JPS63200904A - 主軸ヘツドバランス装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、工作機械、放電加工装置その他の類似の加工
機械における主軸ヘッドの重量バランスを制御する装置
に関する。

［従来の技術］ 従来、例えば金型製作用の立形ヘッドを有する工作機械
の場合、その駆動部である例えばＤＣモータ部の負荷電
流を低減させるために、一般的には第４図に示すような
バランスウェイト方式がとられている。バランスウェイ
ト方式の効果には主につぎの２つがあり、その１つは駆
動モータの負荷電流を低減できるためモータの発熱によ
るボールネジ等の熱膨張を抑制できること、さらに駆動
増幅器の制御範囲の中立点近傍に負荷時における動作点
を設定し主軸ヘッドの制御性を改善できることなど駆動
部側の改善効果である。他の１つはボールネジおよびそ
のベアリング等への負荷荷重を低減できるため寿命改善
を計ることができ、さらに機構設計（形状、大きさ等）
が容易になるなど設計上のメリットがあることである。

次にこれらの点について説明する。

第４図において、１は主軸ヘッド、２は主軸、３ａは主
軸２の下端に取付けられた加工工具で、最も使用頻度の
高い平均的なものを示し、３ｂは使用可能な最大重量を
もつ工具の場合を示す。この主軸ヘッド１はコラム４の
側面にスライドベアリング５を介して上下摺動自在に装
着され、主軸ヘッド１の側面より突設したナツト部材６
にボールネジ７を螺合し、このボールネジ７をＤＣモー
タ等の駆動モータ８により回転させて主軸ヘッド１を上
下動させるようになっている。この場合において、主軸
ヘッド１の重量バランスをとるためにボールネジ７の反
対側においてバランスウェイト９がワイヤロープまたは
チェーン１０と複数個の滑車１１を介して主軸ヘッド１
に連結されている。バランスウェイト９の重量は通常、
主軸ヘッド１と最も使用頻度の高い平均的な工具３ａの
荷重を合計した値に設定される。

しかして、主軸ヘッド１の位置制御は、ボールネジ７に
ロータリエンコーダ１２を連結し、このロータリエンコ
ーダ１２により検出されたボールネジ７の回転角度数を
前段増幅部１３に入力し、指令値との偏位量を駆動増幅
部１４により増幅しその出力を駆動モータ８に制御電圧
として印加することにより行う。

ところで、工具３ａが当初設定した荷重より大きく変化
する場合、例えば放電加工装置の電極等では非回転加工
が一般的に行われているため電極１本当り数百ｇｆから
数百ｋｇｆに至るまで変化する場合があり、このような
場合たとえ位置指令値がゼロであっても、駆動モータ８
の懸垂荷重は最初Ｖ（ｋｇｆ）であったものがＷ’　　
（ｋｇｆ）にバランスするため位置偏位がロータリエン
コーダ１２により検出されそれがフィードバックされて
増幅されるため、駆動増幅部１４の動作点が負荷電流Ｉ
　へ移って静止することになる。これは次式で表現する
ことができる。

ＶｏＫ　　　φ　Ｋ　　　　・　ΔＺ Ａ　　　Ｄ／Ａ ただし、Ｗ′　：実負荷（懸垂荷重） Ｔ：駆動モータの出力トルク Ｐ　：ボールネジのリード ■ｏ：駆動モータ印加電圧 Ｒ：電機子抵抗 ＫＴ：トルク定数 ＫＡ：ＡＭＰ増幅係数 Ｋ　　：ディジタル／アナログ変換率 Ｄ／Ａ ΔＺ：位置偏位量 この位置偏位量ΔＺは上式から懸垂荷重Ｗ′に比例する
ため、駆動増幅部１４の負荷動作点が中立点より大きく
偏位し制御範囲にかたよりが生じることになる。このた
め安定した制御が得られなくなる欠点が生じる。この対
策として、前段増幅部１３にバイアス電流調節部１３ａ
を設けて、主軸ヘッド１の停止時、ロータリエンコーダ
１２からのフィードバック信号がゼロとなり、見かけ上
動作意が中立点にくるように駆動モータ８にバイアス電
流をかけている。しかし、この場合でも駆動モータ８に
は常時電流が流れることになり、例えばその負荷電流が
モータの定格値に近いような場合は、加工中過負荷とな
り、モータコイルの焼損、異常発熱等のトラブルを誘発
することになる。

このように工具重量が大きく変化する場合、設計上最小
工具荷重と最大工具荷重の中間点を想定して前記バイア
ス電流を設定するため、実際の使用時には＋あるいは一
城へ動作点が移動し、前記の説明のように駆動増幅部の
制御範囲の中立点から離れた点が負荷時における動作中
立点となる。

次に、主軸ヘッド１に駆動モータ８により上下送りする
懸垂荷重Ｗ′眩と同等のバランスウェイト９をワイヤロ
ープ１０で連結し吊下げれば、ボールネジ７およびその
ボールネジ７を回転支持する軸受部（図示せず）に対す
る負荷は極めて軽微なものとなり、上下運動時に作用す
る抵抗は前記軸受部及びスライドベアリング５の摺動抵
抗のみとなる。このためボールネジ７のサイズ、ベアリ
ング類の耐荷重容量を小さくするか、あるいは寿命を延
ばすことができる。しかしこの場合も前記と同様、最小
工具荷重と最大工具荷重では主軸ヘッド１とバランスウ
ェイト９との間に相対的な荷重差が生じ、ボールネジ７
には下向きあるいは上向きのスラスト荷重が作用するこ
とになり、したがって、そのうちの最大アンバランス荷
重が設計基準値となる。

ところで、一般の工作機械の主軸ヘッドでは主に一定送
りが加工中の動作モードであり、位置決め等の段取り作
業においても速度の高低はあるものの定速送りが基本で
ある。しかし、放電加工装置の主軸ヘッドは位置決めや
段取り作業時の定速送り以外に、「極間サーボ」と称す
るワークと工具間の放電間隙を加工中宮に一定に保持す
る機能を有し、この極間サーボの応答性が加工性能に大
きく影響するものである。これは、工具とワークが短絡
した場合は急速開離して正常な間隙へ移行する必要があ
り、また極間がいわゆるオープン状態では急速接近させ
る必要がある。これらの時々刻々と変化する間隙の変化
に対応して、主軸ヘッドの駆動系の応答性を向上させ加
工能率を上げることが加工性能（速度）を改善すること
となるものである。このように非常に短い間隙内で主軸
ヘッドが相対的接近および開離により上下運動を繰返す
場合、ワイヤロープ１０とバランスウェイト９により設
定される１次モードの機械共振の影響を受け、前記応答
性の改善が制限されることになる。実際問題としてこの
応答性は放電加工の場合、数Ｈｚ〜数十Ｈｚの範囲が必
要となるが、ノ（ランスウェイトの１次共振周波数もこ
の範囲に入る場合が多い。これは設計上ワイヤロープの
サイズを大きくして前記１次共振周波数を高くとること
が、滑車１１の大きさ、曲率半径等の点で困難となるケ
ースが多いためと、駆動モータ８からみた駆動系とした
場合、懸垂荷重はゼロに近くはなるものの振動系では次
式に示すように、質量増加のため逆に機械共振周波数が
約１／、／＝７と低下するためである。

ただし、Ｋ：機械剛性 ｇ：重力加速度 Ｗ′　：懸垂荷重 ＷＢ　：バランスウェイトの重量 ［発明が解決しようとする問題点１ 以上のように、従来の主軸ヘッドのバランスウェイト方
式には次のような問題点を有することになる。

■　工具あるいは電極の重量が変化した場合、駆動増幅
部の制御中立点が大きく変動し、安定した制御特性が得
られない。

■　駆動系としてみるとバランスウェイトの質量分だけ
質量増加となり機械共振周波数が影響し、応答性の改善
には限界がある。

本発明は、これら従来の問題点を解決するためになされ
たもので、従来のようなウェイトによるバランス方式で
はなく機械力によるバランス方式でかつ加工工具（電極
を含む。以下、同じ。）の重量変化に応じてバランス力
を自動的に調節し得るようにした主軸ヘッドのバランス
装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係る主軸ヘッドバランス装置は、従来のバラン
スウェイトに代えて流体圧シリンダ装置を用い、該シリ
ンダ装置のピストンと主軸ヘッドとを閉ループを形成す
るワイヤロープで連結し、シリンダ装置には供給圧力を
制御する制御弁を設け、主軸ヘッドの位置はその位置検
出器からの検出値と指令値とを減算する誤差カウンタの
出力に基づいて該主軸ヘッドの駆動モータを制御するよ
うに構成し、さらに前記主軸ヘッドの停止時においての
み導通状態となるスイッチング素子を設け、該スイッチ
ング素子を介して前記誤差カウンタの出力に応じて前記
制御弁に対し圧力を制御するように動作するホールド回
路を設けてなるものである。

［作　用］ 本発明による主軸ヘッドバランス装置では、主軸ヘッド
の停止時においてのみ導通状態となるスイッチング素子
により誤差カウンタの出力に応じてホールド回路がシリ
ンダ装置の圧力を制御するように構成したので、主軸ヘ
ッドの重量変化に対し制御弁を通じてシリンダ装置の供
給圧力を調節するため、主軸ヘッドの動作点は常に駆動
制御部の中立点となる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図により説明する。

第１図は本発明の実施例の概略構成図である。

なお、図において、第４図と同一符号は同一または相当
部を示すものである。

この実施例では、前記のバランスウェイトに代えてエア
シリンダ装置１６を用いた例を示している。このエアシ
リンダ装置１６のシリンダ１７は一端が大気に開放され
ており、コラム４に強固に固定されている。そして、シ
リンダ１７内に摺動自在に嵌合されたピストン１８には
ロッド１９゜２０が連接され、これらロッド１９，２０
の各端にワイヤロープ１０の各端を連結し、さらにワイ
ヤロープ１０の他端は複数の滑車１１を経由して主軸ヘ
ッド１のナツト部材６に連結して閉ループを形成せしめ
る。

シリンダ装置１６のコンプレッサ２２を供給源とする空
気圧系にはシリンダ１７内の圧力Ｐ　（ＭＰａ）を制御
するためのダイヤフラム制御弁２４が接続されている。

つまり、シリンダ１７内の圧力Ｐはダイヤフラム制御弁
２４の出力圧として制御され、その出力は、 Ｆ−Ｐ争Ａ ただし、Ｆ：バランス力 Ａ：ピストンの受圧面積 となり、設計上このバランス力Ｆは主軸ヘッド１と加工
工具３ａの合計荷重Ｗと一致させる。したがって、主軸
ヘッド１の駆動モータ８には主軸ヘッド１の上下運動に
必要な加速度を発生するトルクと、スライドベアリング
５および滑車１１等の摺動抵抗に打勝つトルクの合計ト
ルクが要求されるだけとなる。

主軸ヘッド１の移動は前段増幅部１３および駆動増幅部
１４を主体とする制御回路によって駆動モータ８を制御
するが、その制御に際しては主軸ヘッド１の位置を直線
形位置検出器２５であるリニアスケールによって検出し
、その検出された位置信号を誤差カウンタ２６ヘフイー
ドバツクスル。

誤差カウンタ２６ではフィードバックされた位置信号を
初めに設定された指令値から減算する。誤差カウンタ２
６の出力、すなわちドループ量は次のデジタルアナログ
変換器２７を経由して、前段増幅器１３および駆動増幅
器１４を通って駆動モータ８に対し制御電圧として印加
され、これによって主軸ヘッド１の位置制御を行う。

さらに、誤差カウンタ２６には主軸ヘッド１の停止時に
おいてのみ導通状態となるスイッチング素子２８が接続
されている。つまり、このスイッチング素子２８はデジ
タルアナログ変換器２７の出力電圧をホールド回路３０
に対しオン・オフするためのもので、スイッチング素子
２８は誤差カウンタ２６の出力がＨレベルでかつ指令値
がＬレベルの時にのみオン状態となる。したがって、主
軸ヘッド１の運動中はスイッチング素子２８はオフとな
るが、ホールド回路３ｏは前に送られた信号でホールド
されており、その出力電圧は常時電空圧変換器３１へ供
給されている。そして、電空圧変換器３１はホールド回
路３ｏの制御電圧に基づきダイヤフラム制御弁２４に対
し所定の空気圧とするように制御する。

次に、上記のように構成された実施例の作用について詳
述する。

主軸ヘッド１の停止時において、位置指令値がゼロの場
合、主軸ヘッド１および工具３ａの合計荷重Ｗ　（Ｎ）
による懸垂のため、ボールネジ７には逆転トルクが作用
し、主軸ヘッド１は駆動モータ８の出力トルクとバラン
スするところまで降下することとなる。つまり、位置偏
位量Δ２が発生し、この偏位量はリニアスケール２５に
より検出され誤差カウンタ２６ヘフイードバツクされる
。

そして、この偏位量の誤差出力信号が増幅され駆動モー
タ８に電圧印加として作用し、バランスするわけである
。しかし、このまま放置しておくと従来例で説明したよ
うな動作点が駆動増幅器１４の中立点より外れる、ある
いは駆動モータ８に位置偏位量ΔＺに見合った電流が常
時流れるなどの不具合が生じるものである。

そこで、本発明の実施例では、前記位置偏位量ΔＺをス
イッチング素子２８を通じてホールド回路３０へ伝達す
る。そして、位置偏位量ΔＺと制御電圧との関係は第２
図に示すように比例関係で設計すると都合がよい。第２
図は横軸に位置偏位量Δ２（μｍ）、縦軸に制御電圧（
ｍＶ）をとって示しである。

ホールド回路３０は、更新入力データが入力されない限
り前の入力データで出力を維持する回路特性を有するも
のであり、ホールド回路３０の出力は電空圧変換器３１
の入力制御電圧となり、その入力に比例した出力（空気
圧）が電空圧変換器３１によって発生せしめられる。し
たがって、ダイヤフラム制御弁２４に入力される空気圧
は上部のダイヤフラム２４ａに作用し、この結果、コン
プレッサ２２からの高圧空気源の入力圧力を圧力バラン
ス的に調節して出力圧力を制御する。この出力空気圧Ｐ
（ＭＰａ）はピストン１８へ作用しバランス力Ｆ（Ｆ−
Ｐ−Ａ）を発生させる。

第３図に制御電圧（ｍＶ）を横軸に、バランス力Ｆ　（
Ｎ）を縦軸にとったときの関係を示すが、同図に示すよ
うに、入力制御電圧に対してほぼ直線的な特性をもたせ
ることができる。このバランス力Ｆがワイヤロープ１０
に作用することにより、主軸ヘッド１および工具３ａの
合計荷重Ｗ檀を吊上げるように作用するため、主軸ヘッ
ド１は上方へ持上げられ移動する。このため位置偏位量
ΔＺは小さくなり、駆動モータ８に流れる負荷電流も減
少することになる。また、バランス力Ｆも位置偏位量を
フィードバックして制御しているため、Δｚ−０となっ
た時点でスイッチング素子２８がオフとなり、ホールド
回路３０への入力が無くなるため、その時の圧力Ｐがシ
リンダ１７内に維持されることになる。

このように主軸ヘッド１が停止中にのみ、位置偏位量を
検出してバランス力Ｆを制御する理由は、正確なバラン
ス力が求められること、および主軸ヘッド１の移動中あ
るいは加工中の運動時における位置測定はバランス力の
真値が不明となることによる。

なお、主軸ヘッド１およびシリンダ１７内のピストン１
８間を連結するワイヤロープ１０を閉ループに形成する
のは、例えば主軸ヘッドｌの急激な上昇のためピストン
１８の移動が伴わない場合、ワイヤロープ１０が滑車１
１から脱輪してしまうおそれがあること、また激しい上
下運動時にはワイヤロープ１０がきつく引張られたり、
弛んだりする現象が繰返されることになるため、ワイヤ
ロープ１０自体の共振を誘発させそれによる主軸ヘッド
１の動きに悪影響を及ぼす可能性があることなどのため
、これらの不都合を解消する必要があるからである。こ
れにより駆動モータ８は外乱を受けることなく、加工に
必要な出力トルクの制御がスムースに行われることとな
る。仮に電極交換装置等により途中で工具が別の工具に
交換されその１１量が大きく変化してバランスが狂った
としても、主軸ヘッド１の位置をリニアスケール２５で
検出し、バランス力Ｆを制御するため素早くバランスが
とれるとともに駆動モータ８に流れる電流を常に最小に
することができる。さらに、工具が軽くシリンダ装置１
６のバランス力Ｆが大きくて主軸ヘッド１が子方向へ持
上げられてもその移動はフィードバックされるためバラ
ンス力Ｆは小さく制御されることは前述のとおりである
。

［発明の効果］ 本発明によれば、次のような効果を得ることができる。

■　主軸ヘッドの駆動モータの負荷を大きく低減するこ
とができる。

■　制御動作点を常に駆動増幅器の中立点に位置させる
ことができるので、駆動増幅器のダイナミックレンジ（
制御範囲）を最大限使用することができ、安定した制御
が可能となる■　ボールネジ、その支持ベアリング等の
主軸ヘッド駆動系の機械的負荷を低減せしめ寿命を大き
く延ばすことができる。また、低負荷容量化のため小型
化が可能である。

■　工具重量が変化しても、その懸垂重量に対応したバ
ランス力で制御するため、負荷に応じてサーボ系のゼロ
点調整が不要もしくは極に簡単になる。

■　バランス力は重量ではなく機械力で与えられるため
、機械共振数の低下を招くことがなく、かつ、ワイヤロ
ープのたるみ等がないので、高速移動、切換し等にもス
ムースに対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の概略構成図、第２図はホール
ド回路の入出力特性図、第３図は本発明装置のバランス
力の特性図、第４図は従来例の概略構成図である。 １・・・主軸ヘッド　　　　３ａ・・・加工工具４・・
・コラム　　　　　　　８・・・駆動モータ１０・・・
ワイヤロープ　　　１３・・・全段増幅部１４・・・駆
動増幅部　　　　１６・・・シリンダ装置２４・・・ダ
イヤフラム制御弁 ２５・・・位置検出器　　　　２６・・・誤差カウンタ
２８・・・スイッチング素子　３０・・・ホールド回路
３１・・・電空圧変換器 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。 代理人　弁理士　　佐々木　宗　治 第１図 １３：Ｊ’１ＷＲＹ％９　　　　　２Ｂ：　スイ−ｙ’
ｒ＞り’ｔＪ第２図　　　第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 加工工具を取付ける主軸ヘッドと、該主軸ヘッドを装着
   しその移動を案内するコラムと、前記主軸ヘッドの駆動
   モータと、前記主軸ヘッドに閉ループを形成するワイヤ
   ロープにより連結されたシリンダ装置と、該シリンダ装
   置に供給される圧力を制御する制御弁と、前記主軸ヘッ
   ドの位置検出器と、該位置検出器により検出された検出
   値とあらかじめ設定された指令値との減算を行う誤差カ
   ウンタと、該誤差カウンタの出力に基づき前記主軸ヘッ
   ドの駆動モータを制御する制御回路と、前記主軸ヘッド
   の停止時においてのみ導通状態となるスイッチング素子
   と、該スイッチング素子を介して前記誤差カウンタの出
   力に応じて前記制御弁に対し圧力を制御するように動作
   するホールド回路とを備えてなることを特徴とする主軸
   ヘッドバランス装置。