JP4964045B2 - 垂直軸送り装置 - Google Patents

Description

本発明は、産業用ロボットや工作機械の垂直軸送り装置に関するものであり、特に、重力バランサーを備える装置に関する。

従来、装置の固定部と可動部とを多数の皿ばねを積重ねて連結支持し、さらにラックとピニオンによる差動機構を介してストロークと推力の変換をおこなうことを特徴とする重力バランサー装置がある。また、コイルスプリングによる重力バランサー、エアーシリンダによる重力バランサー、重錘等による重力式バランサー、ガススプリングによる重力バランサー、定トルクモータによる重力バランサー等も用いられている(例えば、特許文献１参照)。

また、下方先端に取付ける工具電極に高速回転運動と回転角度割り出しをすることが出来る全体として鉛直方向に長尺柱状の多機能主軸ユニットを、加工テーブルに鉛直方向に相対向して移動するように保持させ、リニアモータにより駆動制御するようにした放電加工装置に於いて、前記多機能主軸ユニットの重量に釣り合う反力を前記多機能主軸ユニットに加えるエアバランサと、前記エアバランサの可動側と前記多機能主軸ユニットとを一体に結合する連結ベースと、該連結ベース部とコラムまたはサドル間に前記多機能主軸ユニットを鉛直直線移動可能に案内保持するように設けた直線案内装置と、前記多機能主軸ユニットを鉛直直線移動可能に収容するように前記コラムまたはサドルに設けた主軸収納枠と、前記多機能主軸ユニットの上部の相背向する両側面に取付けられる一対のヨークと該ヨークに巻回して設けた励磁コイルとから成るリニアモータの電磁石可動子と、前記主軸ユニット収納枠内面に前記可動子のヨークと微小間隙を有するように設けられる前記移動方向に沿って所定数列設された永久磁石片を取付けたリニアモータの磁石板固定子と、多機能主軸ユニットの鉛直直線方向の移動位置を検出するように前記多機能主軸ユニットと主軸収納枠間に取付けられた位置検出装置と、該位置検出装置の検出フィードバック信号を受けつつ前記励磁コイルに作動信号を出力するリニアモータの駆動装置とを備えて成る放電加工装置がある(例えば、特許文献２参照)。

特開平０２−０１５９９２号公報 特開２０００−２３３３２２号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、重力バランサーとして、多数の皿ばねを積重ねて連結支持したものや、コイルスプリング、エアーシリンダ、プーリーを介してワイヤで吊下げられた重錘、プーリーを介してワイヤで繋がれた定トルクモータ等を用いている。そのため、装置の送り距離（ストローク）の２倍程度の重力バランサーの設置エリアが必要となり、重力バランサーの取付位置に制限があり、重力バランサーの限界加速度が小さくリニアモータ等の加速度に追従できない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、重力バランサーの設置エリアが小さく、重力バランサーの取付位置に制限が少なく、限界加速度が大きい、産業用ロボットや工作機械の垂直軸送り装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、工具を保持する垂直軸と、該垂直軸を上下動可能に保持するコラムと、該コラムに反力をとって前記垂直軸を上下動させる推進装置と、を備える垂直軸送り装置において、前記垂直軸とコラムのいずれか一方に取付けたラックと、該ラックと噛合うピニオンと、前記垂直軸とコラムの他方に取付けられ前記ピニオンに回転トルクを与えるサーボモータと、前記推進装置を制御するとともに、前記垂直軸の重力が前記ピニオンに負荷する回転トルクと略バランスする逆回転トルクを前記サーボモータに発生させる制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記推進装置に前記垂直軸を下降させる下降指令を出力するとともに、前記サーボモータに、速度指令値として０ｒｐｍを出力し、トルク指令値として前記垂直軸の重力が前記ピニオンに負荷する回転トルクと略バランスする逆回転トルク値Ｔｒａを出力することを特徴とする。

この発明によれば、重力バランサーとしてラック＆ピニオンとサーボモータを用いているので、重力バランサーの設置エリアが小さく、重力バランサーの取付位置に制限が少なく、限界加速度が大きい、産業用ロボットや工作機械の垂直軸送り装置が得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる垂直軸送り装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる垂直軸送り装置の実施の形態を示す上面図であり、図２は、実施の形態の垂直軸送り装置の縦断面図であり、図３は、実施の形態の垂直軸送り装置の制御ブロック図であり、図４は、制御装置の制御モードを示すテーブルである。

図１及び図２に示すように、略円柱状の垂直軸（Ｚ軸）１は、下端部に工具を保持する工具取付部１ａを備え、横断面が長方形の筒状のケース２内に格納されている。本明細書において「垂直軸」という場合、ケース２を含むものとする。ケース２の長方形の両短辺には、リニアモータ１３の電磁石可動子１３ａ、１３ａが、軸方向に取付けられている。垂直軸１を上下動可能に保持するコラム１０には、ケース２を囲むようにコ字形の保持枠１１が取付けられている。本明細書において「コラム」という場合、保持枠１１を含むものとする。

コラム１０とケース２との間に２台、保持枠１１とケース２との間に１台、合計３台の直線案内装置１２が軸方向に設置され、垂直軸１は、コラム１０に対して上下動可能に保持されている。電磁石可動子１３ａ、１３ａとの間に微小間隙をあけて対向するように、保持枠１１に、磁石板固定子１３ｂ、１３ｂが軸方向に取付けられている。電磁石可動子１３ａ、１３ａと磁石板固定子１３ｂ、１３ｂとは、垂直軸１を上下動させる推進装置としてのリニアモータ１３を構成している。

コラム１０に対向するケース２の長方形の長辺には、軸方向にラック＆ピニオン１６のラック１６ａが取付けられている。コラム１０には、ラック１６ａと噛合うピニオン１６ｂに回転トルクを与えるサーボモータ１５が取付けられている。なお、ラック１６ａをコラム１０に取付け、サーボモータ１５をケース２に取付けてもよい。このとき、サーボモータ１５を熱的に絶縁して取付けるとよい。熱的に絶縁して取付けることにより、サーボモータ１５の回転精度が向上する。

重力バランサーとしてラック＆ピニオン１６とサーボモータ１５を用いているので、ラック１６ａの長さは、装置の送り距離（ストローク）と略同じ長さとすればよく、垂直軸１を軽量化することができる。また、ラック１６ａ及びサーボモータ１５は、ケース２及びコラム１０の任意の位置に取り付けることができる。また、サーボモータ１５は、エアシリンダー等に比べて限界加速度が大きく、リニアモータ１３と同等の限界加速度を有していて、リニアモータ１３の速い動きに追従することができる。

次に、図３及び図４を参照して、制御装置２０によるリニアモータ１３及びサーボモータ１５の制御方法について説明する。ケース２には軸方向にリニアスケール２１（図１参照）が取付けられ、保持枠１１又はコラム１０に取付けられたセンサにより、垂直軸１の上下方向位置及び速度を検出して検出信号を制御部２０ａにフィードバックするようになっている。

制御部２０ａは、リニアモータアンプ２０ｂを介して、リニアモータ１３に所定速度の下降指令、上昇指令又は停止指令を出力し、前記センサからのフィードバック信号により精密に速度制御して垂直軸（Ｚ軸）１を下降、上昇又は停止させる。

制御部２０ａは、リニアモータ１３に下降指令、上昇指令又は停止指令を出力するとともに、バランサ用サーボアンプ２０ｃを介してサーボモータ１５に速度指令値及びトルク指令値を出力する。

図４に示すように、制御装置２０は、サーボモータ１５に対する制御モードとして、バランスモードと、加減速を考慮したアシストモードとを備えている。制御装置２０がバランスモードに設定されていて、制御部２０ａがリニアモータ１３に垂直軸停止指令を出力するとき、制御部２０ａは、サーボモータ１５に速度指令値０ｒｐｍ、トルク指令値Ｔｒａ（垂直軸１の重力によるピニオン１６ｂの回転トルクと略バランスする逆回転トルク）を出力する。これにより、リニアモータ１３にかかる垂直軸１の重力による荷重は略０となる。

制御装置２０がバランスモードで、制御部２０ａがリニアモータ１３に垂直軸下降指令を出力するとき、制御部２０ａは、サーボモータ１５に速度指令値０ｒｐｍ、トルク指令値Ｔｒａを出力する。これにより、リニアモータ１３にかかる垂直軸１の重力による荷重は略０となる。

制御装置２０がバランスモードで、制御部２０ａがリニアモータ１３に垂直軸１の上昇指令を出力するとき、制御部２０ａは、サーボモータ１５に速度指令値Ａｒｐｍ（ピニオン１６ｂが垂直軸１の上昇速度と同期する回転数よりも１０〜２０％速い回転数）、トルク指令値Ｔｒａを出力する。これにより、リニアモータ１３にかかる垂直軸１の重力による荷重は略０となる。

制御装置２０がアシストモードに設定されていて、制御部２０ａがリニアモータ１３に垂直軸停止指令を出力するとき、制御部２０ａは、サーボモータ１５に速度指令値０ｒｐｍ、トルク指令値Ｔｒａ（垂直軸１の重力によるピニオン１６ｂの回転トルクと略バランスする逆回転トルク）を出力する。これにより、リニアモータ１３にかかる垂直軸１の重力による荷重は略０となる。

制御装置２０がアシストモードで、制御部２０ａがリニアモータ１３に垂直軸下降指令を出力するとき、制御部２０ａは、サーボモータ１５に速度指令値（−）Ｂｒｐｍ（ピニオン１６ｂが垂直軸１の下降速度と同期する回転数よりも１０〜２０％速い回転数）、トルク指令値（−）Ｔｒｂ（絶対値がＴｒａより小さい正回転トルク）を出力する。これにより、リニアモータ１３の下降推進力に、垂直軸１の重力による推進力及びサーボモータ１５のトルク指令値Ｔｒｂによる推進力が付加され、リニアモータ１３の下降推進力がアシストされる。なお、絶対値｜Ｔｒａ｜＜｜ｔｒｂ｜としてもよい。

制御装置２０がアシストモードで、制御部２０ａがリニアモータ１３に垂直軸上昇指令を出力するとき、制御部２０ａは、サーボモータ１５に速度指令値Ａｒｐｍ（ピニオン１６ｂが垂直軸１の上昇速度と同期する回転数よりも１０〜２０％速い回転数）、トルク指令値Ｔｒｃ（絶対値がＴｒａより大きい逆回転トルク）を出力する。これにより、リニアモータ１３の上昇推進力がアシストされる。

以上のように、本発明にかかる垂直軸送り装置は、小形で限界加速度が大きい垂直軸送り装置として有用である。

本発明にかかる垂直軸送り装置の実施の形態を示す上面図である。 実施の形態の垂直軸送り装置の縦断面図である。 実施の形態の垂直軸送り装置の制御ブロック図である。 制御装置の制御モードを示すテーブルである。

符号の説明

１ 垂直軸（Ｚ軸）
１ａ 工具取付部
２ ケース（垂直軸）
１０ コラム
１１ 保持枠（コラム）
１２ 直線案内装置
１３ リニアモータ（推進装置）
１３ａ 電磁石可動子
１３ｂ 磁石板固定子
１５ サーボモータ
１６ ラック＆ピニオン
１６ａ ラック
１６ｂ ピニオン
２０ 制御装置
２０ａ 制御部
２０ｂ リニアモータアンプ
２０ｃ バランサ用サーボアンプ

Claims (8)

1. 工具を保持する垂直軸と、該垂直軸を上下動可能に保持するコラムと、該コラムに反力をとって前記垂直軸を上下動させる推進装置と、を備える垂直軸送り装置において、
   前記垂直軸とコラムのいずれか一方に取付けたラックと、
   該ラックと噛合うピニオンと、
   前記垂直軸とコラムの他方に取付けられ前記ピニオンに回転トルクを与えるサーボモータと、
   前記推進装置を制御するとともに、前記垂直軸の重力が前記ピニオンに負荷する回転トルクと略バランスする逆回転トルクを前記サーボモータに発生させる制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記推進装置に前記垂直軸を下降させる下降指令を出力するとともに、前記サーボモータに、速度指令値として０ｒｐｍを出力し、トルク指令値として前記垂直軸の重力が前記ピニオンに負荷する回転トルクと略バランスする逆回転トルク値Ｔｒａを出力することを特徴とする垂直軸送り装置。
2. 前記制御装置は、前記推進装置に前記垂直軸を停止させる停止指令を出力するとともに、前記サーボモータに、速度指令値として０ｒｐｍを出力し、トルク指令値として前記垂直軸の重力が前記ピニオンに負荷する回転トルクと略バランスする逆回転トルク値Ｔｒａを出力することを特徴とする請求項１に記載の垂直軸送り装置。
3. 前記制御装置は、前記推進装置に前記垂直軸を上昇させる上昇指令を出力するとともに、前記サーボモータに、速度指令値として前記ピニオンが前記垂直軸の上昇速度と同期する回転数よりも速い回転数値を出力し、トルク指令値として前記垂直軸の重力が前記ピニオンに負荷する回転トルクと略バランスする逆回転トルク値Ｔｒａを出力することを特徴とする請求項１に記載の垂直軸送り装置。
4. 工具を保持する垂直軸と、該垂直軸を上下動可能に保持するコラムと、該コラムに反力をとって前記垂直軸を上下動させる推進装置と、を備える垂直軸送り装置において、
   前記垂直軸とコラムのいずれか一方に取付けたラックと、
   該ラックと噛合うピニオンと、
   前記垂直軸とコラムの他方に取付けられ前記ピニオンに回転トルクを与えるサーボモータと、
   前記推進装置を制御するとともに、前記推進装置による前記垂直軸の推進をアシストするように前記サーボモータを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記推進装置に前記垂直軸を下降させる下降指令を出力するとともに、前記サーボモータに、速度指令値として前記ピニオンが前記垂直軸の下降速度と同期する回転数よりも速い回転数値を出力し、トルク指令値として、絶対値が、前記垂直軸の重力が前記ピニオンに負荷する回転トルクと略バランスする逆回転トルク値Ｔｒａより小さい正回転トルク値を出力することを特徴とする垂直軸送り装置。
5. 前記制御装置は、前記推進装置に前記垂直軸を停止させる停止指令を出力するとともに、前記サーボモータに、速度指令値として０ｒｐｍを出力し、トルク指令値として前記垂直軸の重力が前記ピニオンに負荷する回転トルクと略バランスする逆回転トルク値Ｔｒａを出力することを特徴とする請求項４に記載の垂直軸送り装置。
6. 前記制御装置は、前記推進装置に前記垂直軸を上昇させる上昇指令を出力するとともに、前記サーボモータに、速度指令値として前記ピニオンが前記垂直軸の上昇速度と同期する回転数よりも速い回転数値を出力し、トルク指令値として、絶対値が、前記垂直軸の重力が前記ピニオンに負荷する回転トルクと略バランスする逆回転トルク値Ｔｒａより大きい逆回転トルク値を出力することを特徴とする請求項４に記載の垂直軸送り装置。
7. 前記推進装置が、リニアモータであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の垂直軸送り装置。
8. 前記サーボモータが、前記垂直軸又はコラムに熱的に絶縁されて取付けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の垂直軸送り装置。

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