JP4059361B2

JP4059361B2 - 直動駆動装置

Info

Publication number: JP4059361B2
Application number: JP05895399A
Authority: JP
Inventors: 満平田
Original assignee: Hirata Corp
Current assignee: Hirata Corp
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: JP2000257604A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直動駆動装置とこれを用いた直動駆動方法に係り、例えば生産ラインや物流ラインにおいて搬送される物品を所定作業場所で任意に停止させ物品の昇降や移動を行なう汎用性に富む電気と空気圧とで駆動されるハイブリッド式の直動技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、重量の大きなワークの昇降や、ワークを水平に移動するスライド機構において、大きな力を発生する空気圧シリンダが用いられている。このようにな空気圧シリンダはピストンロッドの正確な移動位置決め制御が困難である。このことから、特公平４−５７５９５号公報の「吊下装置」にみられるように、モータ駆動されるボールネジを備えた昇降部をエア圧でバランスを保持し、かつ吊り下げる物品の重量に応じてエア圧を切換え可能にすることで、モータ駆動制御とエアシリンダへのエア圧供給制御の双方を行なうことで任意の停止位置決めを行なう技術が知られている。
【０００３】
また、特開昭６３−１５４０３８号公報の「ボールネジ付き中空モータ」によれば、回転子にボールナットを固定しておき、このボールナットに螺合するボールネジをモータの出力軸とすることで、モータ回転にともないボールネジをモータから出し入れするように構成された中空モータが提案されており、直動機構を省略でき小型軽量に構成できることから現在多く使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特公平４−５７５９５号公報の「吊下装置」によれば、専ら吊り下げられるワークの重量変化に対応するものであるので、重量の大きなワークの昇降や、ワークを水平に移動する直動機構にそのまま採用することはできない。
【０００５】
一方、ワークの昇降装置にはワークを上下方向にガタ付きなく安定して案内するための案内機構が必要であり、水平方向のスライド機構にも同様な案内機構を設ける必要がある。したがって、このようなワーク案内機構を上記の吊下装置にさらに追加することで、重量の大きなワークの昇降や、ワークを水平に移動する直動装置を実施できないことはない。
【０００６】
しかしながら、このようなワーク案内機構を、例えば上記の吊下装置に追加するようにして昇降装置またはスライド装置を構成した場合には、当然ながらその分のコストアップを招くことになるし、また構成が煩雑となる。
【０００７】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、直動機構を備えた中空モータに、流体供給で直動するシリンダを並設することで、重量の大きなワークも扱うことができる直動駆動装置の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、流体供給でピストンロッドが直動するシリンダと、回転子の回転中心の貫通孔に挿通される棒体を、前記回転子に固定された回転直動変換部に係合させ、固定子または回転子への通電により前記回転子を回動して前記棒体を直動する中空モータと、を備えた直動駆動装置であって、前記中空モータを挟んで一対の前記シリンダを並列に設け、一対の前記シリンダの前記ピストンロッドの端部および前記中空モータの前記棒体の端部に、前記ピストンロッド及び前記棒体の直動により直動するテーブルを固定し、更に、前記テーブルの直動量を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、一対の前記シリンダ及び前記中空モータを同期制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする直動駆動装置が提供される。
また、本発明によれば、流体供給でピストンロッドが直動する一対のシリンダと、回転子の回転中心の貫通孔に挿通される棒体を、前記回転子に固定された回転直動変換部に係合させ、固定子または前記回転子への通電により前記回転子を回動して前記棒体を直動する中空モータと、一対の前記シリンダと前記中空モータとを一体的に固定することで、前記ピストンロッドと前記棒体とからなる案内手段で直動自在に保持される移動体と、前記移動体の直動量を検出する検出手段と、前記流体供給のための流体制御手段と、前記通電のための通電制御手段と、前記流体制御手段と前記通電制御手段と前記検出手段とに接続されることで、前記流体供給と前記通電との同期制御を行い、前記移動体の位置決め制御を司る主制御手段と、を具備し、前記中空モータを挟んで一対の前記シリンダを並列に設け、一対の前記シリンダの前記ピストンロッドの端部および前記中空モータの前記棒体の端部に前記移動体を固定したことを特徴とする直動駆動装置が提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な各実施形態について添付の図面を参照して述べる。
【００１５】
図１は、並列式の直動駆動装置の要部断面図である。また、図２は図１のＸ−Ｘ線矢視図である。図１と図２において、共通のベース板３０の中央に中空モータ１が、またこの中空モータ１を挟んで左右に空気または油の流体供給によりピストンロッド２４が直動するようにしたシリンダ２が設けられている。
【００１６】
中空モータ１は、モータハウジング３と、この内部において図示の位置に夫々内蔵され固定されスラスト方向のガタ付きを防止したアンギュラコンタクト軸受などからなるベアリング６と、このベアリング６により回転自在に軸支される中空回転軸８と、この中空回転軸８の外周面に固定される多極着磁されたロータ磁石９と、このロータ磁石９に対向してモータハウジング３の内部に固定されるステータ７とから構成されており、ステータ７に対してモータ用端子１２を介して所定波形の電力供給を行なうことで、回転磁界をステータ７に発生させ、この回転磁界によりロータ磁石９を磁気吸引して中空回転軸８を所定方向に回転駆動するように構成されている。
【００１７】
この中空回転軸８の下方側には、ロータリエンコーダ１３が固定されており、エンコーダ用端子１４を介して中空回転軸８の回転量をモータ制御部１０１に入力して、回転量に基づく中空モータ１の所定制御を可能にしている。尚、このロータリエンコーダ１３に代えてリニアエンコーダを後述する直動方向に沿うように固定し、移動量を直に検出してモータ制御部１０１に入力するようにしても良い。
【００１８】
中空回転軸８の回転中心には長手方向に貫通孔が穿設されており、この貫通孔を上下に通過するようにして棒体であるボールネジ４が設けられている。このボールネジ４の外周面上には図示のようなボール溝部４ａが形成されており、このボール溝部４ａに一部が入るようにした多数のボールを循環移動するように内蔵した回転直動変換部であるボールナット５が係合するように設けられている。このボールナット５には図示のようなフランジ部が一体形成されており、このフランジ部を介して中空回転軸８の上端壁面に固定している。ボールネジ４の上端は移動基部となるテーブル３１の底面に対して固定部材３２を介して固定されるとともに、ボールネジ４の下端側は、ボール溝４ａの山部を案内するようにしたボールネジベアリング１１により長手方向に移動可能に案内してラジアル方向のガタ付き防止を図っている。尚、移動距離が少なくガタ付きが大きくない場合には、ボールネジベアリング１１は設けなくとも良い。このボールネジベアリング１１の下方には、ボールネジ４を図示の状態からさらに下方に移動可能にするための孔部３０ａが上記のベース板３０に穿設されている。
【００１９】
次に、シリンダ２は、ピストンロッド２４の先端に固定されたピストン２２を気密または液密状態で摺動可能に案内する内径部を形成したシリンダ室２１を有する本体２０と、ピストンロッド２４の上端側を摺動自在に案内するピストン軸受２３とから構成されており、シリンダ室２１に連通する入口部２５ａ、２５ｂと排気口２７を介して所定流体の供給及び排気を行なうことで、シリンダ室の内圧を変化させることで、ピストンロッド２４を上下移動させる。
【００２０】
これらのピストンロッド２４の上端は上記のテーブル３１の底面に固定されており、テーブル３１の矢印方向の移動を行なうようにしている。ここで、これらのピストンロッド２４とボールネジ４の間の平行度が確保されないと、コジレを発生して不動状態でロックするので、いずれかのテーブル固定部に自由度を設ける必要があることは言うまでもないが、これについてはラバーブッシュ、ユニバーサル軸受等が使用可能である。、
また、入口部２５ａ、２５ｂには配管がなされており、ポンプ装置１０３から空気圧を得るようにした流体制御部１０２に対して接続されている。排気口２７には排気音を減少するためのサイイレンサーが配管される。
【００２１】
上記のモータ制御部１０１と流体制御部１０２は主制御部１００に接続されており、これらの同期を図りつつ制御するようにしている。
【００２２】
また、図２において、中空モータ１は図示のように正方形の側面形状を有するモータハウジングから構成される場合には、同じく略正方形の側面形状を有するシリンダ２と図示のように合体するようにできるので、上記のピストンロッド２４の中心間距離Ｌを少なく設定できるようになり、より小型に構成できるようになる。また、シリンダ２のハウジング２０において図示のように長手方向に沿うように連続形成した蟻溝部２０ａをさらに形成することで、装置３００に対してボルトナットを用いて直に固定できるようになる。この場合、中空モータとシリンダを固定できれば、上記のベース３０は不要となりさらなるコストダウンが可能となる。さらに、図２において、中空モータの４辺各側面に沿うように３、４本のシリンダを増設することも可能である。あるいは、１本のシリンダを併設しても良い。
【００２３】
図３は、シリンダと中空モータとを直動方向に直列に一体的に固定した場合を示した中心断面図である。本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛して特徴部分について述べると、先ず、中空モータ１に設けられるボールネジ４には上記のボール溝部４ａに加えて、長手方向に沿うＶ溝部４ｂが形成されており、このＶ溝部４ｂがボールナット５の隣りに固定された廻り止部材１９に設けられた突起部に潜入するようにして、ボールネジ４が回転しないようにして、ボールナット５の回転にともないボールネジ４を矢印方向に出し入れ可能にしている。尚、図１、２で述べた場合には、ボールネジ４の上端はテーブル３１に固定されているので回転しない。
【００２４】
一方、このボールネジ４の反対側には、一体部品または別部品として準備されたピストンロッド２４が固定されている。
【００２５】
このように直動方向に直列に一体的に固定した場合には、より狭い空間に設けることが可能となる。
【００２６】
図４は、上記の流体制御部の空気回路図である。先ず、図４（ａ）において、エアコンプレッサー１０３から所定空気圧を得てからバルブ５０でオンオフされ、オンされた空気圧は、圧力調整ユニット５１において圧力ａに設定され、その後に油脂成分、水分を除去するミストセパレータ５２を通過して、分岐管を通過してリリーフレギュレータ５６に入る。また、分岐管から分岐した管路にはシリンダの前進用の圧力となる圧力ｂに設定するための精密減圧弁５４と、シリンダの後退用の圧力となる圧力ｃに設定するための精密減圧弁５３とに接続されており、上記の主制御部１００からの制御信号に基づき駆動される３方向電磁弁５５のｃ側とｂ側に接続し、３方向電磁弁５５の出口を上記のリリーフレギュレータ５６のパイロットエアポートＰＡに接続している。このリリーフレギュレータ５６からは、図１で述べたシリンダ２の入口部２５ａ、２５ｂまたは、図３で述べたシリンダの入口部２５ｃに接続される配管が延びている。
【００２７】
以上説明した空気回路構成において、図１、図３の待機状態から起動されると、圧力ａのままでリリーフレギュレータ５６に達した圧力は同じ圧力で、通過して入口部２５ａ、２５ｂ、２５ｃに入る。また、精密減圧弁５４を通過して圧力ｂになった空気圧は、３方向電磁弁５５の電磁弁スイッチｂ側がオンされることで、リリーフレギュレータ５６のパイロットエアポートＰＡに入る。このパイロットエアポートＰＡの働きで、リリーフレギュレータ５６の出力が圧力ｂに変化して、シリンダ室に入力されて、たとえはテーブル３１を上方に移動する際の推力を発生する。ここで、このリリーフレギュレータの基本的な役割は、パイロットエアポートＰＡへの入力圧力と同じ圧力に出口側を設定し、ピストンロッド２４が後退するときに放出されるエアーをリリーフレギュレータの出力側に返し、放出可能にするものである。
【００２８】
また、３方向電磁弁５５の電磁弁スイッチｃ側オンとすることで、圧力ｃに設定でき、この圧力ｃ＜圧力ｂの関係であるので、中空モータ１を逆回転駆動すれば、エアーは圧縮された状態で移動しつつリリーフレギュレータから排気されることになる。
【００２９】
以上の動作を繰り返し行なうとともに、中空モータ１のエンコーダ１３によりボールネジ４の移動量を常にモニターしておくことで、所望の位置にテーブル３１が移動したら中空モータへの通電を停止するかか、または図示しない電磁ブレーキによりボールネジの回転を強制的に停止してテーブル３１の位置決めを行なう。
【００３０】
次に、図４（ｂ）において、図４（ａ）で既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、精密減圧弁５２は図示のように４個分が並列接続されており、次第に圧力を段階的に下げるようにしてから、３方向電磁弁５５に入力するようにしている。
【００３１】
以上の構成によれば、ワークを所定孔部に圧入したり、極端に重いワークを上方に上昇させるときに、所定の高圧をシリンダに導入できるようになるので、中空モータの限られた推力では到底不可能となる直動動作を行なうことが可能となる。また、下降するときには、次第に小さな圧力をシリンダ内に導入するように切換えることでバランスを保持してスムーズに降下させることが可能となる。
【００３２】
以上のように、ワーク昇降または移動を行なうときに発生する単一負荷に対し各アクチュエータであるボールネジとピストンロッドとにより分担して推力を発揮し、しかもボールナットとともに回転する中空回転軸の回転量の検出情報に基づき、目標とするスライド位置に停止するように中空モータを制御するようにしている。また、中空モータにすることで、ボールネジが直動ガイドを構成するので、その分のスペース効率向上が図れる。また、図２に図示のようなハウジング形状とすることでシリンダを任意に増減できるようにして分割ユニット化または標準ユニット化とすることが可能となるので分割・交換が容易となる。また、パワー変更も簡単に行なえる。さらにスライドユニット、パワーユニットとして使用するときに、縦置き横置き配置するときの専用固定部材が不要となる。
【００３３】
尚、図３に示した直列型は空圧シリンダとモータを直列に配置し、ピストンロッドとモータ側のボールネジを連結することから中空モータの個数は一個となるが、空圧シリンダの個数はさらに軸方向に増加できるので、特に横のスペースが使用できない環境に適する。一方、図１に示した並列型は、空圧シリンダの個数は上記のように増減でき、特に縦のスペースが使用できない環境に適する。
【００３４】
縦配置（昇降）は負荷対象物の静的荷重と慣性力（加減速時）が加わる。横配置（水平）は負荷対象物の摩擦力と慣性力（加減速時）が加わることになるが、上記のようにエア圧と通電制御を行なうことで柔軟に対応できる。
【００３５】
空圧シリンダーのパワーは負荷対象物の荷重（垂直時）・慣性力（水平時）とほぼ同じか、それ以下とするバイアス推力とし、モータ動力のみで微調整（制御）を行うことでモータ小動力化によりモータ容積を小さくできる。また、無負荷に近い情況でモータ駆動するので、機動力のある動きが可能となる。微調整（制御）方法として、ボールナット回転の検出情報（位置、速度、サーボモータのトルク検出）に基づき、モータ動力（位置、速度、トルク）を制御し、ユニット全体の停止動作、移動動作を行うことで、大きな負荷に対し、細かな制御が可能となる。この結果、エアーシリンダのみに比べ、停止精度（位置、時間）の向上、自由な移動時間の設定等が可能となる。別な微調整（制御）方法として、負荷対象物の重量、大きさ、種類に基づき、モータ動力（位置、速度、トルク）を制御し、ユニット全体の停止動作パターン、移動動作パターンを択一選択することで、種々の負荷対象物に対して、制御プログラムのソフト変更のみで対応することが可能となり、この場合には集中制御がより簡単になる。
【００３６】
モータパワー分担型として空圧シリンダーと中空モータで、負荷対象物の荷重（垂直時）・慣性力（水平時）に対する推力を分担し、モータ動力のみで微調整（制御）を行ない、上記微調整（制御）することで空圧シリンダーの負担を軽減することができるようになるが、機動力は落ちることになる。このときの機械的同期は、ピストンロッドとモータボールネジの端部を機械的に連結・拘束して、平行してスライドする。また、電気的同期は、移動開始及び停止時の電磁弁開閉動作とモータＯＮ／ＯＦＦ動作を同期させる。そして、停止方法は、電磁ブレーキ等によりブレーキ付加後に、電磁ロックを掛けると共に空圧バルブを閉じる。モータ制御として中空モータとしてサーボモータを使用することにより、ＮＣ制御で自由度の高い利用が可能となる。
【００３７】
釣り合い式は、Ｗ＝Ｒ＋ＮＲｉ（ｉ＝ｉ番目のシリンダーの意）となり、例えばパラレル構成…Ｗ＝Ｒ＋２Ｒｉ、シリアル構成…Ｗ＝Ｒ＋Ｒｉとなる。ここで、Ｗ＝ワーク付加荷重、Ｒ＝ボールネジ推力、Ｒｉ＝空圧シリンダー推力、Ｎ＝空圧シリンダー個数（Ｎ，ｉ＝ｉ番目のシリンダーの意）となる。
【００３８】
また、中空モータ推力発生原理は、Ｒの推力はモータトルクΥとすると、Ｒ＝Υη／２πの推力を発生する。ここで、Ｔ＝中空モータトルク、η＝ボールネジ（送りネジ）のリード、π＝ネジ効率であり送りネジはボールネジとは限らずすべりネジを含み例えば他には台形ネジがある。
【００３９】
一方、エア推力発生原理はエア推力Ｒｉ＝Ｋ×Ａ×Ｐ、ここでＫ＝比例定数、Ａ＝空圧シリンダーの受圧面積Ｐ＝設定圧力から求まる。
【００４０】
シリアル構成の場合は、ボールネジスプラインは、軸の回り止めとしてのスプラインナットを用い、中空モータによりその場でボールネジナットを回転して、ボールネジを回転することなく推力を得ることができる。
【００４１】
ボールネジスプライン軸の右半分はシリンダーのピストンロッドになっており、全体で、ボールネジの推力＋エア推力の合計推力を得ることができ、省スペースで高推力を生みだす。
【００４２】
これらのボールネジスプラインとピストンロッドを多数一体に設けることにより多数の中空モータとシリンダーをシリアルに接続するように構成しても良い。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、直動機構を備えた中空モータに、流体供給で直動するシリンダを並設することで、重量の大きなワークも扱うことができる直動駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】並列式の直動駆動装置の要部断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線矢視図である。
【図３】直列式の直動駆動装置の中心断面図である。
【図４】エア回路構成図である。
【符号の説明】
１中空モータ
２シリンダ
３モータハウジング
４ボールネジ
５ボールナット
６ベアリング
７ステータ
８中空回転軸
９ロータ
１３エンコーダ
１９廻り止め部材
２０ハウジング
２１シリンダ室
２２ピストン
２４ピストンロッド
３１テーブル
１００主制御部
１０１モータ制御部
１０２流体制御部

Claims

流体供給でピストンロッドが直動するシリンダと、
回転子の回転中心の貫通孔に挿通される棒体を、前記回転子に固定された回転直動変換部に係合させ、固定子または回転子への通電により前記回転子を回動して前記棒体を直動する中空モータと、を備えた直動駆動装置であって、
前記中空モータを挟んで一対の前記シリンダを並列に設け、
一対の前記シリンダの前記ピストンロッドの端部および前記中空モータの前記棒体の端部に、前記ピストンロッド及び前記棒体の直動により直動するテーブルを固定し、
更に、
前記テーブルの直動量を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、一対の前記シリンダ及び前記中空モータを同期制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする直動駆動装置。
一対の前記シリンダ及び前記中空モータを、共通のベース板に固定したことを特徴とする請求項１に記載の直動駆動装置。
一対の前記シリンダおよび前記中空モータの各ハウジングの断面形状を正方形とし、
一対の前記シリンダの前記ハウジングと前記中空モータの前記ハウジングとをそれぞれ互いに固定したことを特徴とする請求項１に記載の直動駆動装置。
流体供給でピストンロッドが直動する一対のシリンダと、
回転子の回転中心の貫通孔に挿通される棒体を、前記回転子に固定された回転直動変換部に係合させ、固定子または前記回転子への通電により前記回転子を回動して前記棒体を直動する中空モータと、
一対の前記シリンダと前記中空モータとを一体的に固定することで、前記ピストンロッドと前記棒体とからなる案内手段で直動自在に保持される移動体と、
前記移動体の直動量を検出する検出手段と、
前記流体供給のための流体制御手段と、
前記通電のための通電制御手段と、
前記流体制御手段と前記通電制御手段と前記検出手段とに接続されることで、前記流体供給と前記通電との同期制御を行い、前記移動体の位置決め制御を司る主制御手段と、を具備し、
前記中空モータを挟んで一対の前記シリンダを並列に設け、
一対の前記シリンダの前記ピストンロッドの端部および前記中空モータの前記棒体の端部に前記移動体を固定したことを特徴とする直動駆動装置。
前記シリンダは所定空圧の供給及び排気で作動し、また前記中空モータは前記回転子にロータを設け、ステータに回転磁界を印加するサーボモータであり、前記棒体はネジリード溝を外周面に有するボールネジであり、かつ前記回転直動変換部は前記ネジリード溝に螺合するボール体を備えたボールナットであり、前記検出手段は前記回転子に固定されるエンコーダであることを特徴とする請求項４に記載の直動駆動装置。