JP2005028558A

JP2005028558A - パラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構

Info

Publication number: JP2005028558A
Application number: JP2003273736A
Authority: JP
Inventors: Tomoharu Ando; 知治安藤
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】６自由度パラレルリンク機構を採用した工作機械等においても適用可能であって、耐久性を有しており、効率よく冷却することができるパラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構を提供する。
【解決手段】ボールネジ４の上端面には、中空孔を有したホース取付部材１６を介して連結用フレキシブルホース１１の一方端を接続する。連結用フレキシブルホース１１の他方端は、隣設された（同じ傾斜板部７ｂに設けられた）天井側自由継手５に支持されているボールネジ４の冷却液通路１７に、同様のホース取付部材１６を介して接続されている。一方、ボールネジ４の下端部には供給用フレキシブルホース１２ａ或いは排出用フレキシブルホース１２ｂを接続する。つまり、２本のボールネジ４、４を１組とした冷却液の循環回路を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用ロボット、バリ取り装置、または工作機械等に用いられた移動自在なパラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構に関するものである。

軸方向に移動可能な駆動軸を備えた一般的な工作機械として、１軸毎にボールネジで駆動軸を構成し、駆動軸を互いに直交するように配置して、所用の位置決め動作ができるように構成されたものがある。この場合、ボールネジの一端または両端は固定されており、この固定部よりボールネジ内に冷却液を供給、排出（回収）する構成とすることで、比較的容易に冷却機構を構成することが可能であった。また、近年６自由度のパラレルリンク機構を採用した工作機械も見られるようになり、そのような工作機械においても適用可能な冷却機構として、本出願人が先に出願した特許文献１に開示されているような冷却機構がある。

特開２００２−２６６９７７号公報

特許文献１に開示されている冷却機構は、図６に示すように、ボールネジ６１の一方先端に供給用フレキシブルホース６２と排出用フレキシブルホース６３とを取り付けたものである。また、ボールネジ６１の内部に二重構造の中空孔６４が設けられており、その外側孔６４ａと供給用フレキシブルホース６２とが、その内側孔６４ｂと排出用フレキシブルホース６３とがそれぞれ接続されたものである。

そして、冷却液は供給用フレキシブルホース６２より供給されると外側孔６４ａを通って他方先端まで導かれ、そこに設けられた通過孔６５より内側孔６４ｂ内へと流れ込み、内側孔６４ｂを通って排出用フレキシブルホース６３より排出される。すなわち、特許文献１の冷却機構は、冷却液がボールネジ６１内を往復する構成となっている。

パラレルリンク機構を採用した工作機械とは、一つの移動体に複数の駆動軸を並列に配置し、この駆動軸を制御して移動体を位置決めするものである。１つの駆動軸を制御する駆動装置は、１つの駆動軸に対して２つの旋回継手部を有してお互いにリンク機構を構成し、切削空間内を自由に動き回る構成になっている。したがって、パラレルリンク機構を採用した工作機械においては、熱変位抑制の手段としてボールネジを冷却する冷却液を用いた手段を取り付けられるような相対的に移動しない部分が非常に少なく、冷却液の供給・排出が非常に困難であった。

また、特許文献１に記載されている構成は、フレキシブルホースが接続されているのは旋回・伸縮を伴うボールネジの可動部であり、またそのような可動部に複数本のホースを接続した構成であるため、ホースの繰り返し曲げによる破損やホース同士の度重なる接触による破損・もつれ等のような耐久性に対して課題を残している。さらに、冷却液が二重構造であるボールネジ内を往復する構成であるため、内側孔を通る排出冷却液の熱が、外側孔を通る供給冷却液に伝わり、冷却効果が低下してしまう等の課題も有している。

そこで、本発明は上述したような課題を解決し、パラレルリンク機構を採用した工作機械等においても適用可能であって、耐久性を有しており、効率よく冷却することができるパラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明の構成は、基台と、その基台に一端が連結され、軸方向に伸縮可能な駆動軸を含む複数のリンクと、その各リンクの他端が連結される移動体とからなり、前記駆動軸の伸縮によって前記移動体の位置や姿勢を制御可能としたパラレルリンク機構において、前記各駆動軸に、冷却液が通過可能な冷却液通路を設けるとともに、複数の駆動軸間の冷却液通路同士を管状の連結部材で接続し、前記連結部材で接続される冷却液通路のうち、一方の端に位置する冷却液通路に冷却液の供給手段を、他方の端に位置する冷却液通路に冷却液の排出手段を夫々接続して、前記供給手段から供給された冷却液が複数の駆動軸間を通過して前記排出手段で排出される循環回路を形成したことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明の構成は、請求項１の目的に加えて、よりパラレルリンク機構の精度を向上させるために、各循環回路における供給側の駆動軸と排出側の駆動軸とでの冷却液の温度を夫々検知する温度センサと、各冷却液通路に接続される前記供給手段及び前記排出手段側の冷却液供給管及び冷却液排出管上にあって前記冷却液の供給側と排出側とを切換可能な流路切換弁と、その流路切換弁の動作を制御する制御手段とを夫々設けて、前記制御手段は、前記循環回路の温度差が均一となるように前記流路切換弁を動作させて冷却液の供給側と排出側とを切り換え、前記循環回路での冷却液の流れを逆にすることを特徴とするものである。

本発明によれば、たとえ６自由度パラレルリンク機構であっても、供給手段及び排出手段が駆動軸の冷却液通路から余裕をもって移動体上の可撓管へと導かれているため、移動体の運動を妨げることはない。また、隣設されたリンクに支持される複数の駆動軸の冷却液通路を連結部材で連結することで、複数本の駆動軸を１組とする冷却液の循環回路が形成される。よって、各駆動軸の冷却液通路から移動体上の可撓管へは夫々冷却液供給管或いは冷却液排出管のいずれか一方の管しか接続されておらず、より移動体の運動を妨げることがない上、管同士の接触による管の損傷をも防止することができる。さらに、隣設されたリンクの駆動軸同士を接続する構成であるため、連結部材は駆動軸の運動につられて動くにもかかわらず、無理な形状となったり、繰り返し折れ曲がったりしないため、連結部材の長寿命化を図ることができる。また、連結部材は駆動軸の冷却液通路の基台側に取り付けられているため、駆動軸の運動を妨げることはない。つまり、本発明にかかるパラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構は耐久性に優れた冷却機構であるとともに、複雑な構造を有する６自由度パラレルリンク機構を採用した工作機械等にも適用可能な冷却機構である。
また、特に請求項２に記載の発明とすると、冷却液の流路を切り換えることが可能であるため、隣設されたリンクの駆動軸における温度差を小さくすることができ、工作機械の精度を常に高い状態で保つことができる。

以下、本発明の第１実施形態である６自由度パラレルリンク機構を採用した工作機械における駆動軸の冷却機構について図面に基づいて説明する。図１は、第１実施形態に基づくパラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構を採用した工作機械の全体概略図である。また、図２は、該工作機械における冷却液供給側（冷却液回収側）の駆動軸の説明図である。さらに、図３は、第１実施形態における冷却液の循環回路を示す説明図である。

図１に示すように、３０は６自由度パラレルリンク機構を採用した工作機械であって、６つのリンクによって移動体である主軸頭２は加工空間を６軸方向へ自由に動き回ることが可能となっている。リンクは、主に天井側自在継手５、駆動軸であるボールネジ４、主軸側自在継手３とからなっている。工作機械３０の基台である天井部７は、三角板部７ａの各辺部から傾斜板部７ｂ、７ｂ・・が下方へ傾斜するように夫々連設されたものである。各傾斜板部７ｂには天井側自由継手５、５が夫々２つずつ配設されており、機械剛性を確保するために主軸頭２上で略三角形に近い形をなすように配置されている。また、各天井側自由継手５にはボールネジ４の一方端部（以後、発明を実施するための最良の形態において天井側を上端側とする）が夫々支持されているとともに、該ボールネジ４を駆動するサーボモータ６が夫々設置されている。さらに、各ボールネジ４の他方端部（以後、発明を実施するための最良の形態において主軸頭側を下端側とする）は夫々主軸側自在継手３を介して主軸頭２を支持しており、この主軸頭２に主軸８が軸方向へ回転可能に設けられている。

したがって、各サーボモータ６を駆動させ、各主軸側自在継手３と各天井側自在継手５との間の各ボールネジ４の長さを夫々変化させることにより、主軸頭２を加工空間内の任意の位置で、且つ任意の姿勢で位置決めすることができる。それゆえ、主軸８に工具を取り付ければ、工作機械３０は基台であるテーブル１上に載置されるワークを自由に加工することができる。

図２に示すように、ボールネジ４はボールスプラインナット４ａとボールネジナット４ｂとで構成されたスプライン付きボールネジであって、ボールネジ４の上端部は、サーボモータ６の中空軸にボールネジ４が貫通した状態となっている。ボールネジナット４ｂはサーボモータ６の中空軸にナット取付部材６ｂを介して係合されており、サーボモータ６の中空軸が回転することによりボールネジナット４ｂが駆動される。サーボモータ６の本体はモータ取付部材６ａを介して天井側自在継手５に固定されており、またスプラインナット４ａも天井側自在継手５に固定されている。また、６ｃ及び６ｄはどちらも軸受である。一方、ボールネジ４の下端部は、主軸側自在継手３と係合した軸３ａにボールネジ４の下端が軸受３ｃを介して固定された状態となっている。また、４ｃ、４ｄはどちらもボールネジカバーである。
ここで、ボールネジ長さ制御による主軸８及び主軸頭２の位置決め機構については本発明の本論ではないので、詳細な説明は省略する。

以上のような構成により、サーボモータ６の中空軸を回転させたとしても、ボールネジ４が連れ回りすることはなく、またサーボモータ６に対して軸回りに旋回することもない。したがって、ボールネジ４はその軸方向に沿って直線移動するのみであり、自在継手間の間隔は各ボールネジ４のこの直線移動によって制御される。

このように、主軸側自在継手３と天井側自在継手５との間隔を決めるボールネジ４の長さ制御は位置決めに対して非常に重要な要素であり、高い精度での制御が要求される。であるにもかかわらず、駆動によるボールネジナット４ｂとボールネジ４との摩擦熱、或いはサーボモータ６からの加熱等によってボールネジ４の温度は変化しやすく、ボールネジ４に熱膨張が生じてしまう等の問題が発生することにより、ボールネジ４の長さ制御を高い精度で保つことは非常に困難である。
そこで、この熱変化を極力抑制するためには、各ボールネジ４全長にわたって冷却液を供給し、各ボールネジ４の温度を一定且つ均一に制御すればよい。ここで、各ボールネジ４は、各天井側自在継手５を中心として自由に旋回運動するとともに、軸方向に沿って上下に直進運動するものであって、更にこれらの運動は高速で行われるため、それらの運動を妨げることのないように冷却液の供給・排出を行う必要がある。

冷却液の供給・排出機構を以下に説明する。図２に示されているボールネジをここでは冷却液供給側のボールネジとして説明するが、冷却液排出側のボールネジも略同様の構成となっている。
ボールネジ４には、中心軸に沿って冷却液通路１７がボールネジ４の全長にわたって穿設されており、ボールネジ４の冷却液通路１７の下端面は軸３ａに設けられた冷却液通過孔１８に接続されている。また、冷却液通過孔１８には冷却液を供給する供給手段である供給用フレキシブルホース１２ａの一方端も接続されている。つまり、冷却液通過孔１８を介して冷却液通路１７と供給用フレキシブルホース１２ａが接続されており、よって冷却液通路１７内に冷却液を供給することができる。冷却液通路１７と冷却液通過孔１８との接続部には、主軸側自在継手３が旋回したとしても冷却液が漏出しないようにシール部材３ｂが取り付けられている。

主軸頭２上には、三角板部７ａを介して工作機械３０の外部へと導かれた可撓管３１が接続された可撓管基部３２が設置されている。可撓管３１内には主軸８及び各ボールネジ４を冷却する冷却液供給管１９（図３参照）及び該冷却液を排出する冷却液排出管２０（図３参照）等が通されている。供給用フレキシブルホース１２ａの他方端はこの可撓管基部３２内へと余裕をもって導かれており、可撓管３１内の冷却液供給管１９に接続されている。

一方、ボールネジ４の冷却液通路１７の上端面には、連結部材である中空孔を有したホース取付部材１６を介して管状の連結部材である連結用フレキシブルホース１１の一方端が接続されている。連結用フレキシブルホース１１の他方端は、隣設された（同じ傾斜板部７ｂに設けられた）天井側自由継手５に支持されているボールネジ４の冷却液通路１７に、同様のホース取付部材１６を介して接続されている（図１参照）。この隣設されたボールネジ４は冷却液排出側のボールネジ４ではあるが、上述した冷却液供給側のボールネジ４と略同様の構成となっている。しかしながら、冷却液排出側のボールネジ４の冷却液通路１７の下端面に接続されているのは排出手段である排出用フレキシブルホース１２ｂであって、冷却液は連結用フレキシブルホース１１より供給されて排出用フレキシブルホース１２ｂから冷却液排出管２０を通して排出される。

次に、図３に基づいて、冷却液の循環回路について説明する。上述したように隣設された２本のボールネジ４、４の各冷却液通路１７を連結用フレキシブルホース１１によって連結したため、工作機械３０においては２本のボールネジ４、４を１組とする循環回路が３組形成されることになる。そして、ボールネジ４から排出された冷却液は供給手段である冷却液排出管２０を介して冷却液タンク１５に回収され、冷却装置１４によって一定温度に保たれた後、再びポンプ１３によって排出手段である冷却液供給管１９を介して各循環回路へと供給される。

上記の如く構成された第１実施形態のボールネジの冷却機構であれば、たとえ６自由度パラレルリンク機構を採用した工作機械であっても、供給用及び排出用フレキシブルホースがボールネジの下端部から余裕をもって主軸頭上の可撓管基部へと導かれているため、主軸側自在継手及び主軸頭の運動を妨げることはない。また、隣設された天井側自由継手に支持されるボールネジの冷却液通路の上端面同士を連結用フレキシブルホースで連結することで、２本のボールネジを１組とする冷却液の循環回路が形成される。よって、各ボールネジの冷却液通路の下端面には夫々供給用或いは排出用のいずれか１本のフレキシブルホースしか接続されておらず、主軸側自在継手及び主軸頭の運動をより妨げない上、フレキシブルホース同士の接触による損傷をも防止することができる。さらに、ボールネジがサーボモータの駆動によって連れ回りを起こしたり、軸回りに旋回したりしないため、隣設されたボールネジ同士の相対的な位置関係は略変わらない。よって、連結用フレキシブルホースはボールネジの運動につれられて動くにもかかわらず、無理な形状となったり、繰り返し折れ曲がったりしないため、連結用フレキシブルホースの長寿命化を図ることができる。また、連結用フレキシブルホースはボールネジの冷却液通路の上端面にホース取付部材を介して接続されているため、ボールネジの運動を妨げることはない。つまり、第１実施形態のボールネジの冷却機構は耐久性に優れた冷却機構であるとともに、複雑な構造を有する６自由度パラレルリンク機構を採用した工作機械にも適用可能な冷却機構である。
また、可撓管内を通る冷却液供給管及び冷却液排出管は、主軸冷却用とボールネジ冷却用とを兼用したものとしているため、可撓管内を通す管の本数が少なくてすみ、可撓管内の線積率を低くすることができるため、可撓管、冷却液供給管及び冷却液排出管等の長寿命化をも図ることができる。

したがって、第１実施形態のボールネジの冷却機構とすることにより、工作機械の位置決め精度を向上することができる上、サーボモータの軸受やボールネジナット等の発熱を抑えることができるため、機械を長寿命化できる。
しかしながら、冷却液供給側のボールネジと冷却液排出側のボールネジとの２本のボールネジで循環回路を形成しているため、２本のボールネジにおいて冷却液の温度差が生じてしまう。特に冷却液排出側のボールネジ内を流れる冷却液の温度が高くなってしまい、冷却の効果を果たさなくなるおそれも考えられる。

そこで、有効となるのが本発明の第２実施形態である。例として隣接されたリンクの駆動軸の冷却液供給側と排出側との温度差によって冷却液の流路を切り換える温度センサ付きボールネジの冷却機構を示す。以下、図４及び図５に基づいて説明する。図４は、温度センサ付き駆動軸の説明図である。また、図５は、第２実施形態における冷却液の循環回路を示す説明図である。

第２実施形態において用いられるボールネジ４４、主軸側自在継手４３、主軸頭４２、可撓管基部４５及び可撓管４６等が備えられた工作機械の構成は実施例１において説明した工作機械３０と略同じ構成である。しかしながら、第１実施形態のものとは異なり、図４に示されているように、ボールネジ４４の冷却液通路４７が接続されている冷却液通過孔４８に冷却液の温度を検知する温度センサ２１が設置されている。該温度センサ２１は、冷却液供給側ボールネジ及び冷却液排出側ボールネジのどちらにも設置されている。温度センサ２１のケーブルは余裕を持たせて可撓管基部４５内へと導かれ、冷却液供給管や冷却液排出管と同様に可撓管４６内を通されて制御装置２３（図５参照）に接続されている。

次に、図５に基づいて、冷却液の循環回路について説明する。駆動軸の冷却機構の第２実施形態における循環回路には、ボールネジ４の冷却液通路４７とポンプ１３や冷却液タンク１５との間に、流路切換弁２２と制御装置２３とが備えられている。上述したように制御装置２３には各温度センサ２１が接続されており、制御装置２３は各温度センサの出力に応じて流路切換弁２２を制御し、冷却液の供給と排出とを流路切換弁によって切り換える。つまり、各温度センサ２１で検知した供給側の冷却液の温度と排出側の冷却液の温度との間に所定の温度差が生じた場合には、冷却液の流れを流路切換弁２２にて逆にし、温度差を抑制する。

したがって、第２実施形態のような冷却機構とすれば、冷却液の流路を切り換えることにより、隣設された２本のボールネジにおける冷却液の温度差を所定値以内に維持することが可能であるため、工作機械の精度を常に高い状態で保つことができる。

なお、本発明にかかる駆動軸の冷却機構の構成は、上記した２つ実施例の態様に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
例えば、駆動軸を６自由度パラレルリンク機構におけるボールネジとしたが、冷却液通路を設けてあるものであれば、ボールネジでなく油圧シリンダ等の駆動軸とすることも可能である。また、天井側自在継手におけるボールネジの支持構造等といった工作機械に関する構成は、実施例に記載のものに何ら限定されるものでなく、駆動軸が偶数本備えられているパラレルリンク機構を採用した工作機械等であれば、実施例に記載の６自由度パラレルリンク機構を採用した工作機械でなくとも本発明にかかる駆動軸の冷却機構を適用することは可能である。

また、可撓管内において管の本数を削減するために、主軸冷却用の冷却液供給管とボールネジ冷却用の冷却液供給管とを兼用し１本の冷却液供給管としたが、各供給管を独立にしたものとしてもよい。さらに、第２実施形態において流路切換弁及び制御装置は１つしか設置されていないが、各ボールネジの循環回路に１つずつ計３つ設けてもよい。そうすることで、温度差が一定値以上となった１組のボールネジのみの冷却液の流れを逆にすることが可能となる。
加えて、実施例では２本の駆動軸を１組として循環回路を形成したものとしたが、２本でなく４本を１組或いは６本を１組とした循環回路としても何ら問題はない。

さらに、第２実施形態においては、温度センサを用いて供給側と排出側との冷却液の温度差により流路を切り換える構成を採用したが、流路を切り換えるタイミングは、これに限定されるものではなく、予め決められた一定時間毎に切り換えるようにして単純化することも可能である。さらにまた、温度センサで温度を求めずとも、加工プログラム等から駆動軸の動作を抽出し、この動作から駆動軸の温度差を演算により予測して流路を切り換えるタイミングを決定する構成等を採用しても何ら問題はない。

第１実施形態に基づくパラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構を採用した工作機械の全体概略図である。第１実施形態における冷却液供給側（冷却液回収側）の駆動軸の説明図である。第１実施形態における冷却液の循環回路を示す説明図である。温度センサ付き駆動軸の説明図である。第２実施形態における冷却液の循環回路を示す説明図である。従来のパラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構の説明図である。

符号の説明

１・・テーブル、２、４２・・主軸頭、３、４３・・主軸側自在継手、３ａ・・軸、３ｂ・・シール部材、３ｃ、６ｃ、６ｄ・・軸受、４、４４・・ボールネジ、４ａ・・ボールスプラインナット、４ｂ・・ボールネジナット、４ｃ、４ｄ・・ボールネジカバー、５・・天井側自在継手、６・・サーボモータ、６ａ・・モータ取付部材、６ｂ・・ナット取付部材、７・・天井部、７ａ・・三角板部、７ｂ・・傾斜板部、８・・主軸、１１・・連結用フレキシブルホース、１２ａ・・供給用フレキシブルホース、１２ｂ・・排出用フレキシブルホース、１３・・ポンプ、１４・・冷却装置、１５・・冷却液タンク、１６・・ホース取付部材、１７、４７・・冷却液通路、１８・・冷却液通過孔、１９・・冷却液供給管、２０・・冷却液排出管、２１・・温度センサ、２２・・流路切換弁、２３・・制御装置、３０・・工作機械、３１、４６・・可撓管、３２、４５・・可撓管基部。

Claims

基台と、その基台に一端が連結され、軸方向に伸縮可能な駆動軸を含む複数のリンクと、その各リンクの他端が連結される移動体とからなり、前記駆動軸の伸縮によって前記移動体の位置や姿勢を制御可能としたパラレルリンク機構において、
前記各駆動軸に、冷却液が通過可能な冷却液通路を設けるとともに、複数の駆動軸間の冷却液通路同士を管状の連結部材で接続し、前記連結部材で接続される冷却液通路のうち、一方の端に位置する冷却液通路に冷却液の供給手段を、他方の端に位置する冷却液通路に冷却液の排出手段を夫々接続して、前記供給手段から供給された冷却液が複数の駆動軸間を通過して前記排出手段で排出される循環回路を形成したことを特徴とするパラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構。
各循環回路における供給側の駆動軸と排出側の駆動軸とでの冷却液の温度を夫々検知する温度センサと、各冷却液通路に接続される前記供給手段及び前記排出手段側の冷却液供給管及び冷却液排出管上にあって前記冷却液の供給側と排出側とを切換可能な流路切換弁と、その流路切換弁の動作を制御する制御手段とを夫々設けて、前記制御手段は、前記循環回路の温度差が均一となるように前記流路切換弁を動作させて冷却液の供給側と排出側とを切り換え、前記循環回路での冷却液の流れを逆にすることを特徴とする請求項１に記載のパラレルリンク機構における駆動軸の冷却機構。