JP4759094B1 - Xyテーブル - Google Patents

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Abstract

【課題】電力消費エネルギーを削減し、地球温暖化防止のためにCOの発生を抑えた環境対応型のXYテーブルを提供する。
【解決手段】環境対応型のXYテーブル10は、矩形のベース1と、このベース1に対向するテーブル3と、このベース1とテーブル3との間に挿通されているサドル2と、ベース1を基準としてサドル2をY軸方向へ移動させるY軸駆動手段4と、サドル2を基準としてテーブル3をX方向へ移動させるX軸駆動手段5と、を備えた環境対応型のXYテーブル10であって、前記サドル2と前記テーブル3との何れか一方または双方は、CFRPを用いて形成したことを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、Yテーブルに関し、特に、電力消費エネルギーを削減し、地球温暖化防止のためにCOの発生を抑えたYテーブルに関する。
近年、産業界においては、各種の生産ラインの自動化が進んでいる。例えば、工作機械、または検査装置、もしくは産業機械において、ワークを正確な位置に位置決めをするために使用されるXYテーブルは、生産ラインの自動化を図る上で欠くことのできないユニットの一つになっている。
また、このXYテーブルの駆動装置は、ボールネジとサーボモータとによる駆動装置から、リニアモータへの置き替えが進んでいる。
例えば、図9に示すように、従来のXYテーブル20にはリニアモータが採用され、下から順に、ベース13と、サドル14と、テーブル15が、上下に重なって矩形体をなすように構成されている。
また、XYテーブル20は、ベース13とサドル14との間に、このサドル14をX方向へ駆動させるX軸リニアモータ17(図示せず)が設けられ、もう一方のサドル14とテーブル15との間にもこのテーブル15をY方向へ駆動させるY軸リニアモータ16(図示せず)が収納されている。
また、信号ケーブル12は、平帯状のFPC(Flexible Printed Circuit)であり、サドル14から引き出されてドライバ19に接続されている。すなわち、信号ケーブル12は、サドル14のY方向への移動に対して柔軟に追従することができる。
なお、サドル14のX方向に移動する信号ケーブルは省略している。
さらに、ケーブル18は駆動用動力ケーブルであり、これらX軸リニアモータおよびY軸リニアモータは、このケーブル18によってドライバ19と接続されている。(特許文献1参照)。
特許第4440336号公報(図1〜図3)
しかしながら、この種のXYテーブル20のベース13に載置されたサドル14およびテーブル15は、比重7.2の鋳物製であるため、重く、そのため、高速移動において大きな出力(電力消費エネルギー)のモータが必要になり、この結果、過熱によるトラブルが発生し、冷却装置が必要になるといった問題が生じていた。さらに、従来のXYテーブル20は、消費電力が大きいため、世界環境問題のCOの削減に貢献ができない、という問題があった。
そこで、本発明はこの様な問題点に鑑みてなされたものであり、サドルおよびテーブルの軽量化を図るとともに、モータの出力を小さくし、この結果として、過熱によるトラブルの発生をなくし、冷却装置を不必要にするXYテーブルを提供するとともに、電力消費エネルギーを削減し、地球温暖化防止のためにCOの発生を抑えたXYテーブルを提供することを課題とする。
前記した課題の解決を達成するため、請求項1に記載のXYテーブルの発明は、矩形のベースと、前記ベースに対向するテーブルと、前記ベースと前記テーブルとの間に挿通されているサドルと、前記ベースを基準として前記サドルをY軸方向へ移動させるY軸駆動手段と、前記サドルを基準として前記テーブルをX方向へ移動させるX軸駆動手段と、を備え、前記サドルと前記テーブルとの何れか一方または双方、CFRPを用いて形成されたXYテーブルであって前記CFRPを用いて形成された前記テーブルの下面には座が設けられ、前記テーブルの上面には、複数個のフランジ付ブッシュが装着され、前記複数個のフランジ付ブッシュのフランジ部が前記テーブルの上面に凸形に形成され、前記複数個のフランジ付ブッシュのフランジ部の上面が前記座の下面を基準面として、所望の精度で同一平面に形成されていることを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載されたXYテーブルであって、前記サドルと前記テーブルとの何れか一方または双方は、前記CFRPを用いた2枚の板材と、前記2枚の板材の間に挟持されたコア材と、を備えたことを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項2に記載されたXYテーブルであって、前記CFRPの2枚の板材の厚みは1〜10mmであり、前記コア材の厚みは5〜100mmであることを特徴とする。
請求項1に係る発明によれば、サドル、および、テーブルの移動体の軽量化を図ることにより、Y軸、X軸駆動手段の出力を小さくすることができる。さらに、具体的には、サドル、および、テーブルの材質を鋳物材からCFRP材に代え、リニアモータやころがりガイド等を含めた移動体の比較では、1/4.4の軽量化を図ることができる。この結果、Y軸、X軸駆動手段のリニアモータの容量4kw(2台)を0.8wのモータ(2台)に、約1/5に小さくできるため、結果として、過熱によるトラブルの発生をなくし、冷却装置を不必要にするXYテーブルを提供することができる。また、電力消費エネルギーを削減し、地球温暖化防止のためにCOの発生を抑えたXYテーブルの提供ができる。
また、複数個のフランジ付ブッシュのフランジ部の上面が、座の下面を基準面として、所望の精度で同一平面に形成されたことにより、質量を増やさないで、テーブルの精度を容易に確保することができる。また、CFRP板の上面の平面度の精度に影響を受けることがなく、容易に加工ワークの精度を保つことができる。さらに、複数個のフランジ付ブッシュのフランジ部を取り付け座の基準座とすることにより、治具の固定やワークの固定を高精度に行うことができる。
請求項2に係る発明によれば、サドルとテーブルとの何れか一方または双方が、CFRPを用いた2枚の板材と、2枚の板材の間に挟持されたコア材と、を備えたことから、より軽量化を図るとともに、強度を向上させることができる。
請求項3に係る発明によれば、CFRPの2枚の板材の厚みは1〜10mmであり、コア材の厚みは5〜100mmとすることにより、それらを組み合わせたCFRP板の厚みは7〜120mmまで多様な組み合わせによって構成できることから、強度を向上させ、軽量化を図った最適なCFRP板の供給ができ、済的な板材の提供をすることができる。さらに、電力消費エネルギーを削減し、地球温暖化防止のためにCOの発生を抑えたXYテーブルの提供ができる。
全体を示す平面図である。 図1に示す正面図である。 図1に示すA1の矢視図である。 図1に示すA2の矢視図である。 CFRP板の上面の一部を破断した斜視図である。 図1に示すE−E線の断面図である。 図1に示すF−F線の断面図である。 図1に示すG−G線の断面図である。 従来の技術を示し、全体を示す斜視図である。
≪XYテーブルの構成≫
図1、図2に示すように、本発明の実施形態であるXYテーブル10は、例えば、工作機械の主軸台の主軸近傍に載置され、ワークの位置決めをするユニットである。
XYテーブル10は、矩形のベース1と、このベース1に対向するテーブル3と、ベース1とテーブル3との間に挿通されているサドル2と、ベース1を基準としてサドル2をY軸方向へ移動させるY軸駆動手段4のY軸リニアモータ4と、サドル2を基準としてテーブル3をX方向へ移動させるX軸駆動手段5のX軸リニアモータ5と、から構成されている。
つまり、XYテーブル10は、ベース1に積み上げられたY方向へ移動自在なサドル2と、サドル2に積み上げられたX方向へ移動自在なテーブル3とから構成されている。
ベース1は、平面視で矩形をした板であり、厚みは例えば28mmほどである。ベース1は、フロアに据え付けられた架台11に8個のボルトによって固定されている。ベース1は、鋳物製であるが、他の材質、例えば、鉄板溶接構造であっても構わない。
架台11は、平面視で矩形をしており、XYテーブル10を載置する。架台11は、XYテーブル10の自重および切削力を受けては撓まないよう、十分な剛性を備えている。
なお、ベース1は、架台11と一体にしても構わない。
ベース1の上面1aの左右両端付近には、2本のY軸サブレール1b,1bを介して2本のY軸ころがりガイド1c,1cが平行に固定されている。また、このY軸ころがりガイド1c,1cには、摺動自在にガイドナット1d,1dが嵌合されている。
さらに、2本のY軸ころがりガイド1c,1cによって形成されたスペース(空間)には、サドル2をY方向へ摺動するY軸駆動手段のY軸リニアモータ4が配置されている。
また、ガイドナット1d,1dの上面には、スペーサ1e,1e(図6参照)を介してサドル2がボルトによって固定されている。
サドル2は、平面視では矩形をしたCFRP(炭素繊維強化プラスチック:Carbon Fiber Reinforced Plastics)の板であり、4隅の角は大きな面取りにより安全対策を施している。図5に示すように、サドル2は、上面cと下面dの間に中間層eが形成されている。上面cと下面dは、例えば厚み2mmずつのCFRP板であり、中間層eの外周面も厚み2mmのCFRP板で覆われている。CFRPの比重は1.8である。
中間層eは、コア材7である。コア材をCFRP板でサンドイッチにしたサンドイッチパネル構成により軽量化ができる。ここでは、例えば六角形状で連続して形成されたハニカム材7である。このハニカム材7を、板厚2mmのCFRP板で挟持して接着されているため、見た目では、厚み全てがCFRP板のように見える。このように、中間層eを設け、中間層eをハニカム材7にすることにより、サドル2の軽量化が可能になる。また、サドル2の厚みは、ここでは、例えば12mmである。
サドル2の上面2aには、2本のX軸スペーサ2b,2bを介して2本のX軸ころがりガイド2c,2cが平行に固定されている。また、このX軸ころがりガイド2c,2cには、摺動自在にガイドナット2d,2dが嵌合されている。
このように、2本のX軸ころがりガイド2c,2cによって形成されたスペース(空間)には、テーブル3をX方向へ摺動するX軸駆動手段のX軸リニアモータ5が配置されている。
サドル2は、前記したように、後記するテーブル3と同様、従来の鋳物の材質をCFRP板にして、厚みを薄い形状変えている。
CFRP板は、カーボン繊維をエポキシやポリイミドなどのマトリックス樹脂で成形・加工して製作した強化プラスチックである。カーボン繊維は5〜10μの太さの極細繊維であるが、これをフィルム状に形成した薄板を例えば厚みが2mmになるまで積層方向を交互、斜め方向の全方向にずらして積層することにより、全方位に対して強い板材が可能になる。
CFRP板は、鋼材(スチール)や鋳物材に比べて、比強度および比弾性率(比剛性)で優れており、「軽くて強い」優れた機械的な特性をもっている。
この他、CFRP板の機械的性質の特徴は、カーボン繊維を用途、要求特性に合せて、カーボン繊維の種別、配向、組合せなどを変えることもできる。また、その機械的性質は、軽量・高剛性・高強度、振動減衰性に優れている。そのため、宇宙機器の衛星構造体、搭載アンテナ、太陽電池パネル、飛行機、自動車のフレームや医療機器のX線天板、X線フィルムカセット、機構部品等に採用されている。
Y軸駆動手段はY軸リニアモータ4である。Y軸リニアモータ4は、図7に示すように、断面形状がコの字状のリニアマグネットa,aと、このコの字状のすきまに摺動自在に嵌合されたリニアコイルb,bとから構成されている。リニアマグネットa,aは向かい合わせに、左右対称にベース1の上面1aに固定され、このリニアコイルb,bは、サドル2の下面にボルト9b…によって固定されている。
この結果、Y軸リニアモータ4は、図示しないモーションコントローラからのNC指令により駆動して、図3、図4に示すように、サドル2をY軸方向へ移動させる。なお、リニアスケール等を設けてクローズドループ制御をしてもかまわない。
同様に、X軸駆動手段はX軸リニアモータ5である。X軸リニアモータ5は、Y軸リニアモータ4に直交する方向に配置され、前記したように、それぞれ断面形状がコの字状のリニアマグネットa,aと、このコの字状のすきまに嵌合されたリニアコイルb,bとから構成されている。リニアマグネットa,aは向かい合わせに、左右対称にサドル2の上面2aに固定され、リニアマグネットa,aに摺動自在に嵌合されたリニアコイルb,bら構成されている(図3,図4,図7参照)。また、このリニアコイルb,bは、テーブル3の下面にボルトによって固定されている。この結果、X軸リニアモータ5は、図示しないモーションコントローラからのNC指令により駆動して、図2に示すように、テーブル3をX軸方向へ移動させて、高精度な位置決めが可能である。
一般に、リニアモータは、ボールネジとサーボモータとを組み合わせた従来の駆動装置に比べて、移動速度、位置精度に優れており、さらに、機械的接触箇所も少ないため、摩擦によるロス、運動エネルギーのロスが少なく、機械効率が高いので、XYテーブル10には好都合である。
テーブル3は、図1に示すように、平面視で矩形をしたCFRP板であり、サドル2のサイズよりは小さい面積をした形状になっている。また、サドル2と同様に、テーブル3の板厚は12mmである。
図5に示すように、CFRP板は上面cと下面dと外周面のみであり、それぞれ厚み2mmの板によってハニカム材7の中間層eをサンドイッチ状態で接着している。
CFRP板の特徴の説明は、前記同様であるため、省略する。
本実施形態のXYテーブル10は、ベース1の上面1aにサドル2を配置し、サドル2の上面2aにテーブル3を配置して、これら三者を積み上げるとともに、ベース1とサドル2との間にはY軸駆動手段としてのY軸リニアモータ4が収容され、サドル2とテーブル3との間には、X軸駆動手段としてのX軸リニアモータ5が収容されて形成されている。
図6は、図1に示すE−E線の断面図である。図6に示すように、CFRP板のサドル2に設けた穴にスリーブ状ブッシュ8挿通し、ハニカム材7の上面cと下面dとを接着剤接着させて一体にしている。さらに、サドル2は、上面cにプレート2fを介して、下面dにもスペーサ1eを介して、ボルト8bによってガイドナット1dに固定されている。なお、接着剤としてはAV138(ナガセケムテックス)が好適である。
また、Y軸ころがりガイド1cは、Y軸サブレール1の溝に挿通され、ビス1fによって右側面の基準面に当接されている。
図7は、図1に示すF−F線の断面図である。図7に示すように、左右対称のため、右側の半分で説明し、左側は省略する。CFRP板のサドル2と、リニアマグネットaとの固定は、サドル2に設けた穴に フランジ付ブッシュ9を挿通し、ハニカム材7の上面cと下面dに接着させて一体にする。さらに、フランジ付ブッシュ9のフランジ部9aを上面cに当接させて、下面からのボルト9b…によって、リニアマグネットaをサドル2に固定する。なお、接着剤の接着強度は強力であり、CFRP板とハニカム材7との分解は不可能である。
図8は、図1に示すテーブルのG−G線の断面図である。図8に示すように、CFRP板のテーブル3の下面dには4個の座3aが配置されている。また、テーブル3の上面cには治具の固定やワークの固定の基準座となるフランジ付ブッシュ9が挿通され、上面cと下面dに接着させて一体になっている。ねじ付きのフランジ付ブッシュ9は、テーブル3の左右方向に4列、前後方向に6列の格子状を形成し、その交点に例えば24個配置されている。
また、このフランジ付ブッシュ9はフランジ部9aがテーブル3の上面cより凸形に形成されており、この24個の上面9cは、座3aの下面fを基準面として、所望の形状精度の平面度で形成されている。これにより、テーブル3の厚みHの寸法は、同一となっている。
前記平面度の加工方法として、ここでは、平面研削盤等の工作機械によって、仕上げられている。
ここで、従来のXYテーブル20と、本願発明のXYテーブル10と比較検証する。
従来と本願発明のXYテーブルの消費電力を算出し、COの発生量を算出する。
なお、環境省は、日本の発電事情がまだ火力発電が50%以上であることを勘案し、1kwh当りのCOの発生量は、0.36kg−co/kwhであることを公表している。
そこで、COの発生量は、1kwh当り、0.36kg−co発生するものとする。
また、テーブルのサイズと、サドルのサイズは、本願発明と比較をする都合上、本願発明のXYテーブルのサイズに合わせるものとする。
なお、両者を比較するには、若干の緒言の共通化が必要である。それは質量とイナーシャ(慣性力)とスピードに関係する。XYテーブルの移動の場合、質量が大であっても、スピードが低速であれば、イナーシャは小さい。また、質量が小さくても、スピードが高速であればイナーシャは大きくなる。したがって、質量が大きく、スピードが速い場合は、イナーシャを抑えるために大容量出力のモータが必要になる。このスピード(性能)を高速に設定して同等なものとして比較する必要がある(表1参照)。
しかしながら、本願発明のように、移動体の質量を極端に小さく抑え込むことによって、イナーシャを極小にすることができるから、移動体を速くする場合であっても、小出力のリニアモータで可能になる。
<従来のXYテーブル>
従来のXYテーブルの消費電力を算出し、COの発生量を算出する。
・テーブル移動体の質量:鋳物製板50kg+購入品29.8kg=79.8kg
・サドル移動体の質量:鋳物製板60kg+購入品31.2kg=91.2kg
・リニアモータの容量:X軸、Y軸とも4kW、合計では8kW
・1日の電力使用量:8kw×8H×稼働率0.3=19.2kWH
・年間の電力使用量:19.2kWH×250日=4,800kWH
・ 年間COの排出量:4,800kWH×0.36=1,728kg−co
<本願発明のXYテーブル>
本発明のXYテーブルの消費電力を算出し、COの発生量を算出する。
・テーブル移動体の質量:CFRP製2.7kg+購入品2.6kg=5.3kg
・サドル移動体の質量:CFRP製6.0kg+購入品27.5kg=33.5kg
・リニアモータの容量:X軸、Y軸とも0.8kw、合計では1.6kW
・1日の電気使用量:1.6kW×8H×稼働率0.3=3.84kWH
・年間の電気使用量:3.84kWH×250日=960kWH
・ 年間COの排出量:960kWH×0.36=345kg−co
これらを整理した結果を表1に示す。ただし、固定または載置される治具、ワーク
等の質量は、両者に均等にかかるため除外している。
また、購入品とは、ころがりガイドおよびナット、リニアモータを構成するリニアマグネットおよびリニアコイル等を含むものとする。
[表1]
Figure 0004759094
表1は従来のXYテーブルと、本実施形態のXYテーブルとの比較表である。表1に示すように、従来のXYテーブルの移動体の質量を、約23%に軽量化を実現した結果、X軸、Y軸リニアモータの出力(容量)は、従来の4kWと4kWの2セット、合計8kWから、本発明の0.8kWと0.8kWの2セット、合計1.6kWに1/5にダウンサイジングが可能になった。
この結果、両者の1台当たりで比較すると、COの排出量は80%削減効果を奏する。また、1年間の生産台数に相当する1,000台が全国各地で、1年間稼動すると想定した場合、年間COの排出量を比較すると、表1の最下段に示すように、従来のXYテーブルでは、1,728ton−coに対して、本実施形態のXYテーブルでは、345ton−coとなり、その差1,383ton−coと削減とする顕著な効果を奏する。
なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能である。例えば、ころがりガイドを使用したが、他のガイドを採用しても構わない。また、リニアモータを使用したが、X軸、Y軸駆動手段であればよく、他のモータを採用しても構わない。
以上の通り、本発明のXYテーブルは、移動体であるテーブとサドルの軽量化に成功し、小さな容量のモータで従来の仕様と同じXYテーブルの機能を確保した結果、従来のCOの発生量の80%を削減したXYテーブルの提供が実現した。これは、従来の技術的思想にはない、地球温暖化防止のためにCOの発生を抑えたXYテーブルという視点から研究を重ねた成果である。
また、これはXYテーブルの大小に拘わらず、どのサイズにも適用可能であり、これまでにない顕著な効果を奏するものである。また、XYテーブル10は、これからの他のユニットのあり方を示唆するものとなっている。このXYテーブルは、日々生産活動に貢献している。
1 ベース
1a 上面
1b Y軸サブレール
1c Y軸ころがりガイド
1d ガイドナット
1e スペーサ
1f ビス
2 サドル
2a 上面
2b X軸スペーサ
2c X軸ころがりガイド
2d ガイドナット
2f プレート
3 テーブル
3a 座
4 Y軸リニアモータ(Y軸駆動手段)
5 X軸リニアモータ(X軸駆動手段)
7 コア材(ハニカム材)
8 スリーブ状ブッシュ
8b ボルト
9 フランジ付ブッシュ
9a フランジ部
9b ボルト
9c 上面
10 XYテーブル
11 架台
a リニアマグネット(電極ヨーク)
b リニアコイル
c 上面
d,f 下面
e 中間層
H 厚み

Claims (3)

  1. 矩形のベースと
    前記ベースに対向するテーブルと
    前記ベースと前記テーブルとの間に挿通されているサドルと
    前記ベースを基準として前記サドルをY軸方向へ移動させるY軸駆動手段と
    前記サドルを基準として前記テーブルをX方向へ移動させるX軸駆動手段と、を備え、
    前記サドルと前記テーブルとの何れか一方または双方、CFRPを用いて形成されたXYテーブルであって
    前記CFRPを用いて形成された前記テーブルの下面には座が設けられ、前記テーブルの上面には、複数個のフランジ付ブッシュが装着され、前記複数個のフランジ付ブッシュのフランジ部が前記テーブルの上面に凸形に形成され、前記複数個のフランジ付ブッシュのフランジ部の上面が前記座の下面を基準面として、所望の精度で同一平面に形成されていることを特徴とするXYテーブ
  2. 前記サドルと前記テーブルとの何れか一方または双方は、
    前記CFRPを用いた2枚の板材と、
    前記2枚の板材の間に挟持されたコア材と
    を備えたことを特徴とする請求項1に記載のXYテーブル。
  3. 前記CFRPの2枚の板材の厚みは1〜10mmであり、
    前記コア材の厚みは5〜100mmであることを特徴とする請求項2に記載のXYテーブル。
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