WO1997027025A1 - Dispositif de guidage en translation de haute precision - Google Patents

Dispositif de guidage en translation de haute precision Download PDF

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WO1997027025A1
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Michel Demesy
Eric Collard
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • F16C29/008—Systems with a plurality of bearings, e.g. four carriages supporting a slide on two parallel rails
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
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    • F16C2322/00—Apparatus used in shaping articles
    • F16C2322/39—General build up of machine tools, e.g. spindles, slides, actuators

Definitions

  • the invention relates to machines comprising parts that are movable relative to a frame, such as machining, assembly, control, etc. machines. It relates, in particular, to guiding carriages, laggards, tool holders, fixing tables or spindle heads of milling machines, boring machines or machining centers, that is to say of all the movable parts d '' a machine tool which must move slowly with great precision, while having to possibly endure significant mechanical stresses.
  • bearings on bearings which are means which do not have the drawbacks mentioned above.
  • rolling elements means balls, rollers or needles.
  • short length skid systems operating with a recirculation of balls or rollers between the skate and the guide rail.
  • the main object of the invention is a device for guiding in high precision translation of a part of a machine, the device using rolling elements between continuous tracks of bearings arranged laterally in a V and, facing each other, both on the mobile part and on the fixed part of the machine, to form bearings in translation.
  • the device comprises two parallel continuous slides spaced from one another and each comprising:
  • the two branches of each V are oriented symmetrically with respect to a horizontal plane.
  • the device is advantageously completed by a clamping system for continuous slides to pre-load the needles in a controlled manner.
  • the bearing parts are concave and each placed against an internal side wall of a cavity of the moving part.
  • the two lateral faces of each rail preferably consist of a convex rolling part placed against an internal surface of the rail.
  • Figure 1 is shown in section, a fixed part 1 of the device according to the prior art.
  • This fixed part can be a horizontal or vertical part of the frame of the machine equipped with this device.
  • a movable part 2 of the device according to the invention in this case the table of a machine tool on which is fixed a workpiece, the base of a carriage or a lap stroller, etc.
  • each of the two concave rolling parts 4 is fixed against an internal lateral surface 6 of the moving part 2 and opening out inside a cavity 7 of the latter.
  • Each concave rolling part 4 has two continuous rolling tracks inclined in a V, corresponding to the two continuous rolling tracks of the two convex rolling parts 3.
  • Each continuous rolling track is therefore parallel to a continuous rolling track which makes it face.
  • the device according to the invention also comprises a fixed part 11 and a movable part 12.
  • the movement is carried out using two sets of technology similar to that used for the device in FIG. 1.
  • two sets of slides are used, that is to say two continuous slides placed parallel to one another in a relatively spaced apart position. Therefore, each continuous slide each comprises two convex rolling parts 13 fixed laterally on a rail 16 of the fixed part 11.
  • Each continuous slide also has a rolling sheath consisting of two concave rolling parts 14 placed laterally at the inside a cavity 17 of the moving part 12. Continuous rolling tracks are provided on the faces located opposite, in V, on each of these bearing parts.
  • the spacing of the two continuous slides must therefore be relatively large, that is to say occupy part of the width of the sliding or guide assembly that constitutes the assembly of the part 11 and the moving part 12
  • a guiding ratio is defined which is the ratio of the length L of the continuous slide to the spacing 1 of the two continuous slides.
  • Figure 3 shows, in a perspective view, the device according to the invention.
  • the rails 16 of the fixed part 11 have been shown protruding in length to show the rollers 18 mounted in sheaths of needle bearings.
  • the sheaths 19 are inclined in a V with the same inclination as the continuous tracks of bearings marked 20.
  • assemblies with protruding needle cages that is to say having a number of needles such that these needle cages have a greater length than the length of the movable part 12, in the direction of sliding. In this way, the mobile part 12 always rests, over its entire length and whatever its position, on a maximum number of needles 18.
  • adjustment screws 21 on the outer side wall 22 of the movable part 12, the purpose of which is to symbolize a clamping device intended to preload each continuous slide and, more particularly, to preload the needles 18.
  • the device according to the invention has a very high degree of precision by the multiplicity of continuous rolling tracks 20, that is to say eight pairs of continuous rolling tracks arranged in V. This also makes it possible to average d '' possible faults.
  • the movement obtained is a relatively slow movement of the mobile part, free of jerks, compatible with very low movement speeds and positioning accuracies of a few hundredths of a micrometer, as we are entitled to expect in the context of high precision machining of mechanical parts.
  • Continuous slides or slide elements used in the device according to the invention are known and marketed. Consequently, the production of such a device is not very expensive.
  • this type of device can be used for traditional machining by machine tool or in the context of very high level precision techniques.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bearings For Parts Moving Linearly (AREA)
  • Machine Tool Units (AREA)

Abstract

Le dispositif permet d'obtenir une précision inférieure au micromètre sur une translation de plusieurs centaines de millimètres dans le cadre d'un déplacement relatif entre la partie mobile et la partie fixe d'une machine de mécanique. Le dispositif utilise principalement deux glissières continues parallèles et séparées constituées chacune de huit pistes continues de roulements se faisant face deux par deux et orientées en V latéralement de chaque côté d'un rail (10) de la partie fixe (11). Des aiguilles sont placées entre ces huit pistes continues pour permettre le déplacement relatif de la pièce mobile (12) par rapport à la pièce fixe (11). L'écartement des glissières doit être maximal pour optimiser la précision de l'ensemble. Application aux machines-outils, de contrôle, d'assemblage.

Description

DISPOSITIF DE GUIDAGE EN TRANSLATION DE HAUTE PRECISION
DESCRIPTION
Domaine de l'invention
L'invention concerne les machines comportant des parties mobiles par rapport à un bâti, telles que les machines d'usinage, d'assemblage, de contrôle, etc. Elle concerne, en particulier, le guidage des chariots, traînards, porte-outils, tables de fixation ou têtes de broche de fraiseuses, d'aléseuses ou de centres d'usinage, c'est-à-dire de toutes les parties mobiles d'une machine-outil qui doivent se déplacer lentement avec grande précision, tout en devant supporter éventuellement des contraintes mécaniques importantes.
Art antérieur et problème posé
Dans le cadre de la construction de machines modernes d'usinage, d'assemblage, de contrôle, il s'avère nécessaire d'utiliser de plus en plus des systèmes de guidage de haute précision pour les structures mobiles de ces machines. Dans le domaine des guidages en translation ou linéaires, on connaît plusieurs technologies qui sont en résumé les suivantes :
- Les paliers à friction' dont le phénomène de "stick-slip", c'est-à-dire broutage, rencontrés aux faibles vitesses de déplacement, limite la précision de positionnement ;
- les paliers aérostatiques et hydrostatiques très performants, mais qui s'avèrent des solutions coûteuses, délicates à mettre en oeuvre et relativement fragiles, en particulier en ce qui concerne les paliers aérostatiques ;
- les paliers sur roulements qui sont des moyens ne présentant pas les inconvénients cités ci-dessus. Dans cette dernière catégorie, on considère, en particulier, les systèmes à cage d'éléments roulants entre deux rails solidaires des parties fixes et mobiles du guidage. On entend par "éléments roulants", des billes, rouleaux ou aiguilles. On connaît aussi dans cette catégorie, des systèmes à patins de faible longueur fonctionnant avec une recirculation de billes ou rouleaux entre le patin et le rail de guidage.
Dans ces deux derniers cas, et surtout pour les systèmes à patins, que leur faible longueur défavorise, les performances obtenues avec les montages utilises de manière standard par les fabricants de roulements, sont limitées, pour des courses de 200 mm environ, à des défauts parasites des guidages, qui sont de l'ordre de 1 à 2 μm en rectitude horizontale ou verticale et 1 à 2 secondes d'arc en lacet, roulis ou tangage. Ceci se concrétise, par exemple, dans le domaine du tournage, sur un tour classique, par une tolérance de fabrication théorique de plus ou moins 5 μm, pouvant être obtenue sur une série de plusieurs pièces, quand les opérations d'usinage se déroulent normalement et sans tenir compte des réglages et de l'usure de l'outil. En tenant compte de ces deux derniers paramètres, la fourchette de plus ou moins 5 μm est bien souvent dépassée. De ce fait, les tolérances de fabrication se trouvent être plus importantes. Le but de l'invention est donc de remédier a ces inconvénients en présentant un système de guidage en translation de haute précision de conception différente en évitant d'employer un système à patins. Résumé de l'invention
L'objet principal de l'invention est un dispositif de guidage en translation de haute précision d'une partie de machine, le dispositif utilisant des éléments roulants entre des pistes de roulements continues disposées latéralement en V et, en regard les unes des autres, à la fois sur la partie mobile et sur la partie fixe de la machine, pour former des paliers en translation. Selon l'invention, le dispositif comprend deux glissières continues parallèles et écartées l'une de l'autre et comportant chacune :
- un rail solidaire d'une des parties et ayant deux faces latérales constituées chacune de deux pistes de roulements continues disposées en V ; deux pièces de roulements solidaires de l'autre partie, ayant chacune une double face latérale interne constituée de deux pistes de roulements continues disposées en V et parallèles aux pistes de roulements continues du rail qui leur font face ; et les éléments roulants qui sont constitués d'aiguilles cylindriques placées en grand nombre dans des cages dépassantes à aiguilles entre les huit pistes continues de chacune des deux glissières continues. De préférence, les deux branches de chaque V sont orientées symétriquement par rapport à un plan horizontal .
Le dispositif se complète avantageusement d'un système de serrage des glissières continues pour précharger de manière contrôlée les aiguilles.
Dans sa réalisation préférentielle, les pièces de roulements sont concaves et placées chacune contre une paroi latérale interne d'une cavité de la pièce mobile. De même, les deux faces latérales de chaque rail sont constituées de préférence d'une pièce convexe de roulement placée contre une surface interne du rail.
Liste des figures
L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de trois figures représentant respectivement:
- figure 1, en coupe, le schéma d'une structure d'un dispositif selon l'art antérieur ;
- figure 2, en coupe, le schéma d'un dispositif selon 1 ' invention ; et - figure 3, en vue cavalière, le dispositif selon l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation
Sur la figure 1, est représentée en coupe, une partie fixe 1 du dispositif selon l'art antérieur. Cette partie fixe peut être une partie horizontale ou verticale du bâti de la machine équipée de ce dispositif. De même, est représentée en coupe, une partie mobile 2 du dispositif selon l'invention, en l'occurrence la table d'une machine-outil sur laquelle est fixée une pièce a fraiser, le socle d'un chariot ou d'un traînard de tour, etc.
Ces deux parties sont équipées chacune de deux pièces de roulement respectives, des pièces convexes de roulement 3 pour la pièce fixe et des pièces concaves de roulement 4 pour la pièce mobile, ces dernières constituant une sorte de gaine de roulement. Ces pièces sont associées par paire de manière a se faire face 1 ' une par rapport a l'autre. Ainsi, sur les faces latérales 5 d'une partie sommitale 10 constituant un rail de la partie fixe 1 est placée une pièce convexe de roulements 3. Cette pièce possède deux pistes continues de roulement inclinées l'une par rapport à l'autre pour former un V. On note que, de préférence, le V est souvent symétrique par rapport à un plan horizontal médian. En correspondance, chacune des deux pièces concaves de roulement 4 est fixée contre une surface latérale interne 6 de la pièce mobile 2 et débouchant à l'intérieur d'une cavité 7 de celle-ci. Chaque pièce concave de roulement 4 possède deux pistes continues de roulement inclinées en V, de manière correspondante aux deux pistes continues de roulement des deux pièces convexes de roulement 3. Chaque piste continue de roulement est donc parallèle à une piste continue de roulement qui lui fait face. En plaçant des rouleaux ou des aiguilles à l'intérieur de l'espace défini par deux pistes continues de roulement se faisant face, on crée ainsi une glissière continue permettant à la partie mobile 2 de se déplacer par rapport à la partie fixe sans frottement apparent.
En référence à la figure 2, le dispositif selon l'invention comprend également une partie fixe 11 et une partie mobile 12. Le mouvement s'effectue grâce à deux ensembles de technologie similaire à celle utilisée pour le dispositif de la figure 1. Par contre, on utilise deux ensembles de glissements, c'est-à-dire deux glissières continues placées parallèlement l'une par rapport à l'autre dans un positionnement relativement écarté. De ce fait, chaque glissière continue comprend chacune deux pièces convexes de roulement 13 fixées de manière latérale sur un rail 16 de la pièce fixe 11. Chaque glissière continue possède également une gaine de roulement constituée de deux pièces concaves de roulement 14 placées latéralement à l'intérieur d'une cavité 17 de la pièce mobile 12. Des pistes continues de roulement sont prévues sur les faces se trouvant en vis-à-vis, en V, sur chacune de ces pièces de roulement .
On comprend que les mouvements parasites infimes de la pièce mobile 2 de la figure 1 par rapport à sa pièce fixe 1, notamment en lacet, sont amplifiés par la dimension de la pièce mobile 2 par rapport à l' écartement des deux paires de pistes de roulements en V d'un côté et de l'autre du rail 6. Cette amplification ne peut avoir lieu avec un dispositif selon l'invention, qui possède deux glissières continues parallèles de roulements. En effet, ce mouvement de rotation en lacet théorique dû a d'infimes jeux d'une glissière continue est empêché par la présence de la deuxième glissière continue interdisant ce type de mouvement. L' écartement des deux glissières continues doit donc être relativement important, c'est-à-dire occuper une partie de la largeur de l'ensemble de glissement ou de guidage que constitue l'assemblage de la pièce 11 et de la pièce mobile 12. On définit, à cette occasion, un rapport de guidage qui est le rapport de la longueur L de la glissière continue sur 1 ' écartement 1 des deux glissières continues .
La figure 3 permet de montrer, en vue cavalière, le dispositif selon l'invention. On a fait figurer les rails 16 de la pièce fixe 11 dépassant en longueur pour figurer les rouleaux 18 montés dans des gaines de roulements à aiguilles. Les gaines 19 sont inclinées en V avec la même inclinaison que les pistes continues de roulements repérées 20. II est préférable d'utiliser des ensembles a cages dépassantes à aiguilles, c'est-a-dire possédant un nombre d'aiguilles tel que ces cages d'aiguilles ont une longueur plus importante que la longueur de la partie mobile 12, dans le sens du coulissement. De cette façon, la partie mobile 12 repose toujours, sur toute sa longueur et quelque soit sa position, sur un nombre maximal d'aiguilles 18.
On a figuré des vis de réglage 21 sur la paroi latérale externe 22 de la partie mobile 12, dont le but de symboliser un dispositif de serrage destiné à précharger chaque glissière continue et, plus particulièrement, à précharger les aiguilles 18. Ainsi, on rattrape par serrage le jeu latéral éventuel existant dans l'ensemble de chaque glissière continue, et on minimise de façon optimale les jeux entre les différents éléments mobiles, les uns par rapport aux autres. Il s'ensuit que la précision du dispositif de guidage en est améliorée.
En fait, le dispositif selon l'invention possède un degré de précision très élevé par la multiplicité des pistes continues de roulements 20, c'est-à-dire huit paires de pistes continues de roulement disposées en V. Ceci permet également de moyenner d'éventuels défauts.
En utilisant un programme de calcul électronique, il est possible de dimensionner ou de modeliser par éléments finis, chaque pièce. Ainsi, pour une course de 150 mm obtenue, grâce à un prototype, on a pu relever au moyen d'un interféromètre laser des défauts parasites inférieurs au micromètre (plus petit que 0,4 μm en rectitude et plus petit que 0,3 seconde d'arc en lacet et en tangage) . Ces tolérances répondent parfaitement aux spécifications attendues dans la conception de ce type de dispositif de guidage pour les applications prévues, notamment pour l'usinage à très haute précision.
Le mouvement obtenu est un mouvement relativement lent de la partie mobile, exempt de saccades, compatible avec des vitesses de déplacement très faibles et des précisions de positionnement de quelques centièmes de micromètre, telles qu'on est en droit de les attendre dans le cadre de l'usinage de haute précision de pièces mécaniques . Les glissières continues ou les éléments de glissières utilisés dans le dispositif selon l'invention sont connus et commercialisés. En conséquence, la réalisation d'un tel dispositif n'est pas d'un coût très onéreux.
On peut préciser que ce type de dispositif peut être utilisé pour l'usinage traditionnel par machine-outil ou dans le cadre de techniques de précision de très haut niveau.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de guidage en translation de haute précision d'une partie de machine, utilisant des éléments roulants (18) entre des pistes de roulement continues (20) disposées latéralement en V et en regard les unes des autres deux par deux, à la fois sur une partie mobile (12) et une partie fixe (11) de la machine, pour former des paliers en translation, caractérisé en ce qu'il comprend deux glissières continues parallèles et écartées l'une de l'autre et comportant chacune :
- un rail (16) solidaire d'une des parties (11) ayant deux faces latérales constituées chacune de deux pistes de roulement continues (20) disposées en V ;
- deux pièces de roulements (14), solidaires de l'autre partie (12) ayant chacune une double face latérale interne constituée de deux pistes de roulements continues (20) disposées en V et parallèles chacune à une piste de roulements continue (20) du rail qui leur font face ; et
- les éléments roulants (18) qui sont constitués d'aiguilles cylindriques placées en grand nombre dans des cages dépassantes à aiguilles entre les huit pistes de roulements continues (20) des deux glissières continues.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les inclinaisons des pistes de roulement continues (20) en V sont symétriques par rapport à un plan horizontal.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un système de serrage (21) des glissières continues pour précharger de manière contrôlée les aiguilles (18) .
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces de roulements (14) sont concaves et placées chacune contre une paroi latérale interne (16) d'une cavité (17) de la pièce mobile.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux faces latérales de chaque rail (10) sont constituées d'une pièce convexe de roulement (13) placée contre une surface interne (15) du rail (10) .
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