JPS6337189Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、空気圧により駆動する回動腕平衡駆
動装置に関するものである。

［従来の技術］ 工業用ロボツト等の装置においては、電動機等
の回動駆動機により鉛直面内で回動腕を回動させ
る機構が多用される。このような機構において
は、回動腕の自重及びワーク等の付属機構の重量
に基づくモーメントが負荷として駆動機に作用
し、そのため大能力の駆動機が必要である。ま
た、回動腕の回動角度の変化に伴つて負荷の大き
さが刻々と変化するので、回動速度の制御（等速
制御、加減速制御）や任意位置での停止等の挙動
制御が極めて困難であつた。

この問題を解決するために、回動腕に、該回動
腕に作用する負荷を軽減相殺する平衡シリンダを
設けたものが、特開昭52−79468号公報によつて
提案されている。

しかしながら、上記既提案の平衡駆動装置は、
平衡シリンダの圧力作用室に、圧油と、アキユム
レータに封入させた圧縮性流体とを作用させてい
るために、２種の異なる圧力源が必要で、圧力流
体供給のための構成が複雑になる。

また、この平衡駆動装置を圧縮性流体（例えば
圧縮空気）のみによつて駆動させようとすると、
圧縮空気が圧油に比べてリークし易いために、長
時間停止させた場合、リークによる圧力作用室の
流体圧の喪失によつて、回動腕が所定の範囲以上
に回動したり、或いは平衡シリンダが負荷軽減機
能を喪失したりするという新たな問題が生ずる。

［考案が解決しようとする問題点］ 本考案は、空気源と平衡シリンダの圧力作用室
との間に、該圧力作用室の最大設定圧を補償する
補償流路を設けたことによつて、回動腕の位置に
拘わりなく容易且つ確実に挙動制御することので
きる回動腕平衡駆動装置を、長時間の停止後にお
いても支障なく駆動させることを、解決すべき問
題点とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本考案の回動腕平衡
駆動装置は、基台上の回転駆動機により鉛直面内
で回転可能に支持した回動腕と、上記駆動機の回
転軸に平行な平衡回動軸と上記回動腕との間にそ
れぞれ回転可能に取付けて、該回動腕に作用する
負荷を軽減相殺する平衡シリンダとを備え、上記
平衡シリンダにおける負荷に対抗する側の圧力作
用室に、上記回転駆動機の駆動力を略一定化する
ための付勢力を与える圧縮空気を封入し、空気源
と上記圧力作用室の間に、圧力作用室の最大設定
圧力を補償する減圧弁と上記回動腕の最大モーメ
ント位置において開放する開閉弁とを直列に接続
した最大圧力補償回路を設けたことを特徴とする
ものである。

［作用］ 上記回動腕平衡駆動装置は、負荷によつて回動
腕に作用するモーメントが大きい回動装置におい
ては、平衡シリンダにおける圧力作用室内の空気
が圧縮されて、回動腕にそのモーメントを軽減す
る大きな付勢力が与えられ、また回動腕に作用す
るモーメントが小さい回動位置においては、圧力
作用室内の空気圧が低下して、回動腕に小さい付
勢力が与えられ、従つて圧力作用室内の圧縮空気
によるモーメントの軽減相殺により回動腕の回動
位置にかかわらず回転駆動機の駆動力を略一定化
することができる。

また、空気源と圧力作用室の間に、圧力作用室
の最大設定圧力を補償する減圧弁と上記回動腕の
最大モーメント位置において開放する開閉弁とを
直列に接続した最大圧力補償回路を設けたことに
より、リークによる空気圧の低下によつて回動腕
が回動しても、回動腕の最大モーメント位置にお
いて開閉弁が補償回路を開放して圧力作用室の空
気圧を最大設定空気圧に上昇させるので、回動腕
の所定の範囲以上の回動、及び平衡シリンダの負
荷軽減作用の喪失を防止することができる。

［考案の効果］ 本考案によれば、高級なセンサや高速応答弁機
構を組合わせた倣い制御等によることなく、空気
の持つ圧縮性という基本的な性質に基づいて、回
動腕を小能力の駆動機で軽快に駆動することがで
き、さらに圧力作用室に封入した空気の圧縮性を
活用する機構を採用したので、構成が簡素で、応
答が確実にして高信頼性の装置を、省エネルギー
形のものとして得ることができる。

また、圧力空気のみによつて平衡シリンダを駆
動するものでありながら、空気源と圧力作用室の
間に圧力作用室の最大設定圧力を補償する減圧弁
と回動腕の最大モーメント位置において開放する
開閉弁とを直列に接続した最大圧力補償回路を設
けたことにより、長時間の停止により圧力作用室
に封入した圧縮空気がリークしても、回動腕の最
大モーメント位置において開放する開閉弁によつ
て圧力作用室に圧縮空気が補給されるので、圧縮
空気の封入によつて省エネルギーを計つたもので
ありながら、回動腕の所定範囲以上の回動や負荷
軽減機能の喪失を確実に防止することができる。

以下に本考案の実施例を図面を参照しながら詳
細に説明する。

第１図及び第２図において、１は基台、２は基
台１上に固定した電動機等の回転駆動機、３はそ
の回転軸、４は下端が回転軸３に固定された回動
腕であり、上記回動腕４を駆動機２によつて鉛直
面内において第１図に実線で示した位置と鎖線で
示した位置との間で往復回動可能に構成してい
る。また、５は基台１上に垂直に立設した支持部
材で、実質的に基台１の一部を構成するものであ
り、６は平衡シリンダで、その筒体７の端部を支
持部材５の上端において平衡回動軸８のまわりに
回動可能に支持させると共に、ピストン９を備え
たロツド１０の先端を回動腕４の上端において回
動軸１１のまわりに回動可能に連結している。さ
らに、１２は平衡シリンダ６における圧力作用室
１３の容積を増大するために付設した容積体、１
４，１５は回動腕４の回動位置を検出するメカニ
カル弁、１６は負荷を示し、回動腕４の自重及び
ワーク等の付属機構の重量を総合して回動軸１１
に等価集中させた場合の負荷をＷで示している。

而して、上記平衡シリンダ６の圧力作用室１３
には、負荷によつて回動腕４に作用するモーメン
トを軽減相殺するための圧縮空気を封入してい
る。

上記構成の装置において、回動腕４が第１図に
実線で示す位置にある場合には、回動腕４を回軸
軸３のまわりに時計方向に回転させようとする負
荷１６によるモーメントが、該回動腕４を反時計
方向に回転させようとする平衡シリンダ６による
モーメントで相殺軽減され、駆動機２には負荷１
６によるモーメントが僅かしか作用しない。

この位置から回動腕４を駆動機２によつて反時
計方向に回動させると、回動腕４が略鉛直状態と
なるまで、平衡シリンダ６はそのロツド１０を短
縮させながら平衡回動軸８のまわりに反時計方向
に回動し、やがて回動腕４と同様に略鉛直な状態
となる。上記ロツド１０の短縮に伴つてピストン
９は圧力作用室１３の容積を増大させ、圧力作用
室１３の圧力は低下するが、負荷によつて回動腕
４に作用するモーメントも回動腕４の回動に伴つ
て低下するので、駆動機２は回動腕４の回動位置
に拘わらず略一定の駆動力で駆動すればよい。

さらに、回動腕４を略鉛直な位置から第１図に
鎖線で示す位置に向けて反時計方向に回動する
と、平衡シリンダ６はロツド１０を伸張させなが
ら平衡回動軸８のまわりに反時計方向に回動す
る。上記ロツド１０の伸張に伴つてピストン１０
が圧力作用室１３の容積を減少させるが、圧力作
用室１３の空気は封じ込められたままであるため
徐々に昇圧し、次第に増大する負荷１６によるモ
ーメントが相殺軽減され、、駆動機２は略一定の
駆動力で駆動すればよい。

回動腕４が上記鎖線で示す位置から実線で示す
位置に時計方向に回動する場合も、上記と同様に
挙動する。

このように、回動腕４がいずれの回動位置にあ
つても負荷１６によるモーメントが平衡シリンダ
によつて軽減相殺され、そのため回動腕４は小能
力の駆動機２によつて駆動することができる。次
に、上記第１図及び第２図に示す装置の動作を、
実際の数値を当てはめて説明する。

上記装置における諸元を、第１図に示すよう
に、 Ｌ：回動腕４の長さ ｌ：平衡回動軸８と回動軸１１との間の距離 θ：回動腕４が水平面となす角度 γ：回動腕４とロツド１０との間の角度 ｘ：回転軸３と平衡回動軸８との間の距離 Fs：平衡シリンダ６の推力 とすると、駆動機２には、負荷１６の重量Ｗが、 Ｍ＝Ｌ×Ｗ cosθ なるモーメントＭとして作用し、例えば、Ｌ＝１
ｍ，Ｗ＝160kgf、θ＝40゜〜140゜とすれば、 θ＝40゜で、Ｍ＝120kgf・ｍ θ＝60゜で、Ｍ＝ 80kgf・ｍ θ＝80゜で、Ｍ＝ 28kgf・ｍ となる。

上記装置は、平衡シリンダ６によつて上記モー
メントＭを可及的に小さい値で略一定になるよう
に軽減相殺しようとするものであり、そのために
平衡シリンダ６に要求される推力Fsは、 Fs＝Ｗcosθ／sinγ ……(1) γ＝tan^-1｛sin（90゜＋θ）／１／Ｘ＋cos（90
゜＋θ）｝ であるから、該シリンダ６のピストン９の直径Ｄ
は、圧力作用室１３に供給封入される圧縮空気圧
力Ｐに対して、 Ｄ＝√（４・・） である。例えば、Fs.max＝Fs（θ＝40゜）とし、
Ｐを空気源が供給しうる５［kgf／cm²］以下の圧
力、ｘ＝0.5ｍとすれば、Ｄ＝φ100mm（ロツド10
の径ｄ＝φ30mm）になる。また、 ｌ（θ） ＝√²＋²−2・（90゜−） であるから、上記平衡シリンダ６の筒体７内でピ
ストン９が移動するストロークZ₀は、 Z₀＝lmax−lmin ＝ｌ（40゜）−ｌ（90゜）＝280mm に設定され、かつ平衡回動軸８の位置する点をピ
ストン９の最縮小端とすれば、ロツド１０の長さ
は ｌ（40゜）＝500mm に設定される。

また、圧縮空気が封入される圧力作用室１３の
容積は、 θ＝40゜のとき最小値V₀（圧力Ｐ＝P₁） θ＝90゜のとき最大値V₀＋V₁（圧力Ｐ＝P₂） ただし、V₁はピストンのストロークZ₀に伴う
可変容積 をとり、連続的に変化する。即ち、上記装置は圧
力作用室１３の容積変化に伴う封入圧縮空気の圧
縮・膨張を活用して前記必要推力Fsを発生せし
め、それによつて負荷によるモーメントを相殺軽
減しようとするものである。

圧力作用室１３における封入圧縮空気の容積対
圧力変化は、状態式から、 V₁／V₀＝P₁−P₂／P₂＋1.033 ……(2) であり、また発生推力Fcは、 Fc＝π／４（D²−d²）・Ｐ ……(3) である。而して、圧力作用室１３の内圧Ｐは、上
記容積がV₀の時最大（第１設定圧力P₁）、容積が
V₀＋V₁の時最小（第２設定圧力P₂）となる。

上記P₁は、 ［(1)式のFs.max］＝［(3)式のFc.max］ として、またP₂は、 ［(1)式のFs.min］＝［(3)式のFc.min］ としてそれぞれ決められ、さらに(2)式からV₀が
決定される。試算例では、θ＝40〜90゜として、
V₀＝5lとなる。

また、P₁とP₂との間で微調整される圧力作用
室内の圧力Ｐは、 （Fs−Fc）→±０ となるように試行して再調整し、且つ上記V₀も
再修正して最終的に決定される。

このようにして諸元を決定することにより、上
記装置における駆動機２に作用する負荷は、 ｆ ＝Ｌ×｛Ｗ cosθ−Fc sinγ｝kgf・ｍ に軽減相殺される。試算例においては、 θ＝40゜で、P₁＝3.5［kgf／cm²］ θ＝90゜で、P₂＝2.2［kgf／cm²］ として、θ＝40〜90゜間における負荷は、第３図
に示すように、 ｆ＝±2kgf・ｍ となり、前記122〜28kgf・ｍ（θ＝40〜80゜）に比
して飛躍的に軽減且つ均一化された。

また、ｘ＝0.3ｍとした場合には、 Ｄ＝φ125mm Z₀＝140mm V₀＝10l P₁＝3.98kgf／cm² P₂＝3.31kgf／cm² f.max＝0.55kgf・ｍ f.min＝−0.04kgf・ｍ となり、この場合には、ｘを小さくして平衡回動
軸８を駆動機の回転軸３に近づけたので、平衡荷
重レベルが大きくなり、平衡シリンダの径を大き
く設定したが、可変ストロークは小さくなり、そ
の分ロツドが長くなつた。そのため、装置の寸法
上、第４図に示すように、平衡シリンダ３６にお
ける筒体３７のロツド側をトラニオン方式で支持
部材３５上の平衡回動軸３８に連結するのが好ま
しい。

また、装置全体の配設バランスから、第５図に
示す如く、平衡シリンダ４６におけるロツド５０
の先端を平衡回動軸４８に、筒体４７を回動腕４
４の先端の回動軸５１に取付けることもできる。

前記第１図及び第２図に示す実施例において
は、平衡回動軸８を回転軸３の鉛直上方に設けた
が、この位置は回動腕４を鉛直線を挟んで対称に
揺動させる場合に好適である。而して、回動腕４
の揺動範囲は非対称状態とすることができ、その
場合には、第６図に示すように、平衡回動軸５８
を設ける位置を適宜位置へずらすことができる。

さらに、上記第１図及び第２図に示す実施例に
おいては、平衡シリンダ６におけるロツド側の圧
力室を圧力作用室として用い、引込み方向に付勢
されるロツド１０により負荷１６に対して平衡さ
せるようにしているが、第７図に示すように、ヘ
ツド側の圧力室を圧力作用室７３とし、ロツド６
０を伸張方向に付勢することもでき、この場合に
は、平衡シリンダ６６を回動可能に支持する平衡
回動軸６８は回転軸６３と回動軸７１を結ぶ線よ
りも下側に位置することになる。

第８図は、上記平衡シリンダに接続する空気圧
回路の一例を示すものである。同図において、６
は前記平衡シリンダを示し、その圧力作用室１３
と空気源２１との間を互いに並列な２つの流路２
２，２３で接続し、一方の流路２２に前記第２設
定圧P₂を出力する減圧弁２４及び逆止弁２５を
接続すると共に、他方の流路２３に互いに並列に
前記メカニカル弁１４，１５及び第２の設定圧
P₁を得るための減圧弁２６を接続し、これを圧
縮時最高圧力P₁の補償回路としている。

上記空気圧回路において、減圧弁２４は圧力作
用室１３を常に第２の設定圧P₂に維持するもの
であり、また減圧弁２６は回動腕４が第１図の実
線位置において長時間停止する場合に、平衡シリ
ンダ６からのリーク等により封入空気が所定の圧
力P₁より低下するのを防止するためのものであ
る。さらに、上記メカニカル弁１４，１５は、回
動腕４がその回動範囲の両端のいずれかに位置す
ることを検出するものである。

上記メカニカル弁１４，１５は、電気的なリミ
ツトスイツチとそれによつて作動する電磁切換弁
で構成することもできる。

なお、上記流路２２における減圧弁２４として
ノンリリーフ形のものを用いることもでき、その
場合には逆止弁２５を省略可能である。

さらに、第８図に鎖線で示すように、上記流路
２２における逆止弁２５に代えて、メカニカル弁
２７を接続し、それをピストン９の左行ストロー
ク端、即ち回動腕４の鉛直位置への到達時に作動
するように設置することもでき、それにより、ピ
ストン９の左行ストローク中に何らかの原因によ
り圧力作用室１３の圧力が第１の設定圧P₁を越
えた場合においても、メカニカル弁１４，１５の
一方が作動するのを待つことなく、ピストン９が
左行ストローク端に達した際に、圧力作用室１３
の圧力を流路２２における減圧弁２４を通じて第
２設定圧P₂となるまでリリーフ排気させること
ができる。

なお、上記実施例においては平衡シリンダ６に
別体の容積体１２を付設したが、筒体７の筒長を
伸ばすだけで後述する所要の容積を確保できる場
合には、それを付設する必要がないのは当然であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例の正面図、第２図はそ
の側面図、第３図は上記実施例の効果を示す線
図、第４図〜第７図は本考案のそれぞれ異なる他
の実施例の正面図、第８図は空気圧回路の構成図
である。 １……基台、２……回転駆動機、３，６３……
回転軸、４，４４……回動腕、６，３６，４６，
６６……平衡シリンダ、８，３８，４８，５８，
６８……平衡回動軸、９……ピストン、１０，５
０，６０……ロツド、１３，３３，７３……圧力
作用室、１６……負荷。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 基台上の回転駆動機により鉛直面内で回転可能
   に支持した回動腕と、上記駆動機の回転軸に平行
   な平衡回動軸と上記回動腕との間にそれぞれ回転
   可能に取付けて、該回動腕に作用する負荷を軽減
   相殺する平衡シリンダとを備え、上記平衡シリン
   ダにおける負荷に対抗する側の圧力作用室に、上
   記回転駆動機の駆動力を略一定化するための付勢
   力を与える圧縮空気を封入し、空気源と上記圧力
   作用室の間に、圧力作用室の最大設定圧力を補償
   する減圧弁と上記回動腕の最大モーメント位置に
   おいて開放する開閉弁とを直列に接続した最大圧
   力補償回路を設けたことを特徴とする回動腕平衡
   駆動装置。