JP4687181B2 - 移動体の移動停止装置 - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータ駆動により移動する移動体の移動駆動が停止した際に、移動体が移動するのを防止するための移動体の移動停止装置に関するものである。

従来より、工作機械では、ベッドなどの支持体に案内され、工具やワークを支持して所定方向に移動する移動体が備えられており、この移動体の送り装置としては、機械的な接触を有したボールネジ等の送り装置を用いており、送り装置自体に所定の減速能を有していると共に、更に、ボールネジを回転させるモータや、ボールネジの回転により可動する可動部等に機械的なブレーキを備えることで、充分に移動体を停止させることのできるものが知られている。

ところで、ワークの加工精度を追求した精密加工機では、移動体の送り装置として、送り精度の高いリニアモータが用いられている。このリニアモータを用いた送り装置の場合、ボールネジ等の送り装置とは異なり、送り装置では非接触となるので、送り装置とは別に移動体を制動するための制動装置を必要としていた（例えば、特許文献１）。

また、移動体の移動方向が上下方向の場合、移動体には移動による慣性力に加えて重力が作用するため、重力の影響を打ち消すためにカウンタバランサを備えており、このカウンタバランサとして、シリンダ内の圧力流体を利用したものが知られている（例えば、特許文献２）。

本出願人は、本出願時において、以上の従来技術が記載されている文献として、以下のものを知見している。
特開平８−３１７６２４号公報 特開２００４−２０９５５０号公報

しかしながら、リニアモータ駆動により移動体を移動させる場合、別途に備えられた制動装置のみで停止させなければならず、例えば、所定の制動子を押圧させてその摩擦抵抗により制動させる場合、移動体の慣性力等に打ち勝つには、その重量の約１０倍ぐらいの力で制動子を押圧させる必要があり、例えば、移動体の重量が１００ｋｇの場合、押圧力（制動荷重）が１ｔ程必要となり、その制動荷重を得るために制動装置が大型化する問題がある。また、非常に大きな制動荷重を移動体等にかけることとなるので、移動体つまり工作機械にダメージを与える恐れがある。

ところで、上下方向に移動体が移動する精密加工機では、その位置決め精度を高めるために、カウンタバランサでの抵抗も小さくなるような工夫がなされており、シリンダとピストンとの間にシールを備えたものでは、ロッドを介してピストンが進退する際にシリンダとのシール部分で大きな摩擦抵抗が発生するので、例えば、ピストンに相当する部分をダイヤフラムとし、移動体の移動と共にダイヤフラムを変形させることで、シリンダから延びるロッドの進退にかかる抵抗を低減させたものが提案されている。この場合、シリンダ内の圧力流体がダイヤフラムにより閉鎖されており、その流体回路を遮断弁により遮断することで流体の流出を防止することができ、カウンタバランサによっても移動体を充分に支持することができるので、併設される制動装置の制動荷重が小さいものでも良く、工作機械が大型化するのを抑制することができる。

しかしながら、移動体の移動に伴って、ロッドを介してダイヤフラムが変形するので、ダイヤフラムに変形抵抗が発生し、この変形抵抗によって移動体の位置決め精度が低下する問題があった。また、シリンダからの流体漏れや、停電時等、何らかの理由でシリンダ内の流体圧力が低下すると、制動装置の制動荷重のみでは移動体を支持しきれなくなり、移動体が落下して工作機械やワークにダメージを与える問題がある。

一方、シリンダとピストンとの間のシールを廃止して、シリンダとピストンとを無接触とし、シリンダとピストンとの摩擦抵抗を可及的に低減させたものも提案されている。この場合、カウンタバランサでの抵抗がほとんど無く、より高い位置決め精度を得ることができる。しかしながら、シリンダ内に圧力流体がシリンダとピストンとの隙間から流出してしまうので、圧力流体を供給し続けなければ移動体を支持することができず、併設する制動装置のみで移動体を支持できるようにする必要があり、制動装置が大型化すると共に、制動装置から移動体に大きな制動荷重がかかることで、工作機械にダメージを与える恐れがある。

そこで、本発明は、上記の実状を鑑みてなされたものであり、リニアモータ駆動によって移動する移動体を、最小限の移動で停止させて、停止の際に、少なくとも移動体にかかるダメージを低減させることのできる移動体の移動停止装置の提供を課題とするものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る移動体の移動停止装置は、「支持体により案内され、リニアモータ駆動によって移動する移動体の移動停止装置であって、
前記支持体により案内され、前記移動体の移動方向に対して該移動体との間に所定の隙間を有した状態で、前記リニアモータ駆動によって前記移動体が移動する際に、該移動体と従動するようにネジ機構を有した駆動手段によって移動する従動体を具備する」構成とするものである。

ここで、「ネジ機構」としては、「ボールネジ等の送りネジによるもの」、「ラック＆ピニオンによるもの」、「ウォームギアを有したもの」、等が挙げられ、逆伝達性なら、優位性の順に、ウォーム＆ホイール、台形ネジ、ボールネジ、ラック＆ピニオン等が挙げられる。

また、従動体を移動体に従動させる方法としては、例えば、移動体の移動位置を検出し、その検出結果に基づいて従動体を移動させる方法があり、具体的には、移動体の移動位置を検出するリニアスケールを備えると共に、従動体を駆動する駆動手段のモータの回転を検出するエンコーダを備えて、ＣＮＣからの位置指示により、リニアスケールの位置情報を基にリニアモータを駆動して移動体を移動させると共に、ＣＮＣからの位置指示により、エンコーダの位置情報を基に駆動手段のモータを回転させて従動体を追従させる方法が挙げられる。

更に、「隙間」としては、移動体と従動体とが当接しても移動体（工作機械やワーク、工具等）にダメージを与えない程度の距離であれば良く、例えば、０．５ｍｍ〜１ｍｍの範囲内が望ましく、より好適には、０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内が好ましい。

本発明によると、リニアモータ駆動により移動する移動体に対して、所定の隙間を有した状態で従動体が従動する、つまり、リニアモータ駆動によらずに移動体が移動した場合は、従動体は移動体に従動することなく停止しているので、停止している従動体に移動体が当接することで移動体を停止させることができるものである。詳述すると、リニアモータ駆動の停止により、移動体が停止する際に、慣性力等により移動体が所定位置に停止せず更に移動しても、移動体と従動体との間の所定隙間分移動すると、移動体が従動体に当接する。このとき、従動体は、ネジ機構を有した駆動手段に駆動されるようになっており、従動体側から駆動手段側への荷重の伝達倍率が極めて小さく従動体によって駆動手段が動くようなことは無いので、移動体が当接しても従動体は殆ど移動することが無く、而して従動体により移動体の移動が停止することとなる。これにより、従来の摩擦抵抗を用いた制動装置のように移動体に大きな力を加えなくても、最小限の移動で停止させることができると共に、少なくとも移動体にかかるダメージを低減させることができる。なお、駆動手段にブレーキ機構を備えても良く、この場合、ブレーキ荷重の小さい小型のものでもことたりるので、小型の駆動手段とすることができる。

また、従動体は、所定の隙間を有した状態で移動体に追従して移動するので、リニアモータ駆動により移動体を移動させる際に、従動体が移動体に接触することは無く、従動体が接触することで移動体に抵抗がかかるのを回避することができ、移動体の位置決め精度を高く維持することができる。

なお、工作機械の移動体に適用することが望ましく、これにより、従来よりも制動荷重の小さい小型の制動装置を使用したり、制動装置を廃止したりすることが可能となり、工作機械全体を小型化することができる。また、移動体を隙間の分だけ可及的に短い距離で停止させることができるので、工作機械、ワークや工具等にかかるダメージを可及的に少なくすることができる。更に、移動体の位置決め精度をより高めることができ、精密加工機とすることができる。

本発明に係る移動体の移動停止装置は、上記の構成に加えて、「前記移動体の前記移動方向が、上下方向とされている」構成とすることもできる。

本発明によると、上下方向に移動する移動体に適用するものである。つまり、移動体にはその移動による慣性力に加えて重力が作用するので、何らかの理由により、移動体が下方に移動した場合、移動体がその下方に配置されたもの（例えば、支持体等）に当接するまでの距離が長いほど、移動体の速度が速くなって、当接した際にかかる衝撃が大きくなり移動体等に大きなダメージを与える恐れがあるが、本発明によれば、移動体と従動体との間に、移動体等にダメージを与えない程度の所定の隙間を有し、その隙間分の移動により従動体と当接するので、当接する際の速度を極めて小さい速度とすることができるので、移動体等にかかるダメージを可及的に低減させることができる。

本発明に係る移動体の移動停止装置は、上記の構成に加えて、「前記移動体が、前記移動方向に対して重力の影響を除去するカウンタバランサとして非接触式シリンダにより支持されている」構成とすることもできる。

本発明によると、上下方向に移動する移動体のカウンタバランサとして非接触式シリンダを用いたもの、つまり、移動体の位置決め精度の高い精密加工機に適用するもので、上述の通り、従動体により移動体を、所定の隙間分の移動により確実に停止させることができるので、摩擦抵抗を用いた制動装置を備える必要が無く、小型の精密加工機を実現することができる。なお、制動装置を併設しても良く、この場合、従来のような制動荷重の高い制動装置を必要とせず、制動荷重の低いものとすることができるので、制動にかかるダメージを可及的に低減させることができる。

本発明に係る移動体の移動停止装置は、上記の構成に加えて、「前記移動体又は前記従動体に、前記隙間を調整可能な調整機構を更に具備する」構成とすることもできる。

本発明によると、調整機構により移動体と従動体との隙間を調整することができるので、これにより、移動体の用途に応じてその隙間を容易に変更することができる。例えば、精密加工を行う場合、その隙間を小さくすることで、何らかの原因によって移動体が移動しても、その移動量を少なくできるので、加工中のワークが不良品となるのを防止することができる。また、高い加工精度の要求が無く、高速加工を行う場合、従動体の移動体に対する追従不良、バックラッシュ、位置決め誤差等によって頻繁に接触してしまうような場合には、その隙間を大きくすることにより、無用に移動体と従動体とが接触するのを防止することができる。

上述の通り、本発明によると、リニアモータ駆動によって移動する移動体を、最小限の移動で停止させて、停止の際に、少なくとも移動体にかかるダメージを低減させることのできる移動体の移動停止装置を提供することができる。

次に、本発明に係る移動体の移動停止装置の一実施形態を、図１に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る移動体の移動停止装置を適用した工作機械の要部を概略構成で示す図である。本実施形態の工作機械は、コンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ）により制御され、ワークを数１０ｎｍ〜数μｍの誤差で砥石やバイト等の種々の工具を用いて加工することのできる超精密加工機であり、上下方向に移動する移動体がワークを保持するテーブルとされているものである。

なお、ここでは、移動体と、移動体を上下方向に案内する支持体とについて説明し、その他の構成については、公知の工作機械と同様であるので、図示及び説明は省略する。また、移動体は工具を支持する主軸台としても良いし、支持体及び移動体がＸ軸方向やＺ軸方向に移動するトラバーサ等に備えられたものであってもよい。

図示するように、工作機械１０におけるベッドなどの支持体１１には、上下方向（Ｙ軸方向）に図示しない所定の案内機構によって案内されるテーブルなどの移動体１２が備えられており、この移動体１２は、リニアモータ１３の駆動により移動するようになっている。そして、支持体１１と移動体１２とが互いに対向する部分に、夫々リニアモータ１３を構成するマグネット１４とコイル１５とが非接触状態で備えられ、コイル１５に通電することで移動体１２が駆動されるようになっている。

この工作機械１０には、移動体１２の下側に移動体１２の重量を支持するカウンタバランサ１６が備えられており、このカウンタバランサ１６は、移動体１２と共にロッド１７を介して移動するピストン１８と、ピストン１８を上下方向に移動可能に収容し支持体１１に固定されたシリンダ１９とから構成されている。そして、ピストン１８とシリンダ１９との間には所定量の隙間が形成されており、それらが非接触状態となっている。つまり、本例のカウンタバランサ１６は、非接触式シリンダ２０とされており、摩擦抵抗がほとんど発生させること無く、移動体１２にかかる重力の影響をキャンセルできるようになっている。

また、移動体１２には、Ｙ軸方向に延びるリニアスケール２１が備えられており、このリニアスケール２１によって移動体１２のＹ軸方向の位置を高精度に検出できるようになっている。

この工作機械１０には、停電時やカウンタバランサ１６に問題が発生した時等に、移動体１２の移動を停止させることのできる移動停止装置２２が備えられている。この移動停止装置２２には、支持体１１側に、案内機構２３によってＹ軸方向に案内される従動体２４が備えられており、この従動体２４と螺合するボールネジ２５を回転駆動させる電磁ブレーキ付きのサーボモータ２６によってボールネジ２５を回転させることで従動体２４がＹ軸方向に移動するようになっている。

なお、図中符号２７は、サーボモータ２６の回転位置を検出するエンコーダである。本例のボールネジ２５が本発明のネジ機構に、本例のサーボモータ２６が本発明の駆動手段に夫々相当している。また、移動停止装置２２には、移動体１２側に、従動体２４に対しＹ軸方向に所定の隙間Ｓを形成可能とされた当接ブロック２８が備えられている。因みに隙間Ｓは、０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内が望ましく、本例では約０．５ｍｍとされている。

この工作機械１０には、上記のリニアモータ１３やサーボモータ２６等を数値制御するためのＣＮＣからなる制御部２９が備えられており、この制御部２９には、所定の加工プログラム等に基づいて各軸方向の送り位置を指示する送り指示部３０からの指示に基づいて、移動体１２の送りを制御する送り制御部３１を備えている。この送り制御部３１は、移動体１２に備えられたリニアスケール２１からの位置情報をフィードバックすることで、リニアモータ１３を制御して移動体１２を移動させるようになっている。

また、制御部２９には、送り指示部３０からの指示に基づいて、従動体２４の移動を制御する従動制御部３２を備えており、サーボモータ２６のエンコーダ２７からの位置情報を従動制御部３２にフィードバックして、従動制御部３２によりサーボモータ２６を制御することで、従動体２４を移動させるようになっている。

次に、本実施形態の工作機械１０における移動停止装置２２の作用について説明する。通常運転時の場合、まず、図示しない圧力流体の供給装置から、カウンタバランサ１６としての非接触式シリンダ２０におけるシリンダ１９内に所定の圧力流体が供給され、その圧力により移動体１２にかかる重力の影響がキャンセルされた状態となる。その状態で、制御部２９では、加工プログラム等の実行により、送り指示部３０から、各軸方向の送り位置が指示される。本例では、移動体１２がＹ軸方向に移動するので、送り制御部３１は、Ｙ軸方向の送り指示に基づいて、移動体１２を移動させるリニアモータ１３の駆動を制御する。その際に、移動体１２に備えられたリニアスケール２１からの位置情報をフィードバックしながら、リニアモータ１３の駆動を制御しており、移動体１２が高精度で移動することができる。

また、従動制御部３２では、送り指示部３０から、送り制御部３１に指示されたＹ軸方向の送り指示に基づいて、エンコーダ２７によりフィードバック制御しながらサーボモータ２６の回転を制御して従動体２４を移動させる。これにより、従動体２４は、移動体１２の当接ブロック２８と当接することなく、その間で、所定の隙間Ｓを保った状態で移動体１２と従動するように移動することとなる。

これによって、通常運転時では、従動体２４が移動体１２に対して非接触で従動するので、移動体１２には従動体２４から抵抗を受けることが無く、更に、カウンタバランサ１６が摩擦抵抗のほとんど無い非接触式シリンダ２０とされているので、リニアモータ１３による高精度の位置決めを発揮することができ、工作機械１０により超精密加工を実現することができる。

一方、停電時等の場合、電源が遮断されることで、サーボモータ２６は、内蔵された電磁ブレーキにより制動され、ボールネジ２５の回転が阻止された状態となっており、従動体２４の位置が固定される。移動体１２では、電源の遮断によりリニアモータ１３の駆動力がなくなる。それと同時に、カウンタバランサ１６のシリンダ１９への圧力流体の供給が停止しシリンダ１９内の圧力が低下して、移動体１２が落下する。

ところが、従動体２４と移動体１２の当接ブロック２８との間の所定の隙間Ｓ分落下すると、移動体１２の当接ブロック２８が従動体２４と当接し、移動体１２の落下が停止する。このとき、従動体２４は、ボールネジ２５によって送るようにしているので、従動体２４に荷重が作用してもボールネジ２５が回転することはほとんど無いと共に、サーボモータ２６の電磁ブレーキにより回転が阻止されているので、従動体２４に移動体１２が当接してもの従動体２４が動くことが無い。また、本例では、その隙間Ｓが、移動体１２にダメージを与えない程度の距離とされているので、移動体１２が従動体２４と当接する際の速度が極めて小さい速度となっており、当接による衝撃がほとんど無く、移動体１２や支持体１１等の工作機械１０、ワークや工具等に与えるダメージを可及的に低減させることができる。

このように、本実施形態の移動停止装置２２によると、リニアモータ１３駆動によって移動する移動体１２を、最小限の移動で停止させて、停止の際に、少なくとも移動体１２にかかるダメージを低減させることができる。

ところで、上記の実施形態において、移動体１２の当接ブロック２８と、従動体２４との間の隙間Ｓを、任意に調整可能とするようにしても良く、図２は、隙間Ｓを調整可能な調整機構の一例を示したものである。この調整機構３３は、当接ブロック２８に螺合されたボルト３４を回転させることで、ボルト３４の先端と従動体２４との間に形成される隙間Ｓを調整可能としたものである。なお、符号３５は、ロックナットである。なお、本例では、従動体２４を挟んで両側に調節機構３３を備えたものを示しているが、何れか一方に備えるようにすることもできる。また、従動体２４側に調整機構３３を備えるようにすることもできる。

この隙間Ｓの調整機構３３を備えることで、移動体１２の用途に応じてその隙間Ｓを容易に変更することができる。例えば、精密加工を行う場合、その隙間Ｓを小さくすることで、何らかの原因によって移動体１２が移動しても、その移動量を少なくできるので、加工中のワークが不良品となるのを防止することができる。また、高い加工精度の要求が無く、高速加工を行う場合、従動体２４が移動体１２に充分に追従しきれずに、頻繁に接触してしまうような場合には、その隙間Ｓを大きくすることにより、無用に移動体１２と従動体２４とが接触するのを防止することができる。

また、上記の工作機械１０に対して、移動体１２の移動を制動するための制動装置を併設しても良い。図３は、工作機械に移動体１２の制動装置を併設した一例を示すもので、上記の実施形態と同様の構成のものについては、同一の符号を付すと共に説明は省略する。この制動装置３６は、移動体１２に設けられた被制動部３７と、被制動部３７を挟んで両側に配置される制動子３８とを備え、図示しない押圧手段により制動子３８を被制動部３７に押圧することで、その摩擦抵抗により被制動部３７、つまり移動体１２を制動停止させるものである。詳しくは、カウンタバランサ１６の作動している通常時（コンプレッサＯＮ）にリニアモータ１３の駆動力がＯＦＦの時に制動装置３６により移動体１２を停止させるもので、カウンタバランサ１６が作動しているので、制動装置３６の押圧力が小さくても移動停止装置２２の隙間Ｓに関係なく充分に移動体１２を停止させることができる。これにより、押圧力の小さい制動装置３６によっても移動体１２を停止させることができると共に、非常時（コンプレッサＯＦＦ）には移動停止装置２２が作用するので、工作機械１０にかかるダメージを更に低減させることができる。

以上、本発明を実施するための最良の実施の形態を挙げて説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。

すなわち、本実施形態では、従動体２４の移動制御に関して、制御部２９の送り指示部３０からの送り指示に基づいて、従動制御部３２がサーボモータ２６の回転を制御して従動体２４の移動を制御するものを示したが、これに限定するものではなく、例えば、移動体１２の移動を制御する送り制御部３１からのリニアモータ１３の制御指示に基づいて、従動制御部３２が従動体２４の移動を制御するようにしても良い。これによっても、上記と同様の作用効果を奏することができる。

また、本実施形態では、上下方向、つまりＹ軸方向に移動する移動体１２に、移動停止装置２２を適用したものを示したが、これに限定するものではなく、Ｘ軸方向やＺ軸方向に移動する移動体に適用することもできる。

更に、本実施形態では、工作機械１０として、ＣＮＣ精密加工機を示したが、これに限らず、研削盤、旋盤、フライス盤、マシニングセンタ、レーザ加工機、等のＣＮＣ機、ＮＣ機としても良く、これらに適用しても、上記と同様の作用効果を奏することができる。

本発明に係る移動体の移動停止装置を適用した工作機械の要部を概略構成で示す正面図である。 隙間を調整可能な調整機構の一例を示す正面図である。 本発明に係る移動体の移動停止装置と制動装置とを併設した工作機械のの要部を概略構成で示す正面図である。

符号の説明

Ｓ 隙間
１１ 支持体
１２ 移動体
１３ リニアモータ
１６ カウンタバランサ
２０ 非接触式シリンダ
２１ リニアスケール
２２ 移動停止装置
２３ 案内機構
２４ 従動体
２５ ボールネジ
２６ サーボモータ
２７ エンコーダ
２８ 当接ブロック
２９ 制御部
３０ 送り指示部
３１ 送り制御部
３２ 従動制御部
３３ 調整機構

Claims (4)

1. 支持体により案内され、リニアモータ駆動によって移動する移動体の移動停止装置であって、
   前記支持体により案内され、前記移動体の移動方向に対して該移動体との間に所定の隙間を有した状態で、前記リニアモータ駆動によって前記移動体が移動する際に、該移動体と従動するようにネジ機構を有した駆動手段によって移動する従動体を具備することを特徴とする移動体の移動停止装置。
2. 前記移動体の前記移動方向が、上下方向とされていることを特徴とする請求項１に記載の移動体の移動停止装置。
3. 前記移動体が、前記移動方向に対して重力の影響を除去するカウンタバランサとして非接触式シリンダにより支持されていることを特徴とする請求項２に記載の移動体の移動停止装置。
4. 前記移動体又は前記従動体に、前記隙間を調整可能な調整機構を更に具備することを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の移動体の移動停止装置。

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