JP6238681B2 - ２個のロングストロークジョーを具えるクランプ - Google Patents

Description

本発明は、２０１２年１１月１６日に出願されたイタリア国特許出願BS2012A000162号の優先権を主張するものであり、ストロークが平均的または平均よりも長い２個のジョーを具えるクランプに関し、特には、ストロークが平均的または平均よりも長い２個のジョーを互いに平行に配置した電気駆動型のクランプに関するものである。

産業オートメーション分野において、ロボット化されたマニピュレータを用いることは既知であり、通常、この種のマニピュレータには把持対象のためのグリッピングクランプが付随している。

それらのクランプは、グリップ又はグリッッピングフィンガとも呼ばれるジョーが格納された本体を具える。ジョーは、把持対象にいかなる圧力も印加しない非操作位置又は解放位置と、把持対象に圧力を印加する操作位置又は把持位置との間で移動可能であり、その印加圧力は、移動中における把持対象の偶発的な解放を防止するに十分なものである。ジョーを駆動するための装置は、電動式、空圧式、オレオ空圧式等とすることができる。

クランプは、ジョーの個数及びその動作に応じて、平行な、放射状の、又は角度のある２本のジョーを有するクランプや、３本のジョーを有するクランプ等に分類される。

本発明は、２個のジョーを平行に配置した電動型クランプに関する。その数例が、以下の特許文献に記載されている。

欧州特許出願公開第２３７４５８０号明細書 日本国特開２００９−２２６５０６号公報 日本国特開２０１０−０９４７８７号公報 米国特許第５９４７５３９号明細書 国際公開第０３／０６８４５６号パンフレット

他の特許文献として、ジョーのストロークに関連するものがある。市場において、平行に配置された２個のジョーのストロークが短いクランプ、又は平均的な長さであるクランプとは、ジョーのストロークが何れも１０〜１５ｍｍよりも短いクランプと考えられており、平行に配置された２個のジョーがロングストローク型であるクランプとは、ジョーのストロークが何れも１０〜１５ｍｍよりも長いクランプ、例えばストロークが２０ｍｍ、４０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ等のクランプと考えられている。

平行に配置された２個のロングストロークジョーを有する電動型クランプの一実用例には、フェスト社によって市販されているＨＧＰＬＥシリーズのクランプ（HGPLE-25-40-2,8-DC-VCSC-G85）がある。

他の例としては、ジンマーグループに属するソマーオートマチックカンパニによって市販されているＧＥＨ６０００シリーズ及びＧＥＨ８０００シリーズのクランプがある。

一般に、電気モータがクランプ本体に格納されていて、ジョーの２方向への並進移動を交互に制御する。そのために、ギア及びドライブベルトにより、又はジョーと噛み合うウォームギヤにより、又はジョーと一体のラックの各々と噛み合うギアなどにより構成される伝達アセンブリが用いられている

製造業者は、電気モータの動作を制御するのに必要な電気ユニットを提供している。そのような電気ユニットは非常に高価で、実現及び開発するのが複雑であり、とりわけ、電気モータを駆動させる機能や、ジョーの移動方向を変えるために駆動シャフトの回転を反転させる機能、またジョーの各々の経路の抵抗が過剰である場合に、過負荷を回避するよう駆動シャフトの電力供給を遮断する機能、及びモータを停止させる機能等を有する。

電気モータのシャフトからジョーに動作を伝達するために採用する技術的解決法、すなわち伝達アセンブリの構成とは別に、上述したクランプには幾つかの無視できない欠点がある。

最も重要な欠点は、主に、電気モータを制御するのに必要な電子的制御ユニットが、クランプ本体の外部にあることである。通常、外部の制御ユニットと接続するために、クランプ本体には適正な電気コネクタが設けられる。多くのアプリケーションにおいて、制御ユニットはクランプに隣接して配置され、しばしばその側面にてマニピュレータに拘束されるため、全体としてかさ張るものとなる。特に、多くのアプリケーションでは、把持対象がある場所にクランプを挿入しなければならず、存在し得る制御ユニットによって、クランプ自体の移動の自由度が著しく制限される。これは、制御ユニットの大きさを考慮して移動を計算しなければならないことを意味する。

他の欠点は、制御ユニットの重量にある。このような制御ユニットがそれぞれのクランプを伴ってマニピュレータに配置される場合、制御ユニットの質量は、マニピュレータの動的パフォーマンスに悪影響を与える。

従来の解決策のさらなる欠点は、電気モータシャフトからジョーに動作の伝達を行う伝達アセンブリにある。関与する応力が高い場合やギアが摩耗している場合には、いわゆるグリッピングセンタが維持されるとは限らない。換言すると、ジョーが、それぞれの限界点に同時に到達しない状態や、一方のジョーのみがその限界点に正確に到達しない状態が生じるということである。

本発明が解決しようとする課題は、平均的又は平均よりも長いストロークを有する２個のジョーを互いに配置した電動型のクランプとして、軽量且つコンパクトであり、また信頼性がありながら、従来技術の欠点を簡潔かつ効率的に解決することのできるクランプを提供することにある。

上記課題の解決手段として、本発明は、請求項１に従うクランプを提供するものである。

具体的には、このクランプは、相互に同一平面上にあって平行な２つのシート、すなわち並列し、その両方にそれぞれのジョーがスライド可能に格納されている２つのシートを具える。２本のジョーは両方ともに、それぞれのシートにおいて２方向に交互に、後退位置と伸長位置との間を平行移動することができる。ジョーは、平均的及び／又は平均よりも長いストローク、例えば１０〜１５ｍｍよりも長いストローク、又は、当業者がクランプの大きさに基づいて平均的か平均よりも長いと考え得るストロークを有する。

遠位及び近位の位置は、それぞれ要求に応じて、把持位置及び解放位置に対応する。またその逆も同様である。

クランプ本体には、電気モータであって好ましくはブラシレス型のモータ及び、それぞれの電子制御ユニットであって好ましくはマイクロプロセッサ型のユニット、がさらに格納されている。

クランプ本体の中の、ジョーのシートと電気モータとの間には、同一平面上に２本のプッシングスクリュが格納されていて、該プッシングスクリュはジョーの各々に対して平行に配置され、各々のギアによって相互に係合している。電気モータのシャフトは、２つのプッシングスクリュの１つと噛み合う。この方法によって電気モータがプッシングスクリュの各々に与える回転は、他方のプッシングスクリュには反対向きに伝達される。

クランプは、２つの移動アセンブリをさらに含み、当該移動アセンブリは両方ともに、ジョーがこれらのアセンブリと同様に一体的に移動することを強いる。特に、移動アセンブリは両方ともに、２つのプッシングスクリュの一方のスクリュのねじ部に噛み合っており、この構成によって、プッシングスクリュの回転が、対応する２つの移動アセンブリの移動を互いに逆方向に駆動する。２つの移動アセンブリは、各々の順番で、限界点のそれぞれに向かってジョーを牽引する。

２本のプッシングスクリュ及び移動アセンブリの各々によって、クランプの伝達アセンブリが定義される。電気モータによって互いに逆向きに回転するプッシングスクリュに付与される回転は、ジョーを牽引する移動アセンブリを互いに逆方向に移動させる。

ここに記載される構成によれば、次のような利点が得られる。
・電気モータの制御に、外部ユニットを用いることを回避できる。
・クランプの大きさおよび重量を最小化できる。
・ジョーの同時駆動を可能にするので、数千回の稼働サイクルの後や応力負荷の下であっても、クランプのあらゆる使用状況において、ジョーがピースの限界点へ同時に到達することができる。

特には、ブラシレス型であって、好ましくは直流で寿命の長い電気モータを移動アセンブリともに用いると、モータ自体の制御が可能な限り単純なものになる。例えば、電気モータのシャフトの回転数に関する情報を得るためのエンコードは必要ない。

さらに、既知のクランプは非常に平坦な形状であり、この形状は、クランプ自体の総重量の減少及び分布について明らかにプラスの効果をもたらしていた。電気モータの制御機能は既知の解決手段にて容易に得られる、という事実の結果、上記した理由により、電気モータを制御するための電気ユニットは、例えば、クランプ本体中に格納された回路基板及び、格納されたプログラムに基づいてモータの作動を制御する単一のマイクロプロセッサのような最小限のバルクで実現することができる。従って、例えば複雑で高価なＰＬＣインターフェースのような外部の制御ユニットは不要である。

本発明に係るクランプのさらなる利点は、電気モータからジョーに動作を伝達するのに用いられる伝達アセンブリの構成によって、平行なジョーの動作が常に同時であるということにある。２本のプッシングスクリュは機能的に連結しており、換言すれば、電気モータが駆動する際に、同じ速度で、しかしながら互いに逆向きに回転するように、また、電気モータの駆動が止んだ際に同時に停止するように、互いに噛み合うギアが設けられている。伝達アセンブリのコンポーネントが習慣的に摩耗する傾向があろうとも、ジョーの同時性及び位置決め精度は失われない。

さらに、伝達アセンブリの対称性により、最適な応力分布を得ることができる。

上記の全ての理由により、本発明に係るクランプは独立している。

好ましくは、移動アセンブリは、ジョーのガイドの底部に開けられた小穴に摺動可能に挿入されたピンによって、ジョーの各々に接合される。

好ましくは、移動アセンブリの各々に、例えば弾性タイプのバランサ機構を設けて、把持対象の直径が変化したとき、換言すればジョーの伸長位置の限度が変化したときにも、把持対象にかけられるジョーの把持力を予め調整できるようにする。かる状況下において、移動アセンブリは、電気モータを、ピースの係合位置のそれぞれにジョーを正確に押し付け維持する機能から、解放する機能をさらに実行する。換言すると、他の状況下、すなわちバランサ機構によってジョーがピースを把持した状態が維持されている状況にあるときは、バランサ機構の存在によって電気モータへの電力供給が阻害される可能性がある。

好適な実施形態において、各移動アセンブリは、カーソル、トウスライド、及び予圧された１つ以上の弾性バランサ素子（好ましくはコイルばね）を具える。トウスライドはプッシングスクリュの各々のねじ部に係合し、カーソルはそれぞれのジョーの移動方向に平行である２方向に動作可能なようにトウスライドに取り付けられる。弾性バランサ素子は、トウスライドとカーソルとの間に実行可能に介在する。弾性バランサ素子の予圧量は、製造者により、クランプの使用要件に基づいて決定される。カーソル及びトウスライドは両方ともに、弾性素子への予圧が変化するまでは一体的に移動可能であるが、ジョーを移動させる運動に対する抵抗が生じることによって、弾性素子の予圧に変化が生じると、それらは個々に独立して移動可能である。

好ましくは、２個のジョーはラック部分を具えるとともに、当該２個のジョー間に、双方のジョーのラック部を同時に係合させるギアが配置される。ギアは、回転可能にクランプ本体に拘束されているが、この特徴は、応力の最適な分散、クランプの強化、及びジョーの同期性の保持に役立つ。

好ましくは、電気モータは、クランプの側部の大きさを最小化するために、プッシングスクリュの下方に配置する。また、２つのプッシングスクリュは両方ともに、それぞれのジョーの下方に位置し、対応する移動アセンブリはプッシングスクリュの間に配置される。

本発明のさらなる特徴及び利点は、本発明を限定しない好適な実施形態に関する以下の説明を、限定ではなく例示目的で添付した図面に基づいて参酌することによって、さらに明らかとなる。

本発明に従うロングストローク型の２個のジョーを互いに平行に配置した電動クランプの斜視図である。 図１に示すクランプの分解斜視図である。 図１に示すクランプの縦断面図である。 図１に示すクランプの第１横断面における断面図である。 図１に示すクランプの第２横断面における断面図である。

図１〜５は本発明に従うクランプ１の好適な実施形態を示し、このクランプ１は各構成要素を格納する本体２を含んでいる。

２個のジョーＧ１，Ｇ２は、クランプ１の上部に平行に延在するシート又はレーン２１，２２の各々に格納されている。ジョーＧ１，Ｇ２は、把持対象のピースに対するグリップ及びリリースにそれぞれ対応し、後退位置と伸長位置との間にて、シート２１，２２の各々の内に並進的に押し込まれる（その逆の場合も同様である）よう意図されている。

ジョーＧ１，Ｇ２は、把持対象に直接的に作用させ、又は、ジョーＧ１及びＧ２の双方が具えるブッシングＢに搭載された突出型のグリッピング要素を介して作用させることができる。

単なる一例として、ジョーＧ１，Ｇ２の双方のストロークは、クランプ１の大きさに応じて、１５ｍｍに等しいか又はそれより長い。

クランプのサイズが図示するサイズよりも小さい場合、ジョーのストロークもまた１５ｍｍより小さくなることがあり、それは例えば８ｍｍであるが、当業者にとってはそれでもまだ平均的もしくは平均よりも長いストロークである。

図２は、クランプ１のコンポーネントを詳細に示している。

クランプ１の本体２には、電気モータＭ（特には、直流ブラシレス型）と、電気モータＭの上方に配置される２つのプッシングスクリュＶ１，Ｖ２と、プッシングスクリュＶ１，Ｖ２の間に配置されるそれぞれの移動アセンブリＧＴ１，ＧＴ２と、ジョーＧ１，Ｇ２と、が格納されている。

具体的には、プッシングスクリュＶ１，Ｖ２及び移動アセンブリＧＴ１，ＧＴ２は、クランプ１の伝達アセンブリの一部であり、この伝達アセンブリには、電気モータＭの駆動に反応して、ジョーＧ１，Ｇ２に動作の移動を伝達する機能を担っている。

プッシングスクリュＶ１，Ｖ２は両方ともに、不可逆なねじ山を有するスレッドステムＶＦと、他方のプッシングスクリュのギアＶＧに絶えず噛み合うギアＶＧとを具え、プッシングスクリュＶ１，Ｖ２は逆回転している。２つのプッシングスクリュＶ１，Ｖ２のシャフトＶＦは平行且つ相互に同一平面状にあり、それぞれのジョーＧ１，Ｇ２の両方にまで平行に延びている。２つのプッシングスクリュＶ１，Ｖ２は、好ましくはスチールか、カーボンファイバを充填したアセチル基の樹脂からなる。

唯一、プッシングスクリュＶ２だけが、ギア３，４を具えるエネルギーチェーンを利用し、電気モータＭのシャフトによって回転する。従って、電気モータＭは２つの方向にてプッシングスクリュＶ２の回転を直接的に制御するとともに、それぞれの停止も制御する。ひいては、第２のプッシングスクリュＶ２はその動作を第１のプッシングスクリュＶ１に伝達する。

プッシングスクリュＶ１，Ｖ２のスレッドステムＶＦは、対応する移動アセンブリＧＴ１，ＧＴ２に係合されており、スクリュＶ１，Ｖ２の時計回り又は半時計回りの回転に従って、これらのアセンブリを前進移動又は後退移動させる。

移動アセンブリは、それぞれのプッシングスクリュＶ１，Ｖ２のスレッドステムＶＦ上を移動することにより、ハウジングガイド２１，２２のそれぞれに得られる小穴６を通して摺動可能に挿入されるコネクトピン５を用いて、それぞれのジョーＧ１，Ｇ２を押圧して移動させる。

図２により詳細に示すように、移動アセンブリの各々は、それぞれのプッシングスクリュＶ１，Ｖ２のスレッドステムＶＦを係合するために、底面にねじ又はねじ穴が設けられたトウスライド８を具える。

２つのトウスライド８は、トウスライド８自体に摺動可能に取り付けられたカーソル１１を保持する。スライド８及びカーソル１１の間には、コイルばね９が、単に物理的に介在するのではなく、まったく動作可能に介在している。コイルばね９は、製造者により、組立工程の間に予圧された状態で装着される。クランプ１の耐用期間の後半に、必要であれば、ばね９を異なる余圧を有するばねと交換することができる。

このように具えられた移動アセンブリは、ジョーＧ１，Ｇ２のストロークの弾性バランサ装置を形成する。

ピン７はカーソル１１と一体のままトウスライド８に向かって突出し、カーソル１１がそれぞれのトウスライド８に対して移動するときに、ばね９のプランジャとして機能する。ピン７は、トウスライド８のショルダ８１の間に挿入することができ、挿入位置によってばね９の固定位置が決まる（図５参照）。

実質的に、プッシングスクリュＶ１（又はＶ２）によって移動するトウスライド８は、常に一定なストロークに従う一方、カーソル１１は、トウスライド８に対する移動も可能であるため、把持しているピースに生じる、ジョーＧ１，Ｇ２の動作と反対向きの抵抗関数としての一定の許容限度内において、さまざまにストロークすることができる。ばね９は縮むことで、さもなければジョーＧ１，Ｇ２が把持対象に与えることになる過度な力を吸収する。

モータＭを作動させ、ギア３、４を回転させることにより、プッシングスクリュＶ１，Ｖ２の回転は逆向きに制御される。これが、２つのトウスライド８及びカーソル１１の各々に逆方向への移動を誘引し、カーソル１１はジョーＧ１，Ｇ２をシート２１，２２の各々の中に押し込む。

ジョーＧ１，Ｇ２が抵抗に遭わない場合、移動アセンブリＧＴ１，ＧＴ２はあくまでも全体として移動する。ジョーＧ１，Ｇ２が抵抗に遭う場合、例えば、把持対象のピースの内表面に当接するところまで入り込んだ場合、ばね９はジョーＧ１，Ｇ２の残りのストロークに対応する推力を吸収するべく縮む。かかる状況下では、カーソル１１はトウスライド８と一体的に動作を停止し、それについて移動させる。例えば、ジョーＧ１，Ｇ２が把持対象に対して当接しているため、スライド８はそのストロークを終え、カーソル１１は静止状態となる。

クランプの本体２の中に、電気モータＭを制御するための電子制御ユニットＣＰＵが格納されている。このようなユニットは、特定のプログラムに従ってモータＭへの電力供給を調整する機能を有する、マイクロプロセッサを具えるプリント回路である。この特定のプログラムは、ジョーＧ１，Ｇ２がピース把持位置にあり、ばね９がグリップ自体を確実に保持するときに、電力供給を打ち切るものである。

コネクタＣは、電力供給ケーブル又は、その他のＣＰＵユニットにインターフェースすることができるその他のケーブルを、診断、プログラミング等のための遠隔ユニットに接続することを可能にする。

好ましくは、図示されるように、ジョーＧ１，Ｇ２には、シート１３の中に挿入されたピン１２によって、クランプの本体２に回転可能に強制されたグリッピングギア１０を連続的に把持し、互いに対向するラック部分ＧＣが設けられる。

図３は、ジョーＧ１，Ｇ２に対して平行な垂直二等分面におけるクランプ１の詳細な断面図である。正確な動作を得るために必要なすべてのものが本体２に格納されている。制御ユニットＣＰＵ及びモータＭは、本体２の下部に位置し、プッシングスクリュＶ１，Ｖ２はモータの上方に配置され、移動ギア３、４はそれらの間に介在している。スクリュＶ１，Ｖ２の上に、移動アセンブリＧＴ１、ＧＴ２がそれぞれ装着されている。特には、スレッドステムＶＦが、トウスライド８にどのように挿入されているかに留意する。スライド１１をジョーＧ１に接続するためのピン５は、さらに明らかである。

図４、５はジョーＧ１，Ｇ２に直交する垂直面の各々における断面図である。図４では、モータＭが素子３によってスクリュＶ２を回転させ、２つのプッシングスクリュＶ１，Ｖ２が相互に噛み合い、反対向きにのみ回転可能であることが明らかである。

図５では、移動アセンブリＧＴ１，ＧＴ２のコンポーネントの配置が明らかとなっている。特には、アセンブリＧＴ１が分断されていて、アセンブリＧＴ１の正面図が示されているピン７はカーソル１１と一体化し、必要に応じてばね９を圧縮するためにトウスライド８のショルダ８１をまたぐことができる。

好ましくは、ジョーＧ１，Ｇ２の伸長位置から後退位置への移動又はその逆の移動は、０．１秒よりも早い。

電気モータＭの大きさによって、ジョーＧ１，Ｇ２は把持対象に把持力を印加することができ、その把持力は好ましくは１００Ｎから４００Ｎの間である。

Claims (10)

1. マニピュレータに供するクランプ（１）であって、
   ・２個のジョー（Ｇ１，Ｇ２）と、
   ・当該ジョー（Ｇ１,Ｇ２）を格納するための、同一平面上にある２つのシート（２１,２２）が設けられた本体（２）と、
   ・前記ジョーを駆動するための電気モータ（Ｍ）と、
   ・前記クランプ（１）の前記本体（２）に格納され、前記電気モータ（Ｍ）を制御するための電気ユニット（ＣＰＵ）と、
   ・前記電気モータと前記ジョーとの間に動作可能に介在する伝達アセンブリと、
   を具え、前記ジョー（Ｇ１，Ｇ２）の双方は、前記シート（２１，２２）の各々にて、後退位置と伸長位置との間を２方向に交互に平行移動することができ、
   前記伝達アセンブリが、
   ・それぞれが相互にギア（ＶＧ）に係合し、それぞれがスレッド部（ＶＦ）を具える２つのプッシングスクリュ（Ｖ１，Ｖ２）と、
   ・前記ジョー（Ｇ１，Ｇ２）を押圧して移動させるとともに、前記プッシングスクリュ（Ｖ１，Ｖ２）の各スレッド部（ＶＦ）に噛み合って、前記モータ（Ｍ）の駆動に反応して前記ジョーの変位を誘引する、２つの移動アセンブリ（ＧＴ１，ＧＴ２）と、
   を具え、前記２つのプッシングスクリュ（Ｖ１，Ｖ２）の一方（Ｖ２）は、前記電気モータ（Ｍ）によって回転し、他方の前記プッシングスクリュ（Ｖ１）を反対方向に回転させ、前記スレッド部は、同一平面上にあり、前記シート（２１，２２）に平行である、クランプ（１）。
2. 前記移動アセンブリ（ＧＴ１，ＧＴ２）の各々が、前記プッシングスクリュ（Ｖ１，Ｖ２）の各スレッド部（ＶＦ）に噛み合うトウスライド（８）と、前記ジョー（Ｇ１,Ｇ２）の各々と並進的に一体化し且つ前記ジョー（Ｇ１，Ｇ２）のストロークに平行な方向に、前記トウスライド（８）に対して動作可能であるカーソル（１１）と、前記トウスライド（８）及びカーソル（１１）の間に介在する、予圧された弾性バランサ素子（９）とを具える、請求項１に記載のクランプ（１）。
3. 前記カーソル（１１）及びトウスライド（８）は、弾性バランサ素子（９）の予圧が変化しない限り一体的に移動可能であり、また、ジョー（Ｇ１，Ｇ２）を移動させる運動に対し抵抗が生じて起こる前記弾性バランサ素子（９）の予圧変化に応動して個々に独立して移動可能である、請求項２に記載のクランプ（１）。
4. 前記ジョー（Ｇ１，Ｇ２）を格納するための前記シート（２１，２２）の下部に小穴（６）を設け、当該小穴（６）に、前記移動アセンブリ（ＧＴ１，ＧＴ２）を前記ジョー（Ｇ１，Ｇ２）の各々に係合するためのピン（５）を挿入する、請求項１〜３の何れか一項に記載のクランプ（１）。
5. 前記２個のジョー（Ｇ１，Ｇ２）が何れもラック部を有し、前記クランプ（１）が、当該クランプ（１）の本体（２）に、前記２つのジョー（Ｇ１，Ｇ２）の間に介在して前記ラック部の双方を係合するギア（１０）をさらに具える、請求項１〜４の何れか一項に記載のクランプ（１）。
6. 前記電気モータ（Ｍ）がブラシレス型である、請求項１〜５の何れか一項に記載のクランプ（１）。
7. 前記電気モータ（Ｍ）を制御するための前記ユニット（ＣＰＵ）がマイクロプロセッサ型であって電気コネクタ（Ｃ）が設けられている、請求項１〜６の何れか一項に記載のクランプ（１）。
8. 前記プッシングスクリュ（Ｖ１，Ｖ２）がスチール又はカーボンファイバを充填したアセチル基の樹脂よりなる、請求項１〜７の何れか一項に記載のクランプ（１）。
9. 前記電気モータを制御するためのユニットが、前記クランプの外部に配置されていないことを特徴とする、請求項１〜８の何れか一項に記載のクランプ（１）。
10. 前記ジョー（Ｇ１，Ｇ２）のストロークが１５ｍｍよりも長い、請求項１〜９の何れか一項に記載のクランプ（１）。