JP2002503940A - 線形駆動装置 - Google Patents

線形駆動装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で剛直なストラット構造と、ストラット用の相対長さ調節力とを備え、特に高速工作機械として使用するのに適した六脚工作機械を提供する。 【解決手段】 六脚配列などの平行構造体の駆動軸に特に適した線形駆動装置は、キャリヤハウジング(5)と、このキャリヤハウジングに対して長手方向に移動することができるキャリヤ(4)とを含み、キャリヤハウジングおよびキャリヤの両方に、電気コイルまたは磁石などの駆動部材(11,6)が設けられている。高い動的駆動性能を達成するために、キャリヤは、開放断面輪郭を有する軽量異形材ボディの形をとっている。キャリヤ側およびハウジング側の駆動部材(6,11)はそれぞれ、断面輪郭の開放領域内に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (技術分野) 本発明は、キャリヤと、キャリヤを長手方向に移動可能に支持するキャリヤハ
ウジングと、キャリヤおよびキャリヤハウジング上に設けられてキャリヤおよび
キャリヤハウジング間を相対移動させるために使用される駆動部材とを備えた線
形駆動装置に関する。
【0002】 (背景技術) このような線形駆動装置は、主に工具および加工物間の送り移動を行うために
工作機械で使用される。特に、このような線形駆動装置は、平行構造体を有する
工作機械のまだ初期の場で使用される。最近では、特に六脚工作機械が知られる
ようになっており、これでは実際の加工モジュールが長さ調節可能な6本のスト
ラットによって機枠上に支持されている。ストラットの長さを目的に合わせて変
更することによって、加工物への工具の送り移動を6つの空間自由度すべてで、
すなわち3つの並進自由度および3つの回転自由度で実現することができる。こ
の形式の工作機械は、たとえば米国特許第5,401,128号から周知であり
、この特許はストラット用の冒頭に述べた形式の線形駆動装置を開示している。
【0003】 他の六脚構造が、本出願の出願人のドイツ特許出願第P196 36 100
.1号および第P196 36 099.4号から周知である。
【0004】 今日の最新の工作機械は、力吸収能力、送りおよび生産正確性および動特性に
関する高い要求を達成しなければならない。高速加工処理または複雑な三次元形
状の製造などの新しい加工戦略を実現するのに適した効率的な制御手段は、最適
利用を行うために、従来の駆動部材では限定的にしか実現できない新しい駆動概
念を必要としている。
【0005】 線形駆動装置の分野では、たとえば長らくスピンドル駆動装置が知られてきた
が、回転移動を線形移動に変換することによってそれの性能が限定されている。
今日まで工作機械テーブルまたはキャリッジを移動させるために使用されてきた
直接線形駆動装置は、かさばる構造設計のため、上記加工戦略には限定的に使用
できるだけである。
【0006】 米国特許第5,401,128号から周知であり、そこで長さが調節可能な六
脚工作機械ストラットとして使用されている電気線形モータも、特にそれの動特
性に関して改良の必要がある。
【0007】 したがって、本発明の目的は、動的駆動特性が高く、高速工作機械に使用する
のに特に適した空間的に小型の直接電気駆動装置を提供することである。
【0008】 (発明の開示) 冒頭に述べた線形駆動装置の場合、この目的は、キャリヤを開放断面輪郭を有
する異形材ボディとして与えるという特徴によって達成される。これによって、
特に軽量であるが剛直であり、質量が小さいために高速の加速および減速が可能
であり、したがってこれまでに知られている六脚工作機械と比較して最大可能生
産速度および生産正確度を増加させる構造体を実現することができる。
【0009】 また、線形駆動装置を非常に細い構成部材として与えることができるので、複
数の線形駆動装置を配置するための設計自由度を高めることができ、このことは
、特に比較的小型の六脚工作機械の場合に加工モジュールの領域で重要である。
【0010】 線形駆動装置の駆動部材、すなわちそれぞれの磁石およびコイルは、キャリヤ
側では特に空間を節約できるようにしてキャリヤの内側表面上に設けられる。
【0011】 駆動部材のためにキャリヤに作用する力およびモーメントを最適に補償するた
めに、またハウジング上の支持部内でのキャリヤの走行特性を改善するために、
キャリヤの駆動部材が対にして設けられて、キャリヤのそれぞれの対向表面上に
配置されている。
【0012】 駆動部材、すなわちキャリヤハウジングのそれぞれのコイルおよび磁石をキャ
リヤの断面輪郭の開放領域内に配置して、それらが断面輪郭の残留自由空間のほ
ぼ全体を満たすようにした時、特に小型化した実施形態を得ることができ、これ
らの駆動部材の一部分を限定的にキャリヤを超えて延出させてもよい。このこと
は、キャリヤハウジングの駆動部材の一部分がキャリヤの断面輪郭の開放領域内
へ突出した構造設計にも当てはまる。
【0013】 特に軽量であるが非常に剛直なキャリヤ構造を提供するために、キャリヤは、
底面が互いに向き合うように配置された2つのU字異形材ボディを有する。これ
らの底面の間で、軽量の支持部材がキャリヤの中央領域に、すなわち、最小面積
慣性モーメントの領域に配置されており、この軽量支持部材には穴または開口に
よって複数の空スペースが設けられている。
【0014】 さらなる好適な実施形態が従属請求項に開示されている。
【0015】 (発明を実施するための最良の形態) 本発明を説明するために、図面に示された実施形態に基づいて本発明の例を以
下に説明する。
【0016】 図1は、それぞれが電気線形駆動装置として与えられている長さ調節可能な6
本のストラットを有する六脚工作機械を示している。ストラット1の各々は、3
つの回転自由度すべてで移動可能な第1ジョイント2を介して外側機枠に結合さ
れている。また、各ストラットは、やはり3つの空間自由度すべてで回転可能な
第2ジョイント3を介して加工モジュールに関節式連結されており、この加工モ
ジュールは、たとえば回転、フライス加工およびドリル加工に適した回転スピン
ドルを備えたユニットである。ストラット1の関節式連結は、スピンドルの軸線
に関して互いに間隔を置いた2平面上で行われて、加工モジュールのスピンドル
軸に大きい剛性を与えるようにしている。これによって、個々のストラット間の
衝突の可能性も低減するであろう。
【0017】 以下に、線形駆動装置として与えられているこれらのストラットの1つの構造
設計を図2〜図4に基づいて詳細に説明する。
【0018】 線形駆動装置は、キャリヤ4と、このキャリヤをその長手方向に沿って移動可
能に支持する対応のキャリヤハウジング5とで構成されている。キャリヤハウジ
ング5は、ロッド状のキャリヤを包囲するほぼスリーブ状の細長い形状であり、
実質的に六角形の断面外形を有する。内部への接近を容易にするために、キャリ
ヤハウジング5は、柱状断面輪郭を有してキャリヤハウジング5の長手方向に沿
って延出した全部で4枚のプレートで構成され、個々のプレートは互いにねじ留
めされている。
【0019】 可動キャリヤ4は二重T字断面輪郭を有し、これは図5に概略的に示されてい
る。特に図4からわかるように、このキャリヤ4は複数のサブ構成部材で構成さ
れて、一方では加工モジュールに発生する力を吸収して不都合な変形を伴わない
十分に剛直な構造を実現し、他方では、移動すべき質量を小さくしておくことが
できるように軽量の構造を提供し、また、線形駆動装置の良好な動特性を保証す
ることができるようにしている。このために、図4に示されているキャリヤは、
キャリヤの長手方向軸線に沿って延在する2つのU字ロッド状異形材ボディを含
み、この長手方向軸線は図4に直交する方向に延在している。これらの異形材ボ
ディの底側の間に軽量支持部材7が配置されており、これはそれぞれのウェブ間
に複数の開口を有し、これらの開口は特に図3に示されている。軽量部材の長手
方向延在縁部はもっと堅牢なストリップの形をとっている。
【0020】 また、キャリヤ4の外表面に取り付けられて、適当なガイド部分を備えたガイ
ド部材8の突出部分が、底側の間の空間内へ突出しており、キャリヤはこれらの
ガイド部分を介してキャリヤハウジング5上に載置されている。ガイド部材8は
、直接的に薄壁の格子状軽量支持部材7の縁部ストリップ上に設けることもでき
、この場合には、締結手段によって取り付けられた個別のガイドレールと比較し
て高精度を達成することができる。
【0021】 あるいは、ガイド部材をU字異形材ボディに一体化された別体部品として提供
することもできる。
【0022】 それぞれのU字輪郭の脚部は長さがわずかに異なっている。図4ではそれぞれ
の下側脚部がわずかに長く、ハウジング内壁に設けられた長手方向溝にはまって
いる。
【0023】 図2〜図4の実施形態では、ガイド部材8が二重T字断面の2つの両外側表面
に配置されており、一方のガイド部材はキャリヤおよびキャリヤハウジング間の
固定軸受け内に一体化されており、この固定軸受けにはキャリヤハウジング5に
固定されたローラ用の走行表面が設けられている。ローラの代わりに、転がり部
材を備えるか、備えていない他の線形ガイド手段を設けることもできる。しかし
、反対側に配置された軸受けを可動軸受け形ガイド手段として提供することによ
って、ガイド部材内の過剰決定力によって発生する応力を避けることができる。
図4に示されている実施形態では、この可動軸受けが異形材滑りレールの形をと
っている。両側にガイド手段を設ける代わりに、一方側にガイド手段を設けるこ
とも可能である。
【0024】 キャリヤハウジング5の両側に延出することができるキャリヤ4を移動させる
ために、キャリヤおよびキャリヤハウジングにモータ部材6,11などの駆動部
材が設けられており、これらは直接電気駆動を可能にするコイルまたは磁石であ
る。これらの駆動部材6,11の構造の様々な実施形態が、第5a図〜第5c図
に示されている。最初に、図4を参照しながら第5c図に従った実施例を詳細に
説明する。キャリヤ側の駆動部材6は、二重T字断面の中央ウェブの部分に、正
確に言えばU字異形材ボディ9の底側のそれぞれのリセス内に配置されている。
キャリヤにその案内方向に作用するトルクを避けるために、2つの駆動部材6が
互いに向き合わせて配置されている。全体では、多数のそのような対の駆動部材
6がキャリヤ4上に長手方向に沿って設けられている(二重室配置)。ハウジン
グ側の駆動部材11は、キャリヤ側の駆動部材6と向き合う関係に配置されるよ
うにしてハウジング5に取り付けられていると共に、ハウジング側の駆動部材1
1は向き合った対の形の規則的な配置モードで配置されているため、長手方向軸
線に対して対称性が得られる。ハウジング側の駆動部材11は、キャリヤ4の断
面輪郭の開放領域全体を満たすように設けられているため、特に小型化した構造
設計が得られる。また、ハウジング側のこれらの駆動部材に関する限りでは、複
数の駆動部材が長手方向軸線に沿ってそれぞれのハウジングプレートの内壁にね
じ留めされているため、それらのプレートを取り外した時、ハウジング側の駆動
部材11も同時に取り外すことができる。
【0025】 第5b図に示されているさらなる実施形態の場合、キャリヤ側の駆動部材6が
二重T字断面輪郭の外側脚部の内側に配置されている。この場合にはまた、ハウ
ジング側のそれぞれの対向駆動部材11が断面の開放領域内へ、すなわち二重T
字断面の脚部の間に突出している。第5b図による実施形態では、キャリヤ4を
図4の場合と同様にしてハウジング5で案内することができる。
【0026】 第3実施形態では、キャリヤ側の駆動部材6がそれぞれ対向した対として二重
T字断面の外側脚部の外側に配置されている。この場合、キャリヤ用のガイド手
段を二重T字断面の開放領域内に設けることによって、特に小型化された構造設
計を実現することができる。
【0027】 線形駆動装置を目的に合わせて長手方向調節するために、ハウジング5に対す
るキャリヤ4の位置を検出しなければならない。このために、線形測定システム
が設けられており、これは、ハウジング5に取り付けられて好ましくはハウジン
グの一端部に配置された測定ヘッド13を有している。また、線形測定システム
は、キャリヤ上にマーキング手段を有しており、これはガイドレール内に一体化
されており、好ましくはそのガイドレールは線形駆動装置の設置時に上側ガイド
レールになる。さらに、キャリヤ4がハウジング5から完全に抜け落ちることを
防止する***材が設けられている。これらの***材は、機械式であると共に
電気式にすることもできる。図示の実施形態では、***材としてハウジングの
一端部にリミットスイッチ14が示されている一方、キャリヤ4が抜け落ちない
ようにする手段として、無電流作動式安全手段15がハウジングの他端部に設け
られている。
【0028】 以上に記載した線形駆動装置は、様々な駆動目的に使用することができるが、
主に六脚構造などの平行構造体の駆動軸に使用するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 6つの線形駆動装置を有する六脚工作機械を示している。
【図2】 実際のキャリヤを伴わない線形駆動装置の外面図である。
【図3】 図2に示されている線形駆動装置のキャリヤの破断図である。
【図4】 図2に示されている線形駆動装置の長手方向軸線に直交する、線形駆動装置の
キャリヤを通る断面を示している。
【図5】 キャリヤ駆動部材およびキャリヤハウジング側の駆動部材の配置を含む、キャ
リヤの断面の3種類の実施形態を示している。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年2月18日(2000.2.18)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0007
【補正方法】変更
【補正内容】
【0007】 したがって、本発明の目的は、小型で剛直なストラット構造と、ストラット用
の相対長さ調節力とを備え、特に高速工作機械として使用するのに適した六脚工
作機械を提供することである。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0008
【補正方法】変更
【補正内容】
【0008】 冒頭に述べた六脚工作機械の場合、本目的は請求項1の特徴によって達成され
る。これによって、特に軽量であるが剛直であり、質量が小さいために高速の加
速および減速が可能であり、したがってこれまでに知られている六脚工作機械と
比較して最大可能生産速度および生産正確度を増加させる構造を実現することが
できる。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0009
【補正方法】変更
【補正内容】
【0009】 また、それぞれの線形駆動装置を備えたストラットの長さ調節構造体を非常に
細い構成部材として与えることができるので、複数の線形駆動装置を配置するた
めの設計自由度を高めることができ、このことは、特に比較的小型の六脚工作機
械の場合に加工モジュールの領域で重要である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィーランド・フランク ドイツ国、デー09113 シェムニッツ、ロ ウシュトラーセ 18 Fターム(参考) 5H641 BB06 GG01 GG26 HH01 JA03 JA09 JA18 JA19

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 キャリヤ(4)と、前記キャリヤ(4)を長手方向に移動可
    能に支持するキャリヤハウジング(5)と、前記キャリヤ(4)および前記キャ
    リヤハウジング(5)上に設けられて前記キャリヤ(4)および前記キャリヤハ
    ウジング(5)間を相対移動させるために使用される駆動部材(6,11)とを
    備えた線形駆動装置であって、前記キャリヤ(4)は、開放断面輪郭を有する異
    形材ボディとして与えられることを特徴とする線形駆動装置。
  2. 【請求項2】 前記キャリヤ(4)上に設けられた前記駆動部材(6)は、
    前記キャリヤ(4)の内側表面上に設けられている請求の範囲第1項記載の線形
    駆動装置。
  3. 【請求項3】 前記駆動部材(6)は対にして設けられ、前記キャリヤ(4
    )のそれぞれの対向表面上に配置されている請求の範囲第1項または第2項記載
    の線形駆動装置。
  4. 【請求項4】 前記キャリヤハウジング(5)上に設けられた前記駆動部材
    は、前記キャリヤ(4)の断面輪郭の開放領域内に配置されているか、前記キャ
    リヤ(4)の前記開放領域内へ突出していることを特徴とする請求の範囲第1項
    〜第3項のいずれか一項記載の線形駆動装置。
  5. 【請求項5】 前記キャリヤ(4)は、二重T字断面輪郭を有することを特
    徴とする請求の範囲第1項〜第4項のいずれか一項記載の線形駆動装置。
  6. 【請求項6】 前記キャリヤ(4)は、底側が互いに向き合うよう配置さ
    れた2つのU字異形材ボディ(9)と共に、前記底側の間に配置されて複数の開
    口および/または空スペースを有する軽量支持部材(7)を備えていることを特
    徴とする請求の範囲第1項〜第5項のいずれか一項記載の線形駆動装置。
  7. 【請求項7】 前記キャリヤ(4)の外側に、前記キャリヤ(4)を前記
    ハウジング(5)上に支持するガイド部分が設けられており、前記支持は、前記
    キャリヤの一方側の固定軸受けと、前記キャリヤの他方側の可動軸受けとによっ
    て行われることを特徴とする請求の範囲第1項〜第6項のいずれか一項記載の線
    形駆動装置。
  8. 【請求項8】 前記ガイド部分は、前記キャリヤ(4)の残り部分に取り
    付けられて前記キャリヤ(4)の外側に設けられている別体の異形材レール(8
    )として与えられていることを特徴とする請求の範囲第7項記載の線形駆動装置
  9. 【請求項9】 線形測定手段(12)が、前記キャリヤの外側のガイド部
    分の1つに一体化されており、前記線形測定手段の相対移動を検出するために測
    定ヘッド(13)が前記ハウジング(5)に設けられていることを特徴とする請
    求の範囲第1項〜第8項のいずれか一項記載の線形駆動装置。
  10. 【請求項10】 前記ハウジング(5)の外側断面形状は、ほぼ正多角形
    、好ましくは六角形または八角形であることを特徴とする請求の範囲第1項〜第
    9項のいずれか一項記載の線形駆動装置。
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