JP3666273B2 - 工作機械のバランス装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械において重力方向に移動する垂直軸ユニットに作用する重力の影響を軽減するバランス装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にマシニングセンタなどの工作機械はワークに多種・多様な加工を施すために、主軸などの工具を保持したユニットと、テーブルなどのワークを保持したユニットが互いに前後、左右、上下の直交３軸方向に相対移動可能になっている。この前後、左右、上下の３軸の構成は、ワークが固定された状態で工具が３軸方向に移動するものや、工具が左右方向と上下方向に移動してワークが前後方向に移動するものや、工具が左右方向と前後方向に移動し、ワークが上下方向に移動するものなど多種の構成が存在する。そして、これら前後、左右、上下方向に移動するユニットの内、工作機械が設置される床面に対して上下方向に移動するユニットである垂直軸ユニットは、重力の作用する方向に沿って移動されるため、この垂直軸ユニットを移動させるサーボモータやリニアモータなどの送り駆動装置には大きな負荷が作用し、これにより送り駆動装置が発熱して加工精度に影響を及ぼすことがある。
【０００３】
この垂直軸ユニットの送り駆動装置に作用する負荷を軽減する目的で、従来は圧縮空気などの流体の圧力を利用した負荷軽減装置であるバランス装置が採用されている。このバランス装置は、例えば特開平５−１３８４１９号に開示されているものがある。このものは、垂直軸ユニットである主軸頭が、コラムの案内面に沿って送りねじ機構により昇降され、圧縮空気供給装置から供給された圧縮空気をリザーバに貯蔵し、この貯蔵した圧縮空気を配管を介してエアシリンダに供給するようになっている。そして、このエアシリンダは主軸頭にワイアを介して接続されており、リザーバから配管を介して供給される圧縮空気の圧力により主軸頭の重量を支持するようになっている。
【０００４】
そして、主軸頭が上昇端に位置している場合と下降端に位置している場合では、エアシリンダの容積が変化するので主軸頭に作用する推力が変化するが、特開平５−１３８４１９号に開示されているものは、リザーバの容積をこのエアシリンダの容積変化を無視できる程度に大きくすることにより、主軸頭の位置に係わらず所望の範囲内の力で主軸頭の重量を支持するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
主軸頭の移動によるシリンダが発生する推力変化を小さくするために、大容量（特開平５−１３８４１９号においては、１０７リットル）のリザーバや、特開平５−１３８４１９号には記載されていないが、圧縮空気供給装置から供給される圧縮空気を所望の圧力に調整するための増圧装置や減圧装置なとの装置が必要なこともありコストが高くなると共に、バランス装置全体が大きくなり、バランス装置を設置するために広いスペースを必要とする。これにより工作機械をコンパクトにすることができない。
また、リザーバとシリンダなどを配管で接続しているので、配管作業が必要であり、手間がかかる。また、配管のためのスペースも必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項１の発明においては、重力方向に移動する垂直軸ユニットに作用する重力の影響を軽減するバランス装置において、前記垂直軸ユニットの重力方向への移動に対して不動の固定部に設けられ内部に気体が封入されたシリンダと、前記シリンダの上方位置で前記垂直軸ユニットに取付けられ前記垂直軸ユニットから前記シリンダに向かって延在するシリンダロッドとを備え、前記シリンダロッドは、ロッド部と、前記ロッド部の下端に設けられ前記ロッド部の直径よりも大径でかつ前記シリンダ内径よりも小径の受圧部とによって構成されたことを特徴とするものである。
【０００７】
請求項２の発明においては、重力方向に移動する垂直軸ユニットに作用する重力の影響を軽減するバランス装置において、前記垂直軸ユニットに設けられ内部に気体が封入されたシリンダと、前記垂直軸ユニットの下方位置で前記垂直軸ユニットの重力方向への移動に対して不動の固定部に取付けられ前記固定部から前記垂直軸ユニットに向かって延在するシリンダロッドとを備え、前記シリンダロッドは、ロッド部と、前記ロッド部の上端に設けられ前記ロッド部の直径よりも大径でかつ前記シリンダ内径よりも小径の受圧部によって構成されたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
工作機械は側面図である図１に示すように、ベースであるベッド５上にＸ軸方向（図１において紙面と垂直方向）に延在するＸ軸ガイドレール６ａに沿って、Ｘ軸送りモータ８により移動するＸ軸テーブル６が設置されている。このＸ軸テーブル６上には、Ｚ軸方向（図１において左右方向）に延在するＺ軸ガイドレール７ｂに沿って、図略のＺ軸送りモータにより移動する主軸ヘッド７が設けられており、この主軸ヘッド７には先端に工具Ｔを装着して回転駆動する主軸７ａが回転可能に支持されている。
【０００９】
前記ベッド５の前面には、Ｙ軸方向（図１において上下方向）に延在するＹ軸ガイドレール１０ａに沿って、Ｙ軸送りモータ９によりＹ軸方向に移動する垂直軸ユニットであるＹ軸テーブル１０が設けられている。このＹ軸テーブル１０上には、Ｙ軸と平行なＣ軸回りに回転自在なＣ軸テーブル１１が設けられており、Ｃ軸テーブル１１には、工作物Ｗが保持される。
【００１０】
Ｙ軸テーブル１０の下方位置のベッド５にはシリンダ１５が上向きに取付けられており、このシリンダ１５のシリンダロッド１６はシリンダ１５の上方位置でＹ軸テーブル１０の下面に取付けられＹ軸テーブル１０の下面からシリンダ１５に向かって延在しており、Ｙ軸テーブル１０と一体的に移動可能となっている。そして、Ｘ軸テーブル６、主軸ヘッド７およびＹ軸テーブル１０の送り動作により工具Ｔを工作物Ｗに対して直交３次元方向に移動させると共に、Ｃ軸テーブル１１の回転動作により工作物Ｗの工具Ｔに対する姿勢を変化させ、Ｃ軸テーブル１１に保持されている工作物Ｗに種々の加工を施すようになっている。このＹ軸テーブル１０の上下移動に際して、シリンダ１５がバランス装置として機能し、Ｙ軸テーブル１０に作用する重力の影響を軽減して、Ｙ軸送りモータ９の負荷を軽減するようになっている。
【００１１】
次に、バランス装置である前記シリンダ１５について説明する。
シリンダ１５は円柱形状を成しておりその断面は図３に示すように、シリンダ本体１５ａの上部の中央付近に形成されている貫通孔に前記シリンダロッド１６が挿通されており、前記貫通孔の外周には外部からの異物の侵入を防止するためのシール部材が３重に設けられている。
シリンダロッド１６は円柱形状のロッド部１６ａと、このロッド部１６ａに続いてその下部に形成されているロッド部１６ａの直径ｄよりも大きい直径ｄ１を有する受圧部１６ｂより構成されている。この受圧部１６ｂの直径ｄ１は図３に示すように、シリンダ本体１５ａの内径Ｄよりも小さくなっており、受圧部１６ｂの外周はシリンダ本体１５ａの内周面には接触していない。よって、受圧部１６ｂは下方から押し上げられると共に、それを打ち消すように上方からも押し下げられており、シリンダ本体１５a内部の気体の圧力が一定ならば、シリンダロッド１６を上方に押し上げる推力はシリンダロッド１６のロッド部１６ａの直径dに依存することになる。
【００１２】
シリンダ１５の内部には、空気または窒素などの不活性ガスを、例えば１０ＭＰａ以上の高圧にした気体が封入されており、この高圧気体の圧力によりシリンダロッド１６が上方に押し上げられる。
シリンダ本体１５ａの下部には図３に示すように、カプラ１８が取付けられており、シリンダ本体１５ａから気体が漏洩した場合に、外部からボンベなどの気体供給装置を接続することで容易にシリンダ本体１５aの内部に気体を補給することができるようになっている。
【００１３】
シリンダ１５が工作機械の垂直軸ユニットであるＹ軸テーブル１０のバランス装置として使用するためには、Ｙ軸テーブル１０が上昇端に位置する場合と下降端に位置する場合（シリンダロッド１６のストロークの上端と下端）において、シリンダ１５が発生する推力の変化がなるべく小さい方がよく、その変化の割合は１割程度以下になるのが望ましい。
ここで、シリンダ１５が発生する推力の変化を具体的に検討する。
シリンダ本体１５ａの内径をＤ、高さをＨ、シリンダロッド１６のロッド部１６ａの直径をｄ、シリンダロッド１６のストロークをＳ、シリンダロッド１６が下降端にある時にシリンダ本体１５a内に封入されている気体の圧力をＰとすると、シリンダ本体１５aの容積Ｖ１は、
Ｖ１＝（Ｄ／２）^２×π×Ｈ
となる。
【００１４】
シリンダロッド１６のストロークによって変化するシリンダ本体１５aの容積Ｖ２は、
Ｖ２＝（ｄ／２）^２×π×Ｓ
となる。よって、容積変化率ΔＶは、

となる。
【００１５】
よって、シリンダロッド１６が下降端に位置している時のシリンダ１５が発生する推力Ｆが、
Ｆ＝（ｄ／２）^２×π×Ｐ
となるので、シリンダロッド１６のストロークによりシリンダ１５が発生する推力Ｆの変化量ΔＦは、
ΔＦ＝（ｄ／２）^２×π×Ｐ×ΔＶ
となる。
【００１６】
ここで、Ｄ＝１００(ｍｍ)、Ｈ＝５００(ｍｍ)、ｄ＝２０(ｍｍ)、Ｓ＝４００(ｍｍ)、Ｐ＝２０(ＭＰａ)の数値を代入して上記のＦ及びΔＦを計算すると、
Ｆ≒６４０(ｋｇｆ)，ΔＦ≒２０(ｋｇｆ)
となり、Ｙ軸テーブル１０が下降端から上昇端まで移動した場合、シリンダ１５が発生する推力は６４０ｋｇｆから６２０ｋｇｆまで変化することになり、シリンダ１５が発生する推力の変化の割合は、全体のおよそ３パーセント程度であり、バランス装置として使用するのに問題がないことが分かる。
【００１７】
ここで、シリンダ１５が発生する推力Ｆを大きくしたい場合は上記のＦの式から分かるように、シリンダ１５内に封入する気体の圧力Ｐとロッド部１６ａの直径ｄを大きくすればよいが、ロッド部１６ａの直径ｄを大きくすると、推力の変化量ΔＦが大きくなってしまう。しかしこの場合は、上記のΔＶの式から分かるように、シリンダ本体１５ａの内径Ｄと高さＨ（つまりシリンダ１５の容積）を増加させればよい。
【００１８】
このように、各数値を変化させることでシリンダ１５が発生する推力Ｆ及びその推力の変化量ΔＦを調整することができるので、Ｙ軸テーブル１０の重量やシリンダ１５の取付けスペースなどの条件を考慮して、上記各数値を適宜決定すればよい。
次に、第２の実施の形態について説明する。
第２の実施の形態は第１の実施の形態とは、シリンダ１５及びシリンダロッド１６の取付け形態が異なるのみであり、その他は第１の実施の形態と同一である。
つまり、第１の実施の形態では、シリンダ１５をベッド５に取付け、シリンダロッド１６をＹ軸テーブル１０に取付けるようにしたが、第２の実施の形態では、図２に示すように、シリンダ１５をＹ軸テーブル１０の内部に下向きに取付け、シリンダロッド１６をＹ軸テーブル１０の下方位置でベッド５に取付け、ベッド５からＹ軸テーブル１０に向かって延在させるようにしている。このようにすることで、ベッド５などの固定部にシリンダ１５の取付けスペースが確保できない場合でも上述のバランス装置を構成することができる。
【００１９】
【発明の効果】
上述したように請求項１の発明によれば、シリンダケースそのものを気体圧力タンクとしたので、気体を貯蔵しておく大容量のリザーバ、増圧装置、減圧装置、配管などが一切不要にでき、コストダウンが図れると共に、バランス装置及び工作機械の大きさをコンパクトにすることができる。また、バランス装置がコンパクトになることで、工作機械への設置の自由度が増す。また、バランス装置が小型化して配管が無くなることで配管作業が不要になり、バランス装置の設置作業が楽になる。
【００２０】
また、請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、ベッドなどの固定部にシリンダの取付けスペースが確保できない場合でもバランス装置を容易に設置でき、工作機械の大きさを更にコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるバランス装置を備えた工作機械の概略側面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態におけるバランス装置を備えた工作機械の概略側面図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるバランス装置の断面図である。
【符号の説明】
５ ベッド（固定部）
９ Ｙ軸送りモータ
１０ Ｙ軸テーブル（垂直軸ユニット）
１５ シリンダ
１５ａ シリンダ本体
１６ シリンダロッド
１６ａ ロッド部
１６ｂ 受圧部
１７ シール部材
１８ カプラ
Ｄ シリンダ本体の内径
Ｈ シリンダ本体の高さ
ｄ ロッド部の直径
ｄ１ 受圧部の直径
Ｓ シリンダロッドのストローク

Claims (2)

1. 重力方向に移動する垂直軸ユニットを有する工作機械において前記垂直軸ユニットに作用する重力の影響を軽減するバランス装置であって、前記垂直軸ユニットの重力方向への移動に対して不動の固定部に設けられ内部に気体が封入されたシリンダと、前記シリンダの上方位置で前記垂直軸ユニットに取付けられ前記垂直軸ユニットから前記シリンダに向かって延在するシリンダロッドとを備え、前記シリンダロッドは、ロッド部と、前記ロッド部の下端に設けられ前記ロッド部の直径よりも大径でかつ前記シリンダ内径よりも小径の受圧部とによって構成されたことを特徴とする工作機械のバランス装置。
2. 重力方向に移動する垂直軸ユニットを有する工作機械において前記垂直軸ユニットに作用する重力の影響を軽減するバランス装置であって、前記垂直軸ユニットに設けられ内部に気体が封入されたシリンダと、前記垂直軸ユニットの下方位置で前記垂直軸ユニットの重力方向への移動に対して不動の固定部に取付けられ前記固定部から前記垂直軸ユニットに向かって延在するシリンダロッドとを備え、前記シリンダロッドは、ロッド部と、前記ロッド部の上端に設けられ前記ロッド部の直径よりも大径でかつ前記シリンダ内径よりも小径の受圧部によって構成されたことを特徴とする工作機械のバランス装置。

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