第一ステージには工具が装着可能で、前記第二ステージはカウンタウエイトとして機能する、
ことを特徴とする加工機。
【請求項６】
第一モータと第一位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第一ステージと、
第二モータと第二位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第二ステージと、
プーリに支持され、前記第一ステージと前記第二ステージを連結する連結部材と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第一ステージと前記第二ステージのうち、いずれか一方を位置決めステージとして、他方をカウンタウエイトとして制御することが可能で、
前記位置決めステージとして制御するステージについては、当該ステージの位置検出センサの検出値に基づき、当該ステージのモータをフィードバック制御し、
前記カウンタウエイトとして制御するステージについては、当該ステージの検出センサの検出値と前記位置決めステージとして制御するステージの位置検出センサの検出値との差分の微分値に基づき、当該ステージのモータをフィードバック制御する、
ことを特徴とする位置決めステージ。
【請求項７】
前記制御部は、
前記位置決めステージとして制御するステージの目標位置を２階微分して指令加速度を算出し、
前記位置決めステージとして制御するステージについては、前記フィードバック制御に加えて、前記位置決めステージとして制御するステージの重量と前記指令加速度の積に基づき当該ステージのモータをフィードフォワード制御し、
前記カウンタウエイトとして制御するステージについては、前記フィードバック制御に加えて、前記カウンタウエイトとして制御するステージの重量と前記指令加速度の積に基づき当該ステージのモータをフィードフォワード制御する、
ことを特徴とする請求項６に記載の位置決めステージ。
【請求項８】
前記制御部は、
前記位置決めステージとして制御するステージのモータをフィードバック制御する信号から低周波成分を抽出して、前記カウンタウエイトとして制御するステージのモータをフィードバック制御する信号に加算する、
ことを特徴とする請求項６または７に記載の位置決めステージ。
【請求項９】
前記制御部は、
前記カウンタウエイトとして制御するステージについては、当該ステージのモータをフィードバック制御する時に、当該ステージと前記連結部材により構成される系の固有振動周波数付近の成分を通過させるようなフィルタリング処理を行う、
ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の位置決めステージ。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の位置決めステージを備え、
前記第一ステージ及び前記第二ステージには工具が装着可能である、
ことを特徴とする加工機。
【請求項１１】
第一モータと第一位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第一ステージと、
第二モータを備え、鉛直方向に移動可能な第二ステージと、
プーリに支持され、前記第一ステージと前記第二ステージを連結する連結部材と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第一ステージについては、前記第一位置検出センサの検出値に基づき、前記第一モータをフィードバック制御し、
前記第二ステージについては、前記第一位置検出センサの検出値と前記第一モータへの指令値に基づいて算出した前記第二ステージの位置と前記第一位置検出センサの検出値の差分の微分値に基づき、前記第二モータをフィードバック制御する、
ことを特徴とする位置決めステージ。
【請求項１２】
前記制御部は、
前記第一ステージの目標位置を２階微分して指令加速度を算出し、
前記第一ステージについては、前記フィードバック制御に加えて、前記第一ステージの重量と前記指令加速度の積に基づき前記第一モータをフィードフォワード制御し、
前記第二ステージにおいては、前記フィードバック制御に加えて、前記第二ステージの重量と前記指令加速度の積に基づき前記第二モータをフィードフォワード制御する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の位置決めステージ。
【請求項１３】
前記制御部は、
前記第一モータをフィードバック制御する信号から低周波成分を抽出して、前記第二モータをフィードバック制御する信号に加算する、
ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の位置決めステージ。
【請求項１４】
前記制御部は、
前記第二ステージについては、前記第二モータをフィードバック制御する時に、前記第二ステージと前記連結部材により構成される系の固有振動周波数付近の成分を通過させるようなフィルタリング処理を行う、
ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の位置決めステージ。
【請求項１５】
請求項１１から１４のいずれか１項に記載の位置決めステージを備え、
前記第一ステージに工具が装着可能で、前記第二ステージはカウンタウエイトとして機能する、
ことを特徴とする加工機。
【請求項１６】
前記第一ステージと前記第二ステージの各ステージは、
ステージの移動に付随して移動可能でロール状に巻取り可能なシート状のカバーと、
前記カバーに当接するように配置され、前記各ステージの基部に固定されるスクレーパと、
前記カバーを挟んで前記スクレーパに対向して配置され、前記各ステージの基部に固定される当て板と、
前記カバーに近接して配置され、前記各ステージに固定された支持部材と、を有し、
前記各ステージが移動する際に前記支持部材が前記当て板と干渉しないように前記当て板に開口が設けられている、
ことを特徴とする請求項５または１０または１５のいずれか１項に記載の加工機。
【請求項１７】
前記支持部材が、板状または棒状の部材である、
ことを特徴とする請求項１６に記載の加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カウンタウエイト方式の自重補償機構を有する位置決めステージに関する。特に、ステージの振動を抑制する技術にかかわり、工具を用いて加工を行う加工機等の分野において、好適に用いられ得る位置決めステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
位置決めステージの分野では、カウンタウエイト方式の自重補償機構を有する装置が知られている。具体的には、位置決めステージとカウンタウエイトを、プーリに支持されたスチールベルトで接続し、位置決めステージの自重をカウンタウエイトで補償する機構である。
カウンタウエイト方式では、位置決めステージとカウンタウエイトのそれぞれにモータを設置し、位置決めステージとカウンタウエイトの両方を位置決めステージの位置指令値と同期して制御する方法が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された装置では、位置決めステージにリニアモータおよび位置検出センサを、カウンタウエイトにリニアモータを設置している。そして、位置決めステージの実電流指令の変化率にカウンタウエイトと位置決めステージの重量比を掛けて、カウンタウエイト側リニアモータの電流値を算出する方法が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２に記載された装置では、位置決めステージにリニアモータおよび位置検出センサを、カウンタウエイトとプーリにモータを設置している。そして、位置決めステージの位置指令値により算出される加速度指令を、プーリとカウンタウエイトに与える制御方法が記載されている。
【０００５】
また、こうしたカウンタウエイト方式の位置決めステージを加工機に組み込む場合には、飛散する切粉や加工液からモータや位置検出センサ等の機構部品を保護するためにカバーを設ける場合がある。
用いられ得るカバーとしては、例えば特許文献３や特許文献４に記載されたカバー機構が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−７５１７号公報
【特許文献２】特開２０００−３５２５９２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２４２９０７号公報
【特許文献４】特開２００６−１６７８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１あるいは特許文献２に記載された装置は、位置決めステージ、カウンタウエイトおよびスチールベルトで構成される系において、位置決めステージに振動的な力が作用するのを防ぐことを目的とした制御方法である。
しかしながら、位置決めステージとカウンタウエイトを接続するスチールベルトが、互いのフィードバック系を干渉させて振動的な作用を及ぼし、結果的には制御ゲインが上がらないため、位置決め性能を十分に発揮できないという問題があった。
【０００８】
また、カウンタウエイト方式の位置決めステージを有する加工機に、特許文献３や特許文献４のカバーを敷設すると、ステージが移動する時にカバーが撓んで振動したり、ステージやカウンタウエイトの駆動機構とカバーが接触や摺動する場合がある。これにより、位置決めステージの位置決め性能が影響を受けてしまう場合がある。この影響は、切粉や加工液がカバーに付着して重量バランスが変化した時には、より顕著になる。このように、カバーの影響により、位置決めステージが位置決め性能を十分に発揮できないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第一モータと第一位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第一ステージと、第二モータと第二位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第二ステージと、プーリに支持され、前記第一ステージと前記第二ステージを連結する連結部材と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記第一ステージについては、前記第一位置検出センサの検出値に基づき、前記第一モータをフィードバック制御し、前記第二ステージについては、前記第二位置検出センサの検出値と前記第一位置検出センサの検出値の差分の微分値に基づき、前記第二モータをフィードバック制御する、ことを特徴とする位置決めステージである。
【００１０】
また、本発明は、第一モータと第一位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第一ステージと、第二モータと第二位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第二ステージと、プーリに支持され、前記第一ステージと前記第二ステージを連結する連結部材と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記第一ステージと前記第二ステージのうち、いずれか一方を位置決めステージとして、他方をカウンタウエイトとして制御することが可能で、前記位置決めステージとして制御するステージについては、当該ステージの位置検出センサの検出値に基づき、当該ステージのモータをフィードバック制御し、前記カウンタウエイトとして制御するステージについては、当該ステージの検出センサの検出値と前記位置決めステージとして制御するステージの位置検出センサの検出値との差分の微分値に基づき、当該ステージのモータをフィードバック制御する、ことを特徴とする位置決めステージである。
【００１１】
また、本発明は、第一モータと第一位置検出センサを備え、鉛直方向に移動可能な第一ステージと、第二モータを備え、鉛直方向に移動可能な第二ステージと、プーリに支持され、前記第一ステージと前記第二ステージを連結する連結部材と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記第一ステージについては、前記第一位置検出センサの検出値に基づき、前記第一モータをフィードバック制御し、前記第二ステージについては、前記第一位置検出センサの検出値と前記第一モータへの指令値に基づいて算出した前記第二ステージの位置と前記第一位置検出センサの検出値の差分の微分値に基づき、前記第二モータをフィードバック制御する、ことを特徴とする位置決めステージである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、位置決め精度が高いカウンタウエイト方式の位置決めステージを実現する。本発明の位置決めステージを加工機に用いれば、工具とワークの相対位置決め精度が高くなり、極めて加工精度の高い加工機を実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１の制御部のブロック図。
【図２】（ａ）実施形態の加工機の正面図。（ｂ）左方向からの斜視図。（ｃ）右方向からの斜視図。
【図３】実施形態の制御系の構成を示すブロック図。
【図４】（ａ）一定速度で駆動した場合のＺ指令速度とＺ制御偏差の関係。（ｂ）一定速度で駆動した場合の伝達特性。（ｃ）実施形態のＺ指令速度とＺ制御偏差の関係。（ｄ）実施形態の駆動方法の場合の伝達特性。
【図５】（ａ）オフセット電流検出部を含む実施形態の具体的な構成例。（ｂ）実施形態の駆動方法の場合の伝達特性。（ｃ）実施形態のＺ積分出力帯域制限部通過帯域とＷ帯域制限部通過帯域の関係を示す図。
【図６】Ｚ軸側加工とＷ軸側加工を切り換え可能な構成を示すブロック図。
【図７】実施形態で、Ｚステージで加工を行う場合の制御ブロック図。
【図８】実施形態で、Ｗステージで加工を行う場合の制御ブロック図。
【図９】実施形態２の制御部のブロック図。
【図１０】（ａ）実施形態３の複合加工機の正面図。（ｂ）実施形態３の複合加工機の背面図。
【図１１】（ａ）Ｗステージが中央付近に位置している際の、当て板と支持部材の位置関係を示す図。（ｂ）Ｗステージが下に移動した際の、当て板と支持部材の位置関係を示す図。（ｃ）Ｗステージが上に移動した際の、当て板と支持部材の位置関係を示す図。（ｄ）Ａ−Ａ線に沿って切った水平断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［実施形態１］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態１である位置決めステージ、およびこれを備えた加工機について説明する。
図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）は、それぞれ実施形態１の位置決めステージを備えた加工機の正面図、左方向からの斜視図、右方向からの斜視図である。
【００１５】
各図において、２０１は加工機の定盤、２０２ａ及び２０２ｂはコラムであり、梁２０３でコラム２０２ａ及びコラム２０２ｂの上部同士が連結され、定盤２０１の上に門型の構造を構成している。定盤２０１、コラム２０２ａ、コラム２０２ｂ、梁２０３は、例えば鋳物、もしくは溶接部材で構成することができる。２０４は、床からの振動を加工機に伝達しない役割を持つ除振台である。
【００１６】
定盤２０１の上には、Ｙ方向に沿って自在に移動可能なＹステージ２０５が搭載されている。Ｙステージ２０５は、図示しないモータと位置検出センサを備えている。Ｙ方向に移動するためのステージガイドには、例えば転がりのリニアガイド、油静圧軸受、もしくは空気静圧軸受を使用することが可能である。切粉や加工液等の異物の侵入を防ぐため、図示しないジャバラ、テレスコピックカバー、もしくはその両方が敷設され、Ｙステージ２０５を覆っている。
Ｙステージ２０５には、加工対象となる物を載置して回転させることが可能なＣステージ２０７が搭載されている。Ｃステージ２０７は、図示しないモータと位置検出エンコーダを備えている。
【００１７】
コラム２０２ａには、第一ステージとしてＺ方向（鉛直方向）に自在に移動可能で位置決め可能なＺステージ２０８が搭載されている。Ｚステージ２０８は、第一位置検出センサとしてＺ方向の位置を検出するＺ位置検出センサ２１０と、第一モータとしてＺモータ２０９を備えている。ステージガイドには例えば転がりのリニアガイド、油静圧軸受、もしくは空気静圧軸受を使用することが可能である。切粉や加工液等の異物の侵入を防ぐため、図示しないシート状のカバーが敷設され、Ｚステージ２０８を保護している。
【００１８】
Ｚステージ２０８には、Ｘ方向に自在に移動可能なＸステージ２１１が搭載されており、該ステージは不図示のＸ方向の位置を検出する位置検出センサとモータを備えている。Ｘ方向に移動するためのステージガイドには、例えば転がりのリニアガイド、油静圧軸受、もしくは空気静圧軸受を使用することが可能である。切粉や加工液等の異物の侵入を防ぐため、図示しないジャバラカバーが敷設され、Ｘステージ２１１を保護している。また、Ｘステージ２１１には、第一の加工主軸２１２が搭載されており、加工工具をチャックすることが可能である。
【００１９】
コラム２０２ｂには、第二ステージとしてＺ方向（鉛直方向）に自在に移動可能で位置決め可能なＷステージ２１３が搭載されている。Ｗステージ２１３は、第二位置検出センサとしてＺ方向の位置を検出するＷ位置検出センサ２１５と、第二モータとしてＷモータ２１４を備えている。ステージガイドには例えば転がりのリニアガイド、油静圧軸受、もしくは空気静圧軸受を使用することが可能である。切粉や加工液等の異物の侵入を防ぐため、図示しないシート状のカバーが敷設され、Ｗステージ２１３を保護している。
【００２０】
Ｗステージ２１３には、Ｘ方向に自在に移動可能なＵステージ２１６が搭載されており、該ステージは不図示のＸ方向の位置を検出する位置検出センサとモータを備えている。Ｘ方向に移動するためのステージガイドには、例えば転がりのリニアガイド、油静圧軸受、もしくは空気静圧軸受を使用することが可能である。切粉や加工液等の異物の侵入を防ぐため、図示しないジャバラカバーが敷設され、Ｕステージ２１６を保護している。また、Ｕステージ２１６には、第二の加工主軸２１７が搭載されており、加工工具をチャックすることが可能である。
【００２１】
Ｚステージ２０８とＷステージ２１３の自重をバランスさせるため、梁２０３上にはスチールベルト２１９を支持するプーリ２１８が配置され、連結部材であるスチールベルト２１９によりＺステージ２０８とＷステージ２１３が連結されている。Ｚステージ２０８とＷステージ２１３の重量は、ほぼ等しくすることが望ましい。
【００２２】
本実施形態の加工機は、第一の加工主軸あるいは第二の加工主軸のいずれでも加工を行うことが可能な複合加工機である。第一の加工主軸で加工する場合には、Ｚステージ２０８を位置決めステージとし、Ｗステージ２１３をカウンタウエイトとして機能させる。また、第二の加工主軸で加工する場合には、Ｗステージ２１３を位置決めステージとし、Ｚステージ２０８をカウンタウエイトとして機能させる。
以下の説明では、特に記載がなければ、第一の加工主軸で加工する場合、すなわちＺステージ２０８を位置決めステージとしＷステージ２１３をカウンタウエイトとして作用させる場合について説明しているものとする。
【００２３】
図３は、本実施形態の複合加工機の制御系の構成を示すブロック図である。ＮＣプログラム３００は、加工座標ファイルであり、Ｚステージ２０８、Ｃステージ２０７、Ｘステージ２１１、Ｙステージ２０５、Ｕステージ２１６の各動作軌跡が、Ｇコード形式で記述されている。
【００２４】
軌跡演算部３０１は、ＮＣプログラム３００を読み出し、各時刻における各ステージの目標位置として、Ｚ位置指令値、Ｃ位置指令値、Ｘ位置指令値、Ｙ位置指令値、Ｕ位置指令値を算出する。
軌跡演算部３０１で算出したＺ位置指令値、Ｃ位置指令値、Ｘ位置指令値、Ｙ位置指令値、Ｕ位置指令値は、それぞれＺサーボ制御部３０２、Ｃサーボ制御部３０３、Ｘサーボ制御部３０４、Ｙサーボ制御部３０５、Ｕサーボ制御部３１５に転送される。
【００２５】
Ｚサーボ制御部３０２は、Ｚ位置検出センサ２１０の検出値が前記位置指令値と一致するようにＺモータ２０９を制御する。Ｃサーボ制御部３０３は、Ｃ位置検出センサ３０７の検出値がＣ軸指令位置と一致するようにＣモータ３０６を制御する。また、Ｘサーボ制御部３０４は、Ｘ位置検出センサ３０９の検出値がＸ位置指令値と一致するように、Ｘモータ３０８を制御する。同様に、Ｙサーボ制御部３０５およびＵサーボ制御部３１５は、それぞれＹ位置検出センサ３１１およびＵ位置検出センサ３１７が、Ｙ位置指令値およびＵ位置指令値と一致するように、Ｙモータ３１０およびＵモータ３１６を制御する。これ以降、第一の加工主軸側のＺ位置指令値と、Ｚ方向の現在座標すなわちＺ位置検出センサ２１０の検出値の差を制御偏差とする。
【００２６】
Ｗサーボ制御部３１２に関しては、図１を用いて詳細に説明する。本実施形態の複合加工機では、第一の加工主軸で加工する場合に、Ｚステージ２０８の動作に連動して、カウンタウエイトとして作用させるＷステージ２１３を、Ｗモータ２１４を用いてアクティブに制御する。
【００２７】
図１に示す制御部全体のブロック図を参照して、まず位置決め軸であるＺステージ２０８の制御方法から説明してゆく。Ｚ位置指令値に基づきＺステージ２０８のＺモータを制御するＺサーボ制御部３０２は、Ｚ位置検出センサ２１０の出力値がフィードバックされるＺ位置制御部１０１と、Ｚ位置検出センサ２１０の１階微分値がフィードバックされるＺ速度制御部１０２を有する。この２つの制御部で２重ループ構成をとることにより、Ｚ位置指令値に追従するためのＺモータの推力を算出している。ここで、Ｚ位置制御部１０１およびＺ速度制御部１０２は、それぞれ比例制御および比例積分制御であり、一般に知られた制御手法である。このＺサーボ制御部３０２は、ＰＩＤ制御などの位置ループ１重ループ構成であっても構わない。Ｚ速度制御部１０２の算出結果は、Ｚ電流アンプ１０３により電流値に変換され、Ｚモータ２０９で推力を発生する。
【００２８】
次に、Ｗステージ２１３を自重補償軸としてアクティブに動作させるためのＷサーボ制御部３１２について説明する。Ｗサーボ制御部３１２は、フィードバック制御ブロック１０４、フィードフォワード制御ブロック１０５、自重差推力制御ブロック１０６を備える。
【００２９】
まず、フィードバック制御ブロック１０４について説明する。相対位置検出部１０７は、Ｚ位置検出センサ２１０とＷ位置検出センサ２１５の出力の差分値を算出する。これは、Ｚステージ２０８とＷステージ２１３を接続するスチールベルト２１９の長さ変化を検出するためのものである。次に、この差分値を微分して時間変化を算出し、Ｗ比例制御部１０８にて制御ゲインを掛け、更に符号を反転させた値を算出してＷ帯域制限部１０９に入力する。Ｗ帯域制限部１０９にて、Ｗステージ２１３とスチールベルト２１９により構成される系の固有振動周波数付近の成分のみを通過させるようなフィルタリング処理をして、Ｗ電流アンプ１１０に出力する。このフィードバック制御ブロック１０４は、床振動に伴う外乱やＺステージ２０８の加減速時に発生する固有振動を抑制するように作用する。
【００３０】
次に、フィードフォワード制御ブロック１０５について説明する。フィードフォワード制御ブロック１０５には、軌跡演算部３０１が算出したＺ位置指令値が入力される。Ｚ位置指令値に基づいて指令加速度算出部１１１が２階微分値を算出し、算出結果を加速度−推力変換部１１２に入力する。加速度−推力変換部１１２は、この２階微分値とＺステージ２０８の質量を乗算し、Ｚステージ２０８の推力加算値として、Ｚ電流アンプ１０３に出力する。また、加速度−推力変換部１１２は、この２階微分値とＷステージ２１３の質量を乗算し、Ｗステージ２１３の推力加算値として、Ｗ電流アンプ１１０に出力する。
このフィードフォワード制御ブロック１０５は、早送り動作等によりＺ位置指令値が急激に変化した場合に、Ｚステージ２０８およびＷステージ２１３に対し、同じ加速度に相当する推力を同時に与える。これにより、急激に変化する指令値のためにスチールベルト２１９が伸縮するのを抑制することができる。
【００３１】
次に、自重差推力制御ブロック１０６について説明する。オフセット電流検出部１１３は、Ｚサーボ制御部３０２の推力指令値のうち、時間的に比較的ゆっくりとした変動成分、すなわち低周波成分のみを抽出するローパスフィルタ演算処理を実施し、算出結果をＷ電流アンプ１１０の入力信号に加算する。自重差推力制御ブロック１０６は、Ｚステージ２０８とＷステージ２１３の重量差を補償し、一定の位置を保持するために必要な推力を、Ｚモータ２０９とＷモータ２１４の両方に負担させるものである。
【００３２】
オフセット電流検出部の具体的な構成例を図５（ａ）に示す。Ｚ速度制御部１０２を、一般的に知られるＰＩＤ制御、すなわちＰ制御部５０１、Ｉ制御部５０２、Ｄ制御部５０３により構成する。Ｚ速度制御部１０２のＩ制御部５０２の出力を取り出してオフセット電流検出部１１３に入力し、Ｚ積分出力帯域制限部５０６にて低周波成分のみを通過させるフィルタリング処理を行う。
【００３３】
図５(ｂ)および図５(ｃ)を参照して、フィルタリング処理で通過させる帯域を決定する方法について説明する。Ｗ帯域制限部１０９は、前述したように、Ｗステージ２１３とスチールベルト２１９により構成される系の固有振動周波数付近のみの成分を通過させるフィルタ特性を有する。このＷ帯域制限部１０９の通過帯域とＺ積分出力帯域制限部５０６の通過帯域とが重なると、加算してＷ電流アンプ１１０に入力した際に互いに干渉するため好ましくない。そこで、図５(ｃ)に示すように、Ｚ積分出力帯域制限部５０６のフィルタ特性５０４が、Ｗ帯域制限部１０９のフィルタ特性５０５に対して低くなるように設定して帯域の重なりを抑制している。
【００３４】
次に、本実施形態の制御方法の作用について説明する。
比較のため、まず図４(ａ)に、Ｗステージ２１３を制御せずにＺステージ２０８を一定速度で駆動した場合のＺ指令速度とＺ制御偏差の関係を模式的に示す。Ｚ制御偏差は加速時に振動的になり、等速領域になると徐々に減衰する。これは、Ｚステージの加速時にスチールベルト２１９が弾性体として作用した結果、Ｗステージ２１３が振動し、Ｚステージ２０８に外乱力として作用することに起因する。このように、Ｗステージ２１３は、カウンタウエイトとしてＺステージ２０８の自重を補償する働きがある一方で、振動的な外乱をＺステージに与えることで加工精度に影響を及ぼすデメリットがある。
【００３５】
これに対して、本実施形態のフィードバック制御ブロック１０４とフィードフォワード制御ブロック１０５により低減されたＺ制御偏差を、第４図（ｃ）に例示する。Ｗステージを制御していない図４(ａ)と比較すれば明らかなように、ステージの加速に伴い発生する制御偏差の自重補償固有の振動成分を、低減することができている。
【００３６】
図４（ｂ）と図４(ｄ)は、図４(ａ)と図４(ｃ)の各場合について、Ｚモータ２０９の推力を入力、Ｚ位置検出センサ２１０の値を出力としたときの伝達特性を示したものである。図４（ｂ）に示すように、Ｗステージを制御しないと自重補償固有の振動成分が発生する。しかし、本実施形態では、図４(ｄ)に示すように、Ｗステージを制御する前記２つの制御ブロックにより振動の大きさを低減することができる。
【００３７】
また、本実施形態では、自重差推力制御ブロック１０６の作用により、Ｗサーボ制御部の振動低減効果を阻害することなく、第二の加工主軸２１７の質量によって変化するオフセット電流を低減し、モータの発熱を抑えることができる。また、自重差推力制御ブロック１０６を設けない場合と比較して、Ｚモータ２０９およびＷモータ２１４に定格出力が小さなモータを使えるようになり、複合加工機のコストダウンが可能となる。
以上のように、Ｚステージを位置決めステージ、Ｗステージをカウンタウエイトとして用いて第一の加工主軸で加工する場合に、本実施形態の加工機は、第一の加工主軸を極めて高い精度で短時間に位置決めできるため、高度な加工を高い効率で実現できる。
【００３８】
Ｚステージを位置決めステージ、Ｗステージをカウンタウエイトとして役割を固定してもよいが、本実施形態の複合加工機は、Ｗステージを位置決めステージ、Ｚステージをカウンタウエイトとして用い、第二の加工主軸で加工することも可能である。第一の加工主軸と第二の加工主軸に異なる種類の加工具を装着可能とし、位置決めステージとカウンタウエイトの役割を切り換えて動作させれば、一台の加工機で異なる加工作業を高精度かつ効率的に行うことが可能である。
【００３９】
図６は、Ｚステージで加工作業を行うＺ軸側加工３１３と、Ｗステージで加工を行うＷ軸側加工３１４とを切り換え可能な構成を模式的に示したブロック図である。ＮＣプログラム３００には、第一の加工主軸と第二の加工主軸の各々が加工する作業におけるＸステージ２１１、Ｙステージ２０５、Ｚステージ２０８、Ｕステージ２１６、Ｗステージ２１３、Ｃステージ２０７の動作軌跡がＧコード形式で記述されている。制御切換部３１８は、入力されるＮＣプログラム３００に基づき、第一の加工主軸と第二の加工主軸のいずれで加工作業を行うか解析する。そして、前者の場合にはＺ軸側加工３１３をアクティブにし、後者の場合にはＷ軸側加工３１４をアクティブにするよう制御する。
【００４０】
軌跡演算部３０１はＮＣプログラム３００を読み出し、Ｚ軸側加工時においては、各時刻におけるＺサーボ制御部３０２に対するＺ位置指令値、Ｘサーボ制御部３０４に対するＸ位置指令値、Ｃサーボ制御部３０３に対するＣ位置指令値を算出する。また、Ｗ軸側加工時においては、各時刻におけるＷサーボ制御部３１２に対するＷ位置指令値、Ｕサーボ制御部３１５に対するＵ位置指令値、Ｃサーボ制御部３０３に対するＣ位置指令値を算出する。
【００４１】
第一の加工主軸で加工する際には、Ｚ方向に関してＺステージに対しては位置制御をかけ、Ｗステージに対しては速度制御、もしくは位置制御を行う。第二の加工主軸で加工する際には、Ｚ方向に関してＷステージに対しては位置制御をかけ、Ｚステージに対しては、速度制御、もしくは位置制御を行う。
【００４２】
加工作業を第一の加工主軸から第二の加工主軸に切り替える際には、Ｚステージを位置制御のままサーボロックの状態とし、Ｗステージを速度制御から位置制御に切り替える。両軸共に位置制御状態とした上で、サーボロックしたままＺステージを速度制御に切り替えることで、サーボフリーとなる状態が生じないようにする。尚、第二の加工主軸から第一の加工主軸に切り替えを行う際にも、ＺステージとＷステージを読み替えて同様の処理を行えばよい。
【００４３】
図７は、第一の加工主軸すなわちＺステージで加工を行い、Ｗステージにはカウンタウエイトの重量とスチールベルトのバネ性で決まる固有値で振動する成分を抑えるように制御をかけている時のブロック図である。Ｚ位置検出センサ２１０からＺサーボ制御部３０２に対しＺ軸の現在座標をフィードバックして、Ｚサーボ制御部３０２からＺモータ２０９に対して推力指令を行う。Ｗ軸については、Ｗ位置検出センサ２１５からＷ軸の現在座標を取得する。また、Ｚ位置検出センサ２１０からＺ軸の現在座標を取得する。そして、それぞれの座標データを用い振動成分を除去するようにＷサーボ制御部３１２からＷモータ２１４に対して推力指令を行う。
【００４４】
図８は、第二の加工主軸すなわちＷステージで加工を行い、Ｚステージにはカウンタウエイトの重量とスチールベルトのバネ性で決まる固有値で振動する成分を抑えるように制御をかけている時のブロック図である。Ｗ位置検出センサ２１５からＷサーボ制御部３１２に対しＷ軸の現在座標をフィードバックして、Ｗサーボ制御部３１２からＷモータ２１４に対して推力指令を行う。Ｚ軸については、Ｚ位置検出センサ２１０からＺ軸の現在座標を取得する。また、Ｗ位置検出センサ２１５からＷ軸現在位置を取得する。そして、それぞれの座標データを用い振動成分を除去するようにＺサーボ制御部３０２からＺモータ２０９に対して推力指令を行う。
【００４５】
以上のように、本実施形態の複合加工機では、一方のステージを位置決めステージ、他方のステージをカウンタウエイトとするが、ステージの役割を切換えて加工作業を行うことが可能である。いずれの加工主軸で加工する場合にも、位置決め時に生ずる振動の大きさを抑制することができる。
【００４６】
また、本実施形態の複合加工機では、自重差推力制御ブロックの作用により、カウンタウエイト側のサーボ制御部の振動低減効果を阻害することなく、加工主軸側の質量によって変化するオフセット電流を低減し、モータの発熱を抑えることができる。また、自重差推力制御ブロックを設けない場合と比較すると、ＺモータおよびＷモータに定格出力が小さなモータを使えるようになり、複合加工機のコストダウンが可能となる。
【００４７】
［実施形態２］
実施形態１では、ＺステージおよびＷステージの両方にＺ方向の位置を検出する位置検出センサを配置したが、実施形態２はＺステージにのみ位置検出センサを配置する点が異なる。本実施形態では、ＷステージのＺ方向の位置をＺステージの位置検出センサの測定値に基づいて検出するのではなく、Ｚステージの位置検出センサの測定値に基づいて演算により求めている。
図９は、実施形態２において、Ｚステージの動作に連動して、カウンタウエイトとして作用させるＷステージをアクティブに制御するための模式的なブロック図である。
実施形態１と同様の部分については、図１と同じ番号で示し、ここでは説明を省略する。
【００４８】
図９に示す本実施形態の制御ブロック構成においては、図１におけるＷ位置検出センサ２１５をＷ位置推定演算部９００に置き換えている点が、実施形態１と異なる。Ｗ位置推定演算部９００は、Ｗステージの推定位置を演算し、結果を相対位置検出部１０７に送る機能ブロックである。
Ｗ位置推定演算部９００には、ＺステージのＺモータ２０９からモータ推力Ｆ１が、Ｚ位置検出センサ２１０からＺステージの現在のＺ方向の座標Ｚｚが入力される。
【００４９】
ここで、数式パラメータを下記のように定める。
Ｍ１：Ｚステージの質量
Ｍ２：Ｗステージの質量
Ｆ１：Ｚステージのモータ推力
Ｆ２：Ｗステージのモータ推力
Ｚｚ：Ｚステージの現在のＺ座標
Ｚｗ：Ｗステージの現在のＺ座標
Ｔ：スチールベルトの張力
ｋ：スチールベルトのバネ定数
ｇ：重力加速度
すると、以下の３つの式が成り立つ。
【００５０】
【数１】
2020004288.tif 000003
【００５１】
【数２】
2020004288.tif 000004
【００５２】
【数３】
2020004288.tif 000005
【００５３】
また、ステージの共振周波数をωとすれば、下式が成り立つ。
【数４】
2020004288.tif 000006
【００５４】
数式１〜数式４から、下式が導かれる。
【数５】
2020004288.tif 000007
【００５５】
Ｗ位置推定演算部９００は、入力されるＦ１およびＺｚに基づいて、Ｗステージの現在のＺ方向の座標Ｚｗを上記の数式５を用いて算出することができる。本実施形態では、Ｗステージに位置検出センサを設けなくてもＷステージの現在座標を算出することが可能となり、実施形態１に比べて複合加工機のコストダウンが可能となる。
本実施形態の複合加工機においては、第一の加工主軸で加工する場合に位置決め時に生ずる振動の大きさを低減することができる。
【００５６】
また、本実施形態の複合加工機においては、自重差推力制御ブロックの作用により、カウンタウエイト側のサーボ制御部の振動低減効果を阻害することなく、加工主軸側の質量によって変化するオフセット電流を低減し、モータの発熱を抑えることができる。また、自重差推力制御ブロックを設けない場合と比較すると、ＺモータおよびＷモータに定格出力が小さなモータを使えるようになり、複合加工機のコストダウンが可能となる。
【００５７】
［実施形態３］
実施形態３の複合加工機は、ロール状に巻き取り可能なシート状のカバーを設けて、飛散する切粉や加工液から位置決めステージを保護している。
図１０（ａ）は、実施形態３の複合加工機の正面図で、図１０（ｂ）は背面図である。
図において、１００１はＺステージ２０８に取り付けられたＺステージカバーの設置フレームであり、１００２はＷステージ２１３に取り付けられたＷステージカバーの設置フレームである。１００３は位置決めステージとステージ基部との間に生じる開口部を封止するシート状のカバーであり、Ｚステージの上下とＷステージの上下に合計４基設置される。１００４はシート状のカバーをロール状に巻き取る巻取り機であり、各カバーに付随して４基設置され、ステージの移動に付随して上下に移動するカバーが弛まないように、図示しないバネ機構によりカバーの巻取りを行う。
【００５８】
１００５はシート状のカバーに付着するごみを除去するスクレーパであり、１００６はスクレーパの当て板である。スクレーパとスクレーパの当て板は図示しない支持構造によりステージ基部に固定され、対向してシート状のカバーを挟み込む形で当接させることで、カバーに付着した切粉等のごみを除去する。
【００５９】
１００７はシート状のカバーが機械部に巻き込まれることを防止する支持部材であり、Ｚステージカバー設置フレームの上下とＷステージカバー設置フレームの上下に、カバーに近接する位置に設置される。支持部材の形状は棒状でもよく、板状でも構わない。スクレーパの当て板には開口部が設けられており、支持部材との干渉を回避することを可能とする。
図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、Ｗステージが移動する際のスクレーパの当て板とステージカバーの支持部材が干渉しないようにする機構を示す模式図である。
【００６０】
図１１（ａ）は、ＷステージがＺ方向の中央付近に位置している際の、当て板１００６と支持部材１００７の位置関係を示す。また、図１１（ｄ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切った水平断面図である。スクレーパ１００５とスクレーパの当て板１００６は、Ｗステージ２１３の上下に位置し、図示しない支持構造によりステージ基部に固定され、シート状のカバー１００３を挟み込む形で当接させることで、カバーに付着した切粉等のごみを除去する。支持部材１００７は、Ｗステージカバー設置フレーム１００２の上下に設置され、カバー１００３がＸ方向に撓んで機械部に巻き込まれることを防止する。
【００６１】
ここで、図１１（ｂ）に、Ｗステージが下方向に移動した際の、スクレーパの当て板１００６と支持部材１００７の位置関係を示す。Ｗステージが下方向に移動することで、Ｗステージ下側のスクレーパの当て板１００６と支持部材１００７が干渉する位置となるが、当て板に設置された開口部により干渉が回避される。これにより、スクレーパとスクレーパの当て板でカバーを挟持してカバーに付着したごみを除去しつつ、支持部材でカバーの機械部への巻き込みを防止することが可能となる。
【００６２】
加えて、図１１（ｃ）に、Ｗステージが上方向に移動した際の、スクレーパの当て板１００６と支持部材１００７の位置関係を示す。これも同様に、Ｗステージが上方向に移動することで、Ｗステージ上側のスクレーパの当て板１００６と支持部材１００７が干渉する位置となるが、当て板に設置された開口部により干渉が回避される。これにより、スクレーパとスクレーパの当て板でカバーを挟持してカバーに付着したごみを除去しつつ、支持部材でカバーの機械部への巻き込みを防止することが可能となる。
【００６３】
本実施形態によれば、シート状のカバーが撓んで振動したり、ステージやカウンタウエイトの駆動機構と接触や摺動して、位置決め性能に影響を与えることを防止できる。加工機のように、切粉や加工液の飛散する環境に組込まれても位置決め性能を損なうことなく、高速、高精度に位置決めすることが可能な位置決めステージを提供できる。
【００６４】
［他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した実施形態１〜実施形態３に限られるものではなく、適宜変更したり、組み合わせたりすることが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１０１・・・Ｚ位置制御部／１０２・・・Ｚ速度制御部／１０３・・・Ｚ電流アンプ／１０４・・・フィードバック制御ブロック／１０５・・・フィードフォワード制御ブロック／１０６・・・自重差推力制御ブロック／１０７・・・相対位置検出部／１０８・・・Ｗ比例制御部／１０９・・・Ｗ帯域制限部／１１０・・・Ｗ電流アンプ／１１１・・・指令加速度算出部／１１２・・・加速度―推力変換部／１１３・・・オフセット電流検出部／２０１・・・定盤／２０２ａ、２０２ｂ・・・コラム／２０３・・・梁／２０４・・・除振台／２０５・・・Ｙステージ／２０７・・・Ｃステージ／２０８・・・Ｚステージ／２０９・・・Ｚモータ／２１０・・・Ｚ位置検出センサ／２１１・・・Ｘステージ／２１２・・・第一の加工主軸／２１３・・・Ｗステージ／２１４・・・Ｗモータ／２１５・・・Ｗ位置検出センサ／２１６・・・Ｕステージ／２１７・・・第二の加工主軸／２１８・・・プーリ／２１９・・・スチールベルト／３００・・・ＮＣプログラム／３０１・・・軌跡演算部／３０２・・・Ｚサーボ制御部／３０３・・・Ｃサーボ制御部／３０４・・・Ｘサーボ制御部／３０５・・・Ｙサーボ制御部／３０６・・・Ｃモータ／３０７・・・Ｃ位置検出センサ／３０８・・・Ｘモータ／３０９・・・Ｘ位置検出センサ／３１０・・・Ｙモータ／３１１・・・Ｙ位置検出センサ／３１２・・・Ｗサーボ制御部／３１３・・・Ｚ軸側加工 ／３１４・・・Ｗ軸側加工／３１５・・・Ｕサーボ制御部／３１６・・・Ｕモータ／３１７・・・Ｕ位置検出センサ／３１８・・・制御切換部／５０１・・・Ｐ制御部／５０２・・・Ｉ制御部／５０３・・・Ｄ制御部／５０４・・・Ｚ積分出力帯域制限部のフィルタ特性／５０５・・・Ｗ帯域制限部のフィルタ特性／５０６・・・Ｚ積分出力帯域制限部／９００・・・Ｗ位置推定演算部／１００１・・・Ｚステージカバーの設置フレーム／１００２・・・Ｗステージカバーの設置フレーム／１００３・・・シートカバー／１００４・・・巻き取り機／１００５・・・スクレーパ／１００６・・・スクレーパの当て板／１００７・・・支持部材
【図１】
2020004288.tif 000008
【図２】
2020004288.tif 000009
【図３】
2020004288.tif 000010
【図４】
2020004288.tif 000011
【図５】
2020004288.tif 000012
【図６】
2020004288.tif 000013
【図７】
2020004288.tif 000014
【図８】
2020004288.tif 000015
【図９】
2020004288.tif 000016
【図１０】
2020004288.tif 000017
【図１１】
2020004288.tif 000018