CN1274462C - 夹紧装置及带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置 - Google Patents

夹紧装置及带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种夹紧装置，能进行Z轴方向平移和倾斜动作，并且即使受到水平方向或向下方向的加速度作用，也会消除位置偏移。设有3组由放置在支承构件(107～109)上的球(13～15)和在下部具有该球的接受部(16-1～18-1)且使该接受部与上述球的上部相接触的夹紧轴(16～18)组成的组合。上述夹紧轴由上述接受部和由此开始向上方延伸的轴部(16-2～18-2)构成。以使上述轴部可倾斜地向上方突出的状态在上述支承构件侧固定用于保持上述球和上述夹紧轴的组合的支座(104～106)，盘簧(101～103)介于上述接受部和上述支座之间，将该接受部向下方推压。

Description

夹紧装置及带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置
技术领域
本发明涉及一种带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置，具有垂直方向、即Z轴方向的驱动功能和倾角、即倾斜功能。
背景技术
以前提出的用作定位载物台等的Z轴(垂直)方向的驱动装置，是将3个驱动机构组合，使由它们支承的被支承体、譬如工作台或吸盘等进行上下方向的平移动作(如专利文献1)。
虽然它是使用运动学(kinematic)夹具(所谓开耳芬夹具)，但它是用于定位的装置，在一定值以上的水平加速度或向下加速度的作用下，上部物体就有可能发生偏移。
下面，参照着图4～图6来说明该装置。
(1)如图4(a)所示，开耳芬(ケルビン)夹具的结构是，在上部工作台20的下表面通过轴安装着3个球22、23、24，分别与在下部工作台21的上表面形成的三角锥状(或圆锥状)的凹部25、截面成V字形的V形槽26和平面27接触，就能相对于下部工作台21的表面、对上部工作台20的表面相对地进行定位。如图4(b)所示，也可作成3个球全部和在下部工作台21′的上表面形成的3组V形槽26′相接触的结构。
(2)如果就图4(a)的结构而言，这样的开耳芬夹具是作成凹部25的三角锥顶点位于V形槽26的轴向延长线上。这样，即使一侧的面、譬如将球固定的那一侧的上部工作台20由于热膨胀(或收缩)等原因使3个球之间的间隔加宽(或变窄)，或者下部工作台21热膨胀(或收缩)，都能如图5所示地把与三角锥状的凹部25接触的球22作为固定点，使与V形槽26接触的球23沿着V形槽26的轴向移动，使与平面接触的球24移动到由三角锥状的凹部25和V形槽26的相对位置关系确定的位置。在图4(b)的场合下，由于将3组V形槽26′配置成交叉于一点，因而能具有与图4(a)相同的功能。
(3)在各个夹紧部分中，将设有凹部、槽的那一面作为下部，将固定各个球的那一面作为上部，由下部支承上部，水平加速度作用在下部。这时，如图6(a)所示，由于V形槽26和球23构成的夹紧部所支承的上部重量引起的摩擦力μ·F1(其中，μ是摩擦系数)的作用，当作用在下部的水平加速度较小时，上下两侧的相对位置就能被保持。但是，在由较大的水平加速度a引起的水平力F2作用在下部时，当它的分力F2′(沿着V形槽26的表面方向的分力)超过摩擦力μ·F1时，会发生上部的偏移。或如图6(b)所示，在整体以超过重力加速度的加速度a′向下移动时，上部不能追随下部，以至离开。因此，为了施加更大的摩擦力，就用弹簧等连接上下两侧，以施加附加的荷重。
专利文献1：
日本专利特开平10-79344号(第2页、图9)
可是，在Z轴(垂直)方向的定位装置中，有时要求用3组Z轴驱动机构支承上部(譬如旋转工作台)，其进行Z轴方向的平移动作的同时、还进行倾角(倾斜)动作。与此相对，如果将上下两侧的结合作成上述开耳芬夹具，则能进行给出倾斜的倾斜动作。但是，在将这3组Z轴设置在水平方向的定位工作台(X-Y工作台)上时，由上述(3)所述的理由，当以较大的加速度使水平方向的定位工作台移动时，上部就会偏移。在为了防止该偏移而用弹簧等连接上下两侧时，该部分的荷重就加在Z轴驱动机构上，这势必导致Z轴驱动机构的容量增大。并且，Z轴方向的驱动量(行程)越增大，则由弹簧引起的荷重也越增加。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种夹紧装置，将运动学夹具(所谓开耳芬夹具)刚性化，使其能进行垂直(Z轴)方向平移和倾斜动作，并且，即使受到水平方向或向下方向的加速度作用，也会消除位置偏移。
本发明的另一个目的是提供一种设有上述夹紧装置的带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置。
如果采用本发明，则能提供一种夹紧装置，设有多组由放置在支承构件上的球和夹紧轴组成的组合，该夹紧轴在下部具有该球的接受部，并使该接受部与上述球的上部相接触；上述夹紧轴由上述接受部和由此开始向上方延伸的轴部构成；在上述支承构件侧固定着支座，以使上述轴部可倾斜地在上方突出的状态，保持上述球和上述夹紧轴的组合；介于上述接受部和上述支座之间，设有将该接受部弹向下方的弹簧构件。
在本发明的夹紧装置中，上述球和上述夹紧轴的组合是3组，第1组的第1球被收容在设于第1支承构件上的由角锥或圆锥形成的凹部中；第2组的第2球被收容在按预先确定的方向延伸地设置在上述第2支承构件上的V形槽中；第3组的第3球被放置在第3支承构件的平面上。
本发明的夹紧装置还可以作成这样的结构，上述球和上述夹紧轴的组合是3组，第1组的第1球被收容在设置于第1支承构件上的第1V形槽中；第2组的第2球被收容在设置于第2支承构件上的第2V形槽中；第3组的第3球被收容在设置于第3支承构件上的第3V形槽中，上述第1～第3支承构件具有使上述第1～第3V形槽的延长线交叉于一点的结构。
如果采用本发明，则能提供一种上述夹紧装置的第1实施方式，上述第1～第3组的轴部分别安装在相同的上部构件上，并且，具有使上述第1～第3支承构件能各自独立地上下移动的结构，由此使上述上部构件能进行上下方向的动作和倾斜动作。
如果采用本发明，则能提供一种上述夹紧装置的第2实施方式，上述第1～第3组的轴部分别安装在相同的上部构件上，并且，上述第1～第3支承构件由一个共同的支承构件构成。
如果采用本发明，则能提供一种带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置，设有如上述第1实施方式所述的夹紧装置，在基底构件上设有使上述第1～第3支承构件上下移动的第1～第3驱动机构。
本发明提供的带有倾斜功能的垂直方向驱动定位装置中，设有作为上述第1～第3驱动机构的滑动楔块机构。
附图说明
图1是说明构成本发明涉及夹紧装置的3组夹具的剖面图。
图2是用1个夹具表示垂直方向驱动定位装置的结构的侧视图，此时将Z轴驱动机构组合到图1所示的各组夹具中来构成垂直方向驱动定位装置。
图3是表示用图2所示的夹具和Z轴驱动机构的组合来构成垂直方向驱动定位装置时的各组的配置俯视图。
图4是用于说明以前的开耳芬夹具的2个例子的示意图。
图5是用于说明在以前的开耳芬夹具中吸收由支承构件的热膨胀引起的偏移的作用的示意图。
图6是用于说明在以前的开耳芬夹具中施加水平方向的加速度及向下方向的加速度时的问题的示意图。
具体实施方式
下面，参照着图1～图3来说明本发明的夹紧装置和使用该夹紧装置的带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置的最佳实施方式。
图1是对上述的开耳芬夹具进行改良来实现本发明夹紧装置时的实施方式。构成开耳芬夹具的3组夹具中，图1(a)表示由三角锥等角锥形成的凹部(或者可以是由圆锥形成的凹部)107a和收容在其中的球13构成的第1组；图1(b)表示由V形槽108a和收容在其中的球14构成的第2组；图1(c)表示由平面和放置在其上的球15构成的第3组。除了球放置部分的结构以外，第1组～第3组中的任一组都是相同结构。
图1(a)所示的第1夹具10包括：第1支承构件107，在上表面形成由圆锥(或角锥)产生的凹部(以下简称为凹部)107a；第1球13，被收容在凹部107a中；夹紧轴16，在下部具有球13的接受部16-1，并具有向上方延伸的轴部16-2，使接受部16-1与球13的上部相接触；支座104，以使固定在第1支承构件107上的轴部16-2可倾斜地向上方突出的状态，保持球13和夹紧轴16的组合；盘簧101，设置在接受部16-1的上侧和支座104的内面侧之间，将接受部16-1弹向下方。
图1(b)所示的第2夹具11包括：第2支承构件108，在上表面形成V形槽108a；第2球14，被收容在V形槽108a中；夹紧轴17，在下部设有球14的接受部17-1，并且，具有向上方延伸的轴部17-2，使接受部17-1与球14的上部相接触；支座105，以使固定在第2支承构件108上的轴部17-2可倾斜地向上方突出的状态，保持球13和夹紧轴17的组合；盘簧102，设置在接受部17-1的上侧和支座105的内面侧之间，将接受部17-1弹向下方。
图1(c)所示的第3夹具12包括：第3支承构件109；第3球15，放置在该第3支承构件109的上面，即放置在平面上；夹紧轴18，在下部设有球15的接受部18-1，并且具有向上方延伸的轴部18-2，使接受部18-1与球15的上部相接触；支座106，以使固定在第3支承构件109上的轴部18-2可倾斜地向上方突出的状态，保持球15和夹紧轴18的组合；盘簧103，设置在接受部18-1的上侧和支座106的内面侧之间，将接受部18-1弹向下方。
接受部16-1～18-1中的任意一个，都在其下面侧设有由角锥或圆锥形成的凹部，并且将球13～15收容在该凹部中。而且，支座104～106中的任意一个，为了使轴部16-2～18-2能倾斜地插入通过，在它们的上部侧都设置具有比轴部16-2～18-2的直径还大的开口的板状构件过，该板状构件具有使盘簧压紧在接受部上的弹簧按压功能，将必要的荷重施加在支座上。严密地说，为了能向各个支座提供相对运动，将按压弹簧的开口作成大于轴部直径和相对运动的移动距离之和，以便容许随倾斜动作引起的相对移动。另外，安装着能施加所要求荷重的盘簧，使用即使夹紧轴发生倾斜也不会超过弹簧的弹性界限的弹簧。
在将上述的3组夹具作为一个夹紧装置使用时，譬如将轴部16-2～18-2安装在作为被夹紧构件的一个上部构件110上。另一方面，就支承构件107～109而言，安装它们的下部构件111、112、113由一个构件构成。而且，不用说，在第2夹具11中的第2支承构件108上形成的V形槽108a的延长线和在第1夹具10中的第1支承构件107上形成的凹部107a的顶点相交叉。当然，也可以从一开始就用一个构件构成支承构件107～109。并且，在用一个构件构成支承构件107～109、且在该一个构件的上面形成第1～第3V形槽并使它们交叉于一点时，能提供一种具有与图4(b)所示结构相同功能的夹紧装置，这是无庸置疑的。无论怎样，由于具有这些结构的夹紧装置中，第1～第3夹具10～12都分别具有与图4(a)或图(b)所示结构相同的功能，同时下部侧和上部侧都形成刚性化的结构，因此，即使有水平方向或向下方的加速度的作用，也可以消除相互之间的位置偏移。
另一方面，在使用图1(a)～图1(c)所示的3组夹具10～12构成带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置时，具有使各组的下部构件111～113通过各个Z轴驱动机构能独立地沿上下方向驱动的结构。
Z轴驱动机构例如可使用如图2所示的所谓滑动楔块方式的结构。图2表示了把Z轴驱动机构40用于第1夹具10时的情况，第2、第3夹具11、12的任一个也使用完全相同的机构。
图2中，Z轴驱动机构40包括：水平移动块61，可在基底构件50上沿水平方向滑动，在上面侧具有倾斜面；垂直移动块62，在下面侧具有与该水平移动块61的倾斜面相对应的倾斜面，通过水平移动块61的水平移动可上下移动；电动机63，作为使水平移动块61移动的驱动源而起作用；以及汽缸64，向水平移动块61施加水平方向的推押力。
水平移动块61在下面侧设有滑动构件61-1，该滑动构件61-1能沿着设置在基底构件50上的至少1根水平方向的导引构件50-1滑动。水平移动块61还在倾斜面上至少设有1根导引构件61-2。另一方面，在垂直移动块62的倾斜面上设置着可在导引构件61-2上滑动的滑动构件62-1。在基底构件50上，还与垂直移动块62的背面相对应且向上方延伸地设置着滑座50-2，在该滑座50-2的垂直移动块62侧设置着沿上下方向延伸的上下方向的导引构件50-3。而且，在垂直移动块62的背面设置着能在导引构件50-3上滑动的滑动构件62-2。在电动机63的输出轴和水平移动块61之间设置着用于将输出轴的回转运动变换成水平方向的运动的滚珠丝杠机构65。
用如上所述的结构，当电动机63向一方向旋转时，将该旋转变换成水平方向的运动，使水平移动块61向图2中的右侧方向水平移动，其结果使垂直移动块62向上方移动。另一方面，当电动机63朝相反方向旋转时，将该旋转变换成水平方向的运动，使水平移动块61向图2中的左侧方向水平移动，其结果使垂直移动块62向下方移动。
使用汽缸64是根据以下所述的理由。由于上部构件110和有时放置在该上部构件110上的工件、以及其他荷重等，垂直方向的力作用在垂直移动块62上，该力的水平方向成分作用在水平移动块61上。如果该水平方向成分只依靠电动机63的功率来克服，就要求使用高功率的电动机，所以，上述水平方向成分是通过使汽缸64的输出轴64-1与水平移动块61相接触而接受的，因此就能减小电动机63的功率。
无论怎样，组合了上述结构的Z轴驱动装置40、70、80的3组夹具10～12，如图3所示地配置在基底构件50上。不用说，在这种场合下，形成在第2夹具11中的第2支承构件108上的V形槽108a的延长线当然可以与形成在第1夹具中的第1支承构件107上的凹部107a的顶点相交叉。另一方面，当Z轴驱动定位装置具有如图4(b)所示类型的结构时，3组夹具全部具有如图1(b)所示的V形槽108a，作成各个夹具独立地受上述Z轴驱动机构驱动的结构。当然，即使在这种场合下，3组夹具也配置成3条V形槽的延长线交叉于一点。无论怎样，3组夹具10～12中的上部构件110是同样的构件，如果将3组夹具10～12的上下方向的移动量都设成相同，则成为平移动作；使移动量有差异，则成为倾斜动作。
如上所述，本发明能提供一种带倾斜功能的Z轴驱动定位装置，使运动学的夹具(所谓开耳芬夹具)刚性化，能进行Z轴方向的平移和倾斜动作，并且，即使有水平方向或上下方向的加速度作用，也会消除位置偏移。上述的Z轴驱动机构只不过是一个例子，本发明并不局限于滑动楔块的方式，也可以用简单的汽缸或滚珠丝杠等公知的驱动机构实现。
而且，可根据不同情况，也可以将上部侧和下部侧的位置关系上下颠倒地构成。
如上所述，将由3轴构成的垂直方向驱动定位装置设置在X-Y载物台的X轴工作台或Y轴工作台上，就能构成可以沿着X-Y-Z等3个轴向移动的载物台装置。这时，基底构件50就成为X工作台或Y轴工作台。
如果采用本发明，能提供一种夹紧装置，使运动学的夹具、即所谓开耳芬夹具中的上部侧和下部侧刚性化，能进行Z轴方向的平移和倾斜动作，并且，即使有水平方向或上下方向的加速度作用，也会消除位置偏移。
如果采用本发明，还能提供一种设置着具有上述效果的夹紧装置的带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置。

Claims (7)

1.一种夹紧装置，其特征在于，
设有多组由放置在支承构件上的球和夹紧轴组成的组合，该夹紧轴在下部具有该球的接受部，并使该接受部与上述球的上部相接触；
上述夹紧轴由上述接受部和由此开始向上方延伸的轴部构成；
以使上述轴部可倾斜地在上方突出的状态，在上述支承构件侧固定用于保持上述球和上述夹紧轴的组合的支座；
介于上述接受部和上述支座之间，设有将该接受部向下方推压的弹簧构件。
2.如权利要求1所述的夹紧装置，其特征在于，
上述球和上述夹紧轴的组合是3组，第1组的第1球被收容在设于第1支承构件上的由角锥或圆锥形成的凹部中；第2组的第2球被收容在按预先确定的方向延伸地设置在上述第2支承构件上的V形槽中；第3组的第3球被放置在第3支承构件的平面上。
3.如权利要求1所述的夹紧装置，其特征在于，
上述球和上述夹紧轴的组合是3组，第1组的第1球被收容在设置于第1支承构件上的第1V形槽中；第2组的第2球被收容在设置于第2支承构件上的第2V形槽中；第3组的第3球被收容在设置于第3支承构件上的第3V形槽中，上述第1～第3支承构件具有使上述第1～第3V形槽的延长线交叉于一点的结构。
4.如权利要求2或3所述的夹紧装置，其特征在于，
上述第1～第3组的轴部分别安装在相同的上部构件上，并且，设有能使上述第1～第3支承构件各自独立地上下移动的第1～第3支承机构，由此能使上述上部构件进行上下方向的动作和倾斜动作。
5.如权利要求2或3所述的夹紧装置，其特征在于，
上述第1～第3组的轴部分别安装在相同的上部构件上，并且，上述第1～第3支承构件由一个共同的支承构件构成。
6.一种带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置，设有如权利要求4所述的夹紧装置，其特征在于，
在基底构件上设有第1～第3驱动机构。
7.如权利要求6所述的带倾斜功能的垂直方向驱动定位装置，其特征在于，
设有作为上述第1～第3驱动机构的滑动楔块机构。
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