JPH01501298A - 磁気軸受を有する工作物運搬スピンドル組立体，及び極めて高精度な工作機械のためのような組立体を提供する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気軸受を有する工作物運搬スピンドル組立体、及び極めて高精度な工作機械の ためのような組立体を提供する装置 本発明は極めて高精度な工作機械のための能動磁気軸受を有する工作物運搬スピ ンドル組立体を提供し、この組立体は予め決められた方向に沿う案内のだめの送 り台上に取付けられたステータと、スタータの内側に取付けられたスピンドルと 、スピンドルに取付けられたチャックと、ロー・夕の位置を検出するためにラジ アル検出器により制御され且つスピンドルを支持する第１及び第２ラジアル能動 軸受と、スピンドルの位置を検出するために少なくとも１つの軸方向検出器によ り制御され且つスピンドルに取付けられたディスクと協働する軸方向能動磁気軸 受により構成される軸方向当接体と、スピンドルを回転させる電気モータとを有 する。 また、本発明はデカルト（カルテシアン）座標又は極座標を用いる複雑な面の精 密機械工作を容、易にするために極めて高精度な工作機械のためのようなスピン ドル組立体を提供する装置に関する。 極めて臓精度な工作機械はロータが送り台駆動スクリュウに直接的に連結された り、Ｃ，電気モータと関連されるスクリュウ・ナツトシステムにより一般的に制 御される送り台の上に取付けられた工作物運搬スピンドル組立体を使用する。工 作物が上に取付けられるスピンドルは、それ自体がスピンドルに高度な剛性を提 供する空気軸受によりスピンドル組立体に取付けられる。 空気軸受の使用はスピンドルとそのステータとの間に極めて小さいギャップを必 要とし、そのギャップは直径約５８である。しかしながら、このことは、特に送 り台欠陥が全体的に除去され得ないので、スピンドルにおける精度を制限する残 留障害の動作を排除しない。 工作物の回転の制御における高度な精度及び剛性を得るために、能動磁気軸受上 に取付けられた工作物を調整するための提案が既になされている。しかしながら 、これは、除去自在の磁気軸受が利用でき、ある形状の工作物を加工するために のみ適用できるということを意味する。 フランス国特許番号７５３０２０９に対応するＵ、　Ｓ、特許４１８０９４６は 、特に整流素子用の工具運搬スピンドル組立体を記述し、このスピンドルは能動 ラジアル軸受に取付けられ、そして２つの端部のラジアル軸受間に配置され且つ スピンドル組立体のステータ内に組込まれた電気駆動モータを有する。このよう な工具運搬スピンドル組立体は所定数の機械工作作業を行うための使用において 所定程度のフレキシビリティを提供するが、非常に高精度な工作機械の構造に組 み込まれることは適当でない。さらに、２つのラジアル軸受間に配置され且つス ピンドル組立体のステータ内に組み込まれた電気モータを有することは、磁気サ スペンションにおける所定量の振動及び発せられた所定量の熱を増大させ、また 磁気軸受をサーボ制御するために用いられる様々の検出器における電気的及び磁 気的障害を発生させ、これにより工具移動の制御は精度的に依然として制限され たままである。 本発明は、軸線がデカルト又は極であるシステムにおいて複雑な面を形成するた めに互いに関する種々の機械的組立作業の欠陥を補正又は除去することにより、 回転の面の一般的形状を有し且つ定型若しくは非定型である面を形成する［］的 のための極めて高精度な機械加工作業を行うことを可能ならしめ、そして上記欠 点を改善することに努める。 これらの目的は、電気モータはスピンドル組立体ステータの外部にあり、スピン ドルの後方に位置され、そしてそれと共に実質的に一直線上にあり、外部モータ はラジアル磁気軸受及びスピンドル間の空気ギャップより小さい空気ギャップを 有し、１秒当りの回転（七）によゲＣ表現された外部モータによりスピンドルに 連通された回転駆動はヘルツで表現された磁気サスペンションシステムのサーボ 制御通過帯域の外側に存在し、可撓カップリング装置はモータの偏心による機械 的障害を濾過しながらスピンドルの後方部分に外部モータの出口軸を連結し、ス ピンドル組立体はスピンドル組立体案内送り台の動作を検出するための補助的手 段と、該補助的な検出手段からの信号の関数としてラジアル軸受及び軸方向軸受 のサーボ制御ループの電気的基準電圧を選択的に変更するための手段とを有し、 工作物運搬スピンドル組立体が上に位置される送り台の動作を検出するための該 補助的手段はラジアル軸受の各々のサーボ制御面に２つの検出器を有し、該検出 器はスピンドル組立体ステータに取付けられ、且つ該送り台の移動方向に平行に 配置された２つの扁平基準面に対面し、該検出器は検出器と扁平基準面との間の 上記近接変動の関数として工作物運搬スピンドル組立体のラジアル軸受のサーボ 制御ループの基準電圧を選択的に変更するための手段をリアルタイムに制御する ため、該検出器と該扁平基準面との間の距離における変動に比例する電気的信号 を放つことを特徴とし、そして記載の初めに特定されたタイプの工作物運搬スピ ンドルにより達成される。 能動磁気軸受を有するスピンドル支持装置をスピンドルステータの外側にあるス ピンドル駆動手段に、そ１−で補助的検出手段に結合することにより、送り台の ような外部調整要素における欠陥を永久的に補償し且つ半球面若しくは溝彫り（ ｆ　ｔｕｔ　ｉｎｇ）のような特別な定型面の機械加工を容易にさせながら、改 善された精度及び剛性を有して機械加工されるべき工作物を位置決めすることが 可能となる。 スピンドルに取付けられたチャックはその前面に亘って分配された吸引オリフィ スを備えた吸引板か、あるいは磁気板か、あるいはいわゆる″アメリカン”クラ ンプか、あるいは機械的チャック、のいずれかであり得る。 しかしながら、好適な実施例においては、スピンドルに取付けられたチャックは 吸引オリフィスを備えた吸引板により構成され、吸引装置は、工作物運搬チャッ クに形成されて吸引オリフィスと連通している凹所内に開口し緩衝室の内側から 始まりモータ軸の内側に沿いカップリング装置及びスピンドルを貫通して軸方向 に延びる吸引ダクトと、真空ポンプに連結され且つ電気モータの後方に配置され た吸引緩衝室と、真空ポンプとを有する。　゛ 吸引装置のこの構造は提供することが容易であり、且つスピンドルに連通される ことによるポンプ障害を防止するに効果的である。 有益的なことに、カップリング装置はゴム又はエラストマのような材料で形成さ れた密封環状スリーブを有する。 例として、外部モータは約０．１　＋ｎｍの空気ギャップを有し得る、一方、ラ ジアル磁気軸受及びスピンドル間の空気ギャップは約０．３ｍｍであり得る。 好ましくは、磁気サスペンションシステムの自然周波数は約、５０七から６０七 であり、一方、スピンドルの回転の速度は１秒当り約２５回転（七）から４０七 の間にある。 精度の増大に貢献する本発明の特別な特徴に従い、スピンドル組立体は工作物運 搬チャックの近傍に配置された第２のラジアル磁気軸受の両側に位置された第１ 及び第２の軸方向離間ラジアル検出器を有し、第２ラジアル検出器は該第２ラジ アル磁気軸受及び工作物運搬チャック間に除去自在に取付けられ、最初の組み立 て段階の間に、第２ラジアル検出器の基準トラックを調整するスピンドル上への 作用を果すために、第２ラジテル磁気軸受は第１ラジアル検出器により制御され 、そして工作物運搬チャックにより支持された工作物を機械加工する連続した段 階の間に、第２ラジアル磁気軸受は基準トラックと協働する第２ラジアル検出器 により制御される。 同様に、スピンドル組立体は第１及び第２軸方向検出を連続的に行うことができ 、第１軸方向検出器はスピンドル組立体の後方に配置され、且つスピンドル組立 体の前方に形成された前面上の基準トラックを調整する作動の間に軸方向当接体 を制御するのに役立ち、基準トラックと協働する第２軸方向検出器は工作物を機 械加工する連続した段階の間に軸方向当接体を制御するのに役立つ。 また、本発明は、２つの垂直方向ＸＸ′及びＹＹ’に沿って移動軸線が適化され る第１及び第２の送り台と、第１送り台上に位置されるターンデープルと、第２ 送り台１に位置される工作物運搬スピンドル組立体と、第１及び第２送り台の移 動を測定するための装置とを有する、基準のカルテシアンアレーン、に用いられ る工作機械の送り台の移動における欠陥を補正するための装置において、上記タ イプの工作物運搬スピンドル組立体と、ターンデープルを案内するための第１送 り台の移動を検出するための補助的手段と、工作物運搬スピンドル組立体の軸線 に垂直に位置された扁平基準面と、検出器及び扁平基準面間の空間の変動を検出 するための手段とを有し、ターンテーブルが上に位置される第１送り台の移動を 検出するための補助的手段は第１送り台に取付けられ且つ工具の軸線を包含する 垂直面に位置された可動検出器を有し、軸方向軸受のサーボ制御ループの電気的 基準電圧をリアルタイムに選択的に変更するための手段は第４送り台に取付けら れた可動検出器と扁平基準面との間の近接変動の関数として制御されることを特 徴とする、送り台の移動における欠陥を補正するための装置を提供する。 また、本発明は、工具を支持するために第２調整送り台が上に位置される垂直軸 線ターンテーブルを越えて延びる第４調整送り台と、第１調整送り台上に位置さ れた工作物運搬スピンドル組立体とを有する工作機械において、上記タイプの工 作物運搬スピンドル組立体を有し、更に、工作機械を支持する床に取付けられた 固着サポート上に位置され且つターンテーブルの軸線上に中心位置決めされた球 状基準面と、工具の軸線上に位置された近接センサと、センサ及び球状基準面間 の近接変化を検出するための手段と、センサ及び球状基準面間の近接変化の関数 として工作物運搬スピンドル組立体の軸方向軸受のサーボ制御ループの基準電圧 をリアルタイムに変更するための手段、とを有することを特徴とする、極座標で 使用される工作機械のターンテーブルにおける偏心欠陥を補正するための装置を 提供する。 本発明により提供される様々の測定は光学的精度の範囲に存する性能を獲得する ことに貢献する。 従って、例として、本発明に従い機械加工され、そしてサーボ制御磁気軸受上に 取付けられた工作物運搬スピンドルを使用する工作物は本来あるべきところから の逸脱が１マイクロメータの１０分の１より小さいような円筒状工作物を得るこ とを可能ならしめた。特に、２２０ｍｍの直径を有するアルミニウム合金ＡＧ５ の機械加工片は０．１マイクロメータの最高最低エラーを有し、そして５５ｍＩ ＋］の直径を有するゲルマニウムの機械加工片は０．０８９マイクロメータの最 高最低エラーを有する。 また、扁平片は平坦からの極めて小さい逸脱を有する。従って、１０５ｍｍの直 径を有しゲルマニウムで形成されあるいはアルミニウム合金ＡＧ５の部分はλ／ ８及びλ／２．３の面に夫々間するエラーを形成した（ここに、λ＝　０．６３ ２８ｐｍ）。 本発明の他の特徴及び利点は添付図面に関してなされた本発明の特定の実施例の 次の記載から明らかである。 第１図は本発明に係る工作物運搬スピンドルを通る図解的軸方向断面図、 第２図はスピンドルを支持するための第１図の組立体における磁気手段を示す詳 細図、 第３図及び第４図は第１図のスピンドル組立体に使用自在のカップリング装置の 第１の例のそれぞれ正面図及び背面図、第５図及び第６図は第１図のスピンドル 組立体に使用自在のカップリング装置のそれぞれ第２及び第３の例の正面図、第 ７図は直交座標軸のシステムを使用する工作機械の図解的平面図、 第８図及び第９図はカルテシアン軸線システムで第１図のスピンドル組立体を使 用する非常に高精度な工作機械の一実施例のそれぞれ平面図及び正面図、 第１０図は極座標軸システムを使用する工作機械の図解的平面図、 第１１図及び第１２図は極座標軸システムで第１図のスピンドル組立体を使用す る非常に高精度な工作機械のそれぞれ平面図及び正面図、 第１３図は第１図の組立体のスピンドルを支持する前方ラジアル軸受のサーボ制 御面における図解図、第１４図は工作機械の工具支持部分を示す第９図の面にお ける図解図、 第４５図及び第１６図は第８及び９図に示された工作機械の一部分の変更を示す それぞれ上から及び第１５図のＸＶＩ−ＸＶＩ面における図解図、 第１７図は球状基準面の存在を示す極座標工作機械の一部を示す図解図、 及び第１８図は球状基準面の存在を示す、カルテシアン座標工作機械の一部の図 解的平面図である。 第１図は高精度工作機械の送り台上に取付けられ得る工作物運搬スピンドル組立 体１の全構造を図解的に示す。 組立体１は、第８及び９図の２０２で示された送り台あるいは第１１及び１２図 の４０１で示された送り台のような補正する送り台に取付けられるステータ１０ を有する。ステータ１０は、組立体１のスピンドル５０に関して比較的大きなギ ャップ１３を形成する後方ラジアル磁気軸受１３及び前方ラジアル磁気軸受１２ のステータ構成要素を収容し、上記ギャップは約０．３＋ｎｍの幅を有する。ま た、ステータ１０は軸方向当接体を構成する目的のために軸線方向に垂直に延び スピンドル５０あ後方端部に取付けられたディスク１４１と協調する軸方向磁気 軸受のステータ構成要素を有する。 スピンドル５０はスピンドル５０より大きな直径を有し且つ組立体１の軸線上に 横たわる工作物運搬チャック５を前方端部に有する。好ましくは１．そしてチャ ック５が吸引板である第１図に示された如く、工作物運搬チャック５はスピンド ル５０の内側で軸方向に延びるダクト５１に連通する空洞５２を有する。オリフ ィス５４は工作物運搬ディスク５の前方面５３上に分配され、そして機械加工す る工作物が吸引により工作物運搬ディスク５の前方面５３と接触して維持され得 るように空洞５２内に開口する。 スピンドル５０はステータ１０の外部にある電気モータ２により回転せＩ７めら れ、電気モータ２は精密玉軸受２１及び２２、円錐コロ軸受、あるいは磁気軸受 上に取付けられ得るロータ２０を有する。外部モータ２は偏心が数マイクロメー トルを越えないことを確実にするように設計される。 外部モータ２のロータ２０及びスピンドル５０はモータの偏心による機械的な障 害を濾過しなからモータから回転駆動を伝達するためのカップリング３により相 互連結される。 カップリング装置３はエラストマあるいは同様の弾性性能を備えた他の材料で形 成されたパイプ３０により有益的に構成され、そしてモータ２のロータ２０の自 由端と組立体１のスピンドル５０の自由端とにクランプ手段３７により完璧な形 式で取付けられる（第５図参照）。このカップリング方法は補助的なシーリング を必要とすることなくモータ２及びスピンドル５０間の連結を横切る完全なるシ ールを提供し、一方、同時に完全に満足ゆく形式で上記機械的機能を提供する。 しかしながら異なったものにおいては、クランプ装置はモータ２のロータの自由 端とスピンドル５０の自由端とにおいて固着フランジ３１及び３２に締結される 金属ベローズ３８により構成され得る。吸引板を使用する上で要求される完全な るシールは０リング３１′及び３２′により提供される。 第３図及び４図に示されたカップリング装置３の別の実施例は、スピンドル５０ 及びモータ２のロータの自由端において連結フランジ３１及び３２間にファスナ ３４により中央スリーブ３３と共に締結される可撓ブレード３５を有する。締め 具３６はフランジ３１及び３２をロータ２０の端部とスピンドル５０の端部とに 保持する。 カップリング装置のこれら種々の実施例において、ダクト３１はモータ２のロー タ２０に沿って軸方向に形成されたダクト２３とスピンドル５０内のダクト５１ との間に連続性を提供するためにカップリング内部に軸方向に形成される。ダク ト３１はダク）２３．３１と５１との間の完璧な連続性を保証するような形式で 形成される。 吸引ボックス４はステータにし、つかり取付けられモータ２の後方に付加される 分配室４０の範囲を定めている。室４０は第１に真空経路４１を介して真空ポン プ（図示せず）と連通し、そして第２にモータ２のロータに沿って延びるダクト ２３と連通ずる。 この配置の故に、室４０、ダク）２３．３１及び５１、並びに室５２により構成 される吸引回路と外部との間の多量の漏れがモータ２のロータ２０及びステータ 間のギャップに起きる。 このギャップが小さい寸法（約０．１ｍｍ）ならばこのような漏れによる水頭損 失は比較的小さい。従って、常に実行することが困難であり且つ不変的に軸方向 振動のもととなる他の回転シールあるいは詭弁的な邪魔板を提供する必要がない 。 スピンドル５０と、エラストマバイブ又は金属ベローズを有するカップリング３ と、モータ２のロータ２０と、吸引ボックス４、とを介して工作物運搬板５の室 ５２から真空ポンプまで空気を送り込むだめの本発明に係る吸引システムは、特 に軸方向の障害における送り込みにより不可避的に起きる機械的障害がモータ２ により完全に吸収され且つカップリング３の存在によりスピンドル５０に伝達さ れないということを確実にする。 スピンドル組立体のラジアル軸受間に組み込まれる電りモータの不存在、及びス ピンドル５０の背部で直ちに起きる送り込みの不存在は短く小じんまりとしたス ピンドル５０を使用することを可能とし、従ってスピンドルの安定性及び剛性を 増大させる。 スピンドル組立体ステータ１０の内側のスピンドル５０の磁気サスペンションは 第２図を参照して極めて詳細に記載されよう。 第２図に示された磁気サスペンションはスピンドル組立体ステータ１０の先端及 び後端に夫々向かって配置された第１及び第２のラジアル能動磁気軸受１１及び １２を有する。ラジアル磁気軸受１１及び１２の夫々は巻きもの１１２又は１２ ２に加えて層状構造１１１又は１２１を有するステータと、スピンドル５０に取 付けられる磁気回路１１３又は１２３とを一般的に有する。ラジアル軸受１１及 び１２は共に“能動”軸受と呼ばれる。これらは夫々、サーボ制御ループと関連 し、そしてスピンドル５０の位置を検出するために役立ち対応するラジアル軸受 の近傍に配置された少なくとも１つの検出器１７又は１８．６１と関連する。能 動磁気軸受に関して一般的であるよに、ラジアル検出器１７．１８及び６１は誘 導タイプで形成され得ると共に、スピンドル５０上に形成された対応する環状基 準トラック１７３．１８３　、又は１６３に面して配置された巻きもの１７２． １８２　、又は１６２と各ステータ磁気回路１７１．１８１、及び１６１とを有 する。 有益的なことに、検出器１７．１８及び６１はフランス国特許第２２１４８９０ 号に記載された如くの同調阻止ラジアル検出器により構成される。 本発明に係る工作物運搬スピンドル組立体１が極めて高精度な機械に使用される ようであるならば、幾何学的交差（軸受及び検出器の同芯度）を改善し、また検 出器及び軸受内のトラックの円形度を増大させるようにスピンドル５０を調整す ることが必要である。 例えばこれは、下ろしたときにスピンドルを初期的に回転させることにより為さ れ得る。検出器から発生される信号は検出器の正に偏心欠陥の表現である。これ らの欠陥はメモリ内に記録され、そして通常の操作においてこれらの欠陥は検出 トラッ多の欠陥を正すためサーボ制御ループに適合される。 上述の如く、ラジアル検出器の基準トラックが優れた円形度を呈することが重要 である。 永続的な下で種々の補正調波（ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）を 発生するための適当な回路カードにより構成された電子装置を使用することを避 けることが望ましいならば、このような装置はスピンドル５００回転の精度内で 少なくとも１つの新しい軸方向検出器６２及び少なくとも１つの新しいラジアル 検出器６１のトラックを機械加工する目的のため、一時的なラジ°γル及び軸方 向センサ１７．１８．及び１９により高精度にスピンドルを回転せしめるために 単に利用され得る。機械加工が終了するとき、新しい検出器６１及び６２は適当 なサーボ＠す御ループに連結され、補正調波を発生ずるための電子回路は省略さ れ得る。 第２図は、スピンドル５０の前面５５に形成される新しい軸方向検出器６２の参 照トラック６３、及びスピンドル５０の前方端部近傍に位置される新しいラジア ル検出器６１の基準トラック　１６３、の機械加工の間に、ラジアル軸受１１及 び】２と軸方向当接体Ｊ４とを制御するために使用され得る２つのラジアル検出 器１７及び１８き軸方向検出器１９とを示す。検出器６１及び６２がスピンドル 組立体ステータ１０の前方部分６０に加え、られた後に、前方ラジアル軸受１２ 及び軸方向当接体１４は検出器６１及び６２により制御され得る。 吸引チャックが使用されるならば、後方軸方向検出器１９はスピンドル５０に沿 ってダクト５１を打ち開くために移動され得る。 たとえ電子調波補正回路が利用できなくとも検出器の品質は改善され得る。この ような事情の下で、新しいラジアル及び軸方向検出器６１及び６２のトラック１ ６３及び６３は、元の検出器１８及び１９の代わりのラジアル軸受１２及び軸方 向軸受１４のためのフィードバックループにおける連続した通常の操作において 使用される目的のための試験段階の間、機械加工される。 第２図において、符号１５及び１６は通常動作では使用されない玉軸受により構 成される緊急軸受を示す。 一般的に、本発明に従いサーボ制御の自然周波数は約５゜七及び８〇七間に、そ して好ましくは５０Ｈｚ及び６０上間にあるべきであり、工作物運搬スピンドル はこの自然周波数より低い速度で、そして好ましくは約２５七及び４０上間にあ る速度で回転される。サーボ制御ループは第１の調波（ｆｉｒｓｔｈａｒｍｏｎ 　ｉｃ）のために最大のゲインを有する。 吸引タイプのチャックは第１及び２図に関連し、て以下記載される。ある応用に おいて、磁気チャックを使用することも可能である。この場合、磁気チャックの 近傍に配置される検出器の作動を妨害することを回避するため、軸方向検出器６ ２は第２図に示された如くの誘導タイプよりも容量タイプで形成される。 更に、電気モータはラジアル軸受１１及び１２間に配置されていないので、軸受 の隣接した近傍のこのような電気モータにより生ぜられ得る全ての障害、すなわ ち熱損失、振動、そして検出器への電気的及び磁気的妨害は回避される。例えば ステータを通って流動体を還流させることにより、スピンドル組立体ステータの 温度を調整するための装置を取付けることが望ましくあり得る。磁気軸受からの 熱損失が電気モータからの熱損失に比べて小さいが、それらは常には無視しては ならない。 本発明に係る工作物運搬スピンドル組立体１を極めて高精度な工作機械に適用す る種々の例は第７図から第１８図に関連して以下記載される。 第１の例は符号ＸＸ’、ＹＹ’のカルテシアンフレーム（ｃａｒｔｅｓｉａｎ　 ｆｒａｍｅ）の複雑な面を機械加工する機械に関し、第７図に象徴的に示される 。 垂直移動軸線ＸＸ′及びＹＹ’を有する２つの送り台２０！及び２０２は気圧サ スペンションにより床に取付けられる花崗岩の塊のようなサポート２０６上に位 置される。 送り台２０１は工具２０７が上に位置されるターンデープル２０３を支持し、一 方、送り台２０２は上述のスピンドル組立体１に対応し得る工作物運搬スピンド ル組立体２０５を支持する。機械加工されるべき工作物２０４はスピンドル組立 体２０５の端部において工作物運搬ディスク５の上に位置される。 ターンテーブル２０３は、機械加工を行うのが常に工具のカッティング縁部の同 一部分であるように工具を鋭くするのに役立ち、これによりカッティング縁部の 幾何学的な不規則が影響を有さないことを保証する。 第８及び９図は第７図に象徴されたタイプの機械の一実施例を示す。 これらの図は送り台２０１及び２０２の夫々一方を移動させるためのスクリュウ ・ナツトシステムを駆動する各口、Ｃ８電気モータ２１０及び２２０を示す。送 り台２０１及び２０２はデジタル制御の下で移動され、これらの移動量は普通の ドツプラー（［１ｏｐｐ　１ｅｒ）干渉計装置により測定される。 干渉計装置は、レーザ源２９０と、逆反射キューブを包含するハウジング２９１ 及び２９２と、工具送り台２０１の移動量測定用干渉計ハウジング２９３及び扁 平ミラーハウジング２９４と、スピンドル送り台２０２の移動量測定用の２つの 干渉計ハウジング２９５及び３９８並びに２つの扁平ミラーハウジング２９５及 び３９８と、干渉計ハウジング２９５＆３９８及び扁平ミラーハウジング２９６ ＆３９９間の連結を提供するベローズ３９７＆３９６と、測定レーザビームを保 護するためのチューブ３９１から３９５、とにより本質的に構成される。ハウジ ング２９６のような各扁平ミラーハウジング２９４，２９６、又は３９９は、扁 平ミラー２９６ａ及び調整ストッパ２９６ｂを有する。各干渉計ハウジング２９ ３．’２９５　、又は３９８は測定干渉計２９３ａ　、２９５ａと、レシーバ２ ９３ｂ、２９５ｂと、２９５Ｃのような調整装置とを有する。 機械加工された面が正しいことを保証するため、偏心することなくスピンドルが 回転す゛ることか必要であり、またスピンドルの移動が精度良く実行されること が必要であり、従ってスピンドル運搬送り台２０２の動きを検出すること及び半 径方向にスピンドル５０を移動させることにより補正を行うことが必要モある。 このタイプの補正は＋１５０μｍはどであり、これは無視できない。 工具運搬送り台２０１の移動により発生された欠陥が機械加工されるべき工作物 上に影響を有さないために、スピンドル５０上の軸方向に介在するだめの工具に おける送り台２０１の移動を検出できることも必要である。この補正は＋１５０ μはどであり得る。 工作物運搬スピンドル組立体１は工作機械の機械的要素における欠陥を補償する のに役立つ。工作物運搬スピンドル組立体１の磁気軸受のサーボ制御用・−ブに 作用させることにより、送り台２０１及び２０２のいずれかの移動における横揺 れ、縦揺れあるいは偏揺れにもかかわらず正確に位置決めされたスピンドルの軸 線を保持することが可能である。 もし、ラジ゛γル磁気軸受１１及び１２のサーボ制御面の各々が２つの検出器、 例えば容量タイプ検出器２１６＆２１８又は２ｉ５＆２１７を備え、それらがス ピンドＪ＋、組立体ステータ１０に固着されたブラケッ！−２１４，２１３上に 取付けられ、そしてスピンドル運搬送り台２１２の移動方向ＹＹ’に平行且つ第 １３図に点線で示されたサーボ制御軸線に垂直に位置された固着扁平基準面２１ １及び２１２に関して所定距離における変化を検出するのに役立つならば、今述 べた補償はリアルタイムに成し遂げられ得る。この図から理解され得る如く、面 ２１１及び２１２はスピンドル組立体１の支持面に関して４５″に近い角度にあ る。 扁平基準面２１１は検出器２１５及び２１６と共通であり、一方、扁平基準面２ １２は検出器２１７及び２１８と共通である。扁平基準面２１１及び２１２は好 ましくは金属化ミラーにより構成される。 検出器２１５から２１８から発生する信号は、磁気軸受１１及び１２のステータ に関するスピンドル５０の軸線の位置を決定する基準電圧を変更するため、各対 応するラジアル軸受サーボ制御ループに適用且つ処理される。 送り台２０１上に位置された工具２０７に考えめぐらすに、送り台が作動される ときにスピンドル１の軸線に垂直な面に工具２０７のチップが存在するというこ とを保証するため、工具２０７の垂直軸方向面に検出器２８１を設けることが必 要である。 この検出器２８１は送り台２０１に取付けられ、そしてスピンドル５０の軸線に 垂直に予め位置された基準扁平面２８２に関する近接変動を測定する（ｉ８．９ 及び１４図）。検出器２８１は好ましくは容量タイプで形成され、且つ固着サポ ート２８０に取付けられた扁平ミラーと協働する。 検出器２８１からの信号は処理され、そしてスピンドル組立体ステータに関する スピンドル５０の軸方向位置を形成する基準電圧を変更するために軸方向磁気軸 受１４のサーボ制御ループに適用される。 第１５及び１６図は、スピンドル運搬送り台２０２における欠陥を補正するため ばかりでなく、工具運搬送り台２０１の横揺れ、偏揺れ、及び正確さのためにも 、スピンドル５０の磁気サスペンションが使用される本発明の一実施例を示す。 これは、送り台２０１の底面に平行であり且つ工具２０７を貫通する面Ｐ、（第 １６図）内で相互に離間される２つの容量タイプ検出器２８１及び２８３と、面 Ｐ、に垂直な面Ｐ２（第１５図参照）内に位置される２つの容量タイプ検出器２ ８５及び２８６とを設けることによりなされる。　 −−検出器２８５及び２８６それら自体は面Ｐ１及びＰ２に垂直な面内に位置さ れ、夫々検出器２８１及び２８３を包含する。 送り台２０１に取付けられた４つの検出器２８１．２８３．２８５、及び２８６ は固着サポート２０６に取付けられ且つ相互的に垂直な２つの扁平基準面２８２ 及び２８４に関する近接変動を測定する。 検出器２８５．２８６と協働する検出器２８１　、２８３　、及び２８４と協働 する扁平面２８２は両方ともに金属化扁平ミラーにより構成される。 検出器２８１．２８３．２８５、及び２８６により発せられる信号は送り台２０ １の欠陥を決定することに役立ち、そして工作物運搬組立体２０５のラジアル軸 受１１及び１２のサーボ制御ループの基準電圧に作用することにより、スピンド ル組立体のスピンドル５０の位置を選択的に変更することによりす゛アルタイム にこれら欠陥を補償することに役立つ。スピンドル運搬送り台２０２の欠陥を補 償するために使用される検出器２１５＆２１７及び２１６＆２１８と異なり、検 出器２８１＆２８５及び２８３＆２８６はラジアル軸受１１及び１２のものと異 なる面に位置されるので、検出器２８１．２８３．２８５、及び２８６により発 生されるエラー信号を取り消すためにラジアル軸受１１及び１２０面に適当な補 償信号を発生させるため転換作動を行うためのコンピュータを利用することが自 然的に必要である。一般的に、検出器２８１．２８３．２８５、及び２８６によ り発せられる信号は、移動の理由である各欠陥の比率及び回転の理由である比率 を決定するため２つずつ組んで処理される。軸方向軸受で形成され且つラジアル 軸受のサーボ制御ループに適用される変更基準電圧は、機械加工されるべき面の 考慮の下で正接面に所定の点で垂直に工具２０７の軸線を維持しようとする。 第９図において、符号２３０及び２３１はターンテーブル２０３回転用り、Ｃ０ 電気モータ及びタコメータ発生器を夫々示す。角度エンコーダはターンテーブル ２０３と関連する。 第１０図は複雑な面を機械加工するだめの極性タイプの工作機械の象徴的表示で あり、また上に位置された工具２０３のための送り台４０２を有する垂直軸線タ ーンテーブル４０３を越えて延びる送り台４０１上に位置される上述したスピン ドル組立体１と同様であり得る水平軸線スピンドル組立体２０５を有する。例え ば花崗岩で形成される支持ブロック４０６は気圧サスペンションにより床から隔 離される。また第１０図は、零点規正送り台４０４を示す。工作物２０４は第７ から９図に示す実施例の如くスピンドル組立体２０５の工作物運搬ディスク５上 に位置される。 もし、磁気軸受内でのスピンドル組立体２０５のスピンドル５０の移動がターン テーブル４０３の回転の関数とじてプログラムされるならば、特別な形状を有す る工作物２０４上に面を得ることが可能である。 特に、もし定期的に変動する基準電圧が軸方向軸受１４のサーボ制御ループに加 えられるならば、スピンドルはその軸線に沿って前後に移動される。工具送り台 ２０１が作動されると、工作物２０４を移動させることにより発生される面は使 用したパラメータに依存する。 従って、機械加工周波数が工作物の半径に沿って走行するために工具によりかけ られた相互的な時間であることを思い起こすに、もし基準電圧周波数が機械加工 周波数より小さいならば、帰着する面は凸状又は凹状である。 もし、基準電圧の周波数がスピンドルの回転の周波数より小さく、しかし７機械 加工周波数より大きいならば、制御自在の振幅の渦線は荒さ標準として使用され るに相応しく得られる。 もし、基準電圧の周波数が等しいか、あるいはスピンドルの回転周波数より大き いならば、半径方向縦溝（ｒａｄｉａｉ　ｆｌｕｔｉＢ）が得られる。 同様に、通常の事前調整の後に、スピンドル５０の軸線をターンデープル４０３ の軸線に交差せしめるために、ラジアル軸１１及び１２のラジアルサーボループ において使用される基準電圧に作用させることにより良好な調整を行うことが可 能である。 同様に、（カルテシアン座標機械加工及び極座標機械加工のいずれにおいても） スピンドル軸線き同一の高ざで工具２０７のチップを位置させるために、スピン ドルのラジアル磁気軸受１１及び１２のサーボ制御ループを利用することは有益 的である。 第１０図に示される如く、］ニ工具０７は正面位置で機械加工されるべき面に垂 直に位置され得るか、あるいはまた横位置２０７′に位置され得る。 極座標タイプの機械はカルテシアンタイプの機械の構造より簡単である総合的構 造を有し、第７から９図の実施例の如くの干渉計測定装置を利用する必要がない 。これは、他のパラメータの全てが最初の調整に依存するので機械加工の間のみ に回転を確実にすることが必要であるからである。従って、ターンテーブル４０ ３と関連する角度エンコーダ及びタコメータ発生器は機械加工動作のために必要 とされる全ての感覚機能を提供する。 第１７図はターンテーブル４０３における偏心欠陥を補正する手段を示す。部分 ４０８上に形成される球状面４８０はターンテーブル４０３の軸線２３２上に中 心位置決めされ且つ固着サポート上に取付けられる。位置センサ４０７は工具２ ０７の軸線上に位置され且つ球状面４８０に関する近接変動を測定する。センサ ４０７からの信号は処理され、そして機械加工されるべき工作物２０４を支持す るスピンドル５０の軸方向軸受１４のためのサーボ制御ループに送られる。 偏心欠陥を補正するための装置は、第１８図に示される如く、カルテシアンタイ プの機械にも適用自在であるということが理解され得る。この場合において、タ ーンテーブル２０３における偏心を補正するため、送り台２０１の可動板に取付 けられるサポート３０８により支持され且つターンテーブルの軸線上に正確に中 心位置決めされる基準球状面３８０が使用される。センサ５０７は球状基準面３ ８０に関する近接変動を測定し且つ工具２０７の軸線上に位置され、またセンサ ５０７からの信号は処理され、そして機械加工されるべき工作物２０４を支持す るスピンドル５０の軸方向軸受１４のためのサーボ制御ループの基準電圧を選択 的に変更するために使用される。 国際調査報告 国際調査報告　ＦＲ８７００４４８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．予め決められた方向（Ｙ，Ｙ′）に沿う案内のための送り台（２０２）上に 取付けられたステータ（１０）と、ステータ（１０）の内側に取付けられたスピ ンドル（５０）と、スピンドル（５０）に取付けられたチャック（５）と、ロー タの位置を検出するためにラジアル検出器（１７，１８，６１）により制御され 且つスピンドル（５０）を支持する第１及び第２ラジアル能動軸受（１１，１２ ）と、スピンドルの位置を検出するために少なくとも１つの軸方向検出器（６２ ）により制御され且つスピンドル（５０）に取付けられたディスクと協働する軸 方向能動磁気軸受により構成される軸方向当接体と、スピンドル（５０）を回転 させる電気モータ（２）とを有する、極めて高精度な工作機械のための能動磁気 軸受を有する工作物運搬スピンドル組立体において、電気モータ（２）はスピン ドル組立体ステータ（１０）の外部にあり、スピンドル（５０）の後方に位置さ れ、そしてそれと共に実質的に一直線上にあり、外部モータ（２）はラジアル磁 気軸受（１１，１２）及びスピンドル（５０）間の空気ギャップより小さい空気 ギャップを有し、１秒当りの回転（Ｈｚ）によって表現された外部モータ（２） によりスピンドル（５０）に連通された回転駆動はヘルツで表現された磁気サス ペンションシステム（１１，４２）のサーボ制御通過帯域の外側に存在し、可撓 カップリング装置（３）はモータ（２）の偏心による機械的障害を濾過しながら スピンドル（５０）の後方部分に外部モータ（２）の出口軸（２０）を連結し、 スピンドル組立体はスピンドル組立体案内送り台（２０２）の動作を検出するた めの補助的手段（２０１から２１８）と、該補助的な検出手段（２１１から２１ ８）からの信号の関数としてラジアル軸受（１１，１２）及び軸方向軸受（１４ ）のサーボ制御ループの電気的基準電圧を選択的に変更するための手段とを有し 、工作物運搬スピンドル組立体（２０５）が上に位置される送り台（２０２）の 動作を検出するための該補助的手段はラジアル軸受（１１，１２）の各々のサー ボ制御面に２つの検出器（２１６，２１８；２１５，２１７）を有し、該検出器 はスピンドル組立体ステータに取付けられ、且つ該送り台（２０２）の移動方向 （Ｙ′Ｙ）に平行に配置された２つの扁平基準面（２１１，２１２）に対面し、 該検出器（２１５から２１８）は検出器（２１５から２１８）と扁平基準面（２ １１，２１２）との間の上記近接変動の関数として工作物運搬スピンドル組立体 （２０５）のラジアル軸受（１１，１２）のサーボ制御ループの基準電圧を選択 的に変更するための手段をリアルタイムに制御するため、該検出器（２１６，２ １８；２１５，２１７）と該扁平基準面（２１１，２１２）との間の距離におけ る変動に比例する電気的信号を放つことを特徴とする、極めて高精度な工作機械 のための能動磁気軸受を有する工作物運搬スピンドル組立体。 ２．磁気サスペンションシステム（１１，１２）の自然周波数は略、５０Ｈｚか ら８０Ｈｚであり、一方、スピンドル（５０）の回転の速度は略、２５Ｈｚと４ ０Ｈｚとの間にあることを特徴とする請求の範囲第１項に係る工作物運搬スピン ドル組立体。 ３．外部モータ（２）は略０．１ｍｍの空気ギャップを有し、一方、ラジアル磁 気軸受（１１，１２）とスピンドル（５０）との間の空気ギャップは略３ｍｍで あることを特徴とする請求の範囲第１項から第２項のいずれかに係る工作物運搬 スピンドル組立体。 ４．工作物運搬チャック（５）の近傍に配置された第２のラジアル磁気軸受（１ ２）の両側に位置された第１及び第２の軸方向離間ラジアル検出器（１８，６１ ）を有し、第２ラジアル検出器（６１）は該第２ラジアル磁気軸受（１２）及び 工作物運搬チャック（５）間に除去自在に取付けられ、最初の組み立て段階の間 に、第２ラジアル検出器（６１）の基準トラック（１６３）を調整するスピンド ル（５０）上への作用を果すために、第２ラジアル磁気軸受（１２）は第１ラジ アル検出器（１８）により制御され、そして工作物運搬チャック（５）により支 持された工作物を機械加工する連続した段階の間に、第２ラジアル磁気軸受（１ ２）は基準トラック（１６３）と協働する第２ラジアル検出器（６１）により制 御されることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれかに係る工作物 運搬スピンドル組立体。 ５．第１及び第２軸方向検出器（１９，６２）を有し、第１軸方向検出器（１９ ）はスピンドル組立体（１）の後方に配置され、且つスピンドル組立体（１）の 前方に形成された前面（５５）上の基準トラック（６３）を調整する作動の間に 軸方向当接体（１４）を制御するのに役立ち、基準トラック（６３）と協働する 第２軸方向検出器（６２）は工作物を機械加工する連続した段階の間に軸方向当 接体（１４）を制御するのに役立つことを特徴とする請求の範囲第１項から第４ 項のいずれかに係る工作物運搬スピンドル組立体。 ６．センサに取付けられたチャック（５）はその前面に亘って分配された吸引オ リフィス（５４）を備えた吸引板であり、吸引板と関連する吸引装置（４）は、 工作物運搬チャック（３）に形成された凹所（５２）内に開口するために緩衝室 （４０）の内側に始まり、モータ（２）の軸（２０）の内側、カップリング装置 （３）の内側、そしてスピンドル（５０）の内側の軸方向に延びる吸引ダクトと 、真空ポンプに連結され且つ電気モータ（２）の後方に配置された緩衝吸引室（ ４０）と、真空ポンプとを有し、凹所は吸引オリフィス（５４）と連通している ことを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれかに係る工作物運搬スピ ンドル組立体。 ７．カップリング装置（３）はゴム又はエラストマのような材料で形成された密 封的な環状スリーブ（３０）を有することを特徴とする請求の範囲第１項から第 ６項のいずれかに係る工作物運搬スピンドル組立体。 ８．磁気タイプのチャック（５）を有し、チャック（５）の近傍に位置され巨つ スピンドルの位置を検出するための軸方向検出器（６２）は容量タイプで形成さ れることを特徴とする請求の範囲第１項に係る工作物運搬スピンドル組立体。 ９．２つの垂直方向ＸＸ′及びＹＹ′に沿って移動軸線が適化される第１及び第 ２の送り台（２０１，２０２）と、第１送り台（２０１）上に位置されるターン テーブル（２０３）と、第２送り台（２０２）上に位置される工作物運搬スピン ドル組立体（２０５）と、第１及び第２送り台（２０１，２０２）の移動を測定 するための装置とを有する、基準のカルテシアンフレームに用いられる工作機械 の送り台の移動における欠陥を補正するための装置において、請求の範囲第１項 から第８項のいずれかに係る工作物運搬スピンドル組立体と、ターンテーブルを 案内するための第１送り台（２０１）の移動を検出するための補助的手段（２８ １，２８２；２１１から２１８）と、工作物運搬スピンドル組立体（２０５）の 軸線に垂直に位置された扁平基準面（２０２）と、検出器（２８１）及び扁平基 準面（２８２）間の空間の変動を検出するための手段とを有し、ターンテーブル （２０３）が上に位置される第１送り台（２０１）の移動を検出するための補助 的手段は第１送り台（２０１）に取付けられ昼つ工具（２０７）の軸線を包含す る垂直面に位置された可動検出器（２８１）を有し、軸方向軸受（１４）のサー ボ制御ループの電気的基準電圧をリアルタイムに選択的に変更するための手段は 第１送り台に取付けられた可動検出器（２８１）と扁平基準面（２８２）との間 の近接変動の関数として制御されることを特徴とする、送り台の移動における欠 陥を補正するための装置。 １０．工作物運搬スピンドル組立体（２０５）が上に位置される第２送り台の移 動を検出するための補助的手段は、スピンドル組立体ステータ（１０）に取付け られ且つラジアル軸受（１１，１２）の各々のサーボ制御面に２つの検出器（２ １６，２１３；２１５，２１７）を有し、各検出器は所定のラジアル軸受（１１ ，１２）の同一サーボ制御面に位置された他の検出器（２１８，２１６；２１７ ，２１５）に対面して位置された他の扁平基準面（２１２，２１１）に垂直に且 つ第２送り台（２０２）の移動方向（Ｙ′Ｙ）に平行に位置された扁平基準面（ ２１１，２１２）に対面することを特徴とする請求の範囲第９項に係る装置。 １１．ターンテーブル（２０３）が上に位置される第１送り台（２０１）の移動 を検出するための補助的手段は、第１送り台（２０２）の底面に平行であり且つ 工具（２０７）を貫通する面Ｐ１内で相互に離間される第１のグループの２つの 検出器（２８１，２８３）と、面Ｐ１に垂直な面Ｐ２内に位置された第２のグル ープの２つの検出器（２８５，２８６）とを有し、検出器の第１及び第２グルー プの第１検出器（２８１，２８５）及び第２検出器（２８３，２８６）は第１送 り台（２０１）の底面に対して並びに面Ｐ１及びＰ２に対して垂直な面Ｐ３及び Ｐ４に位置され、そして工作物運搬スピンドル組立体（２０５）の軸線に関して 及び互いに関して垂直に取付けられた第１及び第２扁平基準面（２８２，２８４ ）と、各検出器（２８１，２８３；２８５，２８６）とそれが面する扁平基準面 （２８２又は２８４）との間のギャップにおける変化を表示すると共に第１及び 第２グループの２つの検品器（２８１，２８３；２８５，２８６）から発生する 信号を処理するための処理手段と、該処理手段により発せられる信号の関数とし て制御される軸方同軸受（１４）及びラジアル軸受（１１，１２）のサーボ制御 ループの電気的基準電圧をリアルタイムに選択的に調整する手段、とを有するこ とを特徴とする請求の範囲第９項又は第１０項に係る装置。 １２．第１送り台（２０１）に取付けられたサポート（３０８）に支持され且つ ターンテーブル（２０３）の軸線上に中心位置決めされた球状基準面（３８０） と、工具（２０７）の軸線上に位置される近接センサ（５０７）と、センサ（５ ０７）及び球状基準面（３８０）間の近接変化を検出するための手段と、センサ （５０７）及び球状基準面（３８０）間の近接変化の関数として工作物運搬スピ ンドル組立体（２０５）の軸方向軸受（１４）のサーボ制御ループの基準電圧を リアルタイムに調整するための手段、とを有することを特徴とする請求の範囲第 ９項から第１１項のいずれかに係る装置。 １３．工具（２０３）を支持するために第２調整送り台（４０２）が上に位置さ れる垂直軸線ターンテーブル（４０３）を越えて延びる第１調整送り台（４０１ ）と、第１調整送り台（４０１）上に位置された工作物運搬スピンドル組立体（ ２０５）とを有する工作機械において、請求の範囲第１から８項のいずれかに係 る工作物運搬スピンドル組立体（２０５）を有し、更に、工作機械を支持する床 （４０６）に取付けられた固着サポート上に位置され且つターンテーブル（４０ ３）の軸線上に中心位置決めされた球状基準面（４８０）と、工具（２０７）の 軸線上に位置された近接センサ（４０７）と、センサ（４０７）及び球状基準面 （４８０）間の近接変化を検出するための手段と、センサ（４０７）及び球状基 準面（４８０）間の近接変化の関数として工作物運搬スピンドル組立体（２０５ ）の軸方向軸受（１４）のサーボ制御ループの基準電圧をワアルクイムに変更す るための手段、とを有することを特徴とする、極座標で使用される工作機械のタ ーンテーブルにおける偏心欠陥を補正するための装置。 １４．扁平又は球状基準面（２１１，２１２，２８２，２８４，３８０，４８０ ）は金属化ミラーにより構成され、そして近接センサ（２１５から２１８，２８ １，２８３，２８５，２８６，５０７，４０７）は容量タイプで形成されること を特徴とする請求の範囲第１項から第１３項のいずれかに係る装置。