JPS6132525B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は工作機械や寸法測定装置等の機械の基
台の案内面上を摺動する移動体の案内方法および
装置に関し、特に案内面と移動体とのすべり面に
圧力空気を送入することによつて該すべり面に作
用する荷重を一定に補償し、移動体を一定摩擦力
のもとに摺動案内するようにした機械の移動体の
荷重補償案内方法および装置に関する。

従来、相対移動する２物体のすべり面方式とし
て、両物体の移動を円滑にするために、流体また
は気体を強制的に導入する静圧すべり方式が提案
されている。前者は例えば流体静圧すべり面にみ
られるように基台と移動体との２物体間に加圧流
体を送り込んで、２物体間の直接的な接触なしに
すなわち加圧流体の静圧力によつてすべり面に作
用する全荷重を支持するものであるが、すべり面
から流した液体の回収がやつかいであり、また流
体の粘性によつて発熱が生じ、これが機械の精度
に影響を与えるという不具合がある。また後者の
気体を移動する２物体間に送り込む方式は、気体
の圧縮性により、移動体に衝撃が加わつたときの
２物体間の剛性が劣り、したがつて現在のところ
工作機械などには実用化されていない。また流
体、気体の両者の場合にも振動減衰能力が悪いと
いう欠点がある。また別のすべり面方式として、
潤滑油などを介して基台の案内面と移動体とを直
接的に接触させてすべり方式がある。この動圧す
べり方式は、すべり面の剛性が大きいという利点
を有する反面、移動体に作用する荷重によつて摺
動抵抗が変化し、またステイツクスリツプの発生
もあるので機械精度の点で劣る。

本発明は、乾燥した圧力空気を２物体のすべり
面間に供給し、移動体の自重と負荷とからなる全
荷重の一部を圧力空気の浮上力によつて、残りを
基台と物体との直接的な接触によつて保持すると
ともに、すべり面の作用する負荷の増減分をすべ
り面に供給する圧力空気の圧力を自動的に調節し
て補償し、移動体の摺動摩擦力を常に所望の一定
値に低減保持するようにして上述した従来の欠点
をなくし、ステイツクスリツプが少なくかつ高剛
性を発揮するようにした機械の移動体の荷重補償
案内方法および装置を提供することを目的とする
ものであつて、基台の案内面上に載設された移動
体の荷重を一定に補償することにより、該移動体
を一定摩擦力のもとに案内摺動させるようにした
機械の移動体の荷重補償案内方法において、前記
案内面と前記移動体とのすべり面に送入する圧力
空気によつて前記移動体を浮上させようとする力
が前記すべり面に垂直に作用するあらかじめ知り
得た荷重より小さくなるように前記すべり面に圧
力空気を送入し、前記すべり面における前記案内
面と前記移動体との直接的な接触による前記すべ
り面の垂直方向の微小弾性変形の変化量を空気圧
力の背圧として検出し、前記移動体に付加される
荷重が変化したときその増減にかかわらず前記す
べり面における接触面圧が所望の一定値に保持さ
れるように前記すべり面に送入する圧力空気の圧
力が自動調圧弁によつて調節し、前記すべり面に
おける直接的な接触による接触面圧を所望の一定
値に低減保持させて前記案内面と前記移動体との
間の摩擦力を所望の一定摩擦力に保持させたこと
を特徴とする機械の移動体の荷重補償案内方法を
提供するものである。

更には、基台の案内面上に載設された移動体の
荷重を一定に補償することにより該移動体を一定
摩擦力のもとに案内摺動させるようにした機械の
移動体の荷重補償案内装置において、前記案内面
または前記移動体のいずれか一方のすべり面に設
けた圧力空気を供給するポケツトと、前記ポケツ
トに供給された圧力空気によつて前記移動体を浮
上させようとする力が前記案内面と前記移動体と
のすべり面に垂直に作用するあらかじめ知り得た
荷重より小さくなるように前記ポケツトに圧力空
気を供給する圧力空気供給装置と、前記すべり面
における前記案内面と前記移動体との直接的な接
触による前記すべり面の垂直方向の微小弾性変形
の変化量を空気圧力の背圧として検出する圧力セ
ンサ溝と、前記圧力センサ溝で検出した空気圧力
の背圧の変化に応じて前記ポケツトに供給する圧
力空気の圧力を自動的に加減調節する自動調圧弁
と、前記ポケツトと前記圧力センサ溝との間に前
記ポケツト内の圧力と前記圧力センサ溝内の圧力
とが干渉しないように大気圧に開放したドレン溝
とを設け、前記すべり面における直接的な接触に
よる接触面圧を所望の一定値に低減保持させて前
記案内面と前記移動体との間の摩擦力を所望の一
定摩擦力に保持させたことを特徴とする機械の移
動体の荷重補償案内装置を提供するものである。

ここで前記摩擦力を所望の値に保持する場合
に、自動調圧弁の特性、圧力空気のもれ等の影響
によつて、前記すべり面に垂直に作用する荷重の
変化に従つて若干変化することはあるが、前記す
べり面における摩擦力を所望のほぼ一定値に保持
することは可能である。前記すべり面間に送り込
む圧力空気の特性として、すべり面間で断熱膨張
をすることが考えられる。このために、熱の影響
をなくすことができ、さらに積極的に機械の温度
を低下させる効果もある。また粘性が小さいの
で、移動物体例えばテーブルの走行時に動圧効果
による浮き上がりは無視できる。圧力空気は、乾
燥除湿した空気を用い、これによつてすべり面の
さびを防止する。またすべり面間が金属接触によ
つて毀損しないようにすべり面の一方に摺動面用
樹脂材料（たとえば四フツ化エチレン）のような
弾性変形しやすい材質を用いたり、潤滑油を供給
したりするとよい。

第５ａ図から第５ｅ図は、移動体２と基台１の
案内面１ａとのすべり面の拡大図である。便宜
上、案内面１ａは焼入研摩面で、移動体２は凹凸
を有するきさげ仕上げされた弾性変形しやすい材
質で構成されている場合を考える。移動体２の自
重や、移動体２に作用する荷重の案内面１ａに対
して垂直方向の成分によつて、この凹凸の凸部は
案内面１ａとの間の弾性的の圧縮変化され、ある
面積を持つて接触されることになる（すべり面は
両方とも弾性変形するが、案内面の基準にした模
型で示したものである）。前述の動圧すべり方式
は、第５ｅ図の如く、この凸部と案内面１ａとの
直接的な接触だけによつて荷重を支持しながら摺
動する方式であり、静圧すべり方式は第５ａ図の
如く、移動体２の接触面における凹凸と案内面１
ａとの間には圧力流体が介在しており、その静圧
力で移動体は完全に浮上し、凸部と案内面１ａと
の直接的な接触なしに摺動する方式である。これ
に対して本発明は、移動体２と案内面１ａとの間
に供給する圧力空気によつて移動体２を浮上させ
ようとする力が、移動体２の自重や移動体２に作
用する荷重の案内面１ａに対して垂直方向の成分
より小さくなるように圧力空気を供給して摺動さ
せる方式である。すなわち移動体２の自重や移動
体に作用する荷重の案内面に対して垂直方向成分
を、圧力空気による浮上力と案内面１ａとの直接
的な接触で支持する方式である。これを第５ｂ図
から第５ｄ図に示す。第５ｂ図は、圧力空気によ
る浮上力が大きいため、直接的な接触による支持
力が小さく、移動体２の接触面における凸部の弾
性変形量δ_１は小さいが、第５ｃ図、第５ｄ図に
なるに従つて浮上力が小さくなるので、直接的な
接触による支持力が大きくなり、凸部の弾性変形
量δ_２，δ_３はだんだんと大きくなつている。圧
力空気の浮上力が零になるとこれは前述の動圧す
べり方式となり、全荷重を直接的な接触だけによ
り支持することになるので凸部の弾性変形量はさ
らに大きいδ_４となる。ここですべり面間の接触
面圧は、凸部の弾性変形量に比例することにな
る。従つて凸部の弾性変形量すなわち移動体２の
案内面１ａへの沈み込み量を測定すれば、接触面
圧を知ることができる。

一方接触面圧と摩擦力とも比例関係にあり、結
局微小弾性変形の変化量を検出すれば、摩擦力の
変化量を知ることができる。この微小弾性変形の
変化量で自動調圧弁を制御すれば、摩擦力を一定
に保持することが可能となる。そこですべり面の
凸部の微小弾性変形の変化量を検出する方法とし
ては、すべり面に空気を送り込み、その空気圧力
の背圧から検出する方法、あるいは電気量に変換
してたとえば気マイクロメータで測定してこの電
気量から検出する方法、あるいはまた、直接すべ
り面に貼付した圧電素子で電気量に変換して検出
する方法等が考えられる。

以下、本発明を、図面を参照しながら、実施例
についた説明する。図示実施例ではすべり面の徴
小弾性変形の変化量を空気圧力の背圧として検出
する場合を述べる。

第１図は、本発明に係る機械の移動体の荷重補
償案内方法の原理を模型的に示した図であつて、
基台１の案内面に沿つて移動体２が移動する場合
を想定している。移動体２のすべり面にポケツト
（圧力空気導入溝）３を設け、このポケツト３に
圧力空気供給装置４から自動調圧弁６を経て圧力
空気を送り込む。移動体２のすべり面に圧力セン
サ溝７を形成し、この溝７に前記圧力空気供給装
置４から圧力空気を送り込み、その背圧を自動調
圧弁６に導き、これによつて脹圧弁６を作動させ
るようにする。図示実施例の自動調圧弁６は、第
１，第２の２つの作動室８，９を有し、この作動
室８，９を区画するようにダイヤフラム１１が配
置されている。作動室８には一端がダイヤフラム
１１と接触する圧縮ばね１２が設けられ、また作
動室９にはダイヤフラム１１に取付けた弁棒１０
が設けられる。弁棒１０の一端１０ａは圧力空気
供給装置４からポケツト３につながる空気通路１
３に対して絞り動作を行なうようになつている。
この自動調圧弁６の動作は、圧力センサ溝７から
の背圧による作動室９の圧力と作動室８の圧縮ば
ね１２のばね力とによつてダイヤフラム１１が作
動し、これに取付けられた弁棒１０の軸方向の移
動を制御して前記空気通路１３を絞り、これによ
つて圧力空気供給装置４からポケツト３への供給
空気の圧力を調整するようになつている。なお、
作動室８と圧力空気供給装置４をつなぐ通路の弁
１４は通常は閉じておく。

第２図は本発明による荷重補償案内方法に従つ
て作動する装置の例の要部を示す縦断面図であ
り、第３図は第２図に示す移動体２のすべり面の
底面図である。この装置では移動体２のすべり面
に圧力空気導入溝として環状のポケツト３を形成
し、このポケツトに圧力空気供給装置４から自動
調圧弁６を経て圧力空気を送りこむ。また圧力セ
ンサ溝７とポケツト３との間のすべり面に、大気
圧に開放したドレン溝１５を形成し、ポケツト３
に供給した圧力空気をドレン溝１５で逃がし、こ
れによつて圧力センサ溝７で検出した背圧とポケ
ツト３に供給した圧力空気の圧力とが干渉しない
ようにしてある。

本発明によれば、上述の構成を有する機械にお
いて、基台１と移動体２との間に圧力空気を送り
込むことにより、両部材の表面凹凸部の凸部は互
に直接的に接触して荷重を受け、また凹部に導入
されている圧力空気によつて荷重を受けることが
できる。そして基台１と移動体２とのすべり面に
おける微小弾性変形の変化量に応じて自動調圧弁
６を介して圧力空気供給装置４から基台１と移動
体２との間へ送り込む圧力空気の圧力が調節し、
荷重が変動しても直接的に接触による接触面圧が
一定になるように制御する。

たとえばフライス盤のベツド上をテーブルが摺
動するようなすべり面を考える。テーブルのすべ
り面にはポケツトおよび圧力センサ溝が形成され
自動調圧弁を通して圧力空気が供給される構成に
なつている。ここでテーブル自重は500Kgであ
る。このうち圧力空気の静圧力で250Kg、すべり
面の直接的な接触で250Kg支持するように圧力空
気供給装置の流量調節弁が調節される。テーブル
上には任意のワークが積載されるやたとえば200
Kg，500Kg，1000Kgのワークが積載されたとき、
自動調圧弁の働きによつてポケツトへ供給される
圧力空気の圧力がそれに応じて上昇し、それぞれ
圧力空気の浮上力で450Kg，750Kg，1250Kgを支持
するようになるが、すべり面の直接的な接触で支
持する荷重はほぼ250Kgのままである（理論的に
は一定であるが、自動調圧弁の特性、圧力空気の
もれ等の原因で若干増加する傾向があるが、、実
用上問題にならない）。このことはすべり面にお
ける摩擦力がテーブルの積載重量に関係なくほぼ
一定をなることである（ここでテーブル最大積載
重量を作用させてもテーブルのベツドへの沈み込
み量は１〜２μｍで、機械精度には悪影響をほと
んど与えないことが実験によつて判明してい
る）。

なお、上述した例で200Kgのワークが初期に積
載され、ワークの切削加工の進捗によつて該ワー
クの重量が150Kgに変化したときにも当然に自動
調圧弁６の作用によつて今度はポケツトへ供給さ
れる圧力空気の圧力は下降し、浮上力で400Kgを
支持するようにするものである。こうしてすべり
面の直接的な接触で支持する荷重はほぼ250Kgに
一定保持されるのである。したがつて送り負荷が
常に適正な一定値に保つことができ、ステイツク
スリツプが少なく高精度で円滑な送りが達成され
る。また基台と移動体とは前述のようにすべり面
の凹凸表面の凸部で接触しているので従前の流体
あるいは気体を封入した静圧すべり方式に比し剛
性ははるかに高くなる。同様の理由によつて振動
減衰能力が高く、したがつて負荷変動の少ない安
定した送り機構が得られる。また本発明ではすべ
り面間に圧力空気を送り込むので、その圧力空気
が基台のすべり面と移動体のすべり面との間の凹
凸部の凹部に入り、この凹部の圧力空気の浮上力
によつても案内面に作用する荷重を受け、したが
つて互いに接触している凸部の接触面圧が減少
し、かつ摩擦力の小さい案内面が得られる。移動
体のすべり面の複数箇所に圧力センサ溝を設け、
前記移動体のすべり面の複数箇所にポケツトを設
けて圧力空気を送り込むとともに該圧力空気の圧
力をそれぞれの自動調圧弁で調整して移動体が所
望の姿勢になるように姿勢制御することも可能で
ある。

さらに本発明では第４図に示すように圧力セン
サ溝および圧力空気の導入溝であるポケツトを移
動体の４すみに設け、かつこれらを互いに調整す
ることにより移動体の姿勢を等価位置すなわち案
内面と平行な姿勢に修正することができる。ま
た、この移動体の姿勢が所望の姿勢になるように
制御することも可能である。これによつて例えば
基台のすべり面が摩耗したときでも移動体を常に
正しい姿勢に保ちながら移動させることができ
る。

案内面に作用する荷重に応じて生じるすべり面
の微小弾性変形の変化量を電気量として検出する
方法として、例えば移動体２の案内面１ａへの沈
み込み量を電気マイクロメータで測定し、その出
力を増幅して弁棒１０を軸線方向に移動させるモ
ータ（図示せず）を駆動させる構成がある。また
更にすべり面に直接圧電素子を貼付して電気量の
変化として検出して弁棒１０を駆動させる構成も
ある。このようにしてもすべり面の弾性変形の変
化量を空気圧力の背圧として検出したときと同じ
効果を得ることができる。

本発明では自動調圧弁として種々の形式のもの
を採用することができ、したがつて図示実施例の
ものに限定されないことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の機械の移動体の荷重補償案内
方法の作用原理を模型的に示した縦断面図、第２
図は本発明の荷重補償案内方法に従つて作動する
装置の実施例の要部を示す縦断面図、第３図は第
２図に示す移動体のすべり面の底面図、第４図移
動体の４すみに圧力センサ溝およびポケツトを設
けて移動体の姿勢修正を行なう場合を示した概略
図、第５ａ図から第５ｅ図までは従来の静圧すべ
り方式ならびに動圧すべり方式と本発明にかかる
すべり方式とを比較したすべり接触面の拡大図で
ある。 １……基台、２……移動体、３……ポケツト、
４……圧力空気供給装置、６……自動調圧弁、７
……圧力センサ溝、８……第１の作動室、９……
第２の作動室、１０……弁棒、１１……ダイヤフ
ラム、１２……圧縮ばね、１３……空気通路、１
５……ドレン溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基台の案内面上に載設された移動体の荷重を
   一定に補償することにより該移動体を一定摩擦力
   のもとに案内摺動させるようにした機械の移動体
   の荷重補償案内方法において、前記案内面と前記
   移動体とのすべり面に送入する圧力空気によつて
   前記移動体を浮上させようとする力が前記すべり
   面に垂直の作用するあらかじめ知り得た荷重より
   小さくなるように前記すべり面に圧力空気を送入
   し、前記すべり面における前記案内面と前記移動
   体との直接的な接触による前記すべり面の垂直方
   向の微小弾性変形に変化量を空気圧力の背力とし
   て検出し、前記移動体に付加される荷重が変化し
   たときその増減にかかわらず前記すべり面におけ
   る接触面圧が所望の一定値に保持されるように前
   記すべり面に送入する圧力空気の圧力を自動調圧
   弁によつて調節し、前記すべり面における直接的
   な接触による接触面圧を所望の一定値に低減保持
   させて前記案内面と前記移動体との間の摩擦力を
   所望の一定摩擦力に保持させたことを特徴とする
   機械の移動体の荷重補償案内方法。 ２ 基台の案内面上に載設された移動体の荷重を
   一定に補償することにより該移動体を一定摩擦力
   のもとに案内摺動させるようにした機械の移動体
   の荷重補償案内装置において、前記案内面または
   前記移動体のいずれか一方のすべり面に設けた圧
   力空気を供給するポケツトと、前記ポケツトに供
   給された圧力空気によつて前記移動体を浮上させ
   ようとする力が前記案内面と前記移動体とのすべ
   り面に垂直に作用するあらかじめ知り得た荷重よ
   り小さくなるように前記ポケツトに圧力空気を供
   給する圧力空気供給装置と、前記すべり面におけ
   る前記案内面と前記移動体との直接的な接触によ
   る前記すべり面の垂直方向の微小弾性変形の変化
   量を空気圧力の背圧として検出する圧力センサ溝
   と、前記圧力センサ溝で検出した空気圧力の背圧
   の変化に応じて前記ポケツトに供給する圧力空気
   の圧力を自動的に加減調節する自動調圧弁と、前
   記ポケツトと前記圧力センサ溝との間に前記ポケ
   ツト内の圧力と前記圧力センサ溝圧とが干渉しな
   いように大気圧に開放したドレン溝とを設け、前
   記すべり面における直接的な接触による接触面圧
   を所望の一定値に低減保持させて前記案内面と前
   記移動体との間の摩擦力を所望の一定摩擦力に保
   持させたこことを特徴とする機械の移動体の荷重
   補償案内装置。