CN102549896B

CN102549896B - 直线电机操动机构

Info

Publication number: CN102549896B
Application number: CN2010800451862A
Authority: CN
Inventors: 木村吉宏
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2030-09-08
Also published as: TW201131945A; JP4869392B2; CN102549896A; KR20120049416A; WO2011043152A1; KR101189295B1; TWI369055B; DE112010003960T5; US20120200178A1; JP2011083113A

Abstract

一种直线电机操动机构(1)，其可排除线圈单元(50)的发热对线性引导件(3)的影响，充分地确保由该线性引导件(3)支撑的工作台板(4)的移动精度及定位精度，并可长期维持该精度，具备：固定在其他机械装置的基板(2)、互相平行地配置在该基板(2)上的多个的线性引导件(3)、由这些线性引导件(3)支撑而在上述基板(2)上自由往复运动的工作台板(4)、设置在该工作台板(4)的磁铁单元(51)、以及设置在上述基板(2)且与上述磁铁单元(51)相对而构成直线电机(5)的线圈单元(50)，上述基板(2)及工作台板(4)由线膨胀系数为11×10^-6(1/℃)以下的材质形成，并且两者的线膨胀系数设有差异。

Description

直线电机操动机构

技术领域

本发明涉及直线电机操动机构，用于对搭载在工作台板上的被搬运物施加并进运动，进行定位。

背景技术

在XY工作台或物品搬运装置等的FA机器中，多使用利用直线电机将物品、构件等直线移动的所谓直线电机操动机构。这种直线电机操动机构通常包括：固定在其他机械装置的基板、搭载作为搬运对象的物品等的可动体并在上述基板上移动的工作台板、引导该工作台板相对于上述基板自由直线往复运动的多个的线性引导件、对上述工作台板施加推力的直线电机、以及检测上述工作台板的位置的线性编码器，通过按该线性编码器的检测值来控制上述直线电机，可高精度地对工作台板施加任意的移动量(日本特开2005-79496)。

另外，上述线性引导件包括轨道导轨、对该轨道导轨通过多数滚珠而组装的移动块。当使上述工作台板对基板进行支撑时，例如使用一对线性引导件，将各线性引导件的轨道导轨铺设在基板上，另一方面，将上述移动块固定在工作台板上。由于上述移动块通过多数滚动体而组装在轨道导轨，涉及移动方向以外的方向相对于轨道导轨处在被限制的状态，所以如果使用这种线性引导件来支撑工作台板的往复运动，则可高精度地引导搭载在工作台板上的可动体。

另外，上述直线电机包括：沿工作台板的移动路线交互排列有N极的磁极及S极的磁极的磁铁单元、隔着微小间隙与该磁铁单元相对配置并且因应电流的通电而产生移动磁场的线圈单元，将上述直线电机的一方配设在上述基板，将另一方配设在工作台板而使用。

上述线圈单元可设置在基板或工作台板的任一者。但在将上述线圈单元配置在工作台板上，将上述磁铁单元配置在基板上的情况下，由于在排列在上述基板的磁铁单元的磁力对相对的工作台板的前端及后端作用，所以当工作台板在基板上移动时，产生与磁铁单元的磁极的排列间距对应的推力的变动，即顿转(cogging)现象。因此，存在难以使工作台板顺畅移动这样的问题，上述顿转现象尤其是在基板与工作台板接近的薄型直线电机操动机构上很明显。

因此，在薄型直线电机操动机构，如果从尽量避免出现上述顿转现象，给予工作台板顺畅的运动的观点来看，则将上述磁铁单元配设在工作台板，另一方面将线圈单元配设在基板的构造有利。

另一方面，在构成这种直线电机操动机构的情况下，由于构成直线电机的线圈单元在通电中发热，所以在线圈单元产生的热量传导到上述基板及工作台板，在运转中，这些基板及工作台板的温度有上升的倾向。即使在如上述将线圈单元配置在基板的情况下，由于在直线电机操动机构的连续额定运转中上述线圈单元的温度上升至70～90℃左右，所以通过空气的对流，从线圈单元向工作台板产生热传导，没有与线圈单元直接接触的工作台板的温度也上升。尤其在基板与工作台板接近的薄型直线电机操动机构，由于工作台板与基板的间隙非常小，所以工作台板的温度也显著上升。

即使由于线圈单元的发热造成基板及工作台板双方的温度都上升，它们达到热平衡状态的温度仍有差异，直线电机操动机构的连续额定运转时的基板与工作台板的热膨胀量变得不同。因此，在将多个的线性引导件平行配置来支撑工作台板的情况下，出现移动块相对于轨道导轨产生移位，将移动块与轨道导轨之间存在的滚动体过度压缩，工作台板对基板的移动阻力会非刻意地增加，及较早消耗线性引导件的问题。

另外，这种问题在使用铁(例如SS400)等的刚性大的材质作为基板及工作台板的情况下发生，在使用如铝等软材质的情况下，将这些基板及工作台板做成中空挤出的形状时不发生。这是因为，由于基板或工作台板变形，作用在线性引导件的滚动体的负荷实质上被减轻了。但是，这种直线电机操动机构存在不能提高工作台板对基板的移动精度的问题。

为了处理在日本特开2005-79496中引起这种线圈单元的发热的问题，采取了如下对策：对配置有线圈单元的工作台板安装散热板或散热叶片，抑制工作台板的温度上升。

专利文献

专利文献1：日本特开2005-79496号公报

发明内容

但是，在设置了散热板或散热叶片这样积极的气冷装置时，该部分造成直线电机操动机构大型化，不适合将直线电机操动机构小型化、薄型化。另外，在直线电机操动机构，由于在使工作台板持续静止在基板上的特定位置的情况下、或产生推力进行将工作台板上的工件推到其他构件的动作的情况下，也要对线圈单元通电，所以在工作台板的静止时间比运行时间长的使用状态下，上述那样的气冷装置不太有效果。

本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种直线电机操动机构，可排除线圈单元的发热对线性引导件造成的影响，充分地确保由该线性引导件支撑的工作台板的移动精度及定位精度，并可长期维持该精度。

即，本发明的直线电机操动机构具备：固定在其他机械装置的基板、互相平行地配置在该基板上的多个的线性引导件、由这些线性引导件支撑而在上述基板上自由往复运动的工作台板、设置在该工作台板的磁铁单元、以及设置在上述基板并且与上述磁铁单元相对而构成直线电机的线圈单元，各线性引导件包括：沿长度方向形成滚动体的滚道面的轨道导轨、通过多数的滚动体组装在上述轨道导轨并沿该轨道导轨运动的移动块所；并且，上述基板及工作台板由线膨胀系数为11×10^-6(1/℃)以下的材质形成，且两者的线膨胀系数设有差异。

发明效果

铁(SS400)的线膨胀系数为11.5×10^-6(1/℃)左右，如果选择线膨胀系数为11×10^-6(1/℃)以下的材质作为上述基板及工作台板，则能够抑制这些基板及工作台板的热膨胀量，能够缩小两者的热膨胀量的差异。

另外，即使在将上述线圈单元配置在基板上时，也会出现根据基板对其他机械装置的固定状态、或搭载在工作台板上的可动体的大小或材质等，工作台板比基板高温的情况。因此，通过对基板与工作台板的线膨胀系数设有差异，可缩小两者的热膨胀量的差异。

即，通过本发明，即使由于直线电机操动机构的连续额定运转使基板及工作台板升温达到热平衡状态，也能够将两者的热膨胀量的差异尽可能地抑制到很小，可充分确保由线性引导件支撑的工作台板的移动精度及定位精度并且长期维持该精度。

附图说明

图1是示出应用本发明的直线电机操动机构的实施方式的立体图。

图2是示出在图1的实施方式可使用的线性引导件的一个例子的立体图。

图3是示出基板上的轨道导轨的距离与工作台板的移动块的距离的关系的图。

具体实施方式

以下，参考附图来详细说明本发明的直线电机操动机构。

图1是示出应用本发明的直线电机操动机构的实施方式的一个例子的立体图。该直线电机操动机构1包括：固定在机械装置的框体或机座等的固定部位的基板2、在该基板2上平行地配置的两座线性引导件3、由这些线性引导件3支撑并自由直线往复运动地组装在上述基板2上的工作台板4、以及相对于上述基板2将工作台板4推进的直线电机5。

上述基板2形成为长方形状，沿其长边配置两座线性引导件3。上述工作台板4设置成跨越着隔着间隔配置的两座线性引导件3，基板2的表面与工作台板4的背面之间成为上述直线电机5的配置空间。另外，在上述基板2的短边设置有防止工作台板4越界的止动板20。

图2是示出上述线性引导件3的详细构造的立体图及正面剖面图。该线性引导件3包括：固定在基板2的轨道导轨30、以及沿该轨道导轨30移动并固定在上述工作台板4的移动块31。上述轨道导轨30的与长度方向垂直的剖面形成为大致矩形，在沿长度方向的一方的侧面形成有作为滚动体的滚珠32的滚道面33。

该滚道面33的与其长度方向垂直的剖面形状形成为哥德式尖拱状，滚珠32相对于滚道面33以两点接触。另一方面，在上述移动块31的侧面形成有与轨道导轨30的滚道面33相对的负载滚道面37，多数的滚珠32在轨道导轨30的滚道面33与移动块31的负载滚道面37之间一边负载负荷一边滚动。该负载滚道面37的与其长度方向垂直的剖面形状也做成哥德式尖拱状，滚珠32相对于负载滚道面37以两点接触。另外，在移动块31形成有用来使在上述负载滚道面37滚动完毕的滚珠32进行循环的无限循环通路，以通过滚珠32无限循环使移动块31沿轨道导轨30可连续移动的方式构成。

在该线性引导件3，上述移动块31处在通过滚珠32而被限制在轨道导轨30的状态，可一边负载着从与轨道导轨30的长度方向垂直的方向作用的负荷，一边沿该轨道导轨30自由移动。

另外，在上述移动块31设置有用来固定工作台板4的安装面34，在该安装面34形成有螺栓安装孔35，贯穿工作台板4的固定螺栓螺合在这些螺栓安装孔35上。另外，在上述轨道导轨30，在其长度方向隔着一定间隔形成有螺栓插入孔36，在固定到基板2时利用。

在图1所示的直线电机操动机构1的实施方式，对一条轨道导轨30组装三座移动块31来构成一座线性引导件3，工作台板4构成为由六座移动块31支撑而在基板2上移动。但也可根据工作台板4的大小或重量、搭载在该工作台板4的可动体的负荷来适当变更设计配置在基板2上的线性引导件3的数量、或组装在一条轨道导轨30的移动块31的数量。另外，也可使用滚子取代滚珠作为滚动体。

另外，在上述基板2与工作台板4之间设置有上述直线电机5。该直线电机5是同步型直线电机，包括：固定在上述基板2的线圈单元50、固定在工作台板4的磁铁单元51。这些线圈单元50与磁铁单元51隔着微小间隙相对，通过上述线性引导件3的动作来维持该间隙。

上述线圈单元50包括沿工作台板4的移动方向排列的多个线圈构件52。各线圈构件52与三相交流电流的u相位、v相位、w相位对应设置，三个线圈构件52成为一组，当三相交流电流通电时产生移动磁场。另一方面，上述磁铁单元51沿工作台板4的移动方向排列着多个永久磁铁，各磁铁使N极及S极交互反转而排列。因此，当对上述线圈单元50的各线圈构件52通电时，该线圈单元50产生移动磁场，基于该移动磁场，在上述磁铁单元51与线圈单元50之间磁性吸力或磁性排斥力发生作用，能够沿线圈构件52的排列方向推进磁铁单元51。

在这样构成的直线电机操动机构1，当对上述线圈单元50通电使直线电机操动机构1运转时，该线圈单元50的各线圈构件52发热，该热量传导到基板2及工作台板4，它们的温度有上升的倾向。

由于线圈单元50是发热源，所以当如上述实施方式那样将线圈单元50配置在基板2时，在该线圈单元50产生的热量大多传导到基板2。但由于线圈单元50与磁铁单元51隔着数mm的间隙而接近着，且当以额定推力使直线电机操动机构1连续运转时，上述线圈单元50的温度高达70～90℃左右，所以通过来自线圈单元50的辐射、或空气的对流使磁铁单元51变得高温，进而将该磁铁单元51固定的工作台板4也变得高温。

当以额定推力使直线电机操动机构1连续运转时，基板2及工作台板4的温度并不会没有限制地上升，当温度上升到某程度时达到热平衡状态，变成即使持续运转，温度也不会更上升的饱和温度。但当将基板2与工作台板4进行比较时，该饱和温度产生差异。

基板2与工作台板4的饱和温度如果产生差异，则各板2、4产生因应各自温度的热膨胀，所以基板2与工作台板4的热膨胀量产生差异。因此，结果变成如图3所示，固定在基板2的一对轨道导轨30之间的距离LB、及组装在这些轨道导轨30的移动块31的距离LT产生差异，在轨道导轨30的一方的侧面，滚珠32在轨道导轨30与移动块31之间被压缩，在轨道导轨30的另一方的侧面，滚珠32与轨道导轨30或移动块31之间产生间隙。

例如，在基板2的材质与工作台板4的材质相同、运转中的基板2的饱和温度比工作台板4的饱和温度高的情况下，即使在运转开始前的状态下一对轨道导轨30之间的距离LB与组装在这些轨道导轨30的移动块31的距离LT相同，当运转开始，基板2及工作台板4升温至接近饱和温度时，距离LB变得比距离LT大。因此，在图3中位于轨道导轨30的外侧面的滚珠32a在该轨道导轨30与移动块31之间被压缩，成为对滚珠32a施加所谓预压的状态。

但是，如果距离LB与距离LT的差异变得太大，则造成滚珠32a超过适当的预压的区域被线性引导件3过度压缩，在轨道导轨30的滚道面33或移动块31的负载滚道面产生压痕，或相当于在滚珠32a产生偏磨耗，有可能线性引导件3的使用寿命较早结束。

为了避免这种不好的情形，首先，需要分别选择线膨胀系数小的材质来作为基板2及工作台板4。这是因为，通过选择线膨胀系数小的材质，可将基板2及工作台板4各自的热膨胀量控制得较小。具体来说，选择线膨胀系数为11×10^-6(1/℃)以下的材质很有效。

以线膨胀系数为11×10^-6(1/℃)以下的材质作为适合基板2或工作台板4等的构造材料，有例如陶瓷制品或低热膨胀铸造物。但由于陶瓷制品在安装轨道导轨30或移动块31这样的机器时，在需要进行螺栓孔加工时费工费时，还会增加制作成本，所以如果考虑到机械加工的容易性，则选择后者的低热膨胀铸造物较佳。作为在市面上容易购得的低热膨胀铸造物，已知有从线膨胀系数为7.5×10^-6(1/℃)左右的材料(日本铸造株式会社(日本鋳造、Nippon Chuzo Co.Ltd.)制造/商品名：LEX-75)，到线膨胀系数为0.8×10^-6(1/℃)以下的材料(日本铸造株式会社制造/商品名：LEX-SF1)。

另外，为了抑制基板2及工作台板4的热膨胀量的差异，设定基板2与工作台板4的线膨胀系数具有差异的方式很有效。要将基板2或工作台板4的任一者的线膨胀系数设定得较小，根据基板2及工作台板4的饱和温度的高低而有所不同。假设基板2的饱和温度比工作台板4的饱和温度高，则将基板2的线膨胀系数设定得比工作台板4的线膨胀系数小，如果相反的话，则将工作台板4的线膨胀系数设定得比基板2的线膨胀系数小。

由于作为发热源的线圈单元50固定在基板2，所以当将基板2与工作台板4比较时，对基板2传导的热能量比对工作台板4传导的热能量大。因此，在将直线电机操动机构1作为独立系统掌握时，基板2的饱和温度变得比工作台板4的饱和温度高。在该情况下，作为基板2及工作台板4的线膨胀系数的例子，将基板2的线膨胀系数设定为0.8×10^-6(1/℃)，将工作台板4的线膨胀系数设定为2.5×10^-6(1/℃)。

另一方面，由于上述基板2被固定在其他的机械装置(以下称为“被安装体”)来使用，所以当通过线圈单元50的发热而将基板2加热时，在基板2与被安装体之间产生温度梯度，在线圈单元50产生的热量从基板2传导到被安装体。因此，即使在将线圈单元50固定在基板2的情况下，除了将上述基板2的热传导率极小的情况、或在基板2与被安装体之间设置有隔热层的情况以外，工作台板4的饱和温度有变得比基板的饱和温度高的倾向。

假设当将基板2的热传导率设定得极小时、或当在基板2与被安装体之间设置有隔热层时，该基板2的饱和温度有上升至接近100℃的可能性，有可能产生火灾或烫伤等事故，需使用高耐热性的材质来构成线圈单元50的构件。因此，当实际使用直线电机操动机构1时，将基板2的热传导率设定得极小、或在基板2与被安装体之间设置有隔热层的例子被认为是特殊的使用例子，认为在大多数的使用例子中，即使在基板2设置有线圈单元50的情况下，基板2的饱和温度也比工作台板4的饱和温度低。

根据上述观点，当对基板2与工作台板4的线膨胀系数设定差异时，将工作台板的线膨胀系数设定得比设置有线圈单元的基板的线膨胀系数小很有效。在该情况下，作为基板2及工作台板4的线膨胀系数的例子，将基板2的线膨胀系数设定为2.5×10^-6(1/℃)，将工作台板4的线膨胀系数设定成0.8×10^-6(1/℃)。

实际上在将直线电机操动机构1组装而以额定推力使直线电机5连续运转并实际测定基板2、工作台板4、以及线圈单元50的温度时，线圈单元50的饱和温度达到75℃，此时的基板2的饱和温度约为45℃，工作台板4的饱和温度约为60℃。

因此，如果使用线膨胀系数为11×10^-6(1/℃)以下的材质作为基板及工作台板的材质，并且将工作台板的线膨胀系数设定成比基板的线膨胀系数小，则可将基板与工作台板的热膨胀量抑制得较小，并可将两者的热膨胀量的差异抑制在数十μm左右，能够防止过度的预压作用在线性引导件的滚珠。因此，本实施方式的线性致动器能够充分地确保由线性引导件支撑的工作台板的移动精度及定位精度，并可长期维持该精度。

另外，本发明并不限定在上述实施方式，例如，并不限在实施方式所示的单轴的直线电机操动机构，也可将该单轴直线电机操动机构应用在重叠两层的XY工作台。另外，在应用在XY工作台时，既可以在X轴及Y轴双方应用本发明，也可以仅在X轴或Y轴的一方应用本发明。

Claims

1.一种直线电机操动机构，其特征在于：

具备：

固定在其他机械装置的基板(2)、互相平行地配置在该基板(2)上的多个的线性引导件(3)、由这些线性引导件(3)支撑而在上述基板(2)上自由往复运动的工作台板(4)、设置在该工作台板(4)的磁铁单元(51)、以及设置在上述基板(2)并且与上述磁铁单元(51)相对而构成直线电机(5)的线圈单元(50)；

各线性引导件(3)包括：沿长度方向形成滚动体的滚道面的轨道导轨(30)、以及通过多数的滚动体(32)组装在上述轨道导轨(30)并沿该轨道导轨(30)运动的移动块(31)；

上述基板(2)及工作台板(4)由线膨胀系数为11×10^-6(1/℃)以下的材质形成，并且，设置有上述磁铁单元(51)的工作台板(4)的线膨胀系数比设置有上述线圈单元(50)的基板(2)的线膨胀系数小。

2.如权利要求1所述的直线电机操动机构，其特征在于：

上述基板(2)没有隔着隔热层地固定在其他机械装置上。