JP4111102B2

JP4111102B2 - 工作機械のバランス装置

Info

Publication number: JP4111102B2
Application number: JP2003300865A
Authority: JP
Inventors: 光雄野田
Original assignee: Howa Machinery Ltd
Current assignee: Howa Machinery Ltd
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP2005069387A

Description

この発明は、コラムに昇降可能に案内したスピンドルヘッドの重量バランスをとるために、バランスシリンダによりスピンドルヘッドに上方への付勢力を付与する工作機械のバランス装置に関する。

従来から工作機械のコラムに昇降可能に案内支持したスピンドルヘッドを駆動する昇降駆動手段に加わる負荷を小さくするために、スピンドルヘッドには、そのスピンドルヘッドの重量を軽減するためのバランス装置が備えられている。バランス装置は、バランスシリンダを備えており、バランスシリンダへの圧流体の給排によってスピンドルヘッドへの上方への付勢力の付与を調整している。このようなバランス装置として特許文献１の装置が知られている。このものでは、バランスシリンダとしてピストンロッドを備えたエアシリンダを使用している。エアシリンダのピストンとシリンダチューブとの間、ピストンロッドとシリンダ本体との間は、ピストン及びシリンダ本体に設けた環状溝を覆うシール部材に環状溝内の圧力調整可能な加圧流体により均一な力を加え、そのシール部材によりシールすることで、シール部材の食い込みをなくして摺動抵抗を低減している。特許文献２には、エアシリンダを用いたバランス装置が開示されている。特許文献３のものでは、気体が封入されたシリンダにシリンダロッドが挿通されており、シリンダロッドを垂直軸ユニットに一体移動可能に取付けてバランス装置を構成している。シリンダロッドが貫通するシリンダの貫通孔とシリンダロッドとの間はシール部材が設けられている。

また、特許文献４、５には、バランス装置のバランスシリンダを示すものではないが、ロッドレスシリンダの構造が開示されている。特許文献４のものでは、ロッドレスシリンダの内側移動体を構成するピストンの外周にはピストンパッキンが嵌合してあり、ピストンパッキンを挟んだ軸方向両側にグリース溜り部分を設けている。そのグリース溜り部分として、グリースを含有することができる給油性部材（潤滑剤保持リング）としてのフェルトリングを設けることが記載されている。特許文献５では、ピストンの軸線方向両端に装着したピストンパッキンの軸線方向内側に潤滑剤保持リングを装着して、ピストンパッキンのリップによるリップ摺接面の潤滑剤切れを潤滑剤保持リングからの潤滑剤の供給によって修復されるようにしている。

また、特許文献６〜８には、ロッドレスシリンダを使った空気圧配管装置が開示されており、シリンダ室内からピストンを介して圧流体を外部に供給している。特許文献６では、ピストンにはピストンを挟んで両側のシリンダ室をシリンダ外部へ連通する通路が設けられており、その通路にはシャトル弁が備えられている。シリンダの一方のシリンダ室に圧流体により圧力が掛かるとシャトル弁により他方のシリンダ室と通路の連通が閉じられ一方のシリンダ室の圧流体をピストンから外部に供給できるようになっている。特許文献７、８では、ピストンユニットに通路を設け、シリンダ室に供給された圧縮空気をピストンユニットの通路からピストンユニット外部の空気圧機器に供給できるようになっている。

特許文献１〜３では、バランスシリンダとしてシリンダロッドを備えたエアシリンダを使っているので長手寸法が長くなる問題があった。また、特許文献１〜８には、バランスシリンダとしてロッドレスシリンダを使うことについての記載はない。更に、特許文献４は、マグネット式ロッドレスシリンダなので、スピンドルヘッドを支えるのには実用的ではない。

また、標準的なロッドレスシリンダでは、ピストンの両端にピストンパッキンを装着してあり、シリンダチューブ内面との間のシール性を高めるためにピストンパッキンの押し付け力が大きくなっている。更に、特許文献４、５に示すような潤滑剤を保持する構造を備えていないので、ピストンパッキンによりシリンダチューブの内面の潤滑油膜が切られ油膜の途中切れが発生する。このため、油膜の途中切れでピストンパッキンの摺動抵抗が大きくなってピストンの移動がごつごつした動きとなり、円滑に移動しない場合がある。駆動装置としてリニアモータを使った工作機械では高速でスピンドルヘッドを昇降するが、リニアモータの力が弱いため、前記標準的なロッドレスシリンダをバランスシリンダに採用した場合に、前記円滑に移動しないピストンの影響でスピンドルヘッドのスムーズな昇降が妨げられる。また、スピンドルヘッドはランダムに昇降停止を繰り返すので、スピンドルヘッドに追従してピストンもランダムに昇降停止し、ランダムに停止した場所で油切れを起してスムーズな作動が妨げられる。
特開平１１−７７４７１号公報特許第３００９５０９号公報特開２０００−１５３４１８号公報特開平９−１１２５０４号公報特開２００４−２０８５２６号公報特開昭５１−２８７９３号公報特開平８−１２８４０２号公報特開昭６１−２８６６０３号公報

この発明は、ロッド付エアシリンダに比べ長手寸法が短くストロークが長く、また、スピンドルヘッドの昇降に追従してスムーズに作動するロッドレスシリンダを備えた工作機械のバランス装置を提供するものである。

本願発明は、コラムに昇降自在に案内されて昇降駆動手段により昇降されるスピンドルヘッドを上方へ付勢するバランスシリンダをコラムに垂直に備えている工作機械のバランス装置において、前記バランスシリンダを軸方向全長に亘ってスリットが形成されているシリンダチューブのシリンダ室内にピストンを軸線方向移動可能に嵌装してあるロッドレスシリンダで構成し、そのロッドレスシリンダのピストンは、スリット側部分がスリットから外部に突出されているピストンヨークのシリンダ軸線方向両端に夫々外周にパッキン装着溝が形成されているピストンエンドを設けて構成し、そのピストンヨークに連結したシリンダチューブ外側の外部移動体をスピンドルヘッドに連結し、ピストンには、スピンドルヘッドを上方へ付勢する流体圧力が作用する加圧側シリンダ室側のピストンエンドのみのパッキン装着溝にピストンパッキンを設け、そのピストンパッキンの軸線方向前後に潤滑剤保持機能を有する潤滑剤保持リングをピストンパッキンを挟むように設けたことを特徴とする。

また、本願発明は、ロッドレスシリンダの加圧側シリンダ室とピストンを挟んで反対側の排出側シリンダ室を、エンドキャップに設けた第１ポートと、ピストンを介して外部移動体に設けた第２ポートとにより大気圧に開放したことを特徴とする。

また、本願発明は、ピストンの加圧側シリンダ室側のピストンエンドのみに、パッキン装着溝のシリンダ軸線方向前後に夫々潤滑剤保持リングを装着するためのリング装着溝を追加工またはリング装着溝を備えたリング装着プレートを追加装着し、それらのリング装着溝に潤滑剤保持リングをパッキン装着溝に装着されたピストンパッキンを挟むように装着したことを特徴とする。

本願発明の装置では、バランスシリンダを軸方向全長に亘ってスリットが形成されているシリンダチューブのシリンダ室内にピストンを軸線方向移動可能に嵌装してあるロッドレスシリンダで構成しているので、シリンダロッドを備えたエアシリンダに比べて、ストロークを長くできるとともに長手寸法を短くできる。また、ピストンの圧流体が作用する加圧側シリンダ室側のピストンエンドのみのパッキン装着溝にピストンパッキンを装着し、そのピストンパッキンのシリンダ軸線方向前後に潤滑剤保持リングを設けたので、ピストンがシリンダ室内を摺動する際のピストンパッキンによる摺動抵抗が１ヶ所になって小さくなり、しかも、潤滑剤保持リングにより油膜の途中切れが防止されて摺動抵抗が小さくなってピストンの移動を円滑にできる。これにより、リニアモータ駆動のように高速で力が弱い場合でも、スピンドルヘッドのランダムな昇降がスムーズに行われるようになる。そしてロッドレスシリンダの排出側シリンダ室をエンドキャップに設けた第１ポートとピストンと一体の外部移動体に設けた第２ポートとにより大気圧に開放すれば、排出側シリンダ室の空気が２ヶ所から排出されるため、ストロークが長い場合やスピンドルヘッドの高速移動に追従してピストンが高速に移動する場合、空気の排出を多量に速く行えるので、シリンダ室内の空気が圧縮されるのが防止されて圧力上昇が抑えられ、これによってもスピンドルヘッドのスムーズな移動が妨げられない。更に、潤滑剤保持リングを備えていない標準的なロッドレスシリンダのピストンの一方側のパッキン装着溝にリング装着溝を追加工して潤滑剤保持リングを追加装着したものを使えば、量産品のロッドレスシリンダを利用でき安価になる。

本願発明の実施例について図１〜図５に基づいて説明する。工作機械１のベース２上に、コラム３が左右方向のガイドレール４に移動自在に案内されている。ベース２上面には、リニアモータ５の固定子（固定マグネット）５ａが取り付けられ、この固定子５ａと対向するコラム３の下面には、可動子（コイル）５ｂが取り付けてあり、固定子５ａと可動子５ｂとによりコラム３の左右移動用リニアモータ５が構成されている。移動コラム３は矩形の断面を成し、スピンドルヘッド（昇降スライダ）６は、その前面部７の両側が後方に延びた側面部８，９となっていて、移動コラム３の前面３ａと側面３ｂとに対向するように断面がコの字に形成されている。

スピンドルヘッド６は、移動コラム３の前面３ａに取り付けた一対の昇降ガイドレール１０，１０と、左右側面３ｂに取り付けた昇降ガイドレール１１，１１との４本のガイドレールで上下方向に昇降自在に案内されている。移動コラム３の側面３ｂには、昇降用リニアモータ１２の固定子（固定マグネット）１２ａが、スピンドルヘッド６の側面部８，９の内側面（移動コラム３の側面３ｂとの対向面）には可動子（コイル）１２ｂが取り付けてあり、これらの固定子１２ａと可動子１２ｂとの間でスピンドルヘッド６の昇降用駆動手段である昇降用リニアモータ１２が構成され、可動子１２ｂに励磁電流を流すことで、対向している前記固定子１２ａとの間で垂直方向のリニアモータ推力を生じさせてスピンドルヘッド６を昇降するようになっている。尚、スピンドルヘッド６及び移動コラム３の移動はボールネジを用いた送りねじ機構で行うようにしても良い。

スピンドルヘッド６には前後方向に主軸支持部１５が突出されている。主軸支持部１５には主軸１６が回転自在に設けてあり主軸モータＭで回転される。主軸支持部１５の、スピンドルヘッド６から機台後方に突出した部分は、スピンドルヘッド６が昇降移動するとき、移動コラム３に対して前後方向に貫通形成した長孔１７内を昇降移動する。

移動コラム３の左右側面３ｂ，３ｂの下端部と上面左右には、夫々移動コラム３から左右外方に突出するように夫々ブレーキロッド取り付け用のブラケット１８，１９が固着してある。移動コラム３の右（若しくは左）側で、上下に対向するブラケット１８，１９の間には、上下方向（スピンドルヘッド６の移動方向と平行）のブレーキロッド２０が取り付けてあり、こうしてスピンドルヘッド６の左右両外側に一対のブレーキロッド２０が配置されている。一方、このブレーキロッド２０が貫通して、昇降用リニアモータ１２への通電が断たれたときにブレーキロッド２０を半径方向外側から掴んでスピンドルヘッド６の落下を防止するブレーキ装置２１が、スピンドルヘッド６の左右側面部８，９の上面に夫々取り付けブラケット２２を介して一体に取り付けてある。尚、図１において、左側のブレーキ装置２１は省略してある。また、本願発明は、ブレーキ装置２１の構成に特定されるものではないので、ここでの詳しい説明を省略する。

また、図２に示すように、ブレーキ装置２１の後方で、移動コラム３の左右側面３ｂ，３ｂの下端部と上面左右には、夫々移動コラム３から左右外方に突出するように夫々バランスシリンダ取付用ブラケット２３，２４が固着してある。移動コラム３の左右で上下に対向するバランスシリンダ取付用ブラケット２３，２４の間には、本願実施例では夫々２本のバランスシリンダ２５，２５が前後に配置されている。このバランスシリンダ２５はロッドレスシリンダであり、スピンドルヘッド６の昇降に追従して、スピンドルヘッド６の左右側面部８，９に連結されるピストン２６と一体の外部移動体（ピストンマウント）２７が上下方向に移動するように垂直に立設されている。夫々のロッドレスシリンダ２５には、後述の圧空制御装置２８が接続され、バランス装置２９を構成している。

図３において、ロッドレスシリンダ２５のシリンダチューブ３０には、軸方向全長に亘って非円形（長円形）のシリンダ孔３１が形成されると共に、軸方向全長に亘ってスリット３２が形成されている。シリンダチューブ３０の両端（図３では片側（上端部分）のみ示す）は、エンドキャップ３３で塞がれてシリンダ室３４を形成している。これらエンドキャップ３３にはスリット３２を内側及び外側からシールする厚みの薄い可撓性のインナーシールバンド３５とアウターシールバンド３６の両端が取付ピン３７をピン孔３８に嵌め込んで取り付けられている。

シリンダ室３４には、ピストンヨーク３９の両側にピストンエンド４０，４１を連結して構成されるピストン２６が軸方向移動可能に嵌装されており、シリンダ室３４はピストン２６を挟んで圧空制御装置２８が接続される下側の加圧側シリンダ室４２と、大気圧に開放される上側の排出側シリンダ室４３とに区画されている。ピストンヨーク３９はそのスリット側部分（図３において上側部分）が細くなってスリット３２より外部へ突出され、シリンダチューブ３０外部において左右（図３において紙面に対して垂直方向）に拡がりピストンマウント２７となっており、インナーシールバンド３５とアウターシールバンド３６を案内している。

ピストン２６両端のピストンエンド４０，４１にはパッキン装着溝４４が形成されており、加圧側シリンダ室４２側のピストンエンド４０のパッキン装着溝４４にはピストンパッキン４５が装着されている。ピストンパッキン４５は、図４に示したように、内、外リップ４６，４７を備え、その外形がシリンダ孔３１の断面形状に合致して長円形状をなしている。更に、パッキン装着溝４４には、ピストンパッキン４５のシリンダ軸線方向前後（シリンダ軸線方向上下）にピストンパッキン４５を挟むようにして、潤滑剤保持リング４８，４８が装着されている。この潤滑剤保持リング４８は、ポリエステルやレーヨン等の合成繊維をゴム弾性体で融合した繊維集合素材から構成されており、ゴム弾性体で融合された合成繊維の間に油やグリース等を保持できる潤滑材保持機能を有している。潤滑剤保持リング４８としては、例えば、ソフトワイパ（商品名）が使用できる。潤滑剤保持リング４８は、ゴム弾性体の弾性によりシリンダチューブ３０内面やインナーシールバンド３５の内側面に摺動可能に圧接している。この潤滑剤保持リング４８には予め多量のグリースが含浸されており、予めグリースが封入されたシリンダーチューブ３０内を移動する際に、シリンダチューブ３０内に油膜の途中切れがある場合、その油膜の途中切れにグリースを供給するようになっている。ピストン２６の他方の排出側シリンダ室４３側のピストンエンド４１には、ピストンパッキンと潤滑剤保持リングは装着されていない。

加圧側シリンダ室４２側のエンドキャップ３３には、圧空の給排ポート４９が形成されている（図５）。この給排ポート４９には、圧空制御装置２８が接続されている。図５に示すように、圧空制御装置２８は、圧流体供給源としての工場エア源５０と給排回路５１からなる。給排回路５１は、工場エア源５０とロッドレスシリンダ２５の給排ポート４９とを接続しており、工場エア源５０側からフィルタ５３と減圧弁５４と逆止弁５５とタンク５２を備えている。タンク５２は、加圧側シリンダ室４２の空気圧の変動（圧力不足及び圧力過剰）を吸収できる容積を有している。給排回路５１は、減圧弁５５により給気圧が設定された工場エア源５０からの圧縮空気をタンク５２を介して加圧側シリンダ室４２に供給し、また、ロッドレスシリンダ２５の加圧側シリンダ室４２からの排気をタンク５２に戻すようになっている。また、排出側シリンダ室４３側のエンドキャップ３３には、排出側シリンダ室４３を大気圧に開放する第１ポート５７が設けられており、第１ポート５７にはフィルタ５８が設けられている。

上記のように構成された工作機械１において、ワークＷ加工時にリニアモータ１２が電気制御されてスピンドルヘッド６が高速にランダムな昇降と一時停止を繰り返すと、バランス装置２９では、ロッドレスシリンダ２５のピストン２６がスピンドルヘッド６の昇降に追従して昇降すると共に停止する。このとき、スピンドルヘッド６の上昇時には、ピストン２６が上昇するので、排出側シリンダ室４３は縮小されて第１ポート５７を介して空気が大気に排気され、加圧側シリンダ室４２は拡大されて圧力が減圧弁５４の設定圧力よりも低くなり、圧空が給気回路５１を介して加圧側シリンダ室４２に流れ、圧空の圧力がピストン２６に作用しピストン２６を上方へ付勢する。一方、スピンドルヘッド６の下降時には、ピストン２６が下降するので排出側シリンダ室４３は拡大されて第１ポート５７を介して空気が大気から吸気され、加圧側シリンダ室４２は縮小されて排気がタンク５２に戻ることでタンク５２の大きな畜圧容量によって加圧側シリンダ室４２の圧力変動が吸収される。これによりスピンドルヘッド６の重量バランスが保持される。

また、スピンドルヘッド６の一時停止時にはピストン２６も停止するが、このときピストンパッキン４５の外リップ４７によりインナーシールバンド３５やシリンダ室３４の内面に形成されていたグリースの油膜が切られてしまい、油膜の途中切れが形成される。しかしながら、スピンドルヘッド６のランダムな昇降に追従してピストン２６が移動すると、ピストンエンド４０のピストンパッキン４５両側の潤滑剤保持リング４８が油膜の途中切れを通過して、油膜の途中切れに潤滑剤保持リング４８に含浸されているグリースが供給され、油膜の途中切れはその供給されたグリースで修復される。従って、この油膜の途中切れの回復や、ピストンパッキン４５がピストン２６の１ヶ所のみに設けられていることでピストンパッキン４５の抵抗が低減されるので、ピストン２６の摺動抵抗が小さくなり移動が円滑に行われる。特に昇降駆動手段が高速で力が弱いリニアモータである場合に、ロッドレスシリンダによりスピンドルヘッドのスムーズな昇降に影響が与えられず好ましい。

次に第２の実施例について図６、図７により説明する。これは、前記第１の実施例においてピストン２６に排出側シリンダ室４３を大気圧に開放する第２ポート５９を設けたものであり、前記実施例と同一の部分には同一の符号を付けて説明を省略する。第２ポート５９は、排出側シリンダ室４３側のピストンエンド４１に設けた通路６０と、ピストンヨーク３９とシリンダ孔３１内面とで構成される通路６１と、ピストンヨーク３９にインナーシールバンド３５を避けて穿設されピストンマウント２７から大気圧に開放される通路６２とから構成されている。

スピンドルヘッド６がランダムな昇降を行うと、第１ポート５７と第２ポート５９を介して排出側シリンダ室４３内に空気が給排される。これによって、第１ポート５７の大きさが制限される場合やロッドレスシリンダ２５が長い場合等、排出側シリンダ室４３からの給排を第１ポート５７のみで十分にできないとき、排出側シリンダ室４３の圧力が大きくなるが、第２ポート５９を設けることで給排量を大きくすることができ給排速度も速くなるので、スピンドルヘッド６の高速移動に追従してピストン２６が高速移動しても排出側シリンダ室４３の圧力上昇が小さくピストン２６への抵抗が大きくならず、スピンドルヘッド６の移動が円滑に行われることとなる。

次に第３の実施例について説明する。第１の実施例と同一部分には同一の符号を付けて説明を省略する。これは、バランスシリンダとして標準的なロッドレスシリンダを使ったものである。図３を参照して説明すると、標準的なロッドレスシリンダは、ピストン２６両端のピストンエンド４０，４１のパッキン装着溝４４にピストンパッキン４５を備えているが、潤滑剤保持リング４８を備えていない構成である。前記第１の実施例と同様にスピンドルヘッド６のスムーズな昇降に影響がないようにピストン２６の摺動抵抗を減らすため、標準的なロッドレスシリンダにおいて排出側シリンダ室４３側のピストンエンド４１にはピストンパッキンを装着せず、加圧側シリンダ室４２側のピストンエンド４０Ａのみにピストンパッキン４５を装着し、加圧側シリンダ室４２側のピストンエンド４０Ａには、ピストンパッキン４５のシリンダ軸線方向前後に潤滑剤保持リング４８Ａを装着してバランスシリンダとしてある。

図８に示すように、潤滑剤保持リング４８Ａは、加圧側シリンダ室４２側のピストンエンド４０Ａのパッキン装着溝４４Ａのシリンダ軸線方向前側に追加工されたリング装着溝６３と、後側に断面形状が階段状のリング装着プレート６４をパッキン装着溝４４Ａのシリンダ軸線方向後部に追加装着したピストンパッキン４５側の段部により形成されるリング装着溝６４ａとに装着されて、前記第１の実施例と同様な構成としてある。前記リング装着プレート６４は、図９に示すように、パッキン装着溝４４Ａに装着可能にするための切り割り６４ｂが設けられている。勿論、第２の実施例のようにピストン２６に第２ポートを追加工しても良い。このように量産品の標準的なロッドレスシリンダを追加工して使えば、ピストンエンドはプラスチックス等の合成樹脂を型により成形したものなので、リング装着溝を備えたピストンエンド専用の高価な型を新しく作る必要がなく、安価な標準的なロッドレスシリンダを使えて好ましい。

工作機械の正面図である。図１の平面図である。ロッドレスシリンダの縦断面図である。加圧側シリンダ室側のピストンエンドの拡大図である。バランス装置を示す説明図である。第２の実施例を示すロッドレスシリンダの縦断面図である。図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。第３の実施例を示す加圧側シリンダ室側のピストンエンドの拡大図である。リング装着プレートの正面図である。

符号の説明

１工作機械
３コラム
６スピンドルヘッド
１２昇降駆動手段（昇降用リニアモータ）
２５バランスシリンダ（ロッドレスシリンダ）
２６ピストン
２７外部移動体（ピストンマウント）
２９バランス装置
３０シリンダチューブ
３３エンドキャップ
３４シリンダ室
４２加圧側シリンダ室
４３排出側シリンダ室
４４，４４Ａパッキン装着溝
４５ピストンパッキン
４８，４８Ａ潤滑剤保持リング
５７第１ポート
５９第２ポート
６３，６４ａリング装着溝
６４リング装着プレート

Claims

コラムに昇降自在に案内されて昇降駆動手段により昇降されるスピンドルヘッドを上方へ付勢するバランスシリンダをコラムに垂直に備えている工作機械のバランス装置において、前記バランスシリンダを軸方向全長に亘ってスリットが形成されているシリンダチューブのシリンダ室内にピストンを軸線方向移動可能に嵌装してあるロッドレスシリンダで構成し、そのロッドレスシリンダのピストンは、スリット側部分がスリットから外部に突出されているピストンヨークのシリンダ軸線方向両端に夫々外周にパッキン装着溝が形成されているピストンエンドを設けて構成し、そのピストンヨークに連結したシリンダチューブ外側の外部移動体をスピンドルヘッドに連結し、ピストンには、スピンドルヘッドを上方へ付勢する流体圧力が作用する加圧側シリンダ室側のピストンエンドのみのパッキン装着溝にピストンパッキンを設け、そのピストンパッキンの軸線方向前後に潤滑剤保持機能を有する潤滑剤保持リングをピストンパッキンを挟むように設けたことを特徴とする工作機械のバランス装置。
ロッドレスシリンダの加圧側シリンダ室とピストンを挟んで反対側の排出側シリンダ室を、エンドキャップに設けた第１ポートと、ピストンを介して外部移動体に設けた第２ポートとにより大気圧に開放したことを特徴とする請求項１記載の工作機械のバランス装置。
ピストンの加圧側シリンダ室側のピストンエンドのみに、パッキン装着溝のシリンダ軸線方向前後に夫々潤滑剤保持リングを装着するためのリング装着溝を追加工またはリング装着溝を備えたリング装着プレートを追加装着し、それらのリング装着溝に潤滑剤保持リングをパッキン装着溝に装着されたピストンパッキンを挟むように装着したことを特徴とする請求項１または２記載の工作機械のバランス装置。