JP2511356B2 - 移動台装置の力検出システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば工作機械等に
用いられる移動台装置に関し、特に移動台上に設けられ
る被案内部材に作用する力を検出する力検出システムに
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体技術に代表されるように微
細加工の高精度化の要求が高まっている。ＮＣ（数値制
御）が開発されて以来、位置制御により加工精度は飛躍
的に向上した。このような位置制御を高精度にするため
に、従来は工作機械の剛性を上げることに力がそそがれ
てきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし工作機械の剛性
を高めるといってもおのずと限界があり、近年の微細加
工に要求される加工精度を得るのが困難になってきてい
る。

【０００４】一方、機械加工においては、力を測って機
械，工具，ワークの変形量等を知り、それによってワー
クの加工精度のみならず、ツールの形状変化や異常検
出、外乱への対処、さらには過大な力がワークあるいは
ツールにかかることの回避、加工能率等を考慮すること
も必要になる。力をモニタすると加工の状態を的確に把
握できる。

【０００５】自動化の技術が進んだ今日では、工作機械
や加工システムの無人化や省力化はかなり進んでいるも
のの、２４時間完全無人化運転を実際に行っているシス
テムはなかなか見当たらない。

【０００６】その原因は、実際の加工での予期せぬ工具
の折損、あるいは周囲環境の変化により設定した条件と
は異なったことが起きた時に、それを検出する有効な手
段がないために対処できないからである。また、熟練加
工者が、経験から加工時のワークに与えている力を判断
し、微妙に調整して、安全にそして精密に加工する技術
が現行の工作機械には欠落しているためである。

【０００７】そこで、従来の位置制御に欠けていた加工
の重要な要素である力を検出し、力情報をフィードバッ
クして工作機械を制御する必要性が生じてきている。

【０００８】本発明は上記した従来技術の課題を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、工
作機械等の移動台装置の各移動子に作用するＺ軸方向の
力のみを検出するだけで、工作機械等に実際に加わる三
方向の力を高精度に検出して力の情報をモニタし得る移
動台装置の力検出システムを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明にあっては、互いに平行に延びる一対の軌道
レールと、該軌道レールに転動体を介して摺動自在に組
み付けられる複数の移動子と、該移動子上に取り付けら
れる移動台とを備え、該移動台上に設けられた被案内部
材に作用する力を前記複数の移動子によって受け持つ移
動台装置において、前記一対の軌道レールによって作り
出される平面に直交する方向をＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系の
Ｚ軸方向とした場合に、前記各移動子に作用するＺ軸方
向の力情報と、前記被案内部材の力作用点と各移動子間
の相対的な位置関係を表す位置情報と、に基づいて、前
記被案内部材のＸ軸またはＹ軸周りのモーメントを求
め、該モーメントを移動台から力作用点までのＺ軸方向
の高さで割ることにより、前記被案内部材に作用するＸ
軸とＹ軸方向の力のうち少なくとも一方向の力を求める
ことを特徴とする。

【００１０】位置情報は外部から観測することによって
得られる情報を用いてもよいし、予め定められているプ
ログラム情報であってもよい。

【００１１】

【作用】上記構成の移動台装置の力検出システムにあっ
ては、各移動子に作用するＺ軸方向の力情報と被案内部
材の力作用点のＸＹ軸方向の位置情報から、移動台のＸ
軸およびＹ軸周りに作用するモーメントが演算できる。
一方、各移動子から力作用点までのＺ軸方向の高さが位
置情報としてわかっているので、各Ｘ，Ｙ軸周りのモー
メントを高さで割ると、被案内部材に作用するＸ，Ｙ軸
方向の力を求めることができる。 Ｘ，Ｙ軸方向の力は、
Ｘ軸あるいはＹ軸方向の力だけを求めることもできる
し、軸とＹ軸方向の両方の力を求めることもできる。 ま
た、被案内部材に作用するＺ軸方向の力は、各移動子に
作用するＺ軸方向の力情報を足し合わせれば当然に得ら
れるので、本発明のシステムによってＸ，Ｙ軸方向の力
が求まれば、被案内部材に作用するＸＹＺ軸方向のすべ
ての力を、Ｚ軸方向の力情報のみから求めることができ
る。

【００１２】

【００１３】

【実施例】以下に本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。

【００１４】図１(a) は本発明の一実施例に係る移動台
装置の基本的な構成を示している。すなわち、一対の軌
道レール１，１を互いに平行に敷設し、軌道レール１，
１上を摺動する左右一対づつの計４個の移動子３，３，
３，３上に移動台７が取り付けられる。この移動台７上
に被案内部材としてのワーク８が取付けられる。加工時
に工具９からワーク８に作用する力Ｆは、移動台７を通
じて移動子３に伝達される。

【００１５】図１(b) は、上記軌道レール１と移動子３
の概念的な構成を示している。すなわち、移動子３は、
転動体としての多数のボール２を介して軌道レール１に
摺動自在に組みつけられている。この移動子３は、移動
台７が取付けられる取付部４と、ボール２が転動する部
分を有するスライド部５と、取付部４とスライド部５と
の間に設けられる力検出手段６とから構成される。力検
出手段６により検出された検出信号は力情報として演算
手段としてのコントローラ部１００に送られる。

【００１６】工具９からワーク８を介して移動台７に作
用する力としては、図１(c) に示すように、一対の軌道
レール１，１によって作り出される平面に直交する方向
をＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系のＺ軸方向に、軌道レール１，
１の長手方向をＹ軸方向に取った場合に、Ｚ軸方向に作
用するラジアル荷重ＦZ と、Ｙ軸方向に作用するスラス
ト荷重ＦY と、Ｘ軸方向に作用する横方向荷重ＦX の三
方向の力がある。

【００１７】各移動子３に設けた力検出手段６は、各移
動子３に作用するＺ軸方向の力ｆのみを検出するように
なっている。

【００１８】そして、図１(c) に示すように、力検出手
段６によって検出されたＺ軸方向の力情報と、ワーク８
の力作用点である工具９の接触位置と各移動子３間の相
対的な位置関係を表す位置情報と、に基づいて、前記コ
ントローラ部１００おいて、工具９から被案内部材とし
てのワーク８に作用する力のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の力ＦX
，ＦY ，ＦZ を演算するようになっている。

【００１９】位置情報は外部から観測することによって
得られる情報を用いてもよいし、また予め定められてい
るプログラム情報であってもよい。すなわち、ＮＣ工作
機械の場合には、基礎的なデータとして、工具の形状，
移動台の位置あるいはワークの情報が予めＮＣ情報とし
て入力されており、これらの情報に基づいて、ある時点
におけるワークに対する力作用点が容易にわかる。ま
た、移動台の位置等については、ＣＣＤ素子や超音波等
を利用して実際の位置を検出するようにしてもよい。

【００２０】次に、実際の演算について具体的に説明す
る。

【００２１】まず、Ｚ軸方向の力は、各移動子３に作用
する力を足し合わせることによって求められる。

【００２２】すなわち、４つの移動子３に作用する力を
ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４とすると、ワーク８に作用する
力のＺ軸方向の分力ＦZ は、 ＦZ ＝ｆ１＋ｆ２＋ｆ３＋ｆ４ となる。

【００２３】また、ワーク８の力作用点ＯをＺ軸方向に
移動台７上面に投影した点をＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系の零
点に定め、移動台７上面からの力作用点ＯまでのＺ軸方
向の高さをｈ、４つの移動子３のＸ，Ｙ座標をＸ１，Ｘ
２；Ｙ１，Ｙ２とし、Ｘ軸およびＹ軸周りに作用するモ
ーメントをＭＸ，ＭＹとすると、ワーク８に作用する力
のＸ，Ｙ軸方向の力ＦＸ，ＦＹは次式で求められる。

【００２４】すなわち、 ＦX ＝ＭY ／ｈ＝｛Ｘ１（ｆ１＋ｆ２）＋Ｘ２（ｆ３＋ｆ４）｝／ｈ ＦY ＝ＭX ／ｈ＝｛Ｙ１（ｆ１＋ｆ２）＋Ｙ２（ｆ３＋ｆ４）｝／ｈ となる。

【００２５】要するに、一方向の力検出手段４個の組み
合わせと、形状・位置情報の組み合わせにより、ワーク
８に作用する力Ｆの三方向の分力Ｆｘ，ＦＹ，ＦＺを検
出することができる。

【００２６】一方、力作用点Ｏの移動台７からの高さｈ
がわかっているので、各Ｘ，Ｙ軸回りのモーメントを高
さで割ると、Ｘ，Ｙ軸方向の力を演算することができ
る。

【００２７】そして、力情報のデータと、加工に関する
経験的知識を活用することで、加工状態をモデル化で
き、将来の加工状態の予測，予知が可能になり、予測，
予知した将来の加工状態に基づいて現在の加工状態に補
正をかけるフィードフォワード制御が可能となる。

【００２８】すなわち、工具９に作用する力は移動台７
を通じて移動子３に伝達されており、移動子３に設けら
れた力検出手段６によって工具９に実際に作用する力を
検出することができる。この力を検出することによっ
て、工具９の形状変化と異常検出及びワーク８の形状認
識、さらに予め設定した値以上の力がワーク８や工具９
にかかった時の対処が可能となる。

【００２９】また、ワーク８に与える力を情報とするこ
とにより、加工力によるワーク８の変形のモデル化も可
能になる。

【００３０】図２は、力検出手段６の基本的な構成を示
す模式図である。すなわち、この力検出手段６は、軸方
向に弾性変形可能な弾性部材１１と、この弾性部材１１
の軸方向変位または歪みを電気信号に変換して検出する
検出手段１２と、を具備しており、弾性部材１１は固定
部材１３と可動部材１４の間に介在され、固定部材１３
と可動部材１４を連結するようになっている。そして、
力の変化に応じて弾性部材１１が弾性変形し、この弾性
部材１１の歪みや変位が検出手段１２によって電気信号
に変換されて軸力が検出される。

【００３１】図３(a) 〜(e) には、上記力検出手段１０
の検出手段１２の各種変形例が示されている。

【００３２】図３(a) に示すものは、検出手段として歪
みゲージ等の抵抗式センサ１２ａを用いて弾性部材１１
の歪みを検出するようにしたものである。

【００３３】図３(b) に示すものは、検出手段として圧
電素子や電歪素子等を用いて変位を電圧変化として検出
する電圧式センサ１２ｂを用いて弾性部材１１の変位を
検出するようにしたものである。

【００３４】図３(c) に示すものは、検出手段として差
動トランスやうず電流センサ等の電磁誘導式センサ１２
ｃを利用して弾性部材１１の変位を検出するようにした
ものである。

【００３５】図３(d) に示すものは、検出手段として静
電容量式ギャップセンサ１２ｄを用い弾性部材１１の変
位を電気容量に変換して検出するようにしたものであ
る。

【００３６】図３(e) に示すものは、検出手段として光
り干渉方式の光ファイバ式センサ１２ｅを利用して弾性
部材１１の変位を検出するようにしたものである。

【００３７】この他、図示例のものに限られず、弾性部
材１１の変位を検出するための各種センサを用いること
ができる。図４は図２の検出手段を移動子に適用した場
合の概念構成を示している。

【００３８】図５は、この図４の概念構成のより具体的
な構成例を示すもので、力検出手段６の弾性部材１１Ａ
として薄肉の板ばねを用い、スライダ部５および取付部
４と一体構造としたものである。

【００３９】すなわち、取付部４は環状部材で、また力
検出手段６の弾性部材１１Ａを薄肉の環状平板形状と
し、環状平板状の弾性部材１１Ａの外端を取付部４内端
に固定し、弾性部材１１Ａの内端をスライダ部５に固定
してＺ軸方向に弾性変形可能に構成したものである。

【００４０】この例では、摺動台３を構成する四角形の
ブロック体を加工することによって取付部４と弾性部材
１１Ａとスライダ部５とを一体構成としてある。すなわ
ち、摺動台３の前後左右の側面に全周的にスリット１５
を形成し、一方、摺動台３の上面中央にスリット１５の
奥端の直径よりも大径の円形の凹部１６を形成し、凹部
１６底面とスリット１５の間を薄肉にして弾性部材１１
Ａを構成している。この摺動台３の凹部１６の開口部は
蓋体１７によって閉塞されている。

【００４１】弾性部材１１Ａを環状平板構造とすること
により、弾性部材１１ＡはＺ軸方向には弾性変形可能で
かつＺ軸以外のＸ，Ｙ軸方向には剛な構成となってお
り、Ｘ軸，Ｙ軸方向の剛性を高剛性に保つことができ
る。

【００４２】そして、弾性部材１１Ａの表面には、弾性
部材１１Ａの弾性変形に対応する変位量を検出するため
の検出手段としての歪みゲージ１２ａが貼着されてい
る。この歪みゲージ１２ａはもっとも歪みの大きい弾性
部材１１Ａの付けね部に貼着することによって、感度が
高められている。

【００４３】図示例では、歪みゲージ１２ａを円環状の
弾性部材１１Ａの外径端部に４枚等配し、一方、内径端
部に外径端側とは４５度位相をずらして４枚等配し、合
計８枚の歪みゲージ１２ａが用いられている。

【００４４】また、この実施例では、歪みゲージ１２ａ
を弾性部材１１Ａの凹部１６側の表面に取付け、歪みゲ
ージ１２ａからの信号線は取付部４に固定される接続端
子１７を通じて取り出される。歪みゲージ１２ａからの
検出信号は、ストレインアンプ１０１によって増幅さ
れ、さらにＡ／Ｄ変換器１０２によってディジタル信号
に変換され、力情報としてコントローラ１００で処理判
断される。

【００４５】この実施例では、弾性部材１１Ａが円環状
となっているので、あらゆる方向に均一のばね特性でも
って傾動可能である。したがって、各歪みゲージ１２ａ
が貼着されたそれぞれの位置の荷重に比例して弾性部材
１１Ａの各部が弾性変形する。その結果、各歪みゲージ
１２ａからの出力情報を読むことで摺動台３上面に作用
するＺ軸方向の力の円周方向の分布がわかる。この円周
方向のＺ軸方向力の分布を知ることにより、力の大きさ
だけでなくその方向性および作用位置等についても精密
に検出することができる。また、このＺ軸方向力の分布
と各歪みゲージの貼付け位置の距離からＸ軸およびＹ軸
回りのモーメントについても検出可能である。

【００４６】図６は弾性部材１１Ａの各種形状を示すも
ので、図６(a) に示すような単なる環状平板構造の他
に、図６(b) 〜(e) に示すように孔１１Ｂを開けた形状
に成形することもできる。

【００４７】図７は、取付部４とスライダ部５の間に介
在される弾性部材１１Ｂを薄肉円筒形状としたものであ
る。このような構成としてもＺ軸方向の力を検出するこ
とができる。Ｚ軸方向の力を検出する場合は、弾性部材
１１Ｂの軸方向中途部に歪みゲージ１２ａを貼着するこ
とが好ましい。

【００４８】もっとも、この円筒状の弾性部材１１Ｂの
場合には、Ｚ軸方向だけではなく、ＸＹ軸方向の力につ
いても検出することが可能である。

【００４９】

【発明の効果】本発明は以上の構成および作用を有する
もので、各移動子に作用するＺ軸方向の力情報と、ワー
ク等の被案内部材の力作用点と各移動子間の相対的な位
置関係を表す位置情報の組み合わせにより、被案内部材
に実際に作用する力のＸ，Ｙ軸方向の力を検出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) は本発明の移動台装置の力検出システ
ムの概念構成を示す図、同図(b) は摺動台の概略斜構成
図、同図(c) は力検出システムの演算手順を示す図であ
る。

【図２】図２は図１の力検出手段を模式的に示す構成図
である。

【図３】図３(a) 〜(e) は図２の力検出手段の各種変形
例を示す構成図である。

【図４】図４は図２の基本構成の力検出手段を用いて表
現した本発明の力検出手段付き直線運動用案内装置の各
種構成例を示す概略図である。

【図５】力検出手段を有する摺動台のより具体例を示す
もので、同図(a) は縦断面図、同図(b) は平面図、同図
(c) および(d) は作動状態を説明するための弾性部材近
傍の断面図である。

【図６】図６(a) 〜(e) は図５の装置の弾性部材の各種
変形例を示す平面図である。

【図７】図７(a) ，(b) は力検出手段を有する摺動台の
他の具体例を示すもので、同図(a) は縦断面図、同図
(b) は平面図である。

【符号の説明】

１ 軌道レール ２ ボール（転動体） ３ 移動子 ４ 取付部 ５ スライダ部 ６ 凹部 ７ 移動台 ８ ワーク（被案内部材） ９ 工具 １１，１１Ａ，１１Ｂ 弾性部材 １２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ 変位
検出手段 １３ 固定部材 １４ 可動部材

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに平行に延びる一対の軌道レール
   と、該軌道レールに転動体を介して摺動自在に組み付け
   られる複数の移動子と、該移動子上に取り付けられる移
   動台と、を備え、 該移動台上に設けられた被案内部材に作用する力を前記
   複数の移動子によって受け持つ移動台装置において、 前記一対の軌道レールによって作り出される平面に直交
   する方向をＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系のＺ軸方向とした場合
   に、前記各移動子に作用するＺ軸方向の力情報と、前記
   被案内部材の力作用点と各移動子間の相対的な位置関係
   を表す位置情報と、に基づいて、前記被案内部材のＸ軸
   またはＹ軸周りのモーメントを求め、該モーメントを移
   動台から力作用点までのＺ軸方向の高さで割ることによ
   り、 前記被案内部材に作用するＸ軸とＹ軸方向の力のうち少
   なくとも一方向の力を求めることを特徴とする移動台装
   置の力検出システム。
2. 【請求項２】 位置情報は外部から観測することによっ
   て得られる情報である請求項１に記載の移動台装置の力
   検出システム。
3. 【請求項３】 位置情報は予め定められているプログラ
   ム情報である請求項１に記載の移動台装置の力検出シス
   テム。