JP4006253B2 - 加工セル装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多種対応及び生産量変動に適した小型の加工セル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製品の組立方式は、ライン方式とセル方式に分かれる。ライン方式は、ベルトコンベアによる一工程一作業の自動化により、複数の作業員が共同して製品を製造する方式で、大量生産及び製造コストの面で優れている。セル方式は、一台のセル加工装置（セル＝屋台の意味）に部品を供給して、一人の作業者に多くの工程を担当させる生産方式で、多品種対応及び生産量変動対応の面で優れている。本発明は、後者のセル方式で用いる加工装置に関するものである。
【０００３】
加工セル装置には、ワークを装置の加工ポイントに位置決めする機能が求められる。そのため、従来はワークをＸＹテーブル上に載せて、ワークの位置決めを行っていた。ＸＹテーブルは、長尺のボールネジをそれぞれＸ（横）軸とＹ（縦）軸に配してテーブルを位置決めする構造になっている。各方向におけるボールネジの端部には、それぞれ、駆動モータ、カップリング、軸受などが直線状に配置されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、テーブルの横軸方向及び縦軸方向への移動を、両方とも長尺のボールネジにより行っていたため、装置全体の大型化を招いていた。
【０００５】
また、モータによりボールネジを回転させてテーブルを直線的に移動させる構造は、モータの回転運動を直線運動に変換するロスがあるために、位置決め速度の面で不利であり、このようなボールネジ構造を横軸方向及び縦軸方向の両方に用いることは、トータルとしての位置決め速度を更に向上させることに期待がもてない。
【０００６】
この発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、小型化且つ位置決め速度の向上が可能な加工セル装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、上下動自在な加工ユニットの加工ポイントに、加工対象としてのワークを位置決めし、該ワークに対して加工を施す加工セル装置であって、架台に配置された一対のレールに対して可動ベースを上側から載せた状態で摺動自在に係合させると共に、該可動ベースに直線駆動手段を合わせて該可動ベースをテーブルごと加工ポイントに対して接近・離反するＹ軸方向で直線運動自在に支持し、該可動ベースに回転駆動手段を固定し、且つ可動ベースにおける少なくとも回転駆動手段よりもＸ軸方向（Ｙ軸方向に直交する方向）両側位置の上部にブロックを載置状態で固定し、テーブルを回転駆動手段の回転部の上側にθ軸廻りで一体的に回動可能で且つ上方へ付勢された状態で回転駆動手段から所定間隔だけ離間させて取付けると共に、テーブルをブロックの上部に対して回転駆動手段に対する所定間隔よりも小さな間隔で離間させ、テーブル上のワークに対して加工ユニットから所定の推力が上側から加わった際に、下降するテーブルが回転駆動手段よりもブロックの上部に先当たりすることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、ワークの一方の軸（Ｙ軸）方向への移動は、直線駆動手段によりテーブルを直線運動させることにより行うが、直交する他方の軸（Ｘ軸）方向への移動（変位）は、テーブルを回転駆動手段により回転させることにより行うため、他方の軸方向へは長尺の直線駆動手段を配置する必要がなく、その分、装置の小型化（スリム化）を図ることができる。また、回転駆動手段によりテーブルを回転させる構造のため、直線駆動手段でテーブルを送る構造に比べて、直交する他方の軸（Ｘ軸）方向への移動（変位）速度が速く、トータルとしての位置決め速度の向上を図ることができる。
【０００９】
更に、加工ユニットからワークに推力が加わらない場合は、テーブルがブロックから浮いた状態で回転駆動手段の回転部と一緒に回転するため、ワークのＸ軸方向への移動（即ち、回転）を、何らの抵抗を受けることなく高速で行うことができる。また、「カシメ加工」のように、加工ユニットからワークに対して所定の推力が上側から加わる場合には、テーブルが下降してブロックの上部に載った状態となるため、加工ユニットからの推力をブロック、可動ベース、レールを介して最終的に架台で受け止めることができる。従って、加工に必要な反力を発生させることができると共に、テーブルと回転駆動手段とは依然離間した状態のままなので、推力が回転駆動手段に加わらず、回転駆動手段を保護することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、ブロックの上部に、テーブルの裏面に形成された周壁面と接して該テーブルの回転及び上下移動を許容した状態でＸ軸方向での位置決めをするローラを各々設けたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、加工ユニットからの加工の種類により、ワークに加わる推力からＸ軸方向での分力が発生しても、その分力をブロックに設けたローラにより受け止めることができる。従って、その分力が回転駆動手段に加わるのを防止することができる。尚、Ｙ軸方向での分力は直線駆動手段により受け止めることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、回転駆動手段がブレーキ機構付きのリニアモータであることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、回転駆動手段として、ブレーキ機構付きのリニアモータを用いたため、テーブルを回転させて停止させた場合の位置決め精度が高くなるだけでなく、加工ユニットからの推力から発生した分力により、テーブルを回転させようとする力が加わっても、その回転力をリニアモータのブレーキ機構で受け止めることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、直線駆動手段がブレーキ機構付きのサーボモータによるボールネジであることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、直線駆動手段として、ブレーキ機構付きのサーボモータ駆動によるボールネジを用いたため、ボールネジを回転させて停止させた場合の位置決め精度が高くなるだけでなく、加工ユニットからの推力から発生した分力により、テーブルをＹ軸方向に移動させようとする力が加わっても、その力をサーボモータのブレーキ機構で更に確実に受け止めることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、回転駆動手段及び直線駆動手段が架台の上面に配置され、該架台から上方へ向けて中空の門型コラムが固設され、該門型コラムに加工ユニットを支持したことを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、門型コラムに加工ユニットを支持したため、門型コラムの内部に配線や配管（油圧・空圧・水圧）を収納することができ、装置の外観が向上する。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、加工ユニットが門型コラムに対して交換可能であることを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、加工ユニットが交換可能なため、汎用性・転用性が高く、ビルドブロック式の汎用加工セル装置を構成できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。この加工セル装置の架台１は、Ｙ軸方向には長くて、Ｘ軸方向（Ｙ軸方向に直交する方向）には短いフレーム構造で、全体として小型化（スリム化）されている。内部には、図２に示すように、油圧ユニット２や制御盤３が設置されている。架台１の上面部は、図７の断面図に示すように、ベースプレート４と補強板５により形成され、上から高荷重が加わっても耐えられるようになっている。
【００２３】
架台１のＹ軸方向の略中央には、上側に向けて中空の門型コラム６が固設されている。図４に、門型コラム６の概略外観図が示されている。図１に示すように、この門型コラム６の一方側が作業エリアＡで、他方側が排出エリアＢになっている。門型コラム６における左右の支柱には、その作業エリアＡ側にリブ７が形成され、門型コラム６の剛性を高めている。
【００２４】
この門型コラム６の頂部の作業エリアＡ側には、加工ユニット８が設置されている。この加工ユニット８はカシメを行うためのユニットで、図２に示すように、下端のチャック９が上端のスピンドルモータ１０により回転する構造で、そのチャック９にはカシメ加工用のインサート１１が図１３に示すように、角度αで保持されている。加工ユニット８には、図２に示すように、併設されたサーボモータ１２からタイミングベルト１３が巻回され、そのタイミングベルト１３から伝達される駆動力により、全体が大きな推力Ｆで上下方向（Ｚ軸方向）に移動できるようになっている。
【００２５】
この加工ユニット８はカシメ加工用だが、別の加工用のユニットに交換することができる。例えば、溶接ユニット、ネジ切りユニット、グリースユニット、検査ユニット等に交換できる。このように、加工ユニット８が交換可能なため、汎用性・転用性が高く、ビルドブロック式の汎用加工セル装置となっている。加工ユニット８には、その種類に応じて、電気や圧力（油圧・空圧・水圧）等を供給する必要があるが、そのための配線や配管（油圧・空圧・水圧）は、門型コラム６が中空のため、その内部に収納することができる。従って、門型コラム６の周囲に配線や配管が露呈せず、装置の外観が良い。
【００２６】
架台１の上面には、作業エリアＡから排出エリアＢまで、Ｙ軸方向に沿って一対のレール１４が設置されている。また、この一対のレール１４におけるＸ軸方向の片側には、「直線駆動手段」としてのボールネジ１５がレール１４と平行に設置されている。ボールネジ１５の両端は軸受１６にて支持され、排出エリアＢ側の端部がカップリング１７を介してブレーキ機構１８ａ付きのサーボモータ１８に連結されている。従って、ボールネジ１５が高精度で停止すると共に、回転方向に高過重が加わってもボールネジ１５が回転することはない。
【００２７】
一対のレール１４の上部には、スライダ１９（図７参照）を介して、可動ベース２０が上側から載せた状態で摺動自在に係合されている。可動ベース２０は、図６に示すように、中央に円孔２１を有する概略四角形のプレートで、ボールネジ１５に対応する側に突出部２２が形成されている。突出部２２の下面には複数のボールを内蔵したナット２３が固定され、このナット２３をボールネジ１５が貫通している。そして、ボールネジ１５を回転させることにより、可動ベース２０がレール１４上をＹ軸方向に沿って精密に移動する。
【００２８】
可動ベース２０の円孔２１内に「回転駆動手段」としてのリニアモータ２４が設置されている。リニアモータ２４は回転部２５が回転する構造で、その下方にはフランジ２６を介してブレーキ機構２４ａ（図２参照）が一体的に設けられている。このブレーキ機構２４ａはガタの非常に小さいノーバックラッシュタイプのものである。
【００２９】
従って、リニアモータ２４の回転部２５が高精度で停止すると共に、回転方向に高過重が加わっても回転部２５が回転することはない。可動ベース２０の円孔２１周辺には、フランジ２６の四隅に合致する三角凹部２７（図６参照）が形成され、フランジ２６の四隅をこの三角凹部２７内に挿入して固定することにより、フランジ２６の可動ベース２０に対する回転が防止される。
【００３０】
このリニアモータ２４の回転部２５に対して、リニアモータ２４よりも大径のテーブル２８が取付けられる。テーブル２８の裏面中心には、回転部２５に合致する径の円形凹部２９が形成されている。この円形凹部２９内に回転部２５を収納することにより、テーブル２８の中心（この回軸を以下θ軸という）が基本的にリニアモータ２４の回転中心に合致する。尚、テーブル２８のＹ方向位置は、可動ベース２０の一端に設置されたセンサ部３０により検出することができる。
【００３１】
テーブル２８の円形凹部２９には、回転中心の周囲に４個の孔部３１が等間隔で形成され、その孔部３１の間に２個づつ（合計８個）の円形ポケット３２が裏面側から凹設されている。孔部３１内には、リニアモータ２４の回転部２５に固設されたショルダピン３３が挿入されている。ショルダピン３３は大径の頭部３３ａ（図７参照）を有し、孔部３１の端には頭部３３ａを収納する大径部３１ａが形成されている。
【００３２】
リニアモータ２４の回転部２５から上方へ突出したショルダピン３３の頭部３３ａ以外の長さは、孔部３１の大径部３１ａ以外の長さよりも長く、テーブル２８は、孔部３１の上端がショルダピン３３の頭部３３ａの下端に当たる位置まで、リニアモータ２４及びその回転部２５から上方へ、所定間隔Ｄ（図７参照）だけ浮かせることができる。
【００３３】
また、ショルダピン３３の径は、孔部３１の径に相応しており、孔部３１はショルダピン３３に対して上下にスライド可能だが、孔部３１とショルダピン３３との間に水平方向でのガタは全くない。従って、リニアモータ２４の回転部２５を回転させることにより、テーブル２８も上部と一体に回転する。そして、円形ポケット３２内にはコイルスプリング３４が収納され、テーブル２８を前記所定間隔Ｄだけ浮かせた状態にしている。
【００３４】
このテーブル２８の裏面には、リニアモータ２４よりも外側に出た部分に、円形の周溝３５が形成されている。そして、可動ベース２０におけるリニアモータ２４のＸ軸方向両側位置で、テーブル２８の周溝３５の真下には、Ｙ軸方向に沿ったブロック３６、３７がそれぞれ載置状態で固設されている。このブロック３６、３７のうち、土台になる方のブロック３６は、可動ベース２０の上面に形成された縦長凹部３８内に収納され、Ｙ軸方向及びＸ軸方向で移動不能とされている。
【００３５】
小型のブロック３７は、土台となるブロック３６の中央部分を分割した構造で、一対のボルト４０（図８参照）により締結されている。この小型のブロック３７の上面には、ローラ３９が取付けられている。また、可動ベース２０上で、各々のブロック３６より少し離れた個所にもブロックを介してローラ３９が設けられている。
【００３６】
Ｘ軸方向の両側及び少し離れた位置に配置させた４つのローラ３９は、それぞれテーブル２８の周溝３５における内周壁面３５ａに接触し、テーブル２８の回転案内との位置ずれを規制している。尚、ローラ３９を、内周壁面３５ａに接触させる代わりに、それぞれ周溝３５の外周壁面に接触させても、同様の効果が得られる。このローラ３９は、テーブル２８のＸ、Ｙ軸方向(平面上)での位置ずれを規制しているが、テーブル２８のＺ軸方向での移動を規制するものでない。テーブル２８はローラ３９と接した状態でＺ軸方向に移動することができる。
【００３７】
次に、この装置の作用を説明する。カシメ加工が施されるワーク４１は、テーブル２８の上面にとりあえず固定される。この装置では、加工ユニット８の下端のチャック９に保持されたインサート１１の先端が加工ポイントＰ（図１０参照）であり、ワーク４１の加工部位４１ａをこの加工ポイントＰの真下に位置決めする必要がある。テーブル２８の中心は、この加工ポイントＰを通過するＹ軸方向に沿った直線Ｌ上に位置しているが、ワーク４１の加工部位４１ａは必ずしもテーブル２８の中心にあるとは限らない。また、その加工部位４１ａも１箇所に限らず、１つのワーク４１上に多点存在する場合もある。
【００３８】
そこで、まずテーブル２８をθ軸廻りに回転させることにより、Ｘ軸方向での位相ずれ（ｘ）を補正する。即ち、テーブル２８を予め記憶させた加工部位４１ａの位置情報に基づいて、テーブル２８を回転させ、加工部位４１ａを直線Ｌ上に合致させる。テーブル２８の回転させる方向は、加工部位４１ａが近い移動距離となるよう１８０°以内の回転で直線Ｌ上に達する方を選択する。リニアモータ２４でテーブル２８を直接回転させるため、Ｘ軸方向での位置決め速度が速い。
【００３９】
このように、最大でリニアモータ２４を半回転（１８０°）させるだけで、Ｘ軸方向での位置決めが完了するため、格段と位置決め速度が向上する。また、テーブル２８がリニアモータ２４の回転部２５から浮いた状態で、他の部分（例えば、ブロック３６、３７）とも接していないため、テーブル２８をθ軸廻りに回転させることによる加工部位４１ａのＸ軸方向への移動を、何らの抵抗を受けることなく高速で行うことができる。以上のようにＸ軸方向での位置決め速度を向上させることができたために、後述のＹ軸方向での位置決めも含めたトータルとしての位置決め速度の向上を図ることができる。
【００４０】
また、Ｘ軸方向での位置決めをテーブル２８の回転だけで完了でき、従来のようにＸ軸方向に長尺のボールネジを配置する必要がないため、この加工セル装置では、Ｘ軸方向でのサイズを従来よりも小さくすることができ、その結果として、装置全体の小型化（スリム化）を図ることができる。
【００４１】
Ｘ軸方向での位相ずれ（ｘ）を補正した後、加工部位４１ａと加工ポイントＰとのＹ軸方向での位相ずれ（ｙ）を補正することになるが、この位相ずれ（ｙ）のうち、（ｙ１）分は既にテーブル２８の回転により済んでいるので、残りの（ｙ２）分だけボールネジ１５によりテーブル２８を加工ポイントＰ側へ移動させる。この時、ボールネジ１５によるテーブル２８の送りが正確で、ボールネジ１５がサーボモータ１８に一体化されたブレーキ機構１８ａにより精度良く停止するため、加工部位４１ａはＹ軸方向に送られて正確に加工ポイントＰで停止する。
【００４２】
加工部位４１ａが加工ユニット８の真下にくると、次に加工ユニット８がタイミングベルト１３から伝達された駆動力により所定の推力Ｆで下降すると共に、チャック９が加工ユニット８の上部に組み込まれたスピンドルモータ１０により回転する。従って、加工部位４１ａをインサート１１から加わる推力Ｆと回転力により、塑性加工（カシメ加工）することができる。
【００４３】
「カシメ加工」のように、加工ユニット８からワーク４１に対して所定の推力Ｆが加わる場合には、図１１及び図１２に示すように、テーブル２８がコイルスプリング３４の付勢力に抗して下降し、ブロック３６、３７の上部に載った状態となる。従って、加工ユニット８からの推力Ｆをブロック３６、３７、可動ベース２０、レール１４を介して最終的に架台１で受け止めることができる。そのため、カシメ加工に必要な反力を発生させることができる。また、そのような状態において、テーブル２８とリニアモータ２４とは依然離間した状態（図７のＤ＞ｄのため）のままなので、推力Ｆがリニアモータ２４に加わらず、リニアモータ２４の保護を図ることができる。
【００４４】
インサート１１が所定角度（α）だけ傾いているため、インサート１１で加工部位４１ａの加工を行っている間は、ワーク４１を介してテーブル２８に、水平方向での分力ｆｘが発生する。例えば、図１３に示すように、傾き（α）に応じたＸ軸方向での分力ｆｘが発生しても、その分力ｆｘをブロック３７に設けたローラ３９により受け止めることができる。従って、その分力ｆｘがリニアモータ２４の回転部２５に加わるのを防止することができる。
【００４５】
そして、水平分力のうち、Ｙ軸方向に加わる分は、ボールネジ１５とナット２３との螺合により受け止めることができる。しかも、ボールネジ１５を回転させるサーボモータ１８にブレーキ機構１８ａが設けられているため、ボールネジ１５は完全に停止して、Ｙ軸方向での分力を確実に受け止め、その分力がリニアモータ２４の回転部２５に加わるのを防止することができる。
【００４６】
更に、テーブル２８には、図１４に示すように、例えばＸ方向での水平分力ｆｘに起因して、テーブル２８をθ軸廻りに回転させようとする力が加わる。しかしながら、このような回転力に対しても、リニアモータ２４にブレーキ機構２４ａが設けられているため、その回転力をリニアモータ２４に何らの支障を与えることなく、ブレーキ機構２４ａによって受け止めるられる構造になっている。
【００４７】
作業エリアＡにおいてカシメ作業が終了したワーク４１は、テーブル２８ごとボールネジ１５により門型コラム６の下を通過して排出エリアＢ側に送られ、そこでワーク４１が外される。なお、その際ワーク４１の向きを変えながら排出エリアＢ側へ送ることもでき、例えば、Ｙ軸方向の移動軌跡上に加工ユニット等の干渉物が存在しても開扉させることもできる。
【００４８】
【発明の効果】
この発明によれば、ワークの一方の軸（Ｙ軸）方向への移動は、直線駆動手段によりテーブルを直線運動させることにより行うが、直交する他方の軸（Ｘ軸）方向への移動（変位）は、テーブルを回転駆動手段により回転させることにより行うため、他方の軸方向へは長尺の直線駆動手段を配置する必要がなく、その分、装置の小型化（スリム化）を図ることができる。また、回転駆動手段によりテーブルを回転させる構造のため、直線駆動手段でテーブルを送る構造に比べて、直交する他方の軸（Ｘ軸）方向への移動（変位）速度が速く、トータルとしての位置決め速度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加工セル装置を示す平面図。
【図２】加工セル装置を示す正面図。
【図３】加工セル装置を示す側面図。
【図４】門型コラムを示す斜視図。
【図５】テーブル周辺の構造を示す平面図。
【図６】テーブル周辺の構造を示す分解平面図。
【図７】図５中矢示ＳＡ−ＳＡ線に沿う断面図。
【図８】図５中矢示ＳＢ−ＳＢ線に沿う断面図。
【図９】図８中矢示ＳＣ−ＳＣ線に沿う断面図。
【図１０】テーブルによるワークの位置決めを示す説明図。
【図１１】テーブルが浮いた状態を示す断面図。
【図１２】テーブルがブロック上に載った状態を示す断面図。
【図１３】Ｘ軸方向での分力の発生を示す説明図。
【図１４】θ軸廻りでの回転力の発生を示す説明図。
【符号の説明】
１ 架台
２ 油圧ユニット
６ 門型コラム
８ 加工ユニット
１４ レール
１５ ボールネジ（直線駆動手段）
１８ サーボモータ
１８ａ ブレーキ機構
２０ 可動ベース
２４ リニアモータ（回転駆動手段）
２４ａ ブレーキ機構
２５ 回転部
２８ テーブル
３５ 周溝
３５ａ 内周壁面
３６、３７ ブロック
３９ ローラ
４１ ワーク
４１ａ 加工部位
Ａ 作業エリア
Ｂ 排出エリア
α インサートの角度
Ｆ 推力
Ｄ テーブルとリニアモータとの間隔
ｄ テーブルとブロックとの間隔
Ｐ 加工ポイント
Ｌ 直線
ｆｘ Ｘ軸方向への分力

Claims (6)

1. 上下動自在な加工ユニットの加工ポイントに、加工対象としてのワークを位置決めし、該ワークに対して加工を施す加工セル装置であって、
   架台に配置された一対のレールに対して可動ベースを上側から載せた状態で摺動自在に係合させると共に、該可動ベースに直線駆動手段を合わせて該可動ベースをテーブルごと加工ポイントに対して接近・離反するＹ軸方向で直線運動自在に支持し、
   該可動ベースに回転駆動手段を固定し、且つ可動ベースにおける少なくとも回転駆動手段よりもＸ軸方向（Ｙ軸方向に直交する方向）両側位置の上部にブロックを載置状態で固定し、
   テーブルを回転駆動手段の回転部の上側にθ軸廻りで一体的に回動可能で且つ上方へ付勢された状態で回転駆動手段から所定間隔だけ離間させて取付けると共に、テーブルをブロックの上部に対して回転駆動手段に対する所定間隔よりも小さな間隔で離間させ、
   テーブル上のワークに対して加工ユニットから所定の推力が上側から加わった際に、下降するテーブルが回転駆動手段よりもブロックの上部に先当たりすることを特徴とする加工セル装置。
2. 請求項１に記載の加工セル装置であって、
   ブロックの上部に、テーブルの裏面に形成された周壁面と接して該テーブルの回転及び上下移動を許容した状態でＸ軸方向での位置決めをするローラを各々設けたことを特徴とする加工セル装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の加工セル装置であって、
   回転駆動手段が、ブレーキ機構付きのリニアモータであることを特徴とする加工セル装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の加工セル装置であって、
   直線駆動手段が、ブレーキ機構付きのサーボモータによるボールネジであることを特徴とする加工セル装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の加工セル装置であって、
   回転駆動手段及び直線駆動手段が架台の上面に配置され、該架台から上方へ向けて中空の門型コラムが固設され、該門型コラムに加工ユニットを支持したことを特徴とする加工セル装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の加工セル装置であって、
   加工ユニットが門型コラムに対して交換可能であることを特徴とする加工セル装置。

Images