JP3674338B2

JP3674338B2 - 直動アクチュエータ

Info

Publication number: JP3674338B2
Application number: JP28801598A
Authority: JP
Inventors: 直樹猪貝
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2018-10-09
Also published as: JP2000117666A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｚ軸２軸の間にＸ軸１軸を配置した直交座標系の３軸組合せロボットモジュールなどの直動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の２軸同期型の直動アクチュエータは、例えば図２に示すような構成となっている。
【０００３】
すなわち、所定間隔を開けて一対のＺ軸ガイド５０が並立し、その各Ｚ軸ガイド５０に沿って一対のＺ軸キャリア５１が同期をとって移動可能となっている。その一対のＺ軸キャリア５１間に、Ｘ軸ガイド５２が水平に架設され、そのＸ軸ガイド５２に沿ってＸ軸キャリア５３が直線駆動されるようになっている。
【０００４】
そして、上記各Ｚ軸キャリア５１は、一対のサーボモータ等を駆動源として駆動され、その二つのＺ軸キャリア５１が同期して平行移動するように制御されることで、Ｘ軸ガイド５２（Ｘ軸キャリア５３）は水平状態を維持したままＺ軸方向に移動する。
【０００５】
ここで、上記図２に示す直動アクチュエータにおけるＺ軸キャリア５１とＸ軸ガイド５２との取付け構造は、２つのＺ軸ガイド５０の取付け誤差を吸収するために、Ｘ軸ガイド５２の各端部は、一方のＺ軸ガイド５０には剛に結合（図２中右側）されると共に、片方のＺ軸ガイド５０にはピン支持（図２中左側）で接続している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、停電やモータ及び制御部の故障などよって上記２つのモータのブレーキタイミングがずれたり一方のモータのブレーキだけが効かなくなったりすると、ブレーキが効かなくなかった側のＺ軸キャリア５１だけが自重落下し、その自重を受けつつＸ軸ガイド５２が傾く。
【０００７】
すると、上記のような従来の直動アクチュエータでは、上記剛結合したＸ軸ガイド５２とＺ軸キャリア５１との取付け部に大きなモーメントが入力されて、当該取付け部が損傷・破損する恐れがある。上記取付け部に損傷・破損が生じると、アクチュエータの位置決め精度が劣化したり作動不能となる。さらに、場合によってはＸ軸ガイド５２やＸ軸キャリア５３が落下してしまうという問題がある。
【０００８】
また、正常運転時であっても、上記二つのＺ軸キャリア５１を駆動するモータの発生トルク差等による微少な同期不一致から、剛結合側のＺ軸ガイド５０に繰り返してモーメントが入力されて、装置の寿命低下の一因となったり、その分だけＺ軸ガイド５０などの剛性を高く設定するなどして装置を大型化する必要があったりする。
【０００９】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、一対のＺ軸ガイドの取付け誤差や運動誤差を吸収できると共に上記Ｚ軸キャリアの同期が崩れた場合であってもＸ軸ガイド取付け部の損傷・破損を防止することができる直動アクチュエータを提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、平行な一対のＺ軸ガイドにそれぞれ案内されて同期をとって直線移動する一対のＺ軸キャリアと、上記一対のＺ軸キャリアに支持されてＺ軸と直交するＸ軸方向に延在する第１のビーム材とを備えた直動アクチュエータにおいて、
上記第１のビーム材は、上記Ｚ軸キャリアにそれぞれブラケットを介して取り付けられ、さらに、上記一対のＺ軸キャリア間に第２のビーム材が横架され、その第２のビーム材は、延在方向途中位置で分断されていて、その対向する一対の分断面は、所定間隙を持って非接触状態となっていると共にＺ軸方向からみて対向する面を備えることを特徴とする直動アクチュエータを提供するものである。
【００１１】
本発明によれば、一対のＺ軸キャリアの同期が大きく崩れると、第１のビーム材はＺ軸方向に傾こうとする。
【００１２】
このとき、そのままでは、ベアリング支持部等のＺ軸キャリアと第１のビーム材との取付け部に大きな負荷が掛かって破損・損傷するおそれがあるが、本発明では、２つのＺ軸キャリアの相互高さがずれると、第２のビーム材の分割面におけるＺ軸方向からみて対向する面同士が当接し、当該第２のビーム材によって、それ以上のＺ軸キャリア間の相互高さ位置のずれが規制され、上記第１のビーム材の各Ｚ軸キャリア又は各ブラケットへの取付け部の損傷・破損が防止される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
なお、本実施形態では、上下垂直方向をＺ軸方向として説明する。
【００１５】
まず構成について説明すると、図１に示すように、Ｚ軸方向に軸を向けた２本のＺ軸ガイド１ａ，１ｂが互いに所定間隔を開けて配設され、各Ｚ軸ガイド１ａ，１ｂには、それぞれ当該Ｚ軸ガイド１ａ，１ｂに案内されて直進移動するＺ軸キャリア２ａ，２ｂが配設されている。その各Ｚ軸キャリア２ａ，２ｂは、リニアガイドやボールネジ等の公知の直線駆動機構（不図示）によって、上記Ｚ軸ガイド１ａ，１ｂに沿って直進移動するようになっている。
【００１６】
ここで、下記の説明では、図１中左側のＺ軸ガイド１ａ及びＺ軸キャリア２ａを、第１のＺ軸ガイド及び第１のＺ軸キャリアと、図１中右側のＺ軸ガイド１ｂ及びＺ軸キャリア２ｂを、第２のＺ軸ガイド１ｂ及び第２のＺ軸キャリア２ｂと呼んで両者１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂを区別する。
【００１７】
そして、２つのＺ軸ガイド１ａ，１ｂの間に、第１のビーム材であるＸ軸ガイド３が水平に（Ｘ方向に延在して）配置され、該Ｘ軸ガイド３の各端部は、第１のブラケット４又は第２のブラケット５を介して各Ｚ軸キャリア２ａ，２ｂにそれぞれ取り付けられている。
【００１８】
第１のＺ軸キャリア２ａに取り付けられた第１のブラケット４は、当該Ｚ軸キャリア２ａ位置から下方に延在し、且つ本体が横断面Ｔ字形状となっている。すなわち、第１のブラケット４は、第１のＺ軸キャリア２ａに直接固定されて下方に延びる第１の板部材４ａと、その第１の板部材４ａの側端面に突合せ溶接等で一体的に固定され、第１のＺ軸ガイド１ａにおける第２のＺ軸ガイド１ｂと対向する面に沿って下方に延びる第２の板部材４ｂとを備え、さらに補強板４ｄで補強されて剛性が高く設定されている。
【００１９】
上記第２の板部材４ｂは縦断面Ｌ字形状となっていて、その下部の水平部分が、第２のＺ軸ガイド１ｂ側に突出して取付け部４ｃを形成し、その取付け部４ｃに、Ｘ軸ガイド３の一端部が、軸を上下に向けた軸受８によってベアリング支持されている。なお、上記第２の板部材４ｂの垂直部の厚みは１９mmと厚く設定されて撓み発生が防止されている。
【００２０】
また、第２のブラケット５は、縦断面Ｌ字形状の板部材であって、垂直部５ａの上部が第２のＺ軸キャリア２ｂに固定されて下方に延び、その垂直部５ａの下端部に連続する水平部５ｂが、第１のＺ軸ガイド１ａ側に突出している。このように第２のＺ軸キャリア２ｂに取り付けられることで、第２のブラケット５は、片持ち支持状態となり、垂直部５ａがＺ軸に直交する方向への撓むことで、Ｘ軸ガイド３を取り付ける水平部５ｂがＺ軸と直交する方向に移動することが許容されていると共に、上記第２のＺ軸キャリア２ｂへの取付け点周りに、垂直部５ａが撓むことで水平部５ｂが上下方向に若干傾くことが許容されている。
【００２１】
そして、その水平部５ｂにＸ軸ガイド３の他端部が取り付けられている。
【００２２】
なお、図１中、符号６は、Ｘ軸ガイド３に沿って移動するＸ軸キャリアを表す。
【００２３】
また、左右のＺ軸キャリア２ａ，２ｂの高さとほぼ同じ高さで、上記左右のブラケット４，５間に第２のビーム材７が横架されている。その第２のビーム材７は、その延在方向中央部で分断されている（図１中、符号Ａ部分）。その分断による一対の分断面は、互いに所定の隙間を有して非接触状態となり、一方の分断面の中央部に凹部７ａが形成され、他の分断面には、その中央部に上記凹部７ａに遊嵌可能な凸部７ｂが形成されて、もって上記凹部７ａ内に上記凸部７ｂが所定の隙間を持ってはめ込まれている。
【００２４】
ここで、上記凹部７ａの上下の面及び上記凸部７ｂの上下の面が、それぞれ、Ｚ軸方向からみて対向する面を形成する。なお、この対向する面は、Ｚ軸に直交する水平面である必要はなく、傾斜していてもよい。要は、Ｚ軸方向からみて対向していればよい。また、分断位置も中央部に限定されず、一方のＺ軸ガイド１ａ，１ｂ寄りであってもよい。但し、分断位置は、凹部７ａと凸部７ｂが接触した場合にそれぞれのＺ軸ガイド１ａ及び１ｂが受けるモーメントを小さくする点から、中央部であることが望ましい。
【００２５】
次に、上記構成の直動アクチュエータの作用・効果等について説明する。
【００２６】
上記構成では、Ｘ軸ガイド３の一端部が、剛的な第１のブラケット４と上下軸周りの回動を許容する軸受８を介して第１のＺ軸キャリア２ａに取り付けられていると共に、Ｘ軸ガイド３の他端部が、Ｚ軸と直交する方向に水平部５ｂの移動が許容された第２のブラケット５を介して、第２のＺ軸キャリア２ｂに取り付けられる。
【００２７】
この結果、２つのＺ軸ガイド１ａ，１ｂに多少の取付け誤差があっても、その誤差を、上記ブラケット４，５へのＸ軸ガイド３の取付け構造によって、吸収することができる。
【００２８】
例えば、Ｚ軸ガイド１ａ，１ｂ間のスパンが所望寸法よりも若干長かったり短かったりしても、第２のブラケット５の垂直部５ａがＸ方向に撓むことで吸収される。もっとも、第２のブラケット５の水平部５ｂに対しＸ方向に長径を向けた長穴を設けて、Ｘ軸方向への取り付け位置を調整できるようにしておけば、第２のブラケット５の垂直部５ａが撓ました状態で取り付けられることはない。
【００２９】
また、上記２つのＺ軸ガイド１ａ，１ｂがＹ軸方向に若干オフセットしていても、Ｘ軸ガイド３の一端部が第１のブラケット４にベアリング支持されて、当該一端部周りに、Ｘ軸ガイド３の端部はＸ−Ｙ平面で回動でき、また、第２ブラケットの水平部５ｂも若干Ｚ軸周りにも撓み可能であるので、上記Ｙ軸方向の取付け誤差も吸収できる。もっとも、Ｘ軸ガイド３の第２のブラケット５への取付けを軸を上下にしたピン接合又はボルト接合とすれば、２つのＺ軸ガイド１ａ，１ｂにＹ軸方向の取付け誤差があっても、第２のブラケット５に撓みが生じることが防止される。
【００３０】
そして、上記構成の直動アクチュエータでは、一対のサーボモータ等の駆動源によって、一対のＺ軸キャリア２ａ，２ｂが同期して昇降することで、Ｘ軸ガイド３も水平状態を保持したまま昇降する。
【００３１】
この正常運転時であっても、常時、モータの発生トルク差などによって、２つのＺ軸キャリア２ａ，２ｂの相対高さ位置に若干のオフセットが生じたり、他の機器からの振動入力などで、２つのＺ軸ガイド１ａ，１ｂがＸ−Ｙ方向にオフセットする（拗れる）ように振動する場合がある。
【００３２】
このとき、従来にあっては、このオフセット量や発生トルク差に応じたモーメントがＺ軸ガイドに負荷される。
【００３３】
これに対して、本実施形態では、２つのＺ軸キャリア２ａ，２ｂ間の軽微な上下方向や水平方向の各オフセットは、第１のブラケット４側は、軸受８の回動で水平方向（Ｘ−Ｙ平面）のオフセットが、ベアリングの調心作用で上下方向のオフセットがそれぞれ吸収され、また、第２のブラケット５は、撓むことで吸収されて、Ｚ軸ガイド１ａ，１ｂにはモーメントが負荷されないか微少である。この結果、従来と比較して、通常時にＺ軸ガイド１ａ，１ｂやＺ軸キャリア２ａ，２ｂとＸ軸ガイド３との取付け部に負荷される荷重が小さくなって、装置の寿命が向上する。
【００３４】
また、サーボモータ等の故障や停電などで、一方のＺ軸キャリア２ａ，又は２ｂだけが自重落下したり、一方のＺ軸キャリア２ａ，又は２ｂが停止しているもの関わらず他方のＺ軸キャリア２ｂ，又は２ａが作動し続けるように、２つのＺ軸キャリア２ａ，２ｂ間の同期が崩れると、そのままでは、Ｘ軸ガイド３が上下に大きく傾いてベアリング支持部等の取付け部が破損するおそれがあるが、本実施形態では、正常運転で許容されている以上にＸ軸ガイド３が上下に傾くと、第２のビーム材７の分断面における凹部７ａと凸部７ｂとがＺ軸方向で当接して、それ以上のＺ軸キャリア２ａ，２ｂの相互高さずれが規制され、すなわち、Ｘ軸ガイド３が少しだけしか傾くことができず、上記ベアリング支持部等の破損・損傷の発生が回避される。
【００３５】
ここで、図１及び図２に示すように諸元値を設定した場合に、上記のように第１のＺ軸キャリア２ａだけがサーボオフしてブレーキが効かなくなって自重落下した場合を想定すると、上記従来例の直動アクチュエータ（図２参照）にあっては、第２のＺ軸ガイド５０には、３０ｋｇ×１．８ｍ十６０ｋｇ×１．０ｍ＝１１４ｋｇ・ｍのモーメントが加わる。
【００３６】
これに対し、本実施形態の直動アクチュエータでは、Ｘ軸が同じ位置で、第２のＺ軸ガイド１ｂに加わるモーメントは、（３０ｋｇ＋６０ｋｇ／２＋５ｋｇ）×１ｍ＋５ｋｇ×０．５ｍ＝６７．５ｋｇ・ｍと小さい値となり、有利なことが分かる。
【００３７】
さらに、片側のＺ軸キャリア用のモータがロックし他方のＺ軸キャリア用のモータ推力によりＺ軸がこじられる場合、従来例では推力×２ｍのモーメントが発生するのに対し、本考案では推力×１ｍと半分に軽減される。
【００３８】
以上のように、本実施形態の直動アクチュエータの構成を採用すると、Ｚ軸ガイド１ａ，１ｂの取付け誤差の許容が広がるばかりか、Ｚ軸ガイド１ａ，１ｂのモーメントに対する許容値を従来構造に比べ大幅に小さくすることができ、低価格化、小型化が可能となる。
【００３９】
ここで、上記説明では、Ｚ軸キャリア２ａ，２ｂの高さ位置よりも下側にＸ軸ガイド３を配置してＸ軸ガイド３の上側に第２のビーム材７がある構成で説明したが、これに限定されない。例えば、各ブラケット４，５を、Ｚ軸キャリア２ａ，２ｂの高さ位置から上方に延在させて、Ｚ軸キャリア２ａ，２ｂの高さ位置よりも上側にＸ軸ガイド３を配置してもよい。または、Ｚ軸キャリア２ａ，２ｂ位置からＹ軸方向へ水平にブラケット４，５を張り出して、Ｚ軸キャリア２ａ，２ｂの側方にＸ軸ガイド３が配置するようにしてもよい。
【００４０】
また、上記第２のビーム材７の分断面位置Ａに、当該分断面の接触の有無を検知するスイッチ若しくはセンサを設けておき、Ｘ軸ガイド３が許容以上に傾いて第２のビーム材７の分断面が当接したら、モータ動力を遮断してブレーキを作動させてそれ以上の負荷が掛からないようにしてもよい。
【００４１】
または、第２のビーム材７の分断面同士の接触圧又は隙間（接近距離）を２段階以上のレベルで方向も含め検出するスイッチ若しくはセンサを設けておいて、例えば、▲１▼ｌ段目のスイッチＯＮとなったら、動作が速いほうのＺ軸電流制限値を小さくし動作を遅くして同期をとらせ、▲２▼さらに２段目のスイッチＯＮとなったら、モータ動力を遮断しブレーキを作動させる、などの制御を行うように構成してもよい。
【００４２】
また、本発明に係る直動アクチュエータは、Ｚ軸ガイド１ａ，１ｂが上述のように上下方向に設定される場合に、特に有効な構造であるが、Ｚ軸ガイド１ａ，１ｂが水平方向に設定されていても、上述の作用・効果をもつ。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の直動アクチュエータを採用すると、故障等によって２つのＺ軸キャリアの同期が崩れても、第２のビーム材でＸ軸ガイドのＺ軸方向の傾きを小さく規制できるので、Ｘ軸ガイドとＺ軸キャリアとの間の取付け部の破損・損傷が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る直動アクチュエータを示す正面図である。
【図２】従来の直動アクチュエータを示す正面図である。
【符号の説明】
Ａビーム材の分断部分
１ａ，１ｂＺ軸ガイド
２ａ，２ｂＺ軸キャリア
３Ｘ軸ガイド（第１のビーム材）
４第１のブラケット
４ａ第１の板部材
４ｂ第２の板部材
４ｃ取付け部
４ｄ補強板
５第２のブラケット
５ａ垂直部
５ｂ水平部
６Ｘ軸キャリア
７第２のビーム材
７ａ凹部
７ｂ凸部
８軸受

Claims

平行な一対のＺ軸ガイドにそれぞれ案内されて同期をとって直線移動する一対のＺ軸キャリアと、上記一対のＺ軸キャリアに支持されてＺ軸と直交するＸ軸方向に延在する第１のビーム材とを備えた直動アクチュエータにおいて、
上記第１のビーム材は、上記Ｚ軸キャリアにそれぞれブラケットを介して取り付けられ、さらに、上記一対のＺ軸キャリア間に第２のビーム材が横架され、その第２のビーム材は、延在方向途中位置で分断されていて、その対向する一対の分断面は、所定間隙を持って非接触状態となっていると共にＺ軸方向からみて対向する面を備えることを特徴とする直動アクチュエータ。