JP5283000B2 - クランプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダの直進運動をクランプアームのカム溝により所定角度回転してワークをクランプすることが可能なクランプ装置に関するものである。

従来、加工あるいは組付けラインでのワーク及び部品のクランプは特開２００８−１９４８０１のように空気圧シリンダの直進運動をトグル機構により回動運動に変換してワークのクランプを行い、又、ワーク装置の小形、軽量化のためには特開２０００−１７６７６３号公報のようにロータリシリンダを使用したクランプ装置でワークのクランプを行っている。
特開２００８−１９４８０１号公報 特開２０００−１７６７６３号公報

しかし、特開２００８−１９４８０１号公報のように空気圧シリンダの直進運動をトグル機構により変換してクランプする場合はトグル機構により、クランプ終端のクランプ力は理論上非常に高く、また、クランプ位置の保持もできるが、クランプ位置がわずかずれるだけでクランプ力が大幅にダウンし、ワークの厚みのばらつきに対応できないという問題がある。また、ロータリシリンダを使用した特開２０００−１７６７６３号公報によるクランプ装置が知られているが、クランプ本体の小形、軽量化が達成できるため、ロボットアーム先端での部品把持用クランプに効果があった。しかし、ロータリシリンダによるクランプの場合、回転時のクランプアーム先端部とロータリシリンダ本体との干渉を避けるため、ロータリシリンダの回転シャフトにはクランプ部であるクランプヘッドを先端に配設した長いクランプアームが取付けられたため、クランプ力が小さくなり、また、加圧クランプのため圧力が無くなったときにはクランプ状態を保持できないという問題があった。

本発明は上述の課題を解決するものであり、クランプ時に流体圧力が無くなっても確実なクランプが可能で、クランプのストローク終端近傍部でワークの厚みのばらつきに対して対応した強力なクランプを提供することを目的とする。

このために本発明の請求項１のクランプ装置は上下方向に延びた本体の下部にピストンと一体となったピストンロッドが上方向に突出する流体圧シリンダが連結され、ピストンロッド先端に取付けられたクレビスジョイントの回転軸中央にはクランプアームの内側に配設されたカム溝がはめ込まれ、流体圧シリンダの直進運動をクランプアームの回転運動に変換すると共に、クレビスジョイントの回転軸の外側両端には回転軸受が嵌挿され、回転軸受は流体圧シリンダの直進運動に倣って本体に配設された溝部内を回転しながら直進移動する。さらに、クランプ作動時に流体圧が無くなってもクランプアームをクランプ状態に保持するために、クレビスジョイントに固定されたばね受けと回転軸受の間にばねにより支持された楔状ロック部材が配設されている。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載のクランプ装置であって、クランプ終端近傍部における高クランプ出力をワークの厚みのばらつきに対応して維持できるように、クランプアームの内側のカム溝形状が流体圧シリンダのストローク終端近傍部で流体圧シリンダのストローク変位に対してクランプアームの変位を１／１０以下になるようにカム溝が切ってある。

上記のように請求項１のクランプ装置によれば、本体の下部に流体圧シリンダが連結され、流体圧シリンダのピストンロッドの先端のクレビスジョイントの回転軸がクランプアームの内側のカム溝内を移動し、クランプアームは支点軸を支点として回転し、ワークをクランプできる。クレビスジョイントの回転軸の外側に回転軸受が嵌挿され、回転軸受は本体に配設された回転軸受の外形にほぼ等しい溝部内を直進移動できる。さらに、クレビスジョイントのピストンロッド側の端部近傍のばね受けと回転軸受の間にばねに支持された楔状ロック部材が配設されているために、クランプ時にクランプの反力によって楔状ロック部材が回転軸受の外環と本体の溝部内の隙間に喰い込み、流体圧シリンダの加圧が無くなってもクランプアームをロックし保持できる。

請求項２記載の発明によれば、クランプアームの内側のカム溝形状をクランプ終端近傍部にワークの寸法ばらつきに合わせ、流体圧シリンダのストローク変位に対してクランプアームの変位を１／１０以下になるようにカム溝を切ることにより、ワークのばらつきを考慮したワーククランプ範囲において、流体圧シリンダの推力の１０倍以上のクランプ力を得ることができる。即ち、流体圧シリンダの使用流体が空気圧の場合でも最終クランプ時には油圧シリンダ並みのクランプ力を得ることができる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明のクランプ装置１のアンクランプ状態の正面断面図（図２のＢ−Ｂ′−Ｃ−Ｃ′断面）、図２は左側面断面図を示し、図３はクランプ状態の正面断面図（図２のクランプ状態時のＢ−Ｂ′−Ｃ−Ｃ′断面）を示し、図４は図２のＩ−Ｉ′断面図を示している。このクランプ装置１の下部にヘッドカバー４０、ロッドカバー４１によりシリンダチューブ４４の両端が固定された楕円形状のピストン４２を有する流体圧シリンダ４が取付けられ、流体圧シリンダ４のシリンダチューブ４４内にはピストン４２がピストンロッド４３と連結されロッドカバー４１よりピストンロッド４３がクランプ装置１の内部上方向に突出している。ロッドカバー４１より突出したピストンロッド４３の先端には凹溝１２が配設されたクレビスジョイント１０が固定され、クレビスジョイント１０の凹溝１２の両側凸部には上部近傍に水平方向に孔１０ａが配設されて、回転軸１１が挿入されている。更に、クレビスジョイント１０の凹溝内の回転軸１１にはクランプアーム３１のカム溝３２がはめ込まれ、回転軸１１がカム溝３２内を移動できるようになっている。クランプアーム３１は板状で略Ｌ字形となっており、Ｌ字の略中心にクランプアーム３１を回転させる支点軸３０が本体２０，２１に支持され、クランプアーム３１の回転の支点として構成されている。

さらに、クレビスジョイント１０の回転軸１１はクレビスジョイント１０の幅の外側に突出して、回転軸受１７が嵌挿され、本体２０，２１内の溝部２３を流体圧シリンダ４のピストンロッド４３の直進移動に従い回転軸受１７が回転移動する。回転軸受１７の外環下側には楔状のロック部材１５が配設され、クレビスジョイント１０に固定されたばね受け１３の上のばね１４により支持されて、回転軸受１７の外環に接触している。

次に、上記構成のクランプ装置１の動作を説明する。流体圧シリンダ４のヘッドカバー４０に設けられたポート４０ａよりシリンダチューブ４４内に流体圧を供給し、ロッドカバー４１に設けられたポート４１ａより流体圧を排出するとピストン４２と一体となったピストンロッド４３が上方向に移動する。ピストンロッド４３の先端に取付けられたクレビスジョイント１０の回転軸１１はクレビスジョイント１０の凹溝１２内に取付けられたクランプアーム３１の内側に切られたカム溝３２の中を移動するため、クランプアーム３１は本体２０，２１に固定された支点軸３０を支点としてクランプアーム３１のクランプ端３４をワーク方向（下方向）に回転させて、ワークをクランプする。

流体圧シリンダ４のピストンロッド４３の直進によりクランプアーム３１が回転すると同時に、クレビスジョイント１０の幅の外側に突出した回転軸１１の両側に嵌挿された回転軸受１７は回転軸受１７の外環下側に抵触している楔状ロック部材１５と共に本体２０，２１内の溝部２３の中を回転しながら直進する。クランプアーム３１がワークをクランプすると流体圧シリンダ４のピストンロッド４３の動きが止まり、クランプアーム３１に反力が発生し、楔状ロック部材１５が回転軸受１７の外環と溝部２３の隙間に喰い込み、流体圧シリンダ４内の圧力を無くしてもクランプ状態を保持できる。

クランプ作業終了後、切換弁（図示せず）を切換えて、流体圧シリンダ４のロッドカバー４１のポート４１ａから流体圧を供給し、ヘッドカバー４０のポート４０ａより流体圧を排出するとピストン４２と一体となったピストンロッド４３が下方向に移動し始める。ロックされていた楔状ロック部材１５と回転軸受１７はクレビスジョイント１０の下降にともない回転軸受１７がロックを解除する方向、即ち図４の右方向に回転するために楔状ロック部材１５の喰い込みが解除され、ばね１４に支持された状態でクレビスジョイント１０と共に下降する。

次に、第２実施形態のクランプ装置１を説明する。図３に示すようにクランプアーム３１の内側にはカム溝３２が切られて、クレビスジョイント１０の凹溝１２に取り付けられ、カム溝３２内にはクレビスジョイント１０の回転軸１１が挿通している。クランプ側終端近傍部数ｍｍのクランプアームのカム溝３２は流体圧シリンダ４のストロークに対してクランプアーム３１のクランプ端３４の変位が１／１０以下になるようにカム溝３２が垂直方向に対して角度αで切られている。

次に、上記構成のクランプ装置の動作を説明する。図３に示すようにクランプ状態から流体圧シリンダ４のロッドカバー４１のポート４１ａから流体圧が供給され、ヘッドカバー４０のポート４０ａより流体圧が排出され、ピストン４２と一体となったピストンロッド４３が下方向に下がりアンクランプ状態となる。次に、アンクランプ状態から切換弁を切換えてロッドカバー４１のポート４１ａから流体圧を排出し、ヘッドカバー４０のポート４０ａに流体圧を供給するとピストンロッド４３は上方向に動きクランプ側終端近傍部のクランプアーム３１のカム溝３２を流体圧シリンダ４のストロークＳに対して、クランプアーム３１のクランプ端３４の変位Ｌが１／１０以下になるようにカム溝３２の傾斜角αが切られている。この場合に、図５に示すように傾斜面を下方向にストロークＳ分Ｐの力で押すと横方向への傾斜面は変位量Ｌ、力はＦとなり、ｔａｎα＝Ｌ／Ｓ・・・（１）、Ｆ＝Ｐ／ｔａｎα・・・（２）が成り立つ。
ここでストロークＳ＝２０ｍｍとしたとき、変位Ｌ＝２ｍｍとすると、即ちＳ／Ｌ＝１０に設計するとα＝５．７１°となり、Ｌ＝２ｍｍの間のＦは（２）式によりＦ＝１０Ｐの押付力が可能となる。

従来のトグル機構によれば図６に示すように、Ｐの力で下方向に押したときの横方向への力をＦ′とすると Ｆ′＝Ｐ／２ｔａｎα・・・（３）となる。
図６においてａ＝２０ｍｍとし、α＝１０°のときを変位量Ｌの基準とすると基準位置では（３）式よりＦ′＝２．８Ｐとなり、α＝５°まで押すとＬ＝０．４５６ｍｍ、Ｆ′＝５．７Ｐ、α＝３°まで押すとＬ＝０．５５４ｍｍ、Ｆ′＝９．５Ｐ、α＝１°まで押すとＬ＝０．６０２ｍｍ、Ｆ′＝２８．６Ｐ、α＝０°まで押すとＬ＝０．６０８ｍｍ、Ｆ′＝∞となり、αが０に近づくとＦ′は非常に大きな押付力となるが、変位量Ｌのわずかな変位により押付力Ｆ′が大幅にダウンするため、ばらつきのあるワークをクランプするときは問題となった。

本発明の第１実施形態を示すクランプ装置のアンクランプ状態の正面断面図（図２のＢ−Ｂ′−Ｃ−Ｃ′断面） 図１の左側面断面図（図１のＡ−Ａ′断面） 図２のクランプ装置のクランプ状態の正面断面図（図２のクランプ状態時のＢ−Ｂ′−Ｃ−Ｃ′断面） 図２のＩ−Ｉ′断面図 本発明の第２実施形態の機構原理説明図 トグル機構の機構原理説明図

１−クランプ装置
４−流体圧シリンダ
１０−クレビスジョイント
１１−回転軸
１２−凹溝
１３−ばね受け
１４−ばね
１５−ロック部材
１６−ボルト
１７−回転軸受
２０、２１−本体
２３−溝部
３０−支点軸
３１−クランプアーム
３２−カム溝
３４−クランプ端
４０−ヘッドカバー
４１−ロッドカバー
４２−ピストン
４３−ピストンロッド
４４−シリンダチューブ

Claims (2)

1. 上下方向に延びる本体の下部に連結された流体圧シリンダと該流体圧シリンダの直進運動をクランプアームの内側のカム溝により回転運動に変換してワークをクランプするクランプ装置において、該流体圧シリンダのピストンロッドの先端に取付けられたクレビスジョイントの回転軸には該カム溝を配設した該クランプアームと該流体圧シリンダの直進運動に従い該本体の溝部内を回転移動する回転軸受が取付けられ、該回転軸受けと該クレビスジョイントに固定されたばね受けとの間にばねにより支持された楔状ロック部材が配設されて、クランプ時、該流体圧シリンダの圧力が無くなり該回転軸受けが下降しようとしても該回転軸受の外環と該溝部内の隙間に該楔状ロック部材が食込み該クランプアームのクランプ力を保持することを特徴とするクランプ装置。
2. 請求項１記載のクランプ装置であって、クランプアームのカム溝が流体圧シリンダのストローク終端近傍部で該流体圧シリンダのストローク変位に対して、該クランプアームの変位を１／１０以下に設定したクランプ終端近傍部における高クランプ出力を特徴とするクランプ装置。

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