JPH1177471A

JPH1177471A - シリンダ装置

Info

Publication number: JPH1177471A
Application number: JP23850697A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Wakazono; 賀生若園; Shinji Murakami; 慎二村上
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 1999-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】カウンタバランス用のシリンダ装置の駆動
に、そのシリンダ室の容積と比べて大容積のエアタンク
内に蓄えられた高圧エアを用いたことにより、移動体の
高速・高加速度の移動に対するシリンダ装置の追従を可
能とする。【解決手段】工作機械の鉛直軸に沿った方向へ高速で
駆動される移動体（サドル２４等）の重力の影響を除去
するためのカウンタバランス用のシリンダ装置であっ
て、前記移動体と鉛直軸に沿った方向に関する不動部材
（例えばガントリ）との間で作動力を発揮するようにエ
アシリンダ５０が設けられ、このエアシリンダ５０のシ
リンダ室の容積に比べて大容積のエアタンク９０内に高
圧エアが蓄えられているとともに、このエアタンク９０
と前記エアシリンダ５０とを連通させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マシニングセンタ
等の工作機械においてその鉛直軸に沿った方向へ駆動さ
れる移動体の重力の影響を除去するためのカウンタバラ
ンス用のシリンダ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、前記カウンタバランス用のシリン
ダ装置としては一般に油圧シリンダが用いられている。
一方、工作機械の移動体（例えば主軸を上下に移動させ
る部材）の駆動は、近年の高速・高加速度化の要求から
リニアモータ駆動などによって高速（60〜80m/s ）、か
つ高加速度（1G）で移動させるようになっている。また
油圧シリンダのシリンダチューブとピストンとの間のシ
ール構造は、ピストン外周の環状溝にはめ込まれたＯリ
ングによって油密を保つようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしカウンタバラン
ス用のシリンダ装置として油圧シリンダを用いた場合、
このシリンダに油圧を加えるオイルポンプの能力や油圧
経路のパルプの流量などの限界により、油圧シリンダの
作動が前記移動体の高速・高加速度に追従できず、この
移動体に対するカウンタバランス機能が充分に果たされ
ていない。そこで油圧シリンダの容積に比べて大容積の
チャージタンク内に高圧油を蓄えておき、それを前記油
圧シリンダに供給することも考えられるが、油は非圧縮
性であるため、油圧シリンダにおけるシリンダ室の容積
変化によって油圧が大きく変化し、結局は移動体の高速
・高加速度化の妨げとなる。

【０００４】また前記のようにＯリングを用いた油圧シ
リンダでは、高圧油によってＯリングがシリンダチュー
ブの内周面とピストンの外周面との間の隙間に食い込む
場合がある。この結果、ピストンの摺動砥抗が増加し、
さらにはピストンの移動方向によって摺動抵抗が異なる
といった不具合が生じる。またＯリングの耐久性も低下
する。

【０００５】請求項１記載の発明の目的は、カウンタバ
ランス用のシリンダ装置の駆動に、そのシリンダ室の容
積と比べて大容積のエアタンク内に蓄えられた高圧エア
を用いたことにより、移動体の高速・高加速度の移動に
対するシリンダ装置の追従を可能とすることである。

【０００６】請求項２記載の発明の目的は、エアタンク
とエアシリンダとを連通させているエア経路を大気に対
して密閉状態とすることで、このエアタンクに対しては
洩れ分だけのエア補給でよいこととし、エネルギーの節
約効果を高めることである。

【０００７】請求項３及び４記載の発明の目的は、シリ
ンダ装置のピストンとシリンダチューブあるいはシリン
ダ本体とピストンロッドとの間のシール性能を高めると
ともに、シール部材の食い込みをなくして摺動砥抗の低
減を図り、かつピストンの移動方向に関係なく同じ摺動
抵抗とすることである。

【０００８】請求項５記載の発明の目的は、シリンダ装
置におけるシール部材の摺動砥抗を任意に変更可能と
し、シール機能を保持した範囲内で摺動抵抗を最小に設
定可能とすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
工作機械の鉛直軸に沿った方向へ高速で駆動される移動
体の重力の影響を除去するためのカウンタバランス用の
シリンダ装置であって、前記移動体と鉛直軸に沿った方
向に関する不動部材との間で作動力を発揮するようにエ
アシリンダが設けられ、このエアシリンダのシリンダ室
の容積に比べて大容積のエアタンク内に高圧エアが蓄え
られているとともに、このエアタンクと前記エアシリン
ダとを連通させている。

【００１０】この発明によれば、前記の大容積のエアタ
ンク内に蓄えられた高圧エアによってカウンタバランス
用の前記エアシリンダを駆動することにより、このエア
シリンダを前記移動体の高速・高加速度の移動に追従さ
せることができ、この移動体に対するカウンタバランス
機能を充分に果たすことができる。またエアは圧縮性を
有することから、移動体の高速・高加速度化あるいはサ
ーボ系のハイゲインの妨げにならない。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載のシ
リンダ装置であって、前記エアタンクとエアシリンダと
を連通させているエア経路は大気に対して密閉状態にな
っている。これによってエアタンクには洩れ分のエアを
補給するだけでよく、それによってエネルギーを節約で
きる。

【００１２】請求項３記載の発明は、ピストンの外周に
第１環状溝が形成されているとともに、このピストンの
外周面に前記第１環状溝を覆うように弾性を有する環状
の第１シール部材が取り付けられ、しかも前記第１環状
溝に加圧流体が充填されている。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項２記載のシ
リンダ装置であって、ピストンに結合されたピストンロ
ッドが挿通されているシリンダ本体の内周面に第２環状
溝が形成されているとともに、このシリンダ本体の内周
面に前記第２環状溝を覆うように弾性を有する環状の第
２シール部材が取り付けられ、しかも前記第２環状溝に
加圧流体が充填されている。

【００１４】前記の請求項３，４記載の発明によれば、
シリンダ装置におけるピストンとシリンダチューブある
いはシリンダ本体とピストンロッドとの間のシール性能
が高められ、このシリンダ装置をカウンタバランスとし
て用いた場合には、移動体の高速・高加速度の移動に対
してより適正に追従できる。また前記シール部材はその
食い込みがなく、それによってピストンの摺動砥抗が低
減されるとともに、ピストンの移動方向にかかわらず、
摺動抵抗が同じになる。さらにシール部材は、前記加圧
流体により全周にわたって均等な力が加えられるため、
シール部材の撓みが均一化されてピストンの移動が円滑
となる。

【００１５】請求項５記載の発明は、請求項２又は３記
載のシリンダ装置であって、前記第１環状溝または第２
環状溝に連通する連通孔を塞ぐように設けられた栓部材
をその連通孔の軸線方向へ移動させることにより、前記
加圧流体の内圧を上昇させて前記第１シール部材または
第２シール部材を弾性的に撓ませることが可能になって
いる。

【００１６】この発明では、前記栓部材を移動操作する
ことによって前記加圧流体の内圧を調整でき、結果的に
シール部材の摺動砥抗を任意に変えることができる。し
たがってシール機能を損なわない範囲で摺動抵抗を最小
限に抑えることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１はマシニングセンタ等の工作機械の概要を表
した正面図、図２は同じく工作機械の背面図、図３は図
１のＡ−Ａ線断面図である。これらの図面で示すように
工作機械の枠組み構造は、ベース１０の上面にフレーム
１２が組み付けられた構成となっている。なおベース１
０の前面側にはワークを載せるためのテーブル（図示
外）が設けられている。

【００１８】前記フレーム１２の内部空間に配置された
ガントリ１６は縦長の枠形状をしているとともに、ベー
ス１０及びフレーム１２に対して工作機械の左右方向
（以下、Ｘ軸方向という）へ移動可能に支持されてい
る。つまりベース１０の上面に設けられた一対のレール
１４とフレーム１２の上部前面に設けられた単一のレー
ル１５とに対し、ガントリ１６の各ベアリングブロック
１８がそれぞれＸ軸方向へスライド自在に係合してい
る。また図３で示すようにベース１０及びフレーム１２
とガントリ１６とのそれぞれの間には、ガントリ１６を
Ｘ軸方向へ高速で駆動するためのＸ軸用リニアモータ２
０が配置されている。これらのＸ軸用リニアモータ２０
は、ガントリ１６に固定されたコイル固定子２１と、ベ
ース１０及びフレーム１２に固定されたマグネット２２
とを備えた周知の構成となっている。

【００１９】前記ガントリ１６の内部空間に配置された
サドル２４は、その前後両面が開放された箱形をしてお
り、ガントリ１６に対して工作機械の鉛直軸に沿った方
向（以下、Ｙ軸方向という）へ移動可能に支持されてい
る。すなわちガントリ１６の左右両側の内面にそれぞれ
前後一対ずつ設けられたレール２６に対し、サドル２４
の各ベアリングブロック２８がＹ軸方向へスライド自在
に係合している。しかもガントリ１６の左右両側の内面
には、サドル２４をＹ軸方向へ高速で駆動するためのＹ
軸用リニアモータ３０が、図３で示すように前後一対の
レール２６の間において配置されている。なおＹ軸用リ
ニアモータ３０についてもサドル２４に固定されたコイ
ル固定子３１と、ガントリ１６に固定されたマグネット
３２とを備えている。

【００２０】前記サドル２４の内部空間に配置された角
柱形状のラム３４は、工作機械の前後方向（以下、Ｚ軸
方向という）へ移動可能に支持されている。すなわちラ
ム３４の下面に２本、上面に１本設けられた計３本のレ
ール３８と、サドル２４の内側の対応箇所に設けられた
ベアリングブロック４０とがＺ軸方向へスライド自在に
係合している。このラム３４の下面とサドル２４の内側
との間には、ラム３４をＺ軸方向へ高速で駆動するため
のＺ軸用リニアモータ４２が図１で示すように配置され
ている。このＺ軸用リニアモータ４２は、ラム３４の下
面に固定されたコイル固定子４３と、サドル２４の内側
に固定されたマグネット４４とを備えている。

【００２１】また前記ラム３４の前端部には、例えばフ
ライスカッタ等の回転切削工具（図示外）を取り付ける
ための主軸３６がＺ軸の軸線回りに回転可能に支持され
ている。なおラム３４は、主軸３６に回転駆動を与える
ためのビルトインモータ（図示外）を備えている。

【００２２】前記サドル２４、ラム３４及び工具を含む
主軸３６と、これらの関連部材（以下、便宜的に「サド
ル２４等」ともいう）は、ガントリ１６に対して前記の
Ｙ軸用リニアモータ３０によりＹ軸方向へ高速で駆動さ
れ、このサドル２４等が本発明でいうところの「移動
体」に相当する。そこで、このＹ軸用リニアモータ３０
の駆動に対する「移動体」の重力の影響を除去するため
のカウンタバランス用のシリンダ装置について説明す
る。

【００２３】図２，３で示すように工作機械の背面側に
おけるガントリ１６の両側部にはブラケット１７がそれ
ぞれ固定されていて、これらのブラケット１７には個々
にエアシリンダ５０が取り付けられている。そして両エ
アシリンダ５０におけるピストンロッド６２の先端部
は、前記サドル２４に固定したブラケット２５に結合さ
れている。したがって、これらのエアシリンダ５０は、
Ｙ軸方向に関する「移動体」であるサドル２４等と「不
動部材」であるガントリ１６との間で作動力を発揮する
ように設けられている。

【００２４】図４に両エアシリンダ５０のエア回路図が
示されている。このエア回路のエア源９２としては、一
般の工場内で使用されるエア圧（2.5Kgf/cm ²）を利用
するものとする。そこでエア源９２のエア圧を増圧弁９
４，９６によって二段階（5Kgf/cm ²→10Kgf/cm²）に
増圧した後、エアタンク９０に蓄える。このエアタンク
９０は、前記の両エアシリンダ５０のシリンダ室の容積
に比べて著しく大きな容積（例えば200 リットル程度）
をもち、その内部と個々のエアシリンダ５０のシリンダ
室とは大気に対して密閉状態のエア経路によって直結さ
れている。なお前記エア源９２に、前記の工場エアに代
えて高圧コンプレッサーによる高圧エアを使用すれば前
記の増圧弁９４，９６は不要となる。

【００２５】前記の両エアシリンダ５０における個々の
ピストン６０の移動によるシリンダ室の容積変化は、前
記エアタンク９０、エアシリンダ５０及びこれらを連通
させている配管の総容積から見れば無視できる程度に小
さい。したがってピストン６０の移動によるエア圧の変
化も無視できる程度であり、このエア圧に基づいてピス
トン６０に作用する力（押し上げ力）はピストン６０の
位置に関係なくほぼ一定となる。そこでエア圧と両エア
シリンダ５０におけるピストン６０の受圧面積とを適切
に選定することにより、これらのピストン６０の押し上
げ力を前記サドル２４等の重量とバランスさせることが
できる。

【００２６】図５は一つのエアシリンダ５０を拡大して
表した断面図である。この図面で示すようにエアシリン
ダ５０は、シリンダ本体５２にシリンダチューブ５４の
一端部が結合され、シリンダチューブ５４の他端部にシ
リンダキャップ５６が結合された構成となっている。そ
してシリンダチューブ５４の内部にはピストン６０が移
動可能に位置しているとともに、このピストン６０に結
合されたピストンロッド６２はシリンダ本体５２の軸心
部を貫通している。

【００２７】前記ピストンロッド６２は、その軸線に沿
った方向への移動を円滑にするためにシリンダ本体５２
の内部においてストロークベアリング６４で案内される
ようになっている。またシリンダ本体５２の内部におい
てストロークベアリング６４と隣接する箇所には、ピス
トン６０が定位置に移動したときにピストンロッド６２
を拘束するためのブレーキ室６６が設けられている。

【００２８】シリンダ本体５２にはピストン６０の下側
のシリンダ室に連通したエア出入り口５３が形成されて
おり、このエア出入り口５３には前記エア源９２に接続
される。また前記シリンダキャップ５６にはピストン６
０の上側のシリンダ室に連通し、かつ図４で示すサイレ
ンサ５８を通じて大気に開放されたエア出入り口５７が
形成されている。

【００２９】図５の仮想線の円Ｂで囲まれた部分を拡大
して表した図６からも明らかなように前記ピストン６０
の外周には、その軸線方向のほぼ中央において第１環状
溝７０が形成されている。そしてピストン６０の外周面
には第１環状溝７０の外周開口部を覆うように環状の第
１シール部材７２が取り付けられている。この第１シー
ル部材７２は、つぎに説明する第２シール部材８２と共
にテフロンなどの弾性を有する素材が使用されている。

【００３０】またピストン６０の端面（下端面）には、
前記第１環状溝７０に連通する連通孔７４が円周方向に
沿って複数個形成されている。これらの連通孔７４には
それぞれを塞ぐように栓部材７６が設けられており、各
栓部材７６はそれぞれの外周と連通孔７４の内周とに形
成されているネジによって連通孔７４の軸線方向への移
動調整が可能となっている。さらに前記の第１環状溝７
０には加圧流体（油）が充填されている。そこで栓部材
７６を第１環状溝７０の側へ移動させることにより、こ
の第１環状溝７０の内部の油圧が上昇して前記第１シー
ル部材７２の中央部分が外方へ膨らんだ状態に弾性変形
する。これによって第１シール部材７２がシリンダチュ
ーブ５４の内周面に均等に接触し、シリンダチューブ５
４とピストン６０との間のシール機能を果たすこととな
る。

【００３１】図５の仮想線の円Ｃで囲まれた部分を拡大
して表した図７からも明らかなように前記ピストンロッ
ド６２が挿通されているシリンダ本体５２の内周には第
２環状溝８０が形成されているとともに、このシリンダ
本体５２の内周面には第２環状溝８０の内周開口部を覆
うように第２シール部材８２が取り付けられている。ま
たシリンダ本体５２には、その外周から第２環状溝８０
に連通する連通孔８４が形成され、この連通孔８４には
それを塞ぐように図５で示す栓部材８６が設けられてい
る。

【００３２】前記栓部材８６についても第１環状溝７０
の栓部材７６と同様にネジによって連通孔８４の軸線方
向（径方向）への移動調整が可能であるとともに、第２
環状溝８０の内部にも加圧流体（油）が充填されてい
る。そこで栓部材８６を第２環状溝８０の側（中心側）
へ移動させることにより、この第２環状溝８０の内部の
油圧が上昇して第２シール部材８２の中央部分が内方へ
膨らんだ状態に弾性変形する。これによって第２シール
部材８２がピストンロッド６２の外周面に均等に接触
し、シリンダ本体５２とピストンロッド６２との間のシ
ール機能を果たすこととなる。

【００３３】前記工作機械によるワークの切削加工時に
は、前記ラム３４に支持されて回転駆動している主軸３
６が前記Ｘ軸用リニアモータ２０、Ｙ軸用リニアモータ
３０、及びＺ軸用リニアモータ４２によってＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸の各方向へ高速で駆動される。そして前記主軸
３６を含めてＹ軸方向（上下方向）へ高速で駆動される
サドル２４等（移動体）は、その重力の影響がカウンタ
バランス用の両エアシリンダ５０によって除去される。

【００３４】つまりサドル２４等のＹ軸方向への移動に
連動するエアシリンダ５０のピストン６０に対しては、
すでに説明したようにエアタンク９０に蓄えられている
高圧エアによって一定の押し上げ力が作用しており、こ
の力が前記サドル２４等の重量とバランスすることとな
る。そしてピストン６０の移動によるシリンダ室の容積
変化に比べて前記エアタンク９０は大容積であることか
ら、サドル２４等の高速・高加速度の移動にピストン６
０を追従させることができ、適正なカウンタバランス機
能を果たすことができる。

【００３５】またエアシリンダ５０とエアタンク９０と
を連通させているエア経路には切り換えバルブやその他
の機器が不要であり、このエア経路は大気に対して密閉
状態になっている。このためエアタンク９０に対しては
エア回路において不可避のエア洩れ分をエア源９２から
補給するだけでよく、エネルギーの節約につながる。な
おエアは油と違って圧縮性を有することから、エアシリ
ンダ５０におけるシリンダ室の容積変化によってもエア
圧がほとんど変化せず、結果的にサドル２４等の高速・
高加速度化に対応できる。

【００３６】前記エアシリンダ５０については、そのシ
リンダチューブ５４とピストン６０との間あるいはシリ
ンダ本体５２とピストンロッド６２との間が前記のよう
なシール構造となっているため、個々のシール性が高
い。また前記第１シール部材７２及び第２シール部材８
２はそれぞれの中央部分が膨らんだ状態に弾性変形して
いるため、食い込みがなく、ピストン６０の摺動砥抗が
低減されるとともに、その移動方向にかかわらず摺動抵
抗が同じになる。

【００３７】さらに前記の各シール部材７２，８２は、
第１環状溝７０及び第２環状溝８０に充填されている油
の圧力により全周にわたって均等な力が加えられるた
め、個々の撓みが均一化されてピストン６０の移動が円
滑となる。なお各環状溝７０，８０内の油の圧力は、前
記の栓部材７６，８６を移動操作することによって調整
できるので、各シール部材７２，８２による摺動砥抗を
任意に変えることができる。この結果、例えばシール機
能を損なわない範囲で摺動抵抗を最小限に抑えることも
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】工作機械の概要を表した正面図。

【図２】同じく工作機械の背面図。

【図３】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図４】エアシリンダのエア回路図。

【図５】エアシリンダ５０を拡大して表した断面図。

【図６】図５の仮想線の円Ｂで囲まれた部分を表した拡
大図。

【図７】図５の仮想線の円Ｃで囲まれた部分を表した拡
大図。

【符号の説明】

１６ガントリ（不動部材）５０エアシリンダ６０ピストン６２ピストンロッド７０第１環状溝７２第１シール部材７４連通孔７６栓部材８０第２環状溝８２第２シール部材８４連通孔８６栓部材９０エアタンク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工作機械の鉛直軸に沿った方向へ高速で
駆動される移動体の重力の影響を除去するためのカウン
タバランス用のシリンダ装置であって、前記移動体と鉛直軸に沿った方向に関する不動部材との
間で作動力を発揮するようにエアシリンダが設けられ、
このエアシリンダのシリンダ室の容積に比べて大容積の
エアタンク内に高圧エアが蓄えられているとともに、こ
のエアタンクと前記エアシリンダとを連通させているこ
とを特徴とするシリンダ装置。
【請求項２】請求項１記載のシリンダ装置であって、前記エアタンクとエアシリンダとを連通させているエア
経路は大気に対して密閉状態になっていることを特徴と
するシリンダ装置。
【請求項３】ピストンの外周に第１環状溝が形成され
ているとともに、このピストンの外周面に前記第１環状
溝を覆うように弾性を有する環状の第１シール部材が取
り付けられ、しかも前記第１環状溝に加圧流体が充填さ
れていることを特徴とするシリンダ装置。
【請求項４】請求項３記載のシリンダ装置であって、
ピストンに結合されたピストンロッドが挿通されている
シリンダ本体の内周面に第２環状溝が形成されていると
ともに、このシリンダ本体の内周面に前記第２環状溝を
覆うように弾性を有する環状の第２シール部材が取り付
けられ、しかも前記第２環状溝に加圧流体が充填されて
いることを特徴とするシリンダ装置。
【請求項５】請求項３又は４記載のシリンダ装置であ
って、前記第１環状溝または第２環状溝に連通する連通
孔を塞ぐように設けられた栓部材をその連通孔の軸線方
向へ移動させることにより、前記加圧流体の内圧を上昇
させて前記第１シール部材または第２シール部材を弾性
的に撓ませることが可能になっていることを特徴とする
シリンダ装置。