JP4723441B2

JP4723441B2 - 研削装置

Info

Publication number: JP4723441B2
Application number: JP2006243507A
Authority: JP
Inventors: 哲哉池田
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-09-08
Also published as: JP2008062348A

Description

この発明は、研削位置が変化してもその変化に追従し、均一な研削を行う研削装置に関するものである。

研削する面に段差があったり、研削する対象物（以下、被研削物という）が移動する場合に、均一な研削を行うには、研削工具をその段差や被研削物の移動に追従させて、一定の押付力で研削を行う必要がある。
そのため、このような研削作業（以下、倣い研削という）は、熟練技能を持つ作業者がその経験と勘に基づき、手持ちの研削工具の姿勢や押し付け加減などを微調整することで実現されてきた。
しかし、研削工具を持っての手作業は３Ｋ作業と呼ばれ、最近では、熟練作業者の育成が難しくなってきたことと、研削面の仕上り状態が作業者の熟練度に強く依存するために品質管理も難しいことから、自動化が進められてきた。
このような倣い研削の自動化技術として、研削工具の押し付け力をロードセルで計測し、その計測値を使って研削工具の姿勢や押し付け加減を制御する技術がある。
特開平７−２５６５４６号公報

また、研削工具の自重をエアシリンダーで支持し、そのエアシリンダーのロッド伸縮動作によって被研削面の段差や凹凸に研削工具を追従させて均一に研削する技術がある。
特開２００３−２８５２５１号公報

押し付け力をロードセル等で計測して、研削工具の姿勢や押し付け力を電気制御する場合、計測機器や演算・制御機器が必要となり装置の構成が複雑化する。
また、エアシリンダーのロッド伸縮動作によって研削工具を追従させて均一に研削する場合、研削時に発生する振動や衝撃、曲げモーメントなどをエアシリンダーのロッド伸縮だけで吸収することが難しく、それらに耐え得る機械剛性が必要となり、装置が重厚なものとなる。

この発明は、研削工具の押し付け力制御を簡単なものとし、そのうえ研削中に発生する振動や衝撃などを効率良く吸収する構成にすることで、簡単かつコンパクトながら機械強度に優れた自動倣い研削装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、この発明は、研削工具の自重をエアシリンダーで支持する構成としたうえで、研削中に発生する振動や衝撃を効率良く吸収する位置に研削工具や昇降スライダーを配置し、かつ、エアシリンダーの出力による曲げモーメントが研削装置の弱点である摺動部分（昇降ガイド）に働かないようにエアシリンダーを配置したのである。

この発明は、研削工具の押し付け力制御を簡単なものとし、そのうえ研削中に発生する振動や衝撃などを効率良く吸収する構成にしたので、簡単かつコンパクトながら機械強度に優れ、機械寿命の長い自動倣い研削装置を提供する。

この発明の一実施形態としては、研削工具とその研削工具に固設した昇降スライダーとから構成される研削ユニットと、前記昇降スライダーに滑合して昇降スライダーのスライド移動の案内となる昇降ガイドと、被研削物への研削材の押し付け力を加減する制御シリンダーを備え、前記研削ユニットの自重に逆らうようにその制御シリンダーの出力を研削ユニットに伝達させ、かつ、前記被研削物と前記研削材とが接触する位置（研削点）を前記昇降スライダーのスライド移動の下方延長線上に配置する構成を採用できる。

この構成によれば、制御シリンダーのロッド伸縮によって研削位置の変化に研削工具が追従し、一定の押し付け力で倣い研削ができ、その上、計測機器や演算機器、制御機器も必要ないから装置の複雑化を招かない。
また、研削点を昇降スライダーのスライド移動の下方延長線上に配置すれば、研削時の振動や衝撃を昇降スライダーのスライド移動（昇降）により直接的（直線的）に吸収できるから、研削装置に負担をかけずに済み、機械剛性に余裕を持たせる必要もなく、簡単かつコンパクトながら機械強度に優れた構造にできる。

また、昇降スライダーのスライド向きと制御シリンダーの軸心とを平行に配置し、かつ、前記昇降スライダーから等距離の位置に前記制御シリンダーを複数台設け、その上、隣接する２台の制御シリンダーと前記昇降スライダーを結んで形成される中心角θが、制御シリンダーの台数ｎで３６０°を除した値（３６０÷ｎ）で均等になるように、制御シリンダーを配置した構成を採用できる。
ここで中心角θとは、例えば図２の構成においては、制御シリンダー５と昇降スライダー３を結ぶ仮想直線Ｌ_１と、制御シリンダー５’と昇降スライダー３を結ぶ仮想直線Ｌ_２によって形成される角をいう。

ところで、部品購入費用の低減や装置のシンプル化のために、通常は、制御シリンダーを１台とするものであるが、それだと２台の制御シリンダーを使うときに比べてシリンダー口径が大きくなり嵩張る。また、昇降スライダーと平行に並べて制御シリンダーを配置する場合、シリンダー口径が大きいとその分、制御シリンダーのロッド先端（支持点）と昇降スライダーとの距離が長くなるうえ、１台の制御シリンダーの支持では片持ち支持になるから、摺動部分（昇降ガイド）にかかる曲げモーメントが増大し、昇降スライダーや昇降ガイドの剛性が余計に必要となる。

この点、複数台のシリンダーとすると、各シリンダー口径を小さく出来るので嵩張らず、昇降スライダーと各シリンダー支持点との距離が短くなるから摺動部分（昇降ガイド）にかかる曲げモーメントが小さくなる。
また、隣接する２台の制御シリンダーと昇降スライダーを結んで形成される中心角θを均等に配分する構成を採用すれば、昇降スライダーにかかる曲げモーメントが相殺され、摺動部分（昇降ガイド）にかかる負担が低減される。

さらに、昇降スライダーの上部に上記制御シリンダーのロッド先端が当接する凸部材を設け、前記凸部材３ａと前記制御シリンダー５のロッド先端を結合せずに、前記凸部材３ａの下面に前記制御シリンダー５のロッド先端が制御シリンダー５の推力伝達時に当接する構成を採用できる。
この構成なら、昇降スライダーの上昇を妨げる力はその自重以外には作用しないので、昇降スライダーに上向きの急な衝撃が加わったときに、衝撃の吸収・緩和が効率良くできる。

ところで、シリンダーの出力を利用する装置の設計では、通常、ロッド先端にクレビス等を付け、シリンダーロッドと出力伝達対象物をピンで結合し、その出力伝達対象物の移動にロッドの伸縮が完全に追従する様にするものである。
ところが、上述の構成は、敢えてロッドと出力伝達対象物との結合を外したものである。この構成なら、上向きの急な荷重や衝撃を受けた際に、ロッドの伸長を待たずに即時にスライド移動（上昇）するから、急な荷重や衝撃を効率良く吸収できる。

さらに、上記昇降スライダーのスライド移動の上方延長線に上記制御シリンダーの軸心を合わせ、前記制御シリンダーのロッドの先端外周には昇降スライダーを持ち上げる突部が設けられ、前記昇降スライダーの上部には掛け部が設けられ、前記制御シリンダーのロッド上昇時に前記突部と前記掛け部が係合し、前記制御シリンダーのロッド上昇力を前記昇降スライダーに伝達する構成を採用できる。
この構成では、昇降スライダーのスライド移動の上方延長線に上記制御シリンダーの軸心を合わせて配置するので昇降スライダーには制御シリンダーの出力による曲げモーメントが加わらない。

図1乃至図３に本願発明の第1の実施例を示す。この実施例の研削装置は、研削ユニットＵと昇降ガイド４と複数のエアシリンダーとからなる。
研削ユニットＵは、昇降スライダー３と研削工具２、位置決め治具８とからなる。
昇降スライダー３の上端部には、横に突出する凸部材３ａがボルト締結（図示せず）されていて、その凸部材３ａの下面には制御シリンダーのロッド５ａの伸長時にそのロッド先端のキャップ５ｃが当接する当接座が設けられている。昇降スライダー３の軸部３ｃは市販のボールスプライン軸を使っていて、ボールスプラインのナット側（昇降ガイド４）と滑合し軸方向に直線移動できる。昇降スライダー３の下端部３ｄにはタップ穴（図示せず）があけられ、そこで位置決め治具８とボルト締結されている。

ここで、ボールスプラインを採用したのは、摺動抵抗の少ないボールスプラインを使うと昇降スライダーのスライド移動が滑らかになり、被研削面の凹凸に倣って昇降スライダーが昇降する際の追従性を良くできるからである。従って、空気軸受や流体軸受、磁気軸受などの低摩擦軸受も同様に採用し得る。

研削工具２は、市販のエアグラインダーであり、圧縮空気を砥石回転の動力源として使用する。このエアグラインダーは、締め込みボルト８ａの締め付けにより位置決め治具８に固定されている。また、その位置決め治具８の操作によって、砥石１と被研削物９との接触点（研削点ｔ）が昇降スライダー３のスライド移動の延長線上となるように、研削工具２の位置と姿勢を調整することができる。

位置決め治具８は、研削工具２の角度や取付位置を調整する治具であって、角度を調整する場合、支点ピン８ｂを中心としてガイドピン８ｃが長穴内を移動できる範囲（約２５度）内で傾動調整が可能である。適正角度に調整した後、締込ナット８ｄを締め込めばその角度に固定することができる。

昇降ガイド４は、ボールスプラインのフランジ付きナットのフランジ部分をベースユニット１１にボルト止めしたものであり、ナット外面はベースユニット１１の円筒部に嵌合しており、ナット内面は昇降スライダーの軸部３ｃと滑合している。
ベースユニット１１は、ボルトナット（図示せず）によりマニプレータＭのアームＡの先端部に締結されている。

ここで使われるシリンダーは、押し付け力制御用と待機位置復帰用に分けられる。
本実施例では、押し付け力制御用エアシリンダー（以下、制御シリンダー５という）が２台と、待機位置復帰用エアシリンダー（以下、復帰シリンダー６という）が２台ある。
制御シリンダー５は、口径１６ミリメートルの低摩擦形シリンダーを採用している。低摩擦形としたのは、被研削面の凹凸に倣って昇降スライダー３が昇降する際の制御シリンダー５のロッド伸縮の追従性を良くするためである。
ロッドの先端には、キャップ５ｃ，６ｃが螺合されており、このキャップ５ｃ，６ｃがロッド伸長時に昇降スライダー凸部材３ａの下面に当接し、シリンダーの推力を昇降スライダー３に伝達する。

制御シリンダー５（２台）と昇降スライダー３との平面配置は、２台の制御シリンダー５の真中に昇降スライダー３を挟む配置であり、これら３つは一直線（Ｌ）上に配置されている（図２）。また、復帰シリンダー６と昇降スライダー３との平面配置は、前記直線（Ｌ）と直交する直線上で、２台の復帰シリンダー６の真中に昇降スライダー３を挟む配置となっている。
昇降スライダー３と昇降ガイド４との摺動部分には、各シリンダーの出力によって曲げモーメントが作用するところ、このように配置することで、曲げモーメントが相殺され、倣い研削装置の弱点である摺動部分の負担が減り、長寿命化が図られる。その上、昇降スライダーや昇降ガイドのサイズにゆとりを持たせる必要もなくなり、コンパクト化も図ることができる。

各シリンダーへ供給する圧縮空気は、減圧弁により設定圧力に保持される。この減圧弁は、各シリンダー側（下流側）の圧力Ｐ_２を設定圧力Ｐ_０に調整するもので、Ｐ_０は圧縮空気源側（上流側）の圧力Ｐ_１以下に設定される。
この減圧弁は、Ｐ_２＞Ｐ_０のときには、下流側の圧縮空気を外に排気してＰ_２を設定圧力Ｐ₀まで減圧する自動排気機能を備え、Ｐ_２＜Ｐ_０のときには、上流側の圧縮空気を下流側へ流してＰ_２を設定圧力Ｐ_０まで増圧する機能を備え持つ。
ここで、減圧弁５０の概略構成を図５を使って説明する。５０ａは調圧ハンドル、５０ｂはスプリング、５０ｃはダイヤフラム、５０ｄは弁座、５０ｅはニードル、５０ｆはシートバルブ、５０ｇはスプリング、５０ｈは排気ポートである。

Ｐ_２＜Ｐ_０のときには、スプリング５０ｂの押し下げ力がダイヤフラム５０ｃに及ぼすＰ_２の力より大きくなり、ダイヤフラム５０ｃと弁座５０ｄは下に押し下げられ、弁座５０ｄを介してニードル５０ｅを押し下げ、シートバルブ５０ｆが開いて１次側から２次側へ圧縮空気が流れる。
Ｐ_２＞Ｐ_０のときには、スプリング５０ｂの押し下げ力がダイヤフラム５０ｃに及ぼすＰ_２の力より小さくなり、ダイヤフラム５０ｃが押し上げられる。このため、ニードル５０ｅと弁座５０ｄの間に隙間ができ、そこから２次側の圧縮空気が弁座中央の孔から排気ポート５０ｈへと流れて外に排気される。

この設定圧力Ｐ_０と制御シリンダーの口径から１台の制御シリンダーの出力が決まり、その出力を反発力Ｆ_０とする。そのＦ_０と研削ユニットの自重Ｗから、制御シリンダーが２台あるときの研削工具の押し付け力Ｆは次式で与えられる。
Ｆ＝Ｗ−２Ｆ_０
ここで、押し付け力Ｆ＞０でなければ研削ができないから、２Ｆ_０＜Ｗとなるように設定圧力Ｐ_０が決定される。

図３は、本実施例の研削装置を使って、パイプの外周突条９ａを研削する研削システム例を示す図である。以下、図３乃至図7を使って、この研削システムの操作と動作について説明する。
まず、パイプ９を４基の支持台（回転ローラー）１０に載せる。４基の支持台のうち、少なくとも１基には電動モーター（図示せず）が取り付けられていて、その電動モーターの駆動でその支持台のローラーが回転する構造となっている。その支持台の回転に伴い、載せたパイプ９も従動し、その管軸周りに回転する。
パイプ９と砥石１が接触する研削点ｔは、パイプ外周突条９ａの上端部である。研削時に砥石１がこの研削点ｔで外周突条９ａと接触する様に、マニプレータＭによって研削ユニットの位置や姿勢を調整する。この時、復帰シリンダー６のロッドは伸びていて昇降スライダー３は上昇限の待機位置にある。また、制御シリンダー５も同様にロッドが伸びた状態である。（図４（ａ））
つぎに、エアグラインダー２に圧縮空気を供給し、砥石１を回転させる。

パイプ９と砥石１の回転が所定の回転数に達した後に、復帰シリンダー６のロッドを後退限まで縮めると、制御シリンダー５のみの支持となった研削ユニットＵは、砥石１がパイプの外周突条９ａの上端（研削点ｔ）に接触するまで下降する。接触後は押し付け力Ｆ（＝Ｗ−２Ｆ_０）で砥石１が研削点ｔに押し付けられ、研削が行われる。

パイプ９を軸周りに回転させることで、外周突条９ａの全周を研削していくが、外周突条９ａの表面に段差や凹凸があったり、パイプ９に管軸方向の曲がりがあったり、歪みのために管断面形状が真円でなかったりすると、パイプ９の軸周り回転に伴い、外周突条９ａと砥石１との接触点（つまり研削点ｔ）の高さは変化する。（図６（ａ）（ｂ））

この変化に研削ユニットＵが追従できないと、削り残しや削り過ぎが発生する。本実施例では、ボールスプライン軸（昇降スライダー３）とボールスプラインナット（昇降ガイド４）が研削点ｔを通る鉛直線上を上下スライド可能に滑合され、また、研削ユニットＵを、押付力Ｆでパイプ外周突条９ａの上端面に上から預け載せる構造としているから、研削点ｔの上下方向の位置変化に対しては、研削ユニットＵの上下スライド移動によって自然と倣い、追従を行う。
つまり、この研削点ｔの高さ変化は、換言すれば、パイプ外周突条９ａによる砥石１（研削ユニットＵ）の支持位置の変化といえるから、その支持位置の変化によって上下スライド可能な研削ユニットＵが持ち上げられたり、降ろされたりするわけである。（図４（ｂ））

研削点ｔの変化が急な時は、研削ユニットＵに衝撃が伝わったり、機械に有害な振動が発生する恐れがあるが、本実施例では研削点ｔから研削ユニットＵに伝えられる上下方向の衝撃は、ボールスプライン軸（昇降スライダー３）の上下方向スライド移動によって直接的に、効率良く、吸収・緩和される。

また、研削によって研削ユニットＵに捩りが発生する。研削ユニットＵに伝わる捩りの主なものは、研削点ｔにおけるパイプ外周突条９ａと回転砥石１との摩擦力によるものである。
ところで、機械設備において、捩りの影響を最も恐れる部分は、その設備の可動部分であり、本実施例の研削装置では、ボールスプライン軸（昇降スライダー３）とボールスプラインナット（昇降ガイド４）で構成される摺動部分である。この摺動部分に加わる捩りを極力低減するために、研削点ｔを通る鉛直線上に摺動部分の中心を配置した。これにより、摩擦力の作用点（研削点ｔ）と摺動部分との横方向距離が小さくでき、研削点ｔにおける摩擦により発生する捩りの大きさを極小にすることができる。

図７に他の実施例を示す。
上述の第１実施例と異なる点は、制御シリンダーが１台のみである点と、その制御シリンダー７５を昇降スライダー３の上部に配置した点である。研削ユニットＵの自重Ｗに逆らう向き（上昇方向）に制御シリンダーの出力を伝達する点に違いはないが、制御シリンダー７５を昇降スライダー３の上部に配置したことにより、制御シリンダー７５が昇降スライダー３を上から引き上げる向きに出力を伝える点が異なる。

制御シリンダー７５は、第１実施例の制御シリンダー５、５’（２台）の出力合計と同等の出力となるようにその口径を選定する。
この構成においても、第１実施例と同様に研削時の衝撃、捩り、および曲げモーメントの緩和と吸収効果が得られる。
この構成にすると、第１実施例では昇降スライダー３の横に付けていた制御シリンダーを昇降スライダー３の上に配置するので、研削装置の横方向のコンパクト化をより一層進めることができる。

なお、第１実施例では制御シリンダーを２台としたが、３台とする構成も取り得る。制御シリンダー５を３台とした場合の平面配置を図８に記す。
中心角θを均等に配分する配置とする以上、制御シリンダーの台数を３台、４台、５台・・・としても、第１実施例と同様の作用効果を奏する。

本発明の第１実施例の正面図図１中のａ〜ａ’断面図第１実施例の研削装置を用いた研削システム例の全体図（ａ）待機状態の正面図（ｂ）倣い研削状態の正面図減圧弁の構造説明図研削点変化の説明図で（ａ）は楕円の影響を表し、（ｂ）は管曲がりの影響を表す。他の実施形態の正面図他の実施形態の平面配置図

符号の説明

１研削材（砥石）
２研削工具
３，８３昇降スライダー
３ａ凸部材
３ｂ掛け部
３ｃ軸部
３ｄ下端部
４，８４昇降ガイド
５，５’，７５，８５制御シリンダー
５ａシリンダーロッド
５ｂ突部
５ｃキャップ
６，８６復帰シリンダー
６ａシリンダーロッド
６ｃキャップ
７ストッパー
８位置決め治具
８ａ締め込みボルト
８ｂ支点ピン
８ｃガイドピン
８ｄ締め込みナット
９被研削物（パイプ）
９ａ外周突条
１０支持台（回転ローラー）
１１，８１１ベースユニット
５０減圧弁
Ｕ研削ユニット
Ｍマニプレーター
Ａアーム
ｔ研削点
α，β，γ 研削点変化量

Claims

研削工具２とその研削工具２に固設した昇降スライダー３とから構成される研削ユニットＵと、前記昇降スライダー３に滑合して昇降スライダー３のスライド移動の案内となる昇降ガイド４と、被研削物９への研削材１の押し付け力を加減する制御シリンダー５を備え、前記研削ユニットＵの自重に逆らうようにその制御シリンダー５の出力を研削ユニットＵに伝達させる研削装置であって、
前記昇降スライダー３のスライド移動が直線的であり、前記昇降ガイド４が直線状であるとともに、前記被研削物９と前記研削材１とが接触する研削点ｔを前記昇降スライダー３のスライド移動の下方延長線上に配置し、
前記昇降スライダー３の上部に前記制御シリンダー５のロッド先端が当接する凸部材３ａを設け、前記凸部材３ａと前記制御シリンダー５のロッド先端を結合せずに、前記凸部材３ａの下面に前記制御シリンダー５のロッド先端が制御シリンダー５の推力伝達時に当接し、昇降スライダーの上昇を妨げる力が自重以外に作用しないことを特徴とする研削装置。