專利名稱：機(jī)加工設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有3軸以上加工自由度的機(jī)加工設(shè)備。
背景技術(shù)：
眾所周知，用于對(duì)光學(xué)元件及其成型用模具進(jìn)行切削加工和磨削加工等的機(jī)加工設(shè)備(參照專利文獻(xiàn)1)。
參照專利文獻(xiàn)1特開2003-39294號(hào)公報(bào)。
在此，為了把對(duì)應(yīng)于光學(xué)元件非球面的復(fù)雜曲面高精度地進(jìn)行范成，2軸以下的加工自由度是不夠的，需要3軸以上的加工自由度。可是用于對(duì)自由曲面的光學(xué)面進(jìn)行范成加工的具有3軸以上加工自由度的機(jī)加工設(shè)備，其加工無論是切削加工還是磨削加工，都需要是一邊接續(xù)很多的連續(xù)加工一邊把加工面進(jìn)行范成的整形加工，所以具有需要非常長加工時(shí)間的這種其他機(jī)加工設(shè)備加工所沒有的特點(diǎn)。因此，為了把自由曲面高精度且高效率地進(jìn)行范成加工，就需要把以下必要條件在以前的現(xiàn)有機(jī)加工設(shè)備上高水平實(shí)現(xiàn)。
(1)提高機(jī)械的控制精度，因此為了提高各軸的位置測量分辨能力，把通過高速伺服驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)(滑動(dòng)工作臺(tái)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái))高精度地控制和對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)指令高速地隨動(dòng)，就需要使用密度小的材料來減輕驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)。
(2)由于各軸是兩層和三層重疊的積木結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上剛性容易被降低，所以需要盡可能地提高各軸的剛性，因此降低靜壓導(dǎo)軌的壓力傳遞介質(zhì)的粘度和使用楊式模量高的材料是重要的。
(3)不受環(huán)境溫度變化的影響也是非常重要的，使用靜壓導(dǎo)軌時(shí)為了抑制靜壓面上無用的發(fā)熱，降低壓力傳遞介質(zhì)的粘度和對(duì)各部件選擇線膨脹系數(shù)小的材料是重要的。
(4)能在環(huán)境變化變大之前完成加工，而且為了高效率進(jìn)行加工需要縮短加工時(shí)間，需要使高速驅(qū)動(dòng)軸用的伺服高速進(jìn)行，并對(duì)位置測量的高分辨能力進(jìn)行隨動(dòng)和降低壓力傳遞介質(zhì)的粘度以不發(fā)生靜壓面的剛性降低和振動(dòng)。
(5)為了防止由地面的振動(dòng)和機(jī)械自身搖動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)的影響，需要主動(dòng)的防振臺(tái)等用于測量振動(dòng)并主動(dòng)抑制它地進(jìn)行控制。
現(xiàn)有的設(shè)備中沒有能把超微級(jí)的高精度和高加工效率兼容的具有3軸以上加工自由度的機(jī)加工設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于現(xiàn)有技術(shù)的問題點(diǎn)而開發(fā)的，其目的在于提供一種機(jī)加工設(shè)備，能把高精度和高加工效率兼容并且具有3軸以上加工自由度。
本發(fā)明第1方面所述的機(jī)加工設(shè)備以3軸以上的自由度進(jìn)行切削加工或磨削加工，其中，具有第一工作臺(tái)，該第一工作臺(tái)由陶瓷形成，夾持工件或工具，至少以1軸以上的自由度可直線移動(dòng)。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的軸位置的測量分辨能力是10nm以下的高精度機(jī)加工設(shè)備中，其驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的材料幾乎都是鑄鐵和S45C等的鋼，其密度是7.8g/cm3左右。因此工作臺(tái)重，用于驅(qū)動(dòng)它所需要的伺服電機(jī)的功率也大，所以有來自該電機(jī)的發(fā)熱量大的問題。而且由于不能使工作臺(tái)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以加工速度慢，加工時(shí)間長，在此期間若溫度等環(huán)境產(chǎn)生變化，則由工作臺(tái)熱膨脹產(chǎn)生的變形和位置的偏移變大，有高精度加工困難的問題。
在加工自由度是3軸以上的機(jī)加工設(shè)備中，多是與進(jìn)行整形加工的某軸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)一致使其他軸運(yùn)轉(zhuǎn)，并使工具按自由曲面的剖面形狀運(yùn)轉(zhuǎn)、通過把它立體堆積地切削和磨削曲面來進(jìn)行范成加工，但該整形加工非常費(fèi)時(shí)間，特別是范成高精度的光學(xué)面時(shí)，即使是數(shù)cm左右大小的加工物、其加工一般也需要數(shù)十小時(shí)。因此在此期間對(duì)溫度等環(huán)境變化，如何使其難受影響或縮短加工時(shí)間使加工中的環(huán)境變化變小，在進(jìn)行高精度的光學(xué)面范成上是非常重要的。
對(duì)此，根據(jù)本發(fā)明，通過把所述第一工作臺(tái)由陶瓷形成，即使在產(chǎn)生溫度變化的情況下，與鋼等相比也能把熱膨脹抑制降低，因此能維持加工精度，并且通過能輕量化而提高加減速性，能縮短加工時(shí)間。而且由于作為驅(qū)動(dòng)所述第一工作臺(tái)的軸驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)等的容量低而足夠用，所以在謀求節(jié)能的同時(shí)能抑制發(fā)熱量，所以能實(shí)現(xiàn)更高精度的加工。
在加工自由度是3軸以上的機(jī)加工設(shè)備中，由于軸數(shù)多，所以不得不采取在某軸的工作臺(tái)上再放置一個(gè)軸的工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)，通常是通過2～3層工作臺(tái)的堆積來構(gòu)成3軸以上的多軸。這就是說累積各個(gè)軸的剛性來支承最終的工具和加工物，所以與通常的2軸以下的機(jī)加工設(shè)備相比，其軸的剛性表示出必須高出2～3倍。而且工具和加工物為了避開各軸運(yùn)動(dòng)的干涉，不得不外伸固定在從各軸導(dǎo)軌面遠(yuǎn)離的場所，所以加工時(shí)加工力作為力矩作用在導(dǎo)軌面上，而且是以剛性弱的形態(tài)進(jìn)行加工，因此在高精度的3軸以上的加工中就需要盡可能地提高各軸的剛性。
對(duì)此，根據(jù)本發(fā)明，通過把所述第一工作臺(tái)由陶瓷形成，例如與鑄鐵制的現(xiàn)有的工作臺(tái)相比能大幅度地減輕重量，楊式模量也能成倍增加，所以能抑制由自重產(chǎn)生的垂度，固有頻率也高了，所以成為難于產(chǎn)生共振等的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明第2方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第方面1所述的發(fā)明中，所述陶瓷的線膨脹系數(shù)是5×10-6以下，所以與鑄鐵等相比能把熱膨脹抑制降低到一半以下，因此能維持加工精度，并且通過能輕量化而提高加減速性，能縮短加工時(shí)間。
本發(fā)明第3方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第1方面或第2方面所述的發(fā)明中，所述陶瓷把氮化硅用Si3N4換算時(shí)含50％以上的重量，密度是4g/cm3以下，所以所述第一工作臺(tái)的重量是現(xiàn)有的一半以下，即使驅(qū)動(dòng)它的軸驅(qū)動(dòng)裝置(例如電機(jī))的功率相同，在理論上也能把加速度變成2倍，因此到達(dá)目標(biāo)加工速度的時(shí)間減半，為此軸驅(qū)動(dòng)裝置的發(fā)熱量減半。而且檢測所述第一工作臺(tái)的位置、把反饋傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的伺服機(jī)構(gòu)的反應(yīng)快，所以所述第一工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度被提高。根據(jù)該觀點(diǎn)只要密度小便可，但同時(shí)為了提高剛性、高的楊式模量也是必要的，所以應(yīng)該考慮這些來選定材料。
本發(fā)明第4方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第1方面到第3方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述陶瓷的楊式模量是200Gpa以上，所以與鑄鐵等相比能把楊式模量提高30％以上，因此能提高所述第一工作臺(tái)的剛性。
現(xiàn)有機(jī)加工設(shè)備的材料鑄鐵是主體，楊式模量也是150Gp左右而較低，若成為加工自由度是3軸以上的組合則不能期望其進(jìn)行高精度加工。而且線膨脹系數(shù)也是10×10-6的過大，在長時(shí)間的加工中對(duì)變化的環(huán)境溫度產(chǎn)生熱膨脹，加工點(diǎn)進(jìn)行偏移。如表1所示，在作為機(jī)械結(jié)構(gòu)材料被考慮的材料中，綜合楊式模量和線膨脹系數(shù)、則氮化硅和硅鋁氧氮耐熱陶瓷、炭化硅等陶瓷材料成為作為機(jī)加工設(shè)備使用材料的候補(bǔ)材料。這些陶瓷材料中硅鋁氧氮耐熱陶瓷是以氮化硅作為主體并含有氧化鋁等的混合材料，但基本的物性是以其主成分的氮化硅為準(zhǔn)的。因此作為陶瓷材料兩者都是斷裂韌性值高，所以具有不容易破裂的優(yōu)點(diǎn)。特別是以氮化硅作為主成分的陶瓷材料，滿足密度是4g/cm3以下，線膨脹系數(shù)是5×10-6以下，楊式模量是200Gpa以上的同時(shí)，更在斷裂韌性高、難于破裂上是超群的，通過把該材料使用在3軸以上的機(jī)加工設(shè)備中能穩(wěn)定進(jìn)行極為高精度的加工。


本發(fā)明第5方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第1方面到第4方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述第一工作臺(tái)通過伺服增益是-3dB的、頻率是50Hz(最好是100Hz)以上的軸驅(qū)動(dòng)裝置而沿靜壓導(dǎo)軌被驅(qū)動(dòng)。特別是為了提高加工效率而把所述第一工作臺(tái)的移動(dòng)速度增大時(shí)，也由于謀求所述第一工作臺(tái)的重量輕等，所以即使所述軸驅(qū)動(dòng)裝置被高應(yīng)答性的控制所支配，也能維持所述第一工作臺(tái)的隨動(dòng)性，因此能使加工效率的提高和高精度的加工并存。
本發(fā)明第6方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第5方面所述的發(fā)明中，所述軸驅(qū)動(dòng)裝置是線形電機(jī)。一般機(jī)加工設(shè)備的直線驅(qū)動(dòng)中也使用滾珠絲杠和靜壓螺紋等，但如本發(fā)明用3軸以上進(jìn)行切削加工和磨削加工的機(jī)加工設(shè)備，最好是為了謀求縮短加工時(shí)間并高精度化而用高速來驅(qū)動(dòng)軸。滾珠絲杠中螺母是通過多個(gè)滾珠被支承在絲杠上的，所以軸的進(jìn)給是通過滾珠接觸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行的，因此越是高速越發(fā)生振動(dòng)，高精度的加工困難。而且靜壓螺紋也是通過油的靜壓使絲杠與螺紋相對(duì)，用非接觸進(jìn)行支承，這點(diǎn)在不象滾珠絲杠那樣成為振動(dòng)源的點(diǎn)上是好的，但為了維持進(jìn)給方向的剛性高，就需要提高油的粘度、在高速轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠時(shí)有大的扭矩，在發(fā)熱和必須加大驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率等的點(diǎn)上有問題。根據(jù)該觀點(diǎn)，在本發(fā)明作為目標(biāo)的高速且高精度的直線進(jìn)給中可以說最好是使用能實(shí)現(xiàn)非接觸并高加速的線性電機(jī)。而且本發(fā)明的機(jī)加工設(shè)備中應(yīng)驅(qū)動(dòng)的所述第一工作臺(tái)是陶瓷制的，所以是非導(dǎo)電和非磁性材料，即使設(shè)置線性電機(jī)也與現(xiàn)有鑄鐵等的金屬材料不同，向所述第一工作臺(tái)和導(dǎo)軌泄漏的磁通非常少，也不產(chǎn)生由所述第一工作臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)引起的渦電流和電動(dòng)勢，所以在能實(shí)現(xiàn)干擾少的高精度和高速進(jìn)給的點(diǎn)上，可以說使用線性電機(jī)是非常合適的。
本發(fā)明第7方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第1方面到第6方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，具有測量所述第一工作臺(tái)的位置，其分辨能力是10nm以下的測量裝置，因此測量所述第一工作臺(tái)的位置，把反饋給予軸驅(qū)動(dòng)裝置的伺服機(jī)構(gòu)的反應(yīng)快，所述第一工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度被提高。
本發(fā)明第8方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第1方面到第7方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，通過所述第一工作臺(tái)夾持的工件或工具的加工速度是600mm/min以上。
在由加工自由度是3軸以上的機(jī)加工設(shè)備進(jìn)行的自由曲面的范成加工中如前所述，多是堆積由往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剖面形狀，而把自由曲面進(jìn)行范成的整形加工，所以有加工時(shí)間長的傾向。因此可以說加大加工速度、縮短加工時(shí)間不僅單單是提高加工效率，而且在降低加工中的溫度變化等，實(shí)現(xiàn)高精度的加工上也是重要的。
在此決定加工速度上限的，主要是用于進(jìn)行軸位置測量的激光度盤等的測量傳感器的頻率特性。越使用把測量精度提高了的傳感器越輸出精度高的位置信號(hào)，但因此即使是微小的軸的變位也輸出大量的變位信號(hào)，所以在把軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其輸出頻率容易到達(dá)數(shù)MHz。因此就超越了向測量傳感器內(nèi)的模擬放大電路和伺服驅(qū)動(dòng)器的配線等的容許頻帶，軸的動(dòng)作不進(jìn)行隨動(dòng)而發(fā)生錯(cuò)誤。
當(dāng)把測量傳感器的測量分辨能力定為高精度的以1nm為單位輸出信號(hào)時(shí)，對(duì)600mm/min的軸速度，其頻率是10MHz。該程度的頻率是現(xiàn)狀能維持精度并且能輸出的測量傳感器的最大頻率值。因此為了在短時(shí)間內(nèi)高效率且高精度地進(jìn)行加工，最好在該現(xiàn)狀下以可能的最高速度進(jìn)行加工，今后若測量傳感器的頻率頻帶被改善的話，最好按其被改善的部分提高加工速度。因此如本發(fā)明把加工速度定在600mm/min以上是還包括今后的從加工效率和加工精度看最理想的。
為了與高速驅(qū)動(dòng)并存地高精度地控制軸，伺服控制能力也需要能對(duì)該測量傳感器的頻帶充分隨動(dòng)，但伺服回路的頻率頻帶通常是50～100Hz左右，即使快也是250Hz左右，與所述測量傳感器的頻帶相比有格外慢的實(shí)情。進(jìn)行該伺服控制的電路通常是近數(shù)100kHz的頻帶，所以也知道該部分的反應(yīng)速度不太影響伺服回路的頻帶。即決定伺服頻帶的幾乎是機(jī)械的靈敏度，指令信號(hào)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)變換成驅(qū)動(dòng)力后傳遞給所述第一工作臺(tái)或所述第二工作臺(tái)，為要它們運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間慢是主要的。因此就能夠理解，如本發(fā)明那樣降低所述第一工作臺(tái)的重量，降低慣性力和慣性力矩，提高機(jī)械的靈敏度在提高伺服頻帶，實(shí)現(xiàn)與高速性并存的高精度加工上是何等有效。
本發(fā)明第9方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第8方面所述的發(fā)明中，所述第一工作臺(tái)在所述機(jī)加工設(shè)備中用最高速驅(qū)動(dòng)，所以能更加發(fā)揮上述效果。
本發(fā)明第10方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在用3軸以上自由度進(jìn)行切削加工或磨削加工的機(jī)加工設(shè)備中，夾持工件或工具至少以1軸以上的自由度能旋轉(zhuǎn)的第二工作臺(tái)由陶瓷形成。
構(gòu)成現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的材料幾乎都是鑄鐵和鋼。因此旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)重，用于驅(qū)動(dòng)它所需要的伺服電機(jī)的功率大，來自軸驅(qū)動(dòng)裝置(例如電機(jī))的發(fā)熱大。而且由于不能高速運(yùn)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，所以加工速度慢，因此而加工時(shí)間長，溫度等的環(huán)境變化大、所以由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的熱膨脹引起的變形和工具與加工物的位置偏移大，進(jìn)行高精度的加工困難。
對(duì)此，根據(jù)本發(fā)明，通過把所述第二工作臺(tái)由陶瓷形成，即使在產(chǎn)生溫度變化的情況下，與鋼等相比也能把熱膨脹抑制降低，因此能維持加工精度，并且通過能輕量化而提高加減速性、能縮短加工時(shí)間。而且由于作為驅(qū)動(dòng)所述第二工作臺(tái)的軸驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)等的容量低而足夠用，所以在謀求節(jié)能的同時(shí)能抑制發(fā)熱量，所以能實(shí)現(xiàn)更高精度的加工。
本發(fā)明第11方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第10方面的發(fā)明中，所述陶瓷的線膨脹系數(shù)是5×10-6以下。本發(fā)明的作用效果與本發(fā)明第方面2所述的發(fā)明相同。
本發(fā)明第12方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第10方面或第11方面所述的發(fā)明中，所述陶瓷把氮化硅用Si3N4換算時(shí)含50％以上的重量，密度是4g/cm3以下。本發(fā)明的作用效果與本發(fā)明第方面3所述的發(fā)明相同。
本發(fā)明第13方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第10方面到第12方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述陶瓷的楊式模量是200Gpa以上。本發(fā)明的作用效果與本發(fā)明第4方面所述的發(fā)明相同。
本發(fā)明第14方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第10方面到第13方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述第二工作臺(tái)通過伺服增益是-3dB的、頻率是50Hz(最好是100Hz)以上的軸驅(qū)動(dòng)裝置而沿靜壓導(dǎo)軌被驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的作用效果與本發(fā)明第5方面所述的發(fā)明相同。
本發(fā)明第15方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第14方面的發(fā)明中，所述軸驅(qū)動(dòng)裝置是AC伺服電機(jī)。能旋轉(zhuǎn)的第二工作臺(tái)用DC伺服電機(jī)和通過齒輪把旋轉(zhuǎn)角的分辨能力增加等方法能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，但DC伺服電機(jī)中有電刷，所以由其摩擦力和接觸阻力的變化等使穩(wěn)定維持高精度的旋轉(zhuǎn)角困難。在使用蝸輪和蝸桿等減速齒輪時(shí)，外表上讓人覺得僅減速比的倍率就提高了角度的分辨能力，但實(shí)際上由齒輪的靜摩擦力而產(chǎn)生粘滯滑動(dòng)和由齒輪之間的松動(dòng)而產(chǎn)生齒隙，使微小旋轉(zhuǎn)角的控制反而變難。而且把這些外部電機(jī)安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的方法必定使電機(jī)軸與旋轉(zhuǎn)軸的連接產(chǎn)生偏心，當(dāng)控制旋轉(zhuǎn)角與實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角不嚴(yán)格一致時(shí)、為了緩和由該偏心產(chǎn)生的扭歪和扭矩不勻則使用有柔軟性的聯(lián)軸器部件把兩軸進(jìn)行連接，但由該部件使扭矩剛性下降、反饋控制的頻帶降低并使伺服控制特性惡化，所以肯定與本發(fā)明實(shí)現(xiàn)高精度加工的目的不一致。
對(duì)于這點(diǎn)，把永久磁鐵直接設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸上的直接的AC伺服電機(jī)沒有電刷那樣的摩擦部件，能非接觸地直接使旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生扭矩，扭矩剛性也被提高，所以如本發(fā)明在3軸以上的機(jī)加工設(shè)備上使用時(shí)，在進(jìn)行高精度的加工上非常理想。雖然內(nèi)裝的AC伺服電機(jī)的線圈部分產(chǎn)生熱量，但如本發(fā)明是用陶瓷構(gòu)成的其旋轉(zhuǎn)的第二工作臺(tái)，熱膨脹小，所以第二工作臺(tái)上的工具和工件的位置溫度偏移就小，而且即使對(duì)安裝有該第二工作臺(tái)的第一工作臺(tái)等也由于氮化硅和硅鋁氧氮耐熱陶瓷的陶瓷熱傳導(dǎo)率非常低而難于傳導(dǎo)溫度、難于引起熱膨脹，所以情況非常好。即使用AC伺服電機(jī)時(shí)的問題在本發(fā)明中被很好解決，因此可以說在旋轉(zhuǎn)的第二工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)中使用AC伺服電機(jī)好。
本發(fā)明第16方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第10方面到第15方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，具有測量所述第二工作臺(tái)的角度、其分辨能力是1秒角以下的測量裝置。本發(fā)明作用效果與本發(fā)明第7方面所述的發(fā)明相同。
本發(fā)明第17方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第10方面到第16方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，通過所述第二工作臺(tái)夾持的工件或工具的加工旋轉(zhuǎn)速度是1°/sec以上。本發(fā)明的作用效果與本發(fā)明第8方面所述的發(fā)明相同。
本發(fā)明第18方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第17方面所述的發(fā)明中，所述第二工作臺(tái)在所述機(jī)加工設(shè)備中用最高速驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的作用效果與本發(fā)明第9方面所述的發(fā)明相同。
本發(fā)明第19方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第10方面到第18方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，支承所述第二工作臺(tái)的支承臺(tái)是由線膨脹系數(shù)是5×10-6以下，把氮化硅用Si3N4換算時(shí)含50％以上的重量且密度是4g/cm3以下，以及楊式模量是200Gpa以上中至少滿足其中一個(gè)條件的陶瓷和含鎳10％重量以上50％重量以下的合金的至少一方的材料所形成。特別是，是把所述第二工作臺(tái)安裝在所述第一工作臺(tái)上的情況下，所述支承臺(tái)最好是由含鎳10％重量以上50％重量以下的合金(例如因瓦合金和高鎳鉻合金鋼904等)形成。
本發(fā)明第20方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第1方面到第19方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述靜壓導(dǎo)軌以及固定它用的底座的至少一個(gè)是由滿足線膨脹系數(shù)是5×10-6以下，把氮化硅用Si3N4換算時(shí)含50％以上的重量且密度是4g/cm3以下，以及楊式模量是200Gpa以上之中的至少一個(gè)條件的陶瓷所形成。
由加工自由度是3軸以上的機(jī)加工設(shè)備進(jìn)行的整形加工非常需要時(shí)間，而且各軸是被堆積成兩層和三層，所以實(shí)際上是通過底座與加工點(diǎn)之間的工具臺(tái)和工作臺(tái)等中間物，安裝工具和加工物的外伸大，在由溫度變化而工作臺(tái)和靜壓導(dǎo)軌膨脹收縮時(shí)，工具和加工物的相對(duì)位置并不是單一方向的活動(dòng)，有并發(fā)瞬時(shí)搖擺的問題。堆積高了的工作臺(tái)不能從下到上溫度均勻，所以對(duì)堆積的各個(gè)軸、工作臺(tái)分別發(fā)生膨脹收縮，與其對(duì)應(yīng)最終的工具加工點(diǎn)與加工物的位置進(jìn)行復(fù)雜的變位。因此修正由該溫度變化引起的加工變位(偏移)幾乎是不可能的，可以說為了防止它、首先應(yīng)該使這個(gè)膨脹收縮徹底地變小。
但象現(xiàn)有機(jī)加工設(shè)備這樣用鑄鐵和鋼制作工作臺(tái)和靜壓導(dǎo)軌，則防止這種膨脹收縮的影響是極為困難的，所以為了保持高的溫度穩(wěn)定性、最好把第一及第二工作臺(tái)和靜壓導(dǎo)軌的材料的線膨脹系數(shù)定為5×10-5以下。如從表1了解的那樣，該數(shù)值是鑄鐵和鋼線膨脹系數(shù)的一半，這樣水平和垂直成為分別熱膨脹一半，所以加工點(diǎn)的3維變動(dòng)范圍成為1/8，在溫度穩(wěn)定性上得到非常大的效果。
作為另一個(gè)大的加工點(diǎn)偏移主要原因是固定各軸的底座的膨脹收縮。底座大，所以熱容量大，因此即使局部產(chǎn)生溫度差也不均衡，總是不斷地慢慢傳導(dǎo)熱，維持局部產(chǎn)生溫度差不動(dòng)。由這種特性、在由于加工而底座一部分的溫度發(fā)生變化時(shí)，該部分膨脹收縮地變動(dòng)、則發(fā)生總是不能抑制變動(dòng)的現(xiàn)象。例如在切削和磨削加工中使用的加工點(diǎn)的冷卻油等落在底座上時(shí)，則該部分的溫度發(fā)生變化，底座開始變動(dòng)，只要冷卻油落下(只要持續(xù)加工)則該部分的溫度不變，而且該溫度擴(kuò)散到整個(gè)底座達(dá)到均衡狀態(tài)則需要非常長的時(shí)間，所以在該期間底座一直在持續(xù)變動(dòng)。底座的情況是熱容量大，所以產(chǎn)生這種溫度偏移時(shí)，其上固定的軸僅在一個(gè)方向上移動(dòng)，是不使發(fā)生瞬間活動(dòng)的幾乎僅是平行移動(dòng)，所以若捕捉到軸移動(dòng)的傾向的話，則該修正也不是不可能。但長達(dá)數(shù)十小時(shí)的這種偏移進(jìn)行累積時(shí)就成為大的變位，所以沒完全修正的殘差也大。在此也不是對(duì)產(chǎn)生的膨脹收縮進(jìn)行對(duì)策，但知道降低這個(gè)膨脹收縮是非常有效的。因此構(gòu)成底座的材料也不是象現(xiàn)有那樣的鑄鐵和花崗巖，通過使用比它們的線膨脹系數(shù)小一半左右的材料能把加工點(diǎn)的溫度偏移減半。這時(shí)在高度方向上不太有影響，但能減少與底座平行的面上大的一個(gè)方向的偏移，能進(jìn)行高精度自由曲面光學(xué)面的范成。
本發(fā)明第17方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第1方面到第16方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述第一工作臺(tái)、所述第二工作臺(tái)、所述靜壓導(dǎo)軌以及用于固定它們的底座的至少一個(gè)是由楊式模量是200Gpa以上的材料形成的。
現(xiàn)有是工作臺(tái)和靜壓導(dǎo)軌的材料鑄鐵是中心，其楊式模量是150Gpa左右。這意味著每1cm2的斷面積能承擔(dān)1000N的載重和10cm的長度也有10μm長度的變化。因此在結(jié)構(gòu)上沒有采取大的體積和斷面積的部分其剛性就低，在加工時(shí)由產(chǎn)生的吃刀抗力和切削力其位置容易變位。即在多軸機(jī)加工設(shè)備中現(xiàn)有鑄鐵材料的結(jié)構(gòu)有不可避免的不僅結(jié)構(gòu)部分的，而且是由材料本身的彈性變形引起的剛性低下的問題。
對(duì)此，如本發(fā)明那樣，只要把所述第一工作臺(tái)、所述第二工作臺(tái)、所述靜壓導(dǎo)軌以及用于固定它們的底座的至少一個(gè)材料的楊式模量變成200Gpa以上，就成為現(xiàn)有材料楊式模量的2倍的值，所以能把所述10cm的變位減半。
本發(fā)明第21方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第1方面到第20方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述靜壓導(dǎo)軌的壓力傳遞介質(zhì)是液體，其粘度是10pois以下。
一般來說為了把軸動(dòng)作變成高精度就需要降低其導(dǎo)軌的摩擦力，因此通常在高精度機(jī)加工設(shè)備中使用靜壓導(dǎo)軌。但工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)為高速的情況下，向靜壓導(dǎo)軌的間隙內(nèi)放出的壓力傳遞介質(zhì)由其粘性阻力產(chǎn)生剪切發(fā)熱，從靜壓面把工作臺(tái)變熱而熱膨脹，這樣工具和加工物的位置變位，有妨礙高精度加工的問題。
防止這點(diǎn)最有效的辦法之一就是把靜壓導(dǎo)軌內(nèi)使用的壓力傳遞介質(zhì)的粘度降低。這樣在靜壓間隙中流動(dòng)時(shí)的粘性阻力減少，不僅發(fā)熱被抑制，而且還能降低壓力損失，所以不減少供給壓力而在靜壓面上起作用，能提高剛性。即降低壓力傳遞介質(zhì)的粘度對(duì)抑制發(fā)熱和提高剛性這高精度加工中需要的兩個(gè)要件有效果。而且若把軸速度加大到壓力傳遞介質(zhì)在靜壓導(dǎo)軌內(nèi)間隙中的流速以上的話，則壓力傳遞介質(zhì)不能隨動(dòng)，產(chǎn)生不遍及到整個(gè)靜壓面上的現(xiàn)象。該現(xiàn)象使靜壓導(dǎo)軌的剛性大幅度降低，由不穩(wěn)定的靜壓支承而產(chǎn)生振動(dòng)，所以成為妨礙軸高速驅(qū)動(dòng)的原因。為了防止這點(diǎn)，有時(shí)就降低壓力傳遞介質(zhì)的粘度，這樣壓力傳遞介質(zhì)的剪切摩擦力減少，在高速驅(qū)動(dòng)時(shí)也能使壓力傳遞介質(zhì)遍及到整個(gè)靜壓面上。其結(jié)果是軸的高速驅(qū)動(dòng)成為可能。
靜壓導(dǎo)軌內(nèi)的壓力傳遞介質(zhì)，即使是在相同的供給壓力下也是液體能比具有壓縮性的氣體剛性高，而且減振特性好，所以在變成高壓時(shí)難于發(fā)生振動(dòng)，對(duì)急劇變化的外力也感覺遲鈍，所以是理想的。因此既然壓力傳遞介質(zhì)是液體，則根據(jù)供給泵的密封情況和供給壓力的能力，根據(jù)所述理由最好其粘度是10pois以下，同時(shí)以接近水的1pois左右為下限。
實(shí)際上，對(duì)把靜壓導(dǎo)軌的間隙定為10μm、把30pois粘度的油作為壓力傳遞介質(zhì)時(shí)、供給20個(gè)氣壓能得到1000N/μm剛性的工作臺(tái)，在變更靜壓襯墊的小孔徑、使用2pois粘度的油時(shí)，以5個(gè)氣壓的供給壓力能得到1200N/μm的剛性。而且工作臺(tái)的溫度通過油的供給，與前者的上升將近1℃相對(duì)，后者是0.1℃的幾乎沒有溫度變化。
本發(fā)明第22方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第1方面到第21方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，具有主動(dòng)抑制裝置，用于抑制從設(shè)置所述機(jī)加工設(shè)備的地面對(duì)所述機(jī)加工設(shè)備傳遞振動(dòng)。在此所說的“主動(dòng)抑制裝置(也叫能動(dòng)抑制裝置)”是指具有測量振動(dòng)源地面的變位和速度、加速度等的測量元件，還具有把座進(jìn)行微小驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，而且以測量元件的輸出為基準(zhǔn)、消除振動(dòng)地使座振動(dòng)，這樣來進(jìn)行除振，即把向機(jī)加工設(shè)備振動(dòng)的傳遞抑制或遮斷的裝置。
市場上小銷售的加工自由度是2軸和3軸的機(jī)加工設(shè)備有的通過把其本體放置在叫做空氣座的空氣彈簧上來消除來自地面的微細(xì)振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度加工。但該空氣座對(duì)10Hz以上的頻率比較有效進(jìn)行除振，由于在數(shù)Hz的地方一定具有共振點(diǎn)，所以低頻振動(dòng)大部分從地面?zhèn)鬟f到機(jī)加工設(shè)備本體。根據(jù)情況有時(shí)地面的振動(dòng)還被放大向機(jī)加工設(shè)備本體傳遞。因此有效消除地面振動(dòng)對(duì)高精度加工是不可缺少的，特別是對(duì)3軸以上的機(jī)加工設(shè)備，其軸2層和3層地堆積，重心變高，并用其底面固定在底座上，所以是比現(xiàn)有的2軸以下的機(jī)加工設(shè)備容易發(fā)生瞬時(shí)搖動(dòng)的結(jié)構(gòu)。即3軸以上的機(jī)加工設(shè)備在結(jié)構(gòu)上有對(duì)微細(xì)振動(dòng)的共振頻率低的傾向。因此現(xiàn)有的空氣座對(duì)低頻具有共振點(diǎn)的這點(diǎn)情況非常不好，用這種被動(dòng)的空氣座支承3軸以上的高精度機(jī)加工設(shè)備來進(jìn)行高精度加工困難大。但現(xiàn)在沒有從這種觀點(diǎn)進(jìn)行考慮，所以也沒有使用主動(dòng)空氣座來對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行能動(dòng)的除振。
加工自由度是3軸以上的機(jī)加工設(shè)備最好通過即使對(duì)低頻也不具有共振點(diǎn)的主動(dòng)空氣座來高效除去地面振動(dòng)、發(fā)揮穩(wěn)定的加工精度。特別是主動(dòng)空氣座的控制方法是重要的?，F(xiàn)有的2軸以下的機(jī)加工設(shè)備其各軸是單獨(dú)地固定在底座上而存在于水平面內(nèi)，所以對(duì)水平方向的2軸和繞鉛垂軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)對(duì)加工結(jié)果良好，相反而對(duì)鉛垂方向的平行振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)幾乎沒有效果，由于3軸以上的機(jī)加工設(shè)備具有在鉛垂方向上的驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)，所以主動(dòng)控制即使對(duì)該方向的平行振動(dòng)也有效果，進(jìn)行主動(dòng)控制對(duì)也包括繞水平軸旋轉(zhuǎn)的2軸的全部6個(gè)自由度都有效。這樣，可以說很好考慮軸的驅(qū)動(dòng)方向和特性、進(jìn)行除去振動(dòng)的控制，分別把控制振動(dòng)參數(shù)最佳化是重要的。
本發(fā)明第23方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在3軸以上的機(jī)加工設(shè)備中具有第一工作臺(tái)，其由密度是4g/cm3以下的原材料構(gòu)成，通過伺服增益-3dB的頻率是50Hz(最好是100Hz)以上的軸驅(qū)動(dòng)裝置沿靜壓導(dǎo)軌移動(dòng)；測量裝置，測量所述第一工作臺(tái)的位置，分辨能力是10nm以下。
本發(fā)明第24方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第23方面所述的發(fā)明中，具有第二工作臺(tái)，由密度是4g/cm3以下的原材料構(gòu)成，沿靜壓導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)；測量裝置，測量所述第二工作臺(tái)的角度，分辨能力是1秒角以下。
本發(fā)明第25方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第23方面或第24方面所述的發(fā)明中，加工速度在600mm/min以上。
本發(fā)明第26方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第23方面到第25方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述第一工作臺(tái)、所述第二工作臺(tái)、所述靜壓導(dǎo)軌以及用于固定它們的底座的至少一個(gè)是由線膨脹系數(shù)是5×10-6以下的材料形成的。
本發(fā)明第27方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第23方面到第26方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述第一工作臺(tái)、所述第二工作臺(tái)、所述靜壓導(dǎo)軌以及用于固定它們的底座的至少一個(gè)是由楊式模量是200Gpa以上的材料形成的。
本發(fā)明第28方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第23方面到第27方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述靜壓導(dǎo)軌內(nèi)的壓力傳遞介質(zhì)是液體，其粘度是10pois以下。
本發(fā)明第29方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第23方面到第28方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，具有主動(dòng)抑制裝置，用于抑制從設(shè)置了所述機(jī)加工設(shè)備的地面對(duì)所述機(jī)加工設(shè)備的振動(dòng)傳遞。
本發(fā)明第30方面所述的機(jī)加工設(shè)備是在本發(fā)明第23方面到第29方面任一項(xiàng)所述的發(fā)明中，所述第一工作臺(tái)、所述第二工作臺(tái)、所述靜壓導(dǎo)軌以及用于固定它們的底座的至少一個(gè)是由把氮化硅的成分用Si3N4換算時(shí)含50％以上的重量的材料形成的。
根據(jù)本發(fā)明能提供能把高精度和高加工效率并存的具有3軸以上加工自由度的機(jī)加工設(shè)備。


圖1是本實(shí)施例5軸機(jī)加工設(shè)備10的立體圖；圖2是本實(shí)施例變形例的滑動(dòng)工作臺(tái)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的剖面圖；圖3是本實(shí)施例其他變形例的滑動(dòng)工作臺(tái)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的剖面圖；圖4是本實(shí)施例又一其他變形例的滑動(dòng)工作臺(tái)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是本實(shí)施例5軸機(jī)加工設(shè)備10的立體圖。在圖1中，利用4根腿(僅圖示了3根)11a支承在地面F上的主動(dòng)空氣座11是抑制振動(dòng)傳遞的抑制裝置，具有使地面的振動(dòng)不向底座12傳遞的功能。
在支承在主動(dòng)空氣座11上的底座12的導(dǎo)軌12a上設(shè)置有能在Z軸方向上移動(dòng)的滑動(dòng)工作臺(tái)13，在滑動(dòng)工作臺(tái)13上設(shè)置有能旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)14。而且滑動(dòng)工作臺(tái)13對(duì)導(dǎo)軌12a和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)14對(duì)滑動(dòng)工作臺(tái)13分別通過未圖示的靜壓導(dǎo)軌把液體作為介質(zhì)以低摩擦支承。
底座12上，跨架在一對(duì)支承臺(tái)15上的導(dǎo)軌15a上設(shè)置有能在X軸方向上移動(dòng)的滑動(dòng)工作臺(tái)16，在滑動(dòng)工作臺(tái)16的導(dǎo)軌16a上設(shè)置有能在Y軸方向上移動(dòng)的滑動(dòng)工作臺(tái)17，在滑動(dòng)工作臺(tái)17上設(shè)置有能旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)18。而且滑動(dòng)工作臺(tái)16對(duì)導(dǎo)軌15a，滑動(dòng)工作臺(tái)17對(duì)導(dǎo)軌16a和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)18對(duì)滑動(dòng)工作臺(tái)17分別通過未圖示的靜壓導(dǎo)軌把油作為介質(zhì)用低摩擦支承。
本實(shí)施例在是第一工作臺(tái)的滑動(dòng)工作臺(tái)13、16、17上設(shè)置有測量分辨能力是1nm的激光度盤，能測量其移動(dòng)量，是作為伺服增益-3dB的頻率是50Hz(最好是100Hz)以上的軸驅(qū)動(dòng)裝置的線性電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。另一方面是第二工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)14、18上設(shè)置有角度分辨能力是0.1秒的旋轉(zhuǎn)式編碼器，能測量旋轉(zhuǎn)角度。本實(shí)施例的靜壓導(dǎo)軌中油的粘度是3pois，供給壓力是5個(gè)氣壓。這時(shí)滑動(dòng)軸的水平·垂直方向的剛性是1350N/μm，是足夠是值。
滑動(dòng)工作臺(tái)13、16、17和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)14、18以及靜壓導(dǎo)軌是氮化硅制，旋轉(zhuǎn)軸是把轉(zhuǎn)子部分用氮化硅制、把定子部分用線膨脹系數(shù)是4×10-6的特殊合金制。支承臺(tái)15是使用因瓦合金。底座12使用焊接的線膨脹系數(shù)是4×10-6的特殊合金板。該特殊合金的楊式模量是130Gpa，但通過把板厚定為40mm就確保了作為底座面所需要的剛性。
把自由曲面光學(xué)面的加工物安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)14上，把金剛石工具(未圖示)安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)18上，使滑動(dòng)工作臺(tái)13、16、17和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)14同時(shí)(用4軸)進(jìn)行整形切削加工?；瑒?dòng)工作臺(tái)13的進(jìn)給速度是600mm/min以上，加工時(shí)間是36小時(shí)。切削面表面粗糙度是Rmax 5nm，形狀精度是57nm，達(dá)到市場上銷售的多軸機(jī)加工設(shè)備加工精度的約3倍的高精度。
圖2是本實(shí)施例變形例的滑動(dòng)工作臺(tái)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的剖面圖(相當(dāng)于圖1中用II-II線剖開的剖面圖)。圖2中在底座12的導(dǎo)軌支承部12a上固定有由陶瓷形成的在與紙面垂直的方向上延伸的平板狀導(dǎo)軌12b。并配置有由陶瓷形成的剖面是コ字狀的滑動(dòng)工作臺(tái)113而把導(dǎo)軌12b覆蓋。
滑動(dòng)工作臺(tái)113在與導(dǎo)軌12b的上面相對(duì)的內(nèi)周下面上形成靜壓襯墊(是薄的空間或是多孔質(zhì)材料，以下相同)113a、113a，在與導(dǎo)軌12b的側(cè)面相對(duì)的內(nèi)周側(cè)面上形成靜壓襯墊113b、113b，在與導(dǎo)軌12b的下面相對(duì)的內(nèi)周上面上形成靜壓襯墊113c、113c。通過在滑動(dòng)工作臺(tái)113內(nèi)延伸的孔113d從外部向各靜壓襯墊113a～113c供給規(guī)定壓力的油。而且滑動(dòng)工作臺(tái)113上固定有未圖示的編碼器，而與之相對(duì)地在底座12上設(shè)置有未圖示的傳感器，能以分辨能力10nm以下來測量滑動(dòng)工作臺(tái)113對(duì)底座12的移動(dòng)量。由編碼器和傳感器構(gòu)成測量裝置。
滑動(dòng)工作臺(tái)113的上面固定有支承臺(tái)120。為了埋設(shè)后述的線圈等、支承臺(tái)120最好是因瓦合金等的合金，但若能加工的話也可使用陶瓷。
大致是中空?qǐng)A筒狀的支承臺(tái)120，其內(nèi)部包有旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單元114。更具體地說就是旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單元114通過圓盤狀的縮徑部114f，具有把由磁性材料形成的下部齒形部114a和由陶瓷形成的上部圓盤部114b連接的形狀。齒形部114a在外周上形成多個(gè)齒，通過把每一個(gè)齒磁化而交替配置有N極和S極。在支承臺(tái)120的內(nèi)周面上與該齒相對(duì)地配置有僅比齒形部114a的齒數(shù)多1的線圈C。由齒形部114a和線圈C構(gòu)成AC伺服電機(jī)。
在齒形部114a的下面固定有編碼器114c，而與之相對(duì)地在支承臺(tái)120上設(shè)置有傳感器114d，能以分辨能力1秒角度以下來測量旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單元114對(duì)支承臺(tái)120的旋轉(zhuǎn)角度。由編碼器114c和傳感器114d構(gòu)成測量裝置。
支承臺(tái)120在與齒形部114a的上面相對(duì)的上部凸緣120f的下面上形成環(huán)狀的靜壓襯墊120a，在與縮徑部114f的外周面相對(duì)的上部凸緣120f的內(nèi)周面上形成環(huán)狀的靜壓襯墊120b，在與齒形部114a的下面相對(duì)的下部凸緣120e的上面上形成環(huán)狀的靜壓襯墊120c。通過在支承臺(tái)120內(nèi)延伸的孔120d從外部向各靜壓襯墊120a～120c供給規(guī)定壓力的油。
對(duì)本實(shí)施例的動(dòng)作進(jìn)行說明。通過從外部的油壓源向配管113d供給油，使油從靜壓襯墊113a～113c排出，安裝有支承臺(tái)120的滑動(dòng)工作臺(tái)113用該靜壓以非接觸狀態(tài)支承在導(dǎo)軌12b上。在該狀態(tài)下通過未圖示的線性電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，滑動(dòng)工作臺(tái)113移動(dòng)到對(duì)底座12希望的位置上。
通過從外部的油壓源向配管120d供給油，使油從靜壓襯墊120a～120c排出，夾持著未圖示工件的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單元114用該靜壓以非接觸狀態(tài)支承在支承臺(tái)120上。在該狀態(tài)下，通過把交變電流付與線圈C使齒形部114a被磁性驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單元114僅以希望的角度對(duì)支承臺(tái)120旋轉(zhuǎn)。
根據(jù)本實(shí)施例把作為第一工作臺(tái)的滑動(dòng)工作臺(tái)113用陶瓷形成，所以即使產(chǎn)生溫度變化時(shí)，與鋼等相比也能把熱膨脹抑制降低，因此能維持加工精度，并且通過能輕量化而提高加減速性，能縮短加工時(shí)間。特別是使用相同線膨脹系數(shù)的陶瓷形成導(dǎo)軌12b，所以在產(chǎn)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生相同的熱膨脹，能把靜壓間隙變化抑制到最小限度地進(jìn)行高精度加工。而且作為驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)工作臺(tái)113的軸驅(qū)動(dòng)裝置的線性電機(jī)等容量雖然低但也足夠，所以在謀求省能的同時(shí)還能抑制發(fā)熱量，因此能實(shí)現(xiàn)更高精度的加工。
根據(jù)本實(shí)施例把作為第二工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單元114用陶瓷形成，所以即使產(chǎn)生溫度變化時(shí)，與鋼等相比也能把熱膨脹抑制降低，因此能維持加工精度，并且通過能輕量化而提高加減速性，能縮短加工時(shí)間。而且使用線膨脹系數(shù)相近的因瓦合金等的合金形成支承臺(tái)120，所以在產(chǎn)生溫度變化時(shí)有相近的熱膨脹量，能把靜壓間隙變化抑制到最小限度地進(jìn)行高精度加工。而且作為驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單元114的軸驅(qū)動(dòng)裝置的AC伺服電機(jī)等雖然容量低但也足夠，所以在謀求省能的同時(shí)還能抑制發(fā)熱量，因此能實(shí)現(xiàn)更高精度的加工。
圖3是具有本實(shí)施例又一其他變形例的與圖2同樣的剖面圖。配置在底座12上由陶瓷制的導(dǎo)軌212b、212b在圖中被左右分割，第一工作臺(tái)陶瓷制的滑動(dòng)工作臺(tái)213在導(dǎo)軌212b、212b之間形成在長度方向上延伸的隆起部213f，在其側(cè)面設(shè)置靜壓襯墊213b、213b。通過這樣能使滑動(dòng)工作臺(tái)213的撓度消失，從而能提高支承剛性。
第二工作臺(tái)陶瓷制的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單元214的縮徑部214f隨著朝向中央就更加縮徑的雙錐形狀。而且從支承臺(tái)220延伸的上部凸緣220f，其半徑方向的內(nèi)邊緣與縮徑部214f相對(duì)應(yīng)而成為錐體形狀，在其上下斜面上設(shè)置有環(huán)狀的靜壓襯墊220a、220b。除此以外的結(jié)構(gòu)則與圖2所示的變形例相同，所以省略其說明。
圖4是具有本實(shí)施例又一其他變形例的與圖2同樣的剖面圖，但省略了支承臺(tái)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)單元。在圖4中，配置在底座12上由陶瓷制的導(dǎo)軌312b，其剖面具有倒梯形形狀，同樣地，由陶瓷制的滑動(dòng)工作臺(tái)313也具有以它對(duì)應(yīng)的內(nèi)周面形狀。
第一工作臺(tái)的滑動(dòng)工作臺(tái)313在與導(dǎo)軌312b的上面相對(duì)的內(nèi)周下面上形成有靜壓襯墊313a，在與導(dǎo)軌312b的側(cè)斜面相對(duì)的內(nèi)周側(cè)斜面上形成有靜壓襯墊313b、313b，在與導(dǎo)軌312b的下面相對(duì)的下面上形成有靜壓襯墊313c、313c。通過在滑動(dòng)工作臺(tái)313內(nèi)延伸的孔313d從外部向各靜壓襯墊313a～313c供給規(guī)定壓力的油。除此以外的結(jié)構(gòu)則與圖2所示的變形例相同，所以省略其說明。
以上參照實(shí)施例能說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不應(yīng)限定于上述實(shí)施例的解釋，當(dāng)然可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏?、改進(jìn)。例如至少通過把用最高速驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)由陶瓷形成，從而發(fā)揮本發(fā)明的效果。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械加工設(shè)備，其用于進(jìn)行切削加工和磨削加工中的至少一種，包括一固定底座；以及一加工裝置，其安裝在該固定底座上且具有多于兩個(gè)軸的自由度以進(jìn)行切削加工和磨削加工中的至少一種，該加工裝置包括一第一工作臺(tái)，該第一工作臺(tái)由陶瓷材料形成，且在夾持工件或工具的同時(shí)可以以至少一個(gè)軸或更多個(gè)軸的自由度線性移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械加工設(shè)備，其中該陶瓷材料具有不超過5×10-6K-1的線膨脹系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械加工設(shè)備，其中該陶瓷材料以Si3N4計(jì)算時(shí)包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超過4g/cm3的密度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械加工設(shè)備，其中該陶瓷材料具有至少200GPa的楊氏模量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械加工設(shè)備，其中該第一工作臺(tái)被軸驅(qū)動(dòng)裝置沿靜壓導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)，該軸驅(qū)動(dòng)裝置具有至少50Hz的頻率和-3dB的伺服增益。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的機(jī)械加工設(shè)備，其中該軸驅(qū)動(dòng)裝置為線性電機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械加工設(shè)備，其中該加工裝置還包括用于測量該第一工作臺(tái)的位置的分辨能力不大于10nm的測量裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械加工設(shè)備，其中被該第一工作臺(tái)夾持的工件或工具的加工速度不低于600mm/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的機(jī)械加工設(shè)備，其中，該第一工作臺(tái)以該機(jī)械加工設(shè)備中的最高速度被驅(qū)動(dòng)。
10.一種用于進(jìn)行切削加工和磨削加工中的至少一種的機(jī)械加工設(shè)備，包括一固定底座；以及一加工裝置，其安裝在該固定底座上且具有多于兩個(gè)軸的自由度以進(jìn)行切削加工和磨削加工中的至少一種，該加工裝置包括一第二工作臺(tái)，該第二工作臺(tái)由陶瓷材料形成，且在夾持工件或工具的同時(shí)可以以至少一個(gè)軸的自由度旋轉(zhuǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)械加工設(shè)備，其中該陶瓷材料具有不超過5×10-6K-1的線膨脹系數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)械加工設(shè)備，其中該陶瓷材料以Si3N4計(jì)算時(shí)包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超過4g/cm3的密度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)械加工設(shè)備，其中該陶瓷材料具有至少200GPa的楊氏模量。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)械加工設(shè)備，其中該第二工作臺(tái)被軸驅(qū)動(dòng)裝置沿靜壓導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)，該軸驅(qū)動(dòng)裝置具有至少50Hz的頻率和-3dB的伺服增益。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的機(jī)械加工設(shè)備，其中該軸驅(qū)動(dòng)裝置為AC伺服電機(jī)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)械加工設(shè)備，其中該加工裝置還包括用于測量該第二工作臺(tái)的角度的分辨能力不大于1角秒的測量裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)械加工設(shè)備，其中被該第二工作臺(tái)夾持的工件或工具的旋轉(zhuǎn)加工速度不小于1度/秒。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的機(jī)械加工設(shè)備，其中該第二工作臺(tái)以該機(jī)械加工設(shè)備中的最高速度被驅(qū)動(dòng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)械加工設(shè)備，其中該加工裝置還包括用于支承該第二工作臺(tái)的支承臺(tái)，且該支承臺(tái)由滿足以下條件中的至少一條的陶瓷材料和含10％重量至50％重量的鎳的合金中的至少一種形成，所述條件為具有不超過5×10-6K-1的線膨脹系數(shù)；以Si3N4計(jì)算時(shí)包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超過4g/cm3的密度；以及具有至少200GPa的楊氏模量。
20.根據(jù)權(quán)利要求5的機(jī)械加工設(shè)備，其中至少該靜壓導(dǎo)軌和用于固定該導(dǎo)軌的底座中的一個(gè)由滿足以下條件中的至少一條的陶瓷材料形成，所述條件為具有不超過5×10-6K-1的線膨脹系數(shù)；以Si3N4計(jì)算時(shí)包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超過4g/cm3的密度；以及具有至少200GPa的楊氏模量。
21.根據(jù)權(quán)利要求14的機(jī)械加工設(shè)備，其中至少該靜壓導(dǎo)軌和用于固定該導(dǎo)軌的底座中的一個(gè)由滿足以下條件中的至少一條的陶瓷材料形成，所述條件為具有不超過5×10-6K-1的線膨脹系數(shù)；以Si3N4計(jì)算時(shí)包含至少50％重量的氮化硅，且具有不超過4g/cm3的密度；以及具有至少200GPa的楊氏模量。
22.根據(jù)權(quán)利要求5的機(jī)械加工設(shè)備，其中該靜壓導(dǎo)軌的壓力傳遞介質(zhì)為黏度不超過10pois的液體。
23.根據(jù)權(quán)利要求14的機(jī)械加工設(shè)備，其中該靜壓導(dǎo)軌的壓力傳遞介質(zhì)為黏度不超過10pois的液體。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)械加工設(shè)備，其中該加工裝置還包括用于抑制振動(dòng)自地板傳遞至該機(jī)械加工設(shè)備的主動(dòng)控制裝置，該機(jī)械加工設(shè)備安裝在該地板上。
25.根據(jù)權(quán)利要求10的機(jī)械加工設(shè)備，其中該加工裝置還包括用于抑制振動(dòng)自地板傳遞至該機(jī)械加工設(shè)備的主動(dòng)控制裝置，該機(jī)械加工設(shè)備安裝在該地板上。
26.一種用于進(jìn)行切削加工和磨削加工中的至少一種的機(jī)械加工設(shè)備，包括一固定底座；以及一加工裝置，其安裝在該固定底座上且具有多于兩個(gè)軸的自由度以進(jìn)行切削加工和磨削加工中的至少一種，該加工裝置包括一第一工作臺(tái)和用于測量該第一工作臺(tái)的位置的一測量裝置，該第一工作臺(tái)由密度不超過4g/cm3的材料形成，且被驅(qū)動(dòng)裝置沿第一靜壓導(dǎo)軌移動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)裝置具有至少50Hz的頻率和-3dB的伺服增益，該測量裝置具有不大于10nm的分辨能力。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的機(jī)械加工設(shè)備，其中該加工裝置還包括沿第二靜壓導(dǎo)軌旋轉(zhuǎn)的由密度不超過4g/cm3的材料制成的第二工作臺(tái)；以及用于測量該第二工作臺(tái)的角度的分辨能力不大于1角秒的測量裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的機(jī)械加工設(shè)備，其中加工速度不低于600mm/min。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的機(jī)械加工設(shè)備，其中至少該第一工作臺(tái)、該第二工作臺(tái)、該第一靜壓導(dǎo)軌、該第二靜壓導(dǎo)軌和用于固定它們的底座中的一個(gè)由線性膨脹系數(shù)不超過5×10-6K-1的材料形成。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的機(jī)械加工設(shè)備，其中至少該第一工作臺(tái)、該第二工作臺(tái)、該第一靜壓導(dǎo)軌、該第二靜壓導(dǎo)軌和用于固定它們的底座中的一個(gè)由楊氏模量不低于200GPa的材料形成。
31.根據(jù)權(quán)利要求26的機(jī)械加工設(shè)備，其中該第一靜壓導(dǎo)軌的壓力傳遞介質(zhì)為黏度不超過10pois的液體。
32.根據(jù)權(quán)利要求27的機(jī)械加工設(shè)備，其中該加工裝置還包括用于抑制振動(dòng)自地板傳遞至該機(jī)械加工設(shè)備的主動(dòng)抑制裝置，該機(jī)械加工設(shè)備安裝在該地板上。
33.根據(jù)權(quán)利要求27的機(jī)械加工設(shè)備，其中至少該第一工作臺(tái)、該第二工作臺(tái)、該第一靜壓導(dǎo)軌、該第二靜壓導(dǎo)軌和用于固定它們的底座中的一個(gè)由以Si3N4計(jì)算時(shí)包含至少50％重量的氮化硅成分的材料形成。
全文摘要
一種機(jī)加工設(shè)備，通過由密度是4g/cm
文檔編號(hào)B24B13/06GK1579704SQ20041004205
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者細(xì)江秀 申請(qǐng)人:柯尼卡美能達(dá)精密光學(xué)株式會(huì)社