JP2010525258A - 運動制御装置 - Google Patents
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Abstract
リニアブレーキの形態の運動制御装置(10)は、リニアレール(30)に沿って移動可能なハウジング(11)内で回転可能なカム軸(23)を有する。カム軸(23)はギアモータ(15)によって回転し、それにより、カムフォロア(24)の偏心係合部分が、リニアレール(30)と係合するフェーシング(12)と当接し、リニアレール(30)に対する締付力が提供される。ハウジング(11)に固定されかつカム軸(23)がそれ以上回転しないようにカム軸(23)のU字型溝に受け入れられるダウエルピン(14)の上に、ダンパ(25)が受け入れられる。シム(20)が、カム軸(23)を受け入れるベアリング(22)のアウタレースを分離して、第1ベアリング(22)および第2ベアリング(22)に対し事前に負荷を与える。
【選択図】図2
【選択図】図2
Description
本発明は、包括的には、運動制御装置に関し、特にブレーキ(制動装置)に関する。詳細には、本発明は、直線運動等の運動を制動する、トラック(軌道)との使用に好適なブレーキに関し、より詳細には、作動のために低電圧直流電流を利用する直線運動ブレーキ(リニアモーションブレーキ)に関する。
直線運動装置は、荷を直線運動方向にある位置まで極めて正確にかつ非常に高速で移動させることができるため、工作機械、半導体および医療業界において人気が増大している。しかしながら、特に停電時に直線状の荷を停止させまたは保持する際に問題が発生する。特に、荷の移動および位置決めが、リニアモータに供給されている電流に依存するため、停電等の結果リニアモータへの電流が遮断された時、直線運動装置で搬送される荷は、重力および/または慣性力の下で移動することになる。この問題はまた、直線運動装置が、滑り摩擦が最小である高性能リニアベアリングを用いているため、さらに大きくなる。先の研究者は、上記不具合を直し顕著な信頼性および精度で動作するブレーキを考案した。Henkらによる米国特許第6,460,678号明細書およびMaherによる米国特許第7,124,861号明細書を参照されたい。上述した技術は、作動のために主に流体圧を利用する。直線装置の多くの適用には、好適な流体圧源がない。一方、電力、特に低電圧の電力は容易に入手可能である。
メカトロニクス技術(機械工学、電子工学およびコンピューティングの組合せ)は、設計者が何十年もの間頼ってきた従来の動力方法に取って代わりつつある。この流動的な分野において市場シェアを獲得するために、多くの会社が、それらの気圧式および液圧式の相当物の作業を電源を用いて行う製品に投資している。
したがって、直線運動している荷を停止させる、特に直線運動装置で使用される、詳細には、動作モードとして電気作動を含む、直線運動している荷を停止させるために使用される、ブレーキが必要とされている。
さらに、市場性の高いコストで従来の気圧または液圧装置の性能特性を満たすかまたは超える電気機械製品が必要とされている。
本発明は、ハウジングに固定され、かつハウジングに回転可能に取り付けられたカムのカム軸に形成された溝内に受け入れられる、ピンを提供することによって、運動制御の分野におけるこれらの問題および他の問題を解決する。カムの偏心カムフォロアが、回転軸に対して略垂直な、ハウジングに摺動可能に取り付けられるフェーシングと当接する。溝内のピンは、カム軸がそれ以上回転しないようにする回転止め具として作用する。
最も好ましい形態では、カム軸は、回転軸に対して偏心して延出し、かつカムフォロアのスタッドを受け入れる、円筒状孔を有する。最も好ましい態様では、スタッドは、より大きい円筒状係合部分から偏心して延出する。さらに、最も好ましい態様では、第1ベアリングおよび第2ベアリングのインナレース(内側レース)が、カム軸の案内肩部とカムフォロアの係合部分との間に挟装される。
最も好ましい形態では、シムが、第1ベアリングおよび第2ベアリングのアウタレースを分離することにより、第1ベアリングおよび第2ベアリングに対し、荷重下での第1レースおよび第2レースのインナレースの軸方向変位と等しい量、事前に負荷を与える。
好ましい態様では、カムフォロアは、フェーシングが半径方向の広がりが低減した後続部分より半径方向の広がりが大きいカム面の係合位置と当接した時を越えてさらに回転した後、ピンを溝の端部と当接させることにより、フェーシングの移動によって移動しないように掛止(ロック)される。
本発明は、図面に関連して説明する本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明に鑑みてより明らかとなろう。
例示的な実施形態を、添付図面を参照することにより最もよく説明することができる。
すべての図面は、本発明の基本的教示の説明を容易にするためにのみ描かれている。好ましい実施形態を形成する部品の数、位置、関係および寸法に関する図の拡張が、説明されており、または以下の説明が読まれ理解された後に、本技術分野の範囲内となろう。さらに、所定の力、重量、強度および同様の要件に適合するための正確な寸法および寸法比も同様に、以下の説明が読まれ理解された後に本技術分野の範囲内となろう。
図面のさまざまな図で用いられている同じ数字は、同じかまたは同様の部品を示す。さらに、本明細書において、用語「頂部」、「底部」、「第1」、「第2」、「正面」、「背面」、「外側」、「内側」、「上方」、「下方」、「高さ」、「幅」、「長さ」、「寸法」、「端部」、「側方」、「水平」、「垂直」、「軸方向」、「半径方向」および同様の用語が用いられている場合、これらの用語は、図面を見ている人に明らかであるように図面に示す構造にのみ関係しており、例示的な実施形態の説明を容易にするためにのみ用いられていることが理解されるべきである。
本発明の好ましい教示による運動制御装置を、図面に示し、かつ全体として10として指定する。概して、図示する最も好ましい形態での装置10は、リニアレール30に沿って直線状に移動する荷(ロード)を停止させるブレーキである。本発明の好ましい教示によれば、装置10は、リニアレール30に沿って好適に移動可能なハウジング11およびガード26を有している。二対の第1ベアリング22および第2ベアリング22が、各々、ハウジング11に圧入されたアウタレース(外側レース)を有している。第1ギアモータ15および第2ギアモータ15が、リニアレール30の両側にかつそれに平行に、ガード26の隔置された平行チャンバ内に受け入れられている。各ギアモータ15は、回転可能なモータ駆動軸を有している。最も好ましい形態では、駆動軸は環状ホルダ13内に延出しており、ギアモータ15は締結具29によってホルダ13に固定され、ホルダ13は、締結具28によってガード26のチャンバの第1軸方向端部に個々に固定されている。好適なキャップ17を用いて、ガード26のチャンバの第2軸方向端部を閉鎖することができる。
ギアモータ15を有する、本発明の好ましい教示による装置10は、ベアリング22およびカムフォロア24を用いて、ギアモータ15の回転力を直線力に変換し、その結果、リニアレール30を締め付ける。最良の結果を得るために、回転トルクを締付力に変換する効率は、85%範囲内であるべきである。これにより、本発明の設計の調整の多用性が向上し、保持力を増大させかつ/または係合時間を高速化することができる。
特に、各ギアモータ15は、トルクを増大させかつ速度を低減するように遊星ギアボックスに結合されたDCモータを含む。そして、ギアモータ15の駆動軸は、回転軸と同心のカム軸23の第1軸方向端部から延出する受入カウンタボア内に受け入れられる等、カム軸23に結合されている。カム軸23は、リニアレール30に対して平行でありかつそこから間隔を隔てて配置された回転軸を中心に回転するように、ハウジング11内でベアリング22によりベアリング支持されている。カム軸23は、その第2軸方向端部から回転軸方向に穴あけされた偏心孔を有している。この偏心孔は、ねじ切り(タップ)されており、カムフォロア24のスタッドを挿入することができるカウンタボアを有している。この構成では、カムフォロア24のスタッドは、カム軸23の半管状部分によって包囲されており、カム軸23は、第1ベアリング22および第2ベアリング22によって同心状に包囲されている。カムフォロア24は、フェーシング12と整合しかつ当接する係合部分を有しており、フェーシング12は、ハウジング11内に回転軸に対して略垂直に摺動可能に取り付けられている。ギアモータ15によって誘導されるカム軸23の回転により、カムフォロア24の係合部分が回転軸を中心に偏心経路を辿る。この偏心により、内燃機関のクランクシャフト、ロッドおよびピストン構成と非常に類似して、第1ベアリング22および第2ベアリング22が駆動される。このシステムにより、偏心経路がフェーシング12の鉛直面に略接すると、大量の力が生成される。
図3は、適所にある第1ベアリング22および第2ベアリング22とカムフォロア24とを示している。カム軸23内にはU字型溝が機械加工されており、それが回転軸に対して垂直な面に延出している。このU字型溝は、ダウエルピン14およびウレタンダンパ25を受け入れるように設計されている。ハウジング11内に圧入される等により固定された後のダウエルピン14の上にダンパ25を配置することができるように、かつ、その後、ピン14およびダンパ25をU字型溝内に配置することができるように、カム軸23内に、U字型溝と相互連結している軸方向溝を設けることができる。
ピン14およびダンパ25の組合せは、カム軸23がそれ以上回転しないようにする回転止め具として作用する。図示する好ましい形態では、カム軸23およびカムフォロア24の完全な回転は、回転軸を中心にわずかに180°を越える。180°を越える理由は、装置10から動力が除去される時の状態に関連する。ギアモータ15がその締付位置まで回転すると、動力が除去される。動力は、ギアモータ15の定格デューティサイクルにより、かつ流れている電流から発生する熱の負の影響(効果)により、制限される。ギアモータ15を全電流で動作させることにより高いトルクを発生させ、カム軸23のU字型溝のオーバーセンタ設計によって装置10が係合位置で保持されるようにすることが、最も効率的である。例示するために、カムフォロア24の偏心湾曲部の瞬間的な勾配がフェーシング12の面に接する、すなわち鉛直になるまで、カム軸23が回転すると想定する。止め具は、カム軸23がわずかにさらに「オーバーセンタに」回転して装置10を掛止するように配置されている。特に、カムフォロア24は、偏心湾曲部がフェーシング12の面に接し、かつ、フェーシング12がハウジング11から最大限出るように摺動する、係合位置を有している。カム面は、カム軸23が係合位置に向かって回転する際、係合位置の前に先行部分を有しており、そこで、フェーシング12はハウジング11外にさらに摺動して先行部分と当接することが理解されるべきである。カム軸23が係合位置を越えて回転すると、先行部分と当接しているフェーシング12は、その最大限から後退することができる。係合位置がフェーシング12を通過したすぐ後に、ピン14およびダンパ25は、U字型溝の端部と係合する。したがって、ギアモータ15への動力が喪失した場合、フェーシング12は、ハウジング11内に摺動することができるようになる前に、ハウジング11外にさらに摺動する必要がある。これは、ギアモータ15を使用しない場合、起こらない可能性が高い。逆方向では、止め具が、装置10を完全に開放するように設定されている。
ダウエルピン14を封入するために用いる管状ウレタンダンパ25は、回転受面として作用する。このダンパ25または他の緩衝機構なしに装置10を動作させることにより、ギアモータ15の多数のギアボックス障害と、モータ駆動軸とカム軸23との間のトルク伝達系統に対する深刻な摩耗と、がもたらされる可能性がある。さらに、ギアモータ15のギアボックスのモータ駆動軸上の標準の止めねじおよび単一フラット部が、モータ駆動軸上の2つのフラット部と、モータ駆動軸を受け入れる、カム軸23の楕円形状の受入カウンタボアと、になっている。好ましい形態のウレタンダンパ25は、急な停止が発生した時に回転質量がもたらすねじりスパイクを和らげる。しかしながら、本発明の好ましい教示により、他の形態の緩衝対策を利用することができる、ということが理解されるべきである。
本発明の好ましい実施形態によれば、カム軸23はカムフォロア24とは別個に形成されかつ分離可能であり、合せてカムを画定する。スタッドは円筒形状であり、スタッドと同心でありかつスタッドより大きい円筒形状係合部分から延出している。カム軸23は、回転軸と同心であり、かつ第1ベアリング22および第2ベアリング22のインナレースを受け入れるための、案内肩部(pilot shoulder)を有している。第1ベアリング22および第2ベアリング22のインナレースは、カムフォロア24のスタッドがカム軸23のねじ切り偏心孔内にねじ込まれると、カム軸23の案内肩部とカムフォロア24の係合部分との間に挟装(サンドイッチ)される。カムフォロア24の相対的な回転を補助するために、カムフォロア24の係合部分に締結カウンタボアを設けることができる。締結具19によってハウジング11に固定されたカバー16を取り除くことによって、締結カウンタボアに達する(アクセスする)ことができる。
本発明の教示によれば、ベアリングアセンブリにシム20が追加される。このシム20は、第1ベアリング22および第2ベアリング22のアウタレースを分離する。荷重下での第1ベアリング22および第2ベアリング22のインナレースの軸方向変位を測定しかつ計算することにより、シム20は、駆動アセンブリ内にこれと同じ量の撓みを永久的に誘発する。ベアリングアセンブリに事前に負荷をかける、またはより正確にはそれを事前に変位させることにより、完全荷重下での撓みが0.001インチ(約0.0254ミリメートル)まで低減する。これにより、より剛性な、より高性能な、より直線状の締付機構がもたらされる。
先行技術では、コントローラが、別個の要素として提供され、通常は外部に取り付けられている。図4で明らかであるように、ガード26内にモータコントローラ18が封入されている。特に、好ましい形態では、ガード26は、ギアモータ15を受け入れるチャンバの中間にかつリニアレール30の上方に空洞(キャビティ)を有している。ガード26は、締結具27によってハウジング11に固定されており、締結具27は、空洞内で操作することができ、ガード26内を延出しハウジング11内に固定されている。環状ホルダ13は、ハウジング11とガード26との間に挟装されている。内部にモータコントローラ18がある空洞を、カバー21によって閉鎖することができる。
マイクロコントローラおよびHブリッジドライバが、モータコントローラ18の電子機器の中心を形成している。マイクロコントローラが、係合/係合解除信号を提供しかつ受け取る。次いで、マイクロコントローラは、ギアモータ15を作動させリニアレール30に対する装置10の所望の係合または係合解除をもたらすために、Hブリッジドライバに適切な信号を送信する。装置10の係合が成功すると、マイクロコントローラは、そのデジタル指示を、信号灯またはロジックハイ/ロー電圧信号を介して提供する。さらに、あり得る係合障害モードに対して、ギアモータ15の電機子電流を監視する。これらモードには、限定されないが、リニアレール30がない、モータ電機子回路が開路である、ギアモータ15が連続的に失速する(ロックアップする)、フェーシング12がない、およびギアモータ15の逆駆動がある。係合障害モードが検出されると、デジタル指示がなされない。これにより、使用者に対し、係合が確認されないというフィードバックが提供される。電機子電流は、安定した信号を生成するためにハードウェアおよびソフトウェアによって調整され、マイクロコントローラはそれに基づいて障害モードを確定することができる。
障害モード検出だけでなく、電機子電流を用いて、係合中にギアモータ15を減速させる時が確定される。フェーシング12がリニアレール30に接触する際に電流が増大すると、ギアモータ15を、Hブリッジドライバからの100%未満デューティサイクルパルス幅変調信号を用いて減速させる。速度の低下は、装置10と完全に係合するには依然として十分であり、回転止め具に対するより滑らかな接触を可能にし、したがって、機械部品に対する応力が低減する。
本発明の教示による運動制御装置10は、完全回転要素を用いて、電源からの回転トルクを直線力に変換する。さらに、本発明の運動制御装置10の部品の配置により、動力源として電気エネルギーを用いる際の電力密度の不都合を相殺する相乗効果的な結果がもたらされる。
このように、本明細書で開示する発明を、形態のいくつかを示したその趣旨または概略的な特徴から逸脱することなく、他の所定の形態で具現化することができるため、本明細書で説明した実施形態は、すべての点において例示的なものであり限定的なものではないとみなされるべきである。本発明の範囲は、上述した説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示されており、特許請求の範囲の等価物の意味および範囲内にあるすべての変更が、そこに包含されることが意図されている。
Claims (17)
- ハウジング(11)と、カム軸(23)およびカムフォロア(24)を有するカムであって、前記カム軸(23)が前記ハウジング(11)内に回転軸を中心に回転可能に取り付けられ、前記カムフォロア(24)が前記回転軸を中心に偏心経路を辿る、カムと、前記回転軸に対して略垂直に前記ハウジング(11)内に摺動可能に取り付けられたフェーシング(12)であって、前記カムフォロア(24)と当接するフェーシング(12)と、を有する運動制御装置であって、
前記カム軸(23)内に形成され、前記回転軸に対して垂直にかつ前記回転軸の周囲に360°未満で延出する溝と、
前記ハウジング(11)内に固定されかつ前記溝内に延出するピン(14)であって、前記ピン(14)と前記溝とが、前記回転軸を中心とする前記カム軸(23)がそれ以上回転しないようにする回転止め具として作用し、前記ピン(14)と前記溝との間に緩衝がもたらされる、ピン(14)と
を具備することを特徴とする運動制御装置。 - 前記カムフォロア(24)が、前記偏心経路を画定するカム面を有し、前記フェーシング(12)が前記カム面と当接し、前記カム面が、前記回転軸から半径方向の広がりを有する少なくとも1つの係合位置を有し、前記カム面が、前記偏心経路において前記少なくとも1つの係合位置の前後に半径方向の広がりが低減する先行部および後続部を有し、前記フェーシング(12)が、前記少なくとも1つの係合位置と当接した時に前記ハウジング(11)から最大限に出るように摺動し、前記溝が第1端部および第2端部を有し、前記ピン(14)が、前記少なくとも1つの係合位置の後に前記フェーシング(12)が前記後続部と当接した時に、前記溝の前記第1端部と当接し、前記フェーシング(12)を摺動しないように掛止する請求項1に記載の運動制御装置。
- 前記ピンの上にかつ前記溝内に受け入れられる環状緩衝装置(25)であって、前記ピン(14)と前記溝との間の衝撃を緩衝する、緩衝装置(25)をさらに具備する請求項1または2に記載の運動制御装置。
- 各々が、前記ハウジング(11)内に受け入れられるアウタレースと前記カム軸(23)を受け入れるインナレースとを有する第1ベアリング(22)および第2ベアリング(22)であって、前記カム軸(23)が前記カムフォロア(24)とは別個に形成されかつ分離可能であり、前記第1ベアリング(22)および前記第2ベアリング(22)の前記インナレースが、前記カム軸(23)と前記カムフォロア(24)との間に挟装される、第1ベアリング(22)および第2ベアリング(22)と、
前記第1ベアリング(22)および前記第2ベアリング(22)の前記アウタレースを分離して、前記第1ベアリング(22)および前記第2ベアリング(22)に対し、荷重下での前記インナレースの軸方向変位と等しい量で事前に負荷を与える、シム(20)と
をさらに具備する請求項1〜3のいずれか一項に記載の運動制御装置。 - 前記カム軸(23)が、前記カムフォロア(24)とは別個に形成されかつ分離可能であり、前記カム軸(23)が第1軸方向端部および第2軸方向端部を有し、前記第2軸方向端部が、前記回転軸に対して偏心して延出する円筒状孔を有し、前記カムフォロア(24)が、前記円筒状孔に受け入れられるスタッドと前記フェーシング(12)と係合する係合部分とを有し、前記スタッドが前記係合部分から延出する請求項1〜3のいずれか一項に記載の運動制御装置。
- 各々が、前記ハウジング(11)内に受け入れられるアウタレースと前記カム軸(23)を受け入れるインナレースとを有する第1ベアリング(22)および第2ベアリング(22)であって、前記カム軸(23)と前記カムフォロア(24)との間に挟装される、第1ベアリング(22)および第2ベアリング(22)と、
前記第1ベアリング(22)および前記第2ベアリング(22)の前記アウタレースを分離して、前記第1ベアリング(22)および前記第2ベアリング(22)に対し、荷重下での前記インナレースの軸方向変位と等しい量で事前に負荷を与える、シム(20)と
をさらに具備する請求項5に記載の運動制御装置。 - 前記係合部分が円筒状であり、かつ前記スタッドと同心である、請求項5または6に記載の運動制御装置。
- 駆動軸を有するモータ(15)であって、前記第1軸方向端部が、前記回転軸と同心状に延出するカウンタボアを有し、前記駆動軸が前記カウンタボア内に着脱可能に受け入れられる、モータ(15)
をさらに具備する請求項1〜7のいずれか一項に記載の運動制御装置。 - 前記ハウジング(11)に固定されたガード(26)であって、チャンバを有し、前記モータ(15)が前記チャンバ内に受け入れられ、さらに空洞を有するガード(26)と、
前記ガード(26)の前記空洞内に受け入れられるモータコントローラ(18)であって、前記モータ(15)を制御する、モータコントローラ(18)と
をさらに具備する請求項8に記載の運動制御装置。 - 前記ハウジング(11)と前記ガード(26)との間に挟装された環状ホルダ(13)であって、前記駆動軸が前記環状ホルダ(13)内を延出し、前記モータ(15)に固定され、前記ガード(26)に個別に固定されかつ前記チャンバの上に延出する、環状ホルダ(13)
をさらに具備する請求項9に記載の運動制御装置。 - リニアレール(30)であって、前記ハウジング(11)が前記リニアレール(30)に対して移動可能であり、前記回転軸に対して平行であり、前記フェーシング(12)が前記リニアレール(30)と係合する、リニアレール(30)
をさらに具備する請求項1〜10のいずれか一項に記載の運動制御装置。 - 前記溝が、前記回転軸を中心に180°を越える角度で延出する請求項1〜11のいずれか一項に記載の運動制御装置。
- 回転軸を中心にカムフォロア(24)を回転させるステップであって、前記カムフォロア(24)が、前記回転軸から半径方向の広がりを有する少なくとも1つの係合位置と、前記係合位置の前後の半径方向の広がりが低減した先行部分および後続部分と、を有する偏心経路を画定するカム面を有する、ステップと、フェーシング(12)を、前記回転軸に対して垂直に移動するように前記カム面と当接させるステップと、を含む運動制御の方法であって、
前記少なくとも1つの係合位置が前記フェーシング(12)を通過した時、前記カムフォロア(24)が前記回転軸を中心に回転した後、前記カムフォロア(24)の溝の端部にピン(14)を当接させ、前記カムフォロア(24)が前記フェーシング(12)の移動により回転しないように掛止するステップ
を含むことを特徴とする方法。 - 前記ピン(14)の前記溝の前記端部との当接を緩衝するステップ
をさらに含む請求項13に記載の方法。 - 前記緩衝するステップが、前記ピン(14)上に弾性環状緩衝装置(25)を設けるステップであって、前記緩衝装置(25)および前記ピン(14)が前記溝に受け入れられる、ステップを含む請求項14に記載の方法。
- 前記カムフォロア(24)を回転させるステップが、各々がハウジング(11)に受け入れられるアウタレースとカム軸(23)を受け入れるインナレースとを有する、第1ベアリング(22)および第2ベアリング(22)を提供するステップであって、前記カム軸(23)が前記カムフォロア(24)とは別個に形成されかつ分離可能であり、前記第1ベアリング(22)および前記第2ベアリング(22)の前記インナレースが、前記カム軸(23)と前記カムフォロア(24)との間に挟装される、ステップと、
前記第1ベアリング(22)および前記第2ベアリング(22)の前記アウタレースに対し、荷重下での前記インナレースの軸方向変位と等しい量、事前に負荷を与えるステップと
をさらに含む請求項13〜15のいずれか一項に記載の方法。 - 前記回転させるステップが、前記カムフォロア(24)を360°未満でかつ180°を越えて回転させるステップを含む請求項13〜16のいずれか一項に記載の方法。
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