JP2013041505A - エアバランスを利用して退避動作を行う位置決め装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固定部20に対して可動部21が鉛直方向に対して上下に移動する構造であり、圧力調整装置46はエア源(コンプレッサ)44に接続され、圧縮空気がエア配管60を介してエア源44から圧力調整装置46に供給され、圧力調整装置46に供給された圧縮空気はエアバランスの配管80を介してエアバランスに供給され、制御装置40からの圧力調整を指令する電気信号が圧力調整の信号線80を経由して圧力調整装置46に入力し、圧力調整装置46の動作が制御され、非常停止スイッチ42は手動で緊急停止させるためのスイッチであり、これが押されると制御装置40の制御が切れて非常停止状態となる。
【選択図】図4
Description
また、特許文献3や特許文献4には、精密工作機械や精密測定器などにおいて、垂直軸上で移動する可動部の自重を補償する機構に適用されるエアバランス構造の技術が開示されている。
請求項2に係る発明は、前記エアバランス圧力変更部は、エアバランスの圧力変化によって前記サーボモータの推力以上の力を発生させることを特徴とする請求項1記載の位置決め装置である。
請求項3に係る発明は、前記エアバランス圧力変更部は、エアバランスに接続された圧力調整装置であることを特徴とする請求項1記載の位置決め装置である。
請求項4に係る発明は、前記エアバランス圧力変更部は、エアバランスの圧力よりも高いまたは低い圧力のエアを一定量溜めることができるエアタンクと弁で構成されており、該エアタンクは該弁を介して該エアバランスと配管で接続されていることを特徴とする請求項1記載の位置決め装置である。
請求項6に係る発明は、前記垂直軸とは別に少なくとも一つの直動軸または回転軸を有し、該直動軸または回転軸はエア圧力を供給するとブレーキが解除され、エア圧力を抜くとブレーキが作動するブレーキ装置を備え、それぞれの弁は同時に開閉し、弁を閉じたときにそれぞれのブレーキの残圧が前記排気ポートを介して、エアバランスに流入する管路を備えていることを特徴とする請求項5記載の位置決め装置である。
請求項7に係る発明は、前記ブレーキ装置と前記弁を接続するエア配管の少なくとも一つは、配管内にエアを溜めることが可能な構造であることを特徴とする請求項6記載の位置決め装置である。
請求項8に係る発明は、前記垂直軸のブレーキ装置は、ブレーキを作動させる時に排出されるエアの管路に絞り弁が取り付けられ、前記排出されるエアの流速を制限することにより垂直軸のブレーキの作動時間が遅延する構造を特徴とした請求項5乃至7のいずれか1つに記載の位置決め装置である。
請求項9に係る発明は、前記弁は、電磁弁であり、該電磁弁の電源がONの時にブレーキ装置にエアが供給されて、ブレーキが解除され、電磁弁がOFFの時にブレーキが作動することを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1つに記載の位置決め装置である。
請求項10に係る発明は、前記エアバランスは、精密減圧弁の2次側に接続され、前記エアバランスの圧力が一定になるように圧力調整することを特徴とする請求項1記載の位置決め装置である。
<請求項1>
請求項1に係る発明は、本来,垂直軸の自重をキャンセルするために搭載されているエアバランスを、非常停止時の退避動作にも利用することで、安価に位置決め装置の安全性を高めることができる。
<請求項2>
請求項2に係る発明は、エアバランスは垂直軸の駆動力以上の推力を容易に発生させることができるので、制御で退避動作させるよりも、高速な退避動作を実現でき、また、地震など、制御の駆動力を超える外力が加わった場合にも、安全な退避動作ができる可能性が高い。
<請求項3>
請求項3に係る発明は、エアバランスの圧力変化によって前記サーボモータの推力以上の力を発生させることができる。
<請求項4>
エアバランスの圧力を継続的に変えてしまうと、垂直軸は際限なく動いてしまうが、退避動作があまりに大きいと、安全性が損なわれる可能性もあるので、退避動作は安全確保に必要な距離だけ動くのが望ましい。請求項4に係る発明は、非常停止時において、弁を開くと、エアタンク内がエアバランスと同じ圧力になるまで、垂直軸が退避動作をするが、それ以上は移動しない、つまり、退避動作を一定の距離にすることができる。
<請求項5>
請求項5に係る発明は、ブレーキはエアが抜けた時に作動するため、停電中でもブレーキが保持される。つまり、垂直軸の可動部を固定して、安全を確保するのが本来のブレーキの役割であるが、請求項4の「エアタンク」の役割も兼ねさせることができる。エア駆動のブレーキは、ブレーキ内部または途中の配管に高圧のエア(残圧)がたまっており、ブレーキが作動すると、このエアが排出される。排出されるエアを利用して、エアバランスの圧力を一時的に高くすることで垂直軸の退避動作を行なうので、ブレーキが作動する条件で確実に(電気的な信号処理がないので停電でも)、垂直軸に退避動作をさせることができる。
<請求項6>
請求項6に係る発明は、軸が複数ある場合は、それぞれの軸のブレーキから排出される残圧のエアがすべてエアバランスに導かれることで、ブレーキ作動時により多くのエアがエアバランスに送られ、これにより、垂直軸の退避動作がより高速になるとともに、退避時に発生する力も大きくなる。
<請求項7>
垂直軸の退避動作をより速くするためには、ブレーキ作動時にエアバランスに送られるエアの流量をより多くする必要がある。請求項7に係る発明は、ブレーキと弁の間のエア配管にたまっているエアが弁の排気ポート経由でエアバランスに流入するので、このエア配管が長い、または太いほどエアの量が増える。エア配管の途中にタンクを接続して、エアを蓄積しても、同じ効果となる。
<請求項8>
停電でエア源(コンプレッサ)が停止した場合、エアバランスの圧力はゼロとなる。この場合でも、自重を支えるだけの保持力が垂直軸のブレーキには必要であり、非常に強力な保持力を持つ。したがって、垂直軸のブレーキの動作が速いと、垂直軸の退避動作が不十分な位置で止まってしまう可能性がある。これを解決するために、垂直軸だけは、ブレーキの管路に絞り弁を割り込ませ、ブレーキ動作を遅らせることで、垂直軸が十分な距離を退避する時間を稼ぐことができるようになる。また、高速に垂直軸が退避動作している最中にブレーキでロックすると、可動部やブレーキに衝撃が伝わり、装置の故障や精度劣化につながる可能性があるが、垂直軸のブレーキを遅らせることで、防止できる。
<請求項9>
各軸のブレーキへのエア供給は電磁弁で電気的に制御されるが、電源OFFの時にブレーキが作動する方式であれば、停電時にもブレーキが作動するので、停電になると自動的に垂直軸が退避動作を行なう。
<請求項10>
垂直軸の自重をキャンセルするエアバランスの圧力が変動すると、サーボモータの負荷となるので、常時一定圧力に保つために、精密減圧弁が必要となり、該精密減圧弁は、電源が失われても同じ圧力設定値を保つ装置として、停電時も有効である。さらに、垂直軸の退避動作に対して、迅速にエアバランス室の圧力を静定することができる。
工作機械の加工や3次元計測装置の計測は、工具や計測プローブが垂直の姿勢に固定されている装置が多い。このような装置では、垂直軸を上方向に瞬時に退避すれば、安全に停止できる可能性が高い。
垂直軸の自重をキャンセルする機構として、エアバランスを採用している装置においては、エアバランスの圧力を変えることで、非常に大きな力を瞬時に発生させることができる。これを非常停止の際の退避動作として利用する。
非常停止時にエアバランスの圧力を変える方法として、各軸のブレーキにエア圧を利用している装置では、ブレーキの排気エアを利用することができる。ブレーキは安全性を考慮して、動力がない状態でも作動し続けるのが一般的なので、エア圧式のブレーキは、ブレーキを解除している時にエア圧が供給されており、ブレーキが動作する時にエア圧を抜く方式になっている。
図1は位置決め装置の例として、工作機械を示している。図1の工作機械は、符号2,4,6で示されるX軸,Y軸,Z軸を搭載した直交3軸の構成で、Z軸6が垂直軸である。そして、Y軸4に工具10を取り付けるスピンドル8が固定されている。Z軸6は鉛直方向の垂直軸である。ベッド1上にX軸2、X軸2の上にZ軸6が配置され、ワーク12はZ軸6に固定される。Y軸4の先端にスピンドル8が鉛直方向下向きに取り付けられている。X軸2とY軸4とで工具10をワーク12に対して水平面2軸方向に移動させることができる。そして、Z軸6により工具10をワーク12に対して相対的に移動させる。
図6は、エアバランス室23の圧力に対するエアバランスの駆動力の例を示している。垂直軸の可動部の重量が100Kg、エアバランス室23の断面積(可動部がエア圧で上方向の力を受ける面積)が500cm2とすると、エアバランス室23の圧力(ゲージ圧)が0.2Kgf/cm2(=0.02MPa)であれば、可動部21を押し上げる力が0.2*500=100[Kgf]となり、可動部21の重量と釣り合う。
また、地震などで装置に大きな加速度が加わった場合は、容易に制御の最大推力を超える力が加わり、電気的制御では退避動作ができなくなる。こういった場合でも、より大きな力で退避動作が可能なエアバランスであれば、可動部の衝突回避または、衝突の被害を最小限にすることが可能である。
圧力の伝播速度は音速であるが、実際には装置に用いられる途中の管路の抵抗などもあって、流量が制限されるので、エアバランスの圧力が最大になるまでに、0.1秒かかると見積もられる。(途中の配管が十分太く短ければ、音速に近くなる。)
一方、電気的な制御では、瞬時に最大推力を発生させることも可能なので、推力の立ち上がり時間で比較すれば、確実に電気的な制御の方がエアバランスによる退避動作の方より速くなる。しかし、図6の説明にあるように、退避動作の時間は、最大推力にも依存するので、退避する距離が長くなるほど、最大推力の大きいエアバランスの方が有利になる。
図4,図5に示される請求項1に記載される発明の実施形態では、非常停止時に圧力調整装置46により、エアバランス室23の圧力設定そのものを変えているので、エアバランス室23の圧力を元に戻さない限り、退避動作が継続する。したがって、エアバランスの圧力を変えて、一定距離の退避動作をした後に、必ず、エアバランスを元の圧力に戻すというシーケンスで制御装置40から圧力調整装置46に信号を出力しなければならない。このため、制御装置40からの圧力調整を指令する電気信号が圧力調整の信号線80を経由して圧力調整装置46に入力し、圧力調整装置46の動作が制御される。
この方式の利点は、停電などでエア源44のコンプレッサが停止しても、スプリング29の力でブレーキが保持されることである。また、ブレーキ装置25が左右対称構造になっているのは、左右からブレーキレール26を同じ力で挟み込むことにより、ブレーキ作動時に軸受に大きな力が加わらないようにするためである。特に前述の空気軸受(図5の説明を参照)は、摩擦がゼロに近い理想的な軸受である一方で、転がり軸受などと比べて軸受の剛性が低いため、ブレーキ作動時に軸受に負荷がかからない方式が望ましい。
ただし、請求項5に記載の発明の実施形態の構造は、原理的にエアバランス室23の圧力を上げる方向でしか退避動作ができないので、図1のような、Z軸6の下方向への退避が必要な軸構成の装置には対応できない。
また、請求項6および図14の実施形態ではブレーキ(3,5,7)ごとに弁(52x,52y,52z)が存在するが、非常停止時以外での装置の運用上、個々のブレーキ(3,5,7)を独立して作動させる必要がなければ、一つの弁だけで各軸のブレーキを同時に動作させてもよい。
そこで、図15のようにX軸2,Y軸4,Z軸6の各軸ブレーキの配管72x’,72y’,72z’を太く、長くして、内径4.0mm、長さ2.5mとする。この場合は、1軸あたり40cc、3軸で120ccとなり、前述の必要容量0.1Lを超える容量になる。なお、符号72x’はX軸ブレーキに接続する太く長いエア配管、72y’はY軸ブレーキに接続する太く長いエア配管、72z’はZ軸ブレーキに接続する太く長いエア配管を表す。
●[ステップSA100]各軸の制御が切れ、ブレーキ用の弁が閉じる。
●[ステップSA102]垂直軸以外のブレーキが作動し、ブレーキの排圧がエアバランスに流入する。
●[ステップSA104]垂直軸の退避動作が完了する。
●[ステップSA106]垂直軸のブレーキが作動する。
垂直軸(Z軸6)以外の軸(X軸2,Y軸4)のブレーキ用の配管には、絞り弁56が設置されていないので、ブレーキの弁(X軸ブレーキ用の弁52x,Y軸ブレーキ用の弁52y)が閉じると、すぐにブレーキが作動すると共に、ブレーキの排圧(排気)がエアバランス室23に流入する。この方式であれば、確実に退避動作が完了した後に、垂直軸(Z軸6)のブレーキを作動させることができるので、上述した図17のフローチャートの流れを実現できる。
尚、絞り弁56の取り付け位置が図18のように垂直軸(Z軸6)のブレーキに近ければ、ブレーキ配管内のエアの大部分が垂直軸の退避動作に使われることになるので、無駄にはならない。
図22と図23を比較するとわかるように、非常停止の開始直後の挙動は全く同じであり、減圧弁の有無の影響は見られない。これは、圧力変化に対して、減圧弁の応答速度はやや遅れるためであるが、この応答の遅れにより減圧弁が退避動作を妨げることは、ほとんどない。したがって、減圧弁がエアバランスに接続されていても、退避動作は問題なく行なわれると考えてよい。
2 X軸
3 X軸ブレーキ
4 Y軸
5 Y軸ブレーキ
6 Z軸
7 Z軸ブレーキ
8 スピンドル
10 工具
12 ワーク
14 計測プローブ
16 測定物
20 固定部
21 可動部
22 軸受面
23 エアバランス室
24 空気軸受面
25 ブレーキ装置
26 ブレーキレール
27 シリンダー
28 ピストン
29 スプリング
30 ブレーキシュー
40 制御装置
42 非常停止スイッチ
44 エア源
46 圧力調整装置
48 弁
49 止め栓
50 エアタンク
52 ブレーキ用の弁
52a ブレーキ用の電磁弁
52x X軸ブレーキ用の弁
52y Y軸ブレーキ用の弁
52z Z軸ブレーキ用の弁
53 止め栓
54 80ccのエアタンク
56 絞り弁
58 精密減圧弁
58a 調整ノブ
58b 1次側
58c 排気ポート
58d 2次側
59 排気ポート
60,61,62,63,64 エア配管
70,71 エアバランスに接続するエア配管
72 ブレーキに接続するエア配管
72x X軸ブレーキに接続するエア配管
72y Y軸ブレーキに接続するエア配管
72z Z軸ブレーキに接続するエア配管
72x’ X軸ブレーキに接続する太く長いエア配管
72y’ Y軸ブレーキに接続する太く長いエア配管
72z’ Z軸ブレーキに接続する太く長いエア配管
73 エア配管
74 エアバランスと電磁弁の排気ポートを接続する配管
75 空気軸受へのエア供給配管
76 空気軸受の配管
77 空気軸受からの排気
78 エアバランスと減圧弁の2次側を接続する配管
80 圧力調整の信号線
81,82 信号線
83 ブレーキの信号線
Claims (10)
- 垂直軸を駆動するサーボモータと、該サーボモータを制御する制御装置と、前記垂直軸の自重をキャンセルするエアバランスとを備えた位置決め装置において、
前記エアバランスにエアを供給するエア供給源と、
該エア供給源から供給されるエアを使用した前記エアバランスの圧力を調整する圧力調整装置と、
前記位置決め装置が非常停止、停電、あるいはその他の操作により前記サーボモータの励磁が解除されたとき、前記エアバランスの圧力を変更し、前記垂直軸に付随して移動する構造部が他の構造物と衝突することを回避または衝突を低減する方向に前記垂直軸を移動させるためのエアバランス圧力変更部と、
を有することを特徴とする位置決め装置。 - 前記エアバランス圧力変更部は、エアバランスの圧力変化によって前記サーボモータの推力以上の力を発生させることを特徴とする請求項1記載の位置決め装置。
- 前記エアバランス圧力変更部は、エアバランスに接続された圧力調整装置であることを特徴とする請求項1記載の位置決め装置。
- 前記エアバランス圧力変更部は、エアバランスの圧力よりも高いまたは低い圧力のエアを一定量溜めることができるエアタンクと弁で構成されており、該エアタンクは該弁を介して該エアバランスと配管で接続されていることを特徴とする請求項1記載の位置決め装置。
- 前記垂直軸は、エア圧力を供給するとブレーキが解除され、エア圧力を抜くとブレーキが作動するブレーキ装置を備え、
前記ブレーキ装置に供給されるエアは、前記エアバランスの圧力よりも十分高いエア源から弁を介して供給され、
前記弁は、弁が閉じたときの残圧を逃がす排気ポートを備え、
前記弁が閉じたときに、前記ブレーキ装置の残圧が弁の前記排気ポートを介して前記エアバランスに流入する管路を備えていることを特徴とする請求項1記載の位置決め装置。 - 前記垂直軸とは別に少なくとも一つの直動軸または回転軸を有し、該直動軸または回転軸はエア圧力を供給するとブレーキが解除され、エア圧力を抜くとブレーキが作動するブレーキ装置を備え、それぞれの弁は同時に開閉し、弁を閉じたときにそれぞれのブレーキの残圧が前記排気ポートを介して、エアバランスに流入する管路を備えていることを特徴とする請求項5記載の位置決め装置。
- 前記ブレーキ装置と前記弁を接続するエア配管の少なくとも一つは、配管内にエアを溜めることが可能な構造であることを特徴とする請求項6記載の位置決め装置。
- 前記垂直軸のブレーキ装置は、ブレーキを作動させる時に排出されるエアの管路に絞り弁が取り付けられ、前記排出されるエアの流速を制限することにより垂直軸のブレーキの作動時間が遅延する構造を特徴とした請求項5乃至7のいずれか1つに記載の位置決め装置。
- 前記弁は、電磁弁であり、該電磁弁の電源がONの時にブレーキ装置にエアが供給されて、ブレーキが解除され、電磁弁がOFFの時にブレーキが作動することを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1つに記載の位置決め装置。
- 前記エアバランスは、精密減圧弁の2次側に接続され、前記エアバランスの圧力が一定になるように圧力調整することを特徴とする請求項1記載の位置決め装置。
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