JPWO2008105080A1 - プル型ガスバランサ - Google Patents

Abstract

機械装置の外面に露出する機枠壁面に垂直に装備されるプル型ガスバランサが、記機枠壁面と直交方向向きのプッシュ型ガススプリングと、ガススプリングと平行な少なくとも１対のタイバーとそれらの両端部の１対の連結板とを有する可動枠であって、機枠壁面と干渉せずに前記タイバーと平行方向へ移動可能な可動枠と、機枠壁面に垂直に固定された１対の脚部とこれら脚部の端部を連結する架橋板とを含む門形の脚部材とを備え、可動枠の１対の連結板のうち機枠壁面までの距離が大きい方の連結板と脚部材の架橋板との間にプッシュ型ガススプリングを装着し、このガススプリングの付勢力により可動枠を機枠壁面から離隔する方向へ付勢するように構成した。

Description

本発明は、プッシュ型ガススプリングを組み込んだプル型ガスバランサに関し、特に、工作機械の主軸を装備した主軸ユニットを昇降駆動する昇降駆動手段の負荷を軽減する主軸バランサとして好適なプル型ガスバランサに関する。

従来、種々の機械装置に採用されているガスバランサは、通常機械装置の内部に組み込まれ、機械装置の可動部材、ワーク、工具等の重量の一部叉は全部にバランスする付勢力を発生させることでアシストし、エネルギを節約し、動作速度や応答性を高め、加工精度を向上させることができる。一般に、この種のガスバランサは、シリンダ本体と、このシリンダ本体に摺動自在に装着された出力ロッドと、シリンダ本体の内部に充填された圧縮ガス（窒素ガスなど）を備え、出力ロッドを圧縮ガス圧の付勢力によりシリンダ本体から進出させるプッシュ型ガススプリング、または、出力ロッドをシリンダ本体内部へ退入させるプル型ガススプリングが設けられている。

本願出願人は工作機械用主軸ユニットの為の主軸バランサとして、特許文献１に示すように、主軸ユニットにプッシュ型ガススプリングを組み込んだものを提案し、実用化している。このガスバランサにおいては、主軸ユニットの重量と略等しい付勢力で主軸ユニットを上方へ押し上げることにより主軸ユニットに作用する荷重のバランスをとり、主軸ユニットを昇降駆動する昇降駆動機構の負荷を軽減し、応答性を高めている。

ガススプリングには、プッシュ型ガススプリング以外に、プル型ガススプリングも実用化されており、プル型ガスススプリングを組み込んだプル型ガスバランサも公知である。
特開２００２−２５４２６５号公報

前記特許文献１の主軸バランサのように、プッシュ型ガススプリングを採用するプッシュ型ガスバランサを採用する場合には、主軸ユニットの内部にガスバランサを組み込むために主軸ユニットが大型化すること、既存の工作機械の主軸ユニットにガスバランサを後付け的に設けることができないこと、などの問題がある。

そこで、主軸ユニットにプル型ガスバランサを採用する場合には、既存の工作機械の主軸ユニットにガスバランサを後付け的に設けることができる。しかし、プル型ガススプリングでは、ガススプリングの内部に受圧用のピストンが装備される関係上、ピストンとシリンダ壁面の間をガス密にシールすると共に、ピストンロッドとロッド側端壁との間をガス密にシールする必要があり、シール個所が多くなり、圧縮ガス（例えば、ガス圧７〜１０ＭＰａ）がリークしやすくなり、性能を確保するのが難しくなり、圧縮ガスを頻繁に充填する等メンテナンス費用も高価になる。

上記の説明は、工作機械の主軸バランサを例にして説明したが、一般的な機械装置に、ガスバランサを装備する場合にも、上記とほぼ同様のことが言える。プッシュ型ガスバランサでは、ガスバランサを組み込む形態、組み込む部位などにおいて制約が多くなり、既存の機械装置に適用できない場合が多い。

本発明の目的は、機械装置の可動部（装置部分、ワーク、工具等）に作用する重量などをバランスさせるバランサであって、機械装置の上方や側方のデッドスペースを有効利用して設置可能なプル型ガスバランサを提供すること、プッシュ型ガススプリングを組み込んだプル型ガスバランサを提供すること、などである。

請求項１に係るプル型ガスバランサは、機械装置の外面に露出する機枠壁面に垂直に装備されるプル型ガスバランサにおいて、前記機枠壁面と直交状の軸心とシリンダ本体と出力ロッドと圧縮ガスとを有し且つガス圧により出力ロッドをシリンダ本体から突出する方向へ付勢するプッシュ型ガススプリングと、前記軸心と平行な少なくとも１対のタイバーと、これらタイバーの両端部を夫々連結する１対の連結板とを有する可動枠であって、前記機枠壁面と干渉せずに前記軸心と平行方向へ移動可能な可動枠と、前記機枠壁面に垂直に固定された１対の脚部とこれら脚部の端部を連結する架橋板とを含む門形の脚部材とを備え、前記可動枠の１対の連結板のうち機枠壁面までの距離が大きい方の連結板と前記脚部材の架橋板との間に前記プッシュ型ガススプリングを装着し、このガススプリングの付勢力により可動枠を機枠壁面から離隔する方向へ付勢するように構成したことを特徴としている。

このガスバランサにおいては、プッシュ型ガススプリングの出力ロッドは圧縮ガスにより進出側へ付勢されており、そのプッシュ型ガススプリングの付勢力により、可動枠が機枠壁面から離隔方向へ付勢されるので、機械装置の可動部（装置部分やワークや工具）に可動枠を連結しておくことにより、機械装置の可動部に作用する重量等にバランスする付勢力を発生させてアシストすることができる。

ここで、本発明に係るプル型ガスバランサに、以下のような構成を採用してもよい。
（１）前記ガススプリングはそのシリンダ本体から出力ロッドを機枠壁面の方へ突出させるように配設され、シリンダ本体のヘッド側端壁が前記機枠壁面までの距離が大きい方の連結板に一体的に連結された。

（２）前記ガススプリングはそのシリンダ本体から出力ロッドを機枠壁面と反対側へ突出させるように配設され、前記シリンダ本体のヘッド側端壁が前記脚部材の架橋板に一体的に連結された。
（３）前記ガススプリングのヘッド側端壁に圧縮ガス充填用バルブを組み込む。

（４）前記機械装置は昇降駆動される主軸ヘッドを有する工作機械であり、前記工作機械の主軸ヘッドを上方へ付勢するように構成された。
（５）前記（４）のものにおいて、前記ガスバランサは、工作機械の機枠の上端の機枠壁面に装備された。

請求項１の発明のプル型ガスバランサにおいては、機枠壁面と直交状の軸心を有するプッシュ型のガススプリングの付勢力を、前記軸心と平行な少なくとも１対のタイバーと、これらタイバーの両端部を夫々連結する１対の連結板とを有する可動枠と、門形の脚部材とを介して、可動枠を機枠壁面から離隔する方向へ付勢する付勢力に変換するように構成され、可動枠は機枠壁面と干渉せずに前記軸心と平行方向へ移動可能に構成されている。

それ故、機械装置の上方や側方のデッドスペースを有効活用して、このプル型ガスバランサを設置することができ、既存の機械装置に殆ど改造を加えることなく、容易に適用することができる。プル型ガスバランサでありながら、プッシュ型ガススプリングを組み込んだので、圧縮ガスがリークしにくいため、性能を確保しやすく、圧縮ガスの充填などのメンテナンス費用を低減できる。

請求項２の発明によれば、ガススプリングはそのシリンダ本体から出力ロッドを機枠壁面の方へ突出させる構成にしたため、機械装置の上方空間にこのプル型ガスバランサを設置する場合には、シリンダ本体から出力ロッドが下方へ進出するように設置できるが、この場合、ガススプリングのガス収容室にオイルを充填しておくことで圧縮ガスのリークを防止することができる。ガススプリングのシリンダ本体を可動枠の連結板に一体的に連結したので、シリンダ本体を支持する支持剛性を確保できる。

請求項３の発明によれば、圧縮ガス圧の付勢力によりシリンダ本体から進出される出力ロッドの下端が可動枠の機枠壁面からの距離が大きい方の連結板の受止部に受け止められ、ガススプリングのヘッド側端壁と脚部材の架橋板が一体的に連結されているため、シリンダ本体を支持する支持剛性を確保できる。

請求項４の発明によれば、ガススプリングのヘッド側端壁に圧縮ガス充填バルブを組み込んだので、シリンダ本体内の圧縮ガス圧がリークしても容易に圧縮ガスを充填することができる。

請求項５の発明によれば、機械装置は昇降駆動される主軸ヘッドを有し、プッシュ型ガススプリングの付勢力により、工作機械の主軸ユニットを上方へ付勢するように構成したため、既存の工作機械にこのプル型ガスバランサを適用可能である。

請求項６の発明によれば、このプル型ガスバランサが工作機械の上端部の機枠壁面に装備されるため、既存の工作機械にこのプル型ガスバランサを適用可能である。

本発明の実施例１に係る工作機械とこの工作機械に適用したプル型ガスバランサの正面図である。 前記プル型ガスバランサの斜視図である。 前記プル型ガスバランサの断面図である。 実施例２に係るプル型ガスバランサの断面図である。

符号の説明

１ 工作機械
２ コラム
３ 主軸ユニット
５ プル型ガスバランサ
１１ 機枠壁面
１４ 主軸ヘッド
１６ 連結部
２０ プッシュ型ガススプリング
２１ シリンダ本体
２２ 出力ロッド
４５ 可動枠
４６ タイバー
４７a ，４７b 連結板
４８ 連結部
５０ 脚部材
５１ 架橋板
５２ 脚部
Ｇ 圧縮ガス

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。

以下、本発明をマシニングセンタに適用した場合の実施形態について図面に基づいて説明する。図１に示すように、工作機械１には、コラム２と、コラム２に昇降可能にガイドされた主軸ユニット３と、主軸ユニット３を昇降駆動する昇降駆動機構４等が設けられ、この工作機械１に、主軸ユニット３を支持して昇降駆動機構４の負荷を軽減するプッシュ型ガススプリング２０を含むプル型ガスバランサ５が装備され、このプル型ガスバランサ５はコラム２の上端部に装着されている。

最初に、工作機械１について説明する。
図１に示すように、コラム２の前端部には、主軸ユニット３の昇降をガイドする鉛直ガイドレール１０が設けられ、鉛直ガイドレール１０に主軸ユニット３のケース部材１３の後端部に固着された複数のスライダが摺動自在に係合され、コラム２の上端部の水平な機枠壁面１１には、プル型ガスバランサ５の門形の脚部材５０が連結される。

主軸ユニット３は、ケース部材１３と、このケース部材１３に水平軸回りに回転自在に支持され、前端部に工具１５が着脱可能に装着される主軸ヘッド１４と、この主軸ヘッド１４を回転駆動する電動モータ等を備えている。電動モータはケース部材１３の内部に組み込まれて主軸ヘッド１４に直結されている。ケース部材１３の上端部には、プル型ガスバランサ５が工作機械１から着脱可能に装着できるように連結部１６，４８を介して連結されている。

昇降駆動機構４は、コラム２の上端部に取り付けられた電動モータ１７と、この電動モータ１７に直結されて下方へ延びるボールネジシャフト１８と、ボールネジシャフト１８に螺合されたボールネジナット（図示略）を有する。ボールネジナットは主軸ユニット３に連結され、電動モータ１７によりボールネジシャフト１８が回転駆動されると、ボールネジナットとともに主軸ユニット３が昇降駆動される。

次に工作機械用プル型ガスバランサ５について説明する。
図２、図３に示すように、プル型ガスバランサ５は、工作機械１の外面に露出するコラム２の上端の機枠壁面１１に垂直に装備され、主軸ユニット３を上方から支持して主軸ユニット３の重量とほぼ等しい上方付勢力を主軸ユニット３に作用させて、主軸ユニット３を昇降させる昇降駆動機構４の負荷を軽減させる為のものであり、このプル型ガスバランサ５は、プッシュ型ガススプリング２０と、可動枠４５と、門形脚部５０などで構成されている。

前記可動枠４５は、上下方向向きの４本のタイバー４６と、これらタイバー４６の上端部を連結する水平な連結板４７ａと、これらタイバー４６の下端部を連結する水平な連結板４７ｂとで構成されており、可動枠４５は、機枠壁面１１やコラム２と干渉せずに上下方向に昇降可能に構成されている。門形の脚部材５０は、機枠壁面１１に載置固定される１対の支持板５２ａと、これら支持板５２ａに下端が固着されて機枠壁面１１と垂直に固定される１対の脚部５２と、これら脚部５２の上端部を連結する水平な架橋板５１とを有し、この架橋板５１にガススプリング２０の出力ロッド２２の下端が受け止められる。

プッシュ型ガススプリング２０は、機枠壁面１１と直交状（鉛直向き）の軸心と、圧縮ガスＧ（例えば、７〜１０ＭＰａの圧縮窒素ガス）が充填されたシリンダ本体２１と、圧縮ガス圧によりこのシリンダ本体２１の内部から下方へ進出するように付勢される出力ロッド２２とを有し、出力ロッド２２の下端は架橋板５１の中央部の受止部５３で受け止められている。

シリンダ本体２１は、シリンダ本体２１の上端部にはヘッド側端壁部材２４が溶接接合され、シリンダ本体２１の下端部にはロッド側端壁部材２５が溶接接合され、シリンダ本体２１の内部に圧縮ガスを収容するガス収容室が形成され、このガス収容室に圧縮ガスＧが充填されている。ガス収容室の下端部には、圧縮ガスがリークしないようにリーク隙間をシールする為の潤滑油Ｌが充填されている。

上側の連結板４７ａの長さ方向の中央部には厚肉部２６が形成され、厚肉部２６の下部はヘッド側端壁部材２４に形成された孔に嵌合され、その外周面にはシール部材２７が装着され、ヘッド側端壁部材２４と気密且つ強固に結合され、さらに複数のボルト３０で固定されている。この厚肉部２６がヘッド側端壁部材の一部を構成しており、可動枠４５の１対の連結板４７ａ，４７ｂのうち、機枠壁面１１からの距離が大きい方の連結板４７a はヘッド側端壁部材２４と一体的に構成されている。

前記厚肉部２６には上下に貫通する充填バルブ装着孔２８が形成され、充填バルブ装着孔２８に圧縮ガス充填用の圧縮ガス充填バルブ２９が設けられ、この圧縮ガス充填バルブ２９から圧縮ガスＧがシリンダ本体２１の内部に充填される。

ロッド側端壁部材２５の軸心側部分には、出力ロッド２２が上下に貫通するロッド貫通孔３２が形成され、このロッド貫通孔３２には周壁部を構成する、取り外し可能なスリーブ体３３と、そのスリーブ体３３をロッド側端壁部材２５に固定するための固定部材４１を有し、固定部材４１は複数のボルト４２でロッド側端壁部材２５に固定されている。

このスリーブ体３３と固定部材４１の上端部には、出力ロッド２２との間をガス密にシールする環状シール部材３７ａ，３７ｂが装着され、これら環状シール部材３７ａ，３７ｂの間においてスリーブ体３３の内周部には、筒状の油充填隙間３９が形成され、この油充填隙間３９には潤滑油Ｌが封入されている。固定部材４１にはダストシール３６が装着されている。

各タイバー４６の上端小径部が上側の連結板４７a の角部の孔に挿入されてナット４９により連結板４７a に固定されている。各タイバー４６の下部は脚部材５０の架橋板５１に形成された孔５４をスライド自在に挿通しており、各タイバー４６の下端部が機枠壁面１１から距離が近い方の下側の連結板４７b に固着されている。
連結板４７b の下端部には連結部４８が設けられて、主軸ユニット３のケース部材１３に設けられた連結部１６に連結され、主軸ユニット３と連動連結されている。上側の連結板４７ａと脚部材５０の架橋板５１の間にプッシュ型ガススプリング２０が倒立状に配設される。

脚部材５０は、コラム２に固定され主軸ユニット３を跨いだ門形に構成される。脚部材５０の架橋板５１の中央部には、ガススプリング２０の出力ロッド２２の下端を受け止める受止部５３が形成されている。

次に、このプル型ガスバランサ５の作用及び効果について説明する。
このプル型ガスバランサ５をマシニングセンタ１に取り付けた状態では、図示のようになり、主軸ユニット３を上方へ付勢する付勢力（主軸ユニット３の重量にほぼ等しい）が作用している。即ち、図３に示すように、昇降駆動機構４により主軸ユニット３が下降されると、連結部１６，４８を介してガスバランサ５の可動枠４５も一体になって下降し、連結板４７a にヘッド側端壁部材２４が一体的に構成されるので、ガススプリング２０も同時に下降される。

出力ロッド２２の下端が架橋板５１の受止部５３に圧縮ガス圧の付勢力により押圧されているので、出力ロッド２２がシリンダ本体２１に退入駆動される。このとき、ガススプリング２０の付勢力により門形の脚部材５０に対して可動枠４５が上方へ付勢されるため、主軸ユニット３が上方へ付勢される。

主軸ユニット３が上昇すると、連結部１６，４８を介して可動枠４５も一体になって上昇し、連結板４７a と一体的にシリンダ本体２１も上昇し、架橋板５１に接当している出力ロッド２２がシリンダ本体２１から進出する。シリンダ本体２１には圧縮ガスＧが充填されているので、主軸ユニット３に作用する重量と略等しい付勢の力が可動枠４５を介して主軸ユニット３に作用し、機枠壁面１１から離隔する方向に常時付勢させることができ、主軸ユニット３の荷重のバランスをとり、昇降駆動機構４の負荷を軽減できる。

このガススプリング２０において、出力ロッド２２の摺動により上下１対の環状シール部材３７ａ，３７ｂは磨耗するため、環状シール部材３７ａ，３７ｂを交換する必要が生じる。この環状シール部材３７ａ，３７ｂを交換する際には、主軸ユニット３を上限位置に固定した状態で、圧縮ガスＧを圧縮ガス充填バルブ２９から抜き取り、シリンダ本体２１の内部を大気圧状態にし、ガスバランサ５からガススプリング２０を分離し、ロッド側端壁部材２５の固定部４１とスリーブ体３３を取り外し、新たな環状シール部材３７ａ，３７ｂに交換する。

このプル型ガスバランサ５によれば、主軸ユニット３の重量とほぼ等しい上方向きの付勢力を主軸ユニット３に作用させて昇降駆動機構４をアシストすることができるから、昇降駆動機構４の小型化を図り、主軸ユニット３の昇降の応答性を高めることできる。
しかも、このプル型ガスバランサ５においては、主軸ユニット３の上方のデッドスペースを有効活用して設置することができるから、設置スペース的に有利であり、既設の工作機械に大幅な改造を施すことなく容易にプル型ガスバランサ５を装着可能になった。

可動枠４５と門形の脚部材５０を介して、プッシュ型ガススプリング２０の付勢力をプル型の付勢力に変換しているため、プッシュ型ガススプリング２０を採用可能となった。 そのため、プル型ガススプリングを採用する場合と比較して圧縮ガスを気密にシールするシール個所を半減し、圧縮ガスのリーク量を減らし、性能を確保して信頼性を高め、圧縮ガス充填等のメンテナンス費を低減することができる。

次に、本発明の実施例２について図面に基づいて説明をする。但し、実施例１と同様の構成要素に同様の符号を付して説明を省略する。
図４に示すように、このプル型ガスバランサ５Ａにおいて、プッシュ型ガススプリング２０Ａは、そのシリンダ本体２１から出力ロッド２２を機枠壁面１１と反対側へ突出させるように、連結板４７ａと架橋板５１Ａの間に配設され、シリンダ本体２１のヘッド側端壁部材２４が脚部材５０の架橋板５１Ａに一体的に連結されている。

昇降駆動機構４により主軸ユニット３が下降されると、連結部１６，４８を介して可動枠４５も一体となって下降し、可動枠４５Ａの機枠壁面１１からの距離が大きい方の連結板４７a も下降するので、連結板４７a によって出力ロッド２２が押圧され、シリンダ本体２１に退入される。このとき、主軸ユニット３の重量とほぼ等しい上向きの付勢力がプッシュ型ガススプリング２０Ａによって主軸ユニット３に付加される。

主軸ユニット３が上昇されると、可動枠４５Ａも一体となって上昇し、出力ロッド２２がシリンダ本体２１から進出する。このとき、主軸ユニット３の重量とほぼ等しい上向きの付勢力がプッシュ型ガススプリング２０Ａによって主軸ユニット３に付加される。
このプル型ガスバランサ５Ａにおいても、前記プル型ガスバランサ５と同様の作用、効果が得られる。

次に、前記実施例を部分的に変更する変更例について説明する。
１〕実施例１において、ヘッド側端壁部材と連結板４７ａを個別に構成し、複数のボルト等で両者を固定する構造にしてもよい。
また、実施例２において、ヘッド側端壁部材と架橋板５１Ａを個別に構成し、複数のボルト等で両者を固定する構造にしてもよい。

２〕実施例１、２において、可動枠４５, ４５Ａは、４本のタイバー４６の代わりに少なくとも１対のタイバーを備えた構造でもよい。

３〕実施例１、２において、このプル型ガスバランサ５，５Ａは、工作機械の主軸ユニット３にのみ適用するとは限らず、プレス機械や成形機械、その他の種々の機械装置における可動部（装置部分、ワーク、工具等）に付勢力を作用させるように適用してもよい。
また、プル型ガスバランサ５，５Ａは、機械装置の鉛直の機枠壁面に垂直に、つまり、水平姿勢に設置してもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において前記実施例に種々の変形を付加した形態で実施することができる。

産業上の利用分野

本発明のプル型ガスバランサにより、機械装置の可動部（装置部分、ワーク、工具等）に作用する自重にほぼバランスする付勢力を付加することで、省エネルギと駆動手段の小型化と図り、応答性を高めることができる。

Claims (6)

1. 機械装置の外面に露出する機枠壁面に垂直に装備されるプル型ガスバランサにおいて、 前記機枠壁面と直交状の軸心と、シリンダ本体と、出力ロッドと、圧縮ガスとを有し且つガス圧により出力ロッドをシリンダ本体から突出する方向へ付勢するプッシュ型ガススプリングと、
   前記軸心と平行な少なくとも１対のタイバーと、これらタイバーの両端部を夫々連結する１対の連結板とを有する可動枠であって、前記機枠壁面と干渉せずに前記軸心と平行方向へ移動可能な可動枠と、
   前記機枠壁面に垂直に固定された１対の脚部とこれら脚部の端部を連結する架橋板とを含む門形の脚部材とを備え、
   前記可動枠の１対の連結板のうち機枠壁面までの距離が大きい方の連結板と前記脚部材の架橋板との間に前記プッシュ型ガススプリングを装着し、このガススプリングの付勢力により可動枠を機枠壁面から離隔する方向へ付勢するように構成した、
   ことを特徴とするプル型ガスバランサ。
2. 前記ガススプリングはそのシリンダ本体から出力ロッドを機枠壁面の方へ突出させるように配設され、前記シリンダ本体のヘッド側端壁が前記機枠壁面までの距離が大きい方の連結板に一体的に連結されたことを特徴とする請求項１に記載のプル型ガスバランサ。
3. 前記ガススプリングはそのシリンダ本体から出力ロッドを機枠壁面と反対側へ突出させるように配設され、前記シリンダ本体のヘッド側端壁が前記脚部材の架橋板に一体的に連結されたことを特徴とする請求項１に記載のプル型ガスバランサ。
4. 前記ガススプリングのヘッド側端壁に圧縮ガス充填用バルブを組み込んだことを特徴とする請求項２叉は３に記載のプル型ガスバランサ。
5. 前記機械装置は昇降駆動される主軸ヘッドを有する工作機械であり、
   前記工作機械の主軸ヘッドを上方へ付勢するように構成されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のプル型ガスバランサ。
6. 前記工作機械の機枠の上端の機枠壁面に装備されたことを特徴とする請求項５に記載のプル型ガスバランサ。

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