移動ステージシステム及び加工トルクの計測方法
【課題】トルクセンサ等の外部センサを用いずに、被加工物に作用する加工トルクを推定できる、移動ステージシステムの提供。
【解決手段】Ｙ方向にそれぞれ移動可能であり且つＹ方向に直角なＸ方向に離して配置された２つの可動部７１，７２を有する駆動部と、可動部７１，７２に固定されたステージ７０と、可動部７１，７２の位置を検出する検出部７５，７６と、検出部７５，７６によって検出された位置をフィードバックし、可動部７１，７２の位置を指令する指令信号に従って可動部７１，７２の位置を制御する制御部と、検出部７５，７６によって検出された可動部７１，７２個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分Ｆ１，Ｆ２とに基づいて、ステージ７０上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定部とを備えることを特徴とする、移動ステージシステム。
【解決手段】Ｙ方向にそれぞれ移動可能であり且つＹ方向に直角なＸ方向に離して配置された２つの可動部７１，７２を有する駆動部と、可動部７１，７２に固定されたステージ７０と、可動部７１，７２の位置を検出する検出部７５，７６と、検出部７５，７６によって検出された位置をフィードバックし、可動部７１，７２の位置を指令する指令信号に従って可動部７１，７２の位置を制御する制御部と、検出部７５，７６によって検出された可動部７１，７２個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分Ｆ１，Ｆ２とに基づいて、ステージ７０上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定部とを備えることを特徴とする、移動ステージシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の可動部に固定されたステージを備える、移動ステージシステムに関する。また、複数の可動部に固定されたステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する、加工トルクの計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削や研削を行う工作機械のインテリジェント化の観点から、加工プロセスの監視技術に関する研究が注目されている。特に、切削抵抗をモニタリングすることで、加工プロセスの監視を行う技術の開発が重要視されている。従来、切削抵抗をモニタリングする技術として、工作機械テーブルと工作物の間に外部センサを取り付けて加工力を監視する技術や電流計により駆動電流を測定して加工力を推定する技術がある。
【０００３】
例えば、力センサを外部センサとして用いることで、高精度に加工力を計測することができる。しかしながら、実際の製品を加工する現場では、外部センサを工作機械に取り付けて加工することは、段取り工程の増加や剛性低下を招くことから使用されることはまれである。また、加工力を高精度に測定するための外部センサは非常に高価で、生産現場の全ての機械にこれを搭載することは、コスト面から難しい場合がある。
【０００４】
このような課題を解決可能な従来技術として、例えば特許文献１には、外部センサを用いずに加工力（典型的には、切削力）を高精度に推定する加工力監視システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２７１８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の従来技術では、加工力の推定はできるものの、ドリル等の回転工具によって被加工物に作用する加工トルクを推定することはできなかった。この加工トルクを推定することができれば、例えば、回転工具の磨耗状態などを検知する技術に応用できる。
【０００７】
そこで、本発明は、トルクセンサ等の外部センサを用いずに、被加工物に作用する加工トルクを推定できる、移動ステージシステム及び加工トルクの計測方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る移動ステージシステムは、
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部を有する駆動部と、
前記可動部に固定されたステージと、
前記可動部の位置を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御部と、
前記検出部によって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記ステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定部とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る加工トルクの計測方法は、
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部の位置を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御ステップと
前記検出ステップによって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記可動部に固定されたステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定ステップとを有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、トルクセンサ等の外部センサを用いずに、被加工物に作用する加工トルクを推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態である移動ステージシステムを構成するステージ装置１０の概略図である。
【図２】加工力推定オブザーバ６を含む、本発明の一実施形態である移動ステージシステム１の位置制御系のブロック線図である。
【図３】４つのリニアモータを有するＸＹステージ装置１００の斜視図である。
【図４】ＸＹステージ装置１００の正面図である。
【図５】ＸＹステージ装置１００の平面図である。
【図６】４つの可動子１１，２１，３１，４１を可動部として備えるＸＹステージ装置１００を使用した場合のトルク計測の方法を示した図である。
【図７】ＸＹステージ装置１００を備えた移動ステージシステム１０１の位置制御系のブロック線図である。
【図８】位置決め試験の結果である。
【図９】センサによる実測値とオブザーバによる推定値との比較結果である。
【図１０】切削トルクの比較結果である。
【図１１】小径穴加工における結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態である移動ステージシステムを構成するステージ装置１０の概略図である。ステージ装置１０は、２つのガイド７３，７４と、２つの可動部７１，７２と、ステージ７０と、２つの検出部７５，７６とを備える。ステージ装置１０は、ステージ７０が一方向（この場合、Ｙ方向）に移動する一軸のテーブル装置である。図１は、ＸＹ平面に対して直交するＺ方向から見た図である。
【００１４】
２つのガイド７３，７４は、Ｙ方向に平行に固定され、Ｙ方向に直角なＸ方向に所定の距離だけ離して配置されている。ガイド７３は、可動部７１をＹ方向に変位可能にガイドし、ガイド７４は、可動部７２をＹ方向に変位可能にガイドする。可動部７１は、ガイド７３に沿ってＹ方向に移動する部材であり、可動部７２は、ガイド７４に沿ってＹ方向に移動する部材である。ステージ７０は、可動部７１，７２のＺ方向の上側の面に固定されることで、可動部７１，７２のＹ方向の移動に連動してＹ方向に移動する。ステージ７０は、所定の取り付け部材を介して間接的に可動部７１，７２に固定されてもよいし、可動部７１，７２に直接固定されてもよい。回転工具によって加工される被加工物は、Ｚ方向から見たときに可動部７１と可動部７２との間に位置するように、ステージ７０のＺ方向の上側の面に配置されて固定される。ステージ７０のＺ方向の上側の面は、ＸＹ平面に対して平行になるように、可動部７１，７２に固定される。検出部７５は、可動部７１のＹ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。検出部７６は、可動部７２のＹ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。検出部７５，７６の好適な具体例として、リニアエンコーダが挙げられるが、他の位置検出手段でもよい。
【００１５】
可動部７１，７２個々の位置は、不図示の制御部によって制御される。この制御部は、検出部７５，７６によって検出された可動部７１，７２個々の位置をフィードバックし、可動部７１，７２個々の位置を指令する指令信号に従って、可動部７１，７２個々の位置をフィードバック制御する。これにより、ステージ７０がＹ方向に位置制御される。
【００１６】
次に、本発明に係る加工トルクの計測方法の原理について説明する。ステージ７０の位置は、指令信号で指令された位置に一致するように、上述の制御部によってフィードバック制御されている。そのため、ステージ７０に何らかの外乱トルクＴＬがトルク作用点Ｐを中心に作用すると、外乱トルクＴＬに抗う力Ｆ１，Ｆ２が、制御部により位置制御される可動部７１，７２によってステージ７０に作用する。この互いに逆向きの力Ｆ１，Ｆ２によって、外乱トルクＴＬに対して逆向きのトルクＴ＾がステージ７０に作用する。このトルクＴ＾は、ステージ７０に固定された被加工物に作用する加工トルクに等価なトルクとみなすことができるため、トルクＴ＾の計測値（算出値）を、ステージ７０に固定された被加工物に作用する加工トルクとして推定できる。
【００１７】
トルクＴ＾は、可動部の個数をｎ（ｎは２以上の整数）、各可動部の現在位置に作用する外力成分をＦｉ，各可動部とトルク作用点Ｐとの距離をｒｉとすると、式（１）で表すことができる。
【００１８】
【数１】
なお、上記の説明は、回転工具によって加工される被加工物が、Ｚ方向から見たときに可動部７１と可動部７２との間に位置するようにしたが、被加工物は可動部７１と可動部７２の間に無くてもよい。このような場合、ステージ７０に作用する外乱トルクＴＬとＴ＾は必ずしも逆向きにはならない可能性もあるが、Ｔ＾の計算には影響しない。
【００１９】
一方で、被加工物に作用する加工力は、各可動部の現在位置に作用する外力成分Ｆｉの和で表すことができる。被加工物に作用する加工力及び加工トルクは、コンピュータ等の制御部の制御サンプリング間隔で、同時に推定することができる。
【００２０】
ここで、工作機械は、一般に、回転工具の位置を動かさずにステージ上の被加工物を加工するため、回転工具の位置（すなわち、トルク作用点Ｐの位置）は工作機械側で既知である。したがって、工作機械に備えられた演算部は、予めメモリに記憶されたトルク作用点Ｐの位置と検出部によって検出された各可動部の現在位置とを用いて、距離ｒｉを容易に演算できる。もちろん、トルクＴ＾を算出するたびに、所定の位置検出手段によって検出されたトルク作用点Ｐの位置を距離ｒｉの演算に使用してもよい。
【００２１】
一方、外力成分Ｆｉは、歪みセンサなどのセンサを用いて検出してもよいが、加工力推定オブザーバで推定してもよい。
【００２２】
図２は、加工力推定オブザーバ６を含む、本発明の一実施形態である移動ステージシステム１の位置制御系のブロック線図である。例えば、比例微分コントローラ２、信号変換器３、外乱オブザーバ５及び加工力推定オブザーバ６が、各可動部の位置を制御する上述の制御部に相当し、具体的にはコンピュータによって実現されるとよい。ｉは、可動部毎の変数であることを示す。
【００２３】
図２に示されるように、図示しない入力手段から、ステージの位置（すなわち、各可動部の位置）を指令する指令信号ｘｉｃｍｄが比例微分コントローラ２に入力される。比例微分コントローラ２は、指令信号ｘｉｃｍｄを２階微分することによって、加速度信号ａｉｒｅｆを出力する。加速度信号ａｉｒｅｆは、信号変換器３によって、各可動部を変位させるモータ４を駆動するための参照電流信号Ｉｉｒｅｆに変換される。
【００２４】
モータ４によって各可動部を変位させるための参照電流信号Ｉｉｒｅｆと外乱オブザーバ５から出力された補償電流信号Ｉｉｃｍｐは加算器によって加算され、参照電流信号Ｉｉｒｅｆと補償電流信号Ｉｉｃｍｐとの加算電流信号がモータ４に入力される。
【００２５】
外乱オブザーバ５は、モータ４に入力される信号とモータ４から出力される信号に基づいて、モータ４に入力される外乱負荷Ｆｉｌｏａｄを推定し、外乱負荷Ｆｉｌｏａｄの推定値Ｆ＾ｉｄｉｓに応じた補償電流信号Ｉｉｃｍｐを生成する。例えば、モータ４に入力される信号は、各可動部を変位させるための電流信号であり、モータ４から出力される信号は、位置検出部によって検出される各可動部の応答位置を表す検出信号ｘｉｒｅｓである。また、外乱負荷Ｆｉｌｏａｄは、例えば、ステージ上の被加工物に作用する加工力とステージに作用する摩擦力によって生ずる。外乱オブザーバ５によって、移動ステージシステム１のロバスト性を高めることができる。
【００２６】
加工力推定オブザーバ６は、外乱オブザーバ５と同様に、モータ４に入力される信号とモータ４から出力される信号に基づいて推定した外乱負荷Ｆｉｄｉｓから、予め推定された摩擦力Ｆ＾ｉｆｒｉｃを減算することで、ステージ上の被加工物に作用する加工力Ｆ＾ｉｐｒｏを推定する。例えば、モータ４に入力される信号は、各可動部を変位させるための電流信号であり、モータ４から出力される信号は、位置検出部によって検出される各可動部の応答位置を表す検出信号ｘｉｒｅｓである。なお、摩擦力Ｆ＾ｉｆｒｉｃは、無負荷の状態でモータ４を駆動したときの外乱負荷Ｆｉｄｉｓと同じなので、摩擦力Ｆ＾ｉｆｒｉｃの値は、テーブルや関数等によって予めデータベース化されているとよい。
【００２７】
加工トルク算出部７は、位置検出部によって検出される各可動部の応答位置を表す検出信号ｘｉｒｅｓと加工力推定オブザーバ６によって推定された加工力Ｆ＾ｉｐｒｏとを用いて、上述の式（１）内の距離ｒｉ及び外力成分Ｆｉを算出し、トルクＴ＾を算出することによって、ステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定部である。加工トルク算出部７は、例えば、コンピュータによって実現されるとよい。
【００２８】
次に、可動部が４つある場合を例に挙げて、移動ステージシステムを構成するＸＹステージ装置の具体例について説明する。
【００２９】
図３は、４つのリニアモータを有するＸＹステージ装置１００の斜視図である。図４は、ＸＹステージ装置１００の正面図である。図５は、ＸＹステージ装置１００の平面図である。
【００３０】
ＸＹステージ装置１００は、４つのリニアモータ１３，２３，３３，４３を有する駆動部と、２つのステージ５０，６０と、４つのリニアエンコーダ１４，２４，３４，４４と、４つのエアガイド１７，２７，３７，４７とを備える。ＸＹステージ装置１００は、ステージ５０が一方向（この場合、Ｙ方向）に移動し、ステージ６０がステージ５０の移動方向に直角な方向（この場合、Ｘ方向）に移動する二軸のテーブル装置である。
【００３１】
リニアモータ１３は、Ｙ方向を長手方向とする固定子１２と、固定子１２によってＹ方向に移動可能にガイドされる可動子１１とを有する。リニアモータ２３は、Ｙ方向を長手方向とする固定子２２と、固定子２２によってＹ方向に移動可能にガイドされる可動子２１とを有する。
【００３２】
２つの固定子１２，２２は、Ｙ方向に平行にベース３０に固定され、Ｙ方向に直角なＸ方向に所定の距離だけ離して配置されたシャフトである。固定子１２，２２の一方の端部が、ベース３０の一方のＹ方向端部に固定された壁部６１に固定され、固定子１２，２２のもう一方の端部が、ベース３０のもう一方のＹ方向端部に固定された壁部６２に固定されている。可動子１１は、固定子１２に沿ってＹ方向にベース３０に対し相対移動し、可動子２１は、固定子２２に沿ってＹ方向にベース３０に対して相対移動する。
【００３３】
エアガイド１７，２７は、可動子１１，２１の移動方向にステージ５０をガイドするガイド部である。エアガイド１７，２７によって、可動部１１，２１と同じ方向に、ステージ５０を滑らかに移動させることができる。エアガイド１７とエアガイド２７との間に、リニアモータ１３，２３が配置され、エアガイド１７とリニアモータ１３との間に、リニアエンコーダ１４が配置され、エアガイド２７とリニアモータ２３との間に、リニアエンコーダ２４が配置される。
【００３４】
エアガイド１７は、Ｙ方向を長手方向とする固定体１６と、固定体１６によってＹ方向に移動可能にガイドされる可動体１５とを有する。エアガイド２７は、Ｙ方向を長手方向とする固定体２６と、固定体２６によってＹ方向に移動可能にガイドされる可動体２５とを有する。
【００３５】
２つの固定体１６，２６は、Ｙ方向に平行にベース３０に固定され、Ｙ方向に直角なＸ方向に所定の距離だけ離して配置されたシャフトである。固定体１６，２６の一方の端部が、壁部６１に固定され、固定体１６，２６のもう一方の端部が、壁部６２に固定されている。可動体１５は、固定体１６に沿ってＹ方向に移動し、可動体２５は、固定体２６に沿ってＹ方向に移動する。
【００３６】
ステージ５０は、可動子１１，２１及び可動体１５，２５のＺ方向の上側の面に固定されることで、可動子１１，２１及び可動体１５，２５のＹ方向の移動に連動してＹ方向に移動する。ステージ５０は、可動子１１，２１及び可動体１５，２５に直接固定されている。なお、ステージ５０は、所定の取り付け部材を介して間接的に可動子１１，２１及び可動体１５，２５に固定されてもよい。
【００３７】
リニアエンコーダ１４は、可動子１１のＹ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。リニアエンコーダ２４は、可動子２１のＹ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。
【００３８】
一方、リニアモータ３３は、Ｘ方向を長手方向とする固定子３２と、固定子３２によってＸ方向に移動可能にガイドされる可動子３１とを有する。リニアモータ４３は、Ｘ方向を長手方向とする固定子４２と、固定子４２によってＸ方向に移動可能にガイドされる可動子４１とを有する。
【００３９】
２つの固定子３２，４２は、Ｘ方向に平行にステージ５０に固定され、Ｙ方向に所定の距離だけ離して配置されたシャフトである。固定子３２，４２の一方の端部が、ステージ５０の一方のＸ方向端部に固定された壁部５１に固定され、固定子３２，４２のもう一方の端部が、ステージ５０のもう一方のＸ方向端部に固定された壁部５２に固定されている。可動子３１は、固定子３２に沿ってＸ方向にステージ５０に対して相対移動し、可動子４１は、固定子４２に沿ってＸ方向にステージ５０に対して相対移動する。
【００４０】
エアガイド３７，４７は、可動子３１，４１の移動方向にステージ６０をガイドするガイド部である。エアガイド３７，４７によって、可動部３１，４１と同じ方向に、ステージ６０を滑らかに移動させることができる。エアガイド３７とエアガイド４７との間に、リニアモータ３３，４３が配置され、エアガイド３７とリニアモータ３３との間に、リニアエンコーダ３４が配置され、エアガイド４７とリニアモータ４３との間に、リニアエンコーダ４４が配置される。
【００４１】
エアガイド３７は、Ｘ方向を長手方向とする固定体３６と、固定体３６によってＸ方向に移動可能にガイドされる可動体３５とを有する。エアガイド４７は、Ｘ方向を長手方向とする固定体４６と、固定体４６によってＸ方向に移動可能にガイドされる可動体４５とを有する。
【００４２】
２つの固定体３６，４６は、Ｘ方向に平行にステージ５０に固定され、Ｘ方向に直角なＹ方向に所定の距離だけ離して配置されたシャフトである。固定体３６，４６の一方の端部が、壁部５１に固定され、固定体３６，４６のもう一方の端部が、壁部５２に固定されている。可動体３５は、固定体３６に沿ってＸ方向に移動し、可動体３５は、固定体４６に沿ってＸ方向に移動する。
【００４３】
ステージ６０は、可動子３１，４１及び可動体３５，４５のＺ方向の上側の面に固定されることで、可動子３１，４１及び可動体３５，４５のＸ方向の移動に連動してＸ方向に移動する。回転工具によって加工される被加工物は、ステージ６０のＺ方向の上側の面に配置されて固定される。ステージ６０は、可動子３１，４１及び可動体３５，４５に直接固定されている。なお、ステージ６０は、所定の取り付け部材を介して間接的に可動子３１，４１及び可動体３５，４５に固定されてもよい。
【００４４】
リニアエンコーダ３４は、可動子３１のＸ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。リニアエンコーダ４４は、可動子４１のＸ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。
【００４５】
図６は、４つの可動子１１，２１，３１，４１を可動部として備えるＸＹステージ装置１００を使用した場合のトルク計測の方法を示した図である。可動子１１，２１，３１，４１の重心位置に作用する外力成分を、それぞれ、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４とする。トルク作用点Ｐから可動子１１，２１，３１，４１の各移動方向の延長線までの距離を、それぞれ、ｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４とする。そうすると、上述の式（１）に従ってトルクＴ＾を算出することによって、ステージ６０に固定された被加工物に作用する加工トルクＴ＾を推定できる。
【００４６】
図７は、ＸＹステージ装置１００を備えた移動ステージシステム１０１の位置制御系のブロック線図である。移動ステージシステム１０１は、図２の具体例であり、比例微分コントローラ１０２と、信号変換器１０３と、リニアモータ１０４と、外乱オブザーバ１０５と、回転工具による切削加工によってステージ上の被加工物に作用する切削力Ｆ＾ｉｃｕｔを推定する加工力推定オブザーバ１０６と、その被加工物に作用する切削トルクを推定する加工トルク算出部１０７とを備える。
【００４７】
ここで、ラプラス演算子をｓ，位置比例制御ゲインをＫｐｐ，速度比例制御ゲインをＫｖｐ，ステージの質量をＭ，リニアモータの推力定数をＫｔ，公称値をｎ，ステージ上の被加工物に作用する加工力をＦｉｃｕｔ，ステージに作用する摩擦力をＦｉｆｒｉｃ，各可動子の速度応答値をｖｉｒｅｓ，各可動子の位置応答値をｘｉｒｅｓ，擬似微分遮断周波数をｇＬＰＦ，外乱オブザーバ１０５の遮断周波数をｇｄｉｓ，加工力推定オブザーバ１０６の遮断周波数をｇｃｕｔとする。
【００４８】
図７の位置制御系を用いて階段状の指令に対するステージ（可動子）の位置決め試験を行って、移動ステージシステム１０１の性能を評価した。位置指令を４０ｎｍ／ステップ，サンプリングタイムを１２５ｍｓ，Ｋｐｐ＝５０，Ｋｖｐ＝２００，ｇＬＰＦ＝ｇｄｉｓ＝ｇｃｕｔ＝１０００ｒａｄ／ｓとした。図８に示されるように、移動ステージシステム１０１によれば、ステージの位置決め分解能を４０ｎｍにすることができた。
【００４９】
次に本発明に係る加工力を検証した。数Ｎの負荷を手で印加した場合において、ステージに実際に取り付けた力センサの値（波形x）と加工力推定オブザーバ１０６によって算出された各駆動部の加工力Ｆ＾ｉｃｕｔの総和の値（波形ｙ）とを比較した。図９に示すように、加工力が精度よく推定されていることがわかる。
【００５０】
次に、本発明に係るトルクの計測方法を実験によって検証した。
【００５１】
はじめに、図１０に示されるように、数Ｎｍのトルクを手で印加した場合において、ステージに実際に取り付けたトルクセンサの値（波形ａ）と加工トルク算出部１０７によって算出されたトルクＴ＾の値（波形ｂ）とを比較した。図９に示されるように、移動ステージシステム１０１によれば、最大０．２Ｎｍの誤差で切削トルクが推定可能であることが確認できる。
【００５２】
続いて、ドリル径３ｍｍの工具でアクリル材の穴加工を行った。トルクセンサの測定値（波形ｃ）と移動ステージシステム１０１による推定値（波形ｄ）を比較した結果を図１１に示す。図１１に示されるように、切削トルクを精度良く推定できる。
【００５３】
このように、本発明の実施形態によれば、トルクセンサ等の外部センサを用いずに、被加工物に作用する加工トルクを推定できる。加工トルクを監視することで、工具の摩耗を予測することができ、これに基づく工具交換時期管理などが実現する。加工力ならびに加工トルクを監視することで，各種加工（エンドミル加工，ドリル加工など）におけるびびり振動などの異常加工状態を検知することが可能になる。これに基づく回避手法を提案することで、生産現場における安心安全性を高めることができる。従来、モータスピンドルが組み込まれた加工機では、スピンドルの電流負荷を計測することで、間接的に加工トルクを計測する技術があるが、エアタービンスピンドルの場合には適用することが難しい。本発明の実施形態は、ステージ側で加工トルクを計測できることからエアタービンスピンドルの場合でもトルク計測を実現できる。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００５５】
例えば、上述の実施例では、切削加工を例に挙げたが、本発明は、被加工物に加工トルクが作用する加工であれば、研削加工や研磨加工にも適用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 移動ステージシステム
１０ ステージ装置
１１，２１，３１，４１ 可動子
１２，２２，３２，４２ 固定子
１３，２３，３３，４３ リニアモータ
１４，２４，３４，４４ リニアエンコーダ
１５，２５，３５，４５ 可動体
１６，２６，３６，４６ 固定体
１７，２７，３７，４７ エアガイド
３０ ベース
５１，５２，６１，６２ 壁部
５０，６０，７０ ステージ
７１，７２ 可動部
７３，７４ ガイド
７５，７６ 検出部
１００ ＸＹステージ装置
１０１ 移動ステージシステム
１０２ 比例微分コントローラ
１０３ 信号変換器
１０４ リニアモータ
１０５ 外乱オブザーバ
１０６ 加工力推定オブザーバ
１０７ 加工トルク算出部
Ｆｉ 外力成分
Ｐ トルク作用点
ＴＬ 外乱トルク
Ｔ＾ 加工トルクの推定値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の可動部に固定されたステージを備える、移動ステージシステムに関する。また、複数の可動部に固定されたステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する、加工トルクの計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削や研削を行う工作機械のインテリジェント化の観点から、加工プロセスの監視技術に関する研究が注目されている。特に、切削抵抗をモニタリングすることで、加工プロセスの監視を行う技術の開発が重要視されている。従来、切削抵抗をモニタリングする技術として、工作機械テーブルと工作物の間に外部センサを取り付けて加工力を監視する技術や電流計により駆動電流を測定して加工力を推定する技術がある。
【０００３】
例えば、力センサを外部センサとして用いることで、高精度に加工力を計測することができる。しかしながら、実際の製品を加工する現場では、外部センサを工作機械に取り付けて加工することは、段取り工程の増加や剛性低下を招くことから使用されることはまれである。また、加工力を高精度に測定するための外部センサは非常に高価で、生産現場の全ての機械にこれを搭載することは、コスト面から難しい場合がある。
【０００４】
このような課題を解決可能な従来技術として、例えば特許文献１には、外部センサを用いずに加工力（典型的には、切削力）を高精度に推定する加工力監視システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２７１８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の従来技術では、加工力の推定はできるものの、ドリル等の回転工具によって被加工物に作用する加工トルクを推定することはできなかった。この加工トルクを推定することができれば、例えば、回転工具の磨耗状態などを検知する技術に応用できる。
【０００７】
そこで、本発明は、トルクセンサ等の外部センサを用いずに、被加工物に作用する加工トルクを推定できる、移動ステージシステム及び加工トルクの計測方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る移動ステージシステムは、
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部を有する駆動部と、
前記可動部に固定されたステージと、
前記可動部の位置を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御部と、
前記検出部によって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記ステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定部とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る加工トルクの計測方法は、
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部の位置を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御ステップと
前記検出ステップによって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記可動部に固定されたステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定ステップとを有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、トルクセンサ等の外部センサを用いずに、被加工物に作用する加工トルクを推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態である移動ステージシステムを構成するステージ装置１０の概略図である。
【図２】加工力推定オブザーバ６を含む、本発明の一実施形態である移動ステージシステム１の位置制御系のブロック線図である。
【図３】４つのリニアモータを有するＸＹステージ装置１００の斜視図である。
【図４】ＸＹステージ装置１００の正面図である。
【図５】ＸＹステージ装置１００の平面図である。
【図６】４つの可動子１１，２１，３１，４１を可動部として備えるＸＹステージ装置１００を使用した場合のトルク計測の方法を示した図である。
【図７】ＸＹステージ装置１００を備えた移動ステージシステム１０１の位置制御系のブロック線図である。
【図８】位置決め試験の結果である。
【図９】センサによる実測値とオブザーバによる推定値との比較結果である。
【図１０】切削トルクの比較結果である。
【図１１】小径穴加工における結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態である移動ステージシステムを構成するステージ装置１０の概略図である。ステージ装置１０は、２つのガイド７３，７４と、２つの可動部７１，７２と、ステージ７０と、２つの検出部７５，７６とを備える。ステージ装置１０は、ステージ７０が一方向（この場合、Ｙ方向）に移動する一軸のテーブル装置である。図１は、ＸＹ平面に対して直交するＺ方向から見た図である。
【００１４】
２つのガイド７３，７４は、Ｙ方向に平行に固定され、Ｙ方向に直角なＸ方向に所定の距離だけ離して配置されている。ガイド７３は、可動部７１をＹ方向に変位可能にガイドし、ガイド７４は、可動部７２をＹ方向に変位可能にガイドする。可動部７１は、ガイド７３に沿ってＹ方向に移動する部材であり、可動部７２は、ガイド７４に沿ってＹ方向に移動する部材である。ステージ７０は、可動部７１，７２のＺ方向の上側の面に固定されることで、可動部７１，７２のＹ方向の移動に連動してＹ方向に移動する。ステージ７０は、所定の取り付け部材を介して間接的に可動部７１，７２に固定されてもよいし、可動部７１，７２に直接固定されてもよい。回転工具によって加工される被加工物は、Ｚ方向から見たときに可動部７１と可動部７２との間に位置するように、ステージ７０のＺ方向の上側の面に配置されて固定される。ステージ７０のＺ方向の上側の面は、ＸＹ平面に対して平行になるように、可動部７１，７２に固定される。検出部７５は、可動部７１のＹ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。検出部７６は、可動部７２のＹ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。検出部７５，７６の好適な具体例として、リニアエンコーダが挙げられるが、他の位置検出手段でもよい。
【００１５】
可動部７１，７２個々の位置は、不図示の制御部によって制御される。この制御部は、検出部７５，７６によって検出された可動部７１，７２個々の位置をフィードバックし、可動部７１，７２個々の位置を指令する指令信号に従って、可動部７１，７２個々の位置をフィードバック制御する。これにより、ステージ７０がＹ方向に位置制御される。
【００１６】
次に、本発明に係る加工トルクの計測方法の原理について説明する。ステージ７０の位置は、指令信号で指令された位置に一致するように、上述の制御部によってフィードバック制御されている。そのため、ステージ７０に何らかの外乱トルクＴＬがトルク作用点Ｐを中心に作用すると、外乱トルクＴＬに抗う力Ｆ１，Ｆ２が、制御部により位置制御される可動部７１，７２によってステージ７０に作用する。この互いに逆向きの力Ｆ１，Ｆ２によって、外乱トルクＴＬに対して逆向きのトルクＴ＾がステージ７０に作用する。このトルクＴ＾は、ステージ７０に固定された被加工物に作用する加工トルクに等価なトルクとみなすことができるため、トルクＴ＾の計測値（算出値）を、ステージ７０に固定された被加工物に作用する加工トルクとして推定できる。
【００１７】
トルクＴ＾は、可動部の個数をｎ（ｎは２以上の整数）、各可動部の現在位置に作用する外力成分をＦｉ，各可動部とトルク作用点Ｐとの距離をｒｉとすると、式（１）で表すことができる。
【００１８】
【数１】
なお、上記の説明は、回転工具によって加工される被加工物が、Ｚ方向から見たときに可動部７１と可動部７２との間に位置するようにしたが、被加工物は可動部７１と可動部７２の間に無くてもよい。このような場合、ステージ７０に作用する外乱トルクＴＬとＴ＾は必ずしも逆向きにはならない可能性もあるが、Ｔ＾の計算には影響しない。
【００１９】
一方で、被加工物に作用する加工力は、各可動部の現在位置に作用する外力成分Ｆｉの和で表すことができる。被加工物に作用する加工力及び加工トルクは、コンピュータ等の制御部の制御サンプリング間隔で、同時に推定することができる。
【００２０】
ここで、工作機械は、一般に、回転工具の位置を動かさずにステージ上の被加工物を加工するため、回転工具の位置（すなわち、トルク作用点Ｐの位置）は工作機械側で既知である。したがって、工作機械に備えられた演算部は、予めメモリに記憶されたトルク作用点Ｐの位置と検出部によって検出された各可動部の現在位置とを用いて、距離ｒｉを容易に演算できる。もちろん、トルクＴ＾を算出するたびに、所定の位置検出手段によって検出されたトルク作用点Ｐの位置を距離ｒｉの演算に使用してもよい。
【００２１】
一方、外力成分Ｆｉは、歪みセンサなどのセンサを用いて検出してもよいが、加工力推定オブザーバで推定してもよい。
【００２２】
図２は、加工力推定オブザーバ６を含む、本発明の一実施形態である移動ステージシステム１の位置制御系のブロック線図である。例えば、比例微分コントローラ２、信号変換器３、外乱オブザーバ５及び加工力推定オブザーバ６が、各可動部の位置を制御する上述の制御部に相当し、具体的にはコンピュータによって実現されるとよい。ｉは、可動部毎の変数であることを示す。
【００２３】
図２に示されるように、図示しない入力手段から、ステージの位置（すなわち、各可動部の位置）を指令する指令信号ｘｉｃｍｄが比例微分コントローラ２に入力される。比例微分コントローラ２は、指令信号ｘｉｃｍｄを２階微分することによって、加速度信号ａｉｒｅｆを出力する。加速度信号ａｉｒｅｆは、信号変換器３によって、各可動部を変位させるモータ４を駆動するための参照電流信号Ｉｉｒｅｆに変換される。
【００２４】
モータ４によって各可動部を変位させるための参照電流信号Ｉｉｒｅｆと外乱オブザーバ５から出力された補償電流信号Ｉｉｃｍｐは加算器によって加算され、参照電流信号Ｉｉｒｅｆと補償電流信号Ｉｉｃｍｐとの加算電流信号がモータ４に入力される。
【００２５】
外乱オブザーバ５は、モータ４に入力される信号とモータ４から出力される信号に基づいて、モータ４に入力される外乱負荷Ｆｉｌｏａｄを推定し、外乱負荷Ｆｉｌｏａｄの推定値Ｆ＾ｉｄｉｓに応じた補償電流信号Ｉｉｃｍｐを生成する。例えば、モータ４に入力される信号は、各可動部を変位させるための電流信号であり、モータ４から出力される信号は、位置検出部によって検出される各可動部の応答位置を表す検出信号ｘｉｒｅｓである。また、外乱負荷Ｆｉｌｏａｄは、例えば、ステージ上の被加工物に作用する加工力とステージに作用する摩擦力によって生ずる。外乱オブザーバ５によって、移動ステージシステム１のロバスト性を高めることができる。
【００２６】
加工力推定オブザーバ６は、外乱オブザーバ５と同様に、モータ４に入力される信号とモータ４から出力される信号に基づいて推定した外乱負荷Ｆｉｄｉｓから、予め推定された摩擦力Ｆ＾ｉｆｒｉｃを減算することで、ステージ上の被加工物に作用する加工力Ｆ＾ｉｐｒｏを推定する。例えば、モータ４に入力される信号は、各可動部を変位させるための電流信号であり、モータ４から出力される信号は、位置検出部によって検出される各可動部の応答位置を表す検出信号ｘｉｒｅｓである。なお、摩擦力Ｆ＾ｉｆｒｉｃは、無負荷の状態でモータ４を駆動したときの外乱負荷Ｆｉｄｉｓと同じなので、摩擦力Ｆ＾ｉｆｒｉｃの値は、テーブルや関数等によって予めデータベース化されているとよい。
【００２７】
加工トルク算出部７は、位置検出部によって検出される各可動部の応答位置を表す検出信号ｘｉｒｅｓと加工力推定オブザーバ６によって推定された加工力Ｆ＾ｉｐｒｏとを用いて、上述の式（１）内の距離ｒｉ及び外力成分Ｆｉを算出し、トルクＴ＾を算出することによって、ステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定部である。加工トルク算出部７は、例えば、コンピュータによって実現されるとよい。
【００２８】
次に、可動部が４つある場合を例に挙げて、移動ステージシステムを構成するＸＹステージ装置の具体例について説明する。
【００２９】
図３は、４つのリニアモータを有するＸＹステージ装置１００の斜視図である。図４は、ＸＹステージ装置１００の正面図である。図５は、ＸＹステージ装置１００の平面図である。
【００３０】
ＸＹステージ装置１００は、４つのリニアモータ１３，２３，３３，４３を有する駆動部と、２つのステージ５０，６０と、４つのリニアエンコーダ１４，２４，３４，４４と、４つのエアガイド１７，２７，３７，４７とを備える。ＸＹステージ装置１００は、ステージ５０が一方向（この場合、Ｙ方向）に移動し、ステージ６０がステージ５０の移動方向に直角な方向（この場合、Ｘ方向）に移動する二軸のテーブル装置である。
【００３１】
リニアモータ１３は、Ｙ方向を長手方向とする固定子１２と、固定子１２によってＹ方向に移動可能にガイドされる可動子１１とを有する。リニアモータ２３は、Ｙ方向を長手方向とする固定子２２と、固定子２２によってＹ方向に移動可能にガイドされる可動子２１とを有する。
【００３２】
２つの固定子１２，２２は、Ｙ方向に平行にベース３０に固定され、Ｙ方向に直角なＸ方向に所定の距離だけ離して配置されたシャフトである。固定子１２，２２の一方の端部が、ベース３０の一方のＹ方向端部に固定された壁部６１に固定され、固定子１２，２２のもう一方の端部が、ベース３０のもう一方のＹ方向端部に固定された壁部６２に固定されている。可動子１１は、固定子１２に沿ってＹ方向にベース３０に対し相対移動し、可動子２１は、固定子２２に沿ってＹ方向にベース３０に対して相対移動する。
【００３３】
エアガイド１７，２７は、可動子１１，２１の移動方向にステージ５０をガイドするガイド部である。エアガイド１７，２７によって、可動部１１，２１と同じ方向に、ステージ５０を滑らかに移動させることができる。エアガイド１７とエアガイド２７との間に、リニアモータ１３，２３が配置され、エアガイド１７とリニアモータ１３との間に、リニアエンコーダ１４が配置され、エアガイド２７とリニアモータ２３との間に、リニアエンコーダ２４が配置される。
【００３４】
エアガイド１７は、Ｙ方向を長手方向とする固定体１６と、固定体１６によってＹ方向に移動可能にガイドされる可動体１５とを有する。エアガイド２７は、Ｙ方向を長手方向とする固定体２６と、固定体２６によってＹ方向に移動可能にガイドされる可動体２５とを有する。
【００３５】
２つの固定体１６，２６は、Ｙ方向に平行にベース３０に固定され、Ｙ方向に直角なＸ方向に所定の距離だけ離して配置されたシャフトである。固定体１６，２６の一方の端部が、壁部６１に固定され、固定体１６，２６のもう一方の端部が、壁部６２に固定されている。可動体１５は、固定体１６に沿ってＹ方向に移動し、可動体２５は、固定体２６に沿ってＹ方向に移動する。
【００３６】
ステージ５０は、可動子１１，２１及び可動体１５，２５のＺ方向の上側の面に固定されることで、可動子１１，２１及び可動体１５，２５のＹ方向の移動に連動してＹ方向に移動する。ステージ５０は、可動子１１，２１及び可動体１５，２５に直接固定されている。なお、ステージ５０は、所定の取り付け部材を介して間接的に可動子１１，２１及び可動体１５，２５に固定されてもよい。
【００３７】
リニアエンコーダ１４は、可動子１１のＹ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。リニアエンコーダ２４は、可動子２１のＹ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。
【００３８】
一方、リニアモータ３３は、Ｘ方向を長手方向とする固定子３２と、固定子３２によってＸ方向に移動可能にガイドされる可動子３１とを有する。リニアモータ４３は、Ｘ方向を長手方向とする固定子４２と、固定子４２によってＸ方向に移動可能にガイドされる可動子４１とを有する。
【００３９】
２つの固定子３２，４２は、Ｘ方向に平行にステージ５０に固定され、Ｙ方向に所定の距離だけ離して配置されたシャフトである。固定子３２，４２の一方の端部が、ステージ５０の一方のＸ方向端部に固定された壁部５１に固定され、固定子３２，４２のもう一方の端部が、ステージ５０のもう一方のＸ方向端部に固定された壁部５２に固定されている。可動子３１は、固定子３２に沿ってＸ方向にステージ５０に対して相対移動し、可動子４１は、固定子４２に沿ってＸ方向にステージ５０に対して相対移動する。
【００４０】
エアガイド３７，４７は、可動子３１，４１の移動方向にステージ６０をガイドするガイド部である。エアガイド３７，４７によって、可動部３１，４１と同じ方向に、ステージ６０を滑らかに移動させることができる。エアガイド３７とエアガイド４７との間に、リニアモータ３３，４３が配置され、エアガイド３７とリニアモータ３３との間に、リニアエンコーダ３４が配置され、エアガイド４７とリニアモータ４３との間に、リニアエンコーダ４４が配置される。
【００４１】
エアガイド３７は、Ｘ方向を長手方向とする固定体３６と、固定体３６によってＸ方向に移動可能にガイドされる可動体３５とを有する。エアガイド４７は、Ｘ方向を長手方向とする固定体４６と、固定体４６によってＸ方向に移動可能にガイドされる可動体４５とを有する。
【００４２】
２つの固定体３６，４６は、Ｘ方向に平行にステージ５０に固定され、Ｘ方向に直角なＹ方向に所定の距離だけ離して配置されたシャフトである。固定体３６，４６の一方の端部が、壁部５１に固定され、固定体３６，４６のもう一方の端部が、壁部５２に固定されている。可動体３５は、固定体３６に沿ってＸ方向に移動し、可動体３５は、固定体４６に沿ってＸ方向に移動する。
【００４３】
ステージ６０は、可動子３１，４１及び可動体３５，４５のＺ方向の上側の面に固定されることで、可動子３１，４１及び可動体３５，４５のＸ方向の移動に連動してＸ方向に移動する。回転工具によって加工される被加工物は、ステージ６０のＺ方向の上側の面に配置されて固定される。ステージ６０は、可動子３１，４１及び可動体３５，４５に直接固定されている。なお、ステージ６０は、所定の取り付け部材を介して間接的に可動子３１，４１及び可動体３５，４５に固定されてもよい。
【００４４】
リニアエンコーダ３４は、可動子３１のＸ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。リニアエンコーダ４４は、可動子４１のＸ方向の位置を検出し、その検出した位置に応じた検出信号を出力する。
【００４５】
図６は、４つの可動子１１，２１，３１，４１を可動部として備えるＸＹステージ装置１００を使用した場合のトルク計測の方法を示した図である。可動子１１，２１，３１，４１の重心位置に作用する外力成分を、それぞれ、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４とする。トルク作用点Ｐから可動子１１，２１，３１，４１の各移動方向の延長線までの距離を、それぞれ、ｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４とする。そうすると、上述の式（１）に従ってトルクＴ＾を算出することによって、ステージ６０に固定された被加工物に作用する加工トルクＴ＾を推定できる。
【００４６】
図７は、ＸＹステージ装置１００を備えた移動ステージシステム１０１の位置制御系のブロック線図である。移動ステージシステム１０１は、図２の具体例であり、比例微分コントローラ１０２と、信号変換器１０３と、リニアモータ１０４と、外乱オブザーバ１０５と、回転工具による切削加工によってステージ上の被加工物に作用する切削力Ｆ＾ｉｃｕｔを推定する加工力推定オブザーバ１０６と、その被加工物に作用する切削トルクを推定する加工トルク算出部１０７とを備える。
【００４７】
ここで、ラプラス演算子をｓ，位置比例制御ゲインをＫｐｐ，速度比例制御ゲインをＫｖｐ，ステージの質量をＭ，リニアモータの推力定数をＫｔ，公称値をｎ，ステージ上の被加工物に作用する加工力をＦｉｃｕｔ，ステージに作用する摩擦力をＦｉｆｒｉｃ，各可動子の速度応答値をｖｉｒｅｓ，各可動子の位置応答値をｘｉｒｅｓ，擬似微分遮断周波数をｇＬＰＦ，外乱オブザーバ１０５の遮断周波数をｇｄｉｓ，加工力推定オブザーバ１０６の遮断周波数をｇｃｕｔとする。
【００４８】
図７の位置制御系を用いて階段状の指令に対するステージ（可動子）の位置決め試験を行って、移動ステージシステム１０１の性能を評価した。位置指令を４０ｎｍ／ステップ，サンプリングタイムを１２５ｍｓ，Ｋｐｐ＝５０，Ｋｖｐ＝２００，ｇＬＰＦ＝ｇｄｉｓ＝ｇｃｕｔ＝１０００ｒａｄ／ｓとした。図８に示されるように、移動ステージシステム１０１によれば、ステージの位置決め分解能を４０ｎｍにすることができた。
【００４９】
次に本発明に係る加工力を検証した。数Ｎの負荷を手で印加した場合において、ステージに実際に取り付けた力センサの値（波形x）と加工力推定オブザーバ１０６によって算出された各駆動部の加工力Ｆ＾ｉｃｕｔの総和の値（波形ｙ）とを比較した。図９に示すように、加工力が精度よく推定されていることがわかる。
【００５０】
次に、本発明に係るトルクの計測方法を実験によって検証した。
【００５１】
はじめに、図１０に示されるように、数Ｎｍのトルクを手で印加した場合において、ステージに実際に取り付けたトルクセンサの値（波形ａ）と加工トルク算出部１０７によって算出されたトルクＴ＾の値（波形ｂ）とを比較した。図９に示されるように、移動ステージシステム１０１によれば、最大０．２Ｎｍの誤差で切削トルクが推定可能であることが確認できる。
【００５２】
続いて、ドリル径３ｍｍの工具でアクリル材の穴加工を行った。トルクセンサの測定値（波形ｃ）と移動ステージシステム１０１による推定値（波形ｄ）を比較した結果を図１１に示す。図１１に示されるように、切削トルクを精度良く推定できる。
【００５３】
このように、本発明の実施形態によれば、トルクセンサ等の外部センサを用いずに、被加工物に作用する加工トルクを推定できる。加工トルクを監視することで、工具の摩耗を予測することができ、これに基づく工具交換時期管理などが実現する。加工力ならびに加工トルクを監視することで，各種加工（エンドミル加工，ドリル加工など）におけるびびり振動などの異常加工状態を検知することが可能になる。これに基づく回避手法を提案することで、生産現場における安心安全性を高めることができる。従来、モータスピンドルが組み込まれた加工機では、スピンドルの電流負荷を計測することで、間接的に加工トルクを計測する技術があるが、エアタービンスピンドルの場合には適用することが難しい。本発明の実施形態は、ステージ側で加工トルクを計測できることからエアタービンスピンドルの場合でもトルク計測を実現できる。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００５５】
例えば、上述の実施例では、切削加工を例に挙げたが、本発明は、被加工物に加工トルクが作用する加工であれば、研削加工や研磨加工にも適用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 移動ステージシステム
１０ ステージ装置
１１，２１，３１，４１ 可動子
１２，２２，３２，４２ 固定子
１３，２３，３３，４３ リニアモータ
１４，２４，３４，４４ リニアエンコーダ
１５，２５，３５，４５ 可動体
１６，２６，３６，４６ 固定体
１７，２７，３７，４７ エアガイド
３０ ベース
５１，５２，６１，６２ 壁部
５０，６０，７０ ステージ
７１，７２ 可動部
７３，７４ ガイド
７５，７６ 検出部
１００ ＸＹステージ装置
１０１ 移動ステージシステム
１０２ 比例微分コントローラ
１０３ 信号変換器
１０４ リニアモータ
１０５ 外乱オブザーバ
１０６ 加工力推定オブザーバ
１０７ 加工トルク算出部
Ｆｉ 外力成分
Ｐ トルク作用点
ＴＬ 外乱トルク
Ｔ＾ 加工トルクの推定値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部を有する駆動部と、
前記可動部に固定されたステージと、
前記可動部の位置を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御部と、
前記検出部によって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記ステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定部とを備える、移動ステージシステム。
【請求項２】
前記可動部の移動方向に前記ステージをガイドするガイド部を備える、請求項１に記載の移動ステージシステム。
【請求項３】
前記外力成分は、オブザーバによって推定される、請求項１又は２に記載の移動ステージシステム。
【請求項４】
前記可動部は、
第１の方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記第１の方向に直角な第２の方向に離して配置された複数の第１の方向可動部と、
前記第２の方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記第１の方向に離して配置された複数の第２の方向可動部とを有し、
前記ステージは、
前記第１の方向可動部に固定された第１の方向ステージと、
前記第２の方向可動部に固定された第２の方向ステージとを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の移動ステージシステム。
【請求項５】
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部の位置を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御ステップと
前記検出ステップによって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記可動部に固定されたステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定ステップとを有する、加工トルクの計測方法。
【請求項６】
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部の位置を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御ステップと
前記検出ステップによって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記可動部に固定されたステージ上の被加工物に作用する加工力及び加工トルクを推定する推定ステップとを有する、加工トルクの計測方法。
【請求項７】
前記外力成分は、オブザーバによって推定される、請求項５又は６に記載の加工トルクの計測方法。
【請求項１】
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部を有する駆動部と、
前記可動部に固定されたステージと、
前記可動部の位置を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御部と、
前記検出部によって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記ステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定部とを備える、移動ステージシステム。
【請求項２】
前記可動部の移動方向に前記ステージをガイドするガイド部を備える、請求項１に記載の移動ステージシステム。
【請求項３】
前記外力成分は、オブザーバによって推定される、請求項１又は２に記載の移動ステージシステム。
【請求項４】
前記可動部は、
第１の方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記第１の方向に直角な第２の方向に離して配置された複数の第１の方向可動部と、
前記第２の方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記第１の方向に離して配置された複数の第２の方向可動部とを有し、
前記ステージは、
前記第１の方向可動部に固定された第１の方向ステージと、
前記第２の方向可動部に固定された第２の方向ステージとを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の移動ステージシステム。
【請求項５】
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部の位置を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御ステップと
前記検出ステップによって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記可動部に固定されたステージ上の被加工物に作用する加工トルクを推定する推定ステップとを有する、加工トルクの計測方法。
【請求項６】
同一方向にそれぞれ移動可能であり且つ前記同一方向に直角な方向に離して配置された複数の可動部の位置を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって検出された位置をフィードバックし、前記可動部の位置を指令する指令信号に従って前記可動部の位置を制御する制御ステップと
前記検出ステップによって検出された前記可動部個々の位置と該個々の位置に作用する外力成分とに基づいて、前記可動部に固定されたステージ上の被加工物に作用する加工力及び加工トルクを推定する推定ステップとを有する、加工トルクの計測方法。
【請求項７】
前記外力成分は、オブザーバによって推定される、請求項５又は６に記載の加工トルクの計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−６１２４３（Ｐ２０１３−６１２４３Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９８５４（Ｐ２０１１−１９９８５４）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年３月１４日 公益社団法人精密工学会発行の「２０１１年度 精密工学会春季大会 第１８回学生会員卒業研究発表講演会 講演論文集（ＣＤ−ＲＯＭ）」に発表
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年３月１４日 公益社団法人精密工学会発行の「２０１１年度 精密工学会春季大会 第１８回学生会員卒業研究発表講演会 講演論文集（ＣＤ−ＲＯＭ）」に発表
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
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