| 研究課題/領域番号 |
15K05759
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
深田 茂生 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (70156743)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | ボールねじ / 超精密位置決め / 精密加工 / 加工負荷 |
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| 研究実績の概要 |
現状の工作機械の位置決め駆動要素としては，ボールねじ機構を用いる場合が最も多い．一方，ステージ位置検出用のリニアエンコーダの分解能が数十ピコメートルレベルまで高まってきており，ボールねじを用いた位置決め機構においても，実際の加工負荷外乱下においてサブナノメートルレベルの位置決め分解能を実現することが期待される．本研究は負荷外乱下におけるボールねじ機構の微視的特性と位置決め性能をサブナノメートルレベルで解明し，加工負荷外乱下におけるボールねじ機構の限界性能を実験的に検証することを目的としており，平成28年度には前年度に製作したVCMによる負荷装置を備えた位置決め実験装置を用いた実験と考察を中心に以下の内容を実施した．
まず，静的な負荷を与えた場合の非線形ばね特性の変化について実験と考察を行った．軸方向負荷を加えた状態で余弦波状の目標変位を与えてステージを揺動させると，非線形ばね特性のヒステリシス曲線は上下にシフトするが，変位振幅の大きさによってシフト量が異なることが実験で示された．この変位振幅によるシフト量の変化について考察し，ヒステリシス曲線がトルク値の正側で囲む面積と負側の面積の差が，正動作時と負動作時の二つの釣合状態間の軸負荷に対する仕事量に比例することが明らかになった．
次に静的および動的な軸方向負荷外乱を与えた場合の位置決め特性を実験により検討した．静的な負荷の場合は，これまでのフィードフォワードを併用したPI-D動作によるゲインスケジューリングフィードバック系により外乱の影響を除去可能であり，ナノメートルレベルの位置決め特性を達成できることが分かった．また動的な負荷の場合は，1 Hzまでの負荷変動に対しては位置偏差をナノメートルレベルに抑えることができたが，周波数の増加とともに位置偏差が拡大し，これまでの制御系では十分に外乱の影響を抑制できないことが分かった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では負荷外乱下におけるボールねじ機構の微視的特性と位置決め性能をサブナノメートルレベルで解明し，負荷外乱下におけるボールねじ位置決め系の適切な制御方法を探索するとともに，実際に簡易的な超精密旋削加工系をステージ上に構成して，加工負荷外乱下におけるボールねじ機構の限界性能を実験的に検証することを最終的な目的としている．その2年目にあたる平成28年度においては，前年度に構成した実験装置を用いて，種々の負荷条件下の実験と考察を行い，軸方向負荷がボールねじの非線形ばね特性に及ぼす基本的な影響とその因果関係についてエネルギバランスの観点から把握することができた．また変位振幅が減少して純粋な弾性挙動に近づくに従ってシフト量が減少するが，軸負荷が大きくなるとねじの自立条件が完全には満たされなくなり，ステージは揺動しながら徐々に負荷に押される方向に移動していくという従来は予想できなかった新たな挙動を確認することもできた．
一方，負荷条件下における位置決め制御系の挙動を実験的に明らかにするとともに，従来の制御方法の限界を把握することができた．なお，当初予定していた，新たな制御系の提案までは現時点で至っていないので，今後は負荷変動に対して頑強な制御系をシミュレーションと実験により探索し，その効果を実験により検証してゆく必要がある．
さらに，次年度に行う予定の超精密旋削実験のために，現状の位置決め実験装置に別の送りねじ駆動方式の直動位置決めステージを追加した2軸位置決め実験装置の設計を行った．追加する直動位置決めステージは，現有するすべり送りねじ方式のもので，一方のステージにエアスピンドルを設置し，他方に切削工具を搭載して，簡易的超精密旋盤を構成する．また，超精密旋盤の2軸動作を制御する計測制御システムをDSP（ディジタル信号処理装置）に実装する．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成29年度には，実際に超精密旋盤による正面切削加工系を用いて，加工負荷外乱下のボールねじ位置決め系の挙動を実験的に明らかにしてゆく．まず無酸素銅およびアルミニウム合金を用いた切削加工実験を行い，ボールねじ機構に加わる加工負荷外乱を実測する．加工中の各部変位および切削力を測定し，切削に伴う負荷変動と位置決めステージの挙動を把握する．また加工中の切削力変動と同じ負荷変動をVCMによる負荷装置によってステージに印加する実験を行い，実際の切削加工条件下における負荷伝達系の動的モデルを明確化する．また，これと平行して，前年度に未了であった負荷条件下に対する制御系の改善を行うこととする．
次に，送り変位と切込み変位を同時制御した正面旋削による平面加工と曲面加工を行う．負荷条件下の検討をもとに制御動作を最適化し，曲面加工実験では切込みの運動方向反転にともなう象限切換誤差を把握する．さらに，切込み量を微少ステップ状に変化させる段差加工を行う．無負荷状態ではサブナノメートルの分解能が実現されているが，加工条件下での限界最小分解能を求める．
切削加工実験により得られた加工面精度を光波干渉計等で測定し，加工中の工具-ワーク間の相対運動軌跡と比較して，加工負荷外乱下における母性原理による運動精度転写性能を評価する．以上により，加工負荷外乱下におけるボールねじ位置決め機構の限界性能を明らかにし，動的モデルによる考察を行って，現状のボールねじ位置決め機構のナノメートルレベルの性能を制限している要因を明示する．
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