JP4694623B2 - 横桁に沿い可動の機械要素を有する機械 - Google Patents

Description

本発明は、横桁に沿い可動の機械要素と機械要素の位置を測定するための計量要素とを備えた機械に関する。

機械、特に工作機械、生産機械やロボットにおいては、可動の機械要素が動作する際大きな加速力が発生する。

図１には、横桁１に沿って可動の機械要素５を備えた市販の工作機械が示され、その機械要素は実例ではリニアモータ５の形で存在する。横桁１は、そのＡ側において第１の支持要素２によって保持され、またそのＢ側においては第２の支持要素３によって保持されている。第１の支持要素２及び第２の支持要素３はその際かかる市販の工作機械においては固定されるように、即ち例えば溶接継手を用いて横桁１とできるだけ動かないように結合されている。それによって横桁１は第１の支持要素２又は第２の支持要素３に対し相対運動はなし得ない。横桁１によって支持されるリニアモータ５を用いて、工具７例えばカッタヘッドを動かす回転型の駆動部６をＸ方向に横桁に沿って移動させることができる。

リニアモータ５の位置を検出するため、リニアモータ５には測定ヘッド１０が取り付けられており、この測定ヘッドは横桁１と固定結合された計量要素４の具体化された計量結果を読み取る。そのようにしてリニアモータ５の位置、したがって横桁に沿った工具７の位置を決定することができる。横桁上を導かれるリニアモータ５は、Ｘ軸に沿った動的移動の際加速力を発生し、この加速力は短時間に形成され、再び解体される。その結果として生じる反力が横桁１を介して両支持要素２及び３に伝達され、それによって両支持要素は変形する。

図２には、市販の機械において両支持要素２及び３に発生する変形を示す。図２の符号は図１の要素の符号と一致している。支持要素の変形は横桁１の動き（横への移動）を導き、この動きは位置測定システムの計量要素４の動きをも伴う。何故なら計量要素４は固定されるように、すなわち動かないように横桁と結合されているからである。それによって、加工材料の加工経過中に大きな不精確が発生し、この不精確は例えばあらかじめ動きの経過の周波数解析においては予想され得ないものである。支持要素が硬さを低く形成されているほど、このことは連続して、それによって引き起こされる支持要素の変形のより大きな振幅にはっきりと現れる。上述の問題は、例えば市販の工作機械、生産機械やロボットにおいて実際上機械動特性の制限に導く。

この問題を回避するため、刊行物のディートマ・ストイバ(Dietmar Stoiber)及びマルクス・クノル（Markus Knorr）著の“Werkstatt und Betrieb,Maschinebau,Konstruktion und Fertigung”（修理工場及び運転、機械製造、構造及び製作）、項目“Ruckfrei“（瞬間的な動きなし）、カールハンサ（Carl Hanser）出版（ミュンヘン）、133巻（2000）6月から、固定した正面玄関に対して解決案が知られており、そこでは独立した桁支持枠が測定システムの計量要素に対し使用される。独立した桁支持枠は機械要素の動きの際力を受けず、それ故台座に対し変位なしにとどまる。この装置の欠点は、計量要素のための付加の桁支持枠にあり、作動可能な横桁の場合には結果として付加の機械軸を伴うことになる。

本発明は、機械要素の位置の測定精度に対する支持要素の変形の影響を低下させ得る機械を提供することを課題とするものである。

この課題は、横桁に沿って可動の機械要素と機械要素の位置を測定するための計量要素とを備え、横桁が第１の支持要素と第２の支持要素とにより支持され、横桁は第１の支持要素とは固定されるように結合され、第２の支持要素とは横桁と第２の支持要素とが互いに相対的に動き得るように可動に結合され、計量要素は第２の支持要素とは固定されるように結合され、第１の支持要素とは計量要素と第１の支持要素とが互いに相対的に動き得るように可動に結合されることによって解決される。

機械要素が駆動部として形成されていると有利であることが明らかである。機械要素を駆動部として形成することは通常の構成である。

これと関連して、駆動部をリニア駆動部として形成することは横桁を有する機械における通常の実施形態である。

さらに、計量要素が第１の軸受を介して第１の支持要素と可動的に結合されていると有利であることが実証されている。軸受を用いて簡単に可動性の結合を実現することができる。

さらに、横桁が第２の軸受を介して第２の支持要素と可動的に結合されていると有利であることが実証されている。軸受を用いて簡単に可動性の結合を実現することができる。

さらに、第１の軸受及び第２の軸受の少なくとも一方が平軸受、磁気軸受、ころがり軸受として、又は変形式軸受として形成されていると有利なことが実証されている。第１及び第２の軸受の少なくとも一方を平軸受、磁気軸受、又はころがり軸受として形成することは軸受の通常の形態である。特に軸受を変形式軸受として形成するのが有利である。軸受を変形式軸受として形成すると、一方では関与する要素が相互にＸ方向に可動であり、他方では高い横剛性（Ｙ方向の剛性）が与えられることが保障される。機械が、機械要素のＹ方向、即ちＸ軸に垂直な水平面の方向の作動を可能にする別の機械軸を有する場合には、変形式軸受を用いて装置のＹ方向の必要な剛性が確保される。

この関連で、変形式軸受が薄板の形に形成されることが有利なことが実証されている。変形式軸受を薄板として、特にやわらかい薄板の形に形成することを用いて特に簡単に、Ｘ方向においては要素相互の可動性を許容するが、同時にその高い剛性によってＹ方向においては関与する要素の動きを阻止する変形式軸受を実現することができる。

機械を工作機械、生産機械やロボットとして形成することは、本発明の通常の構成形態である。しかしもちろん本発明は他の種類の機械に対しても使用することができる。

本発明の２つの実施例を図面に示し、以下に詳細に説明する。

図３は本発明による第１の実施例が工作機械の形で示されている。図３に示される本発明による実施形態は、基本構造において上述の図１及び図２に説明される実施形態に基本的に相応している。それ故同じ要素については図３において図１又は図２と同じ符号が付されている。図３による本発明に従う実施形態の図１及び図２による市販の実施形態に対する本質的な相違は、横桁１が第１の支持要素２とは固定されるように結合され、第２の支持要素３とは、横桁１及び第２の支持要素３が互いに相対的に動き得るように可動的に結合され、その際計量要素４が第２の支持要素３とは固定されるように結合され、第１の支持要素２とは、計量要素４及び第１の支持要素２が互いに相対的に動き得るように可動的に結合されることにある。したがって、図１及び図２による市販の実施形態に対し、横桁１はもはやできるだけ強固に両支持要素２及び３と互いに結合されるのではなく、横桁１は第２の支持要素３に対しては相対的に特定の範囲内で動き得る。横桁１と第２の支持要素３との間の動きはその際通常マイクロメートルの範囲で行われ、或いは機械の実施形態に応じてミリメートルの範囲で行われる。横桁１はそれによってなお第１の支持要素２とのみはできるだけ固定されるように、即ち強固に結合されている。

さらに本発明による機械においては、図１及び図２による市販の実施形態とは異なり、計量要素４もまた横桁１と固定的に結合されておらず、計量要素４は横桁１に対し可動に配置されており、計量要素は第２の支持要素３と固定的に結合され、第１の支持要素２とは可動に結合され、その結果計量要素４及び第１の支持要素２は互いに相対的に動くことができる。

計量要素４はその際第１の軸受８を介して第１の支持要素２と可動に結合されるのが有利であり、また横桁１は第２の軸受９を介して第２の支持要素３と可動に結合されるのが有利である。その際軸受は平軸受、磁気軸受として、又はころがり軸受として形成することができる。

本発明は、上述の問題を支持要素の固有運動を分離することによって解決する。横桁１が第１の支持要素２とのみ固定的に結合されていることによって、図３に模範的に示されているようにリニアモータ５がＸ方向に動く際、リニアモータが加速されるとＸ方向の力は第１の支持要素２にのみ伝えられ、第１の支持要素は図３に示されるように力の作用によって変形する。横桁１は第２の支持要素に対しては可動に配置されているから、第２の支持要素３は静止したままであり変形しない。スケールは第２の（変形されない）支持要素３とのみ固定されるように結合され、第１の支持要素２とは可動に結合されているから、第１の支持要素２の変形は同様に計量要素４及びしたがって位置測定システムに伝えられない。リニアモータ５の作動操作に対する制御のための位置測定信号の返送において、横桁１の固有運動はしたがってもはや擾乱量として存在しないから、加工の際本質的により高い精度及びより高い機械動特性を実現することができる。

図４には、本発明の別の実施形態が示されている。図４に示される実施形態は基本構造においては上述のように図３に示された実施形態に基本的に相応する。それ故同じ要素については図４には図３と同じ符号が付されている。ただ１つの本質的な相違は、図４による実施形態においては第１の軸受８及び第２の軸受９は平軸受、磁気軸受として、又はころがり軸受として形成されているのではなく、これらは実施例では薄板の形に形成された変形式軸受として実施されている点にある。横桁１はその際実施例では垂直に配置された薄板９を介して第２の支持要素３と結合されている。同様に計量要素４は垂直に配置された薄板８を介して第１の支持要素２と結合されている。薄板９の配置によって、第２の支持要素３が変形することなく、横桁１の第２の支持要素３に対する動きが行われることが保障される。というのは薄板を曲げるためにＸ方向の非常にわずかの力を必要とするだけであるからである。相応のやり方で、計量要素４と第１の支持要素２との間の動きも薄板８によって行われ得る。しかし薄板は水平のＹ方向（図４参照）には高い剛性を持っていることによって、軸受を変形式軸受として、特に提示された薄板の形として、形成することにより、装置、特に横桁１のＹ方向の、即ち図に向かって水平方向の高い剛性が同時に実現される。薄板を用いて変形式軸受は特に簡単に実現することができる。

もちろん変形式軸受を形成するためには、必ずしも複数の薄板を設ける必要はなく、変形式軸受はただ１つの薄板でのみ形成することもできる。

さらにまた、両軸受の一方を変形式軸受として形成し、他の軸受は例えば平軸受、磁気軸受として、又はころがり軸受として形成することもいうまでもなく可能である。

従来技術による工作機械の説明図である。 支持要素の変形が発生した従来技術による工作機械の説明図である。 本発明による機械の第１の実施例の説明図である。 本発明による機械の第２の実施例の説明図である。

符号の説明

１ 横桁
２ 支持要素
３ 支持要素
４ 計量要素
５ リニアモータ（機械要素）
６ 駆動部
７ 工具
８ 軸受
９ 軸受
１０ 測定ヘッド

Claims (8)

1. 横桁（１）に沿い可動の機械要素（５）と機械要素（５）の位置を測定するための計量要素（４）とを備え、横桁（１）が第１の支持要素（２）と第２の支持要素（３）とにより支持され、横桁（１）は第１の支持要素（２）とは固定されるように結合され、第２の支持要素（３）とは横桁（１）と第２の支持要素（３）とが互いに相対的に動き得るように可動に結合され、計量要素（４）は第２の支持要素（３）とは固定されるように結合され、第１の支持要素（２）とは計量要素（４）と第１の支持要素（２）とが互いに相対的に動き得るように可動に結合されることを特徴とする機械。
2. 機械要素（５）が駆動部として形成されていることを特徴とする請求項１記載の機械。
3. 駆動部がリニア駆動部として形成されていることを特徴とする請求項２記載の機械。
4. 計量要素（４）が第１の軸受（８）を介して第１の支持要素（２）と可動に結合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の機械。
5. 横桁（１）が第２の軸受（９）を介して第２の支持要素（３）と可動に結合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の機械。
6. 第１の軸受（８）及び第２の軸受（９）の少なくとも一方が平軸受、磁気軸受、ころがり軸受として、又は変形式軸受として形成されていることを特徴とする請求項４又は５記載の機械。
7. 変形式軸受が薄板の形に形成されていることを特徴とする請求項６記載の機械。
8. 機械が工作機械、生産機械、又はロボットとして形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の機械。

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