JP5122022B2

JP5122022B2 - フローティング機構を備えた工作機械

Info

Publication number: JP5122022B2
Application number: JP2012505906A
Authority: JP
Inventors: 尚伸倉谷
Original assignee: 尚伸倉谷
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2031-06-29
Also published as: US20130206439A1; JPWO2012002438A1; US9249850B2; WO2012002438A1

Description

本発明は、バリ取り、研磨、切削等の各種加工を行う工作機械であって、特にフローティング機構を備えた工作機械に関するものである。

従来から、空気の圧力やバネ力によってピストンを押圧し、工作機械の先端に設置された砥石やドリル等の各種工具を一定の圧力で押圧して工作物の加工を行うと共に、工作物の形状の誤差や、工作物毎に変化する加工面の状態、工作物を設置する位置ずれから工作物が基準工作物との間に生じる変位を、砥石やドリル等の各種工具が移動することによって吸収するフローティング機構を備えた工作機械が知られている（特許文献１）。

特開平３−２８１１８９号公報

ここで、特許文献１に記載の工作機械は、スプリング機構と、球面ベアリングとの構成を備え、砥石やドリル等の各種工具の傾く軸の方向（以下、ラジアル方向と言う。）の荷重に対して、球面ベアリングの中心を支点として受ける構成となっている。

しかしながら、上記工作機械の球面ベアリングでは、ラジアル方向に対して垂直な方向（以下、スラスト方向と言う。）の荷重によって、クサビのように球面ベアリングの外輪側を広げようとする方向に力が加わるため、球面ベアリングに変形が生じて動作不良の原因となり易かった。また、剛性を確保するためには、大きくならざるを得ず、重量が重くなることから、切削能力で必要とされる力よりも大型の搬送重量を持つ装置が必要であった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、ラジアル方向とスラスト方向の両方向に生じる荷重に対する受けを備えて、フローティング機構の変形を少なくすると共に、剛性を確保しつつ、全体を小型化し、軽量化することができるフローティング機構を備えた工作機械を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決する為に、請求項１の発明は、ロボットアーム又はＮＣ制御装置を有する機械に取り付けられた各種工具によって、工作物を加工する工作機械であって、該工作機械は、筒状のピストンを備えた中空シリンダー部と、該中空シリンダー部の内部空間に少なくとも一部が固定され前記各種工具を駆動させる工具駆動部と、該工具駆動部と前記中空シリンダー部との間に介在するフローティング部とを備え、該フローティング部の一部が、前記筒状のピストンに接触すると共に、該筒状のピストンにより所定圧で押圧されるものであり、該フローティング部は、外周面部と上面部と底面部とを有する中空円板状の内輪と、内周面部と内輪受け部とを有する外輪とを備え、該外輪は、前記ロボットアーム側に固定され、前記内輪は、前記工具駆動部側に固定されてあると共に、前記内輪の外周面は、中空円板の中心点から等距離にある球面にて形成されていることを特徴としている。したがって、先端の工具に工作物からラジアル方向に荷重がかかると、工具駆動部側に固定されている内輪が傾くことになる。この時、内輪の外周面部が球面にて形成されていることから、外輪の内周面部への接触部分の形状及び接触面積が常に一定となる。また、接触面積を広くとることができることから、内輪及び外輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。また、筒状のピストンを備えた中空シリンダーを採用することによって、ピストンのエアー受圧面が、薄く円筒形にできるため、剛性を確保しながらも、工作機械を小型化し、軽量化することができる。また従来型の円周上に小型のピストンを多数配置した工作機械よりも、部品点数を減らし、構造を簡素化することができる。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、中空円板状の内輪の底面部は、外輪の内輪受け部と接触する部分にテーパー形状部が形成されていることを特徴としている。したがって、内輪の底面部が平面状の場合と比較して、内輪が傾いた時に、外輪の内輪受け部と接触する部分の面積（受圧面積）を大きくすることができるので、内輪及び外輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、中空円板状の内輪の上面部と接触する筒状のピストンの先端部分にテーパー形状部が形成されていることを特徴としている。したがって、テーパー形状部によって、内輪が傾いた時に、筒状のピストンの先端部分と接触する部分の面積（受圧面積）を大きくすることができるので、ピストン及び内輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

また、請求項４の発明は、請求項２又は３の発明において、中空円板状の内輪の底面部に形成された外輪の内輪受け部と接触する部分のテーパー形状部の傾斜角度と、筒状のピストンの先端部分に形成されたテーパー形状部の傾斜角度とが略同一の角度としたことを特徴としている。一例として、工作物の工作面に対して垂直な方向に工具の軸が位置している状態を基準とし、最大傾斜角度を工具の軸が５度傾いた状態とした場合には、中空円板状の内輪の底面部に形成された外輪の内輪受け部と接触する部分のテーパー形状部の傾斜角度と、筒状のピストンの先端部分に形成されたテーパー形状部の傾斜角度を同じ５度の傾斜角度と設定することができる。このように構成することによって、各テーパー形状部の接触部分の強度を高めることができると共に、各接触部分に加わる応力を分散させることができる。また、各接触部分を同一の応力分布とすることができるので、余計な変形を防ぐことができる。

また、請求項５の発明は、請求項１〜４いずれかの発明において、中空円板状の内輪の底面部と接触する筒状のピストンの先端部分にＯリングが備えられていることを特徴としている。したがって、Ｏリングによって、内輪が傾いた時に、筒状のピストンの先端部分と接触する部分の面積（受圧面積）を大きくすることができ、ピストンの剛性を確保しながらも金属接触しないので、ピストン及び内輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

また、請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかの発明において、外輪の内周面部には、内輪の外周面部と接触する位置に回り止め片が形成されていることを特徴としている。回り止め片は、外輪部に埋め込まれるように固定されているため、内輪の荷重変化によってずれることなく、回り止め片で回転方向にかかるトルクを受けることができ、ラジアル荷重とトルク荷重とを分散して別々に受ける構造となっていることから、ピストン、外輪及び内輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

また、請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかの発明において、筒状のピストンの外周面と接触する位置にツイスターリングが備えられ、該ツイスターリングが中空シリンダー部の壁面と接触することを特徴としている。Ｏリングを往復運動に用いた場合には、Ｏリングを収容する溝内でねじれを生じる場合があるが、ツイスターリング（Ｘリング）は、Ｘ形状断面を有しているので、ねじれを心配する必要がない。また、ツイスターリングは、Ｏリングに比べて半径方向のしめ代が小さくてすむため、接触圧力が小さくなり、摩擦及び摩耗も小さくなるため、耐久性に優れており、シール性も良くすることができる。さらに、フローティング機構において、低圧力での反応を良くすることができるため、低圧力から高圧力まで工作機械の安定した動きを確保することができる。

請求項１の発明では、内輪及び外輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。また、剛性を確保しつつ、工作機械を小型化し、軽量化し、構造を簡素化することができる。

また、請求項２の発明では、内輪及び外輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

また、請求項３の発明では、ピストン及び内輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

また、請求項４の発明では、各テーパー形状部の接触部分の強度を高めることができると共に、各接触部分に加わる応力を分散させることができる。また、各接触部分が同一の応力分布とすることができるので、余計な変形を防ぐことができる。

また、請求項５の発明では、ピストン及び内輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

また、請求項６の発明では、ピストン、外輪及び内輪の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

また、請求項７の発明では、フローティング機構において、低圧力での反応を良くすることができるため、低圧力から高圧力まで工作機械の安定した動きを確保することができる。

本発明に係る工作機械の概要を示す説明図である。本発明に係る工作機械のフローティング部を示す説明図である。本発明に係る工作機械に使用するピストンの例を示す断面図である。本発明に係る工作機械の一部を示す断面図である。本発明に係る工作機械のフローティング部の一部を示す説明図である。

図１は、本発明に係る工作機械の概要を示す説明図である。この図に示すように、本発明に係る工作機械２０は、一例としてロボットアーム１に取り付けられている。尚、ロボットアーム１にかえてＮＣ制御装置を有する機械に、本発明に係る工作機械２０を取り付けることもできる。

この工作機械２０は、筒状のピストンを備えた中空シリンダー部２と、各種工具１０を固定して駆動させる工具駆動部３と、この工具駆動部３と中空シリンダー部２との間に介在するフローティング部４とを備えている。

工具駆動部３は、各種工具１０と、この各種工具１０を把持するチャック部材５と、ベアリング機構６と、モーター７とから構成されており、モーター７の回転軸７ａとチャック部材５とがベアリング機構６を介して連結されている。尚、モーター７の駆動は、エアーによるものと、電気によるものの、どちらも採用することができる。また、各種工具１０とは、バリ取り、研磨、切削等の各種加工を行うことができる工具を意味するものであり、各種加工に対応してチャック部材５から取り外され、対応する工具に交換される。

ここで、筒状のピストンを備えた中空シリンダー部２と、工具駆動部３との位置関係は、中空シリンダー部２の内部空間に工具駆動部３の少なくとも一部が、フローティング部４を介して固定されているものである。そして、上述したように、工具駆動部３は、チャック部材５に固定された各種工具１０を駆動させる構造となっている。

図２（ａ）は、本発明に係る工作機械２０のフローティング部４を示す説明図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の一部拡大図である。この図に示すように、フローティング部４は、外輪８と、内輪９とを備えている。ここで、外輪８は、図１に示したロボットアーム１側に固定されており、内輪９は、くさび部材１１と、締付部材１２と、ボルト１３とによって、工具駆動部３側に固定されている。

そして、外輪８は、内周面部８ａと内輪受け部８ｂとを有している。内周面部８ａは、中空円筒状の曲面からなるものであり、内輪受け部８ｂは、内輪９の底面部９ｃと接触する平面からなるものである。

次に、内輪９は、外周面部９ａと上面部９ｂと底面部９ｃとを有する中空円板状のものである。ここで、外周面部９ａは、図２に示す中空円板の中心点１４から等距離にある球面（二点鎖線で示す。）に一致するように球面加工がなされている。尚、中空円板の中心点１４とは、内輪９の上面部９ｂの平面と、底面部９ｃの内側の平面とに平行で、等距離にある平面上に有り、外周面部９ａから等距離にある点として定義される。

次に、上面部９ｂは、後述する円筒状のピストンと接触する平面からなるものである。また、底面部９ｃの外側の平面は、前述した外輪８の内輪受け部８ｂと接触する部分が傾斜面となるように、テーパー形状部１５が形成されている。

フローティング部４は、上述したように構成されているので、先端の工具に工作物からラジアル方向に荷重がかかると、工具駆動部３側に固定されている内輪９が傾くことになる。この時、内輪９の外周面部９ａが球面にて形成されていることから、外輪８の内周面部８ａへの接触部分の形状及び接触面積が常に一定となる。また、接触面積を広くとることができることから、内輪９及び外輪８の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

また、内輪９の底面部９ｃは、外輪８の内輪受け部８ｂと接触する部分にテーパー形状部１５が形成されていることから、内輪９の底面部９ｃが平面状の場合と比較して、内輪９が傾いた時に、外輪８の内輪受け部８ｂと接触する部分の面積（受圧面積）を大きくすることができるので、内輪９及び外輪８の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

図３は、本発明に係る工作機械２０に使用するピストンの例を示す断面図である。図３（ａ）のピストン１６は、中空部１６ａと、外周部１６ｂと、先端部１６ｃとから構成されている。そして、内輪９の上面部９ｂと接触する筒状のピストン１６の先端部１６ｃにテーパー形状部２１が形成されている。

ピストン１６を上述のように構成することにより、内輪９が傾いた時に、テーパー形状部２１によって、筒状のピストン１６の先端部１６ｃと接触する部分の面積（受圧面積）を大きくすることができるので、ピストン１６及び内輪９の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

尚、符号２９、３０は、中空シリンダーの壁面１８ａ，１８ｂとの間の気密を保つためのＯリングであるが、このＯリングに替えてツイスターリング（Ｘリング）を使用することができる。Ｏリングを往復運動に用いた場合には、Ｏリングを収容する溝内でねじれを生じる場合があるが、ツイスターリング（Ｘリング）は、Ｘ形状断面を有しているので、ねじれを心配する必要がない。また、ツイスターリングは、Ｏリングに比べて半径方向のしめ代が小さくてすむため、接触圧力が小さくなり、摩擦及び摩耗も小さくなるため、耐久性に優れており、シール性も良くすることができる。さらに、フローティング機構において、低圧力での反応を良くすることができるため、低圧力から高圧力まで工作機械の安定した動きを確保することができる。

また、ピストン１６の先端部１６ｃに形成されているテーパー形状部２１の傾斜角度は、前述した内輪９の底面部９ｃに形成されているテーパー形状部１５の傾斜角度と略同一の角度とすることが好ましい。

一例として、工作物の工作面に対して垂直な方向に工具の軸が位置している状態を基準とし、最大傾斜角度を工具の軸が５度傾いた状態とした場合には、中空円板状の内輪９の底面部９ｃに形成された外輪８の内輪受け部８ｂと接触する部分のテーパー形状部１５の傾斜角度と、筒状のピストン１６の先端部１６ｃに形成されたテーパー形状部２１の傾斜角度を同じ５度の傾斜角度と設定することができる。このように構成することによって、各テーパー形状部１５，２１の接触部分の強度を高めることができると共に、各接触部分に加わる応力を分散させることができる。また、各接触部分を同一の応力分布とすることができるので、余計な変形を防ぐことができる。

また、図３（ｂ）のピストン１７は、中空部１７ａと、外周部１７ｂと、先端部１７ｃとから構成されている。そして、内輪９の上面部９ｂと接触する筒状のピストン１７の先端部１７ｃにＯリング２２が備えられている。

ピストン１７を上述のように構成することにより、内輪９が傾いた時に、Ｏリング２２によって、筒状のピストン１７の先端部１７ｃと接触する部分が金属同士の直接触とならないので、ピストン１７及び内輪９の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

図４は、本発明に係る工作機械２０の一部を示す断面図である。この図に示すように、各種工具に所定以上の力が加わると、工具駆動部３が傾いた状態となり、この状態が維持されることとなる。この状態では、図面上、ピストン１７の右側の先端部１７ｃは、内輪９の上面部９ｂと接触した状態となっており、ピストン１７の左側の先端部１７ｃは、内輪９の上面部９ｂと接触していない浮いた状態となっている。ここで、ピストン１７には、エアー通り口２５から気室２６に所定圧のエアーが供給されているので、シリンダー受圧面２７は所定圧の力が加わっている。

図５は、本発明に係る工作機械２０のフローティング部４を内輪９の上面部９ｂ側から視た説明図である。この図に示すように、外輪８の内周面部８ａには、内輪９の外周面部９ａと接触する位置に、円柱状の回り止め片２３が形成されている。この回り止め片２３は、内輪９の外周面部９ａに形成された円弧状の凹部２４に係止される。

したがって、円柱状の回り止め片２３で、内輪９の回転方向にかかるトルク荷重を受けることができる。また、凹部２４が円弧状となっていることから、円柱状の回り止め片２３との接触面積を大きくとることができ、複数の回り止め片２３、２３によってトルク荷重が分散されるので、内輪９の変形、磨耗を抑えることができる。さらに、前述したように、ラジアル荷重とトルク荷重とを分散して別々に受ける構造となっていることから、ピストン１６、１７、外輪８及び内輪９の変形、磨耗を抑え、安定的に荷重を受けることができる。

本発明に係るフローティング機構を備えた工作機械は、工作物を加工する機械として使用される。

１ロボットアーム
２中空シリンダー部
３工具駆動部
４フローティング部
５チャック部材
６ベアリング機構
７モーター
７ａ回転軸
８外輪
９内輪
１０各種工具
１１くさび部材
１２締付部材
１３ボルト
１４中心点
１５テーパー形状部
１６、１７ピストン
１８ａ、１８ｂ中空シリンダーの壁面
２０工作機械
２１テーパー形状部
２２Ｏリング
２３回り止め片
２４凹部
２５エアー通り口
２６気室
２７シリンダー受圧面

Claims

ロボットアーム又はＮＣ制御装置を有する機械に取り付けられた各種工具によって、工作物を加工する工作機械であって、該工作機械は、筒状のピストンを備えた中空シリンダー部と、該中空シリンダー部の内部空間に少なくとも一部が固定され前記各種工具を駆動させる工具駆動部と、該工具駆動部と前記中空シリンダー部との間に介在するフローティング部とを備え、該フローティング部の一部が、前記筒状のピストンに接触すると共に、該筒状のピストンにより所定圧で押圧されるものであり、該フローティング部は、外周面部と上面部と底面部とを有する中空円板状の内輪と、内周面部と内輪受け部とを有する外輪とを備え、該外輪は、前記ロボットアーム側に固定され、前記内輪は、前記工具駆動部側に固定されてあると共に、前記内輪の外周面は、中空円板の中心点から等距離にある球面にて形成されていることを特徴とするフローティング機構を備えた工作機械。
中空円板状の内輪の底面部は、外輪の内輪受け部と接触する部分にテーパー形状部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフローティング機構を備えた工作機械。
中空円板状の内輪の上面部と接触する筒状のピストンの先端部分にテーパー形状部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフローティング機構を備えた工作機械。
中空円板状の内輪の底面部に形成された外輪の内輪受け部と接触する部分のテーパー形状部の傾斜角度と、筒状のピストンの先端部分に形成されたテーパー形状部の傾斜角度とが略同一の角度としたことを特徴とする請求項２又は３に記載のフローティング機構を備えた工作機械。
中空円板状の内輪の底面部と接触する筒状のピストンの先端部分にＯリングが備えられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のフローティング機構を備えた工作機械。
外輪の内周面部には、内輪の外周面部と接触する位置に回り止め片が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフローティング機構を備えた工作機械。
筒状のピストンの外周面と接触する位置にツイスターリングが備えられ、該ツイスターリングが中空シリンダー部の壁面と接触することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のフローティング機構を備えた工作機械。