專利名稱：反作用力機構(gòu)及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反作用力機構(gòu)，其用于在物體上施加力，以將該物體保持在期望位置。在一種實施方式中，本發(fā)明涉及機加工軸，該機加工軸包括用于抵消作用在機加工軸的運動部件上的力的裝置。根據(jù)另一個方面，其能夠應(yīng)用于機加工工具的支撐件。
背景技術(shù)：
機加工工具可以包括機加工軸，所述機加工軸布置成使得工具和工件能夠相對于彼此平移。這種平移可以沿豎直方向、沿具有水平分量和豎直分離的傾斜方向、水平方向或帶有沿旋轉(zhuǎn)方向的相對運動而發(fā)生。工具或工件可以由軸承載。有時，機加工軸可能受到施加到其上的恒定載荷。例如，用于促動其行進方向具有豎直分量的線性軸的驅(qū)動器除了克服摩擦之外，還將處理克服作用在其上的重力所需的力等。相似地，旋轉(zhuǎn)軸可以經(jīng)受來自例如恒定連續(xù)工藝摩擦的恒定載荷。
術(shù)語“機加工軸”用來表示這樣的裝置組件，即其中一個部件相對于另一個被驅(qū)動，與諸如運動軸的概念基準(zhǔn)軸相對。機加工工具的線性軸上的進給驅(qū)動器在傳統(tǒng)上結(jié)合有高響應(yīng)伺服馬達，該伺服馬達聯(lián)接到螺桿致動器，以驅(qū)動豎直軸和水平軸。通常，螺紋具有低螺旋角，這使得驅(qū)動器具有高機械性優(yōu)點。這減小了馬達克服摩擦和重力效果所需要的努力。此外，多個螺桿驅(qū)動器，尤其是滑動軸承設(shè)計(與滾珠螺桿相對)的那些，具有足夠的內(nèi)部摩擦，使得它們是“不可逆的”。也就是，向線性軸施加力不會引起螺桿旋轉(zhuǎn)。這種情況下的優(yōu)點可在于，當(dāng)移除驅(qū)動馬達的動力時，線性軸保持其位置。在螺桿可逆的情況下，通常采用安裝在螺桿或馬達上的制動器。由于機構(gòu)中的高機械性優(yōu)點，所以僅僅需要低的夾持力來將軸保持靜止。就機加工工具上的旋轉(zhuǎn)軸而言，驅(qū)動器在傳統(tǒng)上結(jié)合有類似的高響應(yīng)伺服馬達，該伺服馬達聯(lián)接到某些形式的扭矩增大裝置，例如蝸輪蝸桿、齒輪組或帶驅(qū)動器，以提供所需的高機械性優(yōu)點。這些系統(tǒng)中的許多也是“不可逆的”，但是在它們不是的情況下，與扭矩增大裝置的驅(qū)動側(cè)聯(lián)接的制動器將仍需要低的扭矩來夾持該軸。最近，直接馬達驅(qū)動器的使用已經(jīng)提高了線性和旋轉(zhuǎn)機器驅(qū)動器的精度。這避免了否則可能在傳動系中遇到的共振機械接口。它們還可以通過其較寬的帶寬伺服系統(tǒng)來提供改進的動態(tài)定位能力，以克服非線性效應(yīng)，例如“粘附-滑動運動”或滯后。然而，直接馬達驅(qū)動器不具有螺桿驅(qū)動器所呈現(xiàn)的不可逆特性，并且具有零機械性優(yōu)點。直接馬達驅(qū)動器必須被持續(xù)地激發(fā)，以克服作用在機加工軸上的力。所得的直接馬達驅(qū)動器中的抵抗損失引起在工作循環(huán)中任何時間都不會回收的加熱和能量消耗。當(dāng)移除驅(qū)動動力時，如果要克服這樣的力將機加工軸保持就位，那么需要額外的措施。存在多種已知的措施來抵消豎直軸上加載的重力。一個實例是提供平衡滑架，以向豎直軸施加反作用運行力。這可以包括第二豎直軸，帶有質(zhì)量與主軸滑架類似的滑架，通過纜線或鏈連接到主滑架，該纜線或鏈在機器的頂部處延伸過帶輪系統(tǒng)。當(dāng)僅僅需要低速度和加速度時，這樣的結(jié)構(gòu)能夠令人滿意地運行，但是在更多的動態(tài)應(yīng)用中會遇到明顯的問題。US5, 518，550公開了用于制造半導(dǎo)體裝置的臺架設(shè)備。其包括恒定張力彈簧，以用于消除施加在可豎直運動的臺架上的重力。然而，這樣的彈簧易于金屬疲勞，并且由于彈簧機構(gòu)中非阻尼共振頻率的激發(fā)而可能產(chǎn)生動態(tài)問題。在一些機加工工具中還通過氣動或液壓缸提供反向平衡力。然而，來自于氣缸密封件的粘附-滑動摩擦，以及由保持氣缸內(nèi)恒定壓力的流量控制閥所引起的流量和滯后問題，可能會妨礙準(zhǔn)確的控制。另外，當(dāng)以較高的滑架速度操作時，大量的空氣流需求可能也存在問題。本發(fā)明所涉及的機加工工具的另一個方面是提供用于機加工工具自身的回彈性支撐件。機加工工具通常支撐在振動隔絕足部上，以防止來自地面的振動干擾機器的加工能力，或者反之防止機器產(chǎn)生的震動引起地板振動。用于實現(xiàn)這種隔絕的已知機構(gòu)涵蓋了從柔順材料的單體到復(fù)雜彈簧-阻尼器系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)通常提供良好隔絕的同時，它們將具有很小的或不具有支撐剛度，在運動部件移動機器的重心使其傾斜的情況下，這可能會產(chǎn)生問題。 在另一種已知形式的隔絕系統(tǒng)中，支撐件設(shè)置為氣動加壓腔室的形式。感測任何高度變化，并且調(diào)節(jié)腔室內(nèi)的壓力，以在發(fā)生整體運動時保持機器位置。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)性能是不夠的，導(dǎo)致殘留傾斜和高度變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供反作用力機構(gòu)，其用于在物體上施加力，以將該物體保持在期望位置，其包括從動本體；驅(qū)動器，所述驅(qū)動器用于使所述從動本體運動；回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)，所述回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)用于將所述從動本體聯(lián)接到物體的一部分；以及控制結(jié)構(gòu)，所述控制結(jié)構(gòu)布置成將驅(qū)動信號輸出到所述從動本體驅(qū)動器，以便使所述從動本體運動到一位置，在所述位置處所述從動本體經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述物體上施加力，使得所述力抵消作用在所述物體上的相反的力，并且所述反作用力機構(gòu)將所述物體的所述部分保持在所述期望位置。利用這種機構(gòu)，可以經(jīng)由回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)施加可變修正力，以控制物體的位置，同時避免從動本體(其還可以稱為推動器)和物體之間的任何剛性聯(lián)接。通過在從動本體的定位精度中提供一定程度的公差，在某些應(yīng)用中，用于施加反作用力的回彈性聯(lián)接的存在可能是有利的。其還有利的是，減少了物體與其周圍環(huán)境之間的振動傳遞。在優(yōu)選的實施例中，所述反作用力機構(gòu)能夠被構(gòu)造為在所述物體的所述部分上施加力，以使得所述部分被保持在支撐表面上方預(yù)定高度處。例如，回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)可以抵靠基部的一部分或機加工工具的床?？梢栽O(shè)置傳感器，以用于檢測所述物體的所述部分從所述期望位置的位移，并且響應(yīng)于所述位移將信號輸出到所述控制結(jié)構(gòu)，從而反作用力機構(gòu)能夠通過調(diào)節(jié)所施加的反作用力而進行響應(yīng)，以使所述物體返回到其期望位置。
本發(fā)明還提供用于機加工工具的機加工軸，其包括支撐件，所述支撐件用于支撐工具或工件；支撐件驅(qū)動器，所述支撐件驅(qū)動器用于使所述支撐件運動；以及如本文所限定的反作用力機構(gòu)，所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)將所述支撐件與所述從動本體彼此聯(lián)接，使得所述從動本體能夠根據(jù)所述支撐件的位置通過所述從動本體驅(qū)動器而運動就位，以便經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述支撐件上施加力，從而抵消作用在所述支撐件上的力，并且由此將所述支撐件保持在期望位置。在這種構(gòu)造中，支撐件的位置由相關(guān)的驅(qū)動器指示。從動本體定位成經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述支撐件上施加力，從而抵消作用在所述支撐件上的力。從而，即使當(dāng)從其驅(qū)動器移除動力時，支撐件也保持在期望位置。
回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)的特征可以選擇成使得通過從動本體施加在支撐件上的力不會改變到超過與第二驅(qū)動器相關(guān)的定位公差的不可接受的程度。與上述已知的反作用平衡結(jié)構(gòu)相比，這方便了以精確的方式將反作用力施加到支撐件上，而不會增大支撐件的慣量。此夕卜，以可靠和穩(wěn)健的方式施加該力，而不會顯著地影響由第一驅(qū)動器確定的支撐件的位置。所述支撐件的運動軸可以線性的或旋轉(zhuǎn)的。優(yōu)選地，第一驅(qū)動器是線性的或旋轉(zhuǎn)的馬達驅(qū)動器。這在支撐件的定位中提供了高精度水平。聯(lián)接結(jié)構(gòu)的回彈性意味著，在從動本體采用較低精度驅(qū)動器的情況下，從動本體定位的不精確性可以不會對支撐件的位置產(chǎn)生實質(zhì)性程度的影響?；貜椥月?lián)接結(jié)構(gòu)可以包括盤簧、某些形式的撓曲件或氣體彈簧，或者由物理壓縮或張緊提供力的任何其它裝置?？梢栽O(shè)有阻尼機構(gòu)，以用于控制或降低支撐件和從動本體的相對速度。在優(yōu)選實施例中，機加工軸包括安全機構(gòu)，所述安全機構(gòu)用于阻止所述支撐件和所述從動本體之間的間距減小到小于最小閾值和/或該間距增大到超過最大閾值。例如，當(dāng)達到閾值時，支撐件和從動本體中的一個可以接合由另一個支撐的支座。這樣的機構(gòu)可以在例如聯(lián)接結(jié)構(gòu)故障的情況下提供故障保護裝置?？梢栽O(shè)有制動機構(gòu)，當(dāng)移除由所述第一驅(qū)動器施加的驅(qū)動力時，所述制動機構(gòu)用于阻止所述支撐件的運動。考慮到與支撐件相關(guān)的本文所述的反作用平衡機構(gòu)的存在，將比否則需要的動力小的動力制動機構(gòu)可能是足夠的，原因是其不需要抵抗作用在支撐件上的全部重力。優(yōu)選地，從動本體能夠沿著與支撐件相同的方向運動。例如兩者均可以沿著豎直方向延伸。在一種特定結(jié)構(gòu)中，所述支撐件和從動本體能夠沿著共同的引導(dǎo)部運動?；蛘撸瑥膭颖倔w可以具有一個或多個專門的引導(dǎo)部。根據(jù)另一個實施例，從動本體可以位于支撐件內(nèi)。從而，從動本體可以基本上或整體容納在支撐件的尺寸中，以提供更加緊湊的構(gòu)造。聯(lián)接結(jié)構(gòu)可以例如僅僅由將力直接施加在支撐件上的回彈性部件構(gòu)成。在另一個構(gòu)造中，聯(lián)接結(jié)構(gòu)包括與回彈性部件串聯(lián)聯(lián)接的連接器。在一種實施方式中，所述連接器延伸過帶輪。其可以為例如纜線或鏈的形式。與從動本體相關(guān)的第二驅(qū)動器可以為以下的形式螺桿驅(qū)動器；齒條和小齒輪驅(qū)動器；摩擦驅(qū)動器；絞盤驅(qū)動器；氣動驅(qū)動器；或液壓驅(qū)動器。比第一驅(qū)動器的定位精度低的驅(qū)動器可能是合適的，原因是支撐件由于聯(lián)接結(jié)構(gòu)的回彈性而與從動本體的任何定位不精確性基本上無關(guān)。根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供操作如本文所述的反作用力機構(gòu)的方法，所述方法包括以下步驟將驅(qū)動信號從所述控制結(jié)構(gòu)輸出到所述從動本體驅(qū)動器，以便使得所述驅(qū)動器使所述從動本體運動到一位置，在所述位置處所述從動本體經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述物體上施加力，使得所述力抵消作用在所述物體上的相反的力，并且所述反作用力機構(gòu)將所述物體的所述部分保持在所述期望位置。所述方法還可以包括以下步驟響應(yīng)于所述物體從所述期望位置的位移而生成輸入信號，并且將所述輸入信號發(fā)送到所述控制結(jié)構(gòu)。作為另外一種選擇或除此之外，所述方法可以包括以下步驟生成表示所述物體的期望位置的輸入信號，并且將所述輸入信號發(fā)送到所述控制結(jié)構(gòu)。輸入信號中表示的該·期望位置可以例如是由使用者限定的位置，或者是由例如機加工工具執(zhí)行的控制程序所限定的位置。本發(fā)明還提供操作如本文所述的機加工軸的方法，所述方法包括以下步驟利用所述支撐件驅(qū)動器使所述支撐件運動到第一預(yù)定位置；根據(jù)所述第一預(yù)定位置利用所述從動本體驅(qū)動器使所述從動本體運動到第二預(yù)定位置，以便經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述支撐件上施加力，從而抵消作用在所述支撐件上的力。這些步驟可以連續(xù)地執(zhí)行，或者可以重疊到一定程度。優(yōu)選地，它們基本上同時進行。主驅(qū)動器可能不能充分可靠地將支撐件(以及安裝在其上的任何工具或工件)單獨保持就位。從而，從動本體可以布置成和/或控制成經(jīng)由聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所有時間在支撐件上施加反作用平衡力。優(yōu)選地，反作用平衡力的大小保持基本上不變。聯(lián)接結(jié)構(gòu)可以在機加工軸的整個執(zhí)行過程中聯(lián)接在從動本體和支撐件之間。經(jīng)由聯(lián)接結(jié)構(gòu)施加在支撐件驅(qū)動器上的力可以部分地或基本上全部地等同于作用在支撐件上的力。這可能取決于例如支撐件驅(qū)動器中存在的摩擦力。本發(fā)明還涉及用于機加工工具的機加工軸，其包括主要引導(dǎo)本體(例如主滑架)，以用于支撐和引導(dǎo)工具或工件；第一驅(qū)動器，以用于使所述主要引導(dǎo)本體運動；輔助引導(dǎo)本體(例如從動本體或推動器或輔助滑架);第二驅(qū)動器，以用于使輔助引導(dǎo)本體運動；回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)，以用于將主要引導(dǎo)本體與第二引導(dǎo)本體彼此聯(lián)接，使得第二引導(dǎo)本體能夠根據(jù)主要引導(dǎo)本體的位置而運動就位，從而經(jīng)由聯(lián)接結(jié)構(gòu)在主要引導(dǎo)本體上施加力，以抵消主要引導(dǎo)本體上的力。在線性應(yīng)用中，主和輔助引導(dǎo)本體例如為由支承軌道引導(dǎo)的滑架，而對于旋轉(zhuǎn)應(yīng)用，引導(dǎo)本體將包括由某種類型的旋轉(zhuǎn)軸承支撐的軸或心軸。在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用中，所述支撐件在使用中能夠繞一軸旋轉(zhuǎn)，并且所述從動本體能夠繞一軸旋轉(zhuǎn)至根據(jù)所述支撐件的角度位置而定的角度位置，以便經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述支撐件上施加力，從而抵消作用在所述支撐件上的扭轉(zhuǎn)力。所述支撐件和從動本體能夠繞共同的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。第二驅(qū)動器可以選自蝸輪蝸桿、齒輪組或帶驅(qū)動器。在以下的描述中，首先描述豎直線性實例，其中重力將被抵消。然而，本發(fā)明可以應(yīng)用于線性或旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)造，其中將被抵抗的線性力(或旋轉(zhuǎn)扭矩)來自于任何源。


現(xiàn)在將參考附圖，借助實例描述本發(fā)明的實施例，其中圖I為實施本發(fā)明的機加工工具的豎直軸的前透視圖；圖2為形成圖I所示豎直軸的一部分的從動本體的放大透視圖；圖3和4為圖I的機加工軸的前透視圖，其中支撐件和從動本體分別單獨地安裝在軸上；
圖5為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的機加工軸的上部部分的放大透視圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的機加工軸的上部部分的放大局部剖視側(cè)視圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明的機加工工具的水平軸的前透視圖；圖8和9分別為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的機加工工具的旋轉(zhuǎn)軸的前透視圖和橫截面圖；圖10和11分別為圖8和9所示機加工軸的回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)的前透視圖和橫截面圖；圖12為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的機加工基部支撐單元的側(cè)透視圖；圖13為圖12所示形式的四個單元上的機加工工具支撐件的側(cè)透視圖；以及圖14為圖12所示形式的兩個單元與四個主支撐彈簧結(jié)合所支撐的機加工工具的側(cè)透視圖。
具體實施例方式相同的附圖標(biāo)記在修改的和不同的實施例中通常在附圖中用來表示對應(yīng)的或類似的特征。在圖I至4所示的豎直軸2中，為主滑架4形式的支撐件能夠沿著由支撐柱I承載的一對引導(dǎo)部或引導(dǎo)軌道6運動。安裝座8設(shè)置在滑架的前表面上，以用于附接工具或工件。主滑架沿著引導(dǎo)部由線性馬達10驅(qū)動。從動本體或輔助滑架12設(shè)置成用于沿著與主軸的引導(dǎo)部平行的方向運動。其沿著設(shè)置在支撐柱I的豎直表面上的相應(yīng)的線性引導(dǎo)部14運動。輔助滑架由螺桿驅(qū)動器驅(qū)動。用于輔助滑架的螺桿驅(qū)動器包括豎直螺桿16，該豎直螺桿由支撐塊18支撐，并且由伺服馬達20驅(qū)動。直接聯(lián)接的角度編碼器22裝配到伺服馬達20，以提供對機加工控制器有關(guān)輔助滑架的位置的反饋。在所示的實施例中，伺服驅(qū)動器相對于螺桿軸垂直地定向，但是應(yīng)當(dāng)理解，也可以采用其它構(gòu)造。螺桿16與安裝在輔助滑架12上的螺母24接合。從而，伺服馬達20引起的螺桿的旋轉(zhuǎn)使輔助滑架沿豎直方向移動。為了圖示的目的，支撐柱I在圖3和4中示出為分別僅僅具有主和輔助滑架及其相關(guān)的驅(qū)動器和引導(dǎo)部中的一者。如圖I和2所示，為盤簧26形式的回彈性部件定位成其軸向相對的兩端分別與主和輔助滑架接合。這在兩個滑架之間提供了回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)，并且輔助滑架能夠經(jīng)由該聯(lián)接結(jié)構(gòu)在主滑架上施加向上的力，以抵消作用在主滑架上的重力。來自回彈性部件的力優(yōu)選地通過主滑架的質(zhì)量重心施加到主滑架。盤簧的下端部由輔助滑架上的安裝座28支撐并且附接到該安裝座。在主和輔助滑架之間設(shè)有阻尼機構(gòu)30，以用于在滑架彼此靠近時減小施加在每個滑架上的脈沖。其下端部由輔助滑架上的安裝座30支撐。在圖I至4所示的豎直軸的操作中，在控制器的控制下，主滑架4由線性馬達10以較高的精度驅(qū)動到期望位置，該控制器包含在機加工工具中，軸形成該機加工工具的一部分(例如CNC控制系統(tǒng))。同時，在控制器的控制下，輔助滑架12由較低成本的滾珠螺桿驅(qū)動器以較低的但是足夠的定位精度驅(qū)動到主滑架下方與主滑架相鄰的位置。盤簧26與主滑架4的下側(cè)保持接合，從而向豎直軸主滑架施加豎直軸向力。 施加與作用在主滑架(和安裝在其上的任何部件)上的重力相等且相反的反作用平衡力所需的主和輔助滑架之間的間距可以通過斷開用于主滑架的驅(qū)動器且允許其重量僅僅由輔助滑架產(chǎn)生來確定。這將表示期望間距，然后該期望間距可以記錄在機加工控制器中，以用于在接下來的機加工過程中進行參考。當(dāng)主驅(qū)動器及其承載的任何對象的總質(zhì)量改變時，該過程可以用來復(fù)位正確間距的大小。由盤簧提供的回彈性聯(lián)接件布置成具有較低的彈簧速率(或為其它形式的回彈性部件的等效特征)，使得由于輔助滑架定位的任何誤差所導(dǎo)致的施加在主滑架上的力的變化低得能夠被接受。例如，可以通過假定輔助滑架的位置遠離其要求將不超過0. Imm來估計可能的反作用平衡力的誤差，因此通過彈簧施加到主滑架的力在整個該變化過程中應(yīng)當(dāng)基本上恒定不變。以圖示的方式，當(dāng)支撐500kg的滑架時,外徑為50mm、自由長度為150mm的沖模彈簧將壓縮大約20_。因此，輔助滑架的+或-0. Imm的可能的定位誤差使得反作用平衡力的變化小至25N (+或-0. 5%)。對于較高質(zhì)量的主滑架，可以使用多個彈簧(或其它聯(lián)接件)來提供所需的力。機加工軸從機加工工具的控制器接收控制信號。為了實現(xiàn)安裝在軸上的工具或工件的運動，控制器將信號發(fā)送到用于主和輔助滑架的驅(qū)動器，從而指示它們中的每一個進行相同的運動。從而，輔助滑架有效地模仿主滑架所進行的運動，以連續(xù)地提供反作用平衡力。如果適當(dāng)?shù)脑?，通過提供測量裝置來監(jiān)測主和輔助滑架之間的間距，可以對反作用平衡力的整個量級進行較大程度的控制。機加工控制器可以布置成在需要時根據(jù)測量裝置的輸出信號調(diào)節(jié)輔助滑架的位置，以便保持恒定的間距并且由此保持恒定的反作用平衡力?；蛘?，可以調(diào)節(jié)輔助滑架的位置，以便最小化通過機加工控制器進行測量時主驅(qū)動器的電流需求。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明涵蓋了對圖I至4以實例方式示出的構(gòu)造的多種修改或變型。在圖I至4所示的結(jié)構(gòu)中，輔助滑架定位在主滑架下方，由壓縮彈簧26提供載荷支撐件?；蛘?，輔助滑架可以定位在主滑架上方，由張緊彈簧(或其它處于張緊的回彈性部件)提供載荷支撐件。圖5中示出了這樣的結(jié)構(gòu)，其中主滑架附接到張緊彈簧26’的下端部。輔助滑架從螺桿驅(qū)動器懸置，而不是由螺桿驅(qū)動器支撐。在其它構(gòu)造中，這種輔助滑架可以定位在主滑架的側(cè)面、后面或前面。其還可以至少部分地容納在主滑架的尺寸中。在圖6的實施例中，輔助滑架12位于主滑架4的本體內(nèi)，以提供更加緊湊的構(gòu)造。盤簧26抵靠本體的內(nèi)壁。在其它結(jié)構(gòu)中，輔助滑架及其引導(dǎo)部14可以設(shè)置在支撐柱I的背部或內(nèi)側(cè)，并且經(jīng)由延伸過帶輪的纜線或鏈向滑架施加預(yù)加載力，其中輔助滑架沿相反的方向延伸到主滑架。在這種結(jié)構(gòu)中，主和輔助滑架之間的聯(lián)接結(jié)構(gòu)包括與諸如盤簧26的回彈性部件串聯(lián)連接的纜線或鏈。與輔助滑架相關(guān)的螺桿驅(qū)動器的螺桿16可以是普通螺紋類型，或滾動元件類型，例如滾珠螺桿或滾動螺桿。第二驅(qū)動器的運動平滑度或定位精度較低，原因是通過聯(lián)接結(jié)構(gòu)，這些效果將基本上與主滑架無關(guān)。 螺桿16可以具有較細小的螺距(即低螺旋角)，使得驅(qū)動器通過其有效載荷(即主和輔助滑架)將是不可逆的。或者，螺桿可以具有較粗糙的螺距，其中高比率的或蝸輪/蝸桿齒輪箱結(jié)合到驅(qū)動系統(tǒng)中，使得該驅(qū)動系統(tǒng)仍是不可逆的。這樣，輔助滑架以及由此主滑架將在從其相應(yīng)的驅(qū)動器移除動力時保持其位置。在另一個構(gòu)造中，可以設(shè)有制動器，以便當(dāng)要求停止條件時防止螺桿16或其伺服馬達20旋轉(zhuǎn)。其它類型的驅(qū)動器的范圍可以形成輔助驅(qū)動器，該輔助驅(qū)動器可以滿足輔助滑架驅(qū)動器所要求的較低定位精度。例如，其可以為具有定位能力的齒條和小齒輪驅(qū)動器、摩擦驅(qū)動器、絞盤驅(qū)動器、或者氣動或液壓缸。輔助滑架可以用來執(zhí)行額外的功能。例如，通過輔助滑架可以獲得與主滑架的連接件。由于機加工軸運動時改變它們施加的力，所以纜線和管道路由器可以是分布和定位誤差的源。這些管道可以聯(lián)接到輔助滑架，輔助滑架具有壁主滑架低的定位精度要求。然后，可以采用一個或多個短的、柔性的且較輕的連接件來將服務(wù)從輔助滑架傳遞到主滑架。圖7中示出了另一個實施例。主滑架(或支撐件)和輔助滑架(或從動本體)的結(jié)構(gòu)與圖I所示的類似。然而，在圖7中，滑架安裝在水平地延伸的引導(dǎo)部上。在這種構(gòu)造中，輔助滑架能夠克服恒定的相反的力而精確地保持主滑架的位置。引導(dǎo)部安裝在機加工基部40上?，F(xiàn)在將參考圖8至11描述涉及旋轉(zhuǎn)機加工軸的本發(fā)明另一個實施例。如上所述，存在與上述線性應(yīng)用等效的角度?，F(xiàn)在利用示例性旋轉(zhuǎn)機加工軸描述這種變型，其中軸或心軸作為主要引導(dǎo)本體，輔助旋轉(zhuǎn)元件形成輔助引導(dǎo)本體或從動本體，在它們之間具有適形聯(lián)接件。殼體50容納為精確旋轉(zhuǎn)馬達驅(qū)動器形式的第一驅(qū)動器，該第一驅(qū)動器布置成使支撐件運動，該支撐件由軸52構(gòu)成。軸52支撐在軸承51和53上。驅(qū)動器具有附接到殼體50的直接驅(qū)動馬達定子55以及附接到軸52的直接驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)子57。附圖標(biāo)記54表示安裝在支撐件一個端部上的工件、卡盤或其它工具。支撐件的另一個端部經(jīng)由回彈性聯(lián)接件58連接到較低精度的第二驅(qū)動器60。在所示的實例中，該驅(qū)動器包括蝸桿59和齒輪61驅(qū)動器。和前述實施例一樣，應(yīng)當(dāng)理解，驅(qū)動器類型的范圍可以適用于具有足夠機械優(yōu)點的這個目的，并且如果可能，那么具有足夠的內(nèi)部摩擦，以提供所需的不可逆特性。
聯(lián)接件58用作線性回彈性聯(lián)接件26的旋轉(zhuǎn)等同形式。其包括兩個平行的間隔開的盤62和64。一組八個楔形構(gòu)件在兩個盤之間設(shè)置在沿圓周間隔開的位置處。這些構(gòu)件中的四個構(gòu)件66安裝在盤62上，同時另外四個構(gòu)件68安裝在另一個盤64上。盤簧70設(shè)置在各個構(gòu)件之間。一個盤相對于另一個盤沿一個方向的旋轉(zhuǎn)將壓縮四個彈簧，而沿另一個方向的旋轉(zhuǎn)將壓縮另外四個彈簧。在這個實施例中，盤62和相關(guān)的楔形構(gòu)件66有效地用作本文所述的從動本體，其經(jīng)由回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)58聯(lián)接到支撐件52。聯(lián)接件58示出為合適的回彈性旋轉(zhuǎn)連接件的一個實例。其它合適的結(jié)構(gòu)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是明顯的。已經(jīng)參考在機加工軸承載工具或工件來描述了本發(fā)明的實施例，同時應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明適用于要求精確定位控制的較寬范圍應(yīng)用中的機加工軸。例如，其可以用于磨削、車削和拋光，和平板印刷操作，以及機加工的部件的檢測。圖12至14涉及本發(fā)明的實施例，其中采用本文所公開的形式的反作用力機構(gòu)來提供用于機加工工具的回彈性支撐件，同時保持其基部處于期望定向。圖13中示出了機加 工工具80，其安裝在四個基部支撐單元82上。圖12中示出了支撐單元之一的放大視圖。該機加工工具包括機加工基部或基座84，其中安裝有大質(zhì)量的滑架86，以用于沿著基座進行線性運動。滑架從基座的一端運動到另一端使得施加在支撐單元82上力發(fā)生顯著的變化。每個支撐單元都包括為彈簧88形式的回彈性或適形聯(lián)接件。這提供了用于機加工質(zhì)量的支撐件，同時允許機加工基部和地板之間的相對運動處于某些頻率范圍內(nèi)(這些頻率是需要裝置避開的范圍)。該支撐單元還可以包括某些形式的阻尼件，由阻尼單元90表示，以防止機器在彈簧88上不受控制的回彈。每個彈簧都安裝在高度調(diào)節(jié)裝置92上。每個裝置都包括馬達驅(qū)動的驅(qū)動器，以用于改變?yōu)槠脚_94形式的從動本體的高度。每個支撐單元都布置成使得當(dāng)相應(yīng)的彈簧88由于單元上豎直力的變化(例如由滑架86的運動所導(dǎo)致的)而被壓縮時，支撐單元調(diào)節(jié)平臺94的高度，以改變彈簧88施加的反作用力，從而保持地板上方期望的機加工基部高度?？梢岳迷O(shè)置成與機加工基部接合的位移傳感器96來監(jiān)測機加工基部在地板上方的高度。這響應(yīng)于相應(yīng)的支撐單元附近的機加工基部的高度的變化而生成信號，以表示需要進行高度調(diào)節(jié)，該信號被供給到支撐單元或機加工工具的控制結(jié)構(gòu)。因此，以閉環(huán)方式保持在每個支撐單元位置處的機加工高度的控制。圖14示出了另一個機加工支撐件的實施方式。該支撐單元82的構(gòu)造對應(yīng)于圖12和13所示的單元。然而，機加工工具的重量基本上來自于四個主彈簧98。與支撐單元相關(guān)的輔助彈簧88能夠在機加工基部上施加與待支撐的載荷變化相對應(yīng)的力。
權(quán)利要求
1.一種反作用力機構(gòu)，其用于在物體上施加力，以將所述物體保持在期望位置，所述反作用力機構(gòu)包括 從動本體； 驅(qū)動器，所述驅(qū)動器用于使所述從動本體運動； 回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)，所述回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)用于將所述從動本體聯(lián)接到物體的一部分；以及 控制結(jié)構(gòu)，所述控制結(jié)構(gòu)布置成將驅(qū)動信號輸出到所述從動本體驅(qū)動器，以便使所述從動本體運動到一位置，在所述位置處所述從動本體經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述物體上施加力，使得所述力抵消作用在所述物體上的相反的力，并且所述反作用力機構(gòu)將所述物體的所述部分保持在所述期望位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的反作用力機構(gòu)，其中所述反作用力機構(gòu)能夠被構(gòu)造為在所述物體的所述部分上施加力，以使得所述部分被保持在支撐表面上方預(yù)定高度處。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的反作用力機構(gòu)，其包括傳感器，所述傳感器用于檢測所述物體的所述部分從所述期望位置的位移，并且響應(yīng)于所述位于將信號輸出到所述控制結(jié)構(gòu)。
4.一種用于機加工工具的機加工軸，其包括 支撐件，所述支撐件用于支撐工具或工件； 支撐件驅(qū)動器，所述支撐件驅(qū)動器用于使所述支撐件運動；以及根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的反作用力機構(gòu)，其中所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)將所述支撐件與所述從動本體彼此聯(lián)接，使得所述從動本體能夠根據(jù)所述支撐件的位置通過所述從動本體驅(qū)動器而運動就位，以便經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述支撐件上施加力，從而抵消作用在所述支撐件上的力，并且由此將所述支撐件保持在期望位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機加工軸，其中所述支撐件的運動軸是線性的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機加工軸，其中所述支撐件驅(qū)動器是線性馬達直接驅(qū)動器。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項所述的機加工軸，其中所述支撐件在使用中能夠沿著包括豎直分量的方向運動，并且所述從動本體能夠根據(jù)所述支撐件的位置而運動就位，以便經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述支撐件上施加力，從而抵消作用在所述支撐件上的重力。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項所述的機加工軸，其中所述支撐件和從動本體能夠沿著共同的引導(dǎo)部運動。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的反作用力機構(gòu)，或根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項所述的機加工軸，其中所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)包括與回彈性部件串聯(lián)聯(lián)接的連接器，所述連接器延伸過帶輪。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機加工軸，其中所述支撐件的運動軸是旋轉(zhuǎn)的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機加工軸，其中所述支撐件驅(qū)動器是旋轉(zhuǎn)馬達直接驅(qū)動器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的機加工軸，其中所述支撐件在使用中能夠繞一軸旋轉(zhuǎn)，并且所述從動本體能夠繞一軸旋轉(zhuǎn)至根據(jù)所述支撐件的角度位置而定的角度位置，以便經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述支撐件上施加力，從而抵消作用在所述支撐件上的扭轉(zhuǎn)力。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的機加工軸，其中所述支撐件和從動本體能夠繞共同的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求4至13中任一項所述的機加工軸，其包括阻尼機構(gòu)，所述阻尼機構(gòu)用于使所述支撐件和所述從動本體中的一個相對于另一個減速。
15.根據(jù)權(quán)利要求4至14中任一項所述的機加工軸，其包括安全機構(gòu)，所述安全機構(gòu)用于阻止所述支撐件和所述從動本體之間的間距減小至小于最小閾值。
16.根據(jù)權(quán)利要求4至15中任一項所述的機加工軸，其包括安全機構(gòu)，所述安全機構(gòu)用于阻止所述支撐件和所述從動本體之間的間距增大至超過最大閾值。
17.根據(jù)權(quán)利要求4至16中任一項所述的機加工軸，其包括制動機構(gòu)，當(dāng)移除由所述支撐件驅(qū)動器施加的驅(qū)動力時，所述制動機構(gòu)用于阻止所述支撐件的運動。
18.根據(jù)權(quán)利要求4至17中任一項所述的機加工軸，其中所述從動本體能夠相對于與所述支撐件相同的運動軸進行運動。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的機加工軸,其中所述從動本體位于所述支撐件內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求4至19中任一項所述的機加工軸，其中所述控制結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為依據(jù)所述支撐件驅(qū)動器的動力需求而調(diào)節(jié)所述從動本體的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的機加工軸，其中所述控制結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為調(diào)節(jié)所述從動本體的位置，以便最小化所述支撐件驅(qū)動器的動力需求。
22.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的反作用力機構(gòu)，或根據(jù)權(quán)利要求4至21中任一項所述的機加工軸，其中所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)包括盤簧、撓曲件和氣體彈簧中的一種。
23.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的反作用力機構(gòu)，或根據(jù)權(quán)利要求4至22中任一項所述的機加工軸，其中所述從動本體驅(qū)動器能夠在不需要電能的情況將所述從動本體保持就位。
24.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的反作用力機構(gòu)，或根據(jù)權(quán)利要求4至23中任一項所述的機加工軸，其中所述從動本體驅(qū)動器選自螺桿驅(qū)動器；齒條和小齒輪驅(qū)動器；摩擦驅(qū)動器；絞盤驅(qū)動器；氣動驅(qū)動器；液壓驅(qū)動器；蝸輪蝸桿驅(qū)動器；以及帶驅(qū)動器。
25.一種機加工工具，其包括根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的反作用力機構(gòu)，或根據(jù)權(quán)利要求4至24中任一項所述的機加工軸。
26.一種機加工工具，其包括至少一個根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的反作用力機構(gòu)，其中所述反作用力機構(gòu)布置成在所述機加工工具的本體的一部分上施加力，以將所述部分保持在支撐表面上方預(yù)定高度處。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的機加工工具，其中與所述反作用力機構(gòu)并行地設(shè)置有至少一個回彈性支撐結(jié)構(gòu)，以幫助將所述部分維持在支撐表面上方預(yù)定高度處。
28.一種操作根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的反作用力機構(gòu)的方法，其包括以下步驟 將驅(qū)動信號從所述控制結(jié)構(gòu)輸出到所述從動本體驅(qū)動器，以便使得所述驅(qū)動器使所述從動本體運動到一位置，在所述位置處所述從動本體經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述物體上施加力，使得所述力抵消作用在所述物體上的相反的力，并且所述反作用力機構(gòu)將所述物體的所述部分保持在所述期望位置。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，包括以下步驟響應(yīng)于所述物體從所述期望位置的位移而生成輸入信號，并且將所述輸入信號發(fā)送到所述控制結(jié)構(gòu)。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的方法，包括以下步驟生成表示所述物體的期望位置的輸入信號，并且將所述輸入信號發(fā)送到所述控制結(jié)構(gòu)。
31.一種操作根據(jù)權(quán)利要求4至24中任一項所述的機加工軸的方法，其包括以下步驟 利用所述支撐件驅(qū)動器使所述支撐件運動到第一預(yù)定位置；以及根據(jù)所述第一預(yù)定位置利用所述從動本體驅(qū)動器使所述從動本體運動到第二預(yù)定位置，以便經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述支撐件上施加力，從而抵消作用在所述支撐件上的力。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中根據(jù)所述第一預(yù)定位置利用所述從動本體驅(qū)動器使所述從動本體運動到第二預(yù)定位置，以便經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述支撐件上施加力，從而抵消作用在所述支撐件上的重力。
33.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的反作用力機構(gòu)，根據(jù)權(quán)利要求4至24中任一項所述的機加工軸，根據(jù)權(quán)利要求25至27中任一項所述的機加工工具，或根據(jù)權(quán)利要求28至32中任一項所述的方法，其中經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)施加在所述物體或支撐件上的力與作用在所述物體或支撐件上的所述相反的力基本上相等且相反。
34.一種用于機加工工具的機加工軸，其包括 主滑架，所述主滑架用于支撐工具或工件，所述主滑架在使用時能夠沿著包括豎直分量的方向運動； 第一驅(qū)動器，所述第一驅(qū)動器用于使所述主滑架運動； 輔助滑架； 第二驅(qū)動器，所述第二驅(qū)動器用于使所述輔助滑架運動；以及聯(lián)接結(jié)構(gòu)，所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)用于將所述主滑架和輔助滑架彼此聯(lián)接，其中所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)包括回彈性部件， 從而，所述輔助滑架能夠根據(jù)所述主滑架的位置而運動就位，以便經(jīng)由所述聯(lián)接結(jié)構(gòu)在所述主滑架上施加力，由此抵消作用在所述主滑架上的重力。
35.一種參考附圖基本上如本文所述的反作用力機構(gòu)。
36.一種參考附圖基本上如本文所述的機加工軸。
37.一種參考附圖基本上如本文所述的機加工工具。
38.一種參考附圖基本上如本文所述的操作反作用力機構(gòu)的方法。
39.一種參考附圖基本上如本文所述的操作機加工軸的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及反作用力機構(gòu)，其布置成在物體上施加力，以將所述物體保持在期望位置。該機構(gòu)包括從動本體(12、62、94)、用于使從動本體運動的驅(qū)動器(20、60、92)以及用于將從動本體聯(lián)接到物體的一部分上的回彈性聯(lián)接結(jié)構(gòu)(26、70、88)。控制結(jié)構(gòu)布置成將驅(qū)動信號輸出到從動本體驅(qū)動器，以便使從動本體運動到一位置，在位置處從動本體經(jīng)由聯(lián)接結(jié)構(gòu)在物體上施加力，使得力抵消作用在物體上的相反的力，并且反作用力機構(gòu)將物體的部分保持在期望位置。本發(fā)明還涉及結(jié)合有這種反作用力機構(gòu)的機加工軸和機加工工具，以及它們的操作方法。
文檔編號B23Q11/00GK102802868SQ201180011682
公開日2012年11月28日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者M·皮爾斯, T·斯托爾伯爾 申請人:辛涅提克蘭迪斯有限公司