DE602004006807T2

DE602004006807T2 - Bearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE602004006807T2
Application number: DE602004006807T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Hachioji-shi Tokyo Hosoe
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: KR20050015967A; DE602004006807D1; US20070006436A1; EP1506836B1; CN1579704A; CN1579704B; JP4715081B2; KR101109858B1; DE602004026370D1; US20050034289A1; TW200515970A; EP1506836A1; US7293337B2; EP1810782B1; JP2005088125A; EP1810782A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad der Bearbeitung von drei Achsen oder mehr.
Hierbei ist der Begriff "Achsen" ("axes") oder "eine Achse" ("an axis") als ein Abschnitt einer Bearbeitungsvorrichtung definiert, der als Bezugslinie oder Bezugsebene einer Bearbeitungsbewegung fungiert, beispielsweise die Drehwelle eines Dreh-/Schwenktischs, die Gleitbahn eines Gleittischs etc.. Der Freiheitsgrad bei der Bewegung zur Bearbeitung ist einer für jede der "Achsen". Eine Bearbeitungsvorrichtung für die Anwendung einer Schneidbearbeitung, einer Schleifbearbeitung oder dergleichen an einem optischen Element und mit einem Formwerkzeug zu dessen Formgebung ist bekannt (siehe Patentliteratur 1).
[Patentliteratur 1] Die Veröffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung 2003-39294.
In diesem Zusammenhang ist, um eine komplex gekrümmte Oberfläche, welche einer asphärischen Oberfläche eines optischen Elements entspricht, mit hoher Genauigkeit zu erzeugen, ein Bearbeitungs-Freiheitsgrad von zwei oder weniger unzureichend, und ein Bearbeitungs-Freiheitsgrad von drei oder mehr ist erforderlich. Bei einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr zur Erzeugung einer optischen Oberfläche, die eine freie Oberfläche ist, wird es jedoch unabhängig davon, ob die Bearbeitung ein Schneidvorgang oder Schleifvorgang ist, notwendig, einen Formgebungsprozess durchzuführen, bei dem eine bearbeitete Oberfläche erzeugt wird, während eine Anzahl von durchgehenden Bearbeitungsschritten aufeinanderfolgen; daher weist sie (die Bearbeitung) das Merkmal auf, sehr viel Zeit zu erfordern, was bei der Bearbeitung mittels irgendwelcher anderer Arten von Bearbeitungsvorrichtungen nicht anzutreffen ist. Aus diesem Grund ist es, um eine Bearbeitung zur Erzeugung einer freien Oberfläche mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad durchzuführen, notwendig, die folgenden notwendigen Bedingungen zufriedenstellender als bei einer herkömmlichen Bearbeitungsvorrichtung durchzuführen.
[NOTWENDIGE BEDINGUNGEN ZUR ERZIELUNG HOHER GENAUIGKEIT]

(1) Es besteht die Notwendigkeit, die Steuergenauigkeit der Maschine zu erhöhen, und zu diesem Zweck ist es notwendig, eine Werkbank (einen Gleittisch oder einen Dreh-/Schwenktisch), die (der) von einem Hochgeschwindigkeits-Servomechanismus mit hoher Genauigkeit angetrieben wird, die durch die Verbesserung der Auflösungskraft der Positionsmessung jeder der Achsen erreicht wird, zu steuern, oder die angetriebene Werkbank durch die Anwendung eines Materials mit geringerem spezifischem Gewicht leichter zu machen, so dass sie mit dem Antriebsbefehl des Servomotors mit hoher Genauigkeit Schritt halten kann.
(2) Da die Maschine eine Blockstruktur aufweist, wobei jeder der Achsabschnitte in zwei oder drei Stufen übereinander angeordnet ist, was aus strukturellem Grund eine Verringerung der Gesamtsteifigkeit ergibt, ist es notwendig, die Steifigkeit jedes der Achsabschnitte so weit wie möglich zu erhöhen, und zu diesem Zweck wird es wichtig, die Viskosität des Druckübertragungsmittels des Gleitelements mit statischem Druck zu senken oder ein Material mit einem hohen Elastizitätsmodul zu verwenden.
(3) Es ist auch sehr wichtig, die Maschine keiner Temperaturschwankung der Umgebung auszusetzen, und in einem Fall, in dem ein Statikdruck-Gleitelement verwendet wird, ist es wichtig, die Viskosität des Druckübertragungsmittels zu senken, um eine nutzlose Wärmeerzeugung an der Statikdruckfläche zu vermeiden, und es ist auch wichtig, ein Material mit einem kleinen linearen Dehnungskoeffizienten für jedes der Elemente auszuwählen.
(4) Es ist nötig, die Bearbeitungszeit zu verkürzen, damit es möglich wird, die Bearbeitung zu beenden, bevor die Schwankung in der Umgebung zu groß wird, und die Bearbeitung mit hohem Wirkungsgrad durchzuführen; deshalb sind die folgenden Dinge notwendig: um mit der hohen Auflösung der Positionsmessung durch Erhöhen der Geschwindigkeit des Servomechanismus Schritt zu halten, um die Achse mit hoher Geschwindigkeit anzutreiben, und um die Viskosität des Druckübertragungsmittels zu senken, so dass die Verringerung der Steifigkeit der Statikdruckfläche und eine Schwingung nicht entstehen.
(5) Um den Einfluss der Schwingung aufgrund der Schwingung des Bodens und der Schwingung des Maschinenkörpers selbst zu verhindern, ist es nötig, einen aktiven, schwingungsdämpfenden Tisch oder dergleichen zu verwenden, der eine Steuerung der Art ausübt, dass er eine Schwingung auf aktive Weise erfasst und dämpft.

Bisher hat es aber keine Bearbeitungsmaschine mit einem Bearbeitungs-Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr gegeben, welche die Kompatibilität einer hohen Genauigkeit in der Größenordnung von Sub-Mikron mit einem hohen Wirkungsgrad bei der Bearbeitung erreichen kann.
US-5402607 beschreibt eine mehrachsige, numerisch gesteuerte Maschine zum Bearbeiten von Oberflächen, auf der der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht.
Abriss der Erfindung
Diese Erfindung wurde in Anbetracht der oben erwähnten problematischen Punkte bei herkömmlichen Technologien getätigt, und es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem Bearbeitungs–Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr bereitzustellen, die in der Lage ist, die Kompatibilität hoher Genauigkeit mit hohem Wirkungsgrad bei der Bearbeitung zu erzielen.
Eine Bearbeitungsvorrichtung der Erfindung ist eine Bearbeitungsvorrichtung zum Durchführen einer Schneidbearbeitung oder einer Schleifbearbeitung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr, welche die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
Bei einer hochgenauen Bearbeitungsvorrichtung mit einer Messungsauflösung von 10 nm oder weniger für die Achsposition auf der Basis einer herkömmlichen Technologie war in den meisten Fällen das Material der anzutreibenden Werkbank Kohlenstoffstahl wie z.B. Gusseisen oder S45C, und sein spezifisches Gewicht betrug etwa 7,8g/cm³. Da die Werkbank schwer wurde und die erforderliche Energie eines Servomotors zum Antrieb dieser sehr groß wurde, bestand daher ein Problem insofern, als die erzeugte Wärmemenge bei diesem Motor sehr hoch war. Da es ferner nicht möglich war, die Werkbank mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen, bestand auch ein Problem insofern, als die Bearbeitungsgeschwindigkeit langsam wurde, was die Bearbeitungszeit verlängerte, und falls eine Schwankung in der Umgebung, wie z.B. die der Temperatur auftrat, wurde die Verformung der Werkbank infolge einer Wärmedehnung und die Positionsabweichung eines Werkstücks und eines Werkzeugs groß, was eine hochgenaue Bearbeitung erschwerte.
Ferner wird bei einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Bearbeitungs-Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr in den meisten Fällen eine Formgebungsbearbeitung durchgeführt, das heißt eine Bearbeitung, bei der zusammen mit einer Hin- und Herbewegung in Bezug auf eine Achse eine weitere Bewegung in Bezug auf eine andere Achse durchgeführt wird, was ein Werkzeug entlang der Querschnittsform einer freien Oberfläche bewegt, und durch die dreidimensionale Überlagerung einer Anzahl von Bewegungen des Werkzeugs übereinander wird durch Schneiden, Schleifen etc. eine gekrümmte Oberfläche erzeugt; diese Formgebungsbearbeitung braucht jedoch sehr viel Zeit, insbesondere bei der Erzeugung einer hochgenauen optischen Oberfläche; auch bei einem Werkstück einer Größe von mehreren Zentimeter ist es allgemein üblich, dass eine Bearbeitungszeit von -zig Stunden hierfür erforderlich ist. Demgemäß ist es sehr wichtig, zum Zweck der Durchführung einer hochgenauen Erzeugung einer optischen Oberfläche, die Bearbeitung dem Einfluss der Änderung in der Umgebung, wie z.B. der Temperatur, während der Zeitspanne der Bearbeitung zu entziehen, oder die Umgebungsschwankung während der Bearbeitung durch Verkürzen der Bearbeitungszeit zu verringern.
Hingegen kann gemäß dieser Erfindung auch in einem Fall, in dem eine Temperaturschwankung auftritt, da der Wärmedehnungskoeffizient auf einen niedrigen Wert im Vergleich mit Stahl oder dergleichen gedrückt werden kann, indem der oben genannte erste Bearbeitungstisch aus Keramikmaterial hergestellt wird, die Bearbeitungsgenauigkeit beibehalten werden, während die Bearbeitungszeit verkürzt werden kann, da die Beschleunigungs- und Verzögerungsfähigkeit durch die leichtere Gestaltung der Werkbank erhöht wird. Da es ferner ausreicht, wenn die Energie des Motors oder dergleichen als Achselement-Antriebsmittel zum Antreiben der oben erwähnten ersten Werkbank gering ist, kann eine Energieeinsparung erzielt werden und auch die Wärmeerzeugung kann gemindert werden; daher kann eine Bearbeitung mit höherer Genauigkeit erfolgen.
Ferner ist es bei einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Bearbeitungs-Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr wesentlich, eine Struktur der Art aufzubauen, dass eine Werkbank mit einer Achse auf einer Werkbank mit einer anderen Achse angeordnet ist, da die Anzahl von Achsen groß ist, und für gewöhnlich eine mehrachsige Struktur aus zwei- oder dreistufigen, aufeinandergeschichteten bzw. -gestapelten Werkbänken hergestellt ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass sich die Steifigkeit jedes Achselements kumuliert, um schließlich ein Werkzeug oder ein Werkstück zu haltern; dies bedeutet daher, dass im Vergleich zu einer gewöhnlichen Bearbeitungsvorrichtung mit zwei Achsen oder weniger deren Achssteifigkeit auf das Doppelte oder Dreifache angehoben werden muss. Darüberhinaus ist es notwendig, damit ein Werkzeug oder Werkstück eine Interferenz zwischen den Bewegungen bezüglich ihrer jeweiligen Achsen vermeidet, dass das Werkzeug oder Werkstück an einer Stelle befestigt ist, die von der Gleitbahn jedes der Achselemente in überhängender Weise stark abweicht; da die Bearbeitungskraft auf die Gleitbahn als ein Kraftmoment während der Bearbeitung einwirkt, und ferner die Bearbeitung unter einer Bedingung durchgeführt werden muss, dass die Steifigkeit nachlässt, ist es ferner notwendig, die Steifigkeit jedes der Achselemente bei einer hochgenauen Bearbeitung mit drei Achsen oder mehr so hoch wie möglich zu machen.
Hingegen kann gemäß dieser Erfindung durch Formen der oben genannten ersten Werkbank aus Keramikmaterial, z.B. im Vergleich mit einer aus Gusseisen hergestellten herkömmlichen Werkbank deren Gewicht stark verringert werden, und ihr Young'sches Modul bzw. Elastizitätsmodul kann verdoppelt werden. Daher kann ein durch das Eigengewicht verursachtes Verbiegen vermieden werden und es wird ein Aufbau erreicht, bei dem eine Resonanz oder dergleichen nur schwerlich entsteht, da die spezifische Frequenz der Schwingung erhöht wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer fünfachsigen Bearbeitungsvorrichtung 10 dieser Erfindung,
2 eine Schnittansicht eines Gleittischs und eines Dreh-/Schwenktischs bei einem modifizierten Beispiel dieser Ausführungsform,
3 eine Schnittansicht eines Gleittischs und eines Dreh-/Schwenktischs bei einem weiteren modifizierten Beispiel dieser Ausführungsform, und
4 eine Schnittansicht eines Gleittischs bei einem noch anderen modifizierten Beispiel dieser Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Zunächst werden die bevorzugten Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung der Erfindung hat das vorgenannte Keramikmaterial einen linearen Dehnungskoeffi zienten von 5 × 10^–6 K^–1 oder weniger; daher kann im Vergleich zu Gusseisen seine Wärmedehnung auf die Hälfte oder weniger gesenkt werden; daher kann die Bearbeitungsgenauigkeit sicher beibehalten werden, während die Beschleunigungsfähigkeit aufgrund der Verringerung ihres Eigengewichts erhöht wird, was es ermöglicht, die Bearbeitungszeit zu verkürzen.
In der Bearbeitungsvorrichtung enthält das vorgenannte Keramikmaterial Siliziumnitrid von 50 Gewichtsprozent oder mehr, umgewandelt in Si₃N₄, und hat ein spezifisches Gewicht von 4 g/cm³; daher verringert sich das Gewicht der vorgenannten Werkbank um die Hälfte oder mehr gegenüber einer herkömmlichen, und auch wenn die Energie des Achselement-Antriebsmittels zu deren Antrieb (beispielsweise eines Motors) die gleiche ist, kann die Beschleunigung theoretisch verdoppelt werden. Demgemäß wird die Zeit zur Erreichung der Ziel-Bearbeitungsgeschwindigkeit halbiert, und die erzeugte Wärmemenge wird aus diesem Grund ebenfalls halbiert. Da ferner die Reaktion des Servomechanismus bei der Erfassung der Position der vorgenannten ersten Werkbank schnell wird und eine Rückkoppelung zu dem Antriebsmotor stattfindet, wird die Genauigkeit der Bewegung und die Genauigkeit der Positionierung der ersten Werkbank vergrößert. Unter diesem Gesichtspunkt wäre es besser, wenn das spezifische Gewicht geringer wäre; da aber gleichzeitig auch ein hohes Elastizitätsmodul für den Zweck der Steigerung der Steifigkeit notwendig ist, sollte das Material so ausgewählt werden, dass dies berücksichtigt wird.
In der Bearbeitungsvorrichtung hat das vorgenannte Keramikmaterial ein Elastizitätsmodul von 200 GPa oder mehr; daher kann im Vergleich zu Gusseisen das Elastizitätsmodul um 30 Prozent oder mehr erhöht werden, und aus diesem Grund ist es möglich, die Steifigkeit der vorgenannten ersten Werkbank zu verbessern.

Der Hauptteil des Materials einer herkömmlichen Bearbeitungsvorrichtung ist Gusseisen, und dessen Elastizitätsmodul beträgt nicht mehr als 150 GPa; wenn daher eine Kombination der Achselemente mit einem Freiheitsgrad von drei oder mehr insgesamt anzuwenden ist, ist es unmöglich, eine hochgenaue Bearbeitung zu erzielen. Ferner ist der lineare Dehnungskoeffizient mit 10 × 10^–6 K^–1 zu hoch, und unter einem Zustand, bei dem die Umgebungstemperatur bei einer Bearbeitung über eine längere Zeitspanne schwankt, entsteht eine Wärmedehnung oder -kontraktion, was den Bearbeitungspunkt verschiebt. Wie in 1 gezeigt ist, sind bei Materialien, die als Material für eine jeweilige Maschinenstruktur in Betracht kommen, Elastizitätsmodule und lineare Dehnungskoeffizienten aufgeführt. Keramikmaterialien, wie z.B. Siliziumnitrid, Sialon und Siliziumcarbid werden zu Kandidaten als Material, das bei einer Bearbeitungsvorrichtung anzuwenden ist. Unter diesen Keramikmaterialien ist Sialon ein Materialgemisch, das hauptsächlich auch Siliziumnitrid und darin enthaltener Tonerde etc. besteht, und die Grundeigenschaft ist ähnlich Siliziumnitrid als Hauptkomponente. Demgemäß haben beide Materialien eine hohe Bruchfestigkeit als jeweiliges Keramikmaterial und weisen den Vorteil auf, dass sie nicht leicht zerbrechen. Daher erfüllt insbesondere ein Keramikmaterial, das hauptsächlich aus Siliziumnitrid besteht, die Bedingung eines spezifischen Gewichts von 4/cm³ oder weniger, eines linearen Dehnungskoeffizienten von 5 × 10^–5 K^–1 oder weniger und eines Elastizitätsmoduls von 200 GPa oder mehr, und gleichzeitig fällt es dadurch auf, dass es eine hohe Bruchfestigkeit hat und schwer zu zerbrechen ist; durch Anwendung dieses Materials in einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Bearbeitungs-Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr ist es möglich, eine äußerst genaue Bearbeitung stabil durchzuführen. Tabelle 1

	Gusseisen	Granit	Invar	Nobinit CS-5	Al₂O₃	Si₃N₄	Sialon	Siliziumkarbid
spezifisches Gewicht [g/cm³]	7,3	26	8,1	7,5	3,9	3,3	3,3	3,1
Härte [Hv]	200	500	190	160	1800	1400	1580	2200
Bruchfestigkeit [MN/m^3/2]	-	-	-	-	4,0	6,0	6,0	3,5
Elastizitätsmodul [GPa]	150	70	130	130	382	284	294	412
linearer Dehnungskoeffizient [× 10^–6 K^–1]	11	7,0	1,5	2	7,2	2,7	3,0	4,0
Wärmeleitfähigkeit [W/mK]	41	18	11	13	29	13	21	83

In der Bearbeitungsmaschine wird die vorgenannte erste Werkbank entlang einem Statikdruck-Gleitelement durch ein Achselement-Antriebsmittel mit einer Frequenz von 50 Hz (erwünschterweise 100 Hz) mit einer Servoverstärkung, die –3 dB beträgt, angetrieben. Auch in einem Fall, in dem die Bewegungsgeschwindigkeit der vorgenannten ersten Werkbank erhöht wird, um den Wirkungsgrad der Bearbeitung zu erhöhen, kann wegen der Verringerung des Gewichts der ersten Werkbank die Formanpassung der ersten Werkbank beibehalten werden, obwohl das oben genannte Achselement-Antriebsmittel einer Steuerung mit sehr hohem Ansprechverhalten unterliegt; daher ist es möglich, die Verbesserung des Wirkungsgrads bei der Bearbeitung mit der hohen Bearbeitungsgenauigkeit kompatibel zu machen.
In der Bearbeitungsvorrichtung ist das vorgenannte Achselement-Antriebsmittel ein Linearmotor. Bei einem linearen Antrieb einer allgemeinen Bearbeitungsvorrichtung wird auch eine Kugelumlaufspindel, eine Statikdruckschraube oder dergleichen verwendet, und insbesondere bei einer Bearbeitungsvorrichtung zum Ausführen einer Schneidbearbeitung oder Schleifbearbeitung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr wie bei dieser Erfindung ist es erwünscht, die Achselemente mit hoher Geschwindigkeit zum Zweck der Verkürzung der Bearbeitungszeit und der Erzielung einer hohen Genauigkeit anzutreiben. Was Kugelumlaufspindeln betrifft, so wird eine Mutter über eine Anzahl Kugeln durch eine Schraube bzw. Spindel gehaltert, und infolgedessen wird eine Zufuhr bzw. ein Vorschub des Achselements durch das Rollen von Kugeln in Kontakt mit der Spindel durchgeführt; deshalb werden, je höher die Geschwindigkeit wird, umso stärkere Schwingungen erzeugt, was es erschwert, eine hochgenaue Bearbeitung durchzuführen. Was eine Statikdruckschraube betrifft, so ist es ferner zwar von Vorteil, dass sie nicht zur Quelle von Vibration wird, da die Schraube durch einen Statikdruck von Öl gegen ihr Muttergewinde gehaltert wird, aber die Viskosität des Öls wird hoch, um die Steifigkeit in der Vorschubrichtung hoch zu halten, was ein starkes Drehmoment zur Drehung der Schraube mit hoher Geschwindigkeit notwendig macht; somit ergibt sich ein Problem einer Wärmeerzeugung, ein Problem, dass die Kraft des Antriebsmotors zu erhöhen ist, etc.. Unter diesen Gesichtspunkten kann behauptet werden, dass es erwünscht ist, einen Linearmotor einzusetzen, der eine hohe Beschleunigung und einen Nicht-Kontaktvorschub bewerkstelligen kann. Darüberhinaus ist bei einer Bearbeitungsvorrichtung dieses Aufbaus, da die anzutreibende, oben erwähnte erste Werkbank aus Keramikmaterial hergestellt ist, das ein nicht-leitendes und nicht-magnetisches Material ist, der magnetische Leckfluss infolge des auf der oben genannten Werkbank mit dem Gleitelement angeordneten Linearmotors sehr schwach, was anders ist als im Fall eines herkömmlichen metallischen Materials wie Gusseisen, und es wird auch kein Wirbelstrom und keine elektromotorische Kraft infolge der Bewegung der oben genannten ersten Werkbank erzeugt; daher ist die erste Werkbank äußerst geeignet zur Anwendung eines solchen Linearmotors aus dem Grund, dass ein hochgenauer Vorschub mit hoher Geschwindigkeit und einer geringen Geräuschentwicklung bewerkstelligt werden kann. Die Bearbeitungsvorrichtung kann ferner ein Messmittel umfassen mit einer Auflösung von 10 nm oder weniger zum Messen der Position der vorgenannten ersten Werkbank; daher wird das Ansprechverhalten des Servomechanismus, der die Position der oben genannten ersten Werkbank erfasst, um dem Achselement-Antriebsmittel eine Rückkoppelung zu vermitteln, schneller gemacht, was die Bewegungsgenauigkeit und die Genauigkeit der Positionierung der oben genannten ersten Werkbank verbessert.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit eines von der vorgenannten ersten Werkbank gehaltenen Werkstücks oder Werkzeugs 600 mm/min oder höher.
Bei einer Fertigungsbearbeitung mittels einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr nach obiger Beschreibung tendiert die Bearbeitungszeit dazu, länger zu werden, da meistens eine Formgebungsbearbeitung zum Erzeugen einer frei gekrümmten Oberfläche durch die Kumulierung einer durch eine Hin- und Herbewegung gebildeten Querschnittsform angewandt wird. Aus diesem Grund ist anzumerken, dass es wichtig ist, die Bearbeitungszeit durch Erhöhen der Bearbeitungsgeschwindigkeit zu verkürzen, damit nicht nur der Wirkungsgrad der Bearbeitung verbessert werden kann, sondern auch eine hochgenaue Bearbeitung durch die Verringerung der Temperaturschwankung bei der Bearbeitung erfolgen kann.
In der obigen Beschreibung ist es die Frequenz-Eigenschaft des Messsensors, wie z.B. einer Laserskala zum Durchführen der Messung der Position des Achselements, die hauptsächlich das obere Limit der Bearbeitungsgeschwindigkeit bestimmt. Je höher die Messgenauigkeit eines einzusetzenden Sensors gemacht wird, umso höher wird die Genauigkeit des auszugebenden Positionssignals; da aber deswegen eine Anzahl von Bewegungssignalen auch bei winzigen Bewegungen eines Achselements ausgegeben werden, erreicht dessen Ausgabefrequenz leicht mehrere MHz in einem Fall, in dem ein Achselement mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird. Aus diesem Grund übersteigt die Frequenz den zulässigen Frequenzbereich der analogen Verstärkerschaltung in dem Messsensor und in der Verdrahtung zu dem Servoantrieb, und die Aktion des Achselements kann hiermit nicht schritthalten, was einen Fehler ergibt.
Angenommen, die Signale werden in einer Einheit von 1nm ausgegeben, um die Genauigkeit der Erfassungsauflösung des Messsensors zu erhöhen, so wird die Frequenz 10 Mhz bei einer Achselement-Geschwindigkeit von 600mm/min. Eine Frequenz dieser Größenordnung ist in der gegenwärtigen Situation der maximale Frequenzwert eines von einem Messsensor bei Beibehaltung der Genauigkeit auszugebenden Signals. Um eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad in kurzer Zeit auszuführen, ist es demgemäß erwünscht, eine Bearbeitung mit dieser höchstmöglichen Geschwindigkeit in der gegenwärtigen Situation durchzuführen, und von nun an, falls der Frequenzbereich des Messsensors verbessert wird, ist es erwünscht, die Geschwindigkeit der Bearbeitung entsprechend dem Umfang der Verbesserung anzuheben. Demgemäß ist es bei dieser Struktur am erwünschtesten vom Gesichtspunkt des Wirkungsgrads und der Bearbeitungsgenauigkeit, die Bearbeitungsgeschwindigkeit auf 600mm/min oder höher zu gestalten, wobei dies die Erwartung einer bestimmten Verbesserung von nun an mit einschließt.
Um Achselemente mit hoher Genauigkeit in Kompatibilität mit einem Hochgeschwindigkeitsantrieb zu steuern, ist es ferner notwendig, dass die Servosteuerfähigkeit auch auf diesen Frequenzbereich des Messsensors ausreichend ansprechen kann, es besteht jedoch die tatsächliche Situation, dass der Frequenzbereich der Servoschleife für gewöhnlich in der Größenordnung von 50 Hz bis 100 Hz oder höchstenfalls in der Größenordnung von 200 Hz liegt, was bemerkenswert niedrig im Vergleich zu dem Frequenzbereich des oben beschriebenen Messsensors ist. Da eine elektrische Schaltung zum Ausführen dieser Servosteuerung für gewöhnlich einen Frequenzbereich hat, der nahe an mehrere hundert kHz herankommt, ist verständlich, dass die Ansprechgeschwindigkeit dieses Abschnitts kaum den Frequenzbereich der Servoschleife beeinflusst. Das heißt, es ist meistens das mechanische Ansprechverhalten, welches den Frequenzbereich der Servoschleife bestimmt, und das Ansprechverhalten hängt meistens von der erforderlichen zeitlichen Verzögerung zum Bewegen der oben erwähnten ersten Werkbank oder einer zweiten Werkbank von dem Zeitpunkt ab, zu dem ein Befehlssignal in eine Antriebskraft durch den Antriebsmotor umgewandelt wird und zu der Werkbank übertragen wird. Demgemäß ist verständlich, wie wirksam es zur Durchführung einer hochgenauen Bearbeitung in Kompatibilität mit einer Hochgeschwindigkeitsleistung ist, dass bei diesem Aufbau die Masse der oben genannten ersten Werkbank verringert wird, was die Trägheitskraft und das Trägheitsmoment abschwächt und das mechanische Ansprechverhalten verbessert.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung wird die vorgenannte erste Werkbank mit der höchsten Geschwindigkeit in der Bearbeitungsvorrichtung angetrieben; daher ist es möglich, die oben erwähnte Wirkung noch besser zu erzielen.
Die Bearbeitungsvorrichtung ist eine Bearbeitungsvorrichtung, die eine Schneidbearbeitung oder eine Schleifbearbeitung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr ausführt, wobei eine zweite Werkbank, die ein Werkstück oder ein Werkzeug hält und mit einem Freiheitsgrad von mindestens einer Achse oder mehr drehen/schwenken kann, aus Keramikmaterial gefertigt ist.
Das Material für die Herstellung einer herkömmlichen dreh-/schwenkbaren Werkbank ist in den meisten Fällen Gusseisen oder Stahl. Aus diesem Grund wird die dreh-/schwenkbare Werkbank schwer, und die Energie eines Servomotors, die zu ihrem Antrieb erforderlich ist, wird hoch, was in der Erzeugung einer großen Wärmemenge an dem Achselement-Antriebsmittel (beispielsweise einem Motor) resultiert. Da es ferner nicht möglich ist, die dreh-/schwenkbare Werkbank mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen, wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit langsam und die Bearbeitungszeit wird länger, was die Schwankungen in der Umgebung, wie z.B. die Temperaturschwankungen, größer macht; daher verstärkt sich die Verformung der Werkbank infolge von Wärmedehnung und die Positionsverschiebung eines Werkzeugs und eines Werkstücks wird groß, was eine hochgenaue Bearbeitung erschwert.
Da es im Gegensatz hierzu durch diesen Aufbau möglich ist, eine Wärmedehnung so zu mindern, dass sie niedriger ist im Vergleich zu Stahl, indem die vorgenannte zweite Werkbank aus Keramikmaterial gebildet wird, kann auch in einem Fall, in dem eine Temperaturschwankung auftritt, die Bearbeitungsgenauigkeit beibehalten werden, und auch die Beschleunigungs-/Verzögerungsleistung wird durch die leichtere Gestaltung der Werkbank verbessert, was es ermöglicht, die Bearbeitungszeit zu verkürzen. Da ferner auch dann, wenn die Kapazität eines Motors oder dergleichen als Antriebsmittel zum Antreiben der oben erwähnten zweiten Werkbank gering ist, diese aber ausreicht, kann eine Energieeinsparung erreicht werden, und gleichzeitig kann die erzeugte Wärmemenge gemindert werden; daher kann eine Bearbeitung mit höherer Genauigkeit erfolgen.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung hat das vorgenannte Keramikmaterial einen Lineardehnungskoeffizienten von 5 × 10^–6 K^–1 oder weniger. Die Wirkung dieses Aufbaus ist die gleiche wie die vorstehend dargelegte Struktur.
In der Bearbeitungsvorrichtung enthält das vorgenannte Keramikmaterial Siliziumnitrid von fünfzig Gewichtsprozent, umgewandelt in Si₃O₄, und mit einem spezifischen Gewicht von 4g/cm³. Die Wirkung dieses Aufbaus ist die gleiche wie die der bereits beschriebenen Struktur.
In der Bearbeitungsvorrichtung hat das vorgenannte Keramikmaterial ein Elastizitätsmodul von 200 GPa oder mehr.
Die Wirkung dieses Aufbaus ist die gleiche wie bei der oben dargelegten Struktur.
In der Bearbeitungsvorrichtung wird die vorgenannte zweite Werkbank entlang einem Statikdruck-Gleitelement durch ein Achselement-Antriebsmittel mit einer Frequenz von 50 Hz (erwünschterweise 100 Hz) oder höher angetrieben, wobei eine Servoverstärkung zu –3 dB wird. Die Wirkung dieser Struktur ist die gleiche wie die der bereits dargelegten Struktur.
In der Bearbeitungsvorrichtung ist das oben genannte Achselement-Antriebsmittel ein Wechselstrom-Servomotor. Was die zweite, schwenkbare Werkbank betrifft, so wird ihr Antrieb zum Drehen/Schwenken durch einen Gleichstrom-Servomotor oder ein Verfahren derart ausgeführt, dass die Auflösung des Drehwinkels durch ein dazwischen vorgesehenes Zahnrad erhöht wird; da aber eine Bürste in einem Gleichstrom-Servomotor vorhanden ist, ist es aufgrund der Variation seiner Reibungskraft und seines Kontaktwiderstands schwierig, einen hochgenauen Schwenkwinkel stabil aufrechtzuerhalten. Wenn ein Untersetzungsgetriebe, wie z.B. ein Schneckengetriebe oder ein harmonisches Getriebe verwendet wird, scheint es, dass die Winkelauflösung um einen Betrag verbessert wird, der augenscheinlich der Vergrößerung des Geschwindigkeitsminderungsverhältnisses entspricht, aber tatsächlich kommt es zu einer sogenannten Stick-Slip-Erscheinung aufgrund der statischen Reibungskraft des Zahnrads bzw. Getriebes, oder durch das unzureichende Ineinandergreifen der Zahnräder untereinander wird ein Spiel erzeugt, was eine Steuerung eines sehr kleinen Drehwinkels schwierig gestaltet. Ferner entsteht bei diesen Verfahren, bei denen ein externer Motor an einer Dreh-/Schwenkwelle angebracht ist, notwendigerweise eine Exzentrizität in der Kopplung der Motorwelle und der Drehwelle, was bewirkt, dass der gesteuerte Drehwinkel und der tatsächliche Drehwinkel nicht genau miteinander übereinstimmen, und die Drehmomentsteifigkeit wird durch ein flexibles Kupplungselement gemindert, das zum Kuppeln zwischen den beiden Wellen verwendet wird, um die Verdrehung aufgrund der Exzentrizität und die Ungleichmäßigkeit des Drehmoments zu dämpfen, was den Frequenzbereich der Rückkoppelungssteuerung einschränkt und die Servosteuereigenschaft verschlechtert; daher stimmt dies nicht immer mit dem Zweck dieser Struktur überein, eine hochgenaue Bearbeitung durchzuführen.
In diesem Punkt ist ein Gleichstrom-/Wechselstrom-Servomotor mit einem direkt an der Schwenkwelle angesetzten Permanentmagneten nicht mit einem Reibungselement wie einer Bürste versehen, sondern ist in der Lage, ein Drehmoment direkt in der Drehwelle in einer kontaktlosen Weise zu erzeugen, was seine Steifigkeit ebenfalls verstärkt; wenn er in einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr wie bei dieser Struktur verwendet wird, ist er für die Praxis einer hochgenauen Bearbeitung erwünscht. Andererseits wird Wärme in dem Abschnitt der Spule erzeugt, die in einen Wechselstrom-Servomotor eingebaut ist; falls aber die dreh-/schwenkbare zweite Werkbank aus einem Keramikmaterial wie bei diesem Aufbau hergestellt ist, ist die temperaturbedingte Verschiebung der Position eines Werkzeugs oder Werkstücks auf der zweiten Werkbank gering, und es kommt nur schwer zu einer Wärmeübertragung auf die erste Werkbank, welche diese zweite Werkbank auf sich trägt, was es erschwert, eine Wärmedehnung oder -kontraktion zu produzieren, da das Keramikmaterial wie Siliziumnitrid oder Sialon eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist; dies ist sehr vorteilhaft. Das heißt, ein Problem bei der Verwendung eines Wechselstrom-Servomotors wird durch diesen Aufbau erfolgreich gelöst; daher kann behauptet werden, dass es angemessen ist, einen Wechselstrom-Servomotor für den Antrieb der dreh-/schwenkbaren zweiten Werkbank zu verwenden.
Die Bearbeitungsvorrichtung kann ferner ein Messmittel mit einer Auflösung von einer Winkelsekunde oder weniger zum Messen des Winkels der vorgenannten zweiten Werkbank aufweisen. Die Wirkung dieser Struktur ist die gleiche wie die der unter Punkt (7) dargelegten Struktur.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung ist die Bearbeitungs-Drehgeschwindigkeit eines Werkstücks oder Werkzeugs, das von der vorgenannten zweiten Werkbank gehalten wird, 1 °/sec oder größer. Die Wirkung dieses Aufbaus ist die gleiche wie die der oben dargelegten Struktur.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung wird die vorgenannte zweite Werkbank mit höchster Geschwindigkeit in der Bearbeitungsvorrichtung angetrieben. Die Wirkung dieses Aufbaus ist die gleiche wie die der oben dargelegten Struktur.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung ist ein Tragetisch zum Tragen der vorgenannten zweiten Werkbank aus mindestens einem Keramikmaterial, welches mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt, gebildet: sie hat einen linearen Dehnungskoeffizienten von 5 × 10^–6 K^–1 oder weniger, enthält Siliziumnitrid von fünfzig Gewichtsprozent, umgewandelt in Si₃N₄ _, und hat ein spezifisches Gewicht von 4 g/cm³ oder weniger sowie ein Elastizitätsmodul von 200 GPa oder mehr, und weist eine Nickel im Verhältnis von 10 Gewichtsprozent bis 50 Gewichtsprozent enthaltende Legierung auf. Im einzelnen ist, wenn die vorgenannte zweite Werkbank auf der vorgenannten ersten Werkbank getragen wird, erwünscht, dass der Tragetisch aus einer Legierung gebildet ist, die Nickel zwischen 10 Gewichtsprozent und 50 Gewichtsprozent enthält (beispielsweise Invar, Incolloy 904 oder dergleichen). Bei der Bearbeitungsvorrichtung ist das Statikdruck-Gleitelement und/oder die Basis zu dessen Befestigung aus einem Keramikmaterial gebildet, das mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt: es hat einen linearen Dehnungskoeffizienten von 5 × 10^–6 K^–1 oder weniger, enthält Siliziumnitrid von 50 Gewichtsprozent, umgewandelt in Si₃N₄ und hat ein spezifisches Gewicht von 4 g/cm³ oder weniger, sowie ein Elastizitätsmodul von 200 GPa oder mehr.
Die Formgebungsbearbeitung mittels einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Bearbeitungs-Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr erfordert sehr viel Zeit, und darüberhinaus besteht wegen der Anordnung der Achselemente in zwei oder drei Stufen übereinander tatsächlich ein Problem insofern, als der Überhang bei der Anbringung eines Werkzeugs oder Werkstücks durch diese zwischen der Basis und dem Bearbeitungspunkt liegenden Gegenstände, wie z.B. die Werkzeugauflage und die Werkbank, groß wird und in einem Fall, in dem die Werkbank und das Statikdruck-Gleitelement sich durch eine Temperaturschwankung thermisch dehnen oder kontrahieren, wird die Relativposition zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück nicht nur einfach in einer Richtung verschoben, sondern zeigt auch gleichzeitig die Entstehung einer Schwingung wie z.B. eines Moments. Da ferner die Temperatur nicht von unten bis oben an den übereinander gelagerten Werkbanken gleichmäßig gestaltet werden kann, ist in jeder aufeinandergestapelten Achselemente die Werkbank einer Wärmedehnung oder Wärmekontraktion ausgesetzt, und in Reaktion darauf werden der endgültige Bearbeitungspunkt des Werkzeugs sowie die Position des Werkstücks in komplexer Weise verschoben. Daher ist es fast unmöglich, diese Bearbeitungsverschiebung (Drift) infolge der Temperaturschwankung zu korrigieren, und es ist anzumerken, dass um dies zu verhindern, zunächst die Wärmedehnung/-kontraktion selbst von Grund auf klein gestaltet werden sollte.
Wenn aber die Werkbanken und die statischen Gleitelemente aus Gusseisen oder Stahl wie bei einer herkömmlichen Bearbeitungsvorrichtung hergestellt sind, ist es extrem schwierig, einen solchen Einfluss einer Wärmedehnung oder -kontraktion zu vermeiden; daher ist es erwünscht, um eine hohe Temperaturstabilität aufrechtzuerhalten, den linearen Dehnungskoeffizienten des Materials der ersten und zweiten Werkbänke sowie der Statikdruck-Gleitelemente auf 5 × 10^–6 K^–1 oder weniger zu bringen. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, ist dieser numerische Wert gleich der Hälfte des linearen Dehnungskoeffizienten von Gusseisen oder Stahl, und durch diesen Zustand wird die Wärmedehnung sowohl in der Horizontalrichtung als auch der Vertikalrichtung halbiert; daher wird der dreidimensionale Variationsbereich des Bearbeitungspunkts auf 1/8 reduziert, und es kann in der Stabilität gegenüber einer Temperaturschwankung eine starke Wirkung erreicht werden.
Ferner besteht als weiterer wichtiger Faktor der Verschiebung des Bearbeitungspunkts eine Expansion oder Kontraktion der Basen zum Befestigen ihrer jeweiligen Achselemente. Da die Basen groß dimensioniert sind, sind ihre Wärmekapazitäten ebenfalls groß; infolgedessen wird, wenn lokal eine Temperaturdifferenz entsteht, kein Gleichgewicht hergestellt, und es wird kontinuierlich Wärme langsam für unbestimmte Zeit übertragen, was den lokalen Temperaturunterschied so belässt, wie er erzeugt wird. Aus einer solchen Eigenschaft entsteht, falls die Temperatur eines Teils der Basis durch die Bearbeitung geändert wird, eine Erscheinung, dass dieser Teil sich thermisch dehnt oder kontrahiert und eine Abweichung hervorruft, die für unbestimmte Zeit nicht aufhört. Wenn beispielsweise ein Tropfen Kühlöl für den Bearbeitungspunkt, der bei einer Schneid- oder Schleifbearbeitung verwendet wird, auf die Basis fällt, variiert die Temperatur dieses Abschnitts und bewirkt, dass eine Abweichung an der Basis beginnt. Solange aber das Kühlöl weiter tröpfelt (solange die Bearbeitung fortgesetzt wird), variiert die Temperatur dieses Abschnitts weiter, und da es sehr lange Zeit braucht, damit die Temperatur sich über die gesamte Basis ausbreitet, um einen Gleichgewichtszustand herzustellen, variiert die Basistemperatur während dieser Zeitspanne weiter. Im Fall einer Basis, deren Wärmekapazität groß ist, wird, wenn ein solcher Temperaturdrift entsteht, ein Achselement, das an der Basis befestigt ist, nur in einer Richtung bewegt, und es wird keine Bewegung wie z.B. ein Moment erzeugt, und es gibt fast nur eine parallele Bewegung; wenn daher die Tendenz der Bewegung eines Achselements erfasst wird, ist deren Korrektur nicht unmöglich. Da aber eine solche Drift, der über mehrere -zig Stunden weiter erzeugt wird, eine große Verschiebung ergibt, wird die Restdifferenz, die nicht korrigiert worden ist, ebenfalls groß. Auch in diesem Fall versteht sich, dass es sehr wirksam ist, keine Gegenmaßnahmen gegen die erzeugte Wärmedehnung oder -kontraktion zu treffen, sondern die Wärmedehnung oder -kontraktion selbst zu verringern. Demgemäß kann hinsichtlich des Materials zur Herstellung der Basis, indem kein Gusseisen oder Granit wie bisher verwendet wird, sondern ein Material mit einem linearen Dehnungskoeffizienten einer Größenordnung, die die Hälfte von diesem ausmacht, verwendet wird, kann die Temperaturverschiebung des Bearbeitungspunkts um die Hälfte verringert werden. In diesem Fall kann eine Temperaturdrift in einer Richtung, die nicht so sehr in der Höhenrichtung beeinflusst, sondern in der Richtung parallel zu der Basis groß ist, verringert werden, und es kann eine sehr genaue, frei gekrümmte optische Oberfläche erzeugt werden.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung ist die vorgenannte erste Werkbank und/oder die vorgenannte zweite Werkbank und/oder das vorgenannte Statikdruck-Gleitelement und/oder die Basen zum Befestigen derselben aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von 200 GPa oder mehr ausgebildet.
Das Material von herkömmlichen Werkbänken und Statikdruck-Gleitelementen war bisher auf Gusseisen zentriert, und ihr Elastizitätsmodul lag in der Größenordnung von 150 GPa. Dies bedeutet, dass bei Aufbringung einer Last von 1000 N/Querschnitt von 1 cm² auf diese ein Element mit einer Länge von 10 cm seine Länge bis zu 10 μm verändert. Demgemäß wird bei einem Abschnitt, der nicht in der Lage ist, ein großes Volumen oder einen großen Querschnitt strukturell anzunehmen, die Steifigkeit gering, und seine Position wird leicht durch die Rückstellkraftkomponente und die bei der Bearbeitung erzeugte Schneidkraft verschoben. Das heißt, bei einer mehrachsigen Bearbeitungsvorrichtung besteht ein Problem insofern als, wenn es aus einem auf herkömmlichen Gusseisen basierenden Material hergestellt ist, notwendigerweise die Minderung der Steifigkeit auftritt, die durch die elastische Verformung nicht nur der Abschnitte des Mechanismus, sondern auch des Materials selbst verursacht wird.
Im Gegensatz dazu wird bei diesem Aufbau, falls das Elastizitätsmodul des Materials der oben erwähnten ersten Werkbank und/oder der oben erwähnten zweiten Werkbank und/oder des oben erwähnten Statikdruck-Gleitelements und/oder der Basen zum Befestigen derselben so gestaltet ist, dass es 200 GPa oder mehr beträgt, was gleich dem Doppelten oder mehr des Elastizitätsmoduls eines herkömmlichen Materials ist, es daher möglich, die Verschiebung der oben erwähnten Elemente der Länge von 10 cm zu halbieren.
Bei der Bearbeitungsvorrichtung ist das Druckübertragungsmedium des vorgenannten Statikdruck-Gleitelements eine Flüssigkeit, und seine Viskosität beträgt 10 Pois oder weniger.
Allgemein ausgedrückt ist es, um die Genauigkeit des Betriebs eines Achselements zu erhöhen, notwendig, die Reibungskraft des Gleitelements zu mindern; daher wird für gewöhnlich bei einer hochgenauen Bearbeitungsvorrichtung ein Statikdruck-Gleitelement eingesetzt. Wenn aber die Bewegungsgeschwindigkeit der Werkbank erhöht wurde, bestand ein Problem insofern, als das Druckübertragungsmedium, das in den Zwischenraum des Statikdruck-Gleitelements eingespritzt wurde, durch die von seinem Viskositätswiderstand erzeugte Scherkraft Wärme erzeugte, und die Werkbank sich über die Statikdruckoberfläche erwärmte und eine Wärmedehnung erfuhr; aufgrunddessen wurde die Position eines Werkzeugs oder die Position eines Werkstücks verschoben, was eine hochgenaue Bearbeitung verhinderte.
Eine der effektivsten Methoden, dies zu verhindern, besteht darin, die Viskosität des Druckübertragungsmediums, das in dem Statikdruck-Gleitelement zu verwenden ist, zu senken. Durch dessen Einsatz in der Praxis wird nicht nur der Viskositätswiderstand des Übertragungsmediums gemindert, das in dem Statikdruck-Zwischenraum strömt, und eine Wärmeerzeugung vermieden, sondern auch der Druckverlust wird reduziert; daher wirkt der Zuführdruck auf die Statikdruckfläche, ohne abzunehmen, und die Steifigkeit kann verstärkt werden. Das heißt, die Abnahme der Viskosität des Druckübertragungsmediums hat eine Wirkung auf zwei wichtige Faktoren, die für eine hochgenaue Bearbeitung erforderlich sind, nämlich die Vermeidung einer Wärmeerzeugung und die Verstärkung der Steifigkeit. Ferner ist, falls die Geschwindigkeit des Achselements höher gemacht wird als die Geschwindigkeit der Strömung des Druckübertragungsmediums in dem Zwischenraum des Statikdruck-Gleitelements, ein Phänomen in Erscheinung getreten, bei dem Druckübertragungsmedium nicht standhalten kann, und das nicht über der gesamten Statikdruckfläche herrscht. Diese Erscheinung mindert die Steifigkeit des Statikdruck-Gleitelements stark und erzeugt eine Schwingung infolge der instabilen Halterung; daher war sie eine Ursache dafür, dass Achselemente keinen Hochgeschwindigkeitsantrieb ausführen konnten. Um dies zu vermeiden, wird in Betracht gezogen, die Viskosität des Druckübertragungsmediums zu verringern, wodurch die Scher-Reibungskraft des Druckübertragungsmediums gemindert wird, was es ermöglicht, dass auch bei einem Hochgeschwindigkeitsantrieb das Druckübertragungsmedium über der gesamten Oberfläche der Statikdruck-Zwischenraumfläche vorhanden ist. Infolgedessen wird ein Hochgeschwindigkeitsantrieb des Achselements möglich.
Hinsichtlich des Druckübertragungsmediums kann eine Flüssigkeit die Steifigkeit gegenüber einem Gas für den gleichen aufgebrachten Druck erhöhen, und darüberhinaus hat eine Flüssigkeit eine bessere Dämpfungseigenschaft; daher ist eine Flüssigkeit erwünscht, da sie kaum Schwingung erzeugt, auch wenn ihr Druck erhöht wird, und sie auch bei einer sich plötzlich ändernden äußeren Kraft unempfindlich ist. Demgemäß ist es, solange das Druckübertragungsmedium eine Flüssigkeit ist, auf der Basis der Abdichtung und des Zuführdrucks einer Pumpe zu deren Zuführung erwünscht, dass ihre Viskosität 10 Pois oder weniger beträgt, während das untere Limit hiervon in der Größenordnung von 1 Pois liegt, was der Viskosität von Wasser nahekommt.
In der Tat wurde bei einer Werkbank, die eine Steifigkeit von 1000 N/μm bei einem Zuführdruck von 2026,5 kPa (20 atm) Druck hatte, wenn der Zwischenraum des Statikdruck-Gleitelements auf 10 μm festgelegt war und ein Öl mit einer Viskosität von 30 Pois für das Druckübertragungsmedium verwendet wurde, in dem Fall, bei dem ein Öl mit einer Viskosität von 2 Pois verwendet wurde, durch die Änderung des Öffnungsdurchmessers des Statikdruckkissens eine Steifigkeit von 1200 N/μm bei einem Zuführdruck von 5 atm Druck erhalten. Darüberhinaus stieg die Temperatur der Werkbank um fast 1°C aufgrund der Ölzufuhr im ersteren Fall, aber im letzteren Fall stieg die Temperatur nur um 0,1°C und zeigte nur eine sehr geringe Änderung.
Die Bearbeitungsvorrichtung kann ferner ein aktives Steuermittel zum Dämpfen der Übertragung einer Schwingung von dem Boden, auf dem die Bearbeitungsvorrichtung installiert ist, zu der Bearbeitungsvorrichtung aufweisen. In den vorstehenden Ausführungen bedeutet der Begriff "aktives Steuermittel" ein Mittel der Art, dass es ein Messelement zum Erfassen einer Bewegung von Geschwindigkeit, Beschleunigung etc. des Bodens als Quelle der Schwingung aufweist, einen Mechanismus zum geringfügigen Antreiben der Anordnung umfasst und die Schwingungsdämpfung ausführt, das heißt die Unterdrückung oder das Auffangen der Übertragung der Schwingung auf die Bearbeitungsvorrichtung, indem die Anordnung so zum Schwingen gebracht wird, dass die Schwingung anhand der Ausgabe des Messelements ausgeglichen bzw. aufgehoben wird.
Unter den Bearbeitungsvorrichtungen auf dem Markt mit einem Freiheitsgrad von zwei oder drei Achsen führen einige von ihnen eine hochgenaue Bearbeitung durch Eliminieren geringfügiger, von dem Boden kommender Schwingungen durch, wobei ihr Hauptkörper auf einer Luftfeder getragen wird, die als Lufthalterung (air mount) bezeichnet wird. Diese Lufthalterung ist aber nur gegenüber Schwingungen mit einer Frequenz von 10 Hz oder mehr vergleichsweise wirksam, um die Schwingungsdämpfung durchzuführen; da sie aber immer einen Resonanzpunkt bei mehreren Hertz aufweist, werden Schwingungen einer niedrigen Frequenz von dem Boden zum Hauptkörper der Bearbeitungsvorrichtung übertragen. In einigen Fällen wird eine Schwingung des Bodens verstärkt und auf den Hauptkörper der Bearbeitungsvorrichtung übertragen. Demgemäß ist eine wirksame Unterdrückung von Bodenschwingun gen für eine hochgenaue Bearbeitung unerlässlich; insbesondere was eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr betrifft, da deren Achselemente in zwei oder drei Stufen übereinander geschichtet sind, um ihr Schwerkraftzentrum hoch anzulegen und da sie an ihren Basen an ihren Bodenflächen befestigt sind, weisen sie einen Aufbau derart auf, dass es einfacher ist, eine momentartige Schwingung zu erzeugen als eine herkömmliche Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von zwei Achsen oder weniger; das heißt, eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr hat eine Tendenz dazu, Resonanzfrequenz bei geringfügiger Schwingung aufzuweisen, die aufgrund ihres Aufbaus niedrig ist. Demgemäß ist es von großem Nachteil, dass eine herkömmliche Lufthalterung einen Resonanzpunkt bei niedriger Frequenz aufweist, und es bestanden große Schwierigkeiten in der Praxis einer hochgenauen Bearbeitung mit einer hochgenauen Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr, die von einer solchen passiven Lufthalterung getragen wurden. Da aber bisher keine Erwägungen unter diesem Gesichtspunkt erfolgt sind, ist nie eine aktive Lufthalterung eingesetzt worden, die aktiv eine Beseitigung von Schwingungen durchführt, auch bei einer niederfrequenten Schwingung.
Bei einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr ist es erwünscht, dass mittels einer aktiven Lufthalterung ohne Resonanzpunkt auch bei geringer Frequenz die Schwingungen des Bodens mit gutem Wirkungsgrad beseitigt werden, was bei der Bearbeitungsvorrichtung eine stabile Bearbeitungsgenauigkeit ergibt. Speziell das Verfahren zur Steuerung einer aktiven Lufthalterung ist, was eine herkömmliche Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von zwei Achsen oder weniger betrifft, weil jedes der Achselemente einzeln an der Basis befestigt ist, um in einer horizontalen Ebene gelegen zu sein, falls eine aktive Steuerung für eine Drehschwingung um irgendeine der beiden Achsen der Horizontalrichtung oder eine vertikale Achse erfolgt, die Steuerung sehr zufriedenstellend hinsichtlich des Bearbeitungsergebnisses, und umgekehrt besteht fast keine Wirkung der aktiven Steuerung bei einer parallelen Schwingung in der Vertikalrichtung; im Gegensatz hierzu ist hinsichtlich einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr, da diese ein Gleitelement hat, das in der Vertikalrichtung anzutreiben ist, eine aktive Steuerung für eine parallele Schwingung in dieser Richtung ebenfalls wirksam, und die Ausübung einer aktiven Steuerung ist für alle sechs Achsen des Freiheitsgrads einschließlich der beiden Drehachsen parallel zu einer Horizontalachse wirksam. Somit ist darauf hinzuweisen, dass es wichtig ist, dass eine Steuerung für die Beseitigung von Schwingungen erfolgt, bei der die Antriebsrichtung der Achselemente und ihre Eigenschaften ausreichend in Betracht gezogen werden, und bei der die Parameter der Schwingungsbeseitigung individuell optimiert sind.
In einer Ausführungsform ist die Bearbeitungsvorrichtung eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr, umfassend eine erste Werkbank, die aus einem Material mit einem spezifischen Gewicht von 4 g/cm³ hergestellt ist und entlang einem Statikdruck-Gleitelement durch ein Antriebsmittel mit einer Frequenz von 50 Hz (erwünschterweise 100 Hz) oder höher bewegt wird, wobei seine Servoverstärkung –3dB beträgt, und ein Messmittel mit einer Auflösung von 10 nm oder weniger zum Messen der Position der ersten Werkbank. Die Bearbeitungsvorrichtung kann ferner eine zweite Werkbank, die aus einem Material mit einem spezifischen Gewicht von 4 g/cm³ oder weniger hergestellt ist und entlang einem Statikdruck-Gleitelement schwenkt, sowie ein Messmittel von einer Winkelsekunde oder weniger zum Messen des Winkels der zweiten Werkbank umfassen.
In der Bearbeitungsvorrichtung beträgt die Bearbeitungsgeschwindigkeit 600 mm/min oder mehr.
In der Bearbeitungsvorrichtung sind die vorgenannte erste Werkbank und/oder die vorgenannte zweite Werkbank und/oder das vorgenannte Statikdruck-Gleitelement und/oder die Basen zum Befestigen derselben aus einem Material mit einem linearen Dehnungskoeffizienten von 5 × 10^–6 K^–1 oder weniger ausgebildet.
In der Bearbeitungsvorrichtung beträgt die Bearbeitungsgeschwindigkeit 600 mm/min oder mehr.
In der Bearbeitungsvorrichtung sind die vorgenannte erste Werkbank und/oder die vorgenannte zweite Werkbank und/oder das vorgenannte Statikdruck-Gleitelement und/oder die Basen zum Befestigen derselben aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von 200 GPa oder mehr ausgebildet.
In der Bearbeitungsvorrichtung ist das Druckübertragungsmedium des vorgenannten Statikdruck-Gleitelements eine Flüssigkeit, und seine Viskosität beträgt 10 Pois oder weniger. Die Bearbeitungsvorrichtung kann ferner ein aktives Dämpfungsmittel zum Dämpfen der Übertragung einer Schwingung von dem Boden, auf dem die Bearbeitungsvorrichtung installiert ist, zu der Bearbeitungsvorrichtung aufweisen.
In der Bearbeitungsvorrichtung sind die vorgenannte erste Werkbank und/oder die vorgenannte zweite Werkbank und/oder das vorgenannte Statikdruck-Gleitelement und/oder die Basen zum Befestigen derselben aus einem Material mit einer Siliziumnitrid-Komponente von fünfzig Gewichtsprozent, umgewandelt in Si₃N₄ oder mehr ausgebildet.
Durch diese Erfindung ist es möglich, eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem Freiheitsgrad von drei Achsen oder mehr bereitzustellen, um die Kompatibilität ihrer hochgenauen Bearbeitung mit ihrem hohen Wirkungsgrad der Bearbeitung zu ermöglichen.
Im folgenden wird die Ausführungsform dieser Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer fünfachsigen Bearbeitungsvorrichtung 10 dieser Ausführungsform. In 1 ist eine aktive Lufthalterung 11, die durch vier Beine 11a (nur drei Beine sind dargestellt) auf einem Boden F gehaltert ist, ein Dämpfungsmittel zum Dämpfen der Übertragung von Schwingungen und hat als Funktion, dass keine Schwingung vom Boden auf die Basis 12 übertragen wird.
Auf einer Schiene 12a der Basis 12, die an der aktiven Lufthalterung 11 gehaltert ist, ist ein Gleittisch 13 vorgesehen, der in der Z-Achsenrichtung beweglich ist und auf dem Gleittisch 13 ist ein dreh-/schwenkbarer Schwenktisch 14 vorgesehen. Außerdem sind der Gleittisch 13 und der Schwenktisch 14 in einer reibungsarmen Weise durch ihre jeweiligen Statikdruck-Gleitelemente (in der Zeichnung nicht gezeigt) mit einer als Medium in Bezug auf die Schiene 12a bzw. den Gleittisch 13 eingeleiteten Flüssigkeit gelagert.
Ferner ist auf der Basis 12 an einer über Halterungsblöcken 15 gelegten Schiene 15a ein Gleittisch 16 vorgesehen, der in der X-Achsenrichtung beweglich ist, an der Schiene 16a des Gleittischs 16 ist ein Gleittisch 17 vorgesehen, der in der Y-Achsrichtung beweglich ist, und an dem Gleittisch 17 ist ein dreh-/schwenkbarer Schwenktisch 18 vorgesehen. Außerdem sind der Gleittisch 16, der Gleittisch 17 und der Schwenktisch 18 in einer reibungsarmen Weise durch ihre jeweiligen Statikdruck-Gleitelemente (in der Zeichnung nicht gezeigt) mit einem als Medium für die Schiene 15a, die Schiene 16a bzw. den Gleittisch 17 eingeleiteten Öl gehaltert bzw. gelagert.
In dieser Ausführungsform sind für die Gleittische 13, 16 und 17, die als die erste Werkbank anzusehen sind, Laserskalen mit einer Messauflösung von 1 nm vorgesehen, was es ermöglicht, ihre Durchlaufbahnen zu messen, und es ist die Durchführung des Antriebs durch einen Linearmotor als Antriebsmittel mit einer Frequenz von 50 Hz (erwünschterweise 100 Hz) oder höher vorgesehen, wobei die Servoverstärkung –3 dB beträgt. Andererseits sind an den Schwenktischen 14 und 18 drehbare Codierer installiert mit einer Winkelauflösung von 0,1 Winkelsekunden, was es ermöglicht, den Drehwinkel zu messen. Bei dem Statikdruck-Gleitelement dieser Ausführungsform wurde die Viskosität des Öls auf 2 Pois festgelegt, und der Zuführdruck wurde auf 506,62 kPa (5 atm) Druck festgelegt. In diesem Fall betrug die Steifigkeit der Gleitwelle in der Horizontal-/Vertikalrichtung 1350 N/μm, was ein ausreichender Wert war.
Die Gleittische 13, 16 und 17, die Schwenktische 14 und 18 sowie die Statikdruck-Gleitelemente wurden alle aus Siliziumnitrid gefertigt, und was die Schwenkachse betrifft, so wurde ihr Rotorabschnitt aus Siliziumnitrid hergestellt und ihr Statorabschnitt aus einer speziellen Legierung mit einem linearen Dehnungskoeffizienten von 4 × 10^–6. Ferner wurde für die Halterungsblöcke 15 Invar benutzt. Für die Basis 12 wurde eine Speziallegierung mit einem linearen Dehnungskoeffizienten 10 × 10^–6 K^–1 durch Verschweißen angewandt. Das Elastizitätsmodul dieser Speziallegierung betrugt 130 GPa, und durch die Dicke der Platte, die mit 40 mm hergestellt war, wurde eine notwendige Steifigkeit für eine Basis sichergestellt.
Ein Werkstück zum Erzeugen einer frei gekrümmten optischen Oberfläche wurde an dem Schwenktisch 14 eingesetzt, ein Diamantwerkzeug (in der Zeichnung nicht gezeigt) wurde an dem Schwenktisch 18 eingesetzt und durch gleichzeitiges Betätigen der Gleittische 13, 16 und 17 sowie des Schwenktischs 14 (vierachsige Bearbeitung) wurde eine Schneidbearbeitung zur Formgebung durchgeführt. Die Vorschubrate des Gleittischs 13 betrug 600 mm oder mehr, und die Bearbeitungszeit betrug 36 Stunden. Die Oberflächenrauigkeit der geschnittenen Oberfläche betrug 5 nm als Rmax, und die Formgenauigkeit betrug 57 nm; so wurde eine hohe Genauigkeit, die etwa das Dreifache der Genauigkeit der Bearbeitung mit einer mehrachsigen Bearbeitungsvorrichtung auf dem Markt betrug.
2 ist eine Schnittansicht eines Gleittischs und eines Schwenktischs in einem modifizierten Beispiel dieser Ausführungsform (äquivalent der Querschnittansicht an der Linie II-II der 1). In 2 ist an einem Schienenhalterungselement 12a einer Basis 12 eine aus Keramikmaterial gebildete und sich in der Richtung senkrecht zu der Papieroberfläche erstreckende Schiene 12b in Form einer flachen Platte ausgebildet. Auf diese Weise ist ein die Schiene 12b bedeckender Gleittisch 113 angeordnet, der aus einem Keramikmaterial mit U-förmigem Querschnitt gebildet ist.
Der Gleittisch 113 bildet Statikdruckkissen 113a und 113a (jeweils ein schmaler Zwischenraum oder ein poröses Material) an dem nach unten gewandten Abschnitt ihrer Innenumfangsfläche gegenüber der oberen Oberfläche der Schiene 12b, bildet Statikdruckkissen 113b und 113b an dem Abschnitt seiner Innenumfangsfläche gegenüber der Seitenfläche der Schiene 12b, und bildet Statikdruckkissen 113c und 113c an dem nach oben gewandten Abschnitt seiner Innenumfangsfläche gegenüber der unteren Oberfläche der Schiene 12b. Auf jedes der Statikdruckkissen 113a bis 113c wird Öl mit festgelegtem Druck über Löcher 113d aufgebracht, die sich in dem Gleittisch 113 erstreckend vorhanden sind. Außerdem ist am Gleittisch 113 ein Codierer (in der Zeichnung nicht dargestellt) befestigt, und andererseits ist gegenüber diesem ein Sensor (in der Zeichnung nicht gezeigt) auf der Basis 12 vorgesehen; somit wird bewerkstelligt, eine Messung der Bewegungsbahn des Gleittischs 113 in Bezug auf die Basis 12 mit einer Auflösung von 10 nm oder weniger vorzunehmen. Der Codierer und der Sensor bilden ein Messmittel.
An der oberen Oberfläche des Gleittischs 113 ist ein Halterungstisch 120 befestigt. Es ist erwünscht, dass der Halterungstisch aus einer Legierung wie Invar für den Zweck der Aufnahme einer Spule etc. in diesem hergestellt ist, wie später beschrieben wird, aber es ist auch möglich, ein Keramikmaterial anzuwenden, falls es bearbeitbar ist.
Der Halterungstisch 120 mit der ungefähren Form eines Hohlzylinders enthält in sich eine Schwenktischeinheit 114. Konkret ausgedrückt hat die Schwenktischeinheit 114 eine derartige Form, dass der untere, zahnradförmige Abschnitt 114a, der aus einem magnetischen Material gebildet ist, und ein oberen Scheibenabschnitt 114b, der aus einem Keramikmaterial gebildet ist, durch einen scheibenartigen Abschnitt 114f mit geringerem Durchmesser gekoppelt sind. Der zahnradförmige Abschnitt 114a hat mehrere an seinem Außenumfang ausgebildete Zähne und hat N-Pole und S-Pole, die alternierend durch die einzelne Magnetisierung der Zähne angeordnet sind. Gegenüber diesen Zähnen sind an der Innenumfangsfläche des Halterungstischs 120 Spulen C in einer Anzahl angeordnet, die um eins größer ist als die Anzahl der Zähne des zahnradförmigen Abschnitts 114a. Der zahnradförmige Abschnitt 114a und die Spulen C bilden einen Servomotor.
An der unteren Oberfläche des zahnradförmigen Abschnitts 114a ist ein Codierer 114c befestigt; andererseits ist gegenüber diesem ein Sensor 114d an dem Halterungstisch 120 vorgesehen, was es ermöglicht, den Drehwinkel der Schwenktischeinheit 114 in Bezug auf den Halterungstisch 120 mit einer Auflösung von einer Winkelsekunde oder weniger zu messen. Der Codierer 114c und der Sensor 114d bilden ein Messmittel.
Der Halterungstisch 120 bildet ein ringförmiges Statikdruckkissen 120a an der unteren Oberfläche seines oberen Flansches 120f gegenüber der oberen Oberfläche des zahnradförmigen Abschnitts 114a, bildet ein ringförmiges Statikdruckkissen 120b an der Innenumfangsfläche seines oberen Flansches 120f gegenüber der Außenumfangsfläche des Abschnitts 114f mit reduziertem Durchmesser der Schwenktischeinheit, und bildet ein ringförmiges Statikdruckkissen 120c an der oberen Oberfläche seines unteren Flansches 120e gegenüber der unteren Oberfläche des zahnradförmigen Abschnitts 114a. Jedem der Statikdruckkissen 120a bis 120c wird Öl mit festgelegtem Druck über ein Loch 120d, das sich in dem Halterungstisch 120 erstreckend vorgesehen ist, zugeführt.
Im folgenden wird die Arbeitsweise dieser Ausführungsform erläutert. Durch die Zufuhr des Öls von einer externen Öldruckquelle zu dem Loch 113d wird Öl über die Statikdruckkissen 113a bis 113c eingespritzt, und durch die Anwendung des Statikdrucks wird der den Halterungstisch 120 tragende Gleittisch 113 gegenüber der Schiene 12b in einem kontaktlosen Zustand mit dieser gehaltert bzw. gelagert. In diesem Stadium wird durch den Antrieb eines Linearmotors (in der Zeichnung nicht gezeigt) der Gleittisch 113 zu einer gewünschten Position in Bezug auf die Basis 12 bewegt.
Ferner wird durch die Zufuhr von Öl von einer externen Öldruckquelle zu dem Loch 120d Öl von den Statikdruckkissen 120a bis 120c eingespritzt, und durch Anwendung des Statikdrucks wird die Schwenktischeinheit 114, die ein Werkstück trägt (in der Zeichnung nicht gezeigt), gegenüber dem Halterungstisch 120 in einem kontaktlosen Zustand mit diesem gehaltert bzw. gelagert. In diesem Stadium wird durch Anlegen eines Wechselstroms an die Spulen C der zahnradförmige Abschnitt 114a magnetisch angetrieben, und die Schwenktischeinheit 114 wird um einen gewünschten Winkel in Bezug auf den Halterungstisch 120 gedreht.
Da durch diese Ausführungsform der Gleittisch 113 als erste Werkbank aus einem Keramikmaterial gebildet ist, kann auch in einem Fall, in dem eine Temperaturschwankung entsteht, die Wärmedehnung so gesteuert werden, dass sie im Vergleich zu Stahl kleiner ist; daher kann die Bearbeitungsgenauigkeit aufrechterhalten werden, während die Beschleunigungs-/Verzögerungsleistung aufgrund des Gleittischs, dessen Gewicht reduziert werden kann, höher wird, was es ermöglicht, die Bearbeitungszeit zu verkürzen. Da im einzelnen die Schiene 12b aus einem Keramikmaterial mit dem gleichen linearen Dehnungskoeffizienten wie dem des Gleittischs 113 gebildet ist, werden bei einer entstehenden Temperaturänderung gleiche Wärmedehnungen erzeugt; daher ist es möglich, die Änderung des Statikdruck-Zwischenraums auf das Minimum zu beschränken und eine hochgenaue Bearbeitung durchzuführen. Da dies ferner ausreicht, auch wenn die Kapazität des Linearmotors oder dergleichen als Antriebsmittel zum Antrieb des Gleittischs 113 gering ist, kann eine Energieeinsparung erzielt werden, während die entstehende Wärmemenge ebenfalls gemindert werden kann; daher kann eine Bearbeitung mit höherer Genauigkeit erreicht werden.
3 ist eine Schnittansicht ähnlich der 2 und zeigt ein weiteres modifiziertes Beispiel dieser Ausführungsform. Aus Keramikmaterial hergestellte Schienen 212b und 212b, die auf einer Basis 12 angeordnet sind, sind separat links und rechts in der Zeichnung positioniert, und ein aus Keramikmaterial hergestellter Gleittisch 213 als die erste Werkbank bildet einen Vorsprungsabschnitt 213f, der sich in der Längenrichtung zwischen den Schienen 212b und 212b erstreckt, wobei an der Seitenfläche Statikdruckkissen 213b und 213b vorgesehen sind. Dadurch kann die Verbiegung des Gleittischs 213 beseitigt werden und die Steifigkeit zur Halterung kann verstärkt werden.
Was eine aus Keramikmaterial gefertigte Schwenktischeinheit 214 als zweite Werkbank betrifft, so hat ferner ihr Abschnitt 214f mit kleinerem Durchmesser eine doppelt abgeschrägte Form, wobei sein Durchmesser sich allmählich zu seiner Mitte in der Vertikalrichtung verringert. Was einen oberen Flansch 220f betrifft, der als sich von dem Halterungstisch 220 erstreckend vorgesehen ist, so hat sein Innenumfang in der Radialrichtung eine abgeschrägte Form, welche dem Abschnitt 214f mit kleinerem Durchmesser der Schwenktischeinheit 214 entspricht, und an den oberen und unteren Schwenkflächen des Innenumfangs sind ringförmige Statikdruckkissen 220a und 220b vorgesehen. Was den Aufbau von anderen Abschnitten betrifft, so entfällt eine Erläuterung hierzu, da er der gleiche ist wie bei dem modifizierten, in 2 gezeigten Beispiel.
4 ist eine Schnittansicht ähnlich der 2, die ein weiteres modifiziertes Beispiel dieser Ausführungsform zeigt, wobei aber ihre Halterungsbasis und die Schwenktischeinheit weggelassen sind. In 4 hat eine aus Keramikmaterial gefertigte Schiene 312b, die auf der Basis 12 angeordnet ist, eine Querschnittsform eines umgekehrten Trapezoids, und ein ebenfalls aus Keramikmaterial hergestellter Gleittisch 313 hat eine Innenumfangsfläche einer Form, welche dem oben genannten Querschnitt entspricht. Der Gleittisch 313 als erste Werkbank bildet ein Statikdruckkissen 113a an der Innenumfangsfläche gegenüber der oberen Oberfläche der Schiene 312b, bildet Statikdruckkissen 313b und 313b an der Innenumfangs-Schwenkfläche gegenüber der seitlichen Schwenkfläche der Schiene 312b, und bildet Statikdruckkissen 313c und 313c an seiner Bodenfläche gegenüber der oberen Oberfläche an der Basis 12. Es ist vorzusehen, dass an jedem der Statikdruckkissen 313a bis 313c Öl eines festgelegten Drucks von außen durch Löcher 313c, die sich in dem Gleittisch 313 erstreckend vorgesehen sind, zugeführt wird. Was den Aufbau der anderen Abschnitte betrifft, so entfällt eine Erläuterung hierzu, da sie gleich denjenigen in dem in 2 dargestellten modifizierten Beispiel sind.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die Ausführungsform innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, erläutert.

Claims

Bearbeitungsmaschine (10) zum Ausführen eines Schneidvorgangs und/oder eines Schleifvorgangs, umfassend: eine stationäre Basis (12), und eine Bearbeitungsvorrichtung, die auf der stationären Basis (12) angebracht ist und über einen Freiheitsgrad von mehr als zwei Achsen verfügt, um einen Schneidvorgang und/oder einen Schleifvorgang auszuführen, wobei die Bearbeitungsvorrichtung eine Werkbank (14, 18; 114, 214) aufweist, die aus einem Keramikmaterial gebildet ist und mit einem Freiheitsgrad von nicht weniger als einer Achse drehbar ist, während sie ein Werkstück oder ein Werkzeug hält, wobei die Bearbeitungsvorrichtung ferner einen Supporttisch (13, 16, 17; 113; 213; 313) zum Halten der Werkbank (14, 18; 114, 214) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Supporttisch (13, 16, 17; 113; 213; 313) aus einem Keramikmaterial, das mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt: es hat einen Koeffizienten einer linearen Expansion von nicht mehr als 5 × 10^–6 K^–1, es enthält Siliziumnitrid von nicht weniger als fünfzig Gew%, umgewandelt in Si₃N₄, und hat ein spezifisches Gewicht von nicht mehr als 4g/cm³, und es hat ein Elastizitätsmodul von nicht weniger als 200 GPa, und/oder aus einer Nickel enthaltenden Legierung von 10 Gew% bis 50 Gew% gebildet ist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Bearbeitungsvorrichtung ferner eine Messvorrichtung (114c, 114d) mit einer Auflösung von nicht mehr als 1 Winkelsekunde zum Messen des Winkels der Werkbank (114) umfasst.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Werkbank (14, 18; 114, 214) eine Drehbearbeitungsgeschwindigkeit für ein von der Werkbank gehaltenes Werkstück oder Werkzeug von nicht weniger als 1°/sec anwenden kann.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Supporttisch (13, 16, 17; 113; 213; 313) linear mit einem Freiheitsgrad von nicht weniger als einer Achse oder mehr beweglich ist, während er ein Werkstück oder ein Werkzeug hält.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 4, wobei die Bearbeitungsvorrichtung ferner ein Messvorrichtung mit einer Auflösung von nicht mehr als 10nm zum Messen der Position des Supporttisches (13, 16, 17; 113; 213; 313) aufweist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Bearbeitungsgeschwindigkeit für ein von dem Supporttisch (13, 16, 17; 113; 213; 313) gehaltenes Werkstück oder Werkzeug nicht weniger als 600mm/min beträgt.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 3 oder 6, wobei die Werkbank (14, 18; 114; 214) oder der Supporttisch (13, 16, 17; 113; 214; 313) mit der höchsten Geschwindigkeit in der Bearbeitungsmaschine angetrieben werden kann.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Keramikmaterial der Werkbank (14, 18; 114, 214) einen Koeffizienten linearer Expansion von nicht mehr als 5 × 10^–6 K^–1 aufweist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Keramikmaterial der Werkbank (14, 18; 114, 214) Siliziumnitrid von nicht weniger als 50 Gew%, umgewandelt in Si₃N₄, enthält, und ein spezifisches Gewicht von nicht mehr als 4 g/cm³ hat.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Keramikmaterial der Werkbank (14, 18; 114, 214) ein Elastizitätsmodul von nicht weniger als 200 GPa aufweist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Werkbank (14, 18; 114, 214) und/oder der Supporttisch (13, 16, 17; 113; 213; 313) entlang einer Führung mit statischem Druck durch eine Achsantriebsvorrichtung mit einer Frequenz von nicht weniger als 50 Hz mit einer Servoverstärkung von –3 dB angetrieben werden kann.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 11, wobei die Achsantriebsvorrichtung des Supporttisches (13, 16, 17; 113; 213; 313) ein Linearmotor ist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Achsantriebsvorrichtung der Werkbank (14, 18; 114, 214) ein Wechselstrom-Servomotor ist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 11, 12 oder 13, wobei die Führung mit statischem Druck und/oder eine Basis zum Befestigen aus einem Keramikmaterial gebildet ist, das mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt: sie hat einen Koeffizienten einer linearen Expansion von nicht mehr als 5 × 10^–6 K^–1 aufweist, sie enthält Siliziumnitrid von nicht weniger als 50 Gew%, umgewandelt in Si₃N₄, und hat ein spezifisches Gewicht von nicht mehr als 4 g/cm³, und sie hat ein Elastizitätsmodul von nicht weniger als 200 Gpa.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, wobei ein Druckübertragungsmedium der Führung mit statischem Druck eine Flüssigkeit mit einer Viskosität von nicht mehr als 10 pois ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Bearbeitungsvorrichtung ferner eine aktive Steuervorrichtung zum Dämpfen der Übertragung einer Vibration von einem Boden, auf dem die Bearbeitungsmaschine installiert ist, auf die Bearbeitungsmaschine umfasst.