JP4053546B2

JP4053546B2 - エアバランス装置

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Publication number: JP4053546B2
Application number: JP2005028889A
Authority: JP
Inventors: 知彦河合; 建三蛯原
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: JP2006214536A

Description

本発明は、例えば精密測定器や精密工作機械、精密加工機械等において、垂直軸上で移動する可動部の自重を補償する機構に適用されるエアバランス装置に関し、更に詳しく言えば、同補償のためのバランス力の調整手法を改善したエアバランス装置に関する。

精密な動作が要求される測定器、工作機械、加工機械等の多くは、垂直軸上で上下方向に移動する可動部を有している。垂直軸上で移動する可動部（以下、「垂直軸の可動部」とも言う）は、水平軸上で移動する場合と異なり、その自重による重力分を補償する機構を必要とするのが通常である。このような機構として一般的に用いられているのは、カウンタバランス方式あるいはエアバランス方式で重力分を補償するものである。
両方式の内、カウンタバランス方式には、カウンタバランサとして可動部と同じ重量を搭載する必要があるため、装置を小型化できず、可動部と同等分の重量増大も避けられないという欠点がある。また、バランス力を調整するためには、重りそのものを調整する必要があるため、可動部の重量が変化する場合には不向きである。

一方、エアバランス方式の自重補償機構は、可動部にかかる重力を同等の重量物で搭載して補償を行うものではないため、コンパクトな構造を採用することが比較的容易である。例えば、直径１０ｃｍのピストンを用いたエアバランス室を用意して５ｋｇｆ/ｃｍ²の圧力を加えれば、約４００ｋｇｆの力を得ることができる。また、可動部の重量が変化してもエアの圧力を変えることで、簡単にバランス力を調整することができる。

但し、このエアバランス方式にも、バランス力調整に関連して１つの問題点がある。即ち、エアバランス室内に流入する空気の圧力を制御することで、エアバランス力を制御する場合、エア圧を電気的に制御するのに一般的に使用されるのは電空レギュレータであるが、これは電磁弁を高速で開閉するという動作原理上、圧力の脈動を生じることが避けられず、精密で安定したエアバランス力を得ることができない。

この問題を解決する１つの方策として、電空レギュレータとエアバランス室の間に大きな空気タンクを配置する構造を採用することが知られている。図１及び図２は、垂直駆動軸に同構造を適用した例を示しており、図１は外観図、図２は図１中の破線線Ａ−Ａに沿った断面図である。

図１において、エアバランス装置は、固定部１０と可動部２０を含むエアバランス機構部（エアバランス機構を設けた垂直軸構造部）と、同エアバランス機構部１にバランス力を発生させ、同バランス力を制御するための関連構成とを備えている。可動部２０は、開口部を持つ方形容器形状を有し、開口部を下方に向け、そこから固定部１０が挿入された状態にあり、且つ、図示を省略した垂直軸の直線駆動機構により、固定部１０に対して上下方向（重力方向）に直線移動可能に支持されている。

図２に示したように、可動部２０の内部空間領域のうち、固定部１０の挿入部分が占める領域を除いた領域にエアバランス室１４が形成され、このエアバランス室１４に送り込まれる加圧エアの作用によって、可動部２０にかかる重量負荷を減殺する。

固定部１０の内部には、固定部１０の下端近くの側部に位置する開孔１１から固定部１０の頂部（エアバランス室１４の底部）に位置する開孔１３まで延びる流路１２が設けられている。そして、開孔１１には、エアコンプレッサ（図示省略）、配管３１、圧力制御装置３０、配管３２、空気タンク３３、配管３４を含む加圧エア供給系が接続されており、加圧エアは、この加圧エア供給系から開孔１１、流路１２、開孔１３を経てエアバランス室１４内に流入し、その内圧によって、可動部２０を上方へ付勢するバランス力を発生する。

固定部１０の外側面と可動部２０の立壁部の内側面との間には、詳細の図示は省略したが軸受部１５が設けられ、可動部２０は固定部１０に対して円滑に上下移動することが可能となっている。なお、この軸受部１５は、固定部１０と可動部２０との間の狭い隙間を利用した空気軸受けで構成することも可能である。その場合、この隙間は上記経路でエアバランス室１４内に流入した加圧エアの１つの流出経路を提供する。

圧力制御装置３０としては電空レギュレータが広く利用されており、エアコンプレッサ等から供給される高圧の圧縮空気の圧力を最適なバランス力が得られるように調整する。ところが、上述の通り、この電空レギュレータは、電磁弁を高速に開閉させて圧力を調整する方式のため、圧力の脈動を生じる。

空気タンク３３はこの脈動を吸収するバッファとして機能するものであるが、バッファ機能を十分果たすためには、空気タンク３３に大きな容積が要求される。その結果、エアバランス室１４の圧力の制御のために、この大容積の空気タンク３３の容積分のエアの圧力も併せて制御することになり、圧力制御対象とされるエアの全容積が大きくなり、エアバランス力を高速で制御することが困難になる。換言すれば、バランス力制御の応答性能は低いものとなる。

圧力制御装置３０として、電空レギュレータではなく、一般的な手動のレギュレータのバルブ開閉量をサーボモータで電気的にコントロールする方式のものもあり、そのような方式の圧力制御装置を採用すれば、圧力変動が少なくなるため、エアタンク３３は不要になる。しかし、エアバランス室１４の圧力を急速に下げる方向に制御しようとした場合に応答が悪いという問題が生じる。即ち、バルブ開閉量を制御する方式では、レギュレータの排気ポートからエアを逃がすことで供給エアの圧力を下げる他はなく、高速で圧力降下を実現することは難しい。

このように、従来技術では、図１、図２に示したように空気タンクを使用する方式、あるいは、しない方式のいずれを採用しても、応答性の良い制御は困難であり、この欠点を解決する技術を開示した公知文献は見当らない。

上述したように、従来技術においては、圧力制御装置として一般的に使用される電空レギュレータを採用し、エアバランス室内に流入する空気の圧力制御を通してエアバランス力の制御を行った場合には、電空レギュレータの動作原理に由来する圧力の脈動が防止し難く、その脈動を吸収するために大容量の空気タンクを必要とした。また、通常のレギュレータをサーボで駆動した場合は、圧力変化は十分少なくなるが、エアバランス室の圧力を減圧する方向への制御が困難であった。

そこで本発明の基本的な目的は、このような従来技術の欠点を解消し、高い応答性をもって精密にバランス力を制御することが容易なエアバランス装置を提供することにある。

本発明は、エアバランス室には一定圧のエアを供給する一方、エアバランス室から排気されるエアの流量を制御する方式を導入することで上記課題を解決するものである。

より具体的に言えば、本発明は、開口部を持つ容器形状を有する可動部の前記開口部を下方に向け、固定部が該可動部の内部空間に挿入された状態で前記可動部が前記固定部に対して重力方向に直線移動可能に設けられ、前記可動部の内部空間領域のうち、前記固定部の挿入部分が占める領域を除いた領域内に加圧された空気を保持するエアバランス室を構成した直線駆動装置のエアバランス装置に適用されるものである。

そして、本発明の基本的な要件を定めた請求項１に記載された発明の特徴は、上記エアバランス装置が、前記エアバランス室に一定圧力に加圧された空気を供給する第１の流路手段と、前記エアバランス室の空気を排気する第２の流路手段と、前記第２の流路手段を通して行われる排気の流量制御を行う流量制御手段とを備え、更に、前記第２の流路手段は、互いに分離された第１の排気系統と第２の排気系統を有し、前記第１の排気系統を通して一定流量の空気が排気される一方、前記第２の排気系統を通して排気される空気の流量は、前記流量制御手段により制御され、該流量制御手段による排気の流量制御を介して、前記エアバランス室によるエアバランス力の脈動をなくす調整が行われることである。

ここで、前記直線駆動装置の駆動手段をモータとし、前記流量制御手段には、該モータの制御に関連する少なくとも１つの指標に基づいて、前記モータの負荷が低減されるように、前記排気の流量を決定する手段を設けることができる（請求項２）。前記指標として代表的なものは、前記モータに供給される電流値であり、通常、この電流値に基づいて、あるいは、それに垂直軸の位置偏差、速度偏差等が排気流量算出に加味される（請求項３）。

なお、排気流量の制御は、例えば流路に微小隙間を設け、これを連続的に変化させることで行うことができる。このような空気流量制御によれば、圧力の脈動が生じることがなく、安定したエアバランス力の制御ができるようになる。また、排気のうち、一部のみを流量制御することで、制御の分解能を向上させることができるとともに、流量制御装置に不具合がおきても、垂直軸が急激に落下または、上昇するのを防ぐことができるようになる。

本発明によれば、測定器や工作機械の垂直軸について、エアバランス室の排気量を制御することで、高速かつ精密にバランス力を制御できるようになり、垂直軸の駆動に使われるモータの発熱を抑えるとともに、高速かつ精密な動作を可能とする。

説明の便宜上、本発明の実施形態について述べる前に、１つの参考形態について説明する。図３は１つの参考形態に係るエアバランス装置の概略構成を示す図で、図４は、図３中のラインＢ−Ｂに沿った断面構造の概略を表わす図である。本参考形態に係るエアバランス装置は、図１、図２に示した従来例と同じく、垂直駆動軸構造部に適用されている。図３において、エアバランス装置は、固定部４０と可動部５０を含むエアバランス機構部（エアバランス機構を設けた垂直駆動軸構造部）２と、同エアバランス機構部２にバランス力を発生させ、同バランス力を制御するための関連構成とを備えている。可動部５０は開口部を持つ方形容器形状を有し、開口部を下方に向け、そこから固定部４０が挿入されている。図示を省略した垂直軸の直線駆動機構により、可動部５０は固定部４０に対して上下方向（重力方向）に直線移動可能に支持されている。

図４に示したように、可動部５０の内部空間領域のうち、固定部４０の挿入部分が占める領域を除いた領域にエアバランス室４４が形成され、このエアバランス室４４に送り込まれる加圧エアの作用（バランス力）によって、可動部５０にかかる重量負荷を減殺する。
バランス装置２の大きな特徴は、エアバランス室４４に対して定圧のエアを送り込むための流路手段（第１の流路手段）と、流量を制御しながらエアバランス室４４からエアを排出（流出）させるための流路手段（第２の流路手段）とを備えていることである。

第１の流路手段は、固定部４０の下端近くの側部に位置する開口４１から固定部４０の頂部（エアバランス室４４の底部）に位置する開孔４３まで延びる流路４２を含んでいる。開口４１には、エアコンプレッサ（図示省略）、配管６１、圧力制御装置６０、配管６２を含む加圧エア供給系が接続されており、加圧エアは、この加圧エア供給系から開口４１、流路４２、開孔４３を経てエアバランス室４４内に流入し、その内圧によって、可動部５０を上方へ付勢するバランス力を発生する。

このように、加圧エア供給系は、図１、図２に示した従来例とは異なり、空気タンク３３を含んでいない。また、圧力制御装置３０に代えて圧力調整装置６０が採用されている。圧力調整装置６０は、圧力制御装置３０（従来例で採用）のように制御入力（例えば垂直軸を駆動するサーボモータの電流値）に応じてエア圧力を可変制御するものではなく、設定された一定の圧力を保持する装置である。但し、「一定の圧力」の設定値自体は調整可能なものであることが好ましい。

なお、従来例と同様に、固定部４０の外側面と可動部５０の立壁部の内側面との間には、詳細の図示は省略したが軸受部４５が設けられ、可動部５０が固定部４０に対して円滑に上下移動することが可能となっている。また、この軸受部４５を、固定部４０と可動部５０との間の狭い隙間を利用した空気軸受けで構成することも可能である。その場合、この隙間は上記経路でエアバランス室４４内に流入した加圧エアの１つの流出経路を提供する。

次に、流量を制御しながらエアバランス室４４からエアを排出（流出）させるための流路手段第２の流路手段は、固定部４０の頂部（エアバランス室４４の底部）に、開孔４３とは若干の距離をとって設けられた開孔４５から固定部４０の下端近くの側部（但し、開口４１とは別の位置）に設けられた空気流出口４７まで延びる流路４６を含んでいる。

そして、空気流出口４７には、配管７１、流量制御装置７０、配管７２を含む加圧エア排気系が接続されている。流量制御装置７０は、単位時間当りの流量を制御入力（例は後述）に従って制御する機能を有する装置で、それ自体は周知である。

このように、エアバランス装置２においては、圧縮空気は圧力調整装置６０により一定圧でエアバランス室４４に入り、エアバランス室４４からの排気量は流量制御装置７０で制御される。言うまでもなく、一定圧でエアバランス室４４にエアを送り込む条件下で、流量制御装置７０により排気量を増大させればエアバランス室４４内の圧力は降下し、エアバランス力は低下する。逆に、流量制御装置７０により排気量を減少させればエアバランス室４４内の圧力は上記一定圧に近付くように高まり、エアバランス力は上昇する。

即ち、流量制御装置７０による排出流量制御により、圧力調整装置６０で設定した「一定圧」をほぼ上限とする態様で、エアバランス室４４内の圧力を制御することが可能であり、従って、それに見合ったエアバランス力の制御が可能となる。
ここで注目すべきことは、エアバランス室の排出系側で行われる流量制御を通してエアバランス力の制御を行うことで、前述した従来例のような圧力の脈動を生じることがなく、それ故、エアタンク（図１、図２参照）は不要となることである。また、排出流量の増減は高い応答性をもってエアバランス室内の圧力を変化させるので、供給側で圧力制御を行う従来方式に比して、エアバランス力の制御の高速化が可能となる。

つまり、従来例のようにエアの供給圧力を制御する方式では、圧力制御装置７０で供給圧力を変化させても、その変化がエアバランス室１４内の圧力に完全に反映されるまでには時間遅れが生じる。この遅れは、エアバランス室１４の容積が大きい程、また、空気タンク３３の容積が大きい程、顕著となる（一種のインピーダンス効果）。これに対して、本参考形態のように、排出側で流量を制御する方式で流量を変化させた場合、エアバランス室４４内の圧力は、圧力調整装置６０で設定されている一定圧から排気量変化に応じて上方または下方にシフトする。このシフトは殆ど時間遅れなく起こる。
なぜならば、エアバランス室４４から、流路６、配管７１、流量制御装置７０を経て配管７２に至る流れについて「連続の式」が成立ち、流量制御装置７０を通過する流量がある量Δ変化すると、ほぼ同時に、開孔４５に吸い込まれるエア流量も同じ量Δの変化を起こし、それは直ちにエアバランス室４４内の圧力に反映されるからである。
次に、上述したエアバランス装置における流量制御装置７０に対する制御入力の取り方の例について、関連するブロック構成を記した図５を参照して説明する。
図５において、上述した参考形態に係るエアバランス装置のエアバランス機構部はエアバランス室４４で代表されており、これに可動部５０を垂直軸上で駆動するモータ５２と、同モータ５２に付設された位置検出器（パルスエンコーダ）５３を加えた部分を破線で囲い、垂直軸機構部５１として描示した。エアコンプレッサ２９を供給源とする圧縮空気は、既述の通り、圧力調整装置６０により一定圧（設定された圧力；設定値の変更は可能）とされ、エアバランス室４４に供給される一方、排気流量を制御された排気が流量制御装置７０を含む排気系を通して行われる。なお、参考形態では排気系は前述の通り一系統であるが、後述するように、本発明の実施形態においては、定流量排気を行う排気系統と、排気流量を制御する排気系統に分けられる。

垂直軸を駆動するモータ５２は、アンプ８２を介して供給される電流によって動作し、その電流値は、モータ制御装置８１によって制御される。符号８０で示した演算装置（ＣＰＵ）は制御に必要な演算等を行う。また、位置検出器５３はモータ５２の位置（回転位置または直線移動位置）を検出し、モータ制御装置８１へ送る。モータ制御装置８１はこれを利用して、例えば加工プログラム（工作機械の場合）に基づいて、垂直軸の位置及び速度を制御するフィードバック制御を行う。このようなモータの制御方式自体は周知であるが、本参考形態では、このようなモータ制御と併行して、流量制御装置７０の制御を行う。

即ち、モータ制御装置８１からモータ電流値（モータ制御に関連する指標の例）を出力させ、演算装置８０で必要な流量の値に換算し、流量制御装置７０に入力する。これにより、垂直軸に重量の異なるワークや治具を取付けた際も、自動的にエアバランス力を制御して、重量の変化分をキャンセルすることができる。また、流量制御のために利用される「モータ制御に関連する指標」の代表的なものは上記した「モータに供給される電流値」であるが、これに、垂直軸の位置偏差、速度偏差等を排気流量算出に加味することで、モータの動的な負荷もより効果的に低減させることができ、モータの発熱を抑えることが可能となる。

電流値Ｉに位置偏差Δｚ、速度偏差Δｖを加味した流量換算式の例としては、次のようなものが考えられる。
流量（m³/sec）＝ａＩ＋ｂΔｚ＋ｃΔｖ・・・（１）
但し、ａ、ｂ、ｃは重み付けの係数で、ｂ＝ｃ＝０とすれば、電流のみを考慮した流量制御となる。

さて、以上説明した参考形態では排気系は一系統としたが、既に触れた通り、本発明では、定流量排気を行う排気系統と、排気流量を制御する排気系統が設けられる。そのような実施形態に係るエアバランス装置の概略構成を図６に示した。図６に示した構成が図３、図４に示した構成と異なっているのは排気系統のみであり、バランス機構部（エアバランス機構を設けた垂直駆動軸構造部）３の構造等は同じである。即ち、空気流出口４７に接続した配管７１に、流量調整装置７１を介して排気を行う分岐管７３が設けられる。つまり、エアバランス室４４からの排気経路は、２系統に分れ、流量調整装置７１を通る空気の流量は一定の設定値（設定値の変更は可能）に保たれる一方、流量制御装置７０を通る空気の流量は、上記参考形態と同じく、制御入力に応じて制御される。

このような実施形態におけるブロック構成の例を図７に示した。図７のブロック構成が、図５に示したブロック構成と異なっているのは、流量調整装置７１が追加され、エアバランス室４４の排気系統が、流量制御装置７０を通る系統と流量調整装置７１を通る系統の二手に分かれていることである。

このような構成がとり得る理由は、一般に、モータ負荷を低減させるのに必要な排気量の制御はわずかで良いからである。つまり、エアバランス室４４からの排気を２系統に分離し、大まかな排気量は、流量調整装置７１（一定流量値維持）で調整し、残る部分を流量制御装置７０で調整すれば、必要なバランス力制御のレンジは確保できる。

流量制御装置７０の制御の仕方は、前述した参考形態と同様である。即ち、モータ制御装置８１からモータ電流値、あるいは、それとともに、垂直軸の位置偏差、速度偏差等を出力させ、演算装置８０で必要な流量の値に換算し、流量制御装置７０に入力する。これにより、垂直軸に重量の異なるワークや治具を取付けた際も、自動的にエアバランス力を制御して、重量の変化分をキャンセルすることが前述の参考形態と同様に可能となる。電流値Ｉに位置偏差Δｚ、速度偏差Δｖを加味した流量換算式の例として前出の（１）式があることも同様である。

更に、参考形態の構成をこのように変形することにより、新たな利点が得られる。即ち、流量制御装置７０は、最大流量が少ないほど細かい流量調整ができるため、このような変形例には、より緻密に流量を制御できることになる。また、万一、流量制御装置７０に故障（例えば流量を絞れなくなる）が起きても、エアバランスに与える影響は小さくて済み、垂直軸が急激に落下あるいは上昇するといった事態が避けられる。

電空レギュレータとエアバランス室の間に大きな空気タンクを配置するエアバランス装置を採用した従来例について、概略構成を示す図である。図１中のラインＡ−Ａに沿った断面構造の概略を示す図である。本発明に関連する参考形態に係るエアバランス装置の概略構成を示す図である。図３中のラインＢ−Ｂに沿った断面構造の概略を示す図である。駆動モータの負荷を低減させるようにエアバランスの排気流量を制御する際に用いる構成例をブロック図で示したものである。本発明の実施形態に係るエアバランス装置の概略構成を示す図である。図６に示したエアバランス装置について、駆動モータの負荷を低減させるようにエアバランスの排気流量を制御する際に用いる構成例をブロック図で示したものである。

符号の説明

１、２、３エアバランス機構部
１０、４０固定部
１１、１３、４１、４３、４５開孔
１２、４２、４６流路
１４、４４エアバランス室
１５、４８軸受部
２０、５０可動部
２１可動部
２９エアコンプレッサ
３０圧力制御装置
３１、３２、３４、６１、６２、７１、７２配管
３３空気タンク
４７空気流出口
５１垂直軸機構部
５２モータ
５３位置検出器
６０圧力調整装置
７０流量制御装置
７１流量調整装置
７３分岐管
８０演算装置
８１モータ制御装置
８２アンプ

Claims

開口部を持つ容器形状を有する可動部の前記開口部を下方に向け、固定部が該可動部の内部空間に挿入された状態で前記可動部が前記固定部に対して重力方向に直線移動可能に設けられ、
前記可動部の内部空間領域のうち、前記固定部の挿入部分が占める領域を除いた領域内に加圧された空気を保持するエアバランス室を構成した直線駆動装置のエアバランス装置において、
前記エアバランス室に一定圧力に加圧された空気を供給する第１の流路手段と、
前記エアバランス室の空気を排気する第２の流路手段と、
前記第２の流路手段を通して行われる排気の流量制御を行う流量制御手段とを備え、
前記第２の流路手段は、互いに分離された第１の排気系統と第２の排気系統を有し、
前記第１の排気系統を通して一定流量の空気が排気される一方、前記第２の排気系統を通して排気される空気の流量は、前記流量制御手段により制御され、
該流量制御手段による排気の流量制御を介して、前記エアバランス室によるエアバランス力の脈動をなくす調整が行われることを特徴とする、前記エアバランス装置。
前記直線駆動装置の駆動手段がモータであり、
前記流量制御手段は、該モータの制御に関連する少なくとも１つの指標に基づいて、前記モータの負荷が低減されるように、前記排気の流量を決定する手段を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のエアバランス装置。
前記指標は、前記モータに供給される電流値を含んでいることを特徴とする、請求項２に記載のエアバランス装置。