JP5315016B2 - 垂直移動テーブルの駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、精密な加工を行う工作機械や加工機に係り、より一層詳細にはこれらの機械に用いられる垂直移動テーブルの駆動装置に関する。

従来、ナノメートルという精密な加工精度を求められる精密工作機械や精密加工機械（以下、これらをまとめて精密工作機械という）の移動体駆動装置においては、工具を設置するスピンドルや加工対象（ワーク）等を移動するために使用される案内部の隙間や移動のための構成部材等の弾性変形や重量・形状の非対象性による不均衡等のため、移動体の移動の向きが反転する際に誤差が発生することがあり、このような姿勢変動による誤差を軽減する方法が求められており、そのための対策が提案されている。

たとえば、特許文献１に開示されているように、ボールねじを駆動して昇降する場合には、移動体の重心位置を中心に移動体の駆動部と略対称位置に、移動体に押力または引力を作用するシリンダを配置し、制御装置の指令により移動体の移動方向があらかじめ定めた向きに反転するとき、同時に制御装置の指令によりあらかじめ設定された圧力の圧力流体をシリンダに供給し、移動体の姿勢を反転する前の状態に戻す。

次に、制御装置の指令により移動方向があらかじめ定めておいた向きから反転するとき、同時に制御装置の指令によりシリンダへの圧力流体の供給を停止し、移動体を駆動部側が先行する姿勢で移動するようにする。このように移動体を常に同一の姿勢に維持することにより姿勢差を抑制するようにしている。（特許文献１）

また、リニアモータを利用した精密工作機械にあっては、特許文献２に開示されるように、Ｙスライド５には水平主軸を回転自在に軸承するラムを構成するＺスライドがＺ軸方向（前後方向）に移動可能に支持されている。さらに、垂直ベッド１に対してＸスライド４、Ｙ軸スライド５およびＺスライド７をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向あるいはＺ軸方向に移動させることにより、主軸６を前記テーブル３上に載置固定された被加工物に対して互いに直交する３軸方向に移動位置決めすることができるように構成されている。上記Ｘスライド、ＹスライドおよびＺスライドは、それぞれ互いに平行に配設された２本のリニアモータによって軸送り駆動が行われるようにしている。（特許文献２）

特開２００３−８０４４０ 特開平９−２６２７２７

従来、機構上の制約により、上述のように、駆動の推力を発生するためのモータなどの駆動の推力源を重心位置に配置していた。しかし、現実的には、このように重心位置に駆動の推力源を配置することは、構成する部材の重量、形状、および特性等による制約があり、実現は困難な場合が多くあった。そのため、案内部の隙間や構成部材の不均衡による弾性変形などの要因となり、移動体の移動の向きが反転する際に生じる姿勢変動による誤差を生じていた。そしてこのことが、位置決め精度の低下の一因となっていた。リニアモータを使用した精密工作機械においては、移動体を一対の案内面に沿って移動させる場合、案内面の中央に移動体の重心および駆動手段を配置し、移動体を移動させれば最も姿勢変化を生じにくい。しかし、このような構造を実現するには、大きさおよび形状等などに制約があり、実際には、実現困難なこともあった。

ところで、精密工作機械に用いられる垂直に移動する主要な構成部材、すなわち単にＹスライド、Ｙステージ、あるいはＹテーブル等とも呼ばれるこのような垂直移動体（以下、垂直移動テーブルという）のための推力の作用点は、移動方向の反転時の変動を抑制するため、垂直移動テーブルの重心に移動用の推力を発生する駆動源、例えばリニアモータのコイルユニットまたはボールねじのナット等を取り付けて、推力の作用点でモーメントを発生させずに、仮想的な重心位置で駆動することが望ましい。したがって、そのように仮想的な重心位置で駆動する推力を得るよう構成した精密でかつ安全な駆動装置とすることが求められ、そのような精密工作機械用の垂直移動テーブル用の駆動装置を提供することが課題となっていた。
本発明は、推力の作用点でモーメントの発生を低減し、仮想的な重心の位置で駆動することが可能で、また安全な精密工作機械の垂直移動テーブル用の駆動装置を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するため、本発明は、精密工作機械のコラムに沿って上下方向に移動するスピンドルを搭載した垂直移動テーブルの駆動装置であって、垂直移動テーブルをコラムに沿って上下方向に案内するためコラムの左右に設けられたＶ−Ｖガイドと、コラムの左右に設置され、左右それぞれに箱型空間を形成し、垂直移動テーブルの上下方向移動空間を確保し保護するためのガイドプレートと、Ｖ−Ｖガイド案内面を密着する静圧パッドと、垂直移動テーブルの左右の両側端面に配置されたコイルを有し、ガイドプレートで保護された箱型空間内にＶ−Ｖガイドと平行に設置されコイルに対向してコラム側に配設された永久磁石とを有する左右のリニアモータと、を備えて構成し、左右のリニアモータによる駆動力の合成された推力の作用点が、移動テーブルの重心点に常に発生する位置にコイルを配置し、垂直移動テーブルを仮想的な重心位置にて駆動可能にし、静圧パッドがＶ−Ｖガイド案内面を密着する力の方向と、左右のリニアモータによる駆動力の合成した推力の方向が直交することを特徴とする垂直移動テーブルの駆動装置とした。
また、コラムの左右に設けられたＶ−Ｖガイド、ガイドプレートおよびリニアモータは、スピンドルに搭載された工具を中心に略左右対称に配置されることが好ましい。

本発明の精密加工機に用いられる垂直移動テーブル用の駆動装置によれば、垂直移動テーブルの重心線上で、垂直移動テーブルの左右両側端面にコイルを固定し、コラムの左右両端面側にガイドプレートを設け、箱形の空間を形成し、その空間内に前記Ｖ-Ｖガイドと平行で、コイルに対向して永久磁石を配設してリニアモータ駆動し、推力の作用点でモーメントの発生を低減し、合成した推力を発生するようにしたことにより、仮想的な重心位置により垂直移動テーブルを駆動できる。

以下、本発明による精密工作機械に用いられる垂直移動テーブルの駆動装置の一実施形態例について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１において、この精密工作機械６０は、ベッド１１が震動吸収部材（図示せず）を使用して精密加工工場等の設置場所において、床上に設置される。ベッド１１の上部には、図面左側にベース１３ａを載置して、その上部には、コラム１４を移動可能に載置している。また、図面右側のベッド１１上には、ワークを設置しＸ軸上を移動するワークテーブル、すなわちＸテーブル１２が設けられる。さらにこのＸテーブルを案内するテーブルベース１３が載置され、このテーブルベース１３上面に一対のＶ字形状をした移動用の案内部材、すなわちＶ−Ｖガイド１０を配し、紙面前後方向に移動可能としている。

図２は、図１のＡ−Ａ水平断面図であって、図１に示した精密工作機械６０のコラム１４の断面を示す断面図である。図３は、図２の左半分を部分的に拡大した断面図であり、図４は、図２のＢ―Ｂ断面を示す断面図である。
図２において、コラム１４の左右（図では上下）には、ガイドプレート１９を設けている。ガイドプレート１９は、コラム１４の左右にそれぞれ配置され、プレート部材１９ａ、プレート部材１９ｂ、プレート部材１９e、プレート部材１９ｆ等を結合して組合せて構成され、これにより箱形の形状の箱型空間３０を形成し、リニアモータ１５への防塵や、リニアモータ１５のコイル２３の移動のための空間の保護等を行なっている。

図３において、コラム１４にそって上下に移動するＹテーブル１６の左右側面には、リニアモータ１５を構成する複数のコイル２３からなるコイルがコイル取付けプレート２３ａに取り付けられ、直線状に配列された永久磁石２２と対向するように配列される。このように左右に構成されたリニアモータにより、Ｙテーブル１６の駆動源として垂直に移動するＹテーブルの左右から駆動用の推力を発生するように構成される。さらに、リニアモータ１５は、左右一対のＶ字形状の凹状案内面であるＶ溝案内面１８ａ、１８ｂと平行に配列されている。

図２、図３において、コラム１４のスピンドル１７側には、既に述べたように左右一対のＶ字形状をした凹状の案内面であるＶ溝案内面１８ａ、１８ｂを形成している。Ｙテーブル１６には、このＶ溝案内面１８ａ、１８ｂに係合する左右一対のＶ字形状をした凸状の摺動面（凸状摺動面）１６ａ、１６ｂを設け、さらに、この凸状摺動面１６ａ、１６ｂの裏面側には、平面摺動部１６ｃ、１６ｄを設けている。これらの構成品により、コラム左右で一対のＹテーブル用の垂直に配置されたＶ−Ｖ案内、すなわちＶ−Ｖガイド１０を構成している。

Ｙテーブル１６は、ガイドプレート１９ａに設けた平面摺動部１９ｃ、１９ｄおよびＶ溝案内１８ａ、１８ｂと凸状摺動面１６ａ、１６ｂとにより、コラムに沿って自在に垂直方向すなわち上下に昇降できる。なお、ガイドプレート１９ａには、矩形の溝（図示省略）を形成して圧縮空気の圧力を作用させる静圧パッド２０が設けられている。圧力制御されて圧縮された圧縮空気の通路、すなわち圧縮空気通路２１の末端は、静圧パッド２０に接続されている。そして上述の平面摺動面１６ｃ、１６ｄに向けて圧縮空気を噴出し、与圧が加えられると、Ｙテーブル１６のＶ字形の凸状摺動部１６ａ、１６ｂとＶ溝案内面１８ａ、１８ｂが密着し、接触状態が保持される。

この静圧パッド２０の内部には、圧縮空気のための通路である圧縮空気通路２１が延長されており、圧縮空気通路２１には、レギュレータ３０を介して精密に圧力制御された圧縮空気を供給する圧縮空気供給装置４０からの圧縮空気が供給される。空気供給装置４０からは、ラインフィルタ３１、ミクロミストフィルタ３２、ファインドライヤ３３等の空気調整用の各装置が順に接続されている。さらに、ファインドライヤ３３の出力は、レギュレータ３０に入力される。

ここで、圧縮空気は、ラインフィルタ３１によりエアー中の塵や埃等が除去され、また、ミクロミストフィルタ３２により、ミスト物質を除去される。ファインドライヤ３３は、供給された圧縮空気を乾燥させ、さらにレギュレータ３０により圧縮空気は圧力調整される。このような空圧制御用の機器を経由し、使用するに望ましい状態にコントロールされた圧縮空気は、空気出口から静圧パッド２０（空気静圧軸受）に出力される。

本実施形態による垂直移動テーブルの駆動装置は、以上のように構成されており、次にその作用ならびに効果について次に説明する。

精密移動テーブルの重心線上でＹテーブル１６の左右両側端面にコイル２３を配置し、コラム１４の左右両端面側にガイドプレート１９を設けて箱形の空間３０を形成し、さらに、その空間３０内にＶ-Ｖガイド１０と平行でコイル２３に対向して永久磁石２２を配設したので、リニアモータの発生する駆動力は、左右のリニアモータの駆動力が合成されて、この合成された推力により、仮想的な重心位置にてＹテーブルを駆動するよう作用する。
これらの、それぞれスピンドルを上下に駆動するために用いられるＹテーブルの駆動用の構成部材は、スピンドル１７に装着された工具Ｔを中心にして（より望ましくは工具の回転中心に関して）、コラム上で、あるいは垂直移動テーブル上で、左右に略対象に配置されることが装置の形状・重量等の均衡上望ましく、したがって、この実施形態例では略左右対称に配置されているので、バランスよく駆動される。

このようにバランスよく配置され構成されると、Ｙテーブル１６がリニアモータ１５で駆動されて移動する間は、静圧パット２０には圧縮空気の供給があり、噴出口からの圧縮空気の噴出によってコラム１４側のＶ溝案内面１８ａ，１８ｂとの間に押圧力が働き、Ｙテーブル１６は、円滑に高い精度で位置決めされる。

本実施形態による精密加工機に用いられる精密移動ステージの駆動装置では、従来の技術に比べ、圧縮空気の反力でＹテーブル１６をコラム１４に対して押し付け、これによりＶ溝転がり案内面１８ａ、１８ｂには十分な押し付ける力が付加され、Ｙテーブル１６の中央部に対してモーメントを与える方向に働かず、合成されたリニアモータの推力により仮想的な重心位置にてＹテーブルを駆動するので、Ｙテーブル１６の変形を少なくすることができる。

さらに、本実施形態例における精密工作機械の垂直移動テーブルの駆動装置は、何らかの原因により停電が発生して電源から電力が供給されなくなった場合、図１に示すように、コラム１４の上部に配置されたＹテーブルの重力バランスをとるためのバランスシリンダ５０と、このバランスシリンダ５０と組合せエアーブレーキ７０を用いている。このように構成することにより、Ｙテーブル１６は、停電の際の下降や落下が防止され、停電の際は、ただちに停止するように構成されている。（Ｙテーブルの下降や落下の防止は、コラム１４に沿って移動するＹテーブル１６に設けたエアーブレーキやデスクブレーキ等をリニアガイドに作用させ、Ｙテーブル１６の下降を停止するように構成してもよい）また、このように停電の際の落下防止機構を有して構成した垂直移動テーブルの駆動装置を備えた精密工作機械６０においては、停電による垂直移動テーブルの落下を防止できる。
さらにまた、このような精密工作機械においては、精密加工のためスピンドル１７に設置する工具Ｔは、毎分３−１５万回転程度の高速で回転することが求められることも多い。このような高速回転の工具設置用のスピンドル１７には、高速回転領域で回転精度の高い空気静圧軸受を使用した空気静圧軸受型の回転スピンドルを使用することが望ましく、本実施形態例では、このような空気静圧軸受型のスピンドルを使用して、総合的な加工精度の向上を図っている。高速回転のために非接触式のスピンドル装置ならば、このような空気軸受方式のスピンドルに限らず、エアータービン方式でも良いし、磁気軸受方式でも良いことは無論である。

本実施形態によるリニアモータを使用した駆動装置では、作動中に急に停電するような事態を生じても、ブレーキ機構をさらに用意して、Ｙテーブルを支持するよう構成しても良く、そのように構成されたときは、Ｙテーブル１６の落下を防止し、機械的な破損等を防止し、安全を確保できる。

本実施形態によれば、上述のように構成して、左右のリニアモータによる駆動力を合成し、この合成した推力を仮想的なＹテーブルの重心へ働かせたため、案内部の隙間や構成部材の弾性変形などを低減し、したがって移動体の移動の向きが反転する際に生じる姿勢変動による誤差が低減され、さらに位置決め精度の低下を減少でき、精度向上に寄与で、また停電の際も垂直移動テーブルの落下を防止でき、機械の損傷防止ができさらに安全上好ましい。

本発明の精密工作機械に用いられる垂直移動テーブル用の駆動装置は、スピンドルを支持する垂直移動テーブルを高い位置決め精度で駆動することができ、それにより、精密加工産業上の利用の可能性は高く、精密加工業界に貢献できるものである。

本発明による精密工作機械に用いられる垂直移動テーブル用の駆動装置を使用した精密工作機械の一実施形態の側面図を示す。 図１のＡ―Ａ水平断面図である。 図２の左半分を示す部分拡大断面を示す断面図である。 図２のＢ―Ｂ断面を示す断面図である。

符号の説明

１０ Ｖ−Ｖガイド
１１ ベッド
１２ ワークテーブル（Ｘテーブル）
１３ ベース
１４ コラム
１５ リニアモータ
１６ Ｙテーブル（垂直移動テーブル）
１６ａ １６ｂ 凸状摺動面（Ｖ字形の凸状摺動部）
１６ｃ １６ｄ 平面摺動部
１７ スピンドル
１７ａ １７ｂ 平面摺動面
１８ａ １８ｂ Ｖ溝案内面（Ｖ字形の凹状案内溝）
１９ ガイドプレート
１９ａ １９ｂ １９e １９ｆ ガイドプレート部材
１９ｃ １９ｄ 平面摺動部
２０ 静圧パッド
２１ 圧縮空気通路
２２ リニアモータの永久磁石
２３ コイル
２３ａ コイル取付けプレート
Ｔ 工具
３０ 箱型空間
４０ 圧縮空気供給装置
５０ バランスシリンダ
６０ 精密工作機械
７０ エアーブレーキ

Claims (2)

1. 精密工作機械のコラムに沿って上下方向に移動するスピンドルを搭載した垂直移動テーブルの駆動装置であって、
   前記垂直移動テーブルを前記コラムに沿って上下方向に案内するため前記コラムの左右に設けられたＶ−Ｖガイドと、
   前記コラムの左右に設置され、左右それぞれに箱型空間を形成し、前記垂直移動テーブルの上下方向移動空間を確保し保護するためのガイドプレートと、
   前記Ｖ−Ｖガイド案内面を密着する静圧パッドと、
   前記垂直移動テーブルの左右の両側端面に配置されたコイルを有し、前記ガイドプレートで保護された箱型空間内に前記Ｖ−Ｖガイドと平行に設置され前記コイルに対向して前記コラム側に配設された永久磁石とを有する左右のリニアモータと、
   を備えて構成し、前記左右のリニアモータによる駆動力の合成された推力の作用点が、前記移動テーブルの重心点に発生する位置に前記コイルを配置し、前記垂直移動テーブルを仮想的な重心位置にて駆動可能にし、前記静圧パッドが前記Ｖ−Ｖガイド案内面を密着する力の方向と、前記左右のリニアモータによる駆動力の合成した推力の方向が直交することを特徴とする垂直移動テーブルの駆動装置。
2. 前記コラムの左右に設けられた前記Ｖ−Ｖガイド、前記ガイドプレートおよび前記リニアモータは、前記スピンドルに搭載された工具を中心にして略左右対称に配置されることを特徴とする請求項１項記載の、垂直移動テーブルの駆動装置。
   

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