JP4246786B2 - 単軸ロボット - Google Patents

Description

本発明は、いわゆる単軸ロボットに関するものである。

従来から、モータの駆動により一軸方向に移動可能な可動部材を有し、この可動部材に各種ツールを搭載して使用するように構成された単軸ロボットが知られている。

この種の単軸ロボットは、レールに可動部材を装着し、この可動部材に設けたナット部分に前記レールと平行に設けたボールねじ軸を螺合貫通させ、モータによりこのボールねじ軸を回転駆動することによって前記レールに沿って可動部材を移動させるものが一般的であった。近年では、このような駆動機構の変形として、可動部材に中空モータを搭載してそのロータに前記ナット部分を一体に設け、ナット部分を中空モータによって回転駆動することにより可動部材を移動させるものも提案されている（例えば特許文献１）。
特開平８−１６８９８０号公報

上記のように可動部材にモータを搭載してナット部分を駆動する構成によると、ボールねじ軸を回転駆動する構成のようにねじ軸の末端部分にモータを配置する必要が無くなる分、同サイズの単軸ロボットであっても可動部材の可動範囲を広く（長く）とることが可能になるというメリットがある。しかし、その反面、可動部材に中空モータが組込まれているためメンテナンス性が悪くなることが考えられ、この点を改善することが求められる。

本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであって、可動部材に中空モータを搭載した単軸ロボットにおいて、そのメンテナンス性を向上させることを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の単軸ロボットは、互いに平行な一対のレール上を移動可能な可動部材と、この可動部材に搭載される中空モータ及びこのモータにより回転駆動されるナット部材と、前記中空モータを貫通し、かつ前記ナット部材に螺合挿入されるねじ軸と、を有し、前記可動部材に、各レール上を摺動するスライダが、各レールに対して複数個ずつ所定間隔をおいて設けられ、前記ナット部材の回転に伴い前記可動部材がレールに沿って移動する単軸ロボットであって、前記ねじ軸の軸方向に前記ナット部材と前記中空モータとが一列に並んだ状態で前記可動部材に組み付けられるとともに、前記中空モータを前記可動部材およびナット部材から取り外して軸方向一端側に引き出すことができるように、前記可動部材およびナット部材に対して前記中空モータが脱着可能とされ、かつ、前記軸方向一端側に中空モータを引き出す際に、当該中空モータの電線が可動部材の前記軸方向一端側であって前記複数個のスライダの外側を通り得るように、当該電線が前記一対のレールのうち一方のレールを横切って当該レールの外側方に導出されているものである。

また、この単軸ロボットにおいて、前記中空モータは、その回転位置情報を検出するための位置検出部を有するものであり、前記軸方向一端側に中空モータを引き出す際に、当該中空モータの電線が可動部材の前記軸方向一端側であって前記複数個のスライダの外側を通り得るように、当該電線が前記一対のレールのうち一方のレールを横切って当該レールの外側方に導出されているものである。

さらに、上記単軸ロボットにおいては、可撓性を有するケーブル保持部材が前記レールに沿って配置され、前記電線がこのケーブル保持部材内に配設される電線に対してコネクタを介して接続されているものである。

本発明の単軸ロボットによると、ねじ軸に沿って可動部材から中空モータを引き出した状態で作業を行う際に電線が取り外しの邪魔になることがなく、これによりメンテナンス性が向上する。

本発明の好ましい実施の形態について図面を用いて説明する。

図１〜図４は本発明に係る単軸ロボットのベースとなる構成、すなわち単一の可動部材（可動テーブル１０）を備えた単軸ロボットを概略的に示しており、図１は縦断面図で、図２は平面図で、図３，図４は横断面図でそれぞれ単軸ロボットを示している。

これらの図に示すように、単軸ロボットは、細長のケーシング１を有しており、このケーシング１内に可動テーブル１０（本発明に係る可動部材に相当）と、これを一軸方向に移動させるための駆動機構とを収納した構成となっている。

ケーシング１は、一軸方向に細長いベース２と、このベース２の長手方向両端に固定されるエンドカバー３と、ベース２の幅方向両端に固定されるサイドカバー４と、ベースをその上部から覆うトップカバー５（図３，図４に示す）とからなる中空構造を有している。

各カバー３〜５はそれぞれボルト等によりベース２に対して着脱可能に構成されており、メンテナンス等の際には、これらカバー３〜５を取り外すことにより内部を開放できるようになっている。なお、以下の説明では、便宜上、可動テーブル１０の移動方向（ケーシング１の長手方向）を前後方向、これと直交する方向を幅方向と呼ぶことにする。

前記ベース２は、図３に示すように、幅方向中央部分が凹んだ断面Ｕ字型の形状とされ、両端の突出部分に、前後方向に延びるフラットなレール支持面２ａを有している。

これらレール支持面２ａには、それぞれ前後方向に延びるレール１４が互いに平行な状態で固定されている。これらレール１４には、前記可動テーブル１０がスライダ１３を介して装着されており、これによって前記可動テーブル１０が上記一軸方向（前後方向）に移動可能に設けられている。

可動テーブル１０は、図２，図３に示すように、上部幅方向両端に前後方向に延びるツール取付部１１を有している。これらツール取付部１１は、図３に示すようにケーシング１に形成されるスリット、すなわちトップカバー５とサイドカバー４（図２ではいずれも省略）との間に形成される前後方向の隙間部分からケーシング１の上部外側に突出しており、この部分に各種ツールが組み付けられるようになっている。なお、図２において符号１１ａは、ツール取付部１１に設けられるツール組み付け用のねじ孔を示している。

可動テーブル１０の駆動機構は、上記一対のレール１４と、これらレール１４と平行に延びるボールねじ軸１５と、前記可動テーブル１０に組み付けられて前記ボールねじ軸１５に螺合装着されるナット部材１６と、同じく可動テーブル１０に組み付けられて前記ナット部材１６を回転駆動する中空モータ２５等から構成されている。つまり、中空モータ２５によってナット部材１６を正逆回転駆動することにより、この回転に伴い可動テーブル１０を前記レール１４に沿って前後方向に移動させるように構成されている。

ここで、可動テーブル１０のより詳細な構造について説明する。

図３及び図５に示すように、可動テーブル１０にはその下側に中空モータ２５の固定部１２が一体的に設けられている。この固定部１２はその一端側（図５では右側）に中空モータ２５の取付面１２１を備えた中空構造を有しており、前記ナット部材１６がこの固定部１２の内部に設けられ、このナット部材１６に対して前後方向に一列に並ぶように前記中空モータ２５が固定部１２の外側から前記取付面１２１に組み付けられている。

ナット部材１６は、前記ボールねじ軸１５に螺合するボールナット１７と、その外側に一体に外嵌固定されるナットホルダー１８とから構成されており、図５に示すようにベアリング１９を介して固定部１２内に回転可能に支持されている。

固定部１２の内部には、さらにナット部材１６と中空モータ２５とを連結するためのカップリング２０が設けられており、ナットホルダー１８がこのカップリング２０の一端側に連結固定されている。このカップリング２０は、両端にすり割り付きの挿入孔をそれぞれ有しており、図５に示すように、ナットホルダー１８に一体形成されたスリーブ１８ａがカップリング２０の一端側（同図では左側）の挿入孔に挿入され、この状態ですり割りが狭まるように図外のボルトが締結されることにより、ナット部材１６がカップリング２０に連結固定されている。

中空モータ２５は、同図に示すように共通のハウジング２６内にモータ本体部２８とその回転位置情報を検出するための位置検出部３８とを一体に備えた構成となっている。

モータ本体部２８は、ケーシング３１ａおよびその内側に設けられる界磁コイル（駆動コイル）３１ｂからなるステータ３０Ａと、このステータ３０Ａの内側に配置されるロータ３０Ｂとから構成される。ロータ３０Ｂは、同図に示すように、中空軸３４の外周面にマグネット３２が固定された構造を有しており、前後両端部がベアリング３５ａ，３５ｂを介してハウジング２６の前側部分２６ａおよび後側分２６ｂ内に支持されることにより、前記ステータ３０ａの内側に回転可能に支持されている。なお、ロータ３０Ｂ（中空軸３４）の先端（同図の左端）は、ハウジング２６よりも前方に突出して設けられている。

一方、位置検出部３８は、モータ本体部２８の後側（図５では右側）、具体的には前記ロータ３０Ｂを支持する後側のベアリング３５ｂのさらに後側に配置されている。

位置検出部３８は、出力側巻線（ステータ部分４０Ａ）と磁励側巻線（ロータ部分４０Ｂ）とを有し、ロータ部分４０Ｂを交流電圧で磁励することにより誘起されるステータ部分４０Ａ側の電圧を検出することによって回転角（回転方向の位置）を検出する所謂レゾルバから構成されており、同図に示すように、ロータ部分４０Ｂがモータ本体部２８の前記ロータ３０Ｂ（中空軸３４）の後端外周に、ステータ部分４０Ａが前記ベアリング３５ｂを保持するハウジング２６の後側部分２６ｂにそれぞれ固定されている。これによりモータ本体部２８の回転角（回転方向の位置）、すなわちロータ３０Ｂの回転角を検出するように構成されている。

中空モータ２５は、図５に示すように、モータ本体部２８の前記中空軸３４の前端を前側のベアリング３５ａ内に挿入する一方、後端を後側のベアリング３５ｂ内に挿入し、この状態で前記ケーシング３１ａを挟んでハウジング２６の後側部分２６ｂを同前側部分２６ａに合体させて不図示のボルトにより締め付け固定することにより一体化されている。

そして、モータ本体部２８の前記ロータ３０Ｂを、前記取付面１２１に形成される開口部１２ａから固定部１２内に挿入し、取付面１２１にハウジング２６の前端面を突き当てた状態で固定部１２に中空モータ２５が固定されている。具体的には、ハウジング２６の前端面に形成されるボス２６ｃが前記開口部１２ａにはめ込まれた状態で、図４に示すように、ハウジング２６のフランジ部分に形成される貫通孔にモータ後側からボルト２７が挿入され、このボルト２７が取付面１２１に形成されるねじ孔に螺合挿入されることにより固定部１２に固定されている。そして、前記ロータ３０Ｂ（中空軸３４）が、前記カップリング２０のうちナット部材１６とは反対側の挿入孔に挿入され、この状態ですり割り
が狭まるようにボルト２２（図３参照）が締結されることにより、前記ナット部材１６と中空モータ２５（ロータ３０Ｂ）とがカップリング２０を介して駆動伝達可能に連結されている。

可動テーブル１０のうちナット部材１６と中空モータ２５との連結部分、つまりカップリング２０における前記ボルト２２等の締結位置に対応する部分には、これらボルト２２等に外部からアクセス可能な工具孔が設けられている。具体的には、図２，図３に示すように可動テーブル１０の上部と固定部１２の内部とを連通する上下方向の工具孔１１ｂと、固定部１２の側部と固定部１２内部とを連通する横方向の工具孔１２ｂとが設けられている。これにより可動テーブル１０への各種ツールの取付け前には、トップカバー５を取り外すことにより上下方向の工具孔１１ｂから固定部１２内へ、また、各種ツールの取付け後は、サイドカバー４を取り外すことによりレール１４側から固定部１２内にそれぞれアクセスしてボルト２２等の操作を行うことができるようになっている。

また、可動テーブル１０の上面部分であって中空モータ２５の取付け位置又はその近傍に対応する位置、つまり固定部１２に対応する部分には放熱フィン１１ｃ（図３及び図４にのみ示す）が設けられている。これにより可動テーブル１０の放熱効果を高めて、中空モータ２５やナット部材１６の駆動熱が可動テーブル１０に組み付けられた各種ツールに伝熱するのを防止するようになっている。

なお、中空モータ２５の電線、つまりモータ本体部２８や位置検出部３８に対して電力や制御信号を供給する電線２８ａ，３８ａは、図２に示すように、可動テーブル１０の幅方向中央からスライダ１３の後側を通ってレール１４の外側に導出され、ケーシング１側方に敷設されるケーブルベア（登録商標；本発明に係る可撓性を有するケーブル保持部材）４２内のハーネス類にコネクタ等を介して接続されている。

そして、上記のように構成された可動テーブル１０に対し、図５に示すように、ボールねじ軸１５が前記ボールナット１７に螺合挿入された状態で、中空モータ２５（ロータ３０Ｂ（中空軸３４））、カップリング２０およびナット部材１６を貫通している。

このボールねじ軸１５は、図１に示すようにベース２の前後両端に設けられる支持ブロック２３（本発明に係る軸支持部に相当）に固定されている。

具体的に説明すると、この支持ブロック２３は、同図および図７に示すように前記ベース２に固定され、かつ前後方向に貫通する貫通孔４４を有するベースブロック２３ａと、このベースブロック２３ａに対して前後外側から組み付けられるホルダブロック２３ｂとから構成されている。ホルダブロック２３ｂにはボールねじ軸１５の差込用凹部をもつボス部４５が形成されており、このボス部４５を前記貫通孔４４に嵌合させた状態でホルダブロック２３ｂがベースブロック２３ａに対してボルト４６により外側から固定されている。

そして、ホルダブロック２３ｂの前記ボス部４５に対してボールねじ軸１５の末端部分が差し込まれ、ホルダブロック２３ｂの外側からこのボールねじ軸１５の端面に形成されるねじ孔にボルト４７が螺合挿入されることによりボールねじ軸１５の両端がそれぞれ支持ブロック２３に固定されている。

なお、ボス部４５にはすり割りが形成されており、前記ボールねじ軸１５の末端部分がボス部４５に差し込まれた状態で、このすり割りが狭まるように図外のボルトが締結されることにより、ホルダブロック２３ｂ（支持ブロック２３）に対してボールねじ軸１５が回り止めされた状態で固定されるようになっている。

次に上述した単軸ロボットの使用要領について説明する。

以上のような単軸ロボットによると、中空モータ２５を駆動すると、その回転駆動力が前記ロータ３０Ｂ（中空軸３４）およびカップリング２０を介してナット部材１６に伝達され、これによりボールナット１７が可動テーブル１０に対して相対的に回転し、この回転に伴い可動テーブル１０が前記レール１４に沿って前後方向に移動することとなる。従って、可動テーブル１０の上記ツール取付部１１に各種ツールを組み付けることにより、当該ツールを一軸方向に移動させながら所定の作業を行うことができる。

なお、当該ツールを用いた所定の作業中に、例えば中空モータ２５にトラブルが発生した場合（モータ本体部２８や位置検出部３８が故障した場合）には、以下の手順で可動テーブル１０から中空モータ２５を取り外すことにより、モータ２５の修理を行うことができる。

まず、カップリング２０の前記ボルト２２を緩め、ナット部材１６と中空モータ２５との連結状態を解除する。具体的には、サイドカバー４を取り外し、図３中に白抜き矢印で示すように、ケーシング１の側方から可動テーブル１０（固定部１２）に形成された横方向の工具孔１２ｂにドライバ等の工具を差し込んでボルト２２を緩める。この場合、可動テーブル１０に組み付けられるツールとの関係で、トップカバー５を容易に取り外すことができ、かつ上下方向の工具孔１１ｂを使用することが可能な場合には、横方向の工具孔１２ｂの代わりにこの工具孔１１ｂを使ってボルト２２を緩めるようにしてもよい。

次いで、可動テーブル１０の後側から中空モータ２５に沿って工具を差し込み、中空モータ２５を固定しているボルト２７（図４参照）を緩め、その後、ボールねじ軸１５に沿って中空モータ２５を固定部１２から後側に引き出す。このようにすると、図６に示すように中空モータ２５を単独で可動テーブル１０の後側に取り外すことができる。従って、中空モータ２５の簡単な修理や動作確認を行う場合には、このように可動テーブル１０から中空モータ２５だけを引き出した状態で作業を行うことにより、単軸ロボットから中空モータ２５を完全に取り出すことなく作業を行うことができる。この際、上記のように中空モータ２５の電線２８ａ，３８ａがスライダ１３の後側を通ってレール１４の外側に導出されているため、電線２８ａ，３８ａが取り外しの邪魔になることがなく、従って、速やかに可動テーブル１０から中空モータ２５を取り外すことができる。

なお、このような軽度の修理とは異なり、中空モータ２５をケーシング１から完全に取り出して修理を行う必要がある場合、あるいは中空モータ２５を交換する必要がある場合には、さらに前後両側のエンドカバー３を取り外す。そして、支持ブロック２３のうちボールねじ軸１５を固定している何れか一方側のボルト４７を取り外すとともに、これとは反対側の支持ブロック２３においてホルダブロック２３ｂを固定しているボルト４６を取外し、当該ホルダブロック２３ｂをベースブロック２３ａから引き抜く（軸方向にスライドさせる）。このようにすると、図７に示すように当該引き抜き側とは反対側（同図では右側）の支持ブロック２３とボールねじ軸１５の末端部分との間にスペースが形成されるため、このスペースを使って中空モータ２５をケーシング１の外側に取り出すことにより、中空モータ２５の交換等を行うことが可能となる。この際、ボールねじ軸１５を図７に示すように引き出しても、可動テーブル１０はレール１４によって支持されているためにそのバランスを損うことがなく、従って、可動テーブル１０等を安定的に保った状態で中空モータ２５の取り外しを行うことができる。

こうして中空モータ２５の修理等を行った後は、上記と逆の手順で中空モータ２５を可動テーブル１０に組み付け、ボールねじ軸１５を前後の支持ブロック２３に固定するとともにカバー４等を組み付けることにより中空モータ２５の修理等が完了する。

以上のような単軸ロボットによると、上述のように、可動テーブル１０やこれに組付けられる各種ツールの取外しを行うことなく、可動テーブル１０から中空モータ２５だけをボールねじ軸１５に沿って引出して修理や動作確認を行うことができる。

しかも、中空モータ２５をケーシング１から完全に取出して交換を行う場合でも、上記のように支持ブロック２３からホルダブロック２３ｂを取り外してボールねじ軸１５をその軸方向にずらしてやりさえすれば、可動テーブル１０やこれに組付けられる各種ツールの取外しを一切行うことなく中空モータ２５の交換を行うことができる。

従って、モータの修理や交換に際し、可動テーブルを取り出して分解する必要がある従来のこの種の単軸ロボットと比較すると、メンテナンス性、特に中空モータ２５の修理や交換の作業性を著しく向上させることができる。

図８は、上記単軸ロボットの変形例である。この図に単軸ロボットは、２つの可動テーブル１０を設けたものである。

具体的には、２つの可動テーブル１０を共通のレール１４上に移動可能に支持するとともに各可動テーブル１０のナット部材１６に共通のボールねじ軸１５を螺合貫通させ、各々の中空モータ２５により各可動テーブル１０を個別に駆動するようにした。このような構成によれば、２つの可動テーブル１０にそれぞれツールを搭載して個別に移動させることができるため、単軸ロボットの用途を広げることが可能になるという効果がある。

なお、この構成の場合には、同図に示すように各可動テーブル１０の中空モータ２５が互いに離反する位置となるように（各支持ブロック１６が前後方向に向かい合わせとなるように）各可動テーブル１０を設けるのが好ましい。このようにすれば、各可動テーブル１０の中空モータ２５をそれぞれ離反する側に引き出すことができるため、メンテナンスの際に他方の可動テーブル１０が邪魔になることがなく作業性が良くなるというメリットがある。

また、上記の実施形態の可動テーブル１０では、中空モータ２５に回転位置情報を検出するための検出手段（位置検出部３８）が一体に組み込まれた構成となっているが、勿論、検出手段を中空モータと別体に設けるようにしてもよい。この場合、例えば図９（ａ），（ｂ）に示すように固定部１２に検出手段５０を組み込んでナット部材１６に連結させ、ナット部材１６の位置検出に基づき中空モータ２５を駆動制御するように構成してもよい（なお、同図の構成において中空モータ２５には位置検出部３８は設けられていない）。この場合、特に図９（ａ）に示すようにナット部材１６よりも外側（同図では左側）に検出手段５０を配置するようにすれば、故障時に検出手段５０を単独で可動テーブル１０から引き出して修理、あるいは交換することができるためメンテナンス性が良いという利点がある。なお、検出手段５０としては、レゾルバ以外にロータリーエンコダー等を用いることも勿論可能である。

また、上記実施形態の可動テーブル１０では、ナット部材１６と中空モータ２５とを前後方向に一列に配置し、これらをカップリング２０により互いに連結した構成となっているが、例えば中空モータ２５のロータ３０Ｂの内側にナット部材１６の一部を直接挿入した状態でこれらを互いに固定し、これによって中空モータ２５とナット部材１６とを直接連結するように構成してもよい。この構成によると中空モータ２５とナット部材１６とが前後方向にオーバーラップした構成となるため可動テーブル１０を前後方向にコンパクト化することができ、その分、可動テーブル１０の可動範囲を拡大することが可能になると
いう利点がある。但し、この場合には、オーバーラップ部分がある分、可動テーブル１０が厚み方向（図１では上下方向）に大型化するため、単軸ロボットの薄型化を図る上では、上記実施形態のように中空モータ２５とナット部材１６とが前後に一列に並んだ構成とするのが好ましい。

本発明に係る単軸ロボットの構成を示す縦断面図である。 可動テーブルの部分を示す単軸ロボットの要部平面図である。 単軸ロボットの横断面図である（図１のＡ−Ａ線断面図）である。 単軸ロボットの横断面図である（図１のＢ−Ｂ線断面図）である。 単軸ロボットの可動テーブルの詳細構成を示す縦断面図である。 中空モータを引き出した状態を示す可動テーブルの縦断面図である。 ボールねじ軸をその軸方向にずらして中空モータを取り出し可能にした状態を示す単軸ロボットの縦断面図である。 本発明に係る単軸ロボット（一対の可動テーブルを設けた構成）を示す縦断面図である。 可動テーブルの変形例を示す縦断面図である（（ａ）（ｂ）は位置検出手段をナット部材に連結した構成を示す）。

符号の説明

１ ケーシング
１０ 可動テーブル
１２ 固定部
１２１ 取付面
１６ ナット部材
１７ ボールナット
１８ ナットホルダー
１８ａ スリーブ
２０ カップリング
２５ 中空モータ
２８ モータ本体部
３０Ａ ステータ
３０Ｂ ロータ
３８ 位置検出部

Claims (3)

1. 互いに平行な一対のレール上を移動可能な可動部材と、この可動部材に搭載される中空モータ及びこのモータにより回転駆動されるナット部材と、前記中空モータを貫通し、かつ前記ナット部材に螺合挿入されるねじ軸と、を有し、前記可動部材に、各レール上を摺動するスライダが、各レールに対して複数個ずつ所定間隔をおいて設けられ、前記ナット部材の回転に伴い前記可動部材がレールに沿って移動する単軸ロボットであって、
   前記ねじ軸の軸方向に前記ナット部材と前記中空モータとが一列に並んだ状態で前記可動部材に組み付けられるとともに、前記中空モータを前記可動部材およびナット部材から取り外して軸方向一端側に引き出すことができるように、前記可動部材およびナット部材に対して前記中空モータが脱着可能とされ、かつ、前記軸方向一端側に中空モータを引き出す際に、当該中空モータの電線が可動部材の前記軸方向一端側であって前記複数個のスライダの外側を通り得るように、当該電線が前記一対のレールのうち一方のレールを横切って当該レールの外側方に導出されていることを特徴とする単軸ロボット。
2. 請求項１に記載の単軸ロボットにおいて、
   前記中空モータは、その回転位置情報を検出するための位置検出部を有するものであり、前記軸方向一端側に中空モータを引き出す際に、前記位置検出部の電線が可動部材の前記軸方向一端側であって前記複数個のスライダの外側を通り得るように、当該電線が前記一対のレールのうち一方のレールを横切って当該レールの外側方に導出されていることを特徴とする単軸ロボット。
3. 請求項１又は２に記載の単軸ロボットにおいて、
   可撓性を有するケーブル保持部材が前記レールに沿って配置され、前記電線がこのケーブル保持部材内に配設される電線に対してコネクタを介して接続されていることを特徴とする単軸ロボット。
   

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