主軸装置およびこれを備えた工作機械
【課題】主軸ヘッドの上下動に対して生じるバランスシリンダの圧力変化を、高速かつ高精度に安定化させることができる主軸装置およびこれを備えた工作機械を提供。
【解決手段】主軸ヘッド４３の重量を支える付勢力を発生するバランスシリンダ４４と、バランスシリンダを制御する圧力レギュレータ７０とを備える。圧力レギュレータは、空気供給源からの空気の等温化圧力容器への流入流量を規制し、該容器内の圧力を一定に保持する。サーボ弁を操作する圧力制御手段は、圧力計によって検出された圧力をフィードバック制御する圧力制御系をメインループとし、その内側に、流量計で計測された流入流量をフィードバック制御する流入流量制御系を構成するとともに、この流入流量と圧力微分計で計測された等温化圧力容器内の圧力微分値とに基づいて、等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定し、推定した流出流量を流入流量制御系にフィードバックする。
【解決手段】主軸ヘッド４３の重量を支える付勢力を発生するバランスシリンダ４４と、バランスシリンダを制御する圧力レギュレータ７０とを備える。圧力レギュレータは、空気供給源からの空気の等温化圧力容器への流入流量を規制し、該容器内の圧力を一定に保持する。サーボ弁を操作する圧力制御手段は、圧力計によって検出された圧力をフィードバック制御する圧力制御系をメインループとし、その内側に、流量計で計測された流入流量をフィードバック制御する流入流量制御系を構成するとともに、この流入流量と圧力微分計で計測された等温化圧力容器内の圧力微分値とに基づいて、等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定し、推定した流出流量を流入流量制御系にフィードバックする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主軸装置およびこれを備えた工作機械に関する。詳しくは、主軸を有する主軸ヘッドの重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダを有する主軸装置およびこれを備えた工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械においては、コラムの案内面に沿って主軸ヘッドを昇降可能に支持し、この主軸ヘッドの重量に見合う付勢力をバランスシリンダによって発生させることによって、主軸ヘッドを軽い力で円滑に昇降できるようにした工作機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。
従来、バランスシリンダによって主軸ヘッドの重量をバランスさせるバランス装置は、エアー供給源からのエアーを減圧弁で所定の圧力に減圧したのち、バランスシリンダに供給して、主軸ヘッドの重量とバランスさせる一方、制御回路内の圧力が高くなると、リリーフ弁が作動し、制御回路内の圧力を所定の圧力に保つ構造が一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１３８４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上述した構造のバランス装置では、減圧弁の精度も十分でないうえ、応答速度が遅いという課題があった。
【０００５】
本発明の目的は、このような従来の課題に対して、主軸ヘッドの上下動に対して生じるバランスシリンダの圧力変化を、高速かつ高精度に安定化させることができる主軸装置およびこれを備えた工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の主軸装置は、主軸ヘッド支持部材と、この主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられ主軸を有する主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを昇降させる昇降機構と、前記主軸ヘッドの重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダと、このバランスシリンダの圧力を制御する圧力レギュレータとを備えた主軸装置において、前記圧力レギュレータは、空気供給源から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁と、このサーボ弁を介して流入する空気を等温状態に保持するとともに前記バランスシリンダに供給する等温化圧力容器と、この等温化圧力容器内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力を検出する圧力計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計と、前記サーボ弁を操作して前記等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御する圧力制御手段とを備え、前記圧力制御手段は、前記圧力計によって検出された圧力をフィードバック制御する圧力制御系と、前記流量計によって計測された流入流量をフィードバック制御する流入流量制御系と、前記圧力微分計によって計測された圧力微分値と前記流量計によって計測された流入流量とに基づいて、前記等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定する流出流量推定手段とを有し、前記流入流量制御系を前記圧力制御系の制御ループ内に構成するとともに、前記流出流量推定手段によって推定された流出流量を前記流入流量制御系にフィードバックするモデル追従制御系を構成する、ことを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、圧力レギュレータは、等温化圧力容器をバッファとして用いることにより、等温化圧力容器への空気の流入過程および流出過程を等体積かつ等温変化とみなすことができるため、簡便に圧力制御を行うことができる。
この等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御するために、サーボ弁によって、空気供給源から供給される空気の等温化圧力容器への流入流量を規制する。このとき、圧力レギュレータは、等温化圧力容器内の空気の圧力をフィードバック制御する圧力制御系をメインループとする圧力制御手段によって、サーボ弁を操作して流入流量を規制して、等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御する。
【０００８】
ここで、圧力制御手段は、圧力制御系の内側に構成したマイナーループである流入流量制御系によって、等温化圧力容器へ流入する空気の流入流量をフィードバック制御するとともに、流出流量推定手段によって、等温化圧力容器の空気の圧力微分値と等温化圧力容器へ流入する空気の流入流量とに基づいて、等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定し、この推定した流出流量を流入流量制御系にフィードバックするモデル追従系によって補償する。
【０００９】
従って、このような制御系においては、下流での流出流量の僅かな変化、つまり、バランスシリンダでの僅かな変化に対応して圧力制御が行われるため、外乱に強く、応答性の高い制御系を構成することができる。また、流出流量を圧力微分値に基づいて推定するため、流出流量を直接計測する場合に比較して、計測への流量の影響を少なくでき、高い精度で圧力制御を行うことができる。
その結果、主軸ヘッドの上下動に対して生じるバランスシリンダの圧力変化を、高速かつ高精度に安定化させることができる。
【００１０】
本発明の主軸装置において、前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に回転可能に支持された主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、前記主軸ヘッド本体は、ピッチ系のＣＦＲＰにより構成されている、ことが好ましい。
ここで、ピッチ系のＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）とは、ピッチプリカーサー（コールタールまたは石油重質分を原料として得られるピッチ繊維）を炭素化して得られるもので、高強度、高弾性率の性質をもつ。
このような構成によれば、主軸ヘッドは、主軸ヘッド本体と、これに回転可能に支持された主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、主軸ヘッド本体がピッチ系のＣＦＲＰにより構成されているから、高強度、高弾性率を維持しつつ、軽量化が図れる。従って、主軸ヘッドの昇降速度を高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。
【００１１】
本発明の主軸装置において、前記昇降機構は、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか一方に前記主軸ヘッドの昇降方向に沿って設けられたマグネットと、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか他方に前記マグネットに対向して配置されたコイルとを含むリニアモータから構成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、主軸ヘッドを昇降させる昇降機構がリニアモータによって構成されているから、主軸ヘッドを円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。
【００１２】
本発明の主軸装置において、前記コイルの周囲は遮熱部材で覆われている、ことが好ましい。
このような構成によれば、主軸ヘッドの昇降時にリニアモータのコイルに通電すると、コイルから発熱する。本発明では、コイルの周囲は遮熱部材で覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体などが熱変形を起こすことを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。
【００１３】
本発明の工作機械は、前述したいずれかの主軸装置と、ワークを載置するテーブルと、前記主軸装置と前記テーブルとを前記主軸ヘッドの昇降方向に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させる移動機構とを備える、ことを特徴とする。
このような構成によれば、上述した効果をもつ工作機械を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る工作機械を示す斜視図。
【図２】前記実施形態において、主軸装置およびその周辺部分を示す図。
【図３】前記実施形態において、圧力レギュレータの構成を示すブロック図。
【図４】従来の工作機械において、送り速度1000mm／minの検証結果を示す図。
【図５】前記実施形態において、送り速度1000mm／minの検証結果を示す図。
【図６】従来の工作機械において、送り速度2000mm／minの検証結果を示す図。
【図７】前記実施形態において、送り速度2000mm／minの検証結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、バランス装置を有する主軸装置を備えた工作機械に適用した例である。
（工作機械全体の説明：図１参照）
本工作機械は、図１に示すように、ベース１と、このベース１にＸ軸ガイド機構１１およびＸ軸リニアモータ機構１２を介してＸ軸方向へ移動可能に設けられ上面にワークＷを載置するテーブル１３と、このテーブル１３を跨いで設けられた門型コラム２０と、この門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸装置３０とから構成されている。
【００１６】
Ｘ軸ガイド機構１１は、ベース１の上面にＸ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール１１Ａと、テーブル１３の下面にガイドレール１１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材１１Ｂとを含んで構成されている。
Ｘ軸リニアモータ機構１２は、ベース１の上面においてガイドレール１１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット１２Ａと、このマグネット１２Ａに隙間を隔ててテーブル１３の下面に取り付けられたコイル１２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
【００１７】
Ｙ軸ガイド機構２１は、図２にも示すように、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面にＹ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール２１Ａと、主軸装置３０の下面にガイドレール２１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材２１Ｂとを含んで構成されている。
Ｙ軸リニアモータ機構２２は、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面においてガイドレール２１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット２２Ａと、このマグネット２２Ａに隙間を隔てて主軸装置３０の下面に取り付けられたコイル２２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
【００１８】
（主軸装置の説明：図２参照）
主軸装置３０は、図２にも示すように、門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸ヘッド支持部材としてのサドル３３と、このサドル３３にＺ軸ガイド機構４１および昇降機構としてのＺ軸リニアモータ機構４２を介して昇降可能に設けられた主軸ヘッド４３と、この主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダ４４と、空気供給源６０と、この空気供給源６０からの空気をバランスシリンダ４４に供給するとともにバランスシリンダ４４の圧力を制御する圧力レギュレータ７０と、サドル３３の主軸ヘッド４３とは反対側に取り付けられたバランスウエイト４５とから構成されている。
【００１９】
Ｚ軸ガイド機構４１は、主軸ヘッド４３の裏面にＺ方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール４１Ａと、サドル３３の正面に固定されガイドレール４１Ａをスライド可能に案内するスライド部材４１Ｂとを含んで構成されている。
Ｚ軸リニアモータ機構４２は、主軸ヘッド４３の裏面においてガイドレール４１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット４２Ａと、このマグネット４２Ａに隙間を隔ててサドル３３の正面に取り付けられたコイル４２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
ここで、コイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われている。遮熱部材４２Ｃとしては、アルミニウムまたはプラスチックスなどの材料によって箱状に形成されている。
【００２０】
主軸ヘッド４３は、主軸ヘッド本体５１と、この主軸ヘッド本体５１に回転可能に支持された主軸５２と、この主軸５２を回転駆動させる回転駆動源５３とを含んで構成されている。
主軸ヘッド本体５１は、ピッチ系のＣＦＲＰにより構成されている。ピッチ系のＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）とは、ピッチプリカーサー（コールタールまたは石油重質分を原料として得られるピッチ繊維）を炭素化して得られるもので、高強度、高弾性率の性質をもつ。主軸５２には工具５４が着脱可能に取り付けられる。回転駆動源５３は、モータによって構成されている。
【００２１】
バランスシリンダ４４は、主軸ヘッド４３を挟んだ両側にそれぞれ設けられている。
各バランスシリンダ４４は、上端がブラケット５５を介してサドル３３に支持されたシリンダ本体４４Ａと、上端にシリンダ本体４４Ａ内に摺動可能に収納されたピストンを有し下端が主軸ヘッド４３の下端に連結されたピストンロッド４４Ｂとから構成されている。
ピストンで区画されたシリンダ本体４４Ａの下室には、空気供給源６０からのエアーが圧力レギュレータ７０を介して供給されている。その結果、バランスシリンダ４４によって、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力が主軸ヘッド４３に上向きに与えられている。
【００２２】
（圧力レギュレータの説明：図３参照）
圧力レギュレータ７０は、圧力を高速かつ精密に目標圧力に保持するもので、例えば、特開２００９−１１００３３号に開示された圧力レギュレータを用いることができる。
これは、図３に示すように、空気供給源６０から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁７１と、このサーボ弁７１を通った空気を流入し等温状態に保持する等温化圧力容器７２と、この等温化圧力容器７２内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計７３と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力を検出する圧力計７４と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計７５と、流量計７３、圧力計７４および圧力微分計７５で検出された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器７６と、このＡ／Ｄ変換器７６を通じて与えられる信号を基にサーボ弁７１の制御電圧を算出し、その制御電圧をＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１へ与える圧力制御手段７７とを備える。
【００２３】
ここで、本実施形態の圧力レギュレータ７０の制御系は、目標設定圧力（目標値）Ｐrefに対して等温化圧力容器７２内の空気の圧力ＰをフィードバックしてＰＩ（比例動作、積分動作）制御する圧力制御系をメインループとして構成している。
このメインループの内側に、等温化圧力容器７２にサーボ弁７１を介して流入する空気の流入流量Ｇinをフィードバック制御する流入流量制御系を１つのマイナーループとして構成するとともに、流入流量Ｇinと等温化圧力容器７２内の空気の圧力微分値ｄＰ／ｄｔとに基づいて等温化圧力容器７２から流出する流出流量Ｇoutを推定するオブザーバ（流入流量推定手段）を構成し、オブザーバで推定した流出流量Ｇout（上にハット）を流入流量制御系にフィードバックして補償するモデル追従制御系を他のマイナーループとして構成している。
【００２４】
従って、いま、圧力レギュレータ７０が起動され、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが所定の目標値に整定された状態にあるとする。このとき、サーボ弁７１は、等温化圧力容器７２の流出口から流出する流出流量と、流入口から流入する流入流量とがバランスする開度に調整されている。
ここで、空気供給源６０からの空気の圧力Ｐs、または、等温化圧力容器７２から流出する空気の流出流量Ｇoutに変動が生じ、等温化圧力容器７２内の圧力Ｐが目標値Ｐrefから変化すると、圧力レギュレータ７０は空気の圧力の変動を補償するために、圧力制御手段７７によって、流量計７３で計測された流入流量Ｇin、圧力計７４で計測された圧力Ｐおよび圧力微分計７５で計測された圧力微分値ｄＰ／ｄｔをＡ／Ｄ変換器７６を介して受信し、これらの受信した計測データに基づいてサーボ弁７１に対する制御電圧Ｅiを算出し、この算出した制御電圧ＥiをＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１に与える。
すると、サーボ弁７１は、圧力制御手段７７によって算出された制御電圧Ｅiに応じた開度にサーボ弁７１を制御し、その開度に応じた流入流量Ｇinで等温化圧力容器７２に空気を流入する。これによって、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが目標値Ｐrefに整定されるように制御される。
【００２５】
＜実施形態の作用、効果＞
このような構成の工作機械において、ワークＷを加工するには、ワークＷをテーブル１３上にセットしたのち、テーブル１３をＸ軸方向へ、サドル３３をＹ軸方向へ、主軸ヘッド４３をＺ軸方向へ移動させながら、工具５４によってワークを加工する。
ここで、主軸ヘッド４３をＺ軸方向へ移動すると、バランスシリンダ４４の圧力が変動する。本実施形態では、主軸ヘッド４３の上下動に対して生じるバランスシリンダ４４の圧力変化を、圧力レギュレータ７０によって高速かつ高精度に安定化させることができる。そのため、移動速度の高速化、加工時間の短縮化が図れるとともに、移動時の負荷も安定し制御性を向上させることができるので、加工精度の向上も期待できる。
【００２６】
例えば、図４および図５は、従来の工作機械と本実施形態の工作機械において、主軸ヘッド４３を送り速度１０００ｍｍ／ｍｉｎで移動させたときの検証結果である。
図４は、従来の工作機械（図１に示す構成において、主軸ヘッドの材質を鋳物とし、圧力レギュレータをfairchild社製圧力レギュレータの検証結果で、上段の図がＺ軸リニアモータ機構４２に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
図５は、本実施形態の工作機械の検証結果で、上段の図がＺ軸リニアモータ機構４２に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
これから明かなように、本実施形態によれば、バランスシリンダのバランス圧が従来の工作機械に比べ大幅に小さくなっていることが判る。
【００２７】
また、図６および図７は、従来の工作機械と本実施形態の工作機械において、主軸ヘッド４３を送り速度２０００ｍｍ／ｍｉｎで移動させたときの検証結果である。
図６は、従来の工作機械（図４と同じ構成）の検証結果で、上段の図がＺ軸リニアモータ機構４２に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
図７は、本実施形態の工作機械（図５の説明と同じ）の検証結果で、上段の図がＺ軸リニアモータ機構４２に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
これから明かなように、本実施形態によれば、バランスシリンダのバランス圧が従来の工作機械に比べ大幅に小さくなっていることが判る。
【００２８】
また、本実施形態によれば、主軸ヘッド４３は、主軸ヘッド本体５１と、この主軸ヘッド本体５１に回転可能に支持された主軸５２と、この主軸５２を回転駆動させる回転駆動源５３とを含んで構成され、主軸ヘッド本体５１がピッチ系のＣＦＲＰにより構成されているから、高強度、高弾性率を維持しつつ、軽量化が図れる。従って、主軸ヘッド４３の昇降速度を高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、主軸ヘッド４３を昇降させる昇降機構が、主軸ヘッド４３に主軸ヘッド４３の昇降方向に沿って設けられたマグネット４２Ａと、サドル３３にマグネット４２Ａに対向して配置されたコイル４２Ｂとを含むＺ軸リニアモータ機構４２から構成されているから、主軸ヘッドを円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。
しかも、Ｚ軸リニアモータ機構４２を構成するコイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体５１などが熱変形を起こすことを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。
【００３０】
＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、工作機械として、テーブル１３がＸ軸方向へ、主軸ヘッド４３がＹ軸方向およびＺ軸方向へ移動可能であったが、これに限られない。要は、テーブル１３と主軸ヘッド４３が二次元（２軸方向）あるいは三次元（３軸方向）へ相対移動可能な構造であれば、いずれが移動する構造であってもよい。
【００３１】
また、前記実施形態では、各軸移動機構をリニアモータ機構、つまり、Ｘ軸リニアモータ機構１２，Ｙ軸リニアモータ機構２２、Ｚ軸リニアモータ機構４２によって構成したが、必ずしも、リニアモータ機構でなくてもよい。ボールねじを用いた送り機構であってもよい。
また、前記実施形態では、主軸５２の回転駆動源５３として、モータを用いたが、これに限らず、例えば、エアータービン機構などであってもよい。
【００３２】
また、前記実施形態では、バランスシリンダ４４によって主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力を発生させるようにしたが、必ずしも、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力でなくてもよく、主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生する構成であってもよい。
【００３３】
前記実施形態では、バランスシリンダ４４を有する主軸装置３０を備えた工作機械について説明したが、バランスシリンダ４４を有する主軸装置３０を備えるものであれば、工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、主軸ヘッドの位置を高速かつ高精度に制御できるから、一般的な工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１２…Ｘ軸リニアモータ機構（移動機構）、
２２…Ｙ軸リニアモータ機構（移動機構）、
３３…サドル（主軸ヘッド支持部材）、
４２…Ｚ軸リニアモータ機構（昇降機構）、
４２Ａ…マグネット、
４２Ｂ…コイル、
４２Ｃ…遮熱部材、
４３…主軸ヘッド、
４４…バランスシリンダ、
５１…主軸ヘッド本体、
５２…主軸、
５３…回転駆動源、
６０…空気供給源、
７０…圧力レギュレータ、
７１…サーボ弁、
７２…等温化圧力容器、
７３…流量計、
７４…圧力計、
７５…圧力微分計、
７７…圧力制御手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主軸装置およびこれを備えた工作機械に関する。詳しくは、主軸を有する主軸ヘッドの重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダを有する主軸装置およびこれを備えた工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械においては、コラムの案内面に沿って主軸ヘッドを昇降可能に支持し、この主軸ヘッドの重量に見合う付勢力をバランスシリンダによって発生させることによって、主軸ヘッドを軽い力で円滑に昇降できるようにした工作機械が知られている（例えば、特許文献１参照）。
従来、バランスシリンダによって主軸ヘッドの重量をバランスさせるバランス装置は、エアー供給源からのエアーを減圧弁で所定の圧力に減圧したのち、バランスシリンダに供給して、主軸ヘッドの重量とバランスさせる一方、制御回路内の圧力が高くなると、リリーフ弁が作動し、制御回路内の圧力を所定の圧力に保つ構造が一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１３８４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上述した構造のバランス装置では、減圧弁の精度も十分でないうえ、応答速度が遅いという課題があった。
【０００５】
本発明の目的は、このような従来の課題に対して、主軸ヘッドの上下動に対して生じるバランスシリンダの圧力変化を、高速かつ高精度に安定化させることができる主軸装置およびこれを備えた工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の主軸装置は、主軸ヘッド支持部材と、この主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられ主軸を有する主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを昇降させる昇降機構と、前記主軸ヘッドの重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダと、このバランスシリンダの圧力を制御する圧力レギュレータとを備えた主軸装置において、前記圧力レギュレータは、空気供給源から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁と、このサーボ弁を介して流入する空気を等温状態に保持するとともに前記バランスシリンダに供給する等温化圧力容器と、この等温化圧力容器内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力を検出する圧力計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計と、前記サーボ弁を操作して前記等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御する圧力制御手段とを備え、前記圧力制御手段は、前記圧力計によって検出された圧力をフィードバック制御する圧力制御系と、前記流量計によって計測された流入流量をフィードバック制御する流入流量制御系と、前記圧力微分計によって計測された圧力微分値と前記流量計によって計測された流入流量とに基づいて、前記等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定する流出流量推定手段とを有し、前記流入流量制御系を前記圧力制御系の制御ループ内に構成するとともに、前記流出流量推定手段によって推定された流出流量を前記流入流量制御系にフィードバックするモデル追従制御系を構成する、ことを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、圧力レギュレータは、等温化圧力容器をバッファとして用いることにより、等温化圧力容器への空気の流入過程および流出過程を等体積かつ等温変化とみなすことができるため、簡便に圧力制御を行うことができる。
この等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御するために、サーボ弁によって、空気供給源から供給される空気の等温化圧力容器への流入流量を規制する。このとき、圧力レギュレータは、等温化圧力容器内の空気の圧力をフィードバック制御する圧力制御系をメインループとする圧力制御手段によって、サーボ弁を操作して流入流量を規制して、等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御する。
【０００８】
ここで、圧力制御手段は、圧力制御系の内側に構成したマイナーループである流入流量制御系によって、等温化圧力容器へ流入する空気の流入流量をフィードバック制御するとともに、流出流量推定手段によって、等温化圧力容器の空気の圧力微分値と等温化圧力容器へ流入する空気の流入流量とに基づいて、等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定し、この推定した流出流量を流入流量制御系にフィードバックするモデル追従系によって補償する。
【０００９】
従って、このような制御系においては、下流での流出流量の僅かな変化、つまり、バランスシリンダでの僅かな変化に対応して圧力制御が行われるため、外乱に強く、応答性の高い制御系を構成することができる。また、流出流量を圧力微分値に基づいて推定するため、流出流量を直接計測する場合に比較して、計測への流量の影響を少なくでき、高い精度で圧力制御を行うことができる。
その結果、主軸ヘッドの上下動に対して生じるバランスシリンダの圧力変化を、高速かつ高精度に安定化させることができる。
【００１０】
本発明の主軸装置において、前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に回転可能に支持された主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、前記主軸ヘッド本体は、ピッチ系のＣＦＲＰにより構成されている、ことが好ましい。
ここで、ピッチ系のＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）とは、ピッチプリカーサー（コールタールまたは石油重質分を原料として得られるピッチ繊維）を炭素化して得られるもので、高強度、高弾性率の性質をもつ。
このような構成によれば、主軸ヘッドは、主軸ヘッド本体と、これに回転可能に支持された主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、主軸ヘッド本体がピッチ系のＣＦＲＰにより構成されているから、高強度、高弾性率を維持しつつ、軽量化が図れる。従って、主軸ヘッドの昇降速度を高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。
【００１１】
本発明の主軸装置において、前記昇降機構は、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか一方に前記主軸ヘッドの昇降方向に沿って設けられたマグネットと、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか他方に前記マグネットに対向して配置されたコイルとを含むリニアモータから構成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、主軸ヘッドを昇降させる昇降機構がリニアモータによって構成されているから、主軸ヘッドを円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。
【００１２】
本発明の主軸装置において、前記コイルの周囲は遮熱部材で覆われている、ことが好ましい。
このような構成によれば、主軸ヘッドの昇降時にリニアモータのコイルに通電すると、コイルから発熱する。本発明では、コイルの周囲は遮熱部材で覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体などが熱変形を起こすことを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。
【００１３】
本発明の工作機械は、前述したいずれかの主軸装置と、ワークを載置するテーブルと、前記主軸装置と前記テーブルとを前記主軸ヘッドの昇降方向に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させる移動機構とを備える、ことを特徴とする。
このような構成によれば、上述した効果をもつ工作機械を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る工作機械を示す斜視図。
【図２】前記実施形態において、主軸装置およびその周辺部分を示す図。
【図３】前記実施形態において、圧力レギュレータの構成を示すブロック図。
【図４】従来の工作機械において、送り速度1000mm／minの検証結果を示す図。
【図５】前記実施形態において、送り速度1000mm／minの検証結果を示す図。
【図６】従来の工作機械において、送り速度2000mm／minの検証結果を示す図。
【図７】前記実施形態において、送り速度2000mm／minの検証結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、バランス装置を有する主軸装置を備えた工作機械に適用した例である。
（工作機械全体の説明：図１参照）
本工作機械は、図１に示すように、ベース１と、このベース１にＸ軸ガイド機構１１およびＸ軸リニアモータ機構１２を介してＸ軸方向へ移動可能に設けられ上面にワークＷを載置するテーブル１３と、このテーブル１３を跨いで設けられた門型コラム２０と、この門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸装置３０とから構成されている。
【００１６】
Ｘ軸ガイド機構１１は、ベース１の上面にＸ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール１１Ａと、テーブル１３の下面にガイドレール１１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材１１Ｂとを含んで構成されている。
Ｘ軸リニアモータ機構１２は、ベース１の上面においてガイドレール１１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット１２Ａと、このマグネット１２Ａに隙間を隔ててテーブル１３の下面に取り付けられたコイル１２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
【００１７】
Ｙ軸ガイド機構２１は、図２にも示すように、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面にＹ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール２１Ａと、主軸装置３０の下面にガイドレール２１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材２１Ｂとを含んで構成されている。
Ｙ軸リニアモータ機構２２は、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面においてガイドレール２１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット２２Ａと、このマグネット２２Ａに隙間を隔てて主軸装置３０の下面に取り付けられたコイル２２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
【００１８】
（主軸装置の説明：図２参照）
主軸装置３０は、図２にも示すように、門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸ヘッド支持部材としてのサドル３３と、このサドル３３にＺ軸ガイド機構４１および昇降機構としてのＺ軸リニアモータ機構４２を介して昇降可能に設けられた主軸ヘッド４３と、この主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダ４４と、空気供給源６０と、この空気供給源６０からの空気をバランスシリンダ４４に供給するとともにバランスシリンダ４４の圧力を制御する圧力レギュレータ７０と、サドル３３の主軸ヘッド４３とは反対側に取り付けられたバランスウエイト４５とから構成されている。
【００１９】
Ｚ軸ガイド機構４１は、主軸ヘッド４３の裏面にＺ方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール４１Ａと、サドル３３の正面に固定されガイドレール４１Ａをスライド可能に案内するスライド部材４１Ｂとを含んで構成されている。
Ｚ軸リニアモータ機構４２は、主軸ヘッド４３の裏面においてガイドレール４１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット４２Ａと、このマグネット４２Ａに隙間を隔ててサドル３３の正面に取り付けられたコイル４２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
ここで、コイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われている。遮熱部材４２Ｃとしては、アルミニウムまたはプラスチックスなどの材料によって箱状に形成されている。
【００２０】
主軸ヘッド４３は、主軸ヘッド本体５１と、この主軸ヘッド本体５１に回転可能に支持された主軸５２と、この主軸５２を回転駆動させる回転駆動源５３とを含んで構成されている。
主軸ヘッド本体５１は、ピッチ系のＣＦＲＰにより構成されている。ピッチ系のＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）とは、ピッチプリカーサー（コールタールまたは石油重質分を原料として得られるピッチ繊維）を炭素化して得られるもので、高強度、高弾性率の性質をもつ。主軸５２には工具５４が着脱可能に取り付けられる。回転駆動源５３は、モータによって構成されている。
【００２１】
バランスシリンダ４４は、主軸ヘッド４３を挟んだ両側にそれぞれ設けられている。
各バランスシリンダ４４は、上端がブラケット５５を介してサドル３３に支持されたシリンダ本体４４Ａと、上端にシリンダ本体４４Ａ内に摺動可能に収納されたピストンを有し下端が主軸ヘッド４３の下端に連結されたピストンロッド４４Ｂとから構成されている。
ピストンで区画されたシリンダ本体４４Ａの下室には、空気供給源６０からのエアーが圧力レギュレータ７０を介して供給されている。その結果、バランスシリンダ４４によって、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力が主軸ヘッド４３に上向きに与えられている。
【００２２】
（圧力レギュレータの説明：図３参照）
圧力レギュレータ７０は、圧力を高速かつ精密に目標圧力に保持するもので、例えば、特開２００９−１１００３３号に開示された圧力レギュレータを用いることができる。
これは、図３に示すように、空気供給源６０から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁７１と、このサーボ弁７１を通った空気を流入し等温状態に保持する等温化圧力容器７２と、この等温化圧力容器７２内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計７３と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力を検出する圧力計７４と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計７５と、流量計７３、圧力計７４および圧力微分計７５で検出された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器７６と、このＡ／Ｄ変換器７６を通じて与えられる信号を基にサーボ弁７１の制御電圧を算出し、その制御電圧をＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１へ与える圧力制御手段７７とを備える。
【００２３】
ここで、本実施形態の圧力レギュレータ７０の制御系は、目標設定圧力（目標値）Ｐrefに対して等温化圧力容器７２内の空気の圧力ＰをフィードバックしてＰＩ（比例動作、積分動作）制御する圧力制御系をメインループとして構成している。
このメインループの内側に、等温化圧力容器７２にサーボ弁７１を介して流入する空気の流入流量Ｇinをフィードバック制御する流入流量制御系を１つのマイナーループとして構成するとともに、流入流量Ｇinと等温化圧力容器７２内の空気の圧力微分値ｄＰ／ｄｔとに基づいて等温化圧力容器７２から流出する流出流量Ｇoutを推定するオブザーバ（流入流量推定手段）を構成し、オブザーバで推定した流出流量Ｇout（上にハット）を流入流量制御系にフィードバックして補償するモデル追従制御系を他のマイナーループとして構成している。
【００２４】
従って、いま、圧力レギュレータ７０が起動され、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが所定の目標値に整定された状態にあるとする。このとき、サーボ弁７１は、等温化圧力容器７２の流出口から流出する流出流量と、流入口から流入する流入流量とがバランスする開度に調整されている。
ここで、空気供給源６０からの空気の圧力Ｐs、または、等温化圧力容器７２から流出する空気の流出流量Ｇoutに変動が生じ、等温化圧力容器７２内の圧力Ｐが目標値Ｐrefから変化すると、圧力レギュレータ７０は空気の圧力の変動を補償するために、圧力制御手段７７によって、流量計７３で計測された流入流量Ｇin、圧力計７４で計測された圧力Ｐおよび圧力微分計７５で計測された圧力微分値ｄＰ／ｄｔをＡ／Ｄ変換器７６を介して受信し、これらの受信した計測データに基づいてサーボ弁７１に対する制御電圧Ｅiを算出し、この算出した制御電圧ＥiをＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１に与える。
すると、サーボ弁７１は、圧力制御手段７７によって算出された制御電圧Ｅiに応じた開度にサーボ弁７１を制御し、その開度に応じた流入流量Ｇinで等温化圧力容器７２に空気を流入する。これによって、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが目標値Ｐrefに整定されるように制御される。
【００２５】
＜実施形態の作用、効果＞
このような構成の工作機械において、ワークＷを加工するには、ワークＷをテーブル１３上にセットしたのち、テーブル１３をＸ軸方向へ、サドル３３をＹ軸方向へ、主軸ヘッド４３をＺ軸方向へ移動させながら、工具５４によってワークを加工する。
ここで、主軸ヘッド４３をＺ軸方向へ移動すると、バランスシリンダ４４の圧力が変動する。本実施形態では、主軸ヘッド４３の上下動に対して生じるバランスシリンダ４４の圧力変化を、圧力レギュレータ７０によって高速かつ高精度に安定化させることができる。そのため、移動速度の高速化、加工時間の短縮化が図れるとともに、移動時の負荷も安定し制御性を向上させることができるので、加工精度の向上も期待できる。
【００２６】
例えば、図４および図５は、従来の工作機械と本実施形態の工作機械において、主軸ヘッド４３を送り速度１０００ｍｍ／ｍｉｎで移動させたときの検証結果である。
図４は、従来の工作機械（図１に示す構成において、主軸ヘッドの材質を鋳物とし、圧力レギュレータをfairchild社製圧力レギュレータの検証結果で、上段の図がＺ軸リニアモータ機構４２に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
図５は、本実施形態の工作機械の検証結果で、上段の図がＺ軸リニアモータ機構４２に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
これから明かなように、本実施形態によれば、バランスシリンダのバランス圧が従来の工作機械に比べ大幅に小さくなっていることが判る。
【００２７】
また、図６および図７は、従来の工作機械と本実施形態の工作機械において、主軸ヘッド４３を送り速度２０００ｍｍ／ｍｉｎで移動させたときの検証結果である。
図６は、従来の工作機械（図４と同じ構成）の検証結果で、上段の図がＺ軸リニアモータ機構４２に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
図７は、本実施形態の工作機械（図５の説明と同じ）の検証結果で、上段の図がＺ軸リニアモータ機構４２に対する位置指令値および電流指令値を示す図、下段の図がそのときのバランスシリンダのバランス圧を示す図である。
これから明かなように、本実施形態によれば、バランスシリンダのバランス圧が従来の工作機械に比べ大幅に小さくなっていることが判る。
【００２８】
また、本実施形態によれば、主軸ヘッド４３は、主軸ヘッド本体５１と、この主軸ヘッド本体５１に回転可能に支持された主軸５２と、この主軸５２を回転駆動させる回転駆動源５３とを含んで構成され、主軸ヘッド本体５１がピッチ系のＣＦＲＰにより構成されているから、高強度、高弾性率を維持しつつ、軽量化が図れる。従って、主軸ヘッド４３の昇降速度を高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、主軸ヘッド４３を昇降させる昇降機構が、主軸ヘッド４３に主軸ヘッド４３の昇降方向に沿って設けられたマグネット４２Ａと、サドル３３にマグネット４２Ａに対向して配置されたコイル４２Ｂとを含むＺ軸リニアモータ機構４２から構成されているから、主軸ヘッドを円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。
しかも、Ｚ軸リニアモータ機構４２を構成するコイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体５１などが熱変形を起こすことを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。
【００３０】
＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、工作機械として、テーブル１３がＸ軸方向へ、主軸ヘッド４３がＹ軸方向およびＺ軸方向へ移動可能であったが、これに限られない。要は、テーブル１３と主軸ヘッド４３が二次元（２軸方向）あるいは三次元（３軸方向）へ相対移動可能な構造であれば、いずれが移動する構造であってもよい。
【００３１】
また、前記実施形態では、各軸移動機構をリニアモータ機構、つまり、Ｘ軸リニアモータ機構１２，Ｙ軸リニアモータ機構２２、Ｚ軸リニアモータ機構４２によって構成したが、必ずしも、リニアモータ機構でなくてもよい。ボールねじを用いた送り機構であってもよい。
また、前記実施形態では、主軸５２の回転駆動源５３として、モータを用いたが、これに限らず、例えば、エアータービン機構などであってもよい。
【００３２】
また、前記実施形態では、バランスシリンダ４４によって主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力を発生させるようにしたが、必ずしも、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力でなくてもよく、主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生する構成であってもよい。
【００３３】
前記実施形態では、バランスシリンダ４４を有する主軸装置３０を備えた工作機械について説明したが、バランスシリンダ４４を有する主軸装置３０を備えるものであれば、工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、主軸ヘッドの位置を高速かつ高精度に制御できるから、一般的な工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１２…Ｘ軸リニアモータ機構（移動機構）、
２２…Ｙ軸リニアモータ機構（移動機構）、
３３…サドル（主軸ヘッド支持部材）、
４２…Ｚ軸リニアモータ機構（昇降機構）、
４２Ａ…マグネット、
４２Ｂ…コイル、
４２Ｃ…遮熱部材、
４３…主軸ヘッド、
４４…バランスシリンダ、
５１…主軸ヘッド本体、
５２…主軸、
５３…回転駆動源、
６０…空気供給源、
７０…圧力レギュレータ、
７１…サーボ弁、
７２…等温化圧力容器、
７３…流量計、
７４…圧力計、
７５…圧力微分計、
７７…圧力制御手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸ヘッド支持部材と、この主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられ主軸を有する主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを昇降させる昇降機構と、前記主軸ヘッドの重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダと、このバランスシリンダの圧力を制御する圧力レギュレータとを備えた主軸装置において、
前記圧力レギュレータは、空気供給源から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁と、このサーボ弁を介して流入する空気を等温状態に保持するとともに前記バランスシリンダに供給する等温化圧力容器と、この等温化圧力容器内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力を検出する圧力計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計と、前記サーボ弁を操作して前記等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御する圧力制御手段とを備え、
前記圧力制御手段は、前記圧力計によって検出された圧力をフィードバック制御する圧力制御系と、前記流量計によって計測された流入流量をフィードバック制御する流入流量制御系と、前記圧力微分計によって計測された圧力微分値と前記流量計によって計測された流入流量とに基づいて、前記等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定する流出流量推定手段とを有し、前記流入流量制御系を前記圧力制御系の制御ループ内に構成するとともに、前記流出流量推定手段によって推定された流出流量を前記流入流量制御系にフィードバックするモデル追従制御系を構成する、
ことを特徴とする主軸装置。
【請求項２】
請求項１に記載の主軸装置において、
前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に回転可能に支持された主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、
前記主軸ヘッド本体は、ピッチ系のＣＦＲＰにより構成されている、
ことを特徴とする主軸装置。
【請求項３】
請求項２に記載の主軸装置において、
前記昇降機構は、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか一方に前記主軸ヘッドの昇降方向に沿って設けられたマグネットと、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか他方に前記マグネットに対向して配置されたコイルとを含むリニアモータから構成されている、
ことを特徴とする主軸装置。
【請求項４】
請求項３に記載の主軸装置において、
前記コイルの周囲は遮熱部材で覆われている、
ことを特徴とする主軸装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の主軸装置と、
ワークを載置するテーブルと、
前記主軸装置と前記テーブルとを前記主軸ヘッドの昇降方向に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させる移動機構とを備える、
ことを特徴とする工作機械。
【請求項１】
主軸ヘッド支持部材と、この主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられ主軸を有する主軸ヘッドと、この主軸ヘッドを昇降させる昇降機構と、前記主軸ヘッドの重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダと、このバランスシリンダの圧力を制御する圧力レギュレータとを備えた主軸装置において、
前記圧力レギュレータは、空気供給源から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁と、このサーボ弁を介して流入する空気を等温状態に保持するとともに前記バランスシリンダに供給する等温化圧力容器と、この等温化圧力容器内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力を検出する圧力計と、前記等温化圧力容器内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計と、前記サーボ弁を操作して前記等温化圧力容器内の空気を所定の圧力に制御する圧力制御手段とを備え、
前記圧力制御手段は、前記圧力計によって検出された圧力をフィードバック制御する圧力制御系と、前記流量計によって計測された流入流量をフィードバック制御する流入流量制御系と、前記圧力微分計によって計測された圧力微分値と前記流量計によって計測された流入流量とに基づいて、前記等温化圧力容器から流出する空気の流出流量を推定する流出流量推定手段とを有し、前記流入流量制御系を前記圧力制御系の制御ループ内に構成するとともに、前記流出流量推定手段によって推定された流出流量を前記流入流量制御系にフィードバックするモデル追従制御系を構成する、
ことを特徴とする主軸装置。
【請求項２】
請求項１に記載の主軸装置において、
前記主軸ヘッドは、前記主軸ヘッド支持部材に昇降可能に設けられた主軸ヘッド本体と、この主軸ヘッド本体に回転可能に支持された主軸と、この主軸を回転駆動させる回転駆動源とを含んで構成され、
前記主軸ヘッド本体は、ピッチ系のＣＦＲＰにより構成されている、
ことを特徴とする主軸装置。
【請求項３】
請求項２に記載の主軸装置において、
前記昇降機構は、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか一方に前記主軸ヘッドの昇降方向に沿って設けられたマグネットと、前記主軸ヘッド支持部材および前記主軸ヘッド本体のいずれか他方に前記マグネットに対向して配置されたコイルとを含むリニアモータから構成されている、
ことを特徴とする主軸装置。
【請求項４】
請求項３に記載の主軸装置において、
前記コイルの周囲は遮熱部材で覆われている、
ことを特徴とする主軸装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の主軸装置と、
ワークを載置するテーブルと、
前記主軸装置と前記テーブルとを前記主軸ヘッドの昇降方向に対して直交する少なくとも１軸方向へ相対移動させる移動機構とを備える、
ことを特徴とする工作機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９９８１６（Ｐ２０１３−９９８１６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４４５９３（Ｐ２０１１−２４４５９３）
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【Ｆターム（参考）】
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