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JP6638915B2 - Spindle head elevating device and machine tool - Google Patents

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JP6638915B2
JP6638915B2 JP2015155079A JP2015155079A JP6638915B2 JP 6638915 B2 JP6638915 B2 JP 6638915B2 JP 2015155079 A JP2015155079 A JP 2015155079A JP 2015155079 A JP2015155079 A JP 2015155079A JP 6638915 B2 JP6638915 B2 JP 6638915B2
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大海 益田
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鉄磨 平川
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fukuokakougyoudaigaku
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Description

本発明は、主軸ヘッド昇降装置および工作機械に関する。詳しくは、主軸ヘッドを昇降させる電動式駆動機構と、主軸ヘッドの重量を負担するバランスシリンダとを有する、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置、および、この主軸ヘッド昇降装置を備えた工作機械に関する。   The present invention relates to a spindle head elevating device and a machine tool. More specifically, the present invention relates to an electro-pneumatic hybrid type spindle head elevating device having an electric drive mechanism for elevating and lowering the spindle head, and a balance cylinder for bearing the weight of the spindle head, and a machine tool having the spindle head elevating device. .

工作機械においては、主軸ヘッドを昇降させる主軸ヘッド昇降装置が用いられる。
従来、主軸ヘッドの昇降には、主に電動モータを含む駆動機構が利用されていた。
近年、電動モータによる駆動機構と並列にエアシリンダを追加し、主軸ヘッドの重量をエアシリンダで負担するようにした、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置が開発されている。
In a machine tool, a spindle head elevating device for elevating and lowering a spindle head is used.
Conventionally, a drive mechanism mainly including an electric motor has been used for raising and lowering the spindle head.
In recent years, an electro-pneumatic hybrid type spindle head elevating device has been developed in which an air cylinder is added in parallel with a drive mechanism using an electric motor so that the weight of the spindle head is borne by the air cylinder.

例えば、工作機械において、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、電動式駆動機構においては、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(特許文献1参照)。   For example, in a machine tool, a spindle head is supported so as to be able to move up and down along a guide surface of a column, and an urging force corresponding to the weight of the spindle head is generated by a balance cylinder. 2. Description of the Related Art There is known a machine tool capable of smoothly moving up and down with a light force (see Patent Document 1).

特許文献1において、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、制御回路内の圧力が所定の圧力に維持される。
ところが、特許文献1のようなバランス装置では、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。
In Patent Literature 1, a balance device that balances the weight of a spindle head with a balance cylinder reduces air from an air supply source to a predetermined pressure with a pressure reducing valve and then supplies the air to a balance cylinder to balance the weight of the spindle head with the balance. Let it. On the other hand, when the pressure in the control circuit increases, the relief valve operates, and the pressure in the control circuit is maintained at a predetermined pressure.
However, the balance device as disclosed in Patent Document 1 has a problem that the accuracy of the pressure reducing valve is not sufficient and the response speed is slow.

これに対し、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工作機械が提案されている(特許文献2参照)。
特許文献2においては、バランスシリンダの圧力制御にあたり、流量制御つきの圧力レギュレータを用い、圧力のフィードバック制御の内側で流量のフィードバック制御を行うことで、きわめて高い精度と応答性を実現している。
On the other hand, there has been proposed a spindle device and a machine tool capable of stabilizing a pressure change of a balance cylinder caused by a vertical movement of a spindle head with high speed and high accuracy (see Patent Document 2).
In Patent Document 2, extremely high precision and responsiveness are realized by performing pressure feedback control of a flow rate inside pressure feedback control using a pressure regulator with a flow rate control for pressure control of a balance cylinder.

このような流量および圧力の二重のフィードバックによりサーボ弁を制御する圧力レギュレータでは、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。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。   In the pressure regulator that controls the servo valve by such double feedback of the flow rate and the pressure, the pressure control is performed in response to a small change in the outflow flow rate downstream, that is, a small change in the balance cylinder. Thus, a control system that is resistant to disturbance and has high response can be configured. As a result, the pressure change of the balance cylinder caused by the vertical movement of the spindle head can be stabilized at high speed and with high accuracy.

特開平5−138419号公報JP-A-5-138419 特開2013−99816号公報JP 2013-99816 A

しかし、前述した特許文献2のように、バランスシリンダを制御する圧力レギュレータとして、流量および圧力の二重のフィードバックによりサーボ弁を制御する圧力レギュレータを用いる場合、極めて精密で高い応答性が得られる反面、バランスシリンダにおける静止時の圧力変動が大きくなる場合があった。   However, when a pressure regulator that controls a servo valve by dual feedback of a flow rate and a pressure is used as a pressure regulator that controls a balance cylinder as in Patent Document 2 described above, extremely precise and high responsiveness can be obtained. In some cases, the pressure fluctuation at rest in the balance cylinder becomes large.

これは、静止状態では基本的に圧力の加減つまり空気の流入が行われないため、二重のフィードバックのうち内側にある流量のループは機能しない。その結果、外側の圧力のフィードバックだけの旧来の制御と同様となり、圧力変動に対する精度および応答性が十分に得られなくなることによる。   This is because the pressure loop, that is, the air does not flow in the stationary state basically, does not function, so the inner loop of the double feedback does not function. As a result, the control becomes the same as the conventional control using only the feedback of the outer pressure, and the accuracy and the response to the pressure fluctuation cannot be sufficiently obtained.

さらに、静止状態では圧力のフィードバックだけになるため、バランスシリンダの停止位置が目標位置からずれた状態でバランスと判断されることがある。このような目標位置とのずれが生じた場合、本来バランスシリンダで補助すべき電動式駆動機構によって、目標位置に復帰させるための補正を行う必要が生じる。
つまり、所期の停止位置を維持するために、無駄な電流を供給し続ける必要があり、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置として望ましいものではなかった。
Furthermore, since only feedback of pressure is performed in a stationary state, balance may be determined when the stop position of the balance cylinder deviates from the target position. When such a deviation from the target position occurs, it is necessary to perform a correction for returning to the target position by an electric drive mechanism that should originally be assisted by the balance cylinder.
That is, in order to maintain the expected stop position, it is necessary to continuously supply useless current, which is not desirable as an electropneumatic hybrid type spindle head elevating device.

本発明の目的は、静止時および駆動時の圧力変動を低減し、圧力変動を抑制するための消費電流を低減できる電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置および工作機械を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an electro-pneumatic hybrid type spindle head elevating device and a machine tool capable of reducing pressure fluctuations at the time of standstill and driving and reducing current consumption for suppressing the pressure fluctuations.

本発明の主軸ヘッド昇降装置は、工作機械の主軸ヘッドを昇降させる電動式駆動機構と、前記主軸ヘッドの重量を負担するバランスシリンダと、前記バランスシリンダの圧力を制御する圧力調整装置とを備えた主軸ヘッド昇降装置であって、前記圧力調整装置は、加圧ガス源からの加圧ガスの圧力を安定化させる圧力レギュレータと、前記圧力レギュレータで安定化された加圧ガスの圧力を調整する主サーボ弁と、前記圧力レギュレータおよび前記主サーボ弁を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記主サーボ弁を制御する主サーボ弁制御部を有し、前記主サーボ弁制御部は、前記バランスシリンダの現在位置に基づいて前記主サーボ弁のフィードフォワード制御を行うFF制御部と、前記バランスシリンダの目標圧力と前記バランスシリンダの現在圧力のフィードバックとに基づいて比例積分制御を行うPI制御部と、前記目標圧力と前記現在圧力との関係から前記PI制御部の有効無効を切り替える制御切換部と、を備えていることを特徴とする。 A spindle head elevating device according to the present invention includes an electric drive mechanism that raises and lowers a spindle head of a machine tool, a balance cylinder that bears the weight of the spindle head, and a pressure adjustment device that controls the pressure of the balance cylinder. A spindle head elevating device, wherein the pressure adjusting device includes a pressure regulator for stabilizing the pressure of the pressurized gas from the pressurized gas source, and a main regulator for adjusting the pressure of the pressurized gas stabilized by the pressure regulator. Servo valve, having a control device for controlling the pressure regulator and the main servo valve, the control device has a main servo valve control unit for controlling the main servo valve, the main servo valve control unit, the a FF control unit that performs feedforward control of the main servo valve based on the current position of said balance cylinder, a target pressure of the balance cylinder rose Currently a PI controller for performing a proportional integral control based on the feedback pressure Sushirinda, that the relationship between the target pressure and the current pressure and a, and a control switching unit that switches the Disable Enable of the PI control unit It is characterized by.

このような本発明では、主サーボ弁により基本的なバランスシリンダの圧力制御が行われる。主サーボ弁の制御は、制御装置の主サーボ弁制御部のFF制御部により、バランスシリンダの現在位置に基づくフィードフォワード制御によって行われる。
すなわち、バランスシリンダを含む系をモデル化しておき、バランスシリンダの現在位置に応じて予め設定しておいた制御量を用いるため、バランスシリンダの現在圧力を参照するフィードバック制御のような圧力変動を回避することができる。
In the present invention, basic pressure control of the balance cylinder is performed by the main servo valve. The control of the main servo valve is performed by feedforward control based on the current position of the balance cylinder by the FF control unit of the main servo valve control unit of the control device.
That is, since a system including a balance cylinder is modeled and a control amount set in advance according to the current position of the balance cylinder is used, pressure fluctuation such as feedback control that refers to the current pressure of the balance cylinder is avoided. can do.

さらに、主サーボ弁に供給される加圧ガスは、加圧ガス源から直接ではなく、圧力レギュレータで圧力を安定化させておくため、バランスシリンダを含む系のモデル化による主サーボ弁のフィードフォワード制御を行う際に、その前提となる圧力条件を正確に再現することができる。そして、主サーボ弁として高応答性および高精度を有するサーボ弁、例えばノズルフラッパ弁を用いることで、フィードフォワード制御の精度を更に向上することができる。
これらにより、静止時および駆動時の圧力変動を低減することができ、圧力変動の低減により電動式駆動装置による補正が必要なくなり、停止時の消費電流を低減できる。
なお、本発明の主サーボ弁としては、十分な応答性を持つ空気圧サーボ弁であれば用いることができ、前述したノズルフラッパ弁のほか、例えば、数百Hz〜1kHz程度の高い動特性をもつスプール弁やダイヤフラム弁を利用してもよい。
In addition, the pressurized gas supplied to the main servo valve is not directly supplied from the pressurized gas source, but the pressure is regulated by a pressure regulator. When performing control, it is possible to accurately reproduce the prerequisite pressure conditions. By using a servo valve having high responsiveness and high accuracy as the main servo valve, for example, a nozzle flapper valve, the accuracy of feedforward control can be further improved.
As a result, pressure fluctuations during standstill and during driving can be reduced, and the reduction in pressure fluctuations eliminates the need for correction by the electric drive device, thereby reducing current consumption during stoppage.
As the main servo valve of the present invention, any pneumatic servo valve having sufficient responsiveness can be used. In addition to the above-described nozzle flapper valve, for example, a spool having a high dynamic characteristic of about several hundred Hz to 1 kHz can be used. A valve or a diaphragm valve may be used.

本発明において、制御切換部の切換条件としては、バランスシリンダの現在圧力が目標圧力より低い場合、または低いか等しい場合とすることができる。
このような本発明では、フィードフォワード制御だけではバランスシリンダの現在圧力が不足する状態のとき、PI制御部による比例積分制御を行うことで加圧ガスの追加供給を行うことができる。
In the present invention, the switching condition of the control switching unit may be a case where the current pressure of the balance cylinder is lower than or equal to the target pressure.
In the present invention as described above, when the current pressure of the balance cylinder is insufficient with only the feedforward control, the additional supply of the pressurized gas can be performed by performing the proportional-integral control by the PI control unit.

すなわち、フィードフォワード制御だけではバランスシリンダの現在圧力が不足する状態では、バランスシリンダの現在圧力が不足する分、主軸ヘッドを支えきれず、目標位置より下がってしまう。このような場合、電動式駆動機構による補助を行い、バランスシリンダを押し上げることで、バランスシリンダを目標位置に維持する必要が生じる。
しかし、本発明では、PI制御部により加圧ガスの追加供給が行われ、バランスシリンダを目標位置に維持するためのバランスシリンダの現在圧力を回復することができ、電動式駆動機構による補助を解消することができる。
That is, in a state where the current pressure of the balance cylinder is insufficient by the feedforward control alone, the spindle head cannot be supported by the insufficient pressure of the balance cylinder, and the pressure drops below the target position. In such a case, it is necessary to maintain the balance cylinder at the target position by assisting with the electric drive mechanism and pushing up the balance cylinder.
However, in the present invention, the pressurized gas is additionally supplied by the PI control unit, the current pressure of the balance cylinder for maintaining the balance cylinder at the target position can be recovered, and the assistance by the electric drive mechanism is eliminated. can do.

なお、フィードフォワード制御だけではバランスシリンダの現在圧力が過剰となる場合、バランスシリンダを押し下げるように電動式駆動機構で補助することになる。
このような場合、制御切換部の切換条件として、バランスシリンダの現在圧力が目標圧力より高い場合を追加し、電動式駆動機構による補助を解消すればよい。
ただし、フィードバック制御による圧力変動を回避するために、全ての圧力条件でPI制御部が有効になることを避ける設定、例えばバランスシリンダが目標位置の近くにあるときにはフィードフォワード制御だけに切り換える等とすることが望ましい。
If the current pressure of the balance cylinder becomes excessive only by the feedforward control, the electric drive mechanism assists to push down the balance cylinder.
In such a case, a case where the current pressure of the balance cylinder is higher than the target pressure may be added as a switching condition of the control switching unit, and the assistance by the electric drive mechanism may be eliminated.
However, in order to avoid pressure fluctuations due to feedback control, a setting is made to prevent the PI control unit from being effective under all pressure conditions, such as switching to feed-forward control only when the balance cylinder is near the target position. It is desirable.

本発明の主軸ヘッド昇降装置において、前記主サーボ弁は、ノズルフラッパ弁であることが望ましい。
このような本発明では、主サーボ弁としてノズルフラッパ弁を用いることで、高応答性つまり動作の高速性と、高精度とを得ることができる。
In the spindle head elevating device according to the present invention, it is preferable that the main servo valve is a nozzle flapper valve.
In the present invention, by using the nozzle flapper valve as the main servo valve, high responsiveness, that is, high-speed operation, and high accuracy can be obtained.

本発明の主軸ヘッド昇降装置において、前記圧力レギュレータは、前記加圧ガス源からの加圧ガスの圧力を調整するサーボ弁と、前記サーボ弁からの加圧ガスの流量を検出する流量センサと、前記流量センサからの加圧ガスを一時貯留する等温チャンバと、前記等温チャンバからの加圧ガスの圧力を検出する圧力センサとを有し、前記制御装置は、前記流量センサからの流量値および前記圧力センサからの圧力値に基づく二重のフィードバックループにより前記圧力レギュレータの前記サーボ弁を制御する圧力レギュレータ制御部を有することが望ましい。   In the spindle head elevating device of the present invention, the pressure regulator is a servo valve that adjusts a pressure of the pressurized gas from the pressurized gas source, and a flow sensor that detects a flow rate of the pressurized gas from the servo valve. An isothermal chamber for temporarily storing the pressurized gas from the flow rate sensor, and a pressure sensor for detecting the pressure of the pressurized gas from the isothermal chamber, the control device, the flow rate value from the flow rate sensor and the It is desirable to have a pressure regulator controller that controls the servo valve of the pressure regulator with a double feedback loop based on the pressure value from the pressure sensor.

このような本発明では、主サーボ弁に導入される加圧ガスを、圧力レギュレータで一定の圧力に安定化させることができる。とくに、圧力レギュレータの制御を行う圧力レギュレータ制御部において、流量センサからの流量値および圧力センサからの圧力値に基づく二重のフィードバックループにより圧力レギュレータのサーボ弁を制御することで、高精度の圧力安定化を行うことができる。その結果、主サーボ弁におけるフィードフォワード制御を一層有効に機能させることができる。   According to the present invention, the pressurized gas introduced into the main servo valve can be stabilized at a constant pressure by the pressure regulator. In particular, in the pressure regulator control unit that controls the pressure regulator, the servo valve of the pressure regulator is controlled by a double feedback loop based on the flow value from the flow sensor and the pressure value from the pressure sensor. Stabilization can be performed. As a result, the feed-forward control in the main servo valve can function more effectively.

本発明の工作機械は、前述した本発明の主軸ヘッド昇降装置を有することを特徴とする。
このような本発明の工作機械においては、前述した本発明の主軸ヘッド昇降装置で説明した通りの効果を得ることができる。
A machine tool according to the present invention includes the above-described spindle head elevating device according to the present invention.
In such a machine tool of the present invention, it is possible to obtain the same effects as described in the spindle head elevating device of the present invention described above.

本発明によれば、静止時および駆動時の圧力変動を低減し、圧力変動を抑制するための消費電流を低減できる電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置および工作機械を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an electropneumatic hybrid type spindle head elevating device and a machine tool capable of reducing pressure fluctuations at the time of standstill and driving and reducing current consumption for suppressing the pressure fluctuations.

本発明の一実施形態に係る工作機械を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing a machine tool according to an embodiment of the present invention. 前記実施形態の主軸ヘッド昇降装置およびその周辺部分を示す側面図。FIG. 4 is a side view showing the spindle head elevating device of the embodiment and its peripheral portion. 前記実施形態の圧力調整装置を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a pressure adjusting device of the embodiment. 前記実施形態の圧力レギュレータを示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a pressure regulator of the embodiment. 前記実施形態の圧力レギュレータの制御を示すブロック線図。FIG. 3 is a block diagram showing control of the pressure regulator of the embodiment. 前記実施形態の主サーボ弁を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a main servo valve of the embodiment. 前記実施形態の主サーボ弁の制御を示すブロック線図。FIG. 3 is a block diagram showing control of a main servo valve of the embodiment.

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態は、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置を備えた工作機械に本発明を適用した例である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The present embodiment is an example in which the present invention is applied to a machine tool including an electro-pneumatic hybrid type spindle head elevating device.

〔工作機械1〕
図1において、工作機械1は、ワークWが載置されるテーブル13と、テーブル13を支持するベース10と、ベース10およびテーブル13を跨いで設けられた門型コラム20と、門型コラム20の水平ビーム20Aに支持された主軸装置30と、を有する。
[Machine tool 1]
In FIG. 1, a machine tool 1 includes a table 13 on which a work W is placed, a base 10 supporting the table 13, a portal column 20 provided across the base 10 and the table 13, and a portal column 20. And a spindle device 30 supported by the horizontal beam 20A.

テーブル13とベース10との間には、X軸ガイド機構11およびX軸リニアモータ機構12が設置され、テーブル13はベース10に対してX軸方向へ移動可能である。
X軸ガイド機構11は、ベース10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。
An X-axis guide mechanism 11 and an X-axis linear motor mechanism 12 are provided between the table 13 and the base 10, and the table 13 is movable in the X-axis direction with respect to the base 10.
The X-axis guide mechanism 11 includes a guide rail 11A disposed on the upper surface of the base 10 in parallel with the X-axis direction and a slide member 11B provided on the lower surface of the table 13 so as to be slidable along the guide rail 11A. It is comprised including.

X軸リニアモータ機構12は、ベース10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。   The X-axis linear motor mechanism 12 includes a magnet 12A arranged in parallel with the guide rails 11A on the upper surface of the base 10 and a coil 12B attached to the lower surface of the table 13 with a gap between the magnets 12A. And a linear motor.

主軸装置30はサドル33を有し、サドル33と水平ビーム20Aとの間には、Y軸ガイド機構21およびY軸リニアモータ機構22が設置され、主軸装置30は門型コラム20に対してY軸方向へ移動可能である。
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。
The spindle device 30 has a saddle 33, and a Y-axis guide mechanism 21 and a Y-axis linear motor mechanism 22 are installed between the saddle 33 and the horizontal beam 20A. It is movable in the axial direction.
As shown in FIG. 2, the Y-axis guide mechanism 21 includes a guide rail 21 </ b> A arranged parallel to each other along the Y-axis direction on the upper surface of the horizontal beam 20 </ b> A of the portal column 20 and a guide And a slide member 21B slidably provided along the rail 21A.

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。   The Y-axis linear motor mechanism 22 includes a magnet 22A arranged in parallel with the guide rails 21A on the upper surface of the horizontal beam 20A of the portal column 20, and a lower surface of the spindle device 30 with a gap between the magnets 22A. It is constituted by a linear motor including the attached coil 22B.

主軸装置30は、サドル33の片側に主軸ヘッド43を有し、反対側にバランスウエイト47を有する。
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とを有する。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は電動モータによって構成されている。
The spindle device 30 has a spindle head 43 on one side of the saddle 33 and a balance weight 47 on the opposite side.
The spindle head 43 has a spindle head main body 51, a spindle 52 rotatably supported by the spindle head main body 51, and a rotation drive source 53 for driving the spindle 52 to rotate. A tool 54 is detachably attached to the main shaft 52. The rotation drive source 53 is configured by an electric motor.

〔主軸ヘッド昇降装置40〕
主軸ヘッド43をサドル33に対して昇降させるために、主軸装置30は主軸ヘッド昇降装置40を備えている。
主軸ヘッド昇降装置40は、電空ハイブリッド型とされ、Z軸ガイド機構41およびZ軸リニアモータ機構42(電動式駆動機構)を有するとともに、主軸ヘッド43の重量を負担するバランスシリンダ44、圧力調整装置46および空気供給源45を備えている。
[Spindle head elevating device 40]
In order to move the spindle head 43 up and down with respect to the saddle 33, the spindle device 30 includes a spindle head elevating device 40.
The spindle head lifting / lowering device 40 is of an electro-pneumatic hybrid type, has a Z-axis guide mechanism 41 and a Z-axis linear motor mechanism 42 (electric drive mechanism), a balance cylinder 44 that bears the weight of the spindle head 43, and a pressure adjustment. An apparatus 46 and an air supply 45 are provided.

主軸ヘッド43とサドル33との間には、Z軸ガイド機構41およびZ軸リニアモータ機構42が設置され、主軸ヘッド43はサドル33に対してZ軸方向へ昇降駆動可能である。
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。
A Z-axis guide mechanism 41 and a Z-axis linear motor mechanism 42 are provided between the spindle head 43 and the saddle 33, and the spindle head 43 can be driven to move up and down in the Z-axis direction with respect to the saddle 33.
The Z-axis guide mechanism 41 includes a guide rail 41A disposed parallel to each other on the back surface of the spindle head 43 along the Z direction, and a slide member 41B fixed to the front of the saddle 33 and slidably guiding the guide rail 41A. It is comprised including.

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。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。   The Z-axis linear motor mechanism 42 includes a magnet 42A arranged in parallel with guide rails 41A on the back surface of the spindle head 43, and a coil 42B attached to the front of the saddle 33 with a gap between the magnets 42A. And a linear motor including: The periphery of the coil 42B is covered with a heat shielding member 42C. The heat shielding member 42C is formed in a box shape using a material such as aluminum or plastics.

バランスシリンダ44は、主軸ヘッド43を挟んで両側に一対で配置され、Z軸ガイド機構41およびZ軸リニアモータ機構42と並列に設置されている。
一対のバランスシリンダ44は、それぞれ上端がブラケット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。
The balance cylinders 44 are arranged as a pair on both sides of the spindle head 43 and are installed in parallel with the Z-axis guide mechanism 41 and the Z-axis linear motor mechanism 42.
Each of the pair of balance cylinders 44 has a cylinder main body 44A whose upper end is supported by the saddle 33 via a bracket 55, and a piston which is slidably housed in the cylinder main body 44A at the upper end. And a piston rod 44B connected to the lower end.

バランスシリンダ44は、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ものであり、ピストンで区画されたシリンダ本体44Aの下室には、圧力調整装置46を介して、空気供給源45からの加圧空気が供給されている。
バランスシリンダ44においては、圧力調整装置46および空気供給源45から供給される加圧空気により、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に対して上向きに付与される。
The balance cylinder 44 generates an urging force for supporting at least a part of the weight of the spindle head 43. An air supply source is provided via a pressure adjusting device 46 in a lower chamber of the cylinder body 44A defined by the piston. Pressurized air from 45 is supplied.
In the balance cylinder 44, an urging force that balances the weight of the spindle head 43 is applied upward to the spindle head 43 by pressurized air supplied from the pressure adjusting device 46 and the air supply source 45.

このような主軸ヘッド昇降装置40においては、圧力調整装置46によりバランスシリンダ44の圧力制御が行われる。
以下、本実施形態の主軸ヘッド昇降装置40におけるバランスシリンダ44の圧力制御について説明する。
In such a spindle head elevating device 40, the pressure of the balance cylinder 44 is controlled by the pressure adjusting device 46.
Hereinafter, pressure control of the balance cylinder 44 in the spindle head elevating device 40 of the present embodiment will be described.

〔圧力調整装置46〕
図3において、圧力調整装置46は、空気供給源45(加圧ガス源)からの加圧空気(加圧ガス)の圧力を安定化させる圧力レギュレータ70と、圧力レギュレータ70で安定化された加圧空気の圧力を調整する主サーボ弁80と、圧力レギュレータ70および主サーボ弁80を制御する制御装置90とを有する。
そして、制御装置90は、圧力レギュレータ70を制御する圧力レギュレータ制御部91と、主サーボ弁80を制御する主サーボ弁制御部92と、バランスシリンダ44の目標圧力Prefを含む制御データを記憶する記憶部93と、を備えている。
[Pressure adjusting device 46]
In FIG. 3, a pressure regulator 46 includes a pressure regulator 70 for stabilizing the pressure of pressurized air (pressurized gas) from an air supply source 45 (pressurized gas source), and a pressure regulator stabilized by the pressure regulator 70. It has a main servo valve 80 for adjusting the pressure of the compressed air, and a control device 90 for controlling the pressure regulator 70 and the main servo valve 80.
The control device 90 stores a pressure regulator control unit 91 that controls the pressure regulator 70, a main servo valve control unit 92 that controls the main servo valve 80, and control data including a target pressure Pref of the balance cylinder 44. And a unit 93.

〔圧力レギュレータ70〕
図3において、圧力レギュレータ70は、主サーボ弁80に導入される加圧空気を安定化させるものである。
図4において、圧力レギュレータ70は、空気供給源45(加圧ガス源)からの加圧空気(加圧ガス)の圧力を調整するサーボ弁71と、サーボ弁71からの空気の流量を検出する流量センサ72と、流量センサ72からの空気を一時貯留する等温チャンバ73と、等温チャンバ73からの空気の圧力を検出する圧力センサ74とを有する。
[Pressure regulator 70]
In FIG. 3, a pressure regulator 70 stabilizes pressurized air introduced into a main servo valve 80.
In FIG. 4, a pressure regulator 70 detects a servo valve 71 for adjusting the pressure of pressurized air (pressurized gas) from an air supply source 45 (pressurized gas source), and detects a flow rate of air from the servo valve 71. It has a flow sensor 72, an isothermal chamber 73 for temporarily storing the air from the flow sensor 72, and a pressure sensor 74 for detecting the pressure of the air from the isothermal chamber 73.

等温チャンバ73には、図示しないが、内部の空気の圧力微分値dP/dtを検出する圧力微分計(圧力計および微分演算器との組み合わせを含む)が設置されている。
このような圧力レギュレータ70としては、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。ただし、高速かつ精密に目標圧力を維持でき、主サーボ弁80に導入される加圧空気を安定化させるのに十分な性能があれば、他の構成の圧力レギュレータを利用してもよい。
Although not shown, the isothermal chamber 73 is provided with a pressure differentiator (including a combination of a pressure gauge and a differential calculator) for detecting a pressure differential value dP / dt of the internal air.
As such a pressure regulator 70, for example, a pressure regulator disclosed in JP-A-2009-110033 can be used. However, a pressure regulator having another configuration may be used as long as the target pressure can be maintained at high speed and precisely and the performance is sufficient to stabilize the pressurized air introduced into the main servo valve 80.

〔圧力レギュレータ制御部91〕
図5に、圧力レギュレータ制御部91における制御ブロック線図を示す。
圧力レギュレータ制御部91は、二重のフィードバックループにより圧力レギュレータ70を制御するものであり、圧力レギュレータ70のサーボ弁71に指令値Crを出力し、等温チャンバ73を経て主サーボ弁80へ送られる加圧空気を圧力Prに調節させる。
[Pressure regulator control unit 91]
FIG. 5 shows a control block diagram of the pressure regulator control section 91.
The pressure regulator control unit 91 controls the pressure regulator 70 by a double feedback loop, outputs a command value Cr to the servo valve 71 of the pressure regulator 70, and sends the command value Cr to the main servo valve 80 via the isothermal chamber 73. The pressurized air is adjusted to the pressure Pr.

圧力レギュレータ制御部91は、圧力センサ74からの圧力Prをフィードバックする圧力ループ911と、流量センサ72からの流入流量Ginをフィードバックする流量ループ912とを有する。
圧力ループ911は、圧力レギュレータ制御部91の主フィードバックループであり、目標圧力Prefに対して、圧力センサ74で検出される等温チャンバ73から送り出される空気の圧力Prをフィードバックし、サーボ弁71の比例積分制御を行う。
流量ループ912は、圧力ループ911の内側に設定され、サーボ弁71から等温チャンバ73に流入する空気の流入流量Ginと、この流入流量Ginと等温チャンバ73内の空気の圧力微分値dP/dtとに基づいて計算される等温チャンバ73から流出する空気の流出流量Goutとに基づいて、サーボ弁71の比例積分制御を行う。
The pressure regulator control section 91 has a pressure loop 911 for feeding back the pressure Pr from the pressure sensor 74 and a flow loop 912 for feeding back the inflow flow rate Gin from the flow rate sensor 72.
The pressure loop 911 is a main feedback loop of the pressure regulator control section 91, and feeds back the pressure Pr of the air sent out from the isothermal chamber 73 detected by the pressure sensor 74 to the target pressure Pref. Performs integral control.
The flow rate loop 912 is set inside the pressure loop 911, and the flow rate Gin of the air flowing from the servo valve 71 into the isothermal chamber 73, the flow rate Gin of the air, and the differential pressure value dP / dt of the air in the isothermal chamber 73. The proportional integral control of the servo valve 71 is performed based on the outflow flow rate Gout of the air flowing out of the isothermal chamber 73 calculated based on the following equation.

このような圧力レギュレータ制御部91においては、圧力レギュレータ70から主サーボ弁80へ送られる加圧空気の圧力Prが目標圧力Prefであるとき、サーボ弁71は、等温チャンバ73の流出口から流出する流出流量Goutと、流入口から流入する流入流量Ginとがバランスする開度に調整されている。   In such a pressure regulator control section 91, when the pressure Pr of the pressurized air sent from the pressure regulator 70 to the main servo valve 80 is the target pressure Pref, the servo valve 71 flows out of the outlet of the isothermal chamber 73. The opening is adjusted to balance the outflow flow rate Gout and the inflow flow rate Gin flowing from the inflow port.

ここで、空気供給源45からの空気の圧力Poが変動し、または、等温チャンバ73からの空気の流出流量Goutに変動が生じると、等温チャンバ73の圧力が変化し、これに伴って圧力レギュレータ70から主サーボ弁80へ送られる加圧空気の圧力Prも変化し、目標圧力Prefから外れる。
これに対し、圧力レギュレータ制御部91は、二重のフィードバックループにより圧力レギュレータ70のサーボ弁71の開度を加減し、その開度に応じた流入流量Ginで等温チャンバ73へと空気を流入させる。これによって、等温チャンバ73から主サーボ弁80へ送られる加圧空気の圧力Prを目標圧力Prefに復帰させることができる。
Here, if the pressure Po of the air from the air supply source 45 fluctuates or the flow rate Gout of the air flowing out of the isothermal chamber 73 fluctuates, the pressure of the isothermal chamber 73 changes, and the pressure regulator The pressure Pr of the pressurized air sent from 70 to the main servo valve 80 also changes and deviates from the target pressure Pref.
On the other hand, the pressure regulator control unit 91 adjusts the opening of the servo valve 71 of the pressure regulator 70 by a double feedback loop, and causes air to flow into the isothermal chamber 73 at an inflow flow rate Gin according to the opening. . Thereby, the pressure Pr of the pressurized air sent from the isothermal chamber 73 to the main servo valve 80 can be returned to the target pressure Pref.

〔主サーボ弁80〕
図3および図6において、主サーボ弁80は、バランスシリンダ44の圧力を直接制御するものである。
主サーボ弁80は、高応答性つまり動作が高速で高精度のノズルフラッパ弁で構成される。このようなノズルフラッパ弁としては、例えばピーエスシー株式会社のノズルフラッパ型3方弁AS110−135(35L)などが利用できる。
なお、主サーボ弁80はノズルフラッパ弁に限らず、ノズルフラッパ弁と同様な高速性および高精度が得られるものであれば、他の形式のサーボ弁であってもよい。
[Main servo valve 80]
3 and 6, the main servo valve 80 directly controls the pressure of the balance cylinder 44.
The main servo valve 80 is composed of a nozzle flapper valve with high responsiveness, that is, high-speed operation and high accuracy. As such a nozzle flapper valve, for example, a nozzle flapper type three-way valve AS110-135 (35L) manufactured by PSC Corporation can be used.
The main servo valve 80 is not limited to the nozzle flapper valve, but may be another type of servo valve as long as high speed and high accuracy similar to those of the nozzle flapper valve can be obtained.

〔主サーボ弁制御部92〕
図6において、主サーボ弁制御部92は、主サーボ弁80を制御するものであり、主サーボ弁80に指令値Csを出力し、主サーボ弁80からバランスシリンダ44へ送られる加圧空気を圧力Psに調節させる。
主サーボ弁制御部92における制御は、主にフィードフォワード制御とされ、条件に応じて比例積分制御を組み合わせる構成とされている。
このために、主サーボ弁制御部92は、FF制御部921と、PI制御部922と、制御切換部923と、を備えている。
[Main servo valve control unit 92]
In FIG. 6, a main servo valve control unit 92 controls the main servo valve 80, outputs a command value Cs to the main servo valve 80, and outputs pressurized air sent from the main servo valve 80 to the balance cylinder 44. The pressure is adjusted to Ps.
The control in the main servo valve control section 92 is mainly feedforward control, and is configured to combine proportional-integral control according to conditions.
For this purpose, the main servo valve control unit 92 includes an FF control unit 921, a PI control unit 922, and a control switching unit 923.

FF制御部921は、バランスシリンダ44の現在位置Xcに基づいて、主サーボ弁80のフィードフォワード制御を行う。
PI制御部922は、バランスシリンダ44の目標圧力Prefと、バランスシリンダ44の現在圧力Pcのフィードバックとに基づいて比例積分制御を行う。
制御切換部923は、目標圧力Prefと現在圧力Pcとの関係からPI制御部922の有効無効を切り替える。
The FF control unit 921 performs feedforward control of the main servo valve 80 based on the current position Xc of the balance cylinder 44.
The PI control unit 922 performs proportional-integral control based on the target pressure Pref of the balance cylinder 44 and the feedback of the current pressure Pc of the balance cylinder 44.
The control switching unit 923 switches the validity / invalidity of the PI control unit 922 from the relationship between the target pressure Pref and the current pressure Pc.

図7に、主サーボ弁制御部92における制御ブロック線図を示す。
主サーボ弁制御部92においては、基本的に、FF制御部921によるフィードフォワード制御が行われる。
まず、バランスシリンダ44の圧力Pcが目標圧力Prefより大きい場合、制御切換部923はPI制御部922を無効とする。その結果、主サーボ弁制御部92は、FF制御部921のみによるフィードフォワード制御が行われる。
FF制御部921によるフィードフォワード制御は、バランスシリンダ44の現在位置Xcに基づくオープンループ制御であり、バランスシリンダ44の圧力Pcのフィードバックは参照されない。
FIG. 7 shows a control block diagram of the main servo valve control unit 92.
In the main servo valve control unit 92, basically, feedforward control by the FF control unit 921 is performed.
First, when the pressure Pc of the balance cylinder 44 is higher than the target pressure Pref, the control switching unit 923 invalidates the PI control unit 922. As a result, the main servo valve control unit 92 performs feedforward control only by the FF control unit 921.
The feedforward control by the FF control unit 921 is an open loop control based on the current position Xc of the balance cylinder 44, and does not refer to the feedback of the pressure Pc of the balance cylinder 44.

一方、バランスシリンダ44の圧力Pcが目標圧力Pref以下の場合、制御切換部923はPI制御部922を有効とする。その結果、主サーボ弁制御部92は、FF制御部921によるフィードフォワード制御とともに、PI制御部922による比例積分制御が行われる。
すなわち、FF制御部921によるバランスシリンダ44の現在位置Xcに基づくフィードフォワード制御が行われるとともに、PI制御部922によりバランスシリンダ44の圧力Pcのフィードバックが参照され、比例積分制御が行われ、各々の制御出力が加算されて指令値Csとして主サーボ弁80に送られる。
以上のような主サーボ弁制御部92および主サーボ弁80により、バランスシリンダ44は目標圧力Prefに基づく所期の圧力Pcに制御することができる。
On the other hand, when the pressure Pc of the balance cylinder 44 is equal to or lower than the target pressure Pref, the control switching unit 923 enables the PI control unit 922. As a result, the main servo valve controller 92 performs the feed-forward control by the FF controller 921 and the proportional-integral control by the PI controller 922.
That is, the feedforward control based on the current position Xc of the balance cylinder 44 is performed by the FF control unit 921, and the feedback of the pressure Pc of the balance cylinder 44 is referred to by the PI control unit 922, and the proportional integral control is performed. The control output is added and sent to the main servo valve 80 as a command value Cs.
The balance cylinder 44 can be controlled to the desired pressure Pc based on the target pressure Pref by the main servo valve control unit 92 and the main servo valve 80 as described above.

〔実施形態の効果〕
本実施形態によれば、以下に述べる効果が得られる。
本実施形態の主軸ヘッド昇降装置40では、圧力調整装置46の主サーボ弁80により、バランスシリンダ44の基本的な圧力制御が行われる。主サーボ弁80の制御は、制御装置90の主サーボ弁制御部92のFF制御部921により、バランスシリンダ44の現在位置Xcに基づくフィードフォワード制御によって行われる。
すなわち、バランスシリンダ44を含む系をモデル化しておき、バランスシリンダ44の現在位置に応じて予め設定しておいた制御量を用いるため、バランスシリンダ44の現在圧力Pcを参照するフィードバック制御のような圧力変動を回避することができる。
[Effects of Embodiment]
According to the present embodiment, the following effects can be obtained.
In the spindle head elevating device 40 of the present embodiment, basic pressure control of the balance cylinder 44 is performed by the main servo valve 80 of the pressure adjusting device 46. The control of the main servo valve 80 is performed by the FF control unit 921 of the main servo valve control unit 92 of the control device 90 by feedforward control based on the current position Xc of the balance cylinder 44.
That is, since a system including the balance cylinder 44 is modeled and a control amount set in advance according to the current position of the balance cylinder 44 is used, feedback control such as referring to the current pressure Pc of the balance cylinder 44 is used. Pressure fluctuations can be avoided.

さらに、主サーボ弁80に供給される加圧空気は、空気供給源45から直接ではなく、圧力レギュレータ70で圧力Prを安定化させておくため、バランスシリンダ44を含む系のモデル化による主サーボ弁80のフィードフォワード制御を行う際に、その前提となる圧力条件を正確に再現することができる。   Further, the pressurized air supplied to the main servo valve 80 is not directly supplied from the air supply source 45 but is stabilized by the pressure regulator 70 so that the pressure Pr is stabilized. When the feedforward control of the valve 80 is performed, the prerequisite pressure conditions can be accurately reproduced.

そして、本実施形態では、主サーボ弁80として高応答性および高精度を有するノズルフラッパ弁を用いることで、フィードフォワード制御の精度を更に向上することができる。
以上により、本実施形態においては、静止時および駆動時の圧力変動を低減することができ、圧力変動の低減により電動式駆動装置であるZ軸リニアモータ機構42による補正が必要なくなり、停止時の消費電流を低減することができる。
In this embodiment, the accuracy of feedforward control can be further improved by using a nozzle flapper valve having high responsiveness and high accuracy as the main servo valve 80.
As described above, in the present embodiment, it is possible to reduce the pressure fluctuations at the time of standstill and at the time of driving, and the correction by the Z-axis linear motor mechanism 42 which is an electric driving device is not required due to the reduction of the pressure fluctuations. Current consumption can be reduced.

本実施形態では、主サーボ弁制御部92にFF制御部921を設けるとともに、PI制御部922および制御切換部923を設け、バランスシリンダ44の現在圧力Pcが目標圧力Prefより低いか等しい場合、つまりFF制御部921によるフィードフォワード制御だけでは、バランスシリンダ44の現在圧力Pcが不足する状態のとき、PI制御部922による比例積分制御を行うことで、バランスシリンダ44に加圧空気を追加供給し、現在圧力Pcを迅速に目標圧力Prefまで復帰させることができる。   In the present embodiment, the main servo valve control unit 92 is provided with the FF control unit 921, the PI control unit 922 and the control switching unit 923 are provided, and the current pressure Pc of the balance cylinder 44 is lower than or equal to the target pressure Pref. With the feedforward control only by the FF control unit 921, when the current pressure Pc of the balance cylinder 44 is insufficient, the PI control unit 922 performs the proportional-integral control to additionally supply pressurized air to the balance cylinder 44, The current pressure Pc can be quickly returned to the target pressure Pref.

すなわち、バランスシリンダ44の現在圧力Pcが不足した状態では、バランスシリンダ44で主軸ヘッド43を支えきれず、現在位置Xcが目標位置よりも下がってしまう。このような場合、Z軸リニアモータ機構42による補助を行い、バランスシリンダ44を押し上げることで、バランスシリンダ44を目標位置に維持する必要が生じる。
しかし、本実施形態では、PI制御部922により加圧空気の追加供給が行われ、これによりバランスシリンダ44を目標位置に復帰させることができ、Z軸リニアモータ機構42による補助を解消し、そのための電流を低減することができる。
That is, when the current pressure Pc of the balance cylinder 44 is insufficient, the balance cylinder 44 cannot support the spindle head 43, and the current position Xc is lower than the target position. In such a case, it is necessary to maintain the balance cylinder 44 at the target position by supporting the Z-axis linear motor mechanism 42 and pushing up the balance cylinder 44.
However, in the present embodiment, additional supply of pressurized air is performed by the PI control unit 922, whereby the balance cylinder 44 can be returned to the target position, and the assistance by the Z-axis linear motor mechanism 42 is cancelled. Current can be reduced.

本実施形態では、圧力レギュレータ70により、主サーボ弁80に導入される加圧空気を一定の圧力に安定化させることができる。とくに、圧力レギュレータ70の制御を行う圧力レギュレータ制御部91において、流量センサ72からの流入流量Ginのフィードバック(流量ループ912)と、圧力センサ74からの圧力Prのフィードバック(圧力ループ911)との二重のフィードバックループにより、圧力レギュレータ70のサーボ弁71を制御することで、高精度の圧力安定化を行うことができる。その結果、主サーボ弁80におけるフィードフォワード制御を一層有効に機能させることができる。   In this embodiment, the pressure regulator 70 can stabilize the pressurized air introduced into the main servo valve 80 at a constant pressure. In particular, in the pressure regulator control unit 91 that controls the pressure regulator 70, feedback of the inflow flow rate Gin from the flow rate sensor 72 (flow rate loop 912) and feedback of the pressure Pr from the pressure sensor 74 (pressure loop 911) are performed. By controlling the servo valve 71 of the pressure regulator 70 with a heavy feedback loop, highly accurate pressure stabilization can be performed. As a result, the feed-forward control in the main servo valve 80 can function more effectively.

〔変形例〕
本発明は、前述した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などは本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、制御切換部923がPI制御部922を有効とする切換条件として、バランスシリンダ44の現在圧力Pcが目標圧力Pref以下、つまり低いか等しい場合としたが、等しい場合を含まなくてもよい。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications and the like within a range that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the above-described embodiment, the switching condition in which the control switching unit 923 enables the PI control unit 922 is a case where the current pressure Pc of the balance cylinder 44 is equal to or lower than the target pressure Pref, that is, low or equal. It is not necessary.

一方、制御切換部923がPI制御部922を有効とする切換条件として、バランスシリンダ44の現在圧力Pcが目標圧力Pref以上あるいは目標圧力Prefより高い場合としてもよい。
例えば、FF制御部921によるフィードフォワード制御だけではバランスシリンダ44の現在圧力Pcが過剰となる場合、バランスシリンダ44を押し下げるように電動式駆動機構で補助する必要が生じるが、現在圧力Pcが目標圧力Pref以上あるいは目標圧力Prefより高いときにPI制御部922を有効とすることで、電動式駆動機構による補助を解消することができる。
On the other hand, the switching condition for the control switching unit 923 to enable the PI control unit 922 may be a case where the current pressure Pc of the balance cylinder 44 is equal to or higher than the target pressure Pref or higher than the target pressure Pref.
For example, when the current pressure Pc of the balance cylinder 44 becomes excessive only by the feedforward control by the FF control unit 921, it is necessary to assist the electric drive mechanism to push down the balance cylinder 44. By enabling the PI control unit 922 when the pressure is equal to or higher than Pref or higher than the target pressure Pref, assistance by the electric drive mechanism can be eliminated.

本実施形態では、主サーボ弁80としてノズルフラッパ弁を用いたが、高応答性つまり動作の高速性と、高精度とを得ることができるサーボ弁であれば、他の形式のサーボ弁、例えば、数百Hz〜1kHz程度の高い動特性をもつスプール弁やダイヤフラム弁を用いてもよい。   In the present embodiment, a nozzle flapper valve is used as the main servo valve 80. However, any other type of servo valve, such as a servo valve that can obtain high responsiveness, that is, high-speed operation and high accuracy, for example, A spool valve or a diaphragm valve having high dynamic characteristics of about several hundred Hz to 1 kHz may be used.

本実施形態では、主サーボ弁80の流入圧力を安定化させるための圧力レギュレータ70として、サーボ弁71、流量センサ72、等温チャンバ73および圧力センサ74を有する圧力レギュレータ70を用い、圧力レギュレータ制御部91において、流量ループ912と圧力ループ911との二重のフィードバックループを形成したが、このような圧力レギュレータ70は本発明に必須ではなく、高精度の圧力安定化を行うことができる他の形式の圧力レギュレータで代替してもよい。   In the present embodiment, a pressure regulator 70 having a servo valve 71, a flow sensor 72, an isothermal chamber 73 and a pressure sensor 74 is used as a pressure regulator 70 for stabilizing the inflow pressure of the main servo valve 80. In 91, a double feedback loop of the flow loop 912 and the pressure loop 911 is formed. However, such a pressure regulator 70 is not essential to the present invention, and other types capable of performing high-precision pressure stabilization. May be replaced by a pressure regulator.

本発明は、主軸ヘッドを昇降させる電動式駆動機構と、主軸ヘッドの重量を負担するバランスシリンダとを有する、電空ハイブリッド型の主軸ヘッド昇降装置、および、この主軸ヘッド昇降装置を備えた工作機械に利用できる。   The present invention relates to an electro-pneumatic hybrid-type spindle head elevating device having an electric drive mechanism for elevating and lowering a spindle head, and a balance cylinder that bears the weight of the spindle head, and a machine tool having the spindle head elevating device. Available to

1…工作機械、10…ベース、11…X軸ガイド機構、11A…ガイドレール、11B…スライド部材、12…X軸リニアモータ機構、12A…マグネット、12B…コイル、13…テーブル、20…門型コラム、20A…水平ビーム、21…Y軸ガイド機構、21A…ガイドレール、21B…スライド部材、22…Y軸リニアモータ機構、22A…マグネット、22B…コイル、30…主軸装置、33…サドル、40…主軸ヘッド昇降装置、41…Z軸ガイド機構、41A…ガイドレール、41B…スライド部材、42…Z軸リニアモータ機構、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、44A…シリンダ本体、44B…ピストンロッド、45…空気供給源、46…圧力調整装置、47…バランスウエイト、51…主軸ヘッド本体、52…主軸、53…回転駆動源、54…工具、55…ブラケット、70…圧力レギュレータ、71…サーボ弁、72…流量センサ、73…等温チャンバ、74…圧力センサ、80…主サーボ弁、90…制御装置、91…圧力レギュレータ制御部、911…圧力ループ、912…流量ループ、92…主サーボ弁制御部、921…FF制御部、922…PI制御部、923…制御切換部、93…記憶部、Cr…指令値、Cs…指令値、Gin…流入流量、Gout…流出流量、Pc…バランスシリンダの現在圧力、Po…空気供給源からの加圧空気の圧力、Pr…圧力レギュレータで安定化された空気の圧力、Pref…バランスシリンダの目標圧力、Ps…バランスシリンダに送られる加圧空気の圧力、W…ワーク、Xc…バランスシリンダの現在位置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Machine tool, 10 ... Base, 11 ... X-axis guide mechanism, 11A ... Guide rail, 11B ... Slide member, 12 ... X-axis linear motor mechanism, 12A ... Magnet, 12B ... Coil, 13 ... Table, 20 ... Gate type Column, 20A: horizontal beam, 21: Y-axis guide mechanism, 21A: guide rail, 21B: slide member, 22: Y-axis linear motor mechanism, 22A: magnet, 22B: coil, 30: spindle device, 33: saddle, 40 ... Spindle head elevating device, 41 ... Z-axis guide mechanism, 41A ... Guide rail, 41B ... Slide member, 42 ... Z-axis linear motor mechanism, 42A ... Magnet, 42B ... Coil, 42C ... Heat shield member, 43 ... Spindle head, 44: balance cylinder, 44A: cylinder body, 44B: piston rod, 45: air supply source, 46: pressure adjustment 47, balance weight, 51, spindle head body, 52, spindle, 53, rotary drive source, 54, tool, 55, bracket, 70, pressure regulator, 71, servo valve, 72, flow sensor, 73, isothermal chamber 74, a pressure sensor, 80, a main servo valve, 90, a control device, 91, a pressure regulator control section, 911, a pressure loop, 912, a flow rate loop, 92, a main servo valve control section, 921, an FF control section, 922 PI control unit, 923: control switching unit, 93: storage unit, Cr: command value, Cs: command value, Gin: inflow rate, Gout: outflow rate, Pc: current pressure of the balance cylinder, Po: from the air supply source Pressure of pressurized air, Pr: pressure of air stabilized by pressure regulator, Pref: target pressure of balance cylinder, Ps: sent to balance cylinder Air pressure, W ... work, the current position of the Xc ... balance cylinder.

Claims (4)

工作機械の主軸ヘッドを昇降させる電動式駆動機構と、前記主軸ヘッドの重量を負担するバランスシリンダと、前記バランスシリンダの圧力を制御する圧力調整装置とを備えた主軸ヘッド昇降装置であって、
前記圧力調整装置は、加圧ガス源からの加圧ガスの圧力を安定化させる圧力レギュレータと、前記圧力レギュレータで安定化された加圧ガスの圧力を調整する主サーボ弁と、前記圧力レギュレータおよび前記主サーボ弁を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、前記主サーボ弁を制御する主サーボ弁制御部を有し、前記主サーボ弁制御部は、前記バランスシリンダの現在位置に基づいて前記主サーボ弁のフィードフォワード制御を行うFF制御部と、前記バランスシリンダの目標圧力と前記バランスシリンダの現在圧力のフィードバックとに基づいて比例積分制御を行うPI制御部と、前記目標圧力と前記現在圧力との関係から前記PI制御部の有効無効を切り替える制御切換部と、を備えていることを特徴とする主軸ヘッド昇降装置。
An electric drive mechanism that raises and lowers the spindle head of the machine tool, a balance cylinder that bears the weight of the spindle head, and a spindle head lifting device that includes a pressure adjustment device that controls the pressure of the balance cylinder,
The pressure regulator is a pressure regulator that stabilizes the pressure of the pressurized gas from the pressurized gas source, a main servo valve that regulates the pressure of the pressurized gas stabilized by the pressure regulator, the pressure regulator, A control device for controlling the main servo valve,
The control device has a main servo valve control unit that controls the main servo valve, and the main servo valve control unit performs FF control that performs feedforward control of the main servo valve based on a current position of the balance cylinder. Unit , a PI control unit that performs proportional-integral control based on the target pressure of the balance cylinder and the feedback of the current pressure of the balance cylinder, and whether the PI control unit is enabled or disabled based on the relationship between the target pressure and the current pressure. And a control switching unit for switching the spindle head.
請求項1に記載した主軸ヘッド昇降装置において、
前記主サーボ弁は、ノズルフラッパ弁であることを特徴とする主軸ヘッド昇降装置。
The spindle head elevating device according to claim 1 ,
The spindle head elevating device, wherein the main servo valve is a nozzle flapper valve.
請求項1または請求項2に記載した主軸ヘッド昇降装置において、
前記圧力レギュレータは、前記加圧ガス源からの加圧ガスの圧力を調整するサーボ弁と、前記サーボ弁からの加圧ガスの流量を検出する流量センサと、前記流量センサからの加圧ガスを一時貯留する等温チャンバと、前記等温チャンバからの加圧ガスの圧力を検出する圧力センサとを有し、
前記制御装置は、前記流量センサからの流量値および前記圧力センサからの圧力値に基づく二重のフィードバックループにより前記圧力レギュレータの前記サーボ弁を制御する圧力レギュレータ制御部を有することを特徴とする主軸ヘッド昇降装置。
In the spindle head elevating device according to claim 1 or 2 ,
The pressure regulator is a servo valve that adjusts the pressure of the pressurized gas from the pressurized gas source, a flow sensor that detects the flow rate of the pressurized gas from the servo valve, and a pressurized gas from the flow sensor. An isothermal chamber for temporarily storing, and a pressure sensor for detecting the pressure of the pressurized gas from the isothermal chamber,
A main shaft having a pressure regulator control unit that controls the servo valve of the pressure regulator by a double feedback loop based on a flow value from the flow sensor and a pressure value from the pressure sensor. Head lifting device.
請求項1から請求項のいずれか一項に記載した主軸ヘッド昇降装置を有することを特徴とする工作機械。 A machine tool comprising the spindle head elevating device according to any one of claims 1 to 3 .
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