CN201500885U - 超精密机床 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种五轴控制的超精密机床,其是主要结构部分相对于加工点完全对称的结构,使热位移引起的误差最小。在底座(1)的上表面,在X轴方向的两侧,相隔X轴滑块(3)固定一对Y轴引导部件(41、41),引导Y轴滑块(4、4),使其能朝向与X轴垂直相交的水平的Y轴方向移动。Y轴线性电动机(42、42)、Y轴引导部件(41、41)配置在Y轴滑块(4、4)的质心,因此能够使振动、定位误差最小,从而可朝向Y轴方向驱动Y轴滑块(4)。

Description

超精密机床
技术领域
本实用新型涉及机床,尤其涉及五轴控制的超精密机床。更为具体的是,涉及用于机械加工由微米级别的结构体、曲面构成、表面粗糙度为纳米级别的工件的超精密机床。
背景技术
在光学、生物工程学、电子学、机械电子学等领域,使用导光板、微针阵列、微型通路、微角锥棱镜阵列回归反射器、透镜阵列等精密部件。这些精密部件由微米级别的结构体、曲面构成,要求纳米级别的表面粗糙度。这些部件几乎都为塑料、玻璃模制品,因此需要用于量产这些部件的模具。
对这种模具进行机械加工时,需要以纳米级别控制工具、工件的位置的超精密机床。专利文献1所公开的超精密机床,通过线性电动机和静压空气轴承,以非接触地驱动工作台、加工头,利用非接触式线性编码器,检测工作台、加工头的位置。并且,在相对于工作台、加工头的中心对称的位置,配置有一对线性电动机,通过从相等距离驱动工作台、加工头的质心(重心),实现纳米级别的加工精度。
但是,专利文献1的机床,其工作台、加工头相对于加工点不对称地进行配置,因此有可能产生加工台、加工头的热位移引起的加工误差。并且,加工台悬垂地支承在立柱上,因此工具与工件之间的力循环的长度变长,各部件的弹性变形会被积蓄,从而在工具与工件之间产生运动误差。
专利文献1:美国专利第6870286号说明书
实用新型内容
本实用新型的目的在于,提供一种五轴控制的超精密机床,其是主要结构部分相对于加工点完全对称的结构,使热位移引起的误差最小。
本实用新型的另一目的在于,提供一种从离移动台质心距离相等的位置驱动全部的五个轴,使振动及定位误差最小的五轴控制的超精密机床。
本实用新型的又一目的在于,提供一种工具与工件之间的力循环的长度的短,使各部分弹性变形的影响最小的五轴控制的超精密机床。
本实用新型的又一目的在于,提供一种使构成热源的电动机远离切削区域,并且均匀地进行配置,使热变形均匀,从而使热位移引起的误差最小的五轴控制的超精密机床。
本实用新型的又一目的在于,提供一种通过振动分离结构支承机床底座使地面振动的影响最小的五轴控制的超精密机床。
上述课题通过以下方案解决。
即,第一实用新型的超精密机床,其特征在于,包括:
底座;
X轴滑块3,设在所述底座上,能够朝向水平的X轴方向移动;
一对X轴引导部件31,配置在所述底座上相对于所述X轴滑块的质心对称的位置上,引导所述X轴滑块,使其能朝向X轴方向移动;
一对X轴线性电动机32,配置在所述底座上相对于所述X轴滑块的质心对称的位置上,朝向X轴方向驱动所述X轴滑块;
放置工件的工作台33,搭载在所述X轴滑块上;
一对Y轴滑块4,分别在所述底座上相隔所述X轴滑块配置在X轴方向的两侧,并且设置成能够朝向与所述X轴垂直相交的水平的Y轴方向移动;
一对Y轴引导部件41,分别在所述底座上相隔所述X轴滑块配置在X轴方向的两侧,引导所述Y轴滑块,使其能朝向Y轴方向移动;
一对Y轴线性电动机42,在所述底座上相隔所述X轴滑块,在X轴方向的两侧配置在相对于所述Y轴滑块的质心对称的位置上,朝向Y轴方向驱动所述Y轴滑块;
一对Z轴滑块5,能够朝向同时与所述X轴和Y轴垂直相交的垂直的Z轴方向移动地,分别设在所述一对Y轴滑块上;
两对Z轴引导部件51,分别在所述一对Y轴滑块上,配置在相对于所述Z轴滑块的质心对称的位置上,引导所述一对Z轴滑块,使其能朝向Z轴方向移动;
两对Z轴线性电动机52,分别在所述一对Y轴滑块上,配置在相对于所述Z轴滑块的质心对称的位置上,朝向Z轴方向驱动所述一对Z轴滑块;
主轴头支承梁6,其X轴方向的两端分别轴支承在所述Z轴滑块上,且能以与X轴平行的A轴为中心旋转分度;和
主轴头61,安装在所述主轴头支承梁的X轴方向的中央位置,具有保持工具的主轴。
第二实用新型的超精密机床,在第一实用新型的超精密机床中,其特征在于,所述工作台为能够以与Z轴平行的C轴为中心旋转分度地被轴支承的C轴工作台。
第三实用新型的超精密机床,在第一或第二实用新型的超精密机床中,其特征在于,在所述主轴头支承梁上安装有平衡重,该平衡重补偿主轴头支承梁及主轴头质量相对于所述A轴中心轴线的不平衡。
第四实用新型的超精密机床,在第一或第二实用新型的超精密机床中,其特征在于,所述X轴引导部件、Y轴引导部件、Z轴引导部件、C轴工作台的轴支承部、主轴头支承梁的轴支承部由静压空气轴承构成。
第五实用新型的超精密机床,在第一或第二实用新型的超精密机床中,其特征在于,所述C轴工作台的旋转分度及主轴头支承梁的旋转分度,由直接驱动电动机进行。
第六实用新型的超精密机床,在第一或第二实用新型的超精密机床中,其特征在于,包括:支承所述底座的上部框架;配置在地面上并支承所述上部框架的下部框架;和气压控制的除振装置,夹在所述上部框架与下部框架之间,用于降低从地面传递给底座的振动。
第七实用新型的超精密机床,在第一或第二实用新型的超精密机床中,其特征在于,所述底座由花岗岩形成,所述X轴引导部件、所述Y轴引导部件及所述Z轴引导部件的原材料为氧化铝陶瓷。
本实用新型的超精密机床,由于其是X轴方向、Y轴方向的主要结构部分相对于加工点完全对称的结构,主要结构部分由花岗岩、氧化铝陶瓷等无机物形成,因而热位移引起的误差最小,从而能够对纳米级别的工件进行高精度的机械加工。并且,本实用新型实施方式的超精密机床,由于对X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴的全部五个轴,在质心进行驱动,因而能够使振动、定位误差最小。
附图说明
图1为表示本实用新型实施方式的超精密机床的整体透视图。
图2为表示支承图1的超精密机床的底座的上部框架与下部框架的透视图。
符号说明:
1      底座
11     辅助底座
21     上部框架
211    支承衬垫
212    支承架
22     下部框架
221    调平装置
23   除振装置
3    X轴滑块
31   X轴引导部件
32   X轴线性电动机
321  固定元件
322  活动元件
33   C轴工作台
34   X轴线性编码器
341  读取头
342  安装块
343  标尺
4    Y轴滑块
41   Y轴引导部件
42   Y轴线性电动机
421  固定元件
422  活动元件
44   Y轴线性编码器
441  读取头
442  安装块
443  标尺
5    Z轴滑块
51    Z轴引导部件
52    Z轴线性电动机
521   固定元件
522   活动元件
54    Z轴线性编码器
541   读取头
543   标尺
6     主轴头支承梁
61    主轴头
62    平衡重
63    工具
具体实施方式
以下,参照附图,对用于实施本实用新型的优选方式进行说明。图1为表示本实用新型实施方式的超精密机床的整体透视图。图2为表示支承图1的超精密机床的底座的上部框架与下部框架的透视图。
如图1、图2所示,支承本实用新型实施方式的超精密机床的矩形形状的底座1的原材料为热膨胀系数小的花岗岩。底座1,如在图2详细表示,放置在上部框架21上,该上部框架21放置在配置于地面上的下部框架22上。上部框架21与下部框架22将截面形状呈矩形的管材(内部中空的管材)焊接而形成。在下部框架22的四个角的下表面,配置调平装置221,由此用四个部位将下部框架22支承在地面上。调平装置221用于调节下部框架22的上下方向的高度,其由调平座和调平螺栓构成。
在底座1与上部框架21之间,在三个部位配置由橡胶制成的支承衬垫211,其将底座1支承在上部框架21上,防止底座1的扭转。在上部框架21上,在上部框架21的四个角上一体形成支承架212,支承架212从上部框架21的上表面朝向上方侧突出。
在该四个部位的支承架212的下表面与下部框架22的上表面之间,在四个部位配置除振装置23。除振装置23具有与控制器连接的振动传感器和气压促动器。振动传感器检测振动,将输出信号发送给控制器,利用控制器的驱动信号驱动气压促动器,抵消振动,从而减少从地面传递给底座1的振动。
如在图1详细表示,在底座1的水平的上表面,放置有可朝向水平的X轴方向移动的X轴滑块3。X轴滑块3具有朝向与X轴垂直相交的水平的Y轴方向拉长延伸的矩形形状。在底座1的上表面,固定有一对X轴引导部件31、31。X轴引导部件31、31配置在相对于X轴滑块3的质心对称的Y轴方向的位置,引导X轴滑块3,使其能朝向X轴方向移动。
在图1中,只表示一对X轴引导部件31、31中的跟前侧的一个X轴引导部件31,而另一个X轴引导部件31没有表示。X轴引导部件31,如图所示,由截面形状呈矩形的氧化铝陶瓷形成。在X轴引导部件31中,只有X轴引导部件31下表面的一部分与底座1的上表面接触,以能够在矩形的X轴引导部件31的四个侧面上形成X轴引导面。氧化铝陶瓷由于热膨胀系数小,因此能够使由X轴引导部件31的热位移引起的误差最小。
在X轴滑块3与X轴引导面之间的轴承间隙,供给调整压力的加压空气,从而构成静压空气轴承。朝向X轴方向驱动X轴滑块3的一对X轴线性电动机32、32,设在相对于X轴滑块3的质心对称的位置的、X轴引导部件31的Y轴方向的外侧。截面形状呈U字形的X轴线性电动机32的固定元件321在X轴引导部件31的Y轴方向的外侧,与X轴引导部件31平行地固定在底座1的上表面。
在固定元件321与底座1的上表面之间,夹设有用于将固定元件321固定在底座1上的固定元件台。在固定元件321上,朝向X轴方向排列有多个磁铁列。作为板状部件的活动元件322,与X轴引导部件31平行地配置在X轴滑块3的Y轴方向的外侧侧面,并进行固定。活动元件322具有与固定元件321的磁铁列相对排列的线圈列。在图1中,只表示一对X轴线性电动机32、32中跟前侧的一个X轴线性电动机32,而另一个X轴线性电动机32没有表示。
在X轴滑块3上,能够旋转分度地轴支承有放置工件的C轴工作台33。C轴工作台33能以与垂直(铅直)的Z轴平行的C轴为中心旋转分度的方式轴支承。在C轴工作台33的轴支承部(未图示)上,供给有调整压力的加压空气,从而构成静压空气轴承。并且,C轴工作台33的旋转分度,由直接驱动电动机(未图示)进行。静压空气轴承及直接驱动电动机的结构、功能对机床领域的技术人员是公知的技术,并且也不是本实用新型的主旨,因此省略其说明。
一对X轴线性电动机32、32及一对X轴引导部件31、31,由于配置在相对于X轴滑块3的质心对称的位置,因而能够使振动、定位误差最小,从而朝向X轴方向驱动X轴滑块3。并且,X轴线性电动机32、X轴引导部件31以完全非接触的方式朝向X轴方向驱动X轴滑块3,因此能够无侧隙误差地进行平稳的驱动。
检测X轴滑块3的X轴方向位置的一对X轴线性编码器34、34的读取头341、341,固定在安装块342、342上。安装块342、342在X轴线性电动机32、32的Y轴方向的外侧,固定在底座1的上表面。标尺343、343,与X轴引导部件31、31平行地固定在X轴滑块3的Y轴方向的外侧上表面。在标尺343、343上,朝向X轴方向以相同的间距形成有多个格子刻度。
各个读取头341具有朝向标尺343照射光的发光元件和检测来自标尺343的反射光的受光元件,根据反射光的光量变化,以非接触式读取标尺343的格子刻度。在图1中,只表示一对X轴线性编码器34中跟前侧的一个X轴线性编码器34,而另一个X轴线性编码器34则进行了省略。
在底座1的上表面,相隔X轴滑块3,在X轴方向的两侧,通过固定台固定有一对Y轴引导部件41、41。在这种各Y轴引导部件41、41上,分别以移动自如地搭载并固定有移动台411。在该移动台411、411上,分别搭载Y轴滑块4、4。移动台411引导Y轴滑块4、4,使其能朝向与X轴垂直相交的水平的Y轴方向移动。如图1所示,在移动台411的侧面,由小螺钉固定有Y轴连接板412的一端,Y轴连接板412的另一端同样由小螺钉固定在另一个移动台411的侧面。因此,由于两个移动411、411相互连接在一起,所以两个Y轴滑块4、4能够在Y轴引导部件41、41上同步移动。Y轴滑块4、4,以X轴方向的宽度窄,并且朝向Y轴方向及Z轴方向拉长延伸的方式形成。
Y轴引导部件41、41,其截面形状呈矩形,原材料由氧化铝陶瓷形成。在Y轴引导部件41、41中,只有Y轴引导部件41、41的下表面的一部分、即仅仅其两端与底座1的上表面接触,以能够在Y轴引导部件41、41的四个侧面上形成Y轴引导面。在Y轴滑块4、4与Y轴引导面之间的轴承间隙,供给调整压力的加压空气,从而构成静压空气轴承。朝向Y轴方向驱动Y轴滑块4、4的一对Y轴线性电动机42、42,设在Y轴引导部件41、41的X轴方向的外侧。
Y轴线性电动机42、42,在其上部具有固定元件421、421,该固定元件421、421具有截面形状呈U字形的槽。固定元件421、421在Y轴引导部件41、41的X轴方向的外侧,并且与Y轴引导部件41、41平行地,固定在辅助底座11、11上。安装在底座1上表面的辅助底座11、11的原材料为花岗岩。在固定元件421、421上,朝向Y轴方向排列有多个磁铁列。
活动元件422、422的上部,在Y轴滑块4、4的X轴方向的外侧面,与Y轴引导部件41、41平行地固定在Y轴滑块4、4的质心位置。该活动元件422、422的下部,插入固定元件421、421的U字形的槽中。活动元件422、422具有与固定元件421、421的磁铁列相对排列的线圈列。在图1中,只表示一对Y轴线性电动机42、42中跟前侧的一个Y轴线性电动机42,而另一个Y轴线性电动机42的大部分没有图示。
Y轴线性电动机42、42,配置在相对于结合两个Y轴滑块4、4的质心对称的位置上,并且分别同步使Y轴滑块4、4驱动,因此能够使振动、定位误差最小,从而朝向Y轴方向驱动Y轴滑块4。并且,Y轴线性电动机42、Y轴引导部件41以完全非接触的方式朝向Y轴方向驱动Y轴滑块4,因此能够无侧隙误差地进行平稳的驱动。
检测Y轴滑块4的Y轴方向位置的Y轴线性编码器44的读取头441、441,分别固定在安装块442、442上。安装块442、442在Y轴线性电动机42、42的外侧,分别固定在辅助底座11、11的上表面。标尺443与Y轴引导部件41平行地固定在Y轴滑块4的X轴方向的外侧面。
在标尺443上,朝向Y轴方向以相同间距形成有多个格子刻度。读取头441具有朝向标尺443照射光的发光元件和检测来自标尺443的反射光的受光元件,根据反射光的光量变化,以非接触式读取标尺443的格子刻度。在图1中,表示一对Y轴线性编码器44、44中跟前侧的一个Y轴线性编码器44,而另一个Y轴线性编码器44没有图示。
在Y轴滑块4、4上,以能够朝向同时与X轴和Y轴垂直相交的垂直的Z轴方向移动的方式,分别配置有Z轴滑块5、5。在Y轴滑块4、4上,分别固定有一对Z轴引导部件51、51。Z轴引导部件51、51配置在相对于Z轴滑块5的质心在Y轴方向上对称的位置,引导Z轴滑块5,使其能朝向Z轴方向移动。
两对Z轴引导部件51、51由截面形状呈矩形的氧化铝陶瓷形成。在Z轴引导部件51、51中,只有Z轴引导部件51两端的一部分与Y轴滑块4、4的X轴方向的内侧面接触,以能够在各个Z轴引导部件51的四个侧面上形成Z轴引导面。在Z轴滑块5与Z轴引导面之间的轴承间隙,供给调整压力的加压空气,从而构成静压空气轴承。朝向Z轴方向驱动Z轴滑块5的一对Z轴线性电动机52、52,设在相对于Z轴滑块5的质心对称的位置的、Z轴引导部件51的Y轴方向的外侧。
Z轴线性电动机52、52的固定元件521、521具有截面形状呈U字形的槽。该固定元件521、521在Z轴引导部件51、51的Y轴方向的外侧,与Z轴引导部件51、51平行地固定在Y轴滑块4、4的X轴方向的内侧面。在固定元件521、521上,朝向Z轴方向排列有多个磁铁列。活动元件522、522在Z轴滑块5的Y轴方向的外侧的内侧面,与Z轴引导部件51、51平行地固定在相对于Z轴滑块5的质心对称的位置。
活动元件522、522的一端具有与固定元件521、521的磁铁列相对排列的线圈列,该活动元件522、522的另一端插入截面形状呈U字形的槽中。在图1中,只有内侧的Z轴滑块5右侧的Z轴线性电动机52同时表示固定元件521和活动元件522,而另一个Z轴线性电动机52只表示固定元件521。
Z轴线性电动机52、52及Z轴引导部件51、51,配置在相对于Z轴滑块5的质心对称的位置,因此能够使振动、定位误差最小,从而朝向Z轴方向驱动Z轴滑块5。并且,Z轴线性电动机52、Z轴引导部件51,以完全非接触的方式朝向Z轴方向驱动Z轴滑块5,因此能够无侧隙误差地进行平稳的驱动。
检测Z轴滑块5的Z轴方向位置的Z轴线性编码器54的读取头541,分别固定在Z轴滑块5的Y轴方向外侧的内侧面的两侧。标尺543与Z轴引导部件51平行地固定在Y轴滑块4的X轴方向的内侧面。
在标尺543上,朝向Z轴方向以相同的间距形成有多个格子刻度。读取头541具有朝向标尺543照射光的发光元件和检测来自标尺543的反射光的受光元件,根据反射光的光量变化,以非接触式读取标尺543的格子刻度。在图1中,只表示内侧的Z轴滑块5左侧的Z轴线性电动机54,而另一个Z轴线性电动机54没有图示。
主轴头支承梁6的X轴方向的两端分别轴支承在Z轴滑块5、5上,且能以与X轴平行的A轴为中心旋转分度。在Z轴滑块5、5的A轴的轴支承部上,分别供给调整压力的加压空气,从而构成静压空气轴承。并且,Z轴滑块5、5的A轴的旋转分度,由各个直接驱动电动机进行。
在主轴头支承梁6的X轴方向的中央位置,安装有主轴头61。主轴头61具有可旋转的主轴,以空气涡轮方式对其旋转驱动。利用安装在主轴头61的主轴前端上的工具63,对安装在C轴工作台33上的工件进行加工。在主轴头支承梁6的X轴方向的两端,安装有平衡重62、62,以补偿相对A轴的中心轴线的主轴头支承梁6及主轴头61的不平衡。在图1中,只表示内侧的平衡重62,另一个平衡重62则进行了省略。
进行A轴旋转分度的直接驱动电动机,配置在相对于主轴头支承梁6及主轴头61的质心对称的位置,因此能够使振动、定位误差最小,从而进行以主轴头支承梁6的A轴为中心的旋转分度。并且,A轴的轴支承部为静压空气轴承,A轴的旋转分度由直接驱动电动机以完全非接触的方式进行,因此能够无侧隙误差地进行平稳的驱动。
如上所述,本实用新型实施方式的超精密机床,其是X轴方向、Y轴方向的主要结构部分相对于加工点完全对称的结构。并且,主要结构部分由花岗岩、氧化铝陶瓷等无机材料形成,因此热位移引起的误差最小,能够对纳米级别的工件进行高精度的机械加工。
并且,本实用新型实施方式的超精密机床,由于对X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴的全部五个轴,在质心进行驱动,因而能够使振动、定位误差最小。另外,本实用新型实施方式的超精密机床,由于主轴头、工作台的悬垂量小,因而工具与工件之间的力循环的长度短,从而能够使各部分的弹性变形的影响最小。
并且,本实用新型实施方式的超精密机床,使构成热源的X轴线性电动机、Y轴线性电动机、Z轴线性电动机、A轴的旋转分度用直接驱动电动机远离切削区域,并且均匀地进行配置,因此热变形均匀,从而能够使热位移引起的误差最小。

Claims (7)

1.一种超精密机床,其特征在于,包括:
底座;
X轴滑块(3),设在所述底座上,能够朝向水平的X轴方向移动;
一对X轴引导部件(31),配置在所述底座上相对于所述X轴滑块的质心对称的位置上,引导所述X轴滑块,使其能朝向X轴方向移动;
一对X轴线性电动机(32),配置在所述底座上相对于所述X轴滑块的质心对称的位置上,朝向X轴方向驱动所述X轴滑块;
放置工件的工作台(33),搭载在所述X轴滑块上;
一对Y轴滑块(4),分别在所述底座上相隔所述X轴滑块配置在X轴方向的两侧,并且设置成能够朝向与所述X轴垂直相交的水平的Y轴方向移动;
一对Y轴引导部件(41),分别在所述底座上相隔所述X轴滑块配置在X轴方向的两侧,引导所述Y轴滑块,使其能朝向Y轴方向移动;
一对Y轴线性电动机(42),在所述底座上相隔所述X轴滑块,在X轴方向的两侧配置在相对于所述Y轴滑块的质心对称的位置上,朝向Y轴方向驱动所述Y轴滑块;
一对Z轴滑块(5),能够朝向同时与所述X轴和Y轴垂直相交的垂直的Z轴方向移动地,分别设在所述一对Y轴滑块上;
两对Z轴引导部件(51),分别在所述一对Y轴滑块上,配置在相对于所述Z轴滑块的质心对称的位置上,引导所述一对Z轴滑块,使其能朝向Z轴方向移动;
两对Z轴线性电动机(52),分别在所述一对Y轴滑块上,配置在相对于所述Z轴滑块的质心对称的位置上,朝向Z轴方向驱动所述一对Z轴滑块;
主轴头支承梁(6),其X轴方向的两端分别轴支承在所述Z轴滑块上,且能以与X轴平行的A轴为中心旋转分度;和
主轴头(61),安装在所述主轴头支承梁的X轴方向的中央位置,具有保持工具的主轴。
2.如权利要求1所述的超精密机床,其特征在于,所述工作台为能够以与Z轴平行的C轴为中心旋转分度地被轴支承的C轴工作台。
3.如权利要求1或2所述的超精密机床,其特征在于,在所述主轴头支承梁上安装有平衡重,该平衡重补偿主轴头支承梁及主轴头质量相对于所述A轴中心轴线的不平衡。
4.如权利要求1或2所述的超精密机床,其特征在于,所述X轴引导部件、Y轴引导部件、Z轴引导部件、C轴工作台的轴支承部、主轴头支承梁的轴支承部由静压空气轴承构成。
5.如权利要求1或2所述的超精密机床,其特征在于,所述C轴工作台的旋转分度及主轴头支承梁的旋转分度,由直接驱动电动机进行。
6.如权利要求1或2所述的超精密机床,其特征在于,包括:
支承所述底座的上部框架;
配置在地面上并支承所述上部框架的下部框架;和
气压控制的除振装置,夹在所述上部框架与下部框架之间,用于降低从地面传递给底座的振动。
7.如权利要求1或2所述的超精密机床,其特征在于,所述底座由花岗岩形成,所述X轴引导部件、所述Y轴引导部件及所述Z轴引导部件的原材料为氧化铝陶瓷。
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