3軸共平面型駆動式平台

本発明は、工作機械の技術分野に係り、とりわけ構造が新規であると共に、高解像度と高精度な3軸共平面型駆動式平台に関する。

近年、工業と技術上の進歩により、CNC工作機械及び各種の作業台が各種の工業分野と科学技術分野の中において広く運用されており、そのうち、CNC工作機械で行われる精密な加工作業を達成するために、通常、機構伝動システム、モータサーボシステム及び制御システムの整合的な応用が必要とされている。

また、一般の積重式工作機械または作業台には、X軸移動装置、Y軸移動装置と回転軸を相互に積み重ねる方式が採用され、その工作機械または作業台を2次元移動または回転できるようにする。

しかし、X軸移動装置、Y軸移動装置と回転軸を相互に積み重ねる設計は、大型工作機械または作業台に対し、かえてその後端のサーボ軸システム(回転軸またはサーボ軸を含む)に、上端の機構の重量を負担する必要があることから、このタイプのような工作機械は、エネルギーをより消費するようになり、下端のサーボ軸に変位や変形を生じ易くなり、及び顕著な慣性効果で制御することが困難になる等の欠点がある。

従って、本出願の発明者は、従来の工作機械または作業台に上記の欠点と不足が依然として存在することに鑑み、鋭意研究発明の結果、本発明に係る3軸共平面型駆動式平台を開発し、遂に完成させた。

本発明の目的は、3軸共平面型駆動式平台を提供することにある。この3軸共平面型駆動式平台は、主に3つの駆動モジュールを同一の台座平面上に設置することで、前記3つの駆動モジュールの運転を制御することによって、作業台の2次元移動と回転が達成される。このような設計にすることにより、一般の積重式工作機械に頻繁に発生する問題、例えば、後端のサーボ軸システム(回転軸またはサーボ軸を含む)に、上端の機構の重量を負担する必要があるため、変位や変形の状況が引き起こされる問題、を解決することができる。同時に、本発明の機構配置によれば、さらに慣性効果の影響を低減することができる。 そして、本発明の3軸共平面型駆動式平台は、台座平面に設置する3つの駆動モジュールにより作業台の2次元移動と回転を制御することができるため、高規格のサーボ部品(即ち、リニアモータと液体静圧摺動レール)を使用する必要がなく、作業台の安定、高解像度と高精度の特性を提供できることにより、エネルギーを節約できる長所を有する。

従って、本発明の上記目的を達成するために、本出願の発明者は、3軸共平面型駆動式平台を提出し、この3軸共平面型駆動式平台は、X軸及びY軸が定義された台座と、前記台座の上に設けられ、かつ前記台座の中心点から第1距離を隔てた第1駆動モジュールと、前記台座の上に設けられ、かつ前記台座の中心点から第2距離を隔てた第2駆動モジュールと、前記台座の上に設けられ、かつ前記台座の中心点から第3距離を隔てた第3駆動モジュールとを備える。 前記第2駆動モジュールと前記第1駆動モジュールは、X軸上に互いに対向して配置され、前記第3駆動モジュールと前記第2駆動モジュールは、Y軸上に互いに対向して配置され、かつ前記第3駆動モジュールと前記第1駆動モジュールは、X軸とY軸との間の対角線上に互いに対向して配置される。 そして、上記の第1駆動モジュール、第2駆動モジュールと第3駆動モジュールのいずれも、それぞれ駆動ユニットと、前記駆動ユニットの上に設けられると共に、前記駆動ユニットの駆動により往復摺動する摺動ユニットとを備える。 また、前記第1駆動モジュール、前記第2駆動モジュールと前記第3駆動モジュールのそれぞれの摺動ユニットの上には、作業台が設けられる。 そのうち、第2駆動モジュールの駆動ユニットを単独運転するように制御する場合、第2駆動モジュールの摺動ユニットが前記作業台を前記駆動ユニットの上に前記X軸に沿って摺動するように連動する。 そして、第1駆動モジュールの駆動ユニットと第3駆動モジュールの駆動ユニットを協働運転するように制御する場合、第1駆動モジュールの摺動ユニットと第3駆動モジュールの摺動ユニットが前記作業台を2つの前記駆動ユニットの上に前記Y軸に沿って摺動するように連動する。 また、第1駆動モジュール、第2駆動モジュールと第3駆動モジュールのそれぞれの駆動ユニットを協働運転するように制御する場合、第1駆動モジュール、第2駆動モジュールと第3駆動モジュールのそれぞれの摺動ユニットが前記作業台を前記第1平面軸と前記第2平面軸で構成される平面上に回転するように連動する。

本発明に係る3軸共平面

型駆動式平台を示す斜視図である。

本発明に係る3軸共平面

型駆動式平台の配置模式図である。

本発明に係る3軸共平面

型駆動式平台の

駆動モジュールの

部分斜視図である。

本発明に係る3軸共平面

型駆動式平台の

駆動モジュールの上面図である。

本発明に係る3軸共平面

型駆動式平台の作動図である。

本発明に係る3軸共平面

型駆動式平台の作動図である。

本発明に係る3軸共平面

型駆動式平台の作動図である。

本発明に係る3軸共平面

型駆動式平台の作動図である。

本発明に係る3軸共平面

型駆動式平台の作動図である。

本発明が提出した3軸共平面型駆動式平台をより明白に示すために、以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

図1と図2に示す本発明に係る3軸共平面型駆動式平台の斜視図と配置模式図を参照する。図示のように、本発明の3軸共平面型駆動式平台1は、主に台座11と、第1駆動モジュール12aと、第2駆動モジュール12bと、第3駆動モジュール12cと、作業台13とから構成される。

そのうち、前記第1駆動モジュール12aは、前記台座11の上に設けられ、かつ前記台座11の中心点から第1距離d1隔たる。前記第2駆動モジュール12bは、前記台座11の上に設けられ、かつ前記台座11の中心点から第2距離d2隔たる。そして、前記第2駆動モジュール12bと前記第1駆動モジュール12aは、X軸上に互いに対向して配置される。 また、前記第3駆動モジュール12cは、前記台座11の上に設けられ、かつ前記台座11の中心点から第3距離d3隔たる。そして、前記第3駆動モジュール12cと前記第2駆動モジュール12bは、Y軸上に互いに対向して配置される。また、前記第3駆動モジュール12cと前記第1駆動モジュール12aは、X軸とY軸との間の対角線上に互いに対向して配置される。前記3軸共平面型駆動式平台1の配置中において、前記第1距離d1が前記第2距離d2と相等しく、かつ前記第1距離d1が前記第3距離d3と相等しい。

引き続き、図1と図2を参照すると共に、図3に示す駆動モジュールの部分斜視図を同時に参照する。図示のように、前記第1駆動モジュール12a、前記第2駆動モジュール12bと前記第3駆動モジュール12cのそれぞれは、主に駆動ユニット121と、摺動ユニット122とから構成される。そのうち、前記摺動ユニット122は、前記駆動ユニット121の上に設けられると共に、前記駆動ユニット121の駆動により往復摺動する。そして、作業台13は、第1駆動モジュール12a、第2駆動モジュール12bと第3駆動モジュール12cのそれぞれの前記摺動ユニット122の上に設けられる。

図3に示すように、駆動ユニット121は、前記台座11の上に設けられる第1摺動レール1211と、前記第1摺動レール1211内に設けられるねじ軸1212と、第1摺動ブロック1213と、サーボモータ1214とを備える。そのうち、前記第1摺動ブロック1213は、前記ねじ軸1212の上に設けられると共に、前記ねじ軸1212の回転により第1摺動レール1211内に往復摺動する。 前記サーボモータ1214は、前記ねじ軸1212に電気的に接続される。そして、前記サーボモータ1214の運転によりねじ軸1212を回転するように駆動することによって、前記第1摺動ブロック1213を第1摺動レール1211内に往復摺動するように駆動する。

さらに、前記駆動ユニット121は、さらにモータ台座1215と、固定ブロック1216とを備え、そのうち、前記モータ台座1215は、前記サーボモータ1214と前記ねじ軸1212との間に設けられ、サーボモータ1214を固定すると共に、前記ねじ軸1212を安定するように補助するためのものである。なお、前記固定ブロック1216は、前記サーボモータ1214に対向して前記台座11の上に設けられ、前記第1摺動レール1211と前記ねじ軸1212に連結すると共に、第1摺動レール1211とねじ軸1212を台座11の上に固定するためのものである。

図1と図3を重複して参照されたい。前記摺動ユニット122は、第2摺動ブロック1221と、摺動ロッド1222と、第2摺動レール1223と、第3摺動ブロック1224と、連結具1225と、第3摺動レール1226と、第4摺動ブロック1227とを備える。 図示のように、前記第2摺動ブロック1221は、前記第1摺動ブロック1213の上に設けられると共に、収容溝12211が形成される。前記摺動ロッド1222は、前記第2摺動ブロック1221の上に設けられ、かつ前記摺動ロッド1222が前記収容溝12211内に部分的に収容される。そして、第3摺動ブロック1224は、台座11の上に設けられる第2摺動レール1223の上に設けられると共に、第2摺動レール1223の上に往復摺動可能となる。 前記第3摺動レール1226は、摺動ロッド1222と第3摺動ブロック1224の上に位置する連結具1225の上に設けられると共に、前記第2摺動レール1223と相対的に直交する。最後に、前記第4摺動ブロック1227は、前記第3摺動レール1226の上に設けられると共に、第3摺動レール1226の上に往復摺動可能となり、そのうち、前記第4摺動ブロック1227の上には枢支軸12271が形成される。

図4に示す駆動モジュールの上面図を同時に参照する。3セットの駆動モジュールにおいて、特にその摺動ロッド1222とねじ軸1212との間の挟み角が傾斜駆動角θであり、そして、前記第2摺動レール1223は、前記摺動ロッド1222と前記第3摺動レール1226とも相対的に直交する。こうして、摺動ロッド1222とねじ軸1212との間の三角関数関係により、異なるピッチ精度のねじ軸1212に対して、最適な平台の変位量が設計(または調整)される。 この他に、作業台13の上には、前記第1駆動モジュール12a、前記第2駆動モジュール12bと前記第3駆動モジュール12cのそれぞれの摺動ユニット122の枢支軸12271をそれぞれ枢支するための3つの枢支孔131が設けられる。第1距離d1、第2距離d2と第3距離d3との間の関係に対応して、前記3つの枢支孔131は、それぞれ前記作業台13の中心点から第1間隔距離、第2間隔距離と第3間隔距離隔たる。そして、前記第1間隔距離が前記第2間隔距離と相等しく、かつ前記第1間隔距離が前記第3間隔距離と相等しい。

上記のように、本発明に係る3軸共平面型駆動式平台の構成要素と技術の特徴を明確かつ十分に説明した。続いて、以下に本発明に係る3軸共平面型駆動式平台の原理と作動方式をさらに詳細に説明する。

図4に示すように、前記サーボモータ1214を運転すると共に、ねじ軸1212を回転するように駆動すると、第1摺動ブロック1213は、ねじ軸1212の回転により前記第1摺動レール1211に沿って所定の変位量を摺動する。そして、第1摺動ブロック1213が第1摺動レール1211に沿って摺動すると共に、摺動ロッド1222が前記収容溝12211内に摺動する。それから、摺動ロッド1222が収容溝12211内に摺動する時には、前記第3摺動ブロック1224は、摺動ロッド1222の連動により第2摺動レール1223に沿って摺動すると共に、前記傾斜駆動角θを定値に維持する。 特に、本発明の設計において、第1摺動ブロック1213が第1摺動レール1211に沿って摺動することによる生じる変位量と、前記摺動ロッド1222が前記収容溝12211内に摺動する変位量との間では、傾斜駆動角θを角度とする三角関数関係が存在する。このため、技術スタッフは、摺動ロッド1222とねじ軸1212との間の三角関数関係により、異なるピッチ精度のねじ軸1212に対して、最適な平台の変位量と位置決め解像度を設計(または調整)できる。

図5A乃至図5Eに示す3軸共平面型駆動式平台の作動図を継続的に参照されたい。図5Aに示すように、前記第1駆動モジュール12a、前記第2駆動モジュール12bと前記第3駆動モジュール12cのそれぞれの駆動ユニット121のいずれも運転しなければ、前記作業台13が開始位置上に位置する。 続いて、図5Bに示すように、第2駆動モジュール12bの駆動ユニット121を単独運転するように制御する場合、前記第2駆動モジュール12bの摺動ユニット122の連結具1225を斜向駆動原理によりX軸に沿って摺動させると共に、前記第1駆動モジュール12aの摺動ユニット122と前記第3駆動モジュール12cの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227も、それぞれ属する前記第3摺動レール1226上にX軸に沿って摺動させる。 この場合、前記第2駆動モジュール12bの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227が、属する前記第3摺動レール1226上に摺動することで、Y軸の値を保持するようになっている。これにより、前記作業台13を前記駆動ユニット121の上にX軸に沿って摺動するように連動する。

さらに、図5Cに示すように、第1駆動モジュール12aの駆動ユニット121と第3駆動モジュール12cの駆動ユニット121を協働運転するように制御する場合、前記第1駆動モジュール12aの摺動ユニット122と前記第3駆動モジュール12cの摺動ユニット122の連結具1225を斜向駆動原理によりY軸に沿って摺動させると共に、前記第2駆動モジュール12bの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227を属する前記第3摺動レール1226上にY軸に沿って摺動させる。 この場合、前記第1駆動モジュール12aの摺動ユニット122と前記第3駆動モジュール12cの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227が、それぞれ属する前記第3摺動レール1226上にX軸に沿って摺動することにより、前記作業台13を前記駆動ユニット121の上にY軸に沿って摺動するように連動する。

続いて、図5Dに示すように、第1駆動モジュール12a、第2駆動モジュール12bと第3駆動モジュール12cのそれぞれの駆動ユニット121を協働運転するように制御する場合、第1駆動モジュール12aの摺動ユニット122の連結具1225を斜向駆動原理によりY軸の逆方向に沿って摺動させ、かつ前記第2駆動モジュール12bの摺動ユニット122の連結具1225を斜向駆動原理によりX軸の逆方向に沿って摺動させると共に、前記第3駆動モジュール12cの摺動ユニット122の連結具1225を斜向駆動原理によりY軸の(正)方向に沿って摺動させる。 この場合、前記第1駆動モジュール12aの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227が、属する前記第3摺動レール1226上にX軸の逆方向に沿って摺動し、かつ前記第2駆動モジュール12bの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227が、属する前記第3摺動レール1226上にY軸の正方向に沿って摺動すると共に、前記第3駆動モジュール12cの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227が、属する前記第3摺動レール1226上にX軸の正方向に沿って摺動する。こうして、第1駆動モジュール12a、第2駆動モジュール12bと第3駆動モジュール12cのそれぞれの摺動ユニット122が前記作業台13をX軸とY軸で構成される平面上に反時計方向へ回転するように連動する。

最後に、図5Eに示すように、第1駆動モジュール12a、第2駆動モジュール12bと第3駆動モジュール12cのそれぞれの駆動ユニット121を協働運転するように制御する場合、第1駆動モジュール12aの摺動ユニット122の連結具1225を斜向駆動原理によりY軸の方向に沿って摺動させ、かつ前記第2駆動モジュール12bの摺動ユニット122の連結具1225を斜向駆動原理によりX軸の方向に沿って摺動させると共に、前記第3駆動モジュール12cの摺動ユニット122の連結具1225を斜向駆動原理によりY軸の逆方向に沿って摺動させる。 この場合、前記第1駆動モジュール12aの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227が、属する前記第3摺動レール1226上にX軸に沿って摺動し、かつ前記第2駆動モジュール12bの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227が、属する前記第3摺動レール1226上にY軸の逆方向に沿って摺動すると共に、前記第3駆動モジュール12cの摺動ユニット122の第4摺動ブロック1227が、属する前記第3摺動レール1226上にX軸の逆方向に沿って摺動する。こうして、第1駆動モジュール12a、第2駆動モジュール12bと第3駆動モジュール12cのそれぞれの摺動ユニット122が前記作業台13をX軸とY軸で構成される平面上に正時計方向へ回転するように連動する。

以上、本発明に係る3軸共平面型駆動式平台の原理と作動方式を明確かつ十分に説明してきた。上記のように、吾人は、本発明が下記の長所を有することが分かる。

1.一般の積重式工作機械が採用されるX軸移動装置、Y軸移動装置と回転軸を相互に積み重ねる方式と異なって、本発明は、簡単に3つの駆動モジュールを同一の台座平面上に設置することで、前記3つの駆動モジュールの運転を制御することによって、作業台の2次元移動と回転が達成される。このような設計にすることにより、一般の積重式工作機械に頻繁に発生する問題、例えば、後端のサーボ軸システム(回転軸またはサーボ軸を含む)に、上端の機構の重量を負担する必要があるため、変位や変形の状況が引き起こされる問題、を解決することができる。同時に、本発明の機構配置によれば、さらに慣性効果の影響を低減することができる。

2.上記1.に加え、本発明の3軸共平面型駆動式平台は、台座平面に設置する3つの駆動モジュールにより作業台の2次元移動と回転を制御することができるため、高規格のサーボ部品(即ち、リニアモータと液体静圧摺動レール)を使用する必要がなく、作業台の安定、高解像度と高精度の特性を提供できることにより、エネルギーを節約できる長所を有する。

特に、強調すべき点は、上記の詳細な説明は、本発明の実施可能な実施例を具体的に説明したものであり、本発明の特許範囲は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術の精神を逸脱しない限り、その等効果実施又は変更は、全て本出願の特許請求の範囲内に含まれるものとする。

1 3軸共平面型駆動式平台 11 台座 12a 第1駆動モジュール 12b 第2駆動モジュール 12c 第3駆動モジュール 13 作業台 121 駆動ユニット 122 摺動ユニット 131 枢支孔 1211 第1摺動レール 1212 ねじ軸 1213 第1摺動ブロック 1214 サーボモータ 1215 モータ台座 1216 固定ブロック 1221 第2摺動ブロック 1222 摺動ロッド 1223 第2摺動レール 1224 第3摺動ブロック 1225 連結具 1226 第3摺動レール 1227 第4摺動ブロック 12211 収容溝 12271 枢支軸 X 第1平面軸 Y 第2平面軸 θ 傾斜駆動角