(57)【要約】      （修正有）【課題】リニアモータによって頻繁に激しく、高応答で高速度で、鉛直方向に上下移動する機械構造体のカウンタエアバランサを、特別な装置等を付加することなく冷却できる機械構造体の送り機構を提供する。【解決手段】機械構造体の自重を支持する空気圧が導入されるエアバランサ１５の空気圧室が、空気圧源に、支持空気圧に調整されたリリーフ弁付のエアレギュレータ２１と、圧力空気の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁２２，２３を介して連結され、さらに空気圧室と反対側の空気室を密閉するとともに空気の流入、排出する導管２４，２５を設け、導管に外気の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁を設けた構成とする。【選択図】図１
2005138189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に往復軸移動自在に基体に対して保持された機械構造体の送り機構であって、
前記機械構造体を基体に対して気体圧にて支持するピストンとシリンダとが相対的に往復移動する気体圧バランサと、前記基体に対して機械構造体を駆動して軸移動させるリニアモータとを備え、
前記機械構造体の自重を支持する圧力気体が導入される気体圧バランサの気体圧室が、気体圧力源に、リリーフ弁付気体圧レギュレータと、該レギュレータを介する気体圧力源の圧力気体の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁とを介して連結されていることを特徴とするカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構。
【請求項２】
鉛直方向に往復軸移動自在に基体に対して設けられた機械構造体の送り機構であって、
前記機械構造体の自重を基体に対して空気圧にて支持するピストンとシリンダとが相対的に往復移動するエアバランサと、前記基体に対して機械構造体を駆動して軸移動させるリニアモータと、前記機械構造体の基体に対する直線移動位置を検出する位置検出装置と、制御装置からの位置指令により位置検出装置からの検出位置信号のフィードバックを受けつつ前記リニアモータに駆動電流を出力する駆動制御装置とを備え、
前記機械構造体の自重を支持する空気圧が導入されるエアバランサの空気圧室が、空気圧源に、支持空気圧に調整されたリリーフ弁付のエアレギュレータと、圧力空気の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁を介して連結されていることを特徴とするカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構。
【請求項３】
前記エアバランサ支持空気圧室と反対側の空気室を密閉すると共に空気を流入、排出する導管を設け、該導管に外気の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁を設けてなることを特徴とする請求項１または２に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構。
【請求項４】
前記吸気絞り弁が逆止弁と絞り弁との並列接続体から成ることを特徴とする請求項１、２または３に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構。
【請求項５】
前記機械構造体が工作機械の鉛直方向に往復軸移動するＺ軸主軸であることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構。
【請求項６】
前記機械構造体が工作機械の水平主軸を保持して鉛直方向に往復軸移動させるＺ軸スライダであることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は形彫り放電加工機やマニシングセンタ等の工作機械の鉛直方向に往復軸移動する主軸や水平主軸を支持して鉛直方向に往復軸移動する軸スライダのような被駆動機械構造体の自重を支持するカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構に関するもので、上述各種工作機械の外、半導体製造装置のＸＹステージ装置及び精密測定装置などへも適用できるもので、特に前記被駆動機械構造体が、リニアモータによる駆動走行の如く、高加速度で、高速度での走行軸移動を高応答で行なうものに適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の可動部中の鉛直成分を含む方向に往復軸移動するクイルや主軸、又は水平主軸等を支持して鉛直又は鉛直成分を含む方向に往復軸移動する軸スライダのような被駆動の機械構造体を所謂リニアモータを使用して軸移動させる装置の場合、リニアモータは高応答での高速度駆動を実現するため、加減速の加速度が重力の加速度１．０Ｇ以上の大きな値に設定されるから、前記機械構造体を重力に抗して持ち上げ平衡させるカウンタバランス装置としては錘等を使用することが出来ず、ピストンとシリンダが相対的に往復移動する空気圧を使用するエアバランサが、釣りワイヤなどを介設させず、剛体による直結の高応答状態で用いられて来ている（例えば、特許文献１−４参照。）。
【０００３】
具体例として形彫り放電加工機の場合を図４−８を参照して説明すると、図４は、そのようなリニアモータが駆動する送り装置を搭載した形彫り放電加工機の全体構成を示す斜視図で、１０１はベッド、１０２はベッド１０１の後側部または上面に立設されたコラム、１０３はコラム１０２前面のベッド１０１上に水平一軸（Ｙ軸）方向に移動可能に設けたサドル、１０４はサドル１０３上に他の水平一軸（Ｘ軸）方向に移動可能に設けたテーブル、１０５はテーブル１０４上に設けられたコラム１０２前面側に位置する加工槽で、図示しない被加工体を取り付け、加工液中浸漬状態で加工電極１０６と相対向配置させる加工テーブルを備えている。
【０００４】
１０７は、コラム１０２上部の加工槽１０５側に延出したコラム前面１０２Ａに取付けられた加工主軸枠体で、全体として中空柱状体で、下方先端に加工電極１０６の取付装置１０８Ａを有するほぼ四角柱状のＺ軸クイル１０８を、クイル後面とコラム前面または加工主軸枠体内面間等に設けた直線案内装置１０９により、鉛直方向への駆動により直線移動自在に内包保持して成る。１１０Ａ及び１１０Ｂは、前記Ｚ軸クイル１０８の鉛直方向と直角な方向の対向側面夫々に移動方向に沿って所定個数列設される図示しない永久磁石片の磁石板と微小間隙を介して相対向するように加工主軸枠体１０７の両側面に設けられるヨークと巻回励磁コイルとから成る一対の電磁石装置、即ち、所謂リニアモータの励磁固定子で、永久磁石を取付けたＺ軸クイル１０８をリニアモータの磁石板の可動子として移動させるものである。
【０００５】
図５は、図４のＡ―Ａ線に沿う加工主軸枠体１０７部切断平面図、図６は同じくＢ―Ｂ線に沿う切断左側面図、また図７は同じくＣ―Ｃ線に沿う切断正面図で、前述加工主軸枠体１０７は、前記図５の平面図で示すように、この例の場合は断面コの字状であるから、図示では、例えば直線案内装置１０９のレール１０９Ａのように前記コラム前面１０２Ａに取付けられているが、例えば断面口の字状の場合には、前記レール１０９ＡやＺ軸クイル１０８の位置を検出するリニアスケール等は加工主軸枠体１０７の内壁面等の別の位置に設けられていることになる。また図示例の場合加工主軸枠体１０７は前面の一部以上が開閉可能で、内装や組立、調整を可能としている。
【０００６】
Ｚ軸クイル１０８は後述する構成のリニアモータの可動子として駆動により、高応答でかつ高速で、特に電極ジャンプ作動の場合には、好ましくは往復とも、そして少なくとも長いストロークのジャンプ後の近接復帰時には加速度が１Ｇ以上にも及ぶ高加速度で加速されて移動し得るよう、より軽量に構成することが望ましく、図示の場合四角柱状のＺ軸クイル１０８は、両側面に、永久磁石片１１１Ａ、１１１Ｂを移動方向に接着等により列設して設ける必要が有るところから、前記四角柱状体の軸中心に所望内径の貫通孔１０８Ｂを穿った構成となっているが、例えば、断面平面図がローマ数字の３又はロの字の如き枠組み構成とすることもできる。
【０００７】
しかし、更に好ましくは、前記貫通孔１０８Ｂを有する柱状Ｚ軸クイル１０８の全体を一体のセラミックス焼結成形体（密度、鉄の約３分の１前後）、例えば酸化物系のセラミックス、または非酸化物系のセラミックス、特に好ましくは、Ｓｉ３Ｎ４を主成分とするセラミックス製とするものである。そして、Ｚ軸クイル１０８に上述のようにセラミックスを採用した場合には、リニアモータの可動子として張り付けられた永久磁石片１１１Ａ、１１１Ｂの相互間等において、良好な磁気回路が形成されないから、かかる場合には、前記セラミックス製Ｚ軸クイル１０８の両側面に鉄板等の軟磁性材の磁石板８Ｃを張りつけた上に永久磁石片１１１Ａ、１１１Ｂを張りつけ固定するようにするものである。Ｚ軸クイル１０８をこのように、特にセラミックス製で、一体の中空柱状体にすると、軽量であるから、慣性が小で制御の応答性が高く、熱による膨張や変形も少ないから精度の高い加工を可能とする送り機構が得られる。なお、Ｚ軸クイル１０８が鋼製で、一体の中空柱状体であると、断面寸法が最小にすることができるから、加工主軸が嵩張らない、コンパクトな送り機構が得られる。
【０００８】
而して、Ｚ軸クイル１０８の鉛直方向の移動を案内する前記直線案内装置１０９は、図示例の場合、リニアモーションボール（又はローラ）ベアリングのレール１０９Ａが、２本、所定の間隔を置いて鉛直平行にコラム前面１０２Ａに取付けられ、これに対しベアリングブロック９Ｂ、９Ｂが、各レール１０９Ａ毎に２個、鉛直方向に所定の間隔を置いてＺ軸クイル１０８に取付けられていて、両者を嵌合組み付け構成されている。
【０００９】
１１０Ａ、１１０Ｂは、前記永久磁石片１１１Ａ、１１１Ｂを夫々鉛直移動方向に取付けたＺ軸クイル１０８の両側面に微小間隙を介して相対向するように配置され、加工主軸枠体１０７の側板の窓部１０７Ｂ、１０７Ｃに夫々取付板１１２Ａ、１１２Ｂにより取付けられたリニアモータ用の励磁固定子である。この励磁固定子１１０Ａ、１１０Ｂは、夫々ヨーク１１０ＡＹ、１１０ＢＹとヨークの櫛歯部に巻回した励磁コイル１１０ＡＣ、１１０ＢＣとから成り、硅素鋼板等の積層体から成るヨーク１１０ＡＹ、１１０ＢＹの櫛歯部後方の基部側の積層部には、冷却流体が流通する冷却パイプ１１４Ａ、１１４Ｂを挿通する千鳥状の穴が設けられている。
【００１０】
図示構成の場合のリニアモータは、コギングを減少させるために、永久磁石片１１１Ａ、１１１Ｂを列状に片側２列張り付けたＺ軸クイル１０８から成る可動子と、ヨーク１１０ＡＹ、１１０ＢＹと励磁コイル１１０ＡＣ、１１０ＢＣとから成る固定子とから成り、リニアモータの型式としては永久磁石可動型のリニア交流同期モータ（ＬＳＭ）で、磁石片列に応じ、励磁コイル１１０ＡＣ、１１０ＢＣも、片側夫々２列設けているが、磁石片列を各１列として励磁コイルを各１個としても良い。また、当該リニア交流同期モータ（ＬＳＭ）は、リニア直流モータ（ＬＤＭ）のコイル電流を３相としたものであるから、リニアモータとしては、このリニア直流モータ（ＬＤＭ）を使用することが出来る。また、上述の永久磁石片列と励磁コイルとの固定と可動の関係を図示説明のものと逆にした励磁コイル可動型のリニアモータを目的等に応じ構成使用することができる。
【００１１】
上述のように、Ｚ軸クイル１０８等の構造体の移動方向と直角水平な左右の両側面にリニアモータを形成して設けることにより、クイル１０８の左右両側におけるリニアモータの可動子と固定子間の磁気吸引力をバランスさせて打ち消させ、この水平左右方向の力の打消し合いによりＺ軸クイル１０８の軸運動の真直性を向上させる。そして、このクイル１０８の左右両側面に於ける磁気吸引力を平衡させて打消させ得るように、ヨーク１１０ＡＹ、１１０ＢＹの各取付板１１２Ａ、１１２Ｂの背向板面に分布して設けた押しねじと引きねじによる、ヨーク１１０ＡＹ、１１０ＢＹの傾き調整及び／または前後進位置決めにより、可動子側永久磁石片１１１Ａ、１１１Ｂの板面と各ヨーク１１０ＡＹ、１１０ＢＹ間の間隙を全体的に、かつ左右両側で等しく、図示の場合左右の各リニアモータの磁気吸引力が等しくなるように間隙調整を行うものである。勿論、調整設定後は、前記押しねじと引きねじを、固定剤で固定するようにしてもよい。
【００１２】
１１３は、Ｚ軸クイル１０８のコラム１０２Ａまたは主軸枠体１０７に対する直線移動位置を検出するリニアスケールで、図示の場合スケール１１３ＡがＺ軸クイル１０８前面に、これに対向する加工主軸枠体１０７前方内面にセンサ１１３Ｂが取付けられる。このリニアスケールが、検出位置信号を、ＮＣ制御装置から移動位置指令信号が与えられる駆動装置にフィードバックして、駆動装置が励磁コイル１１０ＡＣ、１１０ＢＣに制御のための作動信号を出力する。
【００１３】
以上の構成では、下方先端に電極取付装置１０８Ａを有するＺ軸クイル１０８の重量をその重力に抗して持ち上げておく構成がなく、装置駆動時には、リニアモータにより上向きの制御された推力を作用させて持ち上げる必要があるが、これではこの推力に見合う電力消費が大きく、ヨークと励磁コイルから成る電磁石固定子の冷却問題が生ずる。かかる場合の対応として、Ｚ軸クイル１０８をコラム１０２または加工主軸枠体１０７側からＺ軸クイルを吊り下げる手段として、シリンダ１１５Ａ、ピストン１１５Ｂ、ロッド１１５Ｃ及び図示しないバルブ、配管等から成るエアバランサ１１５を設けるのがよい。該エアバランサ１１５は、シリンダ１１５Ａまたはロッド１１５Ｃの一方をコラム１０２（枠体１０７）またはＺ軸クイル１０８の一方に固定し、かつ夫々他方同志を連結乃至固定することによりクイル１０８をコラム１０２（又は主軸枠体１０７）に懸垂させることができる。しかも、図示例の場合はバランス良く、かつ省スペース状態とするためにエアバランサ１１５のシリンダ１１５Ａをクイル１０８の貫通孔１０８Ｂに同軸状に挿入し、上縁部のフランジ部１１５Ｄでクイル１０８と連結し、ロッド１１５Ｃの上端を連結部材１１６を介してコラム１０２等の固定部に連結固定したものである。このような構成により、Ｚ軸の上下方向の長さが短くなって加工主軸装置がコンパクトになる。
【００１４】
そして、図８に示すように、このエアバランサ１１５にはコンプレッサ等の空気圧源１１８から、約６ｋｇｆ／ｃｍ２の圧縮空気が供給され、公知のフィルタおよびエアドライア等から成る補助機器１９、例えば設定約５ｋｇｆ／ｃｍ２のエアレギュレータ１２０、及び設定約２．５ｋｇｆ／ｃｍ２〜４．５ｋｇｆ／ｃｍ２のハイリリーフレギュレータ１２１を介して、シリンダ１１５Ａの上室１１５ＲＵに圧縮空気が導入される。下室１１５ＲＤは実質上大気圧に開放された状態とする。ハイリリーフレギュレータ１２１の設定圧力はクイル１０８および電極１０６の総重量に応じて設定される。このように圧縮空気が供給されることにより、左右の両リニアモータが作動して可動子としてのＺ軸クイル１０８を送り制御及び位置決め制御するときに、エアバランサ１１５がＺ軸クイル１０８とシリンダ１１５Ａとを一体に懸垂する。ここでクイル１０８が下降送りされるとシリンダ１１５Ａの上室１１５ＲＵの空気圧力が増圧しようとするが、ハイリリーフレギュレータ１２１のリリーフバルブで一定圧に制御されるので、上室１１５ＲＵのエアは排出、すなわちリリーフされて一定圧に戻る。逆にクイル１０８が上昇すると、減圧する上室１１５ＲＵにエアが急速に送り込まれて一定圧となるようにハイリリーフレギュレータ１２１が作動する。こうしてＺ軸クイル１０８の重量に釣り合うバランス推力を加えることによって、Ｚ軸クイル１０８の移動制御時に低イナーシャ（低慣性モーメント）でかつ高速応答な軸移動制御を可能とするとともに、Ｚ軸クイル１０８の静止制御時に無負荷状態に近い軸静止制御を可能とする。
【００１５】
以上をまとめると、リニアモータをＺ軸加工主軸の位置決め制御送り手段として設けた好ましい形彫り放電加工機の主軸装置の大略の構成は、コラムまたはＸ軸移動体に取付け保持されるＺ軸加工主軸を、下端に電極取付装置が設けられるＺ軸クイルを直線案内装置とエアバランサとにより、前記Ｚ軸クイルを同軸状に囲繞するＺ軸加工主軸枠体に前記Ｚ軸方向の直線往復移動自在に保持させて構成し、永久磁石片を移動方向に列設した軟磁性材から成る磁石板と、ヨーク鉄芯と巻回励磁コイルから成る電磁石とを間隙を置いて相対向配置して構成されるリニアモータを、前記Ｚ軸クイルの相背向する両側面と該両側面と相対向する前記Ｚ軸加工主軸枠体の両側壁間に設け、前記Ｚ軸加工主軸枠体に対する前記Ｚ軸クイルの相対的移動位置を検出するように両者間に取付けられた直線位置検出装置からの検出フィードバック信号によって前記リニアモータの励磁コイル電流を制御するようにしたものと言うことになる。
【００１６】
このような、Ｚ軸主軸をリニアモータによって駆動制御するようにした形彫り放電加工機によれば、微小加工間隙に対して高応答で正確に制御できるところから、従来型の回転形のサーボモータとボールねじとの組合せによるサーボ送り制御方式のものより、常時より適切に加工間隙距離が維持され、高精度で加工時間も大凡１／２乃至１／６に短縮できるだけでなく、高加速度による高速ジャンプが可能となり、特にリブ加工と称される、加工方向に長尺で断面積の小さい電極による深穴加工を、電極等から加工間隙に加工液を噴出させなくても、従来不可能であった深さまで加工が可能になると共に、その要する加工時間も大幅に短縮されるという画期的な効果が確認されて来つつある。
【００１７】
図９、及び図１０は、前述図６と同様な構成例の説明図で、図４乃至図８に図示のものと同一または同等機能物には、同一の１０の位の数に、前者２００、後者１００を加算して表示してある。前述図４乃至図８に図示説明のものが、Ｚ軸クイル１０８の重量をその重力に抗して持ち上げるエアバランサ１１５を、クイル１０８の中空部に同芯に収納させて一体に結合し、Ｚ軸加工主軸として全長が短く、コンパクトに構成していたのに対し、前述図９及び図１０のものは、何れも、Ｚ軸クイル２０８の中空部に収設したエアバランサ２１５のピストンロッド２１５Ｃを上方へ引き出して、その上端を固定側に固定するための連結部材２１６または該連結部材２１６に支持された天板材２１６Ａに固設してクイル２０８を懸垂する構成で、かかる構成に依れば、Ｚ軸加工主軸として全長が長くなるが、移動側のクイルの慣性質量が小さくなるので、実用可能な構成と思惟される。その他図中に於いて、２６６は、シリンダ筒２１５Ａの上端に固定して設けられ、所要時にピストンロッド２１５ＣをクランプするＺ軸クイル２０８の落下防止ブレーキ装置、２４５はＺ軸クイル２０８の加工主軸枠体２０７に対する降下限度を規制する上側ストッパ、２４６は同様に上昇限度を規制する下側ストッパである。
【００１８】
次に、金属切削用工作機械の従来例を図１１を参照して説明すると、以上のような、形彫り放電加工機のリニアモータにより鉛直方向に軸送り移動されるクイル等の加工主軸における問題は、機械切削用のマニシングセンタ等のＺ軸加工主軸に於いても同様であること勿論であり、また、前述のような加工主軸を水平に支持して鉛直方向に往復軸移動するスライダのような被駆動機械構造体の自重をエアバランサで支持する場合の例えば、図１１の場合も同様である。
【００１９】
図１１において、３０１は工作機械本体であり、垂直ベッド３０２の前方に図示しない加工テーブルを配設し、該加工テーブルに載置固定した被加工物に対して主軸３０３を直交する３軸（Ｚ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向に移動位置決めして加工を施すようになっている。
【００２０】
前記垂直ベッド３０２の前面にはコラム状のＸスライド３０４がＸ軸方向に移動可能に支持されており、該Ｘスライド３０４にはＹスライド３０５がＹ軸方向（垂直方向）に移動可能に支持されている。またこのＹスライド３０５は図示しない工具が装着される前記主軸３０３を回転自在に軸承するラムを構成するスライド３０６が、Ｚ軸方向に移動可能に支持されており、上記各スライド３０４、３０５、３０６は、例えばアルミ合金等の軽金属材により形成されている。また前記Ｘスライド３０４の左右側部には夫々カウンタバランス用シリンダ３４０が配設されており、これによりＹスライド３０５に作用する偶力の低減を図っている。
【００２１】
上記垂直ベッド３０２は、左側面から視て略Ｌ字状をなし、かつ正面視で矩形枠状をなしている。該垂直ベッド３０２の上枠部３０２ａの前面下部にはＸ軸方向に延びるレール３１０が配設されており、前方に突出した下枠部３０２ｂの上面にはＸ軸方向に延びる２本のレール３１０、３１０が互に平行に配置されている。
【００２２】
前記、Ｘスライドは、左右垂直枠３０４ａ、３０４ｂの上端部同士を上枠部３０４ｃで結合するとともに下端部同士を枠部３０４ｄで結合してなる正面視で縦長の矩形枠形状をなし、上枠部３０４ｃの前部には逃げ凹部３３０が形成されている。また、上枠部３０４の背面には、上枠部３０２ａのレール３１０と摺動係合する２つのガイド３１１が間隔をあけて配設され、下枠部３０４ｄの底面の四隅には、下枠部３０２ｂ上面のレール３１０、３１０と摺動係合するガイド３１１が配設されている。
【００２３】
垂直ベッド３０２の上枠部３０２ａの上部、および下枠部３０２ｂの下レール３１０間にはリニアモータ３２０の固定子３２１、３２１がそれぞれレール３１０に平行に配設され、これに対し、Ｘスライド３０４の上枠部３０４ｃの背面、及び下枠部３０４ｂの底面にはリニアモータ３２０の移動子３２２、３２２が夫々配置固定されている。又各垂直枠部３０４ａ、３０４ｂの前面には、Ｙスライド３０５に設けたガイド３３４と摺動係合してＹスライド３０５を軸に案内するレール３３１が設けられ、該Ｙスライド３０５は前記Ｚスライド３０６が挿通された矩形状の貫通孔３１５ａを有する横断面口の字形の後方に延びる筒状の箱枠部３１５を有し、該箱枠部３１５の前面にこれと直角をなすように固定されたスライド枠部３３３を備えている。
【００２４】
前記スライド枠部３３３は、背面に左右のモータ保持壁を形成するコの字状の突部を有し、この左右のモータ保持壁は、垂直枠部３０４ａ、３０４ｂのＸ軸方向対向側面のモータ保持面と相対向し、介設される保持壁の移動子３２１と保持面の固定子３２２とから成るリニアモータ３２０により、Ｘスライド３０４に対しＹスライド３０５をＹ軸方向に上下移動位置決めさせる。
【００２５】
また、前記Ｚスライド３０６は、前記箱枠部３１５の貫通孔３１５ａ内に前進後退可能に挿通された直方体のスライド本体の軸心に前記主軸３０３を挿通保持して構成され、そして不図示ながら、前記Ｚスライド３０６のスライド本体の左右外側面にはそれぞれ上述移動子３２２と固定子３２１と同じ構造の移動子と固定子が所定の間隔を開けて対向するように配置され、リニアモータによるＺスライド３０６の前進後退位置決め移動を可能とする。
【特許文献１】特開２０００−２２５５２６号公報
【特許文献２】特開２００２−３４６８４３号公報
【特許文献３】特開平０９−２６２７２７号公報
【特許文献４】特開平１０−２６３９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
前述のような形彫り放電加工機では、加工の目的や加工の形状等にもよるが、各種の位置決め送りの外、電極・被加工体間の微小加工間隙の良好な間隙状態の維持のため微小ストロークのサーボ制御送り作動と、及び上記加工間隙からの生成加工屑の排出のための周期的又は間隙状態検出判別による、電極ジャンプ作動のための対向方向の離隔近接の、できるだけ高速での移動を行なう、大きなストロークの送り作動とが頻繁に行なわれるものである。
【００２７】
図１２及び図１３は、上述のようなリニアモータを送り駆動源とする形彫り放電加工機の加工電極ジャンプ動作時におけるクイル１０８の上昇送り時（図１２）と、クイル１０８の下降送り時（図１３）のエアバランサ１１５の内部の空気圧等の作動状態を説明するもので、電極ジャンプ作動に入りクイル１０８がリニアモータにより上昇送りされると、シリンダ１１５Ａの上室１１５ＲＵは減圧されようとするが、ハイリリーフレギュレータ１２１が直ちに作動して圧力空気を送り込み、上室１１５ＲＵ内の空気圧は、レギュレータ１２１のリリーフ弁に調整設定した空気圧を保つように高速の制御が行なわれるので、上昇時には、ピストン１１５Ｂとシリンダ１１５Ａとの摩擦による発熱を生ずるに止まるが、下降送り時には、上昇時と同様な摩擦発熱に加えて、上室１１５ＲＵ内の上昇で減圧気味であった空気圧が、レギュレータ１２１のリリーフ弁の設定圧を僅かに超える迄短時間ながら圧縮される所謂断熱圧縮状態を生成して発熱することになる。
【００２８】
そして、このようなエアバランサ１１５の摩擦や上述のようなその他の原因による発熱は、稼動時間の経過に応じて蓄積されて行ったりしてシリンダ１１５周辺の温度が上昇し、また精度を要する部分の加温につながったりして、加工精度が低下すると言う問題があった。特に前述形彫り放電加工機による形彫り放電加工のジャンプ設定条件は、例えば、加工時間の経過により加工穴の深さが深くなる程ジャンプ間の放電時間を短くして行って、ジャンプの周期を短くして頻繁に行なわせるようにしたり、ジャンプ引き上げストロークを大きくして行なうとか、昇降移動速度を早くする等、ジャンプ条件を高負荷状態となる設定のものが多く、発熱、加温が激しくなり精度を損なうものであった。
【００２９】
図１４は、前述形彫り放電加工機を恒温室に設置して使用し、被加工体に対して開離近接の往復運動であるジャンプ運動を行なわせながら放電加工したときの、レギュレータ２１リリーフ弁排出気体温度、エアバランサ１１５のピストンロッド１１５Ｂの温度、及びクイル１０８の上端部と下端部の各温度の変化状態を予測する実験例の測定温度特性図で、ジャンプが大凡１回／１ｓ行なわれるように、リニアモータによる加工主軸の開離上昇時間（ＵＰ）を約２５０ｍｓ、下降近接して加工している時間（ＤＮ）を約４００ｍｓに設定し、前記リニアモータによるジャンプ中の送り速度（ＪＳ：ｍ／ｍｉｎ）を、１、５、１０、２５、及び３６に夫々設定して各２０ｍｉｎの間作動を行なわせた場合のもので、ジャンプ速度（ＪＳ）が、２５ｍ／ｍｉｎ程度以上と高速度になるとエアバランサ１１５周りの各部の温度が短時間のうちに上昇して行き、かつ各部の上昇温度が互いに相違するところから、クイル１０８及びエアバランサ１１５等が機械構造体として設定された軌跡と位置を維持して精密に移動できないことが明らかである。
【００３０】
勿論、このようなエアバランサ１１５等の発熱や加温に対しては、何等かの手段による冷却手段を講ずることが考えられるが、前述の如き構成例の場合、シリンダ１１５Ａはクイル１０８と共に高速度で激しく上下移動のジャンプを繰り返し、またシリンダ１１５Ａ固定の場合にも固定のシリンダ１１５Ａに対してクイル１０８が移動するから、冷却は一般に難しく、冷却ファン等による空冷が試みられるものの、このような外気の導入による冷却は、外気が温度変化する場合もあると、クイル１０８等主軸部分の外気温度への依存性を高める結果、別の形態の熱変形を引き起こすなどの問題があった。
【００３１】
また、前述図１１のマニシングセンタ等の工作機械の場合は、加工主軸スライド３０６を水平１軸に平行に保持するＹスライド３０５が、Ｘスライド（基体）３０４に対して鉛直方向にリニアモータによって往復移動及び位置決め作動するのに対し、前記Ｙスライド３０５、及びその一体物（機械構造体）の自重をＸスライド３０４に対して保持するカウンタバランサとしてエアバランサ３４０一対が設けられ、この場合そのシリンダ側が固定（基体）側であるから、レギュレータからの圧力気体はエアバランサ３４０の下室に導入して保持されるが、切削熱もさることながら、前述図１２及び図１３で説明したと実質上同一のエアバランサの発熱問題は、前述形彫り放電加工機の場合と同様に解決されなければならない問題であった。
【００３２】
そこで、本発明は上述のようにリニアモータによって頻繁に激しく、高応答で高速度で、鉛直方向に上下移動する機械構造体のカウンタエアバランサを、特別な装置等を付加することなく、ちょっとした工夫を講ずることにより冷却できることが判明したことにより提案されるものである。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
前述の本発明の目的は、（１）鉛直方向に往復軸移動自在に基体に対して保持された機械構造体の送り機構であって、
前記機械構造体を基体に対して気体圧にて支持するピストンとシリンダとが相対的に往復移動する気体圧バランサと、前記基体に対して機械構造体を駆動して軸移動させるリニアモータとを備え、
前記機械構造体の自重を支持する圧力気体が導入される気体圧バランサの気体圧室が、気体圧力源に、リリーフ弁付気体圧レギュレータと、該レギュレータを介する気体圧力源の圧力気体の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁とを介して連結されているカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。
【００３４】
また前述の本発明の目的は、（２）鉛直方向に往復軸移動自在に基体に対して設けられた機械構造体の送り機構であって、
前記機械構造体の自重を基体に対して空気圧にて支持するピストンとシリンダとが相対的に往復移動するエアバランサと、前記基体に対して機械構造体を駆動して軸移動させるリニアモータと、前記機械構造体の基体に対する直線移動位置を検出する位置検出装置と、制御装置からの位置指令により位置検出装置からの検出位置信号のフィードバックを受けつつ前記リニアモータに駆動電流を出力する駆動制御装置とを備え、
前記機械構造体の自重を支持する空気圧が導入されるエアバランサの空気圧室が、空気圧源に、支持空気圧に調整されたリリーフ弁付のエアレギュレータと、圧力空気の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁を介して連結されているカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。
【００３５】
また、前述の本発明の目的は、（３）前記エアバランサ支持空気圧室と反対側の空気室を密閉すると共に空気を流入、排出する導管を設け、該導管に外気の流入を制限し排気は開放の吸気絞り弁を設けてなる前記（１）または（２）に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。
【００３６】
また、前述の本発明の目的は、（４）前記吸気絞り弁が逆止弁と絞り弁との並列接続体から成る前記（１）、（２）または（３）に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。
【００３７】
また、前述の本発明の目的は、（５）前記機械構造体が工作機械の鉛直方向に往復軸移動するＺ軸主軸である前記（１）、（２）、（３）または（４）に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成される。
【００３８】
また、前述の本発明の目的は、（６）前記機械構造体が工作機械の水平主軸を保持して鉛直方向に往復軸移動させるＺ軸スライダである前記（１）、（２）、（３）または（４）に記載のカウンタバランス装置を有する機械構造体の送り機構とすることにより達成されるものである。
【発明の効果】
【００３９】
請求項１に記載の発明は、気体圧カウンタバランサに本発明の冷却原理の手段を最小限度付加したもので、カウンタバランス用の圧力気体が流入するシリンダの気体圧力室への流入と排気を、流入を妨げ排気は開放とする吸気絞り弁を設け、断熱膨張を生じさせて、シリンダの主として摩擦による発熱とリリーフ弁の遅れによって生じる断熱圧縮からの発熱を内部から冷却することが出来るものである。
【００４０】
請求項２に記載の発明は、前記請求項１の発明にエアバランサにより支承されている機械構造体を、リニアモータによって駆動制御する態様を付加したもので、発明として請求項１の発明と実質同一のものである。
【００４１】
請求項１及び２の各発明に対し引用形式で記載した請求項３に記載の発明は、本発明で採用の冷却原理を、カウンタエアバランサに満遍なく適用したもので、圧力気体ではなく通常周りの外気が流入、排出するシリンダの気体圧力室と反対側の気体室も外気流入を妨げ排気は開放とする吸気絞り弁を設けることにより、上下のシリンダ室で断熱膨張を生じさせ、ピストンとシリンダ間の摩擦による発熱を両側からバランス良く冷却するし得るようにしたもので極めて有用なものである。
【００４２】
請求項４に記載の発明は、前記請求項１、２または３に記載の各発明を引用して記載した発明であって、請求項１−３の各発明中における気体圧力室への圧力気体、空気室への周り空気の各流入を制限する物を「絞り弁」と、また気体圧力室または空気室からの気体の排出を開放状態とする物を「逆止弁」と具体的に特定したことにより発明の目的、効果が確実に達成されるようにしたものである。
【００４３】
請求項５に記載の発明は、前記請求項１、２、３または４に記載の各発明を引用して記載した発明であって、本発明の送り機構を適用するものとして最も適合するものと思われる工作機械の鉛直方向に往復軸移動するＺ軸主軸に機械構造体を特定したもので、目的、作用効果を達し得るものである。
【００４４】
請求項６に記載の発明は、前記請求項１、２、３、または４に記載の各発明を引用して記載した発明であって、加工主軸を水平に保持して鉛直方向にリニアモータによって、往復軸移動するスライダなどのカウンタバランサ装置などにも適用可能で、かつ、有効なことを示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
図１及び図２は、カウンタ気体圧バランサに本発明を適用した実施例の場合の、前述図１２及び図１３と同じ気体圧バランサ１５の内部の空気圧などの作動状態を説明する図で、この場合前記バランサ１５のシリンダ１５Ａが鉛直なＺ軸方向に往復軸移動するクイル８と一体で、ピストン１５Ｂ及びピストンロッド１５Ｃがコラム等の固定部に連結杆１６により一体に固定してあり、図１は、図示しないリニアモータによりクイルが上向きに駆動されて移動開始したとき、また図２は図１とは逆にクイルが下向きに移動を開始したときとする。なお、先に図１２及び図１３に於いて説明済みの同一物には、図１２及び図１３で付した符号より１００番を引いた符号を付して示してあり、説明が省略してある。
【００４６】
図１及び図２において、２２及び２３は、夫々可変絞り弁２２Ａ、２３Ａと逆止弁２２Ｂ、２３Ｂとを並列に接続したスピードコントローラ（速度制御弁）等と称されている吸気絞り弁で、シリンダ１５Ａ内でピストン１５Ｂによって二分された各密閉状の上室１５ＲＵと下室１５ＲＤに夫々導管２４、２５を介して接続され、さらに上室１５ＲＵに接続された吸気絞り弁２２は前述リリーフ弁付レギュレータ２１から必要に応じバルブ２６を介し所要の空気圧源に接続されるのに対し、他方の下室１５ＲＤに接続された吸気絞り弁２３の他端２３Ｃはそのまま外気に開放されている。
【００４７】
図１において、クイル８と一体の機械構造体が、主として気体圧バランサ１５の上室１５ＲＵに対するリリーフ弁設定圧の空気圧が、圧力空気圧源からレギュレータ２１及び吸気絞り弁２２を介する供給により、自重と平衡して静止している状態において、クイル８を駆動するリニアモータに何等かの位置決めのための移動指令、または加工中には間隙長や間隙の加工状態正常維持のための微小の上昇サーボ制御送り指令、又は所定の設定時間の経過若しくは加工状態の検出判別による電極上昇のジャンプ作動指令が入力し、リニアモータが応答して、１．０Ｇ以上の加速度でクイル８を駆動上昇させると、エアバランサ１５の上室１５ＲＵと下室１５ＲＤの内容積は前者が増大しようとするのに対し後者が減少しようとする。
【００４８】
然るに、これが図示した図１のエアバランサ１５の構成によれば、上室１５ＲＵに対する圧力気体のレギュレータ２１を介しての供給が、流入阻止の逆止弁２２Ｂと調整設定されている絞り状態の絞り弁２２Ａとから成る吸気絞り弁２２により流入が、少なくとも一時、即ち、上室１５ＲＵの内容積が増大乃至は増大しようとする速度に、絞り弁２２Ａから流入する圧力気体の流入が追いつかず、流入制限が生ずる現象が生ずるのに対し、下室１５ＲＤは内容積の減少に対し、逆止弁２３Ｂが流出開放であるから、絞り弁２３Ａによる流出制限の影響はなく、下室１５ＲＤ内の空気が殆ど圧縮されることなく排出されるのである。即ち、そうしてみると、クイル８の静止状態からの上昇時、又は下降状態からの反転上昇時には、シリンダ１５の上室１５ＲＵで断熱膨張の現象が生じ、内部の気体がその断熱膨張の仕事量にほぼ見合った温度の低下をし、エアバランサ１５のシリンダ１５Ａ及びピストン１５Ｂ間の摩擦による発熱に対して冷却作用をし、前記摩擦等によるシリンダ１５Ａ、ピストン１５Ｂ、ピストンロッド１５Ｃおよびクイル８等周りにある機械部材の温度上昇を防止乃至は抑制することになる。
【００４９】
前述のクイル８のリニアモータ駆動による上昇時に対して、主として何等かの位置決めのための下降時やジャンプによる上昇頂点に達した後の降下移動時につき図２より説明するに、上室１５ＲＵは、その内容積を急速に減少させ、内部の圧力気体を圧縮しようとするが、その圧力気体は前記吸気絞り弁２２の逆止弁２２Ｂを殆ど抵抗なしに通過してレギュレータ２１に達し、上室１５ＲＵの圧力とほぼ同圧力の設定であるリリーフ弁から外部に放出されるので、わずかな断熱圧縮状態を生じるだけで外部へ放出することができる。しかるに、この時、他方の下室１５ＲＤは、急速に内容積を増大させようとして、シリンダ１５Ａを下方へ降下変位させたとしても、吸気絞り弁２３を介する外気の流入は、逆止弁２３Ｂによる完全阻止と、絞り弁２３Ａによる流入制限とにより、該下室１５ＲＤ内では一時的にせよ断熱膨張作用が生じ、内部の気体は前述と同様に温度が下がることになり、温度を上げる熱を周りから奪うことになるから、エアバランサ１５の主たる発熱原因、個所は上下の両側から冷却され、温度上昇が防止乃至は抑制されることになる。
【００５０】
之を前述の図１４の温度特性図と同一の条件で実験をして測定した温度特性図を示すと図３の通りであり、上述本発明によれば、ジャンプスピードＪＳ：３６ｍ／ｍｉｎ、加速度：約１．５Ｇにおいてなお温度上昇は大幅に押さえられ、周囲の部材間の温度差も大きく違わないので、機械構造体の設定された移動の軌跡や位置の精度を保ち得るものである。
【００５１】
なお、吸気絞り弁２２、２３が上室１５ＲＵまたは下室１５ＲＤの内容積増大が、断熱膨張となるように吸気絞りとして作用するとき、クイル８の動きを制限するが、これを空気ばねとして検討すると、高応答のリニアモータによる動き初めの微小変位量に対する必要エネルギは、変位量が小さいうちの影響は少なく、クイル等の機械構造体をリニアモータで１．０Ｇ以上で動かす力に比べて微小であるから、リニアモータによる駆動の作動を実質上阻害するものでない。
【００５２】
なお、既に前述に図１、図２等についての説明から明らかなように、カウンタバランサ１５の上室１５ＲＵと下室１５ＲＤに対する吸気絞り弁２２、２３は、上下の往復軸移動が必ずしもさほど頻繁でない機械構造体の場合には、上室１５ＲＵまたは下室１５ＲＤの何れか一方の吸気導管に吸気絞り弁を設ければ足りることがあることが明らかである。勿論、一方に設けることによる上昇時と下降時の負荷のアンバランスや冷却の上下間のアンバランス等を避けるためには、前述実施例のように両方に設けるようにするものである。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、工作機械の加工主軸などのリニアモータによる鉛直方向の軸移動体に気体圧のカウンタバランス装置を設けた送り機構に適用して有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明実施例装置の要部、カウンタ気体圧バランサ部分の作動説明図。
【図２】図１と同じカウンタ気体圧バランサ部分の作動説明図。
【図３】形彫り放電加工機による実験例の測定温度特性図。
【図４】従来例の気体圧バランサを有するリニアモータ駆動の送り機構を搭載した形彫り放電加工機の全体構成を示す斜視図。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿う加工主軸枠体部の切断平面図。
【図６】図４のＢ−Ｂ線に沿う加工主軸枠体部の切断左側面図。
【図７】図４のＣ−Ｃ線に沿う加工主軸枠体部の切断正面図。
【図８】図６の切断左側面図にエアバランスサ用エア供給源を付加して示した図。
【図９】リニアモータ駆動の送り機構の加工主軸部分の従来例における変形例の説明用側断面図。
【図１０】図９の一部を変更したものの説明用側断面図。
【図１１】異なる従来例の気体圧バランサを有するリニアモータ駆動の送り機構を搭載した金属切削用工作機械の全体構成を示す斜視図。
【図１２】従来例の気体圧バランサ部分の作動説明図。
【図１３】図１２と同じく、気体圧バランサ部分の作動説明図。
【図１４】従来例の装置における実験例の測定温度特性図。
【符号の説明】
【００５５】
８  クイル
８Ｂ  中空孔
１５  エアバランサ
１５Ａ  シリンダ
１５Ｂ  ピストン
１５Ｃ  ピストンロッド
１５Ｄ  フランジ
１５ＲＵ  上室
１５ＲＤ  下室
１６  連結杆
２１  リリーフ弁付レギュレータ
２２、２３  吸気絞り弁
２２Ａ、２３Ａ  絞り弁
２２Ｂ、２３Ｂ  逆止弁
２４、２５  導管
２６  開閉弁
【図１】
2005138189.tif 000003
【図２】
2005138189.tif 000004
【図３】
2005138189.tif 000005
【図４】
2005138189.tif 000006
【図５】
2005138189.tif 000007
【図６】
2005138189.tif 000008
【図７】
2005138189.tif 000009
【図８】
2005138189.tif 000010
【図９】
2005138189.tif 000011
【図１０】
2005138189.tif 000012
【図１１】
2005138189.tif 000013
【図１２】
2005138189.tif 000014
【図１３】
2005138189.tif 000015
【図１４】
2005138189.tif 000016