JP2005138189A - Feed mechanism for mechanical structure having counter balance device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は形彫り放電加工機やマニシングセンタ等の工作機械の鉛直方向に往復軸移動する主軸や水平主軸を支持して鉛直方向に往復軸移動する軸スライダのような被駆動機械構造体の自重を支持するカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構に関するもので、上述各種工作機械の外、半導体製造装置のXYステージ装置及び精密測定装置などへも適用できるもので、特に前記被駆動機械構造体が、リニアモータによる駆動走行の如く、高加速度で、高速度での走行軸移動を高応答で行なうものに適用して有用なものである。 The present invention relates to a driven machine structure such as a main shaft that reciprocates in the vertical direction of a machine tool such as a die-sinking electric discharge machine or a machining center, or an axis slider that supports a horizontal main shaft and moves in a reciprocating direction in the vertical direction. The present invention relates to a feed mechanism for a machine structure having a counter balance device for supporting its own weight, and can be applied to an XY stage device and a precision measuring device of a semiconductor manufacturing apparatus in addition to the above-mentioned various machine tools. The structure is useful when applied to a structure that performs high-speed and high-speed travel axis movement with high response, such as driving with a linear motor.
工作機械の可動部中の鉛直成分を含む方向に往復軸移動するクイルや主軸、又は水平主軸等を支持して鉛直又は鉛直成分を含む方向に往復軸移動する軸スライダのような被駆動の機械構造体を所謂リニアモータを使用して軸移動させる装置の場合、リニアモータは高応答での高速度駆動を実現するため、加減速の加速度が重力の加速度1.0G以上の大きな値に設定されるから、前記機械構造体を重力に抗して持ち上げ平衡させるカウンタバランス装置としては錘等を使用することが出来ず、ピストンとシリンダが相対的に往復移動する空気圧を使用するエアバランサが、釣りワイヤなどを介設させず、剛体による直結の高応答状態で用いられて来ている(例えば、特許文献1−4参照。)。 A driven machine such as a shaft slider that reciprocates in a direction including a vertical or vertical component while supporting a quill, a main shaft, or a horizontal main shaft that reciprocally moves in a direction including a vertical component in a movable part of a machine tool. In the case of a device that moves the structure using a so-called linear motor, the acceleration / deceleration acceleration is set to a large value of gravitational acceleration of 1.0 G or more in order to realize high-speed driving with high response. Therefore, a weight or the like cannot be used as a counter balance device that lifts and balances the mechanical structure against gravity, and an air balancer that uses air pressure in which the piston and the cylinder reciprocate relatively moves. It has been used in a highly responsive state directly connected by a rigid body without using a wire or the like (see, for example, Patent Documents 1-4).
具体例として形彫り放電加工機の場合を図4−8を参照して説明すると、図4は、そのようなリニアモータが駆動する送り装置を搭載した形彫り放電加工機の全体構成を示す斜視図で、101はベッド、102はベッド101の後側部または上面に立設されたコラム、103はコラム102前面のベッド101上に水平一軸(Y軸)方向に移動可能に設けたサドル、104はサドル103上に他の水平一軸(X軸)方向に移動可能に設けたテーブル、105はテーブル104上に設けられたコラム102前面側に位置する加工槽で、図示しない被加工体を取り付け、加工液中浸漬状態で加工電極106と相対向配置させる加工テーブルを備えている。
As a specific example, the case of a die-sinking electric discharge machine will be described with reference to FIGS. 4-8. FIG. 4 is a perspective view showing the overall configuration of the die-sinking electric discharge machine equipped with a feeding device driven by such a linear motor. In the figure, 101 is a bed, 102 is a column erected on the rear side or upper surface of the bed 101, 103 is a saddle provided on the bed 101 on the front surface of the
107は、コラム102上部の加工槽105側に延出したコラム前面102Aに取付けられた加工主軸枠体で、全体として中空柱状体で、下方先端に加工電極106の取付装置108Aを有するほぼ四角柱状のZ軸クイル108を、クイル後面とコラム前面または加工主軸枠体内面間等に設けた直線案内装置109により、鉛直方向への駆動により直線移動自在に内包保持して成る。110A及び110Bは、前記Z軸クイル108の鉛直方向と直角な方向の対向側面夫々に移動方向に沿って所定個数列設される図示しない永久磁石片の磁石板と微小間隙を介して相対向するように加工主軸枠体107の両側面に設けられるヨークと巻回励磁コイルとから成る一対の電磁石装置、即ち、所謂リニアモータの励磁固定子で、永久磁石を取付けたZ軸クイル108をリニアモータの磁石板の可動子として移動させるものである。
図5は、図4のA―A線に沿う加工主軸枠体107部切断平面図、図6は同じくB―B線に沿う切断左側面図、また図7は同じくC―C線に沿う切断正面図で、前述加工主軸枠体107は、前記図5の平面図で示すように、この例の場合は断面コの字状であるから、図示では、例えば直線案内装置109のレール109Aのように前記コラム前面102Aに取付けられているが、例えば断面口の字状の場合には、前記レール109AやZ軸クイル108の位置を検出するリニアスケール等は加工主軸枠体107の内壁面等の別の位置に設けられていることになる。また図示例の場合加工主軸枠体107は前面の一部以上が開閉可能で、内装や組立、調整を可能としている。
5 is a sectional plan view of the
Z軸クイル108は後述する構成のリニアモータの可動子として駆動により、高応答でかつ高速で、特に電極ジャンプ作動の場合には、好ましくは往復とも、そして少なくとも長いストロークのジャンプ後の近接復帰時には加速度が1G以上にも及ぶ高加速度で加速されて移動し得るよう、より軽量に構成することが望ましく、図示の場合四角柱状のZ軸クイル108は、両側面に、永久磁石片111A、111Bを移動方向に接着等により列設して設ける必要が有るところから、前記四角柱状体の軸中心に所望内径の貫通孔108Bを穿った構成となっているが、例えば、断面平面図がローマ数字の3又はロの字の如き枠組み構成とすることもできる。
The Z-
しかし、更に好ましくは、前記貫通孔108Bを有する柱状Z軸クイル108の全体を一体のセラミックス焼結成形体(密度、鉄の約3分の1前後)、例えば酸化物系のセラミックス、または非酸化物系のセラミックス、特に好ましくは、Si3N4を主成分とするセラミックス製とするものである。そして、Z軸クイル108に上述のようにセラミックスを採用した場合には、リニアモータの可動子として張り付けられた永久磁石片111A、111Bの相互間等において、良好な磁気回路が形成されないから、かかる場合には、前記セラミックス製Z軸クイル108の両側面に鉄板等の軟磁性材の磁石板8Cを張りつけた上に永久磁石片111A、111Bを張りつけ固定するようにするものである。Z軸クイル108をこのように、特にセラミックス製で、一体の中空柱状体にすると、軽量であるから、慣性が小で制御の応答性が高く、熱による膨張や変形も少ないから精度の高い加工を可能とする送り機構が得られる。なお、Z軸クイル108が鋼製で、一体の中空柱状体であると、断面寸法が最小にすることができるから、加工主軸が嵩張らない、コンパクトな送り機構が得られる。
However, more preferably, the entire columnar Z-
而して、Z軸クイル108の鉛直方向の移動を案内する前記直線案内装置109は、図示例の場合、リニアモーションボール(又はローラ)ベアリングのレール109Aが、2本、所定の間隔を置いて鉛直平行にコラム前面102Aに取付けられ、これに対しベアリングブロック9B、9Bが、各レール109A毎に2個、鉛直方向に所定の間隔を置いてZ軸クイル108に取付けられていて、両者を嵌合組み付け構成されている。
Thus, in the illustrated example, the
110A、110Bは、前記永久磁石片111A、111Bを夫々鉛直移動方向に取付けたZ軸クイル108の両側面に微小間隙を介して相対向するように配置され、加工主軸枠体107の側板の窓部107B、107Cに夫々取付板112A、112Bにより取付けられたリニアモータ用の励磁固定子である。この励磁固定子110A、110Bは、夫々ヨーク110AY、110BYとヨークの櫛歯部に巻回した励磁コイル110AC、110BCとから成り、硅素鋼板等の積層体から成るヨーク110AY、110BYの櫛歯部後方の基部側の積層部には、冷却流体が流通する冷却パイプ114A、114Bを挿通する千鳥状の穴が設けられている。
110A and 110B are arranged so as to face each other with a small gap on both side surfaces of the Z-
図示構成の場合のリニアモータは、コギングを減少させるために、永久磁石片111A、111Bを列状に片側2列張り付けたZ軸クイル108から成る可動子と、ヨーク110AY、110BYと励磁コイル110AC、110BCとから成る固定子とから成り、リニアモータの型式としては永久磁石可動型のリニア交流同期モータ(LSM)で、磁石片列に応じ、励磁コイル110AC、110BCも、片側夫々2列設けているが、磁石片列を各1列として励磁コイルを各1個としても良い。また、当該リニア交流同期モータ(LSM)は、リニア直流モータ(LDM)のコイル電流を3相としたものであるから、リニアモータとしては、このリニア直流モータ(LDM)を使用することが出来る。また、上述の永久磁石片列と励磁コイルとの固定と可動の関係を図示説明のものと逆にした励磁コイル可動型のリニアモータを目的等に応じ構成使用することができる。
In order to reduce cogging, the linear motor in the case of the illustrated configuration includes a mover including a Z-
上述のように、Z軸クイル108等の構造体の移動方向と直角水平な左右の両側面にリニアモータを形成して設けることにより、クイル108の左右両側におけるリニアモータの可動子と固定子間の磁気吸引力をバランスさせて打ち消させ、この水平左右方向の力の打消し合いによりZ軸クイル108の軸運動の真直性を向上させる。そして、このクイル108の左右両側面に於ける磁気吸引力を平衡させて打消させ得るように、ヨーク110AY、110BYの各取付板112A、112Bの背向板面に分布して設けた押しねじと引きねじによる、ヨーク110AY、110BYの傾き調整及び/または前後進位置決めにより、可動子側永久磁石片111A、111Bの板面と各ヨーク110AY、110BY間の間隙を全体的に、かつ左右両側で等しく、図示の場合左右の各リニアモータの磁気吸引力が等しくなるように間隙調整を行うものである。勿論、調整設定後は、前記押しねじと引きねじを、固定剤で固定するようにしてもよい。
As described above, the linear motor is formed on both the left and right side surfaces perpendicular to the moving direction of the structure such as the Z-
113は、Z軸クイル108のコラム102Aまたは主軸枠体107に対する直線移動位置を検出するリニアスケールで、図示の場合スケール113AがZ軸クイル108前面に、これに対向する加工主軸枠体107前方内面にセンサ113Bが取付けられる。このリニアスケールが、検出位置信号を、NC制御装置から移動位置指令信号が与えられる駆動装置にフィードバックして、駆動装置が励磁コイル110AC、110BCに制御のための作動信号を出力する。
以上の構成では、下方先端に電極取付装置108Aを有するZ軸クイル108の重量をその重力に抗して持ち上げておく構成がなく、装置駆動時には、リニアモータにより上向きの制御された推力を作用させて持ち上げる必要があるが、これではこの推力に見合う電力消費が大きく、ヨークと励磁コイルから成る電磁石固定子の冷却問題が生ずる。かかる場合の対応として、Z軸クイル108をコラム102または加工主軸枠体107側からZ軸クイルを吊り下げる手段として、シリンダ115A、ピストン115B、ロッド115C及び図示しないバルブ、配管等から成るエアバランサ115を設けるのがよい。該エアバランサ115は、シリンダ115Aまたはロッド115Cの一方をコラム102(枠体107)またはZ軸クイル108の一方に固定し、かつ夫々他方同志を連結乃至固定することによりクイル108をコラム102(又は主軸枠体107)に懸垂させることができる。しかも、図示例の場合はバランス良く、かつ省スペース状態とするためにエアバランサ115のシリンダ115Aをクイル108の貫通孔108Bに同軸状に挿入し、上縁部のフランジ部115Dでクイル108と連結し、ロッド115Cの上端を連結部材116を介してコラム102等の固定部に連結固定したものである。このような構成により、Z軸の上下方向の長さが短くなって加工主軸装置がコンパクトになる。
In the above configuration, there is no configuration in which the weight of the Z-
そして、図8に示すように、このエアバランサ115にはコンプレッサ等の空気圧源118から、約6kgf/cm2の圧縮空気が供給され、公知のフィルタおよびエアドライア等から成る補助機器19、例えば設定約5kgf/cm2のエアレギュレータ120、及び設定約2.5kgf/cm2〜4.5kgf/cm2のハイリリーフレギュレータ121を介して、シリンダ115Aの上室115RUに圧縮空気が導入される。下室115RDは実質上大気圧に開放された状態とする。ハイリリーフレギュレータ121の設定圧力はクイル108および電極106の総重量に応じて設定される。このように圧縮空気が供給されることにより、左右の両リニアモータが作動して可動子としてのZ軸クイル108を送り制御及び位置決め制御するときに、エアバランサ115がZ軸クイル108とシリンダ115Aとを一体に懸垂する。ここでクイル108が下降送りされるとシリンダ115Aの上室115RUの空気圧力が増圧しようとするが、ハイリリーフレギュレータ121のリリーフバルブで一定圧に制御されるので、上室115RUのエアは排出、すなわちリリーフされて一定圧に戻る。逆にクイル108が上昇すると、減圧する上室115RUにエアが急速に送り込まれて一定圧となるようにハイリリーフレギュレータ121が作動する。こうしてZ軸クイル108の重量に釣り合うバランス推力を加えることによって、Z軸クイル108の移動制御時に低イナーシャ(低慣性モーメント)でかつ高速応答な軸移動制御を可能とするとともに、Z軸クイル108の静止制御時に無負荷状態に近い軸静止制御を可能とする。
As shown in FIG. 8, the
以上をまとめると、リニアモータをZ軸加工主軸の位置決め制御送り手段として設けた好ましい形彫り放電加工機の主軸装置の大略の構成は、コラムまたはX軸移動体に取付け保持されるZ軸加工主軸を、下端に電極取付装置が設けられるZ軸クイルを直線案内装置とエアバランサとにより、前記Z軸クイルを同軸状に囲繞するZ軸加工主軸枠体に前記Z軸方向の直線往復移動自在に保持させて構成し、永久磁石片を移動方向に列設した軟磁性材から成る磁石板と、ヨーク鉄芯と巻回励磁コイルから成る電磁石とを間隙を置いて相対向配置して構成されるリニアモータを、前記Z軸クイルの相背向する両側面と該両側面と相対向する前記Z軸加工主軸枠体の両側壁間に設け、前記Z軸加工主軸枠体に対する前記Z軸クイルの相対的移動位置を検出するように両者間に取付けられた直線位置検出装置からの検出フィードバック信号によって前記リニアモータの励磁コイル電流を制御するようにしたものと言うことになる。 In summary, the general configuration of the spindle device of the preferred EDM machine provided with the linear motor as the positioning control feed means for the Z-axis machining spindle is the Z-axis machining spindle that is mounted and held on the column or the X-axis moving body. A Z-axis quill provided with an electrode mounting device at the lower end is linearly reciprocated in the Z-axis direction to a Z-axis machining spindle frame that coaxially surrounds the Z-axis quill by a linear guide device and an air balancer. A magnet plate made of a soft magnetic material in which permanent magnet pieces are arranged in a moving direction and an electromagnet made of a yoke iron core and a wound exciting coil are arranged opposite to each other with a gap therebetween. A linear motor is provided between opposite sides of the Z-axis quill and both side walls of the Z-axis machining spindle frame facing the opposite sides, and the Z-axis quill of the Z-axis quill with respect to the Z-axis machining spindle frame is provided. Relative movement position The detection feedback signal from the linear position detecting device mounted therebetween so as to output would say that so as to control the exciting coil current of the linear motor.
このような、Z軸主軸をリニアモータによって駆動制御するようにした形彫り放電加工機によれば、微小加工間隙に対して高応答で正確に制御できるところから、従来型の回転形のサーボモータとボールねじとの組合せによるサーボ送り制御方式のものより、常時より適切に加工間隙距離が維持され、高精度で加工時間も大凡1/2乃至1/6に短縮できるだけでなく、高加速度による高速ジャンプが可能となり、特にリブ加工と称される、加工方向に長尺で断面積の小さい電極による深穴加工を、電極等から加工間隙に加工液を噴出させなくても、従来不可能であった深さまで加工が可能になると共に、その要する加工時間も大幅に短縮されるという画期的な効果が確認されて来つつある。 According to such a die-sinking electric discharge machine in which the Z-axis spindle is driven and controlled by a linear motor, a conventional rotary servo motor can be accurately controlled with high response to a minute machining gap. Compared to the servo feed control system that uses a combination of a screw and a ball screw, the machining gap distance can be maintained more properly than usual, and the machining time can be shortened to about 1/2 to 1/6 with high accuracy. Jumping is possible, and deep hole machining with an electrode that is long in the machining direction and has a small cross-sectional area, which is called rib machining, is not possible in the past without ejecting the machining fluid from the electrode to the machining gap. As a result, it is possible to process to a certain depth, and the revolutionary effect that the required processing time is greatly reduced is being confirmed.
図9、及び図10は、前述図6と同様な構成例の説明図で、図4乃至図8に図示のものと同一または同等機能物には、同一の10の位の数に、前者200、後者100を加算して表示してある。前述図4乃至図8に図示説明のものが、Z軸クイル108の重量をその重力に抗して持ち上げるエアバランサ115を、クイル108の中空部に同芯に収納させて一体に結合し、Z軸加工主軸として全長が短く、コンパクトに構成していたのに対し、前述図9及び図10のものは、何れも、Z軸クイル208の中空部に収設したエアバランサ215のピストンロッド215Cを上方へ引き出して、その上端を固定側に固定するための連結部材216または該連結部材216に支持された天板材216Aに固設してクイル208を懸垂する構成で、かかる構成に依れば、Z軸加工主軸として全長が長くなるが、移動側のクイルの慣性質量が小さくなるので、実用可能な構成と思惟される。その他図中に於いて、266は、シリンダ筒215Aの上端に固定して設けられ、所要時にピストンロッド215CをクランプするZ軸クイル208の落下防止ブレーキ装置、245はZ軸クイル208の加工主軸枠体207に対する降下限度を規制する上側ストッパ、246は同様に上昇限度を規制する下側ストッパである。
9 and 10 are explanatory diagrams of the same configuration example as in FIG. 6 described above, and the same or equivalent functions as those shown in FIGS. The latter 100 is added and displayed. 4 to 8, the
次に、金属切削用工作機械の従来例を図11を参照して説明すると、以上のような、形彫り放電加工機のリニアモータにより鉛直方向に軸送り移動されるクイル等の加工主軸における問題は、機械切削用のマニシングセンタ等のZ軸加工主軸に於いても同様であること勿論であり、また、前述のような加工主軸を水平に支持して鉛直方向に往復軸移動するスライダのような被駆動機械構造体の自重をエアバランサで支持する場合の例えば、図11の場合も同様である。 Next, a conventional example of a metal cutting machine tool will be described with reference to FIG. 11. Problems such as the above in a machining spindle such as a quill that is axially moved by a linear motor of a die-sinking electric discharge machine. Of course, the same applies to a Z-axis machining spindle such as a machining center for machining, etc. Also, a slider that reciprocally moves in the vertical direction while supporting the machining spindle as described above horizontally. The same applies to, for example, the case of FIG. 11 in which the weight of the driven machine structure is supported by the air balancer.
図11において、301は工作機械本体であり、垂直ベッド302の前方に図示しない加工テーブルを配設し、該加工テーブルに載置固定した被加工物に対して主軸303を直交する3軸(Z軸、Y軸、Z軸)方向に移動位置決めして加工を施すようになっている。
In FIG. 11,
前記垂直ベッド302の前面にはコラム状のXスライド304がX軸方向に移動可能に支持されており、該Xスライド304にはYスライド305がY軸方向(垂直方向)に移動可能に支持されている。またこのYスライド305は図示しない工具が装着される前記主軸303を回転自在に軸承するラムを構成するスライド306が、Z軸方向に移動可能に支持されており、上記各スライド304、305、306は、例えばアルミ合金等の軽金属材により形成されている。また前記Xスライド304の左右側部には夫々カウンタバランス用シリンダ340が配設されており、これによりYスライド305に作用する偶力の低減を図っている。
A column-shaped
上記垂直ベッド302は、左側面から視て略L字状をなし、かつ正面視で矩形枠状をなしている。該垂直ベッド302の上枠部302aの前面下部にはX軸方向に延びるレール310が配設されており、前方に突出した下枠部302bの上面にはX軸方向に延びる2本のレール310、310が互に平行に配置されている。
The
前記、Xスライドは、左右垂直枠304a、304bの上端部同士を上枠部304cで結合するとともに下端部同士を枠部304dで結合してなる正面視で縦長の矩形枠形状をなし、上枠部304cの前部には逃げ凹部330が形成されている。また、上枠部304の背面には、上枠部302aのレール310と摺動係合する2つのガイド311が間隔をあけて配設され、下枠部304dの底面の四隅には、下枠部302b上面のレール310、310と摺動係合するガイド311が配設されている。
The X slide has a vertically long rectangular frame shape in a front view in which upper end portions of the left and right
垂直ベッド302の上枠部302aの上部、および下枠部302bの下レール310間にはリニアモータ320の固定子321、321がそれぞれレール310に平行に配設され、これに対し、Xスライド304の上枠部304cの背面、及び下枠部304bの底面にはリニアモータ320の移動子322、322が夫々配置固定されている。又各垂直枠部304a、304bの前面には、Yスライド305に設けたガイド334と摺動係合してYスライド305を軸に案内するレール331が設けられ、該Yスライド305は前記Zスライド306が挿通された矩形状の貫通孔315aを有する横断面口の字形の後方に延びる筒状の箱枠部315を有し、該箱枠部315の前面にこれと直角をなすように固定されたスライド枠部333を備えている。
Between the
前記スライド枠部333は、背面に左右のモータ保持壁を形成するコの字状の突部を有し、この左右のモータ保持壁は、垂直枠部304a、304bのX軸方向対向側面のモータ保持面と相対向し、介設される保持壁の移動子321と保持面の固定子322とから成るリニアモータ320により、Xスライド304に対しYスライド305をY軸方向に上下移動位置決めさせる。
The
また、前記Zスライド306は、前記箱枠部315の貫通孔315a内に前進後退可能に挿通された直方体のスライド本体の軸心に前記主軸303を挿通保持して構成され、そして不図示ながら、前記Zスライド306のスライド本体の左右外側面にはそれぞれ上述移動子322と固定子321と同じ構造の移動子と固定子が所定の間隔を開けて対向するように配置され、リニアモータによるZスライド306の前進後退位置決め移動を可能とする。
前述のような形彫り放電加工機では、加工の目的や加工の形状等にもよるが、各種の位置決め送りの外、電極・被加工体間の微小加工間隙の良好な間隙状態の維持のため微小ストロークのサーボ制御送り作動と、及び上記加工間隙からの生成加工屑の排出のための周期的又は間隙状態検出判別による、電極ジャンプ作動のための対向方向の離隔近接の、できるだけ高速での移動を行なう、大きなストロークの送り作動とが頻繁に行なわれるものである。 In the case of the above-mentioned Die-sinker EDM, depending on the purpose of machining and the shape of machining, in addition to various positioning feeds, to maintain a good gap state of the micro machining gap between the electrode and workpiece Servo-controlled feed operation with a minute stroke and periodic or gap state detection and discrimination for discharge of generated machining waste from the above machining gap, moving as fast as possible in the opposite direction for electrode jump operation A large stroke feed operation is frequently performed.
図12及び図13は、上述のようなリニアモータを送り駆動源とする形彫り放電加工機の加工電極ジャンプ動作時におけるクイル108の上昇送り時(図12)と、クイル108の下降送り時(図13)のエアバランサ115の内部の空気圧等の作動状態を説明するもので、電極ジャンプ作動に入りクイル108がリニアモータにより上昇送りされると、シリンダ115Aの上室115RUは減圧されようとするが、ハイリリーフレギュレータ121が直ちに作動して圧力空気を送り込み、上室115RU内の空気圧は、レギュレータ121のリリーフ弁に調整設定した空気圧を保つように高速の制御が行なわれるので、上昇時には、ピストン115Bとシリンダ115Aとの摩擦による発熱を生ずるに止まるが、下降送り時には、上昇時と同様な摩擦発熱に加えて、上室115RU内の上昇で減圧気味であった空気圧が、レギュレータ121のリリーフ弁の設定圧を僅かに超える迄短時間ながら圧縮される所謂断熱圧縮状態を生成して発熱することになる。
FIGS. 12 and 13 show the
そして、このようなエアバランサ115の摩擦や上述のようなその他の原因による発熱は、稼動時間の経過に応じて蓄積されて行ったりしてシリンダ115周辺の温度が上昇し、また精度を要する部分の加温につながったりして、加工精度が低下すると言う問題があった。特に前述形彫り放電加工機による形彫り放電加工のジャンプ設定条件は、例えば、加工時間の経過により加工穴の深さが深くなる程ジャンプ間の放電時間を短くして行って、ジャンプの周期を短くして頻繁に行なわせるようにしたり、ジャンプ引き上げストロークを大きくして行なうとか、昇降移動速度を早くする等、ジャンプ条件を高負荷状態となる設定のものが多く、発熱、加温が激しくなり精度を損なうものであった。
The heat generated by the friction of the
図14は、前述形彫り放電加工機を恒温室に設置して使用し、被加工体に対して開離近接の往復運動であるジャンプ運動を行なわせながら放電加工したときの、レギュレータ21リリーフ弁排出気体温度、エアバランサ115のピストンロッド115Bの温度、及びクイル108の上端部と下端部の各温度の変化状態を予測する実験例の測定温度特性図で、ジャンプが大凡1回/1s行なわれるように、リニアモータによる加工主軸の開離上昇時間(UP)を約250ms、下降近接して加工している時間(DN)を約400msに設定し、前記リニアモータによるジャンプ中の送り速度(JS:m/min)を、1、5、10、25、及び36に夫々設定して各20minの間作動を行なわせた場合のもので、ジャンプ速度(JS)が、25m/min程度以上と高速度になるとエアバランサ115周りの各部の温度が短時間のうちに上昇して行き、かつ各部の上昇温度が互いに相違するところから、クイル108及びエアバランサ115等が機械構造体として設定された軌跡と位置を維持して精密に移動できないことが明らかである。
FIG. 14 shows a
勿論、このようなエアバランサ115等の発熱や加温に対しては、何等かの手段による冷却手段を講ずることが考えられるが、前述の如き構成例の場合、シリンダ115Aはクイル108と共に高速度で激しく上下移動のジャンプを繰り返し、またシリンダ115A固定の場合にも固定のシリンダ115Aに対してクイル108が移動するから、冷却は一般に難しく、冷却ファン等による空冷が試みられるものの、このような外気の導入による冷却は、外気が温度変化する場合もあると、クイル108等主軸部分の外気温度への依存性を高める結果、別の形態の熱変形を引き起こすなどの問題があった。
Of course, it is conceivable to take cooling means by any means for the heat generation and heating of the
また、前述図11のマニシングセンタ等の工作機械の場合は、加工主軸スライド306を水平1軸に平行に保持するYスライド305が、Xスライド(基体)304に対して鉛直方向にリニアモータによって往復移動及び位置決め作動するのに対し、前記Yスライド305、及びその一体物(機械構造体)の自重をXスライド304に対して保持するカウンタバランサとしてエアバランサ340一対が設けられ、この場合そのシリンダ側が固定(基体)側であるから、レギュレータからの圧力気体はエアバランサ340の下室に導入して保持されるが、切削熱もさることながら、前述図12及び図13で説明したと実質上同一のエアバランサの発熱問題は、前述形彫り放電加工機の場合と同様に解決されなければならない問題であった。
In the case of the machine tool such as the machining center of FIG. 11 described above, the
そこで、本発明は上述のようにリニアモータによって頻繁に激しく、高応答で高速度で、鉛直方向に上下移動する機械構造体のカウンタエアバランサを、特別な装置等を付加することなく、ちょっとした工夫を講ずることにより冷却できることが判明したことにより提案されるものである。 Therefore, the present invention is a devised device that does not require a special device or the like for the counter air balancer of the mechanical structure that moves frequently in the vertical direction with high response, high speed, and intensely by the linear motor as described above. It is proposed that it can be cooled by taking
前述の本発明の目的は、(1)鉛直方向に往復軸移動自在に基体に対して保持された機械構造体の送り機構であって、
前記機械構造体を基体に対して気体圧にて支持するピストンとシリンダとが相対的に往復移動する気体圧バランサと、前記基体に対して機械構造体を駆動して軸移動させるリニアモータとを備え、
前記機械構造体の自重を支持する圧力気体が導入される気体圧バランサの気体圧室が、気体圧力源に、リリーフ弁付気体圧レギュレータと、該レギュレータを介する気体圧力源の圧力気体の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁とを介して連結されているカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。
The object of the present invention described above is (1) a mechanical structure feeding mechanism held on a base body so as to be reciprocally movable in a vertical direction,
A gas pressure balancer in which a piston and a cylinder that support the mechanical structure with a gas pressure relative to the base move relatively reciprocally; and a linear motor that drives the mechanical structure with respect to the base to move the shaft. Prepared,
The gas pressure chamber of the gas pressure balancer into which the pressure gas that supports the weight of the mechanical structure is introduced includes the gas pressure source, the gas pressure regulator with a relief valve, and the inflow of the pressure gas from the gas pressure source through the regulator. Restricted exhaust is achieved by providing a mechanical structure feed mechanism having a counter balance device connected via an open intake throttle valve.
また前述の本発明の目的は、(2)鉛直方向に往復軸移動自在に基体に対して設けられた機械構造体の送り機構であって、
前記機械構造体の自重を基体に対して空気圧にて支持するピストンとシリンダとが相対的に往復移動するエアバランサと、前記基体に対して機械構造体を駆動して軸移動させるリニアモータと、前記機械構造体の基体に対する直線移動位置を検出する位置検出装置と、制御装置からの位置指令により位置検出装置からの検出位置信号のフィードバックを受けつつ前記リニアモータに駆動電流を出力する駆動制御装置とを備え、
前記機械構造体の自重を支持する空気圧が導入されるエアバランサの空気圧室が、空気圧源に、支持空気圧に調整されたリリーフ弁付のエアレギュレータと、圧力空気の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁を介して連結されているカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。
The object of the present invention described above is (2) a mechanical structure feeding mechanism provided to the base body so as to be reciprocally movable in the vertical direction.
An air balancer in which a piston and a cylinder that support the weight of the mechanical structure with respect to the base by air pressure are reciprocally moved; a linear motor that drives the mechanical structure relative to the base and moves the shaft; A position detection device that detects a linear movement position of the mechanical structure with respect to the base, and a drive control device that outputs a drive current to the linear motor while receiving feedback of a detection position signal from the position detection device in response to a position command from the control device And
The air chamber of the air balancer into which the air pressure that supports the weight of the mechanical structure is introduced is an air pressure source, an air regulator with a relief valve that is adjusted to the support air pressure, the inflow of pressure air is restricted, and the exhaust is open. This is achieved by providing a feed mechanism of a mechanical structure having a counter balance device connected via an intake throttle valve.
また、前述の本発明の目的は、(3)前記エアバランサ支持空気圧室と反対側の空気室を密閉すると共に空気を流入、排出する導管を設け、該導管に外気の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁を設けてなる前記(1)または(2)に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。 The object of the present invention is as follows. (3) The air chamber on the side opposite to the air balancer supporting air pressure chamber is sealed, and a conduit for inflowing and exhausting air is provided. This is achieved by providing a feed mechanism for a mechanical structure having the counter balance device according to the above (1) or (2), which is provided with an open intake throttle valve.
また、前述の本発明の目的は、(4)前記吸気絞り弁が逆止弁と絞り弁との並列接続体から成る前記(1)、(2)または(3)に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。 The object of the present invention is as follows. (4) The counter balance device according to (1), (2) or (3), wherein the intake throttle valve is a parallel connection body of a check valve and a throttle valve. This is achieved by providing a feed mechanism for a mechanical structure having the same.
また、前述の本発明の目的は、(5)前記機械構造体が工作機械の鉛直方向に往復軸移動するZ軸主軸である前記(1)、(2)、(3)または(4)に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。 Further, the object of the present invention is as follows: (5) The machine structure is a Z-axis main shaft that reciprocally moves in the vertical direction of the machine tool (1), (2), (3) or (4). This is achieved by providing a feed mechanism for a mechanical structure having the counter balance device described.
また、前述の本発明の目的は、(6)前記機械構造体が工作機械の水平主軸を保持して鉛直方向に往復軸移動させるZ軸スライダである前記(1)、(2)、(3)または(4)に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成されるものである。 The object of the present invention is as follows. (6) The machine structure is a Z-axis slider that holds the horizontal main shaft of the machine tool and reciprocates in the vertical direction. (1), (2), (3 ) Or (4) to achieve the feed mechanism of the mechanical structure having the counter balance device.
請求項1に記載の発明は、気体圧カウンタバランサに本発明の冷却原理の手段を最小限度付加したもので、カウンタバランス用の圧力気体が流入するシリンダの気体圧力室への流入と排気を、流入を妨げ排気は開放とする吸気絞り弁を設け、断熱膨張を生じさせて、シリンダの主として摩擦による発熱とリリーフ弁の遅れによって生じる断熱圧縮からの発熱を内部から冷却することが出来るものである。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、前記請求項1の発明にエアバランサにより支承されている機械構造体を、リニアモータによって駆動制御する態様を付加したもので、発明として請求項1の発明と実質同一のものである。
The invention according to
請求項1及び2の各発明に対し引用形式で記載した請求項3に記載の発明は、本発明で採用の冷却原理を、カウンタエアバランサに満遍なく適用したもので、圧力気体ではなく通常周りの外気が流入、排出するシリンダの気体圧力室と反対側の気体室も外気流入を妨げ排気は開放とする吸気絞り弁を設けることにより、上下のシリンダ室で断熱膨張を生じさせ、ピストンとシリンダ間の摩擦による発熱を両側からバランス良く冷却するし得るようにしたもので極めて有用なものである。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、前記請求項1、2または3に記載の各発明を引用して記載した発明であって、請求項1−3の各発明中における気体圧力室への圧力気体、空気室への周り空気の各流入を制限する物を「絞り弁」と、また気体圧力室または空気室からの気体の排出を開放状態とする物を「逆止弁」と具体的に特定したことにより発明の目的、効果が確実に達成されるようにしたものである。
The invention described in claim 4 is the invention described with reference to each of the inventions described in
請求項5に記載の発明は、前記請求項1、2、3または4に記載の各発明を引用して記載した発明であって、本発明の送り機構を適用するものとして最も適合するものと思われる工作機械の鉛直方向に往復軸移動するZ軸主軸に機械構造体を特定したもので、目的、作用効果を達し得るものである。
The invention described in
請求項6に記載の発明は、前記請求項1、2、3、または4に記載の各発明を引用して記載した発明であって、加工主軸を水平に保持して鉛直方向にリニアモータによって、往復軸移動するスライダなどのカウンタバランサ装置などにも適用可能で、かつ、有効なことを示している。
The invention described in claim 6 is the invention described with reference to each of the inventions described in
図1及び図2は、カウンタ気体圧バランサに本発明を適用した実施例の場合の、前述図12及び図13と同じ気体圧バランサ15の内部の空気圧などの作動状態を説明する図で、この場合前記バランサ15のシリンダ15Aが鉛直なZ軸方向に往復軸移動するクイル8と一体で、ピストン15B及びピストンロッド15Cがコラム等の固定部に連結杆16により一体に固定してあり、図1は、図示しないリニアモータによりクイルが上向きに駆動されて移動開始したとき、また図2は図1とは逆にクイルが下向きに移動を開始したときとする。なお、先に図12及び図13に於いて説明済みの同一物には、図12及び図13で付した符号より100番を引いた符号を付して示してあり、説明が省略してある。
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams for explaining the operating state such as the air pressure inside the
図1及び図2において、22及び23は、夫々可変絞り弁22A、23Aと逆止弁22B、23Bとを並列に接続したスピードコントローラ(速度制御弁)等と称されている吸気絞り弁で、シリンダ15A内でピストン15Bによって二分された各密閉状の上室15RUと下室15RDに夫々導管24、25を介して接続され、さらに上室15RUに接続された吸気絞り弁22は前述リリーフ弁付レギュレータ21から必要に応じバルブ26を介し所要の空気圧源に接続されるのに対し、他方の下室15RDに接続された吸気絞り弁23の他端23Cはそのまま外気に開放されている。
1 and 2,
図1において、クイル8と一体の機械構造体が、主として気体圧バランサ15の上室15RUに対するリリーフ弁設定圧の空気圧が、圧力空気圧源からレギュレータ21及び吸気絞り弁22を介する供給により、自重と平衡して静止している状態において、クイル8を駆動するリニアモータに何等かの位置決めのための移動指令、または加工中には間隙長や間隙の加工状態正常維持のための微小の上昇サーボ制御送り指令、又は所定の設定時間の経過若しくは加工状態の検出判別による電極上昇のジャンプ作動指令が入力し、リニアモータが応答して、1.0G以上の加速度でクイル8を駆動上昇させると、エアバランサ15の上室15RUと下室15RDの内容積は前者が増大しようとするのに対し後者が減少しようとする。
In FIG. 1, the mechanical structure integrated with the
然るに、これが図示した図1のエアバランサ15の構成によれば、上室15RUに対する圧力気体のレギュレータ21を介しての供給が、流入阻止の逆止弁22Bと調整設定されている絞り状態の絞り弁22Aとから成る吸気絞り弁22により流入が、少なくとも一時、即ち、上室15RUの内容積が増大乃至は増大しようとする速度に、絞り弁22Aから流入する圧力気体の流入が追いつかず、流入制限が生ずる現象が生ずるのに対し、下室15RDは内容積の減少に対し、逆止弁23Bが流出開放であるから、絞り弁23Aによる流出制限の影響はなく、下室15RD内の空気が殆ど圧縮されることなく排出されるのである。即ち、そうしてみると、クイル8の静止状態からの上昇時、又は下降状態からの反転上昇時には、シリンダ15の上室15RUで断熱膨張の現象が生じ、内部の気体がその断熱膨張の仕事量にほぼ見合った温度の低下をし、エアバランサ15のシリンダ15A及びピストン15B間の摩擦による発熱に対して冷却作用をし、前記摩擦等によるシリンダ15A、ピストン15B、ピストンロッド15Cおよびクイル8等周りにある機械部材の温度上昇を防止乃至は抑制することになる。
However, according to the configuration of the
前述のクイル8のリニアモータ駆動による上昇時に対して、主として何等かの位置決めのための下降時やジャンプによる上昇頂点に達した後の降下移動時につき図2より説明するに、上室15RUは、その内容積を急速に減少させ、内部の圧力気体を圧縮しようとするが、その圧力気体は前記吸気絞り弁22の逆止弁22Bを殆ど抵抗なしに通過してレギュレータ21に達し、上室15RUの圧力とほぼ同圧力の設定であるリリーフ弁から外部に放出されるので、わずかな断熱圧縮状態を生じるだけで外部へ放出することができる。しかるに、この時、他方の下室15RDは、急速に内容積を増大させようとして、シリンダ15Aを下方へ降下変位させたとしても、吸気絞り弁23を介する外気の流入は、逆止弁23Bによる完全阻止と、絞り弁23Aによる流入制限とにより、該下室15RD内では一時的にせよ断熱膨張作用が生じ、内部の気体は前述と同様に温度が下がることになり、温度を上げる熱を周りから奪うことになるから、エアバランサ15の主たる発熱原因、個所は上下の両側から冷却され、温度上昇が防止乃至は抑制されることになる。
The upper chamber 15RU is described below with reference to FIG. 2 when the
之を前述の図14の温度特性図と同一の条件で実験をして測定した温度特性図を示すと図3の通りであり、上述本発明によれば、ジャンプスピードJS:36m/min、加速度:約1.5Gにおいてなお温度上昇は大幅に押さえられ、周囲の部材間の温度差も大きく違わないので、機械構造体の設定された移動の軌跡や位置の精度を保ち得るものである。 FIG. 3 shows a temperature characteristic diagram measured by experimenting under the same conditions as the temperature characteristic diagram of FIG. 14 described above. According to the present invention, the jump speed JS: 36 m / min, acceleration : At about 1.5 G, the temperature rise is still greatly suppressed, and the temperature difference between the surrounding members is not significantly different. Therefore, the set movement trajectory and position accuracy of the mechanical structure can be maintained.
なお、吸気絞り弁22、23が上室15RUまたは下室15RDの内容積増大が、断熱膨張となるように吸気絞りとして作用するとき、クイル8の動きを制限するが、これを空気ばねとして検討すると、高応答のリニアモータによる動き初めの微小変位量に対する必要エネルギは、変位量が小さいうちの影響は少なく、クイル等の機械構造体をリニアモータで1.0G以上で動かす力に比べて微小であるから、リニアモータによる駆動の作動を実質上阻害するものでない。
When the
なお、既に前述に図1、図2等についての説明から明らかなように、カウンタバランサ15の上室15RUと下室15RDに対する吸気絞り弁22、23は、上下の往復軸移動が必ずしもさほど頻繁でない機械構造体の場合には、上室15RUまたは下室15RDの何れか一方の吸気導管に吸気絞り弁を設ければ足りることがあることが明らかである。勿論、一方に設けることによる上昇時と下降時の負荷のアンバランスや冷却の上下間のアンバランス等を避けるためには、前述実施例のように両方に設けるようにするものである。
As is clear from the description of FIGS. 1 and 2 and the like, the
本発明は、工作機械の加工主軸などのリニアモータによる鉛直方向の軸移動体に気体圧のカウンタバランス装置を設けた送り機構に適用して有用なものである。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful when applied to a feed mechanism in which a counterbalance device for gas pressure is provided on a vertical axis moving body by a linear motor such as a machining spindle of a machine tool.
8 クイル
8B 中空孔
15 エアバランサ
15A シリンダ
15B ピストン
15C ピストンロッド
15D フランジ
15RU 上室
15RD 下室
16 連結杆
21 リリーフ弁付レギュレータ
22、23 吸気絞り弁
22A、23A 絞り弁
22B、23B 逆止弁
24、25 導管
26 開閉弁
8
Claims (6)
前記機械構造体を基体に対して気体圧にて支持するピストンとシリンダとが相対的に往復移動する気体圧バランサと、前記基体に対して機械構造体を駆動して軸移動させるリニアモータとを備え、
前記機械構造体の自重を支持する圧力気体が導入される気体圧バランサの気体圧室が、気体圧力源に、リリーフ弁付気体圧レギュレータと、該レギュレータを介する気体圧力源の圧力気体の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁とを介して連結されていることを特徴とするカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構。 A feed mechanism for a mechanical structure that is held relative to a base body so as to be reciprocally movable in a vertical direction;
A gas pressure balancer in which a piston and a cylinder that support the mechanical structure with a gas pressure relative to the base move relatively reciprocally; and a linear motor that drives the mechanical structure with respect to the base to move the shaft. Prepared,
The gas pressure chamber of the gas pressure balancer into which the pressure gas that supports the weight of the mechanical structure is introduced includes the gas pressure source, the gas pressure regulator with a relief valve, and the inflow of the pressure gas from the gas pressure source through the regulator. A feed mechanism for a mechanical structure having a counter balance device, characterized in that the restricted exhaust is connected via an open intake throttle valve.
前記機械構造体の自重を基体に対して空気圧にて支持するピストンとシリンダとが相対的に往復移動するエアバランサと、前記基体に対して機械構造体を駆動して軸移動させるリニアモータと、前記機械構造体の基体に対する直線移動位置を検出する位置検出装置と、制御装置からの位置指令により位置検出装置からの検出位置信号のフィードバックを受けつつ前記リニアモータに駆動電流を出力する駆動制御装置とを備え、
前記機械構造体の自重を支持する空気圧が導入されるエアバランサの空気圧室が、空気圧源に、支持空気圧に調整されたリリーフ弁付のエアレギュレータと、圧力空気の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁を介して連結されていることを特徴とするカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構。 A mechanical structure feeding mechanism provided to the base body so as to be reciprocally movable in the vertical direction,
An air balancer in which a piston and a cylinder that support the weight of the mechanical structure with respect to the base by air pressure are reciprocally moved; a linear motor that drives the mechanical structure relative to the base and moves the shaft; A position detection device that detects a linear movement position of the mechanical structure with respect to the base, and a drive control device that outputs a drive current to the linear motor while receiving feedback of a detection position signal from the position detection device in response to a position command from the control device And
The air chamber of the air balancer into which the air pressure that supports the weight of the mechanical structure is introduced is an air pressure source, an air regulator with a relief valve that is adjusted to the support air pressure, the inflow of pressure air is restricted, and the exhaust is open. A mechanical structure feed mechanism having a counter balance device, wherein the counter balance device is connected via an intake throttle valve.
5. The mechanical structure having a counter balance device according to claim 1, wherein the mechanical structure is a Z-axis slider that holds a horizontal main shaft of a machine tool and moves the reciprocating shaft in a vertical direction. Body feeding mechanism.
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