JP5251880B2

JP5251880B2 - 内圧防爆構造のロボット

Info

Publication number: JP5251880B2
Application number: JP2009532109A
Authority: JP
Inventors: 真義高橋
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: WO2009034789A1; US20100109459A1; JPWO2009034789A1; EP2184140B1; EP2184140A1; EP2184140A4; US7915773B2; ATE553892T1

Description

本発明は、内圧防爆構造のロボットに使用する各関節を駆動するモータの構造と、それを使用したロボットの構造に関するものである。

内圧防爆構造のロボットは、主に塗装場など爆発性の気体が存在する危険雰囲気に設置されるため、内部にほぼ密閉された気密室を有し、この気密室にロボットの各関節を駆動するモータを配置している。一方、ロボットの外部から、気密室に空気などの清浄な気体を送出し、気密室内部の気体を、爆発性の気体でない気体（保護気体）へと置換し、更に気密室内の圧力を周囲の危険雰囲気よりも高く維持することで、気密室内部への爆発性気体の侵入を防いでいる。気密室に侵入した恐れがある爆発性気体を、保護気体に置換することによって、確実に気密室の外部へ排出させる作業は、掃気動作と呼ばれ、これは旧労働省産業安全研究所公表の工場電気設備防爆指針などに記載されている。
内圧防爆構造を有した従来のロボットのアーム構造は、気密室にモータを配置したものが開示されている（例えば特許文献１参照）。
ロボットのアームを駆動するモータをアームの側面に設けた気密室内に設け、そのモータに前端に減速機を設け、駆動することでロボットのアームを動作させる。またモータの給電線は、前記モータの反対面に取り付けられたケーブルカバー（気密室）を通しそれぞれモータに接続されている。
２００７−２１６１２号公報

塗装用途等に用いられる産業用ロボットは、主に自動車を塗装することに用いられるケースが多い。自動車を塗装する場合にはドア等が取り付けられた状態で外周面を塗装するだけでなく、内周面も塗装する。一方向からだけでなく、多方面から塗装する必要があり、多自由度を備えた産業用ロボットが適しているために多く用いられている。さらに、内面も塗装する場合には、産業用ロボットと自動車フレームとの干渉が起きるためにアーム幅は狭いことが望まれている。アーム幅が狭くできれば、自動車ボディーの奥深くまでアーム先端を持ち込みやすくなるためである。
しかしながら、従来の内圧防爆構造のロボットでは、ロボットのアームを駆動するモータはアームの側面に設けた気密室内に配置され、そのモータの出力軸側に減速機を設けられ、モータを駆動することでロボットのアームを動作させる構成となっていた。
また、モータの給電線は、前記モータの反対面に取り付けられたケーブルカバー（気密室）、アームの中空部を通し、それぞれモータに接続されていた。
このような構成とされた内圧防爆構造のロボットでは、関節部の幅が広くなるために自動車フレームとの干渉が起こりやすくなるとともに、それを避けるために可動領域が狭くなるといった問題が生じていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、アーム幅が狭く可動領域の大きく取れる内圧防爆構造のロボットを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、各関節軸を駆動する複数のモータと、前記モータが配置される気密室とを備え、危険雰囲気に設置され、前記関節軸の少なくとも１つに減速機一体中空モータを備え、前記減速機一体中空モータのモータ部には、前記モータ部の固定部に形成され、モータ内部と前記気密室とを連通させる貫通穴と、前記モータ部の前記固定部の減速機側に配置した軸受の両側にそれぞれ外側方向からの進入物を遮断する方向に配置された第１シール部材とが設けられたものである。
請求項２に記載の発明は、前記減速機一体中空モータの中空部に配線が通されたものである。
請求項３に記載の発明は、前記貫通穴は、前記モータ部の電磁部と前記減速機側に配置した第１シール部材との空間部にモータの軸と直交する方向に設けられたものである。
請求項４に記載の発明は、前記減速機一体中空モータのモータ部に、前記モータ部に設けられた前記減速機の出力軸の中空部と保護カバーの間に外部からの進入を防ぐ方向に第２シール部材をさらに設けたものである。
請求項５に記載の発明は、前記貫通穴は、前記モータの関節軸に、前記関節軸の軸方向に沿って設けられたものである。
請求項６に記載の発明は、各関節軸を駆動する複数のモータと、前記モータが配置される気密室とを備え、危険雰囲気に設置され、前記ロボットの上部のアームに備えられた前記気密室に配置される前記関節軸に減速機一体中空モータを備え、前記減速機一体中空モータのモータ部には、前記モータ部の固定部に形成され、モータ内部と前記気密室とを連通させる貫通穴と、前記モータ部の前記固定部の減速機側に配置した軸受の両側にそれぞれ外側方向からの進入物を遮断する方向に配置された第１シール部材とが設けられたものである。
請求項７に記載の発明は、前記減速機一体中空モータのモータ部には、前記モータ部に設けられた前記減速機の出力軸の中空部と保護カバーの間に外部からの進入を防ぐ方向に第２シール部材をさらに設けたものである。

請求項１から７に記載の発明によると、内圧防爆構造のロボットの少なくとも１つの関節部に減速機一体中空モータを設けたことによりアームの幅が狭くなり、被塗装部材との干渉が起きにくくなり、可動範囲を広くすることができる。
また、減速機一体中空モータにモータ部に貫通穴が設けられるとともに、減速機とのシールド構造を形成することで、内圧防爆に適した構成となり、このモータを関節部に配置することで、従来必要であったモータを配置する気密室が不要となり、アーム幅を狭くすることができる。さらに減速機一体中空モータの中空部に配線することができるので、従来必要であった気密室が不要となり、アーム幅を狭くすることができる。

本発明の内圧防爆ロボットに使用するモータの断面図本発明の内圧防爆ロボットのシステム構成図図２における系統図

符号の説明

１モータ
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆモータ
４電磁部
５界磁永久磁石
６中空径
７回転軸
８軸受
９電磁ブレーキ
１０検出器用界磁永久磁石
１１磁気式検出器
１２カバー
１３中空減速機
１４フィルタ
１５保護カバー
１６固定部
１７オイルシール
１８貫通穴
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ貫通穴
１９カバー
２１ロボット
２２コントローラ
２３気体供給部
２４気体排気部
２５制御ケーブル
２６管路
２７管路
２８管路
２９通信ケーブル
３０管路接続部
３１フィルタ
３２圧力調整器
３３圧力調整器
３４圧力調整器
３５電磁弁
３６電磁弁
３７気密室
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ気密室
３８開放弁
３９フロースイッチ
４０圧力検出器
４１圧力調整弁
４２開放位置
４３管路
４５ケーブル
４６オイルシール
５０オイルシール

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

まず、本発明の内圧防爆構造のロボットを使用したシステムの概略構成について説明する。図２および図３において、２１は本発明の内圧防爆構造のロボットで、２２はロボット２１を制御するコントローラである。コントローラ２２にはロボット２１内部のほぼ密閉された気密室３７へ保護気体を供給する気体供給部２３が取り付けられている。気密室３７には、ロボットの各関節を駆動するモータユニット１が複数設置されている。また、ロボット２１には、気密室３７から排出される気体を制御する気体排気部２４が取り付けられている。コントローラ２１と気体供給部２３は、非危険雰囲気に設置されており、ロボット２１と気体排気部２４は、塗装場などの、爆発性気体が存在する危険雰囲気に設置されている。また、ロボット２１とコントローラ２２は、制御ケーブル２５で接続されており、ロボット２１の気密室３７に配線されたケーブル４５を介して各関節を駆動するモータ１を、コントローラ２２が制御できる。また、前記ケーブル４５はロボットの関節部に設けられたモータ１の中空部に配線されている。気体供給部２３とロボット２１とは管路２６で接続されており、気体供給部２３から、ロボット２１内の気密室３７へ保護気体が供給される。また、ロボット２１と気体排気部２４は管路２７で接続されており、気体排気部２４は、気密室３７から排出される気体を検出したり、封止させたりする。このため、気体排気部２４は、通信ケーブル２９によってコントローラ２２に接続されている。また、気体排気部２４の内部には、後述する開放弁が設置されており、制御するための制御気体を送出する管路２８が、気体供給部２３から気体排気２４に接続されている。

また、図３は図２における系統図である。図２と同等個所については、同番号を付している。図３において、気体供給部２３には、図示しない外部の圧力気体発生源より圧縮空気（保護気体）が導入され、保護気体はフィルタ３１を通って、三経路に分岐され、それぞれ圧力調整器３２と３３と３４に送出されている。保護気体は圧力調整弁３２により、ロボット２１は周囲の危険雰囲気の圧力より若干高い圧力に調整される。また、同じく、保護気体は圧力調整器３３により、圧力調整器３２よりも更に高い圧力に調整される。これら圧力調整器３２と３３で調整された保護気体は、電磁弁３５から管路２６と４３を介して、ロボット２１の気密室３７に送出される。ロボット２１は、気密室３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄと複数の気密室３７を備えており、気密室にはモータ１が複数個設置されている。この実施例では、６個のモータの場合について説明する。各々のモータ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆは、ロボット２１の各関節を駆動する。
管路２６は、ロボット２１下部の管路接続部３０を介してロボット２１内部の管路４３に接続される。管路４３は、気密室３７の先端部の解放位置４２、すなわち各々の気密室３７において、管路接続部３０から最も遠い箇所保護気体を解放する。
一方、気密室３７には管路２７の一端が接続され、他端はエア排気部２４に設置されている開放弁３８へ接続されている。管路２７の途中には、フロースイッチ３９（取り付けられない場合もある）と、圧力検出器４０と、圧力調整弁４１が接続されている。フロースイッチ３９と圧力検出器４０とには通信ケーブル２９の一端が接続され、その他端はコントローラ２２に接続されている。通信ケーブル２９は、これらフロースイッチ３９と圧力検出器４０の信号をコントローラへ伝達している。圧力検出器４０は、気密室３７の圧力が所定値よりも低くなるとコントローラ２２に信号を伝達する。また、フロースイッチ３９は、所定の気体流量が通過すると、コントローラ２２に信号を伝達する。また、圧力調整弁４１は、管路２７の圧力、すなわち気密室３７の内部圧力が、所定値よりも高くなった場合に、気体を排出し、気密室３７の内部圧力を軽減させる。
一方、フィルタ３１を通過した保護気体の３経路のうち更に１経路の保護気体は、圧力調整器３４により、電磁弁３６を動作させることができる程度の圧力に調整され、電磁弁３６と管路２８を介して開放弁３８に接続されている。開放弁３８は、電磁弁３６から送出されてくる保護気体によって空圧作動し、管路２７から排出されてくる気密室３７内部の気体を排出させるか、または封止することができる。
本実施例では、全ての関節軸にモータ１が配置された形態を用いて説明したが、気密室３７ｄに配置された３つのモータ１ｄ〜ｆの関節軸に配置されていても良く、そのような構成を取ることで気密室３７ｄのアーム部の幅は狭くすることができるので、被塗装物との干渉を抑制することができる。

次に、本発明による内圧防爆構造のロボットに使用する特殊なモータの構造について説明する。本発明では、図１のような構成のモータを使用する。本モータを、図２に記載しているように、ロボット２１の各関節を駆動するモータとして使用する。ここでは、本モータを、ＡＣサーボモータの構造にて説明する。図１において、電磁鋼板を積層して構成した積層コア内側にコイルを配した上で、成形樹脂にてモールド成型された電磁部４に、界磁永久磁石５を外側に配し、中心に中空径６を有した回転軸７を、電磁部４に備えた固定部１６の両側もしくは片側に配置した軸受８を介して、電磁部４内径に支持し、回転軸７に備えたハブを介した回転ディスクをバネ圧により固定することで回転軸７の固定を行う両面形電磁ブレーキ９（以下ブレーキ）および、カバー１２に保護された、回転軸７の反負荷側端に備えた検出器用界磁永久磁石１０により回転角および速度を検出する磁気式検出器１１により構成された中空モータと、中空モータ出力端に取付けられた中空減速機１３（以下減速機）により構成されている。（回転角および速度を検出は、光学式エンコーダ、レゾルバでも良い）。また、回転軸７中心に備えられた中空径６は、装置例えば組立、搬送型多軸ロボットに取付けられた場合、配線ケーブルを通すことが想定されるため、固定部１６より中空径６内に配線の保護を目的とした保護カバー１５を配すこととし、回転軸７の回転による配線ケーブルの損傷を防ぐ構造としている。
本発明では、以上で構成されたモータに対して、前記固定部１６の減速機１３側に配置した軸受８の両側にそれぞれ外側方向からの進入物を遮断する方向にオイルシール１７を設けている。このような構成にすることで、モータ部と減速機１３を切り離すことができ、減速機１３からの油脂成分のモータ部への進入を防止するものである。また前記固定部１６には、複数の貫通穴１８を設けている。貫通穴１８ａは、前記オイルシール１７と成形樹脂にてモールド成型された電磁部４と界磁永久磁石５の間に設けられ、ブレーキ９の側面に貫通穴１８ｂが設けられている。また、検出器用界磁永久磁石１０により回転角および速度を検出する磁気式検出器１１を保護するカバー１２にも、貫通穴１８ｃと１８ｄが設けられている。このような構成にすることで、掃気動作をする際に、モータ内部とエンコーダ部は気体置換され、減速機１３の内部は油脂成分を充填された状態を保持することができるものである。貫通穴１８の直径は、本実施例では１０ｍｍ程度としている。貫通穴１８には、フィルタ１４がカバー１９で固定されている。フィルタ１４は、貫通穴１８からモータ内部に異物が侵入することを防ぐものであるが、フィルタ１４によって上記の掃気動作による気体置換が妨げられないよう、メッシュサイズに留意する。ここでは、２〜７ｍｌ／ｃｍ^２・ｓｅｃのサイズを使用している。図１記載の大きさのモータでは、上記のメッシュサイズのフィルタ１４を４箇所の貫通穴に設置している。また、中空減速機１３の出力軸の中空部と保護カバー１５の間に外側からの進入を防ぐ向きにオイルシール４６を設けている。また、回転軸７の反負荷側端と保護カバー１５の間にもオイルシール５０を設けている。

以上によって構成される、本発明のモータを使用した内圧防爆機構のロボットにおいて、まず通常運転について説明する。通常運転は、ロボットが塗装作業などを行う運転状態を示す。通常運転は、後述する掃気動作が終了してから行われる。つまり、気密室３７の内部から、危険雰囲気の爆発性気体を排除したのちに通電され、運転が開始される。通常運転の場合、開放弁３８は、閉の状態であって、気密室３７には、圧力調整器３２によって調整された危険雰囲気よりも若干高い圧力の空気が導入されている。このため、ロボット２１の気密室３７は、危険雰囲気より若干高い圧力に保たれる。また、管路２７に接続された圧力検出器４０は、気密室３７の圧力が危険雰囲気より若干高い圧力より低くなった場合を検知する。
次に掃気動作について説明する。まず、コントローラ２２の電源を供給すると、コントローラ２２より電磁弁３６の切り換え命令がだされ、圧力調整器３３により通常運転時の圧力より更に高い圧力に調整された保護気体が、管路２６を介して、気密室３７に導入される。このとき、コントローラ２２内の図示しないタイマーは時間のカウントを開始する。また、このとき開放弁３８は閉の状態である。
管路２６は、各々のモータの近傍で保護気体を開放しており、さらに各々のモータは、上述のように所定の貫通穴を備えているため、モータ内部空間の気体が確実に保護気体に置換される。
そして、タイマーが所定の時間を計測し終わると、コントローラ２２から電磁弁３６に切り換え命令がだされ、開放弁３８を開の状態にする。ここで、タイマーの計測する時間は、気密室の圧力が所定の圧力になるまでの時間であって、予め試験等で計測しておく。そして、開放弁３８の開放と同時にフロースイッチ３９により、気密室３７から排出される気体の流量測定を開始する。所定量の流量が流出すると、フロースイッチ３９の信号によって、コントローラ２２は電磁弁３６へ切り換え命令を送出し、開放弁３８が閉の状態になり、掃気が完了する。そして、モータへの電源供給が可能となり、上述した通常運転状態としてロボット動作が可能となる。
なお、圧力検出器４０は、これら掃気動作中においても、気密室３７の圧力が危険雰囲気より若干高い圧力より低くなった場合を検知し、圧力調整弁４１は、気密室の圧力が高くなりすぎた場合に圧力を開放する。フロースイッチ３９が設けられない場合には、圧力検出器４０の掃気動作時の圧力監視において、気密室３７の圧力が危険雰囲気より若干高い圧力より低くならないことで代用する場合も有る。

Claims

各関節軸を駆動する複数のモータと、前記モータが配置される気密室とを備え、危険雰囲気に設置され、
前記関節軸の少なくとも１つに減速機一体中空モータを備え、
前記減速機一体中空モータのモータ部には、前記モータ部の固定部に形成され、モータ内部と前記気密室とを連通させる貫通穴と、前記モータ部の前記固定部の減速機側に配置した軸受の両側にそれぞれ外側方向からの進入物を遮断する方向に配置された第１シール部材とが設けられたことを特徴とする内圧防爆構造のロボット。
前記減速機一体中空モータの中空部に配線が通されたことを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボット。
前記貫通穴は、前記モータ部の電磁部と前記減速機側に配置した第１シール部材との空間部にモータの軸と直交する方向に設けられたことを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボット。
前記減速機一体中空モータのモータ部には、前記モータ部に設けられた前記減速機の出力軸の中空部と保護カバーの間に外部からの進入を防ぐ方向に第２シール部材をさらに設けたことを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボット。
前記貫通穴は、前記モータの関節軸に、前記関節軸の軸方向に沿って設けられたことを特徴とする請求項１記載の内圧防爆構造のロボット。
各関節軸を駆動する複数のモータと、前記モータが配置される気密室とを備え、危険雰囲気に設置され、
前記ロボットの上部のアームに備えられた前記気密室に配置される前記関節軸に減速機一体中空モータを備え、
前記減速機一体中空モータのモータ部には、前記モータ部の固定部に形成され、モータ内部と前記気密室とを連通させる貫通穴と、前記モータ部の前記固定部の減速機側に配置した軸受の両側にそれぞれ外側方向からの進入物を遮断する方向に配置された第１シール部材とが設けられたことを特徴とする内圧防爆構造のロボット。
前記減速機一体中空モータのモータ部には、前記モータ部に設けられた前記減速機の出力軸の中空部と保護カバーの間に外部からの進入を防ぐ方向に第２シール部材をさらに設けたことを特徴とする請求項６記載の内圧防爆構造のロボット。