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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Linearantriebseinheit mit einem Linearmotor, welcher mit einer Spule und mit einem Magneten ausgestattet ist, und betrifft eine Werkzeugmaschine mit einer Linearantriebseinheit.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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5 zeigt schematisch ein Strukturbeispiel eines herkömmlichen Linearmotors. Ein Linearmotor 100 besitzt einen Stator 106, welcher durch Anordnen von Magneten 102 auf einem Magnetkern 104 gebildet wird, und ein sich bewegendes Element (oder eine Spule) 112, welches durch Aufwickeln eines dreiphasigen Wicklungsdrahtes 110 auf einem Spulenkern 108 gebildet wird, wobei eine Schubkraft in eine Richtung, gekennzeichnet durch den Pfeil 114, durch Strom, welcher durch den Wicklungsdraht 110 fließt, erzeugt wird. Allgemein ist die Spulenseite als ein beweglicher Teil konfiguriert und die Magnetseite ist als ein feststehender Teil konfiguriert. Die Magneten sind in der Schubkraftrichtung gefluchtet, so dass N-Pole und S-Pole abwechselnd über eine Länge positioniert sind, welche die Summe der Länge der Spule in der Schubkraftrichtung und eines beweglichen Bereichs (oder einer Hublänge) der Spule ist.
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6 zeigt eine schematische Konfiguration einer Linearantriebseinheit 120 gemäß dem Stand der Technik, an welcher der herkömmliche Linearmotor, wie in 5 gezeigt, angebracht ist, betrachtet in der Schubkraftrichtung des Linearmotors. Die Spule 112 ist an einem Schieber (oder einem beweglichen Teil) 122 befestigt und der Stator 106 ist an einer Basis (oder einem feststehenden Teil) 124 befestigt. Der Schlitten 122 wird von der Basis 124 über ein Lager 126 getragen, so dass der Schlitten nur in der Schubkraftrichtung bewegbar ist. Daher wird in der Linearantriebseinheit 120 ein Abstand (oder ein magnetischer Spalt ”g”) zwischen Spule 112 und Stator 106 (Magnet 102) im Vorhinein als ein konstanter Wert bestimmt.
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Der magnetische Spalt ist ein wichtiger Faktor, welcher die Leistung des Linearmotors beeinflusst. Wenn die Größenordnung des magnetischen Spalts verändert wird, wird die Leistung (oder die Schubkraft) des Linearmotors stark verändert. Das Dokument der verwandten Technik
JP 2003-250258 A offenbart einen Linearmotor, wobei ein bewegbares Element
12 konfiguriert ist, um sich relativ zu einem bewegbaren Teil (oder einem Tisch
2) in der vertikalen Richtung zu verschieben.
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Im herkömmlichen Linearmotor, wie in 5 gezeigt, wird angemerkt, dass die Schubkraft sich stark auf Grund einer Veränderung im Abstand (magnetischer Spalt ”g”) zwischen Spule 112 und Magnet 102 verändert, auch wenn die Größenordnung des Stroms in der Spule 112 nicht verändert wird. Des Weiteren ist im Linearmotor mit dem Spulenkern 108, wie in 5 gezeigt, eine magnetische Flussdichte des Magneten 102 durch seine Anordnung unterschiedlich und folglich eine magnetische Anziehungskraft, welche zwischen Spule 108 und Magnet 102 erzeugt wird, wenn der Antrieb des Motors verändert wird (d. h. Polrucken oder Cogging tritt auf). Wenn der magnetische Spalt ”g” verringert wird, wird die Schubkraft erhöht und das Polrucken wird ebenfalls vergrößert. Andererseits wird, wenn der magnetische Spalt ”g” vergrößert wird, die Schubkraft herabgesetzt und das Polrucken wird verringert.
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In einem Linearmotor, welcher für eine Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine usw. eingesetzt wird, in der eine Vorschubgenauigkeit erforderlich ist, um Verschlechterung in der geraden Ausrichtung einer Vorschubachse auf Grund von Polrucken zu vermeiden, wird der magnetische Spalt auf einen relativ großen Wert gesetzt, um so die Schubkraft herabzusetzen. Andererseits kann bei Verwenden einer Spule, welche keinen Kern aufweist (d. h. eine kernlose Spule), prinzipiell überhaupt kein Polrucken auftreten.
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Jedoch ist das Polrucken begrenzt, wenn der magnetische Spalt erhöht oder die kernlose Spule eingesetzt wird, wohingegen die Schubkraft des Linearmotors verringert wird. Daher ist es notwendig, um eine große Schubkraft zu erzielen, große Ströme an die Spule anzulegen. In diesem Fall kann auf Grund der erzeugten Wärme der Spule die Maschingenauigkeit des Linearmotors der Werkzeugmaschine mit dem Linearmotor verschlechtert werden. Allgemein braucht es, da eine Wärmekapazität der Werkzeugmaschine relativ hoch ist, Zeit, dass die Temperatur der Werkzeugmaschine auf das normale Niveau zurückkehrt, nachdem die Temperatur verändert (erhöht) worden ist. Ferner kann als eine Maßnahme zum Vermeiden des obigen Problems ein Kühlmechanismus in die Werkzeugmaschine eingebaut werden. Jedoch wird, da es für die Position des Kühlmechanismus unmöglich ist, völlig mit der Position der Wärmequelle übereinzustimmen, eine Temperaturverbreitung in der Werkzeugmaschine in jedem Fall erzeugt.
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In der Erfindung
JP 2003-250258 A ist das sich bewegende Element
12 konfiguriert, um relativ zu Tisch
2 zu gleiten. Es ist beabsichtigt, dass die Dicke D des Stators
11 und die Dicke R des bewegbaren Elements
12 vernachlässigbar sind, wenn der Abstand (oder der Luftspalt) zwischen Stator
11 und bewegbarem Element
12 eingestellt wird, in Bezug auf den Einfluss des relativ schweren Tisches
2 und der Positionsbeziehung zwischen Tisch
2 und Maschinenbett
1 in der vertikalen Richtung, auch wenn das sich bewegende Element während des Einsatzes vibriert. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird in
JP 2003-250258 A die Größenordnung des Luftspalts durch die zweite Schiene
7 und die zweite Gleitbahn
9 bestimmt und es wird nicht vorgeschlagen, dass die Größenordnung des Luftspalts absichtlich verändert wird.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Folglich ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Linearantriebseinheit und eine Werkzeugmaschine mit der Linearantriebseinheit bereitzustellen, welche in der Lage ist, für verschiedene Anwendungen vorgesehen zu sein, während sie die Balance zwischen der Schubkraft und dem Polrucken eines Linearmotors berücksichtigt.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine lineare Antriebseinheit mit einem Linearmotor bereits, welcher mit einem Magneten und einer Spule mit einem Spulenkern aufgebaut ist, wobei ein sich bewegender Teil konfiguriert ist, um sich linear relativ zu einem feststehenden Teil über ein Lager zu bewegen, wobei die Linearantriebseinheit einen Magnetspaltveränderungsmechanismus umfasst, welcher konfiguriert ist, um eine Größenordnung eines magnetischen Spalt zwischen der Spule und dem Magneten durch Versetzen der Spule und/oder des Magneten zu verändern, so dass die Spule und der Magnet einander näher kommen oder sich voneinander entfernen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetspaltveränderungsmechanismus ein Stellglied, welches elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angetrieben ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetspaltveränderungsmechanismus konfiguriert, um die Spule relativ zum Magneten zwischen einer ersten Position, wo der magnetische Spalt einen ersten Wert aufweist, und einer zweiten Position, wo der magnetische Spalt einen zweiten Wert aufweist, welcher größer ist als der erste Wert, zu positionieren und zu halten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Paar von Linearmotoren einander entgegengesetzt in eine Richtung des magnetischen Spalt angeordnet und die Größenordnungen des Magneten der magnetischen Spalte des Paares von Linearmotoren sind zueinander gleich.
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Wenn der Magnetspaltveränderungsmechanismus ein Stellglied ist, welches elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angetrieben ist, wird bevorzugt, dass die Spulen, die Magneten und die Stellglieder in dem Paar von Linearmotoren jeweils symmetrische Strukturen aufweisen und die Stellglieder konfiguriert sind, um die Größenordnungen der Magnetspalte um das gleiche Ausmaß des Versatzes gleichzeitig zu verändern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lager ein hydrostatisches Luftlager.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Werkzeugmaschine bereit, welche wenigstens eine lineare Antriebseinheit umfasst, wie sie in Anspruch 1 dargestellt ist, wobei die Werkzeugmaschine eine Mehrzahl von Verarbeitungsmodi aufweist, wobei die Größenordnungen der Magnetspalte jeweils unterschiedlich sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen derselben mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen augenscheinlich gemacht, wobei:
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1 eine Ansicht einer schematischen Konfiguration einer Linearantriebseinheit ist, welche einen Linearmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, der in einer Verfahrrichtung des Linearmotors betrachtet ist;
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2 eine Ansicht ist, welche einen Zustand zeigt, wobei die Größenordnung eines Magnetspalts in der Linearantriebseinheit aus 1 verändert wird;
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3 eine Ansicht einer schematischen Konfiguration einer linearen Antriebseinheit mit einem linearen Motor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, der in einer Verfahrrichtung des Linearmotors betrachtet ist;
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4 eine Ansicht ist, welche ein Strukturbeispiel zeigt, wobei die Linearantriebseinheit der Erfindung in einer Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine angewendet wird;
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5 eine Ansicht ist, welche schematisch eine Struktur eines Linearmotors nach dem Stand der Technik zeigt; und
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6 eine Ansicht einer schematischen Konfiguration einer Linearantriebseinheit mit einem Linearmotor nach dem Stand der Technik ist, welcher in einer Verfahrrichtung des Linearmotors betrachtet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 ist eine Ansicht einer schematischen Konfiguration einer Linearantriebseinheit 20, welche einen Linearmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, der in einer Verfahrrichtung des Linearmotors betrachtet ist. Die Linearantriebseinheit 20 weist einen Schieber (oder einen beweglichen Teil) 24 auf, an welchem eine Spule 20, die durch Aufwickeln eines Dreiphasen (U-, V- und W-Phase) Wicklungsdrahtes auf einen Spulenkern ausgebildet ist, befestigt ist; und eine Basis (einen feststehenden Teil) 32, an welchem einen Stator 30, der durch Anordnen eines Magneten 26 auf einem Magnetkern 28 ausgebildet ist, befestigt ist. Die Spule 22 und der Stator 30 stellen einen Hauptteil des Linearmotors dar. Der Schieber 24 wird von der Basis 32 über ein Schieberlager 34 getragen, so dass der Schieber 24 nur in die Richtung der Schubkraft des Linearmotors beweglich ist. Als Schieberlager 34 kann ein Kugellager, ein hydrostatisches Öllager oder ein hydrostatisches Luftlager eingesetzt werden. In dieser Hinsicht ist das hydrostatische Luftlager am besten, wie unten beschrieben.
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Die Konfigurationen von Spule (oder dem beweglichen Element) 22 und Stator 30 können gleich den herkömmlichen Spulen und Statoren sein und daher wird eine detaillierte Erklärung dazu weggelassen. Tatsächlich werden, um den Linearmotor anzutreiben, ein Servoverstärker, eine NC-Vorrichtung und ein Linearmaßstab verwendet, welche nicht dargestellt sind.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, weist die Linearantriebseinheit 20 einen Magnetspaltveränderungsmechanismus (in der dargestellten Ausführungsformen ein Luftzylinder) 36 auf, welche konfiguriert ist, um die Größenordnung eines Luftspalt zwischen Spule 22 und Magneten 26 (zum Beispiel von Spalt g1 in 1 zu Spalt g2 in 2 und umgekehrt) durch Bewegen von der Spule 22 und/oder des Magneten 26 (in der dargestellten Ausführungsform Spule 22) zu verändern, so dass Spule 22 und Magnet 26 sich einander annähern oder sich voneinander trennen. Der Luftzylinder 36 weist ein (oberes) Ende, welches am Schieber 24 (in der dargestellten Ausführungsform eine obere Fläche eines konkaven Abschnitts 37, welcher als Schieber 24 ausgebildet ist) und ein weiteres (unteres) Ende auf, welches an der Spule 22 befestigt ist. Aufgrund einer Antriebskraft des Zylinders 36 kann die Position der Spule 22 relativ zum Schieber 24 in der Spaltrichtung (in der dargestellten Ausführungsform in der vertikalen Richtung) variiert werden.
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Es wird bevorzugt, dass zwischen dem (der inneren Oberfläche des konkaven Abschnitts 37 des) Schieber(s) 24 und der Spule 22 ein Spulenlager 38 wie ein Schieberlager angeordnet ist, so dass die Bewegungsrichtung der Spule auf die Spaltrichtung beschränkt ist. Wenn jedoch der Luftzylinder 36 ein Lager mit ausreichender Steifigkeit umfasst, kann auch nur der Luftzylinder 36 die Spule 22 tragen, ohne dass ein Spulenlager 38 eingesetzt wird. Andererseits kann die Spule durch eine Mehrzahl von Luftzylindern getragen sein. Da normalerweise eine magnetische Anziehungskraft des Magneten 26, welcher die Spule 22 wirkt, hunderte von N (Newton) ausmachen kann, wird bevorzugt, dass der Luftzylinder 36 konfiguriert ist, um eine Antriebskraft größer als die magnetische Anziehungskraft zu erzeugen, um die Größenordnung des magnetischen Spalts zu verändern und beizubehalten. Da ferner die Steuerbarkeit des Linearmotors sich verschlechtert, auch wenn die Spule 22 während des Antreiben des Linearmotors nur geringfügig verändert wird, wird bevorzugt, dass der Luftzylinder 36 und das Spulenlager 38 eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um so die Position der Spule 22 beizubehalten.
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1 zeigt den Zustand, wobei der Luftzylinder 36 ausgefahren ist, d. h. die Spule 22 ist in einer ersten Position positioniert und die Größenordnung des magnetischen Spalts g1 ist relativ klein. Andererseits zeigt 2 den Zustand, in dem der Luftzylinder 36 eingefahren ist, d. h. Spule 22 ist in einer zweiten Position positioniert und die Größenordnung des magnetischen Spalts g2 ist größer als die Größenordnung des Spalts g1. Da die Größenordnung des magnetischen Spalts zunehmend ist, wird die Dichte des magnetischen Flusses aufgrund des Anstiegs im Abstand zwischen Spule 22 und Magneten 26 verringert, wobei die erzeugte Schubkraft des Linearmotors klein wird, auch wenn der gleiche Strom durch die Spule 22 fließt. Ferner wird die magnetische Anziehungskraft, welche an den Kern der Spule 22 angelegt wird, aufgrund der Abnahme in der Dichte des magnetischen Flusses verringert. Wenn die magnetische Anziehungskraft verringert wird, werden auch die Fluktuationen (Polrucken) der magnetischen Anziehungskraft aufgrund der Position des Schiebers 24 ebenfalls proportional zur Abnahme in der magnetischen Anziehungskraft verringert. Wenn das Polrucken verringert wird, wird die Geradlinigkeit, wenn der Schieber in die Richtung der Schubkraft bewegt wird, verbessert.
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Dementsprechend wird im Zustand in 2 die Schubkraft des Linearmotors aufgrund des relativ großen magnetischen Spalts g2 verringert, während die Geradlinigkeit des Schiebers 24 verbessert wird. Daher ist der große magnetische Spalt richtig, wenn die Linearantriebseinheit 20 für einen hoch präzisen Bearbeitungsvorgang wie eine Fertigbearbeitung eingesetzt wird. Andererseits wird, wie in 1 gezeigt, wenn die Größenordnung des magnetische Spalts g1 relativ klein ist, die Schubkraft des Linearmotors erhöht, während die Geradlinigkeit des Schiebers 24 verschlechtert wird. Daher ist der geringe magnetische Spalt richtig, wenn die Linearantriebseinheit 20 für eine Bearbeitung eingesetzt wird, welche kein präzises Positionieren, aber hohe Last erfordert. Zusätzlich liegt ein praktikabler magnetischer Spalt innerhalb eines Bereichs von 0,5 mm bis 5 mm. Wenn zum Beispiel g1 gleich 0,5 mm ist und g2 gleich 5 mm ist, ist die Schubkraft oder das Polrucken ungefähr fünffach so stark/schwach zwischen den Fällen g1 und g2.
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In der ersten Ausführungsform wird der Luftzylinder als der Magnetspaltveränderungsmechanismus zum Verändern der Größenordnung des magnetischen Spalts erklärt. Jedoch ist der Magnetspaltveränderungsmechanismus nicht auf das Stellglied wie den Luftzylinder unter Verwendung von pneumatischem Druck beschränkt. Zum Beispiel kann ein Stellglied, welches Strom verwendet, wie ein bidirektionaler Solenoid oder ein piezoelektrisches Element oder ein Stellglied, welches hydraulischen Druck verwendet, wie ein Hydraulikzylinder verwendet werden. Jedes der obigen Stellglieder kann die Spule 22 an wenigstens zwei Positionen anordnen und zurückhalten, d. h. an einer ersten Position (1), wo die Größenordnung des magnetischen Spalt ein relativ kleiner erster Wert (g1) ist, und an einer zweiten Position (2), wo die Größenordnung des magnetischen Spalts ein zweiter Wert (g2) ist, welcher größer als der erste Wert ist. Wenn der Hydraulikzylinder eingesetzt wird, kann die Position der Spule 22 relativ zum Magneten 26 zwischen der ersten und der zweiten Position durch Einstellen des Hydraulikdrucks im Hydraulikzylinder verändert und beibehalten werden. Andererseits kann, wenn der Luftzylinder oder der Solenoid eingesetzt werden, die Position der Spule 22 relativ zum Magneten 26 zwischen der ersten und der zweiten Position durch den Einsatz von zwei Luftzylindern oder Solenoiden mit unterschiedlichen Hüben verhindert und beibehalten werden.
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In der vorliegenden Erfindung kann das Stellglied nicht als der Magnetspaltveränderungsmechanismus eingesetzt werden und der magnetische Spalt kann manuell verändert werden. Mit anderen Worten gesagt, kann die Spule 22 konfiguriert sein, um relativ zum Magneten 26 in der Magnetspaltrichtung bewegt zu werden und die Spule 22 und der Schieber 24 können mit einem Mechanismus (ein Anschlag und eine Schraube usw.) vorgesehen sein, durch welchen die Position der Spule 22 manuell verändert und bestimmt werden kann. Dadurch kann die Größenordnung des magnetischen Spalts ohne Verwenden des Stellglieds wie den Luftzylinder 36 verändert werden. Zusätzlich ist auch das Merkmal, wobei das Stellglied als der Magnetspaltveränderungsmechanismus eingesetzt werden kann oder der Maschinführer manuell die Größenordnung des magnetischen Spalt ohne Verwendung des Stellglieds verändern kann, ebenfalls auf die folgenden Ausführungsformen anwendbar.
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Allgemein in Bezug auf die Verfahrensrichtung des Linearmotors ist die Abmessung des Magneten, welcher den Linearmotor aufbaut, länger als die Spule (d. h., die Abmessung des Magneten entspricht einer Summierung der Spulenlänge und der Hublänge). Daher wird bevorzugt, wenn die Größenordnung des magnetischen Spalts verringert werden sollte, dass nur die Spule bewegt wird, wie in der ersten Ausführungsform. Zusätzlich wird die Steuerbarkeit des Linearmotors verschlechtert, auch wenn die Spule nur leicht während des Antreibens des Linearmotors bewegt wird, während die magnetische Anziehungskraft hunderte von N (Newton) auch in einem Linearmotor von kleiner Abmessung ausmachen kann. Daher wird angestrebt, dass die Spule positioniert und festgehalten wird.
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3 ist eine Ansicht einer schematischen Konfiguration einer Linearantriebseinheit 40, welche einen Linearmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, betrachtet in einer Verfahrensrichtung des Linearmotors. Die Linearantriebseinheit 40 weist einen Schieber (oder einen beweglichen Teil) 44, an welchem wenigstens ein (in der dargestellten Ausführungsform ein) Paar von Spulen 42a und 42b, die durch Aufwickeln eines drei-phasigen (U-, V- und W-Phase) Wicklungsdrahtes auf jedem Spulenkern ausgebildet sind, befestigt sind; und eine Basis (oder ein feststehender Teil) 52 auf, an welcher wenigstens ein (in der dargestellten Ausführungsform ein) Paar von Statoren 50a und 50b, die durch Anordnen von Magneten 46a und 46b auf den jeweiligen Magnetkernen 48a und 48b ausgebildet sind, befestigt sind. Die Spulen 42a und 42b und die Statoren 50a und 50b stellen einen Hauptteil des Linearmotors dar. Der Schieber 44 wird durch die Basis 52 über ein Schieberlager 54 getragen, so dass der Schieber 44 nur in die Richtung der Schubkraft des Linearmotors beweglich ist. Als Schieberlager 54 kann ein Kugellager, ein hydrostatisches Öllager oder ein hydrostatisches Luftlager Verwendung finden. In dieser Hinsicht ist das hydrostatische Luftlager am besten, wie unten beschrieben.
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In der zweiten Ausführungsform ist ein Paar von Spulen 42a und 42b einander gegenüberliegend in der Magnetspaltrichtung (in der dargestellten Ausführungsformen in der horizontalen Richtung) oder in der Richtung senkrecht zur Verfahrensrichtung des Linearmotors positioniert. Ein Paar von Magneten 46a und 46b ist so positioniert, um den magnetischen Spalt g3 zwischen Magnet 46a und Spule 42a und den magnetischen Spalt g4 zwischen Magnet 46b und Spule 42b auszubilden.
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Die Konfiguration jeder Spule (oder des beweglichen Elementes) und jedes Stators kann gleich wie die herkömmliche Konfiguration Spule und Stator sein und folglich wird eine detaillierte Erklärung dazu weggelassen. Tatsächlich werden, um den Linearmotor anzutreiben, ein Servoverstärker, eine NC-Vorrichtung und ein linearer Maßstab verwendet, welche nicht dargestellt sind.
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Wie in 3 gezeigt, weist die Linearantriebseinheit 40 einen Magnetspaltveränderungsmechanismus (in der dargestellten Ausführungsform ein Luftzylinder) 56a auf, welcher konfiguriert ist, um die Größenordnung des Luftspalts g3 zwischen der Spule 42a und dem Magneten 46a durch Bewegen der Spule 42a und/oder des Magneten 46a (in der dargestellten Ausführungsform Spule 42a) zu verändern, so dass die Spule 42a und der Magnet 46a sich einander annähern oder voneinander getrennt werden. In gleicher Weise weist die Linearantriebseinheit 40 einen Magnetspaltveränderungsmechanismus (in der dargestellten Ausführungsform ein Luftzylinder) 56b auf, welcher konfiguriert ist, um die Größenordnung des Luftspalts g4 zwischen der Spule 42b und dem Magneten 46b durch Bewegen der Spule 42b oder des Magneten 46b (in der dargestellten Ausführungsform Spule 42b) zu verändern, so dass die Spule 42b und der Magnet 46b sich einander annähern oder voneinander getrennt werden.
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Der Luftzylinder 56a weist ein (oberes) Ende, welches am Schieber 44 (in der dargestellten Ausführungsformen eine innere Seitenfläche eines konkaven Abschnitts 57a, welche in Schieber 44 ausgebildet ist), und ein anderes (unteres) Ende auf, welches an der Spule 42a befestigt ist. Aufgrund einer Antriebskraft des Luftzylinders 56a kann die Position der Spule 42a relativ zum Schieber 44 in der Spaltrichtung (in der dargestellten Ausführungsform in der horizontalen Richtung) verändert werden. In ähnlicher Weise weist der Luftzylinder 56b ein (oberes) Ende, welches am Schieber 44 (in der dargestellten Ausführungsformen eine innere Seitenfläche eines konkaven Abschnitts 57b, welche in Schieber 44 ausgebildet ist), und ein anderes (unteres) Ende auf, welches an der Spule 42b befestigt ist. Aufgrund einer Antriebskraft des Luftzylinders 56b kann die Position der Spule 42b relativ zum Schieber 44 in der Spaltrichtung (in der dargestellten Ausführungsform in der horizontalen Richtung) verändert werden.
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Zwischen dem (der inneren Oberfläche des konkaven Abschnitts 57a des) Schieber(s) 44 und der Spule 42a wird bevorzugt, dass ein Spulenlager 58a wie ein Schieberlager angeordnet ist, so dass die Bewegungsrichtung der Spule auf die Spaltrichtung beschränkt ist. Wenn jedoch der Luftzylinder 56a ein Lager mit ausreichender Steifigkeit umfasst, kann der Luftzylinder 56a die Spule 42a auch ohne Einsatz eines Spulenlagers 58a tragen. Andererseits kann die Spule 42a durch eine Mehrzahl von Luftzylindern getragen werden. In ähnlicher Weise wird zwischen dem (der inneren Oberfläche des konkaven Abschnitts 57b des) Schieber(s) 44 und der Spule 42b bevorzugt, dass ein Spulenlager 58b wie ein Schieberlager angeordnet ist, so dass die Bewegungsrichtung der Spule auf die Spaltrichtung beschränkt ist. Wenn jedoch der Luftzylinder 56b ein Lager mit ausreichender Steifigkeit umfasst, kann der Luftzylinder 56b die Spule 42b auch ohne Einsatz eines Spulenlagers 58b tragen. Andererseits kann die Spule 42b durch eine Mehrzahl von Luftzylindern getragen werden.
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Da normalerweise die magnetische Anziehungskraft der Magneten 46a und 46b, welche an den Spulen 42a und 42b angelegt sind, hunderte von N (Newton) erreichen kann, wird bevorzugt, dass die Luftzylinder 56a und 56b konfiguriert sind, um eine Antriebskraft zu erzeugen, welche größer ist als die magnetische Anziehungskraft, um die Größenordnung der magnetischen Spalte zu verändern und beizubehalten. Da ferner die Steuerbarkeit des Linearmotors verschlechtert wird, wenn die Spulen 42a und 42b auch nur leicht während des Antriebs des Linearmotors bewegt werden, wird bevorzugt, dass die Luftzylinder 56a und 56b und die Spulenlager 58a und 58b eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um so die Position der Spulen 42a beziehungsweise 42b beizubehalten.
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Wie in 3 gezeigt, wird bevorzugt, dass ein Paar von Spulen 42a und 42b symmetrisch innerhalb der Schieber 44 in Bezug auf eine Oberfläche, die senkrecht zur Verfahrensrichtung des Linearmotors liegt, positioniert ist und dass Statoren 50a und 50b (Magnete 46a und 46b) auf einer Oberfläche der Basis 52 gegenüberliegend den jeweiligen Spulen positioniert sind. Durch solch eine Konfiguration heben die magnetischen Anziehungskräfte der Magneten, welche an die Spulen 42a und 42b angelegt sind, einander im Prinzip auf, wobei die Verschlechterung in der Geradlinigkeit des Schiebers 44 aufgrund von Polrucken deutlich begrenzt werden kann. Tatsächlich kann aufgrund von Ungleichmäßigkeit der Magnetisierung, eines Bemaßungsfehlers und/oder eines Positionierungsfehlers des Magneten die magnetische Anziehungskraft nicht völlig symmetrisch sein. Daher kann, obwohl das Polrucken nicht null sein kann, auch wenn die Spulen symmetrisch sind, der Einfluss des Polruckens durch symmetrischen Aufbau der Spulen auf ein Ausmaß verringert werden, welches kein praktisches Problem ergibt. Insbesondere wenn die Steifigkeit des Schieberlagers 54 gering ist, kann der Einfluss des Polruckens deutlich abgemildert werden.
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Zu jedem der Luftzylinder 56a und 56b sind zwei Arten von Leitungen verlegt. Jeder Luftzylinder ist konfiguriert, um in die Richtung versetzt zu werden, in welcher jeder der Luftzylinder sich zusammenzieht (oder der Luftspalt vergrößert wird), wenn der Druck an eine erste Leitung 60 angelegt wird, und ist konfiguriert, um in die Richtung versetzt zu werden, in welcher jeder Luftzylinder ausgefahren wird (oder der Luftspalt verkleinert wird), wenn der Druck an die zweite Leitung 62 angelegt wird. Ein Solenoidventil 66 (oder eine gesteuerte Ausrüstung), welches mit den Leitungen 60, 62 verbunden ist, und eine Druckquelle 64 wie ein Luftkompressor können eingesetzt werden, um ausgewählt zu schalten, welche Leitung mit Druck beaufschlagt wird. Durch solch eine Konfiguration kann die gleiche Größenordnung von Luftdruck gleichzeitig auf zwei Luftzylinder aufgebracht werden, wobei die magnetischen Spalte g3 und g4 gleichzeitig um den gleichen Abstand verändert werden können.
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Der Vorteil des gleichzeitigen Änderns der Größenordnungen der magnetischen Spalte, wie oben beschrieben, besteht darin, dass keine nicht ausbalancierte Kraft auf den Schieber 44 angelegt wird. Wie oben beschrieben, kann, da die magnetische Anziehungskraft des Magneten hunderte von N (Newton) erreichen kann, eine große nicht ausbalancierte Kraft auf den Schieber wirken, wenn die Größenordnungen der magnetischen Spalte einer nach dem anderen verändert werden. Insbesondere wenn das hydrostatische Luftlager als Schieberlager 54 Verwendung findet, können eine Welle des Lagers und eine Lagerfläche des Lagers einander berühren und beschädigt werden. Durch gleichzeitiges Verändern der Größenordnungen der magnetischen Spalte kann eine solche nicht ausbalancierte Kraft minimiert werden. Zusätzlich kennzeichnet ein Teil 68 in 3 eine Richtung eines Fehlers der Geradlinigkeit des Schiebers 44 aufgrund von Polrucken.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Schieberlager 34 oder 54 ein hydrostatisches Luftlager ist. Allgemeinen trägt ein Luftlager ein Objekt auf eine kontaktlose Weise durch Zuführen von Luft mit hohem Druck in einen Spalt, welcher eine Breite von mehreren Mikrometern aufweist, und lässt einen Antrieb mit hoher Genauigkeit zu, da die Reibung in einem Luftlager fast null beträgt. Ferner wird, da das Ausmaß der Wärmeerzeugung in einem Luftlager nahezu Null ist, auch wenn der Antrieb eine hohe Drehzahl aufweist, das Luftlager üblicherweise in einer Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine usw. eingesetzt. Jedoch liegt ein Steifigkeitswert des hydrostatischen Luftlagers eine Größenordnung unter jenem eines Kugellagers oder eines hydrostatischen Öllagers und folglich wird das hydrostatische Luftlager leicht durch Polrucken beeinflusst. Daher wird gemäß dem Stand der Technik das hydrostatische Luftlager mit einem Linearmotor mit relativ großem magnetischen Spalt kombiniert eingesetzt während die Geradlinigkeit mit hoher Genauigkeit eingehalten wird. In dieser Hinsicht ist, da die Schubkraft verringert wird, wenn der magnetische Spalt vergrößert wird, das hydrostatische Luftlager zum Antrieb mit hoher Last ungeeignet. Auch wenn ein hoher Strom an den Linearmotor angelegt wird, um eine hohe Schubkraft zu erzielen, wird der Linearmotor ineffizient aufgrund einer großen Wärmeentwicklung.
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In einer Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine usw., wo genaues Positionieren und Antreiben erforderlich ist, ist es notwendig, den Linearmotor mit Nanometergenauigkeit anzutreiben, wohingegen thermische Ausdehnung aufgrund der Wärmeentwicklung leicht zu einem Irrtum in der Mikrometer-Größenordnung führt. Daher ist es sehr wichtig, die Wärmeentwicklung zu verringern. Sobald Wärme erzeugt wird, braucht die Werkzeugmaschine, welche eine große Wärmekapazität aufweist, Zeit, um zur ursprünglichen Genauigkeit (oder der Maschinentemperatur) zurückzukehren. Auch wenn die Werkzeugmaschine einen Kühlmechanismus umfasst, ist es schwierig, eine Wärmequelle und ein zu kühlendes Objekt an der gleichen Position aufzufinden, und folglich wird unausweichlich eine Zerstreuung der Wärme in der Werkzeugmaschine erzeugt. Obwohl natürlich ein Material mit geringer Wärmeausdehnung eingesetzt werden kann, ist ein solches Material teuer und folglich ist es ein fernliegender Gedanke, eine gesamte Werkzeugmaschine unter Verwendung eines solchen Materials aufzubauen. Dementsprechend ist, um einem bestimmten Grad an Genauigkeit zu erreichen, ein Antriebsmechanismus, welcher so wenig Wärme wie möglich erzeugt, notwendig.
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Folglich stellt die vorliegende Erfindung die Linearantriebseinheit unter Verwendung des Linearmotors bereit, wobei die Größenordnung des magnetischen Spalts variabel ist. Mit anderen Worten gesagt, weist die Linearantriebseinheit eine Mehrzahl von Betriebsmodi auf, wobei die Größenordnung des magnetischen Spalts verringert wird, um so die Wärmeerzeugung zu begrenzen, wenn der Linearmotor mit hoher Last angetrieben wird, und wobei die Größenordnung des magnetischen Spalts vergrößert wird, um einen genauen Antrieb auszuführen, wenn der Linearmotor mit geringer Last angetrieben wird. Gemäß der Erfindung kann im Hochlastbetrieb wie einem Grobbearbeitungsmodus die Größenordnung des magnetischen Spalts verringert werden, um so ein Ausmaß der Wärmeerzeugung zu begrenzen (d. h., Vorrang für hohe Geschwindigkeit und hohe Effizienz). Andererseits kann bei Geringlastbetrieb wie einem Fertigbearbeitungsmodus die Größenordnung des magnetischen Spalts vergrößert werden, um so Vorrang auf Genauigkeit zu legen, wobei die Schwäche des hydrostatischen Luftlagers kompensiert werden und die Stärke des hydrostatischen Luftlagers maximiert werden kann.
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4 zeigt ein Strukturbeispiel einer Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine 70 als eine Werkzeugmaschine mit einer Linearantriebseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine 70 umfasst drei lineare Achsen (X-Achse 72, Y-Achse 74 und Z-Achse 76), welche einander in rechten Winkeln schneiden, und wenigstens eine der drei lineare Achsen weist den Linearmotor, wie in 1 bis 3 gezeigt, auf, wobei die Größenordnung des magnetischen Spalts variabel ist.
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Im Beispiel von 4 sind eine X-Achsenbasis 72a, welche die X-Achse 72 umfasst und ein X-Achsen Schieber 72b, welcher auf der X-Achsenbasis 72a in eine Richtung senkrecht zur Zeichnung verschiebbar ist, auf dem Maschinenbett 78 angeordnet. Ein Werkstück 80, welches bearbeitet werden soll, ist auf dem X-Achsenschieber 72b angeordnet. Ferner sind eine Y-Achsenbasis 74a, welche die Y-Achse 74 umfasst, und ein Y-Achsenschieber 74b verschiebbar auf der Y-Achsenbasis 74a auf dem Maschinenbett 78 angeordnet, wobei die Schieberichtungen des X-Achsenschiebers 72b und des Y-Achsenschiebers 74b einander in einem rechten Winkel zueinander auf einer allgemein horizontalen Ebene schneiden.
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Zusätzlich ist eine Z-Achsenbasis 76a, welche die Z-Achse 76 umfasst, auf dem Y-Achsenschieber 74b angeordnet, so dass die Z-Achsenbasis 76a sich in eine Richtung (in der dargestellten Ausführungsform in der vertikalen Richtung) senkrecht sowohl zu X-Achse 72 als auch Y-Achse 74 erstreckt. Ein Z-Achsenschieber 76b ist verschiebbar auf der Z-Achsenbasis 76a in der allgemeinen vertikalen Richtung angeordnet. Eine Spindel 84 mit einem Werkzeug 82 zum Bearbeiten des Werkstücks 80 ist am Z-Achsenschieber 76b angebracht.
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Die Werkzeugmaschine 70 besitzt einen Controller 86, welcher eine NC-Vorrichtung umfasst, die in der Lage ist, gleichzeitig jede lineare Achse zu steuern. Ein Maschinführer kann die Werkzeugmaschine durch Verwenden eines Betriebsanzeigefeldes 88, welches auf dem Controller 86 angeordnet ist, bedienen, so dass eine vorbestimmte Bearbeitung in Bezug auf das Werkstück 80 ausgeführt wird. Der Controller 86 weist einen ersten Betriebsmodus (zum Beispiel einen Grobbearbeitungsmodus) mit dem magnetischen Spalt g1, wobei die Spule und der Magnet nahe beieinander sind, und einen zweiten Betriebsmodus (zum Beispiel einen Fertigbearbeitungsmodus) auf, welcher mit einem magnetischen Spalt g2 ausgeführt wird, der größer ist als der magnetische Spalt g1 im ersten Betriebsmodus. Wenn der Maschinführer einen der Betriebsmodi auswählt, wird der magnetische Spalt automatisch entsprechend dem ausgewählten Modus eingestellt. Wenn die Mehrzahl der linearen Achsen den Magnetspaltveränderungsmechanismus (zum Beispiel das Stellglied) aufweisen, kann der Betriebsmodus in Bezug auf jede lineare Achse ausgewählt werden. Zum Beispiel kann die Werkzeugmaschine betrieben werden, wobei die X-Achse im Grobbearbeitungsmodus betrieben wird und die Y Achse und die Z Achse im Fertigbearbeitungsmodus betrieben werden.
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Das Maschinenbett 78 kann auf einer Luftmulde 90 positioniert sein, welche auf einem Boden angeordnet ist, wobei ein Einfluss aufgrund der Vibration des Bodens ausgeschaltet werden kann. Allgemein wird, wenn sich die Maschine auf der Luftmulde in Bewegung mit hoher Drehzahl befindet, die Luftmulde mit ihrem Rückprall angestoßen. Daher kann im Grobbearbeitungsmodus, in welchem die Genauigkeit nicht wichtig ist, die Luft, welche der Luftmulde 90 zugeführt wird, abgesperrt werden, um so das Rütteln der Werkzeugmaschine 70 zu begrenzen.
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Nach dem Stand der Technik ist eine Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine, wobei ein Luftlager und der herkömmliche Linearmotor kombiniert sind, nicht geeignet, um mit hoher Last betrieben zu werden, und folglich kann solch eine Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine nur für die Fertigbearbeitung eingesetzt werden. Andererseits kann in der Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine, wie in 4 gezeigt, das Bearbeiten ausgeführt werden, während Vorrang auf hohe Geschwindigkeit und hohe Effizienz im Grobbearbeitungsmodus mit hoher Last gelegt wird und dann kann das Bearbeiten ausgeführt werden, während Priorität auf Genauigkeit im Fertigbearbeitungsmodus mit der gleichen Grad an Genauigkeit wie in der herkömmlichen Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine gelegt wird. Als solches können durch Auswahl eines der Modi in Abhängigkeit von der Art der Bearbeitung die Bearbeitungszeit und die Bearbeitungskosten deutlich verringert werden.
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Andererseits kann in einer Hochpräzisionsbearbeitungsmaschine, wobei ein Kugellager oder hydrostatisches Öllager und der herkömmliche Linearmotor kombiniert sind, der Antriebswiderstand des Lagers Wärmeentwicklung verursachen. Daher kann der Einfluss von Wärmeentwicklung in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung nicht ignoriert werden. Durch Kombinieren des Linearmotors der Erfindung mit einem Lager, welches wenig Wärme erzeugt, wie ein hydrostatisches Luftlager, können sowohl die Grobbearbeitung als auch die Fertigbearbeitung mit einem Minimum an Wärmeentwicklung ausgeführt werden, was ein sehr bedeutsamer Vorteil ist. Zusätzlich kann in Bezug auf den Nachteil, dass die Steifigkeit des Luftlagers gering ist, die Wirkung auf die Bearbeitungsgenauigkeit durch ausgewähltes Umschalten des Bearbeitungsmodus minimiert werden.
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Wie oben beschrieben, sind in der Werkzeugmaschine die notwendige Geschwindigkeit und Genauigkeit in Abhängigkeit von der Art der Bearbeitung unterschiedlich. Daher können durch Verändern der Größenordnung des magnetischen Spalts in der Grobbearbeitung und in der Fertigbearbeitung der Hochgeschwindigkeits- und der Hocheffizienzprozess richtig ausgewählt und eingesetzt werden. Außerdem können nicht nur der Grobbearbeitungsmodus und der Fertigbearbeitungsmodus, sondern auch ein anderer Modus ausgeführt werden, wobei die Größenordnung des magnetischen Spalts auf einen Zwischenwert zwischen dem Grobbearbeitungsmodus und dem Fertigbearbeitungsmodus gesetzt wird oder wobei die Größenordnung einer bestimmten Achse verändert wird (zum Beispiel bei einem Modus, wobei nur eine Achse mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird).
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Größenordnung des magnetischen Spalts zwischen der Spule und dem Magneten des Linearmotors zweckentsprechend verändert werden, wobei die vielfältig einsetzbare Linearantriebseinheit bereitgestellt werden kann, wobei das Polrucken und die Schubkraft des Linearmotors ausbalanciert sind.
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Durch Verwenden des Stellglieds als der Magnetspaltveränderungsmechanismus kann der magnetische Spalt automatisch und leicht verändert werden.
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Allgemein ist in Bezug auf die Verfahrensrichtung des Linearmotors die Abmessung des Magneten länger als die der Spule (d. h., die Abmessung des Magneten entspricht einer Summe der Spulenlänge und der Hublänge). Daher kann die Größenordnung des magnetischen Spalts leicht durch Bewegen nur der Spule verändert werden.
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Durch Anordnen eines Paares von Linearmotoren, welche einander in der Richtung des magnetischen Spalts entgegengesetzt sind, und durch Gleichsetzen der Größenordnungen der magnetischen Spalte löschen einander die Magnetanziehungskräfte in der Magnetspaltrichtung aus, wobei das Polrucken deutlich verringert werden kann.
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Durch gleichzeitiges Verändern der Größenordnungen der magnetischen Spalte des Paares von Linearmotoren um denselben Versatz kann eine große, nicht ausbalancierte Kraft, welche erzeugt wird, wenn die Größenordnungen der magnetischen Spalte eine nach der anderen verändert wird, minimiert werden.
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Durch Verwenden des hydrostatischen Luftlagers als Schieberlager kann die Charakteristik des hydrostatischen Luftlagers (d. h., das hydrostatische Luftlager ist leicht durch Polrucken aufgrund der geringen Steifigkeit beeinflusst, aber das Ausmaß der Wärmeentwicklung ist gering) maximiert werden.
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Durch die Werkzeugmaschine, welche die Linearantriebseinheit der Erfindung umfasst, und eine Mehrzahl von Betriebsmodi, wobei die Größenordnung des magnetischen Spalts unterschiedlich ist, können die effizienzorientierte Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und die präzisionsorientierte Hochgenauigkeitsbearbeitung richtig ausgewählt und eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2003-250258 A [0004, 0008, 0008]
